JP2000244010A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分な光透過性が得られしかも不連続な部分
もないように透光性の金属膜をたとえばｐ型層の表面に
形成でき光取り出し効率を更に向上し得るＧａＮ系化合
物半導体発光素子の製造方法の提供を目的とする。 【解決手段】 透光性電極としての金属膜３を半導体発
光素子の積層構造半導体１のたとえばｐ型層の表面に蒸
着形成する半導体発光素子の製造方法であって、金属膜
３を、積層構造半導体１の温度を２０℃以下の温度に保
った状態で金属材料により蒸着形成し、金属膜３の膜厚
を１ｎｍ以上で５ｎｍ以下の範囲とする。また、金属材
料の蒸着レートを０．１ｎｍ／秒以上で０．５ｎｍ／秒
以下の範囲として金属膜３を蒸着形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオードや
レーザダイオード等の光デバイスに利用される青色及び
緑色発光の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造
方法に係り、特に光取り出し効率を向上させるために発
光観測面側に形成されるｐ型の透光性金属膜の形成方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光
発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料と
して多用されるようになり、特に発光輝度の高い青色や
緑色の発光ダイオードの分野での実用化や青紫色のレー
ザダイオードの分野での展開が進んでいる。図３に窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子の概略斜視図を示す。

【０００３】窒化ガリウム系化合物半導体の発光素子
は、その基板として絶縁性であって光透過性のサファイ
アが現在のところ最適なものとして一般に利用され、こ
の基板の上に窒化ガリウムの半導体薄膜層を成長させた
ものである。すなわち、図示のようにサファイアの基板
５０の表面にバッファ層（図示せず）を介して窒化ガリ
ウムのｎ型層５１及びその上に窒化ガリウムのｐ型層５
２をそれぞれ積層形成し、ｐ型層５２の表面の一部をエ
ッチングにより除去してｎ型層５１を露出させている。
そして、この露出したｎ型層５１の表面にｎ側電極パッ
ド５３を形成するとともに、ｐ型層５２の表面にはｐ側
の電極が形成される。ｐ側の電極はｐ型層５２の表面に
直に金属蒸着法によって形成できるが、図示の例では、
ｐ型層５２の表面のほぼ全体に透光性の金属膜５４を形
成し、その一部にｐ側電極パッド５５を形成している。

【０００４】なお、このように透光性の金属膜５４を形
成するのは、次の理由による。窒化ガリウム系化合物半
導体のｐ型層５２は一般に高抵抗であるため、ｐ側の電
極から注入された電流がｐ型層５２で十分に面内で広が
らず、ｐ側の電極の直下でしか発光しない。そこで全面
発光を得るために、ｐ型層５２の全面に電流が注入され
るよう、ｐ側の電極をｐ型層５２表面のほぼ全面に形成
する。そして表面側を主光取り出し面とするときに、光
の取り出し効率を上げるため、このｐ側の電極を透光性
の金属膜５４とする。

【０００５】このように、ｎ側及びｐ側の電極パッド５
３、５５を化合物半導体の表面側に形成した発光素子
は、基板５０をリードフレーム等のマウント部に搭載す
るとともに、ｎ側及びｐ側の電極パッド５３、５５のそ
れぞれにワイヤ（図示せず）をボンディングして実装す
ることで、図において上面側を光取り出し面としたアセ
ンブリによる半導体発光装置として製品化される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ｐ型層５２の表面に形
成される透光性の金属膜５４は、たとえばＡｕ、Ｎｉ、
Ｐｄ等を材料としたものであり、その厚さは光透過性を
持たせるために０．００１μｍ〜１μｍ程度である。こ
の透光性の金属膜５４は、光の透過率が高いほどｎ型層
５１とｐ型層５２との間の活性層からの光の取り出し効
率も高くなるので、先のように薄い膜厚の範囲に現在の
ところでは設定されている。そして、光の透過率を更に
上げて発光効率をより一層向上させるには、透光性の金
属膜５４の厚さを可能な限り薄くすることが有効である
ことは容易に推測される。

【０００７】蒸着による金属膜５４の形成は、まず核が
生成され、その核が成長して島となり、さらに島が大き
くなり島同士が合体して次第に連続した膜となる過程を
経ることが知られている。

【０００８】透光性の金属膜５４も金属蒸着法によって
形成されるので、その膜厚が或る臨界値よりも小さいと
ｐ型層５２の表面に形成される金属膜５４に、島同士が
合体せず孤立して不連続な部分ができ、電気的導通が得
られない領域となり、この領域からの発光が得られず、
発光強度の低下に陥る。

【０００９】また、透光性の金属膜５４の不連続さによ
ってｐ型層５２の表面との間の接触面積も小さくなり、
この分だけ接触抵抗が増加してしまう。このように接触
抵抗が増加すると、素子の駆動電圧が高くなったり発熱
による輝度の低下が起こったりするという問題を生じ
る。

【００１０】このように従来の窒化ガリウム系化合物半
導体を利用した発光素子では、ｐ型層の表面に形成する
透光性の金属膜をより薄くして光取り出し効率を上げよ
うとしても、金属膜に不連続な部分ができてしまい、却
って発光機能やその他の特性を低下させる結果なる。

【００１１】本発明において解決すべき課題は、十分な
光透過性が得られしかも不連続な部分もないように透光
性の金属膜をたとえばｐ型層の表面に形成でき、光取り
出し効率を更に向上し得る窒化ガリウム化合物半導体発
光素子の製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、窒化ガリ
ウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造にお
いて、ｐ型層の表面に形成する透光性の金属膜を十分な
光透過度を持ち且つ不連続とならないようにするための
手法を鋭意検討した。その結果、基板の表面に成長させ
たｎ型及びｐ型の化合物半導体の積層体の温度を２０℃
以下として金属蒸着法により透光性の金属膜を形成すれ
ば、光透過率が高くｐ型層との導通も全域に亘って良好
な製品が得られることを見いだした。

【００１３】すなわち、本発明は、絶縁性の基板の表面
に窒化ガリウム系化合物半導体を積層した積層構造半導
体の表面に、透光性電極としての金属膜を蒸着形成する
半導体発光素子の製造方法であって、前記金属膜を、前
記積層構造半導体の温度を２０℃以下に保った状態で金
属材料により蒸着形成することを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、絶縁性
の基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体を積層した
積層構造半導体の表面に、透光性電極としての金属膜を
蒸着形成する半導体発光素子の製造方法であって、前記
金属膜を、前記積層構造半導体の温度を２０℃以下の温
度に保った状態で金属材料により蒸着形成することを特
徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方
法であり、積層構造半導体のたとえばｐ型層の表面に吸
着した金属原子の移動速度を小さくして核生成密度を大
きくできるので、金属膜を十分な光透過性を持つ厚さで
連続して形成できるという作用を有する。

【００１５】請求項２に記載の発明は、前記金属膜の膜
厚を１ｎｍ以上で５ｎｍ以下の範囲で前記金属材料によ
り蒸着形成することを特徴とする請求項１記載の窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子の製造方法であり、低抵
抗で、且つ透光性の高い金属膜を連続して一様に形成で
きるという作用を有する。

【００１６】請求項３に記載の発明は、前記金属膜を、
前記金属材料の蒸着レートが０．１ｎｍ／秒以上で０．
５ｎｍ／秒以下の範囲で形成することを特徴とする請求
項１または２記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子の製造方法であり、金属膜の核生成密度をより大きく
して光透過性が十分な金属膜を形成できるという作用を
有する。

【００１７】以下に、本発明の実施の形態の具体例を、
図面を参照しながら説明する。

【００１８】図１の（ａ）は窒化ガリウム系化合物半導
体のｐ型層の表面に形成される透光性電極用の金属膜の
蒸着の状況を示す従来の技術の概念図及び同図の（ｂ）
は窒化ガリウム系化合物半導体のｐ型層の表面に形成さ
れる透光性電極用の金属膜の蒸着の状況を示す本発明の
例の概念図である。また、図２は本発明の製造方法に使
用する真空蒸着装置の概略図である。

【００１９】図２において、真空蒸着装置はそのチャン
バを高真空排気用のクライオポンプ８とロータリーポン
プ９に接続し、チャンバ内には化合物半導体を積層した
基板を搭載支持する基板ステージ５と、これに対向配置
した金属材料蒸発源７とを配置している。基板ステージ
５は、たとえば液体窒素やドライアイスとアルコールの
混合物等の冷却剤が入った冷却容器４と接触し、熱伝達
によって冷却される。また、基板ステージ５には、蒸着
時の温度を測定するための熱電対６を取り付けている。

【００２０】基板ステージ５は、窒化ガリウム系化合物
半導体を積層した積層構造半導体１を搭載支持する。こ
の積層構造半導体１は、図３で示したものと同様に、サ
ファイア基板の表面に窒化ガリウムのｎ型層とｐ型層を
順に積層したもので、基板を基板ステージ５に固定する
とともにｐ型層の表面を金属材料蒸発源７側に向けた姿
勢に保持される。なお、この金属材料蒸発源７による金
属の蒸着法としては、電子ビーム加熱法、抵抗加熱法、
スパッタ法の従来周知のものであればよい。

【００２１】このような真空蒸着装置による積層構造半
導体１に対する金属膜の蒸着方法及び蒸着条件は次のと
おりである。

【００２２】まず、基板ステージ５に積層構造半導体１
を取り付けた後、クライオポンプ８及びロータリーポン
プ９によって真空蒸着装置のチャンバ内を高真空排気
し、冷却容器４内に冷却剤を注入する。そして、この冷
却剤による抜熱により、積層構造半導体１の全体が２０
℃以下になるまで冷却される。

【００２３】積層構造半導体１が十分に冷却された後、
金属材料蒸発源７からその蒸着レートを０．１ｎｍ／秒
〜０．５ｎｍ／秒の割合で蒸発させる。この金属材料の
蒸発によって、積層構造半導体１の半導体層の表面に金
属膜が蒸着形成される。この間、金属膜の厚さは、基板
ステージ５の近傍に取り付けられた膜厚モニタにより測
定され、膜厚が１ｎｍ以上、５ｎｍ以下の範囲の所望の
膜厚となったところで蒸着を終了する。

【００２４】このような蒸着条件において、積層構造半
導体１の表面すなわちｐ型層の表面に吸着された金属材
料蒸発源７からの金属原子は、ｐ型層の表面が２０℃以
下の低温であることからこの表面上での移動速度が小さ
くなる。したがって、金属膜の核生成密度が大きくな
り、金属膜が薄い段階で核が成長してできた島が一様に
連なって、１ｎｍ〜５ｎｍの厚さの金属膜が一様に形成
される。

【００２５】すなわち、積層構造半導体１を冷却しない
で真空蒸着装置のチャンバ内の高温の雰囲気温度に曝さ
れている場合では、金属材料蒸発源７からの金属材料が
ｐ型半導体層の表面に吸着されたとき、この表面での金
属原子の移動速度が大きい。このため、金属の核のサイ
ズは大きくなっていくが、核生成密度は小さくなり、核
が成長して出来た島同士の間隔が詰まらない状態で金属
膜が形成される。したがって、図１の（ａ）に示すよう
に、積層構造半導体１の表面には、不定形の隙間ができ
たままの不連続な金属膜２が形成されることになる。こ
れに対し、積層構造半導体１を２０℃以下の低温に保持
した場合では、先に説明したようにｐ型層の表面での金
属原子の移動速度が小さくなり核生成密度が大きくなる
ことから、図１の（ｂ）に示すように核が成長して出来
た島同士の間に隙間がない一様な連続した金属膜３が得
られる。

【００２６】このようにして得られる金属膜３の厚さ
は、１ｎｍ以下であれば積層構造半導体１の温度を２０
℃以下に設定していても、膜厚が薄すぎることから一様
な金属膜として形成できない場合がある。また、連続し
た金属膜として形成できても、その薄さのための抵抗が
大くなり過ぎ、駆動電圧が大きくなる。一方、金属膜３
の厚さが５ｎｍを超えると、光の透過率が低下する傾向
にあり、活性層からの光の取り出し効率に影響する。こ
のことから、積層構造半導体１の表面に形成する金属膜
３の厚さは１ｎｍ〜５ｎｍの範囲とすることが好ましい
といえる。

【００２７】更に、金属材料蒸発源７による単位時間当
たりの蒸着レートも、図１の（ｂ）のように一様に連続
した金属膜３を得るのに重要な条件となり得る。すなわ
ち、積層構造半導体１の表面への蒸発金属の堆積速度が
０．１ｎｍ／秒よりも小さいと、吸着した金属原子の移
動時間は長くなる。このため、金属原子の核生成密度は
小さくなり、先の積層構造半導体１の温度が２０℃以上
の高温の場合と同様に、金属膜が不連続となって形成さ
れてしまう傾向にある。逆に、蒸着レートが０．５ｎｍ
／秒以上であると、金属膜の蒸着形成速度が速くなり過
ぎ、特に金属膜をできる限り薄くしようとする場合に
は、膜厚の制御は困難である。以上のことから、金属材
料蒸発源７からの蒸発金属による蒸着レートは０．１ｎ
ｍ／秒〜０．５ｎｍ／秒の範囲とすることが好ましい。

【００２８】（実施例）以下に、本発明の実施例を具体
的に説明する。

【００２９】サファイア基板の表面に窒化ガリウムのｎ
型層とｐ型層を順に積層した積層構造半導体をアセトン
及びＩＰＡを用いて超音波洗浄を施し、窒素ガスを吹き
付け乾燥させる。次に、バッファードふっ酸に浸漬して
表面の酸化膜を除去し、純水で十分に洗浄を行った後乾
燥させる。これを図２に示す真空蒸着装置の基板ステー
ジ５にｐ型層の表面を金属材料蒸発源７側に向けた姿勢
で、裏面が基板ステージ５に密着するように固定する。

【００３０】次に、真空蒸着装置のチャンバー内をクラ
イオポンプ８及びロータリーポンプ９によって２×１０
^-6Ｔｏｒｒ以下にまで高真空排気する。高真空排気され
た後、冷却容器４内にドライアイスとアルコールの混合
物を注入し、基板ステージ５に取り付けられた熱伝対６
で基板ステージ５の温度を測定し、低温で温度が一定に
なるまで待つ。温度が一定になったときの温度は約−５
５℃であった。更に積層構造半導体１が基板ステージ５
と同じ温度にまで十分冷却されるよう、温度が−５５℃
で一定になってから３０分待つこととした。なお、この
ように高真空排気した後積層構造半導体１及び基板ステ
ージ５を冷却するのは、高真空排気されていないときに
冷却すると積層構造半導体１表面にチャンバー内に残っ
ている大気中の酸素、窒素や水の分子が吸着し、その後
チャンバー内を高真空排気してもこれら吸着した分子が
解離しにくくなり、不純物の吸着した積層構造半導体１
表面に金属膜を形成することになるからである。

【００３１】金属材料蒸発源７は銅製の坩堝に金属膜の
材料が入ったものである。使用した真空蒸着装置には５
つの坩堝が備わっており、回転することによってそれぞ
れの坩堝が電子線の照射位置に移動するようになってい
る。そのうちの２つの坩堝に金属膜の材料として純度９
９．９９％のＮｉと同じく純度９９．９９％のＡｕを入
れた。

【００３２】積層構造半導体１が十分冷却された後、坩
堝の中に入ったＮｉに電子線を照射し、Ｎｉを蒸発させ
た。基板ステージ５近傍に取り付けられた膜厚モニタで
蒸着速度を測定し、蒸着速度が０．２ｎｍ／秒になった
ところで、積層構造半導体１直下の金属製のシャッター
を開けて蒸着を開始し、Ｎｉの膜厚が１ｎｍになったと
ころでシャッターを閉じて蒸着を終える。次に、Ａｕの
入った坩堝を電子線の照射位置に移動させ、同様に、電
子線を照射し蒸着速度０．２ｎｍ／秒になったところで
蒸着を開始し、Ａｕの膜厚が２ｎｍになったところで蒸
着を終了した。電子線で金属材料を加熱し始めてから、
ＮｉとＡｕの蒸着が終了するまでの時間は、１６分から
２０分を要した。この間、基板ステージ５の温度の変化
を測定したところ、蒸発源からの輻射熱により温度が上
昇し始め、Ａｕ膜を蒸着し終える頃には、１０℃から２
０℃にまで達していた。

【００３３】こうして、積層構造半導体１の表面上にＮ
ｉを１ｎｍ、Ａｕを２ｎｍ、合わせて膜厚３ｎｍの金属
膜の蒸着が終了したら、冷却容器４に入った液体窒素を
抜き取り、基板ステージ５の温度が室温に達するまで待
つ。室温に達したら、チャンバーを開け積層構造半導体
１を取り出した。

【００３４】こうして得られた積層構造半導体の表面上
の金属膜を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察したとこ
ろ、所々突出した島状の結晶粒があるものの、隙間の無
い連続した膜となっていた。

【００３５】真空蒸着装置から取り出した積層構造半導
体上の金属膜の上に、フォトリソグラフィーによりレジ
ストをパターニングし、これをマスクとして金属膜をウ
エットエッチングしｐ側透光性電極を形成、溶剤に浸漬
してレジストを除去した。

【００３６】次に、プラズマＣＶＤ法を用いてｐ型層と
ｐ側透光性電極の上に保護膜として二酸化ケイ素膜を１
μｍの厚さで形成し、フォトリソグラフィーによりレジ
ストをパターニングした。これをマスクとして二酸化ケ
イ素膜をウエットエッチングし、溶剤に浸漬してレジス
トを除去した。パターニングされたに酸化ケイ素膜をマ
スクとして、上面が露出されたｐ型層をドライエッチン
グして、ｎ型層の一部を露出させた。

【００３７】次に、フォトリソグラフィーによりｐ側透
光性電極の上一部が開いたレジストパターンを形成し、
ウエットエッチングにより、ｐ側透光性電極の上一部の
二酸化ケイ素膜を除去、レジストを溶剤で除去した。

【００３８】露出されたｎ型層の上にＴｉを０．１μ
ｍ、更にその上にＡｕを１μｍ蒸着し、ｎ側パッド電極
を形成、また、二酸化ケイ素膜の窓より露出したｐ側透
光性電極の上にＡｕを１μｍ蒸着しｐ側パッド電極を形
成した。

【００３９】このようにして得られた半導体発光素子に
２０ｍＡの電流を流し、その発光状態を光学顕微鏡で観
察したところ、全面に亘って一様に発光するのが確認さ
れた。

【００４０】これとは別に、冷却容器４には何も入れず
積層構造半導体を冷却しないこと以外は、上記と同じ条
件で金属膜を蒸着しｐ側透光性電極を形成した半導体発
光素子を作製した。このときの基板ステージ５の温度変
化は、蒸着開始前が約２５℃で、蒸着を開始するとやは
り上昇し始め、蒸着が終了する頃には、１００℃から１
１０℃にまで達した。この素子に、同様に２０ｍＡの電
流を流したところ、その発光状態は、所々に非発光の領
域が観察され、発光強度は冷却して金属膜を蒸着したも
のに比べて大きく低下した。また、蒸着後の金属膜をＡ
ＦＭで観察したところ、島状に孤立した部分がある不連
続な形態をしていた。

【００４１】また、積層構造半導体を冷却し、Ｎｉを２
ｎｍ、Ａｕを５ｎｍ、合わせて７ｎｍの膜厚の金属膜を
蒸着してｐ側透光性電極を形成し、他は全く同じ条件で
作製した半導体発光素子に２０ｍＡの電流を流して発光
させたところ、合わせて３ｎｍの膜厚の金属膜を蒸着し
たものに比べ、約１６％発光強度が小さかった。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、窒化ガリウム系化合物
半導体のｐ型層の表面にｐ側電極として形成する金属膜
を十分な光透過度を持つように薄くしかも一様な連続膜
として形成することができる。したがって、透光性が高
くしかも接触抵抗が小さい透光性電極が得られ、動作電
圧を高くすることなく、電極を一部に含む発光面からの
光取り出し効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）窒化ガリウム系化合物半導体のｐ型層の
表面に形成される透光性電極用の金属膜の蒸着の状況を
示す従来の技術の概念図 （ｂ）窒化ガリウム系化合物半導体のｐ型層の表面に形
成される透光性電極用の金属膜の蒸着の状況を示す本発
明の例の概念図

【図２】本発明の製造方法に使用する真空状蒸着装置の
概略図

【図３】窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の概略斜
視図

【符号の説明】

１ 積層構造半導体 ２ 金属膜 ３ 金属膜 ４ 冷却容器 ５ 基板ステージ ６ 熱電対 ７ 金属材料蒸発源 ８ クライオポンプ ９ ロータリーポンプ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性の基板の表面に窒化ガリウム系化合
   物半導体を積層した積層構造半導体の表面に、透光性電
   極としての金属膜を蒸着形成する半導体発光素子の製造
   方法であって、前記金属膜を、前記積層構造半導体の温
   度を２０℃以下に保った状態で金属材料により蒸着形成
   することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光
   素子の製造方法。
2. 【請求項２】前記金属膜の膜厚を１ｎｍ以上で５ｎｍ以
   下の範囲で前記金属材料により蒸着形成することを特徴
   とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光
   素子の製造方法。
3. 【請求項３】前記金属膜を、前記金属材料の蒸着レート
   が０．１ｎｍ／秒以上で０．５ｎｍ／秒以下の範囲で形
   成することを特徴とする請求項１または２記載の窒化ガ
   リウム系化合物半導体発光素子の製造方法。