JP2003197965A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い光取り出し効率を有する半導体発光素子
を容易に製造することが困難であった。 【解決手段】 基板１の上にｎ型クラッド層７、活性層
８、ｐ型クラッド層９を含む半導体領域２を設ける。半
導体領域３の上に厚さ０．０１μmのＡｌＧａＡｓから
成る第１のコンタクト層１２と厚さ０．０１μmのＧａ
Ａｓから成る第２のコンタクト層１３とを設ける。第２
のコンタクト層１３の表面の中央に電流ブロック層４を
設ける。電流ブロック層４の上に第１の電極５のパッド
部分５ａを設け、第２のコンタクト層１３の上に第１の
電極５の細状部分５ｂを設ける。第１の電極５をコンタ
クト層１３に合金化しないチタンから第１の金属層１４
とボンディング性の良い金から成る第２の金属層１５と
で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード等
の半導体発光素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオード即ちＬＥＤは、発光機能
を有する複数の半導体層を含む発光用半導体領域と、こ
の発光用半導体領域に接続された第１及び第２の電極と
を有する。発光ダイオードは、更に第１の電極のオーミ
ック接触を良好に達成するためにコンタクト層を有す
る。このコンタクト層は発光用半導体領域と第１の電極
との間に配置されている。発光ダイオードは、更に例え
ば特開平９−３６４３１号公報に記載されているように
電流ブロック層を有する。この電流ブロック層はコンタ
クト層の表面の中央に配置されている。従って、発光ダ
イオードの中央部を流れる電流が抑制され、発光ダイオ
ードの周辺部を流れる電流の割合が大きくなる。第１の
電極は、コンタクト層の露出表面の一部と電流ブロック
層の少なくとも一部とに形成される。コンタクト層上に
おける第１の電極は、光の取り出しに対する妨害を少な
くするために細状パタ−ンに形成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の発光
ダイオードにおけるコンタクト層上に形成する第１の電
極は、例えば、Ａｕ−Ｚｕ層とＭｏ層とＡｕ層との積層
構造、又はＡｕ−Ｚｎ層又はＡｕ−Ｂｅ層から成る。従
来のいずれの電極構造であっても、コンタクト層に接触
する部分の電極材料は例えば約４００℃の比較的低い温
度の熱処理でコンタクト層に容易にオーミック接触（コ
ンタクト）するものであり、且つコンタクト層と合金化
反応を起こすものである。電極材料と半導体との合金化
がコンタクト層よりも深く進むと、第１の電極の低い抵
抗接触が不可能になる。このため、従来の発光素子のコ
ンタクト層の厚みは０．１μm以上である。しかし、コ
ンタクト層において光吸収が生じる。コンタクト層が例
えば厚さ０．１μmのＧａＡｓ（ガリウム砒素）層の場
合には、波長５６０nmの純緑色において約５０％の光吸
収が生じる。このため、コンタクト層の全てを残す構造
の発光ダイオードの発光効率はさほど高くない。

【０００４】上記の問題を解決するために、コンタクト
層における第１の電極の細状部分によって覆われていな
い部分をウエット（湿式）エッチングによって除去する
ことが考えられる。このようにコンタクト層の電気的接
続に寄与しない部分を除去すると、コンタクト層におけ
る光吸収が少なくなり、光取り出し効率が向上する。と
ころが、コンタクト層を等方性のウエットエッチング法
で選択的に除去すると、エッチングがコンタクト層の厚
み方向即ち垂直方向に進むと同時に横方向にも進み、第
１の電極の細状部分の下のコンタクト層もある程度除去
される。このため、第１の電極とコンタクト層との間の
電気的接続状態のバラツキが生じ、複数の発光ダイオー
ドの相互間における光出力及び順方向電圧Ｖ_f等のバラ
ツキが生じた。また、第１の電極の細状部分がコンタク
ト層から剥れる恐れがあった。異方性のドライエッチン
グ技術を使用してコンタクト層のエッチングを行うこと
が考えられるが、異方性のドライエッチングを採用する
と、製造コストが高くなる。

【０００５】そこで、本発明の目的は、特性のバラツキ
を抑制することができ且つコストの低減を図ることがで
きる半導体発光素子及びその製造方法を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、上記
目的を達成するための本発明は、発光機能を得るための
複数の半導体層を含んでいる半導体領域と、前記半導体
領域の一方の主面に形成されたコンタクト層と、前記コ
ンタクト層の表面の一部に配置された電流ブロック層
と、前記コンタクト層の表面の一部及び前記電流ブロッ
ク層の表面の少なくとも一部に配置され且つ金よりも高
い融点を有する材料から成り且つ前記コンタクト層と合
金化反応を起こさないように形成された第１の金属層と
前記第１の金属層の上に配置され且つ前記第１の金属層
よりも低い融点を有している材料で形成された第２の金
属層とから成る第１の電極と、前記半導体領域の他方の
主面に電気的に接続された第２の電極とを備えた半導体
発光素子に係るものである。

【０００７】なお、請求項２に示すように、前記第１の
金属層はチタンから成り、前記第２の金属層は金から成
ることが望ましい。また、請求項３に示すように、前記
コンタクト層は０．００１μm〜０．０９μmの範囲の厚
さを有していることが望ましい。また、請求項４に示す
ように、前記コンタクト層は、前記半導体領域の一方の
主面に配置されたＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ、ここでｘは１より
も小さい数値、から成る第１のコンタクト層と、この第
１のコンタクト層の上に配置されたＧａＡｓから成る第
２のコンタクト層とから成ることが望ましい。また、請
求項５に示すように、半導体基板上に発光機能を得るた
めの複数の半導体層を含んでいる半導体領域を形成する
工程と、前記半導体領域の上にコンタクト層を形成する
工程と、前記コンタクト層の表面の一部に電流ブロック
層を形成する工程と、前記電流ブロック層で覆われてい
ない前記コンタクト層の露出部分及び前記電流ブロック
層の表面に、金よりも融点が≡い材料によって前記コン
タクト層と合金化反応を起こさないように第１の金属層
を形成する工程と、前記第１の金属層の上に前記第１の
金属層よりも低い融点を有している材料によって第２の
金属層を形成する工程と、前記コンタクト層の表面の一
部及び前記電流ブロック層の露出部分の一部に前記第１
及び第２の金属層が残存するように前記第１及び第２の
金属層をエッチングによって選択的に除去して第１の電
極を形成する工程と、前記半導体領域に接続された第２
の電極を形成する工程とを有して半導体発光素子を製造
することが望ましい。

【０００８】

【発明の効果】各請求項の発明は次の効果を有する。 （１） 第１の電極の第１の金属層がコンタクト層と合
金化しないので、コンタクト層を薄く形成することが可
能になる。コンタクト層が薄くなると、ここでの光吸収
量が少なくなり、光取り出し効率が高くなる。また、コ
ンタクト層を部分的にエッチングで除去する場合にはこ
の除去を容易に達成できる。 （２） 第１の金属層の上にこれよりも低い融点の第２
の金属層を設けるので、第１の電極に対するワイヤ等の
接続部材の結合を容易に達成することができる。

【０００９】

【実施形態】次に、本発明の実施形態を図１〜図４を参
照して説明する。

【００１０】

【第１の実施形態】図１及び図２に示す第１の実施形態
の３−５族化合物半導体発光素子としての発光ダイオー
ドは、大別して半導体基板１と、発光用半導体領域２
と、コンタクト層３と、電流ブロック層４と、第１の電
極５と、第２の電極６とから成る。この発光ダイオード
の第１及び第２の電極５、６間に順方向電圧が印加され
ると、発光用半導体領域２内で光が発生し、この光がコ
ンタクト層３の第１の電極５を有さない部分から外側に
取り出される。次に各部を詳しく説明する。

【００１１】半導体基板１はｎ型不純物としてのシリコ
ン（Ｓｉ）がドープされたｎ型ＧａＡｓ（ガリウム砒
素）化合物半導体から成る。この基板１のｎ型不純物濃
度は１〜３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００１２】発光用半導体領域２は、基板１の一方の主
面上に配置されており、ｎ型クラッド層７と活性層８と
ｐ型クラッド層９と電流拡散層１０とカバー層１１とか
ら成る。半導体領域２の各層７〜１１は３族と５族の化
合物半導体から成る。

【００１３】ｎ型クラッド層７は、基板１の一方の主面
上に配置され、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ _0.7）_0.5Ｐで示す
ことができるｎ型化合物半導体から成る。このｎ型クラ
ッド層７にはｎ型不純物としてのシリコン（Ｓｉ）が約
４×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度でドープされている。

【００１４】活性層８は、ｎ型クラッド層７の上に配置
され、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.5Ｐここでｘは０≦ｘ
≦０．５を満足する数値、で示すことができる化合物半
導体から成る。この実施形態では活性層８に導電型決定
のための不純物がドープされていない。しかし、活性層
８に例えばｐ型等の不純物をド−プすることもできる。

【００１５】ｐ型クラッド層９は活性層８の上に配置さ
れ、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｐで示すことができ
るｐ型化合物半導体から成る。このｐ型クラッド層９に
は、ｐ型不純物としてＺｎが約４×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度
にドープされている。

【００１６】電流拡散層１０はｐ型クラッド層９の上に
配置されており、Ｇａ_1-yＡｌ_yＡｓ、ここでｙは０＜ｙ
＜１を満足する数値、で示すことができるｐ型化合物半
導体から成る。この実施形態ではｙが０．８５に設定さ
れている。この電流拡散層１０にはｐ型不純物（例えば
Ｚｎ）がドープされている。この電流拡散層１０は電流
に拡がりを与える周知の機能を有する。

【００１７】カバー層１１は電流拡散層１０の上に配置
され、この実施形態ではｐ型のＩｎ_{0. 5}（Ｇａ_0.3Ａｌ
_0.7）_0.5Ｐから成る。このカバー層１１は耐湿構造層と
して機能している。

【００１８】コンタクト層３はカバー層１１の上に順次
に配置された第１及び第２のコンタクト層１２、１３か
ら成る。カバー層１１の上に直接に配置された第１のコ
ンタクト層１２はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ、ここでｘは１より
小さい数値、で示すことができるｐ型化合物半導体であ
る。この実施形態の第１のコンタクト層にはＡｌ_0.4Ｇ
ａ_0.6Ａｓから成る。この第１のコンタクト層１２のｐ
型不純物（例えばＺｎ）の濃度は、ｐ型クラッド層９、
電流拡散層１０及びカバー層１１よりも高い５〜２０×
１０¹⁸ｃｍ^-3である。また、第１のコンタクト層１２の
Ａｌの組成比はカバー層１１のＡｌの組成比よりも小さ
い。光吸収を小さくするために第１のコンタクト層１２
の厚さは０．００１〜０．０５μmであることが望まし
く、０．００１〜０．０１μmであることが更に望まし
い。この実施形態では第１のコンタクト層１２の厚さが
０．０１μmとされている。

【００１９】第１のコンタクト層１２の上に配置された
第２のコンタクト層１３はｐ型のＧａＡｓから成る化合
物半導体である。この第２のコンタクト層１３のｐ型不
純物（例えばＺｎ）の濃度は、ｐ型クラッド層９、電流
拡散層１０及びカバー層１１よりも高い５〜２０×１０
¹⁸ｃｍ^-3である。光吸収を小さくするために第２のコン
タクト層１３の厚さは、０．００１〜０．０９μmの範
囲であることが望ましく、０．００１〜０．０１μmで
あることが更に望ましい。この実施形態の第２のコンタ
クト層１３の厚さは０．０１μmである。第１及び第２
のコンタクト層１２、１３の合計の厚み即ちコンタクト
層３の厚みは０．００２〜０．０９μmであることが望
ましく、０．００２〜０．０２μmであることが更に望
ましい。本発明では第１の電極５がコンタクト層３と合
金化しないので、コンタクト層３を薄く形成することが
できる。

【００２０】電流ブロック層４は円形の平面形状を有
し、コンタクト層３の表面の中央に配置されている。こ
の電流ブロック層４は発光ダイオードの順方向電流を阻
止するためのｎ型化合物半導体であって、ｎ型のＩｎＧ
ａＰから成る。この電流ブロック層４の厚さは0.03μm
である。電流ブロック層４とコンタクト層３との間にＰ
Ｎ接合が形成され、ここで順方向電流が阻止される。

【００２１】第１の電極５は、電流ブロック層４の上に
配置されたパッド部分５ａとコンタクト層３の上に配置
された細状部分５ｂとから成る。パッド部分５ａと細状
部分５ｂとは相互に電気的に接続されている。パッド部
分５ａは図示されていないワイヤをボンディングする部
分である。細状部分５ｂは、帯状部分とも呼ぶことがで
きるものであって、コンタクト層３の表面の一部に環状
又は格子状に配置され、コンタクト層３に電流を供給す
る。細状部分５ｂはコンタクト層３の露出部分の一部の
みに設けられているので、コンタクト層３の残りの部分
から光を取り出すことができる。

【００２２】第１の電極５は、コンタクト層３と合金化
反応を起こさない高融点材料から成る第１の金属層１４
と、ワイヤボンディングを容易に達成することができる
低融点材料の第２の金属層１５とから成る。

【００２３】コンタクト層３に合金化しないように形成
された第１の金属層１４はチタンＴｉから成り、１０nm
の厚みを有している。チタンは半導体との間にショット
キバリアを形成する材料である。しかし、第２のコンタ
クト層１３の不純物濃度が十分に高く設定されているの
で、チタンから成る第１の金属層１４と第２のコンタク
ト層１３との間にショットキバリアは形成されず、抵抗
接触（オーミックコンタクト）となる。第１の金属層１
４の上に配置された第２の金属層１５は第１の金属層１
４よりも融点が低く且つワイヤの接続を良好に達成する
ことができる金属材料から選択され、この実施形態では
Ａｕ即ち金から成る。

【００２４】第２の電極６は、半導体基板１の下面の全
体に形成されている。第２の電極６は基板１に抵抗接触
している。

【００２５】図１及び図２に示す発光ダイオードを製造
する時には、まず、半導体基板１を用意し、例えばＭＯ
ＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌＶａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）等の周知
のエピタキシャル成長法によって、ｎ型クラッド層７、
活性層８、ｐ型クラッド層９、電流拡散層１０、カバー
層１１、第１のコンタクト層１２、第２のコンタクト層
１３、及び電流ブロック層４を順次に形成する。次に電
流ブロック層４を周知のエッチング工程によって所定パ
ターンにエッチングする。次に、電流ブロック層４とコ
ンタクト層３の露出面との全体に真空蒸着法によって第
１の金属層１２のための厚さ１０nmのチタン層を形成す
る。次に、チタン膜の上全体に真空蒸着法によって第２
の金属層１３のための厚さ５００nmの金層を形成する。
次に、周知のフォトリソグラフィ技術によってチタン層
と金層との複合層を図１に示す所定パターンにエッチン
グし、第１の電極５を得る。次に、基板１の下面に例え
ばＡｕ−Ｇｅから成る電極材料を真空蒸着し、約４００
℃の熱処理を１０分間施して第２の電極６を得る。上記
熱処理の温度４００℃は第１の金属層１４がコンタクト
層１３に合金化反応を起こさない温度である。

【００２６】本実施形態は次の効果を有する。 （１） 第１の電極５の第１の金属層１２がチタンから
成り、第２のコンタクト層１３に合金化しない。このた
め、ＧａＡｓから成る第２のコンタクト層１３を極めて
薄い０．０１μmとすることができる。この結果、例え
ば波長５６０nmの純緑色の第２のコンタクト層１３にお
ける光吸収率を６％程度に抑えることができる。従来の
０．１μmのＧａＡｓコンタクト層の光吸収率は約５０
％であるので、本実施形態の構造にすることによってコ
ンタクト層における光吸収を大幅に低減して発光ダイオ
ードの光取り出し効率を高めることができる。 （２） コンタクト層３をウエットエッチングしないの
で、細状部分５ｂの剥れの問題が発生しない。また、多
数の発光ダイオードの製造における順方向電圧のバラツ
キが従来のコンタクト層をエッチングするものに比べて
小さくなる。 （３） 第１の金属層１２の上に低融点の第２の金属層
１３が形成されているので、パット部分５ａに対してワ
イヤを良好にボンディングすることができる。

【００２７】

【第２の実施形態】次に図３に示す第２の実施形態の発
光ダイオードを説明する。但し、図３において図１及び
図２と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその
説明を省略する。図３の発光ダイオードは、基板１とｎ
型クラッド層７との間に光反射特性を有する化合物半導
体から成る光反射層２０を設け、この他は図１及び図２
と同一に構成したものである。

【００２８】光反射層２０は例えばｎ型ＧａＡｓ層とｎ
型のＩｎ_0.5Ａｌ_0.5Ｐ層とを交互に複数回（例えば１０
回）積層したものであり、発光用半導体領域２から第２
の電極６に放射された光を第１の電極５側に反射する機
能を有する。

【００２９】第２の実施形態の発光ダイオードは、第１
の実施形態と同一の効果を有し、更に光反射層２０によ
る発光効率向上効果を有する。

【００３０】

【第３の実施形態】次に、図４に示す第３の実施形態の
発光ダイオードを説明する。但し、図４において図１及
び図２と実質的に同一の部分には同一の符号を付してそ
の説明を省略する。図４の発光ダイオードは変形された
コンタクト層３´を有する他は図２と同一に形成されて
いる。図４の変形されたコンタクト層３´は図２と同様
に第１及び第２のコンタクト層１２、１３を有するが、
第２のコンタクト層１３のパターンのみが図２のコンタ
クト層３と相違している。即ち、図４のＧａＡｓから成
る第２のコンタクト層１３、第１の電極５の細状部分５
ｂ及び電流ブロック層４の下にのみ残存し、その他はエ
ッチングによって除去されている。

【００３１】第２のコンタクト層１３をウエットエッチ
ングする時に横方向のエッチングも生じるが、第２のコ
ンタクト層１３の厚みが０．０１μmであって、極めて
薄いので、横方向のエッチングがさほど問題にならな
い。図４では第１のコンタクト層１２がエッチングされ
ていないが、第２のコンタクト層１３と同様にエッチン
グすることができる。

【００３２】第３の実施形態の発光ダイオードによれ
ば、第２のコンタクト層１３を除去することによって光
の取り出し効率が向上するという効果が得られる。しか
し、第２のコンタクト層１３の細状部分５ｂの下方が少
しはエッチングされるので、細状部分５ｂが図２の場合
よりも剥れ易くなるという欠点及び順方向電圧のバラツ
キが図２の場合よりも大きくなるという欠点がある。従
って、細状部分５ｂの安定性がある程度低下しても差し
支えない場合に図４の実施形態が適用される。

【００３３】

【変形例】本発明は上述の実施例に限定されるものでな
く、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 基板１、半導体領域２、コンタクト層３、電流
ブロック層４の化合物半導体材料を実施形態で説明した
もの以外の３−５族化合物半導体とすることができる。 （２） 第１のコンタクト層１２を省いた構造にするこ
とができる。 （３） 細状部分５ｂのパターンを格子状又は網状等に
種々変形できる。 （４） 半導体領域２を構成する複数の層の増減が可能
である。 （５） 図２及び図４において基板１とｎ型クラッド層
７との間に化合物半導体から成るバッファ層を介在させ
ることができる。また、図３の基板１と光反射層２０と
の間にバッファ層を介在させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の発光ダイオードを示
す平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】第２の実施形態の発光ダイオードを示す断面図
である。

【図４】第３の実施形態の発光ダイオードを示す断面図
である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 発光用半導体領域 ３ コンタクト層 ４ 電流ブロック層 ５ 第１の電極 ６ 第２の電極 １４ 第１の金属層 １５ 第２の金属層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M104 AA05 BB10 BB14 CC01 DD34 DD63 FF02 FF13 GG04 5F041 AA03 AA41 CA34 CA37 CA83 CA85 CA92 CA93 CA99

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光機能を得るための複数の半導体層を
   含んでいる半導体領域と、 前記半導体領域の一方の主面に形成されたコンタクト層
   と、 前記コンタクト層の表面の一部に配置された電流ブロッ
   ク層と、 前記コンタクト層の表面の一部及び前記電流ブロック層
   の表面の少なくとも一部に配置され且つ金よりも高い融
   点を有する材料から成り且つ前記コンタクト層と合金化
   反応を起こさないように形成された第１の金属層と前記
   第１の金属層の上に配置され且つ前記第１の金属層より
   も低い融点を有している材料で形成された第２の金属層
   とから成る第１の電極と、前記半導体領域の他方の主面
   に電気的に接続された第２の電極とを備えた半導体発光
   素子。
2. 【請求項２】 前記第１の金属層はチタンから成り、前
   記第２の金属層は金から成ることを特徴とする請求項１
   記載の半導体発光素子。
3. 【請求項３】 前記コンタクト層は０．００１μm〜
   ０．０９μmの範囲の厚さを有していることを特徴とす
   る請求項１記載の半導体発光素子。
4. 【請求項４】 前記コンタクト層は、前記半導体領域の
   一方の主面に配置されたＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ、ここでｘは
   １よりも小さい数値、から成る第１のコンタクト層と、
   この第１のコンタクト層の上に配置されたＧａＡｓから
   成る第２のコンタクト層とから成ることを特徴とする請
   求項１記載の半導体発光素子。
5. 【請求項５】 半導体基板上に発光機能を得るための複
   数の半導体層を含んでいる半導体領域を形成する工程
   と、前記半導体領域の上にコンタクト層を形成する工程
   と、前記コンタクト層の表面の一部に電流ブロック層を
   形成する工程と、前記電流ブロック層で覆われていない
   前記コンタクト層の露出部分及び前記電流ブロック層の
   表面に、金よりも融点が高い材料によって前記コンタク
   ト層と合金化反応を起こさないように第１の金属層を形
   成する工程と、前記第１の金属層の上に前記第１の金属
   層よりも低い融点を有している材料によって第２の金属
   層を形成する工程と、前記コンタクト層の表面の一部及
   び前記電流ブロック層の露出部分の一部に前記第１及び
   第２の金属層が残存するように前記第１及び第２の金属
   層をエッチングによって選択的に除去して第１の電極を
   形成する工程と、前記半導体領域に接続された第２の電
   極を形成する工程と、を有している半導体発光素子の製
   造方法。