JP2003273401A - 発光半導体素子用透光性電極およびその作製方法 - Google Patents
発光半導体素子用透光性電極およびその作製方法Info
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Abstract
構造の発光半導体素子用の透光性電極とその透光性電極
の作製方法を提供する。 【解決手段】本発明に係わる発光半導体素子用透光性電
極は、p型GaN系化合物半導体の表面に接して形成さ
れ、透光性でかつオーミック接触が得られる、Au、P
t、Pd、Niからなる群より選ばれた、少なくとも1
種類の金属あるいは2種類以上の金属の合金よりなる第
1の層と、該第1の層上に形成された、Ni、Cr、C
o、Zn、Mgよりなる群より選ばれた少なくとも1種
類の金属の酸化物を含む、透光性の金属酸化物よりなる
第2の層とを有する。
Description
用いられる電極に係わり、特にp型GaN系化合物半導
体の表面に接して形成された発光半導体素子用の透光性
の電極とその透光性電極の作製方法に関する。
としてGaN系化合物半導体材料が注目を集めている。
GaN系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとし
て、種々の酸化物基板や III−V族化合物を基板とし
て、その上に有機金属気相化学反応法(MOCVD法)
や分子線エピタキシー法(MBE法)等によって形成さ
れる。サファイア基板等の電気的に絶縁体である基板を
用いた素子では、GaAs、GaP等の半導体基板を使
用した III−V族化合物半導体材料とは異なり、基板裏
面に電極を設けることができない。よって、正、負一対
の電極を発光素子の同じ面に形成する必要がある。
して、横方向への電流拡散が小さいことがある。原因
は、エピタキシャル結晶中に多く存在する基板から表面
へ貫通する転位の存在であることが考えられるが、詳し
いことは判っていない。この特性のため、電極を形成し
て通電発光させた場合でも、発光領域は電極直下に限定
され電極の周囲には広がりにくい。したがって、発光領
域は電極直下に限られ、従来の不透明な電極では発光は
電極そのものに遮られて上方には取り出されず、発光強
度が思うように向上しなかった。
型電極を素子の表面のほぼ全面に形成された非常に薄い
金属よりなる透光性の電極とし、電極を通して上面から
発光を取り出すという素子構造に関する技術が開示され
ている(例えば、特許文献1参照。)。この特許公開公
報には、電極材料として、例えば、Au、Ni、Pt、
In、Cr、Ti等を使用し、蒸着した金属膜を500
℃以上の温度で熱処理することにより、金属の昇華を引
き起こし、膜厚を0.001μm〜1μmと薄くするこ
とにより透光性を持たせることができることが記載され
ている。
薄膜では、金属膜を非常に薄く形成する必要がある。例
えば、透光性の電極としてAuを用いた場合、光の透過
率を30%としたければ膜厚は約25nmに制御する必
要があり、90%の透過率を実現しようとすれば、膜厚
は約2nmにする必要がある。Niを用いた場合には、
透過率30%としたければ膜厚は約13nm、90%と
したければ、約1.5nmとする必要がある。なお、本
明細書において「透光性の電極」とは、電極の下で発生
した発光を電極を通して観察可能である電極を指して用
いることとする。
ては、金属の電極を形成した後オーミック接触を実現す
る目的で熱処理を行うことが必要である。しかし、上記
のような非常に薄い金属薄膜を用いた電極の場合、オー
ミック接触を目的とした熱処理の際に、下地との密着性
よりも金属の表面張力がまさるために金が球状に凝集し
てしまう「ボールアップ」と呼ばれる現象を生じる。ボ
ールアップが発生すると、金の薄膜は随所に隙間や亀裂
を生じ、電気的な連続性を失い、透光性の電極として機
能しなくなる。
先ず第一に金属よりなる電極の膜厚を増やすことが挙げ
られる。しかしながら、膜厚を増加させることは光の透
過率の減少を引き起こす結果となり、電極は透光性を失
ってしまう。本発明は、透光性でかつボールアップを有
効に防止し得る構造の発光半導体素子用の透光性電極と
その透光性電極の作製方法を提供することを目的とす
る。
p型GaN系化合物半導体の表面に接して形成され、透
光性でかつオーミック接触が得られる、Au、Pt、P
d、Niからなる群より選ばれた、少なくとも1種類の
金属あるいは2種類以上の金属の合金よりなる第1の層
と、該第1の層上に形成された、Ni、Cr、Co、Z
n、Mgよりなる群より選ばれた少なくとも1種類の金
属の酸化物を含む、透光性の金属酸化物よりなる第2の
層とを有する発光半導体素子用透光性電極である。また
本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電
極において、特に、Auよりなる第1の層と、Niの酸
化物よりなる第2の層とを有することを特徴とする。
体素子用透光性電極において、特に、前記第2の層と第
1の層との界面近傍の領域において、酸素の組成が第2
の層から第1の層に向かって徐々に減少することを特徴
とする。また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素
子用透光性電極において、特に、前記第2の層に含まれ
る金属酸化物の主成分である金属元素が第1の層中に含
まれていることを特徴とする。
体素子用透光性電極において、特に、前記第1の層の膜
厚が1nm以上500nm以下であることを特徴とす
る。また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用
透光性電極において、特に、前記第2の層の膜厚が1n
m以上1000nm以下であることを特徴とする。
性電極の作製方法は、p型GaN系化合物半導体の表面
に接して透光性でオーミック接触が得られる金属薄膜か
らなる第1の層を形成する第1の工程と、第1の層上に
金属からなる第2の層を形成する第2の工程と、これを
熱処理することによって第2の層を酸化する第3の工程
を有する発光半導体素子用透光性電極の作製方法であ
る。
体素子用透光性電極の作製方法において、特に、前記第
1の工程と第2の工程とを同一装置内で連続して行うこ
とを特徴とする。また本出願に係わる発明は、上記発光
半導体素子用透光性電極の作製方法において、特に、前
記第3の工程を酸素を含む雰囲気内で行うことを特徴と
する。また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子
用透光性電極の作製方法において、特に、前記第3の工
程において、熱処理は温度300℃以上の温度で1分以
上行うことを特徴とする。
透光性電極は、p型GaN系化合物半導体の表面上に形
成された透光性の金属からなる第1の層と、該第1の層
上に形成された、透光性の金属酸化物を含む第2の層と
を有することを特徴とする。GaN系化合物半導体がp
型の場合、半導体に接触させる第1の層を形成する金属
として、熱処理して良好なオーミック接触を得ることが
できるAu、Pt、Pd、Niなどから選ぶことができ
る。また、これらの金属の内の少なくとも2種類を組み
合わせた合金を用いてもよい。また、良好なオーミック
接触を得るため、これらの金属に対してZn、Ge、S
n、Be、Mg等の金属を少なくとも1種類以上不純物
として微量添加した合金を使用しても良い。
比較的透光性に優れかつ金属との密着性に優れる酸化物
である、Ni、Cr、Co、Zn、Mgよりなる群より
選ばれた少なくとも1種類の金属の金属酸化物を用いる
ことができる。特に、その中でも透光性であることが広
く知られているNiO、Cr2 O3 、CoO、ZnO、
MgOなど、またはこれらの金属酸化物に他の金属元素
が共存した酸化物を主成分とすることは有用である。ま
た、酸化物は下地の金属に合わせて、密着性の良いもの
を選ぶことが好ましい。本明細書において「金属酸化
物」という言葉は、金属の酸化数の異なる酸化物の混合
物を指して用いることとし、また、その中には酸化され
ていない金属が含まれていても構わないこととする。し
かし、第2層は透光性を発揮することが特徴であるの
で、組成の異なる酸化物のうち、最も透光性となりやす
い材料が主成分となっていることが有利であることは言
うまでもない。Niを例にとって説明すると、Niの酸
化物としてはNiO、Ni2 O3、NiO2 、Ni3 O4
などが存在することが知られているが、第2層を構成
する材料の組成は、これらの内のどれであっても良い
し、これらの混合物であっても良い。また、酸化されて
いない金属であるNiそのものが含まれていても構わな
い。しかしながら、ここに例示した数種類の酸化物のう
ち、最も有効に透光性を発揮することが知られているの
はNiOであり、第2層としてはNiOが主成分である
ことが有利なことは言うまでもない。
物よりなる第2の層とは、密着性に優れることが好まし
い。そのため、上記発明において、発光半導体素子用透
光性電極は、前記第2の層と第1の層との界面近傍の領
域において、酸素の組成が第2の層から第1の層に向か
って徐々に減少し、金属酸化物を含む組成から金属から
なる組成に、組成が連続的に変化することが望ましい。
また、第1の層内に第2の層に含まれる金属酸化物の金
属成分が含まれていることも、第1の層と第2の層の高
い密着性を実現するためには好適である。第1の層中の
第2の層の成分の濃度は第1の層全体を通して一定でも
構わないし、第2の層との界面から半導体表面に向かっ
て濃度が小さくなっていくように勾配がつけられていて
も構わない。また、第2の層の成分は第1の層全体に含
まれていても良いし、第2層との界面側の一部分だけに
含まれていても良い。
nmから500nmの範囲の膜厚に制御して形成するこ
とが好ましい。その中でも、金属に固有の物性値である
吸光係数から計算して、光の透過率が10%から90%
を実現するような膜厚を採用することが好ましい。ま
た、第2の層の膜厚は透光性を実現し、ボールアップ防
止効果に優れ且つ透光性の良好な、1nmから1000
nmの範囲にすることが好ましい。
び金属からなる第2の層を形成させておき、酸素を含む
雰囲気中で熱処理することにより、表面側の金属からな
る第2の層を酸化する方法によって形成することができ
る。酸素を含む雰囲気とは、酸素ガス(O2 )や水蒸気
(H2 O)等を含む雰囲気である。
は、金属からなる第1の層の上に、Ni、Cr、Co、
Zn、Mgなどの金属からなる第2の層を形成して、こ
れを酸素を含む雰囲気中で温度300℃以上で1分以上
熱処理することにより作製することが出来る。熱処理の
温度及び時間は、酸化させようとする金属に応じて選択
する必要がある。我々の検討によれば、本発明において
使用できる金属では、全般的に300℃以下の温度では
如何に長時間の処理を行ったとしても完全に均一に酸化
することはなかった。処理温度は高い方が安定して金属
を酸化できるため、300℃以上のどのような温度を用
いても良いが、半導体が分解しないような温度とするこ
とは当然である。また、我々の検討によれば、熱処理を
行う時間として1分以下では、上記の範囲で選択される
如何なる高温で処理したとしても完全に均一に酸化する
ことはなかった。よって、熱処理は1分以上行うことが
望ましい。雰囲気ガス中の酸素の濃度は、0以上であれ
ばどのような値をとっても良いが、1ppm以上である
ことが好ましい。
含まれている電極構造を形成するためにも、熱処理によ
って第2の層の成分を第1の層へ拡散させることが有効
である。この時、第2の層を酸化させるための熱処理
を、第2の層の成分を第2の層より第1の層に拡散させ
る熱処理と兼ねることができる。また、第2の層を酸化
させるための熱処理を、半導体と金属からなる第1の層
とのオーミック接触を得るための熱処理と兼ねて実施す
ることが出来る。或いは、第2の層を酸化させるための
熱処理と半導体と金属からなる第1の層とのオーミック
接触を得るための熱処理とを別々の工程で行ってもよ
い。
の抵抗加熱蒸着法の他、電子線加熱蒸着法、スパッタリ
ング法などを用いることができる。また、第1の層と第
2の層は同一装置で連続して形成しても良いし、第1の
層を形成した時点でいったん装置から取り出し、別の方
法によって第2の層を形成しても良いが、密着性の向上
という観点から第1の層と第2の層とは同一装置内で連
続して形成することが好ましい。第1の層の上に第2の
層となる金属の層を順次積層した電極は、例えば蒸着し
たままでは金属光沢を呈する濃い色の膜であるが、熱処
理による酸化により第2の層となる金属の層が金属酸化
物となり透光性を示す。
も良いし、異なっても構わないが、金属層の部分は金属
酸化物で覆われていることがより好ましいことは言うま
でもない。また、金属酸化物よりなる第2の層は金属よ
りなる第1の層を完全に覆って、それよりも大きい領域
を覆うことができるが、反対側の電極と接触しているこ
とは好ましくない。第2層を形成する金属酸化物は、導
電性の材料を用いることも可能であり、導電性の材料を
第2層として用いた場合に第2の層が両側の電極に接触
していると、両側の電極が第2の層を通じて導通してリ
ーク電流を生ずる可能性がある。
極およびその作製方法は、発光半導体素子において電極
から横方向への電流拡散が小さい、p型GaN系化合物
半導体の場合に有効に用いることが出来る。GaN系化
合物半導体は一般にAlGaInNで表すことが出来
る。
光性を有し半導体層にオーミック接触する金属薄膜から
なる第1の層と、第1の層の表面に形成された、透光性
を有し、かつ第1の層と半導体層のオーミック接触を実
現するための熱処理に際して、第1の層のボールアップ
を抑制する、透光性のある金属酸化物を主成分とする第
2の層とから構成される。透光性の金属酸化物からなる
第2の層は、第1の層の保護層として機能する。金属よ
りなる第1の層の保護層として透光性の金属酸化物から
なる第2の層を用いたことにより、第1の層のボールア
ップを防止し半導体とオーミック接触する透光性の電極
を安定して製造することが可能となった。またこの時、
第2の層の主成分として第1の層と密着性の良い材料を
選定したり、第2の層と第1の層との間に酸素の組成勾
配を設けたり、第1の層中に第2の層に含まれる金属を
拡散させたりすることにより、第1の層と第2の層の間
の密着性を向上することができる。この密着性を向上し
た構成により、金属からなる第1の層と金属酸化物から
なる第2の層との剥離を有効に防止することが出来るた
め、発光半導体素子が安定的に生産できる。
透光性電極の作製方法は、半導体とオーミック接触する
金属の薄膜よりなる第1の層と、熱処理によって第2の
層となる金属の層を形成しておき、これを酸素を含む雰
囲気中で熱処理することにより第2の層となる金属の層
を金属酸化物の第2の層とし、透光性を増大させる。こ
れにより、簡便に透光性の電極を製造することができ
る。また、第2の層となる金属の層を酸化するための熱
処理は、第1の層のオーミック接触を実現させるための
熱処理と兼ねることができる。
用透光性電極の一例は、図3の断面図で示すような、サ
ファイア基板上に、AlNをバッファ層として、n型G
aN層、InGaN層、p型AlGaN層、p型GaN
層を順に積層した半導体基板9のp型GaN層上に、A
uからなる第1の層10、Niの酸化物からなる第2の
層11を形成して作製した電極である。なお図3で7は
p側電極ボンディング用パッド、8はn側電極である。
また図2は、図3で示した発光半導体素子用電極の平面
図であり、6で示した部分が本発明に係わる透光性電極
である。
性電極は、次の手順で作製した。初めに、公知のフォト
リソグラフィー技術を用い、p型GaN層上にAuBe
/Au層構造よりなるp側電極ボンディング用パッド7
を形成した。続いて、公知のフォトリソグラフィー技術
及びリフトオフ技術を用いて、p型GaN層上の透光性
電極を形成する領域にのみ、Auからなる第1の層10
およびNiの酸化物からなる第2の層11を形成した。
第1の層10および第2の層11の形成では、まず、半
導体基板9を真空蒸着機に入れ、p型GaN層上に圧力
3×10-6Torrにおいて初めにAuを25nm、続
いて同じ真空室内でNiを10nm蒸着した。AuとN
iを蒸着した基板は、真空室から取り出した後、通常リ
フトオフと呼ばれる手順に則って処理し、図2の6で示
す形状の薄膜を形成した。このようにしてp型GaN層
上には、Auからなる第1の層とNiからなる第2の層
とからなる薄膜が形成された。この薄膜は金属光沢を呈
する暗灰色であり、透光性はほとんど見られなかった。
次に、この基板をアニール炉において熱処理した。熱処
理は、温度を550℃とし、雰囲気ガスとして、1%の
酸素ガスを含むアルゴンを流通して、10分間処理し
た。取り出した基板の透光性電極6は、青味をおびた暗
灰色で、透光性を示していた。なお、この熱処理は電極
と半導体とのオーミック接触を得るための熱処理も兼ね
ていた。
長450nmの光における透過率は45%であった。な
お、透過率は、上記と同じ透光性電極を透過率測定用の
大きさに形成したもので測定した。また、オージェ電子
分光(AES)により、透光性電極の深さ方向の成分分
析を行った。熱処理の前後で透光性電極の膜厚に大きな
変化はなかったが、オージェ電子分光(AES)によっ
てNiからなる第2の層に大量の酸素が取り込まれてお
り、Niの酸化が起きていることが判った。AESによ
り測定した電極の各元素の深さ方向プロファイルを図1
に示す。図1に示した上記の電極の組成の深さ方向プロ
ファイルより、第2の層はNiと酸素を含むNiの酸化
物からなり、第1の層は僅かにNiを含むAuからな
り、第1の層と第2の層との界面近傍の領域には、Oの
濃度が基板方向に向かって小さくなるように組成勾配が
つけられた組成勾配領域が存在することがわかる。
によってNiの酸化物からなる第2の層11を評価した
ところ、図4に示すようなスペクトルを示した。ピーク
の位置から、スペクトルにはNiOの(111)、(2
00)、(220)、(311)面からの回折にそれぞ
れ相当するピーク12、14、16、18が見られ、第
2の層11はNiOのランダムな方向を向いた結晶から
なっていることが判った。また、このスペクトルには、
微弱ながらNiの(111)面からの回折ピーク15も
検出されていた。また、第1の層10を形成するAu
(111)、(220)面からの回折ピーク13、17
も見られた。このことから、NiOの結晶粒の集合体の
中に少量のNiの結晶粒が混在しているものと考えられ
る。このことより、第2の層11はNiOと少量のNi
よりなることが判った。
る部分のn層を露出させ、p側電極の形成に続いて、露
出した部分にAlよりなるn側電極8を形成し、n側電
極8のオーミック接触を形成するための熱処理を行っ
た。このようにして電極を形成したウエハを400μm
角のチップに切断し、リードフレーム上に載置し結線し
て発光ダイオードとしたところ、電流20mAにおける
発光出力が80μW、順方向電圧は3.2Vを示した。
また、2インチφの基板から16000個のチップが得
られ、発光強度が76μWに満たないチップを取り除い
たところ、収率は98%であった。通電発光している状
態の透光性電極を顕微鏡により観察したところ、各チッ
プの透光性電極の発光は均一であり、ボールアップによ
る発光面積の低下は見られなかった。
つ半導体基板に、単層のAu25nmのみからなる透光
性の電極を蒸着装置を用いて形成した。更に、p−Ga
N層とのオーミック接触を実現する目的で、アルゴンガ
ス雰囲気中で550℃において10分間熱処理した。熱
処理後、透光性電極面は透光性が増したように見える
が、金属光沢を失っていた。この半導体基板から作製さ
れた発光ダイオードはボンディング用の電極の直下だけ
が発光し、透光性の電極面には発光が見られなかった。
光学顕微鏡による観察によると、透光性電極として形成
したAuの薄膜はボール状に凝集しており、薄膜として
の連続性を欠いていた。
ップを有効に防止し得る構造の発光半導体素子用の透光
性電極とその透光性電極の形成方法を提供することがで
きる。
に限られるものではなく、例えば、p型半導体に対する
第1の層としてはPt、Pd、Niなどを用いることも
できる。また、第2の層としてはCr、Co、Zn、M
gなどの金属を含む酸化物の層を用いることができる。
よる各元素の深さ方向プロファイルを示した図。
ル。
Claims (11)
- 【請求項1】p型GaN系化合物半導体の表面に接して
形成され、透光性でかつオーミック接触が得られる、A
u、Pt、Pd、Niからなる群より選ばれた、少なく
とも1種類の金属あるいは2種類以上の金属の合金より
なる第1の層と、該第1の層上に形成された、Ni、C
r、Co、Zn、Mgよりなる群より選ばれた少なくと
も1種類の金属の酸化物を含む、透光性の金属酸化物よ
りなる第2の層とを有する発光半導体素子用透光性電
極。 - 【請求項2】Auよりなる第1の層と、Niの酸化物よ
りなる第2の層とを有することを特徴とする請求項1記
載の発光半導体素子用透光性電極。 - 【請求項3】前記第2の層と第1の層との界面近傍の領
域において、酸素の組成が第2の層から第1の層に向か
って徐々に減少することを特徴とする請求項1乃至2記
載の発光半導体素子用透光性電極。 - 【請求項4】前記第2の層を構成する金属酸化物の主成
分である金属元素が第1の層中に含まれていることを特
徴とする請求項1乃至3記載の発光半導体素子用透光性
電極。 - 【請求項5】前記第1の層の膜厚が1nm以上500n
m以下であることを特徴とする請求項1乃至4記載の発
光半導体素子用透光性電極。 - 【請求項6】前記第2の層の膜厚が1nm以上1000
nm以下であることを特徴とする請求項1乃至5記載の
発光半導体素子用透光性電極。 - 【請求項7】p型GaN系化合物半導体の表面に接して
透光性でオーミック接触が得られる金属薄膜からなる第
1の層を形成する第1の工程と、第1の層上に金属から
なる第2の層を形成する第2の工程と、これを熱処理す
ることによって第2の層を酸化する第3の工程を有する
発光半導体素子用透光性電極の作製方法。 - 【請求項8】前記第1の工程と第2の工程とを同一装置
内で連続して行うことを特徴とする請求項7記載の発光
半導体素子用透光性電極の作製方法。 - 【請求項9】前記第3の工程を酸素を含む雰囲気内で行
うことを特徴とする請求項7乃至8記載の発光半導体素子
用透光性電極の作製方法。 - 【請求項10】前記第3の工程において、熱処理は温度
300℃以上の温度で1分以上行うことを特徴とする請
求項7乃至9記載の発光半導体素子用透光性電極の作製方
法。 - 【請求項11】請求項1乃至6記載の発光半導体素子用
透光性電極を備えた発光ダイオード。
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---|---|---|---|---|
JP2005209734A (ja) * | 2004-01-20 | 2005-08-04 | Nichia Chem Ind Ltd | 電極及び半導体発光素子 |
JP2007053372A (ja) * | 2005-08-14 | 2007-03-01 | Samsung Electronics Co Ltd | 窒化物系白色光発光素子及びその製造方法 |
JP2015065205A (ja) * | 2013-09-24 | 2015-04-09 | スタンレー電気株式会社 | 半導体発光素子 |
-
2003
- 2003-04-17 JP JP2003112319A patent/JP2003273401A/ja active Pending
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