JP2005123489A - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 透光率が高い導電酸化物からなる電極を有し信頼性の高い半導体発光素子とする。
【解決手段】 本発明は、第一、第二導電型の窒化物半導体３、６と、該第一および第二導電型の窒化物半導体のうち少なくとも一方と電気的に接続する透光性電極（１０、１１、１２）と、該透光性電極あるいは第一、第二導電型の窒化物半導体のうち少なくとも一方と電気的に接続する第一電極１３および第二電極１４とを有する窒化半導体発光素子において、透光性電極は、含有酸素濃度が膜厚方向に変化している透明導電膜を含むことを特徴とする。さらに、透光性電極は、窒化物半導体の方から順に透明導電膜よりなる第一の層１１と該第一の層より含有酸素濃度が小さい透明導電膜よりなる第二の層１２とからなる。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明は、第一、第二導電型の窒化物半導体３、６と、該第一および第二導電型の窒化物半導体のうち少なくとも一方と電気的に接続する透光性電極（１０、１１、１２）と、該透光性電極あるいは第一、第二導電型の窒化物半導体のうち少なくとも一方と電気的に接続する第一電極１３および第二電極１４とを有する窒化半導体発光素子において、透光性電極は、含有酸素濃度が膜厚方向に変化している透明導電膜を含むことを特徴とする。さらに、透光性電極は、窒化物半導体の方から順に透明導電膜よりなる第一の層１１と該第一の層より含有酸素濃度が小さい透明導電膜よりなる第二の層１２とからなる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体素子に係わり、特に透光性に優れ、且つ窒化物半導体層と良好なオーミック接触を得ることができる電極およびその製造方法に関する。
半導体発光素子は、基板にｐ型半導体層およびｎ型半導体が積層されてなり、ｐ型およびｎ型の窒化物半導体のうち少なくとも一方と電気的に接続する透光性電極と、該透光性電極あるいはｐ型およびｎ型の窒化物半導体と電気的に接続する第一電極および第二電極とを有する。例えば、特許文献１（特開２００１−１９６６３３号公報）に開示される半導体発光素子は、基板の一方の主面に対してｎ型半導体とｐ型半導体が積層されており、該ｎ型半導体およびｐ型半導体に電気的に接続したｎ側パッド電極とｐ側電極とを有する。ここで、ｐ側電極は、ｐ型半導体とオーミック接続した半導体酸化物層および該半導体酸化物層上に形成された透明導電膜よりなる。また、透明導電膜は、透光性を確保するため例えばＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ２O３、およびＳｎＯ２からなる群より選択される導電酸化物とされる。さらに、透明導電膜には外部の導電性ワイヤと接続するためのｐ側パッド電極が形成されている。
なお、本明細書中において電極の構成を表す方法として、記号「／」を用いることとする。例えば、構成Ａおよび構成Ｂを含む電極「Ａ／Ｂ」とは、構成Ａおよび構成Ｂが発光素子の側から構成Ａ、構成Ｂの順に積層されて形成されることを示す。また、本明細書中におけるシート抵抗とは、正方形薄膜の一辺から対辺までの電気抵抗をいい、単位として「Ω／□」を使用する。
しかしながら、酸素を含有する上述の導電酸化物は、透明導電膜に形成されるｐ側パッド電極を構成する金属材料との密着性が悪く、ｐパッド電極が半導体発光素子から剥離することがある。このような剥離は、半導体発光素子の信頼性を低下させる。
そこで、本発明は、透光性に優れた電極を有し信頼性の高い半導体発光素子とすることを目的とする。
以上の目的を達成するために本発明に係る発光素子は、第一、第二導電型の窒化物半導体と、該第一、第二導電型の窒化物半導体のうち少なくとも一方と電気的に接続する透光性電極と、該透光性電極および前記第一、第二導電型の窒化物半導体と電気的に接続する第一電極および第二電極とを有する窒化半導体発光素子において、上記透光性電極は、含有酸素濃度が膜厚方向に変化している透明導電膜を含むことを特徴とする。また、上記透光性電極は、上記窒化物半導体の方から順に透明導電膜よりなる第一の層と、該第一の層より含有酸素濃度が小さい透明導電膜よりなる第二の層とからなることが好ましい。また、透明導電膜は、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）あるいはスズ（Ｓｎ）よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物よりなることが好ましい。このように構成することにより、透光率が高い電極を有し信頼性の高い発光素子を実現することができる。
また、透光性電極は、さらに金属膜を前記窒化物半導体の側に有する。このように構成することにより、透明導電膜を窒化物半導体に直接設ける構成と比較して、透光性電極は、窒化物半導体層と良好なオーミック接続を行うことが容易にできる。
また、上記目的を達成するために本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、含有酸素濃度が膜厚方向に変化するように透明導電膜を成膜することを特徴とする。透明導電膜は、雰囲気中の酸素分圧がそれぞれ異なる複数の工程により成膜される。また、上記窒化物半導体に透光性の金属膜と透明導電膜とを順に成膜し熱処理する第一の工程と、さらに透明導電膜を成膜し、上記第一の工程よりも低い温度で熱処理する第二の工程とを含む。このように構成することにより、透光率が高い電極を有し信頼性の高い半導体発光素子を得ることができる。
本発明は、透光率が高い導電酸化物からなる電極を有し、信頼性の高い半導体発光素子を実現することができる。さらに、本発明にかかる透光性電極は、窒化物半導体層とのオーミック接続にも優れているため、順方向電圧Ｖｆが低い実用的な発光素子を実現できる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための半導体発光素子を例示するものであって、本発明は半導体発光素子を以下に限定するものではない。また、各図面に示す部材の大きさや位置関係などは説明を明確にするために誇張しているところがある。
第一および第二導電型の窒化物半導体と、該第一および第二導電型の窒化物半導体のうち少なくとも一方と電気的に接続する透光性電極、第一電極および第二電極とを有する窒化半導体発光素子において、本発明者らは、種々の実験の結果、透光性電極は、含有酸素濃度が膜厚方向に変化している透明導電膜を含むことを特徴とすることにより上述したような問題を解決するに至った。
即ち、本形態にかかる窒化物半導体発光素子は、基板上に形成されたｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体から成るｎ型層と、ｐ型の不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体から成るｐ型層を順に積層してなる窒化物半導体発光素子である。特に、本形態にかかる窒化物半導体発光素子は、透明導電膜よりなる第一の層および第二の層とがｐ型層の側から順に積層された透光性電極を有する。このように、金属膜を介することなくｐ型層に対して透明導電膜を直接設けることにより、透光性電極の光透過性を高めることができる。さらに、ｎ型層および透光性電極には、ｎ側パッド電極およびｐ側パッド電極がそれぞれ形成されている。なお、本形態における半導体発光素子は、ｐ型層に対して透光性電極を設けるが、他の形態においてｎ型層の側から主に光を取り出す構成とするときはｎ型層に対して透光性電極を設けてよいことはいうまでもない。
また、本形態にかかる別の窒化物半導体発光素子は、半導体層の表面に、透光性の金属膜と、透明導電膜よりなる第一の層、第二の層とが半導体層の側から順に積層された透光性電極を有する。ここで、透光性の金属膜は、酸素を含有する透明導電膜との接続を良好に行うため、一部が酸化されていることが好ましい。このように透光性の金属膜を介して窒化物半導体層と接続することにより、透光性電極は、半導体層と良好なオーミック接続を行うことができる。
ここで、本発明にかかる透光性電極中の含有酸素濃度は、膜厚方向に変化し第一の層より第二の層の方で低いことが特徴である。即ち、本形態における窒化物半導体発光素子の透光性電極は、含有酸素濃度が膜厚方向に変化しており、好ましくはｐ型層の側から徐々に含有酸素濃度が低くなるようにされている。酸素を含有する透光性電極とｐ側パッド電極を構成する金属材料との接続は、透光性電極のうち含有酸素量が比較的少ない側にて行われる。透光性電極のうち含有酸素量が比較的少ない側は、含有酸素量が多い方と比較すると、より金属的な性質を有するため、透光性電極と金属材料により構成されるｐ側パッド電極間の密着性が向上され、ｐ側パッド電極が半導体発光素子から剥離することがなくなる。また、透光性電極は、例えば酸化珪素のような酸素を含有する保護膜により被覆されることがある。このとき、従来のＮｉ／Ａｕような金属膜の透光性電極を保護膜にて被覆したときと比較して、本形態の酸素を含有する透光性電極は、該透光性電極を被覆する保護膜との密着性をも向上させることができる。したがって、本発明は、半導体発光素子の信頼性を向上させ、半導体膜の保護機能も向上させることができる。また、半導体層の側で含有酸素濃度の大きい透光性電極は、半導体発光素子に投入された電流を半導体層全体に拡散させ、透光性電極全体の抵抗を低くすることもできる。
さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、窒化物半導体を有する窒化物半導体発光素子の製造方法において、含有酸素濃度が膜厚方向に変化するように透明導電膜を成膜することを特徴とする。例えば、透明導電膜は、雰囲気中の酸素分圧がそれぞれ異なる複数の工程により成膜される。また、上記窒化物半導体に透光性の金属膜と透明導電膜とを成膜し熱処理する第一の工程と、該第一の工程で成膜された金属膜と透明導電膜に対しさらに透明導電膜を成膜して、上記第一の工程よりも低い温度で熱処理する第二の工程とを少なくとも含むことを特徴とする。また、上記第一の工程において、上記金属膜と透明導電膜は、４５０℃以上６００℃以下の温度で熱処理されることが好ましい。これは、熱処理の温度が４５０℃より低ければ、窒化物半導体と良好なオーミック接触が得られず、６００℃より高いと抵抗が高くなりすぎ素子特性に悪影響を及ぼすからである。また、上記第二の工程における熱処理は、４５０℃以下の温度でなされることが好ましい。これは、第二の工程では、窒化物半導体とのオーミック接触を考慮する必要がなく、比抵抗の低い透明導電膜を得るためである。このように構成することにより、透光率が高く、シート抵抗の低い電極を有する発光素子を得ることができる。以下、本形態の各構成について詳述する。
［半導体発光素子］
本形態に係る半導体発光素子を構成する第一および第二導電型の半導体層としては、種々の窒化物半導体を用いることができる。具体的には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などにより基板上にＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）等の半導体を複数形成させたものが好適に用いられる。また、半導体層の積層構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。また、各層を超格子構造としたり、活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
本形態に係る半導体発光素子を構成する第一および第二導電型の半導体層としては、種々の窒化物半導体を用いることができる。具体的には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などにより基板上にＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）等の半導体を複数形成させたものが好適に用いられる。また、半導体層の積層構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。また、各層を超格子構造としたり、活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
発光素子（以下、「ＬＥＤ」と呼ぶことがある。）は、一般的には、特定の基板上に各半導体層を成長させて形成されるが、その際、基板としてサファイア等の絶縁性基板を用いその絶縁性基板を最終的に取り除かない場合、通常、ｐ電極およびｎ電極はいずれも半導体層上の同一面側に形成されることになる。この場合、フェイスアップ実装すなわち半導体層側を視認側に配置し発光された光を半導体層側から取り出すことも可能であるし、フリップチップ実装すなわち絶縁性基板側を視認側に配置し発光された光を基板側から取り出すことも可能である。もちろん、最終的に基板を除去した上で、フェイスアップ実装或いはフリップチップ実装することもできる。なお、基板にはサファイアに限定されず、例えば、スピネル、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等、公知の部材を用いることができる。また、基板としてＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の導電性基板を用いることによりｐ電極及びｎ電極を対向して配置させることもできる。
［透光性電極］
本形態における発光素子は、透光性電極を有する。本形態における透光性電極は、窒化物半導体層の側から酸化物を含む透明導電膜よりなる第一の層と、該第一の層より含有酸素濃度あるいは比抵抗が小さい、酸化物を含む透明導電膜よりなる第二の層とからなる透光性電極として形成されている。また、本形態における発光素子は、窒化物半導体の表面に透光性の金属膜を形成し、酸化物を含む透明導電膜よりなる第一の層と、該第一の層より含有酸素濃度あるいは比抵抗が小さい酸化物を含む透明導電膜よりなる第二の層とからなる透光性電極を有することとしてもよい。
本形態における発光素子は、透光性電極を有する。本形態における透光性電極は、窒化物半導体層の側から酸化物を含む透明導電膜よりなる第一の層と、該第一の層より含有酸素濃度あるいは比抵抗が小さい、酸化物を含む透明導電膜よりなる第二の層とからなる透光性電極として形成されている。また、本形態における発光素子は、窒化物半導体の表面に透光性の金属膜を形成し、酸化物を含む透明導電膜よりなる第一の層と、該第一の層より含有酸素濃度あるいは比抵抗が小さい酸化物を含む透明導電膜よりなる第二の層とからなる透光性電極を有することとしてもよい。
本形態の発光素子における電極の形成工程において、酸化物を含む透明導電膜よりなる第一の層に対し、該第一の層より含有酸素濃度が小さい酸化物を含む透明導電膜よりなる第二の層を形成する。これは、透光性電極の含有酸素濃度を膜厚方向に徐々に小さくなるようにするためである。また、窒化物半導体と良好なオーミック接続を行うための熱処理温度が高温のため高抵抗となった第一の層に、さらに第二の層を設け、透明導電膜全体の抵抗を下げるためでもある。以下、透光性電極に含まれる各構成について詳述する。
（金属膜）
本形態における透光性の金属膜は、窒化物半導体の表面と酸化物を含む透明導電膜よりなる第一の層との間に設けられ、窒化物半導体と良好なオーミック接触を行うためのものである。金属膜を透光性にするには、例えば金属膜の膜厚の制御により可能である。透光性になる膜厚は金属の種類によっても異なるが、通常０．１μｍ以下の膜厚にすることにより透光性とすることができる。好ましくは５００オングストローム（０．０５μｍ）以下、さらに好ましくは２００オングストローム以下の膜厚にすることにより、金属膜が発光の吸収が少ない優れた透光性を有する。なお透光性とは発光素子の発光波長を電極が透過するという意味であって、必ずしも無色透明を意味するものではない。
本形態における透光性の金属膜は、窒化物半導体の表面と酸化物を含む透明導電膜よりなる第一の層との間に設けられ、窒化物半導体と良好なオーミック接触を行うためのものである。金属膜を透光性にするには、例えば金属膜の膜厚の制御により可能である。透光性になる膜厚は金属の種類によっても異なるが、通常０．１μｍ以下の膜厚にすることにより透光性とすることができる。好ましくは５００オングストローム（０．０５μｍ）以下、さらに好ましくは２００オングストローム以下の膜厚にすることにより、金属膜が発光の吸収が少ない優れた透光性を有する。なお透光性とは発光素子の発光波長を電極が透過するという意味であって、必ずしも無色透明を意味するものではない。
また、金属膜は、ｐ型窒化物半導体の電極となり、かつ透光性の薄膜を形成できる材料であればどのような材料でも良いが、特に亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、ランタン（Ｌａ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、イットリウム（Ｙ）よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む金属または合金またはそれらの酸化物が好ましい。これらの金属または合金または酸化物は、窒化物半導体と好ましいオーミック接続が得られ、さらに発光素子の順方向電圧を低下させる上で有用である。その中でも特に、Ｎｉ（ＮｉＯ）および／またはＰｄを窒化物半導体と接する側にすると、窒化物半導体よりなる発光素子の３６０ｎｍ〜６５０ｎｍ付近、望ましくは３８０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長の吸収が少なく、さらに好ましいオーミック接触を得ることができる。また、金属膜の層を上記金属の積層構造としてもよい。積層構造の場合、後に電極を熱的アニールで処理すると、電極材料が金属膜の中で渾然一体となって合金化した状態となる。
本形態における金属膜の膜厚は、１０Å以上１００Å以下であることが好ましい。膜厚が薄いほど透過率がよいからである。また、金属膜および第一の層が、４５０℃以上の温度で熱処理されていることが好ましい。なぜなら、金属膜及び第一の層がｐ型窒化物半導体層と好ましいオーミック接続が得られるからである。ここで、膜厚がＮｉ（３０Å）／ＩＴＯ（１０００Å）の場合は、５００℃がよいが、Ｎｉ（１００Å）／ＩＴＯ（２５００Å）の場合は、５２５から５５０℃、大気中の場合は、６００℃位がよい。温度が低すぎると、Ｎｉが酸化されないため、透過率の低下や、オーミック特性の悪化等が見受けられるからである。
（第一の層）
本形態における第一の層は、透光性電極の窒化物半導体層側に設けられ、第一の層単独で、あるいは金属膜とともに窒化物半導体層と好ましいオーミック接続をし、透光性電極に投入された電流を半導体層側に拡散させる。また、第一の層は、半導体発光素子からの光を効率よく取り出せるように高い透光性を有する。そのため第一の層は、酸素を含む透明導電膜とする。酸素を含む透明導電膜には数々の種類があるが、特に好ましくは亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物よりなることを特徴とする。具体的には、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ（ＩｎとＳｎの複合酸化物）等で示されるＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ等の酸化物を含む透明導電膜を形成することが望ましい。この透明導電膜よりなる第一の層の厚さは特に限定するものではなく、数オングストローム〜数μｍの厚さで形成可能である。特に、金属膜にとともに設けられる第一の層の膜厚は、１００Åから５０００Åとすることが好ましい。なぜなら、１０００Åでオーミック性が確認され、厚くするとアニール温度が上昇する傾向にあるからである。
本形態における第一の層は、透光性電極の窒化物半導体層側に設けられ、第一の層単独で、あるいは金属膜とともに窒化物半導体層と好ましいオーミック接続をし、透光性電極に投入された電流を半導体層側に拡散させる。また、第一の層は、半導体発光素子からの光を効率よく取り出せるように高い透光性を有する。そのため第一の層は、酸素を含む透明導電膜とする。酸素を含む透明導電膜には数々の種類があるが、特に好ましくは亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物よりなることを特徴とする。具体的には、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ（ＩｎとＳｎの複合酸化物）等で示されるＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ等の酸化物を含む透明導電膜を形成することが望ましい。この透明導電膜よりなる第一の層の厚さは特に限定するものではなく、数オングストローム〜数μｍの厚さで形成可能である。特に、金属膜にとともに設けられる第一の層の膜厚は、１００Åから５０００Åとすることが好ましい。なぜなら、１０００Åでオーミック性が確認され、厚くするとアニール温度が上昇する傾向にあるからである。
（第二の層）
本形態における第二の層は、上述の第一の層に形成され、投入された電流を電極全体に拡散させ、電極全体の抵抗をさらに低くする。さらに、第二の層に対して設けられ、金属材料により構成されるパッド電極との接続を良好にする。そのため第二の層は、酸素を含む透明導電膜とし、熱処理温度や雰囲気中の酸素分圧が第一の層と異なるように適宜調節して成膜することにより、酸素含有量が第一の層より低く、さらに比抵抗も小さくなるようにしてある。例えば、第一の層および第二の層を成膜するための材料をＩＴＯとした透光性電極は、熱処理後の第二の層における含有酸素濃度が第一の層における含有酸素濃度より低い。ここで、透明導電膜の酸素含有濃度が膜厚方向に変化していることは、例えばＳＩＭＳによる分析により明らかとなる。ＳＩＭＳとは、Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer(あるいはSpectrometry)の略語（二次イオン質量分析計(あるいは分析法)）である。ＳＩＭＳでは試料に一次イオンビームを照射して、質量分離された二次イオンの数を数えることによって、試料の化学組成や同位体組成、特に深さ方向の組成変化を知ることができる。また、比抵抗の測定は、四端子法や四探針法により行うことができる。
本形態における第二の層は、上述の第一の層に形成され、投入された電流を電極全体に拡散させ、電極全体の抵抗をさらに低くする。さらに、第二の層に対して設けられ、金属材料により構成されるパッド電極との接続を良好にする。そのため第二の層は、酸素を含む透明導電膜とし、熱処理温度や雰囲気中の酸素分圧が第一の層と異なるように適宜調節して成膜することにより、酸素含有量が第一の層より低く、さらに比抵抗も小さくなるようにしてある。例えば、第一の層および第二の層を成膜するための材料をＩＴＯとした透光性電極は、熱処理後の第二の層における含有酸素濃度が第一の層における含有酸素濃度より低い。ここで、透明導電膜の酸素含有濃度が膜厚方向に変化していることは、例えばＳＩＭＳによる分析により明らかとなる。ＳＩＭＳとは、Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer(あるいはSpectrometry)の略語（二次イオン質量分析計(あるいは分析法)）である。ＳＩＭＳでは試料に一次イオンビームを照射して、質量分離された二次イオンの数を数えることによって、試料の化学組成や同位体組成、特に深さ方向の組成変化を知ることができる。また、比抵抗の測定は、四端子法や四探針法により行うことができる。
透光性電極を構成する層の中に酸素原子を含ませるには、酸素原子を含有させる層を形成した後、酸素を含む雰囲気にて熱処理すればよい。あるいは、反応性スパッタリング、イオンビームアシスト蒸着等により、それぞれの層に酸素原子を含有させることができるが、工程の容易さ等から熱処理が最も優れている。
第二の層に含まれる酸化物には数々の種類があるが、特に好ましくは亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物よりなることを特徴とする。具体的にはＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ（ＩｎとＳｎとの複合酸化物）を挙げることができる。ここで、第二の層の材料は、第一の層と同じ材料に限定されないことは言うまでもない。例えば、第二の層の屈折率を第一の層の屈折率より段階的に小さくすることにより、発光素子からの光の取り出しを向上させることができる。
透明導電膜を構成する第二の層の厚さは特に限定するものではなく、数オングストローム〜数μｍの厚さで形成可能である。特に、本形態における第二の層の膜厚は、１０００Åから１００００Åとすることが好ましい。このように第一の層より厚膜に形成することにより、シート抵抗がｎ型半導体層側の抵抗に近づき、発光素子全体の発光分布が良好となる。さらに、第二の層の膜は、金属膜と第一の層の熱処理後成膜され、４５０℃以下の温度で熱処理されていることが好ましい。透光性電極のシート抵抗が低くなり、透過率もよくなるからである。
本発明の透光性電極において、金属膜、第一の層および第二の層を形成するには蒸着、スパッタ等、通常の気相成膜装置を用いることができる。また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、蒸着法、スパッタリング法等、それぞれ異なる成膜方法を使い分け、第一の層、第二の層および金属膜を形成することができる。例えば第一の層は蒸着法によって成膜を行い、第二の層は、スパッタリング法によて成膜を行うことができる。特に、金属膜を介することなく窒化物半導体層に直接第一の層を成膜するときには、蒸着法によることが好ましい。このように、成膜方法を使い分けることにより、膜質が向上し透光性電極と窒化物半導体とのオーミック接続が良好となり、更にコンタクト抵抗を下げることができる。また、金属膜、第一の層および第二の層をパターニングするには、ウェットエッチング、ドライエッチングまたはリフトオフ等のパターニング方法を使い分けることにより行うことができる。
［パッド電極１３、１４］
本形態において、パッド電極は、ｐ型窒化物半導体層側およびｎ型窒化物半導体層側のうち、一方の窒化物半導体層側に設けられた透光性電極（特に、透光性電極のうち含有酸素濃度が比較的低い側）および他方の窒化物半導体層に対して形成される。また本発明にかかる別の実施の形態におけるパッド電極の一部は、透光性電極に設けた貫通孔内に延在させて窒化物半導体層に直接設けたり、あるいは透光性電極の外縁にて窒化物半導体層に直接設けてもよい。このように、パッド電極の一部が窒化物半導体層に直接設けられることによってパッド電極の剥離を防止することができる。
本形態において、パッド電極は、ｐ型窒化物半導体層側およびｎ型窒化物半導体層側のうち、一方の窒化物半導体層側に設けられた透光性電極（特に、透光性電極のうち含有酸素濃度が比較的低い側）および他方の窒化物半導体層に対して形成される。また本発明にかかる別の実施の形態におけるパッド電極の一部は、透光性電極に設けた貫通孔内に延在させて窒化物半導体層に直接設けたり、あるいは透光性電極の外縁にて窒化物半導体層に直接設けてもよい。このように、パッド電極の一部が窒化物半導体層に直接設けられることによってパッド電極の剥離を防止することができる。
パッド電極表面に導電性ワイヤがワイヤーボンディングされ、発光素子と外部電極との電気的接続を図ることができる。あるいは、パッド電極表面にＡｕバンプのような導電部材を配置し、導電部材を介して対向された発光素子の電極と外部電極との電気的接続を図ることができる。
また、ｐ型窒化物半導体層側およびｎ型窒化物半導体層側に形成されるパッド電極は、用いる金属の種類や膜厚が同じ構成とすることが好ましい。このように同じ構成とすることによって、ｐ型窒化物半導体層側およびｎ型窒化物半導体層側同時にパッド電極を形成することができるため、ｐ型窒化物半導体層側およびｎ型窒化物半導体層側別々に形成する場合と比較して、パッド電極の形成の工程を簡略化することができる。本形態におけるパッド電極として、例えば、ｐ型半導体層あるいはｎ型半導体層側からＴｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕのそれぞれをスパッタリングにより順に積層させたＴｉ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕ電極やＷ、Ｐｔ、Ａｕのそれぞれをスパッタリングにより順に積層させたＷ／Ｐｔ／Ａｕ電極（その膜厚として、例えばそれぞれ２０ｎｍ／２００ｎｍ／５００ｎｍ）が挙げられる。パッド電極の最上層をＡｕとすることによって、パッド電極は、Ａｕを主成分とする導電性ワイヤと良好な接続ができる。また、ＲｈとＡｕの間にＰｔを積層させることによって、ＡｕあるいはＲｈの拡散を防止することができる。また、Ｒｈは、光反射性およびバリア性に優れ、光取り出し効率が向上するため好適に用いることができる。
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。図１は、本発明にかかる半導体発光素子の模式的な上面図を示し、図２は、図１における対角線ＸＸ方向の模式的な断面図を示す。以下、図面を参照しながら本実施例にかかる半導体発光素子およびその製造方法について詳述する。
まず、ＭＯＶＰＥ反応装置を用い、２インチφのサファイア基板１の上にＧａＮよりなるバッファ層２を２００オングストローム、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍ、ノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる単一量子井戸構造の活性層４を３０オングストローム、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ型クラッド層５を０．２μｍ、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層６を０．５μｍの膜厚で順に成長させる。
さらにウエハーを反応容器内において、窒素雰囲気とし温度６００℃でアニーリングして、ｐ型半導体層５、６をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウエハーを反応容器から取り出し、最上層のｐ型ＧａＮの表面に所定の形状のマスクを形成し、エッチング装置でマスクの上からエッチングを行い、図２に示すようにｎ型コンタクト層３の一部を露出させる。
次に、ｐ型半導体層の上のマスクを除去し、最上層のｐ型ＧａＮのほぼ全面に金属膜１０としてＮｉを３０Åの膜厚でスパッタする。スパッタ後の金属膜１０は明らかに透明性となっており、サファイア基板１まで透けて観察できた。このように、露出したｐ型半導体層のほぼ全面に金属膜が形成されることにより、電流をｐ型半導体層全体に均一に広げることができる。しかも金属膜は透光性であるので、電極側を発光観測面とすることもできる。Ｎｉからなる金属膜１０を形成後、スパッタにより第一の層１１としてＩＴＯを１０００Åの膜厚で成膜する。ここで、金属膜１０（Ｎｉ）、第一の層１１（ＩＴＯ）共に１００Ｗの低出力で、Ａｒ雰囲気中で成膜を行う。第一の層１１を形成した時点では、金属膜１０（Ｎｉ）、第一の層１１（ＩＴＯ）とも酸素が十分でないため、透過率は低い。また、金属膜１０（Ｎｉ）と第一の層１１（ＩＴＯ）のパターニングは、ウェットエッチングで行う。このようにウェットエッチングで行うことにより、コンタクト抵抗の低い透光性電極とすることができる。
次に、Ｏ２雰囲気中で５００℃にて３０分間熱処理を行う。熱処理後のコンタクト特性は良好なオーミック特性を示す。透過率は９０％程度である。シート抵抗は、２００Ω／□である。熱処理温度が高いためＩＴＯが高抵抗となると思われる。
最後に、ウェットエッチング又はリフトオフによりパターニングを行い、スパッタにより第二の層としてＩＴＯを３０００Åの膜厚で成膜する。さらに、上記Ｏ２雰囲気より酸素分圧が低いＮ２とＯ２の混合雰囲気中において、３００℃にて所定時間熱処理を行うことにより、従来技術と比較してシート抵抗の低いＩＴＯ膜を含む透光性電極が得られる。またここで、熱処理後の第二の層における含有酸素濃度は、熱処理後の第一の層における含有酸素濃度以下となる。
以上の工程により、シート抵抗が６．５Ω／□、透過率８０％程度の高透過率、低抵抗の透光性電極を得ることができる。
第二の層の形成後、第二の層の隅部にＴｉ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕを含むパッド電極１３を７０００Åの膜厚で形成する。なお、このパッド電極１３は透光性ではない。また、パッド電極１３は、導電性ワイヤやバンプを配置する位置からＬＥＤチップの隣接した外縁へ向かって円弧状に延伸する補助電極を有する。このような補助電極は、半導体発光素子に投入された電流を透光性電極全体に拡散させる。
パッド電極１３を形成した後、露出したｎ型半導体層にＴｉ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕを含むｎ電極１４を７０００Åの膜厚で形成し、最後にアニール装置にて４００℃以上で熱処理を施し、電極を合金化させる。なお、アニールにより金属膜１０と第一の層１１と第二の層１２とからなる透光性電極は合金化して渾然一体となった状態となっている。従って、図１では、あえて最表面の電極を第二の層１２と示さず、金属膜、第一の層および第二の層が順不同で含まれるという意味で、透光性電極を１０＋１１＋１２という符号で示している。
以上のようにして、ｎ型コンタクト層３とｐ型半導体層コンタクト層６とに電極を形成したウエハーを、３５０μｍ角のチップ状に切断し、その発光チップのサファイア基板側１をパッケージのような支持体やリード電極と接着し、ワイヤーボンドし、エポキシ樹脂でモールドしてＬＥＤ素子とする。
本実施例は、金属膜、第一の層および第二の層、それぞれの膜厚を変更する他は、上記実施例１と同様にして窒化物半導体発光素子を形成する。また、金属膜、第一の層および第二の層は、上記実施例１と同様にそれぞれＮｉ、ＩＴＯおよびＩＴＯとする。
膜厚がＮｉ（３０Å）／ＩＴＯ（１０００Å）／ＩＴＯ（３０００Å）である三層構造とした場合のシート抵抗は６．５Ω／□である。
また、膜厚がＮｉ（３０Å）／ＩＴＯ（１０００Å）／ＩＴＯ（５０００Å）である三層構造とした場合のシート抵抗は４．５Ω／□である。
このように、本実施例に係る窒化物半導体発光素子は、第一の層、第二の層および金属膜を合わせた電極全体のシート抵抗を１〜１００Ω／□とすることができる。
ところで、比較例として形成した膜厚がＮｉ（６０Å）／Ａｕ（７０Å）の電極の場合は、およそ１０Ω／□であり、膜厚がＮｉ（６０Å）／Ａｕ（２００Å）の電極の場合は、３Ω／□である。また、膜厚がＮｉ（１００Å）／ＩＴＯ（２５００Å）となるようにＮｉ／ＩＴＯの二層構造とした場合のシート抵抗は１から１００Ω／□である。
図５（ａ）に示されるように、本実施例における半導体素子は、発光素子１００がサブマウントに対してフリップチップ実装された複合素子１０３である。発光素子は、透光性基板の主面を発光観測面側に向け、発光素子の同一面側に設けられた正負一対のパッド電極がサブマウントに設けた正負一対の両電極１１２ａ、１１２ｂと対向されバンプ１１４ｂにて接合されている。
サブマウントの一方の主面において、導電性部材により正電極１１２ａと負電極１１２ｂとが絶縁膜１１１により互いに絶縁されている。導電性部材は、銀白色の金属、特に反射率の高いアルミニウム、銀や金あるいはそれらの合金を使用することが好ましい。サブマウント自体の材料は、発光素子を過電圧による破壊から防止する保護素子を構成することができるシリコンが好ましい。あるいは、サブマウントの材料は、窒化物半導体発光素子と熱膨張係数がほぼ等しいもの、例えば窒化アルミニウムが好ましい。このような材料を使用することにより、サブマウントと発光素子との間に発生する熱応力が緩和され、サブマウントと発光素子との間のバンプを介した電気的接続が維持されるため、発光装置の信頼性を向上させることができる。
保護素子には、規定電圧以上の電圧が印加されると通電状態になるツェナーダイオード(zener diode)、パルス性の電圧を吸収するコンデンサ等を用いることができる。図５（ｂ）は、保護素子をツェナーダイオードとしたときの回路図を示す。ツェナーダイオードとして機能するサブマウントは、正電極を有するｐ型半導体領域と、負電極を有するｎ型半導体領域とを有し、発光素子のｐ側電極とｎ側電極に対して逆並列となるように接続される。即ち、発光素子１００のｎ側パッド電極およびｐ側電極が、サブマウントのｐ型半導体領域１１５ａおよびｎ型半導体領域１１５ｂに設けられた正電極１１２ａおよび負電極１１２ｂとそれぞれバンプ１１４ｂにより電気的および機械的に接続される。さらに、サブマウントに設けられた正負両電極１１２ａ、１１２ｂは、導電性ワイヤ２５０によってリード電極のような外部電極と接続されている。なお、発光素子が搭載されているサブマウントの主面に対向する面に、ｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域のうち何れか一方、例えばｐ型半導体領域１１５ａと極性を同じくする裏面電極１１４ａを設け、導電性ワイヤ２５０を介することなく、リード電極と直接導通をとることもできる。
このように、サブマウントにツェナーダイオードの機能を持たせることにより、電極間に過大な電圧が印加された場合、その電圧がツェナーダイオードのツェナー電圧を超えると、発光素子の正負両電極間はツェナー電圧に保持され、このツェナー電圧以上になることはない。従って、発光素子間に過大な電圧が印加されるのを防止でき、過大な電圧から発光素子を保護し、素子破壊や性能劣化の発生を防止することができる。ここで仮に、発光素子と保護素子のそれぞれをパッケージ等にダイボンドした後、導電性ワイヤにて外部電極と接続する構成とすると、導電性ワイヤのボンディング数が増えるために生産性が低下する。また、導電性ワイヤ同士の接触、断線等の発生する危険性が増えるため、発光装置の信頼性の低下を招く恐れがある。一方、本実施例における発光装置においては、導電性ワイヤをサブマウントに設けた正負両電極に接続するだけでよく、発光素子に導電性ワイヤをボンディングする必要がないため、上述したような問題が生じず信頼性の高い発光装置とすることができる。
発光素子のｐ側電極およびｎ側電極は、サブマウントの同一面側に形成された正負両電極にそれぞれ対向させて機械的に固定される。まず、サブマウントの正負両電極１１２ａ、１１２ｂに対し、Ａｕからなるバンプ１１４ｂを形成する。次に、発光素子１００のパッド電極とサブマウントの電極とをバンプ１１４ｂを介して対向させ、荷重、熱および超音波をかけることによりバンプ１１４ｂを溶着し、発光素子１００の電極とサブマウントとの電極とを接合する。なお、バンプの材料として、Ａｕの他、共晶ハンダ（Ａｕ−Ｓｎ）、Ｐｂ−Ｓｎ、鉛フリーハンダ等を用いることもできる。また、発光素子のパッド電極の形状や大きさは、設置するバンプの大きさや数により適宜選択される。したがって、実施例１のような補助電極を有する形状に限定されることはない。
さらに、サブマウントをパッケージのような支持体やリード電極上にＡｇペーストを接着剤として固定し、導電性ワイヤにてリード電極とサブマウントの電極とを接続して発光装置とする。
図３は、本発明にかかる半導体発光素子を用いた発光装置の模式的な上面図を示し、図４は、図３における対角線方向の模式的な断面図を示す。以下、図面を参照しながら本実施例にかかる半導体発光素子および発光装置について詳述する。
放熱性のよいマウント基板５００上に、絶縁性の材料５０１として例えばＳｉＯ２を形成し、その上に例えばＡｌやＡｌを含む合金等の第１の金属膜５０２と第２の金属膜５０３を、第１の金属膜を第２の金属膜が囲むように形成する。同一面側にｎ電極６０２およびｐ電極６０３が形成された２以上の窒化物半導体発光素子６０１をｎ電極６０２が第１の金属膜５０２と接するように、ｐ電極６０３が第２の金属膜と接続するように形成する。ここで、第１の金属膜５０２に接続する電極はｐ電極６０３で、第２の金属膜５０３に接続する電極はｎ電極６０２であってもよい。すなわち、複数の窒化物半導体発光素子が一つの金属膜に同じ導電型で接していればよい。また第１の金属膜５０２と第２の金属膜５０３は、お互いが接していなければよく、図３に示されるように、第１の金属膜５０２が正方形であり、第２の金属膜５０３が正方形の第１の金属膜と等間隔で離間した形状の場合や、第１の金属膜が円形であり、第２の金属膜が円形の第１の金属膜と等間隔で離間したような形状の場合でもよい。
また第１の金属膜５０２とｎ電極６０２、および第２の金属膜５０３とｐ電極６０３は、３５０℃で形成された少なくともＡｕとＳｎを含んでなる共晶合金５０５によって接合されている。共晶合金は窒化物半導体素子側面に回り込まない程度として５μｍ以下となるように形成する。
複数の窒化物半導体発光素子が第１の金属膜と第２の金属膜に接続された状態で、さらに樹脂５０４を注入することで保護し、窒化物半導体発光装置を得る。
以上のように、複数の窒化物半導体発光素子をフリップチップでマウント基板上に形成することによって、複数の窒化物半導体発光素子が等電位で実装でき、フェイスアップで実装するよりも、窒化物半導体発光装置の小型化が図れる。また接合に共晶合金を用いることで、小型化にしても比較的発光面積を大きく取ることができる。また、第１の金属膜と第２の金属膜の膜厚を調節することで、素子の発光面を水平としたり、水平から傾斜して設けたりすることが容易にできる。
本発明の発光素子を例えばフルカラーＬＥＤディスプレイ、ＬＥＤ信号機、道路情報表示板等のＬＥＤデバイスに使用すると、低消費電力で明るいデバイスが実現でき、その産業上の利用価値は大である。
１・・・サファイア基板
２・・・バッファ層
３・・・ｎ型コンタクト層
４・・・活性層
５・・・ｐ型クラッド層
６・・・ｐ型コンタクト層
１０・・・金属膜
１１・・・第一の層
１２・・・第二の層
１３、１４・・・パッド電極
６０２・・・ｎ電極
１００・・・発光素子
１０３・・・複合素子
１１１・・・絶縁膜
１１２ａ・・・正電極
１１２ｂ・・・負電極
１１３ａ、１１３ｂ・・・ボンディング領域
１１４ａ・・・裏面電極
１１４ｂ・・・バンプ
１１５ａ・・・ｐ型半導体領域
１１５ｂ・・・ｎ型半導体領域
２５０・・・導電性ワイヤ
５００・・・マウント基板
５０１・・・絶縁性の材料
５０２・・・第一の金属膜
５０３・・・第二の金属膜
５０４・・・樹脂
５０５・・・共晶合金
６０１・・・窒化物半導体発光素子
６０３・・・ｐ電極
２・・・バッファ層
３・・・ｎ型コンタクト層
４・・・活性層
５・・・ｐ型クラッド層
６・・・ｐ型コンタクト層
１０・・・金属膜
１１・・・第一の層
１２・・・第二の層
１３、１４・・・パッド電極
６０２・・・ｎ電極
１００・・・発光素子
１０３・・・複合素子
１１１・・・絶縁膜
１１２ａ・・・正電極
１１２ｂ・・・負電極
１１３ａ、１１３ｂ・・・ボンディング領域
１１４ａ・・・裏面電極
１１４ｂ・・・バンプ
１１５ａ・・・ｐ型半導体領域
１１５ｂ・・・ｎ型半導体領域
２５０・・・導電性ワイヤ
５００・・・マウント基板
５０１・・・絶縁性の材料
５０２・・・第一の金属膜
５０３・・・第二の金属膜
５０４・・・樹脂
５０５・・・共晶合金
６０１・・・窒化物半導体発光素子
６０３・・・ｐ電極
Claims (7)
- 第一、第二導電型の窒化物半導体と、該第一、第二導電型の窒化物半導体のうち少なくとも一方と電気的に接続する透光性電極と、該透光性電極および前記第一、第二導電型の窒化物半導体のうち少なくとも一方と電気的に接続する第一電極および第二電極とを有する窒化半導体発光素子において、
前記透光性電極は、含有酸素濃度が膜厚方向に変化している透明導電膜を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記透光性電極は、前記窒化物半導体の方から順に透明導電膜よりなる第一の層と、該第一の層より含有酸素濃度が小さい透明導電膜よりなる第二の層とからなる請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記透光性電極は、さらに金属膜を前記窒化物半導体の側に有する請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記透明導電膜は、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）あるいはスズ（Ｓｎ）よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物よりなることを特徴とする請求項１乃至３に記載の窒化物半導体発光素子。
- 透光性電極を有する窒化物半導体発光素子の製造方法において、
含有酸素濃度が膜厚方向に変化するように透明導電膜を成膜することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記透明導電膜は、雰囲気中の酸素分圧がそれぞれ異なる複数の工程により成膜される請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記窒化物半導体に透光性の金属膜と透明導電膜とを順に成膜し熱処理する第一の工程と、さらに透明導電膜を成膜し、前記第一の工程よりも低い温度で熱処理する第二の工程とを含む請求項５または６に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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