JP2005210050A - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明はBメタルとNメタルをTa/Auの二重層に形成して、別途の熱処理工程無しでも常温においてオーミック接触を形成でき外観とワイヤボンディング特性の優れた窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【解決手段】本発明は、窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板11と、上記基板11上に形成されるn型窒化物半導体層12と、上記n型窒化物半導体層12上の少なくとも一部領域が露出するよう上記n型窒化物半導体層12上に形成される活性層13と、上記活性層13上に形成されるp型窒化物半導体層14と、上記p型窒化物半導体層14上にオーミック接触を成すために形成される透明電極層15と、上記透明電極層15上にTa/Auの二重層に形成されるp側ボンディングパッドと、上記n型窒化物半導体層12の露出した一部領域上にTa/Auの二重層に形成されるn側電極とを含む窒化物半導体発光素子を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関するもので、より詳しくは窒化物半導体発光素子の電極であるBメタルとNメタルをTa/Auの二重層に形成することにより、別途の熱処理工程無しでも常温においてオーミック接触を形成することができ、外観とワイヤボンディング特性の優れた窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。
近来、GaNを始め窒化物を用いた窒化物半導体はその優れた物理的、化学的特性に基づき現在光電材料及び電子素子の核心素材として脚光を浴びている。とりわけ、窒化物半導体発光素子は緑色、青色及び紫外領域に至る光を生成でき、技術発展によりその輝度が飛躍的に向上するにつれて総天然色電光板、照明装置などの分野にも適用されている。かかる窒化物半導体はAlInGa(1−x−y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する窒化物半導体物質を使用し、とりわけGaNを用いた半導体発光素子に対する研究が活発に進んでいる。
一般に窒化物半導体発光素子は、基板上に順次に形成されたn型窒化物半導体層、多重井戸構造である活性層及びp型窒化物半導体層を含み、上記p型窒化物半導体層と活性層はその一部領域が除去されn型窒化物半導体層の一部上面が露出した構造を有する。上記露出したn型窒化物半導体層の上面にn側電極(以下、Nメタルともいう)が形成され、上記p型窒化物半導体層上にはオーミック接触を形成し電流注入効率を向上させるための透明電極層(以下、Tメタル層ともいう)を形成した後、上記透明電極層の上面にp側ボンディングパッド(以下、Bメタルともいう)を形成する。
窒化物半導体発光素子の製作に重要な工程の一つはダイオードに電流を流せる電極を形成する工程である。上記のように一般の窒化物半導体発光素子の電極はNメタル、Tメタル、Bメタルから成ることができる。上記Nメタルはn窒化物半導体層と接触してオーミック特性を有しなければならず、上記Tメタルはp窒化物半導体層と接触してオーミック特性を有しなければならず、同時に光を透過できるよう高透過率を有しなければならない。また、Bメタルはワイヤボンディングのためのボンディングパッドに用いるもので、ワイヤボンディングがしっかり施されるようワイヤボンディング特性が良くなければならず、上記Nメタルもn窒化物半導体層とのオーミック特性を有すると同時にボンディング特性が良くなければならない。
従来において、窒化物半導体発光素子の低い駆動電圧と低い接触抵抗(オーミック接触(ohmic contact))特性を具現すべくp型窒化物半導体層と接合する上記Tメタル層はNi/Auの二重層またはITO層を形成した後に熱処理して使用し、上記Tメタル層の上面にワイヤボンディングのためのBメタルをCr/Auの二重層に形成した。また、n側電極であるNメタルはn型窒化物半導体層の露出した上面にTi/Alの二重層に形成して使用した。
上記のような従来の窒化物半導体発光素子において、Bメタル及びNメタルは常温においてオーミック特性が劣るため(接触抵抗が大きいため)優れたオーミック特性を得るためには400℃以上の温度において熱処理する工程が必ず伴われなければならない。したがって、窒化物半導体発光素子の生産工程が複雑になり、製造原価が上昇する問題が発生しかねない。
また、従来の窒化物半導体発光素子において上記BメタルにTi/Alを使用する場合、オーミック特性が大変劣化するのでBメタルにはTi/Auを使用できない。したがって、上記BメタルとNメタルは各々Cr/AuとTi/Alを材料としなければならないので、同時にTメタルとn型窒化物半導体層上に形成することはできない。このように従来ではBメタルとNメタルを形成するための材料を別途設けなければならず、各々別途の工程を通して形成することにより、やはり生産工程が複雑となり、こうして製造原価が上昇する問題が発生しかねない。
さらに、従来のNメタルを形成する材料の一つに用いられるAlはアルカリ溶液などにより損傷され易く、以後の加工工程において容易に損傷され窒化物半導体発光素子の外観不良を起こす問題がある。とりわけ、Alはワイヤボンディング特性が良くないため常時ワイヤボンディング不良を起こしかねない潜在的な問題を抱えている。したがって、当技術分野においてはBメタルとNメタルに同時に使用でき、常温においても優れたオーミック特性を有すると共にワイヤボンディング特性の優れた新たな電極の開発が要求されているのが実情である。
本発明は、上記問題を解決すべく案出されたもので、その目的は、窒化物半導体発光素子の電極であるBメタルとNメタルをTa/Auの二重層に形成することにより、同時にBメタルとNメタルを形成することができ、別途の熱処理工程無しで常温においてもオーミック接触を形成でき、外観不良が改善される共にワイヤボンディング特性の優れた窒化物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。
上記技術的課題を成し遂げるために本発明は、窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板;上記基板上に形成されるn型窒化物半導体層;上記n型窒化物半導体層上の少なくとも一部領域が露出するよう上記n型窒化物半導体層上に形成される活性層;上記活性層上に形成されるp型窒化物半導体層;上記p型窒化物半導体層上にオーミック接触を成すために形成される透明電極層;上記透明電極層上にTa/Auの二重層に形成されるp側ボンディングパッド;及び、上記n型窒化物半導体層の露出した一部領域上にTa/Auの二重層に形成されるn側電極、を含む窒化物半導体発光素子を提供する。好ましくは、上記p側ボンディングパッドは、50Åないし1000Åの厚さを有するTa層及び上記Ta層上に形成され2000Åないし7000Åの厚さを有するAu層から構成することができ、上記n側ボンディングパッドは、50Åないし1000Åの厚さを有するTa層及び上記Ta層上に形成され2000Åないし7000Åの厚さを有するAu層から構成することができる。
また、本発明は上記窒化物半導体素子の製造方法も提供する。上記方法は、窒化物半導体物質を成長させるための基板を用意する段階;上記基板上に、n型窒化物半導体層と、活性層と、p型窒化物半導体層を順次に形成する段階;上記少なくともp型窒化物半導体層と活性層の一部領域を除去して上記n型窒化物半導体層の一部を露出させる段階;上記p型窒化物半導体層上に透明電極層を形成する段階;上記透明電極層上にTa/Auの二重層にp側ボンディングパッドを形成する段階;及び、上記露出したn型窒化物半導体層上にTa/Auの二重層にn側電極を形成する段階、を含む。
上記本発明による窒化物半導体発光素子の製造方法において、上記p側ボンディングパッドを形成する段階と上記n側電極を形成する段階は同時に行われることが好ましい。上記p側ボンディングパッドを形成する段階は、上記p型窒化物半導体層上に電子ビーム蒸発法(E−beam evaporator)によりTa及びAuを順次に蒸着させる段階であることが好ましく、同様に上記n側電極を形成する段階は、上記露出したn型窒化物半導体層上に電子ビーム蒸発法(E−beam evaporator)によりTa及びAuを順次に蒸着させる段階であることが好ましい。かかる本発明による窒化物半導体発光素子の製造方法は上記p側ボンディングパッド及び上記n側電極を400℃ないし600℃において熱処理する段階をさらに含むことができる。
上述したように、本発明によると、窒化物半導体発光素子の電極であるBメタルとNメタルをTa/Auの二重層から形成することにより、2個のメタルを同時に形成でき別途の熱処理工程無しで常温においてもオーミック接触を形成できるので工程の単純化が図れ製造原価を節減できる効果を奏する。また、Alを材料に使用しないので、窒化物半導体発光素子の外観不良を改善でき、それと同時にワイヤボンディング特性の優れた窒化物半導体発光素子を提供できる効果がある。
以下、添付の図を参照しながら本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子及びその製造方法をより詳しく説明する。
図1は本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図である。図1に示したように、本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板(11)と、上記基板(11)上に形成されサファイヤ基板と上部のn型窒化物半導体層との格子不整合を緩和するためのバッファ層(11a)と、上記バッファ層(11a)上に形成されるn型窒化物半導体層(12)と、上記n型窒化物半導体層(12)上の少なくとも一部領域が露出するよう上記n型窒化物半導体層上に形成される活性層(13)と、上記活性層上に形成されるp型窒化物半導体層(14)と、上記p型窒化物半導体層上に形成される透明電極層(15)と、上記透明電極層(15)上にTa/Auの二重層に形成されるp側ボンディングパッド(17)及び上記n型窒化物半導体層の露出した一部領域上にTa/Auの二重層に形成されるn側電極(16)を含む。
上記基板(11)は、サファイヤ基板やSiC基板を用い、とりわけサファイヤ基板が代表的に用いられる。これは上記基板(11)上に成長される窒化物半導体物質の結晶と結晶構造が同一でありながら格子整合を成す商業的な基板が存在しないためである。とりわけ、サファイヤ基板は六角−ロンボ型(Hexa−Rhombo R3c)対称性を有する結晶体としてc軸方向の格子定数が13.001Åを有し、a軸方向には4.765Åの格子間距離を有する。サファイア面方向(orientation plane)にはC(0001)面、A(110)面、R(102)面などがある。上記青色または緑色発光素子用サファイア基板には、C面の場合が比較的GaN薄膜の成長が容易で、SiC基板に比して安価であり高温において安定しているので主に用いられる。
上記バッファ層(11a)は上記基板(11)と基板(11)上に形成されるn型窒化物半導体層との格子不整合を緩和すべく形成されるもので、通常数十nmの厚さを有する低温成長GaNまたはAlN層が用いられる。
上記n型窒化物半導体層(12)はAlInGa(1−x−y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有するnドーピングされた半導体物質から成ることができ、とりわけGaNが広く用いられる。n型窒化物半導体層(12)は、上記半導体物質をMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法またはMBE(Molecular Beam Epitaxy)法のような公知の蒸着工程を用いて基板上に成長させることにより形成される。
上記活性層(13)は量子井戸構造を有しGaNまたはInGaNから成ることができる。
上記p型窒化物半導体層(14)は上記n型窒化物半導体層(12)と同様、AlInGa(1−x−y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する窒化物半導体物質から成り、上記窒化物半導体物質はpドーピングされる。上記n型窒化物半導体層と同様p型窒化物半導体層(14)は、窒化物半導体物質をMOCVD法またはMBE法のような公知の蒸着工程を用いて上記活性層(13)の上面に成長させる。
上記p型窒化物半導体層(14)は不純物ドーピング濃度が低いため接触抵抗が高くオーミック特性が良くないので、オーミック特性を改善するために透明電極層(15)(Tメタルともいう)を上記p型窒化物半導体層(14)上に形成させる。上記透明電極層(15)は比較的高い透過率を有する金属から成ることができ、現在Ni/Auの二重層から構成された透明電極層が広く用いられている。上記Ni/Auの二重層から構成された透明電極層は電流注入面積を増加させながらオーミックコンタクトを形成し順方向電圧(V)を低下させると知られている。
上記n側電極(16)(Nメタルともいう)は上記n型窒化物半導体層(12)の露出した一部領域上にTa/Auの二重層に形成される。上記n側電極(16)は電流供給のためのワイヤボンディングを形成するためにワイヤボンディング特性が良くなければならず、同時に上記n型窒化物半導体層とオーミック接触を形成しなければならない。本発明の発明者はかかるn側電極(16)の特性を満たせる最適な材料を探し出すために実験と研究を繰り返しTa/Auの二重層にn側電極を形成することが最も好ましいとの結果を得た。上記Ta/Auから成るn側電極(16)は公知の電子ビーム蒸発法(E−beam evaporator)により上記p型窒化物半導体層上に50Åないし1000Åの厚さでTa層(16a)を形成した後、上記Ta層上(16a)に2000Åないし7000Åの厚さでAu層(16b)を形成してなることができる。
上記Ta/Auから構成されたn側電極(16)は常温においてもオーミック接触を形成できる特徴がある。従来のTi/Alを使用したn側電極は常温においてオーミック接触を形成できないので高温の熱処理工程を通してオーミック特性を改善しなければならない。しかし、本発明によるTa/Auから成るn側電極は常温においてオーミック接触を形成することができるので、別途の熱処理工程を施さなくてもよい。したがって窒化物半導体発光素子の製造工程を単純化でき、素子の製造単価を節減することができる。また、アルカリ溶液に腐食され易く、工程中損傷され易いAlを使用しないので、窒化物半導体発光素子の外観不良が起こらない利点がある。
上記p側ボンディングパッド(17)は電流供給のためのワイヤボンディングのために形成されるもので、上記n側電極(16)と同様、Ta層とAu層から成る二重層で上記透明電極層(15)上に形成される。上記Ta/Auから成るp側ボンディングパッド(Bメタルともいう)は公知の電子ビーム蒸発法(E−beam evaporator)により上記p型窒化物半導体層上に50Åないし1000Åの厚さでTa層(17a)を形成した後、上記Ta層(17a)上に2000Åないし7000Åの厚さでAu層を形成してなることができる。上記Ta/Auから成るp側ボンディングパッド(17)は上記n側電極(16)と同一な物質から成るので、n側電極と同時に形成することができる。したがって、n側電極とp側ボンディング電極を別途に形成していた従来の製造工程に比べて製造工程を単純化できる利点がある。
上記n側電極(16)とp側ボンディング電極(17)は熱処理工程を施さずとも良好なオーミック特性を有する。しかし、400℃ないし600℃の熱処理を通しても良好なオーミック特性を有することができる。したがって、本発明による窒化物半導体発光素子のn側電極(16)とp側ボンディング電極(17)は400℃ないし600℃の温度において熱処理されてもかまわない。また、AuはAlに比べてワイヤボンディング特性が優れるものと知られている。したがって、本発明に用いられるn側電極及びp側ボンディング電極は従来の電極に比べてワイヤボンディング特性に優れる。
本発明は上記のように構成される窒化物半導体発光素子の製造方法も提供する。本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子の製造方法をやはり図1を参照しながら詳しく説明する。
先ず、窒化物半導体物質を成長させるために基板(11)を用意し、次に上記サファイヤ基板の上にn型窒化物半導体層(12)、活性層(13)、及びp型窒化物半導体層(14)を順次に形成する。上記n型窒化物半導体層(12)、活性層(13)及びp型窒化物半導体層(14)はMOCVD法またはMBE法のような公知の蒸着工程を使用して成長されることができる。
次に、上記n型窒化物半導体層(12)の一部領域が露出するよう上記少なくともp型窒化物半導体層(14)と活性層(13)の一部を除去する。上記n型窒化物半導体層(12)の露出した領域はn側電極が形成される領域とされる。本除去工程による構造物の形状は電極を形成しようとする位置に応じて多様な形態に変更可能で電極形状及び大きさも多様に変形することができる。例えば、本工程は一隅に接する領域を除去する方式によっても具現でき、電流密度を分散させるために電極の形状も辺に沿って延長される構造に形成されることもできる。
次に、上記p型窒化物半導体層(14)上に順次に透明電極層(15)を形成する。上記透明電極層(15)は先述したように、一般にNi/Auの二重層が主に使用され、公知技術の電子ビーム蒸発法(E−beam evaporator)を用いて蒸着形成することができる。
最後に、上記透明電極層(15)と上記n型窒化物半導体層(12)の露出した領域上に各々Ta/Auの二重層からp側ボンディングパッド(17)と、Ta/Auの二重層からn側電極(16)とを同時に形成する。上記p側ボンディングパッド(17)とn側電極(16)は同一物質から成るので、一度の工程により同時に形成できる特徴がある。これによりp側ボンディングパッドとn側電極を別途に形成させた従来の工程に比べて工程の単純化を遂げられる。上記p側ボンディングパッド(17)とn側電極(16)は公知の電子ビーム蒸発法によりTa及びAuを順次に蒸着させ形成することができる。上記p側ボンディングパッド(17)とn側電極(16)を構成するTaは50Åないし1000Åの厚さに形成することが好ましく、上記Auは形成されたTa層上に2000Åないし7000Åの厚さに形成されることが好ましい。
上記本発明によるn側電極(16)とp側ボンディング電極(17)は熱処理工程を施さなくても良好なオーミック特性を有する。しかし、400℃ないし600℃の熱処理を通しても良好なオーミック特性を有することができる。したがって、本発明による窒化物半導体発光素子の製造方法は、n側電極(16)とp側ボンディング電極(17)を400℃ないし600℃の温度において熱処理する工程をさらに含んでも構わない。
図2は従来のn側電極と本発明によるn側電極の外観比較写真である。図2(A)のように、従来のn側電極はAlの損傷により染みができ外観不良が発生した。また、図2(B)のように、n側電極上に小さい点を打ったような斑点状の不良が発生した。それに比べて、本発明による窒化物半導体発光素子のn側電極には図2(C)及び図2(D)のように外観不良が発生しなかった。本発明によると、図2に示したようなn側電極の損傷による外観不良の問題を解決することができる。
図3は従来のTi/Alから構成されるn側電極と本発明によるTa/Auから構成されるn側電極のオーミック特性を示すグラフである。図3(A)のように、従来のTi/Alから構成されたn側電極は常温においてオーミック接触を形成できない。それに比べて、500Å及び600Åで熱処理された場合にオーミック特性を示すようになる。したがって、従来のTi/Al電極は500℃以上の高温において熱処理を施してオーミック接触を形成できるようになる。
それに比べて、図3(B)に示したように、本発明によるTa/Auから構成されるn側電極は常温においても比較的良好なオーミック特性を示す。したがって、本発明においては熱処理工程を省くこともできる。しかし、700℃を除いて、400℃ないし600℃において良好なオーミック接触を形成できるので、本発明のTa/Au電極は400℃ないし600℃において熱処理されても構わない。
図4は従来のTi/Alから構成されるn側電極を具備した窒化物半導体発光素子と本発明によるTa/Auから構成されるn側電極を具備した窒化物半導体発光素子の信頼性テスト結果である。図4のように従来のTi/Alから構成されたn側電極を具備した窒化物半導体発光素子は300時間使用時に約28%ほどの輝度低下を示したが、本発明によるTa/Auから構成されたn側電極を具備した窒化物半導体発光素子は300時間使用時に約20%の輝度低下を示し、信頼性が大幅に向上したことがわかる。
以上説明したように、本発明はTi/Auから構成されたn側電極とp側ボンディング電極を用いることにより、工程を単純化でき、電極の構成物質に従来のAlを使用しないことにより外観不良を改善しワイヤボンディング特性を向上させることができる。さらに、従来の発光素子に比して信頼性が向上し優れた窒化物半導体発光素子を提供する。
本発明は上述した実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求の範囲により限定されるもので、請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において様々な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野の通常の知識を有する者にとっては自明である。
本発明による窒化物半導体発光素子の断面図である。 従来のn側電極と本発明によるn側電極の外観比較写真である。 従来のTi/Alから成るn側電極と本発明によるTa/Auから成るn側電極のオーミック特性を示すグラフである。 従来の窒化物半導体発光素子と本発明による窒化物半導体発光素子の信頼性テスト結果を示すグラフである。
符号の説明
11 基板
11a バッファ層
12 n型窒化物半導体層
13 活性層
14 p型窒化物半導体層
15 透明電極層
16 n側電極
16a Ta層
16b Au層
17 p側ボンディング電極
17a Ta層
17b Au層

Claims (10)

  1. 窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板と、
    上記基板上に形成されるn型窒化物半導体層と、
    上記n型窒化物半導体層上の少なくとも一部領域が露出するよう上記n型窒化物半導体層上に形成される活性層と、
    上記活性層上に形成されるp型窒化物半導体層と、
    上記p型窒化物半導体層上にオーミック接触を成すために形成される透明電極層と、
    上記透明電極層上にTa/Auの二重層から形成されるp側ボンディングパッドと、
    上記n型窒化物半導体層の露出した一部領域上にTa/Auの二重層から形成されるn側電極と、
    を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  2. 上記p側ボンディングパッドは、50Åないし1000Åの厚さを有するTa層及び上記Ta層上に形成され2000Åないし7000Åの厚さを有するAu層から構成されることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 上記n側ボンディングパッドは、50Åないし1000Åの厚さを有するTa層及び上記Ta層上に形成され2000Åないし7000Åの厚さを有するAu層から構成されることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 窒化物半導体物質を成長させるための基板を用意する段階と、
    上記基板上に、n型窒化物半導体層と、活性層と、p型窒化物半導体層を順次に形成する段階と、
    上記少なくともp型窒化物半導体層と活性層の一部領域を除去して上記n型窒化物半導体層の一部を露出させる段階と、
    上記p型窒化物半導体層上に透明電極層を形成する段階と、
    上記透明電極層上にTa/Auの二重層からp側ボンディングパッドを形成する段階と、
    上記露出したn型窒化物半導体層上にTa/Auの二重層からn側電極を形成する段階と、
    を有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。
  5. 上記p側ボンディングパッドを形成する段階と上記n側電極を形成する段階とは同時に行われることを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  6. 上記p側ボンディングパッドを形成する段階は、上記p型窒化物半導体層上に電子ビーム蒸発法(E−beam evaporator)によりTa及びAuを順次に蒸着させる段階であることを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子の製造方法。
  7. 上記n側電極を形成する段階は、上記露出したn型窒化物半導体層上に電子ビーム蒸発法(E−beam evaporator)によりTa及びAuを順次に蒸着させる段階であることを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子の製造方法。
  8. 上記p側電極を形成する段階は、
    上記p型窒化物半導体層上に50Åないし1000Åの厚さでTa層を形成する段階と、
    上記Ta層上に2000Åないし7000Åの厚さでAu層を形成する段階と、
    を有することを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  9. 上記n側電極を形成する段階は、
    上記露出したn型窒化物半導体層上に50Åないし1000Åの厚さでTa層を形成する段階と、
    上記Ta層上に2000Åないし7000Åの厚さでAu層を形成する段階と、
    を有することを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  10. 上記p側ボンディングパッド及び上記n側電極を400℃ないし600℃において熱処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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