JP2005286307A - III−V族GaN系化合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】III−V族GaN系化合物半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】p型GaN系化合物半導体層上のAgまたはAg合金より形成された第1電極層22と、第1電極層22上のNi、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir、及びRhのうち少なくとも何れか一つより形成された第2電極層24と、を備える半導体発光素子のp型電極。
【選択図】図1
【解決手段】p型GaN系化合物半導体層上のAgまたはAg合金より形成された第1電極層22と、第1電極層22上のNi、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir、及びRhのうち少なくとも何れか一つより形成された第2電極層24と、を備える半導体発光素子のp型電極。
【選択図】図1
Description
本発明は、III−V族GaN系化合物半導体発光素子及びその製造方法に係り、より詳細には抵抗値が低く、光透過度の高いp型電極層を備えたIII−V族GaN系化合物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体を用いた発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)は半導体層と電極間に高品質のオーミック接触を形成することが非常に重要である。p型GaN半導体層に対するオーミックコンタクト層としてはNiを基本とする金属薄膜構造、すなわちNi/Auの透明金属薄膜を使うことができる(特許文献1、特許文献2参照)。
Niを基本とする金属薄膜は、酸素(O2)雰囲気で熱処理された時に10−3〜10−4Ωcm2ほどの低い非接触抵抗を有するオーミック接触を形成すると知られている。このような低い非接触抵抗によれば、500℃〜600℃の酸素雰囲気で熱処理する場合、GaNとNiの界面にp型半導体酸化物であるNi酸化物(NiO)が島状のAu薄膜間とその上に形成されることによって、ショットキー障壁の高さ(Schottky Barrier Height:SBH)が低くなる。したがって、ショットキー障壁の高さ減少により、GaN表面付近に多数キャリアであるホールを容易に供給してGaN系表面付近での実効キャリア濃度が増加する。一方、Ni/Auをp型GaN系半導体層に接触させた後、熱処理してMg−H金属間化合物を除去すれば、半導体層表面でMgドーパント濃度を増加させる再活性化が発生する。これを通じて半導体層の表面でこのような実効キャリア濃度が1019/cm3以上高まって半導体層と電極層(酸化Ni)との間にトンネリング伝導を起こしてオーミック伝導特性を示す。
しかし、Ni/Au金属薄膜の場合、Auは伝導性を向上させて低い接触抵抗を誘導するが、相対的に高い光吸収率によって光透過度を低下させる問題がある。したがって、高出力、高輝度を有するGaN半導体発光素子の具現のために光透過度の高い新しいオーミック接触物質が要求される。
米国特許第5,877,558号明細書
米国特許第6,008,539号明細書
本発明の目的は、GaN系半導体層に対して光透過度が向上したオーミック接触系を備えた半導体発光素子を提供することである。
本発明の他の目的は、前記半導体発光素子を製造する方法を提供することである。
本発明の一類型による半導体発光素子は、n型電極及びp型電極の間に、少なくともn型GaN系化合物半導体層、活性層、及びp型GaN系化合物半導体層を備え、前記p型電極は、前記p型GaN系化合物半導体層上にAgまたはAg合金よりなる第1電極層と、前記第1電極層上にNi、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir、及びRhのうち少なくとも何れか一つより形成された第2電極層と、を備える。
前記第1電極層は、0.1nm〜200nmの厚さに形成されることが望ましい。
また、前記第1電極層及び第2電極層は、酸化雰囲気で熱処理されて、当該第1電極層及び第2電極層それぞれの少なくとも一部は酸化物形態に形成されうる。
前記基板は、透光材料であり、サファイアよりなることが望ましい。
本発明の他の類型による半導体発光素子は、n型電極及びp型電極の間に、少なくともn型GaN系化合物半導体層、活性層、及びp型GaN系化合物半導体層を備え、前記p型電極は、前記p型GaN系化合物半導体層上にAgまたはAg合金より形成された第1電極層と、前記第1電極層上にNiまたはNi合金より形成された第2電極層と、前記第2電極層上にNi、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir、及びRhのうち少なくとも何れか一つより形成された第3電極層と、を備える。
本発明の他の類型による半導体発光素子の製造方法は、基板上にn型GaN系化合物半導体層、活性層、及びp型GaN系化合物半導体層を順次に積層する第1段階と、前記p型化合物半導体層及び前記活性層を順次にパターニングして前記n型化合物半導体の一部を露出させる第2段階と、前記n型化合物半導体層の露出された部分にn型電極を形成する第3段階と、パターニングされた前記p型化合物半導体層上にAgまたはAg合金より形成された第1電極層を形成する第4段階と、前記第1電極層上にNi、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir、及びRhのうち少なくとも何れか一つよりなる第2電極層を形成する第5段階と、前記第5段階の結果物を熱処理する第6段階と、を備える。
前記第3段階及び第4段階は、電子ビーム蒸着または熱蒸着することが望ましい。
前記第6段階は、200℃〜700℃で10秒〜2時間熱処理することが望ましい。
前記第6段階は、酸化雰囲気で熱処理することが望ましい。
本発明のまた他の類型による半導体発光素子の製造方法は、基板上にn型GaN系化合物半導体層、活性層、及びp型GaN系化合物半導体層を順次に積層する第1段階と、前記p型化合物半導体層及び前記活性層を順次にパターニングして前記n型化合物半導体の一部を露出させる第2段階と、前記n型化合物半導体層の露出された部分にn型電極を形成する第3段階と、パターニングされた前記p型化合物半導体層上にAgまたはAg合金よりなる第1電極層を形成する第4段階と、前記第1電極層上にNiまたはNi合金よりなる第2電極層を形成する第5段階と、前記第2電極層上にNi、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir、及びRhのうち少なくとも何れか一つよりなる第3電極層を形成する第6段階と、前記第6段階の結果物を熱処理する第7段階と、を備える。
本発明に係る発光素子は、従来のNi/Auのように低い抵抗を示すながら光透過度が向上したp型電極を含む。また、高品位オーミック接触特性を示す。
以下、添付された図面に基づき、本発明の望ましい実施例によるIII−V族GaN系化合物半導体及びその製造方法を詳細に説明する。この過程において図面に示された層および領域の厚さは明細書の明確性のために誇張して表現された。
図1は、本発明の第1実施例による窒化ガリウム(GaN)系III−V族半導体LEDを示す概略的な断面図である。
図1を参照すれば、本発明の発光素子は、透明基板10上に第1化合物半導体層12を備える。第1化合物半導体層12は、n型III−V族化合物半導体層、例えばn−GaN層であることが望ましいが、他の化合物半導体層であっても良い。第1化合物半導体層12は、第1領域R1と第2領域R2とに区分される。第1領域R1上にp型及びn型キャリアの再結合によって光、例えば青色または緑色光が放出される活性層14が積層されている。活性層14上に第2化合物半導体層16が積層されている。第2化合物半導体層16は、p型III−V族化合物半導体層、例えばp−GaN層であることが望ましいが、他の化合物半導体層であっても良い。
第2化合物半導体層16上には本発明の特徴部であるp型電極20が形成されている。p型電極20は、銀(Ag)またはAg合金よりなる第1電極層22と、第1電極層22上の第2電極層24よりなる。第2電極層24は、ニッケル(Ni)、Ni合金、亜鉛(Zn)、Zn合金、銅(Cu)、Cu合金、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、及びロジウム(Rh)のうち少なくとも一つより形成される。
第1電極層22及び第2電極層24は、抵抗率の低減及び光透過度の向上の見地から、それぞれ0.1nm〜200nmの厚さに形成され、望ましくは5nmほどに形成される。
透明基板10は、サファイアより形成されることが望ましい。
一方、第1化合物半導体層16上の第2領域R2上にはn型電極30が形成されている。
一方、第1電極層22及び第2電極層24は、酸化雰囲気(例えば、酸素雰囲気)で熱処理されて、第1電極層22及び第2電極層24それぞれの少なくとも一部は酸化物形態に形成されうる。
p型電極20及びn型電極30に光放出に必要な臨界電圧以上の電圧が印加されれば、活性層14から光が放出される。活性層14から放出された光の一部L1はp型電極20を通じて放出され、透明基板10に向けて放出された光L2は透明基板10の下部に配置されるプレート(図示せず)で反射されてp型電極20に向けて進行する。
以下、本発明の第1実施例による電極の製造方法を、図面を参照して詳細に説明する。
図2を参照すれば、透明なサファイア基板10上に第1化合物半導体層12を形成する。第1化合物半導体層12は、n型GaN層より形成することが望ましいが、他の化合物半導体層より形成しても良い。第1化合物半導体層12上に活性層14及び第2化合物半導体層16を順次に形成する。第2化合物半導体層16は、p型GaN層より形成できるが、他の化合物半導体層より形成しても良い。第2化合物半導体層16上に第1感光膜パターンPR1を形成する。第1感光膜パターンPR1は、n型電極30とp型電極20とが形成される領域を限定する。
図2及び図3を参照すれば、第1感光膜パターンPR1をエッチングマスクとして第2化合物半導体層16及び活性層14を順次にエッチングする。この時、前記エッチングは、第1化合物半導体層12が露出されるまで行うことが望ましいが、第1化合物半導体層12の一部が除去されるまで行っても良い。その後、第1感光膜パターンPR1を除去する。前記エッチングにより露出された第1化合物半導体層12の所定領域上にn型電極30を形成する。n型電極30は、後述する後続工程の後に形成してもよい。
図4を参照すれば、n型電極30が形成された結果物上に、n型電極30を覆って第2化合物半導体層16の大部分が露出される第2感光膜パターンPR2を形成する。第2感光膜パターンPR2は、p型電極30が形成される領域を限定する。第2感光膜パターンPR2上に第2化合物半導体層16の露出された上面と接触する第1電極層22を電子ビーム蒸着または熱蒸着によって形成する。第1電極層22は、AgまたはAg合金より形成する。また、第1電極層22は、抵抗率の低減及び光透過度の向上の見地から、0.1nm〜200nmの厚さに形成できるが、5nm程度の厚さに形成することが望ましい。
次に、第1電極層22上に第2電極層24を電子ビーム蒸着または熱蒸着して形成する。第2電極層24は、Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir、及びRhのうち少なくとも何れか一つより形成される。第2電極層24は、抵抗率の低減及び光透過度の向上の見地から、0.1nm〜200nmの厚さに形成できるが、5nm程度の厚さに形成することが望ましい。
次いで、第2感光膜パターンPR2をリフトオフする。この過程で第2感光膜パターンPR2上に順次に積層された第1電極層22及び第2電極層24も共に除去される。このようにして、図5に示されたように第2化合物半導体層16上にp型電極20として使われる第1電極層22及び第2電極層24が形成される。
次いで、パターニングが完了した結果物を、有効な酸化物形態の形成及び素子の熱による劣化防止の見地から、空気または酸化雰囲気(例えば、酸素雰囲気)下で200〜700℃で10秒〜2時間熱処理してオーミック接触形成を用いたp型電極20をp型半導体層16の表面に形成する。
一方、n型電極30は、第2感光膜パターンPR2を除去した後に形成しても良い。
図6は、本発明の第1実施例によるp型電極(Ag/Ni:AgとNiの積層)と従来技術のp型電極(Ni/Au:NiとAuの積層)間の光吸収度を示すグラフである。各電極は2つの層で形成されており、各層はそれぞれ5nmの厚さに蒸着された。また、各電極は、550℃で1分間、空気雰囲気下で熱処理してその特性を比較した。図7において、400〜800nm波長でAg/Ni電極の光吸収度がNi/Au電極より顕著に低いことがわかる。
図7は、本発明の第1実施例によるp型電極(Ag/Ni)と従来技術のp型電極(Ni/Au)間の光透過度を示すグラフである。各電極は2つの層で形成されており、各層はそれぞれ5nmの厚さに蒸着された。また、各電極は、550℃で1分間、空気雰囲気下で熱処理してその特性を比較した。図7において、Ag/Ni電極は300〜800nmの広い波長帯で90%以上の高い光透過度を示す。460nm波長で見れば、Ag/Ni電極及びNi/Au電極の光透過度がそれぞれ94%、76%であって顕著な差が発生する。
図8は、4〜5×1022/cm3のキャリア濃度を有するp型GaNの上部にAg/Niをそれぞれ5nmの厚さに蒸着させた後、熱処理前と空気雰囲気で熱処理した試料の電気的測定結果を示すグラフである。図8において、熱処理前の電流−電圧特性と比較して450℃、550℃でそれぞれ1分間熱処理した試料の電流−電圧特性のオーミック特性が優れていることが分かる。これは、熱処理過程でAg及びNiの一部が酸化物になって抵抗が低くなったためであると解釈される。
図9は、本発明の第2実施例によるGaN系III−V族半導体LEDの概略的な断面図である。
図9を参照すれば、本発明の第2実施例による発光素子は、透明基板110上にn−GaN層112が形成されている。n−GaN層112は、第1領域R1と第2領域R2とに区分されている。第1領域R1上に活性層114及びp−GaN層116が順次に積層されている。
p−GaN層116上には本発明の特徴部であるp型電極120が形成されている。p型電極120は、AgまたはAg合金よりなる第1電極層122と、第1電極層122上の第2電極層124と、第2電極層124上の第3電極層126とよりなる。第2電極層124は、NiまたはNi合金より形成される。第3電極層126は、Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir、及びRhのうち少なくとも何れか一つより形成される。
p−GaN層116上には本発明の特徴部であるp型電極120が形成されている。p型電極120は、AgまたはAg合金よりなる第1電極層122と、第1電極層122上の第2電極層124と、第2電極層124上の第3電極層126とよりなる。第2電極層124は、NiまたはNi合金より形成される。第3電極層126は、Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir、及びRhのうち少なくとも何れか一つより形成される。
抵抗率の低減及び光透過度の向上の見地から、第1電極層122、第2電極層124、及び第3電極層126はそれぞれ0.1nm〜200nmの厚さに形成され、望ましくは5nm程度に形成される。
透明基板110は、サファイアより形成されることが望ましい。
一方、n−GaN層112の第2領域R2上にはn型電極130が形成されている。
第2実施例の発光素子の製造方法を第1実施例の発光素子の製造方法と図9を参照して説明する。
サファイア基板110上にn−GaN層112、活性層114、及びp−GaN層116を形成する過程と、これらを逆順にエッチングする過程と、n−GaNの露出された領域上にn型電極130を形成する過程と、図4の感光膜パターンPR2の形成と第1電極層122を形成する過程とは第1実施例と同一に進行する。
次いで、第1電極層122上に第2電極層124及び第3電極層126を順次に蒸着する。ここで、第2電極層124は、NiまたはNi合金より形成され、第3電極層126は、Ni、Ni合金、Zn、Zn合金、Cu、Cu合金、Ru、Ir、及びRhのうち少なくとも何れか一つより形成される。
次いで、第2感光膜パターンPR2を除去する。この過程において第2感光膜パターンPR2上に順次に積層された第1電極層122、第2電極層124、及び第3電極層126も共に除去される。このようにして、図9に示されたように第2化合物半導体層16上にp型電極として使われる第1電極層122、第2電極層124、及び第3電極層126が形成される。
次いで、パターニングが完了した結果物を、有効な酸化物形態の形成及び素子の熱による劣化防止の見地から、空気雰囲気下で200〜700℃で10秒ないし2時間熱処理してオーミック接触形成を用いたp型電極120をp型半導体層116の表面に形成する。
図10は、4〜5×1022/cm3のキャリア濃度を有するp型GaNの上部にAg/Ni/Ru(AgとNiとRuの積層)をそれぞれ3〜4nmの厚さに蒸着させた後、熱処理前と空気雰囲気で熱処理した試料の電気的測定結果を示すグラフである。図9において、熱処理前の電流−電圧特性と比較して330℃、450℃、550℃でそれぞれ1分間熱処理した試料の電流−電圧特性のオーミック特性がはるかに優れていることが分かる。
図11及び図12は、4〜5×1022/cm3のキャリア濃度を有するp型GaN上部にAg/Ni/Ruを蒸着させた後、熱処理前と酸素雰囲気で熱処理後の界面に電極成分の拡散及び反応を測定するためにオージェ電子分光法(AES:Auger Electron Spectroscopy)による深さ方向分析(depth profiles)の結果を示すグラフである。
図11を参照すれば、p型電極の深さが深くなるにつれてRuが減少し、Ni及びAgが増加してから減少する。スパッタリング時間がさらに長くなればp型GaNの成分が現れることがわかる。
図12を参照すれば、熱処理過程においてRu及びNiはそれぞれ酸化されながら位置が逆転してp型電極の表面からNi酸化物及びRu酸化物が形成され、Agの一部も酸化された。このような酸化物は光の透過度を向上させる。
本発明は図面に示された実施例に基づいて説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な他実施例が可能である。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲によってのみ決まるべきである。
本発明はLEDのような発光素子が使われる全ての電子製品に適用可能である。
10 透明基板、
12 第1化合物半導体層、
14 活性層、
16 第2化合物半導体層、
20 p型電極、
22 第1電極層、
24 第2電極層、
30 n型電極。
12 第1化合物半導体層、
14 活性層、
16 第2化合物半導体層、
20 p型電極、
22 第1電極層、
24 第2電極層、
30 n型電極。
Claims (16)
- n型電極及びp型電極の間に、少なくともn型窒化ガリウム系化合物半導体層、活性層、及びp型窒化ガリウム系化合物半導体層を備える半導体発光素子であって、
前記p型電極は、前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層上に銀または銀合金より形成された第1電極層と、
前記第1電極層上にニッケル、ニッケル合金、亜鉛、亜鉛合金、銅、銅合金、ルテニウム、イリジウム、及びロジウムのうち少なくとも何れか一つより形成された第2電極層と、を備えることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第1電極層は、0.1nm〜200nmの厚さに形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記第1電極層及び第2電極層は、酸化雰囲気で熱処理されて、当該第1電極層及び第2電極層それぞれの少なくとも一部は酸化物形態に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- n型電極及びp型電極の間に、少なくともn型窒化ガリウム系化合物半導体層、活性層、及びp型窒化ガリウム系化合物半導体層を備える半導体発光素子であって、
前記p型電極は、前記p型窒化ガリウム系化合物半導体層上に銀または銀合金より形成された第1電極層と、
前記第1電極層上にニッケルまたはニッケル合金より形成された第2電極層と、
前記第2電極層上にニッケル、ニッケル合金、亜鉛、亜鉛合金、銅、銅合金、ルテニウム、イリジウム、及びロジウムのうち少なくとも何れか一つより形成された第3電極層と、を備えることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第1電極層は、0.1nm〜200nmの厚さに形成されたことを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子。
- 前記第1電極層、第2電極層、及び第3電極層は、酸化雰囲気で熱処理されて、当該第1電極層、第2電極層、及び第3電極層それぞれの少なくとも一部は酸化物形態に形成されたことを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子。
- 基板上にn型窒化ガリウム系化合物半導体層、活性層、及びp型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次に積層する第1段階と、
前記p型化合物半導体層及び前記活性層を順次にパターニングして前記n型化合物半導体の一部を露出させる第2段階と、
前記n型化合物半導体層の露出された部分にn型電極を形成する第3段階と、
パターニングされた前記p型化合物半導体層上に銀または銀合金よりなる第1電極層を形成する第4段階と、
前記第1電極層上にニッケル、ニッケル合金、亜鉛、亜鉛合金、銅、銅合金、ルテニウム、イリジウム、及びロジウムのうち少なくとも何れか一つよりなる第2電極層を形成する第5段階と、
前記第5段階の結果物を熱処理する第6段階と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記第1電極層は、0.1nm〜200nmの厚さに形成されることを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第3段階及び第4段階は、電子ビーム蒸着または熱蒸着することを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第6段階は、200℃〜700℃で10秒〜2時間熱処理することを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第6段階は、酸化雰囲気で熱処理することを特徴とする請求項10に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 基板上にn型窒化ガリウム系化合物半導体層、活性層、及びp型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次に積層する第1段階と、
前記p型化合物半導体層及び前記活性層を順次にパターニングして前記n型化合物半導体の一部を露出させる第2段階と、
前記n型化合物半導体層の露出された部分にn型電極を形成する第3段階と、
パターニングされた前記p型化合物半導体層上に銀または銀合金よりなる第1電極層を形成する第4段階と、
前記第1電極層上にニッケルまたはニッケル合金よりなる第2電極層を形成する第5段階と、
前記第2電極層上にニッケル、ニッケル合金、亜鉛、亜鉛合金、銅、銅合金、ルテニウム、イリジウム、及びロジウムのうち少なくとも何れか一つよりなる第3電極層を形成する第6段階と、
前記第6段階の結果物を熱処理する第7段階と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記第1電極層は、0.1nm〜200nmの厚さに形成されることを特徴とする請求項12に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第3段階ないし第5段階は、電子ビーム蒸着または熱蒸着することを特徴とする請求項12に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第7段階は、200℃〜700℃で10秒〜2時間熱処理することを特徴とする請求項12に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第7段階は、酸化雰囲気で熱処理することを特徴とする請求項15に記載の半導体発光素子の製造方法。
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