JP2005340797A - 透光性正極 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子線照射や高温アニールまたは酸素雰囲気下での合金化熱処理等を必要とせず、かつ良好な透光性と低接触抵抗を有する電流拡散性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の透光性正極を提供すること。
【解決手段】 ｐ型半導体層に接するコンタクトメタル層、該コンタクトメタル層上のコンタクトメタル層よりも導電率の大きい電流拡散層および該電流拡散層上のボンディングパッド層からなることを特徴とする透光性正極。
【選択図】 図１

Description

本発明は透光性正極に関し、特に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用に適した良好な透光性とオーミック性を有する透光性正極に関する。

近年、短波長光発光素子用の半導体材料として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。

ＧａＮ系化合物半導体材料の特性として、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。さらに、ｐ型のＧａＮ系化合物半導体においてはｎ型のＧａＮ系化合物半導体の抵抗率に比べて抵抗率が高くその表面に金属を積層しただけではｐ型半導体層内の横の電流の広がりはほとんど無く、ｐｎ接合を持ったＬＥＤ構造とした場合、正極の直下しか発光しない。

そのため、電子線照射や高温のアニールを行なってｐ型半導体層の抵抗率を下げることで電流の拡散性を強めることが行なわれている。しかし、電子線照射は装置が非常に高価で製造コストが見合わなくなる。またウェーハ面内を均一に処理することは難しい。高温のアニール処理においても効果が顕著に現れる為には９００℃以上のプロセスが必要となるがその際ＧａＮの結晶構造の分解が始まり、窒素の脱離による逆方向電圧特性の劣化が危惧される。

また、正極としてｐ型半導体層上にＮｉとＡｕを各々数１０ｎｍ程度積層させ酸素雰囲気下で合金化処理を行い、ｐ型半導体層の低抵抗化の促進および透光性とオーミック性を有した正極の形成を行なうことが提案されている（特許文献１参照）。

しかし、酸素雰囲気下での合金化処理については露出したｎ型ＧａＮ層の表面に酸化物層が形成され負極のオーミック性に影響を与える。さらに酸化雰囲気合金化処理されたＡｕ／Ｎｉ電極は網目構造を有しており発光むらが起こりやすいことや機械強度が弱く保護膜の設置が必須となり製造コストの上昇につながる。さらにＮｉを酸素雰囲気下で熱処理する為、Ｎｉの酸化物が表面を覆い透光性電極上にパッド電極を形成するとその密着性が弱くボンディング強度が得られない。

また、正極としてｐ型半導体層上にＰｔを形成し酸素を含む雰囲気中で熱処理し、ｐ型半導体層の低抵抗化と合金化処理を同時に行なうことが提案されている（特許文献２）。しかし、この方法も酸素雰囲気下で熱処理するため、上述の問題を有する。さらに、Ｐｔ単体で良好な透明電極とするためには相当薄く（５ｎｍ以下）しなければならないが、結果としてＰｔ層の電気抵抗が高くなり、熱処理によりＰｔ層の低抵抗化が成されたとしても電流の広がりが悪く、不均一な発光となり順方向電圧（ＶＦ）の上昇および発光強度の低下を招く。

特許第２８０３７４２号公報 特開平１１−１８６６０５号公報

本発明の目的は、上述の問題点を解決する為に、電子線照射や高温アニールまたは酸素雰囲気下での合金化熱処理等を必要とせず、かつ良好な透光性と低接触抵抗を有する電流拡散性に優れた正極を提供することである。本発明において透光性とは、３００〜６００ｎｍの波長領域における光に対して透光性であることを意味する。

本発明は、以下の発明を提供する。
（１）ｐ型半導体層に接するコンタクトメタル層、該コンタクトメタル層上のコンタクトメタル層よりも導電率の大きい電流拡散層および該電流拡散層上のボンディングパッド層からなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の透光性正極。

（２）コンタクトメタル層が白金族金属またはそれらを含む合金であることを特徴とする上記１項に記載の透光性正極。

（３）コンタクトメタル層が白金であることを特徴とする上記２項に記載の透光性正極。
（４）コンタクトメタル層の厚さが０．１〜７．５ｎｍであることを特徴とする上記１〜３項のいずれか一項に記載の透光性正極。

（５）コンタクトメタル層の厚さが０．１〜５ｎｍであることを特徴とする上記４項に記載の透光性正極。

（６）コンタクトメタル層の厚さが０．５〜２．５ｎｍであることを特徴とする上記５項に記載の透光性正極。

（７）電流拡散層が金、銀および銅からなる群から選ばれた金属または少なくともそれらの一種を含む合金であることを特徴とする上記１〜６項のいずれか一項に記載の透光性正極。

（８）電流拡散層が金であることを特徴とする上記７項に記載の透光性正極。
（９）電流拡散層の厚さが１〜２０ｎｍであることを特徴とする上記１〜８項のいずれか一項に記載の透光性正極。

（１０）電流拡散層の厚さが１〜１０ｎｍであることを特徴とする上記９項に記載の透光性正極。

（１１）電流拡散層の厚さが３〜６ｎｍであることを特徴とする請求項１０に記載の透光性正極。
（１２）上記１〜１１項のいずれか一項に記載の透光性正極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

ｐ型ＧａＮ系化合物半導体と接触抵抗の低い金属、例えば白金族金属の薄層をコンタクトメタル層とし、その上に当該コンタクトメタル層よりも導電率の大きな電流拡散層を設けた本発明の透光性正極は、正極の面方向での電流の拡がりが改良され、その結果、順方向電圧（ＶＦ値）が低く、かつ正極全面で均一に発光する高輝度発光素子の製造が可能となった。

図１は、本発明の透光性正極を有する発光素子の断面を示した模式図である。１１がコンタクトメタル層、１２が電流拡散層、１３がボンディングパッド層であり、１１〜１３が本発明の透光性正極１０を構成している。１は基板である。２はＧａＮ系化合物半導体層であり、ｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５から構成される。６はバッファ層であり、２０は負極である。

コンタクトメタル層に要求される性能としては、ｐ型半導体層との接触抵抗が小さいことは必須である。さらに、発光層からの光を電極面側より取り出すフェイスアップマウント型の発光素子にあっては優れた光透過性が要求される。

コンタクトメタル層の材料はｐ型半導体層との接触抵抗の観点から、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族金属またはそれらを含む合金が好ましい。これらの中でもＰｔは、仕事関数が高く、高温熱処理を施していない比較的高抵抗なｐ型ＧａＮ系化合物半導体層に対して非加熱で良好なオーミック接触を得ることが可能なので、特に好ましい。

コンタクトメタル層を白金族金属またはそれらを含む合金で構成した場合、光透過性の観点から、その厚さを非常に薄くすることが必要である。コンタクトメタル層の厚さは、０．１〜７．５ｎｍの範囲が好ましい。０．１ｎｍ未満では安定した薄層が得られ難い。７．５ｎｍを超えると透光性が低下する。０．１〜５ｎｍがさらに好ましい。また、その後の電流拡散層の積層による透光性の低下と成膜の安定性を考慮すると、０．５〜２．５ｎｍの範囲が特に好ましい。

ただし、コンタクトメタル層の厚さを薄くすると、コンタクトメタル層の面方向の電気抵抗が高くなり、かつ比較的高抵抗なｐ型半導体層とあいまって電流注入部であるパッド層の周辺部しか電流が拡がらず、結果として不均一な発光パターンとなり、発光出力が低下する場合がある。

そこで、コンタクトメタル層の電流拡散性を補う手段として高光透過率でコンタクトメタル層よりも高導電性の金属薄膜からなる電流拡散層をコンタクトメタル層上に配置することにより、白金族金属の低接触抵抗性や光透過率を大きく損なうことなく電流を均一に広げることが可能となり、結果として発光出力の高い発光素子を得ることが出来る。

電流拡散層の材料は、導電率の高い金属、例えば金、銀および銅からなる群から選ばれた金属または少なくともそれらの一種を含む合金が好ましい。中でも金は、薄膜とした時の光透過率が高いことから最も好ましい。

電流拡散層の厚さは、１〜２０ｎｍが好ましい。１ｎｍ未満では電流拡散効果が十分発揮されない。２０ｎｍを超えると、電流拡散層の光透過性の低下が著しく発光出力の低下が危惧される。１〜１０ｎｍがさらに好ましい。さらに厚さを３〜６ｎｍの範囲とすることで電流拡散層の光透過性と電流拡散の効果のバランスが最も良くなり、上記のコンタクトメタル層と合わせることで正極上の全面で均一に発光し、かつ高出力な発光が得られる。

コンタクトメタル層および電流拡散層の成膜方法については、特に制限されることはなく公知の真空蒸着法やスパッタ法を用いることができる。このような方法で作製した正極は、コンタクトメタル層と電流拡散層および／またはｐ型半導体層との界面で構成元素が相互に拡散し、合金状となっていてもよい。また、各層の膜厚は面内で不均一であってもよく、±２０％程度のばらつきがあっても効果にはほとんど影響しない。

ボンディングパッド部を構成するボンディングパッド層については、各種の材料を用いた各種の構造のものが知られており、これら公知のものを特に制限されることなく用いることが出来る。但し、電流拡散層との密着性の良い材料を用いることが望ましく、厚さはボンディング時の応力に対してコンタクトメタル層あるいは電流拡散層へダメージを与えないよう十分厚くする必要がある。また最表層はボンディングボールとの密着性の良い材料とすることが望ましい。

本発明の透光性正極は、図１に示したような、基板上にバッファ層を介して窒化ガリウム系化合物半導体を積層し、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を形成した従来公知の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に何ら制限無く用いることができる。

基板には、サファイア単結晶（Ａｌ₂Ｏ₃；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ₂単結晶、ＬｉＧａＯ₂単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ₂などのホウ化物単結晶などの公知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。

ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層は各種構造のものが周知であり、これら周知のものを何ら制限なく用いることができる。特にｐ型半導体層のキャリア濃度は一般的な濃度のものを用いるが、比較的キャリア濃度の低い、例えば１×１０¹⁷ｃｍ^-3程度のｐ型半導体層にも本発明の透光性正極は適用できる。

それらを構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体が周知であり、本発明におけるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。

これらの窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、などＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ₂）または窒素（Ｎ₂）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ₃）、ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ₄）またはジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を、Ｇｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ₄）を用い、ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）₂Ｍｇ）を用いる。

基板上にｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体のｎ型半導体層に接して負極を形成するために、発光層およびｐ型半導体層の一部を除去して、ｎ型半導体層を露出させる。その後残したｐ型半導体層上に本発明の透光性正極を形成し、露出させたｎ型半導体層上に負極を形成する。負極としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができる。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。

（実施例１）
図２は本実施例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図であり、図３はその平面を示した模式図である。サファイアからなる基板（１）上に、ＡｌＮからなるバッファ層（６）を介して、厚さ３μｍのアンドープＧａＮからなる下地層（３ａ）、厚さ２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層（３ｂ）、厚さ０．０３μｍのｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層（３ｃ）、厚さ０．０３μｍのＳｉドープＧａＮ障壁層および厚さ２．５ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ井戸層を５回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層（４）、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラッド層（５ａ）、厚さ０．１５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層（５ｂ）を順に積層した窒化ガリウム系化合物半導体のｐ型ＧａＮコンタクト層上に、厚さ１．５ｎｍのＰｔコンタクトメタル層（１１）、厚さ５ｎｍのＡｕ電流拡散層（１２）およびＡｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ５層構造（厚さはそれぞれ５０／２０／１０／１００／２００ｎｍ）のボンディングパッド層（１３）よりなる本発明の正極（１０）を形成した。次にｎ型ＧａＮコンタクト層上にＴｉ／Ａｕの二層構造の負極（２０）を形成し、光取り出し面を半導体側とした発光素子である。正極および負極の形状は図３に示したとおりである。

この構造において、ｎ型ＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、ＧａＮ障壁層のＳｉドープ量は１×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、ｐ型ＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＭｇドープ量は５×１０¹⁹ｃｍ^-3であった。

窒化ガリウム系化合物半導体層の積層（図２の３〜６）は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。また、正極および負極は次の手順で形成した。

初めに反応性イオンエッチング法によって負極を形成する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層を下記手順により露出させた。

まず、エッチングマスクをｐ型半導体層上に形成した。形成手順は以下の通りである。レジストを全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、正極領域からレジストを除去した。真空蒸着装置内にセットして、圧力４×１０^-4Ｐａ以下でＮｉおよびＴｉをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約５０ｎｍおよび３００ｎｍとなるように積層した。その後リフトオフ技術により、正極領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。

次いで、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基板を載置し、エッチング室を１０^-4Ｐａに減圧した後、エッチングガスとしてＣｌ₂を供給してｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。

次に、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コンタクト層上の正極を形成する領域にのみ、Ｐｔからなるコンタクトメタル層、Ａｕからなる電流拡散層を形成した。コンタクトメタル層、電流拡散層の形成では、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を真空蒸着装置内に入れ、ｐ型ＧａＮコンタクト層上に初めにＰｔを１．５ｎｍ、次にＡｕを５ｎｍ積層した。引き続き真空室から取り出した後、通常リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに同様な手法で電流拡散層上の一部にＡｕからなる第１の層、Ｔｉからなる第２の層、Ａｌからなる第３の層、Ｔｉからなる第４の層、Ａｕからなる第５の層を順に積層し、ボンディングパッド層を形成した。このようにしてｐ型ＧａＮコンタクト層上に、本発明の正極を形成した。

この方法で形成した正極は透光性を示し、４７０ｎｍの波長領域で６０％の光透過率を有していた。なお、光透過率は、上記と同じ厚さのコンタクトメタル層および電流拡散層をガラス板上に積層した光透過率測定用のサンプルを用いて、分光光度計により測定した。なお、光透過率の値はガラス板だけで測定したブランクを考慮して算出した。

次に、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上に負極を以下の手順により形成した。レジストを全面に一様に塗布した後、公知リソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上の負極形成部分からレジストを除去して、通常用いられる真空蒸着法で半導体側から順にＴｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍよりなる負極を形成した。その後レジストを公知の方法で除去した。

このようにして正極および負極を形成したウエーハを、基板裏面を研削・研磨することにより８０μｍまで基板の板厚を薄くして、レーザスクライバを用いて半導体積層側から罫書き線を入れたあと、押し割って、３５０μｍ角のチップに切断した。続いてこれらのチップをプローブ針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧の測定をしたところ２．９Ｖであった。

その後、ＴＯ−１８缶パッケージに実装してテスターによって発光出力を計測したところ印加電流２０ｍＡにおける発光出力は４ｍＷを示した。またその発光面の発光分布は正極上の全面で発光しているのが確認できた。

（比較例１）
電流拡散層を設けないこと以外は、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。この発光素子を実施例１と同様に評価したところ、順方向電圧及び発光出力はそれぞれ３．１Ｖ及び３．７ｍＷであった。その発光面を観察すると正極上の発光がボンディングパッド層周辺およびボンディングパッド層から負極に通ずる線上を中心とした部分にのみ限定されていた。

この原因としてはコンタクトメタル層の面方向の電気抵抗が高くコンタクトメタル層上に電流が広がらなかった為であろう。

（比較例２）
電流拡散層を設けずに、コンタクトメタル層の厚さを１２ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。この発光素子を実施例１と同様に評価したところ、順方向電圧及び発光出力はそれぞれ２．９Ｖ及び３．０ｍＷであった。その発光面を観察すると実施例１と同様に全面で発光が確認されたが、コンタクトメタル層の光透過率が約３０％と低下しており、結果として発光出力が低下した。

本発明によって提供される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用電極は、透光型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の正極として有用である。

本発明の透光性正極を有する発光素子の断面を示した模式図である。 実施例１で作製した本発明の透光性正極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図。 実施例１で作製した本発明の透光性正極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の平面を示した模式図。

符号の説明

１ 基板
２ ＧａＮ系化合物半導体層
３ ｎ型半導体層
４ 発光層
５ ｐ型半導体層
６ バッファ層
１０ 正極
１１ コンタクトメタル層
１２ 電流拡散層
１３ ボンディングパッド層
２０ 負極

Claims (12)

1. ｐ型半導体層に接するコンタクトメタル層、該コンタクトメタル層上のコンタクトメタル層よりも導電率の大きい電流拡散層および該電流拡散層上のボンディングパッド層からなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の透光性正極。
2. コンタクトメタル層が白金族金属またはそれらを含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の透光性正極。
3. コンタクトメタル層が白金であることを特徴とする請求項２に記載の透光性正極。
4. コンタクトメタル層の厚さが０．１〜７．５ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の透光性正極。
5. コンタクトメタル層の厚さが０．１〜５ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載の透光性正極。
6. コンタクトメタル層の厚さが０．５〜２．５ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の透光性正極。
7. 電流拡散層が金、銀および銅からなる群から選ばれた金属または少なくともそれらの一種を含む合金であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の透光性正極。
8. 電流拡散層が金であることを特徴とする請求項７に記載の透光性正極。
9. 電流拡散層の厚さが１〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の透光性正極。
10. 電流拡散層の厚さが１〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の透光性正極。
11. 電流拡散層の厚さが３〜６ｎｍであることを特徴とする請求項１０に記載の透光性正極。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の透光性正極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

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