JP2005340860A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents

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崎 治 彦 岡
Chiharu Nozaki
崎 千 晴 野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light-emitting element that has improved ohmic characteristics and has improved reliability, and to provide a method for manufacturing the semiconductor light-emitting element. <P>SOLUTION: As a contact metal that comes into contact with a p-type contact layer, silver or a mixture of silver and gold is used, thus greatly improving the ohmic contact with the p-type contact layer. By forming a tungsten layer on an n-side contact metal layer at the n-side of an element, a barrier effect is maintained, and ohmic contact can be improved. Further, by performing heat treatment in a reducing atmosphere after forming a p-side contact electrode layer, the ohmic contact can be improved. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、基板上にGaN、InGaN、GaAlNなどの窒化物系半導体層などが積層された発光素子であって、接触抵抗が低く信頼性も良好な電極を有する半導体発光素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a light-emitting device in which a nitride-based semiconductor layer such as GaN, InGaN, or GaAlN is stacked on a substrate, the semiconductor light-emitting device having an electrode with low contact resistance and good reliability, and It relates to the manufacturing method.

窒化ガリウムに代表される窒化物系半導体を用いることにより、紫外光から青色、緑色の波長帯の発光素子が実用化されつつある。   By using a nitride-based semiconductor typified by gallium nitride, light emitting elements in the wavelength band from ultraviolet light to blue and green are being put into practical use.

なお、本願において「窒化物系半導体」とは、Bx Iny Alz Ga(1-x-y-z) N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)のIII −V族化合物半導体を含み、さらに、V族元素としては、Nに加えてリン(P)や砒素(As)などを含有する混晶も含むものとする。 In the present application, “nitride-based semiconductor” refers to a group III-V of B x In y Al z Ga (1-xyz) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1). In addition to a compound semiconductor, the group V element includes a mixed crystal containing phosphorus (P), arsenic (As), and the like in addition to N.

窒化物系半導体を用いて発光ダイオード(LED)や半導体レーザなどの発光素子を形成することにより、これまで困難であった発光強度の高い紫外光、青色光、緑色光等の発光が可能となりつつある。また、窒化物系半導体は、結晶成長温度が高く、高温度下でも安定した材料であるので電子デバイスヘの応用も期待されている。   By forming a light emitting element such as a light emitting diode (LED) or a semiconductor laser using a nitride-based semiconductor, it is possible to emit ultraviolet light, blue light, green light, etc. with high light emission intensity, which has been difficult until now. is there. Nitride-based semiconductors are also expected to be applied to electronic devices because they have a high crystal growth temperature and are stable at high temperatures.

以下、窒化物系半導体を用いた半導体素子の一例として発光素子を例に挙げて説明する。   Hereinafter, a light-emitting element will be described as an example of a semiconductor element using a nitride-based semiconductor.

図8は、窒化物系半導体を用いた従来の発光ダイオードの構造を表す概略断面図である。サファイア基板101の上に、GaNバッファ層(図示せず)、n型GaN層102とp型GaN層106が結晶成長され、p型GaN層106の一部がエッチング除去されてn型GaN層102が露出されている。p型GaN層6の上にはp側透明電極(Au)121、とp側ボンディング電極の下に電流阻止用の絶縁膜113、その上にp側透明電極121と接続されたp側ボンディング電極123(Ti/Au)が形成され、さらにn型GaN層上にn側電極122(Al/Au)を形成されている。   FIG. 8 is a schematic sectional view showing the structure of a conventional light emitting diode using a nitride semiconductor. A GaN buffer layer (not shown), an n-type GaN layer 102 and a p-type GaN layer 106 are crystal-grown on the sapphire substrate 101, and a part of the p-type GaN layer 106 is etched away to form an n-type GaN layer 102. Is exposed. A p-side transparent electrode (Au) 121 is formed on the p-type GaN layer 6, a current blocking insulating film 113 is formed below the p-side bonding electrode, and a p-side bonding electrode connected to the p-side transparent electrode 121 thereon. 123 (Ti / Au) is formed, and an n-side electrode 122 (Al / Au) is further formed on the n-type GaN layer.

図8の発光ダイオードにおいては、p側電極から流された電流は導電性の良い透明電極121で面内方向に拡げられ、p型GaN層106からn型GaN層102に電流が注入されて発光し、その光は透明電極121を透過してチップ外に取り出される。   In the light emitting diode of FIG. 8, the current flowed from the p-side electrode is spread in the in-plane direction by the transparent electrode 121 having good conductivity, and the current is injected from the p-type GaN layer 106 to the n-type GaN layer 102 to emit light. The light passes through the transparent electrode 121 and is extracted outside the chip.

しかし、図8に例示したような従来の窒化物系半導体は、電極とオーミック接触を確保することが難しいという問題があった。すなわち、窒化物系半導体はバンドギャップが広いため電極とオーミック接触をさせることが難しい。さらに、窒化物系半導体は、p型、n型共に高キャリア濃度を有する層の形成が困難であり、この点からもオーミック接触の形成が困難であるという問題があった。   However, the conventional nitride semiconductor as illustrated in FIG. 8 has a problem that it is difficult to ensure ohmic contact with the electrode. That is, since a nitride-based semiconductor has a wide band gap, it is difficult to make ohmic contact with the electrode. Furthermore, the nitride-based semiconductor has a problem that it is difficult to form a layer having a high carrier concentration in both p-type and n-type, and it is difficult to form an ohmic contact from this point.

また、窒化物系半導体は、化学的なウェットエッチングが困難であるため、電極形成前の表面処理を行うことが難しく、電極と半導体層界面の表面状態によってオーミック特性が大きく左右されるという工程上の問題もあった。   In addition, nitride-based semiconductors are difficult to perform chemical wet etching, so it is difficult to perform surface treatment before electrode formation, and the ohmic characteristics greatly depend on the surface state of the electrode and semiconductor layer interface. There was also a problem.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、良好なオーミック特性がえられ、信頼性も改善された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。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor light-emitting device having good ohmic characteristics and improved reliability, and a method for manufacturing the same.

上記目的を達成するため、本発明の第1の態様による半導体発光素子は、p型の窒化物系半導体からなる第1の層と、n型の窒化物系半導体からなる第2の層と、前記第1の層に接触して設けられたp側電極と、前記第2の層に接触して設けられたn側電極と、を備え、前記p側電極は、前記第1の層に接触して設けられ、銀(Ag)を含有するコンタクト層と、前記コンタクト層の上に設けられたタングステン(W)からなる層と、を有することを特徴とし、p側において優れたオーミック接触を確保することができる。   To achieve the above object, a semiconductor light emitting device according to the first aspect of the present invention includes a first layer made of a p-type nitride-based semiconductor, a second layer made of an n-type nitride-based semiconductor, A p-side electrode provided in contact with the first layer; and an n-side electrode provided in contact with the second layer, wherein the p-side electrode is in contact with the first layer. And having a contact layer containing silver (Ag) and a layer made of tungsten (W) provided on the contact layer, ensuring excellent ohmic contact on the p side can do.

ここで、前記タングステン(W)からなる層の上に、金属酸化物からなる透光性導電膜を設けることにより、電流を面内に拡げて均一な発光を得ることができる。   Here, by providing a light-transmitting conductive film made of a metal oxide on the layer made of tungsten (W), current can be spread in a plane to obtain uniform light emission.

さらに、前記透光性導電膜の上に設けられたオーバーコート層をさらに備え、
前記オーバーコート層は、前記透光性導電膜に接触して設けられたニッケル(Ni)からなる層を有することにより、透光性導電膜とオーバーコート層との付着強度を改善することができる。
Furthermore, an overcoat layer provided on the translucent conductive film is further provided,
The overcoat layer has a layer made of nickel (Ni) provided in contact with the translucent conductive film, whereby adhesion strength between the translucent conductive film and the overcoat layer can be improved. .

または、本発明の第2の態様による半導体発光素子は、p型の窒化物系半導体からなる第1の層と、n型の窒化物系半導体からなる第2の層と、前記第1の層に接触して設けられたp側電極と、前記第2の層に接触して設けられたn側電極と、を備え、前記n側電極は、前記第2の層に接触して設けられ、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、及びチタン(Ti)のいずかまたはこれらの元素を少なくとも1つ含む合金からなるコンタクト層と、前記コンタクト層の上に設けられたタングステン(W)からなるバリア層と、前記バリア層の上に設けられた金(Au)からなるボンディング・パッド層と、を有することを特徴とし、n側において良好なオーミック接触を確保するとともにバリア層が有効に作用して信頼性も確保することができる。   Alternatively, the semiconductor light emitting device according to the second aspect of the present invention includes a first layer made of a p-type nitride-based semiconductor, a second layer made of an n-type nitride-based semiconductor, and the first layer. A p-side electrode provided in contact with and an n-side electrode provided in contact with the second layer, the n-side electrode provided in contact with the second layer, A contact layer made of hafnium (Hf), aluminum (Al), titanium (Ti) or an alloy containing at least one of these elements, and tungsten (W) provided on the contact layer. It has a barrier layer and a bonding pad layer made of gold (Au) provided on the barrier layer, and ensures good ohmic contact on the n side and the barrier layer functions effectively. Ensure reliability. Can.

本発明の望ましい実施の態様として、前記第1の層は、p型のドーパントを含有し層厚が100nm以下の複数の層からなり、前記複数の層は、隣接する層が互いに異なる組成の窒化物系半導体からなることを特徴とし、さらにオーミック接触を改善することができる。   As a preferred embodiment of the present invention, the first layer is composed of a plurality of layers containing a p-type dopant and having a layer thickness of 100 nm or less, and the plurality of layers are nitrided with compositions different from each other in adjacent layers. It is characterized by comprising a physical semiconductor and can further improve ohmic contact.

ここで、前記第2の層は、n型のドーパントを含有し層厚が100nm以下の複数の層からなり、前記複数の層は、隣接する層が互いに異なる組成の窒化物系半導体からなるものとすることが望ましい。   Here, the second layer is composed of a plurality of layers containing an n-type dopant and having a thickness of 100 nm or less, and the plurality of layers are composed of nitride-based semiconductors having adjacent compositions different from each other. Is desirable.

また、前記第1の層と前記第2の層の少なくともいずれかは、前記電極と接触する表面に凹凸が設けられたものとすれば、電極との接触面積を拡大して接触抵抗を低下させ、電極の付着強度を改善することができる。   Further, if at least one of the first layer and the second layer is provided with unevenness on the surface that contacts the electrode, the contact area with the electrode is expanded to reduce the contact resistance. The adhesion strength of the electrode can be improved.

または、本発明の第3の態様による半導体発光素子は、半導体からなる発光層と、金属酸化物からなり、前記発光層から放出される光に対して透光性を有する透光性導電膜と、前記透光性導電膜に接触して設けられたニッケル(Ni)からなる層と、を備えたことを特徴とし、窒化物系半導体に限らず、InGaAlP系やInP系などの種々の材料系を用い、且つ透光性導電膜を有する半導体発光素子において、透光性導電膜と金属層との付着強度を改善することができる。   Alternatively, the semiconductor light-emitting device according to the third aspect of the present invention includes a light-emitting layer made of a semiconductor and a light-transmitting conductive film made of a metal oxide and having a light-transmitting property with respect to light emitted from the light-emitting layer. And a layer made of nickel (Ni) provided in contact with the translucent conductive film, and is not limited to nitride-based semiconductors, but various material systems such as InGaAlP-based and InP-based materials In the semiconductor light emitting device using the transparent conductive film, the adhesion strength between the transparent conductive film and the metal layer can be improved.

一方、本発明の第4の態様による半導体発光素子の製造方法は、n型の窒化物系半導体からなるn型層とp型の窒化物系半導体からなるp型層とを有する積層体を形成する工程と、前記積層体の前記p型層の表面にp側コンタクト電極層を形成する工程と、還元性ガスを含有する雰囲気中で熱処理する工程と、を備えたことを特徴とし、p側において良好なオーミック接触を得ることができる。   On the other hand, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the fourth aspect of the present invention, a stacked body having an n-type layer made of an n-type nitride-based semiconductor and a p-type layer made of a p-type nitride-based semiconductor is formed. A step of forming a p-side contact electrode layer on the surface of the p-type layer of the laminate, and a step of heat-treating in an atmosphere containing a reducing gas. Good ohmic contact can be obtained.

または、本発明の第5の態様による半導体発光素子の製造方法は、n型の窒化物系半導体からなるn型層とp型の窒化物系半導体からなるp型層とを有する積層体を形成する工程と、前記積層体の前記n型層の表面にn側コンタクト電極層を形成する工程と、第1の温度において熱処理する工程と、前記積層体の前記p型層の表面にp側コンタクト電極層を形成する工程と、還元性ガスを含有する雰囲気中で前記第1の温度よりも低い第2の温度において熱処理する工程と、を備えたことを特徴とし、
良好なオーミック接触を得ることができる。
Alternatively, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the fifth aspect of the present invention, a stacked body including an n-type layer made of an n-type nitride semiconductor and a p-type layer made of a p-type nitride semiconductor is formed. A step of forming an n-side contact electrode layer on the surface of the n-type layer of the laminate, a step of heat-treating at a first temperature, and a p-side contact on the surface of the p-type layer of the laminate. A step of forming an electrode layer, and a step of heat-treating at a second temperature lower than the first temperature in an atmosphere containing a reducing gas,
Good ohmic contact can be obtained.

ここで、本発明の望ましい実施の態様として、前記n側コンタクト電極層は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)及びチタン(Ti)のいずかからなるものとすれば、良好なn側オーミックが得られる。   Here, as a preferred embodiment of the present invention, if the n-side contact electrode layer is made of any one of hafnium (Hf), aluminum (Al), and titanium (Ti), a good n-side ohmic contact is obtained. Is obtained.

また、前記p側コンタクト電極層は、銀(Ag)を含有する金属またはニッケル(Ni)のいずれかからなるものとすれば、良好なp側オーミックが得られる。   If the p-side contact electrode layer is made of either a metal containing silver (Ag) or nickel (Ni), a good p-side ohmic can be obtained.

また、前記p側コンタクト電極層の上に金属酸化物からなる透光性導電膜を形成する工程と、酸素を含有した雰囲気において前記透光性導電膜を熱処理する工程と、をさらに備えたことを特徴とし、透光性導電膜のシート抵抗を低下させ付着強度も高くすることができる。   The method further includes the step of forming a light-transmitting conductive film made of a metal oxide on the p-side contact electrode layer and the step of heat-treating the light-transmitting conductive film in an oxygen-containing atmosphere. The sheet resistance of the translucent conductive film can be reduced and the adhesion strength can be increased.

または、本発明の第6の態様による半導体発光素子の製造方法は、発光層を含む半導体積層体を形成する工程と、前記半導体積層体の上に金属酸化物からなる透光性導電膜を形成する工程と、酸素を含有した雰囲気において前記透光性導電膜を熱処理する工程と、を備えたことを特徴とし、窒化物系半導体に限らず、InGaAlP系やInP系などの種々の半導体を用い、且つ透光性導電膜を有する半導体発光素子において、透光性導電膜のシート抵抗を低下させ、付着強度を高くすることができる。   Alternatively, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the sixth aspect of the present invention, a step of forming a semiconductor stacked body including a light emitting layer and a light-transmitting conductive film made of a metal oxide are formed on the semiconductor stacked body. And a step of heat-treating the translucent conductive film in an oxygen-containing atmosphere, using not only nitride-based semiconductors but also various semiconductors such as InGaAlP-based and InP-based semiconductors In addition, in a semiconductor light-emitting element having a light-transmitting conductive film, the sheet resistance of the light-transmitting conductive film can be reduced and the adhesion strength can be increased.

本発明によれば、従来よりもオーミック接触を改善し、同時に信頼性や電極の付着強度も改善された発光素子を提供することができ、産業上のメリットは多大である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the ohmic contact can be improved compared with the past, and the light emitting element by which reliability and the adhesion strength of the electrode were improved simultaneously can be provided, and an industrial merit is great.

以下に図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる半導体発光素子を表す概略断面図である。本発明の半導体発光素子は、サファイア基板1の上にGaNバッファ層(図示せず)、n型GaN層2、n型AlGaNコンタクト層3、n型GaNコンタクト層4、n型GaN層5、p型GaN層6、p型AlGaNコンタクト層7、p型InGaNコンタクト層8、p型GaNコンタクト層9、が順次積層された構造を有する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor light emitting device of the present invention includes a GaN buffer layer (not shown), an n-type GaN layer 2, an n-type AlGaN contact layer 3, an n-type GaN contact layer 4, an n-type GaN layer 5, and a p on a sapphire substrate 1. The p-type GaN layer 6, the p-type AlGaN contact layer 7, the p-type InGaN contact layer 8, and the p-type GaN contact layer 9 are sequentially stacked.

p側電極は、透光性電極とボンディング・パッド部とからなる。すなわち、p型GaNコンタクト層9の上には、SiO2 などからなるブロック層13が選択的に形成され、残りの表面上には、例えば、第1の金属層10/第2の金属層11/タングステン(W)層12を積層した透光性電極が形成されている。 The p-side electrode includes a translucent electrode and a bonding pad portion. That is, the block layer 13 made of SiO 2 or the like is selectively formed on the p-type GaN contact layer 9, and the first metal layer 10 / second metal layer 11 are formed on the remaining surface, for example. A translucent electrode in which the / tungsten (W) layer 12 is laminated is formed.

ブロック層13は、ボンディング・パッドの下において余分な発光が生じないように電流を遮断する役割を有する。また、透光性電極の各層の層厚はいずれも極めて薄く、発光素子から放出される光があまり吸収されずに透過するようにされている。   The block layer 13 has a role of blocking current so that excessive light emission does not occur under the bonding pad. Further, the thickness of each layer of the translucent electrode is extremely thin so that light emitted from the light emitting element is transmitted without being absorbed so much.

第1の金属層10としては、銀(Ag)を用いることが望ましい。また、第2の金属層11としては、金(Au)を用いることが望ましい。または、第1の金属層10として銀と金との混合物を用い、第2の金属層を省略しても良い。あるいは、後に詳述するように、本発明に独特の水素アニールを施す場合には、第1の金属層10としてニッケル(Ni)を用い、第2の金属層を省略しても良い。   As the first metal layer 10, it is desirable to use silver (Ag). Further, it is desirable to use gold (Au) as the second metal layer 11. Alternatively, a mixture of silver and gold may be used as the first metal layer 10 and the second metal layer may be omitted. Alternatively, as will be described later in detail, when hydrogen annealing unique to the present invention is performed, nickel (Ni) may be used as the first metal layer 10 and the second metal layer may be omitted.

ブロック層13の上には、透光性電極層に一部が接続された状態で、チタン(Ti)層18、タングステン(W)層19、金(Au)層20をこの順に堆積したボンディング・パッドが形成されている。ここで、チタン(Ti)層18は接着層、タングステン(W)層19はバリア層、金(Au)層20はボンディング層として作用する。   A bonding layer in which a titanium (Ti) layer 18, a tungsten (W) layer 19, and a gold (Au) layer 20 are deposited in this order on the block layer 13 while being partially connected to the light-transmitting electrode layer. A pad is formed. Here, the titanium (Ti) layer 18 functions as an adhesive layer, the tungsten (W) layer 19 functions as a barrier layer, and the gold (Au) layer 20 functions as a bonding layer.

一方、n型コンタクト層4の上には、n側電極が形成されている。すなわち、ハフニウム(Hf)層14/アルミニウム(Al)層15/ハフニウム(Hf)層16/金(Au)層17がこの順序に堆積され、さらにその上には、チタン(Ti)層18、タングステン(W)層19、金(Au)層20をこの順に堆積したボンディング・パッド部が形成されている。   On the other hand, an n-side electrode is formed on the n-type contact layer 4. That is, a hafnium (Hf) layer 14 / aluminum (Al) layer 15 / hafnium (Hf) layer 16 / gold (Au) layer 17 are deposited in this order, and a titanium (Ti) layer 18 and tungsten are further formed thereon. A bonding pad portion in which the (W) layer 19 and the gold (Au) layer 20 are deposited in this order is formed.

ここで、中間の金(Au)層17は、ハフニウム(Hf)層16を保護するキャップ層として作用する。半導体中への金(Au)の過剰な侵入を防ぐために、金(Au)層17の層厚は比較的薄く形成することが望ましく、または、省略することもできる。   Here, the intermediate gold (Au) layer 17 functions as a cap layer for protecting the hafnium (Hf) layer 16. In order to prevent excessive penetration of gold (Au) into the semiconductor, it is desirable that the gold (Au) layer 17 be formed to be relatively thin or omitted.

また、チタン層18は、接着層として作用する。タングステン層19は、バリア層として作用する。さらに、金層20は、ワイアなどをボンディングする層として作用する。   The titanium layer 18 acts as an adhesive layer. The tungsten layer 19 acts as a barrier layer. Further, the gold layer 20 functions as a layer for bonding wires or the like.

図示したn側電極層の構造は、一例に過ぎない。本発明においては、n型コンタクト層4に接触する金属層が、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)またはアルミニウム(Al)のいずれかであり、その上にタングステン(W)からなるバリア層が設けられ、さらに、その上に金(Au)からなるボンディング・パッド層が設けられていることが特徴とされる。   The illustrated structure of the n-side electrode layer is merely an example. In the present invention, the metal layer that contacts the n-type contact layer 4 is either hafnium (Hf), titanium (Ti), or aluminum (Al), and a barrier layer made of tungsten (W) is provided thereon. In addition, a bonding pad layer made of gold (Au) is provided thereon.

発光素子の表面は、SiO2 からなる保護膜22により覆われている。 The surface of the light emitting element is covered with a protective film 22 made of SiO 2 .

本発明の発光素子は、以上説明した構成により、以下に説明する作用を奏する。   The light emitting device of the present invention has the following operations with the configuration described above.

すなわち、本発明によれば、まず、p型コンタクト層9と接触するコンタクト金属として、銀、または、銀と金との混合物のいずれかを用いることにより、p型コンタクト層9とのオーミック接触を大幅に改善することができる。本発明者は、独自の検討を行った結果、これらの金属を半導体層にコンタクトさせた時に、特に接触抵抗を低減できることを知得するに至った。これは、銀を添加することによりp型コンタクト層9と反応しやすくなるからであると考えられる。   That is, according to the present invention, by using either silver or a mixture of silver and gold as a contact metal in contact with the p-type contact layer 9, first, ohmic contact with the p-type contact layer 9 is achieved. It can be greatly improved. As a result of independent studies, the present inventor has come to know that contact resistance can be particularly reduced when these metals are brought into contact with the semiconductor layer. This is considered to be because it becomes easy to react with the p-type contact layer 9 by adding silver.

また、本発明によれば、素子のn側において、n側コンタクト金属層の上にバリア層としてのタングステン層19を設けることにより、バリア効果を維持しつつ、オーミック接触を改善することができる。すなわち、バリア層は、n側コンタクト金属とボンディング・パッドとの相互拡散を防いで、信頼性を維持する作用を有する。従来は、n側電極のバリア層としては、白金(Pt)が用いられることが多かった。しかし、白金は、窒化物系半導体の中に侵入するとp型のドーパントとして作用する。従って、ボンディング・パッド形成後の、熱処理や半田マウントあるいはワイア・ボンディングなどの昇温工程の際に白金がn型コンタクト層に拡散してオーミック接触を劣化させていた。   Further, according to the present invention, the ohmic contact can be improved while maintaining the barrier effect by providing the tungsten layer 19 as the barrier layer on the n-side contact metal layer on the n-side of the element. That is, the barrier layer functions to prevent mutual diffusion between the n-side contact metal and the bonding pad and maintain reliability. Conventionally, platinum (Pt) has often been used as the barrier layer of the n-side electrode. However, platinum acts as a p-type dopant when it enters the nitride-based semiconductor. Therefore, platinum is diffused into the n-type contact layer during the temperature rising process such as heat treatment, solder mounting or wire bonding after the bonding pad is formed, and the ohmic contact is deteriorated.

これに対して、本発明者は、n側電極のバリア層としてタングステン層を用いることにより、オーミック接触を劣化させることなく、長期間の信頼性が確保されることを発見した。また、このようにバリア層としてタングステン層を用いる場合には、コンタクト金属として、上述したハフニウム(Hf)、チタン(Ti)またはアルミニウム(Al)のいずれかを用いた場合に、特に良好な結果が得られることが分かった。   On the other hand, the present inventor has discovered that long-term reliability can be secured without deteriorating ohmic contact by using a tungsten layer as the barrier layer of the n-side electrode. Further, when the tungsten layer is used as the barrier layer in this way, particularly good results are obtained when any of the above-described hafnium (Hf), titanium (Ti), or aluminum (Al) is used as the contact metal. It turns out that it is obtained.

さらに、本発明によれば、これらの新規な構成を従来とは異なる新規なプロセスで形成することにより、さらにオーミック接触を改善することができる。次に、本発明の発光素子の製造方法について説明する。
図2は、本発明の発光素子の製造方法の要部を表すフローチャートである。
まず、ステップS1に示したように、サファイア基板1の上に、半導体層2〜9を順次結晶成長する。各層の結晶成長は、例えば、MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition )、ハイドライドCVD、MBE(molecular beam deposition )などの方法により行うことができる。
Furthermore, according to the present invention, the ohmic contact can be further improved by forming these new structures by a new process different from the conventional one. Next, the manufacturing method of the light emitting element of this invention is demonstrated.
FIG. 2 is a flowchart showing the main part of the method for manufacturing a light emitting device of the present invention.
First, as shown in step S <b> 1, the semiconductor layers 2 to 9 are successively grown on the sapphire substrate 1. Crystal growth of each layer can be performed by a method such as MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition), hydride CVD, MBE (molecular beam deposition), or the like.

次に、ステップS2に示したように、p型層をエッチングする。すなわち、p型半導体からなる層6〜9を、選択的にエッチングしてn型GaN層4を露出させる。具体的には、例えば、PEP(photo-engraving process )法によりパターニングし、RIE(reactive ion etching)などのエッチング法によりエッチングを施すことにより行う。   Next, as shown in step S2, the p-type layer is etched. That is, the p-type semiconductor layers 6 to 9 are selectively etched to expose the n-type GaN layer 4. Specifically, for example, patterning is performed by a PEP (photo-engraving process) method, and etching is performed by an etching method such as RIE (reactive ion etching).

次に、ステップS3に示したように、n側電極のうちのコンタクト部を形成する。具体的には、真空蒸着法やスパッタリング法などによりGaNコンタクト層4の上に、ハフニウム層14/アルミニウム層15/ハフニウム層16/金層17などを堆積し、リフトオフ法によりパターニングする。   Next, as shown in step S3, a contact portion of the n-side electrode is formed. Specifically, a hafnium layer 14 / aluminum layer 15 / hafnium layer 16 / gold layer 17 and the like are deposited on the GaN contact layer 4 by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like, and patterned by a lift-off method.

次に、ステップS4に示したように、n側電極のコンタクト部のシンタを行う。具体的には、例えば、窒素ガス雰囲気中において800℃以上で20秒間程度の熱処理を施す。   Next, as shown in step S4, the contact portion of the n-side electrode is sintered. Specifically, for example, heat treatment is performed at 800 ° C. or higher for about 20 seconds in a nitrogen gas atmosphere.

次に、ステップS5またはS8に示したように、p側電極のうちの透光性電極層を形成する。具体的には、真空蒸着法やスパッタリング法などによりp型コンタクト層9の上に、第1の金属層10/第2の金属層11/タングステン(W)層12などを順次堆積する。ここで、第1の金属層10は、前述したように、銀、銀と金との混合物、またはニッケルのいずれかである。銀の場合には、その厚みは、0.5〜10nm程度とすることが望ましい。また、銀と金との混合物とする場合には、銀の比率は、1〜20原子%程度とし、その混合物層の厚みは、0.5〜10nm程度とすることが望ましい。また、ニッケルの場合には、その厚みは、0.5〜5nmとすることが望ましい。   Next, as shown in step S5 or S8, a translucent electrode layer of the p-side electrode is formed. Specifically, a first metal layer 10 / second metal layer 11 / tungsten (W) layer 12 and the like are sequentially deposited on the p-type contact layer 9 by vacuum vapor deposition or sputtering. Here, as described above, the first metal layer 10 is either silver, a mixture of silver and gold, or nickel. In the case of silver, the thickness is preferably about 0.5 to 10 nm. Moreover, when setting it as the mixture of silver and gold | metal | money, it is desirable that the ratio of silver shall be about 1-20 atomic%, and the thickness of the mixture layer shall be about 0.5-10 nm. In the case of nickel, the thickness is preferably 0.5 to 5 nm.

この後の工程は、p側電極の材料に応じて若干異なる。
すなわち、ステップS5に示したように、コンタクト金属としてニッケルを用いた場合には、ステップS6において、還元性ガスを含有した雰囲気中でアニールを施す。還元性ガスとしては、水素ガスを用いることができる。また、その雰囲気は、水素と窒素との混合ガスとすることができ、水素の体積含有率が0.1%〜5%程度の範囲であることが望ましい。また、アニール温度は、500℃以下とすることが望ましい。
The subsequent steps are slightly different depending on the material of the p-side electrode.
That is, as shown in step S5, when nickel is used as the contact metal, annealing is performed in an atmosphere containing a reducing gas in step S6. Hydrogen gas can be used as the reducing gas. The atmosphere can be a mixed gas of hydrogen and nitrogen, and the volume content of hydrogen is desirably in the range of about 0.1% to 5%. The annealing temperature is desirably 500 ° C. or lower.

次に、ステップS7に示したように、ボンディング・パッド部を形成する。具体的には、真空蒸着法やスパッタリング法などによって、チタン(Ti)層18、タングステン(W)層19、金(Au)層20をこの順に堆積する。   Next, as shown in step S7, a bonding pad portion is formed. Specifically, a titanium (Ti) layer 18, a tungsten (W) layer 19, and a gold (Au) layer 20 are deposited in this order by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like.

一方、ステップS8に示したように、コンタクト金属として、銀または銀と金との混合物を用いた場合には、ステップS9において、一旦シンタする。具体的には、窒素雰囲気中において600℃以上800℃以下の温度で熱処理を施す。熱処理は、例えば、750℃で約20秒間とすることができる。   On the other hand, as shown in step S8, when silver or a mixture of silver and gold is used as the contact metal, sintering is performed once in step S9. Specifically, heat treatment is performed at a temperature of 600 ° C. to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere. The heat treatment can be performed at 750 ° C. for about 20 seconds, for example.

次に、ステップS10に示したように、還元性ガスとしての水素を含有した雰囲気中でアニールを施す。この雰囲気やアニール温度は、ステップS6について前述した通りである。   Next, as shown in step S10, annealing is performed in an atmosphere containing hydrogen as a reducing gas. This atmosphere and annealing temperature are as described above for step S6.

次に、ステップS11に示したように、ボンディング・パッド部を形成する。具体的には、真空蒸着法やスパッタリング法などによって、チタン(Ti)層18、タングステン(W)層19、金(Au)層20をこの順に堆積する。   Next, as shown in step S11, a bonding pad portion is formed. Specifically, a titanium (Ti) layer 18, a tungsten (W) layer 19, and a gold (Au) layer 20 are deposited in this order by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like.

以上の工程により、本発明の半導体発光素子が完成する。   The semiconductor light emitting device of the present invention is completed through the above steps.

本発明の製造方法においては、まず、p側電極の形成に先だってn側電極を形成し、シンタすることにより、良好なオーミック接触を得ることができる。この理由は、本発明において用いるn側電極のコンタクト金属に対する最適なシンタ温度は、p側電極に対する最適な熱処理温度よりも高いからである。すなわち、ステップS4におけるn側電極のシンタ温度は、800℃以上であるのに対して、ステップS6、S9、S10における熱処理温度は、いずれも800℃以下である。従って、図2に示したようにn側電極の形成とシンタを先に行うことにより、p側電極に過剰な熱処理を負荷することがなくなる。   In the manufacturing method of the present invention, a good ohmic contact can be obtained by first forming and sintering an n-side electrode prior to the formation of the p-side electrode. This is because the optimum sintering temperature for the contact metal of the n-side electrode used in the present invention is higher than the optimum heat treatment temperature for the p-side electrode. That is, the sintering temperature of the n-side electrode in step S4 is 800 ° C. or higher, whereas the heat treatment temperatures in steps S6, S9, and S10 are all 800 ° C. or lower. Therefore, as shown in FIG. 2, by performing the formation and sintering of the n-side electrode first, an excessive heat treatment is not applied to the p-side electrode.

また、本発明の製造方法によれば、p側電極を堆積した後に、ステップS6、S10において還元性の雰囲気中でアニールを施すことにより、p側のオーミック接触や付着強度をさらに改善することができる。これは、窒化物系半導体に関して従来報告されている事実と反するものであり、本発明者が独自に知得した実験事実である。すなわち、従来は、水素雰囲気中でp型の窒化物系半導体を熱処理すると、水素の作用によって、半導体中に含有されるマグネシウム(Mg)などのp型ドーパントが不活性化するという事実が報告されていた。このような不活性化が生ずると、p型半導体のアクセプタ濃度が低下するために、オーミック接触は劣化するはずであった。   In addition, according to the manufacturing method of the present invention, the p-side ohmic contact and adhesion strength can be further improved by performing annealing in a reducing atmosphere in steps S6 and S10 after the p-side electrode is deposited. it can. This is contrary to the facts that have been reported so far regarding nitride-based semiconductors, and is an experimental fact that the present inventor has independently known. That is, conventionally, it has been reported that when a p-type nitride semiconductor is heat-treated in a hydrogen atmosphere, p-type dopants such as magnesium (Mg) contained in the semiconductor are inactivated by the action of hydrogen. It was. When such inactivation occurs, the acceptor concentration of the p-type semiconductor decreases, and the ohmic contact should have deteriorated.

これに対して、本発明者は、p型の窒化物系半導体の上に、まず、p側電極層を堆積し、しかる後に水素を含む雰囲気中で熱処理を施すと、オーミック接触と付着強度が大幅に改善されることを発見した。これは、定性的には、p型半導体層の上を電極層で覆うことにより、p型半導体層中のp型ドーパントの不活性化を抑制しつつ半導体層と電極層との間に介在する酸化物などを還元除去することができるからであると推測される。   On the other hand, when the present inventor first deposits a p-side electrode layer on a p-type nitride semiconductor and then heat-treats it in an atmosphere containing hydrogen, ohmic contact and adhesion strength are obtained. I found a significant improvement. Qualitatively, the p-type semiconductor layer is covered with an electrode layer, thereby interposing between the semiconductor layer and the electrode layer while suppressing inactivation of the p-type dopant in the p-type semiconductor layer. This is presumably because oxides and the like can be reduced and removed.

図3は、本発明者が試作した発光素子のp側電極側の電流電圧特性を表すグラフ図である。ここで、p側電極は、幅100μm、間隔20μmとした。図3において、「本発明A」と表したものは、p側のコンタクト金属として銀(Ag)を用い、水素を含む窒素ガス雰囲気中で500℃10分間のアニールを施した素子である。また、「本発明B」と表したものは、p側のコンタクト金属として銀を用い、水素を含む雰囲気中でのアニールは施さない素子である。また、「従来例」と表したものは、p側のコンタクト金属として金(Au)を用い、水素を含む雰囲気中でのアニールは施さない素子である。   FIG. 3 is a graph showing the current-voltage characteristics on the p-side electrode side of the light-emitting element prototyped by the inventors. Here, the p-side electrodes had a width of 100 μm and an interval of 20 μm. In FIG. 3, “present invention A” is an element using silver (Ag) as a p-side contact metal and annealed at 500 ° C. for 10 minutes in a nitrogen gas atmosphere containing hydrogen. In addition, what is expressed as “Invention B” is an element that uses silver as a p-side contact metal and is not annealed in an atmosphere containing hydrogen. Also, what is expressed as “conventional example” is an element that uses gold (Au) as a p-side contact metal and is not annealed in an atmosphere containing hydrogen.

図3から、p側のコンタクト金属として銀を用いることにより、従来よりも接触抵抗が低下し、水素を含有する雰囲気中でアニールを施すことにより接触抵抗はさらに低減することが分かる。同様の改善は、コンタクト金属として、銀と金との混合物やニッケルを用いた場合にも得られた。   From FIG. 3, it can be seen that using silver as the p-side contact metal lowers the contact resistance than before, and further lowers the contact resistance by annealing in an atmosphere containing hydrogen. Similar improvements were obtained when using a mixture of silver and gold or nickel as the contact metal.

一方、図4は、本発明者が試作した発光素子のn側電極側の電流電圧特性を表すグラフ図である。ここで、n側電極は、間隔350μmとした。図4において、「本発明」と表したものは、n側電極層としてハフニウム(Hf)を用い、バリア層としてタングステン(W)を用いた素子である。また、「従来例」と表したものは、p側のコンタクト金属としてアルミニウム(Al)を用い、バリア層として白金(Pt)を用いた素子である。   On the other hand, FIG. 4 is a graph showing the current-voltage characteristics on the n-side electrode side of the light-emitting element prototyped by the present inventors. Here, the interval between the n-side electrodes was 350 μm. In FIG. 4, “present invention” is an element using hafnium (Hf) as an n-side electrode layer and tungsten (W) as a barrier layer. In addition, what is expressed as “conventional example” is an element using aluminum (Al) as a p-side contact metal and platinum (Pt) as a barrier layer.

図4から、本発明によれば、従来よりも接触抵抗が大幅に低減することが分かる。同様の効果は、コンタクト層にアルミニウム(Al)またはチタン(Ti)を用いた場合にも得られた。   From FIG. 4, it can be seen that according to the present invention, the contact resistance is significantly reduced as compared with the prior art. Similar effects were obtained when aluminum (Al) or titanium (Ti) was used for the contact layer.

p側またはn側におけるコンタクト付近の層の構成は、例えば、図1において、要部拡大図に表したように、InAlGaN層とAlGaN層とを交互に積層した構造や、InGaN層とAlGaN層とを交互に積層した構造としても良い。   The structure of the layer in the vicinity of the contact on the p side or the n side is, for example, a structure in which InAlGaN layers and AlGaN layers are alternately stacked as shown in the enlarged view of the main part in FIG. It is good also as a structure which laminated | stacked alternately.

InGaNとAlGaNは、GaNに対してそれぞれ反対方向の歪みを生ずるので、このような積層構造とすると、歪みを補償することが可能となる。   InGaN and AlGaN produce strains in opposite directions with respect to GaN, so that such a laminated structure can compensate for the strains.

また、100nm以下の厚さの窒化物系半導体層では高キャリア濃度層の形成が容易であり、複数の層を形成するとそれらの界面付近(特にInやAlを含む層とGaN層との間)には、p型不純物である高濃度のマグネシウム(Mg)あるいはn型不純物である高濃度のシリコン(Si)が集中しやすい。p側電極やn側電極を堆積後に、所定の熱処理を施すと、電極金属と複数の窒化物系半導体層とが反応し、さらにそれらの層の界面付近にある高濃度のマグネシウム(p側)やシリコン(n側)と電極金属も良好な反応を起こし、オーミック特性の良好な電極コンタクトを形成することができる。   In addition, in the nitride-based semiconductor layer having a thickness of 100 nm or less, it is easy to form a high carrier concentration layer, and when a plurality of layers are formed, the vicinity of the interface (particularly between the layer containing In or Al and the GaN layer). Therefore, high-concentration magnesium (Mg) as a p-type impurity or high-concentration silicon (Si) as an n-type impurity tends to concentrate. When a predetermined heat treatment is performed after depositing the p-side electrode and n-side electrode, the electrode metal reacts with the plurality of nitride-based semiconductor layers, and high-concentration magnesium near the interface between these layers (p-side) In addition, silicon (n-side) and the electrode metal also cause a good reaction, and an electrode contact with good ohmic characteristics can be formed.

この際に、次の第2実施形態に関して後述するように、複数の窒化物系半導体層を貫通するような凹凸があれば、さらに電極金属と半導体層との反応を効率的に進めることができる。   At this time, as will be described later with reference to the second embodiment, if there is an unevenness that penetrates a plurality of nitride-based semiconductor layers, the reaction between the electrode metal and the semiconductor layer can be further promoted efficiently. .

次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described.

図5は、本発明の第2の実施の形態にかかる発光素子の断面構造を表す概念図である。同図については、図1と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態においては、p側及びn側の電極コンタクト部分において、半導体の表面部分が部分的にエッチング除去され、凹凸状に加工されている。そして、この凹凸状の半導体の表面にp側及びn側の電極層が形成されている。このようにコンタクト部分の半導体の表面を凹凸状に加工すると、電極との接触面積が増大し、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。また、電極の剥離強度も増加する。さらに、p側に形成された凹凸によって、発光部分から放出される光の外部への取り出し効率が改善される。すなわち、窒化物系半導体は、屈折率が2.67程度と極めて高い。そのために、発光層から放出された光のうちで、p型コンタクト層の表面に到達した光は、垂直に近い角度で入射もの以外は、全反射されてしまう。これに対して、本実施形態によれば、p型コンタクト層の表面部分に凹凸を形成することにより、光を数回にわたって散乱し、最終的に外部に取り出す成分を増加することができる。   FIG. 5 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a light emitting device according to the second embodiment of the present invention. About the same figure, about the structure same as FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted. In the present embodiment, at the p-side and n-side electrode contact portions, the surface portion of the semiconductor is partially etched away and processed into an uneven shape. The p-side and n-side electrode layers are formed on the surface of the uneven semiconductor. When the surface of the semiconductor of the contact portion is processed to be uneven as described above, the contact area with the electrode increases, and the contact resistance can be further reduced. Also, the peel strength of the electrode increases. Furthermore, the unevenness formed on the p side improves the extraction efficiency of the light emitted from the light emitting portion to the outside. That is, the nitride-based semiconductor has a very high refractive index of about 2.67. Therefore, of the light emitted from the light emitting layer, the light that reaches the surface of the p-type contact layer is totally reflected except for light that is incident at an angle close to vertical. On the other hand, according to the present embodiment, by forming irregularities on the surface portion of the p-type contact layer, it is possible to increase the components that are scattered several times and finally taken out.

次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
図6は、本発明の第3の実施の形態にかかる発光素子の断面構成を表す概念図である。同図についても、図1に関して前述したものと同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional configuration of a light emitting device according to a third embodiment of the present invention. Also in this figure, the same parts as those described above with reference to FIG.

本実施形態の発光素子は、基板1を介して外部に光を取り出す構成を有する。   The light emitting element of this embodiment has a configuration for extracting light to the outside through the substrate 1.

また、本実施形態においては、p側電極、N側電極ともにボンディング用の金(Au)層までを一度に形成しているため、オーバーコート電極層の接着層であるチタン(Ti)層18が無い構成となっている。   In this embodiment, since both the p-side electrode and the N-side electrode are formed up to the bonding gold (Au) layer at a time, the titanium (Ti) layer 18 as the adhesive layer of the overcoat electrode layer is formed. It has no composition.

また、p側の電極を介して光を取り出す構成ではないため、p側電極は必ずしも透光性を有する必要は無く、層厚を厚く形成することができる。   Further, since light is not extracted through the p-side electrode, the p-side electrode does not necessarily have translucency and can be formed thick.

次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.

図7は、本発明の第4の実施の形態にかかる発光素子の断面構成を表す概念図である。同図についても、図1に関して前述したものと同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態は、ITO(インジウム錫酸化物)からなる透光性電極23をp側電極の表面に積層した例である。p側のオーバーコート電極すなわちボンディング電極は、ニッケル(Ni)層18’と金(Au)層20により形成されている。   FIG. 7 is a conceptual diagram showing a cross-sectional configuration of a light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention. Also in this figure, the same parts as those described above with reference to FIG. In this embodiment, a translucent electrode 23 made of ITO (indium tin oxide) is laminated on the surface of the p-side electrode. The p-side overcoat electrode, that is, the bonding electrode, is formed of a nickel (Ni) layer 18 ′ and a gold (Au) layer 20.

本実施形態によれば、ITOを積層することにより、ボンディング電極に供給された電流をITOからなる透明電極23の層内で面内方向に拡げ、p側電極を介して注入することにより、面内において均一な強度分布を有する発光を得ることができる。   According to the present embodiment, by laminating ITO, the current supplied to the bonding electrode is spread in the in-plane direction within the layer of the transparent electrode 23 made of ITO, and injected through the p-side electrode, Light emission having a uniform intensity distribution can be obtained.

この効果は、p側電極金属が層状でなく島状に形成されている場合に特に効果的であり、ボンディング電極からの電流を面内方向に効率的に流すことができる。   This effect is particularly effective when the p-side electrode metal is formed in an island shape instead of a layer shape, and a current from the bonding electrode can be efficiently passed in the in-plane direction.

また、ニッケル層18’は、ITOからなる透明電極23に対して付着強度が良好であり、ITO透明電極23の上のオーバーコート層すなわちボンディング電極が剥がれるという問題を解消することができる。   The nickel layer 18 ′ has good adhesion strength to the transparent electrode 23 made of ITO, and can solve the problem that the overcoat layer on the ITO transparent electrode 23, that is, the bonding electrode is peeled off.

本実施形態においては、透明電極23が金(Au)に対するバリアとして作用するため、必ずしもタングステン(W)層は必要ではなく、同図に表したようにニッケル(Ni)層18’と金(Au)層20のみで良い。または、金(Au)20のみでも良い。但し、透明電極23の膜厚や膜質に応じてバリア層を設けると、金(Au)の拡散を防いで信頼性をさらに改善することができる。本発明者の検討によれば、この場合のバリア層としては、タングステン(W)または、白金(Pt)が特に適していることが分かった。すなわち、ニッケル層18’と金層20との間にタングステン(W)層または白金(Pt)層を設けると、金の拡散を効果的に阻止して発光素子の信頼性をさらに向上させることができる。また、これら以外にも、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)及びタンタル(Ta)のいずれかをバリア層として用いても良好な結果が得られることが分かった。   In the present embodiment, since the transparent electrode 23 acts as a barrier against gold (Au), the tungsten (W) layer is not necessarily required. As shown in the figure, the nickel (Ni) layer 18 ′ and the gold (Au) Only layer 20 is sufficient. Alternatively, only gold (Au) 20 may be used. However, if a barrier layer is provided according to the film thickness and film quality of the transparent electrode 23, the diffusion of gold (Au) can be prevented and the reliability can be further improved. According to the study of the present inventor, it was found that tungsten (W) or platinum (Pt) is particularly suitable as the barrier layer in this case. That is, when a tungsten (W) layer or a platinum (Pt) layer is provided between the nickel layer 18 ′ and the gold layer 20, it is possible to effectively prevent gold diffusion and further improve the reliability of the light emitting element. it can. In addition to these, it has been found that good results can be obtained even when any one of molybdenum (Mo), titanium (Ti), and tantalum (Ta) is used as the barrier layer.

本発明者は、本実施形態におけるITO透明電極23の形成プロセスについて試作検討を繰り返した結果、極めて良好な結果が得られるプロセスを見出した。すなわち、本実施形態の発光素子を形成するには、p側コンタクト電極10〜12を形成し、水素アニールを施した後に、透明電極23を形成することにより得られる。   As a result of repeating trial manufacture examination about the formation process of the ITO transparent electrode 23 in this embodiment, this inventor discovered the process from which a very favorable result is obtained. That is, the light emitting element of this embodiment can be obtained by forming the p-side contact electrodes 10 to 12 and performing the hydrogen annealing, and then forming the transparent electrode 23.

前述した図2を参照しつつ説明すると、まず、水素アニール処理S6またはS10の後に、スパッタ法などにより、ITOを堆積する。次に、酸素を含有した雰囲気中でアニールを施す。このアニールにより、ITO層と金属電極層との付着強度が顕著に改善することが分かった。さらに、このアニールにより、ITOのシート抵抗を低下させることができる。付着強度の向上やシート抵抗の低下を確実に得るためには、窒素(N2 )やアルゴン(Ar)などの不活性ガスに重量百分比で5〜70%の酸素を含有させた雰囲気中で、300〜600℃、さらに望ましくは300〜500℃の範囲の温度においてアニールすることが望ましい。同時に、このITO層のアニール温度は、前の工程に対して影響を与えないようにするために、水素アニール処理S6またはS10の処理温度よりも低くすることが望ましい。 Referring to FIG. 2 described above, first, after hydrogen annealing treatment S6 or S10, ITO is deposited by sputtering or the like. Next, annealing is performed in an atmosphere containing oxygen. This annealing has been found to significantly improve the adhesion strength between the ITO layer and the metal electrode layer. Furthermore, the sheet resistance of ITO can be reduced by this annealing. In order to reliably obtain an improvement in adhesion strength and a decrease in sheet resistance, in an atmosphere containing 5 to 70% oxygen by weight percentage in an inert gas such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar), It is desirable to anneal at a temperature in the range of 300 to 600 ° C., more preferably 300 to 500 ° C. At the same time, it is desirable that the annealing temperature of the ITO layer be lower than the processing temperature of the hydrogen annealing process S6 or S10 so as not to affect the previous process.

このアニール工程の後に、図2に表したように、オーバーコート層すなわちボンディング電極を形成する工程S7または工程S11を実行することにより、本実施形態の発光素子が完成する。   After this annealing step, as shown in FIG. 2, the light emitting device of this embodiment is completed by executing step S7 or step S11 of forming an overcoat layer, that is, a bonding electrode.

本実施形態におけるITO透明電極23に関する構成及びその製造方法は、必ずしも窒化物系半導体からなる発光素子に限定されず、その他の種々の応用例においても同様に適用することができる。例えば、GaAs基板の上に形成するInGaAlP系やAlGaAs系などの材料を用いた発光素子あるいはInP基板の上に形成するInP系やInGaAs系などの材料を用いた半導体素子についても同様に適用できる。すなわち、ITO電極に接触させる金属層としてニッケルを用いることにより、両者の付着強度を改善して素子の信頼性を向上させることができる。   The configuration relating to the ITO transparent electrode 23 and the manufacturing method thereof in the present embodiment are not necessarily limited to light-emitting elements made of nitride-based semiconductors, and can be similarly applied to other various application examples. For example, the present invention can be similarly applied to a light emitting element using an InGaAlP-based or AlGaAs-based material formed on a GaAs substrate or a semiconductor element using an InP-based or InGaAs-based material formed on an InP substrate. That is, by using nickel as the metal layer to be brought into contact with the ITO electrode, the adhesion strength between the two can be improved and the reliability of the element can be improved.

また、酸素を含有した雰囲気中でアニールを施すことにより、ITOのシート抵抗を低下させ、金属層や半導体層との付着強度を更に改善することもできる。   In addition, by performing annealing in an atmosphere containing oxygen, the sheet resistance of ITO can be reduced, and the adhesion strength with the metal layer or semiconductor layer can be further improved.

一例を挙げると、InGaAlP系やInP系の発光素子においては、p側に透明電極を形成した後に、n側のシンタリング工程を施す必要がある場合も多い。このような場合に、本発明の構成及び製造方法によれば、ITOのシート抵抗を上昇させることを防ぎ、むしろシート抵抗を低下させ且つ付着強度も改善することができるという効果を得ることができる。   For example, in an InGaAlP-based or InP-based light-emitting element, it is often necessary to perform an n-side sintering process after forming a transparent electrode on the p-side. In such a case, according to the configuration and the manufacturing method of the present invention, it is possible to prevent the increase of the sheet resistance of ITO, and rather to reduce the sheet resistance and improve the adhesion strength. .

一方、本実施形態の透光性電極23としては、ITO以外にも、例えば、インジウム、すず、チタンなどの各種の金属の酸化物を同様に用いることができる。   On the other hand, as the translucent electrode 23 of the present embodiment, various metal oxides such as indium, tin, and titanium can be similarly used in addition to ITO.

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.

例えば、n側電極の構造としては、図示した具体例には限定されず、これ以外にも、n型コンタクト層の上に、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)またはアルミニウム(Al)のいずれかまたは、これらの合金からなるコンタクト層を設け、その上にタングステンからなるバリア層を設け、その上に、金(Au)からなるボンディング・パッドを設けたあらゆる構造でも同様の効果を得ることができる。   For example, the structure of the n-side electrode is not limited to the specific example shown in the drawing, and any one of hafnium (Hf), titanium (Ti), and aluminum (Al) may be formed on the n-type contact layer. Alternatively, the same effect can be obtained with any structure in which a contact layer made of these alloys is provided, a barrier layer made of tungsten is provided thereon, and a bonding pad made of gold (Au) is provided thereon. .

また、発光素子の構造も、例えば、活性層をクラッド層で挟んだいわゆる「ダブルヘテロ型構造」としても良く、また、活性層やクラッド層などに超格子を用いても良い。さらに、発光ダイオードのみならず各種の半導体レーザなどについても同様に適用して同様の効果を得ることができる。   Further, the structure of the light emitting element may be, for example, a so-called “double hetero structure” in which an active layer is sandwiched between clad layers, or a superlattice may be used for an active layer, a clad layer, or the like. Furthermore, the same effect can be obtained by similarly applying not only to the light emitting diode but also to various semiconductor lasers.

また、基板として用いるものは、サファイアに限定されず、その他にも、例えば、スピネル、MgO、ScAlMgO4 、LaSrGaO4 、(LaSr)(AlTa)O3 などの絶縁性基板や、SiC、GaN、Si、GaAsなどの導電性基板も同様に用いてそれぞれの効果を得ることができる。特に、GaNについては、例えば、サファイア基板の上にハイドライド気相成長法などにより厚く成長したGaN層を基板から剥離してGaN基板として用いることができる。 Also, the substrate used is not limited to sapphire, and other examples include insulating substrates such as spinel, MgO, ScAlMgO 4 , LaSrGaO 4 , (LaSr) (AlTa) O 3 , SiC, GaN, Si Each effect can be obtained by using a conductive substrate such as GaAs in the same manner. In particular, for GaN, for example, a GaN layer that has been grown thick on a sapphire substrate by a hydride vapor phase growth method or the like can be peeled off from the substrate and used as a GaN substrate.

また、ScAlMgO4 基板の場合には、(0001)面、(LaSr)(AlTa)O3 基板の場合には(111)面を用いることが望ましい。 In the case of a ScAlMgO 4 substrate, it is desirable to use the (0001) plane, and in the case of a (LaSr) (AlTa) O 3 substrate, the (111) plane is used.

さらに、本発明はp側電極とn側電極との少なくともいずれかを有する半導体素子について同様に適用して同様の効果を得ることができる。例えば、本発明は、必ずしも発光素子に限定されず、FET(feild effect transistor :電界効果トランジスタ)などの各種の電子素子についても同様に適用することができる。   Furthermore, the present invention can be similarly applied to a semiconductor element having at least one of a p-side electrode and an n-side electrode to obtain the same effect. For example, the present invention is not necessarily limited to a light-emitting element, and can be similarly applied to various electronic elements such as FET (field effect transistor).

本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。   The present invention is implemented in the form as described above, and has the effects described below.

まず、本発明の一実施形態によれば、p型コンタクト層と接触するコンタクト金属として、銀、または、銀と金との混合物のいずれかを用いることにより、p型コンタクト層とのオーミック接触を大幅に改善することができる。   First, according to an embodiment of the present invention, as a contact metal in contact with a p-type contact layer, either ohmic contact with the p-type contact layer is achieved by using either silver or a mixture of silver and gold. It can be greatly improved.

また、本発明の一実施形態によれば、素子のn側において、n側コンタクト金属層の上にタングステン層を設けることにより、バリア効果を維持しつつ、オーミック接触を改善することができる。すなわち、従来バリア層として用いられていた白金(Pt)のように、オーミック接触を劣化させることなく、バリア層として効果的に作用し、長期間の信頼性が確保される。   According to one embodiment of the present invention, by providing a tungsten layer on the n-side contact metal layer on the n-side of the element, ohmic contact can be improved while maintaining the barrier effect. That is, unlike platinum (Pt) conventionally used as a barrier layer, it effectively acts as a barrier layer without deteriorating ohmic contact, and long-term reliability is ensured.

また、本発明の一実施形態によれば、このようにバリア層としてタングステン層を用いる場合には、コンタクト金属として、上述したハフニウム(Hf)、チタン(Ti)またはアルミニウム(Al)のいずれかを用いた場合に、特に良好な結果が得られる。   According to an embodiment of the present invention, when the tungsten layer is used as the barrier layer, any one of the above-described hafnium (Hf), titanium (Ti), or aluminum (Al) is used as the contact metal. Particularly good results are obtained when used.

また、本発明の一実施形態の製造方法によれば、p側電極の形成に先だってn側電極を形成し、シンタすることにより、良好なオーミック接触を得ることができる。この理由は、本発明において用いるn側電極のコンタクト金属に対する最適なシンタ温度は、p側電極に対する最適な熱処理温度よりも高いからである。すなわち、n側電極の形成とシンタを先に行うことにより、p側電極に過剰な熱処理を負荷することがなくなる。   Moreover, according to the manufacturing method of one embodiment of the present invention, good ohmic contact can be obtained by forming and sintering the n-side electrode prior to the formation of the p-side electrode. This is because the optimum sintering temperature for the contact metal of the n-side electrode used in the present invention is higher than the optimum heat treatment temperature for the p-side electrode. That is, by performing the formation and sintering of the n-side electrode first, an excessive heat treatment is not applied to the p-side electrode.

また、本発明の一実施形態の製造方法によれば、p側電極を堆積した後に、還元性の雰囲気中でアニールを施すことにより、p側のオーミック接触や付着強度をさらに改善することができる。これは、窒化物系半導体に関して従来報告されている事実と反するものであり、本発明者が独自に知得した実験事実である。このように、還元性の雰囲気でアニールを施す場合には、p側のコンタクト金属として、ニッケル(Ni)を用いた場合にも従来よりも大幅に良好なオーミック接触が得られる。   In addition, according to the manufacturing method of one embodiment of the present invention, the p-side ohmic contact and adhesion strength can be further improved by annealing in a reducing atmosphere after depositing the p-side electrode. . This is contrary to the facts that have been reported so far regarding nitride-based semiconductors, and is an experimental fact that the present inventor has independently known. Thus, when annealing is performed in a reducing atmosphere, even when nickel (Ni) is used as the p-side contact metal, much better ohmic contact than before can be obtained.

また、本発明の一実施形態によれば、p側またはn側において、InAlGaN層とAlGaN層とを交互に積層した構造や、InGaN層とAlGaN層とを交互に積層した構造とすると、InGaNとAlGaNは、GaNに対してそれぞれ反対方向の歪みを生ずるので、このような積層構造とすると、歪みを補償することが可能となる。また、0.1μm以下の厚さの窒化物系半導体層では高キャリア濃度層の形成が容易であり、複数の層を形成するとそれらの界面付近(特にInやAlを含む層とGaN層との間)には、p型不純物である高濃度のマグネシウム(Mg)あるいはn型不純物である高濃度のシリコン(Si)が集中しやすい。p側電極やn側電極を堆積後に、所定の熱処理を施すと、電極金属と複数の窒化物系半導体層とが反応し、さらにそれらの層の界面付近にある高濃度のマグネシウム(p側)やシリコン(n側)と電極金属も良好な反応を起こし、オーミック特性の良好な電極コンタクトを形成することができる。   Further, according to one embodiment of the present invention, on the p-side or n-side, when a structure in which InAlGaN layers and AlGaN layers are alternately stacked, or a structure in which InGaN layers and AlGaN layers are alternately stacked, InGaN and Since AlGaN produces strains in opposite directions to GaN, such a laminated structure can compensate for the strains. In addition, in the nitride-based semiconductor layer having a thickness of 0.1 μm or less, it is easy to form a high carrier concentration layer. When a plurality of layers are formed, the vicinity of the interface between them (particularly between the layer containing In or Al and the GaN layer). In the meantime, high-concentration magnesium (Mg) as a p-type impurity or high-concentration silicon (Si) as an n-type impurity tends to concentrate. When a predetermined heat treatment is performed after depositing the p-side electrode and n-side electrode, the electrode metal reacts with the plurality of nitride-based semiconductor layers, and high-concentration magnesium near the interface between these layers (p-side) In addition, silicon (n-side) and the electrode metal also cause a good reaction, and an electrode contact with good ohmic characteristics can be formed.

この際に、次の第2実施形態に関して後述するように、複数の窒化物系半導体層を貫通するような凹凸があれば、さらに電極金属と半導体層との反応を効率的に進めることができる。   At this time, as will be described later with reference to the second embodiment, if there is an unevenness that penetrates a plurality of nitride-based semiconductor layers, the reaction between the electrode metal and the semiconductor layer can be further promoted efficiently. .

また、本発明の一実施形態によれば、コンタクト部分の半導体の表面を凹凸状に加工すると、電極との接触面積が増大し、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。また、電極の剥離強度も増加する。さらに、p側に形成された凹凸によって、発光部分から放出される光の外部への取り出し効率が改善される。   Further, according to one embodiment of the present invention, when the semiconductor surface of the contact portion is processed to be uneven, the contact area with the electrode increases and the contact resistance can be further reduced. Also, the peel strength of the electrode increases. Furthermore, the unevenness formed on the p side improves the extraction efficiency of the light emitted from the light emitting portion to the outside.

さらに、本発明の一実施形態によれば、ITO電極に接触させる金属層としてニッケルを用いることにより、両者の付着強度を改善して素子の信頼性を向上させることができる。   Furthermore, according to one embodiment of the present invention, by using nickel as the metal layer to be brought into contact with the ITO electrode, the adhesion strength between the two can be improved and the reliability of the element can be improved.

また、このようなニッケル層と金層との間に、タングステンまたは白金からなるバリア層を設けることにより、金の拡散を確実に阻止することができる。   Further, by providing a barrier layer made of tungsten or platinum between such a nickel layer and a gold layer, the diffusion of gold can be reliably prevented.

また、本発明の一実施形態によれば、ITOを堆積した後に、酸素を含有した雰囲気中でアニールを施すことにより、ITOのシート抵抗を低下させ、金属層や半導体層との付着強度を更に改善することもできる。   In addition, according to an embodiment of the present invention, after depositing ITO, annealing is performed in an atmosphere containing oxygen, thereby reducing the sheet resistance of ITO and further increasing the adhesion strength with a metal layer or a semiconductor layer. It can also be improved.

以上詳述したように、本発明の各実施形態によれば、従来よりもオーミック接触を改善し、同時に信頼性や電極の付着強度も改善された発光素子を提供することができ、産業上のメリットは多大である。   As described above in detail, according to each embodiment of the present invention, it is possible to provide a light emitting device that has improved ohmic contact as compared with the related art, and at the same time, improved reliability and adhesion strength of electrodes. The benefits are tremendous.

本発明の第1の実施の形態にかかる半導体発光素子を表す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing showing the semiconductor light-emitting device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の発光素子の製造方法の要部を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the principal part of the manufacturing method of the light emitting element of this invention. 本発明者が試作した発光素子のp側電極側の電流電圧特性を表すグラフ図である。It is a graph showing the current-voltage characteristics on the p-side electrode side of the light-emitting element made by the present inventor. 本発明者が試作した発光素子のn側電極側の電流電圧特性を表すグラフ図である。It is a graph showing the current-voltage characteristics on the n-side electrode side of the light-emitting element made by the present inventor. 本発明の第2の実施の形態にかかる発光素子の断面構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the light emitting element concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態にかかる発光素子の断面構成を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the light emitting element concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態にかかる発光素子の断面構成を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the light emitting element concerning the 4th Embodiment of this invention. 窒化物系半導体を用いた従来の発光ダイオードの構造を表す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing showing the structure of the conventional light emitting diode using a nitride-type semiconductor.

符号の説明Explanation of symbols

1 サファイア基板
2 n型GaN層
3 n型AlGaNコンタクト層
4 n型GaNコンタクト層
5 n型GaN層
6 p型GaN層
7 p型AlGaNコンタクト層
8 p型InGaNコンタクト層
9 p型GaNコンタクト層
10 第1の金属層
11 第2の金属層
12 タングステン(W)層
13 ブロック層
14 ハフニウム(Hf)層
15 アルミニウム(Al)層
16 ハフニウム(Hf)層
17 金(Au)層
18 チタン(Ti)層
19 タングステン(W)層
20 金(Au)層
22 保護膜
101 サファイア基板
102 n型GaN層
106 p型GaN層
113 絶縁層
121 透明電極
122 n側電極
123 ボンディング・パッド
1 Sapphire substrate 2 n-type GaN layer 3 n-type AlGaN contact layer 4 n-type GaN contact layer 5 n-type GaN layer 6 p-type GaN layer 7 p-type AlGaN contact layer 8 p-type InGaN contact layer 9 p-type GaN contact layer 10 1 metal layer 11 second metal layer 12 tungsten (W) layer 13 block layer 14 hafnium (Hf) layer 15 aluminum (Al) layer 16 hafnium (Hf) layer 17 gold (Au) layer 18 titanium (Ti) layer 19 Tungsten (W) layer 20 Gold (Au) layer 22 Protective film 101 Sapphire substrate 102 n-type GaN layer 106 p-type GaN layer 113 Insulating layer 121 Transparent electrode 122 n-side electrode 123 Bonding pad

Claims (8)

p型の窒化物系半導体からなる第1の層と、
n型の窒化物系半導体からなる第2の層と、
前記第1の層に接触して設けられたp側電極と、
前記第2の層に接触して設けられたn側電極と、
を備え、
前記p側電極は、前記第1の層に接触して設けられ銀(Ag)を含有するコンタクト層と、前記コンタクト層の上に設けられたタングステン(W)からなる層と、を有することを特徴とする半導体発光素子。
a first layer made of a p-type nitride-based semiconductor;
a second layer made of an n-type nitride-based semiconductor;
A p-side electrode provided in contact with the first layer;
An n-side electrode provided in contact with the second layer;
With
The p-side electrode has a contact layer provided in contact with the first layer and containing silver (Ag), and a layer made of tungsten (W) provided on the contact layer. A semiconductor light emitting device characterized.
前記タングステン(W)からなる層の上に、金属酸化物からなる透光性導電膜が設けられたことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。   2. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein a translucent conductive film made of a metal oxide is provided on the tungsten (W) layer. 前記透光性導電膜の上に設けられたオーバーコート層をさらに備え、
前記オーバーコート層は、
前記透光性導電膜に接触して設けられたニッケル(Ni)からなる層を有することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。
An overcoat layer provided on the translucent conductive film;
The overcoat layer is
The semiconductor light emitting element according to claim 1, further comprising a layer made of nickel (Ni) provided in contact with the translucent conductive film.
p型の窒化物系半導体からなる第1の層と、
n型の窒化物系半導体からなる第2の層と、
前記第1の層に接触して設けられたp側電極と、
前記第2の層に接触して設けられたn側電極と、
を備え、
前記n側電極は、前記第2の層に接触して設けられ、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)及びチタン(Ti)のいずかまたはこれらの元素を少なくとも1つ含む合金からなるコンタクト層と、前記コンタクト層の上に設けられたタングステン(W)からなるバリア層と、前記バリア層の上に設けられた金(Au)からなるボンディング・パッド層と、を有することを特徴とする半導体発光素子。
a first layer made of a p-type nitride-based semiconductor;
a second layer made of an n-type nitride-based semiconductor;
A p-side electrode provided in contact with the first layer;
An n-side electrode provided in contact with the second layer;
With
The n-side electrode is provided in contact with the second layer, and is a contact layer made of one of hafnium (Hf), aluminum (Al), and titanium (Ti) or an alloy containing at least one of these elements. And a barrier layer made of tungsten (W) provided on the contact layer, and a bonding pad layer made of gold (Au) provided on the barrier layer. Light emitting element.
前記第1の層は、p型のドーパントを含有し層厚が100nm以下の複数の層からなり、
前記複数の層のそれぞれは、隣接する層と組成が異なる窒化物系半導体からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
The first layer includes a plurality of layers containing a p-type dopant and having a layer thickness of 100 nm or less,
5. The semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein each of the plurality of layers is made of a nitride-based semiconductor having a composition different from that of an adjacent layer.
前記第2の層は、n型のドーパントを含有し層厚が100nm以下の複数の層からなり、
前記複数の層のそれぞれは、隣接する層と組成が異なる窒化物系半導体からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
The second layer is composed of a plurality of layers containing an n-type dopant and having a layer thickness of 100 nm or less.
6. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein each of the plurality of layers is made of a nitride semiconductor having a composition different from that of an adjacent layer.
前記第1の層と前記第2の層の少なくともいずれかは、前記電極と接触する表面に凹凸が設けられたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to any one of claims 1 to 6, wherein at least one of the first layer and the second layer is provided with irregularities on a surface in contact with the electrode. . 半導体からなる発光層と、
金属酸化物からなり、前記発光層から放出される光に対して透光性を有する透
光性導電膜と、
前記透光性導電膜に接触して設けられたニッケル(Ni)からなる層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
A light emitting layer made of a semiconductor;
A translucent conductive film made of a metal oxide and having translucency with respect to light emitted from the light emitting layer;
A layer made of nickel (Ni) provided in contact with the translucent conductive film;
A semiconductor light emitting device comprising:
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