JP2005354040A - 半導体発光素子およびその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ｎ側電極と窒化物半導体層との接触抵抗を安定して小さくすることができる構成のｎ側電極を有する半導体発光素子、さらには簡単な製造工程で、窒化物半導体層とのオーミックコンタクトが得られ、かつ、表面にはワイヤボンディングを行いやすいＡｕ層を有するｎ側電極が形成された窒化物半導体発光素子およびその製法を提供する。
【解決手段】 サファイア（Ａｌ₂ Ｏ₃ 単結晶）などからなる基板１の表面に発光層を形成する半導体層２〜８が積層されて、その表面に透光性導電層９を介してｐ側電極１０が形成されている。また、積層された半導体層４〜８の一部がエッチングにより除去されて露出したｎ形層４にｎ側電極１１が形成されている。このｎ側電極のｎ形層との接触面側が、Ａｌ層１１ａにより形成されている。実際のＬＥＤのｎ側電極としては、この表面にさらにバリアメタル層１１ｂを介してＡｕ層１１ｃが形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は基板上に、窒化物半導体が積層される青色系（紫外線から黄色）の光を発生する半導体発光素子およびその製法に関する。さらに詳しくは、窒化物半導体のｎ形層に設けられるｎ側電極のオーミックコンタクトを向上させながら少ない工数で簡単に形成することができる窒化物半導体発光素子およびその製法に関する。

従来、青色系の光を発光する半導体発光素子は、たとえばサファイア基板上に、ＧａＮなどからなるｎ形層と、バンドギャップエネルギーがｎ形層のそれよりも小さく発光波長を定める材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層（発光層）と、ＧａＮなどからなるｐ形層とが積層され、その表面にｐ側（上部）電極が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ形層の表面にｎ側（下部）電極が設けられることにより形成されている。なお、ｎ形層およびｐ形層はキャリアの閉じ込め効果を向上させるため、活性層側にＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変り得ることを意味する、以下同じ）化合物などのさらにバンドギャップエネルギーの大きい半導体層が用いられることがある。

この構造で、ｐ側電極はＴｉおよびＡｕの積層構造で形成され、ｎ側電極はＴｉとＡｌがそれぞれ積層されて合金化された金属層により形成されている（たとえば特許文献１参照）。ｐ側電極は積層された半導体層の表面に設けられるＮｉおよびＡｕの合金、ＺｎＯまたはＩＴＯなどの透光性導電層を介して設けられ、窒化物半導体層とはこの透光性導電層によりオーミックコンタクトが採られている。一方、ｎ側電極は積層される窒化物半導体層の一部がエッチングにより除去されて露出するｎ形層の表面に直接設けられているが、ＴｉおよびＡｌの合金により充分なオーミックコンタクトが得られると考えられている。
特開平１０−１７３２２６号公報

前述のように、窒化物半導体層とオーミックコンタクトを得るためのｎ側電極としては、Ｔｉ-Ａｌが一般的に用いられている。しかし、表面にＡｌが露出していると酸化しやすく、この電極上にＡｕ線などをワイヤボンディングする場合に酸化膜などがあると接着強度が劣ると共に、接触抵抗が大きくなるため、表面にさらにＡｕ層を設ける必要がある。一方で、前述のＴｉ膜とＡｌ膜とを積層しただけでは窒化物半導体との充分なオーミックコンタクトが得られないため、成膜した後にシンターをして窒化物半導体層中にＡｌを充分に拡散させる必要があり、その際にＴｉとＡｌも合金化する。このシンターの際にＡｕ膜も設けられていると、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕも合金化してしまい、表面に合金化したＡｌの一部が露出することになり、Ａｕ膜を設けた意味がなくなってしまう。そのため、Ｔｉ膜とＡｌ膜とを積層した後にシンターをし、その後にさらにＴｉ／ＡｕまたはＡｕの膜を設ける必要があり、成膜工程を２回必要とし、製造工程が煩雑になるという問題がある。

さらに、本発明者らは、電極と窒化物半導体層との接触抵抗などの影響により動作電圧を上昇させないようにするため鋭意検討を重ねた結果、Ｔｉ-Ａｌ合金では、Ｔｉの膜厚が規定どおり１０ｎｍ程度の厚さに形成されていれば接触抵抗が小さく、動作電圧の上昇はあまり問題にならないが、Ｔｉ膜が少し厚くなりすぎるだけで、接触抵抗が大幅に増大し、動作電圧が０.１Ｖ程度は簡単に上昇することを見出した。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、ｎ側電極と窒化物半導体層との接触抵抗を安定して小さくすることができる構成のｎ側電極を有する半導体発光素子を提供することにある。

本発明の他の目的は、簡単な製造工程で、窒化物半導体とのオーミックコンタクトが得られ、かつ、表面にはワイヤボンディングを行いやすいＡｕ層を有するｎ側電極が形成された窒化物半導体発光素子およびその製法を提供することを目的とする。

本発明者らは、窒化物半導体発光素子の駆動電圧を下げるため鋭意検討を重ねた結果、前述のように、従来はｎ側電極としてはＴｉ-Ａｌ合金層が用いられているが、Ｔｉ層が少し厚すぎると、接触抵抗が増大して、駆動電圧が上昇することを見出した。そして、従来Ｔｉが窒化物半導体層との密着性を向上させるために用いられていたが、Ａｌ単体の層でも熱処理により充分に窒化物半導体層に拡散させて合金化させることにより、密着性に何ら問題がないと共に、接触抵抗という観点からは、Ｔｉと窒化物半導体よりも、Ａｌと窒化物半導体との方が遥かに接触抵抗が小さいことを見出し、駆動電圧を上昇させることなく接続することができることを見出した。

本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられる窒化物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含む半導体積層部と、前記ｎ形層およびｐ形層にそれぞれ接続して設けられるｎ側電極およびｐ側電極とからなり、前記ｎ側電極がｎ形の窒化物半導体層と直接接するように設けられ、かつ、該ｎ側電極の前記窒化物半導体層と接する側の層がＡｌ層からなる金属層で構成されている。

ここに窒化物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物（窒化物）からなる半導体をいう。

前記Ａｌの一部は前記ｎ形の窒化物半導体層に拡散して該窒化物半導体層とオーミックコンタクトを形成するように設けられている。

前記Ａｌの表面に、該Ａｌの融点を超える融点を有する金属からなるバリアメタル層を介して、最表面にＡｕ層が設けられることにより、熱処理によりＡｌを窒化物半導体中に充分に拡散させて、窒化物半導体と金属層とのオーミックコンタクトを確保しながら、熱処理によっても電極表面のＡｕ層とＡｌ層とはバリアメタル層によって分離されており、相互に合金化することがなく、表面にワイヤボンディングに優れた合金化しないＡｕ層を確保することができる。その結果、これらの金属層を連続して成膜してから熱処理により窒化物半導体層とのオーミックコンタクトをとることができる。

具体的には、前記ｎ側電極が設けられるｎ形の窒化物半導体層が、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０.５）により形成され、前記バリアメタルが、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＡｌおよびＴｉよりなる群れから選ばれる少なくとも１種の金属により形成される。さらに具体的には、前記ｎ側電極が、前記窒化物半導体層側からＡｌ／Ｎｉ／ＡｕまたはＡｌ／Ｐｔ／ＡｕまたはＡｌ／Ｍｏ／Ａｕのそれぞれの積層構造により形成される。

また、前記基板が窒化物半導体からなり、前記ｎ側電極が、該基板の裏面に設けられ、かつ、該ｎ側電極の前記基板側の金属層がＡｌからなる構造にしても、同様に半導体層と金属層とのオーミックコンタクトを得ながら、ダイボンディングの接触抵抗を小さくすることができる。

本発明による半導体発光素子の製法は、基板上に窒化物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含む半導体積層部を成長し、該ｎ形層の少なくとも一部の露出した表面またはｎ形窒化物からなる基板の裏面にｎ側電極を形成する半導体発光素子の製法であって、前記ｎ形層の少なくとも一部の露出した表面または基板の裏面にＡｌ層とバリアメタル層とＡｕ層とをこの順で積層し、ついで熱処理を行うことによりＡｌの一部を前記ｎ形窒化物半導体層または前記基板裏面に拡散させながら、表面に前記Ａｕ層を残存させることを特徴とする。

本発明によれば、ｎ形の窒化物半導体層と接続するｎ側電極の窒化物半導体層と接触する側にＡｌ層が設けられているため、窒化物半導体層との接触抵抗はＴｉより遥かに小さく、駆動電圧を上昇させることのないｎ側電極を形成することができる。

また、このＡｌ層上にバリアメタル層を介してＡｕ層が設けられることにより、表面にワイヤボンディングの接着性を向上させるＡｕ層が設けられながら、Ａｌよりも融点の高い材料からなるバリアメタル層が設けられているため、ｎ側電極用の全ての金属層を設けてから、Ａｌ層と窒化物半導体層とのオーミックコンタクトを得るための熱処理を行っても、バリアメタル層がＡｌ層とＡｕ層とが合金化を阻止することができ、表面のＡｕ層が害されることがない。そのため、シンター（熱処理）することにより窒化物半導体層にＡｌが拡散してオーミックコンタクトを得ることができながら、金属層の表面にはＡｕ層を合金化することなくそのまま残すことができ、簡単な製造工程で、ワイヤボンディングの金線などとの電気的接続を確実に、かつ、接触抵抗を小さく接続することができ、結局窒化物半導体層との電気的接続を非常に低抵抗で行うことができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。図１には、青色系の発光に適した窒化物半導体層がサファイア基板上に積層される本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図が示されている。

本発明による半導体発光素子は、図１に示されるように、たとえばサファイア（Ａｌ₂ Ｏ₃ 単結晶）などからなる基板１の表面に発光層を形成する半導体層２〜８が積層されて、その表面に透光性導電層９を介してｐ側電極１０が形成されている。また、積層された半導体層４〜８の一部がエッチングにより除去されて露出したｎ形層４にｎ側電極１１が形成されている。本発明では、このｎ側電極１１のｎ形層４との接触面側が、後述するようにＡｌ層１１ａにより形成されていることに特徴がある。実際のＬＥＤのｎ側電極１１としては、この表面にさらにバリアメタル層１１ｂを介してＡｕ層１１ｃが形成されることが好ましい。

このＡｌ層１１ａは、窒化物半導体層とオーミックコンタクトをとる層として設けられており、成膜後に、たとえば窒素雰囲気下で３００〜７００℃程度、たとえば６２５℃程度で、１〜３０秒程度、たとえば５秒程度の急速加熱（ＲＴＡ）の熱処理が行われることにより、Ａｌの一部が窒化物半導体層に充分に拡散してオーミックコンタクトが得られるように設けられている。なお、この熱処理は、Ａｌ層１１ａを設けた単独の状態で行わなくても、つぎのバリアメタル層１１ｂ、Ａｕ層１１ｃを設けた後に熱処理をすることができる。このＡｌ層１１ａは、０.０１〜１０μｍ程度、好ましくは０.２〜１μｍ程度、たとえば０.２５μｍ程度の厚さに設けられる。

また、バリアメタル層１１ｂは、この熱処理の際にＡｌ層１１ａと表面に設けられるＡｕ層１１ｃとが合金化しないように相互に独立させるために設けられているもので、Ａｌの融点よりも高い融点を有する金属、たとえばＮｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉなどが用いられる。このバリアメタル層１１ｂは、Ａｌ層１１ａとＡｕ層１１ｃとが相互に反応しないように区分されればよいため、０.０５〜０.５μｍ程度の厚さ、好ましくは０.１〜０.２μｍ程度の厚さに設けられる。また、Ａｕ層１１ｃはワイヤボンディング性を高め、ワイヤボンディングを確実に行うために設けられるもので、０.１〜１０μｍ程度、好ましくは０.２〜３μｍ程度の厚さに形成される。

このｎ側電極の窒化物半導体層と接する側にＡｌ層１１ａを設ける理由について、詳述する。本発明者らは、前述のように、窒化物半導体発光素子の駆動電圧を下げるため鋭意検討を重ねた結果、ｎ側電極としてＴｉ−Ａｌ合金層が用いられても、Ｔｉ層が厚く成膜されるとｎ側電極と窒化物半導体層との接触抵抗を必ずしも充分には下げ得ないことを見出し、さらに鋭意検討を重ねた結果、窒化物半導体層と接する金属層として、Ａｌ層を設けることにより、窒化物半導体層と電極との密着性の問題もなく、接触抵抗を確実に下げることができ、駆動電圧を下げられることを見出した。

さらに、本発明者らが、窒化物半導体のｎ形層と接続するｎ側電極を形成するのに、従来のＴｉ／Ａｌの成膜と、Ｔｉ／Ａｕの成膜の２回に分けて行わないと、窒化物半導体層とのオーミックコンタクトを充分に上げながら表面にワイヤボンディングに適したＡｕ層を得られないという不便と工数増をなくするため鋭意検討を重ねた結果、Ａｌ層／バリアメタル層／Ａｕ層の積層構造にして、窒化物半導体とのオーミックコンタクトを得るための熱処理を行うことにより窒化物半導体層との接触抵抗を下げ、かつ、表面にはワイヤボンディングを良好に行うことができるＡｕ層を合金化することなく維持でき、非常に小さい接触抵抗で簡単にｎ側電極を形成することができることを見出した。

すなわち、まず、種々の金属をｎ形窒化物半導体層上に形成してその接触抵抗を評価した。接触抵抗の評価は、伝送長法（ＴＬＭ法：Transfer Length Method）により接触抵抗を測定して行った。このＴＬＭ法は、図２にその原理を説明する図が示されている。すなわち、図２Ａに示されるように、窒化物半導体層２１の表面に円形の電極２２、２３を形成し、その両電極２２、２３間に印加する電圧と電流とにより両電極間の抵抗値Ｒを検出する。この両電極２２、２３は、半径がｒ（たとえば１００μｍ程度）の円形の第１電極２２の周囲に、一定の間隔ｄを介してリング状の第２電極２３が形成されている。この両電極２２、２３間の抵抗値Ｒは、図２Ｂに示されるように、半導体層２１のシート抵抗ρ（単位長さあたりの抵抗値）×ｄと、両電極２２、２３と半導体層２１との接触抵抗２ρ_ｃとになる（Ｒ＝ρ×ｄ＋２ρ_ｃ）。この間隔ｄを種々変化させながら、両電極２２、２３間の抵抗値を測定すると、検出される抵抗値Ｒは、図２Ｃに示されるように、両電極２２、２３間の距離ｄに比例して大きくなる。したがって、この間隔ｄを０にしたとき、すなわち図２Ｃでｙ軸との切片の値が、接触抵抗２ρ_ｃとして求められる。

なお、窒化物半導体層２１は、Ｓｉを４×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドープしたｎ形のＧａＮ層として１０μｍ程度の厚さに形成し、その表面の電極２２、２３は材料および厚さを以下のように変えて形成したが、いずれの場合も、電極材料を成膜後に、窒素ガスを１リットル／秒の割合で流した雰囲気中で６２５℃、５秒間のＲＴＡ（急速加熱）アニール処理を施してオーミックコンタクトを得られる状態にしてから測定した。

まず、電極材料として、Ａｌを２５０ｎｍの厚さに形成し、両電極の間隔ｄを変えて両電極間の抵抗値Ｒを測定した結果が図３に示されている。なお、図３においては、横軸に相対的ｄ値（Relative d-factor）として、自然対数値ｌｎ（ｒ＋ｄ／ｒ）で示されている。ここでｒは電極２２の半径、ｄは両電極の間隔を示す。このグラフから、ｙ＝４.５７１×１０^-3ｘ＋１.１２８×１０^-3となり、接触抵抗が７.４２×１０^-5Ωｃｍ²として得られる。

同様の方法で、従来用いられている１０ｎｍのＴｉ膜と２５０ｎｍのＡｌ膜とを積層して熱処理により形成したＴｉ-Ａｌ合金層の接触抵抗、２００ｎｍ厚のＴｉ層の接触抵抗、１０ｎｍのＴｉ膜と２５０ｎｍのＡｕ膜とを積層して熱処理により形成したＴｉ-Ａｕ合金層の接触抵抗を調べた結果を纏めて表１に示す。

つぎに、この接触抵抗が駆動電圧にどれだけ影響するかを調べた。電極が１００μｍφでは、面積Ｓは７.８５×１０^-5ｃｍ²となる。このときの抵抗Ｒは、Ｒ=ρ_ｃ／Ｓ＝７.４２×１０^-5／７.８５×１０^-5＝０.９４５Ω。したがって、２０ｍＡのときの電圧上昇は、０.９４５×２０ｍＡ＝１８.９ｍＶとなる。通常のこの種のＬＥＤ駆動電圧は、３.２〜３.５Ｖ程度であり、駆動電流２０ｍＡで電圧上昇を０.１５Ｖ以下にする必要があることから、上記のＡｌ層およびＴｉ-Ａｌ層の接触抵抗では、駆動電圧の上昇には何ら影響しないと考えられる。しかし、Ｔｉの接触抵抗では、約１００倍程度になり問題になる。駆動電圧上昇の限界を０.１５Ｖとして逆算すると、接触抵抗としては、５.９×１０^-4Ωｃｍ²以下とする必要がある。この点からは、従来用いられているＴｉ-Ａｌ合金は、接触抵抗が本発明のＡｌ層に近くて、駆動電圧の上昇という点からは問題ないが、接触抵抗が非常に大きくなるＴｉが窒化物半導体層側に設けられているため、この量が多いと、接触抵抗が大きくなることはＴｉの接触抵抗からも明らかである。したがって、製造条件によっては接触抵抗が大きくなる可能性があり、安定性に欠ける。

一方、本発明による２５０ｎｍ厚のＡｌ層上に５０ｎｍ厚のＮｉ層と３００ｎｍのＡｕ層とを積層してワイヤボンディングを行いボンディング剥れ（ワイヤボンディング部分での電極の剥れ）の有無の検査を５０個のサンプルで行った。その結果、１個の不良品も発生せず、電極と窒化物半導体層との密着性に関しても全く問題のないことが確認された。なお、この検証では、Ａｌ層の接触抵抗を調べたのに引き続いて行ったため、すでに熱処理が行われており、その上にＮｉ層とＡｕ層とを積層したが、実際のＬＥＤなどを製造する際には、Ａｌ層、Ｎｉ層、およびＡｕ層を連続して積層し、その後にオーミックコンタクトを得るための熱処理をすることができる。このように、金属層を積層した後に熱処理を行っても、表面のＡｕ層がＡｌ層と合金化しないようにするため、Ａｌよりも融点の高いＮｉなどのバリアメタル層が介在されている。

つぎに、図１に示される半導体発光素子の構造について詳述する。サファイア基板１上に積層される半導体層は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層２が０.００５〜０.１μｍ程度、ついでアンドープのＧａＮからなる高温バッファ層３が１〜３μｍ程度、その上に障壁層（バンドギャップエネルギーの大きい層）となるＳｉをドープしたｎ形層４が１〜５μｍ程度、たとえばＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層とＧａＮ層とがそれぞれ１〜２ｎｍ程度づつ交互に５〜４０ペア積層した超格子構造の超格子層５、バンドギャップエネルギーが障壁層のそれよりも小さくなる材料、たとえば１〜３ｎｍのＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸 （ＭＱＷ）構造の活性層６が０.０５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなるｐ形障壁層（バンドギャップエネルギーの大きい層）７とｐ形ＧａＮからなるコンタクト層８とによるｐ形層７、８とが合せて０.２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層されることにより構成されている。

なお、アンドープの高温バッファ層３は、積層される窒化物半導体層の結晶性を良くするため、高温で成長する最初の層をアンドープにしているもので、基板が導電性の場合にはアンドープにはしない。また、ｐ形層７とコンタクト層８は、キャリアの閉じ込め効果の点から活性層６側にＡｌを含む層が設けられることが好ましいものの、ＧａＮ層だけでもよい。また、ｎ形層４にもＡｌＧａＮ系化合物半導体層を設けて複層にしてもよく、またこれらを他の窒化物半導体層で形成することもできる。さらに、この例では、ｎ形層４とｐ形層７とで活性層６が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造のものでもよい。また、活性層６上に直接ｐ形ＡｌＧａＮ系化合物層を成長したが、数ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＮ系化合物層を成長することにより、活性層にできたピットを埋め込みながら、ｐ形層とｎ形層との接触によるリークを防止することができるため好ましい。一般的には、ｎ形層およびｐ形層は、コンタクト層も含めてＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０.５）で構成することができ、半導体積層部としては発光層を形成するようにｎ形層とｐ形層とが積層されていればよい。

この半導体積層部上に、たとえばＺｎＯからなる透光性導電層９が０.１〜１０μｍ程度設けられ、その上の一部に、ＴｉとＡｕとの積層構造によりｐ側電極１０が形成され、積層された半導体積層部の一部がエッチングにより除去されて露出するｎ形層４にｎ側電極１１が、ＡｌとＮｉとＡｕとの積層構造により形成されている。Ａｌ層１１ａは１０ｎｍ〜１０μｍで、たとえば０.１μｍ、バリアメタル層１１ｂとするＮｉ層は３０〜１００ｎｍで、たとえば５０ｎｍ、Ａｕ層１１ｃは、０.２〜１μｍ程度、たとえば０.２５μｍ程度積層され、６００℃程度で５秒程度の急速加熱（ＲＴＡ）の熱処理が行われるが、Ａｌ層の一部が窒化物半導体に拡散するものの、各金属層同士はＮｉ層からなるバリアメタル層１１ｂにより合金化することなく、ｎ側電極１１の表面には合金化しないＡｕ層１１ｃが確保され、ワイヤボンディングのボンディング特性を向上させることができる。そして、表面にｐ側電極１０およびｎ側電極１１の表面を除いて、全面に図示しないＳｉＯ₂などのパシベーション膜を設けられている。透光性導電層９は、ＺｎＯに限定されるものではなく、ＩＴＯやＮｉとＡｕとの２〜１００ｎｍ程度の薄い合金層でも、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができる。

本発明によれば、半導体発光素子のｎ側電極１１の窒化物半導体層と接触する層にＡｌ層が設けられているため、非常に接触抵抗を小さくすることができる。さらに、ｎ側電極を形成するのに、一度の成膜工程でＡｌ、Ｎｉ、Ａｕを連続的に成膜して積層し、熱処理を行うだけで、電極と半導体層とのオーミックコンタクトを得ることができ、しかも表面にはＡｌが露出しないため、電極表面の酸化などによる汚れを防止することができ、ワイヤボンディングも良好に行うことができる。その結果、外部リードとの間を非常に小さい接触抵抗で接続することができ、発光素子を形成しても、駆動電圧を低く維持することができるため、非常に内部量子効率の優れた発光素子が得られる。

つぎに、図１に示される半導体発光素子の製法について説明をする。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、キャリアガスのＨ₂ と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの反応ガスおよびｎ形にする場合のドーパントガスとしてのＳｉＨ₄ 、ｐ形にする場合のドーパントガスとしてのシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）などの必要なガスを供給して順次成長する。

まず、たとえばサファイアからなる絶縁基板１上に、たとえば４００〜６００℃程度の低温で、ＧａＮ層からなる低温バッファ層２を０.００５〜０.１μｍ程度成膜した後、温度を６００〜１２００℃程度の高温に上げて、アンドープのＧａＮからなる高温バッファ層３を１〜３μｍ程度、Ｓｉをドープしたｎ形ＧａＮからなるｎ形層（障壁層）４を１〜５μｍ程度成膜する。

つぎに、成長温度を４００〜６００℃の低温に下げて、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層とＧａＮ層とをそれぞれ１〜２ｎｍ程度づつ交互に５〜４０ペア積層することにより、超格子構造の超格子層５を、さらにたとえば１〜３ｎｍのＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸 （ＭＱＷ）構造の活性層６を０.０５〜０.３μｍ程度成膜する。

ついで、成長装置内の温度を６００〜１２００℃程度に上げ、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層７を０.１〜０.５μｍ程度、さらにｐ形のＧａＮからなるコンタクト層８を０.１〜０.５μｍ程度それぞれ積層する。

その後、表面にＳｉＮなどの保護膜を設けてｐ形ドーパントの活性化のため、４００〜８００℃程度で１０〜６０分程度のアニールを行い、たとえばＺｎＯ層をＭＢＥ、スパッタ、真空蒸着、ＰＬＤ、イオンプレーティングなどの方法により０.１〜１０μｍ程度成膜することにより透光性導電層９を形成する。ついで、ｎ側電極９を形成するため、ｎ形層４が露出するように、積層された半導体層の一部を塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングによりエッチングをする。

つぎに、露出したｎ形層４の表面にＡｌを０.１μｍ程度、Ｎｉを５０ｎｍ程度およびＡｕを２５０ｎｍ程度それぞれスパッタリングまたは真空蒸着により連続して付着し、ＲＴＡ加熱により６００℃程度で５秒間程度の熱処理をする。なお、ｎ側電極はリフトオフ法により形成すれば、マスクを除去することにより所定の形状のｎ側電極を形成することができる。その後、ｐ側電極のために透光性導電層９上にＴｉとＡｕをそれぞれ０.１μｍと０.３μｍ程度づつ真空蒸着することにより、ｐ側電極１０を形成する。その後、ウェハからチップ化することにより、図１に示される半導体発光素子チップが得られる。

前述の例では、ｎ側電極１１として、Ａｌ層１１ａ、Ｎｉ層（バリアメタル層１１ｂ）、Ａｕ層１１ｃの積層構造としたが、窒化物半導体層側にＡｌ層、表面にＡｕ層が設けられることは必要であるが、その中間のバリアメタル層１１ｂはＮｉに限らず、Ａｌより融点の高い金属を用いることができる。たとえば図４Ａに示されるように、Ａｌ層を０.０１μｍ程度、Ｍｏ層を０.０５μｍ程度、Ａｕ層を０.２５μｍ程度、それぞれ積層して、ＲＴＡ（急速加熱）処理により６００℃、５秒間の熱処理をすることにより、５.６１×１０^-4[Ωｃｍ²]の小さな接触抵抗のものが得られるし、図４Ｂに示されるように、Ａｌ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の積層構造にすることもできる。さらに、バリアメタル層としては、前述のような他の金属を用いることもできる。

また、前述の例では、基板としてサファイア基板を用いて、窒化物半導体層を積層し、ｎ側電極をｎ形層に接続するため、積層した半導体層の一部をエッチングにより除去して下層のｎ形層を露出させ、そのｎ形層にｎ側電極を形成したが、サファイア基板を用いないで、ＧａＮ基板を用いてそのＧａＮ基板に窒化物半導体層を積層すれば、積層した半導体層の一部をエッチングする必要なく、ＧａＮ基板の裏面に直接ｎ側電極を形成することができる。この場合の例が図５に示されている。図５において、基板１がサファイア基板ではなく、ＧａＮ基板が用いられ、アンドープの高温バッファ層が省略されているだけで、後は図１に示される積層構造と同じ構造で、ｎ側電極１１がＧａＮ基板１の裏面に、前述のＡｌ／Ｎｉ／Ａｕの金属膜を積層して、熱処理をすることにより形成され、ｐ側電極１０がチップのほぼ中心に設けられている点が異なるだけで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。なお、直列抵抗を小さくするためアンドープのＧａＮ層を省略したが、高温バッファ層をｎ形で設けることもできる。

本発明によれば、駆動電圧の低い青色や紫外光などの発光素子とすることができ、白色の光源、照明など幅広い電気機器の光源やパイロットランプ、照明器具、消毒用器具などに利用することができる。

本発明による半導体発光素子の一実施形態の断面説明図である。 本発明によるｎ側電極材料の検討で用いる伝送長法（ＴＬＭ法）の原理を説明する図である。 本発明によるｎ形窒化物半導体層とＡｌ電極との接触抵抗を求める際の電極間間隔と両電極間の抵抗との関係を示す図である。 図１に示されるｎ側電極の他の構成例を示す断面説明図である。 本発明による半導体発光素子の他の実施形態を示す断面説明図である。

符号の説明

１ 基板
４ ｎ形層
５ 超格子層
６ 活性層
７ ｐ形層
８ ｐ形コンタクト層
９ 透光性導電層
１０ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
１１ａ Ａｌ層
１１ｂ バリアメタル層
１１ｃ Ａｕ層

Claims (9)

1. 基板と、該基板上に設けられる窒化物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含む半導体積層部と、前記ｎ形層およびｐ形層にそれぞれ接続して設けられるｎ側電極およびｐ側電極とからなり、前記ｎ側電極がｎ形の窒化物半導体層と直接接するように設けられ、かつ、該ｎ側電極の前記窒化物半導体層と接する側の層がＡｌ層からなる金属層で構成されてなる半導体発光素子。
2. 前記Ａｌの一部は前記ｎ形の窒化物半導体層に拡散して該窒化物半導体層とオーミックコンタクトを形成している請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記Ａｌの表面に、該Ａｌの融点を超える融点を有する金属からなるバリアメタルを介して、最表面にＡｕ層が設けられてなる請求項２記載の半導体発光素子。
4. 前記ｎ側電極が設けられるｎ形の窒化物半導体層が、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０.５）からなる請求項１記載の半導体発光素子。
5. 前記バリアメタルが、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＡｌおよびＴｉよりなる群れから選ばれる少なくとも１種の金属からなる請求項３記載の半導体発光素子。
6. 前記ｎ側電極が、前記窒化物半導体層側からＡｌ／Ｎｉ／ＡｕまたはＡｌ／Ｐｔ／ＡｕまたはＡｌ／Ｍｏ／Ａｕのそれぞれの積層構造からなる請求項５記載の半導体発光素子。
7. 前記基板が窒化物半導体からなり、前記ｎ側電極が、該基板の裏面に設けられ、かつ、該ｎ側電極の前記基板側の金属層がＡｌからなる請求項１記載の半導体発光素子。
8. 基板上に窒化物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含む半導体積層部を成長し、該ｎ形層の少なくとも一部の露出した表面またはｎ形窒化物からなる基板の裏面にｎ側電極を形成する半導体発光素子の製法であって、前記ｎ形層の少なくとも一部の露出した表面または基板の裏面にＡｌ層とバリアメタル層とＡｕ層とをこの順で積層し、ついで熱処理を行うことによりＡｌの一部を前記ｎ形窒化物半導体層または前記基板裏面に拡散させながら、表面に前記Ａｕ層を残存させることを特徴とする半導体発光素子の製法。
9. 前記バリアメタルが、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＡｌおよびＴｉよりなる群れから選ばれる少なくとも１種の金属からなる請求項８記載の半導体発光素子の製法。

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