JP2006013034A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金等の厚膜（パッド）電極での緑色、青色又は紫外光の吸収を回避する。
【解決手段】青色光を吸収しやすい金等で形成された厚膜電極７の下に青色光等を反射する銀、アルミニウム、ロジウム等いずれか、又はそれらを含む合金から成る光反射金属層６を形成する。発光層３で発せられた光は、基板１の裏面に形成された裏面反射層８、光反射金属層６とで反射され、厚膜電極７に達することなく、透光性電極５、又はチップ側面から放出される。
【選択図】図１

Description

本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。本発明は半導体層のうち最上層に透光性電極を形成し、基板裏面に光反射層を形成して、最上層側から光を取り出す、いわゆるフェースアップ型のIII族窒化物系化合物半導体発光素子として適している。

本願発明者らは、フェースアップ型のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の最上層側の電極構造として例えば特許文献１に記載されたような、金及びコバルトの薄層を合金化した透光性電極と、その上に形成される厚膜電極（パッド電極）を開発している。
特開２００１−５３３３６

図３．Ａは、特許文献１に記載された従来のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造について、厚膜電極（パッド電極）及び透光性電極付近の構成を示す模式的断面図である。基板１に、ｎ層２、発光層３、ｐ層４を形成し、ｐ層４上部を金及びコバルトを積層した透光性電極５で覆って、透光性電極５の一部に金等から成る厚膜電極７を形成する。基板１の裏面にはアルミニウムを蒸着して裏面反射層８を形成する。ここで、透光性電極５がｐ層４に対してオーミック性を持つようアニールする際、透光性電極５が厚膜電極７ともアロイ（合金）化して、図３．Ｂのようになる場合がある。図３．Ａ、図３．Ｂ共にｎ層２に形成する電極については省略している。

金は、伝導性と作業性からワイヤボンディングのための厚膜電極として用いられるが、青色光を吸収し易い難点がある。例えば図３．Ｂに示す発光層３から発した光ａ、ｂは、いずれも金から成る厚膜電極７に達すると、大部分が吸収されてしまうことが見出された。これは発光効率の観点からは改善されるべき問題である。

そこで本発明の目的は、透光性電極と電気的に接続された厚膜電極に、発光層からの光が達しないような電極構造を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段によれば、透光性電極をIII族窒化物系化合物半導体層の上に形成したIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、透光性電極とボンディングワイヤを電気的に接続する厚膜電極を有し、当該厚膜電極の下部の前記III族窒化物系化合物半導体層上に緑色、青色乃至紫外光を反射する光反射金属層を形成したことを特徴とする。尚、緑色、青色乃至紫外光を反射する光反射金属層とは、緑色、青色乃至紫外光の範囲のいずれかの波長の光について、他の金属に比較して、反射率が高い金属を用いた層のことを言う。この層は一種類の金属で形成しても、種類の異なる金属の多重層としても、或いは一部又は全体が合金化した状態でも良い。尚、光反射金属層と厚膜電極とは同一材料を用いても良い。即ちそれらが一体化して区別がつかないものでも良い。一方光反射金属層と厚膜電極とを異なる材料で形成しても良い。

また、請求項２に記載の手段によれば、光反射金属層を白金、銀、アルミニウム、クロム、ルテニウム又はロジウムで形成したことを特徴とする。また、請求項３に記載の手段によれば、厚膜電極を、金又は金と他の金属との合金で形成したことを特徴とする。また、請求項４に記載の手段によれば、光反射金属層は前記III族窒化物系化合物半導体層と合金化していないことを特徴とする。また、請求項５に記載の手段によれば、透光性電極は前記III族窒化物系化合物半導体層と合金化していることを特徴とする。

また、請求項６に記載の手段によれば、半導体発光素子の製造方法において、最上層である半導体層に透光性電極を形成し、当該透光性電極の前記半導体層との合金化処理を行い、透光性電極の一部を取り除いて前記半導体層が露出した窓部を形成し、当該窓部に光を反射する光反射金属層と、ボンディングパッドとなる厚膜電極を形成することを特徴とする。光反射金属層は一種類の金属で形成しても、種類の異なる金属の多重層としても、或いは一部又は全体が合金化した状態でも良い。尚、光反射金属層と厚膜電極とは同一材料を用いても良い。即ちそれらが一体化して区別がつかないものでも良い。一方、光反射金属層と厚膜電極とを異なる材料で形成しても良い。また、請求項７に記載の手段によれば、半導体発光素子の製造方法において、最上層である半導体層上の一部に光を反射する光反射金属層を形成し、当該光反射金属層の上にボンディングパッドとなる厚膜電極を形成し、少なくとも最上層である半導体層の光反射金属層を形成していない部分に透光性電極を形成し、当該透光性電極の半導体層との合金化処理を行うことを特徴とする。

本発明によれば、緑色、青色又は紫外光を吸収しやすい金属を厚膜電極として用いる場合であっても、その下部に緑色、青色乃至紫外光を反射する光反射金属層を形成しているので、発光層からの光が厚膜電極に達しない。即ち発光層からの光は光反射金属層により反射され、最終的には透光性電極又は素子の側面から外部に放出されることとなり、光取り出し効率が向上する（請求項１）。

これを図により簡単に説明する。図１は、図３の構成に対し、透光性電極５の一部を取り除き、そこに光反射金属層６を設けたのち厚膜電極７を設けたものである。基板１裏面には裏面反射層８を設けている。尚、ｎ層２に形成する電極については省略している。図１の光路ａ、ｂは図３．Ｂの光路ａ、ｂに対応させたものである。図３．Ｂにおいては、厚膜電極７の下に光反射金属層を形成していないので、光路ａ、ｂは厚膜電極７に達し、発光素子外部に放出されることはないが、図１においては、厚膜電極７の下に光反射金属層６を形成しているので、光路ａ、ｂは厚膜電極７に達せず、光反射金属層６と裏面反射層７とで反射された後、透光性電極５を通過して、又は素子側面から発光素子外部に放出される。

光反射金属層は白金、銀、アルミニウム、クロム、ルテニウム又はロジウム等を好適に用いることができるが、特に銀、アルミニウム又はロジウムを用いると、緑色、青色乃至紫外光の反射率が高いので好ましい（請求項２）。これにより、厚膜電極にはその大部分を金又は金と他の金属との合金を用いることが可能となる（請求項３）。光反射金属層が最上層であるIII族窒化物系化合物半導体層と合金化していなければ、当該光反射金属層からIII族窒化物系化合物半導体層へは電流が流れず、光反射金属層下部での発光が無い又は小さくなる。これにより透光性電極下部への電流が大きくなり、透光性電極下部での発光効率が高く、光取り出し効率が向上する（請求項４）。透光性電極が最上層であるIII族窒化物系化合物半導体層と合金化していれば、透光性電極下部への電流が大きくなり、透光性電極下部での発光効率が高く、光取り出し効率が向上する（請求項５）。

また、請求項６の手段によれば、最上層である半導体層に、合金化された透光性電極と、下部の半導体層と合金化されていない光を反射する光反射金属層を形成するので、光反射金属層下部での発光が無い又は小さく、透光性電極下部への電流が大きい、透光性電極下部での発光効率が高く、光取り出し効率が向上した半導体発光素子を容易に製造することが可能となる。また、請求項７の手段によれば、透光性電極の一部を取り除いて半導体層が露出した窓部を形成する工程を省略することができる。

以下、適宜図を参照して本発明の実施の形態を説明する。尚、本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。また、図は本発明の理解のため、極めて簡略化したものを示すが、図で個々の符号を付した層は、単層であっても良く、複数の層から成る多重層であっても良い。

尚、本発明における「透光性」の意味は、必ずしも可視光線に対する透光性だけでなく、紫外線、或いは赤外線等に対する透光性をも含みうる。即ち、発光素子を使用すべき任意の波長領域において透光性があれば良い。透光性電極は、半導体層とオーミック性の良い、数nm程度の厚さの任意の金属又は合金を用いることができる。複数の薄膜金属層を積層した後、加熱により合金化処理を行うと良い。その他透光性電極として用いることのできる材料としては、ＩＴＯ、ZnO、TiO₂、NiAu合金、PtAu合金を好適に用いることができる他、任意の材料を用いることができる。

本発明における光反射金属層は、白金、銀、アルミニウム、クロム、ルテニウム又はロジウム、パラジウムその他の金属、合金、或いはそれらの任意の多重層を用いることができる。これらのうち、特に銀、アルミニウム、ロジウムが反射率が高い。発光層から発せられる光に対して反射率の高い金属を用いることが望ましい。

本発明における厚膜電極は、ワイヤボンディングのためのいわゆるパッド電極として用いると良い。厚膜電極はアルミニウム、金その他の金属、合金、或いはそれらの任意の多重層を用いることができる。厚膜電極と光反射金属層は同一の材料を用いても、また、異なる材料を用いても良い。異なる材料を用いる場合は、厚膜電極はワイヤボンディングの作業性及びボンディングパッドとしての信頼性の面から材料を選択でき、光反射金属層は所望の光の反射率の面から材料を選択できるので、選択の自由度が増す。特に厚膜電極を金又は金と他の金属の積層構造とする場合には、光反射金属層はアルミニウム、銀又はロジウムを用いると良い。この際、厚膜電極として金を、光反射金属層としてロジウムを用いると、これらは合金化しにくいので、合金化を防ぐための高融点金属を用いたいわゆるバリア層を設ける必要が無い。

本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子は、電極構造の他は任意の構成を取ることができる。また、発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラその他の任意の発光素子として良い。発光構造は、ｐｎ接合、単層の発光層、単一量子井戸、多重量子井戸その他任意である。特に本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の半導体層の形成方法としては、任意の方法を用いることができる。

具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。

III族窒化物系化合物半導体層は、少なくともAl_xGa_yIn_1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。

更に、これらの半導体を用いてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。

尚、半導体発光素子はIII族窒化物系化合物半導体に限定されず、本発明は最上層に透光性電極と光反射金属層を設けて厚膜電極を形成する任意の半導体発光素子の製造方法に適用できる。

次の構成の発光素子を形成した。サファイア基板を用い（図１で符号１）、ＭＯＶＰＥにより、AlNから成るバッファ層とn-GaN:Siから成るｎ層とn-AlGaN:Siから成るｎクラッド層（図１で符号２）、InGaN発光層（図１で符号３）、p-AlGaN:Mgから成るｐクラッド層とp-GaN:Mgから成るｐ層（図１で符号４、各請求項における最上層であるIII族窒化物系化合物半導体層にあたる）を積層したのち、ｎ層をエッチングにより一部露出させた（図示せず）。当該露出部にｎ電極を形成し（図示せず）、ｐ層の上にコバルトと金を積層し、加熱処理して、p-AlGaN:Mgから成るｐクラッド層とp-GaN:Mgから成るｐ層（図１で符号４）の低抵抗化とコバルトと金の合金化を行った。コバルトと金の合金から成る透光性電極５は約7nmの厚さである。次に厚膜電極を形成する部分として、透光性電極５の一部をエッチングにより除去し、光反射金属層６と厚膜電極７を形成した。光反射金属層６は、露出したｐ層（図１で符号４）の上に厚さ2nmのチタン層、厚さ0.1μmの銀層、厚さ10nmのチタン層の３重層で形成した。厚膜電極７は厚さ1μmの金で形成した。発光素子のｐ層（図１で符号４）上面の面積に対し、厚膜電極を形成した面積は約1/4であった。また、サファイア基板裏面にアルミニウムを蒸着して裏面反射層８を形成した。この発光素子の発光スペクトルのピーク波長は460nmであった。また、光反射金属層６の銀層については波長450nmの光の反射率は70%であり、金から成る厚膜電極７については波長450nmの光の反射率は25%であった。

このように形成した発光素子について、電流値（mA）を変化させて発光量（全光束、mW）を測定した。この結果を図２に「本発明」として示す。比較のため、光反射金属層６を形成せずに厚膜電極７を形成した発光素子を形成し同様に測定した結果を図２に「比較例」として示す。図２の通り、厚膜電極７の下部に光反射金属層６を形成することで、光反射金属層６を形成しない場合と比較し、約7%の光取り出し効率が向上した。

〔変形例〕
上記実施例では、厚膜電極６と厚膜電極７を形成する前に、透光性電極５の一部をエッチングにより除去したが、厚膜電極６と厚膜電極７を形成した後に透光性電極５を設けるようにしても良い。この方法によれば、透光性電極５をエッチングする工程が不要となる。

上記実施例では光反射金属層を、銀層と、上下のチタン層とで形成したが、上下のチタン層のいずれか一方又は両方を省いて発光素子を形成しても良い。また、図面上は光反射金属層が、透光性電極の上にも一部形成される例を示したが、透光性電極の上に形成されるのは厚膜電極のみとしても良い。尚、透光性電極の上にも形成される厚膜電極（及び光反射金属層）の被りの幅は、2〜10μmとすると良い。

また、上記実施例では、透光性電極及びｎ電極を形成した後、電極接触にオーミック性を生じさせるためｐ層とのアロイ化処理を行い、光反射金属層と厚膜電極はその後に形成した。これは、オーミック性を生じさせるためアロイ化処理の段階で、光反射金属層と厚膜電極とに望まない変化が生じることを避けるためや、光反射金属層がｐ層に対してオーミック接触となって透光性電極を介さずに直接電流が光反射金属層を介してｐ層に流れることを避けるためである。即ち、厚膜電極直下の発光層で発光した光は、厚膜電極が障害となり、前方に放射されないので、発光層の厚膜電極直下の部分には電流を流さない方が外部量子効率が向上する。しかしながら、この効果を無視するのであれば、光反射金属層と厚膜電極の形成後に透光性電極及びｎ電極のアロイ化を行っても良い。

裏面反射層は任意の段階で形成して良く、特に基板を肉薄化するときには当該肉薄化の後に裏面反射層を形成すれば良い。また、裏面反射層は金属に限られず、任意の材料から成る多重層を形成してＤＢＲとしても良い。

本発明のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の透光性電極付近の構造を光反射の作用と共に示す模式的断面図。 本発明のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の、電流値に対する発光量を示すグラフ図。 ３．Ａは、従来のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の透光性電極付近の構造を示す模式的断面図、３．Ｂは、同じく電極構造を光反射の作用と共に示す模式的断面図。

符号の説明

１：基板
２：ｎ層（複数の層から成る場合を含む）
３：発光層（複数の層から成る場合を含む）
４：ｐ層（複数の層から成る場合を含む）
５：透光性電極（複数の層から成る場合を含む）
６：光反射金属層（複数の層から成る場合を含む）
７：厚膜電極（複数の層から成る場合を含む）
８：裏面反射層（複数の層から成る場合を含む）

Claims (7)

1. 透光性電極をIII族窒化物系化合物半導体層の上に形成したIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
   透光性電極とボンディングワイヤを電気的に接続する厚膜電極を有し、
   当該厚膜電極の下部の前記III族窒化物系化合物半導体層上に緑色、青色乃至紫外光を反射する光反射金属層を形成したことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
2. 前記光反射金属層を白金、銀、アルミニウム、クロム、ルテニウム又はロジウムで形成したことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
3. 前記厚膜電極を、金又は金と他の金属との合金で形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
4. 前記光反射金属層は前記III族窒化物系化合物半導体層と合金化していないことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
5. 前記透光性電極は前記III族窒化物系化合物半導体層と合金化していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
6. 半導体発光素子の製造方法において、
   最上層である半導体層に透光性電極を形成し、
   当該透光性電極の前記半導体層との合金化処理を行い、
   前記透光性電極の一部を取り除いて前記半導体層が露出した窓部を形成し、
   当該窓部に光を反射する光反射金属層と、ボンディングパッドとなる厚膜電極を形成すること
   を特徴とする半導体発光素子の製造方法。
7. 半導体発光素子の製造方法において、
   最上層である半導体層上の一部に光を反射する光反射金属層を形成し、
   当該光反射金属層の上にボンディングパッドとなる厚膜電極を形成し、
   少なくとも前記最上層である半導体層の光反射金属層を形成していない部分に透光性電極を形成し、
   当該透光性電極の前記半導体層との合金化処理を行うこと
   を特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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