JP2006013474A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - 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正極を具備した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 この窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をこの順序で含み、負極および正極がそれぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層に接して設けられている発光素子において、該正極が少なくともｐ型半導体層と接するコンタクトメタル層を含み、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透光性電極を有し、該ｐ型半導体層の正極側表面にコンタクトメタル層を形成する金属を含む正極金属混在層が存在する。
【選択図】 図４

Description

本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子に関し、特に優れた特性および生産性を有する透光性正極を具備した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。

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、種々の酸化物基板や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げられる。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構造とした場合は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（例えば、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層上にＰｔ層を形成して酸素を含む雰囲気中で熱処理し、ｐ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（例えば、特許文献２参照。）。

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備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子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） 基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をこの順序で含み、負極および正極がそれぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層に接して設けられている発光素子において、該正極が少なくともｐ型半導体層と接するコンタクトメタル層を含み、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を具備した３層構造からなる透光性電極を有し、該ｐ型半導体層の正極側表面にコンタクトメタル層を形成する金属を含む正極金属混在層が存在す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。

（２） 正極金属混在層の厚さが０．１〜１０ｎｍであることを特徴とする（１）に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（３） 正極金属混在層におけるコンタクトメタル層を形成する金属の濃度が当該正極金属混在層中の全金属に対して０．０１〜３０原子％であることを特徴とする（１）または（２）に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（４） コンタクトメタル層のｐ型半導体層側表面にＩＩＩ族金属を含む半導体金属混在層が存在することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（５） 半導体金属混在層の厚さが０．１〜２．５ｎｍであることを特徴とする(４)に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（６） 半導体金属混在層におけるＩＩＩ族金属の濃度が当該半導体金属混在層中の全金属に対して０．１〜５０原子％であることを特徴とする（４）または（５）に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（７） コンタクトメタル層が白金族金属およびＡｇであることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（８） コンタクトメタル層が白金であることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（９） 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（１）〜（８）のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１０） コンタクトメタル層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする（１）〜（９）のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１１） 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（１）〜（１０）のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１２） 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（１）〜（１１）のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１３） 電流拡散層が金であることを特徴とする（１）〜（１２）のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１４） 電流拡散層の厚さが１〜２０ｎｍであることを特徴とする（１）〜（１３）のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１５） 電流拡散層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする（１）〜（１４）のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１６） 電流拡散層の厚さが３〜６ｎｍであることを特徴とする（１）〜（１５）のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１７） ボンディングパッド層が共晶半田材料からなることを特徴とする（１）〜（１６）のいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（１８） ボンディングパッド層がＡｕ、Ｓｎ、またはＡｕとＳｎを含む３元系半田合金からなることを特徴とする（１）〜（１７）のいずれか１つに記載の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。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下の各実施形態に限定されるものではなく、例えばこれら実施実施形態の構成要素同士を適宜組み合わせてもよい。
図１は、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１００の断面を示した模式図である。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１００は、基板１上にバッファ層６を介して窒化ガリウム系化合物半導体層２が形成されており、その上に本発明の透光性の正極１０が形成されている。
窒化ガリウム系化合物半導体層２は、例えばｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５からなるヘテロ接合構造で構成される。
ｎ型半導体層３の一部には負極２０が形成され、ｐ型半導体層５の一部には透光性の正極１０が形成される。
また、透光性の正極１０は、コンタクトメタル層１１、電流拡散層１２およびボンディングパッド層１３の３層で構成されている。

コンタクトメタル層１１に要求される性能としては、ｐ型半導体層５との接触抵抗が小さいことが必須である。さらに、発光層４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１１の材料はｐ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銀（Ａｇ）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１１を白金族金属で構成した場合、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１１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し、５ｎｍ以下がさらに好ましい。また、その後の電流拡散層１２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。

しかし、コンタクトメタル層１１の厚さを薄くすることでコンタクトメタル層１１の面方向の電気抵抗が高くなり、かつ比較的高抵抗なｐ層とあいまって電流注入部であるボンディングパッド層１３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。

そこで、コンタクトメタル層１１の電流拡散性を補う手段として高光透過率で高導電性の金属薄膜からなる電流拡散層１２をコンタクトメタル層１１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１２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金属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１２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１２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。１０ｎｍ以下がさらに好ましい。さらに厚さを３〜６ｎｍの範囲とすることで電流拡散層１２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。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、ｐ型半導体層５の正極側表面に上記コンタクトメタル層を形成する金属を含む正極金属混在層を存在させる。このような構成にすることによって、正極１０とｐ型半導体層５との接触抵抗が低下する効果が生じる。

本発明において、「正極金属混在層」とはｐ型半導体層５中のコンタクトメタル層形成金属含有層と定義される。

正極金属混在層の厚さは０．１〜１０ｎｍが好ましい。０．１ｎｍ未満および１０ｎｍを超えると低接触抵抗が得られ難い。より良い接触抵抗を得るためには１〜８ｎｍとすることがさらに好ましい。

また、該正極金属混在層中に含まれるコンタクトメタル層形成金属の比率は、全金属に対して０．０１〜３０原子％が好ましい。０．０１原子％未満では低接触抵抗が得られ難く、３０原子％を超えると半導体の結晶性を悪化させる懸念がある。好ましくは１〜２０原子％である。なお、該正極金属混在層は反射層形成金属を含んでもよい。その場合、上記比率はコンタクトメタル層形成金属と反射層形成金属を合算した値として評価する。

正極金属混在層の厚さおよび含有する正極形成金属の比率は、当業者には周知の断面ＴＥＭのＥＤＳ分析によって測定できる。即ち、ｐ型半導体層の上面（正極側面）から厚み方向に数点、例えば５点断面ＴＥＭのＥＤＳ分析を行ない、各点でのチャートから含まれる金属とその量が求められる。厚さを決定するのに測定した５点では不十分な場合は、追加してさらに数点測定すればよい。

さらに、正極のコンタクトメタル層１１の半導体側表面に半導体を構成する金属を含有する半導体金属混在層を存在させると、接触抵抗が一層低下するので好ましい。即ち、本発明において、「半導体金属混在層」とはコンタクトメタル層中の半導体構成金属含有層として定義される。

半導体金属混在層の厚さは０．１〜３ｎｍが好ましい。０．１ｎｍ未満では接触抵抗低下の効果が顕著ではない。３ｎｍを超えると光透過率が減少するので好ましくない。さらに好ましくは１〜２．５ｎｍである。

また、該半導体金属混在層中に含まれる半導体構成金属の比率は全金属量に対して０．１〜５０原子％が好ましい。０．１％未満では接触抵抗低下の効果が顕著ではない。５０原子％を超えると光透過率を減少させる懸念がある。さらに好ましくは１〜２０原子％である。

半導体金属混在層の厚さおよび半導体構成金属含有量の測定は、正極金属混在層と同様、断面ＴＥＭのＥＤＳ分析によって行なうことができる。

コンタクトメタル層１１および電流拡散層１２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。

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１３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１１あるいは電流拡散層１２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。

本発明の透光性の正極１０は、図１に示したような、基板１上にバッファ層６を介して窒化ガリウム系化合物半導体層２を積層し、ｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５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１には、サファイア単結晶（Ａｌ_２Ｏ_３；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ_２単結晶、ＬｉＧａＯ_２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ＺｒＢ_２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１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３、発光層４およびｐ型半導体層５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５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１×１０^１７ｃｍ^−３程度のｐ型半導体層にも本発明の透光性の正極が適用できる。

それらを構成する窒化ガリウム系化合物半導体としては、一般式Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（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−ｙ}Ｎ（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、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、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（Ｈ_２）または窒素（Ｎ_２）、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（ＮＨ_３）、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）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（ＳｉＨ_４）またはジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を、Ｇｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ_４）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（Ｃｐ_２Ｍｇ）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１上にｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体２のｎ型半導体層３に接して負極２０を形成するために、発光層４およびｐ型半導体層５の一部を除去して、ｎ型半導体層３を露出させる。その後残したｐ型半導体層５上に本発明の透光性の正極１０を形成し、露出させたｎ型半導体層３上に負極２０を形成する。負極２０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）
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２００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２のｐ型ＧａＮコンタクト層５ｂ上に、厚さ１．５ｎｍのＰｔからなるコンタクトメタル層１１、厚さ５ｎｍのＡｕからなる電流拡散層１２およびＡｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ５層構造のボンディングパッド層１３からなる正極１０を形成した。各層の厚さはそれぞれ５０，２０，１０，１００，２００ｎｍとした。
次にｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂ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を得た。正極１０および負極２０の平面形状は図３に示したとおりである。

この構造の発光素子において、ｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂのキャリア濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３であり、ＧａＮ障壁層のＳｉドープ量は１×１０^１８ｃｍ^−３であり、ｐ型ＧａＮコンタクト層５ｂのキャリア濃度は５×１０^１８ｃｍ^−３であり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５ａのＭｇドープ量は５×１０^１９ｃｍ^−３であった。

窒化ガリウム系化合物半導体層３の積層は、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１０および負極２０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３ｂ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５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、正極領域より一回り大きい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Ｃｌ_２ を供給してｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂ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５ｂ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１１、Ａｕからなる電流拡散層１２を形成した。コンタクトメタル層１１、電流拡散層１２の形成では、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層３を積層した基板１を真空蒸着装置内に入れ、ｐ型ＧａＮコンタクト層５ｂ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１２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１３を形成した。このようにしてｐ型ＧａＮコンタクト層５ｂ上に、本発明の正極１０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、上記と同じコンタクトメタル層および電流拡散層を光透過率測定用の大きさに形成したもので測定した。

図４に本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のｐ型半導体層とコンタクトメタル層との接合面近傍を拡大して示す。
図４に示すように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においてはｐ型半導体層５ｂのコンタクトメタル層１１側界面近傍には、コンタクトメタル層１１を形成する金属を含む正極金属混在層１５ｂが存在し、一方、コンタクトメタル層１１のｐ型半導体層５ｂ側界面近傍には、半導体層２を構成する金属を含む半導体金属混在層１５ａが存在していた。すなわち、半導体金属混在層１５ａと正極金属混在層１５ｂは、コンタクトメタル層１１とｐ型半導体層５ｂとの接合界面における相互拡散層１５を形成している。この相互拡散層１５が存在することにより、低抵抗で電流拡散性に優れた接合界面が得られる効果を発揮する。
なお、断面ＴＥＭのＥＤＳ分析の結果、半導体金属混在層１５ａの厚さは１．５ｎｍであり、Ｇａの比率は全金属（Ｐｔ＋Ａｕ＋Ｇａ）に対して該層中で１〜２０原子％と見積もられた。また、正極金属混在層１５ｂの厚さは６．０ｎｍであり、存在する正極材料はコンタクトメタル層１１を構成するＰｔで、その比率は全金属（Ｐｔ＋Ｇａ）に対して該層中で１〜１０原子％と見積もられた。なお、図５はコンタクトメタル層の断面ＴＥＭのＥＤＳ分析チャートの一例であり、図６はコンタクト層５ｂの断面ＴＥＭのＥＤＳ分析チャートの一例である。
図５に示すように、ｐ型ＧａＮからなるｐ型半導体層５ｂのコンタクトメタル層１１側界面近傍の正極金属混在層１５ｂには、コンタクトメタル層１１を形成するＰｔが存在し、一方、コンタクトメタル層１１のｐ型半導体層５ｂ側界面近傍の半導体金属混在層１５ａには、ＧａＮからなるｐ型半導体層５ｂを構成するＧａが存在している。
なお、図中Ｃｕのピークは測定に使用したＸ線によるものである。

次に、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂ上に負極２０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１０および負極２０を形成した基板を、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。この発光素子の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。この発光素子の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。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面構造を示した模式図である。 実施例の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面構造を示した模式図である。 実施例の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である。 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のｐ型半導体層とコンタクトメタル層との接合面近傍を拡大して示す図である。 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のコンタクトメタル層の断面ＴＥＭのＥＤＳ分析チャートの一例である。 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のｐ型半導体層の断面ＴＥＭのＥＤＳ分析チャートの一例である。

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、 ３ａ・・・下地層、 ３ｂ・・・コンタクト層、 ３ｃ・・・クラッド層、 ４・・・発光層、 ５・・・ｐ型半導体層、 ５ａ・・・クラッド層、 ５ｂ・・・コンタクト層、 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、 １５・・・相互拡散層、 １５ａ・・・半導体金属混在層 １５ｂ・・・正極金属混在層 ２０・・・負極 １００，２００・・・窒化ガリウム系化合物半導体発光素子

Claims (18)

1. 基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層がこの順序で積層されてなり、負極および正極がそれぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層に接して設けられている発光素子であって、該正極が少なくともｐ型半導体層と接するコンタクトメタル層を具備し、さらに該コンタクトメタル層上にコンタクトメタル層よりも導電率の大きい電流拡散層を具備し、さらに該電流拡散層上にボンディングパッド層を具備した３層構造からなる透光性電極を有しており、該ｐ型半導体層の正極側表面にコンタクトメタル層を形成する金属を含む正極金属混在層が存在す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。
2. 前記正極金属混在層の厚さが０．１〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
3. 前記正極金属混在層におけるコンタクトメタル層を形成する金属の濃度が、当該正極金属混在層中の全金属に対して０．０１〜３０原子％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
4. 前記コンタクトメタル層のｐ型半導体層側表面にＩＩＩ族金属を含む半導体金属混在層が存在することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
5. 前記半導体金属混在層の厚さが０．１〜２．５ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
6. 前記半導体金属混在層におけるＩＩＩ族金属の濃度が当該半導体金属混在層中の全金属に対して０．１〜５０原子％であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
7. 前記コンタクトメタル層が白金族金属又はＡｇであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
8. 前記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１から請求項７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
9. 前記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から請求項８のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
10. 前記コンタクトメタル層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
11. 前記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１から請求項１０のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
12. 前記電流拡散層が金、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金属のうちの１種を含む合金であることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
13. 前記電流拡散層が金であることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
14. 前記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から請求項１３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
15. 前記電流拡散層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
16. 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１〜１５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
17. 前記ボンディングパッド層が共晶半田合金材料からなることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
18. 前記ボンディングパッド層がＡｕ、Ｓｎ、またはＡｕとＳｎを含む３元系半田合金からなることを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
    

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