JP2006041284A

JP2006041284A - 窒化物半導体装置

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Publication number: JP2006041284A
Application number: JP2004220822A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Aoyanagi; 秀和青柳; Tetsuji Matsuo; 哲二松尾; Tetsuji Moku; 哲次杢; Mikio Tajima; 未来雄田嶋
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-28
Also published as: US20070114515A1; CN1973360A; JP4386185B2; WO2006011362A1; CN100449694C; TW200608609A

Abstract

【課題】窒化物半導体発光装置の順方向電圧を低く保って発光効率を高めることが困難であった。
【解決手段】シリコン基板１の上にｎ型半導体層６と活性層７とｐ型半導体層８とから成る発光機能を有する主半導体領域３を配置する。主半導体領域３は窒化物半導体で形成する。主半導体領域３のｐ型半導体層８の上にＡｇ合金からなる光透過性電極１０を設ける。Ａｇ合金に酸化又は硫化を抑制するための添加元素を混入する。Ａｇ合金は安定性が高く、且つ光透過性及びオーミック性において優れている。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体発光素子、電子デバイス等の窒化物半導体装置に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体を使用した発光ダイオードの光透過性電極として厚さ２０ｎｍ以下の銀（Ａｇ）電極を設けることが後記特許文献１に開示されている。銀電極は、窒化物半導体に対して比較的良好にオーミック接触する。また、銀電極は抵抗率が比較的大きいｐ型窒化物半導体に対しても比較的良好にオーミック接触する。また、銀電極の厚さを２０ｎｍ以下にすると３５０〜６００ｎｍ程度の波長を有する光を透過させることができるので、銀電極を光透過電極として使用することができる。特に４００ｎｍ以下の波長に対して比較的大きな透過率（例えば６０％以上）を示す。窒化物半導体発光装置においては、光取り出し側電極に対してオーミック性と光透過性との両方が要求されるので、銀電極は光取り出し側電極として好適なものである。また、光を放射しないＦＥＴ等の窒化物半導体装置の電極にはオーミック性のみが要求されるが、銀電極はこの要求に応えることができる。

ところで、銀電極は１０〜１００℃程度の比較的低い温度において化学的に不安定であって、酸化及び硫化し易い。また、銀電極を蒸着で形成する時に銀が島状に凝集することがある。銀電極が酸化又は硫化すると、窒化物半導体と銀電極との接触抵抗が増加し、半導体装置の電気的特性が低下する。
特開平１１−１８６５９９号公報

従って、本発明が解決しようとする課題は、窒化物半導体装置の電極を容易に安定性良く形成できない点である。

上記課題を解決するための本発明は、窒化物半導体領域と、該窒化物半導体領域の主面に形成された電極とを有し、前記電極が、Ａｇと、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｙ、Ｉｎ及びＳｎから選択された少なくとも１つの添加元素との合金即ちAg合金から成ることを特徴とする窒化物半導体装置に係わるものである。

なお、請求項２に示すように、前記Ａｇに対する前記添加元素の割合は、０．５〜１０重量％であることが望ましい。
また、請求項３に示すように、窒化物半導体領域と、該窒化物半導体領域の主面に形成された電極とを有し、前記電極が、Ａｇと、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ及びＮｉから選択された少なくとも１つの第１の添加元素と、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｗ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｙ、Ｉｎ及びＳｎから選択された少なくとも１つの第２の添加元素との合金であることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記Ａｇに対する前記第１の添加金元素の割合は０．５重量％よりも大きく且つ１０重量％よりも小さい値であり、前記Ａｇに対する前記第２の添加元素の割合は０．５重量％よりも大きく且つ１０重量％よりも小さい値であり、前記Ａｇに対する前記第１及び第２の添加元素の合計の割合が０．５〜１０重量％であることが望ましい。
また、請求項５に示すように、前記窒化物半導体領域は半導体発光素子を形成するための複数の半導体層を含み、前記電極は前記複数の半導体層の内の光取り出し面側の半導体層に形成され、且つ光を透過させることができる厚さに形成されていることが望ましい。

本発明によれば、添加元素の作用によって銀の酸化又は硫化又はこれ等の両方を防止することができ、窒化物半導体に対する接触抵抗の小さい電極を容易に形成することができる。

次に、図１〜図３を参照して本発明の実施形態に係わる半導体発光装置を説明する。

図１に示す本発明の実施例１に従う半導体発光装置は、導電性を有するシリコン基板１と、バッファ層２と、発光機能を有している主半導体領域３と、第１の電極としてのアノード電極４と、第２の電極としてのカソード電極５とから成る。主半導体領域３はダブルヘテロ接合構造の発光ダイオードを構成するために、一般にｎ型クラッド層と呼ばれているｎ型半導体層６と、活性層７と、一般にｐ型クラッド層と呼ばれているｐ型半導体層８とを有している。なお、バッファ層２も主半導体領域３の一部と考えることもできる。主半導体領域３の詳細は後述する。

シリコン基板１は、例えば、５×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3の例えばn型不純物濃度を有し、且つ０．０００１〜０．０１Ω・ｃｍの抵抗率を有し、アノードの電極４とカソード電極５との間の電流通路として機能する。このシリコン基板１は、バッファ層２、主半導体領域３を機械的に支持するために好ましくは３００〜１０００μｍの厚みを有する。

シリコン基板１の一方の主面上に周知の気相成長方法によって形成されたn型バッファ層２は例えばAｌNとGaNとの多層積層構造を有する。

ダブルヘテロ接合構造の発光ダイオードを構成する主半導体領域３はバッハァ層２の上に周知の気相成長法によって形成されている。バッハァ層２の直ぐ上に形成されたｎ型半導体層６は、例えば
化学式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される窒化物半導体にｎ型不純物をドーピングしたものであることが望ましく、ｎ型ＧａＮであることがより望ましい。

ｎ型半導体層６の上の活性層７は、例えば
化学式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される不純物非ドープの窒化物半導体であることが望ましく、ＩｎＧａＮであることがより望ましい。なお、図１では活性層７が１つの層で概略的に示されているが、実際には周知の多重量子井戸構造を有している。勿論、活性層７を１つの層で構成することもできる。また、活性層７を省いてｎ型半導体層６をｐ型半導体層８に直接に接触させる構成にすることもできる。また、この実施例では活性層５２に導電型決定不純物がドーピングされていないが、ｐ型又はｎ型不純物をドーピングすることができる。

活性層７の上に配置されたｐ型半導体層８は、例えば、
化学式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される窒化物半導体にｐ型不純物をドーピングしたものであることが望ましく、ｐ型ＧａＮであることがより望ましい。

アノード電極４は光透過性電極１０とパッド電極１１とから成る。光透過性電極１０は、発光機能を有する主半導体領域３の主面即ち窒化物半導体から成るｐ型半導体層８の主面１２の実質的に全部を覆っており、ｐ型半導体層８にオーミック接触している。光透過性電極１０は活性層７から放射した光を透過させる機能とｐ型半導体層８に対してオーミック接触する機能を有する。ｐ型半導体層８の主面１２の全部又は大部分に光透過性電極１０が設けられているので、平面的に見てパッド電極１１よりも外周側の主半導体領域３に電流を流すことができる。

光透過性とオーミック性との両方を得るために光透過性電極１０は銀（Ａｇ）を主成分とする合金即ちＡｇ合金によって形成され且つ４００〜６００ｎｍの波長の光を透過させることが可能な１〜２０ｎｍの厚さを有する。光透過性電極１０を形成するためのＡｇ合金は、
Ａｇ９０〜９９．５重量％
添加元素０．５〜１０重量％
から成ることが望ましい。

前記添加元素はＡｇ又はＡｇ合金の酸化又は硫化又はこれらの両方の抑制機能を有するものであって、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｇａ（ガリウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｉｎ（インジウム）、及びＳｎ（スズ）から選択された１つ又は複数であることが望ましい。
酸化と硫化との両方を抑制するために前記添加元素としてＡｕ（金）が使用される。
酸化を抑制するためにＣｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）及びＮｉ（ニッケル）から選択された１つ又は複数の第１の添加元素が使用される。
硫化を抑制するためにＡｕ（金）、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｗ（タングステン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｇａ（ガリウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｉｎ（インジウム）及びＳｎ（スズ）から選択された１つ又は複数の第２の添加元素が使用される。
酸化と硫化との両方を抑制するために上記第１の添加元素と第２の添加元素両方が使用される
もし、Ａｇ又はＡｇ合金から成る光透過性電極１０の酸化又は硫化又はこれ等の両方が生じると、光透過性電極１０と主半導体領域３との間のオーミック接触が悪くなり、アノード電極４とカソード電極５との間の順方向電圧降下が大きくなる。
上記添加元素の内のＩｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）、Ｔｉ（チタン）、Ｐｄ（パラジウム）及びＮｉ（ニッケル）から選択された１つ又は複数を使用すると、光透過性電極１０と主半導体領域３及びパッド電極１１との間の密着性が改善される。従って、密着性の改善が要求される時には、酸化又は硫化の抑制のための元素の他に上記の密着性の改善効果を有する元素をAｇに対して添加する。

Ａｇ合金おけるＡｇに対する添加元素の割合が増大すると、酸化又は硫化の抑制効果、及び銀の蒸着時に生じる虞のある銀の島状凝集の抑制効果が増大する。しかし、添加元素の割合が増大すると、光透過性電極１０と主半導体領域３との間の接触抵抗が増大する。従って、本発明のＡｇ合金を使用した時の光透過性電極１０と主半導体領域３との間の接触抵抗が、従来の光透過性電極としてＡｇのみを使用する時に生じる酸化又は硫化を伴った光透過性電極と主半導体領域との間の接触抵抗と同一又はこれよりも小さくなるように添加元素の割合を決定することが望ましい。また、本発明のＡｇ合金を使用して光透過性電極１０を形成することによるコストの低減が、従来の光透過性電極としてＡｇのみを使用する場合において、銀の不安定性を解消するための特別の工程を設けることによるコスト増大よりも大きくなるように添加元素の割合を決定することが望ましい。添加元素の割合は前記接触抵抗と前記コストとの両方を考慮して決定するのが望ましいが、前記接触抵抗と前記コストとのいずれか一方のみを考慮して決定することもできる。

前記接触抵抗と前記コストとのいずれか一方又は両方を考慮してAgに対する添加元素の割合を０．５〜１０重量％にすることが望ましい。添加元素の割合が０．５重量％よりも少なくなると、所望の酸化又は硫化の抑制効果を得ることが困難になり、１０重量％よりも大きくなると所望値以下の接触抵抗を得ることが困難になる。添加元素のより好ましい割合は１．５〜５重量％であり、最も好ましい割合は３．５〜４．５重量％である。

光透過性電極１０としてAuを４重量％含むAg合金をｐ型半導体層８の上に周知の方法で蒸着し、パッド電極１１を形成した後に５００℃の熱処理を施して図１に示す半導体発光装置を完成させ、この半導体発光装置に３０ｍAの順方向電流を流した時のアノード電極４とカソード電極５との間の順方向電圧を測定したところ、３．５Vであつた。
また、Cuを２重量％、Znを２重量％含むAg合金を使用して上記のAuを含むAg合金の場合と同様に光透過性電極１０を形成し、同様に順方向電圧を測定したところ、３．６Vであつた。
また、Cuを４重量％含むAg合金を使用して上記のAuを含むAg合金の場合と同様に光透過性電極１０を形成し、同様に順方向電圧を測定したところ、３．５５Vであつた。
また、Znを４重量％含むAg合金を使用して上記のAuを含むAg合金の場合と同様に光透過性電極１０を形成し、同様に順方向電圧を測定したところ、３．６５Vであつた。
比較のためにAgのみで光透過性電極を上記のAuを含むAg合金の場合と同様に形成し、順方向電圧を測定したところ、３．７Vであつた。
また、比較のためにAg層の上にTiO₂層を設けた光透過性電極を上記のAuを含むAg合金の場合と同様に形成し、順方向電圧を測定したところ、３．８Vであつた。

アノード電極４におけるパッド電極１１は、図示されていないワイヤ等の接続部材をボンディングする部分であって、光透過性電極１０の上に形成されたTi（チタン）層１１ａとこのTi（チタン）層１１ａの上に形成されたＡｕ（金）層１１ｂとから成る。パッド電極１１は光非透過であるので、光透過性電極１０からの光の取り出しを妨害しないように例えば平面形状四角形の光透過性電極１０の中央の一部分のみに配置されている。光透過性電極１０はパッド電極１１に電気的に接続されているので、主半導体領域３のパッド電極１１に対向する部分の外周側にも電流を流すために機能する。

カソード電極５はシリコン基板１の下面１３に設けられており、シリコン基板１にオーミック接触している。なお、カソード電極５をシリコン基板１又はバッファ層２又はn型半導体層６の上面に設けることもできる。

アノード電極４とカソード電極５との間に順方向電圧を印加すると、活性層７から光が光透過性電極１０側とカソード電極５側との両方向に放射される。活性層７から光透過性電極１０側に放射された光はパッド電極１１で覆われていない部分から外部に取り出される。活性層７からカソード電極５側に放射された光はカソード電極５で反射されて光透過性電極１０側に戻り、外部に取り出される。

本実施例によれば、添加元素の作用によって銀の酸化又は硫化又はこれ等の両方又は蒸着時の銀の凝集を防止することができ、窒化物半導体に対する接触抵抗の小さい電極を容易に形成することができる。また、光透過性とオーミック性との両方が良好な光透過性電極１０を提供できる。

次に、図２を参照して本発明の実施例２に係る半導体発光素子を説明する。但し、図２及び後述の図３において、図１と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図２の実施例２に係る半導体発光素子は図１のバッフア層２を省き、ｎ型半導体層６とシリコン基板１との間に光反射層２０を設け、この他は図１と実質的に同一に形成したものである。光反射層２０は実施例１の光透過性電極１０と同一のAg合金で形成することが望ましい。しかし、光反射層２０をAg又は別な金属又は半導体多層構造の光反射層に置き換えることができる。ここでの光反射層２０は図２で鎖線で区画して示す主半導体領域３側のAg合金からなる第１の貼合せ層２０ａと基板１側のAg合金からなる第２の貼合せ層鎖線２０ｂとを例えば２５０〜４００℃の熱処理を伴って熱圧着することによって形成されている。この熱圧着時においてＡｇ又はＡｇ合金材料を相互に拡散するので、この熱圧着による接合を拡散接合と呼ぶことができる。

光反射層２０は、ここでの光の透過を阻止するために５０ｎｍ以上の厚さを有することが望ましい。また、基板１に対する主半導体領域３の貼付け機能を良好に得るために光反射層２の厚みを８０ｎｍ以上にすることが望ましい。しかし、光反射層２の厚さが１５００ｎｍを越えると光反射層２０にクラックが発生する。従って、光反射層２０の好ましい厚みは５０〜１５００ｎｍ、より好ましい厚みは８０〜１０００ｎｍである。

活性層７から光反射層２０側に放射された光は光反射層２０で主半導体領域３の主面１２側に反射されて外部に取り出される。

図２の実施例２に係る半導体発光素子は実施例１と同様に光透過性電極１０を有するので、実施例１と同一の効果を有する他に、光反射層２０による光の取り出し効率の増大効果を有する。
また、光反射層２０が主半導体領域３及びシリコン基板１に良好にオーミック接触するので、特開２００２−２１７４５０号公報に示されているように光反射層と主半導体領域との間にコンタクト用合金層を分散配置することが不要になり、光反射層２０を主半導体領域３及びシリコン基板１の主面の実質的に全体に接触させることができる。従って、本実施例の半導体発光素子は、前記特開２００２−２１７４５０号のものよりも大きい光反射量を有し、且つ小さい順方向電圧を有する。また、前記特開２００２−２１７４５０号のものではオーミックコンタクト合金層と反射層との両方を設けることが要求されたが、本実施例では光反射層２０を設けるのみで反射層とオーミック接触との両方を得ることができ、製造工程が簡略化される。また、光透過性電極１０と光反射層２０とを同一のＡｇ合金で形成することにより、製造コストの低減を図ることができる。

図３に示す実施例３の半導体発光素子は、図１に電流ブロック層２１と保護膜２２とを追加し、この他は図１と同一に構成したものである。この電流ブロック層２１はパッド電極１１の直下において光透過性電極１１と主半導体領域３の一方の主面１２との間に配置されている。もし、電流ブロック層２１が設けられていない場合には、活性層７のパッド電極１１に対向する部分に電流が流れ、ここから光が放射されても、この光は光非透過性のパッド電極１１によって遮られる。従って、活性層７のパッド電極１１に対向する部分に流れる電流は光取り出しに寄与しない電流である。このため、活性層７のパッド電極１１に対向する部分の電流を抑制することが発光効率の向上に重要である。図３の電流ブロック層２１はシリコン酸化物等の絶縁膜から成り且つ主半導体領域３の一方の主面１２のパッド電極１１の対向領域に配置されているので、上述の発光に寄与しない電流を抑制し、主半導体領域３の外周側部分の電流を増大させて発光効率を高めるために寄与する。電流ブロック層２１は平面的に見て、即ち主半導体領域３の一方の主面１２に対して垂直な方向から見て、パッド電極１１の内側の少なくとも一部を含むパターンに形成される。

図３の保護膜２２は、絶縁膜から成り、主半導体領域３及びバッファ層２の側面を覆っている。この保護膜２２は電流ブロック層２１と同一の絶縁物で形成することができる。

実施例３の半導体発光素子は、実施例１と同一の効果を有する他に、電流ブロック層２１と保護膜２２の効果も有する。

図３の電流ブロック層２１及び保護膜２２を図２の半導体発光素子に設けることもできる。

本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
（１）トランジスタ、FET, 高電子移動度トランジスタ即ちHEMT（High Electron Mobility Transistor）半導体レーザ、フォトディテクタ、太陽電池等の別の窒化物半導体装置の電極にも本発明に従うAｇ合金を使用することができる。
（２）光反射層２０とｎ型半導体層６との間にＡｌＩｎＧａＮ等から成るバッファ層を介在させることができる。
（３）シリコン基板１の代りに導電性を有するＳｉＣ基板、金属基板等の別の導電性基板又はサファイア等の絶縁基板を使用することができる。
（４）基板１を金属基板とする場合には、これを電極として使用して第２の電極５を省くことができる。
（５）主半導体領域３の各層の導電型を各実施例と逆にすることができる。
（６）図２において基板１をＡｇ又はＡｇ合金と拡散接合することができる金属で形成し、基板１側の貼合せ層２０ｂを省くことができる。
（７）図１及び図３においてシリコン基板１とカソード電極５との間に周知に光反射層を配置することができる。

本発明の実施例１に従う半導体発光素子を示す断面図である。本発明の実施例２に従う半導体発光素子を示す断面図である。本発明の実施例３に従う半導体発光素子を示す断面図である。

符号の説明

１基板
３主半導体領域
４アノード電極
５カソード電極
１０ Ag合金から成る光透過性電極

Claims

窒化物半導体領域と、該窒化物半導体領域の主面に形成された電極とを有し、前記電極が、Ａｇと、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｙ、Ｉｎ及びＳｎから選択された少なくとも１つの添加元素との合金から成ることを特徴とする窒化物半導体装置。
前記Ａｇに対する前記添加元素の割合は、０．５〜１０重量％であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置。
窒化物半導体領域と、該窒化物半導体領域の主面に形成された電極とを有し、前記電極が、Ａｇと、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ及びＮｉから選択された少なくとも１つの第１の添加元素と、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｗ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｙ、Ｉｎ及びＳｎから選択された少なくとも１つの第２の添加元素との合金であることを特徴とする窒化物半導体装置。
前記Ａｇに対する前記第１の添加元素の割合は０．５重量％よりも大きく且つ１０重量％よりも小さい値であり、前記Ａｇに対する前記第２の添加元素の割合は０．５重量％よりも大きく且つ１０重量％よりも小さい値であり、前記Ａｇに対する前記第１及び第２の添加元素の合計の割合が０．５〜１０重量％であることを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体装置。
前記窒化物半導体領域は半導体発光素子を形成するための複数の半導体層を含み、前記電極は前記複数の半導体層の内の光取り出し面側の半導体層に形成され、且つ光を透過させることができる厚さに形成されていることを特徴とする請求項1乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体装置。