JP2006074019A - 半導体発光素子用の透光性電極 - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の透光性電極であって、オーミック接触および電流の拡散が良好であって、かつボンディングパッドの接合強度が大きい透光性の電極を提供することである。
【解決手段】 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の透光性電極であって、p型半導体層上にオーミック接触により形成されたコンタクトメタル層と、該コンタクトメタル層上に形成され、コンタクトメタルよりも電極平面での単位距離あたりの抵抗値が低い電流拡散層と、該電流拡散層上に形成されたボンディングパッドと、からなる透光性電極。
【選択図】 図1
【解決手段】 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の透光性電極であって、p型半導体層上にオーミック接触により形成されたコンタクトメタル層と、該コンタクトメタル層上に形成され、コンタクトメタルよりも電極平面での単位距離あたりの抵抗値が低い電流拡散層と、該電流拡散層上に形成されたボンディングパッドと、からなる透光性電極。
【選択図】 図1
Description
本発明は透光性電極に関し、特に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用に適した良好な透光性とオーミック性を有する透光性電極に関する。
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構造とした場合正極の直下しか発光しない。
このため、p電極として透光性電極が使用されるのが一般的である。例えば、正極としてp層上にNiとAuを積層させて合金化処理を行い、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(特許文献1参照)。
このため、p電極として透光性電極が使用されるのが一般的である。例えば、正極としてp層上にNiとAuを積層させて合金化処理を行い、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(特許文献1参照)。
パッド電極のボンディング強度を得る為に、透光性電極の一部に切り欠きを作り、この部分及び隣接する透光性電極上にまたがるパッド電極を形成する事により、直接GaN層に接する部分でボンディング強度を得ると共に透光性電極上に接する部分で電流拡散を行う構造が公開されている。(特許文献2参照)
しかしながら、オーミック接触が良好に得られる金属が、常に機械的な接触強度も強いとは限らず、ボンディングパッドを半導体層に接触させると、この部分では接触抵抗が上がってしまうために、順方向電流(VF)が上昇してしまう問題が生じた。
つまり、ボンディングパッドは半導体層に接触する面積を小さくした方が、順方向駆動電圧を下げることに効果的である。
特許第2803742号公報
特開平7−94782号公報
しかしながら、オーミック接触が良好に得られる金属が、常に機械的な接触強度も強いとは限らず、ボンディングパッドを半導体層に接触させると、この部分では接触抵抗が上がってしまうために、順方向電流(VF)が上昇してしまう問題が生じた。
つまり、ボンディングパッドは半導体層に接触する面積を小さくした方が、順方向駆動電圧を下げることに効果的である。
本発明の目的は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の透光性電極であって、オーミック接触および電流の拡散が良好であって、かつボンディングパッドの接合強度が大きい透光性の電極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、上記の目的を達成するためになされたもので、以下の各発明からなる。
(1)窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の透光性電極であって、p型半導体層上にオーミック接触により形成されたコンタクトメタル層と、該コンタクトメタル層上に形成され、コンタクトメタル層よりも層の横方向(層の厚さ方向に対し直角方向)の単位長さあたりの抵抗値が低い電流拡散層と、該電流拡散層上に形成されたボンディングパッドと、からなる透光性電極。
(2)上記ボンディングパッドは、その面積の90%以上を電流拡散層に接していることを特徴とする上記(1)に記載の透光性電極。
(3)上記透光性電極が、金属のみからなることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の透光性電極。
(1)窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の透光性電極であって、p型半導体層上にオーミック接触により形成されたコンタクトメタル層と、該コンタクトメタル層上に形成され、コンタクトメタル層よりも層の横方向(層の厚さ方向に対し直角方向)の単位長さあたりの抵抗値が低い電流拡散層と、該電流拡散層上に形成されたボンディングパッドと、からなる透光性電極。
(2)上記ボンディングパッドは、その面積の90%以上を電流拡散層に接していることを特徴とする上記(1)に記載の透光性電極。
(3)上記透光性電極が、金属のみからなることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の透光性電極。
(4)上記透光性電極が、導電性酸化物の層を含むことを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の透光性電極。
(5)上記ボンディングパッドが半導体層に接触する面積は、ボンディングパッドの面積の10%以下であることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(6)上記ボンディングパッドが半導体層に接触しないことを特徴とする上記(5)に記載の透光性電極。
(7)上記電流拡散層は、その最上層が金属よりなる層で覆われていることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(5)上記ボンディングパッドが半導体層に接触する面積は、ボンディングパッドの面積の10%以下であることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(6)上記ボンディングパッドが半導体層に接触しないことを特徴とする上記(5)に記載の透光性電極。
(7)上記電流拡散層は、その最上層が金属よりなる層で覆われていることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(8)上記コンタクトメタル層が白金族金属であることを特徴とする上記(1)〜(7)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(9)上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8に記載の透光性電極。
(10)上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上記(1)〜(9)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(11)上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上記(1)〜(10)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(9)上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8に記載の透光性電極。
(10)上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上記(1)〜(9)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(11)上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上記(1)〜(10)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(12)上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上記(1)〜(11)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(13)上記電流拡散層が金、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一種を含む合金であることを特徴とする上記(1)〜(12)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(14)上記電流拡散層が金であることを特徴とする上記(1)〜(13)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(15)上記電流拡散層の厚さが1〜20nmであることを特徴とする上記(1)〜(14)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(13)上記電流拡散層が金、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一種を含む合金であることを特徴とする上記(1)〜(12)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(14)上記電流拡散層が金であることを特徴とする上記(1)〜(13)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(15)上記電流拡散層の厚さが1〜20nmであることを特徴とする上記(1)〜(14)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(16)上記電流拡散層の厚さが10nm以下であることを特徴とする上記(1)〜(15)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(17)上記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1〜16のいずれか1項に記載の透光性電極。
(18)上記ボンディングパッドが電流拡散層と接する第一の層を含み、その第一の層がTi,Al、Au、Crのうちから選ばれた少なくとも1種類の金属または合金を含む層であることを特徴とする上記(1)〜(17)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(19)上記ボンディングパッドの第一層の厚さが20〜3000nmであることを特徴とする上記(1)〜(18)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(17)上記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1〜16のいずれか1項に記載の透光性電極。
(18)上記ボンディングパッドが電流拡散層と接する第一の層を含み、その第一の層がTi,Al、Au、Crのうちから選ばれた少なくとも1種類の金属または合金を含む層であることを特徴とする上記(1)〜(17)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(19)上記ボンディングパッドの第一層の厚さが20〜3000nmであることを特徴とする上記(1)〜(18)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(20)上記ボンディングパッドの第一の層の上に第二の層が形成され、その第二の層がTi、Crのうちから選ばれた少なくとも1種類の金属または合金を含む層であることを特徴とする上記(1)〜(19)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(21)上記ボンディングパッドの第二の層の厚さが、20〜3000nmであることを特徴とする上記(1)〜(20)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(22)上記ボンディングパッドの最上層がAuであることを特徴とする上記(1)〜(21)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(23)上記(1)〜(22)のいずれか1項に記載の透光性電極を用いた発光素子。
(21)上記ボンディングパッドの第二の層の厚さが、20〜3000nmであることを特徴とする上記(1)〜(20)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(22)上記ボンディングパッドの最上層がAuであることを特徴とする上記(1)〜(21)のいずれか1項に記載の透光性電極。
(23)上記(1)〜(22)のいずれか1項に記載の透光性電極を用いた発光素子。
本発明の透光性電極は、p型半導体層上にコンタクトメタル層、その上に電流拡散層、更にその上にボンディングパッドが形成され、コンタクトメタル層は透光性にして良好なオーミック接触が得られる材料を用い、また電流拡散層は透光性にしてコンタクトメタル層よりも電極平面での単位距離あたりの抵抗値が低い材料を用い、更にボンディングパッドは電流拡散層と強固に接合する材料を用いることにより、半導体層における発光面の拡大、順方向駆動電圧の低減、良好なボンディングパッドの接合強度の効果をもたらす。
本発明の透光性電極はコンタクトメタル層、電流拡散層、ボンディングパッドが積層した構造からなっている。以下図面を参考にして説明する。
図1は、本発明の透光性電極を有する発光素子の断面を示した模式図である。11がコンタクトメタル層、12が電流拡散層、13が第1の層131、第2の層132、第3の層133の3層からなるボンディングパッドであり、11〜13が本発明の透光性電極10を構成している。図1ではボンディングパッド層は3層であるが、3層以上とすることもできる。1は基板である。2はGaN系化合物半導体層であり、n型半導体層3、発光層4およびp型半導体層5から構成される。6はバッファ層であり、20は負極である。
図1は、本発明の透光性電極を有する発光素子の断面を示した模式図である。11がコンタクトメタル層、12が電流拡散層、13が第1の層131、第2の層132、第3の層133の3層からなるボンディングパッドであり、11〜13が本発明の透光性電極10を構成している。図1ではボンディングパッド層は3層であるが、3層以上とすることもできる。1は基板である。2はGaN系化合物半導体層であり、n型半導体層3、発光層4およびp型半導体層5から構成される。6はバッファ層であり、20は負極である。
図1では、ボンディングパッドはその下面の全面が電流拡散層に接触しており、半導体層とは接触していない。
本発明の順方向駆動電圧低下の効果を得るためにはボンディングパッドはその下面の面積の90%以上が電流拡散層に接触していることが必要であり、好ましくは95%以上、最も好ましくは図1のように全面が電流拡散層に接触したものである。
本発明の順方向駆動電圧低下の効果を得るためにはボンディングパッドはその下面の面積の90%以上が電流拡散層に接触していることが必要であり、好ましくは95%以上、最も好ましくは図1のように全面が電流拡散層に接触したものである。
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。
ボンディングパッドの最も下の層131を第1の層と呼ぶ。第1の層は、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、中でも、Ti,Al、Au、Crのうちから選ばれた少なくとも1種類の金属または合金を含むことが望ましい。更に望ましいのは、AuまたはCrであり、最も望ましいのはAuである。
ボンディングパッドの第1の層は、厚さが20〜3000nmであるが望ましい。第1の層が薄すぎると充分な密着の効果が得られず、厚すぎても特に利点は生ぜず、工程時間の長時間化と材料の無駄を生じるため避けるのが普通である。更に望ましくは、50〜1000nmであり、最も望ましいのは100〜500nmである。
ボンディングパッドの最も下の層131を第1の層と呼ぶ。第1の層は、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、中でも、Ti,Al、Au、Crのうちから選ばれた少なくとも1種類の金属または合金を含むことが望ましい。更に望ましいのは、AuまたはCrであり、最も望ましいのはAuである。
ボンディングパッドの第1の層は、厚さが20〜3000nmであるが望ましい。第1の層が薄すぎると充分な密着の効果が得られず、厚すぎても特に利点は生ぜず、工程時間の長時間化と材料の無駄を生じるため避けるのが普通である。更に望ましくは、50〜1000nmであり、最も望ましいのは100〜500nmである。
ボンディングパッドの第1の層の上に形成される第2の層132は、ボンディングパッド全体の強度を強化する役割がある。このため、比較的強固な金属材料を使用するか、充分に膜厚を厚くする必要がある。
材料として望ましいのは、TiとCrである。中でも、Tiは材料の強度の点で望ましい。その厚さは20〜3000nmであるのが望ましい。この層は、薄過ぎると充分な強度が得られず、厚すぎても特に利点は生じない。更に望ましくは、50〜1000nmであり、最も望ましいのは100〜500nmである。
材料として望ましいのは、TiとCrである。中でも、Tiは材料の強度の点で望ましい。その厚さは20〜3000nmであるのが望ましい。この層は、薄過ぎると充分な強度が得られず、厚すぎても特に利点は生じない。更に望ましくは、50〜1000nmであり、最も望ましいのは100〜500nmである。
ボンディングパッドの第3の層133(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。ボンディングボールには金を使用することが多く、金ボールとの密着性の良い金属としてはAuとAlが知られている。中でも、特に望ましいのは金である。
一方、透光性の電極は、全ての層が金属で構成されていても良いし、中に酸化物の層を含むものがあっても構わない。酸化物からなる層を電流拡散層に含む構成とした場合、ボンディングパッドと電流拡散層との機械的な密着強度を高めるため酸化物層の表面が薄い金属層で覆われている構造としても良い。
一方、透光性の電極は、全ての層が金属で構成されていても良いし、中に酸化物の層を含むものがあっても構わない。酸化物からなる層を電流拡散層に含む構成とした場合、ボンディングパッドと電流拡散層との機械的な密着強度を高めるため酸化物層の表面が薄い金属層で覆われている構造としても良い。
ボンディングパッドは複数の層から構成するのが好ましい。その作製方法としては、従来より知られているスパッタ法や蒸着法を用いることができる。ボンディングパッドを構成する複数の層を、全て同じ方法で積層しても良いし、途中で方法を変更しても良い。しかしながら、層間の密着性の観点より、積層中に空気中に取り出すことなく、全層を同じチャンバ内で積層することが望ましい。
また、ボンディングパッドの形状を形成するためには、従来から良く知られたリフトオフ法などを用いることができる。
ボンディングパッドを電流拡散層の上に形成する場合、ボンディングパッドの積層に先立って電流拡散層の表面を清浄にするための処理を施すことが望ましい。処理の方法としては、酸やアルカリを用いた湿式の洗浄、スパッタや反応性ガスへの曝露等の乾式の洗浄のほか、紫外線照射や熱処理なども採用できる。中でも、反応性ガスを用いた洗浄が有効であり、特にオゾンを用いて紫外線を照射する方法が手軽であり、効果も期待できて望ましい。
また、ボンディングパッドの形状を形成するためには、従来から良く知られたリフトオフ法などを用いることができる。
ボンディングパッドを電流拡散層の上に形成する場合、ボンディングパッドの積層に先立って電流拡散層の表面を清浄にするための処理を施すことが望ましい。処理の方法としては、酸やアルカリを用いた湿式の洗浄、スパッタや反応性ガスへの曝露等の乾式の洗浄のほか、紫外線照射や熱処理なども採用できる。中でも、反応性ガスを用いた洗浄が有効であり、特にオゾンを用いて紫外線を照射する方法が手軽であり、効果も期待できて望ましい。
電流拡散層の材料は、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。
この場合、電流拡散層の厚さは、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。
この場合、電流拡散層の厚さは、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。
また、電流拡散層の材料は、導電率の高い酸化物、例えばITO、酸化亜鉛、などからなる群から選ばれた酸化物または少なくともそれらの一種を含む材料を用いることが出来る。中でもITOは、酸化物の中でも導電性が高いことから最も好ましい。
この場合には、電流拡散層の厚さは、1〜5000nm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。5000nmを超えると、電流拡散層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。2000nm以下がさらに好ましい。さらに厚さを100〜1000nmの範囲とすることで電流拡散層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。
この場合には、電流拡散層の厚さは、1〜5000nm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。5000nmを超えると、電流拡散層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。2000nm以下がさらに好ましい。さらに厚さを100〜1000nmの範囲とすることで電流拡散層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。
コンタクトメタル層に要求される性能としては、p層との接触抵抗が小さいことは必須である。さらに、発光層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。
電流拡散層がなくて、コンタクトメタル層の厚さが薄いとコンタクトメタル層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パッド層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や金属酸化物からなる電流拡散層をコンタクトメタル層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。
そこで、コンタクトメタル層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や金属酸化物からなる電流拡散層をコンタクトメタル層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。
電流拡散層は、コンタクトメタル層よりも層の横方向(層の厚さ方向に対し直角方向)の単位長さ当たりの抵抗値が小さい。単位長さあたりの抵抗値は、材料固有の抵抗値と積層する膜厚によって決定される。つまり、金属を用いる場合には抵抗率が小さいために薄く形成することができるが、導電性の金属酸化物を用いる場合には金属に比較して抵抗率が大きいために、厚く形成する必要がある。
コンタクトメタル層および電流拡散層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。
本発明の透光性電極は、図1に示したような、基板上にバッファ層を介して窒化ガリウム系化合物半導体を積層し、n型半導体層、発光層およびp型半導体層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。
本発明の透光性電極は、図1に示したような、基板上にバッファ層を介して窒化ガリウム系化合物半導体を積層し、n型半導体層、発光層およびp型半導体層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。
基板には、サファイア単結晶(Al2O3;A面、C面、M面、R面)、スピネル単結晶(MgAl2O4)、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2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ZrB2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、発光層およびp型半導体層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1×1017cm-3程度のp型半導体層にも本発明の透光性電極は適用できる。
それらを構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式AlxInyGa1-x-yN(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AlxInyGa1-x-yN(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、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、HVPE(ハイドライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)、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(H2)または窒素(N2)、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(NH3)、ヒドラジン(N2H4)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(SiH4)またはジシラン(Si2H6)を、Ge原料としてゲルマン(GeH4)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(Cp2Mg)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。
基板上にn型半導体層、発光層およびp型半導体層が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体のn型半導体層に接して負極を形成するために、発光層およびp型半導体層の一部を除去して、n型半導体層を露出させる。その後残したp型半導体層上に本発明の透光性電極を形成し、露出させたn型半導体層上に負極を形成する。負極としては、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。
本発明を用いて発光素子を作製すると、駆動電圧の低い素子を作製することができる。更に、この手法によって作製したチップを組み込んだ携帯電話、ディスプレイ、パネル類などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車、コンピュータ、ゲーム機、などの機械装置類は、低電力での駆動が可能となり、高い特性を実現することが可能である。特に、携帯電話、携帯式ゲーム機、玩具、デジタルカメラ、自動車部品などの、バッテリ駆動させる機器類において、省電力の効果を発揮し、使用可能時間の長時間化を実現する。
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1)
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8μm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250nmのn型In0.1Ga0.9Nクラッド層(3c)、厚さ16nmのSiドープGaN障壁層および厚さ2.5nmのIn0.2Ga0.8N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0.01μmのMgドープp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層(5a)、厚さ0.15μmのMgドープp型Al0.02Ga0.98N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のp型AlGaNコンタクト層上に、厚さ1.5nmのPtコンタクトメタル層(11)、厚さ5nmのAu電流拡散層(12)および50nmのAu層(13a)、20nmのTi層(13b)、10nmのAl層(13c)、100nmのTi層(13d)、200nmのAu層(13e)からなる5層構造のボンディングパッド層(13)よりなる本発明の正極(10)を形成した。ボンディングパッドを形成する5層のうち、50nmのAu層(13a)が第1の層、20nmのTi層(13b)が第2の層、10nmのAl層(13c)がバリア層、100nmのTi層(13d)がAlとAuの合金化を防止する層、200nmのAu層(13e)が最上層にあたる。次にn型GaNコンタクト層上に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である。正極および負極の形状は図3aに示したとおりである。
(実施例1)
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8μm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250nmのn型In0.1Ga0.9Nクラッド層(3c)、厚さ16nmのSiドープGaN障壁層および厚さ2.5nmのIn0.2Ga0.8N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0.01μmのMgドープp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層(5a)、厚さ0.15μmのMgドープp型Al0.02Ga0.98N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のp型AlGaNコンタクト層上に、厚さ1.5nmのPtコンタクトメタル層(11)、厚さ5nmのAu電流拡散層(12)および50nmのAu層(13a)、20nmのTi層(13b)、10nmのAl層(13c)、100nmのTi層(13d)、200nmのAu層(13e)からなる5層構造のボンディングパッド層(13)よりなる本発明の正極(10)を形成した。ボンディングパッドを形成する5層のうち、50nmのAu層(13a)が第1の層、20nmのTi層(13b)が第2の層、10nmのAl層(13c)がバリア層、100nmのTi層(13d)がAlとAuの合金化を防止する層、200nmのAu層(13e)が最上層にあたる。次にn型GaNコンタクト層上に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である。正極および負極の形状は図3aに示したとおりである。
この構造において、n型GaNコンタクト層のキャリア濃度は1×1019cm-3であり、GaN障壁層のSiドープ量は1×1018cm-3であり、p型GaNコンタクト層のキャリア濃度は5×1018cm-3であり、p型AlGaNクラッド層のMgドープ量は5×1019cm-3であった。
窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、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、正極および負極は次の手順で形成した。
窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、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、正極および負極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。
まず、エッチングマスクをp型半導体層上に形成した。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Cl2を供給してn型GaNコンタクト層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、Auからなる電流拡散層を形成した。コンタクトメタル層、電流拡散層の形成では、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を真空蒸着装置内に入れ、p型GaNコンタクト層上に初めに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た。同様な手法で電流拡散層上の一部にAuからなる第1の層(13a)、Tiからなる第2の層(13b)、Alからなるバリア層(13c)、TiからなるAlとAuの合金化を防止する層(13d)、Auからなる第5の層(13e)を順に積層し、ボンディングパッド層(13)を形成した。この際、パッド電極が形成される領域には、紫外線を照射しながらオゾンガスを流通させる方法でパッドが形成される領域を洗浄を施した。
このようにしてp型GaNコンタクト層上に、本発明の正極を形成した。
このようにしてp型GaNコンタクト層上に、本発明の正極を形成した。
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。
次に、露出したn型GaNコンタクト層上に負極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。
次に、露出したn型GaNコンタクト層上に負極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および負極を形成したウエーハを、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5mW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。
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5mW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)
透光性電極の一部に切り欠き部を設け、ここにp型半導体に直接接する、第1層をTiとしたボンディングパッドを形成した。本比較例で使用した、切り欠き部を持つ透光性電極の形状を図4に示す。
これ以外は実施例1と同様として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を同様に測定した結果は3.3Vであり、実施例1よりも上昇してしまった。
この原因としては、ボンディングパッドを透光性電極を形成しない切り欠き部に形成したために、この部分の接触抵抗が上昇し、結果として良好な接触抵抗を得られる面積が減少しためと考えている。
透光性電極の一部に切り欠き部を設け、ここにp型半導体に直接接する、第1層をTiとしたボンディングパッドを形成した。本比較例で使用した、切り欠き部を持つ透光性電極の形状を図4に示す。
これ以外は実施例1と同様として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を同様に測定した結果は3.3Vであり、実施例1よりも上昇してしまった。
この原因としては、ボンディングパッドを透光性電極を形成しない切り欠き部に形成したために、この部分の接触抵抗が上昇し、結果として良好な接触抵抗を得られる面積が減少しためと考えている。
(実施例2)
実施例2では、実施例1と同じ積層構造基板を用いて、以下のような構成の電極を形成した。
すなわち、厚さ1.5nmのPtコンタクトメタル層(11)、厚さ100nmのITO電流拡散層(12)および50nmのCr層(13a)、20nmのTi層(13b)、10nmのAl層(13c)、100nmのTi層(13d)、200nmのAu層(13e)からなる5層構造のボンディングパッド層(13)よりなる本発明の正極(10)を形成した。ボンディングパッドを形成する5層のうち、50nmのCr層(13a)が第1の層、20nmのTi層(13b)が第2の層、10nmのAl層(13c)がバリア層、100nmのTi層(13d)がAlとAuの合金化を防止する層、200nmのAu層(13e)が最上層にあたる。次にn型GaNコンタクト層上に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である。正極および負極の形状は実施例1と同様である。
実施例2では、実施例1と同じ積層構造基板を用いて、以下のような構成の電極を形成した。
すなわち、厚さ1.5nmのPtコンタクトメタル層(11)、厚さ100nmのITO電流拡散層(12)および50nmのCr層(13a)、20nmのTi層(13b)、10nmのAl層(13c)、100nmのTi層(13d)、200nmのAu層(13e)からなる5層構造のボンディングパッド層(13)よりなる本発明の正極(10)を形成した。ボンディングパッドを形成する5層のうち、50nmのCr層(13a)が第1の層、20nmのTi層(13b)が第2の層、10nmのAl層(13c)がバリア層、100nmのTi層(13d)がAlとAuの合金化を防止する層、200nmのAu層(13e)が最上層にあたる。次にn型GaNコンタクト層上に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である。正極および負極の形状は実施例1と同様である。
これ以外は実施例1と同様として窒化ガリウム系化合物半導体発光素子までを作製した。この発光素子の順方向電圧を同様に測定した結果は2.9Vであり、実施例1と同様であった。
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やはり実施例1と同様に5mW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。
本実施例2では、電流拡散層をITOとしたが、この上に接着性の向上のために薄い金属の層を積層しても良い。例えば、すず、インジウムなどの層を用いることができる。
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やはり実施例1と同様に5mW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。
本実施例2では、電流拡散層をITOとしたが、この上に接着性の向上のために薄い金属の層を積層しても良い。例えば、すず、インジウムなどの層を用いることができる。
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。
1 基板
2 GaN系化合物半導体層
3 n型半導体層
4 発光層
5 p型半導体層
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
20 負極
2 GaN系化合物半導体層
3 n型半導体層
4 発光層
5 p型半導体層
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
20 負極
Claims (23)
- 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の透光性電極であって、p型半導体層上にオーミック接触により形成されたコンタクトメタル層と、該コンタクトメタル層上に形成され、コンタクトメタル層よりも層の横方向(層の厚さ方向に対し直角方向)の単位長さあたりの抵抗値が低い電流拡散層と、該電流拡散層上に形成されたボンディングパッドと、からなる透光性電極。
- 上記ボンディングパッドは、その面積の90%以上を電流拡散層に接していることを特徴とする請求項1に記載の透光性電極。
- 上記透光性電極が、金属のみからなることを特徴とする請求項1又は2に記載の透光性電極。
- 上記透光性電極が、導電性酸化物の層を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の透光性電極。
- 上記ボンディングパッドが半導体層に接触する面積は、ボンディングパッドの面積の10%以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上記ボンディングパッドが半導体層に接触しないことを特徴とする請求項5に記載の透光性電極。
- 上記電流拡散層は、その最上層が金属よりなる層で覆われていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上記コンタクトメタル層が白金族金属であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上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8に記載の透光性電極。
- 上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1〜9のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上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1〜10のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上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1〜11のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上記電流拡散層が金、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一種を含む合金であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上記電流拡散層が金であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上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1〜14のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上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1〜15のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上記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1〜16のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上記ボンディングパッドが電流拡散層と接する第一の層を含み、その第一の層がTi,Al、Au、Crのうちから選ばれた少なくとも1種類の金属または合金を含む層であることを特徴とする請求項1〜17のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上記ボンディングパッドの第一層の厚さが20〜3000nmであることを特徴とする請求項1〜18のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上記ボンディングパッドの第一の層の上に第二の層が形成され、その第二の層がTi、Crのうちから選ばれた少なくとも1種類の金属または合金を含む層であることを特徴とする請求項1〜19のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上記ボンディングパッドの第二の層の厚さが、20〜3000nmであることを特徴とする請求項1〜20のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 上記ボンディングパッドの最上層がAuであることを特徴とする請求項1〜21のいずれか1項に記載の透光性電極。
- 請求項1〜22のいずれか1項に記載の透光性電極を用いた発光素子。
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