JP2006203160A - Ｅｓｄ保護能力を有する窒化ガリウム系発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Ｅｓｄ保護能力を有する窒化ガリウム系発光素子及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】逆方向ＥＳＤ電圧に対する耐性が改善された窒化ガリウム系発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明による窒化ガリウム系発光素子は、基板上に順次形成されたＮ型ＧａＮ系クラッド層、活性層、ｐ型ＧａＮ系クラッド層及びｐ側電極を具備する窒化ガリウム系発光素子として、上記Ｎｎ型ＧａＮ系クラッド層の一側領域上に形成されたｎ側電極と、上記ｎ側電極から離隔され上記ｎ側電極と電気的に連結され、上記ｎ型ＧａＮ系クラッド層の他側領域上に形成された２個以上のＭＩＭ型トンネル接合構造とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は窒化ガリウム系発光素子及びその製造方法に関する。とりわけ、逆方向の静電気放電（Electrostatic Discharge：ＥＳＤ）に対する高い耐性を有する窒化ガリウム系発光素子及びその製造方法に関する。
一般に、従来の窒化ガリウム系発光素子は、絶縁性基板であるサファイア基板上にバッファ層、Ｎ型ＧａＮ系クラッド層、活性層及びｐ型ＧａＮ系クラッド層が積層されたメサ構造で成っており、ｐ型ＧａＮ系クラッド層上には透明電極とｐ側電極が順次積層され、メサエッチングにより露出したｎ型クラッド層上にはｎ側電極が形成される。こうした一般的な窒化ガリウム系発光素子においては、ｐ側電極から入ってくる正孔とｎ側電極から入ってくる電子が活性層において結合し活性層物質組成のエネルギーバンドギャップ（bandgap）に該当する光を放出する。
かかる窒化ガリウム系発光素子はエネルギーバンドギャップが大変大きい物質であるにも係わらず結晶品質が良からず大抵静電気放電（Electrostatic Discharge；ＥＳＤ）に弱い。とりわけ、結晶欠陥が多いほどＥＳＤに弱い。具体的に説明すれば、ＡｌＸＧａＹＩＮ１−Ｘ−ＹＮに基づく窒化ガリウム系発光素子の順方向ＥＳＤに対する耐性電圧は約１ｋＶないし３ｋＶで、逆方向ＥＳＤに対する耐性電圧は約１００Ｖないし１ｋＶ程になる。このように、窒化ガリウム系発光素子は順方向のＥＳＤ電圧より逆方向のＥＳＤ電圧に対してより弱い。したがって、大変大きい逆方向ＥＳＤ電圧がパルス形態で窒化ガリウム系発光素子に与えられると、発光素子が損傷されるか劣化する。例えば、発光素子が人体に接触したりソケットに対して挿入または取出される際、１０ｋＶ以上の逆方向ＥＳＤ電圧が窒化ガリウム系発光素子に印加され得るが、こうした逆方向のＥＳＤ現象は窒化ガリウム系発光素子の信頼性を害しその寿命を急激に短縮させる要因となる。
こうした問題を解決するために、ＥＳＤ現象に対する窒化ガリウム系発光素子の耐性を増加させるいくつかの方案が提案されている。例えば、発光素子の構造と工程技術を最適化して発光素子の静電気耐性を増加させる方法である。しかし、こうした方法では、成し遂げられるＥＳＤ耐性に限界があった。他の方案として、フリップチップ（flip chip）構造のＬＥＤをＳｉ基盤のゼナーダイオード（Gener diode）に並列で連結し静電気放電から発光素子を保護するといった技術が提示された。しかし、こうした方法は別途のゼナーダイオードを購入してボンディング組立しなければならないので、資材費用及び工程費用が大きく増加し、素子の小型化を制限する。さらなる従来の方案として、特許文献１は、同一基板にＬＥＤ素子とショットキーダイオードを集積してＬＥＤとショットキーダイオードとを並列で連結し、ＥＳＤから発光素子を保護する技術を開示している。
図１（ａ）は、このように並列連結されたショットキーダイオードを具備する従来の窒化ガリウム系発光素子を示す断面図で、図１（ｂ）は図１（ａ）の等価回路図を示す。図１（ａ）によると、ＬＥＤ構造は、透明基板（１００）上に第１核生成層（１０２ａ）、第１導電性バッファ層（１０４ａ）、下部制限層（lower confinement layer;１０６）、活性層（１０８）、上部制限層（upper confinement layer;１１０）、コンタクト層（１１２）、透明電極（１１４）及びｎ側電極（１１６）を含んでいる。こうしたＬＥＤ構造と分離され上記透明基板（１００）上に第２核生成層（１０２ｂ）及び第２導電性バッファ層（１０４ｂ）が積層されており、その上にショットキーコンタクト電極（１１８）とオーミックコンタクト電極（１２０）が形成されている。
さらに、上記ＬＥＤ構造の透明電極（１１４）はオーミックコンタクト電極（１２０）と連結され、ＬＥＤ構造のｎ側電極（１１６）はショットキー電極（１１８）と連結される。こうして図１（ｂ）に示すように、ＬＥＤダイオードとショットキーダイオードとが互いに並列で連結された構造を成す。上記のように構成された発光素子においては、瞬間的に逆方向の高電圧、例えば逆方向ＥＳＤ電圧が印加されると、上記高電圧はショットキーダイオードを通して放電され得る。これにより、殆どの電流はＬＥＤダイオードの代わりにショットキーダイオードを通して流れ、ＬＥＤ素子への損傷が減少する。
しかし、このようなショットキーダイオードを利用したＥＳＤ保護方案は、製造工程が複雑であるといった欠点を有する。即ち、ＬＥＤ素子領域とショットキーダイオード領域を分離しなければならないばかりか、ｎ型ＧａＮ系物質から成る第２導電性バッファ層（１０４ｂ）上にショットキーコンタクトを形成する電極物質とオーミックコンタクトを形成する電極物質とを別途に蒸着しなければならない。とりわけ、ｎ型ＧａＮ系物質とショットキーコンタクトを形成する金属材料はその種類が限定されており、熱処理などの後続工程により半導体‐金属のコンタクト特性が変化しかねない。
米国特許第６、５９３、５９７号
本発明は上記問題を解決するためのものとして、その目的はｎ側電極領域から離隔した領域のｎ型クラッド層上に金属‐絶縁体‐金属（Metal‐Insulator‐Metal;ＭＩＭ）型のトンネル接合構造を２個以上形成することにより逆方向ＥＳＤ電圧に対する耐性を大きく向上させた窒化ガリウム系発光素子、及びその製造方法を提供することである。
上述した技術的課題を成し遂げるために、本発明による窒化ガリウム系発光素子は、基板上に順次形成されたＮ型ＧａＮ系クラッド層、活性層、ｐ型ＧａＮ系クラッド層及びｐ側電極を具備する窒化ガリウム系発光素子として、上記Ｎ型ＧａＮ系クラッド層の一側領域上に形成されたｎ側電極と、上記ｎ側電極から離隔され上記ｎ側電極と電気的に連結され、上記ｎ型ＧａＮ系クラッド層の他側領域上に形成された２個以上のＭＩＭ型トンネル接合構造とを含む。上記ＭＩＭ型トンネル接合構造は、上記ｎ型ＧａＮ系クラッド層と接触するよう上記ＧａＮ系クラッド層上に形成された下部金属層と、上記下部金属層上に形成された絶縁膜と、上記絶縁膜上に形成された上部金属層とを含む。上記上部金属層は２個以上の金属層から成る多層で成り得る。好ましくは、上記下部金属層は上記ｎ側電極と同一な物質から成る。
上記発光素子に逆方向ＥＳＤ電圧が印加される場合、上記ＭＩＭ型トンネル接合構造は、電子が上記ＭＩＭ型トンネル接合構造を通してトンネリングすることを可能にさせる。したがって、逆方向ＥＳＤ電圧による発光素子の損傷を防止することが可能になる。
本発明の実施形態によると、上記発光素子は、上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層と上記ｐ側電極との間に透明電極層をさらに含む。この場合、上記透明電極層は上記絶縁膜上に延長され、上記上部金属層の少なくとも一部を形成することが可能である。さらに、上記上部金属層は、上記透明電極層上に形成され上記ｐ側電極と同一な物質から成る金属層をさらに含むことが可能である。この場合、上記ＭＩＭ型トンネル接合構造の上部金属層は透明電極層／金属層の多層構造を成す。
本発明の他実施形態によると、上記ＭＩＭ型トンネル接合構造の上部電極層は上記ｐ側電極と同一な物質から成る。この場合にも、下部金属層はｎ側電極と同一な物質から成り、上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層と上記ｐ側電極との間に透明電極層が形成され得る。したがって、上記ＭＩＭ型トンネル接合構造は、ｎ側電極と同一な物質から成る下部金属層と、上記下部金属層上に形成された絶縁膜と、上記絶縁膜上に形成されｐ側電極と同一な物質から成る上部金属層とを含む。
好ましくは、上記２個以上のＭＩＭ型トンネル接合構造は上記ｐ側電極から同一な距離で離隔され位置する。このように、複数のＭＩＭ型トンネル接合構造が上記ｐ側電極から同一な距離を維持することにより、ＥＳＤ電圧印加時ｎ側電極に印加される電圧をより低下させることが可能になる。
好ましくは、上記ｐ側電極は、Ｔｉ、Ａｕ 、Ｎｉ、ＡｕとＡｌとの合金、ＡｕとＴｉとの合金、ＡｕとＣｕとの合金、Ｍｎ系合金、Ｌａ系合金、Ｎｉ系合金及びＭｇ系合金で成る群から少なくとも一つ選択され得る。例えば、ＭｎＮｉ、LａＮｉ５、ＭｇＮｉ、ＺｎＮｉまたはＺｎＭｇを使用してｐ側電極を形成することも可能である。さらに、上記ｎ側電極は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｈｆ、ＡｕＧｅ合金、ＺｎＯ及びＩＴＯの群から少なくとも一つ選択され得る。さらに、上記透明電極層は、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、Ｎｉ／Ａｕ二重層、ＮｉとＡｕとの合金、ＺｎＯ及びＭｇＯの群から少なくとも一つ選択され得る。
さらに、好ましくは、ＭＩＭ型トンネル接合構造の絶縁膜は酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、窒化珪素またはポリイミドの群から選択され得る。上記絶縁膜の厚さは、１０ないし３０００Åであり得る。好ましくは、上記絶縁膜の厚さは、１００ないし１０００Åである。
本発明による窒化ガリウム系発光素子の製造方法は、基板上にｎ型ＧａＮ系クラッド層、活性層及びｐ型ＧａＮ系クラッド層を順次形成する段階と、上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層、活性層及びＧａＮ系クラッド層の一部をメサエッチングして上記ｎ型ＧａＮ系クラッド層の一部を露出させる段階と、上記露出したｎ型ＧａＮ系クラッド層上の一側領域にｎ側電極を形成する段階と、上記ｎ側電極から離隔され上記ｎ側電極と電気的に連結されるよう、上記露出したｎ型ＧａＮ系クラッド層上の他側領域に２個以上の下部金属層を形成する段階と、上記下部金属層上に絶縁膜を形成する段階と、上記絶縁膜上に上部金属層を形成する段階と、上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層上にｐ側電極を形成する段階とを含む。好ましくは、上記下部金属層は上記ｎ側電極と同一な物質から成る。この場合、上記下部金属層を形成する段階は上記ｎ側電極を形成する段階と同時に行われることが可能である。
上記製造方法により形成された上記下部金属層、絶縁膜及び上部金属層の積層物は本発明によるＭＩＭ型トンネル接合構造を成す。上記製造方法によると、２個以上のＭＩＭ型トンネル接合構造が形成される。こうしたＭＩＭ型トンネル接合構造は、窒化ガリウム系発光素子に逆方向ＥＳＤ電圧が印加される際、逆方向電流を通過させる通路を提供する。
本発明の実施形態によると、上記絶縁膜上に上記上部金属層を形成する段階は、上記絶縁膜と上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層上に透明電極層を形成する段階を含むことが可能である。この場合、上記絶縁膜上に形成された上記透明電極層は上記上部金属層または上部金属層の一部となる。
さらに、上記絶縁膜上に上記上部金属層を形成する段階は、上記絶縁膜と上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層上に透明電極層を形成する段階と、上記絶縁膜が形成された領域において上記透明電極層上に上記ｐ側電極と同一な物質から成る金属層を形成する段階とを含むことが可能である。この場合、上記ｐ側電極と同一な物質から成る上記金属層を形成する段階は、上記ｐ側電極を形成する段階と同時に行うことが可能である。こうして、上記上部金属層は透明電極層／金属層の多層構造を形成することになる。
本発明の他実施形態によると、上記絶縁膜上に上記上部金属層を形成する段階は、上記絶縁膜上と上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層上に透明電極層を形成する段階と、上記絶縁膜が露出するよう上記透明電極層を選択的に除去する段階と、上記露出した絶縁膜上に上記ｐ側電極と同一な物質から成る金属層を形成する段階とを含むことが可能である。この場合、上記ｐ側電極と同一な物質から成る上記金属層を形成する段階は、上記ｐ側電極を形成する段階と同時に行われることが可能である。こうして、上記ｐ側電極と同一な物質から成る上記金属層はＭＩＭ型接合構造の上部金属層を形成することになる。
本発明の実施形態によると、上記窒化ガリウム系発光素子の製造方法は上記窒化ガリウム系発光素子を保護するためのパッシべーション膜を形成する段階をさらに含むことが可能である。この場合、上記パッシべーション膜を形成する段階は、上記絶縁膜を形成する段階と同時に行われることが可能である。
本発明は、逆方向ＥＳＤに対する高い耐性を有する窒化ガリウム系発光素子を提供する。逆方向ＥＳＤに対する耐性を改善するために、ｎ側電極から離隔された位置においてｎ型ＧａＮ系クラッド層上に２個以上のＭＩＭ型トンネル接合構造を形成する。このＭＩＭ型トンネル接合構造は金属‐絶縁体‐金属（Metal‐Insulator‐Metal）の積層構造を有するものとして、逆方向ＥＳＤ電圧印加時この接合構造を通して電子がトンネリングするようにさせる。こうして、発光素子に逆方向ＥＳＤ電圧が印加される場合、発光素子は損傷を受けなくなり、素子の信頼性を高めることが可能になる。
さらに、本発明によると、別途の他材料を使用する必要無く、発光素子を製造するために必要なｎ側電極、透明電極層、ｐ側電極及びパッシべーション膜物質をＭＩＭ型トンネル接合構造の下部金属層、上部金属層及び絶縁膜材料に使用することにより、製造工程を低コストで単純化させられるようになる。本発明による発光素子は化合物半導体発光素子として、ＧａＮ系物質を基盤に製造される。 ここで、ＧａＮ系物質とは、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）から成る物質のことをいう。
本発明によると、ＭＩＭ型トンネル接合構造を発光素子内に集積することにより、逆方向ＥＳＤ電圧から窒化ガリウム系発光素子を効果的に保護することが可能になる。こうして、逆方向ＥＳＤに対する耐性が向上され発光素子の信頼性を改善することになる。とりわけ、ｎ側電極と離隔した位置に２個以上のＭＩＭ型トンネル接合構造を配置することにより、逆方向ＥＳＤ電圧印加時上記トンネル接合構造を通して効率的に放電することが可能になる。さらに、トンネル接合構造の下部金属層、絶縁膜及び上部金属層は発光素子具現のためのｎ側電極、パッシべーション膜及び透明電極と同一な材料で形成され得るので、より単純化した製造工程を具現することが可能になる。
以下、添付の図を参照に本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他形態に変形することが可能で、本発明の範囲が以下説明する実施形態に限定されるわけではない。本発明の実施形態は当業界において平均的な知識を有する者に対し本発明をより完全に説明するために提供されるものである。 したがって、図における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることが可能で、図において同一符合で示される要素は同一要素である。
図２は、本発明の一実施形態による窒化ガリウム系発光素子（３００）を示す概略的な平面図で、図３は図２のＸＸ'ラインとＹＹ'ラインに沿って切断した断面図である。図２及び図３によると、サファイア基板などから成る基板（１０１）上にバッファ層（１０２）、ｎ型ＧａＮ層（１０３）、ｎ型ＡｌＧａＮ層（１０４）、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）の多層構造から成る活性層（１０５）及びｐ型ＡｌＧａＮ層（１０６）が順次積層されている。ここで、ｎ型ＧａＮ層（１０３）及びｎ型ＡｌＧａＮ層（１０４）はｎ型ＧａＮ系クラッド層を構成し、ｐ型ＡｌＧａＮ層（１０６）はｐ型ＧａＮ系クラッド層を構成する。この積層物は、ｐ型ＡｌＧａＮ層（１０６）、活性層（１０５）、ｎ型ＡｌＧａＮ層（１０４）、及びｎ型ＧａＮ層（１０３）の一部が除去され上記ｎ型ＧａＮ層（１０３）の一部が露出するメサ構造を成す。露出したｎ型ＧａＮ層（１０３）の一側領域（図３のＢ領域）上にはｎ側電極（１１４ｂ）が形成され、上記露出したｎ型ＧａＮ層（１０３）の他側領域（図３のＡ領域）上には、上記ｎ側電極（１１４ｂ）から離隔され２個のＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）が形成されている。上記２個のＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）は配線（１１４ｃ）を通してｎ側電極（１１４ｂ）と電気的に連結されている。ｐ型ＡｌＧａＮ層（１０６）上には透明電極層（１１０）が形成されている。透明電極層（１０３）の一側上にはパッド電極を成すｐ側電極（１１２）が形成されている。半導体と電極との間にオーミックコンタクトを容易に形成するために、ｐ型ＡｌＧａＮ層（１０６）と透明電極層（１１０）との間には別途のオーミックコンタクト層（図示せず）を形成することも可能である。このオーミックコンタクト層は、例えばＺｎ、Ｍｇ、Ｃｕ中少なくとも一つを含むＩｎ２Ｏ３から形成され得る。
図２及び図３に示すように、上記ＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）は、ｎ型ＧａＮ層（１０３）上に複数個（本実施形態においては２個）形成される。このＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）は下部金属層（１１４ａ）、絶縁膜（１０８）及び上部金属層（１１０）を含む。したがって、上記接合構造（２００）は、金属‐絶縁体‐金属（Metal‐Insulator‐Metal；ＭＩＭ）構造から成り、キャパシタと類似する構造を有する。しかし、この接合構造（２００）はキャパシタに用いるものではなく、瞬間的な逆方向高電圧印加時、量子力学的トンネリングが発生するよう構成されたものである。即ち、発光素子（３００）に逆方向ＥＳＤ電圧が印加される場合、上記ＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）を通してトンネリング電流が流れることにより発光素子自体にはＥＳＤによる損傷が及ぼされなくなる。
本実施形態においては、ＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）の下部金属層（１１４ａ）はｎ側電極（１１４ｂ）と同一な物質から成る。したがって、製造工程において、上記下部金属層（１１４ａ）とｎ側電極（１１４ｂ）を同時に形成することが可能である。さらに、下部金属層（１１４ａ）とｎ側電極（１１４ｂ）はこれらと同一な物質から成る配線（１１４ｃ）を通して相互電気的に連結される。上記ｎ側電極（１１４ｂ）材料（したがって、下部金属層（１１４ａ）及び配線（１１４ｃ）材料）には、Ｔｉ、Ｎｉ、ＡｕまたはＡｕＧｅ合金が使用され得る。
上記ＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）の絶縁膜（１０８）は、下部金属層（１１４ａ）上に形成される。この絶縁膜（１０８）材料には、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、窒化珪素またはポリイミドなどが使用され得る。上記ＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）はキャパシタに用いるものではないので、上記絶縁膜（１０８）の誘電率が高い必要は無い。逆方向ＥＳＤ電圧印加時絶縁膜（１０８）を通して電子がトンネリングされ得るよう、上記絶縁膜（１０８）は１０ないし３０００Å程度の厚さを有することが好ましく、より好ましくは１００ないし１０００Åの厚さを有する。さらに、上記絶縁膜（１０８）は、発光素子を保護するためのパッシべーション膜（図示せず）の形成と同時に形成されることが可能で、この際上記パッシべーション膜と同一な材料から成り得る。
上記ＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）の上部金属層は、上記絶縁膜（１０８）上に形成された透明電極層（１１０）の部分から成り得る。この透明電極層（１１０）は、ｐ型ＡｌＧａＮ層（１０６）上にも形成されＬＥＤ素子の透明電極となり、上記絶縁膜上にまで延長されＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）の上部金属層となる。したがって、製造工程において、ＭＩＭ型トンネル接合構造のための上部金属層とＬＥＤ素子具現のための透明電極は同時に形成され得る。上記透明電極層（１１０）は、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、Ｎｉ／Ａｕ二重層、及びＮｉとＡｕとの合金から成り得る。したがって、ＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）の上部金属層も上記材料から成り得る。
好ましくは、複数個のＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）は、図２に示すように、ｐ側電極（１１２）から同一な距離で離隔され位置する。このように複数個のＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）がｐ側電極と同一な距離を維持すると、ｎ側電極に印加される電圧を一層低下させることが可能になる。
上記実施形態によると、ＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）を具備することにより、瞬間的なパルス形態の逆方向ＥＳＤ電圧発生時殆どの電流は上記接合構造（２００）を通して流れるようになる。したがって、窒化ガリウム系発光素子自体の損傷を防止することが可能になる。とりわけ、ｎ側電極（１１４ｂ）と離隔した位置に２個以上のＭＩＭ型トンネル接合構造（２００）を配置することにより、逆方向ＥＳＤ電圧印加時上記トンネル接合構造（２００）を通して効率的に放電することが可能になる。さらに、トンネル接合構造（２００）の下部金属層（１１４ａ）、絶縁膜（１０８）及び上部金属層（１１０）は発光素子具現のためのｎ側電極、パッシべーション膜及び透明電極と同一な材料から形成され得るので、本実施形態による発光素子は製造工程単純化の具現に適している。
図４は本発明の他実施形態による窒化ガリウム系発光素子の断面図である。図４に示した窒化ガリウム系発光素子は、ＭＩＭ型トンネル接合構造（２０２）領域（Ａ領域）において、透明電極層（１１０）上に金属層（１１２ａ）がより形成される点を除けば、先述した実施形態の窒化ガリウム系発光素子と同一である。したがって、この実施形態において、ＭＩＭ型トンネル接合構造（２０２）は、下部金属層（１１４ａ）／絶縁膜（１０８）／透明電極層（１１０）／金属層（１１２ａ）の積層構造となる。この際、上記ＭＩＭ型トンネル接合構造（２０２）の上部金属層は、透明電極層（１１０）／金属層（１１２ａ）の多層構造である。さらに、透明電極層（１１０）上に形成された金属層（１１２ａ）はｐ側電極（１１２）と同一な物質から成る。したがって、上記金属層（１１２ａ）はｐ側電極（１１２）と同時に形成され得る。
図５は本発明のさらに他の実施形態による窒化ガリウム系発光素子の断面図である。図５に示した窒化ガリウム系発光素子は、ＭＩＭ型トンネル接合構造（２０１）の絶縁膜（１０８）直上にｐ側電極（１１２）と同一な物質から成る金属層（１１２ａ）が形成される点を除けば、先述した図３の実施形態の発光素子と同一である。即ち、この実施形態において、ＭＩＭ型トンネル接合構造（２０１）は透明電極層（１１０）を含まず、ｐ側電極（１１２）と同一な物質から成る金属層（１１２ａ）のみがＭＩＭ型トンネル接合構造（２０１）の上部金属層を成す。この金属層（１１２ａ）はｐ側電極（１１２）と同時に形成され得る。こうしたＭＩＭ型トンネル接合構造（２０１）は、後述するように、透明電極層（１１０）の選択的除去により形成することが可能である。
以下、本発明の諸実施形態による窒化ガリウム系発光素子の製造方法を説明する。図６ないし図１１は本発明の実施形態による窒化ガリウム系発光素子の製造方法を説明するための断面図である。
先ず、図６によると、サファイア基板などの基板（１０１）上にバッファ層（１０２）を形成する。このバッファ層（１０２）は基板（１０１）とＧａＮ系半導体との格子不整合を緩和するためのものとして、例えば低温成長させたＧａＮ層から成り得る。バッファ層（１０２）上には、ｎ型ＧａＮ層（１０３）、ｎ型ＡｌＧａＮ層（１０４）、活性層（１０５）及びｐ型ＡｌＧａＮ層（１０６）を順次形成する。上記活性層（１０５）は、例えばＧａＮ層とＩｎＧａＮ層の積層構造で形成されることが可能で、多重量子井戸を形成することが可能である。上記ｎ型ＡｌＧａＮ層（１０４）は、例えば１０１５ないし１０２２／ｃm３のドーピング濃度を有するよう形成され得る。
次に、図６に示す積層物をメサエッチングして、図７に示したようなメサ構造を得る。即ち、ｐ型ＡｌＧａＮ層（１０６）、活性層（１０５）、ｎ型ＡｌＧａＮ層（１０４）、及びｎ型ＧａＮ層（１０３）の一部をメサエッチングすることにより、ｎ型ＧａＮ層（１０３）の一部を露出させる。こうして、図７に示すように、ＭＩＭ型トンネル接合構造が形成される領域（Ａ領域）とｎ側電極が形成される領域（Ｂ領域）においてｎ型ＧａＮ層（１０３）が露出する。この際、上記ｎ型ＧａＮ層（１０３）及びｎ型ＡｌＧａＮ層（１０４）は発光素子のｎ型ＧａＮ系クラッド層を成し、上記ｐ型ＡｌＧａＮ層（１０６）は発光素子のｐ型ＧａＮ系クラッド層を成す。
次に、図８に示すように、露出したｎ型ＧａＮ層のＡ領域とＢ領域上に、例えばＡｕＧｅ合金層を形成する。こうして、Ａ領域にはＭＩＭ型トンネル接合構造の下部金属層（１１４ａ）が形成され、Ｂ領域には発光素子のｎ側電極（１１４ｂ）が形成される。同一物質（ＡｕＧｅ合金）から成る下部金属層（１１４ａ）とｎ側電極（１１４ｂ）は、図２を参照に説明したように互いに離隔しており、同一物質（ＡｕＧｅ合金）から成る配線（図２の１１４ｃ参照）を通して互いに電気的に連結される。その後、下部金属層（１１４ａ）上に、例えばＳｉＯ２から成る絶縁膜（１０８）を１００ないし１０００Åの厚さで形成する。図示されてはいないが 、絶縁膜（１０８）の形成時発光素子保護のためパッシべーション膜を形成することも可能である。この場合、上記絶縁膜（１０８）とパッシべーション膜は同一材料で形成され得る。
次に、図９に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮ層（１０６）と絶縁膜（１０８）上に例えばＩＴＯから成る透明電極層（１１０）を形成する。この透明電極層（１１０）はｐ型ＡｌＧａＮ層（１０６）上においてはＬＥＤ素子の透明電極の役目を果たし、絶縁膜（１０８）上においてはＭＩＭ型トンネル接合構造の上部金属層の役目を果たす。こうして、図９に示すように、ｎ側電極（１１４ｂ）と離隔した位置（Ａ領域）にはＡｕＧｅ層／ＳｉＯ２層／ＩＴＯ層から成るＭＩＭ型トンネル接合構造が形成される。
次に、図１０に示すように、ｐ側ＡｌＧａＮ層（１０６）が形成された領域において透明電極層（１１０）上の一側に、例えばＴｉ層から成るｐ側電極（１１２）を形成する。こうして、本実施形態による窒化ガリウム系発光素子を得る。順方向の正常的な電圧が印加される場合には発光素子のＬＥＤ構造（図１０のＹ‐Ｙ'断面）においてＧａＮ系半導体物質（１０３〜１０６）を通して正常的な電流が流れる。正常的な動作電流領域においては絶縁膜（１０８）を通しては電流が流れないので、上記ＭＩＭ型トンネル構造は一種の電流遮断層（current blocking layer）の役目を果たす。これに対して、もし逆方向ＥＳＤ電圧が印加されると、殆どの電流は発光素子に集積されたＭＩＭ型トンネル構造を通して流れる。即ち、逆方向ＥＳＤ電圧印加時、電子が絶縁膜（１０８）をトンネリングして電流が下部金属層（１１４ａ）から上部金属層（即ち、透明電極層（１１０）へ直接流れるようになる。こうして、逆方向ＥＳＤ電圧から発光素子を保護することが可能になるのである。
ＭＩＭ型トンネル接合構造が形成される上記Ａ領域において、透明電極層（１１０）上に他金属層をさらに形成することも可能である。図１１は透明電極層（１１０）上にｐ側電極と同一な材料から成る金属層（１１２ａ）をさらに形成する場合を示している。具体的に説明すれば、図６ないし図９を参照に説明した工程を行った後、図１１に示すように、Ｔｉから成るｐ側電極（１１２）と共に、Ｔｉから成る金属層（１１２ａ）を透明電極層（１１０）上に同時に形成する。こうして、ＭＩＭ接合構造の上部金属層はＩＴＯから成る透明電極層（１１０）とＴｉから成る金属層（１１２ａ）との多層構造を有することになる。
図１２ないし図１３は本発明の他実施形態による窒化ガリウム系発光素子の製造方法を説明するための断面図である。この実施形態においても、先ず図６ないし図９を参照に説明した工程を行う。その後、図１２に示すように、Ａ領域においてのみ透明電極層（１１０）が除去されるよう透明電極層（１１０）を選択的にエッチングする。こうして、Ａ領域においては絶縁膜（１０８）が露出する。
次に、図１２に示すように、透明電極層（１１０）の一側上にＴｉから成るｐ側電極（１１２）を形成すると同時に、露出した絶縁膜（１０８）上にＴｉから成る金属層（１１２ａ）を形成する。こうして、ＡｕＧｅから成る下部金属層（１１４ａ）、ＳｉＯ２から成る絶縁膜（１０８）、及びＴｉから成る上部金属層（１１２ａ）の積層物は、ＭＩＭ型トンネル接合構造を形成する。
（ａ）は並列連結されたショットキーダイオードを具備する従来の窒化ガリウム系発光素子を示す断面図である。（ｂ）は（ａ）の等価回路図である。 本発明の一実施形態による窒化ガリウム系発光素子を示す概略的な平面図である。 図２のＸＸ'ラインとＹＹ'ラインに沿って切断した断面図である。 本発明の他実施形態による窒化ガリウム系発光素子の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による窒化ガリウム系発光素子の断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の他実施形態による窒化ガリウム系発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の他実施形態による窒化ガリウム系発光素子の製造方法を説明するための断面図である。
符号の説明
１０１ 基板
１０２ バッファ層
１０３ ｎ型ＧａＮ層
１０４ ｎ型ＡｌＧａＮ層
１０５ 活性層
１０６ ｐ型ＡｌＧａＮ層
１０８ 絶縁膜
１１０ 透明電極層
１１２ ｐ側電極
１１２ａ 上部金属層
１１４ａ 下部金属層
１１４ｂ ｎ側電極
２００、２０１、２０２ ＭＩＭトンネル接合構造

Claims (20)

  1. 基板上に順次形成されたｎ型ＧａＮ系クラッド層、活性層、ｐ型ＧａＮ系クラッド層及びｐ側電極を具備する窒化ガリウム系発光素子において、
    上記ｎ型ＧａＮ系クラッド層の一側領域上に形成されたｎ側電極と、
    上記ｎ側電極から離隔され上記ｎ側電極と電気的に連結され、上記ｎ型ＧａＮ系クラッド層の他側領域上に形成された２個以上のＭＩＭ型トンネル接合構造とを含み、
    上記ＭＩＭ型トンネル接合構造は、上記ｎ型ＧａＮ系クラッド層と接触するよう上記ＧａＮ系クラッド層上に形成された下部金属層と、上記下部金属層上に形成された絶縁膜と、上記絶縁膜上に形成された上部金属層とを含む窒化ガリウム系発光素子。
  2. 上記上部金属層は２層以上の多層構造となる請求項１に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  3. 上記下部金属層は上記ｎ側電極と同一な物質から成る請求項１に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  4. 上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層と上記ｐ側電極との間に透明電極層をさらに含む請求項１に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  5. 上記透明電極層は上記絶縁膜上に延長され、上記上部金属層の少なくとも一部を形成する請求項４に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  6. 上記上部金属層は、上記透明電極層上に形成され上記ｐ側電極と同一な物質から成る金属層を含む請求項５に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  7. 上記上部電極層は上記ｐ側電極と同一な物質から成る請求項４に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  8. 上記２個以上のＭＩＭ型トンネル接合構造は上記ｐ側電極から同一な距離で離隔され位置する請求項１に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  9. 上記ｐ側電極は、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ、ＡｕとＡｌとの合金、ＡｕとＴｉとの合金、ＡｕとＣuとの合金、Ｍｎ系合金、Lａ系合金、Ｎｉ系合金及びＭｇ系合金の群から少なくとも一つ選択される請求項１に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  10. 上記ｎ側電極は、Ｃr、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌ、Tａ、Ｈｆ、ＡｕＧｅ合金、ＺｎＯ及びＩＴＯの群から少なくとも一つ選択される請求項１に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  11. 上記透明電極層は、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、Ｎｉ／Ａｕ二重層、ＮｉとＡｕとの合金、ＺｎＯ及びＭｇＯの群から少なくとも一つ選択される請求項４に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  12. 上記絶縁膜は酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、窒化珪素またはポリイミドの群から選択される請求項１に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  13. 上記絶縁膜の厚さは、１０ないし３０００Åである請求項１に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  14. 上記絶縁膜の厚さは、１００ないし１０００Åである請求項１３に記載の窒化ガリウム系発光素子。
  15. 基板上にｎ型ＧａＮ系クラッド層、活性層及びｐ型ＧａＮ系クラッド層を順次形成する段階と、
    上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層、活性層及びＧａＮ系クラッド層の一部をメサエッチングして上記ｎ型ＧａＮ系クラッド層の一部を露出させる段階と、
    上記露出したｎ型ＧａＮ系クラッド層上の一側領域にｎ側電極を形成する段階と、
    上記ｎ側電極から離隔され上記ｎ側電極と電気的に連結されるよう、上記露出したｎ型ＧａＮ系クラッド層上の他側領域に２個以上の下部金属層を形成する段階と、
    上記下部金属層上に絶縁膜を形成する段階と、
    上記絶縁膜上に上部金属層を形成する段階と、
    上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層上にｐ側電極を形成する段階とを含む窒化ガリウム系発光素子の製造方法。
  16. 上記下部金属層は上記ｎ側電極と同一な物質から成り、上記下部金属層を形成する段階は上記ｎ側電極を形成する段階と同時に行われる請求項１５に記載の窒化ガリウム系発光素子の製造方法。
  17. 上記絶縁膜上に上記上部金属層を形成する段階は、上記絶縁膜と上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層上に透明電極層を形成する段階を含む請求項１６に記載の窒化ガリウム系発光素子の製造方法。
  18. 上記絶縁膜上に上記上部金属層を形成する段階は、上記絶縁膜が形成された領域において上記透明電極層上に上記ｐ側電極と同一な物質から成る金属層を形成する段階をさらに含み、
    上記ｐ側電極と同一な物質から成る上記金属層を形成する段階は、上記ｐ側電極を形成する段階と同時に行われる請求項１７に記載の窒化ガリウム系発光素子の製造方法。
  19. 上記絶縁膜上に上記上部金属層を形成する段階は、
    上記絶縁膜上と上記ｐ型ＧａＮ系クラッド層上に透明電極層を形成する段階と、
    上記絶縁膜が露出するよう上記透明電極層を選択的に除去する段階と、
    上記露出した絶縁膜上に上記ｐ側電極と同一な物質から成る上部金属層を形成する段階とを含み、
    上記ｐ側電極と同一な物質から成る上記上部電極層を形成する段階は、上記ｐ側電極を形成する段階と同時に行われる請求項１６に記載の窒化ガリウム系発光素子の製造方法。
  20. 上記窒化ガリウム系発光素子の製造方法は、上記窒化ガリウム系発光素子を保護するためのパッシべーション膜を形成する段階をさらに含み、
    上記パッシべーション膜を形成する段階は、上記絶縁膜を形成する段階と同時に行われる請求項１５に記載の窒化ガリウム系発光素子の製造方法。
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