JP2007201046A - 化合物半導体及び発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 窒化ガリウム系化合物半導体に対して接触抵抗が小さく、さらに光反射性が高い電極を形成した化合物半導体、及び発光効率が高く、信頼性が高い発光素子を提供すること。
【解決手段】 窒化ガリウム系の化合物半導体２０は、ゲルマニウムから成る層を有する電極が窒化ガリウム系の化合物半導体２０の表面にゲルマニウムから成る層が接するようにして形成されている。具体的には電極は、ゲルマニウムから成る第１の層２１、銀，アルミニウム及びロジウムのうちのいずれかから成る第２の層２２、ニッケル，チタン，ニオブ及びモリブデンのうちのいずれかから成る第３の層２３、及び金を含む第４の層２４が順次積層されて成る構成である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、窒化ガリウム系の化合物半導体及びそれが積層されてなる発光素子に関するものであり、特に接触抵抗が低く、光反射率が高い電極を有する窒化ガリウム系の化合物半導体及び発光素子に関する。

例えば化学式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ＋ｙ≦１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で表される窒化ガリウム系の化合物半導体（以下、窒化ガリウム系化合物半導体ともいう）は、ＡｌＮ，ＩｎＮ、ＧａＮ等により、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＧａＡｌＮ等の混晶を形成でき、このような混晶は、その組成を選択することによりバンドギャップを変化させることができ、可視光領域から紫外光領域までの発光が可能である。従って、このような窒化ガリウム系化合物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子の材料として検討されており、また一部実用化が図られている。

図１は、従来の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子、及びそれに形成された電極を示す断面図である。この発光素子は、例えばサファイア基板１０上にバッファ層１１を介して、ｎ型半導体層１２、発光層（活性層）１３、ｐ型半導体層１４を順次積層し、ｎ型電極１５を形成するためにｐ型半導体層１４の一部をエッチング除去し、ｎ型半導体層１２の一部を露出させている。ｐ型電極１６は、発光層１３で発光した光をｐ型半導体層１４の側に取り出すためにｐ型半導体層１４の一主面（図１では上面）に形成された透明電極から成る。さらに、その透明電極上の一部にワイヤーボンディングのためのパッド電極１７が形成されている。

透明電極から成るｐ型電極１６としては、例えばニッケル（Ｎｉ）層と金（Ａｕ）層を積層した構成のものが提案されている（下記の特許文献１参照）。

また、特許文献２には、ｐ型電極として、クロム及びニッケルの少なくとも一方を含む合金またはその金属を付着させた後、アニーリングしオーミック接触させて成る構成のものが開示されている。

また、ニッケル（Ｎｉ）以外の金属からなる電極を用いる窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子としては、金（Ａｕ）−ゲルマニウム（Ｇｅ）合金からなるｐ型電極を形成した構成のものが開示されている（下記の特許文献３参照）。

さらに、高周波電力デバイス等用の電極であって、ゲルマニウム（Ｇｅ）を主に含むゲルマニウム系電極としては、６００℃以下で共晶反応を生ずる第１の電極材料と、アルミニウム（Ａｌ）からなる第２の電極材料とを含んでなり、第１の電極材料をゲルマニウム（Ｇｅ）としたｐ型ＳｉＣ用電極が開示されている。（下記の特許文献４参照）。

また、図１の発光素子は、発光層１３で発生した光をｐ型半導体層１４側から主に取り出すために、ｐ型電極１６は発生した光に対して透明である構成となっているが、ｐ型電極１６を光反射性の材料で形成し、発光層１３で発生した光をｐ型電極１６で反射させてサファイア基板１０側から取り出すことも可能である。この場合、ｐ型電極１６及びｎ型電極１５を外部の実装基板の配線導体等に電気的に接続して発光素子を実装する、所謂フリップチップ実装が可能なフリップチップ構造の発光素子となる。
特開平５−２９１６２１号公報 特開平６−２７５８６８号公報 特開２００１−１５６３３５号公報 特開２００４−１５２８６０号公報

窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成される電極は、窒化ガリウム系化合物半導体層上に金属層を形成して電極としただけでは低い接触抵抗を得ることができず、通常熱処理を行って接触抵抗を下げている。特許文献１に開示されているニッケル（Ｎｉ）層と金（Ａｕ）層とを積層した構成のｐ型電極１６においても、ｐ型半導体層１４との接触抵抗率は１×１０^−２〜１×１０^−３Ωｃｍ^２程度であり、ｎ型電極１５とｎ型半導体層１２との接触抵抗率１×１０^−５〜１×１０^−６Ωｃｍ^２と比べると、２桁以上高い。熱処理を行ってもｐ型電極１６の接触抵抗はｎ型電極１５の接触抵抗に比べて高いため、ｐ型半導体層１４内での電流の広がりが悪く、パッド電極１７付近でしか発光が見られない等、発光の均一性が悪い等の問題点があった。

また、接触抵抗が高いと、電極と窒化ガリウム系化合物半導体層との間で大きな電圧降下が生じ、発光素子の動作電圧の上昇、及び発光効率の低下を引き起こすという問題があった。

特許文献２に開示されているクロム及びニッケルの少なくとも一方を含む合金またはその金属によって形成された電極においても、基本的にニッケル（Ｎｉ）系の電極であり同様の問題があった。

さらに、特許文献３に開示されている金（Ａｕ）−ゲルマニウム（Ｇｅ）合金からなるＰ型電極も基本的には合金であり、さらに金（Ａｕ）ベースの接触であり、ゲルマニウムは共晶反応を起こす材料としての役割であり、接触抵抗を得る効果については記載されていない。また、特許文献３のＰ型電極は、透明電極を構成することを目的としている。

さらに、特許文献４に記載されているゲルマニウム（Ｇｅ）系電極は、ｐ型ＳｉＣ用電極であり、ＳｉＣと窒化ガリウム系化合物半導体（例えばＧａＮ）とでは、バンドギャップは同程度であっても仕事関数や電子親和力が異なる。また、電極材料との反応性も全く異なる。従って、低接触抵抗を得るメカニズムは全く異なっており、同一電極材料であっても、それを形成する半導体層が異なれば、オーミック接触が得られるとは限らない。

従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、窒化ガリウム系の化合物半導体との接触抵抗が小さい電極を用いた窒化ガリウム系の化合物半導体、及び発光効率が高く、信頼性の高い発光素子を提供することである。

本発明の化合物半導体は、ゲルマニウムから成る層を有する電極が窒化ガリウム系化合物半導体の表面に前記ゲルマニウムから成る層が接するようにして形成されていることを特徴とする。

また本発明の化合物半導体は、前記電極は、ゲルマニウム（Ｇｅ）から成る第１の層、銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ）及びロジウム（Ｒｈ）のうちのいずれかから成る第２の層、ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ），ニオブ（Ｎｂ）及びモリブデン（Ｍｏ）のうちのいずれかから成る第３の層、及び金（Ａｕ）を含む第４の層が順次積層されて成ることを特徴とする。

本発明の発光素子は、基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層、及び窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層を含むとともにこの順でこれらの層が積層されている半導体層が形成されており、前記第２導電型半導体層上に形成された第２導電型電極と、前記第２導電型半導体層の一部を前記第１導電型半導体層まで除去してなる前記第１導電型半導体層の露出部に形成された第１導電型電極とが設けられている発光素子において、前記第１及び第２導電型電極の少なくとも一方が、ゲルマニウム（Ｇｅ）から成る第１の層、銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ）及びロジウム（Ｒｈ）のうちのいずれかから成る第２の層、ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ），ニオブ（Ｎｂ）及びモリブデン（Ｍｏ）のうちのいずれかから成る第３の層、及び金（Ａｕ）を含む第４の層が順次積層されて成ることを特徴とする。

本発明の化合物半導体は、ゲルマニウムから成る層を有する電極が窒化ガリウム系化合物半導体の表面にゲルマニウムから成る層が接するようにして形成されていることから、低い接触抵抗値を得ることができる。

低い接触抵抗値が得られる作用、メカニズムは明確ではないが、以下の理由が考えられる。ゲルマニウムの仕事関数は約５ｅＶであり、窒化ガリウム（ＧａＮ）の４．２ｅＶと比較して大きい。マグネシウム等をドーピングしたｐ型ＧａＮに対するオーミック材料としてよく用いられている他の金属、例えば金（Ａｕ：５．０１ｅＶ）、ニッケル（Ｎｉ：５．２ｅＶ）、白金（Ｐｔ：５．６５ｅＶ）、パラジウム（Ｐｄ：５．２ｅＶ）と同程度であり、これらの金属と同様に仕事関数が大きいことでｐ型ＧａＮに対するバリアハイトが小さくなり、キャリアに対する障壁が小さくなり、低接触抵抗を得ることができる。

また、ゲルマニウムは周期律表で４族であり、シリコン（Ｓｉ）同族である。シリコンは、ＧａＮに対してドナー不加物となり、ｎ型ＧａＮを形成することができる。従って、同族であるゲルマニウムもＧａＮに対してドナー不純物となり、ｎ型ＧａＮを形成することができる。また、ＧａＮ層上にゲルマニウム層を積層した後にアニールを行うと、ゲルマニウム層とＧａＮ層との界面においてＧｅがＧａＮ層中へ拡散し、キャリア濃度の高いｎ型ＧａＮ領域を形成することができる。ＧａＮ層へのゲルマニウムの拡散層領域は厚いものではないと予想されるが、このようなｎ型ＧａＮ層が形成されることで、ｎ型ＧａＮ層に対してもオーミック接触を得ることができる。

さらに、ｐ型ＧａＮ層上にゲルマニウム層を積層した場合においても、ゲルマニウムが拡散しない場合は、上記の仕事関数によるメカニズムによりオーミック接触を得ることができ、またゲルマニウムが拡散してｎ型ＧａＮ領域がｐ型ＧａＮ層の表面に形成されても、ｎ型ＧａＮ領域は薄いため、トンネル現象により電流は流れることができ、オーミック接触を得ることができる。

また、ゲルマニウムとＧａＮを構成するガリウム（Ｇａ）とは共晶反応を生じ、固溶体を形成することが可能である。また、ＧａＮ層表面ではＮ抜けが生じやすく、ＧａＮ層表面にはＧａと酸素（Ｏ）によるＧａ_２Ｏ_３等の酸化物が形成されている。そして、ＧａＮ層表面から酸素を除去し、その酸素が除去された表面にゲルマニウム層を形成することにより、ＧａＮ層表面のガリウムとゲルマニウム層のゲルマニウムとにより固溶体を形成することによって、その固溶体層が界面中間層の役割を果たし、バンド不連続の緩衝層となり低接触抵抗を得ることが可能となる。

また、金属ゲルマニウムの熱膨張係数は６×１０^−６／Ｋであり、ＧａＮの５．６×１０^−６／Ｋと非常に近いため、ゲルマニウム層の形成やアニールによってＧａＮ層に歪等が生じにくいため、ゲルマニウム層の剥離等が起きにくい。

また、上記メカニズムは、ゲルマニウム層が金属層として積層された場合のものであるが、ゲルマニウム自体はバンドギャップが約０．８ｅＶの半導体であり、シリコンと同様に真性半導体であるが、３族及び５族の不純物元素の添加によりｐ型半導体、ｎ型半導体の制御が可能である。ｐ型ＧａＮ層上にｐ型ゲルマニウム層が積層された場合、ｐ型ＧａＮ層とｐ型ゲルマニウム層との界面では同じｐ型半導体同士となり接触抵抗は低くなる。逆に、ｐ型ＧａＮ層上にｎ型ゲルマニウム層が積層された場合、ｎ型ゲルマニウム層を薄く形成させることによってトンネル電流を生じさせることにより、低接触抵抗を得ることができる。また、ｎ型ＧａＮ層上にｎ型ゲルマニウム層、またはｐ型ゲルマニウム層を形成された場合においても、ｐ型層上のn型層およびp型層の場合と同様にして低接触抵抗を得ることが可能となる。半導体ゲルマニウム層上にさらに金属層を形成して電極として構成する場合においても、ゲルマニウム自体のバンドギャップが小さいため、半導体ゲルマニウム層と金属層との接触抵抗について、容易に低接触抵抗とすることができるため、電極全体としても低接触抵抗となる。

また、ゲルマニウムが酸化した酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）層により電極が形成された場合においても、ＧｅＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→Ｇｅ＋２Ｈ_２Ｏなる反応が生じる可能性があり、この反応によって、通常ＧａＮのマグネシウム（Ｍｇ）によるｐ型化を阻害している要因である水素（Ｈ）を除去できる。従って、ｐ型ＧａＮ層表面の水素によるパッシベーション現象がなくなり、その表面は高キャリア濃度状態になる。このように高キャリア濃度となったｐ型ＧａＮ層上に、水素（Ｈ）との反応後に生成したゲルマニウム金属層が積層される構造となるため、低接触抵抗を得ることができる。また、ｎ型ＧａＮ層に対しては、酸化ゲルマニウム層の厚さが十分に薄ければ、トンネル電流により低接触抵抗を得ることができる。

以上、本発明の化合物半導体は、ゲルマニウムから成る層を有する電極が窒化ガリウム系化合物半導体の表面にゲルマニウムから成る層が接するようにして形成されていることにより、明確な作用、メカニズムの解明はできていないが、上記の作用、メカニズムが単独もしくは複合的に生じている可能性があり、それによって低い接触抵抗値を得ることができる。

また、本発明の化合物半導体は好ましくは、電極は、ゲルマニウム（Ｇｅ）から成る第１の層、銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ）及びロジウム（Ｒｈ）のうちのいずれかから成る第２の層、ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ），ニオブ（Ｎｂ）及びモリブデン（Ｍｏ）のうちのいずれかから成る第３の層、及び金（Ａｕ）を含む第４の層が順次積層されて成ることから、窒化ガリウム系の化合物半導体の発光層で主に生じた光を電極で反射させて基板側（窒化ガリウム系の化合物半導体の電極形成面と反対側の主面）から取り出すことが可能なフリップチップ構造（窒化ガリウム系の化合物半導体の電極形成面と反対側の主面をフリップチップする構造）の発光素子に適するものとなる。

そして、第１の層は、窒化ガリウム系の化合物半導体に対して低い接触抵抗を得るためのコンタクト層として主に機能し、第２の層は、発光層で生じた光を窒化ガリウム系の化合物半導体の内部側へ反射する反射層として主に機能し、第３の層は、第４の層の元素の拡散を防止するための拡散防止層として主に機能し、さらに第４の層は、外部実装回路基板の配線導体等にハンダや導体バンプ等を介して電極を接続する際に、ハンダや導体バンプ等との密着性を高める接続層として主に機能する。

第１の層をゲルマニウム層とし、第２の層を銀，アルミニウム及びロジウムのうちのいずれかから成る層とすることにより、ゲルマニウム層により窒化ガリウム系の化合物半導体に対して低い接触抵抗値を得ることができる。

また、第１の層であるゲルマニウム層を薄く形成し、銀，アルミニウム及びロジウムのいずれかから成る第２の層を形成することにより、発光層で発生した光を第１の層では透過させ、第２の層で効果的に反射させることができる。ゲルマニウム層と第２の層との間では、発光素子をパッケージに実装する際のハンダリフロー時においても第１及び第２の層間の反応は起こることがないので、製造プロセス後においても純銀，純アルミニウム，純ロジウムの反射率に近い光反射性を得ることができ、発光素子として高い発光効率を得ることができる。

以上のように、ゲルマニウムから成る第１の層、銀，アルミニウム及びロジウムのうちのいずれかから成る第２の層を有することによって、低い接触抵抗と高い光反射率を両立した電極とすることができる。

さらに、第３の層をニッケル，チタン，ニオブ及びモリブデンのうちのいずれかから成る層とすることにより、第４の層に含まれる金が拡散するのを抑制することができる。電極の合金化熱処理やパッケージへの実装時のハンダ接続のための熱処理時において、第４の層に含まれる金は拡散し易く、その拡散により電極表面の荒れや接触抵抗の劣化、光反射率の低下を引き起こす。また、第４の層に含まれる金だけでなく、実装時のハンダに含まれる成分、例えば金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）合金ハンダ等に含まれる金や錫の拡散も同様の問題を引き起こす。従って、第３の層をニッケル，チタン，ニオブ及びモリブデンのうちのいずれかから成る層とすることにより、金や錫の拡散を抑制することができ、熱処理等のプロセスによる発光特性の劣化を防ぐことが可能となる。

また、第２の層を成す銀，アルミニウム、特に銀は、熱処理によりマイグレーションが起こり易く、コンタクト抵抗の劣化、表面平坦性の劣化を招く。そこで、第３の層を成すニッケル，チタン，ニオブ，モリブデンは、第２の層を成す銀やアルミニウムと反応するため、第２及び第３の層間に反応層が形成される。すると、反応層の形成以上にはマイグレーションが進行することがなく、上記の劣化を抑制することができる。なお、反応層が形成されると、第２の層の主な機能である光反射特性が低下するおそれがあるが、第２の層を第３の層に対して十分に厚く形成するとよく、その場合、反応層が形成されても、その形成範囲は第２及び第３の層間の界面においてごく僅かの範囲でしかない。また、発光層で生じた光は第１の層の方向から入射されるため、反応層が反射率の低下を招くことはない。

金を含む第４の層を最上層として形成することにより、パッケージへの実装時の電気的接続に使用する金−錫合金ハンダとの接着性が向上し、発光素子をパッケージに強固に固定することが可能となる。これにより、発光素子の実装時の歩留まり向上を達成することができる。

さらに、最上層が金を含む第４の層であることから、電極の酸化を効果的に抑制することができる。

本発明の発光素子は、基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層、及び窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層を含むとともにこの順でこれらの層が積層されている半導体層が形成されており、第２導電型半導体層上に形成された第２導電型電極と、第２導電型半導体層の一部を第１導電型半導体層まで除去してなる第１導電型半導体層の露出部に形成された第１導電型電極とが設けられている発光素子において、第１及び第２導電型電極の少なくとも一方が、ゲルマニウム（Ｇｅ）から成る第１の層、銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ）及びロジウム（Ｒｈ）のうちのいずれかから成る第２の層、ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ），ニオブ（Ｎｂ）及びモリブデン（Ｍｏ）のうちのいずれかから成る第３の層、及び金（Ａｕ）を含む第４の層が順次積層されて成ることから、電極の接触抵抗が低いため電極での電圧降下が小さく、また光反射率が高いため効果的に光を取り出すことができる、発光効率の高い発光素子となる。

以下、本発明の窒化ガリウム系の化合物半導体及びそれを用いた発光素子についての実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の化合物半導体は、ゲルマニウムから成る層を有する電極が窒化ガリウム系化合物半導体の表面にゲルマニウムから成る層が接するようにして形成されている構成であり、これにより低い接触抵抗値を得ることができる。ゲルマニウムから成る層は、基本的にはゲルマニウム単体から成る層であるが、ガリウム，シリコン，マグネシウム等を若干含んでいてもよい。さらに、電極は、ゲルマニウムから成る層の単層から構成されていてもよいが、ゲルマニウムから成る層の保護、化学変化の防止、ハンダ接続性の向上等の目的のために、ゲルマニウムから成る層上に他の金属層、誘電体層等が積層されていてもよい。

また、本発明の化合物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ），半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子、または電界効果トランジスター（ＦＥＴ；Field Effect Transistor），ＭＥＳＦＥＴ（Metal−Semiconductor ＦＥＴ），ＭＩＳＦＥＴ（Metal−Insulator−Semiconductor ＦＥＴ），高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ；High Electron Mobility Transistor）等の電子デバイス等に適用できる。

図２は、本発明の窒化ガリウム系の化合物半導体上に形成される電極について好ましい実施の形態を示す断面図である。窒化ガリウム系の化合物半導体２０上に、第１の層２１、第２の層２２、第３の層２３、第４の層２４が順次積層されている。

本発明の窒化ガリウム系の化合物半導体２０は好ましくは、ゲルマニウムから成る第１の層２１、銀，アルミニウム及びロジウムのうちのいずれかから成る第２の層２２、ニッケル，チタン，ニオブ及びモリブデンのうちのいずれかから成る第３の層２３、及び金を含む第４の層２４が順次積層されて成る電極が形成されている構成である。

なお、本発明の窒化ガリウム系の化合物半導体２０は、化学式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものであるが、具体的には、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ），窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）等の組成のものである。

第１の層２１は好ましくは、ゲルマニウムから成る層であり、ゲルマニウム金属からなることも可能であり、また、ゲルマニウム半導体、または酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）等の酸化物から構成されていてもよい。

また、第１の層２１は、光を透過させる必要があるため、その厚さは光の透過率を低下させない厚さであることが好ましい。例えば波長４００ｎｍの光に対して８０％以上の透過率を得るための厚さとしては、４０Å以下とする必要があり、さらに好適には２０Å以下がよく、その場合９０％以上の透過率とすることができる。

第２の層２２は好ましくは、銀，アルミニウム及びロジウムのうちのいずれかから成る。第２の層２２は、銀，アルミニウムまたはロジウムのいずれかからなるが、その層中にネオジウム（Ｎｄ）やビスマス（Ｂｉ）等の元素が混入されていてもよい。このような元素を混入させることで、耐熱性がさらに向上し、電極形成のための熱処理時やパッケージへの実装時のハンダ接続のための熱処理時に生じる銀等のマイグレーションを抑制することができる。

また、第２の層２２の厚さは、光を反射する必要があるため、例えば波長４００ｎｍの光に対して９０％以上の反射率を得るための厚さとしては、７００Å以上であることが好ましく、より好適には１０００Å以上がよい。

第３の層２３は好ましくは、ニッケル，チタン，ニオブ及びモリブデンのうちのいずれかから成る。第３の層２３は、第４の層２４に含まれる金の拡散を防止する機能を有するが、そのためにはニッケル，チタンを特に好適に使用することができる。特にチタンは、金の拡散だけでなく、パッケージへの実装時のハンダ（Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ等）に含まれることが多い錫の拡散も防止するため好ましい。また、ニオブやモリブデンを使用すると、電極形成後の熱処理を行っても表面平坦性に優れる。従って、これらの金属の層を組み合わせて積層して第３の層２３を構成してもよい。

また、第３の層２３の厚みは、第４の層２４の金の拡散を抑制する目的から１００Å以上であることが好ましく、さらに好ましくは２００Å以上であればよく、効果的に金の拡散を抑制することができる。

第４の層２４は好ましくは、金を含む層からなる。この第４の層２４は、パッケージへの実装時に使用されるＡｕ−Ｓｎ合金ハンダとの密着性を確保するため、また表面平坦性を得るために、その厚さは１００Å以上であることが好ましい。上限は特にないが、金は貴金属であり、厚くすると材料コストが上がり、結果的には発光素子自体のコストアップにつながるため、厚みは６００Å以下であることが好ましい。

以上の構成の電極を形成する方法としては、電子ビームや抵抗加熱による真空蒸着法、スパッタリング法を挙げることができるが、特に成膜方法は限定されるものではない。

図３は、本発明の窒化ガリウム系の化合物半導体を用いた発光素子の断面図である。

本発明の発光素子は、基板３０上に、窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型（ｎ型）半導体層３２、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層３３、及び窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型（ｐ型）半導体層３４を含むとともにこの順でこれらの層が積層されている半導体層が形成されており、ｐ型半導体層３４上に形成されたｐ型電極３６と、ｐ型半導体層３４の一部をｎ型半導体層３２まで除去してなるｎ型半導体層３２の露出部に形成されたｎ型電極３５とが設けられている発光素子において、ｎ型及びｐ型電極３５，３６の少なくとも一方が、ゲルマニウムから成る層からなる第１の層、銀，アルミニウム及びロジウムのうちのいずれかから成る第２の層、ニッケル，チタン，ニオブ及びモリブデンのうちのいずれかから成る第３の層、及び金を含む第４の層が順次積層されて成る構成である。

即ち、図３で示す本発明の発光素子は、基板３０上にバッファ層３１を介してｎ型半導体層３２、発光層３３、ｐ型半導体層３４が順次積層されて成る。更にｎ型半導体層３２の一部を露出させるために、ｐ型半導体層３４及び発光層３３の一部が除去され、露出したｎ型半導体層３２の表面上にｎ型半導体層３２とオーミック接触するｎ型電極３５が形成されており、ｐ型半導体層３４の表面にｐ型半導体層３４とオーミック接触するｐ型電極３６が形成されている。

ｎ型半導体層３２、発光層３３、ｐ型半導体層３４を含む半導体層の成長方法は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法が用いられるが、その他に分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法等が挙げられる。

ｎ型電極３５及びｐ型電極３６は、半導体層の同じ主面側に形成されており、いずれも光反射性の電極から成る。発光層３３で発生した光は、ｐ型電極３６で反射され、基板３０側から取り出される。また、基板３０側から取り出されずに戻ってきた一部の光は、再度ｎ型電極３５及びｐ型電極３６で反射され、基板３０側から取り出されることになる。なお、この場合、ｐ型電極３６及びｎ型電極３５を外部の実装基板の配線導体等に電気的に接続して発光素子を実装する、所謂フリップチップ実装が可能なフリップチップ構造の発光素子となる。

本実施の形態では、基板３０は、発光層３３で発光する光、例えば波長３６５ｎｍ〜４２０ｎｍの紫外光〜近紫外光に対して透明であることが好ましく、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３），炭化シリコン（ＳｉＣ），窒化ガリウム（ＧａＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を挙げることができる。また、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶である二硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）等の不透明な基板であってもよく、この場合電極まで形成して発光素子を構成した後に基板３０除去して、フリップチップ型の発光素子とすることが可能である。また、基板３０を除去した後に、発光する光の波長に対して透明な樹脂等からなる透明保護層を、半導体層の光出射側の面に形成していてもよい。

また、バッファ層３１は、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），これらの混晶である窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等から成るものを用いることができる。その際の形成温度は４００℃〜８００℃である。ただし、窒化ガリウム系化合物半導体と基板３０の格子定数や熱膨張係数が近い場合は必ずしも形成する必要はなく、基板上に直接１０００℃〜１５００℃程度の高温でＧａＮやＡｌＮ及びＡｌＧａＮを成長してもよい。

バッファ層３１の形成後に８００℃〜１１００℃に温度を上げ、ｎ型半導体層３２を引き続き形成する。図３では、ｎ型半導体層３２としてＧａＮ層を成長させたが、ＡｌＮ，窒化インジウム（ＩｎＮ）の混晶組成である、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ等から成るものであってもよい。

また、ｎ型半導体層３２はＳｉ等が不純物元素として添加されるが、さらにその上にＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層が形成されていてもよい。ＧａＮ層からなるｎ型半導体層３２は、一部が露出しており、その露出部の表面上にｎ型電極３５が形成されている。

また、発光層３３は、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）としている（図示せず）。その構成は、ＩｎＮ，ＧａＮ，ＡｌＮ及びそれらの混晶から発光波長により適宜組み合わせて選ばれるものであり、例えば井戸層をＩｎＧａＮ層とし、障壁層をＧａＮ層としたり、井戸層をＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層とし、障壁層をＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層（ただし、ｘ＞ｙ）とするといった組み合わせが可能である。

発光層３３の形成温度は、インジウム（Ｉｎ）を含む場合にはその組成にもよるが、７００℃〜９００℃である。また、発光層３３を成す各層の厚みは、障壁層が５〜１５ｎｍ、井戸層が３〜１０ｎｍであり、さらに量子井戸構造の繰返し回数は３〜５回が好ましく用いられるが、特に限定されるものではない。

さらにその上に形成されるｐ型半導体層３４は、ＡｌＧａＮ層，ＧａＮ層，ＩｎＧａＮ層等の複数の層からなっている（図示せず）。ｐ型半導体層３４に添加されるｐ型不純物元素としては、マグネシウム（Ｍｇ），亜鉛（Ｚｎ）等が用いられる。

以上のような窒化ガリウム系化合物半導体から成る各層を積層した半導体層の表面に、第１〜第４の層から成るｎ型電極３５及びｐ型電極３６が形成されている。ｎ型電極３５とｐ型電極３６はそれぞれ異なる構成でもよいが、同じ構成とすることが好ましい。

ｎ型電極３５及びｐ型電極３６が、上記のような同一の本発明の構成からなる電極からなることにより、ｎ型電極３５とｐ型電極３６を同時に形成することができ、発光素子の製造においてその製造工程を簡略化することができる。

また、ｐ型電極３６を本発明の構成の電極とし、ｎ型電極３５をチタン層，アルミニウム層，ニッケル層，金層が順次積層された電極として、別々の構成にしても良い。即ち、ｎ型電極３５及びｐ型電極３６のうちの少なくとも一方を本発明の構成のものとすることができる。

そして、発光素子となる半導体層が多数形成された基板（母基板）を、スクライバ等を用いて各発光素子に分割し、セラミックス，金属，樹脂等から成るパッケージの配線導体等に、Ａｕ−Ｓｎ合金等からなるハンダにより発光素子のｎ型電極３５、ｐ型電極３６を接続し、蛍光体の入った透明樹脂等により封止することにより、発光装置や照明装置を得ることができる。また、発光素子のパッケージ等への実装は、発光素子をＳｉ等からなるサブマウントに固定した後、パッケージ内に固定して行ってもよい。

以上のような本発明の構成とすることにより、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子において、接触抵抗が小さく、さらに光反射性が高い電極を用いることができ、さらにその電極を形成した発光素子とすることにより、発光効率の向上や信頼性の向上を図ることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

従来の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子の断面図である。 本発明の化合物半導体に形成された電極について実施の形態の１例を示し、窒化ガリウム系化合物半導体上に形成された電極の断面図である。 本発明の発光素子について実施の形態の１例を示す断面図である。

符号の説明

２０：窒化ガリウム系の化合物半導体
２１：第１の層
２２：第２の層
２３：第３の層
２４：第４の層
３０：基板
３２：ｎ型半導体層
３３：発光層
３４：ｐ型半導体層
３５：ｎ型電極
３６：ｐ型電極

Claims (3)

1. ゲルマニウムから成る層を有する電極が窒化ガリウム系化合物半導体の表面に前記ゲルマニウムから成る層が接するようにして形成されていることを特徴とする化合物半導体。
2. 前記電極は、ゲルマニウムから成る第１の層、銀，アルミニウム及びロジウムのうちのいずれかから成る第２の層、ニッケル，チタン，ニオブ及びモリブデンのうちのいずれかから成る第３の層、及び金を含む第４の層が順次積層されて成ることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体。
3. 基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層、及び窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層を含むとともにこの順でこれらの層が積層されている半導体層が形成されており、前記第２導電型半導体層上に形成された第２導電型電極と、前記第２導電型半導体層の一部を前記第１導電型半導体層まで除去してなる前記第１導電型半導体層の露出部に形成された第１導電型電極とが設けられている発光素子において、前記第１及び第２導電型電極の少なくとも一方が、ゲルマニウムから成る第１の層、銀，アルミニウム及びロジウムのうちのいずれかから成る第２の層、ニッケル，チタン，ニオブ及びモリブデンのうちのいずれかから成る第３の層、及び金を含む第４の層が順次積層されて成ることを特徴とする発光素子。
   
   

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