JP2008085151A - Nitride semiconductor element - Google Patents
Nitride semiconductor element Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008085151A JP2008085151A JP2006264808A JP2006264808A JP2008085151A JP 2008085151 A JP2008085151 A JP 2008085151A JP 2006264808 A JP2006264808 A JP 2006264808A JP 2006264808 A JP2006264808 A JP 2006264808A JP 2008085151 A JP2008085151 A JP 2008085151A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal layer
- layer
- electrode
- nitride semiconductor
- metal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Drying Of Semiconductors (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体を積層した半導体層を用いて形成した窒化物半導体素子及びその製造方法に関するものである。その用途としては、大電流駆動が可能であるレーザダイオードや高輝度LED、受光素子、その他にはFET等の電子デバイスがある。 The present invention relates to a nitride semiconductor device formed using a semiconductor layer in which nitride semiconductors are stacked, and a method for manufacturing the same. Applications include laser diodes, high-intensity LEDs, light receiving elements, and other electronic devices such as FETs that can be driven with a large current.
窒化物半導体を積層してなる窒化物半導体素子は、紫外線領域から青色、更には緑色に至る広範囲の波長域の光を発光する発光素子として期待されている。その中で、レーザダイオードは、光ディスク用光源、その他には医療機器や加工機器、光ファイバ通信に用いる光源として、その用途は注目されている。 A nitride semiconductor element formed by stacking nitride semiconductors is expected as a light emitting element that emits light in a wide wavelength range from the ultraviolet region to blue to further green. Among them, the laser diode is attracting attention as a light source for optical disks, as well as a light source used for medical equipment, processing equipment, and optical fiber communication.
窒化物半導体素子は、レーザダイオードに限らずサファイア基板やGaN基板上に窒化物半導体を積層し、該積層体に電極を形成した構造としている。積層された窒化物半導体には、少なくとも電極とオーミック接触させるコンタクト層を備えている。 The nitride semiconductor element is not limited to a laser diode, and has a structure in which a nitride semiconductor is stacked on a sapphire substrate or a GaN substrate, and an electrode is formed on the stacked body. The laminated nitride semiconductor is provided with at least a contact layer in ohmic contact with the electrode.
上述した窒化物半導体素子では、安定した動作を確保するために半導体層中のコンタクト層とオーミック接触させる電極が極めて重要となる。このような電極には、主として仕事関数の大きい金属の単層膜や多層膜、或いは合金を用いている。例えば、Ni/Au等の多層膜からなる電極が用いられてきた。尚、前記電極の多層膜は、Ni/Auであれば、Niが下層、Auが上層となる。「/」の前の材料が下側の層を構成し、「/」の後ろの材料が上側の層を構成する。以下においても同様とする。 In the nitride semiconductor device described above, an electrode that is in ohmic contact with the contact layer in the semiconductor layer is extremely important in order to ensure stable operation. For such an electrode, a metal single layer film, a multilayer film, or an alloy having a large work function is mainly used. For example, an electrode made of a multilayer film such as Ni / Au has been used. If the multilayer film of the electrode is Ni / Au, Ni is the lower layer and Au is the upper layer. The material before the “/” constitutes the lower layer, and the material after the “/” constitutes the upper layer. The same applies to the following.
上述の特許文献1に開示された窒化物半導体素子には以下のような問題がある。Ni/Auを電極とする場合には、該電極を形成した後、熱処理(アニール処理)工程を必要とする。ここで、熱処理とは、高温雰囲気下に一定時間保持することであって、Ni/Au等の電極は熱処理をしなければ、オーミック特性を得ることが難しい。そのため、このような電極材質を用いる場合には熱処理は必須工程となる。 The nitride semiconductor device disclosed in Patent Document 1 described above has the following problems. When Ni / Au is used as an electrode, a heat treatment (annealing) step is required after the electrode is formed. Here, the heat treatment means holding for a certain period of time in a high temperature atmosphere, and it is difficult to obtain ohmic characteristics unless an electrode such as Ni / Au is heat treated. Therefore, when such an electrode material is used, heat treatment is an essential process.
Ni/Au等の電極はオーミック特性を得るために熱処理工程を行うことで、電極の下層であるNi層と上層であるAu層との深さ方向の分布が反転する。その結果、下層であるNi層が上層のAu層よりも移動して最表面に露出することで酸化層となる。これでは、この電極上に形成するパッド電極との界面での接触抵抗が高くなり、またパッド電極との密着性が低下する。 An electrode such as Ni / Au is subjected to a heat treatment process to obtain ohmic characteristics, thereby reversing the distribution in the depth direction between the Ni layer as the lower layer and the Au layer as the upper layer. As a result, the Ni layer, which is the lower layer, moves from the upper Au layer and is exposed to the outermost surface, thereby forming an oxide layer. This increases the contact resistance at the interface with the pad electrode formed on this electrode, and decreases the adhesion with the pad electrode.
また特許文献2には電極にNi層とAu層とを備えた構成が開示されている。またNi層とAu層とが相互拡散することでNi層が酸化することを防止するためにNi層とAu層との間にAg層を形成することが開示されている。しかしながら、ここで開示されている電極は、半導体層に形成する電極ではなく基板の裏面に形成する電極である。しかも窒化物半導体に適用できるとの示唆もない。このような構成をした電極では、窒化物半導体との接触抵抗低減や、安定した寿命特性を望めない。 Patent Document 2 discloses a configuration in which an electrode includes a Ni layer and an Au layer. Further, it is disclosed that an Ag layer is formed between the Ni layer and the Au layer in order to prevent the Ni layer from being oxidized due to mutual diffusion of the Ni layer and the Au layer. However, the electrode disclosed here is not an electrode formed on the semiconductor layer but an electrode formed on the back surface of the substrate. Moreover, there is no suggestion that it can be applied to nitride semiconductors. In the electrode having such a configuration, contact resistance reduction with a nitride semiconductor and stable life characteristics cannot be expected.
そこで、本件発明は上記問題を鑑み、窒化物半導体層との接触抵抗のみならずパッド電極との接触抵抗も低く、且つ密着性や機械的強度に極めて優れている窒化物半導体素子を提供することを目的とする。 Accordingly, in view of the above problems, the present invention provides a nitride semiconductor device that has a low contact resistance with a pad electrode as well as a contact resistance with a nitride semiconductor layer and is extremely excellent in adhesion and mechanical strength. With the goal.
本発明の窒化物半導体素子は、第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層が順に積層された積層半導体層と、前記第2導電型半導体層の上面に形成された電極と、を備える窒化物半導体素子であって、前記電極は、少なくとも前記積層半導体層側から第1金属層、第2金属層、第3金属層を順に積層しており、前記第1金属層と第3金属層とは、同一材料を含有する金属層であって、第1金属層は第3金属層よりも密度が高いものであり、前記第2金属層は、前記第1金属層及び第3金属層とは異なる材料を含有している。 The nitride semiconductor device of the present invention includes a laminated semiconductor layer in which a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer are laminated in order, an electrode formed on an upper surface of the second conductivity type semiconductor layer, The electrode has a first metal layer, a second metal layer, and a third metal layer sequentially stacked from at least the stacked semiconductor layer side, and the first metal layer and the first metal layer The three metal layers are metal layers containing the same material, and the first metal layer has a higher density than the third metal layer, and the second metal layer includes the first metal layer and the third metal layer. It contains a material different from that of the metal layer.
前記窒化物半導体素子における前記第3金属層は、バリア層であることが好ましい。 The third metal layer in the nitride semiconductor element is preferably a barrier layer.
前記窒化物半導体素子における前記第1金属層は、前記第3金属層よりも厚膜であることが好ましい。 The first metal layer in the nitride semiconductor element is preferably thicker than the third metal layer.
前記窒化物半導体素子における前記第1金属層の密度は、10g/cm3以上30g/cm3以下であることが好ましい。 The density of the first metal layer in the nitride semiconductor element is preferably 10 g / cm 3 or more and 30 g / cm 3 or less.
前記窒化物半導体素子における前記第3金属層の密度は、3g/cm3以上15g/cm3以下であることが好ましい。 The density of the third metal layer in the nitride semiconductor element is preferably 3 g / cm 3 or more and 15 g / cm 3 or less.
前記窒化物半導体素子における前記第1金属層及び第3金属層は、少なくとも金又はその合金を含む層からなることが好ましい。 The first metal layer and the third metal layer in the nitride semiconductor element are preferably formed of a layer containing at least gold or an alloy thereof.
前記窒化物半導体素子における前記第2金属層は、少なくとも白金族元素又はその合金を含む層からなることが好ましい。 The second metal layer in the nitride semiconductor element is preferably composed of a layer containing at least a platinum group element or an alloy thereof.
本発明の窒化物半導体素子は、第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層が順に積層された積層半導体層と、前記第2導電型半導体層の上面に形成された電極と、を備える窒化物半導体素子であって、前記電極は、少なくとも前記積層半導体層側から窒化物半導体層や他の金属層の酸化を防止する金属層、他層の析出を防止するバリア金属層を順に積層しており、前記酸化を防止する金属層(以下、保護金属層と称する場合がある。)とバリア金属層とは、同一材料を含有する金属層であって、前記保護金属層はバリア金属層よりも密度が高いものである。 The nitride semiconductor device of the present invention includes a laminated semiconductor layer in which a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer are laminated in order, an electrode formed on an upper surface of the second conductivity type semiconductor layer, The electrode includes a metal layer that prevents oxidation of the nitride semiconductor layer and other metal layers from at least the laminated semiconductor layer side, and a barrier metal layer that prevents precipitation of the other layers. The metal layer (hereinafter sometimes referred to as a protective metal layer) that is laminated in order and prevents oxidation is a metal layer containing the same material, and the protective metal layer is a barrier layer. The density is higher than that of the metal layer.
前記窒化物半導体素子は、前記第2導電型半導体層にストライプ状のリッジが形成されており、該リッジの上面に前記電極が形成されているレーザダイオードである。 The nitride semiconductor element is a laser diode in which a stripe-shaped ridge is formed in the second conductivity type semiconductor layer, and the electrode is formed on the upper surface of the ridge.
以上説明したように、本発明によれば、大電流を投入した駆動時においても窒化物半導体層との接触抵抗のみならずパッド電極との接触抵抗も低く、且つ密着性や機械的強度に極めて優れている窒化物半導体素子を提供することができる。 As described above, according to the present invention, not only the contact resistance with the nitride semiconductor layer but also the contact resistance with the pad electrode is low even when driven with a large current, and the adhesion and mechanical strength are extremely low. An excellent nitride semiconductor device can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は本実施形態に係る窒化物半導体を用いた半導体素子の電極構造を模式的に示す断面図である。本発明は、以下に示す実施の形態に示される窒化物半導体素子の構造に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an electrode structure of a semiconductor element using a nitride semiconductor according to this embodiment. The present invention is not limited to the structure of the nitride semiconductor device shown in the embodiments described below.
(電極)
本発明における電極は、p側電極とn側電極の両方に設けても良く、どちらか一方でもよい。そのため、該電極との接触界面sを形成する窒化物半導体層Tはp側コンタクト層に限らずn側コンタクト層でもよい。
(electrode)
The electrode in the present invention may be provided on both the p-side electrode and the n-side electrode, or either one may be provided. Therefore, the nitride semiconductor layer T forming the contact interface s with the electrode is not limited to the p-side contact layer but may be an n-side contact layer.
図1に示すように、電極は、窒化物半導体層T上に多層構成であって少なくとも3層以上の積層構造となっている。ここに示されている3層は各々が個別の機能を備えた金属層である。第1金属層M1は、窒化物半導体層Tとオーミック接触する他の金属層の酸化防止機能や保護機能を有する。保護機能とは、窒化物半導体層Tの酸化を防止する機能のことである。この第1金属層M1の材料は、Au、Pt、Rh、Pd、Ir、Ru等からなる。その中でも特に金(Au)又はその合金を含むことが窒化物半導体層とのオーミック性(接触抵抗)及び密着性が良好である事から好ましい。
また第1金属層M1の膜厚は、100Å〜5000Å、好ましくは500Å〜2000Åである。この膜厚であることで、他の金属層の酸化防止効果を奏する。第1金属層M1の膜厚が上記範囲を外れると、オーミック特性が損なわれるので好ましくない。また界面sの接触抵抗値は上昇してしまう。更に第1金属層M1の密度は、10g/cm3〜30g/cm3、好ましくは12g/cm3〜20g/cm3である。第1金属層がこの範囲の密度であれば、より良好なオーミック性を示す。
但し、第1金属層M1と第2金属層M2のみでは窒化物半導体層とパッド電極の両方とのオーミック性や密着性に優れた電極を構成することは困難である。それは、電極が第1金属層M1と第2金属層M2のみでは電極表面に形成される酸化膜の発生を抑制することが出来ず、パッド電極との接触抵抗が高くなり、またパッド電極との密着性が低下することになる。そこで、本発明では前記第1金属層M1、第2金属層M2の上に第3金属層を有する電極とする。
As shown in FIG. 1, the electrode has a multilayer structure on the nitride semiconductor layer T and has a laminated structure of at least three layers. The three layers shown here are metal layers each having an individual function. The first metal layer M1 has an antioxidant function and a protective function for other metal layers that are in ohmic contact with the nitride semiconductor layer T. The protective function is a function that prevents oxidation of the nitride semiconductor layer T. The material of the first metal layer M1 is made of Au, Pt, Rh, Pd, Ir, Ru, or the like. Among these, gold (Au) or an alloy thereof is particularly preferable because it has good ohmic properties (contact resistance) and adhesion with the nitride semiconductor layer.
The thickness of the first metal layer M1 is 100 to 5000 mm, preferably 500 to 2000 mm. By being this film thickness, there exists an antioxidant effect of another metal layer. If the thickness of the first metal layer M1 is out of the above range, the ohmic characteristics are impaired, which is not preferable. Further, the contact resistance value of the interface s increases. Furthermore the density of the first metal layer M1, 10g / cm 3 ~30g / cm 3, preferably from 12g / cm 3 ~20g / cm 3 . If the density of the first metal layer is in this range, better ohmic properties are exhibited.
However, it is difficult to configure an electrode having excellent ohmic properties and adhesion between both the nitride semiconductor layer and the pad electrode by using only the first metal layer M1 and the second metal layer M2. That is, if the electrodes are only the first metal layer M1 and the second metal layer M2, the generation of an oxide film formed on the electrode surface cannot be suppressed, the contact resistance with the pad electrode is increased, and the contact with the pad electrode is increased. Adhesion will be reduced. Therefore, in the present invention, an electrode having a third metal layer on the first metal layer M1 and the second metal layer M2 is used.
前記第1金属層M1は、後に積層される第3金属層M3と同一の材料を含有する金属層である。これによって、第1金属層M1と第2金属層M2との密着性が良ければ第2金属層M2と第3金属層M3との密着性も良好なものとなる。 The first metal layer M1 is a metal layer containing the same material as the third metal layer M3 to be laminated later. Accordingly, if the adhesion between the first metal layer M1 and the second metal layer M2 is good, the adhesion between the second metal layer M2 and the third metal layer M3 is also good.
また、第1金属層M1の密度を第3金属層M3の密度よりも高くする。第1金属層M1と第3金属層M3とが同一の材料を含有する金属層であって、第1金属層M1の密度を第3金属層M3の密度よりも高くすることにより、この2金属層の間には界面が形成される。この密度差により形成される界面は、反転しようとする他の金属を捕捉し、更に上方向に反転しようとする金属を低減させるバリア効果を奏する。 Further, the density of the first metal layer M1 is set higher than the density of the third metal layer M3. The first metal layer M1 and the third metal layer M3 are metal layers containing the same material, and the density of the first metal layer M1 is made higher than the density of the third metal layer M3. An interface is formed between the layers. The interface formed by this density difference has a barrier effect that captures other metals to be reversed and further reduces the metal to be reversed upward.
第2金属層M2は、前記第1金属層M1の上部に形成されるものであって、第1金属層M1と第3金属層M3との機能分離層としての機能だけでなく、下の金属層が分解することを抑制するキャップ層としての効果を有する。この第2金属層M2の材料は、Ni、Co、Fe、Cu、W、Mo、Ti、Ta、Ag、Al、Cr、Pt、Pd、Ph、Ir、Ru、Os、V、Hf、Rh、Zrからなるものであって、第1金属層M1及び第3金属層M3と異なる材料からなる。その中でも第2金属層は、ニッケル(Ni)又はその合金を含むことが窒化物半導体とのp型化を促す効果やオーミック抵抗を下げることが出来るため好ましい。
また第2金属層M2の膜厚は、10Å以上500Å以下、好ましくは50Å以上200Å以下である。第2金属層M2がこの膜厚範囲にあることで他の金属層の分解抑制、更にはオーミック性の安定効果を奏する。更に第2金属層M2の密度は、3g/cm3〜20g/cm3、好ましくは5g/cm3〜10g/cm3である。第2金属層M2の密度がこの範囲であると他の金属層の分解抑制、更にはオーミック性の安定効果がある。
The second metal layer M2 is formed on the first metal layer M1 and functions not only as a function separation layer between the first metal layer M1 and the third metal layer M3 but also as a lower metal layer. It has an effect as a cap layer that suppresses decomposition of the layer. The material of the second metal layer M2 is Ni, Co, Fe, Cu, W, Mo, Ti, Ta, Ag, Al, Cr, Pt, Pd, Ph, Ir, Ru, Os, V, Hf, Rh, It is made of Zr and is made of a material different from that of the first metal layer M1 and the third metal layer M3. Among them, it is preferable that the second metal layer contains nickel (Ni) or an alloy thereof because the effect of promoting p-type formation with a nitride semiconductor and ohmic resistance can be reduced.
The film thickness of the second metal layer M2 is 10 to 500 mm, preferably 50 to 200 mm. When the second metal layer M2 is in this film thickness range, the decomposition of other metal layers is suppressed, and further, ohmic stability is obtained. Furthermore the density of the second metal layer M2 is, 3g / cm 3 ~20g / cm 3, preferably 5g / cm 3 ~10g / cm 3 . When the density of the second metal layer M2 is within this range, the decomposition of other metal layers can be suppressed, and further, ohmic stability can be obtained.
第3金属層M3は、前記第2金属層の上部に形成されるものであって、上述したように第1金属層M1と同一の材料を含有する。また、第3金属層M3の密度が第1金属層の密度よりも低いものである。第3金属層M3の密度は、第1金属層M1の密度の1/2以下とすることが好ましい。これによって他の金属層が上面に析出することを防止して、電極とパッド電極との良好な接触抵抗を維持する。より好ましくは第3金属層M3の密度が第1金属層M1の密度の1/3以下とする。これによって前記効果に合わせて、パッド電極との密着を安定にすることができる。他の金属層が表面に露出すると酸化膜を形成してしまい、パッド電極との密着性が低下するがこのような問題が解消する。 The third metal layer M3 is formed on the second metal layer, and contains the same material as the first metal layer M1 as described above. Further, the density of the third metal layer M3 is lower than the density of the first metal layer. The density of the third metal layer M3 is preferably less than or equal to ½ of the density of the first metal layer M1. This prevents other metal layers from being deposited on the upper surface, and maintains good contact resistance between the electrode and the pad electrode. More preferably, the density of the third metal layer M3 is 1/3 or less of the density of the first metal layer M1. This makes it possible to stabilize the adhesion with the pad electrode in accordance with the above effect. When the other metal layer is exposed on the surface, an oxide film is formed and the adhesion with the pad electrode is lowered, but such a problem is solved.
ここで前記第3金属層M3の膜厚範囲は、100Å以上1500Å以下、好ましくは300Å以上800Å以下である。第3金属層M3の材料は、第1金属層M1と同一の材料を含有している。第3金属層M3は、白金族元素又は金からなることが好ましく、さらに好ましくはAu、Rh、Ptのいずれかからなる。 Here, the film thickness range of the third metal layer M3 is 100 to 1500 mm, preferably 300 to 800 mm. The material of the third metal layer M3 contains the same material as that of the first metal layer M1. The third metal layer M3 is preferably made of a platinum group element or gold, and more preferably made of any one of Au, Rh, and Pt.
図2には前記電極が最上層に金属層Mbを形成した構成を示している。ここで前記第3金属層M3上に形成された金属層Mbはパッド電極との接触層である。この金属層Mbは外気に曝露されるため酸化膜となりやすい。そのため、金属層Mbは酸化しにくい金属からなり、更には剥がれ防止の為にアニール時の応力を低減させる必要があることから金属層Mbは厚膜であるよりも薄膜であることが好ましい。金属層Mbの好ましい膜厚範囲は、5Å以上50Å以下、好ましくは5Å以上20Å以下である。この金属層Mbは、下層の金属層である第2金属層M2が上方に反転して形成される場合には前記第2金属層M2と同一材料からなる。 FIG. 2 shows a configuration in which the electrode has a metal layer Mb formed as the uppermost layer. Here, the metal layer Mb formed on the third metal layer M3 is a contact layer with the pad electrode. Since this metal layer Mb is exposed to the outside air, it tends to be an oxide film. For this reason, the metal layer Mb is made of a metal that is difficult to oxidize, and further, it is necessary to reduce stress during annealing in order to prevent peeling, and therefore the metal layer Mb is preferably a thin film rather than a thick film. A preferable film thickness range of the metal layer Mb is 5 to 50 mm, preferably 5 to 20 mm. This metal layer Mb is made of the same material as that of the second metal layer M2 when the second metal layer M2 which is the lower metal layer is formed so as to be reversed upward.
第3金属層M3が存在しない電極では第2金属層M2と最上層の金属層Mbが一体の層となり酸化される割合も向上してしまう。第3金属層を備えた構成であったとしても、第3金属層よりも下側の金属層から反転して表面に露出する金属を完全に抑制できるものではないが、上述した第3金属層を備えた構成とすることで第2金属層と最上層である金属層Mbとを併せた総体積に対する第2金属層の体積割合を2割以上、好ましくは3割以上、更に好ましくは5割以上とすることができる。第3金属層を構成に備えた電極とすることで、第3金属層が構成にない電極と比べて表面に形成される酸化膜の割合を低減することができる。
また第1金属層と第3金属層とを同一材料にして、第1金属層M1、第2金属層M2、第3金属層M3をこの順に形成したとしても、第1金属層M1と第3金属層M3との密度が同じである場合や、第3金属層M3の密度が第1金属層M1の密度よりも高い場合には、第2金属層と第3金属層とが反転して第2金属層が表面に露出してしまう。このとき、第2金属層と最上層である金属層Mbとを併せた総体積に対する第2金属層の体積割合は2割未満となり、第2金属層M2は8割以上が表面に露出される。これでは、本発明の効果を奏することは困難となる。
In the electrode in which the third metal layer M3 does not exist, the ratio of the second metal layer M2 and the uppermost metal layer Mb becoming an integral layer is also improved. Even if the third metal layer is provided, the metal exposed to the surface by being inverted from the metal layer lower than the third metal layer cannot be completely suppressed. The volume ratio of the second metal layer to the total volume of the second metal layer and the uppermost metal layer Mb is 20% or more, preferably 30% or more, more preferably 50%. This can be done. By using the electrode including the third metal layer as a configuration, the ratio of the oxide film formed on the surface can be reduced as compared with an electrode not including the third metal layer.
Even if the first metal layer and the third metal layer are made of the same material, and the first metal layer M1, the second metal layer M2, and the third metal layer M3 are formed in this order, the first metal layer M1 and the third metal layer are formed in this order. When the density of the metal layer M3 is the same, or when the density of the third metal layer M3 is higher than the density of the first metal layer M1, the second metal layer and the third metal layer are reversed and the second metal layer M3 is inverted. Two metal layers are exposed on the surface. At this time, the volume ratio of the second metal layer to the total volume of the second metal layer and the uppermost metal layer Mb is less than 20%, and 80% or more of the second metal layer M2 is exposed on the surface. . This makes it difficult to achieve the effects of the present invention.
前記電極を構成する総膜厚としては、前記3層の多層構成を含めて200℃〜10000℃、好ましくは300℃〜5000℃とする。総膜厚を300℃〜5000℃とすることで、シート抵抗を低くすることができる。 The total film thickness constituting the electrode is 200 ° C. to 10000 ° C., preferably 300 ° C. to 5000 ° C., including the multilayer structure of the three layers. By setting the total film thickness to 300 ° C. to 5000 ° C., the sheet resistance can be lowered.
前記電極を形成した後に、熱処理を行うことで、窒化物半導体層Tと良好なオーミック接触を得ることができ、また窒化物半導体層と電極との接触抵抗を低下させることができる。熱処理温度としては、200℃〜1200℃の範囲が好ましく、更に好ましくは300℃〜900℃の範囲である。 By performing heat treatment after forming the electrode, good ohmic contact with the nitride semiconductor layer T can be obtained, and contact resistance between the nitride semiconductor layer and the electrode can be reduced. As heat processing temperature, the range of 200 to 1200 degreeC is preferable, More preferably, it is the range of 300 to 900 degreeC.
上記以外の熱処理の条件としては、雰囲気ガスを酸素、及び/又は窒素を含有する雰囲気とする。そのため、不活性ガス、例えばArを含有する雰囲気や大気条件での熱処理も可能である。 As the heat treatment conditions other than the above, the atmosphere gas is an atmosphere containing oxygen and / or nitrogen. Therefore, heat treatment in an atmosphere containing an inert gas such as Ar or atmospheric conditions is also possible.
図3には前記電極が窒化物半導体層Tとの接触界面である最下層に金属層Maを形成した構成を示している。この最下層である金属層Maの材料は、Ni、Pt、Rh、Ru、Ir、Pdから成る群から選ばれる金属又はその合金である。窒化物半導体層T上に金属層Maと第1金属層M1、第3金属層M3をこの順で積層して電極を形成した後に熱処理を行うことで金属層Maは反転を起こし、上部に析出する。第1金属層M1と第3金属層M3との間に捕捉された金属層は第2金属層M2を形成する。また、第3金属層M3で捕捉出来なかった金属層は第3金属層M3よりも上部に析出して金属層Mbを形成する。ここで、第1金属層M1と第2金属層M2、第3金属層M3とが上述した関係を満たしていれば、第3金属層M3よりも上部に析出される金属層Mbの割合を低減することができ、本発明の効果を奏することになる。 FIG. 3 shows a configuration in which the metal layer Ma is formed in the lowermost layer where the electrode is a contact interface with the nitride semiconductor layer T. The material of the lowermost metal layer Ma is a metal selected from the group consisting of Ni, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd or an alloy thereof. A metal layer Ma, a first metal layer M1, and a third metal layer M3 are stacked in this order on the nitride semiconductor layer T to form an electrode, and then heat treatment is performed, so that the metal layer Ma is inverted and deposited on the top. To do. The metal layer trapped between the first metal layer M1 and the third metal layer M3 forms the second metal layer M2. Further, the metal layer that could not be captured by the third metal layer M3 is deposited above the third metal layer M3 to form the metal layer Mb. Here, if the first metal layer M1, the second metal layer M2, and the third metal layer M3 satisfy the above-described relationship, the ratio of the metal layer Mb deposited above the third metal layer M3 is reduced. It is possible to achieve the effects of the present invention.
電極を3層以上の多層膜とすることで、単一組成の層で膜厚を厚くする場合に比べて応力を緩和させることもできる。特に、ストライプ状のリッジを有するレーザダイオードを形成する場合、リッジに形成される電極(例えば、p側電極)は、極めて幅の狭い領域に形成され、しかも、その膜質によりリッジにかかる負荷が大きく左右されるが、多層構造としてリッジにかかる応力を緩和することで信頼性に優れたレーザ特性を得ることができる。 By making the electrode a multilayer film of three or more layers, the stress can be relaxed as compared with a case where the film thickness is increased by a single composition layer. In particular, when forming a laser diode having a striped ridge, an electrode (for example, a p-side electrode) formed on the ridge is formed in a very narrow region, and the load on the ridge is large due to the film quality. Although it depends, it is possible to obtain highly reliable laser characteristics by relaxing the stress applied to the ridge as a multilayer structure.
また、窒化物半導体層Tと接する前記電極とは別に、ワイヤをボンディングさせるための引き出し用の電極としてパッド電極が前記電極上に設けられている。絶縁性の基板を用いている場合はp側電極とn側電極が同一面側に設けられているので、その両方にパッド電極が設けられる。また、パッド電極の上に、ワイヤではなく、外部電極等と接続させるためのメタライズ層を形成させることで、フェイスダウンでも用いることができる。 In addition to the electrode in contact with the nitride semiconductor layer T, a pad electrode is provided on the electrode as an extraction electrode for bonding a wire. When an insulating substrate is used, since the p-side electrode and the n-side electrode are provided on the same surface side, a pad electrode is provided on both of them. Further, by forming a metallized layer for connection with an external electrode or the like instead of a wire on the pad electrode, it can also be used face down.
本発明における電極の成膜装置にはスパッタリング装置や蒸着装置、その他の公知の成膜装置を用いることができる。例えば、スパッタリング装置を用いて金属層Maを形成する場合の条件としては、初期真空度を5.0×10―4Pa以上とする。また、成膜圧力は0.5×10-1Pa以上とする。次に、スパッタリング装置を用いて第1金属層M1、第3金属層M3を形成する。第1金属層M1は、金属層Maから連続して成膜することが好ましい。その成膜圧力は0.5×10−1Paとする。次に、第3金属層M3を形成する。第3金属層M3を成膜する条件としては、最初に、初期真空度を8.0×10―4Pa以上とする。その後、成膜圧力を0.5×10−1Pa以上とする。以上の条件で各金属層を成膜することで第1金属層、及び第3金属層の密度を所望の範囲で形成することができる。 As the electrode film forming apparatus in the present invention, a sputtering apparatus, a vapor deposition apparatus, and other known film forming apparatuses can be used. For example, as a condition for forming the metal layer Ma using a sputtering apparatus, the initial vacuum degree is set to 5.0 × 10 −4 Pa or more. The film forming pressure is 0.5 × 10 −1 Pa or higher. Next, the first metal layer M1 and the third metal layer M3 are formed using a sputtering apparatus. The first metal layer M1 is preferably formed continuously from the metal layer Ma. The film forming pressure is 0.5 × 10 −1 Pa. Next, the third metal layer M3 is formed. As a condition for forming the third metal layer M3, first, the initial vacuum is set to 8.0 × 10 −4 Pa or more. Thereafter, the film forming pressure is set to 0.5 × 10 −1 Pa or more. By forming each metal layer under the above conditions, the density of the first metal layer and the third metal layer can be formed in a desired range.
また、本発明における金属層の密度の測定方法は、TECHNOS社製の膜厚組成測定装置を用い、X線干渉法を利用して測定する。 Moreover, the measuring method of the density of the metal layer in this invention is measured using the X-ray interferometry using the film thickness composition measuring apparatus made from TECHNOS.
パッド電極の電極材料としては、Ni、Co、Fe、Cr、Ti、Cu、Rh、Au、Al、Mo、Ru、W、Zr、Mo、Ta、Pt、Ag、及びこれらの酸化物、窒化物等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。最上層はワイヤ等を接続させるので一般的に用いられるワイヤの材料(例えばAu)との密着性を考慮してAuを用いるのが好ましい。そして、このAuが拡散しないようにその下層には拡散防止層として機能する比較的高融点の材料を用いるのが好ましい。 The electrode material of the pad electrode includes Ni, Co, Fe, Cr, Ti, Cu, Rh, Au, Al, Mo, Ru, W, Zr, Mo, Ta, Pt, Ag, and oxides and nitrides thereof. These monolayers, alloys, or multilayer films can be used. Since the uppermost layer connects a wire or the like, it is preferable to use Au in consideration of adhesion to a generally used wire material (for example, Au). In order to prevent this Au from diffusing, a material having a relatively high melting point that functions as a diffusion preventing layer is preferably used for the lower layer.
また、本発明における窒化物半導体層Tはp側コンタクト層に限らずn側コンタクト層でもよい。この窒化物半導体層Tがp側コンタクト層である場合には、p型のInxAlyGa1−x−yN(x≦0、y≦0、x+y≦1)で構成する。p型不純物には、Mgを用いる。p側コンタクト層の膜厚は100Å以上とする。また1000Å以下とすることが好ましい。また、窒化物半導体素子がn側コンタクト層を有する構成であって、このn側コンタクト層を前記窒化物半導体層Tとする場合には、n側コンタクト層はn型のAlxGa1−xN(0≦x<1)で構成する。n型不純物には、Si、Ge、O等を用いる。 Further, the nitride semiconductor layer T in the present invention is not limited to the p-side contact layer but may be an n-side contact layer. When the nitride semiconductor layer T is a p-side contact layer, it is composed of p-type In x Al y Ga 1-xy N (x ≦ 0, y ≦ 0, x + y ≦ 1). Mg is used for the p-type impurity. The p-side contact layer has a thickness of 100 mm or more. Moreover, it is preferable to set it as 1000 or less. When the nitride semiconductor element has an n-side contact layer and the n-side contact layer is the nitride semiconductor layer T, the n-side contact layer is an n-type Al x Ga 1-x. N (0 ≦ x <1). Si, Ge, O, or the like is used as the n-type impurity.
本実施形態の窒化物半導体素子の一例としては、図6に示すように第1主面と第2主面とを有する基板100の第1主面上に窒化物半導体層としてn側窒化物半導体層110と、活性層120と、p側窒化物半導体層130とを順に積層しており、前記p側窒化物半導体層130上に前記電極150が形成されている。前記p側窒化物半導体層130にはストライプ状のリッジ部と、その上にp側電極150と、その上にp側パッド電極170を備えており、基板100の第2主面にはn電極180を備えている対向電極構造の半導体レーザ素子である。前記p側電極150に本発明の電極構造を採用する。また、図8に示すように基板が導電性や絶縁性に関係なく基板の同一面上に両電極を形成する構成であってもよい。
As an example of the nitride semiconductor device of this embodiment, an n-side nitride semiconductor is used as a nitride semiconductor layer on a first main surface of a
実施の形態1
図6は本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を示す断面図であり、図4(a)はリッジ構造および電極構造の一例を示す部分拡大図であり、図4(b)は図4(a)の部分拡大図である。リッジは、p側窒化物半導体層130の一部をエッチングすることで形成することができ、これにより実効屈折率型の導波路を形成することができる。また、リッジの側面及びそのリッジから連続するp側窒化物半導体層にかけて第1の絶縁膜140が形成されている。リッジ上面及び第1の絶縁膜140の上面には上述した金属層(M1、M2、M3)の多層構造を備えたp側電極150が設けられている。p側電極150上には該p側電極を覆うようにp側のパッド電極170が設けられている。またリッジを形成した後にリッジ表面に半導体層を再成長させた埋め込み型のレーザ素子や、積層半導体内に開口部を有する電流狭窄層を有する電流狭窄構造のレーザ素子や、n側半導体層及び/又はp側半導体層内に回折格子を有するDFBレーザであってもよい。
Embodiment 1
6 is a cross-sectional view showing the nitride semiconductor laser device of this embodiment, FIG. 4A is a partially enlarged view showing an example of a ridge structure and an electrode structure, and FIG. 4B is a cross-sectional view of FIG. FIG. The ridge can be formed by etching a part of the p-side
p側電極150は、第1の絶縁膜140上を覆う領域に形成され、p側電極150のリッジ以外から離間する領域の上の一部を被覆するよう第2の絶縁膜160が形成されている。そして、p側のパッド電極170は、p側電極120と第2の絶縁膜160との上に渡って形成されている。
The p-
また、上記リッジのストライプ方向を共振器方向とするために、端面に設けられている一対の共振器面は、劈開又はエッチング等によって形成することができる。劈開で形成させる場合は、基板や半導体層が劈開性を有していることが必要であり、その劈開性を利用すると優れた鏡面を容易に得ることができる。 Further, in order to set the stripe direction of the ridge as the resonator direction, the pair of resonator surfaces provided on the end face can be formed by cleavage or etching. In the case of forming by cleavage, it is necessary that the substrate and the semiconductor layer have cleavage properties, and an excellent mirror surface can be easily obtained by utilizing the cleavage properties.
絶縁膜の材料としてはSi、Ti、Al、V、Zr、Nb、Hf、Taよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、SiN、BN、SiC、AlN、AlGaNの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもSi、Al、Zr、Hf、Nbの酸化物、BN、AlN、AlGaNを用いることが特に好ましい。 As the material of the insulating film, at least one of oxides containing at least one element selected from the group consisting of Si, Ti, Al, V, Zr, Nb, Hf, Ta, SiN, BN, SiC, AlN, AlGaN It is desirable to use one type, and among these, it is particularly preferable to use oxides of Si, Al, Zr, Hf, and Nb, BN, AlN, and AlGaN.
また、絶縁膜の膜厚としては、具体的には、10Å以上10000Å以下の範囲、好ましくは100Å以上5000Å以下の範囲とすることである。なぜなら、10Å以下であると、電極120の形成時に、十分な絶縁性を確保することが困難で、10000Å以上であると、かえって保護膜の均一性が失われ、良好な絶縁膜とならないからである。また、前記好ましい範囲にあることで、リッジ側面において、リッジとの間に良好な屈折率差を有する均一な膜が形成される。
The film thickness of the insulating film is specifically in the range of 10 to 10,000 mm, preferably in the range of 100 to 5,000 mm. This is because if it is 10 mm or less, it is difficult to ensure sufficient insulation during formation of the
第2の絶縁膜は、エッチングによって露出されたp側窒化物半導体層及び活性層の側部端面にも連続するように設けるのが好ましい。好ましい材料としては、Si、Ti、V、Zr、Nb、Hf、Taよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、SiN、BN、SiC、AlN、AlGaNの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でも特に好ましい材料として、SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2などの単層膜または多層膜を挙げることができる。尚、第2の絶縁膜は省略することが可能である。 The second insulating film is preferably provided so as to continue to the side end faces of the p-side nitride semiconductor layer and the active layer exposed by etching. A preferable material is an oxide containing at least one element selected from the group consisting of Si, Ti, V, Zr, Nb, Hf, and Ta, and formed of at least one of SiN, BN, SiC, AlN, and AlGaN. Among them, particularly preferable materials include single layer films and multilayer films such as SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , and TiO 2 . Note that the second insulating film can be omitted.
実施の形態2
図7は、本発明の他の実施形態を示す断面図である。本実施形態は、実施の形態1と同様に、基板100上に、n側窒化物半導体層110、活性層120、p側窒化物半導体層130が順に積層された積層半導体層を構成しており、前記p側窒化物半導体層にストライプ状のリッジが設けられたレーザ素子であって、p側電極150が、リッジ上部のみに形成されているものである。このp側電極150は、少なくとも前記積層半導体層側から金属層Ma、第1金属層M1、第2金属層M2、第3金属層M3、金属層Mbを順に積層した構造をしている。
リッジ上幅と、ほぼ同一幅のp側電極を形成するには、平坦なウエハ上に所望のリッジ幅のp側電極を形成し、そのp側電極をマスクとして半導体層をエッチングすることで、リッジ上部に、リッジと同一幅のp側電極が形成される。このようなセルフアライメント方式を用いて半導体層をエッチングするには、主として塩素系のエッチングガスを用いてドライエッチングするのが好ましい。
Embodiment 2
FIG. 7 is a cross-sectional view showing another embodiment of the present invention. In the present embodiment, similarly to the first embodiment, a stacked semiconductor layer in which an n-side
In order to form a p-side electrode having substantially the same width as the width on the ridge, a p-side electrode having a desired ridge width is formed on a flat wafer, and the semiconductor layer is etched using the p-side electrode as a mask. A p-side electrode having the same width as the ridge is formed on the ridge. In order to etch the semiconductor layer using such a self-alignment method, it is preferable to perform dry etching mainly using a chlorine-based etching gas.
セルフアライメント方式を用いてリッジを形成する場合、p側電極の上面は、半導体層エッチング時の塩素系ガスや、SiO2膜等のエッチング時のフッ素系ガス等に曝露される。そのため、酸化物ではなく、塩化物、或いはフッ化物等が形成される。しかし、白金族元素の層は、これら塩化系ガスやフッ素系ガスと反応したとしても、その反応が表面近傍に限られる。従って、熱処理時等と同様に、層内部は成膜時と同様の組成で保持されやすい。塩素或いはフッ素との化合物が安定で、絶縁性を示すようであれば、パッド電極との間で界面抵抗が生じるので、そのような場合は、表面を洗浄することで、層内部の化合物非生成領域を露出させ、その露出部にパッド電極を形成させることで、オーミック性を損ないにくくすることができる。
また、実施の形態2においては、p側電極の幅がさらに狭く形成されるため、その膜質によってはリッジにかかる負荷が大きくなるが、p側電極を多層構造としてリッジにかかる応力を緩和することで信頼性に優れたレーザ特性を得ることができる。
When the ridge is formed using the self-alignment method, the upper surface of the p-side electrode is exposed to a chlorine-based gas during etching of the semiconductor layer, a fluorine-based gas during etching of the SiO 2 film, or the like. Therefore, not oxide but chloride or fluoride is formed. However, even if the platinum group element layer reacts with the chlorinated gas or the fluorinated gas, the reaction is limited to the vicinity of the surface. Therefore, as in the case of heat treatment, the inside of the layer is easily held with the same composition as that during film formation. If the compound with chlorine or fluorine is stable and exhibits insulating properties, an interface resistance will be generated between the pad electrode, and in such a case, no compound is generated inside the layer by washing the surface. By exposing the region and forming the pad electrode on the exposed portion, the ohmic property can be made difficult to be impaired.
In the second embodiment, since the width of the p-side electrode is further narrowed, the load on the ridge increases depending on the film quality, but the stress on the ridge is reduced by using a p-side electrode as a multilayer structure. Thus, laser characteristics with excellent reliability can be obtained.
以下、実施例として窒化物半導体レーザ素子について説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能であることは言うまでもない。 Hereinafter, a nitride semiconductor laser device will be described as an example, but the present invention is not limited to the following example, and it goes without saying that various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. .
[実施例1]
基板は、C面を主面とするウエハ状のGaN基板100を用いる。基板としては特にこれに限定されるものではなく、必要に応じてR面、A面、M面を主面とするGaN基板を用いる。
[Example 1]
As the substrate, a wafer-
(n側窒化物半導体層110)
次に、MOCVD装置に前記GaN基板を搬送する。炉内の雰囲気温度を1050℃にして、原料ガスにTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリメチルガリウム)及びアンモニアを用い、アンドープのAl0.04Ga0.96Nよりなるn型クラッド層を膜厚2.0μmで成長させる。
(N-side nitride semiconductor layer 110)
Next, the GaN substrate is transferred to the MOCVD apparatus. The atmosphere temperature in the furnace is set to 1050 ° C., and TMA (trimethylaluminum), TMG (trimethylgallium), and ammonia are used as source gases, and an n-type cladding layer made of undoped Al 0.04 Ga 0.96 N is formed in thickness. Grow at 2.0 μm.
次に、n型クラッド層と略同じ温度で原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるn型光ガイド層を0.19μmの膜厚で成長させる。この層は、n型不純物をドープさせてもよい。 Next, TMG and ammonia are used as source gases at substantially the same temperature as the n-type cladding layer, and an n-type light guide layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.19 μm. This layer may be doped with n-type impurities.
(活性層120)
次に、温度を800℃にして、原料にTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、SiドープのIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層を140Åの膜厚で成長させる。続いてシランガスを止め、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる井戸層を80Åの膜厚で成長させる。この操作を2回繰り返し、最後にSiドープのIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層を140Åの膜厚で成長させて総膜厚580Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。
(Active layer 120)
Next, the temperature is set to 800 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and ammonia are used as raw materials, silane gas is used as an impurity gas, and a barrier layer made of Si-doped In 0.02 Ga 0.98 N is formed at 140 ° C. Grow with film thickness. Subsequently, the silane gas is stopped and a well layer made of undoped In 0.1 Ga 0.9 N is grown to a thickness of 80 mm. This operation is repeated twice. Finally, a barrier layer made of Si-doped In 0.02 Ga 0.98 N is grown to a film thickness of 140 mm, and an active layer having a total quantum film structure (MQW) of 580 mm is formed. Grow.
(p側窒化物半導体層130)
同様の温度で、N2雰囲気またはH2雰囲気中で、MgドープのAl0.25Ga0.75Nよりなるp型電子閉じ込め層を100Åの膜厚で成長させる。
(P-side nitride semiconductor layer 130)
At a similar temperature, a p-type electron confinement layer made of Mg-doped Al 0.25 Ga 0.75 N is grown to a thickness of 100 mm in an N 2 atmosphere or an H 2 atmosphere.
次に、温度を1050℃にして、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるp型光ガイド層を0.13μmの膜厚で成長させる。 Next, the temperature is set to 1050 ° C., TMG and ammonia are used as source gases, and a p-type light guide layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.13 μm.
続いて、アンドープのAl0.08Ga0.92NよりなるA層を80Åの膜厚で成長させ、その上にMgドープのGaNよりなるB層を80Åの膜厚で成長させる。これを28回繰り返してA層とB層とを交互に積層させて、総膜厚0.45μmの多層膜(超格子構造)よりなるp型クラッド層を成長させる。 Subsequently, an A layer made of undoped Al 0.08 Ga 0.92 N is grown to a thickness of 80 mm, and a B layer made of Mg-doped GaN is grown to a thickness of 80 mm. This is repeated 28 times, and the A layer and the B layer are alternately laminated to grow a p-type cladding layer made of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 0.45 μm.
最後に1050℃でp型クラッド層の上にMgドープのGaNよりなるp型コンタクト層を150Åの膜厚で成長させる。p型コンタクト層はp型のInxAlyGa1−x−yN(x≦0、y≦0、x+y≦1)で構成することができ、好ましくはMgをドープしたGaNとすればp電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。反応終了後、反応容器内において窒素雰囲気中でウエハを700℃でアニーリングして、p型層を更に低抵抗化する。 Finally, a p-type contact layer made of Mg-doped GaN is grown on the p-type cladding layer at 1050 ° C. to a thickness of 150 mm. The p-type contact layer can be composed of p-type In x Al y Ga 1-xy N (x ≦ 0, y ≦ 0, x + y ≦ 1). The most favorable ohmic contact with the electrode is obtained. After the completion of the reaction, the wafer is annealed at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere in the reaction vessel to further reduce the resistance of the p-type layer.
以上のようにしてGaN基板上に窒化物半導体を成長させて積層構造体を形成した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層の表面にSiO2よりなる保護膜を形成してRIE(反応性イオンエッチング)を用いてCl2ガスによりエッチングし、n型クラッド層の表面を露出させる。また、このとき、W型溝を光出射側端面付近に形成してもよい。なお、この工程は省略可能である。 After the nitride semiconductor is grown on the GaN substrate to form a laminated structure as described above, the wafer is taken out of the reaction vessel, and a protective film made of SiO 2 is formed on the surface of the uppermost p-type contact layer. Etching with Cl 2 gas using RIE (reactive ion etching) to expose the surface of the n-type cladding layer. At this time, a W-shaped groove may be formed in the vicinity of the end surface of the light emission side. This step can be omitted.
次に、ストライプ状の導波路領域を形成するために、最上層のp型コンタクト層のほぼ全面にCVD装置により、Si酸化物(主としてSiO2)よりなる保護膜を0.5μmの膜厚で形成した後、フォトリソグラフィ技術により保護膜の上に所定の形状のマスクを形成し、RIE装置によりCHF3ガスを用いたエッチングによりストライプ状のSi酸化物からなる保護膜を形成する。このSi酸化物の保護膜をマスクとしてCl2ガスとSiCl4ガスとを用いて半導体層をエッチングして、活性層よりも上にリッジストライプが形成される。このとき、リッジの幅は1.6μmとなるようにする。 Next, in order to form a striped waveguide region, a protective film made of Si oxide (mainly SiO 2 ) is formed to a thickness of 0.5 μm on almost the entire surface of the uppermost p-type contact layer by a CVD apparatus. After the formation, a mask having a predetermined shape is formed on the protective film by a photolithography technique, and a protective film made of striped Si oxide is formed by etching using CHF 3 gas by an RIE apparatus. Using this Si oxide protective film as a mask, the semiconductor layer is etched using Cl 2 gas and SiCl 4 gas to form a ridge stripe above the active layer. At this time, the width of the ridge is set to 1.6 μm.
SiO2マスクを形成させた状態で、p型半導体層表面にZrO2よりなる第1の絶縁膜140を膜厚を約600Åで形成する。第1の絶縁膜を形成した後、ウエハを600℃で熱処理する。熱処理後、バッファード液に浸漬して、リッジストライプの上面に形成したSiO2を溶解除去し、リフトオフ法によりSiO2と共に、p型コンタクト層上にあるZrO2を除去する。これにより、リッジの上面は露出され、リッジの側面はZrO2で覆われた構造となる。
With the SiO 2 mask formed, a first
次にp型コンタクト層上にp側電極150を形成する。まず、スパッタリング装置を用いて金属層MaとしてNiを膜厚100Åで形成する。このときの成膜条件は、初期真空度を5.0×10―4Pa以上とする。次にスパッタリング装置を用いて第1金属層M1と第3金属層M3を形成する。第1金属層M1は、Auを1000Åの膜厚で形成する。第3金属層M3は、Auを500Åの膜厚で形成する。第1金属層M1を形成する条件は、金属層MaであるNiを成膜した後に連続して成膜する。このときの成膜圧力は0.5×10-1Pa以上とする。次に、第3金属層M3を形成する条件は、まず、初期真空度を8.0×10―4Pa以上とする。その後、成膜圧力を0.5×10-1Pa以上とする。
その後、アニール炉装置の中、N2雰囲気に対して、酸素濃度を0.5〜10%とする雰囲気において600℃で熱処理をする。これによりp側電極を所望の特性を有する積層構造とすることができる。
Next, the p-
Thereafter, heat treatment is performed at 600 ° C. in an annealing furnace apparatus in an atmosphere in which the oxygen concentration is 0.5 to 10% with respect to the N 2 atmosphere. As a result, the p-side electrode can have a laminated structure having desired characteristics.
以上によりp側電極150は、最下層である金属層Maが、Niからなり、膜厚は10Åとなる。その上には、第1金属層M1が、Auからなり、密度は15g/cm3、膜厚は1000Åとなる。その上には、第2金属層M2が、Niからなり、膜厚は80Åとなる。その上には、第3金属層M3が、Auからなり、密度は5g/cm3、膜厚は500Åとなる。さらには、その上に、最上層である金属層Mbが、Niからなり、膜厚は10Åとなる。
As described above, in the p-
次に第2の絶縁膜としてSiO2をレーザ素子の側面に形成する。更に、前記p電極上にpパッド電極をNi−Ti−Auの順に膜厚を1000Å―1000Å―8000Åで形成する。次に、GaN基板を研磨して約85μmの膜厚になるよう調整後、基板裏面にV−Pt−Auの順に膜厚を100Å、2000Å、3000Åで積層したn電極を形成する。 Next, SiO 2 is formed on the side surface of the laser element as a second insulating film. Further, a p-pad electrode is formed on the p-electrode in the order of Ni—Ti—Au with a thickness of 1000 to 1000 to 8000. Next, after adjusting the GaN substrate to have a film thickness of about 85 μm, an n-electrode having a thickness of 100 mm, 2000 mm, and 3000 mm is formed on the back surface of the substrate in the order of V-Pt-Au.
次に、窒化物半導体層側からブレーキングして、劈開することでバー形状とする。窒化物半導体層の劈開面は、窒化物半導体のM面(11−00面)となっており、この面を共振器面とする。 Next, braking is performed from the nitride semiconductor layer side, and the bar shape is obtained by cleaving. The cleavage plane of the nitride semiconductor layer is the M plane (11-00 plane) of the nitride semiconductor, and this plane is the resonator plane.
上記のように形成されたバー形状の窒化物半導体の光出射側端面に誘電体膜を設ける。光出射側端面には、ZrO2、Nb2O5、Al2O3、TiO2等の誘電体膜を膜厚150nmで形成する。
次に、光反射側端面にはAlxOyからから成る誘電体膜を形成した後、SiO2とZrO2から成る反射ミラーを形成する。
A dielectric film is provided on the light emitting side end face of the bar-shaped nitride semiconductor formed as described above. A dielectric film such as ZrO 2 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 , or TiO 2 is formed with a thickness of 150 nm on the light emitting side end face.
Next, after forming a dielectric film made of Al x O y on the light reflection side end face, a reflection mirror made of SiO 2 and ZrO 2 is formed.
その後、バー形状の半導体からチップ化して矩形状の窒化物半導体レーザ素子を形成する。共振器長は600μm、チップ幅を200μmとする。以上より、得られる窒化物半導体レーザ素子は電極の接触抵抗が低く、密着性が良好であって、CODレベルが800mW以上である。またKinkパワーが400mWとなる。寿命試験(Tc=70℃、CWで出力100mW)を行った結果、5000時間以上の結果を得ることができる。また本実施例における窒化物半導体レーザ素子は、室温において閾値電流密度3.5kA/cm2、CW駆動時で150mWの高出力において発振波長405nmの連続発振可能なものである。
本実施例ではVfは3.89Vとなる。金属層M3を成膜しないものはVfが3.96であり、これに比べてVfの下げ率が約5以上%となる。また、パッド電極との密着性についても良好になる。
P側電極とpパッド電極の接触面積に応じて、密着性が向上する。本実施例では金属層M3を成膜しないものに比べて電極の表面に形成される酸化膜の割合を1/10以下にすることができる。
これらの特性向上は、レーザーダイオードに限らずLEDにおいても、電極とパッド電極との接触抵抗を改善できると共に、FaceDown構造を採用する場合においても歩留まりを向上できる。
Thereafter, the bar-shaped semiconductor is chipped to form a rectangular nitride semiconductor laser element. The resonator length is 600 μm and the chip width is 200 μm. As described above, the obtained nitride semiconductor laser device has low electrode contact resistance, good adhesion, and a COD level of 800 mW or more. The Kink power is 400 mW. As a result of conducting a life test (Tc = 70 ° C., CW output of 100 mW), a result of 5000 hours or more can be obtained. In addition, the nitride semiconductor laser element in this example can continuously oscillate at a threshold current density of 3.5 kA / cm 2 at room temperature and a high output of 150 mW when driven at CW and an oscillation wavelength of 405 nm.
In this embodiment, Vf is 3.89V. In the case where the metal layer M3 is not formed, Vf is 3.96, and the reduction rate of Vf is about 5% or more compared to this. Further, the adhesion with the pad electrode is also improved.
The adhesion is improved according to the contact area between the P-side electrode and the p-pad electrode. In this embodiment, the ratio of the oxide film formed on the surface of the electrode can be reduced to 1/10 or less as compared with the case where the metal layer M3 is not formed.
These characteristic improvements can improve the contact resistance between the electrode and the pad electrode not only in the laser diode but also in the LED, and can improve the yield even when the FaceDown structure is adopted.
[実施例2]
実施例2では、p側電極をNi―Pt−Ni−Pt―Ni(10Å―1000Å―80Å―500Å―10Å)の順に形成させる。p側電極をこのような材料で形成する以外は、実施例1と同様に行う。このようにして得られる窒化物半導体レーザ素子は、電極の剥がれは確認されず、実施例1と同様の効果が期待できる。また室温において閾値電流密度2.0kA/cm2、65mWの高出力において発振波長405nmの連続発振可能なものである。
[Example 2]
In Example 2, the p-side electrode is formed in the order of Ni—Pt—Ni—Pt—Ni (10 (-1000Å-80Å-500Å-10Å). The same procedure as in Example 1 is performed except that the p-side electrode is formed of such a material. In the nitride semiconductor laser device thus obtained, no electrode peeling is confirmed, and the same effect as in Example 1 can be expected. Further, it can continuously oscillate at an oscillation wavelength of 405 nm at a threshold current density of 2.0 kA / cm 2 and a high output of 65 mW at room temperature.
[実施例3]
実施例3では、p側電極を最下層―第1金属層―第2金属層―第3金属層―最上層の順に形成させる。具体的には、p側電極をNi―Au―Ni―Au−Ni(10Å―1000Å―80Å―500Å―10Å)で形成させる。他の工程は実施例1と同様に行い、本発明の窒化物半導体レーザ素子を得る。上記のようにして得られる窒化物半導体レーザ素子は、電極の剥がれは確認されず、室温において閾値電流密度2.0kA/cm2、65mWの高出力において発振波長405nmの連続発振可能なものである。
[Example 3]
In Example 3, the p-side electrode is formed in the order of the lowermost layer, the first metal layer, the second metal layer, the third metal layer, and the uppermost layer. Specifically, the p-side electrode is formed of Ni—Au—Ni—Au—Ni (10Å-1000Å-80Å-500Å-10Å). Other steps are performed in the same manner as in Example 1 to obtain the nitride semiconductor laser device of the present invention. The nitride semiconductor laser device obtained as described above is capable of continuous oscillation with a threshold current density of 2.0 kA / cm 2 at room temperature and an oscillation wavelength of 405 nm at a high output of 65 mW, with no electrode peeling confirmed. .
本発明の窒化物半導体素子は、大電流駆動が可能であるレーザダイオード(レーザ素子)に限らず、高輝度LED、受光素子、その他にはFET等の電子デバイスに用いることができる。特にレーザダイオードは、光ディスク用途、光通信システム、印刷機、露光用途、測定等に利用することができる。 The nitride semiconductor device of the present invention is not limited to a laser diode (laser device) capable of being driven by a large current, but can be used for an electronic device such as a high-brightness LED, a light-receiving device, or an FET. In particular, the laser diode can be used for optical disc applications, optical communication systems, printing presses, exposure applications, measurements, and the like.
100…基板、110…n側窒化物半導体層、120…活性層、130…p側窒化物半導体層、140…第1の絶縁膜、150…p側電極、160…第2の絶縁膜、170…p側パッド電極、180…n側電極、190…n側パッド電極
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記電極は、少なくとも前記積層半導体層側から第1金属層、第2金属層、第3金属層を順に積層しており、
前記第1金属層と第3金属層とは、同一材料を含有する金属層であって、第1金属層は第3金属層よりも密度が高いものであり、
前記第2金属層は、前記第1金属層及び第3金属層とは異なる材料を含有していることを特徴とする窒化物半導体素子。 In a nitride semiconductor device comprising: a stacked semiconductor layer in which a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer are sequentially stacked; and an electrode formed on an upper surface of the second conductivity type semiconductor layer.
The electrode has a first metal layer, a second metal layer, and a third metal layer laminated in order from at least the laminated semiconductor layer side,
The first metal layer and the third metal layer are metal layers containing the same material, and the first metal layer is higher in density than the third metal layer,
The nitride semiconductor device, wherein the second metal layer contains a material different from that of the first metal layer and the third metal layer.
前記電極は、少なくとも前記積層半導体層側から酸化防止機能を有する金属層、他層の析出を防止するバリア金属層を順に積層しており、
前記酸化防止機能を有する金属層とバリア金属層とは、同一材料を含有する金属層であって、前記酸化防止機能を有する金属層はバリア金属層よりも密度が高いものであることを特徴とする窒化物半導体素子。 In a nitride semiconductor device comprising: a stacked semiconductor layer in which a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer are sequentially stacked; and an electrode formed on an upper surface of the second conductivity type semiconductor layer.
The electrode is formed by sequentially laminating a metal layer having an antioxidant function from at least the laminated semiconductor layer side, and a barrier metal layer for preventing precipitation of other layers,
The metal layer having an antioxidant function and the barrier metal layer are metal layers containing the same material, and the metal layer having the antioxidant function is higher in density than the barrier metal layer, Nitride semiconductor device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006264808A JP2008085151A (en) | 2006-09-28 | 2006-09-28 | Nitride semiconductor element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006264808A JP2008085151A (en) | 2006-09-28 | 2006-09-28 | Nitride semiconductor element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008085151A true JP2008085151A (en) | 2008-04-10 |
Family
ID=39355677
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006264808A Pending JP2008085151A (en) | 2006-09-28 | 2006-09-28 | Nitride semiconductor element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008085151A (en) |
-
2006
- 2006-09-28 JP JP2006264808A patent/JP2008085151A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3864782B2 (en) | Nitride semiconductor laser device | |
CA2458134C (en) | Nitride semiconductor device | |
JP5285835B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP4947035B2 (en) | Nitride semiconductor device | |
JP4940987B2 (en) | Nitride semiconductor laser device and manufacturing method thereof | |
JP2006173621A (en) | Semiconductor laser | |
JP2002374043A (en) | Gallium nitride compound semiconductor device | |
JP2006066869A (en) | Nitride semiconductor laser device and nitride semiconductor device | |
JP2004274042A (en) | Nitride semiconductor device | |
US8358674B2 (en) | Semiconductor laser element and method of manufacturing thereof | |
JP5098135B2 (en) | Semiconductor laser element | |
JP4529372B2 (en) | Semiconductor laser element | |
JP3311275B2 (en) | Nitride based semiconductor light emitting device | |
US7440482B2 (en) | Nitride semiconductor laser element and method for manufacturing the same | |
JP4043087B2 (en) | Nitride semiconductor device manufacturing method and nitride semiconductor device | |
JP2004281432A (en) | Nitride semiconductor element and its manufacturing method | |
JP2000196201A (en) | Nitride semiconductor laser element | |
JP3847000B2 (en) | Nitride semiconductor device having nitride semiconductor layer with active layer on nitride semiconductor substrate and method for growing the same | |
JP4383753B2 (en) | Nitride semiconductor device manufacturing method and nitride semiconductor device | |
JP4457417B2 (en) | Nitride semiconductor laser device | |
JP2009170895A (en) | Nitride semiconductor device and semiconductor laser | |
JP2002204036A (en) | Nitride semiconductor laser element and its manufacturing method | |
JP3502527B2 (en) | Nitride semiconductor laser device | |
JP4131293B2 (en) | Nitride semiconductor laser device and nitride semiconductor device | |
JP2005101536A (en) | Nitride semiconductor laser element |