JP2008171997A - ＧａＮ系半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｕ膜を含む金属多層膜で構成された透明電極におけるＡｕの拡散を防止するようにしたＧａＮ系半導体発光素子を提供する。
【解決手段】サファイア基板１上に、ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３、ＭＱＷ活性層４、ｐ型ＧａＮコンタクト層５が順次積層されており、ｎ型ＧａＮコンタクト層３が露出した面にｎ側パッド電極８が形成されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層５の上面全体に設けられた金属多層膜透明電極６は、例えば、ｐ型ＧａＮコンタクト層５側からＮｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ｎｉで構成される。ＴｉがＡｕの拡散防止金属層となって、Ａｕの拡散を阻止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、透明電極を備えたＧａＮ系半導体発光素子に関する。

例えば、窒化物半導体は、照明、バックライト等用の光源として使われる青色ＬＥＤ、多色化で使用されるＬＥＤ、ＬＤ等に用いられている。バルク単結晶の製造が困難なために、サファイア、ＳｉＣ等の異種基板の上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を利用してＧａＮを成長させることが行われている。サファイア基板は、エピタキシャル成長工程の高温アンモニア雰囲気中の安定性にすぐれているので、成長用基板として特に用いられる。サファイア基板は絶縁性基板であり、サファイア基板上の窒化物半導体は、エピタキシャル成長後にｎ型窒化ガリウム層を露出するまでドライエッチングし、エッチングされた面にｎ型コンタクトを形成して、同一面側にｐ型とｎ型の二つの電極を設けている。

このようなＧａＮ系半導体発光素子のｐ電極が形成されるコンタクト層は、ＧａＮを含んだｐ型ＧａＮ系半導体層で構成されている。ｐ型ＧａＮ系半導体層の比抵抗は通常数Ωｃｍと非常に高いので、ｐ型層で層方向（横方向）の十分な電流広がりを得ることができない。電流広がりを大きくするためには膜厚を厚く取ればよいが、比抵抗が数Ωｃｍのオーダーであると、チップの標準的な大きさは横方向が数１００μｍ程度になるので、これに対応する膜厚は数ｍｍのオーダーが必要となり、全く現実的でない。

そこで、通常、ｐ型ＧａＮ系コンタクト層全体をほぼ覆うようなｐ電極を形成するようにして、横方向全体に電流が流れるようにしている。しかし、ｐ電極側から光を取り出す場合、このままではｐ電極が光を吸収してしまうので、数ｎｍ程度の非常に薄い透明金属電極が用いられる。例えば、特許文献１では、ｐ型ＧａＮコンタクト層とオーミック接触性の良いＮｉ（ニッケル）とＡｕ（金）との金属多層膜が用いられている。

これは、ｐ型ＧａＮコンタクト層上にＮｉを、Ｎｉの上にＡｕ蒸着後、５００℃程度の温度で酸素を含む雰囲気中におけるアニール処理によって、ウエハを熱アロイすることによりＮｉとＡｕとを合金化し、透光性にしている。

また、上記のＧａＮ系半導体発光素子を保護し、表面リークを防止してフリップチップボンディングが行えるように、ｎ側及びｐ側のパッド電極上面を除いてチップの表面を絶縁膜で覆った発光素子が提案されている。絶縁膜は透明金属電極上にも設けられるが、光を取り出す必要性があるので、透明性（透光性）がなければならず、通常、ＳｉＯ_２等の酸化膜が用いられる。
特開平２００６−１１４８１３号公報

上記従来技術のように、ｐ型ＧａＮコンタクト層上にＮｉ／Ａｕ透明金属電極を設けてｐ電極側から光を取り出すようにした場合、以下のような問題が発生する。

同一面側にｐ電極とｎ電極の二つの電極を設ける場合においては、エピタキシャル成長後にｎ型ＧａＮ層を露出するまでドライエッチングして、ｎ電極を形成する必要がある。また、ｐ電極とｎ電極が対向して設けられた発光素子であっても、チップ毎に分離する際にドライエッチングで分離溝を形成しておく必要がある。

上記のような、ドライエッチングを用いる工程が発生する場合、ドライエッチング時のマスクを透明金属電極で代用する試みが行われているが、従来技術のように、Ｎｉ／Ａｕ透明金属電極であると、ドライエッチングのプラズマが透明金属電極下のｐ型ＧａＮコンタクト層や活性層に損傷を与え、最悪の場合は発光しなくなる。したがって、透明金属電極上にマスクを形成して、ドライエッチングを行った後、マスクを除去しなければならず、作業時間とコストが増大していた。

一方、前述のようにｎ側及びｐ側のパッド電極上面を除いてチップの表面を透明の絶縁膜で覆った場合は、絶縁膜形成後、透明金属電極上に形成されている絶縁膜が剥離しやすいという問題も発生していた。

これらの問題は、透明金属電極が従来のようにＮｉ／Ａｕの金属多層膜であると、Ａｕが拡散の容易な金属であり、どんな材料とであっても、比較的低い温度（５００℃以下）で非常に速く拡散してしまうという性質をもつために発生する。

最初のドライエッチングの際にマスクとして代用できない問題は、Ｎｉ／Ａｕの金属多層膜をアニール処理によって透明化すると、Ａｕの一部が拡散してＮｉと共晶化し、Ａｕ膜の薄くなった部分からプラズマ粒子が通過して、コンタクト層や活性層に損傷を与えるためである。

また、２番目の透明絶縁膜が剥がれやすいという問題は、絶縁膜を形成する場合には、温度４００℃の雰囲気中でプラズマＣＶＤ等を用いて作製されるために、透明金属電極Ｎｉ／ＡｕのＡｕが絶縁膜に拡散してＳｉＯ_２と共晶化してしまい、ＳｉＯ_２が剥離しやすくなるためである。

そこで、Ａｕを使用せず、Ｎｉ／Ａｌの金属多層膜による透明金属電極を用いることも考えられるが、透明度を上げるためには、Ａｌの割合を増やさなければならない。しかし、Ａｌ（アルミニウム）の割合が増加すると、透明金属電極自身の抵抗値が増加して、発光強度が低下するという問題があった。また、Ｎｉ／Ａｕ透明金属電極にしても、リーク電流が多く、発光強度が低下するという問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、Ａｕ膜を含む金属多層膜で構成された透明電極におけるＡｕの拡散を防止するとともに発光強度を向上させるようにしたＧａＮ系半導体発光素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ｐ型ＧａＮ系半導体層の表面に透明電極が形成されているＧａＮ系半導体発光素子であって、前記透明電極はｐ型ＧａＮ系半導体層と接触する側からＮｉ膜、Ａｕ膜、Ａｕ拡散防止金属膜の順で積層された金属多層膜を少なくとも含むように構成されていることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子である。

また、請求項２記載の発明では、前記Ａｕ拡散防止金属膜は、Ｔｉ又はＰｔで構成されていることを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系半導体発光素子である。

また、請求項３記載の発明では、前記透明電極はＡｕ拡散防止金属膜のｐ型ＧａＮ系半導体層とは反対側に、Ｎｉ膜、Ｍｏ膜、Ｃｕ膜、Ｗ膜のいずれか１つが少なくとも形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のＧａＮ系半導体発光素子である。

また、請求項４記載の発明では、前記透明電極はＡｕ拡散防止金属膜のｐ型ＧａＮ系半導体層とは反対側に、Ａｌ膜又はＡｌ膜とＮｉ膜が順に積層された多層膜又はＡｌ膜とＮｉ膜とＡｌ膜とが順に積層された多層膜のいずれか１つが形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のＧａＮ系半導体発光素子である。

透明電極を構成している金属多層膜において、ｐ型ＧａＮ系半導体層と接触する層についてはＮｉ膜を用いて、オーミック接触を取ることができるようにし、Ｎｉ膜の上層には化学的安定性が高く、酸化雰囲気に強いＡｕ膜を用いて電極のコアとし、さらにＡｕ膜の直上には、透明電極を作製する場合や透明電極上に絶縁膜を形成する場合等、高温処理が行われるときに、Ａｕ膜の直下に形成されているＮｉ膜や上層の絶縁膜にＡｕが拡散して共晶化しないように、Ａｕ拡散防止金属膜を設けているので、ＡｕがＡｕ拡散防止膜に固定化されて他の構成物への拡散を防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１（ａ）は本発明の第１のＧａＮ系半導体発光素子の断面構造の一例を示し、図１（ｂ）は金属多層膜透明電極６の詳細構成を示す。ここで、ＧａＮ系半導体とは、窒素を含む六方晶化合物半導体の中でも良く知られたIII−Ｖ族窒化物半導体であり、４元混晶系のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される。

したがって、ＧａＮ系半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の２元混晶であってもよく、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）または窒化アルミニウムインジウム（ＩｎＧａＮ）等の３元混晶、及び窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）等の４元混晶であってもよい。これらの材料を基板上に付着させて、発光素子として使用可能な積層半導体構造を製造する。

図１（ａ）では、サファイア基板１の上に、ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３、ＭＱＷ活性層４、ｐ型ＧａＮコンタクト層５が順次積層されており、ｐ型ＧａＮコンタクト層５から一部領域がメサエッチングされて、ｎ型ＧａＮコンタクト層３が露出した面にｎ側パッド電極８が形成されている。一方、ｐ型ＧａＮコンタクト層５の上面全体に金属多層膜透明電極６が形成されており、金属多層膜透明電極６の上にｐ側パッド電極７が設けられている。

ＭＱＷ活性層４は、多重量子井戸構造（Multi Quantum Well）を有する活性層であり、井戸層（ウェル層）を、井戸層よりもバンドギャップの大きな障壁層（バリア層）でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を多重化したものとなっている。この量子井戸構造は、多重化せずに１つとしても良く、この場合は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single Quantum Well）となる。

金属多層膜透明電極６は、図１（ｂ）に示すように、例えば、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと４層の金属層から構成されている。ここで、６ａはＮｉ（ニッケル）膜、６ｂはＡｕ（金）膜、６ｃはＡｕ膜６ｂの拡散を防止するためのＡｕ拡散防止金属膜であり、６ｄは例えばＮｉ膜で構成される。Ａｕ拡散防止金属膜６ｃは、Ａｕ膜６ｂの直上に設けられており、Ｔｉ（チタン）又はＰｔ（白金）で構成される。ＴｉやＰｔは、融点がＡｕよりも高く、Ａｕと共晶化しやすい金属であり、ＡｕがＡｕ膜６ｂ直下のＮｉ膜６ａに流動化するのを防ぐことができる。また、６ｄはＮｉ膜の代わりにＭｏ（モリブテン）膜、Ｃｕ（銅）膜、Ｗ（タングステン）膜のいずれかを用いても良い。

ところで、上述したように、ｎ側パッド電極８を作製するためには、ｐ型ＧａＮコンタクト層５〜ｎ型ＧａＮコンタクト層３の途中に至るまでメサエッチングを行わなければならず、このメサエッチングにはプラズマ等を用いたドライエッチングが使用される。ドライエッチング時には、通常、サファイア基板１上にＧａＮバッファ層２〜ｐ型ＧａＮコンタクト層５までを積層し、金属多層膜透明電極６を設ける領域にマスクを形成し、メサエッチングを行ってから、マスクをリフトオフし、その後金属多層膜透明電極６を積層するようにしている。しかし、本発明のように、金属多層膜透明電極６をＮｉ膜６ａ、Ａｕ膜６ｂ、Ａｕ拡散防止金属膜６ｃ、Ｎｉ膜６ｄとした場合には、これを上記メサエッチング時のマスクに流用することができる。

図１の第１のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を以下に説明する。製造方法としては、主としてＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いる。ＭＯＣＶＤ装置内に、サファイア基板１を搬送し、サファイア基板１上に、例えば、ＧａＮバッファ層２を膜厚０．０１μｍ以下で、６００〜７００℃の低温で成長させる。その後、１０００℃以上に基板温度を上げて、ｎ型ＧａＮコンタクト層３を膜厚３〜５μｍで積層し、７００℃程度に温度を下げて、ＭＱＷ活性層４を井戸層をＩｎＧａＮ、バリア層をＧａＮで交互に数周期積層し膜厚０．１μｍで、次に基板温度を１０００℃以上に上げて、ｐ型ＧａＮコンタクト層５を膜厚０．１〜０．３μｍで積層する。

次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層５上の金属多層膜透明電極６を形成する所定の領域を除いてレジストを形成する。この状態で、Ｎｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ｎｉの金属多層膜とし、これらの膜厚は、例えば、各々４ｎｍ／８ｎｍ／１ｎｍ／４ｎｍとなるように蒸着により積層する。その後、レジストをリフトオフし、酸素を含む雰囲気中で５００℃程度の温度でアニール処理を行う。このアニール処理により、上記金属多層膜が透明化される。

その後、形成した金属多層膜透明電極６をマスクの代わりにして、ｐ型ＧａＮコンタクト層５からｎ型ＧａＮコンタクト層３が露出するまで一部領域をドライエッチングする。このドライエッチングは、プラズマ電力１５０Ｗ、バイアス電力５０Ｗとし、塩素ガス５０ｃｃ／分、ＳｉＣｌ_４ガス５ｃｃ／分の流量で、圧力０．６Ｐａで行った。この条件のドライエッチングを４分間程行い、最大０．６μｍまでのＧａＮ系半導体を除去した。

その後、蒸着又はスパッタにより、ｐ側パッド電極７を、Ａｌ／Ｎｉであれば膜厚２００ｎｍ／３０ｎｍ、Ｔｉ／Ａｕであれば膜厚２０ｎｍ／２００ｎｍ、Ｔｉ／Ａｌであれば膜厚１０ｎｍ／２００ｎｍ、Ｐｄ／Ａｕであれば膜厚１０ｎｍ／２００ｎｍとして、これらのいずれかの金属多層膜で作製する。また、蒸着又はスパッタにより、ｎ側パッド電極８を、Ｔｉ／Ａｌであれば膜厚１０ｎｍ／２００ｎｍ、Ａｌ／Ｎｉであれば膜厚２００ｎｍ／３０ｎｍ等として、これらのいずれかの金属多層膜で作製する。

各半導体層の製造については、例えば、ＧａＮ層を作製する場合は、キャリアガスの水素又は窒素とともに、Ｇａ原子の原料ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、および、窒素原子の原料ガスであるアンモニア（ＮＨ_３）を用いた。ｎ型ＧａＮとする場合には、ｎ型のドーパントガスとしてのシラン（ＳｉＨ_４）等、ｐ型ＧａＮとする場合には、ｐ型のドーパントガスとしてのＣＰ_２Ｍｇ（シクロペンタジエチルマグネシウム）等を上記反応ガスに加える。ＡｌＧａＮ層を作製する場合は、ＴＭＧａ、ＮＨ_３にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加える。

このようにして各半導体層の成分に対応する反応ガス、ｎ型、ｐ型にする場合のドーパントガスを供給して、最適な成長温度に変化させて順次結晶成長させることにより、所定の組成で、所定の導電型の半導体層を、必要な厚さに形成した。不純物のドーピング濃度は、それぞれの原料ガスの流量によって制御した。

図４は、金属多層膜透明電極６をＮｉ膜６ａ、Ａｕ膜６ｂ、Ｔｉ膜６ｃ、Ｎｉ膜６ｄと構成し、これらの各層の膜厚ついて、Ｎｉ膜６ａを４ｎｍ、Ａｕ膜６ｂを８ｎｍ、Ｔｉ膜６ｃを１ｎｍ、Ｎｉ膜６ｄを４ｎｍで構成した場合の表面状態を示す。一方、この金属多層膜透明電極６をメサエッチングのマスクとして用いた場合、上述した条件のプラズマによるドライエッチング後の金属多層膜透明電極６の表面状態を示すのが図５である。ドライエッチング後であっても、表面荒れの状態は生じていない。

ドライエッチングの影響が、金属多層膜透明電極の表面状態だけではなく、実際にＧａＮ系半導体発光素子の光出力−電流特性に及ぼす影響を比較したのが、図２である。図２は、図１の第１のＧａＮ系半導体発光素子において金属多層膜透明電極６を上述のように、Ｎｉ膜６ａ、Ａｕ膜６ｂ、Ｔｉ膜６ｃ、Ｎｉ膜６ｄで構成し、上述したドライエッチングのマスクとして用いた場合の光出力−電流特性をＸ、金属多層膜透明電極６を従来のＮｉ／Ａｕで構成し、ドライエッチングのマスクとして用いた場合の光出力−電流特性をＹで示す。

本発明における金属多層膜透明電極を用いたＸでは、電流の増加とともに発光出力も比例して増大しているが、従来の金属多層膜透明電極を用いたＹでは発光が見られない。従来構造のＮｉ／Ａｕの透明電極では、ドライエッチングの際のプラズマ粒子が透明電極で防ぎきれずに、ｐ型ＧａＮ系コンタクト層や活性層にまでダメージが浸透してしまい、素子が発光しなくなったためである。

これは、前述したように、Ａｕが拡散しやすい金属であり、どんな材料とであっても、比較的低い温度（５００℃以下）で非常に速く拡散してしまうという性質をもつためである。Ｎｉ／Ａｕの金属多層膜を透明化するアニール処理において、Ａｕ膜６ｂの一部のＡｕが拡散してＡｌと共晶化し、Ａｕ膜６ｂの密度が薄くなった部分からプラズマ粒子が通過して、エピタキシャル層にダメージを与える。一方、Ａｕ膜６ｂの膜厚を厚くすると、プラズマ粒子のダメージを抑制することができるが、電極の透明度がなくなってしまうという問題がある。

しかし、第１のＧａＮ系半導体発光素子の金属多層膜透明電極６の構成とすることで、Ｎｉ膜への拡散を防いで、金属多層膜透明電極６をドライエッチングの際のマスクとして代用でき、Ａｕ膜６ｂの膜厚を厚くする必要がないので、透明度も確保できる。

図３は、発光特性を示すもので、本発明における金属多層膜透明電極６を用いた場合をＸ、金属多層膜透明電極を従来構成のＮｉ／Ａｕとし、透明電極上にはマスクを形成してメサエッチングを行い、ドライエッチングによるＧａＮ系半導体層へのダメージがない状態にした場合をＹとして表示した。このように、本発明における金属多層膜透明電極６を用いたＸの方が、全体の膜厚が厚くなったにもかかわらず、電圧−電流特性が非常に良くなっており、閾値電流は、従来構成のＹの方が非常に高い。これは、Ｘの方がリーク電流が少なくなって、発光強度も向上したことを示している。なお、上記の効果は、Ｎｉ膜６ｄの代わりにＭｏ膜、Ｃｕ膜、Ｗ膜のいずれかを用いても同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第２のＧａＮ系半導体発光素子の断面構造の一例を示し、基本的に図１の構成に絶縁膜９を形成した構造となっている。図１と同じ符号を付している部分は、同じ構成を示す。ｐ側パッド電極７の上にはｐ側ボンディング用電極が、ｎ側パッド電極８上にはｎ側ボンディング用電極が形成されている。また、金属多層膜透明電極６１は図７のように最大６層の金属層で構成されている。ＭＱＷ活性層４で発生した光は、金属多層膜透明電極６１を透過して、ｐ電極側から取り出されるので、絶縁膜９は、透明性のあるものでなくてはならない。したがって、可視光領域でも透光性のある酸化絶縁膜が用いられ、例えば、ＳｉＯＮやＳｉＯ_２等が挙げられる。

絶縁膜９にＡｕが拡散して絶縁膜９が剥離しやすくなるのを防ぐために、金属多層膜透明電極６１は、ｐ型ＧａＮコンタクト層５側から、Ｎｉ膜６１ａ、Ａｕ膜６１ｂ、Ａｕ拡散防止金属膜６１ｃ、Ａｌ膜６１ｄ、Ｎｉ膜６１ｅ、Ａｌ膜６１ｆで構成される。これらの膜厚は、例えば、Ｎｉ膜６１ａが４ｎｍ、Ａｕ膜６１ｂが８ｎｍ、Ａｕ拡散防止金属膜６１ｃが１ｎｍ、Ａｌ膜６１ｄが４ｎｍ、Ｎｉ膜６１ｅが１．５ｎｍ、Ａｌ膜６１ｆが１６ｎｍで形成される。また、第１のＧａＮ系半導体発光素子と同様、Ａｕ拡散防止金属膜６１ｃにはＴｉ（チタン）又はＰｔ（白金）が用いられる。なお、後述するように、金属多層膜透明電極６１は５層又は４層としても良く、少なくともＮｉ、Ａｕ、Ａｕ拡散防止金属（Ｔｉ又はＰｔ）、Ａｌが各１層使用されていることが望ましい。

図６の第２のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法については、図１のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法と同様に、サファイア基板１上にｐ型ＧａＮコンタクト層５までの各半導体層を結晶成長させて金属多層膜透明電極６１を形成した後、ｐ型ＧａＮコンタクト層５からｎ型ＧａＮコンタクト層３が露出するまで一部領域をドライエッチングし、ｐ側パッド電極７、ｎ側パッド電極８を形成する。ｐ側パッド電極７及びｎ側パッド電極８は、ともに例えば、Ａｌ／Ｎｉの金属多層膜とし、これらの膜厚は、３００ｎｍ／５００ｎｍとした。

その後、ｐ側パッド電極７及びｎ側パッド電極８のボンディング用電極とのコンタクト領域を除いて絶縁膜９としてＳｉＯ_２を例えば５μｍ程度の厚みで素子表面や側面に形成する。ＳｉＯ_２の形成は、プラズマＣＶＤにより形成し、ＳｉＨ_４を１０ｓｃｃｍ、Ｎ_２Ｏを５０ｓｃｃｍ、温度４００℃、４００Ｗで７０分程行った。

次に、蒸着又はスパッタにより、ｐ側パッド電極７上にｐ側ボンディング用電極１０を、ｎ側パッド電極８上にｎ側ボンディング電極１１を形成する。ｐ側ボンディング用電極１０及びｎ側ボンディング用電極１１ともに、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕの金属多層膜構成とし、各膜厚は、例えば５０ｎｍ／３００ｎｍ／５０ｎｍ／５０ｎｍ／７００ｎｍで形成する。

図１０は、第２のＧａＮ系半導体発光素子の表面状態を示すものであり、金属多層膜透明電極６１の層構造を図７の６層ではなく、６１ｆを減らして５層とし、その構成をＮｉ（６１ａ）／Ａｕ（６１ｂ）／Ｔｉ（６１ｃ）／Ａｌ（６１ｄ）／Ｎｉ（６１ｅ）とした。これらの膜厚は、３ｎｍ／８ｎｍ／１ｎｍ／４ｎｍ／１．５ｎｍとした。また、絶縁膜９もＳｉＯＮとＳｉＯ_２の２層構造に形成した。

一方、図１１は、従来構造の金属多層膜透明電極Ｎｉ／Ａｕを用いたＧａＮ系半導体発光素子表面の状態を示し、その膜厚は４ｎｍ／８ｎｍとした。また絶縁膜は、図１０と同様、ＳｉＯＮとＳｉＯ_２の２層構造で構成した。図１０、１１（ａ）でやや白ぽく長方形状で表されている部分が、絶縁膜であり、その前後に見えるのがｐ電極とｎ電極である。図１０では、特に、表面的には問題がないが、図１１（ａ）では、絶縁膜の一部が渦巻き形状で白く光っているのがわかる。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）で白く光っている部分を拡大したものであり、はっきりと、渦巻き状の縞が現われているのがわかる。これは、絶縁膜が剥離して、光の干渉が発生したことを示す。

以上のように、従来構造の金属多層膜透明電極Ｎｉ／Ａｕでは、その上に形成された絶縁膜が剥離するという現象が発生するが、本発明の金属多層膜透明電極では、光の干渉縞が発生しておらず、絶縁膜の剥離が生じなかった。これは、従来構造では、絶縁膜９を形成する場合に、上記のように４００℃程度の温度で長時間かけて作製するものであるから、金属多層膜透明電極中のＡｕが流動化して絶縁膜９中に拡散してしまうためである。

また、金属多層膜透明電極６１上の絶縁膜９が剥離しないという効果だけではなく、以下のような効果も生じる。図９は、図６の構成を用いて、本発明の金属多層膜透明電極６１の構造をＮｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉの５層構造にしたものをＺ３で、Ｎｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｌと６層構造にしたものをＺ４で示す。これらの膜厚は、Ｚ３が３ｎｍ／８ｎｍ／１ｎｍ／４ｎｍ／１．５ｎｍ／１６ｎｍ、Ｚ４が３ｎｍ／８ｎｍ／１ｎｍ／４ｎｍ／１．５ｎｍである。一方、従来構造の金属多層膜透明電極としてＮｉ（４ｎｍ）／Ａｕ（８ｎｍ）で構成したものをＺ２で示し、Ｎｉ（４ｎｍ）／Ａｕ（８ｎｍ）／Ａｌ（１６ｎｍ）で構成したものをＺ３で示す。

本発明による金属多層膜透明電極を示すＺ４、Ｚ３の方が従来構造Ｚ１又はＺ２よりも膜厚は厚くなって光の透過率が減少しているにもかかわらず、発光強度が向上していることがわかる。特に、Ｚ４は６層構造にかかるもので、膜厚がもっとも厚く光の透過率も最も低いはずであるが、輝度が増大しており、顕著な発光強度の改善が見られる。

この理由を示すのが、図８である。Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４は、図９のＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４にかかる金属多層膜透明電極に対応している。図８の横軸は電圧（Ｖｆ）、縦軸は電流（Ｉｆ）を示し、Ｖｆの単位はボルト（Ｖ）、Ｉｆの単位は１０^−６アンペア（Ａ）を示す。この電流−電圧特性を測定する構成として、ｐ型ＧａＮ層上に従来構造又は本発明の金属多層膜透明電極を形成し、この金属多層膜透明電極上に所定間隔を開けて、測定用の＋側の正電極と−側の負電極を配置し、前記正電極と負電極との間に電流を流して、電流−電圧特性、すなわち金属多層膜透明電極の抵抗値を測定した。なお、前記の正電極と負電極ともに、Ａｌ／Ｎｉの金属多層膜で構成した。

図８からもわかるように、従来構造の金属多層膜透明電極を用いたＺ１、Ｚ２では、金属多層膜透明電極の抵抗値が大きく、一定の電流を得るには、高い電圧をかけなければならない。しかし、本発明の金属多層膜透明電極６１を用いたＺ３、Ｚ４では、金属多層膜透明電極の抵抗値が非常に小さくなり、わずかの電圧で、大きな電流が流れていることがわかる。以上のように、本発明の金属多層膜透明電極は、その上に形成した絶縁膜の剥離を防止することができるだけでなく、透明電極の抵抗値も減少させることができ、発光強度を向上させることができる。

本発明の第１のＧａＮ系半導体発光素子の断面構造の一例を示す図である。 ドライエッチング時のマスクの代わりに金属多層膜透明電極を用いた場合の素子の発光特性を示す図である。 第１のＧａＮ系半導体発光素子と従来構造の金属多層膜透明電極を有する発光素子との電流−電圧特性の比較を示す図である。 第１のＧａＮ系半導体発光素子における金属多層膜透明電極の表面状態を示す図である。 第１のＧａＮ系半導体発光素子にドライエッチングを施した後の金属多層膜透明電極の表面状態を示す図である。 本発明の第２のＧａＮ系半導体発光素子の断面構造の一例を示す図である。 第２のＧａＮ系半導体発光素子の金属多層膜透明電極の層構造を示す図である。 第２のＧａＮ系半導体発光素子と従来構造の金属多層膜透明電極を有する発光素子との電流−電圧特性の比較を示す図である。 第２のＧａＮ系半導体発光素子と従来構造の金属多層膜透明電極を有する発光素子との発光特性の比較を示す図である。 第２のＧａＮ系半導体発光素子の金属多層膜透明電極上に形成された絶縁膜の表面状態を示す図である。 従来構造の金属多層膜透明電極上に形成された絶縁膜の表面状態を示す図である。

符号の説明

１ サファイア基板
２ ＧａＮバッファ層
３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４ ＭＱＷ活性層
５ ｐ型ＧａＮコンタクト層
６ 金属多層膜透明電極
７ ｐ側パッド電極
８ ｎ側パッド電極
９ 絶縁膜
１０ ｐ側ボンディング電極
１１ ｎ側ボンディング電極
６１ 金属多層膜透明電極
６ａ、６１ａ Ｎｉ膜
６ｂ、６１ｂ Ａｕ膜
６ｃ、６１ｃ Ａｕ拡散防止金属膜
６１ｄ Ａｌ膜
６１ｅ Ｎｉ膜
６１ｆ Ａｌ膜

Claims (4)

1. ｐ型ＧａＮ系半導体層の表面に透明電極が形成されているＧａＮ系半導体発光素子であって、
   前記透明電極はｐ型ＧａＮ系半導体層と接触する側からＮｉ膜、Ａｕ膜、Ａｕ拡散防止金属膜の順で積層された金属多層膜を少なくとも含むように構成されていることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
2. 前記Ａｕ拡散防止金属膜は、Ｔｉ又はＰｔで構成されていることを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系半導体発光素子。
3. 前記透明電極はＡｕ拡散防止金属膜のｐ型ＧａＮ系半導体層とは反対側に、Ｎｉ膜、Ｍｏ膜、Ｃｕ膜、Ｗ膜のいずれか１つが形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
4. 前記透明電極はＡｕ拡散防止金属膜のｐ型ＧａＮ系半導体層とは反対側に、Ａｌ膜又はＡｌ膜とＮｉ膜が順に積層された金属多層膜又はＡｌ膜とＮｉ膜とＡｌ膜とが順に積層された金属多層膜のいずれか１つが形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のＧａＮ系半導体発光素子。