JP2008244161A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子の電極形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反射率が高く、窒化ガリウム層との接合強度を低下させない電極を提供する。
【解決手段】III族窒化物系化合物半導体発光素子１００は、サファイア基板１０、ｎ型ＧａＮ層１１、ｎ型ＡｌＧａＮ層１２、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造の発光層１３、ｐ型ＡｌＧａＮ層１４、ｐ型ＧａＮ層１５、ｐ⁺型ＧａＮ層１６を有する。ｐ⁺型ＧａＮ層１６には、ＩＴＯから成る透光性電極２１がほぼ全面に形成され、透光性電極２１上の一部に金から成るパッド電極２２が形成されている。ｎ型ＧａＮ層１１には、Ｔｉ層３１とＡｌ層３２とから成るｎ電極３０が形成されている。III族窒化物系化合物半導体発光素子１００は、ｎ電極３０が光反射電極層であり、透光性電極２１を通過した光の取り出しを行うフェイスアップ型ＬＥＤである。Ｔｉ層３１の厚さが１ｎｍ未満であり、Ｔｉ層３１で光吸収が生じない。
【選択図】図３

Description

本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。本願においてIII族窒化物系化合物半導体とは、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（ｘ、ｙ、ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下）で示される半導体、及び、ｎ型化／ｐ型化等のために任意の元素を添加したものを含む。更には、III族元素及びＶ族元素の組成の一部を、Ｂ、Ｔｌ；Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。

III族窒化物系化合物半導体発光素子は素子外部への光取り出し効率が小さい。そこで、電極を形成する金属として可視光の反射率が大きいものを用いる様々な工夫が提案されている（特許文献１乃至４）。
特開２００３−０８６８４３号公報 特開２００４−１７９３４７号公報 特開２００５−０１１８５７号公報 特開２００４−１４００５２号公報

ここで、いわゆるフェイスアップタイプのIII族窒化物系化合物半導体発光素子（発光ダイオード）の構成例を説明する。図８は従来例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子９００の構成を示す断面図である。III族窒化物系化合物半導体発光素子９００は、サファイア基板１０に図示しない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層を形成した後、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮ層１１、Ｓｉをドープしたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造の発光層１３、Ｍｇをドープしたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮ層１５及びｐ⁺型ＧａＮ層１６をＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）で順に積層したものである。
ｐ⁺型ＧａＮ層１６には、ＩＴＯから成る透光性電極２１がほぼ全面に形成され、透光性電極２１上の一部に金から成るパッド電極２２が形成されている。ｎ型ＧａＮ層１１には、バナジウム（Ｖ）層９１とアルミニウム（Ａｌ）層９２とから成るｎ電極９０が形成されている。III族窒化物系化合物半導体発光素子９００は、透光性電極２１を通過した光の取り出しを行うフェイスアップ型ＬＥＤである。

ｎ電極は安価である点でアルミニウムが多用される。また、アルミニウムは近紫外及び可視光領域における反射率が高く、この点で発光素子の電極に向く。しかし、アルミニウムは窒化ガリウム等との接合度が必ずしも強くないため、アルミニウムを直接窒化ガリウム上に形成するのではなく、他の金属等から成るコンタクト電極層を介して形成する必要がある。

ここにおいて、例えば図８のような構成において、バナジウム（Ｖ）層９１の厚さは２０ｎｍ（２００Å）程度とすることが多い。しかし本発明者らの測定によれば、図８のような構成において、わずか２０ｎｍ（２００Å）程度の厚さのバナジウム（Ｖ）層９１の存在により、ｎ電極９０とｎ型ＧａＮ層１１の界面における反射率が４０％程度となり、大きく光吸収が生じていることがわかった。一般にｎ電極は、発光素子の水平面の占有領域の１割程度を占めており、このような大きな面積での６割近い吸収が素子の光取り出し効率に及ぼす影響は決して無視できるものではない。

本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、反射率が高く、窒化ガリウム層との接合強度を低下させないようなオーミック電極を提供することである。

請求項１に係る発明は、III族窒化物系化合物半導体発光素子に電極を形成する方法において、III族窒化物系化合物半導体層上に、当該層との接合度が強い、又は当該層との接触抵抗が低い材料から成る第１電極層を平均厚さ１ｎｍ未満に形成し、第１電極層の上に、高反射性の金属から成る第２電極層を形成することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の電極形成方法である。
請求項２に係る発明は、第１電極層を、０．２ｎｍ／秒以下の速度で形成することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、第１電極層は、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、インジウム（Ｉｎ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、若しくはそれらの合金、或いはそれらの少なくとも１種を主成分とする合金、又は、れらの窒化物若しくは炭化物から成ることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、第２電極層は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）又はそれらの合金、或いはそれらの少なくとも１種を主成分とする合金から成り、膜厚が０．０３〜５μｍであることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、電極は、ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層上に形成されるｎ電極であることを特徴とする。

一般に、アルミニウムに代表される高反射性電極のみではIII族窒化物系化合物半導体層との接合強度が十分でないので、チタン（Ｔｉ）その他の材料から成る第１電極層を形成した後にアルミニウム（Ａｌ）等の材料から成る第２電極層を形成する。この際、チタン（Ｔｉ）その他の材料から成る第１電極層の厚さを１ｎｍ未満とする。また、当該超薄膜を制御良く形成するため、厚さ方向の形成速度は０．２ｎｍ／秒（２Å／秒）以下とすると尚良い。
これにより、チタン（Ｔｉ）その他の材料から成る第１電極層を形成する時間が短時間であり、当該形成中には平坦化が十分おこなわれず、起伏（凹凸）の多い表面となる。詳細は後に示すが、第１電極層の平均膜厚乃至その１／２程度の起伏（凹凸）が生じるようにする。これにより、チタン（Ｔｉ）その他の材料から成る第１電極層のIII族窒化物系化合物半導体層との接合強度を確保しながら、アルミニウム（Ａｌ）等の材料から成る第２電極層との接触面積を多くとることで、チタン（Ｔｉ）その他の材料から成る第１電極層を超薄膜とすることが可能となる。第１電極層を超薄膜とすることで、第１電極層における光吸収を十分に抑制し、且つ電極全体としてのIII族窒化物系化合物半導体層との接合強度を確保できる。即ち、電極としての接合強度を確保しながら、光取り出し効率の良いIII族窒化物系化合物半導体発光素子を実現できる。
尚、接合強度は、例えば２０ｎｍ（２００Å）程度に蒸着したものと比較して３／４程度であって、実用上の問題を生じる１／２以下には減少しない。

本発明はｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層に形成する電極として特に好適に用いることができる。尚、以下の実施例に示す通り、当該電極を正電極として用いることも可能である。また、電極構成によってはｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層に形成する電極とすることもできる。

第１電極層及び第２電極層の形成方法は、スパッタリング、蒸着、その他任意の公知の方法を採用しうる。本発明は極めて薄い第１電極層を形成するものであるので、そのような平均膜厚の制御が可能であることが必要である。
第１電極層を形成した際に表面に生ずる起伏（凹凸）は、仮想的な平均厚さ面に対して、５Å以上高い凸部を有する様に形成すると良い。第１電極層の平均膜厚は、実質的には０．３ｎｍ（３Å）を下回らないことが望ましい。
第２電極層の膜厚は、０．０３〜５μｍとすると良い。０．０３μｍ未満では光反射の効果が十分でない。５μｍ以上とすることには特に利点が無いが、設計上、安価なアルミニウム等を厚膜に形成する必要がある場合は所望の厚さに形成して良い。第２電極層の膜厚は、０．０５〜３μｍとすると良く、０．１〜２．５μｍで十分な光反射効果を得られる。
尚、素子の実装性その他を考慮して、第２電極層の上に更に電極層を積層しても良い。

第１電極層と第２電極層を形成する際に、例えばフォトレジストによりマスクを形成して電極形成の不必要な部分を覆い、第１電極層と第２電極層を形成後、マスクをリフトオフして不必要な電極層部分を除くと良い。この後、熱処理（アニーリング）を行うと良いが、当該熱処理は１００〜６５０℃の範囲で所望の温度にて実行して良い。

本発明を用いてIII族窒化物系化合物半導体発光素子を好適に製造できる。この際、発光素子としては、任意の構成を取ることができる。また、発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラその他の任意の発光素子として良い。発光素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。

具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＭｇＯ或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等が有効である。

ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を添加し、ｐ型不純物としては、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を添加することができる。

発光層は単層、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）その他任意の構成をとることができる。

高反射性の第２電極層の材料としては、緑色乃至青色、更には近紫外波長領域での反射性が良好なものが好ましい。単体の金属としては、アルミニウム、ロジウム、白金や銀を用いることが好ましい。或いはこれらを主成分とする合金や、これらの積層構造を第２電極層として採用することもできる。

以下、本発明者らの実験結果に従い、本発明の効果を示す。

まず、本発明の電極について、ｎ−ＧａＮに対する接触抵抗率を次のように測定した。
図１．Ａは測定に用いた電極の形状を示す平面図、図１．Ｂは電極を形成する下部構造を示す断面図である。図１．Ｂのように、サファイア基板１０に図示しない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層を介して、ＭＯＶＰＥにより厚さ約４μｍ、Ｓｉを４×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＧａＮ層１を形成し、電極Ｃ及びＲを、ｎ−ＧａＮ層１の表面に真空蒸着（ＥＢ）で形成した。尚、スパッタリング法で形成しても良い。
図１．Ａの電極Ｃは、直径４００μｍの円板状であり、電極Ｒは、電極Ｃと間隔２４μｍを隔てて環状に形成されている。
電極Ｃ及びＲは、厚さ０．５ｎｍ（５Å）のチタン（Ｔｉ）と、厚さ２μｍのアルミニウム（Ａｌ）を順に積層したものを用いた（実施例１）。
比較のため、電極Ｃ及びＲとして厚さ１７．５ｎｍ（１７５Å）のバナジウム（Ｖ）と、厚さ２μｍのアルミニウム（Ａｌ）を順に積層した他は、実施例１と同様の構成のものを用意した（比較例１）。

５７０℃の熱処理を施した場合の実施例１と比較例１のＶＩ曲線を図１．Ｃに示す。どちらの場合も電圧−電流の関係は直線的であり、ｎ型ＧａＮに対して良好なオーミック電極が得られていることが分かる。また、実施例１（図中、プロットが△）のほうが、比較例１（図中、プロットが○）よりも同じ印加電圧に対してより多くの電流が流れている。即ち、実施例１のＴｉ／Ａｌ電極のｎ−ＧａＮ層１に対する接触抵抗の方が、比較例１のＶ／Ａｌ電極のｎ−ＧａＮ層１に対する接触抵抗よりも小さいことが分かる。
電極ＣとＲの間隔を変化させて同様の測定を行い、ＴＬＭ法により実施例１のＴｉ／Ａｌ電極のｎ−ＧａＮに対する接触抵抗は１．９×１０^-5Ω／ｃｍ²と算出された。同様に、比較例１のＶ／Ａｌ電極のｎ−ＧａＮに対する接触抵抗は６．５×１０^-5Ω／ｃｍ²と算出された。即ち、本発明によれば、従来のｎ電極よりも、ｎ−ＧａＮに対する接触抵抗を１／３未満に低減したｎ電極を提供できることが示された。

本発明の電極の反射率を、以下の測定法により評価した。
厚さ４００μｍのサファイア基板に、厚さ０．５ｎｍ（５Å）のチタン（Ｔｉ）と、厚さ２μｍのアルミニウム（Ａｌ）を順に積層したものを用いた（実施例２）。
比較のため、厚さ４００μｍのサファイア基板に、厚さ１７．５ｎｍ（１７５Å）のバナジウム（Ｖ）と、厚さ２μｍのアルミニウム（Ａｌ）を順に積層したものを用意した（比較例２）。
更に、サファイア基板に、厚さ２μｍのアルミニウム（Ａｌ）のみを蒸着したものも用意した。
これらについて波長３５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で、サファイア基板を介して金属層に光を照射し、反射された光量を測定して反射率を算定した。測定された反射率は、厳密には電極の反射率そのものではないが、サファイア基板と大気界面における反射等の影響は十分に小さいため、これらの値を基板／電極界面の反射率の評価に用いた。
このうち、実施例２と比較例２については、５７０℃のアニールの前後でそれぞれ波長３５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で反射率を測定した。この結果を図２．Ａに示す。

図２．Ａの結果から、次のことが言える。
まず、サファイア基板にアルミニウムのみを蒸着させた場合、波長３５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲において反射率は８７〜８９％であった。
次に、実施例２の場合、加熱処理前は波長３５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲において反射率は８２〜８４％であった。この後、加熱処理によりチタンとアルミニウムの界面における合金化を行うと、波長３５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲において反射率は８５〜８６％と若干向上した。即ち、実施例２の厚さ０．５ｎｍ（５Å）のチタン（Ｔｉ）と、厚さ２μｍのアルミニウム（Ａｌ）を順に積層し、加熱処理した構成においては、厚さ２μｍのアルミニウム（Ａｌ）のみを形成した場合と比して反射率がほとんど低下しなかった。
一方、比較例２については、加熱処理前は波長３５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲において反射率は３８〜４８％と極めて低かった。この後、加熱処理によりバナジウム（Ｖ）とアルミニウム（Ａｌ）の界面における合金化を行うと、波長３５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲において反射率は５５〜６０％と大きく向上したが、上記実施例２の反射率には全く及ばなかった。

図２．Ａに示された結果から、本発明によれば、アルミニウムのような高反射性金属層とｎ−ＧａＮとを仲立ちして接着性を向上させるチタンのような金属層を、厚さ１ｎｍ（１０Å）未満の極めて薄い膜とすることで、当該接着性を向上させる金属層における光の吸収を低減し、ｎ電極全体として高反射性電極とすることが可能であることが導かれる。更に本発明によれば、加熱による合金化を施さないか、或いは比較的低温での加熱により合金化が特に促進されなくても、十分に高い反射率が得られるという利点もある。

次に、図８のIII族窒化物系化合物半導体発光素子９００を形成する際のエピタキシャル基板、即ち、サファイア基板１０に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮ層１１、Ｓｉをドープしたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造の発光層１３、Ｍｇをドープしたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮ層１５及びｐ⁺型ＧａＮ層１６をＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）で順に積層した状態のエピタキシャル基板を用意した。このｐ⁺型ＧａＮ層１６の上に、上記の、厚さ０．５ｎｍ（５Å）のチタン（Ｔｉ）と厚さ２μｍのアルミニウム（Ａｌ）を順に積層したもの（実施例２）と厚さ１７．５ｎｍ（１７５Å）のバナジウム（Ｖ）と厚さ２μｍのアルミニウム（Ａｌ）を順に積層したもの（比較例２）を用意し、同様に反射率を測定した。これを図２．Ｂに示す。エピタキシャル層が４００ｎｍ以下の光を吸収することと、エピタキシャル層の厚さと光の波長の関係によって干渉が生ずるため、波長が変化すると反射率が波打つ結果となっている。
図２．Ｂの結果から、次のことが言える。
実施例２の厚さ０．５ｎｍ（５Å）のチタン（Ｔｉ）と、厚さ２μｍのアルミニウム（Ａｌ）を順にエピタキシャル層上に積層し、加熱処理した構成においては、波長３８０ｎｍ以上で反射率５０％以上、波長４３０ｎｍ以上で反射率７０％以上であり、波長が変化すると反射率が上下するものの、概ね７５％程度（７１〜８２％）の反射率であるといえる。
一方、比較例２の厚さ１７．５ｎｍ（１７５Å）のバナジウム（Ｖ）と、厚さ２μｍのアルミニウム（Ａｌ）を順にエピタキシャル層上に積層し、加熱処理した構成においては、波長３８０ｎｍ以上６００ｎｍの範囲において反射率４６％を上回らず、エピタキシャル層の厚さにより大きく干渉が生じる場合が生じている。つまり、ＬＥＤ構造のエピタキシャル層上に電極を設けた場合、実施例２が比較例２の１．８倍〜２．４倍の反射率を有する結果が得られた。このように、本発明により、高反射性電極である第２電極層の光反射の効果を十分に引き出す電極が得られる。

次に、本発明を適用したＬＥＤを製造して、特性を評価した。
図３は本実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の構成を示す断面図である。III族窒化物系化合物半導体発光素子１００は、サファイア基板１０に図示しない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層を形成した後、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮ層１１、Ｓｉをドープしたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造の発光層１３、Ｍｇをドープしたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮ層１５及びｐ⁺型ＧａＮ層１６をＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）で順に積層したものである。
ｐ⁺型ＧａＮ層１６には、ＩＴＯから成る透光性電極２１がほぼ全面に形成され、透光性電極２１上の一部に金から成るパッド電極２２が形成されている。ｎ型ＧａＮ層１１には、Ｔｉ層３１とＡｌ層３２とから成るｎ電極３０が形成されている。III族窒化物系化合物半導体発光素子１００は、ｎ電極３０が光反射電極層であり、透光性電極２１を通過した光の取り出しを行うフェイスアップ型ＬＥＤである。

次に、この発光素子１００の製造方法について説明する。用いられたガスは、アンモニア（ＮＨ₃）、キャリアガス（Ｈ₂，Ｎ₂）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、シラン（ＳｉＨ₄）とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）である。

まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とした単結晶のサファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でＨ₂を流速２Ｌ／分（Ｌはｌｉｔｅｒ）で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板１０をベーキングした。

次に、温度を４００℃まで低下させて、Ｈ₂を２０Ｌ／分、ＮＨ₃を１０Ｌ／分、ＴＭＡを１．８×１０^-5モル／分で約１分間供給してＡｌＮバッファ層を約２５ｎｍの厚さに形成した。
次に、サファイア基板１０の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ₂を２０Ｌ／分、ＮＨ₃を１０Ｌ／分、ＴＭＧを１．７×１０^-4モル／分、Ｈ₂ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランを２０×１０^-8モル／分で４０分間供給し、膜厚約４．０μｍ、電子濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³、シリコン濃度４×１０¹⁸／ｃｍ³のｎ型ＧａＮ層１１を形成した。

次に、サファイア基板１０の温度を１１５０℃に保持し、Ｎ₂又はＨ₂を１０Ｌ／分、ＮＨ₃を１０Ｌ／分、ＴＭＧを１．１２×１０^-4モル／分、ＴＭＡを０．４７×１０^-4モル／分、Ｈ₂ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランを５×１０^-9モル／分で６０分間供給して、膜厚約０．５μｍ、電子濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³、シリコン濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³のＡｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎから成るｎクラッド層１２を形成した。

上記のｎクラッド層１２を形成した後、続いて、Ｎ₂又はＨ₂を２０Ｌ／分、ＮＨ₃を１０Ｌ／分、ＴＭＧを２．０×１０^-4モル／分で１分間供給して、膜厚約３５ÅのＧａＮから成るバリア層を形成した。次に、Ｎ₂又はＨ₂、ＮＨ₃の供給量を一定として、ＴＭＧを７．２×１０^-5モル／分、ＴＭＩを０．１９×１０^-4モル／分で１分間供給して、膜厚約３５ÅのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎから成る井戸層を形成した。さらに、バリア層と井戸層を同一条件で５周期形成し、その上にＧａＮから成るバリア層を形成した。このようにして５周期のＭＱＷ構造の発光層１３を形成した。

次に、サファイア基板１０の温度を１１００℃に保持し、Ｎ₂又はＨ₂を１０Ｌ／分、ＮＨ₃を１０Ｌ／分、ＴＭＧを１．０×１０^-4モル／分、ＴＭＡを１．０×１０^-4モル／分、Ｃｐ₂Ｍｇを２×１０^-5モル／分で３分間供給して、膜厚約５０ｎｍ、マグネシウム（Ｍｇ）濃度５×１０¹⁹／ｃｍ³のマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから成るｐクラッド層１４を形成した。

次に、サファイア基板１０の温度を１１００℃に保持し、Ｎ₂又はＨ₂を２０Ｌ／分、ＮＨ₃を１０Ｌ／分、ＴＭＧを１．１２×１０^-4モル／分、Ｃｐ₂Ｍｇを２×１０^-5モル／分で３０秒間供給して、膜厚約１００ｎｍ、マグネシウム（Ｍｇ）濃度５×１０¹⁹／ｃｍ³のマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたｐ型ＧａＮ層１５を形成した。更に、ｐ型ＧａＮ層１５の上にマグネシウム（Ｍｇ）濃度１×１０²⁰／ｃｍ³のマグネシウム（Ｍｇ）をドープした膜厚約１０ｎｍのｐ⁺型ＧａＮ層１６を形成した。

次に、ｐ⁺型ＧａＮ層１６の上にレジストから成るエッチングマスクを形成し、所定領域のマスクを除去して、マスクで覆われていない部分のｐ⁺型ＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１５、ｐクラッド層１４、発光層１３、ｎクラッド層１２、ｎ型ＧａＮ層１１の一部を塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングによりエッチングして、ｎ型ＧａＮ層１１の表面を露出させた。次に、ｐ⁺型ＧａＮ層１６上に真空蒸着（ＥＢ）により３００ｎｍ厚のＩＴＯ膜を形成し、窒素雰囲気下７００℃の熱処理を施した後、フォトレジストマスクを利用したウエットエッチングにより不要部分を除去して透光性電極２１を形成した。
以下、各々必要部分に窓を有するフォトレジストマスクを形成して、電極材料を形成し、当該フォトレジストマスクをリフトオフして不要部分の電極材料を除去し、各電極層を成形した。
透光性電極２１の上にはリフトオフの技術により金から成るパッド電極２２を形成した。次に、真空蒸着（ＥＢ）により、形成速度６．０ｎｍ／分（６０Å／分）でチタン（Ｔｉ）から成る第１電極層３１を０．５ｎｍ（５Å）形成し、続けて厚さ２μｍ（２００００Å）のアルミニウム（Ａｌ）から成る第２電極層３２を形成した後、リフトオフの技術によりｎ型電極３０を成形した。この後、５７０℃で５分熱処理して、各電極のアロイ化を行った。

比較のため、図８の構成のIII族窒化物系化合物半導体発光素子９００を製造した（比較例３）。この際、上記の図３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の製造方法のうち、厚さ０．５ｎｍ（５Å）のチタン（Ｔｉ）から成る第１電極層３１に替えて、厚さ１７．５ｎｍ（１７５Å）のバナジウム（Ｖ）層９１を設ける他は、ほぼ同様とした。尚、これらの素子の大きさは、水平面において２４０μｍ×４８０μｍであり、いずれも、ｎ電極が占める面積は水平面において素子の面積の約１０％とした。

実施例３の、図３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００と、比較例３の、図８のIII族窒化物系化合物半導体発光素子９００の素子特性を比較すると次のようであった。
比較例３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子９００の全放射束に比較して、実施例３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の全放射束は１．０７倍であり、７％の光取り出し効率の向上が見られた。
２０ｍＡ通電時の駆動電圧は、比較例３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子９００に対し、実施例３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００は同等以下となった。
次に、金ワイヤをｎ電極３０及び９０にそれぞれボンディングして電極の引き剥がし試験（シェア強度試験）を行った。この際、シェア速度は２００μｍ／秒とした。比較例３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子９００の強度に比較して、実施例３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の強度は０．７６倍であり、若干の強度低下が認められたが、最低基準である０．４倍を大きく上回るものであって、十分に実用に耐えるものであった。

実施例３の引き剥がし試験で、強度が低下しない理由を検討するため、次のようにして薄膜チタン層の膜厚分布を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定した。この際、サファイア基板上に形成速度２．４ｎｍ／分（２４Å／分）で４０秒（平均膜厚１６Åのチタン層）と２０秒（平均膜厚８Åのチタン層）のチタン層を形成したものを各々用意して膜厚分布を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定した。この結果を図４に示す。１６Å厚のチタン層と、８Å厚のチタン層とではそのＡＦＭプロファイルが大きく異なるものとなった。

即ち、図４の上段に示す通り、１６Å厚のチタン層においては、表面の平坦化が進み、起伏（凹凸）が小さく、例えばＡＦＭプロファイルで示した範囲の底部（グラフで０Åの位置）から最高６Åまでしか高低差が無かった。今、仮想的な平均膜厚が底部（グラフで０Åの位置）から約２．５Åの高さであるとすると、凸部（山の頂）はそこから約３．５Å高くなっているのみである。また、平均膜厚（底部から約２．５Å）を越える部分は、３ヶ所しかなく、いずれも低い凸部（山）であった。

一方、図４の下段に示す通り、８Å厚のチタン層においては、表面の平坦化がほとんど生じていない。即ち、起伏（凹凸）が大きく、例えばＡＦＭプロファイルで示した範囲の底部（グラフで０Åの位置）からは最高１０Åもの高低差が生じていた。今、仮想的な平均膜厚が底部（グラフで０Åの位置）から約４Åの高さであるとすると、そこから約６Å高くなっている凸部（山の頂）が３ヶ所残っている。また、平均膜厚（底部から約４Å）を越える部分は、５ヶ所あり、いずれも高い凸部（山）であった。

図４に示されたように、１ｎｍ（１０Å）を境に、形成したチタン層のＡＦＭプロファイルが大きく異なる。１ｎｍ（１０Å）未満のチタン層は起伏（凹凸）が激しく、上層との接触面積が増加し、且つ界面での凹凸によるアンカー効果により密着性が高まるものと考えられる。また、このような超薄膜（微細な島状）構造では膜の体積に対する表面積の割合が大きいため、膜表面での原子拡散により容易に歪を緩和できるという効果も期待できる。成膜後の真性歪（又は応力）が大きく、膜厚が増加するに従い接合が懸念されるタングステン等の材料であっても、本発明の超薄膜構造として表面積を増大させることにより真性歪が緩和され、結果として十分な密着性を得ることができると考えられる。即ち、III族窒化物系化合物半導体層との接触抵抗が低いが、従来の層状構造では接合性の懸念があった材料であっても、本発明の超薄膜構造とすれば第１電極層に選択することができる。これらの複数の効果が、超薄膜の第１電極層を用いた場合にも十分な接合強度を保てる理由であると考えられる。

図５は本発明の他の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子２００の構成を示す断面図である。実施例３の、図３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の構成との違いは、ｐ⁺型ＧａＮ層１６に形成する電極を、ロジウム（Ｒｈ）から成る高反射性電極２５とパッド電極２６の構成とし、ｎ電極であるアルミニウム（Ａｌ）から成る第２電極層３２の頂上（図５で下方向）がパッド電極２６の頂上と同程度となるように厚さを調整した点である。その他は実施例３の、図３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の製造方法と同様に、公知の技術を用いて容易に作成できる。図５のIII族窒化物系化合物半導体発光素子２００は、ｎ電極とｐ電極を共に反射率の高い電極とし、サファイア基板１０裏面側に（図５で上方向に）光を取り出すフリップチップタイプの発光ダイオードである。本発明のｎ電極を採用したことで、光取り出し効率が向上する。

図６は本発明の他の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子３００の構成を示す断面図である。実施例３の、図３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の構成との違いは、導電性のｎ型ＧａＮ基板１１０を用い、その裏面にｎ電極を設けた点である。その他は実施例３の、図３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の製造方法と同様に、公知の技術を用いて容易に作成できる。図６のIII族窒化物系化合物半導体発光素子３００は、素子の上下にｐ型及びｎ型電極を持つ縦型構造のフェイスアップタイプの発光ダイオードであり、ｎ電極を反射率の高い電極とした。本発明のｎ電極を採用したことで、光取り出し効率が向上する。また、同様に、導電性のｎ型ＧａＮ基板１１０を用いた発光ダイオードにおいて、ｐ型電極をロジウム（Ｒｈ）などから成る高反射性電極とし、素子形成側のｎ型ＧａＮ基板面を一部露出させてワイヤーボンディングのためのｎ型パッド電極を設けるフリップチップタイプとした場合にも、ｎ型パッド電極に本発明の高反射電極を採用することにより、やはり光取り出し効率が向上する。

図７は本発明の他の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子４００の構成を示す断面図である。実施例３の、図３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の構成との違いは、ｐ⁺型ＧａＮ層１６の上に高ドナー濃度ｎ⁺型ＧａＮ層１９を設け、その上に本発明を適用した第１電極層３１'と第２電極層３２'を設けたことである。第１電極層３１'と第２電極層３２'はIII族窒化物系化合物半導体発光素子４００の正電極として働く。尚、高ドナー濃度ｎ⁺型ＧａＮ層１９とｐ⁺型ＧａＮ層１６の界面は、トンネル伝導により電流注入が可能である。その他は実施例３の、図３のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の製造方法と同様に、公知の技術を用いて容易に作成できる。図７のIII族窒化物系化合物半導体発光素子４００は、正電極と負電極を共に本発明に係る反射率の高い電極とし、サファイア基板１０裏面側に（図５で上方向に）光を取り出すフリップチップタイプの発光ダイオードである。正電極と負電極に本発明のｎ電極を採用したことで、光取り出し効率が向上する。また、正電極と負電極を同時に形成することができるため、工程を簡易化することができ、製造コストを低減することができる。

上記実施例において、発光素子１００の発光層１３はＭＱＷ構造としたが、ＳＱＷやＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ等から成る単層、その他、任意の混晶の４元、３元系のＡｌＩｎＧａＮとしても良い。又、ｐ型不純物としてＭｇを用いたがベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）等のII族元素（２族又は１２族元素）を用いても良い。

上記実施例においては、ｎ型ＧａＮ層に第１電極層として厚さ１ｎｍ未満のチタン（Ｔｉ）層を設ける例を示したが、任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体層に第１電極層として厚さ１ｎｍ未満のチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、インジウム（Ｉｎ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、若しくはそれらの合金、或いはそれらの少なくとも１種を主成分とする合金、又は、それらの窒化物若しくは炭化物から成る第１電極層を形成するものも同様の効果を有する。尚、ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層に設ける第１電極層としては、例えばチタン（Ｔｉ）や窒化チタン（ＴｉＮ）がより好ましい。また、ｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層に設ける第１電極層としては例えばニッケル（Ｎｉ）がより好ましい。この場合、第２電極層としては特にロジウム（Ｒｈ）を好適に用いることができる。
また、上記実施例においては、ｎ型ＧａＮ層に第１電極層として厚さ１ｎｍ未満のチタン（Ｔｉ）層を、第２電極層としてアルミニウム（Ａｌ）層を設ける例を示したが、第２電極層としては任意の高反射性材料を用いて良い。金属単体であれば銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）が特に好適に用いることが可能であり、それらの合金やそれらの積層構造を用いるものでも良い。高反射性材料から成る第２電極層の膜厚も、所望の薄膜又は厚膜として良く、３０ｎｍ以下の厚さで用いる場合や５μｍ以上の厚さで用いる場合も本願発明に包含される。

本発明に係る電極の、接触抵抗を測定するための構成の電極の平面図（１．Ａ）、断面図（１．Ｂ）、ＶＩ特性（１．Ｃ）。 本発明に係る電極の、反射率の結果を示すグラフ図。 本発明の具体的な一実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の構成を示す断面図。 本発明に係る電極の、ＡＦＭプロファイル。 本発明の具体的な他の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子２００の構成を示す断面図。 本発明の具体的な他の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子３００の構成を示す断面図。 本発明の具体的な他の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子４００の構成を示す断面図。 従来例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子９００の構成を示す断面図。

符号の説明

１００、２００、３００、４００：III族窒化物系化合物半導体発光素子
１０：サファイア基板
１１：ｎ型ＧａＮ層
１２：ｎ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎから成るｎクラッド層
１３：ＭＱＷから成る発光層
１４：ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから成るｐクラッド層
１５：ｐ型ＧａＮ層
１６：ｐ⁺型ＧａＮ層
１９：高ドナー濃度ｎ⁺型ＧａＮ層
２１：ＩＴＯから成る透光性電極
２２：Ａｕパッド電極
２５：Ｒｈから成る高反射性電極
２６：パッド電極
３１、３１’：第１電極層（Ｔｉ）
３２、３２’：第２電極層（Ａｌ）

Claims (5)

1. III族窒化物系化合物半導体発光素子に電極を形成する方法において、
   III族窒化物系化合物半導体層上に、当該層との接合度が強い、又は当該層との接触抵抗が低い材料から成る第１電極層を平均厚さ１ｎｍ未満に形成し、
   前記第１電極層の上に、高反射性の金属から成る第２電極層を形成することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の電極形成方法。
2. 前記第１電極層を、０．２ｎｍ／秒以下の速度で形成することを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の電極形成方法。
3. 前記第１電極層は、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、インジウム（Ｉｎ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、若しくはそれらの合金、或いはそれらの少なくとも１種を主成分とする合金、又は、それらの窒化物若しくは炭化物から成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の電極形成方法。
4. 前記第２電極層は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）又はそれらの合金、或いはそれらの少なくとも１種を主成分とする合金から成り、膜厚が０．０３〜５μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の電極形成方法。
5. 前記電極は、ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層上に形成されるｎ電極であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の電極形成方法。

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