JP2009194296A - 窒化物半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ｎ型窒化物半導体に対する良好なオーム性接触と、実装性に優れる良好なＡｕ表面を有するｎ型オーミック電極を備えた窒化物半導体発光装置、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ｎ型窒化物半導体に接する側から順に、Ａｌを主成分とする厚さが３nm以上、１０nm以下の第一層と、Ｍｏ、及びＮｂから選ばれる1以上の金属からなるＡｌの上方拡散を抑止する第二層と、Ｔｉ、及びＰｔから選ばれる１以上の金属からなるＡｕの下方拡散を抑止する第三層と、Ａｕからなる第４層を有する積層構造で構成され、上記積層膜を形成後、熱処理を施したｎ型オーミック電極を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、可視領域〜紫外領域の波長帯で動作する発光ダイオード（LED：Light Emitting Diode）や、レーザダイオード（LD：Laser Diode）などの窒化物半導体発光装置、及びその製造方法に関する。

緑〜紫外領域にかけての発光素子用材料として、窒化ガリウムに代表される窒化物半導体が用いられるようになっている。
窒化物半導体を用いた発光素子では、一般に多重量子井戸構造からなる発光層（一般には活性層と言われる）の他、発光層の上下層に、電流注入のためのｐ型及びｎ型窒化物半導体層が設けられている。

近年のGaN基板開発の進展により、レーザダイオードなどでは、ｎ型の導電型を有するGaN基板上に、ｎ型窒化物半導体層、発光層、及びｐ型窒化物半導体層を順次エピタキシャル成長することで、従来のサファイア基板上に成長した場合よりもエピ層内の転位密度や欠陥を低減できる上、劈開による平滑な共振器端面を容易に作製できることから、レーザの高性能化、高品質化、高歩留り化が図れるようになった。

また、ｎ型GaN基板の導入によって、レーザの素子構造も、従来、半導体加工によってエピタキシャル成長層深部に設けられたｎ型窒化物半導体層を露出させた面に形成していたｎ型オーミック電極を、上記ｎ型GaN基板の裏面側に形成することが可能となったため、作製工程の短縮化も図れるようになった。

ｎ型窒化物半導体に対するオーミック電極としては、主として下からＴｉ／Ａｌ電極（例えば、特許文献１を参照）が用いられており、電極被着後に高温の熱処理を施すことで、ｎ型層に対して良好なオーム性接触が得られた例が開示されている。

しかしながら、Ａｌを最表面とした電極は、高温の熱処理によってＡｌが酸化するため、素子の実装工程において前記Ａｌを最表面とした電極を用いた場合、ＡｕワイヤによるボンディングやＡｕ-Ｓｎ合金等のＡｕ系ハンダが接着しない、もしくは容易に剥れてしまい、両者の間で十分な接合強度を得ることができない問題があった。

これを改善するため、オーミック電極としてｎ型窒化物半導体に近い側から順に、Ａｌおよび／またはＡｌ合金を有してなる厚さ１０nm〜７０nmの第一層と、第一層（Ａｌ、Ａｌ合金）、第三層（Ａｕ）よりも融点の高い金属として、例えばＰｄ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷから選ばれる1以上の金属を有してなる厚さ１０〜３００nmの第二層と、Ａｕを有してなる厚さ１００〜１０００nmの第三層からなる電極を用い、３５０℃〜６００℃の熱処理を施すことで、ｎ型窒化物半導体に対して良好なオーム性を得るとともに、滑らかで光沢のある電極の表面状態と、良好なワイヤボンディング性を実現した例（例えば特許文献2を参照）が開示されている。

特に、ここでは第二層の金属として厚さ５０nmのＰｄを用いて、第一層のＡｌを主体とした金属膜の膜厚をパラメータとしてオーミック性の検討を行い、接触抵抗を低減させる上でも第一層の膜厚範囲を１０nm〜７０nmに限定することが重要と記載されている。

また、第二層の金属としてＰｄの代わりに、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗのいずれかを用いた場合でも、第一層金属の膜厚と接触抵抗との関係は、前記Ｐｄを用いた場合と同様の結果が得られたことも記載されている。

またその他の例として、ｎ型窒化物半導体層に対して、下からＴｉ層（例えば３０nm）、Ａｌ層（例えば１５０nm）、Ｍｏ層（例えば３０nm）、Ｐｔ層（例えば１５nm）、Ａｕ層（例えば２００nm）を順次積層してなる電極を用いることでＡｕ層の剥れを抑止し、さらにＡｕ層の半導体層側への拡散をほぼ完全に抑えた例（例えば特許文献3を参照）が開示されている。

特開平7-45867号公報 特開2006-59933号公報 特開2004-221493号公報

上記特許文献２及び３に記載された拡散バリヤ層として用いられる金属種を参考に、本発明者らは、ｎ型窒化物半導体層上に第一層Ａｌ層の厚さを１００nmとし、その上に厚さ５０nmのＭｏ層、厚さ１００nmのＴｉ層、厚さ５０nmのＰｔ層の三層構造からなる拡散バリヤ層、そして厚さ３００nmのＡｕ層を順次積層した５層構造からなる電極を形成し、窒素雰囲気中で５００℃の熱処理を施して、電極表面状態の変化を調べた。その結果、図２に示すように、電極表面に変色を伴う著しい凹凸を有する領域が現れた。

この領域について、オージェ電子分光法を用いて分析した結果を図３に示す。
同図より、前記凹凸領域では、電極最下層に存在したはずのＡｌが電極最表面にまで拡散していることが確認されており、さらにＡｌと同時に酸素も観測されたことから、電極最表面層は酸化Ａｌが形成されているものと考えられる。

この凹凸領域は、第一層のＡｌ膜厚のみを３０nm程度にまで薄層化した場合でも生じることが確認されており、さらに熱処理温度を上げると、上記変色を伴う凹凸領域は、さらにその面積を拡大することもわかっている。
このように酸化したＡｌ領域が電極表面に発生してしまうと、上述した通り実装工程において電極表面とＡｕワイヤやハンダ材料との間で十分な接合強度が得られなくなるため、素子を実装する上で大きな問題となる。
以上のことから、オーム性取得に必要なＡｌ金属が、Ａｕを最上層とした電極中に存在する場合、半導体製造技術において常識的な膜厚範囲で如何なる拡散バリヤ層を設けようとも、高温の熱処理に伴うＡｌの拡散を完全に抑えることは困難であるものと予想される。

本発明は、上記問題を解消するべく、ｎ型窒化物半導体に対して良好なオーム性接触が得られ、かつ高温の熱処理に対しても従来のような電極表面荒れを起こさないｎ電極を備えた窒化物半導体発光装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨の一例を列挙すれば、次の通りである。
１．基板上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に設けられた所定の波長を有する光を発する活性層と、活性層上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層と電気的に接続されるｎ型オーミック電極と、ｐ型窒化物半導体層と電気的に接続されるｐ型オーミック電極とを備え、ｎ型オーミック電極は、ｎ型窒化物半導体に接する側から順に、Ａｌを主成分とする厚さが３nm以上、１０nm以下の第一層と、Ｍｏ、及びＮｂから選ばれる1以上の金属からなるＡｌの上方拡散を抑止する第二層と、Ｔｉ、及びＰｔから選ばれる１以上の金属からなるＡｕの下方拡散を抑止する第三層と、Ａｕからなる第４層を有する積層構造からなることを特徴とする。
２． 基板上に、少なくともｎ型不純物が添加されたｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｎ型窒化物半導体層上に、所定の波長を有する光を発する活性層を形成する工程と、ｐ型不純物が添加されたｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｐ型窒化物半導体に接してｐ型オーミック電極を形成する工程と、ｎ型窒化物半導体に接して下から、Ａｌを主成分とする厚さが３nm以上、１０nm以下の第一層と、Ｍｏ、及びＮｂから選ばれる1以上の金属からなる第二層と、Ｔｉ、及びＰｔから選ばれる１以上の金属からなる第三層と、Ａｕからなる第４層を有する積層構造を形成する工程と、この後熱処理を施す工程とを具備することを特徴とする。

本発明のｎ型オーミック電極を用いることで、ｎ型窒化物半導体に対して良好なオーム性接触が得られ、ｎ電極形成後に高温の熱処理を施しても、従来のような高温の熱処理によるＡｌの電極最表面側への拡散を抑制することから、電極最表面のＡｕ面が多種金属による汚染無く良好に保持される。

これにより、実装工程において、ｎ型オーミック電極とＡｕ系ハンダやＡｕワイヤとの間で、実用上十分な接合強度が得られることから、窒化物半導体発光装置を歩留り良く作製することが可能となる。

はじめに、本発明の実施の形態に至るｎ型オーミック電極の構造、作用、並びに効果について、本発明者らが行った実験結果に基づき以下に説明する。

実験の内容としては、前記Ａｌ／Ｍｏ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる5層構造電極の第一層Ａｌ膜厚をパラメータとして、ｎ型窒化物半導体に対するオーム性、並びに熱処理による電極表面の変化について検討した。

実験には、サファイア基板上に有機金属気相成長法により、GaNからなる低温バッファ層と、膜厚＝5000nmのアンドープGaN層と、SiドープGaN（ドーピング濃度＝1.0〜2.0×10¹⁸cm⁻³、膜厚＝1000nm）層をエピタキシャル成長したものを用いた。

オーム性の評価方法は、一般的なＴＬＭ（Transmission Line Model）法により行った。

パラメータとなる第一層のＡｌ（アルミニウム）の膜厚は、５，１０，３０，５０，１００nmの５種類とし、上層に設けた各金属層の膜厚は、第二層Ｍｏ（モリブデン）を５０ｎｍ、第三層Ｔｉ（チタン）を１００nm、第4層Ｐｔ（白金）を５０nm、及び第5層Ａｕ（金）を３００nmとした。

これらは全て電子ビーム蒸着法にて被着・形成し、周知のリフトオフ法により電極パターンを形成後、窒素雰囲気中において500℃、10分間の熱処理を施した。

初めに、オーム性を評価した結果について述べる。
図４は、上記5種類の試料について、比接触抵抗ρｃの第一層Ａｌ膜厚依存性を調べた結果を示している。
同図より、第一層のＡｌ膜厚が薄くなるに従い、ρｃは高くなっていく傾向を示したが、Ａｌ膜厚が5nmの場合においてもρｃ＝5.1×10⁻⁵ｃｍ²程度であり、比較的低い接触抵抗値を得られることが判った。

前記特許文献2では、第一層のＡｌ膜厚について10nm〜70nmの範囲に限定する必要がある旨が記載されていたが、本発明者らが行った本検討結果によれば、第一層Ａｌ層の上層にＭｏを設けた場合、Ａｌ膜厚は10nmより薄くても、良好なオーム性が得られることを見出した。
従って、上記オーミック特性の良否は、第一層のＡｌ膜厚のみならず、Ａｌ上層に接して設ける金属材料によっても大きく左右されるものと考えられる。

次に、電極表面の変化について調べた結果について述べる。
図５Ａ〜Ｅは、上記で作製した各試料の500℃熱処理後における電極表面の観察結果である。
図５Ａは、Ａｌ膜厚＝５nm、図５Ｂは、Ａｌ膜厚＝１０nm、図５Ｃは、Ａｌ膜厚＝３０nm、図５Ｄは、Ａｌ膜厚＝５０nm、図５Ｅは、Ａｌ膜厚＝１００nm（前記課題の項で述べたものと同じ）の結果を示している。

同図より、Ａｌ膜厚が５nm（図５Ａ）、１０nm（図５Ｂ）の試料では、電極表面に何ら変化は見られず全面に亘って良好なＡｕ色であったが、Ａｌ膜厚が３０nm以上（図５Ｃ〜Ｅ）の試料では、電極表面に著しい変色と凹凸を伴った表面劣化が観察され、劣化した領域は、Ａｌ膜厚が増すほど広くなる傾向を示した。
この電極表面劣化部について、オージェ電子分光法を用いて深さ方向分析を行った結果（図３に示す）、Ａｌが電極表面にまで拡散していることが判明し、Ａｌと同時に酸素も検出されたことから、上記表面劣化部の最表面層は、Ａｌの酸化物によって覆われているものと考えられる。
また、電極層自体も熱処理によって初期の積層構造を成さないほどに変化していることも判明した。

以上本発明者らが行った実験結果から、ｎ型窒化物半導体との良好なオーム性接触の実現とともに、Ａｌの上方拡散による電極表面劣化を防止するためには、第一層のＡｌの膜厚を１０nm以下とし、さらにＡｌ層の上層には少なくともＭｏを設ける必要があることがわかった。

次に、上記限定されたＡｌ膜厚範囲で、より低い接触抵抗値を得るために、ｎ型窒化物半導体層とＡｌ層との間に薄いＴｉ層を設けて再度上記と同様の評価を行った。
Ａｌ膜厚＝１０nmに対して、Ｔｉの膜厚を0、２，５，１０nmと変えた４種類の試料を作製し、500℃熱処理後における同一電極パターン間のＩ−Ｖ特性を評価した結果を図６に示す。
Ｔｉ膜厚＝0nm (特性線１)、Ｔｉ膜厚＝２nm (特性線2)、及び5nm（特性線3）の試料は良好なオーム性を示したが、Ｔｉ膜厚＝１０nm（特性線4）の試料は非オーム性であった。

また、500℃熱処理後の比接触抵抗ρｃも、Ｔｉ膜厚が2nmの場合には約2.0×10⁻⁶Ωｃｍ²であったのに対して、Ｔｉ膜厚が5nmの場合はρ_ｃ＜1.0×10⁻⁶Ωｃｍ²にまで低減することもわかった。
このことから、第一層のＡｌ層とｎ型窒化物半導体との間に、第一層のＡｌ膜厚よりも薄くＴｉ層を設けた方が、Ａｌ層のみの場合よりもρ_ｃは低くなる傾向を示すが、ρ_ｃ値もＴｉ層の膜厚に影響されることもわかった。

次に、前記ρ_ｃ評価で最も低抵抗な値を示した上記Ｔｉ（膜厚５nm）／Ａｌ（膜厚１０nm）／Ｍｏ（膜厚５０nm）／Ｔｉ（膜厚１００nm）／Ｐｔ（膜厚５０nm）／Ａｕ（膜厚３００nm）からなる６層構造電極について、500℃熱処理前後における電極層構造の変化を調べるため、断面SEM観察とEDX面分析により、電極断面の元素分布を調べた。
その結果、熱処理前に積層されていた上記Ｔｉ（膜厚５nm）／Ａｌ（膜厚１０nm）積層体は、熱処理後には両者の境界は見られず、約15nmの厚さを有する単層膜のようになっていることが観察された。
上記15nmの厚さを有する単層膜領域の元素分布を調べたところ、Ｔｉ、及びＡｌが、膜中でそれぞれほぼ均一に分布していることが確認された。

従って、上記のように積層膜であったＴｉ／Ａｌ構造は、熱処理によって相互拡散し合金化したと考えられ、この合金化した層が低ρ_ｃ化に寄与したものと考えられる。
この合金層上に設けられたＭｏは、500℃熱処理後においても上下層金属との著しい反応や、他金属との合金化は確認されなかったが、Ｍｏ層の所々において、Ｍｏ層とは異なる色を成した領域が見られた。

この領域の元素分布を調べたところ、Ａｌの存在が確認されたことから、これは下層のＡｌがＭｏ中へ拡散したものであり、原因として、熱処理を施すことで起こるＴｉ−Ａｌ合金化や、各層間での僅かな相互拡散等の影響によって、Ｍｏ膜自体に応力が加わりＭｏ層中に微小な空孔が発生したことによるものと推測される。
このことから、上記のような厚さが１５nmのＡｌ合金層の場合でも、熱処理によって電極表面方向に拡散する兆しが現れており、上記熱処理によって起こる電極層の変化に関する推測から考えて、Ａｌの上方拡散を完全に防止することは極めて困難であると推測される。

従って、Ａｌの上方へ拡散する確立・可能性を減らすためには、Ａｌを主体とした第一層金属のさらなる薄層化が必要と考え、第一層のＴｉ−Ａｌ反応層の膜厚を薄くする目的で、下層Ｔｉ（膜厚＝2nm）／上層Ａｌ（膜厚＝5nm）とし、第二層目以降は前記と同様の構造で作製した試料を使って、500℃熱処理後のオーミック特性を評価したところ、比接触抵抗ρ_ｃ＝2.3×10⁻⁶Ωｃｍ²という窒化物半導体発光素子に十分適用できる低い値を示すことが判った。
上記Ｔｉ／Ａｌ層の熱処理後の膜厚は、約7nm程度になるものと予測されるが、さらにＴｉ（膜厚＝1nm）／Ａｌ（膜厚＝2nm）程度にまで薄層化して500℃熱処理を施した場合、ρ_ｃ自体は若干高くなる（ρｃ〜1.0×10⁻⁵Ωｃｍ²）ものの、窒化物半導体発光素子に十分適用は可能である。
また、第一層を薄層化することで、Ａｌの上方拡散する確立・可能性をさらに低減できることから、Ａｌを主成分とする第一層の膜厚は7nm前後が好ましく、詳細には、膜厚の制御性から考えて3nmが下限値であり、厚くても10nmまでとすることが好ましい。

この他、上記Ａｌより下に設けるＴｉの代わりに、Ｔｉと同属元素であるＨｆ、Ｚｒを設けて、第一層を下層Ｈｆ（膜厚＝2nm）／上層Ａｌ（膜厚＝5nm）、下層Ｚｒ（膜厚＝2nm）／上層Ａｌ（膜厚＝5nm）とし、第二層目以降は前記と同様の構造で作製した２試料を用いて500℃熱処理後にオーミック特性の評価を行ったところ、ρｃの絶対値に若干の差異は見られるものの、両者とも十分に良好なオーム性を示し、電極表面にも何ら異常は見られなかった。

また、第二層のＭｏを、膜厚が５０nmのＮｂ（ニオブ）に代えて試料を作製（第一層は膜厚＝7nmのＴｉ−Ａｌ合金層）し、同様に評価したところ、Ｍｏを用いた時と同様の良好な結果が得られた。
ＭｏとＮｂの共通点として、両者とも融点が2500℃前後の高融点金属であり、一般的には他種金属と反応しにくい性質がある。

本発明の電極構成の中でＡｌ上層に接して設けられた層に対しては、特にＡｌと反応しにくいことが第一に求められ、上記実験結果から、ＭｏもＮｂもＡｌに対して良好なバリヤ層として作用していることが推測される。

熱処理温度については、図９に、比接触抵抗ρ_ｃと熱処理温度との関係を示す。Ａ（Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）、Ｂ（Ａｌ／Ｍｏ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の２種類の試料共に、450℃から600℃の範囲でオーム性を確認したが、500℃で最も低抵抗な値を示した。従って、500℃で熱処理を施すことが有効であることがわかった。

以上、本発明のｎ型オーミック電極の構造、作用、並びに効果を述べた上で、以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザの断面模式図である。
なお、本発明の主旨はｎ型窒化物半導体に接して形成されるｎ型オーミック電極の構造に関するものであるため、以下で説明するレーザのエピタキシャル成長層の構成は、ごく一般的な積層構成を例に示しているものであって、これに限定されるものではない。

以下に窒化物半導体レーザの全体的な製造方法を説明する。
ｎ型ＧａＮ基板1上に、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型バッファ層2、ＳｉドープＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層3、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型ガイド層4、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造からなる活性層5、ＭｇドープＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比＝７％）からなる電子ブロック層6、ＭｇドープＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比＝４％）からなるｐ型クラッド層7、及びＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層8を、一般的な有機金属気相成長法を用いて順次成長させる。

次に周知のホトリソグラフィ技術と、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法を用いて、レジストパターンによって開口された基板表面の所望の領域をｐ型クラッド層7の途中まで、具体的にはｐ型クラッド層7を30〜50nm程度残す深さまでエッチングして、ｐ型コンタクト層8を最頂部とする共振器幅1.5μｍのリッジを形成する。

次に、基板全面にＣＶＤ法、スパッタ法等の周知の絶縁膜形成技術を用いて、例えば膜厚＝250nmのSiO₂膜9を形成した後、ホトリソグラフィ技術を用いて、上記リッジ最上部に位置する領域のみが開口されたホトレジストパターンを形成し、このホトレジストパターンをエッチングマスクとして上記開口部をエッチングして、リッジ最頂部のｐ型コンタクト層8を露出させる。
この時エッチング方法としては、フッ酸系薬液を用いたウェットエッチングの他、ＣＦ₄等のフッ素系ガスを用いたドライエッチング等の周知の技術を用いて行う。

次に、上記開口されたリッジ最頂部を含む所望の領域を開口する形でホトレジストパターンを形成した後、例えば真空蒸着法を用いて該基板1の表面側全面にＮｉ（ニッケル）膜、及びＡｕ膜を順次被着し、周知のリフトオフ法を用いて不要な金属膜とホトレジストパターンを除去することで、リッジ最頂部のｐ型コンタクト層8上、及びその周辺に形成されたＳｉＯ₂膜上の所望の領域にＮｉ／Ａｕからなるｐ型オーミック電極10が形成される。

次に、ｎ型ＧａＮ基板1の裏面側から、周知の研磨技術を用いて基板厚が約100μｍ程度の厚さになるまで研磨・薄層化する。
次に、研磨・薄層化されたｎ型ＧａＮ基板1の裏面側全面に、例えば電子ビーム蒸着法を用いて、厚さが2nmのＴｉ膜、5nmのＡｌ膜、50nmのＭｏ膜、100nmのＴｉ膜、50nmのＰｔ膜、及び厚さが300nmのＡｕ膜を順次被着する。この後、窒素中で500℃、10分間のアニール処理を施すことで、ｎ型ＧａＮ基板1に対してオーム性接触する、半導体側からＴｉ−Ａｌ（11-a）、Ｍｏ(11-b)、Ｔｉ／Ｐｔ(11-c)、Ａｕ(11-d)の５層構造からなるｎ型オーミック電極11が形成される。

次に、リッジの長手方向と垂直に、例えば600μｍ程度の長さになるように劈開してバー状の両共振器端面を形成し、両端面に所望の反射率並びに透過率を有する端面コーティング膜12を形成する。

続いて、上記バーを劈開などによりチップ化することで図１の断面構造、並びに図７の形状を有する窒化物半導体レーザが完成し、これをダイボンディングにより前記レーザチップのｎ型オーミック電極側をマウント面として、Ａｕ―Ｓｎハンダが塗布されたＳｉＣからなるサブマウント上にマウントし、さらにレーザチップがマウントされたサブマウントを、ステム上にマウントする。最後に上方を向いているレーザチップのｐ電極面、及びｎ電極が電気的に接続されたサブマウント上の電極面に、適宜Ａｕワイヤをボンディングして配線することで窒化物半導体レーザ装置が完成する。

前記の工程により窒化物半導体レーザ装置を50個作製し、それぞれのＡｕワイヤが接続された外部導入端子を介してレーザの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を評価した結果、直列抵抗が著しく高いものや立ち上がり電圧などにバラツキは見られず、実装による電気的導通に問題が無いことを確認した。

つぎに、作製した窒化物半導体レーザ装置の、レーザチップとサブマウント間におけるＡｕ―Ｓｎハンダ接着面を、せん断破壊テストを行うことで、接着強度を確認した。 50個テストを行い、いずれも450ｇ〜650ｇの範囲で、半田メタライズ面での剥離であったことから、ｎ型オーミック電極表面とＡｕ―Ｓｎハンダ間で十分な接合強度を有している事が確認できた。
（実施例２）
図８は、本発明の他の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の模式図である。以下に全体的な製造方法を説明する。
サファイア基板20上に、アンドープＧａＮからなるバッファ層21と、キャリア濃度＝2×10¹⁸ｃｍ⁻³で膜厚＝5μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層22、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層23、Ｉｎ_ｂＧａ_1−bＮ（0＜ｂ≦0.1）からなる活性層24と、Ｍｇドーピング濃度＝3.0×10¹⁹ｃｍ⁻³で膜厚＝40nmのＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層25、及びＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層26からなる多層構造を、有機金属気相成長法を用いて順次成長させる。
次に、周知のホトリソグラフィ技術と塩素系ガスを用いたドライエッチング法により、該基板20表面側から所望の領域をエッチングして、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層22を露出させる。

次に、露出したＳｉドープｎ型ＧａＮ層22の所望の位置に、本発明である、Ｈｆ／Ａｌ／Ｎｂ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（膜厚=2／5／50／100／50／300nm）膜を、電子ビーム蒸着法を用いて被着した後、窒素雰囲気中において500℃のアニール処理を施すことで、ＳｉドープＮ型ＧａＮ層22に対してオーム性接触するＨｆ―Ａｌ／Ｎｂ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの5層構造からなるｎ型オーミック電極27が形成される。

次に、上記エッチング工程でエッチングされなかった領域の、第二のｐ型クラッド層26上の所望の位置に、膜厚が30nmのＰｄ（パラジウム）膜／膜厚が70nmのＰｔ（白金）膜／膜厚が300nmのＡｕ（金）膜を積層形成することにより、ｐ型オーミック電極28が形成される。

この後、サファイア基板20の裏面側を、ダイヤモンド砥粒等を用いて厚さが200μｍ程度になるまで薄層化し、最終処理として研磨面を鏡面に仕上げ、所望の大きさにチップ化することで、窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）が完成する。
前記工程により作製したＬＥＤのｎ型オーミック電極27、及びｐ型オーミック電極28に対して、それぞれＡｕワイヤをボンディングして外部導入端子に接続することで実装工程が完了する。

実装した30個のＬＥＤのうち、ワイヤボンディングを行う過程での接続不良は一つも発生せず、接続部の外観も良好であった。また、ＬＥＤの順方向特性を評価した結果、50mAの電流値を得るために要した電圧の平均値は3.2Ｖであり、著しく電圧の高いものや、電流が得られないものは一つも無く、ｎ型オーミック電極−Ａｕワイヤ間の導通も良好であることを確認した。

これら30個のＬＥＤについて、Ａｕワイヤとｎ型オーミック電極表面との接着性を評価するため、接続されたＡｕワイヤに対して引っ張り試験（プルテスト）を行ったところ、断線強度は30個中全て10〜15ｇの範囲であり、断線部は全てＡｕワイヤ途中での断線であることを確認したことから、ｎ型オーミック電極表面と、Ａｕワイヤの接着は強固であることが確認できた。

以上の実施例では、基板材料としてサファイア基板を適用した例について述べたが、常識的に窒化物半導体が成長しうる基板材料、例えばＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ等でも良く、製造するＬＥＤの構造により如何なる基板材料を用いても良いことは言うまでも無い。
以上、本発明の実施形態について、各窒化物半導体発光素子の製造方法を交えながら詳述してきたが、具体的な窒化物半導体層の構成は本実施形態に限定されるものではなく、作製するデバイスの構造や必要とされる性能に応じて、種々変更可能である。
以上のことから、本発明のｎ型オーミック電極を窒化物半導体発光素子に適用することで、ｎ型窒化物半導体に対して良好なオーム性接触が得られ、かつ高温の熱処理を施した場合でも実装工程に適したＡｕからなる電極最表面を保持できる。

本発明の第一の実施形態である窒化物半導体レーザ素子の断面模式図。 従来技術をもとに形成したＡｌ（膜厚＝100nm）／Ｍｏ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極の、500℃熱処理後における電極表面観察結果を示す図。 従来技術をもとに形成したＡｌ（膜厚＝100nm）／Ｍｏ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極の、500℃熱処理後において電極表面に発生した変色を伴う凹凸領域の分析結果を示す図。 本発明の作用と効果を検証するために作製した試料の比接触抵抗ρｃのＡｌ膜厚依存性評価結果を示す図。 本発明の本発明の作用と効果を検証するために作製した試料の電極表面観察結果を示す図。 本発明の本発明の作用と効果を検証するために作製した試料の電極表面観察結果を示す図。 本発明の本発明の作用と効果を検証するために作製した試料の電極表面観察結果を示す図。 本発明の本発明の作用と効果を検証するために作製した試料の電極表面観察結果を示す図。 本発明の本発明の作用と効果を検証するために作製した試料の電極表面観察結果を示す図。 本発明の作用と効果を検証するために作製した試料のＩ−Ｖ特性を示す図。 本発明の第一の実施形態である窒化物半導体レーザ素子の模式図。 本発明の第二の実施形態である窒化物半導体発光ダイオードの模式図。 比接触抵抗ρ_ｃと熱処理温度との関係を示す図。

符号の説明

１…ｎ型ＧａＮ基板、
２…ｎ型バッファ層、
３…ｎ型クラッド層、
４…ｎ型ガイド層、
５…活性層、
６…電子ブロック層、
７…ｐ型クラッド層、
８…ｐ型コンタクト層、
9…ＳｉＯ₂膜、
10…ｐ型オーミック電極、
11…ｎ型オーミック電極、
11-a…Ｔｉ−Ａｌ層、
11-b…Ｍｏ層、
11-c…Ｔｉ／Ｐｔ層、
11-d…Ａｕ層、
12…端面コーティング膜、
20…サファイア基板、
21…アンドープＧａＮからなるバッファ層、
22…ｎ型ＧａＮ層、
23…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、
24…活性層、
25…ｐ型クラッド層、
26…ｐ型コンタクト層、
27…ｎ型オーミック電極、
28…ｐ型オーミック電極。

Claims (13)

1. 基板上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられた所定の波長を有する光を発する発光層と、
   前記発光層上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層と電気的に接続されたｎ型オーミック電極と、
   前記ｐ型窒化物半導体層と電気的に接続されたｐ型オーミック電極とを備え、
   前記ｎ型オーミック電極は、前記ｎ型窒化物半導体層に近い側から順に第１層、第２層、第３層、および第４層が、それぞれ積層された積層膜であり、
   前記第１層は、Ａｌ（アルミニウム）を主成分とする３ｎｍ以上で１０ｎｍ以下の厚さを有する薄膜からなり、
   前記第２層は、Ｍｏ（モリブデン）及びＮｂ（ニオブ）から選ばれる１以上の金属を含みＡｌの上方拡散を抑止する薄膜からなり、
   前記第３層は、Ｔｉ（チタン）及びＰｔ（プラチナ）から選ばれる１以上の金属を含みＡｕの下方拡散を抑止する薄膜からなり
   前記第４層は、Ａｕ（金）からなることを特徴とする窒化物半導体発光装置。
2. 前記ｎ型オーミック電極の第１層は、Ａｌであることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光装置。
3. 前記ｎ型オーミック電極の第１層は、Ｔｉを含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光装置。
4. 前記ｎ型オーミック電極の第１層は、Ｈｆ（ハフニウム）を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光装置。
5. 前記ｎ型オーミック電極の第１層は、Ｚｒ（ジルコニウム）を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光装置。
6. 前記ｎ型オーミック電極の第２層はＭｏであり、第３層は前記ｎ型窒化物半導体層に近い側からＴｉ、Ｐｔの順に積層されたＴｉ／Ｐｔ積層構造であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光装置。
7. 前記基板は、ｎ型の導電型を有する窒化物半導体からなり、
   前記ｎ型オーミック電極は、前記ｎ型の導電型を有する基板上に設けられた前記ｎ型窒化物半導体層の表面側、もしくは前記表面に対向する前記ｎ型の導電型を有する基板の裏面側に接して設けられていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光装置。
8. 前記基板は、導電型を有しない基板上からなり、
   前記ｎ型オーミック電極は、前記請求項1記載のｎ型窒化物半導体層の表面側に接して設けられていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光装置。
9. 前記窒化物半導体発光装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体発光装置。
10. 前記窒化物半導体発光装置は、レーザダイオード（LD）であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体発光装置。
11. 基板上に、少なくともｎ型不純物が添加されたｎ型窒化物半導体層を形成する第１の工程と、
    前記ｎ型窒化物半導体層上に、所定の波長を有する光を発する発光層を形成する第２の工程と、
    前記発光層上に、ｐ型不純物が添加されたｐ型窒化物半導体層を形成する第３の工程と、
    前記ｐ型窒化物半導体層上に接してｐ型オーミック電極を形成する第４の工程と、
    前記ｎ型窒化物半導体に接して下から、Ａｌを主成分とする厚さが３nm以上で１０nm以下の第１層と、Ｍｏ、及びＮｂから選ばれる1以上の金属からなる第２層と、Ｔｉ、及びＰｔから選ばれる１以上の金属からなる第３層と、Ａｕからなる第４層を有する積層構造からなるｎ型オーミック電極を形成する第５の工程と、
    前記第５の工程の後に、前記基板に熱処理を施す工程とを具備することを特徴とする窒化物半導体発光装置の製造方法。
12. 前記第１層と前記ｎ型窒化物半導体との間に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれる１以上の金属を含み、前記第１層よりも膜厚が薄く、かつ前記第１層との合計膜厚が３nm以上で１０nm以下の膜厚を有する金属層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１１記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
13. 前記熱処理が、窒素雰囲気中で450℃〜600℃の温度範囲で行われることを特徴とする請求項１１記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。

Images