JP2010010591A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高いオーミック性と反射率を併せ有する電極構造を備える、低駆動電圧で駆動し、良好な光取り出し効率を有する半導体発光装置を提供すること。
【解決手段】基板上に設けられたn型半導体層と、前記n型半導体層上に設けられ、自然放出光を発光する活性層と、前記活性層上に設けられたp型半導体層と、前記半導体基板の裏面または前記n型半導体層上に設けられ、前記活性層及び前記p型半導体層と離隔して設けられたn電極と、前記p型半導体層上に設けられたp電極とを具備し、前記活性層からの発光を前記基板側から外部に取り出す半導体発光素子において、前記ｐ電極がドット状金属層と、このドット状金属層上に形成された反射オーミック金属層を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置に係り、特に、低駆動電圧で駆動し、光取り出し効率の高い半導体発光装置に関する。

半導体発光素子として、基板上にｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層を積層し、それぞれの半導体層に対し、オーミック電極を形成した構造が知られている。従来、基板側から光を取り出すための反射電極を備える発光素子では、反射電極材料として高い反射率を有するＡｇが使用されることが一般的であった。即ち、Ａｇの反射率が９６．６％と非常に高いのに対し、同様に電極に使用される金属であるＡｕの反射率は３８．７％、Ｃｕの反射率は５５．２％、Ｎｉの反射率は４１．２％と非常に低いものである。

しかし、Ａｇ単層により反射電極を構成した場合には、反射電極の密着性及びオーミック性が劣り、良好な特性を有する半導体発光素子を作製することが困難であった。

このような反射電極の密着性とオーミック性を改善するため、Ａｇ層と窒化物半導体層の間にＮｉ層を設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この提案に係る半導体発光素子では、Ｎｉ層を介在させるため反射率が低下し、Ａｇ本来の反射率が活かせないという問題があった。
特開２０００−２９４８３７号公報

本発明は、以上のような事情の下になされ、高いオーミック性と反射率を併せ有する電極構造を備える、低駆動電圧で駆動し、良好な光取り出し効率を有する半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、基板上に設けられたn型半導体層と、前記n型半導体層上に設けられ、自然放出光を発光する活性層と、前記活性層上に設けられたp型半導体層と、前記半導体基板の裏面または前記n型半導体層上に設けられ、前記活性層及び前記p型半導体層と離隔して設けられたn電極と、前記p型半導体層上に設けられたp電極とを具備し、前記活性層からの発光を前記基板側から外部に取り出す半導体発光素子において、前記ｐ電極がドット状金属層と、このドット状金属層上に形成された反射オーミック金属層を含むことを特徴とする半導体発光素子を提供する。

以上のように構成される半導体発光素子において、前記ドット状金属層として、Ｎｉ又はＰｄを用いることが出来る。また、前記反射オーミック金属層として、Ａｇを用いることが出来る。

前記ドット状金属層の膜厚は、１ｎｍ以上、３ｎｍ以下とすることが出来る。また、前記ドット状Ｎｉ層のｐ電極の全面積に対する面積率は、５０％以上、８５％以下とすることが出来る。更に、前記ｐ型半導体層とＡｇ層との間に、酸化ニッケル領域が形成され得る。

本発明の第２の態様は、基板上に設けられたn型半導体層と、前記n型半導体層上に設けられ、自然放出光を発光する活性層と、前記活性層上に設けられたp型半導体層と、前記半導体基板の裏面または前記n型半導体層上に設けられ、前記活性層及び前記p型半導体層と離隔して設けられたn電極と、前記p型半導体層上に設けられたp電極とを具備し、前記活性層からの発光を前記基板側から外部に取り出す半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ電極は、ドット状金属層を形成する工程、このドット状金属層上に反射オーミック金属層を形成する工程、及び３５０℃以上、６００℃未満の温度で、酸素を含む雰囲気中で熱処理する工程により形成されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法を提供する。

本発明によれば、ｐ電極として、ドット状金属層と、このドット状金属層上に形成された反射オーミック金属層を含むものを用いることにより、高いオーミック性と反射率を併せ有する電極構造を備える、低駆動電圧で駆動し、良好な光取り出し効率を有する半導体発光装置を提供することが出来る。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子としての青色ＬＥＤの構成を示す断面図である。図１において、基板、例えばサファイヤ基板１上には、ＧａＮからなるバッファ層２、ｎ型GaN層（ｎ型クラッド層）３、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸層（活性層）５、及びＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層６、ｐ型GaN層７が順次、エピタキシャル成長により形成されている。ｎ型GaN層３の一部にはメサが形成されて、ｎ電極４が形成され、ｐ型GaN層７上には、ｐ電極８が形成されている。なお、メサの表面、及びｎ型GaN層３、多重量子井戸層５、ｐ型クラッド層６、並びにｐ型GaN層７の側面には、絶縁膜１０が設けられている。

以上のように構成される半導体発光素子において、ｐ電極８は、ドット状の金属層と、その上に形成された反射オーミック金属層の連続膜からなる。ドット状の金属層としては、Ｎｉ又はＰｄを用いることができ、反射オーミック金属層としては、Ａｇ、Ａｌを用いることが出来る。
また、ｎ側電極４としては、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ等の積層金属膜を用いることが出来る。

ドット状の金属層は、連続膜ではなく、多数の金属ドット体が配置され、ドット間に空隙が存在し、そこから下地が露出している膜である。その面積率は、５０〜８５％であることが望ましい。面積率が５０％未満では、密着性が劣る傾向となり、８５％を超えると、連続膜に近くなり、反射率が低下する傾向となる。

なお、ドット状の金属層では、ドット同士が完全に離隔していて、独立したドットとして存在している必要は必ずしもない。ドット同士が繋がって網目状となっていても、上記面積率の範囲内にあれば、良好な密着性及び高い反射率を得ることは可能である。

ドット状の金属層の膜厚は、１〜３ｎｍであることが望ましい。膜厚が１ｎｍ未満の膜は成膜が困難であるとともに、密着性改善効果が劣る傾向となる。また、膜厚が３ｎｍを超えると、連続膜となり易く、また反射率が低下する傾向となる。

ドット状の金属層例えばＮｉ層と、反射オーミック金属層例えばＡｇ層とからなるｐ電極８は、次のようにして形成することが出来る。

まず、ｐ型GaN層７の表面に、真空蒸着法によりドット状のＮｉ層を形成する。ドット状のＮｉ層は、例えば約１．０〜５．０Ａ／秒の成膜速度で、約２秒〜３０秒という短時間でＮｉを真空蒸着することによる得ることが出来る。これよりも成膜速度が速く、成膜時間が長い場合には、ドット状のＮｉ層を得にくくなり、連続膜のＮｉ層になり易い。

即ち、上述した面積率、膜厚のドット状のＮｉ層を得るには、成膜速度、成膜時間を適宜制御すればよい。

このようにして成膜されたドット状のＮｉ層の表面状態を示す模式図を図２（ａ）に示す。また、連続膜であるＮｉ層の表面状態を示す模式図を図２（ｂ）に示す。図２（ａ）と図２（ｂ）の比較から、ドット状のＮｉ層は、連続膜であるＮｉ層とは、全く異なる表面性状を有していることがわかる。

次に、ドット状のＮｉ層上にやはり真空蒸着法により、Ａｇの連続膜を形成する。その後、赤外線ランプアニール装置等の熱処理装置により、ドット状Ｎｉ層／Ａｇ連続膜に３５０〜６００℃、例えば４００℃の熱処理を施すと、一部のドット状Ｎｉはｐ型GaN層７表面に残留する酸素や熱処理雰囲気中の酸素と結合し、ＮｉＯに変換される。

ＮｉＯは青色発光素子の発光波長（４００〜５００ｎｍ程度）に対して高い透過率を示すため、ｐ電極の反射率をより向上させることが可能となる。

また、Ｎｉは、ＡｇやＧａＮ領域に拡散し、アロイ化するため、それによって電極密着性が向上するという効果も得られる。

熱処理の望ましい条件は、下記の通りである。

温度：４００℃、
雰囲気：酸素：窒素＝８：２、
処理時間：１分。

処理温度は、高すぎるとＡｇのマイグレーションが大きくなり、電極表面の凹凸が数μｍのオーダーで発生してしまう。また、処理時間も長すぎると同様の現象が見られる。

Ｎｉ膜の膜厚を変化させて形成したＮｉ／Ａｇ電極について、コンタクト抵抗を測定したところ、図３に示す結果を得た。図３から、Ｎｉ膜を設けることにより、コンタクト抵抗が低下すること、またかなり薄い膜厚でもコンタクト抵抗が低下することがわかる。

なお、Ｎｉ膜の膜厚は、１ｎｍ〜３ｎｍの範囲で良好な結果が得られることがわかっている。Ｎｉ膜の膜厚が３ｎｍを超えると、ドット状のＮｉ膜が得られず、反射率が低下してしまう。

次に、Ｎｉ／Ａｇ電極の密着性を評価するピールテスト及び反射率を評価するテストを以下のように行った。

ピールテスト
ピールテストは、基板上に１ｎｍ〜３ｎｍの膜厚のドット状Ｎｉ膜を成膜した後、２００ｎｍのＡｇ層を成膜してＮｉ／Ａｇ電極サンプルを作製し、スクライバー等で１００箇所（１ｍｍ角）にケガキをいれて、Ｎｉ／Ａｇ電極部のみを分割し、セロテープ（登録商標）（ＪＩＳ Ｚ１５２２）を貼り付け、はがした際に、１００箇所中何箇所が剥がれたかをカウントすることにより行った。

その結果、剥がれた箇所は全く無かった。

比較のため、ドット状のＮｉ膜を形成しない、２００ｎｍのＡｇ単層のみのサンプルを形成し、ピールテストを行ったところ、１００箇所すべてが剥がれた。また、ドット状のＮｉ膜の代わりに層状のＮｉ膜（膜厚３ｎｍ）を形成したＮｉ／Ａｇ電極サンプルについて、ピールテストを行ったところ、剥離箇所は３箇所と少なかった。従って、ドット状のＮｉ膜でなくとも層状のＮｉ膜を形成しても、ある程度の密着性の改善効果は得られることがわかる。なお、層状のＮｉ膜よりもドット状のＮｉ膜のほうが密着性の改善効果が良好であるのは、ドット状のＮｉ膜の凹凸面とＡｇ面との接触面積が大きいためと考えられる。

反射率評価テスト
ピールテストで用いたサンプルを用い、表面の反射率を測定した。測定はハロゲンランプ光源をφ５ｍｍの円形領域に照射し、サンプルからの反射強度を測定することで行った。また、反射率はＡｇ単層膜を蒸着成膜したときの反射強度を１００として求めた。

その結果、ドット状Ｎｉ／Ａｇ電極サンプルの反射率は９４．４％であった。

ドット状のＮｉ膜の代わりに層状のＮｉ膜（膜厚３ｎｍ）を形成したＮｉ／Ａｇ電極サンプルについて、反射率を測定したところ、反射率は７４．６％と低い値であった。

以上のピールテスト及び反射率測定結果より、Ａｇ単層のみのサンプルでは、反射率は高いが密着性が非常に悪く、層状のＮｉ膜を形成したＮｉ／Ａｇ電極サンプルでは、密着性の改善効果は認められるが、反射率が非常に低く、反射電極としての機能は発揮することが出来ないことがわかる。

これは、層状のＮｉ膜を形成した場合には、ｐ型ＧａＮ表面とＡｇ層との間の全面にわたってＮｉ層が存在するため、高反射率のＡｇ層の機能が十分に発揮されないためである。これに対し、ドット状のＮｉ膜を形成した場合には、Ａｇ層がｐ型クラッド層に対し、Ｎｉ層を介在せずに直接接触するため、高反射率のＡｇ層の機能が十分に発揮することが出来る。

以上、ドット状の金属膜として、主としてＮｉ層の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ドット状のＰｄ層を用いても、同様の効果を得ることが出来る。

本発明の一実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図。 ドット状Ｎｉ層及び連続膜Ｎｉ層の表面状態を示す模式図。 ドット状Ｎｉ層の膜厚によいるコンタクト抵抗の変化を示す特性図。

符号の説明

１…サファイヤ基板、２…ｎ型クラッド層、３…多重量子井戸層、４…ｐ型クラッド層、５…ｎ電極、６…ｐ電極、７…絶縁膜。

Claims (7)

1. 基板上に設けられたn型半導体層と、前記n型半導体層上に設けられ、自然放出光を発光する活性層と、前記活性層上に設けられたp型半導体層と、前記半導体基板の裏面または前記n型半導体層上に設けられ、前記活性層及び前記p型半導体層と離隔して設けられたn電極と、前記p型半導体層上に設けられたp電極とを具備し、前記活性層からの発光を前記基板側から外部に取り出す半導体発光素子において、前記ｐ電極がドット状金属層と、このドット状金属層上に形成された反射オーミック金属層を含むことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記ドット状金属層は、Ｎｉ又はＰｄからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記反射オーミック金属層はAｇからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記ドット状金属層は、１ｎｍ以上、３ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
5. 前記ドット状Ｎｉ層は、ｐ電極の全面積に対し、５０％以上、８５％以下の面積率を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子。
6. 前記ｐ型半導体層とＡｇ層との間に酸化ニッケル領域が形成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
7. 基板上に設けられたn型半導体層と、前記n型半導体層上に設けられ、自然放出光を発光する活性層と、前記活性層上に設けられたp型半導体層と、前記半導体基板の裏面または前記n型半導体層上に設けられ、前記活性層及び前記p型半導体層と離隔して設けられたn電極と、前記p型半導体層上に設けられたp電極とを具備し、前記活性層からの発光を前記基板側から外部に取り出す半導体発光素子の製造方法において、
   前記ｐ電極は、ドット状金属層を形成する工程、このドット状金属層上に反射オーミック金属層を形成する工程、及び３５０℃以上、６００℃未満の温度で、酸素を含む雰囲気中で熱処理する工程により形成されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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