JP2010251384A - 酸化亜鉛系半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
p型ZnO系化合物半導体の電極の剥離が生じず高い接着性を有するとともに良好なオーミック接触を有するコンタクト電極の形成方法、当該電極が形成されたZnO系化合物半導体素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
p型ZnO系半導体層上に、Ni及びCuの少なくとも1つを含むコンタクト金属層を形成する工程と、無酸素雰囲気下で上記コンタクト金属層及びp型ZnO系半導体層の熱処理を行い、コンタクト金属層の表面に金属相の層を残存させるとともに、p型ZnO系半導体層及びコンタクト金属層間の界面にp型ZnO系半導体層の元素及びコンタクト金属層の元素からなる混合層を形成する熱処理工程と、を有する。
【選択図】図1
Description
p型ZnO系半導体層上に、Ni(ニッケル)及びCu(銅)の少なくとも1つを含むコンタクト金属層を形成するコンタクト金属層形成工程と、
無酸素雰囲気下で上記コンタクト金属層及びp型ZnO系半導体層の熱処理を行い、コンタクト金属層の表面に金属相の層を残存させるとともに、p型ZnO系半導体層及びコンタクト金属層間の界面にp型ZnO系半導体層の元素及びコンタクト金属層の元素からなる混合層を形成する熱処理工程と、を有することを特徴としている。
p型ZnO系半導体層上に形成され、Ni(ニッケル)及びCu(銅)の少なくとも1つを含む金属からなるコンタクト電極層と、
上記コンタクト電極層上に形成されたパッド電極と、を有し、
上記コンタクト電極層は、コンタクト電極層の表面側に形成された金属相の層と、p型ZnO系半導体層及びコンタクト電極層間の界面領域に形成され、p型ZnO系半導体層の元素及び前記コンタクト電極層の元素からなる混合層と、を有することを特徴としている。
p型ZnO系半導体上に、Ni(ニッケル)及びCu(銅)の少なくとも1つを含むコンタクト金属層を形成する工程と、
上記コンタクト金属層が形成されたp型ZnO系半導体を無酸素雰囲気下で熱処理を行い、コンタクト金属層の表面に金属相の層を残存させるとともに、p型ZnO系半導体及びコンタクト金属層間の界面にp型ZnO系半導体の元素及びコンタクト金属層の元素からなる混合層を形成する工程と、からなることを特徴としている。
[p側電極の構成及び形成]
次に、このように形成したLEDデバイス層付き基板(以下、単に、デバイス層付き基板ともいう。)17を用い、ZnO系化合物半導体素子(LED)を作製した。図3は、LED素子の製造工程の概要を示す断面図である。また、図4(a)及び図4(b)は、製造したLED素子30の上面図、及び図4(a)のA−A線における断面図をそれぞれ示している。
[電気的特性及び接着性の評価]
上記した実施例1により製造した半導体発光素子(LED)の電気的特性及び接着性について比較例と比較して評価を行った。具体的には、実施例1によるLED及び比較例1,2のLEDのオーミック特性をV−I特性の閾値電圧により評価し、p側電極の接着強度をワイヤボンディング時に電極剥離が起こるか否かにより評価した。また、素子実装に伴う熱履歴を想定し、窒素ガス雰囲気、350℃、15秒の熱処理を実施例1及び比較例1,2の素子に加えた後、上記したのと同様な評価を行った。なお、実施例1及び比較例1,2の各サンプル数は25個であり、計75個のサンプルを用いて評価を行った。
比較例1のLEDにおいては、第1のp電極層としてNiを、第2のp電極層としてAu(金)を用いた。より詳細には、電子ビーム(EB)蒸着によりNi/Auをそれぞれ30nm/1000nmの厚さで蒸着し、p側電極を形成した。なお、第1及び第2のp電極層のアニールは行わなかった。p側電極の構成及び形成方法以外の点は、実施例1の場合と同様である。すなわち、半導体結晶層、透光性電極、n側電極等の構成及びその他の素子形成方法は実施例1の場合と同様である。
実施例1によるLED及び比較例1,2のLEDのV−I特性の閾値電圧、及びp側電極の剥離の評価結果をまとめて図5に示す。なお、素子製造後の熱履歴、例えば、ダイボンディングにおける半田リフロ(温度230℃〜270℃程度)又はAu/Sn接合(温度300〜350℃程度)等の素子実装に伴う熱工程を想定し、製造後の素子に350℃、15secの熱処理を加えた後の閾電圧及び電極剥離の評価結果も示している。
本実施例において、p側電極のオーミック特性及び接着性が大きく改善された点について検討した。これら特性の改善メカニズムについて図面を参照して、以下に詳細に説明する。
(第1のp電極層の材料)
第1のp電極層23には、p型ZnO系結晶層とオーミック接合性を有する金属を用いる必要がある。また、本発明では、第1のp電極層とp型ZnO系結晶層間に金属酸化物を形成させるため、電極金属の酸化物とp型ZnO系結晶層間でオーミック接合する必要がある。このようなp型酸化物結晶としては、NiOが知られているが、いわゆる3d遷移元素、例えばCu(銅)の酸化物をベースとし、Al(アルミニウム)、Ca(カルシウム),Sr(ストロンチウム)等が含有した酸化物もp型化する。従って、第1のp電極層として、Ni又はCu、あるいは、Ni又はCuとAl、Ca、Sr等との合金を用いることができる。すなわち、Ni及びCuの少なくとも1つを含む金属又は合金を上記コンタクト金属として用いることができる。
第1のp電極層は、当該電極層が層状となりZnO系結晶層を被覆するように10nm以上の厚さで形成するのが良い。また、蒸着した電極層には混合領域が形成されておらず、酸化物結晶層と金属層が接触している状態なので、蒸着層が厚すぎると剥離し易くなる。第1のp電極層の層厚は、60nm以下が良い。従って、10nm以上60nm以下が良く、10nm〜30nmの範囲内であることがさらに好ましい。
本発明では、酸化され易い金属(Ni、Cu、あるいはNiまたはCuのAl、Ca、Sr化合物)がp型ZnO系結晶層の構成元素であるO(酸素)と結合する性質を利用し、p型ZnO系結晶層14と第1のp電極層23との界面領域のみが、ZnO系結晶層14から供給される酸素(O)によって酸化され、表面層は金属相の層が残存するように熱処理雰囲気ガスを選定した。従って、当該アニールは、無酸素雰囲気又は非酸化性雰囲気下で行えばよい。また、第1のp電極層23の表面層がより良好な金属状態を保つ上で、還元性ガスであるH2(水素)等を混合することがより好ましい。
アニール温度については、350℃程度未満の低温では混晶層(混合領域)の形成が困難である。また、500℃程度以上の高温では第1のp電極層23の金属(Ni)がZnO系結晶層14に固溶してしまい表面層まで混晶化するので適しない。従って、アニール温度は、350℃〜500℃の範囲内であることが必要である。素子製造後の実装工程等における加熱工程での固溶化防止のため、350℃〜450℃の範囲内であることがさらに好ましい。
第2のp電極層24は、第1のp電極層23の金属(Ni)と、第3のp電極層25の金属であるAuとの固溶を防ぐため、これら金属層間のバリア層として設けられる。第1のp電極層23のNiは10nm〜30nm程度と非常に薄いため、Ni層上にAuを直接形成した場合では、例えば、半田接合(230℃〜270℃)やAu/Sn共晶(300℃〜350℃)工程で加えられる熱などによりNiがAuに固溶するおそれがあるからである。
第3のp電極層25の材料としては、Au(金)以外に、Al(アルミニウム)でも良い。通常、ワイヤはAu(金)なのでボンディングパッド層材料としてAuは最適である。これに対して、Al(アルミニウム)は近紫外まで反射する高反射率材料であり、電極による光吸収を抑えるには好適な材料である。
本実施例1においては、混合領域形成のアニール工程を第1のp電極層23の形成後に実施したが、第2のp電極層24(バリア層)の形成後、又は第3のp電極層25(パッド電極層)の形成後に実施しても良い。
12 n型ZnO系結晶層
13 発光層
14 p型ZnO系結晶層
15 デバイス層
21 透光性電極
22 p側電極
23 第1のp電極層
23A 混合領域
23B 金属層
24 第2のp電極層
25 第3のp電極層
28 n側電極
Claims (13)
- 少なくともp型ZnO系半導体層を有する酸化亜鉛(ZnO)系半導体素子の製造方法であって、
前記p型ZnO系半導体層上に、Ni(ニッケル)及びCu(銅)の少なくとも1つを含むコンタクト金属層を形成するコンタクト金属層形成工程と、
無酸素雰囲気下で前記コンタクト金属層及び前記p型ZnO系半導体層の熱処理を行い、前記コンタクト金属層の表面に金属相の層を残存させるとともに、前記p型ZnO系半導体層及び前記コンタクト金属層間の界面に前記p型ZnO系半導体層の元素及び前記コンタクト金属層の元素からなる混合層を形成する熱処理工程と、
を有することを特徴とする製造方法。 - 前記無酸素雰囲気は、真空、不活性ガス雰囲気、還元性ガス雰囲気、及び不活性ガスと還元性ガスとの混合ガス雰囲気の何れかであることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記熱処理の処理温度は350℃ないし450℃の範囲内であることを特徴とする請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記コンタクト金属層は、3nmないし30nmの範囲内の層厚を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1に記載の製造方法。
- 前記熱処理工程の実行後に、前記コンタクト金属層上にバリア金属層及びパッド金属層を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1に記載の製造方法。
- 前記バリア金属層は、Pt(プラチナ)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ir(イリジウム)、Ti(チタン)、W(タングステン)のうち少なくとも1つの金属からなることを特徴とする請求項5に記載の製造方法。
- 前記ZnO系半導体素子は、n型ZnO系半導体層及び発光層を含む発光ダイオード(LED)あることを特徴とする請求項1ないし6いずれか1に記載の製造方法。
- 少なくともp型ZnO系半導体層を有するZnO系半導体素子であって、
前記p型ZnO系半導体層上に形成され、Ni(ニッケル)及びCu(銅)の少なくとも1つを含む金属からなるコンタクト電極層と、
前記コンタクト電極層上に形成されたパッド電極と、を有し、
前記コンタクト電極層は、前記コンタクト電極層の表面側に形成された金属相の層と、前記p型ZnO系半導体層及び前記コンタクト電極層間の界面領域に形成され、前記p型ZnO系半導体層の元素及び前記コンタクト電極層の元素からなる混合層と、を有することを特徴とするZnO系半導体素子。 - 前記コンタクト電極層は、無酸素雰囲気下での熱処理により形成されたことを特徴とする請求項8に記載のZnO系半導体素子。
- 前記コンタクト電極層及び前記パッド電極間に形成されたバリア金属層をさらに有することを特徴とする請求項8又は9に記載のZnO系半導体素子。
- p型ZnO系半導体のコンタクト電極の形成方法であって、
前記p型ZnO系半導体上に、Ni(ニッケル)及びCu(銅)の少なくとも1つを含むコンタクト金属層を形成する工程と、
前記コンタクト金属層が形成された前記p型ZnO系半導体を無酸素雰囲気下で熱処理を行い、前記コンタクト金属層の表面に金属相の層を残存させるとともに、前記p型ZnO系半導体及び前記コンタクト金属層間の界面に前記p型ZnO系半導体の元素及び前記コンタクト金属層の元素からなる混合層を形成する工程と、
からなることを特徴とする形成方法。 - 前記無酸素雰囲気は、真空、不活性ガス雰囲気、還元性ガス雰囲気、及び不活性ガスと還元性ガスとの混合ガス雰囲気の何れかであることを特徴とする請求項11に記載の形成方法。
- 前記熱処理の処理温度は350℃ないし450℃の範囲内であることを特徴とする請求項11又は12に記載の形成方法。
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