JP2013131700A - ＧａＮ系半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＰＮパッド電極層を構成する各層の層間相互の拡散を防止することができるＧａＮ系半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ＧａＮ系半導体発光素子であって、基板上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層、およびｐ型ＧａＮ系半導体層が順に設けられ、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の一部分を露出させて、露出させた前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の表面に、Ｎパッド電極層が設けられ、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に、Ａｇ又はＡｇ合金を含んで成るＡｇ電極層が設けられ、前記Ａｇ電極層を完全に被覆するように前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に、カバー電極層が設けられ、前記カバー電極層上に、Ｐパッド電極層が設けられ、前記Ｎパッド電極層又は前記Ｐパッド電極層の少なくとも一方が、前記基板側から順に少なくともＡｌ含有層、Ｔｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層を積層しており、前記Ｔｉ層が、０．２５μｍ以上の厚さであることを特徴とする。
【選択図】図２
【解決手段】ＧａＮ系半導体発光素子であって、基板上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層、およびｐ型ＧａＮ系半導体層が順に設けられ、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の一部分を露出させて、露出させた前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の表面に、Ｎパッド電極層が設けられ、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に、Ａｇ又はＡｇ合金を含んで成るＡｇ電極層が設けられ、前記Ａｇ電極層を完全に被覆するように前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に、カバー電極層が設けられ、前記カバー電極層上に、Ｐパッド電極層が設けられ、前記Ｎパッド電極層又は前記Ｐパッド電極層の少なくとも一方が、前記基板側から順に少なくともＡｌ含有層、Ｔｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層を積層しており、前記Ｔｉ層が、０．２５μｍ以上の厚さであることを特徴とする。
【選択図】図２
Description
本発明は、ＧａＮ系半導体発光素子に関する。
ＧａＮ 系半導体発光素子は、ＧａＮ系半導体を積層して形成される。又、ＧａＮ系半導体発光素子は、発光ダイオードやレーザーダイオード等に利用される。ＧａＮ系半導体は、(１)バンドギャップが大きい、(２)結晶が硬い、(３)電子の速度が速い等の特徴を活かして、短波長域での高効率発光素子用材料として利用されている。又、ＧａＮ系半導体はバルク単結晶の製造が困難であるため、有機金属気相成長法を利用して、異種基板であるサファイアやＳｉＣ等の上で成長させる方法が採られている。
又、ＧａＮ系半導体発光素子の構成要素の１つに、ＰＮパッド電極層がある。ＰＮパッド電極層とは、ｎ型ＧａＮ系半導体層側に設けられるパッド電極層とｐ型ＧａＮ系半導体側に設けられるパッド電極層とが共通の積層構造を有する場合に、ｎ型ＧａＮ系半導体層側に設けられるパッド電極層とｐ型ＧａＮ系半導体側に設けられるパッド電極層を総称して言うものである。以下、ｎ型ＧａＮ系半導体層側に設けられているパッド電極層をＮパッド電極層と言い、又、ｐ型ＧａＮ系半導体層側に設けられているパッド電極層をＰパッド電極層と言う。従来の代表的なＰＮパッド電極層はＡｌ層およびＡｕ層を含んで成る構造を採っており、該Ａｌ層とＡｕ層との間に、中間バリア層がある。この中間バリア層は、Ａｌ層とＡｕ層の相互拡散を抑制する機能を果たしている。
しかしながら、この中間バリア層が、上記ＰＮパッド電極層にあるＡｌ層とＡｕ層との相互拡散を抑制する機能を果たしているものの、高電流域又は高温高湿環境下では、Ａｌ層とＡｕ層との相互拡散が進行するおそれがある。それ故、ＧａＮ系半導体が有する(１)バンドギャップが大きい、(２)結晶が硬い、(３)電子の速度が速い等の特徴を活かすことができない。ひいては、ＧａＮ系半導体発光素子の利用用途や範囲が狭められ、又、ＧａＮ系半導体発光素子の使用条件等が制限されることとなる。
そこで、本発明は、ＰＮパッド電極層を構成する各層の層間相互の拡散を防止することができるＧａＮ系半導体発光素子を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のＧａＮ系半導体発光素子は、
基板上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層、およびｐ型ＧａＮ系半導体層が順に設けられ、
前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の一部分を露出させて、露出させた前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の表面に、Ｎパッド電極層が設けられ、
前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に、Ａｇ又はＡｇ合金を含んで成るＡｇ電極層が設けられ、
前記Ａｇ電極層を完全に被覆するように前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に、カバー電極層が設けられ、
前記カバー電極層上に、Ｐパッド電極層が設けられ、
前記Ｎパッド電極層又は前記Ｐパッド電極層の少なくとも一方が、前記基板側から順に少なくともＡｌ含有層、Ｔｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層を積層しており、
前記Ｔｉ層が、０．２５μｍ以上の厚さであることを特徴とする。
基板上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層、およびｐ型ＧａＮ系半導体層が順に設けられ、
前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の一部分を露出させて、露出させた前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の表面に、Ｎパッド電極層が設けられ、
前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に、Ａｇ又はＡｇ合金を含んで成るＡｇ電極層が設けられ、
前記Ａｇ電極層を完全に被覆するように前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に、カバー電極層が設けられ、
前記カバー電極層上に、Ｐパッド電極層が設けられ、
前記Ｎパッド電極層又は前記Ｐパッド電極層の少なくとも一方が、前記基板側から順に少なくともＡｌ含有層、Ｔｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層を積層しており、
前記Ｔｉ層が、０．２５μｍ以上の厚さであることを特徴とする。
ある好ましい態様では、前記Ｔｉ層が、０．３５μｍ以下の厚さである。
ある好ましい態様では、前記Ａｌ含有層はＳｉおよびＣｕを含むＡｌ合金層である。
ある好ましい態様では、前記Ｎパッド電極層および前記Ｐパッド電極層を設けた部分を除いて、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層、およびカバー電極層の各層面に、絶縁膜が施されている。
ある好ましい態様では、前記基板がサファイア基板である。
本発明のＧａＮ系半導体発光素子は、ＰＮパッド電極層に含まれるＴｉ層の厚さを０．２５μｍ以上にすることで、Ａｌ含有層とＡｕ層の相互拡散を抑制することができるものである。これによって、ＧａＮ系半導体発光素子の利用用途や範囲が広がり、又、ＧａＮ系半導体発光素子の使用条件等が制限されにくくなる。従って、ＧａＮ系半導体発光素子の需要が益々増えることが期待できるものである。
以下、本発明の実施形態のＧａＮ系半導体発光素子について説明する。
まず、本発明のＧａＮ系半導体発光素子の構造について説明する。図１は、本発明のＧａＮ系半導体発光素子１の平面図である。図２は、本発明のＧａＮ系半導体発光素子１の概略断面図であり、図１にある線分Ａ−Ａ´方向に沿ったものである。本発明のＧａＮ系半導体発光素子１は、図２に示すように、サファイア基板２、ｎ型ＧａＮ系半導体層３、発光層４、ｐ型ＧａＮ系半導体層５、ＰＮパッド電極層６、Ａｇ電極層７およびカバー電極層８を含んで成る。又、本明細書において、ＰＮパッド電極層６は、Ｎパッド電極層９およびＰパッド電極層１０の総称である。
ｎ型ＧａＮ系半導体層３は、サファイア基板２上に設けられている。発光層４は、ｎ型ＧａＮ系半導体層３上に設けられている。ｐ型ＧａＮ系半導体層５は、発光層４上に設けられている。Ｎパッド電極層９は、ｐ型ＧａＮ系半導体層５および発光層４の一部を除いたｎ型ＧａＮ系半導体層３を露出させた表面に設けられている。又、Ｎパッド電極層９は、サファイア基板２側から順に、Ａｌ含有層１１、Ｔｉ層１２、Ｐｔ層１３およびＡｕ層１４を有し、ｎ型ＧａＮ系半導体層３とオーミック接触する。最もサファイア基板側に近いＡｌ含有層１１は反射の機能を果たす層であり、又、最もサファイア基板から遠いＡｕ層１４はワイヤーボンディングを可能にする層である。又、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４との間にあるＴｉ層１２およびＰｔ層１３は、Ａｌ含有層１１およびＡｕ層１４との相互拡散を抑制する中間バリア層としての機能を果たしている。Ａｇ又はＡｇ合金を含んで成るＡｇ電極層７は、ｐ型ＧａＮ系半導体層５上に設けられ、ｐ型ＧａＮ系半導体層５とオーミック接触する。カバー電極層８は、Ａｇ又はＡｇ合金を含んで成るＡｇ電極層７および該Ａｇ電極層７の少なくとも側面と上面とを完全に被覆するようにｐ型ＧａＮ系半導体層５上に設けられている。このとき、カバー電極層８は、Ａｇ又はＡｇ合金を含んで成るＡｇ電極層７および該Ａｇ電極層７を完全に被覆することが好ましい。又、Ｐパッド電極層１０はカバー電極層８上に設けられている。絶縁膜１５は、Ｎパッド電極層９およびＰパッド電極層１０を設けた部分を除いて、ＧａＮ系半導体発光素子１全体を覆うように施されている。
ここで、Ｐパッド電極層１０は、Ｎパッド電極層９と同様の層構造を有している。すなわち、Ｐパッド電極層１０はサファイア基板２側から順にＡｌ含有層１１、Ｔｉ層１２、Ｐｔ層１３およびＡｕ層１４を有している。本実施形態では、Ａｌ含有層１１はＳｉおよびＣｕを含んで成るＡｌ合金層であるが、これに限らず、Ａｌを含有する積層や、Ａｌと他の金属との合金層でもよい。他の金属とは、例えばＣｕ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ等が使用できる。また、ＰＮパッド電極層６は少なくとも一方が、サファイア基板２側から順にＡｌ含有層１１、Ｔｉ層１２、Ｐｔ層１３およびＡｕ層１４の積層構造を有していればよい。この積層構造において、各層の成分が他の層へ一部拡散していてもよい。
ここで、Ｐパッド電極層１０は、Ｎパッド電極層９と同様の層構造を有している。すなわち、Ｐパッド電極層１０はサファイア基板２側から順にＡｌ含有層１１、Ｔｉ層１２、Ｐｔ層１３およびＡｕ層１４を有している。本実施形態では、Ａｌ含有層１１はＳｉおよびＣｕを含んで成るＡｌ合金層であるが、これに限らず、Ａｌを含有する積層や、Ａｌと他の金属との合金層でもよい。他の金属とは、例えばＣｕ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ等が使用できる。また、ＰＮパッド電極層６は少なくとも一方が、サファイア基板２側から順にＡｌ含有層１１、Ｔｉ層１２、Ｐｔ層１３およびＡｕ層１４の積層構造を有していればよい。この積層構造において、各層の成分が他の層へ一部拡散していてもよい。
本発明において、ＧａＮ系半導体発光素子１の構成要素の１つであるＰＮパッド電極層６は、Ａｌ含有層１１、Ｔｉ層１２、Ｐｔ層１３およびＡｕ層１４から成り、かつ、Ｔｉ層１２の厚さを０．２５μｍ以上にすることによって、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４との間の相互拡散を抑制している。なお、Ｔｉ層１２の厚さは、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４との間の相互拡散を抑制するために０．２５μｍ以上あればよく、かかる効果を考慮したとき、上限は特にないが、例えば、ＰＮパッド電極層６の全体の抵抗を考慮して好ましくは、０．３５μｍ以下に設定される。
次に、本発明のＧａＮ系半導体発光素子１の製造方法について説明する。
＜ＧａＮ系半導体層の形成＞
まず、サファイア基板２を準備する。本実施形態ではサファイア基板を用いるが、ＳｉＣ等の異種基板やＧａＮ基板等でも構わない。また、基板は凹凸形状を有していてもよい。その凹凸形状を有したサファイア基板２をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、この凹凸形状を有したサファイア基板２上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層３、発光層４およびｐ型ＧａＮ系半導体層５を順に成長させることで、ＧａＮ系半導体層１６が形成される。
＜エッチング＞
ｐ型ＧａＮ系半導体層５の表面に所定形状のマスクを形成し、エッチングによりマスク開口部を介してｐ型ＧａＮ系半導体層５および発光層４を除去して、ｎ型ＧａＮ系半導体層３を露出させる。この時、ｎ型ＧａＮ系半導体層３の露出部の一部をエッチングしてもよい。このようにして露出させたｎ型ＧａＮ系半導体層３の一部に、Ｎパッド電極層９を形成する。
＜Ａｇ電極層およびカバー電極層の形成＞
マスクを除去した後、例えば、スパッタリングによりｐ型ＧａＮ系半導体層５の一部にＡｇ電極層７を形成する。次に、Ａｇ電極層７を覆うようにカバー電極層８を形成する。これによって、Ａｇ電極層７の高い光取り出し効果を発揮させつつ、高温、高湿動作時におけるＡｇのマイグレーション、すなわちリーク電流を防止する。
＜ＰＮパッド電極層の形成＞
サファイア基板２側から順に、蒸着又はスパッタリングによりＡｌ含有層１１、Ｔｉ層１２、Ｐｔ層１３およびＡｕ層１４を、エッチングにより露出させたｎ型ＧａＮ系半導体層３上とカバー電極層８上に積層させて、Ｎパッド電極層９およびＰパッド電極層１０を同時に形成する。なお、この実施形態では、Ｎパッド電極層９およびＰパッド電極層１０を同様の層構造を有して、同時に形成したが、Ｎパッド電極層９およびＰパッド電極層１０は異なる層構造で、別工程で形成してもよい。
＜絶縁膜の形成＞
ＰＮパッド電極層６の上面を除いて、ｎ型ＧａＮ系半導体層３、発光層４、ｐ型ＧａＮ系半導体層５、およびカバー電極層８の各層の表面、すなわちＧａＮ系半導体発光素子１全体を覆うように、絶縁膜１５を施す。
以上の方法により、本発明のＧａＮ系半導体発光素子１が製造される。
＜ＧａＮ系半導体層の形成＞
まず、サファイア基板２を準備する。本実施形態ではサファイア基板を用いるが、ＳｉＣ等の異種基板やＧａＮ基板等でも構わない。また、基板は凹凸形状を有していてもよい。その凹凸形状を有したサファイア基板２をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、この凹凸形状を有したサファイア基板２上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層３、発光層４およびｐ型ＧａＮ系半導体層５を順に成長させることで、ＧａＮ系半導体層１６が形成される。
＜エッチング＞
ｐ型ＧａＮ系半導体層５の表面に所定形状のマスクを形成し、エッチングによりマスク開口部を介してｐ型ＧａＮ系半導体層５および発光層４を除去して、ｎ型ＧａＮ系半導体層３を露出させる。この時、ｎ型ＧａＮ系半導体層３の露出部の一部をエッチングしてもよい。このようにして露出させたｎ型ＧａＮ系半導体層３の一部に、Ｎパッド電極層９を形成する。
＜Ａｇ電極層およびカバー電極層の形成＞
マスクを除去した後、例えば、スパッタリングによりｐ型ＧａＮ系半導体層５の一部にＡｇ電極層７を形成する。次に、Ａｇ電極層７を覆うようにカバー電極層８を形成する。これによって、Ａｇ電極層７の高い光取り出し効果を発揮させつつ、高温、高湿動作時におけるＡｇのマイグレーション、すなわちリーク電流を防止する。
＜ＰＮパッド電極層の形成＞
サファイア基板２側から順に、蒸着又はスパッタリングによりＡｌ含有層１１、Ｔｉ層１２、Ｐｔ層１３およびＡｕ層１４を、エッチングにより露出させたｎ型ＧａＮ系半導体層３上とカバー電極層８上に積層させて、Ｎパッド電極層９およびＰパッド電極層１０を同時に形成する。なお、この実施形態では、Ｎパッド電極層９およびＰパッド電極層１０を同様の層構造を有して、同時に形成したが、Ｎパッド電極層９およびＰパッド電極層１０は異なる層構造で、別工程で形成してもよい。
＜絶縁膜の形成＞
ＰＮパッド電極層６の上面を除いて、ｎ型ＧａＮ系半導体層３、発光層４、ｐ型ＧａＮ系半導体層５、およびカバー電極層８の各層の表面、すなわちＧａＮ系半導体発光素子１全体を覆うように、絶縁膜１５を施す。
以上の方法により、本発明のＧａＮ系半導体発光素子１が製造される。
中間バリア層であるＴｉ層１２およびＰｔ層１３が、Ａｌ含有層１１およびＡｕ層１４との相互拡散を抑制する機能を果たしているかどうか確認するために、実施した実験の結果について以下に説明する。
［比較例１］
まず、以下の製造工程により、基準となるＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
＜ＧａＮ系半導体層の形成＞
まず、凹凸形状を有したサファイア基板２を準備した。主として有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ法)を用いて、その凹凸形状を有したサファイア基板２をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、この凹凸形状を有したサファイア基板２上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層３、発光層４およびｐ型ＧａＮ系半導体層５を順に成長させることで、ＧａＮ系半導体層１６を形成させた。
＜エッチング＞
次いで、ｐ型ＧａＮ系半導体層５の表面に所定形状のマスクを形成し、エッチングによりマスク開口部を介してｐ型ＧａＮ系半導体層５および発光層４を除去して、ｎ型ＧａＮ系半導体層３を露出させた。このようにして露出させたｎ型ＧａＮ系半導体層３の一部に、Ｎパッド電極層９を形成した。
＜Ａｇ電極層およびカバー電極層の形成＞
次いで、マスクを除去した後、例えば、スパッタリングによりｐ型ＧａＮ系半導体層５の一部にＡｇ電極層７を形成した。レジストを用いて、Ａｇ電極層７を覆うようにカバー電極層８を形成した。
＜ＰＮパッド電極層の形成＞
次いで、サファイア基板２側から順に、蒸着又はスパッタリングによりＳｉ、Ｃｕを含むＡｌ合金からなるＡｌ含有層１１(厚さ：０．５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．１５μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)を、エッチングにより露出させたｎ型ＧａＮ系半導体層３上とカバー電極層８上に積層させて、Ｎパッド電極層９およびＰパッド電極層１０、すなわち、ＰＮパッド電極層６を同時に形成した。
＜絶縁膜の形成＞
次いで、ＰＮパッド電極層６の上面を除いて、ｎ型ＧａＮ系半導体層３、発光層４、ｐ型ＧａＮ系半導体層５、およびカバー電極層８の各層の表面、すなわちＧａＮ系半導体発光素子１全体を覆うように、絶縁膜１５を施した。
まず、以下の製造工程により、基準となるＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
＜ＧａＮ系半導体層の形成＞
まず、凹凸形状を有したサファイア基板２を準備した。主として有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ法)を用いて、その凹凸形状を有したサファイア基板２をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、この凹凸形状を有したサファイア基板２上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層３、発光層４およびｐ型ＧａＮ系半導体層５を順に成長させることで、ＧａＮ系半導体層１６を形成させた。
＜エッチング＞
次いで、ｐ型ＧａＮ系半導体層５の表面に所定形状のマスクを形成し、エッチングによりマスク開口部を介してｐ型ＧａＮ系半導体層５および発光層４を除去して、ｎ型ＧａＮ系半導体層３を露出させた。このようにして露出させたｎ型ＧａＮ系半導体層３の一部に、Ｎパッド電極層９を形成した。
＜Ａｇ電極層およびカバー電極層の形成＞
次いで、マスクを除去した後、例えば、スパッタリングによりｐ型ＧａＮ系半導体層５の一部にＡｇ電極層７を形成した。レジストを用いて、Ａｇ電極層７を覆うようにカバー電極層８を形成した。
＜ＰＮパッド電極層の形成＞
次いで、サファイア基板２側から順に、蒸着又はスパッタリングによりＳｉ、Ｃｕを含むＡｌ合金からなるＡｌ含有層１１(厚さ：０．５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．１５μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)を、エッチングにより露出させたｎ型ＧａＮ系半導体層３上とカバー電極層８上に積層させて、Ｎパッド電極層９およびＰパッド電極層１０、すなわち、ＰＮパッド電極層６を同時に形成した。
＜絶縁膜の形成＞
次いで、ＰＮパッド電極層６の上面を除いて、ｎ型ＧａＮ系半導体層３、発光層４、ｐ型ＧａＮ系半導体層５、およびカバー電極層８の各層の表面、すなわちＧａＮ系半導体発光素子１全体を覆うように、絶縁膜１５を施した。
以上の製造工程により、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．１５μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
次に、以下の条件に設定した場合に、ＰＮパッド電極層６を構成する各元素の拡散状況をＧＤＳ装置(グロー放電発光分光分析装置)で分析した。各設定条件におけるＰＮパッド電極層６を構成する各元素の拡散状況は図３(ａ)〜図３(ｄ)に示される。
なお、このＧＤＳ装置は、(１)中空状の陽極と試料(陰極)を対向させ、放電部をアルゴン雰囲気に保ち、両電極間に電力を供給する事により、安定したグロー放電プラズマを発生させるプロセス、(２)アルゴンイオンで表面から均一にスパッタされた試料表面の原子が、プラズマ中で励起され元素固有のスペクトルを発生させるプロセス、(３)このスペクトルを分光、計測することで、光強度により元素濃度、スパッタ時間から深さの情報を得るプロセス、(４)表面からの深さ方向分析を行うプロセスの４つのプロセスを踏んで、元素の拡散状況を分析するものである。
(１)熱処理前
図３(ａ)は、熱処理前のＰＮパッド電極層６を構成する各元素の拡散状況図である。図３(ａ)より、熱処理を施していないため、ＰＮパッド電極層６を構成する各元素は拡散せず安定していることがわかる。
(２)電気炉設定温度４５０℃（昇温時間３０分間＋安定時間１０分間＋降温時間３０分間）
図３(ｂ)は、電気炉温度を４５０℃に設定し、(ｉ)３０分間かけて昇温させ、(ｉｉ)次いで１０分間安定させ、(ｉｉｉ)最後に３０分間かけて降温させて、ＧａＮ系半導体発光素子１の熱処理を施した場合のＰＮパッド電極層６を構成する各元素の拡散状況図である。図３(ｂ)より、Ａｕのピークがやや収束が不足していることがわかる。
(３)電気炉設定温度５００℃（昇温時間３０分間＋安定時間１０分間＋降温時間３０分間）
図３(ｃ)は、電気炉温度を５００℃に設定し、(ｉ)３０分間かけて昇温させ、(ｉｉ)次いで１０分間安定させ、(ｉｉｉ)最後に３０分間かけて降温させて、ＧａＮ系半導体発光素子１の熱処理を施した場合のＰＮパッド電極層６を構成する各元素の拡散状況図である。図３(ｃ)より、Ａｌ含有層１１を構成するＡｌ、ＳｉおよびＣｕから成るＡｌ合金のうちＡｌとＡｕが相互拡散していることが分かる。
(４)電気炉設定温度５００℃（昇温時間３０分間＋安定時間３０分間＋降温時間３０分間）
図３(ｄ)は、電気炉温度を５００℃に設定し、(ｉ)３０分間かけて昇温させ、(ｉｉ)次いで３０分間安定させ、(ｉｉｉ)最後に３０分間かけて降温させて、ＧａＮ系半導体発光素子１の熱処理を施した場合のＰＮパッド電極層６を構成する各元素の拡散状況図である。図３(ｄ)より、各層の構造が崩れていることがわかる。
なお、このＧＤＳ装置は、(１)中空状の陽極と試料(陰極)を対向させ、放電部をアルゴン雰囲気に保ち、両電極間に電力を供給する事により、安定したグロー放電プラズマを発生させるプロセス、(２)アルゴンイオンで表面から均一にスパッタされた試料表面の原子が、プラズマ中で励起され元素固有のスペクトルを発生させるプロセス、(３)このスペクトルを分光、計測することで、光強度により元素濃度、スパッタ時間から深さの情報を得るプロセス、(４)表面からの深さ方向分析を行うプロセスの４つのプロセスを踏んで、元素の拡散状況を分析するものである。
(１)熱処理前
図３(ａ)は、熱処理前のＰＮパッド電極層６を構成する各元素の拡散状況図である。図３(ａ)より、熱処理を施していないため、ＰＮパッド電極層６を構成する各元素は拡散せず安定していることがわかる。
(２)電気炉設定温度４５０℃（昇温時間３０分間＋安定時間１０分間＋降温時間３０分間）
図３(ｂ)は、電気炉温度を４５０℃に設定し、(ｉ)３０分間かけて昇温させ、(ｉｉ)次いで１０分間安定させ、(ｉｉｉ)最後に３０分間かけて降温させて、ＧａＮ系半導体発光素子１の熱処理を施した場合のＰＮパッド電極層６を構成する各元素の拡散状況図である。図３(ｂ)より、Ａｕのピークがやや収束が不足していることがわかる。
(３)電気炉設定温度５００℃（昇温時間３０分間＋安定時間１０分間＋降温時間３０分間）
図３(ｃ)は、電気炉温度を５００℃に設定し、(ｉ)３０分間かけて昇温させ、(ｉｉ)次いで１０分間安定させ、(ｉｉｉ)最後に３０分間かけて降温させて、ＧａＮ系半導体発光素子１の熱処理を施した場合のＰＮパッド電極層６を構成する各元素の拡散状況図である。図３(ｃ)より、Ａｌ含有層１１を構成するＡｌ、ＳｉおよびＣｕから成るＡｌ合金のうちＡｌとＡｕが相互拡散していることが分かる。
(４)電気炉設定温度５００℃（昇温時間３０分間＋安定時間３０分間＋降温時間３０分間）
図３(ｄ)は、電気炉温度を５００℃に設定し、(ｉ)３０分間かけて昇温させ、(ｉｉ)次いで３０分間安定させ、(ｉｉｉ)最後に３０分間かけて降温させて、ＧａＮ系半導体発光素子１の熱処理を施した場合のＰＮパッド電極層６を構成する各元素の拡散状況図である。図３(ｄ)より、各層の構造が崩れていることがわかる。
又、上記(３)の設定条件で熱処理を施した場合のＧａＮ系半導体発光素子１のサファイア基板２側およびＰＮパッド電極層６設置側の平面写真図を、各々図４および図５に示す。図４および図５より、熱処理によってＮパッド電極層９およびＰパッド電極層１０を中心として、変色している。これは、Ａｌ含有層１１およびＡｕ層１４との相互拡散が生じていることを示す。
図３(ａ)〜図３(ｄ)より、熱処理温度および熱処理時間が増えると、中間バリア層であるＴｉ層１２およびＰｔ層１３を有しているにもかかわらず、Ａｌ、ＳｉおよびＣｕから成るＡｌ合金のうちＡｌとＡｕが相互拡散している。これは、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４とが相互拡散していることを示す。
この事から、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４との相互拡散を抑制するためには、中間バリア層を単に設けるだけでは十分ではないことが分かる。それ故、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４との相互拡散を抑制する方法として、中間バリア層、すなわちＴｉ層１２又はＰｔ層１３を厚くすることが考えられる。そこで、(１)Ｔｉ層１２を厚くした場合、(２)Ｐｔ層１３を厚くした場合の各々について、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４との相互拡散状況を確認した。下記の実施例に示すように、ＰＮパッド電極層６を構成する中間バリア層の種類、層厚、熱処理時間、電気炉内温度等を変更して、好ましい中間バリア層の形態について検討した。
［実施例１］
比較例１のＴｉ層（厚さ：０．１５μｍ）を０．２５μｍ厚くした場合
比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１を構成するＰＮパッド電極層６と比べて、Ｔｉ層１２が０．２５μｍ厚いＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．４μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
次いで、上記比較例１の(３)の設定条件、すなわち、電気炉温度を５００℃に設定し、(ｉ)３０分間かけて昇温させ、(ｉｉ)次いで１０分間安定させ、(ｉｉｉ)最後に３０分間かけて降温させて、ＧａＮ系半導体発光素子１の熱処理を施した。その時のＧａＮ系半導体発光素子１のサファイア基板２側およびＰＮパッド電極層６設置側の平面写真図は、各々図６および図７に示される。図６および図７より、熱処理によってＮパッド電極層９およびＰパッド電極層１０を中心とした変色がほとんど見られない。これは、Ｔｉ層１２を厚くすることにより、熱処理によるＡｌ含有層１１とＡｕ層１４との相互拡散が抑制されていることを示す。
比較例１のＴｉ層（厚さ：０．１５μｍ）を０．２５μｍ厚くした場合
比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１を構成するＰＮパッド電極層６と比べて、Ｔｉ層１２が０．２５μｍ厚いＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．４μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
次いで、上記比較例１の(３)の設定条件、すなわち、電気炉温度を５００℃に設定し、(ｉ)３０分間かけて昇温させ、(ｉｉ)次いで１０分間安定させ、(ｉｉｉ)最後に３０分間かけて降温させて、ＧａＮ系半導体発光素子１の熱処理を施した。その時のＧａＮ系半導体発光素子１のサファイア基板２側およびＰＮパッド電極層６設置側の平面写真図は、各々図６および図７に示される。図６および図７より、熱処理によってＮパッド電極層９およびＰパッド電極層１０を中心とした変色がほとんど見られない。これは、Ｔｉ層１２を厚くすることにより、熱処理によるＡｌ含有層１１とＡｕ層１４との相互拡散が抑制されていることを示す。
［比較例２］
比較例１のＰｔ層(厚さ：０．０５μｍ)を０．２５μｍ厚くした場合
比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１を構成するＰＮパッド電極層６と比べて、Ｐｔ層１３が０．２５μｍ厚いＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．１５μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．３μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
次いで、上記比較例１の(３)の設定条件、すなわち、電気炉温度を５００℃に設定し、(ｉ)３０分間かけて昇温させ、(ｉｉ)次いで１０分間安定させ、(ｉｉｉ)最後に３０分間かけて降温させて、ＧａＮ系半導体発光素子１の熱処理を施した。その時のＧａＮ系半導体発光素子１のサファイア基板２側およびＰＮパッド電極層６設置側の平面写真図は、各々図８および図９に示される。図８および図９より、熱処理によってＮパッド電極層９およびＰパッド電極層１０を中心とした変色がやや見受けられる。
比較例１のＰｔ層(厚さ：０．０５μｍ)を０．２５μｍ厚くした場合
比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１を構成するＰＮパッド電極層６と比べて、Ｐｔ層１３が０．２５μｍ厚いＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．１５μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．３μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
次いで、上記比較例１の(３)の設定条件、すなわち、電気炉温度を５００℃に設定し、(ｉ)３０分間かけて昇温させ、(ｉｉ)次いで１０分間安定させ、(ｉｉｉ)最後に３０分間かけて降温させて、ＧａＮ系半導体発光素子１の熱処理を施した。その時のＧａＮ系半導体発光素子１のサファイア基板２側およびＰＮパッド電極層６設置側の平面写真図は、各々図８および図９に示される。図８および図９より、熱処理によってＮパッド電極層９およびＰパッド電極層１０を中心とした変色がやや見受けられる。
これは、Ｔｉ層１２を０．２５μｍ厚くした場合と比べて、Ｐｔ層１３を同じ０．２５μｍ厚くした場合には、熱処理によるＡｌ含有層１１とＡｕ層１４との相互拡散を抑制する効果が少ないことを示している。以上の事から、Ｔｉ層１２がＰｔ層１３よりも中間バリア層として効果的に作用することが分かった。
そこで、次に主として、Ｔｉ層１２の厚さを適宜変更させて、ＧａＮ系半導体発光素子１の変色、とりわけＰＮパッド電極層６の変色防止に有効な厚さ設定範囲を検討した。
［比較例３］
まず、比較例１に記載した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１を、電気炉温度を４００、４２５、４５０又は４７５℃に各々設定して熱処理し、各電気炉設定温度におけるＰＮパッド電極層６に変色が生じるまでの時間を測定した。この時のＰＮパッド電極層６は、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．１５μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)である。電気炉の各設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の測定結果は、図１０に示される。この時、電気炉温度が４００℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は２７０分である。次いで、電気炉温度が４２５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は１２０分である。次いで、電気炉温度が４５０℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は８５分である。最後に、電気炉温度が４７５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は３０分である。
まず、比較例１に記載した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１を、電気炉温度を４００、４２５、４５０又は４７５℃に各々設定して熱処理し、各電気炉設定温度におけるＰＮパッド電極層６に変色が生じるまでの時間を測定した。この時のＰＮパッド電極層６は、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．１５μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)である。電気炉の各設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の測定結果は、図１０に示される。この時、電気炉温度が４００℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は２７０分である。次いで、電気炉温度が４２５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は１２０分である。次いで、電気炉温度が４５０℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は８５分である。最後に、電気炉温度が４７５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は３０分である。
［比較例４］
次に、比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１を０．１５μｍ薄くしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．３５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．１５μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。次いで、該ＧａＮ系半導体発光素子１を、電気炉温度を４００、４２５、４５０又は４７５℃に各々設定して熱処理し、各電気炉設定温度におけるＰＮパッド電極層６に変色が生じるまでの時間を測定した。電気炉の各設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の測定結果は、図１０に示される。この時、電気炉温度が４００℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は２７０分である。次いで、電気炉温度が４２５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は９０分である。次いで、電気炉温度が４５０℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は７５分である。最後に、電気炉温度が４７５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は３０分である。
次に、比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１を０．１５μｍ薄くしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．３５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．１５μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。次いで、該ＧａＮ系半導体発光素子１を、電気炉温度を４００、４２５、４５０又は４７５℃に各々設定して熱処理し、各電気炉設定温度におけるＰＮパッド電極層６に変色が生じるまでの時間を測定した。電気炉の各設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の測定結果は、図１０に示される。この時、電気炉温度が４００℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は２７０分である。次いで、電気炉温度が４２５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は９０分である。次いで、電気炉温度が４５０℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は７５分である。最後に、電気炉温度が４７５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は３０分である。
図１０に示される比較例３および比較例４を比べると、Ａｌ含有層１１を０．１５μｍ薄くしても、各電気炉設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の挙動に大きな違いはないことが分かった。そこで、ＰＮパッド電極層６の全体の抵抗を考慮すると、ＰＮパッド電極層６を構成する各層は薄膜であることが望ましいため、以下の実施例では、厚さを０．５μｍから０．３５μｍにしたＡｌ含有層を用いることとした。
［比較例５］
次に、比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１を０．１５μｍ薄く、Ｔｉ層１２を０．０７５μｍ薄くしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．３５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．０７５μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。次いで、該ＧａＮ系半導体発光素子１を、電気炉温度を４００、４２５、４５０又は４７５℃に各々設定して熱処理し、各電気炉設定温度におけるＰＮパッド電極層６に変色が生じるまでの時間を測定した。電気炉の各設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の測定結果は、図１０に示される。この時、電気炉温度が４００℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は２１０分である。次いで、電気炉温度が４２５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は６０分である。次いで、電気炉温度が４５０℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は５０分である。最後に、電気炉温度が４７５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は３０分である。
次に、比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１を０．１５μｍ薄く、Ｔｉ層１２を０．０７５μｍ薄くしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．３５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．０７５μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。次いで、該ＧａＮ系半導体発光素子１を、電気炉温度を４００、４２５、４５０又は４７５℃に各々設定して熱処理し、各電気炉設定温度におけるＰＮパッド電極層６に変色が生じるまでの時間を測定した。電気炉の各設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の測定結果は、図１０に示される。この時、電気炉温度が４００℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は２１０分である。次いで、電気炉温度が４２５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は６０分である。次いで、電気炉温度が４５０℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は５０分である。最後に、電気炉温度が４７５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は３０分である。
［比較例６］
次に、比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１を０．１５μｍ薄く、Ｔｉ層１２を０．０５μｍ厚くしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．３５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．２μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。次いで、該ＧａＮ系半導体発光素子１を、電気炉温度を４００、４２５、４５０又は４７５℃に各々設定して熱処理し、各電気炉設定温度におけるＰＮパッド電極層６に変色が生じるまでの時間を測定した。電気炉の各設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の測定結果は、図１０に示される。この時、電気炉温度が４００℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は２７０分である。次いで、電気炉温度が４２５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は１１０分である。次いで、電気炉温度が４５０℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は８５分である。最後に、電気炉温度が４７５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は３０分である。
次に、比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１を０．１５μｍ薄く、Ｔｉ層１２を０．０５μｍ厚くしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．３５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．２μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。次いで、該ＧａＮ系半導体発光素子１を、電気炉温度を４００、４２５、４５０又は４７５℃に各々設定して熱処理し、各電気炉設定温度におけるＰＮパッド電極層６に変色が生じるまでの時間を測定した。電気炉の各設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の測定結果は、図１０に示される。この時、電気炉温度が４００℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は２７０分である。次いで、電気炉温度が４２５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は１１０分である。次いで、電気炉温度が４５０℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は８５分である。最後に、電気炉温度が４７５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は３０分である。
［実施例２］
次に、比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１を０．１５μｍ薄く、Ｔｉ層１２を０．１５μｍ厚くしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．３５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．３μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。次いで、該ＧａＮ系半導体発光素子１を、電気炉温度を４００、４２５、４５０又は４７５℃に各々設定して熱処理し、各電気炉設定温度におけるＰＮパッド電極層６に変色が生じるまでの時間を測定した。電気炉の各設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の測定結果は、図１０に示される。この時、電気炉温度が４００℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は５１０分である。次いで、電気炉温度が４２５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は２６０分である。次いで、電気炉温度が４５０℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は１５０分である。最後に、電気炉温度が４７５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は５０分である。
次に、比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１を０．１５μｍ薄く、Ｔｉ層１２を０．１５μｍ厚くしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。すなわち、Ａｌ含有層１１(厚さ：０．３５μｍ)、Ｔｉ層１２(厚さ：０．３μｍ)、Ｐｔ層１３(厚さ：０．０５μｍ)およびＡｕ層１４(厚さ：０．４５μｍ)であるＰＮパッド電極層６を有したＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。次いで、該ＧａＮ系半導体発光素子１を、電気炉温度を４００、４２５、４５０又は４７５℃に各々設定して熱処理し、各電気炉設定温度におけるＰＮパッド電極層６に変色が生じるまでの時間を測定した。電気炉の各設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の測定結果は、図１０に示される。この時、電気炉温度が４００℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は５１０分である。次いで、電気炉温度が４２５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は２６０分である。次いで、電気炉温度が４５０℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は１５０分である。最後に、電気炉温度が４７５℃の場合のＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間は５０分である。
図１０に示される比較例３〜６および実施例２を比べると、Ｔｉ層１２の厚さを０．０７５μｍ(比較例５)、０．１５μｍ(比較例４)又は０．２μｍ(比較例６)に設定した場合、各電気炉設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の挙動に大きな違いはないことが分かった。その一方で、他のＴｉ層１２の厚さを０．０７５μｍ(比較例５)、０．１５μｍ(比較例４)又は０．２μｍ(比較例６)に設定した場合と比べて、Ｔｉ層１２の厚さを０．３μｍ(実施例２)に設定した場合に、各電気炉設定温度に対するＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間が遅いことが分かった。
ＰＮパッド電極層６の変色発生開始時間の遅延は、熱処理によるＡｌ含有層１１とＡｕ層１４との相互拡散の抑制に結び付くため、Ｔｉ層１２の厚さを０．３μｍに設定した場合に、熱処理によるＡｌ含有層１１とＡｕ層１４との相互拡散を効果的に抑制することができる。
Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４との間の相互拡散を効果的に抑制することができるＴｉ層１２の厚さの下限値を求めるため、比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ｔｉ層１２の厚さを厚くしたＧａＮ系半導体発光素子１（参考例１、実施例３、実施例４）について、順方向電流（Ｉｆ［ｍＡ］）、ＧａＮ系半導体発光素子１の接合温度（Ｔｊ［℃］）を変えてＮパッド電極層９の変色発生について調査した。
［参考例１］
比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ｔｉ層１２の厚さを０．０５μｍ厚くし、Ｔｉ層１２の膜厚を０．２μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ｔｉ層１２の厚さを０．０５μｍ厚くし、Ｔｉ層１２の膜厚を０．２μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
［実施例３］
比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ｔｉ層１２の厚さを０．１μｍ厚くし、Ｔｉ層１２の膜厚を０．２５μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ｔｉ層１２の厚さを０．１μｍ厚くし、Ｔｉ層１２の膜厚を０．２５μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
［実施例４］
比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ｔｉ層１２の厚さを０．１５μｍ厚くし、Ｔｉ層１２の膜厚を０．３μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
比較例１で製造した基準となるＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ｔｉ層１２の厚さを０．１５μｍ厚くし、Ｔｉ層１２の膜厚を０．３μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
参考例１、実施例３、実施例４及び比較例１のＧａＮ系半導体発光素子１について、ＰＮパッド電極層６にＡｕバンプを形成して実装基板にフリップチップ実装した。その後、表１に示す条件１〜３の試験を実施し、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４の相互拡散によるＮパッド電極層９の変色発生について調査した。表１に示す試験は、参考例１、実施例３、実施例４のＧａＮ系半導体発光素子１をそれぞれ１０個用いて行った。
試験結果を図１１及び表２に示す。図１１は参考例１、実施例３、実施例４及び比較例１のＧａＮ系半導体発光素子１のＮパッド電極層９の変色発生試験結果を示す拡大写真である。図１１において、１Ａ、２Ａ、３Ａはそれぞれ比較例１の条件１、２、３であり、１Ｂ、２Ｂ、３Ｂはそれぞれ参考例１の条件１、２、３であり、１Ｃ、２Ｃ、３Ｃはそれぞれ実施例３の条件１、２、３であり、１Ｄ、２Ｄ、３Ｄはそれぞれ実施例４の条件１、２、３である。表２は、条件１〜３において、参考例１、実施例３、実施例４及び比較例１でＮパッド電極層９の変色が発生したＧａＮ系半導体発光素子１の個数を示す。
Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４の相互拡散によるＰＮパッド電極層６の変色は、駆動電流が大きくなると加速することが懸念される。図１１及び表２の結果から、Ｔｉ層１２の厚さが０．１５μｍ、０．２μｍであると、電流の密度が大きいＡｕバンプの周囲からＮパッド電極層９が広い範囲で黒く変色していることがわかる。しかし、Ｔｉ層１２の厚さが０．２５μｍ以上であれば、効果的にＡｌ含有層１１とＡｕ層１４の相互拡散を抑制することができた。Ｔｉ層１２の厚さが０．２５μｍ以上のものでは、Ｎパッド電極層９の変色が発生していても軽度であり、非常に小さい黒点状であった。条件１のような１５００ｍＡという大電流においても、その効果は顕著に顕れている。さらに、Ｔｉ層１２の厚さが０．３μｍであるとき、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４の相互拡散は完全に抑制された。したがって、Ｔｉ層１２の厚さは、０．２５μｍ以上が好ましく、０．３μｍ以上がより好ましい。
なお、Ｔｉ層１２の厚さの上限値は、特に定められるものではないが、ＰＮパッド電極層６の全体の抵抗を考慮して、０．３５μｍ以下に設定される。
さらに、Ａｌ含有層１１の厚さの下限値を求めるため、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４の相互拡散を抑制することができる実施例４（Ｔｉ層１２の厚さ：０．３μｍ）において、Ａｌ含有層１１の厚さを変更したＧａＮ系半導体発光素子１（参考例２、参考例３、実施例５）を作製し、順方向電流（Ｉｆ［ｍＡ］）、ＧａＮ系半導体発光素子１の接合温度（Ｔｊ［℃］）を変えてＮパッド電極層９の変色発生について調査した。
［参考例２］
実施例４で製造したＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１の厚さを０．３５μｍ薄くし、Ａｌ含有層１１の膜厚を０．１５μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
実施例４で製造したＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１の厚さを０．３５μｍ薄くし、Ａｌ含有層１１の膜厚を０．１５μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
［参考例３］
実施例４で製造したＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１の厚さを０．２５μｍ薄くし、Ａｌ含有層１１の膜厚を０．２５μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
実施例４で製造したＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１の厚さを０．２５μｍ薄くし、Ａｌ含有層１１の膜厚を０．２５μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
［実施例５］
実施例４で製造したＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１の厚さを０．１５μｍ薄くし、Ａｌ含有層１１の膜厚を０．３５μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
実施例４で製造したＧａＮ系半導体発光素子１と比べて、Ａｌ含有層１１の厚さを０．１５μｍ薄くし、Ａｌ含有層１１の膜厚を０．３５μｍとしたＧａＮ系半導体発光素子１を製造した。
参考例２、参考例３、実施例５のＧａＮ系半導体発光素子１について、ＰＮパッド電極層６にＡｕバンプを形成して実装基板にフリップチップ実装した。その後、上述の表１に示す条件１〜３の試験を実施し、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４の相互拡散によるＮパッド電極層９の変色発生について調査した。表１に示す試験は、参考例２及び３についてＧａＮ系半導体発光素子１をそれぞれ１０個、実施例５について２０個用いて行った。
試験結果を図１２と表３に示す。図１２は参考例２、参考例３、実施例５のＧａＮ系半導体発光素子１のＮパッド電極層９の変色発生試験結果を示す拡大写真である。図１２において、１Ｅ、２Ｅ、３Ｅはそれぞれ参考例２の条件１、２、３であり、１Ｆ、２Ｆ、３Ｆはそれぞれ参考例３の条件１、２、３であり、１Ｇ、２Ｇ、３Ｇはそれぞれ実施例５の条件１、２、３である。表３は、条件１〜３において、参考例２、参考例３、実施例５でＮパッド電極層９の変色が発生したＧａＮ系半導体発光素子１の個数の割合（％）を示す。
図１２及び表３の結果から、Ａｌ含有層１１の厚さが薄いほど、Ｎパッド電極層９の変色が発生していた。しかし、Ｔｉ層１２の厚さが０．３μｍであるため、Ａｌ含有層１１とＡｕ層１４の相互拡散が抑制され、Ｎパッド電極層９の変色の進行が大幅に遅くなっていることが分かる。さらに、Ｎパッド電極層９の変色が発生していても軽度であり、非常に小さい黒点状であった。条件１のような１５００ｍＡという大電流においても、その効果は顕著に顕れている。したがって、Ｔｉ層１２がＡｌ含有層１１とＡｕ層１４の相互拡散が抑制できる厚さであるとき、Ａｌ含有層１１の厚さは０．３５μｍ以上とすることができる。
なお、Ａｌ含有層１１の厚さの上限値は、特に定められるものではないが、生産性を考慮して、５μｍ以下、好ましくは１μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以下に設定される。
これによって、本発明のＧａＮ系半導体発光素子１の利用用途や範囲を広げ、又、本発明のＧａＮ系半導体発光素子１の使用条件等が制限されにくくなる。
本発明のＧａＮ系半導体発光素子１は、照明用光源、各種インジケーター用光源、車載用光源、ディスプレイ用光源、液晶バックライト用光源、センサー用光源、および信号機等に利用することができる。
１ ＧａＮ系半導体発光素子
２ サファイア基板
３ ｎ型ＧａＮ系半導体層
４ 発光層
５ ｐ型ＧａＮ系半導体層
６ ＰＮパッド電極層
７ Ａｇ電極層
８ カバー電極層
９ Ｎパッド電極層
１０ Ｐパッド電極層
１１ Ａｌ含有層
１２ Ｔｉ層
１３ Ｐｔ層
１４ Ａｕ層
１５ 絶縁膜
１６ ＧａＮ系半導体層
２ サファイア基板
３ ｎ型ＧａＮ系半導体層
４ 発光層
５ ｐ型ＧａＮ系半導体層
６ ＰＮパッド電極層
７ Ａｇ電極層
８ カバー電極層
９ Ｎパッド電極層
１０ Ｐパッド電極層
１１ Ａｌ含有層
１２ Ｔｉ層
１３ Ｐｔ層
１４ Ａｕ層
１５ 絶縁膜
１６ ＧａＮ系半導体層
Claims (5)
- ＧａＮ系半導体発光素子であって、
基板上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層、およびｐ型ＧａＮ系半導体層が順に設けられ、
前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の一部分を露出させて、露出させた前記ｎ型ＧａＮ系半導体層の表面に、Ｎパッド電極層が設けられ、
前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に、Ａｇ又はＡｇ合金を含んで成るＡｇ電極層が設けられ、
前記Ａｇ電極層を完全に被覆するように前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に、カバー電極層が設けられ、
前記カバー電極層上に、Ｐパッド電極層が設けられ、
前記Ｎパッド電極層又は前記Ｐパッド電極層の少なくとも一方が、前記基板側から順に少なくともＡｌ含有層、Ｔｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層を積層しており、
前記Ｔｉ層が、０．２５μｍ以上の厚さであることを特徴とする、ＧａＮ系半導体発光素子。 - 前記Ｔｉ層が、０．３５μｍ以下の厚さである、請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
- 前記Ａｌ含有層はＳｉおよびＣｕを含むＡｌ合金層である、請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
- 前記Ｎパッド電極層および前記Ｐパッド電極層を設けた部分を除いて、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層、およびカバー電極層の各層面に、絶縁膜が施されている、請求項１〜３のいずれか一に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
- 前記基板がサファイア基板である、請求項１〜４のいずれか一に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
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