JP2022163956A

JP2022163956A - 窒化ガリウム系半導体発光素子とその製造方法

Info

Publication number: JP2022163956A
Application number: JP2021069118A
Authority: JP
Inventors: 俊之小幡; Toshiyuki Obata; 聡田中; Satoshi Tanaka
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2021-04-15
Filing date: 2021-04-15
Publication date: 2022-10-27

Abstract

【課題】ｐ型窒化ガリウム系半導体層にオーミック接触する電極材料としてＮｉＡｕを採用し、剥離せず、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体発光素子を得ることである。【解決手段】ｎ型窒化ガリウム系半導体層と、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に積層された発光層と、前記発光層上に積層されたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上に配置されたニッケル酸化物（ＮｉＯｘ）および金（Ａｕ）を含むｐ側電極層と、を備え、前記ｐ側電極層上面から見て、前記ｐ側電極層の全面積に占める前記ニッケル酸化物の面積の占める割合が３５％以上となっている窒化ガリウム系半導体発光素子を提供する。【選択図】図２（ａ）

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。より具体的には、窒化ガリウム系半導体発光素子のｐ側電極とその製造方法に関する。

従来の窒化ガリウム系半導体発光素子は、例えば成長基板上にｎ型窒化ガリウム系半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系半導体層を順に積層し、ｎ型窒化ガリウム系半導体層とｐ型窒化ガリウム系半導体層にそれぞれｎ側電極、ｐ側電極を接続した構造となっている。そして、ｎ側電極とｐ側電極との間に電流を印可することにより、発光層において発光再結合が起こり、発光層のバンドギャップに応じた発光を得ることができる。

ｐ側電極としては、ｐ型窒化ガリウム系半導体層とオーミック接触を取るためにＮｉＡｕが使用できることが、例えば特許文献１に記載されている。この文献によれば、ｐ側全面電極として膜厚２０ｎｍのＮｉ／Ａｕをｐ型窒化ガリウム系半導体層上面に積層している。

一方、特許文献２においては、反射電極としてＡｇを使用するに際し、大面積化すると剥離が発生するという課題を、反射電極を島状に形成することで解決するとしている。Ａｇは、熱膨張率の違いによって面内方向に応力が生じるため、島状にすることで面内方向への応力発生を分断する趣旨と解される。

特開２００２－０３３５１１特開２００７－０２７５４０

ＮｉＡｕは、ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間にオーミック接触を取りやすい金属である。しかし、Ｎｉ層は、この金属自体の特性として薄膜とした場合に面内方向に応力が大きく生じる傾向がある。このため、ｐ側電極としてｐ型窒化ガリウム系半導体層上に積層しても剥離の問題が生じる。これを解消するために、特許文献２にあるように島状にＮｉ層を形成することも考えられる。しかし、このようにした場合、設計自由度が失われる問題がある上に、デバイスの所定の箇所に電流が集中することにより信頼性が低下する問題が生じる。特に、ｐ型窒化ガリウム系半導体層の膜厚が５０ｎｍ以下と薄い場合や、ｐ型窒化ガリウム系半導体層のＡｌ組成が高い、例えば５０％以上である場合は、面内方向への電流拡散が起きにくいため、ｐ型窒化ガリウム系半導体層上面に形成したｐ側電極によってデバイス全面に電流拡散をしておかなければ、顕著に信頼性が低下する。

本発明は、上記課題を解決し、ｐ型窒化ガリウム系半導体層にオーミック接触する電極材料としてＮｉＡｕを採用し、剥離せず、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体発光素子を得ることを目的とするものである。

本願の第一の発明は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層と、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に積層された発光層と、前記発光層上に積層されたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上に配置されたニッケル酸化物（ＮｉＯ_ｘ）および金（Ａｕ）を含むｐ側電極層と、を備え、前記ｐ側電極層上面から見て、前記ｐ側電極層の全面積に占める前記ニッケル酸化物の面積の占める割合が３５％以上となっている窒化ガリウム系半導体発光素子である。

また、本願の第二の発明は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層と、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に積層された発光層と、前記発光層上に積層されたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、を備えた窒化ガリウム系半導体積層構造を準備する工程と、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層及び前記発光層の一部を除去して前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の表面の一部を露出する工程と、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上面を絶縁膜で覆う工程と、前記絶縁膜上をフォトレジストで覆う工程と、前記フォトレジストのうち、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上面に配置する予定のｐ側電極となる箇所を取り除き、前記絶縁膜を露出する工程と、前記露出した絶縁膜を取り除き、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上面を露出する工程と、前記露出したｐ型窒化ガリウム系半導体層上面にニッケル層およびＡｕ層を配置する工程と、前記ニッケル層およびＡｕ層を酸素雰囲気下でアニールする工程と、を含む窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法である。

本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層にオーミック接触する電極材料としてＮｉＡｕを用いながら、剥離が抑制されている。このため、信頼性が高い。また、本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、剥離が抑制されたＮｉＡｕを含むｐ側電極を実現できる。このため、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体発光素子を製造できる。

本願発明を適用した窒化ガリウム系半導体発光素子の全体的な概略図である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子のｐ側電極表面の光学顕微鏡写真である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子のｐ側電極表面の光学顕微鏡写真である。比較例による窒化ガリウム系半導体発光素子のｐ側電極表面の光学顕微鏡写真と、画像処理を施して同じ写真を二値化した画像である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子のｐ側電極表面の光学顕微鏡写真（図２（ａ））に画像処理を施して二値化した画像である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子のｐ側電極表面の光学顕微鏡写真（図２（ｂ））に画像処理を施して二値化した画像である。比較例による窒化ガリウム系半導体発光素子のｐ側電極表面の光学顕微鏡写真（図２（ｃ））に画像処理を施して二値化した画像である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一部を示す図である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一部を示す図である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一部を示す図である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一部を示す図である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一部を示す図である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一部を示す図である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一部を示す図である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一部を示す図である。本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の一部を示す図である。

以下に、本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子を、図を参照しながら説明する。図１は、本願発明を適用した窒化ガリウム系半導体発光素子の全体的な概略図である。この素子は、成長基板１、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２、発光層３、ｐ型窒化ガリウム系半導体層４、ｎ側電極５、ｐ側電極６からなっている。成長基板１の上には、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２がエピタキシャル成長している。そして、その上に、発光層３およびｐ型窒化ガリウム系半導体層４が順にエピタキシャル成長している。更に、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２にｎ側電極５がオーミック接触し、かつ、ｐ型窒化ガリウム系半導体層４にｐ側電極６がオーミック接触している。

成長基板１は、窒化ガリウム系半導体層をその上面にエピタキシャル成長するための基板となる部分である。材料としては、サファイアまたは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられる。また、成長基板１表面（図１における成長基板１とｎ型窒化ガリウム系半導体層２の界面）は、ｃ面、ｍ面またはａ面が好適だが、わずかに傾いていてもよい。

成長基板１上面に、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２がエピタキシャル成長している。ｎ型窒化ガリウム系半導体層２は、一般的に組成式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。ｎ型窒化ガリウム系半導体層２上面にエピタキシャル成長される発光層３がどのような発光波長を備えるかによるが、可視光領域であればＧａＮ、３５０ｎｍ以下の紫外光領域であればＡｌＧａＮが好適である。また、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２には、ｎ型ドーパント、例えばＳｉがドーピングされており、ｎ型導電性を示す。なお、好適には、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２と成長基板１との界面に両層の格子歪みを緩和するためのバッファ層が挿入されていてもよい。さらに、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２は、複数の層で構成されていてもよく、ドーパントを含まない層が複数の層のうちの一つ以上含まれていてもよい。

ｎ型窒化ガリウム系半導体層２上面に、発光層３がエピタキシャル成長している。発光層３は、例えば、青色領域の発光を得るために、ＧａＮ組成の障壁層とＩｎＧａＮ組成の井戸層を複数交互に積層した多重量子井戸構造を有している。また、例えば、紫外領域の発光を得るために、相対的に高Ａｌ組成を有するＡｌＧａＮ組成を備えた障壁層と、相対的に低Ａｌ組成を有するＡｌＧａＮ組成を備えた井戸層を複数交互に積層した多重量子井戸構造を有している。なお、具体的な量子井戸構造は、発光素子としてどの波長の光を得たいかによって自由に選択できる。

発光層３上面に、ｐ型窒化ガリウム系半導体層４がエピタキシャル成長している。ｐ型窒化ガリウム系半導体層４は、一般的に組成式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体層４には、ｐ型ドーパント、例えばＭｇがドーピングされており、ｐ型導電性を示す。さらに、ｐ型窒化ガリウム系半導体層４は、発光層３との間にキャリアブロック層としてｐ型窒化ガリウム系半導体層４よりもバンドギャップが大きい、すなわちＡｌ組成が高い層を備えていてもよい。

ｐ型窒化ガリウム系半導体層４および発光層３の一部が取り除かれ、その部分からｎ型窒化ガリウム系半導体層２が露出している。そして、ｎ側電極５が露出したｎ型窒化ガリウム系半導体層２表面に配置され、オーミック接触している。ｎ側電極５は、例えば、Ｔｉ層と、その上にＡｌ層を積層した構造、あるいはＴｉＮ層と、その上にＴｉ、Ａｌ、Ａｕ層を積層した構造を採用することができる。ｎ側電極５の上には、ｎ側パッド電極７が積層されている。

ｐ型窒化ガリウム系半導体層４上面には、ｐ側電極６が配置され、オーミック接触している。ｐ側電極６は、ＮｉとＡｕを積層し、酸素雰囲気下でアニールしたものを使用する。なお、アニール処理を行わなくてもオーミック接触となっているが、アニール処理を行うことにより、ニッケル酸化物（ＮｉＯ_ｘ）の相分離が進行し、電極剥離を抑制できる。ｐ側電極６の上には、ｐ側パッド電極８が積層されている。

ｎ型窒化ガリウム系半導体層２およびｐ型窒化ガリウム系半導体層４のｎ側パッド電極７上面およびｐ側パッド電極８上面を除く表面、および露出した発光層３側面には保護膜９、例えばＳｉＯ_２膜が積層されている。保護膜９により、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２とｐ型窒化ガリウム系半導体層４の間の短絡や劣化を防止することができる。

本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子は、ｎ側電極５とｐ側電極６との間に電流を印可することにより、発光層３で発光再結合が生じ、発光を得ることができる。この発光の波長は、発光層３の組成および多重量子井戸構造の構成によるが、例えば、ピーク波長が２００ｎｍ～４８０ｎｍ、半値幅が３０ｎｍから６０ｎｍ程度の光を得ることができる。

図２（ａ）－（ｆ）に、本願発明および比較例による窒化ガリウム系半導体発光素子のｐ側電極表面の光学顕微鏡写真と、画像処理を施して同じ写真を二値化した画像を示す。

本願発明を適用したｐ側電極表面の写真は図２（ａ）、（ｂ）である。このｐ側電極表面の黒く表示されている箇所（二値化した画像である図２（ｄ）、（ｅ）で黒く表示されている箇所）は、ＥＤＸ分析により、ニッケル酸化物が凝集しているものであることが判明した。このニッケル酸化物のｐ側電極表面における占有率を二値化した画像から算出すると、図２（ａ）の場合は４０．６％、図２（ｂ）の場合は３６．２％であることが判明した。一方で、比較例であるｐ側電極表面の写真の図２（ｃ）は、ニッケルと酸素がまんべんなく存在しており、その表面にニッケル酸化物の凝集体がほとんど存在しないことがＥＤＸ分析により判明した。図２（ｆ）の二値化した画像のうち、黒く表示されている箇所は、画像処理上そのように表示されているだけであり、ニッケル酸化物凝集体のｐ側電極表面における占有率は、実質的に０％である。

本願発明を適用した、図２（ａ）、（ｂ）のｐ側電極を備えた窒化ガリウム系半導体発光素子は、いずれもｐ側電極の剥離が発生しなかった。一方で、比較例である図２（ｃ）のｐ側電極を備えた窒化ガリウム系半導体発光素子は、剥離が発生した。このことから、ニッケル酸化物のｐ側電極表面における占有率が所定の値、特に３５％を超えると、ｐ側電極の密着性が向上するものと考えられる。

ニッケル酸化物の凝集が起こることによってｐ側電極の密着性が向上する理由は不明である。しかし、ニッケル酸化物の凝集によってＮｉ層の面内方向のつながりが分断され、この結果として応力が分散されるものと推測される。

図３（ａ）－（ｉ）に、本願発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を示す。

まず、成長基板１として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）単結晶基板を準備する。ＡｌＮ単結晶基板は、例えばサファイア基板上にＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法によりＡｌＮを成長させ、成長後にサファイア基板を除去する等の既存の方法により製造できる。成長面は、例えばｃ面とする。サファイア基板除去後、ＡｌＮ単結晶基板の両面を研磨する。

成長基板１であるＡｌＮ単結晶基板表面に、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２、発光層３、ｐ型窒化ガリウム系半導体層４を順次エピタキシャル成長することにより、成長基板１上に窒化物半導体積層構造を積層したウェハを作製する（図３（ａ））。

このウェハのｐ型窒化ガリウム系半導体層４表面にフォトリソグラフィ法によるパターニングを行い、エッチングを行う箇所以外をレジストで覆う。その後、レジストで覆われていない箇所を反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）法によって除去する。この結果、ｎ側電極５を形成する予定の箇所においてｐ型窒化ガリウム系半導体層４および発光層３が取り除かれ、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２の表面が露出する（図３（ｂ））。

ｎ型窒化ガリウム系半導体層２が露出したウェハの全面に対して、保護膜９ａとしてＳｉＯ_２膜を成膜し、ｐ型窒化ガリウム系半導体層４と露出したｎ型窒化ガリウム系半導体層２の表面を覆う。その後、ＳｉＯ_２膜上に、フォトリソグラフィ法によるパターニングを行い、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２上のｎ側電極５の形状の部分のみＳｉＯ_２膜が露出し、それ以外がレジストで覆われるようにする。露出したＳｉＯ_２膜は、バッファードフッ酸（Buffered Hydrogen Fluoride：ＢＨＦ）によるウェットエッチングで除去し、ｎ側電極５の形状にｎ型窒化ガリウム系半導体層２が露出する。次に、Ｔｉ層２０ｎｍ、Ａｌ層１７０ｎｍおよびＡｕ層５ｎｍをこの順で積層する。レジストを剥離し、窒素雰囲気下８７０℃、１分の条件で合金化処理を行うことでｎ側電極５を形成する（図３（ｃ））。

ｎ側電極５を形成した後、続いてｐ側電極６を形成する。まずは、ｐ型窒化ガリウム系半導体層４表面にはＳｉＯ_２膜が形成されているので、この上にフォトリソグラフィ法によるパターニングを行ってレジスト１０を形成し、ｐ側電極６の形状にＳｉＯ_２膜が露出するようにする。このパターニングの際、レジスト除去用の現像液によって過現像を行う。すなわち、例えば通常は１００秒の現像時間でレジストを除去し、ＳｉＯ_２膜を露出できるところを、例えば２００秒の現像時間とする。これは、現像液によるＳｉＯ_２膜表面のクリーニングのためである。この過現像処理によって、ＳｉＯ_２膜表面の汚染がそのままｐ型窒化ガリウム系半導体層４表面に付着し、電極形成を阻害することを防ぐことができる（図３（ｄ））。

現像処理後、ＵＶオゾン洗浄処理を１０分行ってＳｉＯ_２膜表面の有機物を除去する。その後、ＢＨＦによるウェットエッチングでｐ側電極６の形状にＳｉＯ_２膜を除去する。更に、再度ＵＶオゾン洗浄処理を４０分行ってｐ側電極６を形成するためのｐ型窒化ガリウム系半導体層４表面の箇所の有機物を除去し、酸化膜除去のための５０％希釈塩酸処理を１５分行う（図３（ｅ））。

ｐ側電極６を形成するためのｐ型窒化ガリウム系半導体層４表面の箇所に蒸着処理を行う。蒸着は、Ｎｉ層２０ｎｍおよびＡｕ層１５０ｎｍをこの順で積層する。蒸着後、レジストを剥離することで、ｐ側電極６の形状で成膜される。その後、純酸素雰囲気下６００℃、１５分の条件でアニール処理を行う。このアニール処理は、電極劣化及び電極剥離対策として行うものであり、オーミック電極形成を目的としていない。なぜなら、アニール処理を行わなくてもｐ型窒化ガリウム系半導体層４との間でオーミック接触となっているからである。Ａｕ層が十分に厚く、ｐ型窒化ガリウム系半導体層４表面が清浄であり、かつ、純酸素雰囲気下でアニールされると、ｐ側電極６表面でニッケル酸化物の相分離が進行する。この結果、電極の剥離が防止される（図３（ｆ））。

アニール処理後、スパッタ法によって保護膜９ｂとしてＳｉＯ_２膜をウェハ全面に形成する。その後、上述した方法と同様に、フォトリソグラフィ法によるパターニングとＢＨＦによるウェットエッチングまたはＲＩＥ法によるドライエッチングにより、ｎ側電極５上およびｐ側電極６上に形成されたＳｉＯ_２膜を除去し、ｎ側電極５およびｐ側電極６を露出させる開口部を設ける（図３（ｇ））。この開口部に対し、例えばＴｉ層２０ｎｍ、Ｎｉ層３４０ｎｍ、Ａｕ層２７５ｎｍ、Ｔｉ層５ｎｍをこの順に設け、電極上面のパッド電極（ｎ側パッド電極７およびｐ側パッド電極８）を形成する（図３（ｈ））。

パッド電極形成後、成長基板１の成長表面とは反対側の面を化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）法によって研磨し、厚みを１００μｍ程度とする。さらに、スクライビングにより各素子をウェハから切り離し、素子化する。この工程により、本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子が完成する（図３（ｉ））。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１成長基板
２ｎ型窒化ガリウム系半導体層
３発光層
４ｐ型窒化ガリウム系半導体層
５ｎ側電極
６ｐ側電極
７ｎ側パッド電極
８ｐ側パッド電極
９保護膜
９ａ保護膜（第一保護膜）
９ｂ保護膜（第二保護膜）
１０レジスト

Claims

ｎ型窒化ガリウム系半導体層と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に積層された発光層と、
前記発光層上に積層されたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上に配置されたニッケル酸化物（ＮｉＯ_ｘ）および金（Ａｕ）を含むｐ側電極層と、を備え、
前記ｐ側電極層上面から見て、前記ｐ側電極層の全面積に占める前記ニッケル酸化物の面積の占める割合が３５％以上となっている窒化ガリウム系半導体発光素子。
ｎ型窒化ガリウム系半導体層と、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に積層された発光層と、前記発光層上に積層されたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、を備えた窒化ガリウム系半導体積層構造を準備する工程と、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層及び前記発光層の一部を除去して前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の表面の一部を露出する工程と、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上面を絶縁膜で覆う工程と、
前記絶縁膜上をフォトレジストで覆う工程と、
前記フォトレジストのうち、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上面に配置する予定のｐ側電極となる箇所を取り除き、前記絶縁膜を露出する工程と、
前記露出した絶縁膜を取り除き、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上面を露出する工程と、
前記露出したｐ型窒化ガリウム系半導体層上面にニッケル層およびＡｕ層を配置する工程と、
前記ニッケル層およびＡｕ層を酸素雰囲気下でアニールする工程と、を含む窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。