JP2950192B2 - 窒化物半導体の電極 - Google Patents

窒化物半導体の電極

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード(LE
D)、レーザダイオード(LD)等に使用される窒化物
半導体(InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y
≦1)よりなる発光素子の細部の構造に係り、詳しくは
窒化物半導体に絶縁膜を介して形成された電極に関す
る。
【0002】
【従来の技術】窒化物半導体(InXAlYGa
1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)は紫外〜赤色に発
光するLED、LD等の発光素子の材料として従来より
知られている。LEDに関して、我々はこの半導体材料
を用いてp−n接合を有するダブルへテロ構造の窒化物
半導体発光素子を実現し、1993年11月に光度1c
dの青色LEDを発表し、1994年4月に光度2cd
の青緑色LEDを発表し、1994年10月には光度2
cdの青色LEDを発表した。これらのLEDは全て製
品化されて、現在ディスプレイ、信号等の実用に供され
ている。一方、LDについては、窒化物半導体で従来よ
り数々の構造が提案されているが、未だ実現には至って
いない。
【0003】窒化物半導体を用いたLD素子は、例えば
特開平6−283825号、特開平6−152072
号、特開平6−61527号等に記載されている。これ
らの公報に開示されるLDはいずれも活性層に電流を集
中させるため、p型層の表面にSiO2よりなる電流狭
窄層が形成され、その電流狭窄層を介してp層と電気的
に接続された正電極が形成されている。このように化合
物半導体を用いてLD素子を実現するには、通常最上層
のp層にSiO2、Al23、Si34のような絶縁体
よりなる薄膜を形成して電流狭窄が行われる。
【0004】図4は窒化物半導体を用いた従来の代表的
なLD素子の構造を示す模式的な断面図である。基本的
な構造としては基板41の上にn型窒化物半導体よりな
るnクラッド層42と、発光する活性層43と、p型窒
化物半導体よりなるpクラッド層44とが順に積層され
たダブルへテロ構造を有している。最上層であるpクラ
ッド層44には電流狭窄層としてSiO2よりなる絶縁
膜45が形成され、この絶縁膜45を介してp型クラッ
ド層44とオーミック接触した正電極50が形成されて
いる。なお、n型クラッド層42にはそのn型クラッド
層42とオーミック接触した負電極が形成されており、
それぞれの電極は金ワイヤーでワイヤーボンディングさ
れている。55はワイヤーボンディング時にできるボー
ルを示している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】窒化物半導体層の表面
に絶縁膜を形成し、その絶縁膜を介して窒化物半導体層
と電気的に接続された電極が形成された構造の素子で
は、一般に電極の窒化物半導体層に対する接触面積より
も、絶縁膜に接触する面積の方が大きい。従って電極を
ワイヤーボンディングしたり、あるいは電極と半田を介
して、発光素子をリードフレームやヒートシンク等に載
置する際、電極が絶縁膜から剥がれてしまうという問題
がある。例えば図4では、ワイヤーを引っ張ると電極5
0が絶縁膜45から剥がれてしまったり、またワイヤー
ボンディングする前でも少しの外力が加わることにより
電極が絶縁膜から剥がれてしまうのである。
【0006】窒化物半導体はその物性自体が良く解明さ
れておらず、p型層と強固に接続できる電極材料、絶縁
材料とも未知の部分が多いのが実状である。従って本発
明の目的は窒化物半導体と接着力が強い電極を提供する
ものであり、詳しくは窒化物半導体層に絶縁膜を介して
形成された電極の接着力を向上させることにより、窒化
物半導体を用いたLED、LD、受光素子等、各種デバ
イスの信頼性を向上させることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体の
電極は、窒化物半導体と電気的に接続された電極が絶縁
膜を介して形成されており、さらに前記絶縁膜と前記電
極との間に電極と絶縁膜との接着力よりも大きな接着力
を有する金属薄膜が形成されていることを特徴とする。
金属薄膜の膜厚は特に限定するものではないが、例えば
10オングストローム〜10μmぐらいの膜厚で形成す
ることができる。
【0008】前記電極が金を含み、さらに絶縁膜が二酸
化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン
の内の少なくとも一種よりなる場合、電極と絶縁膜との
間に形成する金属薄膜はCr、Al、Ti、Niよりな
る群から選択された少なくとも一種の金属を含む材料を
使用することが望ましい。Auを含む電極と前記絶縁膜
との組み合わせにおいて、Cr、Al、Ti、Niより
なる金属薄膜は絶縁膜と電極との接着性が非常に良い。
【0009】
【作用】前記のように窒化物半導体の物性は未だ良く知
られていない。例えばp型窒化物半導体層と良好なオー
ミックが得られて、密着性の良い電極材料は数少ない。
この電極材料と異なる金属材料(通常Auが用いられ
る。)でワイヤーボンディング等を行うと、ワイヤーと
電極とが剥がれやすくなる。さらに窒化物半導体と電極
との間にSiO2のような絶縁材料を介していれば、ワ
イヤー、電極、絶縁膜、窒化物半導体層いずれかの界面
において、最も接着力の弱い箇所で剥離してしまう。接
着力の弱い箇所は絶縁膜と電極とが接触する界面が多
い。そこで、本発明では絶縁膜と電極との間に、新たに
絶縁膜と特に接着力の強い金属薄膜を形成することによ
り、電極と絶縁性材料との接着力を強くすることが可能
となる。この場合、金属薄膜は窒化物半導体にオーミッ
ク接触する必要はなく、電極の方が窒化物半導体とオー
ミック接触するか、あるいはオーミック用の電極と接続
されているので、電極と金属薄膜とは適当な熱処理を行
うことにより金属薄膜と電極とが合金化してさらに強く
電気的に接続される。
【0010】
【実施例】図1は窒化物半導体よりなるLD素子の一構
造を示す模式断面図であり、図2は図1のLD素子の斜
視図である。いずれも本発明の一実施例に係る電極の構
造を示している。このLD素子は、サファイアよりなる
基板1の上に、n型AlGaNよりなるn型クラッド層
2と、InGaNよりなる活性層3、p型AlGaNよ
りなるp型クラッド層4とを積層した基本構造を有し、
さらにこのp型クラッド層4の上に電流狭窄層としてS
iO2よりなる絶縁膜5が形成され、その絶縁膜5の上
に絶縁膜と正電極との接着層としてCrよりなる金属薄
膜6が形成され、金属薄膜6の上にp型クラッド層4と
オーミック接触したNiとAuを含む正電極10が形成
されている。この正電極10はオーミック電極とワイヤ
ーボンディングのためのボンディング電極とを兼ねてい
る。
【0011】例えば絶縁膜5と、金属薄膜6と、正電極
10との組み合わせにおいて、絶縁膜5がSiO2であ
り、正電極10がNiおよびAuを含む場合、金属薄膜
6は絶縁膜5(SiO2)と正電極10(Ni−Au)
よりも接着力の大きい金属材料を選択でき、例えばその
材料としてはCr、Ti、Al、Niを使用することが
望ましい。また絶縁膜5が例えばSi34、Al23
TiO2である場合、同様に金属薄膜6の材料はCr、
Al、Ti、Ni等を使用することが好ましい。
【0012】表1は、図1および図2に示すLD素子の
正電極10に対し、図面の矢印に示す横方向から力を加
えた時に、電極10が金属薄膜6と絶縁膜5との界面か
ら剥がれた力を相対値でもって示す表である。この表で
は金属薄膜を形成していない時を1として、金属薄膜を
形成したものは、形成していないものの倍数でもって示
している。表1を見てもわかるように、電極10がAu
とNiよりなる電極と、3種類の絶縁膜との組み合わせ
において、その間に形成する金属薄膜はCr、またはN
iが強い接着力を示している。
【0013】
【表1】
【0014】また図3は本発明の他の実施例に係る電極
を有するLD素子の構造を示す模式的な断面図である。
このLD素子も基本的な構造は、基板11の上に、n型
クラッド層12と、活性層13と、p型クラッド層14
とを積層したダブルへテロ構造である。
【0015】このLD素子も図1の素子と同様に電極ス
トライプ型のLD素子であるが、図1と異なるところ
は、最上層のp型クラッド層14のストライプ幅を50
μm以下として、そのp層14とほぼ同一の幅で接する
ストライプ状のオーミック電極18が形成されているこ
とである。このように50μm以下のストライプ幅でエ
ッチングされたp型クラッド層14とほぼ同一の幅を有
するオーミック電極18をp型クラッド層14に直接接
して形成することにより、電流の広がりをなくして活性
層に直接電流が集中するようにしている。好ましいスト
ライプ幅は50μm以下、さらに好ましくは30μm以
下、最も好ましくは10μm以下である。50μmより
も広いと、レーザ発振のしきい値電流が高くなりレーザ
発振しなくなる傾向にある。なおほぼ同一の幅とは、−
10%以内の幅で電極幅がp型クラッド層14の幅に近
似していることを示す。
【0016】さらに、図3の素子はオーミック電極18
と、p型クラッド層14と、活性層13と、n型クラッ
ド層12との側面に亙ってSiO2よりなる絶縁膜15
が形成され、絶縁膜15の表面に金属薄膜16が形成さ
れて、金属薄膜16の上にボンディング用の正電極20
が形成されている。絶縁膜15は積層窒化物半導体層の
側面およびn型クラッド層12の表面にまで形成され
て、電極間の短絡を防止している。このようにp型クラ
ッド層14の幅が狭い時、または面積が小さい時は、オ
ーミック電極18からワイヤーボンディングすることが
できないので、絶縁膜15を介してオーミック電極18
と電気的に接続した新たな電極20を形成することによ
り、電極形成面の面積を広げてワイヤーボンディングの
面積を確保している。
【0017】図3に示すように、本発明の発光素子では
p型クラッド層14と電気的に接続された電極20がS
iO2よりなる絶縁膜15を介して形成されており、さ
らにこの絶縁膜15と電極20との間に、正電極20と
絶縁膜15との接着力よりも大きな接着力を有する金属
薄膜16が形成されていることにより、正電極20の接
着力が強くなるので剥がれにくくなる。絶縁膜がSiO
2で、ボンディング用の正電極20がAuである場合、
金属薄膜の材料にはNi、Ti、Al、Crを用いるこ
とが望ましい。特にNiを用いることによりオーミック
電極18にNiが含まれているので、熱処理によりオー
ミック電極18のNiと合金化して、金属薄膜16とオ
ーミック電極18とがさらに強く接続される。また、絶
縁膜がSi34、Al23、TiO2である場合も同様
にCr、Al、Ti、Niを用いることが望ましい。
【0018】表2は、図3に示すLD素子の正電極20
に対し、図面の矢印に示す横方向から力を加えた時に、
電極20が金属薄膜16と絶縁膜15との界面から剥が
れた力を相対値でもって示す表である。この表を見ても
わかるように、Auよりなる電極20と、3種類の絶縁
膜との組み合わせにおいて、その間に形成する金属薄膜
はCrが強い接着力を示している。
【0019】
【表2】
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると電
極と絶縁膜との接着力を強化した電極が提供できるの
で、例えば目的とする箇所のみを発光させる目的で窒化
物半導体層の表面に電流狭窄層のような絶縁膜を形成し
たLD素子を実現した際には信頼線が格段に向上する。
またLD素子に限らず、窒化物半導体層に絶縁膜を形成
し、その絶縁膜を介して電極を形成したLED素子、受
光素子についても適用可能であることは言うまでもな
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係る電極を有するLD素
子の構造を示す模式断面図。
【図2】 図1のLD素子の斜視図。
【図3】 本発明の他の実施例に係る電極を有するLD
素子の構造を示す模式断面図。
【図4】 従来のLD素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
1、11・・基板 2、12・・n型クラッド層 3、13・・活性層 4、14・・p型クラッド層 5、15・・絶縁膜 6、16・・金属薄膜 10、20・・正電極 18・・オーミック電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18 H01L 33/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化ガリウム系半導体からなる発光素子
    のp型窒化ガリウム系化合物層表面上に、絶縁層および
    金属薄層をこの順に介して、p型窒化ガリウム系化合物
    層表面に電気的に接続されて形成されてなるオーミック
    電極であって、該オーミック電極は金属薄層を構成する
    金属とは異なる金属から構成され、かつ金属薄膜と絶縁
    膜との接着力がオーミック電極と絶縁層との間の接着力
    よりも大きな接着力を有することを特徴とする窒化物半
    導体発光素子におけるp型窒化ガリウム系化合物層のた
    めの電極。
  2. 【請求項2】 前記電極が少なくとも金を含み、前記金
    属薄膜がCr、Al、Ti、Niよりなる群から選択さ
    れた少なくとも一種の金属を含み、さらに前記絶縁膜が
    二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チ
    タンの内の少なくとも一種よりなることを特徴とする請
    求項1に記載の窒化物半導体発光素子におけるp型窒化
    ガリウム系化合物層のための電極。
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