JP3047960B2 - ｎ型窒化物半導体の電極 - Google Patents
ｎ型窒化物半導体の電極Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/45—Ohmic electrodes
- H01L29/452—Ohmic electrodes on AIII-BV compounds
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＬＥＤ、ＬＤ等の発光デ
バイス、フォトダイオード、太陽電池等の受光デバイス
等に使用される窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ
1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）に係り、特にｎ型
窒化物半導体に形成されるオーミック電極に関する。
バイス、フォトダイオード、太陽電池等の受光デバイス
等に使用される窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ
1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）に係り、特にｎ型
窒化物半導体に形成されるオーミック電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化物半導体はバンドギャップが１．９
ｅＶ〜６．０ｅＶまであるため紫外〜赤色領域の発光デ
バイス、受光デバイスの材料として使用できることが知
られており、つい最近この材料を用いた高輝度青色ＬＥ
Ｄ、青緑色ＬＥＤが実用化されて、既にフルカラーＬＥ
Ｄディスプレイ、信号灯等の実用に供されている。
ｅＶ〜６．０ｅＶまであるため紫外〜赤色領域の発光デ
バイス、受光デバイスの材料として使用できることが知
られており、つい最近この材料を用いた高輝度青色ＬＥ
Ｄ、青緑色ＬＥＤが実用化されて、既にフルカラーＬＥ
Ｄディスプレイ、信号灯等の実用に供されている。
【０００３】図８に従来のＬＥＤ素子の構造を示す。基
本的にはサファイア基板５１の上にｎ型ＧａＮよりなる
ｎ型コンタクト層５２と、ｎ型ＡｌXＧａ1-XＮよりなる
ｎ型クラッド層５３と、ＩｎYＧａ1-YＮよりなる活性層
５４と、ｐ型ＡｌXＧａ1-XＮよりなるｐ型クラッド層５
５と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層５６とが積
層された構造を有しており、ｐ型コンタクト層５６のほ
ぼ全面にはＮｉとＡｕを含む正電極５７が形成されてお
り、エッチングにより露出されたｎ型コンタクト層５２
にはＴｉとＡｌを含む負電極５８が形成されている。こ
のＬＥＤ素子の正電極５７と負電極５８はワイヤーボン
ディングにより外部リードと接続されている。
本的にはサファイア基板５１の上にｎ型ＧａＮよりなる
ｎ型コンタクト層５２と、ｎ型ＡｌXＧａ1-XＮよりなる
ｎ型クラッド層５３と、ＩｎYＧａ1-YＮよりなる活性層
５４と、ｐ型ＡｌXＧａ1-XＮよりなるｐ型クラッド層５
５と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層５６とが積
層された構造を有しており、ｐ型コンタクト層５６のほ
ぼ全面にはＮｉとＡｕを含む正電極５７が形成されてお
り、エッチングにより露出されたｎ型コンタクト層５２
にはＴｉとＡｌを含む負電極５８が形成されている。こ
のＬＥＤ素子の正電極５７と負電極５８はワイヤーボン
ディングにより外部リードと接続されている。
【０００４】ＬＥＤ素子も含めて一般に窒化物半導体デ
バイスは、順方向電圧を下げるため、化合物半導体層と
電極との間に好ましいオーミック接触を得る必要があ
る。前記構造のＬＥＤ素子においてもｐ型コンタクト層
５６とはＡｕとＮｉを含む正電極５７で良好なオーミッ
ク接触が得られており、またｎ型コンタクト層５２とは
ＴｉとＡｌを含む負電極５８で良好なオーミック接触が
得られている。
バイスは、順方向電圧を下げるため、化合物半導体層と
電極との間に好ましいオーミック接触を得る必要があ
る。前記構造のＬＥＤ素子においてもｐ型コンタクト層
５６とはＡｕとＮｉを含む正電極５７で良好なオーミッ
ク接触が得られており、またｎ型コンタクト層５２とは
ＴｉとＡｌを含む負電極５８で良好なオーミック接触が
得られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ＴｉとＡｌとを含む負
電極はオーミック性では優れた性質を有しているが、例
えば、ＬＥＤ発光チップをフェースアップ（窒化物半導
体層側が発光観測面側となる状態）としてリードフレー
ムに載置した後、負電極を金ワイヤーでワイヤーボンド
する際に、ボール（ボンディングワイヤー溶融時にでき
る半球形のボール）と電極との接着力に関しては未だ十
分満足できるものではなかった。
電極はオーミック性では優れた性質を有しているが、例
えば、ＬＥＤ発光チップをフェースアップ（窒化物半導
体層側が発光観測面側となる状態）としてリードフレー
ムに載置した後、負電極を金ワイヤーでワイヤーボンド
する際に、ボール（ボンディングワイヤー溶融時にでき
る半球形のボール）と電極との接着力に関しては未だ十
分満足できるものではなかった。
【０００６】ボールと電極との接着力が不十分である
と、屋外ＬＥＤ、レーザダイオードのように温度差が激
しく、過酷な条件での使用を考慮した場合、ボールが電
極から剥がれて、ＬＥＤが不点灯となる可能性がある。
窒化物半導体素子は絶縁性基板の上に成長されることが
多く、その素子は窒化物半導体層の同一面側から正、負
の電極が取り出されるフリップチップ形式となる。この
ためワイヤーで窒化物半導体の電極と、外部のリード電
極とを接続する際には、電極とボールとの接着力を強く
して発光素子の信頼性をさらに高める必要がある。
と、屋外ＬＥＤ、レーザダイオードのように温度差が激
しく、過酷な条件での使用を考慮した場合、ボールが電
極から剥がれて、ＬＥＤが不点灯となる可能性がある。
窒化物半導体素子は絶縁性基板の上に成長されることが
多く、その素子は窒化物半導体層の同一面側から正、負
の電極が取り出されるフリップチップ形式となる。この
ためワイヤーで窒化物半導体の電極と、外部のリード電
極とを接続する際には、電極とボールとの接着力を強く
して発光素子の信頼性をさらに高める必要がある。
【０００７】従って、本発明はこのような事情を鑑み成
されたものであって、まず第一にｎ型窒化物半導体と好
ましいオーミック接触が得られ、第二にワイヤーと強固
に接着できる信頼性の高いｎ電極を提供することにあ
る。
されたものであって、まず第一にｎ型窒化物半導体と好
ましいオーミック接触が得られ、第二にワイヤーと強固
に接着できる信頼性の高いｎ電極を提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のｎ型窒化物半導
体の電極は、ｎ型窒化物半導体にオーミック接触が得ら
れた電極であって、その電極がチタン（Ｔｉ）、ジルコ
ニウム（Ｚｒ）若しくはタングステン（Ｗ）より選択さ
れた少なくとも一種よりなる第一の電極材料と、シリコ
ン（Ｓｉ）若しくはゲルマニウム（Ｇｅ）より選択され
た少なくとも一種よりなる第二の電極材料とを含むこと
を特徴とする。第一の電極材料及び第二の電極材料はそ
れぞれ単体で構成しても良く、また合金の状態で構成し
ても良い。つまり、Ｔｉ−Ｓｉ、Ｔｉ−Ｇｅのように各
電極材料単体で薄膜を形成して電極を構成しても良い
し、［ＴｉＺｒ−ＳｉＧｅ］のように、第一の電極材料
の合金、第二の電極材料の合金の状態で薄膜を形成して
電極を構成しても良い。
体の電極は、ｎ型窒化物半導体にオーミック接触が得ら
れた電極であって、その電極がチタン（Ｔｉ）、ジルコ
ニウム（Ｚｒ）若しくはタングステン（Ｗ）より選択さ
れた少なくとも一種よりなる第一の電極材料と、シリコ
ン（Ｓｉ）若しくはゲルマニウム（Ｇｅ）より選択され
た少なくとも一種よりなる第二の電極材料とを含むこと
を特徴とする。第一の電極材料及び第二の電極材料はそ
れぞれ単体で構成しても良く、また合金の状態で構成し
ても良い。つまり、Ｔｉ−Ｓｉ、Ｔｉ−Ｇｅのように各
電極材料単体で薄膜を形成して電極を構成しても良い
し、［ＴｉＺｒ−ＳｉＧｅ］のように、第一の電極材料
の合金、第二の電極材料の合金の状態で薄膜を形成して
電極を構成しても良い。
【０００９】次に前記電極は、第三の電極材料として金
（Ａｕ）を含むことを特徴とする。具体的な組み合わせ
として、例えばｎ型半導体と接する側から［Ｔｉ−Ｓｉ
−Ａｕ］、［ＴｉＺｒ−Ｓｉ−Ａｕ］、［Ａｕ−Ｔｉ−
Ｓｉ−Ａｕ］、［Ｚｒ−Ｓｉ−Ａｕ］、［ＺｒＴｉ−Ｓ
ｉＧｅ−Ａｕ］、［Ａｕ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ａｕ］等のよう
に電極材料よりなる金属薄膜を積層して形成できる。ま
たＡｕを含む合金を使用することも可能である。各電極
材料を薄膜で構成する場合、Ａｕの積層順は特に問わな
いが、好ましくはＡｕはｎ電極の最上層に形成されてい
ることが望ましい。最上層に形成するＡｕの膜厚は特に
限定するものではないが、後述する第一の電極材料より
なる薄膜よりも厚い膜厚で形成することが望ましく、例
えば２ｎｍ〜１０μｍ前後の膜厚で形成する事が望まし
い。金属薄膜を積層して層構造の電極を形成するには蒸
着、スパッタ等の通常の気相製膜装置を用いることによ
り可能である。
（Ａｕ）を含むことを特徴とする。具体的な組み合わせ
として、例えばｎ型半導体と接する側から［Ｔｉ−Ｓｉ
−Ａｕ］、［ＴｉＺｒ−Ｓｉ−Ａｕ］、［Ａｕ−Ｔｉ−
Ｓｉ−Ａｕ］、［Ｚｒ−Ｓｉ−Ａｕ］、［ＺｒＴｉ−Ｓ
ｉＧｅ−Ａｕ］、［Ａｕ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ａｕ］等のよう
に電極材料よりなる金属薄膜を積層して形成できる。ま
たＡｕを含む合金を使用することも可能である。各電極
材料を薄膜で構成する場合、Ａｕの積層順は特に問わな
いが、好ましくはＡｕはｎ電極の最上層に形成されてい
ることが望ましい。最上層に形成するＡｕの膜厚は特に
限定するものではないが、後述する第一の電極材料より
なる薄膜よりも厚い膜厚で形成することが望ましく、例
えば２ｎｍ〜１０μｍ前後の膜厚で形成する事が望まし
い。金属薄膜を積層して層構造の電極を形成するには蒸
着、スパッタ等の通常の気相製膜装置を用いることによ
り可能である。
【００１０】次に、本発明の電極は、第一の電極材料が
ｎ型窒化物半導体に接する側に形成され、その第一の電
極材料の上に第二の電極材料が形成された少なくとも二
層構造を有することを特徴とする。ｎ型半導体と接する
側に形成する第一の電極材料は薄いほどｎ型層とオーミ
ックが得られやすく、好ましくは１ｎｍ〜５０ｎｍ、さ
らに好ましくは２ｎｍ〜３０ｎｍの膜厚に調整する。
ｎ型窒化物半導体に接する側に形成され、その第一の電
極材料の上に第二の電極材料が形成された少なくとも二
層構造を有することを特徴とする。ｎ型半導体と接する
側に形成する第一の電極材料は薄いほどｎ型層とオーミ
ックが得られやすく、好ましくは１ｎｍ〜５０ｎｍ、さ
らに好ましくは２ｎｍ〜３０ｎｍの膜厚に調整する。
【００１１】第一の電極材料の上に形成する第二の電極
材料の膜厚は特に限定するものではないが、先に形成し
た第一の電極材料よりなる薄膜と同一か、それよりもや
や厚く形成し、例えば１ｎｍ〜５０ｎｍ前後の膜厚で形
成するとｎ型層と好ましいオーミックが得られると共
に、熱に対しても安定な電極が得られる。但し、第二の
電極材料は半導体でもあるので、厚く形成すると抵抗が
大きくなる傾向にある。また、本発明の電極は第二の電
極材料を積層後、アニールせずともオーミックが得られ
るものもあるが、４００℃以上、さらに好ましくは６０
０℃以上でアニーリングを行うことにより、さらに好ま
しいオーミックを得ることができる。その理由は次の通
りである。
材料の膜厚は特に限定するものではないが、先に形成し
た第一の電極材料よりなる薄膜と同一か、それよりもや
や厚く形成し、例えば１ｎｍ〜５０ｎｍ前後の膜厚で形
成するとｎ型層と好ましいオーミックが得られると共
に、熱に対しても安定な電極が得られる。但し、第二の
電極材料は半導体でもあるので、厚く形成すると抵抗が
大きくなる傾向にある。また、本発明の電極は第二の電
極材料を積層後、アニールせずともオーミックが得られ
るものもあるが、４００℃以上、さらに好ましくは６０
０℃以上でアニーリングを行うことにより、さらに好ま
しいオーミックを得ることができる。その理由は次の通
りである。
【００１２】一般に窒化物半導体はノンドープの状態で
結晶中に窒素空孔ができるためｎ型になる性質がある。
さらに成長中にＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物を添加すると
より好ましいｎ型となることが知られている。さらに、
窒化ガリウム系化合物半導体は有機金属気相成長法（Ｍ
ＯＣＶＤ、ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（Ｈ
ＤＣＶＤ）等の気相成長法を用いて成長される。気相成
長法では、原料ガスに、例えばガリウム源としてトリメ
チルガリウム、窒素源としてアンモニア、ヒドラジン等
の水素原子を含む化合物、あるいはキャリアガスとして
Ｈ2等のガスが使用される。水素原子を含むこれらのガ
スは、窒化ガリウム系化合物半導体成長中に熱分解され
て結晶中に取り込まれ、窒素空孔あるいはｎ型ドーパン
トであるＳｉ、Ｇｅ等と結合してドナーとしての作用を
阻害している。従って４００℃以上でアニーリングする
ことにより、結晶中に入り込んだ水素原子を追い出すこ
とができるので、ｎ型ドーパントが活性化して電子キャ
リア濃度が増加して、電極とオーミック接触が取りやす
くなると考えられる。アニーリングによる水素の作用
は、我々が先に出願した特開平５−１８３１８９号公報
に述べたのと同様であり、この公報はｐ型ドーパントを
ドープした窒化ガリウム系化合物半導体が４００℃以上
のアニーリングから徐々に抵抗率が下がり始めほぼ７０
０℃以上で一定の抵抗率となることを示している。これ
を本願のｎ型層に適用すると、４００℃以上で水素が抜
け始め抵抗率が下がる。しかしｎ型層はｐ型層と異な
り、急激な抵抗率の低下は見られず、６００℃以上でお
よそ１／２の抵抗率となり、それ以上のアニール温度で
は、ほぼ一定の抵抗率となる。アニーリング温度の上限
は特に限定しないが、窒化物半導体が分解する温度、１
２００℃以下で行うことが好ましい。なおアニーリング
により２層構造、３層構造の電極が合金化して渾然一体
化した状態となるが、本明細書では合金化して一体とな
ったものも含むものと定義する。
結晶中に窒素空孔ができるためｎ型になる性質がある。
さらに成長中にＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物を添加すると
より好ましいｎ型となることが知られている。さらに、
窒化ガリウム系化合物半導体は有機金属気相成長法（Ｍ
ＯＣＶＤ、ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（Ｈ
ＤＣＶＤ）等の気相成長法を用いて成長される。気相成
長法では、原料ガスに、例えばガリウム源としてトリメ
チルガリウム、窒素源としてアンモニア、ヒドラジン等
の水素原子を含む化合物、あるいはキャリアガスとして
Ｈ2等のガスが使用される。水素原子を含むこれらのガ
スは、窒化ガリウム系化合物半導体成長中に熱分解され
て結晶中に取り込まれ、窒素空孔あるいはｎ型ドーパン
トであるＳｉ、Ｇｅ等と結合してドナーとしての作用を
阻害している。従って４００℃以上でアニーリングする
ことにより、結晶中に入り込んだ水素原子を追い出すこ
とができるので、ｎ型ドーパントが活性化して電子キャ
リア濃度が増加して、電極とオーミック接触が取りやす
くなると考えられる。アニーリングによる水素の作用
は、我々が先に出願した特開平５−１８３１８９号公報
に述べたのと同様であり、この公報はｐ型ドーパントを
ドープした窒化ガリウム系化合物半導体が４００℃以上
のアニーリングから徐々に抵抗率が下がり始めほぼ７０
０℃以上で一定の抵抗率となることを示している。これ
を本願のｎ型層に適用すると、４００℃以上で水素が抜
け始め抵抗率が下がる。しかしｎ型層はｐ型層と異な
り、急激な抵抗率の低下は見られず、６００℃以上でお
よそ１／２の抵抗率となり、それ以上のアニール温度で
は、ほぼ一定の抵抗率となる。アニーリング温度の上限
は特に限定しないが、窒化物半導体が分解する温度、１
２００℃以下で行うことが好ましい。なおアニーリング
により２層構造、３層構造の電極が合金化して渾然一体
化した状態となるが、本明細書では合金化して一体とな
ったものも含むものと定義する。
【００１３】次に、本発明の電極において、電極が形成
されるｎ型窒化物半導体の表面はエッチングされている
ことを特徴とする。窒化物半導体は水素を追い出しやす
くしてｐ型層を得るために、ｎ型層は最表面に出現する
ことは少ない。つまり、基板の上にｎ型層が形成され、
そのｎ型層の上に発光層、ｐ型層が積層された素子構造
となることが多い。従って、ｎ型層はエッチングされて
その表面が露出される。特に窒化物半導体は非常に堅
く、また安定な物質でもあるのでエッチングには高度な
技術を必要とする。そのためエッチング後のｎ型層の表
面は成長直後のｎ型層の表面に比べて、エッチングに使
用するガス、液体等により、窒化物半導体表面が侵され
てエッチングダメージが発生しており、好ましいオーミ
ックを得ることが難しい。しかし本発明の電極はエッチ
ングによりダメージを受けたｎ型層に対しても好ましい
オーミック接触を得ることができる。
されるｎ型窒化物半導体の表面はエッチングされている
ことを特徴とする。窒化物半導体は水素を追い出しやす
くしてｐ型層を得るために、ｎ型層は最表面に出現する
ことは少ない。つまり、基板の上にｎ型層が形成され、
そのｎ型層の上に発光層、ｐ型層が積層された素子構造
となることが多い。従って、ｎ型層はエッチングされて
その表面が露出される。特に窒化物半導体は非常に堅
く、また安定な物質でもあるのでエッチングには高度な
技術を必要とする。そのためエッチング後のｎ型層の表
面は成長直後のｎ型層の表面に比べて、エッチングに使
用するガス、液体等により、窒化物半導体表面が侵され
てエッチングダメージが発生しており、好ましいオーミ
ックを得ることが難しい。しかし本発明の電極はエッチ
ングによりダメージを受けたｎ型層に対しても好ましい
オーミック接触を得ることができる。
【００１４】具体的なエッチング手段としては、ウェッ
トエッチング、ドライエッチングのいずれかが用いら
れ、例えばウェットエッチではリン酸と硫酸との混酸、
ドライエッチングでは反応性イオンエッチング、イオン
ミリング等の手段を用いることができ、反応性イオンエ
ッチングではＣＦ4、ＳＦ6、ＣＣｌ4、ＳｉＣｌ4等のガ
スを用い、またイオンミリングではＡｒ、Ｎ2等の不活
性ガスを用いることができる。その他ドライエッチング
には多くの装置があり、各装置に応じて使用されるガス
の種類も異なる。本発明の電極はこのようなエッチング
手段によってダメージを受けた窒化物半導体面に対して
も、良好なオーミックと接着性が得られる。
トエッチング、ドライエッチングのいずれかが用いら
れ、例えばウェットエッチではリン酸と硫酸との混酸、
ドライエッチングでは反応性イオンエッチング、イオン
ミリング等の手段を用いることができ、反応性イオンエ
ッチングではＣＦ4、ＳＦ6、ＣＣｌ4、ＳｉＣｌ4等のガ
スを用い、またイオンミリングではＡｒ、Ｎ2等の不活
性ガスを用いることができる。その他ドライエッチング
には多くの装置があり、各装置に応じて使用されるガス
の種類も異なる。本発明の電極はこのようなエッチング
手段によってダメージを受けた窒化物半導体面に対して
も、良好なオーミックと接着性が得られる。
【００１５】
【作用】図１は電極材料によるｎ型ＧａＮ層へのオーミ
ック特性を比較した電流電圧特性を示す図である。Ａは
ｎ型ＧａＮと接する側から順に、Ｔｉ（30nm）−Ｓｉ
（30nm）−Ａｕ(500nm)を積層した本発明に係る電極、
ＢはＩｎ−Ｔｉ−Ａｕ（各膜厚はＡに同じ）電極、Ｃは
Ｔｉ(30nm）−Ａｌ(500nm）電極、ＤはＡｌ(500nm)電極
を示している。この図に示すようにいずれの電極におい
てもほぼ直線に近い電流電圧特性を示し、好ましいオー
ミックが得られていることを示すが、特にＡの本発明に
係る電極は接触抵抗も低く、他の電極に比べて好ましい
オーミックを示していることが分かる。従って本発明の
最も好ましい電極材料としては、第一の電極材料がＴ
ｉ、第二の電極材料がＳｉであり、さらに好ましくは第
三の電極材料としてＡｕを含むｎ電極である。
ック特性を比較した電流電圧特性を示す図である。Ａは
ｎ型ＧａＮと接する側から順に、Ｔｉ（30nm）−Ｓｉ
（30nm）−Ａｕ(500nm)を積層した本発明に係る電極、
ＢはＩｎ−Ｔｉ−Ａｕ（各膜厚はＡに同じ）電極、Ｃは
Ｔｉ(30nm）−Ａｌ(500nm）電極、ＤはＡｌ(500nm)電極
を示している。この図に示すようにいずれの電極におい
てもほぼ直線に近い電流電圧特性を示し、好ましいオー
ミックが得られていることを示すが、特にＡの本発明に
係る電極は接触抵抗も低く、他の電極に比べて好ましい
オーミックを示していることが分かる。従って本発明の
最も好ましい電極材料としては、第一の電極材料がＴ
ｉ、第二の電極材料がＳｉであり、さらに好ましくは第
三の電極材料としてＡｕを含むｎ電極である。
【００１６】図２乃至図６は本発明の電極のｎ型窒化物
半導体層に対する電流電圧特性を示す図である。なお電
極を形成する前のｎ型窒化物半導体層の表面は、ＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）装置のＣＣｌ4ガスでエッ
チングすることにより、表面にダメージを与えてある。
半導体層に対する電流電圧特性を示す図である。なお電
極を形成する前のｎ型窒化物半導体層の表面は、ＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）装置のＣＣｌ4ガスでエッ
チングすることにより、表面にダメージを与えてある。
【００１７】図２では、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層の上に
Ｔｉを４０ｎｍと、Ｓｉを４０ｎｍの膜厚で順に積層し
た電極を形成した後、アニールしない状態と、図に示す
各温度でアニールした状態の電極の電流電圧特性を比較
して示している。図３も同じく、ｎ型ＧａＮ層と接する
側から順に、Ｔｉ(10nm）−Ｓｉ(30nm)−Ａｕ(500nm)を
積層した電極、図４はＡｕ(5nm)−Ｔｉ（30nm)−Ｓｉ(3
0nm)−Ａｕ(500nm)を積層した電極、図５はＺｒ(30nm)
−Ｇｅ(30nm)−Ａｕ(500nm)を積層した電極、図６はＷ
(30nm)−Ｓｉ(40nm)−Ａｕ(500nm)を積層した電極を、
同様にアニールしない状態と、図に示す各温度でアニー
ルした状態とを比較して示している。
Ｔｉを４０ｎｍと、Ｓｉを４０ｎｍの膜厚で順に積層し
た電極を形成した後、アニールしない状態と、図に示す
各温度でアニールした状態の電極の電流電圧特性を比較
して示している。図３も同じく、ｎ型ＧａＮ層と接する
側から順に、Ｔｉ(10nm）−Ｓｉ(30nm)−Ａｕ(500nm)を
積層した電極、図４はＡｕ(5nm)−Ｔｉ（30nm)−Ｓｉ(3
0nm)−Ａｕ(500nm)を積層した電極、図５はＺｒ(30nm)
−Ｇｅ(30nm)−Ａｕ(500nm)を積層した電極、図６はＷ
(30nm)−Ｓｉ(40nm)−Ａｕ(500nm)を積層した電極を、
同様にアニールしない状態と、図に示す各温度でアニー
ルした状態とを比較して示している。
【００１８】図２および図３ではＴｉとＳｉ、ＴｉとＳ
ｉとＡｕとにより、低いアニーリング温度においても、
好ましいオーミック接触が得られることを示している。
図４はｎ型ＧａＮ層と接する側をＡｕとしているが、ア
ニールを７００℃以上の高温にすると、Ｔｉがｎ型Ｇａ
Ｎ層に拡散して、好ましいオーミック接触が得られるこ
とを示している。図５及び図６は第一の電極材料及び第
二の電極材料に他の材料を使用した電極を示しており、
他の電極材料でも好ましいオーミックが得られることが
理解できる。このように本発明の電極は第一の電極材料
にＴｉ、Ｚｒ、Ｗの内の少なくとも一種と、第二の電極
材料にＳｉ、Ｇｅの内の少なくとも一種とを組み合わせ
ることにより、ｎ型ＧａＮ層と好ましいオーミック接触
を得ることが可能である。その中でも特にＴｉとＳｉと
の組み合わせは低温のアニールでも良好なオーミックを
得ることができる。なおこれらの図はｎ型ＧａＮについ
て示したものであるが、他のｎ型ＩｎXＡｌYＧａ1-X-Y
Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y＜１）半導体についても同様の
傾向が得られることが確認された。
ｉとＡｕとにより、低いアニーリング温度においても、
好ましいオーミック接触が得られることを示している。
図４はｎ型ＧａＮ層と接する側をＡｕとしているが、ア
ニールを７００℃以上の高温にすると、Ｔｉがｎ型Ｇａ
Ｎ層に拡散して、好ましいオーミック接触が得られるこ
とを示している。図５及び図６は第一の電極材料及び第
二の電極材料に他の材料を使用した電極を示しており、
他の電極材料でも好ましいオーミックが得られることが
理解できる。このように本発明の電極は第一の電極材料
にＴｉ、Ｚｒ、Ｗの内の少なくとも一種と、第二の電極
材料にＳｉ、Ｇｅの内の少なくとも一種とを組み合わせ
ることにより、ｎ型ＧａＮ層と好ましいオーミック接触
を得ることが可能である。その中でも特にＴｉとＳｉと
の組み合わせは低温のアニールでも良好なオーミックを
得ることができる。なおこれらの図はｎ型ＧａＮについ
て示したものであるが、他のｎ型ＩｎXＡｌYＧａ1-X-Y
Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y＜１）半導体についても同様の
傾向が得られることが確認された。
【００１９】次に、本発明の電極とボールとの接着強度
を調べるため、従来の電極と比較して以下のような試験
を行った。図７はその試験方法を示す電極の断面図であ
り、試験方法は以下の通りである。
を調べるため、従来の電極と比較して以下のような試験
を行った。図７はその試験方法を示す電極の断面図であ
り、試験方法は以下の通りである。
【００２０】まず、エッチングされたｎ型層２１の上
に、前述の図２乃至図６に示す金属薄膜の組み合わせの
ｎ電極をそれぞれ１２０μｍφの大きさで１００個ずつ
形成し、６００℃でアニーリングを行いｎ電極２２を形
成した。ｎ電極２２形成後、強制酸化試験として６０
℃、８０％ＲＨの高温高湿槽で一日放置して電極表面を
酸化させ、その後、それぞれのｎ電極１１の上に金線２
４をワイヤーボンディングして１００μｍφのボール２
３を形成することにより金線２４を接続した。その後、
図７に示すように、ボール２３の真横から刃物２５でも
って、ボール２３を水平に引っ掻き、ボールがｎ電極２
２から剥がれるか、または剥がれずにボールがつぶれる
まで、刃物２５に荷重をかけることにより評価した。但
し、各電極における金属薄膜の膜厚は前記膜厚と同一と
した。その結果を表１に示す。表１において、各荷重に
おける数値は、１００個の内の電極からボールが剥がれ
た個数を示しており、ボールが剥がれずに、つぶれてし
まったものは「つぶれ」と記載している。
に、前述の図２乃至図６に示す金属薄膜の組み合わせの
ｎ電極をそれぞれ１２０μｍφの大きさで１００個ずつ
形成し、６００℃でアニーリングを行いｎ電極２２を形
成した。ｎ電極２２形成後、強制酸化試験として６０
℃、８０％ＲＨの高温高湿槽で一日放置して電極表面を
酸化させ、その後、それぞれのｎ電極１１の上に金線２
４をワイヤーボンディングして１００μｍφのボール２
３を形成することにより金線２４を接続した。その後、
図７に示すように、ボール２３の真横から刃物２５でも
って、ボール２３を水平に引っ掻き、ボールがｎ電極２
２から剥がれるか、または剥がれずにボールがつぶれる
まで、刃物２５に荷重をかけることにより評価した。但
し、各電極における金属薄膜の膜厚は前記膜厚と同一と
した。その結果を表１に示す。表１において、各荷重に
おける数値は、１００個の内の電極からボールが剥がれ
た個数を示しており、ボールが剥がれずに、つぶれてし
まったものは「つぶれ」と記載している。
【００２１】
【表１】
【００２２】表１に示すようにＴｉ−Ａｌのみの電極
は、Ａｌが酸化されることにより、３０ｇまでの荷重で
全てのボールが剥離してしまったのに対し、本発明の電
極は、３０ｇ以上の荷重にも十分耐え、ボールが剥離す
ることなく非常に強い接着強度を示している。これは第
一の電極材料と第二の電極材料とからなる電極が変質さ
れにくいことを示している。さらに、Ａｕを積層するこ
とによりさらに強い接着強度を得ることができる。
は、Ａｌが酸化されることにより、３０ｇまでの荷重で
全てのボールが剥離してしまったのに対し、本発明の電
極は、３０ｇ以上の荷重にも十分耐え、ボールが剥離す
ることなく非常に強い接着強度を示している。これは第
一の電極材料と第二の電極材料とからなる電極が変質さ
れにくいことを示している。さらに、Ａｕを積層するこ
とによりさらに強い接着強度を得ることができる。
【００２３】
［実施例１］２インチφのサファイア基板の上に、Ｇａ
Ｎバッファ層、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト兼クラ
ッド層、ノンドープＩｎＧａＮ活性層、Ｍｇドープｐ型
ＧａＡｌＮクラッド層、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタク
ト層とが順に積層されたダブルへテロ構造のウェーハを
用意する。
Ｎバッファ層、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト兼クラ
ッド層、ノンドープＩｎＧａＮ活性層、Ｍｇドープｐ型
ＧａＡｌＮクラッド層、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタク
ト層とが順に積層されたダブルへテロ構造のウェーハを
用意する。
【００２４】次に、１チップが図８に示すような断面構
造となるように、ウェーハのｐ型ＧａＮコンタクト層よ
り深さ方向に一部エッチングして、ｎ型ＧａＮコンタク
ト層層を表面に露出させる。ｎ型ＧａＮ層の上に所定の
形状のマスクを形成した後、Ｔｉを３０ｎｍと、Ｓｉを
３０ｎｍと、Ａｕを５００ｎｍの膜厚で順に蒸着してｎ
電極を形成する。
造となるように、ウェーハのｐ型ＧａＮコンタクト層よ
り深さ方向に一部エッチングして、ｎ型ＧａＮコンタク
ト層層を表面に露出させる。ｎ型ＧａＮ層の上に所定の
形状のマスクを形成した後、Ｔｉを３０ｎｍと、Ｓｉを
３０ｎｍと、Ａｕを５００ｎｍの膜厚で順に蒸着してｎ
電極を形成する。
【００２５】ｎ電極形成後、マスクを除去して、再び窒
化物半導体の表面に再度マスクを形成した後、ｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層の表面にｐ電極としてＮｉを０．１μｍ
と、Ａｕを０．５μｍの膜厚で蒸着形成する。
化物半導体の表面に再度マスクを形成した後、ｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層の表面にｐ電極としてＮｉを０．１μｍ
と、Ａｕを０．５μｍの膜厚で蒸着形成する。
【００２６】ｐ電極形成後後、マスクを除去し、ウェー
ハをアニーリング装置に入れ、不活性ガス雰囲気中６０
０℃で５分間アニーリングする。アニール後、ウェーハ
プローバにてｎ電極間の電流電圧特性を測定した結果、
図２の６００℃に示すような、オーミック特性が得られ
ていた。
ハをアニーリング装置に入れ、不活性ガス雰囲気中６０
０℃で５分間アニーリングする。アニール後、ウェーハ
プローバにてｎ電極間の電流電圧特性を測定した結果、
図２の６００℃に示すような、オーミック特性が得られ
ていた。
【００２７】次に、常法に従いこのウェーハをチップ状
に分離し、２インチφのウェーハから１万５千個のチッ
プを得た。このようにして得られた窒化物半導体よりな
る発光チップをダイボンドしてリードフレーム上に載置
した後、ワイヤーボンダーで各電極に金ワイヤーを接続
した後、エポキシ樹脂で全体をモールドしてＬＥＤ素子
とした。
に分離し、２インチφのウェーハから１万５千個のチッ
プを得た。このようにして得られた窒化物半導体よりな
る発光チップをダイボンドしてリードフレーム上に載置
した後、ワイヤーボンダーで各電極に金ワイヤーを接続
した後、エポキシ樹脂で全体をモールドしてＬＥＤ素子
とした。
【００２８】このＬＥＤ素子は順方向電流Ｉｆ２０ｍＡ
において、順方向電圧３．３Ｖであり、さらにこのＬＥ
Ｄ素子より１００個を無作為に抽出し、常温１２時間点
灯と、６０℃、８０％ＲＨの高温高湿槽１２時間点灯と
の連続繰り返し試験を５０回行ったところ、ｎ電極のボ
ール剥がれによりＬＥＤが不点灯となったものは無かっ
た。
において、順方向電圧３．３Ｖであり、さらにこのＬＥ
Ｄ素子より１００個を無作為に抽出し、常温１２時間点
灯と、６０℃、８０％ＲＨの高温高湿槽１２時間点灯と
の連続繰り返し試験を５０回行ったところ、ｎ電極のボ
ール剥がれによりＬＥＤが不点灯となったものは無かっ
た。
【００２９】［実施例２］実施例１において、ｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層の表面に形成する電極を、Ｚｒ３０ｎ
ｍ、Ｇｅ３０ｎｍ、Ａｕを５００ｎｍの膜厚で順に蒸着
した後、７００℃でアニーリングする他は同様にしてＬ
ＥＤ素子を得た。これらＬＥＤ素子はウェーハプローバ
での測定の段階では、すべて図５の７００℃に示すよう
なオーミック特性が得られており、Ｉｆ２０ｍＡで、Ｖ
ｆ３．５Ｖの性能を示し、またＬＥＤの連続繰り返し試
験においても、ｎ電極のボール剥がれにより不点灯とな
ったものは無かった。
Ｎコンタクト層の表面に形成する電極を、Ｚｒ３０ｎ
ｍ、Ｇｅ３０ｎｍ、Ａｕを５００ｎｍの膜厚で順に蒸着
した後、７００℃でアニーリングする他は同様にしてＬ
ＥＤ素子を得た。これらＬＥＤ素子はウェーハプローバ
での測定の段階では、すべて図５の７００℃に示すよう
なオーミック特性が得られており、Ｉｆ２０ｍＡで、Ｖ
ｆ３．５Ｖの性能を示し、またＬＥＤの連続繰り返し試
験においても、ｎ電極のボール剥がれにより不点灯とな
ったものは無かった。
【００３０】［実施例３］実施例１において、ｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層の表面に形成する電極を、Ｗ３０ｎｍ、
Ｓｉ３０ｎｍ、Ａｕを５００ｎｍの膜厚で順に蒸着した
後、７００℃でアニーリングする他は同様にしてＬＥＤ
素子を得た。これらＬＥＤ素子はウェーハプローバでの
測定の段階では、すべて図５の７００℃に示すようなオ
ーミック接触が得られており、Ｉｆ２０ｍＡで、Ｖｆ
３．５Ｖの性能を示し、またＬＥＤの連続繰り返し試験
においても、ｎ電極のボール剥がれにより不点灯となっ
たものは無かった。
Ｎコンタクト層の表面に形成する電極を、Ｗ３０ｎｍ、
Ｓｉ３０ｎｍ、Ａｕを５００ｎｍの膜厚で順に蒸着した
後、７００℃でアニーリングする他は同様にしてＬＥＤ
素子を得た。これらＬＥＤ素子はウェーハプローバでの
測定の段階では、すべて図５の７００℃に示すようなオ
ーミック接触が得られており、Ｉｆ２０ｍＡで、Ｖｆ
３．５Ｖの性能を示し、またＬＥＤの連続繰り返し試験
においても、ｎ電極のボール剥がれにより不点灯となっ
たものは無かった。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のｎ電極は
ｎ型窒化物半導体層と非常に好ましいオーミック特性が
得られるので、順方向電圧の低いＬＥＤ素子、ＬＤ素子
等の発光素子を得ることができる。さらに、過酷な条件
で発光素子が使用された際でも、電極が変質しにくいの
で、剥がれに強く信頼性に優れた素子を提供することが
できる。さらにまた発光素子だけではなく受光素子、Ｆ
ＥＴ、トランジスタ等、ｎ型窒化物半導体を有するあら
ゆる電子デバイスにも適用可能である。
ｎ型窒化物半導体層と非常に好ましいオーミック特性が
得られるので、順方向電圧の低いＬＥＤ素子、ＬＤ素子
等の発光素子を得ることができる。さらに、過酷な条件
で発光素子が使用された際でも、電極が変質しにくいの
で、剥がれに強く信頼性に優れた素子を提供することが
できる。さらにまた発光素子だけではなく受光素子、Ｆ
ＥＴ、トランジスタ等、ｎ型窒化物半導体を有するあら
ゆる電子デバイスにも適用可能である。
【００３２】また本明細書ではｎ電極のオーミック性お
よび、ワイヤーボンディング時の接着性について述べた
が、本発明のｎ電極はワイヤーボンディングで外部リー
ド電極と接続した発光素子だけではなく、例えばリード
フレームとｎ電極とを銀ペーストのような導電性材料を
介して直接接続したデバイスについても適用可能であ
る。
よび、ワイヤーボンディング時の接着性について述べた
が、本発明のｎ電極はワイヤーボンディングで外部リー
ド電極と接続した発光素子だけではなく、例えばリード
フレームとｎ電極とを銀ペーストのような導電性材料を
介して直接接続したデバイスについても適用可能であ
る。
【図１】 本発明の一実施例に係るｎ電極の電流電圧特
性を他の電極と比較して示す示す図。
性を他の電極と比較して示す示す図。
【図２】 本発明の一実施例に係るｎ電極の電流電圧特
性を示すグラフ図。
性を示すグラフ図。
【図３】 本発明の一実施例に係るｎ電極の電流電圧特
性を示すグラフ図。
性を示すグラフ図。
【図４】 本発明の一実施例に係るｎ電極の電流電圧特
性を示すグラフ図。
性を示すグラフ図。
【図５】 本発明の一実施例に係るｎ電極の電流電圧特
性を示すグラフ図。
性を示すグラフ図。
【図６】 本発明の一実施例に係るｎ電極の電流電圧特
性を示すグラフ図。
性を示すグラフ図。
【図７】 本発明の一実施例に係る電極の試験方法を示
す電極の模式断面図。
す電極の模式断面図。
【図８】 窒化物半導体発光素子の構造を示す模式断面
図。
図。
２１・・・・ｎ型層 ２２・・・・ｎ電極 ２３・・・・ボール ２４・・・・金線 ２５・・・・刃物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 31/10 Ｈ Ｈ０１Ｓ 3/18 (56)参考文献 特開 平９−8407（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−254733（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−221103（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−106633（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−291621（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−196937（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 29/43 H01L 31/10 H01L 33/00 H01S 5/30
Claims (4)
- 【請求項１】 ｎ型窒化物半導体にオーミック接触が得
られた電極であって、その電極がチタン（Ｔｉ）、ジル
コニウム（Ｚｒ）若しくはタングステン（Ｗ）より選択
された少なくとも一種よりなる第一の電極材料と、シリ
コン（Ｓｉ）若しくはゲルマニウム（Ｇｅ）より選択さ
れた少なくとも一種よりなる第二の電極材料とを含むこ
とを特徴とするｎ型窒化物半導体の電極。 - 【請求項２】 前記電極は、第三の電極材料として金
（Ａｕ）を含むことを特徴とする請求項１に記載のｎ型
窒化物半導体の電極。 - 【請求項３】 前記電極は、第一の電極材料がｎ型窒化
物半導体に接する側に形成され、その第一の電極材料の
上に第二の電極材料が形成された少なくとも二層構造を
有することを特徴とする請求項１に記載のｎ型窒化物半
導体の電極。 - 【請求項４】 前記ｎ型窒化物半導体の表面はエッチン
グされていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の
内のいずれか一項に記載のｎ型窒化物半導体の電極。
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| JP22491395A JP3047960B2 (ja) | 1995-09-01 | 1995-09-01 | ｎ型窒化物半導体の電極 |
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