JP3384700B2 - Gallium nitride based compound semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same - Google Patents

Gallium nitride based compound semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same

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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、青色や短波長領域
発光の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその
製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device that emits blue light or light in a short wavelength region and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【背景技術】窒化ガリウム系化合物半導体(AlxGa
1-xN;0≦x<1、以下「GaN」とも記す)は、青
色の発光ダイオードや短波長領域の発光素子の材料とし
て注目されている。
BACKGROUND ART A gallium nitride-based compound semiconductor (Al x Ga
1-x N; 0 ≦ x <1, hereinafter also referred to as “GaN”) has attracted attention as a material for a blue light emitting diode or a light emitting element in a short wavelength region.

【0003】GaNは低抵抗p型結晶が得られていない
ため、これを用いた発光ダイオードは金属電極(M)−
半絶縁性GaN層(I層)−N型GaN層(S層)の構
造をもつ、いわゆるMIS型構造をとる。このような発
光ダイオードの開発のためには、下層のN型GaN層に
接続される電極を形成する技術を確立することが不可欠
となる。すなわち、AlxGa1-xAsなど、他の III−
V族化合物半導体を用いた発光素子においては導電性の
基板を用いることにより、下層の電極を基板側に形成し
ているが、GaNの場合、基板となるサファイアが絶縁
体であることから、下層のN型GaN層に接続される電
極を基板側に形成することが不可能だからである。
Since a low resistance p-type crystal has not been obtained for GaN, a light emitting diode using this has a metal electrode (M)-
A so-called MIS type structure having a structure of a semi-insulating GaN layer (I layer) -N type GaN layer (S layer) is adopted. In order to develop such a light emitting diode, it is essential to establish a technique for forming an electrode connected to the lower N-type GaN layer. That is, other III-, such as Al x Ga 1-x As.
In a light emitting device using a group V compound semiconductor, a lower electrode is formed on the substrate side by using a conductive substrate. However, in the case of GaN, since the substrate sapphire is an insulator, the lower layer This is because it is impossible to form an electrode connected to the N-type GaN layer on the substrate side.

【0004】また、GaNは化学的に非常に安定な物質
であることから、薬品による化学的なエッチングにより
I型GaN層を部分的に除去してN型GaN層を露出さ
せ、その露出面に電極を形成することも困難である。さ
らに、N型GaN層の側面に電極部を設け、金属ワイヤ
で結線する方法もとられるが、N型GaN層の厚さはせ
いぜい数μm〜数十μm程度であり、電極としての信頼
性や量産性に乏しい。そこで、N型GaN層への電極形
成技術として、これまで以下のような方法が報告されて
いる。
Since GaN is a chemically very stable substance, the I-type GaN layer is partially removed by chemical etching with a chemical to expose the N-type GaN layer, and the exposed surface is exposed. It is also difficult to form electrodes. Further, a method of providing an electrode portion on the side surface of the N-type GaN layer and connecting with a metal wire can be used. However, the thickness of the N-type GaN layer is at most about several μm to several tens of μm, and the reliability as an electrode is improved. Mass productivity is poor. Therefore, the following methods have been reported so far as techniques for forming electrodes on the N-type GaN layer.

【0005】第1の方法は、基板にある種の加工を施す
ことによりGaN層の一部に低抵抗領域を形成する方法
である。すなわち、図5に示すように、サファイア基板
10の一部にあらかじめスクライバまたはダイサによ
り、浅い切り溝あるいは引っ掻き傷等の凹凸領域12を
形成した後(図5(a)参照)、GaNのエピタキシャ
ル成長を行うと、凹凸領域12上に成長したGaNにつ
いてはZnを大量にドープしてもI型層にはならずN型
低抵抗領域18が形成される(図5(b)参照)。この
低抵抗領域18上にN側電極20を形成すれば、N型低
抵抗領域18を介してN型GaN層14へのコンタクト
を取ることができる(図5(c)参照)。さらに、I型
GaN層16上にN側電極20と離間してI側電極22
を形成する。
The first method is to form a low resistance region in a part of the GaN layer by subjecting the substrate to some kind of processing. That is, as shown in FIG. 5, a scriber or dicer is used in advance to form an uneven region 12 such as a shallow kerf or a scratch (see FIG. 5A) on a part of the sapphire substrate 10 and then epitaxial growth of GaN is performed. As a result, the GaN grown on the concavo-convex region 12 does not become an I-type layer even if it is heavily doped with Zn, and an N-type low resistance region 18 is formed (see FIG. 5B). By forming the N-side electrode 20 on the low resistance region 18, it is possible to make contact with the N-type GaN layer 14 via the N-type low resistance region 18 (see FIG. 5C). Furthermore, the I-side electrode 22 is separated from the N-side electrode 20 on the I-type GaN layer 16.
To form.

【0006】同様に、サファイア基板の一部にあらかじ
めSiO2,Al23,Si34などの誘電体膜を堆積
させた後、GaNのエピタキシャル成長を行う場合に
も、上記凹凸領域12を形成した場合と同様に、これら
の膜上にはN型低抵抗のGaN層が形成され、そこにN
側電極を形成することによりN型GaN層へのコンタク
トを取ることができる。
Similarly, when the GaN epitaxial growth is performed after depositing a dielectric film such as SiO 2 , Al 2 O 3 or Si 3 N 4 on a part of the sapphire substrate in advance, the concavo-convex region 12 is also formed. As in the case of formation, an N-type low resistance GaN layer is formed on these films, and the N-type GaN layer is formed thereon.
By forming the side electrode, it is possible to make contact with the N-type GaN layer.

【0007】第2の方法は、I型GaN層をドライエッ
チングなどで除去する方法である。すなわち、図6に示
すように、I型GaN層16上にSiO2膜24を堆積
した後開口部を設け(図6(a)参照)、CCl4,C
Cl22等のガスを用いたドライエッチングにより開口
部直下のI型GaN層16を除去してN型GaN層14
を露出させ、凹部(コンタクトホール)26を形成し
(図6(b)参照)、この凹部26にN側電極20を形
成することにより、N型GaN層14へのコンタクトを
取ることができる。
The second method is a method of removing the I-type GaN layer by dry etching or the like. That is, as shown in FIG. 6, an opening is formed after depositing the SiO 2 film 24 on the I-type GaN layer 16 (see FIG. 6A), and CCl 4 , C
The I-type GaN layer 16 immediately below the opening is removed by dry etching using a gas such as Cl 2 F 2 to remove the N-type GaN layer 14.
Is exposed to form a recess (contact hole) 26 (see FIG. 6B), and the N-side electrode 20 is formed in the recess 26, so that the N-type GaN layer 14 can be contacted.

【0008】同様に、I型GaN層上にSiO2膜を堆
積した後開口部を設け、水素雰囲気中、塩化水素とアル
ゴンの混合比が3:1の混合ガス雰囲気にて熱処理を行
うことにより、露出面のI型GaN層を分解除去してN
型GaN層を露出させ、そこにN側電極を形成すること
もできる。また、ダイヤモンド製の針でスクライブする
ことにより、I型GaN層を機械的に除去してN型Ga
N層にまで達する凹部を形成し、そこにN側電極を形成
する方法もある。
Similarly, after depositing a SiO 2 film on the I-type GaN layer, an opening is provided, and heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere in a mixed gas atmosphere having a mixture ratio of hydrogen chloride and argon of 3: 1. , The I-type GaN layer on the exposed surface is decomposed and removed, and N
It is also possible to expose the type GaN layer and form the N-side electrode there. Further, by scribing with a needle made of diamond, the I-type GaN layer is mechanically removed and the N-type Ga is
There is also a method of forming a recess reaching the N layer and forming an N-side electrode there.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記第1の
方法は、基板10表面に凹凸領域12の形成等の加工を
施した部分に成長させたGaNが多結晶となることを利
用してN型低抵抗領域18を形成しているため、そのキ
ャリア濃度などを正確に、かつ再現性よく制御すること
は困難であると共に、低抵抗領域18はI型GaN層1
6の表面からサファイア基板10に達する深さにまで形
成されており、その深さを任意に設定することは不可能
である。また、この第1の方法は、従来用いられてきた
Ga−HCl−NH3系のハイドライド気相成長(HV
PE)法によるGaN結晶作製において考案された方法
であって、有機金属気相成長(MOVPE)法による結
晶作成に際してはこれらの方法をそのまま使用すること
はできない。特にMOVPE法ではSiO2やAl23
などの誘電体薄膜上に均一に多結晶GaN層を成長させ
ることはできず、低抵抗領域を形成できない。
The first method, however, utilizes the fact that GaN grown on a portion of the surface of the substrate 10 that has been processed such as forming the concavo-convex region 12 becomes polycrystalline, and N Since the low resistance region 18 is formed, it is difficult to accurately and reproducibly control the carrier concentration of the low resistance region 18 and the low resistance region 18 is formed in the I-type GaN layer 1.
It is formed up to the depth reaching the sapphire substrate 10 from the surface of 6, and the depth cannot be set arbitrarily. In addition, the first method is based on the conventionally used Ga—HCl—NH 3 system hydride vapor phase growth (HV).
It is a method devised for GaN crystal production by the PE) method, and these methods cannot be used as they are for the crystal production by the metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method. Especially in the MOVPE method, SiO 2 or Al 2 O 3
A polycrystalline GaN layer cannot be uniformly grown on a dielectric thin film such as, and a low resistance region cannot be formed.

【0010】また、第2の方法は、マスクとして用いる
SiO2層の作製やそのパターン形成、ドライエッチン
グあるいは熱処理、その後の電極形成など多段階で複雑
な工程が必要となる。また、I型GaN層をスクライブ
する方法は、GaN層にストレスを導入することになり
クラックを誘発したり、電気的特性を劣化させたりする
など、実際の素子作製において歩留まりを大きく減じる
原因となる。
Further, the second method requires multi-step and complicated steps such as production of the SiO 2 layer used as a mask, pattern formation thereof, dry etching or heat treatment, and subsequent electrode formation. In addition, the method of scribing the I-type GaN layer causes stress to be introduced into the GaN layer, induces cracks, deteriorates electrical characteristics, and causes a large reduction in yield in actual device fabrication. .

【0011】そこで、本発明の目的は、基板に何らかの
加工を施すことなく、あるいはコンタクトホールの作製
などの複雑な工程を含まない、信頼性・量産性の優れた
GaN発光素子とその製造方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a GaN light-emitting element having excellent reliability and mass productivity, which does not require any processing on the substrate, or does not include complicated steps such as the production of contact holes, and a method for manufacturing the same. To provide.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光
素子は、窒化ガリウム系化合物半導体(AlxGa
1-xN;0≦x<1)からなる半導体層を含む半導体発
光素子において、前記半導体層上に形成された電極と、
前記電極に連続し、この電極の材料の拡散によって形成
された低抵抗領域と、を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to claim 1 is a gallium nitride-based compound semiconductor (Al x Ga).
1-x N; 0≤x <1), in a semiconductor light emitting device including a semiconductor layer, an electrode formed on the semiconductor layer,
A low resistance region that is continuous with the electrode and is formed by diffusion of a material of the electrode.

【0013】この構造の半導体発光素子においては、電
極直下の半導体層において、半絶縁性(I型)GaN層
が形成されている場合の他、電極材料とGaNとのイオ
ン化ポテンシャルの違いで不純物の付着により高抵抗層
が故意によらず形成されている場合においても、これら
の高抵抗層を貫通した低抵抗領域を形成することで、半
導体層と電極との抵触抵抗を低減できる。そして、例え
ば、N型低抵抗領域は、特定の熱処理によってN側電極
材料をGaN層中へ拡散させることによって形成してい
る。
In the semiconductor light emitting device having this structure, in addition to the case where a semi-insulating (I-type) GaN layer is formed in the semiconductor layer immediately below the electrode, impurities are different due to the difference in ionization potential between the electrode material and GaN. Even if the high resistance layer is intentionally formed by adhesion, the contact resistance between the semiconductor layer and the electrode can be reduced by forming the low resistance region penetrating these high resistance layers. And, for example,
For example, the N-type low resistance region is formed by the specific heat treatment on the N-side electrode.
Formed by diffusing the material into the GaN layer
It

【0014】前記電極は、例えばニッケル(Ni)単体
でも構成することができるが、チタン(Ti)またはク
ロム(Cr)による第1の導電層と、NiまたはNiを
含む合金による第2の導電層とを少なくとも積層した多
層構造の電極を好ましく用いることができる。Ni層単
独の場合には、該Ni層のGaN層に対する密着性が悪
いため、TiあるいはCrの薄膜を介して電極を形成す
ることにより、Ni層−GaN層の密着性を向上させる
ことができ、また熱処理後のオーミック特性も良好とな
る。
The electrode can be made of, for example, nickel (Ni) alone, but the first conductive layer made of titanium (Ti) or chromium (Cr) and the second conductive layer made of Ni or an alloy containing Ni. An electrode having a multilayer structure in which at least and are laminated can be preferably used. When the Ni layer is used alone, the adhesion of the Ni layer to the GaN layer is poor. Therefore, by forming an electrode through a thin film of Ti or Cr, the adhesion of the Ni layer-GaN layer can be improved. Also, the ohmic characteristics after heat treatment are improved.

【0015】上述のように、本発明の窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子は、電極に連続して形成された低抵
抗領域を介して電極取出しを行っており、発光素子の電
気的な抵抗成分を小さくできる。
As described above, in the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention, the electrode is taken out through the low resistance region formed continuously with the electrode, and the electrical resistance component of the light emitting device is measured. Can be made smaller.

【0016】請求項5に記載の窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体(Alx
Ga1-xN;0≦x<1)からなる半導体層を含む半導
体発光素子において、前記半導体層上に形成された第1
の電極と、前記第1の電極に連続し、この電極の材料の
拡散によって形成された低抵抗領域と、前記第1の電極
と離間して前記第1の電極と同じ側の面に形成された第
2の電極と、を含むことを特徴とする。
The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to claim 5 is a gallium nitride-based compound semiconductor (Al x
Ga 1-x N; a semiconductor light-emitting device including a semiconductor layer of 0 ≦ x <1), the first light-emitting device formed on the semiconductor layer.
Electrode and a low resistance region that is continuous with the first electrode and is formed by diffusion of the material of the electrode, and is formed on the same surface as the first electrode, apart from the first electrode. And a second electrode.

【0017】請求項6に記載の窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子の製造方法は、半導体または絶縁体からな
る基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体(AlxGa
1-xN;0≦x<1)からなる半導体層を形成する工程
を含む半導体発光素子の製造方法において、前記半導体
層の表面に電極を形成する電極形成工程と、熱処理を行
うことにより、前記電極直下に低抵抗領域を形成する工
程と、を含むことを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device, wherein a gallium nitride-based compound semiconductor (Al x Ga) is formed on a substrate made of a semiconductor or an insulator.
1-x N; 0 ≦ x <1) In the method for manufacturing a semiconductor light emitting device, including the step of forming a semiconductor layer, an electrode forming step of forming an electrode on the surface of the semiconductor layer, and a heat treatment, And a step of forming a low resistance region directly under the electrode.

【0018】すなわち、この製造方法においては、ま
ず、例えばサファイア基板上に気相成長法などでGaN
層からなる半導体層を形成する。
That is, in this manufacturing method, first, for example, GaN is formed on a sapphire substrate by a vapor phase growth method or the like.
A semiconductor layer including layers is formed.

【0019】次に、マスク蒸着ないしフォトエッチング
等の半導体工学で良く知られた工程により、GaN層上
に電極(第1の電極)を形成する。
Next, an electrode (first electrode) is formed on the GaN layer by a process well known in semiconductor engineering such as mask vapor deposition or photo etching.

【0020】次に、例えば、好ましくは保護膜となるS
iO2層を蒸着などによって堆積した後、熱処理を加え
て前記電極とGaN層との反応を促し、前記電極の材料
をGaN層に拡散させることによって低抵抗領域を作製
する。例えば、熱処理を加えてN側電極とGaN層との
反応を促し、N側電極材料をGaN層に拡散させること
によってN型低抵抗領域を作製する。このとき、熱処理
温度は、好ましくは700〜1000℃、さらに好まし
くは800〜900℃である。熱処理温度が1000℃
を越えるとGaN層の全体あるいは一部が熱による変質
を起こし好ましくなく、一方700℃未満では良好な低
抵抗領域が形成できない。また、熱処理は、窒素ガス流
下,水素ガス流下などで行うことが好ましい。熱処理時
間は、15秒〜1分程度が好ましい。また、熱処理装置
としては、GaN層の熱ダメージやドーパントの拡散を
制御するため、急加熱,急冷の可能な赤外線による加熱
方式が好ましい。
Next, for example, S which becomes a protective film is preferable.
After depositing the iO 2 layer by evaporation or the like, heat treatment is applied to promote the reaction between the electrode and the GaN layer, and the material of the electrode is diffused into the GaN layer to form a low resistance region. For example, heat treatment is applied to separate the N-side electrode and the GaN layer.
Promote reaction and diffuse N-side electrode material into GaN layer
Then, an N-type low resistance region is produced. At this time, the heat treatment temperature is preferably 700 to 1000 ° C, more preferably 800 to 900 ° C. Heat treatment temperature is 1000 ℃
If it exceeds, the whole or part of the GaN layer is deteriorated by heat, which is not preferable, while if it is less than 700 ° C., a good low resistance region cannot be formed. The heat treatment is preferably performed under a nitrogen gas flow, a hydrogen gas flow, or the like. The heat treatment time is preferably about 15 seconds to 1 minute. Further, as a heat treatment apparatus, an infrared heating system capable of rapid heating and rapid cooling is preferable in order to control thermal damage to the GaN layer and diffusion of dopant.

【0021】前記電極は、前述したように、例えばニッ
ケル単体でも構成することができるが、チタンまたはク
ロムによる第1の導電層と、ニッケルまたはニッケルを
含む合金による第2の導電層とを積層した2層構造の電
極を好ましく用いることができる。
As described above, the electrode can be made of nickel alone, for example, but a first conductive layer made of titanium or chromium and a second conductive layer made of nickel or an alloy containing nickel are laminated. A two-layer structure electrode can be preferably used.

【0022】すなわち、前記電極形成工程においては、
まず前記半導体層の表面に蒸着等の方法によって第1の
導電層を形成し、この第1の導電層の表面に第2の導電
層を形成することが好ましい。
That is, in the electrode forming step,
First, it is preferable that the first conductive layer is formed on the surface of the semiconductor layer by a method such as vapor deposition, and the second conductive layer is formed on the surface of the first conductive layer.

【0023】次に、例えば、保護膜を除去し、さらに蒸
着などによって他方の電極(第2の電極)を作製する。
Next, for example, the protective film is removed, and the other electrode (second electrode) is formed by vapor deposition or the like.

【0024】上記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
の製造方法は、低抵抗領域を電極とGaN層との反応に
より作製するものであるため、以下に例示する種々の作
用効果を奏する。
In the method for manufacturing the gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device, the low resistance region is manufactured by the reaction between the electrode and the GaN layer, and therefore, various operational effects exemplified below are exhibited.

【0025】1.低抵抗領域は熱処理による電極の材料
の拡散で形成されるため、該電極と低抵抗領域との位置
は必然的に同じとなり、従来必要であった低抵抗領域あ
るいはコンタクトホール位置と電極との位置合わせが不
要となる。
1. Since the low resistance region is formed by diffusion of the material of the electrode by heat treatment, the position of the electrode and the low resistance region are necessarily the same, and the position of the low resistance region or the contact hole position and the electrode which is conventionally required is the same. No need for alignment.

【0026】2.本発明の低抵抗領域は、基板に加工を
施した後GaN層成長時に低抵抗領域が同時に形成され
る場合(前記従来技術の第1の方法)とは異なり、電極
形成後の熱処理工程により形成される。従ってGaN層
の成長条件などとは独立に、熱処理の時間や温度を調節
することによって低抵抗領域のキャリア濃度などを正確
に、かつ再現性よく制御することができ、発光素子の電
気的な抵抗成分の低減が容易になると共に、素子間での
特性のばらつきも少ない。
2. The low resistance region of the present invention is formed by a heat treatment process after electrode formation, unlike the case where the low resistance region is formed at the same time when the GaN layer is grown after processing the substrate (the first method of the prior art). To be done. Therefore, the carrier concentration in the low resistance region can be controlled accurately and with good reproducibility by adjusting the heat treatment time and temperature independently of the growth conditions of the GaN layer, and the electrical resistance of the light emitting element can be controlled. The components can be easily reduced, and there is little variation in characteristics among the elements.

【0027】また、従来技術の第1の方法では低抵抗領
域はGaN層表面から基板にまで達していたが、本発明
の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法によ
れば、熱処理工程の条件により、低抵抗領域の深さを制
御でき、任意の深さに形成することができる。従って、
所望の深さで低抵抗領域を作製でき、素子構造の最適化
が図れる。
In the first method of the prior art, the low resistance region extends from the surface of the GaN layer to the substrate. However, according to the method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device of the present invention, the condition of the heat treatment step is set. Thus, the depth of the low resistance region can be controlled, and the low resistance region can be formed to an arbitrary depth. Therefore,
A low resistance region can be formed at a desired depth, and the device structure can be optimized.

【0028】3.コンタクトホールを作製する場合(前
記従来技術の第2の方法)には、エッチングマスクとし
て用いるSiO2層の作製およびドライエッチング工程
に多工程と時間を要するが、本発明の窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子の製造方法によれば、工程が簡素化
され、しかも比較的短時間の処理ですみ、経済的な素子
作製を容易に行うことができる。
3. In the case of forming a contact hole (second method of the prior art), it takes many steps and time for forming the SiO 2 layer used as an etching mask and for the dry etching process, but the gallium nitride compound semiconductor light emission of the present invention is required. According to the element manufacturing method, the process is simplified, and the processing can be performed in a relatively short time, and the economical element manufacturing can be easily performed.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施の形
態に基づいて説明する。なお、本発明は下記実施の形態
に限定されるものではない。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on specific embodiments. The present invention is not limited to the embodiments described below.

【0030】図1は、本発明の窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子を適用した発光ダイオードの構成を模式的
に示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing the structure of a light emitting diode to which the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention is applied.

【0031】図1において、発光ダイオードはサファイ
ア基板30を有しており、そのサファイア基板30上に
膜厚約50nmのAlNのバッファ層32が形成されて
いる。そのバッファ層32の上面には、膜厚約2.5μ
mのN型GaNから成るN層34が形成されている。さ
らにN層34の上面には、膜厚約0.2μmの半絶縁性
GaNからなるI層36が形成されている。そして、I
層36の上面には、このI層36に接続される金属製I
側電極42と、N層34に接続される金属製N側電極4
0とが離間した状態で形成されている。そして、N側電
極40の直下には、I層36を貫通し、N層34に達す
るN型低抵抗領域38が形成されている。
In FIG. 1, the light emitting diode has a sapphire substrate 30, and an AlN buffer layer 32 having a film thickness of about 50 nm is formed on the sapphire substrate 30. A film thickness of about 2.5 μm is formed on the upper surface of the buffer layer 32.
An N layer 34 made of m N-type GaN is formed. Further, on the upper surface of the N layer 34, an I layer 36 made of semi-insulating GaN having a film thickness of about 0.2 μm is formed. And I
The upper surface of the layer 36 has a metal I
Side electrode 42 and metal N-side electrode 4 connected to N layer 34
0 and 0 are formed in a separated state. An N-type low resistance region 38 that penetrates the I layer 36 and reaches the N layer 34 is formed immediately below the N-side electrode 40.

【0032】前記N側電極40は、ニッケル単体、或い
は少なくとも、チタンまたはクロムによる第1の導電層
と、ニッケルまたはニッケルを含む合金による第2の導
電層とが積層された多層構造を有することが好ましい。
The N-side electrode 40 may have a multilayer structure in which a single element of nickel, or at least a first electrically conductive layer of titanium or chromium and a second electrically conductive layer of nickel or an alloy containing nickel are laminated. preferable.

【0033】次に、この構造の発光ダイオードの製造方
法について、図2を参照しながら説明する。
Next, a method of manufacturing a light emitting diode having this structure will be described with reference to FIG.

【0034】前記発光ダイオードは、MOVPEによる
気相成長により製造される。
The light emitting diode is manufactured by vapor phase growth by MOVPE.

【0035】まず、有機洗浄および熱処理により洗浄し
たa面を主面とする単結晶のサファイア基板30をMO
VPE装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。
次に、水素ガスを反応室に流しながら温度1200℃で
サファイア基板30を10分間気相エッチングした。
First, the single crystal sapphire substrate 30 whose main surface is the a-plane, which has been cleaned by organic cleaning and heat treatment, is MO.
It is attached to the susceptor placed in the reaction chamber of the VPE device.
Next, the sapphire substrate 30 was vapor-phase etched at 1200 ° C. for 10 minutes while flowing hydrogen gas into the reaction chamber.

【0036】次に、AlNのバッファ層32を約50n
mの厚さに形成した。続いて、膜厚約2.5μmのN型
GaNからなるN層34,膜厚約0.2μmの半絶縁性
のGaNから成るI層36を順次形成した。このように
して、図2(a)に示すような多層構造のLEDウエハ
が得られた(第1の工程)。
Next, the AlN buffer layer 32 is formed to a thickness of about 50 n.
It was formed to a thickness of m. Subsequently, an N layer 34 made of N-type GaN having a thickness of about 2.5 μm and an I layer 36 made of semi-insulating GaN having a thickness of about 0.2 μm were sequentially formed. In this way, an LED wafer having a multilayer structure as shown in FIG. 2A was obtained (first step).

【0037】次に、図2(b)に示すように、I層36
の上面全体に、蒸着によりTi電極層40aおよびNi
電極層40bを、厚さがそれぞれ約10nm,約300
nmとなるように順次形成する。そして、そのNi電極
層40bの上面にフォトレジストを塗布して、フォトリ
ソグラフィーにより、フォトレジスト44がN層34に
接続される電極部の形成位置に残るように、所定形状に
パターン形成した。次に、図2(c)に示すように、そ
のフォトレジスト44をマスクとして下層のTi電極層
40a,Ni電極層40bの露出部をエッチングし、さ
らにフォトレジスト44を除去してN側電極40を作製
した(第2の工程)。
Next, as shown in FIG. 2B, the I layer 36 is formed.
On the entire upper surface of the Ti electrode layer 40a and Ni by vapor deposition.
The electrode layer 40b has a thickness of about 10 nm and about 300 nm, respectively.
The layers are sequentially formed to have a thickness of nm. Then, a photoresist was applied to the upper surface of the Ni electrode layer 40b, and a pattern was formed by photolithography into a predetermined shape so that the photoresist 44 remained at the formation position of the electrode portion connected to the N layer 34. Next, as shown in FIG. 2C, the exposed portions of the lower Ti electrode layer 40a and the Ni electrode layer 40b are etched using the photoresist 44 as a mask, and the photoresist 44 is further removed to remove the N-side electrode 40. Was produced (second step).

【0038】次に、図2(d)に示すように、I層36
およびN側電極40の上面全体に蒸着によりSiO2
46を約100nmの厚さに形成した。そして、窒素ガ
ス中で赤外線ランプなどで試料を加熱し、系が900℃
に達したところで20秒間以上その温度を保持した後、
試料を冷却した。このようにして、図2(e)に示すよ
うに、GaN層内にN型低抵抗領域38を形成した(第
3の工程)。
Next, as shown in FIG. 2D, the I layer 36 is formed.
A SiO 2 layer 46 having a thickness of about 100 nm was formed on the entire upper surface of the N-side electrode 40 by vapor deposition. Then, the sample is heated in an infrared lamp in nitrogen gas, and the system is heated to 900 ° C.
After holding the temperature for 20 seconds or more,
The sample was cooled. Thus, as shown in FIG. 2E, the N-type low resistance region 38 was formed in the GaN layer (third step).

【0039】次に、SiO2層46の上面にフォトレジ
ストを塗布して、フォトリソグラフィーにより、フォト
レジストがI層36に接続される電極部以外が残るよう
に所定形状にパターン形成する。続いて、試料の上面全
体にAl層を蒸着により形成し、さらに試料をSiO2
剥離液に浸して前記SiO2層46を除去することで、
そのSiO2層46の直上に形成されたフォトレジスト
およびAl層を除去し、図2(f)に示すように、I層
36に接続されたI側電極42を形成した(第4の工
程)。
Next, a photoresist is applied to the upper surface of the SiO 2 layer 46, and the photoresist is patterned into a predetermined shape by photolithography so that portions other than the electrode portions connected to the I layer 36 remain. Subsequently, an Al layer is formed on the entire upper surface of the sample by vapor deposition, and the sample is further covered with SiO 2
By dipping in the stripping solution to remove the SiO 2 layer 46,
The photoresist and the Al layer formed directly on the SiO 2 layer 46 were removed, and the I-side electrode 42 connected to the I layer 36 was formed as shown in FIG. 2F (fourth step). .

【0040】このようにして、図1に示す構造のMIS
(Metal−Insulator−Semicond
uctor)型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
を製造することができる。
In this way, the MIS having the structure shown in FIG.
(Metal-Insulator-Semicond
(uctor) type gallium nitride compound semiconductor light emitting device can be manufactured.

【0041】上記の製造工程において、N型低抵抗領域
38は、第3の工程において、熱処理によりN側電極4
0とGaN層との反応を促すことにより形成されてい
る。このことを確認するために、以下の分析試験を行っ
た。
In the manufacturing process described above, the N-type low resistance region 38 is formed by heat treatment in the third process.
It is formed by promoting the reaction between 0 and the GaN layer. In order to confirm this, the following analytical test was conducted.

【0042】図3および図4は、試料のN側電極40部
分での、熱処理前後の深さ方向における組成変化をオー
ジェ電子分光(AES)分析により観察した結果を示
す。なお、図3および図4に示す分析結果においては、
理解を容易にするため、Ti,O,Ti+Nの曲線を省
略し、NiおよびGaの曲線のみを示した。
FIGS. 3 and 4 show the results of Auger electron spectroscopy (AES) analysis of composition changes in the depth direction before and after heat treatment at the N-side electrode 40 portion of the sample. In the analysis results shown in FIGS. 3 and 4,
For ease of understanding, the curves of Ti, O, Ti + N are omitted and only the curves of Ni and Ga are shown.

【0043】図3および図4を比較すると、熱処理後に
おけるNiのGaN層中への侵入,GaのNi層中への
侵入が確認され、N側電極40の電極材料とGaNとの
相互拡散によりN型低抵抗領域が形成されていることが
わかる。
Comparing FIG. 3 and FIG. 4, it was confirmed that Ni penetrated into the GaN layer and Ga penetrated into the Ni layer after the heat treatment, and due to the interdiffusion between the electrode material of the N-side electrode 40 and GaN. It can be seen that the N-type low resistance region is formed.

【0044】また、上記の方法で製造された図1に示す
発光ダイオードは、電流−電圧特性において、立ち上が
り電圧が6Vであり、従来の構造に比して約3/4とな
り、駆動電圧の低減に貢献したことが確認された。
The light-emitting diode shown in FIG. 1 manufactured by the above method has a current-voltage characteristic with a rising voltage of 6 V, which is about 3/4 of that of the conventional structure, and the driving voltage is reduced. It was confirmed that it contributed to.

【0045】なお、上記製造例ではN側電極40として
TiおよびNiの2層構造の電極を用いたが、Crおよ
びNiの2層構造の電極、あるいはNi1層のみの電極
を用いても良い。
In the manufacturing example described above, an electrode having a two-layer structure of Ti and Ni is used as the N-side electrode 40, but an electrode having a two-layer structure of Cr and Ni or an electrode having only one Ni layer may be used.

【0046】[0046]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
を適用した発光ダイオードの一例を模式的に示す断面図
である。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing an example of a light emitting diode to which a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device of the present invention is applied.

【図2】(a)〜(f)は、図1に示す発光ダイオード
の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
2A to 2F are sectional views schematically showing a manufacturing process of the light emitting diode shown in FIG.

【図3】低抵抗領域が形成されたことを確認するため
の、熱処理前のオージェ電子分光分析結果を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing Auger electron spectroscopic analysis results before heat treatment for confirming that a low resistance region is formed.

【図4】低抵抗領域が形成されたことを確認するため
の、熱処理後のオージェ電子分光分析結果を示す図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing Auger electron spectroscopic analysis results after heat treatment for confirming that a low resistance region is formed.

【図5】(a)〜(c)は、従来の窒化ガリウム系化合
物半導体素子の製造例を模式的に示す断面図である。
5A to 5C are cross-sectional views schematically showing a production example of a conventional gallium nitride-based compound semiconductor device.

【図6】(a)〜(c)は、他の従来の窒化ガリウム系
化合物半導体素子の製造例を模式的に示す断面図であ
る。
6A to 6C are cross-sectional views schematically showing a production example of another conventional gallium nitride-based compound semiconductor element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

30 サファイア基板 32 バッファ層 34 N層 36 I層 38 N型低抵抗領域 40 N側電極 42 I側電極 30 sapphire substrate 32 buffer layer 34 N layer 36 I layer 38 N type low resistance region 40 N side electrode 42 I side electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小澤 隆弘 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の1 株式会社豊田中央研究所内   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Takahiro Ozawa               Aichi Prefecture Aichi District Nagakute Town               Address 1 Toyota Central Research Institute Co., Ltd.

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 窒化ガリウム系化合物半導体(Alx
1-xN;0≦x<1)からなる半導体層を含む半導体
発光素子において、 前記半導体層上に積層された第1の金属層と、この第1
の金属層上に積層された第2の金属層とを含む電極と、 前記電極に連続し、前記第2の金属層を構成する材料の
拡散によって形成された低抵抗領域と、 を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子。
1. A gallium nitride-based compound semiconductor (Al x G
a 1-x N; 0 ≦ x <1), wherein a semiconductor light emitting device includes a semiconductor layer, and a first metal layer laminated on the semiconductor layer;
An electrode including a second metal layer laminated on the metal layer, and a low resistance region that is continuous with the electrode and is formed by diffusion of a material forming the second metal layer. A characteristic gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device.
【請求項2】 請求項1において、 前記第2の金属層はニッケルであることを特徴とする窒
化ガリウム系化合物半導体発光素子。
2. The gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the second metal layer is nickel.
【請求項3】 請求項2において、 前記第1の金属層は、チタンまたはクロムからなること
を特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
3. The gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the first metal layer is made of titanium or chromium.
【請求項4】 窒化ガリウム系化合物半導体(Alx
1-xN;0≦x<1)からなる半導体層を含む半導体
発光素子において、 前記半導体層上に積層された第1の金属層と、この第1
の金属層上に積層された第2の金属層とを含む第1の電
極と、 前記第1の電極に連続し、前記第2の金属層を構成する
材料の拡散によって形成された低抵抗領域と、 前記第1の電極と離間して該第1の電極と同じ側の面に
形成された第2の電極と、 を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子。
4. A gallium nitride-based compound semiconductor (Al x G
a 1-x N; 0 ≦ x <1), wherein a semiconductor light emitting device includes a semiconductor layer, and a first metal layer laminated on the semiconductor layer;
A first electrode including a second metal layer laminated on the metal layer, and a low resistance region which is continuous with the first electrode and is formed by diffusion of a material forming the second metal layer. And a second electrode formed on the same surface as the first electrode and spaced apart from the first electrode, and a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device.
【請求項5】 半導体または絶縁体からなる基板上に、
窒化ガリウム系化合物半導体(AlxGa1-xN;0≦x
<1)からなる半導体層を形成する工程を含む半導体発
光素子の製造方法において、 前記半導体層の表面に積層された第1の金属層と、この
第1の金属層上に積層された第2の金属層とを含む電極
を形成する電極形成工程と、 熱処理を行うことにより、前記第2の金属層を構成する
材料の拡散によって前記電極直下に低抵抗領域を形成す
る工程と、 を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子の製造方法。
5. A substrate made of a semiconductor or an insulator,
Gallium nitride compound semiconductor (Al x Ga 1-x N; 0 ≦ x
In a method for manufacturing a semiconductor light emitting device, including the step of forming a semiconductor layer consisting of <1), a first metal layer laminated on a surface of the semiconductor layer, and a second metal layer laminated on the first metal layer. And an electrode forming step of forming an electrode including the metal layer, and a step of performing a heat treatment to form a low resistance region directly under the electrode by diffusing a material forming the second metal layer. A method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device, comprising:
【請求項6】 請求項5において、 前記熱処理の温度が700〜1000℃であることを特
徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方
法。
6. The method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein the temperature of the heat treatment is 700 to 1000 ° C.
【請求項7】 請求項5または請求項6において、 前記熱処理は赤外線による加熱によって行われることを
特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造
方法。
7. The method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein the heat treatment is performed by heating with infrared rays.
【請求項8】 請求項5ないし請求項7のいずれかにお
いて、 前記第2の金属層はニッケルから構成されることを特徴
とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方
法。
8. The method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein the second metal layer is made of nickel.
【請求項9】 請求項5ないし請求項8のいずれかに
おいて、 前記第1の金属層を構成する材料は、チタンまたはクロ
ムであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子の製造方法。
9. The method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein the material forming the first metal layer is titanium or chromium.
【請求項10】 請求項1〜4のいずれかにおいて、 前記半導体層は、少なくともN型の窒化ガリウム系化合
物半導体(AlxGa1-xN;0≦x<1)からなるN層
を含むことを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素
子。
10. The semiconductor layer according to claim 1, wherein the semiconductor layer includes at least an N layer made of an N-type gallium nitride-based compound semiconductor (Al x Ga 1-x N; 0 ≦ x <1). A gallium nitride based semiconductor light emitting device characterized by the above.
【請求項11】 請求項5〜9のいずれかにおいて、 前記半導体層は、少なくともN型の窒化ガリウム系化合
物半導体(AlxGa1-xN;0≦x<1)からなるN層
を含むことを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子
の製造方法。
11. The semiconductor layer according to claim 5, wherein the semiconductor layer includes at least an N layer made of an N-type gallium nitride-based compound semiconductor (Al x Ga 1-x N; 0 ≦ x <1). A method for manufacturing a gallium nitride-based semiconductor light emitting device, comprising:
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