JP3624781B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＩＩＩ族窒化物系化合物半導体素子に関する。更に詳しくは、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体素子のｐ型台座電極の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子では基板として絶縁性のサファイアが用いられており、特に基板を下側にして配置される発光素子においては、比較的抵抗の大きなｐ型コンタクト層へ均一に電流を分配し、もって発光層の全域から均等な発光を得るために、当該ｐ型コンタクト層のほぼ全面に薄い透光性電極が形成される。このような薄い透光性電極には直接ワイヤーボンディングができないため、台座電極がその上に形成される（特開平９−３２０９８４公報などを参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは透光性電極の光透過率を高めるために当該透光性電極をより薄くすることについて検討を重ねてきた。そうしたところ、下記の解決すべき課題を見出すに至った。
即ち、上記公開特許公報に記載されているように、透光性電極とｐ型コンタクト層との間のオーミックコンタクトを確保しかつ透光性電極の透光性を確保し、さらには台座電極と透光性電極およびｐ型コンタクト層との密着性を確保するためには熱処理を施すことが必要である。この熱処理を実行すると、台座電極の材料と透光性電極の材料とが合金化し、図４に示すように、実質的に台座電極と透光性電極は一体化するものと考えられる。そして、台座電極の周面が透光性電極に対する接続面となる。
ところで、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなるｐ型コンタクト層と熱処理により結合された透光性電極−台座電極（ｐ型電極構造）とは、その形成材料の線膨張係数が異なっている。金属製である後者の線膨張係数が前者のそれより大きいので、熱処理後にｐ型電極構造に引っ張り応力が生じる。そのため、台座電極の周面と透光性電極との界面に亀裂の生じるおそれがある。この部分で機械的な強度が劣るからである。台座電極に印加可能な電流（許容電流）は台座電極と透光性電極との接触面積に比例すると考えられるので、かかる亀裂があると、当該許容電流が小さくなる。チップサイズのより小型化と光の外部放出効率向上が求められる中、台座電極にもそのサイズを小さくすることが要求されている。その一方で、許容電流は現状維持かこれをより大きくすることが要求されている。しかし、かかる亀裂が発生するとこれらの要求を満足できなくなる。台座電極と透光性電極との間の接触面積が充分でなくなるからである。
【０００４】
その寿命や耐久性を検査するため、発光素子を高温環境下においてかつこれに高い電流を印加することが要求される場合がある。この場合、台座電極周面と透光性電極との間に亀裂があると既述のとおり許容電流が制限されるため、検査時に印加できる電流が制限され、本来求められる厳しい検査を実行できないおそれがある。また、検査の実行中最初に当該亀裂部分で焼きつきなどが発生し、発光素子の他の要素の耐久性を実質的に検査できないという不具合も生じかねない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上説明したように、ｐ型コンタクト層と台座電極及び透光性電極からなるｐ型電極構造との線膨張係数の差に起因して台座電極周面と透光性電極との界面に亀裂が生じ、その結果両者の間の接触面積が低下することにより上記種々の課題が生じている。この発明は、本発明者らが新たに発見した上記課題を解決するものであり、その構成は次のとおりである。即ち、
ｐ型透光性電極と該透光性電極に接する凹凸周面を有するｐ型台座電極とを備えてなるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体素子。
【０００６】
このように構成されたＩＩＩ族窒化物系化合物半導体素子によれば、その台座電極の周面に凹凸が形成されているので、当該凹凸のないものと比べて周面の面積が大きくなる。その結果、台座電極周面と透光性電極との間の接触面積は、たとえ両者の間の一部に亀裂が生じたとしても、凹凸のない従来例に比べて大きくなる。したがって、台座電極に印加できる許容電流が大きくなる。
【０００７】
ここに、台座電極１は、導電性ワイヤをボンディングするのに充分な面積を有するものであれば、その形状は特に問われない。台座電極の形状は図１のように略円形でもよく、図２のように略正方形でもよい。その他の多角形、楕円形なども採用できる。
【０００８】
台座電極１の側面の凹凸部５の形状は、台座電極のマスクパターンにより規定される。したがって、凹凸部５は台座電極１の周方向に凹凸しており、一方台座電極１の高さ方向からみると凹凸部分が存在しない。
この発明において台座電極１の周面の凹凸部５は当該周面の面積を極大化することにより、透光性電極との接触面積を稼ごうというものである。したがって、この点で、補助電極を用いてｐ型半導体層へ電流を均等に注入しようとする発明（例えば、特開平８−３４０１３１号公報、特開平１０−２７５９３４号公報及び特開平１０−１１７０１７号公報など参照）とは、目的並びに作用の点で異なっている。
【０００９】
凹凸の形状は任意に選択できる。図１は格子により円を近似したものである。例えば３μｍの格子により直径１００μｍの円を近似したとき、その円周の長さは１００μｍ×４となる。一方、凹凸のない直径１００μｍの円周の長さは１００μｍ×３．１４であり、前者の方がほぼ２７％長くなる。これにより、台座電極と透光性電極との界面に亀裂が入ったとしても、当該界面の単位長さ当たりに入る亀裂の割合が一定であれば、界面の広がった分だけ台座電極と透光性電極との間の接触面積が広くなっている。したがって、単純計算で、円形であった従来品とくらべて本発明の台座電極によれば、許容電流が２７％大きくなることとなる。逆の見方をすれば、台座電極を小さくできることを示唆しており、発光の影となる台座電極が小さくなれば発光面積が増大し、発光効率を増大させることが可能となる。
【００１０】
図２の例では、平面視正方形の凹凸部１５を設けたものである。この場合、台座電極１１の周面は、凹凸部１５の無いもの比べてその面積が約２倍となる。したがって、透光性電極に対する接触面積が約２倍となり、計算上では許容電流が約２倍になる。
台座電極の周面に形成される凹凸部形状の他の例を図３に示す。図３（Ａ）に示す凹凸部１６の例はノコギリ歯形状であり、図３（Ｂ）に示す凹凸部１７の例はサインカーブである。図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）に示す凹凸部１８、１９の例はフック形状である。
【００１１】
凹凸部は台座電極と透光性電極との接触面積を極大化するためのものであるが、凹凸の振幅があまりにも大きいと、即ち凸部分が大きすぎると透光性電極を透過した光が当該凸部分に遮蔽されることとなるので好ましくない。そこで、凹凸の振幅、即ち図２に示すように、台座電極の中心から凸部分の先端までの距離Ｌ１と当該中心から凸部に隣合う凹部の底までの距離Ｌ２の差は２〜４０μｍとすることが好ましい。さらに好ましくは、２〜３０μｍであり、さらにさらに好ましくは２〜１５μｍであり、最も好ましくは３〜１０μｍである。
【００１２】
台座電極の周面は図４に示すように、傾斜していることが好ましい。即ち、台座電極１（図１）は全体として円錐台形状であり、台座電極１１（図２）は全体として四角錐台形状である。台座電極の周面をテ−パ状としておくことにより、台座電極及び透光性電極の表面に形成される保護膜（ＳｉＯ_２膜）を当該テ−パ状部にもほぼ設計膜厚通りに形成することが可能となる。
【００１３】
台座電極の形成材料も特に限定されるものではないが、例えば、図４に示すように下側から第１金属層としてＶ層、第２金属層としてＡｕ層及び第３金属層としてＡｌ層を順次積層する構造とする。
第１金属層はその下の層と強固に結合できるように、第２の金属層よりもイオン化ポテンシャルが低い元素とする。第２の金属層はＡｌ又はＡｕとのボンディング性が良好で、かつ透光性電極と反応しない元素とする。第３金属層は保護膜と強固に結合できる元素とすることが好ましい。
望ましくは、第１金属層の構成元素は、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）のうち少なくとも一種の元素であり、その膜厚は５〜３００μｍである。
望ましくは、第３金属層の構成元素は、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）のうち少なくとも一種の元素であり、その膜厚は１〜３０μｍである。望ましくは、第２金属層の構成元素は金（Ａｕ）であり、その膜厚は３００〜５０００μｍである。
【００１４】
透光性電極の形成材料も特に限定されるものではないが、例えば、図４に示すように下側から第１電極層としてＣｏ層及び第２電極層としてＡｕ層を順次積層する。
第１電極層の構成元素は第２電極層の構成元素よりもイオン化ポテンシャルが低い元素であり、第２電極層の構成元素は半導体に対するオーミック性が第１電極層の構成元素よりも良好な元素とするのが望ましい。ｐ型コンタクト層と合金を形成するために、この電極層に対しても熱処理が施されるが、その熱処理により、半導体の表面から深さ方向の元素分布は、第２電極層の構成元素の方が第１電極層の構成元素よりも深く浸透した分布となる。即ち、電極層の元素分布が電極層の形成時の分布に対して反転している。電極層の形成後には、上側に形成した第２電極層の構成元素の方が下側になり、下側に形成した第１電極層の構成元素の方が上側に存在する。
望ましくは、第１電極層の構成元素は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）のうち少なくとも一種の元素であり、その膜厚は０．５〜１５ｎｍとする。第２電極層の構成元素は、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）のうち少なくとも１種の元素であり、その膜厚は３．５〜２５ｎｍとする。最も望ましくは、第１電極層の構成元素はＣｏ又はＮｉであり、第２電極層の構成元素はＡｕである。この場合には、熱処理により、半導体の表面から深さ方向の元素分布は、Ｃｏ又はＮｉよりもＡｕが深く浸透した分布となる。
【００１５】
熱処理は酸素を含むガス中において行うことが好ましい。このとき、酸素を含むガスとしては、Ｏ_２、Ｏ_３、ＣＯ、ＣＯ_２、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ_２、又は、Ｈ_２Ｏの少なくとも１種又はこれらの混合ガスを用いることができる。又は、Ｏ_２、Ｏ_３、ＣＯ、ＣＯ_２、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ_２、又は、Ｈ_２Ｏの少なくとも１種と不活性ガスとの混合ガス、又は、Ｏ_２、Ｏ_３、ＣＯ、ＣＯ_２、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ_２、又は、Ｈ_２Ｏの混合ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いることができる。要するに酸素を含むガスは、酸素原子、酸素原子を有する分子のガスの意味である。
熱処理時の雰囲気の圧力は、熱処理温度において、窒化ガリウム系化合物半導体が熱分解しない圧力以上であれば良い。酸素を含むガスは、Ｏ_２ガスだけを用いた場合には、窒化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上の圧力で導入すれば良く、他の不活性ガスと混合した状態で用いた場合には、全ガスを窒化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上の圧力とし、Ｏ_２ガスは全ガスに対して１０^−６程度以上の割合を有しておれば十分である。要するに、酸素を含むガスは極微量存在すれば十分である。尚、酸素を含むガスの導入量の上限値は、ｐ型低抵抗化及び電極合金化の特性からは、特に、制限されるものではない。要は、製造が可能である範囲まで使用できる。
熱処理に関しては、最も望ましくは、５００〜６００℃である。５００℃以上の温度で、抵抗率が完全に飽和した低抵抗のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体を得ることができる。又、６００℃以下の温度において、電極の合金化処理を良好に行うことができる。又、望ましい温度範囲は、４５０〜６５０℃である。
【００１６】
台座電極、透光性電極の形成材料及び熱処理条件については、特開平９−３２０９８４号公報、特開平１０−２０９４９３号公報を参照されたい。
【００１７】
この明細書において、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_{１ −ｘ}Ｎ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０≦ｘ≦１）のいわゆる３元系を包含する。ＩＩＩ族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることができる。ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能である。ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のほか、周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によっても形成することができる。
ここにＩＩＩ族窒化物系化合物半導体素子には、発光ダイオード、受光ダイオード、レーザダイオード、太陽電池等の光素子の他、整流器、サイリスタ及びトランジスタ等のバイポーラ素子、ＦＥＴ等のユニポーラ素子並びにマイクロウェーブ素子などの電子デバイスを挙げられる。また、これらの素子の中間体としての積層体にも本発明は適用されるものである。
なお、発光素子の構成としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。発光層として量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）
を採用することもできる。
【００１８】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。
実施例は発光ダイオード２０であり、その構成を図５に示す。
【００１９】
層 ： 組成：ドーパント （膜厚）
透光性電極３１
ｐ型クラッド層 ２５ ： ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ （０．３μｍ）
発光層 ２４ ： 超格子構造
量子井戸層 ： Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ （３．５ｎｍ）
バリア層 ： ＧａＮ （３．５ｎｍ）
量子井戸層とバリア層の繰り返し数：１〜１０
ｎ型クラッド層 ２３ ： ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ （４μｍ）
ＡｌＮバッファ層 ２２ ： ＡｌＮ （６０ｎｍ）
基板 ２１ ： サファイア（ａ面） （３００μｍ）
【００２０】
ｎ型クラッド層２３は発光層２４側の低電子濃度ｎ−層とバッファ層２２側の高電子濃度ｎ＋層とからなる２層構造とすることができる。後者はｎ型コンタクト層と呼ばれる。
発光層２４は超格子構造のものに限定されない。発光素子の構成としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどを用いることができる。
発光層２４とｐ型クラッド層２５との間にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を介在させることもできる。これは発光層２４中に注入された電子がｐ型クラッド層２５に拡散するのを防止するためである。
ｐ型クラッド層２５を発光層２４側の低ホール濃度ｐ−層と電極側の高ホール濃度ｐ＋層とからなる２層構造とすることができる。後者はｐ型コンタクト層と呼ばれる。
上記構成の発光ダイオードにおいて、各ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でＭＯＣＶＤを実行して形成する。
【００２１】
次に、マスクを形成してｐ型クラッド層２５、活性層２４及びｎ型クラッド層２３の一部を反応性イオンエッチングにより除去し、ｎ型台座電極３３を形成すべきｎ型クラッド層２３を表出させる。
【００２２】
透光性電極３１及び台座電極３２、３３はリフトオフ法により形成される。
半導体層表面にフォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグラフィにより、ｐ型クラッド層２５の上の電極形成部分のフォトレジストを除去して、その部分のｐ型クラッド層２５を露出させる。蒸着装置にて、露出させたｐ型クラッド層２５の上に、Ｃｏ層（１．５ｎｍ）とＡｕ層（３０ｎｍ）を順次積層して透光性電極層３１とする。
次に、蒸着装置を用いて同様に、Ｖ層（１７．５ｎｍ）、Ａｕ層（１．５μｍ）及びＡｌ層（１０ｎｍ）を順次積層してｐ型台座電極３２とする。このとき用いるマスクの開口部周縁には凹凸が形成されている。これにより、台座電極３２の周面には図１〜３で示した各種の凹凸パターンが形成されることとなる。
バナジウム及びアルミニウムからなるｎ型台座電極３３も同様にして蒸着される。
【００２３】
上記のようにして得られた試料を加熱炉に入れ、炉内を１Ｐａ以下にまで排気し、その後１０数ＰａまでＯ_２を供給する。そして、その状態で炉の温度を５５０℃に設定して、４分間程度、熱処理する。これにより、透光性電極３１とｐ型台座電極３２はそれぞれの材料が合金化されるとともに、両者は結合してｐ型電極構造となる。本発明者らの検討によれば、ｐ型台座電極の直下において電流はｐ型クラッド層へほとんど注入されていない。これは、ｐ型台座電極の直下において透光性電極を構成するＡｕ／Ｃｏ蒸着層に上述したような分布の反転が生じないためにコンタクト抵抗が比較的高くなっているためであると予想される。したがって、ｐ型台座電極３２の周面と透光性電極３１との界面が両者の有効な電気的接続面となる。即ち、ｐ型台座電極３２に印加された電流はその周面より透光性電極３１へ流れ、ここで全面に拡散されてｐ型半導体層の全面へ均等に注入される。
【００２４】
次に、ボンディング用の窓部を除いて試料の表面に二酸化シリコンからなる保護膜が蒸着により形成される。保護膜は透光性でかつ絶縁性を備えておればよく、ＳｉＯ_２のほかに、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４などを用いることができる。保護膜をスパッタ或いはＣＶＤにより形成することもできる。
【００２５】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の一つの実施形態のｐ型台座電極を示す平面図である。
【図２】図２は他の実施形態のｐ型台座電極を示す平面図である。
【図３】図３は他の実施形態のｐ型台座電極の凹凸部の形状を示す。
【図４】図４はｐ型台座電極と透光性電極との結合態様を示す断面図である。
【図５】図５はこの発明の実施例の発光ダイオードを示す。
【符号の説明】
１、１１、３２ ｐ型台座電極
５、１５、１６、１７、１８、１９ 凹凸部
２０ 発光ダイオード
３１ 透光性電極

Claims (11)

1. 平面上において p 型台座電極を取り囲むように p 型透光性電極が配置され、該Ｐ型台座電極及び該 p 型透光性電極が互いの端面において電気的に接触しており、かつ、前記端面が前記平面上において凹凸周面を構成する p 型電極構造を有する III 族窒化物系化合物半導体素子。
2. 前記台座電極の凹凸はマスクを用いて形成されたものである、ことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
3. 前記台座電極の中心から前記凹凸部の凸部までの距離と前記中心から前記凸部に隣り合う凹部までの距離との差が２〜４０μmである、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
4. 前記透光性電極はコバルト-金合金から形成されたものである、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
5. 前記透光性電極の膜厚保刃は４〜４０nmである、ことを特徴とする請求項４に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
6. 発光素子若しくは受光素子構造を有する、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
7. 平面上において p 型台座電極を取り囲むように p 型透光性電極が配置され、該 p 型台座電極及び該 p 型透光性電極が互いの端面において電気的に接触しており、かつ、前記端面が前記平面上において凹凸周面を構成する p 型電極構造を有する III 族窒化物系化合物半導体素子の p 型電極構造。
8. 前記p型台座電極の中心から前記凹凸周面の凸部分までの距離と前記中心から前記凸部分に隣り合う凹部分までの距離との差が２〜４０μmである、ことを特徴とする請求項７又は８に記載のp型電極構造。
9. 前記p型台座電極の中心から前記凹凸周面の凸部分までの距離と前記中心から前記凸部分に隣り合う凹部分までの距離との差が２〜４０μmである、ことを特徴とする請求項７又は８に記載のp型電極構造。
10. 前記透光性電極の膜厚は４〜４０ｎmである、ことを特徴とする請求項７蚊らのいずれかに記載のp型電極構造。
11. 前記透光性電極はコバルト−金合金からなる、ことを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のp型電極構造。

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