JP3665243B2

JP3665243B2 - Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP3665243B2
Application number: JP33050899A
Authority: JP
Inventors: 達憲豊田
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2019-11-19
Also published as: JP2001148508A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、紫外域光から赤色光が発光可能な発光ダイオード及びレーザーダイオードに用いることができる発光素子、フォトダイオード、太陽電池などの受光素子に使用され、窒化物半導体（一般式Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、但し、０≦ｘ≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用いた素子に係り、特にｎ導電性を有する窒化物半導体と良好なオーミック接触をする電極を有する窒化物半導体素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体を用いた素子（以下、窒化物半導体素子という）は、その半導体の特性から、紫外域から赤色までの波長の光を発光可能な発光ダイオード、ＤＶＤなどの光記録媒体の高密度化の光源として半導体レーザ、さらには発光素子以外の素子へもその応用は及ぶものとして、期待が高まっている。
【０００３】
この様なＬＥＤを含めて窒化物半導体素子は順方向電圧を下げるため、半導体層と各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。上述の構造のＬＥＤにおいてもｐ型窒化物半導体と、正電極（以下、「ｐ型電極」という。）とで良好なオーミック接触を得ている。同様にｎ型窒化物半導体と接する負電極（以下、「ｎ型電極」という。）とで良好なオーミック接触を得ている。
【０００４】
しかしながら、Ｎ型窒化物半導体の物性については十分解明されておらず、より電気特性などが優れ使用環境が厳しい条件下においても作動する半導体装置を再現性良く形成することは難しかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなｎ型導電性を有する窒化物半導体（以下、ｎ型窒化物半導体という）の上に形成するｎ型電極は、順方向電圧の低下、半導体とのオーミック性及び密着性等の性能向上を追求することにより、高度な設計が必要とされるようになった。具体的には、ｎ型電極は、多層膜で形成され、且つ抵抗値を下げるために、各層は薄膜で構成される。しかし、このような薄膜の層を多層膜で形成する際には、量産時において、再現性、同一ウエハ内での素子チップごとのばらつきを生み出す原因となる。
【０００６】
具体的には、ｎ型電極を多層膜とし、さらにそれを構成する層のほとんどを数千Å以下の薄膜とすると、製造の安定性、特に素子ごとの膜厚を含めた層構成のばらつきが大きくなる傾向にある。加えて、ｎ型電極として各層を積層した後、多層膜からなる電極の性能向上を目的としたアニーリングなどの熱処理を行うと、上記素子ごとの層の膜厚の変化から、このようなアニーリング効果にもばらつきが生まれる。
【０００７】
さらには、上記多層膜の電極では、各層を構成する元素の拡散も無視できず、こうした電極の層構成のばらつきのもと、各層の元素が拡散することは、素子ごとのばらつきを更に増大させるものとなる。
【０００８】
以上のような、ｎ型電極に関する問題は、高機能化が求められる素子において、深刻な特性劣化を生み出すこと原因となる。また、このことは、素子そのものの高性能化の速度に、ｎ型電極の性能が追いつけなくなることとなり、窒化物半導体素子の応用においても、深刻な問題になる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであり、ｎ型電極の高性能化、及び生産性向上により、多層膜のｎ型電極が薄膜で構成されることにより、再現性の低下、わずかながらも各層の膜厚が変化することによる素子特性のばらつき、熱処理による元素拡散の制御性の低下が発生を解決する窒化物半導体素子、及びその製造方法を提供するものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、ｎ型導電性を有する窒化物半導体上に、電極が設けられた窒化物半導体素子であって、前記電極が、Ｗを有する第１の層、該第１の層の上にＡｌを有する第２の層、該第２の層の上にＰｔを有する第３の層、該第３の層の上にＡｕ若しくはＰｔを有する第４の層であると共に、該第４の層でもって前記電極が電気的に接続され、前記第２の層と第３の層との間に、Ｗ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔｉからなる群から選択される１種の中間層を有することを特徴とする。更に、その窒化物半導体素子の製造方法としては、基体上に、ｎ型導電性を有する窒化物半導体を形成する工程と、該窒化物半導体上に電極として、Ｗを有する第１の層、該第１の層の上にＡｌを有する第２の層、Ｗ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔｉからなる群から選択される１種の中間層、該中間層の上にＰｔを有する第３の層、該第３の層の上にＡｕを有する第４の層、を形成する工程とを具備してなることを特徴とする。加えて、前記電極を形成した後、該電極のほぼ全面を覆うように第１の保護膜を形成し、該第１の保護膜の上に絶縁性を有する第２の保護膜を形成すること、前記第１の保護膜がＷ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｌからなる群から選択される少なくとも１つの金属であり、前記第２の保護膜が珪素酸化物であること、前記第２の保護膜形成後、前記電極上部から開口部を設けて前記第１の保護膜、第２の保護膜の一部を除去して、前記第４の層を露出させることである。
【００１１】
本願発明は、ｎ型導電性を有する窒化物半導体上に、電極が設けられた窒化物半導体素子であって、前記電極が、Ｗを有する第１の層、該第１の層の上にＡｌを有する第２の層、該第２の層の上にＰｔを有する第３の層、該第３の層の上にＡｕを有する第４の層であると共に、該第４の層でもって前記電極が電気的に接続される構成とすることで、良好なオーミック接触をしつつ、密着力に優れたｎ型電極を有する窒化物半導体素子とすることができる。また、ｎ型導電性を有する窒化物半導体上に、電極が設けられた窒化物半導体素子であって、前記電極が、Ｗを有する第１の層、該第１の層の上にＡｌを有する第２の層、該第２の層の上にＰｔを有する第３の層、該第３の層の上にＡｕを有する第４の層であると共に、該第４の層でもって前記電極が電気的に接続され、前記第２の層と第３の層との間に、Ｗ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔｉからなる群から選択される１種の中間層を有する構成とすることにより、各層の構成元素の拡散を適度に抑制し、良好なオーミック接触のｎ型電極を有する窒化物半導体素子とすることができる。また、基体上に、ｎ型導電性を有する窒化物半導体を形成する工程と、該窒化物半導体上に電極として、Ｗを有する第１の層、該第１の層の上にＡｌを有する第２の層、Ｗ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔｉからなる群から選択される１種の中間層、該中間層の上にＰｔを有する第３の層、該第３の層の上にＡｕを有する第４の層、を形成する工程とを具備してなる方法とすることで、量産性且つ高機能性に優れるｎ型電極を有する窒化物半導体素子を製造できる。さらに、前記電極を形成した後、該電極のほぼ全面を覆うように第１の保護膜を形成し、該第１の保護膜の上に絶縁性を有する第２の保護膜を形成することを特徴とする方法とすることで、ｎ型電極が高度に絶縁され、密着された窒化物半導体素子を製造できる。さらに、前記第１の保護膜がＷ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｌからなる群から選択される少なくとも１つの金属であり、前記第２の保護膜が珪素酸化物であることを特徴とする方法とすることで、ｎ型電極が優れた密着性でもって絶縁性の保護膜に覆われ、信頼性の高い窒化物半導体素子を製造できる。前記第２の保護膜形成後、前記電極上部から開口部を設けて前記第１の保護膜、第２の保護膜の一部を除去して、前記第４の層を露出させることを特徴とする方法とすることで、高い量産性の元、信頼性に優れる窒化物半導体素子を製造できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、１実施形態である図１を用いて詳細に説明する。図１は、模式断面図であり、基体１１上に窒化物半導体を積層して、素子構造として発光ダイオードを形成したものである。その層構成としては、活性層１３を導電型の異なる窒化物半導体層１２，１４で挟み込む構造で、基体１１の同一面側に、正負電極１５，１６、その取り出し電極１７が設けられている。
【００１３】
（ｎ型電極）
本願発明のｎ型導電性を有する窒化物半導体用の電極であるｎ型電極４０１は、タングステンやアルミニウムの金属及びそれらの合金材料を蒸着材料やスパッタ材料として用いそれぞれ所望の場所に蒸着方法やスパッタリング方法などの種々の方法によって形成させることができる。ｎ型電極として積層構造とするためには第１の層をＷにし、第２の層をＡｌとすることによってｎ型窒化物半導体と良好なオーミック接触を得ることができる。第１の層のＷ、第２の層のＡｌは合金で形成させてもよい。具体的な合金材料として第１の層にはＡｌ、Ｓｉから選択される少なくとも１種の材料を用い、第２の層に用いられる合金材料としては、Ｗ、Ｃｕ，Ｓｉから選択される少なくとも１種の材料があげられる。また、この第１の層、第２の層の上に、第２の層の金属材料とさらにその上に積層された層との合金化を防止するため第２の層よりも高融点材料を第３の層もしくは中間層として積層する。さらに、第３の層上に外部回路との電気接続が良好な金属をさらに第４の層として積層する。具体的な中間層としてはＷ、Ｃｒ、ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉやそれらの合金などがあげられ、第３の層としてはＰｔがあげられる。第４の層としてはＡｕ及びその合金が挙げられる。なお、所望に応じてさらに複数の金属多層膜としてもよいが、外部回路と電気的に接続するｎ型電極表面は第４の層とすることが好ましい。またさらに、本願発明のｎ型電極は、Ｓｉまたは／及びＧｅがｎ型ドーパントとして２×１０¹⁸／ｃｍ³から１×１０¹⁹／ｃｍ³に含有されたｎ型窒化物半導体とのオーミック接触及び密着力が特によい。理由は定かではないが、第１の層とｎ型窒化物半導体に含有されたＳｉ及び／又はＧｅとのなんらかの相関関係が働いていると考えられる。
【００１４】
本願発明の窒化物半導体素子はアニールを行わなくとも十分なオーミック接触を形成することができるが、より安定で機械的強度の高い半導体素子とするためにはアニールを行っても良い。その場合アニール温度はアニール効果を生じさせると共に、形成されたｎ型電極と電気的接続部材やｎ型窒化物半導体との密着性などに悪影響が生じないよう３５０℃以下であることが好ましい。より好ましくは８０℃以上２８０℃以下であり、さらに好ましくは１００℃以上２２０℃以下である。また、アニールはＡｒ、Ｈｅ、Ｎ₂などの不活性ガス中において熱処理することが好ましい。この時、本発明では、比較例１と異なり、Ｐｔを有する第３の層が設けられていることで、熱処理に優れるｎ型電極となり、安定してアニーリングによる電極の高機能化を実現できる。
【００１５】
（窒化物半導体）
本願発明に用いられる窒化物半導体は、液相成長法、ＶＰＥ法（ＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＶＰＥ法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）やＭＯＣＶＤ法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより形成される。半導体素子の構造としては、ＭＩＳ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成、さらにはショットキー接合など所望に応じて種々のものが挙げられる。半導体の材料やその混晶度によって発光波長及び受光波長を紫外光から赤色領域まで種々選択することができる。特に本願発明のｎ型電極を用いた場合、窒化物半導体素子に過度の電圧印加をかけずにオーミック接触を得ることができるため半導体が極めて薄い半導体素子において特に有効となる。具体的には、半導体活性層を構成する一層が１００オングストローム以下の量子効果を有する構造の窒化物半導体素子において特に有用となる。
【００１６】
窒化ガリウム系化合物半導体は、高温高圧下において単結晶体として形成することができるため基体を省略するこもできるが量産性の観点から基板上に形成させることが好ましい。窒化物半導体を形成させる基板としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣなどの単結晶半導体基板、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板、サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、石英（ＳｉＯ2）、Ｔｉ2Ｏ、ＭｇＯ、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＳｒＴｉＯ3、ＺｎＯ等の材料を用いた基板が挙げられる。基板の厚さは形成する半導体装置や基板材料により種々選択することができが、基板を通して発光または受光させる場合、光の透過率やチップとしての形成のしやすさから薄ければ薄い方が好ましい。一方、素子を形成するプロセス時や取り扱い時においては基板の機械的強度が必要となる。したがって、好ましい基板の厚さとしては、０．０１〜３．０ｍｍである。より好ましくは０．０５〜２．０ｍｍが好ましい。なお結晶性の良い窒化物半導体を形成させるためにはサファイヤ基板を用いることが好ましい。このサファイヤ基板上に格子不整合緩和のためにＧａＮ、ＡｌＮ等のバッファー層を形成しその上にＰＮ接合などを有する窒化物半導体を形成させることにより発光素子や受光素子を構成させ得る。
【００１７】
窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でｎ型導電性を示すが、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ、Ｓｎ等を適宜導入することが好ましい。また、ｎ型ドーパントと微量のＰ型ドーパントとをドーピングしたダブルドーピングすることもできる。これらのドーパントの種類とドーピング量を変えることによってキヤリアー密度を制御し電気抵抗を下げることができる。この場合、キヤリアー密度は〜１０17ｃｍ-3以上が好ましく、より好ましくは〜１０18ｃｍ-3以上である。一方、Ｐ型窒化物半導体を形成させる場合は、Ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化ガリウム半導体は、Ｐ型ドーパントをドープしただけではＰ型化しにくいためＰ型ドーパント導入後に、低速電子線照射させたり、プラズマ照射等によりアニールさせることでＰ型化させてもよい。
【００１８】
発光観測面側に異なる電極を形成するためには各半導体を所望の形状にエッチングしてあることが好ましい。エッチングとしては、ドライエッチングや、ウエットエッチングがある。ドライエッチングとしては例えば反応性イオンエッチング、イオンミリング、集束ビームエッチング、ＥＣＲエッチング等が挙げられる。又、ウエットエッチングとしては、硝酸と燐酸の混酸を用いることが出来る。ただし、エッチングを行う前に所望の形状に窒化珪素や二酸化珪素等の材料を用いてマスクを形成することは言うまでもない。なお、このようなエッチング面においても本願発明の電極は十分な密着性と電気特性を示す。
【００１９】
（ｐ型電極）
ｐ型導電性を有する窒化物半導体の電極であるｐ型電極は、接触させるｐ型窒化物半導体層とオーミック接触させる必要がある。また、ｐ型電極を介して発光素子として発光させる場合は、金属薄膜等で形成させた透光性（なお、ここで透光性とは発光素子の発光する光の波長に対して電極を通過すれば良い。）の電極とする必要がある。
【００２０】
これらの条件を満たす材料として、例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｔｌ、Ａｇ、Ｒｈ等の金属及びそれらの合金が挙げられる。また、透光性を有する電極材料としてＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＮｉＯ2等の金属酸化物もあげられる。さらには、これらの上に前記金属薄膜を積層することも可能である。金属等を透光性とするためには蒸着方法、スパッタ方法等を用いて極めて薄く形成させれば良い。また、金属を蒸着あるいはスパッタ方法等によって形成させた後、アニーリングして金属をｐ型導電性を有する半導体層中に拡散させると共に外部に飛散させて所望の膜厚（透光性となる電極の膜厚）に調整させた電極を形成させることもできる。透光性となる金属電極の膜厚は、所望する発光波長や金属の種類によっても異なるが、好ましくは、０．００１〜０．１μｍであり、より好ましくは、０．０５〜０．２μｍである。更に、電極を透光性とした場合、ｐ型電極の形状としては、線状、平面状等目的に応じて形成させることができる。ｐ型導電性を有する半導体層全体に形成された平面状電極は、電流を全面に広げ全面発光とすることができる。
【００２１】
さらにまた、ｐ型電極を極めて薄く形成させた場合、電極上に直接ワイヤーボンデイングすると、ボールが接続しにくくなる傾向があるため密着性向上のためにｐ型電極とは別にボンデイング用の台座電極を形成させたり、ｐ型電極を多層構成とすることが好ましい。台座電極の材質としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ等を使用することができる。台座電極の膜厚としてはミクロンオーダーとすることが好ましい。又、ｐ型電極の少なくとも一部を多層構成とする場合、窒化物半導体と接触させる接触電極にはＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｔｌ、Ａｇから選択される金属あるいは、これらの合金が好適に用いられボンデイングと接触するボンデイング電極としてはＡｌ、Ａｕ等の金属あるいはこれらの合金が好適に用いられる。なお、半導体素子通電時、ｐ型電極中にボンデイング用電極材料がマイグレーションする場合があるためボンデイング用電極Ａｕ単体あるいはＡｌ及び／Ｃｒ含有量が少ないＡｕ合金とすることが特に好ましい。なお、ｐ型窒化物半導体の場合は、ｐ型電極材料と半導体材料をなじませオーミック特性を向上させ、さらには窒化物半導体形成時に含有される水素を抜くために４００℃以上でアニールすることが好ましい。また、窒化ガリウム半導体の分解を抑制する目的から１１００℃以下でアニールすることが好ましい。さらに、アニーリングを窒素雰囲気中で行うことにより、窒化ガリウム系化合物半導体中の窒素が分解して出て行くのを抑制することができ、結晶性を保つことが出きる。本願発明においてｐ型電極のアニーリング温度がＮ型電極のアニーリング温度が高い場合は、ｐ型電極形成後にＮ型電極を形成させることが好ましい。
【００２２】
【実施例】
［実施例１］
本発明の１実施形態として窒化物半導体を用いた発光素子について説明する。図１は、その発光素子の構造を示す模式断面図であり、サファイア基板１１上に、ｎ型導電性を有する窒化物半導体層１２、活性層１３、ｐ型導電性を有する窒化物半導体層が順に積層された構造を有する。図１に示すように、各半導体層を積層した後、所定の領域でｐ型導電性の窒化物半導体層１４、活性層１３、ｎ型導電性の窒化物半導体層１２の一部を除去して、ｎ型導電性の窒化物半導体層に電極を形成するための表面を露出させ、その表面に以下に示すｎ型電極を形成する。
【００２３】
先ずレジスト膜をネガとして形成した後、第１の層としてＷを２００Å、第２の層としてＡｌを２０００Å、中間層としてＷを５００Å、第３の層としてＰｔを１０００Å、第４の層としてＡｕを３５００Åをターゲットを変えながらスパッタリング装置により、順に積層した。
【００２４】
次に、図２に示すように第１の保護膜として、電極３１のほぼ全面となる表面及びその側面を覆うようにＮｉを６０Åの膜厚で形成した後（図２（ａ））、続いて第２の保護膜３３としてＳｉＯ2を３０００Åの膜厚で形成する。この時、各保護膜は、スパッタリング装置により形成し、所定のパターンとするたには、リフトオフ法などにより不要となる部分を除去する（図２（ｂ））。
【００２５】
第２の保護膜を形成した後、図２（ｃ）に示すように、外部回路と電極とを接続するための開口部を所定の形状に設けるため、フォトレジストマスク３４を形成する。続いて、フォトレジストマスク３４開口部下の第１の保護膜３２、第２の保護膜３３を除去して、電極３１が露出した開口部３５を形成する（図２（ｄ））。この時、電極３１の一部を除去して電極にも凹部を形成すると、Ａｕからなる第４の層を確実に露出させることができ、外部回路との電気的な接続に有利なものとなり好ましい。なぜなら、第１の保護膜と電極との境界付近では、保護膜材料、電極材料によっては、元素の拡散などにより合金化している場合があり、電極に凹部を形成して、表面から深い位置の電極を露出させることで、この問題を回避でき、電気的な接続が確実に成されるからである。好ましくは、除去する電極として、外部回路との電気的な接続を行う電極表面である第４の層の一部を除去することであり、すなわち、第４の層に凹部を設けることである。ここでは、Ａｕからなる第４の層を、表面から３００Åの深さで除去する。
【００２６】
この開口部３５を設ける工程において、ＳｉＯ₂よりなる第１の保護膜３３を、ＲＩＥによってＣＦ₄ガスを用いて除去した後、Ｎｉよりなる第２の保護膜３２をＲＩＥによって塩素系ガスにＡｒガスを添加したガスを用いて除去し、そのまま引き続いて、電極３１の第４の層（Ａｕ）を一部除去して開口部を設ける。
【００２７】
さらにこのｎ型電極の上記第１、２の保護膜形成前に、ｐ型導電性の窒化物半導体層１４上に、ｐ型電極１５、ｐ型取り出し電極１６を設けておいて、上述のｎ型電極の保護膜をｐ型電極にも設けて、図１に観るような発光素子を得る。
【００２８】
図３，４に、実施例１、比較例１で得られた発光素子に、それぞれ５５０℃、５００℃の熱処理をした後、表面から深さ方向への各元素の分布を示す図である。図３では、各層の境界付近では熱処理による元素拡散が認められるものの、第１の層から第４の層までの各層の元素が層構成がはっきりとしており、熱処理において再現性よくアニーリングされることがわかる。一方、比較例のｎ型電極である図４では、Ａｌからなる層の拡散がｎ型電極の全膜厚に及び、多層膜構造が崩れていることがわかる。このことから、比較例の発光素子では、比較的低い温度の熱処理においても、ｎ型電極の機能性は失われる危険性があることを示し、製造において、多層膜の各層の膜厚のばらつきが、元素拡散の不安定につながり、結果としてその拡散が素子特性を劣化させるに至るものが観られた。
【００２９】
［比較例１］
膜厚２００ÅのＷ、膜厚２０００ÅのＡｌ、膜厚２００ÅのＷ、膜厚３０００ÅのＡｕを順に積層してｎ型電極を形成する他は、実施例１と同様にして、発光素子を得る。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体素子は、密着性、オーミック接触に優れた高機能でありながら、再現性に優れ、高温などの厳しい環境かでの使用が可能である。
【００３１】
更に、本発明の製造方法によれば、薄膜による多層膜を形成しても、優れた再現性、アニーリングが可能で、素子特性のばらつきが少なく、量産性に優れるｎ型電極を有した窒化物半導体素子が製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態を説明する模式断面図。
【図２】本発明の製造方法を説明する模式断面図。
【図３】本発明の１実施形態に係るｎ型電極の熱処理後の層構成を説明する図。
【図４】本発明の比較例に係るｎ型電極の熱処理後の層構成を説明する図。
【符号の説明】
１１・・・・基体
１２・・・・ｎ型窒化物半導体
１３・・・・活性層
１４・・・・ｐ型窒化物半導体
１５・・・・ｐ型電極
１６・・・・取り出し電極
１７・・・・ｎ電極
１８・・・・第２の保護膜
２３・・・・ボール（ボンディング部材）
３０・・・・ｎ型窒化物半導体
３１・・・・ｎ型電極
３２・・・・第１の保護膜
３３・・・・第２の保護膜[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a light-emitting element, a photodiode which can be used for ultraviolet light from a possible emission of red light of light-emitting diodes and laser diodes are used to the light-receiving element such as a solar cell, a nitride semiconductor (Formula an In _x Al _y Ga _1-xy n, where, 0 ≦ x ≦ y, relates to a device using the x + y ≦ 1), a nitride semiconductor device and a particular having an electrode for a good ohmic contact with the nitride semiconductor having n-type conductivity It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
Devices using nitride semiconductors (hereinafter referred to as nitride semiconductor devices) have higher density of optical recording media such as light-emitting diodes and DVDs that can emit light of wavelengths from the ultraviolet region to red due to the characteristics of the semiconductors. As the light source of this type, semiconductor lasers and further applications other than light emitting elements are expected to be applied.
[0003]
Since nitride semiconductor elements including such LEDs have a lower forward voltage, it is necessary to obtain a preferable ohmic contact between the semiconductor layer and each electrode. Even in the LED having the above structure, a good ohmic contact is obtained between the p-type nitride semiconductor and the positive electrode (hereinafter referred to as “p-type electrode”). Similarly, good ohmic contact is obtained with a negative electrode in contact with the n-type nitride semiconductor (hereinafter referred to as “n-type electrode”).
[0004]
However, the physical properties of N-type nitride semiconductors have not been fully elucidated, and it has been difficult to form a semiconductor device that has excellent electrical characteristics and the like and operates even under severe usage conditions with good reproducibility.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An n-type electrode formed on such an n-type conductive nitride semiconductor (hereinafter referred to as an n-type nitride semiconductor) has improved performance such as a decrease in forward voltage, ohmic properties and adhesion to the semiconductor. By pursuing, advanced design has become necessary. Specifically, the n-type electrode is formed of a multilayer film, and each layer is formed of a thin film in order to reduce the resistance value. However, when such a thin film layer is formed as a multilayer film, it causes reproducibility and variations among element chips within the same wafer during mass production.
[0006]
Specifically, if the n-type electrode is a multi-layer film, and most of the layers constituting the n-type electrode are a few thousand liters or less, the manufacturing stability, particularly the variation in the layer structure including the film thickness for each element, It tends to grow. In addition, if each layer is stacked as an n-type electrode and then subjected to a heat treatment such as annealing for the purpose of improving the performance of the multi-layer electrode, such an annealing effect is caused by the change in the layer thickness of each element. Variations are also born.
[0007]
Furthermore, in the multilayer electrode, diffusion of elements constituting each layer is not negligible, and diffusion of elements in each layer under such variations in the layer configuration of the electrodes further increases the variation among elements. It will be a thing.
[0008]
The problems related to the n-type electrode as described above cause serious characteristic deterioration in an element that is required to have high functionality. This also makes it difficult for the performance of the n-type electrode to keep up with the speed of high performance of the device itself, which is also a serious problem in the application of nitride semiconductor devices.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above-mentioned problems, and by improving the performance of the n-type electrode and improving the productivity, the n-type electrode of the multilayer film is composed of a thin film. The present invention provides a nitride semiconductor device that solves the occurrence of variations in device characteristics due to changes in the film thickness of each layer and a decrease in controllability of element diffusion due to heat treatment, and a method for manufacturing the same.
[0010]
That is, the present invention is a nitride semiconductor device in which an electrode is provided on a nitride semiconductor having n-type conductivity, and the electrode is formed on the first layer having W and on the first layer. A second layer having Al, a third layer having Pt on the second layer, a fourth layer having Au or Pt on the third layer, and the fourth layer The electrode is electrically connected by a layer, and has an intermediate layer selected from the group consisting of W, Cr, Ni, Mo, Ti between the second layer and the third layer. It is characterized by that. Further, the method for manufacturing the nitride semiconductor device includes a step of forming a nitride semiconductor having n-type conductivity on a substrate, a first layer having W as an electrode on the nitride semiconductor, A second layer having Al on the first layer, one intermediate layer selected from the group consisting of W, Cr, Ni, Mo and Ti, and a third layer having Pt on the intermediate layer And a step of forming a fourth layer having Au on the third layer. In addition, after forming the electrode, a first protective film is formed so as to cover almost the entire surface of the electrode, and a second protective film having an insulating property is formed on the first protective film. The first protective film is at least one metal selected from the group consisting of W, Ti, Cr, Ni, Cu, and Al, and the second protective film is silicon oxide, After forming the protective film, an opening is provided from the upper part of the electrode to remove a part of the first protective film and the second protective film to expose the fourth layer.
[0011]
The present invention is a nitride semiconductor device in which an electrode is provided on a nitride semiconductor having n-type conductivity, and the electrode is a first layer having W and Al on the first layer. A second layer having Pt on the second layer, a fourth layer having Au on the third layer, and the fourth layer with the fourth layer. By adopting a configuration in which the electrodes are electrically connected, a nitride semiconductor element having an n-type electrode with excellent adhesion can be obtained while making good ohmic contact. Further, a nitride semiconductor element in which an electrode is provided on a nitride semiconductor having n-type conductivity, wherein the electrode has a first layer having W and Al on the first layer. A second layer, a third layer having Pt on the second layer, and a fourth layer having Au on the third layer. By being electrically connected and having a kind of intermediate layer selected from the group consisting of W, Cr, Ni, Mo, Ti between the second layer and the third layer, Diffusion of constituent elements in each layer is moderately suppressed, and a nitride semiconductor element having an n-type electrode with good ohmic contact can be obtained. A step of forming a nitride semiconductor having n-type conductivity on the substrate; a first layer having W as an electrode on the nitride semiconductor; and a first layer having Al on the first layer. Two layers, one intermediate layer selected from the group consisting of W, Cr, Ni, Mo, Ti, a third layer having Pt on the intermediate layer, and Au on the third layer By forming the fourth layer having a step, a nitride semiconductor element having an n-type electrode that is excellent in mass productivity and high functionality can be manufactured. Furthermore, after forming the electrode, a first protective film is formed so as to cover almost the entire surface of the electrode, and a second protective film having insulating properties is formed on the first protective film. By adopting the characteristic method, a nitride semiconductor device in which the n-type electrode is highly insulated and closely adhered can be manufactured. Further, the first protective film is at least one metal selected from the group consisting of W, Ti, Cr, Ni, Cu, and Al, and the second protective film is silicon oxide. With this method, the n-type electrode is covered with an insulating protective film with excellent adhesion, and a highly reliable nitride semiconductor device can be manufactured. After forming the second protective film, an opening is provided from the upper part of the electrode to remove the first protective film and a part of the second protective film to expose the fourth layer. By adopting this method, it is possible to manufacture a nitride semiconductor device having high mass productivity and excellent reliability.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 as an embodiment. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view in which a nitride semiconductor is laminated on a base 11 to form a light emitting diode as an element structure. The layer structure is such that the active layer 13 is sandwiched between nitride semiconductor layers 12 and 14 having different conductivity types, and positive and negative electrodes 15 and 16 and an extraction electrode 17 are provided on the same surface side of the substrate 11.
[0013]
(N-type electrode)
The n-type electrode 401, which is an electrode for a nitride semiconductor having n-type conductivity according to the present invention, uses a metal such as tungsten or aluminum and an alloy material thereof as a vapor deposition material or a sputtering material, respectively. It can be formed by various methods such as a method. In order to obtain a laminated structure as the n-type electrode, good ohmic contact with the n-type nitride semiconductor can be obtained by setting the first layer to W and the second layer to Al. The W of the first layer and the Al of the second layer may be formed of an alloy. As a specific alloy material, at least one material selected from Al and Si is used for the first layer, and as an alloy material used for the second layer, at least one material selected from W, Cu, and Si is used. Seed materials. In addition, a refractory material higher than that of the second layer is formed on the first layer and the second layer in order to prevent alloying between the metal material of the second layer and the layer laminated thereon. Laminate as a third layer or intermediate layer. Further, a metal having a good electrical connection with an external circuit is further stacked as a fourth layer on the third layer. Specific examples of the intermediate layer include W, Cr, ni, Mo, Ti, and alloys thereof, and the third layer includes Pt. The fourth layer includes Au and its alloys. A plurality of metal multilayer films may be formed as desired, but the surface of the n-type electrode that is electrically connected to the external circuit is preferably a fourth layer. Still further, the n-type electrode of the present invention has an ohmic contact with an n-type nitride semiconductor containing Si or / and Ge as an n-type dopant in an amount of 2 × 10 ¹⁸ / cm ³ to 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ and Adhesion is particularly good. Although the reason is not clear, it is considered that some correlation between the first layer and Si and / or Ge contained in the n-type nitride semiconductor works.
[0014]
The nitride semiconductor device of the present invention can form a sufficient ohmic contact without annealing, but may be annealed in order to obtain a more stable and high mechanical strength semiconductor device. In this case, the annealing temperature is preferably 350 ° C. or lower so as to cause an annealing effect and not adversely affect the adhesion between the formed n-type electrode and the electrical connection member or the n-type nitride semiconductor. More preferably, it is 80 degreeC or more and 280 degrees C or less, More preferably, it is 100 degreeC or more and 220 degrees C or less. The annealing is preferably performed in an inert gas such as Ar, He, N ₂ or the like. At this time, unlike the comparative example 1, in the present invention, since the third layer having Pt is provided, an n-type electrode excellent in heat treatment is obtained, and the high-functionality of the electrode by annealing can be realized stably.
[0015]
(Nitride semiconductor)
The nitride semiconductor used in the present invention is formed by a liquid phase growth method, VPE method (Vapor Phase Epitaxy), MOVPE method (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), MOCVD method (Metal Organic Chemical Vapor Deposition, etc.). As the structure of the semiconductor element, various structures such as a homo structure having a MIS junction and a PN junction, a hetero structure, a double hetero structure, and a Schottky junction can be cited as desired. Various light emission wavelengths and light reception wavelengths from the ultraviolet light to the red region can be selected depending on the semiconductor material and the mixed crystal. In particular, when the n-type electrode of the present invention is used, ohmic contact can be obtained without applying an excessive voltage to the nitride semiconductor element, which is particularly effective in a semiconductor element having a very thin semiconductor. Specifically, it is particularly useful in a nitride semiconductor device having a structure in which one layer constituting the semiconductor active layer has a quantum effect of 100 angstroms or less.
[0016]
Since the gallium nitride compound semiconductor can be formed as a single crystal under high temperature and high pressure, the substrate can be omitted, but it is preferably formed on the substrate from the viewpoint of mass productivity. As a substrate for forming a nitride semiconductor, a single crystal semiconductor substrate such as Si, Ge, or SiC, a III-V group compound semiconductor substrate such as GaAs, InAs, InP, GaSb, AlN, or GaN, sapphire (Al2O3), spinel ( Examples include substrates using materials such as MgAl2O4), quartz (SiO2), Ti2O, MgO, MgF2, CaF2, SrTiO3, ZnO. The thickness of the substrate can be variously selected depending on the semiconductor device and the substrate material to be formed. However, when light is emitted or received through the substrate, it is preferable that the substrate is thin in view of light transmittance and ease of formation as a chip. . On the other hand, the mechanical strength of the substrate is required during the process of forming elements and during handling. Therefore, a preferable thickness of the substrate is 0.01 to 3.0 mm. More preferably, 0.05-2.0 mm is preferable. In order to form a nitride semiconductor with good crystallinity, a sapphire substrate is preferably used. A light emitting element and a light receiving element can be configured by forming a buffer layer of GaN, AlN or the like on the sapphire substrate to reduce lattice mismatch and forming a nitride semiconductor having a PN junction or the like thereon.
[0017]
The nitride semiconductor exhibits n-type conductivity without being doped with impurities, but it is preferable to appropriately introduce Si, Ge, Se, Te, C, Sn or the like as an n-type dopant. Further, double doping in which an n-type dopant and a trace amount of a P-type dopant are doped can also be performed. By changing the kind and amount of these dopants, the carrier density can be controlled and the electrical resistance can be lowered. In this case, the carrier density is preferably 10 @ 17 cm @ -3 or more, more preferably 10 @ 18 cm @ -3 or more. On the other hand, when a P-type nitride semiconductor is formed, a P-type dopant such as Zn, Mg, Be, Ca, Sr, or Ba is doped. Since a gallium nitride semiconductor is not easily converted to a P-type simply by doping with a P-type dopant, it may be converted to a P-type by irradiating it with a low-energy electron beam or annealing by plasma irradiation after the P-type dopant is introduced.
[0018]
In order to form different electrodes on the emission observation surface side, it is preferable that each semiconductor is etched into a desired shape. Etching includes dry etching and wet etching. Examples of dry etching include reactive ion etching, ion milling, focused beam etching, and ECR etching. As wet etching, a mixed acid of nitric acid and phosphoric acid can be used. However, it goes without saying that a mask is formed in a desired shape using a material such as silicon nitride or silicon dioxide before etching. Even on such an etched surface, the electrode of the present invention exhibits sufficient adhesion and electrical characteristics.
[0019]
(P-type electrode)
The p-type electrode, which is a nitride semiconductor electrode having p-type conductivity, needs to be in ohmic contact with the p-type nitride semiconductor layer to be contacted. In addition, in the case where light is emitted as a light emitting element through a p-type electrode, translucency formed with a metal thin film or the like (here, translucency means that light passes through the electrode with respect to the wavelength of light emitted by the light emitting element). Electrode).
[0020]
Examples of materials that satisfy these conditions include metals such as Au, Ni, Pt, Al, Cr, Mo, W, In, Ga, Tl, Ag, and Rh, and alloys thereof. Further, examples of the light-transmitting electrode material include metal oxides such as ITO, SnO2, and NiO2. Furthermore, it is also possible to laminate the metal thin film on them. In order to make a metal or the like translucent, it may be formed extremely thin using a vapor deposition method, a sputtering method, or the like. Further, after metal is formed by vapor deposition or sputtering, etc., annealing is performed to diffuse the metal into the semiconductor layer having p-type conductivity and to disperse it to the outside to obtain a desired film thickness (for a translucent electrode). It is also possible to form an electrode adjusted to (film thickness). The film thickness of the light-transmitting metal electrode varies depending on the desired emission wavelength and the kind of metal, but is preferably 0.001 to 0.1 μm, more preferably 0.05 to 0.2 μm. is there. Further, when the electrode is made translucent, the shape of the p-type electrode can be formed according to the purpose such as a linear shape or a planar shape. The planar electrode formed on the entire semiconductor layer having p-type conductivity can spread current over the entire surface and emit light over the entire surface.
[0021]
Furthermore, when the p-type electrode is formed very thin, wire bonding directly on the electrode tends to make it difficult to connect the balls. Therefore, in order to improve adhesion, a base electrode for bonding is provided separately from the p-type electrode. Preferably, the p-type electrode is formed in a multilayer structure. Au, Pt, Al, etc. can be used as the material of the pedestal electrode. The thickness of the pedestal electrode is preferably in the micron order. When at least a part of the p-type electrode has a multi-layer configuration, the contact electrode to be in contact with the nitride semiconductor is a metal selected from Cr, Mo, W, Ni, Al, In, Ga, Tl, Ag, or These alloys are preferably used, and metals such as Al and Au, or alloys thereof are preferably used as the bonding electrode in contact with the bonding. Note that, when the semiconductor element is energized, the bonding electrode material may migrate into the p-type electrode, and therefore, it is particularly preferable to use the bonding electrode Au alone or an Au alloy having a low content of Al and / Cr. In the case of a p-type nitride semiconductor, annealing is performed at 400 ° C. or higher in order to improve the ohmic characteristics by blending the p-type electrode material and the semiconductor material, and to remove hydrogen contained in the formation of the nitride semiconductor. preferable. In addition, annealing is preferably performed at 1100 ° C. or lower for the purpose of suppressing decomposition of the gallium nitride semiconductor. Furthermore, by performing the annealing in a nitrogen atmosphere, it is possible to suppress the nitrogen in the gallium nitride-based compound semiconductor from decomposing and coming out, and the crystallinity can be maintained. In the present invention, when the annealing temperature of the p-type electrode is higher than that of the N-type electrode, it is preferable to form the N-type electrode after forming the p-type electrode.
[0022]
【Example】
[Example 1]
A light-emitting element using a nitride semiconductor will be described as an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the light-emitting element. On the sapphire substrate 11, an n-type conductive nitride semiconductor layer 12, an active layer 13, and a p-type conductive nitride semiconductor layer are formed. It has a stacked structure. As shown in FIG. 1, after laminating each semiconductor layer, the p-type conductive nitride semiconductor layer 14, the active layer 13, and a part of the n-type conductive nitride semiconductor layer 12 are removed in a predetermined region. Then, the surface for forming the electrode is exposed on the n-type conductive nitride semiconductor layer, and the n-type electrode shown below is formed on the surface.
[0023]
First, after forming a resist film as a negative, W is 200 mm as the first layer, Al is 2000 mm as the second layer, W is 500 mm as the intermediate layer, Pt is 1000 mm as the third layer, and Au is the fourth layer. Were stacked in order by a sputtering apparatus while changing the target.
[0024]
Next, as shown in FIG. 2, as a first protective film, Ni is formed with a film thickness of 60 mm so as to cover the almost entire surface of the electrode 31 and its side surfaces (FIG. 2A), then As a second protective film 33, SiO2 is formed to a thickness of 3000 mm. At this time, each protective film is formed by a sputtering apparatus, and in order to obtain a predetermined pattern, unnecessary portions are removed by a lift-off method or the like (FIG. 2B).
[0025]
After forming the second protective film, as shown in FIG. 2C, a photoresist mask 34 is formed to provide an opening for connecting the external circuit and the electrode in a predetermined shape. Subsequently, the first protective film 32 and the second protective film 33 under the opening of the photoresist mask 34 are removed to form an opening 35 in which the electrode 31 is exposed (FIG. 2D). At this time, if a part of the electrode 31 is removed to form a recess in the electrode, the fourth layer made of Au can be reliably exposed, which is advantageous for electrical connection with an external circuit. . Because, in the vicinity of the boundary between the first protective film and the electrode, depending on the protective film material and the electrode material, there is a case where alloying is caused by element diffusion or the like. This is because by exposing the electrodes, this problem can be avoided and electrical connection can be made reliably. Preferably, as the electrode to be removed, a part of the fourth layer which is an electrode surface for electrical connection with an external circuit is removed, that is, a recess is provided in the fourth layer. Here, the fourth layer made of Au is removed at a depth of 300 mm from the surface.
[0026]
In the step of providing the opening 35, the first protective film 33 made of SiO ₂ is removed using CF ₄ gas by RIE, and then the second protective film 32 made of Ni is converted into a chlorine-based gas by Ar. It removes using the gas which added gas, and continues as it is, and removes a part of 4th layer (Au) of the electrode 31, and provides an opening part.
[0027]
Further, before the first and second protective films of the n-type electrode are formed, a p-type electrode 15 and a p-type extraction electrode 16 are provided on the p-type conductive nitride semiconductor layer 14, and the above-described n A protective film for the type electrode is also provided on the p-type electrode to obtain a light emitting device as seen in FIG.
[0028]
3 and 4 are diagrams showing the distribution of each element in the depth direction from the surface after the light-emitting elements obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were heat-treated at 550 ° C. and 500 ° C., respectively. In FIG. 3, although element diffusion due to heat treatment is observed in the vicinity of the boundary of each layer, the elements of each layer from the first layer to the fourth layer have a clear layer structure and are annealed with good reproducibility in the heat treatment. Understand. On the other hand, in FIG. 4 which is the n-type electrode of the comparative example, it can be seen that the diffusion of the layer made of Al reaches the entire film thickness of the n-type electrode and the multilayer film structure is broken. This shows that the light emitting device of the comparative example has a risk of losing the functionality of the n-type electrode even in a heat treatment at a relatively low temperature. Some have led to instability of elemental diffusion, resulting in degradation of device characteristics.
[0029]
[Comparative Example 1]
A light-emitting element is obtained in the same manner as in Example 1 except that an n-type electrode is formed by sequentially stacking W with a thickness of 200 mm, Al with a thickness of 2000 mm, W with a thickness of 200 mm, and Au with a thickness of 3000 mm.
[0030]
【The invention's effect】
The nitride semiconductor device of the present invention is highly functional with excellent adhesion and ohmic contact, but has excellent reproducibility and can be used in severe environments such as high temperatures.
[0031]
Furthermore, according to the manufacturing method of the present invention, a nitride having an n-type electrode that is excellent in reproducibility and annealing, has little variation in device characteristics, and has excellent mass productivity even when a multilayer film is formed by a thin film. Semiconductor elements can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a layer configuration after heat treatment of an n-type electrode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a layer configuration after heat treatment of an n-type electrode according to a comparative example of the present invention.
[Explanation of symbols]
11... Base 12... N-type nitride semiconductor 13... Active layer 14... P-type nitride semiconductor 15. ... n-electrode 18 ... second protective film 23 ... ball (bonding member)
30... N-type nitride semiconductor 31... N-type electrode 32... First protective film 33.

Claims

A nitride semiconductor device in which an electrode is provided on a nitride semiconductor having n-type conductivity, wherein the electrode is a first layer having W, and a second layer having Al on the first layer. A third layer having Pt on the second layer, a fourth layer having Au on the third layer, and the electrode is electrically connected by the fourth layer. A nitride semiconductor having one intermediate layer selected from the group consisting of W, Cr, Ni, Mo, Ti between the second layer and the third layer element.

A P-type electrode, which is a nitride semiconductor electrode having P-type conductivity, of the nitride semiconductor element is Au, Ni, Pt, Al, Cr, Mo, W, In, which is in ohmic contact with the P-type nitride semiconductor layer. 2. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor device is a metal such as Ga, Tl, Ag, Rh, or an alloy thereof.

A P-type electrode, which is a nitride semiconductor electrode having P-type conductivity, is a light-transmitting metal oxide such as ITO, SnO2, or NiO2 that is in ohmic contact with the P-type nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein:

Forming a nitride semiconductor having n-type conductivity on the substrate; a first layer having W as an electrode on the nitride semiconductor; and a second layer having Al on the first layer. An intermediate layer selected from the group consisting of W, Cr, Ni, Mo, Ti, a third layer having Pt on the intermediate layer, and an Au having Au on the third layer 4. A method for manufacturing a nitride semiconductor device, comprising: forming a layer of 4.

After forming the electrode, a first protective film is formed so as to cover almost the entire surface of the electrode, and an insulating second protective film is formed on the first protective film. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 4.

The first protective film is at least one metal selected from the group consisting of W, Ti, Cr, Ni, Cu, and Al, and the second protective film is silicon oxide. Item 6. The method for producing a nitride semiconductor device according to Item 4 or 5.

After forming the second protective film, an opening is provided from above the electrode, and the first protective film and a part of the second protective film are removed to expose the fourth layer. The method for producing a nitride semiconductor device according to claim 5 or 6.