JP3807020B2 - 発光半導体素子用透光性電極およびその作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光半導体素子に用いられる電極に係わり、特に発光半導体素子用の透光性の電極とその透光性電極の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、短波長光発光素子用の半導体材料としてＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして、種々の酸化物基板や III−Ｖ族化合物を基板として、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。
サファイア基板等の電気的に絶縁体である基板を用いた素子では、ＧａＡｓ、ＧａＰ等の半導体基板を使用した III−Ｖ族化合物半導体材料とは異なり、基板裏面に電極を設けることができない。よって、正、負一対の電極を発光素子の同じ面に形成する必要がある。
【０００３】
また、ＧａＮ系化合物半導体材料の特性として、横方向への電流拡散が小さいことがある。原因は、エピタキシャル結晶中に多く存在する基板から表面へ貫通する転位の存在であることが考えられるが、詳しいことは判っていない。
この特性のため、電極を形成して通電発光させた場合でも、発光領域は電極直下に限定され電極の周囲には広がりにくい。したがって、発光領域は電極直下に限られ、従来の不透明な電極では発光は電極そのものに遮られて上方には取り出されず、発光強度が思うように向上しなかった。
【０００４】
以上のような問題点を解決するために、ｐ型電極を素子の表面のほぼ全面に形成された非常に薄い金属よりなる透光性の電極とし、電極を通して上面から発光を取り出すという素子構造に関する技術が開示されている（特開平６−３１４８２２）。
この特許公開公報には、電極材料として、例えば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｔｉ等を使用し、蒸着した金属膜を５００℃以上の温度で熱処理することにより、金属の昇華を引き起こし、膜厚を０．００１μｍ〜１μｍと薄くすることにより透光性を持たせることができることが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
金属を用いた透光性の薄膜では、金属膜を非常に薄く形成する必要がある。例えば、透光性の電極としてＡｕを用いた場合、光の透過率を３０％としたければ膜厚は約２５ｎｍに制御する必要があり、９０％の透過率を実現しようとすれば、膜厚は約２ｎｍにする必要がある。Ｎｉを用いた場合には、透過率３０％としたければ膜厚は約１３ｎｍ、９０％としたければ、約１．５ｎｍとする必要がある。
なお、本明細書において「透光性の電極」とは、電極の下で発生した発光を電極を通して観察可能である電極を指して用いることとする。
【０００６】
また、多くの発光半導体素子の作製においては、金属の電極を形成した後オーミック接触を実現する目的で熱処理を行うことが必要である。
しかし、上記のような非常に薄い金属薄膜を用いた電極の場合、オーミック接触を目的とした熱処理の際に、下地との密着性よりも金属の表面張力がまさるために金が球状に凝集してしまう「ボールアップ」と呼ばれる現象を生じる。ボールアップが発生すると、金の薄膜は随所に隙間や亀裂を生じ、電気的な連続性を失い、透光性の電極として機能しなくなる。
【０００７】
ボールアップを防ぐための手段としては、先ず第一に金属よりなる電極の膜厚を増やすことが挙げられる。しかしながら、膜厚を増加させることは光の透過率の減少を引き起こす結果となり、電極は透光性を失ってしまう。
本発明は、透光性でかつボールアップを有効に防止し得る構造の発光半導体素子用の透光性電極とその透光性電極の作製方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本出願に係わる発明は、半導体表面に接して形成され、透光性でかつオーミック接触が得られる、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉからなる群より選ばれた、少なくとも１種類の金属あるいは２種類以上の金属の合金よりなる第１の層と、該第１の層上に形成された、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｉｎよりなる群より選ばれた少なくとも１種類の金属の酸化物を含む、透光性の金属酸化物よりなる第２の層とを有する発光半導体素子用透光性電極である。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、Ａｕよりなる第１の層と、Ｎｉの酸化物よりなる第２の層とを有することを特徴とする。
【０００９】
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、前記第２の層と第１の層との界面近傍の領域において、酸素の組成が第２の層から第１の層に向かって徐々に減少することを特徴とする。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、前記第２の層に含まれる金属酸化物の主成分である金属元素が第１の層中に含まれていることを特徴とする。
【００１０】
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、前記第１の層の膜厚が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、前記第２の層の膜厚が１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする。また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、半導体がＧａＮ系化合物半導体であることを特徴とする。
【００１１】
また本出願に係わる発光半導体素子用透光性電極の作製方法は、半導体表面に接して透光性でオーミック接触が得られる金属薄膜からなる第１の層を形成する第１の工程と、第１の層上に金属からなる第２の層を形成する第２の工程と、これを熱処理することによって第２の層を酸化する第３の工程を有する発光半導体素子用透光性電極の作製方法である。
【００１２】
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極の作製方法において、特に、前記第１の工程と第２の工程とを同一装置内で連続して行うことを特徴とする。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極の作製方法において、特に、前記第３の工程を酸素を含む雰囲気内で行うことを特徴とする。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極の作製方法において、特に、前記第３の工程において、熱処理は温度３００℃以上の温度で１分以上行うことを特徴とする。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極の作製方法において、特に、半導体がＧａＮ系化合物半導体であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる発光半導体素子用透光性電極は、半導体表面上に形成された透光性の金属からなる第１の層と、該第１の層上に形成された、透光性の金属酸化物を含む第２の層とを有することを特徴とする。
半導体がｐ型の場合、半導体に接触させる第１の層を形成する金属として、熱処理して良好なオーミック接触を得ることができるＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉなどから選ぶことができる。また、これらの金属の内の少なくとも２種類を組み合わせた合金を用いてもよい。
また、良好なオーミック接触を得るため、これらの金属に対してＺｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｂｅ、Ｍｇ等の金属を少なくとも１種類以上不純物として微量添加した合金を使用しても良い。
一方、半導体がｎ型の場合、前記第１の層を形成する材料としてＡｌ、Ｔｉ、Ｎｉなどを用いることができる。また、これらの金属の内の少なくとも２種類を組み合わせた合金を用いてもよい。
また、良好なオーミック接触を得るため、これらの金属にＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅなどの金属を少なくとも１種類以上不純物として微量添加した合金を使用しても良い。
【００１４】
第２の層に含まれる金属酸化物としては、比較的透光性に優れかつ金属との密着性に優れる酸化物である、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｉｎよりなる群より選ばれた少なくとも１種類の金属の金属酸化物を用いることができる。特に、その中でも透光性であることが広く知られているＮｉＯ、ＴｉＯ、ＳｎＯ、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＣｏＯ、ＺｎＯ、Ｃｕ2 Ｏ、ＭｇＯ、Ｉｎ2 Ｏ3 など、またはこれらの金属酸化物に他の金属元素が共存した酸化物を主成分とすることは有用である。また、酸化物は下地の金属に合わせて、密着性の良いものを選ぶことが好ましい。
本明細書において「金属酸化物」という言葉は、金属の酸化数の異なる酸化物の混合物を指して用いることとし、また、その中には酸化されていない金属が含まれていても構わないこととする。しかし、第２層は透光性を発揮することが特徴であるので、組成の異なる酸化物のうち、最も透光性となりやすい材料が主成分となっていることが有利であることは言うまでもない。
Ｎｉを例にとって説明すると、Ｎｉの酸化物としてはＮｉＯ、Ｎｉ2 Ｏ3 、ＮｉＯ2 、Ｎｉ3 Ｏ4 などが存在することが知られているが、第２層を構成する材料の組成は、これらの内のどれであっても良いし、これらの混合物であっても良い。また、酸化されていない金属であるＮｉそのものが含まれていても構わない。しかしながら、ここに例示した数種類の酸化物のうち、最も有効に透光性を発揮することが知られているのはＮｉＯであり、第２層としてはＮｉＯが主成分であることが有利なことは言うまでもない。
【００１５】
金属からなる第１の層と透光性の金属酸化物よりなる第２の層とは、密着性に優れることが好ましい。
そのため、上記発明において、発光半導体素子用透光性電極は、前記第２の層と第１の層との界面近傍の領域において、酸素の組成が第２の層から第１の層に向かって徐々に減少し、金属酸化物を含む組成から金属からなる組成に、組成が連続的に変化することが望ましい。
また、第１の層内に第２の層に含まれる金属酸化物の金属成分が含まれていることも、第１の層と第２の層の高い密着性を実現するためには好適である。第１の層中の第２の層の成分の濃度は第１の層全体を通して一定でも構わないし、第２の層との界面から半導体表面に向かって濃度が小さくなっていくように勾配がつけられていても構わない。また、第２の層の成分は第１の層全体に含まれていても良いし、第２層との界面側の一部分だけに含まれていても良い。
【００１６】
第１の層の膜厚は、透光性を得るために１ｎｍから５００ｎｍの範囲の膜厚に制御して形成することが好ましい。その中でも、金属に固有の物性値である吸光係数から計算して、光の透過率が１０％から９０％を実現するような膜厚を採用することが好ましい。
また、第２の層の膜厚は透光性を実現し、ボールアップ防止効果に優れ且つ透光性の良好な、１ｎｍから１０００ｎｍの範囲にすることが好ましい。
【００１７】
また、第２の層を形成するための金属酸化物として、先に挙げた透光性の金属酸化物の群より、特に導電性を示す金属酸化物であるＮｉＯ、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＳｎＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯよりなる群より、少なくとも１種類の金属酸化物を選択することができる。また、この群を構成する導電性の金属酸化物群のうち、ＩｎＳｎＯの様に、２種類の金属元素を含むような酸化物を用いても良いし、この群を構成する金属元素以外の金属元素が共存していても構わない。
ここに挙げたような導電性の金属酸化物を、第１の層である金属電極層を保護するための第２の層として用いると、保護層の部分にも電流が流れることが可能であり、電極全体の抵抗率が低下する。このことは素子とした際の両電極間の抵抗値が低減されることを意味し、絶縁体の保護層を用いた場合と比較して、同じ印加電圧でより多くの電流を流すことが可能である。これにより、同じ印加電圧でより強い発光強度を得ることができる。
【００１８】
上記の電極は、金属からなる第１の層および金属からなる第２の層を形成させておき、酸素を含む雰囲気中で熱処理することにより、表面側の金属からなる第２の層を酸化する方法によって形成することができる。酸素を含む雰囲気とは、酸素ガス（Ｏ2 ）や水蒸気（Ｈ2 Ｏ）等を含む雰囲気である。
【００１９】
すなわち、上記の発光半導体素子用電極は、金属からなる第１の層の上に、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎなどの金属からなる第２の層を形成して、これを酸素を含む雰囲気中で温度３００℃以上で１分以上熱処理することにより作製することが出来る。
熱処理の温度及び時間は、酸化させようとする金属に応じて選択する必要がある。我々の検討によれば、本発明において使用できる金属では、全般的に３００℃以下の温度では如何に長時間の処理を行ったとしても完全に均一に酸化することはなかった。処理温度は高い方が安定して金属を酸化できるため、３００℃以上のどのような温度を用いても良いが、半導体が分解しないような温度とすることは当然である。
また、我々の検討によれば、熱処理を行う時間として１分以下では、上記の範囲で選択される如何なる高温で処理したとしても完全に均一に酸化することはなかった。よって、熱処理は１分以上行うことが望ましい。
雰囲気ガス中の酸素の濃度は、０以上であればどのような値をとっても良いが、１ｐｐｍ以上であることが好ましい。
【００２０】
また、前述の第１の層に第２の層の成分が含まれている電極構造を形成するためにも、熱処理によって第２の層の成分を第１の層へ拡散させることが有効である。この時、第２の層を酸化させるための熱処理を、第２の層の成分を第２の層より第１の層に拡散させる熱処理と兼ねることができる。
また、第２の層を酸化させるための熱処理を、半導体と金属からなる第１の層とのオーミック接触を得るための熱処理と兼ねて実施することが出来る。或いは、第２の層を酸化させるための熱処理と半導体と金属からなる第１の層とのオーミック接触を得るための熱処理とを別々の工程で行ってもよい。
【００２１】
また金属膜を形成する方法としては、通常の抵抗加熱蒸着法の他、電子線加熱蒸着法、スパッタリング法などを用いることができる。
また、第１の層と第２の層は同一装置で連続して形成しても良いし、第１の層を形成した時点でいったん装置から取り出し、別の方法によって第２の層を形成しても良いが、密着性の向上という観点から第１の層と第２の層とは同一装置内で連続して形成することが好ましい。
第１の層の上に第２の層となる金属の層を順次積層した電極は、例えば蒸着したままでは金属光沢を呈する濃い色の膜であるが、熱処理による酸化により第２の層となる金属の層が金属酸化物となり透光性を示す。
【００２２】
金属層と金属酸化物層の平面形状は同じでも良いし、異なっても構わないが、金属層の部分は金属酸化物で覆われていることがより好ましいことは言うまでもない。また、金属酸化物よりなる第２の層は金属よりなる第１の層を完全に覆って、それよりも大きい領域を覆うことができるが、反対側の電極と接触していることは好ましくない。第２層を形成する金属酸化物は、導電性の材料を用いることも可能であり、導電性の材料を第２層として用いた場合に第２の層が両側の電極に接触していると、両側の電極が第２の層を通じて導通してリーク電流を生ずる可能性がある。
【００２３】
本発明に係わる発光半導体素子用透光性電極およびその作製方法は、発光半導体素子において電極から横方向への電流拡散が小さい、半導体がＧａＮ系化合物半導体の場合に特に有効に用いることが出来る。ＧａＮ系化合物半導体は一般にＡｌＧａＩｎＮで表すことが出来る。
【００２４】
【作用】
本発明の提供する発光半導体素子用電極は、透光性を有し半導体層にオーミック接触する金属薄膜からなる第１の層と、第１の層の表面に形成された、透光性を有し、かつ第１の層と半導体層のオーミック接触を実現するための熱処理に際して、第１の層のボールアップを抑制する、透光性のある金属酸化物を主成分とする第２の層とから構成される。透光性の金属酸化物からなる第２の層は、第１の層の保護層として機能する。金属よりなる第１の層の保護層として透光性の金属酸化物からなる第２の層を用いたことにより、第１の層のボールアップを防止し半導体とオーミック接触する透光性の電極を安定して製造することが可能となった。
またこの時、第２の層の主成分として第１の層と密着性の良い材料を選定したり、第２の層と第１の層との間に酸素の組成勾配を設けたり、第１の層中に第２の層に含まれる金属を拡散させたりすることにより、第１の層と第２の層の間の密着性を向上することができる。この密着性を向上した構成により、金属からなる第１の層と金属酸化物からなる第２の層との剥離を有効に防止することが出来るため、発光半導体素子が安定的に生産できる。
【００２５】
また、本発明の提供する発光半導体素子用透光性電極の作製方法は、半導体とオーミック接触する金属の薄膜よりなる第１の層と、熱処理によって第２の層となる金属の層を形成しておき、これを酸素を含む雰囲気中で熱処理することにより第２の層となる金属の層を金属酸化物の第２の層とし、透光性を増大させる。これにより、簡便に透光性の電極を製造することができる。また、第２の層となる金属の層を酸化するための熱処理は、第１の層のオーミック接触を実現させるための熱処理と兼ねることができる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
本発明に係わる発光半導体素子用透光性電極の一例は、図３の断面図で示すような、サファイア基板上に、ＡｌＮをバッファ層として、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層を順に積層した半導体基板９のｐ型ＧａＮ層上に、Ａｕからなる第１の層１０、Ｎｉの酸化物からなる第２の層１１を形成して作製した電極である。なお図３で７はｐ側電極ボンディング用パッド、８はｎ側電極である。また図２は、図３で示した発光半導体素子用電極の平面図であり、６で示した部分が本発明に係わる透光性電極である。
【００２７】
図２、図３に示した発光半導体素子用透光性電極は、次の手順で作製した。
初めに、公知のフォトリソグラフィー技術を用い、ｐ型ＧａＮ層上にＡｕＢｅ／Ａｕ層構造よりなるｐ側電極ボンディング用パッド７を形成した。
続いて、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＧａＮ層上の透光性電極を形成する領域にのみ、Ａｕからなる第１の層１０およびＮｉの酸化物からなる第２の層１１を形成した。
第１の層１０および第２の層１１の形成では、まず、半導体基板９を真空蒸着機に入れ、ｐ型ＧａＮ層上に圧力３×１０-6Ｔｏｒｒにおいて初めにＡｕを２５ｎｍ、続いて同じ真空室内でＮｉを１０ｎｍ蒸着した。ＡｕとＮｉを蒸着した基板は、真空室から取り出した後、通常リフトオフと呼ばれる手順に則って処理し、図２の６で示す形状の薄膜を形成した。このようにしてｐ型ＧａＮ層上には、Ａｕからなる第１の層とＮｉからなる第２の層とからなる薄膜が形成された。この薄膜は金属光沢を呈する暗灰色であり、透光性はほとんど見られなかった。
次に、この基板をアニール炉において熱処理した。熱処理は、温度を５５０℃とし、雰囲気ガスとして、１％の酸素ガスを含むアルゴンを流通して、１０分間処理した。取り出した基板の透光性電極６は、青味をおびた暗灰色で、透光性を示していた。なお、この熱処理は電極と半導体とのオーミック接触を得るための熱処理も兼ねていた。
【００２８】
上記の方法により作製した透光性電極の波長４５０ｎｍの光における透過率は４５％であった。なお、透過率は、上記と同じ透光性電極を透過率測定用の大きさに形成したもので測定した。
また、オージェ電子分光（ＡＥＳ）により、透光性電極の深さ方向の成分分析を行った。熱処理の前後で透光性電極の膜厚に大きな変化はなかったが、オージェ電子分光（ＡＥＳ）によってＮｉからなる第２の層に大量の酸素が取り込まれており、Ｎｉの酸化が起きていることが判った。ＡＥＳにより測定した電極の各元素の深さ方向プロファイルを図１に示す。
図１に示した上記の電極の組成の深さ方向プロファイルより、第２の層はＮｉと酸素を含むＮｉの酸化物からなり、第１の層は僅かにＮｉを含むＡｕからなり、第１の層と第２の層との界面近傍の領域には、Ｏの濃度が基板方向に向かって小さくなるように組成勾配がつけられた組成勾配領域が存在することがわかる。
【００２９】
また、一般的な薄膜Ｘ線回折（ＸＲＤ）法によってＮｉの酸化物からなる第２の層１１を評価したところ、図４に示すようなスペクトルを示した。ピークの位置から、スペクトルにはＮｉＯの（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）面からの回折にそれぞれ相当するピーク１２、１４、１６、１８が見られ、第２の層１１はＮｉＯのランダムな方向を向いた結晶からなっていることが判った。また、このスペクトルには、微弱ながらＮｉの（１１１）面からの回折ピーク１５も検出されていた。また、第１の層１０を形成するＡｕ（１１１）、（２２０）面からの回折ピーク１３、１７も見られた。このことから、ＮｉＯの結晶粒の集合体の中に少量のＮｉの結晶粒が混在しているものと考えられる。このことより、第２の層１１はＮｉＯと少量のＮｉよりなることが判った。
【００３０】
ドライエッチングによってｎ電極を形成する部分のｎ層を露出させ、ｐ側電極の形成に続いて、露出した部分にＡｌよりなるｎ側電極８を形成し、ｎ側電極８のオーミック接触を形成するための熱処理を行った。
このようにして電極を形成したウエハを４００μｍ角のチップに切断し、リードフレーム上に載置し結線して発光ダイオードとしたところ、電流２０ｍＡにおける発光出力が８０μＷ、順方向電圧は３．２Ｖを示した。また、２インチφの基板から１６０００個のチップが得られ、発光強度が７６μＷに満たないチップを取り除いたところ、収率は９８％であった。通電発光している状態の透光性電極を顕微鏡により観察したところ、各チップの透光性電極の発光は均一であり、ボールアップによる発光面積の低下は見られなかった。
【００３１】
（実施例２）
本発明に係わる発光半導体素子用透光性電極の別の一例は、図６の断面図で示すような、サファイア基板上に、ＡｌＮをバッファ層として、ｐ型ＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層を順に積層した半導体基板９のｎ型ＧａＮ層上に、Ａｌからなる第１の層１０、Ｔｉの酸化物からなる第２の層１１を形成して作製した電極である。なお図６で７’はｐ側電極、８’はｎ側電極用ボンディングパッドである。また図５は、図６で示した発光半導体素子用電極部の平面図であり、６で示した部分が本発明に係わる透光性電極である。
【００３２】
図５、図６に示した発光半導体素子用透光性電極は、実施例１と同様に、次の手順で作製した。
初めに、公知のフォトリソグラフィー技術を用い、ｎ型ＧａＮ層上にＡｌよりなるｎ側電極用ボンディングパッド８’を形成した。
続いて、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｎ型ＧａＮ層上の透光性電極を形成する領域にのみ、Ａｌからなる第１の層１０およびＴｉの酸化物からなる第２の層１１を形成した。
第１の層１０および第２の層１１の形成では、まず、半導体基板９を真空蒸着機に入れ、圧力３×１０-6Ｔｏｒｒにおいて、ｎ型ＧａＮ層上にＡｌを５ｎｍ蒸着した後基板を蒸着装置から取り出し、続いて別の蒸着装置内でＴｉを５０ｎｍ蒸着した。ＡｌとＴｉを蒸着した基板は、真空室から取り出した後、通常リフトオフと呼ばれる手順に則って処理し、図２の６で示す形状の薄膜を形成した。このようにして、ｎ型ＧａＮ層上には、Ａｌからなる第１の層とＴｉからなる第２の層となる金属層を有する薄膜が形成された。この薄膜は金属光沢を呈する銀色であり、透光性はほとんど見られなかった。
次にこの基板を、アニール炉において雰囲気ガスとして酸素２０％を含む窒素中で６５０℃にして１５分間熱処理した。熱処理後の薄膜電極部分を光学顕微鏡で観察すると、金属光沢を失っており黄色みを帯びた透光性を示した。なお、この熱処理は電極と半導体とのオーミック接触を得るための熱処理を兼ねている。
【００３３】
上記の方法により作製した透光性電極は、熱処理の前後で膜厚の変化はなく、薄膜電極部分の波長４５０ｎｍの光の透過率は３０％であった。ＡＥＳおよび薄膜ＸＲＤの測定結果より、Ｔｉ層は酸化されてＴｉＯとなっていた。
更に、実施例１に記述したのと同様の方法で、ドライエッチングにより露出したｐ型層上にＡｕＢｅ、Ａｕよりなるｐ側電極７’を形成した。
この基板を切断、マウント、結線して発光素子とした。作製された発光ダイオードは、電流２０ｍＡにおける発光出力が８０μＷ、順方向電圧は３．２Ｖを示した。また、２インチφの基板から１６０００個のチップが得られ、発光強度が７６μＷに満たないチップを取り除いたところ、収率は９６％であった。各チップの透光性電極の発光は均一であり、ボールアップによる発光面積の低下および発光強度の不均一は見られなかった。
【００３４】
（比較例１）
実施例１と同じ積層構造を持つ半導体基板に、単層のＡｕ２５ｎｍのみからなる透光性の電極を蒸着装置を用いて形成した。更に、ｐ−ＧａＮ層とのオーミック接触を実現する目的で、アルゴンガス雰囲気中で５５０℃において１０分間熱処理した。熱処理後、透光性電極面は透光性が増したように見えるが、金属光沢を失っていた。この半導体基板から作製された発光ダイオードはボンディング用の電極の直下だけが発光し、透光性の電極面には発光が見られなかった。光学顕微鏡による観察によると、透光性電極として形成したＡｕの薄膜はボール状に凝集しており、薄膜としての連続性を欠いていた。
【００３５】
（比較例２）
実施例１と同じ積層構造を持つ基板に、実施例１に作成した電極と蒸着する順番を逆にした金属薄膜電極、すなわち初めにＮｉ１０ｎｍ、続いてＡｕ２５ｎｍを、同じ蒸着装置内で連続して形成した。これを酸素を１％含むアルゴンガス雰囲気中で５５０℃にて１０分間熱処理した。熱処理後の電極のＡＥＳ深さ方向プロファイルを図７に示す。有意な量の酸素が検出されないことより、Ｎｉ層は酸化されていないことが判った。これは、Ａｕによって表面を覆われているためと思われる。電極はやや透光性を示すものの金属光沢のある金色を呈し、透過率は１０％と低かった。
このような手順で形成された薄膜電極を持つ発光ダイオードを、実施例１と同様にして作製した。作製された発光ダイオードの２０ｍＡにおける順方法電圧は平均で３．０Ｖと実施例１と同等であったが、発光強度は２０μＷと実施例１よりも著しく小さかった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、透光性でかつボールアップを有効に防止し得る構造の発光半導体素子用の透光性電極とその透光性電極の形成方法を提供することができる。
【００３７】
なお、本発明における実施例は前記の２例に限られるものではなく、例えば、ｐ型半導体に対する第１の層としてはＰｔ、Ｎｉ、Ｐｔなどを用いることもでき、ｎ型半導体に対する第１の層としてはＴｉ、Ａｌ、Ｎｉなどを用いることができる。また、第２の層としては、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｉｎなどの金属を含む酸化物の層を用いることができる。
また、発光素子となる半導体材料としても本実施例に記述したＧａＮの他にＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰなどを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で作製した電極のオージェ電子分光による各元素の深さ方向プロファイルを示した図。
【図２】実施例１に係わる電極の形状の平面図。
【図３】実施例１に係わる電極の積層構造の断面図。
【図４】実施例１に係わる電極の薄膜ＸＲＤスペクトル。
【図５】実施例２に係わる電極の形状の平面図。
【図６】実施例２に係わる電極の積層構造の断面図。
【図７】比較例２で作製した電極のオージェ電子分光による各元素の深さ方向プロファイルを示した図。
【符号の説明】
１・・・Ｎｉのプロファイル
２・・・Ａｕのプロファイル
３・・・Ｏのプロファイル
４・・・Ｇａのプロファイル
５・・・Ｎのプロファイル
６・・・透光性電極
７・・・ｐ側電極用ボンディングパッド
７’・・ｐ側電極
８・・・ｎ側電極
８’・・ｎ側電極用ボンディングパッド
９・・・半導体基板
１０・・・第１の層
１１・・・第２の層
１２・・・ＮｉＯ（１１１）のピーク
１３・・・Ａｕ（１１１）のピーク
１４・・・ＮｉＯ（２００）のピーク
１５・・・Ｎｉ（１１１）のピーク
１６・・・ＮｉＯ（２２０）のピーク
１７・・・Ａｕ（２２０）のピーク
１８・・・ＮｉＯ（３１１）のピーク
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光半導体素子に用いられる電極に係わり、特に発光半導体素子用の透光性の電極とその透光性電極の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、短波長光発光素子用の半導体材料としてＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして、種々の酸化物基板や III−Ｖ族化合物を基板として、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。
サファイア基板等の電気的に絶縁体である基板を用いた素子では、ＧａＡｓ、ＧａＰ等の半導体基板を使用した III−Ｖ族化合物半導体材料とは異なり、基板裏面に電極を設けることができない。よって、正、負一対の電極を発光素子の同じ面に形成する必要がある。
【０００３】
また、ＧａＮ系化合物半導体材料の特性として、横方向への電流拡散が小さいことがある。原因は、エピタキシャル結晶中に多く存在する基板から表面へ貫通する転位の存在であることが考えられるが、詳しいことは判っていない。
この特性のため、電極を形成して通電発光させた場合でも、発光領域は電極直下に限定され電極の周囲には広がりにくい。したがって、発光領域は電極直下に限られ、従来の不透明な電極では発光は電極そのものに遮られて上方には取り出されず、発光強度が思うように向上しなかった。
【０００４】
以上のような問題点を解決するために、ｐ型電極を素子の表面のほぼ全面に形成された非常に薄い金属よりなる透光性の電極とし、電極を通して上面から発光を取り出すという素子構造に関する技術が開示されている（特開平６−３１４８２２）。
この特許公開公報には、電極材料として、例えば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｔｉ等を使用し、蒸着した金属膜を５００℃以上の温度で熱処理することにより、金属の昇華を引き起こし、膜厚を０．００１μｍ〜１μｍと薄くすることにより透光性を持たせることができることが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
金属を用いた透光性の薄膜では、金属膜を非常に薄く形成する必要がある。例えば、透光性の電極としてＡｕを用いた場合、光の透過率を３０％としたければ膜厚は約２５ｎｍに制御する必要があり、９０％の透過率を実現しようとすれば、膜厚は約２ｎｍにする必要がある。Ｎｉを用いた場合には、透過率３０％としたければ膜厚は約１３ｎｍ、９０％としたければ、約１．５ｎｍとする必要がある。
なお、本明細書において「透光性の電極」とは、電極の下で発生した発光を電極を通して観察可能である電極を指して用いることとする。
【０００６】
また、多くの発光半導体素子の作製においては、金属の電極を形成した後オーミック接触を実現する目的で熱処理を行うことが必要である。
しかし、上記のような非常に薄い金属薄膜を用いた電極の場合、オーミック接触を目的とした熱処理の際に、下地との密着性よりも金属の表面張力がまさるために金が球状に凝集してしまう「ボールアップ」と呼ばれる現象を生じる。ボールアップが発生すると、金の薄膜は随所に隙間や亀裂を生じ、電気的な連続性を失い、透光性の電極として機能しなくなる。
【０００７】
ボールアップを防ぐための手段としては、先ず第一に金属よりなる電極の膜厚を増やすことが挙げられる。しかしながら、膜厚を増加させることは光の透過率の減少を引き起こす結果となり、電極は透光性を失ってしまう。
本発明は、透光性でかつボールアップを有効に防止し得る構造の発光半導体素子用の透光性電極とその透光性電極の作製方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本出願に係わる発明は、半導体表面に接して形成され、透光性でかつオーミック接触が得られる、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉからなる群より選ばれた、少なくとも１種類の金属あるいは２種類以上の金属の合金よりなる第１の層と、該第１の層上に形成された、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｉｎよりなる群より選ばれた少なくとも１種類の金属の酸化物を含む、透光性の金属酸化物よりなる第２の層とを有する発光半導体素子用透光性電極である。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、Ａｕよりなる第１の層と、Ｎｉの酸化物よりなる第２の層とを有することを特徴とする。
【０００９】
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、前記第２の層と第１の層との界面近傍の領域において、酸素の組成が第２の層から第１の層に向かって徐々に減少することを特徴とする。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、前記第２の層に含まれる金属酸化物の主成分である金属元素が第１の層中に含まれていることを特徴とする。
【００１０】
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、前記第１の層の膜厚が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、前記第２の層の膜厚が１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする。また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極において、特に、半導体がＧａＮ系化合物半導体であることを特徴とする。
【００１１】
また本出願に係わる発光半導体素子用透光性電極の作製方法は、半導体表面に接して透光性でオーミック接触が得られる金属薄膜からなる第１の層を形成する第１の工程と、第１の層上に金属からなる第２の層を形成する第２の工程と、これを熱処理することによって第２の層を酸化する第３の工程を有する発光半導体素子用透光性電極の作製方法である。
【００１２】
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極の作製方法において、特に、前記第１の工程と第２の工程とを同一装置内で連続して行うことを特徴とする。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極の作製方法において、特に、前記第３の工程を酸素を含む雰囲気内で行うことを特徴とする。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極の作製方法において、特に、前記第３の工程において、熱処理は温度３００℃以上の温度で１分以上行うことを特徴とする。
また本出願に係わる発明は、上記発光半導体素子用透光性電極の作製方法において、特に、半導体がＧａＮ系化合物半導体であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる発光半導体素子用透光性電極は、半導体表面上に形成された透光性の金属からなる第１の層と、該第１の層上に形成された、透光性の金属酸化物を含む第２の層とを有することを特徴とする。
半導体がｐ型の場合、半導体に接触させる第１の層を形成する金属として、熱処理して良好なオーミック接触を得ることができるＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉなどから選ぶことができる。また、これらの金属の内の少なくとも２種類を組み合わせた合金を用いてもよい。
また、良好なオーミック接触を得るため、これらの金属に対してＺｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｂｅ、Ｍｇ等の金属を少なくとも１種類以上不純物として微量添加した合金を使用しても良い。
一方、半導体がｎ型の場合、前記第１の層を形成する材料としてＡｌ、Ｔｉ、Ｎｉなどを用いることができる。また、これらの金属の内の少なくとも２種類を組み合わせた合金を用いてもよい。
また、良好なオーミック接触を得るため、これらの金属にＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅなどの金属を少なくとも１種類以上不純物として微量添加した合金を使用しても良い。
【００１４】
第２の層に含まれる金属酸化物としては、比較的透光性に優れかつ金属との密着性に優れる酸化物である、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｉｎよりなる群より選ばれた少なくとも１種類の金属の金属酸化物を用いることができる。特に、その中でも透光性であることが広く知られているＮｉＯ、ＴｉＯ、ＳｎＯ、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＣｏＯ、ＺｎＯ、Ｃｕ2 Ｏ、ＭｇＯ、Ｉｎ2 Ｏ3 など、またはこれらの金属酸化物に他の金属元素が共存した酸化物を主成分とすることは有用である。また、酸化物は下地の金属に合わせて、密着性の良いものを選ぶことが好ましい。
本明細書において「金属酸化物」という言葉は、金属の酸化数の異なる酸化物の混合物を指して用いることとし、また、その中には酸化されていない金属が含まれていても構わないこととする。しかし、第２層は透光性を発揮することが特徴であるので、組成の異なる酸化物のうち、最も透光性となりやすい材料が主成分となっていることが有利であることは言うまでもない。
Ｎｉを例にとって説明すると、Ｎｉの酸化物としてはＮｉＯ、Ｎｉ2 Ｏ3 、ＮｉＯ2 、Ｎｉ3 Ｏ4 などが存在することが知られているが、第２層を構成する材料の組成は、これらの内のどれであっても良いし、これらの混合物であっても良い。また、酸化されていない金属であるＮｉそのものが含まれていても構わない。しかしながら、ここに例示した数種類の酸化物のうち、最も有効に透光性を発揮することが知られているのはＮｉＯであり、第２層としてはＮｉＯが主成分であることが有利なことは言うまでもない。
【００１５】
金属からなる第１の層と透光性の金属酸化物よりなる第２の層とは、密着性に優れることが好ましい。
そのため、上記発明において、発光半導体素子用透光性電極は、前記第２の層と第１の層との界面近傍の領域において、酸素の組成が第２の層から第１の層に向かって徐々に減少し、金属酸化物を含む組成から金属からなる組成に、組成が連続的に変化することが望ましい。
また、第１の層内に第２の層に含まれる金属酸化物の金属成分が含まれていることも、第１の層と第２の層の高い密着性を実現するためには好適である。第１の層中の第２の層の成分の濃度は第１の層全体を通して一定でも構わないし、第２の層との界面から半導体表面に向かって濃度が小さくなっていくように勾配がつけられていても構わない。また、第２の層の成分は第１の層全体に含まれていても良いし、第２層との界面側の一部分だけに含まれていても良い。
【００１６】
第１の層の膜厚は、透光性を得るために１ｎｍから５００ｎｍの範囲の膜厚に制御して形成することが好ましい。その中でも、金属に固有の物性値である吸光係数から計算して、光の透過率が１０％から９０％を実現するような膜厚を採用することが好ましい。
また、第２の層の膜厚は透光性を実現し、ボールアップ防止効果に優れ且つ透光性の良好な、１ｎｍから１０００ｎｍの範囲にすることが好ましい。
【００１７】
また、第２の層を形成するための金属酸化物として、先に挙げた透光性の金属酸化物の群より、特に導電性を示す金属酸化物であるＮｉＯ、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＳｎＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯよりなる群より、少なくとも１種類の金属酸化物を選択することができる。また、この群を構成する導電性の金属酸化物群のうち、ＩｎＳｎＯの様に、２種類の金属元素を含むような酸化物を用いても良いし、この群を構成する金属元素以外の金属元素が共存していても構わない。
ここに挙げたような導電性の金属酸化物を、第１の層である金属電極層を保護するための第２の層として用いると、保護層の部分にも電流が流れることが可能であり、電極全体の抵抗率が低下する。このことは素子とした際の両電極間の抵抗値が低減されることを意味し、絶縁体の保護層を用いた場合と比較して、同じ印加電圧でより多くの電流を流すことが可能である。これにより、同じ印加電圧でより強い発光強度を得ることができる。
【００１８】
上記の電極は、金属からなる第１の層および金属からなる第２の層を形成させておき、酸素を含む雰囲気中で熱処理することにより、表面側の金属からなる第２の層を酸化する方法によって形成することができる。酸素を含む雰囲気とは、酸素ガス（Ｏ2 ）や水蒸気（Ｈ2 Ｏ）等を含む雰囲気である。
【００１９】
すなわち、上記の発光半導体素子用電極は、金属からなる第１の層の上に、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎなどの金属からなる第２の層を形成して、これを酸素を含む雰囲気中で温度３００℃以上で１分以上熱処理することにより作製することが出来る。
熱処理の温度及び時間は、酸化させようとする金属に応じて選択する必要がある。我々の検討によれば、本発明において使用できる金属では、全般的に３００℃以下の温度では如何に長時間の処理を行ったとしても完全に均一に酸化することはなかった。処理温度は高い方が安定して金属を酸化できるため、３００℃以上のどのような温度を用いても良いが、半導体が分解しないような温度とすることは当然である。
また、我々の検討によれば、熱処理を行う時間として１分以下では、上記の範囲で選択される如何なる高温で処理したとしても完全に均一に酸化することはなかった。よって、熱処理は１分以上行うことが望ましい。
雰囲気ガス中の酸素の濃度は、０以上であればどのような値をとっても良いが、１ｐｐｍ以上であることが好ましい。
【００２０】
また、前述の第１の層に第２の層の成分が含まれている電極構造を形成するためにも、熱処理によって第２の層の成分を第１の層へ拡散させることが有効である。この時、第２の層を酸化させるための熱処理を、第２の層の成分を第２の層より第１の層に拡散させる熱処理と兼ねることができる。
また、第２の層を酸化させるための熱処理を、半導体と金属からなる第１の層とのオーミック接触を得るための熱処理と兼ねて実施することが出来る。或いは、第２の層を酸化させるための熱処理と半導体と金属からなる第１の層とのオーミック接触を得るための熱処理とを別々の工程で行ってもよい。
【００２１】
また金属膜を形成する方法としては、通常の抵抗加熱蒸着法の他、電子線加熱蒸着法、スパッタリング法などを用いることができる。
また、第１の層と第２の層は同一装置で連続して形成しても良いし、第１の層を形成した時点でいったん装置から取り出し、別の方法によって第２の層を形成しても良いが、密着性の向上という観点から第１の層と第２の層とは同一装置内で連続して形成することが好ましい。
第１の層の上に第２の層となる金属の層を順次積層した電極は、例えば蒸着したままでは金属光沢を呈する濃い色の膜であるが、熱処理による酸化により第２の層となる金属の層が金属酸化物となり透光性を示す。
【００２２】
金属層と金属酸化物層の平面形状は同じでも良いし、異なっても構わないが、金属層の部分は金属酸化物で覆われていることがより好ましいことは言うまでもない。また、金属酸化物よりなる第２の層は金属よりなる第１の層を完全に覆って、それよりも大きい領域を覆うことができるが、反対側の電極と接触していることは好ましくない。第２層を形成する金属酸化物は、導電性の材料を用いることも可能であり、導電性の材料を第２層として用いた場合に第２の層が両側の電極に接触していると、両側の電極が第２の層を通じて導通してリーク電流を生ずる可能性がある。
【００２３】
本発明に係わる発光半導体素子用透光性電極およびその作製方法は、発光半導体素子において電極から横方向への電流拡散が小さい、半導体がＧａＮ系化合物半導体の場合に特に有効に用いることが出来る。ＧａＮ系化合物半導体は一般にＡｌＧａＩｎＮで表すことが出来る。
【００２４】
【作用】
本発明の提供する発光半導体素子用電極は、透光性を有し半導体層にオーミック接触する金属薄膜からなる第１の層と、第１の層の表面に形成された、透光性を有し、かつ第１の層と半導体層のオーミック接触を実現するための熱処理に際して、第１の層のボールアップを抑制する、透光性のある金属酸化物を主成分とする第２の層とから構成される。透光性の金属酸化物からなる第２の層は、第１の層の保護層として機能する。金属よりなる第１の層の保護層として透光性の金属酸化物からなる第２の層を用いたことにより、第１の層のボールアップを防止し半導体とオーミック接触する透光性の電極を安定して製造することが可能となった。
またこの時、第２の層の主成分として第１の層と密着性の良い材料を選定したり、第２の層と第１の層との間に酸素の組成勾配を設けたり、第１の層中に第２の層に含まれる金属を拡散させたりすることにより、第１の層と第２の層の間の密着性を向上することができる。この密着性を向上した構成により、金属からなる第１の層と金属酸化物からなる第２の層との剥離を有効に防止することが出来るため、発光半導体素子が安定的に生産できる。
【００２５】
また、本発明の提供する発光半導体素子用透光性電極の作製方法は、半導体とオーミック接触する金属の薄膜よりなる第１の層と、熱処理によって第２の層となる金属の層を形成しておき、これを酸素を含む雰囲気中で熱処理することにより第２の層となる金属の層を金属酸化物の第２の層とし、透光性を増大させる。これにより、簡便に透光性の電極を製造することができる。また、第２の層となる金属の層を酸化するための熱処理は、第１の層のオーミック接触を実現させるための熱処理と兼ねることができる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
本発明に係わる発光半導体素子用透光性電極の一例は、図３の断面図で示すような、サファイア基板上に、ＡｌＮをバッファ層として、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層を順に積層した半導体基板９のｐ型ＧａＮ層上に、Ａｕからなる第１の層１０、Ｎｉの酸化物からなる第２の層１１を形成して作製した電極である。なお図３で７はｐ側電極ボンディング用パッド、８はｎ側電極である。また図２は、図３で示した発光半導体素子用電極の平面図であり、６で示した部分が本発明に係わる透光性電極である。
【００２７】
図２、図３に示した発光半導体素子用透光性電極は、次の手順で作製した。
初めに、公知のフォトリソグラフィー技術を用い、ｐ型ＧａＮ層上にＡｕＢｅ／Ａｕ層構造よりなるｐ側電極ボンディング用パッド７を形成した。
続いて、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＧａＮ層上の透光性電極を形成する領域にのみ、Ａｕからなる第１の層１０およびＮｉの酸化物からなる第２の層１１を形成した。
第１の層１０および第２の層１１の形成では、まず、半導体基板９を真空蒸着機に入れ、ｐ型ＧａＮ層上に圧力３×１０-6Ｔｏｒｒにおいて初めにＡｕを２５ｎｍ、続いて同じ真空室内でＮｉを１０ｎｍ蒸着した。ＡｕとＮｉを蒸着した基板は、真空室から取り出した後、通常リフトオフと呼ばれる手順に則って処理し、図２の６で示す形状の薄膜を形成した。このようにしてｐ型ＧａＮ層上には、Ａｕからなる第１の層とＮｉからなる第２の層とからなる薄膜が形成された。この薄膜は金属光沢を呈する暗灰色であり、透光性はほとんど見られなかった。
次に、この基板をアニール炉において熱処理した。熱処理は、温度を５５０℃とし、雰囲気ガスとして、１％の酸素ガスを含むアルゴンを流通して、１０分間処理した。取り出した基板の透光性電極６は、青味をおびた暗灰色で、透光性を示していた。なお、この熱処理は電極と半導体とのオーミック接触を得るための熱処理も兼ねていた。
【００２８】
上記の方法により作製した透光性電極の波長４５０ｎｍの光における透過率は４５％であった。なお、透過率は、上記と同じ透光性電極を透過率測定用の大きさに形成したもので測定した。
また、オージェ電子分光（ＡＥＳ）により、透光性電極の深さ方向の成分分析を行った。熱処理の前後で透光性電極の膜厚に大きな変化はなかったが、オージェ電子分光（ＡＥＳ）によってＮｉからなる第２の層に大量の酸素が取り込まれており、Ｎｉの酸化が起きていることが判った。ＡＥＳにより測定した電極の各元素の深さ方向プロファイルを図１に示す。
図１に示した上記の電極の組成の深さ方向プロファイルより、第２の層はＮｉと酸素を含むＮｉの酸化物からなり、第１の層は僅かにＮｉを含むＡｕからなり、第１の層と第２の層との界面近傍の領域には、Ｏの濃度が基板方向に向かって小さくなるように組成勾配がつけられた組成勾配領域が存在することがわかる。
【００２９】
また、一般的な薄膜Ｘ線回折（ＸＲＤ）法によってＮｉの酸化物からなる第２の層１１を評価したところ、図４に示すようなスペクトルを示した。ピークの位置から、スペクトルにはＮｉＯの（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）面からの回折にそれぞれ相当するピーク１２、１４、１６、１８が見られ、第２の層１１はＮｉＯのランダムな方向を向いた結晶からなっていることが判った。また、このスペクトルには、微弱ながらＮｉの（１１１）面からの回折ピーク１５も検出されていた。また、第１の層１０を形成するＡｕ（１１１）、（２２０）面からの回折ピーク１３、１７も見られた。このことから、ＮｉＯの結晶粒の集合体の中に少量のＮｉの結晶粒が混在しているものと考えられる。このことより、第２の層１１はＮｉＯと少量のＮｉよりなることが判った。
【００３０】
ドライエッチングによってｎ電極を形成する部分のｎ層を露出させ、ｐ側電極の形成に続いて、露出した部分にＡｌよりなるｎ側電極８を形成し、ｎ側電極８のオーミック接触を形成するための熱処理を行った。
このようにして電極を形成したウエハを４００μｍ角のチップに切断し、リードフレーム上に載置し結線して発光ダイオードとしたところ、電流２０ｍＡにおける発光出力が８０μＷ、順方向電圧は３．２Ｖを示した。また、２インチφの基板から１６０００個のチップが得られ、発光強度が７６μＷに満たないチップを取り除いたところ、収率は９８％であった。通電発光している状態の透光性電極を顕微鏡により観察したところ、各チップの透光性電極の発光は均一であり、ボールアップによる発光面積の低下は見られなかった。
【００３１】
（実施例２）
本発明に係わる発光半導体素子用透光性電極の別の一例は、図６の断面図で示すような、サファイア基板上に、ＡｌＮをバッファ層として、ｐ型ＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層を順に積層した半導体基板９のｎ型ＧａＮ層上に、Ａｌからなる第１の層１０、Ｔｉの酸化物からなる第２の層１１を形成して作製した電極である。なお図６で７’はｐ側電極、８’はｎ側電極用ボンディングパッドである。また図５は、図６で示した発光半導体素子用電極部の平面図であり、６で示した部分が本発明に係わる透光性電極である。
【００３２】
図５、図６に示した発光半導体素子用透光性電極は、実施例１と同様に、次の手順で作製した。
初めに、公知のフォトリソグラフィー技術を用い、ｎ型ＧａＮ層上にＡｌよりなるｎ側電極用ボンディングパッド８’を形成した。
続いて、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｎ型ＧａＮ層上の透光性電極を形成する領域にのみ、Ａｌからなる第１の層１０およびＴｉの酸化物からなる第２の層１１を形成した。
第１の層１０および第２の層１１の形成では、まず、半導体基板９を真空蒸着機に入れ、圧力３×１０-6Ｔｏｒｒにおいて、ｎ型ＧａＮ層上にＡｌを５ｎｍ蒸着した後基板を蒸着装置から取り出し、続いて別の蒸着装置内でＴｉを５０ｎｍ蒸着した。ＡｌとＴｉを蒸着した基板は、真空室から取り出した後、通常リフトオフと呼ばれる手順に則って処理し、図２の６で示す形状の薄膜を形成した。このようにして、ｎ型ＧａＮ層上には、Ａｌからなる第１の層とＴｉからなる第２の層となる金属層を有する薄膜が形成された。この薄膜は金属光沢を呈する銀色であり、透光性はほとんど見られなかった。
次にこの基板を、アニール炉において雰囲気ガスとして酸素２０％を含む窒素中で６５０℃にして１５分間熱処理した。熱処理後の薄膜電極部分を光学顕微鏡で観察すると、金属光沢を失っており黄色みを帯びた透光性を示した。なお、この熱処理は電極と半導体とのオーミック接触を得るための熱処理を兼ねている。
【００３３】
上記の方法により作製した透光性電極は、熱処理の前後で膜厚の変化はなく、薄膜電極部分の波長４５０ｎｍの光の透過率は３０％であった。ＡＥＳおよび薄膜ＸＲＤの測定結果より、Ｔｉ層は酸化されてＴｉＯとなっていた。
更に、実施例１に記述したのと同様の方法で、ドライエッチングにより露出したｐ型層上にＡｕＢｅ、Ａｕよりなるｐ側電極７’を形成した。
この基板を切断、マウント、結線して発光素子とした。作製された発光ダイオードは、電流２０ｍＡにおける発光出力が８０μＷ、順方向電圧は３．２Ｖを示した。また、２インチφの基板から１６０００個のチップが得られ、発光強度が７６μＷに満たないチップを取り除いたところ、収率は９６％であった。各チップの透光性電極の発光は均一であり、ボールアップによる発光面積の低下および発光強度の不均一は見られなかった。
【００３４】
（比較例１）
実施例１と同じ積層構造を持つ半導体基板に、単層のＡｕ２５ｎｍのみからなる透光性の電極を蒸着装置を用いて形成した。更に、ｐ−ＧａＮ層とのオーミック接触を実現する目的で、アルゴンガス雰囲気中で５５０℃において１０分間熱処理した。熱処理後、透光性電極面は透光性が増したように見えるが、金属光沢を失っていた。この半導体基板から作製された発光ダイオードはボンディング用の電極の直下だけが発光し、透光性の電極面には発光が見られなかった。光学顕微鏡による観察によると、透光性電極として形成したＡｕの薄膜はボール状に凝集しており、薄膜としての連続性を欠いていた。
【００３５】
（比較例２）
実施例１と同じ積層構造を持つ基板に、実施例１に作成した電極と蒸着する順番を逆にした金属薄膜電極、すなわち初めにＮｉ１０ｎｍ、続いてＡｕ２５ｎｍを、同じ蒸着装置内で連続して形成した。これを酸素を１％含むアルゴンガス雰囲気中で５５０℃にて１０分間熱処理した。熱処理後の電極のＡＥＳ深さ方向プロファイルを図７に示す。有意な量の酸素が検出されないことより、Ｎｉ層は酸化されていないことが判った。これは、Ａｕによって表面を覆われているためと思われる。電極はやや透光性を示すものの金属光沢のある金色を呈し、透過率は１０％と低かった。
このような手順で形成された薄膜電極を持つ発光ダイオードを、実施例１と同様にして作製した。作製された発光ダイオードの２０ｍＡにおける順方法電圧は平均で３．０Ｖと実施例１と同等であったが、発光強度は２０μＷと実施例１よりも著しく小さかった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、透光性でかつボールアップを有効に防止し得る構造の発光半導体素子用の透光性電極とその透光性電極の形成方法を提供することができる。
【００３７】
なお、本発明における実施例は前記の２例に限られるものではなく、例えば、ｐ型半導体に対する第１の層としてはＰｔ、Ｎｉ、Ｐｔなどを用いることもでき、ｎ型半導体に対する第１の層としてはＴｉ、Ａｌ、Ｎｉなどを用いることができる。また、第２の層としては、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｉｎなどの金属を含む酸化物の層を用いることができる。
また、発光素子となる半導体材料としても本実施例に記述したＧａＮの他にＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰなどを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で作製した電極のオージェ電子分光による各元素の深さ方向プロファイルを示した図。
【図２】実施例１に係わる電極の形状の平面図。
【図３】実施例１に係わる電極の積層構造の断面図。
【図４】実施例１に係わる電極の薄膜ＸＲＤスペクトル。
【図５】実施例２に係わる電極の形状の平面図。
【図６】実施例２に係わる電極の積層構造の断面図。
【図７】比較例２で作製した電極のオージェ電子分光による各元素の深さ方向プロファイルを示した図。
【符号の説明】
１・・・Ｎｉのプロファイル
２・・・Ａｕのプロファイル
３・・・Ｏのプロファイル
４・・・Ｇａのプロファイル
５・・・Ｎのプロファイル
６・・・透光性電極
７・・・ｐ側電極用ボンディングパッド
７’・・ｐ側電極
８・・・ｎ側電極
８’・・ｎ側電極用ボンディングパッド
９・・・半導体基板
１０・・・第１の層
１１・・・第２の層
１２・・・ＮｉＯ（１１１）のピーク
１３・・・Ａｕ（１１１）のピーク
１４・・・ＮｉＯ（２００）のピーク
１５・・・Ｎｉ（１１１）のピーク
１６・・・ＮｉＯ（２２０）のピーク
１７・・・Ａｕ（２２０）のピーク
１８・・・ＮｉＯ（３１１）のピーク
Claims (7)
- ＧａＮ系化合物半導体の表面に接して形成され、透光性でかつオーミック接触が得られＡｕよりなる第１の層と、該第１の層上にＮｉよりなる金属の層を形成し、該金属の酸化により生じた、透光性の金属酸化物よりなる第２の層とを有し、前記第２の層を構成する金属酸化物の主成分であるＮｉが第１の層中に含まれていることを特徴とする発光半導体素子用透光性電極。
- ＧａＮ系化合物半導体の表面に接して形成され、透光性でかつオーミック接触が得られＡｕよりなる第１の層と、該第１の層上にＮｉよりなる金属の層を形成し、該金属の酸化により生じた透光性の金属酸化物よりなる第２の層とを有し、前記第２の層と第１の層との界面近傍の領域において、酸素の組成が第２の層から第１の層に向かって徐々に減少することを特徴とする発光半導体素子用透光性電極。
- ＧａＮ系化合物半導体の表面に接して、透光性でオーミック接触が得られるＡｕ薄膜からなる第１の層を形成する第１の工程と、第１の層上にＮｉからなる第２の層を形成する第２の工程と、これを熱処理することによって第２の層を酸化し透光性を増大させる第３の工程を有する発光半導体素子用透光性電極の作製方法。
- 前記第１の工程と第２の工程とを同一装置内で連続して行うことを特徴とする請求項３記載の発光半導体素子用透光性電極の作製方法。
- 前記第３の工程を酸素を含む雰囲気内で行うことを特徴とする請求項３または４に記載の発光半導体素子用透光性電極の作製方法。
- 前記第３の工程において、熱処理は温度３００℃以上の温度で１分以上行うことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の発光半導体素子用透光性電極の作製方法。
- 請求項１または２に記載の発光半導体素子用透光性電極を備えた発光ダイオード。
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