JP4254681B2 - 電極形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、III族窒化物系化合物半導体を積層して形成した半導体素子の電極の形成方法に関する。本発明は、特に酸化インジウムスズ(ITO)から成る透光性電極を形成する方法に関する。
現在、III族窒化物系化合物半導体素子は非導電性のサファイア基板を用い、n電極、p電極共に半導体素子層側に形成したものが一般的である。ここで、いわゆるフェイスアップ型のIII族窒化物系化合物半導体素子においては、p型層表面に例えば合金化した金(Au)及びコバルト(Co)から成る薄膜透光性電極を用いて、光を電極を形成した側から取り出している。しかし、Au/Co薄膜透光性電極は、光透過率が60%程度であり、光取り出し効率は十分とは言えない。
一方、III族窒化物系化合物半導体発光素子の透光性電極として、酸化インジウムスズ(ITO)を用いることが提案されている。
特許第3394488号公報 特開2003−17748号公報
酸化インジウムスズ(ITO)については、III族窒化物系化合物半導体発光素子に用いた場合の特性が十分には解明されておらず、また、電極として形成するための最適条件を開発する必要がある。よって本発明の目的は、III族窒化物系化合物半導体発光素子の透光性電極として酸化インジウムスズ(ITO)から成る電極の形成方法を提供することである。
上記の課題を解決するため、請求項1に記載の手段によれば、III族窒化物系化合物半導体を積層して形成したn型コンタクト層、n型層、発光層、p型層、p型コンタクト層を有する半導体発光素子の電極の形成方法において、
前記p型コンタクト層上に形成される前記電極は、酸化インジウムスズ(ITO)から成り、当該酸化インジウムスズ(ITO)を、酸素圧0.015Pa 以上0.1Pa 以下の酸素雰囲気下での電子線蒸着法により形成した後、窒素雰囲気中で加熱して、シート抵抗を16Ω/□以下、透明度を88%以上とし、前記酸化インジウムスズ(ITO)から成る電極の上に、最下層としてのニッケル(Ni)から成る膜を有するワイヤボンディングのためのパッド電極を形成することを特徴とする電極の形成方法である。
以下に示す通り、本発明者らは、ITOを酸素の存在する雰囲気下で電子線蒸着法により蒸着させることで、好適な透光性電極を形成できることを見出した。この後、加熱によりITOの焼成を行うことで、透光性が高く、抵抗率の低い電極を形成できることも見出した。また、ITO形成時に酸素を0.06Pa以上とすると、焼成を行わないで、透光性が高く、抵抗率の低い電極を形成できることも見出した。
ITOから成る透光性電極に接して、ワイヤボンディングのためのいわゆるパッド電極を形成する必要があるが、本発明者らは例えば金の厚膜電極とITOとの間に、ニッケル(Ni)を設けると接合度を高くすることができることも見出した。
本発明の主たる特徴であるITOは、Snの割合が2〜20%が良好である。ITOの厚さは10nm以上10μm以下とすると良い。10nm未満では電流の拡散が不十分となる他、剥がれが生じやすくなる。また10μmを越えると光透過性が悪化する。ITOの厚さは、より好ましくは100nm以上5μm以下、更に好ましくは200nm以上2μm以下である。
ITO膜形成時の酸素圧は0.01Pa以上10Pa以下が好ましく、より好ましくは0.03Pa以上2Pa以下、更に好ましくは0.05Pa以上1Pa以下である。0.01Pa以上とすると、抵抗値の低い電極を形成することができる。また、後工程の焼成により80%以上の光透過度を得ることができる。酸素圧を0.06Pa以上とすると、後工程の焼成によらずとも90%以上の光透過度を得ることができる。焼成は、300℃以上1000℃以下で行うと良い。300℃未満では焼成の効果が十分とは言えず、1000℃を越えると半導体素子の特性劣化をもたらす。より好ましくは500℃以上900℃以下、更に好ましくは600℃以上800℃以下である。また、焼成は不活性ガス雰囲気下、特に窒素雰囲気下で行うことが好ましい。
ワイヤボンディングのためのパッド電極については、厚膜の金(Au)により形成すると良い。厚さは0.5〜3μmの範囲で任意に設定される。主として金(Au)によりパッド電極を形成する場合、ITOから成る透光性電極との間にニッケル(Ni)、チタン(Ti)、クロム(Cr)又はアルミニウム(Al)を形成すると、パッド電極とITOから成る透光性電極との接合度が高くなる。特にニッケル(Ni)を用いた場合、接合度がより高くなる。
本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子は、上記の発明の主たる構成に係る限定の他は、任意の構成を取ることができる。また、発光素子は発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)、フォトカプラその他の任意の発光素子として良い。特に本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。
具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法(MBE)、有機金属気相成長法(MOVPE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、液相成長法等が有効である。
発光層を多重量子井戸構造とする場合は、少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN(0≦x<1, 0<y≦1)から成る井戸層を含むものが良い。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのGayIn1-yN(0<y≦1)から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体AlGaInNから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのGayIn1-yN(0<y≦1)の井戸層とアンドープのGaNから成る障壁層である。
電極形成層等のIII族窒化物半導体層は、少なくともAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)にて表される2元系、3元系若しくは4元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。
更に、これらの半導体を用いてn型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、n型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、p型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
まず、本発明の電極形成方法による、ITOの光透過性の向上とシート抵抗の抑制の効果を示すため、次の実験を行った。酸化スズと酸化インジウムの混合物(酸化スズ5%)をターゲットとして、電子線蒸着法によりサファイア基板上に300nmの膜厚のITOを形成した。この際、蒸着装置内部を1×10-2Pa以下の高真空にした後、酸素を4通りの圧力で導入して、各々ITOを形成した。酸素圧は、0.0Pa(即ち、酸素導入せず)、0.005Pa、0.015Pa、0.06Pa、0.1Paの5通りとした。この後、一旦、波長470nmの青色光に対する光透過性とシート抵抗を測定した。次に各々、窒素雰囲気下で400℃、10分間の焼成を行った後、再度光透過性とシート抵抗を測定した。この結果を表1に示す。尚、光透過性はサファイア基板のそれを100%とした場合の相対値である。
ITOを形成する際に酸素を導入しなかった場合、焼成の前後で光透過性に著しい差があった。即ち、焼成前では光透過性が65%に留まったが、焼成後は100%となった。一方、シート抵抗は100Ω/□程度で、焼成前後に差はほとんど無かった。
酸素が0.005Pa存在する中でITOを形成した場合、焼成の前後で光透過性に著しい差があった。即ち、焼成前では光透過性が60%に留まったが、焼成後は90%となった。また、シート抵抗は焼成前後に差がほとんど無く、27Ω/□程度であり、改善の余地はあるものの、比較的良好であった。
酸素が0.015Pa存在する中でITOを形成した場合、焼成の前後で光透過性に著しい差があった。即ち、焼成前では光透過性が57%に留まったが、焼成後は88%となった。また、シート抵抗は焼成前後に差がほとんど無く、16Ω/□程度と、極めて良好であった。
酸素が0.06Pa存在する中でITOを形成した場合、光透過性、シート抵抗ともに焼成の前後で差がほとんど無く、極めて良好であった。即ち、光透過性は93%程度、シート抵抗も16Ω/□程度であった。
酸素が0.1Pa存在する中でITOを形成した場合、光透過性、シート抵抗ともに極めて良好であった。即ち、光透過性は焼成の前後で共に96%程度、シート抵抗は焼成前の14Ω/□から8Ω/□と小さくなり、シート抵抗が改善された。
以上の結果は、焼成により、ITOの再結晶が進んだことで光透過性が良くなり、酸素が微量存在する中でITOを形成することで、化学量論的に(ストイキオメトリック的に)理想的なITO組成となることから抵抗値が抑制されるものとして説明することができる。以上の通り、本発明によれば、透光性電極として極めて良好なITO膜を形成することができる。
図1に、本発明の実施例に係る半導体発光素子100の模式的な断面図を示す。半導体発光素子100では、図1に示す様に、厚さ約300μmのサファイヤ基板101の上に、窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約15nmのバッファ層102が成膜され、その上にノンドープのGaNから成る膜厚約500nmの層103が成膜され、その上にシリコン(Si)を1×1018/cm3ドープしたGaNから成る膜厚約5μmのn型コンタクト層104(高キャリヤ濃度n+層)が形成されている。
また、このn型コンタクト層104の上には、シリコン(Si)を1×1017/cm3ドープした膜厚25nmのn型Al0.15Ga0.85Nから成るn型層105が形成されている。更にその上には、膜厚3nmのノンドープIn0.2Ga0.8Nから成る井戸層1061と膜厚20nmのノンドープGaNから成る障壁層1062とを3ペア積層して多重量子井戸構造の発光層106が形成されている。
更に、この発光層106の上には、Mgを2×1019/cm3ドープした膜厚25nmのp型Al0.15Ga0.85Nから成るp型層107が形成されている。p型層107の上には、Mgを8×1019ドープした膜厚100nmのp型GaNから成るp型コンタクト層108を形成した。
又、p型コンタクト層108の上にはITOから成る透光性p電極110が、n型コンタクト層104上にはn電極140が形成されている。透光性p電極110は、p型コンタクト層108に直接接合する膜厚約300nmのITOから構成されている。
厚膜p電極120は、膜厚約30nmのニッケル(Ni)より成る第1層121と、膜厚約1.5μmの金(Au)より成る第2層122と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第3層123とを透光性p電極110の上から順次積層させることにより構成されている。
多層構造のn電極140は、n型コンタクト層104の一部露出された部分の上から、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第1層141と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第2層142とを積層させることにより構成されている。
半導体発光素子は、サファイア基板上にバッファ層102、ノンドープGaN層103、高キャリヤ濃度n+層104、n型層105、発光層106、p型層107、p型コンタクト層108を順にエピタキシャル成長させ、n電極140を形成するためのエッチングを行った後、次のように電極形成を行った。
まず、フォトレジストにより透光性p電極(ITO)110を形成すべき領域を窓としたマスクを形成した後、酸化スズと酸化インジウムの混合物(酸化スズ5%)をターゲットとして、電子線蒸着法により300nmの膜厚のITOから成る透光性p電極110を酸素圧0.06Pa下で形成した。次に、窒素雰囲気下で、600℃、5分間の焼成を行った。この後フォトレジストを除去した。
次に、フォトレジストにより厚膜p電極120を形成すべき領域を窓としたマスクを形成した後、膜厚約30nmのニッケル(Ni)より成る第1層121と、膜厚約1.5μmの金(Au)より成る第2層122と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第3層123とを透光性p電極110の上に順に形成した。この後フォトレジストを除去した。
全く同様に、フォトレジストによりn電極140を形成すべき領域を窓としたマスクを形成した後、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第1層141と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第2層142とを、高キャリヤ濃度n+層103の露出した領域に形成した。この後フォトレジストを除去した。
次に透光性p電極(ITO)110、厚膜p電極120、n電極140を加熱処理した。最後にSiO2から成る保護膜130を形成した。尚、保護膜130は、SiO2に替えてSiNxを用いても良い。
〔比較例〕
上記の実施例において、透光性p電極(ITO)110に替えて、最下層から順に9ÅのCo、29ÅのAu、9ÅのCo、30ÅのAuの4層を積層することにより薄膜透明電極を形成し、厚膜p電極120に替えて最下層から順に、膜厚40nmのAu、膜厚30nmのCr、膜厚650nmのAu、膜厚10nmのAlから形成した比較に係る半導体発光素子を用意し、上記半導体発光素子100と物性を比較した。この際、Agステムに実装し、また透明ペーストで覆った。
Au/Co/Au/Coの4層を積層してアロイ化した透明電極を有する比較に係る半導体発光素子は、駆動電圧が3.15V、光度が77mcd、全放射束が3.4mWであったのに対し、本発明に係る図1の半導体発光素子100は、駆動電圧が3.27V、光度が146mcd、全放射束が7.6mWであった。即ち、Au/Coの薄膜透明電極を有する半導体発光素子に対し、本発明のITOから成る透光性電極を有する半導体発光素子は、駆動電圧にほとんど変化が無く、且つ光度及び全放射束が著しく向上した。
本発明の実施例2に係る半導体発光素子100の構成を示す断面図
符号の説明
100:半導体発光素子
101:サファイヤ基板
102:バッファ層
103:ノンドープGaN層
104:高キャリア濃度n+
105:n型層
106:発光層
107:p型層
108:p型コンタクト層
110:透光性p電極(ITO)
120:厚膜p電極
130:保護膜
140:n電極

Claims (1)

  1. III族窒化物系化合物半導体を積層して形成したn型コンタクト層、n型層、発光層、p型層、p型コンタクト層を有する半導体発光素子の電極の形成方法において、
    前記p型コンタクト層上に形成される前記電極は、酸化インジウムスズ(ITO)から成り、
    当該酸化インジウムスズ(ITO)を、酸素圧0.015Pa 以上0.1Pa 以下の酸素雰囲気下での電子線蒸着法により形成した後、窒素雰囲気中で加熱して、シート抵抗を16Ω/□以下、透明を度88%以上とし、
    前記酸化インジウムスズ(ITO)から成る電極の上に、最下層としてのニッケル(Ni)から成る膜を有するワイヤボンディングのためのパッド電極を形成する
    ことを特徴とする電極の形成方法。
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