JP4439271B2

JP4439271B2 - ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子用のｐ型電極とその製造方法

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Publication number: JP4439271B2
Application number: JP2004009388A
Authority: JP
Inventors: 啓史口野
Original assignee: Tottori Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Consumer Electronics Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: JP2005203618A

Description

本発明は、青色発光に好適なIII族窒化物半導体発光素子に係り、特にそのp型電極、ならびにそのp型電極の製造方法に関する。

青色LEDに代表されるIII族窒化物半導体発光素子の用途には、LED照明、フルカラーディスプレイ、自動車用ヘッドランプ、などが挙げられるが、これら用途に用いるためには半導体発光素子の明るさが十分であることが要求される。そのため、活性層で発生した光を効率よく外部に取り出し、ロスを少なくすることがきわめて重要である。

III族窒化物半導体発光素子のp型半導体層はその抵抗が比較的高いためp型半導体層全体に電流が広がり難い。そのためp型半導体層の全面に透明電極が設けられることがある。この透明電極を透過して外に出る光は、透明電極に向かって活性層から出た光のおよそ50%である。光の透過率を高めようと透明電極の厚みを薄くすると、透明電極の抵抗が増し、素子の駆動電圧が高くなり、熱を発生させる要因ともなり、信頼性にも影響を与えてしまう。

結晶成長基板が透明である場合、光を電極面と反対の基板面から取り出すことは、光取り出し効率を高めるために非常に有効な手段であるが、そのためには電極面側で活性層から発生した光を効率よく反射させる必要がある。光反射膜とp型電極を別々に設けることは構造的にも困難であり、p型電極自体が両方の機能を兼ねることが望ましい。

p型窒化物半導体層と良好なオーミック接触が得られる金属材料として、非特許文献１、２に開示のように、Pdがあるが、波長400〜500nmの光に対する反射率が40〜50％と低く、効率よく光を反射させることはできない。

そこで種々の電極材料を検討の結果、Agをp型電極材料に用いると、波長400〜500nmの光に対する反射率が90％前後と光反射率が高くなることが分かった。Agをp型電極材料に用いると、活性層で発生した光を反射させ効率よく外部に取り出すことができるとともに、p型窒化物半導体層と良好なオーミック接触が得られ、p型窒化物半導体層ときわめて良好に電気的に接続し、駆動電圧を上げることなく素子を動作させることができる。
J. K. Kim et al., Appl. Phys. Lett. 73, 2953 (1998) J. L. Lee et al., Appl. Phys. Lett. 74, 2289 (1999)）

しかしながら、p型窒化物半導体層にp型電極材料としてAgを例えば3000Åの厚さで形成し、これを所望のパターンになるようにウエットエッチングしたところ、急激にオーバーエッチングが進んでしまい、電極の密着性が低下して剥がれやすくなる。また、電極を微細加工することが困難になることが分かった。

そこで本発明は、p型窒化物半導体層にp型電極材料としてAgを用いる際に、p型電極材料の剥がれを防止することを課題の1つとする。また、電極の微細加工性を高めることを課題の1つとする。また、p型窒化物半導体層のp型電極材料としてAgを用いることによって、p型窒化物半導体層とのオーミック接触性を高めたり、反射率を高めることを課題の1つとする。

本発明は、請求項１に記載の様に、III族窒化物半導体発光素子のp型半導体層上に形成される電極であって、前記p型半導体層とオーミック接触するための第１のAg層と、該第１のAg層上に配置されたPd、Ti、Ni、Al、Cr、Ptから選択される1種以上の金属から成るバリアメタル層と、該バリアメタル層上に配置された光反射用の第２のAg層と、該第２のAg層上に配置されたPd、Ti、Ni、Al、Cr、Ptから選択される1種以上の金属から成るカバーメタル層を備えることを特徴とする。

前記バリアメタル層の厚さは、前記第１のAg層より薄いことを特徴とする。

前記第２のAg層は波長400〜500ｎｍの光の透過率が10%以下である厚さであることを特徴とする。

前記カバーメタル層の厚さは、前記第２のAg層より薄いことを特徴とする。

前記p型電極は、波長400〜500nmの光を80〜90%反射することを特徴とする。

本発明は、請求項６に記載の様に、III族窒化物半導体発光素子のp型半導体層上に、第１のAg層とPd、Ti、Ni、Al、Cr、Ptから選択される1種以上の金属から成るバリアメタル層と第２のAg層を順次成膜して金属層形成し、前記金属層を選択的にウエットエッチングしてp型半導体層上にp型電極を形成することを特徴とする。また、選択的にウエットエッチングされた後に残る前記第２のAg層を覆うようにPd、Ti、Ni、Al、Cr、Ptから選択される1種以上の金属から成るカバーメタル層を選択的に形成することを特徴とする。

p型窒化物半導体層のp型電極材料として適したAgのオーバーエッチングを抑制することができる。また、p型電極材料の剥がれを防止することができる。また、p型電極材料の微細加工性を高めることができる。また、素子の駆動電圧を下げることができる。また、素子の光反射率を高めることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。尚、図面における寸法は、説明の便宜上実際の寸法と大きく相違させている。図1は本発明が適用されたIII族窒化物半導体発光素子１の断面図である。この窒化物半導体発光素子１は、結晶成長用の基板2の上に、ｎ型窒化物半導体層3とp型窒化物半導体層4を備えている。ｎ型窒化物半導体層3とp型窒化物半導体層4の間に発光層として機能する活性層5を配置している。活性層5は、ｎ型窒化物半導体層、p型窒化物半導体層、あるいはｉ型窒化物半導体層のいずれか１つ、あるいはそれらの選択的な組み合わせによって形成され、例えば、波長400〜500nmの範囲にピーク波長を有する光を発光することができる。

半導体発光素子１は、シングルへテロ構造やダブルへテロ構造の素子とすることができる。ｎ型窒化物半導体層3やp型窒化物半導体層4は、活性層５にキャリアを閉じ込めるためのクラッド層や、光ガイド層、バッファ層、コンタクト層、キャップ層等を選択的に備えることができる。

そして、ｎ型窒化物半導体層3にはｎ型電極６が、p型窒化物半導体層4にはp型電極７がオーミックコンタクトをとって接続されている。p型電極７は、Agを主たる材料として構成され、Ag層の厚さ方向の中間位置にバリアメタルとしてPdが挿入された形態となっている。したがって、p型電極７は、p型窒化物半導体層4側から順に第1のAg層８、バリアメタル９、第２のAg層１０を積層した形態をとっている。

オーバーエッチング防止用のバリアメタルは、反射電極として機能するAg層をその厚さ方向に３等分することによって想定される上中下の３つの領域のいずれかに入るように選択的に配置される。この例では、下領域にPd層が挿入された形態をとっているので、第1のAg層８よりも第２のAg層１０の厚さをかなり厚く設定しているが、上領域にPd層が挿入された形態をとれば、第1のAg層８よりも第２のAg層１０の厚さがかなり薄く設定され、中領域にPd層が挿入された形態をとれば、第1のAg層８と第２のAg層１０の厚さがほぼ同じに設定される。Pd層を複層とする場合は、上記したAg層の上中下の３つの領域の１つに複層のPd層を挿入することもできるし、Ag層の上中下の２以上の領域にPd層を選択的に挿入することもできる。第２のAg層１０の上には、カバーメタルとして機能するPd層１１を備えている。

p型電極７の構造をその製造方法とともに図2を参照して説明する。図2（１）に示すように、最上層にp型窒化物半導体層4を備えたウエハ１２を用意し、p型窒化物半導体層4の表面処理を行う。

表面処理として、例えばフッ酸でp型窒化物半導体層4表面の酸化膜を除去する処理を行う。このフッ酸による処理に先立ち、アセトンにより表面のパーティクルを取り除いた後、硫酸と過酸化水素水の混合溶液で有機汚染物質、重金属を除去する工程を実施することが望ましい。フッ酸による表面浄化後、窒素ブローでウエハ表面の水分を十分取り除く。その後即座に、p型電極材料を成膜する工程を実施する。電極材料の成膜は、ウエハ１２を真空槽に投入し、高真空（5×10^-5Pa以下）で電極材料となる金属を蒸着することによって行われる。

電極材料となる金属を蒸着することによって図２(２)に示すように、p型窒化物半導体層4の全面に、p型窒化物半導体層4側から、Ag/Pd/Agの順に100/10/3000Åの厚さで３層の金属層８，９，１０を連続的に形成した。従ってAg層８，１０の中間に、バリアメタルとしてPd層９が挿入された形態となっている。

最下層の第１のAg層８は、厚さが100Åで、p型窒化物半導体層４とオーミック接触するために設けてある。p型窒化物半導体層に対するAgのオーミック性は、同一条件のPdと同等かPdより良好な特性を示す。

中間のPd層９は、このPd層９がない状態でAg層のみのをウエットエッチングする場合に比べて、中間にPd層を挿入したAg層をウエットエッチングする場合の方が、Ag層のオーバーエッチングが抑制されることが分かったので、ウエットエッチングの際に第２のAg層１０や第１のAg層８のオーバーエッチングを防止するために設けてある。このPd層９の厚さは10Åであり、光透過性電極として機能する。Pd層９はAg層に比べて光吸収率が高いので、厚くし過ぎると光の損失に繋がる。よって、Pd層９はAg層８，１０に比べて薄くしている。Ag層に挿入するPd層９は単層としたが、上述の様に2以上の複層とすることもできる。

また、Pd層９はAg層８に比べてp型窒化物半導体層４に対する密着性に優れるので、第１のAg層がp型窒化物半導体層から剥離するのを防ぐ機能も有する。ここで、Pd層９は第1のAg層８の上にあるが、第1のAg層８が薄い（島状に点在していると考えられる）ので、Ag層８がp型窒化物半導体層から剥離するのを防ぐ機能を有していると考えられる。したがって、このような剥離防止の観点に従えば、Pd層９は第１のAg層８の厚さが第２のAg層１０の厚さに比べて極めて薄くなるような位置（Ag層の下領域）に配置するのが好ましい。

Ag層に挿入するPd層９の厚さは、光透過性、p型窒化物半導体層との密着性、挿入位置、単層か複層かなどを考慮して設定され、10Å以外の厚さにも設定され得る。

最上にある第２のAg層１０の厚さは、活性層で発生した光（波長が４００〜５００ｎｍの光）を効率よく反射させるための厚さに設定され、この例では８０％以上、より好ましくは９０％以上の反射率が得られるように（光透過率が２０％より小さく、より好ましくは１０％より小さくなるように）、第1のAg層８よりも十分に厚く設定され、この例では3000Åとしている。因みに、同じ厚さのPdを反射層に用いた場合の光反射率は４０〜５０％程度である。

次に、図2（３）に示すように、レジスト膜１３で電極パターンを形成し、レジスト膜１３で覆われていない部分の金属層をウエットエッチング剤、例えばNH₃aq5%希釈液でウエットエッチングし、図2（４）に示すように、p型電極７を形成した。メカニズムは不明だが、Ag層のみの金属層をウエットエッチングする場合に比べて、オーバーエッチングが大幅に抑制された。

次に、p型電極７上のレジスト膜１３を除去した後、図2（５）に示すように前記電極パターンとは逆のパターンでリフトオフ用のレジスト膜１４を形成し、図2（６）に示すようにその上から1000Åの厚さでカバーメタルとして機能するPd層１１を成膜した。図2（７）に示すように、レジスト膜１４をその上の金属層とともにリフトオフによって除去し、p型電極最上部にカバーメタル層をリフトオフ法によって形成した。このカバーメタル層１１は、後工程における酸系エッチャントによる清浄、エッチングや、O₂プラズマ処理からAg層を保護するために設けてある。このカバーメタル層１１は、その厚さが厚くなるとその下に位置する金属層に不必要な応力を与えるので、それを防ぐために、第２のAg層１０の厚さよりも薄くしている。

このようにしてp型窒化物半導体層４の上に、p型電極７を予め設定したパターンで形成することができる。

p型電極７形成後、ｎ型電極形成のための工程、例えば、図2（８）に示すように、活性層の下に位置するｎ型窒化物半導体層3を露出するまでp型窒化物半導体層4や活性層５を選択的にエッチングする工程と、露出したｎ型窒化物半導体層3にｎ型電極６を形成する工程が実行される。

ｐｎ電極形成後、ウエハから個々の素子に分割する分割工程が実行され、図1に示すような半導体発光素子が形成される。

半導体発光素子のI-V特性を測定した結果、I_F=20mAに於いてV_F=3.1Vという、良好な低駆動電圧が得られた。光度の測定では、p型電極に透明電極を用いてこの透明電極側から光を取り出す場合に比べて、上記p型電極を反射電極として用い、基板側から光を取り出す場合は約2倍の光度が得られた。p型電極７は、４００〜５００ｎｍの光を８０〜９０％の反射率で反射することができた。

本発明は上記の実施形態に限らず、上記の実施形態以外の構成にも適用することができる。例えば、前記バリアメタルはPd以外にも、Ti、Ni、Al、Cr、Ptから選択される1種以上の金属によって構成することができる。また、前記カバーメタルはPd以外にも、Ti、Ni、Al、Cr、Ptから選択される1種以上の金属によって構成することができる。III族窒化物半導体として、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体を例示することができる。また、基板としては、サファイア基板やＧａＮ系の基板を用いることができるが、それ以外の基板を用いることもできる。ｐ，ｎ型の電極は、基板の一方の側の面に配置しているが、基板として導電性のものを用いる場合や絶縁性の基板に導電性材料による電流の通路を形成する場合は、基板の両方の面に配置することもできる。

半導体発光素子は、基板２側が上でｐ型電極７側が下側になるように表示器に組み込み、ｐ型電極７を反射電極として機能させることによって、基板２側から光を取り出す反射型の発光素子として利用することができる。

銀をp型窒化物半導体層のp型電極材料として用いた半導体素子やその製造方法に適用することができる。特に、青色発光ＬＥＤや青色半導体レーザなどの青色系発光デバイスに適用することができる。

本発明の実施形態を示す半導体素子の断面図である。本発明の実施形態に係る半導体素子（そのp型電極）の製造方法を示す説明図である。

符号の説明

１窒化物半導体発光素子
２基板
３ｎ型窒化物半導体層
４ p型窒化物半導体層
６ｎ型電極
７ p型電極
８第１のAg層
９バリアメタル層
１０第２のAg層
１１カバーメタル層

Claims

III族窒化物半導体発光素子のp型半導体層上に形成される電極であって、前記p型半導体層とオーミック接触するための第１のAg層と、該第１のAg層上に配置されたPd、Ti、Ni、Al、Cr、Ptから選択される1種以上の金属から成るバリアメタル層と、該バリアメタル層上に配置された光反射用の第２のAg層と、該第２のAg層上に配置されたPd、Ti、Ni、Al、Cr、Ptから選択される1種以上の金属から成るカバーメタル層を備えることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子用のp型電極。
前記バリアメタル層の厚さは、前記第１のAg層より薄いことを特徴とする請求項１記載のIII族窒化物半導体発光素子用のp型電極。
前記第２のAg層は波長400〜500ｎｍの光の透過率が10%以下である厚さであることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子用のp型電極。
前記カバーメタル層の厚さは、前記第２のAg層より薄いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子用のp型電極。
前記p型電極は、波長400〜500nmの光を80〜90%反射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子用のp型電極。
III族窒化物半導体発光素子のp型半導体層上に、第１のAg層とPd、Ti、Ni、Al、Cr、Ptから選択される1種以上の金属から成るバリアメタル層と第２のAg層を順次成膜して金属層形成し、前記金属層を選択的にウエットエッチングしてp型半導体層上にp型電極を形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子用のp型電極の製造方法。
選択的にウエットエッチングされた後に残る前記第２のAg層を覆うようにPd、Ti、Ni、Al、Cr、Ptから選択される1種以上の金属から成るカバーメタル層を選択的に形成することを特徴とする請求項６に記載のIII族窒化物半導体発光素子用のp型電極の製造方法。