JP4493153B2 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、青色領域から紫外光領域において発光可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特にその電極構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5の模式的な断面図において、従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一例における積層構造が示されている(特開平9−129919参照)。この発光素子では、絶縁性のサファイア基板100上において、n型コンタクト層200、発光層300、p型クラッド層400、およびp型コンタクト層410が順に積層されている。p型コンタクト層410の上面の主用部領域には、金属からなる第1のp型電極層500が形成されている。この第1のp型電極層500の上面の第1領域には酸化物を含む透明導電膜からなる第2のp型電極層600が形成され、残りの第2領域にはパッド電極700が形成されている。さらに、異方性エッチングによってn型コンタクト層200の一部が露出され、この露出領域上にn型電極800が形成されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
図5に示されているような発光素子の電極構造においては、第1のp型電極500の上面は第2のp型電極層600またはパッド電極700のいずれかによって覆われている。しかし、第1p型電極500の側面は大気に露出されている。また、p型コンタクト層410の上面は、第1p型電極層500によって覆われていない残りの領域が露出されている。
【0004】
このような電極構造を有する発光素子について本発明者たちが大気中およびモールド樹脂で形成されたランプ状態で通電試験を行なったところ、第1p型電極層500がパラジウム(Pd)を含む場合に、その第1p型電極層の側面とその側面近傍におけるp型コンタクト層410の上面において局所的な隆起部分が発生し、それらの隆起部分は発光領域の暗部となる特有の現象が見出された。すなわち、このような隆起部分は発光領域における発光パターンの不均一性の原因となり、発光素子の信頼性を悪化させる原因となる。また、このような隆起は、p型とn型のパッド電極が互いに発光素子の対角方向に配置されている場合には、それらのパッド電極間の最短距離に沿った電流密度が高い領域に近いほど第1p型電極層の側面とその側面に近いp型コンタクト層410の上面領域において顕著に生じることが見出された。
【0005】
このような本発明者たちが見出した従来の発光素子における課題に鑑み、本発明は、信頼性が高くて低い順方向電圧のもとで発光領域全体で均一に発光し得る窒化物系半導体発光素子を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、窒化物系半導体発光素子は、基板上で積層された少なくとも第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層および第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を含み、その第2導電型半導体層の上面の一部分においてパターニングされたパラジウム(Pd)を含むPd含有電極が形成されており、このPd含有電極の上面と側面、および第2導電型半導体層表面の一部分であってPd含有電極の側面に接する部分が導電性の遮蔽膜によって覆われていて大気またはモールド樹脂から遮蔽されていることを特徴としている。
【0007】
Pd含有電極は透光性電極として形成することができ、導電性遮蔽膜は透明導電体膜で形成することができる。
【0008】
Pd含有電極の上面における一部の領域にパッド電極が形成されてもよく、その場合には、導電性遮蔽膜はそのパッド電極の側面と上面の周辺部をも覆って形成されることが好ましい。
【0009】
Pd含有電極はオーミック性電極として形成することができ、導電性遮蔽膜はパッド電極を兼ねるものとして形成することができる。
【0010】
Pd含有電極は単層または複層の金属薄膜として形成され得る。
導電性遮蔽膜が透明導電体膜で形成される場合には、その厚さは0.1μm以上で30μm以下であることが好ましく、Pd含有電極の側面から5μm以上の幅の領域内において第2導電型半導体層の上面を覆うことことが好ましい。
【0011】
導電性遮蔽膜がパッド電極を兼ねるように形成される場合には、その厚さは0.3μm以上で1.5μm以下の範囲内にあり、Pd含有電極の側面から5μm以上の幅の領域内において第2導電型半導体層の上面を覆うことが好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
前述の図5に示された従来の発光素子の電極構造における問題点を本発明者たちが詳細に検討したところ、Pdを含む第1のp型電極層500の側面とその側面近傍におけるp型コンタクト層410の表面に隆起部分が生じるのは、水素と反応性が高いPdが大気中およびモールド樹脂からの水素、酸素、および湿気を吸収することに起因していると考えられた。本発明者たちが見出した先行技術による発光素子の電極構造における問題点に関するこのような知見に基づいて、本発明の実施の形態による具体例として、いくつかの実施例が以下において説明される。なお、本発明による発光素子において利用される窒化ガリウム系半導体としては、たとえばInxAlyGa1-x-yN(0≦x,0≦y,x+y≦1)を利用することができる。また、半導体発光素子としては、発光ダイオードや半導体レーザが含まれる。
【0013】
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を模式的な断面図で示している。この発光素子は、サファイア基板1、n型窒化ガリウム系化合物半導体層2、窒化ガリウム系化合物半導体発光層3、p型窒化ガリウム系化合物半導体層4、透光性電極5、透明導電体膜6、パッド電極7、Auボンディングワイヤ8、およびn型電極9を含んでいる。
【0014】
図1に示されているような発光素子の製造においては、まずサファイア基板1上に、n型窒化ガリウム系化合物半導体層2、窒化ガリウム系化合物半導体発光層3およびp型窒化ガリウム系化合物半導体層4が公知の方法によって順に堆積される。p型窒化ガリウム系化合物半導体層4上には、厚さ約2nmの透光性Pd電極層5が、真空蒸着法または電子ビーム蒸着法などによって形成される。この透光性Pd電極層5は、フォトレジストを用いる通常のフォトエッチングによって透光性電極5にパターニングされる。
【0015】
透光性電極5の一部領域上には、たとえばメタルマスクを利用して、厚さ約500nmのAu層からなるパッド電極7が形成される。
【0016】
その後、p型半導体層4、透光性電極5、およびパッド電極7のすべての露出表面を覆うように、SnがドープされたIn2O3からなる厚さ約0.5μmの透明導電体膜6が形成される。そして、この透明導電体膜6は、たとえば塩化鉄系のエッチング溶液を用いてパターニングされる。こうしてパターニングされた透明導電体膜6は、透光性電極5の上面のみならず側面をも覆い、さらにその側面から約5μm以上の幅の領域内においてp型化合物半導体層4の上面を覆うとともに、パッド電極7の側面と上面の周縁部の幅約5μm以上の領域を覆っている。
【0017】
次に、レジストをマスクとして用いながらドライエッチングすることにより、n型窒化ガリウム系化合物半導体層2の一部が露出させられる。このn型化合物半導体層2の露出表面上に、n型電極9が形成される。このn型電極9としては、たとえば厚さ約150nmのAl層と厚さ約20nmのTi層の積層が形成され得る。
【0018】
最後に、発光素子と外部との電気的接続を形成するために、パッド電極7の上表面において透明導電体膜6が除去された中央領域にAuボンディングワイヤ8が接続される。同様に、n型電極9上にも、Auボンディングワイヤ8が接続される。
【0019】
こうして形成される図1の発光素子においては、Pd電極5はp型窒化ガリウム系化合物半導体層4に対して良好なオーミック特性を有するとともに、そのきわめて薄い厚さのために透光性であり得る。そして、この透光性Pd電極の上表面と側面のうちでパッド電極7によって覆われていないすべての領域が透光性導電体膜6によって覆われて大気またはモールド樹脂から遮蔽されている。
【0020】
このような図1の発光素子において、大気中およびモールド樹脂で形成されたランプ状態で通電試験を行なったところ、従来の発光素子におけるようにPd電極の側面近傍における隆起部分の発生がなくなり、発光領域の発光パターンが均一になるとともに発光素子の信頼性が高められた。
【0021】
すなわち、図1に示された発光素子においては、透明導電体膜6が透光性Pd電極5の表面を大気またはモールド樹脂から遮蔽して保護するように遮蔽膜として働くことにより、透光性電極5に含まれるPdと大気中およびモールド樹脂からの水素、酸素、および湿気との反応が阻止されることによって、その発光素子の特性の劣化が防止されたものと考えられる。
【0022】
(実施例2)
図2は、本発明の実施例2による窒化ガリウム系化合物半導体素子を模式的な断面図で示している。この発光素子は、n型GaN基板60、n型窒化ガリウム系化合物半導体層2、窒化ガリウム系化合物半導体発光層3、p型窒化ガリウム系化合物半導体層4、透光性電極5、透明導電体膜6、パッド電極7、Auボンディングワイヤ8、およびn型電極9を含んでいる。
【0023】
図2の発光素子の製造においては、まず、n型GaN基板60上において、n型窒化ガリウム系化合物半導体層2、窒化ガリウム系化合物半導体発光層3、およびp型窒化ガリウム系化合物半導体層4が公知の方法によって順次積層される。p型化合物半導体層4上には、厚さ約4nmの透光性Pd電極層5が堆積される。この透光性電極層5は、実施例1の場合と同様にパターニングされる。
【0024】
パターニングされた透光性電極5上には、パッド電極7がメタルマスクを用いて形成される。このパッド電極7は、厚さ約50nmのPd層と厚さ約450nmのAu層の積層として形成される。なお、このパッド電極7は、リフトオフ法を利用して形成されてもよい。
【0025】
次に、p型化合物半導体層4の上面、透光性Pd電極5の露出表面、およびパッド電極7の露出表面を覆うように、SnがドープされたIn2O3からなる厚さ約600nmの透明導電体膜6が堆積される。この透明導電体膜6は、実施例1の場合と同様のエッチングによってパターニングされる。そのパターニングされた透明導電体膜6は、透光性Pd電極5の上表面と側面を覆うのみならず、その側面から幅約5μm以上の範囲内におけるp型化合物半導体層4の上面を覆うとともに、パッド電極7の側面とその上面の周縁から幅約5μm以上の範囲を覆っている。
【0026】
最後に、発光素子と外部との電気的接続を形成するために、パッド電極7の上面において透明導電体膜6によって覆われていない中央領域においてAuボンディングワイヤ8が接続される。他方、導電性のn型GaN基板60の裏面には、n型電極9が形成される。
【0027】
このようにして形成され得る図2の発光素子においても、良好なオーミック特性を有する透光性Pd電極が透明導電体膜6によって大気またはモールド樹脂から完全に遮蔽されて保護されているので、発光領域の発光パターンが均一で、大気中およびモールド樹脂からの水素、酸素、および湿気との反応による素子の発光特性の劣化を生じることがない。
【0028】
(実施例3)
図3は、実施例3による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を模式的な断面図で示している。この発光素子は、n型GaN基板60、n型窒化ガリウム系化合物半導体層2、窒化ガリウム系化合物半導体発光層3、p型窒化ガリウム系化合物半導体層4、p型オーミック電極5、パッド電極7、Auボンディングワイヤ8、およびn型電極9を含んでいる。
【0029】
図3の発光素子の製造においては、まず、n型GaN基板60上に、n型窒化ガリウム系化合物半導体層2、窒化ガリウム系化合物半導体発光層3、およびp型窒化ガリウム系化合物半導体層4が公知の方法によって順次に積層される。p型化合物半導体層4上には、Pdからなる厚さ約14nmのオーミック性電極層5が堆積される。このオーミック性電極層5は、直径約80μmの円形電極にパターニングされる。
【0030】
次に、p型半導体層4の上面とオーミック性電極5の露出表面とを覆うように、Auからなる厚さ約500nmのパッド電極層7が堆積される。このパッド電極層7は、直径約120μmの円形パッド電極にパターニングされる。すなわち、このパッド電極7は、オーミック電極5の上面と側面のみならず、その側面から約20μmの幅内の領域においてp型窒化ガリウム系化合物半導体層4の上面をも覆っている。
【0031】
この発光素子と外部との電気的接続を形成するために、パッド電極7上にAuボンディングワイヤ8が接続される。また、n型GaN基板60の裏面には、n型電極9が形成される。
【0032】
このように形成される図3の発光素子においては、Auからなるパッド電極7がPdを含むオーミック電極5を大気またはモールド樹脂から遮蔽して保護するように作用する。したがって、図3の発光素子においてもオーミック電極5に含まれる大気中およびモールド樹脂からの水素、酸素、および湿気との反応による発光特性の劣化を生じることがない。
【0033】
また、この実施例による発光素子においては、1つのウエハから多数の発光素子のチップを取出せるようにするために、チップの平面形状が200μm角程度に小さくされ得る。このために、p型窒化ガリウム系化合物半導体層4上にはオーミックPd電極5とそれを大気またはモールド樹脂から完全に遮蔽するパッド電極7のみが形成される。すなわち、この実施例ではPd電極5を大気またはモールド樹脂から遮蔽するために透明導電体膜を用いる必要がなく、素子の製造方法がより簡略化され得るという利点をも有している。
【0034】
(実施例4)
図4は、実施例4による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を模式的な断面図で示している。この発光素子は、n型GaN基板60、n型窒化ガリウム系化合物半導体層2、窒化ガリウム系化合物半導体発光層3、p型窒化ガリウム系化合物半導体層4、透光性電極5、透明導電体膜6、パッド電極7、Auボンディングワイヤ8、n型電極9を含んでいる。
【0035】
図4の発光素子の製造工程においては、まず、n型GaN基板60上において、n型窒化ガリウム系化合物半導体層2、窒化ガリウム系化合物半導体発光層3、およびp型窒化ガリウム系化合物半導体層4が公知の方法によって順次堆積される。p型化合物半導体層4上には、Pdからなる厚さ約5nmの透光性電極層5が堆積される。この透光性電極層5は、フォトエッチングによってパターニングされる。
【0036】
その後、p型化合物半導体層4の上面と透光性電極5の露出表面を覆うように、SnでドープされたIn2O3からなる厚さ約600nmの透明導電体膜6が堆積される。この透明導電体膜6は、実施例1の場合と同様のエッチングによってパターニングされる。パターン化された透明導電体膜6は、透光性電極5の上面と側面を覆うのみならず、その側面から幅約15μmの範囲内においてp型化合物半導体層4の上面をも覆っている。
【0037】
次に、透光性電極5の上方に対応する位置において透明導電体膜6上にパッド電極7が形成される。このパッド電極7はAuを用いて約300nmの厚さに形成することができ、フォトリソグラフィを利用してパターニングされる。
【0038】
最後に、発光素子と外部との電気的接続を得るために、パッド電極7上にはAuボンディングワイヤ8が接続される。また、n型GaN基板60の裏面には、n型電極9が形成される。
【0039】
このように形成される図4の発光素子においても、Pdを含む透光性電極5が透明導電体層6によって完全に大気またはモールド樹脂から遮蔽されているので、Pdと大気中およびモールド樹脂からの水素、酸素、および湿気との反応に起因する発光特性の劣化を生じることがない。
【0040】
また、この実施例ではAuパッド電極7の下方に透明導電体膜6と透光性電極5とが形成されているので、パッド電極7の直下で発生した光もパッド電極7によって直接的に遮られることがなく、透光性電極5と透明導電体膜6が介在する空間を通して上方に光が放射され得る。これによって、外部発光効率の優れた発光素子が得られる。
【0041】
なお、上述の種々の実施例において窒化ガリウム系化合物半導体発光素子構造としてホモ構造の発光素子について説明されたが、ダブルヘテロ構造やシングルへテロ構造のような他の種々の構造の発光素子にも適用し得ることは言うまでもない。
【0042】
また、p型オーミック電極5としてPdからなるものが説明されたが、これはPdを含む合金、NiやPtなどとの積層体として形成されてもよいことは言うまでもない。
【0043】
さらに、透明導電体層6の材料として、SnがドープされたIn2O3が説明されたが、SnO2,ZnO,Cd2SnO4,CdSnO3などを用いることもできる。また、In2O3のドーパントとしては、Snの他にW,Mo,Zr,Ti,Sb,Fなどを用いることができる。さらに、SnO2のドーパントとしては、Sb,P,Te,W,Cl,Fなどを用いることができる。さらに、Cd2SnO4のドーパントとしてはTaを用いることができ、ZnOのドーパントとしてはAl,In,B,Fなどを用いることができる。
【0044】
さらに、透明導電体膜6の形成方法としては、蒸着法、スパッタ法、CVD法などを用いることができる。
【0045】
さらに、透明導電体膜6の厚さはPd含有電極5の側面を十分に保護するためには0.1μm以上であることが好ましく、他方、光の透過率を低下させないためには30μm以下であることが好ましい。
【0046】
さらに、Pd含有電極5の側面が露出されている場合にp型化合物半導体層4の上面においてその電極5の側面から幅約5μmの範囲内で大気中およびモールド樹脂からの水素、酸素、および湿気との結合による隆起部分が発生するので、p型化合物半導体層4の上面は電極5の側面から少なくとも幅Wが5μm以上の範囲内が遮蔽膜によって覆われていることが好ましい。
【0047】
実施例4におけるAuパッド電極7の厚さは0.3μmにされたが、これはAu層の厚さが0.3μm以上であればワイヤボンディングのためのパッドとして十分だからである。他方、下層の半導体層にストレスを与えないためには、Auパッド電極7の厚さは1.5μm以下であることが好ましい。
【0048】
なお、Pd含有電極5を大気またはモールド樹脂から遮蔽するために透光性の誘電体絶縁膜を用いることも考えられるが、一般に誘電体絶縁膜の膜質は透明導電体膜6に比較してピンホール密度が約1000倍程大きいので、保護膜として十分ではない。また、透明導電体膜6は、極めて薄いPd含有電極の導電性を補助するためにも好ましい。
【0049】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、Pdを含むp型オーミック電極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、大気中およびモールド樹脂からの水素、酸素、および湿気との反応による発光特性の劣化を防止することができ、良好なオーミック特性と均一な発光パターンを有する信頼性の高い窒化ガリウム系化合物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1による窒化ガリウム系化合物半導体素子の積層構造を示す模式的な断面図である。
【図2】 本発明の実施例2による窒化ガリウム系化合物半導体素子の積層構造を示す模式的な断面図である。
【図3】 本発明の実施例3による窒化ガリウム系化合物半導体素子の積層構造を示す模式的な断面図である。
【図4】 本発明の実施例4による窒化ガリウム系化合物半導体素子の積層構造を示す模式的な断面図である。
【図5】 従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の積層構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
1,100 サファイア基板、60 n型GaN基板、2,200 n型窒化ガリウム系化合物半導体層、3,300 窒化ガリウム系化合物半導体発光層、4,400 p型窒化ガリウム系化合物半導体層、5,500 Pd含有電極、6,600 透明導電体膜、7,700 パッド電極、8 Auボンディングワイヤ、9 n型電極。
Claims (7)
- 基板上において積層された少なくとも第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層および第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を含む窒化物系半導体発光素子であって、
前記第2導電型半導体層の上面の一部分においてパターニングされたパラジウム(Pd)を含むPd含有電極が形成されており、
このPd含有電極の上面と側面、および前記第2導電型半導体層表面の一部分であって前記Pd含有電極の側面に接する部分が導電性の遮蔽膜によって覆われていて大気またはモールド樹脂から遮蔽されていることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。 - 前記Pd含有電極は透光性であり、前記導電性遮蔽膜は透明導電体膜からなることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記Pd含有電極の上面における一部の領域にパッド電極が形成されており、前記遮蔽膜は前記パッド電極の側面と上面の周辺部をも覆っていることを特徴とする請求項2に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記Pd含有電極はオーミック性であり、前記導電性遮蔽膜はパッド電極を兼ねていることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記Pd含有電極は単層または複層の金属薄膜を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれかの項に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記導電性遮蔽膜を構成する前記透明導電体膜の厚さは0.1μm以上で30μm以下の範囲内にあり、前記Pd含有電極の側面から5μm以上の幅の領域内において前記第2導電型半導体層の上面を覆うことを特徴とする請求項2または3のいずれかの項に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記導電性遮蔽膜を兼ねる前記パッド電極は少なくとも金(Au)を含み、その厚さは0.3μm以上で1.5μm以下の範囲内にあり、前記Pd含有電極の側面から5μm以上の幅の領域内において前記第2導電型半導体層の上面を覆うことを特徴とする請求項4に記載の窒化物系半導体発光素子。
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