JP5227517B2 - 窒化ガリウム系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体素子及びその製造方法に係り、特に、低い接触抵抗と高い反射率を有し、且つ、熱的に安定したＭｅ（＝Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ）／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕオーミック電極を有する窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子及びその製造方法に関する。
近年、白熱灯、蛍光灯、水銀灯などの既存の光源に代えうるということから、窒化ガリウム系半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）への期待が引き寄せられている。これに伴い、高出力ＧａＮ ＬＥＤに関する研究が活発に行われている。通常、ＧａＮ ＬＥＤ薄膜層は、不導体となるサファイア基板の上に成長されるため、ＬＥＤ素子は水平構造を有している。このため、高出力動作に際し、電流拡散抵抗が大きくて動作電圧が高くなり、光出力が下がるという欠点がある。また、素子の動作時に生じる熱がサファイア基板から円滑に除去できず、素子の熱安定性が低下する。
この欠点を克服して高出力ＧａＮ ＬＥＤを実現する方法の一つが、フリップチップパッケージである。フリップチップ構造においては、ＬＥＤの活性層からの光がサファイア基板を通って上方に出射されるため、透明電極に代えて厚いｐ型オーミック電極の使用が可能になり、その結果、電流拡散抵抗を低めることができる。このとき、ｐ型オーミック電極として用いられる物質は、光の吸収が低く、反射率が高いことが必要である。銀（Ａｇ）又はアルミニウム（Ａｌ）などの反射率が９０％を超える金属は、ほとんど仕事関数が小さいため、ｐ型ＧａＮオーミック電極の接合金属としては不向きである。一方、ＩｎＧａＮ ＬＥＤ素子と関連し、既存のｐ型透明電極に比べて高反射率のｐ型オーミック電極に関する研究はあまり行われていないのが現状である。
最近発表された研究結果によると（例えば、下記の非特許文献１参照）、既存のＮｉ／Ａｕ透明電極の上にＡｌとＡｇ反射膜を蒸着する場合、青色領域において７０％以上の反射率を得ることができる。ところが、１００℃以上の温度において電極の特性が急激に低下するという欠点がある。
Appl. Phys. Lett. vol. 83，p.311(2003)
Appl. Phys. Lett. vol. 83，p.311(2003)
そこで、本発明は、前記欠点を解消するために、熱的安定性と接触抵抗特性が改善され、且つ、反射率の極大化されたオーミック電極を提供し、これを素子に適用して素子の性能を高めることのできる窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子及びその製造方法を提供することをその目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明による窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子は、窒化ガリウム系半導体層と、前記窒化ガリウム系半導体層の上に設けられたオーミック電極層と、を備え、前記オーミック電極層は、接触金属層、反射金属層及び拡散防止層を有することを特徴とする。
また、前記オーミック電極層は、少なくとも１層のボンディング金属層を更に有する。更に、前記オーミック電極層は、前記接触金属層、前記反射金属層、前記拡散防止層及び前記ボンディング金属層が順次に積層されてなる。更に、前記接触金属層は、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｏ、Ｏｓ、Ｒｅ及びＲｈのうち少なくとも１種を含んでなる。更に、前記反射金属層は、Ａｌ、Ａｇを含んでなる。更に、前記拡散防止層は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｖ、Ｔａ、Ｗ、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）、ＲｕＯ２、ＶＯ２、ＭｇＯ、ＩｒＯ２、ＲｅＯ２、ＲｈＯ２、ＯｓＯ２、Ｔａ２Ｏ３及びＷＯ２のうち少なくとも１種を含んでなる。更に、前記ボンディング金属層は第１のボンディング金属層及び第２のボンディング金属層を含んでなり、前記第１のボンディング金属層は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｖ及びＴａのうち少なくとも１種から形成され、前記第２のボンディング金属層は、Ａｕ、Ｐｄ及びＰｔのうち少なくとも１種を含んでなる。
上記の目的を達成するために、本発明による窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子の製造方法は、基板上にＰＮ接合構造を持つ窒化ガリウム系半導体層を設けるステップと、前記半導体層の上に接触金属層、反射金属層及び拡散防止層を含むオーミック電極層を設けるステップと、を含むことを特徴とする。
ここで、前記オーミック電極層を設けるステップは、前記半導体層の上に前記接触金属層、前記反射金属層及び前記拡散防止層を順次に設けるステップと、熱処理工程を施すステップと、前記拡散防止層の上にボンディング金属層を順次に設けるステップと、を含む。また、前記オーミック電極層を設けるステップは、前記半導体層の上に前記接触金属層、前記反射金属層、前記拡散防止層及びボンディング金属層を順次に設けるステップと、熱処理工程を施すステップと、を含む。更に、前記熱処理工程に際しては、５〜１００％の酸素を含む雰囲気下、１００〜７００℃の温度下で約１０〜１００秒間急速熱処理を施す。
下部コンタクト及び反射のための金属層とボンディングのための金属層との間に拡散防止層を設けると、オーミック電極層の接触抵抗の低減及び反射率の向上を両立することができる。本発明によれば、接触金属層、反射金属層を設けた後、ボンディングのための金属層を設ける。ところが、所定の熱処理工程を経ると、ボンディングのための金属層が下部層に拡散して下部接触金属層及び反射金属層の特性を悪化させてしまう。このため、反射金属層を設け、次いで拡散防止層を設けた後に、酸素雰囲気下で熱処理を行うことにより、下部金属層を保護できる膜が得られる。即ち、拡散防止層をＲｕから形成する場合、Ｒｕを反射金属層の上に設け、酸素雰囲気下で熱処理を施すと、ＲｕがＲｕＯ２となり、反射金属層を効率よく保護することが可能になる。
本発明の上述した、及びその他の特徴と利点は、添付図面と結び付けて行われる実施の形態の詳細な説明から一層明らかになる。
以下、添付図面に基づき、反射金属層をＡｇから形成し、拡散防止層をＲｕから形成し、第１のボンディング金属層をＮｉから形成し、第２のボンディング金属層をＡｕから形成するオーミック電極層と、このオーミック電極層を有する窒化ガリウム系化合物半導体素子及びその製造方法について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるオーミック電極の構造を概略的に示す断面図である。
図１に示すように、基板１１の上にｎ型窒化ガリウム層１２、活性層１３及びｐ型窒化ガリウム層１４が順次に形成されており、前記ｐ型窒化ガリウム層１４の上の所定の部分に金属電極／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕ金属層１５、１６、１７、１８、１９を順次に蒸着してオーミック電極層を設ける。前記オーミック電極層の全体の厚さは３００Å〜２３０００Åにするが、２０００Å〜５０００Åにすることが好ましい。ここで、接触金属層１５は５Å〜５００Åの厚さに形成するが、２００Å以内に形成することが好ましい。また、接触金属層１５は、多層の薄膜に形成しても良い。Ａｇ層１６は１００Å〜９０００Åの厚さに形成するが、１０００Å〜２０００Åに形成することが好ましい。Ｒｕ層１７は５０Å〜１０００Åの厚さに形成するが、１００Å〜８００Åに形成することが好ましい。Ｎｉ層１８は１００Å〜３０００Åの厚さに形成するが、１０００Å以内に形成することが好ましい。Ａｕ層１９は１００Å〜９０００Åの厚さに形成するが、１０００Å以内に形成することが好ましい。上記の接触金属層１５の厚さは、光の吸収量を制御するために、上述の厚さ範囲内に留める。
上記の接触金属層１５としては、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｏ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈのうちいずれか１種の金属、又は異なる２種の金属を交互に用いる。好ましくは、Ｎｉ、Ｉｒ及びＰｔが積層された金属を用いる。
前記多層のオーミック電極を設ける一方法によれば、サファイア基板の上にｎ型窒化ガリウム層１２、活性層１３及びｐ型窒化ガリウム層１４を順次に設け、前記ｐ型窒化ガリウム１４を誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によりメサエッチングした後、表面処理、リソグラフィ工程、金属薄膜蒸着及びリフトオフ工程を行うことにより、所定の金属電極パターンを製造する。ｐ型窒化ガリウム層１４の表面処理は、王水（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝３：１）水溶液にｐ型窒化ガリウム層１４を１０分間浸漬した後、脱イオン水による洗浄、窒素による乾燥過程を順次に行うことにより行う。
金属の蒸着に先立ち、塩酸と脱イオン水を１：１にて混ぜ合わせた溶液に金属を１分間浸漬して表面処理を施した後、電子線蒸着装置（e-beam evaporator）に装入し、金属電極／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕ（Ｍｅ＝Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ）層１５、１６、１７、１８、１９を順次に蒸着してオーミック電極を設ける。次いで、前記オーミック電極を、急速熱処理装備を用いて、酸素雰囲気又は酸素を５％以上含む雰囲気下、１００〜７００℃において１０秒以上熱処理する。即ち、好ましくは、５〜１００％の酸素を含む雰囲気下、１００〜７００℃の温度で約１０〜１００秒間熱処理する。その後、電気的な特性を測定してオーミック電極の接触抵抗を計算する。
好ましくは、ｐ型窒化ガリウム層１４の上に接触金属層（Ｍｅ＝Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ）１５、Ａｇ層１６、Ｒｕ層１７を順次に蒸着する。次いで、酸素雰囲気下で熱処理を行う。このとき、反射金属層としてのＡｇ層１６の上に拡散防止層としてのＲｕ層が形成されており、熱処理時にＡｇ層１６が拡散若しくは酸化される現象を防ぐことができる。次いで、Ｒｕ層１７の上にＮｉ層１７及びＡｕ層１８を蒸着してオーミック電極を設ける。
また、接触金属層（Ｍｅ＝Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ）１５、Ａｇ層１６、Ｒｕ層１７、Ｎｉ層１７及びＡｕ層１８を順次に設けた後、酸素雰囲気下で熱処理を行い、密なオーミック電極を設けることができる。オーミック電極の形成後、所定のパターニング工程を行うことにより、ｐ型窒化ガリウム層１４上のオーミック電極を目的とするパターンにできる。もちろん、ｎ型窒化物層の上に上述のオーミック電極を設けることもできる。
前記窒化ガリウム系III-V族化合物半導体は、特に、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮよりなる群から選ばれる１種以上であることが好ましく、前記基板は、サファイア基板、シリコーンカーバイド（ＳｉＣ）基板、シリコーン（Ｓｉ）基板、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）基板、ガリウム砒素化物（ＧａＡｓ）基板又はガリウムリン化物（ＧａＰ）基板であることが好ましく、特に、サファイア基板であることがより好ましい。
図２は、５００℃の酸素、窒素雰囲気下でそれぞれ２分間熱処理を施したときにおける、Ｍｅ（＝Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ）／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕのｐ型電極の電流−電圧曲線を示す。窒素雰囲気下での熱処理と比べて、酸素雰囲気下での熱処理後では、電流−電圧特性が大幅に向上され、オーミック特性を示すことになる。
図３は、酸素雰囲気下での熱処理時における、温度によるＭｅ（＝Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ）／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕと既存のＮｉ（２００Å）／Ａｕ（１０００Å）ｐ型オーミック電極の接触抵抗の変化を示すグラフである。
図示するように、５００℃における熱処理後に、７×１０−５Ωcm２の低い接触抵抗値を得ることができた。ここで注目すべき点は、高温下での熱処理に際して、既存のＮｉ／Ａｕ電極の接触抵抗は急増するのに対し、Ｍｅ／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕ電極については、接触抵抗の増加が相対的に緩やかであるということである。
これは、本発明により開発されたＭｅ／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕの多層ｐ型オーミック電極が熱的安定性に極めて優れていることを裏付ける。
図４は、Ｍｅ／Ａｇ、Ｍｅ／Ａｇ／Ｒｕ、Ｍｅ／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕオーミック電極と既存のＮｉ／Ａｕのｐ型オーミック電極の光の波長による反射率の測定結果を示す。４７０nm波長において測定された光の反射率は、Ｍｅ／ＡｇとＭｅ／Ａｇ／Ｒｕの場合に７５％に過ぎないのに対し、Ｍｅ／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕの場合には９０％と低い反射率を示している。ここで注目すべき点は、既存のＮｉ／Ａｕオーミック電極は、その反射率が５０％に過ぎないことである。これは、本発明によるＭｅ／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕのｐ型電極がフリップチップＬＥＤの高反射率の電極として極めて有効であることを端的に示している。
図５は、５００℃において２分間熱処理を施した後、２次イオン質量分析法を用いてＩｒ／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕオーミック電極を深さ方向に分析した結果を示す。
窒素雰囲気下での熱処理と比べて、酸素雰囲気下での熱処理後では、ガリウムの外部拡散が極めて活発に行われることは、酸素雰囲気下での熱処理後にＧａＮと金属との界面にガリウムの空き空間が一層多く生成できることを意味する。ガリウムの空き空間は、ホールを生成するアクセプターの役割を果たすため、酸素雰囲気下での熱処理後に接触抵抗が一層低下することができた。窒素と酸素の雰囲気下での熱処理後にも、Ａｇ層の表面に外部拡散が行われなかったことは、Ｒｕ層がＡｇの拡散防止膜の役割をしていることを裏付けており、酸素による熱処理後にＡｇＯが生成されなかったことは、Ａｇ層が反射層としての自分の役割を果たしていることを意味する。この理由から、本発明によるオーミック電極を通じて、高い光反射率と優れた熱的安定性を得ることができた。
図６は、Ｍｅ／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／ＡｕとＮｉ／Ａｕのｐ型オーミック電極を用いて製作された３００μm×３００μmのＩｎＧａＮフリップチップ型ＬＥＤの動作電圧と光出力を示すグラフである。挿図は、製作されたＬＥＤの光の測定方法を模式的に示している。２０mA電流を印加したときにおけるＬＥＤの動作電圧は３．７３Ｖから３．６５Ｖへと下がり、光出力は１６から３１へと大幅に高くなっている。このため、既存のＮｉ／Ａｕ電極に代えて、Ｍｅ／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕの高反射率のオーミック電極を用いる場合、窒化ガリウム系III-V族化合物の半導体ＬＥＤ素子の特性を大幅に高めることが可能になる。
図７及び図８は、Ｍｅ／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／ＡｕとＮｉ／Ａｕのｐ型オーミック電極を用いて製作された３００μm×３００μmのＩｎＧａＮ垂直型構造のＬＥＤの動作電圧と光子量を示すグラフである。図７には、垂直構造型ＬＥＤの断面構造が示してあり、図９には、製作された垂直構造型ＬＥＤ写真が示してある。
Ｍｅ／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕの高反射率のオーミック電極を用いる場合、図７及び図８に示すように、２０mA電流を印加したときにおけるＬＥＤの動作電圧は約０．１Ｖ下がり、光出力は約３０％高くなっている。
従って、上述のごとく、本発明のＭｅ（＝Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ）／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕのオーミック電極は、酸素による熱処理後に低い接触を示すと共に、優れた熱的安定性と９０％までの高反射率を示している。このＭｅ／Ａｇ／Ｒｕ／Ｎｉ／Ａｕのオーミック電極を用いることにより、信頼性の改善された窒化ガリウム系III-V族化合物の半導体素子が得られるというメリットがある。
以上、実施の形態を挙げて本発明による窒化ガリウム系化合物半導体素子及びその製造方法について説明したが、これらは単なる例示的なものに過ぎず、本発明は上記の実施の形態に何ら限定されるものではない。また、特許請求の範囲において請求したように、この技術分野における通常の知識を持った者であれば、本発明の要旨から逸脱しない限り、本発明の種々の実施の形態が可能な範囲まで本発明の技術的な精神があると言える。
Claims (8)
- 窒化ガリウム系半導体層と、
前記窒化ガリウム系半導体層の上に設けられたオーミック電極層と、を備え、
前記オーミック電極層は、接触金属層と、反射金属層と、拡散防止層と、少なくとも１層のボンディング金属層とを有し、
前記反射金属層は、前記接触金属層及び前記拡散防止層の間に配置され、前記接触金属層及び前記拡散防止層と直接接触し、
前記接触金属層は、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｖ、Ｏｓ、Ｒｅ及びＲｈからなる群のうち少なくとも１種を含んでなり、
前記ボンディング金属層は第１のボンディング金属層及び第２のボンディング金属層を含んでなり、前記第１のボンディング金属層は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｖ及びＴａからなる群のうち少なくとも１種から形成され、前記第２のボンディング金属層は、Ａｕ、Ｐｄ及びＰｔからなる群のうち少なくとも１種を含んでなり、
前記第１のボンディング金属層は前記接触金属層と同じ物質を含むこと
を特徴とする窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子。 - 前記オーミック電極層は、前記接触金属層、前記反射金属層、前記拡散防止層及び前記ボンディング金属層が順次に積層されてなる請求項１記載の窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子。
- 前記反射金属層は、Ａｌ、Ａｇを含んでなる請求項１または２に記載の窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子。
- 前記拡散防止層は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｖ、Ｔａ、Ｗ、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）、ＲｕＯ２、ＶＯ２、ＭｇＯ、ＩｒＯ２、ＲｅＯ２、ＲｈＯ２、ＯｓＯ２、Ｔａ２Ｏ３及びＷＯ２ からなる群のうち少なくとも１種を含んでなる請求項１または２に記載の窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子。
- 基板上にＰＮ接合構造を持つ窒化ガリウム系半導体層を設けるステップと、
前記半導体層の上に接触金属層と、反射金属層と、拡散防止層とを含むオーミック電極層を設けるステップと、を含み、
前記反射金属層は、前記接触金属層及び前記拡散防止層の間に配置され、前記接触金属層及び前記拡散防止層と直接接触し、
前記オーミック電極層は少なくとも１層のボンディング金属層を有し、
前記接触金属層は、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｖ、Ｏｓ、Ｒｅ及びＲｈからなる群のうち少なくとも１種を含んでなり、
前記ボンディング金属層は第１のボンディング金属層及び第２のボンディング金属層を含んでなり、前記第１のボンディング金属層は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｖ及びＴａからなる群のうち少なくとも１種から形成され、前記第２のボンディング金属層は、Ａｕ、Ｐｄ及びＰｔからなる群のうち少なくとも１種を含んでなり、
前記第１のボンディング金属層は前記接触金属層と同じ物質を含むこと
を特徴とする窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子の製造方法。 - 前記オーミック電極層を設けるステップは、
前記半導体層の上に前記接触金属層、前記反射金属層及び前記拡散防止層を順次に設けるステップと、
熱処理工程を施すステップと、
前記拡散防止層の上にボンディング金属層を順次に設けるステップと、を含む請求項５記載の窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子の製造方法。 - 前記オーミック電極層を設けるステップは、
前記半導体層の上に前記接触金属層、前記反射金属層、前記拡散防止層及びボンディング金属層を順次に設けるステップと、
熱処理工程を施すステップと、を含む請求項５記載の窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子の製造方法。 - 前記熱処理工程に際しては、５〜１００％の酸素を含む雰囲気下、１００〜７００℃の温度下で約１０〜１００秒間急速熱処理を施す請求項５ないし７のいずれかに記載の窒化ガリウム系III-V族化合物半導体素子の製造方法。
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