JP5799354B2

JP5799354B2 - Ｇａ２Ｏ３系半導体素子

Info

Publication number: JP5799354B2
Application number: JP2012183835A
Authority: JP
Inventors: 一ノ瀬　昇; 昇一ノ瀬; 島村　清史; 清史島村; 青木　和夫; 和夫青木; ビジョラエンカルナシオンアントニアガルシア
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JP2013012760A

Description

本発明は、ショットキー特性を有する電極を備えたＧａ_２Ｏ_３系化合物半導体素子に関する。

従来、窒化物半導体、特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体発光素子は、ＬＥＤ、ＬＤ等の発光デバイスに使用されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１には、サファイア基板、バッファ層、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｎ型クラッド層、ｎ型活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層が積層されたＧａＮ系青色発光素子が記載されている。この従来のＧａＮ系青色発光素子は、発光波長３７０ｎｍで発光する。

特許第２７７８４０５号公報（図１）

しかし、従来のＧａＮ系青色発光素子では、バンドギャップの関係でさらに短波長の紫外領域で発光する発光素子を得るのが困難である。そこで、近年、バンドギャップがより大きく、紫外領域で発光する可能性がある物質としてＧａ_２Ｏ_３が期待されている。

従って、本発明の目的は、Ｇａ_２Ｏ_３系化合物を半導体として用い、これに適合したショットキー特性が得られる電極を有するＧａ_２Ｏ_３系半導体素子を提供する。

従って、本発明は、上記目的を達成するため、ｎ型導電性を有するβ−Ｇａ_２Ｏ_３化合物半導体からなるｎ型基板と、前記ｎ型基板上に形成された、少なくとも２５℃においてショットキー特性を有する電極とを備え、前記電極は、Ａｕ、Ｐｔ、あるいはＮｉ及びＡｕの積層体のいずれかによって構成されることを特徴とするＧａ_２Ｏ_３系半導体素子を提供する。

本発明のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子によれば、Ｇａ_２Ｏ_３系化合物半導体に適合したショットキー特性が得られる電極を有することができる。

参考発明の第１の実施の形態に係る発光素子を示す断面図である。参考発明の第２の実施の形態に係る発光素子を示す断面図である。参考発明の第３の実施の形態に係る発光素子を示す断面図である。参考発明の第４の実施の形態に係る発光素子を示す断面図である。参考例１の電流電圧特性図である。参考例２における２５℃での電流電圧特性図である。参考例２における３００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。参考例２における６００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。参考例２における７００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。参考例３における２５℃での電流電圧特性図である。参考例３における８００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。参考例４における２５℃における電流電圧特性図である。参考例４における７００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。参考例４における８００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。参考例５における２５℃での電流電圧特性図である。参考例５における４００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。参考例５における８００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。実施例１における２５℃での電流電圧特性図である。実施例１における１００℃で１０分間保持した後の電流電圧特性図である。実施例１における２００℃で１０分間保持した後電流電圧特性図である。実施例２における２５℃での電流電圧特性図である。実施例２における１００℃で１０分間保持した後の電流電圧特性図である。実施例３における２５℃での電流電圧特性図である。実施例３における１００℃で３０秒間保持した後の電流電圧特性図である。実施例３における１００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。実施例３における２００℃で３０秒間保持した後の電流電圧特性図である。実施例３における２００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。

参考発明を実施するための形態

［第１の実施の形態］
図１は、参考発明の第１の実施の形態に係る発光素子を示す。この発光素子１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３化合物半導体からなるｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２に、β−ＡｌＧａＯ_３化合物半導体からなるｎ型導電性を示すｎ型β−ＡｌＧａＯ_３クラッド層４、β−Ｇａ_２Ｏ_３からなる活性層５、ｐ型導電性を示すｐ型β−ＡｌＧａＯ_３クラッド層６、およびβ−Ｇａ_２Ｏ_３化合物半導体からなるｐ型導電性を示すｐ型β−Ｇａ_２Ｏ_３コンタクト層７を順次積層したものである。

また、この発光素子１は、ｐ型β−Ｇａ_２Ｏ_３コンタクト層７に形成される透明電極８と、透明電極８の一部に形成され、Ｐｔからなる薄膜により形成され、ワイヤ１１が接合部１０によって接続されるパッド電極９と、ｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２の下方に形成されるｎ側電極２０とを備える。

ｎ側電極２０は、例えば、Ｔｉからなる薄膜が形成され、接着剤３１を介して図示していないプリントパターンが形成されたプリント基板３０と接続される。

また、この発光素子１は、接着剤３１あるいは金属ペーストを介してプリント基板３０に搭載され、プリント基板３０のプリント配線に接続される。

この発光素子１を構成する各層４〜７は、金属ターゲットにレーザ光を照射し、例えば、希薄酸素雰囲気下、基板から遊離した金属の膜を基板上に成長させるＰＬＤ（ＰｕｌｓｅｄＬａｓｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成される。

第１の実施の形態によれば、ｎ側電極２０は、ｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２と好ましいオーミック特性を有している。そのため、接触抵抗を小さくすることができるので、電極部分における電流ロスや、ジュール熱の発生等による電極の劣化、化合物半導体レーザやＬＥＤの特性劣化を防ぐことができるという優れた発光特性が得られる。

［第２の実施の形態］
図２は、参考発明の第２の実施の形態に係る発光素子を示す図である。この発光素子１は、第１の実施の形態に係る発光素子１とは、ｎ側電極２０のみが相違する。この発光素子１のｎ側電極２０は、ｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板４の下面に、Ｔｉ層２１を形成し、その下方にＡｕ層２２を形成したものである。Ａｕ層２２の代わりにＰｔ層であってもよい。

第２の実施の形態によれば、ｎ側電極２０は、ｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２と好ましいオーミック特性を有している。そのため、ｎ側電極２０とｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２との接触抵抗を小さくすることができるので、第１の実施の形態と同様に優れた発光特性が得られる。

［第３の実施の形態］
図３は、参考発明の第３の実施の形態に係る発光素子の要部を示す。この発光素子１は、第１の実施の形態に係る発光素子１とは、ｎ側電極２０のみが相違する。この発光素子１のｎ側電極２０は、ｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２の下面にＴｉ層２１、Ａｌ層２３およびＡｕ層２２を順次積層したものである。

第３の実施の形態によれば、ｎ側電極２０は、ｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２と好ましいオーミック特性を有している。そのため、第１の実施の形態と同様に優れた発光特性が得られる。

［第４の実施の形態］
図４は、参考発明の第４の実施の形態に係る発光素子の要部を示す。この発光素子１は、第１の実施の形態に係る発光素子１とは、ｎ側電極２０のみが相違する。この発光素子１のｎ側電極２０は、ｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２の下面にＴｉ層２１、Ａｌ層２３、Ｎｉ層２４およびＡｕ層２２を順次積層したものである。

第４の実施の形態によれば、ｎ側電極２０は、ｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２と好ましいオーミック特性を有している。そのため、第１の実施の形態と同様に優れた発光特性が得られる。

以下、参考発明の参考例について説明する。
（参考例１）

図５は、参考発明の参考例１の電流電圧特性図である。

参考例１は、参考発明の第１の実施の形態の相当し、９９．９９％のＧａ_２Ｏ_３のドーパントを添加していない基板上に形成されたＴｉ層によりｎ電極を形成したものである。基板上にＴｉ層を形成する前にエッチングを行い、基板表面を清浄にした。Ｔｉ層は、１５０Åの膜厚であり、ＰＬＤ法により、出力１００ｍＷでＴｉターゲットに７．５分間レーザを照射することにより形成し、２５℃のときの電流電圧特性を測定した。

参考例１によれば、２５℃においてオーミック特性を示すため、電極部分における電流ロスや、ジュール熱の発生等による電極の劣化、化合物半導体レーザやＬＥＤの特性劣化を防ぐことができるという優れた発光特性が得られる。
（参考例２）

図６は、参考発明の参考例２における２５℃の電流電圧特性図、図７は参考例２における３００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図、図８は参考例２における６００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図、図９は参考例２における７００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。

参考例２は、第２の実施の形態に相当し、９９．９９％のＧａ_２Ｏ_３のドーパントを添加していない基板にＴｉ層およびＡｕ層を積層してｎ電極を形成したものである。参考例１と同様にエッチングを行い、基板表面を清浄にした。Ｔｉ層は１５０Åの膜厚およびＡｕ層は５００Åの膜厚であり、ＰＬＤ法により、出力１００ｍＷでＴｉターゲットに７．５分間およびＡｕターゲットに２５分間レーザをそれぞれ照射することによりそれぞれ形成する。２００ｍｌ／ｍｉｎでＮ_２を流しながら電極を保持し、その保持後の電流電圧特性を測定した。

参考例２によると、２５℃〜６００℃で保持した後の電流電圧特性は、オーミック特性を示す。しかし、７００℃で５分間の保持後は、ショットキー特性を示した。

また、この参考例２によれば、Ｔｉ層およびＡｕ層を形成するだけでオーミック特性を示す。また、電極は、２５〜少なくとも６００℃の範囲においてオーミック特性を示すため、常温から耐熱性を要求される温度までの広い使用条件において使用することができる。
（参考例３）

図１０は、参考発明の参考例３における２５℃での電流電圧特性図、図１１は参考例３における８００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。

参考例３は、第２の実施の形態に相当し、９９．９９％のＧａ_２Ｏ_３のドーパントを添加していない基板に形成されたＴｉ層およびＡｌ層によりｎ電極を形成したものである。実施例１と同様にエッチングを行い、基板表面を清浄にした。Ｔｉ層は１５０Åの膜厚およびＡｌ層は１０００Åの膜厚であり、ＰＬＤ法により、出力１００ｍＷでＴｉターゲットに７．５分間およびＡｌターゲットに５０分間レーザをそれぞれ照射することによりそれぞれ形成する。２００ｍｌ／ｍｉｎでＮ_２を流しながら保持し、その保持した後の電流電圧特性を測定した。

参考例３によれば、２５〜７００℃では良好なオーミック特性を示し、８００℃で保持した後は、電流が流れにくくなっているが、オーミック特性を示している。

また、この参考例３によれば、Ｔｉ層およびＡｌ層を形成するだけでオーミック特性を示す。
（参考例４）

図１２は、参考発明の参考例４における２５℃での電流電圧特性図、図１３は参考例４における７００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図、図１４は参考例４における８００℃で５分間の保持した後の電流電圧特性図である。

参考例４は、第３の実施の形態に相当し、９９．９９％のＧａ_２Ｏ_３のドーパントを添加していない基板に形成されたＴｉ層、Ａｌ層およびＡｕ層によりｎ電極を形成したものである。参考例１と同様にエッチングを行い、基板表面を清浄にした。Ｔｉ層は１５０Åの膜厚、Ａｌ層は１０００Åの膜厚およびＡｕ層は５００Åの膜厚であり、ＰＬＤ法により、出力１００ｍＷでＴｉターゲットに７．５分間、Ａｌターゲットに５０分間およびＡｕターゲットに２５分間レーザをそれぞれ照射することによりそれぞれ形成する。２００ｍｌ／ｍｉｎでＮ_２を流しながら保持し、その保持した後の電流電圧特性を測定した。

参考例４によれば、２５〜７００℃ではオーミック特性を示すが、８００℃以上で保持した後は、ショットキー特性を示す。また、電極は、Ｔｉ層、Ａｌ層およびＡｕ層を形成するだけでオーミック特性を示す。
(参考例５)

図１５は、参考発明の参考例５における２５℃での電流電圧特性図、図１６は参考例５における４００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図、図１７は参考例５における８００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。

参考例５は、第４の実施の形態に相当し、９９．９９％のＧａ_２Ｏ_３のドーパントを添加していない基板に形成されたＴｉ層、Ａｌ層、Ｎｉ層、およびＡｕ層によりｎ電極を形成したものである。実施例１と同様にエッチングを行い、基板表面を清浄にした。Ｔｉ層は１５０Åの膜厚、Ａｌ層は１０００Åの膜厚、Ｎｉ層は４００Åの膜厚およびＡｕ層は５００Åの膜厚であり、ＰＬＤ法により、出力１００ｍＷでＴｉターゲットに７．５分間、Ａｌターゲットに５０分間、Ｎｉターゲットに４０分間およびＡｕターゲットに２５分間レーザをそれぞれ照射することによりそれぞれ形成する。２００ｍｌ／ｍｉｎでＮ_２を流しながら保持し、その保持した後の電流電圧特性を測定した。

参考例５によれば、２５℃および４００℃で保持した後ではオーミック特性を示すが、８００℃で保持した後は、ショットキー特性を示す。また、Ｔｉ層、Ａｌ層、Ｎｉ層、およびＡｕ層を形成するだけでオーミック特性を示す。また、熱処理を行った場合には、２５〜少なくとも４００℃の範囲においてオーミック特性を示すため、常温から耐熱性を要求される温度までの広い使用条件において使用することができる。

以下、本発明の実施例１〜３を説明する。
（実施例１）

図１８は、実施例１における２５℃での電流電圧特性図、図１９は実施例１における１００℃で１０分間保持した後の電流電圧特性図、図２０は実施例１における２００℃で１０分間保持した後の電流電圧特性図である。

実施例１は、９９．９９％のＧａ_２Ｏ_３のドーパントを添加していない基板に、Ｔｉ層の代わりにＡｕ層によりｎ電極を形成したものである。基板上にＡｕ層を形成する前にエッチングを行い、基板表面を清浄にした。Ａｕ層は、ＰＬＤ法により、出力１００ｍＷでＡｕターゲットに２５分間レーザを照射することにより形成する。Ｈ_２の５％雰囲気下、２００ｍｌ／ｍｉｎでＡｒを流しながら熱処理し、保持した後の電流電圧特性を測定した。

実施例１によれば、Ｇａ_２Ｏ_３基板にＴｉ層の代わりにＡｕ層を設けた場合は、ショットキー特性を示し、オーミック特性を示していない。
（実施例２）

図２１は、実施例２における２５℃での電流電圧特性図、図２２は実施例２における１００℃で１０分間保持した後の電流電圧特性図である。

実施例２は、９９．９９％のＧａ_２Ｏ_３のドーパントを添加していない基板に、Ｔｉ層の代わりにＰｔ層によりｎ電極を形成したものである。実施例１と同様にエッチングを行い、基板表面を清浄にした。Ｐｔ層は、ＰＬＤ法により、出力１００ｍＷでＰｔターゲットにレーザを照射することにより形成する。Ｈ_２の５％雰囲気下、２００ｍｌ／ｍｉｎでＡｒを流しながら熱処理し、保持した後の電流電圧特性を測定した。

実施例２によると、Ｇａ_２Ｏ_３基板にＴｉ層の代わりにＰｔ層を設けた場合は、ショットキー特性を示し、オーミック特性を示していない。

図２３は、実施例３における２５℃での電流電圧特性図を示し、図２４は実施例３における１００℃で３０秒間保持した後の電流電圧特性図、図２５は実施例３における１００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図、図２６は実施例３における２００℃で３０秒間保持した後の電流電圧特性図、図２７は実施例３における２００℃で５分間保持した後の電流電圧特性図である。

実施例３は、９９．９９％のＧａ_２Ｏ_３のドーパントを添加していない基板にＴｉ層およびＡｕ層の代わりにＮｉ層およびＡｕ層を積層してｎ電極を形成したものである。実施例１と同様にエッチングを行い、基板表面を清浄にした。Ｎｉ層は４００Åの膜厚およびＡｕ層は５００Åの膜厚であり、ＰＬＤ法により、まずＮｉ層を形成して、次に出力１００ｍＷでＡｕターゲットに２５分間レーザを照射することにより形成する。２００ｍｌ／ｍｉｎでＮ_２を流しながら保持し、その保持した後の電流電圧特性を測定した。

実施例３によれば、Ｔｉ層およびＡｕ層の代わりにＮｉ層およびＡｕ層を設けた場合は、ショットキー特性を示し、オーミック特性を示していない。

なお、本発明は、上記各実施の形態、上記各実施例に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々変更してもよい。

１発光素子
２基板
４ｎ型β−ＡｌＧａＯ_３クラッド層
５活性層
６ｐ型β−ＡｌＧａＯ_３クラッド層
７ｐ型β−Ｇａ_２Ｏ_３コンタクト層
８透明電極
９パッド電極
１０，１２接合部
１１，１３ワイヤ
２０ｎ側電極
２１Ｔｉ層
２２Ａｕ層
２３Ａｌ層
２４Ｎｉ層
３０プリント基板
３１接着剤
４０出射光
４１発光光

Claims

ｎ型導電性を有するβ−Ｇａ_２Ｏ_３化合物半導体からなるｎ型基板と、
前記ｎ型基板上に形成された、少なくとも２５℃においてショットキー特性
を有する電極とを備え、
前記電極は、Ａｕ、Ｐｔ、あるいはＮｉ及びＡｕの積層体のいずれかによって構成されることを特徴とするＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。