WO2006011362A1

WO2006011362A1 - 窒化物半導体装置

Info

Publication number: WO2006011362A1
Application number: PCT/JP2005/012900
Authority: WO
Inventors: Hidekazu Aoyagi; Tetsuji Matsuo; Tetsuji Moku; Mikio Tazima
Original assignee: Sanken Electric Co., Ltd.
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2006-02-02
Also published as: CN100449694C; JP2006041284A; US20070114515A1; CN1973360A; JP4386185B2; TW200608609A

Abstract

　本発明に従う窒化物半導体発光装置は、シリコン基板（１）と、この上に配置された発光機能を有する主半導体領域（３）と、主半導体領域（３）の上に配置されたｐ型半導体層（８）とから成る。主半導体領域（３）はｎ型半導体層６と活性層７とｐ型半導体層８とから成る。光透過性電極１０はＡｇ合金から成る。光透過性電極１０のＡｇ合金には酸化又は硫化を抑制するための添加元素が混入されている。添加元素が混入されたＡｇ合金は安定性が高く、且つ光透過性及びオーミック性において優れている。

Description

明細書

窒化物半導体装置

技術分野

[0001] 本発明は半導体発光素子、電子デバイス等の窒化物半導体装置に関する。

背景技術

[0002] 窒化ガリウム（GaN)等の窒化物半導体を使用した発光ダイオードの光透過性電極として厚さ 20nm以下の銀 (Ag)電極を設けることが日本の特開平 11 186599号公報 (以下、特許文献 1と言う。に開示されている。銀電極は、窒化物半導体に対して比較的良好にォーミック接触する。また、銀電極は抵抗率が比較的大きい p型窒化物半導体に対しても比較的良好にォーミック接触する。また、銀電極の厚さを 20η m以下にすると 350〜600nm程度の波長を有する光を透過させることができるので、銀電極を光透過電極として使用することができる。特に 400nm以下の波長に対して比較的大きな透過率 (例えば 60%以上)を示す。窒化物半導体発光装置においては、光取り出し側電極に対してォーミック性と光透過性との両方が要求されるので、銀電極は光取り出し側電極として好適なものである。また、光を放射しない FET (電界効果トランジスタ)等の窒化物半導体装置の電極にはォーミック性のみが要求される力銀電極はこの要求に応えることができる。

[0003] ところで、銀電極は 10〜100°C程度の比較的低い温度において化学的に不安定であって、酸化及び硫化し易い。また、銀電極を蒸着で形成する時に銀が島状に凝集することがある。銀電極が酸化又は硫化すると、窒化物半導体と銀電極との接触抵抗が増加し、半導体装置の電気的特性が低下する。

特許文献 1：特開平 11― 186599号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 本発明が解決しょうとする課題は、窒化物半導体装置の電極を容易に安定性良く形成できない点である。従って、本発明の目的は、電極を容易且つ安定性良く形成することができる窒化物半導体装置を提供することにある。課題を解決するための手段

[0005] 上記課題を解決するための本発明は、窒化物半導体領域と、該窒化物半導体領域の主面に形成された電極とを有し、前記電極が、 Agと、 Au、 Cu、 Pd、 Nd、 Si、 Ir 、 Ni、 W、 Zn、 Ga、 Ti、 Mg、 Y、 In及び Snから選択された少なくとも 1つの添カ卩元素との合金即ち Ag合金力成ることを特徴とする窒化物半導体装置に係わるものである。

[0006] なお、前記 Agに対する前記添加元素の割合は、 0. 5〜： LO重量％であることが望ましい。

また、窒化物半導体領域と、該窒化物半導体領域の主面に形成された電極とを有し、前記電極が、 Agと、 Cu、 Au、 Pd、 Ir及び Mから選択された少なくとも 1つの第 1 の添加元素と、 Nd、 Si、 W、 Zn、 Ga、 Ti、 Mg、 Y、 In及び Snから選択された少なくとも 1つの第 2の添加元素との合金であることが望ましい。

また、前記 Agに対する前記第 1の添加金元素の割合は 0. 5重量％よりも大きく且つ 10重量％よりも小さい値であり、前記 Agに対する前記第 2の添加元素の割合は 0 . 5重量％よりも大きく且つ 10重量％よりも小さい値であり、前記 Agに対する前記第 1 及び第 2の添加元素の合計の割合が 0. 5〜： LO重量％であることが望ましい。

また、前記窒化物半導体領域は半導体発光素子を形成するための複数の半導体層を含み、前記電極は前記複数の半導体層の内の光取り出し面側の半導体層に形成され、且つ光を透過させることができる厚さに形成されて、ることが望ま、。

発明の効果

[0007] 本発明によれば、添加元素の作用によって銀の酸ィ匕又は硫ィ匕又はこれ等の両方を防止することができ、窒化物半導体に対する接触抵抗の小さ！ヽ電極を容易に形成することがでさる。

図面の簡単な説明

[0008] [図 1]図 1は本発明の実施例 1に従う半導体発光素子を示す断面図である。

[図 2]図 2は本発明の実施例 2に従う半導体発光素子を示す断面図である。

[図 3]図 3は本発明の実施例 3に従う半導体発光素子を示す断面図である。符号の説明

[0009] 1 基板

3 主半導体領域

4 アノード電極

5 力ソード電極

10 Ag合金から成る光透過性電極

発明を実施するための最良の形態

[0010] 次に、図 1〜図 3を参照して本発明の実施形態に係わる半導体発光装置を説明する。

実施例 1

[0011] 図 1に示す本発明の実施例 1に従う半導体発光装置は、導電性を有するシリコン基板 1と、バッファ層 2と、発光機能を有している主半導体領域 3と、第 1の電極としてのアノード電極 4と、第 2の電極としての力ソード電極 5とから成る。主半導体領域 3はダブルへテロ接合構造の発光ダイオードを構成するために、一般に n型クラッド層と呼ばれている n型半導体層 6と、活性層 7と、一般に p型クラッド層と呼ばれている p型半導体層 8とを有している。なお、ノッファ層 2も主半導体領域 3の一部と考えることもできる。主半導体領域 3の詳細は後述する。

[0012] シリコン基板 1は、例えば、 5 X 10¹⁸cm— ³〜5 X 10¹⁹cm— ³の例えば n型不純物濃度を有し、且つ 0. 0001〜0. 01 Ω 'cmの抵抗率を有し、アノードの電極 4と力ソード電極 5との間の電流通路として機能する。このシリコン基板 1は、ノッファ層 2、主半導体領域 3を機械的に支持するために好ましくは 300〜 1000 mの厚みを有する。

[0013] シリコン基板 1の一方の主面上に周知の気相成長方法によって形成された n型バッファ層 2は、例えば A1Nと GaNとを複数回繰返して配置した多層積層構造バッファであることが望ましい。

[0014] ダブルへテロ接合構造の発光ダイオードを構成する主半導体領域 3はバッハァ層 2 の上に周知の気相成長法によって形成されている。バッハァ層 2の直ぐ上に形成された n型半導体層 6は、例えば

化学式 Al In Ga Nゝ

Ι ここで x及び yは 0≤x< 1、

0≤y< l、を満足する数値、

で示される窒化物半導体に n型不純物をドーピングしたものであることが望ましぐ n 型 GaNであることがより望ま U、。

[0015] n型半導体層 6の上の活性層 7は、例えば

化学式 Al In Ga Nゝ

Ι

ここで X及び yは 0≤x< 1、

0≤y< l、を満足する数値、

で示される不純物非ドープの窒化物半導体であることが望ましく、 InGaNであること力り望ましい。なお、図 1では活性層 7が 1つの層で概略的に示されている力実際には周知の多重量子井戸構造を有している。勿論、活性層 7を 1つの層で構成することもできる。また、活性層 7を省いて n型半導体層 6を p型半導体層 8に直接に接触させる構成〖こすることもできる。また、この実施例では活性層 52に導電型決定不純物力 Sドーピングされて、な、が、 p型又は n型不純物をドーピングすることができる。

[0016] 活性層 7の上に配置された p型半導体層 8は、例えば、

化学式 Al In Ga Nゝ

Ι

ここで X及び yは 0≤x< 1、

0≤y< l、を満足する数値、

で示される窒化物半導体に P型不純物をドーピングしたものであることが望ましぐ P 型 GaNであることがより望ま U、。

[0017] アノード電極 4は光透過性電極 10とパッド電極 11とカゝら成る。光透過性電極 10は、発光機能を有する主半導体領域 3の主面即ち窒化物半導体力成る p型半導体層 8 の主面 12の実質的に全部を覆っており、 p型半導体層 8にォーミック接触 (低抵抗接触）している。光透過性電極 10は活性層 7から放射した光を透過させる機能と p型半導体層 8に対してォーミック接触する機能を有する。 p型半導体層 8の主面 12の全部又は大部分に光透過性電極 10が設けられているので、平面的に見てパッド電極 11 よりも外周側の主半導体領域 3に電流を流すことができる。

[0018] 光透過性とォーミック性との両方を得るために光透過性電極 10は銀 (Ag)を主成分とする合金即ち Ag合金によって形成され且つ 400〜600nmの波長の光を透過させることが可能な l〜20nmの厚さを有する。光透過性電極 10を形成するための Ag合金は、

Ag 90〜99. 5重量⁰ /₀

添加元素 0. 5〜10重量％

力成ることが望ましい。

[0019] 前記添加元素は Ag又は Ag合金の酸ィ匕又は硫ィ匕又はこれらの両方の抑制機能を有するものであって、 Cu (銅）、 Au (金）、 Pd (パラジウム）、 Nd (ネオジゥム）、 Si (シリコン）、 Ir (イリジウム）、 Ni (ニッケル）、 W (タングステン）、 Zn (亜鉛）、 Ga (ガリウム）、 Ti (チタン）、 Mg (マグネシウム）、 Y (イットリウム）、 In (インジウム）、及び Sn (スズ)から選択された 1つ又は複数であることが望ましい。

酸化と硫化との両方を抑制するために前記添加元素として Au (金）が使用される。酸化を抑制するために Cu (銅）、 Au (金）、 Pd (パラジウム）、 Ir (イリジウム)及び Ni ( ニッケル)から選択された 1つ又は複数の第 1の添加元素が使用される。

硫ィ匕を抑制するために Au (金）、 Nd (ネオジゥム）、 Si (シリコン）、 W (タングステン）、 Zn (亜鉛）、 Ga (ガリウム）、 Ti (チタン）、 Mg (マグネシウム）、 Y (イットリウム）、 In (インジゥム)及び Sn (スズ)力選択された 1つ又は複数の第 2の添加元素が使用される。酸化と硫化との両方を抑制するために上記第 1の添加元素と第 2の添加元素両方が使用される

もし、 Ag又は Ag合金力も成る光透過性電極 10の酸ィ匕又は硫ィ匕又はこれ等の両方が生じると、光透過性電極 10と主半導体領域 3との間のォーミック接触が悪くなり、ァノード電極 4と力ソード電極 5との間の順方向電圧降下が大きくなる。

上記添加元素の内の In (インジウム）、 Sn (スズ）、 Ti (チタン）、 Pd (パラジウム）及び Ni (ニッケル)から選択された 1つ又は複数を使用すると、光透過性電極 10と主半導体領域 3及びパッド電極 11との間の密着性が改善される。従って、密着性の改善が要求される時には、酸ィ匕又は硫ィ匕の抑制のための元素の他に上記の密着性の改善効果を有する元素を Agに対して添加する。

[0020] Ag合金おける Agに対する添加元素の割合が増大すると、酸化又は硫化の抑制効果、及び銀の蒸着時に生じる虞のある銀の島状凝集の抑制効果が増大する。しかし

、添加元素の割合が増大すると、光透過性電極 10と主半導体領域 3との間の接触抵抗が増大する。従って、本発明の Ag合金を使用した時の光透過性電極 10と主半導体領域 3との間の接触抵抗が、従来の光透過性電極として Agのみを使用する時に生じる酸化又は硫化を伴った光透過性電極と主半導体領域との間の接触抵抗と同一又はこれよりも小さくなるように添加元素の割合を決定することが望ま、。

[0021] 前記接触抵抗と前記コストとの!/ヽずれか一方又は両方を考慮して Agに対する添加元素の割合を 0. 5〜： L0重量％にすることが望ましい。添加元素の割合が 0. 5重量％よりも少なくなると、所望の酸ィ匕又は硫ィ匕の抑制効果を得ることが困難になり、 10重量 %よりも大きくなると所望値以下の接触抵抗を得ることが困難になる。添加元素のより好ましい割合は 1. 5〜5重量％であり、最も好ましい割合は 3. 5〜4. 5重量％である

[0022] 光透過性電極 10として Auを 4重量％含む Ag合金を p型半導体層 8の上に周知の方法で蒸着し、パッド電極 11を形成した後に 500°Cの熱処理を施して図 1に示す半導体発光装置を完成させ、この半導体発光装置に 30mAの順方向電流を流した時のアノード電極 4と力ソード電極 5との間の順方向電圧を測定したところ、 3. 5Vであつた。

また、 Cuを 2重量％、 Znを 2重量％含む Ag合金を使用して上記の Auを含む Ag合金の場合と同様に光透過性電極 10を形成し、同様に順方向電圧を測定したところ、 3. 6Vであった。

また、 Cuを 4重量％含む Ag合金を使用して上記の Auを含む Ag合金の場合と同様に光透過性電極 10を形成し、同様に順方向電圧を測定したところ、 3. 55Vであった。また、 Znを 4重量％含む Ag合金を使用して上記の Auを含む Ag合金の場合と同様に光透過性電極 10を形成し、同様に順方向電圧を測定したところ、 3. 65Vであった比較のために Agのみで光透過性電極を上記の Auを含む Ag合金の場合と同様に形成し、順方向電圧を測定したところ、 3. 7Vであった。

また、比較のために Ag層の上に ΉΟ層を設けた光透過性電極を上記の Auを含む Ag 合金の場合と同様に形成し、順方向電圧を測定したところ、 3. 8Vであった。

[0023] アノード電極 4におけるパッド電極 11は、図示されていないワイヤ等の接続部材をボンディングする部分であって、光透過性電極 10の上に形成された Ti (チタン)層 11 aとこの Ti (チタン）層 1 laの上に形成された Au (金）層 1 lbとから成る。パッド電極 11 は光非透過であるので、光透過性電極 10からの光の取り出しを妨害しないように例えば平面形状四角形の光透過性電極 10の中央の一部分のみに配置されている。光透過性電極 10はパッド電極 11に電気的に接続されてヽるので、主半導体領域 3のパッド電極 11に対向する部分の外周側にも電流を流すために機能する。

[0024] 力ソード電極 5はシリコン基板 1の下面 13に設けられており、シリコン基板 1にォーミック接触している。なお、力ソード電極 5をシリコン基板 1又はバッファ層 2又は n型半導体層 6の上面に設けることもできる。

[0025] アノード電極 4と力ソード電極 5との間に順方向電圧を印加すると、活性層 7から光が光透過性電極 10側と力ソード電極 5側との両方向に放射される。活性層 7から光透過性電極 10側に放射された光はパッド電極 11で覆われて、な、部分から外部に取り出される。活性層 7から力ソード電極 5側に放射された光は力ソード電極 5で反射されて光透過性電極 10側に戻り、外部に取り出される。

[0026] 本実施例は次の効果を有する。

(1)光透過性電極 10を構成する Ag合金の添加元素の作用によって銀の酸ィ匕又は硫化又はこれ等の両方又は蒸着時の銀の凝集を防止することができ、窒化物半導体に対する接触抵抗の小さヽ電極を容易に形成することができる。

(2)光透過性とォーミック性との両方が良好な光透過性電極 10を提供できる。

(3)特許文献 1には、 Ag電極の安定ィ匕を図るために、 Ag電極の上に TiO層を設け

2 ることが開示されている。このように安定化のための ΉΟ層を設けると、このための特

2

別な工程が必要になり、発光ダイオードの製造コストの増大を招く。これに対して、本実施例では Agの安定ィ匕のための特別な層を設けることが不用であるので、発光ダイオードの製造コストの低減が可能になる。

実施例 2

[0027] 次に、図 2を参照して本発明の実施例 2に係る半導体発光素子を説明する。但し、図 2及び後述の図 3において、図 1と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

[0028] 図 2の実施例 2に係る半導体発光素子は図 1のバッファ層 2を省き、 n型半導体層 6とシリコン基板 1との間に光反射層 20を設け、この他は図 1と実質的に同一に形成したものである。光反射層 20は実施例 1の光透過性電極 10と同一の Ag合金で形成することが望ましい。しかし、光反射層 20を Ag又は別な金属又は半導体多層構造の光反射層に置き換えることができる。ここでの光反射層 20は図 2で鎖線で区画して示す主半導体領域 3側の Ag合金力もなる第 1の貼合せ層 20aと基板 1側の Ag合金力もなる第 2の貼合せ層鎖線 20bとを例えば 250〜400°Cの熱処理を伴って熱圧着することによって形成されてヽる。この熱圧着時にお!、て Ag又は Ag合金材料を相互に拡散するので、この熱圧着による接合を拡散接合と呼ぶことができる。

[0029] 光反射層 20は、ここでの光の透過を阻止するために 50nm以上の厚さを有することが望ましい。また、基板 1に対する主半導体領域 3の貼付け機能を良好に得るために光反射層 2の厚みを 80nm以上にすることが望ましい。しかし、光反射層 2の厚さが 1 500nmを越えると光反射層 20にクラックが発生する。従って、光反射層 20の好ましヽ if!み ίま 50〜1500nm、より女子まし!/ヽみ i¾80〜1000nmである。

[0030] 活性層 7から光反射層 20側に放射された光は光反射層 20で主半導体領域 3の主面 12側に反射されて外部に取り出される。

[0031] 図 2の実施例 2に係る半導体発光素子は実施例 1と同様に光透過性電極 10を有するので、実施例 1と同一の効果を有する他に、光反射層 20による光の取り出し効率の増大の効果を有する。

また、実施例 2に係る半導体発光素子は、半導体発光素子の特性及び製造コストにお、て、日本の特開 2002— 217450号公報に示されて、る従来の半導体発光素子よりも優れている。即ち、日本の特開 2002— 217450号公報に示されている従来の半導体発光素子では、光反射層と主半導体領域との間にコンタクト用合金層が分散配置されている。これに対して、実施例 2に係る半導体発光素子は従来の半導体発光素子のコンタクト用合金層に相当するものを有さない。このため、光反射層 20を主半導体領域 3及びシリコン基板 1の主面の実質的に全体に接触させることができる。従って、本実施例の半導体発光素子は、前記特開 2002— 217450号公報のものよりも大きい光反射量を有し、且つ小さい順方向電圧を有する。また、前記特開 200 2- 217450号公報に示されて、るコンタクト用合金層に相当するものを設けな!/、分だけ、製造コストの低減を図ることができる。

また、光透過性電極 10と光反射層 20とを同一の Ag合金で形成することにより、製造コストの低減を図ることができる。

実施例 3

[0032] 図 3に示す実施例 3の半導体発光素子は、図 1に電流ブロック層 21と保護膜 22とを追カ卩し、この他は図 1と同一に構成したものである。この電流ブロック層 21はパッド電極 11の直下において光透過性電極 11と主半導体領域 3の一方の主面 12との間に配置されている。もし、電流ブロック層 21が設けられていない場合には、活性層 7 のパッド電極 11に対向する部分に電流が流れ、ここ力光が放射されても、この光は光非透過性のパッド電極 11によって遮られる。従って、活性層 7のパッド電極 11に対向する部分に流れる電流は光取り出しに寄与しない電流である。このため、活性層 7 のパッド電極 11に対向する部分の電流を抑制することが発光効率の向上に重要である。図 3の電流ブロック層 21はシリコン酸ィ匕物等の絶縁膜から成り且つ主半導体領域 3の一方の主面 12のパッド電極 11の対向領域に配置されているので、上述の発光に寄与しない電流を抑制し、主半導体領域 3の外周側部分の電流を増大させて発光効率を高めるために寄与する。電流ブロック層 21は平面的に見て、即ち主半導体領域 3の一方の主面 12に対して垂直な方向から見て、パッド電極 11の内側の少なくとも一部を含むパターンに形成される。

[0033] 図 3の保護膜 22は、絶縁膜から成り、主半導体領域 3及びバッファ層 2の側面を覆つている。この保護膜 22は電流ブロック層 21と同一の絶縁物で形成することができる

[0034] 実施例 3の半導体発光素子は、実施例 1と同一の効果を有する他に、電流ブロック層 21と保護膜 22の効果も有する。

[0035] 図 3の電流ブロック層 21及び保護膜 22を図 2の半導体発光素子に設けることもできる。本発明は上述の実施例に限定されるものでなぐ例えば次の変形が可能なものである。

(1)トランジスタ、 FET, 高電子移動度トランジスタ即ち HEMT (High Electron Mobilit y Transistor)半導体レーザ、フォトディテクタ、太陽電池等の別の窒化物半導体装置の電極にも本発明に従う Ag合金を使用することができる。

(2) 光反射層 20と n型半導体層 6との間に AlInGaN等力成るバッファ層を介在させることができる。

(3) シリコン基板 1の代りに導電性を有する SiC基板、金属基板等の別の導電性基板又はサファイア等の絶縁基板を使用することができる。

(4) 基板 1を金属基板とする場合には、これを電極として使用して第 2の電極 5を省くことができる。

(5) 主半導体領域 3の各層の導電型を各実施例と逆にすることができる。

(6) 図 2において基板 1を Ag又は Ag合金と拡散接合することができる金属で形成し、基板 1側の貼合せ層 20bを省くことができる。

(7) 図 1及び図 3においてシリコン基板 1と力ソード電極 5との間に周知に光反射層を配置することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 窒化物半導体領域と、該窒化物半導体領域の主面に形成された電極とを有し、前記電極力 Agと、 Au、 Cu、 Pd、 Nd、 Si、 Ir、 Ni、 W、 Zn、 Ga、 Ti、 Mg、 Y、 In及び Sn 力も選択された少なくとも 1つの添加元素との合金カゝら成ることを特徴とする窒化物半導体装置。

[2] 前記 Agに対する前記添加元素の割合は、 0. 5〜10重量％であることを特徴とする請求項 1記載の窒化物半導体装置。

[3] 窒化物半導体領域と、該窒化物半導体領域の主面に形成された電極とを有し、前記電極が、 Agと、 Cu、 Au、 Pd、 Ir及び Mから選択された少なくとも 1つの第 1の添カロ元素と、 Nd、 Si、 W、 Zn、 Ga、 Ti、 Mg、 Y、 In及び Snから選択された少なくとも 1つの第 2の添加元素との合金であることを特徴とする窒化物半導体装置。

[4] 前記 Agに対する前記第 1の添加元素の割合は 0. 5重量％よりも大きく且つ 10重量％よりも小さい値であり、前記 Agに対する前記第 2の添加元素の割合は 0. 5重量 %よりも大きく且つ 10重量％よりも小さい値であり、前記 Agに対する前記第 1及び第 2の添加元素の合計の割合が 0. 5〜 10重量％であることを特徴とする請求項 3記載の窒化物半導体装置。

[5] 前記窒化物半導体領域は半導体発光素子を形成するための複数の半導体層を含み、前記電極は前記複数の半導体層の内の光取り出し面側の半導体層に形成され、且つ光を透過させることができる厚さに形成されていることを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれか 1つに記載の窒化物半導体装置。