WO2007119822A1

WO2007119822A1 - 半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子とそれを備えたランプ

Info

Publication number: WO2007119822A1
Application number: PCT/JP2007/058173
Authority: WO
Inventors: Kenzo Hanawa; Yasunori Yokoyama
Original assignee: Showa Denko K.K.
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2007-10-25
Also published as: EP2012370B1; KR20080108542A; JP5232970B2; JP2007287786A; EP2012370A1; US7935980B2; EP2012370A4; TW200807756A; KR100998822B1; CN101421854B; CN101421854A; US20090173962A1; TWI346397B

Abstract

【課題】本発明は、光の取り出し性が良好で明るく、ボンディング時の電極剥がれを無くすることができる半導体発光素子の提供を目的とする。【解決手段】本発明は、基板１１上にｎ型半導体層１３、発光層１４およびｐ型半導体層１５が積層され、ｐ型半導体層１５上に透光性正極１６が積層されるとともに、該透光性正極１６に正極ボンディングパッド１７が設けられ、前記ｎ型半導体層１３上に負極ボンディングパッド１８が設けられた半導体発光素子１を製造することを特徴とする。

Description

明細書

半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子とそれを備えたランプ技術分野

[0001] 本発明は、窒化ガリウム系等の半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子に係り、特に電極部分の接続抵抗を低くすることが可能な技術の改良に関する。本願 ίま、 2006年 4月 13曰〖こ、曰本【こ出願された特願 2006— 110830号【こ基づさ優先権を主張し、その内容をここに援用する。

背景技術

[0002] 化合物半導体発光素子の一例として、基板上に η型の窒化ガリウム系化合物半導体層と ρ型の窒化ガリウム系化合物半導体層とを積層した構造が知られ、中でも近年、短波長光発光素子として窒化ガリウム (GaN)系化合物半導体発光素子が注目を集めている。この窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、サファイア単結晶をはじめ、種々の酸化物や III V族化合物を基板として、これらの基板上に、有機金属気相化学反応法 (MOCVD法)や分子線エピタキシー法 (MBE法）によって n型や p型の半導体層と発光層を積層して製造される。

[0003] この種の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の特徴として、光取出効率を向上させるため、電極直下の発光層で発光した光が電極に遮られないように、正極として透明電極を用い、正極を透過させた光を効率良く取り出すように構成されて、る。

[0004] また、透明電極力なる従来の透光性の正極は、 Niや Co等の酸化物と、 Au等のコンタクト金属とを組み合わせた薄膜積層構造とされている力近年では ITO (In O

2 3

SnO )等、より導電性の高い透明酸化物導電材料を使用するか、コンタクト金属の

2

膜厚を極力薄くして透光性を高めた層構造のものが正極として採用され、発光層からの光を効率良く外部に取り出す技術が提案されて、る。

[0005] しかし、 ITOなどの透明酸ィ匕物導電材料力もなる透明電極を p型の窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成し、この透明電極上に外部電気接続のためのボンディングパッドを形成すると、透明電極と p型半導体層との間の良好なォーミックコンタクト、並びに高い接合強度を取ることが難しくなり、接続界面での接触抵抗を十分に低くすることが困難となり、結果的に半導体発光素子としての Vf (標準順電圧)が上昇し、輝度が低下してしまう問題があった。また、ワイヤボンディングの際にボンディングパッドに作用する負荷の関係から、透明電極が P型半導体層から剥離する問題も有していた。

[0006] そこで、このような問題を解決するために、図 4に示す構造の如ぐサファイア基板 1 00上に n型半導体層 101を積層し、半導体層 101の上に部分的に p型半導体層 10 3と電極パッド 104を形成し、 p型半導体層 103の上に ITO (インジウムスズ酸化物）製の透明電極 105を形成し、該透明電極 105の一部にコンタクトホール 106を形成し、このコンタクトホール 106を介してボンディングパッド 107を直接 p型半導体層 103 に接続した構造の半導体発光素子 108が知られている。（特許文献 1参照）このようにボンディングパッド 107を直接 p型半導体層 103に接続した構造によれば、ボンディングパッド 107は透明電極 105に対するよりも強い接合強度で p型半導体層 103に接着するため、ボンディング時にワイヤによってボンディングパッド 107を引つ張る力が作用してもボンディングパッド 107が剥離することがない特徴も有している特許文献 1：特開平 7— 94782号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 図 4に示す構造の半導体発光素子 108では、ボンディングパッド 107を p型半導体層 103にォーミックコンタクトしても良いが、ォーミックコンタクトは透明電極 105が得ているので、ボンディングパッド 107が特にォーミックコンタクトしている必要はない。このため、ボンディングパッド 107は透明電極 105と電気的に接触して、 p型半導体層 103に強固に付着してヽれば、どのような材料を使用しても良！、こととなる。

[0008] ところが、透明電極 105にコンタクトホール 106を形成するということは、電流の流れが透明電極 105の全体に広がることを阻害し、輝度低下、 Vf (標準順電圧）上昇の原因となり易い問題がある。

[0009] 更に図 4に示す構造では、特許文献 1の実施例において記述されているように、 98 %以上程度の歩留まりし力得られない問題があり、この種の半導体発光素子を大量生産する場合のボンディングパッドの剥がれの確率は、 ppmオーダーに低下させることが望ましいと思われる。

[0010] 更に、図 4に示す構造においては、透明電極 105の一部を貫通する形のコンタクトホール 106を形成することが必須となり、透明電極 105にコンタクトホール 106を形成するためのフォトリソグラフイエ程が別途必要になるので、工程数が増えるとともに、フオトリソグラフイエ程時に行うエッチングの状況によってはコンタクトホール直下の P型半導体層表面を損傷させるおそれを有して、た。

[0011] また、ボンディングパッド 107を p型半導体層 103に直に接続したとしても、理想的なォーミックコンタクト性を示す接触抵抗となる訳ではなく、更なる接触抵抗の低減、あるいは Vfの低減が望まれて!/、る。

[0012] 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、光の取り出し性が良好で明るぐボンデイング時の電極剥がれを無くすることができる半導体発光素子の提供を目的とする。

[0013] また、本発明は、 ITOなどの透光性酸化物導電材料の透明電極にコンタクトホールを形成してボンディングパッドを p型半導体層に直に接続する構造を採用しなくとも、 P型半導体層上に透光性酸化物導電材料の電極を積層してその上にボンディングノ^ドを積層するという一般的な構造を採用した上で接続する透光性正極のシート抵抗を低減し、半導体発光素子として低ヽ Vfを実現できる技術の提供を目的とする。課題を解決するための手段

[0014] 上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。

(1)本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、 n型半導体層、発光層および P型半導体層が積層され、 p型半導体層上に透光性正極が積層されるとともに、該透光性正極に正極ボンディングパッドが設けられ、前記 n型半導体層上に負極ボンデイングパッドが設けられた半導体発光素子を製造する方法であって、前記 p型半導体層上に透光性酸化物導電材料の透光性正極を化学量論組成よりも酸素不足した状態で形成した後、酸素含有雰囲気中においてァニール処理し、その後、無酸素雰囲気にお、て再ァニール処理することを特徴とする。

(2)化学量論組成よりも酸素が不足した状態が、化学量論組成の酸素濃度に対し、 0. 01原子％〜10原子％の範囲で酸素が不足した状態であることを特徴とする。

(3)本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記半導体層を窒化ガリウム系化合物半導体から構成することを特徴とする。

(4)本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記ァニール処理する以前の成膜したままの状態の前記透光性正極の透過率を 80%〜90%の範囲とし、前記ァニール処理により透過率を向上させ、その後無酸素雰囲気にぉ、て再ァニール処理することを特徴とすることを特徴とする。

(5)本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記再ァニール処理により前記透光性正極のシート抵抗を低減することを特徴とする。

(6)本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記透光性正極を前記 p型半導体層の上面のほぼ全面に形成することを特徴とする。

(7)本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記ァニール処理を 250°C〜600°C の温度範囲で行うことを特徴とする。

(8)本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記再ァニール処理を Nガス雰囲気

2 中にお、て 200°C〜500°Cの温度範囲で行うことを特徴とする。

(9)本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記化学量論組成よりも酸素不足の透光性正極に対して前記ァニール処理と再ァニール処理を施すことにより、前記透光性正極のシート抵抗を 20 Ω Z口以下とすることを特徴とする。

(10)本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記透光性正極を構成する透光性酸化物導電材料として、 ITO (ln O— SnO )、 AZnO (ZnO— Al O )、 IZnO (In

2 3 2 2 3 2

O— ZnO)、 GZO (ZnO— Ga O )からなる少なくとも一種類を選択することを特徴と

3 2 3

する。

(11)本発明の半導体発光素子は、先の（1)〜（10)の、ずれ力 1項に記載の半導体発光素子の製造方法により得られたことを特徴とする。

(12)本発明のランプは、先の（11)に記載の半導体発光素子を備えたことを特徴とする。

(13)本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、 n型半導体層、発光層および p型半導体層が積層され、 p型半導体層上に透光性正極が積層されるとともに、該透光性正極上に正極ボンディングパッドが設けられ、 n型半導体層上に負極ボンディングパッドが設けられた窒化ガリゥム系化合物半導体発光素子であって、前記透光性正極のシート抵抗が 20 Q /U 以下とされてなることを特徴とする。

(14)本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、前記透光性正極が、前記 P型半導体層上に形成された化学量論組成よりも酸素不足状態の透光性酸化物導電材料の透光性正極を酸素含有雰囲気中にぉ、て行う初期ァニール処と無酸素雰囲気中において行う再ァニール処理により、 20 ΩΖ口以下のシート抵抗とされてなることを特徴とする。

(15)本発明のランプは、先の（13)または（14)に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が備えられたことを特徴とする。

発明の効果

[0015] 本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、 p型半導体層上に積層したィ匕学量論組成よりも酸素不足状態の透光性正極を、酸素含有雰囲気中においてァニール処理し、無酸素雰囲気において再ァニール処理することにより、透光性正極の高い透光性と低いシート抵抗、低い標準順電圧 (Vf)、並びに p型半導体層に対する高い接合強度を得ることができる。従って本発明の製造方法により得られる半導体発光素子によれば、高輝度かつ低い Vfを示し、透光性正極の接合強度の高い構造を提供できる。

[0016] 更に本発明の半導体発光素子は、 p型半導体層側を発光観測面として p型半導体層に形成する透光性正極を透光性酸化物導電材料とし、 p型半導体層の上面のほぼ全面に透光性正極を形成し、透光性正極の一部のみにボンディングパッドを形成することにより、シート抵抗の低、透光性正極力 p型半導体層のほぼ全面に電流を均一に流すことができ、透光性正極の透明性を利用して発光を十分に外部に取り出すことができる。また、透光性正極と p型半導体層の接合強度を高め、ボンディングパッドと P型半導体層との接合強度よりも高くすることができるので、ワイヤボンディング時のボンディングパッドの剥離を防止し、大量生産時のボンディングパッド剥がれを極めて少な!/、レベルに抑え、その結果として信頼性に優れた半導体発光素子の構造を提供できる。

図面の簡単な説明

[0017] [図 1]図 1は本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一例を示す断面図。

[図 2]図 2は同窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一例の平面図。

[図 3]図 3は本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を備えた発光装置の一例を示す構成図。

[図 4]図 4は従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一例を示す断面図である。

符号の説明

1 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、

11 基板、

12 ノッファ層、

13 n型半導体層、

14 発光層、

15 P型半導体層、

16 透光性正極、

17 正極ボンディングパッド、、

18 負極ボンディングパッド、、

30 ランプ、

31、 32 フレーム、

33、 34 ボンディングヮ fャ、

35 モールド部、

発明を実施するための最良の形態

[0019] 以下に本願発明について最良の実施形態を基に説明するが、本願発明が以下の実施の形態により制限されるものではない。

[0020] 図 1と図 2は、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第 1の実施形態を示すものである。 [0021] 図 1と図 2に示す、本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 1は、基板 11上にバッファ層 12を介して窒化ガリウム系化合物半導体力もなる、 n型半導体層 1 3、発光層 14および p型半導体層 15がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を基本とし、 p型半導体層 15の上面のほぼ全面に透光性正極 16が積層されるとともに、該透光性正極 16の一部分の上に正極ボンディングパッド 17が設けられ、 n型半導体層 13の一部分の上に負極ボンディングパッド 18が設けられた構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である。

[0022] 前記基板 11は、サファイア単結晶（Al O； A面、 C面、 M面、 R面）、スピネル単結

2 3

晶（MgAl O；)、 ZnO単結晶、 LiAlO単結晶、 LiGaO単結晶、 MgO単結晶などの

2 4 2 2

酸化物単結晶、 Si単結晶、 SiC単結晶、 GaAs単結晶、 A1N単結晶、 GaN単結晶および ZrBなどのホウ化物単結晶の公知の基板材料を含め、半導体発光素子に適用

2

される公知の基板として如何なる基板材料も何ら制限なく用いることができる。これらの中でも、サファイア単結晶および SiC単結晶の基板材料を用いることが好まし、。なお、基板 11の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良、。

[0023] 本実施形態においては、基板 11上に、ノッファ層 12を介して、窒化ガリウム系化合物半導体カゝらなる n型半導体層 13、発光層 14および p型半導体層 15が積層されている。ただし、使用する基板 11や成膜処理時の半導体層のェピタキシャル層の成長条件によっては、ノッファ層 12が不要な場合もある。

[0024] 窒化ガリウム系化合物半導体としては、例えば一般式 Al Ga In N M (0≤X

X Y Z 1 -A A

≤ 1、 0≤Y≤ 1、 0≤Z≤ 1で且つ、 X+Y+Z= 1。記号 Mは窒素（N)とは別の第 V 族元素を表し、 0≤A< 1である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知の窒化ガリウム系化合物半導体を含めて一般式 Al Ga ln N M (0≤X≤ 1、 0≤Y≤ 1、 0≤Z≤ 1で且つ、 X+Y+Z =

X Υ Ζ 1 -A A

1。記号 Μは窒素 (Ν)とは別の第 V族元素を表し、 0≤Α< 1である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体のいずれかを何ら制限なく用いることができる。

[0025] 窒化ガリウム系化合物半導体は、 Al、 Gaおよび In以外に他の III族元素を含有することができ、必要に応じて Ge、 Si、 Mg、 Ca、 Zn、 Be、 P、 Asおよび Bなどの元素を含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。

[0026] これらの窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、 MOCVD ( 有機金属化学気相成長法)、 HVPE (ハイドライド気相成長法)、 MBE (分子線ェピタキシ一法)等、窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点力も MOCVD法である。 MOCVD法では、キャリアガスとして水素（H )または窒素（N )、 III族原料である

2 2

Ga源としてトリメチルガリウム (TMG)またはトリェチルガリウム (TEG)、 A1源としてトリメチルアルミニウム (TMA)またはトリェチルアルミニウム (TEA)、 In源としてトリメチルインジウム (TMI)またはトリェチルインジウム (TEI)、 V族原料である N源としてァンモユア（NH )、ヒドラジン (N H )などが用いられる。

3 2 4

また、ドーパントとしては、 n型には Si原料としてモノシラン（SiH )またはジシラン（Si

4 2

H )を、 Ge原料としてゲルマンガス（GeH )や、テトラメチルゲルマニウム（（CH ) G

6 4 3 4 e)ゃテトラェチルゲルマニウム（（C H ) Ge)等の有機ゲルマニウム化合物を利用で

2 5 4

きる。 MBE法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。 p型には Mg原料としては例えばビスシクロペンタジェ-ルマグネシウム（Cp Mg)またはビス

2

ェチノレシクロペンタジェ-ノレマグネシウム（EtCp Mg)を用いる。

2

[0027] 前記 n型半導体層 13は、通常、下地層、 nコンタクト層および nクラッド層力構成される。 nコンタクト層は下地層および Zまたは nクラッド層を兼ねることができる。

[0028] 下地層は Al Ga N層（0≤x≤ 1、好ましくは 0≤x≤0. 5、さらに好ましくは 0≤x

X 1— X

≤0. 1)から構成されることが好ましい。下地層の膜厚は 0.： L m以上が好ましぐより好ましくは 0. 5 μ m以上であり、 1 μ m以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好な Al Ga N層が得られやすい。

X 1— X

[0029] 前記下地層には n型不純物を 1 X 10¹⁷〜1 X 10¹⁹Zcm³の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（く 1 X 10¹⁷Zcm³)の方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。 n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、 Si、 Geおよび Sn等が挙げられ、好ましくは Siおよび Geである。 [0030] 前記下地層を成長させる際の成長温度は、 800〜1200°Cが好ましぐ 1000〜12 00°Cの範囲に調整することがより好ましい。この温度範囲内で成長させれば、結晶性の良い下地層が得られる。また、 MOCVD成長炉内の圧力は 15〜40kPaに調整することが好ましい。

[0031] nコンタクト層としては、下地層と同様に Al Ga N層（0≤x≤ 1、好ましくは 0≤x

X 1— X

≤0. 5、さらに好ましくは 0≤x≤0. 1)から構成されることが好ましい。また、 n型不純物がドープされていることが好ましぐ n型不純物を 1 X 10¹⁷〜1 X 10¹⁹/cm³、好ましくは 1 X 10¹⁸〜1 X 10¹⁹/cm³の濃度で含有すると、負極との良好なォーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。 n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、 Si、 Geおよび Sn等が挙げられ、好ましくは Si および Geである。成長温度は下地層と同様である。

[0032] 下地層と nコンタクト層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体は同一組成であること力子ましく、これらの合計の膜厚を1〜20 111、好ましくは 2〜15 /ζ πι、さらに好ましくは 3〜 12 /z mの範囲に設定することが好ましい。膜厚がこれらの範囲であると、半導体の結晶性が良好に維持される。

[0033] 前記 nコンタクト層と発光層 14との間には、 nクラッド層を設けることが好ましい。

nクラッド層を設けることにより、 nコンタクト層の最表面に生じた平坦性の悪ィ匕を埋めることできる。 nクラッド層は AlGaN、 GaN、 GalnN等によって形成することが可能である。また、これらの構造のへテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。 GalnNとする場合には、発光層の GalnNのバンドギャップよりも大きくすることが望まし！/、ことは言うまでもな！/、。

[0034] Al Ga _ N障璧層の成長温度は 700°C以上が好ましぐ 800〜： L 100°Cの温度で成長させると結晶性が良好になるため、より好ましい。また、 GalnN井戸層は 600〜 900°C、好ましくは 700〜900°Cの温度で成長させる。即ち、 MQW (多重量子井戸構造)の結晶性を良好にするためには、層間で成長温度を変化させることが好ましい

[0035] p型半導体層 15は、通常、 pクラッド層および pコンタクト層力構成される。しかし、 pコンタクト層が pクラッド層を兼ねてもよ、。 [0036] pクラッド層としては、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなる糸且成であり、発光層へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、 Al Ga N (0< d≤0. 4、好ましくは 0. l≤d≤0. 3)のものが挙げられる。 pクラ d 1 -d

ッド層力このような AlGaN力もなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。 pクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは l〜400nmであり、より好ましくは 5〜： LOOnmである。 pクラッド層の p型ドープ濃度は、 1 X 10¹⁸〜1 X 10²¹/c m³が好ましぐより好ましくは 1 X 10¹⁹〜1 X 10² /cm³である。 p型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好な p型結晶が得られる。

[0037] pコンタクト層としては、少なくとも Al Ga N (0≤e< 0. 5、好ましくは 0≤e≤0. 2 e 1— e

、より好ましくは 0≤e≤0. 1)を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。 A1 組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持および pォーミック電極との良好なォ一ミック接触の点で好まし、。

[0038] また、 p型ドーパントを 1 X 10¹⁸〜1 X 10²¹Zcm³の範囲の濃度で含有していると、良好なォーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましぐより好ましくは 5 X 10¹⁹〜5 X 10²°Zcm³の範囲である。

[0039] p型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくは Mgが挙げられる。

[0040] pコンタクト層の膜厚は、特に限定されないが、 0. 01-0. 5 μ mが好ましぐより好ましくは 0. 1〜0. 2 mである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。

[0041] 透光性正極 16は、少なくとも p型半導体層 15と接する透光性酸化物導電材料の膜力もなる。透光性酸ィ匕物導電材料力もなる透光性正極 16上の一部には、回路基板またはリードフレーム等との電気接続のための正極ボンディングパッド 17が設けられている。

[0042] 透光性正極 16は、 ITO (In O SnO )、 AZnO (ZnO— Al O )

2 3、 IZnO (In O

2 3 2 2 3

ZnO)、 GZO (ZnO— Ga O )からなる少なくとも一種類を含んだ材料を、この技術分

2 3

野でよく知られた慣用の成膜手段で p型半導体層 15上に直接成膜して設けることができる。

[0043] 前記透光性正極 16は、 p型半導体層 15の上面のほぼ全部を覆うように形成して構わな!/、が、 p型半導体層 15の上面周辺部のみ若干除外するように形成することもできる。

また、透光性正極 16の厚さとして 100〜1000nmの範囲（0. 1〜1 mの範囲）を選択できる。 p型半導体層 15の上面のほぼ全部を覆うように透光性正極 16を形成すると、透光性正極 16を介して p型半導体層 15のほぼ全面に均一に電界を印加することが可能となり、 p型半導体層 15の上面ほぼ全面での均一な発光特性を得ることができる上で好ましい。

[0044] 透光性正極 16が lOOnmよりも薄くなると、透光性正極 16自体の抵抗が大きくなる傾向があり、好ましくない。逆に、透光性正極 16が lOOOnmを超える厚さとなると、透光性正極 16自体が透光性になり難くなり、実用的ではない。透光性電極 16がほぼ透明であってほとんど発光性を妨げることがなぐまた抵抗を低くできる実用的な範囲としては、前記の範囲内でも 10nm〜400nmの範囲がより好ましい。

[0045] 本発明では前記透光性正極 16を形成する際、化学量論組成に比べて酸素不足の状態で透光性酸化物導電材料の膜を成膜した後に、ァニール処理 (熱処理)と再ァニール処理を施す。これらの具体的なァニール条件については、後に説明する製造方法において説明する如く特別な条件とする。

[0046] この製造方法により、例えば ITOとして In O—10%SnOの組成比の透光性酸化

2 3 2

物導電材料を適用する場合、そのシート抵抗を 20 Ω Z口以下に調整してォーミックコンタクト性を改善し、シート抵抗の低減化を図り、 p型半導体層 15との接合強度向上もなし得るが、その際の加熱条件等については後に記載する製造方法の説明の欄において詳細に説明する。

[0047] 前記正極ボンディングパッド 17は、透光性正極 16の一部上に設けられている。図 1 と図 2に示す例では、図 1に示す透光性正極 16上の側面視左端部側、図 2に示す透光性正極 16の平面視左端部側のほぼ中央の適切な位置に配されている力これらの配置関係は一例であり、これらの図に示す位置に限定するものではない。

[0048] 正極ボンディングパッド 17の材料としては、 Au、 Al、 Ni、 Cr、 Tiおよび Cu等を用いた導電材料の単層膜あるいは積層構造等、各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。

[0049] 正極ボンディングパッド 17の厚さは、 100〜： LOOOnm (0. 1 μ m〜l μ m)の範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方力ボンダピリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド 17の厚さは 300nm以上とすること力り好ましい。さらに、製造コストの観点から 500nm以下とすることが好ましい。また

、正極ボンディングパッド 17の大きさは、一般的なワイヤボンディング装置でボンディングが可能な大きさであれば良ぐこの実施形態では透光性正極 16の幅の数分の一程度の大きさとされている。

[0050] 前記負極ボンディングパッド 18は、基板 11上に、 n型半導体層 13、発光層 14および P型半導体層 15が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体 1の構造において前記 n型半導体層 13に接するように形成される。

[0051] このため、負極ボンディングパッド 18を形成する際は、発光層 14および p型半導体層 15の一部を除去して n型半導体層 13の nコンタクト層を露出させ、この上に負極ボンデイングパッド 18を形成する。

[0052] 負極ボンディングパッド 18の材料としては、 Au、 Al、 Ni、 Cr、 Tiおよび Cu等を用いた導電材料の単層膜あるいは積層構造等、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。

[窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法]

本発明は、 p型半導体層 15上に設ける透光性正極 16の形成方法とそのァニール処理方法に特徴の 1つを有するので、以下に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法に関連付けて説明する。

く半導体層形成工程〉

まず、基板 11上にバッファ層 12を介して窒化ガリウム系化合物半導体力もなる n型半導体層 13、発光層 14および p型半導体層 15をこの順序で積層する。このような窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造体の形成においては、上述したような、従来より用いられている材質や成長方法を、何ら制限無く用いることができる。

<透光性正極形成工程 >

P型半導体層 15を形成後、その上面のほぼ全面に透光性酸ィ匕物導電材料の透光性正極 16を成膜する。ここで用いる透光性正極 16の構成材料は、 ITO (ln O— Sn O )、 AZnO (ZnO-Al O )、 IZnO (In O ZnO)、 GZO (ZnO— Ga O )などの

2 2 3 2 3 2 3 透光性酸ィ匕物導電材料のいずれかを含んだ材料カゝらなる。

[0053] 本発明に係る透光性酸化物導電材料にお!ヽて、化学量論組成よりも酸素が不足した状態が、化学量論組成の酸素濃度を 100原子％とした場合に対し、 0. 01原子％〜： L0原子％の範囲で酸素が不足した状態であることが好ましい。

[0054] また、本発明に係る透光性酸化物導電材料にお!、て、選択できる ITOの一例として具体的に In O - 10%SnOの糸且成比のものを適用することができる。

2 3 2

[0055] In O— 10%SnOの組成比の ITOに適用した場合、 In O — 10%SnO の

2 3 2 2 3-X 2-y 式で酸素不足分を f列示すると、 0. 001 <X< 0. 2、0. 001 <y< 0. 2の式にて表示できる範囲の不足分であることが望ましい。この不足分で示される範囲であると、概ね成膜したままの ITOの透光性正極 16の透過率は 80〜90%の範囲となる。前述の IT Oの成膜は EB (エレクトロンビーム）を用いた蒸着でも良いし、スパッタでも良い。スパッタの場合の成膜条件は、基板温度 25°C〜300°C、 Arガス圧は 0.2〜2Pa、 ITOスパッタにおいて時々行われる方法に O添加があるが、ここでは O添加は行わない。

2 2

[0056] これらの透光性酸化物導電材料の透光性正極 16を蒸着あるいはスパッタ等の成膜法により製造する場合、成膜雰囲気中に含まれる酸素を少なくすると、酸素不足の膜を形成することができる。また、一般的に ITOなどの透光性酸ィ匕物導電材料の膜にお、ては、成膜時あるいは成膜後にお、て酸素雰囲気中にてァニール処理することで膜中に酸素を供給し、酸素を十分に供給すると透明性がより向上するが、ここでは成膜雰囲気中に酸素を十分に供給することなく化学量論組成よりも酸素が不足した状態の透光性酸化物導電材料膜を形成する。例えば ITOの透光性酸化物導電材料膜であるならば、酸素が不足すると色が黒くなり透過率が低下するが、そのような状態の透光性酸化物導電材料膜、例えば、透過率が 90%以下の透光性酸化物導電材料膜とする。

[0057] 先の成膜工程にぉ、て、透過率 95%以上のように予め高、透光性正極を形成すると、換言すると酸素不足を解消した透過率の高い透明酸化物導電材料膜を形成してしまうと、後工程において酸素含有雰囲気でのァニール処理と無酸素雰囲気中での再ァニール処理を施しても抵抗値が高いレベルに固定されてしまい、例えばシート抵抗値で 50 Ω ,。程度よりも抵抗値を低下させることができなくなる。

[0058] 先の透過率 90%以下の透光性酸化物導電材料膜を成膜したならば、酸素含有雰囲気中において、 20°CZ分〜 500°CZ分の範囲の昇温速度で加熱開始し、 250°C 〜600°Cの範囲の温度で 30秒〜 10分程度保持後、冷却するァニール処理を施す。また、ァニール処理する際の加熱速度は 20°CZ分〜 500°CZ分の範囲の中でも早 V、方が良好な再現性を得る上で好まヽ。

[0059] ここで用いる酸素含有雰囲気とは、 0. 1%〜50%程度が好ましい。雰囲気中の酸素含有量が 0. 1%未満であると透明酸ィ匕物導電材料膜から益々酸素が抜けてしまい、透過率がさらに低下する傾向となる。雰囲気中の酸素含有量が 50%を超えるようであると、透過率は向上するが、透明酸化物導電材料膜の電気抵抗の急激な増大を引き起こすことになる。ァニール温度が 250°C未満であると、透明酸化物導電材料膜の酸化が十分に起こらず、透過率が低いままの状態が維持されてしまう。ァニール温度が 600°Cを超えると p型半導体層 15が酸ィ匕されてしまい、発光しなくなるおそれがある。

[0060] 先の酸素不足状態の透明酸化物導電材料膜に対してァニール処理を施した後、 N雰囲気（無酸素雰囲気）中において再ァニール処理を行う。また、ァニール処理

2

から再ァニール処理を施す際、ァニール処理の加熱終了時に雰囲気を酸素含有雰囲気力無酸素雰囲気 (例えば Nガス雰囲気）に置換し、再ァニール処理に続いて

2

も良いし、一端冷却して常温に戻して力無酸素雰囲気に置換して力再ァニール処理に移行しても良い。

[0061] この 2度目のァニール処理は、透過率を下げることなぐ電気抵抗値のみを下げる目的で行う。例えば、 99. 9%以上で露点 30°C以下の Nガスの雰囲気で処理す

2

ることが望まし、。ここでの再ァニール条件は 200°C〜500°Cの範囲で 1分から 20分の範囲とする。また、再ァニール処理する際の加熱速度は 20°CZ分〜 500°CZ分の範囲の中でも早、方が好まし!/、。

[0062] 以上のような 2段階のァニール処理を行うことにより、透光性正極 16のシート抵抗の低減を図ることができ、具体的には P型半導体層 13上の透明酸ィ匕物導電材料膜を低抵抗でォーミックコンタクト性の良好な透光性正極 16とすることができる。酸化雰囲気と非酸ィ匕雰囲気の 2回ァニールをすることにより、 ITOが緻密化し、機械的強度を上げることができる。これらの条件の組み合わせにより、シート抵抗を 20 ΩΖ口以下にすることができるとともに、標準順電圧 (Vf)を十分に低くすることができる。

[0063] 次に、透光性正極 16の一部上にボンディングワイヤを接続するためにボンディングノ^ド 17を形成することで、図 1に示す構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 1を製造することができる。

[0064] 前記構成の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 1であるならば、透光性正極 16 の上にボンディングパッド 17を直接積層した構造を採用しても良好なォーミックコンタタト性を確保することができ、透光性正極 16のシート抵抗を低くすることができるので、ボンディングパッド 17を介して透光性正極 16から広い面積で p型半導体層 15に電界を確実に印加できるので、 p型半導体層 15から広い面積で均一な発光を得ることができる。また、透光性正極 16と p型半導体層 15との接合強度について言えば、酸化物の方が窒化物よりも強く結合を作ることができるので、十分な強度とすることが可能であり、酸素含有雰囲気中でのァニール処理と無酸素雰囲気中での再ァニール処理の 2段階のァニール処理により、透光性正極 16自身の機械的強度も十分高いものが得られる。また、透光性正極 16とボンディングパッド 17との接合強度は、ボンデイングパッド 17を Cr、 Al、 Tiなどの酸ィ匕物が安定な金属力形成することにより、 p 型半導体層 15に対する透光性正極 16の接合強度よりもより高くすることが可能となる。

[0065] ここで、一般的な方法により形成した酸素不足のない透過率 95%以上の ITOの透光性正極の場合、 p型半導体層 103との接着強度は低ぐシート抵抗も高いので、標準順電圧 (Vf)が上昇してしまう問題を有する。

[0066] これは、 ITO自身が 1種の n型半導体であり通常の ITOでは p型半導体層との界面では pn接合になってしまうので、標準順電圧 (Vf)が上昇してしまうのではないかと考えられる。これに対し本願発明では、透過率 80%〜90%の酸素不足の不完全な IT Oを一端形成し、その後でァニール処理と再ァニール処理を施すことにより、 p型半導体層を構成する P型 GaNと ITOとの間で何らかの導電性ィ匕合物あるいは何らかの導電構造を構成していることが原因と思われる。 [0067] 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 1は、標準順電圧 (Vf)が低ぐまた、光取り出し効率に優れていることから、高効率のランプを実現することが可能となる。

[0068] 以上、説明したような本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 1は、例えば、当業者周知の手段により、透明カバーを設けてランプを構成することができる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 1と、蛍光体を有するカバーとを組み合わせることにより、白色のランプを構成することもできる。

[0069] また、例えば、図 3に示すように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 1は、従来公知の方法を用いてなんら制限無く LEDランプとして構成することができる。ランプとしては、一般用途の砲弾型、携帯のノックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。例えば、フェイスアップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を砲弾型に実装する場合、図示例のように、 2本のフレーム 31、 32の一方に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 1を榭脂などで接着し、正極ボンディングパッド 17及び負極ボンディングパッド 1 8を金等の材質力もなるワイヤー 33、 34用いて、それぞれフレーム 31、 32に接合する。その後、透明樹脂で素子周辺にモールド部 35を形成することにより、砲弾型のランプ 30を作製することができる。

実施例

[0070] 次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではな、。

(窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製）

サファイア力もなる基板 1上に、 A1N力もなるバッファ層 12を介して、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した。この窒化ガリウム系化合物半導体層は、厚さ 8 mのァンドープ GaNからなる下地層、厚さ 2 mの Geドープ n型 GaNコンタクト層および厚さ 0. 02 mの n型 In Ga Nクラッド層がこの順序で積層された n型半導体層 13、

0. 1 0. 9

厚さ 16nmの Siドープ GaN障壁層および厚さ 2. 5nmの In Ga N井戸層を 5回

0. 06 0. 94

積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層 14、および厚さ 0. 01 mの Mgドープ p型 Al Ga Nクラッド層と厚さ 0. 18 mの Mgドープ p型 A1 Ga Nコンタクト層がこの順序で積層された p型半導体層 15からなり、各層をこの順

0. 98

で積層して形成した。光取出面は半導体側とした。

[0071] この構造において、 n型 GaNコンタクト層のキャリア濃度は 1 X 10¹⁹cm_³であり、 Ga N障壁層の Siドープ量は 1 X 10¹⁷cm_³であり、 p型 AlGaNコンタクト層のキャリア濃度は 5 X 10¹⁸cm_³であり、 p型 AlGaNクラッド層の Mgドープ量は 5 X 10¹⁹cm_³であつた。また、窒化ガリウム系化合物半導体層の積層（図 1の符号 12、 13、 14、 15)は、 MOCVD法により製造した。

[0072] そして、この窒化ガリウム系化合物半導体層の積層体に、負極を形成する領域の n 型 GaNコンタクト層を反応性イオンエッチング法により露出させた。この際、まず、レジストを P型半導体層の全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、負極形成領域力もレジストを除去した。そして、真空蒸着装置内にセットして、圧力 4 X 10^_4Pa以下で Niおよび Tiをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約 50 nmおよび 300nmとなるように積層した。その後リフトオフ技術により、負極形成領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。

(透光性正極の形成）

次に、フォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、 p型 AlGaNコンタクト層表面のほぼ全面に In O - 10%SnO の式で示される組成比の ITOからなる透

2 3-X 2-y

光性正極 (電流拡散層）を形成した。透光性正極の形成においては、まず、窒化ガリゥム系化合物半導体層を積層した基板を真空スパッタ装置内に入れ、 p型 AlGaNコンタクト層上に前記組成比の ITOの透光性正極を 1 μ m積層した。この ITOの成膜直後の透過率を表 1に示す。なお、透過率は ITOの化学量論生成からの酸素不足の量に比例して変化するので、透過率が低、ものの方がより酸素が不足して、るものとなる。

[0073] 次に各試料を真空室から取り出した後、以下の表 1に示す 20%酸素含有雰囲気（ 80%N雰囲気）にて表 1に示す各処理温度と各処理時間でァニール処理を施し、

2

次、で N雰囲気中にお!、て表 1に示す各温度と時間で再ァニール処理を施して窒

2

化ガリウム系化合物半導体発光素子を得た。

(ボンディングパッドの形成）次に、正極ボンディングパッド 17および負極ボンディングパッド 18を、以下のような手順で形成した。

[0074] まず、通常、リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに、同様の積層方法により、 ITO膜上の一部に Au力もなる第 1の層、 Tiからなる第 2の層、 A1からなる第 3の層、 Tiからなる第 4の層、 Auからなる第 5の層を順に積層し、 5層構造の正極ボンディングパッド 17を形成した。ここで、 AuZTiZAlZTiZAuカゝらなる各層の厚さは、それぞれ、 50Z20Zl0Zl00Z200nmとした。

[0075] 次に、負極ボンディングパッド 18を、上述した反応性イオンエッチング法により露出した n型 GaNコンタクト層上に、以下の手順により形成した。

[0076] まず、レジストを、 n型 GaNコンタクト層の露出した領域全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、露出した n型 GaNコンタクト層上の負極形成部分力もレジストを除去した。そして、通常用いられる真空蒸着法により、半導体側から順に、 Tiが 100nm、 Auが 200nmの厚さとされた負極ボンディングパッド 18を形成した。その後、レジストを公知の方法により除去した。

[0077] このようにして、正極ボンディングパッドおよび負極ボンディングパッドを形成したゥエーハを、基板 11裏面を研肖研磨することにより、基板 11の板厚を 80 /z mまで薄くして、レーザスクライバを用いて半導体積層側カも鄞書き線を入れた後、押し割って、 350 m角のチップに切断した。

(駆動電圧 (Vf)及び発光出力（Po)の測定）

これらのチップを、プローブ針による通電で電流印加値 20mAにおける標準順電圧 (駆動電圧: Vf)の測定をしたところ表 1に示す結果が得られた。

[0078] また、これらのチップを TO— 18缶パッケージに実装して、テスターによって発光出力を計測したところ、印加電流 20mAにおける発光出力は表 1に示す各値を示した。

[0079] 更に、それら試料の各発光面の発光分布は透光性正極表面の全面で発光しているのが確認できた。また、同様な製造方法にて得られた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 10万個について正極ボンディングパッドにワイヤボンディングした場合の剥離発生数について調査した。更に、透光性正極のシート抵抗を 4端子法で測定し [0080] それらの結果を表 1に示す

[0081] [表 1]

表 1に示す如く透過率 80〜90%の酸素不足の ITOを形成した後、 20%酸素雰囲気中において 250°C〜600°Cの温度範囲で 1〜10分ァニール処理し、 N雰囲気中において 200°Cから 500°Cの温度範囲で 1〜20分再ァニール処理した ITOの透光性正極はシート抵抗が 12〜20ΩΖ口の範囲で低いので、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子としての出力が 11. 9〜12. 7mWと高ぐ標準順電圧 (Vf)が 3. 12V 〜3. 20と低く、 10万個ワイヤボンディングした場合の剥離数も 0になるという、 ppm オーダーを想定できる優れた剥離試験結果を得ることができた。なお、表 1には記載していないが、 20%酸素 80%N雰囲気中にて 1分程度以上のァニール処理を施す

2

ことで酸素不足を解消した ITOの透光性正極はいずれも波長 450ηπ！〜 480nmの青色波長域において透過率 97%以上となるので、透光性に関しては何ら不足は生じない。

[0083] これらに対し、成膜時の透過率を 95%程度に初め力も高めた ITOを備えた試料につ！、ては、初期ァニール処置と再ァニール処理を施してもシート抵抗が下がって！/ヽない。比較例 1は透光性正極に穴をあけてボンディングパッドを p型半導体層に接続形成した例であるが、 2回ァニールしても剥離数が多くなつた。比較例 2はァニールして!、な、試料であるがシート抵抗が高く剥離数も多!、。

[0084] また、透過率を 80%と低くしても、酸素含有量が高すぎる雰囲気にてあるいは酸素含有量が少なすぎる雰囲気にて初期ァニールした比較例 9、 10はシート抵抗が高くなった。

産業上の利用可能性

[0085] 本発明は、窒化ガリウム系等の半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子に適用でき、特に電極部分の接続抵抗を低くすることが可能な技術の改良に適用できる。

Claims

請求の範囲

[1] 基板上に、 n型半導体層、発光層および p型半導体層が積層され、 p型半導体層上に透光性正極が積層されるとともに、該透光性正極に正極ボンディングパッドが設けられ、前記 n型半導体層上に負極ボンディングパッドが設けられた半導体発光素子を製造する方法であって、

前記 P型半導体層上に透光性酸化物導電材料の透光性正極を化学量論組成よりも酸素不足した状態で形成した後、酸素含有雰囲気中においてァニール処理し、その後、無酸素雰囲気において再ァニール処理することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

[2] 化学量論組成よりも酸素が不足した状態が、化学量論組成の酸素濃度に対し、 0.

01原子％〜10原子％の範囲で酸素が不足した状態であることを特徴とする請求項

1に記載の半導体発光素子の製造方法。

[3] 前記半導体層を窒化ガリウム系化合物半導体力構成することを特徴とする請求項 1または 2に記載の半導体発光素子の製造方法。

[4] 前記ァニール処理する以前の成膜したままの状態の前記透光性正極の透過率を 8

0%〜90%の範囲とし、前記ァニール処理により透過率を向上させ、その後無酸素雰囲気において再ァニール処理することを特徴とする請求項 1〜3のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。

[5] 前記再ァニール処理により前記透光性正極のシート抵抗を低減することを特徴とする請求項 1〜4のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。

[6] 前記透光性正極を前記 p型半導体層の上面のほぼ全面に形成することを特徴とする請求項 1〜5のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。

[7] 前記ァニール処理を 250°C〜600°Cの温度範囲で行うことを特徴とする請求項 1〜

6の、ずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。

[8] 前記再ァニール処理を Nガス雰囲気中において 200°C〜500°Cの温度範囲で行

2

うことを特徴とする請求項 1〜7のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。

[9] 前記化学量論組成よりも酸素不足の透光性正極に対して前記ァニール処理と再ァニール処理を施すことにより、前記透光性正極のシート抵抗を 20 Ω Z口以下とすることを特徴とする請求項 1〜8のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。

[10] 前記透光性正極を構成する透光性酸化物導電材料として、 ITO (In O SnO )、

2 3 2

AZnO (ZnO -Al O )、 IZnO (In O — ZnO)、 GZO (ZnO— Ga O )からなる少な

2 3 2 3 2 3

くとも一種類を選択することを特徴とする請求項 1〜9のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。

[11] 請求項 1〜10のいずれか 1項に記載の半導体発光素子の製造方法により得られたことを特徴とする半導体発光素子。

[12] 請求項 11に記載の半導体発光素子を備えたことを特徴とするランプ。

[13] 基板上に窒化ガリウム系化合物半導体力もなる、 n型半導体層、発光層および p型半導体層が積層され、 p型半導体層上に透光性正極が積層されるとともに、該透光性正極上に正極ボンディングパッドが設けられ、 n型半導体層上に負極ボンディングパッドが設けられた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、

前記透光性正極のシート抵抗が 20 Ω Z口以下とされてなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

[14] 前記透光性正極が、前記 p型半導体層上に形成された化学量論組成よりも酸素不足状態の透光性酸化物導電材料の透光性正極を酸素含有雰囲気中において行う初期ァニール処と無酸素雰囲気中において行う再ァニール処理により、 20 Ω /Π 以下のシート抵抗とされてなることを特徴とする請求項 13に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

[15] 請求項 13または請求項 14に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が備えられたことを特徴とするランプ。