JP2000164928A

JP2000164928A - 半導体発光素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000164928A
Application number: JP33457498A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Okazaki; 崎治彦岡; Chiharu Nozaki; 崎千晴野; Chisato Furukawa; 川千里古
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2000-06-16
Anticipated expiration: 2018-11-25
Also published as: JP3739951B2

Abstract

(57)【要約】【課題】良好なオーミック特性がえられ、信頼性も改
善された半導体発光素子及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。【解決手段】ｐ型コンタクト層と接触するコンタクト
金属として、銀、または、銀と金との混合物のいずれか
を用いることにより、ｐ型コンタクト層とのオーミック
接触を大幅に改善することができる。また、素子のｎ側
において、ｎ側コンタクト金属層の上にタングステン層
を設けることにより、バリア効果を維持しつつ、オーミ
ック接触を改善することができる。さらに、ｐ側コンタ
クト電極層を形成した後に還元性雰囲気で熱処理を施す
ことによりオーミック接触を改善することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子及
びその製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、基
板上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮなどの窒化物系
半導体層などが積層された発光素子であって、接触抵抗
が低く信頼性も良好な電極を有する半導体発光素子及び
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウムに代表される窒化物系半導
体を用いることにより、紫外光から青色、緑色の波長帯
の発光素子が実用化されつつある。

【０００３】なお、本願において「窒化物系半導体」と
は、Ｂ_xＩｎ_yＡｌ_zＧａ_(1-x-y-z)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦
ｙ≦１、０≦ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含
み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎに加えてリン（Ｐ）
や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。

【０００４】窒化物系半導体を用いて発光ダイオード
（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を形成するこ
とにより、これまで困難であった発光強度の高い紫外
光、青色光、緑色光等の発光が可能となりつつある。ま
た、窒化物系半導体は、結晶成長温度が高く、高温度下
でも安定した材料であるので電子デバイスヘの応用も期
待されている。

【０００５】以下、窒化物系半導体を用いた半導体素子
の一例として発光素子を例に挙げて説明する。

【０００６】図８は、窒化物系半導体を用いた従来の発
光ダイオードの構造を表す概略断面図である。サファイ
ア基板１０１の上に、ＧａＮバッファ層（図示せず）、
ｎ型ＧａＮ層１０２とｐ型ＧａＮ層１０６が結晶成長さ
れ、ｐ型ＧａＮ層１０６の一部がエッチング除去されて
ｎ型ＧａＮ層１０２が露出されている。ｐ型ＧａＮ層６
の上にはｐ側透明電極（Ａｕ）１２１、とｐ側ボンディ
ング電極の下に電流阻止用の絶縁膜１１３、その上にｐ
側透明電極１２１と接続されたｐ側ボンディング電極１
２３（Ｔｉ／Ａｕ）が形成され、さらにｎ型ＧａＮ層上
にｎ側電極１２２（Ａｌ／Ａｕ）を形成されている。

【０００７】図８の発光ダイオードにおいては、ｐ側電
極から流された電流は導電性の良い透明電極１２１で面
内方向に拡げられ、ｐ型ＧａＮ層１０６からｎ型ＧａＮ
層１０２に電流が注入されて発光し、その光は透明電極
１２１を透過してチップ外に取り出される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図８に例示し
たような従来の窒化物系半導体は、電極とオーミック接
触を確保することが難しいという問題があった。すなわ
ち、窒化物系半導体はバンドギャップが広いため電極と
オーミック接触をさせることが難しい。さらに、窒化物
系半導体は、ｐ型、ｎ型共に高キャリア濃度を有する層
の形成が困難であり、この点からもオーミック接触の形
成が困難であるという問題があった。

【０００９】また、窒化物系半導体は、化学的なウェッ
トエッチングが困難であるため、電極形成前の表面処理
を行うことが難しく、電極と半導体層界面の表面状態に
よってオーミック特性が大きく左右されるという工程上
の問題もあった。

【００１０】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、その目的は、良好なオーミック特性がえら
れ、信頼性も改善された半導体発光素子及びその製造方
法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体発光素子は、ｐ型の窒化物系半導体
からなる第１の層と、ｎ型の窒化物系半導体からなる第
２の層と、前記第１の層に接触して設けられたｐ側電極
と、前記第２の層に接触して設けられたｎ側電極と、を
備え、前記ｐ側電極は、前記第１の層に接触して設けら
れ、銀（Ａｇ）を含有するコンタクト層と、前記コンタ
クト層の上に設けられたタングステン（Ｗ）からなる層
と、を有することを特徴とし、ｐ側において優れたオー
ミック接触を確保することができる。

【００１２】ここで、前記タングステン（Ｗ）からなる
層の上に、金属酸化物からなる透光性導電膜を設けるこ
とにより、電流を面内に拡げて均一な発光を得ることが
できる。

【００１３】さらに、前記透光性導電膜の上に設けられ
たオーバーコート層をさらに備え、前記オーバーコート
層は、前記透光性導電膜に接触して設けられたニッケル
（Ｎｉ）からなる層を有することにより、透光性導電膜
とオーバーコート層との付着強度を改善することができ
る。

【００１４】または、本発明の半導体発光素子は、ｐ型
の窒化物系半導体からなる第１の層と、ｎ型の窒化物系
半導体からなる第２の層と、前記第１の層に接触して設
けられたｐ側電極と、前記第２の層に接触して設けられ
たｎ側電極と、を備え、前記ｎ側電極は、前記第１の層
に接触して設けられ、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウ
ム（Ａｌ）及びチタン（Ｔｉ）のいずかからなるコンタ
クト層と、前記コンタクト層の上に設けられたタングス
テン（Ｗ）からなるバリア層と、前記バリア層の上に設
けられた金（Ａｕ）からなるボンディング・パッド層
と、を有することを特徴とし、ｎ側において良好なオー
ミック接触を確保するとともにバリア層が有効に作用し
て信頼性も確保することができる。

【００１５】本発明の望ましい実施の態様として、前記
第１の層は、ｐ型のドーパントを含有し層厚が１００ｎ
ｍ以下の複数の層からなり、前記複数の層は、隣接する
層が互いに異なる組成の窒化物系半導体からなることを
特徴とし、さらにオーミック接触を改善することができ
る。

【００１６】ここで、前記第２の層は、ｎ型のドーパン
トを含有し層厚が１００ｎｍ以下の複数の層からなり、
前記複数の層は、隣接する層が互いに異なる組成の窒化
物系半導体からなるものとすることが望ましい。

【００１７】また、前記第１の層と前記第２の層の少な
くともいずれかは、前記電極と接触する表面に凹凸が設
けられたものとすれば、電極との接触面積を拡大して接
触抵抗を低下させ、電極の付着強度を改善することがで
きる。

【００１８】または、本発明の半導体発光素子は、半導
体からなる発光層と、金属酸化物からなり、前記発光層
から放出される光に対して透光性を有する透光性導電膜
と、前記透光性導電膜に接触して設けれたニッケル（Ｎ
ｉ）からなる層と、を備えたことを特徴とし、窒化物系
半導体に限らず、ＩｎＧａＡｌＰ系やＩｎＰ系などの種
々の材料系を用い、且つ透光性導電膜を有する半導体発
光素子において、透光性導電膜と金属層との付着強度を
改善することができる。

【００１９】一方、本発明の半導体発光素子の製造方法
は、ｎ型の窒化物系半導体からなるｎ型層とｐ型の窒化
物系半導体からなるｐ型層とを有する積層体を形成する
工程と、前記積層体の前記ｐ型層の表面にｐ側コンタク
ト電極層を形成する工程と、還元性ガスを含有する雰囲
気中で熱処理する工程と、を備えたことを特徴とし、ｐ
側において良好なオーミック接触を得ることができる。

【００２０】または、本発明の半導体発光素子の製造方
法は、ｎ型の窒化物系半導体からなるｎ型層とｐ型の窒
化物系半導体からなるｐ型層とを有する積層体を形成す
る工程と、前記積層体の前記ｎ型層の表面にｎ側コンタ
クト電極層を形成する工程と、第１の温度において熱処
理する工程と、前記積層体の前記ｐ型層の表面にｐ側コ
ンタクト電極層を形成する工程と、還元性ガスを含有す
る雰囲気中で前記第１の温度よりも低い第２の温度にお
いて熱処理する工程と、を備えたことを特徴とし、良好
なオーミック接触を得ることができる。

【００２１】ここで、本発明の望ましい実施の態様とし
て、前記ｎ側コンタクト電極層は、ハフニウム（Ｈ
ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）及びチタン（Ｔｉ）のいず
かからなるものとすれば、良好なｎ側オーミックが得ら
れる。

【００２２】また、前記ｐ側コンタクト電極層は、銀
（Ａｇ）を含有する金属またはニッケル（Ｎｉ）のいず
れかからなるものとすれば、良好なｐ側オーミックが得
られる。

【００２３】また、前記ｐ側コンタクト電極層の上に金
属酸化物からなる透光性導電膜を形成する工程と、酸素
を含有した雰囲気において前記透光性導電膜を熱処理す
る工程と、をさらに備えたことを特徴とし、透光性導電
膜のシート抵抗を低下させ付着強度も高くすることがで
きる。

【００２４】または、本発明の半導体発光素子の製造方
法は、発光層を含む半導体積層体を形成する工程と、前
記半導体積層体の上に金属酸化物からなる透光性導電膜
を形成する工程と、酸素を含有した雰囲気において前記
透光性導電膜を熱処理する工程と、を備えたことを特徴
とし、窒化物系半導体に限らず、ＩｎＧａＡｌＰ系やＩ
ｎＰ系などの種々の半導体を用い、且つ透光性導電膜を
有する半導体発光素子において、透光性導電膜のシート
抵抗を低下させ、付着強度を高くすることができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照しつつ、本発明
の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１
の実施の形態にかかる半導体発光素子を表す概略断面図
である。本発明の半導体発光素子は、サファイア基板１
の上にＧａＮバッファ層（図示せず）、ｎ型ＧａＮ層
２、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層３、ｎ型ＧａＮコンタ
クト層４、ｎ型ＧａＮ層５、ｐ型ＧａＮ層６、ｐ型Ａｌ
ＧａＮコンタクト層７、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層
８、ｐ型ＧａＮコンタクト層９、が順次積層された構造
を有する。

【００２６】ｐ側電極は、透光性電極とボンディング・
パッド部とからなる。すなわち、ｐ型ＧａＮコンタクト
層９の上には、ＳｉＯ₂などからなるブロック層１３が
選択的に形成され、残りの表面上には、例えば、第１の
金属層１０／第２の金属層１１／タングステン（Ｗ）層
１２を積層した透光性電極が形成されている。

【００２７】ブロック層１３は、ボンディング・パッド
の下において余分な発光が生じないように電流を遮断す
る役割を有する。また、透光性電極の各層の層厚はいず
れも極めて薄く、発光素子から放出される光があまり吸
収されずに透過するようにされている。

【００２８】第１の金属層１０としては、銀（Ａｇ）を
用いることが望ましい。また、第２の金属層１１として
は、金（Ａｕ）を用いることが望ましい。または、第１
の金属層１０として銀と金との混合物を用い、第２の金
属層を省略しても良い。あるいは、後に詳述するよう
に、本発明に独特の水素アニールを施す場合には、第１
の金属層１０としてニッケル（Ｎｉ）を用い、第２の金
属層を省略しても良い。

【００２９】ブロック層１３の上には、透光性電極層に
一部が接続された状態で、チタン（Ｔｉ）層１８、タン
グステン（Ｗ）層１９、金（Ａｕ）層２０をこの順に堆
積したボンディングパッドが形成されている。ここで、
チタン（Ｔｉ）層１８は接着層、タングステン（Ｗ）層
１９はバリア層、金（Ａｕ）層２０はボンディング層と
して作用する。

【００３０】一方、ｎ型コンタクト層４の上には、ｎ側
電極が形成されている。すなわち、ハフニウム（Ｈｆ）
層１４／アルミニウム（Ａｌ）層１５／ハフニウム（Ｈ
ｆ）層１６／金（Ａｕ）層１７がこの順序に堆積され、
さらにその上には、チタン（Ｔｉ）層１８、タングステ
ン（Ｗ）層１９、金（Ａｕ）層２０をこの順に堆積した
ボンディングパッド部が形成されている。

【００３１】ここで、中間の金（Ａｕ）層１７は、ハフ
ニウム（Ｈｆ）層１６を保護するキャップ層として作用
する。半導体中への金（Ａｕ）の過剰な侵入を防ぐため
に、金（Ａｕ）層１７の層厚は比較的薄く形成すること
が望ましく、または、省略することもできる。

【００３２】また、チタン層１８は、接着層として作用
する。タングステン層１９は、バリア層として作用す
る。さらに、金層２０は、ワイアなどをボンディングす
る層として作用する。

【００３３】図示したｎ側電極層の構造は、一例に過ぎ
ない。本発明においては、ｎ型コンタクト層４に接触す
る金属層が、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）また
はアルミニウム（Ａｌ）のいずれかであり、その上にタ
ングステン（Ｗ）からなるバリア層が設けられ、さら
に、その上に金（Ａｕ）からなるボンディング・パッド
層が設けられていることが特徴とされる。

【００３４】発光素子の表面は、ＳｉＯ₂からなる保護
膜２２により覆われている。

【００３５】本発明の発光素子は、以上説明した構成に
より、以下に説明する作用を奏する。

【００３６】すなわち、本発明によれば、まず、ｐ型コ
ンタクト層９と接触するコンタクト金属として、銀、ま
たは、銀と金との混合物のいずれかを用いることによ
り、ｐ型コンタクト層９とのオーミック接触を大幅に改
善することができる。本発明者は、独自の検討を行った
結果、これらの金属を半導体層にコンタクトさせた時
に、特に接触抵抗を低減できることを知得するに至っ
た。これは、銀を添加することによりｐ型コンタクト層
９と反応しやすくなるからであると考えられる。

【００３７】また、本発明によれば、素子のｎ側におい
て、ｎ側コンタクト金属層の上にバリア層としてのタン
グステン層１９を設けることにより、バリア効果を維持
しつつ、オーミック接触を改善することができる。すな
わち、バリア層は、ｎ側コンタクト金属とボンディング
パッドとの相互拡散を防いで、信頼性を維持する作用を
有する。従来は、ｎ側電極のバリア層としては、白金
（Ｐｔ）が用いられることが多かった。しかし、白金
は、窒化物系半導体の中に侵入するとｐ型のドーパント
として作用する。従って、ボンディング・パッド形成後
の、熱処理や半田マウントあるいはワイア・ボンディン
グなどの昇温工程の際に白金がｎ型コンタクト層に拡散
してオーミック接触を劣化させていた。

【００３８】これに対して、本発明者は、ｎ側電極のバ
リア層としてタングステン層を用いることにより、オー
ミック接触を劣化させることなく、長期間の信頼性が確
保されることを発見した。また、このようにバリア層と
してタングステン層を用いる場合には、コンタクト金属
として、上述したハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）
またはアルミニウム（Ａｌ）のいずれかを用いた場合
に、特に良好な結果が得られることが分かった。

【００３９】さらに、本発明によれば、これらの新規な
構成を従来とは異なる新規なプロセスで形成することに
より、さらにオーミック接触を改善することができる。
次に、本発明の発光素子の製造方法について説明する。
図２は、本発明の発光素子の製造方法の要部を表すフロ
ーチャートである。まず、ステップＳ１に示したよう
に、サファイア基板１の上に、半導体層２〜９を順次結
晶成長する。各層の結晶成長は、例えば、ＭＯＣＶＤ
（metal-organic chemical vapor deposition）、ハイ
ドライドＣＶＤ、ＭＢＥ（molecular beam depositio
n）などの方法により行うことができる。

【００４０】次に、ステップＳ２に示したように、ｐ型
層をエッチングする。すなわち、ｐ型半導体からなる層
６〜９を、選択的にエッチングしてｎ型ＧａＮ層４を露
出させる。具体的には、例えば、ＰＥＰ（photo-engrav
ing process）法によりパターニングし、ＲＩＥ（react
ive ion etching）などのエッチング法によりエッチン
グを施すことにより行う。

【００４１】次に、ステップＳ３に示したように、ｎ側
電極のうちのコンタクト部を形成する。具体的には、真
空蒸着法やスパッタリング法などによりＧａＮコンタク
ト層４の上に、ハフニウム層１４／アルミニウム層１５
／ハフニウム層１６／金層１７などを堆積し、リフトオ
フ法によりパターニングする。

【００４２】次に、ステップＳ４に示したように、ｎ側
電極のコンタクト部のシンタを行う。具体的には、例え
ば、窒素ガス雰囲気中において８００℃以上で２０秒間
程度の熱処理を施す。

【００４３】次に、ステップＳ５またはＳ８に示したよ
うに、ｐ側電極のうちの透光性電極層を形成する。具体
的には、真空蒸着法やスパッタリング法などによりｐ型
コンタクト層９の上に、第１の金属層１０／第２の金属
層１１／タングステン（Ｗ）層１２などを順次堆積す
る。ここで、第１の金属層１０は、前述したように、
銀、銀と金との混合物、またはニッケルのいずれかであ
る。銀の場合には、その厚みは、０．５〜１０ｎｍ程度
とすることが望ましい。また、銀と金との混合物とする
場合には、銀の比率は、１〜２０原子％程度とし、その
混合物層の厚みは、０．５〜１０ｎｍ程度とすることが
望ましい。また、ニッケルの場合には、その厚みは、
０．５〜５ｎｍとすることが望ましい。

【００４４】この後の工程は、ｐ側電極の材料に応じて
若干異なる。すなわち、ステップＳ５に示したように、
コンタクト金属としてニッケルを用いた場合には、ステ
ップＳ６において、還元性ガスを含有した雰囲気中でア
ニールを施す。還元性ガスとしては、水素ガスを用いる
ことができる。また、その雰囲気は、水素と窒素との混
合ガスとすることができ、水素の体積含有率が０．１％
〜５％程度の範囲であることが望ましい。また、アニー
ル温度は、５００℃以下とすることが望ましい。

【００４５】次に、ステップＳ７に示したように、ボン
ディング・パッド部を形成する。具体的には、真空蒸着
法やスパッタリング法などによって、チタン（Ｔｉ）層
１８、タングステン（Ｗ）層１９、金（Ａｕ）層２０を
この順に堆積する。

【００４６】一方、ステップＳ８に示したように、コン
タクト金属として、銀または銀と金との混合物を用いた
場合には、ステップＳ９において、一旦シンタする。具
体的には、窒素雰囲気中において６００℃以上８００℃
以下の温度で熱処理を施す。熱処理は、例えば、７５０
℃で約２０秒間とすることができる。

【００４７】次に、ステップＳ１０に示したように、還
元性ガスとしての水素を含有した雰囲気中でアニールを
施す。この雰囲気やアニール温度は、ステップＳ６につ
いて前述した通りである。

【００４８】次に、ステップＳ１１に示したように、ボ
ンディング・パッド部を形成する。具体的には、真空蒸
着法やスパッタリング法などによって、チタン（Ｔｉ）
層１８、タングステン（Ｗ）層１９、金（Ａｕ）層２０
をこの順に堆積する。

【００４９】以上の工程により、本発明の半導体発光素
子が完成する。

【００５０】本発明の製造方法においては、まず、ｐ側
電極の形成に先だってｎ側電極を形成し、シンタするこ
とにより、良好なオーミック接触を得ることができる。
この理由は、本発明において用いるｎ側電極のコンタク
ト金属に対する最適なシンタ温度は、ｐ側電極に対する
最適な熱処理温度よりも高いからである。すなわち、ス
テップＳ４におけるｎ側電極のシンタ温度は、８００℃
以上であるのに対して、ステップＳ６、Ｓ９、Ｓ１０に
おける熱処理温度は、いずれも８００℃以下である。従
って、図２に示したようにｎ側電極の形成とシンタを先
に行うことにより、ｐ側電極に過剰な熱処理を負荷する
ことがなくなる。

【００５１】また、本発明の製造方法によれば、ｐ側電
極を堆積した後に、ステップＳ６、Ｓ１０において還元
性の雰囲気中でアニールを施すことにより、ｐ側のオー
ミック接触や付着強度をさらに改善することができる。
これは、窒化物系半導体に関して従来報告されている事
実と反するものであり、本発明者が独自に知得した実験
事実である。すなわち、従来は、水素雰囲気中でｐ型の
窒化物系半導体を熱処理すると、水素の作用によって、
半導体中に含有されるマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型
ドーパントが不活性化するという事実が報告されてい
た。このような不活性化が生ずると、ｐ型半導体のアク
セプタ濃度が低下するために、オーミック接触は劣化す
るはずであった。

【００５２】これに対して、本発明者は、ｐ型の窒化物
系半導体の上に、まず、ｐ側電極層を堆積し、しかる後
に水素を含む雰囲気中で熱処理を施すと、オーミック接
触と付着強度が大幅に改善されることを発見した。これ
は、定性的には、ｐ型半導体層の上を電極層で覆うこと
により、ｐ型半導体層中のｐ型ドーパントの不活性化を
抑制しつつ半導体層と電極層との間に介在する酸化物な
どを還元除去することができるからであると推測され
る。

【００５３】図３は、本発明者が試作した発光素子のｐ
側電極側の電流電圧特性を表すグラフ図である。ここ
で、ｐ側電極は、幅１００μｍ、間隔２０μｍとした。
図３において、「本発明Ａ」と表したものは、ｐ側のコ
ンタクト金属として銀（Ａｇ）を用い、水素を含む窒素
ガス雰囲気中で５００℃１０分間のアニールを施した素
子である。また、「本発明Ｂ」と表したものは、ｐ側の
コンタクト金属として銀を用い、水素を含む雰囲気中で
のアニールは施さない素子である。また、「従来例」と
表したものは、ｐ側のコンタクト金属として金（Ａｕ）
を用い、水素を含む雰囲気中でのアニールは施さない素
子である。

【００５４】図３から、ｐ側のコンタクト金属として銀
を用いることにより、従来よりも接触抵抗が低下し、水
素を含有する雰囲気中でアニールを施すことにより接触
抵抗はさらに低減することが分かる。同様の改善は、コ
ンタクト金属として、銀と金との混合物やニッケルを用
いた場合にも得られた。

【００５５】一方、図４は、本発明者が試作した発光素
子のｎ側電極側の電流電圧特性を表すグラフ図である。
ここで、ｎ側電極は、間隔３５０μｍとした。図４にお
いて、「本発明」と表したものは、ｎ側電極層としてハ
フニウム（Ｈｆ）を用い、バリア層としてタングステン
（Ｗ）を用いた素子である。また、「従来例」と表した
ものは、ｐ側のコンタクト金属としてアルミニウム（Ａ
ｌ）を用い、バリア層として白金（Ｐｔ）を用いた素子
である。

【００５６】図４から、本発明によれば、従来よりも接
触抵抗が大幅に低減することが分かる。同様の効果は、
コンタクト層にアルミニウム（Ａｌ）またはチタン（Ｔ
ｉ）を用いた場合にも得られた。

【００５７】ｐ側またはｎ側におけるコンタクト付近の
層の構成は、例えば、図１において、要部拡大図に表し
たように、ＩｎＡｌＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを交互に
積層した構造や、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを交互
に積層した構造としても良い。

【００５８】ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮは、ＧａＮに対し
てそれぞれ反対方向の歪みを生ずるので、このような積
層構造とすると、歪みを補償することが可能となる。

【００５９】また、１００ｎｍ以下の厚さの窒化物系半
導体層では高キャリア濃度層の形成が容易であり、複数
の層を形成するとそれらの界面付近（特にＩｎやＡｌを
含む層とＧａＮ層との間）には、ｐ型不純物である高濃
度のマグネシウム（Ｍｇ）あるいはｎ型不純物である高
濃度のシリコン（Ｓｉ）が集中しやすい。ｐ側電極やｎ
側電極を堆積後に、所定の熱処理を施すと、電極金属と
複数の窒化物系半導体層とが反応し、さらにそれらの層
の界面付近にある高濃度のマグネシウム（ｐ側）やシリ
コン（ｎ側）と電極金属も良好な反応を起こし、オーミ
ック特性の良好な電極コンタクトを形成することができ
る。

【００６０】この際に、次の第２実施形態に関して後述
するように、複数の窒化物系半導体層を貫通するような
凹凸があれば、さらに電極金属と半導体層との反応を効
率的に進めることができる。

【００６１】次に、本発明の第２の実施の形態について
説明する。

【００６２】図５は、本発明の第２の実施の形態にかか
る発光素子の断面構造を表す概念図である。同図につい
ては、図１と同一の構成については、同一の符号を付し
て詳細な説明は省略する。本実施形態においては、ｐ側
及びｎ側の電極コンタクト部分において、半導体の表面
部分が部分的にエッチング除去され、凹凸状に加工され
ている。そして、この凹凸状の半導体の表面にｐ側及び
ｎ側の電極層が形成されている。このようにコンタクト
部分の半導体の表面を凹凸状に加工すると、電極との接
触面積が増大し、コンタクト抵抗をさらに低減すること
ができる。また、電極の剥離強度も増加する。さらに、
ｐ側に形成された凹凸によって、発光部分から放出され
る光の外部への取り出し効率が改善される。すなわち、
窒化物系半導体は、屈折率が２．６７程度と極めて高
い。そのために、発光層から放出された光のうちで、ｐ
型コンタクト層の表面に到達した光は、垂直に近い角度
で入射もの以外は、全反射されてしまう。これに対し
て、本実施形態によれば、ｐ型コンタクト層の表面部分
に凹凸を形成することにより、光を数回にわたって散乱
し、最終的に外部に取り出す成分を増加することができ
る。

【００６３】次に、本発明の第３の実施の形態について
説明する。図６は、本発明の第３の実施の形態にかかる
発光素子の断面構成を表す概念図である。同図について
も、図１に関して前述したものと同一の部分には同一の
符号を付して詳細な説明は省略する。

【００６４】本実施形態の発光素子は、基板１を介して
外部に光を取り出す構成を有する。

【００６５】また、本実施形態においては、ｐ側電極、
Ｎ側電極ともにボンディング用の金（Ａｕ）層までを一
度に形成しているため、オーバーコート電極層の接着層
であるチタン（Ｔｉ）層１８が無い構成となっている。

【００６６】また、ｐ側の電極を介して光を取り出す構
成ではないため、ｐ側電極は必ずしも透光性を有する必
要は無く、層厚を厚く形成することができる。

【００６７】次に、本発明の第４の実施の形態について
説明する。

【００６８】図７は、本発明の第４の実施の形態にかか
る発光素子の断面構成を表す概念図である。同図につい
ても、図１に関して前述したものと同一の部分には同一
の符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態は、
ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる透光性電極２３
をｐ側電極の表面に積層した例である。ｐ側のオーバー
コート電極すなわちボンディング電極は、ニッケル（Ｎ
ｉ）層１８’と金（Ａｕ）層２０により形成されてい
る。

【００６９】本実施形態によれば、ＩＴＯを積層するこ
とにより、ボンディング電極に供給された電流をＩＴＯ
からなる透明電極２３の層内で面内方向に拡げ、ｐ側電
極を介して注入することにより、面内において均一な強
度分布を有する発光を得ることができる。

【００７０】この効果は、ｐ側電極金属が層状でなく島
状に形成されている場合に特に効果的であり、ボンディ
ング電極からの電流を面内方向に効率的に流すことがで
きる。

【００７１】また、ニッケル層１８’は、ＩＴＯからな
る透明電極２３に対して付着強度が良好であり、ＩＴＯ
透明電極２３の上のオーバーコート層すなわちボンディ
ング電極が剥がれるという問題を解消することができ
る。

【００７２】本実施形態においては、透明電極２３が金
（Ａｕ）に対するバリアとして作用するため、必ずしも
タングステン（Ｗ）層は必要ではなく、同図に表したよ
うにニッケル（Ｎｉ）層１８’と金（Ａｕ）層２０のみ
で良い。または、金（Ａｕ）２０のみでも良い。但し、
透明電極２３の膜厚や膜質に応じてバリア層を設ける
と、金（Ａｕ）の拡散を防いで信頼性をさらに改善する
ことができる。本発明者の検討によれば、この場合のバ
リア層としては、タングステン（Ｗ）または、白金（Ｐ
ｔ）が特に適していることが分かった。すなわち、ニッ
ケル層１８’と金層２０との間にタングステン（Ｗ）層
または白金（Ｐｔ）層を設けると、金の拡散を効果的に
阻止して発光素子の信頼性をさらに向上させることがで
きる。また、これら以外にも、モリブデン（Ｍｏ）、チ
タン（Ｔｉ）及びタンタル（Ｔａ）のいずれかをバリア
層として用いても良好な結果が得られることが分かっ
た。

【００７３】本発明者は、本実施形態におけるＩＴＯ透
明電極２３の形成プロセスについて試作検討を繰り返し
た結果、極めて良好な結果が得られるプロセスを見出し
た。すなわち、本実施形態の発光素子を形成するには、
ｐ側コンタクト電極１０〜１２を形成し、水素アニール
を施した後に、透明電極２３を形成することにより得ら
れる。

【００７４】前述した図２を参照しつつ説明すると、ま
ず、水素アニール処理Ｓ６またはＳ１０の後に、スパッ
タ法などにより、ＩＴＯを堆積する。次に、酸素を含有
した雰囲気中でアニールを施す。このアニールにより、
ＩＴＯ層と金属電極層との付着強度が顕著に改善するこ
とが分かった。さらに、このアニールにより、ＩＴＯの
シート抵抗を低下させることができる。付着強度の向上
やシート抵抗の低下を確実に得るためには、窒素
（Ｎ₂）やアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスに重量百
分比で５〜７０％の酸素を含有させた雰囲気中で、３０
０〜６００℃、さらに望ましくは３００〜５００℃の範
囲の温度においてアニールすることが望ましい。同時
に、このＩＴＯ層のアニール温度は、前の工程に対して
影響を与えないようにするために、水素アニール処理Ｓ
６またはＳ１０の処理温度よりも低くすることが望まし
い。

【００７５】このアニール工程の後に、図２に表したよ
うに、オーバーコート層すなわちボンディング電極を形
成する工程Ｓ７または工程Ｓ１１を実行することによ
り、本実施形態の発光素子が完成する。

【００７６】本実施形態におけるＩＴＯ透明電極２３に
関する構成及びその製造方法は、必ずしも窒化物系半導
体からなる発光素子に限定されず、その他の種々の応用
例においても同様に適用することができる。例えば、Ｇ
ａＡｓ基板の上に形成するＩｎＧａＡｌＰ系やＡｌＧａ
Ａｓ系などの材料を用いた発光素子あるいはＩｎＰ基板
の上に形成するＩｎＰ系やＩｎＧａＡｓ系などの材料を
用いた半導体素子についても同様に適用できる。すなわ
ち、ＩＴＯ電極に接触させる金属層としてニッケルを用
いることにより、両者の付着強度を改善して素子の信頼
性を向上させることができる。

【００７７】また、酸素を含有した雰囲気中でアニール
を施すことにより、ＩＴＯのシート抵抗を低下させ、金
属層や半導体層との付着強度を更に改善することもでき
る。

【００７８】一例を挙げると、ＩｎＧａＡｌＰ系やＩｎ
Ｐ系の発光素子においては、ｐ側に透明電極を形成した
後に、ｎ側のシンタリング工程を施す必要がある場合も
多い。このような場合に、本発明の構成及び製造方法に
よれば、ＩＴＯのシート抵抗を上昇させることを防ぎ、
むしろシート抵抗を低下させ且つ付着強度も改善するこ
とができるという効果を得ることができる。

【００７９】一方、本実施形態の透光性電極２３として
は、ＩＴＯ以外にも、例えば、インジウム、すず、チタ
ンなどの各種の金属の酸化物を同様に用いることができ
る。

【００８０】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体
例に限定されるものではない。

【００８１】例えば、ｎ側電極の構造としては、図示し
た具体例には限定されず、これ以外にも、ｎ型コンタク
ト層の上に、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）また
はアルミニウム（Ａｌ）のいずれかまたは、これらの合
金からなるコンタクト層を設け、その上にタングステン
からなるバリア層を設け、その上に、金（Ａｕ）からな
るボンディング・パッドを設けたあらゆる構造でも同様
の効果を得ることができる。

【００８２】また、発光素子の構造も、例えば、活性層
をクラッド層で挟んだいわゆる「ダブルヘテロ型構造」
としても良く、また、活性層やクラッド層などに超格子
を用いても良い。さらに、発光ダイオードのみならず各
種の半導体レーザなどについても同様に適用して同様の
効果を得ることができる。

【００８３】また、基板として用いるものは、サファイ
アに限定されず、その他にも、例えば、スピネル、Ｍｇ
Ｏ、ＳｃＡｌＭｇＯ₄、ＬａＳｒＧａＯ₄、（ＬａＳｒ）
（ＡｌＴａ）Ｏ₃などの絶縁性基板や、ＳｉＣ、Ｇａ
Ｎ、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの導電性基板も同様に用いてそ
れぞれの効果を得ることができる。特に、ＧａＮについ
ては、例えば、サファイア基板の上にハイドライド気相
成長法などにより厚く成長したＧａＮ層を基板から剥離
してＧａＮ基板として用いることができる。

【００８４】また、ＳｃＡｌＭｇＯ₄基板の場合には、
（０００１）面、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ₃基板の
場合には（１１１）面を用いることが望ましい。

【００８５】さらに、本発明はｐ側電極とｎ側電極との
少なくともいずれかを有する半導体素子について同様に
適用して同様の効果を得ることができる。例えば、本発
明は、必ずしも発光素子に限定されず、ＦＥＴ（feild
effect transistor：電界効果トランジスタ）などの各
種の電子素子についても同様に適用することができる。

【００８６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。

【００８７】まず、本発明によれば、ｐ型コンタクト層
と接触するコンタクト金属として、銀、または、銀と金
との混合物のいずれかを用いることにより、ｐ型コンタ
クト層とのオーミック接触を大幅に改善することができ
る。

【００８８】また、本発明によれば、素子のｎ側におい
て、ｎ側コンタクト金属層の上にタングステン層を設け
ることにより、バリア効果を維持しつつ、オーミック接
触を改善することができる。すなわち、従来バリア層と
して用いられていた白金（Ｐｔ）のように、オーミック
接触を劣化させることなく、バリア層として効果的に作
用し、長期間の信頼性が確保される。

【００８９】また、本発明によれば、このようにバリア
層としてタングステン層を用いる場合には、コンタクト
金属として、上述したハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔ
ｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）のいずれかを用いた場
合に、特に良好な結果が得られる。

【００９０】また、本発明の製造方法によれば、ｐ側電
極の形成に先だってｎ側電極を形成し、シンタすること
により、良好なオーミック接触を得ることができる。こ
の理由は、本発明において用いるｎ側電極のコンタクト
金属に対する最適なシンタ温度は、ｐ側電極に対する最
適な熱処理温度よりも高いからである。すなわち、ｎ側
電極の形成とシンタを先に行うことにより、ｐ側電極に
過剰な熱処理を負荷することがなくなる。

【００９１】また、本発明の製造方法によれば、ｐ側電
極を堆積した後に、還元性の雰囲気中でアニールを施す
ことにより、ｐ側のオーミック接触や付着強度をさらに
改善することができる。これは、窒化物系半導体に関し
て従来報告されている事実と反するものであり、本発明
者が独自に知得した実験事実である。このように、還元
性の雰囲気でアニールを施す場合には、ｐ側のコンタク
ト金属として、ニッケル（Ｎｉ）を用いた場合にも従来
よりも大幅に良好なオーミック接触が得られる。

【００９２】また、本発明によれば、ｐ側またはｎ側に
おいて、ＩｎＡｌＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを交互に積
層した構造や、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを交互に
積層した構造とすると、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮは、Ｇ
ａＮに対してそれぞれ反対方向の歪みを生ずるので、こ
のような積層構造とすると、歪みを補償することが可能
となる。また、０．１μｍ以下の厚さの窒化物系半導体
層では高キャリア濃度層の形成が容易であり、複数の層
を形成するとそれらの界面付近（特にＩｎやＡｌを含む
層とＧａＮ層との間）には、ｐ型不純物である高濃度の
マグネシウム（Ｍｇ）あるいはｎ型不純物である高濃度
のシリコン（Ｓｉ）が集中しやすい。ｐ側電極やｎ側電
極を堆積後に、所定の熱処理を施すと、電極金属と複数
の窒化物系半導体層とが反応し、さらにそれらの層の界
面付近にある高濃度のマグネシウム（ｐ側）やシリコン
（ｎ側）と電極金属も良好な反応を起こし、オーミック
特性の良好な電極コンタクトを形成することができる。

【００９３】この際に、次の第２実施形態に関して後述
するように、複数の窒化物系半導体層を貫通するような
凹凸があれば、さらに電極金属と半導体層との反応を効
率的に進めることができる。

【００９４】また、本発明によれば、コンタクト部分の
半導体の表面を凹凸状に加工すると、電極との接触面積
が増大し、コンタクト抵抗をさらに低減することができ
る。また、電極の剥離強度も増加する。さらに、ｐ側に
形成された凹凸によって、発光部分から放出される光の
外部への取り出し効率が改善される。

【００９５】さらに、本発明によれば、ＩＴＯ電極に接
触させる金属層としてニッケルを用いることにより、両
者の付着強度を改善して素子の信頼性を向上させること
ができる。

【００９６】また、このようなニッケル層と金層との間
に、タングステンまたは白金からなるバリア層を設ける
ことにより、金の拡散を確実に阻止することができる。

【００９７】また、本発明によれば、ＩＴＯを堆積した
後に、酸素を含有した雰囲気中でアニールを施すことに
より、ＩＴＯのシート抵抗を低下させ、金属層や半導体
層との付着強度を更に改善することもできる。

【００９８】以上詳述したように、本発明によれば、従
来よりもオーミック接触を改善し、同時に信頼性や電極
の付着強度も改善された発光素子を提供することがで
き、産業上のメリットは多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光
素子を表す概略断面図である。

【図２】本発明の発光素子の製造方法の要部を表すフロ
ーチャートである。

【図３】本発明者が試作した発光素子のｐ側電極側の電
流電圧特性を表すグラフ図である。

【図４】本発明者が試作した発光素子のｎ側電極側の電
流電圧特性を表すグラフ図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態にかかる発光素子の
断面構造を表す概念図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態にかかる発光素子の
断面構成を表す概念図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態にかかる発光素子の
断面構成を表す概念図である。

【図８】窒化物系半導体を用いた従来の発光ダイオード
の構造を表す概略断面図である。

【符号の説明】

１サファイア基板２ｎ型ＧａＮ層３ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層４ｎ型ＧａＮコンタクト層５ｎ型ＧａＮ層６ｐ型ＧａＮ層７ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層９ｐ型ＧａＮコンタクト層１０第１の金属層１１第２の金属層１２タングステン（Ｗ）層１３ブロック層１４ハフニウム（Ｈｆ）層１５アルミニウム（Ａｌ）層１６ハフニウム（Ｈｆ）層１７金（Ａｕ）層１８チタン（Ｔｉ）層１９タングステン（Ｗ）層２０金（Ａｕ）層２２保護膜１０１サファイア基板１０２ｎ型ＧａＮ層１０６ｐ型ＧａＮ層１１３絶縁層１２１透明電極１２２ｎ側電極１２３ボンディング・パッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野崎千晴神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者古川千里神奈川県川崎市川崎区日進町７番地１東芝電子エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 4M104 AA04 BB02 BB05 BB08 BB13 BB14 BB36 CC01 DD34 DD37 DD79 FF17 GG04 HH15 5F041 AA21 CA02 CA03 CA34 CA40 CA46 CA83 CA88 CA92

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型の窒化物系半導体からなる第１の層
と、ｎ型の窒化物系半導体からなる第２の層と、前記第１の層に接触して設けられたｐ側電極と、前記第２の層に接触して設けられたｎ側電極と、を備え、前記ｐ側電極は、前記第１の層に接触して設けられ銀
（Ａｇ）を含有するコンタクト層と、前記コンタクト層
の上に設けられたタングステン（Ｗ）からなる層と、を
有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記タングステン（Ｗ）からなる層の上
に、金属酸化物からなる透光性導電膜が設けられたこと
を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】前記透光性導電膜の上に設けられたオーバ
ーコート層をさらに備え、前記オーバーコート層は、前記透光性導電膜に接触して設けられたニッケル（Ｎ
ｉ）からなる層を有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。
【請求項４】ｐ型の窒化物系半導体からなる第１の層
と、ｎ型の窒化物系半導体からなる第２の層と、前記第１の層に接触して設けられたｐ側電極と、前記第２の層に接触して設けられたｎ側電極と、を備え、前記ｎ側電極は、前記第１の層に接触して設けられ、ハ
フニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）及びチタン
（Ｔｉ）のいずかからなるコンタクト層と、前記コンタ
クト層の上に設けられたタングステン（Ｗ）からなるバ
リア層と、前記バリア層の上に設けられた金（Ａｕ）か
らなるボンディング・パッド層と、を有することを特徴
とする半導体発光素子。
【請求項５】前記第１の層は、ｐ型のドーパントを含有
し層厚が１００ｎｍ以下の複数の層からなり、前記複数の層のそれぞれは、隣接する層と組成が異なる
窒化物系半導体からなることを特徴とする請求項１〜４
のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記第２の層は、ｎ型のドーパントを含有
し層厚が１００ｎｍ以下の複数の層からなり、前記複数の層のそれぞれは、隣接する層と組成が異なる
窒化物系半導体からなることを特徴とする請求項１〜５
のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】前記第１の層と前記第２の層の少なくとも
いずれかは、前記電極と接触する表面に凹凸が設けられ
たことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載
の半導体発光素子。
【請求項８】半導体からなる発光層と、金属酸化物からなり、前記発光層から放出される光に対
して透光性を有する透光性導電膜と、前記透光性導電膜に接触して設けれたニッケル（Ｎｉ）
からなる層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】ｎ型の窒化物系半導体からなるｎ型層とｐ
型の窒化物系半導体からなるｐ型層とを有する積層体を
形成する工程と、前記積層体の前記ｐ型層の表面にｐ側コンタクト電極層
を形成する工程と、還元性ガスを含有する雰囲気中で熱処理する工程と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】ｎ型の窒化物系半導体からなるｎ型層と
ｐ型の窒化物系半導体からなるｐ型層とを有する積層体
を形成する工程と、前記積層体の前記ｎ型層の表面にｎ側コンタクト電極層
を形成する工程と、第１の温度において熱処理する工程と、前記積層体の前記ｐ型層の表面にｐ側コンタクト電極層
を形成する工程と、還元性ガスを含有する雰囲気中で前記第１の温度よりも
低い第２の温度において熱処理する工程と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】前記ｎ側コンタクト電極層は、ハフニウ
ム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）及びチタン（Ｔｉ）
のいずかからなることを特徴とする請求項１０記載の半
導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】前記ｐ側コンタクト電極層は、銀（Ａ
ｇ）を含有する金属またはニッケル（Ｎｉ）のいずれか
からなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１
つに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】前記ｐ側コンタクト電極層の上に金属酸
化物からなる透光性導電膜を形成する工程と、酸素を含有した雰囲気において前記透光性導電膜を熱処
理する工程と、をさらに備えたことを特徴とする請求項９〜１２のいず
れか１つに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】発光層を含む半導体積層体を形成する工
程と、前記半導体積層体の上に金属酸化物からなる透光性導電
膜を形成する工程と、酸素を含有した雰囲気において前記透光性導電膜を熱処
理する工程と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。