JP2002368272A - Iii族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
Iii族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法Info
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Abstract
レが発生しない発光素子の製造方法を提供する。 【構成】 透光性電極の上にp台座電極を積層後、比較
的低温で両者を加熱して、両者の間からガスを抜く。そ
の後、高温で両者をアロイ化する。
Description
導体発光素子に関する。例えば、青色系発光ダイオード
などのIII族窒化物系化合物半導体発光素子の電極の改
良として好適な発明である。
物系化合物半導体発光素子においては、素子の全面から
均一な発光を得るため種々の提案がなされている。均一
発光を得るための方策として、p型層の上面に薄膜の透
光性電極を貼ってその上にp台座電極を設けている(特
開平10−275934号公報等参照)。かかる透光性
電極とp台座電極は次のようにして形成される。まず、
p型層の上に透光性電極の形成材料層を例えばリフトオ
フ法により形成する。その後、常法に従い透光性電極の
形成材料層をアッシングし、同じくリフトオフ法により
p台座電極の形成材料層を形成する。その後、加熱によ
り両者をアロイ化して結合する。
ば、アロイ化のための加熱時に、透光性電極の形成材料
とp台座電極の形成材料との間にガスが発生することが
散見された。このガスにより、アロイ化後のp台座電極
がフクレあがり、透光性電極との間に充分な密着力やオ
ーミックコンタクトを得られないおそれがあった。この
ガス発生の原因を探ったところ、透光性電極の形成材料
の表面に付着したいわゆるコンタミネーション物質(有
機物、レジスト残渣等)がアロイ化時の加熱温度で分解
してガスを発生することがわかった。当該コンタミネー
ション物質の付着を防止するため、アッシング条件など
を厳しく管理することも考えられるが、工程状態(装置
の状態、クリーンルーム内環境因子、半導体層の特性
等)にゆらぎがあるためコンタミネーション物質の完全
除去は現実的には困難である。
決すべく鋭気検討を重ねてきた結果、本発明に想到し
た。即ち、透光性電極上にp台座電極を積層する工程
と、前記透光性電極と前記p台座電極との間からガスを
抜く工程と、該ガス抜き工程の後に行われ、前記透光性
電極と前記p台座電極とをアロイ化する工程と、を含む
ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子
の製造方法。
p台座電極との間から、両者がアロイ化される前に、ガ
スが抜かれるので、p台座電極がフクレあがることが無
くなる。したがって、透光性電極とp台座電極との間に
充分な密着力が得られるとともに、両者の間のオーミッ
ク性が確保される。
ものではないが、例えば下側から第1電極層としてCo
層及び第2電極層としてAu層を順次積層する。第1電
極層の構成元素は第2電極層の構成元素よりもイオン化
ポテンシャルが低い元素であり、第2電極層の構成元素
は半導体に対するオーミック性が第1電極層の構成元素
よりも良好な元素とするのが望ましい。p型コンタクト
層と合金を形成するために、この電極層に対しても熱処
理が施されるが、その熱処理により、半導体の表面から
深さ方向の元素分布は、第2電極層の構成元素の方が第
1電極層の構成元素よりも深く浸透した分布となる。即
ち、電極層の元素分布が電極層の形成時の分布に対して
反転している。電極層の形成後には、上側に形成した第
2電極層の構成元素の方が下側になり、下側に形成した
第1電極層の構成元素の方が上側に存在する。望ましく
は、第1電極層の構成元素は、ニッケル(Ni)、コバルト
(Co)、鉄(Fe)、銅(Cu)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、バ
ナジウム(V)、マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、銀(A
g)のうち少なくとも一種の元素であり、その膜厚は0.
5〜15nmとする。第2電極層の構成元素は、パラジ
ウム(Pd)、金(Au)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)のうち少
なくとも1種の元素であり、その膜厚は3.5〜25n
mとする。最も望ましくは、第1電極層の構成元素はCo
であり、第2電極層の構成元素はAuである。この場合に
は、熱処理により、半導体の表面から深さ方向の元素分
布は、CoよりもAuが深く浸透した分布となる。
に限定されるものではないが、例えば下側から第1金属
層としてCr層、第2金属層としてAu層及び第3金属
層としてAl層を順次積層する構造とする。第1金属層
はその下の層と強固に結合できるように、第2の金属層
よりもイオン化ポテンシャルが低い元素とする。第2の
金属層はAl又はAuとのボンディング性が良好で、か
つ透光性電極と反応しない元素とする。第3金属層は保
護膜と強固に結合できる元素とすることが好ましい。望
ましくは、第1金属層の構成元素は、ニッケル(Ni)、鉄
(Fe)、銅(Cu)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、バナジウム
(V)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)のうち少なくとも
一種の元素であり、その膜厚は1〜300nmである。
望ましくは、第3金属層の構成元素は、アルミニウム(A
l)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)のうち少なくとも一種の
元素であり、その膜厚は1〜30nmである。望ましく
は、第2金属層の構成元素は金(Au)であり、その膜厚は
0.3〜3μmである。
電極との間の接触面積を増大させることが好ましい。p
台座電極の周面は傾斜していることが好ましい。台座電
極の周面をテ−パ状としておくことにより、p台座電極
及び透光性電極の表面に形成される保護膜(SiO2膜
等)を当該テ−パ状部にもほぼ設計膜厚通りに形成する
ことが可能となる。
電極はIII族窒化物系化合物半導体層のp型層(pコンタ
クト層)の上に形成される。この明細書において、III
族窒化物系化合物半導体は一般式としてAlXGaYI
n1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y
≦1)で表され、AlN、GaN及びInNのいわゆる
2元系、AlxGa1−xN、AlxIn1−xN及び
GaxIn1−xN(以上において0<x<1)のいわ
ゆる3元系を包含する。III族元素の少なくとも一部を
ボロン(B)、タリウム(Tl)等で置換しても良く、
また、窒素(N)の少なくとも一部もリン(P)、ヒ素
(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で
置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のド
ーパントを含むものであっても良い。n型不純物とし
て、Si、Ge、Se、Te、C等を用いることができ
る。p型不純物として、Mg、Zn、Be、Ca、S
r、Ba等を用いることができる。なお、p型不純物を
ドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照
射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも
可能であるがい必須ではない。III族窒化物系化合物半
導体層の形成方法は特に限定されないが、有機金属気相
成長法(MOCVD法)のほか、周知の分子線結晶成長
法(MBE法)、ハライド気相成長法(HVPE法)、
スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法
等によっても形成することができる。なお、発光素子の
構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへ
テロ構造のものを用いることができる。さらに量子井戸
構造(単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造)を
採用することもできる。
板上にIII族窒化物系化合物半導体層を積層した場合に
は、III族窒化物系化合物半導体層の一部をエッチング
してn型層を表出させる。その後、フォトレジストを用
いて蒸着した透光性電極をパターニングする。アッシン
グ工程を経た後、同様にフォトレジストを用いて蒸着し
たp台座電極をパターニングする。その後、同様にして
n型電極が蒸着される。n型電極の形成材料としてバナ
ジウム・アルミニウム合金などのアルミニウム合金等が
採用される。
光素子製造方法では、上記のように蒸着した各電極の形
成材料をアロイ化するために、常法に従い加熱する。熱
処理は酸素を含むガス中において行うことが好ましい。
このとき、酸素を含むガスとしては、O2、O3、CO、C
O2、NO、N2O、NO2、又は、H2Oの少なくとも1種又はこ
れらの混合ガスを用いることができる。又は、O2、O3、
CO、CO2、NO、N2O、NO2、又は、H2Oの少なくとも1種と
不活性ガスとの混合ガス、又は、O2、O3、CO、CO2、N
O、N2O、NO2、又は、H2Oの混合ガスと不活性ガスとの混
合ガスを用いることができる。要するに酸素を含むガス
は、酸素原子、酸素原子を有する分子のガスの意味であ
る。熱処理時の雰囲気の圧力は、熱処理温度において、
窒化ガリウム系化合物半導体が熱分解しない圧力以上で
あれば良い。酸素を含むガスは、O2ガスだけを用いた場
合には、窒化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上の圧
力で導入すれば良く、他の不活性ガスと混合した状態で
用いた場合には、全ガスを窒化ガリウム系化合物半導体
の分解圧以上の圧力とし、O2ガスは全ガスに対して10
-6程度以上の割合を有しておれば十分である。要する
に、酸素を含むガスは極微量存在すれば十分である。
尚、酸素を含むガスの導入量の上限値は電極合金化の特
性からは、特に、制限されるものではない。要は、製造
が可能である範囲まで使用できる。熱処理の温度は45
0〜650℃とすることが望ましく、さらに望ましくは
500〜600℃である。
光性電極とp台座電極と間からガス抜きを行う。このガ
スは、フォトレジストの残渣等からなるコンタミネーシ
ョン物質に由来し、これが加熱分解されてガス化する。
そこでこの発明では、上記アロイ化温度(第2の温度)
に比較して低い温度(第1の温度)まで加熱するステッ
プを設けることにより、透光性電極とp台座電極とがア
ロイ化して結合される前に、両者の間からガスを除去す
る。
意的にフォトレジストの残渣を残した状態でp台座電極
(100μmφ)を積層し、酸素雰囲気中で加熱温度を
変えながら熱処理を施しそのp型台座電極を観察した。
なお、昇温レートは500℃/分であり、最高温度に達
した後は放冷した。p台座電極にフクレが発生したか否
かを顕微鏡により観察した。結果は次の通りであった。
なおこのフクレは透光性電極とp台座電極との間で発生
したガスによる泡状のフクレである。 最高温度(℃) フクレ発生の有無 200 無 250 無 300 僅かに発生 350 多量に発生 400 多量に発生 450 多量に発生 500 多量に発生
00℃からガス化することがわかる。これより、ガスを
抜くための温度(第1の温度)は300〜400℃とす
ることが好ましい。300℃未満であると、残渣の全部
をガス化できないのでアロイ化温度において残った残渣
がガス化してフクレを発生させる惧れがある。また30
0℃未満でフォトレジスト残渣の全部をガス化させるの
は時間がかかるのでスループットを低下させる。他方、
400℃を越えると電極の形成材料のアロイ化が進行
し、ガスが透光性電極とp台座電極との間に閉じ込めら
れるおそれがあるので、好ましくない。更に好ましい第
1の温度は330〜370℃である。
間維持すると、図2に示す通り、透光性電極21とp台
座電極23との間に次々の泡25(フォトレジスト残渣
がガス化したもの)が発生し、それがp台座電極23の
エッジへ移動して消滅していくのが確認できた。ガスの
泡25のなかには加熱により流動化したp台座電極の中
を通って排出されるものもあると考えられる。上記所定
時間の間においてガス化のための温度は一定温度に維持
される必要はなく、実施例ではガス化のための温度は漸
増している。ガス化のための温度を加える時間(上記所
定時間)は、ガスが抜けるものであれば特に限定されな
いが、例えば0.1〜60分とすることが好ましい。更
に好ましくは0.3〜30分であり、更に更に好ましく
は0.5〜10分である。ガス化のための熱処理を施す
ときの雰囲気は特に限定されるものではない。後に続く
アロイ化工程は酸素雰囲気で熱処理されるので、同様な
酸素雰囲気としておくことが好ましい。
の熱処理温度まで昇温して各電極のアロイ化を図る。こ
のときは酸化雰囲気とする。
実施例は発光ダイオード10であり、その構成を図1に
示す。なお、図1は層の構成を説明するための図であ
り、各層の厚さや幅のプロポーションを正確に反映する
ものではない。
不純物してSiをドープしたGaNからなるn型層3を
形成した。ここで、基板1にはサファイアを用いたが、
これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、
シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、
ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III
族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができ
る。さらにバッファ層はAlNを用いてMOCVD法で
形成されるがこれに限定されることはなく、材料として
はGaN、InN、AlGaN、InGaN及びAlI
nGaN等を用いることができ、製法としては分子線結
晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVP
E法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シ
ャワー法等を用いることができる。III族窒化物系化合
物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を
省略することができる。さらに基板とバッファ層は半導
体素子形成後に、必要に応じて、除去することもでき
る。
GaN、InGaN若しくはAlInGaNを用いるこ
とができる。また、n型層はn型不純物してSiをドー
プしたが、このほかにn型不純物として、Ge、Se、
Te、C等を用いることもできる。n型層3は発光する
層を含む層4側の低電子濃度n-層とバッファ層2側の
高電子濃度n+層とからなる2層構造とすることができ
る。発光する層を含む層4は量子井戸構造の発光層を含
んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングル
へテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどで
もよい。
グネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップ
の広いIII族窒化物系化合物半導体層を含むこともでき
る。これは発光する層を含む層4中に注入された電子が
p型層5に拡散するのを効果的に防止するためである。
してMgをドープしたGaNからなるp型層5を形成し
た。このp型層はAlGaN、InGaN又はInAl
GaNとすることもできる、また、p型不純物としては
Zn、Be、Ca、Sr、Baを用いることもできる。
さらに、p型層5を発光する層を含む層4側の低ホール
濃度p−層と電極側の高ホール濃度p+層とからなる2
層構造とすることができる。
I族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でMOCV
Dを実行して形成するか、分子線結晶成長法(MBE
法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ
法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法
で形成することもできる。
る層を含む層4及びn型層3の一部を反応性イオンエッ
チングにより除去し、n電極9を形成すべきn電極形成
面11を表出させる。
(1.5nm)とAu層(60nm)を順次積層する。
次に、フォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグ
ラフィにより、n電極形成面11及びその周囲からほぼ
10μm幅の部分(クリアランス領域13)でフォトレ
ジストを除去して、エッチングによりその部分の透光性
電極の形成材料を除去し、半導体層を露出させる。その
後、フォトレジストを除去する。なお、この実施例で
は、ガスが発生し易くなるようにアッシングを省略し、
透光性電極の形成材料におけるp台座電極形成面にフォ
トレジスト残渣を残すようにした。次に、リフトオフ法
により、Cr層(30nm)、Au層(1.5μm)及
びAl層(10nm)を順次蒸着積層してp台座電極7
とする。バナジウムとアルミニウムとからなるn電極9
も同様にリフトオフ法により形成される。
入れ、炉内を1Pa以下にまで排気し、その後10数P
aまでO2を供給する。そして、図3(A)に示すよう
に、その状態から350℃までを30℃/分の昇温レー
トで加熱する。350℃に達したら、直ちに昇温レート
を500℃/分の昇温レートに変更して550℃まで昇
温し、550℃を5分間維持した後、放冷する。p台座
電極上のワイヤーボンディング等を施す領域並びにn電
極上面及びその周縁部以外のほぼ全面にかけて絶縁性で
かつ透光性の保護膜14(酸化シリコン、窒化シリコ
ン、酸化チタン、酸化アルミニウム等)が被覆される。
保護膜14の形成方法にはスパッタ法或いはCVD法を
採用できる。
す。即ち、室温状態から500℃/分の昇温レートで5
50℃までいっきに昇温し、550℃の状態を5分間保
ち、放冷する。
りこまれた複数のもの)におけるp台座電極を顕微鏡に
より観察したところ、実施例ではそのp台座電極にフク
レの生じたチップは見つからなかった。他方、比較例の
場合はそのほぼ80%にチップにフクレが観察された。
フクレの状態を図4に示した。フォトレジスタ残渣が気
化して出来たガスが外部に抜ける前に透光性電極21と
p台座電極23とがアロイ化して結合するので、ガスが
両者の間に閉じ込められるものと考えられる。閉じ込め
られたガスは集まって大きな泡27を形成し、その結果
p台座電極23にフクレ39が出来ると考えられる。
施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の
範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲
で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
透光性電極と、該透光性電極の上に形成されたp台座電
極を備えるIII族窒化物系化合物半導体発光素子であっ
て、前記透光性電極と前記p台座電極とはそれぞれの形
成材料の間からガスが抜かれた後にアロイ化されたもの
である、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体
発光素子。 12 前記透光性電極の形成材料はIII族窒化物系化合
物半導体層側からコバルト(Co)若しくはニッケル
(Ni)からなる第1の層と金(Au)からなる第2の
層とを積層したものであり、前記p台座電極の形成材料
は前記透光性電極側からバナジウム(V)若しくはニッ
ケル(Ni)と、金(Au)と、アルミニウム(Al)
とを順次積層したものである、ことを特徴とする11に
記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
説明する断面図。
例の熱履歴を示し、(B)は比較例の熱履歴を示す。
Claims (6)
- 【請求項1】 透光性電極上にp台座電極を積層する工
程と、 前記透光性電極と前記p台座電極との間からガスを抜く
工程と、 該ガス抜き工程の後に行われ、前記透光性電極と前記p
台座電極とをアロイ化する工程と、 を含むことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発
光素子の製造方法。 - 【請求項2】 前記ガス抜き工程では第1の温度まで加
熱され、前記アロイ化工程は該第1の温度より高温であ
る第2の温度まで加熱される、ことを特徴とする請求項
1に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造
方法。 - 【請求項3】 前記第1の温度は300〜400℃であ
り、前記第2の温度は450℃以上である、ことを特徴
とする請求項2に記載のIII族窒化物系化合物半導体発
光素子の製造方法。 - 【請求項4】 加熱開始から前記第1の温度までの昇温
レートよりも前記第1の温度から前記第2の温度までの
昇温レートの方が高い、ことを特徴とする請求項2又は
3に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造
方法。 - 【請求項5】 前記透光性電極の形成材料は金合金であ
り、前記p台座電極の形成材料は金合金である、ことを
特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のIII族窒化
物系化合物半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項6】 前記透光性電極の形成材料はIII族窒化
物系化合物半導体層側からコバルト(Co)若しくはニ
ッケル(Ni)からなる第1の層と金(Au)からなる
第2の層とを積層したものであり、前記p台座電極の形
成材料は前記透光性電極側からバナジウム(V)若しく
はニッケル(Ni)と、金(Au)と、アルミニウム
(Al)とを順次積層したものである、ことを特徴とす
る請求項1〜4のいずれかに記載のIII族窒化物系化合
物半導体発光素子の製造方法。
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