JP2008192782A - 電極及びそれを有するｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents
電極及びそれを有するｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】III族窒化物系化合物半導体発光素子の電極中の銀のマイグレーションの抑制。
【解決手段】サファイア等の誘電体基板１０に、ｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１１、発光層１２、ｐ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１３を形成する。この後、ｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１１をエッチング等により露出させ、ｎ電極３０を形成する。正電極側は、ｐ型層１３の上に、ＩＴＯから成る透光性電極層２１、銀合金から成る反射電極層２２、ＴｉとＰｔを積層した拡散防止層２３、金から成る厚膜電極２４を順に積層する。銀合金から成る反射電極層２２は、パラジウム（Ｐｄ）と銅（Ｃｕ）を添加し、酸素（Ｏ）を含む。これにより、銀合金から成る反射電極層２２からのマイグレーションを抑制した上、下層のＩＴＯから成る透光性電極層２１との界面での黒化を防止でき、光取り出し効率が向上する。
【選択図】図１
【解決手段】サファイア等の誘電体基板１０に、ｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１１、発光層１２、ｐ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１３を形成する。この後、ｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１１をエッチング等により露出させ、ｎ電極３０を形成する。正電極側は、ｐ型層１３の上に、ＩＴＯから成る透光性電極層２１、銀合金から成る反射電極層２２、ＴｉとＰｔを積層した拡散防止層２３、金から成る厚膜電極２４を順に積層する。銀合金から成る反射電極層２２は、パラジウム（Ｐｄ）と銅（Ｃｕ）を添加し、酸素（Ｏ）を含む。これにより、銀合金から成る反射電極層２２からのマイグレーションを抑制した上、下層のＩＴＯから成る透光性電極層２１との界面での黒化を防止でき、光取り出し効率が向上する。
【選択図】図１
Description
本発明は、III族窒化物系化合物半導体発光素子の正電極に関する。III族窒化物系化合物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ、ｙ、ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下）で示される半導体、及び、ｎ型化／ｐ型化等のために任意の元素を添加したものを含む。更には、III族元素及びＶ族元素の組成の一部を、Ｂ、Ｔｌ；Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。
図４は、III族窒化物系化合物半導体発光素子９００の構造を示す断面図である。III族窒化物系化合物半導体発光素子９００は、サファイア等の誘電体基板１０に、図示しないバッファ層等を介して、１層以上のｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１１、単層又はＳＱＷ若しくはＭＱＷ構造の発光層（活性層）１２、１層以上のｐ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１３が例えばエピタキシャル成長により形成されている。また、ｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１１をエッチング等により露出させてｎ電極３０が形成されている。また、誘電体基板１０側を光取り出し側とするフリップチップ型の発光素子とするため、ｐ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１３には反射性の良い銀又は銀を主成分とする合金から成る反射電極層９２が形成されている。銀又は銀合金から成る反射電極層９２の外周部が捲れ上がらないように、酸化シリコンから成る第１の絶縁層４１で反射電極層９２の外周部が一部覆われ、反射電極層９２は金又は金を主成分とする合金から成る厚膜パッド電極層９４で覆われている。更に、短絡の防止その他のために、ｎ電極３０外周と、厚膜パッド電極層９４外周とが、酸化シリコンから成る第２の絶縁層４２で覆われるように囲まれている。
このような技術については下記特許文献１、２等、広く知られている。
特開２００６− ４１４０３公報
特開２００６−２４５２３２公報
良く知られているように、通電により銀から成る電極層９２は銀イオンのマイグレーションを生じる。また、III族窒化物系化合物半導体層１３に直接銀電極９２を形成する際、電極９２の形成の後、III族窒化物系化合物半導体層１３とのオーミック性を向上させるために加熱処理が行われるが、この際にも銀イオンのマイグレーションが生じやすい。更に、銀は、金から成るパッド電極９４と直接接触すると、通電や加熱により金と相互に拡散しやすい。
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、フリップチップ型のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の正電極に銀を用いる際に、銀の、III族窒化物系化合物半導体側へのマイグレーションも、反対側であるパッド電極側へのマイグレーションも抑制することである。
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、ｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層に形成された正電極であって、透光性電極層と、銀又は銀を主成分とする合金から成る反射電極層と、銀の上層への拡散を防止し、導電性である拡散防止層と、金又は金を主成分とする合金から成る厚膜層とを、この順に積層した構成を有することを特徴とする電極である。
請求項２に係る発明は、透光性電極層は、金属酸化物、金属窒化物又は金属硫化物から成ることを特徴とする。請求項３に係る発明は、透光性電極層は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成ることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、拡散防止層は、高融点金属又は金属窒化物から成る、或いはそれらを少なくとも１層含む多重層から成ることを特徴とする。請求項５に係る発明は、拡散防止層は、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、又は窒化チタン（ＴｉＮx）から成ることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、反射電極層は、添加物として、銅原子、モリブデン原子及びパラジウム原子のうち少なくとも１種以上を選択してモル比で０．１％以上１０％以下添加された銀合金であることを特徴とする。請求項７に係る発明は、反射電極層は、添加物として、酸素原子をモル比で０．１％以上１０％以下添加された銀合金であることを特徴とする。請求項８に係る発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の正電極を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子である。
III族窒化物系化合物半導体層に、密着性とオーミック性の良い、透光性のＩＴＯその他の透光性電極層をまず形成する。銀層又は銀合金層をこの上に形成し、最上層の金又は金合金の厚膜電極との間に、銀と金の相互拡散を防止する導電性の拡散防止層を設ける。これにより、銀がIII族窒化物系化合物半導体層や、パッド電極である金又は金合金厚膜層にマイグレーション又は拡散することを回避できる。
III族窒化物系化合物半導体層とのオーミック性は、ＩＴＯその他の透光性電極層で確保されるので、銀を形成後の加熱処理が不要となる。この点においても銀がIII族窒化物系化合物半導体層にマイグレーションすることを重ねて回避できる。
透光性電極層と銀反射電極層とで、高効率に反射が可能であり、光の取り出し効率を高め、高性能な発光素子を実現できる。特に、酸化物から成る透明電極層上に銀層を形成すると透光性電極層の酸化物の酸素により銀又は銀合金が黒化する場合があり、透光性電極層の酸化物の酸素が減少することにより、透光性電極層の透明性が低下し、銀又は銀合金層の黒化により光吸収の増加と光反射の減少を生じ、全体として光取り出し効率が低下する。このような場合、銀又は銀合金層を形成する際に原子モル比０．１〜１０％の範囲で酸素原子を添加し、透光性電極層からの酸素の拡散と銀の酸化に伴う粒成長による黒化とを防ぐことができる。これにより光取り出し効率の低下も抑制できる。
銀合金については、原子のモル比で１０％以下、好ましくは１％以下で、次の元素を添加すると良い。即ち、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）である。これらの元素を１種類又は複数集類添加した銀合金は、純粋な銀よりもマイグレーションの抑制を図れる。
銀又は銀合金層の厚さは、１０ｎｍ以上２μｍ以下とすると良い。１０ｎｍ未満では光反射層として十分に効果がなく、２μｍ以上の厚さにすることは、それによる効果等が無く、製造コストを上昇させるのみである。銀又は銀合金層の厚さは、５０ｎｍ以上１μｍ以下がより好ましく、更には１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好適である。
純粋な銀層の形成は、蒸着を好適に用いることができるが、スパッタリングその他の形成方法を用いても良い。他の金属元素を添加した銀合金層は、予め合金ターゲットを用意してスパッタリングにより形成する方法が好ましい。スパッタリング元を２元とし、銀と添加する金属の酸化物の同時スパッタにより形成するのが良い。
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銀又は銀合金層の下層の透光性電極に酸化物から成る透光性電極層を用いる場合は、銀又は銀合金層が当該酸化物透光性電極との界面で黒化を生ずることがある。そこで、銀又は銀合金層に酸素原子を添加すると良い。これにより界面の黒化を防ぐことができる。この際、銀と添加金属の金属酸化物の２元スパッタリングにより形成することにより、酸素原子が銀又は銀合金層に取り込まれる。これにより、金属酸化物から成る透光性電極層からの酸素の抜けが防止されるので、金属酸化物から成る透光性電極層の透明性の低下が防止される。特にＩＴＯ電極でその効果が高い。
透光性電極としては、ＩＴＯを初めとした、Ｉｎ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＳｎＯ2その他の金属酸化物半導体に所望のドーパントを添加したものが好適に使用できる。その他、ＺｎＳその他の硫化物半導体や窒化物半導体を用いても良い。透光性電極層の厚さは任意であるが、１０ｎｍ以上１μｍ以下とすると良い。１０ｎｍ未満ではコンタクト電極として十分に効果がなく、１μｍ以上の厚さにすることは、それによる効果等が無く、製造コストを上昇させるのみである。透光性電極層の厚さは、２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下がより好ましく、更には５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好適である。透光性電極層の形成方法は、スパッタリングその他の任意の公知の方法を採用できる。
拡散防止層としては、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）の層を設けると良い。この際、複数種類の金属層を多重層として形成しても良い。尚、拡散防止層としては窒化チタン（ＴｉＮx）でも良く、或いは、透光性電極に用いうるＩＴＯその他を用いても良い。拡散防止層を単層とする場合は、厚さは５０ｎｍ以上２μｍ以下とすると良い。５０ｎｍ未満では加熱処理等を加えた場合に拡散防止層として十分に効果がない可能性があり、２μｍ以上の厚さにすることは、それによる効果等が無く、製造コストを上昇させるのみである。拡散防止層の厚さは、１００ｎｍ以上１μｍ以下がより好ましく、更には２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好適である。拡散防止層を多重層とする場合は、少なくとも当該多重層の総膜厚が上記範囲であることが好ましく、また、構成層のうちの最も厚い層の膜厚が上記範囲であることが好ましい。この際、例えば３００ｎｍ厚の層を中層とする場合、銀又は銀合金から成る反射層と接する下層や、金又は金合金から成る厚膜電極層と接する上層は、例えば５〜２０ｎｍの薄層とすることも可能である。このように、例えば製造コストの面で、高価又は希少な材料を用いる層を薄くする設計も可能である。拡散防止層の形成方法は、個々の金属層を蒸着、スパッタリングその他の任意の公知の方法を採用できる。拡散防止層にＩＴＯやその他の化合物層を用いる場合も、任意の公知の方法を採用できる。
図１は、本発明に係るフリップチップ型のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の構成を示す断面図である。図４のIII族窒化物系化合物半導体発光素子９００と同様に、サファイア等の誘電体基板１０に、図示しないバッファ層等を介して、１層以上のｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１１、単層又はＳＱＷ若しくはＭＱＷ構造の発光層（活性層）１２、１層以上のｐ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１３が例えばエピタキシャル成長により形成されている。この後、ｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１１をエッチング等により露出させて、１５ｎｍ厚のバナジウム（Ｖ）層３１、５００ｎｍ厚のアルミニウム（Ａｌ）層３２、３００ｎｍ厚の金（Ａｕ）層３３から成るｎ電極３０が形成される。
一方正電極側は、ｐ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１３の上に、１００ｎｍ厚のＩＴＯから成る透光性電極層２１、３００ｎｍ厚の銀合金から成る反射電極層２２、１０ｎｍ厚のＴｉと３００ｎｍ厚のＰｔを積層した拡散防止層２３、１μｍ厚の金から成る厚膜電極（パッド電極）２４が順に積層されている。銀合金から成る反射電極層２２は、パラジウム（Ｐｄ）と銅（Ｃｕ）を合わせてモル比１％程度以下添加されており、酸素（Ｏ）を含むものとする。また、拡散防止層２３は、ＩＴＯから成る透光性電極層２１及び銀合金から成る反射電極層２２の外周部をも覆うように形成されている。これにより、銀合金から成る反射電極層２２からの銀のマイグレーションを抑制した上、下層のＩＴＯから成る透光性電極層２１との界面での黒化を防止でき、誘電体基板１０側への光取り出し効率が向上する。
図２は、本発明に係るフリップチップ型のIII族窒化物系化合物半導体発光素子２００の構成を示す断面図である。図１のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００と同様に、サファイア等の誘電体基板１０、ｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１１、発光層（活性層）１２、ｐ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１３が例えばエピタキシャル成長により形成されている。この後、ｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１１をエッチング等により露出させて、１５ｎｍ厚のバナジウム（Ｖ）層３１、５００ｎｍ厚のアルミニウム（Ａｌ）層３２、３００ｎｍ厚の金（Ａｕ）層３３から成るｎ電極３０が形成される。
一方正電極側は、ｐ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層１３の上に、１００ｎｍ厚のＺｎＯ：Ａｌから成る透光性電極層２１'、３００ｎｍ厚の銀合金から成る反射電極層２２'、１０ｎｍ厚のチタン（Ｔｉ）、２０ｎｍ厚のタングステン（Ｗ）、１０ｎｍ厚のチタン（Ｔｉ）、５０ｎｍ厚の白金（Ｐｔ）が積層された拡散防止層２３'、１μｍ厚の金から成る厚膜電極（パッド電極）２４が順に積層される。銀合金から成る反射電極層２２'は、モリブデン（Ｍｏ）と銅（Ｃｕ）を合わせてモル比１％程度以下添加され、酸素（Ｏ）を含むものとする。
尚、図２のIII族窒化物系化合物半導体発光素子２００は、ＺｎＯ：Ａｌから成る透光性電極層２１'の外周を囲うように酸化シリコンから成る第１の絶縁層４１が形成されている。銀合金から成る反射電極層２２'は第１の絶縁層４１の一部も覆うように形成されており、反射面積が広く取られている。更に銀合金から成る反射電極層２２'外周を囲うように酸化シリコンから成る第２の絶縁層４２が形成されている。第２の絶縁層４２はｎ電極３０側まで形成され、短絡の防止の作用を果たす。
本実施例においても、実施例１同様、銀合金から成る反射電極層２２'からの銀のマイグレーションを抑制した上、下層のＺｎＯ：Ａｌから成る透光性電極層２１'との界面での黒化を防止でき、誘電体基板１０側への光取り出し効率が向上する。
また、本実施例においては、反射電極層２２'の面積を透光性電極２１'の面積より大きくとることで、発光層から正電極側に放射された光を誘電体基板１０側に、より効率よく反射させる構成であるので、光取り出し効率が更に向上する。
また、本実施例においては、反射電極層２２'の面積を透光性電極２１'の面積より大きくとることで、発光層から正電極側に放射された光を誘電体基板１０側に、より効率よく反射させる構成であるので、光取り出し効率が更に向上する。
図３は、本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子３００の構成を示す断面図である。図２のIII族窒化物系化合物半導体発光素子２００との差異は、ＧａＮから成る導電性基板１１０を用いて当該基板裏面の一部のみを覆うようにｎ電極３０を設けたことと、第２の絶縁層４２を当該基板外周をも覆うようにしたことである。その他の構成は図２のIII族窒化物系化合物半導体発光素子２００と同様であって、同一の符号を付している。本実施例においても、実施例２同様、銀合金から成る反射電極層２２'からの銀のマイグレーションを抑制した上、下層のＺｎＯ：Ａｌから成る透光性電極層２１'との界面での黒化を防止でき、ｎ電極３０側への光取りｎ電極３０側の出し効率が向上する。
１０：誘電体基板
１１０：ｎ型ＧａＮ基板
１１：単層又は多重層であるｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層
１２：単層又はＳＱＷ若しくはＭＱＷ構造である発光層（活性層）
１３：単層又は多重層であるｐ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層
２１、２１'：透光性電極層
２２、２２'：反射電極層
２３、２３'：導電性の拡散防止層
２４：厚膜電極
３０：ｎ電極
１１０：ｎ型ＧａＮ基板
１１：単層又は多重層であるｎ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層
１２：単層又はＳＱＷ若しくはＭＱＷ構造である発光層（活性層）
１３：単層又は多重層であるｐ型ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層
２１、２１'：透光性電極層
２２、２２'：反射電極層
２３、２３'：導電性の拡散防止層
２４：厚膜電極
３０：ｎ電極
Claims (8)
- ｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層に形成された正電極であって、
透光性電極層と、
銀又は銀を主成分とする合金から成る反射電極層と、
銀の上層への拡散を防止し、導電性である拡散防止層と、
金又は金を主成分とする合金から成る厚膜層とを、
この順に積層した構成を有することを特徴とする電極。 - 前記透光性電極層は、金属酸化物、金属窒化物又は金属硫化物から成ることを特徴とする請求項１に記載の電極。
- 前記透光性電極層は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成ることを特徴とする請求項２に記載の電極。
- 前記拡散防止層は、高融点金属又は金属窒化物から成る、或いはそれらを少なくとも１層含む多重層から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電極。
- 前記拡散防止層は、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、又は窒化チタン（ＴｉＮx）から成ることを特徴とする請求項４に記載の電極。
- 前記反射電極層は、添加物として、銅原子、モリブデン原子及びパラジウム原子のうち少なくとも１種以上を選択してモル比で０．１％以上１０％以下添加された銀合金であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電極。
- 前記反射電極層は、添加物として、酸素原子をモル比で０．１％以上１０％以下添加された銀合金であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電極。
- 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の正電極を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
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