JP5628615B2 - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の半導体発光装置に関し、特に半導体層の内部における電流拡散を制御する構造に関する。
いわゆるフェイスアップ型の半導体発光装置は、絶縁性の成長用基板の上にｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を順次積層し、ｐ型半導体層および活性層の一部を除去することによりｎ型半導体層を部分的に露出させ、ｐ型半導体層の表面および露出したｎ型半導体層の表面にそれぞれｐ側電極およびｎ側電極を形成することにより製造される。ｐ側電極は、ｐ型半導体層の表面を広く覆うスズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）等からなる透明電極の上に金属からなるパッド電極を積層することにより形成される。
しかしながら、このような電極構造によれば、ｐ側パッド電極から供給された電流は、ｎ側電極に向けて最短経路で流れるため半導体層内における電流拡散が不十分となり、順方向電圧の上昇や発光効率の低下を引き起こす。更に、電流が集中するｐ側パッド電極直下においてはジュール熱が増大し、ｐ側パッド電極と透明電極との界面に熱応力が生じ、ｐ側パッド電極が透明電極から剥がれるといった不具合が発生する場合もある。
このようなｐ側パッド電極直下における電流集中を抑制する技術として、例えば特許文献１には、ｐ型ＧａＮ層の内部にＴｉＯ２からなる電流阻止層を有する半導体発光装置が開示されている。
特許文献２には、ｐ型ＧａＮ層の表面に並置されたＳｉＯ２膜およびＩＴＯ透明電極と、ＳｉＯ２膜上にＩＴＯ透明電極の一部と接するように形成されたｐ側パッド電極とを含む半導体発光装置が開示されている。
特許文献３には、最表面の半導体層をｎ型ＧａＮ層とし、ｎ型ＧａＮ層の表面にｎ型ＧａＮ層に対する接触抵抗が比較的大きいＡｇ等からなる電流阻止層と、ｎ型ＧａＮ層に対する接触抵抗が比較的小さいＩＴＯからなる透明電極を形成し、パッド電極を電流阻止層の直上に配置した半導体発光装置が開示されている。
特許文献１に記載されているように、ｐ型ＧａＮ層の内部にＴｉＯ２からなる電流阻止層を形成する場合、以下に示すプロセスが必要となる。ｐ型ＧａＮ層を形成した後、ＭＯＣＶＤ装置内の温度を室温まで下げウエハを取り出す。ウエハを真空蒸着装置のチャンバ内に設置し、Ｔｉ膜を真空蒸着する。フォトリソグラフィおよびエッチングによりＴｉ膜をパターニングする。ウエハを酸化炉内に設置し、Ｔｉ膜を酸化してＴｉＯ２膜を得る。ウエハを再びＭＯＣＶＤ装置に設置し、結晶成長を行う。このように、半導体層内部にＴｉＯ２膜を形成しようとすると、結晶成長工程が中断されることになり工程が煩雑となる。また、結晶成長を中断してウエハをハンドリングするため、歩留り低下を引き起こし、生産コストが高くなる。
特許文献２に記載されているように、ＳｉＯ２膜上にＩＴＯ透明電極の一部と接するようにｐ側パッド電極を形成した場合、電流はｐ側パッド電極とＩＴＯ透明電極の接合部に集中する。上記接合部では電流集中により発熱し、熱応力によりｐ側パッド電極がＩＴＯ透明電極から剥離する場合もあり、このような電極構成が信頼性低下の要因となる。一方、光取り出し効率を向上させるために、ｐ側パッド電極を極力小さく形成する必要があることから、ｐ側パッド電極とＩＴＯ透明電極との接合部面積を大きくすることは困難である。従って、大電流を供給した場合、ｐ側パッド電極とＩＴＯ透明電極との接合部に電流が集中し、順方向電圧が高くなってしまう。
特許文献３に記載されているように、最表面の半導体層をｎ型ＧａＮ層とした場合、このｎ型ＧａＮ層を形成する際の熱により活性層が劣化し、内部量子効率の低下を招く。また、電流阻止層をパターニングする際のフォトリソグラフィ工程において最表面のｎ型ＧａＮ層が汚染され、後に形成される透光性電極とｎ型ＧａＮ層との間で良好なオーミック性接触を形成することが困難となる。更に、電流阻止層を金属で形成した場合、当該金属が高反射率を有する場合であっても活性層から放射された光の一部は電流阻止層に吸収され、光取り出し効率が低下する。
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、比較的簡便な方法で製造することができ、歩留り低下、信頼性低下、駆動電圧の上昇および光り取り出し効率の低下といった従来の問題を解消し得る半導体発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体発光装置の製造方法は、成長用基板の表面にｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層を形成する工程と、前記ｐ型半導体層の表面にスパッタ法により金属酸化物透明導電膜を成膜する工程と、前記金属酸化物透明導電膜をウエットエッチングによりパターン形成する工程と、酸素を含む雰囲気中での熱処理によりパターン形成された前記金属酸化物透明導電膜をシンタリングして第１の透明電極を形成する工程と、前記第１の透明電極を形成した後に、前記ｐ型半導体層の表面に前記第１の透明電極の表面をも覆うようにスパッタ法により金属酸化物透明導電膜を成膜し、熱処理によるシンタリングをせずにウエットエッチングにより端部が前記第１の透明電極と重なるようにパターン形成して第２の透明電極を形成する工程と、前記第２の透明電極の表面に金属からなるｐ側パッド電極を形成する工程と、を含み、前記第１の透明電極の結晶性は、前記第２の透明電極の結晶性より高く、前記第２の透明電極の前記ｐ型半導体層に対する接触抵抗は、前記第１の透明電極の前記ｐ型半導体層に対する接触抵抗より高く、前記第２の透明電極のシート抵抗は、前記第１の透明電極のシート抵抗よりも低いことを特徴としている。
また、本発明に係る半導体発光装置は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層の間に設けられた活性層と、を含む半導体発光装置であって、前記ｐ型半導体層の表面に設けられた金属酸化物透明導電体からなる第１の透明電極と、前記ｐ型半導体層の表面に設けられ、前記第１の透明電極に電気的に接続された金属酸化物透明導電体からなる第２の透明電極と、前記第２の透明電極の表面に設けられた金属からなるｐ側パッド電極と、を含み、前記第１の透明電極の結晶性は、前記第２の透明電極の結晶性よりも高く、前記第２の透明電極は、前記第１の透明電極よりも前記ｐ型半導体層に対する接触抵抗が高く、前記第１の透明電極よりもシート抵抗が低く、前記第１の透明電極の表面全体を覆うように設けられていることを特徴としている。
本発明に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、比較的簡便な方法で製造することができ、歩留り低下、信頼性低下、駆動電圧の上昇および光り取り出し効率の低下といった従来の問題を解消し得る半導体発光装置およびその製造方法を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、以下に示す図において、実質的に同一又は等価な構成要素、部分には同一の参照符を付している。
図１（ａ）は本発明の実施例１に係る半導体発光装置１の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）における１ｂ−１ｂ線に沿った断面図である。
成長用基板１０は、ＧａＮ系半導体膜の結晶成長を行うための基板であり、例えばＣ面サファイア基板である。成長用基板１０の上にはAlxInyGa1-x-yN(0≦ｘ≦1, 0≦ｙ≦1)で表されるＧａＮ系窒化物半導体層が形成されている。窒化物半導体層は、バッファ層２１、ｎ型コンタクト層２２、活性層２３、ｐ型クラッド層２４、ｐ型コンタクト層２５がこの順序で積層されて構成される。ｎ型コンタクト層２２には所定濃度のＳｉがドープされており、ｎ型の導電型を有している。ｐ型クラッド層２４およびｐ型コンタクト層２５には所定濃度のＭｇがドープされており、これら各層はｐ型の導電型を有している。活性層２３は、例えばInGaN井戸層とGaN障壁層を繰り返し積層した多重量子井戸構造を有する。尚、窒化物半導体層の積層構造は、ホモ接合構造、シングルへテロ接合構造、ダブルへテロ接合構造のいずれの積層構造を有するものであってもよい。
半導体発光装置１は、いわゆるフェイスアップ型の半導体発光装置であり、ｎ側コンタクト層２２の一部は、ｐ型コンタクト層２５の表面と同じ側に露出している。ｎ型コンタクト層２２の露出面には、ＴｉおよびＡｌをこの順序で積層して構成されるｎ側パッド電極５０が設けられている。ｎ側パッド電極５０は、ｎ型コンタクト層２２との間でオーミック性接触を形成している。
ｐ型コンタクト層２５の表面には例えばスズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）からなる厚さ約１１０ｎｍの第１の透明電極３１と、同じくスズドープ酸化インジウムからなる厚さ約１１０ｎｍの第２の透明電極３２が形成されている。第１の透明電極３１および第２の透明電極３２は、完全に透明であることを要さず、活性層２３からの光に対して透光性を有していればよい。また、第１の透明電極３１および第２の透明電極３２は、導電性を有している。第２の透明電極３２は、第１の透明電極３１に部分的に重なるように形成され、これらは互いに電気的に接続されている。第１の透明電極３１と第２の透明電極３２は、ｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗が互いに異なる。すなわち、第１の透明電極３１とｐ型コンタクト層２５との接触抵抗は例えば２×１０−４Ω／ｃｍ２〜７×１０−３Ωｃｍ２であるのに対して、第２の透明電極３２とｐ型コンタクト層２５との接触抵抗は例えば２×１０１Ωｃｍ２以上である。つまり、第２の透明電極３２は、第１の透明電極３１の１０００倍以上の接触抵抗を有する。また、第１の透明電極３１のシート抵抗は、例えば１００〜２００Ω／□であるのに対して第２の透明電極３２のシート抵抗は、例えば１０〜４０Ω／□である。第１の透明電極３１と第２の透明電極３２におけるこのような電気的特性の差異は、これらの透明電極を構成するＩＴＯ膜の成膜後におけるシンタリング処理の有無によってもたらされる。その詳細については後述する。
第２の透明電極３２の表面には、ＮｉおよびＡｕをこの順序で積層して構成されるｐ側パッド電極４０が形成されている。ｐ側パッド電極４０は、第２の透明電極３２にのみ接合し、第１の透明電極３１には接合していない。
ｎ側パッド電極５０およびｐ側パッド電極４０は、例えば矩形形状を有する半導体発光装置１の互いに対向する２つのコーナ部の近傍にそれぞれ配置される。ｐ側パッド電極４０から供給された電流は、第２の透明電極３２に流れ込む。上記したように、第１の透明電極３１と第２の透明電極３２のｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗は顕著に異なるため、電流は接触抵抗の低い第１の透明電極３１の全域に亘って広がり、主に第１の透明電極３１からｐ型コンタクト層２５に注入され、ｎ側パッド電極５０に向けて流れる。一方、ｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗が高い第２の透明電極３２からはｐ型コンタクト層２５に向けて電流は殆ど注入されない。すなわち、第２の透明電極３２は、供給された電流を第１の透明電極３２に迂回させ、ｐ側パッド電極４０の直下における電流集中を抑制する電流制御層として機能する。第１および第２の透明電極の配置や面積を適切に設定することにより、窒化物半導体層内における電流分布を均一とすることが可能となる。仮に、ｐ型コンタクト層２５の表面の透明電極を接触抵抗の低い第１の透明電極３１のみで形成した場合には、ｐ側パッド電極４０の直下を経由する経路に電流が集中し、輝度分布の不均一、順方向電圧の上昇、信頼性の低下といった結果を招く。
次に、上記した構成を有する半導体発光装置１の製造方法について説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）および図３（ａ）〜図３（ｂ）は、半導体発光装置１の製造工程におけるプロセスステップ毎の断面図である。
（窒化物半導体層形成工程）
はじめに、成長用基板１０を用意する。本実施例では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によりＧａＮ系窒化物半導体層を形成することができるＣ面サファイア基板を成長用基板として用いた。
はじめに、成長用基板１０を用意する。本実施例では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によりＧａＮ系窒化物半導体層を形成することができるＣ面サファイア基板を成長用基板として用いた。
成長用基板１０をＭＯＣＶＤ装置に投入し、約１０００℃の水素雰囲気中で１０分程度の加熱を行った（サーマルクリーニング）。次に基板温度を約５００℃とし、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）（流量 １０．４ μｍｏｌ/ｍｉｎ）、アンモニア（ＮＨ３）（流量３．３ＬＭ）を３分間供給してＧａＮからなるｎ型バッファ層２１を形成した。その後、基板温度を１０００℃まで昇温して３０秒間保持することによりｎ型バッファ層を結晶化させた。
次に、基板温度（成長温度）１０００℃にてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）（流量４５μｍｏｌ／ｍｉｎ）、アンモニア（ＮＨ３）（流量４．４ＬＭ）、シラン（ＳｉＨ４）（流量２．７×１０−９μｍｏｌ／ｍｉｎ）を６０分間供給し、層厚４μｍ程度のＧａＮからなるｎ型コンタクト層２２を形成した。
活性層２３にはＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多重量子井戸構造を適用した。本実施例ではＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層を１周期として５周期成長を行った。基板温度約７００℃でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）（流量３．６ μｍｏｌ／ｍｉｎ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）（流量１０ μｍｏｌ／ｍｉｎ）、アンモニア（ＮＨ３）（流量４．４ＬＭ）を３３秒間供給し、層厚２．２ｎｍ程度のＩｎＧａＮ井戸層を形成し、続いてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）（流量３．６μｍｏｌ／ｍｉｎ）、アンモニア（ＮＨ３）（流量４．４ＬＭ）を３２０秒間供給し、層厚１５ｎｍ程度のＧａＮ障壁層を形成した。かかる処理を５周期分繰り返すことにより活性層２３を形成した。
次に、基板温度を８７０℃まで上げ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）（流量８．１μｍｏｌ／ｍｉｎ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）（流量７．５μｍｏｌ／ｍｉｎ）、アンモニア（ＮＨ３）（流量４．４ＬＭ）、Ｃｐ２Ｍｇ（bis-cyclopentadienyl Mg）（流量２．９×１０−７μｍｏｌ／ｍｉｎ）を５分間供給し、層厚４０ｎｍ程度のＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド２４を形成した。引き続きそのままの温度でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）（流量１８μｍｏｌ／ｍｉｎ）、アンモニア（ＮＨ３）（流量４．４ＬＭ）、Ｃｐ２Ｍｇ（２．９×１０−７μｍｏｌ／ｍｉｎ）を７分間供給しＧａＮからなる層厚１５０ｎｍ程度のｐ型コンタクト層２５ を形成した（図２（ａ））。
（ｐ型コンタクト層活性化工程）
ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｐ型コンタクト層２５の活性化を行った。成長過程において、ｐ型コンタクト層２５の層内にはキャリアガスの原料である水素が混入しており、Ｍｇ−Ｈ結合が形成されている。このような状態では、ドープされたＭｇはドーパントとしての機能を果たすことができず、ｐ型コンタクト層２５は高抵抗化している。この為、ｐ型コンタクト層２５内に混入している水素を脱離させる活性化工程が必要となる。具体的には、４００℃以上の不活性ガス雰囲気中でウエハの熱処理を行ってｐ型コンタクト層２５を活性化させた。
ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｐ型コンタクト層２５の活性化を行った。成長過程において、ｐ型コンタクト層２５の層内にはキャリアガスの原料である水素が混入しており、Ｍｇ−Ｈ結合が形成されている。このような状態では、ドープされたＭｇはドーパントとしての機能を果たすことができず、ｐ型コンタクト層２５は高抵抗化している。この為、ｐ型コンタクト層２５内に混入している水素を脱離させる活性化工程が必要となる。具体的には、４００℃以上の不活性ガス雰囲気中でウエハの熱処理を行ってｐ型コンタクト層２５を活性化させた。
（第１の透明電極形成工程）
活性化されたｐ型コンタクト層２５の表面に第１の透明電極３１を形成した。基板温度を約２００℃とし、ＲＦスパッタ法によりｐ型コンタクト層２５の表面に厚さ約１１０ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。次に、ＩＴＯ膜上に所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成し、レジストマスクを介してＩＴＯ膜をウェットエッチングしてＩＴＯ膜にパターニングを施した。尚、ＩＴＯ膜の成膜時の基板温度は１５０℃以上３００℃以下の範囲に設定することができる。ＩＴＯは基板温度１５０℃以上で結晶化が促進される。基板温度が低く結晶化が促進されない場合、ＩＴＯの光透過率は著しく低下するため好ましくない。一方、基板温度が３００℃以上となると、結晶化が促進されＩＴＯ膜をパターニングするためのエッチング処理が困難となる。また、この場合、ＩＴＯ膜中の酸素量が増加して酸素欠損が減少することによりキャリア濃度が減少し、シート抵抗が増加するため好ましくない。
活性化されたｐ型コンタクト層２５の表面に第１の透明電極３１を形成した。基板温度を約２００℃とし、ＲＦスパッタ法によりｐ型コンタクト層２５の表面に厚さ約１１０ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。次に、ＩＴＯ膜上に所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成し、レジストマスクを介してＩＴＯ膜をウェットエッチングしてＩＴＯ膜にパターニングを施した。尚、ＩＴＯ膜の成膜時の基板温度は１５０℃以上３００℃以下の範囲に設定することができる。ＩＴＯは基板温度１５０℃以上で結晶化が促進される。基板温度が低く結晶化が促進されない場合、ＩＴＯの光透過率は著しく低下するため好ましくない。一方、基板温度が３００℃以上となると、結晶化が促進されＩＴＯ膜をパターニングするためのエッチング処理が困難となる。また、この場合、ＩＴＯ膜中の酸素量が増加して酸素欠損が減少することによりキャリア濃度が減少し、シート抵抗が増加するため好ましくない。
レジストマスクを除去した後、６００℃の酸素を含む雰囲気中にウエハを投入し、１分間の熱処理を行った。この熱処理でＩＴＯ膜のシンタリングを行うことによりＩＴＯ膜とｐ型コンタクト層２５との間の接触抵抗が大幅に低減される。また、この熱処理によりＩＴＯ膜の酸素欠損部位に酸素が導入され結晶性が向上する。すなわち、この熱処理により、ＩＴＯ膜の結晶化の促進とシンタリングが同時に行われることとなる。尚、ＩＴＯ膜の熱処理温度は、５００〜７００℃の範囲に設定することが好ましい。熱処理温度を４００℃以下とした場合、ＩＴＯ膜のシンタリングが促進されず、ｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗を十分に下げることができない。一方、熱処理温度を８００℃以上とした場合、ｐ型コンタクト層２５において窒素の脱離が起こるため好ましくない。以上の工程を経てｐ型コンタクト２５上に第１の透明電極３１が形成される（図２（ｂ））。
（第２の透明電極形成工程）
ｐ型コンタクト層２５の表面に第１の透明電極３１に電気的に接続されるように第２の透明電極３２を形成した。基板温度を約２００℃とし、ＲＦスパッタ法により第１の透明電極３１が形成されたｐ型コンタクト層２５の表面に厚さ約１１０ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。先の工程において形成された第１の透明電極３１の表面をも覆うようにＩＴＯ膜を形成した。尚、ＩＴＯ膜の成膜時の基板温度は１５０℃以上３００℃以下の範囲に設定することができる。次に、ＩＴＯ膜上に所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成し、レジストマスクを介してＩＴＯ膜をウェットエッチングしてＩＴＯ膜にパターニングを施した。かかるエッチングにより第１の透明電極３１の表面を露出させた。第２の透明電極３２の端部が第１の透明電極３１と重なるようにパターニングを施した。尚、第１の透明電極３１は、先の酸素雰囲気中での熱処理により結晶化が促進されエッチング速度が著しく遅い為、本エッチング工程において除去されることはない。第２の透明電極３２を構成するＩＴＯ膜に対しては、成膜後の熱処理は行わない。すなわち、第２の透明電極３２についてはシンタリング処理は実施されず、ＩＴＯ膜の成膜直後の界面状態が維持される。従って、ｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗は、第１の透明電極３１よりも高くなる。以上の工程を経てｐ型コンタクト２５上に第２の透明電極３２が形成される（図２（ｃ））。
ｐ型コンタクト層２５の表面に第１の透明電極３１に電気的に接続されるように第２の透明電極３２を形成した。基板温度を約２００℃とし、ＲＦスパッタ法により第１の透明電極３１が形成されたｐ型コンタクト層２５の表面に厚さ約１１０ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。先の工程において形成された第１の透明電極３１の表面をも覆うようにＩＴＯ膜を形成した。尚、ＩＴＯ膜の成膜時の基板温度は１５０℃以上３００℃以下の範囲に設定することができる。次に、ＩＴＯ膜上に所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成し、レジストマスクを介してＩＴＯ膜をウェットエッチングしてＩＴＯ膜にパターニングを施した。かかるエッチングにより第１の透明電極３１の表面を露出させた。第２の透明電極３２の端部が第１の透明電極３１と重なるようにパターニングを施した。尚、第１の透明電極３１は、先の酸素雰囲気中での熱処理により結晶化が促進されエッチング速度が著しく遅い為、本エッチング工程において除去されることはない。第２の透明電極３２を構成するＩＴＯ膜に対しては、成膜後の熱処理は行わない。すなわち、第２の透明電極３２についてはシンタリング処理は実施されず、ＩＴＯ膜の成膜直後の界面状態が維持される。従って、ｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗は、第１の透明電極３１よりも高くなる。以上の工程を経てｐ型コンタクト２５上に第２の透明電極３２が形成される（図２（ｃ））。
（ｎ型コンタクト層露出工程）
窒化物半導体層をｐ型コンタクト層２５の表面からエッチンングしてｎ型コンタクト層２２を部分的に露出させた。第１および第２の透明電極の形成部を含むｐ型コンタクト層２５の所定領域を覆うレジストマスクを形成した。次にウエハを反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：reactive ion etching）装置に投入し、ｎ型コンタクト層２２が露出するまでｐ型コンタクト層２５の表面から窒化物半導体層をエッチングした（図３（ａ））。
窒化物半導体層をｐ型コンタクト層２５の表面からエッチンングしてｎ型コンタクト層２２を部分的に露出させた。第１および第２の透明電極の形成部を含むｐ型コンタクト層２５の所定領域を覆うレジストマスクを形成した。次にウエハを反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：reactive ion etching）装置に投入し、ｎ型コンタクト層２２が露出するまでｐ型コンタクト層２５の表面から窒化物半導体層をエッチングした（図３（ａ））。
（ｎ側パッド電極形成工程）
露出したｎ型コンタクト層２２の表面にｎ側パッド電極５０を形成した。ｎ型コンタクト層５０の表面に、ｎ側パッド電極形成部に開口部を有するレジストマスクを形成した後、ＥＢ蒸着法にてＴｉ（１ｎＡ）およびＡｌ（１μｍ）をこの順序で堆積した。その後、レジストマスクをリフトオフすることによりｎ側パッド電極５０のパターニングを行った。
露出したｎ型コンタクト層２２の表面にｎ側パッド電極５０を形成した。ｎ型コンタクト層５０の表面に、ｎ側パッド電極形成部に開口部を有するレジストマスクを形成した後、ＥＢ蒸着法にてＴｉ（１ｎＡ）およびＡｌ（１μｍ）をこの順序で堆積した。その後、レジストマスクをリフトオフすることによりｎ側パッド電極５０のパターニングを行った。
（ｐ側パッド電極形成工程）
第２の透明電極３２の表面にｐ側パッド電極４０を形成した。第２の透明電極３２の表面に、ｐ側パッド電極形成部に開口部を有するレジストマスクを形成した後、ＥＢ蒸着法にてＮｉ（２５ｎＡ）およびＡｕ（５００ｎｍ）をこの順序で堆積した。その後、レジストマスクをリフトオフすることによりｐ側パッド電極４０のパターニングを行った。ｐ側パッド電極４０は、第２の透明電極３２の表面の一部を覆い、且つ第１の透明電極３１には接触しないように形成された。尚、Ｎｉ層とＡｕ層との間に高い反射率を有するＡｇ、Ｐｔ、Ａｌ又はこれらのいずれかを含む合金層を挿入してもよい。（図３（ｂ））。
第２の透明電極３２の表面にｐ側パッド電極４０を形成した。第２の透明電極３２の表面に、ｐ側パッド電極形成部に開口部を有するレジストマスクを形成した後、ＥＢ蒸着法にてＮｉ（２５ｎＡ）およびＡｕ（５００ｎｍ）をこの順序で堆積した。その後、レジストマスクをリフトオフすることによりｐ側パッド電極４０のパターニングを行った。ｐ側パッド電極４０は、第２の透明電極３２の表面の一部を覆い、且つ第１の透明電極３１には接触しないように形成された。尚、Ｎｉ層とＡｕ層との間に高い反射率を有するＡｇ、Ｐｔ、Ａｌ又はこれらのいずれかを含む合金層を挿入してもよい。（図３（ｂ））。
以上の各工程を経ることにより、半導体発光装置１が完成した。上記した製造方法で作製された半導体発光装置の第１の透明電極３１および第２の透明電極３２の各種特性について評価した結果を以下に示す。
第１の透明電極３１と第２の透明電極３２のシート抵抗およびｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗の測定値を表１に示す。第１の透明電極３１のｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗については、第１の透明電極３１がオーミック電極として機能するのに十分な低抵抗値を得ることができた。第２の透明電極３２のｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗については、第２の透明電極３２が電流制御層として機能するのに好適な値が得られた。すなわち、第１の透明電極３１と第２の透明電極３２との間で接触抵抗に顕著な差異が得られた。これは、第１の透明電極３１については、熱処理によるＩＴＯ膜のシンタリングが実施されたのに対して、第２の透明電極３２については、ＩＴＯ膜のシンタリングが実施されず、ＩＴＯ膜の成膜直後の界面状態が維持されているからである。第１の透明電極３１と第２の透明電極３２との間で接触抵抗にこのような顕著な差異を設けることにより、ｐ型コンタクト層２５に対する電流注入は、主に第１の透明電極３１を介して行われ、第２の透明電極３２の直下には電流は殆ど流れなくなる。換言すれば、第２の透明電極３２を電流制御層として有効に機能させることが可能となり、ｐ側パッド電極４０の直下における電流集中を抑制することが可能となる。これにより、窒化物半導体層内における電流分布の均一化を図ることが可能となり、発光分布の均一化、順方向電圧の低減および信頼性の向上を達成することができる。
一方、シート抵抗に関しては第２の透明電極３２が第１の透明電極３１よりも低いことが確認された。第１の透明電極３１は、ＩＴＯ膜の成膜後の熱処理により酸素欠損部位に酸素が導入され、結晶化が促進された結果、キャリア密度が低下したため第２の透明電極３２よりもシート抵抗値が高くなっているものと考えられる。しかしながら、その絶対値は実使用上において問題のないレベルである。一方、第２の透明電極３２は、ＩＴＯ膜の成膜時において酸素の脱離が起こるため、酸素欠損部位が比較的多く、キャリア密度が比較的高いため、シート抵抗値が比較的低く抑えられている。
このように、第２の透明電極３２は、主に半導体発光装置１の主面と平行方向な方向に電流を流すのに有利な特性を有しており、第１の透明電極３１は、主に半導体発光装置１の厚さ方向に電流を流すのに有利な特性を有している。
図４に第１の透明電極３１と第２の透明電極３２の透過率スペクトルを示す。第２の透明電極３２は、第１の透明電極３１よりも光吸収端が短波長側に位置していることが確認された。これは、第２の透明電極３２の方が第１の透明電極３１に比べ、バンドギャップが大きく、透過性が高いことを意味している。第２の透明電極３２が高い透過性を有することにより、第１の透明電極３１を経由する光、すなわち、活性層２３から放射され、ｐ側パッド電極４０にて反射された後、外部に放出される光の吸収が抑制され、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
以上の説明から明らかなように、本発明の実施例に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、窒化物半導体層に対する接触抵抗が互いに顕著に異なる２つの透明電極が窒化物半導体層の表面に形成される。これにより、窒化物半導体層に対する接触抵抗が比較的低い第１の透明電極３１は、オーミック電極として機能し、窒化物半導体層に対する接触抵抗が比較的高い第２の透明電極３２は、電流制御層として機能する。ｐ側パッド電極４０は、電流制御層として機能する第２の透明電極３２にのみ接触するように形成されるので、ｐ側パッド電極直下における電流集中を抑制することが可能となる。これにより、窒化物半導体層内部における電流分布が均一となり、発光分布の均一化、順方向電圧の低減および信頼性の向上を達成することができる。
また、本発明の実施例に係る半導体発光装置およびその製造方法によれば、窒化物半導体層に対する接触抵抗が互いに異なる２つの透明電極を窒化物半導体層の表面に形成することにより電流拡散構造が形成されるので、窒化物半導体層の成長工程の途中でウエハを別の処理装置に搬入するといった作業を要しない。すなわち、酸化チタン（ＴｉＯ２）等の金属酸化膜を半導体層内に形成することにより電流狭窄構造を得る従来のものよりも容易に製造することができ、製造コストの低減および歩留りの向上を図ることが可能となる。
また、ｐ側パッド電極４０から供給される電流は、ｐ側パッド電極４０の全面に亘って接合する第２の透明電極３２を介して窒化物半導体層に注入されるので、電流制御層をＳｉＯ２膜等の絶縁膜で形成する場合と比較してｐ側パッド電極における電流集中を回避することが可能となる。すなわち、ｐ側パッド電極と接合し且つ電流制御層として機能する第２の透明電極３２は、導電性を有しており、ｐ側パッド電極４０との接合面の全域が電流経路となり得るので、ｐ側パッド電極との接合面の面積が制限される従来の電極構造と比較して順方向電圧の低減および熱応力に起因するｐ側パッド電極の剥離を防止することが可能となる。
また、本発明の実施例に係る半導体発光装置の製造方法によれば、オーミック電極として機能する第１の透明電極３１を形成する前に窒化物半導体層の表面にレジストマスクを形成および除去する工程が存在しないので、窒化物半導体層の表面が汚染されることはなく、第１の透明電極と窒化物半導体層との電気的接続を良好に維持することが可能となる。また、電流制御層が透明電極で構成されるので、窒化物半導体層から臨界角以上の角度で入射する光は、高い反射率で全反射され外部に放出されることとなる。すなわち、電流制御層をＡｇ等の高反射率の金属で構成する場合よりも光の吸収を低減することができ、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
図５（ａ）は、本発明の実施例２に係る半導体発光装置２の構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）における５ｂ−５ｂ線に沿った断面図である。
半導体発光装置２は、第２の透明電極３２が第１の透明電極３１の表面の全面を覆うように形成されている点が上記した実施例１に係る半導体発光装置１と異なる。他の構成は、実施例１に係る半導体発光装置１と同様である。
上記したように、第２の透明電極３２のシート抵抗は、第１の透明電極３２のシート抵抗の約５分の１であり、第１の透明電極３１よりも高い導電性を有する。第１の透明電極３１の表面全体をシート抵抗の低い第２の透明電極３２で覆うことにより、半導体発光装置の主面と平行な方向に流れる電流の経路上の抵抗をより低くすることができ、順方向電圧を更に低減することが可能となる。尚、第２の透明電極３２が第１の透明電極３１を覆う範囲は、必ずしも全面である必要はなく、第１の透明電極３１の一部が覆われていればよい。また、第１の透明電極３１および第２の透明電極３２のそれぞれの厚さは、実施例１に係る半導体発光装置１と比較して薄くすることが好ましく、例えば第１の透明電極３１と第２の透明電極３２とが重なっている部分の厚さが１１０ｎｍ程度とすることができる。また、第１の透明電極３１を薄く、第２の透明電極を厚くすることがより高い透光性を得る観点から好ましい。
図６は、本発明の実施例３に係る半導体発光装置３の構成を示す断面図である。上記した実施例１および２に係る半導体発光装置は、ｐ型コンタクト層２５とｎ型コンタクト層２２とが同一方向に表出し、かかるｐ型コンタクト層２５とｎ型コンタクト層の２２の表出面上にそれぞれｐ側パッド電極４０およびｎ側パッド電極５０が形成されているいわゆるフェイスアップ型であった。実施例３に係る半導体発光装置３は、ｐ側パッド電極とｎ側パッド電極は、窒化物半導体層および成長用基板を挟むように設けられたいわゆる両面電極型である。
このような電極配置を有する半導体発光装置は、例えばＧａＮやＳｉＣ等の導電性を有する成長用基板１０ａを用いて窒化物半導体層の結晶成長を行うものに適用される。成長用基板１０ａの表面には、AlxInyGa1-x-yN(0≦ｘ≦1, 0≦ｙ≦1)で表されるＧａＮ系窒化物半導体層が形成されている。窒化物半導体層は、バッファ層２１、ｎ型コンタクト層２２、活性層２３、ｐ型クラッド層２４、ｐ型コンタクト層２５がこの順序で積層されて構成される。
ｐ型コンタクト層２５の表面には例えばＩＴＯからなる厚さ約１１０ｎｍの第１の透明電極３１と、同じくＩＴＯからなる厚さ約１１０ｎｍの第２の透明電極３２が形成されている。第２の透明電極３２は、例えばｐ型コンタクト層２５の表面の略中央に配置されている。第１の透明電極３１は、第２の透明電極３２を囲むように形成され、第２の透明電極３２に電気的に接続されている。第１の透明電極３１と第２の透明電極３２は、ｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗が互いに異なる。すなわち、第１の透明電極３１とｐ型コンタクト層２５との接触抵抗は例えば２×１０−４Ω／ｃｍ２〜７×１０−３Ωｃｍ２であるのに対して、第２の透明電極３２とｐ型コンタクト層２５との接触抵抗は例えば２×１０１Ωｃｍ２以上である。また、第１の透明電極３１のシート抵抗は、例えば１００〜２００Ω／□であるのに対して第２の透明電極３２のシート抵抗は、例えば１０〜４０Ω／□である。
第２の透明電極３２の表面には、ＮｉおよびＡｕをこの順序で積層して構成されるｐ側パッド電極４０が形成されている。ｐ側パッド電極４０は、第２の透明電極３２にのみ接合され、第１の透明電極３１には接合されていない。導電性を有する成長用基板１０ａの裏面すなわち結晶成長面とは反対側の面には、ＴｉおよびＡｌをこの順序で積層して構成されるｎ側パッド電極５０が形成されている。
かかる構造を有する半導体発光装置３において、ｐ側パッド電極４０から供給された電流は、第２の透明電極３２に流れ込む。第１の透明電極３１と第２の透明電極３２のｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗は顕著に異なるため、電流は接触抵抗の低い第１の透明電極３１の全域に亘って広がり、主に第１の透明電極３１からｐ型コンタクト層２５に注入され、ｎ側パッド電極５０に向けて流れる。一方、ｐ型コンタクト層２５に対する接触抵抗が高い第２の透明電極３２からはｐ型コンタクト層２５に向けて電流は殆ど注入されない。すなわち、第２の透明電極３２は、供給された電流を第１の透明電極３２に迂回させ、ｐ側パッド電極４０の直下における電流集中を抑制する電流制御層として機能する。第１および第２の透明電極の配置や面積を適切とすることにより、窒化物半導体層内における電流分布を均一とすることが可能となる。
このように、窒化物半導体層および成長用基板を挟んだ両側にｐ側パッド電極およびｎ側パッド電極を配置した電極構成を有する半導体発光装置においても、上記した実施例に係る半導体発光装置と同様の作用効果を得ることが可能である。
尚、上記した各実施例においては、第１および第２の透明電極の材料をＩＴＯとした場合を例に説明したが、これに限定されない。第１および第２の透明電極は、ＺＴＯ（Zinc Tin Oxide：Zn2SnO4）、ＡＺＯ（アルミニウムドープ酸化亜鉛）、ＧＺＯ（ガリウムドープ酸化亜鉛）、ＡＴＯ（アンチモンドープ酸化スズ）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）等の他の金属酸化物透明導電体を使用することも可能である。また、上記した各実施例においては、ＧａＮ系窒化物半導体層を有する半導体発光装置に本発明を適用した場合を例に説明したが、ＧａＡｓ系半導体層、ＧａＰ系半導体層を有する半導体発光装置に本発明を適用することも可能である。
１０ 成長用基板
２１ バッファ層
２２ ｎ型コンタクト層
２３ 活性層
２４ ｐ型クラッド層
２５ ｐ型コンタクト層
３１ 第１の透明電極
３２ 第２の透明電極
４０ ｐ側パッド電極
５０ ｎ側パッド電極
２１ バッファ層
２２ ｎ型コンタクト層
２３ 活性層
２４ ｐ型クラッド層
２５ ｐ型コンタクト層
３１ 第１の透明電極
３２ 第２の透明電極
４０ ｐ側パッド電極
５０ ｎ側パッド電極
Claims (8)
- 成長用基板の表面にｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層を形成する工程と、
前記ｐ型半導体層の表面にスパッタ法により金属酸化物透明導電膜を成膜する工程と、
前記金属酸化物透明導電膜をウエットエッチングによりパターン形成する工程と、
酸素を含む雰囲気中での熱処理によりパターン形成された前記金属酸化物透明導電膜をシンタリングして第１の透明電極を形成する工程と、
前記第１の透明電極を形成した後に、前記ｐ型半導体層の表面に前記第１の透明電極の表面をも覆うようにスパッタ法により金属酸化物透明導電膜を成膜し、熱処理によるシンタリングをせずにウエットエッチングにより端部が前記第１の透明電極と重なるようにパターン形成して第２の透明電極を形成する工程と、
前記第２の透明電極の表面に金属からなるｐ側パッド電極を形成する工程と、を含み、
前記第１の透明電極の結晶性は、前記第２の透明電極の結晶性より高く、
前記第２の透明電極の前記ｐ型半導体層に対する接触抵抗は、前記第１の透明電極の前記ｐ型半導体層に対する接触抵抗より高く、
前記第２の透明電極のシート抵抗は、前記第１の透明電極のシート抵抗よりも低いことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 前記第２の透明電極を形成する工程は、前記第１の透明電極の表面全体を覆うようにパターン形成して第２の透明電極を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置の製造方法。
- 前記第１および第２の透明電極を構成する金属酸化物透明導電膜は、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置の製造方法。
- 前記熱処理は、５００℃以上７００℃以下で行われること特徴とする請求項３に記載の半導体発光装置の製造方法。
- 前記金属酸化物透明導電膜を成膜する工程は、基板温度１５０度以上３００度以下の範囲で成膜すること特徴とする請求項３に記載の半導体発光装置の製造方法。
- ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層の間に設けられた活性層と、を含む半導体発光装置であって、
前記ｐ型半導体層の表面に設けられた金属酸化物透明導電体からなる第１の透明電極と、
前記ｐ型半導体層の表面に設けられ、前記第１の透明電極に電気的に接続された金属酸化物透明導電体からなる第２の透明電極と、
前記第２の透明電極の表面に設けられた金属からなるｐ側パッド電極と、を含み、
前記第１の透明電極の結晶性は、前記第２の透明電極の結晶性よりも高く、
前記第２の透明電極は、前記第１の透明電極よりも前記ｐ型半導体層に対する接触抵抗が高く、前記第１の透明電極よりもシート抵抗が低く、前記第１の透明電極の表面全体を覆うように設けられていることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記第２の透明電極のバンドギャップは、前記第１の透明電極のバンドギャップよりも大であることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光装置。
- 前記第１および第２の透明電極は、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）からなることを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体発光装置。
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