JP5780242B2 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物系半導体（例えば、一般式ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いた発光素子の、特に電極構造に関する。
窒化物系半導体発光素子は、一般に発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）やレーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）等の発光素子、太陽電池や光センサ等の受光素子、トランジスタやパワーデバイス等の電子デバイスに用いられる。特に、窒化物系材料（以下、集合的に「ＧａＮ」と呼ぶことがある。）を用いた窒化物系半導体発光素子である発光ダイオードは、バックライト等に用いる各種光源、照明、信号機、大型ディスプレイ等に幅広く利用されている。
このような窒化物系半導体素子は、基本的に、基板上にｎ型窒化物系半導体層、ｐ型窒化物系半導体層が積層され、ｎ型、ｐ型のそれぞれの窒化物系半導体層に電気的に接続するｎ側電極、ｐ側電極が形成された構造である。両電極を上面側に形成する場合、上層のｐ型窒化物系半導体層の一部を除去してｎ型窒化物系半導体層が露出した領域にｎ側電極を形成し、ｐ型窒化物系半導体層上にｐ側電極を形成する。ここで、特に上面を光の取り出し／取り込み面とする発光素子や受光素子とする窒化物系半導体素子については、その上面のｐ型窒化物系半導体層上に透光性電極をほぼ全面に形成し、さらにその上の一部の領域にＡｕ等の金属からなるパッド電極を形成して、導電ワイヤ等の外部電極と接続するためのｐ側電極とする構造が知られている。
ｐ側電極において、透光性電極は、パッド電極からの電流をｐ型窒化物系半導体層全体に供給すると共に、光を透過させて、発光素子であれば外部へ光を取り出し、受光素子であれば内部に取り込み可能とする。透光性電極としては、一般的に、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化スズ（ＳｎＯ2）等の導電性酸化物が用いられる。一方、ｎ側電極については、ｎ型窒化物系半導体層への接続面積が少なくてよいので光を透過させる必要がなく、そのため、ｎ型窒化物系半導体層上の一部の領域に直接にパッド電極が形成される。
ｎ側電極となるパッド電極は、ｎ型窒化物系半導体と良好にオーミック接触するＡｌ，Ｗ，Ｃｒ，Ｔｉ等からなるオーミック接触層と、ワイヤとの密着性のよいＡｕ等のボンディング層との２層構造、あるいはこの２層の間にさらにＰｔ等のバリア層を設けた３層構造とすることが一般的であった。一方、ｐ側のパッド電極は、透光性電極上に形成するため、ＩＴＯ等の酸化物と密着性がよく、さらにこの酸化物を介してｐ型窒化物系半導体にオーミック接触可能なＲｈやＰｔ等を最下層とし、これにＡｕ等のボンディング層を積層して形成するのが一般的であった。すなわち、ｎ側とｐ側とではパッド電極を異なる構造とする必要があった。しかし、ｎ型窒化物系半導体、及びｐ型窒化物系半導体上の透光性電極の両方に接続可能なパッド電極構造があれば、ｎ側、ｐ側のパッド電極を共通の構造とすることができるので、窒化物系半導体発光素子全体の構造を簡略化し、製造コストを低減できる。そこで、ｎ側、ｐ側両用のパッド電極構造が開発されている。
パッド電極には、導電性酸化物との良好な密着性と、高い反射率とが求められる。このような半導体発光素子の電極構造として、例えば特許文献１、２に示される技術が開発されている。この内、特許文献１には、Ｃｒ／Ａｕ等の電極が開示されており、特にＣｒはｎ型半導体層とのオーミック接触性に優れ、高い密着力を有することが示されている。
しかしながら、Ｃｒは反射率が低いため、半導体層からの光が電極に吸収してしまい、半導体発光素子として光出力が低下してしまう傾向にあった。
一方、特許文献２には、選択的に合金を利用可能との記載があるものの、実施例としての具体的に採用されたとの説明は無い。また、単純に電極の金属を合金化するだけでは、密着性が悪くなる傾向があるため、現実の採用には困難であった。
本発明は、従来のこのような問題点を解消するためになされたものである。本発明の主な目的は、反射率を向上させることで光取り出し効果に優れたパッド電極を備える窒化物系半導体発光素子を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明に係る窒化物系半導体発光素子によれば、窒化物系の半導体層と、前記半導体層上に設けられた、複数の金属層を積層して構成される電極構造と、を備える窒化物系半導体発光素子であって、前記電極構造は、前記半導体層側に配置される第一金属層と、前記第一金属層上に配置される第二金属層と、を含み、前記第一金属層は、Ｃｒよりも前記発光素子の発光ピーク波長における反射率が高いＲｈと、Ｃｒと、を含み、前記第二金属層は、Ｐｔを少なくとも含み、前記第一金属層の膜厚を、５ｎｍ以下とすることができる。これにより、第一金属層がＣｒのみで構成される場合に比べて、高い反射率を発揮しつつ、半導体層との密着性の低下を抑制できる。
また、前記第一金属層は、前記Ｒｈを７０ｗｔ％以上含むことができる。これにより、第一金属層の反射率向上が確実に図られる。
さらにまた、第一金属材料をＲｈとしたことで、第一金属層を反射率を高めると共に、半導体層との密着力を、第一金属層にＣｒのみを用いた場合と同等にできる。
さらにまた、前記第二金属層はさらに、Ｐｔよりも前記窒化物系半導体発光素子の発光ピーク波長における反射率が高い第二金属材料を含むことができる。これにより、第二金属層がＰｔ単体の場合よりも高い反射率を発揮できる。
さらにまた、前記第二金属材料を、Ｒｈとできる。これにより、第二金属層をさらに高反射率にできる。
さらにまた、前記第一金属層のＣｒとＲｈとが少なくとも部分的に合金化することができる。これにより、合金の第一金属層とすることで反射率と密着性を両立できる。
さらにまた、前記電極構造はさらに、前記第二属層上に配置されるボンディング層を含み、前記ボンディング層がＡｕを含むことができる。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための、窒化物系半導体発光素子を例示するものであって、本発明は、窒化物系半導体発光素子を以下のものに特定しない。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。特に実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。さらに、本明細書において、層上等でいう「上」とは、必ずしも上面に接触して形成される場合に限られず、離間して上方に形成される場合も含んでおり、層と層の間に介在層が存在する場合も包含する意味で使用する。
（実施の形態１）
（実施の形態１）
図１及び図２に、本発明の実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子を示す。この発光素子１００は、図２の断面図に示すように、基板１と、この基板１上に積層された半導体構造１０とを有する。半導体構造１０は、活性領域３を挟んで積層されたｎ型半導体層２及びｐ型半導体層４とを含む。つまり発光素子１００は、基板１上に、ｎ型半導体層２、活性領域３、ｐ型半導体層４をこの順に積層して構成される。さらに発光素子１００は、ｐ型半導体層４の一部を除去して露出されたｎ型半導体層２にｎ側電極７ｎを形成されると共に、ｐ型半導体層４の主面にはｐ側電極７ｐを備える。このｎ側電極７ｎ及びｐ側電極７ｐを介して、ｎ型半導体層２及びｐ型半導体層４にそれぞれ電力が供給されると、活性領域３より光が出射し、半導体構造１０の上方に位置するｐ型半導体層４側を主発光面側として、すなわち図１の上方から主に光が取り出される。
ｎ型窒化物系半導体層２に電気的に接続するｎ側電極７ｎは、パッド電極であり、図１の平面図に示すように、ｐ型窒化物系半導体層４及び活性領域３の一部が除去されて露出されたｎ型窒化物系半導体層２の表面上に直接形成される。一方、ｐ型窒化物系半導体層４に電気的に接続するｐ側電極７ｐは、ｐ型窒化物系半導体層４の表面上のほぼ全面に形成された透光性電極６ａと、透光性電極６ａ上の一部の領域に形成されたパッド電極（ｐ側パッド電極）６ｂとからなる。また絶縁性の保護膜９が、ｎ側電極７ｎ及びｐ側電極７ｐの上面を除いた、半導体構造１０の全表面に被覆される。
（基板１）
（基板１）
基板１は、窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることができる基板材料であればよく、大きさや厚さ等は特に限定されない。このような基板材料としては、Ｃ面、Ｒ面、Ａ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡｌ 2Ｏ4）のような絶縁性基板、また炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、及び窒化物系半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。
（ｎ型窒化物系半導体層、活性領域３、ｐ型窒化物系半導体層）
（ｎ型窒化物系半導体層、活性領域３、ｐ型窒化物系半導体層）
ｎ型窒化物系半導体層２、活性領域３、及びｐ型窒化物系半導体層４としては、特に限定されるものではないが、例えばＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）等の窒化ガリウム系化合物半導体が好適に用いられる。
（ｎ側電極７ｎ、ｐ側電極７ｐ）
（ｎ側電極７ｎ、ｐ側電極７ｐ）
ｎ側電極７ｎはｎ型窒化物系半導体層２に、ｐ側電極７ｐはｐ型窒化物系半導体層４に、それぞれ電気的に接続して外部から電流を供給する。ここで、窒化物系半導体の中でも好適な窒化ガリウム系化合物半導体はｐ型になり難く、すなわちｐ型窒化物系半導体層４は比較的抵抗が高い傾向がある。そのため、電極をｐ型窒化物系半導体層４上の一部の領域のみで接続すると、窒化物系半導体発光素子１００に供給される電流はｐ型窒化物系半導体層４中で広がり難く、発光が面内で不均一になる。したがって、ｐ型窒化物系半導体層４の面内全体に均一に電流が流れるように、ｐ側電極７ｐはｐ型窒化物系半導体層４上により広い面積で接続して設ける必要がある。ただし、上面を窒化物系半導体発光素子１００の光取り出し面とするため、ｐ側電極７ｐで光取り出し効率を低下させないように、ｐ側電極７ｐは、ｐ型窒化物系半導体層４上に直接に、その全面又はそれに近い面積の領域（ほぼ全面）に形成された透光性電極６ａを備える。そして、ｐ側電極７ｐはさらに透光性電極６ａ上に、ワイヤボンディング等で外部回路に接続するために、ボンディング性の良好なＡｕ等を表面に備えるパッド電極（ｐ側パッド電極）６ｂを備える。ｐ側パッド電極６ｂは、光を多く遮らない程度に、ボンディングに必要な平面視形状及び面積であって、透光性電極６ａの平面視形状より小さく、内包されるように、すなわち透光性電極６ａ上の一部の領域に形成される。
一方、低抵抗のｎ型窒化物系半導体層２には、ｎ側電極７ｎは、接続面積は少なくてよいので、光を透過させないパッド電極（ｎ側パッド電極）のみで構成することができ、ｎ型窒化物系半導体層２上に直接に形成される。また、本実施形態に係る窒化物系半導体発光素子１００は、上面側にｎ側電極７ｎを備えるので、ｎ型窒化物系半導体層２上の当該ｎ側電極７ｎを接続するための領域における活性領域３及びｐ型窒化物系半導体層４が除去されており（図２参照）、すなわちこの領域は発光しない。したがって、このｎ側電極（ｎ側パッド電極）７ｎは、発光量を大きく減少させない程度に、ｐ側電極７ｐと同様にボンディングに必要な、そしてｎ型窒化物系半導体層２との電気的接続に必要な平面視形状及び面積に形成される。ｎ側電極７ｎ及びｐ側電極７ｐの窒化物系半導体発光素子１００の平面視におけるそれぞれの位置は、特に限定しないが、パッド電極７（７ｎ，７ｐ）自身や外部回路から接続したワイヤで遮られる光量をより抑制できること、ボンディングの作業性等に基づいて設計すればよい。
（透光性電極６ａ）
（透光性電極６ａ）
ｐ側電極７ｐにおける透光性電極６ａは導電性酸化物からなる。透光性電極６ａとして金属薄膜を用いることもできるが、導電性酸化物は金属薄膜に比べて透光性に優れるため、窒化物系半導体発光素子１００を発光効率の高い発光素子とすることができる。導電性酸化物としては、Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｍｇからなる群から選択された少なくとも一種を含む酸化物、具体的にはＺｎＯ，Ｉｎ2Ｏ3，ＳｎＯ2，ＩＴＯが挙げられる。特にＩＴＯは可視光（可視領域）において高い光透過性を有し、また導電率の比較的高い材料であることから好適に用いることができる。
（パッド電極）
（パッド電極）
本実施形態に係る窒化物系半導体発光素子１００において、ｎ側電極７ｎとｐ側電極７ｐとは同じ積層構造であり、適宜まとめてパッド電極７と称する。図３の拡大断面図に示すように、パッド電極７は、一般的なものと同様に、外部からワイヤを接続されるためのボンディング層７３を最上層（最上面）に備える構成である。そして、本実施形態において、パッド電極７は、最下層に第一金属層７１ａ、第二金属層７１ｂを順に積層したオーミック接触層７１を備える。これらの金属層は蒸着法、スパッタ法等の公知の方法によって成膜することができ、また連続的に形成して積層することが好ましい。また、パッド電極７（７ｎ，７ｐ）の平面視形状は特に限定するものではなく、リフトオフ法、フォトリソグラフィを用いたエッチング等により、所望の形状（例えば図１参照）に形成することができる。
オーミック接触層７１は、第一金属層７１ａと第二金属層７１ｂとの２層からなる。第一金属層７１ａは、ｎ側電極７ｎにおいてはｎ型窒化物系半導体層２に、ｐ側電極７ｐにおいては透光性電極６ａに、それぞれ接触する層である。第一金属層７１ａはＣｒを含む。Ｃｒは、ｎ型窒化物系半導体層２及び導電性酸化物である透光性電極６ａへの密着性がよく、またｎ型窒化物系半導体層２にオーミック接触可能な膜を形成する。ただ、Ｃｒは導電性酸化物を介してのｐ型窒化物系半導体層４へのオーミック接触性がない。詳しくは、Ｃｒは、加熱されるとｐ型窒化物系半導体層４へのオーミック接触性が失われる。窒化物系半導体発光素子１００は、例えば発光装置としてパッケージに実装される工程で、一般的に３００℃程度の加熱処理を経るため、このような熱で特性が劣化しないことを要する。しかし、第一金属層７１ａは、その上に積層される第二金属層７１ｂからの影響により、特に熱で第二金属層７１ｂに含まれるＰｔが後記するように拡散されることで、ｐ型窒化物系半導体層４へのオーミック接触性が向上する。すなわちパッド電極７において、第一金属層７１ａ及びその上に積層される第二金属層７１ｂの２層で、ｎ側、ｐ側共通のオーミック接触層７１を構成する。
半導体発光素子の一層の高出力化を図るには、電極構造の反射率を向上させることが重要となる。しかしながら、本発明者らの行った試験によれば、電極構造の反射率を高めようとすると、電極構造と半導体層との密着性が悪くなる傾向が見られることが判明した。また電極構造を構成する金属の種類によっては、電極構造が腐食する等劣化することもあり、長期に渡って安定的に利用できるような信頼性の確保も重要となる。そこで、本発明者らは鋭意研究を続けた結果、電極材料を適切に選択することで、このような高い反射率と密着性とを維持でき、かつ安定性にも優れた電極構造が得られることを見出し、本発明を成すに至った。このような構造を採用した電極構造の例が、図３に示されている。この例においては、ｐ側電極７ｐ及びｎ側電極７ｎを共通としている。この図に示すように、電極構造は、半導体層側より、第一金属層７１ａと、第二金属層７１ｂと、ボンディング層７３で構成される。ここではボンディング層７３をＡｕ層とした電極積層構造体としている。
（バリア層８１）
（バリア層８１）
また電極の表面は、金属ワイヤとの接合面を露出させると共に、周囲を絶縁性の保護膜９で被覆している。このような保護膜９にはＳｉＯ2膜が好適に利用できる。一方、ＳｉＯ2膜と電極構造体との密着性を向上させるため、ＳｉＯ2膜の被覆部分には密着層８２としてＮｉ層が設けられる。また、Ｎｉ層をＡｕ層上面に直接設けると、Ａｕ層にＮｉが拡散する可能性があるため、バリア層８１としてＷ層が設けられる。このため電極上面の端縁で、保護膜９を設ける部位には、Ａｕ層の上面にＷ層とＮｉ層が被覆され、保護膜９の剥離を防止している。
（第一金属層７１ａ）
（第一金属層７１ａ）
第一金属層７１ａは、Ｃｒと、Ｃｒよりも反射率の高い第一金属材料Ｍ1とを含んでいる。このように第一金属材料Ｍ1を第一金属層７１ａに含めることで、第一金属層７１ａがＣｒのみで構成される場合に比べて、高い反射率を発揮できる。このような第一金属材料Ｍ1としては、ロジウム、ルテニウム、イリジウム等が利用できる。中でも、ロジウムは反射率と密着性の面から、好ましい。特にＣｒの第一金属層７１ａに、第一金属材料Ｍ1としてＲｈを含有させる際には、ＣｒとＲｈを同時に放電させることで、パッド電極を半導体層に対して良好な密着性を発揮できる。
また第一金属層７１ａは、第一金属材料Ｍ1を７０ｗｔ％以上含むことが好ましく、さらに好ましくは９０ｗｔ％以上含んでいる。ここで、層中に金属材料を含んでいるとは、第一金属層７１ａがＣｒと第一金属材料Ｍ1が合金化している状態を指すが、必ずしもＣｒと第一金属層７１ａとが完全に合金化していることを要しない。すなわち、部分的に第一金属材料が合金化せず、不純物として混入しているような状態も、本明細書においては包含する意味で使用する。
（窒化物系半導体発光素子のパッド電極の製造方法）
（窒化物系半導体発光素子のパッド電極の製造方法）
本発明に係る窒化物系半導体発光素子のパッド電極の製造方法について、前記実施形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造も含めて、図７を参照して一例を説明する。
（窒化物系半導体層の形成：Ｓ１０）
（窒化物系半導体層の形成：Ｓ１０）
サファイア基板を基板１として、ＭＯＶＰＥ反応装置を用いて、基板１上に、ｎ型窒化物系半導体層２、活性領域３、及びｐ型窒化物系半導体層４を構成するそれぞれの窒化物系半導体を成長させる（図７のＳ１１、以下同様）。詳しくは、基板１上に、ｎ型窒化物系半導体層２を構成する、第１のバッファ層と、第２のバッファ層と、ｎ側コンタクト層と、第３のバッファ層と、ｎ側多層膜層とを成長させ、このｎ側多層膜層の上に活性領域３を成長させた後、さらにｐ型窒化物系半導体層４を構成する、ｐ側多層膜層と、ｐ側コンタクト層とを順に成長させる。窒化物系半導体の各層を成長させた基板１（以下、ウェハという）を装置の処理室内にて窒素雰囲気で、６００〜７００℃程度のアニールを行って、ｐ型窒化物系半導体層４を低抵抗化する（Ｓ１２）。
（ｎ側電極用コンタクト領域の形成：Ｓ２０）
（ｎ側電極用コンタクト領域の形成：Ｓ２０）
ｎ側電極（ｎ側パッド電極）７ｎを接続するためのコンタクト領域として、ｎ型窒化物系半導体層２の一部を露出させる。アニール後のウェハ上にフォトレジストにて所定の形状のマスクを形成して（Ｓ２１）、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）にて、ｐ型窒化物系半導体層４及び活性領域３、さらにｎ型窒化物系半導体層２のｎ側多層膜層、第３のバッファ層を除去して、その表面にｎ側コンタクト層を露出させる（Ｓ２２）。エッチングの後、レジストを除去する（Ｓ２３）。なお、コンタクト領域と同時に、窒化物系半導体発光素子１００（チップ）の周縁部（スクライブ領域）をエッチングしてもよい（図２参照）。
（透光性電極６ａの形成：Ｓ３０）
（透光性電極６ａの形成：Ｓ３０）
ウェハの全面に、透光性電極６ａとしてＩＴＯ膜をスパッタリング装置にて成膜する（Ｓ３１）。そして、フォトレジストにて、ＩＴＯ膜上にその下のｐ型窒化物系半導体層４の平面視形状（図１参照）に対応した形状のマスクを形成し（Ｓ３２）、エッチングして（Ｓ３３）、ｐ型窒化物系半導体層４上に透光性電極６ａを形成する。エッチングの後、レジストを除去する（Ｓ３４）。次に、窒素雰囲気で５００℃程度のアニールを行って、透光性電極６ａ（ＩＴＯ膜）のｐ型窒化物系半導体層４とのオーミック接触性、及び前記コンタクト領域の露出させたｎ型窒化物系半導体層２の、ｎ側電極７ｎへのオーミック接触性を、それぞれ向上させる（Ｓ３５）。
（パッド電極の形成：Ｓ４０）
（パッド電極の形成：Ｓ４０）
露出させたｎ型窒化物系半導体層２上、及び透光性電極６ａのそれぞれにおける所定領域を空けたマスクをフォトレジストにて形成し（Ｓ４１）、このマスクの上から、スパッタリング装置にて、パッド電極７（７ｎ，７ｐ）を構成するＣｒＲｈ，Ｐｔ，Ａｕ、さらに下地層８を構成するＷ，Ｎｉの計５層をそれぞれ所定の膜厚ずつ連続的に成膜する（Ｓ４２）。すなわちこの例では図３において、第一金属材料Ｍ1をＲｈとし、第二金属材料Ｍ2を無しとしている。第一金属材料Ｍ1及び第二金属材料Ｍ2は、各実施例において適宜変更できる。その後、レジストをその上の金属膜ごと除去する（Ｓ４３）と、前記の所定領域にｎ側電極７ｎ、ｐ側電極７ｐが形成され（リフトオフ法）、またその上に、同じ平面視形状でＷ，Ｎｉの２層の膜が積層された状態となる。
（熱処理：Ｓ４４）
（熱処理：Ｓ４４）
窒素雰囲気で、ウェハに熱処理（アニール）を施して、パッド電極７のｎ型窒化物系半導体層２および透光性電極６ａへの密着性を向上させる。ＣｒＲｈ層７１ａ及びＰｔ層７１ｂのそれぞれの厚さにもよるが、熱処理の温度は、Ｐｔを拡散させるために２８０℃以上とすることが好ましい。一方、温度が高過ぎると、窒化物系半導体層２，３，４が熱で劣化して、ｎ型窒化物系半導体層２及びｐ型窒化物系半導体層４の方のオーミック接触性が低下し、さらに、窒化物系半導体発光素子１００の発光強度が低下する等の虞があるため、熱処理の温度は５００℃以下とすることが好ましい。また、処理時間は、温度及びＣｒＲｈ層７１ａ等の厚さに応じて設定されるが、１０〜２０分間程度が好ましい。
（保護膜９の形成：Ｓ５０）
（保護膜９の形成：Ｓ５０）
ウェハの全面に、保護膜９としてＳｉＯ2膜をスパッタリング装置にて成膜する（Ｓ５１）。パッド部としてパッド電極７（７ｎ，７ｐ）上のＷ，Ｎｉの膜上の所定領域を空けたマスクをフォトレジストにて形成し（Ｓ５２）、ＳｉＯ2膜をエッチングした（Ｓ５３）後、レジストを除去する（Ｓ５４）。残ったＳｉＯ2膜（保護膜９）をマスクとしてＮｉ，Ｗをエッチングして、パッド部にＡｕ層（ボンディング層）７３を露出させる（Ｓ５５）。
ウェハをスクライブやダイシング等で分離して、１個の窒化物系半導体発光素子１００（チップ）となる。また、チップに分離する前に、ウェハの裏面から基板１を研削（バックグラインド）して所望の厚さとなるまで薄く加工してもよい。
以上の工程による本発明に係る窒化物系半導体発光素子のパッド電極の製造方法は、前記の実施形態に係る窒化物系半導体発光素子について、ｐ側、ｎ側のそれぞれにパッド電極を同時に形成することができるため、生産性が向上する。
なお、本発明に係る窒化物系半導体発光素子のパッド電極は、ｐ側、ｎ側の一方のパッド電極のみに適用されて、このとき他方のパッド電極は従来公知の構造（例えばｎ側：Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕ、ｐ側：Ｒｈ／Ｗ／Ａｕ）としてもよい。また、本発明に係る窒化物系半導体発光素子のパッド電極は、前記実施形態（図１参照）に係る窒化物系半導体発光素子に限らず、例えばｎ側電極を導電性基板の裏面（下面）側に設けた窒化物系半導体発光素子に適用することもできる（図示せず）。
［実施例］
［実施例］
窒化物系半導体発光素子を作製し、パッド電極の構造について本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と対比して具体的に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
（窒化物系半導体発光素子の作製）
（窒化物系半導体発光素子の作製）
図１及び図２に示す構造の窒化物系半導体発光素子１００を作製した。平面視形状（図１参照）は、窒化物系半導体発光素子１００全体がＸ（横）４２０μｍ×Ｙ（縦）２４０μｍ、そのうちｐ型窒化物系半導体層４の領域（ｎ側電極用コンタクト領域を内包する概形）がＸ：３７０μｍ×Ｙ：１９０μｍであり、ｎ側、ｐ側の各パッド電極７（７ｎ，７ｐ）が径９０μｍ（パッド部径８０μｍ）とした。また、パッド電極７（７ｎ，７ｐ）の中心位置は、Ｙ方向全幅の中心に揃え、Ｘ方向はｎ側電極７ｎがｐ型窒化物系半導体層４の領域における端から５０μｍ、ｐ側電極７ｐが同端（反対側）から６０μｍであり、両パッド電極７（７ｎ，７ｐ）中心間距離が２６０μｍであった。
（窒化物系半導体層の形成）
（窒化物系半導体層の形成）
３インチφのサファイア（Ｃ面）からなる基板１上に、ＭＯＶＰＥ反応装置にて温度及びガス種を切り替えて、バッファ層、ｎ型窒化物系半導体層２、活性領域３、ｐ型窒化物系半導体層４を構成するそれぞれの窒化物系半導体を順次成長させた。窒化物系半導体の各層を成長させた基板１（以下、ウェハという）を、ＭＯＶＰＥ反応装置の処理室にて窒素雰囲気として、６００℃のアニールを行った。
（ｎ側電極用コンタクト領域の形成）
（ｎ側電極用コンタクト領域の形成）
ウェハを処理室から取り出し、ｐ型窒化物系半導体層４上に所定の形状のレジストマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置で、図２に示すように、ｐ型窒化物系半導体層４及び活性領域３、さらにｎ型窒化物系半導体層２のｎ側コンタクト層が露出するまでエッチングを行い、レジストを除去した。
（透光性電極６ａの形成）
（透光性電極６ａの形成）
ウェハをバッファードフッ酸（ＢＨＦ、フッ酸／フッ化アンモニウム水溶液）に室温で浸漬した後、スパッタリング装置にて膜厚１７０ｎｍのＩＴＯを成膜した。詳しくはＩｎ2Ｏ3とＳｎＯ2との焼結体からなる酸化物ターゲットを用い、Ａｒ雰囲気で放電を行ってＩＴＯ膜をウェハ上に形成した。そして、ｐ型窒化物系半導体層４上のほぼ全面にＩＴＯ膜が残るように、レジストマスクを形成してエッチングを行い、レジストを除去した。そして、ＩＴＯ膜のオーミック接触性を向上させるため、窒素雰囲気で５００℃のアニールを行い、透光性電極６ａとした。
（パッド電極の形成）
（パッド電極の形成）
ｎ側電極用コンタクト領域のｎ型窒化物系半導体層２（ｎ側コンタクト層）上、及び透光性電極６ａ上のそれぞれの所定の領域を空けたレジストマスクを形成し、スパッタリング装置にて、ウェハ上に、パッド電極７（７ｎ，７ｐ）用のＣｒ＋Ｍ1，Ｐｔ＋Ｍ2，Ａｕ、及び保護膜９の下地層８となるＷ，Ｎｉを連続的に順次成膜した。そして、レジストを除去し（リフトオフ）、ｎ側、ｐ側の各パッド電極７（７ｎ，７ｐ）の平面視形状（図１参照）の６層膜を形成した。パッド電極７の各層の厚さは表１に示す通りである。
その後、アニール炉にて窒素雰囲気でウェハにアニールを施した。なお、アニールは１０分間単位で行い、２０分間行う場合は２回行った。また、２８０℃のアニールについては電気炉を使用した。
（保護膜９の形成）
（保護膜９の形成）
ウェハ上の全面に保護膜９として、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜を成膜した。パッド電極７（７ｎ，７ｐ）上のパッド部とする領域を空けたレジストマスクを形成して、ＳｉＯ2膜をエッチングし、レジストを除去した。さらに下地層８のＮｉ，Ｗをエッチングして、パッド電極７（７ｎ，７ｐ）のＡｕ層７３を露出させ、窒化物系半導体発光素子１００とした。また、バックグラインド加工にて、ウェハの裏面から基板を研削して総厚８５μｍとした。
（実施例１〜５）
（実施例１〜５）
ここで、第一金属材料Ｍ1の含有量と電極構造の反射率を確認するために比較試験を行った。ここでは第一金属材料Ｍ1としてＲｈを使用し、この含有量を変化させた電極構造体を実施例１〜５として作成し、また比較のため、第一金属層７１ａをＣｒのみとした比較例を作成した。具体的には、各実施例において第二金属層７１ｂをＰｔ層、ボンディング層７３をＡｕ層とした。また第一金属層７１ａに含まれるＣｒの含有量を、実施例１で５０ｗｔ％、実施例２で３０ｗｔ％、実施例３で１０ｗｔ％、実施例４で５０ｗｔ％、実施例５で２．５ｗｔ％とした。また比較例として、第一金属層７１ａはＣｒ含有量を１００％とし、さらに第二金属層７１ｂを同じくＰｔ層とし、これにＲｕ層を介在させてボンディング層７３であるＡｕ層を積層した。このようにして得られた各電極構造体の反射率を、波長毎に測定した結果を図４に示す。この図に示すように、Ｃｒの含有量が低くなる程、換言すると第一金属材料Ｍ1であるＲｈの含有量が多くなる程、反射率が向上した。特に第一金属材料Ｍ1を９０ｗｔ％以上とすることで、波長４００ｎｍ以上の領域で反射率５０％以上という良好な特性を得られることが判明した。また、より好ましくは第一金属材料Ｍ1を９５ｗｔ％以上とすることで、さらに良好な反射率を得ることができる。
（第二金属層７１ｂ）
（第二金属層７１ｂ）
以上は、第二金属層７１ｂをＰｔのみとした構成について説明したが、第二金属層７１ｂにも高反射率の第二金属材料Ｍ2を含有させてもよく、これによってさらに高い反射率を発揮できる。第二金属材料Ｍ2も、Ｃｒより窒化物系半導体発光素子の発光ピーク波長における反射率が高い金属材料を用いる。このような第二金属材料Ｍ2としては、ロジウム、ルテニウム、イリジウム等が利用でき、中でもロジウムは反射率が高く、好ましい。このような例を実施例６〜１０として作成した。ここでは、Ｐｔの含有量を変化させて電極構造体を作成し、反射率を測定している。具体的には、第一金属層７１ａをＣｒの含有量を５ｗｔ％としたＣｒとＲｈの層とし、第二金属層７１ｂとしてＰｔに含有させるＲｈの量を変化させた。例として実施例６ではＰｔの含有量を０ｗｔ％、すなわちＲｈのみとした。また実施例７でＰｔの含有量を１０ｗｔ％、実施例８で３０ｗｔ％、実施例９で５０ｗｔ％とし、さらに実施例１０では１００ｗｔ％として、Ｒｈを含まない、実施例４と同様の比率とした。この結果を図５に示す。この図においても、図４と同様に、比較のため比較例についても図示している。この図に示すように、反射率をさらに高めることに成功し、特に第二金属材料Ｍ2であるＲｈの含有量を５０％以上とすることで、反射率６５％以上を達成している。このように、第二金属層７１ｂもＰｔのみの金属層とせず、Ｒｈ等高反射率の第二金属材料Ｍ2を含有させることで、反射率を一層向上できる。ただし、第二金属層７１ｂを合金層とすると、半導体層との密着力が低下する傾向にあるため、このバランスを考慮して選択される。
またこれら第一金属材料Ｍ1、第二金属材料Ｍ2は、ＣｒのみならずＰｔよりも反射率の高い金属材料とすることが好ましい。さらに、第一金属材料Ｍ1と第二金属材料Ｍ2とを同一とすることで、金属材料の拡散による影響を低減でき、好ましい。ただ、反射率を調整するために、第一金属材料と第二金属材料とを異なる金属材料としてもよい。
（膜厚）
（膜厚）
次に、第一金属層７１ａの膜厚と密着力の相関関係を確認するための試験を行った。ここでは、第一金属材料Ｍ1として含有率９５％のＲｈを用い、第二金属層７１ｂを５０ｎｍのＰｔ層、ボンディング層７３を５００ｎｍのＡｕ層とし、第一金属層７１ａの膜厚を０〜５０ｎｍまで変化させたときの剥離試験を行った。剥離試験は、ＬＥＤチップ１０００個程度にワイヤボンディング装置（ＫＡＩＪＯ製ＦＢ−１５０ＤＧＩＩ）を用いて、φ３０μｍのＡｕワイヤをパッド電極にボンディングし、その際にｐ側パッド電極が下地（ＩＴＯ膜）から剥がれたサンプル、及び下地から剥れなくてもｐ側パッド電極を構成する各層間で剥離が発生したサンプルの個数を測定した。また、ワイヤボンディング装置においては、加速的な剥がれ試験を行なうために、ボンディング時の荷重を通常よりも高い値の４０ｇｆに設定し、さらに、ボンディングする位置についても通常よりずらした位置に設定して試験を行った。
また剥離試験の結果を図６に示す。図６に示すように、第一金属層７１ａの膜厚が１０ｎｍよりも薄く、特に５ｎｍ以下の領域において剥離率を低く抑えることができ、高い密着力が得られていることが確認された。特に３ｎｍ〜５ｎｍの範囲で、優れた密着力を発揮している。
（実施の形態２）
（実施の形態２）
以上の例では、第一金属層と第二金属層を備える窒化物系半導体発光素子について説明したが、このような構成に限らず、さらに第三金属層を追加した構造とすることもできる。このような例を、実施の形態２として図８に示す。この図に示す発光素子のパッド電極は、オーミック接触層７１として、第一金属層７１ａであるＣｒ−Ｍ1層と、その上に形成された第二金属層７１ｂであるＰｔ層と、さらにその上に形成された第三金属層７１ｃであるＲｕ層を備える。さらにオーミック接触層の上には、ボンディング層７３としてＡｕ層が形成される。
（第二金属層の薄膜化）
（第二金属層の薄膜化）
ここで第二金属層７１ｂは、その膜厚を薄くすることが好ましい。このように第二金属層７１ｂを薄膜化させることで、光取り出し効率をさらに改善できる。すなわち、このパッド電極は第一金属層７１ａの下面で光を反射させると共に、第一金属層７１ａを透過した光については、第一金属層７１ａと第二金属層７１ｂとの界面で反射させるよりも、寧ろ第二金属層７１ｂを積極的に透過させて、第二金属層７１ｂと第三金属層７１ｃとの界面において半導体層側に光反射させている。このように、第二金属層７１ｂを薄膜化することによって、第一金属層７１ａを透過した光が第二金属層７１ｂで吸収されることを軽減できる。
（第三金属層７１ｃ）
（第三金属層７１ｃ）
さらに第三金属層７１ｃを設けることで、第二金属層７１ｂを透過した光を、第三金属層７１ｃとの界面で反射させることができる。またこの第三金属層７１ｃは、ボンディング層のＡｕが第一金属層７１ａや第二金属層７１ｂ側に拡散する事態を防止する効果も得られる。このような第三金属層７１ｃに含まれる金属材料としては、Ｒｕの他、ＲｈやＩｒ等が利用できる。好ましくは、後述するパッド電極の剥離を防止する観点から、Ｒｕ層とする。
（膜厚）
（膜厚）
第二金属層７１ｂの膜厚は、１０ｎｍ未満とすることが好ましく、より好ましくは３ｎｍ〜５ｎｍとする。このような膜厚に調整することで、第二金属層７１ｂにおける光吸収を軽減することができる。ここで実施例１１として、第一金属層７１ａを、Ｃｒ含有量３０％としたＲｈＣｒ層（３ｎｍ）、第二金属層７１ｂをＰｔ層、第三金属層７１ｃをＲｕ層（７５ｎｍ）、ボンディング層をＡｕ層（５００ｎｍ）としたパッド電極を試作し、第一金属層７１ａの膜厚を０〜３０ｎｍで変化させた際の反射率を、波長４５５ｎｍの光を照射して測定した。この結果を表２に示す。この表に示すように、第二金属層の膜厚が１０ｎｍ未満で高く、特に３ｎｍ〜５ｎｍで６０％以上を達成できることが確認された。
さらに、第一金属層７１ａと第二金属層７１ｂの総膜厚、すなわちオーミック接触層の膜厚は、５０ｎｍ以下とするのが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以下とする。このようにすることで、オーミック接触層から第三金属層７１ｃまで光を十分に透過させて、光を反射させることができる。
一方で第三金属層７１ｃの膜厚は、逆に５０ｎｍよりも厚くすることが好ましい。これによってオーミック接触層からの光を第三金属層７１ｃとの界面で十分に反射させることができる。より好ましくは７５ｎｍ以上とし、これによって第三金属層７１ｃ上に形成されたボンディング層であるＡｕ層からのＡｕの拡散を防止できる。
（第一金属層のＣｒ含有率）
（第一金属層のＣｒ含有率）
また一方、上記実施の形態２に係る電極構造においては、第一金属層７１ａにおけるＣｒの含有率を高めることが好ましい。本発明者らの行った試験によれば、パッド電極に第三金属層７１ｃを追加する電極構造においては、パッド電極の密着力が低下する傾向にあることが判明した。その一方で、パッド電極の密着性は第一金属層中のＣｒ含有量にも依存し、Ｃｒ含有量が多い程密着力が高くなる傾向にあることも明らかとなった。そこで、第三金属層７１ｃを追加する場合は、第一金属層７１ａにおけるＣｒの含有率を高く設定することで、パッド電極の密着力を高めて剥離を抑制できる。好ましくは、第一金属層７１ａにおけるＣｒの含有率を３０％程度又はこれ以上とする。ここで実施例１２として、第一金属層７１ａをＲｈＣｒ層（３ｎｍ）、第二金属層７１ｂをＰｔ層（５ｎｍ）、第三金属層７１ｃをＲｕ層（７５ｎｍ）、ボンディング層をＡｕ層（５００ｎｍ）としたパッド電極を試作し、第一金属層７１ａのＣｒ含有量を５％，１０％，３０％と変化させた際の密着性を測定した。この結果を表３に示す。なお、表３における密着性は、ワイヤボンディング装置（ＫＡＩＪＯ製ＦＢ−１５０ＤＧＩＩ）を用いて、φ３０μｍのＡｕワイヤをパッド電極にボンディングし、その際にパッド電極が下地（ＩＴＯ膜）から剥がれたサンプル、及び下地から剥れなくてもパッド電極を構成する各層間で剥離が発生したサンプルの個数から剥離率を算出した。
また、第三金属層７１ｃは、Ｒｈ層とするよりもＲｕ層とすることで、剥離を抑制できることも判明した。さらに、第二電極をＰｔの合金層でなく、Ｐｔ層とすることでも、密着力を高めて剥離を低減できる効果が得られる。
さらに、Ｃｒ含有率を高めた場合は、第一金属層７１ａの膜厚を薄くする程、反射率が向上する傾向にあることが判明した。このため第一金属層７１ａの膜厚は、５ｎｍ以下とするのが好ましく、より好ましくは３ｎｍ以下とする。
なお上記の例においては、Ｐｔ層である第二金属層を、光透過させるために薄く形成しているが、この層自体を省略することもできる。このような例を図９に示す。この図に示す電極構造は、半導体層側から順に、第一金属層７１ａ’、第三金属層７１ｃ’を有している。図３との対比においては、第二金属層７１ｂとしてＰｔやＲｈに代えて、Ｒｕを用いた構造と捉えることもできる。
（実施の形態３）
（実施の形態３）
上記実施の形態２では、図８に示したように、半導体層と第一金属層７１ａとの界面及び第二金属層７１ｂと第三金属層７１ｃとの界面での反射を企図した構造を採用した。ただ本発明はこの構成に限られず、第一金属層での反射に注力させた構造を採用してもよい。このような例を実施の形態３として、図１０に示す。この電極構造においても、図８と同様、半導体層側から順に、第一金属層７１ａ”、第二金属層７１ｂ”、第三金属層７１ｃ”を有している。本発明者らの行った試験によれば、第一金属層の膜厚は、一般に薄いほど反射率が高くなる傾向にあることが判明した。しかしながら、薄くしすぎるとパッド電極と半導体層との密着力が低下して剥離し易くなる。本発明者らの行った試験によれば、第一金属層の膜厚が３ｎｍ以下になると、剥離が顕著となる。その一方で、第一金属層中に含まれるＣｒの含有量によっても密着力と反射率の関係が変化する。Ｃｒ含有量を５％以下に減らすと、逆に第一金属層の膜厚を厚くすると反射率が上がる現象が見られた。そこで、密着力とのバランスを考慮して、第一金属層の膜厚を１０ｎｍ程度とすることで、密着力と反射率の両立が可能となり、第一金属層と半導体層との界面で光を反射させて光取り出し効率を改善できる。ここで実施例１３として、第一金属層７１ａ”を、Ｃｒ含有量１０％としたＲｈＣｒ層、第二金属層７１ｂ”をＰｔ層、第三金属層７１ｃ”をＲｕ層、ボンディング層をＡｕ層としたパッド電極を試作し、第一金属層７１ａ”の膜厚を変化させた際の反射率（波長４５５ｎｍの光を照射して測定）および密着性（ワイヤボンディング加速試験によって剥離したサンプル数から剥離率を算出）を測定した。この結果を表４に示す。この表に示すように、第一金属層７１ａ”の膜厚は５ｎｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ程度とすることで、密着性を高めつつ、十分な反射率を確保できることが確認された。
なお、各層の製造時においては、組成が企図したものとなるよう調整しているが、製造された発光素子においては、各層の界面において金属元素が隣接する層中に僅かに拡散したり混じり合う状態となることが考えられるところ、本発明においては、このような界面の状態を層とは扱わない。
本発明の窒化物系半導体発光素子は、照明用光源、発光素子、発光素子を光源としてドットマトリックス状に配置したＬＥＤディスプレイ、バックライト光源、信号機、照明式スイッチ、イメージスキャナ等の各種センサ及び各種インジケータ等に好適に利用できる。
１００…発光素子
１…基板
２…ｎ型半導体層
３…活性領域
４…ｐ型半導体層
６ａ…透光性電極
６ｂ…ｐ側パッド電極
７…パッド電極；７ｎ…ｎ側電極；７ｐ…ｐ側電極
９…保護膜
１０…半導体構造
７１…オーミック接触層；７１ａ、７１ａ’、７１ａ”…第一金属層
７１ｂ、７１ｂ”…第二金属層
７１ｃ、７１ｃ’、７１ｃ”…第三金属層
７３…ボンディング層
８１…バリア層
８２…密着層
Ｍ1…第一金属材料
Ｍ2…第二金属材料
１…基板
２…ｎ型半導体層
３…活性領域
４…ｐ型半導体層
６ａ…透光性電極
６ｂ…ｐ側パッド電極
７…パッド電極；７ｎ…ｎ側電極；７ｐ…ｐ側電極
９…保護膜
１０…半導体構造
７１…オーミック接触層；７１ａ、７１ａ’、７１ａ”…第一金属層
７１ｂ、７１ｂ”…第二金属層
７１ｃ、７１ｃ’、７１ｃ”…第三金属層
７３…ボンディング層
８１…バリア層
８２…密着層
Ｍ1…第一金属材料
Ｍ2…第二金属材料
Claims (6)
- 窒化物系の半導体層と、
前記半導体層上に設けられた、複数の金属層を積層して構成される電極構造と、
を備える窒化物系半導体発光素子であって、
前記電極構造は、
前記半導体層側に配置される第一金属層と、
前記第一金属層上に配置される第二金属層と、
を含み、
前記第一金属層は、Ｃｒよりも前記発光素子の発光ピーク波長における反射率が高いＲｈと、Ｃｒと、を含み、
前記第二金属層は、Ｐｔを少なくとも含み、
前記第一金属層の膜厚が、５ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。 - 請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
前記第一金属層は、前記Ｒｈを７０ｗｔ％以上含むことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。 - 請求項１又は２に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
前記第二金属層はさらに、Ｐｔよりも前記窒化物系半導体発光素子の発光ピーク波長における反射率が高い第二金属材料を含むことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。 - 請求項３に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
前記第二金属材料が、Ｒｈであることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。 - 請求項１から４のいずれか一に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
前記第一金属層のＣｒとＲｈとが少なくとも部分的に合金化されてなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。 - 請求項１から５のいずれか一に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
前記電極構造は、さらに前記第二金属層上に配置されるボンディング層を含み、
前記ボンディング層がＡｕを含んでなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
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