JP6183235B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
このような発光素子において、高反射材料を電極材料として用いる場合は、マイグレーションを防止するため、高反射材料は金属層で覆われている(例えば、特許文献1)。
前記第1導電型半導体層上に形成された第1電極と、前記第2導電型半導体層上に形成された第2電極とを備え、
前記第1電極及び第2電極は、前記半導体積層体の一方の主面上に配置され、
前記第2電極は、銀含有層を有し、該銀含有層の少なくとも前記第1電極側の側面に硫化銀領域を有する窒化物半導体発光素子である。
本発明の発光素子における半導体積層体は、通常、基板上に第1導電型半導体層、発光層、第2導電型半導体層がこの順に又は逆の順に積層されて構成される。なお、第1導電型とは、n型又はp型を意味し、第2導電型とはp型又はn型を意味する。特に、第1導電型がn型、第2導電型がp型であることが好ましい。
このような構成により、電子の拡散が起こりにくいp型窒化物半導体層において、良好なオーミックコンタクトを確保して、電流拡散をより向上させながら、発光層からの光の反射効率を最大限に発揮させることができる。したがって、光の取り出し効率を向上させることができ、高品質、高性能の発光素子を得ることができる。
各半導体層は、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、分子線エピタキシャル成長法(MBE)、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公知の技術により形成することができる。
各半導体層の膜厚は特に限定されるものではなく、種々の膜厚のものを適用することができる。
基板としては、例えば、サファイア、スピネル、SiC、GaN、GaAs等の公知の絶縁性基板、n型又はp型のGaN、SiC等の導電性基板が挙げられる。なかでも、サファイア基板が好ましい。基板は、その表面が平坦であるもののみならず、発光層で発生した光を乱反射することができる程度の凹凸等が規則的又は不規則的に形成されていてもよい。
第1電極は、上述したように、第2導電型半導体層及び発光層が除去された領域であって、第1導電型半導体層が露出した領域に接触して形成される電極である。第2電極は、第2導電型半導体層上であって、第2導電型半導体層に接触して形成される電極である。このように、第1電極及び第2電極は、半導体層に接触することにより、良好なオーミック性を有することができる。
第1電極及び第2電極は、半導体積層体の同じ面側、つまり一方の主面に配置されている。
銀含有層は、銀又は銀合金からなる単層構造又は積層構造のいずれでもよい。銀合金としては、銀と、Pt、Co、Au、Pd、Ti、Mn、V、Cr、Zr、Rh、Cu、Al、Mg、Bi、Sn、Ir、Ga、Nd及びRe等からなる群から選択される1種又は2種以上の金属との合金が挙げられる。なお、Niは銀とは合金化されにくく、銀との反応が抑制されやすいが、銀膜中にNi元素を含むものであってもよい。ただし、銀合金において、銀以外の材料の比率が大きくなると電気特性及び反射率が低下し、後述する硫化が困難となる場合があるため、銀を用いることが好ましい。
第2電極が積層構造の場合は、銀含有層の直上に、銀と実質的に反応しない金属(以下、「不反応層」ということがある)からなる層が配置されていることが好ましい。例えば、銀と実質的に反応しない金属としては、1000℃以下の温度で銀と実質的に反応しないか、銀との反応が抑制される金属、特に、銀と混合して固溶体とならない、あるいはなり難い金属を指す。例えば、銀の中に混ざる割合が5wtパーセントより小さいものが挙げられる。具体的には、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、タングステン(W)等が含まれる。なかでも、Niが好ましい。これらは単層でも積層構造でもよい。
また、その上に、例えば、貴金属(例えば、Pt、金等)が配置されていてもよい。
特に、第2電極が、不反応層(上)/銀又は銀合金(下)により形成されていている場合、例えば、銀又は銀合金に接してNiが配置され、その上に貴金属が形成されている場合には、銀又は銀合金からなる層において、窒化物半導体と接する面と対向する面での銀の移動を劇的に防止することができ、マイグレーションをさらに防止できる。加えて、発光層で生じた光に対して電極の反射効率が低下することを防ぎ、発光効率の高い窒化物半導体素子を得ることができる。さらに、Niと貴金属との間に、TiやTaなどを形成する場合には、窒化物半導体層と接する銀の窒化物半導体層表面での移動を防止し、マイグレーション防止としての信頼性がさらに向上する。
なかでも、第2電極の積層構造は、リフトオフ法を利用して形成することが好ましい。つまり、第2導電型半導体層の上に、第2電極形成領域に開口を有するレジスト層を形成し、このレジスト層を含む第2導電型半導体層上に、第2電極の材料膜を順次形成し、最後にレジスト層と、レジスト層に積層された第2電極の材料膜を除去して、所定形状の第2電極を形成することが好ましい。なお、このように積層された第2電極の積層状態は、レジスト層の開口の外周に隣接する部位の厚みが、開口中央部の厚みよりも若干薄くなり、上層に積層された材料が、下層の端面を徐々に覆う形状となることがある。
このように、硫化銀領域は、銀含有層(好ましくはその一部)を硫化することにより形成することが好ましい。銀含有層のうちイオン化しやすい部分を硫化することによって、銀のイオン化を抑制することができる。これによってイオンマイグレーションの発生を効果的に抑制できると考えられる。
第1電極及び/又は第2電極は、さらに金属層で被覆されていてもよい。ここでの被覆とは、第1電極及び/又は第2電極の上面のみでもよいが、上面及び側面の双方が完全に被覆されており、金属層の一部(外周)が、第1導電型半導体層及び/又は第2導電型半導体層上に接触していることが好ましい。このように金属層によって、確実に第2電極を被覆する場合には、より一層マイグレーションを防止するように機能する。
ここでの金属層は、第1電極の材料として例示した金属又は合金、貴金属の1種以上による単層構造及び積層構造が挙げられる。金属層は、銀以外の材料からなることが好ましい。
金属層の膜厚は特に限定されず、例えば、0.1〜10μm程度、0.1〜5μm程度が挙げられる。
本発明の第1電極及び第2電極は、上述した金属層に代えて又は金属層に加えて、パッド電極を有していることが好ましい。このパッド電極は、外部電極又は実装基板等の電極と接続するために用いられる。
パッド電極は、導電性材料であれば特に限定されないが、例えば、Ni、Ti、Au、Pt、Pd、W、Co、Au、Mn、V、Cr、Zr、Rh、Cu、Al、Mg、Bi、Sn、Ir、Ga、Nd及びRe等の金属又は合金からなる積層膜とすることが好ましい。具体的には、半導体層側から、AlCuSi−Ti−Ru−Al、W−Pd−Au、Ni−Ti−Au、Ni−Pd−Auの順に形成した膜が挙げられる。
パッド電極の膜厚は特に限定されず、100nm〜1μm程度、200〜500nm程度が挙げられる。
パッド電極は、通常、第1電極及び/又は第2電極、さらに金属層の大きさよりも小さいサイズで形成される。このため、パッド電極で被覆されている、第1電極及び/又は第2電極あるいは金属層の表面以外の表面は、通常、保護膜で被覆されていることが好ましい。ここでの保護膜は、絶縁性を確保することができる限り、どのような材料/膜厚でもよい。例えば、酸化物、窒化物又はフッ化物が挙げられ、透光性を有するものが好ましい。具体的には、Si、Al、Nb、Zr、Tiなどの酸化物、窒化物又はフッ化物の単層膜又は多層膜が挙げられる。厚みは、例えば、数nm〜数100μm程度の範囲で適宜調整することができる。また、この保護膜は、例えば、スパッタ法、蒸着法等の公知の成膜方法によって形成された膜であってもよいし、ALD(原子層堆積法)による膜であってもよい。
本発明の窒化物半導体発光素子は、通常、フリップチップ実装(フェイスダウン実装)により、支持基板に実装され、半導体発光装置を構成する。
支持基板は、少なくとも発光素子の電極に対向する面に配線が施され、任意に保護素子等が形成されていてもよく、フリップチップ実装された発光素子を固定・支持する。支持基板は、発光素子と熱膨張係数がほぼ等しい材料、例えば、窒化物半導体素子に対して窒化アルミニウムが好ましい。これにより、支持基板と発光素子との間に発生する熱応力の影響を緩和することができる。また、静電保護素子等の機能を付加することができ、安価であるシリコンを用いてもよい。配線のパターンは、特に限定されるものではないが、例えば、正負一対の配線パターンが絶縁分離されて互いに一方を包囲するように形成されることが好ましい。
以下に、本発明の窒化物半導体発光素子を、図面に基づいて詳細に説明する。
この実施の形態の発光素子を図1及び図2に示す。
この発光素子10は、サファイア基板(図示せず)の上に形成された窒化物半導体層による半導体積層体を有する。積層体は、AlGaNよりなるバッファ層(図示せず)、ノンドープGaN層(図示せず)を有し、その上に、n型半導体層7として、SiドープGaNよりなるn型コンタクト層、GaN層(4nm)とInGaN層(2nm)とを交互に10回積層させた超格子のn型クラッド層、さらにその上に、GaN層(25nm)とInGaN層(3nm)とが交互に3〜6回積層された多重量子井戸構造の発光層8、さらにその上に、p型半導体層9として、MgドープAl0.1Ga0.9N層(4nm)とMgドープInGaN層(2nm)とが交互に10回積層された超格子のp型クラッド層、MgドープGaNよりなるp型コンタクト層が積層されている。
p電極15は、銀層(厚み:100nm)15aの単層構造を有しており、その銀層15aの上面及び側面の全面において、硫化銀領域15bが配置している。硫化銀領域の厚みは、銀層15aの上面及び側面において、5nmである。
p電極15の上には、その上面及び側面を完全に被覆し、外周部においてp型半導体層9に接触して配置された金属層16が形成されている。この金属層16は多層膜からなり、膜厚1.7μmのAu膜、膜厚120nmのW膜、膜厚3nm程度のTi膜がこの順に積層されて構成されている。
まず、公知の方法により、n型半導体層、発光層及びp型半導体層が積層され、n型半導体層の表面を露出した半導体積層体を形成する。
そして、p型半導体層のほぼ全面に開口を有するレジスト層を形成する。
次いで、レジスト層上に銀層を形成し、リフトオフ法によって、p型半導体層のほぼ全面に銀層を形成する。
その後、得られた半導体積層体及び銀層を有するウェハを、硫化ナトリウムを含有する水溶液に24時間程度浸漬する。このようにして、銀層の上面及び側面の全体に硫化銀領域を形成する。
続いて、金属材料を複数順次積層し、金属層を形成する。
その後、保護膜6としてSiO2膜を成膜し、フォトレジスト及びエッチング工程によって、所望の領域に開口を有するSiO2膜を形成する。
さらに、露出したn型コンタクト層上等に、Al合金/Rh/Pt/Auからなる膜を形成し、リフトオフ法によりn電極及びnパッド電極を形成する。
保護膜、n電極及びp側の金属層の上に、レジストにより所定のパターンを有するマスクを形成し、その上にpパッド電極材料を積層し、リフトオフ法により、pパッド電極を形成する。
得られたウェハを所定の箇所で分割することにより、発光素子を得る。
この実施の形態の発光素子を図3に示す。
この実施形態では、第2電極25が多層膜からなり、膜厚100nmのAg膜25aと、Ni膜(膜厚100nm)/Ti膜(膜厚100nm)/Pt膜(膜厚100nm)25cとがこの順に積層されて構成されていること、Ag膜25aの露出端面は、硫化銀領域25bが配置していること以外は、実施の形態1の発光素子と同様の構成である。
硫化銀領域25bの幅は、数nm程度である。
n型GaN層と発光層とp型GaN層がこの順に積層された半導体積層体を有するウェハを準備した。一部の領域の発光層とp型GaN層とを除去してn型GaN層を露出させた。p型GaN層の上にのみ銀層を形成した。銀層の外表面を上記と同様の方法で硫化した。
このウェハを、金属層及び保護膜を形成しない状態で、つまり外表面を硫化させた銀層を露出させた状態で、室温の大気中で4日間保管した。
その後、光学顕微鏡によってマイグレーションの有無を確認した。
一般に、大気中に放置すると、大気中の水分の影響等でプラスイオン化したAgはn型GaN層へ移動する物性を有する。このため、n型GaN層にAgが存在するか否かを確認することでマイグレーションの発生の有無が判断できる。
顕微鏡観察の結果、4日間保管後のウェハのn型GaN層にAgは確認されなかった。つまり、マイグレーションの発生は認められなかった。
一方、銀層を硫化させない以外は上記と同様に構成したウェハでは、1時間も経過しないうちにn型GaN層表面にAgが確認された。
銀層の外表面に硫化銀領域を設けることで、マイグレーションの発生を抑制できることが確認された。
4 n電極
5 nパッド電極
7 n型半導体層
8 発光層
9 p型半導体層
10 発光素子
15、25 第2電極
15a、25a Ag層
15b、25b 硫化銀領域
25c Ni膜/Ti膜/Pt膜
16 金属層
17 保護膜
Claims (6)
- 第1導電型半導体層、発光層及び前記第2導電型半導体層を有する半導体積層体と、
前記第1導電型半導体層上に形成された第1電極と、前記第2導電型半導体層上に形成された第2電極とを備え、
前記第1電極及び第2電極は、前記半導体積層体の一方の主面上に配置され、
前記第2電極は、銀含有層を有し、該銀含有層の少なくとも前記第1電極側の側面に硫化銀領域を有する窒化物半導体発光素子。 - 前記第2導電型半導体層がp型である請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記硫化銀領域が、前記第1電極側の側面と前記銀含有層の上面とに配置されている請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第2電極が、銀含有層を最下層に含む積層構造であり、
前記硫化銀領域が、第2電極の側面下方に局在している請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記硫化銀領域は、前記銀含有層の全周囲を取り囲むように配置されている請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第2電極は、その上面及び側面が、銀以外の金属からなる金属層で被覆され、該金属層の一部は前記第2導電型半導体層上に配置されている請求項1〜5のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
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