正極構造及び窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
【課題】 酸素雰囲気下での熱処理や合金化熱処理等を必要とせず、かつ良好な透光性と低接触抵抗を有する電流拡散性に優れた正極構造を提供し、さらにその正極を使用した発光効率の高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 この正極構造は、化合物半導体発光素子の透明正極であって、白金族から選ばれた少なくとも１種類の金属の薄膜からなるコンタクトメタル層と、金、銀または銅からなる群から選ばれた少なくとも一種の金属もしくはそれらのうち少なくとも１種を含む合金からなる電流拡散層、及びボンデイングパッドからなる。
【解決手段】 この正極構造は、化合物半導体発光素子の透明正極であって、白金族から選ばれた少なくとも１種類の金属の薄膜からなるコンタクトメタル層と、金、銀または銅からなる群から選ばれた少なくとも一種の金属もしくはそれらのうち少なくとも１種を含む合金からなる電流拡散層、及びボンデイングパッドからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透光性正極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に発光層にＩｎを含む素子構造を有する場合に、出力低下の少ない正極構造と発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長光発光素子用の半導体材料としてＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして種々の酸化物基板やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板として、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。
【０００３】
ＧａＮ系化合物半導体材料の特性として、横方向への電流拡散が小さいことがある。原因は、エピタキシャル結晶中に多く存在する基板から表面へ貫通する転位の存在であることが考えられるが、詳しいことは判っていない。さらに、ｐ型のＧａＮ系化合物半導体においてはｎ型のＧａＮ系化合物半導体の抵抗率に比べて抵抗率が高く、その表面に金属を積層しただけではｐ層内の横の電流の広がりはほとんど無く、ｐｎ接合を持ったＬＥＤ構造とした場合正極の直下しか発光しない。
【０００４】
そこで、正極として透光性を有する電極を形成し、電極を通して発光を外部に取り出す構造が採用されてきた。この構造の場合、電極が電流を拡散させる機能を備えている。例えば、ｐ層上にＮｉとＡｕを各々数１０ｎｍ程度積層させて酸素雰囲気下で合金化処理を行い、ｐ層の低抵抗化の促進および透光性とオーミック性を有した正極の形成を行なうことが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、正極としてｐ層上にＰｔ層を形成し酸素を含む雰囲気中で熱処理し、ｐ層の低抵抗化と合金化処理を同時に行なうことが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
しかし、この方法も酸素雰囲気下で熱処理するため、上述と同じ問題を有する。さらに、Ｐｔ単体で良好な透明電極とするためには相当薄く（例えば、５ｎｍ以下）しなければならないが、結果としてＰｔ層の電気抵抗が高くなり、熱処理によりＰｔ層の低抵抗化が成されたとしても電流の広がりが悪く、不均一な発光となり順方向電圧（ＶＦ）の上昇および発光強度の低下を招く。
【０００６】
しかも熱処理によって半導体積層構造に影響があることが判ってきた。特に発光層にＩｎを含む構造とした場合、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体結晶は熱により劣化するので、発光出力の低下、逆方向電圧の低下などの弊害を招く。また、初期特性が良い場合でも熱履歴を経た材料ではエージングによる劣化を招きやすい。このため、Ｉｎを含む発光層を有する素子の場合、製造の過程においてできるだけ熱処理を経ないことが望まれる。
【特許文献１】特許第２８０３７４２号公報
【特許文献２】特開平１１−１８６６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上述の問題点を解決する為に、Ｉｎを含む発光層を有する素子構造において、酸素雰囲気下での熱処理や合金化熱処理等を必要とせず、かつ良好な透光性と低接触抵抗を有する電流拡散性に優れた、正極構造を提供し、さらにその正極を使用した発光効率の高い半導体発光素子を提供することである。
本発明において透光性とは、３００〜６００ｎｍの波長領域における光に対して透光性であることを意味し、無色透明を意味するものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下の発明を提供する。
（１） Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の透明正極であって、白金族から選ばれた少なくとも１種類の金属の薄膜からなるコンタクトメタル層と、コンタクトメタル層を構成する金属以外の金属もしくは合金の薄膜からなる電流拡散層の２種類の層、及びボンデイングパッドからなることを特徴とする正極構造。
【０００９】
（２） 前記コンタクトメタル層の厚さが０．１〜７．５ｎｍであることを特徴とする（１）に記載の正極構造。
（３） 前記コンタクトメタル層の厚さが０．１〜５ｎｍであることを特徴とする（１）に記載の正極構造。
（４） 前記コンタクトメタル層の厚さが０．５〜２．５ｎｍであることを特徴とする（１）に記載の正極構造。
（５） 前記コンタクトメタル層を構成する白金族金属が白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウムからなる金属のうち、少なくとも１種類の金属を含むことを特徴とする（１）から（４）のいずれか一つに記載の正極構造。
（６） 前記コンタクトメタル層が白金を含むことを特徴とする（１）から（５）のいずれか一つに記載の正極構造。
【００１０】
（７） 前記電流拡散層が金、銀および銅から選ばれた少なくとも１種の金属の薄膜、または少なくとも１種の金属を含む合金の薄膜であることを特徴とする（１）から（６）のいずれか一つに記載の正極構造。
（８） 前記電流拡散層が金であることを特徴とする（１）から（７）のいずれか一つに記載の正極構造。
（９） 前記電流拡散層の厚さが１〜２０ｎｍであることを特徴とする（１）から（８）のいずれか一つに記載の正極構造。
（１０） 前記電流拡散層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする（１）から（８）のいずれか一つに記載の正極構造。
（１１） 前記電流拡散層の厚さが３〜６ｎｍであることを特徴とする（１）から（８）のいずれか一つに記載の正極構造。
【００１１】
（１２） Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる量子井戸構造の発光層を有し、（１）から（１１）のいずれか一つに記載の正極構造を具備してなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
（１３） 前記発光層が、複数の井戸層と複数の障壁層からなる多重量子井戸構造であることを特徴とする（１２）に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、Ｉｎを含む発光層を有する発光素子用の電極として、金属のみからなる透光性の電極とし、作製の過程で熱処理を実施しないことにより、発光強度の低下や逆耐圧の悪化を招くことなく、エージング劣化の少ない発光素子を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下の各実施形態に限定されるものではなく、例えばこれら実施実施形態の構成要素同士を適宜組み合わせてもよい。
図１は、本発明の透光性の正極を有する発光素子の断面を示した模式図である。本発明の化合物半導体発光素子１００は、基板１上にバッファ層６を介してＧａＮ系化合物半導体層２が形成されており、その上に本発明の透光性の正極１０が形成されている。
ＧａＮ系化合物半導体層２は、例えばｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５からなるヘテロ接合構造で構成される。発光層４はＩｎを含んでいる。また、発光層４はＩｎを含む井戸層とＩｎを含まない障壁層からなる多重量子井戸構造としてもよい。
ｎ型半導体層３の一部には負極２０が形成され、ｐ型半導体層５の一部には透光性の正極１０が形成される。
また、透光性の正極１０は、コンタクトメタル層１１、電流拡散層１２およびボンディングパッド層１３の３層で構成されている。
【００１４】
コンタクトメタル層１１に要求される性能としては、ｐ層との接触抵抗が小さいことが必須である。さらに、発光層からの光を電極面側より取り出すフェイスアップマウント型の発光素子にあっては優れた光透過性が要求される。
【００１５】
コンタクトメタル層１１の材料は、熱処理を実施しなくとも良好な接触抵抗を得ることができるとの観点から、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族金属が好ましい。これらの中でもＰｔは、仕事関数が高く、高温熱処理を施していない比較的高抵抗なｐ型ＧａＮ系化合物半導体層に対してでも良好なオーミック接触を得ることが可能なので、特に好ましい。
【００１６】
コンタクトメタル層１１を白金族金属で構成した場合、光透過性の観点からその厚さを非常に薄くすることが必要である。コンタクトメタル層１１の厚さは、０．１〜７．５ｎｍの範囲が好ましい。０．１ｎｍ未満では安定した薄層が得られ難い。７．５ｎｍを超えると透光性が低下してくるので、５ｎｍ以下がさらに好ましい。また、その後の電流拡散層１２の積層による透光性の低下と成膜の安定性を考慮すると、０．５〜２．５ｎｍの範囲が特に好ましい。
【００１７】
しかし、コンタクトメタル層１１の厚さを薄くすることでコンタクトメタル層１１の面方向の電気抵抗が高くなり、かつ比較的高抵抗なｐ層とあいまって電流注入部であるパッド層の周辺部しか電流が拡がらず、結果として不均一な発光パターンとなり発光出力が低下する。
【００１８】
そこで、コンタクトメタル層１１の電流拡散性を補う手段として高光透過率で高導電性の金属薄膜からなる電流拡散層１２をコンタクトメタル層１１上に配置することにより、白金族金属の低接触抵抗性や光透過率を大きく損なうことなく電流を均一に広げることが可能となり、結果として発光出力の高い発光素子を得ることが出来る。
【００１９】
電流拡散層１２は、コンタクトメタル層１１を構成する金属以外の金属もしくは合金の薄膜で構成する。
電流拡散層１２の材料は、導電率の高い金属、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）からなる群から選ばれた金属または少なくともそれらの一種を含む合金が好ましい。中でも金は、薄膜とした時の光透過率が高いことから最も好ましい。
【００２０】
電流拡散層１２の厚さは、１〜２０ｎｍが好ましい。１ｎｍ未満では電流拡散効果が十分発揮されない。２０ｎｍを超えると電流拡散層１２の光透過性の低下が著しく発光出力の低下が危惧される。１０ｎｍ以下がさらに好ましい。さらに厚さを３〜６ｎｍの範囲とすることで電流拡散層１２の光透過性と電流拡散の効果のバランスが最も良くなり、上記のコンタクトメタル層１１と合わせることで正極上の全面で均一に発光し、かつ高出力な発光が得られる。
【００２１】
コンタクトメタル層１１および電流拡散層１２の成膜方法については、特に制限されることはなく公知の真空蒸着法やスパッタ法を用いることができる。中でも、熱ダメージの少ない蒸着法は、Ｉｎを含む発光層４を有する素子に電極を形成する方法としては好適である。
【００２２】
ボンディングパッド部を構成するボンディングパッド層１３については、各種の材料を用いた各種の構造のものが知られており、これら公知のものを特に制限されることなく用いることが出来る。但し、電流拡散層１２との密着性の良い材料を用いることが望ましく、厚さはボンディング時の応力に対してコンタクトメタル層１１あるいは電流拡散層１２へダメージを与えないよう十分厚くする必要がある。また最表層はボンディングボールとの密着性の良い材料とすることが望ましい。
【００２３】
本発明に提案されたような、金属のみからなる透光性電極は、作製する工程に熱処理を含まずに作製することが可能なのが最大の利点である。作製工程に熱処理を含まないことは、発光層４にＩｎを含む従来公知の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に対し、発光層４への熱ダメージの蓄積を抑える上で非常に有利である。従来の熱処理工程を経ないと形成できない酸化物層を含む構造の透光性電極や、金属製の透光性電極でもオーミック接触を取るための熱処理を施した電極では、ＩｎＧａＮ等で構成されたＩｎを含む発光層４に結晶が熱分解して金属化した部分が見られた。また、そのような明確な破壊の痕が見られない場合でも、エージングによって破壊が顕在化することがあったが、熱処理工程を経ない電極を用いた場合、このような不都合が解消される。
このことは、Ｉｎを含む発光層４を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であれば一般的に見られる有利点である。また、ＩｎＧａＮ層を薄膜化させ、格子歪のかかる構成とした量子井戸構造においては、特に効果が著しい。中でも、多重量子井戸構造を用いた場合に、更に発光層４の破壊の抑制の効果が顕著である。
【００２４】
基板１には、サファイア単結晶（Ａｌ２Ｏ３；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの公知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
【００２５】
ｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５は各種構造のものが周知であり、これら周知のものを何ら制限なく用いることができる。特にｐ型半導体層５のキャリア濃度は一般的な濃度のものを用いるが、比較的キャリア濃度の低い、例えば１×１０１７ｃｍ−３程度のｐ型半導体層にも本発明の透光性正極は適用できる。
【００２６】
それらを構成する窒化ガリウム系化合物半導体として、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体が周知であり、本発明におけるｎ型半導体層３およびｐ型半導体層５を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。発光層４を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としては、Ｉｎを含む一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）で表わされる半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００２７】
これらの窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、などＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。
ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ２）または窒素（Ｎ２）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を、Ｇｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ４）を用い、ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）２ Ｍｇ）を用いる。
【００２８】
基板１上にｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体のｎ型半導体層３に接して負極２０を形成するために、発光層４およびｐ型半導体層５の一部を除去して、ｎ型半導体層３を露出させる。その後残したｐ型半導体層５上に本発明の透光性正極を形成し、露出させたｎ型半導体層３上に負極２０を形成する。負極２０としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができる。
【００２９】
本発明では発光層（活性層）４中にはインジウム（Ｉｎ）が含まれていることが前提となる。発光層４は、ＩｎＧａＮなどの単層で構成しても構わないし、量子井戸構造としても構わないが、特に、量子井戸構造を採用した場合に、本発明の効果が顕著に現れる。
量子井戸構造としては、単一の層からなる単一量子井戸構造でもよいが、活性層である井戸層と障壁層とを交互に複数層積層させた多重量子井戸構造が、発光出力が向上するので好ましい。積層の回数は３回から１０回程度が好ましく、３回から６回程度がさらに好ましい。多重量子井戸構造の場合、全ての井戸層（活性層）が厚膜部と薄膜部を備えている必要はなく、また、厚膜部および薄膜部それぞれの寸法や面積比などを各層によって変化させても良い。なお、多重量子井戸構造の場合、井戸層（活性層）と障壁層を併わせた全体を本明細では発光層と呼ぶ。
【００３０】
障壁層の膜厚は、７０Å以上であることが好ましく、さらに好ましくは１４０Å以上である。障壁層の膜厚が薄いと、障壁層上面の平坦化を阻害し、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、膜厚が厚すぎることは、駆動電圧の上昇や発光の低下を引き起こす。このため、障壁層の膜厚は５００Å以下であることが好ましい。
【００３１】
多重量子構造の場合、障壁層は、ＧａＮやＡｌＧａＮのほか、井戸層（活性層）を構成するＩｎＧａＮよりもＩｎ比率の小さいＩｎＧａＮで形成することができる。中でも、ＧａＮが好適である。
【００３２】
活性層を、多重量子井戸構造で構成し、アンドープとする場合、井戸層には膜厚の厚い領域と薄い領域を含む構造とすることができる。井戸層をこの構造とすることで、駆動電圧の低減を実現することができる。
このような構造は、６００度から９００度などの比較的低い温度で井戸層を成長させておき、その後成長を停止した状態で昇温する工程を入れることで形成することが可能である。
【００３３】
活性層にＳｉをドープする場合、ドーパント源としては一般に良く知られたシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）のほか、有機珪素原料を用いることができる。シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）は１００％のガスとして供給しても良いが、安全性の観点からは希釈したガスをボンベから供給することが望ましい。
【００３４】
同様に、活性層にＧｅをドープする場合、ドーパント源としては一般に良く知られたゲルマン（ＧｅＨ４）のほか、有機ゲルマニウム原料を用いることができる。ゲルマン（ＧｅＨ４）は、１００％のガスとして供給しても良いが、安全性の観点からは希釈したガスをボンベから供給することが望ましい。
【００３５】
活性層にｎドーパントをドープする場合、全領域にドープしても良いし、一部の領域のみにドープしても良い。特に、量子井戸構造を採用している構造において障壁層にｎドーパントをドープすると、素子の駆動電圧が低下する効果があるので、障壁層にｎドーパントをドープすることは望ましい。この場合、障壁層全体にドープするだけでなく、一部の領域にドープしても良い。特に、井戸層の直下にあたる領域に選択的にドープすることで高い出力と低い駆動電圧を両立することができる。
ｎドーパントをドープする濃度としては、５×１０１６ｃｍ−３以上で１×１０１９ｃｍ−３以下とすることが良い。濃度がこれ以上低くては駆動電圧の低減が実現できないし、これ以上高いと結晶性や平坦性が低下する。更に望ましくは１×１０１７ｃｍ−３以上で５×１０１８ｃｍ−３以下であり、１×１０１７ｃｍ−３以上で１×１０１８ｃｍ−３以下が最も好適である。
【００３６】
コンタクト層と発光層との間に、ｎクラッド層を設けることが好ましい。ｎコンタクト層の最表面に生じた平坦性の悪化を埋めることができるからである。ｎクラッド層は、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどで形成することが可能であるが、ＩｎＧａＮとする場合には活性層のＩｎＧａＮのバンドギャップよりも大きい組成とすることが望ましいことは言うまでもない。ｎクラッド層のキャリア濃度は、ｎコンタクト層と同じでも良いし、大きくても小さくても良い。その上に形成される活性層の結晶性をよくするために、成長速度、成長温度、成長圧力、ドープ量などの成長条件を適宜調節して、平坦性の高い表面とすることが好ましい。
【００３７】
またｎクラッド層は、組成や格子定数の異なる層を、交互に複数回積層して形成しても良い。その際、積層する層によって組成のほか、ドーパントの量や膜厚などを変化させても良い。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
（実施例）
図２は本実施例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子２００の断面を示した模式図であり、図３はその平面を示した模式図である。サファイアからなる基板１上に、ＡｌＮからなるバッファ層６を介して、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層３ａ、厚さ２μｍのＧｅドープｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂ、厚さ０．０３μｍのｎ型Ｉｎ０．１ Ｇａ０．９ Ｎクラッド層３ｃ、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層および厚さ３ｎｍのＩｎ０．２ Ｇａ０．８ Ｎ井戸層を５回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層４、厚さ０．０１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層５ａ、厚さ０．１５μｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂを順に積層し、窒化ガリウム系化合物半導体を形成した。ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂ上に、厚さ１．５ｎｍのＰｔコンタクトメタル層１１、厚さ５ｎｍのＡｕ電流拡散層１２およびＡｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ５層構造（厚さはそれぞれ５０／２０／１０／１００／２００ｎｍ）のボンディングパッド層１３よりなる正極１０を形成した。多重量子井戸構造をなす発光層４の断面構造を図４に示す。図において４１−１〜４１−６は障壁層であり、４２−１〜４２−５は井戸層である。
【００３９】
次にｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂ上にＴｉ／Ａｕの二層構造の負極２０を形成し、光取り出し面を半導体側とした発光素子である。正極１０および負極２０の平面形状は図３に示したとおりである。
【００４０】
この発光素子構造において、ｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂのキャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３であり、ＧａＮ障壁層のＳｉドープ量は１×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂのキャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５ａのＭｇドープ量は５×１０１９ｃｍ−３であった。
【００４１】
窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。また、正極１０および負極２０は次の手順で形成した。
【００４２】
初めに反応性イオンエッチング法によって負極２０を形成する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂを下記手順により露出させた。
【００４３】
まず、エッチングマスクをｐ型半導体層５ｂ上に形成した。形成手順は以下の通りである。レジストを全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、正極領域より一回り大きい領域からレジストを除去した。真空蒸着装置内にセットして、圧力４×１０−４Ｐａ以下でＮｉおよびＴｉをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約５０ｎｍおよび３００ｎｍとなるように積層した。その後リフトオフ技術により、正極領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。
【００４４】
次いで、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基板を載置し、エッチング室を１０−４Ｐａに減圧した後、エッチングガスとしてＣｌ２を供給してｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂが露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。
【００４５】
次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂ上の正極を形成する領域にのみ、Ｐｔからなるコンタクトメタル層１１、Ａｕからなる電流拡散層１２を形成した。コンタクトメタル層１１、電流拡散層１２の形成では、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板１を真空蒸着装置内に入れ、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂ上に初めにＰｔを１．５ｎｍ、次にＡｕを５ｎｍ積層した。引き続き真空室から取り出した後、通常リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに同様な手法で電流拡散層１２上の一部にＡｕからなる第１の層、Ｔｉからなる第２の層、Ａｌからなる第３の層、Ｔｉからなる第４の層、Ａｕからなる第５の層を順に積層し、ボンディングパッド層１３を形成した。このようにしてｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂ上に正極１０を形成した。
【００４６】
この方法で形成した正極１０は透光性を示し、４７０ｎｍの波長領域で６０％の光透過率を有していた。なお、光透過率は、上記と同じコンタクトメタル層および電流拡散層を光透過率測定用の大きさに形成したもので測定した。
【００４７】
次に、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂ上に負極２０を以下の手順により形成した。レジストを全面に一様に塗布した後、公知リソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂ上の負極形成部分からレジストを除去して、通常用いられる真空蒸着法で半導体側から順にＴｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍよりなる負極２０を形成した。その後レジストを公知の方法で除去した。
【００４８】
このようにして正極１０および負極２０を形成したウエーハを、基板裏面を研削・研磨することにより８０μｍまで基板１の板厚を薄くして、レーザスクライバを用いて半導体積層側から罫書き線を入れたあと、押し割って、３５０μｍ角のチップに切断した。続いてこれらのチップをプローブ針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧の測定をしたところ２．９Ｖであった。
【００４９】
その後、ＴＯ−１８缶パッケージに実装してテスターによって発光出力を計測したところ印加電流２０ｍＡにおける発光出力は６ｍＷを示した。また、この試料をＴＯ−１８缶パッケージに実装したまま３０ｍＡの電流を１００ｈｒの間、通電し続けて、テスターによって発光特性および電気特性を計測した。すると、発光出力や逆方向電圧に変化は見られなかった。
【００５０】
（比較例１）
電極を、従来のＡｕ／ＮｉＯの構造とした以外は、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。Ａｕ／ＮｉＯ透光性電極の作製に際しては、酸素雰囲気で４５０℃の温度で熱処理を行った。この発光素子の順方向電圧及び発光出力はそれぞれ２．９Ｖ及び３．７ｍＷであった。発光の様子を顕微鏡で確認すると、ところどころに暗いスポットが見られることが判った。これは、透光性電極作成時の熱処理により発光層の劣化が発生したことを示しているものと思われる。
【００５１】
（比較例２）
電極を、Ｐｔのみからなるの構造とし、熱処理を施した以外は、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。この発光素子の順方向電圧及び発光出力はそれぞれ２．９Ｖ及び４．５ｍＷであった。この試料を３０ｍＡの電流を１００ｈｒ通電し続けてエージング試験をしたところ、１０μＡの逆方向電流における逆方向電圧は、試験前には２０Ｖ以上あったが、試験後に５Ｖに低下していた。これは、透光性電極作成時の熱処理で蓄積された発光層へのダメージによるものと思われる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によって提供される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用電極は、透光型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の正極として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の化合物半導体発光素子の断面構造を示した模式図である。
【図２】実施例の化合物半導体発光素子の断面構造を示した模式図である。
【図３】実施例の化合物半導体発光素子の平面を示した模式図である。
【図４】実施例の発光層の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・基板、２・・・ＧａＮ系化合物半導体層、３・・・ｎ型半導体層、３ａ・・・下地層、３ｃ・・・クラッド層、４・・・発光層、５・・・ｐ型半導体層、５ａ・・・クラッド層、５ｂ・・・コンタクト層、６・・・バッファ層、１０・・・正極、１１・・・コンタクトメタル層、１２・・・電流拡散層、１３・・・ボンディングパッド層、２０・・・負極、４１−１〜４１−６・・・障壁層、４２−１〜４１−５・・・井戸層、１００，２００・・・窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透光性正極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に発光層にＩｎを含む素子構造を有する場合に、出力低下の少ない正極構造と発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長光発光素子用の半導体材料としてＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして種々の酸化物基板やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板として、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。
【０００３】
ＧａＮ系化合物半導体材料の特性として、横方向への電流拡散が小さいことがある。原因は、エピタキシャル結晶中に多く存在する基板から表面へ貫通する転位の存在であることが考えられるが、詳しいことは判っていない。さらに、ｐ型のＧａＮ系化合物半導体においてはｎ型のＧａＮ系化合物半導体の抵抗率に比べて抵抗率が高く、その表面に金属を積層しただけではｐ層内の横の電流の広がりはほとんど無く、ｐｎ接合を持ったＬＥＤ構造とした場合正極の直下しか発光しない。
【０００４】
そこで、正極として透光性を有する電極を形成し、電極を通して発光を外部に取り出す構造が採用されてきた。この構造の場合、電極が電流を拡散させる機能を備えている。例えば、ｐ層上にＮｉとＡｕを各々数１０ｎｍ程度積層させて酸素雰囲気下で合金化処理を行い、ｐ層の低抵抗化の促進および透光性とオーミック性を有した正極の形成を行なうことが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、正極としてｐ層上にＰｔ層を形成し酸素を含む雰囲気中で熱処理し、ｐ層の低抵抗化と合金化処理を同時に行なうことが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
しかし、この方法も酸素雰囲気下で熱処理するため、上述と同じ問題を有する。さらに、Ｐｔ単体で良好な透明電極とするためには相当薄く（例えば、５ｎｍ以下）しなければならないが、結果としてＰｔ層の電気抵抗が高くなり、熱処理によりＰｔ層の低抵抗化が成されたとしても電流の広がりが悪く、不均一な発光となり順方向電圧（ＶＦ）の上昇および発光強度の低下を招く。
【０００６】
しかも熱処理によって半導体積層構造に影響があることが判ってきた。特に発光層にＩｎを含む構造とした場合、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体結晶は熱により劣化するので、発光出力の低下、逆方向電圧の低下などの弊害を招く。また、初期特性が良い場合でも熱履歴を経た材料ではエージングによる劣化を招きやすい。このため、Ｉｎを含む発光層を有する素子の場合、製造の過程においてできるだけ熱処理を経ないことが望まれる。
【特許文献１】特許第２８０３７４２号公報
【特許文献２】特開平１１−１８６６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上述の問題点を解決する為に、Ｉｎを含む発光層を有する素子構造において、酸素雰囲気下での熱処理や合金化熱処理等を必要とせず、かつ良好な透光性と低接触抵抗を有する電流拡散性に優れた、正極構造を提供し、さらにその正極を使用した発光効率の高い半導体発光素子を提供することである。
本発明において透光性とは、３００〜６００ｎｍの波長領域における光に対して透光性であることを意味し、無色透明を意味するものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下の発明を提供する。
（１） Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の透明正極であって、白金族から選ばれた少なくとも１種類の金属の薄膜からなるコンタクトメタル層と、コンタクトメタル層を構成する金属以外の金属もしくは合金の薄膜からなる電流拡散層の２種類の層、及びボンデイングパッドからなることを特徴とする正極構造。
【０００９】
（２） 前記コンタクトメタル層の厚さが０．１〜７．５ｎｍであることを特徴とする（１）に記載の正極構造。
（３） 前記コンタクトメタル層の厚さが０．１〜５ｎｍであることを特徴とする（１）に記載の正極構造。
（４） 前記コンタクトメタル層の厚さが０．５〜２．５ｎｍであることを特徴とする（１）に記載の正極構造。
（５） 前記コンタクトメタル層を構成する白金族金属が白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウムからなる金属のうち、少なくとも１種類の金属を含むことを特徴とする（１）から（４）のいずれか一つに記載の正極構造。
（６） 前記コンタクトメタル層が白金を含むことを特徴とする（１）から（５）のいずれか一つに記載の正極構造。
【００１０】
（７） 前記電流拡散層が金、銀および銅から選ばれた少なくとも１種の金属の薄膜、または少なくとも１種の金属を含む合金の薄膜であることを特徴とする（１）から（６）のいずれか一つに記載の正極構造。
（８） 前記電流拡散層が金であることを特徴とする（１）から（７）のいずれか一つに記載の正極構造。
（９） 前記電流拡散層の厚さが１〜２０ｎｍであることを特徴とする（１）から（８）のいずれか一つに記載の正極構造。
（１０） 前記電流拡散層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする（１）から（８）のいずれか一つに記載の正極構造。
（１１） 前記電流拡散層の厚さが３〜６ｎｍであることを特徴とする（１）から（８）のいずれか一つに記載の正極構造。
【００１１】
（１２） Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる量子井戸構造の発光層を有し、（１）から（１１）のいずれか一つに記載の正極構造を具備してなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
（１３） 前記発光層が、複数の井戸層と複数の障壁層からなる多重量子井戸構造であることを特徴とする（１２）に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、Ｉｎを含む発光層を有する発光素子用の電極として、金属のみからなる透光性の電極とし、作製の過程で熱処理を実施しないことにより、発光強度の低下や逆耐圧の悪化を招くことなく、エージング劣化の少ない発光素子を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下の各実施形態に限定されるものではなく、例えばこれら実施実施形態の構成要素同士を適宜組み合わせてもよい。
図１は、本発明の透光性の正極を有する発光素子の断面を示した模式図である。本発明の化合物半導体発光素子１００は、基板１上にバッファ層６を介してＧａＮ系化合物半導体層２が形成されており、その上に本発明の透光性の正極１０が形成されている。
ＧａＮ系化合物半導体層２は、例えばｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５からなるヘテロ接合構造で構成される。発光層４はＩｎを含んでいる。また、発光層４はＩｎを含む井戸層とＩｎを含まない障壁層からなる多重量子井戸構造としてもよい。
ｎ型半導体層３の一部には負極２０が形成され、ｐ型半導体層５の一部には透光性の正極１０が形成される。
また、透光性の正極１０は、コンタクトメタル層１１、電流拡散層１２およびボンディングパッド層１３の３層で構成されている。
【００１４】
コンタクトメタル層１１に要求される性能としては、ｐ層との接触抵抗が小さいことが必須である。さらに、発光層からの光を電極面側より取り出すフェイスアップマウント型の発光素子にあっては優れた光透過性が要求される。
【００１５】
コンタクトメタル層１１の材料は、熱処理を実施しなくとも良好な接触抵抗を得ることができるとの観点から、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族金属が好ましい。これらの中でもＰｔは、仕事関数が高く、高温熱処理を施していない比較的高抵抗なｐ型ＧａＮ系化合物半導体層に対してでも良好なオーミック接触を得ることが可能なので、特に好ましい。
【００１６】
コンタクトメタル層１１を白金族金属で構成した場合、光透過性の観点からその厚さを非常に薄くすることが必要である。コンタクトメタル層１１の厚さは、０．１〜７．５ｎｍの範囲が好ましい。０．１ｎｍ未満では安定した薄層が得られ難い。７．５ｎｍを超えると透光性が低下してくるので、５ｎｍ以下がさらに好ましい。また、その後の電流拡散層１２の積層による透光性の低下と成膜の安定性を考慮すると、０．５〜２．５ｎｍの範囲が特に好ましい。
【００１７】
しかし、コンタクトメタル層１１の厚さを薄くすることでコンタクトメタル層１１の面方向の電気抵抗が高くなり、かつ比較的高抵抗なｐ層とあいまって電流注入部であるパッド層の周辺部しか電流が拡がらず、結果として不均一な発光パターンとなり発光出力が低下する。
【００１８】
そこで、コンタクトメタル層１１の電流拡散性を補う手段として高光透過率で高導電性の金属薄膜からなる電流拡散層１２をコンタクトメタル層１１上に配置することにより、白金族金属の低接触抵抗性や光透過率を大きく損なうことなく電流を均一に広げることが可能となり、結果として発光出力の高い発光素子を得ることが出来る。
【００１９】
電流拡散層１２は、コンタクトメタル層１１を構成する金属以外の金属もしくは合金の薄膜で構成する。
電流拡散層１２の材料は、導電率の高い金属、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）からなる群から選ばれた金属または少なくともそれらの一種を含む合金が好ましい。中でも金は、薄膜とした時の光透過率が高いことから最も好ましい。
【００２０】
電流拡散層１２の厚さは、１〜２０ｎｍが好ましい。１ｎｍ未満では電流拡散効果が十分発揮されない。２０ｎｍを超えると電流拡散層１２の光透過性の低下が著しく発光出力の低下が危惧される。１０ｎｍ以下がさらに好ましい。さらに厚さを３〜６ｎｍの範囲とすることで電流拡散層１２の光透過性と電流拡散の効果のバランスが最も良くなり、上記のコンタクトメタル層１１と合わせることで正極上の全面で均一に発光し、かつ高出力な発光が得られる。
【００２１】
コンタクトメタル層１１および電流拡散層１２の成膜方法については、特に制限されることはなく公知の真空蒸着法やスパッタ法を用いることができる。中でも、熱ダメージの少ない蒸着法は、Ｉｎを含む発光層４を有する素子に電極を形成する方法としては好適である。
【００２２】
ボンディングパッド部を構成するボンディングパッド層１３については、各種の材料を用いた各種の構造のものが知られており、これら公知のものを特に制限されることなく用いることが出来る。但し、電流拡散層１２との密着性の良い材料を用いることが望ましく、厚さはボンディング時の応力に対してコンタクトメタル層１１あるいは電流拡散層１２へダメージを与えないよう十分厚くする必要がある。また最表層はボンディングボールとの密着性の良い材料とすることが望ましい。
【００２３】
本発明に提案されたような、金属のみからなる透光性電極は、作製する工程に熱処理を含まずに作製することが可能なのが最大の利点である。作製工程に熱処理を含まないことは、発光層４にＩｎを含む従来公知の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に対し、発光層４への熱ダメージの蓄積を抑える上で非常に有利である。従来の熱処理工程を経ないと形成できない酸化物層を含む構造の透光性電極や、金属製の透光性電極でもオーミック接触を取るための熱処理を施した電極では、ＩｎＧａＮ等で構成されたＩｎを含む発光層４に結晶が熱分解して金属化した部分が見られた。また、そのような明確な破壊の痕が見られない場合でも、エージングによって破壊が顕在化することがあったが、熱処理工程を経ない電極を用いた場合、このような不都合が解消される。
このことは、Ｉｎを含む発光層４を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であれば一般的に見られる有利点である。また、ＩｎＧａＮ層を薄膜化させ、格子歪のかかる構成とした量子井戸構造においては、特に効果が著しい。中でも、多重量子井戸構造を用いた場合に、更に発光層４の破壊の抑制の効果が顕著である。
【００２４】
基板１には、サファイア単結晶（Ａｌ２Ｏ３；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの公知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
【００２５】
ｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５は各種構造のものが周知であり、これら周知のものを何ら制限なく用いることができる。特にｐ型半導体層５のキャリア濃度は一般的な濃度のものを用いるが、比較的キャリア濃度の低い、例えば１×１０１７ｃｍ−３程度のｐ型半導体層にも本発明の透光性正極は適用できる。
【００２６】
それらを構成する窒化ガリウム系化合物半導体として、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体が周知であり、本発明におけるｎ型半導体層３およびｐ型半導体層５を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。発光層４を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としては、Ｉｎを含む一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）で表わされる半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００２７】
これらの窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、などＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。
ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ２）または窒素（Ｎ２）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を、Ｇｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ４）を用い、ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）２ Ｍｇ）を用いる。
【００２８】
基板１上にｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体のｎ型半導体層３に接して負極２０を形成するために、発光層４およびｐ型半導体層５の一部を除去して、ｎ型半導体層３を露出させる。その後残したｐ型半導体層５上に本発明の透光性正極を形成し、露出させたｎ型半導体層３上に負極２０を形成する。負極２０としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができる。
【００２９】
本発明では発光層（活性層）４中にはインジウム（Ｉｎ）が含まれていることが前提となる。発光層４は、ＩｎＧａＮなどの単層で構成しても構わないし、量子井戸構造としても構わないが、特に、量子井戸構造を採用した場合に、本発明の効果が顕著に現れる。
量子井戸構造としては、単一の層からなる単一量子井戸構造でもよいが、活性層である井戸層と障壁層とを交互に複数層積層させた多重量子井戸構造が、発光出力が向上するので好ましい。積層の回数は３回から１０回程度が好ましく、３回から６回程度がさらに好ましい。多重量子井戸構造の場合、全ての井戸層（活性層）が厚膜部と薄膜部を備えている必要はなく、また、厚膜部および薄膜部それぞれの寸法や面積比などを各層によって変化させても良い。なお、多重量子井戸構造の場合、井戸層（活性層）と障壁層を併わせた全体を本明細では発光層と呼ぶ。
【００３０】
障壁層の膜厚は、７０Å以上であることが好ましく、さらに好ましくは１４０Å以上である。障壁層の膜厚が薄いと、障壁層上面の平坦化を阻害し、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、膜厚が厚すぎることは、駆動電圧の上昇や発光の低下を引き起こす。このため、障壁層の膜厚は５００Å以下であることが好ましい。
【００３１】
多重量子構造の場合、障壁層は、ＧａＮやＡｌＧａＮのほか、井戸層（活性層）を構成するＩｎＧａＮよりもＩｎ比率の小さいＩｎＧａＮで形成することができる。中でも、ＧａＮが好適である。
【００３２】
活性層を、多重量子井戸構造で構成し、アンドープとする場合、井戸層には膜厚の厚い領域と薄い領域を含む構造とすることができる。井戸層をこの構造とすることで、駆動電圧の低減を実現することができる。
このような構造は、６００度から９００度などの比較的低い温度で井戸層を成長させておき、その後成長を停止した状態で昇温する工程を入れることで形成することが可能である。
【００３３】
活性層にＳｉをドープする場合、ドーパント源としては一般に良く知られたシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）のほか、有機珪素原料を用いることができる。シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）は１００％のガスとして供給しても良いが、安全性の観点からは希釈したガスをボンベから供給することが望ましい。
【００３４】
同様に、活性層にＧｅをドープする場合、ドーパント源としては一般に良く知られたゲルマン（ＧｅＨ４）のほか、有機ゲルマニウム原料を用いることができる。ゲルマン（ＧｅＨ４）は、１００％のガスとして供給しても良いが、安全性の観点からは希釈したガスをボンベから供給することが望ましい。
【００３５】
活性層にｎドーパントをドープする場合、全領域にドープしても良いし、一部の領域のみにドープしても良い。特に、量子井戸構造を採用している構造において障壁層にｎドーパントをドープすると、素子の駆動電圧が低下する効果があるので、障壁層にｎドーパントをドープすることは望ましい。この場合、障壁層全体にドープするだけでなく、一部の領域にドープしても良い。特に、井戸層の直下にあたる領域に選択的にドープすることで高い出力と低い駆動電圧を両立することができる。
ｎドーパントをドープする濃度としては、５×１０１６ｃｍ−３以上で１×１０１９ｃｍ−３以下とすることが良い。濃度がこれ以上低くては駆動電圧の低減が実現できないし、これ以上高いと結晶性や平坦性が低下する。更に望ましくは１×１０１７ｃｍ−３以上で５×１０１８ｃｍ−３以下であり、１×１０１７ｃｍ−３以上で１×１０１８ｃｍ−３以下が最も好適である。
【００３６】
コンタクト層と発光層との間に、ｎクラッド層を設けることが好ましい。ｎコンタクト層の最表面に生じた平坦性の悪化を埋めることができるからである。ｎクラッド層は、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどで形成することが可能であるが、ＩｎＧａＮとする場合には活性層のＩｎＧａＮのバンドギャップよりも大きい組成とすることが望ましいことは言うまでもない。ｎクラッド層のキャリア濃度は、ｎコンタクト層と同じでも良いし、大きくても小さくても良い。その上に形成される活性層の結晶性をよくするために、成長速度、成長温度、成長圧力、ドープ量などの成長条件を適宜調節して、平坦性の高い表面とすることが好ましい。
【００３７】
またｎクラッド層は、組成や格子定数の異なる層を、交互に複数回積層して形成しても良い。その際、積層する層によって組成のほか、ドーパントの量や膜厚などを変化させても良い。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
（実施例）
図２は本実施例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子２００の断面を示した模式図であり、図３はその平面を示した模式図である。サファイアからなる基板１上に、ＡｌＮからなるバッファ層６を介して、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層３ａ、厚さ２μｍのＧｅドープｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂ、厚さ０．０３μｍのｎ型Ｉｎ０．１ Ｇａ０．９ Ｎクラッド層３ｃ、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層および厚さ３ｎｍのＩｎ０．２ Ｇａ０．８ Ｎ井戸層を５回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層４、厚さ０．０１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層５ａ、厚さ０．１５μｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂを順に積層し、窒化ガリウム系化合物半導体を形成した。ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂ上に、厚さ１．５ｎｍのＰｔコンタクトメタル層１１、厚さ５ｎｍのＡｕ電流拡散層１２およびＡｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ５層構造（厚さはそれぞれ５０／２０／１０／１００／２００ｎｍ）のボンディングパッド層１３よりなる正極１０を形成した。多重量子井戸構造をなす発光層４の断面構造を図４に示す。図において４１−１〜４１−６は障壁層であり、４２−１〜４２−５は井戸層である。
【００３９】
次にｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂ上にＴｉ／Ａｕの二層構造の負極２０を形成し、光取り出し面を半導体側とした発光素子である。正極１０および負極２０の平面形状は図３に示したとおりである。
【００４０】
この発光素子構造において、ｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂのキャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３であり、ＧａＮ障壁層のＳｉドープ量は１×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂのキャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５ａのＭｇドープ量は５×１０１９ｃｍ−３であった。
【００４１】
窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。また、正極１０および負極２０は次の手順で形成した。
【００４２】
初めに反応性イオンエッチング法によって負極２０を形成する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂを下記手順により露出させた。
【００４３】
まず、エッチングマスクをｐ型半導体層５ｂ上に形成した。形成手順は以下の通りである。レジストを全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、正極領域より一回り大きい領域からレジストを除去した。真空蒸着装置内にセットして、圧力４×１０−４Ｐａ以下でＮｉおよびＴｉをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約５０ｎｍおよび３００ｎｍとなるように積層した。その後リフトオフ技術により、正極領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。
【００４４】
次いで、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基板を載置し、エッチング室を１０−４Ｐａに減圧した後、エッチングガスとしてＣｌ２を供給してｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂが露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。
【００４５】
次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂ上の正極を形成する領域にのみ、Ｐｔからなるコンタクトメタル層１１、Ａｕからなる電流拡散層１２を形成した。コンタクトメタル層１１、電流拡散層１２の形成では、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板１を真空蒸着装置内に入れ、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂ上に初めにＰｔを１．５ｎｍ、次にＡｕを５ｎｍ積層した。引き続き真空室から取り出した後、通常リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに同様な手法で電流拡散層１２上の一部にＡｕからなる第１の層、Ｔｉからなる第２の層、Ａｌからなる第３の層、Ｔｉからなる第４の層、Ａｕからなる第５の層を順に積層し、ボンディングパッド層１３を形成した。このようにしてｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層５ｂ上に正極１０を形成した。
【００４６】
この方法で形成した正極１０は透光性を示し、４７０ｎｍの波長領域で６０％の光透過率を有していた。なお、光透過率は、上記と同じコンタクトメタル層および電流拡散層を光透過率測定用の大きさに形成したもので測定した。
【００４７】
次に、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂ上に負極２０を以下の手順により形成した。レジストを全面に一様に塗布した後、公知リソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層３ｂ上の負極形成部分からレジストを除去して、通常用いられる真空蒸着法で半導体側から順にＴｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍよりなる負極２０を形成した。その後レジストを公知の方法で除去した。
【００４８】
このようにして正極１０および負極２０を形成したウエーハを、基板裏面を研削・研磨することにより８０μｍまで基板１の板厚を薄くして、レーザスクライバを用いて半導体積層側から罫書き線を入れたあと、押し割って、３５０μｍ角のチップに切断した。続いてこれらのチップをプローブ針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧の測定をしたところ２．９Ｖであった。
【００４９】
その後、ＴＯ−１８缶パッケージに実装してテスターによって発光出力を計測したところ印加電流２０ｍＡにおける発光出力は６ｍＷを示した。また、この試料をＴＯ−１８缶パッケージに実装したまま３０ｍＡの電流を１００ｈｒの間、通電し続けて、テスターによって発光特性および電気特性を計測した。すると、発光出力や逆方向電圧に変化は見られなかった。
【００５０】
（比較例１）
電極を、従来のＡｕ／ＮｉＯの構造とした以外は、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。Ａｕ／ＮｉＯ透光性電極の作製に際しては、酸素雰囲気で４５０℃の温度で熱処理を行った。この発光素子の順方向電圧及び発光出力はそれぞれ２．９Ｖ及び３．７ｍＷであった。発光の様子を顕微鏡で確認すると、ところどころに暗いスポットが見られることが判った。これは、透光性電極作成時の熱処理により発光層の劣化が発生したことを示しているものと思われる。
【００５１】
（比較例２）
電極を、Ｐｔのみからなるの構造とし、熱処理を施した以外は、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。この発光素子の順方向電圧及び発光出力はそれぞれ２．９Ｖ及び４．５ｍＷであった。この試料を３０ｍＡの電流を１００ｈｒ通電し続けてエージング試験をしたところ、１０μＡの逆方向電流における逆方向電圧は、試験前には２０Ｖ以上あったが、試験後に５Ｖに低下していた。これは、透光性電極作成時の熱処理で蓄積された発光層へのダメージによるものと思われる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によって提供される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用電極は、透光型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の正極として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の化合物半導体発光素子の断面構造を示した模式図である。
【図２】実施例の化合物半導体発光素子の断面構造を示した模式図である。
【図３】実施例の化合物半導体発光素子の平面を示した模式図である。
【図４】実施例の発光層の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・基板、２・・・ＧａＮ系化合物半導体層、３・・・ｎ型半導体層、３ａ・・・下地層、３ｃ・・・クラッド層、４・・・発光層、５・・・ｐ型半導体層、５ａ・・・クラッド層、５ｂ・・・コンタクト層、６・・・バッファ層、１０・・・正極、１１・・・コンタクトメタル層、１２・・・電流拡散層、１３・・・ボンディングパッド層、２０・・・負極、４１−１〜４１−６・・・障壁層、４２−１〜４１−５・・・井戸層、１００，２００・・・窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の透明正極であって、白金族から選ばれた少なくとも１種類の金属の薄膜からなるコンタクトメタル層と、コンタクトメタル層を構成する金属以外の金属もしくは合金の薄膜からなる電流拡散層の２種類の層、及びボンデイングパッドからなることを特徴とする正極構造。
【請求項２】
前記コンタクトメタル層の厚さが０．１〜７．５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の正極構造。
【請求項３】
前記コンタクトメタル層の厚さが０．１〜５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の正極構造。
【請求項４】
前記コンタクトメタル層の厚さが０．５〜２．５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の正極構造。
【請求項５】
前記コンタクトメタル層を構成する白金族金属が白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウムからなる金属のうち、少なくとも１種類の金属を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項６】
前記コンタクトメタル層が白金を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項７】
前記電流拡散層が金、銀および銅から選ばれた少なくとも１種の金属の薄膜、または少なくとも１種の金属を含む合金の薄膜であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項８】
前記電流拡散層が金であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項９】
前記電流拡散層の厚さが１〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項１０】
前記電流拡散層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項１１】
前記電流拡散層の厚さが３〜６ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項１２】
Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる量子井戸構造の発光層を有し、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の正極構造を具備してなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記発光層が、複数の井戸層と複数の障壁層からなる多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１】
Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の透明正極であって、白金族から選ばれた少なくとも１種類の金属の薄膜からなるコンタクトメタル層と、コンタクトメタル層を構成する金属以外の金属もしくは合金の薄膜からなる電流拡散層の２種類の層、及びボンデイングパッドからなることを特徴とする正極構造。
【請求項２】
前記コンタクトメタル層の厚さが０．１〜７．５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の正極構造。
【請求項３】
前記コンタクトメタル層の厚さが０．１〜５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の正極構造。
【請求項４】
前記コンタクトメタル層の厚さが０．５〜２．５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の正極構造。
【請求項５】
前記コンタクトメタル層を構成する白金族金属が白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウムからなる金属のうち、少なくとも１種類の金属を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項６】
前記コンタクトメタル層が白金を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項７】
前記電流拡散層が金、銀および銅から選ばれた少なくとも１種の金属の薄膜、または少なくとも１種の金属を含む合金の薄膜であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項８】
前記電流拡散層が金であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項９】
前記電流拡散層の厚さが１〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項１０】
前記電流拡散層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項１１】
前記電流拡散層の厚さが３〜６ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の正極構造。
【請求項１２】
Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる量子井戸構造の発光層を有し、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の正極構造を具備してなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記発光層が、複数の井戸層と複数の障壁層からなる多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１３４７５（Ｐ２００６−１３４７５Ａ）
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５１２８８（Ｐ２００５−１５１２８８）
【出願日】平成１７年５月２４日（２００５．５．２４）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月２４日（２００５．５．２４）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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