窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその電極形成方法
【目的】 最上層であるｐ層に形成する電極を透光性にして、発光素子の外部量子効率を向上させると共に、窒化ガリウム系化合物半導体層側を発光観測面として、上から電極を取り出すことにより、発光素子の生産性を向上させる。
【構成】 ｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体表面に、オーミック接触用の電極として、金属よりなる透光性電極が形成されている。
【構成】 ｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体表面に、オーミック接触用の電極として、金属よりなる透光性電極が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X＜１、０≦Y＜１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体を具備する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と、その発光素子の電極形成方法に係り、特にｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体表面の電極と、その電極形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子が注目されている。その窒化ガリウム系化合物半導体は一般にサファイア基板の上に成長される。サファイアのような絶縁性基板を用いた発光素子は、他のＧａＡｓ、ＧａＡｌＰ等の半導体基板を用いた発光素子と異なり、基板側から電極を取り出すことが不可能であるため、半導体層に設けられる正、負、一対の電極は同一面側に形成される。特に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の場合、サファイアが透光性であるため、電極面を下にして、サファイア基板側を発光観測面とすることが多い。
【０００３】窒化ガリウム系化合物半導体を発光チップとする従来の一発光素子の構造を図１に示す。サファイア基板１の上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２（以下、ｎ型層２という。）とｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体層３（以下、ｐ型層３という。）とが順に積層され、さらにｐ型層３の一部をエッチングして、ｎ型層２を露出させ、ｎ型層２に負電極としてｎ型電極４、ｐ型層に正電極としてｐ型電極５を形成した後、電極面を下にしてリードフレーム７にそれぞれの電極がまたがるようにして載置している。なお電極４、５とリードフレーム７とは半田、銀ペースト等の導電性材料６で電気的に接続されている。この図に示すように従来の発光素子は、ｐ型電極４をｐ型層表面のほぼ全面に形成することにより電流を均一に広げることができ、均一な発光が得られる反面、発光がｐ型電極５で遮られ、外部量子効率が悪くなるため、発光をできるだけ有効に外部に取り出す目的で透光性基板であるサファイア１を発光観測面としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような構造の発光素子は、両リードフレーム７間の間隔を狭くすることが困難であるため、チップサイズが約１ｍｍ以上と大きくなるため、一枚あたりのウエハーからとれるチップ数が少なくなるという欠点がある。また、リードフレーム間の非常に細かい位置設定、窒化ガリウム系化合物半導体の精巧なエッチング技術等を必要とするため、歩留が上がらず量産性に乏しいという欠点もある。窒化ガリウム系化合物半導体以外の半導体材料を用いた発光素子のように、基板側を下にしてｎ型電極、ｐ型電極の両電極を上から取り出すことができれば、チップサイズを小さくできると共に、発光素子の生産性、信頼性を格段に向上させることができる。そのためには、ｐ層３に形成する電極を透光性にして、窒化ガリウム系化合物半導体層内部の発光を遮らないようにする必要がある。
【０００５】従って本発明はこのような事情を鑑みなされたもので、その目的とすることは最上層であるｐ層に形成する電極を透光性にして、発光素子の外部量子効率を向上させると共に、窒化ガリウム系化合物半導体層側を発光観測面として、上から電極を取り出すことにより、発光素子の生産性を向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｐ層表面にオーミック接触用の電極として、金属よりなる透光性電極が形成されていることを特徴とする。またその発光素子の電極の形成方法は、ｐ層表面に金属を蒸着した後、５００℃以上でアニーリングすることにより、前記金属を透光性にすると共に、前記窒化ガリウム系化合物半導体と前記金属とをオーミック接触させることを特徴とする。
【０００７】本発明の方法において、ｐ層に蒸着する金属には、例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｔｉの電極材料を使用することができ、特に好ましいオーミック接触が得られる材料としてＣｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔの内の少なくとも２種類を含む合金を使用することが好ましい。また、金属を蒸着するにあたり、蒸着膜厚は特に問うものではないが、蒸着後５００℃以上のアニーリングを行った後、その金属電極の膜厚が０．００１μｍ〜１μｍの範囲になるように蒸着することが好ましい。前記アニーリングにより、蒸着された金属はｐ層内部に拡散すると共に、一部外部に飛散して膜厚が薄くなる。アニーリング後に最終的な電極膜厚を０．００１μｍ〜１μｍの範囲に調整することにより、電極を好ましく透光性とすることができる。１μｍ以上で形成しても特に支障はないが、電極が次第に金属色を帯びてくる傾向にあり透光性が悪くなる。電極膜厚は前記範囲内で薄いほど好ましいが、あまり薄くし過ぎると接触抵抗が大きくなる傾向にあるため、０．０１μｍ〜０．２μｍの範囲がさらに好ましい膜厚である。
【０００８】アニーリングは５００℃以上で行う必要がある。なぜなら、この温度以下であると、金属電極とｐ層とのオーミック接触が得られにくく、金属電極も透光性になりにくいからである。温度の上限は特に限定しないが、窒化ガリウム系化合物半導体が分解する温度以下（１１００℃前後）で行うことは当然である。
【０００９】
【作用】本発明の一実施例により形成された透光性電極を具備する発光素子の構造を図２に示す。ｐ層３の上に透光性電極５’が形成されているため、従来のようにサファイア基板１を発光観測面とせずに、窒化ガリウム系化合物半導体層側を発光観測面とすることができる。さらに、窒化ガリウム系化合物半導体以外の発光素子の集光手段として一般に用いられているカップ形状のリードフレームが使用でき、集光性能が格段に向上する。さらに、一つのリードフレーム上に１チップが載置できるため、チップサイズをリードフレームの大きさに合わせて小さくできるという利点を有する。さらにまた、この図に示すように透光性電極５’の上にワイヤーボンディング用の電極を設けることによって、上（発光観測面）側から電極を取り出すことができるため生産性も格段に向上する。
【００１０】
【実施例】
［実施例１］サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層と、ｎ型ＧａＮ層と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層とを順に積層したウエハーを用意する。次に前記ｐ型ＧａＮ層の上に所定の形状のマスクを形成した後、ｐ型ＧａＮ層をエッチングしてｎ型ＧａＮ層を露出させる。
【００１１】次にｐ型ＧａＮ層の上に電極形成用のマスクを形成し、蒸着装置にてｐ型ＧａＮ層の上にＮｉを０．０３μｍと、Ｎｉの上にＡｕを０．０７μｍの厚さで蒸着する。なお露出したｎ型ＧａＮ層の上にもＡｌを蒸着する。
【００１２】蒸着後、アニーリング装置で、ウエハーを５００℃で１０分間アニーリングすることによりＮｉとＡｕとを合金化すると共に、透光性にする。アニーリング後ウエハーを取り出すと、ｐ型ＧａＮ層の電極膜厚は０．０７μｍであり、透光性となっていた。以上のようにして得られたウエハーを３５０μｍ角のチップに切断し、図２に示すようなカップ形状のリードフレーム上に載置し、発光ダイオードとしたところ、発光出力は２０ｍＡにおいて８０μＷ、順方向電圧は４Ｖであった。しかも２インチφのウエハーからおよそ１６０００個のチップが得られ、得られたチップを具備する発光ダイオードから接触不良によるものを取り除いたところ、歩留９５％以上であった。
【００１３】［実施例２］アニーリング温度を６００℃とする他は実施例１と同様にして電極を形成したところ、電極膜厚はほぼ同一で同じく透光性となっていた。後は実施例１と同様にして発光ダイオードとしたところ、発光出力、順方向電圧、歩留ともほぼ同一であった。
【００１４】［実施例３］ｐ型ＧａＮ層の上に蒸着する金属をＣｒ０．５μｍ、Ｎｉ０．５μｍとする他は実施例１と同様にして電極を形成したところ、電極膜厚は０．７μｍで同じく透光性となっていた。後は実施例１と同様にして発光ダイオードとしたところ、発光出力、順方向電圧、歩留ともほぼ同一であった。
【００１５】［実施例４］ｐ型ＧａＮ層の上に蒸着する金属をＰｔ０．０１μｍ、Ｔｉ０．１μｍとする他は実施例１と同様にして電極を形成したところ、電極膜厚は０．０７μｍで同じく透光性となっていた。後は実施例１と同様にして発光ダイオードとしたところ、発光出力、順方向電圧、歩留ともほぼ同一であった。
【００１６】［比較例］実施例１のウエハーのサファイア基板側を上にして、図１に示すような形状のリードフレーム上に載置しようとしたところ、チップサイズは最小でも１ｍｍ角にしか切断できなかった。次にその１ｍｍ角のチップを２つのリードフレームにまたがるように載置し、電極を接続して発光ダイオードとしたところ、２０ｍＡにおける発光出力は４０μＷと、横方向の発光が十分取り出されておらず、また同じく２インチφのウエハーからチップが２０００個しか得られず、得られたチップを具備する発光ダイオードから接触不良によるものを取り除くと、歩留は６０％でしかなかった。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｐ層にオーミック接触が得られる金属よりなる透光性の電極を形成しているため、窒化ガリウム系化合物半導体層側を発光観測面とすることができる。このことにより、発光素子の外部量子効率を低下させることなく、発光を取り出すことができる。しかも前記したように１チップサイズを小さくできるため、生産性が格段に向上し、さらにまたカップ形状のリードフレームを使用することも可能となるため、生産コストを下げ、歩留も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一構造を示す模式断面図。
【図２】 本発明の一実施例による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・・基板
２・・・・ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層
３・・・・ｐ型ドーパントドープ窒化ガリウム系化合物半導体層
４・・・・ｎ型電極
５’・・・透光性電極
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X＜１、０≦Y＜１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体を具備する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と、その発光素子の電極形成方法に係り、特にｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体表面の電極と、その電極形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子が注目されている。その窒化ガリウム系化合物半導体は一般にサファイア基板の上に成長される。サファイアのような絶縁性基板を用いた発光素子は、他のＧａＡｓ、ＧａＡｌＰ等の半導体基板を用いた発光素子と異なり、基板側から電極を取り出すことが不可能であるため、半導体層に設けられる正、負、一対の電極は同一面側に形成される。特に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の場合、サファイアが透光性であるため、電極面を下にして、サファイア基板側を発光観測面とすることが多い。
【０００３】窒化ガリウム系化合物半導体を発光チップとする従来の一発光素子の構造を図１に示す。サファイア基板１の上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２（以下、ｎ型層２という。）とｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体層３（以下、ｐ型層３という。）とが順に積層され、さらにｐ型層３の一部をエッチングして、ｎ型層２を露出させ、ｎ型層２に負電極としてｎ型電極４、ｐ型層に正電極としてｐ型電極５を形成した後、電極面を下にしてリードフレーム７にそれぞれの電極がまたがるようにして載置している。なお電極４、５とリードフレーム７とは半田、銀ペースト等の導電性材料６で電気的に接続されている。この図に示すように従来の発光素子は、ｐ型電極４をｐ型層表面のほぼ全面に形成することにより電流を均一に広げることができ、均一な発光が得られる反面、発光がｐ型電極５で遮られ、外部量子効率が悪くなるため、発光をできるだけ有効に外部に取り出す目的で透光性基板であるサファイア１を発光観測面としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような構造の発光素子は、両リードフレーム７間の間隔を狭くすることが困難であるため、チップサイズが約１ｍｍ以上と大きくなるため、一枚あたりのウエハーからとれるチップ数が少なくなるという欠点がある。また、リードフレーム間の非常に細かい位置設定、窒化ガリウム系化合物半導体の精巧なエッチング技術等を必要とするため、歩留が上がらず量産性に乏しいという欠点もある。窒化ガリウム系化合物半導体以外の半導体材料を用いた発光素子のように、基板側を下にしてｎ型電極、ｐ型電極の両電極を上から取り出すことができれば、チップサイズを小さくできると共に、発光素子の生産性、信頼性を格段に向上させることができる。そのためには、ｐ層３に形成する電極を透光性にして、窒化ガリウム系化合物半導体層内部の発光を遮らないようにする必要がある。
【０００５】従って本発明はこのような事情を鑑みなされたもので、その目的とすることは最上層であるｐ層に形成する電極を透光性にして、発光素子の外部量子効率を向上させると共に、窒化ガリウム系化合物半導体層側を発光観測面として、上から電極を取り出すことにより、発光素子の生産性を向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｐ層表面にオーミック接触用の電極として、金属よりなる透光性電極が形成されていることを特徴とする。またその発光素子の電極の形成方法は、ｐ層表面に金属を蒸着した後、５００℃以上でアニーリングすることにより、前記金属を透光性にすると共に、前記窒化ガリウム系化合物半導体と前記金属とをオーミック接触させることを特徴とする。
【０００７】本発明の方法において、ｐ層に蒸着する金属には、例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｔｉの電極材料を使用することができ、特に好ましいオーミック接触が得られる材料としてＣｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔの内の少なくとも２種類を含む合金を使用することが好ましい。また、金属を蒸着するにあたり、蒸着膜厚は特に問うものではないが、蒸着後５００℃以上のアニーリングを行った後、その金属電極の膜厚が０．００１μｍ〜１μｍの範囲になるように蒸着することが好ましい。前記アニーリングにより、蒸着された金属はｐ層内部に拡散すると共に、一部外部に飛散して膜厚が薄くなる。アニーリング後に最終的な電極膜厚を０．００１μｍ〜１μｍの範囲に調整することにより、電極を好ましく透光性とすることができる。１μｍ以上で形成しても特に支障はないが、電極が次第に金属色を帯びてくる傾向にあり透光性が悪くなる。電極膜厚は前記範囲内で薄いほど好ましいが、あまり薄くし過ぎると接触抵抗が大きくなる傾向にあるため、０．０１μｍ〜０．２μｍの範囲がさらに好ましい膜厚である。
【０００８】アニーリングは５００℃以上で行う必要がある。なぜなら、この温度以下であると、金属電極とｐ層とのオーミック接触が得られにくく、金属電極も透光性になりにくいからである。温度の上限は特に限定しないが、窒化ガリウム系化合物半導体が分解する温度以下（１１００℃前後）で行うことは当然である。
【０００９】
【作用】本発明の一実施例により形成された透光性電極を具備する発光素子の構造を図２に示す。ｐ層３の上に透光性電極５’が形成されているため、従来のようにサファイア基板１を発光観測面とせずに、窒化ガリウム系化合物半導体層側を発光観測面とすることができる。さらに、窒化ガリウム系化合物半導体以外の発光素子の集光手段として一般に用いられているカップ形状のリードフレームが使用でき、集光性能が格段に向上する。さらに、一つのリードフレーム上に１チップが載置できるため、チップサイズをリードフレームの大きさに合わせて小さくできるという利点を有する。さらにまた、この図に示すように透光性電極５’の上にワイヤーボンディング用の電極を設けることによって、上（発光観測面）側から電極を取り出すことができるため生産性も格段に向上する。
【００１０】
【実施例】
［実施例１］サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層と、ｎ型ＧａＮ層と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層とを順に積層したウエハーを用意する。次に前記ｐ型ＧａＮ層の上に所定の形状のマスクを形成した後、ｐ型ＧａＮ層をエッチングしてｎ型ＧａＮ層を露出させる。
【００１１】次にｐ型ＧａＮ層の上に電極形成用のマスクを形成し、蒸着装置にてｐ型ＧａＮ層の上にＮｉを０．０３μｍと、Ｎｉの上にＡｕを０．０７μｍの厚さで蒸着する。なお露出したｎ型ＧａＮ層の上にもＡｌを蒸着する。
【００１２】蒸着後、アニーリング装置で、ウエハーを５００℃で１０分間アニーリングすることによりＮｉとＡｕとを合金化すると共に、透光性にする。アニーリング後ウエハーを取り出すと、ｐ型ＧａＮ層の電極膜厚は０．０７μｍであり、透光性となっていた。以上のようにして得られたウエハーを３５０μｍ角のチップに切断し、図２に示すようなカップ形状のリードフレーム上に載置し、発光ダイオードとしたところ、発光出力は２０ｍＡにおいて８０μＷ、順方向電圧は４Ｖであった。しかも２インチφのウエハーからおよそ１６０００個のチップが得られ、得られたチップを具備する発光ダイオードから接触不良によるものを取り除いたところ、歩留９５％以上であった。
【００１３】［実施例２］アニーリング温度を６００℃とする他は実施例１と同様にして電極を形成したところ、電極膜厚はほぼ同一で同じく透光性となっていた。後は実施例１と同様にして発光ダイオードとしたところ、発光出力、順方向電圧、歩留ともほぼ同一であった。
【００１４】［実施例３］ｐ型ＧａＮ層の上に蒸着する金属をＣｒ０．５μｍ、Ｎｉ０．５μｍとする他は実施例１と同様にして電極を形成したところ、電極膜厚は０．７μｍで同じく透光性となっていた。後は実施例１と同様にして発光ダイオードとしたところ、発光出力、順方向電圧、歩留ともほぼ同一であった。
【００１５】［実施例４］ｐ型ＧａＮ層の上に蒸着する金属をＰｔ０．０１μｍ、Ｔｉ０．１μｍとする他は実施例１と同様にして電極を形成したところ、電極膜厚は０．０７μｍで同じく透光性となっていた。後は実施例１と同様にして発光ダイオードとしたところ、発光出力、順方向電圧、歩留ともほぼ同一であった。
【００１６】［比較例］実施例１のウエハーのサファイア基板側を上にして、図１に示すような形状のリードフレーム上に載置しようとしたところ、チップサイズは最小でも１ｍｍ角にしか切断できなかった。次にその１ｍｍ角のチップを２つのリードフレームにまたがるように載置し、電極を接続して発光ダイオードとしたところ、２０ｍＡにおける発光出力は４０μＷと、横方向の発光が十分取り出されておらず、また同じく２インチφのウエハーからチップが２０００個しか得られず、得られたチップを具備する発光ダイオードから接触不良によるものを取り除くと、歩留は６０％でしかなかった。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｐ層にオーミック接触が得られる金属よりなる透光性の電極を形成しているため、窒化ガリウム系化合物半導体層側を発光観測面とすることができる。このことにより、発光素子の外部量子効率を低下させることなく、発光を取り出すことができる。しかも前記したように１チップサイズを小さくできるため、生産性が格段に向上し、さらにまたカップ形状のリードフレームを使用することも可能となるため、生産コストを下げ、歩留も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一構造を示す模式断面図。
【図２】 本発明の一実施例による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・・基板
２・・・・ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層
３・・・・ｐ型ドーパントドープ窒化ガリウム系化合物半導体層
４・・・・ｎ型電極
５’・・・透光性電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体表面に、オーミック接触用の電極として、金属よりなる透光性電極が形成されてい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２】 前記透光性電極の膜厚は０．００１μｍ〜１μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項３】 前記金属はＡｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｔｉより選択された少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項４】 ｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体に金属を蒸着した後、５００℃以上でアニーリングすることにより、前記金属を透光性にすると共に、前記窒化ガリウム系化合物半導体と前記金属とをオーミック接触させ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の電極形成方法。
【請求項１】 ｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体表面に、オーミック接触用の電極として、金属よりなる透光性電極が形成されてい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２】 前記透光性電極の膜厚は０．００１μｍ〜１μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項３】 前記金属はＡｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｔｉより選択された少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項４】 ｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体に金属を蒸着した後、５００℃以上でアニーリングすることにより、前記金属を透光性にすると共に、前記窒化ガリウム系化合物半導体と前記金属とをオーミック接触させ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の電極形成方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開平６−３１４８２２
【公開日】平成６年（１９９４）１１月８日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−１２４８９０
【出願日】平成５年（１９９３）４月２８日
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【公開日】平成６年（１９９４）１１月８日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）４月２８日
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
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