JP2008041866A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】表面が酸化物である透光性電極を備えており、ｐ電極とｎ電極が共通の材料で構成された窒化物半導体素子を提供すること。
【解決手段】ｎ型窒化物半導体層（２）とｐ型窒化物半導体層（４）とを有し、ｎ型窒化物半導体層（２）にｎ電極（１１）が、ｐ型窒化物半導体層（４）に透光性電極（５）とその上の一部にｐ電極（１０）とが形成された窒化物半導体素子において、ｎ電極（１０）及びｐ電極（１１）は、第１金属層（６）と、第２金属層（７）とを含み、第１金属層（６）は、白金族の金属を含み、離散した島状に形成され、第２金属層（７）は、ｎ型窒化物半導体層（２）とオーミック接触可能な金属から成り、第１金属層（６）の島同士の間から露出したｎ型窒化物半導体層（２）又は透光性電極（５）と接することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体を用いて構成された窒化物半導体素子に関する。

窒化物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子、太陽電池、光センサなどの受光素子、トランジスタ、パワーデバイスなどの電子デバイスに用いられる。特に、窒化物半導体を用いた発光ダイオードは、バックライトなどに用いる各種光源、照明、信号機、大型ディスプレイなどに幅広く利用されている。

窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子は、基本的に、基板上にｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層が積層され、ｎ型及びｐ型の窒化物半導体層のそれぞれと電気的に接続する電極が形成された構造となる。ｐ型窒化物半導体層と電気的に接続する電極として、ｐ型窒化物半導体層のほぼ全面に透光性電極を形成し、その上に金属からなるパッド電極を形成する構造が知られている。この透光性電極は、パッド電極から注入された電流をｐ型窒化物半導体層に広げると共に、窒化物半導体発光素子からの光を透過させて外部に取り出し可能とする。一方、ｎ型窒化物半導体は一般に電気抵抗が低いため、ｎ型窒化物半導体層に直接パッド電極が形成される。（例えば、特許文献１参照）

このようなｐ型半導体層上の透光性電極としては、金／ニッケル酸化物薄膜（特許文献２参照）や、インジウム錫酸化物（以下、「ＩＴＯ」）、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２などの導電性酸化物が用いられる（特許文献２参照）。

特開平１０−１３５５１５号公報 特開２００３−１２４５１８号公報

上記従来の窒化物半導体素子では、ｐ型窒化物半導体層上の透光性電極に形成するパッド電極（以下、「ｐ電極」）と、ｎ型窒化物半導体層上に形成するパッド電極（以下、「ｎ電極」）を異なる金属で構成することが通例であった。

例えば、ｎ電極は、ｎ型窒化物半導体層と良好にオーミック接触するため、Ａｌ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉなどのオーミック接触層と、Ｐｔなどのバリア層と、Ａｕなど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。一方、ｐ電極には、透光性電極と密着性の良い材料を用いる必要がある。透光性電極は金／ニッケル酸化物薄膜やＩＴＯである場合が多く、その表面は酸化物である。そこでｐ電極は、Ｒｈなどの酸化物との密着層が良好な層と、Ａｕなど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。

しかしながら、ｐ電極とｎ電極を共通の材料で構成できれば、製造工程を簡略化し、製造コストを低減できる。そこで本件発明は、表面が酸化物である透光性電極を備えており、ｐ電極とｎ電極が共通の材料で構成された窒化物半導体素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本件発明の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有し、前記ｎ型窒化物半導体層にｎ電極が、前記ｐ型窒化物半導体層に透光性電極とその上の一部にｐ電極とが形成された窒化物半導体素子であって、
前記透光性電極は、少なくとも表面が酸化物から成り、前記ｎ電極及びｐ電極は、前記ｎ型窒化物半導体層又は前記透光性電極に接する側から順に、第１金属層と、第２金属層とを含み、前記第１金属層は、白金族の金属を含み、離散した島状に形成され、前記第２金属層は、前記ｎ型窒化物半導体層とオーミック接触可能な金属から成り、前記第１金属層の島同士の間から露出した前記ｎ型窒化物半導体層又は前記透光性電極と接することを特徴とする。

尚、本件において「透光性」とは、活性層の発光を外部から観測できるように透過可能であることを指し、全ての波長の可視光を透過可能である必要はない。また、本件において「金属層」には、純粋に金属元素だけから成る層だけでなく、シリコンなどの金属元素以外の元素と金属元素との合金であって全体として金属同様の良好な電気伝導性を示すものも含まれる。

本件発明の窒化物半導体素子によれば、ｐ電極及びｎ電極を共通の材料によって構成しながら、透光性電極への密着性とｎ型窒化物半導体層への良好なオーミック接触を両立でき、電気特性と信頼性に優れた窒化物半導体素子を提供できる。したがって、ｐ電極とｎ電極に異なる材料を用いていた従来の窒化物半導体素子に比べて、製造工程が簡略化でき、製造コストも低減できる

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための窒化物半導体素子を例示するものであって、本発明は以下の実施の形態により限定されるものではない。
実施の形態１
図１は、本件発明の実施の形態１に係る窒化物半導体素子２０を示す断面図であり、図２はその平面図である。図１及び図２に示すように、実施の形態１の窒化物半導体発光素子は、基板１上に、任意にバッファ層等の下地層（図示せず）を介して、ｎ型窒化物半導体層２、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４がこの順に積層され、ｎ型窒化物半導体層２及びｐ型窒化物半導体層４にそれぞれ電極が接続されて構成される。

本実施の形態において、ｐ型窒化物半導体層４上に形成される電極は、ＩＴＯなどの導電性酸化物から成る透光性電極５の一部にパッド電極であるｐ電極１０が積層されて構成される。透光性電極５は、抵抗が比較的高いｐ型窒化物半導体層４に電流を広げるため、ｐ型窒化物半導体層４のほぼ全面に形成される。また、ｐ電極１０から線状に延伸された延長部６１が形成され、それによって電流分布が一層改善される。一方、ｎ型窒化物半導体層２には、パッド電極であるｎ電極１１が接続される。図１及び図２に示すように、基板１がサファイアなど絶縁性基板である場合には、半導体層側にｐとｎの両方の電極を形成する。即ち、ｐ型窒化物半導体層４、活性層３及びｎ型窒化物半導体層２の一部を半導体層側から除去してｎ型窒化物半導体層２を露出させ、その露出面にｎ電極１１を形成する。

ｐ電極１０及びｎ電極１１は、外部回路と接続するために形成される電極であり、フェイスアップ実装する場合（半導体層側を主光取り出し面とする場合）は、ｐ電極１０及びｎ電極１１がワイヤボンディング等によって外部回路と接続される。また、フリップチップ実装、すなわち基板側を主光取出し面とする場合は、パッド電極は共晶層（バンプ：Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｚｎ等）等を介して外部回路の電極に接続される。尚、窒化物半導体素子２０の半導体層側はｐ電極１０及びｎ電極１１の一部を除いてＳｉ、Ｔｉ、Ｔａなどの酸化物から成る絶縁性保護膜１２によって覆われている。このためｐ電極１０及びｎ電極１１は、絶縁性保護膜１２に形成された貫通孔１２ａ及び１２ｂを通じて外部と接続される。

本実施の形態におけるｐ電極１０とｎ電極１１（以下、総称して「本件パッド電極」）は同一の構成を有しており、透光性電極５又はｎ型窒化物半導体層２に接する側から順に、第１金属層６、第２金属層７、Ｐｔなどのバリア層８、Ａｕなどのボンディング層９を有する。バリア層８とボンディング層９の組成は、外部接続の方法によって適宜選択でき、省略することも可能である。

図３は、本件パッド電極と下地（透光性電極５又はｎ型窒化物半導体層２）との界面近傍を模式的に示す拡大断面図である。第１金属層６は、白金族（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）を主成分として含み、離散した島状に形成されている。白金族は、金属のみならず、酸化物に対して密着性が高いため、ＩＴＯなどの導電性酸化物から成る透光性電極５に対して強い密着力を持つ。一方、第２金属層７は、ｎ型窒化物半導体層２とオーミック接触可能な材料から成り、第１金属層６を覆って全面に形成されている。これによって、ｐ電極１０及びｎ電極１１を共通の材料によって構成しながら、透光性電極５への密着性とｎ型窒化物半導体層２への良好なオーミック接触を両立でき、電気特性と信頼性に優れた窒化物半導体素子を提供できる。したがって、ｐ電極とｎ電極に異なる材料を用いていた従来の窒化物半導体素子に比べて、製造工程が簡略化でき、製造コストも低減できる

即ち、従来は、導電性酸化物である透光性電極５に対してｐ電極の密着性を確保するために、ｐ電極１０の第１層目に酸化物への密着性の良いＲｈやＰｔなどの白金族を用いていた。ところが、ＲｈやＰｔなどの白金族では、ｎ型窒化物半導体層２に対して良好なオーミック接触が取れないため、ｎ電極１１の第１層目には白金族以外の金属材料を用いる必要があった。したがって、ｐ電極１０とｎ電極１１を同一の材料から構成することが困難であり、このことは工程の増加によるリードタイム増加を招き、製造コストを増大させていた。

これに対して本件パッド電極によれば、ｐ電極１０とｎ電極１１を同一の材料によって構成でき、しかも透光性電極５への密着性とｎ型窒化物半導体層２への良好なオーミック接触を両立できる。まず、透光性電極５への密着性については、第１金属層６が白金族によって構成されていることで良好となる。即ち、白金族から成る第１金属層６は、酸化物である透光性電極５に対する密着性が良好であり、しかも金属である第２金属層７とも良好な密着性を示す。また、島状の第１金属層６は、その周囲が第２金属層７に埋め込まれるため、第２金属層７に対するアンカーとして働く。したがって本件パッド電極は、透光性電極５に対して強固な密着性を示す。

一方、ｎ型窒化物半導体層とのオーミック接触性については、第１金属層６が島状であり、第２金属層７がオーミック接触可能な材料であることによって良好になる。即ち、白金族から成る第１金属層６はｎ型窒化物半導体層２に対して高い接触抵抗を示すが、第１金属層６を島状に形成することによって、第１金属層６の島同士の間から露出したｎ型窒化物半導体層２を次の第２金属層７に接触させることができる。したがって、第２金属層７をｎ型窒化物半導体層２とオーミック接触可能な材料で構成することにより、本件パッド電極とｎ型窒化物半導体層２との良好なオーミック接触も確保できる。

尚、第２金属層７が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗなどの酸化し易い金属である場合、第１金属層６はｎ型窒化物半導体層２との密着性にも寄与する。即ち、第２金属層７の成長時に、第２金属層７の表面の一部が酸化された場合、窒化物半導体と酸化物は密着性が悪いため、第２金属層７とｎ型窒化物半導体層２の間が剥離し易くなる。しかし、第２金属層７とｎ型窒化物半導体層２の間に白金族を含む第１金属層６が形成されていると、白金族は酸化物に対する密着性が高いため、第２金属層７の一部が酸化されていても第１金属層６とは良好な密着性を保つ。したがって第２金属層７が酸化され易い金属である場合、本件パッド電極が第１金属層６を有することによって、ｎ型窒化物半導体層２との密着性も向上する。

第１金属層６は、白金族（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）を主成分として含み、酸化物に対して良好な密着性を示すものであれば特に限定されないが、特にＲｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、又はこれらの合金から選択された１種を主成分として含むことが好ましい。さらに好ましくは、これらの金属又は合金から成る。これらの金属は、白金族の中でも特にＩＴＯなどの酸化物と密着性が高い。

また、第１金属層６は、下地が露出できるような離散した島状であれば、特に形状は限定されない。例えば、個々の島が平面視で円形、矩形、多角形など種々の形状でも良い。また、個々の島の直径は、特に限定されないが、０．５〜３ｎｍであることが好ましい。それによって第２金属層７とｎ型窒化物半導体層２の密着性が良好となり、またオーミック接触も取りやすくなる。第１金属層６の被覆率は、１５〜９０％であることが好ましい。被覆率がこの範囲であれば、密着性とオーミック接触性のバランスが良好となる。尚、第１金属層６の被覆率は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）等で断面を観察し、測定した断面の界面方向の長さをＬ、第１金属層６と下地層が接している領域の長さをｌとすると、ｌ／Ｌとして定義される。

また、第１金属層６の膜厚は、０．１〜４０ｎｍの薄膜であることが好ましく、これによって第２金属層７が下地と良好に接触できる。また、第１金属層６の膜厚を０．１〜３ｎｍとすることにより、後述するスパッタリングによって第１金属層を微細な径の島状に形成することが可能となる。

第１金属層６は、フォトリソグラフィを用いたパターニングによって島状に形成することも可能であるが、スパッタリングを利用して島状に成長することが好ましい。即ち、スパッタリングでは、成長初期に島状の核がクラスタとして生成し、成長を続けると島状のクラスタ同士がつながって均一な膜に成長する。そこで均一な膜に成長する前にスパッタリングを停止することにより、微細な径の島状に離散した形態の第１金属層７を形成することができる。尚、スパッタリング時に基板を冷却すれば、島状のクラスタ同士がつながりにくくなり、島状の第１金属層６の膜厚を一層厚くすることができる。

第２金属層７は、ｎ型窒化物半導体層２とオーミック接触可能な材料であれば特に限定されない。例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅから選択された金属又はこれらから選択された金属を含む合金によって構成できる。中でも、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｖから選択された金属又はこれらから選択された金属を含む合金から選択された１種であることが好ましい。これらの材料はｎ型窒化物半導体層２とのオーミック接触性が特に良好である。また、第２金属層７は、第１金属層６よりも反射率の高い金属から成ることが好ましい。例えば、Ａｌは活性層３の典型的な発光波長（３５０〜８００ｎｍ）に対する反射率が高く、吸収も少ない。このためｐ電極１０及びｎ電極１１の第２金属層７をＡｌにすると、窒化物半導体素子内部における発光の吸収ロスを減らし、窒化物半導体素子２０の発光効率が向上する。

また、第２金属層７の膜厚が薄すぎると、ｎ型窒化物半導体層２との接触抵抗が増加する傾向にある。また、第２金属層７の膜厚が厚すぎると、成膜時間が長くなるため好ましくない。そこで、第２金属層７の膜厚は、５０〜２００ｎｍであることが好ましい。第２金属層７は、真空蒸着やスパッタなどの通常の薄膜成長法によって形成できる。

バリア層８は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ及びＰｄから成る群から選択された金属、又はこれらを含む合金であることが望ましい。特に、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔが望ましい。バリア層の厚さは、薄すぎると均一な単膜にならないので１０ｎｍ以上が望ましく、生産性の観点からは５００ｎｍ以下が望ましい。さらに好ましくは、５０〜３００ｎｍである。

ボンディング層９は、Ａｕ、Ａｌ、ＮｉおよびＣｕから成る群から選択された金属、又はこれらを含む合金であることが、バンプやワイヤとの密着性が良いので好ましい。ボンディング層９の厚さは、１００〜１０００ｎｍが生産性に優れるので好ましい。さらに好ましくは２００〜８００ｎｍであり、特に好ましくは２００〜５００ｎｍである。

また、本件パッド電極は、ボンディング層９が絶縁性保護膜１２と密着性の悪い材料（Ａｕなど）から成る場合、ボンディング層９の上にＮｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｃｏなどから成る環状の密着層を有していても良い。即ち、ボンディング層９がＡｕなどである場合、その上に絶縁性保護膜１２を形成すると、絶縁性保護膜１２の密着性が低いため、貫通孔を開口する際などに絶縁性保護膜１２の剥離が生じる場合がある。そこで図４Ａに示すように、ボンディング層９の上にＮｉなどの密着層１３を形成し、その上から絶縁性保護膜１２を形成する。そして貫通孔１２ａ（又は１２ｂ）を空けた後、図４Ｂに示すように、密着層１３をＡｒスパッタなどでエッチングしてボンディング層９を露出させる。これによって、絶縁性酸化物１２の剥離が抑制できる。こうして形成された電極は、ボンディング層９と絶縁性保護膜１２の間に環状の密着層１３が形成された構造となる。

ｐ電極１０とｎ電極１１は、第１金属層６と第２金属層７が共通の材料で形成されていれば、バリア層８やボンディング層９の種類や有無は異なっていても良い。また、ｐ電極１０とｎ電極１１の膜厚が異なっていても良い。

本件パッド電極の形状は特に限定されるものではなく、例えば、円形、三角形、四角形等の多角形などの種々の形状とすることができる。また、本件パッド電極の大きさは特に限定されるものではないが、透光性電極５やｎ型窒化物半導体層２に効率的に電流を流すことができる程度の大きさとする。

尚、本実施の形態のように、ｐ電極１０とｎ電極１１が同一面側にある構造にすれば、ｐ電極１０及びｎ電極１１が同じ材料であることにより、ｐ電極１０とｎ電極１１を同じ工程で形成することができる。このように同じ製造工程でｐ電極１０とｎ電極１１を形成できると、製造工程が簡略化され、安価で信頼性の高い窒化物半導体発光素子が得られる。ｐ電極１０とｎ電極１１を同じ材料で、同じ工程により形成する方法としては、例えば、透光性電極５及びｎ型窒化物半導体層２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た後、例えば、スパッタ装置によって、第１金属層６、第２金属層７、バリア層８、ボンディング層９を順に積層すればよい。

以下、本実施の形態の窒化物半導体素子２０のその他の構成について詳細に説明する。
（透光性電極５）
本実施の形態の透光性電極５は、導電性酸化物から成る。導電性酸化物は、金属薄膜から成る透光性電極に比べて透光性に優れるため、発光効率の高い発光素子が得られる。導電性酸化物としては、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）及びマグネシウム（Ｍｇ）からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物であることが好ましい。より具体的にはＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＩＴＯが挙げられる。なかでも、ＩＴＯは可視光（可視領域）において高い光透過性を有し、また導電率の高い材料であることから好ましく用いることができる。

導電性酸化物から成る透光性電極５は、ｐ型窒化物半導体層４との界面近傍において、上面側よりも密度が低いことが好ましい。例えば、半導体層との界面近傍においてのみ、多孔質の状態となっていることが好ましい。多孔質の状態とは、例えば、直径２０〜２００ｎｍ程度の複数の孔が均一又は不均一に存在する状態である。一方、導電性酸化物から成る透光性電極５の上面側は、結晶性の良い透明な膜として形成されていることが好ましい。また、透光性電極５の半導体側の密度が低い領域においては、部分的に非晶質（アモルファス）の膜となっていてもよいが、透明な膜又は略透明な膜として形成されていることが好ましい。

この密度が低い領域は、ｐ型窒化物半導体層４との界面から、導電性酸化物膜の全膜厚の１０〜５０％の範囲に抑えられていることが好ましい。このようにｐ型窒化物半導体層４側のみ密度が低いことにより、ｐ型窒化物半導体層４との接触抵抗を低くしながら、透光性を良好にすることができる。また、導電性酸化物から成る透光性電極５の表面側の密度が高いことにより、透光性電極５とｐ電極１０との密着性が一層良好となる。

なお、導電性酸化物から成る透光性電極５の全膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば、１００〜１０００ｎｍ程度に設定することが好ましい。また、密度が低い領域は、１０〜５００ｎｍ程度に設定することが好ましい。また、導電性酸化物から成る透光性電極５は、可視光のみならず、例えば、上述した窒化ガリウム系化合物半導体による活性層から発生する光、つまり波長３６０ｎｍ〜６５０ｎｍ付近、好ましくは３８０ｎｍ〜５６０ｎｍ、より好ましくは４００ｎｍ〜６００ｎｍの波長の光を吸収することなく、効率よく、例えば、透過率が９０％以上、あるいは８５％以上、より好ましくは８０％以上で透過できることが好ましい。これにより、意図する波長の窒化物半導体発光素子の電極として利用することができる。

導電性酸化物から成る透光性電極５は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、スパッタ法、反応性スパッタ法、真空蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法又はこれらの方法と熱処理の組み合わせ等、種々の方法を利用することができる。

具体的には、導電性酸化物、例えば、ＩＴＯを成膜するには、ＩＴＯ成膜用のターゲットを用い、スパッタ装置によって成膜する方法等が挙げられる。また、真空蒸着により室温又は高温で成膜する方法等が挙げられる。加えて、導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を形成した後、熱処理してもよい。熱処理の方法としては、例えばランプアニール処理、加熱炉によるアニール処理などがある。またＩＴＯを成膜後の処理としてはレーザアブレーションを利用してもよい。さらに、これらの方法を任意に組み合わせてもよい。
また、膜厚方向に密度の異なる導電性酸化物膜を形成する方法としては、例えばスパッタ法により導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を成膜する際に、スパッタガスとして酸素分圧の小さい又はゼロのガスから大きいガスに切り替えるか、徐々に酸素分圧を増加させて用いる方法、スパッタ装置の投入電力を徐々に又は急激に増大させて成膜する方法等が挙げられる。また、真空蒸着により導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を成膜する際に、半導体層の温度を急激又は徐々に上昇または低下させる方法、成膜レートを急激に低下させる方法、イオン銃を用いて酸素イオンを成膜途中から照射する方法等が挙げられる。

加えて、導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を形成した後、例えば、還元性ガス（具体的には、一酸化炭素、水素、アルゴン等又はこれら２種以上の混合ガス）雰囲気下、２００〜６５０℃程度の温度で、導電性酸化物膜の膜厚に応じて所定時間アニール処理する方法等が挙げられる。また、導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を途中まで形成した後、熱処理し、引く続き成膜して熱処理するなどの多段階での熱処理を利用してもよい。熱処理の方法としては、例えばランプアニール処理、加熱炉によるアニール処理などがある。またＩＴＯ膜を成膜後の処理としては電子線照射やレーザアブレーションを利用してもよい。さらに、これらの方法を任意に組み合わせてもよい。

(基板１）
窒化物半導体発光素子を形成する基板１としては、例えば、サファイア、スピネル、ＳｉＣ、窒化物半導体（例えば、ＧａＮ等）、ＧａＡｓ等の公知の絶縁性基板又は導電性基板を用いることができる。絶縁性基板は、最終的に取り除いてもよいし、取り除かなくてもよい。絶縁性基板を最終的に取り除かない場合、通常、ｐ電極およびｎ電極はいずれも半導体層上の同一面側に形成されることになる。また、最終的に絶縁性基板を除去する場合又は導電性基板を用いる場合、ｐ電極１０およびｎ電極１１はいずれも窒化物半導体層上の同一面側に形成してもよいし、異なる面にそれぞれ形成してもよい。

（ｎ型窒化物半導体層２、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４）
ｎ型窒化物半導体層２、活性層３、及びｐ型窒化物半導体層４としては、特に限定されるものではないが、例えば、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（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。これらの窒化物半導体層は、それぞれ単層構造でもよいが、組成及び膜厚の異なる層の積層構造、超格子構造等であってもよい。特に、活性層３は、量子効果が生ずる薄膜を積層した単一量子井戸又は多重量子井戸構造であることが好ましい。また、井戸層がＩｎを含む窒化物半導体であることが好ましい。

また、通常、このような窒化物半導体層は、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合又はＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造又はダブルへテロ構造等として構成されてもよい。窒化物半導体層は、例えば、ＭＯＶＰＥ、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）等の公知の技術により形成することができる。また、窒化物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。

なお、窒化物半導体層の積層構造としては、例えば、ＡｌＧａＮよりなるバッファ層、アンドープＧａＮ層、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを交互に積層させた超格子層、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを交互に積層させた多重量子井戸構造の活性層、ＭｇドープＡｌＧａＮ層とＭｇドープＩｎＧａＮ層とを交互に積層させた超格子層、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層、等が挙げられる。

実施の形態２．
本実施の形態では、透光性電極５として、導電性酸化物に代えて、金／ニッケル酸化物を用いる。その他の点は、実施の形態１と同様である。ここで金／ニッケル酸化物から成る透光性電極５とは、図５に示すように、ｐ型窒化物半導体層４に接する側から順に、金層５ａ、ニッケル酸化物層５ｂが順に積層された構造となっているものを指す。

金／ニッケル酸化物は、ＩＴＯなどの導電性酸化物に比べて製造が容易であるため、窒化物半導体素子１の透光性電極５として広く用いられている。即ち、金／ニッケル酸化物電極は、ｐ型窒化物半導体４に接する側からニッケル、金の順に金属薄膜を積層し、空気などの酸化雰囲気中でアニールすることによって得られる。アニールによってニッケル層と金層が上下入れ替わると共に、ニッケル層が酸化して透明な酸化ニッケルとなり、電極全体が透光性になる。こうして得られた金／ニッケル酸化物電極は、ｐ型窒化物半導体層４に接する側から金層５ａ、ニッケル酸化物層５ｂが順に積層された構造となる。

この金／ニッケル酸化物から成る透光性電極５を備えた窒化物半導体素子２０も、本件発明を適用することで、ｐ電極１０とｎ電極１１を同一材料で構成することが可能となり、工程の簡略化や、製造コストの低減を行うことができる。即ち、金／ニッケル酸化物から成る透光性電極５も表面が酸化物であるため、それに密着性の良い金属は白金族などの一部の金属に限られる。ところが、酸化物に密着性の良好な白金族などは、ｎ型窒化物半導体層２と良好なオーミック接触が取れない。このため透光性電極５上に形成するｐ電極１０とｎ型窒化物半導体層２上に形成するｎ電極１１とは、互いに異なる材料で形成することが一般的であった。

これに対し、実施の形態１で説明したように、本件パッド電極であれば、島状の第１金属層６によって酸化物との密着性を確保し、第２金属層７によってｎ型窒化物半導体層２とオーミック接触性を確保するため、ｐ電極１０とｎ電極１１を同一材料で構成しながら、密着性とオーミック接触性を両立して、電気特性と信頼性に優れた窒化物半導体素子を提供できる。これにより、ｐ電極１０とｎ電極１１を異なる材料で形成する場合に比べて、工程を簡略化し、製造コストを低減することができる。

尚、金／ニッケル酸化物から成る透光性電極５についても、アニール前にｐ電極１０を形成すれば、ｐ電極１０とｎ電極１１を同一の材料系で形成することが可能であった。即ち、金／ニッケル酸化物から成る透光性電極５は、アニールしてニッケル層と金層を上下反転させる前には表面が金層であるから、種々の金属が高い密着性を示す。したがって、金／ニッケル酸化物から成る透光性電極５のアニール前にｐ電極１０を形成すれば、ｎ電極１１と同じ材料にすることが可能となる。しかし、この場合はｐ電極１０を形成した部分の透光性電極５にアニール後もニッケル層／金層がそのまま残り、透光性にならない。したがって、ｐ電極１０の部分で発光の吸収ロスが生じていた。これに対し、本件発明を適用した場合には、先に透光性電極５をアニールして全面を金／ニッケル酸化物層に変化させてからｐ電極１０を形成できる。したがって、透光性電極５の全面が透光性になっており、ｐ電極１０の部分で生じていた吸収ロスが改善され、発光効率が向上する。

本実施の形態で用いる金／ニッケル酸化物から成る透光性電極５は、金層５ａの膜厚が６〜３０ｎｍであることが好ましく、これによってシート抵抗と透光性のバランスが良好となる。即ち、金層が厚すぎては透光性が低下し、金層５ａが薄すぎてはシート抵抗が増加する。また、ニッケル酸化物層５ｂの膜厚は、６〜１０ｎｍであることが好ましい。これによって、オーミック接触性が良好となる。尚、ニッケル酸化物中に、一部未酸化のニッケルが残存していても構わない。

実施の形態３．
本実施の形態では、ｐ電極１０及びｎ電極１１を形成する前に酸化物から成る絶縁性保護膜１２を形成する。その他の点は、実施の形態１と同様である。即ち、実施の形態１では、透光性電極５やｎ型窒化物半導体層２の上にｐ電極１０やｎ電極１１を形成した後で酸化物から成る絶縁性保護膜を形成したが、本実施の形態では、ｐ電極やｎ電極を形成する前に絶縁性保護膜１２を形成する。

図６は、本実施の形態に係る窒化物半導体素子２０のｎ電極１１近傍を模式的に示す拡大断面図である。尚、ｐ電極１０近傍の構造も同様である。本実施の形態では、ｎ電極１１とｎ型窒化物半導体層２の間に絶縁性保護膜１２が形成され、絶縁性保護膜１２に形成された貫通孔１２ｂを通じて、ｎ電極１１とｎ型窒化物半導体層２が接している。尚、ｎ電極１１は、ｎ型窒化物半導体層２の露出を避けるために絶縁性保護膜の貫通孔１２ｂよりも若干広い面積に形成される。このため、絶縁性保護膜１２の貫通孔１２ｂを囲む環状部においてｎ電極１１と絶縁性保護膜１２が接することになる。従来のｎ電極、例えば、第１層目がＴｉやＡｌである場合には、こうした構造を取ることができなかった。何故なら、ＴｉやＡｌは酸化物に対する密着性が悪いため、ｎ電極１１と絶縁性保護膜１２との間で剥離が生じる場合があったためである。これに対し、本実施の形態のｎ電極１１であれば、白金族を含む島状の第１金属層６を有するため、酸化物から成る絶縁性保護膜１２に対しても高い密着性を示す。したがって、図６に示すような構造としても、信頼性の高い窒化物半導体素子が得られる。

また、本実施の形態のような構造にすれば、ボンディング層９に絶縁性保護膜１２と密着性の悪い材料を選択した場合にも、実施の形態１で説明したような密着層１３を形成する工程が不要となる。したがって、電極の製造工程を簡略化して、一層の製造コスト低減を行うことができる。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係る窒化物半導体素子２０を示す模式断面図である。本実施の形態では、ｐ型窒化物半導体層４の表面にＩＴＯ等の導電性酸化物から成る透光性電極５を形成する際、ｎ型窒化物半導体層２の露出面にも同じ材料から成るｎ側透光性電極５’（＝透光性材料）を形成する。そしてｎ電極１１を形成する際に、ｎ側透光性電極５’を覆うようにして形成する。このようにｐ側とｎ側の両方に透光性電極を形成し、ｎ側透光性電極５’をｎ電極１１で覆うことによって、ｎ電極１１による発光の吸収ロスを低減すると共に、ｎ側透光性電極５’の剥離を防止できる。その他の点は、実施の形態１と同様である。

図８は、図７のｎ電極１１近傍を示す拡大断面図である。ｎ型窒化物半導体層２の表面にｎ側透光性電極５’が形成されており、ｎ型窒化物半導体層２とオーミック接触している。また、ｎ側透光性電極５’を覆い、かつ、ｎ型窒化物半導体層２と接合するようにｎ電極１１が形成されている。このように構成された電極は、ｎ電極１１による発光の吸収ロスを低減できる。即ち、ｎ電極１１は、比較的反射率の高い金属によって構成することが好ましいが、ｎ電極１１の下面で光が反射の際にある程度の吸収ロスが必ず発生する。本実施の形態のように、ｎ型窒化物半導体層２との主たる接合面にｎ側透光性電極５’を形成すれば、透光性電極５’では吸収が殆ど生じないため、光が電極によって反射する際の吸収ロスを低減できる。

しかしながら、ＩＴＯ等の酸化物はｎ型窒化物半導体層との密着性が必ずしも良好でないため、ｎ側透光性電極５’とｎ型窒化物半導体層２との間で剥離が生じ易い。そこで本実施の形態では、ｎ電極１１によってｎ側透光性電極５’を覆うと共に、ｎ側透光性電極５’の周囲に露出したｎ型窒化物半導体層２にもｎ電極１１を接合させる。こうして形成されたｎ電極１１は、透光性電極５’とは第１金属層６によって強い密着力を示し、ｎ型窒化物半導体層２とは第２金属層７によって強い密着力を示す。従って、ｎ側透光性電極５’を覆うようにｎ電極１１を形成することによって、ｎ側透光性電極５’のｎ型窒化物半導体層２からの剥離を抑制することができる。

本実施の形態におけるｎ側透光性電極５’の好ましい材料は、実施の形態１において透光性電極５について説明したものと同様である。ｎ側透光性電極５’は、ｐ型窒化物半導体層４の上に形成する透光性電極５と同一材料で同時に形成することが好ましいが、必ずしもそれに限定されない。例えば、ｐ側と異なる透光性の導電性酸化物でｎ側透光性電極５’を形成しても良い。また、ｎ電極１１によってｎ型窒化物半導体層２とオーミック接触を取ることができるため、ｎ側透光性電極５’が導電性を有しない透光性材料であっても良い。

また本実施の形態におけるｎ電極１１は、ｎ側透光性電極５’とｎ型窒化物半導体層２の両方に接合していれば良く、必ずしも図７及び図８に示す構成には限定されない。例えば、図９に示すように、ｎ側透光性電極５’の一部に貫通孔や貫通溝５ａを形成し、それらを通してｎ電極１１がｎ型窒化物半導体層２と接合していても良い。また、ｎ電極１１によってｎ側透光性電極５’の上面全面を覆う代わりに、ｎ側透光性電極５’の側面とその側面に連続した上面の一部だけを覆うようにしても良い（ワイヤを考えると想定しにくい気もしますが、念のために広げておきます）。

図１に示す構造の窒化物半導体素子を次のようにして作製した。
サファイア基板１上にＡｌＮ層からなるバッファ層を形成し、その上に、ｎ型窒化物半導体層２として、Ｓｉを７×１０^１８cm^-3ドープしたｎ型ＧａＮからなるコンタクト層と、Ｓｉを５×１０^１８ｃｍ^−３ドープしたｎ型ＧａＮからなる下部クラッド層を形成した。次に、活性層３として、Ｉｎ_０．９５Ｇａ_０．０５Ｎ井戸層を有する単一量子井戸構造を形成しさらにｐ型窒化物半導体層４として、Ｍｇを１×１０^１８ｃｍ^−３ドープしたｐ型Ａｌ_0.25Ｇａ_０．７５Ｎからなる上部クラッド層と、Ｍｇを５×１０^１９ｃｍ^−３ドープしたｐ型ＧａＮからなるコンタクト層を形成した。

次にｐ型窒化物半導体層４にフォトレジストを形成し、リソグラフィー技術により発光面となる領域のみフォトレジストを残した。そしてリアクティブイオンエッチングによってｎ型コンタクト層が露出するまでエッチングし、フォトレジストを除去した。

次にｐ型ＧａＮコンタクト層の上にＩＴＯを形成した。まず、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）に室温で１分間浸漬した後、真空スパッタリング装置によってＩＴＯを成膜した。具体的には、スパッタリングガスとしてＡｒを用い、０．５Ｐａの圧力下で放電を行って２００ｎｍのＩＴＯを形成した。そしてｐ型ＧａＮコンタクト層上の所定の領域が残るようにエッチングを行った。そしてＩＴＯとｐ型ＧａＮコンタクト層の間のオーミック接触を取るため、窒素雰囲気中５５０℃で熱処理を行った。

次にｐ電極１０とｎ電極１１を以下のようにして同時形成した。
スパッタリング装置によって、圧力４×１０^−４Ｐａ以下でＲｈ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕを膜厚が３ｎｍ、１００ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍとなるように積層した。ここでＲｈが第１金属層６、Ａｌが第２金属層７、Ｐｔがバリア層８、Ａｕがボンディング層９である。スパッタリングの条件は、次のようにできる。まず、基板温度は室温から５００℃の範囲、好ましくは室温とする。チャンバ内を１０^−４〜１０^−７Ｐａに排気した後、スパッタリングガスを導入して０．１〜１０Ｐａにした後に放電を行う。好ましくは０．２〜５Ｐａの範囲に設定する。スパッタリングガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等が使用できるが、入手容易なＡｒが好ましい。０．１〜２ｋＷの電力を供給することが好ましい。形成する層の厚さは、放電時間と供給電力によって調整できる。こうして形成したＲｈ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ層は、第１金属層６であるＲｈが島状となり、その他の層は連続した膜となった。その後リフトオフ法によって所定の電極形成領域以外の金属膜を除去した。

得られた窒化物半導体素子を劣化加速のために約１５０℃でワイヤボンディングした後、せん断試験機（ＤＡＧＥ社製ＢＴ−２４００）にて、ワイヤボンディング部とｐ電極１０との間でのせん断試験を行い、透光性電極５とｐ電極１０との間での剥離の有無を調べたところ、その剥離発生率は殆ど０％であった。また、電流−電圧特性を測定したところ、図１０に符号２２で示すグラフとなり、良好なオーミック接触性を示した。

[比較例１]
ｐ電極１０とｎ電極１１として、Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕを膜厚１００ｎｍ／３０ｎｍ／５０ｎｍで形成した他は、実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作製した。

得られた窒化物半導体素子を劣化加速のために約１５０℃でワイヤボンディングした後、せん断試験機（ＤＡＧＥ社製ＢＴ−２４００）にて、ワイヤボンディング部とｐ電極１０との間でのせん断試験を行い、透光性電極５とｐ電極１０との間での剥離の有無を調べたところ、剥離発生率は殆ど０％であった。しかしながら、電流−電圧特性を測定したところ、図１０に符号２４で示すグラフとなり、極めて大きな接触抵抗を示した。

[比較例２]
ｐ電極１０とｎ電極１１として、Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕを膜厚１００ｎｍ／３０ｎｍ／５０ｎｍで形成した他は、実施例１と同様にして窒化物半導体素子を作製した。

得られた窒化物半導体素子の電流−電圧特性を測定したところ、図１０に符号２６で示すグラフとなり、良好なオーミック接触となった。しかしながら、得られた窒化物半導体素子を劣化加速のために約１５０℃でワイヤボンディングした後、せん断試験機（ＤＡＧＥ社製ＢＴ−２４００）にて、ワイヤボンディング部とｐ電極１０との間でのせん断試験を行い、透光性電極５とｐ電極１０との間での剥離の有無を調べたところ、剥離発生率は約５％であった。

図１は、実施の形態１に係る窒化物半導体素子を模式的に示す断面図である。 図２は、図１に示す窒化物半導体素子の平面図である。 図３は、本件発明における電極の一例を示す模式断面図である。 図４Ａは、密着層を含む電極の製造工程を示す工程図である。 図４Ｂは、図４Ａに続く工程を示す工程図である。 図５は、実施の形態２に係る窒化物半導体素子の電極付近を示す部分拡大図である。 図６は、実施の形態３に係る窒化物半導体素子の電極付近を示す部分拡大図である。 図７は、実施の形態４に係る窒化物半導体素子を模式的に示す断面図である。 図８は、図７に示す窒化物半導体素子の電極付近を示す部分拡大図である。 図９は、図８の変形例を示す部分拡大断面図である。 図１０は、実施例及び比較例の電流−電圧特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板、
２ ｎ型窒化物半導体層、
３ 活性層、
４ ｐ型窒化物半導体層、
５ 透光性電極、
６ 第１金属層、
７ 第２金属層、
８ バリア層、
９ ボンディング層、
１０ ｐ電極
１１ ｎ電極、
１２ 絶縁性保護膜

Claims (10)

1. ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有し、前記ｎ型窒化物半導体層にｎ電極が、前記ｐ型窒化物半導体層に透光性電極とその上の一部にｐ電極とが形成された窒化物半導体素子であって、
   前記透光性電極は、少なくとも表面が酸化物から成り、
   前記ｎ電極及びｐ電極は、前記ｎ型窒化物半導体層又は前記透光性電極に接する側から順に、第１金属層と、第２金属層とを含み、
   前記第１金属層は、白金族の金属を含み、離散した島状に形成され、
   前記第２金属層は、前記ｎ型窒化物半導体層とオーミック接触可能な金属から成り、前記第１金属層の島同士の間から露出した前記ｎ型窒化物半導体層又は前記透光性電極と接することを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 前記第１金属層の膜厚が、０．１〜４０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. 前記第１金属層が、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ又はこれらの合金から選択された１種を主成分として含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記第２金属層が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ又はこれらから選択された金属を含む合金から成る群から選択された１種であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
5. 前記第２金属層が、Ａｌ、Ｔｉ，Ｗ、Ｖ、又はこれらの合金から成る群から選択された１種であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
6. 前記透光性電極が、導電性酸化物から成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
7. 前記導電性酸化物が、インジウム錫酸化物であることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体素子。
8. 前記透光性電極が、前記ｐ型窒化物半導体層に接する側から、金層と酸化ニッケル層を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
9. 前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｎ電極の間に絶縁性保護膜が形成され、前記絶縁性保護膜に形成された貫通孔を通じて、前記ｎ電極と前記ｎ型窒化物半導体層が接することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
10. 前記ｎ型窒化物半導体層の表面に透光性材料が形成され、前記透光性材料の少なくとも一部を覆い、かつ、前記ｎ型窒化物半導体層にも接合するように前記ｎ電極が形成されたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項の記載の窒化物半導体素子。
    
    
    

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