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JP3625377B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上に、チッ化ガリウム系化合物半導体が積層される青色系（紫外線から黄色）の光を発光する半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、ｎ形層に設けられる電極のオーミックコンタクトおよびワイヤボンディングの接着強度を向上させた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、青色系の光を発光する半導体発光素子は、たとえば図３に示されるような構造になっている。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばｎ形のＧａＮからなる低温バッファ層２２と、高温でＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さく発光波長を定める材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａとの混晶比率が種々変り得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層（発光層）２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とからなり、その表面にｐ側電極２８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出するｎ形層２３の表面にｎ側電極２９が設けられることにより形成されている。なお、ｎ形層２３およびｐ形層２５はキャリアの閉じ込め効果を向上させるため、活性層２３側にＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体層が用いられることがある。
【０００３】
この構造で、ｎ側電極２９は、たとえば特開平７−４５８６７号公報や、特開平７−２５４７３３号公報に示されるように、ｎ形層とのオーミックコンタクトの観点からＴｉとＡｌの合金で形成されたり、またはＡｌが酸化しやすくワイヤとの接着強度が弱くなるのを防止するためＴｉとＡｕとの合金により形成されたり、特開平８−２７４３７２号公報に示され、図３にも示されるように、Ａｌ層、Ｔｉ層、Ａｕ層を積層して合金化することにより形成されている。さらに、ｐ側電極２８は、たとえば特開平８−２７４３７２号公報に示されるように、透明電極（拡散メタル）としてＴｉ層およびＮｉ層を積層し、ボンディングパッドとする電極としてＮｉ層およびＡｕ層をそれぞれ積層して、ｎ側電極と同時に合金化処理をすることにより形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、ｎ側電極は、ｎ形層とのオーミックコンタクトを重視するとＡｌとＴｉとの合金で形成され、ワイヤボンディングの面からはその表面がＡｕになるように設けられ、それらの積層体を熱処理して合金化することにより形成される。しかし、たとえば前述の特開平８−２７４３７２号公報にも示されるように、積層された金属層は一度にパターニングされる。そのためパターニングされた側面は下に形成されたＡｌやＴｉが露出する。しかも、Ａｕ層はＡｌやＴｉと接した状態で合金化のための熱処理が行われると、Ａｕ層内にＡｌやＴｉが拡散し、Ａｕ層の表面にも析出する。一方、ＡｌやＴｉは外部に露出していると酸化しやすく、また、水分などにより腐食されやすい。そのため、合金化して電極の側面やＡｕの表面に拡散して露出するＡｌなどはその周囲を被覆するモールド樹脂からの水分により腐食し、信頼性が低下するという問題がある。さらに、Ａｕ層の表面にＡｌなどが析出して酸化すると、ワイヤボンディングの接着力が低下し、ワイヤボンディングの信頼性が低下したり、歩留りが低下するという問題がある。その結果、従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を使用した半導体発光素子においては、とくにｎ側の電極のオーミック特性やワイヤボンディングの問題が生じやすい。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、オーミックコンタクト特性が良好で、かつ、ワイヤボンディング性の優れた電極構造のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられ、チッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含み発光領域を形成する半導体積層部と、前記ｎ形層およびｐ形層にそれぞれ電気的に接続して設けられるｎ側電極およびｐ側電極とからなり、前記ｎ側電極は、オーミックコンタクト用電極部とボンディング用電極部とからなり、該ボンディング用電極部が前記オーミックコンタクト用電極部の表面および側面を被覆するように設けられている。
【０００９】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、ＩＩＩ 族元素のＧａとＶ族元素のとの化合物またはＩＩＩ 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のＩＩＩ 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【００１０】
この構造にすることにより、オーミックコンタクト用電極部がボンディング用電極部により完全に被覆されるため、Ａｌなどが露出することがない。そのため、電極の周囲がモールド用樹脂により被覆されても、その水分などにより腐食されることがなく、信頼性を充分に保つことができる。
【００１１】
前記ボンディング用電極部は、少なくともその外表面がＡｕ層からなることが、耐腐蝕性およびボンディング性の面から好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。
【００１５】
本発明の半導体発光素子は、図１（ａ）〜（ｂ）にその一実施形態の断面および平面の説明図が示されるように、たとえばサファイア（Ａｌ２ Ｏ３ 単結晶）などからなる基板１の表面にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層３およびｐ形層５を含み発光領域を形成する半導体積層部１０設けられ、その表面に拡散メタル層７を介してｐ側電極８が形成されている。また、積層された半導体積層部１０の一部が除去されて露出するｎ形層３にｎ側電極９が形成されている。本発明では、このｎ側電極９が、オーミックコンタクト用電極部９１とボンディング用電極部９２とからなり、ボンディング用電極部９２がオーミックコンタクト用電極部９１の表面および側面を被覆するように設けられている。
【００１６】
基板１上に積層される半導体積層部１０は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層２が０．０１〜０．２μｍ程度堆積され、ついでクラッド層となるｎ形層３が１〜５μｍ程度エピタキシャル成長され、さらに、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４が０．０５〜０．３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａおよびＧａＮ層５ｂからなるｐ形層（クラッド層）５が０．２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層されることにより構成されている。なお、ｐ形層５はＧａＮとＡｌＧａＮ系化合物半導体との複層になっているが、キャリアの閉じ込め効果の点からＡｌを含む層が設けられることが好ましいためで、ＧａＮ層だけでもよい。また、ｎ形層３にもＡｌＧａＮ系化合物半導体層を設けて複層にしてもよく、またこれらを他のチッ化ガリウム系化合物半導体層で形成することもできる。さらに、この例では、ｎ形層３とｐ形層５とで活性層４が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造など、他の構造のものでもよい。
【００１７】
本発明の半導体発光素子では、前述のように、ｎ側電極９が、オーミックコンタクト用電極部９１の露出部を被覆するようにボンディング用電極部９２が設けられていることに特徴がある。オーミックコンタクト用電極部９１は、たとえばＴｉ層が０．１μｍ程度、Ａｌ層が０．５μｍ程度それぞれ成膜されて、熱処理により合金化することにより、０．５μｍ程度の厚さに形成される。そして、その表面にＴｉ層９２ａが０．１μｍ程度、Ａｕ層９２ｂが０．６μｍ程度積層されて全体として、たとえば０．７μｍ程度のボンディング用電極部９２がオーミックコンタクト用電極部９１の側面も被覆するように設けられている。このボンディング用電極部９２は、ｐ形電極８と同時に形成されることにより、工程増を招くこともなく、またその後に熱処理をする必要もなく、ボンディング用電極部９２の金属膜が相互に拡散したり、オーミックコンタクト用電極部９１の金属と相互に拡散して、Ａｕ層９２ｂの表面にＴｉが析出することはない。
【００１８】
ｐ側電極８は、ワイヤボンディングの際の衝撃を受け止めるために機械的強度のあるＴｉ層を設けることが好ましく、ボンディング用電極部９２をｐ形側電極８と同時に形成するためボンディング用電極９２も２層で形成されているが、ボンディング用電極部９２としては、Ａｕ層だけでもよい。要は、ボンディング用電極部９２としては、酸化などの変質をしにくく、Ａｕ線などのワイヤとのボンディング性がよく、しかも水分などに対する耐腐食性のある金属であればよい。図１で１１がボンディングされるワイヤを示している。
【００１９】
拡散メタル層７は、活性層４で発光する光を透過させながら、ｐ側電極８からｐ形層５の全体に電流を拡散させるためのもので、たとえばＮｉ層とＡｕ層とを設けて熱処理により合金化することにより２〜１００ｎｍ程度の厚さに形成され、電流を充分に拡散すると共に光を透過して表面から光を取り出すことができるように形成されている。
【００２０】
本発明の半導体発光素子によれば、チッ化ガリウム系化合物半導体を使用した発光素子において、ｎ形層と電気的に接続される電極が、たとえばＡｌとＴｉとの合金により形成され、ｎ形層とのオーミックコンタクトを充分にとりやすい金属材料で構成され、しかもその周囲が金などの酸素や水分に対して耐蝕性があり、しかもワイヤボンディング性の良好な金属層により被覆されているため、接触抵抗が小さく、しかも信頼性の高いｎ側電極の構造となる。さらに、このボンディング用電極部は、ｐ側電極と同じ工程で設けることができ、特別の工程増を招くこともない。
【００２１】
つぎに、図１に示される半導体発光素子の製法について、図２の工程図を参照しながら説明をする。
【００２２】
まず、図２（ａ）に示されるように、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、キャリアガスＨ２ と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（以下、ＮＨ３ という）などの反応ガスおよびｎ形のドーパントガスとしてのＳｉＨ４ などを供給して、まず、たとえばサファイアからなる絶縁基板１上に、たとえば４００〜６００℃程度の低温で、ＧａＮ層からなる低温バッファ層２を０．０１〜０．２μｍ程度程度、同じ組成で６００℃以上に温度を上げてｎ形のｎ形層（クラッド層）３を１〜５μｍ程度エピタキシャル成長する。さらにドーパントガスを止めて、反応ガスとしてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を追加し、ＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４を０．０５〜０．３μｍ程度成膜する。
【００２３】
ついで、反応ガスのＴＭＩをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）に変更し、ドーパントガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２ Ｍｇ）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を導入して、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａを０．１〜０．５μｍ程度、さらに再度反応ガスのＴＭＡを止めてｐ形のＧａＮ層５ｂを０．１〜０．５μｍ程度それぞれ積層し、ｐ形層５を形成する。
【００２４】
その後、表面にＳｉＮなどの保護膜を設けてｐ形ドーパントの活性化のため、４００〜８００℃程度で１０〜６０分程度のアニールを行う。そして、保護膜をパターニングして半導体積層部１０の一部をエッチングし、図２（ｂ）に示されるように、ｎ形層３を露出させる。そして、レジスト膜を設け、拡散メタル層７の形成場所のみを露出させ、リフトオフ法により、たとえばＮｉ層７ａおよびＡｕ層７ｂを真空蒸着する。さらに、レジスト膜を除去し、再度レジスト膜を設けてコンタクト用電極部９１の形成場所のみを露出させ、リフトオフ法によりＡｌ層９１ａとＴｉ層９１ｂとを積層する。これらの金属層はリフトオフ法でなくても、全面に成膜した後にエッチングによりパターニングして形成することもできる。
【００２５】
その後、たとえば４００〜６００℃程度で熱処理をすることにより、ＮｉとＡｕとの合金化、およびＡｌとＴｉとの合金化を図る。その結果、図２（ｃ）に示されるように、合金化した拡散メタル層７が２〜１００ｎｍ程度、オーミックコンタクト用電極部９１が０．５μｍ程度それぞれ合金により形成される。
【００２６】
その後、さらに全面にレジスト膜を設け、ｎ側電極９の形成場所およびｐ側電極（ボンディングパッド）の形成場所を目抜いて露出させる。そして、真空蒸着などによりＴｉ層９２ａ、８ａを０．１μｍ程度、Ａｕ層９２ｂ、８ｂを０．６μｍ程度それぞれ連続して成膜し、レジスト膜を除去するリフトオフ法により所定の場所にボンディング用電極部９２およびｐ側電極８が形成され、図１に示される半導体発光素子が得られる。この際、ボンディング用電極部９２がオーミックコンタクト用電極部９１を完全に被覆するように位置合せしてレジスト膜がパターニングされる必要がある。たとえばオーミックコンタクト用電極部９１の直径が１００μｍ程度に形成されており、ボンディング用電極部９２の外径を１１０μｍ程度にすることにより、マスクの径（ボンディング用電極部９２の外径）とオーミックコンタクト用電極部９１の外径との間隔が５μｍ程度になる。
【００２７】
本発明の製法によれば、ボンディング用電極部９２とｐ側電極８とを同じ工程で形成しているため、工数増を招くことなくオーミックコンタクト用電極を被覆してボンディング用電極を形成することができる。さらに、拡散メタル層とオーミックコンタクト用電極部の熱処理による合金化を同時に行うことにより、工数の削減を図ることができると共に、ボンディング用電極部９２が熱処理されてＡｌなどがその表面の金属層に拡散する虞れがない。その結果、表面の清浄性を維持することができ、ワイヤボンディング性が向上すると共に信頼性も向上する。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、ｎ側電極のワイヤボンディング性が非常に向上する。しかも腐食しやすいＡｌなどが露出しない構造になっているため、周囲を被覆するモールド樹脂などの水分に晒されても電極が腐食されることがなく、非常に信頼性が向上する。
【００２９】
また、基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含み発光領域を形成する半導体層を積層し、前記ｐ形層およびｎ形層にそれぞれ電気的に接続してｐ側電極およびｎ側電極を形成する場合に、前記ｎ形層の表面にオーミックコンタクト用電極部を形成し、ついで該オーミックコンタクト用電極部を被覆するようにボンディング用電極部を形成すると共に該ボンディング用電極部と同じ材料および同じ工程でｐ側電極を形成することことにより、工程数を増加させることなく、オーミックコンタクト用電極部が被覆された安定な電極構造が得られる。また、ボンディング用電極部の形成後に合金化するような熱処理を行わなくてもよいように予め熱処理を済ませておくことにより、ボンディング用電極部の金属層に腐食しやすい金属が拡散しない。その結果、酸化や腐食の可能性をなくすることができ、安定した電極を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図である。
【図２】図１の半導体発光素子の製法の一実施形態の製造工程を示す図である。
【図３】従来の半導体発光素子の一例の断面説明図である。
【符号の説明】
１ 基板
３ ｎ形層
４ 活性層
５ ｐ形層
８ ｐ側電極
９ ｎ側電極
９１ オーミックコンタクト用電極部
９２ ボンディング用電極部

Claims (2)

  1. 基板と、該基板上に設けられ、チッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含み発光領域を形成する半導体積層部と、前記ｎ形層およびｐ形層にそれぞれ電気的に接続して設けられるｎ側電極およびｐ側電極とからなり、前記ｎ側電極は、オーミックコンタクト用電極部とボンディング用電極部とからなり、該ボンディング用電極部が前記オーミックコンタクト用電極部の表面および側面を被覆するように設けられてなる半導体発光素子。
  2. 前記ボンディング用電極部は、少なくともその外表面がＡｕ層からなる請求項１記載の半導体発光素子。
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