JP4856473B2 - 電極形成方法、発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電極形成方法、発光素子およびその製造方法に関し、特に、電極形成層としての窒化物系化合物半導体層と電極の間で、充分な密着性が得られ且つオーミック特性を有したコンタクト抵抗を低減することのできる電極形成方法、発光素子およびその製造方法に関する。

従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の窒化物系化合物半導体発光素子のコンタクト層に通電するための電極として、Ｎｉ／ＡｕあるいはＣｏ／Ａｕを蒸着法やスパッタリング等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法によりコンタクト層としての窒化物半導体層の表面に形成することが知られている。

上記した電極に用いられるＮｉ／ＡｕあるいはＣｏ／Ａｕは、そのままの状態ではコンタクト抵抗が大である。そこで、酸素を含む雰囲気中で発光素子のコンタクト層に形成したＮｉ／Ａｕ層を熱処理することによって、コンタクト抵抗の低減を図る電極形成方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載された電極形成方法は、電極形成層としての窒化物系化合物半導体層からなるｐ^＋層上に第１層としてＮｉ層を形成し、その上に第２層としてＡｕ層を形成し、その後４００℃以上７００℃以下で熱処理を行うことによってｐ^＋層上のＮｉ層とＡｕ層とを層転換させており、そのことによってコンタクト抵抗の低減を図るとしている。
特開平９−６４３３７号公報

しかし、特許文献１に記載された電極形成方法によると、熱処理によってｐ^＋層とＮｉ層との間に存在する酸素の殆どがＡｕとＮｉの層転換時にＮｉとともに表層方向へ移動してしまうため、コンタクト抵抗は低減するものの、層転換したＡｕと窒化物系化合物半導体層との充分な密着性が得られず、電極の剥離を生じやすいという問題がある。

従って、本発明の目的は、電極と電極形成層としての窒化物系化合物半導体層の密着性が得られ、かつコンタクト抵抗を低減することのできる電極形成方法、発光素子およびその製造方法を提供することにある。

（１）本発明は上記目的を達成するため、電極形成層としての窒化物系化合物半導体層を加熱し、前記窒化物系化合物半導体層が保持する酸素を予め減少させる第１の工程と、
前記窒化物系化合物半導体層の表面に第１の電極材料を設ける第２の工程と、
前記第１の電極材料の表面に第２の電極材料を積層する第３の工程と、
酸素を含む雰囲気中で前記第１および前記第２の電極材料を加熱し、前記加熱に基づく前記第１及び第２の電極材料の層転換によって前記窒化物系化合物半導体層の表面に、酸素を含む前記第１の電極材料の一部からなる第１の電極層、この第１の電極層の表面に、前記第１の電極材料の他の一部および前記第２の電極材料からなる第２の電極層、およびこの第２の電極層の表面に、酸素を含む前記第１の電極材料の残りの部分からなる第３の電極層を形成する第４の工程とを含むことを特徴とする電極形成方法を提供する。

このような構成によれば、第１の電極材料の一部が層転換に基づいて第２の電極材料の表面に配置される際に、窒化物系化合物半導体層の表面に必要最小限の酸素が残存することで、電極と窒化物系化合物半導体層の密着性が確保されるとともに、窒化物系化合物半導体層の表面の酸素量の低減によってコンタクト抵抗を低減できる。

（２）また、本発明は、上記目的を達成するため、電極形成層としての窒化物系化合物半導体層を加熱し、前記窒化物系化合物半導体層が保持する酸素を予め減少させる第１の工程と、
前記窒化物系化合物半導体層の表面にＮｉ層を設ける第２の工程と、
前記Ｎｉ層の表面にＡｕ層を積層する第３の工程と、
酸素を含む雰囲気中で前記Ｎｉ層および前記Ａｕ層を４００℃から７００℃の温度範囲で加熱し、前記加熱に基づく層転換によって前記窒化物系化合物半導体層の表面に、酸素を含む前記Ｎｉ層の一部からなる第１の電極層、この第１の電極層の表面に、前記Ｎｉ層の他の一部および前記Ａｕ層からなる第２の電極層、およびこの第２の電極層の表面に、酸素を含む前記Ｎｉ層の残りの一部からなる第３の電極層を形成する第４の工程とを含むことを特徴とする電極形成方法を提供する。

このような構成によれば、電極材料であるＮｉおよびＡｕの加熱に基づく層転換の進行を温度によって制御できる。そのため、Ｎｉ／Ａｕの積層構造により構成される電極の窒化物系化合物半導体層に対する密着性およびコンタクト抵抗の低減を制御できる。

（３）また、本発明は、上記目的を達成するため、基板上に発光する層を含む発光素子構造部を形成する第１の工程と、
前記発光素子構造部を加熱する第２の工程と、
前記発光素子構造部の表面に第１の電極材料を設ける第３の工程と、
前記第１の電極材料の表面に第２の電極材料を積層する第４の工程と、
酸素を含む雰囲気中で前記第１および前記第２の電極材料を加熱し、前記加熱に基づく層転換によって前記発光素子構造部の表面に、酸素を含む前記第１の電極材料の一部からなる第１の電極層、この第１の電極層の表面に、前記第１の電極材料の他の一部および前記第２の電極材料からなる第２の電極層、およびこの第２の電極層の表面に、酸素を含む前記第１の電極材料の残りの部分からなる第３の電極層を形成する第５の工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。

このような構成によれば、第１および第２の電極材料を層転換しながらも、第１の電極材料の表面に第２の電極材料が形成され、この第２の電極材料の表面に第１の電極材料の一部が形成されることにより、３層構造化が図れるので、発光素子構造部に対する電極の密着性に優れ、かつコンタクト抵抗の小なる信頼性に優れた発光素子を量産できる。

（４）また、本発明は、上記目的を達成するため、発光する層を含んだ窒化物系化合物半導体層より成る発光素子構造部と、
前記発光素子構造部の表面に形成された電極とを備え、
前記電極は、前記発光素子構造部の表面に形成された少なくとも所定の密着性とオーミック性を有した酸素を含む第１の電極材料からなる第１の電極層と、前記第１の電極層の表面に形成され、前記第１の電極材料の一部および前記第１の電極材料より金属的安定性に優れた第２の電極材料からなる第２の電極層と、前記第２の電極層の表面に形成され、酸素を含む前記第１の電極材料の他の一部によって形成された第３の電極層を含むことを特徴とする発光素子を提供する。

このような構成によれば、第１および第２の電極材料を層転換しながらも、第１の電極材料の表面に第２の電極材料が形成され、この第２の電極材料の表面に第１の電極材料の一部が形成されることにより、３層構造化が図れるので、電極と窒化物系化合物半導体層の密着性が向上し、かつコンタクト抵抗の小なる発光素子が得られる。

本発明によると、電極形成層としての窒化物系化合物半導体層と電極の間のコンタクト抵抗を低減し、密着性を向上させることができる。

（本発明の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るＬＥＤ、ＬＤ等としての窒化物系化合物半導体発光素子（以下「発光素子」という。）の断面図である。

（発光素子の構成）
この発光素子１は、図１の（ａ）に示すように、サファイア基板１０と、サファイア基板１０上に形成されるＡｌＮバッファ層１１と、Ｓｉドープのｎ^＋−ＧａＮ層１２と、Ｓｉドープのｎ−ＡｌＧａＮ層１３と、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有するＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）１４と、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮ層１５と、Ｍｇドープのｐ^＋−ＧａＮ層１６とを順次積層して形成されており、ＡｌＮバッファ層１１からｐ^＋−ＧａＮ層１６までを有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法によって形成している。

また、この発光素子１は、図１の（ｂ）に示すように、ｐ^＋−ＧａＮ層１６上に第１の電極材料であるＮｉ層１８０と、第２の電極材料であるＡｕ−Ｎｉ層１８２Ａと、Ａｕ−Ｎｉ層１８２Ａ上に積層されるＮｉ層１８１との３層構造によって設けられるｐ側電極１８と、図１の（ａ）に示すように、ｐ^＋−ＧａＮ層１６からｎ^＋−ＧａＮ層１２の一部までエッチング処理を施して除去した後、ｎ^＋−ＧａＮ層１２の露出面に設けられたＡｌ（アルミニウム）からなるｎ側電極１９とを有する。

ＡｌＮバッファ層１１は、キャリアガスとしてＨ_２を使用し、ＮＨ_３（アンモニア）と、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）をサファイア基板１０が配置されたリアクタ（図示せず）内に供給することにより形成される。

ｎ^＋−ＧａＮ層１２およびｐ^＋−ＧａＮ層１６は、キャリアガスとしてＨ_２を使用し、ＮＨ_３とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をサファイア基板１０が配置されたリアクタ内に供給することにより形成される。ｎ^＋−ＧａＮ層１２についてはｎ型の導電性を制御するためのドーパントとしてモノシラン（ＳｉＨ_４）をＳｉ原料として使用し、ｐ^＋−ＧａＮ層１６についてはｐ型の導電性を制御するためのドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）をＭｇ原料として使用する。また、ｎ−ＡｌＧａＮ層１３およびｐ−ＡｌＧａＮ層１５については、上記したもののほかに、更に、ＴＭＡをリアクタ内に供給することによって形成される。

ＭＱＷ１４の形成においては、キャリアガスとしてＮ_２を使用し、ＮＨ_３とトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧをリアクタ内に選択的に供給することによってＩｎＧａＮとＧａＮが形成される。ＩｎＧａＮの形成時にはＴＭＩとＴＭＧが供給され、ＧａＮの形成時にはＴＭＧが供給される。

図２は、本発明の実施の形態に係る発光素子のｐ側電極を部分的に示す拡大図である。

ｐ側電極１８は、図２の（ａ）に示すようにｐ^＋−ＧａＮ層１６上に第１層として所定の密着性及びオーミック性を有するＮｉ層１８０を形成し、更に第２層として第１層より金属的安定性に優れるＡｕ層１８２を形成した後に加熱処理を行うことによって形成される。この加熱処理によって層転換が生じ、ｐ^＋−ＧａＮ層１６上に、ｐ^＋−ＧａＮ層１６の結晶表面に吸着していた酸素の一部を含むＮｉ層１８０と、Ａｕ−Ｎｉ層１８２Ａと、主として雰囲気中の酸素を含むＮｉ層１８１が形成される。

なお、上記第１層は、Ｎｉのほか、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）、Ｖ（バナジウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミ）等を用いることができる。また、上記第２層は、Ａｕのほか、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）等を用いることができる。

図３は、本発明の実施の形態に係るｐ側電極の電極形成方法を示すフローチャートである。

まず、図１に示すように、サファイア基板１０上に上記したＡｌＮバッファ層１１からｐ^＋−ＧａＮ層１６までのＧａＮ系半導体層をＭＯＣＶＤ法によって形成し、発光素子構造部とする（Ｓ１）。

次に、電極を形成する前にｐ^＋−ＧａＮ層１６にＰＶＤ装置内で加熱処理を施してｐ^＋−ＧａＮ層１６の表面における過剰の酸素を除去し、電極の密着性を確保するのに必要な所定の量の酸素を残存させる（Ｓ２）。

次に、ＰＶＤ装置内において、ＰＶＤ法により、ｐ^＋−ＧａＮ層１６の表面にＮｉ層１８０を厚さ１００Åに形成する（Ｓ３）。

次に、上記ＰＶＤ装置において、ＰＶＤ法により、Ｎｉ層１８０の表面に厚さ１０００ÅのＡｕ層１８２を形成する（Ｓ４）。この状態では、ｐ^＋−ＧａＮ層１６上には、ＧａＮ−Ｏ／Ｎｉ／Ａｕの接合状態が形成されている。

次に、Ｎｉ層１８０及びＡｕ層１８２を形成した発光素子構造部を加熱処理装置（アロイ炉）内に入れ、酸素を含む雰囲気で、４５０℃により１０分の電極加熱処理を行うことにより、Ｎｉ層１８０とＡｕ層１８２の層転換が行われる（Ｓ５）。

この電極加熱処理によってＮｉ層１８０がＡｕ層１８２の粒界を介してＡｕ層１８２の表層方向に移動することにより層転換が行われる。表層のＮｉ層１８１は酸化してＮｉ−Ｏとなり、中間のＡｕ層１８２はＡｕ−Ｎｉ層１８２Ａとなる。このとき、ｐ^＋−ＧａＮ層１６の表面部分に存在する酸素はＮｉとともに電極表面方向へ移動し、Ａｕ−Ｎｉ層１８２Ａの表面には、主として雰囲気中の酸素を含むＮｉ−ＯからなるＮｉ層１８１が形成される。この状態では、ｐ^＋−ＧａＮ層１６とｐ側電極１８の間には、ＧａＮ−Ｏ−Ｎｉ／Ａｕ−Ｎｉ／Ｎｉ−Ｏの接合状態が形成されている。この状態で加熱を停止すると、Ｎｉの電極表面方向への供給が停止し、図１の（ｂ）及び図２の（ｂ）に示すように、３層構造を成すｐ側電極１８が形成される（Ｓ６）。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係る電極形成方法によるＮｉおよび酸素の移動を示し、（ａ）は加熱処理前の成分図、（ｂ）は加熱処理後の成分図である。

図４の（ａ）に示す加熱処理前の状態では、ｐ^＋−ＧａＮ層１６の表面とＮｉ層１８０との界面部分に第１の量の酸素（Ｏ）が存在している。この状態では、ｐ^＋−ＧａＮ層１６とＮｉ層１８０の密着性は大きいがコンタクト抵抗も大きい。

図４の（ｂ）に示す加熱処理後の状態では、Ａｕの粒界を介してＮｉとＯが移動し、Ａｕ−Ｎｉ層１８２Ａが形成され、その表面に主として雰囲気中の酸素に基づいてＮｉ−Ｏ（Ｎｉ層１８１）が形成されていることがわかる。また、層転換により全ての酸素が移動せず、ｐ^＋−ＧａＮ層１６の表面にも第１の量より少ない第２の量である僅かな酸素が残存しており、このことによってコンタクト抵抗の低下、ｐ^＋−ＧａＮ層１６とｐ側電極１８との接合性が確保される。

表１は、結晶加熱によるＧａＮ系半導体層の表面酸素の低減率を示す。ここでは、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）及びガリウム（Ｇａ）のそれぞれについて、熱処理をした場合と熱処理をしない場合の成分を示す。表１から明らかなように、加熱温度と加熱時間を適切にした熱処理により、電極形成層としてのＧａＮ系半導体層の表面酸素を低減できることが分かる。

（本発明の実施の形態の効果）
上記した本発明の実施の形態によると、Ｎｉ層１８０とＡｕ層１８２を加熱して層転換させる際に、ＧａＮ系半導体層との界面部分にＮｉと酸素が残る完全でない層転換状態を実施することで、Ｎｉ−ＯからなるＮｉ層１８１と、Ａｕ−Ｎｉ層１８２Ａと、Ｎｉ−ＯからなるＮｉ層１８０との３層構造を成すｐ側電極１８が形成され、ＧａＮ系半導体層とｐ側電極１８との密着性を確保することができる。さらに、密着性の確保に必要な最小限の酸素以外の酸素を予め除去させておくことで、ＧａＮ系半導体層に対するｐ側電極１８のコンタクト抵抗を低減することができる。

なお、本実施の形態では、電極形成材料としてＡｕおよびＮｉを用いた構成を説明したが、ＡｕおよびＣｏからなるｐ側電極にも適用することができる。また、電極加熱処理温度についても、４００℃〜７００℃の範囲で行うことで上記した効果を奏するが、その範囲において４５０℃×１０分がより好ましい。

また、上記実施の形態において、基板はサファイア基板に限定されるものではなく、例えば、ＳｉＣ基板ＧａＮ基板等であってもよく、バッファ層はＡｌＧａＮ、ＧａＮ等であってもよい。また、ｐ側電極１８はその表面の片隅にボンディング（台座）電極を形成されるが、図示されていない。

（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体発光素子の断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光素子のｐ側電極の部分拡大断面図を示し、（ａ）は層転換前のｐ側電極の断面図、（ｂ）は層転換後のｐ側電極の断面図である。 本発明の実施の形態に係る電極形成方法を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る電極形成方法によるＮｉおよび酸素の移動を示し、（ａ）は加熱処理前の成分図、（ｂ）は加熱処理後の成分図である。

符号の説明

１…発光素子、１０…サファイア基板、１１…ＡｌＮバッファ層、１２…ｎ^＋−ＧａＮ層、１３…ｎ−ＡｌＧａＮ層、１４…ＭＱＷ（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）、１５…ｐ−ＡｌＧａＮ層、１６…ｐ^＋−ＧａＮ層、１８…ｐ側電極、１９…ｎ側電極、１８０…Ｎｉ層、１８１…Ｎｉ層、１８２…Ａｕ層、１８２Ａ…Ａｕ−Ｎｉ層

Claims (7)

1. 電極形成層としての窒化物系化合物半導体層を加熱し、前記窒化物系化合物半導体層が保持する酸素を予め減少させる第１の工程と、
   前記窒化物系化合物半導体層の表面に第１の電極材料を設ける第２の工程と、
   前記第１の電極材料の表面に第２の電極材料を積層する第３の工程と、
   酸素を含む雰囲気中で前記第１および前記第２の電極材料を加熱し、前記加熱に基づく前記第１及び第２の電極材料の層転換によって前記窒化物系化合物半導体層の表面に、酸素を含む前記第１の電極材料の一部からなる第１の電極層、この第１の電極層の表面に、前記第１の電極材料の他の一部および前記第２の電極材料からなる第２の電極層、およびこの第２の電極層の表面に、酸素を含む前記第１の電極材料の残りの部分からなる第３の電極層を形成する第４の工程とを含むことを特徴とする電極形成方法。
2. 前記第４の工程は、前記加熱を酸素を含む雰囲気中で４００℃から７００℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項１に記載の電極形成方法。
3. 前記第１の電極材料はＮｉ又はＣｏからなり、前記第２の電極材料はＡｕであることを特徴とする請求項１に記載の電極形成方法。
4. 電極形成層としての窒化物系化合物半導体層を加熱し、前記窒化物系化合物半導体層が保持する酸素を予め減少させる第１の工程と、
   前記窒化物系化合物半導体層の表面にＮｉ層を設ける第２の工程と、
   前記Ｎｉ層の表面にＡｕ層を積層する第３の工程と、
   酸素を含む雰囲気中で前記Ｎｉ層および前記Ａｕ層を４００℃から７００℃の温度範囲で加熱し、前記加熱に基づく層転換によって前記窒化物系化合物半導体層の表面に、酸素を含む前記Ｎｉ層の一部からなる第１の電極層、この第１の電極層の表面に、前記Ｎｉ層の他の一部および前記Ａｕ層からなる第２の電極層、およびこの第２の電極層の表面に、酸素を含む前記Ｎｉ層の残りの一部からなる第３の電極層を形成する第４の工程とを含むことを特徴とする電極形成方法。
5. 基板上に発光する層を含む発光素子構造部を形成する第１の工程と、
   前記発光素子構造部を加熱する第２の工程と、
   前記発光素子構造部の表面に第１の電極材料を設ける第３の工程と、
   前記第１の電極材料の表面に第２の電極材料を積層する第４の工程と、
   酸素を含む雰囲気中で前記第１および前記第２の電極材料を加熱し、前記加熱に基づく層転換によって前記発光素子構造部の表面に、酸素を含む前記第１の電極材料の一部からなる第１の電極層、この第１の電極層の表面に、前記第１の電極材料の他の一部および前記第２の電極材料からなる第２の電極層、およびこの第２の電極層の表面に、酸素を含む前記第１の電極材料の残りの部分からなる第３の電極層を形成する第５の工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
6. 発光する層を含んだ窒化物系化合物半導体層より成る発光素子構造部と、
   前記発光素子構造部の表面に形成された電極とを備え、
   前記電極は、前記発光素子構造部の表面に形成された少なくとも所定の密着性とオーミック性を有した酸素を含む第１の電極材料からなる第１の電極層と、前記第１の電極層の表面に形成され、前記第１の電極材料の一部および前記第１の電極材料より金属的安定性に優れた第２の電極材料からなる第２の電極層と、前記第２の電極層の表面に形成され、酸素を含む前記第１の電極材料の他の一部によって形成された第３の電極層を含むことを特徴とする発光素子。
7. 前記第１の電極材料はＮｉ又はＣｏからなり、前記第２の電極材料はＡｕである請求項６に記載の発光素子。