JP2006108164A - 電極形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透光性が高く、低抵抗の透光性電極の製造方法。
【解決手段】半導体発光素子１００は、サファイア基板上にバッファ層１０２、ノンドープＧａＮ層１０３、高キャリヤ濃度ｎ⁺層１０４、ｎ型層１０５、発光層１０６、ｐ型層１０７、ｐ型コンタクト層１０８を順に積層して形成され、少なくとも酸素が存在する雰囲気下で電子線蒸着法又はイオンプレーティング法により形成され、後に焼成されて形成されたＩＴＯから成る透光性電極１１０を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物系化合物半導体を積層して形成した半導体素子の電極の形成方法に関する。本発明は、特に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成る透光性電極を形成する方法に関する。

現在、III族窒化物系化合物半導体素子は非導電性のサファイア基板を用い、ｎ電極、ｐ電極共に半導体素子層側に形成したものが一般的である。ここで、いわゆるフェイスアップ型のIII族窒化物系化合物半導体素子においては、ｐ型層表面に例えば合金化した金(Au)及びコバルト(Co)から成る薄膜透光性電極を用いて、光を電極を形成した側から取り出している。しかし、Au/Co薄膜透光性電極は、光透過率が60%程度であり、光取り出し効率は十分とは言えない。

一方、III族窒化物系化合物半導体発光素子の透光性電極として、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いることが提案されている。
特許第３３９４４８８号公報 特開２００３−１７７４８号公報

酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）については、III族窒化物系化合物半導体発光素子に用いた場合の特性が十分には解明されておらず、また、電極として形成するための最適条件を開発する必要がある。よって本発明の目的は、III族窒化物系化合物半導体発光素子の透光性電極として酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成る電極の形成方法を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段によれば、III族窒化物系化合物半導体を積層して形成した半導体素子の電極の形成方法において、電極は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成り、当該酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を、少なくとも酸素の存在する雰囲気下で電子線蒸着法又はイオンプレーティング法により蒸着させることを特徴とする。

また、請求項２に記載の手段によれば、前記酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜形成の後、300℃以上の温度で焼成することを特徴とする。また、請求項３に記載の手段によれば、前記酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜形成は、0.01Pa以上の酸素雰囲気下で行うことを特徴とする。

また、請求項４に記載の手段によれば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成る電極の上に、ワイヤボンディングのためのパッド電極を形成するものであり、当該パッド電極の最下層として、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、クロム(Cr)及びアルミニウム(Al)のうちの少なくとも一種類を含む膜を形成することを特徴とする。

以下に示す通り、本発明者らは、ＩＴＯを酸素の存在する雰囲気下で電子線蒸着法又はイオンプレーティング法により蒸着させることで、好適な透光性電極を形成できることを見出した。この後、加熱によりＩＴＯの焼成を行うことで、透光性が高く、抵抗率の低い電極を形成できることも見出した。また、ＩＴＯ形成時に酸素を0.06Pa以上とすると、焼成を行わないで、透光性が高く、抵抗率の低い電極を形成できることも見出した。

ＩＴＯから成る透光性電極に接して、ワイヤボンディングのためのいわゆるパッド電極を形成する必要があるが、本発明者らは例えば金の厚膜電極とＩＴＯとの間に、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、クロム(Cr)又はアルミニウム(Al)を設けると接合度を高くすることができることも見出した。

本発明の主たる特徴であるＩＴＯは、Ｓｎの割合が２〜２０％が良好である。ＩＴＯの厚さは10nm以上10μm以下とすると良い。10nm未満では電流の拡散が不十分となる他、剥がれが生じやすくなる。また10μmを越えると光透過性が悪化する。ＩＴＯの厚さは、より好ましくは100nm以上5μm以下、更に好ましくは200nm以上2μm以下である。

ＩＴＯ膜形成時の酸素圧は0.01Pa以上10Pa以下が好ましく、より好ましくは0.03Pa以上2Pa以下、更に好ましくは0.05Pa以上1Pa以下である。0.01Pa以上とすると、抵抗値の低い電極を形成することができる。また、後工程の焼成により80%以上の光透過度を得ることができる。酸素圧を0.06Pa以上とすると、後工程の焼成によらずとも90%以上の光透過度を得ることができる。焼成は、300℃以上1000℃以下で行うと良い。300℃未満では焼成の効果が十分とは言えず、1000℃を越えると半導体素子の特性劣化をもたらす。より好ましくは500℃以上900℃以下、更に好ましくは600℃以上800℃以下である。また、焼成は不活性ガス雰囲気下、特に窒素雰囲気下で行うことが好ましい。

ワイヤボンディングのためのパッド電極については、厚膜の金(Au)により形成すると良い。厚さは0.5〜3μmの範囲で任意に設定される。主として金(Au)によりパッド電極を形成する場合、ＩＴＯから成る透光性電極との間にニッケル(Ni)、チタン(Ti)、クロム(Cr)又はアルミニウム(Al)を形成すると、パッド電極とＩＴＯから成る透光性電極との接合度が高くなる。特にニッケル(Ni)を用いた場合、接合度がより高くなる。

本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子は、上記の発明の主たる構成に係る限定の他は、任意の構成を取ることができる。また、発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラその他の任意の発光素子として良い。特に本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。

具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。

発光層を多重量子井戸構造とする場合は、少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物系化合物半導体Al_xGa_yIn_1-x-yN(0≦x＜1, 0＜y≦1)から成る井戸層を含むものが良い。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのGa_yIn_1-yN(0＜y≦1)から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体AlGaInNから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのGa_yIn_1-yN(0＜y≦1)の井戸層とアンドープのGaNから成る障壁層である。

電極形成層等のIII族窒化物半導体層は、少なくともAl_xGa_yIn_1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。

更に、これらの半導体を用いてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。

以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

まず、本発明の電極形成方法による、ＩＴＯの光透過性の向上とシート抵抗の抑制の効果を示すため、次の実験を行った。酸化スズと酸化インジウムの混合物（酸化スズ５％）をターゲットとして、電子線蒸着法によりサファイア基板上に300nmの膜厚のＩＴＯを形成した。この際、蒸着装置内部を1×10^-2Pa以下の高真空にした後、酸素を４通りの圧力で導入して、各々ＩＴＯを形成した。酸素圧は、0.0Pa（即ち、酸素導入せず）、0.005Pa、0.015Pa、0.06Pa、0.1Paの５通りとした。この後、一旦、波長470nmの青色光に対する光透過性とシート抵抗を測定した。次に各々、窒素雰囲気下で400℃、10分間の焼成を行った後、再度光透過性とシート抵抗を測定した。この結果を表１に示す。尚、光透過性はサファイア基板のそれを100%とした場合の相対値である。

ＩＴＯを形成する際に酸素を導入しなかった場合、焼成の前後で光透過性に著しい差があった。即ち、焼成前では光透過性が65%に留まったが、焼成後は100%となった。一方、シート抵抗は100Ω／□程度で、焼成前後に差はほとんど無かった。

酸素が0.005Pa存在する中でＩＴＯを形成した場合、焼成の前後で光透過性に著しい差があった。即ち、焼成前では光透過性が60%に留まったが、焼成後は90%となった。また、シート抵抗は焼成前後に差がほとんど無く、27Ω／□程度であり、改善の余地はあるものの、比較的良好であった。

酸素が0.015Pa存在する中でＩＴＯを形成した場合、焼成の前後で光透過性に著しい差があった。即ち、焼成前では光透過性が57%に留まったが、焼成後は88%となった。また、シート抵抗は焼成前後に差がほとんど無く、16Ω／□程度と、極めて良好であった。

酸素が0.06Pa存在する中でＩＴＯを形成した場合、光透過性、シート抵抗ともに焼成の前後で差がほとんど無く、極めて良好であった。即ち、光透過性は93%程度、シート抵抗も16Ω／□程度であった。

酸素が0.1Pa存在する中でＩＴＯを形成した場合、光透過性、シート抵抗ともに極めて良好であった。即ち、光透過性は焼成の前後で共に96%程度、シート抵抗は焼成前の14Ω／□から8Ω／□と小さくなり、シート抵抗が改善された。

以上の結果は、焼成により、ＩＴＯの再結晶が進んだことで光透過性が良くなり、酸素が微量存在する中でＩＴＯを形成することで、化学量論的に（ストイキオメトリック的に）理想的なＩＴＯ組成となることから抵抗値が抑制されるものとして説明することができる。以上の通り、本発明によれば、透光性電極として極めて良好なＩＴＯ膜を形成することができる。

図１に、本発明の実施例に係る半導体発光素子１００の模式的な断面図を示す。半導体発光素子１００では、図１に示す様に、厚さ約300μmのサファイヤ基板１０１の上に、窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約15nmのバッファ層１０２が成膜され、その上にノンドープのGaNから成る膜厚約500nmの層１０３が成膜され、その上にシリコン(Si)を1×10¹⁸/cm³ドープしたGaNから成る膜厚約5μmのｎ型コンタクト層１０４（高キャリヤ濃度ｎ⁺層）が形成されている。

また、このｎ型コンタクト層１０４の上には、シリコン(Si)を1×10¹⁷/cm³ドープした膜厚25nmのｎ型Al_0.15Ga_0.85Nから成るｎ型層１０５が形成されている。更にその上には、膜厚3nmのノンドープIn_0.2Ga_0.8Nから成る井戸層１０６１と膜厚20nmのノンドープGaNから成る障壁層１０６２とを３ペア積層して多重量子井戸構造の発光層１０６が形成されている。

更に、この発光層１０６の上には、Mgを2×10¹⁹/cm³ドープした膜厚25nmのｐ型Al_0.15Ga_0.85Nから成るｐ型層１０７が形成されている。ｐ型層１０７の上には、Mgを8×10¹⁹ドープした膜厚100nmのｐ型GaNから成るｐ型コンタクト層１０８を形成した。

又、ｐ型コンタクト層１０８の上にはＩＴＯから成る透光性ｐ電極１１０が、ｎ型コンタクト層１０４上にはｎ電極１４０が形成されている。透光性ｐ電極１１０は、ｐ型コンタクト層１０８に直接接合する膜厚約300nmのＩＴＯから構成されている。

厚膜ｐ電極１２０は、膜厚約30nmのニッケル(Ni)より成る第１層１２１と、膜厚約1.5μmの金(Au)より成る第２層１２２と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第３層１２３とを透光性ｐ電極１１０の上から順次積層させることにより構成されている。

多層構造のｎ電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分の上から、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１４１と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第２層１４２とを積層させることにより構成されている。

半導体発光素子は、サファイア基板上にバッファ層１０２、ノンドープＧａＮ層１０３、高キャリヤ濃度ｎ⁺層１０４、ｎ型層１０５、発光層１０６、ｐ型層１０７、ｐ型コンタクト層１０８を順にエピタキシャル成長させ、ｎ電極１４０を形成するためのエッチングを行った後、次のように電極形成を行った。

まず、フォトレジストにより透光性ｐ電極（ＩＴＯ）１１０を形成すべき領域を窓としたマスクを形成した後、酸化スズと酸化インジウムの混合物（酸化スズ５％）をターゲットとして、電子線蒸着法により300nmの膜厚のＩＴＯから成る透光性ｐ電極１１０を酸素圧0.06Pa下で形成した。次に、窒素雰囲気下で、600℃、5分間の焼成を行った。この後フォトレジストを除去した。

次に、フォトレジストにより厚膜ｐ電極１２０を形成すべき領域を窓としたマスクを形成した後、膜厚約30nmのニッケル(Ni)より成る第１層１２１と、膜厚約1.5μmの金(Au)より成る第２層１２２と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第３層１２３とを透光性ｐ電極１１０の上に順に形成した。この後フォトレジストを除去した。

全く同様に、フォトレジストによりｎ電極１４０を形成すべき領域を窓としたマスクを形成した後、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１４１と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第２層１４２とを、高キャリヤ濃度ｎ⁺層１０３の露出した領域に形成した。この後フォトレジストを除去した。

次に透光性ｐ電極（ＩＴＯ）１１０、厚膜ｐ電極１２０、ｎ電極１４０を加熱処理した。最後にSiO₂から成る保護膜１３０を形成した。尚、保護膜１３０は、SiO₂に替えてSiN_xを用いても良い。

〔比較例〕
上記の実施例において、透光性ｐ電極（ＩＴＯ）１１０に替えて、最下層から順に9ÅのCo、29ÅのAu、9ÅのCo、30ÅのAuの４層を積層することにより薄膜透明電極を形成し、厚膜ｐ電極１２０に替えて最下層から順に、膜厚40nmのAu、膜厚30nmのCr、膜厚650nmのAu、膜厚10nmのAlから形成した比較に係る半導体発光素子を用意し、上記半導体発光素子１００と物性を比較した。この際、Agステムに実装し、また透明ペーストで覆った。

Au/Co/Au/Coの４層を積層してアロイ化した透明電極を有する比較に係る半導体発光素子は、駆動電圧が3.15V、光度が77mcd、全放射束が3.4mWであったのに対し、本発明に係る図１の半導体発光素子１００は、駆動電圧が3.27V、光度が146mcd、全放射束が7.6mWであった。即ち、Au/Coの薄膜透明電極を有する半導体発光素子に対し、本発明のＩＴＯから成る透光性電極を有する半導体発光素子は、駆動電圧にほとんど変化が無く、且つ光度及び全放射束が著しく向上した。

本発明の実施例２に係る半導体発光素子１００の構成を示す断面図

符号の説明

１００：半導体発光素子
１０１：サファイヤ基板
１０２：バッファ層
１０３：ノンドープＧａＮ層
１０４：高キャリア濃度ｎ⁺層
１０５：ｎ型層
１０６：発光層
１０７：ｐ型層
１０８：ｐ型コンタクト層
１１０：透光性ｐ電極（ＩＴＯ）
１２０：厚膜ｐ電極
１３０：保護膜
１４０：ｎ電極

Claims (4)

1. III族窒化物系化合物半導体を積層して形成した半導体素子の電極の形成方法において、
   前記電極は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成り、
   当該酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を、少なくとも酸素の存在する雰囲気下で電子線蒸着法又はイオンプレーティング法により形成することを特徴とする電極形成方法。
2. 前記酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜形成の後、300℃以上の温度で焼成することを特徴とする請求項１に記載の電極形成方法。
3. 前記酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜形成を、0.01Pa以上の酸素雰囲気下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。
4. 前記酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成る電極の上に、ワイヤボンディングのためのパッド電極を形成するものであり、
   当該パッド電極の最下層として、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、クロム(Cr)及びアルミニウム(Al)のうちの少なくとも一種類を含む膜を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電極形成方法。