JP2004336021A - 薄膜電極、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 実効キャリアー濃度が増加し、物質間のエネルギーバンドギャップ調節によりショットキー障壁が減少し、高い透過率を有する、優れた電気的、光学的、熱的及び構造的特性を有する新概念のオーミック接触システムを提供する。
【解決手段】 発光ダイオード又はレーザーダイオードにおいてオーミック接触を形成するための薄膜電極において、ｐ型窒化ガリウム層上に積層され、Ｎｉ−Ｘ固溶体を含有する第１電極層と、前記第１電極層上に積層され、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃ、Ｃｕ、及びＩｒからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第２電極層と、を含むことを特徴とする、薄膜電極である。
【選択図】図５

Description

本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体を用いた青・緑色及び紫外線を発する短波長発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ；ＬＥＤ）及びレーザーダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ；ＬＤ）の製造における核心技術の一つであるオーミック接触（Ｏｈｍｉｃ Ｃｏｎｔａｃｔ）に関する。詳細には、低い抵抗及び高い透過率を有し、電流注入（ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）及び電流拡がり能（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）が改善された良質のオーミック接触を形成する技術に関するものである。

発光ダイオード及びレーザーダイオード等のように窒化ガリウム半導体を用いる光素子（Ｐｈｏｔｏ−ｒｅｌａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ）を実現するためには、半導体と電極との間に良質のオーミック接触を形成することが非常に重要である。

従来、ｐ型窒化ガリウムにおいては、ニッケル（Ｎｉ）を基本とする薄膜電極構造、即ち、ニッケル／金（Ｎｉ／Ａｕ）の金属薄膜がオーミック接触のための薄膜電極構造として広く使用されており、最近では、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｔ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ等のように多様な形態のオーミック接触金属システムが開発されている。

しかし、現在でもｐ型窒化ガリウムを用いて良質のオーミック接触を形成するには、いくつか問題点がある。特に、ｐ型窒化ガリウム形成時に使用される雰囲気ガスであるアンモニア（ＮＨ_３）の水素（Ｈ）が、ｐ型ドーパントであるＭｇと結合して電気的に絶縁性を有するＭｇ−Ｈ複合体を形成し、実効キャリアー濃度が低下し、表面抵抗値が上昇する。その結果、良質のオーミック接触を形成することが困難となる。また、キャリアー（ホール）注入が低下するために、高品位の光素子を製造することが困難となる。

ｐ型窒化ガリウムのドーピング濃度を増加させるために、例えば、ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体を、Ｚｒのような水素を吸蔵する能力を有する金属又は合金と共に熱処理し、窒化ガリウム結晶内に存在するｐ型ドーパントの活性化を促進させることによって、高いキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム系化合物半導体を得たという報告がある（特許文献１を参照）。また、例えば、窒化ガリウム上にニッケル、金−亜鉛合金、及び金（Ｎｉ／Ａｕ−Ｚｎ／Ａｕ）を順に薄膜蒸着させてオーミック接触を形成したという報告もある（特許文献２を参照）。

しかし、現状では、短波長領域において高い透過率を有する良質のオーミック接触システムがないという問題もある。現在、ＬＥＤ工程で使用されているニッケル／金（Ｎｉ／Ａｕ）によるシステムは薄く（＜〜１００Å）、８０％以上の透過率を得ている。このように、極度に薄い金属層を用いたオーミック接触は、高い透過率を得ることができる反面、電流注入及び電流拡がり能を向上させることが難しく、光素子の効率を低下させる原因ともなっている。
特開２００１−３５７９６号公報 大韓民国特許出願公開第２００１−２２６５号明細書

さらに本発明者らは、後述する５つの課題を達成するために、既存の技術とは異なる、Ｎｉ−Ｘ固溶体を用いた新規な概念に基づいて、高品位のオーミック接触を形成する技術を見出した。本発明者らが解決しようとした課題は以下の通りである：
（１）窒化ガリウム表面上での実効キャリアー濃度を増加させる：Ｎｉ−Ｘ固溶体の優れた水素親和力を利用し、Ｍｇ−Ｈ結合を破壊する；
（２）短波長領域における光透過率を高め、仕事関数を増大させる：酸化ニッケル（ＮｉＯ）に少量のＸ元素を添加し、Ｎｉ−Ｘ酸化物（Ｎｉ_ｐＸ_ｑＯ）を形成させる（Ａ． Ａｚｅｎｓ ｅｔ ａｌ．， Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ ４２２， ２００２， １）；
（３）ドーピング効果を向上させる：Ｎｉ−Ｘ固溶体に可溶化されたＸ元素をアニールする（Ｍ． Ｈ． Ｇ． Ｊａｃｏｂｓ， Ｐ． Ｊ． Ｓｐｅｎｃｅｒ， Ｊ． Ｃｈｅｍ． Ｐｈｙｓ． ９０， １９９３， １６７）；
（４）多量のガリウム空孔を形成させる：マトリックス金属としてのＮｉ、又はＸ元素と、ガリウムとを反応させて、化合物を形成させる；
（５）エネルギーバンドギャップの原理に基づいて、高品質のオーミック接触を形成する：蒸着されたＮｉ系固溶体をアニールして酸化物を形成させる。これは、ｐ型窒化ガリウムのオーミック接触を容易に形成することができる点で有利である。

したがって、本発明は、実効キャリアー濃度が増加し（（１）、（３）、（４））、物質間のエネルギーバンドギャップ調節によりショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）障壁が減少し（（５））、高い透過率を有する（（２））、優れた電気的、光学的、熱的及び構造的特性を有する新概念のオーミック接触システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、高品質のオーミック接触システムの実現に向けて鋭意研究を重ねた。その結果、ｐ型窒化ガリウム上にニッケル−Ｘ固溶体であるニッケル−マグネシウム固溶体をオーミック接触させて研究を実施した結果、既存の報告より非常に優れた結果が得られることを見出した。また、ｐ型窒化ガリウム半導体上にニッケル系固溶体を蒸着させた後、マグネシウム（Ｍｇ）及び亜鉛（Ｚｎ）等の固溶された金属成分の融点付近の温度で熱処理すると、窒化ガリウム層の表面部位においてマグネシウム及び亜鉛等の優れたドーピング効果が得られ、ガリウムとの反応によって多量のガリウム空孔（Ｇａｌｌｉｕｍ ｖａｃａｎｃｙ）が形成されることにより窒化ガリウム層の表面付近の実効キャリアー濃度が増加し、或いは、窒化ガリウムと蒸着された酸化物質との間のエネルギーバンドが調節されうることを見出した。

これらが改善されることにより、優れた電流−電圧特性及び低い接触抵抗値を有し、かつ、短波長領域で高い透過率を有する高品位のオーミック接触システムが得られる。

前記の課題を達成するために、本発明は、発光ダイオード又はレーザーダイオードにおいてオーミック接触を形成するための薄膜電極において、ｐ型窒化ガリウム層上に積層され、Ｎｉ−Ｘ固溶体を含有する第１電極層と、前記第１電極層上に積層され、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃ、Ｃｕ、及びＩｒからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第２電極層と、を含むことを特徴とする、薄膜電極を提供する。

本発明の薄膜電極は、前記第２電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第３電極層をさらに含んでいてもよい。

あるいは、本発明の薄膜電極は、前記第２電極層上に積層され、透明導電性酸化物及び透明導電性窒化物からなる群から選択される少なくとも１種以上の化合物を含有する第３電極層をさらに含んでいてもよい。

本発明の薄膜電極は、前記第３電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第４電極層をさらに含んでいてもよい。

本発明の他の態様によれば、発光ダイオード又はレーザーダイオードにおいてオーミック接触を形成するための薄膜電極において、ｐ型窒化ガリウム層上に積層され、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃ、Ｃｕ、及びＩｒからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第１電極層と、前記第１電極層上に積層され、Ｎｉ−Ｘ固溶体を含有する第２電極層と、を含むことを特徴とする、薄膜電極が提供される。

前記の態様の薄膜電極は、前記第２電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第３電極層をさらに含んでいてもよい。

あるいは、前記の態様の薄膜電極は、前記第２電極層上に積層され、透明導電性酸化物及び透明導電性窒化物からなる群から選択される少なくとも１種以上の化合物を含有する第３電極層、並びに、前記第３電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第４電極層をさらに含んでいてもよい。

本発明のさらに他の態様によれば、発光ダイオード又はレーザーダイオードにおいてオーミック接触を形成するための薄膜電極において、ｐ型窒化ガリウム層上に積層され、Ｎｉ−Ｘ固溶体を含有する第１電極層と、前記第１電極層上に積層され、透明導電性酸化物及び透明導電性窒化物からなる群から選択される少なくとも１種以上の化合物を含有する第２電極層と、を含むことを特徴とする、薄膜電極が提供される。

前記の態様の薄膜電極は、前記第２電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第３電極層をさらに含んでいてもよい。

本発明のさらに他の態様によれば、発光ダイオード又はレーザーダイオードにおいてオーミック接触を形成するための薄膜電極において、ｐ型窒化ガリウム層上に積層され、Ｎｉ−Ｘ固溶体を含有する第１電極層と、前記第１電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第２電極層と、を含むことを特徴とする、薄膜電極が提供される。

本発明において用いられるＮｉ−Ｘ固溶体は、ニッケル（Ｎｉ）をマトリックス金属とし、前記Ｘは第ＩＩ族元素、第ＶＩ族元素、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｅ、Ｓｎ、及びＳｂからなる群から選択される少なくとも１種以上であることが好ましい。

前記第ＩＩ族元素としては、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、及びＺｎが挙げられる。

前記第ＶＩ族元素としては、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅが挙げられる。

本発明において用いられるＮｉ−Ｘ固溶体における前記Ｘ元素の含有量は、前記Ｎｉ−Ｘ固溶体全量に対して原子百分率で１〜４９％であることが好ましい。

本発明において、Ｎｉ−Ｘ固溶体を含有する電極層の厚さは１〜１０００Åであることが好ましい。また、本発明において、第１、第２、第３、及び第４電極層を合わせた合計の厚さ（薄膜電極全体の厚さ）は１〜５００００Åであることが好ましく、１〜１００００Åであることがより好ましい。。

本発明において用いられるｐ型窒化ガリウムは、好ましくは、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＮ（ただし、０＜ｘ，ｙ，ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成を有する。

本発明のさらに他の態様によれば、不純物を除去するために、窒化ガリウム半導体上に形成された炭素層及び酸素層を洗浄する工程と、２×１０^−６〜５×１０^−８ｔｏｒｒ（２．６６６×１０^−４〜６．６６５×１０^−６Ｐａ）の減圧下において、電子ビーム蒸着、電子線蒸着、スパッタリング工程、プラズマレーザー蒸着、又は電気化学的工程によりニッケル系固溶体を蒸着させる工程と、２５０〜８００℃で３０秒〜１時間、空気、酸素雰囲気、又は窒素雰囲気下で、蒸着したニッケル系固溶体をアニールする工程と、を有する、ｐ型窒化ガリウム層上の薄膜電極の製造方法が提供される。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施態様（第１の態様）による薄膜電極の構造を示す模式図である。

図１によれば、前記薄膜電極は、第１電極層３と第２電極層４とを含み、これらの電極は、基板１上に形成された窒化ガリウム層２上にこの順に積層されている。

また、図１によれば、ｐ型窒化ガリウム層２上に積層された前記第１電極層３は、ｐ型窒化ガリウム半導体のオーミック接触を形成するための電極である。ここで用いられる固溶体は、窒化ガリウム半導体中のＭｇ−Ｈ結合を容易に破壊することができる元素を含み、アニールされることにより優れたドーピング効果を示してガリウム系窒化物を形成する。特に、前記固溶体は、アニールされることにより物質間のエネルギーバンドギャップ原理に基づいてショットキー障壁を低下させうる透明導電性酸化物を形成しうる物質であり、１００Å以上の厚さにおいても、高い透過率を示す。

このように窒化ガリウム半導体と接触している前記固溶体は、窒化ガリウム半導体中のＭｇ−Ｈ結合を容易に破壊することができ、優れたドーピング効果を示し、あるいは、低温（８００℃以下）でアニールされることにより、窒化ガリウム層の表面付近において多量のガリウム空孔を形成する。これにより、窒化ガリウム層の表面付近における実効キャリアー濃度を増加させる。

窒化ガリウムの表面において実効キャリアー濃度が増加する（＞１０^１８ｃｍ^−３）ことによって窒化ガリウム半導体と接触する金属電極の界面に存在するショットキー障壁が低下し、量子の概念に基づくトンネル効果を通じて、多くのキャリアー（ホール）によりキャリアー伝導性が向上する。

上記のような要求を満足する固溶体の例としては、例えば、強い水素親和力を有するニッケル系（Ｎｉ−Ｘ）固溶体が挙げられる。ニッケル（マトリックス金属）中に添加されるＸ元素の例としては、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、亜鉛（Ｚｎ）等の第ＩＩ族元素が挙げられ、これらの元素はｐ型窒化ガリウムのドーパントとしての役割を果たす成分である。これらの成分はニッケル（Ｎｉ）マトリックス中に添加されると、低温領域で化合物の状態ではなく固溶された形態で存在する。蒸着後に、添加された元素の融点付近の温度でアニールすると、これらの元素はドーパントとして機能し、又はガリウムと反応することにより化合物を形成して、多量のガリウム空孔を形成する。

また、ニッケル（Ｎｉ）マトリックス金属に添加されるＸ元素としては、第ＶＩ族元素、即ち、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）及びテルル（Ｔｅ）も用いられうる。これらの元素もまた、窒化ガリウムの窒素（Ｎ）と置換しうるため、ｐ型窒化ガリウムのドーパントとして機能し、ガリウムと反応することにより化合物を形成して、多量のガリウム空孔を形成する。したがって、優れた電気的特性を有する高品質のオーミック接触が容易に形成されうると考えられる。前記第ＩＩ族元素及び第ＶＩ族元素の他にも、低温でガリウムと反応して化合物を形成しうるスカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、及びアンチモン（Ｓｂ）もまた、Ｘ元素として用いられうる。

図１によれば、第２電極層４は薄膜電極の最外層であり、（１）発光ダイオード及びレーザーダイオードのような素子を製造するためのアニール工程中に起こる表面退化を抑制し、（２）ガリウム系化合物の形成を促進し、（３）窒素（Ｎ）の流出を防止し、（４）酸化及びワイヤー接着に対する優れた安定性を保持し、（５）高い透過率を維持する、という役割を果たす。

上記のような要求を満足する第２電極層４として用いられる物質としては、例えば、（１）純金属、即ち、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）、及びルテニウム（Ｒｕ）、（２）透明導電性酸化物（ＴＣＯ）、即ち、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、ドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）、及び酸化錫（ＳｎＯ_２）、並びに（３）透明導電性窒化物、即ちＴｉＮ、が挙げられる。

図２は、本発明の好ましい実施態様（第２の態様）による薄膜電極の構造を示す模式図である。

図２によれば、前記薄膜電極は、第１電極層３、第２電極層４及び第３電極層５を含み、これらの電極は、基板１上に形成された窒化ガリウム層２上にこの順に積層されている。

前記第１電極層３及び第２電極層４については、図２に示す態様においても、図１に示す態様と同様のものが用いられうる。したがって、図２に示す態様についての以下の説明では、第１電極層及び第２電極層についての詳細な説明は省略する。

好ましくは、発光ダイオードの発光効率を最大化する目的で、前記第３電極層５については、一般的なＬＥＤ構造とは逆の構造（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ：フリップチップ）が用いられる。この目的を達成するため、前記第３電極層５の材料としては、優れた光透過率を有する導電性酸化物又は窒化物が選択されうる。

図３は、本発明の好ましい実施態様（第３の態様）による薄膜電極の構造を示す模式図である。図３によれば、前記薄膜電極は、第１電極層３、第２電極層４、第３電極層５、及び第４電極層６を含み、これらの電極は、基板１上に形成された窒化ガリウム層２上にこの順に積層されている。

前記第１電極層３、第２電極層４、及び第３電極層５については、図３に示す態様においても、図２に示す態様と同様のものが用いられうる。したがって、図３に示す態様についての以下の説明では、第１電極層、第２電極層、及び第３電極層についての詳細な説明は省略する。

好ましくは、発光ダイオードの発光効率を最大化する目的で、前記第４電極層６については、一般的なＬＥＤ構造とは逆の構造（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ：フリップチップ）が提供される。この目的を達成するため、前記第４電極層６の材料としては、短波長領域において高い反射率を有するＡｌ、Ａｇ、及びＲｈ等の材料が選択されうる。

図４は、本発明の実施態様による薄膜電極を製造するために用いられるニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体のＸＲＤグラフである。図４（ａ）は、アニーリング前の結果を示し、図４（ｂ）は、５５０℃で１分間アニーリング後の結果を示す。

図４（ａ）のグラフによれば、アニーリングする前のＸＲＤの結果として、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）及びサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板のピークが観察された。さらに、ニッケルにマグネシウムを添加することにより調製されたニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体に対応するピークもまた確認された。

即ち、このようなニッケル−マグネシウム固溶体は、強い水素親和力を有しているため、ｐ型窒化ガリウム層上に接触するとＭｇ−Ｈ結合を破壊し、これにより、窒化ガリウム層の表面におけるキャリアー濃度を増加させる。

図４（ｂ）によれば、５５０℃で１分間アニーリングした後のＸＲＤの結果として、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）に対応するピークに加えて、アニーリング前のニッケル−マグネシウム固溶体が酸化された状態であるニッケル−マグネシウム酸化物固溶体（Ｎｉ_１−ｘＭｇ_ｘＯ）、及び、ニッケル−ガリウム化合物であるＮｉＧａに対応するピークが観察される。

詳細には、この酸化された固溶体は導電性酸化物であり、既存のニッケル／金（Ｎｉ／Ａｕ）構造のニッケル酸化物（ＮｉＯ）より大きい仕事関数を有することが予想される。また、酸化された固溶体により窒化ガリウムの表面部位にキャリアーであるホールが多数供給され、同時にショットキー障壁が低下して、優れた電気的特性が発現しうる。さらに、アニーリングにより生成したこのようなニッケル−マグネシウム固溶体は、金属薄膜の透明性を増加させるのに主導的な役割を果たしていると推察される。

図５は、本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／金（Ａｕ）を蒸着させた後の、アニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。

アニーリング後の電流−電圧特性の測定は、空気中で１分間、４５０℃及び５５０℃の温度でアニールした後にそれぞれ行った。電流−電圧測定時のそれぞれの温度における接触抵抗は、８．４５×１０^−６ｃｍ^２（４５０℃）及び６．０８×１０^−６ｃｍ^２（５５０℃）であった。空気中でアニールして得られたグラフは直線を示し、これは明らかに優れたオーミック接触であることを意味する。一方、窒素中でアニールして得られたグラフは非線形を示し、これは整流性接触であることを意味する。

図６は、本発明の実施態様による、コーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）ガラス上にニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／金（Ａｕ）を蒸着させ、５５０℃で１分間アニールした後に透過率を測定した結果を示すグラフである。

蒸着されたニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／金（Ａｕ）は、短波長領域である３７０〜４５０ｎｍの範囲で８０％以上の透過率を示した。透過率を測定するために蒸着される一般的な金属電極層及びキャッピング層の厚さは、１００Å未満であるが、本発明において用いられる金属電極層及びキャッピング層の厚さは、合計で約２００Åである。これだけ厚いにもかかわらず、本発明の電極層及びキャッピング層は８０％以上の透過率を示したのである。ここで用いられる「キャッピング層」の語は、最外層の電極層を意味する。

図７は、本発明の好ましい実施態様による薄膜電極を製造するために用いられるニッケル−マグネシウム固溶体のオージェ電子分光分析（ＡＥＳ）の結果を示すグラフである。図７（ａ）はアニーリング前の結果を示し、図７（ｂ）は５５０℃で１分間アニーリングした後の結果を示す。なお、図７のグラフにおいて、縦軸は原子百分率を示し、横軸のスパッタリング時間は、試料の深さに対応する。

図７（ａ）によれば、ニッケルと共に少量のマグネシウムが窒化ガリウム層の表面に存在していることがわかる。図７（ａ）には図示していないが、マグネシウムに関するＡＥＳデータから、マグネシウムは、ニッケルと反応することにより、化合物の形態ではなくニッケル金属に固溶された状態で存在していることがわかっている。また、図７（ｂ）によれば、ニッケル−マグネシウム固溶体が形成されており、同時に極微量のマグネシウムが窒化ガリウムの表面に拡散し、分布していることが明らかに示されている。

図８は、本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／白金（Ｐｔ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。

蒸着されたＮｉ−Ｍｇ固溶体／白金を４５０〜６５０℃で１分間アニールした後に、電流−電圧特性を測定した。その結果、明確な直線が得られた。この直線は、１０^−５〜１０^−６ｃｍ^２のレベルで得られたオーミック接触抵抗が優れたオーミック接触であることを意味している。

図９は、本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／パラジウム（Ｐｄ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。

蒸着されたＮｉ−Ｍｇ固溶体／パラジウムを４５０℃で１分間アニールした後に、電流−電圧特性を測定した。その結果、明確な直線が得られた。この直線は、１０^−５ｃｍ^２のレベルで得られたオーミック接触抵抗が優れたオーミック接触であることを意味している。

図１０は、本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／ルテニウム（Ｒｕ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。

図１１は、本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にルテニウム（Ｒｕ）／ニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。

図１０及び図１１に示される結果については、ニッケル／ルテニウム（Ｎｉ／Ｒｕ）及びルテニウム／ニッケル（Ｒｕ／Ｎｉ）の従来のオーム構造と比べる必要がある。詳細には、５５０℃で１分間アニールすると、ニッケル／ルテニウム（Ｎｉ／Ｒｕ）オーム構造の電流−電圧特性では、オーミック接触を形成することが困難であることが判明した。図１０及び図１１のグラフによれば、マグネシウムを添加することにより、１０^−５ｃｍ^２のレベルで得られたオーミック接触抵抗が優れたオーミック接触であることを示す直線が得られることがわかる。

図１２は、本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）固溶体／金（Ａｕ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。

蒸着されたニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）固溶体／金（Ａｕ）を５００℃で１分間アニールした後に、電流−電圧特性を測定した。その結果、明確な直線が得られた。この直線は、１０^−５ｃｍ^２のレベルで得られたオーミック接触抵抗が優れたオーミック接触であることを意味している。

図１３は、本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル単体（Ｎｉ）／ニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）固溶体／金（Ａｕ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。

蒸着されたニッケル単体（Ｎｉ）／ニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）固溶体／金（Ａｕ）を５００℃で１分間アニールした後に、電流−電圧特性を測定した。その結果、明確な直線が得られた。この直線は、１０^−６ｃｍ^２のレベルで得られたオーミック接触抵抗が優れたオーミック接触であることを意味している。

図１４は、本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）固溶体／ニッケル単体（Ｎｉ）／金（Ａｕ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。

蒸着されたニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）／ニッケル単体（Ｎｉ）／金（Ａｕ）を５００℃で１分間アニールした後に、電流−電圧特性を測定した。その結果、明確な直線が得られた。この直線は、１０^−６ｃｍ^２のレベルで得られたオーミック接触抵抗が優れたオーミック接触であることを意味している。

以下、実施例を用いて本発明の内容をより詳細に説明する。ただし、これらの実施例は本発明の内容を理解するために提示されるものであり、本発明の技術的範囲はこれらの実施例によって限定されない。

（実施例１）
ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層を超音波洗浄器（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｂａｔｈ）中に入れ、トリクロロエチレン、アセトン、メタノール、及び蒸留水を用いて６０℃の温度でそれぞれ５分ずつ洗浄した。その後、洗浄されたｐ型窒化ガリウム層に残留している水分を完全に除去するために、ｐ型窒化ガリウム層を、１００℃で１０分間のハードベーキング（ｈａｒｄ ｂａｋｉｎｇ）工程に供した。次に、フォトレジストを４０００ｒｐｍでｐ型窒化ガリウム層上にスピンコーティングした。その後、８８℃で１０分間のソフトベーキング（ｓｏｆｔ ｂａｋｉｎｇ）工程に供した。ｐ型窒化ガリウム層上のマスクパターンを現像するために、マスクと窒化ガリウム層とを並べ、２２．８ｍＷの強度でＵＶに１０秒間露光させて、得られた試料を現像液と蒸留水との混合溶液（現像液：蒸留水＝１：４）中に浸漬させて、１５秒間程度現像した。

その後、現像された試料上に残留している不純物を除去するために、試料をＢＯＥ溶液中に５分間浸漬させた。次いで、電子ビーム蒸着器を用いて、ニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／金（Ａｕ）をそれぞれ１００Åの厚さで蒸着させた後、アセトンを用いたリフト−オフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）工程に供した。得られた試料を急速加熱（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＲＴＡ）炉中に入れ、空気又は窒素雰囲気下において３５０〜５５０℃で１分間アニールし、オーミック接触を形成するための高品質の薄膜電極を製造した。本実施例により得られた薄膜電極の特性を図５〜図７に示す。

（実施例２）
ニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体を蒸着させる工程までは前記実施例１と同様に行った。その後、電子ビーム蒸着器を用いて白金（Ｐｔ）を１００Åの厚さで蒸着させてキャッピング層を形成し、さらにアセトンを用いたリフト−オフ工程に供した。得られた試料を急速加熱炉中に入れ、空気雰囲気下において４５０〜６５０℃で１分間アニールし、オーミック接触を形成するための薄膜電極を製造した。本実施例により得られた薄膜電極の特性を図８に示す。

（実施例３）
ニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体を蒸着させる工程までは前記実施例１と同様に行った。その後、電子ビーム蒸着器を用いてパラジウム（Ｐｄ）を１００Åの厚さで蒸着させてキャッピング層を形成し、さらにアセトンを用いたリフト−オフ工程に供した。得られた試料を急速加熱炉中に入れ、空気雰囲気下において４５０℃で１分間アニールし、オーミック接触を形成するための薄膜電極を製造した。本実施例により得られた薄膜電極の特性を図９に示す。

（実施例４）
ニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体を６０Åの厚さで蒸着させる工程までは前記実施例１と同様に行った。その後、電子ビーム蒸着器を用いて、ルテニウム（Ｒｕ）を４０Åの厚さで蒸着させてキャッピング層を形成し、さらにアセトンを用いたリフト−オフ工程に供した。得られた試料を急速加熱炉中に入れ、空気雰囲気下において４５０℃で１分間アニールし、オーミック接触を形成するための薄膜電極を製造した。本実施例により得られた薄膜電極の特性を図１０に示す。

（実施例５）
窒化ガリウム層上に電極層を蒸着させる前の工程までは実施例１と同様に行った。その後、電子ビーム蒸着器を用いて、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体をそれぞれ４０Åおよび６０Åの厚さで順に蒸着させ、アセトンを用いたリフト−オフ工程に供した。得られた試料を急速加熱炉中に入れ、空気雰囲気下において３５０〜６５０℃で１分間アニールし、オーミック接触を形成するための薄膜電極を製造した。本実施例により得られた薄膜電極の特性を図１１に示す。

（実施例６）
ニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）固溶体を５０Åの厚さで蒸着させる工程までは前記実施例１と同様に行った。その後、電子ビーム蒸着器を用いて、金（Ａｕ）を５０Åの厚さで蒸着させてキャッピング層を形成し、さらにアセトンを用いたリフト−オフ工程に供した。得られた試料を急速加熱炉中に入れ、空気雰囲気下において３５０〜６５０℃で１分間アニールし、オーミック接触を形成するための薄膜電極を製造した。本実施例により得られた薄膜電極の特性を図１２に示す。

（実施例７）
窒化ガリウム層上に電極層を蒸着させる前の工程までは前記実施例１と同様に行った。その後、電子ビーム蒸着器を用いて、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）固溶体、及び金（Ａｕ）をそれぞれ２０Å、３０Å、及び５０Åの厚さで順に蒸着させ、アセトンを用いたリフト−オフ工程に供した。得られた試料を急速加熱炉中に入れ、空気雰囲気下において３５０〜６５０℃で１分間アニールし、オーミック接触を形成するための薄膜電極を製造した。本実施例により得られた薄膜電極の特性を図１３に示す。

（実施例８）
ニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）固溶体を３０Åの厚さで蒸着させる工程までは前記実施例１と同様に行った。その後、電子ビーム蒸着器を用いて、ニッケル（Ｎｉ）及び金を（Ａｕ）をそれぞれ２０Å及び５０Åの厚さで蒸着させ、さらにアセトンを用いたリフト−オフ工程に供した。得られた試料を急速加熱炉中に入れ、空気雰囲気下において３５０〜６５０℃で１分間アニールし、オーミック接触を形成するための薄膜電極を製造した。本実施例により得られた薄膜電極の特性を図１４に示す。

本発明によれば、金属電極層として用いられるＮｉ系固溶体が窒化ガリウム層上に蒸着され、次いでＭｇやＺｎのような可溶化された金属原子の融点付近の温度でアニールすると、窒化ガリウム層の表面においてＭｇ及びＺｎの優れたドーピング効果が得られ、ガリウムとの反応により多数のガリウム空孔が形成されることによって、窒化ガリウム層の表面付近における実効キャリアー濃度が増加し、窒化ガリウムと蒸着された酸化金属との間のエネルギーバンドが調節されうる。これらが改善されることで、本発明によるオーミック接触システムは、電流−電圧特性に優れ、接触抵抗が低く、さらに短波長領域における透過率も高くなる。 加えて、オーミック接触を形成するための本発明の薄膜電極は、低い接触抵抗、優れた電流−電圧特性、優れた表面状態、及び高い透過率のような優れた電気的及び光学的特性を示すこと、特に、改善された電流注入及び電流拡がり能を示すことが期待される。よって、本発明の薄膜電極によれば、窒化ガリウム系の発光ダイオード及びレーザーダイオードの電気的及び光学的効率がかなり改善されうることから、本発明の薄膜電極は、高品質の発光ダイオード及びレーザーダイオードの今後の開発において用いられうる。

本発明の好ましい実施態様（第１の態様）による薄膜電極の構造を示す模式図である。 本発明の好ましい実施態様（第２の態様）による薄膜電極の構造を示す模式図である。 本発明の好ましい実施態様（第３の態様）による薄膜電極の構造を示す模式図である。 本発明の実施態様による薄膜電極を製造するために用いられるニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体のＸＲＤグラフである。図４（ａ）は、アニーリング前の結果を示し、図４（ｂ）は、５５０℃で１分間アニーリング後の結果を示す。 本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／金（Ａｕ）を蒸着させた後の、アニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の実施態様による、コーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）ガラス上にニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／金（Ａｕ）を蒸着させ、５５０℃で１分間アニールした後に透過率を測定した結果を示すグラフである。 本発明の好ましい実施態様による薄膜電極を製造するために用いられるニッケル−マグネシウム固溶体のオージェ電子分光分析（ＡＥＳ）の結果を示すグラフである。図７（ａ）はアニーリング前の結果を示し、図７（ｂ）は５５０℃で１分間アニーリングした後の結果を示す。 本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／白金（Ｐｔ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／パラジウム（Ｐｄ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体／ルテニウム（Ｒｕ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にルテニウム（Ｒｕ）／ニッケル−マグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）固溶体を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）固溶体／金（Ａｕ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル単体（Ｎｉ）／ニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）固溶体／金（Ａｕ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の実施態様による、５×１０^１７のキャリアー濃度を有するｐ型窒化ガリウム層上にニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）固溶体／ニッケル単体（Ｎｉ）／金（Ａｕ）を蒸着させた後の、空気中でのアニーリング前後の電流−電圧特性を示すグラフである。

符号の説明

１：基板、
２：ｐ型窒化ガリウム層、
３：第１電極層、
４：第２電極層、
５：第３電極層、
６：第４電極層。

Claims (17)

1. 発光ダイオード又はレーザーダイオードにおいてオーミック接触を形成するための薄膜電極において、
   ｐ型窒化ガリウム層上に積層され、Ｎｉ−Ｘ固溶体を含有する第１電極層と、
   前記第１電極層上に積層され、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃ、Ｃｕ、及びＩｒからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第２電極層と、
   を含むことを特徴とする、薄膜電極。
2. 前記第２電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第３電極層をさらに含む、請求項１に記載の薄膜電極。
3. 前記第２電極層上に積層され、透明導電性酸化物及び透明導電性窒化物からなる群から選択される少なくとも１種以上の化合物を含有する第３電極層をさらに含む、請求項１に記載の薄膜電極。
4. 前記第３電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第４電極層をさらに含む、請求項３に記載の薄膜電極。
5. 発光ダイオード又はレーザーダイオードにおいてオーミック接触を形成するための薄膜電極において、
   ｐ型窒化ガリウム層上に積層され、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃ、Ｃｕ、及びＩｒからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第１電極層と、
   前記第１電極層上に積層され、Ｎｉ−Ｘ固溶体を含有する第２電極層と、
   を含むことを特徴とする、薄膜電極。
6. 前記第２電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第３電極層をさらに含む、請求項５に記載の薄膜電極。
7. 前記第２電極層上に積層され、透明導電性酸化物及び透明導電性窒化物からなる群から選択される少なくとも１種以上の化合物を含有する第３電極層、並びに、前記第３電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第４電極層をさらに含む、請求項５に記載の薄膜電極。
8. 発光ダイオード又はレーザーダイオードにおいてオーミック接触を形成するための薄膜電極において、
   ｐ型窒化ガリウム層上に積層され、Ｎｉ−Ｘ固溶体を含有する第１電極層と、
   前記第１電極層上に積層され、透明導電性酸化物及び透明導電性窒化物からなる群から選択される少なくとも１種以上の化合物を含有する第２電極層と、
   を含むことを特徴とする、薄膜電極。
9. 前記第２電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第３電極層をさらに含む、請求項８に記載の薄膜電極。
10. 発光ダイオード又はレーザーダイオードにおいてオーミック接触を形成するための薄膜電極において、
    ｐ型窒化ガリウム層上に積層され、Ｎｉ−Ｘ固溶体を含有する第１電極層と、
    前記第１電極層上に積層され、Ａｌ、Ａｇ、及びＲｈからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素を含有する第２電極層と、
    を含むことを特徴とする、薄膜電極。
11. 前記Ｎｉ−Ｘ固溶体はニッケル（Ｎｉ）をマトリックス金属とし、前記Ｘ元素は第ＩＩ族元素、第ＶＩ族元素、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＳｂからなる群から選択される少なくとも１種以上であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の薄膜電極。
12. 前記第ＩＩ族元素は、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ及びＺｎである、請求項１１に記載の薄膜電極。
13. 前記第ＶＩ族元素は、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅである、請求項１１に記載の薄膜電極。
14. 前記Ｎｉ−Ｘ固溶体における前記Ｘ元素の含有量は、前記Ｎｉ−Ｘ固溶体全量に対して原子百分率で１〜４９％である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の薄膜電極。
15. 前記Ｎｉ−Ｘ固溶体を含有する電極層の厚さは１〜１０００Åであり、薄膜電極全体の厚さが１〜５００００Åである、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の薄膜電極。
16. 前記ｐ型窒化ガリウムは、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＮ（ただし、０＜ｘ，ｙ，ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成を有する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の薄膜電極。
17. 不純物を除去するために、窒化ガリウム半導体上に形成された炭素層及び酸素層を洗浄する工程と、
    ２×１０^−６〜５×１０^−８ｔｏｒｒ（２．６６６×１０^−４〜６．６６５×１０^−６Ｐａ）の減圧下において、電子ビーム蒸着、電子線蒸着、スパッタリング工程、プラズマレーザー蒸着、又は電気化学的工程によりニッケル系固溶体を蒸着させる工程と、
    ２５０〜８００℃で３０秒〜１時間、空気、酸素雰囲気、又は窒素雰囲気下で、蒸着したニッケル系固溶体をアニールする工程と、
    を有する、ｐ型窒化ガリウム層上の薄膜電極の製造方法。

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