WO2002067340A1 - Semiconductor light-emitting device, method for fabricating semiconductor light-emitting device, and electrode layer connection structure - Google Patents

Description

明 細 書 半導体発光素子、 半導体発光素子の製造方法、 及び電極層の接続構造 技術分野

この発明は、 窒化物半導体などを用いて形成される半導体発光素子 とその製造方法、 及び電極層の接続構造に関し、 特に活性層で発光した 光を該活性層上に積層される電極層で反射させるタイプの半導体発光素 子とその製造方法、 及び電極層の接続構造に関する。 背景技術

窒化ガリゥム系化合物半導体は可視光発光素子用の半導体材料とし て多用されるようになってきており、 特に、 青色及び緑色の発光ダイォ ードの分野での展開が進んでいる。 一般的には、 窒化ガリウム系半導体 層をサファイア基板などの基板上に結晶成長させ、 n型半導体層と、 活 性層と、 P型半導体層とを順次積層した構造を有している。 このような 積層構造の発光ダイオードの場合、 活性層に電流の注入がされ、 活性層 で生じた光が外部に取り出される。

このような構造の半導体発光素子では、 活性層の上側に向かう光を 取り出す構造や、 活性層の下側に向かう光を透明性の基板を介して取り 出す構造などが知られる。 特に透明性の基板を介して取り出す構造にお いては、 P型半導体層に接続する電極層を反射層として活用した構造の 素子があり、 例えば、 特開平 1 1 一 1 9 1 6 4 1号公報に記載されるフ リップチップ型の半導体発光素子や、 特開平 1 1 一 2 2 0 1 7 0号公報 に記載される発光ダイオード素子、 さらには特開 2 0 0 0— 9 1 6 3 8 号公報に記載される半導体発光素子などが知られている。 このように半導体発光素子において発光した光を P側電極界面で反 射させる素子では、 基板側からの出力光として活性層から基板側に透過 する光にだけでなく p側電極界面で反射した光が加わることから、 発光 素子の発光効率を高めることができる。 また、 特開平 1 1 一 1 9 1 6 4 1号公報に記載される素子や、 特開 2 0 0 0— 9 1 6 3 8号公報に記載 される半導体発光素子については、 反射層として機能する電極層と p型 半導体層の間にォ一ミック接触を図るためのコンタクトメタル層を形成 する構造が開示されている。

ところが、 p型半導体層に良好なォ一ミック接触を図る目的でコン タクト層を形成した場合であっても、 そのコンタクト層の膜厚が例えば 5 0 n m程度と厚い場合では、 反射率を高くすることが困難であり、 半 導体発光素子としての発光効率の高効率化が求められる中、 コンタクト メタル層を含む反射構造そのものの改善が要求されている。

したがって、 この発明は上述の技術的な課題に鑑み、 さらなる発光 効率の高効率化を実現する半導体発光素子とその製造方法、 および発光 効率の高効率化を実現する電極層の接続構造の提供を目的とする。

発明の開示

この発明の半導体発光素子は、 光透過型基板上に第一導電型半導体 層と、 活性層と、 第二導電型半導体層とが順次積層され、 前記活性層で 発生した光が前記光透過型基板を介して取り出される半導体発光素子に おいて、 前記活性層上に形成された前記第二導電型半導体層上に、 電極 層が形成され、 該電極層と前記第二導電型半導体層の間には前記活性層 で発生した光の侵入長若しくはそれ以下の厚みを有するコンタク卜メタ ル層が形成されることを特徴とする。

上述の半導体発光素子によれば、 第一導電型半導体層と、 活性層と、 第二導電型半導体層とが順次積層されることから、 その活性層に電流を 注入することで、 光を発生させることができる。 基板を光透過型基板と することで、 活性層で発生した光は基板側に照射されるが、 活性層で発 生した光の一部は前記第二導電型半導体層側に向かう。 この第二導電型 半導体層上に電極層を形成することで、 その第二導電型半導体層側に向 かった光は電極層の界面で反射可能となり、 第二導電型半導体層側に向 かった光は基板側に反射される。 電極層と前記第二導電型半導体層の間 にコンタクトメタル層を形成し、 コンタクトメタル層の厚みを発生した 光の侵入長若しくはそれ以下の厚みに薄くすることで、 ォ一ミック接触 を図りながら電極層での反射率を高くすることができ、 素子全体として の発光効率を上げることができる。

また、 この発明の半導体発光素子の製造方法は、 上述の半導体発光 素子を製造する方法として、 光透過型基板上に第一導電型半導体層と、 活性層と、 第二導電型半導体層とを順次積層する工程と、 前記第二導電 型半導体層上に前記活性層で発生する光の侵入長若しくはそれ以下の厚 みを有するコンタクトメタル層を形成する工程と、 前記コンタクトメタ ル層上に電極層を形成する工程とを有することを特徴とする。

この半導体発光素子の製造方法によれば、 第二導電型半導体層の形 成後に、 活性層で発生する光の侵入長若しくはそれ以下の厚みを有する コンタクトメタル層が形成され、 更にその所要の厚みを有するコンタク トメタル層が形成された後に電極層が形成される。 従ってコンタクトメ タル層は、 その厚みが活性層で発生した光の侵入長若しくはそれ以下の 厚みとされることから、 ォ一ミック接触を図りながら電極層での反射率 を高くすることができ、 光透過型基板側への反射強度を上げることがで きる。

また、 この発明の電極層の接続構造は、 光透過性の半導体層と、 前 記半導体層上に形成され該半導体層を透過する光の侵入長若しくはそれ 以下の厚みを有するコンタクトメタル層と、 前記コンタクトメタル層上 に形成される電極層とからなることを特徴とするものである。 この発明 の電極層の接続構造によれば、 前記半導体発光素子と同様に、 電極層と 前記半導体層の間にコンタクトメタル層を形成し、 コンタクトメタル層 の厚みを発生した光の侵入長若しくはそれ以下の厚みに薄くすることで， ォーミック接触を図りながら電極層での反射率を高くすることができる < 図面の簡単な説明

第 1図は、 この発明の第 1の実施形態の半導体発光素子の断面図、 第 2図は、 第 1図に示すこの発明の第 1の実施形態の半導体発光素子の 要部断面図、 第 3図は、 GaNZN i/Ag構造の反射率の N i膜厚依 存性を計算した特性図、 第 4図は、 GaN/N i ZA 1構造の反射率の N i膜厚依存性を計算した特性図、 第 5図は、 GaNZN iZAu構造 の反射率の N i膜厚依存性を計算した特性図、 第 6図は、 この発明の第 2の実施形態の選択成長により形成された半導体発光素子の断面図であ る。 発明を実施するための最良の形態

以下、 この発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する 第 1の実施形態

第 1図は本実施形態の半導体発光素子の断面図である。 本実施形態の 半導体発光素子は、 G aN系化合物半導体を積層して形成した発光部を 有しており、 絶縁性の透明なサファイア基板 1 1上に、 GaNバッファ 層を介してシリコンがドープされた n型 G a N層 12、 光を発生させる I n GaN活性層 1 3、 マグネシウムがドープされた p型 G a N層 14 とが積層された構造を有している _P シリコンがド一プされた n型 G aN 層 1 2は、 第一導電型クラッド層として機能し、 マグネシウムがドープ された P型 G aN層 14は第二導電型クラッド層として機能して、 本素 子はダブルへテロ構造となっている。

第二導電型クラッド層である p型 G a N層 1 4には、 さらにォーミ ック接触を図るコンタクトメタル層であるニッケル層 1 5が形成されて おり、 このニッケル層 1 5の膜厚は、 後述するように活性層で発生する 光の侵入長若しくはそれ以下の厚みとされ、 本実施形態においては一例 として膜厚約 1 O nmとなっている。 このニッケル層 1 5上には p側電 極層 1 6が形成されている。 p側電極層 1 6は例えばアルミニウム、 銀 からなる薄膜であり、 コンタクトメタル層であるニッケル層 1 5を透過 した光は P側電極層 1 6の界面で反射する。 なお、 本実施形態において, P側電極層 1 6は例えばアルミニウム、 銀からなる薄膜であるが、 これ らのアルミニウム、 銀の上に金や白金などの金属層を積層した構造であ つても良い。 .

n側電極層 1 8は、 全面に n型 G a N層 1 2、 I n G a N活性層 1 3、 p型 G a N層 14を積層した後、 開口部を形成して n型 G a N層 1 2を露出させた n側電極取り出し領域 1 7を形成し、 その n側電極取り 出し領域 1 7上に n型 G aN層 1 2と電気的な接続を図るように形成さ れる。 この n側電極層 1 8は、 例えば、 T i /A 1 ZP t ZAu電極構 造である。

第 2図は本実施形態の要部断面図である。 第 2図に示すように、 本 実施形態の半導体発光素子は I n G a N活性層 1 3をそれぞれクラッド 層である n型 G aN層 1 2と p型 G aN層 14の間に介在させたダブル ヘテロ構造を有し、 その p型 G a N層 14の上側に、 ォーミック接触を 図るコンタクトメタル層であるニッケル層 1 5が形成され、 さらにニッ ケル層 1 5の上にアルミニウム若しくは銀からなる p側電極層 1 6が形 成されている。 このニッケル層 1 5の膜厚 tは、 活性層 1 3で発生する 光の侵入長 λ若しくはそれ以下の厚みとされ、 本実施形態においては膜 厚約 1 0 n mとなっているが、 発生する光に応じて厚みを変えることも でき、 さらには蒸着法、 メツキ法などによって形成される際の膜質など に応じて変えることのできる寸法である。 光が金属表面で反射する場合、 エネルギーを有する電磁波としての光は、 金属表面よりも侵入長と称さ れる長さだけ金属表面から侵入し、 完全反射の場合にはフオノン相互作 用によって同じエネルギーを受取って反射をする。 一方、 ォ一ミックコ ンタクトを達成するためには、 極めて薄い膜でも十分であり、 本発明者 が行った実験結果からは、 例えばニッケル層 1 5の膜厚が I n mという ように極めて薄い膜厚であっても発光動作が確認されている。 このこと から、 ニッケル層 1 5の膜厚 tは、 活性層 1 3で発生する光の侵入長 λ 若しくはそれ以下の厚みとすることで、 その上の ρ型 G a N層 1 4での 反射効率を高めることができる。

ここで、 ニッケル層 1 5の膜厚 tは、 例えば 2 0 n m以下の膜厚で あることが望ましく、 1 0 n m以下の膜厚であることがより好ましく、 5 n m以下の膜厚であることがさらに好ましい。 これらの膜厚 tの範囲 については、 第 3図乃至第 5図は計算によるニッケル層の膜厚と反射率 の関係を示す図からも説明できる。

第 3図は G a N層、 N i層、 A g層の積層構造に対して、 N i層の 膜厚を変化させながら発光した光を反射させ、 その反射率を算出したも のである。 第 3図に示すように、 N i層の膜厚が薄い方が反射率が高く なり、 N i層の膜厚が増加するに従って反射率が低くなつて行く傾向に ある。 第 3図に示すように、 2 0 n mを超える膜厚の場合、 その反射率 は相対値で 0 . 4以下であり、 少なくとも 0 . 4以上の反射率を得る場 合には N i層の膜厚を 2 0 nm以下とすることが必要であって、 好まし くは膜厚 1 0 nm以下とされる。 さらに反射率として 0. 6やそれ以上 の値を得る場合には N i層の膜厚を 5 nm以下とすることが望ましい。 第 4図は G a N層、 N i層、 A 1層の積層構造に対して、 N i層の 膜厚を変化させながら発光した光を反射させ、 その反射率を算出したも のである。 第 4図に示すように、 Ag層 （第 3図参照） を形成した場合 と同様に、 N i層の膜厚が薄い方が反射率が高くなり、 N i層の膜厚が 増加するに従って反射率が低くなつて行く傾向にある。 第 4図に示すよ うに、 20 nmを超える膜厚の場合、 その反射率は相対値で 0. 5以下 であり、 少なくとも 0. 5以上の反射率を得る場合には N i層の膜厚を 2 0 nm以下とすることが必要となる。 反射率が相対値で 0. 6やそれ 以上となるのは膜厚 1 0 nm以下の場合であり、 より好ましくは N i層 の膜厚を 5 nm以下とすることが望ましい。

第 5図は参考として図示する G aN層、 N i層、 Au層の積層構造の 反射率を計算した図である。 電極層が Auの場合、 N i層の膜厚を薄く した場合でも、 反射率が高くなる傾向を示さない。 この第 5図との対比 から、 金属材料で形成される p側電極層は A gや A 1が好ましいことが 分かる。

上述のように、 透明なサファイア基板 1 1から光の取り出しを行う 半導体発光素子において、 I nG aN活性層 1 3から出力された光は直 接 n型 G aN層 1 2とサファイア基板 1 1を透過する光と、 p側電極層 1 6で反射した光が合わされたものとなり、 しかも p側電極層 1 6で反 射する光は、 コンタクトメタル層であるニッケル層 1 5が高反射率とな るように薄膜化による最適化がなされていることから、 その効率高く反 射されたものであり、 従って、 全体として発光効率の高効率化を実現す ることができる。 なお、 上述の実施形態においては、 基板をサファイア基板として説 明したが、 他の光透過性基板を用いても良く、 例えば、 窒化ガリウム基 板、 ガラス基板、 透明樹脂基板などを使用しても良く、 転写などによつ て結晶成長した基板と実装される基板を別個にすることも可能である。 また、 コンタクトメタル層を N i として説明したが、 P d、 C oまたは S bなどによって構成することもでき、 これらの合金でもあっても良い。 第 2の実施形態

本実施形態は、 選択成長によって六角錐状の結晶部分を有する半導体 発光素子の例であり、 第 6図に示すように、 下地成長層 2 2上にシリコ ン酸化膜などからなる成長阻止膜 2 3が形成され、 その成長阻止膜の一 部を開口した窓部 2 4からの選択成長によって n型 G a N層 2 5が形成 された構造を有している。 下地成長層 2 2は、 c面を主面とするサファ ィァ基板上のバッファ層を介して積層された G a N系半導体の成長層で あり、 サフアイァ基板の裏面側からのレーザ一照射によってサファイア 基板と下地成長層 2 2の間でレーザーアブレーシヨンを生じて、 サファ ィァ基板から離脱した構造となっている。

選択成長によって、 下地成長層 2 2から成長する n型 G a N層 2 5は 六角錐状若しくはピラミツド状とされ、 S面からなる傾斜面に周囲を囲 まれた構造を有している。 この n型 G a N層 2 5上には I n G a N活性 層 2 6が形成され、 さらにマグネシウムド一プの p型 G a N層 2 7が積 層される。 n型 G a N層 2 5が第一導電型クラッド層として機能し、 p 型 G a N層 2 7が第二導電型クラッド層として機能し、 本実施形態の半 導体発光素子はダブルへテロ構造をとる。

このような半導体積層構造に対して、 傾斜面を覆う形でコンタクトメ タル層としてのニッケル層 2 8が形成され、 そのニッケル層 2 8上に p 側電極層 2 9が A g或いは A 1の金属材料によって形成される。 第 6図 において線で示すニッケル層 2 8は、 さらにォ一ミック接触を図るため の薄膜であり、 このニッケル層 2 8の膜厚は、 活性層で発生する光の侵 入長若しくはそれ以下の厚みとされ、 本実施形態においては一例として 膜厚約 1 O n mとされる。 このニッケル層 2 8上に形成される p側電極 層 2 9は、 ニッケル層 2 8を透過した光を p側電極層 2 9の界面で反射 するものであり、 特に本実施形態においては、 反射面としての p側電極 層 2 9が発光領域である I n G a N活性層 2 6を自己整合的に取り囲む 構造とされ、 しかも六角錐の頂点部を中心とする反射器のように多重反 射を伴いながら、 効率高く光が取り出されるような構造となっている。 このためニッケル層 2 8を I n G a N活性層 2 6で発生する光の侵入長 若しくはそれ以下の厚みとすることで、 さらに反射面での反射率が高く なり、 光の取り出し効率を上げることができる。 本発明者らが行った実 験によれば、 発光効率がニッケル層 2 8の厚みを光の侵入長若しくはそ れ以下の厚みとしない構造に比べて約 1 . 7倍になるデータが得られて いる。

下地成長層 2 2の一部は、 n型 G a N層 2 5の下部より水平方向に延 在された構造とされ、 その延在された部分では成長阻止膜 2 3の一部が 除去されて開口部 3 0が形成され、 その開口部 3 0内に n側電極層 3 1 が形成されている。 この n側電極層 3 1は、 例えば T i ZA 1 Z P t Z A u電極構造を有する。

なお、 本実施形態において、 p側電極層 1 6は例えばアルミニウム、 銀からなる薄膜であるが、 これらのアルミニウム、 銀の上に金や白金な どの金属層を積層した構造であっても良い。

このような構造の本実施形態の半導体発光素子は、 I n G a N活性層 2 6から出力された光は直接 n型 G a N層 2 5及び下地成長層 2 2を透 過する光と、 p側電極層 2 9で反射した光が合わされたものとなり、 し かも P側電極層 2 9で反射する光は、 コンタクトメタル層であるニッケ ル層 2 8が高反射率となるように薄膜化による最適化がなされているこ とから、 その効率高く反射されたものであり、 従って、 全体として発光 効率の高効率化を実現することができる。 さらに、 本実施形態の半導体 発光素子では、 選択成長によって六角錐状の結晶構造が得られ、 G a N 層の S面などからなる傾斜面に自己整合的に形成された p側電極層 2 9 が多重反射を生じさせる反射膜として機能することから、 より高い反射 効率を実現することができる。

なお、 上述の実施形態では、 この発明の半導体発光素子の電極層の構 造を発光ダイオードに適用した例について説明したが、 その他の半導体 レーザ—や、 その他の光半導体素子などにもこの発明を適用することも できる。 この発明の半導体発光素子の発光波長を特に限定するものでは ないが、 例えば青色発光の場合では、 p側電極層は A g若しくは A 1 と することが望ましい。 また、 コンタクトメタル層を N i として説明した が、 P d、 C oまたは S bなどによって構成することもでき、 これらの 合金でもあっても良い。

上述のこの発明の半導体発光素子によれば、 透明な基板側からの光の 取り出しの際に取り出される光は活性層から直接 n型 G a N層等を透過 した光と、 p側電極層で反射した光が合わされたものとなり、 しかも p 側電極層で反射する光は、 コンタクトメタル層が高反射率となるように 薄膜化による最適化がなされていることから、 全体として発光効率の高 効率化を容易に実現することができる。

さらに、 選択成長によって半導体層を形成した場合では、 選択成長に よって六角錐状などのピラミツド型結晶構造が得られ、 G a N層のS面 などからなる傾斜面に自己整合的に形成された p側電極層が多重反射を 生じさせる反射膜として機能することから、 より高い反射効率を実現す ることができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 光透過型基板上に第一導電型半導体層と、 活性層と、 第二導電型半 導体層とが順次積層され、 前記活性層で発生した光が前記光透過型基板 を介して取り出される半導体発光素子において、 前記活性層上に形成さ れた前記第二導電型半導体層上に、 電極層が形成され、 該電極層と前記 第二導電型半導体層の間には前記活性層で発生した光の侵入長若しくは それ以下の厚みを有するコンタクトメタル層が形成されることを特徴と する半導体発光素子。

2 . 前記第一導電型半導体層、 前記活性層、 及び前記第二導電型半導体 層はそれぞれ窒化物系半導体層であることを特徴とする請求の範囲 1記 載の半導体発光素子。

3 . 前記第一導電型半導体層、 前記活性層、 及び前記第二導電型半導体 層はそれぞれ選択成長によって形成された選択成長層であることを特徴 とする請求の範囲 1記載の半導体発光素子。

4 . 前記選択成長層は六角錐状に成長され、 その六角錐状の傾斜した外 周面に前記コンタクトメタル層と前記電極層が形成されていることを特 徴とする請求の範囲 3記載の半導体発光素子。

5 . 前記光透過型基板はサファイア基板、 窒化ガリウム基板、 ガラス基 板、 透明榭脂基板のうちから選ばれた基板であることを特徴とする請求 の範囲 1記載の半導体発光素子。

6 . 前記コンタクトメタル層は前記第二導電型半導体層に対してォ一ミ ック接触をする材料によって構成されていることを特徴とする請求の範 囲 1記載の半導体発光素子。

7 . 前記コンタクトメタル層は N i 、 P d、 C oまたは S bからなるこ とを特徴とする請求の範囲 4記載の半導体発光素子。

8. 前記コンタクトメタル層は膜厚が 2 0 nm以下に設定されることを 特徴とする請求の範囲 1記載の半導体発光素子。

9. 前記コンタクトメタル層は膜厚が 1 0 nm以下に設定されることを 特徴とする請求の範囲 1記載の半導体発光素子。

1 0. 前記コンタクトメタル層は膜厚が 5 nm以下に設定されることを 特徴とする請求の範囲 1記載の半導体発光素子。

1 1. 前記第二導電型半導体層は前記活性層で発生した光の反射機能を 有することを特徴とする請求の範囲 1記載の半導体発光素子。

1 2. 前記電極層は Ag若しくは A 1から構成され、 或いは Ag若しく は A 1からなる層と他の金属層との組み合わせから構成されることを特 徴とする請求の範囲 1記載の半導体発光素子。

1 3. 光透過型基板上に第一導電型半導体層と、 活性層と、 第二導電型 半導体層とを順次積層する工程と、

前記第二導電型半導体層上に前記活性層で発生する光の侵入長若しく はそれ以下の厚みを有するコンタクトメタル層を形成する工程と、 前記コンタクトメタル層上に電極層を形成する工程とを有することを 特徴とする半導体発光素子の製造方法。

14. 光透過性の半導体層と、

前記半導体層上に形成され該半導体層を透過する光の侵入長若しくは それ以下の厚みを有するコンタクトメタル層と、

前記コンタクトメタル層上に形成される電極層とからなることを特徴 とする電極層の接続構造。