JP5158813B2 - 窒化物系半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は窒化物系半導体発光素子とその製造方法に関し、特に逆方向サージ耐圧が容易に改善され得る窒化物系半導体発光素子とその製造方法に関する。

窒化物系半導体を利用した発光素子においては、基板上に発光部を含む半導体多層構造が形成されている。発光部としては、種々の構造が可能である。例えば、第１導電型の窒化物系半導体層からなる第１クラッド層と、第２導電型の窒化物系半導体層からなる第２クラッド層との積層で形成されたホモヘテロ構造が可能である。また、それらの第１クラッド層と第２クラッド層との間に薄い発光層を挟んだ構造も可能である。

一般に、窒化物系半導体発光素子は、１００Ｖ程度の逆方向サージ耐圧を有している。しかし、基板上の半導体多層構造がピットやクラックなどの微細な表面凹部を含んでいる場合、その逆方向サージ耐圧が顕著に低下し、半導体発光素子が破壊されやすくなる。

図７の模式的断面図は、そのように半導体多層構造が表面凹部を含んでいる従来の窒化物系半導体発光素子の一例を示している。なお、本願の各図において、同一の参照符合は同一部分または相当部分を表している。また、本願の各図において、長さ、厚さ、幅などの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のための適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。

図７の窒化物系半導体発光素子においては、絶縁性基板１上に、第１クラッド層としての第１導電型半導体層２、発光層３、および第２クラッド層としての第２導電型半導体層４が順次エピタキシャル成長させられている。このような半導体多層構造のエピタキシャル成長において、その表面に多くの微細なピット状または溝状の凹部５が形成されることが多い。それらの表面凹部が発生する原因としては、基板１の表面に含まれる欠陥、半導体多層構造の結晶成長に伴う格子歪、格子欠陥、クラックなどが考えられる。なお、図７においては、図面の簡略化のためにただ１つの凹部５のみが示されている。

第２導電型半導体層４上には、透光性の第１電極層７が形成されている。また、第１導電型半導体層２の一部領域が選択的エッチングによって露出され、その露出領域内に第２電極層８が形成されている。さらに、透光性の第１電極層７の一部領域上には、パッド電極９が形成されている。

このように凹部５を含む窒化物系半導体発光素子の逆方向サージ耐圧が低下する原因として、その凹部５の領域を含むように透光性電極層７が形成されていることが考えられる。この場合、透光性電極層７に関して、凹部５の底部において、それ以外の領域に比べてサージ電圧が発生しやすくなり、発光部が破壊されやすくなる。すなわち、半導体積層構造の凹部５内にも透光性電極層７が形成されている場合、その凹部５内において透光性電極層７と発光層３との距離が近くなっているのでサージ電圧が発生しやすくなり、発光部が破壊されやすくなる。また、発光層３、第２クラッド層４、透光性電極層７などの厚さは凹部５内において種々に変化しやすく、その厚さを均一に制御することは困難である。このことによっても、凹部５においてサージ電圧が発生しやすくなる。

このようなサージ電圧の問題は、第２クラッド層４がｐ型窒化物系半導体層である場合に特に顕著になる。なぜならば、ｎ型窒化物系半導体層に比べて、ｐ型窒化物系半導体層は横方向の電流拡散性が劣っているからである。すなわち、透光性電極層７はｐ型クラッド層４のほぼ全域上に形成されており、第２クラッド層４などがくびれて薄くなっている凹部５における電圧集中などによってサージ電圧が発生しやすく、これによって発光部が破壊されやすくなる。

ちなみに、窒化物系半導体発光素子において、前述ようにピットやクラックなどの凹部５が発生する原因として、サファイアなどからなる基板１とその上に成長させられる窒化物系半導体積層構造２−４との格子定数の差異が考えられる。格子定数の異なる半導体積層構造を基板上にエピタキシャル成長させた場合、その半導体積層構造において横方向に力が加わり、その力が原因で半導体積層構造の上面にクラックやピットなどの凹部が発生すると考えられている。

この格子定数の差異を解消するために、基板材料を変更する方法、基板と半導体積層構造との間にバッファ（緩衝）層を設ける方法などが考えられている。しかし、現在において、窒化物系半導体積層構造の成長に対して理想的な基板材料はまだ見つかっておらず、緩衝層を設けても半導体積層構造において完全にクラックやピットなどの凹部を無くすまでには至っていない。さらに、第１クラッド層２とその上に形成される発光層３との結晶成長温度の違いも、ピットやクラックなどの凹部５の発生に影響すると考えられる。

このような状況に鑑み、特許文献１の特開２００６−２２８８１７号公報に開示された半導体発光素子においては、基板上の半導体積層構造の上面に存在するピットやクラックなどからなる表面凹部内に高抵抗層が形成され、その上に透光性の金属電極層が形成されている。

特開２００６−２２８８１７号公報

図８の模式的断面図は、特許文献１に開示された窒化物系半導体発光素子を示している。この発光素子においては、ｎ型シリコン基板１上に、ｎ型窒化物系半導体層２、窒化物系半導体発光層３、ｐ型窒化物系半導体層４が順次積層されている。基板１の表面には凹状の欠陥が含まれており、その欠陥に基づいて、ｐ型窒化物系半導体層４の上面に凹部５が形成されている。

この凹部５は、ＳｉＮ_xまたはシリカの高抵抗層６で埋め込まれている。そして、ｐ型窒化物系半導体層４と高抵抗層６を覆うように、透光性のｐ側Ｎｉ／Ａｕ電極層７が形成され、その一部領域上にｐ側パッド電極９が形成されている。他方、導電性のｎ型シリコン基板１の下面には、ｎ側電極層８が形成されている。

図８に示されているような発光素子において、凹部５を埋め込むために用いられている高抵抗のＳｉＮ_xやシリカなどの埋め込み層６は、その上の金属電極層７に対して安定した密着性を有することが困難である。したがって、埋め込み層６上の領域で金属電極層７の剥がれによる特性不良や外観不良が生じ、発光素子の歩留低下の要因となる。

この場合に、埋め込み層６と金属電極層７との間で安定した密着性を確保のために、金属電極層７の厚さを増大させることも考えられる。しかし、この金属電極層７は発光素子の光放射性を損なわないように透明性を維持することが必要であり、金属電極層７を厚くすることは困難である。そして、形状が千差万別の表面凹部５内に安定した高抵抗埋め込み層６を形成し、その上に発光素子としての機能を阻害しないように極めて薄い透光性の金属電極層７を安定した密着性で形成することが困難である。

上述のような先行技術における状況に鑑みて、本願発明は、窒化物系半導体発光素子において、発光特性を阻害すことなく透光性電極層の剥がれによる素子の歩留の低下を改善し、かつ静電破壊耐圧を著しく向上させて素子特性を安定化させることを目的とする。

本発明による窒化物系半導体発光素子は、基板上に結晶成長させられた半導体積層構造を含み、この半導体積層構造は少なくとも第１導電型窒化物系半導体層、窒化物系半導体活性層、および第２導電型窒化物系半導体層をこの順で含み、半導体積層構造はその結晶成長の際に不可避的に発生した表面凹部を含み、この表面凹部は第１の導電性酸化物の埋め込み層で埋められており、この埋め込み層の上面および半導体積層構造の上面を覆うように形成された第２の導電性酸化物の電極層をさらに含み、第１の導電性酸化物は第２の導電性酸化物に比べて大きな電気抵抗を有していることを特徴としている。

このような窒化物系半導体発光素子では、第２導電型窒化物半導体層と同電位になる第２の導電性酸化物の電極層は凹部において高抵抗埋め込み層を介して第１導電型窒化物半導体層と対峙することになる。したがって、その凹部内の高抵抗埋め込み層によって電界緩和が可能となり、発光素子の外部で発生した帯電電荷が発光素子内に放電された場合においても、凹部に流れる静電電流が高抵抗層を流れることになり、静電耐圧が向上し得る。また、凹部に形成された第１導電性酸化物の高抵抗埋め込み層とその上の第２導電性酸化物の透光性電極層が良好な密着性を有することができ、安定した素子歩留を得ることができる。なお、第１の導電性酸化物と第２の導電性酸化物は、実質的に同じ組成を有し得る。

埋め込み層の上面は、半導体積層構造の上面と実質的に同じレベルにあることが好ましい。この場合、半導体積層構造上に形成される透光性電極層やその上のパッド電極をフラットに形成することができるので、膜厚の不均一に起因する電流集中を低減でき、また電流を供給するＡｕワイヤー等のボンディング不良を低減させることができる。

第２の導電性酸化物の電極層上の一部領域上にパッド電極が設けられ、このパッド電極は埋め込み層の上方に形成されていることが好ましい。なぜならば、発光素子からの光取出し効率を考慮した場合に、光を透過しないパッド電極は非発光部分である埋め込み層の上方に設けられることが好ましいからである。また、発光素子の外部で発生した帯電電荷が発光素子内に放電された場合に、発光素子の破壊の発生は放電電荷が集中しやすいパッド電極直下で起こりやすく、パッド電極の下方に高抵抗の埋め込み層が存在することによって静電耐圧の改善にも十分な効果が得られるからである。

第１と第２の導電性酸化物は、いずれもインジュウム含有酸化物であることが好ましい。なぜならば、インジュウム含有酸化物は、その堆積条件に依存して抵抗値が顕著に変化し得るからである。第１の導電性酸化物は５×１０²Ω・ｃｍ以上の比抵抗を有し、第２の導電性酸化物は１×１０^-3Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有することが好ましい。第１と第２の導電性酸化物が電子線蒸着によって堆積される場合、第１の導電性酸化物に比べて第２の導電性酸化物の蒸着温度を高くすることによって、第２の導電性酸化物の比抵抗を低くすることができる。例えば、第１の導電性酸化物の蒸着温度は１００℃以下であり、第２の導電性酸化物の蒸着温度は２００℃以上であることが好ましい。

本発明の半導体発光素子では、第２クラッド層と同電位になる電極層として、導電性酸化膜を使用している。この導電性酸化膜は、その堆積条件によって抵抗率を制御することができる。したがって、半導体積層構造の表面凹部には抵抗率の高い導電性酸化物の埋め込み層を形成し、半導体積層構造の表面上には抵抗率の低い電極層を形成することができる。すなわち、凹部に形成される高抵抗の埋め込み層とその上に形成される電極層とのいずれおも導電性酸化物で形成することができ、それら両者間で安定した密着性を得ることができる。また、半導体積層構造の表面上に電極層として形成される導電性酸化物層は透光性であるので、発光素子の電極層として求められる電流の広がりを可能にする低抵抗性と光放射のための透光性との両立が可能である。

ところで、発光素子の外で帯電した電荷が発光素子内に放電された時には、その放出された電荷によって発生する電界が発光素子内に生じる。この電界は、発光層を挟む第１クラッド層と第２クラッド層とに印加される。そして、この電界は、正常な領域における第１と第２のクラッド層の空乏層に変化をもたらすと共に、表面凹部において正常な厚みを持たない発光層を挟みかつ同じく正常な厚みを持たない第１クラッド層と第２クラッド層にも並列的に印加される。

本発明では、表面凹部内で正常に制御できない半導体積層構造においても、高抵抗導電性酸化物の埋め込み層とその上に形成された低抵抗導電性酸化物の電極層とのいずれをも導電性酸化物で形成することによって、それらの埋め込み層と電極層との間の安定した密着性を確保しつつ、凹部のインピーダンスを高めることができ、これによって各凹部での放電緩和時間が長くなって静電気破壊に対する耐性が向上する。

本発明の一実施形態による半導体発光素子を示す模式的断面図である。 図１の発光素子を作製する過程を示す模式的断面図である。 図２に続く作製過程を示す模式的断面図である。 図３に続く作製過程を示す模式的断面図である。 図４に続く作製過程を示す模式的断面図である。 図５に続く作製過程を示す模式的断面図である。 先行技術による半導体発光素子の一例を示す模式的断面図である。 先行技術による半導体発光素子の他の例を示す模式的断面図である。

以下において、本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子（発光ダイオード）とその作製方法が、図面を参照しつつ説明される。

図１は、本発明の一実施形態による半導体発光素子を模式的断面図で示している。この半導体発光素子では、基板１上において、第１クラッド層としての第１導電型窒化物系半導体層２、窒化物系半導体発光層３、および第２クラッド層としての第２導電型窒化物系半導体層４が順次積層され、これによって半導体積層構造が構成されている。この半導体積層構造は、表面凹部５を含んでいる。

表面凹部５は、高抵抗の導電性酸化物の埋め込み層６ｂによって埋め込まれている。この埋め込み層６ｂの上面と第２クラッド層４の上面は、導電性酸化物層からなる透光性の第１電極層７ａによって覆われている。ここで、埋め込み層６ｂと透光性の第１電極層７ａとのいずれもが導電性酸化物で形成されており、埋め込み層６ｂは第１電極層７ａに比べて大きな抵抗率を有している。

また、第１クラッド層２が選択的エッチングによって部分的に露出され、その露出領域２ａ内に第２電極層８が形成されている。さらに、透光性の第１電極層７ａの一部領域上には、パッド電極９が形成されている。

図２から図６は、図１の発光素子の作製過程を模式的な断面図で図解している。これらの図面を参照しつつ、図１の発光素子の作製過程が、以下においてより具体的に説明される。

まず、図２を参照して、サファイアなどの絶縁基板１上に、第１クラッド層２としてのｎ型ＧａＮ層、発光層３としての多重量子井戸（ＭＱＷ）層、および第２クラッド層４としてのｐ型ＧａＮ層が順次エピタキシャル成長させられる。そのＭＱＷ層３は、例えばノンドープのＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ量子井戸層とを５層繰り返して積層することによって構成することができる。なお、図２に示された基板１の上面に周期的な凹凸が形成されているのは、周知の横方向エピタキシャル成長を利用して、良好な結晶品質を有する半導体積層構造を形成するためである。

図３においては、高い抵抗率を有する導電性酸化物層６ａが第２クラッド層４上に堆積され、凹部５が埋め込まれる。この導電性酸化物層６ａは、好ましくはＩＴＯ（インジュウム錫酸化物）、ＩＺＯ（インジュウム亜鉛酸化物）などのインジウム含有酸化物で形成される。例えば、導電性酸化物層６ａをＩＴＯの電子線蒸着で形成する場合、基板温度を１００℃以下に設定することによって、５×１０²Ω・ｃｍ以上の比抵抗を有するＩＴＯ層を形成することができる。

図４では、凹部５以外の領域において、高抵抗導電性酸化物層６ａの除去が行われる。例えば、酸化アルミ粒子を用いた研磨を行うことによって、まず高抵抗導電性酸化物層６ａの表面が平坦化される。その後、凹部５以外の領域において、高抵抗導電性酸化物層６ａが王水によるエッチングで除去される。これによって、凹部５内において、高抵抗導電性酸化物の埋め込み層６ｂが残される。この時、凹部５内に残存する埋め込み層６ｂの上部が僅かにエッチングされてもよい。

図５においては、第２クラッド層４の上面および高抵抗埋め込み層６ｂの上面を覆うように、透光性の第１電極層７ａとして導電性酸化物層が堆積される。この透光性導電性酸化物電極層７ａも、埋め込み層６ｂと同様に、好ましくはＩＴＯ、ＩＺＯなどのインジウム含有酸化物で形成される。透光性電極層７ａをＩＴＯの電子線蒸着で形成する場合、基板温度を２５０℃にすることによって５×１０^-4Ω・ｃｍの抵抗率を有するＩＴＯ層が得られる。

上述の埋め込み層６ｂと透光性電極層７ａの形成に関して、電子線蒸着によってインジウム含有酸化物層の堆積を行う場合、成膜時の基板温度によってインジウム含有酸化物層のポリ結晶化の程度を制御することができる。具体的には、１００℃以下の基板温度での成膜ではインジウム含有酸化物層のポリ結晶化が進行せず、非晶質の層が堆積される。そして、非晶質のインジウム含有酸化物層は相対的に高い抵抗率を有し、ポリ結晶化の程度が高くなるにしたがってインジウム含有酸化物層の抵抗率が低下する。

なお、上述の透光性電極層７ａの堆積では２５０℃の基板温度が例示されたが、成膜時の基板温度が２００℃以上の場合にインジウム含有酸化物層のポリ結晶化が起こり、その導電性を高めることができ、１０^-3Ω・ｃｍ以下の抵抗率にすることが可能である。

上述のようにして堆積された透光性の第１電極層７ａは、半導体発光素子（発光ダイオード）のアノード電極として作用するとともに、発光層３から出る光を透過させなければならない。そのために、透光性の第１電極層７ａは、例えば厚さ２００ｎｍのインジウム含有酸化物層で形成される。

図６および図１を参照して、第１クラッド層２が周知のフォトエッチング工程などによって選択的にエッチングされ、その一部領域２ａが露出される。この露出領域２ａ内において、第２電極層８としてのパッド電極が形成される。この第２電極層８は発光素子のカソード電極として作用し、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの金属多層膜で形成することができる。そして、第２電極層８は第１電極層７ａに対して電気的に短絡することなく、発光層２を介して第１電極層７ａとの間で電流を流すように作用する。また、第１電極層７ａの一部領域上には、パッド電極９が形成される。パッド電極は、ワイヤボンディング方法などによってリード線が接続される電極である。このパッド電極９は、製造の経済性を考慮して、第２電極層８と同じ材料を用いて同時に形成されてもよい。

以上のような過程を経て、図１に示すような窒化物系半導体発光素子を得ることができる。

以上のように、本発明による窒化物系半導体発光素子においては、発光特性を低下させることなく、電極剥がれによる歩留低下を改善し、かつ静電破壊耐圧を著しく向上させて安定化させることができる。

１ 基板、２ 第１クラッド層としての第１導電型窒化物系半導体層、３ 窒化物系半導体発光層、４ 第２クラッド層としての第２導電型窒化物系半導体層、５ 表面凹部、６ｂ 高抵抗導電性酸化物の埋め込み層、７ａ 低抵抗導電性酸化物の透光性電極層、８ 第１クラッド層に接するパッド電極、９ 透光性電極層上のパッド電極。

Claims (8)

1. 基板上に結晶成長させられた半導体積層構造を含み、
   前記半導体積層構造は、少なくとも第１導電型窒化物系半導体層、窒化物系半導体活性層、および第２導電型窒化物系半導体層をこの順で含み、
   前記半導体積層構造はその結晶成長の際に不可避的に発生した表面凹部を含み、
   前記表面凹部は第１の導電性酸化物の埋め込み層で埋められており、
   前記半導体積層構造の上面上および前記埋め込み層の上面を覆うように形成された第２の導電性酸化物の透光性電極層をさらに含み、
   前記第１の導電性酸化物は前記第２の導電性酸化物に比べて大きな電気抵抗を有していることを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。
2. 前記第１の導電性酸化物と前記第２の導電性酸化物は実質的に同じ組成を有していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
3. 前記埋め込み層の上面は、前記半導体積層構造の上面と実質的に同じレベルにあることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
4. 前記第２の導電性酸化物の透光性電極層上の一部領域上にパッド電極をさらに含み、このパッド電極は前記埋め込み層の上方に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
5. 前記第１と第２の導電性酸化物は、いずれもインジュウム含有酸化物であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
6. 前記第１の導電性酸化物は５×１０²Ω・ｃｍ以上の比抵抗を有し、前記第２の導電性酸化物は１×１０^-3Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子を製造するための方法であって、前記第１と第２の導電性酸化物が電子線蒸着によって堆積され、前記第１の導電性酸化物に比べて前記第２の導電性酸化物の蒸着温度が高いことを特徴とする製造方法。
8. 前記第１の導電性酸化物の蒸着温度は１００℃以下であり、前記第２の導電性酸化物の蒸着温度は２００℃以上であることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。

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