以下、図面を参照して本発明の一実施形� �を説明する。図1(a)は本発明の第1のGaN系半導 体発光素子の断面構造の一例を示し、図1(b)� �金属多層膜透明電極6の詳細構成を示す。こ� ��で、GaN系半導体とは、窒素を含む六方晶化� ��物半導体の中でも良く知られたIII-V族窒化� �半導体であり、4元混晶系のAl _x Ga _y In _z N(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表され� �。

  したがって、GaN系半導体は、窒化ガリ� �ム(GaN)等の2元混晶であってもよく、窒化ガ� �ウムアルミニウム(AlGaN)または窒化アルミニ� ��ムインジウム(InGaN)等の3元混晶、及び窒化� �ルミニウムガリウムインジウム(AlGaInN)等の4� ��混晶であってもよい。これらの材料を基板� ��に付着させて、発光素子として使用可能な� ��層半導体構造を製造する。

  図1(a)では、サファイア基板1の上に、GaN バッファ層2、n型GaNコンタクト層3、MQW活性層 4、p型GaNコンタクト層5が順次積層されており 、p型GaNコンタクト層5から一部領域がメサエ� ��チングされて、n型GaNコンタクト層3が露出� �た面にn側パッド電極8が形成されている。一 方、p型GaNコンタクト層5の上面全体に金属多� ��膜透明電極6が形成されており、金属多層膜 透明電極6の上にp側パッド電極7が設けられて いる。

  MQW活性層4は、多重量子井戸構造(Multi Qu antum Well)を有する活性層であり、井戸層(ウ� �ル層)を、井戸層よりもバンドギャップの大� ��な障壁層(バリア層)でサンドイッチ状に挟� �だ量子井戸構造を多重化したものとなって� �る。この量子井戸構造は、多重化せずに1つ� ��しても良く、この場合は、単一量子井戸構� ��(SQW:Single Quantum Well)となる。

  金属多層膜透明電極6は、図1(b)に示すよ うに、例えば、6a、6b、6c、6dと4層の金属層か ら構成されている。ここで、6aはNi(ニッケル) 膜、6bはAu(金)膜、6cはAu膜6bの拡散を防止する ためのAu拡散防止金属膜であり、6dは例えばNi 膜で構成される。Au拡散防止金属膜6cは、Au膜 6bの直上に設けられており、Ti(チタン)又はPt( 白金)で構成される。TiやPtは、融点がAuより� �高く、Auと共晶化しやすい金属であり、AuがA u膜6b直下のNi膜6aに流動化するのを防ぐこと� �できる。また、6dはNi膜の代わりにMo(モリブ� ��ン)膜、Cu(銅)膜、W(タングステン)膜のいず� �かを用いても良い。

  ところで、上述したように、n側パッド� ��極8を作製するためには、p型GaNコンタクト� �5~n型GaNコンタクト層3の途中に至るまでメサ� ��ッチングを行わなければならず、このメサ� ��ッチングにはプラズマ等を用いたドライエ� ��チングが使用される。ドライエッチング時� ��は、通常、サファイア基板1上にGaNバッファ 層2~p型GaNコンタクト層5までを積層し、金属� �層膜透明電極6を設ける領域にマスクを形成� ��、メサエッチングを行ってから、マスクを� ��フトオフし、その後金属多層膜透明電極6を 積層するようにしている。しかし、本発明の ように、金属多層膜透明電極6をNi膜6a、Au膜6b 、Au拡散防止金属膜6c、Ni膜6dとした場合には� ��これを上記メサエッチング時のマスクに流� ��することができる。

  図1の第1のGaN系半導体発光素子の製造方 法を以下に説明する。製造方法としては、主 としてMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いる� �MOCVD装置内に、サファイア基板1を搬送し、� �ファイア基板1上に、例えば、GaNバッファ層2 を膜厚0.01μm以下で、600~700℃の低温で成長さ� ��る。その後、1000℃以上に基板温度を上げて 、n型GaNコンタクト層3を膜厚3~5μmで積層し、7 00℃程度に温度を下げて、MQW活性層4を井戸層 をInGaN、バリア層をGaNで交互に数周期積層し� ��厚0.1μmで、次に基板温度を1000℃以上に上げ て、p型GaNコンタクト層5を膜厚0.1~0.3μmで積層 する。

  次に、p型GaNコンタクト層5上の金属多層 膜透明電極6を形成する所定の領域を除いて� �ジストを形成する。この状態で、Ni/Au/Ti/Niの 金属多層膜とし、これらの膜厚は、例えば、 各々4nm/8nm/1nm/4nmとなるように蒸着により積層 する。その後、レジストをリフトオフし、酸 素を含む雰囲気中で500℃程度の温度でアニー ル処理を行う。このアニール処理により、上 記金属多層膜が透明化される。

  その後、形成した金属多層膜透明電極6を� ��スクの代わりにして、p型GaNコンタクト層5� �らn型GaNコンタクト層3が露出するまで一部領 域をドライエッチングする。このドライエッ チングは、プラズマ電力150W、バイアス電力50 Wとし、塩素ガス50cc/分、SiCl ₄ ガス5cc/分の流量で、圧力0.6Paで行った。この 条件のドライエッチングを4分間程行い、最� �0.6μmまでのGaN系半導体を除去した。

  その後、蒸着又はスパッタにより、p側� ��ッド電極7を、Al/Niであれば膜厚200nm/30nm、Ti/ Auであれば膜厚20nm/200nm、Ti/Alであれば膜厚10nm /200nm、Pd/Auであれば膜厚10nm/200nmとして、これ らのいずれかの金属多層膜で作製する。また 、蒸着又はスパッタにより、n側パッド電極8� ��、Ti/Alであれば膜厚10nm/200nm、Al/Niであれば� �厚200nm/30nm等として、これらのいずれかの金� ��多層膜で作製する。

  各半導体層の製造については、例えば、Ga N層を作製する場合は、キャリアガスの水素� �は窒素とともに、Ga原子の原料ガスであるト リメチルガリウム(TMGa)、および、窒素原子の 原料ガスであるアンモニア(NH ₃ )を用いた。n型GaNとする場合には、n型のドー パントガスとしてのシラン(SiH ₄ )等、p型GaNとする場合には、p型のドーパント ガスとしてのCP ₂ Mg(シクロペンタジエチルマグネシウム)等を� �記反応ガスに加える。AlGaN層を作製する場合 は、TMGa、NH ₃ にトリメチルアルミニウム(TMA)を加える。

  このようにして各半導体層の成分に対� �する反応ガス、n型、p型にする場合のドーパ ントガスを供給して、最適な成長温度に変化 させて順次結晶成長させることにより、所定 の組成で、所定の導電型の半導体層を、必要 な厚さに形成した。不純物のドーピング濃度 は、それぞれの原料ガスの流量によって制御 した。

  図4は、金属多層膜透明電極6をNi膜6a、Au 膜6b、Ti膜6c、Ni膜6dと構成し、これらの各層� �膜厚ついて、Ni膜6aを4nm、Au膜6bを8nm、Ti膜6c� �1nm、Ni膜6dを4nmで構成した場合の表面状態を� ��す。一方、この金属多層膜透明電極6をメサ エッチングのマスクとして用いた場合、上述 した条件のプラズマによるドライエッチング 後の金属多層膜透明電極6の表面状態を示す� �が図5である。ドライエッチング後であって� ��、表面荒れの状態は生じていない。

  ドライエッチングの影響が、金属多層� �透明電極の表面状態だけではなく、実際にGa N系半導体発光素子の光出力-電流特性に及ぼ� ��影響を比較したのが、図2である。図2は、� �1の第1のGaN系半導体発光素子において金属多 層膜透明電極6を上述のように、Ni膜6a、Au膜6b 、Ti膜6c、Ni膜6dで構成し、上述したドライエ� ��チングのマスクとして用いた場合の光出力- 電流特性をX、金属多層膜透明電極6を従来のN i/Auで構成し、ドライエッチングのマスクと� �て用いた場合の光出力-電流特性をYで示す。

  本発明における金属多層膜透明電極を� �いたXでは、電流の増加とともに発光出力も� ��例して増大しているが、従来の金属多層膜� ��明電極を用いたYでは発光が見られない。従 来構造のNi/Auの透明電極では、ドライエッチ� ��グの際のプラズマ粒子が透明電極で防ぎき� ��ずに、p型GaN系コンタクト層や活性層にまで ダメージが浸透してしまい、素子が発光しな くなったためである。

  これは、前述したように、Auが拡散しや すい金属であり、どんな材料とであっても、 比較的低い温度(500℃以下)で非常に速く拡散� ��てしまうという性質をもつためである。Ni/A uの金属多層膜を透明化するアニール処理に� �いて、Au膜6bの一部のAuが拡散してAlと共晶化 し、Au膜6bの密度が薄くなった部分からプラ� �マ粒子が通過して、エピタキシャル層にダ� �ージを与える。一方、Au膜6bの膜厚を厚くす� ��と、プラズマ粒子のダメージを抑制するこ� ��ができるが、電極の透明度がなくなってし� ��うという問題がある。

  しかし、第1のGaN系半導体発光素子の金� ��多層膜透明電極6の構成とすることで、Ni膜� ��の拡散を防いで、金属多層膜透明電極6をド ライエッチングの際のマスクとして代用でき 、Au膜6bの膜厚を厚くする必要がないので、� �明度も確保できる。

  図3は、発光特性を示すもので、本発明� ��おける金属多層膜透明電極6を用いた場合を X、金属多層膜透明電極を従来構成のNi/Auとし 、透明電極上にはマスクを形成してメサエッ チングを行い、ドライエッチングによるGaN系 半導体層へのダメージがない状態にした場合 をYとして表示した。このように、本発明に� �ける金属多層膜透明電極6を用いたXの方が、 全体の膜厚が厚くなったにもかかわらず、電 圧-電流特性が非常に良くなっており、閾値� �流は、従来構成のYの方が非常に高い。これ� ��、Xの方がリーク電流が少なくなって、発光 強度も向上したことを示している。なお、上 記の効果は、Ni膜6dの代わりにMo膜、Cu膜、W膜 のいずれかを用いても同様の効果が得られる 。

  図6は、本発明の第2のGaN系半導体発光素子 の断面構造の一例を示し、基本的に図1の構� �に絶縁膜9を形成した構造となっている。図1 と同じ符号を付している部分は、同じ構成を 示す。p側パッド電極7の上にはp側ボンディン グ用電極10が、n側パッド電極8上にはn側ボン� ��ィング用電極11が形成されている。また、� �属多層膜透明電極61は図7のように最大6層の� ��属層で構成されている。MQW活性層4で発生し た光は、金属多層膜透明電極61を透過して、p 電極側から取り出されるので、絶縁膜9は、� �明性のあるものでなくてはならない。した� �って、可視光領域でも透光性のある酸化絶� �膜が用いられ、例えば、SiONやSiO ₂ 等が挙げられる。

  絶縁膜9にAuが拡散して絶縁膜9が剥離し� ��すくなるのを防ぐために、金属多層膜透明� ��極61は、p型GaNコンタクト層5側から、Ni膜61a� ��Au膜61b、Au拡散防止金属膜61c、Al膜61d、Ni膜61 e、Al膜61fで構成される。これらの膜厚は、例 えば、Ni膜61aが4nm、Au膜61bが8nm、Au拡散防止金 属膜61cが1nm、Al膜61dが4nm、Ni膜61eが1.5nm、Al膜6 1fが16nmで形成される。また、第1のGaN系半導� �発光素子と同様、Au拡散防止金属膜61cにはTi( チタン)又はPt(白金)が用いられる。なお、後� ��するように、金属多層膜透明電極61は5層又� ��4層としても良く、少なくともNi、Au、Au拡散 防止金属(Ti又はPt)、Alが各1層使用されている ことが望ましい。

  図6の第2のGaN系半導体発光素子の製造方 法については、図1のGaN系半導体発光素子の� �造方法と同様に、サファイア基板1上にp型GaN コンタクト層5までの各半導体層を結晶成長� �せて金属多層膜透明電極61を形成した後、p� �GaNコンタクト層5からn型GaNコンタクト層3が� �出するまで一部領域をドライエッチングし� �p側パッド電極7、n側パッド電極8を形成する� ��p側パッド電極7及びn側パッド電極8は、とも に例えば、Al/Niの金属多層膜とし、これらの� ��厚は、300nm/500nmとした。

  その後、p側パッド電極7及びn側パッド電� �8のボンディング用電極とのコンタクト領域� ��除いて絶縁膜9としてSiO ₂ を例えば5μm程度の厚みで素子表面や側面に� �成する。SiO ₂ の形成は、プラズマCVDにより形成し、SiH ₄ を10sccm、N ₂ Oを50sccm、温度400℃、400Wで70分程行った。

  次に、蒸着又はスパッタにより、p側パ� ��ド電極7上にp側ボンディング用電極10を、n� �パッド電極8上にn側ボンディング電極11を形� ��する。p側ボンディング用電極10及びn側ボン ディング用電極11ともに、例えば、Ti/Al/Ni/Ti/A uの金属多層膜構成とし、各膜厚は、例えば50 nm/300nm/50nm/50nm/700nmで形成する。

  図10は、第2のGaN系半導体発光素子の表面� �態を示すものであり、金属多層膜透明電極61 の層構造を図7の6層ではなく、61fを減らして5 層とし、その構成をNi(61a)/Au(61b)/Ti(61c)/Al(61d)/N i(61e)とした。これらの膜厚は、3nm/8nm/1nm/4nm/1. 5nmとした。また、絶縁膜9もSiONとSiO ₂ の2層構造に形成した。

  一方、図11は、従来構造の金属多層膜透明 電極Ni/Auを用いたGaN系半導体発光素子表面の� ��態を示し、その膜厚は4nm/8nmとした。また絶 縁膜は、図10と同様、SiONとSiO ₂ の2層構造で構成した。図10、11(a)でやや白ぽ� ��長方形状で表されている部分が、絶縁膜で� ��り、その前後に見えるのがp電極とn電極で� �る。図10では、特に、表面的には問題がない が、図11(a)では、絶縁膜の一部が渦巻き形状� ��白く光っているのがわかる。図11(b)は、図11 (a)で白く光っている部分を拡大したものであ り、はっきりと、渦巻き状の縞が現われてい るのがわかる。これは、絶縁膜が剥離して、 光の干渉が発生したことを示す。

  以上のように、従来構造の金属多層膜� �明電極Ni/Auでは、その上に形成された絶縁膜 が剥離するという現象が発生するが、本発明 の金属多層膜透明電極では、光の干渉縞が発 生しておらず、絶縁膜の剥離が生じなかった 。これは、従来構造では、絶縁膜9を形成す� �場合に、上記のように400℃程度の温度で長� �間かけて作製するものであるから、金属多� �膜透明電極中のAuが流動化して絶縁膜9中に� �散してしまうためである。

  また、金属多層膜透明電極61上の絶縁膜 9が剥離しないという効果だけではなく、以� �のような効果も生じる。図9は、図6の構成を 用いて、本発明の金属多層膜透明電極61の構� ��をNi/Au/Ti/Al/Niの5層構造にしたものをZ3で、Ni /Au/Ti/Al/Ni/Alと6層構造にしたものをZ4で示す。 これらの膜厚は、Z3が3nm/8nm/1nm/4nm/1.5nm/16nm、Z4 が3nm/8nm/1nm/4nm/1.5nmである。一方、従来構造の 金属多層膜透明電極としてNi(4nm)/Au(8nm)で構成 したものをZ2で示し、Ni(4nm)/Au(8nm)/Al(16nm)で構� ��したものをZ3で示す。

  本発明による金属多層膜透明電極を示� �Z4、Z3の方が従来構造Z1又はZ2よりも膜厚は厚 くなって光の透過率が減少しているにもかか わらず、発光強度が向上していることがわか る。特に、Z4は6層構造にかかるもので、膜厚 がもっとも厚く光の透過率も最も低いはずで あるが、輝度が増大しており、顕著な発光強 度の改善が見られる。

  この理由を示すのが、図8である。Z1、Z2、 Z3、Z4は、図9のZ1、Z2、Z3、Z4にかかる金属多� �膜透明電極に対応している。図8の横軸は電� ��(Vf)、縦軸は電流(If)を示し、Vfの単位はボル ト(V)、Ifの単位は10 ^-6 アンペア(A)を示す。この電流-電圧特性を測� �する構成として、p型GaN層上に従来構造又は� ��発明の金属多層膜透明電極を形成し、この� ��属多層膜透明電極上に所定間隔を開けて、� ��定用の+側の正電極と-側の負電極を配置し� �前記正電極と負電極との間に電流を流して� �電流-電圧特性、すなわち金属多層膜透明電� ��の抵抗値を測定した。なお、前記の正電極� ��負電極ともに、Al/Niの金属多層膜で構成し� �。

  図8からもわかるように、従来構造の金� ��多層膜透明電極を用いたZ1、Z2では、金属多 層膜透明電極の抵抗値が大きく、一定の電流 を得るには、高い電圧をかけなければならな い。しかし、本発明の金属多層膜透明電極61� ��用いたZ3、Z4では、金属多層膜透明電極の抵 抗値が非常に小さくなり、わずかの電圧で、 大きな電流が流れていることがわかる。以上 のように、本発明の金属多層膜透明電極は、 その上に形成した絶縁膜の剥離を防止するこ とができるだけでなく、透明電極の抵抗値も 減少させることができ、発光強度を向上させ ることができる。