專利名稱：具有歐姆電極的氮化鎵系iii-v族化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有歐姆電極的氮化鎵Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法。
近年來，采用GaN、GaAlN、InGaN、InAlGaN等氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料的發(fā)光器件備受關(guān)注。這類發(fā)光器件通常具有在基片上將n型氮化鎵系化合物半導(dǎo)體層與摻P型摻雜劑的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體層的疊層結(jié)構(gòu)。
已往，摻P型摻雜劑的氮化鎵Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層仍是高電阻率i型，因而，已有的器件就是所謂的MIS結(jié)構(gòu)。最近，將高電阻率i型層轉(zhuǎn)化為低電阻率P型層的技術(shù)，例如已被特開平2-257676號、特開平3-218325號以及特開平5-183189號所揭示，可以實現(xiàn)p-n結(jié)型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
但是，為了實現(xiàn)此類p-n結(jié)型氮化鎵系化合物半導(dǎo)體器件，很明顯在p型層和/或n型層上形成與之接觸的電極方面尚存在各種問題。
現(xiàn)在，p-n結(jié)型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件，因受制造方面的制約，在化合物半導(dǎo)體層內(nèi)，在最上層具有P型化合物半導(dǎo)體層。另外，作為此類器件的基片，一般使用透明的藍(lán)寶石基片。與其它半導(dǎo)體發(fā)光器件中使用的GaAs、GaAlP等半導(dǎo)體的基片不同，因藍(lán)寶石是絕緣的，為給化合物半導(dǎo)體層施加預(yù)定的電流使器件執(zhí)行其發(fā)光機能，不能把電極直接固定在基片本身上。p電極和n電極必須各自與p型化合物半導(dǎo)體層和n型化合物導(dǎo)體層形成直接接觸。為保證向整個p型化合物半導(dǎo)體層施加均勻電流，以此得到發(fā)自器件的均勻發(fā)光，須將p型層基本上全面覆蓋地形成p電極。但是，因為已有p電極是不透光的，為避免所發(fā)的光被p型電極衰減，外部量子效率變壞，不能從與形成p型化合物半導(dǎo)體層和n型化合物半導(dǎo)體層的基片相反的一側(cè)觀察已有發(fā)光器件的發(fā)光。
但是，對于此類已有化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件固定在引線架上的情況，為使未形成化合物半導(dǎo)體層的基片面朝上，必須將p電極和n電極朝下安裝于2個引線架上。即，必須將一個半導(dǎo)體芯片橫跨安裝于2個引線架上。此時，為了避免p型化合物半導(dǎo)體層與n型化合物半導(dǎo)體層的電短路，必須確保2個引線架有一定間隔，自然而然地不得不把半導(dǎo)體的一個芯片尺寸加大到1mm2以上。因而，以已有的器件結(jié)構(gòu)而論，由一枚晶片所得到的芯片數(shù)目必然減少。另外還需要2個引線架的非常精密的位置配合及氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的精細(xì)的腐蝕技術(shù)。
其次，就n電極而論，如上所述，為實現(xiàn)p-n結(jié)型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件，是最近提出的課題。在已有的MIS型結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件中，因為是利用電極與高電阻率的i型層的肖特基勢壘，幾乎未對n電極給予關(guān)注。
作為已有MIS構(gòu)造的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件的n電極材料，例如已被特開照55-9442號揭示的鋁或鋁合金。另外也往往使用銦。由此可見，不管用鋁或銦均難以得到與n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層十分滿意的歐姆接觸，還有，發(fā)覺由于退火使電極變質(zhì)而容易失去導(dǎo)電性。
總而言之，已往尚沒有達到與氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層十分滿意的歐姆接觸的電極材料。
因而，本發(fā)明之目的在于提供設(shè)有與氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層形成歐姆接觸電極的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器及其制造方法。
本發(fā)明的另一個目的在于提供設(shè)有可以從做在基片上的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層側(cè)對發(fā)光器件進行發(fā)光觀測的p電極的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。
本發(fā)明的再一個目的在于提供具備與n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層形成良好歐姆接觸的n電極的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。
本發(fā)明的第一方面提供設(shè)有一基片、在該基片上形成含n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體導(dǎo)及p型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)。
連接該n型半導(dǎo)體層形成的第一電極、以及連接該p型半導(dǎo)體層形成的包含金屬材料的透光的第二電極的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體器件。
上述第2電極(p電極)是這樣形成的連接p型半導(dǎo)體層形成一層金屬材料層，經(jīng)退火，從而與將該金屬材料層變?yōu)橥腹鈱又瑫r，形成了與p型半導(dǎo)體層的歐姆接觸。
本發(fā)明的第二方面提供具有在基片上包含n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層及p型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)、包含連接該n型半導(dǎo)體層形成的含有鈦及鋁或金的第1電極以及連接該p型半導(dǎo)體層形成的第2電極的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件。
上述第1電極(n電極)是這樣形成的連接n型半導(dǎo)體層形成包含鋁及鋁或金的合金層、或含鈦層及鋁或金層的多層結(jié)構(gòu)，經(jīng)退火，由此形成與n型半導(dǎo)體層的歐姆接觸。
本發(fā)明的第3個方面提供設(shè)有一基片、在該基片上形成含n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層及p型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)。
連接該n型半導(dǎo)體層形成的含鈦及鋁或金的第1電極、以及緊接該p型半導(dǎo)體層形成的含金屬材料的透光性第2電極的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明的第4方面提供設(shè)有在基片上形成的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層及連接該半導(dǎo)體層形成的、為達到與該半導(dǎo)體層的歐姆接觸而經(jīng)退火的，包含金屬材料的電極的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體器件。


圖1是表示將本發(fā)明的第一實施方案的發(fā)光器件安裝在引線架上的狀態(tài)示意斷面圖;
圖2是表示本發(fā)明的p電極的電流-電壓特性曲線圖(圖中X軸的1刻度為0.5V，Y軸的1刻度為0.2mA);
圖3是本發(fā)明第2實施方案的發(fā)光器件的平面圖;
圖4是沿圖3的Ⅳ-Ⅳ線的斷面圖;
圖5是表示本發(fā)明的第2實施方案的一個變形例的斜視圖;
圖6是表示本發(fā)明第3實施方案的發(fā)光器件的斷面圖;
圖7是表示本發(fā)明第3方案的第1變形例的斷面圖;
圖8是表示本發(fā)明第3方案的第2變形例的斷面圖;
圖9是表示本發(fā)明第3方案的第3變形例的平面圖;
圖10是表示本發(fā)明第4實施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件的斷面圖;
圖11A～圖11D是與比較例一起表示本發(fā)明的各種不同的n電極的電流-電壓特性曲線圖(各圖中X軸1刻度為0.5V、Y軸1刻度為50μA);
圖12A～圖12D是表示本發(fā)明的另一些不同的n電極，與比較例相比的電流-電壓特性曲線圖(各圖中X軸1刻度為0.5V、Y軸1刻度為50μA);
圖13A～圖13D是與比較例一起表示本發(fā)明各種不同的n電極的電流-電壓特性曲線圖(各圖中X軸1刻度為0.5V、Y軸1刻度為50μA);
圖14A～圖14D是與比較例一起表示本發(fā)明的另一些不同的n電極的電流-電壓特性曲線圖(各圖中X軸1刻度為0.5V、Y軸1刻度為50μA);
圖15是說明n電極粘結(jié)試驗的圖;
圖16是表示本發(fā)明第5實施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件的一部分?jǐn)嗝鎴D;以及圖17是與比較例一起表示本發(fā)明第5實施方案的各種不同的n電極的電流-電壓特性曲線圖(各圖中X軸1刻度為0.5V、Y軸1刻度為50μA)。
關(guān)于本發(fā)明，氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體是指諸如GaN、GaAlN、InGaN、InAlGaN之類的包括鎵在內(nèi)的周期表第Ⅲ族元素的氮化物半導(dǎo)體。這些化合物半導(dǎo)體可用化學(xué)式InxAlyGa1-x-yN表示，其中0≤X≤1、0≤Y≤1X+Y≤1。
另外，在本發(fā)明中，所謂歐姆接觸，則采用半導(dǎo)體領(lǐng)域中通常的含意。
在本發(fā)明中，所謂電極的透光性是指從氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件發(fā)出的光有1%以上透過電極、并非意味著必須是無色透明的。透光性電極、通常使從氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件發(fā)出的光透過20～40%或更多。
還有，在本發(fā)明中，金屬材料為含2種以上金屬的情況、將2種以上的金屬預(yù)先合金化也可，將各金屬層層疊起來也行，在金屬材料為含2種以上的金屬的情況下，對各種金屬雖無特別的限制，最好所含的各種金屬至少為0.1原子%。
以下，參照附圖對本發(fā)明加以詳細(xì)說明。在所有的圖中，同一部位用同一標(biāo)號表示。
圖1示意地表示本發(fā)明第1實施方案的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)使發(fā)光器件10。
該發(fā)光器件(LED)10具有藍(lán)寶石等的透明絕緣性的基片11。將整個基片11的一主面11a覆蓋，形成一層n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層12，例如0.5μm～10μm厚。在n型半導(dǎo)體層12中，雖然不摻入n型摻雜劑也可以，但最好摻入硅(Si)、鍺(Ge)、硒(Se)、硫(S)、碲(Te)等n型摻雜劑。
在n型半導(dǎo)體層12的表面上，形成一層p型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層13，例如0.01μm～5μm厚。在p型半導(dǎo)體層13中摻入鋅(Zn)、鎂(Mg)、鈹(Be)、鍶(Sr)、鋇(Ba)等p型摻雜劑，再在400℃以上的溫度下退火(關(guān)于退火請參閱涉及本受讓人的申請?zhí)亻_平5-183189號公報[對應(yīng)于轉(zhuǎn)讓給本受讓人的1992年1月2日申請的美國專利申請系列號No.07/970，145(此內(nèi)容作為本說明書的揭示內(nèi)容而插入本說明書)])。
將p型半導(dǎo)體層13與n型半導(dǎo)體層12的表面層腐蝕去掉一部分，露出部分n型半導(dǎo)體層12的表面。
在n型半導(dǎo)體層的露出面上，形成n電極14。
將p型半導(dǎo)體層大體全面覆蓋地形成本發(fā)明的p電極15。該p電極是由金屬材料構(gòu)成的透光性的歐姆電極。對形成p電極15的金屬材料無特別限制。例如，p電極材料可以含有從金、鎳、鉑、鋁、錫、銦、鉻、鈦中選出的1種或2種以上的金屬。能獲得滿意的歐姆接觸的金屬材料包含從鉻、鎳、金、鈦及鉑組成的組中選出的至少2種金屬。最好的金屬材料包含金及鎳。對金及鎳的形成來說，最好先將鎳層直接與p型半導(dǎo)體層13接觸，再在其上形成金層。
如上所述，對金屬材料含2種以上金屬的情況下，具有各種金屬層的疊層結(jié)構(gòu)也可，預(yù)先合金化也行。具有疊層結(jié)構(gòu)的金屬材料經(jīng)后述的退火可形成合金。
對p電極15，可在p型半導(dǎo)體層13上用例如蒸。鍍、濺射等通常的被覆技術(shù)形成金屬材料層，再經(jīng)退火進行調(diào)整。退火優(yōu)選在400℃以上的溫度進行。在400℃以下的溫度下進行退火，顯示出金屬材料層與p型半導(dǎo)體層難以形成滿意的歐姆接觸的傾向。自不待言，退火應(yīng)在氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體分解溫度(約1200℃)以下的溫度進行。退火時間優(yōu)選為0.01分～30分。
本退火的效果與上述的US-SNo07/970，145中記載的效果相同。即，若將氣相生長法生長的含p型摻雜劑的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層在400℃以上的溫度退火后，則其電阻率會急劇下降。經(jīng)過退火，因?qū)⑴c半導(dǎo)體結(jié)晶中的受主結(jié)合的氫原子趕出，而使受主雜質(zhì)激活。所以，因?qū)㈦姌O在400℃以上的溫度退火，實際上增加了摻入p型雜質(zhì)的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體載流子的濃度，而易于得到歐姆接觸。與p型半導(dǎo)體層13呈歐姆接觸的優(yōu)選材料，不管有無透光性，是含鎳及金的金屬材料。
用于p電極15的金屬材料最好這樣形成，使退火后的厚度變成0.001μm～1μm。由于退火在金屬材料向p型半導(dǎo)體層13的內(nèi)部擴散的同時，還有一部分向外逸散，使厚度變薄。在退火后通過將金屬材料的最終厚度調(diào)節(jié)到0.001μm～1μm厚，可以使p電極有理想的透光性。超過1μm的厚度，雖無特別的障礙，但這樣一來，電極有逐漸顯現(xiàn)金屬色澤的傾向，使透光性下降。p電極15的厚度若薄于上述范圍，從透光性之觀點看是好的，但厚度過薄會使電極15與p型半導(dǎo)體層13的接觸電阻有增加的傾向。這樣，p電極的厚度就優(yōu)選為0.005μm～0.2μm，最好為0.01μm～0.2μm。
本發(fā)明的p電極是透光的，并與p型半導(dǎo)體層形成理想的歐姆接觸，而使發(fā)光器件的正向電壓降低，使器件的發(fā)光效率提高。
實驗例1在摻鋅的p型GaN層上，依次蒸鍍一層鎳及在其上一層金，厚度各為0.1μm，在600℃退火，在將其合金化之同時，得到變得透明的p電極。其厚度為0.03μm。該p電極的電流-電壓特性由圖2中的曲線A表示。由該圖可知，本p電極與p型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體形成了良好的歐姆接觸。
那末，對具備此種透光性的歐姆p電極15的本發(fā)明的發(fā)光器件10，可通過p電極15進行發(fā)光觀察。從而，如圖1所示，作為被氮化鎵系化合物半導(dǎo)體以外的半導(dǎo)體所采用的發(fā)光器件的裝置，一般在所用的杯狀引線架18之上，將基片11未形成半導(dǎo)體層的底面，即與第1主面11a相對的第2主面11b朝向引線架安裝。
p電極15以在其一部分上所形成的焊盤17的部位與被連接在另一引線架(金屬柱)19上的金絲一類的焊絲21相連接。n電極通過金絲一類的焊絲20與杯狀引線架18相連接。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，焊絲17最好由單質(zhì)金、或含金而不含鋁或鉻的2種以上的金屬構(gòu)成的金屬材料形成。至于含金而不含鋁或鉻的金屬材料可以列舉出金及含鈦、鎳、銦和/或鉑的材料。由此類金屬材料構(gòu)成的焊盤與p電極的粘結(jié)性是良好的，在與金絲的絲焊時，與由金絲形成的焊球的粘結(jié)性也是良好的。而且，這種金屬材料在退火時或為發(fā)光向器件通電過程中，幾乎不向p電極遷移不使p電極變質(zhì)(透光性下降)。含鋁或鉻的金屬材料，在通電中在比較短的時間(例如500小時)就發(fā)生向p電極的遷移，使p電極變質(zhì)。
實驗例2在圖1所示的具有作為基片11的藍(lán)寶石基片、作為n型半導(dǎo)體層12的厚度為4μm的n型GaN層、作為p型半導(dǎo)體層13的厚度為1μm的摻鎂的p型GaN層的器件的p電極15之上形成由各種金屬材料構(gòu)成的焊盤。p電極是經(jīng)依次蒸鍍厚度各為0.1μm的鎳層和金層，在600℃退火，使之合金化同時變得透明，得到厚度為0.05μm的電極。
更具體的說，用下列表1所示的焊盤材料在p電極上形焊盤。即在p電極上直接形成表1列中所示的金屬層，再在其上蒸鍍表1行中所示的金屬層，在p電極退火過程之同時進行退火形成焊盤。焊絲是金絲。
使如此得到的發(fā)光器件連續(xù)發(fā)光500小時，檢驗焊盤對p電極的影響。將結(jié)果一并記載于表1中。
表1 在表1中，標(biāo)記VG是“很好”之省略、表示器件在500小時發(fā)光后，焊盤完全不變色，仍保持初期的透光性，而且p電極與p型半導(dǎo)體的歐姆接觸特性不變的情況、標(biāo)記G是“好”之省略，表示在焊盤周圍的電極部分雖稍稍變色，但發(fā)光未到明顯減弱的程度，而且p電極與p型半導(dǎo)體層的歐姆接觸沒有變化的情況，標(biāo)記B是“壞”之省略，表示p電極失掉了透光性，p電極與p型半導(dǎo)體也失去歐姆接觸特性的情況。但是，不管p電極是否變色，與金球的粘結(jié)性變壞，將難以絲焊的焊盤用符號“-”表示。
如表1所示，例如用Ni-Au形成p電極的情況，用與p電極材料相同的材料即Ni-Au形成焊盤時，p電極一點也不變色而仍保持原有的透光性。另外，用單質(zhì)金形成焊盤的情況也能得到相同的結(jié)果?？墒荂r或Al都容易向p電極中遷移，即使p電極含金，p電極的特性也會變壞。
實驗例3除用Au-Ti形成p電極(這種p電極的歐姆特性稍稍劣于Ni-Au電極)以外，進行與實驗例2相同的實驗。其結(jié)果是對用單質(zhì)金或用Au-Ti形成焊盤的情況，為VG;對用金與除鋁或鉻以外的金屬(即，鎳、鈦、銦、或鉑)構(gòu)成的金屬材料形成的情況，結(jié)果為G;對用金與鋁或鉻構(gòu)成的金屬材料形成的情況下，結(jié)果為B。
實驗例4除用Au-Al形成p電極(這種電極的歐姆特性稍稍劣于Ni-Au電極)以外，進行與實驗例2相同的實驗。其結(jié)果是，對用單質(zhì)金形成焊盤的情況，為VG，對用金與除鋁或鉻以外的金屬(即鎳、鈦、銦、或鉑)構(gòu)成的金屬材料形成的情況下，結(jié)果為G，但用金與鋁構(gòu)成的金屬材料形成焊盤的情況，與p電極雖屬同一材料，但結(jié)果仍為B。還有，用金與鉻構(gòu)成的金屬材料情況下，其結(jié)果也是B。
圖3是依本發(fā)明第2實施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件的平面圖。圖4是沿圖3的Ⅳ-Ⅳ線的斷面圖。本實施方案特別涉及P電極用的焊盤之改進。如圖所示，在透光性p電極15上，設(shè)置切口311，露出p型半導(dǎo)體層13的一部分表面。焊盤32通過切口311與p型半導(dǎo)體層13牢固粘結(jié)，同時與p電極形成電連接。圖示的實施方案，焊盤32不但填滿了切口311，而且還延伸到切口311周圍的p電極的部分表面。切口部311，因而焊盤32最好設(shè)在與設(shè)置在n型半導(dǎo)體層12上的n電極14最遠(yuǎn)的位置(這種情況，也適用于圖1的器件)。因此，外加電流擴展到全體p型半導(dǎo)體層13，可以使器件均勻發(fā)光。就圖示例來說，平面方形晶片對角線上的切口部(窗)311，位于透光性p型電極15上的角落部，而n電極14，則形成在n型半導(dǎo)體層12上的角落部。
對焊盤32來說，與p型半導(dǎo)體層13形成歐姆接觸當(dāng)然好，但因通過p電極15已達到與p型半導(dǎo)體層13的歐姆接觸，如果與p電極15能實現(xiàn)電連接，不形成歐姆接觸也行。但是，焊盤32是用與p型半導(dǎo)體層13粘接得比p電極15還牢固的導(dǎo)電性金屬材料形成。由于焊盤32與p型半導(dǎo)體層13粘結(jié)得比p電極15還牢固，在引線絲焊接時，這樣而使拉拽金絲等的焊絲，也能防止焊盤32和/或p電極15被剝離。作為這樣的焊盤用的金屬材料，可以舉出是單純鋁、或含鉻、鋁和金之中至少二種金屬的金屬材料。形成焊盤32的金屬材料含有兩種以上金屬的情況下，如上所述，可以預(yù)先使它們合金化。也可以例如依次層疊各金屬層，在p電極退火時，同時合金化。這些金屬材料，雖然不能與p型半導(dǎo)體層13形成良好的歐姆接觸，但與p型半導(dǎo)體層13粘結(jié)牢固，絲焊時不會被剝離。因而，可使之薄膜化，薄至顯示出有透光性。這樣的薄膜焊盤，因能使器件所發(fā)出的光透過，就不會使器件的發(fā)光量有明顯地下降。還有，將焊盤32做成多層結(jié)構(gòu)，用比與p型半導(dǎo)體層13粘合得更牢固的材料，形成與p型電極15直接接觸的層，而用與焊絲材料粘附性更優(yōu)良的金屬形成最上層。
實驗例5在一層p型GAN層上，蒸鍍層疊總厚度為0.01μm的Ni-Au，形成1000個透光性盤區(qū)。另一方面，蒸鍍Cr-Al、Al-Au、Cr-Au或純Al各自總厚為0.01μm，每次形成各1000個透光性的焊盤。在這些焊盤上用金絲進行絲焊之后，在離開該金絲時，通過焊盤檢驗剝離數(shù)，來測定合格率。由Ni-Au優(yōu)成的焊盤的合格率，雖然約為60%，但其它材料優(yōu)成焊盤的合格率，都在98%以上。
還有，通過形成厚焊盤32，由于其厚度較大，可使之提高與p型半導(dǎo)體層13的附著力。厚焊盤沒有顯示透光性，例如用與p電極相同的材料形成的話，但可實現(xiàn)歐姆接觸。
圖5，除切除透光性p電極15之角部，形成切口部312以外，表明與圖4器件是同樣的器件。另外，在圖5中，為了清楚地示出切口部312，沒有將焊盤表示出來。
圖6除用絕緣透明保護膜(保護膜411)覆蓋薄透光性p電極15外，表明與圖1所示發(fā)光器件相同。保護膜具有讓90%以上的光透過的透明度。另外，保護膜由于是絕緣性的，絲焊時在n電極14上形成保留其上的金屬球，即使與p電極相接觸，也能防止兩者電短路。還有，保護膜為透明，由天能讓器件發(fā)出的透過p電極的光透過，就不會降低器件的外部量子效率(光輸出效率)。再有，與防止刺傷薄的p電極15的同時，保護膜還能防止絲焊時，因拉拽焊絲而使焊盤17和p電極被剝離。
形成保護膜的材料，只要透明絕緣，就沒有特別限制，令人滿意的是，包括氧化硅、氧化鈦、氧化鋁和氮化硅。這些材料不論膜厚如何都無色透明，又是絕緣的。所以，用這些材料形成的保護膜，透過p電極的光幾乎不會被衰減。保護膜可采用常規(guī)的蒸鍍或濺射技術(shù)形成。對保護膜的厚度雖然不作特別限制，但一般為0.001μm至10μm。
還有，在n電極14與焊盤17之間的區(qū)域，絲焊時，由焊絲形成的金屬球也容易使n電極14與p電極15橋接。所以，在圖6中，保護膜要金面地覆蓋該區(qū)域。
圖7，保護膜(保護膜412)除覆蓋p電極15的整個露出面，p型并導(dǎo)體層13的露出端面以及n型半導(dǎo)體層的露出端面外，都和圖6所示結(jié)構(gòu)同樣。因此，圖7發(fā)光器件的可靠性也比圖6器件的可靠性又提高了。
圖8，除n電極14與焊絲的焊接部和焊盤17的焊接部外，連續(xù)的保護膜(保護膜413)大致上覆蓋全晶片以外，表明與圖6結(jié)構(gòu)都相同。這樣一來，通過在焊盤17的表面上的也形成了保護膜，焊盤17變成再被保護膜扣著，因而防止了焊盤17從p電極15上剝離。此外，因保護膜也形成在n電極14上，所以，也防止也n電極14從n型半導(dǎo)體層12上被剝離。這樣，就提供了可靠性特別優(yōu)良的器件。
圖9，除n電極14和焊盤17形成在平面矩形晶片對角線上的對角部之外，都與圖8所示結(jié)構(gòu)相同。采用這種電極配置，可以取得與圖3所說明的優(yōu)點相同的優(yōu)點。
接著，說明有關(guān)本發(fā)明的n電極。
本發(fā)明的n電極用包含鈦和鋁與/或金的金屬材料，例如，包含鈦和鋁的材料、包含鈦和金的材料、或者包含鈦、金與鋁的材料形成。這些金屬，可以預(yù)先合金化，也可以是由各金屬層層疊的結(jié)構(gòu)。用這些金屬材料形成的電極，退火后，實現(xiàn)了與n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層的優(yōu)良?xì)W姆接觸。
上述退火溫度，最好在400℃以上，退火可以進行0.01分鐘到30分鐘。
一般，氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體即使沒有摻雜劑摻入，由于在結(jié)晶中形成氮晶格空位，還是具有成為n型的性質(zhì)。在化合物半導(dǎo)體的生長過程中，由于摻入硅、鍺、硒、硫等的n型摻雜劑，表現(xiàn)出最好的n導(dǎo)電型。而且，氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，通常采用有機金屬氣相生長法(MOCVD，或MOVPE)、氫化物氣相生長法(HDCVD)，分子束外延(MBE)這樣的氣相生長法生長。就這些氣相生長法來說，采用例如，用作鎵源的三甲基鎵、用作氮源的氨或聯(lián)氨等含氫原子化合物，還用氫氣等氣體用作攜帶氣體。含氫原子的這些氣體，在氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體生長中被熱分解放出氫，氫被吸收到生長的半導(dǎo)體中，與氮晶格空位或n型摻雜劑結(jié)合，阻礙了它們作為施主的作用。如果在400℃以上的溫度使n電極材料或p電極材料退火，半導(dǎo)體結(jié)晶中捕集的氫元素會被趕出，于是，結(jié)晶中的n型摻雜劑或者p型摻雜劑被激活，有效地增加了結(jié)晶中電子載流子濃度或空穴載流子濃度，可以認(rèn)為實現(xiàn)了與電極的歐姆接觸。這樣退火的效果和上述特開平5-183189號公告或US SN07/970145所記載的將p型摻雜劑摻入氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的效果是一樣的。在該公告中，記載表明，摻入了p型摻雜劑的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，從400℃的退火溫度開始，電阻率慢慢降低，在700℃以上的退火溫度則電阻率不變。然而本發(fā)明的n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，在400℃退火開始，雖然慢慢降低電阻率，但沒有發(fā)現(xiàn)急烈的電阻率下降，在600℃下退火，電阻率約變?yōu)槌跏茧娮杪实?/2，即使在該溫度以上進行退火，電阻率也不再降低。
對n電極的退火溫度，以500℃以上為好，600℃以上為更好。n電極材料含鋁時，退火溫度用較低的溫度就足夠了，優(yōu)選在450℃以上，最好在500℃以上。退火溫度的上限，與p電極退火的上限溫度一樣，是不到氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體分解的溫度。對n電極的總厚度雖然沒有特別限制，但通常為50埃以上，優(yōu)選為0.01μm到5μm之間。
包含鈦和鋁與/或金的本發(fā)明n電極材料以各金屬層的疊層結(jié)構(gòu)為好。這時，可以讓鈦層在n型氮化硅系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層上直接接觸。這是由于，鈦與n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體能形成極優(yōu)良的歐姆接觸之故。這種情況下，鈦層可以形成厚度為20A到0.3μm范圍。另外，鋁或金層的總厚度以比鈦層厚為好。因此，退火時鈦表面遷移之后，在進行絲焊時就能防止與n電極焊絲或焊球的附著強度的降低。
包含鈦與金、或者鈦與金和鋁的本發(fā)明的n型電極材料還比由鈦與鋁組成的n電極材料，抗氧化性能好，與絲焊時形成的金球附著更牢固。還有，含金的本明n電極材料，可以把最上層做成金層的疊層結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，是因為金層和金球粘結(jié)得非常堅固。
圖10表示設(shè)有本發(fā)明n電極的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件。該器件，例如在由藍(lán)寶石構(gòu)成的基片11上，使例如由非摻雜的GaN構(gòu)成的厚度為0.02至0.5μm的緩沖層介于其間(未圖示)，形成例如厚度為1μm至10μm的n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層51。
在n型半導(dǎo)體層51上，形成由n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，例如摻入硅等的n型摻雜劑的n型GaAlN構(gòu)成的第1蓋層52。該蓋層52，通常厚度為0.01至5μm，較好為0.1至4μm。
第1蓋層52之上又形成與蓋層52半導(dǎo)體組分不同的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的有源層(發(fā)光層)53。該有源層53可以用摻入n型或者p型摻雜劑，優(yōu)選為摻硅等n型摻雜劑的低電阻率InaGa1-aN(0＜a＜1)來形成。有源層53厚度在10A至1.5μm間，較好為0.01至0.2μm間。
有源層53上再形成與有源層53有不同半導(dǎo)體組分的p型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，例如摻鎂等的p型摻雜劑的GaAlN構(gòu)成的第2蓋層54。第2蓋層54通常厚度在0.01μm以上，較好為0.1至1μm。
第2蓋層54之上，形成由p型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，例如p型GaN構(gòu)成的接觸層55，其上還形成p電極56。p電極56用任何導(dǎo)電性合適的金屬材料形成均可。顯示良好歐姆特性而用作電極材料，可以舉出的是含鎳和金的金屬材料?？梢詫㈡嚭徒痤A(yù)先做成合金，但是將各金屬層層疊的結(jié)構(gòu)(這時可使鎳層與接觸層直接接觸)則更好。不言而喻，有關(guān)上述各實施方案的本發(fā)明透光性歐姆p電極15特別是焊盤32也都能用于圖10的器件上。p電極56經(jīng)過金屬球59與焊絲60連接。
晶片從接觸層55，沿其深度方向，到n型半導(dǎo)體層51的表面部位為止的部分由腐蝕除去，使n型半導(dǎo)體層51部分露出。再在該n型半導(dǎo)體層51的露出表面上，形成了本發(fā)明的n電極57。n電極57通過金屬球58與焊絲61相連接。
實驗例6在直徑2英寸的藍(lán)寶石基片上，形成厚度4μm摻硅的n型GaN層，其表面上，蒸鍍大小10μm的各種n電極材料每種各1000個，在450℃下做退火。全部測定由同一材料構(gòu)成的電極之間的電流-電壓特性。結(jié)果表示于圖11A～11D的線A～D。圖11A對應(yīng)于按0.01∶1的厚度比依次層疊鈦與鋁所得的電極，圖11B是用含有1重量%鈦的Al-Ti合金形成的電極，圖11C是由鈦單獨構(gòu)成的電極，圖11D是由鋁單獨構(gòu)成的電極。這些圖是表示各自代表的電流-電壓特性曲線圖，而由鋁和鈦構(gòu)成的電極，如圖11A、圖11B所示那樣，與n型GaN層形成良好的歐姆接觸。還有，那些各1000個的電極全部表示出了如圖11A、圖11B所示的歐姆特性。另一方面，單獨鈦或單獨鋁構(gòu)成的電極，分別如圖11C、圖11D所示的那樣，哪個也沒有表示出良好的歐姆特性，各1000個電極之中，能呈現(xiàn)如圖11A或11V所示的那種歐姆特性的電極只不過幾個。
而且，用顯微鏡觀察了退火后的電極表面，由單獨鈦或單獨鋁構(gòu)成的電極，其表面積90%以上都變質(zhì)發(fā)黑了。
實驗例7
在直徑2英寸的藍(lán)寶石基片上，形成厚度為0.2μm摻硅的n型Ga0.9Al0.1N層。在該表面上，按100μm大小，改變鈦與鋁的疊層結(jié)構(gòu)n電極材料的鈦層與鋁層厚度之比，每種蒸發(fā)各自1000個，并在450℃下退火。測定由同一材料構(gòu)成電極的電流～電壓特性。結(jié)果如圖12A～12D的線A～D所示。圖12A～圖12D分別對應(yīng)于鈦與鋁按0.001∶1的厚度比，鋁與鈦按0.001∶1的厚度比，鈦與鋁按1∶0.001的厚度比，以及鋁與鈦按1∶0.001的厚度比，各自依次層疊所得的電極。這些圖清楚表明不管鈦與鋁的含有比率如何，全都有良好的歐姆特性。還有，使鈦層直接接觸n型半導(dǎo)體層的Ti-Al電極全部呈現(xiàn)表示于圖12A和12C的良好歐姆特性，但使鋁層直接與n型半導(dǎo)體層接觸的Al-Ti電極，沒有呈現(xiàn)滿意歐姆特性的各有幾個。還有，無論哪一個電極也都未變質(zhì)。
實驗例8在摻硅的n型GaAlN層上，首先蒸鍍厚為0.03μm的鈦，其上蒸鍍厚為0.5μm的鋁，再在其上蒸鍍厚為0.5μm的金之后，將這個疊層結(jié)構(gòu)以各種溫度退火5分鐘。在圖13A～13D中用線A～D表示結(jié)果。圖13A對應(yīng)于退火溫度300℃的情況，圖13B是退火溫度為400℃的情況，圖13C是退火溫度為500℃的情況，而圖13D則對應(yīng)于退火溫度為600℃的情況。從這些圖知道，退火溫度為300℃的情況下，電極與n型半導(dǎo)體層之間沒有表現(xiàn)出良好的歐姆特性(圖13A);退火溫度為400℃以上的情況下，表現(xiàn)出滿意的歐姆特性(圖13B～13D)。還有，用鈦、鋁和金的合金形成n電極，也得到同樣的結(jié)果。
實施例9在摻硅的n型GaN層上除蒸鍍厚度為0.03μm的鈦，其上再蒸鍍厚度為0.5μm的金以外，進行與實驗例8同樣的實驗。在圖14A～14D用線A～D表示結(jié)果，圖14A是對應(yīng)于退火溫度為300℃時情況，圖14B是退火溫度為400℃的情況，圖14C是退火溫度為500℃的情況，而圖14D則對應(yīng)于退火溫度為600℃的情況。從各個圖知道，退火溫度在300℃的情況下，電極與n型半導(dǎo)體層之間沒有表現(xiàn)出良好的歐姆特性(圖14A);退火溫度在400℃以上的情況下，表現(xiàn)出滿意的歐姆特性(圖14B～14D)。還有，用鈦與金的合金形成電極也得到了同樣的結(jié)果。
若將圖14A～14D和圖13A～13D作比較，對含鈦與金的電極材料再外加鋁，即使用較低的退火溫度也可知能獲得顯示滿意歐姆特性的n電極。所謂用較低溫度獲得滿意的歐姆特性，這就是能抑制氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的熱分解，對保持其結(jié)晶性這點上特別有利。
實驗例10為了研究n電極和金球的粘結(jié)強度，進行了以下實驗。
通過參照圖15，在摻硅的n型GaN層71上，形成由Al構(gòu)成的薄膜、或由Ti-Al、Ti-Au、Ti-Au-Al或者Ti-Al-Au構(gòu)成的多層膜(各多層膜從左起依次層疊)，做成各自直徑120μm大小每種100個，在500℃下退火，形成n電極72。接著，將各n電極放置在空氣中一天提供表面氧化。然后，各n電極上球焊金絲74。形成了直徑100μm的金球73。此后，從金球的正側(cè)面放一把刃具75，在刃具75加負(fù)荷，水平地拉刮球73，使球73剝落，或者未被剝落而毀壞為止。結(jié)果表示在表2中。表2中，各種負(fù)荷下的數(shù)值，表示從電極上剝落球的個數(shù)，而球不被剝落而毀壞，記作“毀壞”。
表2 如表2所示，由鈦和金或鈦和鋁及金構(gòu)成的n電極，比由鈦和鋁構(gòu)成的n電極，耐氧化性能更優(yōu)越，因而，也就表現(xiàn)出與金球有更強的粘結(jié)力。并且，由鈦和鋁及金構(gòu)成n電極的場合，金作為最上層比鋁作為最上層的場合，也清楚表現(xiàn)出更強的粘結(jié)力。
由鈦和鋁構(gòu)成的n電極材料層有良好歐姆特性，是由于防止了因氧化而降低金屬球與n電極材料層的粘結(jié)力，其表面上最好層疊比鋁有高熔點的高熔點金屬材料層。這樣的高熔點金屬材料包括金、鈦、鎳、鉑、鎢、鉬、鉻和/或銅。最好是金、鈦、和/或鎳。這些材料和由鈦與鋁構(gòu)成的第1金屬材料層的粘合性非常好，不會與第1材料層剝離，而且，與絲焊時形成金屬球的粘結(jié)也良好。特別是，第2高熔點金屬材料以包含金為好。最好是包含金和金以外的高熔點金屬(優(yōu)選為鈦和/或鎳)材料。這些高熔點金屬材料，既可預(yù)先合金化，也可以是各金屬層層疊的結(jié)構(gòu)。這時，以金做最上層為好，這是已經(jīng)說過的。形成這樣的疊層膜之后，按上述條件進行退火，就得到n電極。第2高熔點金屬材料能防止包含在下層金屬材料中的鋁向n電極表面遷移，從而能防止鋁氧化。
圖16表示這種疊層結(jié)構(gòu)的n電極57。圖16中，n電極57是由鈦和鋁疊層結(jié)構(gòu)組成的第1薄膜57a，以及在其上形成的例如疊層結(jié)構(gòu)的高熔點金屬材料組成的第2簿膜57b所構(gòu)成。
實驗例11摻硅的n型GaN層上，蒸鍍厚度為0.03μm鈦，其上再蒸鍍厚度0.1μm鋁，形成第1薄膜后，在鋁層上除依次蒸鍍厚度0.03μm的鈦、0.03μm的鎳、以及0.5μm的金外，進行與實驗例8同樣的實驗。結(jié)果表示為圖17A～17D中的線A～D。圖17A對應(yīng)于退火溫度為300℃的情況、圖17B是退火溫度為400℃的情況、圖17C是退火溫度為500℃的情況，而圖17D是退火溫度為600℃的情況。由各圖可知，退火溫度為300℃的情況下，電極與n型半導(dǎo)體層之間沒有表現(xiàn)出良好的歐姆特性(圖17A)，退火溫度在400℃以上的情況下，則表現(xiàn)出滿意的歐姆特性(圖17B～17D)。還有，采用600℃退火溫度也知道不會使歐姆特性劣化。
實驗例12為了研究n電極和金球的粘結(jié)強度，使用下面表3所示的電極材料，進行與實驗例10同樣的實驗，將結(jié)果合并記在表3內(nèi)。
表3
從表3可知，高熔點金屬材料使鈦和鋁構(gòu)成的金屬材料的耐氧化性提高了，也使其與金球的粘結(jié)性提高了。
還有，上述的本發(fā)明的n電極，不言而喻，適用于圖1以及圖3到圖9各器件的n電極14，能提高這些器件的特性。
以下記載本發(fā)明的實施例實施例1在藍(lán)寶石基片上，依次層疊由非摻雜GaN構(gòu)成的緩沖層(厚度0.02μm)、摻硅n型GaN層(厚4μm)、以及摻鎂的p型GaN層(厚1μm)制備成2英寸直徑的晶片。接著，為露出n型GaN層的n電極形成部，而腐蝕除去p型GaN層。
接著，掩蔽露出的n型GaN層部分之后，在整個p型GaN層上，蒸鍍厚度為0.03μm鎳，接著其上蒸鍍厚度為0.07μm的金。接著，掩蔽該蒸鍍膜，在露出的n型GaN層表面部分蒸鍍鋁。
然后，將所得的晶片在500℃下進行10分鐘退火處理，隨著鎳和金合金化，變?yōu)橥腹庑?。退火后的p電極厚度為0.07μm，呈現(xiàn)透光性。
將該晶片切成350μm方形芯片，把一個芯片安裝在圖1所示杯形的引線架上，進行預(yù)定的絲焊，就制成了發(fā)光二極管。該二極管的發(fā)光輸出，20mA下為80μw，正向電壓為4V。
還有，由2英寸晶片切開的芯片個數(shù)，約為16000個，從這些芯片得到的發(fā)光二極管除去接觸不好的產(chǎn)品之后的合格率在95%以上。
附帶說，用實施例1獲得的晶片，與已有技術(shù)同樣地把p電極和n電極分別與引線架直接接觸配置(制作在藍(lán)寶石基片上)芯片時，芯片尺寸最小也要有1mm見方。跨在2條引線架上安裝該1mm見方的芯片，進行所需的電極連接，而制成發(fā)光二極管。該發(fā)光二極管，用20mA電流，發(fā)光輸出為40μw，而大家都知道橫向發(fā)光不輸出。而且，2英寸晶片切成的芯片個數(shù)不超過2000個，由這些芯片得到的發(fā)光二極管，除去接觸不好的產(chǎn)品之后的合格率僅為60%。
因此，根據(jù)本發(fā)明，由于p型半導(dǎo)體層的電極是由實現(xiàn)歐姆接觸金屬構(gòu)成的，而且是透光性的，所以能提供一種容許從氮化鎵系化合物半導(dǎo)體層一側(cè)觀察發(fā)光的發(fā)光器件。還可以證實，由于不會降低發(fā)光器件的外部量子效率(光取出效率)，就是能有效地取出發(fā)射的光。并且，根據(jù)本發(fā)明，還可確認(rèn)能縮小1個芯片的尺寸、特別提高生產(chǎn)性，有增加合格率以及降低生產(chǎn)成本的效果。
實施例2除用600℃進行退火外，都進行實施例1的工藝過程。所得到的p型電極大致上和實施例1電極有同樣的厚度，并表現(xiàn)出同樣的透光性。而且，制成的發(fā)光二極管呈現(xiàn)與實施例1二極管大致相同的發(fā)光輸出、正向電壓，另外合格率也是大體一樣。
實施例3p型GaN層上，除依次蒸鍍厚度0.5μm的鉻、厚度為0.5μm的鎳以外，進行實施例1的工藝過程。所得到的p型電極的厚度為0.7μm，并呈現(xiàn)同樣的透光性。并且，制成的發(fā)光二極管表現(xiàn)出與實施例1發(fā)光二極管大致相同的發(fā)光輸出和正向電壓，且合格率也大致相同。
實施例4p型GaN層上，除依次蒸鍍厚度為0.01μm的鉑、厚度為0.1μm的鈦以外，進行實施例1的工藝過程。所得到的p型電極具有0.07μm的厚度，并呈現(xiàn)同樣的透光性。并且，制成的發(fā)光二極管表現(xiàn)出與實施例1的發(fā)光二極管大致相同的發(fā)光輸出和正向電壓，且合格率也大致一樣。
實施例5在直徑2英寸的藍(lán)寶石基片上，依次層疊GaN緩沖層、摻硅n型GaN層、摻硅GaAlN蓋層、摻鋅和硅的InGaN有源層、摻鎂GaAlN蓋層，以及摻鎂p型GaN接觸層，而形成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的晶片。
接著，對具有圖10示出結(jié)構(gòu)的1芯片施行腐蝕，露出部分的n型GaN層。用預(yù)定的掩模，在各個露出的n型GaN層上蒸鍍100埃的鈦，其上再蒸鍍厚度0.5μm的金，形成直徑100μm的多層膜。
將所得的晶片，在氮氣氛中，600℃下，退火5分鐘，使多層膜轉(zhuǎn)化成n電極。用晶片探針測定n電極間的電流～電壓特性，顯示了圖12D示出的歐姆特性。
接著，在p型接觸層上，用常規(guī)方法形成p電極之后，把晶片切成芯片。于是，由2英寸晶片得到15000個芯片。
采用管芯焊接法，把各芯片安置在引線架上，再用球焊機在p和n電極上連接金絲。在15000個芯片之中，在球焊中球和n電極都沒有剝離。并且，焊接后，任意抽出20個芯片，由于拉拽各條金絲時，在整個金球從n電極剝落前，金絲就斷了。
實施例6作為n電極材料，除蒸度100A的鈦，其上再蒸底厚度的0.4μm的鋁以外，與實施例5同樣制做，得到15000個發(fā)光芯片。用晶片探針測定所有n電極的電流～電壓特性，給出了圖11A示出的特性。并且，在15000個芯片之內(nèi)，在球焊的過程中，金球和n電極沒有剝離。而且，在焊接后，任意抽出20個芯片，拉拽各條金絲時，在整個金球從n電極剝落之前，金絲就斷了。
實施例7作為n電極材料，除蒸鍍厚度為0.5μm的含1%鈦的Ti-Al合金以外;作法與實施例5相同，從而得到15000個發(fā)光芯片。用晶體探針測定全部n電極的電流～電壓特性，給出了圖11B示出的特性。而且，15000個芯片之內(nèi)，在球焊中，金球與n電極沒有剝離。并且，在焊接后，任意抽出20個芯片，拉拽各條金絲時，在整個金球從n電極上剝落之前，金絲就斷了。
實施例8將實施例5的發(fā)光芯片，在p電極和n電極處與有2條引線的架粘結(jié)。這種情況下，p電極和n電極通過各自的銦粘結(jié)劑粘結(jié)。粘結(jié)后，拉拽n電極和連接的引線架時，在銦與引線架的界面發(fā)生了剝離。
本實施例表示了本發(fā)明的n電極用焊錫、銦、金合金等常用的粘結(jié)劑與引線架直接牢固粘合。
實施例9作為n電極材料，除蒸鍍100A的鈦，其上又蒸鍍厚度為0.1μm的鋁形成第1薄膜，再在其上形成厚度為0.1μm的鈦和0.1μm的鎳作為第2薄膜以外，都與實施例5同樣制作，得到15000個芯片。根據(jù)晶片探針測定全部n電極的電流～電壓特性，給出了圖13D示出的特性。并且，15000個芯片之內(nèi)，在球焊中，金球和n電極都沒有剝離。而且，焊接后，隨機抽出20個芯片，拉拽各個金絲時，在整個金球從n電極剝落之前，金絲就斷了。
實施例10作為n電極材料的第2薄膜，除蒸鍍厚度為0.1μm的鈦以及厚度為0.4μm的金以外，都與實施例9同樣制作，得到15000個發(fā)光芯片。根據(jù)晶片探針測定全部n電極的電流～電壓特性，給出圖14D示出的特性。并且，15000個芯片之中，在球焊中，金球和n電極沒有剝離。而且，焊接后，隨機抽出20個芯片，拉拽各金絲時，在整個金球從n電極剝落之前，金絲就已斷了。
實施例11作為n電極的第2薄膜，除蒸鍍厚度為0.1μm的鈦、厚度為0.1μm的鉻，以及厚度為0.4μm的金以外，都與實施例9同樣制作，得到15000個發(fā)光芯片。根據(jù)晶片探針測定的全部n電極的電流～電壓特性，給出圖13C或13D示出的特性。并且，15000個芯片中，在球焊中，金球和n電極都不會剝離。而且，焊接后，隨機抽出20個芯片，拉拽各金絲時，在整個金球從n電極剝落前，金絲就已斷了。
實施例12將實施例9的發(fā)光芯片，在p電極和n電極處與2引線架粘結(jié)。這種情況下，p電極和n電極通過各自銦粘結(jié)劑粘結(jié)。粘結(jié)之后，拉拽與n電極連接的引線架時，銦和引線架的界面發(fā)生剝離。
以上雖然參照本發(fā)明的具體實施方案作出說明，但本發(fā)明不應(yīng)僅限于此。各個實施方案，就其適用的范圍來說，也能適用于其他實施方案。而且，例如，把本發(fā)明可加到p-n同質(zhì)結(jié)或p-n雙異質(zhì)結(jié)的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物發(fā)光器件上，也適用于p-n單異質(zhì)結(jié)的氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件。此外，本發(fā)明不但適用于發(fā)光二極管，而且也適用于激光二極管等其他發(fā)光器件、還有太陽電池、光電二極管等對600nm以下波長敏感的光敏器件。本發(fā)明主要是提供與氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體為歐姆接觸的電極材料。因而，本發(fā)明能夠適用于基片上具有p型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層和/或n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層的任何半導(dǎo)體器件。該基片不限于藍(lán)寶石等絕緣性基片，也可用碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化鋅(ZnO)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)等半導(dǎo)體基片。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體器件，該器件具備具有第1及第2主面的基片、在該基片的第1主面上形成的、包含n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層及p型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)、連接該n型半導(dǎo)體層而形成的第1電極、以及連接該p型半導(dǎo)體層而形成的，包含金屬材料的透光性的第2電極。
2.權(quán)利要求1記載的器件，能從該基片的第1主面一側(cè)觀測由該器件所發(fā)出的光。
3.權(quán)利要求1記載的器件，所述的第2電極是用包含從金、鎳、鉑、鋁、錫、銦、鉻及鈦組成的組中選出的至少一種金屬的金屬材料形成的。
4.權(quán)利要求1記載的器件，所述的第2電極是用包含由鉻、鎳、金、鈦及鉑組的組中選出的至少2種金屬的金屬材料形成的。
5.權(quán)利要求1記載的器件，所述的第2電極是用金及鎳構(gòu)成的金屬材料形成的。
6.權(quán)利要求5記載的器件，所述的第2電極是由連接該p型半導(dǎo)體層形成的鎳層與在其上形成的金層構(gòu)成的。
7.權(quán)利要求1記載的器件，所述的第2電極的厚度為0.001μm～1μm。
8.權(quán)利要求1記載的器件，所述的第2電極400℃在以上的溫度下作退火。
9.權(quán)利要求1記載的器件，該器件還包括在該基片的第2主面支持該器件的引線架。
10.權(quán)利要求1記載的器件，還包括與該第2電極電連接的、為與焊絲焊接的焊盤。
11.權(quán)利要求10記載的器件，所述的焊盤是由單質(zhì)金或包含金而不含鋁或鉻的至少2種以上的金屬構(gòu)成的金屬材料形成的。
12.權(quán)利要求10記載的器件，所述的焊盤是由包含金與由鈦、鎳、銦及鉑構(gòu)成的至少1種金屬的金屬材料形成的。
13.權(quán)利要求10記載的器件，所述的焊盤是由與所述第2電極相同的材料形成的。
14.權(quán)利要求10記載的器件，所述的焊盤是由與第2電極直接相接的鎳層及在其上形成的金層構(gòu)成的。
15.權(quán)利要求10記載的器件，所述的第2電極具有部分露出該p型半導(dǎo)體層表面的切口、所述的切口被所述的焊盤填充。
16.權(quán)利要求15記載的器件，所述的焊盤是由比所述的第2電極更牢固地與p型半導(dǎo)體層粘結(jié)的金屬材料形成的。
17.權(quán)利要求16記載的器件，所述的焊盤是由單質(zhì)鋁、或從鉻、鋁及金組成的組中選出的至少2種金屬構(gòu)成的金屬材料形成的。
18.權(quán)利要求10記載的器件，所述的焊盤被設(shè)置在距所述第1電極最遠(yuǎn)的位置。
19.權(quán)利要求1記載的器件，還具有覆蓋所述的第2電極、由透明絕緣材料形成的保護膜。
20.權(quán)利要求19記載的器件，所述保護膜是由氧化硅、氧化鋁、氧化鈦或氮化硅形成的、
21.權(quán)利要求19記載的器件，所述保護膜也覆蓋在第1電極的表面上。
22.權(quán)利要求10記載的器件，還具有覆蓋所述的第2電極及所述的焊盤，由透明絕緣性材料形成的保護膜。
23.權(quán)利要求22記載的器件，所述的保護膜是由氧化硅、氧化鋁、氧化鈦或氮化硅形成的。
24.權(quán)利要求22記載的器件，所述的保護膜也覆蓋在第1電極的表面上。
25.一種氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體器件的制造方法，該法包括提供具有第1及第2主面的基片、及在該基片第1主面上形成的具有包含n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層和p型氮化鎵Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)之氮化鎵Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件;連接該p型半導(dǎo)體層形成金屬材料層;為該金屬材料提供退火，在使該金屬材料層變成透光性之同時使之與p型半導(dǎo)體層形成歐姆接觸、以此提供與該第2半導(dǎo)體層直接接觸的透明歐姆電極。
26.權(quán)利要求25記載的方法，所述的退火是在400℃以上的溫度進行的。
27.權(quán)利要求26記載的方法，所述的構(gòu)成歐姆電極的金屬材料包括由金、鎳、鉑、鋁、錫、銦、鉻及鈦組成的組中選出的至少1種金屬。
28.一種氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體器件，該器件具備具有第1及第2主面的基片、在該基片的主面上形成的、包含n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層及p型氮化鎵Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)、連接該n型半導(dǎo)體層形成的包含鈦及鋁或金的第1電極、以及連接該p型半導(dǎo)體層形成的第2電極。
29.權(quán)利要求28記載的器件，所述的第1電極是由與該n型半導(dǎo)體層直接相接形成的鈦層、及鋁層或金層構(gòu)成的。
30.權(quán)利要求28記載的器件，所述的第1電極是由與該n型半導(dǎo)體層直接相接形成的鈦層、在該鈦層上形成的鋁層及在該鋁層上形成的金層構(gòu)成的。
31.權(quán)利要求28記載的器件，所述的第1電極包括由鈦及鋁構(gòu)成的金屬材料形成的第1膜、以及在該第1膜上形成的、由其熔點比鋁高的高熔點的金屬材料形成的第2膜。
32.權(quán)利要求31記載的器件，所述的第2膜包含鈦。
33.權(quán)利要求31記載的器件，所述的第2膜由金和鈦和/或鎳構(gòu)成。
34.權(quán)利要求28記載的器件，所述的第1電極在400℃以上的溫度經(jīng)受退火。
35.權(quán)利要求28記載的器件，還包括在該基片的第2主面支持該器件的引線架。
36.權(quán)利要求28記載的器件，還包括與所述的電極電連接的、為與焊絲焊接的焊盤。
37.權(quán)利要求36記載的器件，所述的焊盤設(shè)置在離所述的第1電極最遠(yuǎn)的位置。
38.權(quán)利要求28記載的器件，所述的第2電極是由含鎳及金的金屬材料形成的。
39.一種氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體器件的制造方法，該法包括提供具有第1及第2主面的基片、及在該基片第1主面上形成的具有包含n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層和p型氮化鎵Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)之氮化鎵Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體器件;接連所述的n型半導(dǎo)體層形成包含鈦及鋁或金的金屬材料層;使該金屬材料層經(jīng)受退火，形成與該n型半導(dǎo)體層的歐姆接觸、以此提供與該n型半導(dǎo)體層相連接的歐姆電極。
40.權(quán)利要求39記載的方法，所述的退火是在400℃以上的溫度進行的。
41.權(quán)利要求40記載的方法，所述的構(gòu)成歐姆電極的所述的金屬材料包括與該n型半導(dǎo)體層直接相接形成的鈦層、及在其上形成的鋁層和/或金層。
42.一種氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體器件，該器件具備具有第1及第2主面的基片、在該基片第1主面上形成的、含有n型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層及p型氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)、連接該n型半導(dǎo)體層形成的、包含鈦及鋁或金的第1歐姆電極、以及接連該p型半導(dǎo)體層形成的、包含金屬材料的透光性的第2歐姆電極。
43.權(quán)利要求42記載的器件，所述的第1歐姆電極由與該n型半導(dǎo)體層直接相接形成的鈦層、在該鈦層上形成的鋁層及在該鋁層上形成的金層構(gòu)成。
44.權(quán)利要求43記載的器件，所述的第2電極是由該p型半導(dǎo)體層直接相接形成的鎳層、及在該鎳層上形成的金層構(gòu)成的。
45.權(quán)利要求44記載的器件，還包含與第2電極電連接的、為與焊絲焊接的焊盤。
46.權(quán)利要求45記載的器件，所述的基片的第1主面為方形、該焊盤設(shè)置在該第2電極的第1角部上、該第1電極設(shè)置在含該第1角部的該方形的對角線上的該n型半導(dǎo)體層的角上。
47.權(quán)利要求46記載的器件，所述的焊盤由與該第2電極直接相接形成的鎳層及在該鎳層上形成的金層構(gòu)成。
48.權(quán)利要求46記載的器件，所述的第2電極具有使該p型半導(dǎo)體層表面的一部分露出的切口、該焊盤填充在該切口中，所述的焊盤具備與該p型半導(dǎo)體層直接相接的包含鉻或鋁的第1層及在該第1層上形成的由金構(gòu)成的層。
49.權(quán)利要求48記載的器件，還具有實質(zhì)上全面覆蓋所述的器件的透明絕緣性保護膜。
50.權(quán)利要求49記載的器件，還具有在該基片第2主面支持所述的器件的引線架。
51.權(quán)利要求50記載的器件，能從該基片的該第1主面一側(cè)觀測該器件發(fā)出的光。
52.一種氮化鎵系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體器件，具備在基片上形成的氮化鎵Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層及包含接連該半導(dǎo)體層形成的、經(jīng)退火以致形成與該半導(dǎo)體層歐姆接觸的金屬材料的歐姆電極。
53.權(quán)利要求52記載的器件，所述的半導(dǎo)體層為n型、所述金屬材料包含鈦及鋁或金。
54.權(quán)利要求52記載的器件，所述的半導(dǎo)體層為p型，所述金屬材料包含鎳及金。
55.權(quán)利要求54記載的器件，所述金屬材料包含與該半導(dǎo)體層直接相接形成的鎳層及在該鎳層，上形成的金層。
56.權(quán)利要求52記載的器件，所述半導(dǎo)體層為p型、所述電極是透明的。
57.權(quán)利要求56記載的器件，所述金屬材料包含從金、鎳、鉑、鋁、錫、銦、鉻及鈦組成的組中選出的至少一種金屬。
全文摘要
一種氮化鎵系III-V族化合物半導(dǎo)體器件具有在基片上形成的氮化鎵系III-V族化合物半導(dǎo)體層、及接連該半導(dǎo)體層形成的歐姆電極。歐姆電極包含金屬材料，經(jīng)退火處理。
文檔編號H01L29/72GK1102507SQ9410693
公開日1995年5月10日 申請日期1994年4月28日 優(yōu)先權(quán)日1993年4月28日
發(fā)明者中村修二, 山田孝夫, 妹尾雅之, 山田元量, 板東完治 申請人:日亞化學(xué)工業(yè)株式會社