JP5317898B2 - Method for manufacturing light-emitting diode element - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード素子及び発光ダイオード素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a light emitting diode element and a method for manufacturing the light emitting diode element.
図3の符号110は従来の発光ダイオード素子の一例を示している。
発光ダイオード素子110は、発光層119と、透明電極膜116と、反射電極膜117とを有している。発光層119はn型クラッド層113と、活性層114と、p型クラッド層115とを有している。
透明基板111上にバッファ層112と、n型クラッド層113とがこの順に配置され、n型クラッド層113が一部露出するようにして、n型クラッド層113上に活性層114と、p型クラッド層115と、透明電極膜116と、反射電極膜117とがこの順で配置されている。
The light
The
n型クラッド層113の一部露出した面上には活性層114と離間して負端子122が配置され、反射電極膜117上には正端子121が配置されている。
不図示の直流電源の正極を正端子121に、負極を負端子122にそれぞれ電気的に接続し、正端子121と負端子122との間に直流電圧を印加して、直流電流を流すと、活性層114は光を放出する。
On the partially exposed surface of the n-
When a positive electrode of a DC power source (not shown) is electrically connected to the
活性層114からp型クラッド層115側に放出された光は、透明電極膜116を透過し、反射電極膜117で反射され、透明電極膜116と発光層119とバッファ層112と透明基板111とを順に透過し、外部に放出される。
透明電極膜116としてはITO膜が好んで用いられ、発光層119上に透明電極膜116を成膜する方法としては、発光層119に対するダメージを少なくするために、真空蒸着法が好んで採用されている。
The light emitted from the
An ITO film is preferably used as the
従来、発光ダイオード素子に用いられるITO膜の真空蒸着では、基板を250℃以上の温度に加熱し、かつ0.2nm/s程度の成膜レートで成膜していた。
このような条件で成膜されたITO膜表面の算術平均粗さは約20nm以上であり、発光層から放出された光がITO膜表面と反射電極膜との界面で散乱及び吸収されることにより、発光ダイオード素子の輝度が低下するという問題があった。
この問題を解決するために、特許文献1では交番電磁界を形成してITO材料の蒸気をイオン化する方法が開示されているが、交番電磁界形成手段を備えた真空蒸着装置を新たに用意する必要があり、コスト面で好ましくなかった。
Conventionally, in the vacuum evaporation of an ITO film used for a light emitting diode element, the substrate is heated to a temperature of 250 ° C. or higher and is formed at a film formation rate of about 0.2 nm / s.
The arithmetic average roughness of the ITO film surface formed under such conditions is about 20 nm or more, and the light emitted from the light emitting layer is scattered and absorbed at the interface between the ITO film surface and the reflective electrode film. There is a problem that the luminance of the light emitting diode element is lowered.
In order to solve this problem,
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、従来の真空蒸着装置を用いて、光の取り出し効率の高い発光ダイオード素子とその製造方法を提供することである。 The present invention was created to solve the above-mentioned disadvantages of the prior art, and an object of the present invention is to provide a light-emitting diode element having a high light extraction efficiency using a conventional vacuum evaporation apparatus and a method for manufacturing the same. It is.
本発明者らがITO膜表面の算術平均粗さと、反射率との関係を調べたところ、算術平均粗さが小さいほど反射率が大きくなることが分かった。
発光ダイオード素子の発光光の波長は、例えば短波長(青系統)のもので460nmであり、図4のグラフは、その波長での光の反射率と、ITO膜表面の算術平均粗さとの関係を示している。
発光ダイオード素子として実用上必要な反射率は80%以上であり、反射率80%以上を得るために必要な算術平均粗さは2.7nm以下であることが図4のグラフから分かる。
When the present inventors investigated the relationship between the arithmetic average roughness of the ITO film surface and the reflectance, it was found that the smaller the arithmetic average roughness, the higher the reflectance.
The wavelength of light emitted from the light emitting diode element is, for example, 460 nm for a short wavelength (blue system), and the graph of FIG. 4 shows the relationship between the reflectance of light at that wavelength and the arithmetic average roughness of the ITO film surface. Is shown.
It can be seen from the graph of FIG. 4 that the reflectance necessary for practical use as a light-emitting diode element is 80% or more, and the arithmetic average roughness necessary for obtaining the reflectance of 80% or more is 2.7 nm or less.
係る知見に基づいて成された本発明は、発光層と、前記発光層上に配置されたITO膜と、前記ITO膜上に配置された反射電極膜とを有し、前記発光層から放出され、前記ITO膜を透過した光は、前記反射電極膜で反射され、前記ITO膜と前記発光層とを透過して外部に放出される発光ダイオード素子の製造方法であって、前記発光層が表面に露出する基板とITO材料とを真空槽内に配置し、前記真空槽内を真空排気しながら前記ITO材料を加熱融解して蒸気を発生させ、前記蒸気を前記基板の前記発光層上に到達させて、前記基板を100℃以下の温度に冷却しながら、前記発光層上に前記ITO膜を0.26nm/s以下の成膜レートで成膜する蒸着工程と、前記基板を酸素ガスを含有するガスと接触させながら、400℃以上850℃以下のアニール温度で高速高温アニール処理をするアニール工程と、を有する発光ダイオード素子の製造方法である。 The present invention made on the basis of this finding has a light emission layer, and the ITO film disposed on the light emitting layer, and a reflective electrode film disposed on the ITO film, emitted from the light emitting layer The light transmitted through the ITO film is reflected by the reflective electrode film, passes through the ITO film and the light emitting layer, and is emitted to the outside. A substrate exposed on the surface and the ITO material are disposed in a vacuum chamber, and the ITO material is heated and melted while evacuating the vacuum chamber to generate vapor, and the vapor is deposited on the light emitting layer of the substrate. An evaporation process for forming the ITO film on the light emitting layer at a film formation rate of 0.26 nm / s or less while cooling the substrate to a temperature of 100 ° C. or lower; and oxygen gas is applied to the substrate. 400 ° C or higher while in contact with the contained gas And annealing steps of the high-speed high-temperature annealing at 850 ° C. below the annealing temperature, a method of manufacturing a light emitting diode element having a.
なお、算術平均粗さ(Ra)はJIS B0601:2001に規定されている。
本発明は上記のように構成されており、透明電極膜表面の算術平均粗さが小さいと、その表面に反射電極膜を形成したときに、反射電極膜の透明電極膜と密着する面が平滑になるので、反射電極膜で光の散乱や吸収が起こらず、反射率が高くなる。
The arithmetic average roughness (Ra) is defined in JIS B0601: 2001.
The present invention is configured as described above. When the arithmetic average roughness of the transparent electrode film surface is small, the surface of the reflective electrode film that is in close contact with the transparent electrode film is smooth when the reflective electrode film is formed on the surface. Therefore, light is not scattered or absorbed by the reflective electrode film, and the reflectance is increased.
表面の算術平均粗さの小さいITO膜が作成できるため、光の取り出し効率の高い発光ダイオード素子が作成可能となる。
従来の真空蒸着装置を用いることができるので、新たに特別な真空蒸着装置を用意するためのコストがかからない。
スパッタ法に比べて透明電極膜の成膜中に発光層が受けるダメージが少ないので、発光量が減少しない。
Since an ITO film having a small arithmetic average roughness on the surface can be produced, a light-emitting diode element with high light extraction efficiency can be produced.
Since a conventional vacuum deposition apparatus can be used, there is no cost for newly preparing a special vacuum deposition apparatus.
Since the light emitting layer is less damaged during the formation of the transparent electrode film than the sputtering method, the light emission amount does not decrease.
本発明である発光ダイオード素子の構造について説明する。
図1(e)の符号10eは本発明である発光ダイオード素子を示している。
発光ダイオード素子10eは発光層19と透明電極膜16と反射電極膜17とを有している。発光層19は、n型クラッド層13と、活性層14と、p型クラッド層15とを有している。
The structure of the light-emitting diode element according to the present invention will be described.
The light
透明な透明基板11上にバッファ層12が配置され、バッファ層12上にn型クラッド層13が配置されている。
n型クラッド層13上には、n型クラッド層13が一部露出するようにして、活性層14と、p型クラッド層15と、透明電極膜16と、反射電極膜17とがこの順に配置されている。
透明電極膜16は透明な導電性物質からなり、ここではITO膜が用いられている。また反射電極膜17には、ここではAg膜が用いられている。
反射電極膜17上には正端子21が配置され、n型クラッド層13の露出した面上には活性層14と離間して負端子22が配置されている。
A
On the n-
The
A
不図示の直流電源の正極を正端子21に、負極を負端子22にそれぞれ電気的に接続し、正端子21と負端子22との間に直流電圧を印加して、直流電流を流すと、活性層14は光を放出する。
活性層14からp型クラッド層15側に放出された光は、透明電極膜16を透過し、反射電極膜17で反射され、透明電極膜16と発光層19とバッファ層12と透明基板11とを順に透過し、外部に放出される。
後述する製造方法により、透明電極膜16の反射電極膜17と密着する面の算術平均粗さは2.7nm以下にされ、透明電極膜16の抵抗率は1.0×10-3Ω・cm以下にされている。
When a positive electrode of a DC power source (not shown) is electrically connected to the
The light emitted from the
By the manufacturing method described later, the arithmetic average roughness of the surface of the
透明電極膜16の反射電極膜17と密着する面の算術平均粗さが2.7nm以下であるために、活性層14が放出する光の波長が460nmである場合、反射電極膜17に入射する光の80%以上が散乱又は吸収されずに反射される。
また、透明電極膜16の抵抗率が1.0×10-3Ω・cm以下であるために、この発光ダイオード素子10eは発光ダイオードとしての用途に好ましく用いることができる。
Since the arithmetic average roughness of the surface of the
Moreover, since the resistivity of the
次に、発光ダイオード素子10eの製造装置について説明する。
図2の符号30は透明電極膜16の真空蒸着装置を示している。
真空蒸着装置30は、真空槽39と、ステージ32と、るつぼ31とを有している。
真空槽39には真空排気装置41が設けられ、真空槽39内は真空排気可能にされている。
Next, an apparatus for manufacturing the light
The
The
ステージ32とるつぼ31は真空槽39内に配置されている。
ステージ32のるつぼ31と対向する面には、基板保持面36が設けられている。基板保持面36は静電吸着等により基板を保持可能に構成されている。
またステージ32には不図示の冷却パイプが設けられ、冷却パイプに制御装置45から温度管理された冷却媒体を流すことにより、基板保持面36上の基板を所定の温度に冷却可能にされている。
The
A
The
るつぼ31のステージ32と対向する面には、凹形状の凹部34が設けられている。
るつぼ31の凹部34とは逆側には加熱装置として、ここでは電子ビーム発生装置35が配置されている。電子ビーム発生装置35には真空槽39の外側に配置された電源装置42が電気的に接続されている。電源装置42には制御装置45が接続されている。
A
On the opposite side of the
真空槽39内を真空排気しながら、電源装置42から電子ビーム発生装置35に電力を供給すると、電子ビーム発生装置35は真空槽39内に電子を放出する。放出された電子は不図示のコイルによる磁場を通過して進路を曲げられて、凹部34内の蒸着材料に入射し、蒸着材料を加熱可能にされている。
るつぼ31とステージ32の間にはシャッター33が配置されている。シャッター33には制御装置45が接続され、所定のタイミングで開閉可能にされている。
When electric power is supplied from the
A shutter 33 is disposed between the
次に、発光ダイオード素子10eの製造方法について説明する。図1(a)〜(d)の符号10a〜10dは各製造工程における処理対象物を示している。
まず、図1(a)に示すように、透明基板11上に、バッファ層12と、n型クラッド層13と、活性層14と、p型クラッド層15とを配置する。符号10aはこの処理対象物を示している。
次いで、蒸着工程として、処理対象物10aを真空蒸着装置30の真空槽39内に搬入し、ステージ32の基板保持面36上に、透明基板11が基板保持面36と対向し、p型クラッド層15がるつぼ31側を向いて露出するように、保持する。
るつぼ31の凹部34内に、ITO材料等の透明電極材料を配置する。
Next, a method for manufacturing the light emitting
First, as shown in FIG. 1A, a
Next, as a vapor deposition step, the object to be processed 10a is carried into the
A transparent electrode material such as ITO material is disposed in the
真空排気装置41を起動して、真空槽39内を真空排気する。以後、蒸着処理を終えるまで真空槽39内の真空排気を継続する。
ステージ32に設けられた冷却パイプに冷却媒体を流して処理対象物10aを所定の温度に冷却する。透明電極材料としてITO材料を用いる場合には100℃以下の温度が好ましい。以後、蒸着処理を終えるまで処理対象物10aの冷却を継続する。
The
A cooling medium is passed through a cooling pipe provided on the
シャッター33を閉じた状態で、真空槽39内を真空排気しながら、電源装置42から電子ビーム発生装置35に所定の電力を供給し、真空槽39内に電子ビームを放出させ、凹部34内の透明電極材料に照射させ、透明電極材料を加熱融解して蒸気を発生させる。
本発明における透明電極材料の加熱融解方法は電子ビーム照射法に限定されず、抵抗加熱法等の加熱方法により透明電極材料を加熱融解させて、蒸気を発生させてもよい。
While the shutter 33 is closed, the
The method for heating and melting the transparent electrode material in the present invention is not limited to the electron beam irradiation method, and vapor may be generated by heating and melting the transparent electrode material by a heating method such as a resistance heating method.
シャッター33を開けて、透明電極材料の蒸気を処理対象物10aのp型クラッド層15上に到達させ、図1(b)に示すように、p型クラッド層15上に透明電極膜16を成膜する。
透明電極膜16の成膜中は、電子ビームを所定の出力値に設定し、所定の成膜レートで成膜させる。透明電極膜16としてITO膜を成膜する場合には0.26nm/s以下の成膜レートが好ましい。
The shutter 33 is opened so that the vapor of the transparent electrode material reaches the p-
During the formation of the
透明電極膜16を所定の膜厚で成膜したのち、シャッター33を閉じ、電子ビーム発生装置35への電力供給を止めて、蒸着処理を終了する。図1(b)の符号10bは蒸着処理後の処理対象物を示している。
後述する実施例に示すように、透明電極膜16としてITO膜を成膜する場合には、処理対象物10aを100℃以下の温度に冷却しながら、0.26nm/s以下の成膜レートで蒸着することにより、ITO膜表面の算術平均粗さを2.7nm以下にすることができる。
また透明電極膜16を真空蒸着法により成膜することで、発光層19にダメージを与えずに成膜することができる。
After forming the
As shown in the examples described later, when an ITO film is formed as the
Further, the
次いでアニール工程として、蒸着処理後の処理対象物10bを真空槽39から搬出し、酸素ガスを含有するガス雰囲気中に配置する。
処理対象物10bを酸素ガスを含有するガスと接触させながら、透明電極膜16に対してハロゲンランプ等から加熱光照射等の加熱方法により、高速高温アニール処理(RTA)する。透明電極膜16がITO膜である場合には400℃以上850℃以下のアニール温度が好ましい。
Next, as the annealing step, the
While the object to be treated 10b is in contact with a gas containing oxygen gas, the
後述する実施例に示すように、400℃以上850℃以下のアニール温度での高速高温アニール処理により、透明電極膜16がITO膜である場合には、ITO膜表面の算術平均粗さはアニール処理前と変わらずに、ITO膜の抵抗率を1.0×10-3Ω・cm以下にすることができる。
As shown in the examples described later, when the
次いで、アニール処理後の処理対象物10bを不図示の成膜装置に搬入して、真空蒸着法やスパッタ法等により、図1(c)に示すように、透明電極膜16上に反射電極膜17を成膜する。図1(c)の符号10cは反射電極膜17を成膜後の処理対象物を示している。
Next, the object to be processed 10b after the annealing treatment is carried into a film forming apparatus (not shown), and a reflective electrode film is formed on the
次いで、反射電極膜17を成膜後の処理対象物10cを不図示のエッチング装置に搬入し、反射電極膜17と、透明電極膜16と、p型クラッド層15と、活性層14とを部分的にエッチングして除去し、n型クラッド層13を一部露出させる。図1(d)の符号10dは、エッチング処理後の処理対象物を示している。
Next, the
次いで、エッチング処理後の処理対象物10dを不図示の成膜装置に搬入して、真空蒸着法やスパッタ法等により、図1(e)に示すように反射電極膜17上に正端子21を形成し、n型クラッド層13の露出した面上に、活性層14と離間して、負端子22を形成する。
上述した工程により発光ダイオード素子10eが製造される。
Next, the processed
The light emitting
上述の製造方法では、反射電極膜17を成膜後に、反射電極膜17と一緒に透明電極膜16とp型クラッド層15と活性層14とをエッチングして部分的に除去したが、本発明はこれに限定されず、透明電極膜16とp型クラッド層15と活性層14とをエッチングして部分的に除去した後、反射電極膜17を成膜してもよい。
In the above manufacturing method, after the
<実施例1>
蒸着工程において、処理対象物とITO材料とを真空槽39内に搬入したのち、真空槽39内を1×10-4Paの圧力に真空排気した。次いで、真空槽39内を真空排気しながら、電子ビーム発生装置35から360Wの出力で電子ビームを発生させ、凹部34内のITO材料に照射し、ITO材料を加熱融解させて、蒸気を発生させた。
<Example 1>
In the vapor deposition step, the object to be treated and the ITO material were carried into the
成膜中の真空槽39内が3.0×10-2Paの圧力になるように調圧しながら、シャッター33を開いて、ITO材料の蒸気を処理対象物に到達させ、ITO膜の成膜を開始した。
なお、成膜中は、成膜レートを0.05nm/sのレートに設定し、処理対象物を24℃の温度に冷却していた。
ITO膜を40nmの膜厚に成膜したのち、シャッター33を閉じ、電子ビーム発生装置35を停止して、蒸着処理を終了した。
次いで、処理対象物を真空槽39内から搬出し、AFM(原子間力顕微鏡)を用いてITO膜表面の算術平均粗さを測定した。
While adjusting the pressure so that the inside of the
During film formation, the film formation rate was set to 0.05 nm / s, and the object to be processed was cooled to a temperature of 24 ° C.
After the ITO film was formed to a thickness of 40 nm, the shutter 33 was closed, the
Next, the object to be treated was taken out of the
上述の測定を、成膜中の処理対象物を24℃以上150℃以下の所定の温度に変更して繰り返した。
図5のグラフは成膜中の処理対象物の温度と、成膜後のITO膜表面の算術平均粗さとの関係を示している。
図5のグラフから、算術平均粗さを2.7nm以下にするには、成膜中は処理対象物を100℃以下の温度に冷却する必要があることがわかる。
The above measurement was repeated by changing the object to be processed during film formation to a predetermined temperature of 24 ° C. or higher and 150 ° C. or lower.
The graph of FIG. 5 shows the relationship between the temperature of the processing object during film formation and the arithmetic average roughness of the ITO film surface after film formation.
From the graph of FIG. 5, it can be seen that in order to reduce the arithmetic average roughness to 2.7 nm or less, it is necessary to cool the object to be processed to a temperature of 100 ° C. or less during film formation.
<実施例2>
実施例1と同様の測定を、成膜中の処理対象物を24℃の温度に冷却し、電子ビームを360W以上460W以下の出力に変更することにより、成膜レートを0.05nm/s以上0.4nm/s以下の所定のレートに変更して繰り返した。
図6のグラフはITO膜の成膜中の成膜レートと表面の算術平均粗さとの関係を示している。
図6のグラフから、算術平均粗さを2.7nm以下にするには、ITO膜成膜中は成膜レートを0.26nm/s以下のレートにする必要があることがわかる。
<Example 2>
In the same measurement as in Example 1, the film formation rate was set to 0.05 nm / s or more by cooling the processing target during film formation to a temperature of 24 ° C. and changing the electron beam to an output of 360 W or more and 460 W or less. It changed and changed to the predetermined | prescribed rate of 0.4 nm / s or less, and repeated.
The graph of FIG. 6 shows the relationship between the deposition rate during the deposition of the ITO film and the arithmetic average roughness of the surface.
From the graph of FIG. 6, it can be seen that in order to make the arithmetic average roughness 2.7 nm or less, the film formation rate must be 0.26 nm / s or less during the ITO film formation.
<実施例3>
アニール工程において、窒素80%、酸素20%のガス雰囲気中にITO膜蒸着後の処理対象物を配置した。このときアニール装置内の圧力は大気圧になるように調圧した。
ハロゲンランプを用いて、350℃のアニール温度で1分間の高速高温アニール処理(RTA)をした。
次いで、処理対象物をアニール装置から搬出し、ITO膜の抵抗率と算術平均粗さとを測定した。
<Example 3>
In the annealing step, the object to be treated after the ITO film deposition was placed in a gas atmosphere of 80% nitrogen and 20% oxygen. At this time, the pressure in the annealing apparatus was adjusted to atmospheric pressure.
High-speed high-temperature annealing (RTA) was performed for 1 minute at an annealing temperature of 350 ° C. using a halogen lamp.
Next, the object to be treated was taken out of the annealing apparatus, and the resistivity and arithmetic average roughness of the ITO film were measured.
上述の測定を、アニール温度を350℃以上850℃以下の所定の温度に変更して繰り返した。
表1はアニール温度とITO膜の抵抗率及び算術平均粗さとの関係を示している。
The above measurement was repeated by changing the annealing temperature to a predetermined temperature of 350 ° C. or higher and 850 ° C. or lower.
Table 1 shows the relationship between the annealing temperature, the resistivity of the ITO film, and the arithmetic average roughness.
表1から、アニール温度を変更しても算術平均粗さは変わらず、抵抗率を1.0×10-3Ω・cm以下にするには、アニール温度を400℃以上の温度にする必要があることがわかる。 From Table 1, even if the annealing temperature is changed, the arithmetic average roughness does not change, and in order to make the resistivity 1.0 × 10 −3 Ω · cm or less, the annealing temperature needs to be 400 ° C. or higher. I know that there is.
10e……発光ダイオード素子
16……透明電極膜
17……反射電極膜
19……発光層
10e: Light emitting diode element 16: Transparent electrode film 17: Reflective electrode film 19: Light emitting layer
Claims (1)
前記発光層から放出され、前記ITO膜を透過した光は、前記反射電極膜で反射され、前記ITO膜と前記発光層とを透過して外部に放出される発光ダイオード素子の製造方法であって、
前記発光層が表面に露出する基板とITO材料とを真空槽内に配置し、前記真空槽内を真空排気しながら前記ITO材料を加熱融解して蒸気を発生させ、前記蒸気を前記基板の前記発光層上に到達させて、前記基板を100℃以下の温度に冷却しながら、前記発光層上に前記ITO膜を0.26nm/s以下の成膜レートで成膜する蒸着工程と、
前記基板を酸素ガスを含有するガスと接触させながら、400℃以上850℃以下のアニール温度で高速高温アニール処理をするアニール工程と、
を有する発光ダイオード素子の製造方法。
A light emitting layer, an ITO film disposed on the light emitting layer, and a reflective electrode film disposed on the ITO film;
The light emitted from the light emitting layer and transmitted through the ITO film is reflected by the reflective electrode film, passes through the ITO film and the light emitting layer, and is emitted to the outside. ,
The substrate having the light emitting layer exposed on the surface and the ITO material are disposed in a vacuum chamber, and the ITO material is heated and melted while the vacuum chamber is evacuated to generate vapor, and the vapor is generated on the substrate. A vapor deposition step of depositing the ITO film on the light emitting layer at a film forming rate of 0.26 nm / s or less while reaching the light emitting layer and cooling the substrate to a temperature of 100 ° C. or less;
An annealing step of performing high-speed high-temperature annealing at an annealing temperature of 400 ° C. or higher and 850 ° C. or lower while contacting the substrate with a gas containing oxygen gas;
The manufacturing method of the light emitting diode element which has this.
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