CN101523626B - 化合物半导体发光元件和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供在制造工序中成品率良好、具有优异的发光输出功率的化合物半导体发光元件和其制造方法。本发明的化合物半导体发光元件，由化合物半导体形成的、n型半导体层、发光层和p型半导体层以n型半导体层和p型半导体层夹持发光层的方式层叠在基板上，并具有第1传导型透明电极和第2传导型电极，其特征在于，该第1传导型透明电极是由含有方铁锰矿(Bixbyite)结构In2O3晶体的IZO膜形成的。

Description

化合物半导体发光元件和其制造方法
技术领域
本发明涉及化合物半导体发光元件，特别是氮化镓系化合物半导体发光元件，涉及具有优异的发光输出功率的化合物半导体发光元件和其制造方法。
背景技术
一直以来，作为化合物半导体发光元件的一例，pn接合型的发光二极管(LED)是众所周知的。已知有例如，将导电性的通过在基板上外延生长磷化镓(GaP)单晶而成的GaP层作为发光层使用的GaP系LED。另外，还已知将砷化铝·镓混晶(组成式：AlXGaYAs(0≤X、Y≤1，X+Y＝1))、磷化铝·镓·铟混晶(组成式：AlXGaYInZP(0≤X、Y、Z≤1，X+Y+Z＝1))作为发光层的、从红色带域和橙黄色带域至绿色带域的LED。另外，还已知将氮化镓·铟(组成式：GaαInβN(0≤α、β≤1，α+β＝1))等的氮化镓系化合物半导体层作为发光层的、近紫外带域、蓝色带域或绿色带域的短波长LED。
上述的例如AlXGaYInZP系LED，导电性的n型或p型的发光层，是以导电性的p型或n型的砷化镓(GaAs)单晶为基板，在其上形成的。另外，蓝色LED使用电绝缘性的蓝宝石(α-Al2O3单晶)等单晶为基板。另外，短波长LED用立方晶(3C晶体型)或六方晶(4H或6H晶体型)的碳化硅(SiC)作为基板。将例如第1传导型透明电极和第2传导型电极设置在通过在这些基板上层叠半导体层而得的半导体板上，从而形成发光元件。
特别是，在氮化镓系化合物半导体发光元件的情况中，以蓝宝石单晶为首的、各种氧化物或III-V族化合物为基板，在其上利用有机金属气相沉积法(MOCVD法)或分子束外延法(MBE法)等形成氮化镓系化合物半导体。
作为氮化镓系化合物半导体发光元件的特征，包括在横向的电流扩散小。因此，电流只导入到电极正下方的半导体，发光层所发出的光被电极阻挡不能输出到外部。这里，该氮化镓系化合物半导体发光元件，通常作为正极使用透明电极，经由正极输出光。
透明电极使用Ni/Au、ITO那样的众所周知的导电材料。近年来，由于透光性优异，在例如特开2005-123501号公报中提出了使用以In2O3、ZnO等为主成分的氧化物系的透明电极。作为透明电极使用最多的ITO，通过在In2O3中掺杂5～20质量％的SnO2，可以得到2×10-4Ωcm以下的低比电阻的导电氧化膜。
另外，为了提高出光效率，在例如特开2000-196152号公报等中提出了在出光面进行凹凸加工的技术。低电阻的ITO在刚成膜后形成有微晶，为了对ITO进行凹凸加工，需要使用氯化铁(FeCl3)水溶液、盐酸(HCl)等蚀刻液。在使用这样的强酸进行的湿蚀刻中，由于蚀刻速度快难以控制，在ITO的边缘部分容易产生飞边。另外，容易出现过度蚀刻，成品率低。
作为解决上述问题的方法，可以使用在特开平08-217578号公报中所述的IZO导电膜。由于通过溅射法形成的IZO膜是非晶态(无定形)的，所以可以在不使用上述那样的强酸的情况下较缓和地进行蚀刻。因此，不容易出现由上述所示的蚀刻产生的飞边和过度蚀刻。进而，容易进行为了提高发光元件的输出功率而进行的微细加工。
但非晶态的IZO膜，比已进行了热处理的ITO膜透光性差，所以发光元件的输出功率低。另外，由于p型GaN层的接触电阻高，所以存在元件的驱动电压高的问题。进而，由于是非晶态的，所以耐水性·耐化学性差，在IZO膜成膜后的制造工序中的成品率降低，另外还存在元件的可靠性降低的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供在制造工序中成品率良好，具有优异的发光输出功率的化合物半导体发光元件和其制造方法。
本发明人等为了解决上述课题进行了深入的研究，结果完成了本发明。
即本发明提供了下面的发明。
(1)一种化合物半导体发光元件，是由化合物半导体形成的、n型半导体层、发光层和p型半导体层以n型半导体层和p型半导体层夹持发光层的方式层叠在基板上，并具有第1传导型透明电极和第2传导型电极的发光元件，其特征在于，该第1传导型透明电极是由含有方铁锰矿(Bixbyite)结构In2O3晶体的IZO膜形成的。
(2)根据上述(1)所述的化合物半导体发光元件，IZO膜中的ZnO含量为1～20质量％。
(3)根据上述(1)或(2)所述的化合物半导体发光元件，IZO膜的厚度为35nm～10μm。
(4)根据上述(1)～(3)的任一项所述的化合物半导体发光元件，在IZO膜的表面进行了凹凸加工。
(5)根据上述(4)所述的化合物半导体发光元件，在IZO膜的表面形成有多个独立的凹部。
(6)根据上述(4)或(5)所述的化合物半导体发光元件，凹部的合计面积是IZO膜整体的1/4～3/4。
(7)根据上述(4)～(6)的任一项所述的化合物半导体发光元件，凹部位置的IZO膜的厚度是凸部位置的IZO膜的厚度的1/2以下。
(8)根据上述(1)～(7)的任一项所述的化合物半导体发光元件，化合物半导体是氮化镓系化合物半导体。
(9)根据上述(8)所述的化合物半导体发光元件，n型半导体层、发光层和p型半导体层按该顺序层叠，且第1传导型透明电极和第2传导型电极分别设置在p型半导体层和n型半导体层上。
(10)一种化合物半导体发光元件的制造方法，包含下述工序(a)～(d)，
工序(a)：将由化合物半导体形成的、n型半导体层、发光层和p型半导体层以n型半导体层和p型半导体层夹持发光层的方式层叠在基板上，而制作半导体板；
工序(b)：在该半导体板上层叠非晶态的IZO膜；
工序(c)：对该非晶态的IZO膜进行蚀刻；和
工序(d)：使蚀刻后的该非晶态的IZO膜结晶化。
(11)根据上述(10)所述的化合物半导体发光元件的制造方法，层叠非晶态的IZO膜的工序是通过溅射法进行的。
(12)根据上述(10)所述的化合物半导体发光元件的制造方法，使非晶态的IZO膜结晶化的工序是通过热处理进行的。
(13)根据上述(12)所述的化合物半导体发光元件的制造方法，热处理温度为500～1000℃。
(14)根据上述(13)所述的化合物半导体发光元件的制造方法，热处理温度是700～900℃。
(15)根据上述(10)～(14)的任一项所述的化合物半导体发光元件的制造方法，化合物半导体是氮化镓系化合物半导体。
(16)根据上述(15)所述的化合物半导体发光元件的制造方法，将n型半导体层、发光层和p型半导体层按该顺序层叠，并将非晶态的IZO膜层叠在p型半导体层上。
(17)一种化合物半导体发光元件，是使用上述(10)～(16)的任一项所述的制造方法制造的。
(18)一种化合物半导体发光元件用透光性电极，其特征在于，是由含有方铁锰矿(Bixbyite)结构In2O3晶体的IZO膜形成的。
(19)一种灯，包含上述(1)～(9)和(17)的任一项所述的化合物半导体发光元件。
(20)一种电子仪器，组装有上述(19)所述的灯。
(21)一种机械装置，组装有上述(20)所述的电子仪器。
根据本发明，通过使用蚀刻性优异的非晶态的IZO膜，可以制作在制造工序中的成品率良好的化合物半导体发光元件。另外，IZO膜可以通过热处理等从非晶态转变为含有晶体的结构(下面称作“结晶化”)。结晶化的IZO膜比非晶态的IZO膜透光性优异，所以通过在蚀刻处理后使IZO膜结晶化，可以得到发光输出功率高的化合物半导体发光元件。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的一例的截面图。
图2是示意性地表示图1所示的氮化镓系化合物半导体发光元件的平面图。
图3是示意性地表示氮化镓系化合物半导体板的一例的截面图。
图4是示意性地表示IZO膜表面的凹型的凹凸加工的一例图。
图5是示意性地表示IZO膜表面的凸型的凹凸加工的一例图。
图6是示意性地表示通过使用本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件而构成的灯的截面图。
图7表示IZO膜的X射线衍射(XRD)结果的图。
图8是表示IZO膜的光透射率的图。
图9是表示IZO膜的热处理温度与氮化镓系化合物半导体发光元件的驱动电压、发光输出功率的关系的图。
图10是表示IZO膜表面的凹部的深度与氮化镓系化合物半导体发光元件的驱动电压、发光输出功率的关系的图。
具体实施方式
作为构成发光元件的化合物半导体，有在例如蓝宝石基板或炭化硅或硅基板等上设置的AlXGaYInZN1-aMa(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤Z≤1，并且X+Y+Z＝1。符号M表示氮以外的第V族元素，且0≤a＜1。)等的III族氮化物半导体层。另外还有在砷化镓(GaAs)单晶基板上设置的AlXGaYAs(0≤X、Y≤1，X+Y＝1)层、AlXGaYInZP(0≤X、Y、Z≤1，X+Y+Z＝1)层等。另外，还有在GaP基板上设置的GaP层。特别是在横向上电流扩散小的作为III族氮化物半导体的一种的、氮化镓系化合物半导体在本发明中的效果显著。
这些化合物半导体层，应按照目的功能来配置在基板上的合适位置。例如，为了构成双异质型接合结构的发光部，在发光层的上下两表面侧配置n型和p型的化合物半导体层。并且为了供给驱动电流而在适当位置配置第1传导型电极和第2传导型电极。本发明的特征在于，作为该第1传导型电极，使用由含有方铁锰矿(Bixbyite)结构In2O3晶体的IZO膜形成的透明电极。
下面，以作为本发明的半导体发光元件的一实施方式的氮化镓系化合物半导体发光元件为例，适当地参照图1～10进行具体说明。但本发明并不限于氮化镓系化合物半导体发光元件，可以在使用上述的各种化合物半导体而成的发光元件中使用。
图1是示意性地示出本发明的一例半导体发光元件的截面图，图2是示意性地示出图1所示的半导体发光元件的平面图。
图1所示的半导体发光元件1是面向上型的发光元件，其简略结构为：在基板11上层叠有构成氮化镓系化合物半导体层的n型半导体层12、发光层13、和p型半导体层14，并在p型半导体层上层叠有由IZO膜形成的作为第1传导型电极的正极15(透明电极)。在正极15上方的一部分上形成有正极焊盘16。另外，在n型半导体层上的第2传导型电极(负极)形成区域形成有焊盘的负极17。
下面对本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的各构成予以说明。
[基板]
基板11，可以不受限制地使用蓝宝石单晶(Al2O3；A面、C面、M面、R面)、尖晶石单晶(MgAl2O4)、ZnO单晶、LiAlO2单晶、LiGaO2单晶、MgO单晶等氧化物单晶、Si单晶、SiC单晶、GaAs单晶、AlN单晶、GaN单晶和ZrB2等硼化物单晶等公知的基板材料。
再者，基板11的面取向没有任何限定。另外，可以是零度倾角的基板(Just基板)，还可以是赋予倾斜角的基板(Off基板)。
[氮化镓系化合物半导体层]
作为n型半导体层12、发光层13、和p型半导体层14，众所周知有各种结构的，可以不受任何限制地使用这些众所周知的结构。特别是，p型半导体层使用载流子浓度为一般浓度的较好，但即使相对于载流子浓度较低的例如1×1017cm-3左右的p型半导体层，也可以使用本发明中使用的IZO膜的正极15。
另外，作为氮化镓系化合物半导体，由通式AlxInyGa1-x-yN(0≤x＜1，0≤y＜1，且0≤x+y＜1)所示的各种组成的半导体是众所周知的，作为构成本发明中的n型半导体层、发光层和p型半导体层的氮化镓系化合物半导体，也可以不受任何限制地使用通式AlxInyGa1-x-yN(0≤x＜1，0≤y＜1，且0≤x+y＜1)所示的各种组成的半导体。
对这些氮化镓系化合物半导体的生长方法没有特别限定，可以采用MOCVD(金属有机化学气相沉积法)、HVPE(氢化物气相外延法)、MBE(分子束外延法)等已知的可使氮化镓系化合物半导体生长的所有方法。从膜厚控制性、大量生产性的观点来看，作为优选的生长方法为MOCVD法。在MOCVD法中，作为载气可以使用氢气(H2)或氮气(N2)，作为Ga源可以使用三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)，作为Al源可以使用三甲基铝(TMA)或三乙基铝(TEA)，作为In源可以使用三甲基铟(TMI)或三乙基铟(TEI)，作为N源可以使用氨(NH3)、肼(N2H4)等。另外，作为掺杂物，在n型中，作为Si原料可使用单硅烷(SiH4)或二硅烷(Si2H6)，作为Ge原料可使用锗气(GeH4)、或有机锗化合物，在p型中，作为Mg原料使用例如双环戊二烯基镁(Cp2Mg)或双乙基环戊二烯基镁((EtCp)2Mg)。
作为在基板上层叠这样的氮化镓系化合物半导体而得的半导体板的一例，可以使用如图3所示的具有叠层体结构的氮化镓系化合物半导体板20那样的，在由蓝宝石形成的基板21上，层叠有由AlN形成的省略了图示的缓冲层，并依次层叠GaN基底层22、n型GaN接触层23、n型AlGaN包覆层24、由InGaN形成的发光层25、p型AlGaN包覆层26、p型GaN接触层27而成的半导体板。
[正极(IZO膜)]
在p型半导体层14上，形成有作为正极15的含有方铁锰矿结构In2O3晶体的IZO膜。IZO膜是在p型半导体层的紧上面、或是在p型半导体层的上方介由金属层等而形成的。在IZO膜与p型半导体层之间夹持有金属层的情况中，虽然可以降低发光元件的驱动电压，但会使光透射率降低，输出功率降低。因此，按照发光元件的用途等来在驱动电压和输出强度之间取平衡，适当地判断在IZO膜和p型半导体层之间是否夹持金属层等。作为这里的金属层，优选使用由Ni或Ni氧化物、Pt、Pd、Ru、Rh、Re、Os等形成的金属层。
另外，作为IZO膜，优选使用比电阻最低的组成。例如，优选IZO中的ZnO浓度为1～20质量％，更优选在5～15质量％的范围。特别优选为10质量％。
另外，IZO膜的膜厚，优选可以得到低比电阻、高光透射率的35nm～10000nm(10μm)的范围。进而，从生产成本的观点来看，IZO膜的膜厚优选为1000nm(1μm)以下。
下面，举例对IZO膜的形成方法予以说明。
首先，在p型半导体层14上的整个区域形成非晶态的IZO膜。作为IZO膜的成膜方法，只要是可以形成非晶态的IZO膜的方法，就可以使用在薄膜的成膜中使用的众所周知的任何方法。例如，可以使用溅射法、真空蒸镀法等方法进行成膜，但与真空蒸镀法相比，成膜时产生的粒子、粉尘等较少的溅射法较好。在使用溅射法的情况中，可通过利用R F磁控溅射法使In2O3靶和ZnO靶公转成膜而成膜，但为了进一步提高成膜速度，将IZO靶用DC磁控溅射法成膜较好。另外，为了减轻等离子体对p型半导体层14的破坏，优选溅射的放电输出功率为1000W以下。
这样形成的非晶态的IZO膜，在p型半导体层14上的除了作为形成正极15的区域的正极形成区域以外的区域，通过使用众所周知的光刻法和蚀刻进行构图，从而成为图2所示那样的，非晶态的IZO膜仅在正极形成区域形成的状态。
IZO膜的构图，优选在进行下述的热处理工序之前进行。通过热处理，非晶态的IZO膜变成结晶化的IZO膜，与非晶态的IZO膜相比，蚀刻变得困难。与此相对的是，热处理前的IZO膜，由于是非晶态的，所以可以容易地使用众所周知的蚀刻液精确地进行蚀刻。例如，在使用ITO-07N蚀刻液(关东化学社制)的情况中，可以以约40nm/分钟的蚀刻速度蚀刻，而几乎不出现飞边、过度蚀刻。
另外，非晶态的IZO膜的蚀刻，还可以使用干蚀刻装置进行。此时，蚀刻气体可以使用Cl2、SiCl4、BCl3等。
非晶态的IZO膜，可以使用前述的光刻法和蚀刻在IZO膜表面进行凹凸加工。例如，在使用ITO-07N蚀刻液的情况中，可以在1分钟的蚀刻时间内形成深度40nm的凹凸。
通过使用该蚀刻的凹凸加工，可以提高氮化镓系化合物半导体发光元件的发光输出功率。作为通过凹凸加工提高发光输出功率的原因，认为是：1.通过透明电极的薄膜化而提高了光透射率；2.通过凹凸加工而增加了出光面积(IZO膜表面积)；3.在透明电极表面上的全反射降低等。
凹凸加工的形状，基于上述的理由1～3，无论任何形状均具有提高输出功率的效果。特别是，由于可以增大凹凸侧面的面积，所以图4和图5所示的点状更为优选。
一般来说，透明电极的膜厚度越厚，则薄层电阻越小，所以在电极内流通的电流容易向电极的整个区域扩散，因而制成电流容易在凸部流通的凹凸形状较好。因而，点状中，与图5那样的存在独立凸部的形状相比，图4那样的存在独立凹部的形状更优选。另外，由于凹部面积为凸部面积的1/4以下时，发光输出功率提高效果小，而为3/4以上时，电流变得难以扩散，驱动电压升高，所以凹部面积优选为凸部面积的1/4～3/4。
为了增大从凹凸的侧面输出的光，凹部的膜厚优选为凸部的膜厚的1/2以下，但是在凹部的IZO膜完全被蚀刻的情况中，即IZO膜的凹部的膜厚为0nm的情况中，可以不介由IZO膜而从p型GaN层出光，所以对于输出功率提高是有效的。另外，由于可以在与IZO膜的构图相同的蚀刻时间内进行处理，所以可同时进行IZO膜的构图和凹凸加工，因而可以缩短制造工序。但是，在凹部的IZO膜完全被蚀刻的情况中，IZO膜和p型半导体层的接触面积减小，有时发光元件的驱动电压升高。因此，仅在发光元件的发光输出功率比驱动电压优先的情况中，可以使用凹部的膜厚为0nm的IZO膜。
凹凸加工，如前述的构图同样，可以毫无限制的使用光刻法，但在要进一步提高发光输出功率的情况中，可以通过使用g线、i线的步进曝光装置、纳米压印装置、激光曝光装置、E B(电子束)曝光装置等来形成更小的凹凸。
IZO膜的凹凸加工，与IZO膜的构图同样，优选在进行下述的热处理工序之前进行。
非晶态的IZO膜，通过进行例如500℃～1000℃的热处理而变成结晶化的IZO膜(热处理工序)。通过制成结晶化的IZO膜，可以提高氮化镓系化合物半导体发光元件的发光波长的光的透射率。特别是，在380nm～500nm的波长区域中，光透射率的提高大。已结晶化的IZO膜如前所述，难以蚀刻，所以优选在上述的蚀刻处理后进行热处理。
另外，IZO膜的热处理，优选在不含O2的气氛中进行。作为不含O2的气氛，可以列举出N2气氛等惰性气体气氛、或N2等惰性气体和H2的混合气体气氛等，优选为N2气氛、或N2和H2的混合气体气氛。如下述的试验例1所证实的那样，如果在N2气氛、或N2和H2的混合气体气氛中进行IZO膜的热处理，则可以在IZO膜结晶化的同时，有效减小IZO膜的薄层电阻。特别是，在要减小IZO膜的薄层电阻的情况中，在N2和H2的混合气体气氛中进行IZO膜的热处理较好。混合气体气氛中的N2和H2的比例优选为100∶1～1∶100。
与此相对的是，如果在例如含O2的气氛中进行热处理，则IZO膜的薄层电阻增加。在含有O2的气氛中进行热处理时，IZO膜的薄层电阻增加的原因可以认为是IZO膜中的氧空孔减少的缘故。IZO膜显示出导电性是由于通过在IZO膜中存在氧空孔，而产生变成载流子的电子的缘故。可以认为，作为载流子电子的产生源的氧空孔经热处理而减少，所以IZO膜的载流子浓度降低，薄层电阻升高。
IZO膜的热处理温度优选500℃～1000℃。在小于500℃的温度下进行热处理的情况中，也许IZO膜不能充分结晶化，有时IZO膜的光透射率不能变得充分高。在大于1000℃的温度下进行热处理的情况中，虽然IZO膜结晶化，但有时IZO膜的光透射率不能变得充分高。另外，在大于1000℃的温度下进行热处理的情况中，IZO膜下的半导体层可能会劣化。
另外，在非晶态的IZO膜已结晶化的情况中，如果成膜条件、热处理条件等不同，则IZO膜中的晶体结构不同。例如，如下述的试验例2所证明的那样，在700℃～1000℃的温度下进行热处理的情况中，从X射线衍射(XRD)的结果可知，在IZO膜中含有方铁锰矿结构In2O3晶体。将含有方铁锰矿结构In2O3晶体的IZO膜作为透明电极使用的情况，与使用非晶态的IZO膜的情况相比，前者氮化镓系化合物半导体发光元件的驱动电压低。因此，优选在已结晶化的IZO膜中含有方铁锰矿结构In2O3晶体。虽然通过在IZO膜中含有方铁锰矿结构In2O3晶体，而使得氮化镓系化合物半导体发光元件的驱动电压变低的原因尚不清楚，但可以认为，是通过含有方铁锰矿结构In2O3晶体，而使得与p型半导体层的接触界面的接触电阻变小的缘故。
为了在IZO膜中含有方铁锰矿结构In2O3晶体，可以对IZO膜进行热处理，但热处理的条件根据IZO膜的成膜方法、组成而不同。例如，如果降低IZO膜中的锌(Zn)浓度，则结晶化温度变低，所以可以通过更低温度的热处理来制成含有方铁锰矿结构In2O3晶体的IZO膜。
另外，在本实施方式中，为了使IZO膜结晶化而进行热处理，但对于本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件，只要可以使IZO膜结晶化，任何方法均可，可以使用例如、使用RTA退火炉的方法、激光退火的方法、照射电子束的方法等。
另外，经热处理而结晶化的IZO膜，与非晶态的IZO膜相比，其与p型半导体层14、正极焊盘16的密着性好，所以可以防止在发光元件的制造过程等中因剥离而导致的收率降低。另外，已结晶化的IZO膜，与非晶态的IZO膜相比，与空气中的水分反应少，对酸等的耐化学性优异，在长时间的耐久试验中特性劣化也小，所以优选。
[负极]
负极17，是通过在IZO膜的热处理后，将图1所示那样的p型半导体层14、发光层13、和n型半导体层12的一部分通过蚀刻而除去，使n型半导体层12露出，在该露出的n型半导体层12上设置例如由Ti/Au形成的以往公知的负极17。作为负极17的材料，众所周知的有各种组成和结构的负极，可以毫无限制地使用这些众所周知的负极。
[正极焊盘]
在作为正极15的IZO膜层上的一部分上设置有用于与电路基板或引线框等电连接的正极焊盘16。正极焊盘16，众所周知的有使用Au、Al、Ni和Cu等材料的各种结构，这些众所周知的材料，可以结构上毫不限制地使用。另外，正极焊盘16的厚度优选在100～1000nm的范围内。另外，对于焊盘的特性，厚度大的一者焊接性高，所以优选正极焊盘16的厚度为300nm以上。进而，从制造成本的观点来看，优选为500nm以下。
[保护层]
为了防止IZO膜的氧化，还可以在IZO膜上形成保护层。该保护层，由于要覆盖除了形成正极焊盘的区域以外的所有IZO膜的区域，所以优选使用透光性优异的材料，进而，为了防止p型半导体层和n型半导体层电连接，优选为绝缘性的。例如可以是SiO2、Al2O3等。另外，保护层的膜厚，只要膜厚可以防止IZO膜的氧化，并且透光性优异即可，具体地讲例如，可以是20nm～500nm的膜厚。
[灯]
上面说明的本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件，例如，可以通过本领域的技术人员公知的方法设置透明盖而构成灯。另外，通过将本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件和具有荧光体的盖相组合，可以构成白色的灯。
另外，本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件，可以毫无限制地使用公知的方法来构成LED灯。作为灯，可用于一般用途的炮弹型、便携的背光源用途的侧面发光(side view)型、在显示器中使用的顶部发光(top view)型等的任何用途。
图6是用于说明本发明的灯的一例的概略结构图。图6所示的灯30，是面朝上型的将本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件安装在炮弹型中的灯。在图6所示的灯30中，将2根框架31、32中的一者，介由树脂等与图1所示的氮化镓系化合物半导体发光元件1接合，将正极焊盘16和负极17用由金等的材质形成的连接线33、34分别与框架31、32接合。另外，如图6所示，在氮化镓系化合物半导体发光元件1的周围形成有由透明树脂形成的模塑件35。
另外，从本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件制作的灯发光输出功率高，驱动电压低，所以组装有通过该技术而制作的灯的便携电话、显示器、面板类等的电子仪器、以及组装有该电子仪器的汽车、计算机、游戏机等机械装置类，可以以低电力驱动，实现较高的特性。特别是对于便携电话、游戏机、玩具、汽车部件等的由电池驱动的机器类，可以发挥节约电力的效果。
另外，本发明并不限于上述实施方式。例如，本发明的半导体发光元件所具有的半导体层并不限于上述的氮化镓系化合物半导体层，可以使用任意的化合物半导体层。
实施例
下面，通过试验例和实施例来具体说明本发明，但本发明并不受这些实施例的限定。
[试验例1]
(IZO膜的热处理中的气氛)
如下那样调查IZO膜的热处理中的气氛、与热处理后的IZO膜的薄层电阻的关系。
即，在玻璃基板上形成非晶态的IZO膜(厚度250nm)，对所得的IZO膜测定在300℃～800℃的各温度下在N2气氛中热处理的情况的薄层电阻、和在N2中含有25％O2的混合气体气氛中热处理的情况的薄层电阻。表1示出了该结果。另外、薄层电阻是使用四探针法的测定装置(三菱化学社制Loresta MP MCP-T360)测定的。
表1
Figure GSB00000810252500141
由表可知，在N2中含有O2的混合气体气氛中热处理的情况中，热处理温度越高，则薄层电阻越高。而在N2气氛中热处理的情况中，热处理温度越高，则薄层电阻减小。另外、热处理前的非晶态的厚度250nm的IZO膜的薄层电阻是15Ω/sq。
[试验例2]
(IZO膜的热处理温度)
如下那样调查IZO膜的热处理温度与IZO膜的结晶化的关系。
即，在玻璃基板上形成非晶态的IZO膜(厚度250nm)，对所得的没有经热处理的IZO膜用X射线衍射(XRD)法进行测定。另外，对在玻璃基板上形成的IZO膜在300℃～1000℃的各温度、N2气氛中热处理1分钟，用X射线衍射(XRD)法测定热处理后的IZO膜。图7示出了该结果。
图7是表示IZO膜的X射线衍射(XRD)结果的图，横轴表示衍射角(2θ(°))，纵轴表示解析强度(s)。
由图7可看出，热处理前的IZO膜和在400℃以下的温度进行了热处理的IZO膜均观察到表示非晶态的宽X射线峰。由此可以知道，热处理前的IZO膜和在400℃以下的温度进行热处理后的IZO膜是非晶态的。另外，对于700℃以上的热处理温度，观察到了由方铁锰矿结构In2O3晶体形成的X射线峰，由此可以知道在IZO膜中存在方铁锰矿结构In2O3晶体。
[试验例3]
(IZO膜的光透射率)
如下那样调查了IZO膜的热处理温度、和热处理后的IZO膜的光透射率的关系。
即，测定在试验例2中得到的未经热处理的IZO膜、和在300℃、600℃、800℃、1000℃的温度下热处理后的IZO膜的光透射率。图8示出了该结果。另外，在IZO膜的光透射率测定中，使用岛津制作所社制的紫外可见分光光度计U V-2450。另外、光透射率的值，是减去通过测定仅为玻璃基板的光透射率而得到的光透射空白值而计算出的。
图8是表示IZO膜的光透射率的图，横轴表示波长(nm)，纵轴表示光透射率(％)。(a)，(b)，(c)，(d)和(e)，分别是热处理前、和在300℃、600℃、800℃和1000℃下热处理后的结果。
由图8可知，在600℃以上的温度下进行IZO膜热处理的情况，与未经热处理的IZO膜、在300℃的温度下热处理后的IZO膜相比，光透射率高。特别是，对于在600℃的温度下热处理IZO膜的情况，在400nm左右的紫外发光区域中光透射率高，而在800℃的温度下热处理IZO膜的情况中，在460nm左右的蓝色发光区域中光透射率高。另外可知，在1000℃的温度下热处理IZO膜的情况，不能充分提高IZO膜的光透射率。因此，IZO膜的热处理温度特别优选为900℃以下。
[实施例1]
(氮化镓系化合物半导体发光元件的制作)
图3示出了为了用于本实施例的氮化镓系化合物半导体发光元件而制作的、含有氮化镓系化合物半导体层的半导体板的截面示意图。另外、图1和图2，是在本实施例中制作的氮化镓系化合物半导体发光元件的截面示意图、和平面示意图。下面，适当参照附图进行说明。
氮化镓系化合物半导体板20的层叠结构体，其结构是在由蓝宝石的c面((0001)晶体面)形成的基板21上，通过介由由AlN形成的缓冲层(未给图示)依次层叠未掺杂GaN基底层(层厚＝2μm)22、掺杂Si的n型GaN接触层(层厚＝2μm、载流子浓度＝1×1019cm-3)23、掺杂Si的n型Al0.07Ga0.93N包覆层(层厚＝12.5nm、载流子浓度＝1×1018cm-3)24、由6层的掺杂Si的GaN势垒层(层厚＝14.0nm、载流子浓度＝1×1018cm-3)和5层的未掺杂In0.20Ga0.80N的肼层(层厚＝2.5nm)形成的多量子肼结构的发光层25、掺杂Mg的p型Al0.07Ga0.93N包覆层(层厚10nm)26、和掺杂Mg的p型GaN接触层(层厚＝100nm)27。上述氮化镓系化合物半导体板20的各构成层22～27是用一般的减压MO CVD法形成的。
使用上述氮化镓系化合物半导体板20来制作氮化镓系化合物半导体发光元件(参照图1)。首先，使用HF和HCl将氮化镓系化合物半导体板20的p型GaN接触层27表面洗净，然后在该p型GaN接触层27上用溅射法形成IZO膜。IZO膜是用DC磁控溅射以约250nm的膜厚形成的。溅射中使用ZnO浓度为10质量％的IZO靶，IZO成膜中，导入70sccm的Ar气体，压力约为0.3Pa。
以上述方法形成IZO膜的薄层电阻为17Ω/sq。另外，刚成膜后的IZO膜，用XRD可以确认是非晶态的。
在IZO膜的成膜后，通过众所周知的光刻和湿蚀刻，制成仅在p型GaN接触层27上的形成有正极的区域形成IZO膜的状态。非晶态的IZO膜，蚀刻液使用ITO-07N，以约40nm/分钟的蚀刻速度进行蚀刻。这样就在p型GaN接触层27上形成了本发明的正极(参照图1和图2的标记15)。
对IZO膜用湿蚀刻进行构图后，使用RTA退火炉，在800℃热处理1分钟。另外，热处理，是在升温前利用N2气体进行多次吹扫，使RTA退火炉内变成N2气体气氛后进行的。
热处理后的IZO膜，在350～600nm的波长区域，显示出比刚成膜时高的光透射率，薄层电阻为10Ω/sq。另外，在热处理后的XRD的测定中主要检测出由方铁锰矿结构In2O3晶体形成的X射线峰，从而确认IZO膜已结晶化。
接着，对欲形成负极的区域进行一般的干蚀刻，仅限于该区域，使掺杂有Si的n型GaN接触层的表面露出(参照图1)。通过真空蒸镀法，在IZO膜层(正极)上的一部分、和露出的掺杂有Si的n型GaN接触层23上依次层叠由Cr形成的第1层(层厚＝40nm)、由Ti形成的第2层(层厚＝100nm)、由Au形成的第3层(层厚＝400nm)，分别形成正极焊盘16和负极17。
在形成正极焊盘和负极之后，用金刚石微粒的磨粒研磨由蓝宝石形成的基板11(21)的背面，最终加工成镜面。然后，切断板20，分离成350μm见方的正方形的分开的薄片，装载在引线框上，然后用金(Au)线与引线框连接。
(驱动电压(Vf)和发光输出功率(Po)的测定)
对这些薄片使用探针进行通电，测定施加电流2omA时的顺向电压(驱动电压：Vf)。另外，用一般的积分球测定发光输出功率(Po)和发光波长。可以确认发光面的发光分布是在正极15的整个面上发光。
薄片在460nm左右的波长区域具有发光波长，Vf是3.24V，Po是12.6mW。
[比较例1和实施例2～4]
除了分别在温度300℃(比较例)、500℃、600℃、700℃进行IZO膜的热处理以外，其它与实施例1同样制作氮化镓系化合物半导体发光元件，与实施例1同样进行评价。
图9示出了IZO膜的热处理温度和氮化镓系化合物半导体发光元件的Vf和Po的关系。横轴表示IZO膜的热处理温度(℃)、纵轴分别表示氮化镓系化合物半导体发光元件的Vf(V)、和氮化镓系化合物半导体发光元件的Po(mW)。
由图9可知，在500℃以上的温度下进行热处理的情况，氮化镓系化合物半导体发光元件的Po升高。另外，在700℃以上的温度下进行热处理的情况与没有进行热处理的情况相比，氮化镓系化合物半导体发光元件的Vf约低0.1V。
[实施例5]
除了在IZO膜的不接触p型半导体层的那一侧表面形成凹凸形状以外，与实施例1同样制作氮化镓系化合物半导体发光元件，并与实施例1同样进行评价。
凹凸形状的形成工序，是在IZO膜的热处理前进行的，与IZO膜的构图同样，使用ITO-07N蚀刻液进行湿蚀刻。凹凸形状是直径2μm、深度150nm的圆柱形的凹型，圆柱形的凹部，以中心间距为3μm的方式排列成锯齿状。所得的氮化镓系化合物半导体发光元件的Vf为3.23V、Po为13.5mW。
[实施例6和7]
除了圆柱形的凹部的深度分别为200nm、250nm以外，与实施例5同样制作氮化镓系化合物半导体发光元件，与实施例1同样进行评价。
图10示出了IZO膜表面的凹部的深度与氮化镓系化合物半导体发光元件的Vf、Po的关系。横轴表示IZO膜表面的凹部的深度(nm)，纵轴分别表示氮化镓系化合物半导体发光元件的Vf(V)、和氮化镓系化合物半导体发光元件的Po(mW)。另外，在IZO膜表面的凹部的深度为0的情况中，表面没有形成凹凸形状(实施例1)。
由图10可知，在IZO膜的不与p型半导体层接触的那一侧表面形成的凹部的深度越深，则氮化镓系化合物半导体发光元件的Po越高。另外，在凹部的深度为250nm，即氮化镓系化合物半导体发光元件的p型半导体层的表面露出的情况，氮化镓系化合物半导体发光元件的Vf升高。
[比较例2]
除了正极15使用ITO膜以外，其他同实施例1同样制作氮化镓系化合物半导体发光元件。
在板20的p型GaN接触层27上用溅射法形成250nm的ITO膜。在溅射后的XRD的测定中主要检测出由方铁锰矿结构In2O3晶体形成的X射线峰，从而确认热处理前的ITO膜已结晶化。由于该ITO膜不能被实施例1所使用的ITO-07N蚀刻液蚀刻，所以使用HCl进行湿蚀刻，制成仅在p型GaN接触层27上的形成有正极的区域上形成ITO膜的状态。对ITO膜构图后，在含有25％O2的N2气体气氛下进行600℃、1分钟的热处理、和N2气体气氛下500℃、1分钟的热处理这两次热处理。另外，两次热处理后的ITO膜的薄层电阻为15Ω/sq。
两次热处理后，与实施例1同样制作氮化镓系化合物半导体发光元件。所得的氮化镓系化合物半导体发光元件的Vf是3.3V，Po是12.5mW。
产业可利用性
本发明的化合物半导体发光元件，发光输出功率高，且驱动电压低，在例如灯等产业上的利用价值非常大。

Claims (16)

1.一种化合物半导体发光元件，由氮化镓系化合物半导体形成的n型半导体层、由氮化镓系化合物半导体形成的发光层和由氮化镓系化合物半导体形成的p型半导体层按该顺序层叠在基板上，且第1传导型透明电极和第2传导型电极分别设置在p型半导体层和n型半导体层上，其特征在于，该第1传导型透明电极是由含有方铁锰矿(Bixbyite)结构In2O3晶体的IZO膜形成的，该第1传导型透明电极的薄层电阻小于15Ω/sq。
2.根据权利要求1所述的化合物半导体发光元件，IZO膜中的ZnO含量为1～20质量％。
3.根据权利要求1所述的化合物半导体发光元件，IZO膜的厚度为35nm～10μm。
4.根据权利要求1所述的化合物半导体发光元件，对IZO膜的表面进行了凹凸加工。
5.根据权利要求4所述的化合物半导体发光元件，在IZO膜的表面形成有多个独立的凹部。
6.根据权利要求4所述的化合物半导体发光元件，凹部的合计面积是IZO膜整体的1/4～3/4。
7.根据权利要求4所述的化合物半导体发光元件，凹部位置的IZO膜的厚度是凸部位置的IZO膜的厚度的1/2以下。
8.一种化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，包含下述工序(a)～(d)，
工序(a)：将由化合物半导体形成的n型半导体层、由化合物半导体形成的发光层和由化合物半导体形成的p型半导体层以n型半导体层和p型半导体层夹持发光层的方式层叠在基板上，而制作半导体板；
工序(b)：在该半导体板上层叠非晶态的IZO膜；
工序(c)：对该非晶态的IZO膜进行蚀刻；和
工序(d)：通过在不含O2的气氛中700～900℃的温度下的热处理使蚀刻后的该非晶态的IZO膜结晶化。
9.根据权利要求8所述的化合物半导体发光元件的制造方法，层叠非晶态的IZO膜的工序是通过溅射法进行的。
10.根据权利要求8所述的化合物半导体发光元件的制造方法，化合物半导体是氮化镓系化合物半导体。
11.根据权利要求10所述的化合物半导体发光元件的制造方法，将n型半导体层、发光层和p型半导体层按该顺序层叠，并将非晶态的IZO膜层叠在p型半导体层上。
12.一种化合物半导体发光元件，是使用权利要求8所述的制造方法制造的。
13.一种氮化镓系化合物半导体发光元件用透光性电极，其特征在于，是由含有方铁锰矿结构In2O3晶体的IZO膜形成的，且薄层电阻小于15Ω/sq。
14.一种灯，包含权利要求1所述的化合物半导体发光元件。
15.一种电子仪器，组装有权利要求14所述的灯。
16.一种机械装置，组装有权利要求15所述的电子仪器。
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