JP2004228401A - Oxide semiconductor light emitting element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、n型酸化物半導体層に対する低抵抗なオーミック電極を有する酸化物半導体発光素子およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
本発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【0003】
【特許文献1】
国際公開第00/16411号パンフレット
【非特許文献1】
「Japanese Journal of Applied Physics」、Vol.36、1997年11月1日、p.1453−1455
【非特許文献2】
「Japanese Journal of Applied Physics」、Vol.40、2001年3月1日、p.177−180
【0004】
酸化物材料は、誘電性、磁性、超伝導性などの多くの特性を有し、また半導体材料として既存材料の特質を補って余りある性質を有している。
【0005】
中でも酸化亜鉛(ZnO)は、約3.4eVのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが60meVと極めて高く、また原材料が安価であり、環境や人体に無害、かつ成膜手法が簡便であるなどの特徴を有する。また、酸化亜鉛は、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる。なお、以下においてZnO系半導体とは、ZnOおよびこれを母体としたMgZnOあるいはCdZnOなどで表される混晶を含めるものとする。
【0006】
前記ZnO系半導体へ低抵抗なp型オーミック電極を形成する技術は、キャリアを発光層へ均一かつ高効率に注入するために極めて重要である。しかし、ZnOは強いイオン性に起因する自己補償効果を有するため、p型の導電型制御が困難であった。この欠点を解決するためにアクセプタ不純物として窒素(N)を用い、p型オーミック電極を実現していた(例えば、非特許文献1を参照)。また、ZnO系半導体を用いて高効率な発光素子を作製すべく、多くの研究がなされている(例えば、非特許文献2を参照)。
【0007】
しかし、p型オーミック電極のみならず、安定したオーミック接触が得られるn型オーミック電極についても、まだ改善の余地を残している。例えば、n型III族窒化物半導体において用いられるTi−Al電極は、金属薄膜と酸化物半導体との密着性が乏しいためn型ZnO系半導体層とは完全なオーミック接触が得られにくく、電極のオーミック抵抗が高かった。
【0008】
この問題を解決する手段として、Ti又はCrがn型ZnO層と接し 、Alがn型ZnO層と接しないn型オーミック電極が開示されている(例えば、特許文献1を参照)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、TiやCrを電極に用いてもオーミック抵抗は大きくは低減せず、真空蒸着法やスパッタリング法などの製造方法によって形成した前記金属電極は、ワイヤボンディング時や通電時に剥れたり劣化しやすいという問題もあった。
【0010】
そこで、本発明の目的は、前記従来の問題に鑑み、n型酸化物半導体層に対して密着性に優れ、且つ低抵抗なオーミック電極を用いて優れた発光特性を実現する酸化物半導体発光素子を提供することを課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、n型酸化物半導体層に対して密着性と低抵抗性を両立するオーミック電極材料とその構造および製造方法を鋭意検討した結果、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属、特に遷移金属Ti,Cr,V,Hf,Zr,Nb,Ta,Mo,Wから選択された少なくとも1つの遷移金属の酸化物をオーミック電極に用いることにより、前記目的を達成するものである。
【0012】
本発明に係る酸化物半導体発光素子は、前記課題を解決するための手段として、
基板上に、n型酸化物半導体層と、n型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層した酸化物半導体発光素子において、
前記成長層の一部をエッチングすることにより露出した前記n型酸化物半導体層上に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物からなるオーミック電極を設けたものである。
【0013】
前記発明によれば、遷移金属の酸化物は、金属よりも酸化物半導体に対して密着性に優れるので、オーミック電極は、ワイヤボンディングや通電によって剥がれたりすることがなく、信頼性に優れる。また、前記オーミック電極が遷移金属Ni,Cu,Agのいずれかを含むことは、オーミック電極がp型オーミック電極となり、これらの元素の拡散により高抵抗化するので好ましくない。
【0014】
本発明に係る酸化物半導体発光素子は、前記課題を解決するための他の手段として、
n型酸化物半導体からなる基板上に、少なくともn型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層した酸化物半導体発光素子において、
前記基板裏面に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物からなるオーミック電極を設けたものである。
【0015】
前記オーミック電極は、遷移金属Ti,Cr,V,Hf,Zr,Nb,Ta,Mo,Wから選択された少なくとも1つの遷移金属の酸化物からなることが好ましい。遷移金属Ti,Cr,V,Hf,Zr,Nb,Ta,Mo,Wの酸化物は、良導体あるいはn型半導体的性質を有し、安定で低抵抗なオーミック電極を形成できる。このことにより、信頼性に優れ、動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を提供できる。
【0016】
前記オーミック電極の層厚は、1nm以上100nm以下であり、前記発光層からの光に対して透光性を有することが好ましい。これにより、オーミック電極が透光性を有し、発光層からの光を外部へと取り出し、発光素子の輝度を向上させることができる。具体的には、絶縁基板を用いた酸化物半導体発光素子のn型酸化物半導体層上にオーミック電極を形成する場合、基板底面で反射された光がオーミック電極に入射すると外部への光取り出しが阻害されるので、オーミック電極を透光性とすることが有効である。オーミック電極の厚みが前記1nm以上100nmの範囲内にあれば、十分に低抵抗なオーミック接触を確保でき、かつ透光性が高く光取り出し効率が向上する。
【0017】
また、前記オーミック電極上に、AlまたはAuからなるパッド電極を形成することが好ましい。AlおよびAuは低抵抗でワイヤをボンディングするパッド電極として用いるのに適しており、特に、Alは酸化物半導体に対してアクセプタ不純物として作用しないので、n型オーミック電極上に形成しても電極が高抵抗化しない。
【0018】
このとき、前記オーミック電極と前記パッド電極との間に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属およびGa,Inから選択された少なくとも1つの元素を含む中間層を形成してもよい。この中間層をオーミック電極とパッド電極との間に設けることにより、オーミック電極とパッド電極の密着性が向上する。
【0019】
また、この中間層の前記遷移金属は、Ti,Cr,V,Hf,Zr,Nb,Ta,Mo,Wから選択された少なくとも1つの遷移金属からなることが好ましい。
【0020】
前記オーミック電極と前記パッド電極との間に、AlまたはPtの少なくともいずれかを含む反射層を形成することが好ましい。オーミック電極に入射した光を高効率で反射し、発光素子内部で多重反射させることにより、光取り出し効率を向上させることができる。さらに、オーミック電極を低抵抗化できる。このような反射層は、オーミック電極およびパッド電極が発光素子表面に形成された場合または基板裏面に形成された場合のいずれにおいても光取り出し効率を向上させることができる。
【0021】
前記基板裏面に形成された前記オーミック電極を、パターン加工するとともに、前記基板裏面は、Agを含む導電材でリードフレームと電気的に接続することが好ましい。Agは、青色〜紫外域の光に対する反射率が高く、基板裏面のn型オーミック電極をパターン加工し、Agを含む導電材でリードフレームに接続することにより、基板底面へ入射した光が吸収されることなくAgを含む導電材で反射されるので、光取り出し効率が向上する。
【0022】
本発明に係る酸化物半導体発光素子の製造方法は、前記課題を解決するための手段として、
基板上に、n型酸化物半導体層と、n型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層し、
前記成長層の一部をエッチングすることにより露出した前記n型酸化物半導体層上に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物を蒸発または飛散させて堆積することによりオーミック電極を薄膜形成するものである。
【0023】
前記発明によれば、遷移金属の酸化物をオーミック電極の原料として用いることにより、例えば、レーザMBE装置内にO2ガスを導入する必要がなくなり、本発明のオーミック電極を容易に形成できる。
【0024】
本発明に係る酸化物半導体発光素子の製造方法は、前記課題を解決するための他の手段として、
基板上に、n型酸化物半導体層と、n型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層し、
前記成長層の一部をエッチングすることにより露出した前記n型酸化物半導体層上に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属を蒸発または飛散させるとともに、酸素を導入して前記原料を堆積することによりオーミック電極を薄膜形成するものである。
【0025】
前記発明によれば、前記遷移金属は、高純度な原料を安価に入手できるため、これをオーミック電極の原料として用いることにより、特性に優れたオーミック電極を低コストで製造できる。また、酸素雰囲気中で蒸着することにより、容易に酸化物薄膜を形成できるので、密着性に優れた低抵抗なオーミック電極を形成できる。
【0026】
本発明に係る酸化物半導体発光素子の製造方法は、前記課題を解決するための他の手段として、
n型酸化物半導体からなる基板上に、少なくともn型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層し、
前記基板裏面に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物を蒸発または飛散させて堆積することによりオーミック電極を薄膜形成するものである。
【0027】
本発明に係る酸化物半導体発光素子の製造方法は、前記課題を解決するための他の手段として、
n型酸化物半導体からなる基板上に、少なくともn型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層し、
前記基板裏面に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属を蒸発または飛散させるとともに、酸素を導入して前記原料を堆積することによりオーミック電極を薄膜形成するものである。
【0028】
前記オーミック電極は、遷移金属Ti,Cr,V,Hf,Zr,Nb,Ta,Mo,Wから選択された少なくとも1つの遷移金属の酸化物からなることが好ましい。
【0029】
前記薄膜形成方法は、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法およびレーザアブレーション法のいずれかであることが好ましい。これらの薄膜形成法は、量産性が高く、高品質の酸化物薄膜を容易に形成できる成膜手法であり、特性に優れた発光素子を低コストで製造できる。
【0030】
前記オーミック電極を形成した後で、前記酸化物半導体発光素子を酸素雰囲気中あるいは大気中で熱処理を行なうことが好ましい。熱処理またはアニール処理を行うことにより、オーミック電極の酸化物半導体に対する密着性およびオーミック特性は格段に向上する。特に、酸素雰囲気中でアニール処理を行うことにより、電極からの酸素抜けを抑止して、低いオーミック抵抗を保ったまま密着性を向上させることができる。
【0031】
前記熱処理温度は、300〜450℃の範囲内であることが好ましい。300℃以上であればオーミック電極の密着性およびオーミック抵抗低減効果を向上することができ、450℃以下であれば、酸化物半導体発光素子が劣化せず、特性に優れた酸化物半導体発光素子を製造できる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【0033】
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る酸化物半導体発光素子1の断面図である。この酸化物半導体発光素子1は、c面を主面とするサファイア基板2上に、Gaを3×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.2μmのn型ZnOコンタクト層3(n型酸化物半導体層)、Gaを1×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ1μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層4、厚さ0.1μmのノンドープCd0.1Zn0.9O発光層5、Nを1×1020cm−3の濃度でドーピングした厚さ1μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層6、Nを5×1020cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.3μmのp型ZnOコンタクト層7が積層されている。
【0034】
また、p型ZnOコンタクト層7の主表面全面には、厚さ10nmのNiOを積層した透光性を有するp型オーミック電極8が積層され、その上には直径80μmで厚さ500nmのボンディング用Auパッド電極9が積層されている。
【0035】
また、前記n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層4からp型ZnOコンタクト層7までのエピタキシャル層の一部がエッチングされており、前記n型ZnOコンタクト層3の一部が露出している。この露出したn型ZnOコンタクト層3の表面には、厚さ10nmのTiO2を積層した透光性を有するn型オーミック電極10が積層され、その上には直径80μmで厚さ500nmのボンディング用Alパッド電極11が積層されている。
【0036】
次に、前記酸化物半導体発光素子1を製造する製造方法について説明する。
【0037】
本実施形態の酸化物半導体発光素子1は、図2に示すレーザ分子線エピタキシー(以下レーザMBEと称する)装置20で製造される。このレーザMBE装置20は、超高真空に排気可能な成長室21の上部に、前記基板2を下面位置で保持する基板ホルダー22が配置されている。この基板ホルダー22は、基板ホルダー22裏面が基板ホルダー22上部に配置されたヒーター23により加熱されるようになっており、これにより、前記基板2が基板ホルダー22からの熱伝導により加熱される。前記基板2下方には、扇状のターゲットテーブル24が配置されており、このターゲットテーブル24上面外縁部には複数のターゲット25が配置されている。ターゲット25の表面は、成長室21の側壁に設けられたビューポート26を介して照射されるパルスレーザ光26aによりアブレーションされ、ターゲット25表面の原料が瞬時に蒸発するようになっている。この蒸発したターゲット25の原料が基板2下面に堆積することにより基板2に薄膜が形成される(レーザアブレーション法)。また、ターゲットテーブル24は、図示しない回転機構によりパルスレーザ光26aの照射シーケンスに同期して回転制御され、異なるターゲット25の原料を基板2に積層できるようになっている。また、成長室21にはガス導入管27a,bが設けられており、ガスを成長室21内に導入できるようになっている。また、ガス導入管27bに設けられたラジカルセル28によって活性化された原子状ビームを基板2に照射することも可能である。
【0038】
前記レーザMBE装置20を用いたレーザMBE法では、まず、洗浄処理したサファイア基板2をレーザMBE装置20内の基板ホルダー22下面に取り付け固定する。次に、成長室21内にO2ガスを流入するとともに内圧を5×10−3Paに調整し、温度600℃で30分間、加熱してサファイア基板2を清浄化し、その後で基板温度を550℃に降温する。
【0039】
次に、回転機構によるターゲットテーブル24の回転駆動周期をパルスレーザ光26aのパルス照射周期と同期させ、ノンドープZnO単結晶、およびGa2O3を添加したZnO燒結体を原料とするターゲット25を交互にアブレーションし、所望のGaドーピング濃度(3×1018cm−3)を有するn型ZnOコンタクト層3を厚さ0.2μmまで成長させる。このとき、アブレーションを行うパルスレーザ光26aには、KrFエキシマレーザ(波長:248nm、パルス数:10Hz、出力1J/cm2)を用いた。また、n型ZnOコンタクト層3を形成する間、ガス導入管27aよりO2ガスを成長室21内に導入した。
【0040】
次に、ノンドープZnO単結晶、およびGa2O3を添加したMgZnO燒結体を原料とするターゲット25を交互にアブレーションし、所望のMg組成とGaドーピング濃度(1×1018cm−3)を有するn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層4を厚さ1μmまで成長させる。
【0041】
また、ノンドープZnO単結晶、およびノンドープCdO単結晶を原料とするターゲット25を交互にアブレーションし、ノンドープCd0.1Zn0.9O発光層5を厚さ0.1μmまで成長させる。
【0042】
また、ガス導入管27bより導入したN2ガスをラジカルセル28でプラズマ化して照射しながら、ノンドープZnO単結晶およびノンドープMgZnO燒結体を原料とするターゲット25を交互にアブレーションし、所望のNドーピング濃度(1×1020cm−3)を有するp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層6を厚さ1μmまで成長させる。
【0043】
また、ガス導入管27bより導入したN2ガスをラジカルセル28でプラズマ化して照射しながら、ノンドープZnO単結晶を原料とするターゲット25をアブレーションし、所望のNドーピング濃度(5×1020cm−3)を有するp型ZnOコンタクト層7を厚さ0.3μmまで成長させる。
【0044】
そして、O2ガスの流量を調整して成長室21内の圧力を1×10−3Paに調整し、Niを原料とするターゲット25をアブレーションする。このとき、アブレーションにより蒸発した金属Niは、成長室21内のO2ガスによってNiOとなり、基板2に積層される。これにより、NiOからなるp型オーミック電極8を厚さ10nmまで形成する。さらに、O2ガスの導入を停止して成長室21内の圧力を1×10−4Paに調整し、Auを原料とするターゲット25をアブレーションし、Auパッド電極9を厚さ500nmまで積層する。
【0045】
次に、サファイア基板2をレーザMBE装置20から取り出して、サファイア基板2上面の一部をレジストマスク(不図示)で覆った後、サファイア基板2をイオンミリング装置(不図示)により、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層4からAuパッド電極9までの成長層の一部をエッチングし、n型ZnOコンタクト層3の一部を露出させる。
【0046】
次に、サファイア基板2をイオンミリング装置から取り出してレジストマスクを除去し、再び、レーザMBE装置20に導入する。そして、O2ガスの流量を調整して成長室21内の圧力を1×10−3Paに調整し、金属Tiを原料とするターゲット25をアブレーションする。このとき、アブレーションにより蒸発した金属Tiは、成長室21内のO2ガスによってTiO2となり、n型ZnOコンタクト層3表面上に成膜される。これにより、TiO2からなるn型オーミック電極10が厚さ10nmまで積層される。さらに、O2ガスの導入を停止して成長室21内の圧力を1×10−4Paに調整し、Alを原料とするターゲット25をアブレーションし、Alパッド電極11を厚さ500nmまで積層する。
【0047】
そして、サファイア基板2をレーザMBE装置20から取り出して、n型ZnOコンタクト層3の露出部以外に堆積したTiO2およびAlをエッチング除去する。また、Auパッド電極9およびAlパッド電極11を各々直径80μmに加工する。
【0048】
最後に、サファイア基板2を図示しないアニール炉に導入し、大気中で温度350℃で1分間、アニール処理(熱処理)する。その後、300μm角のチップ状に分割する。
【0049】
前述したレーザMBE法は、ターゲット25の原料と形成される薄膜の組成ずれが小さく、また、ZnGa2O4などの意図しない化合物の生成を抑えることができるので好ましい。また、本発明の酸化物半導体発光素子1は、前記レーザMBE法に限らず、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー(MBE)法、有機金属気相成長(MOCVD)法などの結晶成長手法で製造してもよい。なお、この薄膜形成方法は、レーザアブレーション法に限らず電子ビーム蒸着法またはスパッタリング法のいずれであってもよい。
【0050】
以上のようにして、製造された酸化物半導体発光素子1のAuパッド電極9およびAlパッド電極11をリードフレームにワイヤボンディングした後、酸化物半導体発光素子1を樹脂でモールドし、発光させたところ、発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。また、20mAの動作電流における動作電圧は3.6Vであった。また、100個の酸化物半導体発光素子1をリードフレームに実装したところ、ワイヤボンディングする際に電極剥れが生じた酸化物半導体発光素子1は1つもなかった。また、300個の酸化物半導体発光素子1をリードフレームに実装した場合、ワイヤボンディングする際に電極剥れが生じた酸化物半導体発光素子1は5つであった。
【0051】
(比較例1)
一方、前述したようにTiO2からなるn型オーミック電極10を形成する代りに、O2ガスを成長室21内に流入せずにTiからなるn型オーミック電極10を形成した100個の酸化物半導体発光素子をリードフレームに実装したところ、Alパッド電極11へのワイヤボンディング時に電極剥れが生じた酸化物半導体発光素子は25個あった。また、動作電圧が5V以上の酸化物半導体発光素子は20個あった。
【0052】
すなわち、金属(Ti)からなるオーミック電極と酸化物半導体(n型ZnOコンタクト層3)は密着性が弱く、製造歩留まりが低いのに対し、本発明のオーミック電極10は、遷移金属の酸化物(TiO2)で構成しているので密着性が強く、信頼性は飛躍的に向上する。特に、遷移金属Ti,Cr,V,Hf,Zr,Nb,Ta,Mo,Wの酸化物は、良導体あるいはn型半導体的性質を有し、安定で低抵抗なオーミック電極を形成することができる。
【0053】
図3に、TiO2からなるオーミック電極10の層厚(nm)と酸化物半導体発光素子1の動作電圧(V)および発光強度(任意単位)の関係を示す。TiO2オーミック電極10の層厚が1nmを超えると動作電圧は減少し、100nm以上でほぼ飽和する。一方、層厚が100nm以上ではTiO2オーミック電極10の透光性も低下してくるので発光強度が急激に低下する。以上の結果より、酸化物半導体発光素子1の動作電圧を低く保ち、かつ高い発光強度を実現するためには、n型オーミック電極10の層厚は、1nm以上100nm以下が好ましい。
【0054】
(比較例2)
また、Alパッド電極11を備えない100個の酸化物半導体発光素子をリードフレームに実装したところ、TiO2からなるオーミック電極10へのワイヤボンディング時に電極剥れが生じた酸化物半導体発光素子が60個あった。また、通電中にオーミック電極10からボンディングワイヤが外れた酸化物半導体発光素子が20個あった。
【0055】
すなわち、本発明の低いオーミック抵抗と強い密着性の効果を最大限に得るには、TiO2からなるオーミック電極10上にAlパッド電極11を形成してワイヤボンディングを行うことが好ましい。
【0056】
(比較例3)
また、製造工程においてアニール処理することなく製造した100個の酸化物半導体発光素子をリードフレームに実装したところ、Alパッド電極11へのワイヤボンディング時に電極剥れが生じた酸化物半導体発光素子が15個あった。また、動作電圧が5V以上の酸化物半導体発光素子は10個あった。
【0057】
すなわち、アニール処理(熱処理)することにより、酸化物半導体(n型ZnOコンタクト層3)と金属酸化物(TiO2からなるオーミック電極10)との密着性およびオーミック特性が格段に向上する。なお、アニール処理の温度は、300℃以上であれば密着性および抵抗の低減を向上することができ、450℃以下であれば、酸化物半導体素子1が劣化しにくくなる。また、アニール処理における雰囲気は、O2あるいは大気雰囲気中が好ましく、N2雰囲気中では逆に抵抗が増大する。
【0058】
また、本実施形態のようにn型オーミック電極10上のAlパッド電極11に酸化し易いAlを用いた場合、酸化雰囲気中で高温のアニール処理を行うとAlパッド電極11表面に不導体であるAl2O3が形成されてしまい、ボンディングワイヤの密着性と導電性が劣化する場合がある。これを防止するために、パッド電極11をAuで構成するか、またはアニール雰囲気を大気中とすることが好ましい。
【0059】
また、本実施形態においてNiOからなるp型オーミック電極8およびTiO2からなるn型オーミック電極10は、金属Niおよび金属Tiを原料とするターゲット25を用いてO2雰囲気中でアブレーションして形成した。この元素金属(NiおよびTi)のターゲットやタブレットは、4N〜5N程度の高純度かつ安価である。したがって、純度に優れ低抵抗な酸化物オーミック電極を安価かつ容易に形成することが可能である。これに対して、前記p型オーミック電極8およびn型オーミック電極10を、金属NiOおよび金属TiO2を原料とするターゲットを用いてアブレーションして形成する場合、金属酸化物(NiOおよびTiO2)のターゲットやタブレットは高純度なものが得られにくい(3N〜4N程度)が、レーザMBE装置20内にO2ガスを導入する必要がなくなり、p型オーミック電極8およびn型オーミック電極10を容易に形成できる。
【0060】
また、本実施形態のレーザMBE装置20を用いることにより、高純度なO2ガスを用いて金属酸化物の薄膜を形成することができ、さらに成長層から電極までを真空成長室21中で一貫して形成することができる。したがって、純度に優れた酸化物オーミック電極を容易に形成することが可能である。
【0061】
また、p型オーミック電極8もn型オーミック電極10と同様に透光性を有することが好ましい。また、p型オーミック電極8の材料には、Ni,Ag,Cuを用いることが好ましく、特にNiが好ましい。また、p型オーミック電極8上のパッド電極9の材料としては本実施形態のようにAuが好ましく、Alを用いるとp型オーミック電極8が高抵抗化しやすいので好ましくない。
【0062】
また、p型ZnOコンタクト層7にドーピングするアクセプタ不純物としては、I族元素のLi,Cu,AgやV族元素のN,As,Pなどを用いることが好ましく、本発明の効果を最大限に得るためには、活性化率が高いN,LiおよびAgが特に好ましい。さらに、Nをドーピングする場合、N2をプラズマ化して結晶成長中に照射する手法によって、結晶性を良好に保って高濃度ドーピングが行えるのでより好ましい。
【0063】
また、n型ZnOコンタクト層3にドーピングするドナー不純物としては、III族元素のB,Al,Ga,Inなどを用いることが好ましく、特に、ZnO系半導体中での活性化率が高いGaまたはAlが好ましい。
【0064】
また、本実施形態において示したように、クラッド層4、6上にコンタクト層7を介してオーミック電極8を形成して低抵抗化し、酸化物半導体発光素子1の発光効率を向上させることが好ましい。コンタクト層7の材料には、結晶性に優れキャリア濃度を高くできるZnOを用いることが好ましい。ZnOコンタクト層に過剰に不純物をドーピングすると結晶性劣化が顕著となり、本発明の効果が減少するので、5×1016〜5×1019cm−3のキャリア濃度範囲となるようにドーピング濃度を調整することが好ましい。
【0065】
また、その他の構成は任意であり、本実施形態によって限定されるものではない。
【0066】
前記実施形態の変形例として、図4に示すように、TiO2からなるn型オーミック電極10とAlパッド電極11との間に、厚さ50nmのZrからなる中間層12を形成してもよい。この酸化物半導体発光素子1をリードフレームにワイヤボンディングした後、酸化物半導体発光素子1を樹脂でモールドし、発光させたところ、発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。また、20mAの動作電流における動作電圧は、前記実施形態に比べて低減して3.4Vであった。また、300個の酸化物半導体発光素子1をリードフレームに実装したところ、ワイヤボンディングする際に電極剥れが生じた酸化物半導体発光素子1は1つもなかった。
【0067】
このように、酸化物オーミック電極10とAlパッド電極11の間に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属およびGa,Inから選択された少なくとも1つの元素(Zr)を含む中間層12を形成することにより、酸化物オーミック電極10とAlパッド電極11の密着性を向上させることができ、また動作電圧を低減することができる。
【0068】
前記中間層12をNiを用いて形成した場合、ワイヤボンディングの際に電極剥れは生じなかったが、酸化物半導体発光素子1の動作電圧は、5V以上となった。この動作電圧が増大した理由としては、Niがp型ZnO半導体に対するオーミック電極として働くため、n型オーミック電極10やn型ZnOコンタクト層3に拡散することによって電気伝導が阻害されたものと考えられる。このように、中間層12には、p型オーミック電極材料となるNi,Cu,Agを含まないことが好ましい。特に、この中間層12の材料としては、遷移金属Ti,Cr,V,Hf,Zr,Nb,Ta,Mo,Wが好ましい。また、n型オーミック電極10も同様にp型オーミック電極材料となるNi,Cu,Agを含まないことが好ましい。
【0069】
また、前記実施形態の変形例として、図4においてTiO2からなるn型オーミック電極10とAlパッド電極11との間の中間層12を、厚さ50nmのPtで構成してもよい。この酸化物半導体発光素子1をリードフレームにワイヤボンディングした後、酸化物半導体発光素子1を樹脂でモールドし、発光させたところ、発光強度は、前記実施形態に比べて10%増大した。これは、Ptからなる中間層12が、青〜紫外域の波長の光に対して高い反射率を有するので反射層として作用し、パッド電極11に入射した光を高効率で反射して発光素子内部で多重反射させることにより、酸化物半導体発光素子1側面から外部に取り出すことが出来たためである。このような光反射層を中間層12として形成すれば、パッド電極11を青〜紫外域の波長の光に対して反射率が低い材料(Auなど)で構成した場合でも、光取り出し効率が低下することがない。もちろん、中間層12を、ZrとPtの積層構造で構成すれば、密着性を向上させる効果と光反射層の効果を共に得ることができる。特に、Zr層がAlパッド電極11と接し、Pt層がn型ZnOコンタクト層3と接するように積層すれば、両方の効果が確実に得られるので好ましい。
【0070】
また、前記実施形態の変形例として、n型オーミック電極10を、HfO2タブレットを用いた電子ビーム蒸着法によりHfO2から構成してもよい。この酸化物半導体発光素子1をリードフレームにワイヤボンディングした後、酸化物半導体発光素子1を樹脂でモールドし、発光させたところ、発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。また、20mAの動作電流における動作電圧および発光強度は、前記実施形態とほぼ同様であった。また、100個の酸化物半導体発光素子1をリードフレームに実装したところ、ワイヤボンディングする際に電極剥れが生じた酸化物半導体発光素子1は1つもなかった。
【0071】
この電子ビーム蒸着法は、量産性が高く、高品質の酸化物薄膜(オーミック電極10)を容易に形成できる成膜手法であり、優れた酸化物半導体発光素子1を低コストで製造できる点で好ましい。また、HfO2タブレットを用いることで、レーザMBE装置20の成長室21内にO2ガスを導入することなく、酸化物オーミック電極(HfO2からなるオーミック電極10)を形成でき、製造プロセスの簡便性に優れるととも共に、酸素を嫌う真空成膜装置などを用いる場合に適している。
【0072】
(第2実施形態)
図5は、本発明の第2実施形態に係る酸化物半導体発光素子1’の断面図である。この酸化物半導体発光素子1’は、亜鉛面を成長主面とするZnO単結晶基板2’上に、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層4、Cd0.1Zn0.9O発光層5、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層6、p型ZnOコンタクト層7、p型オーミック電極8、およびAuパッド電極9からなる成長層を積層したものである。また、前記第1実施形態と異なりn型ZnOコンタクト層3が、形成されていない。また、ZnO単結晶基板2’の裏面には、TiO2からなるn型オーミック電極10およびAlパッド電極11が形成されている。これら、n型オーミック電極10およびAlパッド電極11は、図6に示すように、幅30μmの格子状にパターン加工されている。なお、前記第1実施形態と同一かつ同様の作用を有する部分には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【0073】
前記構成からなる酸化物半導体発光素子1’を製造するには、第1実施形態と同様に、レーザMBE装置20を用いて基板2’上に前記成長層を形成した後、基板2’裏面に、n型オーミック電極10およびAlパッド電極11を積層する。次に、基板2’をレーザMBE装置20から取り出して、Auパッド電極9を直径80μmに加工し、n型オーミック電極10およびAlパッド電極11を図6に示すようにエッチングによりパターン加工する。
【0074】
また、前記TiO2からなるn型オーミック電極10は、前記第1実施形態と同様に、金属Tiを原料とするターゲット25を用いてO2雰囲気中でアブレーションして形成した。この元素金属(Ti)のターゲットやタブレットは、高純度かつ安価であるので、純度に優れ低抵抗な酸化物オーミック電極を安価かつ容易に形成することが可能である。これに対して、前記TiO2からなるn型オーミック電極10を、金属NiOおよび金属TiO2を原料とするターゲットを用いてアブレーションして形成する場合、レーザMBE装置20内にO2ガスを導入する必要がなくなり、n型オーミック電極10を容易に形成できる。
【0075】
この酸化物半導体発光素子1’を300μm角のチップ状に分離し、基板2’裏面をAgペーストでリードフレームに接着し、Auパッド電極9をリードフレームの他方にワイヤボンディングした後、樹脂でモールドし発光させたところ、前記第1実施形態と同様に発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。また、20mAの動作電流における動作電圧は、前記第1実施形態より低く3.3Vであった。動作電圧が低減したのは、導電性のZnO基板2’を用いたため、結晶性が改善されて発光効率が向上したことに加え、電流が流れる面積が増大して素子抵抗が低減したためであると考えられる。
【0076】
また、100個の酸化物半導体発光素子1’をリードフレームに実装したところ、ワイヤボンディングする際に電極剥れが生じた酸化物半導体発光素子1’は1つもなかった。また、本実施形態のように、n型基板であるZnO単結晶基板2’裏面に形成されたn型の酸化物オーミック電極10は、導電材である導電性ペースト(Ag)でリードフレームに接続されるため、ワイヤボンディング時の負荷はかからないので剥がれることがない。
【0077】
(比較例4)
一方、n型オーミック電極10およびAlパッド電極11を格子状にパターン加工しなかった場合、この酸化物半導体発光素子をリードフレームに実装し、発光させたところ、20mAの動作電流における発光強度は格子状にパターン加工した場合に比べて約70%に低下した。
【0078】
また、本実施形態において、基板2’裏面のn型オーミック電極10およびAlパッド電極11の電極パターン形状は格子状としたが、その電極パターン形状はこれに限定されるものではなく、ドット状やストライプ状でもよい。さらに、n型オーミック電極10とAlパッド電極11を等しい形状で加工する必要はなく、両者のパターン形状が異っていてもよい。
【0079】
(比較例5)
また、酸化物半導体発光素子1’の基板2’裏面をリードフレームに接着する際、Agペーストに変えてCuペーストおよびカーボンペーストを用いた場合、20mAの動作電流における動作電圧はいずれもAgペーストを用いた場合と同じであったが、発光強度は各々50%および20%に低下した。発光強度が低下したのは、Cuペーストおよびカーボンペーストが基板2’底面に入射した光を吸収したためと考えられる。一方、青〜紫外域の波長の光に対して高い反射率を有するAgペーストは、基板2’底面に入射した光を高効率で反射し、酸化物半導体発光素子1’外部に取り出すことができる点で好ましい。
【0080】
なお、本実施形態では、基板2’とn型クラッド層4との間にn型ZnOコンタクト層3を形成しなかったが、ZnOコンタクト層3を形成してバッファ層として用いてもよい。
【0081】
前記実施形態の変形例として、図7に示すように、TiO2からなるn型オーミック電極10とAlパッド電極11との間に、厚さ50nmのZrからなる中間層12’を形成してもよい。このように、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属およびGa,Inから選択された少なくとも1つの元素(Zr)を含む中間層12’を形成することにより、酸化物オーミック電極10とAlパッド電極11の密着性を向上させることができ、また動作電圧を低減することができる。特に、この中間層12の材料としては、遷移金属Ti,Cr,V,Hf,Zr,Nb,Ta,Mo,Wが好ましい。また、前記中間層12’をNiを用いて形成した場合、ワイヤボンディングの際に電極剥れは生じなかったが、酸化物半導体発光素子1’の動作電圧は、5V以上となった。これは、前述したように、Niがp型ZnO半導体に対するオーミック電極として働くため電気伝導が阻害されたものと考えられ、中間層12’およびn型オーミック電極10は、p型オーミック電極材料となるNi,Cu,Agを含まないことが好ましい。
【0082】
また、前記実施形態の変形例として、図7に示すように、TiO2からなるn型オーミック電極10とAlパッド電極11との間に、厚さ50nmのPtからなる中間層12’を形成してもよい。この酸化物半導体発光素子1’をリードフレームにワイヤボンディングした後、酸化物半導体発光素子1’を樹脂でモールドし、発光させたところ、発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。また、発光強度は、前記実施形態に比べて10%増大した。
【0083】
これは、Ptからなる中間層12’が、青〜紫外域の波長の光に対して高い反射率を有するので反射層として作用し、基板2’底面に入射した光を高効率で反射し、反射された光が酸化物半導体発光素子1’側面から外部に取り出されるためである。これにより、酸化物半導体発光素子1’の光取り出し効率が向上する。また、中間層12’の材料としては、Alであってもよい。
【0084】
(第3実施形態)
図8は、本発明を適用したZnO系半導体レーザ素子31の斜視図である。このZnO系半導体レーザ素子31は、亜鉛面を主面とするn型ZnO単結晶基板32上に、Gaを1×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.1μmのZnOバッファ層33、Gaを3×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ1.0μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層34、Gaを5×1017cm−3の濃度でドーピングした厚さ30nmのn型ZnO光ガイド層35、ノンドープ量子井戸活性層36、Nを5×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ30nmのp型ZnO光ガイド層37、Nを1×1020cm−3の濃度でドーピングした厚さ1.2μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層38、Nを1×1020cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層39が積層されている。
【0085】
前記量子井戸活性層36は、2層の厚さ5nmのZnO障壁層と、3層の厚さ6nmのCd0.1Zn0.9O井戸層とからなり、互いに交互に積層されている。前記p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層38およびp型ZnOコンタクト層39の一部は、リッジストライプ状にエッチング加工され、その両側にはGaを1×1018cm−3の濃度でドーピングしたn型Mg0.3Zn0.7O電流ブロック層40が埋め込まれている。
【0086】
n型ZnO基板32下面には、厚さ100nmのn型Cr2O3オーミック電極41が形成され、その下にはAlパッド電極42が形成されている。p型ZnOコンタクト層39およびn型Mg0.3Zn0.7O電流ブロック層40上には、厚さ100nmのNiOオーミック電極43が形成され、その上にはAuパッド電極44が形成されている。
【0087】
前記半導体レーザ素子31は、結晶成長を前記レーザMBE法で行い、Cr2O3オーミック電極41、Alパッド電極42、NiOオーミック電極43およびAuパッド電極44は、各々Cr2O3、Al、NiOおよびAuの原料からなるターゲット25を用いてスパッタリング法で形成した。スパッタリング法は、電子ビーム蒸着法と同様、量産性が高く、高品質の酸化物薄膜を簡便に形成できる成膜手法であり、特性に優れた発光素子を低コストで製造できる。また、本実施形態の半導体レーザ素子は、端面発光型であるため、Cr2O3オーミック電極41およびp型NiOオーミック電極43は、透光性を有する必要がなく、オーミック抵抗を十分低減させるために厚く形成している。また、電極のパターン加工も必要ないので行っていない。前記構造を製造した後、ZnO単結晶基板32を劈開して端面ミラー(不図示)を形成し、保護膜を真空蒸着により形成した後、半導体レーザ素子31を300μmに分離した。
【0088】
以上のようにして、製造されたZnO系半導体レーザ素子31を発光させたところ、端面から発光ピーク波長405nmの青色発振光が得られた。また、光出力5mWで駆動したとき、動作電圧および動作電流は、3.5Vおよび25mAであった。また、100個の半導体レーザ素子31を図示しないステム上のCu材料からなるヒートシンクにダイボンディングしたところ、ボンディングする際に電極剥れが生じた半導体レーザ素子31は1つもなかった。
【0089】
(比較例6)
一方、n型Cr2O3オーミック電極41を金属Crから構成した場合、100個の半導体レーザ素子31を前記ステム上のCu材料からなるヒートシンクにダイボンディングしたところ、ボンディングする際に電極剥れが生じた半導体レーザ素子31は30個あった。また、20個の半導体レーザ素子31は、光出力5mWで駆動したときの動作電圧が5Vを超え、その発熱によって素子寿命が著しく低下した。以上のように、本発明の酸化物オーミック電極41は、半導体レーザ素子31に適用しても十分な密着性と抵抗低減効果を有する。
【0090】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る酸化物半導体発光素子は、基板上に、n型酸化物半導体層と、n型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層した酸化物半導体発光素子において、成長層の一部をエッチングすることにより露出したn型酸化物半導体層上に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物からなるオーミック電極を設けたので、オーミック電極が酸化物半導体層から剥がれたりすることなく密着性に優れた酸化物半導体発光素子を提供できる。また、安定で低抵抗なオーミック電極を備えた動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を提供できる。
【0091】
また、本発明に係る酸化物半導体発光素子は、n型酸化物半導体からなる基板上に、少なくともn型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層した酸化物半導体発光素子において、基板裏面に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物からなるオーミック電極を設けたので、オーミック電極が酸化物半導体からなる基板から剥がれたりすることなく密着性に優れた酸化物半導体発光素子を提供できる。また、安定で低抵抗なオーミック電極を備えた動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を提供できる。
【0092】
特に、前記オーミック電極を、遷移金属Ti,Cr,V,Hf,Zr,Nb,Ta,Mo,Wから選択された少なくとも1つの遷移金属の酸化物から構成したので、良導体あるいはn型半導体的性質を有し、安定で低抵抗なオーミック電極を形成できる。このことにより、信頼性に優れ、動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を提供できる。
【0093】
また、本発明に係る酸化物半導体発光素子の製造方法は、基板上に、n型酸化物半導体層と、n型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層し、成長層の一部をエッチングすることにより露出したn型酸化物半導体層上に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物を蒸発または飛散させて堆積することによりオーミック電極を薄膜形成するようにしたので、例えば、レーザMBE装置内にO2ガスを導入することなく、オーミック電極を容易に製造できる。
【0094】
また、本発明に係る酸化物半導体発光素子の製造方法は、基板上に、n型酸化物半導体層と、n型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層し、成長層の一部をエッチングすることにより露出したn型酸化物半導体層上に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属を蒸発または飛散させるととともに、酸素を導入して原料を堆積することによりオーミック電極を薄膜形成するようにしたので、オーミック電極を低コストで製造できる。また、酸素雰囲気中で蒸着するので、容易に酸化物薄膜を形成できるとともに密着性に優れた低抵抗なオーミック電極を形成できるという効果をも奏する。
【0095】
また、本発明に係る酸化物半導体発光素子の製造方法は、n型酸化物半導体からなる基板上に、少なくともn型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層し、基板裏面に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物を蒸発または飛散させて堆積することによりオーミック電極を薄膜形成するようにしたので、例えば、レーザMBE装置内にO2ガスを導入することなく、オーミック電極を容易に製造できる。
【0096】
また、本発明に係る酸化物半導体発光素子の製造方法は、n型酸化物半導体からなる基板上に、少なくともn型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層とからなる成長層を積層し、基板裏面に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属を蒸発または飛散させるとともに、酸素を導入して原料を堆積することによりオーミック電極を薄膜形成するようにしたので、オーミック電極を低コストで製造できる。また、酸素雰囲気中で蒸着するので、容易に酸化物薄膜を形成できるとともに密着性に優れた低抵抗なオーミック電極を形成できるという効果をも奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る酸化物半導体発光素子の断面図である。
【図2】図1の酸化物半導体発光素子の製造時に用いられるレーザMBE装置を示す概略図である。
【図3】n型TiO2オーミック電極層の層厚(nm)と酸化物半導体発光素子の動作電圧(V)および発光強度(任意単位)の関係を示す図である。
【図4】図1の酸化物半導体発光素子の変形例を示す断面図である。
【図5】本発明の第2実施形態に係る酸化物半導体発光素子の断面図である。
【図6】図5の底面図である。
【図7】図5の酸化物半導体発光素子の変形例を示す断面図である。
【図8】本発明の第3実施形態に係る酸化物半導体発光素子の断面図である。
【符号の説明】
1…酸化物半導体発光素子、
2…サファイア基板(基板)、
3…n型ZnOコンタクト層(n型酸化物半導体層)、
4…n型クラッド層、
5…発光層、
6…p型クラッド層、
7…p型コンタクト層、
10…n型オーミック電極(オーミック電極)。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxide semiconductor light emitting device having a low-resistance ohmic electrode for an n-type oxide semiconductor layer and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Prior art documents related to the present invention include the following.
[0003]
[Patent Document 1]
International Publication No. 00/16411 pamphlet
[Non-patent document 1]
"Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 36, November 1, 1997, p. 1453-1455
[Non-patent document 2]
"Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 40, March 1, 2001, p. 177-180
[0004]
Oxide materials have many properties such as dielectric properties, magnetism, and superconductivity, and also have properties that are far more than the properties of existing materials as semiconductor materials.
[0005]
Among them, zinc oxide (ZnO) is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of about 3.4 eV, has an extremely high exciton binding energy of 60 meV, is inexpensive in raw materials, is harmless to the environment and the human body, and is formed of a film. It has features such as a simple method. In addition, zinc oxide can realize a light-emitting device with high efficiency, low power consumption, and excellent environmental performance. In the following, the ZnO-based semiconductor includes ZnO and a mixed crystal represented by MgZnO or CdZnO, which is based on ZnO.
[0006]
The technique of forming a low-resistance p-type ohmic electrode on the ZnO-based semiconductor is extremely important for uniformly and efficiently injecting carriers into the light emitting layer. However, since ZnO has a self-compensation effect due to strong ionicity, it has been difficult to control the p-type conductivity. In order to solve this drawback, a p-type ohmic electrode has been realized by using nitrogen (N) as an acceptor impurity (for example, see Non-Patent Document 1). In addition, many studies have been made to manufacture a highly efficient light-emitting element using a ZnO-based semiconductor (for example, see Non-Patent Document 2).
[0007]
However, not only the p-type ohmic electrode but also an n-type ohmic electrode that can obtain a stable ohmic contact still has room for improvement. For example, a Ti-Al electrode used in an n-type group III nitride semiconductor has poor adhesion between a metal thin film and an oxide semiconductor, so that it is difficult to obtain complete ohmic contact with an n-type ZnO-based semiconductor layer, and Ohmic resistance was high.
[0008]
As means for solving this problem, an n-type ohmic electrode in which Ti or Cr is in contact with the n-type ZnO layer and Al is not in contact with the n-type ZnO layer is disclosed (for example, see Patent Document 1).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if Ti or Cr is used for the electrode, the ohmic resistance does not significantly decrease, and the metal electrode formed by a manufacturing method such as a vacuum evaporation method or a sputtering method is easily peeled or deteriorated during wire bonding or energization. There was also a problem.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an oxide semiconductor light-emitting element which has excellent adhesion to an n-type oxide semiconductor layer and realizes excellent light-emitting characteristics by using a low-resistance ohmic electrode in view of the conventional problem. The task is to provide
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has conducted intensive studies on an ohmic electrode material having both adhesion and low resistance to an n-type oxide semiconductor layer and a structure and a manufacturing method thereof. As a result, a transition metal containing no transition metals Ni, Cu, Ag, In particular, the above object is achieved by using an oxide of at least one transition metal selected from transition metals Ti, Cr, V, Hf, Zr, Nb, Ta, Mo, and W for the ohmic electrode.
[0012]
The oxide semiconductor light emitting device according to the present invention, as means for solving the above problems,
An oxide semiconductor light-emitting element in which a growth layer including an n-type oxide semiconductor layer, an n-type clad layer, a light-emitting layer, a p-type clad layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate,
An ohmic electrode made of a transition metal oxide that does not contain transition metals Ni, Cu, and Ag is provided on the n-type oxide semiconductor layer exposed by etching a part of the growth layer.
[0013]
According to the invention, the transition metal oxide is more excellent in adhesion to the oxide semiconductor than the metal, so that the ohmic electrode is not peeled off by wire bonding or energization, and is excellent in reliability. Further, it is not preferable that the ohmic electrode contains any of transition metals Ni, Cu, and Ag, because the ohmic electrode becomes a p-type ohmic electrode and the resistance is increased by diffusion of these elements.
[0014]
The oxide semiconductor light-emitting device according to the present invention, as another means for solving the above problems,
An oxide semiconductor light-emitting element in which a growth layer including at least an n-type cladding layer, a light-emitting layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate including an n-type oxide semiconductor,
An ohmic electrode made of a transition metal oxide not containing transition metals Ni, Cu, and Ag is provided on the back surface of the substrate.
[0015]
It is preferable that the ohmic electrode is made of an oxide of at least one transition metal selected from transition metals Ti, Cr, V, Hf, Zr, Nb, Ta, Mo, and W. The oxides of the transition metals Ti, Cr, V, Hf, Zr, Nb, Ta, Mo, and W have good conductor or n-type semiconductor properties, and can form a stable and low-resistance ohmic electrode. Thus, an oxide semiconductor light-emitting element having excellent reliability and low operating voltage can be provided.
[0016]
It is preferable that the ohmic electrode has a layer thickness of 1 nm or more and 100 nm or less, and has a property of transmitting light from the light emitting layer. Accordingly, the ohmic electrode has a light-transmitting property, light from the light-emitting layer can be extracted to the outside, and the luminance of the light-emitting element can be improved. Specifically, when an ohmic electrode is formed on an n-type oxide semiconductor layer of an oxide semiconductor light-emitting element using an insulating substrate, when light reflected on the bottom surface of the substrate enters the ohmic electrode, light is extracted to the outside. Therefore, it is effective to make the ohmic electrode translucent. When the thickness of the ohmic electrode is in the range of 1 nm or more and 100 nm or more, a sufficiently low ohmic contact can be ensured, and light transmission efficiency is high and light extraction efficiency is improved.
[0017]
It is preferable that a pad electrode made of Al or Au is formed on the ohmic electrode. Al and Au are suitable for use as a pad electrode for bonding a wire with low resistance. In particular, since Al does not act as an acceptor impurity for an oxide semiconductor, the electrode can be formed even on an n-type ohmic electrode. Does not increase resistance.
[0018]
At this time, an intermediate layer containing a transition metal not containing transition metals Ni, Cu, and Ag and at least one element selected from Ga and In may be formed between the ohmic electrode and the pad electrode. By providing this intermediate layer between the ohmic electrode and the pad electrode, the adhesion between the ohmic electrode and the pad electrode is improved.
[0019]
Further, the transition metal of the intermediate layer is preferably made of at least one transition metal selected from Ti, Cr, V, Hf, Zr, Nb, Ta, Mo, and W.
[0020]
Preferably, a reflective layer containing at least one of Al and Pt is formed between the ohmic electrode and the pad electrode. The light incident on the ohmic electrode is reflected with high efficiency, and multiple reflection inside the light emitting element improves light extraction efficiency. Further, the resistance of the ohmic electrode can be reduced. Such a reflective layer can improve light extraction efficiency both when the ohmic electrode and the pad electrode are formed on the surface of the light emitting element or when the ohmic electrode and the pad electrode are formed on the back surface of the substrate.
[0021]
It is preferable that the ohmic electrode formed on the back surface of the substrate is patterned, and the back surface of the substrate is electrically connected to a lead frame with a conductive material containing Ag. Ag has a high reflectance to light in the blue to ultraviolet region, and the n-type ohmic electrode on the back surface of the substrate is patterned and connected to the lead frame with a conductive material containing Ag, so that light incident on the bottom surface of the substrate is absorbed. Since the light is reflected by the conductive material containing Ag without light, the light extraction efficiency is improved.
[0022]
The method for manufacturing an oxide semiconductor light-emitting device according to the present invention, as means for solving the above problems,
A growth layer including an n-type oxide semiconductor layer, an n-type cladding layer, a light-emitting layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate,
An ohmic electrode is formed by evaporating or scattering an oxide of a transition metal containing no transition metal, Ni, Cu, or Ag, on the n-type oxide semiconductor layer exposed by etching a part of the growth layer. Is formed as a thin film.
[0023]
According to the invention, the transition metal oxide is used as a raw material of the ohmic electrode, so that, for example, O 2 There is no need to introduce a gas, and the ohmic electrode of the present invention can be easily formed.
[0024]
The method for manufacturing an oxide semiconductor light emitting device according to the present invention includes, as another means for solving the above-described problems,
A growth layer including an n-type oxide semiconductor layer, an n-type cladding layer, a light-emitting layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate,
The transition metal excluding transition metals Ni, Cu, and Ag is evaporated or scattered on the n-type oxide semiconductor layer exposed by etching a part of the growth layer, and oxygen is introduced to reduce the raw material. The ohmic electrode is formed into a thin film by deposition.
[0025]
According to the invention, a high-purity raw material of the transition metal can be obtained at a low cost. By using this as a raw material for an ohmic electrode, an ohmic electrode having excellent characteristics can be manufactured at low cost. Further, an oxide thin film can be easily formed by vapor deposition in an oxygen atmosphere, so that a low-resistance ohmic electrode having excellent adhesion can be formed.
[0026]
The method for manufacturing an oxide semiconductor light emitting device according to the present invention includes, as another means for solving the above-described problems,
A growth layer including at least an n-type clad layer, a light-emitting layer, a p-type clad layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate formed of an n-type oxide semiconductor,
On the back surface of the substrate, an oxide of a transition metal not containing transition metals Ni, Cu, and Ag is evaporated or scattered and deposited to form an ohmic electrode as a thin film.
[0027]
The method for manufacturing an oxide semiconductor light emitting device according to the present invention includes, as another means for solving the above-described problems,
A growth layer including at least an n-type clad layer, a light-emitting layer, a p-type clad layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate formed of an n-type oxide semiconductor,
On the rear surface of the substrate, a transition metal containing no transition metals Ni, Cu, and Ag is evaporated or scattered, and oxygen is introduced to deposit the raw material to form an ohmic electrode as a thin film.
[0028]
It is preferable that the ohmic electrode is made of an oxide of at least one transition metal selected from transition metals Ti, Cr, V, Hf, Zr, Nb, Ta, Mo, and W.
[0029]
The thin film forming method is preferably any one of an electron beam evaporation method, a sputtering method, and a laser ablation method. These thin film formation methods are high in mass productivity and can easily form a high-quality oxide thin film, and a light-emitting element having excellent characteristics can be manufactured at low cost.
[0030]
After forming the ohmic electrode, it is preferable to perform a heat treatment on the oxide semiconductor light emitting device in an oxygen atmosphere or the air. By performing the heat treatment or the annealing treatment, the adhesion of the ohmic electrode to the oxide semiconductor and the ohmic characteristics are significantly improved. In particular, by performing the annealing treatment in an oxygen atmosphere, it is possible to suppress the escape of oxygen from the electrode and improve the adhesion while maintaining a low ohmic resistance.
[0031]
The heat treatment temperature is preferably in the range of 300 to 450 ° C. When the temperature is 300 ° C. or higher, the adhesiveness of the ohmic electrode and the ohmic resistance reduction effect can be improved. When the temperature is 450 ° C. or lower, the oxide semiconductor light-emitting element does not deteriorate and has excellent characteristics. Can be manufactured.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0033]
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of an oxide semiconductor
[0034]
On the entire surface of the main surface of the p-type
[0035]
Further, the n-type Mg 0.1 Zn 0.9 A part of the epitaxial layer from the O-
[0036]
Next, a method for manufacturing the oxide semiconductor
[0037]
The oxide semiconductor
[0038]
In the laser MBE method using the
[0039]
Next, the rotation driving cycle of the target table 24 by the rotation mechanism is synchronized with the pulse irradiation cycle of the
[0040]
Next, a non-doped ZnO single crystal and Ga 2 O 3 Are alternately ablated to obtain a desired Mg composition and a Ga doping concentration (1 × 10 3). 18 cm -3 N-type Mg having) 0.1 Zn 0.9 The
[0041]
Further, a
[0042]
Also, the N introduced through the
[0043]
Also, the N introduced through the
[0044]
And O 2 The pressure inside the
[0045]
Next, the
[0046]
Next, the
[0047]
Then, the
[0048]
Finally, the
[0049]
In the laser MBE method described above, the composition deviation between the raw material of the
[0050]
After the
[0051]
(Comparative Example 1)
On the other hand, as described above, TiO 2 Instead of forming the n-
[0052]
That is, the ohmic electrode made of metal (Ti) and the oxide semiconductor (the n-type ZnO contact layer 3) have low adhesion and the production yield is low, whereas the
[0053]
FIG. 2 The relationship between the layer thickness (nm) of the
[0054]
(Comparative Example 2)
When 100 oxide semiconductor light emitting devices without the
[0055]
That is, in order to maximize the effects of the low ohmic resistance and strong adhesion of the present invention, TiO 2 It is preferable to form an
[0056]
(Comparative Example 3)
When 100 oxide semiconductor light emitting devices manufactured without annealing in the manufacturing process were mounted on a lead frame, 15 oxide semiconductor light emitting devices in which electrode peeling occurred during wire bonding to the
[0057]
That is, by performing an annealing process (heat treatment), the oxide semiconductor (the n-type ZnO contact layer 3) and the metal oxide (TiO 2) are formed. 2 Adhesion with the ohmic electrode 10) and ohmic characteristics are significantly improved. Note that when the temperature of the annealing treatment is 300 ° C. or higher, the adhesion and the resistance can be reduced, and when the temperature is 450 ° C. or lower, the
[0058]
In the case where Al that is easily oxidized is used for the
[0059]
In this embodiment, the p-
[0060]
Further, by using the
[0061]
Further, it is preferable that the p-
[0062]
As the acceptor impurity to be doped into the p-type
[0063]
Further, as a donor impurity to be doped into the n-type
[0064]
In addition, as described in the present embodiment, it is preferable to form the
[0065]
Other configurations are arbitrary and are not limited by the present embodiment.
[0066]
As a modification of the above embodiment, as shown in FIG. 2 An
[0067]
As described above, between the
[0068]
When the
[0069]
As a modification of the above-described embodiment,
[0070]
As a modification of the above-described embodiment, the n-
[0071]
This electron beam evaporation method is a film-forming technique that has high mass productivity and can easily form a high-quality oxide thin film (ohmic electrode 10), and is advantageous in that an excellent oxide semiconductor light-emitting
[0072]
(2nd Embodiment)
FIG. 5 is a sectional view of an oxide semiconductor
[0073]
In order to manufacture the oxide semiconductor light emitting device 1 'having the above-described configuration, the growth layer is formed on the substrate 2' by using the
[0074]
In addition, the TiO 2 An n-
[0075]
This oxide semiconductor
[0076]
When 100 oxide semiconductor light emitting devices 1 'were mounted on a lead frame, none of the oxide semiconductor light emitting devices 1' suffered electrode peeling during wire bonding. Further, as in the present embodiment, the n-type
[0077]
(Comparative Example 4)
On the other hand, when the n-
[0078]
Further, in the present embodiment, the electrode pattern shape of the n-
[0079]
(Comparative Example 5)
When the back surface of the substrate 2 'of the oxide semiconductor light emitting element 1' is bonded to a lead frame, when a Cu paste and a carbon paste are used instead of the Ag paste, the operating voltage at an operating current of 20 mA is the same as that of the Ag paste. Same as when used, but the emission intensity dropped to 50% and 20%, respectively. It is considered that the light emission intensity was reduced because the Cu paste and the carbon paste absorbed light incident on the bottom surface of the substrate 2 '. On the other hand, an Ag paste having a high reflectance for light having a wavelength in the blue to ultraviolet range reflects light incident on the bottom surface of the
[0080]
In this embodiment, the n-type
[0081]
As a modification of the above embodiment, as shown in FIG. 2 An
[0082]
As a modification of the above embodiment, as shown in FIG. 2 A 50 nm-thick
[0083]
This is because the
[0084]
(Third embodiment)
FIG. 8 is a perspective view of a ZnO-based
[0085]
The quantum well
[0086]
On the lower surface of the n-
[0087]
The
[0088]
When the manufactured ZnO-based
[0089]
(Comparative Example 6)
On the other hand, n-type Cr 2 O 3 When the
[0090]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the oxide semiconductor light-emitting device according to the present invention has an n-type oxide semiconductor layer, an n-type clad layer, a light-emitting layer, a p-type clad layer, In an oxide semiconductor light emitting device in which a growth layer including a contact layer is stacked, a transition metal containing no transition metals Ni, Cu, and Ag is formed on an n-type oxide semiconductor layer exposed by etching a part of the growth layer. Since the ohmic electrode made of the oxide is provided, it is possible to provide an oxide semiconductor light emitting element having excellent adhesion without the ohmic electrode being peeled off from the oxide semiconductor layer. Further, an oxide semiconductor light-emitting element including a stable and low-resistance ohmic electrode and having a low operating voltage can be provided.
[0091]
Further, the oxide semiconductor light-emitting device according to the present invention is a growth layer including at least an n-type clad layer, a light-emitting layer, a p-type clad layer, and a p-type contact layer on a substrate made of an n-type oxide semiconductor. Is provided on the back surface of the substrate, an ohmic electrode made of a transition metal oxide containing no transition metals Ni, Cu, and Ag is provided, so that the ohmic electrode may be peeled off from the substrate made of the oxide semiconductor. An oxide semiconductor light-emitting element having excellent adhesion can be provided without performing the method. Further, an oxide semiconductor light-emitting element including a stable and low-resistance ohmic electrode and having a low operating voltage can be provided.
[0092]
In particular, since the ohmic electrode is made of an oxide of at least one transition metal selected from transition metals Ti, Cr, V, Hf, Zr, Nb, Ta, Mo, and W, it has good conductor or n-type semiconductor properties. And a stable and low-resistance ohmic electrode can be formed. Thus, an oxide semiconductor light-emitting element having excellent reliability and low operating voltage can be provided.
[0093]
In addition, the method for manufacturing an oxide semiconductor light-emitting element according to the present invention includes the steps of: forming an n-type oxide semiconductor layer, an n-type cladding layer, a light-emitting layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer on a substrate. On the n-type oxide semiconductor layer exposed by etching a part of the growth layer, and depositing the transition metal oxide containing no transition metal Ni, Cu, or Ag by evaporation or scattering. The ohmic electrode is formed as a thin film by performing 2 An ohmic electrode can be easily manufactured without introducing a gas.
[0094]
In addition, the method for manufacturing an oxide semiconductor light-emitting element according to the present invention includes the steps of: forming an n-type oxide semiconductor layer, an n-type cladding layer, a light-emitting layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer on a substrate. A transition metal containing no transition metals Ni, Cu, and Ag is evaporated or scattered on the n-type oxide semiconductor layer exposed by etching a part of the growth layer, and oxygen is removed. Since the ohmic electrode is formed into a thin film by introducing and depositing the raw material, the ohmic electrode can be manufactured at low cost. In addition, since vapor deposition is performed in an oxygen atmosphere, there is an effect that an oxide thin film can be easily formed and a low-resistance ohmic electrode having excellent adhesion can be formed.
[0095]
In addition, the method for manufacturing an oxide semiconductor light-emitting element according to the present invention includes the step of forming at least an n-type clad layer, a light-emitting layer, a p-type clad layer, and a p-type contact layer on a substrate made of an n-type oxide semiconductor. Are formed on the back surface of the substrate by evaporating or scattering an oxide of a transition metal that does not contain transition metals Ni, Cu, and Ag to form a thin ohmic electrode. O in the MBE device 2 An ohmic electrode can be easily manufactured without introducing a gas.
[0096]
In addition, the method for manufacturing an oxide semiconductor light-emitting element according to the present invention includes the step of forming at least an n-type clad layer, a light-emitting layer, a p-type clad layer, and a p-type contact layer on a substrate made of an n-type oxide semiconductor. A transition layer containing no transition metals Ni, Cu, and Ag is evaporated or scattered on the back surface of the substrate, and oxygen is introduced to deposit a raw material to form a thin ohmic electrode. Therefore, an ohmic electrode can be manufactured at low cost. In addition, since vapor deposition is performed in an oxygen atmosphere, there is an effect that an oxide thin film can be easily formed and a low-resistance ohmic electrode having excellent adhesion can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of an oxide semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a laser MBE apparatus used in manufacturing the oxide semiconductor light emitting device of FIG.
FIG. 3 n-type TiO 2 FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a layer thickness (nm) of an ohmic electrode layer, an operating voltage (V), and emission intensity (arbitrary unit) of an oxide semiconductor light emitting element.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a modification of the oxide semiconductor light emitting device of FIG.
FIG. 5 is a sectional view of an oxide semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a bottom view of FIG. 5;
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a modification of the oxide semiconductor light emitting device of FIG.
FIG. 8 is a sectional view of an oxide semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: oxide semiconductor light-emitting element,
2. Sapphire substrate (substrate)
3. n-type ZnO contact layer (n-type oxide semiconductor layer),
4 ... n-type cladding layer,
5 ... light-emitting layer,
6 ... p-type cladding layer,
7 ... p-type contact layer,
10 ... n-type ohmic electrode (ohmic electrode).
Claims (17)
前記成長層の一部をエッチングすることにより露出した前記n型酸化物半導体層上に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物からなるオーミック電極を設けたことを特徴とする酸化物半導体発光素子。An oxide semiconductor light-emitting element in which a growth layer including an n-type oxide semiconductor layer, an n-type clad layer, a light-emitting layer, a p-type clad layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate,
An ohmic electrode made of a transition metal oxide that does not contain transition metals Ni, Cu, and Ag is provided on the n-type oxide semiconductor layer exposed by etching a part of the growth layer. An oxide semiconductor light-emitting element.
前記基板裏面に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物からなるオーミック電極を設けたことを特徴とする酸化物半導体発光素子。An oxide semiconductor light-emitting element in which a growth layer including at least an n-type cladding layer, a light-emitting layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate including an n-type oxide semiconductor,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein an ohmic electrode made of a transition metal oxide not containing transition metals Ni, Cu, and Ag is provided on the back surface of the substrate.
前記成長層の一部をエッチングすることにより露出した前記n型酸化物半導体層上に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物を蒸発または飛散させて堆積することによりオーミック電極を薄膜形成する酸化物半導体発光素子の製造方法。A growth layer including an n-type oxide semiconductor layer, an n-type cladding layer, a light-emitting layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate,
An ohmic electrode is formed by evaporating or scattering a transition metal oxide containing no transition metal Ni, Cu, or Ag on the n-type oxide semiconductor layer exposed by etching a part of the growth layer. A method for manufacturing an oxide semiconductor light-emitting device, in which a thin film is formed.
前記成長層の一部をエッチングすることにより露出した前記n型酸化物半導体層上に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属を蒸発または飛散させるとともに、酸素を導入して前記原料を堆積することによりオーミック電極を薄膜形成する酸化物半導体発光素子の製造方法。A growth layer including an n-type oxide semiconductor layer, an n-type cladding layer, a light-emitting layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate,
The transition metal excluding transition metals Ni, Cu, and Ag is evaporated or scattered on the n-type oxide semiconductor layer exposed by etching a part of the growth layer, and oxygen is introduced to reduce the raw material. A method for manufacturing an oxide semiconductor light-emitting device in which an ohmic electrode is formed as a thin film by depositing.
前記基板裏面に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属の酸化物を蒸発または飛散させて堆積することによりオーミック電極を薄膜形成する酸化物半導体発光素子の製造方法。A growth layer including at least an n-type clad layer, a light-emitting layer, a p-type clad layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate formed of an n-type oxide semiconductor,
A method of manufacturing an oxide semiconductor light-emitting device, wherein an ohmic electrode is formed as a thin film by evaporating or scattering an oxide of a transition metal that does not contain transition metals Ni, Cu, and Ag on the back surface of the substrate.
前記基板裏面に、遷移金属Ni,Cu,Agを含まない遷移金属を蒸発または飛散させるとともに、酸素を導入して前記原料を堆積することによりオーミック電極を薄膜形成する酸化物半導体発光素子の製造方法。A growth layer including at least an n-type clad layer, a light-emitting layer, a p-type clad layer, and a p-type contact layer is stacked on a substrate formed of an n-type oxide semiconductor,
A method for manufacturing an oxide semiconductor light emitting device, wherein a transition metal not containing transition metals Ni, Cu, and Ag is evaporated or scattered on the back surface of the substrate, and an ohmic electrode is formed as a thin film by depositing the raw material by introducing oxygen. .
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