JP2005117040A - 窒化物系発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 低い比接触抵抗と高い透光性とを提供しうる透明薄膜電極構造体を有する窒化物系発光素子を提供する。
【解決手段】 基板１１０上に少なくともｎ型クラッド層１３０、活性層１４０及びｐ型クラッド層１５０が順次に積層された構造を有する窒化物系発光素子において、ｐ型クラッド層１５０上にｐ型ドーパントが添加された亜鉛含有酸化物よりなるオーミックコンタクト層２３０を備える窒化物系発光素子である。本発明による窒化物系発光素子によれば、ｐ型クラッド層１５０とのオーミック接触特性が改善されて優秀な電流−電圧特性を表すだけでなく、透明電極が有する高い透光性によって素子の発光効率を顕著に向上させうる。
【選択図】 図５
【解決手段】 基板１１０上に少なくともｎ型クラッド層１３０、活性層１４０及びｐ型クラッド層１５０が順次に積層された構造を有する窒化物系発光素子において、ｐ型クラッド層１５０上にｐ型ドーパントが添加された亜鉛含有酸化物よりなるオーミックコンタクト層２３０を備える窒化物系発光素子である。本発明による窒化物系発光素子によれば、ｐ型クラッド層１５０とのオーミック接触特性が改善されて優秀な電流−電圧特性を表すだけでなく、透明電極が有する高い透光性によって素子の発光効率を顕著に向上させうる。
【選択図】 図５
Description
本発明は、窒化物系発光素子及びその製造方法に係り、詳細には低い比接触抵抗と高い透光性とを提供できる透明薄膜電極構造体を有する窒化物系発光素子及びその製造方法に関する。
窒化ガリウム（ＧａＮ）を代表とする窒化物系半導体を利用した発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオード（ＬＤ）のような発光素子を具現するためには、半導体と電極間のオーミック接触構造が非常に重要である。
このようなＧａＮ系発光素子は、トップエミット型ＬＥＤ（Ｔｏｐ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＥＤ：ＴＬＥＤ）とフリップチップＬＥＤ（Ｆｌｉｐ−Ｃｈｉｐ ＬＥＤ：ＦＣＬＥＤ）とに分類される。
現在、一般的に広く使われているＴＬＥＤは、ｐ型クラッド層と接触しているオーミックコンタクト層を通じて光が出射される。このようなＴＬＥＤは、一般的にｐ型クラッド層上にＮｉ層とＡｕ層とを順次に積層する構造が利用されている。
Ｎｉ／Ａｕ層は、１０−３〜１０−４Ωｃｍ２ほどの優秀な比接触抵抗を有する半透明オーミック接触層として作用する。
前記Ｎｉ／Ａｕ層は、５００〜６００℃ほどの温度及び酸素雰囲気で熱処理される時、ＧａＮよりなるｐ型クラッド層とＮｉ層との界面でＮｉ酸化物（ＮｉＯ）が形成されて、ショットキー障壁の高さ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｈｅｉｇｈｔ：ＳＢＨ）を低め、ｐ型クラッド層の表面付近に複数のキャリアであるホールを容易に供給する。その結果、ｐ型クラッド層の表面付近での実効キャリア濃度を上昇させる。
また、ｐ型クラッド層上にＮｉ／Ａｕ層を形成した後に熱処理すれば、Ｍｇ−Ｈ金属間化合物を除去してＧａＮの表面でマグネシウムドーパント濃度を上昇させる再活性化過程を通じてｐ型クラッド層の表面で実効キャリア濃度を１０１９以上にしてｐ型クラッド層と酸化Ｎｉを含有したオーミックコンタクト層間にトンネリング伝導を起こしてオーミック伝導特性を示すと理解されている。
しかし、Ｎｉ／Ａｕよりなる半透明薄膜電極を利用したＴＬＥＤは、光利用効率が低くて次世代大容量及び高輝度の発光素子を具現するには限界がある。
したがって、このようなＴＬＥＤの出力限界をいくらか克服するために、既存のｐ型オーミックコンタクト層として使われている半透明のＮｉ／Ａｕ構造より優秀な透光性を有する透明伝導性酸化物、例えばＩＴＯが提案された。しかし、ＩＴＯオーミックコンタクト層は、発光素子の出力を増大させうるが、一方、相対的に高い動作電圧を表す問題点を有しているが、その根本的な原因はｐ型ＧａＮとＩＴＯ間の高い接触抵抗、すなわち多量の熱を発生するオーミック接触にある。
また、特許文献１にはｐ型ＧａＮを透明電極層として利用して高い光出力値を得たという内容が開示されている。しかし、特許文献１に開示された内容は、ｐ型亜鉛酸化物を実現化するためにＧａとＮとをコドーピングした方法を利用しており、実際にｐ型ＧａＮ系発光素子の透明電極層として使用するには多くの問題点がある。また、公知のｐ型亜鉛酸化物の特性は、現在、信頼性の側面で多くの問題点を誘発して、これをＧａＮの電極層として利用する時に素子信頼性の問題をもたらす。
このような問題点を解決するために低い比接触抵抗を有しつつも透明な薄膜電極層を形成しうる良質のオーミックコンタクト層の開発が至急に要求されている。
特開２００２−１６４５７０号公報
本発明は前記問題点を改善するために創案されたものであって、低い比接触抵抗と高い透光性とを提供しうる透明薄膜電極構造体を有する窒化物系発光素子及びその製造方法を提供するところにその目的がある。
前記目的を達成するために本発明による窒化物系発光素子は、基板上に少なくともｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が順次に積層された構造を有する窒化物系発光素子において、前記ｐ型クラッド層上にｐ型ドーパントが添加された亜鉛含有酸化物よりなるオーミックコンタクト層を備える。
望ましくは、前記亜鉛含有酸化物は、亜鉛酸化物、マグネシウム亜鉛酸化物、ベリリウム亜鉛酸化物のうち何れか一つが適用される。
また、前記ｐ型ドーパントは、ＰとＮのうち少なくとも何れか一つであり、前記亜鉛含有酸化物に対する前記ｐ型ドーパントの添加比は０．０１〜３０重量％である。
前記オーミックコンタクト層は、０．１〜１，０００ｎｍの厚さに形成される。
また、前記オーミックコンタクト層上にＡｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｃｒ及びＰｔよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つよりなる反射層をさらに備える。
前記反射層は、１０〜２，０００ｎｍの厚さに形成されることが望ましい。
また、前記ｐ型クラッド層と前記オーミックコンタクト層間にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ及びＬａよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つよりなる第１電極層がさらに備わりうる。
本発明のさらに他の側面によれば、前記オーミックコンタクト層と前記反射層間にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ及びＬａよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つよりなる第２電極層がさらに備わる。
また、前記目的を達成するために本発明による窒化物系発光素子の製造方法は、基板上に少なくともｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が順次に積層された構造を有する窒化物系発光素子の製造方法において、（ａ）前記ｐ型クラッド層上にｐ型ドーパントが添加された亜鉛含有酸化物よりオーミックコンタクト層を形成する段階と、（ｂ）前記（ａ）段階を経て形成された結果物を熱処理する段階と、を含む。
望ましくは、前記ｐ型ドーパントは、ＰとＮのうち少なくとも何れか一つである。
また、前記活性層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷまたはＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの構造を有する。
また、前記オーミックコンタクト層の形成段階の以前に前記ｐ型クラッド層上にｎ型電流制限層を形成する段階をさらに含みうる。
前記ｎ型電流制限層は、０．１〜５００ｎｍの厚さに形成し、透明伝導性酸化物またはｎ型ＧａＮ系化合物より形成することが望ましい。
前記透明伝導性酸化物は、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２及びＩＴＯである。
また、本発明の一側面によれば、前記オーミックコンタクト層の形成段階の以前に前記ｐ型クラッド層上にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ及びＬａよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つより第１電極層を形成する段階をさらに含む。
また、本発明のさらに他の側面によれば、前記熱処理段階の以前に前記オーミックコンタクト層上にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ及びＬａよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つより第２電極層を形成する段階をさらに含む。
本発明の他の実施例によれば、前記熱処理段階の以前に前記オーミックコンタクト層上にＡｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｃｒ及びＰｔよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つより反射層を形成する段階をさらに含みうる。また、ここで前記反射層と前記オーミックコンタクト層間にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ及びＬａよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つより第２電極層を形成する段階をさらに含みうる。
前記反射層は、１０〜２，０００ｎｍの厚さに形成することが望ましい。前記電極層は、０．１〜１，０００ｎｍの厚さに形成することが望ましい。
また、前記熱処理段階は１００〜８００℃で１０秒〜３時間行うことが望ましい。
また、前記熱処理は、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素及び空気よりなるグループから選択された少なくとも何れか一つの気体雰囲気で行われる。
本発明による透明薄膜電極を利用した窒化物系発光素子及びその製造方法によれば、ｐ型クラッド層とのオーミック接触特性が改善されて優秀な電流−電圧特性を表すだけでなく、透明電極の高い透光性によって素子の発光効率を顕著に向上させうる。
以下、添付された図面を参照しつつ本発明の望ましい実施例による窒化物系発光素子及びその製造方法をさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施例によるＰ型電極構造体を示す断面図である。
図面を参照すれば、ｐ型電極構造体は、透明薄膜電極のオーミックコンタクト層３０を備える。
図示された例では、基板１０上にＩＩＩ族窒化物系ｐ型クラッド層２０とオーミックコンタクト層３０とが順次に積層された構造が示されている。
ｐ型クラッド層２０は、ＩＩＩ族窒化化合物にｐ型ドーパントが添加されたものが適用される。
ここで、ＩＩＩ族窒化化合物は、一般式であるＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）と表現される化合物である。
また、ｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどが適用されうる。
オーミックコンタクト層３０は、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）にｐ型ドーパントとしてＰとＮのうち少なくとも一つが含有されるように添加させて形成する。
亜鉛含有酸化物は、ＺｎＯ、マグネシウム亜鉛酸化物（ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ）、ベリリウム亜鉛酸化物（ＢｅｘＺｎ１−ｘＯ）のうち何れか一つが適用されることが望ましい。
すなわち、オーミックコンタクト層３０は、ＺｎＯ、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ、ＢｅｘＺｎ１−ｘＯのうち何れか一つにｐ型ドーパントとしてＰとＮのうち少なくとも一つを添加させてｐ型亜鉛含有酸化物であるｐ−ＺｎＯ、ｐ型マグネシウム亜鉛酸化物であるｐ−ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ、ｐ型ベリリウム亜鉛酸化物であるｐ−ＢｅｘＺｎ１−ｘＯのうち何れか一つより形成される。
この場合、オーミックコンタクト層３０に供給されるｐ型キャリア（ホール濃度：１０１５〜１０１９／ｃｍ３、ホール移動度：０．０１〜１０）によって、ｐ型クラッド層２０の表面の実効ｐ型キャリア濃度が上昇してトンネリング伝導現象を誘発して優秀な特性のオーミック接触を形成する。
望ましくは、亜鉛含有酸化物に対するｐ型ドーパントの添加比率は０．０１〜３０重量％の範囲内で適用される。
また、前記ｐ型ドーパントとしては、既存に多く使われたＰ２Ｏ５形態の固体酸化物よりはＺｎ３Ｐ２、ＺｎＰ２、Ｍｇ３Ｐ２、Ｚｎ３Ｎ２、Ｍｇ３Ｎ２のような固体化合物を利用することが望ましい。
このようにｐ型ドーパントとして適用された固体化合物は固体酸化物より、ｐ型クラッド層２０とオーミックコンタクト層３０のキャリアまたはホール濃度の調節が容易であり、優秀なオーミック接触特性を有するオーミックコンタクト層３０を容易に形成しうる。
また、ｐ型クラッド層２０でｐ型ドーパントとして使われているＭｇとＢｅとが添加された三元系ｐ型亜鉛含有酸化物は、ｐ型クラッド層２０の有効ホール濃度を上昇させてさらに優秀なオーミックコンタクト層３０を形成できるだけでなく、バンドギャップが二元系であるｐ型亜鉛酸化物より増加してＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造を有する発光素子のオーミックコンタクト層３０として利用する時にさらに優秀な発光効率が得られる。
さらに望ましくは、オーミックコンタクト層３０の厚さは０．１〜１，０００ｎｍほどに形成される。
オーミックコンタクト層３０は、電子ビーム蒸着器、熱蒸着器、スパッタリング蒸着器、レーザ蒸着器のうち何れか一つにより形成することが望ましい。
また、オーミックコンタクト層３０の形成するために適用される蒸着温度は、２０〜１５００℃範囲内で行い、蒸着器内の圧力は大気圧ないし１０−１２ｔｏｒｒほどで行う。
本発明のさらに他の実施例によるｐ型電極構造体が図２に示されている。図示された図面と同じ機能を行う要素は、同じ参照符号で表記する。
図面を参照すれば、ｐ型電極構造体は、オーミックコンタクト層３０及び反射層４０を備える。
図示された例では、基板１０上にＩＩＩ族窒化物系ｐ型クラッド層２０、オーミックコンタクト層３０及び反射層４０が順次に積層された構造が示されている。
オーミックコンタクト層３０は前記の通りであり、反射層４０は、ｐ型電極構造体で最上層に当り、フリップチップ発光素子の製作工程のために適用されるが、一般的に２００〜６００℃の温度範囲で表面退化の発生が抑制され、酸化に安定的であり、特性が変わらずとも高い反射能をそのまま有しうる物質を適用する。
望ましくは、反射層４０は、このような条件を満足させる反射元素群に属するＡｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｐｔのうち何れか一つより形成する。
さらに望ましくは、反射層４０の厚さは１０〜２，０００ｎｍほどに形成する。
反射層４０は、電子ビーム蒸着器によって形成される。
また、オーミックコンタクト層３０及び反射層４０は、蒸着後に熱処理工程を経る。
熱処理は１００〜８００℃で真空またはガス雰囲気で１０秒〜３時間ほど熱処理する。
熱処理時に反応器内に投入されるガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、空気のうち少なくとも一つ以上の気体が適用されうる。
以下では、このようなｐ型電極構造体を製造する工程の実施例を説明する。但し、本発明はこれら実施例を通じて例示された工程に限定されるものではない。
まず、基板１０上にＧａＮを主成分としたｐ型クラッド層２０が形成された構造体をトリクロロエチレン、アセトン、メタノール、蒸溜水で超音波洗浄器内で６０℃でそれぞれ５分ずつ表面洗浄した後、試料に残っている水分を除去するために１００℃で１０分間ハードベーキングした。
次いで、フォトレジストをｐ型クラッド層２０上に４，５００ｒｐｍでスピンコーティングした。その後、８５℃で１５分間ソフトベーキングし、マスクパターンを現像するためにマスクと試料とを一致させた後に２２．８ｍＷの強度の紫外線（ＵＶ）に１５秒間露出させ、現像液と蒸溜水との比を１：４に混合した溶液中に試料を浸漬させて２５秒ほど経過させて現像した。
次いで、ＢＯＥ溶液を利用して現像された試料にある汚染層を除去するために５分間浸漬させ、電子ビーム蒸着器を利用してオーミックコンタクト層３０を蒸着した。
オーミックコンタクト層３０は、粉末状のＺｎＯとＺｎ３Ｐ２とを９．５：０．５ほどの割合で混合した後に焼結して形成した反応対象体を電子ビーム蒸着器チャンバー内の反応対象体装着ステージに装着して蒸着した。
アセトンでリフトオフ工程を経た後、急速加熱炉（ＲＴＡ）内に試料を入れて空気及び窒素雰囲気下で５３０℃で１分間熱処理して電極構造体を製造した。
図３は、４−５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＧａＮを主成分としたｐ型クラッド層２０上にＰがドーピングされたｐ−ＺｎＯをオーミックコンタクト層３０に適用して約３００ｎｍ厚さに蒸着した後、空気及び窒素雰囲気で熱処理する前及び５３０℃で熱処理した後に対する電気的特性を測定した結果を表すグラフである。
図３を通じて分かるように、熱処理前は整流性挙動を意味する非線形電流−電圧特性を表すが、熱処理後にはオーミック接触挙動を意味する線形電流−電圧特性を表し、１０−４−１０−５Ωｃｍ２ほどの低い比接触抵抗を有することが分かる。
図４は、４−５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＧａＮを主成分としたｐ型クラッド層２０上にＰがドーピングされたｐ−ＺｎＯより構成されたオーミックコンタクト層３０とＡｇより構成された反射層４０とを順次に約１００ｎｍ、２００ｎｍ厚さに蒸着した後、空気及び窒素雰囲気で熱処理する前及び５３０℃で熱処理した後に対する電気的特性を測定した結果を表すグラフである。
図４を通じて分かるように、熱処理前は整流性挙動を意味する非線形電流−電圧特性を表すが、熱処理後にはオーミック接触挙動を意味する線形電流−電圧特性を表し、１０−４〜１０−５Ωｃｍ２ほどの低い比接触抵抗を有することが分かる。特に、反射層４０を適用することによって、図３に示された単一オーミックコンタクト層３０の電極構造体に対する電流−電圧特性よりさらに優秀な電気的特性を表すことが分かる。
図５は、図１のｐ型電極構造体が適用された発光素子の一例を示す図面である。
図面を参照すれば、発光素子は、基板１１０、バッファ層１２０、ｎ型クラッド層１３０、活性層１４０、ｐ型クラッド層１５０、オーミックコンタクト層２３０が順次に積層された構造になっている。１８０はｐ型電極パッドであり、１９０はｎ型電極パッドである。
基板１１０は、サファイアまたはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）より形成される。
バッファ層１２０は省略されうる。
バッファ層１２０からｐ型クラッド層１５０までの各層はＩＩＩ族窒化物系化合物の一般式であるＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）と表現される化合物のうち選択された何れか一つの化合物を基本として形成され、ｎ型クラッド層１３０及びｐ型クラッド層１５０は当該ドーパントが添加される。
また、活性層１４０は、単層またはＭＱＷ層など公知の多様な方式で構成されうる。
一例として、ＧａＮ化合物を適用する場合、バッファ層１２０はＧａＮより形成され、ｎ型クラッド層１３０はＧａＮにｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどが添加されて形成され、活性層はＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷあるいはＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷより形成され、ｐ型クラッド層１５０は、ＧａＮにＰ型ドーパントとしてＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどが添加されて形成される。
ｎ型クラッド層１３０とｎ型電極パッド１９０間にはｎ型オーミックコンタクト層（図示せず）が介在され、ｎ型オーミックコンタクト層は、ＴｉとＡｌとが順次に積層された層構造など公知の多様な構造が適用されうる。
ｐ型電極パッドは、Ｎｉ／ＡｕまたはＡｇ／Ａｕの積層構造が適用されうる。
各層の形成方法は、電子ビーム蒸着器、ＰＶＤ（物理蒸着法）、ＣＶＤ（化学蒸着法）、ＰＬＤ（プラズマレーザ蒸着法）、二重型の熱蒸着器スパッタリングによって形成すればよい。
オーミックコンタクト層２３０は、図１を通じて前述したように、ＰとＮのうち少なくとも一つがドーパントとして添加されたｐ型亜鉛含有酸化物より形成されている。
図６は、図５のオーミックコンタクト層２３０を積層する前にｐ型クラッド層１５０上にｎ型電流制限層１６０を適用した発光素子の一例を示す図面である。
ｎ型電流制限層１６０は、上部電極層から直接的に活性層１４０に注入される電流を抑制し、狭い領域の活性領域ではないさらに広い活性領域を作って発光効率を上昇させうる役割を行う。
ｎ型電流制限層１６０は、電子が多数キャリアであるｎ型特性を表す透明伝導性薄膜より形成される。例えば、ｎ型電流制限層１６０は、透明伝導性酸化物またはｎ型ＧａＮ系化合物より形成される。前記透明伝導性酸化物にはＩｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯなどがある。前記ｎ型ＧａＮ系化合物にはｎ型ＧａＮ、ｎ型ＩｎＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮなどがある。
望ましくは、ｎ型電流制限層１６０は、０．１〜５００ｎｍの厚さに形成する。
本発明のさらに他の側面によれば、図７に示されたように、発光素子はオーミックコンタクト層２３０とｐ型クラッド層１５０間に電極層２２０を挿入して形成させた構造に具現されうる。
電極層２２０は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ、Ｌａ系列元素のうち選択される１種または２種の合金あるいは固溶体より形成される。電極層２２０に適用される元素は、ｐ型亜鉛含有酸化物の濃度を調節できて、さらにｐ型ＧａＮのオーミック接触を形成するところに有利に作用できる。
本発明のさらに他の側面によれば、図８に示されたように、発光素子は、オーミックコンタクト層２３０上に電極層２２０を形成させた構造にも具現されうる。
電極層２２０は、図７を通じて説明された素材より形成すればよい。
図９は、図２を通じて前述されたように、反射層２４０がオーミックコンタクト層２３０上にさらに積層された構造の例を示す図面である。
このような条件を満足させる反射層２４０は、Ａｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｐｔのうち何れか一つより形成される。
また、図１０に示されたように、発光素子は、ｐ型クラッド層１５０上に電極層２２０、オーミックコンタクト層２３０、反射層２４０が順次に積層される構造に具現されうる。
電極層２２０は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ、Ｌａ系列元素のうち選択される１種または２種の合金あるいは固溶体より構成される。これら添加された元素は、ｐ型亜鉛含有酸化物の濃度を調節できて、さらにｐ型ＧａＮのオーミック接触を形成するところに有利に作用できる。
反射層２４０は、Ａｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｐｔのうち何れか一つより形成される。
また、図１１に示されたように、発光素子は、ｐ型クラッド層１５０上にオーミックコンタクト層２３０、電極層２２０、反射層２４０が順次に積層される構造に具現されうる。
電極層２２０と反射層２４０とは、図１０で説明された素材より形成すればよい。
図１２は、図５の単一オーミックコンタクト層２３０を有する電極構造体（ｐ−ＺｎＯ）と図９のオーミックコンタクト層２３０及び反射層２４０を有する電極構造体（ｐ−ＺｎＯ／Ａｇ）とをＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷを有する青色ＬＥＤに適用した場合に対する動作電圧特性の測定結果を表す。この時に適用された熱処理は５３０℃で空気雰囲気下で行われた。前記ｐ−ＺｎＯ電極構造体でオーミックコンタクト層の厚さは３００ｎｍであり、前記ｐ−ＺｎＯ／Ａｇ電極構造体でオーミックコンタクト層及び反射層の厚さはそれぞれ１００ｎｍ、２００ｎｍである。
図面を通じて分かるように、本発明のｐ−ＺｎＯ電極構造体とｐ−ＺｎＯ／Ａｇ電極構造体とが適用された発光素子の動作電圧は２０ｍＡでそれぞれ３．３３Ｖ及び３．２３Ｖとして既存に使われているＮｉ／Ａｕ電極構造体（３．４５Ｖ）よりその特性がさらに向上することを表す。
図１３は、図１２と同じ電極構造体の例をＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷを有する紫外線ＬＥＤに適用した場合に対する動作電圧特性の測定結果を表す。本発明のｐ−ＺｎＯ電極構造体とｐ−ＺｎＯ／Ａｇ電極構造体とが適用された発光素子の動作電圧は２０ｍＡでそれぞれ３．６７Ｖ及び３．５４Ｖとして比較的高い値を表しているが、現在、紫外線ＬＥＤの開発が初期段階であることを勘案すれば、比較的良好な特性の発光素子の具現が可能であることを予測しうる。
図１４は、パッケージングされたＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ構造の活性層が適用された青色発光素子において、ｐ型クラッド層１５０上に図１のｐ−ＺｎＯ電極構造体、図２のｐ−ＺｎＯ／Ａｇ電極構造体、そして既存のＮｉ／Ａｕ電極構造体を適用した後、空気雰囲気で熱処理を行った後、動作電圧と出力との関係を測定した結果を比較して表すグラフである。
図面を通じて分かるように、本発明のｐ−ＺｎＯ電極構造体とｐ−ＺｎＯ／Ａｇ電極構造体とを適用することによって既存のＮｉ／Ａｕ電極構造体を適用した素子に比べて極めて低い動作電圧と４倍以上の非常に優秀な出力を表す高品位発光素子とを具現したことが分かる。
本発明は窒化物系発光素子及びその製造方法に係り、ＬＥＤまたはＬＤのような発光素子に適用されうる。
１０、１１０…基板、
２０…ｐ型クラッド層、
３０、２３０…オーミックコンタクト層、
４０、２４０…反射層、
１２０…バッファ層、
１３０…ｎ型クラッド層、
１４０…活性層、
１５０…ｐ型クラッド層、
１６０…ｎ型電流制限層、
１８０…ｐ型電極パッド、
１９０…ｎ型電極パッド、
２２０…電極層。
２０…ｐ型クラッド層、
３０、２３０…オーミックコンタクト層、
４０、２４０…反射層、
１２０…バッファ層、
１３０…ｎ型クラッド層、
１４０…活性層、
１５０…ｐ型クラッド層、
１６０…ｎ型電流制限層、
１８０…ｐ型電極パッド、
１９０…ｎ型電極パッド、
２２０…電極層。
Claims (33)
- 基板上に少なくともｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が順次に積層された構造を有する窒化物系発光素子において、
前記ｐ型クラッド層上にｐ型ドーパントが添加された亜鉛含有酸化物よりなるオーミックコンタクト層を備えることを特徴とする窒化物系発光素子。 - 前記亜鉛含有酸化物は、亜鉛酸化物、マグネシウム亜鉛酸化物及びベリリウム亜鉛酸化物よりなるグループから選択された何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
- 前記ｐ型ドーパントは、リンと窒素のうち少なくとも何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
- 前記亜鉛含有酸化物に対する前記ｐ型ドーパントの添加比は０．０１〜３０重量％であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
- 前記オーミックコンタクト層は、０．１〜１，０００ｎｍの厚さに形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
- 前記ｎ型クラッド層の下部にサファイア基板またはＳｉＣ基板がさらに設けられることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
- 前記オーミックコンタクト層上にＡｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｃｒ及びＰｔよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つよりなる反射層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
- 前記反射層は１０〜２，０００ｎｍの厚さに形成されることを特徴とする請求項７に記載の窒化物系発光素子。
- 前記ｐ型クラッド層と前記オーミックコンタクト層間にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ及びＬａよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つよりなる第１電極層がさらに備わることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
- 前記オーミックコンタクト層と前記反射層間にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ及びＬａよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つよりなる第２電極層がさらに備わることを特徴とする請求項７に記載の窒化物系発光素子。
- 基板上に少なくともｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が順次に積層された構造を有する窒化物系発光素子の製造方法において、
（ａ）前記ｐ型クラッド層上にｐ型ドーパントが添加された亜鉛含有酸化物よりオーミックコンタクト層を形成する段階と、
（ｂ）前記（ａ）段階を経て形成された結果物を熱処理する段階と、を含むことを特徴とする窒化物系発光素子の製造方法。 - 前記亜鉛含有酸化物は、亜鉛酸化物、マグネシウム亜鉛酸化物及びベリリウム亜鉛酸化物よりなるグループから選択された何れか一つであることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記ｐ型ドーパントは、リンと窒素のうち少なくとも何れか一つであることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記ｐ型ドーパントは、リンと窒素のうち少なくとも何れか一つであることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記活性層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷまたはＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの構造を有することを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記亜鉛酸化物に対する前記ｐ型ドーパントの添加比は０．０１〜３０重量％であることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記オーミックコンタクト層は、０．１〜１，０００ｎｍの厚さに形成されることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記オーミックコンタクト層は、電子ビーム蒸着器、スパッタリング蒸着器及びレーザ蒸着器よりなるグループから選択された何れか一つによって形成されることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記オーミックコンタクト層の蒸着温度は２０〜１，５００℃範囲であり、前記オーミックコンタクト層の蒸着圧力は、大気圧〜１０−１２ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項１８に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記オーミックコンタクト層の形成段階の以前に前記ｐ型クラッド層上にｎ型電流制限層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記ｎ型電流制限層は、０．１〜５００ｎｍの厚さに形成されることを特徴とする請求項２０に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記ｎ型電流制限層は、透明伝導性酸化物またはｎ型窒化ガリウム系化合物よりなることを特徴とする請求項２０に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記透明伝導性酸化物は、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２及びＩＴＯよりなるグループから選択された何れか一つであることを特徴とする請求項２２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記オーミックコンタクト層の形成段階の以前に前記ｐ型クラッド層上にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ及びＬａよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つより第１電極層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記熱処理段階の以前に前記オーミックコンタクト層上にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ及びＬａよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つより第２電極層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記熱処理段階の以前に前記オーミックコンタクト層上にＡｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｃｒ及びＰｔよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つより反射層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記反射層は、１０〜２，０００ｎｍの厚さに形成されることを特徴とする請求項２６に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記オーミックコンタクト層の形成段階の以前に前記ｐ型クラッド層上にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ及びＬａよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つより第１電極層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記反射層の形成段階の以前に前記オーミックコンタクト層上にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎａ及びＬａよりなるグループから選択された少なくとも何れか一つより第２電極層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記第１電極層は、０．１〜１，０００ｎｍの厚さに形成されることを特徴とする請求項２４に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記熱処理段階は、１００〜８００℃で行われることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記熱処理は、１０秒〜３時間行われることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記熱処理は、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素及び空気よりなるグループから選択された少なくとも何れか一つの気体雰囲気で行われることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
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