JP2005184006A - フリップチップ型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】 発光効率の向上したフリップチップ型窒化物系発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 n型クラッド層、活性層、p型クラッド層、マルチオーム接触層及び反射層が順次に積層されており、マルチオーム接触層は、改質金属層/透明伝導性薄膜層を積層反復単位として少なくとも一組が反復積層されており、改質金属層は銀を含む発光素子。このようなフリップチップ型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ム接触特性が改善されて、発光素子のパッケージング時にワイヤーボンディング効率を及び収率を高めることができ、低い比接触抵抗及び優秀な電流−電圧特性により素子の発光効率及び素子寿命を向上させうる。
【選択図】 図1

Description

本発明はフリップチップ型窒化物系発光素子及びその製造方法に係り、詳細には、発光効率を向上させうる電極構造を持つフリップチップ型窒化物系発光素子及びその製造方法に関する。
窒化物系化合物半導体、例えば、窒化ガリウム(GaN)半導体を利用した発光ダイオードまたはレーザーダイオードのような発光素子を製造するためには、半導体と電極との間のオーム接触構造が非常に重要である。現在商業的に利用できるGaN系発光素子は絶縁性サファイア(Al)基板上に形成される。
このようなGaN系発光素子は、トップエミット型発光素子(Top−Emitting Light Emitting Diodes;TLEDS)と、フリップチップ発光素子(Flip−Chip Light Emitting Diodes:FCLEDS)とに分類される。
トップエミット型発光素子は、p型クラッド層と接触しているオーム電極層を通じて光を発するように形成される。
トップエミット型発光素子は、p型クラッド層のホール濃度が低いため、低い電流注入及び電流拡散のような劣悪な電気的特性を持つ。このような劣悪な電気的特性は、透明かつ低い面抵抗値を持つオーム接触電極開発を通じて克服できる。
このようなトップエミット型発光素子には、一般的にニッケルのような遷移金属を基本とする金属薄膜構造として酸化された半透明ニッケル/金の金属薄膜が広く利用されている。
このようなニッケル金属を基本とする金属薄膜は、酸素(O)雰囲気で熱処理すると10−3〜10−4Ωcm程度の比接触抵抗を持つ半透明オーム接触層を形成することが報告されている。500℃〜600℃温度範囲で、酸素(O)雰囲気で熱処理すると、ショットキー障壁の高さ(Schottky Barrier Height:HBT)が低くなり、その結果、GaN表面付近に複数のキャリアであるホールを容易に供給してGaN表面付近での実効キャリア濃度を増加させ、低い比接触抵抗を実現できる。他方では、ニッケル/金をp型GaNに接触させて熱処理すれば、Mg−H金属間の化合物を除去することができるというGaN表面でマグネシウムドープ剤の濃度を増加させる再活性化過程を通じてp型GaNの表面での実効キャリア濃度を1019以上にすることにより、p型GaNと電極層(酸化ニッケル)との間にトンネリング伝導を起こしてオーム伝導特性を示すことが理解されている。
ところが、ニッケル/金で形成される半透明電極薄膜を利用したトップエミット型発光ダイオードは、光利用効率が低くて大容量及び高輝度発光素子を具現し難い。
最近では、大容量の高輝度発光素子の実現のために高反射層素材として注目されている銀、銀酸化物(AgO)またはアルミニウムなどを利用したフリップチップ方式の発光素子開発の必要性が強く望まれている。
しかし、それら金属は、高い反射効率を持っているために一時的に高い発光効率を提供できるが、小さな仕事関数値を持つ特性のために低抵抗値を持つオーム接触の形成が難しくて、素子寿命が短くかつGaNとの接着性が悪くて素子の安定的な信頼性を提供できないという問題点がある。
すなわち、アルミニウムを用いる場合には仕事関数値が低いために熱処理時にp型GaNの界面にオーム接触ではないショットキー接触を形成する傾向があってほとんど利用できず、銀はアルミニウムとは違ってGaNとのオーム接触を形成するが、熱的な不安定性及びGaNとの機械的接着力の低さのために発光素子製作及び作動時信頼性を確保し難いという問題点がある。
このような問題を解決するために、低い比接触抵抗値を持ちつつも高い反射率を提供するオーム接触層の開発が活発に行われている。
Mensz等のグループは、非特許文献1において2層構造としてニッケル/アルミニウム及びニッケル/銀構造を提案したが、この構造は、オーム接触形成が難しくて発光ダイオード作動時に高い作動電圧による多くの熱発生を引き起こすという問題点を持っている。
最近、Michael R.Krames等のグループは、特許文献1をにおいてニッケル/銀及び金/酸化ニッケル(NiOx)/アルミニウム電極構造を研究開発したと報告した。ところが、この構造も接着性が落ち、乱反射によって発光効率が低下するという短所を持っている。
米国特許出願公開第2002/0171087号明細書 electronics letters 33(24)p.2066
本発明は前記のような問題点を改善するためになされたものであり、優れた接着性及び低い比接触抵抗を持つ電極構造のフリップチップ型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。
本発明によるフリップチップ型窒化物系発光素子は、n型クラッド層とp型クラッド層との間に活性層を持ち、前記p型クラッド層上に反射層が設けられたフリップチップ型窒化物系発光素子において、前記p型クラッド層と前記反射層との間に改質金属層および透明伝導性薄膜層を積層反復単位として少なくとも一回積層されたマルチオーム接触層を備え、前記改質金属層は銀を含む。
前記透明伝導性薄膜層は、透明伝導性酸化物(Transparent Conductive Oxide:TCO)と透明伝導性窒化物(Transparent Conductive Nitride:TCN)のうちいずれか一つで形成され、前記透明伝導性酸化物(TCO)としては、インジウム、錫、亜鉛、ガリウム、カドミウム、マグネシウム、ベリリウム、銀、モリブデン、バナジウム、銅、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、タングステン、コバルト、ニッケル、マンガン、アルミニウム、およびランタン系列元素の金属のうち少なくとも一つ以上の成分と酸素とが結合されて形成されたものが挙げられ、前記透明伝導性薄膜層はチタン及び窒素を含有することが好ましい。
望ましくは、改質金属層は1nmないし20nmの厚さに形成される。
また、前記反射層は銀、銀酸化物、アルミニウム、亜鉛、チタン、ロジウム、マグネシウム、パラジウム、及びルテニウムからなる群より選択される少なくとも一つ以上の元素で形成される。
前記透明伝導性薄膜層は10nmないし1000nmに形成され、前記反射層は100nmないし1000nmに形成されることが望ましい。
また、本発明によるフリップチップ型窒化物系発光素子の製造方法は、n型クラッド層とp型クラッド層との間に活性層を持ち、前記p型クラッド層上に反射層を持つフリップチップ型窒化物系発光素子の製造方法において、基板上に前記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発光構造体の前記p型クラッド層上に、改質金属層/透明伝導性薄膜層を積層反復単位として少なくとも一組以上を積層してマルチオーム接触層を形成する段階と、前記マルチオーム接触層上に反射層を形成する段階と、を含み、前記改質金属層は銀を含む。
望ましくは、前記マルチオーム接触層の形成段階以後または前記反射層の形成段階以後に熱処理する段階をさらに含む。
本発明によるフリップチップ型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ム接触特性が改善されて、発光素子のパッケージング時にワイヤーボンディング効率及び収率を高めることができ、低い比接触抵抗及び優秀な電流−電圧特性により素子の発光効率及び素子寿命を向上させうる。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましいフリップチップ型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実施例によるフリップチップ型発光素子を示す断面図である。
図面を参照すれば、フリップチップ型発光素子は、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、マルチオーム接触層160及び反射層170が順次に積層された構造からなっている。参照符号180はp型電極パッドであり、190はn型電極パッドである。
マルチオーム接触層160は、改質金属層160aと透明伝導性薄膜層160bとが順次に積層されたものからなる。
ここで、基板110からp型クラッド層150までが発光構造体に該当し、p型クラッド層150上に積層されたマルチオーム接触層160と反射層170とがp型電極構造体に該当する。
基板110は、サファイア、シリコンカーバイド(SiC)、シリコン(Si)、およびガリウムヒ素(GaAs)からなる群より選択されるいずれか一つで形成されたことが望ましい。
本発明の発光素子では、バッファ層120は含んでいてもよいし、含まなくてもよい。
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AlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で示される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にはドープ剤が添加される。
また、活性層140は単層またはMQW(Multiple Quantum Well)層など公知の多様な構造に構成できる。
一例として、GaN系化合物を適用する場合、バッファ層120はGaNで形成され、n型クラッド層130は、GaNにn型ドープ剤としてSi、Ge、Se、またはTeなどが添加されて形成され、活性層はInGaN/GaNのMQWまたはAlGaN/GaNのMQWで形成され、p型クラッド層150は、GaNにP型ドープ剤としてMg、Zn、Ca、Sr、または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との間には、n型オーム接触層(図示せず)が介在し、n型オーム接触層は、チタンとアルミニウム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る。
p型電極パッド180は、ニッケル/金または銀/金が順次に積層された層構造が適用できる。
各層の形成方法は電子ビーム蒸着器、PVD(Physical Vapor Deposition)、CVD(Chemical Vapor Deposition)、PLD(Plasma Laser Deposition)、二重型の熱蒸着器、スパッタなど公知の蒸着方式により形成することができる。
マルチオーム接触層160は、望ましくはp型クラッド層150の実効キャリア濃度を高めることができ、p型クラッド層150をなしている化合物のうち窒素以外の成分と反応性の良い物質が適用される。例えば、GaN系化合物がp型クラッド層として適用される場合、マルチオーム接触層160には、窒素よりもガリウムに対して優先的に反応する物質が適用される。
この場合、一例として、GaNを主成分とするp型クラッド層150の場合、前述の特性を持つマルチオーム接触層160によるp型クラッド層150のガリウムとマルチオーム接触層160との反応により、p型クラッド層150の表面にはガリウム空孔が形成される。p型クラッド層150に形成されるガリウム空孔はp型ドープ剤として作用するので、p型クラッド層150とマルチオーム接触層160との反応により、p型クラッド層150の表面の実効p型キャリア濃度が増加する。
また、マルチオーム接触層160には、工程上p型クラッド層150の表面に残留してしまい界面でキャリアの流れに対する障害物となる自然酸化層であるガリウム酸化物(Ga)を還元してショットキー障壁の高さ及び幅を減らしうる物質が適用される。前記のp型GaN表面でのガリウム空孔の形成、自然酸化層の還元機能及び透明な伝導性酸化層の形成により、GaN系半導体と接触金属電極との界面でトンネリング伝導現象を発生させうる。
このような条件を満たしうるマルチオーム接触層160は、p型クラッド層150上に形成された改質金属層160a及び改質金属層160a上に形成された透明伝導性薄膜層160bを反復単位として少なくとも一組有し、改質金属層160a及び透明伝導性薄膜層160bの反復数は、適宜決定することができる。
改質金属層160aには、高い導電性を持ちつつ600℃以下の温度と酸素雰囲気での熱処理時に容易に伝導性ナノ相粒子に分解され、容易に酸化されない物質が適用される。
このような条件を備えた改質金属層160a用素材には銀が適用される。
望ましくは、改質金属層160aは銀単独で形成される。また他には、改質金属層160aは銀を含む合金または固溶体で形成できる。
また、マルチオーム接触層160を形成している改質金属層160aの厚さは、熱処理時に容易に伝導性ナノ相粒子に分解できる厚さである1nmないし20nm以内に形成することが望ましい。
透明伝導性薄膜層160bには、透明伝導性酸化物(TCO)または透明伝導性窒化物(TCN)のうちいずれか一つが適用される。
透明伝導性酸化物(TCO)は、インジウム(In)、錫(Sn)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、ランタン(La)元素系列などの金属のうち少なくとも一つ以上の成分と酸素とで形成される透明伝導性酸化物(TCO)が適用される。
透明伝導性酸化物(TCO)用素材は特に限定されないが、仕事関数値及び面抵抗値を優先的に考慮して選択することができ、透明伝導性窒化物(TCN)は低い面抵抗値及び高い光の透過率を持つチタンと窒素とで形成された透明伝導性窒化物(TCN)が適用されることが望ましい。
また、透明伝導性薄膜層160bに適用される透明伝導性酸化物(TCO)及び透明伝導性窒化物(TCN)は、前記主成分に対して電気的特性を向上させるために、元素周期律表上の金属成分のうち少なくとも一つ以上の元素をドープ剤として添加できる。
ここで、透明伝導性酸化物(TCO)及び透明伝導性窒化物(TCN)に適切な電気的特性を持たせるために添加されるドープ剤の添加比率は0.001ないし20質量%の範囲内で適用されることが望ましい。ここで、質量%は添加される元素の質量比率をいう。
また、透明伝導性薄膜層160bの厚さは、適切な光の透過率及び導電性を示すために10nmないし1000nmの厚さに形成されることが望ましい。
このようなマルチオーム接触層160は、電子ビーム蒸着器、熱蒸着器、スパッタ蒸着器、レーザー蒸着器のうちいずれか一つで形成することが望ましい。
また、マルチオーム接触層160を形成するために適用される蒸着温度は20℃ないし1500℃範囲内であり、蒸着器内の圧力は大気圧ないし10−12torr程度であることが好ましい。
また、マルチオーム接触層160を形成した後には熱処理過程を経ることが望ましい。
熱処理は、反応器内の温度を100℃〜800℃で真空またはガス雰囲気で10秒ないし3時間程度行うことが好ましい。
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、および空気のうち少なくとも一つ以上の気体が適用される。
このような構造のマルチオーム接触層160は、前述したような適正な雰囲気及び温度で熱処理を行えば、高い光の透過率(波長400nmの光において90%)及び低い面抵抗値(10Ω/cm以下)を持つ透明伝導性酸化物(TCO)になると同時に、p型GaNの上部に存在する自然酸化層であうガリウム酸化物(Ga)を還元させてショットキー障壁の幅を減少させる。したがって、オーム接触形成に有利なトンネリング効果を誘発して電気的特性を向上させ、100%に近い光の透過率を持つ。
反射層170は、光の反射率の高い素材、例えば、銀、銀酸化物(AgO)、アルミニウム、亜鉛、チタン、ロジウム、マグネシウム、パラジウム、ルテニウムなどの金属元素のうち少なくとも一つ以上で形成される。
本発明の一側面によれば、反射層170は銀にアルミニウムが約5質量%含まれた合金で形成する。このような銀−アルミニウム合金は、銀のみで形成すると生じるおそれのある悪い接着性及び熱的不安定性を改善させて優秀な接触性及び耐久性を提供することができるため好ましい。
望ましくは、反射層170は、100nm以上の厚さを持つ膜とすることが望ましい。
さらに望ましくは、反射層170は100nmないし1000nmの厚さに形成する。
反射層170も前述された蒸着方式により形成すればよい。
望ましくは、マルチオーム接触層160及び反射層170を、連続的な蒸着工程を行った以後に共に前述された方法で熱処理することが望ましい。
このような構造のオーム接触電極は、200℃以上の温度で発生する表面劣化現象を防止し、酸化に安定的でかつ高い反射率を元来通り持つことができて高効率の発光素子を具現できる。
一方、図示された例では、p型クラッド層150と反射層170との間に改質金属層160a/透明伝導性薄膜層160bのみよりなる構造が適用されたが、p型クラッド層150と反射層170との間に改質金属層160a及び透明伝導性薄膜層160bを反復的に積層した構造を適用できる。
以下では、GaNを主成分とした発光素子の製造過程の一例を図2を参照して説明する。
まず、基板110上にn型GaNを成長させてn型クラッド層130を形成する(段階210)。
次いで、n型クラッド層130上に活性層140を成長させ(段階220)、その上にp型GaNを成長させてp型クラッド層150を形成する(段階230)。
以後、n型電極パッド190を設置するための空間を確保するために、一部をエッチングしてMESA構造に製作する(段階240)。
次いで、p型クラッド層150上にマルチオーム接触層160と反射層170とを連続工程で蒸着し(段階250及び段階260)、前述された熱処理条件で熱処理を行う(段階270)。
これとは違って、前記図示された図面と同一工程については同一参照符号を表記した図3に図示されたように、マルチオーム接触層160を形成した後(段階250)、前記の条件で1次熱処理を行い(段階360)、反射層170を蒸着した後に2次熱処理を行ってもかまわない(段階380)。
本発明の望ましい実施例によるマルチオーム接触層が適用された発光素子を示す断面図である。 本発明の一実施例による発光素子の製造工程を示すフローチャートである。 本発明のさらに他の実施例による発光素子の製造工程を示すフローチャートである。
符号の説明
110 基板、
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 マルチオーム接触層、
160a 改質金属層、
160b 透明伝導性薄膜層、
170 反射層、
180 p型電極パッド、
190 n型電極パッド。

Claims (14)

  1. n型クラッド層とp型クラッド層との間に活性層を持ち、前記p型クラッド層上に反射層が設けられたフリップチップ型窒化物系発光素子において、
    前記p型クラッド層と前記反射層との間に改質金属層および透明伝導性薄膜層からなる積層反復単位が少なくとも一回積層されたマルチオーム接触層を備え、
    前記改質金属層は銀を含むことを特徴とするフリップチップ型窒化物系発光素子。
  2. 前記透明伝導性薄膜層は、透明伝導性酸化物と透明伝導性窒化物とのいずれか一つで形成されてなることを特徴とする請求項1に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子。
  3. 前記透明伝導性薄膜層はチタン及び窒素を含有することを特徴とする請求項2に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子。
  4. 前記透明伝導性酸化物は、インジウム、錫、亜鉛、ガリウム、カドミウム、マグネシウム、ベリリウム、銀、モリブデン、バナジウム、銅、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、タングステン、コバルト、ニッケル、マンガン、アルミニウム、およびランタン系列元素のからなる群より選択される少なくとも一つ以上の成分と酸素とが結合されて形成されたものを含むことを特徴とする請求項2に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子。
  5. 前記改質金属層は1nmないし20nmの厚さを有することを特徴とする請求項1に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子。
  6. 前記反射層は銀、銀酸化物、アルミニウム、亜鉛、チタン、ロジウム、マグネシウム、パラジウム、及びルテニウムからなる群より選択される少なくとも一つ以上で形成されてなることを特徴とする請求項1に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子。
  7. 前記透明伝導性薄膜層は10nmないし1000nmの厚さを有し、前記反射層は100nmないし1000nmの厚さを有することを特徴とする請求項1に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子。
  8. n型クラッド層とp型クラッド層との間に活性層を持ち、前記p型クラッド層上に反射層を持つフリップチップ型窒化物系発光素子の製造方法において、
    基板上に前記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発光構造体の前記p型クラッド層上に、改質金属層および透明伝導性薄膜層からなる積層反復単位を少なくとも一回積層してマルチオーム接触層を形成する段階と、
    前記マルチオーム接触層上に反射層を形成する段階とを含み、
    前記改質金属層は銀を含むことを特徴とするフリップチップ型窒化物系発光素子の製造方法。
  9. 前記透明伝導性薄膜層は、透明伝導性酸化物と透明伝導性窒化物とのいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項8に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子の製造方法。
  10. 前記透明伝導性薄膜層はチタン及び窒素を含有することを特徴とする請求項9に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子の製造方法。
  11. 前記透明伝導性酸化物はインジウム、錫、亜鉛、ガリウム、カドミウム、マグネシウム、ベリリウム、銀、モリブデン、バナジウム、銅、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、タングステン、コバルト、ニッケル、マンガン、アルミニウム、およびランタン系列元素からなる群より選択される少なくとも一つ以上の成分と酸素とが結合されて形成されたものを含むことを特徴とする請求項8に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子の製造方法。
  12. 前記改質金属層は1nmないし20nmの厚さに形成することを特徴とする請求項8に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子の製造方法。
  13. 前記マルチオーム接触層の形成段階以後または前記反射層の形成段階以後に熱処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子の製造方法。
  14. 前記反射層は銀、銀酸化物、アルミニウム、亜鉛、チタン、ロジウム、マグネシウム、パラジウム、及びルテニウムからなる群より選択される少なくとも一つ以上で形成することを特徴とする請求項8に記載のフリップチップ型窒化物系発光素子の製造方法。
JP2004371545A 2003-12-22 2004-12-22 フリップチップ型窒化物系発光素子及びその製造方法 Active JP5084101B2 (ja)

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