JP2005191575A - 窒化ガリウム系発光ダイオードの構造とその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】低動作電圧、外部量子効果の強化を達成することができる窒化ガリウム系半導体の発光ダイオード構造及び製造方法を提供する。
【解決手段】p型窒化ガリウムオーム接触層207の繊維状構造上に、第一接触分布(contact spreading)金属層208aを形成し、次に、第一接触分布金属層上に、第二、及び、第三金属接触分布層208b、208cを形成して、三層構造のp型金属からなる透光性導電層を構成し、この三種構造のp型金属からなる透光性導電層は、酸素或いは、窒素含有の環境中で、高温合金された後、好ましい導電性を有する。且つ、効果的に、p型金属電極とp型窒化ガリウムオーム接触層の面方向の接触均一性を強化して、第二接触分布金属層の第三分布接触金属層中での分布が不均一のために生じる局部発光の現象を防止し、動作電圧を低下させて、外部量子効率を向上させる。
【選択図】 図7

Description

本発明は、窒化ガリウム系半導体発光ダイオード(LED)に関するものであって、特に、窒化ガリウム系発光ダイオードの発光均一性を向上し、発光ダイオードから射出する光の透光効率を向上させる透光性導電層の構造とその製造方法に関するものである。
図1は、公知のサファイア基板上にエピタキシアル成長した窒素ガリウム系半導体を使用した発光ダイオード装置を示す図である。サファイア基板101上に、窒化ガリウム系半導体の複数のエピタキシー層を形成し、低温形成窒化ガリウムバッファ層102、高温形成窒化ガリウムバッファ層103、n型窒化ガリウムオーム接触層104、窒化インジウム・ガリウム発光層105、p型窒化インジウム・ガリウム被覆層106、p型窒化ガリウムオーム接触層107、p型窒化ガリウムオーム接触層107上に形成されたp型金属からなる透光性導電層108、p型金属からなる透光性導電層108上に形成されたp型金属電極109、そして、n型窒化ガリウムオーム接触層104の上に形成されたn型金属電極110、からなる。
窒化ガリウム系半導体からなる複数のエピタキシー層構造(即ち、発光ダイオード)の屈折係数(n=2.4)、サファイア基板101の屈折係数(n=1.77)及び、パッケージ用の樹脂封止材料の屈折係数(n=1.5)の異なる屈折率分布のために、窒化インジウム・ガリウム発光層105が発する一次光は、僅かに、25%程度がこれらの界面により反射されないで外部に射出する。残りの75%の光は、サファイア基板101、及び、パッケージ用樹脂封止材料の上記の屈折率の差により形成される光導波構造により、多数の界面反射を繰り返す間に光が吸収されるために、効果的に取り出して利用することが出来ない。故に、この種の発光ダイオード装置構造においては、光線取り出し効率が透光性金属導電層の吸収、及び、層状の内部エピタキシー構造の反射、屈折による重吸収のメカニズムにより制限される。
更に、p型窒化ガリウムオーム接触層107の導電性はかなり低く、その抵抗係数は、一般に、1〜2Ωcm、且つ、厚さ0.1〜0.5μmほどである。つまり、電流は容易に、p型金属電極109直下に集中して、横方向への分散距離は約1μmほどにしかならない。したがって、電流密度を均一にして均一に発光させるために、まず、p型金属からなる透光性導電層108を、p型窒化ガリウムオーム接触層107上において、発光領域全体に、且つ均一に分布させなければならない。透光性を向上するためには、p型金属からなる透光性導電層108は薄くなければならず、一般に、ニッケルと金から形成されるが、その厚さは、50〜500Åである。
ニッケルと金から形成される透光性金属導電層の研究に基づいて、発光ダイオード装置の動作電圧を低下させるため、金属導電層とp型窒化ガリウムオーム接触層の接触抵抗(constant resistivity)を10Ωcmまで効果的に低下させなければならな
い。窒化ガリウム系半導体発光ダイオードの外部量子効果(external quantum efficiency)を増加させるため、可視光波長が400nm〜700nmである時、この金属導電層の透光率は、80%以上が好ましく、学術雑誌Applied Physic letters vol.74(1999)P.1275論文では、サンプルを、酸素を含有する環境中でアニール(anneal)し、酸化ニッケル(NiO)半導体中間層を形成し、効果的に、接触抵抗を低下させると共に、透光性を増加させることが開示されている。また、Solid State Electronic47(2003)p.1741論文中では、効果的に、透光性を増加させるために、ニッケルと金の厚さは薄ければ薄いほど良く、効果的に、接触抵抗を低下させるため、金の厚さは、厚ければ厚いほどよいことが開示されている。
Applied Physic letters vol.74(1999)P.1275 Solid State Electronic47(2003)p.1741
図8で示されるように、光導波構造を効果的に遮断し、光射出効率を増加させるために、発光ダイオード表面に、繊維状構造を形成する。図2は、図1中のp型金属からなる透光性導電層108とp型窒化ガリウムオーム接触層107の界面120の拡大図である。図2に示すように、繊維状構造を形成する表面上で、ニッケルと金両層金属をp型金属からなる透光性導電層108として酸素を含む環境中でアニールすると、金層108aの酸化ニッケル層108b中での分布が極めて不均一になりやすい。即ち、電流分布が不均一となって、図9で示されるような、局部発光の現象が生じ、動作電圧が上昇してしまう。
よって、ニケッルと金からなる積層金属構造を繊維状構造表面構造とする窒化ガリウム系発光ダイオード装置のp型金属からなる透光性導電層は、以上のような制限を受け、好ましくない。
これにより、繊維状表面構造の発光均一性を改善することが可能な窒化ガリウム系半導体発光ダイオード装置のp型金属からなる透光性導電層を製作する方法が必要で、窒化ガリウム系半導体の発光ダイオード装置の低動作電圧、外部量子効果の強化を達成することを目的とする。
本発明が開示する、窒化ガリウム系半導体発光ダイオード装置製作方法は、まず、p型窒化ガリウムオーム接触層の繊維状構造上に、第一接触分布(contact spreading)金属層を形成し、次に、第一接触分布金属層上に、第二、及び、第三金属接触分布層を形成して、三層構造のP型金属からなる透光性導電層を構成し、この三層構造のp型金属からなる透光性導電層は、酸素或いは、窒素含有の環境中で、高温アニールされた後、好ましい導電性となる。
本発明の開示するp型透光導電層の製作方法で製作される窒化ガリウム系半導体発光ダイオードは、第一接触分布金属層が非常に薄く、発光層が射出する光に対し、吸収も反射もしない。且つ、効果的に、p型金属電極とp型窒化ガリウムオーム接触層の均一な面接触性を強化して、第二接触分布金属層の第三分布接触金属層中での分布が不均一のために生じる局部発光の現象を防止し、動作電圧を低下させて、外部量子効果(external quantum efficiency)を向上させる。
本発明の開示するp型透光導電層の製作方法で製作される窒化ガリウム系発光ダイオードは、高温環境下で動作しても、第一分布接触金属層の不均一な面接触メカニズムが生じず、素子の特性を維持でき、即ち、安定性が好ましい。
効果的に、p型金属電極とp型窒化ガリウムオーム接触層の面接触均一性を強化して、第二接触分布金属層の第三分布接触金属層中での分布が不均一のために生じる局部発光の現象を防止し、動作電圧を低下させて、外部量子効果(external quantum efficiency)を向上させる。
図3〜図6は、本発明の製造フローチャートである。
図3で示されるように、まず、基板201を提供し、基板201はサファイア(Sapphire)である。続いて、窒化ガリウム系の複数のエピタキシー層を形成する。その材料は、BxAlyInzGa1-x-y-zNpAsqで、0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, 0≦p≦1, 0≦q≦1, 且つ、x+y+z=1, p+q=1、或いは、BxAlyInzGa1-x-y-zNpPqで、0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, 0≦p≦1, 0≦q≦1, 且つ、x+y+z=1, p+q=1である。
上述の窒化ガリウム系の複数のエピタキシー層は、構造から見ると、低温下で、基板201表面上に、エピタキシー成長した低温形成バッファ層202を有し、低温形成バッファ層202の厚さは、約200〜300Åである。続いて、高温下で、低温形成バッファ層202上に、高温形成バッファ層203を形成し、高温形成バッファ層203の厚さは約0.7μmである。低温、高温形成バッファ層202、203の材料は、窒化ガリウム系化合物からなり、AlxGa1-xN(0(x(1)である。続いて、高温形成バッファ層203上に、n型オーム接触層204を形成し、n型オーム接触層の材料は、キャリアドープ濃度が約3~5e+18 cm-3のn型窒化ガリウム(N-GaN)で、その成長厚さは、約2〜5μmである。続いて、キャリアドープを含まない窒化インジウム・ガリウムからなる発光層205を形成する。その後、発光層205上に、キャリアドープ濃度約3e+17~5e+17 cm-3のp型窒化アルミニウム・ガリウム(P-AlGaN)からなる被覆層206、及び、キャリアドープ濃度約3e+17〜1e+18cmのp型窒化ガリウム(P-AlGaN)からなるオーム接触層207を成長させ、オーム接触層207の表面は、微細な粗面(texturing surface)である。
図4で示されるように、上述のエピタキシー成長完成後、ドライエッチングにより、部分的なp型オーム接触層207、被覆層206、発光層205、及び、n型オーム接触層204を除去し、n型オーム接触層204の表面204aを露出させる。
続いて、図5で示されるように、蒸着により、p型透明金属導電層208を、p型オーム接触層207の微細表面上に形成する。蒸着工程は、
(1)それぞれ、バッファードオキサイドエッチャント(Buffered Oxide Echant、BOE)、及び、硫化アンモニウム(NH)S溶液を用いて、p型オーム接触層207と露出したn型オーム接触層204表面204aをそれぞれ、約10分ずつ洗浄する。
(2)子ビーム蒸着法(E−beam evaporation)は、p型オーム接触層207 上で
順に、厚さ5〜50Åの第一分布接触金属層208a、厚さ10〜100Åの第二分布接触金属層208b、及び、厚さ20〜100Åの第三分布接触金属層208cを形成する。第一分布接触金属層の材料は、金(Au)、プラチナ(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、マグネシウム(Mg)、ニオビウム(Nb)、ジルコニウム(Zr)、タングステン(W)である。この他、第二、第三分布接触金属層は、ITO, ZnO, In2O3, SnO2, (LaO)CuS, (La1-xSrxO)CuSの中のどれか、或いは、遷移金属、及び、貴金属系のどれか一つ、或いは、その酸化物からなる。三つの分布接触金属層208a、208b、208cの理想的な組み合せは、金(Au)、ニッケル(Ni)、金(Au);プラチナ(Pt)、ルテニウム(Ru)、金(Au);プラチナ(Pt)、金(Au)、インジウム;二酸化スズ(In:SnO)、金(Au)、酸化ニッケル(NiO)、金(Au);プラチナ(Pt)、金(Au)、酸化ルテニウム(RuO)、金(Au)である。その後、加熱炉(furnace)中で、酸素、或いは、窒素を含む環境下で、温度400〜600度で、1〜10分アニールし、酸素を含む環境中で、Au/NiO/Au;Pt/RuO2/Au;Pt/Au/In:SnO2構造を形成して、p型オーム接触層207との接触抵抗を低下させると共に、横向き接触均一性を増進する。窒素を含む環境中で、Au/Ni/Au;Pt/Ru/Au;Pt/Au/In:SnO2構造を形成する場合、同様に、p型オーム接触層207との接触抵抗を低下させると共に、面方向の接触均一性を増進する。
最後に、図6で示されるように、p型透明金属導電層208を形成した後、p型金属からなる透光性導電層208上に、p型金属電極209を形成し、また、n型透光金属204の露出表面204a上に、n型金属電極210を形成する。
図7は、図5中の界面220の拡大図である。図7で示されるように、第一分布接触金属層208aとp型オーム接触層207の微細な粗面は、面方向に均一な接触性を保ち、発光ダイオードを均一に発光させる。
本発明の好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変更や改良を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
公知技術の発光ダイオード構造である。 図1の界面120の拡大図である。 本発明の製造工程のフローチャートである。 本発明の製造工程のフローチャートである。 本発明の製造工程のフローチャートである。 本発明の製造工程のフローチャートである。 図5中の界面220の拡大図である。 p型オーム接触層の微細表面を示す図である。 公知技術の発光ダイオードの局部発光図である。 本発明の発光ダイオードの均一な発光を示す図である。
符号の説明
101…サファイア基板
102…低温形成窒化ガリウムバッファ層
103…高温形成窒化ガリウムバッファ層
104…n型窒化ガリウムオーム接触層
105…窒化インジウム・ガリウム発光層
106…p型窒化インジウム・ガリウム被覆層
107…p型窒化ガリウムオーム接触層
108…p型金属からなる透光性導電層
108a…金層
108b…酸化ニッケル層
109…p型金属電極
110…n型金属電極
201…基板
202…低温形成バッファ層
203…高温形成バッファ層
204…n型オーム接触層
205…発光層
206…p型被覆層
207…p型オーム接触層
208…P型金属からなる透光性導電層
208a…第一金属層
208b…第二金属層
208c…金属酸化層
209…p型金属電極
210…n型金属電極
220…界面

Claims (17)

  1. 窒化ガリウム系半導体発光ダイオードの構造であって、
    基板と、
    前記基板上の低温形成バッファ層、高温形成バッファ層、n型オーム接触層、発光層、被覆層、表面が微細な粗面であるp型オーム接触層、及び、
    前記p型オーム接触層上に形成されたp型金属、及び又はp型金属酸化物からなる透光性導電層と、
    からなることを特徴とする発光ダイオードの構造。
  2. 窒化ガリウム系の複数のエピタキシー層中の前記p型オーム接触層、前記被覆層、前記発光層、前記n型オーム接触層は、一部分が除去された構造で、且つ、前記n型オーム接触層は、部分的に露出した表面を有することを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードの構造。
  3. 前記窒化ガリウム系の複数のエピタキシー層の材料は、BxAlyInzGa1-x-y-zNpAsq(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, 0≦p≦1, 0≦q≦1, 且つ、x+y+z=1, p+q=1)、或いは、BxAlyInzGa1-x-y-zNpPq(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, 0≦p≦1, 0≦q≦1, 且つ、x+y+z=1, p+q=1)であることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードの構造。
  4. 前記p型金属からなる透光性導電層は、
    前記p型オーム接触層の微細な粗面構造表面上に形成された第一分布接触金属層と、
    前記第一分布接触金属層上に形成された第二分布接触金属層と、
    前記第二分布接触金属層上に形成された第三分布接触金属層と、
    からなることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードの構造。
  5. 前記第一分布接触金属層の材料は、金(Au)、プラチナ(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、マグネシウム(Mg)、ニオビウム(Nb)、ジルコニウム(Zr)、タングステン(W)であることを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオードの構造。
  6. 前記第二、第三分布接触金属層は、ITO, ZnO, In2O3, SnO2, (LaO)CuS, (La1-xSrxO)CuSの中のどれか、或いは、遷移金属、及び、貴金属系のどれか一つ、或いは、その酸化物からなることを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオードの構造。
  7. 前記第一分布接触金属層と前記第二、第三接触金属層の組み合わせは、以下の組み合せのどれかで、
    金 (Au)、酸化ニッケル(NiO)、金(Au)、
    プラチナ (Pt)、二酸化ルテニウム(RuO2)、金(Au)、
    プラチナ(Pt)、金(Au)、インジウム:二酸化スズ(In:SnO2)、
    金(Au)、ニッケル(Ni)、金(Au)、
    プラチナ(Pt)、ルテニウム(Ru)、金(Au)
    であることを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオードの構造。
  8. 前記第一分布接触金属層の厚さは、5〜50Åであることを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオードの構造。
  9. 前記第二分布接触金属層の厚さは、10〜100Åであることを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオードの構造。
  10. 前記第三分布接触金属層の厚さは、20〜100Åであることを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオードの構造。
  11. 更に、前記p型金属からなる透光性導電層上に、p型金属電極を有することを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードの構造。
  12. 更に、前記n型オーム接触層の露出表面上に、n型金属電極を有することを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードの構造。
  13. 発光ダイオードの製造方法であって、少なくとも、
    基板を提供する工程と、
    前記基板上に、低温形成バッファ層、高温形成バッファ層、n型オーム接触層、発光層、被覆層の順に、窒化ガリウム系の複数のエピタキシー層を形成する工程と、
    前記被覆層上に、表面が微細な粗面であるp型オーム接触層を形成する工程と、
    ドライエッチングにより、部分的な前記p型オーム接触層、前記被覆層、前記発光層、及び、前記n型オーム接触層を除去すると共に、前記n型オーム接触層の表面を露出させる工程と、
    蒸着により、p型金属からなる透光性導電層を、前記の部分的なp型オーム接触層表面の微細な粗面構造上に形成する工程と、
    からなることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
  14. 更に、p型金属電極を、前記p型金属からなる透光性導電層上に形成する工程を含むことを特徴とする請求項13に記載の発光ダイオードの製造方法。
  15. 更に、n型金属電極を、部分的に露出した前記n型オーム接触層上に形成する工程を含むことを特徴とする請求項13に記載の発光ダイオードの製造方法。
  16. 前記蒸着方法は、
    前記P型オーム接触層207表面と露出した前記n型オーム接触層表面をそれぞれ、約10分ずつ洗浄する工程と、
    電子ビーム蒸着法により、前記P型オーム接触層上で、順に、第一分布接触金属層、第二分布接触金属層、及び、第三分布接触金属層を形成する工程と、
    アニール工程により前記第一、第二、第三接触金属層からなる前記p型金属からなる透光性導電層を形成させる工程と、
    からなることを特徴とする請求項13に記載の発光ダイオードの製造方法方法。
  17. 前記アニール工程の雰囲気条件は、酸素を含む、或いは、含まない環境で、温度は、摂氏400〜600℃であることを特徴とする請求項16に記載の発光ダイオードの製造方法方法。
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