JP2005317676A - 半導体発光素子、半導体発光装置及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 一方の電極側に形成される高反射金属層を用いて光の高反射率を得ると共に、高反射金属層からの原子のマイグレーションも防止し、且つ素子を再現性良く製造する。
【解決手段】 活性層を挟んで互いに反対導電型の半導体層が形成され、その一方の半導体層上に、薄膜で接触抵抗の低抵抗化を図るためのオーミック接触層と、透明で導電性を有する透明導電層と、前記活性層で生成された光を反射させる高反射金属層を順次積層させる。透明導電層がバリア層としても機能して且つ光を透過させるため高反射金属層での反射により、高い光取出し効率を得ることができる。
【選択図】 図１
【解決手段】 活性層を挟んで互いに反対導電型の半導体層が形成され、その一方の半導体層上に、薄膜で接触抵抗の低抵抗化を図るためのオーミック接触層と、透明で導電性を有する透明導電層と、前記活性層で生成された光を反射させる高反射金属層を順次積層させる。透明導電層がバリア層としても機能して且つ光を透過させるため高反射金属層での反射により、高い光取出し効率を得ることができる。
【選択図】 図１
Description
本発明は一対の半導体層の間に形成された活性層で発光させる半導体発光素子、該半導体発光素子を用いた半導体発光装置及び前記半導体発光素子の製造方法に関し、特にその光取り出し効率を高めた半導体発光素子、その素子を用いた半導体発光装置及び前記半導体発光素子の製造方法に関するものである。
半導体発光素子の一例である発光ダイオードにおいては、GaN系半導体層に代表される窒化物系化合物半導体材料を用いた構造の素子が広く研究、開発されている。このような窒化物系化合物半導体層を用いた発光素子においては、活性層を挟んでｐ型層とｎ型層を積層させる構造とされ、活性層に注入する電流を供給するためにｐ型層とｎ型層のそれぞれにｐ側電極とｎ側電極をオーミック接触させる必要がある。この場合、高輝度などの高性能の発光素子を実現させるためには、ｐ側電極及びｎ側電極を低抵抗でオーミック接触させることが不可欠である。
ところで、活性層に電流を注入して取り出される光は素子の表面側だけではなく裏面側や側面側にも放射されることから、発光素子から放射される光が不必要な素子の裏面側に例えば高反射膜を形成することで、その高反射膜の表面で光が反射し、その分だけ表面側などでの光取り出し効率を高くできる技術が知られている。
このような高反射膜は銀やアルミニウムなどの材料から構成され、例えばｐ側電極の側で前述のようにオーミック接触を図る場合などでは、Ni, Pt, Mg, Zn, Be, Ag, Au, Geなどのオーミック接触を実現する金属薄膜を形成した後で、これらの銀やアルミニウムなどの高反射膜材料が形成される。
ところで、高反射膜を構成する金属材料は、光を反射する特性では優れるものの、電流を流して使用する電極としても使用する場合では、熱などに因る拡散現象であるマイグレーションが発生し比較的に短い時間で発光素子としての機能が失われてしまう。従って、高反射膜を利用して光取り出し効率を高める場合には、同時にマイグレーションの発生を抑制する手段が必要とされている。
このような高反射膜を利用して光取り出し効率を高めつつ、その高反射膜による光反射から基板側に光を取り出し、同時にマイグレーションの発生防止のために、オーミック接触を図る膜と、高反射金属膜の間にバリア膜を形成する技術も知られており、例えば特許文献１に開示されるように、基板上のｎ型GaN層上に活性層及びｐ型GaN層を形成し、ｐ側の電極構造として、薄膜のNi膜、薄膜のMo膜、及び高反射膜としての金属膜を形成した技術が知られている。
このような特許文献１記載の素子構造では、Ni膜によるオーミック接触が実現されると共に、Mo膜によるバリア機能によってその上の高反射金属膜の構成原子のマイグレーションも防止可能とされる。しかしながら、バリア電極として形成されるMo膜は膜厚概ね１ｎｍと非常に薄い膜であり、そのような非常に薄い金属膜を反射側に形成した場合には、膜を面内で均一に形成することが困難であり、このため局所的に反射率にばらつきが発生して、高反射金属膜の反射特性を十分に活用できない状態を招いていると言う問題が生じている。
バリア電極として形成され金属膜の膜厚を厚くすることで、反射率の面内のばらつきの問題は解決され得るが、バリア電極の金属膜の膜厚を厚くした場合では活性層から放射された光が高反射金属膜に届かなくなり、高反射金属膜の存在意義が逆に失われてしまうことになる。
そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑み、高反射膜を利用して光取り出し効率を高めつつ有効なマイグレーション防止を局所的な反射率のばらつきも抑制しながら実現できる半導体発光素子の提供を目的とする。また、本発明の他の目的は、そのような半導体発光素子を用いて構成される半導体発光装置と、前記半導体発光素子の製造方法とを提供することにある。
本発明の半導体発光素子は、第１導電型の半導体層上に活性層が形成され、該活性層上に前記第1導電型とは反対の第２導電型の半導体層が形成され、前記第２導電型の半導体層上に、薄膜のオーミック接触層と、透明導電層と、前記活性層で生成された光を反射させる高反射金属層を順次積層させてなることを特徴とする。
活性層を挟むように形成された半導体層の一方上に、薄膜のオーミック接触層と、透明導電層を介して高反射金属層を形成することで、薄膜のオーミック接触層によるオーミック接触が実現されると同時に、透明導電層によるマイグレーションの防止も実現される。この透明導電層は活性層から放射される光を透過させると共にその上に形成されている高反射金属層からの光も十分に透過させることができ、反射率の面内のばらつきの問題を抑えることが可能である。
本発明の半導体発光素子の一例においては、前記透明導電層を酸化物系透明薄膜、窒化物系透明薄膜、硼化物系透明薄膜、若しくは高分子系透明薄膜とすることが可能であり、また、前記高反射金属層は銀又はアルミニウム系の金属とすることができる。また、半導体層が窒化物系化合物半導体によって構成される例も本発明の一例である。
更に、本発明の半導体発光装置は、第１導電型の半導体層上に活性層が形成され、該活性層上に前記第1導電型とは反対の第２導電型の半導体層が形成され、前記第２導電型の半導体層上に、薄膜のオーミック接触層と、透明導電層と、前記活性層で生成された光を反射させる高反射金属層を順次積層させてなる半導体発光素子を複数個基板上に配列させ、前記高反射金属層は隣接する前記半導体発光素子間の配線全部又は一部とされることを特徴とする。
前記半導体発光素子は、該半導体発光素子間の配線全部又は一部とされる高反射金属膜によって接続される。一般に高反射金属膜を反射面を大きくするように半導体層の島状領域に亘って形成することは、同時に半導体層への接触面積を大きくすることになり、電気抵抗を低減した配線にも活用することで、発光素子の高速動作や駆動電流の低減などを図ることが可能となる。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、第１導電型の半導体層上に活性層を形成する工程と、該活性層上に前記第1導電型とは反対の第２導電型の半導体層を形成する工程と、前記第２導電型の半導体層上に薄膜のオーミック接触層を形成する工程と、前記オーミック接触層上に透明導電層を形成する工程と、前記透明導電層上に前記活性層で生成された光を反射させる高反射金属層を形成する工程とを有することを特徴とする。
本発明の半導体発光素子によれば、薄膜のオーミック接触層によるオーミック接触が実現されると同時に、透明導電層によるマイグレーションの防止も実現される。さらに、この透明導電層は活性層から放射される光を透過させると共にその上に形成されている高反射金属層からの光も十分に透過させることができ、従って反射率の面内のばらつきの問題を抑えることができる。
本発明の半導体発光装置によれば、反射率の面内のばらつきを抑制しながら、各半導体発光素子の高速動作や駆動電流の低減などを図ることが可能となり、各半導体発光素子を画像表示装置の画素として用いた場合に、良好な画像が得られると共に、画像表示装置で消費される電力も低減できる。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、上述のように、優れた利点を有する半導体発光素子を精度良く形成することができる。
本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［第１の実施の形態］
［第１の実施の形態］
本実施形態は、半導体層としてGaN系化合物半導体層を用いた発光ダイオードの例であり、図１に示す素子構造を有している。サファイア基板などの上に、図示するように、ｎ型半導体層であるｎ型GaN層１１が形成され、そのｎ型GaN層１１上に例えばIｎGaNなどからなる活性層１２が形成され、その活性層１２の上には更にｎ型とは反対導電型であるｐ型のGaN層１３が形成される。活性層１２の上下にはクラッド層が設けられ、また、ｎ型GaN層１１の下部にはバッファ層なども形成されるが図面上は省略されている。活性層１２はSQW（Single Quantum Well）やMQW（Multiple Quantum Well）構造であっても良い。
ｎ型GaN層１１は電気的な接続領域を確保するために窓部１４が形成され、この窓部１４の領域で図示しないｎ側電極に接続される。一方、p側電極は、オーミックコンタクトをとるための薄い膜厚ｔ０のオーミック接触層１５と、透明材料によって形成され且つその上部の高反射金属層１７の構成原子のマイグレーションを防止するバリア層としても機能する透明導電層１６と、前記活性層１２で生成された光を反射させる高反射金属層１７とが積層された構造とされている。
オーミック接触層１５はその膜厚ｔ０が例えば１０nm以下、より好ましくは数ｎｍ以下の非常に薄い膜であり、オーミックコンタクトにより低抵抗での接続が実現されるとともに、当該オーミック接触層１５自体を光が透過する。オーミック接触層１５は、Ni, Pt, Mg, Zn, Be, Ag, Au, Geなどからなる材料層であり、例えば２ｎｍ程度のNi薄膜によりオーミック接触層１５を形成した場合では活性層１２から放射された光を透過させて、その透過した光をその上部の高反射金属層１７で反射させることができる。
このようなオーミック接触層１５上には、高反射金属層１７の構成原子のマイグレーションを防止する機能を有した透明導電層１６が形成される。この透明導電層１６は、高反射金属層１７での反射効率を高くするためにマイグレーション防止機能を有すると共に光の透過特性にも優れる。透明導電層１６の膜厚ｔTはおよそ１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、好ましくはおよそ１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。これは膜厚ｔTが薄すぎる場合には、高反射金属層１７の構成原子のマイグレーションを防止する機能が失われてしまうおそれがあり、１００ｎｍ〜２００ｎｍを超える膜厚ｔTとすることで形成される材料によっては透明性が失われて透過率が劣化してしまうことになるためである。透明導電層１６としては、例えばITO, IZO, NiO, In2O3, ZnO, CdO, TiO2, CdIn2O4, Zn2SnO4, CaGaO4などの酸化物系透明導電材料、TiN, ZrN, HfNなどの窒化物系透明導電材料、LaB6などの硼化物系透明導電材料から選択することが可能であり、さらには導電性を有する透明高分子材料などを選択することも可能である。例えば、ITOなどの透明導電層を形成する場合では、スパッタリング法を用いることで、蒸着法などにより成膜する場合に比べて透過率を高くすることが可能である。このような透明導電層１６は、従来の金属膜からなるバリア層と比較しても厚い膜厚とすることができ、薄い膜厚の場合の制御の困難性からは開放され、半導体発光素子の再現性を高めることができる。すなわち、本実施の形態の半導体発光素子は、透明導電層１６の光を十分に透過させる機能を利用しながら、その上の高反射金属層での高反射率を得ることができ、同時に透明導電層１６によるバリア機能も得ることができ、それらの光透過やバリアの機能が再現性良く得られる構造を有している。
透明導電層１６の上には、活性層１２で発生した光を高い反射率で反射して素子全体の光取り出し効率を向上させるための高反射金属層１７が形成されている。この高反射金属層１７は、アルミニウム若しくは銀を主とする金属であり、図１に矢印で示すように高反射金属層１７の底部で反射が生じた場合では、素子の下側から取り出される光が増加することになり、素子の光取り出し効率が大幅に改善される。高反射金属層１７は、例えば膜厚数百ｎｍとされ、例えば真空蒸着法やリフトオフ法などを用いて被着される。高反射金属層１７は、透明導電層１６が存在しない場合には、拡散によるマイグレーションが生じて素子としての機能が失われてしまうが、透明導電層１６がバリア層として存在することから、マイグレーションの問題が生じない。高反射金属層１７上に、他の金属層、例えばTiやAuなどの層を積層させてｐ側電極を完成させることも可能であるが、例えば、Al層を厚く形成して配線層とすることも可能であり、特に画像表示装置などの半導体発光素子が基板上に複数並べて配置される構造の装置においては、配線層としても使用することで、製造工程の工程数の削減や、素子製造における再現性を高めることができる。
このように本実施の形態の半導体発光素子においては、透明導電層１６の光を十分に透過させる機能を利用しながら、その上の高反射金属層での高反射率を得ることができ、同時に透明導電層１６によるバリア機能も得ることができ、それらの光透過やバリアの機能が再現性良く得られることになる。
次に、図２を参照しながら、透明導電層を高反射金属層の底部に形成した構造の半導体発光素子を複数個配列させてなる半導体発光装置について説明する。本実施の形態の半導体発光装置は、例えば画像表示装置や照明装置として用いられるものであり、その断面を図２に示す。
サファイア基板などを利用して結晶成長したｎ型GaN層２１が形成され、そのｎ型GaN層２１上に例えばIｎGaNなどからなる活性層２２が形成され、その活性層２２の上には更にｎ型とは反対導電型であるｐ型のGaN層２３が形成される。このｐ型のGaN層２３上に、オーミック接触層２５、透明導電層２６、及び高反射金属層２７が積層するように形成される。
オーミック接触層２５は、前述のオーミック接触層１５と同様に、その膜厚が例えば１０nm以下、より好ましくは数ｎｍ以下の非常に薄い膜であり、オーミックコンタクトにより低抵抗での接続が実現されるとともに、当該オーミック接触層２５自体を光が透過するように構成されている。オーミック接触層２５は、Ni, Pt, Mg, Zn, Be, Ag, Au, Geなどからなる材料層であり、活性層２２から放射された光を透過させて、その透過した光をその上部の高反射金属層２７で反射させることができる。
このオーミック接触層２５上には、光透過機能を有すると共に高反射金属層２７の構成原子のマイグレーションを防止する透明導電層２６が形成される。この透明導電層２６も前述の透明導電層１６と同様に、例えばITO, IZO, NiO, In2O3, ZnO, CdO, TiO2, CdIn2O4, Zn2SnO4, CaGaO4などの酸化物系透明導電材料、TiN, ZrN, HfNなどの窒化物系透明導電材料、LaB6などの硼化物系透明導電材料から選択することが可能であり、さらには導電性を有する透明高分子材料などを選択することも可能である。
次に、本実施の形態の半導体発光装置では、透明導電層２６上に形成される高反射金属層２７は、例えばアルミニウム系の金属層であり、複数の発光素子の間の配線層としても機能する。図２に示すように高反射金属層２７は素子間絶縁領域２８を越えて隣接する素子の間で連続するように形成され、高反射金属層２７の素子領域内底面は高反射面として活性層２２からの光を反射させると共に、高反射金属層２７自体は低抵抗層として電気信号などの電流経路としても使用される。このように素子間の配線と高反射のための金属層を兼用とすることで、それぞれの層を分けて形成する必要はなくなり、工程数の低減や反射膜と配線層の位置的な整合性なども大幅に改善されることになる。
ｎ側電極２９は、図２において、底面側に配設されているが、光の取り出しを妨害しない位置であってｎ型GaN層２１に接続する位置であれば特に底面側や層間などの位置を問わずに設けることができる。
このように本実施の形態の半導体発光装置では、各半導体発光素子が高反射金属層２７の構成原子のマイグレーションを防止しながら該高反射金属層２７で活性層２２からの光を十分に反射することができ、素子の光取り出し効率を高めることができる。更に、本実施の形態の半導体発光装置では、高反射金属層２７は素子間の配線層としても機能し、配線の引き回しのための新たな金属層が不要であることから、工程数の削減や反射膜と配線層の間の位置ずれなどの問題は発生せずに、半導体発光装置を再現性良く製造できることになる。
次に、図３乃至図８を参照しながら、本実施の形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例について説明する。先ず、サファイア基板などの上に、図示するように、ｎ型半導体層であるｎ型GaN層３１が形成され、そのｎ型GaN層３１上に例えばIｎGaNなどからなる活性層３２が形成され、その活性層３２の上には更にｎ型とは反対導電型であるｐ型のGaN層３３が形成される。活性層３２の上下にはクラッド層が設けら、また、ｎ型GaN層３１の下部にはバッファ層なども形成されるが図面上は省略されている。活性層３２はSQW（Single Quantum Well）やMQW（Multiple Quantum Well）構造であっても良い。GaN層の成長原料は、例えばIII族元素であるGaの原料としてはトリメチルガリウム（TMG）を、III族元素であるAlの原料としてはトリメチルアルミニウム（TMA）を、III族元素であるInの原料としてはトリメチルインジウム（TMI）を、V族元素であるNの原料としてはアンモニア（NH３）を用いる。また、キャリアガスとしては、例えば水素と窒素の混合ガスを用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしてはモノシラン（SiH４）を、ｐ型ドーパントとしては例えばメチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（MCｐ）２Mg）を用いる。
続いて、図４に示すように、ｎ型GaN層３１上の活性層３２及びｐ型GaN層３３の一部がドライエッチング法やウエットエッチング法などにより開口され、ｎ型GaN層３１の開口部３４においてｎ型GaN層３１の表面が露出する。この開口部３４の領域に絶縁層３５が形成され、この絶縁層３５の段差を利用してリフトオフ法などにより、図５に示すようにｐ型GaN層３３の表面にオーミック接触層３６を形成する。オーミック接触層３６は、例えば蒸着法などにより形成され、Niなどの金属材料を用いた場合では、例えば１０nm以下、より好ましくは数ｎｍ以下の非常に薄い膜として形成される。
このような極めて膜厚の薄いオーミック接触層３６を形成した後、図６に示すように、そのオーミック接触層３６の上部に透明導電層３７が形成される。この透明導電層２７は、透明性を確保するために例えばスパッタリング法などによって被着される膜であり、前述のように、例えばITO, IZO, NiO, In2O3, ZnO, CdO, TiO2, CdIn2O4, Zn2SnO4, CaGaO4などの酸化物系透明導電材料、TiN, ZrN, HfNなどの窒化物系透明導電材料、LaB6などの硼化物系透明導電材料から選択することができる。透明導電層３７として、導電性を有する透明高分子材料などを用いた場合では、スピンコート法とエッチバック法などの組み合わせやスクリーン印刷法などによって所望のパターンにすることも可能である。この透明導電層３７の膜厚は、およそ１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、好ましくはおよそ１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であって材料の特性などにより適宜調整される。
続いて、図７に示すように、高反射金属層３８が透明導電層３７の上を含む全面に形成される。この高反射金属層３８は、例えば銀系やアルミニウム系の金属膜であり、蒸着法やスパッタリング法などによって形成される。このような高反射金属層３８を形成した後、図８に示すように、該高反射金属層３８は透明導電層３７及びオーミック接触層３６と共に所要のパターンに形成され、図示しないｎ側電極をｎ型GaN層３１に接続するように形成して素子を完成させる。
なお、ｎ側電極はp側電極よりも先に形成することも可能であり、p側の高反射金属層３８の形成前であって、透明導電層３７やオーミック接触層３６を形成した後でｎ側電極を作るような工程順も可能である。
本実施の形態の半導体発光素子の製造方法によれば、高反射金属層３８の下部に透明伝導層３７を介してオーミック接触層３６が形成されることになり、高反射金属層３８の構成原子のマイグレーションを防止しながら該高反射金属層３８で活性層３２からの光を十分に反射することができ、素子の光取り出し効率を高めることができる。また、透明導電層３７をスパッタリング法で形成した場合では、真空蒸着法によって成膜した場合に比較して光の透過特性を高く保持することができ、素子の光取り出し効率を更に改善可能とする。
１１、２１、３１ ｎ型GaN層
１２、２２、３２ 活性層
１３、２３、３３ ｐ型GaN層
１５、２５、３６ オーミック接触層
１６、２６、３７ 透明導電層
１７、２７、３８ 高反射金属層
１２、２２、３２ 活性層
１３、２３、３３ ｐ型GaN層
１５、２５、３６ オーミック接触層
１６、２６、３７ 透明導電層
１７、２７、３８ 高反射金属層
Claims (7)
- 第１導電型の半導体層上に活性層が形成され、該活性層上に前記第1導電型とは反対の第２導電型の半導体層が形成され、前記第２導電型の半導体層上に、薄膜のオーミック接触層と、透明導電層と、前記活性層で生成された光を反射させる高反射金属層を順次積層させてなることを特徴とする半導体発光素子。
- 前記透明導電層が酸化物系透明薄膜、窒化物系透明薄膜、硼化物系透明薄膜、若しくは高分子系透明薄膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記高反射金属層が銀又はアルミニウムの金属であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記半導体層は窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 第１導電型の半導体層上に活性層が形成され、該活性層上に前記第1導電型とは反対の第２導電型の半導体層が形成され、前記第２導電型の半導体層上に、薄膜のオーミック接触層と、透明導電層と、前記活性層で生成された光を反射させる高反射金属層を順次積層させてなる半導体発光素子を複数個基板上に配列させ、前記高反射金属層は隣接する前記半導体発光素子間の配線全部又は一部とされることを特徴とする半導体発光装置。
- 第１導電型の半導体層上に活性層を形成する工程と、該活性層上に前記第1導電型とは反対の第２導電型の半導体層を形成する工程と、前記第２導電型の半導体層上に薄膜のオーミック接触層を形成する工程と、前記オーミック接触層上に透明導電層を形成する工程と、前記透明導電層上に前記活性層で生成された光を反射させる高反射金属層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
- 前記透明導電層をスパッタリング法を用いて形成することを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子の製造方法。
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