JP2006179618A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属薄膜の密着性とオーミックコンタクトを達成する際のアニール処理においても、透明導電膜の導電性が低下しないように工夫した半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 ｎ型およびｐ型の半導体層１，２の接合界面を発光部とし、この発光部から透明導電膜３を介して発光する半導体発光素子において、透明導電膜３は、半導体層２上に積層されると共に、少なくとも半導体層２に最接近する領域にガリウムを含有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、化合物半導体層から光を取り出すための半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、透明導電膜を窓極として使用する半導体発光素子およびその製造方法に関する。

ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＩＮなどの窒化ガリウム系化合物を用いた半導体発光素子は、緑色や青色の可視光を発するデバイスとして注目されている。この半導体発光素子を製造するには、窒化ガリウム系化合物半導体と格子整合する基板が少ないことから、通常、サファイアが結晶成長用の基板として用いられる。しかし、サファイアは電気絶縁性なので、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの導電性を有する半導体基板を用いる場合と異なり、基板側から電極を取り出すことができないことから、基板に積層された半導体層上にｐ側電極およびｎ側電極を並設させることになる。そして、このような半導体発光素子として、既に、透光性の電極を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が提案されていて、高い光の透過性を確保している（特許文献１を参照）。

ここでは、例えば、図６に示すように、サファイア基板１００の一面にＧａＮバッファ層１０１を介してｎ型ＧａＮ層１０２が積層されており、このｎ型ＧａＮ層１０２に、それぞれ、ｐ型ドーパントであるＭｇを含むｐ型ＧａＮ層１０３、および、Ｔｉ／Ａｕなどからなるｎ側電極１０４が設けられる。そして、ｎ側電極１０４は、その周囲を電気絶縁性のＳｉＯ２膜１０５で囲まれて、ｐ型ＧａＮ層１０３と電気的に絶縁されている。

また、ｐ型ＧａＮ層１０３上にはＳｉＯ２膜１０６、Ｍｇ入りの金属薄膜層１０７が積層され、この金属薄膜層１０７上には透明電極として電流拡散用のスズ添加酸化インジュウム（ＩＴＯ）膜１０８が設けられ、このＩＴＯ膜１０８の一部に掛かるようにＳｉＯ２膜上にＴｉ／Ａｕなどからなるｐ側電極１０９が設けられている。

このような構成では、ｎ型ＧａＮ層１０２とｐ型ＧａＮ層１０３との接合界面から発する光を、透明導電膜１０８を通して取り出すことになる。なお、図中、点線は、ｐ側電極１０９から透明導電膜１０８を介して接合界面へ流れる電流を、また、一点鎖線は、接合界面から発する光が、透明導電膜１０８を介して外部に導出される状況を示している。

さて、この半導体発光素子は、その透明導電膜（ＩＴＯ膜）１０８にｎ型不純物であるＳｎを含むので、ｐ型ＧａＮ層１０３上には直接に形成できないため、ｐ型ＧａＮ層１０３との間の密着性とオーミックコンタクトの取り易い、Ｍｇ入りの金属薄膜層１０７を介装している。この金属薄膜層１０７は、発光源からの透光率を少なくとも７０％、確保するために、２ｎｍの厚さに形成しており、また、透明導電膜１０８も、金属薄膜層１０７のシート抵抗を低減させるために１００ｎｍの厚さに形成している。
特許第３２０７７７３号公報

しかしながら、上述の密着性とオーミックコンタクトを達成するには透明導電膜１０８を積層した後、５００℃で１０分間のアニール処理を施す必要があり、その結果、透明導電膜１０８中に発光体成分のガリウムが拡散し、透明導電膜の導電性が低下する、即ち、発光効率が低下するという問題がある。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、金属薄膜の密着性とオーミックコンタクトを達成する際のアニール処理においても、透明導電膜の導電性が低下しないように工夫した半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る半導体発光素子は、ｎ型およびｐ型の半導体層の接合界面を発光部とし、該発光部から透明導電膜を介して発光する半導体発光素子であって、透明導電膜は、半導体層に積層されると共に、少なくとも半導体層に最接近する領域にガリウムを含有することを特徴とする。

本発明の請求項２に係る半導体発光素子は、請求項１において、透明導電膜が、半導体層上に金属薄膜電極層を介して積層されていることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る半導体発光素子は、請求項１又は２において、透明導電膜が、異なる２層以上の透明導電体で構成され、ガリウムを含有する領域が、半導体層に最接近する層の透明導電体であることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る半導体発光素子は、請求項１〜３の何れか１項において、ガリウムを拡散させた領域が、透明導電酸化物からなる薄膜であることを特徴とする。

本発明の請求項５に係る半導体発光素子は、請求項４において、ガリウムを含有する領域が、酸化亜鉛膜であることを特徴とする。

本発明の請求項６に係る半導体発光素子の製造方法は、ｎ型およびｐ型の半導体層の接合界面を発光部とし、該発光部から透明導電膜を介して発光する半導体発光素子を製造する方法であって、半導体層上に透明導電膜を積層するに際して、該透明導電膜の少なくとも半導体層に最接近する領域について、透明導電膜の出発原料に予めガリウム成分を持つ物質を混合させることを特徴とする。

本発明の請求項７に係る半導体発光素子の製造方法は、請求項６において、半導体層上に金属薄膜電極層を介して透明導電膜を積層することを特徴とする。

本発明の請求項８に係る半導体発光素子の製造方法は、請求項５又は６において、透明導電膜の出発原料は、半導体層又は金属薄膜電極層上にスプレー熱分解法により成膜されることを特徴とする。

このように、本発明では、透明導電膜の半導体層に最接近する領域にガリウムを含有するので、密着性とオーミックコンタクトを達成する際のアニール処理において、透明導電膜の導電性が低下するのを抑制することができる。

次に、図１〜図５を参照して、本発明に係る半導体発光素子およびその製造方法について、その実施の態様を具体的に説明する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態として図１に示す半導体発光素子は、ｎ型およびｐ型の半導体層１および２の接合界面を発光部とし、この発光部から透明導電膜３を介して発光する高輝度ＬＥＤであって、透明導電膜３は、半導体層２上に積層されているものである。

具体的に、半導体層１がｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層１ａ、ｎ−ＡｌＧａＮ：Ｓｉ層１ｂ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層１ｃからなる積層膜であり、例えば、サファイア基板５の上に、低温成長ＧａＮバッファ層６を介して順次積層される。また、半導体層２はｐ−ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層２ａ、ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層２ｂからなる積層膜であり、半導体層１の上に積層される。また、これと並んで半導体層１には、最終的にＮ電極７が設けられる。そして、透明導電膜３は、半導体層２上に積層される。なお、透明導電膜３は、異なる２層以上の透明導電体（この実施の形態では、２層の透明導電体３ａ、３ｂ）で構成される。特に、本発明では、透明導電体３ａが、少なくとも半導体層２に最接近する透明導電膜３の領域であり、ここにガリウムを拡散させて、ガリウム成分を含む導電性の高い透明導電膜（スズ添加酸化インジウム、酸化インジウム、酸化亜鉛などを主成分とする）として機能する。なお、透明導電体３ｂは、耐熱性の高い透明導電膜として、酸化スズまたはフッ素添加酸化スズの膜で構成される。

ここでの成膜には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、ハイライド気相成長法（ＨＤＣＶＤ）などが用いられる。前者では、原料ガスに、例えばガリウム源としてトリメチルガリウム、窒素源としてモノシラン、アルミニウム源としてトリメチルアルミニウム、インジウム源としてトリメチルインジウム、マグネシウム源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用い、キャリアガスとして水素ガス、窒素ガスなどを用いる。

透明導電膜３の半導体層２に最接近する領域にガリウムを拡散させるには、透明導電膜３の出発原料に予めガリウム成分を持つ物質を混合させる手段が用いられる。具体的には、図５に示すように、透明導電膜３の出発原料を半導体層２上にスプレー熱分解法（ＳＰＤ法）により成膜する。ここでは、大気中で半導体チップ（未完の半導体発光素子）あるいはウエハを、ヒータで加熱された支持台８上に載せ、その上方に配置したノズル９から、エアの吹き込みにより、例えば、エタノール溶液を噴霧することで、透明導電体３ａを成膜するのである。

この際、透明導電体３ａを、透明導電酸化物としてのＺｎＯで成膜する場合、支持台５上のチップあるいはウエハは３００℃に加熱する。また、ＧＺＯおよびＡＺＯで成膜する場合、支持台５上のチップあるいはウエハは３２０℃に加熱する。また、エタノール溶液には、塩化亜鉛（水和物）および塩化ガリウムが溶かされており、ガリウムの添加量が亜鉛に対して元素比で０．３ａｔ％となるように配合される。さらに、塩化ガリウムに代えて塩化アルミニウムを溶かし、アルミニウムの添加量が亜鉛に対して元素比で０．３ａｔ％となるように配合してもよい。なお、透明導電体３ａの成膜後、透明導電体３ｂを連続して成膜してもよい。

このように構成した後、半導体２との間の密着性およびオーミック接合を実現するため、大気中で５００℃／ｈｏｕｒのアニール処理を行う。このとき、半導体層２から拡散するガリウムとあわせてＺｎＯ中の不純物ドープ量は、１．０〜４．０ａｔ％であることが望ましい。そして、最後に半導体発光素子のＮ電極とＰ電極とを取り付けるのである。このようにして、半導体発光素子をホモ、シングルへテロ、ダブルへテロなどの構造とする。

なお、上記第１の実施の形態では、透明導電膜３を２層に分けたが、これをスズ添加酸化インジウムなどの１層で構成し、この全領域にガリウムを拡散させることもできる。また、拡散するガリウムに代わる素材として、アルミニウム、砒素などが挙げられる。更に、透明導電膜３を２層以上（例えば、３層）に分けた場合、ガリウムを含む酸化亜鉛膜は、最外表層以外の透明導電体であり、その下層が金、銀、銅、白金、ニッケル、マグネシウム、クロム、タングステンより選択された少なくとも２種を含む合金であるとよい。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態として図２に示す半導体発光素子において、半導体層１は、ｎ−ＧａＡｓ基板５’の上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１ａ’を介してＡｌＧａＩｎＰ層１ｂ’を積層したものであり、半導体層２は、半導体層１の上に、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２a’を介してｐ−ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層２ｂ’を積層したものである。なお、透明導電膜３の構成は、第１の実施の形態と同様なので、その説明を省略する。ここでも、透明導電膜３は２層に分けられ、半導体層２に最接近する領域としての透明導電体には、ガリウムを拡散する。

これら第１及び第２の実施の形態で、ガリウム（あるいはアルミニウム）を拡散した領域を有するＧａＮ系およびＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子について、その抵抗値の低減効果を数値的に示した計測結果を以下の表１および表２で示す。なお、本発明との対比のため、半導体層２に最接近する領域にガリウム（あるいはアルミニウム）を拡散しない従来の事例を添えている。

以上の表１及び表２の結果から、ＬＥＤ作成過程で熱処理を行うと、透明導電膜中に発光体成分としてのガリウムが拡散していることがわかる。さらに、予め透明導電膜の材料にガリウムを添加することにより、ガリウムが拡散する量とあわせて、最適なガリウムドープ量を得ることができる。なお、ガリウムをアルミニウムなどの他のドーパントに置き換えても、同様の効果があると認められる。また、この測定結果は、改善前の透明導電膜（ＩＴＯ単層膜）の場合と比較して低減することが可能であることを示している。因みに、ＺｎＯを用いた場合では、発光効率がＧａＮ系で４２％、ＡｌＧａＩｎＰ系で３６％程度の向上した。また、ＧＺＯを用いた場合には、発光効率がＧａＮ系で４５％、ＡｌＧａＩｎＰ系で３９％程度の向上した。また、ＡＺＯを用いた場合には、発光効率がＧａＮ系で４４％、ＡｌＧａＩｎＰ系で３７％程度の向上した。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態として図３に示す半導体発光素子は、ｎ型およびｐ型の半導体層１および２の接合界面を発光部とし、この発光部から透明導電膜３を介して発光する高輝度ＬＥＤであって、透明導電膜３は、半導体層２上に金属薄膜電極層４を介して積層されているものである。

具体的には、半導体層１がｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層１ａ、ｎ−ＡｌＧａＮ：Ｓｉ層１ｂ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層１ｃからなる積層膜であり、例えば、サファイア基板５の上に、低温成長ＧａＮバッファ層６を介して順次積層される。また、半導体層２はｐ−ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層２ａ、ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層２ｂからなる積層膜であり、半導体層１の上に積層される。また、これと並んで半導体層１には、最終的にＮ電極７が設けられる。そして、透明導電膜３は、金属薄膜電極層（例えば、Ｎｉを５ｎｍ厚にて蒸着）４を介して半導体層２上に積層される。なお、透明導電膜３は、異なる２層以上の透明導電体（この実施の形態では、２層の透明導電体３ａ、３ｂ）で構成される。特に、本発明では、透明導電体３ａが、少なくとも金属薄膜電極層４に最接近する透明導電膜３の領域であり、ここにガリウムを拡散させて、ガリウム成分を含む導電性の高い透明導電膜（スズ添加酸化インジウム、酸化インジウム、酸化亜鉛などを主成分とする）として機能する。なお、透明導電体３ｂは、耐熱性の高い透明導電膜として、酸化スズまたはフッ素添加酸化スズの膜で構成される。

ここでの成膜には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、ハイライド気相成長法（ＨＤＣＶＤ）などが用いられる。前者では、原料ガスに、例えばガリウム源としてトリメチルガリウム、窒素源としてモノシラン、アルミニウム源としてトリメチルアルミニウム、インジウム源としてトリメチルインジウム、マグネシウム源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用い、キャリアガスとして水素ガス、窒素ガスなどを用いる。

透明導電膜３の金属薄膜電極層４に最接近する領域にガリウムを拡散させるには、透明導電膜３の出発原料に予めガリウム成分を持つ物質を混合させる手段が用いられる。具体的には、図５に示すように、透明導電膜の出発原料を金属薄膜電極層４上にスプレー熱分解法（ＳＰＤ法）により成膜する。ここでは、大気中で半導体チップ（未完の半導体発光素子）あるいはウエハを、ヒータで加熱された支持台８上に載せ、その上方に配置したノズル９から、エアの吹き込みにより、例えば、エタノール溶液を噴霧することで、透明導電体３ａを成膜するのである。

この際、透明導電体３ａを、透明導電酸化物としてのＺｎＯで成膜する場合、支持台５上のチップあるいはウエハは３００℃に加熱する。また、ＧＺＯおよびＡＺＯで成膜する場合、支持台５上のチップあるいはウエハは３２０℃に加熱する。また、エタノール溶液には、塩化亜鉛（水和物）および塩化ガリウムが溶かされており、ガリウムの添加量が亜鉛に対して元素比で０．５ａｔ％となるように配合される。さらに、塩化ガリウムに代えて塩化アルミニウムを溶かし、アルミニウムの添加量が亜鉛に対して元素比で０．５ａｔ％となるように配合してもよい。なお、透明導電体３ａの成膜後、透明導電体３ｂを連続して成膜してもよい。

このように構成した後、金属薄膜電極層４と半導体２との間の密着性およびオーミック接合を実現するため、大気中で５００℃／ｈｏｕｒのアニール処理を行う。このとき、半導体層２から拡散するガリウムとあわせてＺｎＯ中の不純物ドープ量は、１．０〜４．０ａｔ％であることが望ましい。そして、最後に半導体発光素子のＮ電極とＰ電極とを取り付けるのである。このようにして、半導体発光素子をホモ、シングルへテロ、ダブルへテロなどの構造とする。

なお、上記第３の実施の形態では、透明導電膜３を２層に分けたが、これをスズ添加酸化インジウムなどの１層で構成し、この全領域にガリウムを拡散させることもできる。また、拡散するガリウムに代わる素材として、アルミニウム、砒素などが挙げられる。更に、透明導電膜３を２層以上（例えば、３層）に分けた場合、ガリウムを含む酸化亜鉛膜は、最外表層以外の透明導電体であり、その下層が金、銀、銅、白金、ニッケル、マグネシウム、クロム、タングステンより選択された少なくとも２種を含む合金であるとよい。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態として図４に示す半導体発光素子において、半導体層１は、ｎ−ＧａＡｓ基板５’の上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１ａ’を介してＡｌＧａＩｎＰ層１ｂ’を積層したものであり、半導体層２は、半導体層１の上に、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２a’を介してｐ−ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層２ｂ’を積層したものである。なお、透明導電膜３、金属薄膜電極層４の構成は、第１の実施の形態と同様なので、その説明を省略する。ここでも、透明導電膜３は２層に分けられ、金属薄膜電極層４に最接近する領域としての透明導電体には、ガリウムを拡散する。

これら第３及び第４の実施の形態で、ガリウム（あるいはアルミニウム）を拡散した領域を有するＧａＮ系およびＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子について、その抵抗値の低減効果を数値的に示した計測結果を以下の表３および表４で示す。なお、本発明との対比のため、金属薄膜電極層４に最接近する領域にガリウム（あるいはアルミニウム）を拡散しない従来の事例を添えている。

以上の表３及び表４の結果から、ＬＥＤ作成過程で熱処理を行うと、透明導電膜中に発光体成分としてのガリウムが拡散していることがわかる。さらに、予め透明導電膜の材料にガリウムを添加することにより、ガリウムが拡散する量とあわせて、最適なガリウムドープ量を得ることができる。なお、ガリウムをアルミニウムなどの他のドーパントに置き換えても、同様の効果があると認められる。また、この測定結果は、改善前の透明導電膜（ＩＴＯ単層膜）の場合と比較して、比抵抗で約２／３未満に低減することが可能であることを示している。因みに、ＺｎＯを用いた場合で、発光効率はＧａＮ系で４６％、ＡｌＧａＩｎＰ系で３８％程度の向上した。また、ＧＺＯを用いた場合には、発光効率がＧａＮ系で５１％、ＡｌＧａＩｎＰ系で４２％程度の向上した。また、ＡＺＯを用いた場合には、発光効率がＧａＮ系で４８％、ＡｌＧａＩｎＰ系で４１％程度の向上した。

本発明で特徴となる半導体発光素子の構造は、液晶表示素子や太陽電池に代表される光電変換素子における性能向上に有効である。

第１の実施の形態である半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 第２の実施の形態である半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 第３の実施の形態である半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 第４の実施の形態である半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 ＳＰＤ法を用いて、透明導電膜を積層する事例を示す側面図である。 従来の半導体発光素子の一般的な構成を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１・・・半導体層、１ａ・・・ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層、１ｂ・・・ｎ−ＡｌＧａＮ：Ｓｉ層、１ｃ・・・ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層、２・・・半導体層、２ａ・・・ｐ−ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層、２ｂ・・・ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層、３・・・透明導電膜、３ａ、３ｂ・・・透明導電体、４・・・金属薄膜電極層、５・・・サファイア基板、６・・・低温成長ＧａＮバッファ層、７・・・Ｎ電極、８・・・支持台、９・・・ノズル

Claims (8)

1. ｎ型およびｐ型の半導体層の接合界面を発光部とし、該発光部から透明導電膜を介して発光する半導体発光素子であって、
   前記透明導電膜は、前記半導体層上に積層されると共に、少なくとも前記半導体層に最接近する領域にガリウムを含有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記透明導電膜は、前記半導体層上に金属薄膜電極層を介して積層されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記透明導電膜は、異なる２層以上の透明導電体で構成され、前記ガリウムを含有する領域は、前記半導体層に最接近する層の透明導電体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記ガリウムを含有する領域は、透明導電酸化物からなる薄膜であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記ガリウムを含有する領域は、酸化亜鉛膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
6. ｎ型およびｐ型の半導体層の接合界面を発光部とし、該発光部から透明導電膜を介して発光する半導体発光素子を製造する方法であって、
   前記半導体層上に前記透明導電膜を積層するに際して、該透明導電膜の少なくとも前記半導体層に最接近する領域について、前記透明導電膜の出発原料に予めガリウム成分を持つ物質を混合させることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
7. 前記半導体層上に金属薄膜電極層を介して前記透明導電膜を積層することを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
8. 前記透明導電膜の出発原料は、前記半導体層又は前記金属薄膜電極層上にスプレー熱分解法により成膜されることを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体発光素子の製造方法。

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