JP2007173482A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に接続された導電性酸化物膜とを含んで構成される半導体素子の製造方法であって、表面の最大高さと最小高さとの中間高さよりも表面高さが低い領域が、表面高さが高い領域より多く占める凸優勢の導電性酸化物膜を形成し、該凸優勢の導電性酸化物膜表面を、表面の最大高さと最小高さとの中間高さよりも表面高さが高い領域が、表面高さが低い領域より多く占める凹優勢の導電性酸化物膜に加工することを含む半導体発光素子の製造方法。
【選択図】 図1
Description
このような構成の半導体発光素子では、p型半導体層上の全面電極として、Ni/Au電極等の透明な金属薄膜や、ITO、ZnO、In2O3、SnO2等の導電性酸化物膜が用いられている(例えば、特許文献1及び2)。
前記導電性酸化物膜が、表面の最大高さと最小高さとの中間高さよりも表面高さが高い領域が、表面高さが低い領域より多く占める凹凸を有する凹優勢の導電性酸化物膜であることを特徴とする。
表面の最大高さと最小高さとの中間高さよりも表面高さが低い領域が、表面高さが高い領域より多く占める凹凸を有する凸優勢の導電性酸化物膜の表面を、表面の最大高さと最小高さとの中間高さよりも表面高さが高い領域が、表面高さが低い領域より多く占める凹凸を有する凹優勢の導電性酸化物膜に加工することを特徴とする。
導電性酸化物膜は、通常、半導体発光素子を構成する基板上に、窒化物半導体層を積層し、その上に形成する。
ここで、基板としては、例えば、サファイア、スピネル、SiC、GaN、GaAs等の公知の絶縁性基板及び導電性基板を用いることができる。なかでも、サファイア基板が好ましい。絶縁性基板は、最終的に取り除いてもよいし、取り除かなくてもよい。絶縁性基板を取り除く場合、p電極及びn電極は、同一面側に形成されていてもよいし、異なる面に形成されていてもよい。絶縁性基板を取り除かない場合、通常、p電極およびn電極はいずれも窒化物半導体層上の同一面側に形成されることになる。なお、基板としては、その表面が平坦であるもののみならず、発光層で発生した光を乱反射することができる程度の高低差等が規則的又は不規則的に形成されていてもよい。
ここで、「凸優勢の導電性酸化物膜」とは、例えば、図1(a)に示すように、膜表面に凹凸を有しており、その膜表面の凹凸において、表面の最大高さLと最小高さSとの中間高さZを基準として、表面高さが低い領域Bが、表面高さが高い領域Aより多く(広い面積で)占められている膜、つまり、膜表面において凸部が全体に対して少ないために、その凸部が際立って現れている膜を意味する。言い換えると、中間高さZにおける累積度数分布が50%より小さいことを意味する。さらに、45%以下、40%以下、30%以下、20%以下であることがより適している。
ここで、「凹優勢の導電性酸化物膜」とは、例えば、図1(b)に示すように、この膜表面が凹凸を有しており、その膜表面の凹凸において、表面の最大高さLと最小高さSとの中間高さZを基準として、表面高さが高い領域Aが、表面高さが低い領域Bより多く占められている膜、つまり、膜表面において凹部が全体に対して少ないために、その凹部が際立って現れている膜を意味する。言い換えると、中間高さZにおける累積度数分布が50%より大きいことを意味する。特に、凸優勢の導電性酸化物膜から凹優勢の導電性酸化物膜に加工する場合は、55%より以上、60%以上、65%以上、70%以上であることが好ましい。これにより、光の乱反射を容易にすることができる。つまり、図8(a)に示すように、凸優勢の導電性酸化物膜は、凸部がシャープでその幅が狭いために、光の波長の大きさと凹凸の幅との関係によって、凸部の傾斜面(つまり、窒化物半導体層の表面に対して傾斜した面、以下「側面」という場合がある)に当る光がより少なく、その光の進行方向を変える影響が少ない。一方、図8(b)に示すように、凹優勢の導電性酸化物膜は、凹部がシャープであり、凸部の幅が広いために、凸部の側面に当る光がより多く、その光の反射による影響がより顕著に現れ、乱反射をより顕在化することができる。
以下に、本発明の半導体発光素子及びその製造方法の実施例を説明する。
この実施例の半導体発光素子を図1に示す。
半導体発光素子10は、サファイア基板1の上に、Al0.1Ga0.9Nよりなるバッファ層(図示せず)、ノンドープGaN層(図示せず)が積層され、その上に、n型半導体層2として、SiドープGaNよりなるn型コンタクト層、GaN層(40Å)とInGaN層(20Å)とを交互に10回積層させた超格子のn型クラッド層が積層され、さらにその上に、GaN層(250Å)とInGaN層(30Å)とが交互に3〜6回積層された多重量子井戸構造の活性層3、p型半導体層4として、MgドープAl0.1Ga0.9N層(40Å)とMgドープInGaN層(20Å)とが交互に10回積層された超格子のp型クラッド層、MgドープGaNよりなるp型コンタクト層がこの順に積層されて構成される。
p型半導体層3上には、ほぼ全面に、ITOからなる導電性酸化物膜5が形成されており、この導電性酸化物膜5の一部上にパッド電極6が形成されている。
このような半導体発光素子は、以下の製造方法により形成することができる。
2インチφのサファイア基板1の上に、MOVPE反応装置を用い、Al0.1Ga0.9Nよりなるバッファ層を100Å、ノンドープGaN層を1.5μm、n型半導体層2として、SiドープGaNよりなるn型コンタクト層を2.165μm、GaN層(40Å)とInGaN層(20Å)とを交互に10回積層させた超格子のn型クラッド層5を640Å、GaN層(250Å)とInGaN層(30Å)とを交互に3〜6回積層させた多重量子井戸構造の活性層3、p型半導体層4として、MgドープAl0.1Ga0.9N層(40Å)とMgドープInGaN層(20Å)とを交互に10回積層させた超格子のp型クラッド層を0.2μm、MgドープGaNよりなるp型コンタクト層を0.5μmの膜厚でこの順に成長させ、ウェハを作製した。
得られたウェハを反応容器内で、窒素雰囲気中、600℃にてアニールし、p型クラッド層及びp型コンタクト層をさらに低抵抗化した。
アニール後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、エッチング装置でマスクの上からエッチングし、n型コンタクト層の一部を露出させた。
マスクを除去した後、スパッタ装置にウェハを設置し、In2O3とSnO2とを混合した焼結体からなる酸化物ターゲットとし、スパッタ法によって、ガス圧力、温度、成膜圧力、RFパワーを調整して、ウェハのp型コンタクト層8のほぼ全面に、ITOからなる凸優勢の導電性酸化物膜5を3000Åの膜厚で成膜した。
この導電性酸化物膜5の表面状態を、1.0μm×1.0μmの測定範囲でSPI3800Nの原子間力顕微鏡(AFM)にて測定した。その結果、図3(a)に示すような表面粗さプロファイルが得られた。なお、図3(a)における一断面図は、図3(b)に示すようになる。また、測定範囲におけるこの導電性酸化物膜のZ値は19.0nm、このZ値での累積度数分布は8.53%であった。
この加工した導電性酸化物膜5についても、上記と同様にAFMにて測定した。その結果、図4(a)に示すような表面粗さプロファイルが得られた。なお、図4(a)における一断面図は、図4(b)に示すようになる。また、測定範囲におけるこの導電性酸化物膜のZ値は7.48nm、このZ値での累積度数分布は82.8%であった。
導電性酸化物膜5上に、リフトオフ法により、ボンディング用のパッド電極6を形成した。
その後、n型コンタクト層の上に、n電極7を形成した。
得られたウェハを所定の箇所で分割することにより、半導体発光素子10を得た。
なお、比較のために、上述した工程において、導電性酸化物膜の加工を行わずに、上述した半導体発光素子と同様の素子を作製した。この素子においては、薄膜化による発光出力向上の効果を差し引くため、加工後の導電性酸化物膜の膜厚と同じ膜厚となるように導電性酸化物膜を成膜した。
これらの半導体発光素子について、発光出力を測定した。その結果、20mA、印加時間10ms、光取り出し波長460nmにおいて、導電性酸化物膜の加工を行わないものに対して、実施例の素子は、約5%の発光出力の向上が認められた。
また、長期間の使用においても、劣化及び電極剥がれ等が発生せず、高寿命が認められた。
この実施例では、導電性酸化物膜5の加工を、RFパワー400Wに変更した以外、実質的に実施例1と同様の製造方法で、同様の発光素子を作製した。
この発光素子の加工後の導電性酸化物膜5の表面のAFMでの測定においては、図5(a)に示すような表面粗さプロファイルが得られた。なお、図5(a)における一断面図は、図5(b)に示すようになる。また、測定範囲におけるこの導電性酸化物膜のZ値は27.4nm、このZ値での累積度数分布は81.0%であった。
この発光素子においても、実施例1と同様に、発光出力が向上しており、高寿命化が認められた。
この比較例では、ITO膜の形成を、蒸着法によって所望の膜が得られるように条件等を調整して形成する以外、実質的に実施例1と同様の製造方法で、同様の発光素子を作製した。
得られた導電性酸化物膜について、実施例1と同様に、表面状態を観察した。
その結果、図6(a)に示すような表面粗さプロファイルが得られた。なお、図6(a)における一断面図は、図6(b)に示すようになる。また、測定範囲におけるこの導電性酸化物膜のZ値は8.09nm、このZ値での累積度数分布は52.8%であった。
この加工した導電性酸化物膜5についても、上記と同様にAFMで測定した。その結果、図7(a)に示すような表面粗さプロファイルが得られた。なお、図7(a)における一断面図は、図7(b)に示すようになる。測定範囲におけるこの導電性酸化物膜のZ値は5.85nm、このZ値での累積度数分布は75.3%であり、凹優勢の膜であった。
これらの半導体発光素子について、発光出力を測定した。その結果、20mA、印加時間10ms、光取り出し波長460nmでの発光出力は、導電性酸化物膜の加工の有無にかかわらず、ほとんど変化しなかった。
実施例1と同様に、サファイア基板の上に、半導体層を成長させてウェハを作製し、アニールした後、p型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、エッチングによりn型コンタクト層の一部を露出させた。
マスクを除去した後、ウェハのp型コンタクト層のほぼ全面に、ITOからなる導電性酸化物膜を成膜した。
次いで、ウェハの導電性酸化物膜の表面をドライエッチングにより加工して、凹優勢の導電性酸化物膜とした。
比較のために、上述した工程において、加工の条件のみを変更して、導電性酸化物膜の加工を行い、導電性酸化物膜が凹優勢でも凸優勢でもない発光素子を作製した。
これらの発光素子について、発光出力を比較したところ、凹優勢導電性酸化物膜の方が、発光出力が高かった。
2 n型半導体層
3 活性層
4 p型半導体層
5 導電性酸化物膜
6 パッド電極
7 n電極
10 半導体発光素子
Claims (15)
- 窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に接続された導電性酸化物膜とを含んで構成される半導体素子であって、
前記導電性酸化物膜が、表面に凹凸を有し、該表面の最大高さと最小高さとの中間高さよりも表面高さが高い領域が、表面高さが低い領域より多く占める凹優勢の導電性酸化物膜であることを特徴とする半導体発光素子。 - 凹優勢の導電性酸化物膜が、表面の最大高さと最小高さとの中間高さにおける累積度数分布が50%より大きい請求項1に記載の半導体発光素子。
- 凹優勢の導電性酸化物膜が、凹部の底が2以上の異なる高さを有する請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
- 凹優勢の導電性酸化物膜が、不規則な凹凸である請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 凹優勢の導電性酸化物膜が、中間高さよりも底面の高さが高い凹部を有する請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 導電性酸化物膜が、亜鉛、インジウム、スズ、ガリウム及びマグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含んでなる請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 導電性酸化物膜が、p型窒化物半導体層上に形成されてなる請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に接続された導電性酸化物膜とを含んで構成される半導体素子の製造方法であって、
表面の最大高さと最小高さとの中間高さよりも表面高さが低い領域が、表面高さが高い領域より多く占める凹凸を有する凸優勢の導電性酸化物膜の表面を、表面の最大高さと最小高さとの中間高さよりも表面高さが高い領域が、表面高さが低い領域より多く占める凹凸を有する凹優勢の導電性酸化物膜に加工することを含む半導体発光素子の製造方法。 - 凸優勢の導電性酸化物膜は、表面の最大高さと最小高さとの中間高さにおける累積度数分布が50%より小さく、凹優勢の導電性酸化物膜は、表面の最大高さと最小高さとの中間高さにおける累積度数分布が50%より大きい請求項8に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 凹優勢の導電性酸化物膜は、凹部の底が2以上の異なる高さを有する請求項8又は9に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 凹優勢の導電性酸化物膜が、不規則な凹凸である請求項8〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子の製造方法。
- 凹優勢の導電性酸化物膜は、中間高さよりも底面の高さが高い凹部を有する請求項8〜11のいずれか1つに記載の半導体発光素子の製造方法。
- 加工を、ウェットエッチング、ドライエッチング及び熱処理から選択される少なくとも1つの方法により行う請求項8〜12のいずれか1つに記載の半導体発光素子の製造方法。
- 加工を、ドライエッチングにより行う請求項8〜13のいずれか1つに記載の半導体発光素子の製造方法。
- 導電性酸化物膜を、亜鉛、インジウム、スズ、ガリウム及びマグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含んで形成する請求項8〜14のいずれか1つに記載の半導体発光素子の製造方法。
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