JP2007208047A

JP2007208047A - 半導体発光素子

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Publication number: JP2007208047A
Application number: JP2006025809A
Authority: JP
Inventors: Takuya Kawashima; 卓也川島; Kenji Goto; 謙次後藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】透明導電膜と半導体間のオーミック接続を効率よく確保し、発光体から発生する光を効率的に外部に取り出すことを可能とした半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】本発明の半導体発光素子１は、発光部６を介して第一導電型層５と第二導電型層７を配してなる積層体と、該積層体上に設けた透明導電体１１とを備える半導体発光素子であって、前記透明導電体１１は、少なくとも２層以上の透明導電膜１０からなり、仕事関数において、透明導電体の最表層αと積層体の最表層γとの間に位置する透明導電体の中間層βは、α＞β＞γまたはα＜β＜γの関係にあることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。より詳しくは、透明電極と半導体発光素子との間に透明導電性高分子を用いることによりさらなる高効率化を実現した半導体発光素子に関する。

従来、半導体発光素子（ＬＥＤ）は、光を取り出す上部電極（Ｐ型半導体電極側）に金属タップを用いていた。この場合、金属タップ部分から光は取り出せず、効率の低下を招いていた。そのため上部電極（ｐ型半導体電極側）にＩＴＯ等の透明導電膜を使用し、大面積化することで半導体発光素子内の発光体から発生する光を効率的に外部に取り出すことが考えられた。

図３は、従来の発光素子の一例を示す断面図であり、（ａ）は発光素子の全体図を、（ｂ）は発光素子の部分拡大図を、それぞれ表している。
従来の半導体発光素子１０１は、図３（ａ）に示すように、例えば、サファイヤ基板１０２の一方の面にＧａ系バッファ層１０３を介してｎ型のＧａ系コンタクト層１０４が設けられ、このコンタクト層１０４を介してｎ型のＧａ系クラッド層１０５（主たる第一導電型層）が設けられる。そして、このクラッド層１０５を介してＩｎＧａＮとＧａＮの多重量子井戸（ＭＱＷ）構造となる発光部１０６、発光部１０６を介してｐ型のＧａ系クラッド層１０７（主たる第二導電型層）、クラッド層１０７を介して、同じくｐ型のＧａ系コンタクト層１０８、透明導電膜からなる上部電極１１０が設けられている。さらに、上部電極１１０の表面の周縁の一部にはｐ側電極１１２が設けられ、一方、ｎ型のＧａ系コンタクト層１０４の周辺部の一部の上に積層された各層が除去されて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層１０４上にｎ側電極１１３が設けられている。
上述した半導体発光素子１０１は、図３（ｂ）に示すように、半導体発光素子内の発光部が発する光を外部へ効果的に取り出すため、上部電極１１０にＩＴＯ等の透明導電膜を使用し、取り出し効率の向上を図ったものである（例えば、特許文献１参照）。
特許第３２０７７７３号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、透明導電膜と半導体間のオーミック接続を効率よく確保し、発光体から発生する光を効率的に外部に取り出すことを可能とした半導体発光素子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、発光部を介して第一導電型層と第二導電型層を配してなる積層体と、該積層体上に設けた透明導電体とを備える半導体発光素子であって、前記透明導電体は、少なくとも２層以上の透明導電膜からなり、仕事関数において、透明導電体の最表層αと積層体の最表層γとの間に位置する透明導電体の中間層βは、α＞β＞γまたはα＜β＜γの関係にあ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、前記透明導電体の中間層βは、透明導電性高分子膜であ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２において、前記透明導電性高分子はＰ型半導体であることを特徴とする。

本発明では、透明導電体の中間層として透明導電性高分子を配することにより、透明導電体と半導体層間のオーミック接続を容易に取ることが可能となる。これにより、半導体発光素子の発光効率を向上することができる。

以下、本発明に係る半導体発光素子について添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解するために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明に係る発光素子の第一の実施形態を示す断面図である。
本発明の発光素子１は、サファイヤ基板２の一方の面にＧａＮバッファ層３を介してＳｉをドーパントとするｎ型ＧａＮコンタクト層４が設けられ、このｎ型ＧａＮコンタクト層４を介してＳｉをドーパントとするｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５（主たる第一導電型層）が設けられる。そして、このｎ型ＡｌＧａＮ層５を介してＩｎＧａＮとＧａＮの多重量子井戸（ＭＱＷ）構造となる発光部６、発光部６を介してｐ型ドーパントであるＭｇを含むｐ型ＡｌＧａＮクラッド層７（主たる第二導電型層）、ｐ型ＡｌＧａＮ層７を介して、同じくＭｇをドーパントとするｐ型ＧａＮコンタクト層８、透明導電性高分子膜９、ＩＴＯ膜１０の順に積層されてなる透明導電体１１が設けられている。この透明導電体１１の表面の周縁の一部にはｐ側電極１２が設けられ、一方、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の周辺部の一部の上に積層された各層が除去されて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層４上にｎ側電極１３が設けられている。

ここで本発明では、上記透明導電体１１が、種類の異なる２層以上の透明導電膜が積層されてなる。ここでは、２層の透明導電膜が積層されてなる場合を例に挙げて説明する。

そして２層以上の透明導電膜は、各々の仕事関数が異なる（大小関係をもつ）。具体的に、仕事関数において、透明導電体１１の最表層α（ＩＴＯ膜１０）と積層体の最表層γ（ｐ型ＧａＮコンタクト層８）との間に位置する透明導電体１１の中間層β（透明導電性高分子膜９）は、α＞β＞γまたはα＜β＜γの関係にある。ただし、不等号の一方には、等号がついても構わない。

透明導電体１１の中間層β（透明導電性高分子膜９）の仕事関数が、透明導電体１１の最表層α（ＩＴＯ膜１０）と積層体の最表層γ（ｐ型ＧａＮコンタクト層８）との間にあるため、正孔の注入を効率よく行うことができる。これにより、オーミック接続を容易に確保することができ、その結果、半導体発光素子１の発光効率を向上することができる。
これに対し、仕事関数の不等号が揃わない場合には、正孔の注入を効率よく行うことが困難になり、上述したような本発明の作用・効果が発揮されないので、芳しくない。なお、「不等号が揃わない場合」とは、例えば「α＞β＜γ」や「α＜γ＞β」である場合を意味する。

発光素子１は、有機金属気相成長法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition:以下、ＭＯＣＶＤ法という）、ハライド気相成長法（ＨＤＣＶＤ）等の気相成長法により各層を成長させることによって形成される。
ＭＯＣＶＤ法では、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（ＴＭＧ）、窒素源としてアンモニア（ＮＨ_３）、ヒドラジン等の水素原子を含む化合物、Ｓｉ源としてモノシラン（ＳｉＨ_４）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、Ｍｇ源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用い、キャリアガスとして水素ガス、窒素ガス等が用いられる。

発光素子１の構造は、基板の一方の面に少なくとも第一導電型層、第二導電型層、電流拡散層としての透明導電体が順に積層された構造であればよく、ホモ、シングルへテロ、ダブルヘテロ等の構造とすることができる。例えばサファイヤ基板２の表面に、バッファ層３を介してｎ型コンタクト層４とｎ型クラッド層５、発光部６、ｐ型クラッド層７、ｐ型コンタクト層８、電流拡散層としての透明導電体１１を順に積層したダブルヘテロ構造のものが高発光素子として知られている。

以下においては、発光部６が層を成す場合について述べるが、界面発光の場合には、ｎ型クラッド層５とｐ型クラッド層７の界面が発光部として機能する。
ｎ型コンタクト層４は、ノンドープまたはＳｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｃ等のｎ型ドーパントをドープしたＧａＮで形成できる。ｎ型クラッド層５は、例えばノンドープまたはｎ型ドーパントをドープしたＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等で形成することができる。

発光部６は、ノンドープ、またはｎ型ドーパントおよび／またはＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｂａ等のｐ型ドーパントをドープしたＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等で形成でき、インジウムを含む発光部を形成することにより紫色〜赤色まで発光波長を変化させることが可能である。発光部にｎ型ドーパントをドープすると、ピーク波長における発光強度がさらに大きくなり、ｐ型ドーパントをドープすると波長を約０．５ｅＶ長波長側に持っていくことができ、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとをドープすると発光強度を大きくしたままで、発光波長を長波長側に移動させることができる。

ｐ型クラッド層７は、ｐ型ドーパントをドープしたＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等で形成することができる。またｐ型コンタクト層８は、ｐ型ドーパントをドープしたＧａＮで形成することができ、ｎ型クラッド層５と同じくＧａＮは電極と好ましいオーミック接続を得ることができる。また、ｎ型クラッド層５および／またはｐ型クラッド７層は省略することもできる。省略した場合はコンタクト層がクラッド層として作用する。

透明導電体１１は、種類の異なる２層以上の透明導電膜が積層形成されてなる。そして２層以上の透明導電膜は、各々の仕事関数が異なる（大小関係をもつ）。ここでは、２層の透明導電膜が積層形成されてなる場合を例に挙げて説明する。
透明導電体１１の最表層αは、スズ添加インジウム（ＩＴＯ）、酸化インジウム（ＩＯ）、酸化亜鉛（ＺＯ）、アンチモン添加酸化亜鉛（ＡＺＯ）、Ｇａ添加酸化亜鉛（ＧＺＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＡｌＺＯ）又はホウ素添加酸化亜鉛（ＢＺＯ）からなる膜とすることにより、高導電性と高透光性が発揮される。その中でもＩＴＯ膜が好適に用いられる。

透明導電体１１の中間層βの仕事関数が、透明導電体１１の最表層α（ＩＴＯ膜１０）と積層体の最表層γ（ｐ型ＧａＮコンタクト層８）との間にある。具体的に、仕事関数において、α＞β＞γまたはα＜β＜γの関係にある。ただし、不等号の一方には、等号がついても構わない。
これにより、正孔の注入を効率よく行うことができるので。オーミック接続を容易に確保することができる。その結果、効果的に半導体発光素子１の発光効率を得ることができる。

透明導電体１１の中間層βは、ｐ型半導体であることが好ましい。ただし、この場合は、積層体のうち、透明導電性高分子と近接する側の導電型層（第二導電型層）がｐ型であることが前提である。透明導電体１１の中間層βを、Ｐ型半導体とすることで、オーミック接続をより容易に確保することができ、その結果、半導体発光素子１の発光効率をより向上することができる。

このような透明導電体１１の中間層βは、例えば透明導電性高分子から構成される。透明導電性高分子を用いることにより、容易に作製することができる。
導電性高分子としては、例えば、ＰＥＤＯＴ(ポリエチレンジオキシチオフェン)、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリｐ−フェニレン、ポリフェニレンビニレン等が挙げられる。

従来、ＩＴＯ膜は減圧スパッタ法により成膜されることが多かったが、最近では、スプレー熱分解法（以下、ＳＰＤ法という）が好適に用いられる。ＳＰＤ法は、加熱した基板に原料液をスプレー塗布することで、基板表面上で熱分解および化学反応を生じさせて成膜する方法であるが、大気中での成膜が可能であり、製造コスト低減の上で好適に用いられる成膜法である。

透明導電体１１を形成後、ｐ側電極１２とｎ側電極１３を形成する。ｐ側電極１２は透明導電体表面の所定の部位に形成されるが、ｎ側電極１３は、基板にサファイヤ等の絶縁基板を用いた場合は、基板の他方の面に電極を設けることができないので、化合物層や透明導電体を積層した一方の面側にｐ側電極１２とｎ側電極１３を設けなければならない。この為には、透明導電体１１、ｐ型コンタクト層８、ｐ型クラッド層７、発光部６、ｎ型クラッド層５をエッチングして、ｎ型コンタクト層４を露出させ、その露出部にｎ側電極１３を形成する。

各層をエッチングするにはウェットエッチング、ドライエッチングいずれの方法を用いてもよい。ウェットエッチングでは例えば、リン酸と硫酸との混酸を用いることができる。ドライエッチングでは例えば反応性イオンエッチング、集束イオンビームエッチング、イオンミリング、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）エッチング等を用いることができ、エッチングガスとして反応性イオンエッチング、ＥＣＲエッチングでは、ＣＦ_４、ＣＣｌ_４、ＳｉＣｌ_４、ＣＣｌＦ_３、ＣＣｌＦ_２、ＳＦ_６、ＰＣｌ_３等のガスを用いることができ、集束イオンビームエッチングではＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｉｎ等を金属イオン源として用いることができ、イオンミリングではＡｒ、Ｎｅ、Ｎ_２等の不活性ガスを用いることができる。

エッチングは、各層ごとに最適なエッチング法を選択して、各層毎にマスキングしてエッチングしてもよいが、フォトリソグラフィーの回数増加に伴い、発光面積が減少するので、塩素ガスを含むガス、または臭素ガスを含むガスを用いて、透明導電体１１、ｐ型コンタクト層８、ｐ型クラッド層７、発光部６、ｎ型クラッド層５を一度にエッチングして、ｎ型コンタクト層４を露出する方法が好ましい。
＜第二の実施形態＞

以下、本発明に係る半導体発光素子の第二の実施形態について添付図面に基づいて具体的に説明する。

図２は、本発明に係る発光素子の第二の実施形態を示す断面図である。
この発光素子２０は、第一導電型基板としてのｎ型ＧａＡｓ基板２１の一方の面に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２２（主たる第一導電型層）、ＡｌＧａＩｎＰ発光部２３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２４（主たる第二導電型層）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層２５、透明導電性高分子膜２６、ＩＴＯ膜２７の順に積層されてなる透明導電体２８が順に設けられ、ｎ型ＧａＡｓ基板２１の他方の面にｎ側電極２９が、透明導電体２８の周縁部には円形のｐ型電極３０が設けられている。

この場合にも、透明導電体１１の中間層である透明導電性高分子膜２６の仕事関数が、透明導電体１１の最表層（ＩＴＯ膜２７）と積層体の最表層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層２５）との間にある。これにより正孔の注入を効率よく行うことができるので。オーミック接続を容易に確保することができる。その結果、半導体発光素子の発光効率を向上することができる。

以上、本発明の半導体発光素子について説明してきたが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、透明導電体が、透明導電性高分子膜とＩＴＯ膜とが積層された２層構造の場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、さらにＩＴＯ膜１０上に、その耐熱性保護膜として酸化スズ（ＴＯ膜）又はフッ素添加酸化スズ膜（ＦＴＯ膜）が積層されていてもよい。

＜実施例１＞
図１に示すような構造の発光素子を以下のようにして作製した。
ＭＯＣＶＤ法によりサファイヤ基板の一方の面に各ＧａＮ系化合物層を形成した。原料ガスは、Ｇａはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを、Ｎはアンモニア（ＮＨ_３）ガスを、Ｓｉはモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスを、Ａｌはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを、Ｍｇはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）ガスを用い、キャリアガスとして水素ガスを用いた。

まず、ＭＯＣＶＤ装置内に、直径２インチで（０００１）面を化合物堆積面とするサファイヤ基板を設置し、水素を供給しながら１０５０℃に加熱してサーマルクリーニングを施した。次に、サファイヤ基板を５１０℃まで低下させてＧａＮバッファ層を堆積させた後、ＧａＮバッファ層を設けたサファイヤ基板を１０３５℃まで加熱して、ＮＨ_３ガス、ＴＭＧガス、ＳｉＨ_４ガスを流してＳｉをドーパントとするｎ型ＧａＮコンタクト層を成長させた後、ＮＨ_３ガス、ＴＭＧガス、ＴＭＡガス、ＳｉＨ_４ガスを流してＳｉをドーパントとするｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を成膜した。

次に、試料の温度を７５０℃とし、ＴＭＡガスを断続的に流しつつ、ＧａＮとＡｌＧａＮの多量子井戸（ＭＱＷ）構造とする発光部を、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の上に成長させた。

続いて、ＮＨ_３ガス、ＴＭＧガス、ＴＭＡガス、Ｃｐ_２Ｍｇガスを流して、発光部上に、Ｍｇをドーパントとするｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を形成し、その後、ＮＨ_３ガス、ＴＭＧガス、Ｃｐ_２Ｍｇガスを流して、Ｍｇをドーパントとするｐ型ＧａＮクラッド層を成膜した。

次に、ｐ型ＧａＮクラッド層上にポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）の溶液を塗布、乾燥することにより、ｐ型ＧａＮクラッド層上に厚さ１００ｎｍの透明導電性高分子膜を成膜した。

次に、試料をＳＰＤ法成膜装置に移して、透明導電性高分子膜を３５０℃に加熱保持して、ＳＰＤ法により、透明導電性高分子膜上にＩＴＯ膜用原料化合物溶液を噴霧して厚さ７００ｎｍのＩＴＯ透明導電膜を成膜した。
ＩＴＯ膜用原料化合物溶液は、塩化インジウム（ＩＩＩ）四水和物５．５８ｇと塩化スズ（ＩＩ）二水和物０．２３ｇとをエタノール１００ｍｌに溶解して得た。

次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層の一方の面の周縁部にｎ側電極を形成するために、ｎ側電極形成部上に積層されているｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、発光部、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層、透明導電体を除去するために、透明導電体上にマスクを形成した。マスク形成後、試料をエッチング装置に移して、エッチングガスを流し、ｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでドライエッチングを行った。

ドライエッチングにより露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上に蒸着法により、Ａｌを蒸着してｎ側電極を形成し、マスクを剥がした透明導電体上の周縁の一部に蒸着法によりＡｌを蒸着してｐ側電極を形成した。

この窒化ガリウム系化合物層を形成したサファイヤ基板を３００μｍ角にダイシングしてベアチップとした。そして、このベアチップをステム上にダイボンディングにより実装し、ワイヤボンディングにより配線して発光素子を作製した。
ここで、仕事関数は、ＩＴＯ膜が４．５〜４．８ｅＶ程度、ＰＥＤＯＴ膜が５．０ｅＶ程度、ｐ型ＧａＮコンタクト層が７．０ｅＶ程度である。

＜比較例１＞
ｐ型ＧａＮコンタクト層上に透明導電性高分子膜を成膜せず、ｐ型ＧａＮ層上にスパッタ法によりＩＴＯ膜を直接成膜したこと以外は、実施例１と同様にして発光素子を作製した。

以上のようにして得られた発光素子の発光効率を比較した。その結果、比較例１よりも、ＩＴＯ膜とｐ型ＧａＮコンタクト層との間に透明導電性高分子膜を配した実施例１のほうが発光効率で４１％向上していることが確認された。

＜実施例２＞
図２に示すような構造の発光素子を以下のようにして作製した。
まず、ｎ型のＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ発光部、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層を順に成膜した。

次に、このｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層の表面にポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）の溶液を塗布、乾燥することにより、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）の溶液を塗布、乾燥することにより、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層上に厚さ１００ｎｍの透明導電性高分子膜を成膜した。

この透明導電体の上に、フォトリソグラフィにより、Ａｕ／Ｎｉのｐ側電極を形成し、ＧａＡｓ基板の他方の面には、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕのｎ側電極を形成した。

このようにして積層したウエハを３００μｍ角にダイシングしてベアチップとした。そして、このベアチップをステム上にダイボンディングにより実装し、ワイヤボンディングにより配線して発光素子を作製した。
ここで、仕事関数は、ＩＴＯ膜が４．５〜４．８ｅＶ程度、ＰＥＤＯＴ膜が５．０ｅＶ程度、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層が５．５〜７．０ｅＶ程度である。

＜比較例２＞
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層上に透明導電性高分子膜を成膜せず、ｐ型ＧａＮ層上にスパッタ法によりＩＴＯ膜を直接成膜したこと以外は、実施例１と同様にして発光素子を作製した。

以上のようにして得られた発光素子の発光効率を比較した。その結果、比較例２よりも、ＩＴＯ膜とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層との間に透明導電性高分子膜を配した実施例２のほうが発光効率で３８％向上していることが確認された。

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。

本発明に係る半導体発光素子の一実施形態を示す断面図である。本発明に係る半導体発光素子の他の実施形態を示す断面図である。従来の半導体発光素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１半導体発光素子、５第一導電型層、６発光部、７第二導電型層、９透明導電性高分子膜、１０透明導電膜、１１透明導電体。

Claims

発光部を介して第一導電型層と第二導電型層を配してなる積層体と、
該積層体上に設けた透明導電体とを備える半導体発光素子であって、
前記透明導電体は、少なくとも２層以上の透明導電膜からなり、
仕事関数において、透明導電体の最表層αと積層体の最表層γとの間に位置する透明導電体の中間層βは、α＞β＞γまたはα＜β＜γの関係にあることを特徴とする半導体発光素子。
前記透明導電体の中間層βは、透明導電性高分子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。
前記透明導電性高分子はｐ型半導体であることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。