JP2008294188A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率の良好な半導体発光素子を得る。
【解決手段】半導体発光素子１００は、サファイア基板上にバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮ層１０３、発光層１０４、ｐ型層１０５を順に積層して形成した後、、酸化スズと酸化インジウムの混合物（酸化スズ５％）をターゲットとして、真空蒸着法により３００ｎｍの膜厚のＩＴＯの針状結晶から成る透光性ｐ電極１０６を真空度２．５×１０−３Ｐａ下でｐ型層１０５の上に形成する。次に、不活性ガス雰囲気下で、７００℃、５分間の焼成を行う。この後、通常のフォトリソグラフィによりレジストを形成し、ＩＴＯ膜をウェットエッチングし、ＩＴＯ膜のパターニングを行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は、III族窒化物系化合物半導体を積層して形成した半導体発光素子に関する。本発明は、特に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の針状結晶から成る薄膜が表面に形成された半導体発光素子に関する。

現在、III族窒化物系化合物半導体素子は非導電性のサファイア基板を用い、ｎ電極、ｐ電極共に半導体素子層側に形成したものが一般的である。ここで、いわゆるフェイスアップ型のIII族窒化物系化合物半導体素子においては、ｐ型層表面に例えば合金化した金（Ａｕ）及びコバルト（Ｃｏ）から成る薄膜透光性電極を用いて、光を電極を形成した側から取り出している。しかし、Ａｕ／Ｃｏ薄膜透光性電極は、光透過率が６０％程度であり、光取り出し効率は十分とは言えない。

一方、III族窒化物系化合物半導体発光素子の透光性電極として、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いることが提案されている。（特許文献１）ここで、ＩＴＯを透光性電極とした場合においても、ＩＴＯ表面における全反射等により、光取り出し効率はまだ十分とは言えない。また、III族窒化物系化合物半導体発光素子のｐ電極以外の部分、例えば、ｎ電極周囲、側面、III族窒化物系化合物半導体が形成されていない基板側等からの光取り出しについても、全反射等により、光取り出し効率は十分とは言えない。

また、特許文献２には、針状ＩＴＯ微粒子を塗布後加熱処理することにより、ＩＴＯ膜を形成する方法が開示されている。
特許第３３９４４８８号公報 特開２００６−２１２５８４号公報

ＩＴＯ膜に関し、光取り出し効率を向上させる方法は、いまだ解明されていない。よって本発明の目的は、光取り出し効率を向上させるために、表面に、成膜時に針状に形成されたＩＴＯの針状結晶から成る薄膜が形成されたIII族窒化物系化合物半導体発光素子を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段によれば、基板上にIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成した半導体発光素子において、前記半導体発光素子の表面には、成膜時に形成されたＩＴＯの針状結晶から成る薄膜が形成されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の手段によれば、前記薄膜は前記半導体発光素子の電極であることを特徴とする。また、請求項３に記載の手段によれば、前記薄膜は前記半導体発光素子の側面に形成されていることを特徴とする。また、請求項４に記載の手段によれば、前記薄膜は前記基板の前記III族窒化物系化合物半導体が積層されていない側に形成されていることを特徴とする。

また、請求項５に記載の手段によれば、III族窒化物系化合物半導体を積層して形成した半導体発光素子の製造方法において、前記半導体発光素子の表面に、ＩＴＯの針状結晶から成る薄膜を、真空度１．０×１０^−１Ｐａ以下で、真空蒸着法、イオンプレーティング法またはスパッタ法により形成することを特徴とする。

以下に示す通り、本発明者らは、ＩＴＯの針状結晶から成る薄膜を半導体発光素子の表面に形成することにより、光取り出し効率を向上させることができることを見出した。

ＩＴＯの針状結晶は、太さ２００ｎｍ以下であることが望ましい。太さ２００ｎｍ以上の場合、光取り出し効率向上の効果が少ない。

ＩＴＯ膜は半導体発光素子の透光性電極とすることができる。基板上にIII族窒化物系化合物半導体のｎ型層、発光層、ｐ型層を積層し、ｐ型層上にＩＴＯの針状結晶から成る薄膜を形成し、電極とすることにより、光取り出し効率の良好な半導体発光素子を得ることができる。また、ＩＴＯの針状結晶から成る薄膜を、半導体発光素子の側面、または、基板のIII族窒化物系化合物半導体が積層されていない側に形成することによっても、光取り出し効率の良好な半導体発光素子を得ることができる。

ＩＴＯ膜は、真空蒸着法、イオンプレーティング法またはスパッタ法により形成する。このとき、真空度１．０×１０^−１Ｐａ以下で形成することが好ましい。この範囲外で形成した場合、光取り出し効率が良好な、針状結晶から成るＩＴＯ膜が得られない。また、ＩＴＯ膜形成後、不活性ガス雰囲気で６００℃以上で熱処理を行うことが好ましい。

ＩＴＯ膜を透光性電極とした場合、ワイヤボンディングのためのパッド電極を設けることが好ましい。パッド電極については、厚膜の金（Ａｕ）により形成すると良い。厚さは０．５〜３μｍの範囲で任意に設定される。主としてＡｕによりパッド電極を形成する場合、ＩＴＯから成る透光性電極との間にニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）又はアルミニウム（Ａｌ）を形成すると、パッド電極とＩＴＯから成る透光性電極との接合度が高くなる。特にニッケルＮｉを用いた場合、接合度がより高くなる。

本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子は、上記の発明の主たる構成に係る限定の他は、任意の構成を取ることができる。また、本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。

具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＭｇＯ或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。

発光層を多重量子井戸構造とする場合は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物系化合物半導体Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１）から成る井戸層を含むものが良い。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体ＡｌＧａＩｎＮから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）の井戸層とアンドープのＧａＮから成る障壁層である。

電極形成層等のIII族窒化物半導体層は、少なくともＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１），０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）で置き換えても良く、また、窒素（Ｎ）の一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）で置き換えても良い。

更に、これらの半導体を用いてｎ型またはｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等、ｐ型不純物としては、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を添加することができる。

ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層は、ｎ型コンタクト層、ＧａＮ／ＧａＩｎＮの超格子歪緩和層等の多層構造とすることができ、ｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層は、ｐ型コンタクト層、ＡｌＧａＮ／ＧａＩｎＮの超格子クラッド層等の多層構造とすることができる。

以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

図１に、本発明の第１の実施例にかかるＩＴＯ膜の表面ＳＥＭ写真を示す。まず、本発明の半導体発光素子における、ＩＴＯの針状結晶の形成状態を示すため、次の実験を行った。酸化スズと酸化インジウムの混合物（酸化スズ５％）をターゲットとして、真空蒸着法によりｐ型ＧａＮ上に３００ｎｍの膜厚のＩＴＯを形成した。この際、ＩＴＯ膜成膜時の真空度を２．５×１０^−３Ｐａとした場合に図1に示すＩＴＯ膜が形成された。長さ５００ｎｍ、太さ１００ｎｍの光取り出し効率の良好な針状結晶から成る薄膜が得られていることがわかる。ここで、成膜時の真空度を安定させるためには、高真空（１×１０^−４Ｐａ以下）まで真空にした後、酸素を所定流量導入することにより、所望の真空度に制御することができる。その場合、成膜時の真空度は酸素圧ということになる。

〔比較例１〕これに対し、ＩＴＯ膜成膜時の真空度を５．０×１０^―１Ｐａとした場合に形成されたＩＴＯ膜の表面ＳＥＭ写真を図２に示す。この場合良好な針状結晶は得られず、光取り出し効率の向上は見られない。

図３に、本発明の第２の実施例に係る半導体発光素子１００の模式的な断面図を示す。半導体発光素子１００では、図３に示す様に、厚さ約４００μｍのサファイア基板１０１の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約１５ｎｍのバッファ層１０２が成膜され、その上にIII族窒化物系化合物半導体からなるｎ型層１０３、発光層１０４、ｐ型層１０５が形成されている。

又、ｐ型層１０５の上にはＩＴＯの針状結晶から成る透光性ｐ電極１０６が、ｎ型層１０３上にはｎ電極１０８が形成されている。

ｐパッド電極１０７は、膜厚約３０ｎｍのＮｉより成る第１層１２１と、膜厚約１．５μｍのＡｕより成る第２層１２２と、膜厚約１０ｎｍのＡｌより成る第３層１２３とを透光性ｐ電極１１０の上から順次積層させることにより構成されている。

多層構造のｎ電極１０８は、ｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分の上から、膜厚約１８ｎｍのバナジウム（Ｖ）より成る第１層１４１と膜厚約１００ｎｍのＡｌより成る第２層１４２とを積層させることにより構成されている。

半導体発光素子は、サファイア基板上にバッファ層１０２、ｎ型層１０３、発光層１０４、ｐ型層１０５を順にエピタキシャル成長させ、ｎ電極１０８を形成するためのエッチングを行った後、次のように電極形成を行った。

酸化スズと酸化インジウムの混合物（酸化スズ５％）をターゲットとして、真空蒸着法により３００ｎｍの膜厚のＩＴＯの針状結晶から成る透光性ｐ電極１０６を真空度２．５×１０^−３Ｐａ下でｐ型層１０５の上に形成した。次に、不活性ガス雰囲気下で、７００℃、５分間の焼成を行った。この後、通常のフォトリソグラフィによりレジストを形成し、ＩＴＯ膜をウェットエッチングし、ＩＴＯ膜のパターニングを行った。

次に、フォトレジストにより厚膜ｐ電極１０７を形成すべき領域を窓としたマスクを形成した後、膜厚約３０ｎｍのＮｉより成る第１層と、膜厚約１．５μｍのＡｕより成る第２層と、膜厚約１０ｎｍのＡｌより成る第３層とを透光性ｐ電極１０６の上に順に形成した。この後フォトレジストを除去した。

全く同様に、フォトレジストによりｎ電極１０８を形成すべき領域を窓としたマスクを形成した後、膜厚約１８ｎｍのＶより成る第１層と膜厚約１００ｎｍのＡｌより成る第２層とを、ｎ型層１０３の露出した領域に形成した。この後フォトレジストを除去した。

次に透光性ｐ電極（ＩＴＯ）１０６、厚膜ｐ電極１０７、ｎ電極１０８を加熱処理した。最後にＳｉＯ_２から成る保護膜を形成した。尚、保護膜１３０は、ＳｉＯ_２に替えてＳｉＮ_ｘを用いても良い。

〔比較例２〕上記の実施例において、透光性ｐ電極（ＩＴＯ）１０６の形成時の真空度（酸素圧）を５．０×１０^―１Ｐａとし、同様な半導体発光素子を作製したところ、ＩＴＯは針状結晶とはならず、発光特性は、全放射束が１４．５ｍＷであったのに対し、本発明の半導体発光素子では、全放射束が１５．５ｍＷであり、全放射束が向上した。

図４に、本発明の第３の実施例に係る半導体発光素子２００の模式的な断面図を示す。半導体発光素子２００では、図４に示す様に、
ｐ型層２０５の上にＩＴＯの針状結晶から成る透光性ｐ電極２０６を設け、ｎ型層２０３の上に、Ｖ／Ａｌから成るｎパッド電極２０８を設けた。さらに、ｎ型層２０３のｎパッド電極２０８に覆われていない露出部分にＩＴＯの針状結晶から成る薄膜２０９を設けた。ｎ型層上にＩＴＯの針状結晶から成る透光性薄膜を設けたことにより、さらに、光取り出し効率が向上した。

実施例３の変形例として、ｎ型層上のＩＴＯ針状結晶から成る透光性ｎ電極を設け、その上にｎパッド電極を設けることもできる。

図５に、本発明の第４の実施例に係る半導体発光素子３００の模式的な断面図を示す。半導体発光素子３００では、図５に示す様に、ｐ半導体発光素子の側面にＩＴＯの針状結晶から成る透光性薄膜３０９を設けることにより、半導体発光素子側面からの光取り出し効率が向上した。

実施例３，４では、透光性ｐ電極として、従来のＣｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ等から成る金属透光性電極を用いることもできる。

図６に、本発明の第５の実施例に係る半導体発光素子４００の模式的な断面図を示す。半導体発光素子４００では、図６に示す様に、半導体発光素子のIII族窒化物系化合物半導体が積層されていない側から光を取り出すいわゆるフリップチップ型であり、ｐ型層４０５の上にＲｈ／Ａｕから成るｐ電極４０６を設け、III族窒化物系化合物半導体が積層されていない側にＩＴＯの針状結晶から成る透光性薄膜４０９を設けることにより、半導体発光素子からの光取り出し効率が向上した。

実施例３，４，５では、半導体発光素子のｎ電極周辺、側面、III族窒化物系化合物半導体が積層されていない基板側の面からの光取り出し効率を向上させることができた。

本発明の実施例１に係るＩＴＯ膜の表面ＳＥＭ写真 比較例１に係るＩＴＯ膜の表面ＳＥＭ写真 本発明の実施例２に係る半導体発光素子１００の構成を示す断面図 本発明の実施例３に係る半導体発光素子２００の構成を示す断面図 本発明の実施例４に係る半導体発光素子３００の構成を示す断面図 本発明の実施例５に係る半導体発光素子４００の構成を示す断面図

符号の説明

１００，２００，３００，４００：半導体発光素子１０１，２０１，３０１，４０１：サファイヤ基板１０２，２０２，３０２，４０２：バッファ層１０３，２０３，３０３，４０３：ｎ型層１０４，２０４，３０４，４０４：発光層１０５，２０５，３０５，４０５：ｐ型層１０６，２０６，３０６：透光性ｐ電極（ＩＴＯ）１０７，２０７，３０７：ｐパッド電極４０６：ｐ電極１０８，２０８，３０８，４０８：ｎ電極２０９，３０９，４０９：透光性薄膜（ＩＴＯ）

Claims (5)

1. 基板上にIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成した半導体発光素子において、前記半導体発光素子の表面には、成膜中に形成された酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の針状結晶から成る薄膜が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記薄膜は前記半導体発光素子の電極であ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. 前記薄膜は前記半導体発光素子の側面に形成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。
4. 前記薄膜は前記基板の前記III族窒化物系化合物半導体が積層されていない側に形成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。
5. III族窒化物系化合物半導体を積層して形成した半導体発光素子の製造方法において、前記半導体発光素子の表面に、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の針状結晶から成る薄膜を、真空度１．０×１０^−１Ｐａ以下で、真空蒸着法、イオンプレーティング法またはスパッタ法により形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。