JP2008506251A - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体発光素子製造過程において、Ｐ型窒化ガリウム層形成後に金属水素化物を生成しやすい金属又はこれを含む合金を接触させ、前記Ｐ型窒化ガリウム層上のＭｇ−Ｈ結合体を分離して水素（Ｈ）成分を除去することにより、光効率を向上させることのできる窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明による窒化物半導体発光素子製造方法は、Ｐ型窒化ガリウム層に接触層が形成された窒化物半導体発光素子を提供する段階と、前記窒化物半導体発光素子に水素分離金属を接触させる段階と、前記窒化物半導体発光素子と水素分離金属を振動させる段階と、前記窒化物半導体発光素子の接触層から水素を除去した後、前記水素分離金属を前記窒化物半導体発光素子から分離させる段階とを含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は発光ダイオード製造方法に関し、より具体的には発光ダイオードに結合している水素（Ｈ）を除去することにより、発光効率を向上させた窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
一般に、発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下ＬＥＤともいう）は化合物半導体の特性を利用して電気を赤外線又は光に変換して信号を送受信するが、使用される半導体の一種として家庭用家電製品、リモコン、電光板、表示器、各種自動化機器などに使用される。
前記ＬＥＤの動作原理は、特定元素の半導体に順方向電圧を加えると陽極と陰極（Positive-Negative）の接合（junction）部分を介して電子と正孔が移動して互いに再結合するが、電子と正孔の結合によってエネルギー準位が低下して光が放出されるというものである。
また、ＬＥＤは普遍的に０．２５ｍｍ2と非常に小さいサイズで製作され、エポキシモールド、リ―ドフレーム、及びＰＣＢ（Printed Circuit Board：以下ＰＣＢという）に実装された構造を有する。現在、最も普遍的に使用されているＬＥＤは、５ｍｍ（Ｔ １ ３／４）プラスチックパッケージ（Package）や特定応用分野によって新しい形態のパッケージを開発している。ＬＥＤから放出される光の色は半導体チップ構成元素の配合によって波長を作り、このような波長が光の色を決定する。
特に、ＬＥＤは情報通信機器の小型化、スリム（slim）化傾向によって機器の各種部品である抵抗、コンデンサ、ノイズフィルタなどがさらに小型化しており、ＰＣＢ基板に直接装着するために表面実装部品（Surface Mount Device：ＳＭＤ）型に製作されている。
これに伴って、表示素子として使用されているＬＥＤランプもＳＭＤ型に開発されている。このようなＳＭＤは従来の単純な点灯ランプの代わりに用いることができ、これは多様なカラーを表現する点灯表示器、文字表示器、及び映像表示器などに使用される。
図１は従来の発光ダイオードの構造を示す断面図である。
図１に示すように、Ａｌ2Ｏ3系の成分で構成されるサファイア基板１０上に窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層（GaN buffer layer）１を形成する。次に、前記バッファ層１上にドーピングされていない（Undoped）ＧａＮ層３を連続的に成長させて形成する。
前記のように、前記サファイア基板１０上に第３族元素を薄膜成長させるためには、一般に有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）を用い、成長圧力は２００トル（torr）〜６５０トル（torr）を維持してレイヤ（layer）を形成する。
前記ドーピングされていない（Undoped）ＧａＮ層３上にはＮ型ＧａＮ層５を形成するが、これを形成するためには四水素化シリコン（ＳｉＨ4）又は二水素化シリコン（Ｓｉ2Ｈ6）ガスを利用したシリコンが使用される。
前記Ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層５が成長すると前記Ｎ型窒化ガリウム層５上に活性層７を成長させる。前記活性層７は発光領域であり、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる発光体物質を添加した半導体層である。前記活性層７が成長するとさらにＰ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層９を形成する。ここで、前記Ｐ型窒化ガリウム層９にはＭｇ系の第２族元素を使用する。
前記Ｐ型窒化ガリウム層９は前記Ｎ型窒化ガリウム層５と対照をなすものであり、前記Ｎ型窒化ガリウム層５は外部から印加される電圧によって電子を前記活性層７に供給する。
また、それとは相対的に、前記Ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層９は外部に印加される電圧によって正孔（hole）を前記活性層７に供給することにより、前記活性層７で正孔（hole）と電子が互いに結合して光を発生させる。
図示していないが、前記Ｐ型窒化ガリウム層９上に透明な導電性金属系のＴＭ（Transparent Metal）層を形成して前記活性層７から発生する光を外部に発光させる。
前記ＴＭ（Transparent Metal）層を形成した後、Ｐ型電極を形成して発光ダイオードを完成する。
しかし、このような窒化半導体素子はＰ型窒化ガリウム層に電気的接触層を形成するためにＭｇをドーピングするが、Ｍｇドーピング時にアンモニアガスのＨ成分と結合して前記Ｐ型窒化ガリウム層上に絶縁特性を有するＭｇ−Ｈ結合体が形成されるという問題がある。
これは正孔濃度を上げるためにＭｇを大量に注入しても正孔濃度が上がりにくい原因となる。
このようなＭｇとＨの結合はＰ型窒化ガリウム層の成長後、ＴＭＧａ（Tri Methyl Gallium）やＤＣＰ Ｍｇ（Double Cyclo Pentadienyl Magnesium）の有機に存在する水素が結晶成長時にＭｇと結合したり、Ｐ型のＧａＮ結晶成長後、温度冷却時にＧａＮ表面に窒素のｏｕｔ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎによって窒素空間（N-Vacancy）を形成することを防止するためにアンモニア雰囲気を維持しなければならないことに起因する。
このようなアンモニアが熱分解されて発生する水素がＧａＮ層の表面に存在するＴＤＨ（Treading Dislocation Hole）から内部に浸透して入るためである。
本発明は、半導体発光素子製造過程において、Ｐ型窒化ガリウム層形成後に金属水素化物を生成しやすい金属又はこれを含む合金を接触させ、前記Ｐ型窒化ガリウム層上のＭｇ−Ｈ結合体を分離して水素（Ｈ）成分を除去することにより、光効率を向上させることのできる窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明による窒化物半導体発光素子製造方法は、Ｐ型窒化ガリウム層に接触層が形成された窒化物半導体発光素子を提供する段階と、前記窒化物半導体発光素子に水素分離金属を接触させる段階と、前記窒化物半導体発光素子と水素分離金属を振動させる段階と、前記窒化物半導体発光素子の接触層から水素を除去した後、前記水素分離金属を前記窒化物半導体発光素子から分離させる段階とを含むことを特徴とする。
本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子は、サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成されたＮ型窒化ガリウム層と、前記Ｎ型窒化ガリウム層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたＰ型窒化ガリウム層と、前記Ｐ型窒化ガリウム層上に水素が除去された接触層とを含むことを特徴とする。
本発明は半導体発光素子製造過程において、Ｐ型窒化ガリウム層形成後に金属水素化物を生成しやすい金属を接触させ、前記Ｐ型窒化ガリウム層に存在するＨ成分を除去することにより、Ｐ型窒化ガリウム層の正孔濃度を向上させ、光効率を向上させるという効果がある。
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱しない限り、当該発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば多様な変更及び実施が可能であろう。
以下、添付図面に基づいて本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図２は本発明により発光ダイオード形成後に水素を除去する工程を示す図である。
図２に示すように、前記図１を参照して説明した通り、サファイア基板上にバッファ層、窒化ガリウム層、Ｎ型窒化ガリウム層、活性層、及びＰ型窒化ガリウム層を順次形成した半導体発光素子１１０を形成した後、前記Ｐ型窒化ガリウム層に存在する水素（Ｈ）成分を除去する工程を行う。
前記半導体発光素子１１０をチャンバ１００内に移動させた後、前記チャンバ１００内で前記半導体発光素子１１０を水素成分と結合させ、金属水素化合物を生成しやすい金属又はこれら金属を含む合金からなる水素分離金属１２０に接触させる。
詳細には、前記水素分離金属１２０は、金属水素化物を生成しやすい金属である周期律表の典型元素のうち第２族〜第５族金属、又はこれら周期律表の典型元素のうち第２族〜第５族元素と金属水素化物を生成しにくい第６族〜第８族元素を組み合わせた２元もしくは多元系金属化合物を使用する。
前記水素分離金属１２０は前記チャンバ１００内で前記半導体発光素子１１０全体を取り囲んでおり、前記水素分離金属１２０が前記半導体発光素子１１０に接触している。また、超音波振動発生装置１３０を使用して前記半導体発光素子１１０と水素分離金属１２０とを共に振動させる。
このように超音波により前記半導体発光素子１１０と水素分離金属１２０を振動させると、前記半導体発光素子１１０のＰ型窒化ガリウム層に結合していた水素（Ｍｇ−Ｈ）が活性化状態となり、前記水素分離金属１２０との結合が容易な状態となる。
前記超音波振動発生装置１３０を使用して半導体発光素子１１０を振動させて水素を活性化した後、前記チャンバ１００内に水素（Ｈ2）ガスを注入すると前記水素分離金属１２０とＰ型窒化ガリウム層で活性化した水素が結合する。
このように、振動によって発生した熱により、前記水素分離金属１２０は前記半導体発光素子１１０のＰ型窒化ガリウム層で活性化した水素との結合を促進させる。
前記チャンバ１００内におけるＰ型窒化ガリウム層の表面の水素化金属１２０の結合反応式は次の通りである。
２／ｎＭ＋Ｈ2――＞２／ｎＭＨｎ±ΔＨ（発熱反応：水素結合）―――（１）
２／ｎＭＨｎ＋ΔＨ――＞２／ｎＭ±Ｈ2（吸熱反応：水素分離）―――（２）
（反応温度は１８℃〜６００℃、好ましくは１８℃〜４００℃、Ｍは金属）
また、前記チャンバ１００内で進行する温度は常温又は４００℃以下であり、従来より低い温度で進行する。
前記のような条件で工程を行うと、前記水素分離金属１２０と半導体発光素子１１０のＰ型窒化ガリウム層の表面で活性化した水素が結合し、前記Ｐ型窒化ガリウム層上に形成される接触層はＭｇ金属成分にのみ形成される。
従って、本発明においては、Ｐ型窒化ガリウム層上に形成される接触層は水素が除去されてＭｇからなる。
従来の高温熱処理工程により、ＧａＮ結晶成長層内にＧａ又はＮ位置に置換されるＭｇにおいて高温熱処理によりＭｇと、周辺Ｇａ又はＮとの結合を切断し、Ｍｇを分離させて正孔キャリア（hole carrier）が自由に動けるようにすることにより、低抵抗の高濃度正孔を有する接触層を形成した。
そして、熱処理工程前の窒化物半導体発光素子を電気炉又は他の装備に入れ、窒素（Ｎ2）雰囲気に酸素（Ｏ2）ガスを注入してＰ型窒化ガリウム層成長層の表面に集中した水素と酸素成分間の反応を起こさせることにより、水素濃度を減少させる効果を得た。よって、高抵抗結合体であるＭｇ−Ｈの熱分解を促進させる。
前記方法でＰ型ドーピングのためのＭｇの活性を促進して高濃度の正孔キャリアを生成できるが、酸素（Ｏ2）の注入の危険性、流量による熱処理工程の再現性、熱処理に伴う窒化物半導体の熱的分解によるＮ空白（vacancy）誘発などの特性低下が誘発される。
従って、本発明においては、低温状態で振動により接触層上の水素を活性化した後、水素分離金属と接触させて水素を分離するので、従来の問題が発生しない。
また、前記半導体発光素子１１０のＰ型窒化ガリウム層に存在する水素を除去することにより、前記Ｐ型窒化ガリウム層の正孔密度を高くし、低電圧特性と発光効率を改善することができるという利点がある。
図３は本発明による発光ダイオードの製造工程を説明するためのフローチャートである。
図３に示すように、サファイア基板上にバッファ層、窒化ガリウム層、Ｎ型窒化ガリウム層、活性層、及びＰ型窒化ガリウム層を順次成長させて窒化物半導体発光素子を形成する。（Ｓ３０１）
次に、前記窒化物半導体発光素子のＰ型窒化ガリウム層に存在する水素を除去するための工程を行うが、前記窒化物半導体発光素子をチャンバに移動させて金属水素化物を生成しやすい金属又はこれらを含む合金からなる水素分離金属を前記窒化物半導体発光素子と接触させる。（Ｓ３０２）
前記窒化物半導体発光素子は前記水素分離金属により全体が取り囲まれ、前記窒化物半導体発光素子の外側と前記水素分離金属の内側が接触する。
前記チャンバ内で窒化物半導体発光素子が金属に接触すると、超音波振動発生装置を使用して前記窒化物半導体発光素子及び接触した水素分離金属を振動させ、前記窒化物半導体発光素子に結合した水素（Ｍｇ−Ｈ）を活性化する。（Ｓ３０３）
正確には、前記窒化物半導体発光素子のＰ型窒化ガリウム層の接触層を形成するために注入するマグネシウム（Ｍｇ）と結合して電気移動度を低下させるＨを活性化する。
前述したように窒化物半導体発光素子の水素が振動により活性化すると、前記水素分離金属と活性化した水素の結合を促進させるために水素ガスを工程チャンバに供給する。（Ｓ３０４）
前記水素ガスの供給により、前記窒化物半導体発光素子で活性化した水素は接触した水素分離金属と結合して水素化合物を形成する。
これにより、窒化物半導体発光素子のＰ型窒化ガリウム層に存在する水素が除去され、接触層は水素が除去されたＭｇから形成される。従って、正孔数が増加して電気的導電性が向上する。（Ｓ３０５）
従って、半導体発光素子のＰ型窒化ガリウム層で水素成分が除去されて正孔密度が高くなり、半導体発光素子の駆動電圧を低くすることができる。
さらに、正孔濃度が高くなって活性層で電子と正孔の結合数が多くなるので、発光効率が改善されるという利点がある。
本発明においては、窒化物半導体発光素子のＰ型窒化ガリウム層上に形成される電気的接触層から水素を除去することにより、正孔濃度を高くして電気的特性を向上させる効果がある。
従来の発光ダイオードの構造を示す図である。 本発明により発光ダイオード形成後に水素を除去する工程を示す図である。 本発明による発光ダイオードの製造工程を説明するためのフローチャートである。
符号の説明
１００：チャンバ
１１０：半導体発光素子
１２０：水素分離金属
１３０：超音波振動発生装置

Claims (15)

  1. Ｐ型窒化ガリウム層に接触層が形成された窒化物半導体発光素子を提供する段階と、
    前記窒化物半導体発光素子に水素分離金属を接触させる段階と、
    前記窒化物半導体発光素子と水素分離金属を振動させる段階と、
    前記窒化物半導体発光素子の接触層から水素を除去した後、前記水素分離金属を前記窒化物半導体発光素子から分離させる段階とを含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子製造方法。
  2. 前記窒化物半導体発光素子と水素分離金属を振動させた後、水素結合を促進させるために水素ガスを供給する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  3. 前記水素分離金属が周期律表の典型元素のうち第２族〜第５族金属のいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  4. 前記水素分離金属が周期律表の典型元素のうち第２族〜第５族元素と第６族〜第８族元素の金属化合物であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  5. 前記工程は進行温度が常温又は４００℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  6. 前記Ｐ型窒化ガリウム層上に形成される接触層が、水素を除去して正孔密度を高くしたことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  7. 前記Ｐ型窒化ガリウム層上に形成される接触層がＭｇから形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  8. 前記窒化物半導体発光素子と水素分離金属を振動する方法が超音波振動装置を使用することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  9. 前記窒化物半導体発光素子と水素分離金属を振動させて前記Ｐ型窒化ガリウム層の接触層に存在する水素を活性化することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  10. 前記窒化物半導体発光素子は前記水素分離金属に全体が取り囲まれて接触することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子製造方法。
  11. サファイア基板と、
    前記サファイア基板上に形成されたＮ型窒化ガリウム層と、
    前記Ｎ型窒化ガリウム層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成されたＰ型窒化ガリウム層と、
    前記Ｐ型窒化ガリウム層上に水素が除去された接触層とを含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  12. 前記接触層がＭｇから形成されることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
  13. 前記接触層に結合した水素が、振動によって活性化した後、除去されることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
  14. 前記接触層は、周期律表の典型元素のうち第２族〜第５族金属を接触させて水素が除去されたことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
  15. 前記接触層は、周期律表の典型元素のうち第２族〜第５族元素と第６族〜第８族元素の金属化合物を接触させて水素が除去されたことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
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