JP2009054889A - Ｉｔｏ電極及びその作製方法、並びに窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は、ＩＴＯ膜とＧａＮを主原料とする半導体電極層のオーミック接触抵抗を良好に保持するとともにシート抵抗が低く、透明性及び結晶品質で優れたスパッタ法によるＩＴＯの成膜を可能にするＩＴＯ電極及びその作製方法、並びにＩＴＯ電極を有する窒化物半導体発光素子を提供することである。
【解決手段】 ＧａＮを主原料とする半導体層上に積層され、真空蒸着法及びスパッタ法により形成された複層のＩＴＯ膜を含むＩＴＯ電極及びその作製方法、並びにＩＴＯ電極を有する窒化物半導体発光素子である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＩＴＯ電極及びその作製方法、並びに窒化物半導体発光素子に関する。

ＬＥＤ等の発光素子の一般的な素子構造は次のようなものである（図３参照）。
サファイア基板などの結晶基板上に、ＧａＮ系半導体材料からなる低温成長バッファ層（図示せず）を介して、ｎ型ＧａＮコンタクト層１が形成されている。コンタクト層にはｎ側電極が形成されている。
ｎ型ＧａＮコンタクト層１上には、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ＩｎＧａＮ発光層３、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４が形成され、その上にｐ型ＧａＮコンタクト層５が形成されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層５上にはｐ側電極としてのＩＴＯ（酸化インジウム錫）透明電極及び金属電極が形成されている。
ＩｎＧａＮ発光層は、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮあるいはＩｎＧａＮ障壁層を含んだ多重量子構造（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）が一般的に採用される。

図３に示すＧａＮを主原料とするＧａＮ系半導体を用いたＬＥＤの透明電極は、ｐ型ＧａＮコンタクト層上に真空蒸着法の一つである電子ビーム（ＥＢ）蒸着法又はスパッタ法によるＩＴＯを直接形成している。

ＬＥＤ等の発光素子の発光効率を向上させるためには、内部量子効率の向上（結晶品質の向上）と光取出効率の向上が基本的なアプローチとなる。近年では、結晶成長技術の向上に伴って、特に窒化物系ＬＥＤの高出力化が進んでいるが、加工基板とＩＴＯ（酸化インジウム錫）透明電極の応用が高出力ＬＥＤの基本構造であり、技術トレンドになっている。

ＩＴＯ電極は、スプレー法、ＣＶＤ法、ディップ法等の化学反応を利用した化学的成膜法あるいは真空蒸着法、スパッタ法等の物理現象を利用した物理的成膜法により形成される。近年素子の微細化に伴いＩＴＯ電極の成膜法は、真空蒸着法、スパッタ法等の物理的成膜法が主流になっている。

スパッタ法によるＩＴＯ電極は、液晶テレビ等の薄型テレビの電極やＬＣＤ表示装置の電極として多用されている。
これはスパッタ法で製膜したＩＴＯは、抵抗率（シート抵抗）が低く、透明性も高い。また結晶品質が良好であり、かつ量産性にも優れているためとみられる。

一方、上記ＬＥＤ等の発光素子の透明電極は専ら電子ビーム（ＥＢ）蒸着法により製膜されている（非特許文献１参照）。ＥＢ蒸着法が採用されているのは、ＬＥＤ等の発光素子の特にｐ型半導体層表面のダメージが少なく、低い接触抵抗が得られる（駆動電圧が低くなる）ためである。

ＧａＮ系半導体を用いたＬＥＤ等の窒化物半導体発光素子の電極として、シート抵抗が低く、透明性及び結晶品質で優れたスパッタ法による成膜を採用しようとすると次のような問題が生じる。

スパッタ法では電界加速されたアルゴン等のイオンの衝突によりはじき飛ばされたＩＴＯターゲット材料がＬＥＤのp型半導体コンタクト層上に堆積される。
はじき飛ばされたＩＴＯ微粒子が相当の運動エネルギーを有しているために、ｐ型半導体表面にダメージ（表面欠陥）が形成される。形成された欠陥は多くの場合ドナーあるいはキャリヤの捕獲中心となる深い準位として働くため、正孔濃度を実効的に減少させる。そのためにＩＴＯとｐ型半導体コンタクト層とのオーミック接触抵抗が高くなる。スパッタリングにはプラズマ放電を伴うので、プラズマ中のイオンもｐ型半導体コンタクト層表面にダメージを与える。

なおＩＴＯ電極のシート抵抗を下げるため、図４に示すように、Ａｇ、Ａｕ等の導電性金属をＩＴＯ電極に裏打ちすることも提案されている（特許文献１、非特許文献２参照）が、電極の透過率が低下してしまい好ましくない。
特開平９−１７１１８８号公報 Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ４７（２００３）ｐ．８４９． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．８６（２００５）ｐ．２２１１０１−１.

したがって本発明の課題は、上記の欠点を除去し、ＩＴＯ膜とＧａＮを主原料とする半導体電極層のオーミック接触抵抗を良好に保持するとともにシート抵抗が低く、透明性及び結晶品質で優れたスパッタ法によるＩＴＯの成膜を可能にするＩＴＯ電極及びその作製方法、並びにＩＴＯ電極を有する窒化物半導体発光素子を提供することである。

本発明は、次のようなＩＴＯ電極及びその作製方法、並びに窒化物半導体発光素子を提供するものである。
（１）ＧａＮを主原料とする半導体層上に積層され、真空蒸着法及びスパッタ法により形成された複層のＩＴＯ膜を含むＩＴＯ電極。
（２）ＧａＮを主原料とするｐ型半導体層上に積層され、ＥＢ蒸着法及びスパッタ法により形成された複層のＩＴＯ膜を含むＩＴＯ電極。
（３）上記（１）又は（２）に記載のＩＴＯ電極を有する窒化物半導体発光素子。
（４）ＧａＮを主原料とするｐ型半導体層上に真空蒸着法によりＩＴＯ膜を形成する工程及びスパッタ法によりＩＴＯ膜を形成する工程を含むＩＴＯ電極の作製方法。
（５）上記真空蒸着法により形成されるＩＴＯ膜の膜厚は、１０ｎｍ以上であることを特徴とする上記（４）に記載のＩＴＯ電極の作製方法。

本発明によれば、表面ダメージの少ないＥＢ蒸着法等の真空蒸着法で最初のＩＴＯ薄膜を形成し、その後スパッタ法で高品質なＩＴＯ膜を形成するため、良好な電気特性（低いオーム性接触抵抗）と良好な光学特性及び低いシート抵抗の両方を有するＩＴＯ電極を形成することができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明のＩＴＯ電極を備えたＧａＮ系ＬＥＤを示す構造模式図である。
基本的な構造は従来例として挙げた図３のものと異なるところはないが、ｐ側電極としてのＩＴＯ透明電極の構造が異なる。すなわち本発明のＩＴＯ電極は、ＥＢ蒸着法等の真空蒸着法及びスパッタ法により形成された複層のＩＴＯ膜を含むＩＴＯ電極である。

以下本発明に係るＩＴＯ電極の作製方法の一例を説明する。
ＧａＮを主原料とするｐ型半導体コンタクト層上にＥ−ＩＴＯ／Ｓ−ＩＴＯの２層構造ＩＴＯ電極の作製において、最初にＥ−ＩＴＯを製膜する。ここで、Ｅ−ＩＴＯとはＥＢ蒸着で製膜したＩＴＯを示し、Ｓ−ＩＴＯとはスパッタ法で製膜したＩＴＯを示す。また、Ｅ−ＩＴＯ／Ｓ−ＩＴＯは、最初にＥ−ＩＴＯを製膜し続いてＳ−ＩＴＯを製膜することを意味する。
Ｅ−ＩＴＯの製膜条件は、酸素分圧：３．０×１０^―２［Ｐａ］、基板温度：３５０［℃］とし、堆積速度は約０．２［ｎｍ／ｍｉｎ］程度とした。典型的な堆積膜厚は１００ｎｍである。

Ｓ−ＩＴＯの製膜条件は、装置によって大きく異なるが、ＤＣパワーとＲＦパワーが重畳できるタイプであれば、ＤＣパワー：２００［Ｗ］、ＲＦパワー：２００［Ｗ］、酸素流量：１［ｓｃｃｍ］、アルゴン流量：５０［ｓｃｃｍ］、基板温度：３００［℃］、製膜圧力：４．７×１０^―１［Ｐａ］が一般的な製膜条件である。この時、堆積速度：約１１０［ｎｍ／ｍｉｎ］が得られており、堆積膜厚は１１０［ｎｍ］程度を選択する。

ＬＥＤ構造を有するサファイア基板上に５ｎｍ、１０ｎｍ、２５ｎｍ、５０ｎｍ、７５ｎｍ、１００ｎｍの厚さにＥＢ蒸着法によるＩＴＯ膜（Ｅ−ＩＴＯ膜）を形成し、その上にそれぞれ１００ｎｍのスパッタ法によるＩＴＯ膜（Ｓ−ＩＴＯ膜）を成膜してp型半導体コンタクト層上のＩＴＯ電極とした。このサファイア基板をＬＥＤに加工し、プローバーにより計測し評価した。

図２は、その評価結果を示すものである。すなわちＬＥＤに２０ｍＡの順方向電流を流すのに必要な駆動電圧のＥ−ＩＴＯ膜厚依存性を示すものである。図２によれば、Ｓ−ＩＴＯ単膜構造のＩＴＯ電極を有するＬＥＤの順方向電圧に比べてＥ−ＩＴＯ／Ｓ−ＩＴＯの２層構造のＩＴＯ電極を有するＬＥＤの順方向電圧は、その約３／５に減少していることが分かる。また図２よりＥ−ＩＴＯ膜の膜厚は、１０ｎｍ以上であれば効果があり、２５ｎｍ以上であれば十分効果があることが分かる。

以上ｐ型半導体コンタクト層上のＥ−ＩＴＯ／Ｓ−ＩＴＯの２層構造のＩＴＯ電極を有するＬＥＤについて説明したが本発明は、ｎ型半導体コンタクト層上のＥ−ＩＴＯ／Ｓ−ＩＴＯの２層構造のＩＴＯ電極を有するＬＥＤについても適用できる。
またＥＢ蒸着法によるＩＴＯ膜に代えて真空蒸着法一般によるＩＴＯ膜を採用してもよい。
さらにＳ−ＩＴＯ及びＥ−ＩＴＯはそれぞれ２層以上であってもよいし、ＩＴＯ電極上に必要に応じて編目状等の金属電極を付加することもできる。

本発明によるＩＴＯ電極を含むＬＥＤを示す構造模式図である。 ＬＥＤ駆動電圧のＥ−ＩＴＯ膜厚依存性を示す図である。 従来のＩＴＯ電極を含むＬＥＤを示す構造模式図である。 従来のＩＴＯ電極を含む他のＬＥＤを示す構造模式図である。

符号の説明

１ ｎ型ＧａＮコンタクト層
２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
３ ＧａＮ発光層
４ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
５ ｐ型ＧａＮコンタクト層

Claims (5)

1. ＧａＮを主原料とする半導体層上に積層され、真空蒸着法及びスパッタ法により形成された複層のＩＴＯ膜を含むＩＴＯ電極。
2. ＧａＮを主原料とするｐ型半導体層上に積層され、ＥＢ蒸着法及びスパッタ法により形成された複層のＩＴＯ膜を含むＩＴＯ電極。
3. 請求項１又は２に記載のＩＴＯ電極を有する窒化物半導体発光素子。
4. ＧａＮを主原料とするｐ型半導体層上に真空蒸着法によりＩＴＯ膜を形成する工程及びスパッタ法によりＩＴＯ膜を形成する工程を含むＩＴＯ電極の作製方法。
5. 上記真空蒸着法により形成されるＩＴＯ膜の膜厚は、１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載のＩＴＯ電極の作製方法。