JP2009231549A - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化インジウムセリウムからなる透光性電極のシート抵抗及び順方向電圧を低下させることにより、発光効率を向上させる窒化物系半導体発光素子を得ること。
【解決手段】全体に対し、酸化セリウムが１０ｗｔ％〜２０ｗｔの割合で含有されている酸化インジウムセリウムを用いて窒化物半導体発光素子の電極を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_１-Ｘ-ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）で示される窒化物系半導体の電極として透光性電極を用いた窒化物系半導体発光素子に関するものである。

例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板等の絶縁性成長基板上に窒化物系半導体層を形成する発光素子では、主として、サファイア基板側をプリント基板等の搭載部に接合して使用するフェイスアップ型発光素子と、窒化物半導体側を接合して使用するフェイスダウン型発光素子の２種類が知られている。前者においては、主たる発光素子からの発光光の光取り出し面が窒化物半導体層側の上面となるため、最上層に形成される電極を透光性電極とする必要がある。
一般的に、透光性電極としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ（酸化インジウム錫））を使用したフェイスアップ型発光素子が知られている。

ところで、窒化物系半導体は、２．５程度の高い屈折率を有する。そのため、発光素子として窒化物半導体を使用する際に、透光性電極と窒化物系半導体との屈折率差を小さくすることにより、界面の臨界角を大きくし、発光素子の光取り出し効率を向上させることが求められている。
ＩＴＯは屈折率が１．８〜１．９であるため、更なる高屈折率の透光性電極が求められている。その一例として、屈折率が２．０〜２．１であるＩＣＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｃｅｒｉｕｍ−Ｏｘｉｄｅ（酸化インジウムセリウム））を用いることが考えられる（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−２７９００５号公報

しかしながら、ＩＣＯはシート抵抗が大きく、電流の拡散性が優れないために、順方向電圧（Ｖ_Ｆ）が高い。これらに伴い、発光素子の発光効率が悪いという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を鑑みてなされたものであって、ＩＣＯからなる透光性電極のシート抵抗及び順方向電圧を低下させることにより、発光効率を向上させる窒化物系半導体発光素子を得ることを目的とする。

上記の課題は、透光性電極を有する窒化物半導体発光素子において、前記透光性電極は酸化インジウムセリウムからなり、前記酸化インジウムセリウムの全体に対し、酸化セリウムが１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％の割合で含有されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子により解決される。
前記透光性電極は、ｐ電極として用いられることが好ましい。
前記透光性電極は、ｐ電極及びｎ電極として用いられることが好ましい。
前記透光性電極の膜厚は、１００ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましい。

本発明者は酸化インジウムセリウムの全体に対し、酸化セリウムが１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％の割合で含有させることにより、シート抵抗及び順方向電圧が低下することを見出した。従って、上記組成の酸化インジウムセリウムを電極として用いることにより、発光効率を向上させる窒化物系半導体発光素子を得ることができる。

本発明者らは、ＩＣＯのシート抵抗を低減させるために以下の実験を行なった。

まず、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）と酸化インジウム（ＣｅＯ_２）混合物であって、酸化インジウムが１０ｗｔ％であるターゲットとして用意した。そして、サファイア基板を電子線蒸着装置に配置し、装置内部の圧力を０．０１Ｐａ以下、温度を３５０℃とした。次に、０．０１５Ｐａ〜０．１Ｐａの間の５種類の酸素導入条件に分けて、電子線蒸着法により膜厚が２００ｎｍのＩＣＯ膜をサファイア基板の表面に形成した。また、上記５種類のＩＣＯ膜の各々について、１５Ｐａ以下の圧力下で温度が７００℃、処理時間が５分間の焼成処理を行なったものと、焼成処理を行なわなかったものについて、シート抵抗を測定した。実験結果を表１に示す。

表１から、酸素導入条件に係らず、焼成処理を行なったものは、ＩＣＯ膜のシート抵抗が低下していることが明らかとなった。また、０．０３Ｐａ以下の酸素導入下では、焼成処理の有無に係らず、安定した低シート抵抗のＩＣＯ膜を得ることができることが判明した。

このような電流拡散性を向上させたＩＣＯ膜を電極として用いることにより、発光効率の高い発光素子を製造することができる。

さらに、本発明者らは、ＩＣＯ膜の組成がシート抵抗及び順方向電圧に及ぼす影響について以下の実験を行なった。

（第１の実施の形態）
図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態の発光素子の製造方法を示す断面図である。

まず、図１（ａ）に示す窒化物系化合物層の形成について説明する。
有機洗浄及び熱処理により洗浄したサファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でＨ_２（水素）を流速２リットル／分で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板１０をベーキングした。

次いで、温度を４００℃まで低下させて、Ｈ_２を２０リットル／分、ＮＨ_３（アンモニア）を１０リットル／分、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を１．８×１０^−５モル／分で約１分間供給してＡｌＮからなるバッファ層を約１５ｎｍの厚さに形成した。

バッファ層２を形成した後、温度を１１５０℃に上昇させて、Ｈ_２を２０リットル／分、ＮＨ_３を１０リットル／分、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を１．７×１０^−４モル／分、Ｈ_２により０．８６ｐｐｍに希釈されたシラン（ＳｉＨ_４）を２０×１０^−８モル／分で４０分間供給し、膜厚約４．０μｍ、電子濃度２×１０^１８／ｃｍ^３、Ｓｉ（シリコン）濃度４×１０^１８／ｃｍ^３のｎ型ＧａＮから成るｎ型コンタクト層を形成する。そして、温度を８００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を１０リットル／分、ＮＨ_３を１０リットル／分で供給し、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｈ_２ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランの供給量を切り替えて、アンドープのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９ＮとアンドープのＧａＮとＳｉドープのＧａＮを１組として１０組積層した多重層から成る膜厚約７４ｎｍのｎ型クラッド層を形成した。これらｎ型コンタクト層及びｎ型クラッド層をもってｎ型層３とした。

ｎ型層３を形成した後、温度を７７０℃に保持し、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡの供給量を切り替えて、膜厚約３ｎｍのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなる井戸層と、膜厚約２ｎｍのＧａＮと膜厚３ｎｍのＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎからなるバリア層とが交互に８組積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層４を形成した。

発光層４を形成した後、温度を８４０℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を１０リットル／分、ＮＨ_３をリットル／分で供給し、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ、Ｃｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）の供給量を切り替えて、ｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎとｐ型Ｉｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎの多重層から成る膜厚約３３ｎｍのｐ型クラッド層を形成した。次に、温度を１０００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を２０リットル／分、ＮＨ_３を１０リットル／分で供給し、ＴＭＧとＣｐ_２Ｍｇの供給量を切り替えて、Ｍｇ（マグネシウム）濃度５×１０^１９／ｃｍ^３とＭｇ濃度１×１０^２０／ｃｍ^３の、Ｍｇ濃度の異なる２つのＧａＮ層から成るｐ型コンタクト層を形成した。これらｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層をもってｐ型層５とした。

上記の通り、窒化物系化合物半導体層を形成した後、所定領域に窓を形成したフォトレジストをマスクとして用い、マスクで覆われていない部分のｐ型層５、発光層４、ｎ型層３のｎ型クラッド層及びｎ型コンタクト層の一部まで塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングによりエッチングして、所定の領域のｎ型コンタクト層の表面を露出させた。

ｎ型コンタクト層を露出させた後の窒化物半導体を、酸化セリウムと酸化インジウムの混合物であって、酸化セリウムが５ｗｔ％〜３０ｗｔ％までの間の６種類のターゲットを用意した電子線蒸着装置に配置し、装置内部の圧力を０．０１Ｐａ以下、温度を３５０℃とした。次に、０．０３Ｐａの酸素を導入し、各々のターゲットに対して電子線蒸着法により、窒化物半導体の露出した表面全体に膜厚が２５０ｎｍのＩＣＯ膜を形成した後、温度が７００℃、処理時間が５分間の焼成処理を行なった。そして、図１（ｂ）に示すように、所定領域に窓を形成したフォトレジストをマスクとしてｐ型層５の上面のみにＩＣＯ膜を残るようにウェットエッチングを施し、残したＩＣＯ膜をｐ電極１０とした。その後、フォトレジストは除去した。

ｐ電極１０を形成した後、図１（ｃ）所定領域に窓を形成したフォトレジストをマスクとして用い、ｐ電極１０の上面の一部に真空蒸着法によりＮｉ（ニッケル、膜厚４０ｎｍ）／Ａｕ（金、膜厚１５００ｎｍ）を積層した後、フォトレジストをリフトオフにより除去して、ｐパッド電極を形成した。

ｐ電極を形成した後、図１（ｄ）所定領域に窓を形成したフォトレジストをマスクとして用い、露出させたｎ型コンタクト層の上面の一部にＶ（バナジウム、膜厚１７．５ｎｍ）／Ａｌ（アルミニウム、膜厚２０２０ｎｍ）を積層した後、フォトレジストをリフトオフにより除去して、ｎ電極２０を形成した。

ｎ電極２０を形成した後、窒素を含む雰囲気下で温度が６００℃、処理時間が５分間の加熱処理によりｎ電極２０のｎ型コンタクト層に対する合金化と、ｐ型層５の低抵抗化を行った。

最後に、ＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）を用いたＣＶＤにより窒化物半導体側の表面全体にＳｉＯ_２（酸化シリコン）からなる保護膜を形成した後、所定領域に窓を形成したフォトレジストをマスクとして用い、ウェットエッチングにより保護膜からｐパッド電極の上面及びｎ電極が露出するようにした。

このような工程により形成した組成の異なるＩＣＯ膜からなるｐ電極を有する複数種の窒化物半導体発光素子の諸特性を測定した。
図３は、ＩＣＯ膜の組成に対する順方向電圧（順方向電流２０ｍＡ時の電圧）とシート抵抗の測定結果を示すグラフである。
図３を参照すると、酸化セリウムの含有量が１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％において、順方向電圧はその前後の含有量より顕著に低い値を示している。この傾向は、シート抵抗についても同様に表れている。

図４は、ＩＣＯ膜の組成に対する発光素子の発光光の全放射束の出現率を示すグラフである。
図４を参照すると、酸化セリウムの含有量が２５ｗｔ％以上になると、全放射束は低くなる傾向にあることがわかる。

図３及び図４のグラフから、ｐ電極としてＩＣＯ膜を用いる場合、ＩＣＯ膜の組成は１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％の酸化セリウムを含有させることが最適であることが見出された。
尚、上記の製造方法によるＩＣＯ膜のｐ型層に対するコンタクト抵抗は０．００６Ω・ｃｍ^２であることが確認されており、良好なオーミック接触を得られている。

（第２の実施の形態）
図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、本発明の第２の実施の形態の発光素子の製造方法を示す断面図である。

第２の実施の形態は、ｐ電極，ｐ電極パッド及びｎ電極の形成方法において、第１の実施の形態と異なる。尚、図２（ａ）は第１の実施の形態と同様のため、詳細な説明を省略する。

本実施の形態は、ｐ電極，ｐ電極パッド及びｎ電極を同時に形成を行なう点が特徴となっている。図２（ａ）に示すように、サファイア基板１上にバッファ層２，ｎ型層３，発光層４及びｐ型層をサファイア基板１側からこの順に形成し、図２（ｂ）に示すように、所定の領域のｎ型層３の表面を露出させた後、酸化セリウムと酸化インジウムの混合物であって、酸化セリウムが５ｗｔ％〜３０ｗｔ％のターゲットを用意し、電子線蒸着法により、窒化物半導体の露出した表面全体にＩＣＯ膜を形成して焼成処理を行う。そして、所定領域に窓を形成したフォトレジストをマスクとしてｐ型層５及びｎ型層の上面のみにＩＣＯ膜を残るようにウェットエッチングを施し、残したＩＣＯ膜をｐ電極１０及びｎ電極下層２０ａとした。その後、フォトレジストは除去した。

次に、図２（ｃ）に示すように、所定領域に窓を形成したフォトレジストをマスクとして、ｐ電極１０の上面の一部及びｎ電極の上面に真空蒸着法によりＮｉ／Ａｕを積層した後、フォトレジストをリフトオフにより除去して、ｐパッド電極１１及びｎ電極上層２０ａを形成する。
即ち、本実施の形態では、ｎ電極の電極はｐ電極及びｐパッド電極と同じ材質、同じ膜厚であり同じ積層構造である。

このような製造方法を採用した本実施の形態では、製造工程が簡略化されるため、窒化物系半導体発光素子を安価に製造することができる。

（その他の実施の形態）
尚、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
上記の実施の形態では、ＩＣＯ膜の形成は、ｎ型コンタクト層を露出させた後に行なったが、ＩＣＯ膜の形成の後にｎ型コンタクト層を露出させてもよい。尚、上記の実施の形態では、電子線蒸着法を用いてＩＣＯ膜を形成したが、イオンプレーティング法，スパッタ法によりＩＣＯ膜を形成してもよい。

ＩＣＯ膜の膜厚は１００ｎｍ〜１０００ｎｍで形成することが好ましい。ＩＣＯ膜が１００ｎｍより薄くなるとＩＣＯ膜の電気抵抗が高くなり、順方向電圧が上昇する原因となり、ＩＣＯ膜が１０００ｎｍより厚くなると、ＩＣＯ膜での光吸収や窒化物系半導体発光素子の発光が不均一となり、光取り出し効率が低下するためである。

ＩＣＯ膜の形成雰囲気は０．０１Ｐａ以上の酸素導入下で行なうことが好ましい。０．０１Ｐａ未満の酸素導入下では、ＩＣＯ膜の結晶構造が崩れ、キャリア密度、移動度が低下するため、ＩＣＯ膜のシート抵抗が上昇してしまうためである。

ＩＣＯ膜の焼成雰囲気は窒素雰囲気若しくは１５Ｐａ以下の真空雰囲気が好ましい。ある程度以上の酸素含有雰囲気下での焼成は、キャリアとなっていた酸素空孔が酸化により消失し、シート抵抗が上昇するためである。ＩＣＯ膜の焼成条件は３００℃〜８００℃が好ましい。３００℃未満での焼成では、ＩＣＯ膜の結晶構造が安定しないため、焼成によるシート抵抗の低減の効果が得られず、８００℃を超えた焼成では、窒化物系半導体層に損傷を与えることが懸念されるためである。

ｐ電極と接するｐパッド電極の最下層は、上記の実施の形態で挙げたＮｉ（ニッケル）以外でもｐ電極とオーミック接触する金属であればよい。このような金属として、Ｔｉ（チタン），Ｃｒ（クロム），Ｒｈ（ロジウム），Ａｌ（アルミニウム）が挙げられる。
ｎ型コンタクト層と接するｎ電極の最下層は、上記の実施の形態で挙げたＶ（バナジウム）以外でもｎ型コンタクト層とオーミック接触する金属であればよい。このような金属として、Ｎｉ（ニッケル），Ｔｉ（チタン），Ｗ（タングステン）が挙げられる。
ｐパッド電極の最上層及びｎ電極の最上層は、ボンディング性が良好なＡｕ（金），Ａｕ合金，Ａｌ（アルミニウム），アルミニウム合金が好ましい。

また、上記の実施の形態では、保護膜としてＳｉＯ_２（酸化シリコン、屈折率１．４５）を用いたが、ＳｉＮ_Ｘ（窒化シリコン、屈折率１．８〜２．０）を用いてもよい。例えば、本発明の窒化物系半導体発光素子が樹脂により封止される場合、光取り出しの経路である窒化物系半導体（屈折率２．５），ＩＣＯ（屈折率２．０〜２．１），ＳｉＮ_Ｘ（屈折率１．８〜２．０），樹脂（屈折率１．４〜１．５）と屈折率が徐々に変化するため、光取り出し効率の更なる向上を図ることができる。
更に、上記の実施の形態では、窒化物系半導体層の成長基板として、サファイア基板を用いたが、これに替えて、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４），窒化ガリウム（ＧａＮ），炭化珪素（ＳｉＣ），酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）等からなる結晶基板を用いてもよい。

本発明のＩＣＯ膜は、種々の形態の窒化物系半導体発光素子の電極として用いることができる。例えば、基板が導電性を有し、基板裏面と窒化物半導体上面に電極を有する窒化物系半導体発光素子に対しても本発明のＩＣＯ膜を窒化物半導体側の電極として用いることができる。
その一例として、成長基板上に窒化物系半導体層を形成した後、ｐ型コンタクト層の表面にＡｇ（銀）やＡｇ合金等の高い反射性金属を用いてｐ電極を形成した後、ＡｕＳｎ（金錫）等のハンダを介して、Ｃｕ等の金属やｐ型シリコン単結晶からなる支持基板と接合させた後、成長基板と窒化物半導体層との界面にレーザーを照射して成長基板を除去し、表出したｎ型層の表面にｎ電極を形成する窒化物系半導体発光素子が挙げられる。

図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、本発明の第１の実施形態の窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。 図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、本発明の第２の実施形態の窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。 図３は、ＩＣＯ膜の組成に対する順方向電圧（順方向電流２０ｍＡ時の電圧）とシート抵抗の測定結果を示すグラフである。 図４は、ＩＣＯ膜の組成に対する発光素子の発光光の全放射束の出現率を示すグラフである。

符号の説明

１ サファイア基板
２ バッファ層
３ ｎ型層
４ ｐ型層
１０ ｐ電極
１１ ｐパッド電極
２０ ｎ電極
２０ａ ｎ電極下層２０ａ
２０ａ ｎ電極上層２０ｂ
３０ 保護膜

Claims (4)

1. 透光性電極を有する窒化物系半導体発光素子において、
   前記透光性電極は酸化インジウムセリウムからなり、前記酸化インジウムセリウムの全体に対し、酸化セリウムが１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％の割合で含有されている
   ことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
2. 前記透光性電極は、ｐ電極として用いられることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
3. 前記透光性電極は、ｐ電極及びｎ電極として用いられることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
4. 前記透光性電極の膜厚は、１００ｎｍ〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子。
   

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