JP2010141262A - 半導体発光素子、電極構造、半導体発光素子の製造方法、電極構造の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体発光素子1は、基板110と、発光層150を含み基板110上に積層される積層半導体層100と、インジウム酸化物を含み積層半導体層100上に積層される透明電極170と、弁作用金属の一種であるタンタルを含むとともに透明電極170と接する側がタンタル酸化物層となるように透明電極170上に積層される第1の接合層190と、第1の接合層190上に積層されて外部との電気的な接続に用いられる接続電極の一例としての第1のボンディングパッド電極200とを備えている。
【選択図】図1
Description
ただし、このような透明電極では電極自体の強度が低いため、これら電極自体をボンディングパッド電極として用いることが難しいという問題があった。
しかしながら、接合層にCrを用いた場合には、使用環境によっては接合層に外部から空気または水分が侵入しやすくなり、接合層へ侵入した空気または水分が、接合層を構成するCrと容易に酸化または水酸化反応して、または通電時に接合層を分解消失して、半導体発光素子の素子寿命を短くする恐れがあった。
また、接合層が、Ta、Nb、Tiからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含んでいることを特徴とすることができる。
さらに、接続電極が、Au、Alまたはこれらの金属のいずれかを含む合金からなるボンディング層を有していることを特徴とすることができる。
また、接続電極が、接合層とボンディング層との間に積層されるバリア層をさらに備え、バリア層が、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ti、W、Mo、Ni、Co、Zr、Hf、Ta、Nbのうちの何れかまたはこれら金属の何れかを含む合金からなるものであることを特徴とすることができる。
さらに、透明電極が、インジウム酸化物および亜鉛酸化物を含んで構成されることを特徴とすることができる。
そして、積層半導体層が、III族窒化物半導体にて構成されていることを特徴とすることができる。
また、透明電極は、被給電体から出射される光に対する光透過性を有していることを特徴とすることができる。
また、弁作用金属が、Al、Ti、Zn、Zr、Nb、Mg、Bi、Si、Hf、Taからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含んでいることを特徴とすることができる。
そして、透明電極上に接合層が形成された後に、少なくとも透明電極と接合層とを150℃以上600℃以下に加熱する熱処理を行う工程をさらに含むことを特徴とすることができる。
また、透明電極上に接合層が形成された後に、少なくとも透明電極と接合層とを150℃以上600℃以下に加熱する熱処理を行う工程をさらに含むことを特徴とすることができる。
そして、接合層を形成する工程では、透明電極と接する側に元素の酸化物を含ませることを特徴とすることができる。
図1は本実施の形態が適用される半導体発光素子(発光ダイオード)1の断面模式図であり、図2は図1に示す半導体発光素子1の平面模式図であり、図3は半導体発光素子を構成する積層半導体層の断面模式図である。
図1に示すように、半導体発光素子1は、基板110と、基板110上に積層される中間層120と、中間層120上に積層される下地層130とを備える。また、半導体発光素子1は、下地層130上に積層されるn型半導体層140と、n型半導体層140上に積層される発光層150と、発光層150上に積層されるp型半導体層160とを備える。なお、以下の説明においては、必要に応じて、これらn型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160を、まとめて積層半導体層100と呼ぶ。さらに、半導体発光素子1は、p型半導体層160上に積層される透明電極170と、透明電極170上に積層される保護層180とを備える。そして、半導体発光素子1は、透明電極170のうち保護層180によって覆われない部位に積層される第1の接合層190と、第1の接合層190上に積層される第1のボンディングパッド電極200(外部との電気的な接続のための接続電極とも言う。)とを備える。さらにまた、半導体発光素子1は、p型半導体層160、発光層150およびn型半導体層140の一部を切り欠くことによって露出したn型半導体層140の半導体層露出面140c上の一部に積層される第2の接合層220と、第2の接合層220上に積層される第2のボンディングパッド電極230とを備える。なお、以下の説明においては、透明電極170と透明電極170上に積層される第1の接合層190と第1のボンディングパッド電極200とを、まとめて第1の電極210と呼ぶ。また、以下の説明においては、第2の接合層220と第2のボンディングパッド電極230とを、まとめて第2の電極240と呼ぶ。
この半導体発光素子1においては、第1の電極210における第1のボンディングパッド電極200を正極、第2の電極240を負極とし、両者を介して電流を流すことで、発光層150が発光するようになっている。
<基板>
基板110としては、III族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板であれば、特に限定されず、各種の基板を選択して用いることができる。例えば、サファイア、SiC、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等からなる基板を用いることができる。
また、上記基板の中でも、特に、c面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。サファイア基板を用いる場合は、サファイアのc面上に中間層120(バッファ層)を形成するとよい。
また、中間層120をスパッタ法により形成した場合、基板110の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板110を用いた場合でも、基板110にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
積層半導体層100は、例えば、III族窒化物半導体からなる層であって、図1に示すように、基板110上に、n型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160の各層がこの順で積層されて構成されている。
また、図3に示すように、n型半導体層140、発光層150及びp型半導体層160の各層は、それぞれ、複数の半導体層から構成してもよい。さらにまた、積層半導体層100は、さらに下地層130、中間層120を含めて呼んでもよい。
なお、積層半導体層100は、MOCVD法で形成すると結晶性の良いものが得られるが、スパッタ法によっても条件を最適化することで、MOCVD法よりも優れた結晶性を有する半導体層を形成できる。以下、順次説明する。
中間層120は、多結晶のAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなるものが好ましく、単結晶のAlxGa1-xN(0≦x≦1)のものがより好ましい。
中間層120は、上述のように、例えば、多結晶のAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのものとすることができる。中間層120の厚みが0.01μm未満であると、中間層120により基板110と下地層130との格子定数の違いを緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、中間層120の厚みが0.5μmを超えると、中間層120としての機能には変化が無いのにも関わらず、中間層120の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
中間層120は、基板110と下地層130との格子定数の違いを緩和し、基板110の(0001)面(C面)上にC軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。したがって、中間層120の上に単結晶の下地層130を積層すると、より一層結晶性の良い下地層130が積層できる。なお、本発明においては、中間層形成工程を行なうことが好ましいが、行なわなくても良い。
また、中間層120をなすIII族窒化物半導体の結晶は、成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶(多結晶)とすることも可能である。なお、ここでの集合組織からなる柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
下地層130としては、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)を用いることができるが、AlxGa1-xN(0≦x<1)を用いると結晶性の良い下地層130を形成できるため好ましい。
下地層130の膜厚は0.1μm以上が好ましく、より好ましくは0.5μm以上であり、1μm以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なAlxGa1-xN層が得られやすい。
下地層130の結晶性を良くするためには、下地層130は不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、p型あるいはn型の導電性が必要な場合は、アクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することができる。
図3に示すように、n型半導体層140は、nコンタクト層140aとnクラッド層140bとから構成されるのが好ましい。なお、nコンタクト層140aはnクラッド層140bを兼ねることも可能である。また、前述の下地層130をn型半導体層140に含めてもよい。
nコンタクト層140aは、第2の電極240を設けるための層である。nコンタクト層140aとしては、AlxGa1-xN層(0≦x<1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。
また、nコンタクト層140aにはn型不純物がドープされていることが好ましく、n型不純物を1×1017〜1×1020/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の濃度で含有すると、第2の電極240との良好なオーミック接触を維持できる点で好ましい。n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
nコンタクト層140aの膜厚は、0.5〜5μmとされることが好ましく、1〜3μmの範囲に設定することがより好ましい。nコンタクト層140aの膜厚が上記範囲にあると、半導体の結晶性が良好に維持される。
nクラッド層140bの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは0.005〜0.5μmであり、より好ましくは0.005〜0.1μmである。nクラッド層140bのn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cm3、が好ましく、より好ましくは1×1018〜1×1019/cm3である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
また、nクラッド層140bは、n側第1層とn側第2層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであってもよく、GaInNとGaNとの交互構造又は組成の異なるGaInN同士の交互構造であることが好ましい。
n型半導体層140の上に積層される発光層150としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造などを採用することができる。
図3に示すような、量子井戸構造の井戸層150bとしては、Ga1-yInyN(0<y<0.4)からなるIII族窒化物半導体層が通常用いられる。井戸層150bの膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば1〜10nmとすることができ、好ましくは2〜6nmとすると発光出力の点で好ましい。
また、多重量子井戸構造の発光層150の場合は、上記Ga1-yInyNを井戸層150bとし、井戸層150bよりバンドギャップエネルギーが大きいAlzGa1-zN(0≦z<0.3)を障壁層150aとする。井戸層150bおよび障壁層150aには、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。
図3に示すように、p型半導体層160は、通常、pクラッド層160aおよびpコンタクト層160bから構成される。また、pコンタクト層160bがpクラッド層160aを兼ねることも可能である。
pクラッド層160aは、発光層150へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入とを行なう層である。pクラッド層160aとしては、発光層150のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層150へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、AlxGa1-xN(0<x≦0.4)のものが挙げられる。
pクラッド層160aが、このようなAlGaNからなると、発光層150へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。pクラッド層160aの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは1〜400nmであり、より好ましくは5〜100nmである。
pクラッド層160aのp型ドープ濃度は、1×1018〜1×1021/cm3が好ましく、より好ましくは1×1019〜1×1020/cm3である。p型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られる。
また、pクラッド層160aは、複数回積層した超格子構造としてもよく、AlGaNとAlGaNとの交互構造又はAlGaNとGaNとの交互構造であることが好ましい。
p型不純物(ドーパント)を1×1018〜1×1021/cm3の濃度、好ましくは5×1019〜5×1020/cm3の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。p型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはMgが挙げられる。
pコンタクト層160bの膜厚は、特に限定されないが、0.01〜0.5μmが好ましく、より好ましくは0.05〜0.2μmである。pコンタクト層160bの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
次に、第1の電極210の構成について詳細に説明する。
上述したように、第1の電極210は、透明電極170と、透明電極170上に積層される第1の接合層190と、第1の接合層190上に積層される第1のボンディングパッド電極200とを有している。
図1に示すように、p型半導体層160の上には透明電極170が積層されている。
図2に示すように、平面視したときに、透明電極170(図1参照)は、第2の電極240を形成するために、エッチング等の手段によって一部が除去されたp型半導体層160の上面160cのほぼ全面を覆うように形成されているが、このような形状に限定されるわけでなく、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよい。なお、透明電極170の構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
これらの材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることによって、透明電極170を形成できる。また、透明電極170を形成した後に、透明電極170の透明化を目的とした熱アニールを施す場合もある。
例えば、六方晶構造のIn2O3結晶を含むIZOを透明電極170として使用する場合、エッチング性に優れたアモルファスのIZO膜を用いて特定形状に加工することができ、さらにその後、熱処理等によりアモルファス状態から結晶を含む構造に転移させることで、アモルファスのIZO膜よりも透光性の優れた電極に加工することができる。
例えば、IZO中のZnO濃度は1〜20質量%であることが好ましく、5〜15質量%の範囲であることが更に好ましい。10質量%であると特に好ましい。また、IZO膜の膜厚は、低比抵抗、高光透過率を得ることができる35nm〜10000nm(10μm)の範囲であることが好ましい。さらに、生産コストの観点から、IZO膜の膜厚は1000nm(1μm)以下であることが好ましい。
IZO膜のパターニングは、後述の熱処理工程を行なう前に行なうことが望ましい。熱処理により、アモルファス状態のIZO膜は結晶化されたIZO膜となるため、アモルファス状態のIZO膜と比較してエッチングが難しくなる。これに対し、熱処理前のIZO膜は、アモルファス状態であるため、周知のエッチング液(ITO−07Nエッチング液(関東化学社製))を用いて容易に精度良くエッチングすることが可能である。
また、IZO膜の熱処理温度は、500℃〜1000℃が好ましい。500℃未満の温度で熱処理を行なった場合、IZO膜を十分に結晶化できない恐れが生じ、IZO膜の光透過率が十分に高いものとならない場合がある。1000℃を超える温度で熱処理を行なった場合には、IZO膜は結晶化されているが、IZO膜の光透過率が十分に高いものとならない場合がある。また、1000℃を超える温度で熱処理を行なった場合、IZO膜の下にある半導体層を劣化させる恐れもある。
特に、前述のように、熱処理によって結晶化したIZO膜は、アモルファス状態のIZO膜に比べて、第1の接合層190やp型半導体層160との密着性が良いため、本発明の実施形態において大変有効である。
第1の接合層190は、透明電極170に対する第1のボンディングパッド電極200の接合強度を高めるために、透明電極170と第1のボンディングパッド電極200との間に積層される。また、第1の接合層190は、透明電極170を透過して第1のボンディングパッド電極200に照射される発光層150からの光を低損失で透過させるために、透光性を有していることが好ましい。
また、第1の接合層190は、Ta、Nb、Tiからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含むとともに透明電極170と接する側が当該元素の酸化物を含むように当該透明電極170上に積層されることがより好ましい。また、前記元素からなる金属を一部酸化させたものを含む構成としてもよい。これは、接合層金属中の酸化部が、金属酸化物である透明電極170との接合強度を向上させるためである。特に、Ta、Nb、Ti等の金属は弁作用金属の中でもイオン化しにくい性質を持つため、これらを酸化させたものを含めることによって、水(水分)の存在下における電気化学反応により接合金属元素がイオン化して溶出することを防ぐことができ、好ましい。これにより、透明電極170に対する第1のボンディングパッド電極200の接合強度を格段に高めることができる。
図1に示すように、接続電極の一例としての第1のボンディングパッド電極200は、透明電極170側から順に、第1のバリア層200aと第1のボンディング層200bとが積層された積層体からなる。第1のバリア層200aは、第1のボンディング層200bを形成する元素のマイグレーションをバリアする作用を有し、第1のボンディング層200bは、給電用の外部端子材料との密着性を高める作用がある。
なお、第1のボンディングパッド電極200は、第1のバリア層200aのみからなる単層構造であってもよく、第1のバリア層200aと第1のボンディング層200bとの間に、第1のボンディングパッド電極200全体の強度を強化する別のバリア層をさらに挿入して、三層構造としてもよい。また、第1のバリア層200aに代えてバリア層を挿入して、二層構造としてもよい。
図1に示す第1のバリア層200aは、第1のボンディングパッド電極200全体の強度を強化する役割を有している。このため、比較的強固な金属材料を使用することが好ましく、例えば、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ti、W、Mo、Ni、Co、Zr、Hf、Ta、Nbのうちの何れかまたはこれら金属の何れかを含む合金からなるものが選べる。また、第1のバリア層200aは、発光層150から出射された光を反射させるために、反射率の高い金属で構成することが好ましく、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等の白金族金属、Al、Ag、Tiおよびこれらの金属の少なくも一種を含む合金で構成することがより好ましい。これにより、発光層150からの光を効果的に反射させることができる。
なかでも、Al、Ag、Ptおよびこれらの金属の少なくとも一種を含む合金は、電極用の材料として一般的であり、入手のし易さ、取り扱いの容易さなどの点から優れている。
また、第1のバリア層200aは、高い反射率を有する金属で形成した場合、厚さが200〜3000オングストロームであることが望ましい。第1のバリア層200aが薄すぎると充分な反射の効果が得られない。一方、厚すぎると特に利点は生じず、工程時間の長時間化と材料の無駄を生じるのみである。更に望ましくは、500〜2000オングストロームである。
図1に示す第1のボンディング層200bは、Au、Alまたはこれらの金属の少なくとも一種を含む合金からなることが好ましい。AuおよびAlはボンディングボールとして使用されることが多い金ボールとの密着性の良い金属なので、Au、Alまたはこれらの金属の少なくも一種を含む合金を用いることにより、ボンディングワイヤとの密着性に優れたものとすることができる。中でも、特に望ましいのはAuである。
また、第1のボンディング層200bの厚みは、500オングストローム以上20000オングストローム以下の範囲であることが好ましく、更に望ましくは5000オングストローム以上15000オングストローム以下である。
第1のボンディング層200bが薄すぎるとボンディングボールとの密着性が悪くなり、厚すぎても特に利点は生ぜず、コスト増大を招くのみである。
また、第1のボンディングパッド電極200の電極面積としては、できるだけ大きいほうがボンディング作業はしやすいものの、発光の取り出しの妨げになる。例えば、チップ面の面積の半分を超えるような面積を覆っては、発光の取り出しの妨げとなり、出力が著しく低下する。逆に小さすぎるとボンディング作業がしにくくなり、製品の収率を低下させる。
具体的には、ボンディングボールの直径よりもわずかに大きい程度が好ましく、直径100μmの円形程度であることが一般的である。
続いて、第2の電極240の構成の一例について詳細に説明する。なお、本発明では、第2の電極であるN電極は、公知な材料や構造、形状を採用することができるが、好ましくは後述の電極構成を採用することができる。
上述したように、第2の電極240は、第2の接合層220と、第2の接合層220上に積層される第2のボンディングパッド電極230とを有している。
図1に示すように、n型半導体層140の半導体層露出面140cに第2の電極240が形成されている。このように、第2の電極240を形成する際には、エッチング等の手段によって発光層150およびp型半導体層160の一部を切り欠け除去してn型半導体層140のnコンタクト層140aを露出させ、得られた半導体層露出面140c上に第2の電極240を形成する。
図2に示すように、平面視したときに、第2の電極240は円形状とされているが、このような形状に限定されるわけでなく、多角形状など任意の形状とすることができる。また、第2の電極240はボンディングパットを兼ねており、ボンディングワイヤを接続することができる構成とされている。
第2の接合層220は、n型半導体層140のnコンタクト層140aに形成される半導体層露出面140cに対する第2のボンディングパッド電極230の接合強度を高めるために、nコンタクト層140aと第2のボンディングパッド電極230との間に積層される。
図1に示すように、第2のボンディングパッド電極230は、nコンタクト層140a(図3参照)側から順に、第2のバリア層230aと第2のボンディング層230bとが積層された積層体からなる。
なお、第2のボンディングパッド電極230は、第2のバリア層230aのみからなる単層構造であってもよく、第2のバリア層230aと第2のボンディング層230bとの間に、第2のボンディングパッド電極230全体の強度を強化する別のバリア層をさらに挿入して、三層構造としてもよい。また、第2のバリア層230aに代えてバリア層を挿入して、二層構造としてもよい。
図1に示す第2のバリア層230aは、第1のバリア層200aと同様に第2のボンディングパッド電極230全体の強度を強化する役割を有している。このため、比較的強固な金属材料を使用することが好ましく、例えば、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ti、W、Mo、Ni、Co、Zr、Hf、Ta、Nbのうちの何れかまたはこれら金属の何れかを含む合金からなるものが選べる。なお、本実施の形態では、第2のバリア層230aを、第1のバリア層200aと同様に、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等の白金族金属、Al、Ag、Tiおよびこれらの金属の少なくも一種を含む合金で構成することがより好ましい。
図1に示す第2のボンディング層230bは、第1のボンディング層200bと同様、Au、Alまたはこれらの金属の少なくも一種を含む合金からなることが好ましい。AuおよびAlはボンディングボールとして使用されることが多い金ボールとの密着性の良い金属なので、Au、Alまたはこれらの金属の少なくも一種を含む合金を用いることにより、ボンディングワイヤとの密着性に優れたものとすることができる。中でも、特に望ましいのはAuである。
また、第2のボンディング層230bの厚みは、500オングストローム以上20000オングストローム以下の範囲であることが好ましく、更に望ましくは5000オングストローム以上15000オングストローム以下である。
第2のボンディング層230bが薄すぎるとボンディングボールとの密着性が悪くなり、厚すぎても特に利点は生ぜず、コスト増大を招くのみである。
次に、図1に示す半導体発光素子1の製造方法の一例について説明する。
本実施形態における半導体発光素子1の製造方法は、基板110上に、発光層150を含む積層半導体層100を形成する工程と、積層半導体層100の一部を切り欠けて半導体層露出面140cを形成する工程と、積層半導体層100の上面160cに第1の電極210を形成し且つ半導体層露出面140cに第2の電極240を形成する電極形成工程とを有している。
<積層半導体層形成工程>
積層半導体層形成工程は、中間層形成工程と、下地層形成工程と、n型半導体層形成工程と、発光層形成工程と、p型半導体層形成工程とからなる。
<中間層形成工程>
先ず、サファイア基板等の基板110を用意し、前処理を施す。前処理としては、例えば、スパッタ装置のチャンバ内に基板110を配置し、中間層120を形成する前にスパッタするなどの方法によって行うことができる。具体的には、チャンバ内において、基板110をArやN2のプラズマ中に曝す事によって上面を洗浄する前処理を行なってもよい。ArガスやN2ガスなどのプラズマを基板110に作用させることで、基板110の上面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。
スパッタ法によって、単結晶構造を有する中間層120を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が50%〜100%、望ましくは75%となるようにすることが望ましい。
また、スパッタ法によって、柱状結晶(多結晶)を有する中間層120を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が1%〜50%、望ましくは25%となるようにすることが望ましい。なお、中間層120は、上述したスパッタ法だけでなく、MOCVD法で形成することもできる。
次に、中間層120を形成した後、中間層120が形成された基板110の上面に、単結晶の下地層130を形成する。下地層130は、スパッタ法で形成してもよく、MOCVD法で形成してもよい。
下地層130の形成後、nコンタクト層140a及びnクラッド層140bを積層してn型半導体層140を形成する。nコンタクト層140a及びnクラッド層140bは、スパッタ法で形成してもよく、MOCVD法で形成してもよい。
発光層150の形成は、スパッタ法、MOCVD法のいずれの方法でもよいが、特にMOCVD法が好ましい。具体的には、障壁層150aと井戸層150bとを交互に繰り返して積層し、且つ、n型半導体層140側及びp型半導体層160側に障壁層150aが配される順で積層すればよい。
また、p型半導体層160の形成は、スパッタ法、MOCVD法のいずれの方法でもよい。具体的には、pクラッド層160aと、pコンタクト層160bとを順次積層すればよい。
透明電極170の形成に先立ち、公知のフォトリソグラフィーの手法によってパターニングして、所定の領域の積層半導体層100の一部をエッチングしてnコンタクト層140aの一部を露出させ、半導体層露出面140cを形成させる。
電極形成工程は、透明電極形成工程と、接合層形成工程と、バリア層形成工程と、ボンディング層形成工程とからなる。
<透明電極形成工程>
マスクで半導体層露出面140cをカバーして、エッチング除去せずに残したp型半導体層160上に、スパッタ法などの公知の方法を用いて、透明電極170を形成する。
なお、p型半導体層160上に先に透明電極170を形成した後、透明電極170を形成した状態で、所定の領域の積層半導体層100の一部をエッチングすることで半導体層露出面140cを形成するようにしてもよい。
そして、第1のボンディングパッド電極200および第2のボンディングパッド電極230をそれぞれ形成する部分に対応する部位のレジストを公知の手法によって除去することで、保護層180の一部および半導体層露出面140cの一部を外側に露出させる。
そして、マスクで半導体層露出面140c側をカバーした状態で、透明電極170の上面に垂直な方向よりSiO2からなる保護層180のRIE(反応性イオンエッチング)を行い、第1のボンディングパッド電極200および第2のボンディングパッド電極230を形成する部分に対応する部位の保護層180を除去して、透明電極170の一部およびnコンタクト層140aの一部の上面を露出させる。
次に、スパッタ法により、透明電極170の露出面上に第1の接合層190を形成するとともに、半導体層露出面140cの露出面に第2の接合層220を形成する。
接合層形成工程では、上述したように、バルブメタルの酸化物の層が透明電極170および半導体層露出面140cと接するように製膜を行う。ここで、スパッタ法を用い、バルブメタルの酸化膜を形成する手法としては、例えばバルブメタルからなる金属ターゲットを用い、酸素を含む雰囲気下においてスパッタを行う方法が挙げられる。ここで、スパッタの雰囲気としては、アルゴンに対して0.1体積%以上20体積%以下、より好ましくは1.0体積%以上10体積%以下の酸素が存在していることが好ましい。このとき、例えば第1の接合層190の透明電極170側および第2の接合層220の半導体層露出面140c側をバルブメタル酸化物層とし、第1の接合層190の第1のバリア層200a側および第2の接合層220の第2のバリア層230a側をバルブメタル層とする場合には、接合層形成工程の初期における酸素濃度を高くし、接合層形成工程の終期における酸素濃度を初期よりも低くあるいは酸素供給を停止するようにすればよい。また、バルブメタルの酸化膜を形成する他の手法としては、例えばバルブメタル酸化物からなる金属酸化物ターゲットを用い、酸素を含む雰囲気下あるいは酸素を含まない雰囲気下においてスパッタを行う方法が挙げられる。このとき、スパッタ条件を制御したスパッタ法を用いることにより、スパッタ材料によらず、カバレッジ性を高くして第1の接合層190および第2の接合層220を成膜することができる。なお、このとき、透明電極170上および半導体層露出面140c上に残存するレジストの硬化部にも第1の接合層190および第2の接合層220と同じ材料が積層される。
続いて、スパッタ法により、第1の接合層190上に第1のバリア層200aを形成するとともに、第2の接合層220上に第2のバリア層230aを形成する。このとき、スパッタ条件を制御したスパッタ法を用いることにより、スパッタ材料によらず、カバレッジ性を高くして、第1のバリア層200aおよび第2のバリア層230aを成膜することができる。なお、このとき、透明電極170上および半導体層露出面140c上に残存するレジストの硬化部側にも第1のバリア層200aおよび第2のバリア層230aと同じ材料が積層される。
さらに、スパッタ法により、第1のバリア層200a上に第1のボンディング層200bを形成するとともに、第2のバリア層230a上に第2のボンディング層230bを形成する。このとき、スパッタ条件を制御したスパッタ法を用いることにより、スパッタ材料によらず、カバレッジ性を高くして、第1のボンディング層200bおよび第2のボンディング層230bを成膜することができる。なお、このとき、透明電極170上および半導体層露出面140c上に残存するレジストの硬化部側にも第1のボンディング層200bおよび第2のボンディング層230bと同じ材料が積層される。
そして、このようにして得られた半導体発光素子1を、例えば窒素などの還元雰囲気下において、150℃以上600℃以下、より好ましくは200℃以上500℃以下でアニール処理する。このアニール工程は、第1の接合層190を介した透明電極170と第1のボンディングパッド電極200との密着性、および、第2の接合層220を介した半導体層露出面140cと第2のボンディングパッド電極230との密着性を高めるために行われる。なお、上述したように、接合層形成工程において酸素雰囲気下で第1の接合層190および第2の接合層220の形成を行っている場合、あるいは、接合層形成工程において金属酸化物ターゲットを用いて第1の接合層190および第2の接合層220の形成を行っている場合については、アニール処理は必ずしも行う必要はないが、密着性を高めるためには行う方がより好ましい。
具体的に説明すると、例えば透明電極形成工程においてp型半導体層160上に透明電極170を形成し、得られた透明電極170を酸素プラズマ中に曝す酸素プラズマ処理を行ってから、酸素プラズマ処理がなされた透明電極170上に保護層180を形成するようにしてもよい。なお、保護層180を形成した後、上述した接合層形成工程、バリア層形成工程およびボンディング層形成工程を行うことで、半導体発光素子1を得ることができる。
本発明者は、各種製造条件を組み合わせて図1に示す半導体発光素子1の製造を行い、第1の電極210における透明電極170と第1のボンディングパッド電極200との密着性について、公知なテープ剥離試験(テープ試験)に基づき検討を行った。なお、透明電極170と第1のボンディングパッド電極200との密着性には、透明電極170と第1の接合層190との密着性および第1の接合層190と第1のボンディングパッド電極200における第1のバリア層200aとの密着性が大きく影響している。
ここで、図4には、製造条件として、接合層形成工程におけるスパッタのターゲット材(接合層金属)およびスパッタにおける雰囲気への酸素導入の有無と、透明電極170に対する酸素プラズマ処理の有無と、アニール工程すなわちアニール処理の有無とを記載している。なお、ここでは、透明電極170としてIZO膜を用いた。
また、図4には、評価項目として、第1の電極210における透明電極170と第1のボンディングパッド電極200との密着性をA〜Dの4ランクで示した。なお、評価「A」は「良」、評価[B]はやや良、評価「C」は「やや不良」、そして評価「D」は「不良」を、それぞれ意味している。
なお、実施例1〜15および比較例1〜6において、第1のバリア層200aをPtで、第1のボンディング層200bをAuで、それぞれ作製した。
実施例1〜15においては、いずれも密着性の評価がAまたはBとなった。すなわち、接合層形成工程においてスパッタの雰囲気に酸素を導入するか、あるいは、透明電極170の形成後に酸素プラズマ処理を行うかによって、透明電極170と第1のボンディングパッド電極200との密着性が向上することが確認された。特に、酸素雰囲気下でスパッタを行って第1の接合層190を形成した後にアニール処理を施した実施例3、8、13、および、これに加えてさらに透明電極170の酸素プラズマ処理を行った実施例5、10、15では、密着性の評価がAとなった。
図5において、横軸はArガスを用いたスパッタリング時間であり、縦軸は各元素の原子濃度である。なお、スパッタリング時間は、第1の電極210の深さ方向の位置に対応している。
また、スパッタリング時間が200〜1200secの領域では、第1の接合層190を構成するTaおよびOが存在していること、すなわち、Taの多くが酸化した状態で存在していることがわかる。
次に、スパッタリング時間が1200〜3000secの領域では、InとZnとOとが存在し、InよりもZnの濃度が低いこと、すなわち、IZOの状態で存在していることがわかる。
つまり、本実施の形態で説明した手法を用いて第1の接合層190を形成することで、バルブメタル(ここではTa)の酸化物が製膜され得ることが理解される。
このように、本実施の形態で説明した手法を用いて第1の接合層190を形成することで、透明電極170側にバルブメタル(ここではTa)の酸化物、第1のバリア層200a側にバルブメタルが製膜され得ることが理解される。
すなわち、本発明は、Inを含む酸化物透明導電膜にボンディング用の電極を形成する場合に適用可能である。したがって、本発明が適用され得る対象として、例えば液晶ディスプレイの表示パネルやプラズマディスプレイの表示パネル、有機ELディスプレイの表示パネル、タッチパネル、さらには太陽電池等が挙げられる。
Claims (20)
- 基板と、
発光層を含み前記基板上に積層される積層半導体層と、
インジウム酸化物を含み前記積層半導体層上に積層される透明電極と、
弁作用金属より選ばれた少なくとも一種の元素を含むとともに前記透明電極と接する側が当該元素の酸化物を含むように当該透明電極上に積層される接合層と、
前記接合層上に積層されて外部との電気的な接続に用いられる接続電極と
を含む半導体発光素子。 - 前記接合層が、Al、Ti、Zn、Zr、Nb、Mg、Bi、Si、Hf、Taからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含んでいることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記接合層が、Ta、Nb、Tiからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含んでいることを特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。
- 前記接続電極が、Au、Alまたはこれらの金属のいずれかを含む合金からなるボンディング層を有していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の半導体発光素子。
- 前記接続電極が、前記接合層と前記ボンディング層との間に積層されるバリア層をさらに備え、
前記バリア層が、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ti、W、Mo、Ni、Co、Zr、Hf、Ta、Nbのうちの何れかまたはこれら金属の何れかを含む合金からなるものであることを特徴とする請求項4記載の半導体発光素子。 - 前記透明電極が、前記インジウム酸化物および亜鉛酸化物を含んで構成されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の半導体発光素子。
- 前記積層半導体層が、III族窒化物半導体にて構成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載の半導体発光素子。
- インジウム酸化物を含み給電対象となる被給電体上に積層される透明電極と、
弁作用金属より選ばれた少なくとも一種の元素を含むとともに前記透明電極と接する側が当該元素の酸化物を含むように当該透明電極上に積層される接合層と、
前記接合層上に積層されて外部との電気的な接続に用いられる接続電極と
を有する電極構造。 - 前記接合層が、Al、Ti、Zn、Zr、Nb、Mg、Bi、Si、Hf、Taからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含んでいることを特徴とする請求項8記載の電極構造。
- 前記透明電極は、前記被給電体から出射される光に対する光透過性を有していることを特徴とする請求項8または9記載の電極構造。
- 基板上に発光層を含む積層半導体層を形成する工程と、
前記積層半導体層上にインジウム酸化物を含む透明電極を形成する工程と、
前記透明電極上に弁作用金属より選ばれた少なくとも一種の元素を含むとともに当該透明電極と接する側が当該元素の酸化物を含む接合層を形成する工程と、
前記接合層上に外部との電気的な接続に用いられる接続電極を形成する工程と
を含む半導体発光素子の製造方法。 - 前記接合層を形成する工程が、前記弁作用金属のターゲットを用いて、酸素を含む雰囲気下でスパッタリングを行うことを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記弁作用金属が、Al、Ti、Zn、Zr、Nb、Mg、Bi、Si、Hf、Taからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含んでいることを特徴とする請求項11または12記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記透明電極上に前記接合層が形成された後に、少なくとも当該透明電極と当該接合層とを150℃以上600℃以下に加熱する熱処理を行う工程をさらに含むことを特徴とする請求項11乃至13のいずれか1項記載の半導体発光素子の製造方法。
- 基板上に発光層を含む積層半導体層を形成する工程と、
前記積層半導体層上にインジウム酸化物を含む透明電極を形成する工程と、
前記透明電極に酸素プラズマ処理を施す工程と、
前記酸素プラズマ処理がなされた前記透明電極上に、弁作用金属より選ばれた少なくとも一種の元素を含む接合層を形成する工程と、
前記接合層上に外部との電気的な接続に用いられる接続電極を形成する工程と
を含む半導体発光素子の製造方法。 - 前記弁作用金属が、Al、Ti、Zn、Zr、Nb、Mg、Bi、Si、Hf、Taからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含んでいることを特徴とする請求項15記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記透明電極上に前記接合層が形成された後に、少なくとも当該透明電極と当該接合層とを150℃以上600℃以下に加熱する熱処理を行う工程をさらに含むことを特徴とする請求項15または16記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記接合層を形成する工程では、前記透明電極と接する側に前記元素の酸化物を含ませることを特徴とする請求項15乃至17のいずれか1項記載の半導体発光素子の製造方法。
- 給電対象となる被給電体上にインジウム酸化物を含む透明電極を形成する工程と、
前記透明電極上に弁作用金属より選ばれた少なくとも一種の元素を含むとともに当該透明電極と接する側が当該元素の酸化物を含む接合層を形成する工程と、
前記接合層上に外部との電気的な接続に用いられる接続電極を形成する工程と
を含む電極構造の製造方法。 - 給電対象となる被給電体上にインジウム酸化物を含む透明電極を形成する工程と、
前記透明電極に酸素プラズマ処理を施す工程と、
前記酸素プラズマ処理がなされた前記透明電極上に、弁作用金属より選ばれた少なくとも一種の元素を含むとともに当該透明電極と接する側が当該元素の酸化物を含む接合層を形成する工程と、
前記接合層上に外部との電気的な接続に用いられる接続電極を形成する工程と
を含む電極構造の製造方法。
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