JP2011009502A - 発光素子、その製造方法、ランプ、電子機器及び機械装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】駆動電圧を低減し、光取り出し効率を向上させた発光素子、その製造方法、ランプ、電子機器及び機械装置を提供することを目的とする。
【解決手段】基板11の一面に、n型半導体層12と、発光層13と、p型半導体層14と、酸化チタン系導電膜層15と、がこの順で積層された発光素子であって、p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間に、In、AlまたはGaのいずれかの元素を含む第1の酸化物と、ZnまたはSnのいずれかの元素を含む第2の酸化物とが存在し、前記第1の酸化物及び前記第2の酸化物の全量に対する前記第2の酸化物の質量割合が1〜20質量%の範囲である発光素子1を用いることにより、上記課題を解決できる。
【選択図】図1
Description
GaN系化合物半導体は、サファイア単結晶をはじめ、種々の酸化物やIII−V族化合物を基板として、この基板上に有機金属気相化学反応法(MOCVD法)や分子線エピタキシー法(MBE法)等によって形成される。
前記GaN系化合物半導体発光素子には、透明電極を正極に使用してp型半導体側から光を取り出すフェイスアップ方式、Agなどの高反射膜を正極に使用してサファイア基板側から光を取り出すフリップチップ方式の2種類がある。
外部量子効率は、内部量子効率と光取り出し効率を掛け合わせたものとして表される。内部量子効率とは、素子に注入した電流のエネルギーのうち、光に変換される割合である。また、光取り出し効率とは、半導体結晶内部で発生した光のうち、外部に取り出すことができる割合である。内部量子効率および/または光取り出し効率を向上させることにより、外部量子効率を向上させることができる。
しかし、化合物半導体に微細な凹凸加工を施す構成なので、化合物半導体にダメージを残し、内部量子効率を低下させて、発光強度を増加させることができなかった。
しかし、ITOの屈折率1.9は、GaN系化合物半導体の屈折率2.6に比べて小さいので、ITOとGaN系化合物半導体との間で全反射が生じてしまい、充分に光を取り出すことができなかった。
そのため、特許文献2及び特許文献3には、p型半導体層上に酸化チタン系導電膜からなる透明電極を用いた構成が開示されている。
しかし、これらの構成を用いても、発光素子の駆動電圧を低減し、光取り出し効率を向上させることはできなかった。
(1) 基板の一面に、n型半導体層と、発光層と、p型半導体層と、酸化チタン系導電膜層と、がこの順で積層された発光素子であって、前記p型半導体層と前記酸化チタン系導電膜層との間に、In、AlまたはGaのいずれかの元素を含む第1の酸化物と、ZnまたはSnのいずれかの元素を含む第2の酸化物とが存在し、前記第1の酸化物及び前記第2の酸化物の全量に対する前記第2の酸化物の質量割合が1〜20質量%の範囲であることを特徴とする発光素子。
(3) 前記p型半導体層と前記酸化チタン系導電膜層との間に、前記第1の酸化物と前記第2の酸化物とを含む透光性導電酸化物層が形成されていることを特徴とする(1)に記載の発光素子。
(4) 前記透光性導電酸化物層の膜厚が10nm以下であることを特徴とする(3)に記載の発光素子。
(6) 前記酸化チタン系導電膜層が、Ta、Nb、V、Mo、W、Sbの群から選択される少なくとも1種類以上の元素を含むTi酸化物からなることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の発光素子。
(7) 前記酸化チタン系導電膜層の膜厚が35〜2000nmの範囲であることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載の発光素子。
(9) 前記n型半導体層と、前記発光層と、前記p型半導体層が、窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする(1)〜(8)のいずれかに記載の発光素子。
(10) 前記窒化物系化合物半導体が、GaN系化合物半導体であることを特徴とする(9)に記載の発光素子。
(12) 前記透光性導電酸化物層形成工程で、前記第1の酸化物及び前記第2の酸化物が前記p型半導体層を少なくとも部分的に覆うように、前記透光性導電酸化物層の膜厚を薄く形成することを特徴とする(11)に記載の発光素子の製造方法。
(14) (1)〜(10)のいずれかに記載の発光素子を備えたことを特徴とするランプ。
(15) (14)に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
(16) (15)に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
すなわち、p型半導体層上のオーミックコンタクト層は、In、AlまたはGaのいずれかの元素を含む第1の酸化物と、ZnまたはSnのいずれかの元素を含む第2の酸化物とが存在し、第1及び第2の酸化物全量に対する前記第2の酸化物の質量割合が1〜20質量%の範囲である透光性導電酸化物層であり、その上に波長450nmの光に対して屈折率が2.6であって、GaN系化合物半導体の屈折率とほぼ同じ値となり、そのため光取り出し効率を向上させることができる。
さらに、前記p型半導体層と前記酸化チタン系導電膜層との間に形成される透光性導電酸化物層の膜厚が10nm以下であるときは、上記効果を格段に向上させることができる。
(第1の実施形態)
<発光素子>
本発明の第1の実施形態である発光素子について説明する。
図1は、本発明の実施形態である発光素子の一例を示す図であって、図1(a)は平面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A’線における断面図である。
図1(a)に示すように、本発明の実施形態である発光素子1は、略矩形状のn型半導体層12と、光触媒反応防止層16と、円形状の正極17と、円形状の負極18と、を有して概略構成されている。
また、図1(b)に示すように、本発明の実施形態である発光素子1は、基板11上にn型半導体層12と、発光層13と、p型半導体層14と、透光性導電酸化物層39と、酸化チタン系導電膜15と、正極17とがこの順序で積層されて概略構成されている。なお、以下の説明では、各層の基板11と反対側の面を一面と呼称する。
また、発光層13、p型半導体層14およびn型半導体層12の一部が切り欠けられており、n型半導体層12の一面12a上に負極18が形成されている。
さらに、正極17の側面17b及び上面周辺部17aと、酸化チタン系導電膜15の側面15bおよび一面15aと、n型半導体層12、発光層13およびp型半導体層14の露出面並びに負極18の側面を覆うように光触媒反応防止層16が形成されている。なお、光触媒反応防止層16は保護層16とも呼ばれる。
以下、各層について説明する。
基板11としては、サファイア単結晶(Al2O3;A面、C面、M面、R面)、スピネル単結晶(MgAl2O4)、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgO単結晶等の酸化物単結晶、Si単結晶、SiC単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶及びZrB2等のホウ化物単結晶等の周知の基板材料を用いることができる。また、これら周知の基板材料以外の如何なる基板材料を何ら制限なく用いることができる。これらの周知の基板材料の中でも、特に、サファイア単結晶及びSiC単結晶が好ましい。
なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いし、オフ角を付与した基板であっても良い。
図1(b)に示すように、基板11上には、n型半導体層12、発光層13及びp型半導体層14が積層されている。なお、n型半導体層12と基板11との間には、通常、図示略のバッファ層が設けられている。使用する基板やエピタキシャル層の成長条件によっては、前記バッファ層が不要である場合がある。
n型半導体層12、発光層13、p型半導体層14及びバッファ層として、窒化物系化合物半導体を用いることができる。
さらに、窒化物系化合物半導体は、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
なお、GaN系化合物半導体の屈折率は2.6である。
n型半導体層12は、通常、下地層と、n型コンタクト層と、n型クラッド層とから構成される。n型コンタクト層は、下地層および/またはn型クラッド層を兼ねることができる。
下地層は、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、下地層の膜厚は0.1μm以上が好ましく、0.5μm以上がより好ましく、1μm以上が最も好ましい。下地層の膜厚を1μm以上とすることにより、結晶性の良好なAlXGa1―XN層が得られやすくなる。
また、n型コンタクト層は、n型不純物がドープされていることが好ましい。また、n型不純物の濃度を1×1017〜1×1019/cm3とすることが好ましく、1×1018〜1×1019/cm3とすることがより好ましい。n型不純物の濃度を1×1017〜1×1019/cm3とすることにより、負極と良好なオーミック接触を維持することができるとともに、クラックの発生を抑制し、良好な結晶性を維持することができる。
n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、Ge及びSn等を挙げることができ、Si及びGeが好ましい。
そして、n型コンタクト層と下地層の合計の膜厚は1〜20μmとすることが好ましく、2〜15μmとすることがより好ましく、3〜12μmとすることがさらに好ましい。
n型コンタクト層と下地層との合計の膜厚が1〜20μmであれば、窒化物系化合物半導体の結晶性を良好に維持することができる。
n型クラッド層は、AlGaN、GaN、GaInN等によって形成することができる。なお、明細書中各元素の組成比を省略してAlGaN、GaN、GaInNに記述することができる。n型クラッド層は、これらの組成から選択される2つ以上の組成を複数回積層した超格子構造としてもよい。
n型クラッド層のバンドギャップは、発光層13のバンドギャップよりも大きくする。
また、n型クラッド層のn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cm3とすることが好ましく、1×1018〜1×1019/cm3とすることがより好ましい。n型クラッド層のn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cm3であると、良好な結晶性を維持することができるとともに、発光素子の動作電圧を低減することができる。
n型半導体層12上に積層される発光層13としては、窒化物系化合物半導体からなる発光層が通常用いられる。窒化物系化合物半導体としては、Ga1−sInsN(0<s<0.4)を挙げることができる。
発光層13の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚とすることが好ましい。具体的には、発光層13の膜厚を1〜10nmとすることが好ましく、2〜6nmとすることがより好ましい。発光層13の膜厚を1〜10nmとすることにより、発光出力を向上させることができる。
また、発光層13は、単一量子井戸(SQW)構造としても、多重量子井戸(MQW)構造としてもよい。多重量子井戸(MQW)構造は、たとえば、Ga1−sInsNからなる井戸層(以下、GaInN井戸層)と、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいAlcGa1−cN(0≦c<0.3かつb>c)からなる障壁層(以下、AlcGa1−cN障璧層)と、を互いに違いになるように複数積層してなる。前記井戸層および/または前記障壁層にはそれぞれ不純物をドープしてもよい。
前記障壁層として、SiドープGaN障壁層を用いてもよい。
p型半導体層14は、通常、pクラッド層と、pコンタクト層とから構成される。しかし、pコンタクト層がpクラッド層を兼ねてもよい。
pクラッド層としては、発光層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13へキャリアを閉じ込められるものであれば特に限定されない。たとえば、pクラッド層として、AldGa1−dN(0<d≦0.4、好ましくは0.1≦d≦0.3)を挙げることができる。pクラッド層をAldGa1−dNで構成することにより、発光層13へキャリアを閉じ込めることができる。
また、pクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、1〜400nmとすることが好ましく、5〜100nmとすることがより好ましい。また、pクラッド層のp型ドープ濃度は1×1018〜1×1021/cm3とすることが好ましく、1×1019〜1×1020/cm3とすることがより好ましい。pクラッド層のp型ドープ濃度は1×1018〜1×1021/cm3とすることにより、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶を得ることができる。
AleGa1−eNにおけるAl組成を0≦e<0.5とすることにより、良好な結晶性を維持することができるとともに、pオーミック電極と良好にオーミック接触させることができる。また、pコンタクト層のp型ドーパントの濃度は1×1018〜1×1021/cm3とすることが好ましく、5×1019〜5×1020/cm3とすることがより好ましい。pコンタクト層のp型ドーパントの濃度を1×1018〜1×1021/cm3とすることにより、良好なオーミック接触を維持し、クラックの発生を防止し、良好な結晶性を維持することができる。
また、p型ドーパント(p型不純物)としては、特に限定されないが、例えば、Mgを挙げることができる。また、pコンタクト層の膜厚は、特に限定されないが、0.01〜0.5μmとすることが好ましく、0.05〜0.2μmとすることがより好ましい。pコンタクト層の膜厚を0.01〜0.5μmとすることにより、発光出力を向上させることができる。
p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間には、In、AlまたはGaのいずれかの元素を含む第1の酸化物と、ZnまたはSnのいずれかの元素を含む第2の酸化物とを有する透光性導電酸化物層39が形成されている。
つまり、透光性導電酸化物層39には、In、AlまたはGaのいずれかの元素を含む第1の酸化物と、ZnまたはSnのいずれかの元素を含む第2の酸化物とが存在している。
p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間にこれらの元素を前記濃度範囲で存在させることにより、p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間の接触抵抗を低減させ導電性を向上させることができ、発光素子の駆動電圧Vfを低減させることができる。
また、p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間に、In、AlまたはGaのいずれかの元素を含む第1の酸化物と、ZnまたはSnのいずれかの元素を含む第2の酸化物とを存在させたとしても、300〜550nmの範囲の波長において80%以上の透過率を確保することができ、正面方向fでの光取り出し効率を向上させることができる。
p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間にこれらの酸化物を有する透光性導電酸化物層39を10nm以下の膜厚で存在させることにより、p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間の導電性を向上させることができ、発光素子の駆動電圧Vfを低減させることができる。
また、透光性導電酸化物層39の膜厚は0.3nm以上とすることが好ましい。0.3nm未満の場合には、薄膜がゆえに十分な導電性を得ることが難しくなる。
p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間にこれらの元素を有する透光性導電酸化物層39を10nm以下の膜厚で存在させることにより、p型半導体層14と透光性導電酸化物層39との間で光を全反射させることなく、光取り出し効率を向上させることができる。また、300〜550nmの範囲の波長において80%以上の透過率を確保することができ、正面方向fでの光取り出し効率を向上させることができる。
しかし、本実施形態では、透光性導電酸化物層39であるITOの膜厚を10nm以下とする構成なので、GaN系化合物半導体とITOの間で光が全反射されることがなく、正面方向fでの光取り出し効率を向上させることができる。さらにまた、透光性導電酸化物層39の膜厚は10nm以下とされているので、300〜550nmの範囲の波長において80%以上の透過率を確保することができ、正面方向fでの光取り出し効率を向上させることができる。
p型半導体層14上には、酸化チタン系導電膜層15が形成されている。酸化チタン系導電膜15は、透明電極として用いられる。すなわち、酸化チタン系導電膜15は、光取り出し層として用いられると同時に、電流拡散層として用いられる。
前記酸化物の組成は、Ti1−xAxO2(A=Ta、Nb、V、Mo、W、Sb)で表される。Ti1−xAxO2における組成Xは1〜20at%とすることが好ましく、2〜10at%とすることがより好ましい。Ti1−xAxO2における組成Xが1at%未満であると、Aの添加効果が小さく、良好な導電性を得られない。逆に、Ti1−xAxO2における組成Xが20at%を超えると、300〜550nmの波長における透過率が低下して、発光素子の出力を低下させる。
なお、Ti1−xAxO2(A=Ta、Nb、V、Mo、W、Sb)の屈折率は2.6である。
酸素欠損状態の作成方法として、金属を用いた酸素との反応性蒸着、あるいは反応性スパッタで酸素量を調整する方法や、酸素欠損状態にある金属酸化物タブレットまたはターゲットを用いる方法、及び、酸化チタン系導電膜成膜後にN2やH2などの還元性雰囲気でアニールを行う方法等を用いることができる。
しかし、酸化チタン系導電膜層15は光触媒作用(光触媒反応性)を有しており、中でもアナターゼ型が最も光触媒作用の高い結晶構造であるので、光触媒反応性を抑制する何らかの手当てが必要となる。酸化チタンは、前記光触媒作用により、水や有機物を分解する。そのため、酸化チタン系導電膜層15を有する発光素子を、樹脂等の有機物によって封入してランプを構成した場合、前記有機物が光により分解され、発光素子に対して悪影響を及ぼすおそれがある。
また、後述するように、光触媒反応防止層を形成することにより、この光触媒反応を抑制することもできる。
酸化チタン系導電膜層15の一面15aには、正極17が形成されている。正極17は、ボンディングパッドとして使用される。
正極17としては、Au、Al、NiおよびCu等の周知の材料及び前記材料を用いた各種構造を何ら制限無く用いることができる。
正極17の厚さは100nm〜10μmとすることが好ましく、300nm〜3μmとすることがより好ましい。正極17の厚さを300nm以上とすることにより、ボンディングパッドとしてのボンダビリティーを向上させることができる。また、正極17の厚さを3μm以下とすることにより、製造コストを低減できる。
図1(b)に示すように、正極17の側面17b及び上面周辺部17aと、酸化チタン系導電膜層15の側面15b及び一面15aと、n型半導体層12の一面、発光層13およびp型半導体層14の露出面並びに負極18の側面を覆うように、光触媒反応防止層16が形成されている。このように光触媒反応防止層16を形成することにより、発光素子1内部への水分等の浸入を防止して、発光素子1の劣化を抑制できる。特に、光触媒反応防止層16と透光性導電酸化物層39との界面への水分等の浸入を防止して、酸化チタン系導電膜層15の光触媒作用を防止することができる。
絶縁性透明膜としては、絶縁性を有するとともに、300〜550nmの範囲の波長において、80%以上の透過率を有する材料であればよい。たとえば、酸化シリコン(例えば、SiO2)、酸化アルミニウム(例えば、Al2O3)、酸化ハフニウム(例えば、HfO2)、酸化ニオブ(例えば、Nb2O5)、酸化タンタル(例えば、Ta2O5)、窒化シリコン(例えば、Si3N4)、窒化アルミニウム(例えば、AlN)等を用いることができる。このうちSiO2、Al2O3は、CVD成膜で緻密な膜が容易に作製でき、より好ましい。Al2O3は、CVD法で成膜することにより、高温高湿下での信頼性がより向上させることができるので、さらに好ましい。
例えば、光触媒反応防止層16にSiO2(屈折率1.5)またはAl2O3(屈折率1.6)を用いる場合、屈折率が1.6〜2.6となる透明膜を挟み込むことが好ましい。
前記透明膜としては、CeO2(屈折率2.2)、HfO2(屈折率1.9)、MgO(屈折率1.7)、ITO(屈折率1.9)、Nb2O5(屈折率2.3)、Ta2O5(屈折率2.2)、Y2O3(屈折率1.9)、ZnO(屈折率2.1)、ZrO2(屈折率2.1)等を挙げることができる。
負極18は、図1に示すように、基板11上に積層されたn型半導体層12、発光層13およびp型半導体層14の一部を除去してn型半導体層12のn型コンタクト層を露出させ、n型半導体層12に接するように形成される。負極18は、ボンディングパッドとして使用される。
負極18としては、周知の各種組成および構造の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
図2は、本発明の実施形態である発光素子の製造方法の一例を示すフローチャート図である。
図2に示すように、本発明の実施形態である発光素子の製造方法は、窒化物系化合物半導体層形成工程S1と、n型半導体層露出工程S2と、透光性導電酸化物層形成工程S3と、酸化チタン系導電膜層形成工程S4と、電極形成工程S5と、光触媒反応防止層形成工程S6と、を有する。
以下、各工程について、図3〜6に示す製造工程図を用いて説明する。
窒化物系化合物半導体層形成工程S1は、基板11の一面11aに、n型半導体層12と、発光層13と、p型半導体層14と、からなる窒化物系化合物半導体をこの順に積層する工程である。
また、MBE法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。
まず、サファイア製の基板11の一面11aに、バッファ層31と、下地層32と、n型コンタクト層33と、n型クラッド層34とをこの順に積層してn型半導体層12を形成する。
AlcGa1−cN障璧層の成長温度は700℃以上とすることが好ましく、800〜1100℃とすることがより好ましい。AlcGa1−cN障璧層の成長温度を800〜1100℃とすることにより、結晶性を良好にすることができる。また、GaInN井戸層の成長温度は600〜900℃とすることが好ましく、700〜900℃とすることがより好ましい。GaInN井戸層の成長温度は600〜900℃とすることにより、結晶性を良好にすることができる。すなわち、MQW構造の結晶性を良好にするためには、AlcGa1−cN障璧層の形成時の成長温度と、GaInN井戸層の形成時の成長温度と、を変えることが好ましい。
なお、障璧層として、SiドープGaN障壁層を用いてもよい。
これにより、図3に示すn型半導体層12と、発光層13と、p型半導体層14と、からなる窒化物系化合物半導体層を形成した基板(以下、第1の半導体基板)41を得ることができる。
n型半導体層露出工程S2は、n型半導体層12の一部を露出させる工程である。この露出領域は、負極を形成する領域であり、n型コンタクト層33を反応性イオンエッチング法により露出させてなる。
まず、レジストをp型半導体層14の全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、負極形成領域からレジストを除去する。
次に、真空蒸着装置内にセットして、圧力4×10−4Pa以下で、エレクトロンビーム法により、Ni及びTiを膜厚がそれぞれ約50nm及び300nmとなるように積層する。
次に、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に、第1の半導体基板41を載置し、エッチング室を10−4Paに減圧した後、エッチングガスとしてCl2を供給してn型コンタクト層33が露出するまでエッチングする。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去する。
これにより、図4に示すn型半導体層12の一部を露出させた基板(以下、第2の半導体基板)42を得ることができる。
次に、In、AlまたはGaのいずれかの元素を含む第1の酸化物と、ZnまたはSnのいずれかの元素を含む第2の酸化物とを、有するターゲットを真空チャンバー内の所定の位置に取り付ける。
次に、p型半導体層14の一面14aをターゲットと対向させるように、第2の半導体基板42を取り付ける。
次に、成膜速度および成膜時間を調整して、前記ターゲットをスパッタすることにより、p型半導体層14の一面14aに、In、AlまたはGaのいずれかの元素を含む第1の酸化物と、ZnまたはSnのいずれかの元素を含む第2の酸化物とを、付着させて、透光性導電酸化物層39を形成することができる。
これにより、図5に示す透光性導電酸化物層39を形成した基板(以下、第3の半導体基板)43を得ることができる。
酸化チタン系導電膜層形成工程S4は、透光性導電酸化物層39上に酸化チタン系導電膜層15を形成する工程である。
酸化チタン系導電膜層15の成膜方法としては、蒸着法、スパッタ法、PLD法、CVD法など何れの方法も用いることができる。
蒸着法(真空蒸着法)を用いる場合、Ti1−xAxO2(A=Ta、Nb、V、Mo、W、Sb)のタブレットを用いて、抵抗加熱やEB加熱等の何れの方法を用いても成膜することができる。また、それぞれの単体金属酸化物を、別々の蒸着源として成膜することもできる。この方法を用いることにより、組成制御が容易になる利点がある。例えば、TiO2とTa2O5をそれぞれ別々の蒸着源で成膜し、任意のTi1−xTaxO2組成を作製することができる。さらに、単体金属や合金金属を使用し、酸素ガスを導入して、プラズマ等を用いて反応性成膜をすることもできる。例えば、TiとTaを別々の蒸着源で蒸発させ、プラズマでTiとTaを酸素ガスと反応させてTi1−xTaxO2組成を作製することができる。また、密着性や緻密さを向上させるため、基板加熱やイオンアシストを用いても良い。
これにより、図6に示す酸化チタン系導電膜層15を形成した基板(以下、第4の半導体基板)44を得ることができる。
その後、たとえば、処理温度を350℃として、アニール処理を行う。これにより、透光性導電酸化物層39の膜厚が薄く、層として形成されていない場合でも、p型半導体層14の一面14aに付着させた、In、AlまたはGaのいずれかの元素を含む第1の酸化物と、ZnまたはSnのいずれかの元素を含む第2の酸化物の構成元素を、p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間で拡散させることができる。
電極形成工程S5は、酸化チタン系導電膜層15の一面15aに正極17を形成し、n型半導体層12の露出された一面12aに負極18を形成する工程である。
まず、リフトオフと呼ばれる周知の手順及び周知の積層方法を用いて、酸化チタン系導電膜層15の一面15a及びn型半導体層12の露出された一面12aに、Auからなる第1の層、Tiからなる第2の層、Alからなる第3の層、Tiからなる第4の層、Auからなる第5の層を順に積層し、5層構造の正極17及び負極18を形成する。
これにより、図7に示す電極を形成した基板(以下、第5の半導体基板)45を得ることができる。
光触媒反応防止層形成工程S6は、酸化チタン系導電膜層15を覆うように光触媒反応防止層16を形成する工程である。
光触媒反応防止層16の成膜には、スパッタ法やCVD法などの緻密な膜ができる成膜方法を用いることができる。特に、CVD法を用いた方が、より緻密な膜ができるので好ましい。
また、CVD法でAl2O3を成膜する場合は、TMA(トリメチルアルミニウム)、DMA(ジメチルアルミニウム)、アルコキシ化合物(イソプロポキシジメチルアルミニウム、sec−ブトキシジメチルアルミニウム、イソプロポキシジエチルアルミニウム、tert−ブトキシジメチルアルミニウム)などを原料として用いることができる。
この後、第6の半導体基板を分割(チップ化)して、図1に示す発光素子1を得ることができる。
次に、本発明の実施形態であるランプ(LEDランプ)について説明する。
図8は、本発明の実施形態であるランプの一例を示す断面模式図である。
図8に示すように、本発明の実施形態であるランプ5は、図1に示したフェイスアップ型の窒化物系半導体からなる発光素子1が、フレーム51、52にワイヤー53、54により接合されており、モールド55で砲弾型に実装されて概略構成されている。
具体的には、例えば、2本のフレーム51、52の内の一方(図8ではフレーム51)に発光素子1を樹脂等で接着し、該発光素子1の正極17及び負極18を、金等の材質からなるワイヤー53、54でそれぞれフレーム51、52に接合した後、透明な樹脂からなるモールド55で発光素子1の周辺をモールドすることにより、図8に示す砲弾型のランプを作成することができる。
また、ランプ5は、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。
本発明の第2の実施形態である発光素子について説明する。
図9は、本発明の実施形態である発光素子2の一例を示す図であり、図9(a)は平面模式図であり、図9(b)は、図9(a)のB−B’線における断面図である。なお、実施形態1で示した部材と同一の部材については同一の符号を付して示している。
図9(b)に示すように、本発明の実施形態である発光素子2は、p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間に透光性導電酸化物層の膜厚を薄く形成した他は第1の実施形態で示した発光素子1と同様の構成とされている。
たとえば、ITO、IZO、AZO又はGZOターゲットを用いて、スパッタを行う際に、スパッタ時間を短くしたり、スパッタエネルギーを小さくすることにより、p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間に透光性導電酸化物層の膜厚を薄くして、p型半導体層14と酸化チタン系導電膜層15との間で、前記第1の酸化物及び前記第2の酸化物が前記p型半導体層を部分的に覆うように形成できる。
(実施例1)
<窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造>
図2に示したフローチャート及び図3〜図7に示した製造工程図に従い、図1または図9に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造した。
まず、複数の発光素子の基板となる、サファイア製の基板の一面に、MOCVD法によりAlNからなるバッファ層を成膜した。
次に、厚さ8μmのアンドープGaNからなる下地層、厚さ2μmのSiドープn型GaNコンタクト層及び厚さ0.02μmのn型In0.1Ga0.9Nクラッド層をこの順序で積層してn型半導体層を形成した。n型GaNコンタクト層のキャリア濃度は1×1019cm−3とした。
次に、厚さ0.01μmのMgドープp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層と、厚さ0.18μmのMgドープp型Al0.02Ga0.98Nコンタクト層を、この順序で積層してp型半導体層を形成した。p型AlGaNコンタクト層のキャリア濃度は5×1018cm−3とし、p型AlGaNクラッド層のMgドープ量は5×1019cm−3とした。
なお、上記窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、MOCVD法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
次に、真空蒸着装置内にセットして、圧力4×10−4Pa以下で、エレクトロンビーム法によりNi及びTiを膜厚がそれぞれ約50nm及び300nmとなるように積層した。
次に、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基板を載置し、エッチング室を10−4Paに減圧した後、エッチングガスとしてCl2を供給してn型GaNコンタクト層が露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。
次に、IZOターゲットを用いてスパッタを行うことにより、p型半導体層の一面であって、p型AlGaNコンタクト層表面の正極を形成する領域に、IZOを形成した。このとき、Inを含む第1の酸化物とZnを含む第2の酸化物とを有するIZOからなる透光性導電酸化物層の膜厚は5nmであった。
その後、処理温度を350℃として、アニール処理を行った。
次に、真空蒸着法により、半導体側から厚さ100nmのTiと、厚さ200nmのAuとを順に成膜して負極を形成した。
次に、レジストを公知の方法により除去した。
前記チップ(実施例1の発光素子)について、プローブ針による通電を行い、20mAの印加電流における順方向電圧を測定し、駆動電圧Vf(V)を調べた。
また、得られたチップをTO−18缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流20mAにおける発光出力(mW)を計測した。
透光性導電酸化物層形成工程において、IZOからなる透光性導電酸化物層を膜厚0.5nmで形成した他は実施例1と同様にして、実施例2の発光素子を製造した。その後、実施例1と同様に、素子特性の評価を行った。
透光性導電酸化物層形成工程において、IZOからなる透光性導電酸化物層を膜厚2nmで形成した他は実施例1と同様にして、実施例3の発光素子を製造した。その後、実施例1と同様に、素子特性の評価を行った。
透光性導電酸化物層の形成工程において、IZOからなる透光性導電酸化物層を膜厚10nmで形成した他は実施例1と同様にして、実施例4の発光素子を製造した。その後、実施例1と同様に、素子特性の評価を行った。
透光性導電酸化物層形成工程において、ITOからなる透光性導電酸化物層を膜厚5nmで形成した他は実施例1と同様にして、実施例5の発光素子を製造した。その後、実施例1と同様に、素子特性の評価を行った。
透光性導電酸化物層形成工程において、AZOからなる透光性導電酸化物層を膜厚5nmで形成した他は実施例1と同様にして、実施例6の発光素子を製造した。その後、実施例1と同様に、素子特性の評価を行った。
透光性導電酸化物層形成工程において、GZOからなる透光性導電酸化物層を膜厚5nmで形成した他は実施例1と同様にして、実施例7の発光素子を製造した。その後、実施例1と同様に、素子特性の評価を行った。
透光性導電酸化物層形成工程において、Inを含む第1の酸化物とZnを含む第2の酸化物との総質量に対し、Znを含む第2の酸化物の質量を30質量%とした他は実施例1と同様にして、比較例1の発光素子を製造した。その後、実施例1と同様に、素子特性の評価を行った。
透光性導電酸化物層形成工程において、Inを含む第1の酸化物とZnを含む第2の酸化物との総質量に対し、Znを含む第2の酸化物の質量を0.1質量%とした他は実施例1と同様にして、比較例2の発光素子を製造した。その後、実施例1と同様に、素子特性の評価を行った。
透光性導電酸化物層形成工程において、IZOからなる透光性導電酸化物層を膜厚20nmで形成した他は実施例1と同様にして、比較例3の発光素子を製造した。その後、実施例1と同様に、素子特性の評価を行った。
p型半導体層の基板と反対側の面に、Inを含む第1の酸化物と、Znを含む第2の酸化物とを形成させずに酸化チタン系導電膜層を成膜した後、酸化チタン系導電膜層の一面(基板と反対側の面)にIZOからなる透光性導電酸化物層を膜厚0.5nmで形成した他は実施例1と同様にして、比較例4の発光素子を製造した。この素子構造は、実施例2に示した素子構造において、酸化チタン系導電膜層と透光性導電酸化物層との積層順序を逆とした構造である。その後、実施例1と同様に、素子特性の評価を行った。
Claims (16)
- 基板の一面に、n型半導体層と、発光層と、p型半導体層と、酸化チタン系導電膜層と、がこの順で積層された発光素子であって、
前記p型半導体層と前記酸化チタン系導電膜層との間に、In、AlまたはGaのいずれかの元素を含む第1の酸化物と、ZnまたはSnのいずれかの元素を含む第2の酸化物とが存在し、前記第1の酸化物及び前記第2の酸化物の全量に対する前記第2の酸化物の質量割合が1〜20質量%の範囲であることを特徴とする発光素子。 - 前記第1の酸化物及び前記第2の酸化物が、前記p型半導体層を少なくとも部分的に覆っていることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 前記p型半導体層と前記酸化チタン系導電膜層との間に、前記第1の酸化物と前記第2の酸化物とを含む透光性導電酸化物層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 前記透光性導電酸化物層の膜厚が10nm以下であることを特徴とする請求項3に記載の発光素子。
- 前記透光性導電酸化物層が、ITO、AZO、IZO、GZOの群から選択される少なくとも1種類以上の材料からなることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の発光素子。
- 前記酸化チタン系導電膜層が、Ta、Nb、V、Mo、W、Sbの群から選択される少なくとも1種類以上の元素を含むTi酸化物からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記酸化チタン系導電膜層の膜厚が35〜2000nmの範囲であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記酸化チタン系導電膜層が、粒状結晶からなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記n型半導体層と、前記発光層と、前記p型半導体層が、窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記窒化物系化合物半導体が、GaN系化合物半導体であることを特徴とする請求項9に記載の発光素子。
- 基板の一面にn型半導体層と、発光層と、p型半導体層とをこの順で積層した後、スパッタ法で、前記p型半導体層の表面に、In、AlまたはGaのいずれか元素を含む第1の酸化物と、ZnまたはSnのいずれかの元素を含む第2の酸化物と、を含む透光性導電酸化物層を形成する工程と、
前記透光性導電酸化物層上に酸化チタン系導電膜層を形成する工程と、を有することを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記透光性導電酸化物層形成工程で、前記第1の酸化物及び前記第2の酸化物が前記p型半導体層を少なくとも部分的に覆うように、前記透光性導電酸化物層の膜厚を薄く形成することを特徴とする請求項11に記載の発光素子の製造方法。
- 酸化チタン系導電膜層を形成した後、アニール処理を行うことを特徴とする請求項11または請求項12に記載の発光素子の製造方法。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の発光素子を備えたことを特徴とするランプ。
- 請求項14に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
- 請求項15に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
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