JP2011035131A - Ｉｔｏ電極の形成方法、半導体素子のｉｔｏ電極及びｉｔｏ電極を備えた半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＴＯ電極の抵抗をさらに低くすることのできるＩＴＯ電極の形成方法、及びこれにより形成された半導体素子のＩＴＯ電極、並びにこのＩＴＯ電極を備えた半導体素子を提供する。
【解決手段】半導体素子１における酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の電極５０の形成方法において、電極５０を、成膜レートにつき１Å／ｓｅｃ以上５Å／ｓｅｃ以下とし、酸素圧力につき０．００５Ｐａ以上０．０２Ｐａ以下として、電子線蒸着法により形成した後、所定温度で焼成し、良質なＩＴＯ電極５０を得た。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＴＯ電極の形成方法、半導体素子のＩＴＯ電極及びＩＴＯ電極を備えた半導体素子に関する。

従来、III族窒化物半導体等のＬＥＤ（Light Emitting Diode）のｐ電極には、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）が使用されており、ＩＴＯの成膜にはスパッタ法、電子線蒸着法等が用いられる。スパッタ法を用いる場合は、半導体へのダメージを考慮しなくてはならない。

電子線蒸着法を用いて形成されるＩＴＯは、焼成によりアモルファス構造から多結晶構造となり、表面に凹凸が存在して光取り出しに有利である。しかしながら、柱状に結晶成長するため、結晶粒界が存在して抵抗が高くなる。特許文献１には、酸素の存在する雰囲気下でＩＴＯを形成することにより、電極の抵抗を低くすることが提案されている。

特開２００６−１０８１６４号公報

特許文献１では、ＩＴＯ電極の抵抗を低くすることに成功しているが、ＩＴＯ電極のさらなる低抵抗化が望まれている。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＩＴＯ電極の抵抗をさらに低くすることのできるＩＴＯ電極の形成方法、及びこれにより形成された半導体素子のＩＴＯ電極、並びにこのＩＴＯ電極を備えた半導体素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、半導体素子における酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の電極の形成方法において、前記電極を、成膜レートにつき１Å／ｓｅｃ以上５Å／ｓｅｃ以下とし、酸素圧力につき０．００５Ｐａ以上０．０２Ｐａ以下として、電子線蒸着法により形成した後、所定温度で焼成するＩＴＯ電極の形成方法が提供される。

上記ＩＴＯ電極の形成方法において、前記半導体素子は、III族窒化物化合物半導体からなるようにすることができる。

また、上記目的を達成するため、本発明によれば、上記ＩＴＯ電極の形成方法で形成され、結晶中の粒界が存在しない半導体素子のＩＴＯ電極が提供される。

また、上記目的を達成するため、本発明によれば、上記ＩＴＯ電極を備えた半導体素子が提供される。

本発明によれば、ＩＴＯ電極の抵抗をさらに低くすることができる。

図１は、本発明の一実施形態を示す発光素子の断面図である。 図２は、発光素子の製造工程の一例を示し、（ａ）はサファイア基板にIII族窒化物化合物半導体を積層させた状態を示し、（ｂ）はｎ−ＧａＮ層の表面を露出させるためにエッチングを施しｐ−ＧａＮ層上にＩＴＯ電極を形成した状態を示す。 図３は、発光素子の製造工程の一例を示し、（ａ）はＩＴＯ電極にパッド電極を形成した状態を示している。（ｂ）はｎ−ＧａＮ層にｎ側パッド電極を形成した状態を示している。 図４は、ＩＴＯの結晶状態を示す説明図である。 図５は、従来のＩＴＯの結晶状態を示す説明図である。 図６は、変形例を示す発光素子の断面図である。 図７は、成膜レートを２．５Å／ｓｅｃ、酸素圧力を０．００５Ｐａとして形成されたＩＴＯ電極のＳＥＭ写真である。 図８は、成膜レートを２．５Å／ｓｅｃ、酸素圧力を０．０２５Ｐａとして形成されたＩＴＯ電極のＳＥＭ写真である。 図９は、成膜レートを２．５Å／ｓｅｃ、酸素圧力を０．００３Ｐａとして形成されたＩＴＯ電極のＳＥＭ写真である。 図１０は、成膜レートを５Å／ｓｅｃ、酸素圧力を０．０１Ｐａとして形成されたＩＴＯ電極のＳＥＭ写真である。 図１１は、成膜レートを０．５Å／ｓｅｃ、酸素圧力を０．０１Ｐａとして形成されたＩＴＯ電極のＳＥＭ写真である。 図１２は、成膜レートを１０Å／ｓｅｃ、酸素圧力を０．０１Ｐａとして形成されたＩＴＯ電極のＳＥＭ写真である。 図１３は、ＩＴＯ電極の［２２２］方向におけるＸＲＣ法試験により得られたグラフである。

図１から図４は本発明の一実施形態を示し、図１は発光素子の断面図である。
発光素子１は、青色領域の波長の光を発するフェイスアップ型の発光ダイオード（ＬＥＤ）である。図１に示すように、発光素子１は、サファイア基板１０と、ｎ−ＧａＮ層２０と、ｎ−ＧａＮ層２０上に設けられる発光層３０と、発光層３０の上に設けられるｐ−ＧａＮ層４０と、を備えている。ｎ−ＧａＮ層２０、発光層３０及びｐ−ＧａＮ層４０は、III族窒化物化合物半導体からなる層である。尚、サファイア基板１０とｎ−ＧａＮ層２０との間にバッファ層やノンドープＧａＮ層を設けてもよい。また、ｎ−ＧａＮ層２０はサファイア基板１０側のｎ型コンタクト層と発光層３０側のｎ型クラッド層を含んで構成することができ、ｐ−ＧａＮ層４０は発光層３０側のｐ型クラッド層とｐ型クラッド層の上に形成されるｐ型コンタクト層とを含んで構成することができる。

III族窒化物化合物半導体は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体とすることができる。これらのIII族元素の一部は、Ｂ、Ｔｌ等で置き換えても良く、また、Ｎの一部をＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置き換えても良い。III族窒化物化合物半導体からなる層は、例えば、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD）、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy : MBE）、ハライド気相エピタキシー法（Halide Vapor Phase Epitaxy : HVPE）等によって形成される。

本実施形態においては、ｎ−ＧａＮ層２０はＳｉをｎ型不純物とし、ｐ−ＧａＮ層４０はＭｇをｐ型不純物としている。ここで、ｎ型不純物として、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いてもよいし、ｐ型不純物として、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いてもよい。

また、発光層３０は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮから形成される多重量子井戸構造を有している。多重量子井戸構造は、少なくともインジウム(Ｉｎ)を含むIII族窒化物系化合物半導体Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）からなる井戸層を含むようにするとよい。例えば、発光層３０は、アンドープのＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップの大きいアンドープのＧａＮからなる障壁層により構成することができる。尚、発光層３０の量子井戸構造は多重量子井戸構造でなく単一量子井戸の構造であってもよい。

また、発光素子１のｐ−ＧａＮ層４０の上には、ＩＴＯからなるｐ側コンタクト電極５０が設けられる。さらに、ＩＴＯ電極としてのｐ側コンタクト電極５０の上には、ワイヤボンディングのために、部分的にｐ側パッド電極６０が設けられる。ｐ側パッド電極６０は、拡散電極としてのｐ側コンタクト電極５０とオーミック接触するように、最下層には、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ａｌ等の金属が用いられる。

また、発光素子１のｎ−ＧａＮ層２０の上には、ワイヤボンディングのために、部分的にｎ側パッド電極７０が設けられる。ｐ側パッド電極６０は、ｎ−ＧａＮ層２０とオーミック接触するように、最下層には、Ｖ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｗ等の金属が用いられる。

本実施形態においては、発光素子１は、ｎ−ＧａＮ層２０からｐ側パッド電極６０の側面を覆う保護膜８０を有している。保護膜８０は、例えばＳｉＯ_２により形成することができるが、ＳｉＮ_ｘであってもよいし、さらにはＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５等の金属酸化物やポリイミド等の電気絶縁性を有する樹脂材料から形成することもできる。

図２及び図３は、発光素子の製造工程の一例を示す。図２（ａ）はサファイア基板にIII族窒化物化合物半導体を積層させた状態を示し、図２（ｂ）はｎ−ＧａＮ層の表面を露出させるためにエッチングを施しｐ−ＧａＮ層上にＩＴＯ電極を形成した状態を示している。

まず、図２（ａ）に示すように、サファイア基板１０を準備し、このサファイア基板１０の上に、ｎ−ＧａＮ層２０、発光層３０及びｐ−ＧａＮ層４０をこの順にエピタキシャル成長してエピタキシャル成長基板を形成する。続いて、フォトレジストによるマスクをｐ−ＧａＮ層４０上にフォトリソグラフィー技術を用いて形成し、ｐ−ＧａＮ層４０からｎ−ＧａＮ層２０の一部までエッチングした後マスクを除去する。これにより、図２（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層２０からｐ−ＧａＮ層４０までの複数の化合物半導体層から構成されるメサ部分が形成される。

この後、図２（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮ４０の上に、全体的にＩＴＯからなるｐ側コンタクト電極５０を形成する。ＩＴＯ電極の形成は、酸化スズと酸化インジウムの混合物をターゲットとした電子線蒸着法により行われる。ＩＴＯの組成は任意であるが、酸化スズを５％以上１５％以下とすることができる。また、電子線蒸着法によるＩＴＯの形成は、成膜レートを１Å／ｓｅｃ以上で５Å／ｓｅｃ以下とし、酸素圧力を０．００５Ｐａ以上で０．０２Ｐａ以下として行われる。この条件でＩＴＯを形成することにより、ＩＴＯのシート抵抗を低くするとともに、ＩＴＯの透過率を大きくすることができる。尚、ＩＴＯの膜厚は任意であるが、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下とすることができる。この後、ＩＴＯの焼成を所定の条件で行う。焼成条件は任意であるが、温度は２００℃以上１０００℃以下とすることができ、窒素雰囲気、真空雰囲気等で行うことができる。

図３（ａ）は、ＩＴＯ電極にパッド電極を形成した状態を示している。
次いで、図３（ａ）に示すように、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、ｐ側パッド電極６０をｐ側コンタクト電極５０の予め定められた領域に形成する。尚、ｐ側コンタクト電極５０の上にｐ側パッド電極６０の熱処理前の材料を設けておき、ｐ側パッド電極６０に熱処理を施すようにしてもよい。

図３（ｂ）は、ｎ−ＧａＮ層にｎ側パッド電極を形成した状態を示している。
続いて、図３（ｂ）に示すように、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、ｎ側パッド電極７０をｎ−ＧａＮ層２０の予め定められた領域に形成する。尚、ｎ−ＧａＮ層２０の上にｎ側パッド電極７０の熱処理前の材料を設けておき、ｎ側パッド電極７０に熱処理を施すようにしてもよい。

そして、図１に示すように、ｎ−ＧａＮ層２０、発光層３０、ｐ−ＧａＮ層４０、ｐ側コンタクト電極５０及びｐ側パッド電極６０を覆う保護膜８０を、真空蒸着法により形成する。尚、保護膜８０は、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition : CVD）により形成することもできる。

以上のように製造される発光素子１のｐ側コンタクト電極５０は、電子線蒸着中の酸素圧力を０．０２Ｐａ以下とするとともに成膜レートを１Å／ｓｅｃ以上としているので、ＩＴＯの核成長時の酸化被膜を薄くすることができる。これに加え、成膜レートを５Å／ｓｅｃ以下としてＩＴＯを密に形成することにより、図４に示すように結晶の粒界が存在しないものとすることができる。ここで、図４は、ＩＴＯの結晶状態を示す説明図である。これにより、シート抵抗を小さくすることができる。すなわち、図５に示す従来のＩＴＯのように、柱状の結晶の粒界が形成されるようなことはない。

また、酸素圧力を０．００５Ｐａ以上としているので、結晶内に酸素欠損を生じることはなく、良質のＩＴＯを得ることができる。従って、酸素欠損がひずみとなって、透過率が低下したり抵抗が高くなることはない。さらにまた、ＩＴＯを焼成することにより、ＩＴＯの晶質を安定させることができる。

また、本実施形態の発光素子１によれば、ｐ側コンタクト電極５０の品質が良好となり、ｐ側コンタクト電極５０側からの光取り出し性能を損なうことなく、順方向電圧を低くすることができる。

尚、前記実施形態においては、ｎ−ＧａＮ層２０の上にｎ側パッド電極７０を形成したものを示したが、例えば図６に示すように、ｎ−ＧａＮ層２０の上にｎ側コンタクト電極９０を形成しておき、ｎ側コンタクト電極９０上にｎ側パッド電極７０を形成するようにしてもよい。この場合、ｎ側コンタクト電極９０にＩＴＯを用いてもよく、例えばｐ側コンタクト電極５０と同工程で製造することができる。これにより、ＩＴＯ電極としてのｎ側コンタクト電極９０においても、ｐ側コンタクト電極５０と同様に、透過率を高くして抵抗を低くすることができる。

また、前記実施形態においては、ｐ側電極及びｎ側電極にボンディングワイヤが接続されるフェイスアップ型のＬＥＤに本発明を適用した例を示したが、フリップチップ型のＬＥＤにも適用可能なことはいうまでもない。さらには、レーザーリフトオフによりサファイア基板を剥離して導電性の支持基板が接合される上下導通型のＬＥＤにも適用可能である。また、半導体素子がIII族窒化物化合物半導体からなるものを示したが他の半導体を用いてもよいし、ＬＥＤ以外のレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子であってもよい。また、発光素子１のサイズも任意である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の全ての組合せが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

（実施例）
前記実施形態におけるＩＴＯのシート抵抗の低減及び光透過性の効果を確認するため、複数の発光素子の試料体を作製して実験を行った。
各試料体は、サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法によってバッファ層、ｎ−ＧａＮ層、発光層、ｐ−ＧａＮ層を順に積層して作製した。原料ガスには、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ源としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｎ源としてアンモニア、ｎ型ドーパントであるＳｉ源としてシラン、ｐ型ドーパントであるＭｇ源としてＣｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いた。

この後、ｐ−ＧａＮ層上には厚さ３００ｎｍのＩＴＯからなるｐ側コンタクト電極を形成した。そして、ｎ側パッド電極を形成する領域以外にマスクを形成し、ｎ−ＧａＮ層が露出するまでドライエッチングし、マスクを除去した。また、ｐ側コンタクト電極上には、厚さ４０ｎｍのＮｉからなるＮｉ層と、厚さ１．５μｍのＡｕからなるＡｕ層と、厚さ１０ｎｍのＡｌからなるＡｌ層とをこの順に積層させてｐ側パッド電極を形成した。さらに、ｎ型コンタクト層の露出部分には、厚さ１７．５ｎｍのＶからなるＶ層と、厚さ１．５μｍのＡｌからなるＡｌ層をこの順に積層させてｎ側パッド電極を形成した。そして、ｐ側コンタクト電極、ｐ側パッド電極及びｎ側パッド電極を加熱処理した後、ＳｉＯ_２からなる保護膜を形成した。尚、発光素子のサイズは、１ｍｍ角とした。

ｐ側コンタクト電極の形成にあたっては、酸化スズと酸化インジウムの混合物（酸化スズ５％）をターゲットとして、電子線蒸着法によりＩＴＯを３００ｎｍの厚さまで成膜した。ＩＴＯを蒸着する際に、試料体ごとに成膜レートと酸素圧力を変化させた。ここで、蒸着装置の内部は、予め、５×１０^−４Ｐａ以下で３５０℃の状態に保持しておき、必要に応じて酸素を装置内部に導入した。ＩＴＯを成膜した後、１５Ｐａ以下の真空で７００℃にて５分間の焼成を行った。そして、フォトレジストにより電極を形成しない領域を窓としてマスクを形成し、エッチング液によりＩＴＯをエッチングしてフォトレジストを除去した。

以上のように作製された発光素子のｐ側コンタクト電極について、それぞれシート抵抗と透過率を測定した。透過率については波長４６０ｎｍの光を用いて測定した。成膜レートを２．５Å／ｓｅｃとして形成されたＩＴＯのシート抵抗と透過率を表１に示す。尚、透過率はサファイアを１００％とした場合の相対値である。

表１に示すように、酸素圧力が０．００５Ｐａ以上０．０２Ｐａ以下ではシート抵抗が低く且つ透過率が高く、ＩＴＯが良質であることが示されている。本実施例では、シート抵抗が８．０Ω／□未満で、透過率が９０％以上となっている。ここで、酸素圧力が０．００５Ｐａの状態のＳＥＭ写真を図７に示す。図７に示すように、ＩＴＯには粒界が形成されていない。

これに対し、酸素圧力を０．０２５Ｐａとするとシート抵抗が臨界的に高くなる。ここで、酸素圧力が０．０２５Ｐａの状態のＳＥＭ写真を図８に示す。図８に示すように、ＩＴＯに粒界が形成されている。

また、酸素圧力を０．００３Ｐａとするとシート抵抗が臨界的に高くなるとともに、透過率が臨界的に低くなる。ここで、酸素圧力が０．００３Ｐａの状態のＳＥＭ写真を図９に示す。図９に示すように、酸素欠損によりＩＴＯ結晶が異常成長している。

次に、酸素圧力を０．０１Ｐａとして形成されたＩＴＯのシート抵抗と透過率を表２に示す。

表２に示すように、成膜レートが１Å／ｓｅｃ以上５Å／ｓｅｃ以下ではシート抵抗が低く且つ透過率が高く、ＩＴＯが良質であることが示されている。ここで、成膜レートが５Å／ｓｅｃの状態のＳＥＭ写真を図１０に示す。図１０に示すように、ＩＴＯには粒界が形成されていない。

これに対し、成膜レートを０．５Å／ｓｅｃとするとシート抵抗が臨界的に高くなる。ここで、成膜レートが０．５Å／ｓｅｃの状態のＳＥＭ写真を図１１に示す。図１１に示すように、ＩＴＯに粒界が形成されている。

また、成膜レートを１０Å／ｓｅｃとするとシート抵抗が臨界的に高くなるとともに、透過率が臨界的に低くなる。ここで、成膜レートが１０Å／ｓｅｃの状態のＳＥＭ写真を図１２に示す。図１２に示すように、成膜レートが高いため、ＩＴＯの結晶が密に形成されていない。

表１及び表２以外の条件でもＩＴＯを作製し、これら条件のシート抵抗と透過率を表３に示す。

表３では、いずれも、酸素圧力が０．００５Ｐａ以上０．０２Ｐａ以下で、成膜レートが１Å／ｓｅｃ以上５Å／ｓｅｃ以下であり、シート抵抗と透過率が良好な値となっている。

また、成膜レートを５Å／ｓｅｃとし酸素圧力を０．０３Ｐａとした試料体と、成膜レートを２．５Å／ｓｅｃとし酸素圧力を０．０１Ｐａとした試料体につき、ＸＲＣ（X-ray Rocking Curve）法試験により結晶性の評価を行った。図１３に示すように、ＩＴＯの［２２２］方向における評価にて、酸素圧力を０．０３Ｐａとした試料体では半値幅（ＦＷＨＭ）が１４８０秒であるのに対し、酸素圧力を０．０１Ｐａとした試料体では半値幅（ＦＷＨＭ）が３８９０秒であった。これにより、酸素圧力を０．０１Ｐａとした場合には、半値幅が大きくなっていることから、指向性が弱くなり、粒界がなくなっていると理解される。

また、酸素圧力を０．０１Ｐａとした試料体では、順方向電圧が３．１５Ｖで光パワー測定値が２６４ｍＷであった。これに対し、酸素圧力を０．０３Ｐａとした試料体では、順方向電圧が３．２０Ｖで光パワー測定値が２６４ｍＷであった。これにより、光取り出し効率に影響なく、ＩＴＯの抵抗が低くなっていることが理解される。

１ 発光素子
１０ サファイア基板
２０ ｎ−ＧａＮ層
３０ 発光層
４０ ｐ−ＧａＮ層
５０ ｐ側コンタクト電極
６０ ｐ側パッド電極
７０ ｎ側パッド電極
８０ 保護膜
９０ ｎ側コンタクト電極

Claims (4)

1. 半導体素子における酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の電極の形成方法において、
   前記電極を、成膜レートにつき１Å／ｓｅｃ以上５Å／ｓｅｃ以下とし、酸素圧力につき０．００５Ｐａ以上０．０２Ｐａ以下として、電子線蒸着法により形成した後、所定温度で焼成するＩＴＯ電極の形成方法。
2. 前記半導体素子は、III族窒化物化合物半導体からなる請求項１に記載のＩＴＯ電極の形成方法。。
3. 請求項１又は２に記載されたＩＴＯ電極の形成方法で形成され、結晶中の粒界が存在しない半導体素子のＩＴＯ電極。
4. 請求項３に記載されたＩＴＯ電極を備えた半導体素子。