JP2012136759A

JP2012136759A - Ｉｔｏ膜およびその製造方法、半導体発光素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2012136759A
Application number: JP2010291370A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sasaki; 博司佐々木; Takanori Sonoda; 孝徳園田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-19

Abstract

【課題】接触抵抗値を低減させて、下地膜とのオーミック接触を可能とする。
【解決手段】低抵抗の透明配線材料や透明電極材料として活用されるＩＴＯ膜およびその製造方法において、ＩＴＯ膜を低温度でスパッタリングして形成し、まず、非結晶体のアモルファス状態にする。次に、酸素雰囲気で熱処理（アニール処理）を行うことにより、ＩＴＯ膜を結晶化すると共に、ＩＴＯ膜の面指数（２２２）の結晶強度が面指数（４００）の結晶強度よりも強くなるように結晶配向性がコントロールされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、低抵抗の透明配線材料や透明電極材料として活用されるＩＴＯ（酸化インジュウムまたはスズ添加酸化インジュウム）膜およびその製造方法、このＩＴＯ膜を用いた例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラなどの半導体発光素子およびその製造方法に関する。

この種の従来の半導体発光素子としては、ＩＴＯ膜が透明電極材料として用いられている。

図３は、非特許文献１に開示されている従来の成膜時のＩＴＯ膜の基板温度依存性を示すＸ線解析パターン図である。図３では、縦軸に解析強度、横軸にＸ線照射入射角２θ（ｄｅｇ）を示している。

図３の破線部Ａに示すように、基板温度が室温の場合は、ＩＴＯ膜の結晶解析ピークが面指数（２２２）ではっきりと観測でき、面指数（４００）では結晶解析ピークが出ていないが、基板温度の上昇に伴って面指数（４００）の結晶解析ピークが徐々に強くなり、結晶粒は＜１００＞優先配向に変化してゆく。

常温ＩＴＯスパッタ成膜時のＩＴＯ膜は大部分は非結晶体アモルファス構造を示すが、スパッタ時の基板温度を上げることにより結晶化する。前述したように、基板温度の上昇と共に、面指数（２２２）および（４００）の結晶解析ピークが共に現れるが、途中で結晶解析ピーク強度が逆転し、最終的には面指数（４００）が主要な結晶解析ピークを示すようになる。

文献「透明電極膜の技術」オーム社；Ｐ１３７，木村浩、石原哲、鈴木義雄、伊藤孝（木村らによるＸ線解析パターンの成膜時のＩＴＯ膜の基板温度依存性、図５・１９）

上記従来のＩＴＯ膜では、ＩＴＯ膜をスパッタ成膜して形成する際に、スパッタ時の基板温度を上げることにより、結晶化されたＩＴＯ膜を得ることができ、低抵抗の透明配線材料や透明電極材料として活用することができるが、結晶方位のコントロールが難しく、硬度の強い面指数（４００）のＩＴＯ膜の配向性しか得られず、ＩＴＯ膜の結晶性の多様性に制限が生じ、接触抵抗値が上がる。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、接触抵抗値を低減させて、下地膜とのオーミック接触を可能とするＩＴＯ膜およびその製造方法、このＩＴＯ膜を用いて、光出力値を向上させることができる例えばＬＥＤ素子などの半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のＩＴＯ膜は、結晶の配向性が面指数（４００）および面指数（２２２）の双方を有しているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明のＩＴＯ膜において、Ｘ線結晶解析ピーク強度が前記面指数（４００）よりも前記面指数（２２２）の方が強い。

本発明のＩＴＯ膜の製造方法は、スパッタリング法またはＥＢ蒸着法により成膜したＩＴＯ膜を用いるものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明のＩＴＯ膜の製造方法におけるＩＴＯ膜の成膜温度条件が室温以上摂氏５０度以下とする。

さらに、好ましくは、本発明のＩＴＯ膜の製造方法において、０．４Ｐａ〜１ＰａのＡｒ雰囲気で該ＩＴＯ膜を成膜する。

さらに、好ましくは、本発明のＩＴＯ膜の製造方法において、成膜したＩＴＯ膜を０．１〜３０パーセントの酸素分圧範囲内で熱処理を行う。

さらに、好ましくは、本発明のＩＴＯ膜の製造方法において、熱処理後のＩＴＯ膜を更に摂氏４５０度〜摂氏７５０度で熱処理を行う。

さらに、好ましくは、本発明のＩＴＯ膜の製造方法における摂氏４５０度〜摂氏７５０度の熱処理雰囲気下の分圧調整にＮ_２またはＡｒを用いる。

さらに、好ましくは、本発明のＩＴＯ膜の製造方法における摂氏３５０度〜摂氏７５０度の熱処理は真空下で行う。

本発明の半導体発光素子は、本発明の上記ＩＴＯ膜を透明電極膜に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の半導体発光素子の製造方法は、本発明の上記ＩＴＯ膜の製造方法を透明電極膜の製造方法に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

本発明のＩＴＯ膜においては、結晶の配向性が面指数（４００）および面指数（２２２）の双方を有している。この場合、本発明のＩＴＯ膜は、Ｘ線結晶解析ピーク強度が前記面指数（４００）よりも面指数（２２２）の方が強い。

これによって、ＩＴＯ膜を低温度でスパッタリングして形成し、まず、非結晶体のアモルファス状態にする。次に、酸素雰囲気で熱処理（アニール処理）を行うことにより、ＩＴＯ膜を結晶化すると共に、ＩＴＯ膜の面指数（２２２）の結晶強度が面指数（４００）の結晶強度よりも強くなるように結晶配向性をコントロールする。その結晶配向性として、従来のものとは違い特徴ある配向を有したＩＴＯ膜が得られる。ＩＴＯ膜の面指数（２２２）が面指数（４００）よりも多く含んだＩＴＯ膜を得ることが可能となって、ＩＴＯ膜は下地膜との接触抵抗に有用なオーミック接触となる。

このように、面指数（２２２）の結晶強度が面指数（４００）の結晶強度よりも強いＩＴＯ膜が熱処理後に得られることにより、仕上がりが酸素リッチな結晶性ＩＴＯ膜となるため、トンネル効果によって下地膜との接触抵抗値およびシート抵抗値を低減させることが可能となる。結果的に、半導体発光素子としてのＬＥＤデバイスの出力電圧値が低減されて、半導体発光素子の光出力値を向上させることが可能となる。

以上により、本発明によれば、面指数（２２２）の結晶強度が面指数（４００）の結晶強度よりも強いＩＴＯ膜が熱処理後に得られるため、接触抵抗値を低減させて、下地膜とのオーミック接触とすることができる。したがって、このＩＴＯ膜が用いられた半導体発光素子としてのＬＥＤデバイスの出力電圧値を低減させることができて、半導体発光素子の光出力値を向上させることができる。

本発明の実施形態における半導体発光素子の要部構成例を示す縦断面図である。図１の半導体発光素子に用いられるＩＴＯ膜の熱処理後の基板温度依存性を示すＸ線解析パターン図である。非特許文献１に開示されている従来のＩＴＯ膜の成膜時〜熱処理後の基板温度依存性を示すＸ線解析パターン図である。

以下に、本発明のＩＴＯ膜およびその製造方法の実施形態を、ＬＥＤ素子などの半導体発光素子およびその製造方法に適用した場合について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの厚みや長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態における半導体発光素子の要部構成例を示す縦断面図である。

図１において、本実施形態の半導体発光素子１は、表面に凹凸が形成された厚さ約３００μｍの基板として例えばサファイヤ基板２の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約１５ｎｍのバッファ層３が成膜され、その上にノンドープのＧａＮから成る膜厚約５００ｎｍのノンドープＧａＮ層４が成膜されている。これらのサファイヤ基板２、バッファ層３およびノンドープＧａＮ層４が単結晶性基板を構成している。

さらに、本実施形態の半導体発光素子１において、この単結晶性基板上にシリコン（Ｓｉ）を１×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮからなる膜厚約５μｍのｎ型コンタクト層５（高キャリヤ濃度ｎ^＋層）が形成されている。このｎ型コンタクト層５上に多重層６が形成され、この多重層６上には多重量子井戸構造の発光層７が形成されている。

さらに、本実施形態の半導体発光素子１において、この発光層７上に、Ｍｇを２×１０^１９／ｃｍ^３ドープした膜厚２５ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎからなるｐ型層である電子ブロック層８が形成され、この電子ブロック層８上に、Ｍｇを８×１０^１９ドープした膜厚１００ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層９が形成されている。このｐ型コンタクト層９上には透光性薄膜電極１０（ＩＴＯ膜）が形成され、透光性薄膜電極１０の一部上にｐ電極１１が形成され、一方、ｎ型コンタクト層５の端部上にはｎ電極１２が形成されている。最上部には、ＳｉＯ_２膜よりなる保護膜１３が形成されている。

半導体発光素子１としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラ、その他の任意の発光素子としてよい。結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＭｇＯまたは、ＩＩＩ族窒化物系化合物単結晶などを用いることができる。ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハライド気相成長法（ＨＤＶＰＥ）、液相成長法などが有効である。

ここで、透光性薄膜電極１０の電極膜として用いられるＩＴＯ（酸化インジュウムまたはスズ添加酸化インジュウム）膜の材質についてさらに詳細に説明する。

図２は、図１の半導体発光素子に用いられるＩＴＯ膜の熱処理後の基板温度依存性を示すＸ線解析パターン図である。

ＩＴＯ膜の結晶配向性として特徴のある配向を有したＩＴＯ膜を用いる。図２の破線部Ｂに示すように、このＩＴＯ膜は、結晶の配向性が面指数（４００）および面指数（２２２）の双方を有している。このＩＴＯ膜は、その面指数（２２２）が面指数（４００）よりも多く含んでいる。即ち、ＩＴＯ膜は、その面指数（２２２）の結晶強度が面指数（４００）の結晶強度よりも強いＩＴＯ膜である。

このＩＴＯ膜の製造方法としては、まず、低温度（室温〜摂氏５０度）、真空度５ｍｔｏｒｒ、Ａｒ流量１００ｓｃｃｍ、ＤＣＰｏｗｅｒ１１５０Ｗ、トレイスピード１７９ｍｍ／ｍｉｎで試料（ＩＴＯ膜を成膜する基板部）をスパッタリング装置に通過させながらスパッタリングしてＩＴＯ膜を膜厚約３２０ｎｍで成膜する。このとき、成膜されたＩＴＯ膜は非結晶体のアモルファス状態である。スパッタリング装置に資料（ＩＴＯ膜を成膜する基板部）を通過させるときに、始めに斜め方向からスパッタ材料をスパッタリング（ＤＣ放電／ＲＦ放電）して飛来させ、基板部上に膜の初期成長が斜め方向から入るため、低ダメージな軟らかい面指数（２２２）の結晶ができ易くなっている。なお、この場合のスパッタリング法に代えてＥＢ蒸着法（電子ビーム蒸着法）によっても本発明のＩＴＯ膜を成膜することができる。また、この場合のＩＴＯ膜の成膜条件として、０．４Ｐａ〜１ＰａのＡｒ雰囲気のみである。

次に、酸素過多の雰囲気（Ｏ_２が２パーセント）で１０分間、摂氏６００度の熱処理（アニール処理）を行う。これによって、下地膜とＩＴＯ膜との接触抵抗値が低減される。なお、ここでは、酸素過多の雰囲気（Ｏ_２が２パーセント）で１回目のアニール処理を行ったが、これに限らず、酸素Ｏ_２の濃度は、成膜したＩＴＯ膜を０．１〜３０パーセントの酸素分圧範囲内で熱処理を行えばよい。また、ここでは、１回目のアニール処理として摂氏６００度で熱処理を行ったが、これに限らず、成膜したＩＴＯ膜を摂氏４５０度〜摂氏７５０度で熱処理を行ってもよい。

続いて、２回目のアニール処理として、酸素のない雰囲気で１０分間、摂氏５５０度の熱処理（アニール処理）を行う。これによって、下地膜とＩＴＯ膜とのシート抵抗値も低減される。なお、ここでは、２回目のアニール処理として摂氏５５０度で熱処理を行ったが、これに限らず、１回目のアニール処理後に、ＩＴＯ膜を摂氏４５０度〜摂氏７５０度の温度範囲で熱処理を行ってもよい。この場合、摂氏４５０度〜摂氏７５０度の熱処理雰囲気下の分圧調整にＮ２またはＡｒを用いてもよく、この摂氏４５０度〜摂氏７５０度（好ましくは摂氏３５０度〜摂氏７５０度）の熱処理は真空下で行ってもよい。

これによって、ＩＴＯ膜を結晶化させると共に、ＩＴＯ膜の面指数（２２２）の結晶強度が面指数（４００）の結晶強度よりも強くなるように、結晶配向性をコントロール（結晶性の制御）することができる。面指数（２２２）の結晶強度が面指数（４００）の結晶強度よりも強い通常とは逆の特徴配向を有したＩＴＯ膜が形成される。このように、特殊な結晶方位を持ったＩＴＯ膜によって、下地膜としてのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層９とＩＴＯ膜（透光性薄膜電極１０）との接触抵抗値およびシート抵抗値が低減され、しかも、ＩＴＯ膜としての光透過率も良好に保つことができる。

このように、面指数（４００）の１００方向に揃った硬い膜と、面指数（２２２）の斜め方向のポーラスな軟らかい膜とが混在しているため、下地膜としてのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層９／透光性薄膜電極１０（ＩＴＯ膜）のＩＶ曲線が直線状でオーミック接触となり、接触抵抗値およびシート抵抗値が低減される。このことは、ＩＴＯ膜の成膜工程でＤＣＰｏｗｅｒ１１５０Ｗ、トレイスピード１７９ｍｍ／ｍｉｎを１割上下させても、オーミック接触となり、接触抵抗値およびシート抵抗値が低減されることが試験により確認されている。

以上により、本実施形態１によれば、仕上がりが酸素リッチな結晶性ＩＴＯ膜となるため、トンネル効果によって下地膜との接触抵抗値およびシート抵抗値を低減できて、下地膜とＩＴＯ膜との接触抵抗に有用なオーミック接触とすることができる。したがって、このＩＴＯ膜が用いられた半導体発光素子１としてのＬＥＤデバイスの出力電圧値を低減させることができて、半導体発光素子１の光出力値を向上させることができる。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、低抵抗の透明配線材料や透明電極材料として活用されるＩＴＯ膜およびその製造方法、このＩＴＯ膜を用いた例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラなどの半導体発光素子およびその製造方法の分野において、面指数（２２２）の結晶強度が面指数（４００）の結晶強度よりも強いＩＴＯ膜が熱処理後に得られるため、接触抵抗値を低減させて、下地膜とのオーミック接触とすることができる。したがって、このＩＴＯ膜が用いられた半導体発光素子としてのＬＥＤデバイスの出力電圧値を低減させることができて、半導体発光素子の光出力値を向上させることができる。

１半導体発光素子
２サファイヤ基板
３バッファ層
４ノンドープＧａＮ層
５ｎ型コンタクト層
６多重層
７発光層
８電子ブロック層
９ｐ型コンタクト層（ｐ型ＧａＮ）
１０透光性薄膜電極（ＩＴＯ膜）
１１ｐ電極
１２ｎ電極
１３保護膜

Claims

結晶の配向性が面指数（４００）および面指数（２２２）の双方を有しているＩＴＯ膜。
請求項１に記載のＩＴＯ膜において、Ｘ線結晶解析ピーク強度が前記面指数（４００）よりも前記面指数（２２２）の方が強いＩＴＯ膜。
請求項２に記載のＩＴＯ膜を製造する方法において、スパッタリング法またはＥＢ蒸着法により成膜したＩＴＯ膜を用いるＩＴＯ膜の製造方法。
請求項３に記載のＩＴＯ膜の製造方法において、前記ＩＴＯ膜の成膜温度条件が室温以上摂氏５０度以下とするＩＴＯ膜の製造方法。
請求項３に記載のＩＴＯ膜の製造方法において、０．４Ｐａ〜１ＰａのＡｒ雰囲気で該ＩＴＯ膜を成膜するＩＴＯ膜の製造方法。
請求項３に記載のＩＴＯ膜の製造方法において、成膜したＩＴＯ膜を０．１〜３０パーセントの酸素分圧範囲内で熱処理を行うＩＴＯ膜の製造方法。
請求項６に記載のＩＴＯ膜の製造方法において、前記熱処理後のＩＴＯ膜を更に摂氏４５０度〜摂氏７５０度で熱処理を行うＩＴＯ膜の製造方法。
請求項７に記載のＩＴＯ膜の製造方法において、前記摂氏４５０度〜摂氏７５０度の熱処理雰囲気下の分圧調整にＮ_２またはＡｒを用いるＩＴＯ膜の製造方法。
請求項７に記載のＩＴＯ膜の製造方法において、前記摂氏３５０度〜摂氏７５０度の熱処理は真空下で行うＩＴＯ膜の製造方法。
請求項１または２に記載のＩＴＯ膜を透明電極膜に用いた半導体発光素子。
請求項３〜９のいずれかに記載のＩＴＯ膜の製造方法を透明電極膜の製造方法に用いた半導体発光素子の製造方法。