JP2014204000A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】接触抵抗が小さく、透過率が向上する補助電極を有する半導体装置を提供する。【解決手段】ｐ型半導体層１７を正電極２１に電気的に接続するために、ｐ型半導体層１７と正電極２１の間に補助電極層１０を設ける。この補助電極層１０は、ｐ型半導体層１７に接触する透明なＡｇ層１８と透明な金属酸化物層１９とで構成されており、Ａｇ層１８が設けられないときよりも、接触抵抗を低下させ、透過率を向上させる。多重量子井戸層１６の発光光は、補助電極層１０を通過して、外部に放出される。【選択図】図２
Description
本発明は、半導体装置の技術分野に係り、特に、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層との間の接触抵抗が小さい透明電極を有する半導体装置に関する。
発光ダイオードは、ｐｎ接合を基本にし、孔と電子とが再結合して放出する光を利用している。
近年では高寿命、高効率な発光素子として、液晶用バックライトや照明の用途で普及が進んでいる。
近年では高寿命、高効率な発光素子として、液晶用バックライトや照明の用途で普及が進んでいる。
特にＧａＮ系ＬＥＤはバンドギャップが大きいため、青紫半導体レーザーや青色の発光ダイオードに用いられている。
ｐ−ＧａＮのドーパントには一般的にＭｇが用いられるが、ＧａＮ中のＭｇは活性化率が低く、高キャリア密度のｐ−ＧａＮを得ることは困難である。
このため、ｐ−ＧａＮと電極のコンタクト抵抗は高くなりやすく、ＬＥＤ素子の駆動電圧を増加させる要因になっている。
ｐ−ＧａＮのドーパントには一般的にＭｇが用いられるが、ＧａＮ中のＭｇは活性化率が低く、高キャリア密度のｐ−ＧａＮを得ることは困難である。
このため、ｐ−ＧａＮと電極のコンタクト抵抗は高くなりやすく、ＬＥＤ素子の駆動電圧を増加させる要因になっている。
また、ＬＥＤではｐ−ＧａＮの電極材料としてＩＴＯ等、金属酸化物層が用いられる。
金属酸化物電極を用いることで、金属電極を用いた際よりも透過率に優れた電極を形成することができるが、更なるＬＥＤの高発光効率化は常に求められ続けており、より透過率に優れる電極が必要である。
金属酸化物電極を用いることで、金属電極を用いた際よりも透過率に優れた電極を形成することができるが、更なるＬＥＤの高発光効率化は常に求められ続けており、より透過率に優れる電極が必要である。
本発明は、上記従来技術の課題を解決するために、透過率が実用上充分な値を維持しながら、接触抵抗を小さくすることができる技術を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明は、ＧａＮを主成分とするｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の片面側に位置するＧａＮを主成分とするｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層の前記ｎ型半導体層とは反対側に位置する補助電極層と、を有し、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に電圧が印加されて動作電流が流れる半導体装置であって、前記補助電極層は、前記ｐ型半導体層と接触して設けられたＡｇ層と、前記Ａｇ層に接触して設けられた金属酸化物層とを有する半導体装置である。
本発明は半導体装置であって、前記半導体装置は、前記動作電流が流れると発光する発光ダイオード素子であり、前記補助電極層は光を取り出すための透明電極である半導体装置である。
本発明は半導体装置であって、前記金属酸化物層は、ＩＴＯ層である半導体装置である。
本発明は半導体装置であって、前記ｎ型半導体層は、ｎ型ＧａＮ層を有し、前記ｎ型ＧａＮ層と前記ｐ型半導体層との間には、多重量子井戸層が設けられた半導体装置である。
本発明は半導体装置であって、前記Ａｇ層は、１ｎｍ以上、２０ｎｍ以下にされた半導体装置である。
本発明は半導体装置であって、前記半導体装置は、前記動作電流が流れると発光する発光ダイオード素子であり、前記補助電極層は光を取り出すための透明電極である半導体装置である。
本発明は半導体装置であって、前記金属酸化物層は、ＩＴＯ層である半導体装置である。
本発明は半導体装置であって、前記ｎ型半導体層は、ｎ型ＧａＮ層を有し、前記ｎ型ＧａＮ層と前記ｐ型半導体層との間には、多重量子井戸層が設けられた半導体装置である。
本発明は半導体装置であって、前記Ａｇ層は、１ｎｍ以上、２０ｎｍ以下にされた半導体装置である。
接触抵抗が小さく、半導体素子を低消費電力で動作することができる。
また、Ｐ型ＧａＮ層と透明電極層との透過率を向上させ、発光ダイオードの輝度を大きくすることができる。
また、Ｐ型ＧａＮ層と透明電極層との透過率を向上させ、発光ダイオードの輝度を大きくすることができる。
図２の符号３は、本発明の一例の半導体装置を示している。
この半導体装置３は、発光ダイオード素子であり、基板１３を有している。基板１３上には、ＧａＮを主成分とするｎ型半導体層１５と、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層１７とが配置されている。ここで、「ＧａＮを主成分とする」、の意味は、Ｇａの原子数とＮの原子数の合計数が、全原子の５０原子％よりも多くの割合で含有されていることを指すものとする。ｐ型又はｎ型のＧａＮ層の場合は、ｐ型又はｎ型のドーパント以外の原子は、ＧａとＮであり、ＧａＮは１００％に近い主成分であるが、「ＧａＮを主成分とする半導体」には、ＩｎＧａＮや、ＡｌＧａＮ等の半導体も含まれる。
この半導体装置３は、発光ダイオード素子であり、基板１３を有している。基板１３上には、ＧａＮを主成分とするｎ型半導体層１５と、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層１７とが配置されている。ここで、「ＧａＮを主成分とする」、の意味は、Ｇａの原子数とＮの原子数の合計数が、全原子の５０原子％よりも多くの割合で含有されていることを指すものとする。ｐ型又はｎ型のＧａＮ層の場合は、ｐ型又はｎ型のドーパント以外の原子は、ＧａとＮであり、ＧａＮは１００％に近い主成分であるが、「ＧａＮを主成分とする半導体」には、ＩｎＧａＮや、ＡｌＧａＮ等の半導体も含まれる。
ｎ型半導体層１５は、この半導体装置３ではｎ型ＧａＮ層であり、ｎ型半導体層１５のｎ型ＧａＮと、ｐ型半導体層１７のｐ型ＧａＮとは、エピタキシャル成長によって単結晶層にされている。ここでは、単結晶層を成長させるために、基板１３にはサファイヤ基板が用いられ、サファイヤの基板１３の表面に、ｎ型のＧａＮから成るバッファー層１４が形成された後、バッファー層１４の表面に、ｎ型のＧａＮがエピタキシャル成長されて、ｎ型半導体層１５が形成されている。
また、発光効率を向上させるために、ｎ型半導体層１５上に多重量子井戸層１６が形成された後、多重量子井戸層１６上にｐ型半導体層１７と補助電極層１０とが形成される。
補助電極層１０は、ｐ型半導体層１７の表面上に、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層１７と接触して設けられたＡｇ層１８と、Ａｇ層１８の表面上に、Ａｇ層１８と接触してもうけられた金属酸化物層１９とを有している。
補助電極層１０は、ｐ型半導体層１７の表面上に、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層１７と接触して設けられたＡｇ層１８と、Ａｇ層１８の表面上に、Ａｇ層１８と接触してもうけられた金属酸化物層１９とを有している。
金属酸化物層１９には、ＩＴＯ(インジウム・スズ酸化物)、ＡＺＯ(アルミニウムドープ酸化亜鉛)、ＧＺＯ(ガリウムドープ酸化亜鉛)、ＩＺＯ(インジウム・亜鉛酸化物)の薄膜を用いることができるが、本発明は、特にＩＴＯで形成された金属酸化物層１９が適している。
金属酸化物層１９上には、正電極２１が接触して形成されており、ｐ型半導体層１７は、Ａｇ層１８と金属酸化物層１９とを介して正電極２１に電気的に接続されている。
他方、ｎ型半導体層１５には、負電極２２が接触して形成されており、ここでは、ｎ型半導体層１５の、多重量子井戸層１６側の面が一部露出されて、負電極２２が形成され、ｎ型半導体層１５は負電極２２に電気的に接続されている。
他方、ｎ型半導体層１５には、負電極２２が接触して形成されており、ここでは、ｎ型半導体層１５の、多重量子井戸層１６側の面が一部露出されて、負電極２２が形成され、ｎ型半導体層１５は負電極２２に電気的に接続されている。
従って、正電極２１と負電極２２の間に、正電極２１が負電極２２に対して正電圧となる電圧を印加すると、ｐ型半導体層１７とｎ型半導体層１５との間は順バイアスされ、多重量子井戸層１６に、ｐ型半導体層１７から正孔が注入され、ｎ型半導体層１５から電子が注入され、注入された正孔と電子が多重量子井戸層１６の内部で再結合し、発光光が生成される。
Ａｇ層１８の膜厚は、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚であり、発光光に対して透明であり、多重量子井戸層１６と、ｐ型半導体層１７と、金属酸化物層１９とも、発光光に対して透明であり、多重量子井戸層１６の内部で生成された発光光のうち、ｐ型半導体層１７が位置する方向に向かう発光光は、多重量子井戸層１６と、ｐ型半導体層１７と、Ａｇ層１８と、金属酸化物層１９とを透過し、正電極２１が位置しない部分から、半導体装置３の外部に放出される。
ｎ型半導体層１５と、バッファー層１４と、基板１３とも、発光光に対して透明であり、基板１３の、ｎ型半導体層１５が配置された面とは反対側の面に反射層１２が設けられており、ｎ型半導体層１５が位置する方向に向かう発光光は、多重量子井戸層１６と、ｎ型半導体層１５と、バッファー層１４と、基板１３とを透過し、反射層１２で基板１３が位置する方向に反射され、反射層１２上の基板１３及び各層１４〜１９とを透過して、金属酸化物層１９から外部に放出される。
この半導体装置３の、Ａｇ層１８と金属酸化物層１９の形成工程について説明すると、図１(ａ)の符号２ａは、Ａｇ層１８と金属酸化物層１９とを形成する成膜対象物であり、基板１３上に、バッファー層１４と、ｎ型半導体層１５と、多重量子井戸層１６と、ｐ型半導体層１７とが形成された状態であり、ｐ型半導体層１７の表面は露出されている。
図３は、成膜装置４０であり、搬出入室４１と、成膜室４２とを有している。
成膜対象物２ａを搬出入室４１内に搬入し、真空排気装置４７ａによって搬出入室内を真空排気する。成膜室４２は、真空排気装置４７ｂによって予め真空排気されておりゲートバルブ４８を開け、成膜対象物２ａを成膜室４２内に移動させる。
成膜対象物２ａを搬出入室４１内に搬入し、真空排気装置４７ａによって搬出入室内を真空排気する。成膜室４２は、真空排気装置４７ｂによって予め真空排気されておりゲートバルブ４８を開け、成膜対象物２ａを成膜室４２内に移動させる。
成膜室４２の内部には、金属Ａｇから成るＡｇターゲット４５と、ＩＴＯから成る金属酸化物ターゲット４６とが配置されている。
成膜室４２には、ガス導入装置４４が接続されており、成膜室４２の内部は、真空排気装置４７ｂによって真空排気されながら、ガス導入装置４４からスパッタガスが導入され、Ａｇターゲット４５と金属酸化物ターゲット４６とは、スパッタリングされており、成膜対象物２ａは、成膜室４２内の搬送装置(不図示)によって、移動され、露出しているｐ型半導体層１７をＡｇターゲット４５に対面させながら、Ａｇターゲット４５近くを通過させ、ｐ型半導体層１７の表面に、ｐ型半導体層１７と接触するＡｇ層１８を形成する。
成膜室４２には、ガス導入装置４４が接続されており、成膜室４２の内部は、真空排気装置４７ｂによって真空排気されながら、ガス導入装置４４からスパッタガスが導入され、Ａｇターゲット４５と金属酸化物ターゲット４６とは、スパッタリングされており、成膜対象物２ａは、成膜室４２内の搬送装置(不図示)によって、移動され、露出しているｐ型半導体層１７をＡｇターゲット４５に対面させながら、Ａｇターゲット４５近くを通過させ、ｐ型半導体層１７の表面に、ｐ型半導体層１７と接触するＡｇ層１８を形成する。
ここで用いたＡｇターゲット４５は、純Ａｇのターゲットであったが、除去することが困難な微量の不純物は含まれる。また、添加物を添加したものでも、Ａｇが５０原子％よりも多く含有されていれば、Ａｇターゲットに含まれる。
次に、露出しているＡｇ層１８を金属酸化物ターゲット４６と対面させながら成膜対象物２ａを移動させ、Ａｇ層１８の表面に、Ａｇ層１８と接触する金属酸化物層１９を形成し、次工程で処理する処理対象物を得る。図１(ｂ)の符号２ｂは、その処理対象物を示している。
処理対象物２ｂは、ゲートバルブ４８を開け、予め真空排気されている搬出入室４１に戻された後、成膜装置４０から取り出され、Ｎ2＋Ｏ2(Ｎ2：Ｏ2＝８：２)の雰囲気中で、５５０℃の温度でアニールされ、金属酸化物層１９が低抵抗化される。
次いで、部分的にエッチングされてｎ型半導体層１５の一部が露出された後、正電極２１が金属酸化物層１９の表面に形成され、負電極２２がｎ型半導体層１５上に形成され、反射層１２が形成されると、図２の半導体装置(発光ダイオード)３が得られる。
次に、ｐ型半導体層１７と補助電極層１０との間の接触抵抗の抵抗率と、Ａｇ層１８の膜厚との関係について説明する。
図４のグラフは、ｐ型半導体層１７から補助電極層１０に向けて電流を流したときの、補助電極層１０中のＡｇ層１８の膜厚(横軸)と、接触抵抗の抵抗率との関係を示すグラフである。横軸の値がゼロのときの接触抵抗の抵抗率の値(約４．０×１０-2Ω・ｃｍ2)は、Ａｇ層１８を設けなかったときの接触抵抗の抵抗率である。
図４のグラフは、ｐ型半導体層１７から補助電極層１０に向けて電流を流したときの、補助電極層１０中のＡｇ層１８の膜厚(横軸)と、接触抵抗の抵抗率との関係を示すグラフである。横軸の値がゼロのときの接触抵抗の抵抗率の値(約４．０×１０-2Ω・ｃｍ2)は、Ａｇ層１８を設けなかったときの接触抵抗の抵抗率である。
接触抵抗の抵抗率の測定はＴＬＭ法によって行った。ＴＬＭ法では、先ず、図５(ａ)に示すように、ｐ型半導体層１７上に、Ａｇ層１８1、１８2と、金属酸化物層１９1、１９2の二層構造で離間した二個一組の補助電極層１０1、１０2を、電極間隔Ｌを異ならせて複数組作成し、各組の補助電極層１０1、１０2の間に電流を流して抵抗値を測定した。この補助電極層１０1、１０2は長方形又は正方形であり、一辺同士が平行に対向して配置されている。
図５(ｂ)(横軸は電極間隔Ｌ、縦軸は測定抵抗値ＲT)に示すように、グラフ上に測定した抵抗値をプロットし、測定した抵抗値を結んだ直線Ｐを求めると、Ｙ軸切片の抵抗値ＲTが、電極間隔Ｌがゼロのときの抵抗値であり、測定した抵抗値ＲTと、ｐ型半導体層１７のシート抵抗ＲSと、一個の補助電極層１０1又は１０2当たりの接触抵抗ＲCと、電極間隔Ｌに対して直角な補助電極層１０1、１０2の幅Ｗと、電極間隔Ｌとの間の下記(１)式、
ＲT＝ＲS・Ｌ／Ｗ ＋ ２・ＲC …… (１)
から、ｘ軸切片の値は、二個の補助電極層１０1、１０2とｐ型半導体層１７との接触抵抗ＲCの合計値を示していることが分かる(＝２・ＲC)。
ＲT＝ＲS・Ｌ／Ｗ ＋ ２・ＲC …… (１)
から、ｘ軸切片の値は、二個の補助電極層１０1、１０2とｐ型半導体層１７との接触抵抗ＲCの合計値を示していることが分かる(＝２・ＲC)。
そして、グラフ上の直線Ｐを、電極間隔Ｌが負の領域に外挿し、Ｘ軸切片の値を求めると、その値から、ｐ型半導体層１７が接触抵抗Ｒｃになるときの長さである伝搬長ＬTが求められ、伝搬長ＬTを下記(２)式に代入すると、接触抵抗の抵抗率ρ(Ω・ｃｍ2)が求められる。
ρ＝Ｒｓ・ＬT 2 ……(２)
ρ＝Ｒｓ・ＬT 2 ……(２)
図４に記入した接触抵抗の抵抗率は、Ａｇ層１８が１ｎｍの膜厚のときの抵抗率は、Ａｇ層１８を設けないときの抵抗率の１／４の値よりも小さくなっている。
そして、Ａｇ層１８が３ｎｍ以上の膜厚になると６．０×１０-3Ω・ｃｍ2未満になり、特に、Ａｇ層１８が５ｎｍ以上の膜厚になると、５×１０-3Ω・ｃｍ2以下になり、Ａｇ層１８を５ｎｍ以上の膜厚にすると、コンタクト抵抗の抵抗率の値はＡｇ層１８を設けなかったときの数分の１の値になっていて、抵抗率の低下が大きいことが分かる。
いずれにしろ、Ａｇ層１８を設ければ、Ａｇ層１８を設けない場合に比べて接触抵抗の抵抗率を小さくすることができることが分かる。
そして、Ａｇ層１８が３ｎｍ以上の膜厚になると６．０×１０-3Ω・ｃｍ2未満になり、特に、Ａｇ層１８が５ｎｍ以上の膜厚になると、５×１０-3Ω・ｃｍ2以下になり、Ａｇ層１８を５ｎｍ以上の膜厚にすると、コンタクト抵抗の抵抗率の値はＡｇ層１８を設けなかったときの数分の１の値になっていて、抵抗率の低下が大きいことが分かる。
いずれにしろ、Ａｇ層１８を設ければ、Ａｇ層１８を設けない場合に比べて接触抵抗の抵抗率を小さくすることができることが分かる。
次に、ｐ型半導体層１７上に形成した補助電極層１０の光透過率と、Ａｇ層１８の膜厚との関係について説明する。図６、７は、横軸がＡｇ層１８の膜厚、縦軸がｐ型半導体層１７側から発光光が補助電極層１０に入射したときの、補助電極層１０の光透過率であるグラフであり、図６は、波長４５０ｎｍの発光光が入射したとき、図７は、波長３５０ｎｍの発光光が入射したときの光透過率の測定値がプロットされている。図６、７では、金属酸化物層１９の膜厚は、それぞれ４５０ｎｍ、３５０ｎｍであり、金属酸化物層１９の膜厚は、Ａｇ層１８を設けないときに、干渉効果によって、最も透過率が高くなる膜厚にされている。
金属酸化物層１９が、ＩＴＯ層、ＡＺＯ層、ＩＺＯ層、ＴｉＯ2層である各補助電極層１０の透過率を測定した。Ａｇ層１８の膜厚がゼロのときは、金属酸化物層１９がｐ型半導体層１７層に密着している。
Ａｇ層１８を形成したとき、Ａｇ層１８と金属酸化物層１９との間の干渉効果が生じ、Ａｇ層１８が薄い状態では反射光が減少して透過光が増加しており、その結果、Ａｇ層１８を設けて補助電極層１０の透過率を、Ａｇ層１８が設けられないときよりも高くなるようにすることができる。
このグラフから、各金属酸化物層１９については、Ａｇ層１８の膜厚が１５ｎｍ未満のときには、Ａｇ層１８を設けないときの透過率以上になっており(ＡＺＯについては等しいものとする)、１５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の場合は、Ａｇ層１８を設けない場合よりも低下しても、実用上、使用可能な程度の低下であるから、抵抗値の低下を優先させると、Ａｇ層１８の膜厚が２０ｎｍの範囲でも用いることができる。
図４の結果と合わせて考えると、Ａｇ層１８の膜厚は、１ｎｍ以上、２０ｎｍが好ましく、１ｎｍ以上１５ｎｍがより好ましい。
図４の結果と合わせて考えると、Ａｇ層１８の膜厚は、１ｎｍ以上、２０ｎｍが好ましく、１ｎｍ以上１５ｎｍがより好ましい。
以上は、発光ダイオードである半導体装置３について説明したが、本発明の補助電極層１０は、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層を有するトランジスタや整流ダイオード等の、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層と、Ａｇ層を接触して設け、抵抗率を低下させることができる。また、金属酸化物層に替え、金属層を用い、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層と金属層の間にＡｇ層を形成し、抵抗率を低下させることができる半導体装置も本発明に含まれる。
なお、上記ＩＴＯ膜のアニールは、５５０℃で行ったが、５５０℃よりも低温でアニールしても、接触抵抗が大きくなる訳ではない。逆に、５５０℃よりも高温でアニールすることもでき、その場合も本願発明に含まれる。
３……半導体装置
１３……基板
１４……バッファー層
１５……ＧａＮを主成分とするｎ型半導体層
１６……多重量子井戸層
１７……ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層
１８……Ａｇ層
１９……金属酸化物層
１３……基板
１４……バッファー層
１５……ＧａＮを主成分とするｎ型半導体層
１６……多重量子井戸層
１７……ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層
１８……Ａｇ層
１９……金属酸化物層
Claims (5)
- ＧａＮを主成分とするｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の片面側に位置するＧａＮを主成分とするｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層の前記ｎ型半導体層とは反対側に位置する補助電極層と、
を有し、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に電圧が印加されて動作電流が流れる半導体装置であって、
前記補助電極層は、前記ｐ型半導体層と接触して設けられたＡｇ層と、前記Ａｇ層に接触して設けられた金属酸化物層とを有する半導体装置。 - 前記半導体装置は、前記動作電流が流れると発光する発光ダイオード素子であり、前記補助電極層は光を取り出すための透明電極である請求項１記載の半導体装置。
- 前記金属酸化物層は、ＩＴＯ層である請求項２記載の半導体装置。
- 前記ｎ型半導体層は、ｎ型ＧａＮ層を有し、
前記ｎ型ＧａＮ層と前記ｐ型半導体層との間には、多重量子井戸層が設けられた請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の半導体装置。 - 前記Ａｇ層は、１ｎｍ以上、２０ｎｍ以下にされた請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の半導体装置。
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| JP2005184001A (ja) * | 2003-12-22 | 2005-07-07 | Samsung Electronics Co Ltd | トップエミット型窒化物系発光素子及びその製造方法 |
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