JP2014220272A - 発光ダイオードの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層と金属酸化物層との間の接触抵抗を小さくして発光ダイオードの発光効率を向上させる技術を提供する。【解決手段】本発明は、真空中でマグネトロンスパッタリング法によってＧａＮを主成分とするｐ型半導体層の表面に透明電極層として金属酸化物層を形成する工程を有する。当該スパッタリング工程において、金属酸化物ターゲットの表面における平行磁場強度が６００Ｇ以上となるように維持した状態で、当該金属酸化物ターゲットに対し、直流電界と高周波電界を重畳して印加することにより２５０Ｖ以下の放電電圧でスパッタリングを行う。【選択図】 図４

Description

本発明は、発光ダイオードの技術分野に関し、特に、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層上に透明電極層を有する発光ダイオードの製造技術に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）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。

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。
このようなＧａＮ系ＬＥＤでは、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層上にＩＴＯ等の金属酸化物からなる透明電極層を形成するものが知られているが、ＬＥＤの発光効率を向上させるため、このｐ型半導体層と金属酸化物層との間の接触抵抗を小さくすることが求められている。

特開２００６−１０８１６４号公報 特開２０１２−０５９７４５号公報

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層と金属酸化物層との間の接触抵抗を小さくして発光ダイオードの発光効率を向上させる技術を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意努力を重ねた結果、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層の表面にスパッタリングによって金属酸化物層を形成する際、金属酸化物ターゲット表面における平行磁場強度を特定の値となるように維持した状態で、当該金属酸化物ターゲットに対し、直流電界と高周波電界を重畳して印加してスパッタリングを行うことによって、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層と金属酸化物層との間の接触抵抗を小さくしうることを見い出し、本発明を完成するに至った。

かかる知見に基づいてなされた本発明は、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型半導体層に対して反対側に位置する透明電極層とが基板上に設けられ、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た場合に動作電流が流れて発光する発光ダイオードを製造する方法であって、真空中でマグネトロンスパッタリング法によって前記ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層の表面に前記透明電極層として金属酸化物層を形成する工程を有し、当該スパッタリング工程において、金属酸化物ターゲットの表面における平行磁場強度が６００Ｇ以上となるように維持した状態で、当該金属酸化物ターゲットに対し、直流電界と高周波電界を重畳して印加することにより２５０Ｖ以下の放電電圧でスパッタリングを行う発光ダイオードの製造方法である。
本発明では、前記金属酸化物ターゲットがＩＴＯからなる場合にも効果的である。

本発明によれば、スパッタリングの際にＧａＮを主成分とするｐ型半導体層に対するダメージを減少させることができるので、当該ｐ型半導体層と金属酸化物層との間の接触抵抗を小さくすることができ、その結果、発光ダイオードの発光効率を向上させることができる。

本発明によって製造される発光ダイオードの構成を示す断面図 （ａ）：金属酸化物層を形成するための成膜対象物の構成を示す断面図、（ｂ）：金属酸化物層が形成された成膜対象物の構成を示す断面図 本発明に用いる成膜装置を示す概略構成図 スパッタリング工程において、ＩＴＯターゲットに印加する高周波電力と、ターゲット表面における平行磁場強度と、放電電圧との関係を示すグラフ スパッタリング工程において、ＩＴＯターゲットに印加する高周波電力と、ターゲット表面における平行磁場強度と、ｐ型半導体層とＩＴＯ金属酸化物層との間の接触抵抗の抵抗率との関係を示すグラフ

図１は、本発明によって製造される発光ダイオードの構成を示す断面図である。
図１に示すように、この発光ダイオード１は、基板１３上に、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とが配置されて構成されている。

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、この発光ダイオード１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として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からなるバッファー層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と透明電極層である金属酸化物層１８とが形成される。

金属酸化物層１８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で形成されたものが適している。

金属酸化物層１８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、金属酸化物層１８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上には、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における、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。

このような構成において、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。

ここで、ｐ型半導体層１７と、金属酸化物層１８とは、発光光に対して透明となっており、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、金属酸化物層１８とを透過し、正電極２１が位置しない部分から、発光ダイオード１の外部に放出される。

また、ｎ型半導体層１５と、バッファー層１４と、基板１３とについても、発光光に対して透明となっている。そして、基板１３におけるｎ型半導体層１５が配置された面に対して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によって基板１３側に反射され、反射層１２上の基板１３及び各層１４〜１８を透過して、金属酸化物層１８から外部に放出される。

次に、この発光ダイオード１における金属酸化物層１８の形成工程について説明する。
図２（ａ）は、金属酸化物層１８を形成するための成膜対象物２ａの構成を示す断面図であり、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、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層（以下、「ＧａＮ系ｐ型半導体層」という。）１７とが形成された状態であり、このＧａＮ系ｐ型半導体層１７の表面は露出されている。

図３は、本発明に用いる成膜装置を示す概略構成図である。
図３に示すように、この成膜装置３０は、搬出入室３１と、成膜室３２とを有している。
まず、上述した成膜対象物２ａを搬出入室３１内に搬入し、真空排気装置３１ａによって搬出入室３１内を真空排気する。成膜室３２は、真空排気装置３２ａによって予め真空排気されており、ゲートバルブ３３を開け、成膜対象物２ａを成膜室３２内に移動させる。

成膜室３２の内部には、例えばＩＴＯからなる金属酸化物ターゲット３４が配置されている。この金属酸化物ターゲット３４に対しては、直流電源３５から直流電界（電力）が印加されるとともに、高周波電源３６から高周波電界（電力）が印加される。さらに、金属酸化物ターゲット３４の近傍には、マグネット３７が設けられている。

成膜室３２は、ガス導入装置３８が接続されており、成膜室３２の内部は、真空排気装置３２ａによって真空排気されながら、ガス導入装置３８から例えば酸素及びアルゴンを含むスパッタガスが導入され、この状態で金属酸化物ターゲット３４に対して直流電源３５から直流電界を印加するとともに、高周波電源３６から高周波電界を印加することにより、スパッタリングを行う。

成膜対象物２ａは、成膜室３２内の搬送装置（図示せず）によって移動され、露出しているＧａＮ系ｐ型半導体層１７を金属酸化物ターゲット３４と対面させながら成膜対象物２ａを移動させることにより、ＧａＮ系ｐ型半導体層１７の表面に、ＧａＮ系ｐ型半導体層１７と接触する金属酸化物層１８が形成され、次工程で処理するための図２（ｂ）に示す処理対象物２ｂを得る。

この処理対象物２ｂは、予め真空排気されている搬出入室３１にゲートバルブ３３を介して戻された後、成膜装置３０から取り出され、例えば、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１８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１８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、さらに、図１に示すように、反射層１２が形成されることにより、上述した発光ダイオード１を得る。

図４は、スパッタリング工程において、ＩＴＯからなるターゲットに印加する高周波電力と、ターゲット表面における平行磁場強度と、放電電圧（直流スパッタ電圧）との関係を示すグラフである。

この場合、図３に示す成膜装置を用い、ＩＴＯターゲットに対して印加する直流電力の大きさを、１０００Ｗとし、高周波電力の周波数を、１３．５６ＭＨｚとし、酸素及びアルゴンを含むスパッタガスの圧力を、０．６７Ｐａとした。

そして、ＩＴＯターゲットの表面における平行磁場強度（ガウス：Ｇ）が、３００Ｇ、５００Ｇ、６００Ｇ、９００Ｇ、１６００Ｇとなるように調整して、それぞれスパッタリングの際の放電電圧を測定した。

図４に示すように、スパッタリングの際のターゲット表面における平行磁場強度が３００Ｇ、５００Ｇの場合は、ＩＴＯターゲットに印加する高周波電力の値が大きくなるに従い、放電電圧が大きくなることが見てとれる。

これに対し、ターゲット表面における平行磁場強度が６００Ｇ、９００Ｇ、１６００Ｇの場合、即ち当該平行磁場強度が６００Ｇ以上の場合には、ＩＴＯターゲットに印加する高周波電力の値が大きくなるに従い、放電電圧が小さくなることが見てとれる。

具体的には、ターゲット表面における平行磁場強度が６００Ｇ以上の場合において、ＩＴＯターゲットに対して５００Ｗ以上の高周波電力を印加することにより、放電電圧が２５０Ｖより小さくなっている。

図５は、スパッタリング工程において、ＩＴＯターゲットに印加する高周波電力と、ターゲット表面における平行磁場強度と、ＧａＮ系ｐ型半導体層とＩＴＯ金属酸化物層との間の接触抵抗の抵抗率との関係を示すグラフである。

この場合、図３に示す成膜装置を用い、ＩＴＯターゲットに対して印加する直流電力の大きさを、１０００Ｗとし、高周波電力の周波数を、１３．５６ＭＨｚとし、酸素及びアルゴンを含むスパッタガスの圧力を、０．６７Ｐａとした。

そして、ＩＴＯターゲットの表面における平行磁場強度が、３００Ｇ、５００Ｇ、６００Ｇ、９００Ｇとなるように調整し、ＧａＮ系ｐ型半導体層表面に接触して、それぞれ厚さ１００ｎｍのＩＴＯ金属酸化物層を形成した。さらに、Ｎ₂＋Ｏ₂（Ｎ₂：Ｏ₂＝８：２）の雰囲気中において、５５０℃の温度でアニールを行った。

このＩＴＯ金属酸化物層について、ＧａＮ系ｐ型半導体層との間の接触抵抗の抵抗率を、公知のＴＬＭ法によって測定した。
図５に示すように、スパッタリングの際のターゲット表面における平行磁場強度が５００Ｇの場合は、高周波電力の値が大きくなるに従い、ＧａＮ系ｐ型半導体層とＩＴＯ金属酸化物層との間の接触抵抗の抵抗率が大きくなることが見てとれる。

これに対し、ターゲット表面における平行磁場強度が６００Ｇ、９００Ｇの場合は、高周波電力の値が大きくなるに従い、ＧａＮ系ｐ型半導体層とＩＴＯ金属酸化物層との間の接触抵抗の抵抗率が小さくなることが見てとれる。

具体的には、ターゲット表面における平行磁場強度が６００Ｇ、９００Ｇの場合は、高周波電力の値が２５０Ｗにおいて、ＧａＮ系ｐ型半導体層とＩＴＯ金属酸化物層との間の接触抵抗の抵抗率が１／２以下になり、５００Ｗでは更に小さくなった。なお、高周波電力の値を５００Ｗより大きくした場合には、この接触抵抗の抵抗率は、さほど小さくはならなかった。

図４及び図５の結果から総合的に判断すると、本発明では、金属酸化物ターゲット特にＩＴＯターゲットの表面における平行磁場強度が６００Ｇ以上となるように維持した状態で、当該金属酸化物ターゲットに対し、直流電界と高周波電界を重畳して印加することにより２５０Ｖ以下の放電電圧でスパッタリングを行うことが好ましい。

この場合、金属酸化物ターゲットに印加する高周波電力の大きさは、直流電力の大きさに対して１／４以上とすることが好ましく、より好ましくは１／２以上である。
例えば、直流電力の大きさが１０００Ｗである場合には、高周波電力の大きさを２５０Ｗ以上にすることが好ましく、より好ましくは５００Ｗ以上である。

本発明の作用・効果は、以下のように考察される。
すなわち、ＧａＮ系ｐ型半導体層上にスパッタリングによって金属酸化物層を形成する際には、ＧａＮ系ｐ型半導体層の表面にダメージが生じ、このＧａＮ系ｐ型半導体層表面のダメージが金属酸化物層との間の接触抵抗に影響すると考えられる。

具体的には、スパッタリングの際に、ターゲットの成分やスパッタガス中に含まれる酸素成分がイオン化することによって酸素の負イオンが発生し、この負イオンがＧａＮ系ｐ型半導体層の表面に衝突することによって当該ｐ型半導体層の表面にダメージが生ずる。

そして、ＧａＮ系ｐ型半導体層の表面にダメージが与えられると、ＧａＮ系ｐ型半導体層の表面の結晶に歪みが生じ、この歪みに起因してＧａＮ系ｐ型半導体層と金属酸化物層との界面に形成される中間層に形成不良が生じ、その結果、ＧａＮ系ｐ型半導体層と金属酸化物層との間の接触抵抗が上昇する。

この場合、ＧａＮ系ｐ型半導体層の表面における衝突ダメージは、ターゲットの負電位により発生する電界によって酸素の負イオンが加速されて大きくなることから、図４に示すように、ＩＴＯターゲットの表面における平行磁場強度が６００Ｇ以上となるように維持してスパッタリングの際の放電電圧を低下させることによって酸素の負イオンの衝突によるエネルギーを小さくし、これによりＧａＮ系ｐ型半導体層に対するダメージを減少させることができる。

そして、ＧａＮ系ｐ型半導体層に対するダメージが減少すれば、ＧａＮ系ｐ型半導体層の表面の結晶に歪みが減少し、ＧａＮ系ｐ型半導体層と金属酸化物層との界面に良質の中間層が形成されるため、図５に示すように、ＧａＮ系ｐ型半導体層と金属酸化物層との間の接触抵抗を小さくすることができるものと考えられる。

１……発光ダイオード
２ａ…成膜対象物
１３……基板
１５……ＧａＮを主成分とするｎ型半導体層
１７……ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層
１８……金属酸化物層
３０……成膜装置
３４……金属酸化物ターゲット
３５……直流電源
３６……高周波電源
３７……マグネット

Claims (2)

1. 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型半導体層に対して反対側に位置する透明電極層とが基板上に設けられ、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た場合に動作電流が流れて発光する発光ダイオードを製造する方法であって、
   真空中でマグネトロンスパッタリング法によって前記ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層の表面に前記透明電極層として金属酸化物層を形成する工程を有し、
   当該スパッタリング工程において、金属酸化物ターゲットの表面における平行磁場強度が６００Ｇ以上となるように維持した状態で、当該金属酸化物ターゲットに対し、直流電界と高周波電界を重畳して印加することにより２５０Ｖ以下の放電電圧でスパッタリングを行う発光ダイオードの製造方法。
2. 前記金属酸化物ターゲットがＩＴＯからなる請求項１記載の発光ダイオードの製造方法。

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