JP2016012611A

JP2016012611A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP2016012611A
Application number: JP2014132511A
Authority: JP
Inventors: 哲二松尾; Tetsuji Matsuo
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-01-21

Abstract

【課題】発光効率が向上し、信頼性も向上した半導体発光装置を提供できる。【解決手段】基板と、前記基板上に配設された、第１導電型の第１の半導体層、この第１の半導体層上に配設された前記第１導電型とは逆の第２導電型の第２の半導体層を有する主半導体領域と、前記主半導体領域上に形成される光透過性導電膜と、前記光透過性導電膜上に形成される絶縁膜とを有し、前記光透過性導電膜は、前記絶縁膜に近い側の第１の領域と、前記主半導体領域に近い側の第２の領域を有し、前記第１の領域の面内方向全体における膜中キャリア濃度が、前記第２の領域における膜中キャリア濃度よりも低いことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置に関する。

近年、半導体発光素子用の半導体材料として、窒化物半導体材料が多く用いられている。窒化物半導体材料は、ＳｉやＳｉＣ、サファイア、酸化物、I I I-Ｖ族化合物を基板とし、その上にＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によって形成される。
しかし、ｐ型窒化物半導体材料は移動度が小さいため、横方向への電流拡散が小さい。このため、半導体発光素子に電圧を印加しても、発光領域は電極直下に限定され、半導体発光素子の表面全域に電流が拡散しにくい。したがって、このような半導体発光素子に使用される電極には、ｐ型窒化物半導体材料とオーミック接触が可能で、かつ半導体発光素子が発する光に対して透明な材料として、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）やＺｎＯ（Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）等で構成される（特許文献１参照）。

特開２０１１−２４３６１５号公報

ＩＴＯやＺｎＯなどの光透過性導電膜は、本来半導体でありバンドギャップを有している。また、一般的な製法では酸素欠損に起因するｎ型半導体特性となる。故にｐ型窒化物半導体上にＩＴＯやＺｎＯなどを形成すると、ｐ型窒化物半導体上にｎ型半導体を形成することになる。このとき窒化物半導体機能層に発光のための駆動電流を流す場合、前記ｐ型窒化物半導体と光透過性導電膜の界面では、ｎ型半導体からｐ型半導体に電流を流すため、通常の拡散電流機構では電流は流れず、やはり接合界面に存在するポテンシャル障壁を通過するトンネル電流による電流が流れると考えられる。よって前述と同様その界面に存在する結晶欠陥もまたトンネル電流に大きく寄与する。
特にＩＴＯやＺｎＯなどの場合、バンドギャップを持つ点と金属よりキャリア密度が低い点で、界面に存在する結晶欠陥がトンネル電流に影響する割合が大きくなる。

本発明では、ｐ型窒化物半導体上の電極として、ITO、ZnOなどの光透過性導電膜を用いた場合、その接触抵抗を飛躍的に低下させ、かつ光取出し効率も向上させ、さらに透明導電膜の劣化を抑制出来る構造を提案する。

上記課題を解決するため、本発明は、基板と、前記基板上に配設された、第１導電型の第１の半導体層、この第１の半導体層上に配設された前記第１導電型とは逆の第２導電型の第２の半導体層を有する主半導体領域と、前記主半導体領域上に形成される光透過性導電膜と、前記光透過性導電膜上に形成される絶縁膜とを有し、前記光透過性導電膜は、前記絶縁膜に近い側の第１の領域と、前記主半導体領域に近い側の第２の領域を有し、前記第１の領域の面内方向全体における膜中キャリア濃度が、前記第２の領域における膜中キャリア濃度よりも低いことを特徴とする。

発光効率が向上し、信頼性も向上した半導体発光装置を提供できる。

本発明の実施形態に係る半導体発光装置の断面図である。

次に、本発明の実施形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、ここで示す実施形態は一例であって、本発明はここに示す実施形態に限定される趣旨ではない。

図１に、本発明の実施形態に従う半導体発光装置を示す。
本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置は、半導体基板１と、半導体基板１上に配設された第１導電型の第１の半導体層（ｎ型半導体層）１１、この第１の半導体層１１上に活性層１２を介して配設された第１導電型とは逆の第２導電型の第２の半導体層（ｐ型半導体層）１３を有する主半導体領域２とを備える。また、主半導体領域２上には光透過性導電膜１４が形成される。光透過性導電膜１４上の一部の領域には第１の電極（上側電極）３が設けられる。
光透過性導電膜１４上のうち、第１の電極（上側電極）３が形成されない領域には、
保護膜１５が覆うようにして形成される。
半導体基板１の裏面（主半導体領域２が形成されない側）には、第２の電極（基板電極）４が形成される。

半導体基板１は導電型決定用不純物としてボロン等の3族元素を含むｐ型単結晶シリコン基板から成る。半導体基板１のp型不純物濃度は、例えば5×10¹⁸〜5×10¹⁹cm^-3程度あり、抵抗率は0.0001Ω・ｃm〜0．01Ω・ｃm程度である。従って、半導体基板１は導電性基板であり、発光素子の電流通路として機能する。半導体基板１は、主半導体領域２のエピタキシャル成長のための基板としての機能、及び発光素子を構成するための主半導体領域２と第１の電極３との支持体としての機能を有する。半導体基板１の好ましい厚みは比較的厚い100〜500μmである。なお、半導体基板１の導電型をｎ型にすることもできる。

発光素子の主要部を構成するための主半導体領域２は、シリコン半導体基板１と異種の３−５族化合物半導体から成る複数の層を有し、シリコン半導体基板１の上に周知の気相成長法によって形成されている。更に詳細には、主半導体領域２は、ダブルヘテロ接合発光ダイオードを構成するためにｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３とを順次に有している。なお、ｎ型半導体層１１をｎ型クラッド層と呼び、ｐ型半導体層１３をｐ型クラッド層と呼ぶことがある。発光ダイオードは原理的にｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１３のみで構成できる。従って、主半導体領域２から活性層１２を省くことができる。また、必要に応じてバッファ層１０等を主半導体領域２に付加することができる。

光透過性導電膜１４は主半導体領域２上、即ちｐ型半導体層１３の表面のほぼ全部に配置され、ここにオーミック接触している。従って、既に説明したように光透過性導電膜１４は主半導体領域２に電流を均一に流すために寄与し、且つ主半導体領域２から放射された光の取り出しを可能にする。この実施例の光透過性導電膜１４は厚さ１８００オングストローム程度のＩＴＯ（インジウム・錫・オキサイド）から成る。なお、光透過性導電膜１４を亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びマグネシウム（Ｍｇ）よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物によって形成することもできる。
また、光透過性導電膜１４をＩＴＯ以外のＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ａｕ、Ａｇ等から選択された材料で形成することもできる。しかし、いずれの材料で形成する場合であっても光透過性導電膜１４の光透過性を高めることが必要であり、光透過性導電膜１４をあまり厚く形成することができず、例えば５００〜５０００オングストローム、好ましくは１８００オングストローム程度に形成される。

光透過性導電膜１４は、図１に示す断面図で見たときに、絶縁膜１５に近い側（第１の領域）１４ａと、主半導体領域２に近い側（第２の領域）１４ｂとが形成される。第１の領域１４ａは、第２の領域１４ｂよりも、面内方向全体における膜中キャリア濃度が低く形成される。また、第１の領域１４ａは、第２の領域１４ｂよりも、面内方向全体における膜中酸素濃度が高く形成される。

このように、光透過性導電膜１４の第１の領域１４ａの膜中酸素濃度を高く形成すると、結晶欠陥が少なく、水分による信頼性低下を防止できる。逆にIn、Snが十分な酸素と結び付かないと、結晶欠陥となり、欠陥部分と水分が反応して光透過性導電膜１４の導電性と透明性を低下させる。

光透過性導電膜１４の第１の領域１４ａの膜中酸素濃度が高いと、絶縁膜（例えばSiOx）１５の酸素濃度の低下を抑制でき、信頼性の高い保護膜特性を形成できる。逆に、第１の領域１４ａの膜中酸素濃度が低いと、絶縁膜１５内の酸素がプロセス中の熱処理により酸素原子が光透過性導電膜１４に移動して絶縁膜１５内の酸素欠損が多くなる。そうなるとパシベーション膜として効果的に機能せずに、素子の水分による劣化などが発生する。

また、光透過性導電膜１４の膜中酸素濃度が高いと、光透過性導電膜１４の光透過率が向上し、発光効率が向上する。逆に光透過性導電膜１４の膜中酸素濃度が低いと、酸素欠損に起因する光透過率の低下が起こり、発光効率が低下する。
ただし、光透過性導電膜１４の膜中酸素濃度が高いと、酸素欠損密度の低下によるキャリア密度低下により、主半導体領域２との界面での接触抵抗が上昇する。これはキャリア濃度低下によるポテンシャル障壁幅の増加により、トンネル電流が流れにくくなると考えられる。
そこで、第１の領域１４ａの面内方向全体における膜中キャリア濃度を、第２の領域１４ｂの膜中キャリア濃度よりも低くし、第２の領域１４ｂの面内方向全体における膜中キャリア濃度を第１の領域１４ａの膜中キャリア濃度よりも高くすることで、前記発光効率向上と主半導体領域２との界面での接触抵抗低減を両立することが出来る。

光透過性導電膜１４は、例えば周知のスパッタ法などにより、第１の領域１４ａと第２の領域１４ｂを１工程で成膜できる。具体的にはスパッタ装置を用いて、第１の領域１４ａは、Ａｒ：２０ｓｃｃｍ、Ｏ_２：０．５ｓｃｃｍの条件で成膜し、第２の領域１４ｂは、Ａｒ：２０ｓｃｃｍ、Ｏ_２：０．１ｓｃｃｍの条件で成膜する。なお、特に限定されるものではないが、第１の領域１４ａは、光透過性導電膜１４全膜厚の７５％で形成している。

第１の電極（上側電極）３は金属層からなり、光透過性導電膜１４上の一部の領域に形成される。

絶縁膜１５は、光透過性導電膜１４よりも光透過性が良い材料であり、酸化物及び窒化物よりなる発光に対して透過性を有する。例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）によって、光透過性導電膜１４上の第１の電極（上側電極）３が配置されていない領域の表面を覆うように形成されている。絶縁膜１５は光透過性導電膜１４よりも光透過性が良い材料から成るので、この厚みを光透過性導電膜１４よりも厚い例えば１５００〜１００００オングストロームとすることができる。

第２の電極（基板電極）４は金属層からなり、半導体基板１の裏面全面に形成されている。

上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者は様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１半導体基板
２主半導体領域
３第１の電極
４第２の電極
１０バッファ層
１１ｎ型半導体層
１２活性層
１３ｐ型半導体層
１４光透過性導電膜
１４ａ第１の領域
１４ｂ第２の領域
１５絶縁膜

Claims

基板と、
前記基板上に配設された、第１導電型の第１の半導体層、この第１の半導体層上に配設された前記第１導電型とは逆の第２導電型の第２の半導体層を有する主半導体領域と、
前記主半導体領域上に形成される光透過性導電膜と、
前記光透過性導電膜上に形成される絶縁膜と、を有し、
前記光透過性導電膜は、前記絶縁膜に近い側の第１の領域と、前記主半導体領域に近い側の第２の領域を有し、
前記第１の領域の面内方向全体における膜中キャリア濃度が、前記第２の領域における膜中キャリア濃度よりも低いことを特徴とする半導体発光装置。
さらに、前記第１の領域の面内方向全体における膜中酸素濃度が、前記第２の領域における膜中酸素濃度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
さらに、前記光透過性導電膜は、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及びマグネシウム（Ｍｇ）よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物によって形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。