JP3394488B2 - 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法Info
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、青色発光が可能な
発光ダイオード、レーザーダイオードの窒化ガリウム系
半導体発光素子と、この窒化ガリウム系半導体発光素子
の製造方法とに関する。
発光ダイオード、レーザーダイオードの窒化ガリウム系
半導体発光素子と、この窒化ガリウム系半導体発光素子
の製造方法とに関する。
【0002】
【従来の技術】窒化ガリウム系半導体(GaN系半導
体)は、かねてから困難であった青色発光を実現して発
光ダイオード素子に用いられるものである。P型GaN
系半導体は実現可能ではあるものの、比抵抗が2Ωcm
程度と他の半導体に比べて非常に大きい。なお、P型G
aAs系半導体型では、比抵抗が0.001Ωcm程度
と低いものが簡単に得られる。
体)は、かねてから困難であった青色発光を実現して発
光ダイオード素子に用いられるものである。P型GaN
系半導体は実現可能ではあるものの、比抵抗が2Ωcm
程度と他の半導体に比べて非常に大きい。なお、P型G
aAs系半導体型では、比抵抗が0.001Ωcm程度
と低いものが簡単に得られる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従って、従来の発光ダ
イオードのようなボンディングパッド兼用の金属電極を
付けると、その金属電極の真下部分しか発光しない。さ
らに金属電極に遮られるため、取り出させる光はごく僅
かになってしまう。そこで、例えば、Ni/Au薄膜か
らなる半透明補助電極を使用して取り出せる光を多くし
ようとしているが、Ni/Au薄膜も50%程度の透過
率であるので、光の外部への取り出し効率はそれほど高
くない。また、Ni/Au薄膜の膜厚は100Å程度と
非常に薄いため、機械的強度も弱く、高温高湿度環境下
での劣化等の問題点を有している。
イオードのようなボンディングパッド兼用の金属電極を
付けると、その金属電極の真下部分しか発光しない。さ
らに金属電極に遮られるため、取り出させる光はごく僅
かになってしまう。そこで、例えば、Ni/Au薄膜か
らなる半透明補助電極を使用して取り出せる光を多くし
ようとしているが、Ni/Au薄膜も50%程度の透過
率であるので、光の外部への取り出し効率はそれほど高
くない。また、Ni/Au薄膜の膜厚は100Å程度と
非常に薄いため、機械的強度も弱く、高温高湿度環境下
での劣化等の問題点を有している。
【0004】本発明は、上記事情に鑑みて創案されたも
ので、機械的強度に優れ、高温高湿度環境下でも劣化し
にくく、光の外部への取り出し効率の高い窒化ガリウム
系半導体発光素子と、その製造方法とを提供することを
目的としている。
ので、機械的強度に優れ、高温高湿度環境下でも劣化し
にくく、光の外部への取り出し効率の高い窒化ガリウム
系半導体発光素子と、その製造方法とを提供することを
目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に係る窒化ガリウ
ム系半導体発光素子は、P型GaN半導体層の上に電流
拡散層として一層目がスパッタリング法以外の方法によ
り形成した酸化物である下側透明導電膜と、この下側透
明導電膜の上にスパッタリング法で形成された酸化物で
ある上側透明導電膜とを有している。
ム系半導体発光素子は、P型GaN半導体層の上に電流
拡散層として一層目がスパッタリング法以外の方法によ
り形成した酸化物である下側透明導電膜と、この下側透
明導電膜の上にスパッタリング法で形成された酸化物で
ある上側透明導電膜とを有している。
【0006】また、前記スパッタリング法以外の方法
が、真空蒸着法、レーザーアブレーション法又はゾルゲ
ル法のいずれかであることが望ましい。
が、真空蒸着法、レーザーアブレーション法又はゾルゲ
ル法のいずれかであることが望ましい。
【0007】さらに、前記透明導電膜は、ITO膜、酸
化錫膜、酸化インジウム膜又は酸化亜鉛膜のいずれかか
らなることが望ましい。
化錫膜、酸化インジウム膜又は酸化亜鉛膜のいずれかか
らなることが望ましい。
【0008】図1は本発明の実施の形態に係る窒化ガリ
ウム系半導体発光素子の概略的断面図である。
ウム系半導体発光素子の概略的断面図である。
【0009】まず、GaN系半導体発光素子のP型Ga
N半導体層用の電流拡散層として要求される条件は、
P型GaN半導体層との密着性が優れていること、P
型GaN半導体層との接触抵抗が小さいこと、膜形成
時にP型GaN半導体層を高抵抗化させないこと、比
抵抗値が低く薄いものでも電流を拡散できること、光
の透過率が高いこと、等が挙げられる。
N半導体層用の電流拡散層として要求される条件は、
P型GaN半導体層との密着性が優れていること、P
型GaN半導体層との接触抵抗が小さいこと、膜形成
時にP型GaN半導体層を高抵抗化させないこと、比
抵抗値が低く薄いものでも電流を拡散できること、光
の透過率が高いこと、等が挙げられる。
【0010】そこで、透過率が高く、導電性もよく、す
でに液晶ディスプレイパネル等で実用化されているIT
O膜であるならば、前記条件及びは充足できると考
えられる。しかし、ITO膜を形成する手法として現在
一般的に用いられているスパッタリング法では、前記条
件は充足できるが、プラズマの高エネルギー状態に晒
されるP型GaN半導体層が損傷を受けるためか、接触
抵抗が高いためか、低動作電圧の素子を得ることはでき
なかった。
でに液晶ディスプレイパネル等で実用化されているIT
O膜であるならば、前記条件及びは充足できると考
えられる。しかし、ITO膜を形成する手法として現在
一般的に用いられているスパッタリング法では、前記条
件は充足できるが、プラズマの高エネルギー状態に晒
されるP型GaN半導体層が損傷を受けるためか、接触
抵抗が高いためか、低動作電圧の素子を得ることはでき
なかった。
【0011】
【0012】そこで、スパッタリング法は前記条件を
充足させられないと考えられた。そこで、スパッタリン
グ法以外で比抵抗の十分低いITO膜の形成方法を検討
したところ、真空蒸着法により可能であることが判明し
た。この真空蒸着法で形成されたITO膜は動作電圧が
十分低いものであることが確認できた。
充足させられないと考えられた。そこで、スパッタリン
グ法以外で比抵抗の十分低いITO膜の形成方法を検討
したところ、真空蒸着法により可能であることが判明し
た。この真空蒸着法で形成されたITO膜は動作電圧が
十分低いものであることが確認できた。
【0013】また、膜厚が約100Å以上のITO膜を
真空蒸着膜で形成しておき、その上に比抵抗の小さいI
TO膜をスパッタリング法でさらに形成してみたとこ
ろ、動作電圧が十分に低いものを得ることができた。
真空蒸着膜で形成しておき、その上に比抵抗の小さいI
TO膜をスパッタリング法でさらに形成してみたとこ
ろ、動作電圧が十分に低いものを得ることができた。
【0014】以下に、実際に実験によって判明した事実
を説明する。
を説明する。
【0015】次に、本発明の第1の実施の形態に係る窒
化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について説明す
る。まず、サファイア基板100にサーマルクリーニン
グを施す。すなわち、減圧MOCVD装置(減圧有機金
属気相成長装置)内で水素を供給しながら、サファイア
基板100を1050℃に加熱することでクリーニング
するのである。
化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について説明す
る。まず、サファイア基板100にサーマルクリーニン
グを施す。すなわち、減圧MOCVD装置(減圧有機金
属気相成長装置)内で水素を供給しながら、サファイア
基板100を1050℃に加熱することでクリーニング
するのである。
【0016】次に、サファイア基板100の温度を51
0℃にまで低下させ、窒素、水素をキャリアガスとして
アンモニア、トリメチルアルミニウムを供給してサファ
イア基板100の表面に低温AlNバッファ層200を
形成する。このAlNバッファ層200は約200Åで
ある。
0℃にまで低下させ、窒素、水素をキャリアガスとして
アンモニア、トリメチルアルミニウムを供給してサファ
イア基板100の表面に低温AlNバッファ層200を
形成する。このAlNバッファ層200は約200Åで
ある。
【0017】次に、サファイア基板100の温度を10
00℃に上昇させて、前記キャリアガスを用いてアンモ
ニア、トリメチルガリウムを流す。この時、同時にN型
不純物としてのシリコンを用いてN型GaNであるSi
ドープGaN層300を約1.2μm成長させる。
00℃に上昇させて、前記キャリアガスを用いてアンモ
ニア、トリメチルガリウムを流す。この時、同時にN型
不純物としてのシリコンを用いてN型GaNであるSi
ドープGaN層300を約1.2μm成長させる。
【0018】次に、トリメチルインジウムを断続的に流
しつつ、N型GaNとN型InGaNの多重量子井戸
(MQW)からなる活性層400をSiドープGaN層
300の上に約400Å成長させる。
しつつ、N型GaNとN型InGaNの多重量子井戸
(MQW)からなる活性層400をSiドープGaN層
300の上に約400Å成長させる。
【0019】さらに、サファイア基板100の温度を9
50℃として、AlNとP型GaNの超格子からなるキ
ャップ層500を前記活性層400の上に成長させる。
このキャップ層500は約200Åの厚さである。
50℃として、AlNとP型GaNの超格子からなるキ
ャップ層500を前記活性層400の上に成長させる。
このキャップ層500は約200Åの厚さである。
【0020】次に、キャリアガスに不純物としてマグネ
シウムを加え、MgドープGaN層600を約0.2μ
m成長させる。
シウムを加え、MgドープGaN層600を約0.2μ
m成長させる。
【0021】次に、サファイア基板100の温度を80
0℃にし、減圧MOCVD装置内の圧力を6650Pa
(50torr)とする。これと同時に、アンモニア等
の水素原子を含む混合ガスの雰囲気から、速やかに減圧
MOCVD装置内の雰囲気を不活性ガスである窒素ガス
に切り替える。
0℃にし、減圧MOCVD装置内の圧力を6650Pa
(50torr)とする。これと同時に、アンモニア等
の水素原子を含む混合ガスの雰囲気から、速やかに減圧
MOCVD装置内の雰囲気を不活性ガスである窒素ガス
に切り替える。
【0022】そして、キャリアガスとして窒素ガスを用
い、トリメチルジンクを流して、膜厚が数十ÅのZn膜
700を形成する。そして、このままの状態、すなわち
窒素雰囲気下でサファイア基板100の温度を約100
℃以下にまで低下させる。
い、トリメチルジンクを流して、膜厚が数十ÅのZn膜
700を形成する。そして、このままの状態、すなわち
窒素雰囲気下でサファイア基板100の温度を約100
℃以下にまで低下させる。
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】この後、真空蒸着装置にZn膜700まで
が形成されたサファイア基板100を入れ、SnO2 が
10%のITOを電子銃で加熱、蒸発させて膜厚が約1
00Åの下側透明導電膜である下側ITO膜810を形
成する。そして、この下側ITO膜810の上に上側透
明導電膜である約0.5μmの上側ITO膜820を形
成する。なお、下側ITO膜810と上側ITO膜82
0とを総称してITO膜800とする。
が形成されたサファイア基板100を入れ、SnO2 が
10%のITOを電子銃で加熱、蒸発させて膜厚が約1
00Åの下側透明導電膜である下側ITO膜810を形
成する。そして、この下側ITO膜810の上に上側透
明導電膜である約0.5μmの上側ITO膜820を形
成する。なお、下側ITO膜810と上側ITO膜82
0とを総称してITO膜800とする。
【0033】この方法で製造された窒化ガリウム系半導
体発光素子のITO膜800の比抵抗は、0.0002
Ωcm以下になっていることが確認された。しかも、上
述したものと同様のN型電極910とP型電極920と
を形成すると、20mAの電流で動作電圧が3.4Vと
非常に低く、光の外部への取り出し効率も、従来のNi
/Au薄膜からなる半透明補助電極よりも約60%以上
も向上していることが確認された。
体発光素子のITO膜800の比抵抗は、0.0002
Ωcm以下になっていることが確認された。しかも、上
述したものと同様のN型電極910とP型電極920と
を形成すると、20mAの電流で動作電圧が3.4Vと
非常に低く、光の外部への取り出し効率も、従来のNi
/Au薄膜からなる半透明補助電極よりも約60%以上
も向上していることが確認された。
【0034】このように、単にスパッタリング法のみで
ITO膜を形成すると良質な電流拡散層が形成されず、
真空蒸着法や、真空蒸着法の後にスパッタリング法によ
る2層構造のITO膜とすると良質なものとなる理由は
以下のようなものと考えることができる。
ITO膜を形成すると良質な電流拡散層が形成されず、
真空蒸着法や、真空蒸着法の後にスパッタリング法によ
る2層構造のITO膜とすると良質なものとなる理由は
以下のようなものと考えることができる。
【0035】すなわち、スパッタリング法では、Mgが
ドープされたMgドープGaN層600がプラズマとい
う高エネルギー状態に晒されるため、結晶欠陥が生じ、
その結果、MgドープGaN層600の表層が高抵抗化
するためと考えられる。また、P型Ga層であるMgド
ープGaN層600の表面からプラズマ中の水素イオン
が侵入し、高抵抗化するためと考えることもできる。
ドープされたMgドープGaN層600がプラズマとい
う高エネルギー状態に晒されるため、結晶欠陥が生じ、
その結果、MgドープGaN層600の表層が高抵抗化
するためと考えられる。また、P型Ga層であるMgド
ープGaN層600の表面からプラズマ中の水素イオン
が侵入し、高抵抗化するためと考えることもできる。
【0036】一方、真空蒸着法では、スパッタリング法
よりはるかに低いエネルギー状態の粒子が衝突するだけ
であり、しかも水素イオンも存在しない。このため、M
gドープGaN層600の表層等の高抵抗化が生じない
ために、良質な電流拡散層が形成されると考えれらる。
特に、2層構造のITO膜800では、先に真空蒸着法
によって下側ITO膜810を形成するため、スパッタ
リング法によって上側ITO膜820を形成しても、下
側ITO膜810のプラズマの内部への侵入を防ぐた
め、MgドープGaN層600の表層の結晶欠陥等が生
じないためと考えられる。
よりはるかに低いエネルギー状態の粒子が衝突するだけ
であり、しかも水素イオンも存在しない。このため、M
gドープGaN層600の表層等の高抵抗化が生じない
ために、良質な電流拡散層が形成されると考えれらる。
特に、2層構造のITO膜800では、先に真空蒸着法
によって下側ITO膜810を形成するため、スパッタ
リング法によって上側ITO膜820を形成しても、下
側ITO膜810のプラズマの内部への侵入を防ぐた
め、MgドープGaN層600の表層の結晶欠陥等が生
じないためと考えられる。
【0037】この考察から、ITO膜800の形成にあ
たっては、プラズマのような高エネルギー状態の粒子を
P型GaN層であるMgドープGaN層600を直撃し
ないようなすればよいと考えられる。従って、必ずしも
電子銃によって蒸着源を加熱する真空蒸着法ではなく、
レーザーアブレーション法やCVD法であってもよいと
考えられる。
たっては、プラズマのような高エネルギー状態の粒子を
P型GaN層であるMgドープGaN層600を直撃し
ないようなすればよいと考えられる。従って、必ずしも
電子銃によって蒸着源を加熱する真空蒸着法ではなく、
レーザーアブレーション法やCVD法であってもよいと
考えられる。
【0038】
【0041】
【0042】
【発明の効果】本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光
素子は、窒化ガリウム系半導体発光素子において、P型
GaN半導体層の上に電流拡散層として一層目が真空蒸
着法によって形成された下側透明電極膜としてのITO
膜と、このITO膜の上にスパッタリング法で形成され
た上側透明電極膜としてのITO膜とを有している。
素子は、窒化ガリウム系半導体発光素子において、P型
GaN半導体層の上に電流拡散層として一層目が真空蒸
着法によって形成された下側透明電極膜としてのITO
膜と、このITO膜の上にスパッタリング法で形成され
た上側透明電極膜としてのITO膜とを有している。
【0043】真空蒸着法で形成された下側透明電極膜と
してのITO膜と、このITO膜の上にスパッタリング
法で形成された上側透明電極膜としてのITO膜とを有
する窒化ガリウム系半導体発光素子は、動作電圧が十分
に低く、光の取り出し効率も従来のものより高いことが
確認されている。
してのITO膜と、このITO膜の上にスパッタリング
法で形成された上側透明電極膜としてのITO膜とを有
する窒化ガリウム系半導体発光素子は、動作電圧が十分
に低く、光の取り出し効率も従来のものより高いことが
確認されている。
【0044】
【0045】
【0046】特に、前記電流拡散層は、少なくとも一層
目が真空蒸着法により形成されたITO膜であり、この
ITO膜はSnO2 が2〜20%であることが望まし
い。
目が真空蒸着法により形成されたITO膜であり、この
ITO膜はSnO2 が2〜20%であることが望まし
い。
【0047】一層目の透明電極膜としてのITO膜を真
空蒸着法で成膜し、その膜厚を100Å以上とすると、
さらにその上にスパッタリング法で二層目以降を成膜し
ても、動作電圧は低く、また機械的強度や高温高湿度環
境下であっても耐久性に優れているものになっているこ
とが確認できた。
空蒸着法で成膜し、その膜厚を100Å以上とすると、
さらにその上にスパッタリング法で二層目以降を成膜し
ても、動作電圧は低く、また機械的強度や高温高湿度環
境下であっても耐久性に優れているものになっているこ
とが確認できた。
【図1】本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導
体発光素子の概略的断面図である。
体発光素子の概略的断面図である。
100 サファイア基板
200 AlNバッファ層
300 SiドープGaN層
400 活性層
500 キャップ層
600 MgドープGaN層
700 Zn層
800 ITO膜
810 下側ITO膜
820 上側ITO膜
900 P型電極
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 FI
H01L 21/285 301 H01L 21/285 301Z
H01S 5/343 H01S 5/343
(56)参考文献 特開 平2−162721(JP,A)
特開 平6−88973(JP,A)
特開 平10−173224(JP,A)
特開 平9−129919(JP,A)
実開 平6−38265(JP,U)
(58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名)
H01L 33/00
H01L 21/28 301
H01L 21/285
H01S 5/00 - 5/50
JICSTファイル(JOIS)
Claims (6)
- 【請求項1】 窒化ガリウム系半導体発光素子におい
て、P型GaN半導体層の上に電流拡散層として一層目
が真空蒸着法によって形成された下側透明電極膜として
のITO膜と、このITO膜の上にスパッタリング法で
形成された上側透明電極膜としてのITO膜とを有する
ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 【請求項2】 前記下側透明電極膜としてのITO膜
は、膜厚が約100Åであることを特徴とする請求項1
記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 【請求項3】 前記下側透明電極膜としてのITO膜
は、SnO2 が2〜20%であることを特徴とする請求
項1又は2記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 【請求項4】 窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方
法において、P型GaN半導体素子の上に電流拡散層と
して真空蒸着法によって下側透明電極膜としてのITO
膜を形成する工程と、前記下側透明電極膜の上にスパッ
タリング法で上側透明電極膜としてのITO膜を形成す
る工程とを具備したことを特徴とする窒化ガリウム系半
導体発光素子の製造方法。 - 【請求項5】 前記下側透明電極膜としてのITO膜
は、膜厚が約100Åであることを特徴とする請求項4
記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項6】 前記下側透明電極膜としてのITO膜
は、SnO2 が2〜20%であることを特徴とする請求
項4又は5記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造
方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000014390A JP3394488B2 (ja) | 2000-01-24 | 2000-01-24 | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2000014390A JP3394488B2 (ja) | 2000-01-24 | 2000-01-24 | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002270126A Division JP3683560B2 (ja) | 2002-09-17 | 2002-09-17 | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001210867A JP2001210867A (ja) | 2001-08-03 |
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---|---|---|---|
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---|---|
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7683379B2 (en) | 2004-07-30 | 2010-03-23 | Fujikura Ltd. | Light emitting element and manufacturing method thereof |
Families Citing this family (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3453558B2 (ja) | 2000-12-25 | 2003-10-06 | 松下電器産業株式会社 | 窒化物半導体素子 |
DE10203809B4 (de) | 2002-01-31 | 2010-05-27 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement |
JP3720341B2 (ja) | 2003-02-12 | 2005-11-24 | ローム株式会社 | 半導体発光素子 |
JP4034208B2 (ja) | 2003-02-25 | 2008-01-16 | ローム株式会社 | 透明電極 |
JP2005005557A (ja) * | 2003-06-13 | 2005-01-06 | Hitachi Cable Ltd | 半導体発光素子の製造方法 |
US7288797B2 (en) * | 2004-01-20 | 2007-10-30 | Nichia Corporation | Semiconductor light emitting element |
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