JP4206825B2

JP4206825B2 - Manufacturing method of semiconductor light emitting device

Info

Publication number: JP4206825B2
Application number: JP2003149548A
Authority: JP
Inventors: 泰一郎今野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: JP2004356221A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、金属酸化物窓層を備えた半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）は、ＧａＰの緑色、ＡｌＧａＡｓの赤色の発光色のものが殆どであった。しかし、最近では、ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の結晶層をＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy ：有機金属気相成長）法で成長できるようになり、橙色、黄色、緑色、青色を発光する高輝度ＬＥＤの製造が可能になった。ＭＯＶＰＥ法でエピキシャルウエハを作製することにより、これまでに無かった短波長を発光する発光素子や、高輝度のＬＥＤの製作が可能になった。しかし、高輝度を得るためには、窓層（電流分散層）の膜厚を厚く成長させる必要があり、このために、ＬＥＤ用エピタキシャルウエハの製造コストが高くなるという問題がある。
【０００３】
この問題を解決する方法として、低抵抗率が得られる材料を窓層に用いる手法が一般的に用いられる。例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系の場合、窓層にはＧａＰやＡｌＧａＡｓが用いられる。しかし、このような低抵抗率の材料を用いた場合でも、電流分散効果を良くするためには、窓層の膜厚を８μｍ以上の厚さにする必要がある。従って、ＬＥＤの製造コストの大部分が、窓層のエピタキシャル成長によって占められている。この窓層を薄くするためには、窓層自体の抵抗率を更に低くすることが考えられる。この場合、移動度を大幅に変えることは困難であるため、キャリア濃度を高くすることが試みられているが、現状では、窓層を薄くできるほどキャリア濃度を高くすることは困難になっている。
【０００４】
この解決手段として、半導体による窓層の代わりに、キャリア濃度が非常に高く、かつ薄い膜厚で十分な電流分散効果が得られる透明導電膜を用いる方法が提案されている。この透明導電膜を用いる方法によれば、膜厚を薄くできるため、低コスト化が可能になる。
【０００５】
図７は、従来の半導体発光素子（赤色帯ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード）の構造を示す。また、図８は図７の半導体発光素子の表面状態を示す。
図７において、ｎ−ＧａＡｓ基板１上には、ＭＯＶＰＥ法によって、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層３、アンドープ（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ活性層４、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層５、ｐ−ＧａＰコンタクト層６、及び金属酸化物窓層となるＩＴＯ（Indium Tin Oxide film ）膜７が順次成膜される。更に、ｎ−ＧａＡｓ基板１の成長層が形成されない下面（底面）の全体には、底面電極８が形成されている。また、ＩＴＯ膜７上の所定位置には、円形の上面電極９が形成されている。
【０００６】
上記構成において、例えば、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２は厚さ５００ｎｍ（Ｓｅドープ：１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に成膜され、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層３は厚さ５００ｎｍ（Ｓｅドープ：１×１０¹⁸ｃｍ^-3）に成膜される。更に、アンドープ（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ活性層４は厚さ６００ｎｍに成膜され、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層５は厚さ５００ｎｍ（Ｚｎドープ：５×１０¹⁷ｃｍ^-3）に成膜され、更に、ｐ−ＧａＰコンタクト層６は厚さ３０ｎｍ（Ｚｎドープ：１×１０¹⁹ｃｍ^-3）に成膜される。ＩＴＯ膜７はスプレー熱分解法により、約２００ｎｍの膜厚に形成される。この時の成膜温度（基板表面温度）は４００℃に設定し、１回のスプレー時間は１．０秒にした。また、スプレー圧力は０．２ＭＰａとした。更に、上面電極９は、金・亜鉛、ニッケル、金を、順にそれぞれ６０ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍの厚み、及び０．１３ｍｍの直径になるように蒸着で形成した。
また、底面電極８は、ｎ−ＧａＡｓ基板１の成長面とは反対の面の全面に、金・ゲルマニウム、ニッケル、金を、順にそれぞれ６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍの厚みに蒸着を用いて形成した。
【０００７】
以上のようにして作製されたＬＥＤ用エピタキシャルウエハを、上面電極９が中心になるようにして０．３ｍｍ角に切断し、更に、ＴＯ−１８（ＴＯはパッケージの１種で、缶タイプのものをいう）ステム上にマウント（ダイボンディング）した。更に、マウントされたＬＥＤベアチップにワイヤボンディングを行ってＬＥＤを作製した。このＬＥＤの特性を調べた結果、２０ｍＡ通電時の発光出力が２．２ｍＷ、順方向動作電圧が２．０１Ｖであった。
【０００８】
図７の構造の半導体発光素子は、金属酸化物を窓層に用いたことで、電流分散層を従来よりも薄くできたため、低コスト化が図れた。しかし、本来ならば、金属酸化物を窓層に用いたことにより、屈折率の関係から光取り出し効率が高くなるはず、つまり、発光出力が向上するはずであるが、発光出力の向上は見られず、高出力化を実現できなかった。
【０００９】
発光効率を上げる手段として、裏面にｎ電極を有するｎ型半導体上に活性層、ｐ型半導体、上面電極を順次形成した半導体発光素子とし、かつ前記上面電極を２以上の異種の層を積層（ｐ型半導体に接するＡｕ薄膜＋この薄膜上に形成されるｎ型透明導電膜）した構造のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。そして、上面電極のｎ型透明導電膜は、レーザアプレーション法により表面形状が凹凸を有するように形成されているため、表面が平滑な従来構成では全反射して外部へ取り出せなかった光を取り出せるようになり、発光効率が向上する。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−１５８１３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の半導体発光素子によると、特許文献１の構造では、上面電極がＡｕ薄膜とｎ型透明導電膜からなる２層の積層構造であるため、製造工程数が増える。また、ｎ型透明導電膜の表面形状の凹凸をレーザアプレーション法により形成することは、スパッタ法や電子ビーム法に比べて一般的な方法ではない。このような理由から、低コスト化には適さない構造となっている。
【００１２】
本発明の目的は、窓層に金属酸化物を用いても光の取り出し効率を向上でき、高出力及び低コスト化を図ることのできる半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
本発明は、上記の目的を達成するため、第１の特徴として、第１の導電型の基板上にクラッド層及び活性層を含む構造の発光部を形成し、前記発光部上に第 2 の導電型のコンタクト層を形成し、前記コンタクト層上に金属酸化物による窓層をスプレー熱分解法により形成し、前記窓層の形成過程においてドット的に複数回のスプレーを行って前記窓層の表面に最大表面粗さが１０ｎｍ以上である凹凸を形成し、前記窓層の表面の所定領域に上面電極を形成する工程を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法を提供する。
【００１６】
この方法によれば、窓層の形成中にその表面に凹凸を形成することにより、発光した光を効率良く外部に取り出せ、発光出力を向上できる。特に、窓層の形成中に凹凸を表面に形成できるため、製造工程の増加を招かず、コストアップを防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明者は、金属酸化物による窓層（以下、金属酸化物窓層という）をスプレー熱分解法で成膜すると共に、１回に成膜される金属酸化物窓層の膜厚を薄くしてドット的に形成することにより、金属酸化物窓層の表面を凹凸にできることを見出した。これにより、半導体発光素子で発光した光の内、反射して外部に取り出されなかった光を有効に外部に取り出せるようになり、発光出力を高めることができた。更に、前記凹凸は金属酸化物窓層を形成中に行なえるため、低コストにより発光出力の向上が図れることを見出した。以上により、高出力のＬＥＤやＬＥＤ用エピタキシャルウエハを低コストに製造することが可能になった。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子のウエハ状態における構成を示す。
図１に示すように、本発明に係る半導体発光素子１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板、このｎ−ＧａＡｓ基板１上面にＭＯＶＰＥ法によって順次形成されたバッファ層、クラッド層、活性層、クラッド層、コンタクト層、ＩＴＯ膜、及び上面電極を備えて構成されている。
【００１９】
すなわち、ｎ−ＧａＡｓ基板１上には、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層３、アンドープ（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ活性層４、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層５、ｐ−ＧａＰコンタクト層６、及び金属酸化物窓層としてのＩＴＯ膜１１が順次成膜されている。ＩＴＯ膜１１はスプレー熱分解法により成膜される。その際、スプレー時間を短くしてドット的に複数回のスプレーを行って所定の膜厚にすることにより、表面に凹凸１２が形成され、これにより、後述するように発光出力の向上が可能になる。更に、ＩＴＯ膜１１上の所定位置に円形の上面電極９が形成される。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面の全面には、底面電極８が形成される。
【００２０】
【実施例】
次に、図１の構成による半導体発光素子の一実施例について説明する。ここでは、赤色帯（発光波長６３０ｎｍ付近）ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード用のエピキシャルウエハについて説明する。
【００２１】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に５００ｎｍの膜厚になるように、ＭＯＶＰＥ法でｎ−ＧａＡｓバッファ層２（Ｓｅドープ：１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を形成した。ついで、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２上にｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層３（Ｓｅドープ：１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を５００ｎｍの厚みに形成した。次に、このクラッド層３上にアンドープ（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ活性層４を６００ｎｍの厚さに成膜し、この活性層４上に（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層５（Ｚｎドープ：５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を厚さ５００ｎｍに成膜した。更に、このクラッド層５上にｐ−ＧａＰコンタクト層６（Ｚｎドープ：１×１０¹⁹ｃｍ^-3）を厚さ３０ｎｍに成膜した。そして、上記ＭＯＶＰＥ成長は、成長温度７００℃、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．０ｎｍ／秒、Ｖ／III 比は３００〜６００で実施した。
【００２２】
ついで、ｐ−ＧａＰコンタクト層６上に金属酸化物窓層となるＩＴＯ膜１１をスプレー熱分解法により、約２００ｎｍの厚みに形成した。この時の成膜温度（基板表面温度）は４００℃とし、１回のスプレー時間は、０．１秒、０．３秒、０．５秒、及び０．８秒に変えて行なった。また、スプレー圧力は、０．２ＭＰａとした。底面電極８は、金・ゲルマニウム、ニッケル、金をそれぞれ６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍの順番で蒸着した。上面電極９の形成条件、ＬＥＤ素子の製作条件及び方法は、段落番号〔０００５〕〜〔０００７〕で説明した通りである。
【００２３】
表１は、ＩＴＯの成膜条件（スプレー時間）を異ならせた前記５種類のＬＥＤの特性を調べた結果である。
【００２４】
【表１】

【００２５】
また、図２は、１回のスプレー時間と発光出力の関係を示す特性図である。
更に、図３〜図６は、１回のスプレー時間が０．１秒、０．３秒、０．５秒、及び０．８秒のときの表面状態を示している。
【００２６】
表１及び図２から明らかなように、１回のスプレー時間を短くしてＩＴＯ膜１１の成長速度を遅くすると、発光出力が１．１２倍〜１．２５倍になった。これは、ＩＴＯ膜１１の成長速度を遅くしたことにより、図１に示したようにＩＴＯ膜の表面が凹凸になったためである。そして、ＩＴＯ膜１１の最大表面粗さＲｍａｘは、１０ｎｍ以上のときに好結果が得られた。ＩＴＯ膜１１の表面形状が凹凸になれば、活性層４で発光した光の反射が少なくなり、光を外部に取り出す効率が高くなる。このため、ＩＴＯ膜の凹凸１２が多ければ多いほど発光した光の反射が抑えられ、光は有効に外部に取り出せるようになる。つまり、ＩＴＯ膜１１の表面の凹凸１２が多ければ多いほど、発光出力が高くなる。図３乃至図６から明らかなように、スプレー時間が短いほど凹凸１２の形成数が多くなっている。したがって、１回のスプレー時間をより短くし、ＩＴＯ膜１１の成長速度が遅くなるようにすれば、ＩＴＯ膜１１の表面の凹凸１２の数が多くなり、発光出力は高くなる。このように、１回のスプレー時間は短ければ短いほどよく、換言すれば、成長速度が遅ければ遅いほど高出力が得られる。具体的には、１回のスプレー時間は０．５秒以下が好ましい。また、より好ましくは、０．３秒以下である。
【００２７】
ＩＴＯ膜１１の膜厚及びスプレーしている時間に基づいて成膜レートを算出したところ、１５ｎｍ／秒以下の成膜レートのときに、ＩＴＯ膜１１の表面に多数の凹凸１２が生じることを確認できた。同時に、発光出力の向上も認められた。そこで、成膜レートは１５ｎｍ／秒以下とした。
また、１回のスプレーによる膜厚は２０ｎｍ以下が良い。
【００２８】
更に、ＩＴＯ膜１１の膜厚は２００ｎｍ以上とした。２００ｎｍ以上の膜厚がないと窓層としての電流分散が不十分になり、発光出力があまり高くならなかった。光の取り出しは、発光波長とＩＴＯ膜１１（窓層）の膜厚により変化する。従って、発光波長が６３０ｎｍ帯では、ＩＴＯ膜１１の膜厚を２００〜３００ｎｍの範囲内にすることで最も多く光を取り出すことができる。ただし、ＩＴＯ膜１１を更に低抵抗にできるなら、２００ｎｍ以下の膜厚でも電流分散を良くすることができる。
【００２９】
また、ＩＴＯ膜１１の成膜温度は３５０℃以上にするのがよい。成膜温度が３５０℃より低いと、以下の問題を生じる。第１には、良質な膜を形成できず、抵抗率が悪くなり、ＩＴＯ膜１１での電流分散が不充分になる。この結果、発光出力を高くすることができない。第２には、ＩＴＯ膜１１と半導体層の界面での抵抗が高くなり、動作電圧が高くなる。ＩＴＯ膜１１の膜厚をきわめて厚く成長できれば、抵抗率が悪くとも電流分散を良くすることが可能であるが、高コストになる（この場合、電流分散の問題は解決できるが、良質な膜を形成することはできない）。
【００３０】
また、表１から明らかなように、スプレー時間を変えても、順方向電圧は殆ど変わらないことが確認できた。このことは、特性にバラツキが生じないことを意味し、複数のＬＥＤにより光源や表示器を構成したり、同一仕様の製品を量産しても、それぞれのＬＥＤに直列接続される電流制限抵抗を同一抵抗値にでき、回路構成が簡単になる。
【００３１】
因みに、特許文献１の表２に記載のように、上層に凹凸を形成するに際し、下層の形成時よりも成膜圧を上げ（３×１０^-3Ｔｏｒｒから３×１０^-1Ｔｏｒｒに変更して真空度を悪くする）、レーザアプレーション法により凹凸を形成した場合、真空度の低下による結晶性の悪化により凹凸を形成できる反面、透過率の低下や抵抗率上昇を招く恐れがある。これにより、以下のような問題を生じることが考えられる。
（１）上層（ｎ型透明導電膜）の透過率が低くなると、発光した光の吸収が多くなり、発光出力が低下する。
（２）上層の抵抗率が低くなると、電流分散が悪化し、発光出力が低下する。
（３）半導体発光素子のスループットの低下を招き、コストアップになる。
【００３２】
本発明で採用のスプレー熱分解法は、溶液を噴霧してＩＴＯ膜１１を形成するものであり、成膜レートを遅くすることでミストサイズを小さくできるため、微小な凹凸の形成が可能である。また、成膜レートを遅くしているので、結晶性も良くなり、従って透過率及び抵抗率も良い。また、半導体発光素子のスループットも良くなり、ローコスト化が可能になる。このように、本発明では、特許文献１のレーザアブレーション法が抱える課題を全てクリアすることができる。
【００３３】
上記実施例においては、１回のスプレー時間を短くすることにより成長速度を遅くしたが、他の方法によることも可能である。例えば、１回のスプレー時間を一定にし、ＩＴＯ溶液のＩｎ濃度を薄くすれば、成長速度を遅くすることができる。また、スプレーする圧力を低くした場合でも、１回に噴霧されるＩＴＯ溶液の量を減らせば、成長速度を遅くすることが可能になる。
【００３４】
また、上面電極９や金属層の形状は、円形のほか、各種の形状にすることができる。例えば、四角形、菱形、楕円形、多角形等であってもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の半導体発光素子によれば、窓層の表面に凹凸を形成したことにより、発光した光が効率良く外部に取り出せるようになり、発光出力を向上させることができ、更に低コスト化を図ることもできる。
【００３６】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、窓層の形成中にその表面に凹凸を形成することにより、発光した光を効率良く外部に取り出せるようになり、発光出力を向上できる。特に、窓層の形成中に凹凸を表面に形成できるために製造工程の増加を招くことがなく、ローコスト化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体発光素子のウエハ状態における構成を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の実施例において、ＩＴＯ膜をスプレー熱分解法により成膜した際の１回のスプレー時間と発光出力の関係を示す特性図である。
【図３】本発明の実施例において、１回のスプレー時間を０．１秒にして成膜したときのＬＥＤチップの表面状態を示す写真である。
【図４】本発明の実施例において、１回のスプレー時間を０．３秒にして成膜したときのＬＥＤチップの表面状態を示す写真である。
【図５】本発明の実施例において、１回のスプレー時間を０．５秒にして成膜したときのＬＥＤチップの表面状態を示す写真である。
【図６】本発明の実施例において、１回のスプレー時間を０．８秒にして成膜したときのＬＥＤチップの表面状態を示す写真である。
【図７】従来の半導体発光素子の構造を示す模式的断面図である。
【図８】図７の半導体発光素子の表面状態を示す写真である。
【符号の説明】
１ｎ−ＧａＡｓ基板
２ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層
４アンドープ（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ活性層
５ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層
６ｐ−ＧａＰコンタクト層
７，１１ＩＴＯ膜
８底面電極
９上面電極
１０半導体発光素子
１１ＩＴＯ膜
１２凹凸[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor light emitting device having a metal oxide window layer and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, most of LEDs (Light Emitting Diodes) have GaP green and AlGaAs red emission colors. However, recently, it has become possible to grow GaN-based and AlGaInP-based crystal layers by MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), which is a high-brightness LED that emits orange, yellow, green, and blue light. Manufacture is now possible. By manufacturing an epitaxial wafer by the MOVPE method, it has become possible to manufacture a light emitting element that emits a short wavelength and a high-intensity LED that have not existed before. However, in order to obtain high brightness, it is necessary to grow the window layer (current dispersion layer) thick, and there is a problem that the manufacturing cost of the epitaxial wafer for LED increases.
[0003]
As a method for solving this problem, a method of using a material having a low resistivity for the window layer is generally used. For example, in the case of the AlGaInP system, GaP or AlGaAs is used for the window layer. However, even when such a low resistivity material is used, the window layer needs to have a thickness of 8 μm or more in order to improve the current dispersion effect. Therefore, most of the manufacturing cost of the LED is occupied by the epitaxial growth of the window layer. In order to make the window layer thinner, it is conceivable to further reduce the resistivity of the window layer itself. In this case, since it is difficult to significantly change the mobility, attempts have been made to increase the carrier concentration. However, at present, it is difficult to increase the carrier concentration as the window layer can be made thinner. .
[0004]
As a solution to this problem, a method using a transparent conductive film that has a very high carrier concentration and a sufficient current dispersion effect with a thin film thickness has been proposed instead of a window layer made of semiconductor. According to the method using the transparent conductive film, the film thickness can be reduced, so that the cost can be reduced.
[0005]
FIG. 7 shows the structure of a conventional semiconductor light emitting device (red band AlGaInP light emitting diode). FIG. 8 shows the surface state of the semiconductor light emitting device of FIG.
7, on an n-GaAs substrate 1 by the MOVPE method, n-GaAs buffer layer _{_{2, n- (Al 0.7 Ga 0.3}} ) 0.5 In 0.5 P cladding layer 3, an undoped _{_{_{(Al 0.1 Ga 0.9) 0.5 In}}} 0.5 P active layer _{_{4, p- (Al 0.7 Ga 0.3}} ) 0.5 In 0.5 P cladding layer 5, p-GaP contact layer 6, and ITO as a metal oxide window layer (Indium Tin oxide film) film 7 are sequentially deposited The Furthermore, a bottom electrode 8 is formed on the entire bottom surface (bottom surface) of the n-GaAs substrate 1 where the growth layer is not formed. A circular top electrode 9 is formed at a predetermined position on the ITO film 7.
[0006]
In the above configuration, for example, the n-GaAs buffer layer 2 is formed to a thickness of 500 nm (Se doping: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ ), and the n- (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P cladding layer 3 is thick. The film is formed to a thickness of 500 nm (Se dope: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ ). Further, the undoped (Al _0.1 Ga _0.9 ) _0.5 In _0.5 P active layer 4 is formed to a thickness of 600 nm, and the p- (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P clad layer 5 is 500 nm thick (Zn doped: 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ), and the p-GaP contact layer 6 is formed to a thickness of 30 nm (Zn dope: 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ). The ITO film 7 is formed to a thickness of about 200 nm by spray pyrolysis. The film formation temperature (substrate surface temperature) at this time was set to 400 ° C., and the spraying time for one time was set to 1.0 second. The spray pressure was 0.2 MPa. Furthermore, the upper surface electrode 9 was formed by vapor deposition so that gold / zinc, nickel, and gold had a thickness of 60 nm, 10 nm, 1000 nm, and a diameter of 0.13 mm, respectively.
The bottom electrode 8 was formed by vapor deposition of gold, germanium, nickel, and gold in order of 60 nm, 10 nm, and 500 nm, respectively, on the entire surface opposite to the growth surface of the n-GaAs substrate 1.
[0007]
The LED epitaxial wafer manufactured as described above was cut into 0.3 mm square with the upper surface electrode 9 being the center, and further, TO-18 (TO is a kind of package and can type) Mounted on the stem (die bonding). Furthermore, wire bonding was performed on the mounted LED bare chip to produce an LED. As a result of investigating the characteristics of this LED, the light emission output when energized with 20 mA was 2.2 mW and the forward operation voltage was 2.01 V.
[0008]
In the semiconductor light emitting device having the structure shown in FIG. 7, the metal oxide is used for the window layer, so that the current spreading layer can be made thinner than the conventional one, so that the cost can be reduced. However, originally, the use of metal oxide for the window layer should increase the light extraction efficiency from the relationship of the refractive index, that is, the light output should be improved, but the light output is improved. Therefore, high output could not be realized.
[0009]
As a means for increasing luminous efficiency, a semiconductor light emitting device in which an active layer, a p-type semiconductor, and an upper surface electrode are sequentially formed on an n type semiconductor having an n electrode on the back surface, and the upper surface electrode is laminated with two or more different layers ( A structure in which an Au thin film in contact with a p-type semiconductor + an n-type transparent conductive film formed on the thin film has been proposed (see, for example, Patent Document 1). The n-type transparent conductive film of the upper surface electrode is formed by the laser application method so that the surface shape has irregularities, so that it is possible to extract light that is totally reflected and cannot be extracted outside in a conventional configuration with a smooth surface. As a result, the luminous efficiency is improved.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-15813
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the conventional semiconductor light emitting device, in the structure of Patent Document 1, the number of manufacturing steps increases because the upper surface electrode has a two-layered structure including an Au thin film and an n-type transparent conductive film. In addition, it is not a general method to form irregularities on the surface shape of the n-type transparent conductive film by a laser application method as compared with a sputtering method or an electron beam method. For this reason, the structure is not suitable for cost reduction.
[0012]
An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device that can improve light extraction efficiency even when a metal oxide is used for a window layer, and can achieve high output and low cost, and a method for manufacturing the same.
[0013]
The present invention, in order to achieve the above object, a first feature, the first conductivity type on the substrate to form a light-emitting portion of the structure including the cladding layer and the active layer, the second on the light emitting portion A conductive contact layer is formed, and a window layer made of a metal oxide is formed on the contact layer by a spray pyrolysis method, and the window layer is sprayed a plurality of times in the process of forming the window layer to form the window layer. There is provided a method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising the steps of forming irregularities having a maximum surface roughness of 10 nm or more on a surface and forming an upper surface electrode in a predetermined region of the surface of the window layer.
[0016]
According to this method, by forming irregularities on the surface during the formation of the window layer, the emitted light can be efficiently extracted outside and the light emission output can be improved. In particular, since irregularities can be formed on the surface during the formation of the window layer, an increase in manufacturing steps is not caused and an increase in cost can be prevented.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The inventor formed a metal oxide window layer (hereinafter referred to as a metal oxide window layer) by spray pyrolysis, and reduced the thickness of the metal oxide window layer formed at one time. It has been found that the surface of the metal oxide window layer can be made uneven by forming it like dots. As a result, light emitted from the semiconductor light emitting element that has not been reflected and extracted outside can be effectively extracted outside, and the light emission output can be increased. Furthermore, the present inventors have found that since the unevenness can be performed during the formation of the metal oxide window layer, the light emission output can be improved at low cost. As described above, high-power LEDs and LED epitaxial wafers can be manufactured at low cost.
[0018]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention in a wafer state.
As shown in FIG. 1, a semiconductor light emitting device 10 according to the present invention includes an n-GaAs substrate, a buffer layer, a clad layer, an active layer, a clad layer, a contact, which are sequentially formed on the upper surface of the n-GaAs substrate 1 by the MOVPE method. A layer, an ITO film, and a top electrode are provided.
[0019]
That is, an n-GaAs buffer layer 2, an n- (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P cladding layer 3, an undoped (Al _0.1 Ga _0.9 ) _0.5 In _0.5 P active layer 4, ( An Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P clad layer 5, a p-GaP contact layer 6, and an ITO film 11 as a metal oxide window layer are sequentially formed. The ITO film 11 is formed by spray pyrolysis. At that time, the spray time is shortened and sprayed a plurality of times in a dot manner to obtain a predetermined film thickness, whereby irregularities 12 are formed on the surface, thereby making it possible to improve the light emission output as will be described later. Become. Further, a circular top electrode 9 is formed at a predetermined position on the ITO film 11. A bottom electrode 8 is formed on the entire back surface of the n-GaAs substrate 1.
[0020]
【Example】
Next, an example of the semiconductor light emitting device having the configuration shown in FIG. 1 will be described. Here, an epitaxial wafer for a red band (emission wavelength around 630 nm) AlGaInP light emitting diode will be described.
[0021]
First, an n-GaAs buffer layer 2 (Se doping: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ ) was formed on the n-GaAs substrate 1 by MOVPE so as to have a film thickness of 500 nm. Next, an n- (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P clad layer 3 (Se doping: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ ) was formed to a thickness of 500 nm on the n-GaAs buffer layer 2. Next, an undoped (Al _0.1 Ga _0.9 ) _0.5 In _0.5 P active layer 4 is formed to a thickness of 600 nm on the cladding layer 3, and (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P cladding is formed on the active layer 4. Layer 5 (Zn dope: 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) was formed to a thickness of 500 nm. Further, a p-GaP contact layer 6 (Zn dope: 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) was formed on the clad layer 5 to a thickness of 30 nm. The MOVPE growth was carried out at a growth temperature of 700 ° C., a growth pressure of 50 Torr, a growth rate of each layer of 0.3 to 1.0 nm / second, and a V / III ratio of 300 to 600.
[0022]
Next, an ITO film 11 serving as a metal oxide window layer was formed on the p-GaP contact layer 6 to a thickness of about 200 nm by spray pyrolysis. The film formation temperature (substrate surface temperature) at this time was 400 ° C., and the spraying time for one time was changed to 0.1 seconds, 0.3 seconds, 0.5 seconds, and 0.8 seconds. The spray pressure was 0.2 MPa. For the bottom electrode 8, gold, germanium, nickel, and gold were deposited in the order of 60 nm, 10 nm, and 500 nm, respectively. The conditions for forming the upper surface electrode 9 and the manufacturing conditions and method for the LED element are as described in paragraphs [0005] to [0007].
[0023]
Table 1 shows the results of investigating the characteristics of the five types of LEDs with different ITO film forming conditions (spray time).
[0024]
[Table 1]

[0025]
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the spraying time per one time and the light emission output.
Furthermore, FIG. 3 to FIG. 6 show the surface conditions when the spray time of one time is 0.1 second, 0.3 second, 0.5 second, and 0.8 second.
[0026]
As apparent from Table 1 and FIG. 2, when the spraying time was shortened and the growth rate of the ITO film 11 was slowed, the light emission output was 1.12 to 1.25 times. This is because the surface of the ITO film became uneven as shown in FIG. 1 due to the slow growth rate of the ITO film 11. Good results were obtained when the maximum surface roughness Rmax of the ITO film 11 was 10 nm or more. If the surface shape of the ITO film 11 is uneven, the reflection of light emitted from the active layer 4 is reduced, and the efficiency of extracting light to the outside is increased. For this reason, the more irregularities 12 of the ITO film, the more the reflection of the emitted light is suppressed, and the light can be effectively extracted to the outside. That is, the more irregularities 12 on the surface of the ITO film 11, the higher the light emission output. As is apparent from FIGS. 3 to 6, the number of irregularities 12 increases as the spraying time is shorter. Therefore, if the spraying time for one time is made shorter and the growth rate of the ITO film 11 is made slower, the number of irregularities 12 on the surface of the ITO film 11 increases and the light emission output becomes higher. Thus, the shorter the spraying time is, the better. In other words, the slower the growth rate, the higher the output. Specifically, the time for one spray is preferably 0.5 seconds or less. Moreover, More preferably, it is 0.3 second or less.
[0027]
When the film formation rate was calculated based on the film thickness of the ITO film 11 and the spraying time, it was confirmed that many irregularities 12 were formed on the surface of the ITO film 11 at a film formation rate of 15 nm / second or less. did it. At the same time, an improvement in light output was also observed. Therefore, the film formation rate is set to 15 nm / second or less.
The film thickness by one spray is preferably 20 nm or less.
[0028]
Furthermore, the film thickness of the ITO film 11 was 200 nm or more. If there was no film thickness of 200 nm or more, the current distribution as the window layer was insufficient, and the light emission output was not so high. The extraction of light varies depending on the emission wavelength and the film thickness of the ITO film 11 (window layer). Therefore, when the emission wavelength is in the 630 nm band, the most light can be extracted by setting the thickness of the ITO film 11 within the range of 200 to 300 nm. However, if the ITO film 11 can be further reduced in resistance, current dispersion can be improved even with a film thickness of 200 nm or less.
[0029]
In addition, the deposition temperature of the ITO film 11 is preferably 350 ° C. or higher. When the film forming temperature is lower than 350 ° C., the following problems occur. First, a good quality film cannot be formed, the resistivity is deteriorated, and current distribution in the ITO film 11 becomes insufficient. As a result, the light emission output cannot be increased. Second, the resistance at the interface between the ITO film 11 and the semiconductor layer increases, and the operating voltage increases. If the ITO film 11 can be grown to a very large thickness, it is possible to improve current dispersion even if the resistivity is low, but the cost becomes high (in this case, the problem of current dispersion can be solved, but a good quality film can be formed). Can not be formed).
[0030]
Further, as apparent from Table 1, it was confirmed that the forward voltage hardly changed even when the spraying time was changed. This means that there is no variation in characteristics. Even if a light source or a display is composed of a plurality of LEDs, or products with the same specifications are mass-produced, current limiting resistors connected in series to the respective LEDs are not provided. The same resistance value can be obtained, and the circuit configuration is simplified.
[0031]
Incidentally, as shown in Table 2 of Patent Document 1, when forming irregularities in the upper layer, the film-forming pressure was raised (changed from 3 × 10 ⁻³ Torr to 3 × 10 ⁻¹ Torr) than when the lower layer was formed. When the unevenness is formed by the laser application method, the unevenness can be formed due to the deterioration of crystallinity due to the decrease in the degree of vacuum, but there is a possibility that the transmittance and the resistivity are increased. This can cause the following problems.
(1) When the transmittance of the upper layer (n-type transparent conductive film) is lowered, the emitted light is absorbed more and the light emission output is reduced.
(2) When the resistivity of the upper layer is lowered, current dispersion is deteriorated and the light emission output is lowered.
(3) The throughput of the semiconductor light-emitting element is reduced and the cost is increased.
[0032]
The spray pyrolysis method employed in the present invention forms the ITO film 11 by spraying a solution. Since the mist size can be reduced by slowing the film formation rate, it is possible to form minute irregularities. . Further, since the film forming rate is slowed down, the crystallinity is improved, and therefore the transmittance and resistivity are also good. In addition, the throughput of the semiconductor light emitting device is improved, and the cost can be reduced. Thus, in this invention, all the problems which the laser ablation method of patent document 1 has can be cleared.
[0033]
In the above embodiment, the growth rate is slowed by shortening the spraying time for one time, but other methods are also possible. For example, if the spraying time for one time is made constant and the In concentration of the ITO solution is reduced, the growth rate can be reduced. Even when the spraying pressure is lowered, the growth rate can be reduced by reducing the amount of ITO solution sprayed at one time.
[0034]
Further, the shape of the upper surface electrode 9 and the metal layer can be various shapes in addition to the circular shape. For example, it may be a rectangle, a diamond, an ellipse, a polygon, or the like.
[0035]
【The invention's effect】
As is clear from the above, according to the semiconductor light emitting device of the present invention, since the irregularities are formed on the surface of the window layer, the emitted light can be efficiently extracted outside, and the light emission output can be improved. Further, the cost can be reduced.
[0036]
Further, according to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, by forming irregularities on the surface of the window layer during formation, the emitted light can be efficiently extracted outside, and the light emission output can be improved. In particular, since irregularities can be formed on the surface during the formation of the window layer, the manufacturing process is not increased and the cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor light emitting element according to an embodiment of the present invention in a wafer state.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between a single spray time and a light emission output when an ITO film is formed by spray pyrolysis in an example of the present invention.
FIG. 3 is a photograph showing a surface state of an LED chip when a film is formed with a spray time of 0.1 second in an example of the present invention.
FIG. 4 is a photograph showing a surface state of an LED chip when a film is formed with a single spray time of 0.3 seconds in an example of the present invention.
FIG. 5 is a photograph showing a surface state of an LED chip when a film is formed with a spray time of 0.5 seconds in an example of the present invention.
FIG. 6 is a photograph showing a surface state of an LED chip when a film is formed with a spraying time of 0.8 seconds in an example of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a conventional semiconductor light emitting device.
8 is a photograph showing a surface state of the semiconductor light emitting device of FIG. 7;
[Explanation of symbols]
1 n-GaAs substrate 2 n-GaAs buffer layer 3 n- (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P cladding layer 4 undoped (Al _0.1 Ga _0.9 ) _0.5 In _0.5 P active layer 5 p- (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P cladding layer 6 p-GaP contact layers 7 and 11 ITO film 8 bottom electrode 9 top electrode 10 semiconductor light emitting element 11 ITO film 12 unevenness

Claims

Forming a light emitting portion having a structure including a cladding layer and an active layer on a substrate of a first conductivity type;
Forming a second conductive type contact layer on the light emitting portion;
A window layer made of metal oxide is formed on the contact layer by spray pyrolysis,
In the process of forming the window layer, spraying a plurality of times in a dot manner to form irregularities having a maximum surface roughness of 10 nm or more on the surface of the window layer,
A method of manufacturing a semiconductor light emitting element, comprising a step of forming an upper surface electrode in a predetermined region on the surface of the window layer.

The window layer, a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1, characterized in that the ITO (indium tin oxide film).

The window layer, a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2, wherein the formed film thickness of not less than 200 nm.

The window layer, a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1, 2 or 3, wherein the formed by the formation rate below 15 nm / sec.

4. The method of manufacturing a semiconductor light-emitting element according to claim 3, wherein the film thickness formation by the spray pyrolysis method is 20 nm or less by a single spray.

6. The semiconductor light emitting device according to claim 3, wherein the film formation by the spray pyrolysis method has a spray pressure of 0.2 MPa and a spray time of 1.0 second or less. Production method.

The formation of the window layer, a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the performing by the deposition temperature above 350 ° C..