JP5011628B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
このような構成の半導体発光素子では、光の取り出し効率を向上させるため、p型半導体層上の全面電極として、金属薄膜や、ITO、ZnO、In2O3、SnO2等の透明な導電性酸化物膜が用いられている(例えば、特許文献1)。
前記金属膜が、W、Rh、Ag、Pt、Pd、Alの単層膜又は積層膜により形成されてなることを特徴とする。
また、本発明の別の電極は、半導体層上に、導電性酸化物膜と金属膜とがこの順に積層された電極であって、前記導電性酸化物膜と金属膜との界面近傍における膜中キャリア濃度が、前記導電性酸化物膜の前記半導体層側の膜中キャリア濃度よりも高いことを特徴とする。
これらの電極においては、金属膜が、W、Rh、Ag、Pt、Pd、Alの単層膜又は積層膜により形成されてなるか、前記導電性酸化物膜は、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よりなることが好ましい。
第1導電型半導体層、発光層、第2導電型半導体層がこの順に積層され、前記第1導電型及び第2導電型半導体層の少なくとも一方に前記電極が接続されて構成されることを特徴とする。
前記半導体層が窒化物半導体層であることが好ましい。
半導体層としては特に限定されるものではなく、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、III−V族、II-VI族、VI-VI族等の化合物半導体等が挙げられる。特に、InXAlYGa1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)等の窒化ガリウム系化合物半導体が好適に用いられる。半導体層は、単層構造でもよいが、MIS接合、PIN接合又はPN接合を有したホモ構造、ヘテロ構造又はダブルへテロ構造であってもよく、超格子構造や、量子効果が生ずる薄膜を積層した単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造であってもよい。また、n型、p型のいずれかの不純物がドーピングされていてもよい。この半導体層は、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、分子線エピタキシャル成長法(MBE)等の公知の技術により形成することができる。半導体層の膜厚は特に限定されるものではなく、種々の膜厚のものを適用することができる。
膜中酸素濃度が低い導電性酸化物膜の膜厚は、例えば、導電性酸化物膜の全膜厚の5〜40%程度、好ましくは20〜30%程度である。なお、導電性酸化物膜の膜厚は、特に限定されるものではなく、数オングストローム〜数μm程度が挙げられる。具体的には、4000〜7000Å程度とすることが適当である。
(1)膜厚が200ÅのGaNよりなるバッファ層、膜厚が4μmのSiドープn型GaNよりなるn型コンタクト層、膜厚が30ÅのアンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる単一量子井戸構造の活性層、膜厚が0.2μmのMgドープp型Al0.1Ga0.9Nよりなるp型クラッド層、膜厚が0.5μmのMgドープp型GaNよりなるp型コンタクト層。
光変換部材としては、Alを含み、かつY、Lu、Sc、La、Gd、Tb、Eu及びSmから選択された少なくとも一つの元素と、Ga及びInから選択された一つの元素とを含むアルミニウム・ガーネット系蛍光体、さらに希土類元素から選択された少なくとも一つの元素を含有するアルミニウム・ガーネット系蛍光体等が挙げられる。これにより、発光素子を高出力で高発熱での使用においても、温度特性に優れ、耐久性にも優れた発光装置を得ることができる。
さらに、光変換部材が、Nを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba及びZnから選択された少なくとも一つの元素と、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr及びHfから選択された少なくとも一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で付活された窒化物系蛍光体であってもよい。窒化物系蛍光体の具体例としては、一般式LXSiYN(2/3X+4/3Y):Eu又はLXSiYOZN(2/3X+4/3Y−2/3Z):Eu(Lは、Sr若しくはCa、又は、Sr及びCa、のいずれか。)が挙げられる。これにより、上記蛍光体と同様に、高出力の発光素子において、優れた温度特性、耐久性に優れた発光素子とすることができる。特に、窒化物系蛍光体が酸化窒化珪素化合物であると、優れた蛍光体とできる。また、上記アルミニウム・ガーネット系蛍光体と組み合わせることで、両者の温度特性が相互に作用して、混合色の温度変化が小さい発光装置とすることができる。
延長導電部が設けられたパッド電極としては、例えば、図3〜図6に示したような構成が挙げられる。
p側パッド電極55は、透明電極54上におけるn電極が近接する辺に対向する辺に隣接する位置に形成される。また、p側パッド電極55には2つの線上の延長導電部56が接続され、その延長導電部56はp側パッド電極55の両側のp側パッド電極55が隣接する辺に沿って伸びている。これにより、p側パッド電極55とn電極53間に位置する活性層を効率よく発光させることができ、さらにp側パッド電極55に接続された延長導電部56を透明電極54上に電気的に導通するように形成することにより、効果的にp層全体に電流を拡散させ、発光層全体を効率よく発光させることができる。さらに、p側パッド電極55及び延長導電部56の周辺部において輝度の高い発光が得られる。したがって、本発明では、延長導電部56の周辺部における輝度の高い発光を効果的に利用することがさらに好ましい。
また、延長導電部56はそれぞれ、図3に示すように、n電極53から等距離になるように円弧状に形成されていることが好ましく、これにより図4のように直線状に設けた場合に比較して、より均一な発光分布が得られる。
また、n電極63とp側パッド電極65とを対角配置した場合においても、図5及び図6に示すように、延長導電部66はそれぞれ、n電極63から等距離になるように円弧状に形成されていることが好ましく、これによってより高輝度でかつより均一な発光が得られる。なお、この場合においても、延長導電部66と発光層の縁との間隔は、上述したように輝度の高い発光が得られる領域を十分確保するために、20μm以上50μm以下であることが好ましい。
実施例1
この実施の形態の半導体発光素子を図1に示す。
この半導体発光素子10は、サファイア基板1の上に、Al0.1Ga0.9Nよりなるバッファ層(図示せず)、ノンドープGaN層(図示せず)が積層され、その上に、n型半導体層2として、SiドープGaNよりなるn型コンタクト層、GaN層(40Å)とInGaN層(20Å)とを交互に10回積層させた超格子のn型クラッド層が積層され、さらにその上に、GaN層(250Å)とInGaN層(30Å)とが交互に3〜6回積層された多重量子井戸構造の活性層3、p型半導体層4として、MgドープAl0.1Ga0.9N層(40Å)とMgドープInGaN層(20Å)とが交互に10回積層された超格子のp型クラッド層、MgドープGaNよりなるp型コンタクト層がこの順に積層されて構成される。
<半導体層の形成>
2インチφのサファイア基板1の上に、MOVPE反応装置を用い、Al0.1Ga0.9Nよりなるバッファ層を100Å、ノンドープGaN層を1.5μm、n型半導体層2として、SiドープGaNよりなるn型コンタクト層を2.165μm、GaN層(40Å)とInGaN層(20Å)とを交互に10回積層させた超格子のn型クラッド層5を640Å、GaN層(250Å)とInGaN層(30Å)とを交互に3〜6回積層させた多重量子井戸構造の活性層3、p型半導体層4として、MgドープAl0.1Ga0.9N層(40Å)とMgドープInGaN層(20Å)とを交互に10回積層させた超格子のp型クラッド層を0.2μm、MgドープGaNよりなるp型コンタクト層を0.5μmの膜厚でこの順に成長させ、ウェハを作製した。
得られたウェハを反応容器内で、窒素雰囲気中、600℃にてアニールし、p型クラッド層及びp型コンタクト層をさらに低抵抗化した。
アニール後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、エッチング装置でマスクの上からエッチングし、n型コンタクト層の一部を露出させた。
マスクを除去した後、スパッタ装置にウェハを設置し、In2O3とSnO2とを90:10の重量比で混合した焼結体からなる第1の酸化物ターゲットと、このIn2O3とSnO2との焼結体に95:5の重量比となるようにさらにInを添加した第2のターゲットとをITOターゲットとして設置した。スパッタ装置によって、酸素ガス雰囲気中、スパッタガスとしてアルゴンガスで、まず、第1の酸化物ターゲットを用いて、例えば、RFパワー10W/cm3で20分間スパッタリングし、引き続き、第2のターゲットに変更して5分間スパッタリングすることにより、ウェハのp型コンタクト層8のほぼ全面に、ITOよりなる透明電極5を5000Åの膜厚で形成した。
得られた透明電極5は良好な透光性を有し、サファイア基板1まで透けて観測できた。
透明電極5上に、レジストにより所定のパターンを有するマスクを形成し、その上にPt層およびAu層をこの順に積層し、リフトオフ法により、ボンディング用のパッド電極6を総膜厚1μmで形成した。
得られたウェハを所定の箇所で分割することにより、半導体発光素子10を得た。
図2から、ITO膜は、パッド電極側の界面近傍において、p型半導体層4側の酸素濃度よりも酸素濃度の低い部分5aを有していることが確認された。また、酸素濃度の低い部分5aは、ITO膜の全膜厚の25%程度であった。
しかも、透明電極5は、p型半導体層4側においては、酸素濃度が比較的高いために結晶性が良好となり、よって、透光性を向上させることができ、この電極側を発光観測面とすることができる。
この実施例の半導体発光素子は、実施例1における製造工程において、ITO膜を成膜する際に、第1の酸化物ターゲットを用い、成膜初期は、スパッタガスとして、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスを用い、その後、スパッタガスをアルゴンガスに変更する以外は、実質的に実施例1と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得た。
なお、成膜時のスパッタガスの圧力を0.01〜0.5Pa程度とした場合に、初期の酸素ガスの分圧は、1×10−4〜1×10−2Pa程度とした。また、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスを用いた成膜時間は20分間程度、その後、アルゴンガスで5分間程度成膜した。
この実施例の半導体発光素子は、実施例1における製造工程において、ITO膜を成膜する際に、第1の酸化物ターゲットを用い、成膜初期は、スパッタ装置のRFパワーを10W/cm2とし、その後、2W/cm2に徐々に減少させる以外は、実質的に実施例1と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得た。
この実施例の半導体発光素子は、実施例1における製造工程においてITO膜を成膜した後、あるいは、実施例1における製造工程において第1の酸化物ターゲットを用いて5000ÅのITO膜を形成した後、還元ガス雰囲気下(例えば、水素ガス雰囲気下)にて、例えば、300℃でランプアニールによって処理することにより、実施例1と実質的に同様の構成の半導体発光素子を得た。
還元ガス雰囲気下でのアニール処理により、表面側のITO膜内の酸素が還元ガスと反応することによって、ITO膜表面の酸素濃度を低下させることができる。
この実施例の半導体発光素子は、実施例1における製造工程においてITO膜を成膜した後、あるいは、実施例1における製造工程において第1の酸化物ターゲットを用いて5000ÅのITO膜を形成した後、W、Rh、Ag、Pt、Pd及びAl等の酸化されやすい金属の単層膜又は積層膜を、例えば、2μm程度の膜厚で形成し、300℃でアニールすることによって、実施例1と実質的に同様の構成の半導体発光素子を得た。
このように、金属膜を形成して熱処理することにより、ITO膜表面の酸素がその上の金属に移行し、ITO膜表面の酸素濃度を低下させることができる。
この実施例の半導体発光素子は、実施例1における製造工程において、ITO膜を成膜する際に、スパッタ法に代えて、真空蒸着法を利用する以外は、実質的に実施例1と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得た。
n型コンタクト層の一部を露出させたウェハを、真空蒸着装置に入れ、ウェハ温度を300℃に維持しながら、SnO2が10%のITOを電子銃で加熱、蒸発させて、ITO膜を成膜した。成膜中、ウェハ温度を100℃まで、10秒間で水冷手段を用いて急激に低下させて、膜厚が5000ÅのITO膜を形成した。
この実施例の半導体発光素子は、実施例6における製造工程において、真空蒸着法によりITO膜を形成する際に、ウェハ温度を300℃に維持しながら、イオン銃を利用して、成膜初期にのみ、ウェハ表面(p型半導体層)に酸素イオンを1012個/cm2程度で照射する以外は、実質的に実施例4と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得た。
この実施例の半導体発光素子は、実施例6における製造工程において、真空蒸着法によりITO膜を形成する際に、ウェハ温度を300℃に維持しながら、成膜初期の成膜レートを50Å/秒とし、その後、5Å/秒に減少させる以外は、実質的に実施例4と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得た。
このように、成膜レートを減少させることにより、ITO膜を構成する蒸着粒子の温度が低下し、酸素との反応性が低下し、表面側のITO膜の酸素濃度を低下させることができる。
この実施例の半導体発光素子は、実施例1における製造工程において、ITO膜を成膜する際に、スパッタ法に代えて、イオンプレーティング法を利用する以外は、実質的に実施例1と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得た。
つまり、n型コンタクト層の一部を露出させたウェハを、プラズマガンを備えたイオンプレーティング装置に導入し、反応室に反応ガスであるO2ガスを導入する。さらに、反応室よりもプラズマガン内部の圧力が高くなるようにArガスをプラズマガン内に導入する。プラズマガンに内蔵したカソードから放出される電子を磁場によりガイドして、ルツボに仕込まれたITOペレットに集中して照射する。この際、電子ビーム加熱することにより、ITOペレットから蒸発した蒸発物と、酸素ガスとがプラズマ内で活性化され、ウェハ上に堆積し、ITO膜を形成することができる。なお、成膜初期においては、プラズマガンの投入電力を3kW、その後、1kWとすることにより、表面側のITO膜の酸素濃度を低減させることができる。
2 n型半導体層
3 活性層
4 p型半導体層
5 透明電極
5a 膜中酸素濃度が低い部分
5b 膜中酸素濃度が高い部分
6 パッド電極
7 n電極
10 半導体発光素子
Claims (6)
- 第1導電型半導体層、発光層、第2導電型半導体層がこの順に積層され、前記第1導電型及び第2導電型半導体層の少なくとも一方に電極が接続されて構成される半導体発光素子であって、
前記電極が、前記第2導電型半導体層上に、導電性酸化物膜と金属膜とがこの順に積層され、前記導電性酸化物膜の金属膜との界面側における膜の面内方向全体における膜中酸素濃度が、前記導電性酸化物膜の前記半導体層側の膜中酸素濃度よりも低く、
前記金属膜が、W、Rh、Ag、Pt、Pd、Alの単層膜又は積層膜により形成されてなることを特徴とする半導体発光素子。 - 第1導電型半導体層、発光層、第2導電型半導体層がこの順に積層され、前記第1導電型及び第2導電型半導体層の少なくとも一方に電極が接続されて構成される半導体発光素子であって、
前記電極が、前記第2導電型半導体層上に、導電性酸化物膜と金属膜とがこの順に積層され、前記導電性酸化物膜と金属膜との界面側における膜の面内方向全体における膜中キャリア濃度が、前記導電性酸化物膜の前記半導体層側の膜中キャリア濃度よりも高いことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記金属膜が、W、Rh、Ag、Pt、Pd、Alの単層膜又は積層膜により形成されてなる請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記導電性酸化物膜は、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よりなる請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1導電型半導体層がn型半導体層であり、前記第2導電型半導体層がp型半導体層である請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記半導体層が窒化物半導体層である請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
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