JP5201566B2 - 化合物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
即ち、本発明は以下の発明を提供する。
(3)IZO膜の厚さが35nm〜10μmである上記1または2項に記載の化合物半導体発光素子。
(5)IZO膜の表面に複数個の独立した凹部が形成されている上記4項に記載の化合物半導体発光素子。
(6)凹部の合計面積がIZO膜全体の1/4〜3/4である上記4または5項に記載の化合物半導体発光素子。
(7)凹部におけるIZO膜の厚さが凸部におけるIZO膜の厚さの1/2以下である上記4〜6項のいずれか一項に記載の化合物半導体発光素子。
(9)n型半導体層、発光層およびp型半導体層がこの順序で積層され、第1導伝型透明電極および第2導伝型電極がそれぞれp型半導体層およびn型半導体層に設けられている上記8項に記載の化合物半導体発光素子。
(a)基板上に、化合物半導体からなる、n型半導体層、発光層およびp型半導体層を、n型半導体層とp型半導体層が発光層を挟むように積層して、半導体ウェハを作製する工程、
(b)該半導体ウェハにアモルファス状のIZO膜を積層する工程、
(c)該アモルファス状のIZO膜をエッチングする工程、および
(d)エッチングされた該アモルファス状のIZO膜を結晶化する工程。
(12)アモルファス状のIZO膜を結晶化する工程が熱処理によってなされる上記10または11項に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
(13)熱処理温度が500〜1000℃である上記12項に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
(14)熱処理温度が700〜900℃である上記13項に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
(15)化合物半導体が窒化ガリウム系化合物半導体である上記10〜14項のいずれか一項に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
(17)上記10〜16項のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された化合物半導体発光素子。
(18)ビクスバイト(Bixbyite)構造のIn2O3結晶を含むIZO膜からなることを特徴とする化合物半導体発光素子用透光性電極。
(19)上記1〜9および17項のいずれか一項に記載の化合物半導体発光素子からなるランプ。
(20)上記19項に記載のランプが組み込まれている電子機器。
(21)上記20項に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
図1に示す半導体発光素子1はフェイスアップ型の発光素子であり、基板11上に、窒化ガリウム系化合物半導体層を構成するn型半導体層12と、発光層13と、p型半導体層とが積層され、p型半導体層上にIZO膜からなる第1導伝型電極である正極15(透明電極)が積層され、概略構成されている。正極15上の一部には、正極ボンディングパッド16が形成されている。また、n型半導体層上の第2導伝型電極(負極)形成領域には、ボンディングパッドの負極17が形成されている。
「基板」
基板11には、サファイア単結晶(Al2O3;A面、C面、M面、R面)、スピネル単結晶(MgAl2O4)、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgO単結晶などの酸化物単結晶、Si単結晶、SiC単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶およびZrB2などのホウ化物単結晶などの公知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。
なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
n型半導体層12、発光層13、およびp型半導体層14としては、各種構造のものが周知であり、これら周知のものを何ら制限なく用いることができる。特に、p型半導体層はキャリア濃度が一般的な濃度のものを用いれば良く、比較的キャリア濃度の低い、例えば1×1017cm-3程度のp型半導体層に対しても、本発明で用いるIZO膜の正極15を適用することができる。
p型半導体層14上には、正極15としてビクスバイト(Bixbyite)構造のIn2O3結晶を含むIZO膜が成膜される。IZO膜はp型半導体層の直上、あるいはp型半導体層の上に金属層などを介して形成される。IZO膜とp型半導体層との間に金属層を挟んだ場合には、発光素子の駆動電圧を低減させることができるが、光透過率が減少して出力を低下させてしまう。したがって、発光素子の用途などに応じて駆動電圧と出力のバランスを取り、IZO膜とp型半導体層との間に金属層などを挟むかどうか適宜判断される。ここでの金属層としては、NiやNi酸化物、Pt、Pd、Ru、Rh、Re、Osなどからなるものを用いることが好ましい。
また、IZO膜の膜厚は、低比抵抗、高光透過率を得ることができる35nm〜10000nm(10μm)の範囲であることが好ましい。さらに、生産コストの観点から、IZO膜の膜厚は1000nm(1μm)以下であることが好ましい。
まず、p型半導体層14上の全域に、アモルファス状態のIZO膜を形成する。IZO膜の成膜方法としては、アモルファス状態のIZO膜を形成することが可能な方法であれば、薄膜の成膜に使用される周知の如何なる方法を用いても良い。例えば、スパッタ法や真空蒸着法などの方法を用いて成膜することができるが、真空蒸着法に比べて、成膜時に発生するパーティクルやダストなどが少ないスパッタ法を用いるとさらに良い。スパッタ法を用いる場合、In2O3ターゲットとZnOターゲットをRFマグネトロンスパッタ法により公転成膜することで成膜することが可能であるが、より成膜速度を高くするためには、IZOターゲットをDCマグネトロンスパッタ法にて成膜すると良い。また、p型半導体層14へのプラズマによるダメージを軽減するために、スパッタの放電出力は1000W以下であることが好ましい。
また、アモルファス状態のIZO膜のエッチングは、ドライエッチング装置を用いて行なっても良い。このとき、エッチングガスにはCl2、SiCl4、BCl3等を用いることができる。
このエッチングを用いた凹凸加工は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光出力を向上させることができる。凹凸加工により発光出力が向上する原因としては、1.透明電極の薄膜化による光透過率の向上、2.凹凸加工による光取り出し面積(IZO膜表面積)の増加、3.透明電極表面での全反射の低減等が考えられる。
IZO膜の凹凸加工は、IZO膜のパターニングと同様に、後述の熱処理工程を行なう前に行なうことが望ましい。
負極17は、IZO膜の熱処理後、図1に示すようにp型半導体層14、発光層13、およびn型半導体層12の一部をエッチングによって除去することにより、n型半導体層12を露出させ、該露出したn型半導体層12上に、例えば、Ti/Auからなる従来公知の負極17を設ける。負極17の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができる。
正極15であるIZO膜層上の一部には、回路基板またはリードフレーム等との電気接続のための正極ボンディングパッド16が設けられている。正極ボンディングパッド16は、Au、Al、NiおよびCu等の材料を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。また、正極ボンディングパッド16の厚さは、100〜1000nmの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド16の厚さは300nm以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から500nm以下とすることが好ましい。
IZO膜の酸化を防ぐために、IZO膜上に保護層を成膜するとさらに良い。この保護層は、正極ボンディングパッドの形成される領域を除くIZO膜の全領域を覆うため、透光性に優れた材料を用いることが好ましく、さらに、p型半導体層とn型半導体層とのリークを防ぐために、絶縁性であることが好ましい。例えば、SiO2やAl2O3等が良い。また、保護層の膜厚はIZO膜の酸化を防ぐことができ、かつ透光性に優れるような膜厚であれば良く、具体的には、例えば、20nm〜500nmの膜厚が良い。
以上、説明した本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば、当業者周知の手段により、透明カバーを設けてランプを構成することができる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有するカバーとを組み合わせることにより、白色のランプを構成することもできる。
(IZO膜の熱処理における雰囲気)
IZO膜の熱処理における雰囲気と、熱処理後のIZO膜のシート抵抗との関係を以下のように調べた。
すなわち、ガラス基板上にアモルファス状態のIZO膜(厚さ250nm)を形成し、得られたIZO膜を300℃〜800℃の各温度で、N2雰囲気中で熱処理した場合と、N2中にO2が25%含まれる混合ガス雰囲気中で熱処理した場合のシート抵抗を測定した。その結果を表1に示す。なお、シート抵抗は四探針法の測定装置(三菱化学社製Loresta MP MCP-T360)を用いて測定した。
(IZO膜の熱処理温度)
IZO膜の熱処理温度と、IZO膜の結晶化との関係を以下のように調べた。
すなわち、ガラス基板上にアモルファス状態のIZO膜(厚さ250nm)を形成し、得られた熱処理なしのIZO膜をX線回折(XRD)法で測定した。また、ガラス基板上に形成したIZO膜を300℃〜1000℃の各温度で、N2雰囲気中で1分間熱処理し、熱処理後のIZO膜をX線回折(XRD)法で測定した。その結果を図7に示す。
図7より、熱処理前のIZO膜及び400℃以下の温度で熱処理を行なったIZO膜においてアモルファス状態を表すブロードなX線のピークが観察されている。これより、熱処理前のIZO膜及び400℃以下の温度で熱処理を行なったIZO膜が、アモルファス状態であることが容易にわかる。また、700℃以上の熱処理温度において、ビクスバイト構造のIn2O3結晶からなるX線のピークが観察されており、IZO膜中にビクスバイト構造のIn2O3結晶が存在していることがわかる。
(IZO膜の光透過率)
IZO膜の熱処理温度と、熱処理後のIZO膜の光透過率との関係を以下のように調べた。
すなわち、実験例2で得られた熱処理なしのIZO膜および、300℃、600℃、800℃、1000℃の温度で熱処理したIZO膜の光透過率を測定した。その結果を図8に示す。なお、IZO膜の光透過率測定には、島津製作所社製の紫外可視分光光度計UV−2450を用いた。また、光透過率の値は、ガラス基板のみの光透過率を測定して得られた光透過ブランク値を差し引いて算出した。
図8より、600℃以上の温度でIZO膜を熱処理した場合、熱処理なしのIZO膜や300℃の温度で熱処理したIZO膜に比べて光透過率が高くなっていることがわかる。特に、600℃の温度でIZO膜を熱処理した場合、400nm付近の紫外発光領域において光透過率が高く、800℃の温度でIZO膜を熱処理した場合、460nm付近の青色発光領域において光透過率が高い。また、1000℃の温度でIZO膜を熱処理した場合、IZO膜の光透過率が十分に上がりきっていないことがわかる。したがって、IZO膜の熱処理温度は900℃以下であることが特に望ましい。
(窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製)
図3に、本実施例の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に用いるために作製した、窒化ガリウム系化合物半導体層からなる半導体ウェハの断面模式図を示す。また、図1及び図2に、本実施例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図、及び平面模式図を示す。以下、これらの図を適宜参照しながら説明する。
これらのチップを、プローブ針による通電により、電流印加値20mAにおける順方向電圧(駆動電圧:Vf)を測定した。また、一般的な積分球で発光出力(Po)及び発光波長を測定した。発光面の発光分布は、正極15の全面で発光していることが確認できた。
チップは460nm付近の波長領域に発光波長を有しており、Vfは3.24V、Poは12.6mWであった。
IZO膜の熱処理温度をそれぞれ、300℃(比較例)、500℃、600℃、700℃で行なったことを除き、実施例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製し、実施例1と同様に評価した。
IZO膜のp型半導体層と接触しない側の表面に凹凸形状を形成したことを除き、実施例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製し、実施例1と同様に評価した。
円柱形の凹部の深さをそれぞれ、200nm、250nmにしたことを除き、実施例5と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製し、実施例1と同様に評価した。
正極15にITO膜を用いたことを除いて実施例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
2度の熱処理後、実施例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。得られた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のVfは3.3V、Poは12.5mWであった。
11 基板
12 n型半導体層
13 発光層
14 p型半導体層
15 第1導伝型透明電極(正極)
16 正極ボンディングパッド
17 第2導伝型電極(負極)
20 窒化ガリウム系化合物半導体ウェハ
21 基板
22 GaN下地層(n型半導体層)
23 n型GaNコンタクト層(n型半導体層)
24 n型AlGaNクラッド層(n型半導体層)
25 発光層
26 p型AlGaNクラッド層(p型半導体層)
27 p型GaNコンタクト層(p型半導体層)
30 ランプ
Claims (13)
- 下記の(a)〜(d)の工程を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
(a)基板上に、化合物半導体からなる、n型半導体層、発光層およびp型半導体層を、n型半導体層とp型半導体層が発光層を挟むように積層して、半導体ウェハを作製する工程、
(b)該半導体ウェハにアモルファス状のIZO膜を積層する工程、
(c)該アモルファス状のIZO膜をエッチングする工程、および
(d)エッチングされた該アモルファス状のIZO膜を700〜900℃の温度で熱処理して結晶化する工程。 - アモルファス状のIZO膜を積層する工程がスパッタリング法によってなされる請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- n型半導体層、発光層およびp型半導体層がこの順序で積層され、アモルファス状のIZO膜がp型半導体層上に積層されている請求項1または2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- IZO膜中のZnO含有量が1〜20質量%である請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- IZO膜の厚さが35nm〜10μmである請求項1〜4のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- アモルファス状のIZO膜をエッチングする工程によって、IZO膜の表面に凹凸加工がなされている請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- IZO膜の表面に複数個の独立した凹部が形成されている請求項6に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 凹部の合計面積がIZO膜全体の1/4〜3/4である請求項6または7に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 凹部におけるIZO膜の厚さが凸部におけるIZO膜の厚さの1/2以下である請求項6〜8のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 請求項10に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
- 請求項11に記載のランプが組み込まれている電子機器。
- 請求項12に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
Priority Applications (8)
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