JP5220409B2 - トップエミット型窒化物系発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
発光素子分野では、円滑なホール注入(hole injection)及び高効率の光放出(light emission)の役目をする透明導電性オーミック電極構造を開発するために、全世界的に活発に研究が重ねられている。
透明導電性酸化物(TCO)には、インジウム酸化物(In2O3)、スズ酸化物(SnO2)、亜鉛酸化物(ZnO)、インジウムスズ酸化物(ITO)などが挙げられ、透明導電性窒化物(TCN)には、チタン窒化物(TiN)が挙げられる。
第一に、前述した透明導電性薄膜は、スパッタリング(sputtering)、e−ビーム蒸着器または熱蒸着器(e-beam or heat evaporator)などのようなPVD(Physical Vapor Deposition)方法により薄膜を形成する時、一般的に単位面積当たり100Ωに近い大きい面抵抗値を有するため、発光素子の水平方向(層間境界面に並ぶ方向)への電流広がり(current spreading)を難しくし、且つ垂直方向への円滑なホール注入(hole injection)をも難しくし、これにより、大面積及び大容量の高輝度発光素子を具現するのに適用することが困難である。
第三に、インジウムスズ酸化物(ITO)及びチタン窒化物(TiN)などをはじめとする透明導電性薄膜は、相対的に小さい仕事関数値を有するため、p型窒化ガリウムとの直接接触によるオーミック接触を形成することが難しい。
一方、発光素子は、トップエミット型発光ダイオード(top-emitting light emitting diodes:TLEDs)とフリップチップ型発光ダイオード(flip-chip light emitting diodes:FCLEDs)とに分けられる。
ニッケル−金からなるオーミック接触層は、酸素(O2)雰囲気で熱処理して、約10-3〜10-4Ωcm2の優れた非接触抵抗及び半透明性を有するものと知られている。
このような従来のオーミック接触層は、約500℃から約600℃の温度及び酸素雰囲気で熱処理する時、p型クラッド層をなしている窒化ガリウムと、オーミック接触層として適用されたニッケル層との界面でp型半導体酸化物であるニッケル酸化物(NiO)が島(island)形状に形成されている金(Au)層間及び上層部に形成され、ショットキー障壁の高さ(Schottky barrier height:SBH)を減少させるようになり、p型クラッド層の表面近くに多数のキャリアであるホール(hole)を容易に供給する。
また、光の発光効率を増加させるために、p型反射膜オーミック電極を適用して、透明基板であるサファイアを介して光を放射するフリップチップ発光ダイオード構造が開発及び研究されているが、電気、機械及び熱的に安定したp型反射膜オーミック電極の不在により、良質のフリップチップ型発光ダイオードを具現していない。
前述したように、電気及び光学的特性に優れた良質のp型オーミック電極を開発するのに多くの難点があるが、その根本的な原因は、次のように要約することができる。
第一に、p型窒化ガリウムの低いホール濃度と、このため、単位面積当たり104Ω以上の高い面抵抗(sheet resistance)値を有する点と、第二に、p型窒化ガリウムの仕事関数値に比べて相対的に大きい仕事関数値を有する高透明電極物質の不在により、p型窒化ガリウムと電極との間の界面に高いショットキー障壁高さ(schottky barrier height)及び幅(width)が形成され、垂直方向への円滑なホール注入が難しい点と、第三に、大部分の物質が電気的特性と光学的な特性とが相互反比例し、それにより、高い光透過度を有する透明電極は、一般的に大きい面抵抗(sheet resistance)値を有するため、水平方向への電流広がり(current spreading)が急激に低下する点と、第四に、透明導電性薄膜層をp型窒化ガリウムの上部に直接蒸着する工程で、窒化ガリウムの表面に絶縁性の酸化ガリウム(Ga2O3)が生成されるため、発光素子の電気的特性が低下する点が挙げられる。
図1は、本発明の第1実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子を示す断面図である。
また、p型クラッド層150上に積層された界面改質層160及び透明導電性薄膜層170が、マルチオーミック接触層、すなわちp型電極構造体に該当する。
基板110は、サファイア(Al2O3)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコン(Si)、及びガリウム砒素(GaAs)のうちいずれか1つで形成されることが好ましい。
バッファ層120からp型クラッド層150までの各層は、第3窒化物系化合物の一般式であるAlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表される化合物の中から選択されたいずれかの化合物を基本として形成され、n型クラッド層130及びp型クラッド層150は、該当ドーパントが添加される。
また、活性層140は、単層またはMQW層など公知の多様な方式で構成することができる。
n型クラッド層130とn型電極パッド190との間には、n型オーミック接触層(図示せず)を介することができ、n型オーミック接触層は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)とが順次に積層された層構造など公知の多様な構造を適用することができる。
各層の形成方法は、電子ビーム蒸着器、PVD(physical vapor deposition)、CVD(chemical vapor deposition)、PLD(plasma laser deposition)、二重型の熱蒸着器(dual-type thermal evaporator)スパッタリング(sputtering)などにより形成すればよい。
透明導電性薄膜層170の素材として、透明導電性酸化物(TCO)または透明導電性窒化物(TCN)を適用することができる。
前記透明導電性酸化物は、インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、及びランタン(La)の中から選択された少なくとも1つ以上の成分と酸素とが結合された物質を適用することができる。
透明導電性酸化物または透明導電性窒化物に電気的特性を向上させるために、元素周期律表の金属のうち少なくとも1つ以上の元素をドーパントとして添加することができる。
好ましくは、透明導電性酸化物または透明導電性窒化物に添加されるドーパントの添加比率は、0.001から20重量%の範囲内で適用する。ここで、重量%は、添加される物質相互間の重量比率をいう。
透明導電性薄膜層170の厚さは、所望の光透過度及び電気伝導性を有するように1ナノメートルから1000ナノメートルの厚さで形成されることが好ましい。
上記のような透明導電性薄膜層170は、単層で形成されてもよく、2層以上の複層で形成されてもよい。その一例が図4に示されている。
界面改質層160は、p型クラッド層150と透明導電性薄膜層170とのオーミック接触を向上させるために適用される。
(1)インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、銀(Ag)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)の中から選択されたいずれか1つの元素、前記元素の中から選択された少なくとも1つの元素を含む合金、及び固溶体。
(1−1)前記成分中のインジウム、インジウムを主成分として添加元素が添加された合金、または固溶体のうちいずれか1つで形成されることが好ましい。この際、前記界面改質層に適用される素材としてインジウムに添加される添加元素は、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上を含む。前記インジウムに対して添加される前記添加元素の添加比は、特に限定されるものではなく、0.001から50重量%である。
界面改質層160は、p型クラッド層150との間に形成されるショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、p型クラッド層150の上部に形成されるp型透明導電性酸化物の正孔(hole)濃度が1015から1018/cm3の値を提供できる物質を適用する。
(2−1)前記P型透明酸化物の例としては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、及びベリリウム(Be)を含む第2族元素の中から選択された少なくとも1つの元素で形成された2元系または3元系酸化物が好ましい。
前記酸化物には、p型透明導電性酸化物の濃度及び仕事関数を調節すると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、p型ドーパントが適宜添加されることができる。
また、上記のようなp型透明導電性酸化物以外に、p型クラッド層150との間に形成されるショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、p型クラッド層150の上部に形成される透明導電性ナノ相粒子または薄膜層の電子濃度が1015から1017/cm3の値を提供できる物質を適用することができる。
前記インジウム系酸化物は、好ましくは、主成分であるインジウム酸化物(In2O3)に、インジウム酸化物の濃度及び仕事関数値を調節することができると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができる添加元素が添加される。このような添加元素として、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びランタン(La)元素系列金属の中から選択された少なくとも1つ以上の成分を挙げることができる。
前述したような素材で構成される界面改質層160は、熱処理時、容易に導電性ナノ相酸化物に分解されたり、キャリア(carrier)が量子的にトンネリングすることができる薄膜層を形成できる0.1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成されることが好ましい。
図2は、本発明の第2実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子を示す断面図である。前記実施形態に示された構成要素と同じ機能をする構成要素には、同じ参照符号を付す。
ここで、界面改質層160、挿入金属層165、及び透明導電性薄膜層170がマルチオーミック接触層に該当する。
挿入金属層165は、界面改質層160と透明導電性薄膜層170との間に形成されている。
好ましくは、挿入金属層165は、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、ガリウム(Ga)、銅(Cu)、ベリリウム(Be)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)及びモリブデン(Mo)の中から選択された少なくとも1つ以上の成分で形成される。
好ましくは、挿入金属層165は、1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成される。
このような発光素子は、基板110上にn型クラッド層130、活性層140及びp型クラッド層150が順次に積層された発光構造体のp型クラッド層150上に、前述した素材で界面改質層160、挿入金属層165及び透明導電性薄膜層170を順次に前述した蒸着方法により蒸着し、p型電極構造体を形成した後、熱処理を行えばよい。
まず、基板110上にバッファ層120、n型クラッド層130、活性層140及びp型クラッド層150を順次に形成する。
その後、n型電極パッド190を形成するための空間を確保するために、p型クラッド層150からn型クラッド層130の一部までエッチングし、メサ(MESA)構造を形成する。
界面改質層160/透明導電性薄膜層170、または界面改質層160/挿入金属層165/透明導電性薄膜層170は、電子ビーム蒸着器、PVD(physical vapor deposition)、CVD(chemical vapor deposition)、PLD(plasma laser deposition)、二重型の熱蒸着器(dual-type thermal evaporator)スパッタリング(sputtering)など公知の蒸着方法により順次に形成すればよい。
p型クラッド層150上に界面改質層160/透明導電性薄膜層170、または界面改質層160/挿入金属層165/透明導電性薄膜層170を形成した後、構造体を真空または様々なガス雰囲気で熱処理することが好ましい。
熱処理時、反応器内の温度は、100℃から800℃で10秒から3時間行う。
熱処理時、反応器内に投入されるガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、及び空気のうち少なくとも1つ以上の気体を適用することができる。
図3に示したように、トップエミット型発光素子は、基板210、バッファ層220、n型クラッド層230、活性層240、p型クラッド層250及びマルチオーミック接触層260が順次に積層された構造となっている。参照符号280は、p型電極パッドであり、290は、n型電極パッドである。
マルチオーミック接触層260は、界面改質層260a/透明導電性薄膜層260bを単位として繰り返し積層されて形成される。このような繰り返し積層構造の一例が図3に示されている。
図3に示したように、マルチオーミック接触層260は、第1界面改質層260a/第1透明導電性薄膜層260b/第2界面改質層260c/第2透明導電性薄膜層260dが順次に積層されて形成されている。
第2界面改質層260cは、熱処理時、第1透明導電性薄膜層260bまたは後続工程を通じて形成される第2透明導電性薄膜層260dから酸素を供給され、第2界面改質層260cが透明導電性酸化薄膜層を形成すると同時に、第1及び第2透明導電性薄膜層260b、260dのキャリア濃度をさらに高める機能を行う。
第1及び第2界面改質層260a、260cの各々は、熱処理時、容易に導電性ナノ相粒子に分解及び酸化され得る厚さである0.1ナノメートルから100ナノメートルの厚さで形成することが好ましい。
また、第1透明導電性薄膜層260b及び第2透明導電性薄膜層260dの各々は、前述したように、1ナノメートルから1000ナノメートルの厚さで形成する。
図4を参照すれば、マルチオーミック接触層260は、第1界面改質層260a/第1透明導電性薄膜層260b/第2透明導電性薄膜層260dが順次に積層されて形成されている。
このような構造のマルチオーミック接触層260において、第1界面改質層260a/第1透明導電性薄膜層260b/第2透明導電性薄膜層260dは、前述した素材及び方法により形成すればよい。
まず、基板210上にバッファ層220、n型クラッド層230、活性層240及びp型クラッド層250を順次に蒸着し、発光構造体を形成する。
その後、n型電極パッド290を形成するための空間を確保するために、p型クラッド層250からn型クラッド層230の一部までエッチングし、メサ(MESA)構造を形成する。
マルチオーミック接触層260の各層は、 電子ビーム蒸着器、PVD(physical vapor deposition)、CVD(chemical vapor deposition)、PLD(plasma laser deposition)、二重型の熱蒸着器(dual-type thermal evaporator)スパッタリング(sputtering)など公知の蒸着方法により形成すればよい。
また、マルチオーミック接触層260の各層を順次に形成するために適用される蒸着温度は、20℃から1500℃の範囲内であり、蒸着器内の圧力は、大気圧から約10-12トールで行う。
熱処理は、反応器内の温度を100℃から800℃にして、真空または様々なガス雰囲気で10秒から約3時間行う。
熱処理時、反応器内に投入されるガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、及び空気のうち少なくとも1つ以上の気体を適用することができる。
図5は、p型クラッド層150上に、インジウム酸化物(InxO1-x)に銅(Cu)を10重量%で添加して3ナノメートルに形成した界面改質層160と、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層170を形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図7は、p型クラッド層150上に、p型LaNiO3を3ナノメートルで形成した界面改質層160と、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層170を形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図7において、互いに異なるマークで表記された各グラフは、製作されたp型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離(4、8マイクロメートル)で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図7から分かるように、熱処理されたp型電極構造体は、オーミック接触を意味する直線型の電流−電圧特性を示す。
図8から分かるように、20mA注入電流で3.4V以内の低い作動電圧を提供する。
図9は、p型クラッド層250上に、インジウム(In)を3ナノメートルで形成した界面改質層260aと、ITOで200ナノメートル積層した透明導電性薄膜層260bを形成した後、600℃で熱処理して製作されたp型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図10から分かるように、20mA注入電流で3.4V以内の低い作動電圧を提供する。
図面で、互いに異なるマークで表記された各グラフは、製作されたp型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図11から分かるように、本発明に係るp型電極構造体は、オーミック接触を示す直線型の電流−電圧特性を示す。
図12から分かるように、20mA注入電流で3.4V以内の低い作動電圧を提供する。
Claims (3)
- n型クラッド層とp型クラッド層との間に活性層を有するトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法において、
(イ)基板上に前記n型クラッド層、前記活性層及び前記p型クラッド層が順次に積層された発光構造体の前記p型クラッド層上に、p型透明導電性酸化物で形成された界面改質層を形成する段階と、
(ロ)前記界面改質層上に透明導電性素材で少なくとも1つ以上の透明導電性薄膜層を形成する段階と、
(ハ)前記(イ)段階及び前記(ロ)段階を経て形成された構造体を熱処理して、前記界面改質層を導電性ナノ相酸化物粒子に分解する段階と、
を含むことを特徴とするトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法。 - 前記透明導電性薄膜層形成の前に、前記界面改質層上に挿入金属層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法。
- n型クラッド層とp型クラッド層との間に活性層を有するトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法において、
(イ)基板上に前記n型クラッド層、前記活性層及び前記p型クラッド層が順次に積層された発光構造体の前記p型クラッド層上に、p型透明導電性酸化物で形成された界面改質層と少なくとも1つの透明導電性薄膜層とを積層繰り返し単位として積層し、マルチオーミック接触層を形成する段階と、
(ロ)前記(イ)段階を経て形成された構造体を熱処理して、前記界面改質層を導電性ナノ相酸化物粒子に分解する段階と、
を含むことを特徴とするトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法。
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