JP5433507B2

JP5433507B2 - 半導体発光素子

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Publication number: JP5433507B2
Application number: JP2010138308A
Authority: JP
Inventors: 雅人松原
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: JP2012004364A

Description

本発明は半導体発光素子に関する。

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）を高効率化するために、金属薄膜を成膜する技術が採用されるようになった。初期のＬＥＤには透明電極は用いられていなかったが、さらなる透過率改善のために、電極材料に無機透明導電膜が使用されるようになった。
この無機透明電極膜としてはインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）又はインジウム亜鉛酸化物が使用されている。

ＬＥＤの高効率化のために、さらなる駆動電圧の低下が求められている。
特許文献１はＳｎを含むインジウム亜鉛酸化物スパッタリングターゲットを開示している。特許文献２は発光素子の透明導電材料としてＩｎ−Ｚｎ−Ｓｎ系材料を開示している。しかしながら、ＬＥＤの駆動電圧低減を目的としてインジウム亜鉛酸化物へのＳｎ添加を報告した例はない。

国際公開第２００３／００８６６１号パンフレット特開２００５−１５０７４１号公報

本発明の目的は、駆動電圧の低い半導体発光素子を提供することである。

上述のような状況に鑑み、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、特定の組成の無機透明電極が、ｐ型半導体との接触抵抗が少なく駆動電圧を低減できることを見出した。
本発明によれば、以下の半導体発光素子が提供される。
１．透明導電膜を有する半導体発光素子であって、
前記透明導電膜は、酸化インジウム、酸化亜鉛、錫を含有し、
前記透明導電膜中の錫の含有割合が１０〜６００ｐｐｍである半導体発光素子。
２．前記錫の含有割合が１００〜５００ｐｐｍである１に記載の半導体発光素子。
３．前記錫の含有割合が２００〜４００ｐｐｍである１に記載の半導体発光素子。
４．前記酸化亜鉛の酸化インジウム及び酸化亜鉛に対する質量％が以下の式を満たす１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
ＺｎＯ／（Ｉｎ_２Ｏ_３＋ＺｎＯ）×１００＝５〜２０％
５．スパッタリングターゲット又は蒸着用ペレットを用いて成膜した透明導電膜を有する半導体発光素子であって、
前記スパッタリングターゲット又は蒸着用ペレットは、酸化インジウム、酸化亜鉛、錫を含有し、前記ターゲット又はペレット中の錫の含有割合が１０〜６００ｐｐｍである半導体発光素子。
６．前記ターゲット又はペレット中の錫の含有割合が１００〜５００ｐｐｍである５に記載の半導体発光素子。
７．前記ターゲット又はペレット中の錫の含有割合が２００〜４００ｐｐｍである５に記載の半導体発光素子。
８．前記酸化亜鉛の酸化インジウム及び酸化亜鉛に対する質量％が以下の式を満たす５〜７のいずれかに記載の半導体発光素子。
ＺｎＯ／（Ｉｎ_２Ｏ_３＋ＺｎＯ）×１００＝５〜２０％

本発明によれば、駆動電圧の低い半導体発光素子が提供できる。

本発明の半導体発光素子の構造の一例を示す図である。

本発明の半導体発光素子は透明導電膜を有する。透明導電膜は、酸化インジウム、酸化亜鉛、錫（Ｓｎ）を含有し、透明導電膜中の錫の含有割合は１０〜６００ｐｐｍである。

本発明の半導体発光素子の一例を図１に示す。
半導体発光素子１は、基板１０上にｎ型半導体層２０、発光層３０、ｐ型半導体層４０、透明導電膜５０及び正極パッド６０（ｐ型電極）をこの順に備え、ｎ型半導体層２０に、負極パッド７０（ｎ型電極）を備える。負極パッド７０はｎ型半導体層２０の一部が切り欠けられてなる露出面上に設けることができる。基板１０とｎ型半導体層２０の間に、バッファ層、下地層を設けてもよい。また、最表面にＳｉＯ_２等の保護膜（図示せず）を設けることが好ましい。
尚、半導体とは、常温で金属と絶縁物の中間の抵抗率（１０^−３〜１０^１０Ω・ｃｍ）を有する物質をいう。

ｎ型半導体層２０とｐ型半導体層４０を接合し、負極パッド７０と正極パッド６０間に電圧を印加すると、ｐ型半導体層４０でホールが発生し、ｎ型半導体層２０で電子が発生する。このホールと電子が発光層３０で衝突して光を発する。
正極パッド６０から流れ込む電流をｐ型半導体層４０全面に均一に送り込むために、ｐ型半導体層４０の上面に透明導電膜５０が、好ましくは電極として敷設される。

透明導電膜５０とｐ型半導体層４０の接合面では接触抵抗が生じるが、透明導電膜５０に、錫を１０〜６００ｐｐｍ含むインジウム亜鉛酸化物を用いることで、接触抵抗を低減してＬＥＤの駆動電圧を低減することができる。

本発明で用いる透明導電膜中の錫の含有割合は、好ましくは１００〜５００ｐｐｍ、より好ましくは２００〜４００ｐｐｍである。
また、酸化亜鉛の酸化インジウム及び酸化亜鉛に対する質量％（ＺｎＯ／（Ｉｎ_２Ｏ_３＋ＺｎＯ）×１００）は、好ましく５〜２０％、より好ましくは５〜１５％である。

本発明の透明導電膜は、酸化亜鉛、酸化インジウム、錫の他にインジウムと六配位構造を取る正四価の金属を含むことができる。
しかしながら、本発明の透明導電膜は、実質的に上記酸化インジウム、酸化亜鉛及び錫のみからなってもよい。「実質的」とは、透明導電膜の９５重量％以上１００重量％以下（好ましくは９８重量％以上１００重量％以下）が上記の成分であること、又は本発明の効果を損なわない範囲で他に不可避不純物のみを含んでいてもよいことを意味する。

透明導電膜は、ＧａＮとの接触抵抗を低減させ、かつ透過率を向上させるために、結晶化していることが好ましい。
透明導電膜の膜厚は、好ましくは２０〜６００ｎｍ、より好ましくは３０〜４００ｎｍである。

半導体発光素子１の他の部材は公知のものを使用できる。以下に各部材を説明する。
ｎ型半導体層２０は、好ましくはｎコンタクト層とｎクラッド層から構成される。ｎコンタクト層は、負極パッド７０を設けるための層である。ｎコンタクト層には、例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いることができる。
ｎコンタクト層はｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等が挙げられる。

ｎクラッド層は、発光層３０へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層である。ｎクラッド層は、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ等で形成することが可能である。尚、ｎコンタクト層はｎクラッド層を兼ねることも可能である。

発光層３０は好ましくは多重量子井戸構造とする。多重量子井戸構造は、例えばＧａ_１−ｙＩｎ_ｙＮ（０＜ｙ＜０．４）を井戸層、井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ＜０．３）を障壁層とし、交互に複数層積層する。
井戸層及び障壁層には、不純物がドープされていてもよいし、されていなくてもよい。
尚、発光層は、多重量子井戸構造であってもよいが、単一量子井戸構造であってもよい。

ｐ型半導体層４０は、好ましくはｐクラッド層とｐコンタクト層とから構成される。尚、ｐコンタクト層がｐクラッド層を兼ねることも可能である。
ｐクラッド層は、発光層３０へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。ｐクラッド層としては、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．４）を用いることができる。

ｐコンタクト層は、正極である透明導電膜５０を設けるための層である。ｐコンタクト層としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）を用いることができる。
ｐクラッド層及びｐコンタクト層はｐ型不純物を含むと好ましい。ｐ型不純物としては例えば好ましくはＭｇが挙げられる。

正極パッド６０及び負極パッド７０は、例えば金属反射層とボンディング層が、正極パッド６０では透明導電膜５０側から、負極パッド７０ではｎ型半導体層２０側から順に積層された積層体からなる。
尚、正極パッド６０及び負極パッド７０は、ボンディング層のみからなる単層構造、金属反射層のみからなる単層構造、又は金属反射層とボンディング層との間にバリア層を挿入して、三層構造としてもよい。
尚、金属反射層、ボンディング層、バリヤ層を構成する金属元素は、同一の金属元素を含んでいてもよいし、それぞれ異なる金属元素の組み合わせであってもよい。

金属反射層は、反射率の高い金属からなり、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ等の白金族金属、Ａｌ、Ａｇ、Ｔｉ及びこれらの金属の少なくも一種を含む合金で構成されることが好ましい。金属反射層を上記の材料からなるものとすることにより、正極パッド６０において発光層３０からの光を効果的に反射させることができる。

ボンディング層は、Ａｕ、Ａｌ又はこれらの金属の少なくも一種を含む合金からなることが好ましい。

バリア層は、金属反射層とボンディング層の間に配置され、パッド電極全体の強度を強化するものである。バリア層は、比較的強固な金属材料からなるものとするか、又は充分に厚い膜厚を有するものとする。バリア層の材料としては、Ｔｉ、Ｃｒ又はＡｌ等を用いることできるが、強度に優れたＴｉを用いることが望ましい。

バッファ層は、基板１０と下地層との格子定数の違いを緩和する働きがある。尚、本発明においては、バッファ層を形成することが好ましいが、形成しなくてもよい。
バッファ層としては、多結晶のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものや、単結晶のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましい。

下地層としては、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が挙げられるが、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層を形成できるため好ましい。
バッファ層の上に単結晶の下地層を積層すると、より一層結晶性の良い下地層が積層できる。

上記の半導体発光素子の透明導電膜は、酸化インジウム、酸化亜鉛、錫を含有し、錫の含有割合が１０〜６００ｐｐｍであるスパッタリングターゲット又は蒸着用ペレットを用いて製造できる。

スパッタリングターゲット又は蒸着用ペレットは、公知の方法により製造することができる。スパッタリングターゲットは、例えば、原料の酸化インジウムと酸化亜鉛及び錫を混合する工程、原料混合物を成型する工程、成型物を焼結する工程、及び焼結体を所望の形状に加工する工程により製造することができる。蒸着用ペレットは、スパッタリングターゲットと同じ工程で製造することができる。また、蒸着用ペレットは、焼結体を数ミリの大きさに加工したチャンクを用いることもできる。

スパッタリングターゲットを用いて成膜（スパッタリング）するときは、マグネトロンスパッタリング装置が好適に用いられる。スパッタリングの条件は、ターゲットの表面積や透明導電膜の膜厚等により適宜選択できる。例えば、通常、プラズマの出力をターゲットの表面積１ｃｍ^２あたり０．１〜４Ｗの範囲とし、成膜時間を５〜１２０分間とすることにより、所望の膜厚を有する透明導電膜が得られる。

また、透明導電膜の成膜は複数回のスパッタリングによって行ってもよい。例えば、１回目のスパッタリングを、圧力０．１〜５．０Ｐａ、酸素分圧０〜１体積％、出力０．１〜２Ｗ／ｃｍ^２でＲＦ電源により行って１〜５０ｎｍの透明導電膜を成膜し、２回目のスパッタリングを圧力０．１〜５．０Ｐａ、酸素分圧０〜５体積％、出力０．５〜４Ｗ／ｃｍ^２でＤＣ電源により行って１０〜１０００ｎｍの透明導電膜を成膜する。

蒸着用ペレットを用いて成膜（蒸着）するときは、例えば、エレクトロンビーム蒸着装置を用いて、透明導電膜を得る。
透明導電層が非晶質の場合、熱処理により結晶化させることが好ましい。

上記スパッタリングターゲット又は蒸着用ペレット中の錫の含有割合は、好ましくは１００〜５００ｐｐｍ、より好ましくは２００〜４００ｐｐｍである。
また、酸化亜鉛の酸化インジウム及び酸化亜鉛に対する質量％（ＺｎＯ／（Ｉｎ_２Ｏ_３＋ＺｎＯ）×１００）は、好ましく５〜２０％、より好ましくは５〜１５％である。

上記スパッタリングターゲット又は蒸着用ペレットは、酸化亜鉛、酸化インジウム、錫の他にインジウムと六配位構造を取る正四価の金属を含むことができる。
しかしながら、スパッタリングターゲット又は蒸着用ペレットは、実質的に上記酸化インジウム、酸化亜鉛及び錫のみからなってもよい。「実質的」とは、９５重量％以上１００重量％以下（好ましくは９８重量％以上１００重量％以下）が上記の成分であること、又は本発明の効果を損なわない範囲で他に不可避不純物のみを含んでいてもよいことを意味する。

透明導電膜の他、本発明の半導体発光素子の各部材は、公知の方法により製造できる。例えば、サファイア基板上に、上記ｎ型半導体層から透明導電層までの各層を、有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）又はスパッタリング法により成膜し、所定領域以外の透明導電膜をフォトリソグラフィーによりエッチング除去する。

次に透明導電膜の上に、正極パッドの各層をＭＯＣＶＤ法又はスパッタリング法により成膜する。さらにフォトリソグラフィーによるエッチングにより、ｎ型半導体層（ｎ型コンタクト層）を露出させ、負極パッドの各層をＭＯＣＶＤ法又はスパッタリング法により成膜する。

実施例１
サファイアからなる基板上に、ＡｌＮからなるバッファ層を介して、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層、厚さ２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層、厚さ２５０ｎｍのｎ型Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層を形成した。その後、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層、及び厚さ２．５ｎｍのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ井戸層を５回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層を形成した。さらに、厚さ１０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラッド層、厚さ１５０ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層を順に積層した。
バッファ層はスパッタリング法により形成し、それ以外の窒化ガリウム系化合物半導体層の積層はＭＯＣＶＤ法により成膜した。

さらに、ｐ型ＧａＮコンタクト層上に、スパッタリング法により透明電極となるインジウム亜鉛酸化物膜を３００ｎｍ成膜した。インジウム亜鉛酸化物膜は、先ずＲＦ電源で２ｎｍを成膜し、次にＤＣ電源を用い２９８ｎｍのインジウム亜鉛酸化物を成膜した。ＲＦ成膜時の圧力は約１Ｐａ、出力は１．５Ｗ／ｃｍ^２とした。ＤＣ成膜時の圧力は、酸素を２体積％含むＡｒガスを導入し、約０．３Ｐａとした。
スパッタ成膜においては、ＺｎＯ濃度が１０．７質量％、Ｉｎ_２Ｏ_３濃度が８９．３質量％のインジウム亜鉛酸化物に５００ｐｐｍのＳｎを添加したターゲットを使用した。

次いで、フォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外のインジウム亜鉛酸化物膜をエッチング除去した。その後、透光性電極膜を真空雰囲気中で７００℃で加熱処理（熱処理工程）して結晶化インジウム亜鉛酸化物膜を作製した。

その後、透明電極層の上に、２００ｎｍのＡｌからなる金属反射層、８０ｎｍのＴｉからなるバリア層、２００ｎｍのＡｕからなるボンディング層からなる３層構造のボンディングパッド構造を、スパッタリングの手法を用いて成膜した。その後、フォトリソグラフィーの手法を用いて所望の形状の正極パッドを形成した。

次に、フォトリソグラフィーの手法を用いてエッチングを施し、所望の領域にｎ型コンタクト層を露出させ、このｎ型ＧａＮコンタクト層上にＴｉ／Ａｕの二層構造のｎ型電極を形成し、光取り出し面を半導体側とした。
このようにして得られた実施例１の半導体発光素子について、駆動電圧を測定したところ、３．０４Ｖであった。

実施例２
ターゲットのＳｎ濃度を１００ｐｐｍとした以外は、実施例１と同様に半導体発光素子を作製し、駆動電圧を測定した。駆動電圧の測定結果を表１に示す。

実施例３
ターゲットのＳｎ濃度を３００ｐｐｍとした以外は、実施例１と同様に半導体発光素子を作製し、駆動電圧を測定した。駆動電圧の測定結果を表１に示す。

比較例１
ターゲットのＳｎ濃度を６００ｐｐｍとした以外は、実施例１と同様に半導体発光素子を作製し、駆動電圧を測定した。駆動電圧の測定結果を表１に示す。

比較例２
ターゲットのＳｎ濃度を０ｐｐｍとした以外は、実施例１と同様に半導体発光素子を作製し、駆動電圧を測定した。駆動電圧の測定結果を表１に示す。

比較例３
ターゲットのＳｎ濃度を８００ｐｐｍとした以外は、実施例１と同様にＬＥＤ素子を作製し、駆動電圧を測定した。駆動電圧の測定結果を表１に示す。

比較例４
ターゲットのＳｎ濃度を１０００ｐｐｍとした以外は、実施例１と同様に半導体発光素子を作製し、駆動電圧を測定した。駆動電圧の測定結果を表１に示す。

本発明の半導体発光素子は照明装置等に使用できる。

１半導体発光素子
１０基板
２０ｎ型半導体層
３０発光層
４０ｐ型半導体層
５０透明導電膜
６０正極パッド
７０負極パッド

Claims

透明導電膜を有する半導体発光素子であって、
前記透明導電膜は、酸化インジウム、酸化亜鉛、錫を含有し、
前記透明導電膜中の錫の含有割合が１００〜５００ｐｐｍである半導体発光素子。
前記錫の含有割合が２００〜４００ｐｐｍである請求項１に記載の半導体発光素子。
前記酸化亜鉛の酸化インジウム及び酸化亜鉛に対する質量％が以下の式を満たす請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
ＺｎＯ／（Ｉｎ_２Ｏ_３＋ＺｎＯ）×１００＝５〜２０％
スパッタリングターゲット又は蒸着用ペレットを用いて成膜した透明導電膜を有する半導体発光素子であって、
前記スパッタリングターゲット又は蒸着用ペレットは、酸化インジウム、酸化亜鉛、錫を含有し、前記ターゲット又はペレット中の錫の含有割合が１００〜５００ｐｐｍである半導体発光素子。
前記ターゲット又はペレット中の錫の含有割合が２００〜４００ｐｐｍである請求項４に記載の半導体発光素子。
前記酸化亜鉛の酸化インジウム及び酸化亜鉛に対する質量％が以下の式を満たす請求項４又は５に記載の半導体発光素子。
ＺｎＯ／（Ｉｎ_２Ｏ_３＋ＺｎＯ）×１００＝５〜２０％