JP5949368B2 - 半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents
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Description
1.半導体発光素子
図1は、本実施形態の発光素子100を示す平面図である。図2は、図1のAA断面を概略的に示す断面図である。発光素子100は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。そして、絶縁層160上に沿って配線電極170が形成されている。発光素子100は、基板110と、n型層120と、発光層130と、p型層140と、透明導電性金属酸化物膜150と、絶縁層160と、配線電極170と、絶縁膜180と、配線電極190と、を有している。
発光素子100の透明導電性金属酸化物膜150は、図2に示すように、低酸素濃度領域L1および高酸素濃度領域H1を有する。つまり、単一の膜の内部で、酸素濃度の高い領域と、酸素濃度の低い領域とがある。
ITO
接触抵抗 シート抵抗 キャリア濃度 移動度
(Ω・cm2 ) (Ω/□) (1/cm3 ) (cm2 /V・s)
L1 3.2×10-3 14.1 6.3×1020 43.0
H1 1.0×10-3 32.2 3.0×1020 45.0
IZO
接触抵抗 シート抵抗 キャリア濃度 移動度
(Ω・cm2 ) (Ω/□) (1/cm3 ) (cm2 /V・s)
L1 − 43.6 3.4×1020 59.8
H1 − 45.1 3.1×1020 62.6
本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、次の(工程A)から(工程I)までの工程を有する方法である。
(工程A)半導体層形成工程
(工程B)透明導電性金属酸化物膜形成工程
(工程C)第1の熱処理工程(低酸素濃度領域形成工程)
(工程D)n型層露出工程
(工程E)絶縁層形成工程
(工程F)第2の熱処理工程(高酸素濃度領域形成工程)
(工程G)穿孔工程
(工程H)電極形成工程
(工程I)絶縁膜形成工程
そして、これらの各工程をこの順序で実施する。
基板110に、有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いて半導体層を形成する。まず、基板110の主面上に、バッファ層を形成する。次に、バッファ層の上にn型層120を形成する。そして、n型層120の上に発光層130を形成する。次に、発光層130の上にp型層140を形成する。基板110に各半導体層を形成したものを図4に示す。
次に、図5に示すように、p型層140の上に透明導電性金属酸化物膜150をスパッタリングにより形成する。ここで、nパッド電極N1を形成する予定の個所を除いて、p型層140の上に透明導電性金属酸化物膜150を形成する。前述のとおり、透明導電性金属酸化物膜150の材質として、In2 O3 に他の金属を添加したものを用いる。ITOまたはIZOなどが挙げられる。パターンを形成するために、リフトオフ、ウェットエッチング、ドライエッチングのいずれかの方法を用いればよい。この段階では、まだ透明導電性金属酸化物膜150は十分な透明性を得ていない。
続いて、第1の熱処理工程を行う。この熱処理を、酸素を含まない雰囲気下で行う。例えば、窒素雰囲気下で行う。圧力条件として、10Pa以下の場合や、大気圧下の場合が挙げられる。熱処理温度は、例えば、700℃である。熱処理時間は、例えば、300秒以下である。ただし、これらの熱処理条件の例に限らない。これらの条件は、透明導電性金属酸化物膜150の材質等により異なる条件を設定すればよい。この熱処理により、透明導電性金属酸化物膜150は、透明性を得る。
次に、図6に示すように、半導体層の一部を抉り、n型層120の一部を露出させる。その露出箇所121は、露出部N1の箇所である。そのために、フォトリソグラフィの後、ドライエッチングを行えばよい。
次に、図7に示すように、透明導電性金属酸化物膜150の一部の上に絶縁層160を形成する。絶縁層160を形成する領域は、電極形成領域である。つまり、この後に形成する配線電極170の位置である。絶縁層160を形成するために、CVD法を用いればよい。ここで、絶縁層160は、後述する第2の熱処理工程で、透明導電性金属酸化物膜150の覆われている箇所の酸化を防止するためのマスク層である。つまり、この工程は、マスク層形成工程でもある。
次に、マスク層を形成した透明導電性金属酸化物膜150に、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う。例えば、25PaのO2 雰囲気で行う。熱処理温度は、550℃である。この熱処理により、透明導電性金属酸化物膜150のうち露出している箇所が酸化する。透明導電性金属酸化物膜150の材質は、ITOやIZOなどの酸化物である。ここでいう酸化とは、酸素欠損の箇所に酸素が結合することを意味している。つまり、前述したように、キャリア濃度が減少することを意味している。
次に、図8に示すように、絶縁層160に穿孔する。この穿孔は、エッチング等により形成すればよい。これにより、孔161が形成される。孔161は、コンタクト部171を形成するためのものである。
次に、図9に示すように、電極を形成する。ここでは、配線電極170、190を形成することとすればよい。その際、これらを同一工程で同時に形成することとしてもよい。
そして、電極を形成した後に、絶縁膜180を形成する。その際、配線電極170や半導体層等の側面をも覆うように、絶縁膜180を形成する。このとき、露出部P1、N1を除いて絶縁膜180を形成することとしてもよいし、絶縁膜で覆った後に、絶縁膜のうち露出箇所を除去することにより、露出部P1、N1を形成することとしてもよい。以上により、図2に示す発光素子100が製造された。なお、上記の工程の順序については適宜入れ換えてもよい。また、ここで記載した工程以外の工程を付け加えてももちろん構わない。
4−1.透明導電性金属酸化物膜の材質
本実施形態では、透明導電性金属酸化物膜150の材質をITOもしくはIZOであるとした。しかし、In2 O3 に他の金属を添加した化合物を用いてもよい。その場合であっても、酸素を含む雰囲気中で熱処理を施すことにより、透明導電性金属酸化物膜150の領域内に、高酸素濃度領域H1および低酸素濃度領域L1を形成することができるからである。
また、絶縁膜180を粗面化することとしてもよい。光取り出し効率が向上するからである。
反射率を向上させるため、絶縁層160を誘電体多層膜としてもよい。また、絶縁層160の上下ににAlやAg等の金属層を形成することとしてもよい。反射率を高めるためである。
本実施形態では、コンタクト部171と配線部172とが、一体のものであるとした。しかし、これらは別体であってもよい。その場合、図10に示すように、発光素子200には、別体のコンタクト部271と、配線部272とがある。
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子100は、半導体層にオーミックコンタクトする透明導電性金属酸化物膜150を有するものである。透明導電性金属酸化物膜150は、低酸素濃度領域L1と、低酸素濃度領域L1よりも酸素濃度の高い高酸素濃度領域H1と、を有している。電極から注入される電流は、低酸素濃度領域L1で、横方向(発光面内方向)に拡散し、高酸素濃度領域H1で、縦方向(発光面に垂直な方向)に流れやすい。そのため、透明導電性金属酸化物膜150で発光面内に十分に拡散した電流が、半導体層を流れることとなる。そのため、発光素子100の発光効率はよい。
第2の実施形態について説明する。本実施形態では、半導体発光素子における絶縁層の幅と配線電極170の幅との関係が、第1の実施形態と異なっている。したがって、第1の実施形態と異なる点についてのみ説明する。
本実施形態に係る発光素子300の電極付近を図11に示す。図11に示すように、発光素子300において、絶縁層360の幅W1は、配線電極170の幅W2よりも広い。
第3の実施形態について説明する。本実施形態では、半導体発光素子の製造方法が第1の実施形態と異なっている。したがって、異なる点を中心に説明する。重複する点については記載を省略する。
本実施形態では、絶縁層のみならず、配線電極も、酸化処理のマスクとして用いる点に特徴がある。
(工程A)半導体層形成工程
(工程B)透明導電性金属酸化物膜形成工程
(工程C)第1の熱処理工程(低酸素濃度領域形成工程)
(工程D)n型層露出工程
(工程E)絶縁層形成工程
(工程G)穿孔工程
(工程H)電極形成工程
(工程F)第2の熱処理工程(高酸素濃度領域形成工程)
(工程I)絶縁膜形成工程
そして、これらの工程をこの順序で実施する。つまり、第1の実施形態と、その工程を実施する順序が異なる。本実施形態の製造方法は、(工程E)絶縁層形成工程までの工程については、第1の実施形態の製造方法と同様である。したがって、それ以降の工程について説明する。
透明導電性金属酸化物膜150の上に絶縁層160を形成した後に、絶縁層160に孔161を空ける。この孔161は、配線電極170のコンタクト部171を、透明導電性金属酸化物膜150の上に形成するためのものである。また、配線電極190の形成箇所にも、同様に孔を空けるとよい。
次に、配線電極170、190を形成する。これらの形成を同一工程で同時に行うことができる。この段階で、透明導電性金属酸化物膜150において低酸素濃度領域となる領域には、絶縁層160および配線電極170が形成されている。絶縁層160および配線電極170は、透明導電性金属酸化物膜150の酸化処理のマスクの役割を果たすものである。
次に、酸素を含む雰囲気下で熱処理を行う。この熱処理工程については、第1の実施形態のときと同様にして行うことができる。この後、(工程I)絶縁膜形成工程で絶縁膜を形成することにより、発光素子100を製造することができる。
第4の実施形態について説明する。本実施形態では、半導体発光素子の製造方法が第1の実施形態と異なっている。その結果、半導体発光素子における低酸素濃度領域および高酸素濃度領域の範囲も、第1の実施形態と異なっている。
本実施形態に係る発光素子400の電極付近を図12に示す。図12では、低酸素濃度領域L3の幅W3は、絶縁層460の幅W1よりも狭い。逆に、低酸素濃度領域L3の幅を、絶縁層460の幅W1よりも広いこととしてもよい。これは、後述するように、絶縁層460をマスク層としないで、別のマスクを形成して熱処理工程を行うからである。
本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、次の(工程A)から(工程I)までの工程を有する方法である。
(工程A)半導体層形成工程
(工程B)透明導電性金属酸化物膜形成工程
(工程C)第1の熱処理工程(低酸素濃度領域形成工程)
(工程D)n型層露出工程
(工程J)マスク層形成工程
(工程F)第2の熱処理工程(高酸素濃度領域形成工程)
(工程K)マスク層除去工程
(工程E)絶縁層形成工程
(工程G)穿孔工程
(工程H)電極形成工程
(工程I)絶縁膜形成工程
そして、これらの工程をこの順序で実施する。第1の実施形態の工程に、(工程J)および(工程K)が加わっている。本実施形態の製造方法は、(工程D)n型層露出工程までは、第1の実施形態の製造方法と同様である。
次に、図13に示すように、透明導電性金属酸化物膜150の上にマスク層480を形成する。このマスク層480の材質は、例えば、SiO2 を用いることができる。透明導電性金属酸化物膜150の酸化を防止するためのマスクであるため、透明導電性金属酸化物膜150を十分に覆うことができ、酸素を透明導電性金属酸化物膜150に透過させることなく、後で除去することのできる材質のものであれば、種々の材質を用いることができる。
次に、酸素を含む雰囲気下で熱処理を行う。この熱処理工程の条件は、第1の実施形態と同じでよい。これにより、マスク層480に覆われていない領域は、酸素濃度が高くなり、高酸素濃度領域H3となる。マスク層480に覆われている領域は、酸素濃度が低いままであり、低酸素濃度領域L3となる。
次に、マスク層480を除去する。そのために、フォトリソグラフィやエッチング等を用いることができる。
この低酸素濃度領域L3の領域幅W3は、絶縁層460の覆う幅W1と必ずしも一致しない。低酸素濃度領域L3の領域幅W3は、マスク層480の形成領域の幅と同じである。
110…基板
120…n型層
130…発光層
140…p型層
150…透明導電性金属酸化物膜
160…絶縁層
170、190…配線電極
171、191…コンタクト部
180…絶縁膜
L1、L2、L3…低酸素濃度領域
H1、L2、L3…高酸素濃度領域
P1…露出部
N1…露出部
W0…領域幅
Claims (9)
- 基板の主面上にIII 族窒化物系化合物半導体から成る半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記半導体層の上に透明導電性金属酸化物膜を形成する透明導電性金属酸化物膜形成工程と、
前記透明導電性金属酸化物膜の上に電極を形成する電極形成工程と、
を有する半導体発光素子の製造方法において、
前記透明導電性金属酸化物膜の一部を覆うマスク層を形成するマスク層形成工程と、
前記マスク層を形成した前記透明導電性金属酸化物膜に、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う熱処理工程と、
を有し、
前記熱処理工程では、
前記マスク層に覆われていない前記透明導電性金属酸化物膜の残部の酸素濃度を、前記マスク層に覆われている前記透明導電性金属酸化物膜の一部の酸素濃度よりも高くすること
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記マスク層は、絶縁層であり、
前記絶縁層の少なくとも一部を前記透明導電性金属酸化物膜の上に残留させること
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記マスク層は、絶縁層および電極であり、
前記絶縁層および前記電極の少なくとも一部を前記透明導電性金属酸化物膜の上に残留させること
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記熱処理工程の後に、前記マスク層を前記透明導電性金属酸化物膜から除去するマスク層除去工程を有し、
前記マスク層除去工程の後に、前記電極形成工程を行うこと
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記マスク層形成工程の前に、
酸素を含まない雰囲気中で熱処理を行う熱処理工程を有し、
酸素を含まない雰囲気中での熱処理工程における熱処理温度は、酸素を含む雰囲気中での熱処理工程における熱処理温度よりも高いこと
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 基板と、
前記基板の主面上に形成されたIII 族窒化物系化合物半導体から成る半導体層と、
前記半導体層の上に形成された単一の透明導電性金属酸化物膜と、
前記透明導電性金属酸化物膜と導通する配線電極と、
を有する半導体発光素子において、
前記透明導電性金属酸化物膜は、
酸素濃度の低い低酸素濃度領域と、前記低酸素濃度領域より酸素濃度の高い高酸素濃度領域とを有し、
前記配線電極は、
前記低酸素濃度領域の領域幅内に形成されていること
を特徴とする半導体発光素子。 - 基板と、
前記基板の主面上に形成されたIII 族窒化物系化合物半導体から成る半導体層と、
前記半導体層の上に形成された単一の透明導電性金属酸化物膜と、
前記透明導電性金属酸化物膜と導通する配線電極と、
を有する半導体発光素子において、
前記透明導電性金属酸化物膜は、
酸素濃度の低い低酸素濃度領域と、前記低酸素濃度領域より酸素濃度の高い高酸素濃度領域とを有し、
前記透明導電性金属酸化物膜の上に形成されるとともに前記低酸素濃度領域を覆う絶縁層を有し、
前記配線電極は、
前記低酸素濃度領域の領域幅内に形成されているとともに、
前記透明導電性金属酸化物膜とコンタクトする複数のコンタクト部と、
前記コンタクト部同士を電気的に接続するとともに前記絶縁層の上に形成された配線部とを有し、
前記配線部は、
前記絶縁層に沿って形成されており、
前記コンタクト部は、
前記低酸素濃度領域にコンタクトしていること
を特徴とする半導体発光素子。 - 請求項6または請求項7に記載の半導体発光素子において、
前記透明導電性金属酸化物膜の材質は、
In2 O3 に他の金属を添加したものであること
を特徴とする半導体発光素子。 - 請求項8に記載の半導体発光素子において、
前記透明導電性金属酸化物膜の材質は、
ITOまたはIZOであること
を特徴とする半導体発光素子。
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