JP6096285B2 - 透明電極形成方法及びそれを用いて製造された光半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関し、詳しくは、透明電極形成方法及びそれを用いて製造された半導体装置に関するものである。
透明電極は、ＬＥＤ、太陽電池、医療用紫外線消毒器、水産業などの様々な分野で利用されており、その応用分野とその需要が増大されつつある。特に、透明電極は、ＬＥＤ分野でよく利用されており、ＬＥＤに適用される現在の透明電極技術は、可視光領域（４００ｎｍ〜８００ｎｍ）と全体紫外線領域（１０ｎｍ〜４００ｎｍ）の一部領域（３６５ｎｍ〜４００ｎｍ）まで適用しうるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）基盤の技術が主流をなしている。
近頃、紫外線領域の光を発生するＵＶ ＬＥＤに対する需要が急速に増加しているが、紫外線領域で高導電性と高透過度を示す透明電極が、現在まで開発されておらず、紫外線ＬＥＤの商用化は困難なのが実状である。
例えば、現在、最も多く利用されているＩＴＯ透明電極が形成されたＵＶ ＬＥＤの場合に、活性層より生成された短波長の紫外線領域（１０ｎｍ〜３２０ｎｍ）の光は、ほとんどＩＴＯで吸収され、ＩＴＯを透過し、外部に抽出される光が１％程度に過ぎない。
図１には、従来技術に係るＰ−ＧａＮ半導体層上にＩＴＯ透明電極を形成した場合の透過度を示した。図１に示されるように、波長が３５０ｎｍ以上の領域では８０％以上の透過度を示すが、短波長の紫外線領域では透過度が急激に低減することが分かり、特に、２８０ｎｍ以下の短波長領域では透過度が２０％以下に低減していることが分かる。
このような問題点を解決するための他の従来技術は、ｐ−ＡｌＧａＮのような半導体層上に透明電極を形成せずに、金属電極パッドを直接形成したが、金属と半導体層との間の仕事関数の差があまり大きく、オーミック接触しないだけでなく、電流が金属電極パッドに集中し、活性層全体に供給されず、活性層より発生される光の量が顕著に減少する問題があった。
このような問題を解決するために、様々な研究が行われてきているが、まだ紫外線領域で高導電性と高透過度を同時に示す透明電極は開発されていないのが実状である。これは、物質の導電性と透過度は、相互トレードオフ関係を有しているからである。紫外線領域で利用し得るほどの高い透過度を有する物質は、広バンドギャップ（large band-gap）を有するので、電極への利用には導電性が非常に低く、半導体物質とオーミック接触せず、電極として利用することが不可能である。
このような問題点を解決するために提案された技術の一例として、透明電極を銀（Ａｇ）の薄膜で形成する技術が特許文献１に開示された。しかし、このような従来技術で、Ａｇを用いて透明電極を形成する場合、オーミック接触するよう半導体層上に、Ａｇを薄く蒸着することが非常に難しいだけでなく、Ａｇを半導体層上に薄く蒸着したとしても、特許文献１の図４のグラフに示されるように、光の波長が４２０ｎｍ以下の領域では透過度が８０％以下に急激に下落し、光の波長が３８０ｎｍ以下の領域では透過度が５０％以下に低減され、従来のＩＴＯ電極と透過度における差がなく、実質的に紫外線領域の透過度改善を期待することが困難であった。
本発明が解決しようとする課題は、可視光領域だけでなく、短波長の紫外線領域においても高透過度と高導電性を示し、半導体層と良好なオーミック接触特性を示す透明電極形成方法及びそれを用いて製造された半導体装置を提供することにある。
前述した課題を解決するための、本発明の好ましい実施例に係る半導体装置は、半導体層と、前記半導体層に一面が接触し、印加される電界によって抵抗状態が高抵抗状態から低抵抗状態に変わる透明電極と、を含む。このように高い透過度を有しながらも、電界によって抵抗状態が高抵抗状態から低抵抗状態に変わった透明な材質の物質で透明電極を形成することによって、紫外線領域の光に対しても、高い透過度とオーミック接触特性を同時に示す透明電極が形成された半導体装置を提供することができる。
また、本発明の一実施例によれば、前記半導体装置は、更に、前記透明電極が前記半導体層と接触する一面の反対面に金属で形成された金属電極パッドを含む。
また、本発明の一実施例によれば、前記透明電極は、フォーミング工程が実施され、内部に導電性のフィラメントが形成される。フォーミング工程を介して導電性のフィラメントが透明電極内部に形成されれば、導電性のフィラメントを介して電流が流れるようになり、抵抗が小さくなり、良好なオーミック特性が示される。
また、本発明の一実施例によれば、前記透明電極は、フォーミング工程が実施され、内部に導電性のフィラメントが形成される。フォーミング工程を介して導電性のフィラメントが透明電極内部に形成されれば、導電性のフィラメントを介して電流が流れるようになり、抵抗が小さくなり、良好なオーミック特性が示される。
また、本発明の一実施例によれば、前記透明電極は、固有の臨界電圧以上の電圧が印加され、フォーミングが実施されれば、導電性を示す広バンドギャップを有する透明材質の絶縁物質で形成される。本発明の透明電極は、フォーミング工程の実施前には、バンドギャップが広く透過度は高いが、抵抗が大きな絶縁物質であり、フォーミング工程を実施すれば透過度は高く保持されながら導電性を有するように透明電極の抵抗状態を変えることができる。
また、本発明の一実施例によれば、前記透明電極は、前記半導体層とオーミック接触される。本発明の透明電極は、フォーミング工程が実施された後に、高抵抗状態から低抵抗状態に変わり、半導体層とオーミック接触特性が示される。
また、本発明の一実施例によれば、前記半導体層は、ｎ型又はｐ型にドープされる。このように半導体層をドープすることによって、半導体層の電流流れが容易になり、透明電極に対して良好なオーミック特性が示される。
また、本発明の一実施例によれば、前記透明電極は、透明な酸化物系の物質、透明な窒化物系の物質、透明なポリマー系の物質、及び透明なナノ物質のいずれか一つで形成されていてもよい。
また、本発明の一実施例によれば、前記半導体装置は、更に、前記透明電極の前記半導体層と接触する面の反対面に形成されたＣＮＴ層又はグラフェン層を含むか、更に、前記透明電極と前記半導体層との間に形成されたＣＮＴ層又はグラフェン層を含んでいてもよい。このように導電性のフィラメントが形成された透明電極の一面に、ＣＮＴ層又はグラフェン層を形成し、透明電極層の導電性のフィラメントを相互連結させることによって、一部導電性のフィラメントが相互連結されないことによって発生される電流集中問題を解決することができる。
一方、前述した課題を解決するための本発明の好ましい実施例に係る透明電極形成方法は、（ａ）印加される電界によって抵抗状態が高抵抗状態から低抵抗状態に変わる透明材質の物質で透明電極を形成する工程と、（ｂ）前記透明電極に電圧を印加し、前記透明電極の抵抗状態を低抵抗状態に変えるフォーミング工程と、を含む。
このように高い透過度を有しながらも電界によって抵抗状態が変わる透明な材質の物質で透明電極を形成することによって、紫外線領域の光に対しても高い透過度とオーミック接触特性を同時に示す透明電極を形成することができる。
また、本発明の一実施例によれば、前述した透明電極形成方法は、更に、半導体層上に透明電極を形成するか、フォーミングが実施された透明電極上に半導体層を形成する工程を含むことによって、一般的なＬＥＤのように半導体層上に透明電極が形成される半導体装置だけでなく、ＯＬＥＤ及び太陽電池のように、透明電極上に半導体層が形成される半導体装置にも適用できる。
また、本発明の一実施例によれば、前述した透明電極形成方法は、更に、前記透明電極が、半導体層上に形成されたＣＮＴ層又はグラフェン層上に形成されるか、前記フォーミングが実施された透明電極上にＣＮＴ層又はグラフェン層を形成する工程を含んでもよい。
また、本発明の一実施例によれば、前述した透明電極形成方法は、更に、前記透明電極が、ＣＮＴ層又はグラフェン層上に形成されるか、フォーミングが実施された前記透明電極上にＣＮＴ層又はグラフェン層を形成し、前記ＣＮＴ層又はグラフェン層上に半導体層を形成する工程を含んでもよい。
このように導電性のフィラメントが形成された透明電極の一面に、ＣＮＴ層又はグラフェン層を形成し、透明電極層の導電性のフィラメントを相互連結することによって、一部導電性のフィラメントが相互連結されないことによって発生される電流集中問題を解決することができる。
また、本発明の一実施例によれば、前述した透明電極形成方法は、更に、（ｃ）前記透明電極上に金属電極パッドを形成する工程を含んでもよい。
また、本発明の一実施例によれば、前記工程（ｂ）において、前記透明電極は、フォーミングが実施される絶縁物質の内部に導電性のフィラメントが形成される。フォーミング工程を通して導電性のフィラメントが透明電極内部に形成されれば導電性のフィラメントを介して電流が流れるようになり、抵抗が小さくなり、良好なオーミック特性が示されるようになる。
また、本発明の一実施例によれば、前記工程（ｂ）において、前記透明電極は、フォーミングが実施される絶縁物質の内部に導電性のフィラメントが形成される。フォーミング工程を通して導電性のフィラメントが透明電極内部に形成されれば導電性のフィラメントを介して電流が流れるようになり、抵抗が小さくなり、良好なオーミック特性が示されるようになる。
また、本発明の一実施例によれば、前記透明電極は、固有の臨界電圧以上の電圧が印加され、フォーミングが実施されれば、導電性を示す広バンドギャップを有する透明材質の絶縁物質で形成される。本発明の透明電極は、フォーミング工程の実施前には、バンドギャップが大きく透過度は高いが、抵抗が大きな絶縁物質であり、フォーミング工程を実施すれば、透過度が高く保持されながら導電性を有するよう透明電極の抵抗状態を変えることができる。
また、本発明の一実施例によれば、前記透明電極は、前記半導体層とオーミック接触される。本発明の透明電極は、フォーミング工程が実施された後に、高抵抗状態から低抵抗状態に変わり、半導体層とオーミック接触特性が示される。
また、本発明の一実施例によれば、前記半導体層は、ｎ型又はｐ型にドープされる。このように半導体層をドープすることによって、半導体層の電流流れが容易になり、透明電極に対して良好なオーミック特性が示される。
また、本発明の一実施例によれば、前記工程（ｂ）は、前記透明電極上に金属電極を形成し、前記金属電極に前記透明電極の固有の臨界電圧以上の電圧を印加し、フォーミングを実施することができる。
また、本発明の一実施例によれば、前記工程（ｂ）は、（ｂ１）前記透明電極上にフォトレジストを形成する工程と、（ｂ２）前記フォトレジスト上に前記一対の電極に対応されるパターンを形成する工程と、（ｂ３）前記フォトレジストパターンを用い、前記一対の電極を形成する工程と、（ｂ４）前記フォトレジストパターンを除去し、前記一対の電極に前記透明電極の固有の臨界電圧以上の電圧を印加し、フォーミングを実施する工程と、を含む。
また、本発明の一実施例によれば、前記透明電極は、透明な酸化物系の物質、透明な窒化物系の物質、透明なポリマー系の物質、及び透明なナノ物質のいずれか一つで形成される。
本発明は、印加される電界によって、抵抗状態が高抵抗状態から低抵抗状態に変わる透明材質の物質で透明電極を形成し、透明電極に電圧を印加し、透明電極の抵抗状態を低抵抗状態に変えるフォーミング工程を実施し、透明電極が導電性を有するようにすることによって、透明電極の下部又は上部に形成される半導体層と良好なオーミック特性を示しながらも、可視光領域だけでなく、短波長の紫外線領域の光に対しても高い透過度を示す透明電極を形成することができる。
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。
但し、本発明は、半導体層と接触する全ての透明電極（ＯＬＥＤ用透明電極、太陽電池用透明電極、ＬＥＤ用透明電極等）に適用されるものであり、以下で説明される内容は、本発明の技術的思想を説明するための一実施例に過ぎないものと理解しなければならない。
但し、本発明は、半導体層と接触する全ての透明電極（ＯＬＥＤ用透明電極、太陽電池用透明電極、ＬＥＤ用透明電極等）に適用されるものであり、以下で説明される内容は、本発明の技術的思想を説明するための一実施例に過ぎないものと理解しなければならない。
図２は、本発明の好ましい実施例に係る透明電極を備える半導体装置の構造を示した図である。図２を参照すれば、本発明の好ましい実施例に係る透明電極を備える半導体装置は、半導体層１０と透明電極２０とが相互接触するよう半導体層１０上に透明電極２０が形成され、透明電極２０上に金属電極パッド３０が形成される。
ここで、半導体層１０は、無機半導体層と有機半導体層の両方を含むだけでなく、電荷が流動するあらゆる物質を含む概念である。無機半導体層は、Ｓｉ及びＧｅのような単一元素からなる単一元素半導体を含む。また、無機半導体層は、窒化物系の化合物半導体層（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ等）及び酸化物系の化合物半導体層（ＧａＯ、ＺｎＯ、ＣｏＯ、ＩｒＯ２、Ｒｈ２Ｏ３、ＡＬ２Ｏ３、ＳｎＯ等）のような化合物半導体層を含む概念である。
無機半導体層は、代表的にＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）の電子（正孔）注入層及び電子（正孔）輸送層を構成する物質を含む概念である。
一方、半導体層１０の導電性を向上させるために、半導体層１０の透明電極２０と接触する表面にはｐ型又はｎ型にドープされることが好ましい。
一方、半導体層１０の導電性を向上させるために、半導体層１０の透明電極２０と接触する表面にはｐ型又はｎ型にドープされることが好ましい。
一方、本発明の透明電極は印加された電界によって抵抗状態が変わる透明材質の物質（抵抗変化物質）で形成される。このような、抵抗変化物質は、主にＲｅＲＡＭ（Resistive RAM）分野で利用されるものであり、物質に固有の臨界値以上の電圧を物質に印加すれば、電鋳（eletcro-forming）が実施され、最初には絶縁体の物質の抵抗状態が高抵抗状態から低抵抗状態に変わり、導電性を示すようになる。
図３ａ〜図３cは、このような抵抗変化物質の特性を説明する図面である。図３ａを参照すれば、絶縁体である抵抗変化物質に臨界値以上の電圧を印加すれば、電気的ストレス（forming process）により薄膜内部に電極金属物質が挿入されるか、薄膜内欠陥構造により、図３ａに示されるように、抵抗変化物質内部に導電性のフィラメント２２（又は、金属フィラメント）が形成される。この後には、物質に印加された電圧が除去されても導電性のフィラメント２２は保持され、このような導電性のフィラメント２２を介して電流が流れ、物質の抵抗状態が低抵抗状態で保持される。
図３ｂを参照すれば、抵抗変化物質（ＡＬＮ）は、フォーミング工程前は、絶縁体特性を示すが、フォーミング工程後、金属のＩ−Ｖ特性を示していることを確認できる。また、透明電極内部に形成された導電性のフィラメントは、ジュール熱効果を利用して、図３ｂに示されたように、形成（ＳＥＴ）又は除去（ＲＥＳＥＴ）することができる。
図３ｃは、導電性のフィラメントが形成された後、どれほど安定的に保持され得るかを示すグラフであり、グラフの赤色の点線が示すように、導電性フィラメントが形成された後、１０年間安定的に低抵抗状態が保持され得ることが分かる。
本発明の好ましい実施例では、このような抵抗変化物質として、透明な導電性酸化物系の物質（ＳｉＯ２、Ｇａ２Ｏ３、ＡＬ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＩＴＯ等）、透明な導電性窒化物系の物質（Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ等）、透明な導電性ポリマー系の物質（ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）−ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）等）、及び透明な導電性ナノ物質（ＣＮＴ、ＣＮＴ−ｏｘｉｄｅ、Ｇｒａｐｈｅｎｅ、Ｇｒａｐｈｅｎｅ−ｏｘｉｄｅ等）などを用いたが、前述した物質以外にも透明で、前述した抵抗変化特性を示す物質であれば、いずれも使用できる。但し、前記物質が導電性を有するという意味は、フォーミング工程によって導電性を有するという意味であることを注意しなければならない。
図４は、本発明の好ましい実施例に係る透明電極を形成する方法を説明する図である。
図４を参照して、本発明の好ましい実施例に従って、透明電極を形成する方法を説明すれば、まず、前述したような半導体層１０上に、透明電極２０を形成する（図４（ｂ））。透明電極２０は半導体層１０上に前述した抵抗変化物質を蒸着して形成することができる。
図４を参照して、本発明の好ましい実施例に従って、透明電極を形成する方法を説明すれば、まず、前述したような半導体層１０上に、透明電極２０を形成する（図４（ｂ））。透明電極２０は半導体層１０上に前述した抵抗変化物質を蒸着して形成することができる。
その後、透明電極２０上に、フォトレジスト層（ＰＲ）４０を形成し（図４（ｃ））、マスク５０を用いてフォーミングを実施するための電極３２を形成する位置を露光し、現象し、フォトレジスト層４０上に、フォーミング用電極パターンを形成する（図４（ｄ））。
次に、パターンが形成されたフォトレジスト層４０上に、金属を蒸着してパターン内部を充填し（図４（ｅ））、Ｌｉｆｔ−Ｏｆｆ工程を実施、フォトレジスト層４０上の金属層及びフォトレジスト層を除去することによって、フォーミング工程を実施するための電極３２を完成する（図４（ｆ））。
その後、図４の（ｇ）に示されるように、透明電極上に形成された電極３２に、物質に固有の臨界電圧以上の電圧を印加すれば、絶縁物質である透明電極２０内部に導電性のフィラメント２２が形成され、透明電極２０の抵抗状態が高抵抗状態から低抵抗状態に変わる。
透明電極２０内部に導電性のフィラメント２２が形成されれば、透明電極２０上に金属電極パッド３０を形成する（図４の（ｈ））。このとき、金属電極パッド３０を形成する方法は、フォーミングを実施するための電極３２を除去し、別途の金属電極パッドを形成することもでき、図４の（ｈ）に示されるように、マスク５２を用い、フォーミング電極３２上に更に金属を蒸着し、金属電極パッド３０を形成することもできる。
今まで本発明の好ましい実施例に係る透明電極形成方法及びこれを用いて透明電極が形成された半導体装置を説明した。
本発明の透明電極は、半導体層と接触する全ての透明電極に適用されることは前述同様であり、本発明の透明電極が適用される半導体装置に応じて様々な変形が可能であることを当業者は理解できるだろう。
本発明の透明電極は、半導体層と接触する全ての透明電極に適用されることは前述同様であり、本発明の透明電極が適用される半導体装置に応じて様々な変形が可能であることを当業者は理解できるだろう。
例えば、前述した例では、半導体層上に透明電極が形成されることを説明したが、ＯＬＥＤの場合には、ガラス基板上に透明電極が形成され、フォーミング工程を実施し、透明電極に導電性のフィラメントが形成された後、透明電極上に半導体層が形成されてもよい。
図２及び図４を参照して前述した実施例で、透明電極２０内に形成された一部導電性のフィラメント２２は、他の導電性のフィラメント２２と連結されない可能性がある。この場合、透明電極２０に流入される電流が透明電極２０全体へと拡散されず、局部的に集中し、これにより、透明電極２０に接触する半導体層１０にも局部的に電流が集中する問題が生じるおそれがある。
図５ａ及び図５ｂは、電流集中問題を解決するための本発明の好ましい他の一実施例に係る半導体装置の構成を示した。
図５ａ及び図５ｂに示された例では、透明電極２０の電流拡散特性を向上させるために、透明電極２０に形成された導電性のフィラメント２２を相互連結するＣＮＴ（Carbon Nano Tube）層又はグラフェン（graphene）層６０を、透明電極２０の一面に形成した。図５ａでは、ＣＮＴ層又はグラフェン層６０を透明電極２０が半導体層１０と接触する面の反対面に形成した例を示し、図５ｂでは、ＣＮＴ層又はグラフェン層６０を、透明電極２０層と半導体層１０との間に形成した例を示した。
図５ａ及び図５ｂに示された例では、透明電極２０の電流拡散特性を向上させるために、透明電極２０に形成された導電性のフィラメント２２を相互連結するＣＮＴ（Carbon Nano Tube）層又はグラフェン（graphene）層６０を、透明電極２０の一面に形成した。図５ａでは、ＣＮＴ層又はグラフェン層６０を透明電極２０が半導体層１０と接触する面の反対面に形成した例を示し、図５ｂでは、ＣＮＴ層又はグラフェン層６０を、透明電極２０層と半導体層１０との間に形成した例を示した。
ＣＮＴ及びグラフェンは、導電性及び光の透過度に優れた特性があり、本発明はこのような特性を利用して、透明電極２０の一面にＣＮＴ層又はグラフェン層６０を形成し、透明電極２０の導電性のフィラメント２２を相互連結することによって、透明電極２０に流入された電流が半導体層１０の全領域へ拡散されるようにした。
このとき、ＣＮＴ層及びグラフェン層６０が厚く形成されるほど、ＣＮＴ層及びグラフェン層６０内部のＣＮＴ及びグラフェンが相互連結され、これにより、導電性のフィラメント２２が相互連結される確率が高まり、透明電極２０層の導電性は向上されるが、透過度が低くなる。従って、本発明のＣＮＴ層又はグラフェン層６０は、透明電極２０の導電性のフィラメント２２を相互連結するのに十分でありながらも、透過度が阻害されない限度内でできる限り薄く形成されるのが好ましい。
図５ａ及び図５ｂに示された本発明の好ましい他の一実施例では、約２ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さで形成した。２ｎｍは、ＣＮＴ及びグラフェンを単一層で形成することができる最小の厚さであり、１００ｎｍは光の透過度を８０％以上に保持できる最大の厚さである。
図５ａ及び図５ｂに示された例の場合に、透明電極２０が形成された直後又は透明電極２０が形成される直前に、ＣＮＴ層又はグラフェン層６０が形成されるという点を除けば、残りの構成は、図２及び図４を参照して説明したものと同じであるため、具体的な説明は省略する。
また、図５ａ及び図５ｂに示された例では、半導体層１０上に透明電極１０が形成されるものを示したが、透明電極が形成された後、透明電極上に半導体層が形成されてもよく、このときにも、ＣＮＴ層又はグラフェン層は透明電極と半導体層間に形成されるか、透明電極の半導体層と接触する面の反対面に形成されてもよい。
以下では、図６ａ〜図８ｅを参照して、本発明の好ましい実施例に係る透明電極の光の透過特性及びオーミック特性を説明する。
図６ａ〜図６ｅには、ｐ−ＧａＮ半導体層上に、ＡｌＮ物質を用いて透明電極を形成した例の透過度特性、フォーミング工程実施前のオーミック特性、フォーミング工程実施前の接触抵抗特性、フォーミング工程実施後のオーミック特性、フォーミング工程実施後の接触抵抗特性を、それぞれ示した。
図６ａ〜図６ｅには、ｐ−ＧａＮ半導体層上に、ＡｌＮ物質を用いて透明電極を形成した例の透過度特性、フォーミング工程実施前のオーミック特性、フォーミング工程実施前の接触抵抗特性、フォーミング工程実施後のオーミック特性、フォーミング工程実施後の接触抵抗特性を、それぞれ示した。
図６ａ〜図６ｅに示された例では、ＬＥＤで多く利用されるｐ−ＧａＮ半導体層上に、６．１ｅＶの広バンドギャップを有するＡｌＮ物質で透明電極薄膜（厚さ：８０ｎｍ）を形成した。
図６ａに示されたグラフを参照すれば、示された例では、１７０ｎｍ〜８００ｎｍまでの波長を有する光に対して透過度を測定しており、クオーツのみで透過度を測定した結果を基準線（黒線）で示し、ｐ−ＧａＮ半導体層上にＡｌＮ透明電極を形成した後、測定された結果を赤線で示し、ｐ−ＧａＮ半導体層上にＡｌＮ透明電極を形成した後、６５０℃で熱処理を行った後、測定された結果を緑線で示した。
グラフに示されるように、本発明の透明電極は、波長が２５６ｎｍ以上の紫外線領域の光に対して８０％以上の透過度を示していることが分かる。これは図１に示された２０％の透過度を示す従来のＩＴＯ基盤の透明電極に比べて、透過度が顕著に改善されていることが分かる。
図６ｂ〜図６ｅには、測定電極間の距離が２μｍ、４μｍ、６μｍ、８μｍ、及び１０μｍのとき、オーミック特性（図６ｂ及び図６ｄ）及びＴＬＭ（Transfer Length Method）パターンを利用して測定した接触抵抗特性（図６ｃ及び図６ｅ）を示す。
図６ｂを参照すれば、測定電極間の距離が２μｍの場合を基準にして、フォーミング工程実施前には、印加される電圧が０Ｖ〜１．０Ｖのとき、透明電極に流れる電流値が０〜６．０×１０−９Ａ程度であり、ほとんど電流が流れず、電圧対電流関係も比例しないので、良好でないオーミック特性を示していることが分かる。また、図６ｃを参照すれば、また、オーミック接触抵抗特性も全く線形性を示さないことが分かる。
反面、図６ｄを参照すれば、導電性のフィラメントが形成された後には、測定電極間の距離が２μｍの場合を基準にして、透明電極に印加される電圧が０Ｖ〜１．０Ｖのとき、透明電極に０〜５．０×１０−３Ａ程度の電流が流れるので、フォーミング工程実施前と比較して、１０６倍ほどの電流が更に流れ、電流対電圧関係も相互比例する良好なオーミック特性を示していることが分かる。また、図６ｅを参照すれば、また、接触抵抗特性も線形性を示すので、フォーミング工程実施前と比較して、オーミック接触抵抗特性が相当改善されていたことが分かる。
図６ａ〜図６ｅに示された例のｐ−ＧａＮ半導体層上に形成されたＡｌＮ透明電極特性をまとめれば、ＡｌＮ透明電極は２５７ｎｍ以上の波長を有する紫外線領域の光に対して８０％以上の透過度を示し、ＴＬＭパターンを利用して測定した結果、フォーミング工程実施前は、２４．１１３μΩＣＭ−２の接触抵抗を示すが、フォーミング工程実施後には、１．３３×１０−４Ωｃｍ−２の接触抵抗を示すので、導電性が各段に向上されるだけでなく、良好なオーミック特性を示していることが分かる。
図７ａ〜図７ｅには、ｐ−ＧａＮ半導体層上にＧａ２Ｏ３物質を用いて透明電極を形成した例の透過度特性、フォーミング工程実施前のオーミック特性、フォーミング工程実施前の接触抵抗特性、フォーミング工程実施後のオーミック特性、フォーミング工程実施後の接触抵抗特性を、それぞれ示した。
図７ａ〜図７ｅに示された例では、ＬＥＤで多く利用されるｐ−ＧａＮ半導体層上に、Ｇａ２Ｏ３物質で透明電極薄膜（厚さ：８０ｎｍ）を形成した。
図７ａに示されたグラフを参照すれば、示された例のＧａ２Ｏ３透明電極は、波長が２６４ｎｍ以上の紫外線領域の光に対して８０％以上の透過度を示していることが分かる。これは、図１に示された２０％の透過度を示す従来のＩＴＯ基盤の透明電極に比べて、透過度が顕著に改善されていることが分かる。
図７ａに示されたグラフを参照すれば、示された例のＧａ２Ｏ３透明電極は、波長が２６４ｎｍ以上の紫外線領域の光に対して８０％以上の透過度を示していることが分かる。これは、図１に示された２０％の透過度を示す従来のＩＴＯ基盤の透明電極に比べて、透過度が顕著に改善されていることが分かる。
図７ｂ〜図７ｅには、測定電極間の距離が２μｍ、４μｍ、６μｍ、８μｍ、及び１０μｍのとき、オーミック特性（図７ｂ及び図７ｄ）及びＴＬＭパターンをも父手測定した接触抵抗特性（図７ｃ及び図７ｅ）を示す．
図７ｂを参照すれば、測定電極間の距離が２μｍの場合を基準に、フォーミング工程実施前には印加される電圧と関係がなく、透明電極に１．０×１０−１１Ａ内外の電流が流れることが分かり、全くオーミック特性を示さないことが分かる。また、図７ｃを参照すれば、また、オーミック接触抵抗特性も全く線形性を示さないことが分かる。
図７ｂを参照すれば、測定電極間の距離が２μｍの場合を基準に、フォーミング工程実施前には印加される電圧と関係がなく、透明電極に１．０×１０−１１Ａ内外の電流が流れることが分かり、全くオーミック特性を示さないことが分かる。また、図７ｃを参照すれば、また、オーミック接触抵抗特性も全く線形性を示さないことが分かる。
反面、図７ｄを参照すれば、フォーミング工程実施後には、測定電極間の距離が２μｍの場合を基準に、透明電極に印加される電圧が０Ｖ〜１．０Ｖのとき、透明電極に０〜２．０×１０−２Ａ程度の電流が流れるので、フォーミング工程実施前と比較して、１０９倍ほどの電流が更に流れ、電流対電圧関係も相互比例する良好なオーミック特性を示していることが分かる。また、図７ｅを参照すれば、接触抵抗特性もまた線形性を示すのでフォーミング工程実施前と比較して、オーミック接触抵抗特性が相当改善されていたことが分かる。
図７ａ〜図７ｅに示された例のｐ−ＧａＮ半導体層上に形成されたＧａ２Ｏ３透明電極特性をまとめれば、Ｇａ２Ｏ３透明電極は、２６４ｎｍ以上の波長を有する紫外線領域の光に対して８０％以上の透過度を示し、ＴＬＭパターンを用いて測定した結果、フォーミング工程実施前は５１，６８０Ωｃｍ−２の接触抵抗を示すが、フォーミング工程実施後には２．６４×１０−５Ωｃｍ−２の接触抵抗を示すので、導電性が格段に向上されるだけでなく、良好なオーミック特性を示していることが分かる。
図８ａ〜図８ｅにはｐ−Ｓｉ半導体層上にＡｌＮ物質を利用して透明電極を形成した例の透過度特性、フォーミング工程実施前のオーミック特性、フォーミング工程実施前の接触抵抗特性、フォーミング工程実施後のオーミック特性、フォーミング工程実施後の接触抵抗特性をそれぞれ示した。
図８ａ及び図８ｂに示された例では、ｐ−Ｓｉ半導体層上に、ＡｌＮ物質で透明電極薄膜（厚さ：８０ｎｍ）を形成した。
図８ａに示されたグラフを参照すれば、本発明のＡｌＮ透明電極は、波長が２５７ｎｍ以上の紫外線領域の光に対して８０％以上の透過度を示していることが分かる。これは、図１に示された２０％の透過度を示す従来のＩＴＯ基盤の透明電極に比べて、透過度が顕著に改善されていることが分かる。
図８ａに示されたグラフを参照すれば、本発明のＡｌＮ透明電極は、波長が２５７ｎｍ以上の紫外線領域の光に対して８０％以上の透過度を示していることが分かる。これは、図１に示された２０％の透過度を示す従来のＩＴＯ基盤の透明電極に比べて、透過度が顕著に改善されていることが分かる。
図８ｂ〜図８ｅには、測定電極間の距離が２μｍ、４μｍ、６μｍ、８μｍ、及び１０μｍのとき、オーミック特性（図８ｂ及び図８ｄ）及びＴＬＭパターンを用いて測定した接触抵抗特性（図８ｃ及び図８ｅ）を示す。
図８ｂを参照すれば、測定電極間の距離が２μｍの場合を基準に、フォーミング工程実施以前には印加される電圧と関係がなく透明電極に０〜０．５×１０−９Ａ内外の電流が流れることが分かり、オーミック特性を示さないことが分かる。また、図８ｃを参照すれば、またオーミック接触抵抗特性も全く線形性を示さないことが分かる。
反面、フォーミング工程実施後には、測定電極間の距離が２μｍの場合を基準に、透明電極に印加される電圧が０Ｖ〜１．０Ｖのとき、透明電極に０〜８．０×１０−６Ａ程度の電流が流れるので、フォーミング工程実施前と比較して、１０３倍ほどの電流が更に流れ、電流対電圧関係も相互正比例しないが、フォーミング工程実施前に比べて、良好なオーミック特性を示していることが分かる。また、図８ｅを参照すれば、また、接触抵抗特性もフォーミング工程実施前と比較して線形性を示すので、オーミック接触抵抗特性が相当改善されていたことが分かる。
図８ａ〜図８ｅに示された例のｐ−Ｓｉ半導体層上に形成されたＡｌＮ透明電極特性をまとめれば、ＡｌＮ透明電極は、２５７ｎｍ以上の波長を有する紫外線領域の光に対して８０％以上の透過度を示し、ＴＬＭパターンを用いて測定した結果、フォーミング工程実施前は、２０，８１６Ωｃｍ−２の接触抵抗を示すが、フォーミング工程実施後は、９．２１×１０−４Ωｃｍ−２の接触抵抗を示すので、導電性が格段に向上されるだけでなく、良好なオーミック特性を示していることが分かる。
図６ａ〜図８ｅを参照して説明したように、本発明の好ましい実施例に係る透明電極は、従来技術に比べて透過度とオーミック特性が顕著に改善されていたことが分かる。
下記表１には、ＩＴＯと共に従来技術で用いられる透明電極の透過度及び接触抵抗特性を記載し、表２には本発明の好ましい実施に係る透明電極の透過度及び接触抵抗特性を記載した。
下記表１には、ＩＴＯと共に従来技術で用いられる透明電極の透過度及び接触抵抗特性を記載し、表２には本発明の好ましい実施に係る透明電極の透過度及び接触抵抗特性を記載した。
今まで本発明について、その好ましい実施例を中心に説明した。本発明が属する技術分野における通常の知識を有した者は、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲内で変形された形態で具現化することができる。したがって、開示された実施例は限定的な観点ではなく説明的な観点で考慮しなければならない。本発明の範囲は前述した説明でなく特許請求の範囲に示されており、それらと同等の範囲内にある全ての差は本発明に含まれたものと解釈されるべきである。
Claims (22)
- 半導体層と、
前記半導体層に一面が接触した透明電極であって、電界の印加により形成された導電性のフィラメントを内部に含むことにより、抵抗状態が高抵抗状態すなわち絶縁性から低抵抗状態すなわち導電性に変化した透明電極と、
を含むことを特徴とする光半導体装置。 - 前記透明電極が、更に、前記半導体層と接触する一面の反対面に金属で形成された金属電極パッドを含むことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- 前記透明電極は、固有の臨界電圧以上の電圧が印加され、導電性のフィラメントを内部に形成させるためのフォーミングが実施されれば、導電性を示す広バンドギャップを有する透明材質の絶縁物質で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- 前記透明電極は、前記半導体層とオーミック接触されることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- 前記半導体層は、ｎ型又はｐ型にドープされたことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- 前記透明電極は、透明な酸化物系の物質、透明な窒化物系の物質、透明なポリマー系の物質、及び透明なナノ物質のいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- 更に、前記透明電極の前記半導体層と接触する面の反対面に形成されたＣＮＴ層又はグラフェン層を含むことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- 更に、前記透明電極と前記半導体層との間に形成されたＣＮＴ層又はグラフェン層を含むことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- （ａ）印加される電界によって抵抗状態が高抵抗状態すなわち絶縁性から低抵抗状態すなわち導電性に変わる透明材質の物質で透明電極を形成する工程と、
（ｂ）前記透明電極に電圧を印加して導電性のフィラメントを内部に形成させることにより、前記透明電極の抵抗状態を低抵抗状態に変えるフォーミング工程と、
を含むことを特徴とする透明電極形成方法。 - 更に、（ｃ）フォーミングが実施された前記透明電極上に、ＣＮＴ層又はグラフェン層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。
- 前記工程（ａ）において、前記透明電極は、半導体層上に形成されたＣＮＴ層又はグラフェン層上に形成されることを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。
- 更に、（ｄ）フォーミングが実施された前記透明電極上に、半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。
- 更に、（ｅ）フォーミングが実施された前記透明電極上に、ＣＮＴ層又はグラフェン層を形成し、前記ＣＮＴ層又はグラフェン層上に、半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。
- 前記工程（ａ）において、前記透明電極は、ＣＮＴ層又はグラフェン層上に形成されることを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。
- 更に、（ｆ）前記透明電極上に、金属電極パッドを形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。
- 前記工程（ａ）において、前記透明電極は、半導体層上に形成されることを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。
- 前記透明電極は、固有の臨界電圧以上の電圧が印加され、フォーミングが実施されれば、導電性を示す広バンドギャップを有する透明材質の絶縁物質で形成されたことを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。
- 前記透明電極は、前記半導体層とオーミック接触されるよう形成されることを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。
- 前記半導体層は、ｎ型又はｐ型にドープされたことを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。
- 前記工程（ｂ）は
前記透明電極上に金属電極を形成し、前記金属電極に前記透明電極の固有の臨界電圧以上の電圧を印加し、フォーミングを実施することを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。 - 前記工程（ｂ）は、
（ｂ１）前記透明電極上にフォトレジストを形成する工程と、
（ｂ２）前記フォトレジスト上に、前記一対の電極に対応されるパターンを形成する工程と、
（ｂ３）前記フォトレジストパターンを用い、前記一対の電極を形成する工程と、
（ｂ４）前記フォトレジストパターンを除去し、前記一対の電極に前記透明電極の固有の臨界電圧以上の電圧を印加し、フォーミングを実施する工程と、
を含むことを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。 - 前記透明電極は、透明な酸化物系の物質、透明な窒化物系の物質、透明なポリマー系の物質、及び透明なナノ物質のいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項９に記載の透明電極形成方法。
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