TW201507204A - 半導體裝置 - Google Patents

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Shuhei Ichikawa
Satoru Takasawa
Isao Sugiura
Satoru Ishibashi
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Abstract

提供一種具備有接觸電阻為小且使透過率提昇之輔助電極的半導體裝置。 為了將p型半導體層(17)與正電極(21)作電性連接，而在p型半導體層(17)和正電極(21)之間設置輔助電極層(10)。此輔助電極層(10)，係藉由與p型半導體層(17)相接觸之透明的Ag層(18)和透明的金屬氧化物層(19)所構成，相較於並未設置有Ag層(18)的情形，接觸電阻係更為降低，透過率係更為提昇。多重量子井層(16)之發光光，係通過輔助電極層(10)並被放出至外部。

Description

半導體裝置
本發明，係有關於半導體裝置之技術領域，特別是有關於具備有與以GaN作為主成分之p型半導體層之間的接觸電阻為小之透明電極的半導體裝置。
發光二極體，係以pn接合作為基礎，並對於電洞和電子進行再結合所放出的光作利用。
近年來，係作為高壽命、高效率之發光元件，而在液晶用背光或照明之用途中日益普及化。
特別是GaN系LED，由於其能帶隙係為大，因此係被使用在藍紫半導體雷射或藍色之發光二極體中。
在p-GaN摻雜中，一般而言係使用Mg，但是，GaN中之Mg的活化率係為低，要得到高載體密度之p-GaN一事係為困難。
因此，p-GaN和電極之接觸電阻係容易變高，並成為導致LED元件之驅動電壓增加的重要因素。
又，在LED中，作為p-GaN之電極材料，係 使用有ITO等之金屬氧化物層。
藉由使用金屬氧化物電極，相較於使用金屬電極的情況，係能夠形成透過率更為優良之電極，但是，對於LED之更進一步的高發光效率化仍然有所需求，而需要透過率更為優良之電極。
[專利文獻1]日本特開平10-173222號公報
[專利文獻2]日本特開2008-153676號公報
本發明，係為了解決上述先前技術之課題，而以提供一種在能夠將透過率維持於對實用上而言為充分之值的同時亦能夠將接觸電阻縮小的技術一事，作為課題。
為了解決上述課題，本案發明，係為一種半導體裝置，係具備有：以GaN作為主成分之n型半導體層；和位置在前述n型半導體層之單面側處的以GaN作為主成分之p型半導體層；和位置在前述p型半導體層之與前述n型半導體層相反側處的輔助電極層；和被設置在前述輔助電極層處之正電極；和被與前述n型半導體層作電性連接之負電極，若是相對於前述負電極而對前述正電 極施加正電壓，則會於前述p型半導體層和前述n型半導體層之間施加電壓並流動動作電流，該半導體裝置，其特徵為：前述輔助電極層，係具備有與前述p型半導體層相接觸地而設置之Ag層、和與前述Ag層相接觸地而設置之金屬氧化物層。
本案發明，係為一種半導體裝置，其中，前述半導體裝置，係為若是流動前述動作電流則會發光之發光二極體元件，前述輔助電極層，係為用以將光取出之透明電極。
本案發明，係為一種半導體裝置，其中，前述金屬氧化物層，係為ITO層。
本案發明，係為一種半導體裝置，其中，前述n型半導體層，係具備有n型GaN層，在前述n型GaN層和前述p型半導體層之間，係被設置有多重量子井層。
本案發明，係為一種半導體裝置，其中，前述Ag層之膜厚，係設為1nm以上20nm以下。
本案發明，係為一種半導體裝置，其中，前述正電極，係與前述金屬氧化物層相接觸地而被設置。
接觸電阻係為小，而能夠以低消耗電力來使半導體元件動作。
又，係能夠使p型GaN層和透明電極層之間的透過率提昇，而能夠將發光二極體之亮度增大。
3‧‧‧半導體裝置
13‧‧‧基板
14‧‧‧緩衝層
15‧‧‧以GaN作為主成分之n型半導體層
16‧‧‧多重量子井層
17‧‧‧以GaN作為主成分之p型半導體層
18‧‧‧Ag層
19‧‧‧金屬氧化物層
[圖1](a)：用以對於形成輔助電極層之成膜對象物作說明之圖，(b)：用以對於在下一工程中所進行處理之處理對象物作說明之圖。
[圖2]用以對於本發明之半導體裝置的其中一例作說明之圖。
[圖3]用以對於本發明之形成輔助電極層的成膜裝置作說明之圖。
[圖4]用以對於Ag層之膜厚和輔助電極層與以GaN作為主成分之p型半導體層之間的接觸電阻之電阻率作說明之圖。
[圖5](a)：用以對於由TLM法所進行之接觸電阻之電阻率的測定方法作說明之圖，(b)：用以求取出接觸電阻和傳播長度之圖表。
[圖6]針對相對於波長450nm之發光光的Ag層之膜厚和輔助電極層之透過率間的關係作展示之圖表。
[圖7]針對相對於波長350nm之發光光的Ag層之膜厚和輔助電極層之透過率間的關係作展示之圖表。
圖2之元件符號3，係代表本發明之其中一例的半導體裝置。
此半導體裝置3，係為發光二極體元件，並具備有基 板13。在基板13上，係配置有以GaN作為主成分之n型半導體層15、和以GaN作為主成分之p型半導體層17。於此，所謂「以GaN作為主成分」，係指以使Ga之原子數和N之原子數的合計成為較全部原子之50原子%而更多的比例來含有之意。在p型或n型之GaN層的情況時，p型或n型之摻雜物以外的原子，係為Ga和N，GaN係為接近100%的主成分，但是，在「以GaN作為主成分之半導體」中，係亦包含有InGaN或AlGaN等之半導體。
n型半導體層15，在此半導體裝置3中係為n型GaN層，n型半導體層15之n型GaN和p型半導體層17之p型GaN，係藉由磊晶成長而被作成單結晶層。於此，為了使單結晶層成長，在基板13處係使用藍寶石基板，在藍寶石之基板13的表面上，形成由n型之GaN所成之緩衝層14，之後，在緩衝層14之表面上，使n型之GaN進行磊晶成長，而形成n型半導體層15。
又，為了提昇發光效率，係在n型半導體層15上形成多重量子井層16，之後，在多重量子井層16上形成p型半導體層17和輔助電極層10。
輔助電極層10，係在p型半導體層17之表面上，具備有與以GaN作為主成分之p型半導體層17相接觸地而設置之Ag層(銀層)18、和在Ag層18之表面上與Ag層18相接觸地而設置之金屬氧化物層19。
在金屬氧化物層19處，係可使用ITO(銦錫 氧化物)、AZO(鋁摻雜氧化鋅)、GZO(鎵摻雜氧化鋅)、IZO(銦鋅氧化物)的薄膜，但是，本發明特別係以藉由ITO所形成之金屬氧化物層19為合適。
緩衝層14，係與基板13相接觸，緩衝層14和n型半導體層15和多重量子井層16以及p型半導體層17中，相鄰接之層彼此係相互作接觸。
在金屬氧化物層19上，係與金屬氧化物層19相接觸地而形成有正電極21，p型半導體層17，係經由Ag層18和金屬氧化物層19而與正電極21作電性連接。
在正電極21和金屬氧化物層19之間，係可設置其他的薄膜。
另一方面，在p型半導體層15處，負電極22係與n型半導體層15相接觸地而被形成，於此，n型半導體層15之多重量子井層16側的表面係作一部分的露出，在露出了的部分處係被形成有負電極22，n型半導體層15係被與負電極22作電性連接。
正電極21和負電極22，例如係為由鋁所成之金屬薄膜。
故而，在正電極21和負電極22之間，若是正電極21施加相對於負電極22而成為正電壓之電壓，則p型半導體層17和n型半導體層15之間係被作順偏壓，在多重量子井層16中，係從p型半導體層17而被植入有電洞，並從n型半導體層15而被植入有電子，所植入的電洞和電子係在多重量子井層16之內部而進行再結合， 並產生發光光。
Ag層18之膜厚，係為0.1nm以上10nm以下之膜厚，且相對於發光光而為透明，又，多重量子井層16和p型半導體層17以及金屬氧化物層19亦係相對於發光光而為透明，在多重量子井層16之內部所產生的發光光之中，朝向p型半導體層17所位置之方向的發光光，係透過多重量子井層16和p型半導體層17和Ag層18以及金屬氧化物層19，並從並未存在有正電極21之部分而放出至半導體裝置3之外部。
n型半導體層15和緩衝層14以及基板13亦係相對於發光光而為透明，在基板13之與配置有n型半導體層15之面相反側的面上，係被設置有反射層12，朝向n型半導體層15所位置之方向的發光光，係透過多重量子井層16和n型半導體層15和緩衝層14以及基板13，而在反射層12處被朝向基板13所位置之方向而反射，並透過反射層12上之基板13以及各層14~16，而從金屬氧化物層19來放出至外部。
若是針對此半導體裝置3之Ag層18和金屬氧化物層19之形成工程作說明，則圖1(a)之符號2a，係為形成Ag層18和金屬氧化物層19之成膜對象物，並為在基板13上而被形成有緩衝層14和n型半導體層15和多重量子井層16以及p型半導體層17之狀態，p型半導體層17之表面係露出。
圖3，係為成膜裝置40，並具備有搬入搬出 室41和成膜室42。
將成膜對象物2a搬入至搬入搬出室41內，並藉由真空排氣裝置47a來將搬入搬出室內作真空排氣。成膜室42，係藉由真空排氣裝置47b而預先被作了真空排氣，將閘閥48開啟，並將成膜對象物2a移動至成膜室42內。
在成膜室42之內部，係被配置有由金屬Ag所成之Ag靶材45、和由ITO所成之金屬氧化物靶材46。
在成膜室42處，係被連接有氣體導入裝置44，成膜室42之內部，係一面藉由真空排氣裝置47b而被作真空排氣，一面從氣體導入裝置44而導入濺鍍氣體，Ag靶材45和金屬氧化物靶材46係被作濺鍍，成膜對象物2a，係藉由成膜室42內之搬送裝置(未圖示)而被移動，並一面使露出之p型半導體層17與Ag靶材45相對面，一面通過Ag靶材45之近旁，在p型半導體層17之表面上，係形成與p型半導體層17相接觸之Ag層18。
於此所使用的Ag靶材45，係為純Ag之靶材，但是係包含有難以除去之微量的雜質。又，只要是以較50原子%更多的含量而含有Ag，則就算是添加有添加物者，亦係被包含於Ag靶材中。
故而，本發明之Ag層，係為與Ag靶材45相同之組成並包含有較50原子%而更多之銀的金屬薄膜，且為相對於發光光而為透明之金屬薄膜。
接著，一面使露出之Ag層18與金屬氧化物 靶材46相對面，一面使成膜對象物2a移動，而在Ag層18之表面上，形成與Ag層18相接觸之金屬氧化物層19，而得到在下一工程中所進行處理之處理對象物。圖1(b)之元件符號2b，係代表該處理對象物。
處理對象物2b，係在將閘閥48開啟並送回至預先作了真空排氣之搬入搬出室41中之後，從成膜裝置40而被取出，並在N2+O2(N2：O2=8：2)之氛圍中，以550℃之溫度來進行退火，金屬氧化物層19係被低電阻化。
接著，在部分性地進行蝕刻並使n型半導體層15之一部分露出之後，若是正電極21被形成在金屬氧化物層19之表面上，負電極22被形成於n型半導體層15上，並且反射層12亦被形成，則係得到圖2之半導體裝置(發光二極體)3。
接著，針對p型半導體層17和輔助電極層10之間的接觸電阻之電阻率和Ag層18之膜厚間的關係作說明。
圖4之圖表，係為對於當從p型半導體層17朝向輔助電極層10而流動有電流時之輔助電極層10中的Ag層18之膜厚(橫軸)和接觸電阻之電阻率之間的關係作展示的圖表。當橫軸之值為0時的接觸電阻之電阻率之值(約4.0×10-2Ω．cm2)，係為當並未設置有Ag層18時的接觸電阻之電阻率。
接觸電阻之電阻率的測定，係藉由TLM法來 進行。在TLM法中，首先，係如圖5(a)中所示一般，在p型半導體層17上，將以Ag層181、182和金屬氧化物層191、192之二層構造而作了分離之2個1組的輔助電極層101、102，使電極間隔L互為相異地來作成複數組，並在各組之輔助電極層101、102之間流動電流，而對於電阻值作了測定。此輔助電極層101、102係為長方形或正方形，並使一邊彼此相互平行地來作對向配置。
如圖5(b)(橫軸係為電極間隔L，縱軸係為測定電阻值RT)中所示一般，若是在圖表上而描繪所測定出的電阻值，並求取出將測定出之電阻值作了連結的直線P，則Y軸截距之電阻值RT，係為當電極間隔L為0時之電阻值，根據所測定出之電阻值RT、和p型半導體層17之薄片電阻RS、和1個的輔助電極層101或102之接觸電阻RC、和相對於電極間隔L而成直角之輔助電極層101、102之寬幅W、以及電極間隔L之間，所存在的下述(1)式的關係：RT+RS．L/W+2．RC……(1)，可以得知，X軸截距之值，係代表2個的輔助電極層101、102和p型半導體層17之間的接觸電阻RC之合計值(=2．RC)。
之後，若是將圖表上之直線P外插至電極間隔L為負之區域處，並求取出X軸截距之值，則係可根 據該值而求取出身為p型半導體層17會成為接觸電阻Rc時之長度的傳播長度LT，若是將傳播長度LT代入至下述(2)式中，則係能夠求取出接觸電阻之電阻率ρ(Ω．cm2)。
ρ=Rs．LT 2……(2)
圖4中所記入之接觸電阻的電阻率，當Ag層18為1nm之膜厚時的電阻率，係成為較當並未設置有Ag層18時之電阻率的1/4之值而更小。
又，若是Ag層18成為3nm以上之膜厚，則係成為未滿6.0×10-3Ω．cm2，特別是若是Ag層18成為5nm以上之膜厚，則係成為5×10-3Ω．cm2以下，若是將Ag層18設為5nm以上之膜厚，則接觸電阻之電阻率之值係會成為並未設置Ag層18時之數分之一之值，可以得知電阻率之降低係為大。
不論如何，係得知了：若是設置Ag層18，則相較於並未設置Ag層18的情況，係能夠將接觸電阻之電阻率縮小。
接著，針對被形成在p型半導體層17上之輔助電極層10的光透過率和Ag層18之膜厚間的關係作說明。圖6、7，係為將橫軸作為Ag層18之膜厚，並將縱軸作為當發光光從p型半導體層17側而射入至輔助電極層10中時的輔助電極層10之光透過率的圖表，圖6，係 對於射入有波長450nm之發光光時的光透過率之測定值作描繪，圖7，係對於射入有波長350nm之發光光時的光透過率之測定值作描繪。在圖6、7中，金屬氧化物層19之膜厚係分別為450nm、350nm，金屬氧化物層19之膜厚，係設為當並未設置有Ag層18時之會藉由干涉效果而使透過率成為最高的膜厚。
針對金屬氧化物層19係身為ITO層、AZO層、IZO層、TiO2層之各輔助電極層10的透過率作了測定。當Ag層18之膜厚係為0時，金屬氧化物層19係密著於p型半導體層17上。
當形成有Ag層18時，係產生有在Ag層18和金屬氧化物層19之間的干涉效果，在Ag層18為薄的狀態下，反射光係減少而透過光係增加，其結果，係能夠將設置有Ag層18的輔助電極層10之透過率設為較並未設置Ag層18時而更高。
根據此圖表，可以得知，針對各金屬氧化物層19，當Ag層18之膜厚為未滿15nm時，係成為並未設置Ag層18時之透過率以上(針對AZO，係設為相等者)，當15nm以上、20nm以下的情況時，雖然係相較於並不設置Ag層18的情況而有所降低，但是由於係為在實用上仍可作使用的程度之降低，因此若是以電阻值之降低一事為優先，則就算是Ag層18之膜厚為20nm的範圍亦仍可作使用。
若是配合圖4之結果來作考慮，則Ag層18之膜厚， 係以1nm以上20nm為理想，又以1nm以上15nm為更理想。
以上，雖係針對身為發光二極體之半導體裝置3來作了說明，但是，本發明之輔助電極層10，係能夠將Ag層與具備有以GaN作為主成分之p型半導體層的電晶體或者是整流二極體等的以GaN作為主成分之p型半導體層作接觸設置，而使電阻率降低。又，代替金屬氧化物層而使用金屬層，並在以GaN作為主成分之p型半導體層和金屬層之間形成Ag層，而能夠使電阻率降低之半導體裝置，係亦被包含在本發明中。
另外，上述ITO膜之退火，雖係以550℃來進行，但是，就算是以較550℃而更低溫來進行退火，也不會使接觸電阻變大。相反的，亦能夠以較550℃而更高溫來進行退火，於此情況，亦係被包含於本案發明中。
3‧‧‧半導體裝置
10‧‧‧輔助電極層
12‧‧‧反射層
13‧‧‧基板
14‧‧‧緩衝層
15‧‧‧以GaN作為主成分之n型半導體層
16‧‧‧多重量子井層
17‧‧‧以GaN作為主成分之p型半導體層
18‧‧‧Ag層
19‧‧‧金屬氧化物層
21‧‧‧正電極
22‧‧‧負電極

Claims (6)

  1. 一種半導體裝置，係具備有：以GaN作為主成分之n型半導體層；和位置在前述n型半導體層之單面側處的以GaN作為主成分之p型半導體層；和位置在前述p型半導體層之與前述n型半導體層相反側處的輔助電極層；和被設置在前述輔助電極層處之正電極；和被與前述n型半導體層作電性連接之負電極，若是相對於前述負電極而對前述正電極施加正電壓，則會於前述p型半導體層和前述n型半導體層之間施加電壓並流動動作電流，其中，前述輔助電極層，係具備有與前述p型半導體層相接觸地而設置之Ag層、和與前述Ag層相接觸地而設置之金屬氧化物層。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之半導體裝置，其中，前述半導體裝置，係為若是流動前述動作電流則會發光之發光二極體元件，前述輔助電極層，係為用以將光取出之透明電極。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載之半導體裝置，其中，前述金屬氧化物層，係為ITO層。
  4. 如申請專利範圍第2項或第3項所記載之半導體裝置，其中，前述n型半導體層，係具備有n型GaN層，在前述n型GaN層和前述p型半導體層之間，係被 設置有多重量子井層。
  5. 如申請專利範圍第1~3項中之任一項所記載之半導體裝置，其中，前述Ag層之膜厚，係設為1nm以上20nm以下。
  6. 如申請專利範圍第1項所記載之半導體裝置，其中，前述正電極係與前述金屬氧化物層相接觸地而被設置。
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