WO2008075794A1 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法 Download PDF

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WO2008075794A1
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semiconductor layer
gallium nitride
bond
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PCT/JP2007/075228
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Hisayuki Miki
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Showa Denko K.K.
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    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device having a high light emission output and a low driving voltage and a method for manufacturing the same.
  • Gallium nitride compound semiconductor light-emitting devices have an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer placed between the light-emitting layers, and inject current from the negative electrode and the positive electrode formed in contact with each other. Luminescence is obtained.
  • the negative electrode is formed by digging from above by a method such as etching and laminating one or more metal thin films on the exposed n-type semiconductor layer.
  • the positive electrode is composed of a conductive film provided on the entire p-type semiconductor layer and a metal multilayer film (bonding pad) formed on a part of the conductive film.
  • the conductive film is provided in order to distribute the current from the metal multilayer film to the entire p-type semiconductor layer. This is a characteristic of the gallium nitride compound semiconductor material, and is related to the small current diffusion in the lateral direction of the material within the film.
  • the conductive film is used as a current spreading layer for spreading the current from the metal multilayer film to the entire P-type semiconductor layer.
  • Mako The conductive film needs to be light transmissive in order to extract emitted light to the outside. For this reason, a transparent conductive film is generally used as the conductive film used in the gallium nitride compound semiconductor light emitting device.
  • the configuration of the positive electrode conductive film has been a combination of Ni and Co oxides and Au as a contact metal contacting the p-type semiconductor layer (for example, Patent No. 2). 8 0 3 7 4 2).
  • a metal oxide an oxide with higher conductivity, such as an ITO film, has been used to increase the light transmittance in a state where the contact metal is thinned or no contact metal is interposed.
  • the structure is adopted (for example, refer to Japanese Utility Model Publication No. 6-3 8 2 6 5)
  • Ni or Co oxide layers Compared to Ni or Co oxide layers, layers made of conductive transparent material such as IT ⁇ film have better light transmission, so the film thickness can be compared without impairing light extraction. It is possible to increase the thickness.
  • the Ni or Co oxide layer is used in the range of 10 to 50 nm, whereas the conductive transparent film such as an ITO film has a thickness of 20 to 500 nm. Thickness is utilized.
  • the advantage of using a conductive transparent film such as an ITO film as the positive electrode conductive film of the gallium nitride compound semiconductor light emitting device is higher than that of the conventional positive electrode conductive film, so that the same injection current can be obtained.
  • the light output is increased.
  • it is a conductive film, it has a problem that the contact resistance with the ⁇ -type semiconductor layer is larger than that of the conventional positive electrode conductive film, resulting in a side effect that the driving voltage during use increases.
  • Mg is increased on the ⁇ -type semiconductor layer, which is the outermost surface of the device structure.
  • Forming a p + layer In the case of forming p-type I riQj Gao. G N layer as in the literature (K-I MC hangetal., Solid—State Electronics 4 9 (2 0 0 5), 1 3 8 1) There is also.
  • G a 2 ⁇ 3 utilized as an electrode of the p-type gallium nitride-based compound semiconductor technology has also been published (e.g., JP-2 0 0 6 - Ref 2 6 1 3 5 8 JP).
  • G a 2 ⁇ 3 is low and conductivity when compared to ITO, emission caused by to constitute the transparent electrode from which only the spread of current rather than charge amount, increase and the light emitting region of the drive voltage is limited The decrease in output became a problem. Disclosure of the invention
  • An object of the present invention is to provide a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device that solves the above-described problems, has a high light emission output, and has a low driving voltage, and a method for manufacturing the same.
  • the present inventor when bringing an electrode made of a conductive translucent material into contact with a p-type gallium nitride compound semiconductor layer, a layer containing a compound having a Ga—O bond and / or an N—O bond therebetween By forming As a result, it has been found that the contact resistance can be reduced, and several manufacturing methods therefor have been found to complete the present invention. That is, the present invention provides the following inventions.
  • An n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer made of a gallium nitride compound semiconductor are provided in this order on a substrate, and the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer have a negative electrode.
  • a positive electrode, and the positive electrode is made of an oxide material having conductivity and translucency, and a Ga—O bond and Z or N — are provided between the P-type semiconductor layer and the positive electrode.
  • a gallium nitride compound semiconductor light emitting device characterized in that a layer containing a compound having a bond exists.
  • the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to the above item 1, wherein the oxide material is at least one selected from the group consisting of ITO, IZO, AZO, and ZnO.
  • n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer made of a gallium nitride compound semiconductor are formed in this order on the substrate, and the formed n-type semiconductor layer and p-type semiconductor layer are formed.
  • the surface of the p-type semiconductor layer is formed after the positive electrode forming step.
  • a method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device comprising: forming a layer containing a compound having a Ga —O bond and / or an N —O bond.
  • the step of forming a layer containing a compound having a Ga —O bond and / or an N — O bond on the surface of the p-type semiconductor layer is a heat treatment at a temperature of 300 or more.
  • n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer made of a gallium nitride compound semiconductor are formed in this order on the substrate, and the formed n-type semiconductor layer and p-type semiconductor layer are formed.
  • a gallium nitride compound semiconductor light emitting device is manufactured by forming a negative electrode and a positive electrode made of an oxide material having conductivity and translucency, respectively, a positive electrode is formed after the p-type semiconductor layer is formed.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device comprising a step of forming a layer containing a compound having a Ga—O bond and a Z or N—O bond on the surface of the p-type semiconductor layer before the step Manufacturing method.
  • the step of forming a layer containing a compound having a Ga 100 bond and a NO or N-0 bond on the surface of the p-type semiconductor layer is performed at a temperature of 700 or more in an atmosphere not containing ammonia. 7.
  • the step of forming a layer containing a compound having a Ga_O bond and / or an N—O bond on the surface of the p-type semiconductor layer is a temperature lowering process after the p-type semiconductor layer is formed, and the carrier gas is 7.
  • the method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to the above 6, comprising lowering the temperature in an atmosphere containing a gas other than hydrogen and not introducing ammonia 7 and then exposing to an oxygen-containing atmosphere.
  • a lamp comprising the gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to the item 1 or 2.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of a gallium nitride based semiconductor light emitting device of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the epitaxial multilayer structure produced in Example 1.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the gallium nitride semiconductor light-emitting device fabricated in Example 1.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the gallium nitride semiconductor light-emitting device fabricated in Example 1.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the temperature lowering process after the growth of the p-type semiconductor layer in Example 1.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the temperature lowering process after the growth of the p-type semiconductor layer in Example 1.
  • FIG. 6 is an N 1 s hard X-ray excited electron emission spectrum measured with a sample in which the p-type semiconductor layer and the ITO electrode of the gallium nitride based semiconductor light-emitting device of the present invention are formed.
  • FIG. 8 is a hard X-ray excited electron emission spectrum of N 1 s measured from the p-type semiconductor layer side of the epitaxial multilayer structure fabricated in Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to the present invention in which a positive electrode made of ITO is directly provided on a p-type semiconductor layer.
  • reference numeral 7 denotes a positive electrode, which is composed of a light-transmitting electroconductive film 7 a made of ITO and a bonding pad layer 7 b.
  • Reference numeral 5 denotes a p-type semiconductor layer, which is composed of a p-type cladding layer 5 a and a p-type contact layer 5 b.
  • 6 is a layer containing a compound having a Ga—O bond and a Z or N—O bond.
  • 1 is a substrate
  • 2 is a buffer layer
  • 3 is an n-type semiconductor layer
  • 4 is a light emitting layer
  • 8 is a negative electrode.
  • Example 1 a sample having an electrode structure according to the present invention was prepared, and hard x-ray photoelectron spectroscopy at Spring-8 was applied to the region of the p-type gallium nitride compound semiconductor layer on which ITO was formed.
  • the escape depth of the light dragon is about 7 nm.
  • Fig. 5 shows the analysis result of the 2 p 3/2 peak of Ga
  • Fig. 6 shows the analysis result of the 1 s peak of N.
  • the shape of the spectrum shown in Fig. 5 shows that this peak is formed by superposition of two components.
  • the peak is decomposed using the peak fitting method, it is derived from the G a _ N bond. It can be seen that it corresponds to the peak (peak A in Fig. 5) and the peak derived from G a-O bond (peak B in Fig. 5).
  • the G a _ N bond may be derived from the p-type gallium nitride compound semiconductor G a N.
  • the G a _O bond is derived from gallium oxide (G aO x ). This indicates that a GaO x layer with a thickness of several nanometers is formed at the interface between 1 and 0 aN.
  • the light-emitting element fabricated in Example 1 described later contains gallium oxide (GaO x ) between the electrically conductive and translucent oxide ITO and p-type GaN. You can see that it has a layer. In addition, there are components with N—O bond.
  • GaO x gallium oxide
  • the compound having a G A_ ⁇ bond is formed eg G a 2 ⁇ gully ⁇ beam oxides such as 3 (G A_ ⁇ x).
  • examples of a compound having a Ga—O bond and / or an N—O bond include G a ( 2 — y ) N y O ( 3 — 3y ) (0 There is a complex oxide represented by ⁇ y ⁇ 1).
  • the thickness of the layer containing a compound having a Ga bond and a N-bond can be determined by the following method.
  • the film thickness of the layer containing a compound having a G a —O bond and a Z or N —O bond is preferably 1 nm or more and 100 nm or less. More preferably, it is 5: 1 111 or more and 2 0 11 111 or less.
  • composition of the layer containing a compound having a G a — ⁇ bond and / or an N—O bond can be arbitrarily determined, but 50% or more of the compound has a Ga a—O bond and / or an N—O bond. It is desirable that the crystal be gallium nitride.
  • a compound having a G a 10 bond and a Z or N—O bond exists can be freely selected. Of course, it may be in the form of an island or a spot. However, it is desirable that the contact area with the conductive translucent oxide layer and the gallium nitride compound semiconductor layer is large, and 50% or more of the surface area has Ga—O bonds and Z or N—O bonds. It is desirable that the compound has. In addition, it is most desirable that the layer exists between the conductive translucent oxide and the gallium nitride compound semiconductor.
  • a gallium oxide layer is separately formed after forming a type gallium nitride compound semiconductor.
  • a general method such as a sputtering method, a vapor deposition method, or a CVD method can be used without any problem.
  • a sputtering method a vapor deposition method
  • CVD method a CVD method
  • a method for producing a layer containing a compound having a G a —O bond and / or an N —O bond there is a method using annealing.
  • Annealing is performed after the formation of the conductive light-transmitting oxide electrode film, thereby promoting the reaction between the electrode film and the P-type semiconductor layer, and includes a compound having a Ga —O bond and / or an N —O bond. Layers can also be formed.
  • the annealing temperature after forming the electrode film may be 3 0 0 or more, more preferably 4 0 0 or more, and particularly preferably 6 0 0 or more.
  • a suitable annealing time is 10 seconds to 30 minutes.
  • the atmospheric gas in the vapor phase can include oxygen, nitrogen, argon, etc., but may be vacuum. It is preferable that oxygen be included.
  • annealing may be performed after the formation of the P-type semiconductor layer and before the formation of the conductive light-transmitting oxide electrode film.
  • Gallium nitride compound semiconductors are known to cause nitrogen depletion when annealed in an atmosphere that does not contain ammonia at temperatures above 7 O 2 O t. By exposing the surface of the gallium-excessed surface through the elimination of nitrogen to an oxygen-containing atmosphere, a layer containing a compound having a Ga—O bond and / or an N—O bond can be formed on the surface.
  • the atmosphere containing oxygen may be oxygen itself, or a gas obtained by separately mixing oxygen and other gases may be prepared, or air may be used.
  • the temperature can be appropriately selected, but it may be room temperature.
  • the annealing may be performed in an oxygen-containing atmosphere.
  • gallium nitride When gallium nitride is heat-treated, in the initial stage of the heat treatment, hydrogen is desorbed from the crystal, and then nitrogen is desorbed by the decomposition of the crystal. (See, for example, I. Wak i, etal, J. Appl. Phy s. 90, 6500-6504. (200 1)).
  • the heat treatment needs to be held for a certain period of time in order for nitrogen to start desorption. Specifically, holding for 1 minute or longer is required, and holding for 5 minutes or longer is more desirable.
  • the effect similar to that of annealing can also be obtained by adjusting the atmospheric gas in the gas phase when the temperature is lowered after the gallium nitride compound semiconductor is formed.
  • a p-type gallium nitride compound semiconductor is formed by using ammonia and an organic metal as raw materials, using hydrogen, nitrogen, or the like as a carrier gas at a high temperature from 90 to 120.
  • the gas phase atmosphere is changed to a hydrogen-free atmosphere, and the supply of ammonia is stopped at a temperature of 70 ° C. or higher, so that the surface of the gallium nitride semiconductor is overexposed.
  • the formed surface can be formed. By exposing this surface to an atmosphere containing oxygen, a layer containing a compound having a G a —O bond and / or an N—O bond can be formed on the surface.
  • the atmosphere containing oxygen may be oxygen itself, or a gas obtained by separately mixing oxygen and other gases may be prepared, or air may be used.
  • the temperature can be appropriately selected, but the room temperature may be used. That is, a layer containing a compound having a 0 & -0 bond and / or a N-0 bond can be formed only by exposure to air at room temperature. This method is one of the preferred methods because it is the cheapest and the process is not redundant.
  • the substrate 1 includes a sapphire single crystal (A 1 2 0 3 ; A plane, C plane, M plane, R plane) spinel single crystal (Mg A l 2 0 4 ) Z n 0 single crystal, L i a l ⁇ 2 single crystal, L i G A_ ⁇ 2 single crystal, M g O single crystal or G a 2 ⁇ 3 oxide single crystal substrate such as a single crystal, and S i single crystal, S i C single crystals, G a a s single crystal, a 1 N single crystal, the G a N single crystal or Z r non-oxide single-crystal substrate or we selected known substrate materials were such boride single crystal such as B 2 no Can be used without limitation.
  • the plane orientation of the substrate is not particularly limited, and the off-angle may be arbitrarily selected.
  • Buffer layer n-type semiconductor layer, the gallium nitride-based semiconductor that make up the light-emitting layer and a p-type semiconductor layer, the general formula A 1 x I n y G a ,. X. Y N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 Semiconductors of various compositions represented by ⁇ y ⁇ 1 and 0 ⁇ x + y ⁇ 1) are known.
  • the general formula A 1 x I y G a y N (0 ⁇ x ⁇ 1 , 0 ⁇ y ⁇ 1 0 ⁇ x + y ⁇ 1)
  • Semiconductors with various compositions represented by the following can be used without any limitation.
  • Examples of methods for growing these gallium nitride semiconductors include organic metal phase growth (MO C VD), molecular beam epitaxy (MBE), and hydride vapor phase epitaxy (HV PE). is there.
  • MO C VD organic metal phase growth
  • MBE molecular beam epitaxy
  • HV PE hydride vapor phase epitaxy
  • the MOC VD method with easy composition control and mass productivity is suitable, but it is not necessarily limited to this method.
  • the organometallic material trimethylgallium (TMG) or triethylgallium (TEG) is used as the raw material for Ga.
  • TMG trimethylgallium
  • TAA triethylaluminum
  • TMA triethylaluminum
  • N source ammonia (NH 3 ) or hydrazine (N 2 H 4 ) is used.
  • Si or Ge is used as a dopant material.
  • Monosilane (S 1 H 4 ) or disilane (S i 2 H 6 ) is used as the Si raw material, and germane (G e H 4 ) or an organic germanium compound is used as the Ge raw material.
  • dopant is used and Mg is used.
  • Mg is used as the raw material.
  • the raw material for example, biscyclopentadecenyl magnesium (C p 2 Mg) or bisethylcyclopentagenyl magnesium ((E t C p) 2 g) is used.
  • the low-temperature buffer layer disclosed in Japanese Patent No. 3 0 2 6 0 8 7 or the like is the high-temperature buffer layer disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 3-2 4 3 3 0 2 or the like.
  • These buffer layers can be used without any limitation.
  • the substrate 1 to be used for growth can be selected from those described in the previous section, but here we describe the case where a sapphire substrate is used.
  • the substrate is placed on a jig (susceptor) made of graphite with SiC film installed in a reaction space where temperature and pressure can be controlled, and hydrogen carrier gas and nitrogen carrier gas are placed there. Together with NH 3 gas and TMA.
  • Graphite jig with SiC film is heated to the required temperature by induction heating with RF coil, and an A 1 N buffer layer is formed on the substrate.
  • the temperature is controlled from 5 0 0 to 7 0 0, and then the temperature is raised back and forth at 1 1 0 0 for crystallization.
  • the temperature can be raised to a temperature range from 1 00 0 to 1 2 0 0 at a time, not two-stage heating.
  • the A 1 N single crystal substrate or the GaN single crystal substrate described above it is not always necessary to grow a buffer layer, and an n-type semiconductor layer described later is directly grown on the substrate.
  • an n-type semiconductor layer includes an underlayer consisting of an undope G a N layer, an n-type dopant such as Si or Ge, and an n-type contact layer and a light emitting layer provided with a negative electrode It consists of an n-type cladding layer with a larger band gap energy.
  • the n-type contact layer can also serve as the n-type cladding layer and / or the underlayer.
  • an underlayer composed of an undoped GaN layer is grown on the buffer layer.
  • Temperature is set to 1 0 0 0-1 2 0 0, under pressure control, Komu feeding NH 3 gas and TMG in carrier gas and the monitor buffer layer.
  • the amount of TMG supplied is limited by the ratio with NH 3 that flows simultaneously, controlling the growth rate between 1 mZ and 3 m is effective in suppressing the occurrence of crystal defects such as dislocations.
  • the region of 20 to 60 kP (20 to 60 mbar) is optimal for securing the above growth rate.
  • An n-type contact layer is grown following the growth of the GaN layer.
  • the growth conditions are the same as those for the undoped GaN layer.
  • the dopant is supplied with the carrier gas, but the supply concentration is controlled by the ratio with the TMG supply. In the present invention, it will be described later! )
  • the driving voltage of a light-emitting element having a positive electrode made of an oxide material can be lowered.
  • the driving voltage depends on the dopant concentration of the n-type contact layer. Therefore, it is advisable to determine the dopant concentration of the n-type contact layer according to the growth conditions of the p-type semiconductor layer.
  • the thicknesses of the undoped GaN layer and the dopant-containing n-type semiconductor layer are preferably 1 to 4 / zm, respectively, but are not necessarily limited to this range.
  • As a means to suppress the propagation of crystal defects from the substrate and buffer layer to the upper layer it is possible to increase the film thickness of the undoped G a N layer and the Z or dopant-containing n-type semiconductor layer. Filming induces warpage of the wafer itself, which is not a good idea. In the present invention, it is preferable to set the film thickness of each layer within the above range.
  • the light emitting layer those having various compositions and structures are known, and those having any composition and structure including these known ones can be used in the present invention.
  • a light emitting layer having a multiple quantum well structure is formed by alternately laminating n-type G a N layers as barrier layers and G aln N layers as well layers.
  • For carrier gas select N 2 or H 2 for use. NH 3 and TEG or TMG are supplied with this carrier gas.
  • TM I is further supplied for the growth of the GaInN layer. In other words, it takes a process of supplying In intermittently while controlling the growth time. Since the control of I n concentration is difficult by H 2 is interposed in the carrier gas in the growth of G a I n N layer, and H 2 as the carrier gas in this layer It is not a good idea to use it.
  • the film thickness of the barrier layer (n-type G a N layer) and well layer (G a I n N layer) is selected so that the light emission output is the highest. After the optimal film thickness has been determined, the growth time is selected appropriately according to the amount of Group III raw material supplied.
  • the amount of dopant to the barrier layer also depends on the driving voltage of the light-emitting element, but the concentration is selected according to the growth conditions of the P-type semiconductor layer.
  • the dopant can be either S i or G e.
  • the growth temperature is preferably between 700 and 10:00, but is not necessarily limited to this range.
  • the growth temperature should be selected within a range that does not become too high.
  • the growth temperature of the light emitting layer is set in the range of 70 to 100, but there is no problem even if the growth temperature of the barrier layer and the well layer is changed.
  • the growth pressure is set in balance with the growth rate. In the present invention, the growth pressure is preferably between 20 kP (20 mbar) and 60 kP (60 mbar), but is not necessarily limited to this range.
  • the number of well layers and barrier layers is 3 to 7 for both, but it is not necessarily limited to this range.
  • the light-emitting layer ends with the last barrier layer grown (final barrier layer) o
  • the barrier layer prevents the carrier from overflowing from the well layer—and prevents the overflow of the p-type semiconductor layer. It plays a role in preventing re-desorption of In from the final well layer.
  • a P-type semiconductor layer is a P-type n-type layer consisting of a p-type cladding and a shoulder, which are larger than the light-emitting layer. Sakai also serves as a P-type cladding Say it with a word.
  • the amount of P-type dopant doped into the P-type dielectric layer is 1 X 1
  • the amount of Mg doped in the P-type composite h layer can be controlled by appropriately adjusting the abundance ratio of Ga and M to be circulated during growth. For example,
  • control is limited by the ratio of TMG, which is the raw material for Ga, and CP 2 Mg, which is the raw material for Mg.
  • the P-type contact layer is stacked directly on the final barrier layer of the light-emitting layer, and the p-type contact layer is stacked thereon.
  • the P-type contact layer is the top layer.
  • a conductive translucent oxide, such as ITO, which forms part of the positive electrode is in contact therewith. It is preferable to use G a ⁇ or G a A 1 ⁇ ⁇ for the ⁇ -type cladding layer. In this case, layers having different compositions or lattice constants may be alternately stacked. It is also possible to change the Mg concentration.
  • the growth of the P-type dielectric layer is performed as follows. TMG, TMA, and dopant C p 2 Mg are mixed with carrier gas (hydrogen or nitrogen).
  • the growth temperature at this time is preferably in the range of 98.degree. 9 8
  • the well layer of the underlying light emitting layer may be placed in a high temperature environment during the P-type contact layer growth process, possibly causing thermal damage. There is. In this case, there is a risk of causing a decrease in strength at the time of making the light emitting device or a deterioration in strength under a resistance test.
  • the growth pressure is not particularly limited, but is preferably 50 kP ( 5 0 0 mbar)
  • the reason for this is that when grown below this pressure, the A 1 concentration in the in-plane direction of the p-type contact layer can be made uniform, and if necessary, the A 1 composition of Ga A 1 N can be changed. This is because control is easy when growing a changed p-type contact layer. Under conditions higher than this pressure, the reaction between the supplied TMA and NH 3 becomes prominent, and TMA is consumed before reaching the substrate in the middle of growth, making it difficult to obtain the desired A 1 composition. . The same thing can be said about Mg that has been sent as a punch.
  • the Mg concentration distribution in the two-dimensional direction (in-plane direction of the growth substrate) in the p-type contact layer is uniform (surface of the growth substrate). Internal uniformity).
  • the growth rate V gc of the p-type contact layer is preferably 10 to 2 OnMZ, and more preferably 13 to 2 OnMZ.
  • ⁇ (g / G a) is 0. 7 5 X 1 0 one 2 ⁇ 1. 5 X 1 0 - 2 by weight, more preferably 0. 7 8 X 1 0- 2 ⁇ 1. 2 X 1 0- 2 .
  • the Mg concentration in the p-type contact layer is 1 X 10 19 to 4 X 10 2 () atoms Z cm 3 , preferably 1.5 1 0 19 to 3 10 2 () atoms.
  • Ji 111 3 more preferably can be controlled to 9 X 1 0 19 ⁇ 2 X 1 0 2 fl atoms Z cm 3.
  • the film thickness of the p-type contact layer is preferably 50 to 300 nm, more preferably 100 to 20 nm.
  • the growth rate is determined by measuring the film thickness of the p-type contact layer by TEM observation or spectroscopic ellipsometry of the eight cross sections and dividing it by the growth time.
  • the Mg concentration in the p-type contact layer can be obtained by a general mass spectrometer (SIMS). Next, the negative electrode and the positive electrode provided on the n-type contact layer and the p-type contact layer will be described.
  • the negative electrode those having various compositions and structures are known, and those of any composition and structure can be used in the present invention, including these known materials.
  • Various production methods are known as the production method, and these known methods can be used.
  • a negative electrode formation process is based on the following procedures, for example.
  • a known photolithography technique and a general etching technique can be used for producing the negative electrode forming surface on the n-type contact layer. With these technologies, it is possible to dig from the uppermost layer of the wafer 8 to the position of the n-type contact layer, and to expose the n-type contact layer in the region where the negative electrode is to be formed.
  • the negative electrode material metal materials such as Cr, W, and V as well as Al, Ti, Ni, and Au can be used as the contact metal in contact with the n-type contact layer.
  • a multilayer structure in which a plurality of contact metals are selected from the above metals may be used. When the outermost surface is Au, the bonding property is good.
  • a conductive and translucent oxide such as ITO, IZO, AZO, and ZnO is used for the positive electrode.
  • ITO is the most common conductive oxide, and it is assumed that IT 0 is composed of 50% ⁇ I ⁇ ⁇ 1 0 0% and 0% ⁇ Sn ⁇ 50%. It is preferable. Within this range, low film resistance and high light transmittance can be satisfied. It is particularly preferable that In is 90% and Sn is 10%. I ⁇ contains impurities as Group II 1 1 1 Group I
  • the film thickness of the I T O film is 50 0 500 ⁇ m, which is preferably 50 nm or less, the film resistance of the I T O film itself is high, but the driving pressure is high. On the other hand, if it is thicker than 500 nm, the efficiency of extracting light from the upper surface is lowered, and the light output is not increased.
  • a well-known method can be used. There are resistance heating methods and electron beam heating methods for vacuum deposition, but the electron beam heating method is suitable for the deposition of materials other than metals.
  • a method can be used in which the compound as a raw material is made liquid and applied to the surface to form an oxide film by appropriate treatment.
  • the crystallinity of the I T O film is affected by conditions, but this is not the case if the conditions are properly selected. If an I ⁇ ⁇ film is fabricated at room temperature, heat treatment for transparency is required.
  • a bonding pad layer that forms the bonding pad portion is formed on a part of the surface, and the two are combined to form the positive electrode.
  • a material for the small padding layer those having various structures are known. In the present invention, these well-known materials can be used without particular limitation. Used as negative electrode material In addition to A l, T i, N i, and A u, C r, W, and V can be used without any limitation. However, it is desirable to use a material with good adhesion to the ITO film. The thickness must be sufficiently thick so as not to damage the ITO film against the stress during bonding.
  • the outermost layer is preferably made of a material having good adhesion to the bonding pole, for example, Au.
  • the gallium nitride based semiconductor light emitting device of the present invention can be formed into a lamp by providing a transparent cover by means well known in the art, for example.
  • a white lamp can be manufactured by combining the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention and a power bar having a phosphor.
  • a lamp manufactured from the gallium nitride compound semiconductor light-emitting device of the present invention has high light output and low driving voltage, it can be used in mobile phones, displays, panels, and the like incorporating the lamp manufactured by this technology.
  • Mechanical devices such as electronic devices, automobiles incorporating such electronic devices, convenience stores, game machines, etc. can be driven with low power and can realize high characteristics.
  • battery-powered devices such as mobile phones, game machines, toys, and automobile parts are effective in saving power.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the epitaxial laminated structure 11 used for the LED 10 produced in this example.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of L E D 10.
  • the Mg-doped p-type A 1 G a N contact layer 10 7 was grown according to the following procedure.
  • Vapor phase growth of contact layer 10 7 consisting of Mg doped A 1 G a N layer After ending the process, the carrier gas was immediately switched from H 2 to N 2 , the NH 3 flow rate was reduced, and the nitrogen flow rate of the carrier gas was increased by the reduced amount. Specifically, during the growth, NH 3 , which accounted for 50% of the total gas flow, was reduced to 0.2%. At the same time, the power supply to the high frequency induction heating type heater that was used to heat the substrate 10 1 was stopped.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of this cooling process.
  • the atomic concentrations of magnesium and hydrogen in the contact soot layer 107 were quantified by a general SIMS analysis method. Mg atoms were distributed at a constant concentration of 1.5 X 10 2 () cm- 3 in the depth direction from the surface. On the other hand, the hydrogen atom was present at a substantially constant concentration of 7 X 10 19 c ⁇ 3 .
  • the resistivity was estimated to be approximately 15 OQ cm based on measurement by a general TLM method.
  • LED10 shown in Fig. 3 was fabricated using the above-mentioned epitaxial laminated structure 11 having the P-type contact layer.
  • a positive electrode made of ITO is formed on the p-type contact layer by a sputtering method.
  • the conductive translucent oxide electrode layer made of ITO was formed on the gallium nitride compound semiconductor by the following operation.
  • a conductive translucent oxide electrode layer 110 made of ITO was formed on a ⁇ -type AlGaN contact layer using a known photolithography technique and a lift-off technique.
  • a substrate on which a gallium nitride compound semiconductor layer is stacked is placed in a sputtering apparatus, and is first formed on a p-type A 1 GaN contact layer.
  • ITO with a thickness of about 2 nm was deposited by RF sputtering, and then ITO with a thickness of about 400 nm was deposited by DC sputtering.
  • the pressure during RF deposition was approximately 1.0 Pa, and the supply power was 0.5 kW.
  • the pressure during DC film formation was approximately 0.8 Pa, and the supply power was 0.5 kW.
  • Sputtering can be performed by appropriately selecting conventionally known conditions using a conventionally known sputtering apparatus.
  • a substrate on which a gallium nitride compound semiconductor layer is stacked is housed in a chamber.
  • the chamber vacuum of 1 0-1 0 - evacuated until 7 P a.
  • He, Ne, Ar, Kr, Xe, etc. can be used as the sputtering gas. It is desirable to use A r because it is easily available.
  • One of these gases is introduced into the chamber, and the discharge is performed after the gas reaches 0.1 to 10 Pa. Preferably, it is set in the range of 0.2 to 5 Pa.
  • the supplied power is preferably in the range of 0.2 to 2. O kW.
  • the thickness of the layer to be formed can be adjusted by adjusting the discharge time and supply power.
  • annealing was performed for 1 minute in a nitrogen atmosphere containing 20% oxygen at 80.degree.
  • a first layer of Cr is formed on the I TO film layer 110 and a part of the exposed Si-doped n-type G a N contact layer 10 3 by vacuum deposition.
  • Layer thickness 40 nm
  • a positive electrode bonding pad layer 1 1 1 and a negative electrode 1 0 9 were formed.
  • the bonding pad layer 1 1 1 and the negative electrode 1 0 9 The back surface of the fire substrate 10 0 1 was polished using fine diamond abrasive grains, and finally finished to a mirror surface. Thereafter, the laminated structure 1 1 was cut and separated into 3 5 0; individual square LEDs with m squares.
  • the chip was placed on a simple lead frame (T O-18) for measurement, and the negative electrode and the positive electrode were each connected to the lead frame with gold (A u) wire.
  • a forward current was passed between the negative electrode 10 9 and the positive electrode 110 of the LED chip mount manufactured by such a process, and the electrical characteristics and the light emission characteristics were evaluated.
  • the forward current is 20 mA
  • the forward drive voltage (V f) is 3.0 V
  • the reverse voltage (V r) is 20 V or more. there were.
  • the wavelength of the light emitted from the ITO electrode to the outside is 4 55 nm, and the light output measured with a general integrating sphere is 15 mW.
  • about 10 000 LEDs were obtained from the 5.1 cm (2 inch) diameter eight, excluding defective products, but these characteristics were consistent.
  • a sample with a thickness of 3 nm was prepared by RF sputtering using RF sputtering, annealed for 1 minute, and then used with hard X-rays with Spring-8 energy of 5 9 4 8 e V.
  • the photoelectron spectroscopic analysis was conducted from the IT side. The results are shown in Figs. From Fig. 5, it was confirmed that there is a component with a G a-N bond and a component with a G a-O bond for G a. On the other hand, Fig. 6 shows that N has a component with N-O bond in addition to N-Ga bond.
  • the layer 10 8 containing a compound having a Ga—O bond and an N—O bond between the 1 layer and the type 8 10 03 ⁇ contact layer was obtained.
  • the thickness was determined to be 5.3 nm.
  • Example 2 The laminated structure produced in Example 2 was formed under the same film formation conditions as in Example 1.
  • the gas phase atmosphere was composed of hydrogen and the amount of ammonia was not reduced.
  • LED10 was produced using the above-mentioned epitaxial laminated structure 11 having the P-type contact layer.
  • the method for forming the electrode was also the same as in Example 1. That is, after forming the ITO film, annealing was performed for 1 minute at 80 ° C. in a nitrogen atmosphere containing 20% oxygen.
  • a forward current was passed between the negative electrode 109 and the positive electrode 110 of the LED chip manufactured by such a process, and the electrical characteristics and the light emission characteristics were evaluated.
  • the forward drive voltage (V f) was 3.0 5 V when the forward current was 20 mA, and the reverse voltage (V r) was 20 V or more when the current was IOA. .
  • the wavelength of light emitted from the ITO electrode to the outside was 4 5 5 ⁇ m, and the light output measured with a general integrating sphere was 15.5 mW. Appearance is not good from 18 cm diameter 2 cm. Except for non-defective products, about 100 000 LEDs were obtained, but these characteristics were consistent.
  • a sample with a thickness of 3 nm was prepared by RF sputtering using RF sputtering, annealed for 1 minute, and then used with hard X-rays with Spring-8 energy of 5 9 4 8 e V.
  • the photoelectron spectroscopic analysis was conducted from the IT side. As a result, a layer 108 containing a compound having a Ga_0 bond and an N-0 bond between the ITO layer and the p-type A1GaN contact layer was confirmed.
  • the laminated structure produced in Comparative Example 1 was formed under the same film formation conditions as in Example 1.
  • the gas phase atmosphere was composed of hydrogen and the amount of ammonia was not reduced.
  • heat treatment was performed for 30 seconds at 90 ° C. in a nitrogen atmosphere using another rapid heating type rapid furnace furnace. After the heat treatment was completed, it was left in a nitrogen atmosphere and the temperature was lowered to room temperature. After that, it was left in the furnace for about 1 hour.
  • LED10 was fabricated using the above-mentioned epitaxial multilayer structure 1.1 with the p-type contact layer.
  • the method for forming the electrode was also the same as in Example 1. However, no heat treatment was performed after the I T O film was formed.
  • a forward current was passed between the negative electrode 109 and the positive electrode 110 of the LED chip manufactured by such a process, and the electrical characteristics and the light emission characteristics were evaluated.
  • the forward drive voltage (V f) was 3.6 V, which was significantly higher than Examples 1 and 2.
  • the reverse voltage (V r) when the current was I O A was 20 V or higher.
  • the wavelength of the light emitted from the IT ⁇ electrode to the outside is 4 5 5 ⁇
  • the emission power measured by a general integrating sphere was 13 mW.
  • approximately 10 000 LEDs were obtained, except for defective external appearance, from the 5-lcm (2 inch) diameter wafers.
  • the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention has a good light emission output and a low driving voltage, so that its industrial utility value is very large.

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Abstract

本発明の目的は、発光出力が高く、かつ駆動電圧が低い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することである。　本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をこの順序で有し、該ｎ型半導体層および該ｐ型半導体層に負極および正極がそれぞれ設けられ、該正極が導電性と透光性を持つ酸化物材料からなる発光素子において、該ｐ型半導体層と該正極との間にＧａ−Ｏ結合および／またはＮ−Ｏ結合を有する化合物を含む層が存在することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である。

Description

明 細 書 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法 技術分野
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方 法に関し、 特に、 発光出力が高く、 かつ駆動電圧が低い窒化ガリウ ム系化合物半導体発光素子およびその製造方法に関する。 背景技術
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は発光層を間に介するかた ちで n型半導体層と p型半導体層を配置し、 それぞれに接触する形 で形成された負極および正極から電流を注入することで発光を得て いる。
負極は、 エッチングなどの方法により上方から掘り こんで、 露出 させた n型半導体層上に一層以上の金属薄膜を積層させて形成する 。 正極は p型半導体層上全体に設けられた導電膜とその一部の領域 上に形成した金属多層膜 （ボンディ ングパッ ド） から構成される。 導電膜を設けるのは、 金属多層膜からの電流を p型半導体層全体に 行きわたらせるためである。 これは窒化ガリゥム系化合物半導体材 料の特質として、 材料の膜内横方向への電流拡散が小さいことが関 係している。 すなわち、 導電膜がない場合、 金属多層膜直下の p型 半導体層領域にのみしか電流が注入されず、 発光層への電流供給に 不均一が生じる。 そして発光層からの光は負極である金属薄膜極に 遮蔽されてしまい外部にとりだせなくなってしまう。 そのため金属 多層膜からの電流を P型半導体層全体に行き渡らせるための電流拡 散層として導電膜を使用するのは、 このような理由による。 またこ の導電膜は発光を外部にとりだすために光透過性を備えている必要 がある。 このようなことから窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 に使用する導電膜は透明導電膜が一般的に使われている。
従来は、 正極導電膜の構成として、 N iや C oの酸化物と p型半 導体層に接触するコンタク トメタルとしての A uとを組みあわせた 構成が取られていた （例えば、 特許第 2 8 0 3 7 4 2号公報参照） 。 最近では、 金属酸化物として、 より導電性が高い酸化物、 たとえ ば I T O膜などを用いて、 コンタク トメタルを薄膜化した状態、 あ る はコンタク トメタルを介在させない状態で、 光透過性を高めた 構成が採用されている （例えば、 実開平 6— 3 8 2 6 5号公報参照
I T〇膜などの導電性透明材料からなる層は N i または C oの酸 化物層に比べて、 光透過性に優れているため、 光の取り出しを損な うことなく、 その膜厚を比較的厚くすることが可能である。 N i ま たは C oの酸化物層では膜厚 1 0〜 5 0 n mの範囲で使われている のに対し、 I T O膜などの導電性透明膜では 2 0 0〜 5 0 0 n mの 層厚が利用される。
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の正極導電膜として I T O 膜などの導電性透明膜を使う利点は、 従来の正極導電膜にく らベて 、 高い光透過率を持っため、 同じ注入電流に対して発光出力が高く なることにある。 しかし、 導電性の膜であるけれども、 ρ型半導体 層との接触抵抗が従来の正極導電膜に比較して大きくなり、 使用時 の駆動電圧が高くなるという副作用が生じるのが問題であった。
これに対し、 ρ型半導体層と透光性の導電膜の間に中間層を設け る技術が公開されている。
例えば、 米国特許第 6 0 7 8 0 6 4号明細書に公開された手法に よれば、 素子構造の最表面にあたる ρ型半導体層上に M gを増加さ せた P +層を形成する。 また、 文献 （K一 M C h a n g e t a l . 、 S o l i d— S t a t e E l e c t r o n i c s 4 9 ( 2 0 0 5 ) 、 1 3 8 1 ) などのように、 p型 I riQj G ao. g N層 を形成する場合もある。
しかしながら、 本願発明者が鋭意実験を重ねた結果、 これらの中 間層は良好な結晶を成長させることが困難な極端な条件を用いる必 要があり、 産業上の利用には向かなかった。 例えば、 ゥエーハの最 終段階で P +層を形成することは、 炉内に M gを残留させることに なり、 その次のェピタキシャル成長に影響を与えた。 また、 p型 I no. i G ao. gN層を最後に成膜する場合も、 I nfl l G aQ.9N層を 成膜できるような低温での成長では M gが結晶に取り込まれ難いた め、 大量の M g原料を炉内に流通させる必要があった。 このことが 前述の P +層を形成する場合と同じ影響を招いた。
また、 G a2〇3を p型窒化ガリウム系化合物半導体の電極として 利用する技術も公開されている （例えば、 特開 2 0 0 6 - 2 6 1 3 5 8号公報参照） 。 しかし、 G a2〇3は I T Oなどに比較すると導 電性が低く、 これのみから透明電極を構成すると電流の広がりが充 分でなく、 駆動電圧の上昇や発光領域が限定されることによる発光 出力の低下などが問題となった。 発明の開示
本発明の目的は、 上述の問題点を解決し、 発光出力が高く、 かつ 駆動電圧が低い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製 造方法を提供することである。
本発明者は、 導電性透光性材料よりなる電極を p型窒化ガリウム 系化合物半導体層に接触させる場合に、 その間に G a— O結合およ び または N— O結合を有する化合物を含む層を形成することによ り、 接触抵抗を低減させることが可能になることを見出し、 また、 そのためのいくつかの製造方法を見出して、 本発明を完成した。 即ち、 本発明は下記の発明を提供する。
( 1 ) 基板上に、 窒化ガリウム系化合物半導体からなる、 n型半 導体層、 発光層および p型半導体層をこの順序で有し、 該 n型半導 体層および該 p型半導体層に負極および正極がそれぞれ設けられ、 該正極が導電性と透光性を持つ酸化物材料からなる発光素子におい て、 該 P型半導体層と該正極との間に G a— O結合および Zまたは N —〇結合を有する化合物を含む層が存在することを特徴とする窒 化ガリウム系化合物半導体発光素子。
( 2 ) 酸化物材料が I T〇、 I Z〇、 A Z〇および Z n〇からな る群より選ばれた少なく とも 1種である上記 1項に記載の窒化ガリ ゥム系化合物半導体発光素子。
( 3 ) 基板上に、 窒化ガリ ウム系化合物半導体からなる、 n型半 導体層、 発光層および p型半導体層をこの順序で成膜し、 成膜され た n型半導体層および p型半導体層にそれぞれ負極および導電性と 透光性を持つ酸化物材料からなる正極を形成して窒化ガリウム系化 合物半導体発光素子を製造する際に、 正極の形成工程後に、 p型半 導体層の表面に G a —〇結合および または N —〇結合を有する化 合物を含む層を生じさせる工程を含むことを特徴とする窒化ガリ ウ ム系化合物半導体発光素子の製造方法。
( 4 ) p型半導体層の表面に G a —〇結合および/または N _〇 結合を有する化合物を含む層を生じさせる工程が 3 0 0で以上の温 度での熱処理である上記 3項に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体 発光素子の製造方法。
( 5 ) 熱処理を酸素含有雰囲気下で行なう上記 4項に記載の窒化 ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。 ( 6 ) 基板上に、 窒化ガリ ウム系化合物半導体からなる、 n型半 導体層、 発光層および p型半導体層をこの順序で成膜し、 成膜され た n型半導体層および p型半導体層にそれぞれ負極および導電性と 透光性を持つ酸化物材料からなる正極を形成して窒化ガリウム系化 合物半導体発光素子を製造する際に、 p型半導体層の成膜工程後正 極の形成工程前に、 p型半導体層の表面に G a —〇結合および Zま たは N— O結合を有する化合物を含む層を生じさせる工程を含むこ とを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
( 7 ) p型半導体層の表面に G a 一〇結合およびノまたは N—〇 結合を有する化合物を含む層を生じさせる工程が、 アンモニアを含 まない雰囲気下において 7 0 0で以上の温度で 1分以上熱処理し、 熱処理中または熱処理後酸素含有雰囲気中に曝すことからなる上記 6項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
( 8 ) 熱処理が 5分以上に亘つて行なわれる上記 7項に記載の窒 化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
( 9 ) p型半導体層の表面に G a _〇結合および または N— O 結合を有する化合物を含む層を生じさせる工程が、 p型半導体層成 膜後の降温過程であって、 キャ リアガスが水素以外のガスからなり 、 かつ、 アンモニ 7が導入されていない雰囲気下で降温し、 その後 酸素含有雰囲気中に曝すことからなる上記 6項に記載の窒化ガリウ ム系化合物半導体発光素子の製造方法。
( 1 0 ) 上記 1 または 2項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体 発光素子からなるランプ。
( 1 1 ) 上記 1 0項に記載のランプが組み込まれている電子機器
( 1 2 ) 上記 1 1項に記載の電子機器が組み込まれている機械装 置 導電性透光性酸化物材料を正極として P型窒化ガリウム系化合物 半導体層上にォーミ ック接触させる場合に置いて、 それらの間に G a —〇結合および/または N —〇結合を有する化合物を含む層を形 成することにより、 炉に汚染を残す条件を強いられる中間層を形成 することなく、 良好なォーミ ック接触を得ることができる。 図面の簡単な説明
図 1 は、 本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子の断面を示した 模式図である。
図 2 は、 実施例 1 で作製したェピタキシャル積層構造体の断面模 式図である。
図 3 は、 実施例 1 で作製した窒化ガリ ウム系半導体発光素子の平 面模式図である。
図 4は、 実施例 1 における p型半導体層成長後の降温過程を説明 した図である。
図 5は、 本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子の p型半導体層 と I T O電極を形成したサンプルで測定した、 G a 2 p 3 / 2の硬 X 線励起電子放出スぺク トルである。
図 6 は、 本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子の p型半導体層 と I T〇電極を形成したサンプルで測定した、 N 1 s の硬 X線励起 電子放出スぺク トルである。
図 7 は、 実施例 1で作製したェピタキシャル積層構造体の p型半 導体層側から測定した、 G a 2 p 3 / 2の硬 X線励起電子放出スぺク トルである。
図 8 は、 実施例 1 で作製したェピタキシャル積層構造体の p型半 導体層側から測定した、 N 1 s の硬 X線励起電子放出スペク トルで ある。 発明を実施するための最良の形態
図 1 は本発明に係わる、 I TOからなる正極を p型半導体層上に 直接設けた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模 式図である。 本図において 7が正極であり、 I T Oからなる透光導 電膜 7 aとボンディ ングパッ ド層 7 bから構成されている。 5が p 型半導体層であり、 p型クラッ ド層 5 aおよび p型コンタク ト層 5 bから構成される。 6が G a—〇結合および Zまたは N— O結合を 有する化合物を含む層である。 1 は基板、 2はバッファ層、 3は n 型半導体層、 4は発光層そして 8は負極である。
後述の実施例 1 において、 本発明に関わる電極構造を持つサンプ ルを作製し、 I T Oが形成された p型窒化ガリウム系化合物半導体 層の領域に対して S p r i n g— 8での硬 X線光電子分光 （放射光 エネルギー = 5 9 4 8 e V) によって分析した結果が図 5および図 6に示されている。 光竜子の脱出深さは約 7 n mである。 この分析 方法によると、 I T Oおよび I TOに接触する窒化ガリ ゥム系化合 物半導体の化学結合状態の情報を得ることができる。 図 5には G a の 2 p3/2のピークの分析結果を示し、 図 6には Nの 1 s のピーク の分析結果を示す。
図 5に示すスぺク トルの形状は、 このピークが 2成分の重ね合わ せで出来ていることを示しており、 ピークフィ ッティ ングの手法を 用いてピークを分解すると、 G a _ N結合に由来するピーク （図 5 中のピーク A) と G a— O結合に由来するピーク （図 5中のピーク B ) に当たることが判る。 G a _ N結合は p型窒化ガリウム系化合 物半導体 G a Nに由来するものであろう。 G a _〇結合はガリウム 酸化物 （G a〇x) に由来するものであろう。 これは、 1 丁〇と〇 a Nの界面に、 数 n mもの厚さの G a Ox層が形成されていること を示す。 図 6に示すスぺク トルの形状も、 同様に 2つの成分の重ねあわせ であり、 フィ ッティ ングにより、 G a _ N結合に由来する成分 （図 6中のピーク A) と N—〇結合に由来する成分 （図 6中のピーク C ) が混在することによる分裂であることが判る。 この N—〇結合に 由来する成分の膜厚は G a〇x層の膜厚とほぼ等しいので、 I T O ノ G a N界面には G a— N_ 0 _ G aからなる複合酸化物層が形成 されていることが判る。
これらの分析により、 後述の実施例 1で作製した発光素子は、 導 電性透光性酸化物である I T Oと p型 G a Nとの間に、 ガリウム酸 化物 （G a Ox) を含む層を持つことが判る。 それ以外に、 N—〇 結合を持つ成分が存在している。
要するに、 本発明における G a— O結合および または N—〇結 合を有する化合物を含む層とは硬 X線光電子分光 （放射光エネルギ 一 = 5 9 4 8 e V) 分析によって G a—〇結合に由来するピークお よび Zまたは N— O結合に由来するピークが観察される層を意味す る。 G a—〇結合を有する化合物としては例えば G a2〇3等のガリ ゥム酸化物 （G a〇x) がある。 また、 N—〇結合を有する化合物 の存在を考慮すると、 G a— O結合および または N—〇結合を有 する化合物としては例えば G a (2— y) NyO (3_3y) ( 0≤ y < 1 ) で 表される複合酸化物がある。 さ らに、 正極として I T Oや I Z Oを 用いた場合には、 製造条件によっては、 G ax I nyNz〇（3_3 z) ( x + y = 2 - z , 0≤ z < 1 ) で表される複合酸化物が存在する可 能性もある。
G a一〇結合およびノまたは N—〇結合を有する化合物を含む層 の厚さは次のような方法で求めることができる。
減衰しながら媒体中を進む光の強度は、 I = I。 X E x p (- k 1 ) [ I。 ： 減衰される前の光の強度、 k : 減衰係数、 1 : 媒体中 を進む距離] で表される。 減衰係数は媒体によって固有であるので 、 減衰しながら入射する光の強度の分布と、 それによつて励起され 、 減衰しながら観測される方向へ出射する光の強度の分布を計算す ることができる。 この式に基づき、 存在比を仮定することによって
、 観測された 2つのピークの強度の比を満足する結合の存在比をシ ミュレーショ ンによって求めることが可能である。
このような、 G a —〇結合および Zまたは N —〇結合を有する化 合物を含む層の膜厚は、 1 n m以上で 1 0 0 n m以下であることが 望ましい。 更に望ましくは、 5 ：1 111以上 2 0 11 111以下でぁる。
G a —〇結合および または N— O結合を有する化合物を含む層 の組成は、 如何様にもすることができるが、 5 0 %以上が G a—〇 結合および または N —〇結合を有する化合物であるような窒化ガ リウムの結晶であることが望ましい。
G a 一〇結合および Zまたは N— O結合を有する化合物の存在す る形態も、 自由に選ぶことができる。 層状であることはもちろん島 状やスポッ ト状であっても構わない。 とはいえ、 導電性透光性酸化 物層および窒化ガリウム系化合物半導体層と接触する面積が大きい ことが望ましく、 表面積の 5 0 %以上が G a— O結合および Zまた は N—〇結合を有する化合物であることが望ましい。 また、 層状に 導電性透光性酸化物と窒化ガリウム系化合物半導体の間に存在する ことが最も望ましい。
導電性透光性酸化物電極層と窒化ガリウム系化合物半導体よりな る層との間に G a— O結合および または N —〇結合を有する化合 物を含む層を形成するための方法として、 p型窒化ガリ ウム系化合 物半導体を成膜後、 別途ガリウム酸化物の層を形成する方法がある 。 成膜の手法は、 スパッ夕法、 蒸着法、 C V D法など、 一般的な方 法をなんら問題なく用いることができる。 しかし、 別途成膜する方法では、 成膜用の装置を用意する必要が あり、 設備に掛かる費用が増大する問題があるのと、 工程が長くな る問題がある。
一方、 G a —〇結合および または N —〇結合を有する化合物を 含む層を作製するための方法として、 ァニールを用いる方法がある 。 導電性透光性酸化物電極膜を成膜後にァニールを施すことで、 電 極膜と P型半導体層との反応を促し、 G a —〇結合および/または N —〇結合を有する化合物を含む層を形成することもできる。 電極 膜成膜後のァニールの温度は、 3 0 0 以上であればよく、 4 0 0 で以上であれば更に良く、 6 0 0 以上であることが特に良い。 ァ ニールの時間としては 1 0秒から 3 0分程度が適当である。 ァニ一 ル中の気相の雰囲気ガスとしては、 酸素、 窒素、 アルゴンなどを含 むことができるが、 真空でも構わない。 酸素を含むことが好ましい また、 P型半導体層の成膜後、 導電性透光性酸化物電極膜の成膜 前にァニールを行なってもよい。 窒化ガリウム系化合物半導体は 7 O O t以上の温度でアンモニアを含まない雰囲気にてァニールする と、 窒素抜けを起こすことが知られている。 窒素が抜けてガリウム 過剰となった表面を酸素を含む雰囲気に曝すことで、 表面に G a— 〇結合および/または N —〇結合を有する化合物を含む層を形成す ることができる。 酸素を含む雰囲気とは、 酸素そのものでも構わな いし、 別途酸素とそれ以外のガスを混合したガスを用意しても構わ ないが、 空気としても構わない。 酸素に曝す環境としては、 温度を 適宜選ぶことができるが、 室温で構わない。 ァニールを酸素含有雰 囲気で行なってもよい。
窒化ガリ ウムを熱処理した場合、 熱処理過程の初期に於いては、 結晶中から水素が脱離し、 その後、 結晶の分解によって窒素が脱離 することが知られている （例えば、 I . Wak i , e t a l , J . App l . Phy s. 90, 6500-6504 . (200 1 )参照） 。 本発明の目的のためには、 最表 面において結晶の分解を促し、 窒素元素を脱離させる必要がある。 従って、 熱処理は窒素が脱離を開始するために、 ある程度の時間の 保持が必要となる。 具体的には、 1分以上の保持が必要であり、 5 分以上の保持であれば尚望ましい。
しかし、 別途ァニールする方法では、 上記と同様に装置を用意す る必要があり、 設備に掛かる費用が増大する問題があるのと、 工程 が長くなる問題がある。
窒化ガリウム系化合物半導体を成膜後、 温度を下げる際の気相の 雰囲気ガスを調整することによつても、 ァニールと同様の効果を得 ることができる。
p型の窒化ガリウム系化合物半導体は、 9 0 0でから 1 2 0 0 などの高温で、 水素、 窒素などをキャ リアガスとして使用し、 アン モニァと有機金属を原料として成膜される。 成膜終了.後、 気相雰囲 気を水素を含まない雰囲気とし、 7 0 0で以上の温度でアンモニア の供給も停止することで、 窒化ガリ ウム系半導体の最表面にガリ ウ ム過剰となった表面を形成することができる。 この表面を酸素を含 む雰囲気に曝すことで、 表面に G a _〇結合および または N—〇 結合を有する化合物を含む層を形成することができる。 酸素を含む 雰囲気とは、 酸素そのものでも構わないし、 別途酸素とそれ以外の ガスを混合したガスを用意しても構わないが、 空気としても構わな い。 酸素に曝す環境としては、 温度を適宜選ぶことができるが、 室 温で構わない。 つまり、 室温で空気中に曝すだけで、 0 &— 0結合 および または N— O結合を有する化合物を含む層を形成できる。 この方法は最も安価であり、 工程も冗長とならないので、 好ましい 方法の一つである。 本願発明において、 基板 1 には、 サファイア単結晶 （ A 1 203 ； A面、 C面、 M面、 R面） スピネル単結晶 （M g A l 2〇4) Z n〇単結晶、 L i A l 〇2単結晶、 L i G a〇2単結晶、 M g O単結 晶または G a2〇3単結晶などの酸化物単結晶基板、 および S i 単結 晶、 S i C単結晶、 G a A s単結晶、 A 1 N単結晶、 G a N単結晶 または Z r B2などのホウ化物単結晶などの非酸化物単結晶基板か ら選ばれた公知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。 な お、 基板の面方位は特に限定されず、 そのオフ角は任意に選択され たものでよい。
バッファ層、 n型半導体層、 発光層および p型半導体層を構成す る窒化ガリウム系半導体としては、 一般式 A 1 x I n y G a ,.x.y N ( 0≤ x≤ 1 , 0≤ y < 1 , 0≤ x + y≤ 1 ) で表わされる各種組 成の半導体が公知である。 本発明におけるバッファ層'、 n型半導体 層、 発光層および p型半導体層を構成する窒化ガリウム系半導体に おいても、 一般式 A 1 x I n y G a卜 y N ( 0≤ x≤ 1 , 0≤ y < 1 0≤ x + y≤ 1 ) で表わされる各種組成の半導体を何ら制限な く用いることができる。
これらの窒化ガリウム系半導体を成長する方法としては、 有機金 属気層相成長法 （MO C VD法） 、 分子線エピタキシー成長法 （M B E) 、 ハイ ドライ ド気相成長法 （HV P E) などがある。 望まし くは組成制御が容易であり、 量産性を備えた MO C V D法が適して いるが、 必ずしも同法に限定されるものではない。
MO C VD法を上記半導体層の成長方法として採用する場合は、 G aの原料として、 有機金属材料である ト リメチルガリ ウム （TM G) または卜 リエチルガリ ウム （T E G) を、 A 1 の原料として、 ト リメチルアルミニウム （TMA) またはトリェチルアルミニウム (T E A) を用いる。 また発光層の構成材料原料である Inについ てはその原料として卜リメチルイ ンジウム （TM I ) またはト リエ チルイ ンジウム （T E I ) を用いる。 N源として、 アンモニア （N H 3 ) またはヒ ドラジン （ N 2 H 4 ) などを用いる。
n型半導体層にはド一パン ト材料として、 S i あるいは G e を用 いる。 S i 原料としてモノシラン （ S 1 H4) またはジシラン （ S i 2 H 6 ) を、 G e原料としてゲルマン （ G e H 4 ) または有機ゲル マニウム化合物を用いる。 p型半導体層では、 ドーパン トして M g を使用する。 その原料としては、 例えばビスシクロペン夕ジェニル マグネシウム （ C p 2 M g ) またはビスェチルシクロペン夕ジェニ ルマグネシウム （ （ E t C p ) 2 g ) を用いる。
次に、 成長法として一般的な MO C VD法を採用した各半導体層 について述べる。
(バッファ層）
バッファ層としては、 特許第 3 0 2 6 0 8 7号公報等に開示され た低温バッファ層ゃ特開 2 0 0 3— 2 4 3 3 0 2号公報等に開示さ れた高温バッファ層が知られており、 これらのバッファ層を何ら制 限無く用いることができる。
成長に供する基板 1は前期記載の中から選択できるが、 ここでは サファイア基板を使用した場合について述べる。 同基板を温度、 圧 力の制御の可能な反応空間に設置されだ S i C膜付グラフアイ ト製 治具 （サセプター） 上に配置した状態で、 その場所に水素キャ リア ガス、 窒素キャ リアガスとともに NH3ガスと TMAを送り こむ。 S i C膜付グラフアイ ト製治具は R Fコイルによる誘導加熱によつ て必要な温度にまで加熱され、 基板上では A 1 Nバッファ層が形成 される。 温度として、 A 1 Nの低温バッファを成長させるには 5 0 0でから 7 0 0での温度に制御し、 その後結晶化のために 1 1 0 0 で前後にまで温度を上げる。 高温 A 1 Nバッファ層を成長させる場 合は 2段の加熱ではなく、 一度に 1 0 0 0 から 1 2 0 0での温度 領域に昇温可能である。 なお、 前記記載中の A 1 N単結晶基板、 G a N単結晶基板を使う場合はかならずしもバッファ層を成長させる 必要はなく、 上記基板上に後述する n型半導体層を直接成長させる
(n型半導体層）
n型半導体層としても各種組成および構造のものが公知であり、 本願発明においてもこれら公知のものを含めて、 如何なる組成およ び構造のものも用いることができる。 通常、 n型半導体層はアン ド ープ G a N層からなる下地層、 S iや G e等の n型ド一パン トを含 有し、 負極が設けられる n型コンタク ト層および発光層より も大き なバン ドギャップエネルギ一を有する n型クラッ ド層から構成され る。 n型コンタク ト層は、 n型クラッ ド層および または下地層を 兼ねることができる。
バッファ層の形成に引き続いて、 バッファ層上にアン ドープ G a N層からなる下地層を成長させる。 温度は 1 0 0 0〜 1 2 0 0でと して、 圧力制御下のもと、 NH3ガスと TMGをキャ リアガスとと もにバッファ層上に送り こむ。 TMGの供給量は、 同時に流す NH 3との比率によって制限されるが、 成長速度として l mZ時〜 3 m,時の間に制御することが転位など結晶欠陥の発生を抑制する ことに有効である。 成長圧力については上記の成長速度を確保する うえで、 2 0〜 6 0 k P ( 2 0 0〜 6 0 0 mbar) の領域が最適であ る。
アン ド一プ G a N層の成長に引き続いて、 n型コンタク ト層を成 長させる。 その成長条件はアンドープ G a N層の成長条件と同じで ある。 ド一パン トはキャ リアガスとともに供給されるが、 その供給 濃度は TMG供給量との比率で制御する。 本発明では、 後述する！) 型半導体層を特定の組成にすることにより、 酸化物材料からなる正 極を備えた発光素子の駆動電圧を低くすることができるが、 駆動電 圧は n型コンタク ト層のド一パント濃度によっても当然影響を受け るので、 p型半導体層の成長条件に合わせながら n型コンタク ト層 のド一パント濃度を決定するとよい。 ドーパントの供給条件として は M/G a比 （M= S i または G e ) を 1. O X 1 0 -3〜 6. O X 1 0— 3の範囲にすることで駆動電圧を低くすることが可能となる。 アンドープ G a N層およびドーパント含有 n型半導体層の膜厚は 、 それぞれ l〜 4 /zmとすることが好ましいが必ずしもこの範囲に 限定されるものではない。 基板およびバッファ層からの結晶欠陥の 上層への伝播を抑えるための手段として、 アンドープ G a N層およ び Zまたはドーパント含有 n型半導体層の膜厚を増加させることも 可能であるが、 厚膜化により、 ゥエーハ自体の反りを誘発するので あまり得策ではない。 本発明においては、 前記の範囲内においてそ れぞれの層の膜厚を設定することが好ましい。
(発光層）
発光層としても各種組成および構造のものが公知であり、 本願発 明においてもこれら公知のものを含めて、 如何なる組成および構造 のものも用いることができる。
例えば多重量子井戸構造の発光層はバリア層となる n型 G a N層 と井戸層となる G a l n N層を交互に積層させながら形成する。 キ ャリアガスは N2または H2を選択使用する。 NH3と T E Gあるい は TMGはこのキャリアガスとともに供給する。
G a I n N層の成長ではさらに TM I を供給する。 つまり成長時 間を制御しながら、 断続的に I nを供給するプロセスを取る。 G a I n N層の成長ではキャリアガス中に H2が介在することで I n濃 度の制御が難しくなるので、 この層ではキャリアガスとして H 2を 使う ことは得策ではない。 バリア層 （ n型 G a N層） と井戸層 （G a I n N層） の膜厚は発光出力が最も高くなる条件を選択する。 最 適膜厚が決定されたうえで、 I I I 族の原料供給量ど成長時間を適 宜選ぶ。 バリア層への ドーパント量も発光素子の駆動電圧の高低を 左右する条件となるが、 その濃度は P型半導体層の成長条件に対応 して選択する。 ドーパン トとしては S i あるいは G eの.どちらでも よい。
成長温度は 7 0 0でから 1 0 0 0での間が好ましいが、 必ずしも この範囲に限定されない。 しかし、 井戸層の成長においては高い温 度では I nが成長膜中に取り込まれにく くなり、 実質的に井戸層を 形成することは困難である。 そのため、 成長温度はあまり高くなら ない範囲内で選択する。 本発明では発光層の成長温度として 7 0 0 でから 1 0 0 0での範囲でとしているが、 バリア層と井戸層の成長 温度を変えても支障はない。 成長圧力は成長速度とのバランスを取 りながら設定する。 本発明では、 成長圧力は 2 0 k P ( 2 0 0 mba r ) から 6 0 k P ( 6 0 0 mba r) の間が好ましいが、 必ずしもこの範 囲に限定されるものではない。
井戸層とバリァ層の数であるが、 どちらも 3層から 7層が適切で あるが、 かならずしもこの範囲に限定されない 。 発光層は最後にバ リア層を成長させて終了となる (最終バリァ層 ) o のバリア層は 井戸層からのキャ リアのオーバ —フローを防ぐととちに、 つづく p 型半導体層の成長において、 最終井戸層からの I nの再脱離を防ぐ 役割を果たす。
( P型半導体層）
P型半導体層は、 通常 その上に正極が形成される P型 ン夕ク 卜層とバン ドギヤップェネルギ —が発光層より も大きレ p型クラッ ド、肩から構成される P型 nンタク 卜層は P型クラッ ド、 を兼ねる ことちでさる。
P型 ン夕ク ト層に ドープされる P型ド一パン トの量は 、 1 X 1
0 1 8 C m一 3から l X 1 021 c m—3とすることが望ましい。 P型コン 夕ク h層に ド一プされる M gの量は、 成長時に流通させる G aと M の気相での存在比を適切に調整することで制御できる。 例えば、
M〇 C V Dにおいては、 G aの原料である TMGと、 M gの原料で ある C P 2M gの流通させる比で制御でぎる。
P型半導体層の成長において、 まず発光層の最終バリア層の上に 直接接して P型クラッ ド層を、 その上に p型コンタク ト層を積層さ せる P型コンタク ト層が最上層となり、 その上に正極の一部を構 成する導電性透光性酸化物例えば I TOが接する。 ρ型クラッ ド層 には G a Νまたは G a A 1 Νを用いるこ が好ましレ この際には 組成または格子定数の異なる層を交互に積層させてもよく 、 層の厚 みと 一パン トである M gの濃度を変化させてもよい。
P型 ン夕ク ト層の成長は次のように行う。 TMG、 T M Aおよ びドーパン トである C p2M gを、 キャ リアガス （水素または窒素
、 ないしは両者の混合ガス ) および NH3ガスと共に上記の p型ク ラッ ド層上に送り こむ。
この時の成長温度は 9 8 0 〜 1 1 0 0での範囲が望ましい。 9 8
0 より低い温度であると 、 結晶性の低いェピタキシャル層が形成 されてしまい、 結晶欠陥起因の膜抵抗が大きくなる。 また 1 1 0 0 でより高い温度では、 下層に位置する発光層のうち、 井戸層が P型 コンタク ト層成長過程において高温度の環境下に置かれてしまい、 熱ダメージを受けてしま 可能性がある。 この場合は、 発光素子に した時点での強度低下、 または耐性試験下での強度劣化をもたらす 危険がある。
成長圧力については、 特に制限はないが、 好ましく は 5 0 k P ( 5 0 0 mbar) 以下がよい。 この理由としては、 この圧力以下で成長 を行う と、 p型コンタク ト層中の面内方向の A 1 濃度を均一にする ことができ、 必要に応じて G a A 1 Nの A 1 組成を変化させた p型 コンタク ト層を成長させる場合に、 制御が容易であるからである。 この圧力より高い条件では、 供給した TMAと NH3の反応が顕著 なり、 成長途中にある基板に到達する前に T M Aが消費されてしま い、 目的とする A 1 組成を得ることが困難になる。 ド一パン トとし て送り .こんだ M gについても同様なことが言える。 すなわち、 5 0 k P ( 5 0 0 mbar) 以下の成長条件であると、 p型コンタク ト層中 の 2次元方向 （成長基板の面内方向） の M g濃度分布が均一 （成長 基板の面内均一性） になる。
使用するキャ リアガス流量によって G a A 1 Nコンタク ト層中の 面内方向の A 1 組成、 M g濃度の分布が変化することも知られてい る。 しかし、 キャ リアガス条件より も、 成長圧力の条件によってコ ン夕ク 卜層中の A 1 組成、 M gの面内均一性が大きく左右されるこ とが見出された。 従って 5 0 k P ( 5 0 0 mbar) 以下で 1 0 k P ( 1 0 0 mbar) 以上の成長圧力とすることが適切である。
すなわち前述の成長温度および成長圧力条件下で、 p型コンタク ト層の成長速度 V g cは 1 0〜 2 O n mZ分が好ましく、 1 3〜 2 O n mZ分がさ らに好ましい。 α ( g /G a ) は 0. 7 5 X 1 0一2〜 1. 5 X 1 0 - 2が好ましく、 0. 7 8 X 1 0— 2〜 1. 2 X 1 0—2がさらに好ましい。 この条件下において、 p型コンタク ト層中 の M g濃度を 1 X 1 019〜4 X 1 02 ()原子 Z c m3、 好ましく は 1 . 5 1 019〜 3 1 02 ()原子 /じ 1113、 さらに好ましく は 9 X 1 019〜 2 X 1 02 fl原子 Z c m3に制御することができる。
また、 p型コンタク ト層の膜厚としては 5 0〜 3 0 0 n mが好ま しく、 さらに好ましくは 1 0 0〜 2 0 O n mである。 なお、 成長速度の決定は、 ゥエー八断面の T E M観察または分光 エリプソメ ト リ一により p型コンタク ト層の膜厚を計測し、 成長時 間で割り返して求める。 また、 p型コンタク ト層中の M g濃度は一 般的な質量分析装置 （ S I M S ) によって求めることができる。 次に、 n型コンタク ト層および p型コンタク ト層上に設けられる 負極および正極について説明する。
(負極）
負極としても各種組成および構造のものが公知であり、 本願発明 においてもこれら公知の'ものを含めて、 如何なる組成および構造の ものも用いることができる。 その製造方法も各種の製法が公知であ り、 それら公知の方法を用いることができる。
負極形成工程は例えば以下の手順による。
n型コンタク ト層上への負極形成面の作製には公知のフォ ト リ ソ グラフィー技術および一般的なエッチング技術が利用可能である。 これらの技術により、 ゥエー八の最上層から n型コンタク ト層の位 置にまで掘り込みができ、 負極形成予定の領域の n型コンタク ト層 を露出させることができる。 負極材料としては、 n型コンタク ト層 に接するコンタク トメタルとして A l 、 T i 、 N i 、 A uのほか、 C r、 W、 Vなどの金属材料が利用可能である。 n型コンタク ト層 への密着性を向上させるために、 コンタク トメタルを上記金属から 複数選択した多層構造としてもよい。 なお、 最表面は A uであると ボンディ ング性が良好となる。
(正極）
本発明では正極には I TO、 I Z〇、 A Z O、 Z n〇などの導電 性で透光性を有する酸化物を用いる。
中でも、 I T Oは最も一般的な導電性酸化物であり、 I T〇の組 成としては 5 0 %≤ I η < 1 0 0 %および 0 %< S n≤ 5 0 %とす るのが好ましい。 この範囲内において低い膜抵抗と高い光透過率を 満足することが可能である I nが 9 0 % S nが 1 0 %でめる とが特に好ましい。 I τ〇には不純物として I I 族 1 1 1 族、 I
V族または V族の元素を含んでいてもよい
I T O膜の膜厚は 5 0 5 0 0 η m 望ましい 5 0 n m以下で あれば、 I T O膜自体の膜抵抗力 高くな Ό 、 駆動 圧が高くなる。 また逆に 5 0 0 n mより厚いと上面への発光の取 Ό出し効率が低く なり、 発光出力が高くならない。
I T〇膜の成膜方法については、 公知の 法ゃスパッ夕法 を用いることができる。 真空蒸着には加熱方法に抵抗加熱方式ゃ電 子線加熱方式などがあるが、 金属以外の材料の蒸着には、 電子線加 熱方式が適している。 また、 原料となる化合物を液状とし、 これを 表面に塗布した後然るべき処理により酸化物膜とする方法も用いる ことができる。
蒸着法では条件により I T O 膜の結晶性が影響を受けるが、 条 件を適切に選択すればその限りではない。 なお室温にて I τ〇膜を 作製した場合は、 透明化のための熱処理が必要となる。
スパッ夕法による成膜では、 プラズマの高エネルギーの環境下に 置かれるため、 ρ型コンタク ト層表面がプラズマによるダメージを 受けやすく、 従って接触抵抗が高くなる傾向にあるが、 成膜条件を 工夫するこ.とで Ρ型コンタク ト層表面への影響を少なくすることが できる
I Τ 〇膜成膜のあと 、 その一部表面にボンディ ングパッ ド部を構 成するボンディ ングパッ ド層を作製する 両者を合わせて正極を構 成することになる。 小ンディ ングパッ 卜層の材料として、 各種の構 造のものが知られており、 本発明においても、 これら周知のものを 特に制限されることなく用いることが可能である。 負極材料に用い た A l 、 T i 、 N i 、 A uのほか、 C r 、 W、 Vも何ら制限なく使 用できる。 しかしながら、 I T O膜との密着性の良い材料を用いる ことが望ましい。 厚さはボンディ ング時の応力に対して I T O膜へ ダメージを与えないよう十分厚くする必要がある。 また最表層はボ ンディ ングポールとの密着性の良い材料、 例えば A uとすることが 望ましい。
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子は、 例えば当業界周知の 手段により透明カバーを設けてランプにすることができる。 また、 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有する力 バ一を組み合わせて白色のランプを作製することもできる。
また、 本発明の窒化ガリゥム系化合物半導体発光素子から作製し たランプは発光出力が高く、 駆動電圧が低いので、 この技術によつ て作製したランプを組み込んだ携帯電話、 ディスプレイ、 パネル類 などの電子機器や、 その電子機器を組み込んだ自動車、 コンビユー 夕、 ゲーム機、 などの機械装置類は、 低電力での駆動が可能となり 、 高い特性を実現することが可能である。 特に、 携帯電話、 ゲーム 機、 玩具、 自動車部品などの、 バッテリ駆動させる機器類において 、 省電力の効果を発揮する。 実施例
以下に実施例および比較例により本発明を詳細に説明するが、 本 発明はこれらの実施例のみに限定されるわけではない。
(実施例 1 )
本実施例で作製した L E D 1 0に使用したェピタキシャル積層構 造体 1 1の断面模式図を図 2に示す。 また、 図 3には、 L E D 1 0 の平面模式図を示す。
積層構造体 1 1 は、 サファイアの c面 （ （ 0 0 0 1 ) 結晶面） か らなる基板 1 0 1上に、 A 1 Nからなるバッファ層 （図示せず） を 介して順次、 アンド一プ G a N下地層 （層厚 = 8 z m) 1 0 2、 S i ド一プ n型 G a Nコンタク ト層 （層厚 = 2 m、 キャ リア濃度 = 5 X 1 018 c m"3 ) 1 0 3、 3 1 ド一プ11型 1 11 ().。103().99 ^[ク ラッ ド層 （層厚 = 2 5 n m、 キャ リア濃度 = l X 1 0 18 c m—3) 1 0 4、 6層の S i ドープ G a Nノ リア層 （層厚 = 1 4. O n m、 キ ャ リア濃度 = 1 X 1 017 c m— 3) と 5層のアン ド一プ I n0 2 fl G a o.8 ()Nの井戸層 （層厚 = 2. 5 n m) からなる多重量子構造の発光 層 1 0 5、 M g ドープ p型 A l 0.07 G a0.93 Nクラッ ド層 （層厚 = 1 0 n m) 1 0 6、 及び M g ドープ p型 A l Q 。2 G aQ.98Nコン夕 ク ト層 （層厚 = 1 5 0 n m) 1 0 7を積層して構成した。 上記の積 層構造体 1 1 の各構成層 1 0 2〜 1 0 7は、 一般的な減圧 MO C V D手段で成長させた。
特に、 M g ド一プ p型 A 1 G a Nコンタク ト層 1 0 7は以下の手 順に依り成長させた。
( 1 ) M g ド一プの A l o. Q 7 G a o . 93 Nクラッ ド層 1 0 6の成長 を終了した後、 成長反応炉内の圧力を 2 X 1 04パスカル （P a ) とした。 キャ リアガスは H 2を用いた。
( 2 ) TMG、 TMAおよび NH3を原料とし、 C p 2M gを M g の ドーピング源として、 1 0 2 0 で M g ドープ A 1 G a N層の気 相成長を開始した。
( 3 ) TMG、 TMA、 NH3および C p2M gを、 成長反応炉内 へ 4分間に亘り継続して供給して、 層厚を 0. 1 5 zmとする M g ドープ A l o. 02 G a o. 9 s N層を成長させた。 .
( 4 ) TMG、 TMAおよび C p 2M gの成長反応炉内への供給 を停止し、 M g ド一プA l (). () 2 G a().98N層の成長を停止した。
M g ドープ A 1 G a N層からなるコンタク ト層 1 0 7の気相成長 を終了させた後、 直ちにキャリアガスを H2から N2へと切り替え、 NH3の流量を低下させ、 そして低下させた分だけキャリアガスの 窒素の流量を増加した。 具体的には、 成長中には全流通ガス量のう ち体積にして 5 0 %を占めていた NH3を、 0. 2 %まで下げた。 同時に、 基板 1 0 1 を加熱するために利用していた、 高周波誘導加 熱式ヒー夕への通電を停止した。
更に、 この状態で 2分間保持した後、 NH3の流通を停止した。 このとき、 基板の温度は 8 5 0 tであった。 図 4にこの降温過程を 模式的な図にしたものを示す。
この状態で室温まで冷却後、 成長反応炉ょり積層構造体 1 1 を空 気中に取り出した。
コンタク 卜層 1 0 7のマグネシウム及び水素の原子濃度を一般的 な S I M S分析法で定量した。 M g原子は、 1. 5 X 1 02 () c m— 3 の濃度で、 表面から深さ方向に略一定の濃度で分布していた。 一方 、 水素原子は、 7 X 1 019 c ΙΓΓ3の略一定の濃度で存在していた。 また、 抵抗率は、 一般的な T LM法による測定から、 おおよそ 1 5 O Q c mと見積もられた。
上記の P型コンタク ト層を備えたェピタキシャル積層構造体 1 1 を用いて図 3に示す L E D 1 0を作製した。 先ず、 p型コンタク ト 層上に、 スパッ夕法によって I T〇よりなる正極を形成する。 以下 の操作により、 窒化ガリウム系化合物半導体上に、 I TOよりなる 導電性透光性酸化物電極層の形成を行った。
まず、 公知のフォ トリゾグラフィー技術及びリフ トオフ技術を用 いて、 ρ型 A l G a Nコンタク ト層上に、 I T Oからなる導電性透 光性酸化物電極層 1 1 0を形成した。 導電性透光性酸化物電極層の 形成では、 まず、 窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を スパッタリング装置内に入れ、 p型 A 1 G a Nコンタク ト層上に初 めに厚さが約 2 n mの I T〇を R Fスパッタリ ングにより成膜し、 次に厚さが約 4 0 0 n mの I T〇を D Cスパッタリ ングにより積層 した。 なお、 R F成膜時の圧力はおよそ 1. 0 P a、 供給電力は 0 . 5 kWとした。 D C成膜時の圧力はおよそ 0. 8 P a、 供給電力 は 0. 5 k Wとした。
スパッタリ ングは、 従来公知のスパッタリ ング装置を用いて従来 公知の条件を適宜選択して実施することができる。 窒化ガリウム系 化合物半導体層を積層した基板をチャンバ内に収容する。 チャンバ 内は真空度が 1 0 〜 1 0 - 7 P aとなるまで排気する。 スパッタリ ング用ガスとしては、 H e、 N e、 A r、 K r、 X e等が使用でき る。 入手の容易さから A r とするのが望ましい。 これらの内の一つ のガスをチャンバ内に導入し、 0. l〜 1 0 P aにしたのち放電を 行う。 好ましく は 0. 2〜 5 P aの範囲に設定する。 供給する電力 は 0. 2〜 2. O kWの範囲が好ましい。 この際、 放電時間と供給 電力を調節することによって、 形成する層の厚さを調節することが できる。
I T O膜を成膜後、 酸素を 2 0 %含む窒素雰囲気中で 8 0 0でに おいて、 1分間のァニール処理を施した。
ァニール処理終了後、 負極 1 0 9を形成する領域に一般的な ドラ ィエッチングを施し、 その領域に限り、 S i ドープ n型 G a Nコン 夕ク ト層 1 0 3の表面を露出 （図 3参照） させた。 次に、 真空蒸着 法により、 I TO膜層 1 1 0上の一部、 および露出された S i ドー プ n型 G a Nコンタク ト層 1 0 3上に、 C rからなる第 1 の層 （層 厚 = 4 0 n m) 、 T i からなる第 2の層 （層厚 = 1 0 0 n m) 、 A uからなる第 3の層 （層厚 = 4 0 0 n m) を順に積層し、 それぞれ 正極ボンディ ングパッ ド層 1 1 1および負極 1 0 9を形成した。
ボンディ ングパッ ド層 1 1 1および負極 1 0 9を形成した後、 サ ファイア基板 1 0 1の裏面を、 ダイヤモンド微粒の砥粒を使用して 研磨し、 最終的に鏡面に仕上げた。 その後、 積層構造体 1 1 を裁断 し、 3 5 0 ； m角の正方形の個別の L E D 1 0へと分離した。
次に、 チップを測定用の簡易式のリードフレーム （T O— 1 8 ) 上に載置し、 負極および正極を各々、 金 （A u ) 線でリードフレー ムと結線した。
このような工程で作製した L E Dチップマウントの、 負極 1 0 9 および正極 1 1 0間に順方向電流を流して電気的特性及び発光特性 を評価した。 順方向電流を 2 0 mAとした際の順方向駆動電圧 （V f ) は 3. 0 Vであり、 電流を 1 0 i Aとした場合の逆方向電圧 （ V r ) は 2 0 V以上であった。
また、 I T O電極より外部へ透過して来る発光の波長は 4 5 5 n mであり、 一般的な積分球で測定された発光出力は 1 5 mWであつ た。 なお、 直径 5. 1 c m ( 2インチ） のゥエー八から外観不良品 を除いて約 1 0 0 0 0個の L E Dが得られたが、 ばらつきなく この ような特性を示した。
この L E Dと同様にして、 I T〇を R Fスパッタリングにより 3 n mだけ積層した試料を作製し、 1分間のァニール処理をした後、 S p r i n g— 8のエネルギー 5 9 4 8 e Vの硬 X線を用いて I T 〇側より光電子分光分析を行った。 その結果を図 5および図 6に示 す。 図 5より、 G aに関しては G a— Nの結合を持つ成分と G a— Oの結合を持つ成分が存在することが確認できた。 一方、 図 6より 、 Nに関しては、 N— G aの結合のほかに、 N— Oの結合を持つ成 分が存在することが判った。 即ち、 1 丁 0層と 型八 1 03 ^^コン タク ト層との間に G a— O結合および N— O結合を有する化合物を 含む層 1 0 8が存在することが判った。 また、 図 5から前述の方法 に従って G a— O結合および N—〇結合を有する化合物を含む層の 厚さを求めると 5. 3 n mであった。
なお、 別途、 成長反応炉より取り出した積層構造体 1 1 について 、 S p r i n g— 8のエネルギー 5 9 4 8 e Vの硬 X線を用いて p 型 A 1 G a Nコンタク ト層 1 0 7側より光電子分光分析を行った。 その結果を図 7および図 8に示す。 図 7より、 G aに関しては G a 一 Nの結合を持つ成分と G a—〇の結合を持つ成分が存在すること が確認できた。 図 8より、 Nに関しては、 N— G aの結合のほかに 、 N _〇の結合を持つ成分が存在することが判った。 この段階で G a—〇結合および N— O結合を有する化合物を含む層 1 0 8は存在 していた。
(実施例 2 )
実施例 2で作製した積層構造体は、 実施例 1 と同様の成膜条件に て成膜した。
ただし P型コンタク ト層を成膜後、 温度を下げる工程において、 気相雰囲気を水素で構成し、 アンモニアの減量も行わなかった。
上記の P型コンタク ト層を備えたェピタキシャル積層構造体 1 1 を用いて L E D 1 0を作製した。 電極の形成の方法も、 実施例 1 に 倣った。 即ち、 I T〇膜を成膜後、 酸素を 2 0 %含む窒素雰囲気中 で 8 0 0でにおいて、 1分間のァニール処理を施した。
このような工程で作製した L E Dチップの、 負極 1 0 9および正 極 1 1 0間に順方向電流を流して電気的特性及び発光特性を評価し た。 順方向電流を 2 0 mAとした際の順方向駆動電圧 （V f ) は 3 . 0 5 Vであり、 電流を I O Aとした場合の逆方向電圧 （V r ) は 2 0 V以上であった。
また、 I T O電極より外部へ透過して来る発光の波長は 4 5 5 η mであり、 一般的な積分球で測定された発光出力は 1 5. 5 mWで あった。 なお、 直径 5. 1 c m ( 2インチ） のゥェ一八から外観不 良品を除いて約 1 0 0 0 0個の L E Dが得られたが、 ばらつきなく このような特性を示した。
この L E Dと同様にして、 I T〇を R Fスパッタリングにより 3 n mだけ積層した試料を作製し、 1分間のァニール処理をした後、 S p r i n g— 8のエネルギー 5 9 4 8 e Vの硬 X線を用いて I T 〇側より光電子分光分析を行った。 その結果、 I T O層と p型 A 1 G a Nコン夕ク ト層との間に G a _ 0結合および N—〇結合を有す る化合物を含む層 1 0 8が確認された。
(比較例 1 )
比較例 1で作製した積層構造体は、 実施例 1 と同様の成膜条件に て成膜した。
ただし Pコンタク ト層を成膜後、 温度を下げる工程において、 気 相雰囲気を水素で構成し、 アンモニアの減量も行わなかった。 M〇 C V D炉から取り出した後、 別のランプ加熱式のラピッ ドサ一マル ァニ一ル炉を用いて窒素雰囲気中で 9 0 0でにて 3 0秒間の熱処理 を行った。 熱処理の終了後、 窒素雰囲気で放置し、 室温まで温度を 下げた。 その後も、 1時間ほど炉内に放置した。
上記の p型コンタク ト層を備えたェピタキシャル積層構造体 1.1 を用いて L E D 1 0 を作製した。 電極の形成の方法も、 実施例 1 に 倣った。 ただし、 I T O膜を成膜後の熱処理は実施しなかった。
このような工程で作製した L E Dチップの、 負極 1 0 9および正 極 1 1 0間に順方向電流を流して電気的特性及び発光特性を評価し た。 順方向電流を 2 0 mAとした際の順方向駆動電圧 （V f ) は 3 . 6 Vであり、 実施例 1や 2 と比較すると、 有意なほど高かった。 電流を I O Aとした場合の逆方向電圧 （V r ) は 2 0 V以上であ つた。
また.、 I T〇電極より外部へ透過して来る発光の波長は 4 5 5 η mであり、 一般的な積分球で測定された発光出力は 1 3 mWであつ た。 なお、 直径 5. l c m ( 2インチ） のゥエー八から外観不良品 を除いて約 1 0 0 0 0個の L E Dが得られたカ ばらつきなく この ような特性を示した。
この L E Dと同様にして、 I T〇を R Fスパッタリングにより 3 nmだけ積層した試料を作製し、 S p r i n g _ 8のエネルギー 5 9 4 8 e Vの硬 X線を用いて I TO側より光電子分光分析を行った 。 その結果、 G aに関しては G a— Νの結合を持つ成分のみ、 Nに 関しては、 N— G aの結合を持つ成分のみが存在することが判った
産業上の利用可能性
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、 良好な発光出 力を有し、 駆動電圧が低下するので、 その産業上の利用価値は非常 に大きい。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 基板上に、 窒化ガリウム系化合物半導体からなる、 n型半導 体層、 発光層および p型半導体層をこの順序で有し、 該 n型半導体 層および該 P型半導体層に負極および正極がそれぞれ設けられ、 該 正極が導電性と透光性を持つ酸化物材料からなる発光素子において 、 該 p型半導体層と該正極との間に G a —〇結合および Zまたは N 一〇結合を有する化合物を含む層が存在することを特徴とする窒化 ガリウム系化合物半導体発光素予。
2 . 酸化物材料が I T〇、 I Z〇、 A Z Oおよび Z n〇からなる 群より選ばれた少なく とも 1種である請求項 1 に記載の窒化ガリ ウ ム系化合物半導体発光素子。
3 . 基板上に、 窒化ガリウム系化合物半導体からなる、 n型半導 体層、 発光層および p型半導体層をこの順序で成膜し、 成膜された n型半導体層および p型半導体層にそれぞれ負極および導電性と透 光性を持つ酸化物材料からなる正極を形成して窒化ガリ ウム系化合 物半導体発光素子を製造する際に、 正極の形成工程後に、 p型半導 体層の表面に G a — O結合および/または N— O結合を有する化合 物を含む層を生じさせる工程を含むことを特徴とする窒化ガリウム 系化合物半導体発光素子の製造方法。
4 . p型半導体層の表面に G a _〇結合および または N _〇結 合を有する化合物を含む層を生じさせる工程が 3 0 0 以上の温度 での熱処理である請求項 3 に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発 光素子の製造方法。
5 . 熱処理を酸素含有雰囲気下で行なう請求項 4に記載の窒化ガ リ ウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
6 . 基板上に、 窒化ガリ ウム系化合物半導体からなる、 n型半導 体層、 発光層および P型半導体層をこの順序で成膜し、 成膜された n型半導体層および p型半導体層にそれぞれ負極および導電性と透 光性を持つ酸化物材料からなる正極を形成して窒化ガリ ウム系化合 物半導体発光素子を製造する際に、 P型半導体層の成膜工程後正極 の形成工程前に、 p型半導体層の表面に G a— O結合および また は N _〇結合を有する化合物を含む層を生じさせる工程を含むこと を特徴とする窒化ガリゥム系化合物半導体発光素子の製造方法。
7 . p型半導体層の表面に G a —〇結合および Zまたは N— O結 合を有する化合物を含む層を生じさせる工程が、 アンモニアを含ま ない雰囲気下において 7 0 0で以上の温度で 1分以上熱処理し、 熱 処理中または熱処理後酸素含有雰囲気中に曝すことからなる請求項 6 に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
8 . 熱処理が 5分以上に亘つて行なわれる請求項 7 に記載の窒化 ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
9 . p型半導体層の表面に G a— O結合および または N —〇結 合を有する化合物を含む層を生じさせる工程が、 p型半導体層成膜 後の降温過程であって、 キャ リアガスが水素以外のガスからなり、 かつ、 アンモニアが導入されていない雰囲気下で降温し、 その後酸 素含有雰囲気中に曝すことからなる請求項 6 に記載の窒化ガリウム 系化合物半導体発光素子の製造方法。
1 0 . 請求項 1 または 2 に記載の窒化ガリ ウム系化合物半導体発 光素子からなるランプ。
1 1 . 請求項 1 0 に記載のランプが組み込まれている電子機器。
1 2 . 請求項 1 1 に記載の電子機器が組み込まれている機械装置
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