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技術 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法

出願人 星和電機株式会社
発明者 徳寺重和山路太平
出願日 2000年1月24日 (20年10ヶ月経過) 出願番号 2000-014390
公開日 2001年8月3日 (19年3ヶ月経過) 公開番号 2001-210867
状態 特許登録済
技術分野 半導体の電極 発光ダイオード 半導体レーザ LED素子(パッケージ以外) 半導体レーザ
主要キーワード ソルゲル法 真空蒸着膜 Ga層 高エネルギー状態 Zn層 P型GaN層 P型電極 酸化錫膜
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この項目の情報は公開日時点(2001年8月3日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

目的

機械的強度に優れ、高温高湿度環境下でも劣化しにくく、光の外部への取り出し効率の高い窒化ガリウム系半導体発光素子とする。

構成

窒化ガリウム系半導体発光素子において、P型GaN半導体層の上に少なくとも一層目真空蒸着法によって形成された電流拡散層としての膜厚が100Å以上のITO膜を有する。

概要

背景

窒化ガリウム系半導体GaN系半導体)は、かねてから困難であった青色発光を実現して発光ダイオード素子に用いられるものである。P型GaN系半導体は実現可能ではあるものの、比抵抗が2Ωcm程度と他の半導体に比べて非常に大きい。なお、P型GaAs系半導体型では、比抵抗が0.001Ωcm程度と低いものが簡単に得られる。

概要

機械的強度に優れ、高温高湿度環境下でも劣化しにくく、光の外部への取り出し効率の高い窒化ガリウム系半導体発光素子とする。

窒化ガリウム系半導体発光素子において、P型GaN半導体層の上に少なくとも一層目真空蒸着法によって形成された電流拡散層としての膜厚が100Å以上のITO膜を有する。

目的

本発明は、上記事情に鑑みて創案されたもので、機械的強度に優れ、高温高湿度環境下でも劣化しにくく、光の外部への取り出し効率の高い窒化ガリウム系半導体発光素子と、その製造方法とを提供することを目的としている。

効果

実績

技術文献被引用数
5件
牽制数
14件

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請求項1

窒化ガリウム系半導体発光素子において、P型GaN半導体層の上に電流拡散層として少なくとも一層目スパッタリング法以外の方法によって形成された透明導電膜を有することを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。

請求項2

前記スパッタリング法以外の方法が、真空蒸着法レーザーアブレーション法又はゾルゲル法のいずれかであることを特徴とする請求項1記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。

請求項3

前記電流拡散膜の一層目は、ITO膜酸化錫膜酸化インジウム膜又は酸化亜鉛膜のいずれかからなることを特徴とする請求項1又は2記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。

請求項4

前記電流拡散膜の一層目は、膜厚が約100Å以上であることを特徴とする請求項1、2又は3記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。

請求項5

前記電流拡散層の一層目は、真空蒸着法により形成されたITO膜であり、このITO膜はSnO2 が2〜20%であることを特徴とする請求項1記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。

請求項6

前記電流拡散層の一層目は、膜厚が約100Å以上であり、その上にスパッタリング法でITO膜を積層したことを特徴とする請求項5記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。

請求項7

窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法において、P型GaN半導体層の上に電流拡散層として少なくとも一層目がスパッタリング法以外の方法によって透明導電膜を形成することを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。

請求項8

前記スパッタリング法以外の方法が、真空蒸着法、レーザーアブレーション法又はゾルゲル法のいずれかであることを特徴とする請求項7記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。

請求項9

前記透明導電膜は、ITO膜、酸化錫膜、酸化インジウム膜又は酸化亜鉛膜のいずれかからなることを特徴とする請求項7又は8記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。

請求項10

窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法において、P型GaN半導体層の上に真空蒸着法によりSnO2 が2〜20%であるITO膜を室温で形成した後、加熱処理することで透明導電膜とすることを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、青色発光が可能な発光ダイオードレーザーダイオード窒化ガリウム系半導体発光素子と、この窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法とに関する。

背景技術

0002

窒化ガリウム系半導体GaN系半導体)は、かねてから困難であった青色発光を実現して発光ダイオード素子に用いられるものである。P型GaN系半導体は実現可能ではあるものの、比抵抗が2Ωcm程度と他の半導体に比べて非常に大きい。なお、P型GaAs系半導体型では、比抵抗が0.001Ωcm程度と低いものが簡単に得られる。

発明が解決しようとする課題

0003

従って、従来の発光ダイオードのようなボンディングパッド兼用の金属電極を付けると、その金属電極の真下部分しか発光しない。さらに金属電極に遮られるため、取り出させる光はごく僅かになってしまう。そこで、例えば、Ni/Au薄膜からなる半透明補助電極を使用して取り出せる光を多くしようとしているが、Ni/Au薄膜も50%程度の透過率であるので、光の外部への取り出し効率はそれほど高くない。また、Ni/Au薄膜の膜厚は100Å程度と非常に薄いため、機械的強度も弱く、高温高湿度環境下での劣化等の問題点を有している。

0004

本発明は、上記事情に鑑みて創案されたもので、機械的強度に優れ、高温高湿度環境下でも劣化しにくく、光の外部への取り出し効率の高い窒化ガリウム系半導体発光素子と、その製造方法とを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0005

本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、P型GaN半導体層の上に電流拡散層として少なくとも一層目スパッタリング法以外の方法によって透明導電膜を形成している。

0006

また、前記スパッタリング法以外の方法が、真空蒸着法レーザーアブレーション法又はゾルゲル法のいずれかであることが望ましい。

0007

さらに、前記透明導電膜は、ITO膜酸化錫膜酸化インジウム膜又は酸化亜鉛膜のいずれかからなることが望ましい。

発明を実施するための最良の形態

0008

図1は本発明の第1の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図、図2は本発明の第3の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図である。

0009

まず、GaN系半導体発光素子のP型GaN半導体層用の電流拡散層として要求される条件は、P型GaN半導体層との密着性が優れていること、P型GaN半導体層との接触抵抗が小さいこと、膜形成時にP型GaN半導体層を高抵抗化させないこと、比抵抗値が低く薄いものでも電流拡散できること、光の透過率が高いこと、等が挙げられる。

0010

そこで、透過率が高く、導電性もよく、すでに液晶ディスプレイパネル等で実用化されているITO膜であるならば、前記条件及びは充足できると考えられる。しかし、ITO膜を形成する手法として現在一般的に用いられているスパッタリング法では、前記条件は充足できるが、プラズマ高エネルギー状態に晒されるP型GaN半導体層が損傷を受けるためか、接触抵抗が高いためか、低動作電圧素子を得ることはできなかった。

0011

ゾルゲル法でITO膜を形成してみたところ、ITO膜自体の比抵抗は、スパッタリング法で形成されたITO膜より10倍以上高いものの、動作電圧の低い素子を得ることができた。かかる実験結果から、前記条件のP型GaN半導体層とITO膜との間の接触抵抗が低いものができているのではないかと推測した。

0012

そこで、スパッタリング法は前記条件を充足させられないと考えられた。そこで、スパッタリング法以外で比抵抗の十分低いITO膜の形成方法を検討したところ、真空蒸着法により可能であることが判明した。この真空蒸着法で形成されたITO膜は動作電圧が十分低いものであることが確認できた。

0013

また、膜厚が約100Å以上のITO膜を真空蒸着膜で形成しておき、その上に比抵抗の小さいITO膜をスパッタリング法でさらに形成してみたところ、動作電圧が十分に低いものを得ることができた。

0014

以下に、実際に実験によって判明した事実を説明する。

0015

次に、本発明の第1の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について説明する。まず、サファイア基板100にサーマルクリーニングを施す。すなわち、減圧MOCVD装置(減圧有機金属気相成長装置)内で水素を供給しながら、サファイア基板100を1050℃に加熱することでクリーニングするのである。

0016

次に、サファイア基板100の温度を510℃にまで低下させ、窒素、水素をキャリアガスとしてアンモニアトリメチルアルミニウムを供給してサファイア基板100の表面に低温AlNバッファ層200を形成する。このAlNバッファ層200は約200Åである。

0017

次に、サファイア基板100の温度を1000℃に上昇させて、前記キャリアガスを用いてアンモニア、トリメチルガリウムを流す。この時、同時にN型不純物としてのシリコンを用いてN型GaNであるSiドープGaN層300を約1.2μm成長させる。

0018

次に、トリメチルインジウム断続的に流しつつ、N型GaNとN型InGaNの多重量子井戸MQW)からなる活性層400をSiドープGaN層300の上に約400Å成長させる。

0019

さらに、サファイア基板100の温度を950℃として、AlNとP型GaNの超格子からなるキャップ層500を前記活性層400の上に成長させる。このキャップ層500は約200Åの厚さである。

0020

次に、キャリアガスに不純物としてマグネシウムを加え、MgドープGaN層600を約0.2μm成長させる。

0021

次に、サファイア基板100の温度を800℃にし、減圧MOCVD装置内の圧力を6650Pa(50torr)とする。これと同時に、アンモニア等の水素原子を含む混合ガス雰囲気から、速やかに減圧MOCVD装置内の雰囲気を不活性ガスである窒素ガス切り替える。

0022

そして、キャリアガスとして窒素ガスを用い、トリメチルジンクを流して、膜厚が数十ÅのZn膜700を形成する。そして、このままの状態、すなわち窒素雰囲気下でサファイア基板100の温度を約100℃以下にまで低下させる。

0023

この後、真空蒸着装置にZn膜700までが形成されたサファイア基板100を入れ、SnO2 が10%のITOを電子銃で加熱、蒸発させて膜厚が約0.5μmITO膜800をZn膜700の上に形成する。この際のサファイア基板100の温度は200℃にした。

0024

このようにして形成されたITO膜800の比抵抗は、0.0005Ωcm以下になっていることが確認された。

0025

次に、ITO膜800の一部をドライエッチングし、SiドープGaN層300の一部を露出させる。この露出したSiドープGaN層300にN型電極910を、前記ITO膜800の一部にP型電極920を形成する。この両電極910、920は、Ti/Au薄膜を約500Å/5000Å程度蒸着したものである。

0026

このようにして製造された窒化ガリウム系半導体発光素子は、20mAの電流で動作電圧が3.5Vと非常に低く、光の外部への取り出し効率も、従来のNi/Au薄膜からなる半透明補助電極よりも約60%向上していることが確認された。

0027

上述した第1の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法では、ITO膜800を形成する際にサファイア基板100の温度を200℃にしたが、ITO膜800を形成する際にサファイア基板100の温度を室温とすることも可能である(第2の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法)。ただし、ITO膜800を形成する際のサファイア基板100の温度を室温とすると、形成されるITO膜800は不透明になるため、ITO膜800を透明化するための後工程としての加熱が必要になる。この後工程は、空気雰囲気中において、サファイア基板100の温度を約300℃で10分間程度加熱処理すれば、結晶化して透明になる。透明化した後、空気雰囲気を窒素雰囲気に換えて降温すれば、より比抵抗の小さい膜が得られる。

0028

なお、この第2の実施の形態に係る製造方法では、ITO膜800を形成するまでの工程は、上述した第1の実施の形態に係る製造方法と同一であるので再度の説明は省略する。

0029

このような第2の実施の形態に係る製造方法で製造された窒化ガリウム系半導体発光素子のITO膜800の比抵抗は、0.0005Ωcm以下になっていることが確認された。しかも、上述したものと同様のN型電極910とP型電極920とを形成すると、20mAの電流で動作電圧が3.5Vと非常に低く、光の外部への取り出し効率も、従来のNi/Au薄膜からなる半透明補助電極よりも約60%向上していることが確認された。この点も上述した製造方法のものと同様である。

0030

なお、この第2の実施の形態に係る製造方法では、室温でITO膜800を形成するため、フォトレジストを利用したリフトオフでのパターン形成が可能になるという利点がある。なお、第1の実施の形態に係る製造方法では、フォトレジストが加熱で変質するために、リフト・オフでのパターン形成ができないため、ITO膜800の形成後にエッチング等の手段によってパターンを形成する必要があるが、ITO膜800を透明化するための加熱工程は不要になる。いずれの方法でも、高品質なITO膜800を形成することができるので、前後の工程や他の部分への熱や薬品等の影響との兼ね合いから方法を選択することが望ましい。

0031

本発明の第3の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、ITO膜800を形成するまでの工程は、上述した第1の実施の形態に係る製造方法と同一であるので再度の説明は省略する。

0032

この第3の実施の形態に係る製造方法では、ITO膜800を2回に分けて形成する。すなわち、真空蒸着法にて形成された約100Åの下側ITO膜810の上に、スパッタリング法で約0.5μmの上側ITO膜820を形成するのである。

0033

この方法で製造された窒化ガリウム系半導体発光素子のITO膜800の比抵抗は、0.0002Ωcm以下になっていることが確認された。しかも、上述したものと同様のN型電極910とP型電極920とを形成すると、20mAの電流で動作電圧が3.4Vと非常に低く、光の外部への取り出し効率も、従来のNi/Au薄膜からなる半透明補助電極よりも約60%以上も向上していることが確認された。

0034

このように、単にスパッタリング法のみでITO膜を形成すると良質な電流拡散層が形成されず、真空蒸着法や、真空蒸着法の後にスパッタリング法による2層構造のITO膜とすると良質なものとなる理由は以下のようなものと考えることができる。

0035

すなわち、スパッタリング法では、MgがドープされたMgドープGaN層600がプラズマという高エネルギー状態に晒されるため、結晶欠陥が生じ、その結果、MgドープGaN層600の表層が高抵抗化するためと考えられる。また、P型Ga層であるMgドープGaN層600の表面からプラズマ中の水素イオン侵入し、高抵抗化するためと考えることもできる。

0036

一方、真空蒸着法では、スパッタリング法よりはるかに低いエネルギー状態粒子衝突するだけであり、しかも水素イオンも存在しない。このため、MgドープGaN層600の表層等の高抵抗化が生じないために、良質な電流拡散層が形成されると考えれらる。特に、2層構造のITO膜800では、先に真空蒸着法によって下側ITO膜810を形成するため、スパッタリング法によって上側ITO膜820を形成しても、下側ITO膜810のプラズマの内部への侵入を防ぐため、MgドープGaN層600の表層の結晶欠陥等が生じないためと考えられる。

0037

この考察から、ITO膜800の形成にあたっては、プラズマのような高エネルギー状態の粒子をP型GaN層であるMgドープGaN層600を直撃しないようなすればよいと考えられる。従って、必ずしも電子銃によって蒸着源を加熱する真空蒸着法ではなく、レーザーアブレーション法やCVD法であってもよいと考えられる。

0038

本発明の第4の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、ITO膜800を形成するまでの工程は、上述した第1の実施の形態に係る製造方法と同一であるので再度の説明は省略する。

0039

この方法でのITO膜800の形成は、ゾルゲル法で行った。すなわち、膜厚約1μmとし、焼成温度を550℃、焼成時間を1時間とした。このソルゲル法で製造されたITO膜800の比抵抗は、0.005Ωcm以下になっていることが確認された。これは、上述した蒸着法やスパッタリング法よりも若干大きい。上述したものと同様のN型電極910とP型電極920とを形成すると、20mAの電流で動作電圧が3.6〜4.0Vと十分に低く、光の外部への取り出し効率も、従来のNi/Au薄膜からなる半透明補助電極よりも約50%以上も向上していることが確認された。

0040

なお、このゾルゲル法の場合、焼成温度が400℃以下であると、良好なITO膜800が形成されない。また、蒸着法やスパッタリング法による方法よりも再現性に劣るという問題点もある。

0041

なお、上述した4つの実施の形態では、透明導電膜としてITO膜800を用いているが、本発明がこれに限定されることはない。例えば、第2の実施の形態において下側ITO膜810の代わりに、膜厚が約100ÅのZnOやSnO2を真空蒸着法で形成し、その上にSnO2 が10%の上側ITO膜820を真空蒸着法で約0.5μm程度形成することでもよい。この場合、動作電圧が0.1〜0.2V程度増加しただけであり、実用上はまったく問題がないことが実験で確認されている。なお、この実験では、下側ITO膜810の代わりに形成したZnOやSnO2 にまったくドーピングを施していないので、ZnOの場合にはAl等の、SnO2 の場合にはSb等の適当なドーピングを施してやれば通常のITO膜800と変わらない動作電圧を有するものができると考えられる。

発明の効果

0042

本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体発光素子において、P型GaN半導体層の上に少なくとも一層目がスパッタリング法以外の方法によって形成された透明導電膜からなる電流拡散層を有する。

0043

スパッタリング法以外の方法で形成された透明導電膜からなる電流拡散層を有する窒化ガリウム系半導体発光素子は、動作電圧が十分に低く、光の取り出し効率も従来のものより高いことが確認されている。

0044

また、前記スパッタリング法以外の方法としては、真空蒸着法、レーザーアブレーション法又はゾルゲル法のいずれかが望ましい。すなわち、P型GaN半導体層に結晶欠陥等を発生させない方法である真空蒸着法、レーザーアブレーション法又はゾルゲル法のいずれかが望ましいのである。

0045

また、前記電流拡散層は、ITO膜、酸化錫膜、酸化インジウム膜又は酸化亜鉛膜のいずれかからなることが望ましい。

0046

特に、前記電流拡散層は、少なくとも一層目が真空蒸着法により形成されたITO膜であり、このITO膜はSnO2 が2〜20%であることが望ましい。

0047

前記透明導電膜の一層目を真空蒸着法で成膜し、その膜厚を100Å以上とすると、その上にさらにスパッタリング法で二層目以降を成膜しても、動作電圧は低く、また機械的強度や高温高湿度環境下であっても耐久性に優れているものになっていることが確認できた。

図面の簡単な説明

0048

図1本発明の第1の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図である。
図2本発明の第2の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図である。

--

0049

100サファイア基板
200AlNバッファ層
300SiドープGaN層
400活性層
500キャップ層
600MgドープGaN層
700Zn層
800N型電極
900 P型電極

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