JP2002016287A - 半導体素子及び光半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＧａＡｓ系半導体で形成される光半導体素子
の特性を向上させる。 【解決手段】 ｎ型ＧａＡｓＰ半導体層５と、その上に
形成されるｐ型ＧａＡｓＰ半導体層５ａとｎ型ＧａＡｓ
半導体基板１に対して形成される第1電極２１と、ｐ型
ＧａＡｓ系半導体層５ａに対して形成され、ＩＩＩ族の
Ｂ，Ａｌ、Ｇａ又はＩｎを２ａｔ％から８ａｔ％ドーパ
ントとして含むＺｎＯ層１５(第２電極)と、さらにその
上の一部領域に形成される上部電極１７とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ｐ−ｎ接合を有し
たＧａＡｓ系化合物半導体素子の技術に関するものであ
り、特に光学特性及び電気特性の優れた光半導体素子に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＡｓ系半導体材料を用いてｐ−ｎ接
合を形成することにより種々の機能性素子が作製でき
る。例えば発光ダイオード(Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎ
ｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ)は、一般的にｎ型ＧａＡｓ系半
導体層とｐ型ＧａＡｓ系半導体層からなるｐ−ｎ接合を
有しており、さらにｎ型及びｐ型半導体層の各々に対し
て電気的にコンタクトするための金属電極を形成してい
る。

【０００３】各々の金属電極間にｐ−ｎ接合に対して順
方向となるように電流を印加すると、ｐ−ｎ接合界面近
傍領域において、電子と正孔との再結合に起因した発光
現象が生じる。発生した光は、例えばｐ型半導体表面側
(光学面)から取り出し、種々の目的に応じて利用され
る。

【０００４】ＬＥＤの発光効率および発光特性の向上を
図るためには、半導体結晶の質やｐ型又はｎ型の半導体
層構造と形状が重要である。また同じように、光学面を
形成するｐ型又はｎ型に電気的にコンタクトするための
金属電極の構造なども極めて重要である。

【０００５】ＧａＡｓ系光半導体素子、例えばＬＥＤの
構造には、大まかに第１の構造と第２の構造の少なくと
も２種類の構造がある。

【０００６】第1の構造を有するＬＥＤは、主にｐ−ｎ
接合がホモ接合の構造を有しており、以下の工程のよう
に作製される。

【０００７】例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板にｎ型ＧａＡｓ
Ｐを気相成長させた上に、窒化珪素(ＳｉＮ_x)により拡
散防止膜を形成する。ＳｉＮ_xの一部領域に開口を形成
する。

【０００８】Ｚｎを熱拡散することにより、開口を通し
てその一部領域中にｐ型ＧａＡｓＰ層を形成する。ｎ型
ＧａＡｓ基板側から光を取り出すことは困難なため、一
般的にｐ型ＧａＡｓＰ層表面を光学面とすることが多
い。

【０００９】ｎ型ＧａＡｓ基板には電気的にコンタクト
した、例えばＡｕＳｎなどの金属オーミック電極が形成
する。光学面として用いられるｐ型側は、ｐ型ＧａＡｓ
Ｐ層の一部領域のみ電気的にコンタクトした例えばＡｌ
などの金属オーミック電極を形成する。

【００１０】第２の構造を有するＬＥＤは、主にｐ−ｎ
接合がシングル又はダブルヘテロ接合の構造を有してお
り、以下のような工程により作製される。

【００１１】例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型ＧａＡ
ｓバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧ
ａＩｎＰ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ型
ＧａＡｓ層を順次に有機金属気相成長方法（ＭＯ−ＣＶ
Ｄ）などを用いて形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板には電気
的なコンタクトした、例えばＡｕＧｅなどの金属オーミ
ック電極が形成され、光学面として用いるｐ型側にはｐ
型ＧａＡｓ層の一部領域と電気的にコンタクトした例え
ばＡｌなどの金属オーミック電極が形成される。

【００１２】第１の構造または第２の構造においてどち
らのＬＥＤに対しても、ｐ型またはｎ型の各半導体層に
対し電極から十分な電流を注入するために、半導体層と
電極との間のコンタクト抵抗は十分に低いことが必要条
件である。そのため電極面積や形状及び金属材料を変え
ることによりコンタクト抵抗の改善を図っている。しか
しその反面、不透明な金属電極はｐ−ｎ接合近傍から発
生した光を遮るため、電極面積を大きく形成することは
望ましくない。

【００１３】そこで、第１の構造を有するＬＥＤに対し
ては、光学特性を向上させるために透明導電膜を利用し
たものが考えられた。その作製工程を以下に示す。

【００１４】例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板にｎ型ＧａＡｓ
Ｐを気相成長させた上に、窒化珪素（ＳｉＮｘ）により
拡散防止膜を形成する。ＳｉＮｘの一部領域に開口を形
成する。Ｚｎを熱拡散することにより、開口を通してそ
の一部領域中にｐ型ＧａＡｓＰ層を形成する。少なくと
もｐ型ＧａＡｓＰ層が形成される一部領域を覆う広い領
域上に、例えばインジュウム錫酸化物（ＩＴＯ）などに
より透明導電膜を形成する。前記一部領域を避けた領域
に例えばＡｌなどによりワイヤーボンディング用の上部
電極を形成する。

【００１５】ｐ−ｎ接合に対して光学面が透明な電極に
覆われたＬＥＤを作製することができ、出射光は不透明
な金属電極などに遮られることがなく、またｐ−ｎ接合
界面に対して均一な分布で電流の注入も行える。そのた
め光学面近傍において発光強度分布も均一であり、かつ
光量の増加も期待できる。

【００１６】また第２の構造を有するＬＥＤに対して
も、光学特性を向上させるために同様に透明導電膜を利
用したものが考えられた。その作製工程を以下に示す。

【００１７】例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型ＧａＡ
ｓバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧ
ａＩｎＰ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ型
ＧａＡｓ層を有機金属気相成長方法（ＭＯ−ＣＶＤ）な
どを用いて順次形成する。

【００１８】光学面として用いるｐ型ＧａＡｓ層上に、
例えばＩＴＯなどにより透明導電膜を形成する。透明導
電膜の一部の領域上にワイヤーボンディング用の上部電
極を例えばＡｌなどで形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板側に
は電気的にコンタクトした、例えばＡｕＧｅなど金属の
オーミック電極が形成される。

【００１９】低抵抗なＩＴＯなどの透明導電膜は電流拡
散の機能を有することが可能である。印加電流は上部電
極を経て前記の透明導電膜内において広く拡散され、均
一にｐ型ＧａＡｓ層に注入される。

【００２０】ところが、光学面における前記ｐ型ＧａＡ
ｓ層と前記ＩＴＯなどの透明導電膜の界面において、電
気的に大きなコンタクト抵抗をもつことが知られてい
る。

【００２１】そこで、オーミックコンタクト補助膜とし
てＡｕＺｎ等の金属層を前記ｐ型ＧａＡｓ層と前記ＩＴ
Ｏなどの透明導電膜の間に挿入するなどの改善が行われ
ている。

【００２２】但し、前記ＡｕＺｎ層は光学的に不透明な
金属であるため、前記ＡｕＺｎ層の厚みを１０ｎｍ下と
極端に薄い膜で形成することにより光の透過率の向上に
努めている。

【００２３】ＧａＡｓ系半導体素子、例えば半導体発光
素子であるＬＥＤにおいて、特に前記第１の構造または
前記第２の構造における光学面上に形成した前記ＩＴＯ
などの透明導電膜は、電極または電流拡散層として用い
ることにより光学特性を改善できる可能性がある。

【００２４】ここで、ｐ型又はｎ型の光学面における半
導体表面に形成される透明導電膜とは、ＩＴＯの他にＺ
ｎＯ，Ｉｎ₂Ｏ₃，ＳｎＯ₂の薄膜を含んでいる。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにＧａＡｓ
系光半導体素子の素子構造において、透明導電膜を電極
や電流拡散層として利用することにより光学特性を向上
できることは周知の事実である。透明導電膜としては、
主にＩＴＯの他にＺｎＯ，Ｉｎ₂Ｏ₃，ＳｎＯ₂などを含
み、これらに関して、多くの研究開発が行われている。

【００２６】ところが、ＺｎＯ，Ｉｎ₂Ｏ₃又はＳｎＯ₂
などは材料自体の抵抗率が高いため、電流注入型の半導
体発光素子、例えばＬＥＤ等に利用するのは困難であ
る。さらに、ＧａＡｓ系半導体層上にＺｎＯ，Ｉｎ₂Ｏ₃
又はＳｎＯ₂をそれぞれ形成した場合、ＧａＡｓ系半導
体とのオーミックコンタクトが得られたという報告はな
い。

【００２７】また、透明電極膜の中でＩＴＯは、形成方
法によって低抗率が１０^-4Ω・ｃｍと十分に低く電流拡
散層として有望視されているが、ｐ型又はｎ型ＧａＡｓ
系半導体とオーミックコンタクトが得られていない。非
常に大きなコンタクト抵抗を有することが知られてい
る。

【００２８】一部上記の問題を解決する手法として、ｐ
型ＧａＡｓ系半導体層と透明導電膜との間にオーミック
コンタクト補助膜として例えばＡｕＺｎ等の極端に薄い
金属層を挿入した素子構造が提案されている。一部の論
理的な解釈として、金属膜を極端に薄く例えば１０ｎｍ
以下の厚みにすることによって光の透過率を向上させる
ことが可能であり、ｐ型ＧａＡｓ系半導体層とＡｕＺｎ
層との間ではオーミックコンタクトが得られ、またＡｕ
Ｚｎ層と透明導電膜との間ではオーミックコンタクトが
得られるとしている。

【００２９】ところが、ＡｕＺｎ等の金属層を挿入する
と、薄くても少なからず透過率は低下する。膜厚ばらつ
きに起因にした透過率のばらつきも生じ、光量ばらつき
の制御は困難である。特に半導体発光素子の順方向駆動
電圧の増加を引き起こしている例もあり、ｐ型ＧａＡｓ
系半導体層と十分なオーミックコンタクトが得られてい
るとは言えない。また、ｎ型ＧａＡｓ系半導体層と透明
導電膜との電気的なコンタクトに関しては一切言及され
ていない。

【００３０】従って、ＧａＡｓ系半導体上に形成可能な
透明導電膜を用いた光学特性及び電気特性の優れた透明
電極又は透明電流拡散層はなかった。

【００３１】一般的に、半導体とその他の物質の接合界
面は、半導体側のバンド構造、特にフェルミ準位、アク
セプター準位またはドナー準位、さらに金属などの仕事
関数などを考慮に入れることによって種々の接合状態が
理解されている。

【００３２】ところで、ＩＴＯなどの透明導電膜は、主
にｎ型の導電特性を示すものが多い。数多く存在する酸
化物透明導電膜は電気的なバンド構造など未だよく分か
っていない。特に半導体的な性質と金属的な性質の両面
を合わせ持っているがために、その他の金属、半導体ま
たはその他の物質と接合を有する際においても、その界
面状態はほとんど解明されていない。

【００３３】ＧａＡｓ系半導体と酸化物透明導電膜の接
合に関する現象は、ほとんど調べられていない。

【００３４】本発明の目的は、光半導体素子として用い
られるＧａＡｓ系半導体表面において電流注入層となる
新規な透明導電膜を形成し、ＧａＡｓ系半導体で形成さ
れる半導体発光素子の電気および光学特性を向上させる
ことにある。

【００３５】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、ＧａＡｓ系半導体層と、前記ＧａＡｓ系半導体層上
に形成され、２ａｔ％から８ａｔ％のＩＩＩ族のＢ，Ａ
ｌ、Ｇａ又はＩｎのうち少なくとも一種類をドーパント
として含むＺｎＯ層とを有する半導体素子が提供され
る。

【００３６】２ａｔ％から８ａｔ％のＩＩＩ族のＢ，Ａ
ｌ、Ｇａ又はＩｎのうち少なくとも一種類をドーパント
として含むＺｎＯ層が新規な透明電極又は透明電流拡散
層として提供される。

【００３７】ＺｎＯは２ａｔ％から８ａｔ％のＩＩＩ族
のＢ，Ａｌ、Ｇａ又はＩｎのうち少なくとも一種類をド
ーパントとして添加することによって、ＺｎＯ内のキャ
リア濃度を高くすることが可能となり、さらに低抗率を
低下させることができる。ＧａＡｓ系半導体において、
ｐ型のドーパントして寄与するＺｎを元素に含むＺｎＯ
層は、界面におけるコンタクト抵抗を低減し、電気特性
および光学特性を向上させることができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
する前に、透明導電膜を半導体発光素子ＬＥＤに対して
透明電極または透明電流拡散層として利用した場合、Ｌ
ＥＤの光学特性及び電気特性における効果について以下
にまとめる。

【００３９】（１）均一な電流注入 導電性の高い透明導電膜で広くｐ−ｎ接合上を覆うよう
に形成することが可能なため、ｐ−ｎ接合面に対して十
分に均一な電流を注入することができる。特に局所的な
電流集中を防止することができ、電流による素子劣化が
抑えられ素子の寿命が長くなる。

【００４０】（２）均一な光学面近傍の発光強度 ｐ−ｎ接合部に対して均一な電流分布の注入を行うこと
ができるため、ｐ−ｎ接合部から均一な発光強度分布が
得られる。光学面においても同様に均一な発光強度分布
が得られる。

【００４１】（３）電極直下の出射光の制御 電極からｐ−ｎ接合に注入される電流は電極直下の密度
が最も高い。その領域におけるｐ−ｎ接合からの発光強
度も電流密度に比例して大きい。しかしながら、光学面
に不透明な金属電極が形成されている場合、ｐ−ｎ接合
から最も大きな発光強度をもつ出射光はその不透明な電
極によって吸収または素子内部へと反射される。

【００４２】透明導電膜を透明電極とし形成することに
より、ワイヤーボンディング又はフリップチップなどに
必要となる金属電極は、ｐ−ｎ接合からの出射光を遮ら
ない位置に形成することができる。

【００４３】さらに、透明導電膜を透明電流拡散層とし
て形成した場合、電極から注入された電流は局所的に集
中することがなく十分に拡散することにより、電極直下
以外の領域からより多くの発光強度が得られ、外部量子
効率が向上する。

【００４４】尚、半導体発光素子において外部量子効率
とは、ある注入電流により電子と正孔の再結合過程を経
て得られる発光現象が、半導体素子外部に取り出せる光
の効率を言う。注入されたエネルギー(電流)がどれだけ
外部に光エネルギーとして取り出せたかを示す指標であ
る。

【００４５】（４）駆動電圧の低下 透明導電膜はｐ−ｎ接合ほぼ全面を覆うように形成する
ことができるため、透明導電膜と半導体層との接合面積
を大きく占有することが可能となる。単位面積あたりの
コンタクト抵抗がほぼ同じ値を取る場合、接合面積が大
きいほど総合のコンタクト抵抗は小さくなる。従って発
光素子の駆動電圧を小さくすることも可能であり、消費
電力を抑制することができる。

【００４６】（５）屈折率差の利用 屈折率の異なる材料により界面を形成している場合、ス
ネルの法則から臨界角が求められる。臨界角の大きさは
屈折率差によって決定され、特に光の進行方向が屈折率
の高い物質から低い物質へ向かう場合、界面の屈折率差
が大きいほどその臨界角は小さい。臨界角以上の角度で
入射した光は界面で全反射される。例えばＬＥＤにおい
てｐ−ｎ接合からの発光を議論する場合、内部とは屈折
率が約ｎ _s＝３．７を有するＧａＡｓ系半導体であり、
外部とは屈折率がｎ_air＝１を有する空気のことを指
す。屈折率差が大きいため、ｐ−ｎ接合からの出射光は
その界面において内部へと反射される割合が大きい。空
気とＧａＡｓ系半導体の間の屈折率を有する透明導電膜
を用いた場合、屈折率差は小さくなり、臨界角は大きく
なる。従って、ｐ−ｎ接合からの出射光は素子内部に反
射される割合が減少し、外部取り出し効率が向上する。

【００４７】（６）干渉現象の利用 ある波長の光は干渉現象から、光の強め合う条件が決定
される。膜厚をｄとすると式ｄ＝（２ｍ−１）λ／４ｎ
が導かれる。透明導電膜は空気とＧａＡｓ系半導体の間
の屈折率ｎを有している。中心波長λとして上記の条件
式を満足させることにより、光学多層膜のように、透明
導電膜を反射防止膜として機能させることが可能であ
る。但し、ｍは正の整数とする。

【００４８】又、本明細書におけるＩＩＩ−Ｖ族のＧａ
Ａｓ系の光半導体素子を構成する材料の中には、ＧａＡ
ｓの他に、ＧａＰの２元結晶、ＧａＡｓＰ,ＡｌＧａＡ
ｓ,ＩｎＧａＡｓなどの３元混晶、ＡｌＧａＩｎＰ，Ｉ
ｎＡｌＧａＡｓなどの４元混晶も含まれる。

【００４９】光半導体素子には、基本的に発光素子と受
光素子とが含まれる。

【００５０】ＺｎＯの電気及び光学特性について、簡単
に説明する。

【００５１】ＺｎＯは結晶構造や各種のドーパントによ
りさまざまな電気特性および光学特性を有する。例えば
電気特性は、強誘電体的な性質から半導体または金属的
な幅広い性質を示す。特にＩＩＩ族のＢ，Ａｌ、Ｇａ又
はＩｎのうち少なくとも一種類を適度にドーピングした
ＺｎＯは抵抗率が低く、かつ、光の透過率の高い光学的
にも優れた性質を有することができる。

【００５２】図1に、ＺｎＯ膜の実効キャリア濃度ｎ，
移動度μ及び抵抗率ρと、ＺｎＯ中の例えばＧａの含有
量(ａｔ％)との関係を示す。

【００５３】図1に示すように、２ａｔ％(アトミックパ
ーセント)以上２０ａｔ％以下、特に２ａｔ％から８ａ
ｔ％までの間の割合でＧａを含むＺｎＯ膜を形成する
と、キャリア濃度が高く、かつ、移動度もある程度大き
い膜、すなわち抵抗率ρが低い膜を形成できる。このよ
うな膜は、電極膜または電流拡散層として用いるための
要件を備えている。

【００５４】図２に、ＧａドープのＺｎＯ膜の分光特性
を示す。横軸は波長λ、縦軸は光の透過率を示してい
る。４００ｎｍから８００ｎｍにおける波長領域におい
て、ＧａドープのＺｎＯ膜の厚さが、２４０ｎｍ、５０
０ｎｍ，８７０ｎｍ，９９０ｎｍと変化しても、８０％
以上の透過率を示している。従って、十分な光透過特性
を有する導電膜すなわち透明導電膜といえる。

【００５５】尚、図２の分光特性を測定したときのＺｎ
Ｏ透明導電膜中のＧａ含有量は、約４ａｔ％である。

【００５６】次に本発明の実施の形態について図面を参
照して説明する。

【００５７】図３に、本発明の第１実施の形態による半
導体発光素子の構造を示す。図３（ａ）は、半導体発光
素子の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＩＩＩａ−Ｉ
ＩＩｂ線断面図を示す。

【００５８】図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、
半導体発光素子Ａは、ｎ型不純物、例えばＴｅがドーピ
ングされているｎ型ＧａＡｓ基板１と、その上に形成さ
れ、例えばＴｅ又はＳｉがドーピングされているｎ型Ｇ
ａＡｓＰ層５とを含む。

【００５９】ｎ型ＧａＡｓＰ層５の一部領域である第１
領域Ｃは、例えば、Ｚｎ(ｐ型不純物)がドーピングされ
ているｐ型ＧａＡｓＰ層５ａと、第１領域Ｃに対応する
領域に開口部Ｏを有し、ｎ型ＧａＡｓＰ層５の表面に形
成されている拡散防止用の窒化珪素膜（ＳｉＮｘ）１１
と、第１領域Ｃを含み第１領域よりも広い第２領域Ｅ上
に形成されているＩＩＩ族のＢ，Ａｌ、Ｇａ又はＩｎの
うち少なくとも一種類を適度にドーピングしたＺｎＯ例
えばＧａドープＺｎＯ膜１５とを含む。

【００６０】ｎ型ＧａＡｓＰ層５とｐ型ＧａＡｓＰ層５
ａとにより、ｐ−ｎ接合が形成される。

【００６１】第２領域Ｅの端部近傍であって、第１領域
Ｃを含まない第３領域Ｆ上に、ワイヤーボンディング又
はフリップチップ用の電極、例えばＡｌからなる上部電
極１７が形成される。上部電極１７は、開口部Ｏ(第1領
域Ｃ)上を覆ってはいない。

【００６２】ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面に、例えばＡｕ
Ｓｎを含む下部電極２１が形成されている。

【００６３】次に、図３（ａ）、図３（ｂ）に示す発光
素子の製造工程について図４から図６までに基づき説明
する。

【００６４】図４（ａ）に示すようにｎ型ＧａＡｓ基板
1を準備する。

【００６５】図４（ｂ）に示すようにｎ型ＧａＡｓ基板
1上にｎ型ＧａＡｓＰ層５を、例えば気相成長方法など
により結晶成長する。

【００６６】図４（ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓＰ
層５上にＳｉＮｘ膜１１を薄膜形成装置、例えばプラズ
マＣＶＤにより形成する。

【００６７】図４（ｄ）に示すように、フォトリソグラ
フィー技術により開口Ｏを有するレジストパターンＰＲ
を形成する。レジストパターンＰＲをマスクとして、Ｓ
ｉＮｘ膜１１をドライエッチング法によりエッチング
し、開口Ｏに対応する領域のＳｉＮｘ膜を除去する。そ
の後、レジストパターンＰＲを除去する。

【００６８】図４（ｅ）に示すように、ＳｉＮｘ膜１１
をマスクとしてｐ型不純物であるＺｎを熱拡散する。Ｓ
ｉＮｘ膜１１は、Ｚｎの拡散を防止するための拡散防止
膜として機能する。ｎ型ＧａＡｓＰ層５のうち開口部に
対応する領域にｐ型ＧａＡｓＰ５ａが形成される。

【００６９】ｎ型ＧａＡｓＰ層５とｐ型ＧａＡｓＰ層５
ａとによりｐ−ｎ接合が形成され、発光領域を形成す
る。

【００７０】次に、図５（ｆ）に示すように、ｐ型Ｇａ
ＡｓＰ層５ａ上に、ＩＩＩ族のＢ，Ａｌ、Ｇａ又はＩｎ
のうち少なくとも一種類を適度にドーピングしたＺｎ
Ｏ、例えばＧａドープＺｎＯ膜１５を形成する。Ｇａド
ープＺｎＯ膜１５は、前記第1領域Ｃを十分に覆い、広
く形成される。

【００７１】ＧａドープＺｎＯ膜１５の形成方法につい
ては、後述する。

【００７２】図５(ｇ)に示すように、フォトリソグラフ
ィー技術とドライエッチング又はウェットエッチング法
を用いて、発光素子ごとにＺｎＯ膜１５を分離し、領域
ＥにＧａドープＺｎＯ膜１５を残す。

【００７３】図５（ｈ）に示すように、ＧａドープＺｎ
Ｏ膜１５の端部上領域Ｆに、ワイヤーボンディング用の
上部電極１７をＡｌなどを用いて形成する。上部電極１
７は、前記第1領域Ｃ上を覆っていない。

【００７４】ｎ型ＧａＡｓ基板1の裏面側に、下部電極
２１を、ＡｕＳｎなどを用いて形成する。このようにし
て、上面を発光面(光学面)とする半導体発光素子が形成
される。

【００７５】尚、上記と同様の工程により、上面を受光
面とする半導体受光素子を形成することも可能である。

【００７６】次に、ＩＩＩ族のＢ，Ａｌ、Ｇａ又はＩｎ
のうち少なくとも一種類をドーパントとして含むＺｎＯ
膜を形成するための製造装置及び製造方法について説明
する。

【００７７】ＺｎＯ膜は、少なくともＩＩＩ族のＢ，Ａ
ｌ、Ｇａ又はＩｎのうち少なくとも一種類をドーパント
として含み、これらのドーパントがＺｎＯ膜中にて十分
に活性化し、かつキャリアとして機能する必要がある。
上記の条件を満たすＺｎＯ膜を形成可能な装置として例
えばイオンプレーティング装置またはスパッタ装置など
がある。

【００７８】特に、ここでは図６に示すようなイオンプ
レーティング装置Ｘを用いて、ＩＩＩ族の元素であるＧ
ａをドーパントとしてＺｎＯ膜を形成した例を示す。イ
オンプレーティング装置Ｘは、アーク放電により高品質
な透明電極膜を形成することのできる装置である。

【００７９】図６に示すように、イオンプレーティング
装置Ｘは、真空チャンバ３１と、真空チャンバ３１内を
真空排気するための真空ポンプ３３と、真空チャンバ３
１内の上部に配置されている基板ホルダー３５と、基板
加熱ヒータ３５ａと、基板ホルダー３５の下方に配置さ
れる陽極３７及び陰極４１(プラスマガン)と、真空チャ
ンバ３１内にＡｒガスを導入するためのカスバルブ４２
とを含む。

【００８０】尚、Ａｒガスの流量は、マスプローコント
ローラにより調節できる。真空ポンプ３３に対して、そ
の排気速度を調節することができるバルブ３３ａが設け
られている。

【００８１】プラスマガン４１から放出され陽極３７上
に収束されるプラズマＰは、陽極３７上のＧａを適量添
加したＺｎＯ固体ソース４７に照射される。加熱された
固体ソース４７は、蒸発及びイオン化過程を経て、基板
上に高晶質な透明導電膜を形成する。

【００８２】実施例１に対して、素子構造に透明導電膜
を形成していない一般的な半導体発光素子Ｂを比較例と
して示す図７には半導体発光素子Ｂの構造図を示す。

【００８３】比較例および実施例１は、第１の構造を有
するＬＥＤであり、ｐ−ｎ接合がホモ接合の構造を有し
ている。

【００８４】図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は、図７
（ａ）のＶＩＩａ−ＶＩＩｂ線断面図である。

【００８５】図７に示した比較例による半導体発光素子
Ｂは、ｎ型不純物、例えばＴｅがドーピングされている
ｎ型ＧａＡｓ基板７１と、その上に形成され、例えばＴ
ｅ又はＳｉがドーピングされているn型ＧａＡｓＰ層７
５を含む。

【００８６】ｎ型ＧａＡｓＰ層７５の一部領域である第
１領域Ｇに、例えば、Ｚｎ(ｐ型不純物)がドーピングさ
れているｐ型ＧａＡｓＰ層７５ａと、第１領域Ｇに対応
する領域に開口部Ｏ２を有し、ｎ型ＧａＡｓＰ層７５の
表面に形成されている拡散防止用の窒化珪素膜（ＳｉＮ
ｘ）８１と、第１領域Ｇ上の開口部Ｏ２の一部領域を覆
うように第２上部電極８５を例えばＡｌにより形成す
る。

【００８７】Ａｌにより形成された第２上部電極８５の
光学面における形状は必ずしも図7のような形状の必要
はなく、ｐ型ＧａＡｓＰの一部領域において接合部を有
していればよい。

【００８８】ｎ型ＧａＡｓＰ層７５とｐ型ＧａＡｓＰ層
７５ａとにより、ｐ−ｎ接合が形成される。

【００８９】ｎ型ＧａＡｓ基板７１の裏面に、例えばＡ
ｕＳｎを含む下部電極９１が形成されている。

【００９０】図８に、実施例1と比較例との半導体発光
素子における順方向電流一電圧特性グラフを示す。

【００９１】実施例1と比較例との順方向電流一電圧特
性を比較すると、発光開始電圧は、実施例1と比較例の
両者においてほぼ同じ値を示している。

【００９２】ｐ型ＧａＡｓＰとＧａドープＺｎＯ透明導
電膜との接合界面において、大きな電気的コンタクト抵
抗を有する場合、発光開始電圧も大きくなる。発光開始
電圧が比較例に示した一般的なＬＥＤとほぼ同じ値を示
したことは、ｐ型ＧａＡｓＰとＧａドープＺｎＯ透明導
電膜との接合界面において、小さなコンタクト抵抗を有
していることを示唆している。

【００９３】従って、ｐ型ＧａＡｓＰとＧａドープＺｎ
Ｏ透明導電膜との接合はオーミックコンタクトまたはオ
ーミックライクコンタクトの電気特性を示すと考えられ
る。

【００９４】さらに、発光開始電圧より大きい電圧の領
域において、実施例1による順方向電流−電圧特性の傾
きが、比較例による電流一電圧特性の傾きに比べて大き
な傾きを有している。

【００９５】ｐ型ＧａＡｓＰとＧａドープＺｎＯ透明導
電膜との接合がオーミックコンタクトまたはオーミック
ライクコンタクトの特性を示す場合、単位面積あたりの
コンタクト抵抗と接合面積との両者をともに考慮する
と、総合的なコンタクト抵抗は接合面積が大きいほど減
少する。

【００９６】従って、コンタクト抵抗が発光素子の電流
−電圧特性に反映され、グラフの傾きが大きくなるもの
と解される。

【００９７】透明導電膜はｐ−ｎ接合から発せられる光
を遮ることなく、素子上に電流注入用の電極として広い
接合面積で形成が可能なため、素子の駆動電圧の低下が
期待できる。駆動電圧の低下は、消費電力低下の効果へ
と結びつけることも可能である。

【００９８】また、比較実験として実施例１のような構
造においてＩＴＯを透明電極として形成した場合、非常
に大きなコンタクト抵抗を有し、電流−電圧特性の傾き
が非常に小さいため正確な電気特性は測定できなかっ
た。

【００９９】本実施例1による半導体発光素子に用いら
れるＧａドープＺｎＯ透明導電膜を用いると、従来の透
明導電膜では実現できなかった半導体材料に対して良好
なオーミックコンタクトまたはオーミックライクコンタ
クトの電気特性が得られる。

【０１００】そこで、発明者はｐ型及びｎ型ＧａＡｓ系
半導体と透明導電膜との界面に関する実験を行った。特
にｐ型およびｎ型ＧａＡｓ系半導体とＩＩＩ族のＢ，Ａ
ｌ、Ｇａ又はＩｎのうち少なくとも一種類を適度にドー
ピングしたＺｎＯ層とのコンタクト抵抗をＴＬＭ（Ｔｒ
ａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌ）理論によ
り測定および算出した。

【０１０１】その結果、ｐ型およびｎ型ＧａＡｓ系半導
体と例えばＧａドープＺｎＯ膜との間の接合界面では、
それぞれともにコンタクト抵抗の値は１０^-4から１０^-6
Ω・ｃｍ²と非常に小さいことが確認できた。ｐ型およ
びｎ型ＧａＡｓ系半導体とのそれぞれの界面においてオ
ーミックコンタクトが得られた。

【０１０２】従って、ｎ型ＧａＡｓ系半導体材料が光学
面となるような半導体発光素子の構造に対しても、ｐ型
と同様にＩＩＩ族のＢ，Ａｌ、Ｇａ又はＩｎのうち少な
くとも一種類を適度にドーピングしたＺｎＯ透明導電膜
が、電極または電流拡散層として利用可能であることを
示唆している。

【０１０３】加えて、実施例１と比較例における光学特
性について測定した。基準となる順方向電流に対しての
光量を比較すると、比較例より本実施例１の方が１．５
倍以上も大きく、光学面近傍において均一な発光強度分
布が得られた。

【０１０４】次に、本発明の実施例２による発光素子に
ついて図面を参照して説明する。

【０１０５】図９（ａ）は、本発明の第２実施例による
発光素子の平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）の
ＩＸａ−ＩＸｂ線断面図である。

【０１０６】図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、実
施例２による発光素子Ｄは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上
にｎ型ＧａＡｓバッファ層１０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ
クラッド層１０５、ＡｌＧａＩｎＰ活性層１０７、ｐ型
ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１１、ｐ型ＧａＡｓ層１１
３、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１２１を有機金属気相
成長方法（ＭＯ−ＣＶＤ）などを用いて順次形成する。

【０１０７】フォトリソグラフィー技術およびエッチン
グ技術によりｐ型ＧａＡｓ層１１３上の一部領域Ｈにの
み電流ブロック層１２１が形成される。

【０１０８】尚、電流ブロック層１２１は、ｎ型ＡｌＧ
ａＩｎＰ又は絶縁膜（誘電体材料）により形成しても良
い。

【０１０９】さらに、ＩＩＩ族のＢ，Ａｌ、Ｇａ又はＩ
ｎのうち少なくとも一種類を適度にドーピングしたＺｎ
Ｏ例えばＧａドープＺｎＯ透明導電膜１１７をイオンプ
レーティング法などを用いて形成し、同様にフォトリソ
およびエッチング技術を用いてＧａドープＺｎＯ透明導
電膜１１７にＯ３の開口部を形成する。

【０１１０】ＺｎＯ透明導電膜１１７は、Ｇａを２ａｔ
％から８ａｔ％ドーピングする。Ｇａの代わりにＢ，Ａ
ｌ又はＩｎのうち少なくとも一種類をドーピングしても
良い。

【０１１１】図９のように、ＧａドープＺｎＯ透明導電
膜１１７および電流ブロック層１２１の一部領域Ｉに、
ワイヤーボンディング用の上部電極１２３をＡｌなどに
より形成する。

【０１１２】尚、電流ブロック層１２１は、上部電極１
２３直下に電流集中するのを防止し、ＧａドープＺｎＯ
透明導電膜１１７を介して、上部電極１２３による光妨
げのないｐ−ｎ接合領域からより多くの光を取り出すこ
とができる。電流ブロック層１２１は外部量子効率の向
上のために設けているが、本発明とは直接の関係がない
ため、構造上省いても構わない。

【０１１３】また、ｐ型(ｎ型)ＧａＡｓ層１１３は主に
高濃度キャリア層として形成している場合が多く、電流
拡散またはオーミックコンタクトを目的として形成して
いる。従って、ｐ型ＧａＡｓ層１１３もＺｎＯ（Ｂ、Ａ
ｌ、Ｇａ、Ｉｎ）層１１７で置き換えることも可能であ
る。

【０１１４】以上、本実施の形態による発光素子(実施
例１、実施例２)は、ｐ型およびｎ型ＧａＡｓ系半導体
材料に対して良好なオーミックコンタクトを形成するこ
とができる上に、外部量子効率が大きく、電気的および
光学的特性に優れていることが分かった。

【０１１５】半導体発光素子の代わりに半導体受光素子
を形成する場合には、光学面として発光面ではなく受光
面として機能させる。

【０１１６】具体的には、ｐ−ｎ接合間に逆方向にバイ
アスを印加しておく。この時点では、ｐ−ｎ接合問には
逆方向の微小電流(暗電流)が流れている。

【０１１７】光学面(受光面)に適度な波長を有する光が
入射すると、禁制帯の幅以上のエネルギーを有する光に
よって、電子・正孔が生成し、電子はｎ型領域に、正孔
はｐ型領域へと分離される。これによって流れる光電流
が、暗電流に加わる。光電流の大きさは光の強度によっ
て変化するため、受光素子(ホトダイオード)として機能
する。

【０１１８】以上、本発明の実施例について例示した
が、その他、種々の変更、改良、組み合わせなどが可能
なことは当業者には自明であろう。

【０１１９】例えば、本実施例においては、半導体光学
素子のうち、発光素子、特にLEDを例として説明した
が、本発明の半導体光学素子に用いられている透明導電
膜を、LDなどの他の半導体光学素子や、ホトダイオード
などの受光素子に適用することが可能である。具体的に
は、ＧａＡｓ系半導体発光ダイオードの他、ＧａＡｓ系
半導体レーザーダイオード、ＧａＡｓ系半導体受光素子
の光学面におけるＩＩＩ族のＢ，Ａｌ、Ｇａ又はＩｎの
うち少なくとも一種類を適度にドーピングしたＺｎＯ透
明導電膜を利用した場合である。

【０１２０】

【発明の効果】ＧａＡｓ系半導体材料におけるｐ型また
はｎ型に対してＩＩＩ族のＢ，Ａｌ、Ｇａ又はＩｎのう
ち少なくとも一種類をドーパントとして含むＺｎＯ透明
導電膜との接合を形成したとき、その界面において電気
的コンタクト抵抗が小さいことを発見した。透明電極お
よび透明電流拡散層として光導体素子構造に組み込むこ
とが可能となり、特にp-n接合を有する発光素子におい
ては、電流集中現象の緩和および外部量子効率の向上な
どの効果が得られる。また、駆動電圧の低下も可能とな
り、消費電力の低減も期待できる。

【０１２１】従って、発光素子の高性能化、低消費電力
化、高信頼化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＺｎＯ中のＧａの含有量（ａｔ％）に対する実
効キャリア濃度、移動度、及び抵抗率との関係を示すグ
ラフである。

【図２】ＺｎＯ透明導電膜の波長に対する光透過率を示
すグラフである。

【図３】本発明の実施例1による半導体発光素子Ａの構
造を示す。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３
（ａ）のＩＩＩａ−ＩＩＩｂ線断面図である。

【図４】図３に示す半導体発光素子Ａの製造工程を示す
図である。

【図５】図３に示す半導体発光素子Ａの製造工程を示す
図であり、図４の工程に続く工程図である。

【図６】ＺｎＯ透明導電膜を形成するために用いられる
イオンプレーティング装置の構成を示す図である。

【図７】比較例による半導体発光素子Ｂの構造を示す図
である。図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は、図７
（ａ）のＶＩＩａ−ＶＩＩｂ線断面図である。

【図８】実施例1と比較例による半導体発光素子の順方
向電流一電圧特性を示すグラフである。

【図９】本発明の実施例２による半導体発光素子の構造
を示す。図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）
のＩＸａ−ＩＸｂ線断面図である。

【符号の説明】

Ａ 半導体発光素子 1 ｎ型ＧａＡｓ基板 ５ ｎ型ＧａＡｓＰ層 ５ａ p型ＧａＡｓＰ層 Ｏ 開口部 １１ 拡散防止用窒化珪素膜（ＳｉＮｘ） Ｃ 第１領域 Ｅ 第２領域 １５ 第２電極(ＧａをドーピングしたＺｎＯ膜:透明導
電膜) ２１ 第１電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鉾田 和晃 神奈川県横浜市青葉区荏田西１−３−１ スタンレー電気株式会社技術研究所内 (72)発明者 鈴木 義雄 神奈川県横浜市青葉区荏田西１−３−１ スタンレー電気株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 5F041 CA02 CA35 CA38 CA57 CA58 CA82 CA88 CA98

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＧａＡｓ系半導体層と、 ＧａＡｓ系半導体層上に形成され、２ａｔ％から８ａｔ
   ％のＩＩＩ族のＢ，Ａｌ，Ｇａ又はＩｎのうち少なくと
   も一種類をドーパントとして含むＺｎＯ層とを有する半
   導体素子。
2. 【請求項２】 前記ＧａＡｓ系半導体層は、ｐ型の導電
   性を有する請求項1に記載の半導体素子。
3. 【請求項３】 前記ＧａＡｓ系半導体層は、ｎ型の導電
   性を有する請求項1に記載の半導体素子。
4. 【請求項４】 ｎ型ＧａＡｓ系半導体層と、 前記ｎ型ＧａＡｓ系半導体層上に、主な光学面として形
   成されるp型ＧａＡｓ系半導体層とで構成されるp-n接合
   を有したＧａＡｓ系半導体素子において、 前記ｎ型ＧａＡｓ系半導体層に対して電気的にコンタク
   トを形成する第1電極と、前記p型ＧａＡｓ系半導体層に
   対して電気的にコンタクトを形成し、２ａｔ％から８ａ
   ｔ％のＩＩＩ族のＢ，Ａｌ，Ｇａ又はＩｎのうち少なく
   とも一種類をドーパントとして含むＺｎＯ層からなる第
   ２電極とを有する光半導体素子。
5. 【請求項５】 ｐ型ＧａＡｓ系半導体層と、 前記ｐ型ＧａＡｓ系半導体層上に、主な光学面として形
   成されるｎ型ＧａＡｓ系半導体層とで構成されるｐ−ｎ
   接合を有したＧａＡｓ系半導体素子において、 前記ｐ型ＧａＡｓ系半導体層に対して電気的にコンタク
   トを形成する第1電極と、前記ｎ型ＧａＡｓ系半導体層
   に対して電気的にコンタクトを形成し、２ａｔ％から８
   ａｔ％のＩＩＩ族のＢ，Ａｌ，Ｇａ又はＩｎのうち少な
   くとも一種類をドーパントとして含むＺｎＯ層からなる
   第２電極とを有する光半導体素子。
6. 【請求項６】 ｎ型ＧａＡｓ系半導体層と、 前記ｎ型ＧａＡｓ系半導体層内の一部領域に形成される
   ｐ型ＧａＡｓ系半導体層とで構成されるｐ−ｎ接合を有
   したＧａＡｓ系半導体素子において、 前記ｎ型ＧａＡｓ系半導体層に対して電気的にコンタク
   トを形成する第1電極と、前記ｐ型ＧａＡｓ系半導体層
   を覆い、前記ｐ型ＧａＡｓ系半導体層にのみ電気的にコ
   ンタクトを形成する２ａｔ％から８ａｔ％のＩＩＩ族の
   Ｂ，Ａｌ，Ｇａ又はＩｎのうち少なくとも一種類をドー
   パントとして含むＺｎＯ層からなる第２電極とを含む光
   半導体素子。
7. 【請求項７】 ｎ型ＧａＡｓ系半導体層と、 前記ｎ型ＧａＡｓ系半導体層上の一部領域に形成される
   p型ＧａＡｓ系半導体層とで構成されるｐ−ｎ接合を有
   したＧａＡｓ系半導体素子において、 前記ｎ型ＧａＡｓ系半導体層に対して電気的にコンタク
   トを形成する第1電極と、前記ｐ型ＧａＡｓ系半導体層
   を覆い、前記ｐ型ＧａＡｓ系半導体層にのみ電気的にコ
   ンタクトを形成する２ａｔ％から８ａｔ％のＩＩＩ族の
   Ｂ，Ａｌ，Ｇａ又はＩｎのうち少なくとも一種類をドー
   パントとして含むＺｎＯ層からなる第２電極とを含む光
   半導体素子。
8. 【請求項８】 ｐ型ＧａＡｓ系半導体層と、 前記ｐ型ＧａＡｓ系半導体層上の一部領域に形成される
   ｎ型ＧａＡｓ系系半導体層とで構成されるｐ−ｎ接合を
   有したＧａＡｓ系半導体素子において、 前記ｐ型ＧａＡｓ系半導体層に対して電気的にコンタク
   トを形成する第１電極と、 前記ｎ型ＧａＡｓ系半導体層を覆い、前記ｎ型ＧａＡｓ
   系半導体層にのみ電気的にコンタクトを形成する２ａｔ
   ％から８ａｔ％のＩＩＩ族のＢ，Ａｌ，Ｇａ又はＩｎの
   うち少なくとも一種類をドーパントとして含むＺｎＯ層
   からなる第２電極とを含む光半導体素子。
9. 【請求項９】 前記ｐ型ＧａＡｓ系半導体層と前記ｎ型
   ＧａＡｓ系半導体層との間に、活性層となる半導体層が
   形成されている請求項４から８までのいずれか１項に記
   載の光半導体素子。
10. 【請求項１０】 前記第２電極の一部に、前記第２電極
    と電気的にコンタクトを形成する金属からなる第３電極
    を含む請求項４から９までのいずれか1項に記載の光半
    導体素子。
11. 【請求項１１】 前記第２電極は、屈折率ｎが１．８か
    ら２．２までの間である請求項４から１０までのいずれ
    か1項に記載の光半導体素子。
12. 【請求項１２】 前記第２電極の厚さｄが、 ｄ＝（２ｍ−１）λ／４ｎである請求項４から１１まで
    のいずれか1項に記載の光半導体素子。但し、ｍは正の
    正数、ｎは屈折率、λは中心波長である。