JP2007165612A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い光取り出し効率を得るとともに、駆動電圧(Vf)を低くした窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面が形成されており、前記p型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面のドーパント濃度が、前記透光性導電酸化膜のバルクのドーパント濃度よりも高濃度とされている構成とし、前記p型半導体層と透光性導電酸化膜との接触抵抗を小さくしている。
【選択図】図1
【解決手段】窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面が形成されており、前記p型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面のドーパント濃度が、前記透光性導電酸化膜のバルクのドーパント濃度よりも高濃度とされている構成とし、前記p型半導体層と透光性導電酸化膜との接触抵抗を小さくしている。
【選択図】図1
Description
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に、駆動電圧(Vf)が低い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
近年、短波長光発光素子として窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が注目を集めている。この窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、サファイア単結晶をはじめ、種々の酸化物やIII−V族化合物を基板として、この基板上に、有機金属気相化学反応法(MOCVD法)や分子線エピタキシー法(MBE法)等によって形成される。
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の特徴として、横方向への電流拡散が小さいことが挙げられる。このため、電極直下の半導体にのみ電流が注入され、電極直下の発光層で発光した光は電極に遮られてしまい、発光素子の外部に取り出すのが困難となる。そこで、このような発光素子では、通常、正極として透明電極が用いられ、正極を透過して光を取り出すように構成されている。
透明電極からなる正極には、Ni/AuやITO(In2O3−SnO2)等の周知の導電材料が用いられる。Ni/Au等の金属は、p型半導体層との接触抵抗は小さいものの、光の透過率が低い。これに対し、ITOなどの酸化物は、光の透過率は高いものの、接触抵抗が大きいという問題がある。
このため、従来、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に用いられる正極は、ITOなどの導電性に優れた金属酸化物層及びコンタクト金属層を組み合わせた構成とされていた(例えば、特許文献1)。
上述のコンタクト金属層の材料には、p型半導体層との接触抵抗を小さくするために、PtやRh等、仕事関数の大きい金属が用いられている。
上述のコンタクト金属層の材料には、p型半導体層との接触抵抗を小さくするために、PtやRh等、仕事関数の大きい金属が用いられている。
しかしながら、特許文献1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、正極に用いられているコンタクト金属層によってp型半導体層との接触抵抗を下げることは可能であるものの、コンタクト金属層の光透過率が低いため、十分な光取出し効率を得ることができず、発光出力が低くなるという問題がある。
このような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、光取り出し効率を向上させて発光出力を高める方法の一つとして、各層の透過率を向上させる方法が挙げられるが、その他、発光取り出し面を粗面化し、光の取り出し面にさまざまな角度を設けることにより、光取り出し効率を向上させたものが提案されている(例えば、特許文献2)。
特許文献2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、光取り出し面を粗面化することにより、例えば、発光層の屈折率が約2.5と、空気の屈折率1に対して非常に高くなっているとともに、臨界角が約25°と小さくなっていることにより、結晶内における反射及び吸収を繰り返して光が外部に取り出せなくなるのを防ぐことができ、光取り出し効率が向上するというものである。
特許文献2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、光取り出し面を粗面化することにより、例えば、発光層の屈折率が約2.5と、空気の屈折率1に対して非常に高くなっているとともに、臨界角が約25°と小さくなっていることにより、結晶内における反射及び吸収を繰り返して光が外部に取り出せなくなるのを防ぐことができ、光取り出し効率が向上するというものである。
しかしながら、特許文献2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、光取り出し面を粗面化することによって光取り出し効率を向上させる点では効果があるものの、光取り出し面を粗面化するプロセスにおいて、粗面化された光取り出し面の表面がダメージを受けてしまい、電極との間で接触抵抗が上昇してしまうという問題点がある。
上述のような接触抵抗が上昇する問題を解決するため、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の光取り出し面を粗面化し、p型半導体層の表面付近にMg層及びAu層とからなる金属層を設け、さらに熱処理を加えることにより、接触抵抗を改善した発光素子が提案されている(例えば、特許文献3)。
しかしながら、特許文献3に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、Mg層及びAu層からなる金属層を設けた後に熱処理を施し、さらに、前記金属層を除去する工程を経ることが必要となるため、工程数が大幅に増加して製造コストが高くなるという問題がある。また、前記Au層を除去する際には、王水等の強力な酸を用いる必要があり、窒化ガリウム系化合物半導体の表面を傷めてしまう虞がある。
特開平9−129919号公報
特開平6−291368号公報
特開2000−196152号公報
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、透過率の低い金属層等を用いず、透光性導電酸化膜のドーパント濃度を高くすることにより、少なくとも一部に凹凸面が形成されたp型半導体層と透光性導電酸化膜との間の接触抵抗が低減され、駆動電圧(Vf)を低くできるとともに、高い光取り出し効率を得ることができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
即ち、本発明は以下に関する。
[1]窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面が形成されており、前記p型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面のドーパント濃度が、前記透光性導電酸化膜のバルクのドーパント濃度よりも高濃度とされてい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]前記透光性導電酸化膜のドーパント濃度が、該透光性導電酸化膜と前記p型半導体層との界面の位置で最大となっていることを特徴とする上記[1]項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[3]前記p型半導体層と前記透光性導電酸化膜との間に、該透光性導電酸化膜よりもドーパント濃度が高い領域である高ドーパント濃度領域が設けられていることを特徴とする上記[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。
[4]前記高ドーパント濃度領域が、ドーパント単体、ドーパントの酸化物、および前記透光性導電酸化膜のドーパント濃度よりも高濃度のドーパントを含む透光性導電材料の内、いずれかが成膜されてなることを特徴とする上記[3]項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[5]前記高ドーパント濃度領域が、Sn、SnO2、および前記透光性導電酸化膜のSn濃度よりも高濃度のSnを含むITO(In2O3−SnO2)の内、いずれかが成膜されてなることを特徴とする上記[3]または[4]項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[2]前記透光性導電酸化膜のドーパント濃度が、該透光性導電酸化膜と前記p型半導体層との界面の位置で最大となっていることを特徴とする上記[1]項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[3]前記p型半導体層と前記透光性導電酸化膜との間に、該透光性導電酸化膜よりもドーパント濃度が高い領域である高ドーパント濃度領域が設けられていることを特徴とする上記[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。
[4]前記高ドーパント濃度領域が、ドーパント単体、ドーパントの酸化物、および前記透光性導電酸化膜のドーパント濃度よりも高濃度のドーパントを含む透光性導電材料の内、いずれかが成膜されてなることを特徴とする上記[3]項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[5]前記高ドーパント濃度領域が、Sn、SnO2、および前記透光性導電酸化膜のSn濃度よりも高濃度のSnを含むITO(In2O3−SnO2)の内、いずれかが成膜されてなることを特徴とする上記[3]または[4]項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[6]前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして0.1nm〜20nmの範囲に存在することを特徴とする上記[1]〜[5]項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[7]前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして0.1nm〜10nmの範囲に存在することを特徴とする上記[1]〜[5]項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[8]前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして0.1nm〜3nmの範囲に存在することを特徴とする上記[1]〜[5]項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[7]前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして0.1nm〜10nmの範囲に存在することを特徴とする上記[1]〜[5]項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[8]前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして0.1nm〜3nmの範囲に存在することを特徴とする上記[1]〜[5]項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[9]前記透光性導電酸化膜が、ITO(In2O3−SnO2)、AZO(ZnO−Al2O3)、IZO(In2O3−ZnO)、GZO(ZnO−GeO2)からなる群から選ばれた少なくとも一種以上の材料からなることを特徴とする上記[1]〜[8]項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[10]前記透光性導電酸化膜が、少なくともITO(In2O3−SnO2)を含有していることを特徴とする上記[9]項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[11]前記透光性導電酸化膜の厚さが35nm〜10000nm(10μm)の範囲内であることを特徴とする上記[1]〜[10]項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[12]前記透光性導電酸化膜の厚さが100nm〜1000nm(1μm)の範囲内であることを特徴する上記[1]〜[10]項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[10]前記透光性導電酸化膜が、少なくともITO(In2O3−SnO2)を含有していることを特徴とする上記[9]項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[11]前記透光性導電酸化膜の厚さが35nm〜10000nm(10μm)の範囲内であることを特徴とする上記[1]〜[10]項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[12]前記透光性導電酸化膜の厚さが100nm〜1000nm(1μm)の範囲内であることを特徴する上記[1]〜[10]項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[13]窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、200℃〜900℃の温度で熱アニール処理を行う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。
[14]窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、300℃〜600℃の温度で熱アニール処理を行う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。
[15]窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、エキシマレーザーを用いてレーザーアニール処理を行う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。
[14]窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、300℃〜600℃の温度で熱アニール処理を行う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。
[15]窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、エキシマレーザーを用いてレーザーアニール処理を行う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。
[16]窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層上に高ドーパント濃度を有する層及び透光性導電酸化膜をこの順で積層した後、200℃〜900℃の温度で熱アニール処理を行う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。
[17]窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層状に高ドーパント濃度を有する層及び透光性導電酸化膜をこの順で積層した後、300℃〜600℃の温度で熱アニール処理を行う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。
[17]窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層状に高ドーパント濃度を有する層及び透光性導電酸化膜をこの順で積層した後、300℃〜600℃の温度で熱アニール処理を行う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。
[18]窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層上に高ドーパント濃度を有する透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、下記(1)〜(3)の工程を含んでな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の製造方法。
(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、透光性正極をこの順序で積層する工程(1)。
(2)前記透光性正極表面上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程(2)。
(3)該マスク上から透光性正極をドライエッチングする工程(3)。
[19]前記工程(2)が、前記p型半導体層上に金属薄膜を形成する工程および該金属薄膜形成後の熱処理工程からなることを特徴とする上記[18]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。
[20]前記マスクをなす金属微粒子が、Ni、もしくはNi合金からなることを特徴とする上記[18]項または[19]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。
[21]前記マスクをなす金属微粒子が、100℃〜450℃の温度範囲に融点をもつ低融点金属、もしくは低融点合金であることを特徴とする上記[18]〜[20]項のいずれか一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。
[22]前記マスクをなす金属微粒子が、Ni、Au、Sn、Ge、Pb、Sb、Bi、Cd、Inからなる群から選ばれた低融点金属、または少なくともこれらの金属の一種を含んだ低融点合金であることを特徴とする上記[18]〜[21]項のいずれか一項に記載窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[23]前記p型半導体層上の少なくとも一部に形成された凹凸面が、ウェットエッチング工程によって形成されてなることを特徴とする上記[18]〜[22]項のいずれか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)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、透光性正極をこの順序で積層する工程(1)。
(2)前記透光性正極表面上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程(2)。
(3)該マスク上から透光性正極をドライエッチングする工程(3)。
[19]前記工程(2)が、前記p型半導体層上に金属薄膜を形成する工程および該金属薄膜形成後の熱処理工程からなることを特徴とする上記[18]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。
[20]前記マスクをなす金属微粒子が、Ni、もしくはNi合金からなることを特徴とする上記[18]項または[19]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。
[21]前記マスクをなす金属微粒子が、100℃〜450℃の温度範囲に融点をもつ低融点金属、もしくは低融点合金であることを特徴とする上記[18]〜[20]項のいずれか一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。
[22]前記マスクをなす金属微粒子が、Ni、Au、Sn、Ge、Pb、Sb、Bi、Cd、Inからなる群から選ばれた低融点金属、または少なくともこれらの金属の一種を含んだ低融点合金であることを特徴とする上記[18]〜[21]項のいずれか一項に記載窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[23]前記p型半導体層上の少なくとも一部に形成された凹凸面が、ウェットエッチング工程によって形成されてなることを特徴とする上記[18]〜[22]項のいずれか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。
[24]上記[1]〜[12]項のいずれか一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。
[25]上記[13]〜[23]項のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
[25]上記[13]〜[23]項のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子によれば、少なくとも一部に凹凸面が形成されたp型半導体層と透光性導電酸化膜との界面にドーパント濃度の高い領域を有した構成とすることにより、前記p型半導体層と透光性導電酸化膜との接触抵抗を小さくし、Vfを低下させることができるとともに、光取り出し効率の高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ドーパント濃度が高い領域を、少なくとも一部に凹凸面が形成されたp型半導体層と透光性導電酸化膜との界面近傍のみとし、該界面近傍以外の領域では比抵抗が最も小さくなるようなドーパント濃度を有する透光性導電酸化膜を用いることにより、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の正極の抵抗をより小さくすることができるため、Vfが小さく、且つ光取り出し効率に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ドーパント濃度が高い領域を、少なくとも一部に凹凸面が形成されたp型半導体層と透光性導電酸化膜との界面近傍のみとし、該界面近傍以外の領域では比抵抗が最も小さくなるようなドーパント濃度を有する透光性導電酸化膜を用いることにより、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の正極の抵抗をより小さくすることができるため、Vfが小さく、且つ光取り出し効率に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
以下に、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一実施形態について、図1〜4を適宜参照しながら説明する。
[窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の全体構成]
図1に示す、本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子1は、基板11上に、n型GaN層12、発光層13、及びp型GaN層(p型半導体層)14がこの順で積層された窒化ガリウム系化合物半導体素子の、p型GaN層14上の少なくとも一部に凹凸面が形成されており、p型GaN層14上にドーパントを含む透光性導電酸化膜が成膜されてなる正極15が積層され、p型GaN層14と正極(透光性導電酸化膜)15との界面のドーパント濃度が、正極15をなす透光性導電酸化膜のバルクのドーパント濃度よりも高くなるように概略構成されている。
また、図1に示す例では、p型GaN層14の表面14aに、前記凹凸面をなす無秩序なパターンの凸部14bが形成されており、また、p型GaN層14上に形成された正極15の表面15aは、p型GaN層14上の凸部14bに対応するように凸部15bが形成された凹凸面とされている。
図1に示す、本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子1は、基板11上に、n型GaN層12、発光層13、及びp型GaN層(p型半導体層)14がこの順で積層された窒化ガリウム系化合物半導体素子の、p型GaN層14上の少なくとも一部に凹凸面が形成されており、p型GaN層14上にドーパントを含む透光性導電酸化膜が成膜されてなる正極15が積層され、p型GaN層14と正極(透光性導電酸化膜)15との界面のドーパント濃度が、正極15をなす透光性導電酸化膜のバルクのドーパント濃度よりも高くなるように概略構成されている。
また、図1に示す例では、p型GaN層14の表面14aに、前記凹凸面をなす無秩序なパターンの凸部14bが形成されており、また、p型GaN層14上に形成された正極15の表面15aは、p型GaN層14上の凸部14bに対応するように凸部15bが形成された凹凸面とされている。
本発明で用いられる、透光性導電酸化膜からなる正極は、基板上にバッファ層を介して窒化ガリウム系化合物半導体を積層し、n型半導体層、発光層およびp型半導体層を形成した従来公知の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に対し、何ら制限無く用いることができる。
基板11には、サファイア単結晶(Al2O3;A面、C面、M面、R面)、スピネル単結晶(MgAl2O4)、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgO単結晶などの酸化物単結晶、Si単結晶、SiC単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶およびZrB2などのホウ化物単結晶などの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ない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
n型GaN層(n型半導体層)12、発光層13、およびp型GaN層(p型半導体層)14としては、各種構造のものが周知であり、これら周知のものを何ら制限なく用いることができる。特に、p型半導体層はキャリア濃度が一般的な濃度のものを用いれば良く、比較的キャリア濃度の低い、例えば1×1017cm−3程度のp型半導体層に対しても、本発明で用いる透光性の正極15を適用することができる。
また、窒化ガリウム系化合物半導体として、一般式AlxInyGa1−x−yN(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周知であり、本発明における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化合物半導体としても、一般式AlxInyGa1−x−yN(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化合物半導体の成長方法は特に限定されず、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、HVPE(ハイドライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)、などIII族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からMOCVD法である。MOCVD法では、キャリアガスとして水素(H2)または窒素(N2)、III族原料であるGa源としてトリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエチルアルミニウム(TEA)、In源としてトリメチルインジウム(TMI)またはトリエチルインジウム(TEI)、V族原料であるN源としてアンモニア(NH3)、ヒドラジン(N2H4)などが用いられる。また、ドーパントとしては、n型にはSi原料としてモノシラン(SiH4)またはジシラン(Si2H6)を、Ge原料としてゲルマン(GeH4)を用い、p型にはMg原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム((EtCp)2Mg)を用いる。
このような窒化ガリウム系化合物半導体の一例として、図3に示す積層体構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体20のように、サファイアからなる基板21上に、AlNからなる図示略のバッファ層を積層して、順次、GaN下地層22、n型GaNコンタクト層23、n型AlGaNクラッド層24、InGaNからなる発光層25、p型AlGaNクラッド層26、p型GaNコンタクト層27を積層したものを用いることができる。
また、図3に示すような、窒化ガリウム系化合物半導体からなるp型GaNコンタクト層27、p型AlGaNクラッド層26、発光層25、およびn型AlGaNクラッド層24の一部を、エッチングで除去することにより、n型GaNコンタクト層23を露出させ、該n型GaNコンタクト層23上に、例えば、Ti/Auからなる従来公知の負極を設け、p型GaNコンタクト層27上に正極を設けることにより、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を構成することができる。
図1に示すように、p型GaN層14の表面14aには、少なくとも一部に凹凸パターンが形成され、凹凸面となっている。図1に示す例では、p型GaN層14の表面14aの内、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子1の左右方向略中央付近に、周期性を有した複数の凸部14bからなる凸状のパターンが形成されている。
p型GaN層14の表面14aに凹凸パターンを形成する方法としては、従来より公知のフォトリソグラフィーを用いることができる。
p型GaN層14の表面14aに凹凸パターンを形成する方法としては、従来より公知のフォトリソグラフィーを用いることができる。
表面14aに形成される凹凸パターンは、図1に示すような周期性を有するパターンには限定されず、凸部の大きさや凸部間距離が無秩序に構成されたパターンであっても良く、適宜決定すれば良い。
凸部14bの形状としては、特に限定されないが、円柱、三角柱、四角柱等の多角柱、円錐、三角錐、四角錐の多角錐等の形状が挙げられ、適宜選択することができ、また、図1に示す断面形状において、凸部14bの下端寸法W(幅)が上端幅寸法と同じか、または大きくなるような形状とすることが好ましい。図示例における凸部14bは、下端側から上端側へゆくに従って縮寸するように構成されている。
凸部14bの形状としては、特に限定されないが、円柱、三角柱、四角柱等の多角柱、円錐、三角錐、四角錐の多角錐等の形状が挙げられ、適宜選択することができ、また、図1に示す断面形状において、凸部14bの下端寸法W(幅)が上端幅寸法と同じか、または大きくなるような形状とすることが好ましい。図示例における凸部14bは、下端側から上端側へゆくに従って縮寸するように構成されている。
凸部14bの大きさは特に限定されないが、下端寸法Wが0.01μm〜3μmの範囲であることが好ましい。下端寸法Wをこの範囲とすることにより、光取り出し効率が効果的に向上する。
凸部14bの下端寸法Wを0.01μm未満に形成することは、リソグラフィーを用いれば可能であるが、高コストとなってしまうとともに、凸部が小さすぎて充分な光取り出し効率を得ることができない。
また、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の大きさは、一般的に100μm〜2000μmの範囲であるので、凸部14bの下端寸法Wが3μmを超えると、単位面積あたりの凸部14bの表面積が小さくなってしまい、充分な光取り出し効率を得ることができない。さらに好ましくは0.02μm〜2μmの範囲である。
凸部14bの下端寸法Wを0.01μm未満に形成することは、リソグラフィーを用いれば可能であるが、高コストとなってしまうとともに、凸部が小さすぎて充分な光取り出し効率を得ることができない。
また、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の大きさは、一般的に100μm〜2000μmの範囲であるので、凸部14bの下端寸法Wが3μmを超えると、単位面積あたりの凸部14bの表面積が小さくなってしまい、充分な光取り出し効率を得ることができない。さらに好ましくは0.02μm〜2μmの範囲である。
凸部14b間の間隔は、周期的なパターンであれば特に限定されないが、凸部ピーク間距離で0.01μm〜3μmの範囲であることが好ましい。
凸部14b間の間隔を0.01μm未満に形成することは、リソグラフィーを用いれば可能であるが、高コストとなってしまうとともに、パターンが凝集しすぎて光取り出し効率が低下する虞がある。
また、上述したように、発光素子の大きさは一般的に100μm〜2000μmであるので、凸部14b間の間隔が3μmを超えると、単位面積あたりの凸部14bの表面積が小さくなってしまい、充分な光取り出し効率を得ることができない。さらに好ましくは0.02nm〜2nmの範囲である。
凸部14b間の間隔を0.01μm未満に形成することは、リソグラフィーを用いれば可能であるが、高コストとなってしまうとともに、パターンが凝集しすぎて光取り出し効率が低下する虞がある。
また、上述したように、発光素子の大きさは一般的に100μm〜2000μmであるので、凸部14b間の間隔が3μmを超えると、単位面積あたりの凸部14bの表面積が小さくなってしまい、充分な光取り出し効率を得ることができない。さらに好ましくは0.02nm〜2nmの範囲である。
凸部14bの高さ寸法Tは、特に限定されないが、0.1μm〜2.0μmの範囲であることが好ましい。
凸部14bの高さ寸法Tが0.1μm未満だと、高さが充分でないため、光取り出し効率の向上には寄与しない。また、凸部14bの高さが2.0μmを超えると、光取り出し効率の向上には寄与するものの、生産性が大幅に低下するので好ましくない。
また、凸部14bのより好ましい寸法としては、下端寸法Wと高さ寸法Tとの関係が、W<Tとなることであり、上記寸法関係を範囲とすれば、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の光取り出し効率を、より効果的に向上させることができる。
凸部14bの高さ寸法Tが0.1μm未満だと、高さが充分でないため、光取り出し効率の向上には寄与しない。また、凸部14bの高さが2.0μmを超えると、光取り出し効率の向上には寄与するものの、生産性が大幅に低下するので好ましくない。
また、凸部14bのより好ましい寸法としては、下端寸法Wと高さ寸法Tとの関係が、W<Tとなることであり、上記寸法関係を範囲とすれば、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の光取り出し効率を、より効果的に向上させることができる。
正極15は、少なくともp型半導体層(p型GaN層14)と接する透光性導電酸化膜層からなる。透光性導電酸化膜層上の一部には、回路基板またはリードフレーム等との電気接続のための正極ボンディングパッド16が設けられる。
また、図1に示す例では、正極15の表面15aが、上述したp型GaN層14表面の凸部14bに対応するように凸部15bが形成された凹凸面とされている。
また、図1に示す例では、正極15の表面15aが、上述したp型GaN層14表面の凸部14bに対応するように凸部15bが形成された凹凸面とされている。
透光性導電酸化膜として使用する材料には、ドーパントを含む酸化物が用いられる。例えば、ITO(In2O3−SnO2)、AZO(ZnO−Al2O3)、IZO(ZnO−In2O3)、GZO(ZnO−GeO2)などの透光性と低比抵抗に優れた材料を使用することが好ましい。特に、Vfを低減したい場合には、低比抵抗を得ることができるITOを使用すれば良い。また、AZOやGZOを使用した場合、これらの比抵抗はITOの比抵抗よりも高いため、VfはITOのVfよりも高くなるが、GaN上に成膜した場合、AZOやGZO中に存在するZnOは粒界をもつもののエピタキシャル成長をするため、ITOに比べて結晶性が良い。従って、ITOよりも剥離等が少なく、強度特性に優れた透光性導電酸化膜を形成することが可能である。
透光性導電酸化膜は、その比抵抗が最も低くなるSn濃度付近の組成を有するものを使用することが好ましい。例えば、ITOを透光性導電酸化膜として使用する場合、ITO中のSn濃度は5〜20質量%の範囲であることが好ましい。さらに低い比抵抗を得るためには、Sn濃度が7.5〜12.5質量%の範囲のITOを使用すれば良い。
また、透光性導電酸化膜の膜厚は、低比抵抗、高透過率を得ることができる35nm〜10000nm(10μm)の範囲であることが好ましい。さらに、生産コストの観点から、透光性導電酸化膜の膜厚は1000nm(1μm)以下であることが好ましい。
また、透光性導電酸化膜の膜厚は、低比抵抗、高透過率を得ることができる35nm〜10000nm(10μm)の範囲であることが好ましい。さらに、生産コストの観点から、透光性導電酸化膜の膜厚は1000nm(1μm)以下であることが好ましい。
透光性導電酸化膜層を積層した後、200℃〜900℃の温度での熱アニール処理を実施することにより、透光性導電酸化膜内に均一に存在しているドーパントが拡散し、透光性導電酸化膜層とp型半導体層との界面近傍で、ドーパント濃度の高い高ドーパント濃度領域を形成することができる。また、熱アニール処理を行なうことにより、同時に透光性導電酸化膜層の透過率を上昇させることも可能である。
ドーパントの拡散は200℃〜900℃の温度での熱アニール処理によって生じるが、接触抵抗をさらに下げるためには、300℃〜600℃の温度での熱アニール処理を実施することが好ましい。
アニール処理時の雰囲気としては、どのようなガスを用いてもかまわないが、透過率を上げるためには酸素(O2)ガスを含んでいることが好ましく、また、透光性導電酸化膜の比抵抗を下げるためには窒素(N2)ガスや水素(H2)ガスを含んでいることが好ましい。
また、エキシマレーザーを用いたレーザーアニール処理によって透光性導電酸化膜内のドーパントを拡散させることも可能である。
ドーパントの拡散は200℃〜900℃の温度での熱アニール処理によって生じるが、接触抵抗をさらに下げるためには、300℃〜600℃の温度での熱アニール処理を実施することが好ましい。
アニール処理時の雰囲気としては、どのようなガスを用いてもかまわないが、透過率を上げるためには酸素(O2)ガスを含んでいることが好ましく、また、透光性導電酸化膜の比抵抗を下げるためには窒素(N2)ガスや水素(H2)ガスを含んでいることが好ましい。
また、エキシマレーザーを用いたレーザーアニール処理によって透光性導電酸化膜内のドーパントを拡散させることも可能である。
透光性導電酸化膜層からなる正極15とp型GaN層(p型半導体層)14との界面近傍で高ドーパント濃度領域を形成することにより、正極15とp型GaN層14と間の接触抵抗を低減することができる。
このような、透光性導電酸化膜層とp型半導体層との間の接触抵抗を低減する機構については明らかではないが、透光性導電酸化膜の比抵抗が最も小さくなるドーパント濃度に対して、接触抵抗が最も小さくなるドーパント濃度が5〜10質量%程度高いためであると考えられる。
接触抵抗を低減するために、透光性導電酸化膜全体のドーパント濃度を増加させると、透光性導電酸化膜の比抵抗が高くなるため、結果としてVfが高くなる。しかしながら、本発明のように、界面近傍でのみ透光性導電酸化膜のドーパント濃度を増加させることにより、透光性導電酸化膜の比抵抗を低く保ったままで、透光性導電酸化膜とp型半導体層との間の接触抵抗を下げることができる。
このような、透光性導電酸化膜層とp型半導体層との間の接触抵抗を低減する機構については明らかではないが、透光性導電酸化膜の比抵抗が最も小さくなるドーパント濃度に対して、接触抵抗が最も小さくなるドーパント濃度が5〜10質量%程度高いためであると考えられる。
接触抵抗を低減するために、透光性導電酸化膜全体のドーパント濃度を増加させると、透光性導電酸化膜の比抵抗が高くなるため、結果としてVfが高くなる。しかしながら、本発明のように、界面近傍でのみ透光性導電酸化膜のドーパント濃度を増加させることにより、透光性導電酸化膜の比抵抗を低く保ったままで、透光性導電酸化膜とp型半導体層との間の接触抵抗を下げることができる。
また、高ドーパント濃度領域を形成することで透光性導電酸化膜層とp型半導体層との間の接触抵抗を低減しているため、従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のような金属コンタクト層を積層する必要がない。このため、金属コンタクト層による光透過率の低減が生じず、発光出力の高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を実現することができる。
透光性導電酸化膜層とp型半導体層との界面近傍の高ドーパント濃度領域は、界面を中心にして0.1nm〜20nmの範囲に存在することが好ましい。また、透光性導電酸化膜の比抵抗をより低く保つためには、高ドーパント濃度領域が界面を中心にして0.1nm〜10nmの範囲に存在することがより好ましく、0.1nm〜3nmの範囲に存在することが最も好ましい。
また、透光性導電酸化膜層のドーパント濃度は、透光性導電酸化膜層とp型半導体層との界面で最大濃度となっていることが好ましい。
また、透光性導電酸化膜層のドーパント濃度は、透光性導電酸化膜層とp型半導体層との界面で最大濃度となっていることが好ましい。
このような界面近傍でのドーパントの拡散は、透光性導電酸化膜層の成膜方法によらず、周知の成膜方法をなんら制限なく用いることができる。例えば、スパッタ法や真空蒸着法等などを用いて透光性導電酸化膜層を成膜することができる。
なお、本発明の正極15をなす透光性導電酸化膜を成膜する前に、p型GaN層14表面の洗浄を実施することが好ましい。このような成膜前の洗浄を行うことにより、透光性導電酸化膜層とp型GaN層14の界面近辺での拡散を促進させる効果があると考えられるが、その機構については明らかでない。
上述のようなp型GaN層14表面の洗浄には、フッ酸(HF)や塩酸(HCl)等を用いれば良く、適宜採用することができる。
上述のようなp型GaN層14表面の洗浄には、フッ酸(HF)や塩酸(HCl)等を用いれば良く、適宜採用することができる。
また、透光性導電酸化膜層を成膜する前に、透光性導電酸化膜のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度をもつ層を、図示略の透光性導電酸化膜コンタクト層としてp型GaN層14上に成膜することにより、高ドーパント濃度領域を、正極15(透光性導電酸化膜層)とp型GaN層14(p型半導体層)との界面近傍に形成することができる。
例えば、透光性導電酸化膜層としてSnO2濃度が10質量%であるITOを使用した場合、透光性導電酸化膜コンタクト層には、Sn(ドーパント単体)、SnO2(ドーパントの酸化物)、ITO(SnO2=15〜20質量%)等を用いることができる。また、透光性導電酸化膜コンタクト層には、透光性導電酸化膜層としてAZOを使用した場合は、Al,Al2O3,AZO(Al−rich)、IZOを使用した場合は、Zn、ZnO、IZO(Zn−rich)、GZOを使用した場合は、Ge,Ge2O5,GZO(Ge−rich)を用いることができる。このように、透光性導電酸化物膜のコンタクト層の材質には、透光性導電酸化膜層の材料に応じて適宜選択することができる。
例えば、透光性導電酸化膜層としてSnO2濃度が10質量%であるITOを使用した場合、透光性導電酸化膜コンタクト層には、Sn(ドーパント単体)、SnO2(ドーパントの酸化物)、ITO(SnO2=15〜20質量%)等を用いることができる。また、透光性導電酸化膜コンタクト層には、透光性導電酸化膜層としてAZOを使用した場合は、Al,Al2O3,AZO(Al−rich)、IZOを使用した場合は、Zn、ZnO、IZO(Zn−rich)、GZOを使用した場合は、Ge,Ge2O5,GZO(Ge−rich)を用いることができる。このように、透光性導電酸化物膜のコンタクト層の材質には、透光性導電酸化膜層の材料に応じて適宜選択することができる。
このような透光性導電酸化膜コンタクト層は、透光性導電酸化膜層を成膜した後、正極15(透光性導電酸化膜層)とp型GaN層14(p型半導体層)との間に独立した層構造を形成するとは限らず、例えば、透光性導電酸化膜層中の高ドーパント濃度領域として存在することが多くなるものと考えられる。
また、透光性導電酸化膜コンタクト層は、透光性導電酸化膜に含まれる物質で構成されることにより相互拡散が起こりやすく、Sn等の金属であっても酸化されて透光性になることから、金属コンタクト層にみられるような光透過率の低減が生じることがない。
また、透光性導電酸化膜コンタクト層は、透光性導電酸化膜に含まれる物質で構成されることにより相互拡散が起こりやすく、Sn等の金属であっても酸化されて透光性になることから、金属コンタクト層にみられるような光透過率の低減が生じることがない。
透光性導電酸化膜コンタクト層を成膜した場合、熱アニールやレーザーアニール等の後処理を行わずに高ドーパント濃度領域を形成することが可能であるが、熱アニールやレーザーアニール等の後処理を行うことによって、より界面近傍に近い範囲で高ドーパント濃度領域を形成させることができ、また、透光性導電酸化膜の光透過率を上昇させることもできるため、Vfの低減や光出力の向上を図るためにも熱アニール処理やレーザーアニール処理を実施することが好ましい。
正極15とp型GaN層14との界面におけるドーパント濃度は、当業者には周知の断面TEMのEDS分析法によって測定することができる。即ち、正極15とp型GaN層14の界面を中心にして、数点の断面TEMのEDS分析を行い、各点でのチャートから含まれる金属とその量を求めることができる。ドーパント濃度の測定に不十分な場合には、追加してさらに数点測定すればよい。
正極ボンディングパッド16は、透光性導電酸化膜層からなる正極15上に形成され、Au、Al、NiおよびCu等の材料を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド16の厚さは、100〜1000nmの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド16の厚さは300nm以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から500nm以下とすることが好ましい。
正極ボンディングパッド16の厚さは、100〜1000nmの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド16の厚さは300nm以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から500nm以下とすることが好ましい。
負極17は、基板11上に、n型GaN層12、発光層13およびp型GaN層14が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体のn型GaN層12に接するように形成される。
このため、負極17を形成する際は、発光層13およびp型GaN層14の一部を除去してn型GaN層12を露出させる。そして、本発明では、残存したp型GaN層14上に透光性の正極15を形成し、露出させたn型GaN層12上に負極17を形成する。
負極17の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができる。
このため、負極17を形成する際は、発光層13およびp型GaN層14の一部を除去してn型GaN層12を露出させる。そして、本発明では、残存したp型GaN層14上に透光性の正極15を形成し、露出させたn型GaN層12上に負極17を形成する。
負極17の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができる。
[窒化ガリウム系化合物半導体発光素子への凹凸パターンの形成方法]
本発明では、p型GaN層上における凹凸パターンの加工領域の形成を、当該領域のp型GaN層表面に金属微粒子からなるマスクを形成し、該マスク上からp型GaN層をドライエッチングすることによって行なう方法とすることができる。
p型GaN層表面に凹凸パターンを形成する際、例えば、以下のような各工程(1)〜(3)を備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法で行うことができる。
[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積層する工程(1)。
[2]p型半導体層上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程(2)。
[3]該マスク上からp型半導体層をドライエッチングする工程(3)
本発明では、p型GaN層上における凹凸パターンの加工領域の形成を、当該領域のp型GaN層表面に金属微粒子からなるマスクを形成し、該マスク上からp型GaN層をドライエッチングすることによって行なう方法とすることができる。
p型GaN層表面に凹凸パターンを形成する際、例えば、以下のような各工程(1)〜(3)を備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法で行うことができる。
[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積層する工程(1)。
[2]p型半導体層上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程(2)。
[3]該マスク上からp型半導体層をドライエッチングする工程(3)
以下、上記工程(1)〜(3)について説明する。
<工程(1)>
まず、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積層する。このような窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造体の形成においては、上述したような、従来より用いられている材質や成長方法を、何ら制限無く用いることができる。
まず、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積層する。このような窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造体の形成においては、上述したような、従来より用いられている材質や成長方法を、何ら制限無く用いることができる。
<工程(2)>
次に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造体のp型GaN層上に、金属微粒子からなる金属薄膜を形成する。金属薄膜は、一般的に知られる真空蒸着装置によって形成することができる。
金属薄膜の厚さは、次工程におけるマスク形成を考慮し、50Å以上1000Å以下の範囲であることが好ましい。
また、金属薄膜の形成は、金属薄膜の厚さを上記範囲内で均一に制御することが可能であれば、上述の真空蒸着装置に限らず、スパッタリング装置等を用いてもなんら問題は無い。
次に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造体のp型GaN層上に、金属微粒子からなる金属薄膜を形成する。金属薄膜は、一般的に知られる真空蒸着装置によって形成することができる。
金属薄膜の厚さは、次工程におけるマスク形成を考慮し、50Å以上1000Å以下の範囲であることが好ましい。
また、金属薄膜の形成は、金属薄膜の厚さを上記範囲内で均一に制御することが可能であれば、上述の真空蒸着装置に限らず、スパッタリング装置等を用いてもなんら問題は無い。
金属薄膜(金属微粒子マスク)に使用する金属微粒子の材料としては、凝集性が良好で且つ球面形状の微粒子であるものが好ましい。このような金属としては、例えば、Ni、Ni合金等が挙げられる。また、凝集性とともにプロセスの効率化に適した金属微粒子材料として、Ni、Au、Sn、Ge、Pb、Sb、Bi、Cd、Inの金属の内、少なくとも一種以上を含有し、100℃〜450℃の間に融点をもつ低融点金属、もしくは低融点合金が挙げられる。これらの金属材料の中でも、AuSn合金、AuGe合金、AuSnNi合金およびAuGeNi合金を用いることが好ましく、中でもAuSn合金を用いるのが最も好ましい。
AuSn合金は、Sn組成比が10質量%〜35質量%程度の範囲であれば、190〜420℃程度の温度で共晶化する事が知られており、また、この範囲の温度を上回ると、一般的に合金層が凝集形態を取ることも知られている。
AuSn合金は、Sn組成比が10質量%〜35質量%程度の範囲であれば、190〜420℃程度の温度で共晶化する事が知られており、また、この範囲の温度を上回ると、一般的に合金層が凝集形態を取ることも知られている。
次に、前記金属薄膜から金属微粒子マスクを得るため、金属薄膜の熱処理を行う。
金属薄膜の熱処理温度としては、使用する金属材料によって異なるが、一般に100〜600℃の範囲で1分間の熱処理を行うことが好ましい。このような条件で金属薄膜の熱処理を行うことにより、p型GaN層上に形成された金属微粒子マスクが得られる。
金属薄膜の熱処理温度としては、使用する金属材料によって異なるが、一般に100〜600℃の範囲で1分間の熱処理を行うことが好ましい。このような条件で金属薄膜の熱処理を行うことにより、p型GaN層上に形成された金属微粒子マスクが得られる。
熱処理後の金属微粒子マスクの形状は、熱処理雰囲気中の酸素濃度によって変化する。このため、使用する金属材料に応じて、熱処理雰囲気中の酸素濃度を制御することにより、光取り出し効率向上に適した形状で金属微粒子マスクを形成することが出来る。また、使用する金属材料によっては、酸素を全く含まない雰囲気で熱処理を行ったほうが、良好なマスク形成の点から好ましいものもある。
金属微粒子マスクの微粒子の密度は1×105個/mm2〜1×108個/mm2の範囲であることが好ましい。この範囲内であれば、光取り出し効率が効果的に向上する。また、より好ましくは1×106個/mm2〜1×107個/mm2の範囲である。
本発明では、金属微粒子マスクの形状によってp型GaN層上に形成される凹凸パターンの形状が規定されるため、金属微粒子マスクの形状を制御することによって凹凸パターンの形状を制御することができる。
特に、金属微粒子マスクの膜厚は、p型GaN層上の凹凸パターン形状に大きな影響を与える。
金属微粒子マスクの熱処理工程前の膜厚は0.005μm〜1μmの範囲であることが好ましい。金属微粒子マスク材料の材質や、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてランプを構成する際の封入樹脂の材質等により、金属微粒子マスクの膜厚の最適値は異なるが、0.005μm未満だと、マスクとして機能せず、光を効果的に取り出すことのできる凹凸パターン形状をp型GaN層上に形成することができない。また、金属微粒子マスクの膜厚が1μmを超えると、凝集効果が小さくなるため、上記と同様、光を効果的に取り出すことのできる凹凸パターン形状をp型GaN層上に形成することができなくなる。
特に、金属微粒子マスクの膜厚は、p型GaN層上の凹凸パターン形状に大きな影響を与える。
金属微粒子マスクの熱処理工程前の膜厚は0.005μm〜1μmの範囲であることが好ましい。金属微粒子マスク材料の材質や、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてランプを構成する際の封入樹脂の材質等により、金属微粒子マスクの膜厚の最適値は異なるが、0.005μm未満だと、マスクとして機能せず、光を効果的に取り出すことのできる凹凸パターン形状をp型GaN層上に形成することができない。また、金属微粒子マスクの膜厚が1μmを超えると、凝集効果が小さくなるため、上記と同様、光を効果的に取り出すことのできる凹凸パターン形状をp型GaN層上に形成することができなくなる。
<工程(3)>
次に、前記金属微粒子マスク上からp型GaN層をドライエッチングすることにより、該p型GaN層表面に、上述したような特定形状の凹凸パターンを形成することができる。
ドライエッチングは、一般的なリアクティブイオンエッチング(RIE)型のドライエッチングを用いることができる。また、ドライエッチングで用いるガスの種類については、何ら制限なく選択して用いることが出来るが、塩素を含むガスを用いてエッチングすることが好ましい。
なお、熱による金属凝集形状(金属微粒子形状)の変化を防ぐ為、基板の温度は100℃以下に保つことが望ましい。
また、本実施形態では、p型GaN層表面への凹凸パターンの形成について、ドライエッチングを用いた方法で説明しているが、これには限定されず、ウェットエッチングを用いた方法で行っても良い。
次に、前記金属微粒子マスク上からp型GaN層をドライエッチングすることにより、該p型GaN層表面に、上述したような特定形状の凹凸パターンを形成することができる。
ドライエッチングは、一般的なリアクティブイオンエッチング(RIE)型のドライエッチングを用いることができる。また、ドライエッチングで用いるガスの種類については、何ら制限なく選択して用いることが出来るが、塩素を含むガスを用いてエッチングすることが好ましい。
なお、熱による金属凝集形状(金属微粒子形状)の変化を防ぐ為、基板の温度は100℃以下に保つことが望ましい。
また、本実施形態では、p型GaN層表面への凹凸パターンの形成について、ドライエッチングを用いた方法で説明しているが、これには限定されず、ウェットエッチングを用いた方法で行っても良い。
以上、説明したような本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば、当業者周知の手段により、透明カバーを設けてランプを構成することができる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と、蛍光体を有するカバーとを組み合わせることにより、白色のランプを構成することもできる。
また、例えば、図5に示すように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、従来公知の方法を用いてなんら制限無くLEDランプとして構成することができる。ランプとしては、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。例えば、フェイスアップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を砲弾型に実装する場合、図示例のように、2本のフレーム31、32の一方に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子1を樹脂などで接着し、正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッドを金等の材質からなるワイヤー33、34用いて、それぞれフレーム31、32に接合する。その後、透明樹脂で素子周辺をモールドすることにより(図5のモールド35参照)、砲弾型のランプ30を作製することができる。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、駆動電圧(Vf)が低く、また、光取り出し効率に優れていることから、高効率のランプを実現することができる。
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
[実験例1]
図3に、本実施例の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に用いるために作製した、エピタキシャル構造体の断面模式図を示す。また、図1及び図2に、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図、及び平面模式図を示し、以下、適宜参照しながら説明する。
図3に、本実施例の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に用いるために作製した、エピタキシャル構造体の断面模式図を示す。また、図1及び図2に、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図、及び平面模式図を示し、以下、適宜参照しながら説明する。
(窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製)
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子20の積層構造体は、サファイアのc面((0001)結晶面)からなる基板21上に、AlNからなるバッファ層(図示せず)を介して、順次、アンドープGaN下地層(層厚=2μm)22、Siドープn型GaNコンタクト層(層厚=2μm、キャリア濃度=1×1019cm−3)23、Siドープn型Al0.07Ga0.93Nクラッド層(層厚=12.5nm、キャリア濃度=1×1018cm−3)24、6層のSiドープGaN障壁層(層厚=14.0nm、キャリア濃度=1×1018cm−3)と5層のアンドープIn0.20Ga0.80Nの井戸層(層厚=2.5nm)とからなる多重量子構造の発光層25、Mgドープp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層(層厚10nm)26、及びMgドープp型GaNコンタクト層(層厚=100nm)27を積層して構成した。上記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子20の積層構造体の各構成層22〜27は、一般的な減圧MOCVD手段で成長させた。
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子20の積層構造体は、サファイアのc面((0001)結晶面)からなる基板21上に、AlNからなるバッファ層(図示せず)を介して、順次、アンドープGaN下地層(層厚=2μm)22、Siドープn型GaNコンタクト層(層厚=2μm、キャリア濃度=1×1019cm−3)23、Siドープn型Al0.07Ga0.93Nクラッド層(層厚=12.5nm、キャリア濃度=1×1018cm−3)24、6層のSiドープGaN障壁層(層厚=14.0nm、キャリア濃度=1×1018cm−3)と5層のアンドープIn0.20Ga0.80Nの井戸層(層厚=2.5nm)とからなる多重量子構造の発光層25、Mgドープp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層(層厚10nm)26、及びMgドープp型GaNコンタクト層(層厚=100nm)27を積層して構成した。上記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子20の積層構造体の各構成層22〜27は、一般的な減圧MOCVD手段で成長させた。
上記窒化ガリウム系化合物半導体20のエピタキシャル構造体を用いて、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子(図1を参照)を作製した。まず、n型電極を形成する領域に一般的なドライエッチングを施し、その領域に限り、Siドープn型GaNコンタクト層の表面を露出させた。
(凹凸パターンの形成)
次に、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、p型GaN層表面以外の部分にレジスト膜を形成した後、蒸着装置内に入れ、Au/Sn(Sn:30質量%)を15nm積層した。
次に、窒素雰囲気中において、250℃の温度で熱処理を行い、上記Au/Snの薄膜を粒状に凝集させ、金属微粒子からなるマスクを形成した。金属微粒子の直径は0.2〜1.5μmの範囲であり、2×106個/mm2という高密度の金属微粒子層(マスク)が形成された。
次に、p型GaN層表面を露出させるように、レジスト膜によってパターニングを行った後、一般的なドライエッチングを施した。
ここで、凹凸パターンを加工する領域には、上述の金属微粒子マスクが形成されているので、ドライエッチングにより、金属微粒子の形に添った形状で選択的にエッチングされ、p型GaN層表面を、曲面を持った凹凸パターン形状に加工する事ができた。この凸部は、平面視円形であり、下端寸法の平均値は約0.7μm(直径)、高さTの平均値は約1.0μmであった。また凸部間距離の平均値は0.8μmで、この値に対する標準偏差は50%であった。
次に、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、p型GaN層表面以外の部分にレジスト膜を形成した後、蒸着装置内に入れ、Au/Sn(Sn:30質量%)を15nm積層した。
次に、窒素雰囲気中において、250℃の温度で熱処理を行い、上記Au/Snの薄膜を粒状に凝集させ、金属微粒子からなるマスクを形成した。金属微粒子の直径は0.2〜1.5μmの範囲であり、2×106個/mm2という高密度の金属微粒子層(マスク)が形成された。
次に、p型GaN層表面を露出させるように、レジスト膜によってパターニングを行った後、一般的なドライエッチングを施した。
ここで、凹凸パターンを加工する領域には、上述の金属微粒子マスクが形成されているので、ドライエッチングにより、金属微粒子の形に添った形状で選択的にエッチングされ、p型GaN層表面を、曲面を持った凹凸パターン形状に加工する事ができた。この凸部は、平面視円形であり、下端寸法の平均値は約0.7μm(直径)、高さTの平均値は約1.0μmであった。また凸部間距離の平均値は0.8μmで、この値に対する標準偏差は50%であった。
次に、HF及びHClを用いて、p型GaNコンタクト層表面を洗浄した後、該p型GaNコンタクト層上の正極を形成する領域にのみ、ITOからなる透光性導電酸化膜層をスパッタリング法にて形成した。ITOはDCマグネトロンスパッタによりおよそ400nmの膜厚で成膜した。スパッタには、SnO2濃度が10質量%のITOターゲットを使用し、ITO成膜時の圧力は約0.3Paとした。そして、ITOからなる透光性導電酸化膜の成膜後、600℃の温度で1分間の熱アニール処理を行った。このようにして、p型GaNコンタクト層27上に、本発明の正極(図1及び図2の符号15を参照)を形成した。
上述の方法で形成した正極は高い透光性を示し、460nmの波長領域で90%以上の透過率を有していた。なお、光透過率は、上記と同じ厚さの透光性導電酸化膜層をガラス板上に積層した透過率測定用のサンプルを用い、分光光度計によって測定した。なお、光透過率の値はガラス板のみで測定した光透過ブランク値を考慮のうえ算出した。
次に、真空蒸着法により、透光性導電酸化膜層(正極)上の一部、及びSiドープn型GaNコンタクト層23上に、Crからなる第1の層(層厚=40nm)、Tiからなる第2の層(層厚=100nm)、Auからなる第3の層(層厚=400nm)を順に積層し、それぞれ正極ボンディングパッド及び負極を形成した。
正極ボンディングパッド及び負極を形成した後、サファイアからなる基板11の裏面をダイヤモンド微粒など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、積層構造体を裁断し、350μm角の正方形の個別のチップへと分離し、リードフレーム状に載置した後、金(Au)線でリードフレームと結線した。
(駆動電圧(Vf)及び発光出力(Po)の測定)
これらのチップを、プローブ針による通電により、電流印加値20mAにおける順方向電圧(駆動電圧:Vf)を測定したところ、3.3Vであった。また、一般的な積分球で測定された発光出力(Po)は12mWであり、発光面の発光分布は、正極15の全面で発光していることが確認できた。
これらのチップを、プローブ針による通電により、電流印加値20mAにおける順方向電圧(駆動電圧:Vf)を測定したところ、3.3Vであった。また、一般的な積分球で測定された発光出力(Po)は12mWであり、発光面の発光分布は、正極15の全面で発光していることが確認できた。
(Sn濃度の算出)
断面TEMのEDX分析により、p型GaNコンタクト層27と透光性導電酸化膜層(正極)との界面を中心とする20nmの幅の領域におけるSn濃度を見積もり、図4に示した。このSn濃度は、界面付近に存在すると考えられる金属原子(In+Sn+Ga+Al)との比率(原子%)で定義した。透光性導電酸化膜内のSn濃度は、界面から2nm以上の領域では5〜10原子%であるのに対して、界面2nm未満の領域では15原子%程度のSn濃度を確認することができた。
断面TEMのEDX分析により、p型GaNコンタクト層27と透光性導電酸化膜層(正極)との界面を中心とする20nmの幅の領域におけるSn濃度を見積もり、図4に示した。このSn濃度は、界面付近に存在すると考えられる金属原子(In+Sn+Ga+Al)との比率(原子%)で定義した。透光性導電酸化膜内のSn濃度は、界面から2nm以上の領域では5〜10原子%であるのに対して、界面2nm未満の領域では15原子%程度のSn濃度を確認することができた。
[実験例2−5]
ITOからなる透光性導電酸化膜層の成膜前に、約2nmの透光性導電酸化膜コンタクト層を成膜し、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
ITOからなる透光性導電酸化膜層の成膜前に、約2nmの透光性導電酸化膜コンタクト層を成膜し、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[実験例6]
実験例1と同様にITOからなる透光性導電酸化膜を成膜した後、KrF248nmのエキシマレーザーを用いてレーザーアニール処理を行なった。レーザーアニールは、1ショットの照射面積を3×3mmとし、1ショットのエネルギーは10mJ、周波数200Hzの条件で実施した。
実験例1と同様にITOからなる透光性導電酸化膜を成膜した後、KrF248nmのエキシマレーザーを用いてレーザーアニール処理を行なった。レーザーアニールは、1ショットの照射面積を3×3mmとし、1ショットのエネルギーは10mJ、周波数200Hzの条件で実施した。
[実験例7]
ITOからなる透光性導電酸化膜を真空蒸着法にて成膜し、実験例1と同様の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
ITOからなる透光性導電酸化膜を真空蒸着法にて成膜し、実験例1と同様の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[実験例8]
透光性導電酸化膜層としてAl2O3濃度が10質量%であるAZOをスパッタ法にて成膜し、実験例1と同様の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
透光性導電酸化膜層としてAl2O3濃度が10質量%であるAZOをスパッタ法にて成膜し、実験例1と同様の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
(密着性の評価)
ITO、AZOの密着性を評価するため、実験例1および実験例8と同様の条件でサファイア基板上にITO膜とAZO膜を成膜して熱処理を施した後、膜剥離試験を実施した。剥離試験は、JISに規定された方法(JIS H8062−1992)に、ヒートショック試験を組み合わせた加速試験を採用した。
まず、ITO膜およびAZO膜に、カッターナイフを用いて直線状の引っかき傷を1mm間隔の基盤目状で形成した。この引っかき傷の深さは、サファイア基板表面に到達する深さとした。次に、これらのサンプルを400℃のオーブン内で30分間加熱した後、温度20℃の水中で急冷し、乾燥させた。このような加熱、冷却処理を5回繰り返した。
そして、引っかき傷を形成した膜表面部分に粘着テープ(ニチバン製:セロハンテープ、幅12mm)を貼り付け、これを隙間なく密着させた後、テープを膜表面から引き剥がした。この際、引っかき傷によって区画された1mm四方の膜表面区画100個の内、引き剥がされずに残った区画を計数した。即ち、残った区画が100個であれば、膜剥がれがないものと判断できる。
ITO、AZOの密着性を評価するため、実験例1および実験例8と同様の条件でサファイア基板上にITO膜とAZO膜を成膜して熱処理を施した後、膜剥離試験を実施した。剥離試験は、JISに規定された方法(JIS H8062−1992)に、ヒートショック試験を組み合わせた加速試験を採用した。
まず、ITO膜およびAZO膜に、カッターナイフを用いて直線状の引っかき傷を1mm間隔の基盤目状で形成した。この引っかき傷の深さは、サファイア基板表面に到達する深さとした。次に、これらのサンプルを400℃のオーブン内で30分間加熱した後、温度20℃の水中で急冷し、乾燥させた。このような加熱、冷却処理を5回繰り返した。
そして、引っかき傷を形成した膜表面部分に粘着テープ(ニチバン製:セロハンテープ、幅12mm)を貼り付け、これを隙間なく密着させた後、テープを膜表面から引き剥がした。この際、引っかき傷によって区画された1mm四方の膜表面区画100個の内、引き剥がされずに残った区画を計数した。即ち、残った区画が100個であれば、膜剥がれがないものと判断できる。
[実験例9−10]
アニール温度を表1に示す温度とした点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
アニール温度を表1に示す温度とした点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[実験例11−12]
透光性導電膜を表1に示す厚さとした点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
透光性導電膜を表1に示す厚さとした点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[実験例13]
p型GaN層表面に凹凸を付ける工程を行わなかった点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
p型GaN層表面に凹凸を付ける工程を行わなかった点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[実験例14]
600℃の温度での熱アニール処理を行なわなかった点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
600℃の温度での熱アニール処理を行なわなかった点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[実験例15]
透光性導電酸化膜成膜前の洗浄を実施しなかった点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
透光性導電酸化膜成膜前の洗浄を実施しなかった点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[実験例16]
透光性導電酸化膜コンタクト層にPtターゲットを使用して、約0.5nmの層厚のPtを成膜し、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
透光性導電酸化膜コンタクト層にPtターゲットを使用して、約0.5nmの層厚のPtを成膜し、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[実験例17]
600℃の温度での熱アニール処理を行なわかった点を除き、実験例8と同様にAZO透光性導電酸化膜層を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
600℃の温度での熱アニール処理を行なわかった点を除き、実験例8と同様にAZO透光性導電酸化膜層を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[実験例18−19]
アニール温度を表1に示す温度とした点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
アニール温度を表1に示す温度とした点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[実験例20−21]
透光性導電膜を表1に示す厚さとした点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
透光性導電膜を表1に示す厚さとした点を除き、実験例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
上記実験例1〜21の正極成膜条件、素子特性の一覧を表1に示す。また、表1には、p型GaNコンタクト層と透光性導電酸化膜層との界面から透光性導電酸化膜層側へ、それぞれ0、1、2、5、10nm離れた位置におけるSn濃度も併せて示す。
表1に示す素子特性の評価結果より、600℃の温度で熱アニール処理を行なったチップは、p型GaN層とITO層との界面から2nm以内の位置におけるSn濃度が高くなっており、Vfに低減がみられる(例えば、実験例1等)。
また、熱アニール温度を800℃(実験例9)とした場合や、250℃(実験例10)とした場合も、界面から2nm以内の位置におけるSn濃度が高くなっており、Vfに低減がみられる。
また、透光性導電酸化膜の厚さを900nm(実験例11)とした場合や、60nm(実験例12)とした場合も、界面から2nm以内の位置におけるSn濃度が高くなっており、Vfに低減がみられる。
また、熱アニール温度を800℃(実験例9)とした場合や、250℃(実験例10)とした場合も、界面から2nm以内の位置におけるSn濃度が高くなっており、Vfに低減がみられる。
また、透光性導電酸化膜の厚さを900nm(実験例11)とした場合や、60nm(実験例12)とした場合も、界面から2nm以内の位置におけるSn濃度が高くなっており、Vfに低減がみられる。
また、熱アニール処理を実施しないチップであっても、ITO成膜前にSnを用いたコンタクト層を成膜することによってSn濃度の高い領域を形成することができ、Vfが低減している(実験例2)。
また、Sn等のコンタクト層を成膜し、熱アニール処理を行ったチップでは、Sn濃度の高い領域がより界面の近い位置に存在しており、さらにVfは低減する(実験例3〜5)。
また、600℃の温度での熱アニール処理の代わりにレーザーアニールを実施したチップ(実験例6)や、ITO膜を真空蒸着法で成膜したチップ(実験例7)も、同様にSn濃度の高い領域が存在した。
また、Sn等のコンタクト層を成膜し、熱アニール処理を行ったチップでは、Sn濃度の高い領域がより界面の近い位置に存在しており、さらにVfは低減する(実験例3〜5)。
また、600℃の温度での熱アニール処理の代わりにレーザーアニールを実施したチップ(実験例6)や、ITO膜を真空蒸着法で成膜したチップ(実験例7)も、同様にSn濃度の高い領域が存在した。
また、p型GaN層表面に凹凸を形成したチップ(実験例1〜8)では、凹凸パターンを形成していないチップ(実験例13)と比較すると、発光出力が約2mW向上している。また、上述したように、凹凸パターンを形成したチップ(例えば、実験例1)は、p型GaN層とITO層の界面から2nm以内の位置でのSn濃度が高くなっており、Vfは凹凸パターンを形成していないチップ(実験例13)と同等となっている。
AZOを透光性導電酸化膜として成膜した場合(実験例8)、VfではITO膜に劣る。しかしながら、ITO膜の場合と同様、600℃の温度での熱アニール処理により、ドーパントであるAlの濃度が高い領域を形成し、Vfが低減している。また、剥離試験において、ITO膜では剥がれずに残った区画が70個程度であったのに対して、AZO膜では100個全てが残存した。AZO膜は、ITO膜に比べてVfでは劣るものの、密着性は優れていることがわかる。
また、p型GaN層表面に凹凸を形成しなかった実験例13では、Vfが3.3Vであり、発光出力(Po)が10mWであった。
また、透光性導電酸化膜の成膜後に熱アニールを行わなかった実験例14では、p型GaN層とITO層との界面から10nm迄の範囲において、特にSn濃度が高い領域は見られなかった。実験例14の発光素子は、Vfが3.6Vであった。
また、透光性導電酸化膜の成膜前にp型GaN層の洗浄を実施しなかった実験例15では、p型GaN層とITO層との界面から1nmの範囲にSn濃度が若干高い領域が認められた。実験例15の発光素子は、Vfが3.6Vであった。
また、透光性導電酸化膜コンタクト層にPtターゲットを使用して約0.5nmの層厚のPtを成膜した実験例16では、界面におけるドーパント濃度が4%となった。実験例16の発光素子は、発光出力(Po)が9mWであった。
また、透光性導電酸化膜にAZOを用い、600℃の温度での熱アニール処理を実施しなかった実験例17では、p型GaN層とITO層との界面から10nm迄の範囲において、特にSn濃度が高い領域は見られなかった。実験例17の発光素子は、Vfが3.7Vであった。
また、透光性導電酸化膜成膜後の熱アニール温度を1000℃とした実験例18では、界面から2nmの範囲へのSn濃度の偏析が促進されている。実験例18の発光素子は、Vfが3.7Vであった。
また、透光性導電酸化膜を成膜した後の熱アニール温度を200℃とした実験例19は、Vfが3.7Vであった。
また、透光性導電酸化膜の厚さを1200nmとした実験例20では、界面から2nmの範囲へのSn濃度の偏析が促進されている。実験例20の発光素子は、発光出力(Po)が9mWであった。
また、透光性導電酸化膜の厚さを30nmとした実験例21では、界面から2nmの範囲へのSn濃度の偏析が促進されている。実験例21の発光素子は、Vfが3.8Vであった。
以上の結果により、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が、光取り出し効率に優れているとともに起動電圧(Vf)が低く、高い素子特性を有していることが明らかである。
1…窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、11…基板、12…n型GaN層、13…発光層、14…p型GaN層、14a…表面、14b…凸部、15…正極(透光性導電酸化膜層)、16…正極ボンディングパッド、17…負極、21…基板、22…アンドープGaN下地層、23…n型GaNコンタクト層、24…n型AlGaNクラッド層、25…発光層、26…p型AlGaNクラッド層、27…p型GaNコンタクト層、30…ランプ
Claims (25)
- 窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面が形成されており、
前記p型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面のドーパント濃度が、前記透光性導電酸化膜のバルクのドーパント濃度よりも高濃度とされてい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。 - 前記透光性導電酸化膜のドーパント濃度が、該透光性導電酸化膜と前記p型半導体層との界面の位置で最大となっていることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記p型半導体層と前記透光性導電酸化膜との間に、該透光性導電酸化膜よりもドーパント濃度が高い領域である高ドーパント濃度領域が設けられていることを特徴とする請求項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。
- 前記高ドーパント濃度領域が、ドーパント単体、ドーパントの酸化物、および前記透光性導電酸化膜のドーパント濃度よりも高濃度のドーパントを含む透光性導電材料の内、いずれかが成膜されてなることを特徴とする請求項3に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記高ドーパント濃度領域が、Sn、SnO2、および前記透光性導電酸化膜のSn濃度よりも高濃度のSnを含むITO(In2O3−SnO2)の内、いずれかが成膜されてなることを特徴とする請求項3または4に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして0.1nm〜20nmの範囲に存在することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして0.1nm〜10nmの範囲に存在することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層と前記透光性導電酸化膜との界面の、該透光性導電酸化膜のバルクよりもドーパント濃度が高い領域が、前記界面を中心にして0.1nm〜3nmの範囲に存在することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記透光性導電酸化膜が、ITO(In2O3−SnO2)、AZO(ZnO−Al2O3)、IZO(In2O3−ZnO)、GZO(ZnO−GeO2)からなる群から選ばれた少なくとも一種以上の材料からなることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記透光性導電酸化膜が、少なくともITO(In2O3−SnO2)を含有していることを特徴とする請求項9に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記透光性導電酸化膜の厚さが35nm〜10000nm(10μm)の範囲内であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 前記透光性導電酸化膜の厚さが100nm〜1000nm(1μm)の範囲内であることを特徴する請求項1〜10のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、
次いで、前記p型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、200℃〜900℃の温度で熱アニール処理を行う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。 - 窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、
次いで、前記p型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、300℃〜600℃の温度で熱アニール処理を行う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。 - 窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記p型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、
次いで、前記p型半導体層上にドーパントを含む透光性導電酸化膜を積層した後、エキシマレーザーを用いてレーザーアニール処理を行う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。 - 窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層上に高ドーパント濃度を有する層及び透光性導電酸化膜をこの順で積層した後、200℃〜900℃の温度で熱アニール処理を行う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。
- 窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層状に高ドーパント濃度を有する層及び透光性導電酸化膜をこの順で積層した後、300℃〜600℃の温度で熱アニール処理を行う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。
- 窒化ガリウム系化合物半導体素子のp型半導体層上の少なくとも一部に凹凸面を形成し、次いで、前記p型半導体層上に高ドーパント濃度を有する透光性導電酸化膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
下記(1)〜(3)の工程を含んでな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の製造方法。
(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積層する工程(1)。
(2)前記p型半導体層上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程(2)。
(3)該マスク上からp型半導体層をドライエッチングする工程(3)。 - 前記工程(2)が、前記p型半導体層上に金属薄膜を形成する工程および該金属薄膜形成後の熱処理工程からなることを特徴とする請求項18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。
- 前記マスクをなす金属微粒子が、Ni、もしくはNi合金からなることを特徴とする請求項18または19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。
- 前記マスクをなす金属微粒子が、100℃〜450℃の温度範囲に融点をもつ低融点金属、もしくは低融点合金であることを特徴とする請求項18〜20のいずれか一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。
- 前記マスクをなす金属微粒子が、Ni、Au、Sn、Ge、Pb、Sb、Bi、Cd、Inからなる群から選ばれた低融点金属、または少なくともこれらの金属の一種を含んだ低融点合金であることを特徴とする請求項18〜21のいずれか一項に記載窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記p型半導体層上の少なくとも一部に形成された凹凸面が、ウェットエッチング工程によって形成されてなることを特徴とする請求項18〜22のいずれか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。
- 請求項1〜12のいずれか一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。
- 請求項13〜23のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
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