JP2007287845A - 半導体発光素子、半導体発光素子の製造方法およびランプ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】p型半導体層14を含み、少なくとも紫外領域に発光波長を有する半導体層と、前記p型半導体層14上に設けられた透光性電極15とを備え、前記透光性電極15が、結晶化されたIZO膜を含むものである半導体発光素子1とする。
【選択図】図1
Description
この問題を解決するために、紫外線が透明電極に吸収されるのを防ぎ、紫外線を透明電極に達する前に可視光へと変換させる構造を持つ発光素子(例えば、特許文献1参照)が提案されている。
また、特許文献2に記載の技術を用いた場合であっても、透光性電極がITO膜からなるものであるので、ITO膜によって紫外領域の波長の光が吸収されてしまうため、紫外光の発光出力が十分に得られなかった。
また、本発明は、紫外光を効率よく出力できる半導体発光素子を用いた優れた特性を有するランプを提供することを目的とする。
即ち、本発明は以下に関する。
(1)p型半導体層を含み、少なくとも紫外領域に発光波長を有する半導体層と、前記p型半導体層上に設けられた透光性電極とを備え、前記透光性電極が、結晶化されたIZO膜を含むものであることを特徴とする半導体発光素子。
(2)少なくとも350nm〜420nmに発光波長を有することを特徴とする(1)に記載の半導体発光素子。
(3)前記IZO膜の厚さが35nm〜10μmであることを特徴とする(1)または(2)に記載の半導体発光素子。
(4)前記IZO膜の厚さが100nm〜1μmであることを特徴とする(3)に記載の半導体発光素子。
(5)前記IZO膜上に保護層が形成されていることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
(6)前記半導体層が、窒化ガリウム系化合物半導体層であることを特徴とする(1)〜(5)のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
(8)前記アニール工程を行なう前に、前記アモルファス状態のIZO膜をパターニングする工程を備えることを特徴とする(7)に記載の半導体発光素子の製造方法。
(9)前記アニール処理は、O2を含まない雰囲気中で行なうことを特徴とする(7)または(8)に記載の半導体発光素子の製造方法。
(10)前記アニール処理は、N2雰囲気中、またはN2とH2の混合ガス雰囲気中で行なうことを特徴とする(9)に記載の半導体発光素子の製造方法。
(11)前記IZO膜の厚さが35nm〜10μmであることを特徴とする(7)〜(10)のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
(12)前記IZO膜の厚さが100nm〜1μmであることを特徴とする(11)に記載の半導体発光素子の製造方法。
(13) 前記アニール工程の後、前記IZO膜上に保護層を積層する工程を備えることを特徴とする(7)〜(12)の何れか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
(14)(1)〜(6)のいずれか一項に記載の半導体発光素子が用いられていることを特徴とするランプ。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、p型半導体層上にアモルファス状態のIZO膜を形成した後、500℃〜900℃のアニール処理を行なうことによって、結晶化されたIZO膜を含む透光性電極を備え、紫外光を効率よく出力できる半導体発光素子を実現することができる。
また、本発明の半導体発光素子を用いてランプを構成することにより、紫外光を効率よく出力できる発光特性の優れたランプが得られる。
図1は、本発明の半導体発光素子の一例を模式的に示した断面図であり、図2は、図1に示す半導体発光素子を模式的に示した平面図である。
図1に示す半導体発光素子1は、フェイスアップ型のものであり、基板11上に、少なくとも紫外領域に発光波長を有する窒化ガリウム系化合物半導体層を構成するn型GaN層(n型半導体層)12と、発光層13と、p型GaN層(p型半導体層)14とが積層され、窒化ガリウム系化合物半導体層のp型GaN層14上に、結晶化されたIZO膜からなる正極15(透光性電極)が積層され、概略構成されている。正極15上の一部には、正極ボンディングパッド16が形成されている。また、n型GaN層12上の負極形成領域には、ボンディングパッドの負極17が形成されている。
「基板」
基板11としては、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単結晶等の酸化物単結晶、Si単結晶、SiC単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶及びZrB2等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、基板11としては、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12、発光層13、及び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GaN層とした場合であっても、本発明を構成する結晶化されたIZO膜の正極15を適用することができる。
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)等が用いられる。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)、又はジシラン(Si2H6)を、Ge原料としてゲルマンガス(GeH4)を用い、p型には、Mg原料として例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)、又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。
図1に示すように、p型GaN層14上には、正極15として結晶化されたIZO膜が形成されている。IZO膜は、p型GaN層14の直上、あるいはp型GaN層14の上に金属層などを介して形成される。正極15とp型GaN層14との間に金属層を挟んだ場合には、半導体発光素子1の駆動電圧(Vf)を低減させることができるが、透過率が減少して出力を低下させてしまう。したがって、半導体発光素子1の用途などに応じて駆動電圧(Vf)と出力のバランスを取り、正極15とp型GaN層14との間に金属層などを挟むかどうか適宜判断される。ここでの金属層としては、NiやNi酸化物、Pt,Pd,Ru,Rh,Re、Osなどからなるものを用いることが好ましい。
また、IZO膜の膜厚は、低比抵抗で、高透過率なものとするために、35nm〜10000nm(10μm)の範囲とすることが好ましく、100nm〜1μmの範囲とすることがより好ましい。さらに、生産コストの観点から、IZO膜の膜厚は1000nm(1μm)以下であることが好ましい。
まず、p型GaN層14上の全域に、アモルファス状態のIZO膜を形成する。IZO膜の成膜方法としては、アモルファス状態のIZO膜を形成することが可能な方法であれば、薄膜の成膜に使用される周知の如何なる方法を用いてもよい。例えば、スパッタ法や真空蒸着法などの方法を用いて成膜することができるが、真空蒸着法に比べて、成膜時に発生するパーティクルやダストなどが少ないスパッタ法を用いることがより好ましい。また、スパッタ法を用いる場合、In2O3ターゲットとZnOターゲットをRFマグネトロンスパッタ法により公転成膜することで成膜することが可能であるが、より成膜レートを高くするためには、IZOターゲットをDCマグネトロンスパッタ法にて成膜すると良い。なお、p型GaN層14へのプラズマによるダメージを軽減するために、スパッタの放電出力は1000W以下であることが好ましい。
IZO膜のパターニングは、後述するアニール工程を行う前に行うことが望ましい。アニール工程により、アモルファス状態のIZO膜は結晶化されたIZO膜とされるため、アモルファス状態のIZO膜と比較してエッチングが難しくなる。これに対し、アニール工程前のIZO膜は、アモルファス(非晶質)状態であるため、周知のエッチング液を用いて容易に精度良くエッチングすることが可能である。また、IZO膜のエッチングは、ドライエッチング装置を用いて行っても良い。
また、結晶化されたIZO膜からなる正極15は、紫外領域(350nm〜420nm)に中心波長を持つ半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることに有効であるばかりではなく、例えば、中心波長が450nm程度の青色領域の半導体発光素子であっても、350nm〜420nmに発光領域を有していれば光取り出し効率を向上させることができる。
負極17は、IZO膜のアニール処理後、図1に示すようにp型GaN層14、発光層13、およびn型GaN層12の一部をエッチング除去することにより露出されたn型GaN層12上に設けられる。負極17としては、例えば、Ti/Auからなるものなど各種組成および構造が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができる。
正極15であるIZO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が設けられている。正極ボンディングパッド16は、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。また、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。
また、IZO膜の酸化を防ぐために、正極ボンディングパッド16の形成される領域を除くIZO膜上の全領域を覆うように、保護層(図示略)を成膜するとさらに良い。この保護層は、透光性に優れた材料を用いることが好ましく、p型半導体層とn型半導体層とのリークを防ぐために、絶縁性を有する材料で形成されることが好ましい。保護層を構成する材料としては、例えば、SiO2やAl2O3等を用いることが望ましい。また、保護層の膜厚は、IZO膜の酸化を防ぐことができ、かつ透光性に優れる膜厚であれば良く、具体的には、例えば、20nm〜500nmの膜厚が良い。
以上、説明した本発明の半導体発光素子は、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、本発明の半導体発光素子は、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。
「IZO膜のアニール処理における雰囲気」
IZO膜のアニール処理における雰囲気と、アニール処理後のIZO膜のシート抵抗との関係を以下のようにして調べた。
すなわち、ガラス基板上にアモルファス状態のIZO膜(250nm)を形成し、得られたIZO膜を300℃〜600℃の各温度で、N2雰囲気中でアニール処理した場合と、N2中にO2が25%含まれる混合ガス雰囲気中でアニール処理した場合のシート抵抗を測定した。その結果を表1に示す。
「IZO膜のアニール処理温度」
IZO膜のアニール処理温度と、IZO膜の結晶化との関係を以下のようにして調べた。
すなわち、ガラス基板上にアモルファス状態のIZO膜(250nm)を形成し、得られたアニール処理なしのIZO膜をX線回析(XRD)法で測定した。また、ガラス基板上に形成したアモルファス状態のIZO膜を300℃〜800℃の各温度で、N2雰囲気中で1分間アニール処理し、アニール処理後のIZO膜をX線回析(XRD)法で測定した。その結果を図5に示す。
図5に示すように、600℃以上のアニール処理温度でIZO膜をアニール処理した場合には、In2O3からなるX線のピークが主に検出されており、結晶化していることがわかる。また、400℃以下のアニール処理温度でIZO膜をアニール処理した場合には、結晶化していないことがわかる。
「IZO膜の透過率」
IZO膜のアニール処理温度と、アニール処理後のIZO膜の透過率との関係を以下のようにして調べた。
すなわち、実験例2で得られたアニール処理なしのIZO膜および、300℃、600℃でアニール処理した後のIZO膜の透過率を測定した。その結果を図6に示す。
なお、IZO膜の透過率測定には、島津製作所社製の紫外可視分光光度計UV−2450を用いた。また、透過率の値は、ガラス基板のみの透過率を測定して得られた光透過ブランク値を差し引いて算出した。
図6より、600℃のアニール処理温度でIZO膜をアニール処理した場合には、アニール処理なしのIZO膜に比べて紫外領域(350nm〜420nm)における透過率が20〜30%高くなっていることがわかる。
(窒化ガリウム系化合物半導体層の製造)
図3に示す窒化ガリウム系化合物半導体層20を以下に示すようにして製造した。すなわち、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、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を順次積層した。なお、上記窒化ガリウム系化合物半導体層20の積層構造体の各構成層22〜27は、減圧MOCVD手段で成長させた。
次に、得られた図3に示す窒化ガリウム系化合物半導体層20を用いて、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。まず、HF及びHClを用いて、窒化ガリウム系化合物半導体層20のp型GaNコンタクト層27の表面を洗浄し、該p型GaNコンタクト層27上に、DCマグネトロンスパッタにより膜厚220nmのIZO膜を成膜した。IZO膜のスパッタには、ZnO濃度が10質量%のIZOターゲットを使用した。また、IZO成膜は、70sccmのArガスを導入し、圧力約0.3Paで行なった。
IZO膜をパターニングした後、RTAアニール炉を用いて、N2ガス雰囲気中、600℃、1minのアニール処理を行った。
このようにして得られた半導体発光素子(チップ)を、リードフレーム上に載置し、金(Au)線でリードフレームと結線した。そして、プローブ針による通電により、半導体発光素子の電流印加値20mAにおける順方向電圧(駆動電圧:Vf)を測定した。また、一般的な積分球で発光出力(Po)及び発光波長を測定した。
発光面の発光分布は、正極の全面で発光していることが確認できた。また、半導体発光素子は、400nm付近の波長領域に発光波長を有しており、Vfは3.3V、Poは15mWであった。
アニール処理のガスにN2とH2との混合ガスを使用したことを除き、実施例1と同様に半導体発光素子を作製した。なお、アニール直後のIZO膜は、400nm付近の波長領域における透過率が90%以上、シート抵抗が11Ω/sqであった。また、得られた半導体発光素子は、400nm付近の波長領域に発光波長を有しており、Vfは3.25V、Poは15mWであった。
アニール処理の温度を300℃で行ったことを除き、実施例1と同様に半導体発光素子を作製した。なお、アニール処理後のIZO膜は、400nm付近の波長領域における透過率がおよそ70%、シート抵抗が16Ω/sqであった。また、得られた半導体発光素子は、400nm付近の波長領域に発光波長を有しており、Vfは3.3V、Poは12mWであった。
実施例1と同様に窒化ガリウム系化合物半導体層20のp型GaNコンタクト層27上に、250nmのITO膜をスパッタリング法にて形成した。その後、アモルファス状態のIZO膜を、FeCl3とHClの混合液を用いてウェットエッチングし、p型GaNコンタクト層27上の正極形成領域にのみIZO膜が成膜された状態とした。IZO膜をパターニングした後、O2を25%含むN2ガス雰囲気で600℃、1minのアニール処理と、N2雰囲気で500℃、1minのアニール処理の2つのアニール処理を行った。なお、2つのアニール処理後のITO膜は、400nm付近の波長領域における透過率がおよそ80%、シート抵抗が15Ω/sqであった。
また、2つのアニール処理後、実施例1同様に半導体発光素子を作製した。得られた半導体発光素子は、400nm付近の波長領域に発光波長を有しており、Vfは3.3V、Poは13mWであった。
また、実施例および実施例2の半導体発光素子では、比較例1および比較例2の半導体発光素子と比較して、紫外領域の光の発光出力(Po)に優れていることが明らかとなった。
Claims (14)
- p型半導体層を含み、少なくとも紫外領域に発光波長を有する半導体層と、前記p型半導体層上に設けられた透光性電極とを備え、
前記透光性電極が、結晶化されたIZO膜を含むものであることを特徴とする半導体発光素子。 - 少なくとも350nm〜420nmに発光波長を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記IZO膜の厚さが35nm〜10μmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記IZO膜の厚さが100nm〜1μmであることを特徴とする請求項3に記載の半導体発光素子。
- 前記IZO膜上に保護層が形成されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体層が、窒化ガリウム系化合物半導体層であることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- p型半導体層を含み、少なくとも紫外領域に発光波長を有する半導体層と、前記p型半導体層上に設けられ、結晶化されたIZO膜を含む透光性電極とを備える半導体発光素子の製造方法であって、
前記p型半導体層上にアモルファス状態のIZO膜を形成する工程と、
500℃〜900℃のアニール処理を行なうことによって、前記アモルファス状態のIZO膜を結晶化されたIZO膜とするアニール工程とを備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記アニール工程を行なう前に、前記アモルファス状態のIZO膜をパターニングする工程を備えることを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記アニール処理は、O2を含まない雰囲気中で行なうことを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記アニール処理は、N2雰囲気中、またはN2とH2の混合ガス雰囲気中で行なうことを特徴とする請求項9に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記IZO膜の厚さが35nm〜10μmであることを特徴とする請求項7〜請求項10のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記IZO膜の厚さが100nm〜1μmであることを特徴とする請求項11に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記アニール工程の後、前記IZO膜上に保護層を積層する工程を備えることを特徴とする請求項7〜12の何れか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の半導体発光素子が用いられていることを特徴とするランプ。
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