JP2013093580A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電気的特性がより向上した酸化亜鉛系透明導電性薄膜を有する半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体発光素子は、3族元素がドープされた酸化亜鉛系透明導電性薄膜を有し、前記3族元素の濃度は、前記酸化亜鉛系透明導電性薄膜の厚さ方向に複数の周期を有する波形ように濃度の濃淡が変化することを特徴とする。
【選択図】 図2
【解決手段】本発明の半導体発光素子は、3族元素がドープされた酸化亜鉛系透明導電性薄膜を有し、前記3族元素の濃度は、前記酸化亜鉛系透明導電性薄膜の厚さ方向に複数の周期を有する波形ように濃度の濃淡が変化することを特徴とする。
【選択図】 図2
Description
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、酸化亜鉛系透明導電性薄膜を含む半導体発光素子及びその製造方法に関する。
TFT−LCD(thin film transistor−liquid crystal display)、PDP(plasma display panel)、FED(field emission display)、OLED(Organic Light Emitting Diodes)等の平板ディスプレイと、光電効果を用いるLED、太陽電池等には透明導電性薄膜が用いられており、可視光領域及び近赤外線領域での優れた光透過性及び導電性が求められている。
現在、高品位の透明導電性薄膜として最も多く用いられている材料は、SnがドープされたITO(In2O3:Sn、Indium Tin Oxide、)である。しかしながら、ITOの主な構成元素であるInは、Sn、Znに比べて埋蔵量が極めて少ないため、価格がAgに相当する程度に高価である。
これにより、ITOの代替材料として多く研究されたものがZnOにAl、Ga、In、B等の3族陽イオン性金属元素をドープした材料であり、その中でもAlがドープされたZnO:Al、及びGaがドープされたZnO:Gaが最も多くの注目を浴びてきた。
ZnOの主な構成元素であるZnは、Inに比べて埋蔵量が約1000倍以上豊富な材料で、低価であり且つ水素プラズマ雰囲気(SiH4)で安定的であるという長所があるため、積極的に活用しようとする動きがある。
近年、このような3族元素がドープされた酸化亜鉛系(ZnO)薄膜を形成するためにスパッタリング(sputtering)法を用いて薄膜を形成する方法が試みられているが、この方法は、素子の表面にスパッタリングによるダメージ(damage)が生じる危険性があり、3族元素の濃度調節に困難があるという問題がある。
また、MOCVD方式で3族元素がドープされた酸化亜鉛系(ZnO)薄膜を形成する方法が試みられているが、薄膜の表面の近くに3族元素の濃度が集中して、全体的な薄膜の電気的特性が低下するという問題がある。
本発明は上記従来の透明導電性薄膜における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、電気的特性がより向上した酸化亜鉛系透明導電性薄膜を有する半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、原価節減及び大量生産の面で有利なバッチ(Batch)型のMOCVD装置を用いて電気的特性に優れ且つ大量生産が可能な酸化亜鉛系透明導電性薄膜を有する半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明による半導体発光素子は、3族元素がドープされた酸化亜鉛系透明導電性薄膜を有し、前記3族元素の濃度は、前記酸化亜鉛系透明導電性薄膜の厚さ方向に複数の周期を有する波形ように濃度の濃淡が変化することを特徴とする。
上記目的を達成するためになされた本発明による基板上に第1の導電型半導体層、活性層、及び第2の導電型半導体層が順次積層された発光構造体を形成する段階と、前記発光構造体が形成された基板を熱処理する段階と、亜鉛前駆体及び酸化剤を反応チャンバーに注入して酸化亜鉛系薄膜を成長させる段階と、前記酸化亜鉛系薄膜を成長させる間に3族元素前駆体を周期的に前記反応チャンバーに注入して前記酸化亜鉛系薄膜に3族元素をドープさせる段階と、前記結果物を熱処理する段階とを有することを特徴とする。
前記酸化亜鉛系薄膜を成長させる前に前記発光構造体が形成された基板を熱処理する段階は、200〜600℃の温度で、10〜60分間行うことが好ましい。
前記亜鉛前駆体は、DEZn(Diethyl Zinc)及びDMZn(Dimethyl Zinc)の内の少なくともいずれか一つを含むことが好ましい。
前記3族元素として用いられる前駆体は、TEGa(Triethyl Gallium)及びTMGa(Trimethyl Gallium)の内の少なくともいずれか一つを含むことが好ましい。
前記酸化亜鉛系薄膜を成長させる段階は、2〜30torrの圧力、400〜530℃の温度で行うことが好ましい。
前記結果物を熱処理する段階は、200〜600℃の温度で、40〜120分間行うことが好ましい。
前記酸化亜鉛系薄膜はバッチ(Batch)型のMOCVD装置で形成することが好ましい。
前記亜鉛前駆体は、DEZn(Diethyl Zinc)及びDMZn(Dimethyl Zinc)の内の少なくともいずれか一つを含むことが好ましい。
前記3族元素として用いられる前駆体は、TEGa(Triethyl Gallium)及びTMGa(Trimethyl Gallium)の内の少なくともいずれか一つを含むことが好ましい。
前記酸化亜鉛系薄膜を成長させる段階は、2〜30torrの圧力、400〜530℃の温度で行うことが好ましい。
前記結果物を熱処理する段階は、200〜600℃の温度で、40〜120分間行うことが好ましい。
前記酸化亜鉛系薄膜はバッチ(Batch)型のMOCVD装置で形成することが好ましい。
また、上記目的を達成するためになされた本発明による半導体発光素子の製造方法は、基板上に第1の導電型半導体層、活性層、及び第2の導電型半導体層が順次積層された発光構造体を形成する段階と、前記発光構造体の少なくとも一つの面に亜鉛前駆体、酸化剤、及び3族元素の前駆体を反応チャンバーに注入して、10〜20分間、酸化亜鉛系薄膜を成長させる段階と、前記3族元素の前駆体を除いた前記亜鉛前駆体及び前記酸化剤を前記反応チャンバーに注入して2〜20分間、酸化亜鉛系透明導電性薄膜を成長させる段階とを有し、前記前記酸化亜鉛系薄膜を成長させる段階と酸化亜鉛系透明導電性薄膜を成長させる段階を複数回繰り返すことを特徴とする。
前記酸化亜鉛系薄膜を成長させる段階は、2〜30torrの圧力、400〜530℃の温度で行うことが好ましい。
本発明に係る半導体発光素子及びその製造方法によれば、電気的特性が向上した酸化亜鉛系透明導電性薄膜を有する半導体発光素子が形成でき、また、バッチ(Batch)型のMOCVD装置を用いて電気的特性に優れ且つ大量生産が可能な酸化亜鉛系透明導電性薄膜を形成することができるので、電気的特性が向上した半導体発光素子を製造することができるという効果がある。
次に、本発明に係る半導体発光素子及びその製造方法を実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
しかしながら、本発明の実施形態は多様な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が後述する実施例に限定されるものではない。
本発明の実施形態は本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
したがって、図面に示す構成要素の形状及びサイズなどはより明確な説明のために誇張されることがあり、図面上で実質的に同一の構成と機能を有する構成要素には同一の参照符号を用いる。
本発明の実施形態は本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
したがって、図面に示す構成要素の形状及びサイズなどはより明確な説明のために誇張されることがあり、図面上で実質的に同一の構成と機能を有する構成要素には同一の参照符号を用いる。
透明導電性薄膜の優秀性の尺度は、適切な自由電荷の濃度と自由電荷の移動度(carrier mobility)のサイズにある。
酸化亜鉛系透明導電性薄膜での自由電荷の濃度を増加させるための方法として、酸化亜鉛系透明導電性薄膜に3族陽イオン性金属元素をドープして自由電荷を生成し、ドープ量の調節によって自由電荷の濃度を制御する方法がある。
具体的には、AlやGa等のような3族陽イオン性金属元素を酸化亜鉛系透明導電性薄膜にドープさせると、3族陽イオン性金属元素が2価のZnを置換するようになり、電荷量の差によって自由電荷が生成され、ドープ量によって自由電荷の濃度が調節される。
具体的には、AlやGa等のような3族陽イオン性金属元素を酸化亜鉛系透明導電性薄膜にドープさせると、3族陽イオン性金属元素が2価のZnを置換するようになり、電荷量の差によって自由電荷が生成され、ドープ量によって自由電荷の濃度が調節される。
このようにドープされた3族陽イオン性金属元素が酸化亜鉛系透明導電性薄膜全体に均一に分布してはじめて、電気的特性に優れた薄膜が形成される。
本発明の一実施形態による酸化亜鉛系透明導電性薄膜はMOCVD装置を用いて形成する。
図1は、本発明の一実施形態による酸化亜鉛系透明導電性薄膜を製造するためのMOCVD装置を示す概略断面図であり、図2は本発明の一実施形態による酸化亜鉛系透明導電性薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
図1は、本発明の一実施形態による酸化亜鉛系透明導電性薄膜を製造するためのMOCVD装置を示す概略断面図であり、図2は本発明の一実施形態による酸化亜鉛系透明導電性薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。
図1のように、MOCVD装置は、バッチ(Batch)型のMOCVD装置100であることができ、反応チャンバー10、ボート30、ガス供給部40を含むことができる。
上記反応チャンバー10は、内部チャンバー12及び上記内部チャンバー12を覆って気密を維持する外部チャンバー14の二重管構造で構成され、上記反応チャンバー10の縁に沿って備えられる加熱手段20によって反応チャンバー10の内部を加熱する。
上記反応チャンバー10は、内部チャンバー12及び上記内部チャンバー12を覆って気密を維持する外部チャンバー14の二重管構造で構成され、上記反応チャンバー10の縁に沿って備えられる加熱手段20によって反応チャンバー10の内部を加熱する。
ボート30には複数のウエハーWが所定間隔で積載されて取り付けられ、ウエハーWが積載されたボート30は反応チャンバー10内に配置されるか又は外部に排出される。
したがって、ボート30を用いて数十枚のウエハーWを所定間隔で積載することにより大量生産が可能となるという長所を有する。
したがって、ボート30を用いて数十枚のウエハーWを所定間隔で積載することにより大量生産が可能となるという長所を有する。
ガス供給部40は、少なくとも一つが内部チャンバー12とボート30の間に配置され、高さ方向に積載された複数のウエハーWに沿って高さ方向に垂直に伸びて備えられて反応チャンバー10の内部へ噴射ノズル41を介して反応ガスGを供給する。
ガス供給部40は、高さ方向に積載された複数のウエハーW全体にわたって薄膜が均一に成長することができるように複数がボート30の縁に沿って互いに離隔して配置される。特に、それぞれのガス供給部は、反応ガスGの供給量を制御する流量計(図示せず)と個別的に連結されて互いに独立して反応ガスGの供給量を調節する。そして、反応チャンバー10内の反応ガスGは反応後に排気口50から排出される。
本発明は、このような有機金属蒸着(MOCVD)装置を用いて酸化亜鉛系透明導電性薄膜を形成する。
本発明は、このような有機金属蒸着(MOCVD)装置を用いて酸化亜鉛系透明導電性薄膜を形成する。
図2を参照すると、まず、薄膜を形成するためのウエハーをバッチ(Batch)型のMOCVD装置の反応チャンバー10の内部に配置し、加熱手段20によって反応チャンバー10の内部を加熱してウエハーWを熱処理(pre−annealing)する(ステップS1)。
これは、200℃以上600℃以下の温度で10〜60分間行う。
これは、200℃以上600℃以下の温度で10〜60分間行う。
次に、亜鉛(Zn)前駆体、酸化剤、及び3族元素の前駆体を窒素(N2)又はアルゴン(Ar)ガスのような運搬気体(carrier gas)と共に反応チャンバー10の内部へガス供給部40の噴射ノズル41を介して注入して、ウエハーWの上に酸化亜鉛系薄膜を成長させる。この区間をドーピング段階とする(ステップS2)。
ここで、亜鉛前駆体としてDEZn(Diethyl Zinc)、DMZn(Dimethyl Zinc)等を、3族元素前駆体としてTEGa(Triethyl Gallium)、TMGa(Trimethyl Gallium)等を用いることができる。
工程圧力は、2〜30torrであり、400℃以上530℃以下の温度で10〜20分間行う。
工程圧力は、2〜30torrであり、400℃以上530℃以下の温度で10〜20分間行う。
次に、亜鉛(Zn)前駆体及び酸化剤を窒素(N2)又はアルゴン(Ar)ガスのような運搬気体(carrier gas)と共に反応チャンバー10内へガス供給部40の噴射ノズル41を介して注入し続け、3族元素前駆体に対しては2〜20分間、反応チャンバー10の内部への供給を制限する。
即ち、3族元素前駆体を除いた亜鉛(Zn)前駆体、及び酸化剤のみを反応チャンバーに注入して酸化亜鉛系薄膜を成長させる。この区間をアンドーピング段階とする(ステップS3)。
即ち、3族元素前駆体を除いた亜鉛(Zn)前駆体、及び酸化剤のみを反応チャンバーに注入して酸化亜鉛系薄膜を成長させる。この区間をアンドーピング段階とする(ステップS3)。
このようなドーピング段階(S2)とアンドーピング段階(S3)を、酸化亜鉛系透明導電性薄膜が所望の厚さに形成されるまで3〜7回繰り返す。
次に、一定時間の間に反応チャンバー10の内部の温度を上げるために、加熱手段20を用いて反応チャンバー10の内部を加熱する安定化温度区間を10〜120分間有する(ステップS4)。
次に、薄膜の自由電荷移動度及び自由電荷濃度特性を改善するために、後熱処理(post−annealing)を200℃以上600℃以下の温度で40〜120分間行う(ステップS5)。
このように、3族元素を薄膜に周期的にドープして酸化亜鉛系透明導電性薄膜を形成すると、薄膜の電気的特性が向上する。
図3は、本発明の実施形態による透明導電性薄膜の製造方法により形成された透明導電性薄膜の厚さ方向の深さに対する3族元素の濃度を示すSIMSグラフである。
図3に示すように、透明導電性薄膜の深さ方向に対してGaの濃度が周期的に変化して分布している。
即ち、透明導電性薄膜の表面にのみ3族元素が分布するのではなく、透明導電性薄膜の深さ方向全体に分布している。
即ち、透明導電性薄膜の表面にのみ3族元素が分布するのではなく、透明導電性薄膜の深さ方向全体に分布している。
このように、3族元素が薄膜全体にわたって分布すると、薄膜の抵抗が低くなり伝導性が高くなって電気的特性に優れた薄膜が形成される。
半導体発光素子の酸化亜鉛系透明導電性薄膜を上記の方法を用いて形成する場合、電気的特性に優れた半導体発光素子を製造することができる。
半導体発光素子の酸化亜鉛系透明導電性薄膜を上記の方法を用いて形成する場合、電気的特性に優れた半導体発光素子を製造することができる。
図4は、本発明の一実施形態による酸化亜鉛系透明導電性薄膜を含む半導体発光素子を概略的に示す断面斜視図である。
図4を参照すると、本発明の一実施形態による酸化亜鉛系透明導電性薄膜を含む半導体発光素子200は、垂直型発光素子であり、基板101の上部から順次積層されたp型半導体層103、活性層104、及びn型半導体層105を備える。
基板101としては、銅(Cu)、シリコン(Si)等からなる基板を用いることができる。
基板101としては、銅(Cu)、シリコン(Si)等からなる基板を用いることができる。
p型半導体層103は、GaN系列のIII−V族窒化物系化合物からなるp型物質層であり、p型導電性不純物がドープされた直接遷移型であることが好ましく、その中でもp−GaN層であることがより好ましい。
他に、p型半導体層103は、GaN系列のIII−V族窒化物系化合物にアルミニウム(Al)又はインジウム(In)を所定比率で含有した物質層、例えば、AlGaN層やInGaN層であることもできる。
他に、p型半導体層103は、GaN系列のIII−V族窒化物系化合物にアルミニウム(Al)又はインジウム(In)を所定比率で含有した物質層、例えば、AlGaN層やInGaN層であることもできる。
n型半導体層105は、GaN系列のIII−V族窒化物系化合物からなるn型物質層であり、n−GaN層であることが好ましい。
他に、n型半導体層105は、GaN系列のIII−V族窒化物系化合物にアルミニウム(Al)又はインジウム(In)を所定比率で含有した物質層、例えば、AlGaN層やInGaN層であることもできる。
他に、n型半導体層105は、GaN系列のIII−V族窒化物系化合物にアルミニウム(Al)又はインジウム(In)を所定比率で含有した物質層、例えば、AlGaN層やInGaN層であることもできる。
活性層104は、電子と正孔との再結合等のようなキャリアの再結合によって光放出が起こる物質層であり、多重量子井戸(MQW:Multi Quantum Well)構造を有するGaN系列のIII−V族窒化物系化合物からなる物質層であることが好ましく、その中でもInxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)層であることがより好ましい。
他に、活性層104は、GaN系列のIII−V族窒化物系化合物にインジウム(In)を所定の比率で含有する物質層、例えば、InGaN層であることもできる。一方、p型半導体層103、活性層104、及びn型半導体層105は、前述したものに限定されず、多様に構成することができる。
他に、活性層104は、GaN系列のIII−V族窒化物系化合物にインジウム(In)を所定の比率で含有する物質層、例えば、InGaN層であることもできる。一方、p型半導体層103、活性層104、及びn型半導体層105は、前述したものに限定されず、多様に構成することができる。
p型半導体層103にはp型電極102が電気的に接触され、n型半導体層105にはn型電極106が電気的に接触される。
即ち、p型電極102はp型半導体層103と基板101の間に配置されてp型半導体層103と接触するように形成されており、n型電極106はn型半導体層105上に配置されてn型半導体層105と接触するように形成されている。
即ち、p型電極102はp型半導体層103と基板101の間に配置されてp型半導体層103と接触するように形成されており、n型電極106はn型半導体層105上に配置されてn型半導体層105と接触するように形成されている。
活性層104で発生した光は、n型半導体層105、n型電極106を順次経て外部に放出される。
この場合、n型電極106は、光を外部に透過させることができるように透明電極からなり、特に、酸化亜鉛系透明導電性薄膜からなることができる。
このように、透明電極を酸化亜鉛系透明導電性薄膜で形成すると、電気的特性が向上した半導体発光素子を形成することができる。
この場合、n型電極106は、光を外部に透過させることができるように透明電極からなり、特に、酸化亜鉛系透明導電性薄膜からなることができる。
このように、透明電極を酸化亜鉛系透明導電性薄膜で形成すると、電気的特性が向上した半導体発光素子を形成することができる。
また、本発明の一実施形態によりバッチ(Batch)型のMOCVD装置を用いて酸化亜鉛系透明導電性薄膜を形成すると、一回で数十枚のウエハーWに酸化亜鉛系透明導電性薄膜を形成することができるため、大量生産が可能で原価節減が可能となる。
10 反応チャンバー
12 内部チャンバー
14 外部チャンバー
20 加熱手段
30 ボート
40 ガス供給部
41 噴射ノズル
50 排気口
100 バッチ(Batch)型のMOCVD装置
101 基板
102 p型電極
103 p型半導体層
104 活性層
105 n型半導体層
106 n型電極
200 半導体発光素子
12 内部チャンバー
14 外部チャンバー
20 加熱手段
30 ボート
40 ガス供給部
41 噴射ノズル
50 排気口
100 バッチ(Batch)型のMOCVD装置
101 基板
102 p型電極
103 p型半導体層
104 活性層
105 n型半導体層
106 n型電極
200 半導体発光素子
Claims (10)
- 3族元素がドープされた酸化亜鉛系透明導電性薄膜を有し、
前記3族元素の濃度は、前記酸化亜鉛系透明導電性薄膜の厚さ方向に複数の周期を有する波形ように濃度の濃淡が変化することを特徴とする半導体発光素子。 - 基板上に第1の導電型半導体層、活性層、及び第2の導電型半導体層が順次積層された発光構造体を形成する段階と、
前記発光構造体が形成された基板を熱処理する段階と、
亜鉛前駆体及び酸化剤を反応チャンバーに注入して酸化亜鉛系薄膜を成長させる段階と、
前記酸化亜鉛系薄膜を成長させる間に3族元素前駆体を周期的に前記反応チャンバーに注入して前記酸化亜鉛系薄膜に3族元素をドープさせる段階と、
前記結果物を熱処理する段階とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記酸化亜鉛系薄膜を成長させる前に前記発光構造体が形成された基板を熱処理する段階は、200〜600℃の温度で、10〜60分間行うことを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記亜鉛前駆体は、DEZn(Diethyl Zinc)及びDMZn(Dimethyl Zinc)の内の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記3族元素として用いられる前駆体は、TEGa(Triethyl Gallium)及びTMGa(Trimethyl Gallium)の内の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記酸化亜鉛系薄膜を成長させる段階は、2〜30torrの圧力、400〜530℃の温度で行うことを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記結果物を熱処理する段階は、200〜600℃の温度で、40〜120分間行うことを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記酸化亜鉛系薄膜はバッチ(Batch)型のMOCVD装置で形成することを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 基板上に第1の導電型半導体層、活性層、及び第2の導電型半導体層が順次積層された発光構造体を形成する段階と、
前記発光構造体の少なくとも一つの面に亜鉛前駆体、酸化剤、及び3族元素の前駆体を反応チャンバーに注入して、10〜20分間、酸化亜鉛系薄膜を成長させる段階と、
前記3族元素の前駆体を除いた前記亜鉛前駆体及び前記酸化剤を前記反応チャンバーに注入して2〜20分間、酸化亜鉛系透明導電性薄膜を成長させる段階とを有し、
前記前記酸化亜鉛系薄膜を成長させる段階と酸化亜鉛系透明導電性薄膜を成長させる段階を複数回繰り返すことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記酸化亜鉛系薄膜を成長させる段階は、2〜30torrの圧力、400〜530℃の温度で行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。
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