JP2023132803A - 発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光取り出し効率を向上した発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】発光素子１００の製造方法は、第一半導体層１１と、第二半導体層１２と、第一半導体層１１と第二半導体層１２との間に位置する活性層１３と、を含む半導体構造体１０を準備する工程と、第二半導体層１２上に、第一膜厚の第一透光性導電層２１を第一温度で形成する工程と、第一透光性導電層２１を、酸素を含む雰囲気中で、第一温度よりも高い第二温度で加熱する工程と、加熱する工程の後、第一透光性導電層２１上に、第一膜厚よりも厚い第二膜厚の第二透光性導電層２２を、第一温度よりも高い第三温度で形成する工程とを含む。【選択図】図１
Description
本発明は、発光素子の製造方法に関する。
特許文献１には、窒化物半導体等の半導体を用いた発光素子において、半導体層上にＩＴＯ等の透光性を有する透光性の導電層を配置することが開示されている。このような発光素子において、高い透光性を有する導電層を配置し、光取り出し効率を向上することが望まれている。
本発明の目的の一は、光取り出し効率を向上した発光素子の製造方法を提供することにある。
本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法は、第一半導体層と、第二半導体層と、前記第一半導体層と第二半導体層との間に位置する活性層と、を含む半導体構造体を準備する工程と、前記第二半導体層上に、第一膜厚の第一透光性導電層を第一温度で形成する工程と、前記第一透光性導電層を、酸素を含む雰囲気中で、前記第一温度よりも高い第二温度で加熱する工程と、前記加熱する工程の後、前記第一透光性導電層上に、前記第一膜厚よりも厚い第二膜厚の第二透光性導電層を、前記第一温度よりも高い第三温度で形成する工程とを含む。
本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法によれば、低い抵抗率と高い透光性を有する透光性導電層が形成され、光取り出し効率を向上した発光素子を提供することができる。
以下、図面に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一もしくは同等の部分又は部材を示す。
さらに以下に示す実施形態は、本発明の技術思想の具体例を示すものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また、図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
［実施形態１］
［実施形態１］
実施形態１に係る発光素子の模式断面図を図１に示す。この図に示す発光素子１００は、基板１と、半導体構造体１０と、透光性導電層２０と、電極３０とを備える。半導体構造体１０は、第一半導体層１１と、第二半導体層１２と、第一半導体層１１と第二半導体層１２との間に位置する活性層１３とを含む。透光性導電層２０は、第一透光性導電層２１と、第二透光性導電層２２とを含む。電極３０は、第一電極３１と第二電極３２を含む。
（基板１）
（基板１）
基板１は、半導体構造体１０を支持するものである。基板１は、半導体構造体１０をエピタキシャル成長させるための成長基板であってもよい。基板１としては、例えば半導体構造体１０に窒化物半導体を用いる場合、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板や窒化ガリウム基板、ＳｉＣ基板等を用いることができる。半導体構造体１０は、例えば、サファイア基板のＣ面上に配置される。
（半導体構造体１０）
（半導体構造体１０）
半導体構造体１０は、基板１の上面に配置される。半導体構造体１０は、第一導電型の第一半導体層１１と、第二導電型の第二半導体層１２と、第一半導体層１１と第二半導体層１２との間に位置する活性層１３とを有する。第一導電型は、ｎ型もしくはｐ型である。第二導電型は、第一導電型とは異なる導電型であり、ｐ型もしくはｎ型である。本実施形態では、第一導電型はｎ型であり、第二導電型はｐ型である。第一半導体層１１上に配置される第一電極３１と、第二半導体層１２上に配置される第二電極３２との間に電圧を印加することで、活性層１３が発光する。活性層１３からの光は、例えば、紫外光又は可視光である。活性層１３の発光ピーク波長は、例えば、４００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下である。
第一半導体層１１は、第二半導体層１２及び活性層１３から露出した露出部を有する。第一半導体層１１の露出部には、第二半導体層１２及び活性層１３が配置されていない。
半導体構造体１０は、例えば、窒化物半導体からなる複数の半導体層が積層された積層体である。ここで、「窒化物半導体」とは、窒素を含む半導体であって、典型的には、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘおよびｙをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものである。
（誘電体層４０）
（誘電体層４０）
誘電体層４０は、第一半導体層１１の上面の一部及び第二半導体層１２の上面の一部にそれぞれ配置される。誘電体層４０は、第一半導体層１１と第一電極３１との間と、第二半導体層と第二電極３２との間とにそれぞれ配置される。誘電体層４０は、活性層１３から第一電極３１又は第二電極３２に向かう光を半導体構造体１０と誘電体層４０との界面で全反射し、光取り出し効率を向上させるために配置する。誘電体層４０には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン等の絶縁部材を用いることができる。誘電体層４０は、配置しなくてもよい。
（透光性導電層２０）
（透光性導電層２０）
透光性導電層２０は、第二半導体層１２上に配置される。透光性導電層２０は、第二半導体層１２側から順に、第一透光性導電層２１と第二透光性導電層２２とが積層された積層構造を有する。透光性導電層２０は、第二半導体層１２と電気的に接続されている。透光性導電層２０は、第二半導体層１２の上面の略全面を覆って設けられ、第二電極３２に供給される電流を第二半導体層１２のより広い範囲に拡散させることができる。
透光性導電層２０には、例えば、導電性を有する金属酸化物を用いることができる。透光性導電層２０は、例えば、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ及びＴｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物が挙げられる。例えば、透光性導電層２０には、ＩＴＯやＺｎＯを用いることができる。ＩＴＯやＺｎＯは、電気抵抗率の低い材料であることから、第一半導体層１１上の上面の略全面を覆うのに好適な材料である。
（第一透光性導電層２１）
（第一透光性導電層２１）
第一透光性導電層２１は、第二半導体層１２上に配置される。第一透光性導電層２１は、例えば、第二半導体層１２と誘電体層４０とを被覆して配置される。第一透光性導電層２１の膜厚を、第一膜厚とする。第一膜厚は、例えば、２ｎｍ以上８ｎｍ以下とすることが好ましい。第一透光性導電層２１の膜厚を薄くすることで、第一透光性導電層２１による光吸収を低減することができる。
（第二透光性導電層２２）
（第二透光性導電層２２）
第二透光性導電層２２は、第一透光性導電層２１上に配置される。この第二透光性導電層２２は、第一透光性導電層２１の膜厚である第一膜厚よりも厚い、第二膜厚を有する。
第一透光性導電層２１及び第二透光性導電層２２の結晶粒の平均径は、例えば、１μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上１０μｍ以下とすることがより好ましい。透光性導電層２０の結晶粒の平均径がより大きいことで、透光性導電層２０の透光性が向上される。第一透光性導電層２１と第二透光性導電層２２とを含む透光性導電層２０の光透過率は、例えば、６０％以上とすることができ、好ましくは７０％以上とすることできる。
また第二膜厚は、第一膜厚の５倍以上４０倍以下とすることが好ましい。具体的には、第二膜厚は、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることが好ましい。第二透光性導電層２２の膜厚を薄くすることにより、透光性導電層２０の抵抗率の上昇を低減できる。第一透光性導電層２１と第二透光性導電層２２とを含む透光性導電層２０の抵抗率は、１５０μΩ・ｃｍ以下とすることができる。
第一電極３１は、第一半導体層１１上に配置され、第一半導体層１１と電気的に接続されている。第一電極３１は、ワイヤボンディングなどによる外部との接続に適するように、例えばＣｕ、Ａｕ又はこれらの金属を主成分とする合金を用いることができる。第一電極３１は、複数の金属層を含む積層構造としてよい。
また第二電極３２は、第二透光性導電層２２上に配置され、第一透光性導電層２１及び第二透光性導電層２２を介して第二半導体層１２と電気的に接続されている。第二電極３２は、ワイヤボンディングなどによる外部との接続に適するように、例えば、Ｃｕ、Ａｕ又はこれらの金属を主成分とする合金を用いることができる。第二電極３２は、複数の金属層を含む積層構造としてよい。
発光素子１００の表面は、保護膜６０で被覆されている。保護膜６０は、ｐ側電極３２ｂの上面の一部及び第二ｎ側電極３１ｂの上面の一部を露出させる開口部を有する。保護膜６０の開口部において、第一電極３１及び第二電極３２は外部と電気的に接続される。保護膜６０は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン等の絶縁部材を用いることができる。保護膜６０は、配置しなくてもよい。
［発光素子の製造方法］
［発光素子の製造方法］
実施形態１の発光素子の製造方法を、図１～図１１を用いて説明する。まず、ステップＳ１として半導体構造体１０を準備する工程を行う。例えば、図３に示すように、基板１としてサファイア基板を準備し、基板１上に、第一半導体層１１と、活性層１３と、第二半導体層１２とを含む半導体構造体１０を形成することで半導体構造体１０を準備する。半導体構造体１０は、例えば、基板１上に第一半導体層１１としてｎ型半導体層を形成し、ｎ型半導体層上に活性層１３を形成し、さらに活性層１３上に第二半導体層１２としてｐ型半導体層を、順に形成することで形成する。このような半導体構造体１０は、液相成長法、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法やＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法により形成することができる。
次に図４に示すように、第二半導体層１２の一部、活性層１３の一部、及び第一半導体層１１の一部を第二半導体層１２側からエッチングなどにより除去して、第一半導体層１１の一部を第二半導体層１２及び活性層１３から露出させる。次に図５に示すように、第二半導体層１２上、及び露出された第一半導体層１１上にそれぞれ、誘電体層４０を部分的に形成する。誘電体層４０は、例えば、蒸着法やスパッタリング法で形成することができる。なお、本明細書において半導体構造体１０を準備するとは、既製品の半導体構造を入手することも含む。
次にステップＳ２として第二半導体層１２上に第一膜厚の第一透光性導電層２１を第一温度で形成する工程を行う。第一透光性導電層２１は、例えば図６に示すように、第二半導体層１２上、第一半導体層１１上、及び誘電体層４０を覆うように形成される。第一温度で形成することで、第一透光性導電層２１は、非結晶状態で形成される。第一温度は、例えば、２５℃以上３５℃以下である。
第一透光性導電層２１は、例えば、蒸着法やスパッタリング法で形成することができる。第一透光性導電層２１の形成には、例えば、蒸着法の一つであるＲＰＤ（Reactive Plasma Deposition）法が利用できる。また、第一透光性導電層２１を形成する際、真空中で蒸着する真空蒸着法を用いることが好ましい。第一透光性導電層２１を形成する時の第二半導体層１２へのダメージを考慮すると、第一透光性導電層２１をスパッタリング法よりも蒸着法で形成することが好ましい。一方でスパッタリング法は、後述する第二透光性導電層２２の形成にも利用できることから、生産性を向上する点では好ましい。
次にステップＳ３として、第一透光性導電層２１を、酸素を含む雰囲気中で、第一温度よりも高い第二温度で加熱する工程を行う。第二温度は、２００℃以上５００℃以下とすることが好ましい。このように、第一透光性導電層２１は、比較的低温の第一温度で非結晶状態で形成された後に、第一温度よりも高い第二温度で加熱される。このように、第一透光性導電層２１を結晶化していない状態で形成し、酸素を含む雰囲気中で加熱することにより、第一透光性導電層２１の表面に大きな結晶粒が形成される。また、第一温度で形成した後の第一透光性導電層２１は結晶配向が揃いにくい傾向があり、第一透光性導電層２１に対して第二温度により加熱することで結晶配向が揃う傾向がある。このように、第一透光性導電層２１を形成後に加熱することにより結晶配向を揃えることができるので、第一透光性導電層２１における電子移動度が高くなりシート抵抗を低減できる。
次にステップＳ４として、第一透光性導電層２１上に、第二膜厚の第二透光性導電層２２を第三温度で形成する工程を行う。第二透光性導電層２２は、例えば図７に示すように、第二半導体層１２上及び第一半導体層１１上に形成された第一透光性導電層２１上に形成される。第三温度は、第一温度よりも高い温度である。第三温度は、例えば、２００℃以上５００℃以下である。
第二透光性導電層２２は、例えば、蒸着法やスパッタリング法で形成することができる。第二透光性導電層２２の膜厚は、第一膜厚よりも厚い。第二膜厚は、例えば、４０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。
以上のように、加熱することで表面に比較的大きな結晶粒が形成されている第一透光性導電層２１の上に、第一温度よりも高い第三温度で第二透光性導電層２２を形成する。これにより、第一透光性導電層２１の表面の結晶状態を引き継いで結晶成長された第二透光性導電層２２を形成することができる。
本実施形態に係る発光素子１００の製造方法は、第一透光性導電層２１と第二透光性導電層２２と含む、高い透光性を有する透光性導電層２０を形成することができるので、光取り出し効率を向上した発光素子を得ることができる。第二透光性導電層２２よりも抵抗率の高い第一透光性導電層２１の膜厚を薄くすることで、透光性導電層２０の抵抗率が悪化することを低減できる。そして、加熱された第一透光性導電層２１上に第二透光性導電層２２を形成することで、第一透光性導電層２１及び第二透光性導電層２２における結晶粒を大きくし、低い抵抗率と高い透光性を両立させた透光性導電層２０を実現している。
次にステップＳ５として、第一透光性導電層２１の一部及び第二透光性導電層２２の一部を除去する工程を行う。具体的には、図８に示すように、第二半導体層１２の上方に位置する第二透光性導電層２２上の一部にレジストマスク５０を形成する。この状態で図９に示すように、レジストマスク５０を介して、第一透光性導電層２１の一部及び第二透光性導電層２２の一部をエッチングする。その後、レジストマスク５０を除去することで、第二半導体層１２上の一部に形成された透光性導電層２０を形成する。このようにして、低い抵抗率と高い透光性を有する透光性導電層２０を形成できる。
次にステップＳ６として、電極を形成する工程を行う。具体的には、図１０に示すように、露出された第一半導体層１１の上面に誘電体層４０を覆う第一ｎ側電極３１ａを形成する。次に図１１に示すように、第二透光性導電層２２の上面にｐ側電極３２ｂを、第一ｎ側電極３１ａの上面に第二ｎ側電極３１ｂを、それぞれ形成する。電極は、例えば、蒸着法やスパッタリング法で形成することができる。
最後にステップＳ７として、保護膜６０を形成する。具体的には、図１に示すように、半導体構造体１０、透光性導電層２０、第一ｎ側電極３１ａ、第二ｎ側電極３１ｂ、及びｐ側電極３２ｂを被覆するように保護膜６０を形成する。保護膜６０は、図１に示すように、ｐ側電極３２ｂの上面の一部及び第二ｎ側電極３１ｂの上面の一部を露出させる開口部を有する。保護膜６０は、例えば、蒸着法やスパッタリング法で形成することができる。このようにして、実施例１に係る発光素子１００が得られる。
［実施例１］
［実施例１］
次に、本願発明の効果を確認すべく、実施例１に係る透光性導電層を作成し、比較例１、２に係る透光性導電層と比較した。実施例１に係る透光性導電層として、第一透光性導電層と第二透光性導電層とを含む透光性導電層を形成した。まず、サファイア基板上に、第一透光性導電層として膜厚が３ｎｍのＩＴＯ層を形成した。また第一透光性導電層は、温度を３０℃とした真空蒸着法により形成した。
次に、第一透光性導電層を、酸素を含む雰囲気中で２５０℃の温度で加熱した。
さらに、加熱された第一透光性導電層上に、第二透光性導電層を第三温度で形成した。第二透光性導電層として膜厚が５７ｎｍのＩＴＯ層を形成した。また、第二透光性導電層は、温度を２５０℃とした真空蒸着法により形成した。このようにして、実施例１に係る透光性導電層を形成した。
［比較例１］
［比較例１］
比較例１では、透光性導電層として膜厚が６０ｎｍのＩＴＯ層を形成した。また比較例１に係る透光性導電層は、温度を３０℃としたスパッタリング法により形成した。
［比較例２］
［比較例２］
比較例２では、比較例１と同様に透光性導電層を６０ｎｍのＩＴＯ層を形成した。また比較例２に係る透光性導電層は、実施例１に係る第二透光性導電層と同じ成膜方法及び温度で形成した。
（比較試験）
（比較試験）
以上のようにして得られた実施例１、比較例１、２に係る透光性導電層の抵抗率、光透過率、ＸＲＤを測定した。各測定は、実施例１、比較例１、２に係る透光性導電層に対して、酸素を含む雰囲気で４５５℃の熱処理と、真空中で４００℃の熱処理とを実施した後に行った。
実施例１、比較例１～２に係る透光性導電層の抵抗率を測定した。測定には、三菱化学株式会社製Ｌｏｒｅｓｔａ-ＧＰ装置を用いて行った。この結果を表１に示す。なお表１の抵抗率の変化率は、比較例１の抵抗率を基準とした場合の比較例２及び実施例１の抵抗率の変化率を、それぞれ示している。
表１に示すように、実施例１では抵抗率を比較例１及び比較例２よりも低減できていることが確認された。特に実施例１の抵抗率は、比較例１との対比では、抵抗率を半分程度とすることができている。また比較例２との対比から、透光性導電層を蒸着法のみで形成した比較例２よりも、第一透光性導電層を蒸着法により形成した後、第一透光性導電層に対して熱処理を行った上で第二透光性導電層を蒸着法により形成した実施例１の方が、抵抗率の低減に有効であることが確認された。
次に、実施例１、比較例１、２に係る透光性導電層の光透過率を測定した。測定には、ＪＡＳＣＯ社製ＡＲＭ－５００装置を用いて行った。この結果を表２に示す。なお表２の透過率の変化率は、比較例１の透過率を基準とした場合の比較例２及び実施例１の透過率の変化率を、それぞれ示している。
表２に示すように、実施例１では透過率を比較例１及び比較例２よりも向上できていることが確認された。また、比較例１と比較例２とで透過率に大きな差は確認されなかった。
次に、結晶性を確認すべく、実施例１、比較例１、２に係る透光性導電層のＸＲＤ（２θ－ω）を測定した。測定には、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製Ｘ’Ｐｅｒｔ ＰＲＯ装置を用いて行った。この結果を図１２のグラフに示す。図１２は、実施例１、比較例１、比較例２の測定波形を縦方向にずらして配置して示したものである。図１２に示すとおり、実施例１では比較例１、２に比べて、Ｉｎ2Ｏ3の（４００）が大きく表れていることが確認された。一方、比較例２では、Ｉｎ2Ｏ3の（２２２）が表れていることが確認された。また、実施例１は、比較例１よりもＩｎ2Ｏ3の（４００）におけるピークが高く表れており、比較例１よりもＩＴＯの結晶配向が揃っていることが確認できた。
最後に、結晶粒の大きさを確認すべく、実施例１、比較例１、２に係る透光性導電層のＡＦＭ画像を観察した。ここでは、実施例１、比較例１、２に係る透光性導電層に対し、酸素を含む雰囲気で４５５℃の熱処理と、真空中で４００℃の熱処理とを実施した後、さらに透光性導電層の表面を塩酸で３０秒間エッチングした後に観察している。観察には、ＢＲＵＫＥＲ社製ＤＩＭＥＮＳＩＯＮ ＦａｓｔＳｃａｎ装置を用いて行った。この結果を図１３、図１４及び図１５に示す。これらの図において、図１３は実施例１、図１４は比較例１、図１５は比較例２の写真を示している。
実施例１、比較例１、２に係る透光性導電層の表面に形成された１つの結晶粒の大きさを測定したところ、実施例１では２μｍ以上の大きさの結晶粒を複数確認できた。比較例１では１μｍ以下の大きさの結晶粒が確認でき、比較例２では０．１μｍ以下の大きさの結晶粒が確認できた。これらのことから、実施例１では、比較例１、２より大きな結晶粒が形成されていることが確認された。
１００…発光素子
１…基板
１０…半導体構造体
１１…第一半導体層
１２…第二半導体層
１３…活性層
２０…透光性導電層
２１…第一透光性導電層
２２…第二透光性導電層
３０…電極
３１…第一電極；３１ａ…第一ｎ側電極；３１ｂ…第二ｎ側電極
３２…第二電極；３２ｂ…ｐ側電極
４０…誘電体層
５０…レジストマスク
６０…保護膜
１…基板
１０…半導体構造体
１１…第一半導体層
１２…第二半導体層
１３…活性層
２０…透光性導電層
２１…第一透光性導電層
２２…第二透光性導電層
３０…電極
３１…第一電極；３１ａ…第一ｎ側電極；３１ｂ…第二ｎ側電極
３２…第二電極；３２ｂ…ｐ側電極
４０…誘電体層
５０…レジストマスク
６０…保護膜
Claims (9)
- 第一半導体層と、
第二半導体層と、
前記第一半導体層と第二半導体層との間に位置する活性層と、
を含む半導体構造体を準備する工程と、
前記第二半導体層上に、第一膜厚の第一透光性導電層を第一温度で形成する工程と、
前記第一透光性導電層を、酸素を含む雰囲気中で、前記第一温度よりも高い第二温度で加熱する工程と、
前記加熱する工程の後、前記第一透光性導電層上に、前記第一膜厚よりも厚い第二膜厚の第二透光性導電層を、前記第一温度よりも高い第三温度で形成する工程と、
を含む発光素子の製造方法。 - 請求項１に記載の発光素子の製造方法であって、
前記第一透光性導電層を、蒸着法で形成する発光素子の製造方法。 - 請求項１又は２に記載の発光素子の製造方法であって、
前記第二透光性導電層を、スパッタリング法又は蒸着法で形成する発光素子の製造方法。 - 請求項１～３のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法であって、
前記第二温度が、２００℃以上５００℃以下である発光素子の製造方法。 - 請求項１～４のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法であって、
前記第二膜厚が、前記第一膜厚の５倍以上４０倍以下である発光素子の製造方法。 - 請求項１～５のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法であって、
前記第一膜厚が、２ｎｍ以上８ｎｍ以下である発光素子の製造方法。 - 請求項１～６のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法であって、
前記第二膜厚が、４０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である発光素子の製造方法。 - 請求項１～７のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法であって、
前記第一温度が、２５℃以上３５℃以下である発光素子の製造方法。 - 請求項１～８のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法であって、
前記第一透光性導電層及び第二透光性導電層が、酸化インジウム錫である発光素子の製造方法。
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- 2022-03-11 JP JP2022038338A patent/JP2023132803A/ja active Pending
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