JP3141874B2 - 化合物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
化合物半導体発光素子の製造方法Info
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Description
膜の製造方法に関するものであり、より特定的には、よ
り低温で平滑で、低抵抗・高透過率を持ち、かつコスト
を低下させることができるように改良された透明導電膜
の製造方法に関する。この発明は、また、そのような方
法を用いた、化合物半導体発光素子の製造方法に関す
る。
イ、太陽電池をはじめ多くの分野で用いられている。透
明導電膜としては、一般にITO(In2 O3 −5wt
%SnO 2 )が用いられている。ITOの成膜方法とし
ては、スパッタ法が主流となっており、基板温度300
℃で、透過率80%以上、抵抗率2×10-4Ωcm程度
のものが、再現性よく得られている。有機エレクトロル
ミネセンス(EL)や発光ダイオード(LED)への応
用を考えた場合、より低温で、成膜可能な透明導電膜が
求められている。
成膜でも高透過率、低抵抗率が実現できるIn2 O3 −
10wt%ZnOの製造技術が提案されている。この技
術によれば、スパッタ法で室温で成膜した、膜厚140
nmの膜で、抵抗率3×10 -4Ωcm、透過率86%
(at550nm)を実現している。
ンプレーティング法などでも検討されている。
率や伝導率が、酸素量に大きく依存する。しかしなが
ら、従来の蒸着法では、蒸着源の運転のため、成膜圧力
に制限があるという問題点があった。また、スパッタ法
では、プラズマを利用するための圧力範囲の制限とアル
ゴンの使用(プラズマを立てるために必要なもの)な
ど、成膜するための成膜圧やガスに制限があり、精密に
酸素量を制御できないという問題点があった。
るためになされたもので、成膜圧力、成膜ガスに制限が
なく、かつ精密に酸素量を制御することができるように
改良された透明導電膜の製造方法を提供することにあ
る。
かつコストが低減することができるように改良された、
透明導電膜の製造方法を提供することにある。
上およびコストが低減されるように改良された透明導電
膜の形成工程を含む、化合物半導体発光素子の製造方法
を提供することを目的とする。
半導体発光素子の製造方法においては、まず、透明電極
を形成する直前の化合物半導体発光素子基板を準備す
る。この化合物半導体発光素子基板を真空槽内に置く。
上記真空槽の中心に、透明導電膜電極の材料となるター
ゲットを置き、真空槽内に酸素を導入する。そして、成
膜温度を室温〜300℃にして、上記ターゲットにレー
ザ光を照射し、アブレーションによって放出された原
子、分子イオンを前記化合物半導体発光素子基板の上に
堆積させ、酸化させながら、透明導電膜電極を結晶成長
させる。
されるものであり、本発明では、化合物半導体発光素子
基板上に透明導電膜電極を成膜する方法として利用して
いる。レーザアブレーションでは、励起源となるエキシ
マレーザを成膜装置外から導くため、成膜圧やガスに制
約がない。また、スパッタ法で問題となる負イオンによ
る逆スパッタの影響もない。このような特徴から、酸素
量制御が容易となり、かつターゲット組成に近い膜を得
る等の特徴がある。さらに、スパッタ法に比べ表面平滑
性が優れた膜が得られる。こうして、この発明によれ
ば、レーザアブレーション法で透明導電膜電極を形成す
るので、低抵抗であり、かつ透過率が向上した化合物半
導体発光素子が得られる。
造方法においては、上記ターゲットは、In2 O3 −1
0Wt%ZnOが用いられる。
造方法においては、成膜圧力を、0.3〜3×10-3T
orrで行なう。
について説明する。
ーザアブレーション成膜装置の概念図である。高密度の
レーザパルスを固体表面に照射し、そこから放出される
イオンや原子を対向した位置にある基板上に堆積し、薄
膜を形成する手法がレーザアブレーション法と言われる
ものである。この手法は、金属酸化物誘導体薄膜の成膜
プロセスとして大変適した方法である。強いレーザパル
スを利用して、同一実験チャンバの中で成膜だけでなく
微細加工、エッチング、多層化等が行なえる利点を持
つ。強誘電体薄膜作製におけるレーザアブレーション法
の利点は、以下のようになる。
ーザ光が導入されるため、結晶成長に適した任意の雰囲
気圧力中で薄膜形成ができることが挙げられる。また、
ターゲットのみから原子・分子・イオンが放出されるた
めに不純物のない薄膜が形成される。
メータを独立に選ぶことができる。薄膜の制御性という
意味では、レーザパルス数とエネルギーの調節で瞬時に
成膜コントロールができる。
非常に高速の成膜が可能である。このように、多くの優
れた点を有している。
ように、真空槽の中心に成膜する強誘電体からなるバル
クターゲットを置き、真空系内には酸素またはオゾン、
NO 2 等の酸化力の強いガスを導入し、パルスレーザ光
をターゲットに照射してアブレーションを起こす。アブ
レーションによって放出された原子分子イオンは基板に
堆積して酸化されながら結晶成長をする。実施の形態1
では、このようなレーザアブレーション装置を用いて、
透明導電膜の成膜を試みた。
製、高密度品、以下、IDIXOと略する。) 基板:MGO(透過率測定)、ガラス(抵抗測定用) 成膜温度:(室温(RT)〜300℃)標準としてRT
を用いた。
2 (標準として、3×10-3TorrO2 を用いた) 成膜条件について、さらに詳細に説明する。
た。
プルーム形状が変化する。また、ある成膜圧下で、試料
をプルームのどの部分に位置させるかにより、組成が変
化する。発明者は超伝導デバイス開発でのターゲット・
基板間距離は60〜70mm程度が最適である結果を得
ており、今回はプルーム観察からターゲット・基板間距
離を70mmに固定し、酸素圧依存性を評価した。な
お、IDIXOの膜厚は120nm程度とした。
率は酸素圧とともに大きく変化し、3×10-3Torr
でdipをもつ特性が得られた。これは酸素量により、
透明導電膜の抵抗に最適値があるという、これまでの報
告と一致している。なお、最も低い6.5×10-5Ωc
mという値は、従来のスパッタ法で得ることは非常に困
難な値である。このため、スパッタ法に比べ、1桁程度
の抵抗率が低いことから、必要となる膜厚が1/10と
なり、このことにより透過率を上昇でき、低コストで高
品質の透明導電膜が作製可能となる。またこの条件で作
製した膜の表面の凹凸は0.5nm程度と非常に平滑で
あった。この値は、スパッタ法で作製した膜に比べ1/
10程度である。
性を評価した結果を示す。約300nmの吸収端が認め
られる。透過率測定用の試料は、基板として吸収端が2
00nm程度のMgOを使用しており、300nmの吸
収がIDIXO膜に起因していることがわかる。また、
使用したMgO基板の波長500nmでの透過率は84
%と測定されており、成膜酸素圧とIDIXO膜(12
0nm)の透過率の関係としては、表1のように計算で
きる。
が、抵抗率が非常に高い。最も低い抵抗率が得られた3
×10-3Torrでは、透過率92%が得られた。発光
素子では一般に膜厚の薄いAuを透明電極として使用し
ている。膜厚20nmのAuの透過率が37%であるこ
とから、IDIXOを用いたことで、2倍以上の光出力
が得られる。
再現性などを評価する必要がある。ZnSe基板は、現
状10mm角程度であり、プルーム形状、超電導関係の
発明者の経験・実績から問題ないと考えられ、今回はI
DIXO膜を同条件で3回成膜した場合の抵抗率変化を
評価した。その結果を、表2に示す。
が、すべての試料で10-5Ωcm以下の値を得ている。
このような低い値で安定していることは、製品への適用
には問題ないと考えられる。
しては、1)ターゲット組成の変化、2)膜厚変化が原
因として考えられる。1)についてはターゲット表面の
研磨、2)については膜厚モニタの設置により対応が可
能である。
DIXO膜を成膜することにより、ベストデータで、抵
抗率が1桁程度低減できた。このことは、従来使用され
てきた透明導電膜の膜厚を1/10程度に低減できる可
能性を示している。蒸着法、スパッタ法では励起源(蒸
着;熱、スパッタ;プラズマ)が装置内にあり、成膜条
件が制限される。これに比べ、レーザアブレーション法
では、装置の外部から励起源となるエキシマレーザを導
入するため、成膜時の圧力は大気圧近くから高真空まで
容易に変化でき、最適な酸素圧での成膜が可能である。
また膜組成に関しても、レーザアブレーションでは、タ
ーゲット組成に近い膜が容易に得られる。このような原
因から、本発明では、非常に高い抵抗率を持つIDIX
O膜の成膜を実現することができたものと考えられる。
ため、約300℃で成膜後の降温雰囲気を変化させる実
験を行なった。なお、成膜圧は室温成膜で最も低い抵抗
率を示した3×10-3Torrとした。結果を表3に示
す。
され、抵抗率が上昇している。成膜圧、真空中降温では
あまり抵抗率に変化は認められず、この圧力範囲では、
取込まれた酸素が極端に変化しないことを示している。
酸素圧依存性との実験とも併せ、IDIXO膜は、酸素
導入しやすく、欠損しにくい特性があると思われる。
LEDのp電極として成膜した場合、接合を形成する可
能性がある。これを防ぐため、IDIXO膜を成膜する
前にAu膜を成膜するIDIXO/Au構造について検
討を行なった。抵抗率に関する結果を、表4に示す。
多少高い抵抗率、10nmでは同程度の抵抗率が得られ
ている。3nmで抵抗が増加する原因としては、島状に
成長したAu(電気伝導には寄与しない)の存在によ
り、IDIXOが成膜初期において連続膜が成長せず、
抵抗率が上昇したと考えられる。さらに、10nmとな
ると、Auは連続膜となり、IDIXOの電気伝導の低
下を補っていることを示している。
る透過率特性を示す。Auの存在により、透過率の低下
が認められる。波長500nmで、IDIXO(120
nm)/Au(3nm)の透過率は80%程度である。
Auの膜厚の薄さに比べ、透過率が低下している原因と
しては、Auの存在により、IDIXO自体の透過率が
低下しているためと考えられる。
て、製造した化合物半導体発光素子の断面図である。図
5を参照して、n型半導体層1の裏面にn電極2が設け
られている。n型半導体層1の上に活性層3が設けられ
ている。活性層3の上にp型半導体層4が設けられてい
る。p型半導体層4の上にコンタクト層5が設けられて
いる。コンタクト層5の上に透明電極であるp電極6が
設けられている。p電極6の上にパッド7が設けられて
いる。パッド7には、外部電源(図示せず)から、配線
8より、電流が送り込まれる。
透明電極6の成膜方法として、実施の形態1で説明した
レーザアブレーション法を用いることにより、透過率が
高く、かつ電気伝導率が低く、さらに従来用いられてい
るAu電極よりも、2倍以上の光出力を有するものが得
られた。ZnSe系LEDの電極構造としては、光出力
を最大とするため、IDIXO(200nm)/Au
(3nm)が望ましい。
点で例示であって、制限的なものではないと考えられる
べきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特
許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の
意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意
図される。
る。
圧との関係を示す図である。
圧依存性を示す図である。
長依存性を示す図である。
の断面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 透明電極を形成する直前の化合物半導体
発光素子基板を準備する工程と、 前記化合物半導体発光素子基板を真空槽内に置く工程
と、 前記真空槽の中心に、透明導電膜電極の材料となるター
ゲットを置く工程と、 前記真空槽内に酸素を導入する工程と、成膜温度を室温〜300℃にして、 前記ターゲットにレ
ーザ光を照射し、アブレーションによって放出された原
子、分子イオンを前記化合物半導体発光素子基板の上に
堆積させ、酸化させながら、前記透明導電膜電極を結晶
成長させる工程と、を備えた化合物半導体発光素子の製
造方法。 - 【請求項2】 前記ターゲットは、In2O3−10wt
%ZnOを含む、請求項1に記載の化合物半導体発光素
子の製造方法。 - 【請求項3】 成膜圧力を、0.3〜3×10-3Tor
rにして、前記結晶成長を行なう、請求項1に記載の化
合物半導体発光素子の製造方法。
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