JP6805674B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子及びその製造方法に関する。
従来の発光素子として、AlGa1−xN(0≦x≦1)からなるp型半導体層上にRuからなる反射電極層が形成された発光素子が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の発光素子によれば、発光層で発生した発光波長が200〜495nmの範囲の光のうち、素子の裏面に向かう光を効率的に反射して、表面からの発光量を増大させることができるとされている。
また、従来の発光素子として、III−V族化合物半導体からなるp型半導体層にTi/Ru/Au多層構造を有するパッド電極が接続された発光素子が知られている(例えば、特許文献2参照)。
特開2011−151393号公報 特許第5177227号公報
特許文献1の発光素子においては、p型半導体層上にルテニウムからなる反射電極層が直接接続されているが、RuはTi等の他の電極材料と比較してAlGa1−xN(0≦x≦1)との接触抵抗が高いという欠点がある。このため、発光素子の順方向電圧が上昇する原因となる。
また、特許文献2の発光素子が紫外発光素子である場合には、p型半導体層のAl組成が大きくなり、その上にTi膜を形成しただけではp型半導体層とTi膜がオーミック接触しない場合がある。特許文献2にはオーミック接触を形成するための特別な処理については開示されていないため、特許文献2の発光素子が紫外発光素子である場合には、p型半導体層とTi/Ru/Au多層構造を有するパッド電極とはオーミック接触しないものと考えられる。
本発明の目的は、紫外線を発する発光素子であって、n電極の発光層のAlGaN層との接触抵抗が低いために順方向電圧が低く、かつn電極の光反射特性が高いために光取出効率の高い発光素子、及びその製造方法を提供することにある。
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記[1]〜[5]の発光素子の製造方法、及び[6]〜[8]の発光素子を提供する。
[1]n型クラッド層を含む、AlGa1−xN(0.1≦x≦1)を主成分とするn型半導体層を形成する工程と、Ti層とRu層の積層構造を含み、前記Ti層が前記n型半導体層に接触するnコンタクト電極を形成する工程と、熱処理により前記n型半導体層と前記Ti層とをオーミック接触させる工程と、を含む、発光素子の製造方法。
[2]前記n型半導体層がAlGa1−xN(x≧0.65)を主成分とする、上記[1]に記載の発光素子の製造方法。
[3]前記Ti層の厚さが0.5nm以上かつ2.5nm以下である、上記[1]又は[2]に記載の発光素子の製造方法。
[4]RF電源を用いたスパッタリングにより前記Ti層を形成する、上記[1]〜[3]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[5]ガス圧力が0.4Pa以下のスパッタリングにより前記Ru層を形成する、上記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[6]n型クラッド層を含む、AlGa1−xN(0.1≦x≦1)を主成分とするn型半導体層と、Ti層とRu層の積層構造を含み、前記Ti層が前記n型半導体層にオーミック接触するnコンタクト電極と、を有する、発光素子。
[7]前記n型半導体層がAlGa1−xN(x≧0.65)を主成分とする、上記[6]に記載の発光素子。
[8]前記Ti層の厚さが0.5nm以上かつ2.5nm以下である、上記[6]又は[7]に記載の発光素子。
本発明によれば、紫外線を発する発光素子であって、n電極の発光層のAlGaN層との接触抵抗が低いために順方向電圧が低く、かつn電極の光反射特性が高いために光取出効率の高い発光素子、及びその製造方法を提供することができる。
図1は、実施の形態に係る発光素子の垂直断面図である。 図2(a)は、発光素子に500mAの電流を流したときのTi層の膜厚と順方向電圧Vの関係をグラフ化したものである。図2(b)は、表4のTi層の膜厚とn側接触抵抗の関係をグラフ化したものである。 図3(a)は、nコンタクト電極のTi層の成膜レートと発光素子の熱処理前後の順方向電圧差ΔVとの関係を示すグラフである。図3(b)は、Ti層の成膜レートとスパッタリング出力との関係を示すグラフである。 図4は、Ti膜の密着性とスパッタリングガス圧力の関係を示すグラフである。 図5は、表5のRu層の反射率とスパッタリングガス圧力との関係をグラフ化したものである。 図6(a)は、Ru層、Pt層、Rh層の反射率を比較したグラフである。図6(b)は、Ru膜の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。図6(c)は、Ru層及びPt層の熱処理前後の反射率の変化を示すグラフである。
〔実施の形態〕
図1は、実施の形態に係る発光素子1の垂直断面図である。発光素子1は、基板10と、基板10上のn型半導体層11と、n型半導体層11上の発光層12と、発光層12上のp型半導体層13と、p型半導体層13上の透明電極14と、透明電極14の上面及び側面を覆うDBR(distributed Bragg reflector)膜15と、n型半導体層11に接続されたnコンタクト電極16と、DBR膜15上に形成され、p型半導体層13に接続されるpコンタクト電極17と、nコンタクト電極16に接続されたn配線電極18と、pコンタクト電極17に接続されたp配線電極19と、n配線電極18に接続されたnパッド電極20と、p配線電極19に接続されたpパッド電極21と、を有する。
また、発光層12、p型半導体層13、透明電極14、DBR膜15、nコンタクト電極16、pコンタクト電極17、n配線電極18、及びp配線電極19は、絶縁層22に含まれ、nパッド電極20及びpパッド電極21は絶縁層22上に露出するように形成される。
基板10は、n型半導体層11の成長の下地となる層であり、例えば、サファイア、SiC、ZnO、Si、GaN、AlN等からなる。
n型半導体層11は、AlGaNを主成分とする層である。n型半導体層11に含まれるドナーとして、例えば、Siが用いられる。
n型半導体層11を構成するAlGaNは、n型半導体層11が発光層12から発せられる光を吸収しないような組成を有する。具体的には、Al組成が大きいほどAlGaNのバンドギャップが大きくなるため、より波長の短い光のn型半導体層11による吸収を抑えることができる。
例えば、発光層12の発光波長がUV−Aと呼ばれる波長域(400〜315nm)にある場合は、n型半導体層11の組成はAlGa1−xN(0.1≦x<0.4)となる。
また、発光層12の発光波長がUV−Bと呼ばれる波長域(315〜280nm)にある場合は、n型半導体層11の組成はAlGa1−xN(0.4≦x<0.65)となる。
また、発光層12の発光波長がUV−Cと呼ばれる波長域(280nm未満)にある場合は、n型半導体層11の組成はAlGa1−xN(0.65≦x≦1)となる。
n型半導体層11は、例えば、nコンタクト電極16が接続されるnコンタクト層と、発光層12に接するnクラッド層を含む。なお、基板10とn型半導体層11との間にバッファ層が設けられていてもよい。
発光層12は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層である。発光層12は、少なくとも井戸層と、障壁層とを有している。井戸層として、例えば、AlGaN層を用いることができる。障壁層として、例えば、井戸層のAlGaN層よりもバンドギャップが大きいAlGaN層を用いることができる。これらの層の組成比は、発光層12の発光波長に応じて適宜設定される。
p型半導体層13は、例えば、AlGaNを主成分とする層である。p型半導体層13に含まれるアクセプターとして、例えば、Mgが用いられる。p型半導体層13を構成するAlGaNの組成比は、発光層12の発光波長に応じて適宜設定される。
p型半導体層13は、例えば、発光層12に接するpクラッド層と、透明電極14が接続されるpコンタクト層を含む。
透明電極14は、p型半導体層13と電気的に接続されるともに光を透過する電極層であり、IZO等の透明材料からなる。透明電極14の厚さは、例えば、100nmである。
DBR膜15は、例えば、SiOとNbの多層膜であり、発光層12から発せられた光を基板10側(光取出し側)に反射する機能を有する。
nコンタクト電極16は、n型半導体層11とオーミック接触するTi層と、発光層12から発せられた光を基板10側に反射するRu層の積層構造を有する。
また、nコンタクト電極16は、Ru層上に、Au層等の他の層を有してもよい。この場合、nコンタクト電極16は、Ti/Ru/Au積層構造やTi/Ru/Au/Al積層構造を有し、Ru層はTiとAuの拡散を防ぐ拡散防止層としての機能も有する。
AlGaN層にTi層を接合させる場合、AlGaN層のAl組成が小さいときにはAlGaN層上にTi層を形成すればオーミック接触が形成される。しかしながら、AlGaN層のAl組成が大きい場合はAlGaN層上にTi層を形成しただけではオーミック接触が形成されず、熱処理(アニール処理)が必要になる。そして、AlGaN層のAl組成が大きくなるほど、オーミック接触を形成するために必要な熱処理温度が高くなる。
紫外光を発する発光素子1のn型半導体層11は、Al組成が大きいAlGaNから構成されるため、Ti層を最下層とするnコンタクト電極16をn型半導体層11にオーミック接触させるために、nコンタクト電極16の形成後に300℃以上の熱処理が実施される。
例えば、n型半導体層11の組成がUV−A発光素子用のAlGa1−xN(0.1≦x<0.4)である場合は、nコンタクト電極16をn型半導体層11にオーミック接触させるために、およそ300℃以上の熱処理が必要になる。また、n型半導体層11の組成がUV−B発光素子用のAlGa1−xN(0.4≦x<0.65)である場合は、およそ500〜700℃、好ましくは700℃の熱処理が必要になる。また、n型半導体層11の組成がUV−C発光素子用のAlGa1−xN(0.65≦x≦1)である場合は、およそ800〜900℃、好ましくは900℃の熱処理が必要になる。
熱処理後の発光素子1の順方向電圧Vを低くするため、及び熱処理後のnコンタクト電極16とn型半導体層11との接触抵抗を小さくするためには、nコンタクト電極16のTi層の厚さが0.5nm以上かつ2.5nm以下であることが好ましい。
また、熱処理後のnコンタクト電極16の表面状態を良好に保つためには、RF電源を用いたスパッタリングによりnコンタクト電極16のTi層を形成することが好ましい。
nコンタクト電極16のRu層は紫外光の反射率が高いだけでなく、耐熱性に優れるという特徴を有する。このため、Ti層をn型半導体層11にオーミック接触させるための熱処理を実施しても、Ru層の反射層や拡散防止層としての機能はほとんど低下しない。なお、Ru層の代わりにPtやRhからなる層を用いた場合、Ti層をn型半導体層11にオーミック接触させるための熱処理によって、反射層や拡散防止層としての機能が低下する。
nコンタクト電極16のRu層の反射率を高くするためには、ガス圧力が0.4Pa以下のスパッタリングによりnコンタクト電極16のRu層を形成することが好ましい。
また、nコンタクト電極16のRu層の厚さが40nm以下である場合は、反射率が低下するおそれがあるため、nコンタクト電極16のRu層の厚さは40nmよりも大きいことが好ましい。
また、nコンタクト電極16がRu層上にAu層、Al層を有する場合は、Au層、Al層の厚さは、例えば、それぞれ500nm、3.5nmである。
pコンタクト電極17は、例えば、nコンタクト電極16と同じ層構成を有する。この場合、pコンタクト電極17をnコンタクト電極16と同時に形成することができる。
また、pコンタクト電極17のDBR膜15への密着力を大きくするためには、ガス圧力が0.5Pa以下のスパッタリングによりpコンタクト電極17のTi層を形成することが好ましい。なお、上述のようにpコンタクト電極17がnコンタクト電極16と同じ層構成を有し、nコンタクト電極16と同時に形成される場合は、pコンタクト電極17のDBR膜15への密着力を大きくするため、nコンタクト電極16及びpコンタクト電極17のTi層をガス圧力が0.5Pa以下のスパッタリングにより形成することが好ましい。
n配線電極18、p配線電極19は、例えば、Ti/Ru/Au/Alの積層構造を有する。この場合、Ti層、Ru層、Au層、Al層の厚さは、例えば、それぞれ1.5nm、100nm、500nm、3.5nmである。
nパッド電極20、pパッド電極21は、例えば、Ti/Ru/Auの積層構造を有する。この場合、Ti層、Ru層、Au層の厚さは、例えば、それぞれ1.5nm、100nm、500nmである。
なお、pコンタクト電極17、n配線電極18、p配線電極19、nパッド電極20、pパッド電極21は、nコンタクト電極16のTi層をn型半導体層11にオーミック接触させるための熱処理を実施する前に形成されるのであれば、Ru層の代わりにPtやRhからなる層を用いることは好ましくない。上述のように、PtやRhはnコンタクト電極16のTi層をn型半導体層11にオーミック接触させるための熱処理の温度により特性を劣化させるためである。
また、発光素子1は、ガラス封止された素子であってもよい。この場合、ガラス封止に500℃以上の温度が必要になるため、pコンタクト電極17、n配線電極18、p配線電極19、nパッド電極20、pパッド電極21は、Ru層の代わりにPtやRhからなる層を用いることは好ましくない。発光素子1は500℃以上の高温にも耐えることができるため、例えば、屈伏点(又は融点)がおよそ500℃のガラスで直接封止することができる。
絶縁層22は、SiO等の絶縁材料からなる。
上記実施の形態に係る発光素子1について試験を実施し、各種パラメータの好ましい値を求めた。
(Tiの膜厚)
次の表1〜3は、nコンタクト電極16のTi層の膜厚と発光素子1の順方向電圧Vとの関係を示す。表1はnコンタクト電極16の形成後の熱処理を行う前の順方向電圧V、表2は315℃の熱処理を行った後の順方向電圧V、表3は575℃の熱処理を行った後の順方向電圧Vをそれぞれ示す。
Figure 0006805674
Figure 0006805674
Figure 0006805674
図2(a)は、発光素子1に500mAの電流を流したときのTi層の膜厚と順方向電圧Vの関係をグラフ化したものである。
表1〜3及び図2(a)に示される結果から、nコンタクト電極16のTi層の膜厚を2.5nm以下にすることにより、nコンタクト電極16の形成後に熱処理を行った場合の発光素子1の順方向電圧Vを小さくできることがわかる。
また、Ti層が0.5nmよりも薄くなると発光素子1の順方向電圧Vが上昇するおそれがあるため、Ti層の膜厚が0.5nm以上であることが好ましい。
次の表4は、nコンタクト電極16のTi層の膜厚と発光素子1のn側接触抵抗との関係を示す。ここで、n側接触抵抗とは、nコンタクト電極16とn型半導体層11との接触抵抗をいう。
Figure 0006805674
図2(b)は、表4のTi層の膜厚とn側接触抵抗の関係をグラフ化したものである。
表4及び図2(b)に示される結果から、nコンタクト電極16のTi層の膜厚を2.5nm以下にすることにより、nコンタクト電極16の形成後に熱処理を行った場合の発光素子1のn側接触抵抗を小さくできることがわかる。
また、Ti層が0.5nmよりも薄くなると発光素子1のn側接触抵抗が上昇するおそれがあるため、Ti層の膜厚が0.5nm以上であることが好ましい。
なお、本試験はn型半導体層11のAl組成がx=0.1である発光波長域がUV−Aの発光素子1について実施されたものであるが、n型半導体層11のAl組成がより大きい発光波長域がUV−B、UV−Cの発光素子1について同様の試験を実施した場合には、n側接触をオーミック接触とするために必要な熱処理温度が高くなるため、熱処理を行う前のn側接触抵抗と315℃の熱処理を行った後のn側接触抵抗がより高くなる。
(Ti成膜条件)
図3(a)は、nコンタクト電極16のTi層の成膜レートと発光素子1の熱処理前後の順方向電圧差ΔVとの関係を示すグラフである。ここで、ΔVは熱処理前の順方向電圧Vと575℃の熱処理後の順方向電圧Vとの差をいう。
本試験では、Ti層の膜厚を2nmとして、発光素子1に500mAの電流を流したときの順方向電圧Vを測定して、ΔVを求めた。
図3(a)は、Ti層の成膜レートが低いほど熱処理によるVの上昇幅が大きくなることを示している。このため、熱処理後の発光素子1の順方向電圧Vを小さくするためにはTi層の成膜レートをある程度大きくすることが好ましく、例えば、0.1nm/sec以上にすることが好ましい。
図3(b)は、Ti層の成膜レートとスパッタリング出力との関係を示すグラフである。Ti層の成膜レートはスパッタリング出力の増加に伴って線形に増加するため、スパッタリング出力により成膜レートを制御することができる。
図4は、Ti膜の密着性とスパッタリングガス圧力の関係を示すグラフである。Ti膜の密着性は、SiO基板上に成膜したTi/Ru/Au/Al積層膜に対してmELT(modified edge lift off test)試験を実施することにより測定した。ここで、mELT試験は、膜の上に塗布したエポキシ樹脂と基板の熱収縮率の違いにより生じるせん断応力によって膜を引きはがす試験である。
図4は、スパッタリングガス圧力が低いほどTi膜の密着力が大きくなることを示している。発光素子1においては、一例として、pコンタクト電極17のTi層の、表面がSiO層であるDBR15に対する密着力が0.307MPa・m1/2以上であることが好ましく、この場合、Ti層成膜時のスパッタリングガス圧力がおよそ0.5Pa以下であることが好ましい。pコンタクト電極17がnコンタクト電極16と同じ構成を有し、同時に形成される場合は、nコンタクト電極16のTi層成膜時のスパッタリングガス圧力もおよそ0.5Pa以下であることが好ましいことになる。
また、Ti層のスパッタリングにDC電源を用いた場合、熱処理後にnコンタクト電極16の表面に膨れが生じる場合があることがわかった。一方、RF電源を用いた場合にはこのような膨れは生じなかった。nコンタクト電極16の表面の膨れは反射率等に悪影響を及ぼすため、Ti層のスパッタリングにはRF電源を用いる(周波数は、例えば13.56MHz)ことが好ましい。
(Ru成膜条件)
次の表5は、nコンタクト電極16のRu層の反射率とスパッタリング条件との関係を示す。表5の「ガス圧」、「出力」、「T−S距離」は、それぞれスパッタリングガス圧、スパッタリング出力、ターゲット−基板間距離を意味する。
Figure 0006805674
図5は、表5のRu層の反射率とスパッタリングガス圧力との関係をグラフ化したものである。
表5及び図5は、スパッタリングガス圧力が低いほどRu層の反射率が大きくなることを示している。nコンタクト電極16のRu層の反射率を高くするためには、Ru層成膜時のスパッタリングガス圧力をおよそ0.4Pa以下にすることが好ましい。
(Ru反射率)
図6(a)は、Ru層、Pt層、Rh層の反射率を比較したグラフである。図6(a)には、Ti/Ru/Au積層膜、Ti/Pt/Au積層膜、及びTi/Rh/Au積層膜の反射率が示されている。各積層膜中のTi層の膜厚は2nm、Au層の膜厚は500nm、Ru層、Pt層、及びRh層の膜厚は100nmである。
図6(a)は、光の波長が短くなるほどPt層、Rh層の反射率が低下する一方で、Ru層が300nm付近まで高い反射率を維持することを示している。このため、紫外光を発する発光素子に用いられる反射材として、Ru層がPt層、Rh層よりも優れているといえる。
図6(b)は、Ru膜の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。図6(b)には、膜厚が20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、150nmのRu膜の反射率が示されている。また、図6(b)には、比較例として、膜厚が100nmのPt膜の反射率が示されている。
図6(b)は、Ru膜が高波長側から300nm付近まで高い反射率を維持し、また、それがほとんど膜厚に寄らないことを示している。一方で、Pt膜の反射率は、光の波長が短くなるほど低下している。
図6(c)は、Ru層及びPt層の熱処理前後の反射率の変化を示すグラフである。図6(c)には、575℃の熱処理前後のTi/Ru/Au積層膜及びTi/Pt/Au積層膜の反射率が示されている。各積層膜中のTi層の膜厚は2nm、Au層の膜厚は500nm、Ru層及びPt層の膜厚は100nmである。
図6(c)は、Pt層の反射率が熱処理によって大きく低下するのに対し、Ru層の反射率はほとんど変化しないことを示している。
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、発光素子の構成は、n型半導体層11、nコンタクト電極16、及び紫外光を発する発光層12を含む構成であれば、特に限定されない。
また、上記の実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
1 発光素子
11 n型半導体層
12 発光層
13 p型半導体層
15 DBR膜
16 nコンタクト電極
17 pコンタクト電極

Claims (5)

  1. ガラス封止される発光素子の製造方法であって、
    基板上に、n型クラッド層を含む、AlGa1−xN(0.1≦x≦1)を主成分とするn型半導体層を形成する工程と、
    前記n型半導体層上に発光層を形成する工程と、
    前記発光層上にAlGaNを主成分とするp型半導体層を形成する工程と、
    Ti層とRu層の積層構造を含み、前記Ti層が前記発光層及び前記p型半導体層の一部が除去されることにより露出した前記n型半導体層に接触するnコンタクト電極を形成する工程と、
    Ti層とRu層の積層構造を含み、前記p型半導体層に接触するpコンタクト電極を形成する工程と、
    熱処理により前記n型半導体層と前記Ti層とをオーミック接触させる工程と、
    Ru層を含む積層構造を有し、前記pコンタクト電極に接続されるp配線電極を形成する工程と、
    Ru層を含む積層構造を有し、前記nコンタクト電極に接続されるn配線電極を形成する工程と、
    Ru層を含む積層構造を有し、前記p配線電極に接続されるpパッド電極を形成する工程と、
    Ru層を含む積層構造を有し、前記n配線電極に接続されるnパッド電極を形成する工程と、
    を含み、
    前記nコンタクト電極の形成において、前記Ti層をRF電源を用いたスパッタリングにより形成し、前記Ru層をガス圧力が0.4Pa以下のスパッタリングにより形成する、発光素子の製造方法。
  2. 前記n型半導体層がAlGa1−xN(x≧0.65)を主成分とする、
    請求項1に記載の発光素子の製造方法。
  3. 前記Ti層の厚さが0.5nm以上かつ2.5nm以下である、
    請求項1又は2に記載の発光素子の製造方法。
  4. 前記pコンタクト電極の形成を、前記nコンタクト電極と同時に形成する、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
  5. 前記ガラス封止を、屈伏点500℃以上のガラスで行う、
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
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