JPH09129919A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
供することにより、外部量子効率に優れた発光素子得
る。 【構成】 p型窒化物半導体層が最表面に形成されてな
る窒化物半導体発光素子において、前記p型窒化物半導
体層の表面に、透光性の金属薄膜よりなる第一の層と、
酸化物を含む透明導電膜よりなる第二の層とからなる電
極が形成されているので、透光性の電極を通して発光が
観測でき、外部量子効率が向上する。
Description
lYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)が積層され
てなるLED等の発光素子に係り、特に最表面にp型窒
化物半導体層が形成された発光素子の電極に関する。
1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)を用いた青色LE
D、緑色LEDが実用化されている。これらのLEDの
基本的な構造は、透明な絶縁性基板の上に例えばn型A
lYGa1-YN(0≦Y≦1)よりなるn型窒化物半導体
層(以下、n層という。)と、InXGa1-XN(0<X
≦1)よりなる活性層と、p型AlZGa1-ZN(0≦Z
≦1)よりなるp型窒化物半導体層(以下、p層とい
う。)とが順に積層されたダブルへテロ構造を有してい
る。このLEDは基板側からn電極を取り出すことがで
きないので、同一面側からn電極と、p電極とを取り出
す、いわゆるフリップチップ形式とされている。発光観
測面側は基板が透明であるので、基板側、電極側いずれ
側にもなるが、電極側、つまりp型窒化物半導体層側が
発光観測面とされているものが多い。
光を外部に取り出すために透光性の金属よりなる電極が
設けられている。また我々は特開平6−314822号
公報において、p層の表面に透光性の金属電極が設けら
れた発光素子を示した。しかしながら、従来の透光性の
金属電極では、青色、緑色光に対する電極の透過率が悪
く、外部量子効率では未だ十分満足できるものではなか
った。
発光素子に使用される電極は、順方向電圧を低下させる
ためにも、その半導体材料と好ましいオーミック接触を
得ている必要がある。前記LEDにおいても、n層には
TiとAlを含む電極、p層にはNiとAuを含む電極
で好ましいオーミック接触を得ている。
として、例えば特開平5−55631号には酸化スズ、
酸化インジウム、酸化亜鉛が示されている。しかしこの
公報に示される材料はアクセプター不純物をドープした
i(insulater)型の窒化物半導体に形成する電極であっ
て、好ましいオーミックは得られておらず、p層に形成
する電極ではない。また特開平5−315647号公報
にはp層に形成する好ましい電極としてAg、Au、P
t、Ir、Pd、Rh等が述べられているが、実際には
p型ではなくMIS構造の発光素子のi層にAu電極し
か設けられていない。
長が非常に難しい材料であり、その物性も未だ良く解明
されていないのが現実である。p−n接合を有するLE
Dが実現されてもp層に形成する電極には未だ改良すべ
き点も多く、さらにp層となじみが良く、数々の特性に
優れた電極材料が求められている。またLEDでは外部
量子効率の向上が望まれている。従って本発明の目的と
するところは、発光素子として有用なp層の新規な電極
を提供することにより、外部量子効率に優れた発光素子
を実現することにある。
型窒化物半導体層が最表面に積層されてなる窒化物半導
体発光素子において、前記p型窒化物半導体層の表面
に、透光性の金属薄膜よりなる第一の層と、酸化物を含
む透明導電膜よりなる第二の層とからなる電極が形成さ
れていることを特徴とする。
が500オングストローム以下であることを特徴とす
る。500オングストローム以下の膜厚にすれば、第一
の層の透光性が非常に良くなる。
(Pt)パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、オスミウム(Os)、イリジウム(I
r)よりなる群から選択された少なくとも一種を含む金
属または合金よりなることを特徴とする。これらの金属
または合金はp型層と好ましいオーミック接触が得ら
れ、その中でも特に第一の層において、Niおよび/ま
たはPdをp層と接する側にすると、さらに好ましいオ
ーミック接触を得ることができる。
n)、インジウム(In)、スズ(Sn)、マグネシウ
ム(Mg)よりなる群から選択された少なくとも一種を
含む酸化物よりなることを特徴とする。具体的にはZn
O、In2O3、SnO2、ITO(InとSnとの酸化
物)、MgO等を挙げることができる。
よび第二の層を形成するには蒸着、スパッタ等、通常の
気相製膜装置を用いることができる。第一の層は透光性
の金属薄膜である。金属薄膜を透光性にするには例えば
金属薄膜の膜厚の制御により可能である。透光性になる
膜厚は金属の種類によっても異なるが、通常0.1μm
以下の膜厚にすることにより透光性とすることができ
る。好ましくは500オングストローム(0.05μ
m)以下、さらに好ましくは200オングストローム以
下の膜厚にすることにより、第一の層が発光の吸収が少
ない優れた透光性を有する。なお透光性とは発光素子の
発光波長を電極が透過するという意味であって、必ずし
も無色透明を意味するものではない。
の薄膜を形成できる材料であればどのような材料でも良
いが、特にNi、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir
よりなる群から選択された少なくとも一種を含む金属ま
たは合金はp層と好ましいオーミック接触が得られ、発
光素子の順方向電圧を下げる上で有用である。、その中
でも特に、Niおよび/またはPdをp層と接する側に
すると、窒化物半導体よりなる発光素子の360nm〜
650nm付近、望ましくは380nm〜560nmの
波長の吸収が少なく、かつオーミック性にも優れている
ので、最も好ましい。またこの第一層を前記金属の積層
構造としてもよい。積層構造の場合、後に電極を熱的ア
ニールで処理すると、電極材料が第一層の中で渾然一体
となって合金化した状態となる。
全体の抵抗を低くする。そのために第二の層を酸化物を
含む透明導電膜とする。酸化物を含む透明導電膜には数
々の種類があるが、特に好ましくはZnO、In2O3、
SnO2、ITO(InとSnの酸化物)、MgO等で
示されるZn、In、Sn、Mg等の酸化物を含む抵抗
の低い透明導電膜を形成することが望ましい。この透明
導電膜よりなる第二の層の厚さは特に限定するものでは
なく、数オングストローム〜数μmの厚さで形成可能で
ある。
気相成長法)、HDVPE(ハライド気相成長法)、M
BE(分子線気相成長法)、MOMBE(有機金属分子
線気相成長法)等の気相成長装置を用いて、基板上に窒
化物半導体の結晶を成長、積層することで作成可能であ
る。基板にはサファイア(Al2O3)、ZnO、スピネ
ル(MgAl2O4)、SiC、Si、GaN等が用いら
れるが、一般的にはサファイア、SiCが用いられるこ
とが多い。積層構造としては、基本的にn層の上にp層
を積層してp層が最表面となるように積層して、この最
表面のp層に電極を形成できる構造とする。具体的には
p−n接合を有するへテロ構造、p−i−n接合を有す
るヘテロ接合の発光素子等が挙げられる。n型の窒化物
半導体は、例えばSi、Ge、Se等のドナー不純物を
ドープすれば成長可能である。一方、p型の窒化物半導
体は、Mg、Zn等のII族元素、C等のアクセプター不
純物を窒化物半導体中にドープすることにより成長可能
である。例えば、MOVPE法を用いてアクセプター不
純物をドープした窒化物半導体を成長させると、成長
後、何の処理をしなくともp型特性を示すものもある
が、好ましくは、400℃以上でアニーリング処理を施
すことにより、さらに好ましいp型特性を示すようにな
る。なおp型とは、例えばアクセプター不純物をドープ
した窒化物半導体で、抵抗率が103Ω・cm以下を示す
半導体をいう。
を示すグラフである。具体的に、p層の上に次に述べる
第一の層のみを形成した後、あるいは第一の層と第二の
層とを形成した後、400℃以上でアニールして電極を
形成し、同一種類の電極同士の電流電圧特性を測定する
ことにより、その電極のp層に対するオーミック性を調
べたものである。また、図2は図1に示す透光性電極の
透過率を示すグラフである。電極は次の通りである。
成した透光性電極。 B:第一の層にRhを40オングストロームの膜厚で形
成した透光性電極 C:第一の層にPdを10オングストローム、第二の層
にZnOを500オングストロームの膜厚で形成した透
光性電極。 D:第一の層にPdを10オングストローム、第二の層
にIn2O3を500オングストロームの膜厚で形成した
透光性電極。 E:第一の層にNiを60オングストローム、第二の層
にAuを200オングストロームの膜厚で形成した透光
性電極。
する側にすると非常に良好なオーミック性を示す。なお
A線の傾きはPdの膜厚が薄くなればなるほど、小さく
なる傾向にある。一方、Rh(B)は一応オーミック性
は示すものの、他のA、CD、Eに比べて接触抵抗が大
きい。なお他のRu、Os、Ir等の白金族の元素はB
線と同様の傾向を示したので省略する。次に一層目にP
d、二層目にZnOを形成した電極(C)、及び一層目
にPd、二層目にIn2O3を形成した電極(D)も良好
なオーミック接触を示している。この傾向は第二層目を
ITO、SnO 2またはMgOとしても同様であったの
で省略する。また一層目にNi、二層目にAuを形成し
た電極(E)は良好なオーミック接触を示しているが透
過率が悪い。これは後に述べる。なおオーミック性に関
しては第一層目にNi、Ptを形成した電極もE線と同
様の傾向を示したので省略する。
るが、従来のNi−Auを含む電極(E)は窒化物半導
体発光素子の発光の特徴である紫色〜緑色領域にかけて
の透過率が悪い。これに対し、本発明の発光素子に係る
電極C、Dの透過率はEに比べて非常に優れているの
で、発光素子の外部量子効率を向上させることができ
る。また、第一層目にのみ他の白金族の元素Pt、R
u、Os、Ir等の元素よりなる透光性電極はA,B線
と類似した透過率を示すので省略する。
形成した電極が発光をさえぎらなければ、発光素子の外
部量子効率が向上する。そこで、p層の表面に、透過率
のよい透光性の金属薄膜よりなる第一の層と、透過率の
良い酸化物を含む透明導電膜よりなる第二の層とからな
る電極を形成することにより、発光素子の外部量子効率
は向上する。
トローム以下であると、透光性の良い電極としての第一
の層を形成することができるが、第一の層の膜厚を次第
に薄くすることにより、電極のp層に対するシーズ抵抗
が大きくなる傾向にある。本発明では透明な導電膜であ
る第二の層を、第一の層の上に形成していることによ
り、全体としての電極の厚さが厚くなって、抵抗が大き
くなるのを防止できる。しかも、電極全体としては透光
性を保ったままであるので、発光は効率よく外部へ取り
出される。
h、Ru、Os、Irよりなる群から選択された少なく
とも一種を含む金属または合金とすることにより、膜厚
を薄くした状態においてもp層と好ましいオーミックが
得られるために、発光素子のVfが下がり、発光効率に
優れた素子を実現できる。また窒化物半導体発光素子が
特徴とする紫〜緑色波長域での透過率がよい。
よりなる群から選択された少なくとも一種を含む導電性
の酸化物薄膜は前記のように紫〜緑色波長域での透過率
が良く、さらに、第一の層の膜厚を薄くしても、この第
二の層があるために電極の抵抗が上がらないという利点
を有する。
例について説明する。図3は本発明の発光素子をp層の
電極側から見た平面図であり、図4は図3の発光素子を
図に示す一点鎖線で切断した際の構造を示す模式的な断
面図である。
2インチφのサファイア基板1の上にGaNよりなるバ
ッファ層2を200オングストローム、Siドープn型
GaNよりなるn型コンタクト層3を4μm、ノンドー
プIn0.2Ga0.8Nよりなる単一量子井戸構造の活性層
4を30オングストローム、Mgドープp型Al0.1G
a0.9Nよりなるp型クラッド層5を0.2μm、Mg
ドープp型GaNよりなるp型コンタクト層6を0.5
μmの膜厚で順に成長させる。
窒素雰囲気中で600℃でアニーリングして、p層5、
6をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハを
反応容器から取り出し、最上層のp型GaNの表面に所
定の形状のマスクを形成し、エッチング装置でマスクの
上からエッチングを行い、図2に示すようにn型コンタ
クト層3の一部を露出させる。
のp型GaN層のほぼ全面に第一の層10として、Pd
を20オングストロームの膜厚で蒸着する。蒸着後の第
一の層は明らかに透光性となっており、サファイア基板
1まで透けて観測できた。このように第一の層を、露出
したp層のほぼ全面に形成することにより、電流をp層
全体に均一に広げることができ、しかも透光性であるの
で、電極側を発光観測面とできる。
uとNiを含むボンディング用のパッド電極13を2μ
mの膜厚で形成する。なおこのパッド電極13は透光性
ではない。
にITOよりなる第二の層11を500オングストロー
ムの膜厚で蒸着する。
層にTiとAlとを含むn電極14を2μmの膜厚で形
成し、最後にアニール装置で400℃以上で熱処理を施
し、電極を合金化させる。なおアニールによりp層の第
一の層10と第二の層11とからなる透光性の電極は合
金化して渾然一体となった状態となっているので、図1
では、あえて最表面の電極を第二の層11と示さず、第
一の層+第二の層という意味で10+11という符号で
示している。
p層コンタクト層6とに電極を形成したウェーハを、3
50μm角のチップ状に切断し、その発光チップのサフ
ァイア基板側1をリードフレームと接着し、ワイヤーボ
ンドし、エポキシ樹脂でモールドしてLED素子とした
ところ、If(順方向電流)20mAにおいて、Vf
(順方向電圧)3.4V、発光波長460nmであり、
発光出力は、従来のNiとAuを含む透光性のp電極を
有する同構造のLEDよりも、約30%高かった。
10にNiを20オングストローム、第二の層11にI
n2O3を500オングストロームの膜厚で形成する他
は、実施例1と同様にしてLED素子を得たところ、I
f20mAにおいて、Vf3.5Vで発光出力は実施例
1のものとほぼ同等であった。
10にPdを10オングストローム、Niを10オング
ストローム積層し、第二の層11にSnO2を用いる他
は実施例1と同様にしてLED素子を得たところ、If
20mAにおいて、Vf3.4V、発光出力も実施例1
のものとほぼ同等であった。
10にPdを10オングストローム、Ptを10オング
ストローム積層し、第二の層11にZnOを用いる他は
実施例1と同様にしてLED素子を得たところ、If2
0mAにおいて、Vf3.5V、発光出力も実施例1の
ものとほぼ同等であった。
10にPdを10オングストローム、Rhを10オング
ストローム積層し、第二の層11にMgOを用いる他は
実施例1と同様にしてLED素子を得たところ、If2
0mAにおいて、Vf3.5V、発光出力も実施例1の
ものとほぼ同等であった。
10にPdを10オングストローム、Ruを10オング
ストローム積層し、第二の層11にIn2O3を用いる他
は実施例1と同様にしてLED素子を得たところ、If
20mAにおいて、Vf3.5V、発光出力も実施例1
のものとほぼ同等であった。
10の膜厚を200オングストロームとする他は実施例
1と同様にして、LED素子を得たところ、If20m
Aにおいて、Vf3.4Vであったが、第一の層の透光
性がやや失われたため、発光出力は実施例1のものに比
べて20%程低下した。
は、p層の表面に形成して、活性層の発光を有効に外部
に取り出すことができる。しかも電極がp層とのオーミ
ック性にも優れているため、Vfが低い実用的な発光素
子を実現できる。本発明の発光素子を例えばフルカラー
LEDディスプレイ、LED信号機、道路情報表示板等
のLEDデバイスに使用すると、低消費電力で明るいデ
バイスが実現でき、その産業上の利用価値は大である。
す図。
過率を示す図。
を示す平面図。
Claims (4)
- 【請求項1】 p型窒化物半導体層が最表面に形成され
てなる窒化物半導体発光素子において、前記p型窒化物
半導体層の表面に、透光性の金属薄膜よりなる第一の層
と、酸化物を含む透明導電膜よりなる第二の層とからな
る電極が形成されていることを特徴とする窒化物半導体
発光素子。 - 【請求項2】 前記第一の層の膜厚が500オングスト
ローム以下であることを特徴とする請求項1に記載の窒
化物半導体発光素子。 - 【請求項3】 前記第一の層がニッケル(Ni)、白金
(Pt)パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、オスミウム(Os)、イリジウム(I
r)よりなる群から選択された少なくとも一種を含む金
属または合金よりなることを特徴とする請求項1または
請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項4】 前記第二の層が亜鉛(Zn)、インジウ
ム(In)、スズ(Sn)、マグネシウム(Mg)より
なる群から選択された少なくとも一種を含む酸化物より
なることを特徴とする請求項1乃至請求項3の内のいず
れか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
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