JP3683560B2 - 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、青色発光が可能な発光ダイオード、レーザーダイオードの窒化ガリウム系半導体発光素子と、この窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系半導体（ＧａＮ系半導体）は、かねてから困難であってた青色発光を実現して発光ダイオード素子に用いられるもである。Ｐ型ＧａＮ系半導体は現実可能であるものの、比抵抗が２Ωｃｍ程度と他の半導体に較べて非常に大きい。なお、Ｐ型ＧａＡｓ系半導体型では、比抵抗が０．００１Ωｃｍ程度と低いものが簡単に得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、従来の発光ダイオードのようなボンディングパッド兼用の金属電極を付けると、その金属電極の真下部分しか発光しない。さらに金属電極に遮られるとため、取り出せる光はごく僅かになってしまう。そこで、例えば、Ｎｉ／Ａｕ薄膜からなる半透明補助電極を使用して取り出せる光を多くしようとしているが、Ｎｉ／Ａｕ薄膜も５０％程度の透過率であるので、光の外部への取り出し効率はそれほど高くない。また、Ｎｉ／Ａｕ薄膜の膜厚は１００Å程度と非常に薄いため、機械的強度も弱く、高温高湿度環境下での劣化等の問題点を有している。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みて創案されたもので、機械的強度に優れ、高温高湿度環境下でも劣化しにくく、光の外部への取り出し効率の高い窒化ガリウム系半導体発光素子と、その製造方法とを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体発光素子において、Ｐ型ＧａＮ半導体層の上に電流拡散層として一層目がゾルゲル法によって形成された下側透明電極膜として形成された下側ＩＴＯ膜と、この下側ＩＴＯ膜の上にスパッタリング法で形成された上側透明電極膜としての上側ＩＴＯ膜とを有している。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図である。
【０００７】
まず、ＧａＮ系半導体発光素子のＰ型ＧａＮ半導体層用の電流拡散層として要求される条件は、▲１▼Ｐ型ＧａＮ半導体層との密着性が優れていること、▲２▼Ｐ型ＧａＮ半導体層との接触抵抗が小さいこと、▲３▼膜形成時にＰ型ＧａＮ半導体層を高抵抗化させないこと、▲４▼比抵抗値が低く薄いものでも電流を拡散できること、▲５▼光の透過率が高いこと、等が挙げられる。
【０００８】
そこで、透過率が高く、導電性もよく、すでに液晶ディスプレイパネル等で実用かされているＩＴＯ膜であるならば、前記条件▲４▼及び▲５▼は充足できると考えられる。しかし、ＩＴＯ膜を形成する手法として現在一般的に用いられているスパッタリング法では、前記条件▲１▼は充足できるが、プラズマの高エネルギー状態に晒されるＰ型ＧａＮ半導体層が損傷を受けるためか、接触抵抗が高いためか、低動作電圧の素子を得ることはできなかった。
【０００９】
ゾルゲル法でＩＴＯ膜を形成してみたところ、ＩＴＯ膜自体の抵抗比は、スパッタリング法で形成されたＩＴＯ膜より１０倍以上高いものの、動作電圧の低い素子を得ることができた。かかる実験結果から、前記条件▲２▼のＰ型ＧａＮ半導体層とＩＴＯ膜との間の接触抵抗が低いものができているのではないかと推測した。
【００１０】
次に、本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について説明する。
まず、サファイア基板１００にサーマルクリーニングを施す。すなわち減圧ＭＯＣＶＤ装置（減圧有機金属気相成長装置）内で水素を供給しながら、サファイア基板１００を１０５０℃に加熱することでクリーニングするのである。
【００１１】
次に、サファイア基板１００の温度を５１０℃にまで低下させ、窒素、水素をキャリアガスとしてアンモニア、トリメチルアルミニウムを供給してサファイア基板１００の表面に低温ＡｌＮバッファ層２００を形成する。このＡｌＮバッファ層は約２００Åである。
【００１２】
つぎに、サファイア基板１００の温度を１０００℃に上昇させて、前記キャリアガスを用いてアンモニア、トリメチルガリウムを流す。この時、当時にＮ型不純物としてのシリコンを用いてＮ型ＧａＮであるＳｉドープＧａＮ層３００をＹＡＧ１．２μｍ成長させる。
【００１３】
次に、トリメチルインジウムを断続的に流しつつ、Ｎ型ＧａＮとＮ型ＩｎＧａＮの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層４００をＳｉドープＧａＮ層３００の上に約４００Å成長させる。
【００１４】
さらに、サファイア基板１００の温度を９５０℃として、ＡｌＮとＰ型ＧａＮの超格子からなるキャップ層５００を前記活性層４００の上に成長させる。このキャップ層５００のは約２００Åの厚さである。
【００１５】
次に、キャリアガスに不純物としてマグネシウムを加え、ＭｇドープＧａＮ層６００を約０．２μｍ成長させる。
【００１６】
次に、サファイア基板１００の温度を８００℃にし、減圧ＭＯＣＶＤ装置内の圧力を６６５０Ｐａ（５０ｔｏｒｒ）とする。これと同時に、アンモニア等の水素原子を含む混合ガスの雰囲気から、速やかに減圧ＭＯＣＶＤ装置内の雰囲気を不活性ガスである窒素ガスに切り替える。
【００１７】
そして、キャリアガスとして窒素ガスを用い、トリメチルジンクを流して、膜厚が数十ÅのＺｎ膜７００を形成する。そして、このままの状態、すなわち窒素雰囲気下でサファイア基板１００の温度を約１００℃以下にまで低下させる。
【００１８】
この製造方法では、ＩＴＯ膜８００を２回に分けて形成する。すなわち、ゾルゲル法にて形成された約１００Åの下側透明電極膜である下側ＩＴＯ膜８１０の上にスパッタリング法で約０．５μｍの上側透明電極膜である上側ＩＴＯ膜８２０を形成するのである。
【００１９】
前記下側ＩＴＯ膜８１０の比抵抗は、０．００５Ωｃｍ以下になってことが確認された。
【００２０】
次に、ＩＴＯ膜８００の一部をドライエッチングし、ＳｉドープＧａＮ層３００の一部を露出させる。この露出したＳｉドープＧａＮ層３００にＮ型電極９１０を、前記ＩＴＯ膜８００の一部にＰ型電極９２０を形成する。この両電極９１０、９２０は、Ｔｉ／Ａｕ薄膜を約５００Å／５０００Å程度蒸着したものである。
【００２１】
なお、このゾルゲル法の場合、焼成温度が４００℃以下であると、良好な下側ＩＴＯ膜８１０が形成されない。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体発光素子において、Ｐ型ＧａＮ半導体層の上に電流拡散層として一層目がゾルゲル法によって形成された下側透明電極膜として形成された下側ＩＴＯ膜と、この下側ＩＴＯ膜の上にスパッタリング法で形成された上側透明電極膜としての上側ＩＴＯ膜とを有している。
【００２３】
かかる窒化ガリウム系半導体発光素子であると、動作電圧が３．６〜４．０Ｖと十分に低く、光の取り出し効率も従来のＮｉ／Ａｕ薄膜からある半導体透明補助電極よりも約５０％以上も向上していることが確認された。
【００２４】
また、機械的強度も十分に高く高温高湿度環境下がであっても、耐久性に優れたものであることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図である。
【符号の説明】
１００ サファイア基板
２００ ＡｌＮバッファ層
３００ ＳｉドープＧａＮ層
４００ 活性層
５００ キャップ層
６００ ＭｇドープＧａＮ層
８００ ＩＴＯ膜
８１０ 下側ＩＴＯ膜
８２０ 上側ＩＴＯ膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、青色発光が可能な発光ダイオード、レーザーダイオードの窒化ガリウム系半導体発光素子と、この窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系半導体（ＧａＮ系半導体）は、かねてから困難であってた青色発光を実現して発光ダイオード素子に用いられるもである。Ｐ型ＧａＮ系半導体は現実可能であるものの、比抵抗が２Ωｃｍ程度と他の半導体に較べて非常に大きい。なお、Ｐ型ＧａＡｓ系半導体型では、比抵抗が０．００１Ωｃｍ程度と低いものが簡単に得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、従来の発光ダイオードのようなボンディングパッド兼用の金属電極を付けると、その金属電極の真下部分しか発光しない。さらに金属電極に遮られるとため、取り出せる光はごく僅かになってしまう。そこで、例えば、Ｎｉ／Ａｕ薄膜からなる半透明補助電極を使用して取り出せる光を多くしようとしているが、Ｎｉ／Ａｕ薄膜も５０％程度の透過率であるので、光の外部への取り出し効率はそれほど高くない。また、Ｎｉ／Ａｕ薄膜の膜厚は１００Å程度と非常に薄いため、機械的強度も弱く、高温高湿度環境下での劣化等の問題点を有している。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みて創案されたもので、機械的強度に優れ、高温高湿度環境下でも劣化しにくく、光の外部への取り出し効率の高い窒化ガリウム系半導体発光素子と、その製造方法とを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体発光素子において、Ｐ型ＧａＮ半導体層の上に電流拡散層として一層目がゾルゲル法によって形成された下側透明電極膜として形成された下側ＩＴＯ膜と、この下側ＩＴＯ膜の上にスパッタリング法で形成された上側透明電極膜としての上側ＩＴＯ膜とを有している。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図である。
【０００７】
まず、ＧａＮ系半導体発光素子のＰ型ＧａＮ半導体層用の電流拡散層として要求される条件は、▲１▼Ｐ型ＧａＮ半導体層との密着性が優れていること、▲２▼Ｐ型ＧａＮ半導体層との接触抵抗が小さいこと、▲３▼膜形成時にＰ型ＧａＮ半導体層を高抵抗化させないこと、▲４▼比抵抗値が低く薄いものでも電流を拡散できること、▲５▼光の透過率が高いこと、等が挙げられる。
【０００８】
そこで、透過率が高く、導電性もよく、すでに液晶ディスプレイパネル等で実用かされているＩＴＯ膜であるならば、前記条件▲４▼及び▲５▼は充足できると考えられる。しかし、ＩＴＯ膜を形成する手法として現在一般的に用いられているスパッタリング法では、前記条件▲１▼は充足できるが、プラズマの高エネルギー状態に晒されるＰ型ＧａＮ半導体層が損傷を受けるためか、接触抵抗が高いためか、低動作電圧の素子を得ることはできなかった。
【０００９】
ゾルゲル法でＩＴＯ膜を形成してみたところ、ＩＴＯ膜自体の抵抗比は、スパッタリング法で形成されたＩＴＯ膜より１０倍以上高いものの、動作電圧の低い素子を得ることができた。かかる実験結果から、前記条件▲２▼のＰ型ＧａＮ半導体層とＩＴＯ膜との間の接触抵抗が低いものができているのではないかと推測した。
【００１０】
次に、本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について説明する。
まず、サファイア基板１００にサーマルクリーニングを施す。すなわち減圧ＭＯＣＶＤ装置（減圧有機金属気相成長装置）内で水素を供給しながら、サファイア基板１００を１０５０℃に加熱することでクリーニングするのである。
【００１１】
次に、サファイア基板１００の温度を５１０℃にまで低下させ、窒素、水素をキャリアガスとしてアンモニア、トリメチルアルミニウムを供給してサファイア基板１００の表面に低温ＡｌＮバッファ層２００を形成する。このＡｌＮバッファ層は約２００Åである。
【００１２】
つぎに、サファイア基板１００の温度を１０００℃に上昇させて、前記キャリアガスを用いてアンモニア、トリメチルガリウムを流す。この時、当時にＮ型不純物としてのシリコンを用いてＮ型ＧａＮであるＳｉドープＧａＮ層３００をＹＡＧ１．２μｍ成長させる。
【００１３】
次に、トリメチルインジウムを断続的に流しつつ、Ｎ型ＧａＮとＮ型ＩｎＧａＮの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層４００をＳｉドープＧａＮ層３００の上に約４００Å成長させる。
【００１４】
さらに、サファイア基板１００の温度を９５０℃として、ＡｌＮとＰ型ＧａＮの超格子からなるキャップ層５００を前記活性層４００の上に成長させる。このキャップ層５００のは約２００Åの厚さである。
【００１５】
次に、キャリアガスに不純物としてマグネシウムを加え、ＭｇドープＧａＮ層６００を約０．２μｍ成長させる。
【００１６】
次に、サファイア基板１００の温度を８００℃にし、減圧ＭＯＣＶＤ装置内の圧力を６６５０Ｐａ（５０ｔｏｒｒ）とする。これと同時に、アンモニア等の水素原子を含む混合ガスの雰囲気から、速やかに減圧ＭＯＣＶＤ装置内の雰囲気を不活性ガスである窒素ガスに切り替える。
【００１７】
そして、キャリアガスとして窒素ガスを用い、トリメチルジンクを流して、膜厚が数十ÅのＺｎ膜７００を形成する。そして、このままの状態、すなわち窒素雰囲気下でサファイア基板１００の温度を約１００℃以下にまで低下させる。
【００１８】
この製造方法では、ＩＴＯ膜８００を２回に分けて形成する。すなわち、ゾルゲル法にて形成された約１００Åの下側透明電極膜である下側ＩＴＯ膜８１０の上にスパッタリング法で約０．５μｍの上側透明電極膜である上側ＩＴＯ膜８２０を形成するのである。
【００１９】
前記下側ＩＴＯ膜８１０の比抵抗は、０．００５Ωｃｍ以下になってことが確認された。
【００２０】
次に、ＩＴＯ膜８００の一部をドライエッチングし、ＳｉドープＧａＮ層３００の一部を露出させる。この露出したＳｉドープＧａＮ層３００にＮ型電極９１０を、前記ＩＴＯ膜８００の一部にＰ型電極９２０を形成する。この両電極９１０、９２０は、Ｔｉ／Ａｕ薄膜を約５００Å／５０００Å程度蒸着したものである。
【００２１】
なお、このゾルゲル法の場合、焼成温度が４００℃以下であると、良好な下側ＩＴＯ膜８１０が形成されない。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体発光素子において、Ｐ型ＧａＮ半導体層の上に電流拡散層として一層目がゾルゲル法によって形成された下側透明電極膜として形成された下側ＩＴＯ膜と、この下側ＩＴＯ膜の上にスパッタリング法で形成された上側透明電極膜としての上側ＩＴＯ膜とを有している。
【００２３】
かかる窒化ガリウム系半導体発光素子であると、動作電圧が３．６〜４．０Ｖと十分に低く、光の取り出し効率も従来のＮｉ／Ａｕ薄膜からある半導体透明補助電極よりも約５０％以上も向上していることが確認された。
【００２４】
また、機械的強度も十分に高く高温高湿度環境下がであっても、耐久性に優れたものであることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図である。
【符号の説明】
１００ サファイア基板
２００ ＡｌＮバッファ層
３００ ＳｉドープＧａＮ層
４００ 活性層
５００ キャップ層
６００ ＭｇドープＧａＮ層
８００ ＩＴＯ膜
８１０ 下側ＩＴＯ膜
８２０ 上側ＩＴＯ膜
Claims (6)
- 窒化ガリウム系半導体発光素子において、Ｐ型ＧａＮ半導体層の上に電流拡散層として一層目がゾルゲル法によって形成された下側透明電極膜として形成された下側ＩＴＯ膜と、この下側ＩＴＯ膜の上にスパッタリング法で形成された上側透明電極膜としての上側ＩＴＯ膜とを有することを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 前記下側透明電極膜としての下側ＩＴＯ膜は、膜厚が約１００Åであることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 前記下側透明電極膜としての下側ＩＴＯ膜は、ＳｎＯ2 が２〜２０％であることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法において、Ｐ型ＧａＮ半導体層の上に電流拡散層としてゾルゲル法によって下側透明電極膜としのての下側ＩＴＯ膜を形成する工程と、前記下側ＩＴＯ膜の上にスパッタリング法で上側透明電極膜としての上側ＩＴＯ膜を形成する工程とを具備したことを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
- 前記下側透明電極膜としての下側ＩＴＯ膜は、膜厚が約１００Åであることを特徴とする請求項４記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
- 前記下側透明電極膜としての下側ＩＴＯ膜は、ＳｎＯ2 が２〜２０％であることを特徴とする請求項４又は５記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002270126A JP3683560B2 (ja) | 2002-09-17 | 2002-09-17 | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002270126A JP3683560B2 (ja) | 2002-09-17 | 2002-09-17 | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000014390A Division JP3394488B2 (ja) | 2000-01-24 | 2000-01-24 | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003124518A JP2003124518A (ja) | 2003-04-25 |
| JP3683560B2 true JP3683560B2 (ja) | 2005-08-17 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002270126A Expired - Fee Related JP3683560B2 (ja) | 2002-09-17 | 2002-09-17 | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 |
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| CN100395899C (zh) * | 2004-09-23 | 2008-06-18 | 璨圆光电股份有限公司 | 具有增强发光亮度的氮化镓发光二极管结构 |
| CN100499185C (zh) * | 2004-10-09 | 2009-06-10 | 晶元光电股份有限公司 | 高亮度发光二极管元件及其制造方法 |
| KR100682870B1 (ko) * | 2004-10-29 | 2007-02-15 | 삼성전기주식회사 | 다층전극 및 이를 구비하는 화합물 반도체 발광소자 |
| KR100708935B1 (ko) | 2005-10-05 | 2007-04-17 | 삼성전기주식회사 | 질화물계 반도체 발광소자 |
| JP2010512660A (ja) * | 2006-12-11 | 2010-04-22 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア | 無極性および半極性の発光デバイス |
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| CN107364838B (zh) * | 2017-06-19 | 2019-12-03 | 南开大学 | 铁系元素掺杂的氮化镓纳米材料的制备方法 |
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2002
- 2002-09-17 JP JP2002270126A patent/JP3683560B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2003124518A (ja) | 2003-04-25 |
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