化合物半導体発光素子の製造方法
【課題】化合物半導体発光素子に含まれる透光性酸化物導電膜の光透過率の向上、シート抵抗の低減、シート抵抗の面内分布の均一化、およびコンタクト層に対するコンタクト抵抗の低減の少なくともいずれかを可能ならしめる化合物半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】化合物半導体発光素子の製造方法において、基板（１）上に発光層（３）を含む化合物半導体積層体（２−５）を堆積し、この化合物半導体積層体（２−５）上に透光性酸化物導電膜（８）を堆積し、この透光性酸化物導電膜（８）はアニールされてその後に真空雰囲気中で冷却されることを特徴としている。
【解決手段】化合物半導体発光素子の製造方法において、基板（１）上に発光層（３）を含む化合物半導体積層体（２−５）を堆積し、この化合物半導体積層体（２−５）上に透光性酸化物導電膜（８）を堆積し、この透光性酸化物導電膜（８）はアニールされてその後に真空雰囲気中で冷却されることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体発光素子の製造方法に関し、特に化合物半導体発光素子に含まれる透光性酸化物導電膜における透光性、シート抵抗、シート抵抗の面内分布、およびコンタクト抵抗の少なくともいずれかを改善し得る製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体発光素子を種々の照明用途に利用するためには、赤、緑および青の光の３原色を発光し得る発光素子が不可欠である。発光ダイオード（ＬＥＤ）に関しては、近年までは３原色のうちの青色ＬＥＤが完成されずに欠けていたので、ＬＥＤを種々の照明用途に利用することができていなかった。
【０００３】
しかし、１９９０年代に窒化物半導体による青色ＬＥＤが開発されて以後において、ＬＥＤを用いた照明製品は、交通信号機だけに留まることなく、液晶モニターのバックライト、液晶テレビのバックライト、さらには家庭用の各種照明用途などに利用されている。
【０００４】
最近では、ＬＥＤバックライトを搭載した液晶テレビが、その価格の低下に伴って急速に普及し始めている。また、ＬＥＤを用いた照明器具は、従来の照明器具に比べて低消費電力、省スペースおよび水銀フリーを可能にし、環境にも望ましいというメリットを有している。そして、２００９年夏以後において、それ以前に比べて遥かに安い価格でＬＥＤを用いた照明器具が発売され、その普及が一気に進んでいる。
【０００５】
ところで、照明器具や液晶テレビのバックライトなどの光としては、白色光であることを要する。ＬＥＤを利用した白色光は、一般に青色ＬＥＤとＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）黄色蛍光体との組合せ、または青色ＬＥＤと緑色蛍光体と赤色蛍光体との組合せにより実現され得る。すなわち、ＬＥＤを利用して白色光を得るためには、いずれの場合でも青色ＬＥＤが必要となる。このようなことから、高輝度の青色ＬＥＤを安価かつ大量に提供し得る製造方法が望まれている。
【０００６】
一般に、青色や青緑色などの短波長光を放射し得るＬＥＤやレーザダイオード（ＬＤ）の発光層には、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、およびこれらの混晶などのように、Ｖ族元素として窒素を含有するIII−Ｖ族化合物半導体が用いられる。
【０００７】
図６は、周知のダブルヘテロ接合型青色ＬＥＤの一例を模式的断面図で示している。この青色ＬＥＤの作製においては、サファイア基板１０１上に、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ下部クラッド層１０２、ＩｎＧａＮ発光層１０３、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ上部クラッド層１０４、およびコンタクト層１０５がこの順に堆積される。コンタクト層１０５上には透光性酸化物導電膜１０８が堆積され、その上の一部領域にはｐ側電極１０６が設けられる。他方、下部クラッド層１０２の一部がエッチングによって露出され、その露出領域上にｎ側電極１０７が設けられる。
【０００８】
図５のＬＥＤのｐ側電極１０６から電流を注入すれば、電流が酸化物導電膜１０８の面方向に拡散される。そして、拡散された電流がコンタクト層１０５および上部クラッド層１０４を介して発光層１０３内へ広い面積で注入され、これによって発光層１０３が広い領域で発光を生じ得る。
【０００９】
発光層１０３から上方へ放射された光は、上部クラッド層１０４、コンタクト層１０５および透光性酸化物導電膜１０８を透過して外部に取り出される。透光性酸化物導電膜１０８として例えばＩＴＯ（インジュウム錫酸化物）のような高透光性の材料を用いることにより、発光層１０３から放射された光が透光性酸化物導電膜１０８を透過するときの光損失を低減させることができる。また、ＩＴＯなどからなる酸化物導電膜１０８はコンタクト層１０５に比べて低抵抗であるので、注入電流の広範囲への拡散が促進され、発光層１０３における発光面積の拡大による発光効率の向上がもたらされ得る。
【００１０】
一方、ＩＴＯなどの酸化物導電膜１０８はコンタクト層１０５に比べれば低抵抗であるが、そのシート抵抗は２０Ω／□以上６０Ω／□以下という比較的高い値を示す。しかも、酸化物導電膜においては、その部位によってシート抵抗の高いところと低いところが混在しやすい傾向にある。したがって、透光性酸化物導電膜を含む化合物半導体発光素子においては、その駆動電圧Ｖｆが高くなったり、発光層の領域に依存して発光が不均一になりやすいという問題がある。
【００１１】
これらの問題を改善するためには、透光性酸化物導電膜１０８のシート抵抗を２０Ω／□以下にし、好ましくは１０Ω／□以下にすることが理想的である。酸化物導電膜のシート抵抗を低減させるためには、酸化物導電膜においてアニールによってその結晶化度を高めて、それによって酸化物導電膜のシート抵抗を低減させるという手法が考えられる。しかし、アニールによって酸化物導電膜１０８とコンタクト層１０５との界面の結合状態が変化し、その界面におけるＧａ−Ｏ、Ｎ−Ｏ、Ｈの化合物などの安定な結合状態が損なわれて、コンタクト抵抗が高くなり得る問題がある。
【００１２】
また、酸化物導電膜のシート抵抗を低減させるためには、その結晶中の酸素欠損密度を高めることによってキャリア密度を上昇させる手法が考えられる。しかし、そのキャリア密度の上昇に伴って酸化物導電膜の仕事関数が低下し、酸化物導電膜１０８とコンタクト層１０５との界面の酸化物導電膜側の電子ポテンシャルが上昇する。これによって酸化物導電膜からコンタクト層にホールが注入されにくくなり、結果として酸化物導電膜１０８とコンタクト層１０５との間のコンタクト抵抗が高くなるという問題がある。
【００１３】
そこで、特許文献１の特開２００７−２８７７８６号公報に開示された発光素子では、第１アニールと第２アニールとの２段階のアニールを行なうことにより、透光性酸化物導電膜とコンタクト層との間のコンタクト抵抗を低く保ちつつ、その酸化物導電膜のシート抵抗を低下させる試みがなされている。特許文献１の第１アニールにおいては、酸素を含む雰囲気中にて２５０℃以上６００℃以下の温度でアニールすることにより、透光性酸化物導電膜とコンタクト層との間のコンタクト抵抗を低下させる。そして、続く第２アニールでは、酸素を含まない雰囲気（例えばＮ２ガス雰囲気）中にて２００℃以上５００℃以下の温度でアニールすることにより、透光性酸化物導電膜のシート抵抗を低減させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−２８７７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
透光性酸化物導電膜として用いられるＩＴＯやＩＺＯ（インジュウム亜鉛酸化物）などの酸化物膜は、大気圧と同圧のＮ２ガス雰囲気中のアニール後にそのままＮ２ガス雰囲気中で冷却されて炉から取り出されるか、または真空雰囲気中でアニールされた場合でもＮ２ガスなどの不活性ガスを流しながら冷却されるのが従来から一般的である。しかし、この方法では、透光性酸化物導電膜のシート抵抗を十分に低減させることができず、発光素子の駆動電圧の上昇、発光層面内の不均一な発光などの問題を生じ得る。
【００１６】
上述のような問題に鑑み、本発明の目的は、化合物半導体発光素子に含まれる透光性酸化物導電膜の光透過率の向上、シート抵抗の低減、シート抵抗の面内均一化、およびコンタクト層に対するコンタクト抵抗の低減の少なくともいずれかを可能ならしめる化合物半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者達は、種々の検討の結果、透光性酸化物導電膜として用いられるＩＴＯやＩＺＯなどの酸化物膜のアニール後の冷却過程において、酸素を含まない雰囲気中の冷却として同じであっても、窒素雰囲気中冷却よりも真空雰囲気中冷却を行なった場合の方がシート抵抗の面内分布がより均一になることを見出した。
【００１８】
本発明の１つの態様による化合物半導体発光素子の製造方法においては、基板上に発光層を含む化合物半導体積層体を堆積し、この化合物半導体積層体上に透光性酸化物導電膜を堆積し、この透光性酸化物導電膜はアニールされてその後に真空雰囲気中で冷却されることを特徴としている。
【００１９】
なお、そのアニールは、酸素を含まないガス雰囲気中で行なわれることが好ましく、窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中、または窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気中で行なわれ得る。また、そのアニールは、真空雰囲気中で行なわれてもよい。
【００２０】
本発明のもう１つの態様による化合物半導体発光素子の製造方法においては、基板上に発光層を含む化合物半導体積層体を堆積し、この化合物半導体積層体上に透光性酸化物導電膜を堆積し、この透光性酸化物導電は、酸素を含む雰囲気中で第１アニールされ、続いて酸素を含まない雰囲気中で第２アニールされ、その後に真空雰囲気中で冷却されることを特徴としている。
【００２１】
なお、その第２アニールは、酸素を含まないガス雰囲気中で行なわれることが好ましく、窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中、または窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気中で行なわれ得る。また、その第２アニールは、真空雰囲気中で行なわれてもよい。
【００２２】
また、本発明のいずれの態様による化合物半導体発光素子の製造方法においても、冷却過程における真空雰囲気中の圧力は１０Ｐａ以下であることが好ましい。真空雰囲気中の冷却は、２００℃以下の温度まで続けられることが好ましい。透光性酸化物導電膜は、インジウムを含む酸化物で好ましく形成され、ＩＴＯまたはＩＺＯで形成され得る。透光性酸化物導電膜は、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の厚さを有することが好ましい。
【００２３】
以上のような製造方法によって、種々の性能が改善された化合物半導体発光素子を提供することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の製造方法によれば、化合物半導体発光素子に含まれる透光性酸化物導電膜の光透過率の向上、シート抵抗の低減、シート抵抗の面内分布の均一化、およびコンタクト層に対するコンタクト抵抗の低減の少なくともいずれかが可能となり、駆動電圧の低減と均一な発光が可能な化合物半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の製造方法により製造され得る化合物半導体発光素子の一例を示す模式的斜視図である。
【図２】図１中の線Ｘ−Ｘに沿った模式的断面図である。
【図３】透光性酸化物導電膜のアニール時およびその後の冷却時の温度プロファイルの一例を示す模式的グラフである。
【図４】アニール後にガス中冷却された場合と真空中冷却された場合における透光性酸化物導電膜の平均シート抵抗の比較を示す棒グラフである。
【図５】アニール後にガス中冷却された場合と真空中冷却された場合における透光性酸化物導電膜のシート抵抗の面内均一性を比較する棒グラフである。
【図６】周知のダブルヘテロ接合型青色ＬＥＤの一例を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
＜化合物半導体発光素子＞
図１は本発明の製造方法によって作製され得る化合物半導体発光素子の一例を模式的斜視図で示しており、図２は図１中の線Ｘ−Ｘに沿った模式的断面図である。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
【００２７】
図１および図２に示された化合物半導体発光素子においては、基板１上に、下部クラッド層２、発光層３、上部クラッド層４、およびコンタクト層５がこの順に堆積されて化合物半導体積層体が形成される。そして、コンタクト層５上には透光性酸化物導電膜８が形成され、この酸化物導電膜８の一部領域上に第１の電極６が設けられる。他方、下部クラッド層２の一部がエッチングによって露出され、その露出領域上に第２の電極７が設けられる。
【００２８】
ここで、下部クラッド層２、発光層３、および上部クラッド層４によりダブルヘテロ接合が形成されている。また、発光層３としては、アンドープ、ｎ型、ｐ型、およびｎ型とｐ型の両方の不純物を含む化合物半導体が必要に応じて選択される。そして、発光層３を挟んで、下部クラッド層２と上部クラッド層４との間にｐｎ接合が形成される。
【００２９】
＜下部クラッド層＞
ダブルへテロ接合構造の技術的意義に照らせば、クラッド層は発光層に比べて大きなバンドギャップを有し、そのギャップ差に基づく電位障壁によって電子および正孔を発光層内にせき止める機能を有するものである。ただし、図１および図２中の下部クラッド層２は、基板１と発光層３との間の緩衝層や、ｎ側電極７との良好なオーミック接触のためのコンタクト層をも含み得る。このような下部クラッド層２は、例えばｎ型不純物がドープされた窒化物半導体層だけのみならず、アンドープ窒化物半導体層などをも含む複数層としても形成され得る。すなわち、下部クラッド層２としては、例えば低温バッファ層、ＡｌＮバッファ層、アンドープ層、ｎ型ドーピング層、ｎ型コンタクト層などを適宜に含み得る。
【００３０】
以上のように、下部クラッド層２は、クラッド層として機能する単層であってもよいし多層であってもよいが、単層の場合にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮを用いることができ、これにＳｉを含んでいてもよいしアンドープであってもよい。また、下部クラッド層２が複数層の場合には、それはＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの積層構造であってもよいし、複数の層が繰り返し積層された周期的多層構造であてもよい。さらに、それらの多層構造は、超格子構造を形成していてもよい。
【００３１】
＜発光層＞
発光層３は、ＧａＮ障壁層とＩｎ含有窒化物半導体の井戸層とを交互に積層させたものであることが好ましい。井戸層の好ましい厚さは、その発光する光の波長に依存するが、２〜２０ｎｍの範囲内であることが好ましい。このような発光層３の構造は、量子井戸構造に限られず、単一井戸構造、多重井戸構造、多重量子井戸構造などのいずれであってもよい。発光層３が複数の井戸層を含む場合、少なくとも１つの井戸層が発光作用を果たせばよい。このような井戸層は、例えばＩｎｐＧａ１−ｐＮ（０＜ｐ＜１）からなることが好ましい。
【００３２】
＜上部クラッド層＞
上述したように、ダブルへテロ接合構造の技術的意義に照らせば、クラッド層は発光層に比べて大きなバンドギャップを有し、そのギャップ差に基づく電位障壁によって電子および正孔を発光層内にせき止める機能を有するものである。ただし、図１および図２中の上部クラッド層４は、蒸発防止層、キャリアブロック層、または電流拡散層として働くｐ型層をも含み得る。すなわち、上部クラッド層４は単層または複数層のいずれであってもよく、単層の場合にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮにｐ型不純物をドープしたものまたはアンドープのものを用いることができる。上部クラッド層４が複数層の場合には、それはＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの積層構造であってもよいし、複数の層が繰り返し積層された周期的多層構造を形成していてもよい。さらに、これらの多層構造は、超格子構造を形成していてもよい。
【００３３】
このような上部クラッド層４の厚さは、５００ｎｍ以下であることが好ましい。なぜならば、５００ｎｍを超える厚さの上部クラッド層４を気相堆積によって形成する場合に、発光層３が高い温度で長時間にわたって熱に曝されることになり、発光層３の熱劣化によって非発光領域が増大するからである。なお、発光層３中に含まれるＩｎの蒸発を防止するために、発光層に接して蒸発防止層を設けることが好ましく、これは上述のように上部クラッド層４に含まれ得るものである。
【００３４】
＜コンタクト層＞
コンタクト層５は、透光性酸化物導電膜８に対する接触抵抗を低減するために設けられるものである。このようなコンタクト層５は、上部クラッド層４に比べて高濃度にｐ型不純物をドープした窒化物半導体であることが好ましい。なお、コンタクト層５を設けることなく、上部クラッド層４上に透光性酸化物導電膜８を形成してもよい。この場合、上部クラッド層４の上側表面近傍のｐ型不純物を高濃度にすることが好ましい。
【００３５】
＜第１電極および第２電極＞
第１電極６および第２電極７は、外部回路と電気的に結線するワイヤーボンドの台座となるものである。第１電極６および第２電極７は、公知の態様で形成することができ、例えばＴｉ、Ａｌ、Ａｕなどの材料を用いることができる。また、第１電極６および第２電極７は単層構造に限られず、多層構造で形成とすることもできる。第１電極６および第２電極７が多層構造からなる場合には、その最上層としては厚さ５００ｎｍ程度のＡｕ層を形成することが好ましい。これにより、化合物半導体発光素子をパッケージに実装するときに、外部回路とのワイヤーボンド安定性を確保することができる。
【００３６】
なお、発光層３からの発光の一部は、上部クラッド層４側の方向に発せられる。したがって、第１電極６は、発光層３から上部クラッド層４側への光取り出し方向に配置される電極となる。他方、図１および図２に示された第２電極７は、基板１が絶縁性材料からなる場合の配置を例示している。すなわち、基板１として絶縁性材料を用いる場合には、第２電極７は下部クラッド層２の一部露出領域上に設けられる。しかし、基板１として導電性材料を用いる場合には、第２電極７は基板１の底面上に形成され得る。
【００３７】
＜透光性酸化物導電膜＞
透光性酸化物導電膜８は、発光層３からの光を透過させるとともに、コンタクト層５に対するコンタクトを形成してその表面全体に電流を拡散させることにより、その下方にある発光層３の発光面積を拡大するために設けられる。したがって、透光性酸化物導電膜８としては、コンタクト層５に比べて低抵抗の材料を用いることが好ましい。これにより、第１電極６から注入される電流を酸化物導電膜８の面方向に拡散させることができる。このような酸化物導電膜８を構成する材料としては、例えばＩＴＯ、ＩＺＯなどを好ましく使用することができ、ＩＴＯを使用することが特に好ましい。なぜならば、ＩＴＯは、透光性およびコンタクト抵抗の観点から特に優れているからである。
【００３８】
透光性酸化物導電膜８の厚さは、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましい。なぜならば、透光性酸化物導電膜８が１００ｎｍより薄ければその高いシート抵抗のために発光素子の駆動電圧の上昇を招き、４００ｎｍより厚ければその光透過性が低下して発光素子の光取り出し効率が低下するからである。
【００３９】
＜化合物半導体発光素子の製造方法＞
本発明による化合物半導体発光素子の製造方法の一実施形態においては、基板１上に、III族窒化物半導体のような化合物半導体からなる半導体層２〜５を順次堆積し、コンタクト層５上に透光性酸化物導電膜８を堆積し、この酸化物導電膜８に対して酸素を含む雰囲気中の第１アニールとこれに続いて酸素を含まない雰囲気中の第２アニールを行ない、その後の冷却が真空中で行なわれる。
【００４０】
透光性酸化物導電膜として用いられるＩＴＯやＩＺＯなどの酸化物は、従来では、大気圧と同圧のＮ２雰囲気中でアニールされ、そのままＮ２雰囲気中で冷却されて炉から取り出される。しかし、この方法では酸化物導電膜のシート抵抗を十分に低減させることができず、発光素子の駆動電圧の上昇および発光層中の不均一な発光の原因となっている。
【００４１】
本発明の製造方法はこのような従来の問題を改善し得るものであり、透光性酸化物導電膜８のアニール後の冷却を真空中で行なうことにより、その透光性酸化物導電膜の光透過率の向上、コンタクト層５に対するコンタクト抵抗の低減、およびシート抵抗の面内均一性の改善の少なくともいずれかを図ることができる。本発明による化合物半導体発光素子の製造方法の各ステップが、以下においてより詳細に説明される。
【００４２】
＜化合物半導体層の堆積＞
まず、基板１の温度を例えば１０５０℃に調整し、窒素と水素とを含むキャリアガスを用いて、III族元素原料ガス、Ｓｉを含むドーピングガス、およびアンモニアガスをＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）装置内に導入することにより、基板１上に下部クラッド層２を結晶成長させる。
【００４３】
ここで、下部クラッド層２を形成するためにＭＯＣＶＤ装置内に導入されるIII族元素原料ガスとしては、例えばＴＭＧ（（ＣＨ３）３Ｇａ：トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ：トリエチルガリウム）、ＴＭＡ（（ＣＨ３）３Ａｌ：トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（（Ｃ２Ｈ５）３Ａｌ：トリエチルアルミニウム）、ＴＭＩ（（ＣＨ３）３Ｉｎ：トリメチルインジウム）、またはＴＥＩ（（Ｃ２Ｈ５）３Ｉｎ：トリエチルインジウム）などを利用することができる。また、Ｓｉを含むドーピングガスとしては、例えばＳｉＨ４（シラン）ガスなどを用いることができる。
【００４４】
引続いて、下部クラッド層２上にＩｎ含有井戸層と障壁層とを交互に堆積することによって、発光層３が形成される。そして、発光層３上には上部クラッド層４が形成される。この際、基板温度は上部クラッド層４を結晶成長させるのに適した温度に設定され、窒素および水素を含むキャリアガスと、III族元素原料ガスと、Ｍｇを含むドーピングガスと、アンモニアガスとをＭＯＣＶＤ装置内に導入することにより、発光層３上に上部クラッド層４を結晶成長させる。続いて、上部クラッド層４の上には、コンタクト層５が形成される。
【００４５】
なお、上部クラッド層４を結晶成長させるに適した基板温度は、上部クラッド層４がＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる場合に９５０℃以上１３００℃以下であることが好ましく、１０００℃以上１１５０℃以下であることがより好ましい。このような基板温度で上部クラッド層４を結晶成長させることにより、上部クラッド層４の結晶性を良好にすることができる。
【００４６】
Ｍｇを含むドーピングガスとしては、例えばＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）または（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）などを利用することができる。なお、（ＥｔＣｐ）２Ｍｇは常温常圧の条件下で液体なので、その条件下で固体であるＣｐ２Ｍｇに比べて、ＭＯＣＶＤ装置内への導入量を変化させるときの応答性が良好であって、その蒸気圧を一定に保ちやすい。
【００４７】
上部クラッド層４の形成に用いられるIII族元素原料ガスおよびアンモニアガスとしては、下部クラッド層２および発光層３の形成の場合と同様の種類のガスを用いることができる。以上のようにして、下部クラッド層２、発光層３、上部クラッド層４、およびコンタクト層５を含む化合物半導体積層体が形成され得る。
【００４８】
＜透光性酸化物導電膜の堆積＞
コンタクト層５上には、電子線蒸着法またはスパッタ蒸着法を用いることにより、透光性酸化物導電膜８が堆積される。なお、コンタクト層５を省略して、上部クラッド層４上に透光性酸化物導電膜８を直接堆積してもよい。スパッタ蒸着法により透光性酸化物導電膜８を堆積する場合、スパッタリング室内にターゲットおよびスパッタガスを導入してスパッタ電力を印加することにより、透光性酸化物導電膜８が成膜される。
【００４９】
＜第１アニール＞
上述のようにして堆積された透光性酸化物導電膜８に対しては、酸素を含む雰囲気中で第１アニールが行なわれる。このように酸素を含む雰囲気中でアニールを行なうことにより、透光性酸化物導電膜８を構成する材料を結晶化させることができ、その光透過率を向上させるとともに、コンタクト層５に対するコンタクト抵抗を低下させることができる。すなわち、酸素を含む雰囲気中におけるアニールでは、透光性酸化物導電膜８の結晶化度を高めることができ、酸化物導電膜８のシート抵抗を低下させることができる。
【００５０】
なお、第１アニールは、４５０℃以上７００℃以下の温度で行なうことが好ましい。これによって、酸化物導電膜８のシート抵抗を低減させる効果を高めることができる。また、第１アニールは、３分以上３０分以下の時間で行なうことが好ましく、２０分以下の時間で行なうことがより好ましい。
【００５１】
＜第２アニールおよび冷却＞
第１アニール後には、酸素を含まない雰囲気中で透光性酸化物導電膜８の第２アニールが行なわれる。本発明では、この第２アニール後において真空中で冷却が行なわれることを最も重要な特徴としている。
【００５２】
酸素を含まない雰囲気中でのアニールによって、透光性酸化物導電膜の透光性を低下させることなく、シート抵抗を低減させることができる。そして、真空中での冷却によって、透光性酸化物導電膜のシート抵抗の面内分布を均一化することができる。
【００５３】
第２アニールは、真空雰囲気中、窒素雰囲気中、アルゴン雰囲気中、または窒素とアルゴンとの混合雰囲気中で行なうことが好ましく、真空雰囲気中で行なうことが最も好ましい。冷却時の真空雰囲気は、大気圧に比べて顕著に減圧された雰囲気を意味し、その圧力は１０Ｐａ以下であることが好ましい。また、真空冷却は、２００℃以下の温度になるまで続けられることが好ましい。
【００５４】
図３のグラフは、第２アニール時およびその後の冷却時の温度プロファイルを模式的に例示している。すなわち、このグラフにおいて、縦軸はアニール炉の温度を表し、横軸は時間を表している。そしてグラフ中の実線は炉内が真空状態であることを表し、破線は炉内が大気圧状態であることを表している。
【００５５】
真空雰囲気中で第２アニールを行なうことにより、透光性酸化物導電膜の結晶中に酸素欠陥を形成してキャリア密度を上昇させることによって、その酸化物導電膜のシート抵抗を低減させることができる。さらに、アニール時と同圧の真空雰囲気中で冷却することによって、酸化物導電膜中におけるシート抵抗の面内分布の均一性を高めることができる。
【００５６】
図４の棒グラフは、第２アニール後にガス中で冷却した場合と真空中で冷却した場合における酸化物導電膜のシート抵抗の平均値を比較して示している。このグラフにおいて、縦軸は相対的なシート抵抗（Ω／□）を表し、左の棒はガス中冷却された場合のシート抵抗を表し、そして右の棒は真空中冷却された場合のシート抵抗を表している。図４の結果から、ガス中冷却と真空中冷却との相違は、酸化物導電膜の平均シート抵抗値に対して顕著が影響を及ぼさないことがわかる。
【００５７】
なお、第２アニールは、第１アニールの温度以下の温度で行なわれることが好ましい。また、第２アニールは、１分以上３０分以下の時間で行なうことが好ましい。これによって、透光性酸化物導電膜８において、光透過率とコンタクト層５に対するコンタクト抵抗を損なうことなく、１０Ω／□以下のシート抵抗を得ることができる。
【００５８】
図５の棒グラフは、第２アニール後にガス中冷却した場合と真空中冷却した場合における透光性酸化物導電膜のシート抵抗の面内均一性を比較して示している。図５に示されているように、ガス中冷却された酸化物導電膜の面内におけるシート抵抗のばらつきが約５％であったのに比べて、真空中冷却された酸化物導電膜の面内におけるシート抵抗のばらつきは約半分である約２％であり、良好な面内均一性が得られている。
【００５９】
このことについて、以下のような理由が考えられる。アニール後の冷却を開始した直後では、酸化物導電膜は未だ酸素欠陥を発生させるのに十分な高温である。この状態でガス中冷却する場合、冷却ガスにより温度分布が生じ、酸化物導電膜内においてさらなる酸素欠損が発生する部分と発生しないまま冷却される部分とが生じ、結果としてシート抵抗の面内均一性が低下すると考えられる。他方、アニール後に真空中冷却する場合、冷却ガスによる温度分布が生じないので、酸化物導電膜全体が均一に冷却されてシート抵抗の面内分布のばらつきが小さくなると考えられる。
【００６０】
なお、図４における平均シート抵抗値は、４端子法によって酸化物導電膜上の７３点で測定された値が算術平均されて求められた。また、図５におけるシート抵抗の面内均一性は、それら７３点のシート抵抗の最大値と最小値の差を７３点の平均シート抵抗値の２倍で割って算出された。
【００６１】
＜第１電極および第２電極の形成＞
上述の第１電極６と第２電極７は、公知のフォトリソグラフィ、電子線蒸着、およびリフトオフ法などを利用して形成され得る。
【００６２】
以上において本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に開示された種々の技術的事項を適宜に選択して組み合わせることをも予定している。また、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって限定的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の実施形態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を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明の製造方法によって、化合物半導体発光素子に含まれる透光性酸化物導電膜における透光性、シート抵抗、シート抵抗の面内分布、およびコンタクト抵抗の少なくともいずれかを改善することができ、そのように改善された化合物半導体発光素子はＬＥＤ照明、液晶ＴＶのバックライトなどに好ましく利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１、１０１ 基板、２、１０２ 下部クラッド層、３、１０３ 発光層、４、１０４ 上部クラッド層、５、１０５ コンタクト層、６ 第１電極、７ 第２電極、８、１０８ 透光性酸化物導電膜、１０６ ｐ側電極、１０７ ｎ側電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体発光素子の製造方法に関し、特に化合物半導体発光素子に含まれる透光性酸化物導電膜における透光性、シート抵抗、シート抵抗の面内分布、およびコンタクト抵抗の少なくともいずれかを改善し得る製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体発光素子を種々の照明用途に利用するためには、赤、緑および青の光の３原色を発光し得る発光素子が不可欠である。発光ダイオード（ＬＥＤ）に関しては、近年までは３原色のうちの青色ＬＥＤが完成されずに欠けていたので、ＬＥＤを種々の照明用途に利用することができていなかった。
【０００３】
しかし、１９９０年代に窒化物半導体による青色ＬＥＤが開発されて以後において、ＬＥＤを用いた照明製品は、交通信号機だけに留まることなく、液晶モニターのバックライト、液晶テレビのバックライト、さらには家庭用の各種照明用途などに利用されている。
【０００４】
最近では、ＬＥＤバックライトを搭載した液晶テレビが、その価格の低下に伴って急速に普及し始めている。また、ＬＥＤを用いた照明器具は、従来の照明器具に比べて低消費電力、省スペースおよび水銀フリーを可能にし、環境にも望ましいというメリットを有している。そして、２００９年夏以後において、それ以前に比べて遥かに安い価格でＬＥＤを用いた照明器具が発売され、その普及が一気に進んでいる。
【０００５】
ところで、照明器具や液晶テレビのバックライトなどの光としては、白色光であることを要する。ＬＥＤを利用した白色光は、一般に青色ＬＥＤとＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）黄色蛍光体との組合せ、または青色ＬＥＤと緑色蛍光体と赤色蛍光体との組合せにより実現され得る。すなわち、ＬＥＤを利用して白色光を得るためには、いずれの場合でも青色ＬＥＤが必要となる。このようなことから、高輝度の青色ＬＥＤを安価かつ大量に提供し得る製造方法が望まれている。
【０００６】
一般に、青色や青緑色などの短波長光を放射し得るＬＥＤやレーザダイオード（ＬＤ）の発光層には、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、およびこれらの混晶などのように、Ｖ族元素として窒素を含有するIII−Ｖ族化合物半導体が用いられる。
【０００７】
図６は、周知のダブルヘテロ接合型青色ＬＥＤの一例を模式的断面図で示している。この青色ＬＥＤの作製においては、サファイア基板１０１上に、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ下部クラッド層１０２、ＩｎＧａＮ発光層１０３、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ上部クラッド層１０４、およびコンタクト層１０５がこの順に堆積される。コンタクト層１０５上には透光性酸化物導電膜１０８が堆積され、その上の一部領域にはｐ側電極１０６が設けられる。他方、下部クラッド層１０２の一部がエッチングによって露出され、その露出領域上にｎ側電極１０７が設けられる。
【０００８】
図５のＬＥＤのｐ側電極１０６から電流を注入すれば、電流が酸化物導電膜１０８の面方向に拡散される。そして、拡散された電流がコンタクト層１０５および上部クラッド層１０４を介して発光層１０３内へ広い面積で注入され、これによって発光層１０３が広い領域で発光を生じ得る。
【０００９】
発光層１０３から上方へ放射された光は、上部クラッド層１０４、コンタクト層１０５および透光性酸化物導電膜１０８を透過して外部に取り出される。透光性酸化物導電膜１０８として例えばＩＴＯ（インジュウム錫酸化物）のような高透光性の材料を用いることにより、発光層１０３から放射された光が透光性酸化物導電膜１０８を透過するときの光損失を低減させることができる。また、ＩＴＯなどからなる酸化物導電膜１０８はコンタクト層１０５に比べて低抵抗であるので、注入電流の広範囲への拡散が促進され、発光層１０３における発光面積の拡大による発光効率の向上がもたらされ得る。
【００１０】
一方、ＩＴＯなどの酸化物導電膜１０８はコンタクト層１０５に比べれば低抵抗であるが、そのシート抵抗は２０Ω／□以上６０Ω／□以下という比較的高い値を示す。しかも、酸化物導電膜においては、その部位によってシート抵抗の高いところと低いところが混在しやすい傾向にある。したがって、透光性酸化物導電膜を含む化合物半導体発光素子においては、その駆動電圧Ｖｆが高くなったり、発光層の領域に依存して発光が不均一になりやすいという問題がある。
【００１１】
これらの問題を改善するためには、透光性酸化物導電膜１０８のシート抵抗を２０Ω／□以下にし、好ましくは１０Ω／□以下にすることが理想的である。酸化物導電膜のシート抵抗を低減させるためには、酸化物導電膜においてアニールによってその結晶化度を高めて、それによって酸化物導電膜のシート抵抗を低減させるという手法が考えられる。しかし、アニールによって酸化物導電膜１０８とコンタクト層１０５との界面の結合状態が変化し、その界面におけるＧａ−Ｏ、Ｎ−Ｏ、Ｈの化合物などの安定な結合状態が損なわれて、コンタクト抵抗が高くなり得る問題がある。
【００１２】
また、酸化物導電膜のシート抵抗を低減させるためには、その結晶中の酸素欠損密度を高めることによってキャリア密度を上昇させる手法が考えられる。しかし、そのキャリア密度の上昇に伴って酸化物導電膜の仕事関数が低下し、酸化物導電膜１０８とコンタクト層１０５との界面の酸化物導電膜側の電子ポテンシャルが上昇する。これによって酸化物導電膜からコンタクト層にホールが注入されにくくなり、結果として酸化物導電膜１０８とコンタクト層１０５との間のコンタクト抵抗が高くなるという問題がある。
【００１３】
そこで、特許文献１の特開２００７−２８７７８６号公報に開示された発光素子では、第１アニールと第２アニールとの２段階のアニールを行なうことにより、透光性酸化物導電膜とコンタクト層との間のコンタクト抵抗を低く保ちつつ、その酸化物導電膜のシート抵抗を低下させる試みがなされている。特許文献１の第１アニールにおいては、酸素を含む雰囲気中にて２５０℃以上６００℃以下の温度でアニールすることにより、透光性酸化物導電膜とコンタクト層との間のコンタクト抵抗を低下させる。そして、続く第２アニールでは、酸素を含まない雰囲気（例えばＮ２ガス雰囲気）中にて２００℃以上５００℃以下の温度でアニールすることにより、透光性酸化物導電膜のシート抵抗を低減させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−２８７７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
透光性酸化物導電膜として用いられるＩＴＯやＩＺＯ（インジュウム亜鉛酸化物）などの酸化物膜は、大気圧と同圧のＮ２ガス雰囲気中のアニール後にそのままＮ２ガス雰囲気中で冷却されて炉から取り出されるか、または真空雰囲気中でアニールされた場合でもＮ２ガスなどの不活性ガスを流しながら冷却されるのが従来から一般的である。しかし、この方法では、透光性酸化物導電膜のシート抵抗を十分に低減させることができず、発光素子の駆動電圧の上昇、発光層面内の不均一な発光などの問題を生じ得る。
【００１６】
上述のような問題に鑑み、本発明の目的は、化合物半導体発光素子に含まれる透光性酸化物導電膜の光透過率の向上、シート抵抗の低減、シート抵抗の面内均一化、およびコンタクト層に対するコンタクト抵抗の低減の少なくともいずれかを可能ならしめる化合物半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者達は、種々の検討の結果、透光性酸化物導電膜として用いられるＩＴＯやＩＺＯなどの酸化物膜のアニール後の冷却過程において、酸素を含まない雰囲気中の冷却として同じであっても、窒素雰囲気中冷却よりも真空雰囲気中冷却を行なった場合の方がシート抵抗の面内分布がより均一になることを見出した。
【００１８】
本発明の１つの態様による化合物半導体発光素子の製造方法においては、基板上に発光層を含む化合物半導体積層体を堆積し、この化合物半導体積層体上に透光性酸化物導電膜を堆積し、この透光性酸化物導電膜はアニールされてその後に真空雰囲気中で冷却されることを特徴としている。
【００１９】
なお、そのアニールは、酸素を含まないガス雰囲気中で行なわれることが好ましく、窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中、または窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気中で行なわれ得る。また、そのアニールは、真空雰囲気中で行なわれてもよい。
【００２０】
本発明のもう１つの態様による化合物半導体発光素子の製造方法においては、基板上に発光層を含む化合物半導体積層体を堆積し、この化合物半導体積層体上に透光性酸化物導電膜を堆積し、この透光性酸化物導電は、酸素を含む雰囲気中で第１アニールされ、続いて酸素を含まない雰囲気中で第２アニールされ、その後に真空雰囲気中で冷却されることを特徴としている。
【００２１】
なお、その第２アニールは、酸素を含まないガス雰囲気中で行なわれることが好ましく、窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中、または窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気中で行なわれ得る。また、その第２アニールは、真空雰囲気中で行なわれてもよい。
【００２２】
また、本発明のいずれの態様による化合物半導体発光素子の製造方法においても、冷却過程における真空雰囲気中の圧力は１０Ｐａ以下であることが好ましい。真空雰囲気中の冷却は、２００℃以下の温度まで続けられることが好ましい。透光性酸化物導電膜は、インジウムを含む酸化物で好ましく形成され、ＩＴＯまたはＩＺＯで形成され得る。透光性酸化物導電膜は、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の厚さを有することが好ましい。
【００２３】
以上のような製造方法によって、種々の性能が改善された化合物半導体発光素子を提供することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の製造方法によれば、化合物半導体発光素子に含まれる透光性酸化物導電膜の光透過率の向上、シート抵抗の低減、シート抵抗の面内分布の均一化、およびコンタクト層に対するコンタクト抵抗の低減の少なくともいずれかが可能となり、駆動電圧の低減と均一な発光が可能な化合物半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の製造方法により製造され得る化合物半導体発光素子の一例を示す模式的斜視図である。
【図２】図１中の線Ｘ−Ｘに沿った模式的断面図である。
【図３】透光性酸化物導電膜のアニール時およびその後の冷却時の温度プロファイルの一例を示す模式的グラフである。
【図４】アニール後にガス中冷却された場合と真空中冷却された場合における透光性酸化物導電膜の平均シート抵抗の比較を示す棒グラフである。
【図５】アニール後にガス中冷却された場合と真空中冷却された場合における透光性酸化物導電膜のシート抵抗の面内均一性を比較する棒グラフである。
【図６】周知のダブルヘテロ接合型青色ＬＥＤの一例を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
＜化合物半導体発光素子＞
図１は本発明の製造方法によって作製され得る化合物半導体発光素子の一例を模式的斜視図で示しており、図２は図１中の線Ｘ−Ｘに沿った模式的断面図である。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
【００２７】
図１および図２に示された化合物半導体発光素子においては、基板１上に、下部クラッド層２、発光層３、上部クラッド層４、およびコンタクト層５がこの順に堆積されて化合物半導体積層体が形成される。そして、コンタクト層５上には透光性酸化物導電膜８が形成され、この酸化物導電膜８の一部領域上に第１の電極６が設けられる。他方、下部クラッド層２の一部がエッチングによって露出され、その露出領域上に第２の電極７が設けられる。
【００２８】
ここで、下部クラッド層２、発光層３、および上部クラッド層４によりダブルヘテロ接合が形成されている。また、発光層３としては、アンドープ、ｎ型、ｐ型、およびｎ型とｐ型の両方の不純物を含む化合物半導体が必要に応じて選択される。そして、発光層３を挟んで、下部クラッド層２と上部クラッド層４との間にｐｎ接合が形成される。
【００２９】
＜下部クラッド層＞
ダブルへテロ接合構造の技術的意義に照らせば、クラッド層は発光層に比べて大きなバンドギャップを有し、そのギャップ差に基づく電位障壁によって電子および正孔を発光層内にせき止める機能を有するものである。ただし、図１および図２中の下部クラッド層２は、基板１と発光層３との間の緩衝層や、ｎ側電極７との良好なオーミック接触のためのコンタクト層をも含み得る。このような下部クラッド層２は、例えばｎ型不純物がドープされた窒化物半導体層だけのみならず、アンドープ窒化物半導体層などをも含む複数層としても形成され得る。すなわち、下部クラッド層２としては、例えば低温バッファ層、ＡｌＮバッファ層、アンドープ層、ｎ型ドーピング層、ｎ型コンタクト層などを適宜に含み得る。
【００３０】
以上のように、下部クラッド層２は、クラッド層として機能する単層であってもよいし多層であってもよいが、単層の場合にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮを用いることができ、これにＳｉを含んでいてもよいしアンドープであってもよい。また、下部クラッド層２が複数層の場合には、それはＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの積層構造であってもよいし、複数の層が繰り返し積層された周期的多層構造であてもよい。さらに、それらの多層構造は、超格子構造を形成していてもよい。
【００３１】
＜発光層＞
発光層３は、ＧａＮ障壁層とＩｎ含有窒化物半導体の井戸層とを交互に積層させたものであることが好ましい。井戸層の好ましい厚さは、その発光する光の波長に依存するが、２〜２０ｎｍの範囲内であることが好ましい。このような発光層３の構造は、量子井戸構造に限られず、単一井戸構造、多重井戸構造、多重量子井戸構造などのいずれであってもよい。発光層３が複数の井戸層を含む場合、少なくとも１つの井戸層が発光作用を果たせばよい。このような井戸層は、例えばＩｎｐＧａ１−ｐＮ（０＜ｐ＜１）からなることが好ましい。
【００３２】
＜上部クラッド層＞
上述したように、ダブルへテロ接合構造の技術的意義に照らせば、クラッド層は発光層に比べて大きなバンドギャップを有し、そのギャップ差に基づく電位障壁によって電子および正孔を発光層内にせき止める機能を有するものである。ただし、図１および図２中の上部クラッド層４は、蒸発防止層、キャリアブロック層、または電流拡散層として働くｐ型層をも含み得る。すなわち、上部クラッド層４は単層または複数層のいずれであってもよく、単層の場合にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮにｐ型不純物をドープしたものまたはアンドープのものを用いることができる。上部クラッド層４が複数層の場合には、それはＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの積層構造であってもよいし、複数の層が繰り返し積層された周期的多層構造を形成していてもよい。さらに、これらの多層構造は、超格子構造を形成していてもよい。
【００３３】
このような上部クラッド層４の厚さは、５００ｎｍ以下であることが好ましい。なぜならば、５００ｎｍを超える厚さの上部クラッド層４を気相堆積によって形成する場合に、発光層３が高い温度で長時間にわたって熱に曝されることになり、発光層３の熱劣化によって非発光領域が増大するからである。なお、発光層３中に含まれるＩｎの蒸発を防止するために、発光層に接して蒸発防止層を設けることが好ましく、これは上述のように上部クラッド層４に含まれ得るものである。
【００３４】
＜コンタクト層＞
コンタクト層５は、透光性酸化物導電膜８に対する接触抵抗を低減するために設けられるものである。このようなコンタクト層５は、上部クラッド層４に比べて高濃度にｐ型不純物をドープした窒化物半導体であることが好ましい。なお、コンタクト層５を設けることなく、上部クラッド層４上に透光性酸化物導電膜８を形成してもよい。この場合、上部クラッド層４の上側表面近傍のｐ型不純物を高濃度にすることが好ましい。
【００３５】
＜第１電極および第２電極＞
第１電極６および第２電極７は、外部回路と電気的に結線するワイヤーボンドの台座となるものである。第１電極６および第２電極７は、公知の態様で形成することができ、例えばＴｉ、Ａｌ、Ａｕなどの材料を用いることができる。また、第１電極６および第２電極７は単層構造に限られず、多層構造で形成とすることもできる。第１電極６および第２電極７が多層構造からなる場合には、その最上層としては厚さ５００ｎｍ程度のＡｕ層を形成することが好ましい。これにより、化合物半導体発光素子をパッケージに実装するときに、外部回路とのワイヤーボンド安定性を確保することができる。
【００３６】
なお、発光層３からの発光の一部は、上部クラッド層４側の方向に発せられる。したがって、第１電極６は、発光層３から上部クラッド層４側への光取り出し方向に配置される電極となる。他方、図１および図２に示された第２電極７は、基板１が絶縁性材料からなる場合の配置を例示している。すなわち、基板１として絶縁性材料を用いる場合には、第２電極７は下部クラッド層２の一部露出領域上に設けられる。しかし、基板１として導電性材料を用いる場合には、第２電極７は基板１の底面上に形成され得る。
【００３７】
＜透光性酸化物導電膜＞
透光性酸化物導電膜８は、発光層３からの光を透過させるとともに、コンタクト層５に対するコンタクトを形成してその表面全体に電流を拡散させることにより、その下方にある発光層３の発光面積を拡大するために設けられる。したがって、透光性酸化物導電膜８としては、コンタクト層５に比べて低抵抗の材料を用いることが好ましい。これにより、第１電極６から注入される電流を酸化物導電膜８の面方向に拡散させることができる。このような酸化物導電膜８を構成する材料としては、例えばＩＴＯ、ＩＺＯなどを好ましく使用することができ、ＩＴＯを使用することが特に好ましい。なぜならば、ＩＴＯは、透光性およびコンタクト抵抗の観点から特に優れているからである。
【００３８】
透光性酸化物導電膜８の厚さは、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましい。なぜならば、透光性酸化物導電膜８が１００ｎｍより薄ければその高いシート抵抗のために発光素子の駆動電圧の上昇を招き、４００ｎｍより厚ければその光透過性が低下して発光素子の光取り出し効率が低下するからである。
【００３９】
＜化合物半導体発光素子の製造方法＞
本発明による化合物半導体発光素子の製造方法の一実施形態においては、基板１上に、III族窒化物半導体のような化合物半導体からなる半導体層２〜５を順次堆積し、コンタクト層５上に透光性酸化物導電膜８を堆積し、この酸化物導電膜８に対して酸素を含む雰囲気中の第１アニールとこれに続いて酸素を含まない雰囲気中の第２アニールを行ない、その後の冷却が真空中で行なわれる。
【００４０】
透光性酸化物導電膜として用いられるＩＴＯやＩＺＯなどの酸化物は、従来では、大気圧と同圧のＮ２雰囲気中でアニールされ、そのままＮ２雰囲気中で冷却されて炉から取り出される。しかし、この方法では酸化物導電膜のシート抵抗を十分に低減させることができず、発光素子の駆動電圧の上昇および発光層中の不均一な発光の原因となっている。
【００４１】
本発明の製造方法はこのような従来の問題を改善し得るものであり、透光性酸化物導電膜８のアニール後の冷却を真空中で行なうことにより、その透光性酸化物導電膜の光透過率の向上、コンタクト層５に対するコンタクト抵抗の低減、およびシート抵抗の面内均一性の改善の少なくともいずれかを図ることができる。本発明による化合物半導体発光素子の製造方法の各ステップが、以下においてより詳細に説明される。
【００４２】
＜化合物半導体層の堆積＞
まず、基板１の温度を例えば１０５０℃に調整し、窒素と水素とを含むキャリアガスを用いて、III族元素原料ガス、Ｓｉを含むドーピングガス、およびアンモニアガスをＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）装置内に導入することにより、基板１上に下部クラッド層２を結晶成長させる。
【００４３】
ここで、下部クラッド層２を形成するためにＭＯＣＶＤ装置内に導入されるIII族元素原料ガスとしては、例えばＴＭＧ（（ＣＨ３）３Ｇａ：トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ：トリエチルガリウム）、ＴＭＡ（（ＣＨ３）３Ａｌ：トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（（Ｃ２Ｈ５）３Ａｌ：トリエチルアルミニウム）、ＴＭＩ（（ＣＨ３）３Ｉｎ：トリメチルインジウム）、またはＴＥＩ（（Ｃ２Ｈ５）３Ｉｎ：トリエチルインジウム）などを利用することができる。また、Ｓｉを含むドーピングガスとしては、例えばＳｉＨ４（シラン）ガスなどを用いることができる。
【００４４】
引続いて、下部クラッド層２上にＩｎ含有井戸層と障壁層とを交互に堆積することによって、発光層３が形成される。そして、発光層３上には上部クラッド層４が形成される。この際、基板温度は上部クラッド層４を結晶成長させるのに適した温度に設定され、窒素および水素を含むキャリアガスと、III族元素原料ガスと、Ｍｇを含むドーピングガスと、アンモニアガスとをＭＯＣＶＤ装置内に導入することにより、発光層３上に上部クラッド層４を結晶成長させる。続いて、上部クラッド層４の上には、コンタクト層５が形成される。
【００４５】
なお、上部クラッド層４を結晶成長させるに適した基板温度は、上部クラッド層４がＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる場合に９５０℃以上１３００℃以下であることが好ましく、１０００℃以上１１５０℃以下であることがより好ましい。このような基板温度で上部クラッド層４を結晶成長させることにより、上部クラッド層４の結晶性を良好にすることができる。
【００４６】
Ｍｇを含むドーピングガスとしては、例えばＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）または（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）などを利用することができる。なお、（ＥｔＣｐ）２Ｍｇは常温常圧の条件下で液体なので、その条件下で固体であるＣｐ２Ｍｇに比べて、ＭＯＣＶＤ装置内への導入量を変化させるときの応答性が良好であって、その蒸気圧を一定に保ちやすい。
【００４７】
上部クラッド層４の形成に用いられるIII族元素原料ガスおよびアンモニアガスとしては、下部クラッド層２および発光層３の形成の場合と同様の種類のガスを用いることができる。以上のようにして、下部クラッド層２、発光層３、上部クラッド層４、およびコンタクト層５を含む化合物半導体積層体が形成され得る。
【００４８】
＜透光性酸化物導電膜の堆積＞
コンタクト層５上には、電子線蒸着法またはスパッタ蒸着法を用いることにより、透光性酸化物導電膜８が堆積される。なお、コンタクト層５を省略して、上部クラッド層４上に透光性酸化物導電膜８を直接堆積してもよい。スパッタ蒸着法により透光性酸化物導電膜８を堆積する場合、スパッタリング室内にターゲットおよびスパッタガスを導入してスパッタ電力を印加することにより、透光性酸化物導電膜８が成膜される。
【００４９】
＜第１アニール＞
上述のようにして堆積された透光性酸化物導電膜８に対しては、酸素を含む雰囲気中で第１アニールが行なわれる。このように酸素を含む雰囲気中でアニールを行なうことにより、透光性酸化物導電膜８を構成する材料を結晶化させることができ、その光透過率を向上させるとともに、コンタクト層５に対するコンタクト抵抗を低下させることができる。すなわち、酸素を含む雰囲気中におけるアニールでは、透光性酸化物導電膜８の結晶化度を高めることができ、酸化物導電膜８のシート抵抗を低下させることができる。
【００５０】
なお、第１アニールは、４５０℃以上７００℃以下の温度で行なうことが好ましい。これによって、酸化物導電膜８のシート抵抗を低減させる効果を高めることができる。また、第１アニールは、３分以上３０分以下の時間で行なうことが好ましく、２０分以下の時間で行なうことがより好ましい。
【００５１】
＜第２アニールおよび冷却＞
第１アニール後には、酸素を含まない雰囲気中で透光性酸化物導電膜８の第２アニールが行なわれる。本発明では、この第２アニール後において真空中で冷却が行なわれることを最も重要な特徴としている。
【００５２】
酸素を含まない雰囲気中でのアニールによって、透光性酸化物導電膜の透光性を低下させることなく、シート抵抗を低減させることができる。そして、真空中での冷却によって、透光性酸化物導電膜のシート抵抗の面内分布を均一化することができる。
【００５３】
第２アニールは、真空雰囲気中、窒素雰囲気中、アルゴン雰囲気中、または窒素とアルゴンとの混合雰囲気中で行なうことが好ましく、真空雰囲気中で行なうことが最も好ましい。冷却時の真空雰囲気は、大気圧に比べて顕著に減圧された雰囲気を意味し、その圧力は１０Ｐａ以下であることが好ましい。また、真空冷却は、２００℃以下の温度になるまで続けられることが好ましい。
【００５４】
図３のグラフは、第２アニール時およびその後の冷却時の温度プロファイルを模式的に例示している。すなわち、このグラフにおいて、縦軸はアニール炉の温度を表し、横軸は時間を表している。そしてグラフ中の実線は炉内が真空状態であることを表し、破線は炉内が大気圧状態であることを表している。
【００５５】
真空雰囲気中で第２アニールを行なうことにより、透光性酸化物導電膜の結晶中に酸素欠陥を形成してキャリア密度を上昇させることによって、その酸化物導電膜のシート抵抗を低減させることができる。さらに、アニール時と同圧の真空雰囲気中で冷却することによって、酸化物導電膜中におけるシート抵抗の面内分布の均一性を高めることができる。
【００５６】
図４の棒グラフは、第２アニール後にガス中で冷却した場合と真空中で冷却した場合における酸化物導電膜のシート抵抗の平均値を比較して示している。このグラフにおいて、縦軸は相対的なシート抵抗（Ω／□）を表し、左の棒はガス中冷却された場合のシート抵抗を表し、そして右の棒は真空中冷却された場合のシート抵抗を表している。図４の結果から、ガス中冷却と真空中冷却との相違は、酸化物導電膜の平均シート抵抗値に対して顕著が影響を及ぼさないことがわかる。
【００５７】
なお、第２アニールは、第１アニールの温度以下の温度で行なわれることが好ましい。また、第２アニールは、１分以上３０分以下の時間で行なうことが好ましい。これによって、透光性酸化物導電膜８において、光透過率とコンタクト層５に対するコンタクト抵抗を損なうことなく、１０Ω／□以下のシート抵抗を得ることができる。
【００５８】
図５の棒グラフは、第２アニール後にガス中冷却した場合と真空中冷却した場合における透光性酸化物導電膜のシート抵抗の面内均一性を比較して示している。図５に示されているように、ガス中冷却された酸化物導電膜の面内におけるシート抵抗のばらつきが約５％であったのに比べて、真空中冷却された酸化物導電膜の面内におけるシート抵抗のばらつきは約半分である約２％であり、良好な面内均一性が得られている。
【００５９】
このことについて、以下のような理由が考えられる。アニール後の冷却を開始した直後では、酸化物導電膜は未だ酸素欠陥を発生させるのに十分な高温である。この状態でガス中冷却する場合、冷却ガスにより温度分布が生じ、酸化物導電膜内においてさらなる酸素欠損が発生する部分と発生しないまま冷却される部分とが生じ、結果としてシート抵抗の面内均一性が低下すると考えられる。他方、アニール後に真空中冷却する場合、冷却ガスによる温度分布が生じないので、酸化物導電膜全体が均一に冷却されてシート抵抗の面内分布のばらつきが小さくなると考えられる。
【００６０】
なお、図４における平均シート抵抗値は、４端子法によって酸化物導電膜上の７３点で測定された値が算術平均されて求められた。また、図５におけるシート抵抗の面内均一性は、それら７３点のシート抵抗の最大値と最小値の差を７３点の平均シート抵抗値の２倍で割って算出された。
【００６１】
＜第１電極および第２電極の形成＞
上述の第１電極６と第２電極７は、公知のフォトリソグラフィ、電子線蒸着、およびリフトオフ法などを利用して形成され得る。
【００６２】
以上において本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に開示された種々の技術的事項を適宜に選択して組み合わせることをも予定している。また、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって限定的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の実施形態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を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明の製造方法によって、化合物半導体発光素子に含まれる透光性酸化物導電膜における透光性、シート抵抗、シート抵抗の面内分布、およびコンタクト抵抗の少なくともいずれかを改善することができ、そのように改善された化合物半導体発光素子はＬＥＤ照明、液晶ＴＶのバックライトなどに好ましく利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１、１０１ 基板、２、１０２ 下部クラッド層、３、１０３ 発光層、４、１０４ 上部クラッド層、５、１０５ コンタクト層、６ 第１電極、７ 第２電極、８、１０８ 透光性酸化物導電膜、１０６ ｐ側電極、１０７ ｎ側電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に発光層を含む化合物半導体積層体を堆積し、
前記化合物半導体積層体上に透光性酸化物導電膜を堆積し、
前記透光性酸化物導電膜はアニールされてその後に真空雰囲気中で冷却されることを特徴とする化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記真空雰囲気中の圧力は１０Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記真空雰囲気中の冷却は２００℃以下の温度まで続けられることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記透光性酸化物導電膜はインジウムを含む酸化物からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記透光性酸化物導電膜はＩＴＯまたはＩＺＯからなることを特徴とする請求項４に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記透光性酸化物導電膜は１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記アニールは酸素を含まないガス雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記アニールは窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中、または窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項７に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記アニールは真空雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
基板上に発光層を含む化合物半導体積層体を堆積し、
前記化合物半導体積層体上に透光性酸化物導電膜を堆積し、
前記透光性酸化物導電は、酸素を含む雰囲気中で第１アニールされ、続いて酸素を含まない雰囲気中で第２アニールされ、その後に真空雰囲気中で冷却されることを特徴とする化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記真空雰囲気中の圧力は１０Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記真空雰囲気中の冷却は２００℃以下の温度まで続けられることを特徴とする請求項１０または１１に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記透光性酸化物導電膜はインジウムを含む酸化物からなることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記透光性酸化物導電膜はＩＴＯまたはＩＺＯからなることを特徴とする請求項１３に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記透光性酸化物導電膜は１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第２アニールは酸素を含まないガス雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第２アニールは窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中、または窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項１６に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記第２アニールは真空雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記請求項１から１８のいずれかに記載の製造方法により形成されている化合物半導体発光素子。
【請求項１】
基板上に発光層を含む化合物半導体積層体を堆積し、
前記化合物半導体積層体上に透光性酸化物導電膜を堆積し、
前記透光性酸化物導電膜はアニールされてその後に真空雰囲気中で冷却されることを特徴とする化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記真空雰囲気中の圧力は１０Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記真空雰囲気中の冷却は２００℃以下の温度まで続けられることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記透光性酸化物導電膜はインジウムを含む酸化物からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記透光性酸化物導電膜はＩＴＯまたはＩＺＯからなることを特徴とする請求項４に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記透光性酸化物導電膜は１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記アニールは酸素を含まないガス雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記アニールは窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中、または窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項７に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記アニールは真空雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
基板上に発光層を含む化合物半導体積層体を堆積し、
前記化合物半導体積層体上に透光性酸化物導電膜を堆積し、
前記透光性酸化物導電は、酸素を含む雰囲気中で第１アニールされ、続いて酸素を含まない雰囲気中で第２アニールされ、その後に真空雰囲気中で冷却されることを特徴とする化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記真空雰囲気中の圧力は１０Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記真空雰囲気中の冷却は２００℃以下の温度まで続けられることを特徴とする請求項１０または１１に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記透光性酸化物導電膜はインジウムを含む酸化物からなることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記透光性酸化物導電膜はＩＴＯまたはＩＺＯからなることを特徴とする請求項１３に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記透光性酸化物導電膜は１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第２アニールは酸素を含まないガス雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第２アニールは窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中、または窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項１６に記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記第２アニールは真空雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記請求項１から１８のいずれかに記載の製造方法により形成されている化合物半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−７９７４７（Ｐ２０１２−７９７４７Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２０７７９（Ｐ２０１０−２２０７７９）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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