真空蒸着装置、フィルタ及びそれらを用いて作製した半導体発光素子
【課題】半導体発光素子の窓層として、金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層を形成し、且つ同時に粗面化することが可能な真空蒸着装置、この真空蒸着装置に利用するフィルタ、それらを用いて作製した半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】真空蒸着装置の構成として、真空容器１５内に、金属酸化物の蒸発源１４と、この蒸発源上方に該蒸発源に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板１１とを置き、前記蒸発源１４と被着基板１１との間に、機械的に構成された多数の微小径の空孔を有するフィルタ１２を設け、これに蒸気流を通過させることによって被着基板１１の被着面に粗面化された金属酸化物から成る透明導電膜が形成されるように構成する。
【解決手段】真空蒸着装置の構成として、真空容器１５内に、金属酸化物の蒸発源１４と、この蒸発源上方に該蒸発源に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板１１とを置き、前記蒸発源１４と被着基板１１との間に、機械的に構成された多数の微小径の空孔を有するフィルタ１２を設け、これに蒸気流を通過させることによって被着基板１１の被着面に粗面化された金属酸化物から成る透明導電膜が形成されるように構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空蒸着装置、フィルタ及びそれらを用いて作製した半導体発光素子に関わり、特に透明導電膜を備えて光取り出し効率を高めた高輝度半導体発光素子用エピタキシャルウェハの製造技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ＬＥＤチップを透明なエポキシ樹脂等でパッケージングされた構造を採り、この様な構成ではＬＥＤの電流分散層と樹脂の屈折率差との関係から、ＬＥＤチップの内部で発光した光を外部に取り出す効率（光取り出し効率）にはある程度制限があった。その程度とは、電流分散層に使われる材料の屈折率等にも依るが、一般的なＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの場合、電流分散層にはＧａＰ等が広く活用され、この場合の光取り出し効率はおよそ２０％程度である。
【０００３】
最近では、ＬＥＤの電流分散層としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：錫添加酸化インジウム）等の金属酸化物を応用する例が増えてきた。金属酸化物による電流分散層は、従来のＧａＰやＡｌＧａＡｓを厚く成長する方式よりも成長に掛かるコストが低く、また、前述した半導体材料よりも画期的に電気特性に優れるので、電流分散効果が高いというメリットがある。更に、ＩＴＯ膜などの俗に言う透明導電膜は、ＧａＰなどの半導体材料の屈折率（３．１〜３．５）と樹脂の屈折率（１．４〜１．６）の間に位置する屈折率（１．８〜２．２）を有しており、ＬＥＤの光取り出し効率を高める効果を有する。しかしながら、単純に樹脂／金属酸化物／半導体とした構成にするだけでは、光取り出し効率を著しく向上させる事はできない。
【０００４】
そこで、発光層を含む半導体多層膜の最上層と透明樹脂との境界における光の全反射の影響で光り取り出し効率が低下するのを防止するため、最上層のＩＴＯ膜からなる反射防止膜の表面を粗面加工し、表面ラフネス（ＰＶ値（max-min））を、２００nm以上で、且つ発光波長以下に設定することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
この特許文献１によるＩＴＯ膜の粗面化は、下方のｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層を成長する際に、ＭＯＣＶＤ法におけるＰＨ3分圧を十分に低く（１〜２０Ｐａ）することで、ＩｎＡｌＰクラッド層の表面を荒れた状態にし、次いで、ＧａＡｓコンタクト層、ＩＴＯ膜をスパッタリング法により形成することで、ＩＴＯ膜がＩｎＡｌＰクラッド層に倣って粗面となることを利用するものである。
【０００６】
なお、本発明と直接に関連するものではないが、シャッター板による開閉が可能な開口を有する防着板を、蒸着源と被着基板との間に設けて、真空容器内壁への膜の堆積を防止した真空蒸着装置が知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１７４１９１号公報
【特許文献２】特開平５−７０９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した様に、従来、樹脂／半導体となる構成のＬＥＤや、樹脂／金属酸化物／半導体となる構成のＬＥＤにおいては、光取り出し効率を向上させる事による高輝度化への寄与率が非常に高くポテンシャルが残されている。すなわち、電流分散層に金属酸化物を用いたＬＥＤにおいて、その光取り出し効率を著しく高める事ができる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１を含む従来技術において、金属酸化物である透明導電膜の形成方法はスパッタリング法によっている。このスパッタリング法は、装置が高価であることや生産性に問題がある。
【０００９】
そこで、スパッタリング法よりも低価格であり、且つ生産性の良い方法である真空蒸着法で、ＩＴＯ等の金属酸化物の透明導電膜を形成すると共に、同時にこの透明導電膜の表面を粗面化することができれば、より一層の低コスト化が実現できる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、半導体発光素子の窓層として、金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層を形成し、且つ同時に粗面化することが可能な真空蒸着装置、この真空蒸着装置に利用するフィルタ、それらを用いて作製した半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１２】
請求項１の発明に係る真空蒸着装置は、蒸発源を加熱して蒸着物質の蒸気流を生じさせ、この蒸発源に臨ませた被着基板に蒸着を行う真空蒸着装置において、真空容器内に、（ＩＴＯ等の）金属酸化物の蒸発源と、この蒸発源上方に該蒸発源に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板とを置き、前記蒸発源と被着基板との間に、機械的に構成された多数の微小径の空孔を有するフィルタを設け、これに蒸気流を通過させることによって被着基板の被着面に粗面化された（ＩＴＯ等の）金属酸化物から成る透明導電膜が形成されるように構成したことを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の真空蒸着装置において、上記フィルタを複数個上下に積層するか、又は間隔を置いて上記金属酸化物の蒸発源と上記被着基板との間に複数個並置したことを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の真空蒸着装置において、上記のフィルタを定期的若しくは不定期に揺動、回転、公転、若しくはライン上にスライドさせる機構を設けたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明に係るフィルタは、上記請求項１に記載の真空蒸着装置に用いられるフィルタであって、そのフィルタのパターンを、メッシュ状で規則的な格子パターン、不規則な格子パターン、またはそれらの格子を様々な角度に傾けて成る多様な空孔のパターンとしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明に係る半導体発光素子は、第一導電型の基板の上に、第二導電型若しくはアンドープ活性層を互いに導電型が異なる第一クラッド層と第二クラッド層で挟んだ発光部を形成し、該発光部の上に第二導電型のコンタクト層を形成し、その上に電流分散層として（ＩＴＯ等の）金属酸化物からなる窓層を形成し、その表面側の一部に表面電極を形成し、上記基板の裏面に全面又は部分電極から成る裏面電極を形成した半導体発光素子において、前記金属酸化物からなる窓層を請求項１記載の真空蒸着装置により形成し、それによって表面が粗面化された（ＩＴＯ等の）金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層を形成したことを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項５記載の半導体発光素子において、上記（ＩＴＯ等の）金属酸化物から成る電流分散層の膜厚を５０nm以上５００nm以下としたことを特徴とする。
【００１８】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、上記目的を達する為、電流分散層にＩＴＯやガリウム添加酸化亜鉛等の金属酸化物を用いた半導体発光素子の作製に際し、真空蒸着装置の蒸発源と被着基板との間に、機械的に構成されたフィルタを設け、これに蒸気流を通過させることによって、被着基板の被着面に、粗面化されたＩＴＯ等の金属酸化物の透明導電膜から成る電流分散層が形成されるように構成し、これにより電流分散層を形成するプロセスと当該電流分散層の主表面を粗面化させるプロセスを同時に行う事により、従来よりも画期的に光取り出し効率を高めた半導体発光素子を簡便に、且つ低コストに製造することができるようにした点にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００２０】
本発明の真空蒸着装置によれば、真空容器内に、ＩＴＯ等の金属酸化物の蒸発源と、この蒸発源上方に該蒸発源に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板とを置き、前記蒸着源と被着基板との間に、機械的に構成された多数の微小径の空孔を有するフィルタを設け、これに蒸気流を通過させることによって被着基板の被着面に粗面化されたＩＴＯ等の金属酸化物から成る透明導電膜が形成されるように構成したので、スパッタリング法よりも低価格であり、且つ生産性の良い方法である真空蒸着法で、ＩＴＯ等の金属酸化物の透明導電膜を形成することができると共に、同時に、この透明導電膜の表面を粗面化することができる。従って、スパッタリング法による場合より一層の低コスト化が実現できる。この低コスト化は、従来のＬＥＤ作製プロセスに何ら工程を付け加える必要も無く、真空蒸着装置に僅かな工夫を凝らす事で達成することができる点で、その効果は大きい。
【００２１】
また本発明に係るフィルタは、上記真空蒸着装置に用いられるフィルタであって、そのフィルタのパターンを、メッシュ状で規則的な格子パターン、不規則な格子パターン、またはそれらの格子を様々な角度に傾けて成る多様な空孔のパターンとしたので、ＩＴＯ等の金属酸化物から成る透明導電膜の表面を、所望するパターンで粗面化することが可能となる。
【００２２】
また本発明に係る半導体発光素子は、発光部の上にコンタクト層を形成し、その上に電流分散層としてＩＴＯ等の金属酸化物からなる窓層を形成した構造において、前記金属酸化物からなる窓層を請求項１記載の真空蒸着装置により形成し、それによって表面が粗面化されたＩＴＯ等の金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層を形成したので、低コストの半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施形態に係る真空蒸着装置１３を示したもので、この真空蒸着装置は、蒸発源１４を加熱して蒸着物質の蒸気流を生じさせ、この蒸発源１４に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板１１に蒸着を行う。
【００２５】
詳述するに、この真空蒸着装置においては、真空容器１５内に、ＩＴＯやガリウム添加酸化亜鉛等の金属酸化物の蒸発源（この例ではＩＴＯの蒸発源）１４が設けられている。また、この蒸発源１４の上方には、蒸発源１４に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板（この例では被着対象物のＬＥＤ用エピタキシャルウェハ）１１が設けられている。更に、上記蒸発源１４と被着基板１１との間には、機械的に構成された多数の微小径の空孔を有するフィルタ１２が配設されている。具体的には、このフィルタ１２は、アルミニウム製の針金によって形成されたメッシュ状の平板フィルタから成る。
【００２６】
真空容器１５内は、蒸発源１４と被着基板１１との間に設けた防着板１６により上下に仕切られており、上記フィルタ１２は、この防着板１６の中央に大きく形成された開口部に嵌め込んだ形で、上下仕切境界部に設けられている。そして、防着板１６自体は、真空容器の側壁に突設した環状の受け部材１７に載置され、交換が容易になっている。
【００２７】
上記のように構成されているため、蒸発源１４から出発した蒸着原料物質たるＩＴＯの蒸気流は、上記フィルタ１２の多数の微小孔を通過して、上方の傾斜した被着基板１１の被着面に蒸着する。このときフィルタを通過する蒸着原料物質たるＩＴＯの通過難易度が、フィルタ１２の空孔の大きさ及びパターンにより制約を受けるため、これを通って被着面に到達する量が面的な位置の違いにより異なることから、被着基板１１の被着面に粗面化されたＩＴＯ透明導電膜（電流分散層）が形成される。
【００２８】
上記フィルタ１２は単層として構成しても良いが、複数個を上下に重ねた積層構成とし、又は、複数個を間隔を置いて金属酸化物の蒸発源１４と被着基板１１の間に上下に並置した構成とすることもできる。
【００２９】
また、上記のフィルタ１２には、これを定期的若しくは不定期に揺動、回転、公転、若しくはライン上にスライドさせる機構を付加することもできる。
【００３０】
上記実施形態においては、上記フィルタ１２は、蒸着源であるＩＴＯターゲットと被着対象物であるＬＥＤ用エピタキシャルウェハ間に、針金を何本にも並べて構成されたメッシュ状の平板フィルタとして設けた。しかし、これ以外にも、例えば、微細な空孔を空ける様に適宜パターンニングされた金型を用いてプレス成形された平板フィルタなどを用いた場合においても、空孔のサイズ、量、間隔などによっては本発明の意図する効果を得ることができる。要するに、上記の真空蒸着装置に用いられるフィルタにおいては、そのフィルタのパターンを、メッシュ状で規則的な格子パターン、不規則な格子パターン、またはそれらの格子を様々な角度に傾けて成る多様な空孔のパターンとすることができる。
【００３１】
図２に、上記真空蒸着装置及びフィルタを使用して得ようとする半導体発光素子の構造を示す。
【００３２】
この半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ法によって、第一導電型の半導体基板１の上に、第二導電型若しくはアンドープの活性層５を互いに導電型が異なる第一クラッド層４と第二クラッド層６で挟んだ発光部を形成し、該発光部の上に第二導電型のコンタクト層７を形成し、その上に、真空蒸着法により、電流分散層としてＩＴＯ等の金属酸化物からなる電流分散層（窓層）１０を形成する。なお、半導体基板１と第一クラッド層４の間において、半導体基板１上には、バッファ層２、ＤＢＲ層（分布ブラッグ反射層）３が設けられる。そして、その電流分散層１０の表面側の一部に表面電極８を形成し、上記基板の裏面に全面又は部分電極から成る裏面電極９を形成する。
【００３３】
この半導体発光素子は、真空蒸着装置によりＩＴＯ等の金属酸化物からなる窓層を形成し、それによって表面が粗面化されたＩＴＯ等の金属酸化物（透明導電膜）からなる電流分散層１０を形成する点に特徴がある。このＩＴＯ等の金属酸化物から成る電流分散層１０の膜厚は、後述する理由により５０nm以上５００nm以下とする。
【００３４】
この半導体発光素子であっては、前記発光部を形成する材料が（ＡｌxＧａ1-x）YＩｎ1-YＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）であり、更に、ｐ型の導電型決定不純物にＺｎを用いた場合は前記ｐ型コンタクト層をＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．２）で形成する事として、且つキャリア濃度が１×１０19／cm3以上となる様にし、更に、ｐ型の導電型決定不純物にＭｇを用いた場合は前記ｐ型コンタクト層のＧａxＩｎ1-xＰ（但し、０≦Ｘ≦０．２）で形成する事として、且つキャリア濃度が１×１０19／cm3以上となる様にする。
【００３５】
＜最適条件について＞
第１に、金属酸化物から成る電流分散層、例えばＩＴＯ膜と接する（オーミック）コンタクト層は、極めて高濃度に導電型決定不純物濃度が添加されている必要がある。具体的には、Ｚｎ（亜鉛）が添加されたコンタクト層の場合、その結晶材料はＡｌ混晶比が０から０．２までのＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓである事が望ましく、そのキャリア濃度は１×１０19／cm3以上が好適であり、これは高ければ高い程好ましい。また、導電型決定不純物にＭｇ（マグネシウム）を用いた時のコンタクト層の場合は、その結晶材料はＧａＰ組成が０から０．２までのＩｎＰ、又はＧａＩｎＰである事が望ましく、そのキャリア濃度は１×１０19／cm3以上が好適であり、これは高ければ高い程好ましい。ＩＴＯ膜は基本的にｎ型の半導体材料に属し、また、ＬＥＤは一般的にｐサイドアップで作製される。この為、ＩＴＯ膜を電流分散層に応用したＬＥＤは導電型が基板の側からｎ／ｐ／ｎ接合となってしまう。この為にＬＥＤではＩＴＯ膜とｐ型半導体層との界面に大きな電位障壁が生じ、通常は非常に動作電圧の高い発光ダイオードとなってしまう。この問題を解消する為、ｐ型半導体層には非常に高いキャリア濃度を有するコンタクト層が必要となるのである。また、上記したコンタクト層のバンドギャップが狭い由縁は、その方が高キャリア化が容易である事に強く依存する。
【００３６】
第２に、上述したコンタクト層の膜厚は１nmから５０nmの範囲にある事が好ましい。何故ならば、前記コンタクト層は、いずれも活性層で発光した光に対し吸収層となるバンドギャップを有している為、膜厚が厚くなるに連れ、発光輝度（出力）が低下してしまう。従って、コンタクト層の膜厚の上限をおよそ５０nmとする事が好ましく、より好ましくは３０nmまでである。また、コンタクト層の膜厚が１nm未満になってくると、今度はＩＴＯ膜とコンタクト層との間でのトンネル接合が難しくなってくる為、低動作電圧化、動作電圧の安定化が困難になる。従って、ＩＴＯ膜と接するコンタクト層の膜厚には最適値があり、それは１nmから５０nmなのである。
【００３７】
第３に、金属酸化膜からなる電流分散層を形成する方法は、真空蒸着法であることが望ましい。理由は、以下製造方法ごとに述べる。まずスパッタ法においては、スパッタ装置自体の設備額が高額で、更に、１バッチあたりのチャージ枚数が少ない事から、スループットも問題となる。よって、電流分散層製造に掛かるコストを大幅に低減するに至るのは難しい。次に、ＭＯＤ溶液を用いたスプレー法においては、第一に基板の表面温度を５００℃以上に加熱しないとＩＴＯ膜の抵抗率を下げる事ができない為、発光ダイオード用エピタキシャルウェハに対する熱の影響が大きく、コンタクト層の表面を酸化してしまい、トンネル接合が達成されなくなってしまうという問題が発生する。また、ＩＴＯ膜の高温での成膜になるので、ＩＴＯ膜のキャリア濃度で低下してしまい、トンネル接合しづらい状況を作ってしまう事も問題である。更には、多数枚チャージ、つまりスループットの高い製造設備の作製が難しく、安定した量産を行うには難しい。次に、塗布法においてはスプレー法、スパッタ法、真空蒸着法と比較して、抵抗率を下げる事が非常に難しい事が挙げられる。この事からコンタクト層とのトンネル接合が非常に難しい。更には、ＩＴＯ膜を１００nmから４００nm程度まで形成するのに、塗布、乾燥、焼成といった工程を幾度となく行う必要がある事から、スループットが非常に悪い。以上の理由から、製造装置価格が安価であり、且つ安定性に優れ、スループットの高い方法として真空蒸着法である事が好ましいのである。
【００３８】
第４にＩＴＯ膜の膜厚は５０nmから５００nmの範囲にある事が好ましい。下限が５０nmである由縁は、少なくとも十分な電流分散効果を得る為にはおよそ５０nm程度以上の膜厚が必要だからである。次に上限が５００nmである由縁は、真空蒸着法で形成する場合、ＩＴＯ膜の膜厚が５００nm程度になってくると、ＩＴＯ膜の透明性、つまり透過率が徐々に悪化してしまうという現象がある為である。また、およそ１５０nmから３５０nm程度のＩＴＯ膜によって十分な電流分散効果が得られる事から、あまり厚くし過ぎても製造コストを増加させてしまうだけになる。従って、ＩＴＯ膜の膜厚は５０nmから５００nmの範囲にある事が好ましく、より好ましくは８０nmから３５０nm程度であると言える。
【実施例】
【００３９】
本発明の効果を確認するため、金属酸化物窓層の形成手段が、フィルタのない真空蒸着装置による従来の試作例（比較例）、及びフィルタの在る真空蒸着装置を用いた本発明の試作例（実施例）を作製した。説明の便宜上、比較例から先に説明する。
【００４０】
［比較例：ＩＴＯ膜形成時に何も無し］
図２に示した構造の発光波長６３０nm付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造や電極形成方法及びＬＥＤ素子製作方法は、以下の通りである。
【００４１】
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ型（Ｓｅドープ）ＧａＡｓのバッファ層（膜厚４００nm、キャリア濃度１×１０18／cm3）２、ｎ型のＤＢＲ層３、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐの第一クラッド層（膜厚３００nm、キャリア濃度１×１０18／cm3）４、アンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐの活性層（膜厚６００nm）５、ｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐの第二クラッド層（膜厚３００nm、キャリア濃度５×１０17／cm3）６、ｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓのコンタクト層（膜厚３nm、キャリア濃度８×１０19／cm3）７を、ＭＯＣＶＤ法で、順次積層成長させた。
【００４２】
ＭＯＣＶＤ成長での成長温度は、上記ｎ型ＧａＡｓのバッファ層２から上記ｐ型の第二クラッド層６までを６５０℃とした。その他の成長条件は、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．０nm／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約２００前後で行った。因みにここで言うＶ／III比とは、分母をＴＭＧａやＴＭＡｌなどのIII族原料のモル数とし、分子をＡｓＨ3、ＰＨ3などのＶ族原料のモル数とした場合の比率（商）を指す。
【００４３】
ＭＯＣＶＤ法の成長において用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）等の、水素化物ガスを用いた。
【００４４】
例えば前記ｎ型のバッファ層２の様なｎ型層の添加物原料としては、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）を用いた。前記ｐ型の第二クラッド層６の様なｐ型層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。その他に、ｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、シラン（ＳｉＨ4）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。その他にｐ型層添加物原料として、ジメチルジンク （ＤＭＺｎ） を用いる事もできる。
【００４５】
更に、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハをＭＯＣＶＤ装置から搬出した後、当該ＬＥＤ用エピタキシャルウェハの表面、つまりｐ型のコンタクト層７の表面側へ、従来のフィルタの無い真空蒸着装置によって、膜厚３００nmのＩＴＯ膜を形成した。本構造では、このＩＴＯ膜が電流分散層１０となる。
【００４６】
この時、ＩＴＯ膜蒸着の同一バッチ内にセットした評価用ガラス基板を取り出し、Ｈａｌｌ測定が可能なサイズに切断し、ＩＴＯ膜単体の電気特性を評価した所、キャリア濃度１．２１×１０21／cm3、移動度１９．６cm2／Ｖｓ、抵抗率２．３５×１０-4Ω・cmであった。そして、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハの底面全面に先ずは裏面電極９を上記従来例と同じ様に真空蒸着法によって形成した。この時のＬＥＤ用エピタキシャルウェハ表面の平均粗さ（Ｒａ）をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて評価した所、測定箇所にも依るが約３nm〜８nmの範囲にある事が判った。
【００４７】
そして、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハの上面に、レジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィプロセスに用いられる器材と方法を駆使して、表面電極８として直径１１０μｍの円形電極を、マトリックス状に真空蒸着法で形成した。蒸着後の電極形成はリフトオフ法を用いた。この表面電極８は、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を、それぞれ２０nm、５００nmの順に蒸着した。
【００４８】
更に、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハの底面には、全面に裏面電極９を真空蒸着法によって形成した。この裏面電極９は、ＡｕＧｅ（金・ゲルマニウム合金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を、それぞれ６０nm、１０nm、５００nmの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中４００℃で５分間熱処理する事で行った。
【００４９】
その後、上記の様にして構成された電極付きＬＥＤ用エピタキシャルウェハを該円形の表面電極８が中心になる様にダイシング装置を用いて切断し、チップサイズ３００μｍ角のＬＥＤベアチップを作製した。更に前記ＬＥＤベアチップをＴＯ−１８ステム上にマウント（ダイボンディング）し、その後更にマウントされた該ＬＥＤベアチップに、ワイヤボンディングを行い、ＬＥＤ素子を作製した。
【００５０】
そして、上記の通りに作製されたＬＥＤ素子（比較例）の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力１．６９ｍＷ、動作電圧１．９２Ｖという初期特性を有するＬＥＤ素子を得る事ができた。
【００５１】
［実施例：ＩＴＯ形成時にメッシュフィルタを設けた］
実施例として、図２に示した構造の発光波長６３０nm付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やＬＥＤ素子製作方法は、基本的に上記比較例と同じにした。以下に上記比較例とは異なる点を列挙し、それに伴い詳細な説明をする。
【００５２】
本実施例では、真空蒸着法によってＩＴＯ膜から成る電流分散層を形成する際、図１で説明したように、蒸発源１４であるＩＴＯターゲットと被着対象物たる被着基板１１のＬＥＤ用エピタキシャルウェハとの間に、アルミニウム製の針金によって形成されたメッシュ状の平板フィルタ１２を介した。この時、ＩＴＯ膜の形成が完了した時点でのＬＥＤ用エピタキシャルウェハ表面の平均粗さ（Ｒａ）をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて評価した所、測定箇所にも依るが、約３０nm〜６０nmの範囲にあった。
【００５３】
そして、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハの底面全面に先ずは裏面電極９を上記従来例と同じ様に真空蒸着法によって形成した。裏面電極９の構成は上記比較例と同じである。その後、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中４００℃で５分間熱処理する事で行った。その後の素子化プロセスは、上記比較例と同じである。
【００５４】
上記の通りに作製された実施例のＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力１．８５ｍＷ、動作電圧１．９０Ｖの優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得る事ができた。
【００５５】
よって、本実施例に示した方策により、電流分散層であるＩＴＯ膜表面のラフネスが従来例よりも大きくなり、これによって光取り出し効率が向上し、約１０％も輝度の高いＬＥＤを得る事ができる様になった。尚且つ、本実施例に記載の方法によれば従来のＬＥＤ作製プロセスに何ら工程を付け加える必要も無く、真空蒸着装置に僅かな工夫を凝らす事で成されたものであり、その効果は大きい。
【００５６】
以上により、従来のＬＥＤ作製プロセスと同じ工程で従来よりも光取り出し効率を向上させ、より高輝度のＬＥＤ、及びＬＥＤ用エピタキシャルウェハを得る事ができることが明確になった。
【００５７】
［変形例１］
上記実施例の半導体発光素子においては、どの構造においても活性層５と第一クラッド層４、第二クラッド層６との間に何も介在させない構造とした。しかし、ここに例えば真性なアンドープ層を設けたり、多少導電型不純物を含んでいようとも擬似的にアンドープ層となる様な擬似アンドープ層を設けたり、比較的キャリア濃度が低い低キャリア濃度クラッド層を設ける構造を採ることができ、この構造によっても、単にＬＥＤ素子の出力の信頼性を向上させるなどの効果が追加的に生ずるのみであり、本発明の意図する効果が得られる事には変わりがない。
【００５８】
［変形例２］
上記実施例においては、発光波長６３０nmの赤色ＬＥＤ素子のみを作製例としたが、同じＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いて製作されるそれ以外のＬＥＤ素子、例えば発光波長５６０nm〜６６０nmのＬＥＤ素子においても、この時に用いられる各層の材料、キャリア濃度、特にウインドウ層においては一切の変更点を持たない。従って、仮にＬＥＤ素子の発光波長を本発明の実施例と異なる波長帯域としても同様な効果が得られる。
【００５９】
［変形例３］
上記実施例においては、バッファ層及びＤＢＲ層（分布ブラッグ反射層）を常に設けたＬＥＤ構造を作製例としたが、これらが省略されたＬＥＤ素子構造を採ることもでき、この構造によっても、本発明の意図する効果を得ることができる。
【００６０】
［変形例４］
上記実施例においては、ｐ型層に添加する導電型決定不純物をＺｎ（亜鉛）、ｎ型層に添加する導電型決定不純物をＳｅ（セレン）としたが、仮にこのｐ型導電型決定不純物にＭｇ（マグネシウム）を用いたり、ｎ型導電型決定不純物にＳｉやＴｅを用いることもでき、かかる構造としても同様に本発明の効果を得ることができる。
【００６１】
［変形例５］
上記実施例においては、表面電極の形状が常に円形のものとした構造を採ったが、その他にも異形状、例えば四角、菱形、多角形等とすることもでき、この場合でも本発明に意図する効果を得ることができる。
【００６２】
［変形例６］
上記実施例においては、蒸着源であるＩＴＯターゲットと被着対象物であるＬＥＤ用エピタキシャルウェハ間に、針金を何本にも並べて構成されたメッシュ状の平板フィルタを設ける装置構造としたが、これ以外にも例えば、微細な空孔を空ける様に適宜パターンニングされた金型を用いてプレス成形された平板フィルタなどを用いることができ、これらを用いた場合においても、空孔のサイズ、量、間隔などを適当にすることによって本発明の意図する効果を得ることができる。
【００６３】
［変形例７］
上記実施例においては、ＩＴＯターゲットと被着対象物であるＬＥＤ用エピタキシャルウェハ間に、針金を何本にも並べて構成されたメッシュ状の平板フィルタを、ＩＴＯ膜形成装置である真空蒸着装置内に固定する様に設けた形態としたが、例えば、当該フィルタを定期的、若しくは不定期に揺動、回転、公転、若しくはライン上にスライドさせる機構を設け、これにより形成されるＩＴＯ膜のラフネスを適宜効果の得られる範囲で稼動させたとしても、本発明の意図する効果を得ることができる。
【００６４】
［変形例８］
上記実施例においては、電流分散層にＩＴＯ膜のみを用いた例を挙げたが、この他方にもＩｎ2Ｏ3（酸化インジウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＧＺＯ（ガリウム添加酸化亜鉛）、ＡＺＯ（アルミニウム添加酸化亜鉛）、ＢＺＯ（ホウ素添加酸化亜鉛）などの一般的に低抵抗で知られる金属酸化物を電流分散層に適用した構成に対しても本発明を適用することができ、同様に本発明の意図する所期の効果を得ることができる。
【００６５】
［変形例９］
上記実施例においては、半導体基板にＧａＡｓを用いた例のみを挙げたが、この他方にもＧｅを出発基板とするＬＥＤ用エピタキシャルウェハや、出発基板をＧａＡｓ、又はＧｅとし、これを後に除去し、代替の自立基板としてＳｉやＳｉ以上の熱伝導率を有する金属基板を用いたＬＥＤ用エピタキシャルウェハにおいても、本発明の意図する効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の真空蒸着装置の断面構造を示す図である。
【図２】本発明の真空蒸着装置により粗面化された電流分散層を製造したＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 半導体基板
２ バッファ層
３ ＤＢＲ層
４ 第一クラッド層
５ 活性層
６ 第二クラッド層
７ コンタクト層
８ 表面電極
９ 裏面電極
１０ 電流分散層
１１ 被着基板
１２ フィルタ
１３ 真空蒸着装置
１４ 蒸発源
１５ 真空容器
１６ 防着板
１７ 受け部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空蒸着装置、フィルタ及びそれらを用いて作製した半導体発光素子に関わり、特に透明導電膜を備えて光取り出し効率を高めた高輝度半導体発光素子用エピタキシャルウェハの製造技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ＬＥＤチップを透明なエポキシ樹脂等でパッケージングされた構造を採り、この様な構成ではＬＥＤの電流分散層と樹脂の屈折率差との関係から、ＬＥＤチップの内部で発光した光を外部に取り出す効率（光取り出し効率）にはある程度制限があった。その程度とは、電流分散層に使われる材料の屈折率等にも依るが、一般的なＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの場合、電流分散層にはＧａＰ等が広く活用され、この場合の光取り出し効率はおよそ２０％程度である。
【０００３】
最近では、ＬＥＤの電流分散層としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：錫添加酸化インジウム）等の金属酸化物を応用する例が増えてきた。金属酸化物による電流分散層は、従来のＧａＰやＡｌＧａＡｓを厚く成長する方式よりも成長に掛かるコストが低く、また、前述した半導体材料よりも画期的に電気特性に優れるので、電流分散効果が高いというメリットがある。更に、ＩＴＯ膜などの俗に言う透明導電膜は、ＧａＰなどの半導体材料の屈折率（３．１〜３．５）と樹脂の屈折率（１．４〜１．６）の間に位置する屈折率（１．８〜２．２）を有しており、ＬＥＤの光取り出し効率を高める効果を有する。しかしながら、単純に樹脂／金属酸化物／半導体とした構成にするだけでは、光取り出し効率を著しく向上させる事はできない。
【０００４】
そこで、発光層を含む半導体多層膜の最上層と透明樹脂との境界における光の全反射の影響で光り取り出し効率が低下するのを防止するため、最上層のＩＴＯ膜からなる反射防止膜の表面を粗面加工し、表面ラフネス（ＰＶ値（max-min））を、２００nm以上で、且つ発光波長以下に設定することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
この特許文献１によるＩＴＯ膜の粗面化は、下方のｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層を成長する際に、ＭＯＣＶＤ法におけるＰＨ3分圧を十分に低く（１〜２０Ｐａ）することで、ＩｎＡｌＰクラッド層の表面を荒れた状態にし、次いで、ＧａＡｓコンタクト層、ＩＴＯ膜をスパッタリング法により形成することで、ＩＴＯ膜がＩｎＡｌＰクラッド層に倣って粗面となることを利用するものである。
【０００６】
なお、本発明と直接に関連するものではないが、シャッター板による開閉が可能な開口を有する防着板を、蒸着源と被着基板との間に設けて、真空容器内壁への膜の堆積を防止した真空蒸着装置が知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１７４１９１号公報
【特許文献２】特開平５−７０９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した様に、従来、樹脂／半導体となる構成のＬＥＤや、樹脂／金属酸化物／半導体となる構成のＬＥＤにおいては、光取り出し効率を向上させる事による高輝度化への寄与率が非常に高くポテンシャルが残されている。すなわち、電流分散層に金属酸化物を用いたＬＥＤにおいて、その光取り出し効率を著しく高める事ができる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１を含む従来技術において、金属酸化物である透明導電膜の形成方法はスパッタリング法によっている。このスパッタリング法は、装置が高価であることや生産性に問題がある。
【０００９】
そこで、スパッタリング法よりも低価格であり、且つ生産性の良い方法である真空蒸着法で、ＩＴＯ等の金属酸化物の透明導電膜を形成すると共に、同時にこの透明導電膜の表面を粗面化することができれば、より一層の低コスト化が実現できる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、半導体発光素子の窓層として、金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層を形成し、且つ同時に粗面化することが可能な真空蒸着装置、この真空蒸着装置に利用するフィルタ、それらを用いて作製した半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１２】
請求項１の発明に係る真空蒸着装置は、蒸発源を加熱して蒸着物質の蒸気流を生じさせ、この蒸発源に臨ませた被着基板に蒸着を行う真空蒸着装置において、真空容器内に、（ＩＴＯ等の）金属酸化物の蒸発源と、この蒸発源上方に該蒸発源に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板とを置き、前記蒸発源と被着基板との間に、機械的に構成された多数の微小径の空孔を有するフィルタを設け、これに蒸気流を通過させることによって被着基板の被着面に粗面化された（ＩＴＯ等の）金属酸化物から成る透明導電膜が形成されるように構成したことを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の真空蒸着装置において、上記フィルタを複数個上下に積層するか、又は間隔を置いて上記金属酸化物の蒸発源と上記被着基板との間に複数個並置したことを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の真空蒸着装置において、上記のフィルタを定期的若しくは不定期に揺動、回転、公転、若しくはライン上にスライドさせる機構を設けたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明に係るフィルタは、上記請求項１に記載の真空蒸着装置に用いられるフィルタであって、そのフィルタのパターンを、メッシュ状で規則的な格子パターン、不規則な格子パターン、またはそれらの格子を様々な角度に傾けて成る多様な空孔のパターンとしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明に係る半導体発光素子は、第一導電型の基板の上に、第二導電型若しくはアンドープ活性層を互いに導電型が異なる第一クラッド層と第二クラッド層で挟んだ発光部を形成し、該発光部の上に第二導電型のコンタクト層を形成し、その上に電流分散層として（ＩＴＯ等の）金属酸化物からなる窓層を形成し、その表面側の一部に表面電極を形成し、上記基板の裏面に全面又は部分電極から成る裏面電極を形成した半導体発光素子において、前記金属酸化物からなる窓層を請求項１記載の真空蒸着装置により形成し、それによって表面が粗面化された（ＩＴＯ等の）金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層を形成したことを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項５記載の半導体発光素子において、上記（ＩＴＯ等の）金属酸化物から成る電流分散層の膜厚を５０nm以上５００nm以下としたことを特徴とする。
【００１８】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、上記目的を達する為、電流分散層にＩＴＯやガリウム添加酸化亜鉛等の金属酸化物を用いた半導体発光素子の作製に際し、真空蒸着装置の蒸発源と被着基板との間に、機械的に構成されたフィルタを設け、これに蒸気流を通過させることによって、被着基板の被着面に、粗面化されたＩＴＯ等の金属酸化物の透明導電膜から成る電流分散層が形成されるように構成し、これにより電流分散層を形成するプロセスと当該電流分散層の主表面を粗面化させるプロセスを同時に行う事により、従来よりも画期的に光取り出し効率を高めた半導体発光素子を簡便に、且つ低コストに製造することができるようにした点にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００２０】
本発明の真空蒸着装置によれば、真空容器内に、ＩＴＯ等の金属酸化物の蒸発源と、この蒸発源上方に該蒸発源に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板とを置き、前記蒸着源と被着基板との間に、機械的に構成された多数の微小径の空孔を有するフィルタを設け、これに蒸気流を通過させることによって被着基板の被着面に粗面化されたＩＴＯ等の金属酸化物から成る透明導電膜が形成されるように構成したので、スパッタリング法よりも低価格であり、且つ生産性の良い方法である真空蒸着法で、ＩＴＯ等の金属酸化物の透明導電膜を形成することができると共に、同時に、この透明導電膜の表面を粗面化することができる。従って、スパッタリング法による場合より一層の低コスト化が実現できる。この低コスト化は、従来のＬＥＤ作製プロセスに何ら工程を付け加える必要も無く、真空蒸着装置に僅かな工夫を凝らす事で達成することができる点で、その効果は大きい。
【００２１】
また本発明に係るフィルタは、上記真空蒸着装置に用いられるフィルタであって、そのフィルタのパターンを、メッシュ状で規則的な格子パターン、不規則な格子パターン、またはそれらの格子を様々な角度に傾けて成る多様な空孔のパターンとしたので、ＩＴＯ等の金属酸化物から成る透明導電膜の表面を、所望するパターンで粗面化することが可能となる。
【００２２】
また本発明に係る半導体発光素子は、発光部の上にコンタクト層を形成し、その上に電流分散層としてＩＴＯ等の金属酸化物からなる窓層を形成した構造において、前記金属酸化物からなる窓層を請求項１記載の真空蒸着装置により形成し、それによって表面が粗面化されたＩＴＯ等の金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層を形成したので、低コストの半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施形態に係る真空蒸着装置１３を示したもので、この真空蒸着装置は、蒸発源１４を加熱して蒸着物質の蒸気流を生じさせ、この蒸発源１４に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板１１に蒸着を行う。
【００２５】
詳述するに、この真空蒸着装置においては、真空容器１５内に、ＩＴＯやガリウム添加酸化亜鉛等の金属酸化物の蒸発源（この例ではＩＴＯの蒸発源）１４が設けられている。また、この蒸発源１４の上方には、蒸発源１４に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板（この例では被着対象物のＬＥＤ用エピタキシャルウェハ）１１が設けられている。更に、上記蒸発源１４と被着基板１１との間には、機械的に構成された多数の微小径の空孔を有するフィルタ１２が配設されている。具体的には、このフィルタ１２は、アルミニウム製の針金によって形成されたメッシュ状の平板フィルタから成る。
【００２６】
真空容器１５内は、蒸発源１４と被着基板１１との間に設けた防着板１６により上下に仕切られており、上記フィルタ１２は、この防着板１６の中央に大きく形成された開口部に嵌め込んだ形で、上下仕切境界部に設けられている。そして、防着板１６自体は、真空容器の側壁に突設した環状の受け部材１７に載置され、交換が容易になっている。
【００２７】
上記のように構成されているため、蒸発源１４から出発した蒸着原料物質たるＩＴＯの蒸気流は、上記フィルタ１２の多数の微小孔を通過して、上方の傾斜した被着基板１１の被着面に蒸着する。このときフィルタを通過する蒸着原料物質たるＩＴＯの通過難易度が、フィルタ１２の空孔の大きさ及びパターンにより制約を受けるため、これを通って被着面に到達する量が面的な位置の違いにより異なることから、被着基板１１の被着面に粗面化されたＩＴＯ透明導電膜（電流分散層）が形成される。
【００２８】
上記フィルタ１２は単層として構成しても良いが、複数個を上下に重ねた積層構成とし、又は、複数個を間隔を置いて金属酸化物の蒸発源１４と被着基板１１の間に上下に並置した構成とすることもできる。
【００２９】
また、上記のフィルタ１２には、これを定期的若しくは不定期に揺動、回転、公転、若しくはライン上にスライドさせる機構を付加することもできる。
【００３０】
上記実施形態においては、上記フィルタ１２は、蒸着源であるＩＴＯターゲットと被着対象物であるＬＥＤ用エピタキシャルウェハ間に、針金を何本にも並べて構成されたメッシュ状の平板フィルタとして設けた。しかし、これ以外にも、例えば、微細な空孔を空ける様に適宜パターンニングされた金型を用いてプレス成形された平板フィルタなどを用いた場合においても、空孔のサイズ、量、間隔などによっては本発明の意図する効果を得ることができる。要するに、上記の真空蒸着装置に用いられるフィルタにおいては、そのフィルタのパターンを、メッシュ状で規則的な格子パターン、不規則な格子パターン、またはそれらの格子を様々な角度に傾けて成る多様な空孔のパターンとすることができる。
【００３１】
図２に、上記真空蒸着装置及びフィルタを使用して得ようとする半導体発光素子の構造を示す。
【００３２】
この半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ法によって、第一導電型の半導体基板１の上に、第二導電型若しくはアンドープの活性層５を互いに導電型が異なる第一クラッド層４と第二クラッド層６で挟んだ発光部を形成し、該発光部の上に第二導電型のコンタクト層７を形成し、その上に、真空蒸着法により、電流分散層としてＩＴＯ等の金属酸化物からなる電流分散層（窓層）１０を形成する。なお、半導体基板１と第一クラッド層４の間において、半導体基板１上には、バッファ層２、ＤＢＲ層（分布ブラッグ反射層）３が設けられる。そして、その電流分散層１０の表面側の一部に表面電極８を形成し、上記基板の裏面に全面又は部分電極から成る裏面電極９を形成する。
【００３３】
この半導体発光素子は、真空蒸着装置によりＩＴＯ等の金属酸化物からなる窓層を形成し、それによって表面が粗面化されたＩＴＯ等の金属酸化物（透明導電膜）からなる電流分散層１０を形成する点に特徴がある。このＩＴＯ等の金属酸化物から成る電流分散層１０の膜厚は、後述する理由により５０nm以上５００nm以下とする。
【００３４】
この半導体発光素子であっては、前記発光部を形成する材料が（ＡｌxＧａ1-x）YＩｎ1-YＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）であり、更に、ｐ型の導電型決定不純物にＺｎを用いた場合は前記ｐ型コンタクト層をＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．２）で形成する事として、且つキャリア濃度が１×１０19／cm3以上となる様にし、更に、ｐ型の導電型決定不純物にＭｇを用いた場合は前記ｐ型コンタクト層のＧａxＩｎ1-xＰ（但し、０≦Ｘ≦０．２）で形成する事として、且つキャリア濃度が１×１０19／cm3以上となる様にする。
【００３５】
＜最適条件について＞
第１に、金属酸化物から成る電流分散層、例えばＩＴＯ膜と接する（オーミック）コンタクト層は、極めて高濃度に導電型決定不純物濃度が添加されている必要がある。具体的には、Ｚｎ（亜鉛）が添加されたコンタクト層の場合、その結晶材料はＡｌ混晶比が０から０．２までのＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓである事が望ましく、そのキャリア濃度は１×１０19／cm3以上が好適であり、これは高ければ高い程好ましい。また、導電型決定不純物にＭｇ（マグネシウム）を用いた時のコンタクト層の場合は、その結晶材料はＧａＰ組成が０から０．２までのＩｎＰ、又はＧａＩｎＰである事が望ましく、そのキャリア濃度は１×１０19／cm3以上が好適であり、これは高ければ高い程好ましい。ＩＴＯ膜は基本的にｎ型の半導体材料に属し、また、ＬＥＤは一般的にｐサイドアップで作製される。この為、ＩＴＯ膜を電流分散層に応用したＬＥＤは導電型が基板の側からｎ／ｐ／ｎ接合となってしまう。この為にＬＥＤではＩＴＯ膜とｐ型半導体層との界面に大きな電位障壁が生じ、通常は非常に動作電圧の高い発光ダイオードとなってしまう。この問題を解消する為、ｐ型半導体層には非常に高いキャリア濃度を有するコンタクト層が必要となるのである。また、上記したコンタクト層のバンドギャップが狭い由縁は、その方が高キャリア化が容易である事に強く依存する。
【００３６】
第２に、上述したコンタクト層の膜厚は１nmから５０nmの範囲にある事が好ましい。何故ならば、前記コンタクト層は、いずれも活性層で発光した光に対し吸収層となるバンドギャップを有している為、膜厚が厚くなるに連れ、発光輝度（出力）が低下してしまう。従って、コンタクト層の膜厚の上限をおよそ５０nmとする事が好ましく、より好ましくは３０nmまでである。また、コンタクト層の膜厚が１nm未満になってくると、今度はＩＴＯ膜とコンタクト層との間でのトンネル接合が難しくなってくる為、低動作電圧化、動作電圧の安定化が困難になる。従って、ＩＴＯ膜と接するコンタクト層の膜厚には最適値があり、それは１nmから５０nmなのである。
【００３７】
第３に、金属酸化膜からなる電流分散層を形成する方法は、真空蒸着法であることが望ましい。理由は、以下製造方法ごとに述べる。まずスパッタ法においては、スパッタ装置自体の設備額が高額で、更に、１バッチあたりのチャージ枚数が少ない事から、スループットも問題となる。よって、電流分散層製造に掛かるコストを大幅に低減するに至るのは難しい。次に、ＭＯＤ溶液を用いたスプレー法においては、第一に基板の表面温度を５００℃以上に加熱しないとＩＴＯ膜の抵抗率を下げる事ができない為、発光ダイオード用エピタキシャルウェハに対する熱の影響が大きく、コンタクト層の表面を酸化してしまい、トンネル接合が達成されなくなってしまうという問題が発生する。また、ＩＴＯ膜の高温での成膜になるので、ＩＴＯ膜のキャリア濃度で低下してしまい、トンネル接合しづらい状況を作ってしまう事も問題である。更には、多数枚チャージ、つまりスループットの高い製造設備の作製が難しく、安定した量産を行うには難しい。次に、塗布法においてはスプレー法、スパッタ法、真空蒸着法と比較して、抵抗率を下げる事が非常に難しい事が挙げられる。この事からコンタクト層とのトンネル接合が非常に難しい。更には、ＩＴＯ膜を１００nmから４００nm程度まで形成するのに、塗布、乾燥、焼成といった工程を幾度となく行う必要がある事から、スループットが非常に悪い。以上の理由から、製造装置価格が安価であり、且つ安定性に優れ、スループットの高い方法として真空蒸着法である事が好ましいのである。
【００３８】
第４にＩＴＯ膜の膜厚は５０nmから５００nmの範囲にある事が好ましい。下限が５０nmである由縁は、少なくとも十分な電流分散効果を得る為にはおよそ５０nm程度以上の膜厚が必要だからである。次に上限が５００nmである由縁は、真空蒸着法で形成する場合、ＩＴＯ膜の膜厚が５００nm程度になってくると、ＩＴＯ膜の透明性、つまり透過率が徐々に悪化してしまうという現象がある為である。また、およそ１５０nmから３５０nm程度のＩＴＯ膜によって十分な電流分散効果が得られる事から、あまり厚くし過ぎても製造コストを増加させてしまうだけになる。従って、ＩＴＯ膜の膜厚は５０nmから５００nmの範囲にある事が好ましく、より好ましくは８０nmから３５０nm程度であると言える。
【実施例】
【００３９】
本発明の効果を確認するため、金属酸化物窓層の形成手段が、フィルタのない真空蒸着装置による従来の試作例（比較例）、及びフィルタの在る真空蒸着装置を用いた本発明の試作例（実施例）を作製した。説明の便宜上、比較例から先に説明する。
【００４０】
［比較例：ＩＴＯ膜形成時に何も無し］
図２に示した構造の発光波長６３０nm付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造や電極形成方法及びＬＥＤ素子製作方法は、以下の通りである。
【００４１】
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ型（Ｓｅドープ）ＧａＡｓのバッファ層（膜厚４００nm、キャリア濃度１×１０18／cm3）２、ｎ型のＤＢＲ層３、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐの第一クラッド層（膜厚３００nm、キャリア濃度１×１０18／cm3）４、アンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐの活性層（膜厚６００nm）５、ｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐの第二クラッド層（膜厚３００nm、キャリア濃度５×１０17／cm3）６、ｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓのコンタクト層（膜厚３nm、キャリア濃度８×１０19／cm3）７を、ＭＯＣＶＤ法で、順次積層成長させた。
【００４２】
ＭＯＣＶＤ成長での成長温度は、上記ｎ型ＧａＡｓのバッファ層２から上記ｐ型の第二クラッド層６までを６５０℃とした。その他の成長条件は、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．０nm／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約２００前後で行った。因みにここで言うＶ／III比とは、分母をＴＭＧａやＴＭＡｌなどのIII族原料のモル数とし、分子をＡｓＨ3、ＰＨ3などのＶ族原料のモル数とした場合の比率（商）を指す。
【００４３】
ＭＯＣＶＤ法の成長において用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）等の、水素化物ガスを用いた。
【００４４】
例えば前記ｎ型のバッファ層２の様なｎ型層の添加物原料としては、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）を用いた。前記ｐ型の第二クラッド層６の様なｐ型層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。その他に、ｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、シラン（ＳｉＨ4）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。その他にｐ型層添加物原料として、ジメチルジンク （ＤＭＺｎ） を用いる事もできる。
【００４５】
更に、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハをＭＯＣＶＤ装置から搬出した後、当該ＬＥＤ用エピタキシャルウェハの表面、つまりｐ型のコンタクト層７の表面側へ、従来のフィルタの無い真空蒸着装置によって、膜厚３００nmのＩＴＯ膜を形成した。本構造では、このＩＴＯ膜が電流分散層１０となる。
【００４６】
この時、ＩＴＯ膜蒸着の同一バッチ内にセットした評価用ガラス基板を取り出し、Ｈａｌｌ測定が可能なサイズに切断し、ＩＴＯ膜単体の電気特性を評価した所、キャリア濃度１．２１×１０21／cm3、移動度１９．６cm2／Ｖｓ、抵抗率２．３５×１０-4Ω・cmであった。そして、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハの底面全面に先ずは裏面電極９を上記従来例と同じ様に真空蒸着法によって形成した。この時のＬＥＤ用エピタキシャルウェハ表面の平均粗さ（Ｒａ）をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて評価した所、測定箇所にも依るが約３nm〜８nmの範囲にある事が判った。
【００４７】
そして、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハの上面に、レジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィプロセスに用いられる器材と方法を駆使して、表面電極８として直径１１０μｍの円形電極を、マトリックス状に真空蒸着法で形成した。蒸着後の電極形成はリフトオフ法を用いた。この表面電極８は、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を、それぞれ２０nm、５００nmの順に蒸着した。
【００４８】
更に、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハの底面には、全面に裏面電極９を真空蒸着法によって形成した。この裏面電極９は、ＡｕＧｅ（金・ゲルマニウム合金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を、それぞれ６０nm、１０nm、５００nmの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中４００℃で５分間熱処理する事で行った。
【００４９】
その後、上記の様にして構成された電極付きＬＥＤ用エピタキシャルウェハを該円形の表面電極８が中心になる様にダイシング装置を用いて切断し、チップサイズ３００μｍ角のＬＥＤベアチップを作製した。更に前記ＬＥＤベアチップをＴＯ−１８ステム上にマウント（ダイボンディング）し、その後更にマウントされた該ＬＥＤベアチップに、ワイヤボンディングを行い、ＬＥＤ素子を作製した。
【００５０】
そして、上記の通りに作製されたＬＥＤ素子（比較例）の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力１．６９ｍＷ、動作電圧１．９２Ｖという初期特性を有するＬＥＤ素子を得る事ができた。
【００５１】
［実施例：ＩＴＯ形成時にメッシュフィルタを設けた］
実施例として、図２に示した構造の発光波長６３０nm付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やＬＥＤ素子製作方法は、基本的に上記比較例と同じにした。以下に上記比較例とは異なる点を列挙し、それに伴い詳細な説明をする。
【００５２】
本実施例では、真空蒸着法によってＩＴＯ膜から成る電流分散層を形成する際、図１で説明したように、蒸発源１４であるＩＴＯターゲットと被着対象物たる被着基板１１のＬＥＤ用エピタキシャルウェハとの間に、アルミニウム製の針金によって形成されたメッシュ状の平板フィルタ１２を介した。この時、ＩＴＯ膜の形成が完了した時点でのＬＥＤ用エピタキシャルウェハ表面の平均粗さ（Ｒａ）をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて評価した所、測定箇所にも依るが、約３０nm〜６０nmの範囲にあった。
【００５３】
そして、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハの底面全面に先ずは裏面電極９を上記従来例と同じ様に真空蒸着法によって形成した。裏面電極９の構成は上記比較例と同じである。その後、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中４００℃で５分間熱処理する事で行った。その後の素子化プロセスは、上記比較例と同じである。
【００５４】
上記の通りに作製された実施例のＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力１．８５ｍＷ、動作電圧１．９０Ｖの優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得る事ができた。
【００５５】
よって、本実施例に示した方策により、電流分散層であるＩＴＯ膜表面のラフネスが従来例よりも大きくなり、これによって光取り出し効率が向上し、約１０％も輝度の高いＬＥＤを得る事ができる様になった。尚且つ、本実施例に記載の方法によれば従来のＬＥＤ作製プロセスに何ら工程を付け加える必要も無く、真空蒸着装置に僅かな工夫を凝らす事で成されたものであり、その効果は大きい。
【００５６】
以上により、従来のＬＥＤ作製プロセスと同じ工程で従来よりも光取り出し効率を向上させ、より高輝度のＬＥＤ、及びＬＥＤ用エピタキシャルウェハを得る事ができることが明確になった。
【００５７】
［変形例１］
上記実施例の半導体発光素子においては、どの構造においても活性層５と第一クラッド層４、第二クラッド層６との間に何も介在させない構造とした。しかし、ここに例えば真性なアンドープ層を設けたり、多少導電型不純物を含んでいようとも擬似的にアンドープ層となる様な擬似アンドープ層を設けたり、比較的キャリア濃度が低い低キャリア濃度クラッド層を設ける構造を採ることができ、この構造によっても、単にＬＥＤ素子の出力の信頼性を向上させるなどの効果が追加的に生ずるのみであり、本発明の意図する効果が得られる事には変わりがない。
【００５８】
［変形例２］
上記実施例においては、発光波長６３０nmの赤色ＬＥＤ素子のみを作製例としたが、同じＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いて製作されるそれ以外のＬＥＤ素子、例えば発光波長５６０nm〜６６０nmのＬＥＤ素子においても、この時に用いられる各層の材料、キャリア濃度、特にウインドウ層においては一切の変更点を持たない。従って、仮にＬＥＤ素子の発光波長を本発明の実施例と異なる波長帯域としても同様な効果が得られる。
【００５９】
［変形例３］
上記実施例においては、バッファ層及びＤＢＲ層（分布ブラッグ反射層）を常に設けたＬＥＤ構造を作製例としたが、これらが省略されたＬＥＤ素子構造を採ることもでき、この構造によっても、本発明の意図する効果を得ることができる。
【００６０】
［変形例４］
上記実施例においては、ｐ型層に添加する導電型決定不純物をＺｎ（亜鉛）、ｎ型層に添加する導電型決定不純物をＳｅ（セレン）としたが、仮にこのｐ型導電型決定不純物にＭｇ（マグネシウム）を用いたり、ｎ型導電型決定不純物にＳｉやＴｅを用いることもでき、かかる構造としても同様に本発明の効果を得ることができる。
【００６１】
［変形例５］
上記実施例においては、表面電極の形状が常に円形のものとした構造を採ったが、その他にも異形状、例えば四角、菱形、多角形等とすることもでき、この場合でも本発明に意図する効果を得ることができる。
【００６２】
［変形例６］
上記実施例においては、蒸着源であるＩＴＯターゲットと被着対象物であるＬＥＤ用エピタキシャルウェハ間に、針金を何本にも並べて構成されたメッシュ状の平板フィルタを設ける装置構造としたが、これ以外にも例えば、微細な空孔を空ける様に適宜パターンニングされた金型を用いてプレス成形された平板フィルタなどを用いることができ、これらを用いた場合においても、空孔のサイズ、量、間隔などを適当にすることによって本発明の意図する効果を得ることができる。
【００６３】
［変形例７］
上記実施例においては、ＩＴＯターゲットと被着対象物であるＬＥＤ用エピタキシャルウェハ間に、針金を何本にも並べて構成されたメッシュ状の平板フィルタを、ＩＴＯ膜形成装置である真空蒸着装置内に固定する様に設けた形態としたが、例えば、当該フィルタを定期的、若しくは不定期に揺動、回転、公転、若しくはライン上にスライドさせる機構を設け、これにより形成されるＩＴＯ膜のラフネスを適宜効果の得られる範囲で稼動させたとしても、本発明の意図する効果を得ることができる。
【００６４】
［変形例８］
上記実施例においては、電流分散層にＩＴＯ膜のみを用いた例を挙げたが、この他方にもＩｎ2Ｏ3（酸化インジウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＧＺＯ（ガリウム添加酸化亜鉛）、ＡＺＯ（アルミニウム添加酸化亜鉛）、ＢＺＯ（ホウ素添加酸化亜鉛）などの一般的に低抵抗で知られる金属酸化物を電流分散層に適用した構成に対しても本発明を適用することができ、同様に本発明の意図する所期の効果を得ることができる。
【００６５】
［変形例９］
上記実施例においては、半導体基板にＧａＡｓを用いた例のみを挙げたが、この他方にもＧｅを出発基板とするＬＥＤ用エピタキシャルウェハや、出発基板をＧａＡｓ、又はＧｅとし、これを後に除去し、代替の自立基板としてＳｉやＳｉ以上の熱伝導率を有する金属基板を用いたＬＥＤ用エピタキシャルウェハにおいても、本発明の意図する効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の真空蒸着装置の断面構造を示す図である。
【図２】本発明の真空蒸着装置により粗面化された電流分散層を製造したＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 半導体基板
２ バッファ層
３ ＤＢＲ層
４ 第一クラッド層
５ 活性層
６ 第二クラッド層
７ コンタクト層
８ 表面電極
９ 裏面電極
１０ 電流分散層
１１ 被着基板
１２ フィルタ
１３ 真空蒸着装置
１４ 蒸発源
１５ 真空容器
１６ 防着板
１７ 受け部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発源を加熱して蒸着物質の蒸気流を生じさせ、この蒸発源に臨ませた被着基板に蒸着を行う真空蒸着装置において、
真空容器内に、金属酸化物の蒸発源と、この蒸発源上方に該蒸発源に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板とを置き、
前記蒸発源と被着基板との間に、機械的に構成された多数の微小径の空孔を有するフィルタを設け、これに蒸気流を通過させることによって被着基板の被着面に粗面化された金属酸化物から成る透明導電膜が形成されるように構成したことを特徴とする真空蒸着装置。
【請求項２】
請求項１に記載の真空蒸着装置において、
上記フィルタを複数個上下に積層するか、又は間隔を置いて上記金属酸化物の蒸発源と上記被着基板との間に複数個並置したことを特徴とする真空蒸着装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の真空蒸着装置において、
上記のフィルタを定期的若しくは不定期に揺動、回転、公転、若しくはライン上にスライドさせる機構を設けたことを特徴とする真空蒸着装置。
【請求項４】
上記請求項１に記載の真空蒸着装置に用いられるフィルタであって、そのフィルタのパターンを、メッシュ状で規則的な格子パターン、不規則な格子パターン、またはそれらの格子を様々な角度に傾けて成る多様な空孔のパターンとしたことを特徴とするフィルタ。
【請求項５】
第一導電型の基板の上に、第二導電型若しくはアンドープ活性層を互いに導電型が異なる第一クラッド層と第二クラッド層で挟んだ発光部を形成し、該発光部の上に第二導電型のコンタクト層を形成し、その上に電流分散層として金属酸化物からなる窓層を形成し、その表面側の一部に表面電極を形成し、上記基板の裏面に全面又は部分電極から成る裏面電極を形成した半導体発光素子において、
前記金属酸化物からなる窓層を請求項１記載の真空蒸着装置により形成し、それによって表面が粗面化された金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層を形成したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項５記載の半導体発光素子において、
上記金属酸化物から成る電流分散層の膜厚を５０nm以上５００nm以下としたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１】
蒸発源を加熱して蒸着物質の蒸気流を生じさせ、この蒸発源に臨ませた被着基板に蒸着を行う真空蒸着装置において、
真空容器内に、金属酸化物の蒸発源と、この蒸発源上方に該蒸発源に対し被着面を傾斜させて臨ませた被着基板とを置き、
前記蒸発源と被着基板との間に、機械的に構成された多数の微小径の空孔を有するフィルタを設け、これに蒸気流を通過させることによって被着基板の被着面に粗面化された金属酸化物から成る透明導電膜が形成されるように構成したことを特徴とする真空蒸着装置。
【請求項２】
請求項１に記載の真空蒸着装置において、
上記フィルタを複数個上下に積層するか、又は間隔を置いて上記金属酸化物の蒸発源と上記被着基板との間に複数個並置したことを特徴とする真空蒸着装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の真空蒸着装置において、
上記のフィルタを定期的若しくは不定期に揺動、回転、公転、若しくはライン上にスライドさせる機構を設けたことを特徴とする真空蒸着装置。
【請求項４】
上記請求項１に記載の真空蒸着装置に用いられるフィルタであって、そのフィルタのパターンを、メッシュ状で規則的な格子パターン、不規則な格子パターン、またはそれらの格子を様々な角度に傾けて成る多様な空孔のパターンとしたことを特徴とするフィルタ。
【請求項５】
第一導電型の基板の上に、第二導電型若しくはアンドープ活性層を互いに導電型が異なる第一クラッド層と第二クラッド層で挟んだ発光部を形成し、該発光部の上に第二導電型のコンタクト層を形成し、その上に電流分散層として金属酸化物からなる窓層を形成し、その表面側の一部に表面電極を形成し、上記基板の裏面に全面又は部分電極から成る裏面電極を形成した半導体発光素子において、
前記金属酸化物からなる窓層を請求項１記載の真空蒸着装置により形成し、それによって表面が粗面化された金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層を形成したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項５記載の半導体発光素子において、
上記金属酸化物から成る電流分散層の膜厚を５０nm以上５００nm以下としたことを特徴とする半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−１３１９４８（Ｐ２００６−１３１９４８Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３２１７８４（Ｐ２００４−３２１７８４）
【出願日】平成１６年１１月５日（２００４．１１．５）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月５日（２００４．１１．５）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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