窒化物系発光素子及びその製造方法
【課題】窒化物系発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ｐ型クラッド層と反射層との間に亜鉛、インジウム、スズのうち少なくとも一つの金属又は合金で形成された金属層が介在しており、金属層及び反射層形成以後に熱処理工程を経て製作される窒化物系発光素子及びその製造方法である。これにより、ｐ型クラッド層とのオーミック接触特性が改善され、発光素子のパッケージング時にワイヤボンディング効率及び収率を高めることができ、低い非接触抵抗と優秀な電流−電圧特性とにより素子の発光効率及び素子寿命を向上させうる。
【解決手段】ｐ型クラッド層と反射層との間に亜鉛、インジウム、スズのうち少なくとも一つの金属又は合金で形成された金属層が介在しており、金属層及び反射層形成以後に熱処理工程を経て製作される窒化物系発光素子及びその製造方法である。これにより、ｐ型クラッド層とのオーミック接触特性が改善され、発光素子のパッケージング時にワイヤボンディング効率及び収率を高めることができ、低い非接触抵抗と優秀な電流−電圧特性とにより素子の発光効率及び素子寿命を向上させうる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物系発光素子及びその製造方法に係り、詳しくは量子効率を高められるオーミック接触構造を有する窒化物系発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系化合物半導体、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体を用いた発光ダイオード又はレーザダイオードのような発光素子を具現するためには、半導体と電極とのオーミック接触構造が非常に重要である。現在、商業的に用いることができる窒化ガリウム系発光素子は、絶縁性サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板上に形成される。
【０００３】
こうした窒化ガリウム系発光素子は、トップエミット型発光ダイオード（ｔｏｐ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ：ＴＬＥＤＳ）とフリップチップ型発光ダイオード（ｆｌｉｐ−ｃｈｉｐ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ：ＦＣＬＥＤＳ）とに分類される。
【０００４】
ＴＬＥＤＳはｐ型クラッド層と接触するオーミック電極層を通じて光が放射（ｅｍｉｔ）されるように形成され、低導電性でかつ透明なオーミック電極層によって、円滑な電流注入ができる低抵抗値を持ったｐ型クラッド層を提供する。
【０００５】
こうしたＴＬＥＤＳは、一般にｐ型クラッド層上にニッケル層と金層とを順次積層した
構造が用いられている。
【０００６】
ニッケル層は、酸素雰囲気で熱処理して１０−３〜１０−４Ωｃｍ２程度の非接触抵抗を有する半透明オーミック接触層を形成することが知られている。
【０００７】
こうした半透明オーミック接触層の低い非接触抵抗は、５００℃乃至６００℃程度の温度及び酸素雰囲気で熱処理するとき、ｐ型クラッド層を形成する窒化ガリウムとオーミック接触層として適用されたニッケル層との界面で、ｐ型半導体酸化物であるニッケル酸化物が島状に形成されている金との間及び上層部に形成される。それにより、ショットキ障壁の高さ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ ｈｅｉｇｈｔ：ＳＢＨ）を低くして、ｐ型クラッド層表面付近に多数のキャリヤであるホールを容易に供給する。その結果、ｐ型クラッド層表面付近での実効キャリヤ濃度を高める。
【０００８】
また、ニッケル層／金層をｐ型クラッド層上に形成した後、熱処理してＭｇ−Ｈ金属間化合物を除去し、窒化ガリウム表面でマグネシウムドーパント濃度を高める再活性化過程を行う。その結果、ｐ型クラッド層の表面でこうした実効キャリヤ濃度が１０１９以上になる。それにより、ｐ型クラッド層と酸化ニッケルを含むオーミック電極層との間にトンネル伝導を起こしてオーミック伝導特性を現すと理解されている。
【０００９】
ところで、ニッケル／金で形成される半透明電極薄膜を用いたＴＬＥＤＳは光利用効率が低くて、大容量及び高輝度発光素子を具現するのは難しい。
【００１０】
最近、大容量高輝度発光素子を具現するため、高反射層素材として脚光を浴びている銀又はアルミニウムを用いたフリップチップ方式の発光素子開発の必要性が叫ばれている。
【００１１】
しかし、これらの金属は高反射効率を有するため、一時的に高発光効率を提供することができるが、仕事関数値が小さいので低抵抗値を持ったオーミック接触形成が難しく、素子寿命が短く、窒化ガリウムとの接着性が悪いため安定した素子信頼性を提供することができないという問題点がある。
【００１２】
こうした問題点を解決するため、低い非接触抵抗値を有するけれども高反射率を提供できるオーミック接触層の開発が活発に行われている。
【００１３】
特許文献１にはｐ型クラッド層上にニッケル／銀を順次積層した構造が開示されているが、熱処理時に接触抵抗が高く、接着性が低いという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国公開特許２００２−０１９０２６０Ａ１明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の技術的課題は、低抵抗特性と高反射率とを提供することができる電極構造体を有する窒化物系発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記技術的課題を達成するために本発明に係る窒化物系発光素子は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に発光層を有する窒化物系発光素子において、前記発光層から放射された光を反射する反射層と、前記反射層と前記ｐ型クラッド層との間に形成された少なくとも一つの金属層と、を備える。
【００１７】
本発明の一側面によると、前記金属層は亜鉛、インジウム、スズを含む第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属を含む。
【００１８】
本発明のさらに他の側面によると、前記金属層は前記第１群金属のうち選択されたいずれか一つの金属にニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステン、ランタン系金属を含む第２群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属が添加されて形成される。
【００１９】
前記第１群金属に対する前記第２群金属の添加比は０．１乃至５１アトミックパーセントであることが望ましい。
【００２０】
また、前記反射層は銀又はロジウムで形成される。
【００２１】
本発明のさらに他の側面によると、前記金属層は前記ｐ型クラッド層上に形成された第１金属層と、前記第１金属層と前記反射層との間に形成された第２金属層とを含み、前記第１金属層はニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステン、ランタン系金属を含む第２群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属で形成され、前記金属層は亜鉛、インジウム、スズを含む第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属を含んで形成される。
【００２２】
前記第２金属層は前記第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属に、前記第２群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属がさらに含まれて形成されることができる。
【００２３】
望ましくは、前記金属層及び反射層の厚さは０．１ｎｍ乃至１０μｍで形成される。前記ｎ型クラッド層の下部には基板が形成されており、前記基板はサファイア又はシリコンカーバイドのような光を透過する素材で形成される。
【００２４】
また、前記技術的課題を達成するために本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、基板上にｎ型クラッド層、発光層及びｐ型クラッド層を順次積層された発光構造体の前記ｐ型クラッド層上に少なくとも一つの金属層を形成する段階と、前記金属層上に反射層を形成する段階と、熱処理する段階とを含む。
【００２５】
前記熱処理段階は２０℃乃至７００℃で行われることが望ましく、前記積層構造体が置かれた反応器内に窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、空気のうちから少なくとも一つを含む気体雰囲気で行われることが望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る窒化物系発光素子及びその製造方法によると、ｐ型クラッド層とのオーミック接触特性が改善されて発光素子のパッケージング時、ワイヤボンディング効率及び収率を高めることができ、低い非接触抵抗と優秀な電流−電圧特性により素子の発光効率及び素子寿命を向上させ得る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例によるｐ型電極構造体を示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施例によるｐ型電極構造体を示す断面図である。
【図３】図１のｐ型電極構造体で金属層及び反射層の膜厚さを異にして製作された積層構造体に対し、熱処理前後について測定した電流−電圧特性を示すグラフである。
【図４】図１のｐ型電極構造体で金属層及び反射層の膜厚さを異にして製作された積層構造体に対し、熱処理前後について測定した別の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図５】図１のｐ型電極構造体で金属層及び反射層の膜厚さを異にして製作された積層構造体に対し、熱処理前後について測定したその他の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図６】ｐ型クラッド層の上部に亜鉛−ニッケル合金／銀を蒸着させた後、空気雰囲気下で５００℃に、１分間熱処理した後のオージェ分光器を用いた深さによる成分分析特性を示すグラフである。
【図７】図６のｐ型電極構造体を熱処理した後、変化した層構造を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施例によるｐ型電極構造体が適用された発光素子の一例を示す断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施例によるｐ型電極構造体が適用された発光素子のさらに他の例を示す断面図である。
【図１０】ＩｎＧａＮ構造を有する青色発光ダイオードに亜鉛−ニッケル合金／銀を蒸着させた後に空気雰囲気下で熱処理して製作された素子と銀のみを蒸着した素子の電流−電圧特性を比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面に基づき本発明の望ましい実施例による窒化物系発光素子及びその製造方法をより詳細に説明する。
【００２９】
図１は本発明の一実施例によるｐ型電極構造体を示す断面図である。図１において、ｐ型電極構造体３０，４０は金属層３０及び反射層４０を備える。ｐ型電極構造体は、基板１０の上に形成されたＩＩＩ族窒化物系ｐ型クラッド層２０と、該クラッド層２０上に順に積層された金属層３０と、反射層４０とを含む。ｐ型クラッド層２０とｐ型電極構造体３０，４０との間で特性を実験する。ｐ型クラッド層２０は、ＩＩＩ族窒化物系発光素子の発光層を中心に相互に対向するｎ型クラッド層とｐ型クラッド層のオーミック特性を改善することが求められている。
【００３０】
ｐ型クラッド層２０には、ＩＩＩ族窒化物にｐ型ドーパントが添加されたものが適用される。ここで、ＩＩＩ族窒化物は一般式であるＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で示される化合物をいう。
【００３１】
また、ｐ型ドーパントには、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ等が適用されうる。
【００３２】
金属層３０には、ｐ型クラッド層２０と反応性がよい金属又は合金が適用される。金属層３０に適用される素材としては、ｐ型クラッド層２０の実効キャリヤ濃度を高めることができ、ｐ型クラッド層２０を形成する化合物中の窒素以外の成分と、優先的に、反応性がよい金属が望ましい。例えば、ＧａＮ系化合物が適用される場合、金属層３０は窒素よりガリウムに対して優先的に反応する金属が適用される。
【００３３】
この場合、一例として窒化ガリウムを主成分とするｐ型クラッド層２０の場合、前述した特性を有する金属層３０により、ｐ型クラッド層２０のガリウムと金属層３０との反応によりｐ型クラッド層２０の表面にガリウム空孔を形成する。ｐ型クラッド層２０のガリウム空孔はｐ型ドーパントとして作用するため、ｐ型クラッド層２０と金属層３０との反応によりｐ型クラッド層２０の表面の実効ｐ型キャリヤ濃度を高める。
【００３４】
こうした条件を満足させることができる金属層３０は、亜鉛，インジウム，スズを含む第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属で形成される。
【００３５】
また、別の方法としては、金属層３０は第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属を主成分とし、第２群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属を添加した合金で形成することができる。
【００３６】
第２群金属としては、ニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステン、ランタン系金属が挙げられる。望ましくは、第１群金属に対する第２群金属の添加比は、０．１乃至５１アトミックパーセント範囲内で適用される。
【００３７】
反射層４０は、ｐ型電極構造体で最上層に該当し、フリップチップ発光素子製作工程で一般的に適用される温度範囲である３００℃乃至６００℃で表面退化発生が抑制され、酸化に対して安定で、特性が変化せずに高反射能をそのまま有する物質を適用する。望ましくは、反射層４０はこうした条件を満足する銀又はロジウムで形成する。
【００３８】
さらに望ましくは、金属層３０及び反射層４０の厚さは０．１ｎｍ乃至１０μｍ程度に形成される。
【００３９】
金属層３０及び反射層４０は、公知の多様な蒸着方法、例えば、ＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＬＤ（ｐｌａｓｍａ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、二重型の熱蒸着器、スパッタリング等により形成できる。蒸着温度は通常２０℃乃至１５００℃範囲内で行われ、反応器内の圧力は大気圧乃至１０−１２ｔｏｒｒほどで行われる。
【００４０】
また、金属層３０及び反射層４０は蒸着後熱処理工程を経る。熱処理は２０℃乃至７００℃で真空又はガス雰囲気で１秒乃至１０時間程度熱処理する。熱処理時に反応器内に投入されるガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、空気のうち少なくとも一つ以上の気体が適用されうる。
【００４１】
以下、ｐ型電極構造体を製造する工程の実施例を説明する。但し、本発明はこれらの実施例を通じて示される工程に限定されるものではない。
【００４２】
先ず、基板１０上に窒化ガリウムを主成分とするｐ型クラッド層２０が形成された構造体を、トリクロロエチレン、アセトン、メタノール、蒸留水を用い、超音波洗浄器内において６０℃でそれぞれ５分ずつ表面洗浄した後、試料に残っている水分を除去するために１００℃で１０分間ハードベーキングを行った。
【００４３】
次に、フォトレジストをｐ型クラッド層２０上に４，５００ｒｐｍでスピンコーティングした。その後、８５℃で１５分間ソフトベーキングし、マスクパターンを現像するためにマスクと試料とを一致させた後に２２．８ｍＷの紫外線（ＵＶ）に１５秒間露出させ、現像液と蒸留水との比を１：４に混合した溶液内に試料を浸して２５秒程度経過させ、現像した。
【００４４】
その後、現像された試料の汚染層を除去するためにＢＯＥ溶液に５分間浸し、電子ビーム蒸着器を用いて亜鉛−ニッケル合金を１０ｎｍ厚さで金属層３０として蒸着し、銀を１０ｎｍ厚さの反射層４０として蒸着した後、アセトンを用いるリフトオフ工程を経た後、急速加熱炉（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＲＴＡ）内に試料を入れ、空気雰囲気下において５００℃で１分間熱処理してオーミック接触形成を用いたｐ型電極構造体を製造した。
【００４５】
本発明のさらに他の実施例によるｐ型電極構造体を図２に示す。前記示された図面と同一機能をする要素は同一参照符号で表記する。図２において、基板１０上に形成されたｐ型クラッド層２０上に、第１金属層５０、第２金属層３０及び反射層４０が順に積層された構造が示される。
【００４６】
図２でも、前述したように、ＩＩＩ族窒化物系ｐ型クラッド２０とｐ型電極構造体間の特性を実験するために、サファイア基板１０上にＩＩＩ族窒化物系ｐ型クラッド層２０を形成させ、ｐ型クラッド層２０上に第１金属層５０及び第２金属層３０及び反射層を順次積層させた構造が示されている。
【００４７】
第１金属層５０は、前記第２群金属、即ち、ニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステン、ランタン系金属のうちから選択されたいずれか一つの金属で形成することが望ましい。
【００４８】
第２金属層３０は、前記図１で説明した金属層３０と同一な要素で形成できる。即ち、第２金属層３０は亜鉛、インジウム、スズを含む第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属で形成される。さらに、別の方法としては、第２金属層は第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属を主成分とし、前記列挙された第２群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属が添加されて形成されうる。
【００４９】
望ましくは、第１金属層５０、第２金属層３０及び反射層４０の全体厚さは０．１ｎｍ乃至１０μｍ程度に形成される。
【００５０】
こうしたｐ型電極構造体も、前記蒸着方法で蒸着後、熱処理過程を経る。
【００５１】
以下、窒化ガリウムを主成分とするｐ型クラッド２０上に前記ｐ型電極構造体を形成した場合の実験結果を、図３乃至図５に基づいて説明する。
【００５２】
図３乃至図５は４−５×１０１７ｃｍ−３のキャリヤ濃度を有する窒化ガリウムを主成分とするｐ型クラッド層２０上に、亜鉛−ニッケル合金で形成された金属層３０及び銀で形成された反射層４０を、厚さを変えて適用し、それぞれ順次蒸着法で形成した後、空気雰囲気で熱処理(３５０℃、４５０℃、５５０℃）する前後について、電気的特性を測定した結果を示すグラフである。
【００５３】
図３は金属層３０の厚さが１０ｎｍ、反射層４０の厚さが１０ｎｍに、図４は金属層３０の厚さが２．５ｎｍ、反射層４０の厚さが１００ｎｍに、図５は金属層３０の厚さが２．５ｎｍ、反射層４０の厚さが２００ｎｍに適用された場合(それぞれ、空気中、５００℃で熱処理後）について、電流−電圧特性を測定した結果である。
【００５４】
図３〜５から、熱処理前に比べて熱処理後の電流−電圧特性が向上し、１０−４〜１０−５Ωｃｍ２程度の低い非接触抵抗を有することが分かる。
【００５５】
このように熱処理後の非接触抵抗特性の改良原因を調べるために、ｐ型クラッド層２０上に亜鉛−ニッケル合金で１０ｎｍの厚さに形成した金属層３０及び銀で１０ｎｍの厚さの反射層４０を蒸着させた後、空気雰囲気において５００℃で１分間熱処理した後、オージェ分光器を用いて深さ方向による成分分布特性を測定した結果を図６に示す。
【００５６】
図６に示される成分分布図に対応する熱処理後の変化した層構造を図式化した図面が図７に示される。図６及び図７から分かるように、熱処理を行うと外部の酸素が供給されて亜鉛とニッケルとがそれぞれ亜鉛酸化物及びニッケル酸化物になる相変形（ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が起こる。又、ニッケル酸化物と銀とはｐ型クラッド層２０側に拡散し、ｐ型クラッド層２０の表面と直接的な接触を行う第１金属酸化物層５１を形成する。
【００５７】
また、亜鉛酸化物は最上層に拡散して第２金属酸化物層３１を形成し、第２金属酸化物層３１と銀を含む第１金属酸化物層５１との間に銀を主成分とする反射層４１が位置する。
【００５８】
酸化能を示す金属の酸化物形成エンタルピー値としては、銀は常温で−２０〜３０ＫＪ／Ｋｍｏｌｅ、ニッケル金属は−２３９ＫＪ／Ｋｍｏｌｅ、そして亜鉛金属は−３５０．９ＫＪ／Ｋｍｏｌｅ値を有する。従って、銀よりエンタルピー値が数十乃至数百倍も大きい亜鉛及びニッケル金属が熱処理時に優先的に酸化物を形成することが分かる。
【００５９】
こうした結果はｐ型クラッド層２０の薄膜形成以後の熱処理工程時に引き起こされるものであり、ｐ型クラッド層２０と蒸着対象金属層３０との界面でキャリヤ流れに障害物の役割をしながら、ｐ型クラッド層２０の表面上に残留する自然酸化層であるガリウム酸化物を還元する。又、金属層３０に適用された金属は酸化して透明な伝導性又は半伝導性酸化物に相変形して、透明伝導性又は半伝導性金属酸化物層３１，５１を形成することにより、ショットキ障壁の高さと幅を減少させる。
【００６０】
それ以外にも、前述したように、ｐ型クラッド層２０の表面上にガリウム空孔の形成、自然酸化層の還元反応力及び透明な伝導性金属酸化物層３１，５１の形成により、ｐ型クラッド層２０とｐ型電極構造体との界面でトンネル（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）伝導現象を発生させ得る。その結果、ｐ型クラッド層２０がドーパントの役割を果たすことにより、ｐ型クラッド層２０の表面付近の実効ホール濃度が高められる。
【００６１】
また、空気及び酸素雰囲気で熱処理時に形成された亜鉛酸化物と亜鉛系又はマグネシウム系合金又は第２群金属中から選択され投入された金属の酸化物の仕事関数値が窒化ガリウムとほぼ同じであることから、ｐ型クラッド層２０と接触するときにショットキ障壁が低くなり、オーミック接触特性が向上するだけではなく、１００％に近い透過度が提供される。
【００６２】
また、最上層の表面には亜鉛酸化物である第２金属酸化物層３１が形成され、ｐ型クラッド層２０と直接的に接触する第１金属酸化物層５１は銀金属を含む第２金属群酸化物（例えば、Ｎｉ−Ｏ、Ｃｏ−Ｏ等）で形成されていて、それによりショットキ障壁を低くする。このように低いショットキ障壁は高品位オーミック接触を成し、このとき、厚い層である銀金属層４１が表面の亜鉛酸化物層である第２金属酸化物層３１と内部に拡散した第２群金属酸化物である第１金属酸化物層５１との間に挿入されていて、ニッケルの伝導性向上に寄与し及びＦＣＬＥＤｓ構造において優れた反射層として作用する。
【００６３】
図８は図１のｐ型電極構造体が適用された発光素子の一例を示す図面である。図８において、発行素子は基板１１０、バッファ層１２０、ｎ型クラッド層１３０、発光層１４０、ｐ型クラッド層１５０、金属層２３０及び反射層２４０が順に積層された構造になっている。参照符号１８０はｐ型電極パッドであり、１９０はｎ型電極パッドである。
【００６４】
基板１１０は前記サファイア又はシリコンカーバイドで形成される。バッファ層１２０は省略されうる。バッファ層１２０からｐ型クラッド層１５０までの各層はＩＩＩ族窒化物系化合物の一般式であるＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で示される化合物のうち選択されたいずれか化合物を基本として形成され、ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層は対応するドーパントが添加される。又、発光層１４０は単層又はＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層等公知である多様な方式で構成されうる。一例としてＧａＮ化合物を適用する場合、バッファ層１２０はＧａＮで形成され、ｎ型クラッド層１３０はＧａＮにｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ等が添加されて形成され、ｐ型クラッド層１５０はＧａＮにｐ型ドーパントとしてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等が添加されて形成される。各層の形成方法は公知である多様な蒸着方法、例えば、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＰＬＤ、二重形の熱蒸着器、スパッタリング等により形成できる。電極層２３０は図１で説明した第１群金属又は第１群金属に第２群金属を添加した合金で形成され、反射層２４０は銀又はロジウムで形成した後に熱処理過程を経る。
【００６５】
また、図２で説明した電極構造体を適用した発光素子を図９に示す。前記図面と同一機能を有する要素は同一参照符号で示す。図９において、発光素子は基板１１０と、バッファ層１２０と、ｎ型クラッド層１３０と、発光層１４０と、ｐ型クラッド層１５０と、第１金属層３５０と、第２金属層３３０と、反射層３４０とを備える。第１金属層３５０は図２で説明した第２群金属のうちのいずれか一つの金属で形成される。第２金属層３３０は図１で説明した第１群金属又は第１群金属に第２群金属を添加して形成される。反射層３４０は銀又はロジウムで形成される。
【００６６】
このようなｐ型電極構造体がＩｎＧａＮを主成分とする青色発光ダイオードに適用した場合とｐ型クラッド層上に単純に銀に反射層を形成した場合とについて、電流−電圧特性を測定した比較結果を図１０に示す。図１０から、本発明のｐ型電極構造体が適用された発光素子の電気的特性が飛びぬけて向上したことがわかる。即ち、ＩｎＧａＮ構造を有する青色発光ダイオードに、ｐ型電極構造体として亜鉛−ニッケル合金を２．５ｎｍ厚さに形成した金属層２３０及び銀を１００ｎｍ厚さに形成した反射層２４０を有する構造物は２０ｍＡで作動電圧が３．２５Ｖ値を示すが、単に銀金属のみを１００ｎｍ程度蒸着させた場合にはこれよりずっと大きい作動電圧を有する。特に、単に銀金属のみを１００ｎｍ程度蒸着させた後、空気雰囲気下で熱処理した場合には、熱処理前よりずっと大きい作動電圧を有し、相当な電気的な退化現象を示す。
【００６７】
以下、実施例を通じて発光素子の製造例を説明する。但し、本発明がこれら実施例に制限されるものではない。
【００６８】
先ず、ｐ型電極構造体を蒸着する前のＧａＮを主成分とする基板、バッファ層、ｎ型クラッド層、発光層及びｐ型クラッド層まで積層された発光構造体のｐ型クラッド層１５０の表面処理と電子ビームリソグラフィ工程は前記実施例で記述された方式と同一に適用した。
【００６９】
そして、表面処理及び電子ビームリソグラフィ工程以後、亜鉛−ニッケル合金を２．５ｎｍ厚さとして金属層２３０を形成し、その上に銀を１００ｎｍ厚さに蒸着した後、アセトンを用いるリフトオフ工程を経た後、ＲＴＡ内に試料を入れ、空気雰囲気下において５００℃で１分間熱処理してオーミック接触形成を用いた発光ダイオードを製造した。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は窒化物系発光素子及びその製造分野で広く用いられうる。特に、窒化物系発光素子の電極構造体に発光素子の特性を改善して発光素子のパッケージング時にワイヤボンディング効率及び収率を高めることができ、低い非接触抵抗と優秀な電流−電圧特性とにより素子の発光効率及び素子寿命を向上させる。
【符号の説明】
【００７１】
１０ 基板
２０ ｐ型クラッド層
３０ 金属層
４０ 反射層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物系発光素子及びその製造方法に係り、詳しくは量子効率を高められるオーミック接触構造を有する窒化物系発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系化合物半導体、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体を用いた発光ダイオード又はレーザダイオードのような発光素子を具現するためには、半導体と電極とのオーミック接触構造が非常に重要である。現在、商業的に用いることができる窒化ガリウム系発光素子は、絶縁性サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板上に形成される。
【０００３】
こうした窒化ガリウム系発光素子は、トップエミット型発光ダイオード（ｔｏｐ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ：ＴＬＥＤＳ）とフリップチップ型発光ダイオード（ｆｌｉｐ−ｃｈｉｐ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ：ＦＣＬＥＤＳ）とに分類される。
【０００４】
ＴＬＥＤＳはｐ型クラッド層と接触するオーミック電極層を通じて光が放射（ｅｍｉｔ）されるように形成され、低導電性でかつ透明なオーミック電極層によって、円滑な電流注入ができる低抵抗値を持ったｐ型クラッド層を提供する。
【０００５】
こうしたＴＬＥＤＳは、一般にｐ型クラッド層上にニッケル層と金層とを順次積層した
構造が用いられている。
【０００６】
ニッケル層は、酸素雰囲気で熱処理して１０−３〜１０−４Ωｃｍ２程度の非接触抵抗を有する半透明オーミック接触層を形成することが知られている。
【０００７】
こうした半透明オーミック接触層の低い非接触抵抗は、５００℃乃至６００℃程度の温度及び酸素雰囲気で熱処理するとき、ｐ型クラッド層を形成する窒化ガリウムとオーミック接触層として適用されたニッケル層との界面で、ｐ型半導体酸化物であるニッケル酸化物が島状に形成されている金との間及び上層部に形成される。それにより、ショットキ障壁の高さ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ ｈｅｉｇｈｔ：ＳＢＨ）を低くして、ｐ型クラッド層表面付近に多数のキャリヤであるホールを容易に供給する。その結果、ｐ型クラッド層表面付近での実効キャリヤ濃度を高める。
【０００８】
また、ニッケル層／金層をｐ型クラッド層上に形成した後、熱処理してＭｇ−Ｈ金属間化合物を除去し、窒化ガリウム表面でマグネシウムドーパント濃度を高める再活性化過程を行う。その結果、ｐ型クラッド層の表面でこうした実効キャリヤ濃度が１０１９以上になる。それにより、ｐ型クラッド層と酸化ニッケルを含むオーミック電極層との間にトンネル伝導を起こしてオーミック伝導特性を現すと理解されている。
【０００９】
ところで、ニッケル／金で形成される半透明電極薄膜を用いたＴＬＥＤＳは光利用効率が低くて、大容量及び高輝度発光素子を具現するのは難しい。
【００１０】
最近、大容量高輝度発光素子を具現するため、高反射層素材として脚光を浴びている銀又はアルミニウムを用いたフリップチップ方式の発光素子開発の必要性が叫ばれている。
【００１１】
しかし、これらの金属は高反射効率を有するため、一時的に高発光効率を提供することができるが、仕事関数値が小さいので低抵抗値を持ったオーミック接触形成が難しく、素子寿命が短く、窒化ガリウムとの接着性が悪いため安定した素子信頼性を提供することができないという問題点がある。
【００１２】
こうした問題点を解決するため、低い非接触抵抗値を有するけれども高反射率を提供できるオーミック接触層の開発が活発に行われている。
【００１３】
特許文献１にはｐ型クラッド層上にニッケル／銀を順次積層した構造が開示されているが、熱処理時に接触抵抗が高く、接着性が低いという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国公開特許２００２−０１９０２６０Ａ１明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の技術的課題は、低抵抗特性と高反射率とを提供することができる電極構造体を有する窒化物系発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記技術的課題を達成するために本発明に係る窒化物系発光素子は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に発光層を有する窒化物系発光素子において、前記発光層から放射された光を反射する反射層と、前記反射層と前記ｐ型クラッド層との間に形成された少なくとも一つの金属層と、を備える。
【００１７】
本発明の一側面によると、前記金属層は亜鉛、インジウム、スズを含む第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属を含む。
【００１８】
本発明のさらに他の側面によると、前記金属層は前記第１群金属のうち選択されたいずれか一つの金属にニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステン、ランタン系金属を含む第２群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属が添加されて形成される。
【００１９】
前記第１群金属に対する前記第２群金属の添加比は０．１乃至５１アトミックパーセントであることが望ましい。
【００２０】
また、前記反射層は銀又はロジウムで形成される。
【００２１】
本発明のさらに他の側面によると、前記金属層は前記ｐ型クラッド層上に形成された第１金属層と、前記第１金属層と前記反射層との間に形成された第２金属層とを含み、前記第１金属層はニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステン、ランタン系金属を含む第２群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属で形成され、前記金属層は亜鉛、インジウム、スズを含む第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属を含んで形成される。
【００２２】
前記第２金属層は前記第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属に、前記第２群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属がさらに含まれて形成されることができる。
【００２３】
望ましくは、前記金属層及び反射層の厚さは０．１ｎｍ乃至１０μｍで形成される。前記ｎ型クラッド層の下部には基板が形成されており、前記基板はサファイア又はシリコンカーバイドのような光を透過する素材で形成される。
【００２４】
また、前記技術的課題を達成するために本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、基板上にｎ型クラッド層、発光層及びｐ型クラッド層を順次積層された発光構造体の前記ｐ型クラッド層上に少なくとも一つの金属層を形成する段階と、前記金属層上に反射層を形成する段階と、熱処理する段階とを含む。
【００２５】
前記熱処理段階は２０℃乃至７００℃で行われることが望ましく、前記積層構造体が置かれた反応器内に窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、空気のうちから少なくとも一つを含む気体雰囲気で行われることが望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る窒化物系発光素子及びその製造方法によると、ｐ型クラッド層とのオーミック接触特性が改善されて発光素子のパッケージング時、ワイヤボンディング効率及び収率を高めることができ、低い非接触抵抗と優秀な電流−電圧特性により素子の発光効率及び素子寿命を向上させ得る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例によるｐ型電極構造体を示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施例によるｐ型電極構造体を示す断面図である。
【図３】図１のｐ型電極構造体で金属層及び反射層の膜厚さを異にして製作された積層構造体に対し、熱処理前後について測定した電流−電圧特性を示すグラフである。
【図４】図１のｐ型電極構造体で金属層及び反射層の膜厚さを異にして製作された積層構造体に対し、熱処理前後について測定した別の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図５】図１のｐ型電極構造体で金属層及び反射層の膜厚さを異にして製作された積層構造体に対し、熱処理前後について測定したその他の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図６】ｐ型クラッド層の上部に亜鉛−ニッケル合金／銀を蒸着させた後、空気雰囲気下で５００℃に、１分間熱処理した後のオージェ分光器を用いた深さによる成分分析特性を示すグラフである。
【図７】図６のｐ型電極構造体を熱処理した後、変化した層構造を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施例によるｐ型電極構造体が適用された発光素子の一例を示す断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施例によるｐ型電極構造体が適用された発光素子のさらに他の例を示す断面図である。
【図１０】ＩｎＧａＮ構造を有する青色発光ダイオードに亜鉛−ニッケル合金／銀を蒸着させた後に空気雰囲気下で熱処理して製作された素子と銀のみを蒸着した素子の電流−電圧特性を比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面に基づき本発明の望ましい実施例による窒化物系発光素子及びその製造方法をより詳細に説明する。
【００２９】
図１は本発明の一実施例によるｐ型電極構造体を示す断面図である。図１において、ｐ型電極構造体３０，４０は金属層３０及び反射層４０を備える。ｐ型電極構造体は、基板１０の上に形成されたＩＩＩ族窒化物系ｐ型クラッド層２０と、該クラッド層２０上に順に積層された金属層３０と、反射層４０とを含む。ｐ型クラッド層２０とｐ型電極構造体３０，４０との間で特性を実験する。ｐ型クラッド層２０は、ＩＩＩ族窒化物系発光素子の発光層を中心に相互に対向するｎ型クラッド層とｐ型クラッド層のオーミック特性を改善することが求められている。
【００３０】
ｐ型クラッド層２０には、ＩＩＩ族窒化物にｐ型ドーパントが添加されたものが適用される。ここで、ＩＩＩ族窒化物は一般式であるＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で示される化合物をいう。
【００３１】
また、ｐ型ドーパントには、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ等が適用されうる。
【００３２】
金属層３０には、ｐ型クラッド層２０と反応性がよい金属又は合金が適用される。金属層３０に適用される素材としては、ｐ型クラッド層２０の実効キャリヤ濃度を高めることができ、ｐ型クラッド層２０を形成する化合物中の窒素以外の成分と、優先的に、反応性がよい金属が望ましい。例えば、ＧａＮ系化合物が適用される場合、金属層３０は窒素よりガリウムに対して優先的に反応する金属が適用される。
【００３３】
この場合、一例として窒化ガリウムを主成分とするｐ型クラッド層２０の場合、前述した特性を有する金属層３０により、ｐ型クラッド層２０のガリウムと金属層３０との反応によりｐ型クラッド層２０の表面にガリウム空孔を形成する。ｐ型クラッド層２０のガリウム空孔はｐ型ドーパントとして作用するため、ｐ型クラッド層２０と金属層３０との反応によりｐ型クラッド層２０の表面の実効ｐ型キャリヤ濃度を高める。
【００３４】
こうした条件を満足させることができる金属層３０は、亜鉛，インジウム，スズを含む第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属で形成される。
【００３５】
また、別の方法としては、金属層３０は第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属を主成分とし、第２群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属を添加した合金で形成することができる。
【００３６】
第２群金属としては、ニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステン、ランタン系金属が挙げられる。望ましくは、第１群金属に対する第２群金属の添加比は、０．１乃至５１アトミックパーセント範囲内で適用される。
【００３７】
反射層４０は、ｐ型電極構造体で最上層に該当し、フリップチップ発光素子製作工程で一般的に適用される温度範囲である３００℃乃至６００℃で表面退化発生が抑制され、酸化に対して安定で、特性が変化せずに高反射能をそのまま有する物質を適用する。望ましくは、反射層４０はこうした条件を満足する銀又はロジウムで形成する。
【００３８】
さらに望ましくは、金属層３０及び反射層４０の厚さは０．１ｎｍ乃至１０μｍ程度に形成される。
【００３９】
金属層３０及び反射層４０は、公知の多様な蒸着方法、例えば、ＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＬＤ（ｐｌａｓｍａ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、二重型の熱蒸着器、スパッタリング等により形成できる。蒸着温度は通常２０℃乃至１５００℃範囲内で行われ、反応器内の圧力は大気圧乃至１０−１２ｔｏｒｒほどで行われる。
【００４０】
また、金属層３０及び反射層４０は蒸着後熱処理工程を経る。熱処理は２０℃乃至７００℃で真空又はガス雰囲気で１秒乃至１０時間程度熱処理する。熱処理時に反応器内に投入されるガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、空気のうち少なくとも一つ以上の気体が適用されうる。
【００４１】
以下、ｐ型電極構造体を製造する工程の実施例を説明する。但し、本発明はこれらの実施例を通じて示される工程に限定されるものではない。
【００４２】
先ず、基板１０上に窒化ガリウムを主成分とするｐ型クラッド層２０が形成された構造体を、トリクロロエチレン、アセトン、メタノール、蒸留水を用い、超音波洗浄器内において６０℃でそれぞれ５分ずつ表面洗浄した後、試料に残っている水分を除去するために１００℃で１０分間ハードベーキングを行った。
【００４３】
次に、フォトレジストをｐ型クラッド層２０上に４，５００ｒｐｍでスピンコーティングした。その後、８５℃で１５分間ソフトベーキングし、マスクパターンを現像するためにマスクと試料とを一致させた後に２２．８ｍＷの紫外線（ＵＶ）に１５秒間露出させ、現像液と蒸留水との比を１：４に混合した溶液内に試料を浸して２５秒程度経過させ、現像した。
【００４４】
その後、現像された試料の汚染層を除去するためにＢＯＥ溶液に５分間浸し、電子ビーム蒸着器を用いて亜鉛−ニッケル合金を１０ｎｍ厚さで金属層３０として蒸着し、銀を１０ｎｍ厚さの反射層４０として蒸着した後、アセトンを用いるリフトオフ工程を経た後、急速加熱炉（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＲＴＡ）内に試料を入れ、空気雰囲気下において５００℃で１分間熱処理してオーミック接触形成を用いたｐ型電極構造体を製造した。
【００４５】
本発明のさらに他の実施例によるｐ型電極構造体を図２に示す。前記示された図面と同一機能をする要素は同一参照符号で表記する。図２において、基板１０上に形成されたｐ型クラッド層２０上に、第１金属層５０、第２金属層３０及び反射層４０が順に積層された構造が示される。
【００４６】
図２でも、前述したように、ＩＩＩ族窒化物系ｐ型クラッド２０とｐ型電極構造体間の特性を実験するために、サファイア基板１０上にＩＩＩ族窒化物系ｐ型クラッド層２０を形成させ、ｐ型クラッド層２０上に第１金属層５０及び第２金属層３０及び反射層を順次積層させた構造が示されている。
【００４７】
第１金属層５０は、前記第２群金属、即ち、ニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステン、ランタン系金属のうちから選択されたいずれか一つの金属で形成することが望ましい。
【００４８】
第２金属層３０は、前記図１で説明した金属層３０と同一な要素で形成できる。即ち、第２金属層３０は亜鉛、インジウム、スズを含む第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属で形成される。さらに、別の方法としては、第２金属層は第１群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属を主成分とし、前記列挙された第２群金属のうちから選択されたいずれか一つの金属が添加されて形成されうる。
【００４９】
望ましくは、第１金属層５０、第２金属層３０及び反射層４０の全体厚さは０．１ｎｍ乃至１０μｍ程度に形成される。
【００５０】
こうしたｐ型電極構造体も、前記蒸着方法で蒸着後、熱処理過程を経る。
【００５１】
以下、窒化ガリウムを主成分とするｐ型クラッド２０上に前記ｐ型電極構造体を形成した場合の実験結果を、図３乃至図５に基づいて説明する。
【００５２】
図３乃至図５は４−５×１０１７ｃｍ−３のキャリヤ濃度を有する窒化ガリウムを主成分とするｐ型クラッド層２０上に、亜鉛−ニッケル合金で形成された金属層３０及び銀で形成された反射層４０を、厚さを変えて適用し、それぞれ順次蒸着法で形成した後、空気雰囲気で熱処理(３５０℃、４５０℃、５５０℃）する前後について、電気的特性を測定した結果を示すグラフである。
【００５３】
図３は金属層３０の厚さが１０ｎｍ、反射層４０の厚さが１０ｎｍに、図４は金属層３０の厚さが２．５ｎｍ、反射層４０の厚さが１００ｎｍに、図５は金属層３０の厚さが２．５ｎｍ、反射層４０の厚さが２００ｎｍに適用された場合(それぞれ、空気中、５００℃で熱処理後）について、電流−電圧特性を測定した結果である。
【００５４】
図３〜５から、熱処理前に比べて熱処理後の電流−電圧特性が向上し、１０−４〜１０−５Ωｃｍ２程度の低い非接触抵抗を有することが分かる。
【００５５】
このように熱処理後の非接触抵抗特性の改良原因を調べるために、ｐ型クラッド層２０上に亜鉛−ニッケル合金で１０ｎｍの厚さに形成した金属層３０及び銀で１０ｎｍの厚さの反射層４０を蒸着させた後、空気雰囲気において５００℃で１分間熱処理した後、オージェ分光器を用いて深さ方向による成分分布特性を測定した結果を図６に示す。
【００５６】
図６に示される成分分布図に対応する熱処理後の変化した層構造を図式化した図面が図７に示される。図６及び図７から分かるように、熱処理を行うと外部の酸素が供給されて亜鉛とニッケルとがそれぞれ亜鉛酸化物及びニッケル酸化物になる相変形（ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が起こる。又、ニッケル酸化物と銀とはｐ型クラッド層２０側に拡散し、ｐ型クラッド層２０の表面と直接的な接触を行う第１金属酸化物層５１を形成する。
【００５７】
また、亜鉛酸化物は最上層に拡散して第２金属酸化物層３１を形成し、第２金属酸化物層３１と銀を含む第１金属酸化物層５１との間に銀を主成分とする反射層４１が位置する。
【００５８】
酸化能を示す金属の酸化物形成エンタルピー値としては、銀は常温で−２０〜３０ＫＪ／Ｋｍｏｌｅ、ニッケル金属は−２３９ＫＪ／Ｋｍｏｌｅ、そして亜鉛金属は−３５０．９ＫＪ／Ｋｍｏｌｅ値を有する。従って、銀よりエンタルピー値が数十乃至数百倍も大きい亜鉛及びニッケル金属が熱処理時に優先的に酸化物を形成することが分かる。
【００５９】
こうした結果はｐ型クラッド層２０の薄膜形成以後の熱処理工程時に引き起こされるものであり、ｐ型クラッド層２０と蒸着対象金属層３０との界面でキャリヤ流れに障害物の役割をしながら、ｐ型クラッド層２０の表面上に残留する自然酸化層であるガリウム酸化物を還元する。又、金属層３０に適用された金属は酸化して透明な伝導性又は半伝導性酸化物に相変形して、透明伝導性又は半伝導性金属酸化物層３１，５１を形成することにより、ショットキ障壁の高さと幅を減少させる。
【００６０】
それ以外にも、前述したように、ｐ型クラッド層２０の表面上にガリウム空孔の形成、自然酸化層の還元反応力及び透明な伝導性金属酸化物層３１，５１の形成により、ｐ型クラッド層２０とｐ型電極構造体との界面でトンネル（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）伝導現象を発生させ得る。その結果、ｐ型クラッド層２０がドーパントの役割を果たすことにより、ｐ型クラッド層２０の表面付近の実効ホール濃度が高められる。
【００６１】
また、空気及び酸素雰囲気で熱処理時に形成された亜鉛酸化物と亜鉛系又はマグネシウム系合金又は第２群金属中から選択され投入された金属の酸化物の仕事関数値が窒化ガリウムとほぼ同じであることから、ｐ型クラッド層２０と接触するときにショットキ障壁が低くなり、オーミック接触特性が向上するだけではなく、１００％に近い透過度が提供される。
【００６２】
また、最上層の表面には亜鉛酸化物である第２金属酸化物層３１が形成され、ｐ型クラッド層２０と直接的に接触する第１金属酸化物層５１は銀金属を含む第２金属群酸化物（例えば、Ｎｉ−Ｏ、Ｃｏ−Ｏ等）で形成されていて、それによりショットキ障壁を低くする。このように低いショットキ障壁は高品位オーミック接触を成し、このとき、厚い層である銀金属層４１が表面の亜鉛酸化物層である第２金属酸化物層３１と内部に拡散した第２群金属酸化物である第１金属酸化物層５１との間に挿入されていて、ニッケルの伝導性向上に寄与し及びＦＣＬＥＤｓ構造において優れた反射層として作用する。
【００６３】
図８は図１のｐ型電極構造体が適用された発光素子の一例を示す図面である。図８において、発行素子は基板１１０、バッファ層１２０、ｎ型クラッド層１３０、発光層１４０、ｐ型クラッド層１５０、金属層２３０及び反射層２４０が順に積層された構造になっている。参照符号１８０はｐ型電極パッドであり、１９０はｎ型電極パッドである。
【００６４】
基板１１０は前記サファイア又はシリコンカーバイドで形成される。バッファ層１２０は省略されうる。バッファ層１２０からｐ型クラッド層１５０までの各層はＩＩＩ族窒化物系化合物の一般式であるＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で示される化合物のうち選択されたいずれか化合物を基本として形成され、ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層は対応するドーパントが添加される。又、発光層１４０は単層又はＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層等公知である多様な方式で構成されうる。一例としてＧａＮ化合物を適用する場合、バッファ層１２０はＧａＮで形成され、ｎ型クラッド層１３０はＧａＮにｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ等が添加されて形成され、ｐ型クラッド層１５０はＧａＮにｐ型ドーパントとしてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等が添加されて形成される。各層の形成方法は公知である多様な蒸着方法、例えば、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＰＬＤ、二重形の熱蒸着器、スパッタリング等により形成できる。電極層２３０は図１で説明した第１群金属又は第１群金属に第２群金属を添加した合金で形成され、反射層２４０は銀又はロジウムで形成した後に熱処理過程を経る。
【００６５】
また、図２で説明した電極構造体を適用した発光素子を図９に示す。前記図面と同一機能を有する要素は同一参照符号で示す。図９において、発光素子は基板１１０と、バッファ層１２０と、ｎ型クラッド層１３０と、発光層１４０と、ｐ型クラッド層１５０と、第１金属層３５０と、第２金属層３３０と、反射層３４０とを備える。第１金属層３５０は図２で説明した第２群金属のうちのいずれか一つの金属で形成される。第２金属層３３０は図１で説明した第１群金属又は第１群金属に第２群金属を添加して形成される。反射層３４０は銀又はロジウムで形成される。
【００６６】
このようなｐ型電極構造体がＩｎＧａＮを主成分とする青色発光ダイオードに適用した場合とｐ型クラッド層上に単純に銀に反射層を形成した場合とについて、電流−電圧特性を測定した比較結果を図１０に示す。図１０から、本発明のｐ型電極構造体が適用された発光素子の電気的特性が飛びぬけて向上したことがわかる。即ち、ＩｎＧａＮ構造を有する青色発光ダイオードに、ｐ型電極構造体として亜鉛−ニッケル合金を２．５ｎｍ厚さに形成した金属層２３０及び銀を１００ｎｍ厚さに形成した反射層２４０を有する構造物は２０ｍＡで作動電圧が３．２５Ｖ値を示すが、単に銀金属のみを１００ｎｍ程度蒸着させた場合にはこれよりずっと大きい作動電圧を有する。特に、単に銀金属のみを１００ｎｍ程度蒸着させた後、空気雰囲気下で熱処理した場合には、熱処理前よりずっと大きい作動電圧を有し、相当な電気的な退化現象を示す。
【００６７】
以下、実施例を通じて発光素子の製造例を説明する。但し、本発明がこれら実施例に制限されるものではない。
【００６８】
先ず、ｐ型電極構造体を蒸着する前のＧａＮを主成分とする基板、バッファ層、ｎ型クラッド層、発光層及びｐ型クラッド層まで積層された発光構造体のｐ型クラッド層１５０の表面処理と電子ビームリソグラフィ工程は前記実施例で記述された方式と同一に適用した。
【００６９】
そして、表面処理及び電子ビームリソグラフィ工程以後、亜鉛−ニッケル合金を２．５ｎｍ厚さとして金属層２３０を形成し、その上に銀を１００ｎｍ厚さに蒸着した後、アセトンを用いるリフトオフ工程を経た後、ＲＴＡ内に試料を入れ、空気雰囲気下において５００℃で１分間熱処理してオーミック接触形成を用いた発光ダイオードを製造した。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は窒化物系発光素子及びその製造分野で広く用いられうる。特に、窒化物系発光素子の電極構造体に発光素子の特性を改善して発光素子のパッケージング時にワイヤボンディング効率及び収率を高めることができ、低い非接触抵抗と優秀な電流−電圧特性とにより素子の発光効率及び素子寿命を向上させる。
【符号の説明】
【００７１】
１０ 基板
２０ ｐ型クラッド層
３０ 金属層
４０ 反射層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に発光層を有する窒化物系発光素子において、
前記発光層から放射された光を反射する反射層と、
前記反射層と前記ｐ型クラッド層との間に形成された少なくとも一つの金属層とを備えることを特徴とする窒化物系発光素子。
【請求項２】
前記金属層は亜鉛、インジウムおよびスズよりなる第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項３】
前記金属層は前記第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属に、ニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステンおよびランタン系金属よりなる第２群金属から選ばれた少なくとも一つの金属が添加されてなることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系発光素子。
【請求項４】
前記第１群金属に対する前記第２群金属の添加比は０．１乃至５１アトミックパーセントであることを特徴とする請求項３に記載の窒化物系発光素子。
【請求項５】
前記反射層は銀で形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項６】
前記反射層はロジウムで形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項７】
前記金属層は
前記ｐ型クラッド層上に形成された第１金属層と、
前記第１金属層と前記反射層との間に形成された第２金属層とを含み、
前記第１金属層はニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステンおよびランタン系金属よりなる第２群金属から選ばれた少なくとも一つの金属で形成され、
前記第２金属層は亜鉛、インジウムおよびスズよりなる第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属を含んで形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項８】
前記第２金属層は前記第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属に、前記第２群金属から選ばれた少なくとも一つの金属がさらに含まれて形成されてなることを特徴とする請求項７に記載の窒化物系発光素子。
【請求項９】
前記金属層及び反射層の厚さは０．１ｎｍ乃至１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項１０】
前記ｎ型クラッド層の下部に基板が形成されており、
前記基板は光を透過する素材で形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項１１】
前記基板はサファイアであることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物系発光素子。
【請求項１２】
ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に発光層を有する窒化物系発光素子の製造方法において、
イ）基板上にｎ型クラッド層、発光層及びｐ型クラッド層が順に積層された発光構造体の前記ｐ型クラッド層上に少なくとも一つの金属層を形成する段階と、
ロ）前記金属層上に反射層を形成する段階と、
ハ）前記段階ロを経た積層構造体を熱処理する段階とを含むことを特徴とする窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記金属層は
亜鉛、インジウムおよびスズよりなる第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属を含んで形成されることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記金属層は前記第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属に、ニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステンおよびランタン系金属よりなる第２群金属から選ればれた少なくとも一つの金属をさらに含んで形成することを特徴とする請求項１３に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１群金属に対する前記第２群金属の添加比は０．１乃至５１アトミックパーセントであることを特徴とする請求項１４に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記反射層は銀より形成することを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記反射層はロジウムより形成することを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記金属層形成段階は
前記ｐ型クラッド層上に第１金属層を形成する段階と、
前記第１金属層上に第２金属層を形成する段階とを含み、
前記第１金属層はニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステンおよびランタン系金属よりなる第２群金属から選ばれた少なくとも一つの金属で形成され、
前記第２金属層は亜鉛、インジウムおよびスズよりなる第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属より形成することを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記第２金属層は前記第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属に、前記第２群金属から選ばれた少なくとも一つの金属をさらに含んで形成することを特徴とする請求項１８に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記金属層及び反射層の厚さは０．１ｎｍ乃至１０μｍで形成されることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記ｎ型クラッド層の下部に基板が形成されており、
前記基板は光を透過させることができる素材で形成されたことを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記基板はサファイアであることを特徴とする請求項２１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項２３】
前記熱処理段階は
２０℃乃至７００℃で行われることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項２４】
前記熱処理段階は、前記積層構造体が設置された反応器内で、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素および空気よりなる群から得ればれた少なくとも一つを含む気体雰囲気で行われることを特徴とする請求項２３に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１】
ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に発光層を有する窒化物系発光素子において、
前記発光層から放射された光を反射する反射層と、
前記反射層と前記ｐ型クラッド層との間に形成された少なくとも一つの金属層とを備えることを特徴とする窒化物系発光素子。
【請求項２】
前記金属層は亜鉛、インジウムおよびスズよりなる第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項３】
前記金属層は前記第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属に、ニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステンおよびランタン系金属よりなる第２群金属から選ばれた少なくとも一つの金属が添加されてなることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系発光素子。
【請求項４】
前記第１群金属に対する前記第２群金属の添加比は０．１乃至５１アトミックパーセントであることを特徴とする請求項３に記載の窒化物系発光素子。
【請求項５】
前記反射層は銀で形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項６】
前記反射層はロジウムで形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項７】
前記金属層は
前記ｐ型クラッド層上に形成された第１金属層と、
前記第１金属層と前記反射層との間に形成された第２金属層とを含み、
前記第１金属層はニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステンおよびランタン系金属よりなる第２群金属から選ばれた少なくとも一つの金属で形成され、
前記第２金属層は亜鉛、インジウムおよびスズよりなる第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属を含んで形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項８】
前記第２金属層は前記第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属に、前記第２群金属から選ばれた少なくとも一つの金属がさらに含まれて形成されてなることを特徴とする請求項７に記載の窒化物系発光素子。
【請求項９】
前記金属層及び反射層の厚さは０．１ｎｍ乃至１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項１０】
前記ｎ型クラッド層の下部に基板が形成されており、
前記基板は光を透過する素材で形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項１１】
前記基板はサファイアであることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物系発光素子。
【請求項１２】
ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に発光層を有する窒化物系発光素子の製造方法において、
イ）基板上にｎ型クラッド層、発光層及びｐ型クラッド層が順に積層された発光構造体の前記ｐ型クラッド層上に少なくとも一つの金属層を形成する段階と、
ロ）前記金属層上に反射層を形成する段階と、
ハ）前記段階ロを経た積層構造体を熱処理する段階とを含むことを特徴とする窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記金属層は
亜鉛、インジウムおよびスズよりなる第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属を含んで形成されることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記金属層は前記第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属に、ニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステンおよびランタン系金属よりなる第２群金属から選ればれた少なくとも一つの金属をさらに含んで形成することを特徴とする請求項１３に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１群金属に対する前記第２群金属の添加比は０．１乃至５１アトミックパーセントであることを特徴とする請求項１４に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記反射層は銀より形成することを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記反射層はロジウムより形成することを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記金属層形成段階は
前記ｐ型クラッド層上に第１金属層を形成する段階と、
前記第１金属層上に第２金属層を形成する段階とを含み、
前記第１金属層はニッケル、コバルト、銅、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、タンタル、レニウム、タングステンおよびランタン系金属よりなる第２群金属から選ばれた少なくとも一つの金属で形成され、
前記第２金属層は亜鉛、インジウムおよびスズよりなる第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属より形成することを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記第２金属層は前記第１群金属から選ばれた少なくとも一つの金属に、前記第２群金属から選ばれた少なくとも一つの金属をさらに含んで形成することを特徴とする請求項１８に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記金属層及び反射層の厚さは０．１ｎｍ乃至１０μｍで形成されることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記ｎ型クラッド層の下部に基板が形成されており、
前記基板は光を透過させることができる素材で形成されたことを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記基板はサファイアであることを特徴とする請求項２１に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項２３】
前記熱処理段階は
２０℃乃至７００℃で行われることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項２４】
前記熱処理段階は、前記積層構造体が設置された反応器内で、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素および空気よりなる群から得ればれた少なくとも一つを含む気体雰囲気で行われることを特徴とする請求項２３に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１８１９６１（Ｐ２０１１−１８１９６１Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２８６５９（Ｐ２０１１−１２８６５９）
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【分割の表示】特願２００４−２４５９３３（Ｐ２００４−２４５９３３）の分割
【原出願日】平成１６年８月２５日（２００４．８．２５）
【出願人】（５０９１５６５３８）サムソン エルイーディー カンパニーリミテッド． (114)
【出願人】（５０４１２７７３９）光州科學技術院 (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【分割の表示】特願２００４−２４５９３３（Ｐ２００４−２４５９３３）の分割
【原出願日】平成１６年８月２５日（２００４．８．２５）
【出願人】（５０９１５６５３８）サムソン エルイーディー カンパニーリミテッド． (114)
【出願人】（５０４１２７７３９）光州科學技術院 (9)
【Ｆターム（参考）】
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