(57)【要約】【課題】従来の真空蒸着装置を用いて、光の取り出し効率の高い発光ダイオード素子とその製造方法を提供することである。【解決手段】  発光層１９上の透明電極膜１６を、低温（ＩＴＯ膜の場合は１００℃以下）に冷却しながら低い成膜レート（ＩＴＯ膜の場合は０．２６ｎｍ／ｓ以下）で蒸着することにより、表面の算術平均粗さが２．７ｎｍ以下で成膜できるので、透明電極膜１６と反射電極膜１７との界面の反射率が高く、光取り出し効率の高い発光ダイオード素子１０ｅが得られる。また、透明電極膜１６の成膜後に高速高温アニール（ＩＴＯ膜の場合は４００℃以上８５０℃未満）処理を行うことにより、透明電極膜１６の抵抗率が１．０×１０-3Ω・ｃｍ以下である実用上好ましい発光ダイオード素子１０ｅが得られる。【選択図】図１
2011060986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層と、前記発光層上に配置された透明電極膜と、前記透明電極膜上に配置された反射電極膜とを有し、
前記発光層から放出され、前記透明電極膜を透過した光は、前記反射電極膜で反射され、前記透明電極膜と前記発光層とを透過して外部に放出される発光ダイオード素子であって、
前記透明電極膜の前記反射電極膜と密着する面の算術平均粗さは２．７ｎｍ以下にされ、
前記透明電極膜の抵抗率は１．０×１０-3Ω・ｃｍ以下にされた発光ダイオード素子。
【請求項２】
発光層と、前記発光層上に配置されたＩＴＯ膜と、前記ＩＴＯ膜上に配置された反射電極膜とを有し、
前記発光層から放出され、前記ＩＴＯ膜を透過した光は、前記反射電極膜で反射され、前記ＩＴＯ膜と前記発光層とを透過して外部に放出される発光ダイオード素子の製造方法であって、
前記発光層が表面に露出する基板とＩＴＯ材料とを真空槽内に配置し、前記真空槽内を真空排気しながら前記ＩＴＯ材料を加熱融解して蒸気を発生させ、前記蒸気を前記基板の前記発光層上に到達させて、前記基板を１００℃以下の温度に冷却しながら、前記発光層上に前記ＩＴＯ膜を０．２６ｎｍ／ｓ以下の成膜レートで成膜する蒸着工程と、
前記基板を酸素ガスを含有するガスと接触させながら、４００℃以上８５０℃以下のアニール温度で高速高温アニール処理をするアニール工程と、
を有する発光ダイオード素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード素子及び発光ダイオード素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３の符号１１０は従来の発光ダイオード素子の一例を示している。
発光ダイオード素子１１０は、発光層１１９と、透明電極膜１１６と、反射電極膜１１７とを有している。発光層１１９はｎ型クラッド層１１３と、活性層１１４と、ｐ型クラッド層１１５とを有している。
透明基板１１１上にバッファ層１１２と、ｎ型クラッド層１１３とがこの順に配置され、ｎ型クラッド層１１３が一部露出するようにして、ｎ型クラッド層１１３上に活性層１１４と、ｐ型クラッド層１１５と、透明電極膜１１６と、反射電極膜１１７とがこの順で配置されている。
【０００３】
ｎ型クラッド層１１３の一部露出した面上には活性層１１４と離間して負端子１２２が配置され、反射電極膜１１７上には正端子１２１が配置されている。
不図示の直流電源の正極を正端子１２１に、負極を負端子１２２にそれぞれ電気的に接続し、正端子１２１と負端子１２２との間に直流電圧を印加して、直流電流を流すと、活性層１１４は光を放出する。
【０００４】
活性層１１４からｐ型クラッド層１１５側に放出された光は、透明電極膜１１６を透過し、反射電極膜１１７で反射され、透明電極膜１１６と発光層１１９とバッファ層１１２と透明基板１１１とを順に透過し、外部に放出される。
透明電極膜１１６としてはＩＴＯ膜が好んで用いられ、発光層１１９上に透明電極膜１１６を成膜する方法としては、発光層１１９に対するダメージを少なくするために、真空蒸着法が好んで採用されている。
【０００５】
従来、発光ダイオード素子に用いられるＩＴＯ膜の真空蒸着では、基板を２５０℃以上の温度に加熱し、かつ０．２ｎｍ／ｓ程度の成膜レートで成膜していた。
このような条件で成膜されたＩＴＯ膜表面の算術平均粗さは約２０ｎｍ以上であり、発光層から放出された光がＩＴＯ膜表面と反射電極膜との界面で散乱及び吸収されることにより、発光ダイオード素子の輝度が低下するという問題があった。
この問題を解決するために、特許文献１では交番電磁界を形成してＩＴＯ材料の蒸気をイオン化する方法が開示されているが、交番電磁界形成手段を備えた真空蒸着装置を新たに用意する必要があり、コスト面で好ましくなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１８２１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、従来の真空蒸着装置を用いて、光の取り出し効率の高い発光ダイオード素子とそ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】
【０００８】
本発明者らがＩＴＯ膜表面の算術平均粗さと、反射率との関係を調べたところ、算術平均粗さが小さいほど反射率が大きくなることが分かった。
発光ダイオード素子の発光光の波長は、例えば短波長（青系統）のもので４６０ｎｍであり、図４のグラフは、その波長での光の反射率と、ＩＴＯ膜表面の算術平均粗さとの関係を示している。
発光ダイオード素子として実用上必要な反射率は８０％以上であり、反射率８０％以上を得るために必要な算術平均粗さは２．７ｎｍ以下であることが図４のグラフから分かる。
【０００９】
係る知見に基づいて成された本発明は、発光層と、前記発光層上に配置された透明電極膜と、前記透明電極膜上に配置された反射電極膜とを有し、前記発光層から放出され、前記透明電極膜を透過した光は、前記反射電極膜で反射され、前記透明電極膜と前記発光層とを透過して外部に放出される発光ダイオード素子であって、前記透明電極膜の前記反射電極膜と密着する面の算術平均粗さは２．７ｎｍ以下にされ、前記透明電極膜の抵抗率は１．０×１０-3Ω・ｃｍ以下にされた発光ダイオード素子である。
本発明は、発光層と、前記発光層上に配置されたＩＴＯ膜と、前記ＩＴＯ膜上に配置された反射電極膜とを有し、前記発光層から放出され、前記ＩＴＯ膜を透過した光は、前記反射電極膜で反射され、前記ＩＴＯ膜と前記発光層とを透過して外部に放出される発光ダイオード素子の製造方法であって、前記発光層が表面に露出する基板とＩＴＯ材料とを真空槽内に配置し、前記真空槽内を真空排気しながら前記ＩＴＯ材料を加熱融解して蒸気を発生させ、前記蒸気を前記基板の前記発光層上に到達させて、前記基板を１００℃以下の温度に冷却しながら、前記発光層上に前記ＩＴＯ膜を０．２６ｎｍ／ｓ以下の成膜レートで成膜する蒸着工程と、前記基板を酸素ガスを含有するガスと接触させながら、４００℃以上８５０℃以下のアニール温度で高速高温アニール処理をするアニール工程と、を有する発光ダイオード素子の製造方法である。
【００１０】
なお、算術平均粗さ（Ｒａ）はＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１に規定されている。
本発明は上記のように構成されており、透明電極膜表面の算術平均粗さが小さいと、その表面に反射電極膜を形成したときに、反射電極膜の透明電極膜と密着する面が平滑になるので、反射電極膜で光の散乱や吸収が起こらず、反射率が高くなる。
【発明の効果】
【００１１】
表面の算術平均粗さの小さいＩＴＯ膜が作成できるため、光の取り出し効率の高い発光ダイオード素子が作成可能となる。
従来の真空蒸着装置を用いることができるので、新たに特別な真空蒸着装置を用意するためのコストがかからない。
スパッタ法に比べて透明電極膜の成膜中に発光層が受けるダメージが少ないので、発光量が減少しない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）〜（ｅ）：本発明の発光ダイオード素子の製造方法を説明するための図
【図２】透明電極膜の真空蒸着装置の構造を説明するための図
【図３】従来の発光ダイオード素子の構造を説明するための図
【図４】ＩＴＯ膜表面の算術平均粗さと反射率との関係を示すグラフ
【図５】基板加熱温度とＩＴＯ膜表面の算術平均粗さとの関係を示すグラフ
【図６】ＩＴＯ膜の成膜レートと表面の算術平均粗さとの関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明である発光ダイオード素子の構造について説明する。
図１（ｅ）の符号１０ｅは本発明である発光ダイオード素子を示している。
発光ダイオード素子１０ｅは発光層１９と透明電極膜１６と反射電極膜１７とを有している。発光層１９は、ｎ型クラッド層１３と、活性層１４と、ｐ型クラッド層１５とを有している。
【００１４】
透明な透明基板１１上にバッファ層１２が配置され、バッファ層１２上にｎ型クラッド層１３が配置されている。
ｎ型クラッド層１３上には、ｎ型クラッド層１３が一部露出するようにして、活性層１４と、ｐ型クラッド層１５と、透明電極膜１６と、反射電極膜１７とがこの順に配置されている。
透明電極膜１６は透明な導電性物質からなり、ここではＩＴＯ膜が用いられている。また反射電極膜１７には、ここではＡｇ膜が用いられている。
反射電極膜１７上には正端子２１が配置され、ｎ型クラッド層１３の露出した面上には活性層１４と離間して負端子２２が配置されている。
【００１５】
不図示の直流電源の正極を正端子２１に、負極を負端子２２にそれぞれ電気的に接続し、正端子２１と負端子２２との間に直流電圧を印加して、直流電流を流すと、活性層１４は光を放出する。
活性層１４からｐ型クラッド層１５側に放出された光は、透明電極膜１６を透過し、反射電極膜１７で反射され、透明電極膜１６と発光層１９とバッファ層１２と透明基板１１とを順に透過し、外部に放出される。
後述する製造方法により、透明電極膜１６の反射電極膜１７と密着する面の算術平均粗さは２．７ｎｍ以下にされ、透明電極膜１６の抵抗率は１．０×１０-3Ω・ｃｍ以下にされている。
【００１６】
透明電極膜１６の反射電極膜１７と密着する面の算術平均粗さが２．７ｎｍ以下であるために、活性層１４が放出する光の波長が４６０ｎｍである場合、反射電極膜１７に入射する光の８０％以上が散乱又は吸収されずに反射される。
また、透明電極膜１６の抵抗率が１．０×１０-3Ω・ｃｍ以下であるために、この発光ダイオード素子１０ｅは発光ダイオードとしての用途に好ましく用いることができる。
【００１７】
次に、発光ダイオード素子１０ｅの製造装置について説明する。
図２の符号３０は透明電極膜１６の真空蒸着装置を示している。
真空蒸着装置３０は、真空槽３９と、ステージ３２と、るつぼ３１とを有している。
真空槽３９には真空排気装置４１が設けられ、真空槽３９内は真空排気可能にされている。
【００１８】
ステージ３２とるつぼ３１は真空槽３９内に配置されている。
ステージ３２のるつぼ３１と対向する面には、基板保持面３６が設けられている。基板保持面３６は静電吸着等により基板を保持可能に構成されている。
またステージ３２には不図示の冷却パイプが設けられ、冷却パイプに制御装置４５から温度管理された冷却媒体を流すことにより、基板保持面３６上の基板を所定の温度に冷却可能にされている。
【００１９】
るつぼ３１のステージ３２と対向する面には、凹形状の凹部３４が設けられている。
るつぼ３１の凹部３４とは逆側には加熱装置として、ここでは電子ビーム発生装置３５が配置されている。電子ビーム発生装置３５には真空槽３９の外側に配置された電源装置４２が電気的に接続されている。電源装置４２には制御装置４５が接続されている。
【００２０】
真空槽３９内を真空排気しながら、電源装置４２から電子ビーム発生装置３５に電力を供給すると、電子ビーム発生装置３５は真空槽３９内に電子を放出する。放出された電子は不図示のコイルによる磁場を通過して進路を曲げられて、凹部３４内の蒸着材料に入射し、蒸着材料を加熱可能にされている。
るつぼ３１とステージ３２の間にはシャッター３３が配置されている。シャッター３３には制御装置４５が接続され、所定のタイミングで開閉可能にされている。
【００２１】
次に、発光ダイオード素子１０ｅの製造方法について説明する。図１（ａ）〜（ｄ）の符号１０ａ〜１０ｄは各製造工程における処理対象物を示している。
まず、図１（ａ）に示すように、透明基板１１上に、バッファ層１２と、ｎ型クラッド層１３と、活性層１４と、ｐ型クラッド層１５とを配置する。符号１０ａはこの処理対象物を示している。
次いで、蒸着工程として、処理対象物１０ａを真空蒸着装置３０の真空槽３９内に搬入し、ステージ３２の基板保持面３６上に、透明基板１１が基板保持面３６と対向し、ｐ型クラッド層１５がるつぼ３１側を向いて露出するように、保持する。
るつぼ３１の凹部３４内に、ＩＴＯ材料等の透明電極材料を配置する。
【００２２】
真空排気装置４１を起動して、真空槽３９内を真空排気する。以後、蒸着処理を終えるまで真空槽３９内の真空排気を継続する。
ステージ３２に設けられた冷却パイプに冷却媒体を流して処理対象物１０ａを所定の温度に冷却する。透明電極材料としてＩＴＯ材料を用いる場合には１００℃以下の温度が好ましい。以後、蒸着処理を終えるまで処理対象物１０ａの冷却を継続する。
【００２３】
シャッター３３を閉じた状態で、真空槽３９内を真空排気しながら、電源装置４２から電子ビーム発生装置３５に所定の電力を供給し、真空槽３９内に電子ビームを放出させ、凹部３４内の透明電極材料に照射させ、透明電極材料を加熱融解して蒸気を発生させる。
本発明における透明電極材料の加熱融解方法は電子ビーム照射法に限定されず、抵抗加熱法等の加熱方法により透明電極材料を加熱融解させて、蒸気を発生させてもよい。
【００２４】
シャッター３３を開けて、透明電極材料の蒸気を処理対象物１０ａのｐ型クラッド層１５上に到達させ、図１（ｂ）に示すように、ｐ型クラッド層１５上に透明電極膜１６を成膜する。
透明電極膜１６の成膜中は、電子ビームを所定の出力値に設定し、所定の成膜レートで成膜させる。透明電極膜１６としてＩＴＯ膜を成膜する場合には０．２６ｎｍ／ｓ以下の成膜レートが好ましい。
【００２５】
透明電極膜１６を所定の膜厚で成膜したのち、シャッター３３を閉じ、電子ビーム発生装置３５への電力供給を止めて、蒸着処理を終了する。図１（ｂ）の符号１０ｂは蒸着処理後の処理対象物を示している。
後述する実施例に示すように、透明電極膜１６としてＩＴＯ膜を成膜する場合には、処理対象物１０ａを１００℃以下の温度に冷却しながら、０．２６ｎｍ／ｓ以下の成膜レートで蒸着することにより、ＩＴＯ膜表面の算術平均粗さを２．７ｎｍ以下にすることができる。
また透明電極膜１６を真空蒸着法により成膜することで、発光層１９にダメージを与えずに成膜することができる。
【００２６】
次いでアニール工程として、蒸着処理後の処理対象物１０ｂを真空槽３９から搬出し、酸素ガスを含有するガス雰囲気中に配置する。
処理対象物１０ｂを酸素ガスを含有するガスと接触させながら、透明電極膜１６に対してハロゲンランプ等から加熱光照射等の加熱方法により、高速高温アニール処理（ＲＴＡ）する。透明電極膜１６がＩＴＯ膜である場合には４００℃以上８５０℃以下のアニール温度が好ましい。
【００２７】
後述する実施例に示すように、４００℃以上８５０℃以下のアニール温度での高速高温アニール処理により、透明電極膜１６がＩＴＯ膜である場合には、ＩＴＯ膜表面の算術平均粗さはアニール処理前と変わらずに、ＩＴＯ膜の抵抗率を１．０×１０-3Ω・ｃｍ以下にすることができる。
【００２８】
次いで、アニール処理後の処理対象物１０ｂを不図示の成膜装置に搬入して、真空蒸着法やスパッタ法等により、図１（ｃ）に示すように、透明電極膜１６上に反射電極膜１７を成膜する。図１（ｃ）の符号１０ｃは反射電極膜１７を成膜後の処理対象物を示している。
【００２９】
次いで、反射電極膜１７を成膜後の処理対象物１０ｃを不図示のエッチング装置に搬入し、反射電極膜１７と、透明電極膜１６と、ｐ型クラッド層１５と、活性層１４とを部分的にエッチングして除去し、ｎ型クラッド層１３を一部露出させる。図１（ｄ）の符号１０ｄは、エッチング処理後の処理対象物を示している。
【００３０】
次いで、エッチング処理後の処理対象物１０ｄを不図示の成膜装置に搬入して、真空蒸着法やスパッタ法等により、図１（ｅ）に示すように反射電極膜１７上に正端子２１を形成し、ｎ型クラッド層１３の露出した面上に、活性層１４と離間して、負端子２２を形成する。
上述した工程により発光ダイオード素子１０ｅが製造される。
【００３１】
上述の製造方法では、反射電極膜１７を成膜後に、反射電極膜１７と一緒に透明電極膜１６とｐ型クラッド層１５と活性層１４とをエッチングして部分的に除去したが、本発明はこれに限定されず、透明電極膜１６とｐ型クラッド層１５と活性層１４とをエッチングして部分的に除去した後、反射電極膜１７を成膜してもよい。
【実施例】
【００３２】
＜実施例１＞
蒸着工程において、処理対象物とＩＴＯ材料とを真空槽３９内に搬入したのち、真空槽３９内を１×１０-4Ｐａの圧力に真空排気した。次いで、真空槽３９内を真空排気しながら、電子ビーム発生装置３５から３６０Ｗの出力で電子ビームを発生させ、凹部３４内のＩＴＯ材料に照射し、ＩＴＯ材料を加熱融解させて、蒸気を発生させた。
【００３３】
成膜中の真空槽３９内が３．０×１０-2Ｐａの圧力になるように調圧しながら、シャッター３３を開いて、ＩＴＯ材料の蒸気を処理対象物に到達させ、ＩＴＯ膜の成膜を開始した。
なお、成膜中は、成膜レートを０．０５ｎｍ／ｓのレートに設定し、処理対象物を２４℃の温度に冷却していた。
ＩＴＯ膜を４０ｎｍの膜厚に成膜したのち、シャッター３３を閉じ、電子ビーム発生装置３５を停止して、蒸着処理を終了した。
次いで、処理対象物を真空槽３９内から搬出し、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いてＩＴＯ膜表面の算術平均粗さを測定した。
【００３４】
上述の測定を、成膜中の処理対象物を２４℃以上１５０℃以下の所定の温度に変更して繰り返した。
図５のグラフは成膜中の処理対象物の温度と、成膜後のＩＴＯ膜表面の算術平均粗さとの関係を示している。
図５のグラフから、算術平均粗さを２．７ｎｍ以下にするには、成膜中は処理対象物を１００℃以下の温度に冷却する必要があることがわかる。
【００３５】
＜実施例２＞
実施例１と同様の測定を、成膜中の処理対象物を２４℃の温度に冷却し、電子ビームを３６０Ｗ以上４６０Ｗ以下の出力に変更することにより、成膜レートを０．０５ｎｍ／ｓ以上０．４ｎｍ／ｓ以下の所定のレートに変更して繰り返した。
図６のグラフはＩＴＯ膜の成膜中の成膜レートと表面の算術平均粗さとの関係を示している。
図６のグラフから、算術平均粗さを２．７ｎｍ以下にするには、ＩＴＯ膜成膜中は成膜レートを０．２６ｎｍ／ｓ以下のレートにする必要があることがわかる。
【００３６】
＜実施例３＞
アニール工程において、窒素８０％、酸素２０％のガス雰囲気中にＩＴＯ膜蒸着後の処理対象物を配置した。このときアニール装置内の圧力は大気圧になるように調圧した。
ハロゲンランプを用いて、３５０℃のアニール温度で１分間の高速高温アニール処理（ＲＴＡ）をした。
次いで、処理対象物をアニール装置から搬出し、ＩＴＯ膜の抵抗率と算術平均粗さとを測定した。
【００３７】
上述の測定を、アニール温度を３５０℃以上８５０℃以下の所定の温度に変更して繰り返した。
表１はアニール温度とＩＴＯ膜の抵抗率及び算術平均粗さとの関係を示している。
【００３８】
【表１】
2011060986.tif 000003
【００３９】
表１から、アニール温度を変更しても算術平均粗さは変わらず、抵抗率を１．０×１０-3Ω・ｃｍ以下にするには、アニール温度を４００℃以上の温度にする必要があることがわかる。
【符号の説明】
【００４０】
１０ｅ……発光ダイオード素子
１６……透明電極膜
１７……反射電極膜
１９……発光層 
【図１】
2011060986.tif 000004
【図２】
2011060986.tif 000005
【図３】
2011060986.tif 000006
【図４】
2011060986.tif 000007
【図５】
2011060986.tif 000008
【図６】
2011060986.tif 000009