(57)【要約】      （修正有）【課題】接触抵抗が小さい補助電極を有する半導体装置を提供する。【解決手段】ｐ型半導体層１７を正電極２１に電気的に接続するために、ｐ型半導体層と正電極の間に補助電極層１０を設ける。この補助電極層は、ｐ型半導体層に接触する中間層１８を有しており、この中間層は、接触した金属酸化物層１９の仕事関数よりも大きな仕事関数を持つ導電材料であり、具体的には、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＷＯx、ＭｏＯxから成る導電材料群の中からいずれか一種以上を選択して成る選択材料を主成分とする薄膜で構成されており、補助電極層とｐ型半導体層との接触抵抗は低くなるようにされている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮを主成分とするｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の片面側に位置するＧａＮを主成分とするｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層の前記ｎ型半導体層とは反対側に位置する補助電極層と、
を有し、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に電圧が印加されて動作電流が流れ、発光する発光ダイオード素子であって、
前記補助電極層は、前記ｐ型半導体層と接触して設けられた透明な中間層と、前記中間層に接触して設けられた透明な金属酸化物層とを有し、
前記中間層は、接触される前記金属酸化物層の仕事関数よりも高い仕事関数を有する薄膜である発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記中間層は、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＷＯx、ＭｏＯxから成る導電材料群の中からいずれか一種以上を選択して成る選択材料を主成分とする薄膜である請求項１記載の発光ダイオード素子。
【請求項３】
前記金属酸化物層は、ＩＴＯ層である請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の発光ダイオード素子。
【請求項４】
前記ｎ型半導体層は、ｎ型ＧａＮ層を有し、
前記ｎ型ＧａＮ層と前記ｐ型半導体層との間には、多重量子井戸層が設けられた請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の発光ダイオード素子。
【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の技術分野に係り、特に、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層との間の接触抵抗が小さい透明電極を有する発光ダイオード素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、ｐｎ接合を基本にし、孔と電子とが再結合して放出する光を利用している。
近年では高寿命、高効率な発光素子として、液晶用バックライトや照明の用途で普及が進んでいる。
特にＧａＮ系ＬＥＤはバンドギャップが大きいため、青紫半導体レーザーや青色の発光ダイオードに用いられている。
【０００３】
ｐ−ＧａＮのドーパントには一般的にＭｇが用いられるが、ＧａＮ中のＭｇは活性化率が低く、高キャリア密度のｐ−ＧａＮを得ることは困難である。
このため、ｐ型ＧａＮと電極のコンタクト抵抗は高くなりやすく、ＬＥＤ素子の駆動電圧を増加させる要因になっている。
【０００４】
また、ＬＥＤではｐ−ＧａＮの電極材料としてＩＴＯ等、金属酸化物層が用いられる。
金属酸化物電極を用いることで、金属電極を用いた際よりも透過率に優れた電極を形成することができるが、更なるＬＥＤの高発光効率化は常に求められ続けており、より透過率に優れる電極が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１７３２２２号公報
【特許文献２】特開２００８−１５３６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術の課題を解決するために、透過率が実用上充分な値を維持しながら、接触抵抗を小さくすることができる技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ｐ型ＧａＮの仕事関数が７ｅＶ程度であり、オーミック接続させるためには、ｐ型ＧａＮの仕事関数よりも大きな仕事関数を持つ金属をｐ型ＧａＮに接触させる必要がある。
【０００８】
そのような金属は存在せず、金属酸化物層は仕事関数がｐ型ＧａＮ層よりも低いことから、本願発明の発明者等は、ｐ型ＧａＮ層と金属酸化物層との間の抵抗は、ショットキー障壁によるものが支配的であると考え、ショットキー障壁を低下させるために、ｐ型ＧａＮ層よりは低いが、できるだけ大きな仕事関数を持つ金属をｐ型ＧａＮ層と金属酸化物層との間に配置したところ、予想通りｐ型ＧａＮ層と金属酸化物層との間の接触抵抗値が低下した。
【０００９】
本発明は、上記予想と実験結果に基づいて成されたものであり、本発明は、ＧａＮを主成分とするｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の片面側に位置するＧａＮを主成分とするｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層の前記ｎ型半導体層とは反対側に位置する補助電極層と、を有し、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に電圧が印加されて動作電流が流れ、発光する発光ダイオード素子であって、前記補助電極層は、前記ｐ型半導体層と接触して設けられた透明な中間層と、前記中間層に接触して設けられた透明な金属酸化物層とを有し、前記中間層は、接触される前記金属酸化物層の仕事関数よりも高い仕事関数を有する薄膜である発光ダイオード素子である。
本発明は発光ダイオード素子であって、前記中間層は、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＷＯx、ＭｏＯxから成る導電材料群の中からいずれか一種以上を選択して成る選択材料を主成分とする薄膜である発光ダイオード素子である。
本発明は発光ダイオード素子であって、前記金属酸化物層は、ＩＴＯ層である発光ダイオード素子である。
本発明は発光ダイオード素子であって、前記ｎ型半導体層は、ｎ型ＧａＮ層を有し、前記ｎ型ＧａＮ層と前記ｐ型半導体層との間には、多重量子井戸層が設けられた発光ダイオード素子である。
【発明の効果】
【００１０】
ｐ型半導体層と補助電極層との間の接触抵抗が小さいから、発光ダイオード素子を低消費電力で動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】(ａ)：補助電極層を形成する成膜対象物を説明するための図  (ｂ)：次工程で処理する処理対象物を説明するための図
【図２】本発明の発光ダイオード素子の一例を説明するための図
【図３】本発明の補助電極層を形成する成膜装置を説明するための図
【図４】仕事関数と抵抗率の比の値の関係を示すグラフ
【図５】(ａ)：ＴＬＭ法による接触抵抗の抵抗率の測定方法を説明するための図  (ｂ)：接触抵抗と伝搬長を求めるためのグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図２の符号３は、本発明の一例の発光ダイオード素子を示している。
この発光ダイオード素子３は、基板１３を有している。基板１３上には、ＧａＮを主成分とするｎ型半導体層１５と、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層１７とが配置されている。ここで、「ＧａＮを主成分とする」、の意味は、Ｇａの原子数とＮの原子数の合計数が、全原子の５０原子％よりも多くの割合で含有されていることを指すものとする。ｐ型又はｎ型のＧａＮ層の場合は、ｐ型又はｎ型のドーパント以外の原子は、ＧａとＮであり、ＧａＮは１００％に近い主成分であるが、「ＧａＮを主成分とする半導体」には、ＩｎＧａＮや、ＡｌＧａＮ等の半導体も含まれる。
【００１３】
ｎ型半導体層１５は、この発光ダイオード素子３ではｎ型ＧａＮ層であり、ｎ型半導体層１５のｎ型ＧａＮと、ｐ型半導体層１７のｐ型ＧａＮとは、エピタキシャル成長によって単結晶層にされている。ここでは、単結晶層を成長させるために、基板１３にはサファイヤの基板が用いられ、その基板１３の表面に、ｎ型のＧａＮから成るバッファー層１４が形成された後、バッファー層１４の表面に、ｎ型のＧａＮがエピタキシャル成長されて、ｎ型半導体層１５が形成されている。
【００１４】
また、発光効率を向上させるために、ｎ型半導体層１５上に多重量子井戸層１６が形成された後、多重量子井戸層１６上にｐ型半導体層１７と補助電極層１０とが形成される。
【００１５】
補助電極層１０は透明であり、ｐ型半導体層１７の表面上に、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層１７と接触して設けられた透明な中間層１８と、中間層１８の表面上に、中間層１８と接触して設けられた透明な金属酸化物層１９とを有している。
【００１６】
金属酸化物層１９は透明であり、ＩＴＯ(インジウム・スズ酸化物)、ＡＺＯ(アルミニウムドープ酸化亜鉛)、ＧＺＯ(ガリウムドープ酸化亜鉛)、ＩＺＯ(インジウム・亜鉛酸化物)の薄膜を金属酸化物層１９に用いることができるが、本発明は、低抵抗であることから、特にＩＴＯで形成された金属酸化物層１９が適している。
【００１７】
金属酸化物層１９は、一般に仕事関数の値が小さく、ＩＴＯ層の表面は、４．７ｅＶ程度である。中間層１８の仕事関数が、ｐ型半導体層１７よりも大きい場合は、ｐ型半導体層１７と中間層１８との間にオーミック接合が形成されるが、実使用できる中間層１８の導電材料の仕事関数は、ｐ型ＧａＮの仕事関数よりも小さいことが多く、特に金属の導電材料では、４ｅＶ程度であることが多い。
【００１８】
本発明では、中間層１８は片面がｐ型半導体層１７に接触されており、反対側の面が金属酸化物層１９に接触されているから、中間層１８の仕事関数は、中間層１８が接触した金属酸化物層１９の仕事関数よりも大きくなるように、中間層１８を構成する導電材料が選択されており、その導電材料には、例えば、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＷＯx、ＭｏＯxを用いることができる。従って、この中間層１８では、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＷＯx、ＭｏＯxから成る導電材料群の中からいずれか一種以上を選択して成る選択材料が主成分とされている。
選択材料が中間層１８の主成分であるとは、中間層１８を構成する物質の全原子数に対する、選択材料の原子数の割合が５０％よりも大きいことを意味している。
【００１９】
金属酸化物層１９上には、正電極２１が接触して形成されており、ｐ型半導体層１７は、中間層１８と金属酸化物層１９とを介して正電極２１に電気的に接続されている。
他方、ｎ型半導体層１５には、負電極２２が接触して形成されており、ここでは、ｎ型半導体層１５の、多重量子井戸層１６側の面が一部露出されて、負電極２２が形成され、ｎ型半導体層１５は負電極２２に電気的に接続されている。
【００２０】
従って、正電極２１と負電極２２の間に、正電極２１が負電極２２に対して正電圧となる電圧を印加すると、ｐ型半導体層１７とｎ型半導体層１５との間は順バイアスされ、多重量子井戸層１６に、ｐ型半導体層１７から正孔が注入され、ｎ型半導体層１５から電子が注入され、注入された正孔と電子が多重量子井戸層１６の内部で再結合し、発光光が生成される。
【００２１】
中間層１８の膜厚は、発光ダイオードの発光光が透過する場合は、発光光に対して透明であることが望ましいので、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚がよい。
多重量子井戸層１６と、ｐ型半導体層１７と、金属酸化物層１９とも、発光光に対して透明であり、多重量子井戸層１６の内部で生成された発光光のうち、ｐ型半導体層１７が位置する方向に向かう発光光は、多重量子井戸層１６と、ｐ型半導体層１７と、中間層１８と、金属酸化物層１９とを透過し、正電極２１が位置しない部分から、発光ダイオード素子３の外部に放出される。
【００２２】
ｎ型半導体層１５と、バッファー層１４と、基板１３とも、発光光に対して透明であり、基板１３の、ｎ型半導体層１５が配置された面とは反対側の面に反射層１２が設けられており、ｎ型半導体層１５が位置する方向に向かう発光光は、多重量子井戸層１６と、ｎ型半導体層１５と、バッファー層１４と、基板１３とを透過し、反射層１２で基板１３が位置する方向に反射され、反射層１２上の基板１３及び各層１４〜１９とを透過して、金属酸化物層１９から外部に放出される。
【００２３】
この発光ダイオード素子３の、中間層１８と金属酸化物層１９の形成工程について説明すると、図１(ａ)の符号２ａは、中間層１８と金属酸化物層１９とを形成する成膜対象物であり、基板１３上に、バッファー層１４と、ｎ型半導体層１５と、多重量子井戸層１６と、ｐ型半導体層１７とが形成された状態であり、ｐ型半導体層１７の表面は露出されている。
【００２４】
図３は、成膜装置４０であり、搬出入室４１と、成膜室４２とを有している。
成膜対象物２ａを搬出入室４１内に搬入し、真空排気装置４７ａによって搬出入室４１内を真空排気する。成膜室４２は、真空排気装置４７ｂによって予め真空排気されておりゲートバルブ４８を開け、成膜対象物２ａを成膜室４２内に移動させる。
【００２５】
成膜室４２の内部には、中間層用ターゲット４５と、金属酸化物ターゲット４６とが配置されている。
中間層用ターゲット４５は、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＷＯx、ＭｏＯxから成る導電材料群の中からいずれか一種以上を選択して成る選択材料を主成分にされており、その中間層用ターゲット４５が一個、又は、二個以上、成膜室４２の中に設けられている。
【００２６】
二個以上の中間層用ターゲット４５を成膜室４２に設ける場合は、各中間層用ターゲット４５は、異なる導電材料から成るものでもよく、導電材料が異なる複数の中間層用ターゲット４５が一緒にスパッタリングされてスパッタリング粒子がｐ型半導体層１７上に到達し、各中間層用ターゲット４５の導電材料を有する中間層１８が形成されてもよい。
【００２７】
金属酸化物ターゲット４６は、ここではＩＴＯで構成されている。
中間層用ターゲット４５や金属酸化物ターゲット４６には、除去することが困難な不純物は、微少量含まれる。
【００２８】
成膜室４２には、ガス導入装置４４が接続されており、成膜室４２の内部は、真空排気装置４７ｂによって真空排気されながら、ガス導入装置４４からスパッタガスが導入されており、成膜室４２の内部では、中間層用ターゲット４５と金属酸化物ターゲット４６とは、スパッタリングされている。
【００２９】
成膜対象物２ａは、成膜室４２内の搬送装置(不図示)によって、成膜室４２内を移動され、露出しているｐ型半導体層１７を中間層用ターゲット４５に対面させながら、中間層用ターゲット４５近くを通過させ、ｐ型半導体層１７の表面に、ｐ型半導体層１７と接触する中間層１８を形成する。
【００３０】
次に、露出している中間層１８を金属酸化物ターゲット４６と対面させながら成膜対象物２ａを移動させ、中間層１８の表面に、中間層１８と接触する金属酸化物層１９を形成し、次工程で処理する処理対象物を得る。図１(ｂ)の符号２ｂは、その処理対象物を示している。
【００３１】
処理対象物２ｂは、ゲートバルブ４８を開け、予め真空排気されている搬出入室４１に戻された後、成膜装置４０から取り出され、Ｎ2＋Ｏ2(Ｎ2：Ｏ2＝８：２)の雰囲気中で、５５０℃の温度でアニールされ、金属酸化物層１９が低抵抗化される。
【００３２】
次いで、部分的にエッチングされてｎ型半導体層１５の一部が露出された後、正電極２１が金属酸化物層１９の表面に形成され、負電極２２がｎ型半導体層１５上に形成され、反射層１２が形成されると、図２の発光ダイオード素子３が得られる。
【００３３】
次に、補助電極層１０をｐ型ＧａＮから成るｐ型半導体層１７に接触させ、ｐ型半導体層１７から補助電極層１０に向けて電流を流したときの、補助電極層１０とｐ型半導体層１７との間の接触抵抗の抵抗率(１０-2Ω・ｃｍ2)を測定した。
【００３４】
下記表１は、中間層１８を設けず、ＩＴＯ層である金属酸化物層１９から成る補助電極層１０を、ｐ型ＧａＮから成るｐ型半導体層１７に接触させたときの測定値を“１”とし、中間層１８とＩＴＯ層である金属酸化物層１９とを有する補助電極層１０の中間層１８をｐ型ＧａＮから成るｐ型半導体層１７に接触させたときの抵抗率を、中間層１８を設けなかったときの抵抗率に対する比の値で示した。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
Ｃｕ薄膜やＡｌ薄膜をｐ型ＧａＮ層と接触させて、ｐ型ＧａＮ層とＩＴＯ層との間に設けても、ＩＴＯ層をｐ型ＧａＮ層に接触させたときの抵抗値を低下させることはできなかったが、この表１から、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＷＯx、ＭｏＯxを導電材料とする中間層１８を補助電極層１０が有する場合は、中間層１８を設けない場合に比べて抵抗率が小さくなっていることが分かる。
【００３７】
ＩＴＯ層、ＡＺＯ層、ＩＺＯ層、又はＴｉＯ2層の仕事関数の最大値を４．７ｅＶとすると、その値よりも大きな仕事関数を持つＮｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＷＯx、ＭｏＯxを導電材料として選択された中間層１８では、抵抗率の比の値は、０．５５以下になっており、低電圧化、低消費電力のことから好ましいことが分かる。
【００３８】
他方、Ｒｅの中間層１８についても、抵抗率の比の値は“１”よりも小さくなり、中間層１８を設けない場合よりも抵抗率が小さくなるが、導電材料がＮｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＷＯx、ＭｏＯxの中間層１８の場合よりも大きくなっており、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＷＯx、ＭｏＯxが本発明の中間層１８として好ましい。
【００３９】
図４は、仕事関数を横軸にとり、接触抵抗の抵抗率の比の値を縦軸にとり、表１の中間層の測定値をプロットしたグラフである。
ＷＯx(仕事関数が９．２０)の中間層以外の中間層では、仕事関数が大きい方が抵抗率の比は小さくなっていることが読み取れる。仕事関数が大きくなるに従って、ショットキー障壁が小さくなっているからであると考えられる。
【００４０】
なお、表１の接触抵抗の抵抗率の測定はＴＬＭ法によって行った。ＴＬＭ法では、先ず、図５(ａ)に示すように、ｐ型半導体層１７上に、中間層１８1、１８2と、金属酸化物層１９1、１９2の二層構造で離間した二個一組の補助電極層１０1、１０2を、電極間隔Ｌを異ならせて複数組作成し、各組の補助電極層１０1、１０2の間に電流を流して抵抗値を測定した。この補助電極層１０1、１０2は長方形又は正方形であり、一辺同士が平行に対向して配置されている。
【００４１】
図５(ｂ)(横軸は電極間隔Ｌ、縦軸は測定抵抗値ＲT)に示すように、グラフ上に測定した抵抗値をプロットし、測定した抵抗値を結んだ直線Ｐを求めると、Ｙ軸切片の抵抗値ＲTが、電極間隔Ｌがゼロのときの抵抗値であり、測定した抵抗値ＲTと、ｐ型半導体層１７のシート抵抗ＲSと、一個の補助電極層１０1又は１０2当たりの接触抵抗ＲCと、電極間隔Ｌに対して直角な補助電極層１０1、１０2の幅Ｗと、電極間隔Ｌとの間の下記(１)式、
【００４２】
ＲT＝ＲS・Ｌ／Ｗ ＋ ２・ＲC …… (１)
【００４３】
から、ｘ軸切片の値は、二個の補助電極層１０1、１０2とｐ型半導体層１７との接触抵抗ＲCの合計値を示していることが分かる(＝２・ＲC)。
そして、グラフ上の直線Ｐを、電極間隔Ｌが負の領域に外挿し、Ｘ軸切片の値を求めると、その値から、ｐ型半導体層１７が接触抵抗Ｒｃになるときの長さである伝搬長ＬTが求められ、伝搬長ＬTを下記(２)式に代入すると、接触抵抗の抵抗率ρ(Ω・ｃｍ2)が求められる。
【００４４】
ρ＝Ｒｓ・ＬT2  ……(２)
【００４５】
なお、金属酸化物層に替え、金属層を用い、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層と金属層との間に中間層を形成し、抵抗率が低下された発光ダイオードも本発明に含まれる。
なお、上記ＩＴＯ膜のアニールは５５０℃で行ったが、５５０℃よりも低温でアニールしても、接触抵抗が大きくなる訳ではない。逆に、５５０℃よりも高温でアニールすることもでき、その場合も本願発明に含まれる。
【００４６】
金属酸化物層の仕事関数よりも大きな仕事関数のＷＯxの中間層では、オーミック接続を形成するため、金属酸化物層と、ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層との間の仕事関数を持ち、ショットキー接合を形成するのは、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＷＯxである。
【符号の説明】
【００４７】
３……発光ダイオード素子
１３……基板
１４……バッファー層
１５……ＧａＮを主成分とするｎ型半導体層
１６……多重量子井戸層
１７……ＧａＮを主成分とするｐ型半導体層
１８……中間層
１９……金属酸化物層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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