(57)【要約】【課題】p 型酸化物半導体に対して密着性に優れ、且つ低抵抗なオーミック電極およびこれを用いて優れた発光特性を実現する酸化物半導体発光素子ならびにそれらの製造方法を提供すること。【解決手段】p 型伝導を有する酸化物半導体上に形成され、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層と、前記 p型酸化物半導体および前記金属電極層のいずれとも接合面を有し遷移金属酸化物を含む酸化物電極層から成り、前記酸化物電極層と前記金属電極層がいずれも前記 p 型酸化物半導体に接する構造とすることを特徴とする酸化物半導体の電極、該電極を有する酸化物半導体発光素子、およびそれらの製造法。【選択図】  図１
2004207440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
p 型伝導を有する酸化物半導体上に形成され、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層と、前記 p型酸化物半導体および前記金属電極層のいずれとも接合面を有し遷移金属酸化物を含む酸化物電極層から成り、前記酸化物電極層と前記金属電極層がいずれも前記p 型酸化物半導体に接する構造とすることを特徴とする酸化物半導体の電極。
【請求項２】
前記金属電極層が Pd あるいは Pt のいずれかを含む請求項１記載の酸化物半導体の電極。
【請求項３】
前記酸化物電極層に含まれる遷移金属酸化物が、Ni、Ag、Cu、Ir および Re の酸化物のうち少なくとも 1 種を含む請求項１または請求項２記載の酸化物半導体の電極。
【請求項４】
前記酸化物電極層に含まれる遷移金属酸化物が、NiO、IrO2、Cu2Oおよび ReO3 より選択された 1 種以上を含む請求項１または請求項２記載の酸化物半導体の電極。
【請求項５】
前記酸化物電極層に含まれる遷移金属酸化物が、ABO3 で表されるペロブスカイトおよび類似構造複酸化物であり、元素 Aが Y、Bi、希土類およびアルカリ土類より選択された 1 種以上の元素を含み、元素 Bが Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Re、Os および Ir より選択された 1 種以上の遷移元素を含む請求項１または請求項２に記載の酸化物半導体の電極。
【請求項６】
基板上に少なくとも、酸化物半導体で構成される、 n 型クラッド層、活性層、p 型クラッド層、p 型コンタクト層を備えた酸化物半導体発光素子であって、前記 p 型コンタクト層上に、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層と、前記 p 型コンタクト層および前記金属電極層のいずれとも接合面を有し遷移金属酸化物を含む酸化物電極層から成り、前記酸化物電極層と前記金属電極層がいずれも 前記p 型コンタクト層に接する構造とする電極が形成されたことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記金属電極層が Pd あるいは Pt のいずれかを含む請求項６記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記酸化物電極層に含まれる遷移金属酸化物が、Ni、Ag、Cu、Ir および Re の酸化物のうち少なくとも 1 種を含む請求項６または請求項７記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記酸化物電極層に含まれる遷移金属酸化物が、NiO、IrO2、Cu2Oおよび ReO3 より選択された 1 種以上を含む請求項６または請求項７記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記酸化物電極層に含まれる遷移金属酸化物が、ABO3 で表されるペロブスカイトおよび類似構造複酸化物であり、元素 Aが Y、Bi、希土類およびアルカリ土類より選択された 1 種以上の元素を含み、元素 Bが Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Re、Os および Ir より選択された 1 種以上の遷移元素を含む請求項６または請求項７記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記金属電極層上あるいは前記酸化物電極層上に、Au を含むパッド電極が形成されて成る請求項6〜10記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記金属電極層と前記酸化物電極層の間に、Ag を含む金属中間層が形成されている請求項6〜11記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記金属電極層および前記酸化物電極層の厚みが 5〜100nm である請求項6〜12記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項１４】
p 型伝導を有する酸化物半導体上に、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層を形成する工程と、前記金属電極層をパターニングする工程と、遷移金属酸化物を含む酸化物電極層を、前記 p 型伝導を有する酸化物半導体および前記金属電極層のいずれとも接合面を有するように形成する工程を含むことを特徴とする酸化物半導体の電極の製造方法。
【請求項１５】
p 型伝導を有する酸化物半導体上に、遷移金属酸化物よりなる酸化物電極層を形成する工程と、前記酸化物電極層をパターニングする工程と、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層を、前記 p 型伝導を有する酸化物半導体および前記酸化物電極層のいずれとも接合面を有するように形成する工程を含むことを特徴とする酸化物半導体の電極の製造方法。
【請求項１６】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属酸化物を蒸着源とし、真空蒸着法で形成される請求項14または請求項15記載の酸化物半導体の電極の製造方法。
【請求項１７】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属を蒸着源とし、酸素雰囲気中における真空蒸着法で形成される請求項14または請求項15記載の酸化物半導体の電極の製造方法。
【請求項１８】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属酸化物を原料ターゲットとし、スパッタリング法で形成される請求項14または請求項15記載の酸化物半導体の電極の製造方法。
【請求項１９】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属を原料ターゲットとし、酸素雰囲気中におけるスパッタリング法で形成される請求項14または請求項15記載の酸化物半導体の電極の製造方法。
【請求項２０】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属酸化物を原料ターゲットとし、レーザアブレーション法で形成される請求項14または請求項15記載の酸化物半導体の電極の製造方法。
【請求項２１】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属を原料ターゲットとし、酸素雰囲気中におけるレーザアブレーション法で形成される請求項14または請求項15記載の酸化物半導体の電極の製造方法。
【請求項２２】
結晶成長装置を用いて p 型コンタクト層を最表面に有する酸化物半導体発光素子を形成する工程と、請求項14〜21のいずれかの電極の製造方法を適用して、前記結晶成長装置内で連続して前記 p 型コンタクト層上に、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層と、遷移金属酸化物を含む酸化物電極層より成る電極を形成する工程を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２３】
前記結晶成長装置がレーザアブレーション装置であり、結晶成長手法がレーザアブレーション法である請求項22記載の酸化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２４】
前記酸化物電極層および前記金属電極層を、酸素雰囲気中で熱処理する工程を含む請求項22または23記載の酸化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２５】
前記酸素雰囲気中での熱処理温度が 300〜400 ℃の範囲である請求項24記載の酸化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２６】
前記酸化物電極層および前記金属電極層を、酸素雰囲気中で熱処理する工程を含む請求項14〜22いずれかに記載の酸化物半導体の電極の製造方法。
【請求項２７】
前記酸素雰囲気中での熱処理温度が 300〜400 ℃の範囲である請求項26記載の酸化物半導体の電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、p 型酸化物半導体に対する低抵抗なオーミック電極およびこれを用いた酸化物半導体発光素子ならびにそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物材料は、誘電性、磁性、超伝導性など従来の半導体材料では実現出来ない多くの機能を持ち、また半導体材料としても既存材料の特質を補って余りある可能性を有している。
【０００３】
中でも酸化亜鉛 (ZnO) は、約 3.4eV のバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが 60meV と極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現出来る可能性がある。
【０００４】
なお、以下において ZnO 系半導体とは、ZnO およびこれを母体とした MgZnO あるいは CdZnOなどで表される混晶を含めるものとする。
【０００５】
ZnO は強いイオン性に起因する自己補償効果のために従来 p 型の導電型制御が困難であったが、アクセプタ不純物として窒素 (N) を用いることで p 型化が実現し、ZnO 系半導体を用いて高効率な発光素子を作製すべく、多くの研究がなされるようになった。
【０００６】
しかし、ZnO 中のアクセプタ準位は非常に深く、p 型化が実現した N アクセプタでさえ 200meV以上のイオン化エネルギーを必要とする。このため、p 型 ZnO 系半導体へ低抵抗なオーミック電極を形成する技術は、キャリアを活性層へ均一かつ高効率に注入するために極めて重要である。
【０００７】
p 型 ZnO 系半導体層のオーミック電極に関する従来の技術として、例えば、Ni、Ph、Pt、Pdおよびこれらの合金を含む第 1 の金属層と、第 1 の金属層とは異なる第 2 の金属あるいは合金を含む第 2 の金属層から成るオーミック電極を形成する技術が、特開 2001-168392 号公報（特許文献1）に開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開 2001-168392 号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、酸化物半導体は金属層との密着性に乏しい。このため、真空蒸着法やスパッタリング法など、生産性に優れた常法によって形成した電極はワイヤボンディング時や通電時に剥れたり劣化することが多く、信頼性において問題を有していた。
【００１０】
本発明は以上の課題に鑑みなされたものであって、p 型酸化物半導体に対して密着性に優れ、且つ低抵抗なオーミック電極およびこれを用いて優れた発光特性を実現する酸化物半導体発光素子ならびにそれらの製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、p 型酸化物半導体に対して密着性と低抵抗性を両立するオーミック電極材料とその構造および製造方法を鋭意検討した結果、白金族遷移元素を含む金属層と遷移金属酸化物層による多層構造を用いることで目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【００１２】
すなわち、本発明の酸化物半導体の電極は、p 型伝導を有する酸化物半導体上に形成され、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層と、前記 p 型酸化物半導体および前記金属電極層のいずれとも接合面を有し遷移金属酸化物を含む酸化物電極層から成り、前記酸化物電極層と前記金属電極層がいずれも前記p 型酸化物半導体に接する構造とすることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に少なくとも、酸化物半導体で構成される、 n 型クラッド層、活性層、p 型クラッド層、p 型コンタクト層を備えた酸化物半導体発光素子であって、前記 p 型コンタクト層上に、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層と、前記 p 型コンタクト層および前記金属電極層のいずれとも接合面を有し遷移金属酸化物を含む酸化物電極層から成り、前記酸化物電極層と前記金属電極層がいずれも前記 p 型コンタクト層に接する構造とする電極が形成されたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の酸化物半導体の電極は、金属層と酸化物層による多層構造を有しており、この点で金属層の多層構造である前記従来の技術とは異なる。
【００１５】
p型酸化物半導体上に形成される層は、金属電極層または遷移金属酸化物を含む酸化物電極層の何れであってもよい。但し、「形成される順序」は何れであってもよいが、「ｐ型酸化物半導体上に形成される層」更には「ｐ型酸化物半導体に接触している層」は金属電極層および（遷移金属酸化物を含む）酸化物電極層の両方でなければならない。
【００１６】
白金族遷移元素である Pd、Rh、Ru、Os、Ir および Pt は仕事関数が大きく、p 型ワイドギャップ半導体に対する低抵抗オーミック電極として用いることが出来る。一方、遷移金属酸化物は酸化物半導体に対する親和性に優れ、密着性が強い。よって、p型酸化物半導体上に、金属電極層および遷移金属酸化物を含む酸化物電極層を形成して（積層順序はどちらでもよい）電極を構成する場合、前記p 型酸化物半導体および前記金属電極層のいずれとも接合面を有し、かつ、酸化物電極層と金属電極層がいずれも p 型酸化物半導体に接する構造とすることにより、抵抗が低く密着性に優れた p 型オーミック電極を形成することが出来、酸化物半導体を用いた電子デバイスの電気特性および信頼性が格段に向上する。
【００１７】
酸化物半導体発光素子の p 型コンタクト層に、白金族遷移元素を含む低抵抗な金属電極層を形成することにより、キャリア注入効率が格段に向上し、発光効率に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。また、密着性に優れた遷移金属酸化物より成る酸化物電極層を形成し、酸化物電極層と金属電極層がいずれも p型酸化物導体に接する構造とすることにより、密着性が向上する。このため、フリップチップ方式を用いずワイヤボンディングを行なうことが出来るので、発光素子を小型化出来、ワイヤボンディング時の電極剥れが生じないため製造歩留まりが向上する。
【００１８】
これらのことにより、発光効率、信頼性および生産性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
【００１９】
本発明において「酸化物半導体」とは、ZnO系半導体、In2O3系半導体、SnO2系半導体、銅酸化物半導体、一部の超伝導酸化物母体材料などをいい、本発明は特にZnO系半導体に有用である。そして本明細書においては ZnO 系半導体とは、ZnO およびこれを母体とした MgZnO あるいは CdZnOなどで表される混晶を含めるものとする。より好ましい態様は、それらの酸化物半導体で構成される発光素子（レーザーを含む）の構成要素としてｐ-ZnO系コンタクト層上に上記電極構造を形成することである。
【００２０】
なお、前記「活性層」は、発光ダイオード素子の場合には「発光層」と称されるが、発光を司る層という意味において同義であるので、以下においては特に区別しない。
【００２１】
一実施形態の酸化物半導体の電極および酸化物半導体発光素子は、前記金属電極層が少なくともPd あるいは Pt のいずれかを含む。
【００２２】
白金族遷移元素の中でも、Pd、Pt は特に p 型酸化物半導体に対するオーミック特性に優れ、低抵抗な p 型オーミック電極を形成出来る。また、これを適用した酸化物半導体発光素子は、省電力性と発光特性に優れる。
【００２３】
一実施形態の酸化物半導体の電極および酸化物半導体発光素子は、前記酸化物電極層に含まれる遷移金属酸化物が、Ni、Ag、Cu、Ir、Re の酸化物のうち少なくとも 1 種を含む。
【００２４】
Ni、Ag、Cu、Ir、Re の酸化物はいずれも導電性を有し、p 型酸化物半導体に対するオーミック電極として作用する。これらの遷移金属酸化物を電極層として形成すると、密着性の向上のみならず、Ni、Ag、Cu、Ir、Re以外の遷移金属酸化物を酸化物電極層として用いた場合に比べてp 型オーミック電極が更に低抵抗化し、信頼性と省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００２５】
一実施形態の酸化物半導体の電極および酸化物半導体発光素子は、NiO、 IrO2、 Cu2O およびReO3 より選択された 1 種以上を含む。
【００２６】
前記の導電性遷移金属酸化物の中でも、NiO、 IrO2、Cu2O および ReO3 は安定した p型半導体的性質を持ち、NiO、 IrO2、Cu2O および ReO3以外の遷移金属酸化物を酸化物電極層として用いた場合に比べてp 型オーミック電極が更に低抵抗化する。
【００２７】
一実施形態の酸化物半導体の電極および酸化物半導体発光素子は、前記酸化物電極層に含まれる遷移金属酸化物が、ABO3 で表されるペロブスカイトおよび類似構造複酸化物であり、元素 Aが Y、Bi、希土類およびアルカリ土類より選択された 1 種以上の元素を含み、元素 B が Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Re、Os および Ir より選択された 1 種以上の遷移元素を含む。
【００２８】
ペロブスカイトおよび類似構造複酸化物は、ウルツ鉱型の結晶構造を有する ZnO 系半導体との親和性に優れ、特に前記の組成を有する酸化物は p 型 ZnO 系半導体と低抵抗なオーミック接触を形成するので、低抵抗で密着性に優れた p 型オーミック電極が得られる。
【００２９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記 p 型コンタクト層と接した前記酸化物電極層上にAu を含むパッド電極が形成されて成る。
Au は低抵抗でワイヤをボンディングするパッド電極として好適であり、また酸化物半導体に対してドナー不純物として作用しないので、p 型オーミック電極上に形成しても電極が高抵抗化しない。よって、信頼性と省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００３０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記金属電極層と前記酸化物電極層の間に、Ag を含む金属中間層が形成されている。
【００３１】
Ag は低抵抗で青色〜紫外光に対する反射率が最も高い。よってこれを中間層としてオーミック電極間に形成することにより、密着性と低抵抗なオーミック接触を損うことなく、電極へ入射した発光の反射率を向上させることが出来、発光効率が格段に向上する。
【００３２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記金属電極層および酸化物電極層の厚みが 5〜100nmであるので、発光の透光性が高く光取り出し効率が向上する。よって、発光効率に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００３３】
また、本発明の第 1 の酸化物半導体の電極の製造方法は、p 型伝導を有する酸化物半導体上に、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層を形成する工程と、前記金属電極層をパターニングする工程と、遷移金属酸化物を含む酸化物電極層を、前記 p型伝導を有する酸化物半導体および前記金属電極層のいずれとも接合面を有するように形成する工程を含むことを特徴とする。
【００３４】
低抵抗なオーミック電極となる金属電極層を先ず形成することで、オーミック抵抗を低減し、その後に密着性の強い酸化物電極層を金属電極層より大きな面積で積層する酸化物電極層をp 型伝導を有する酸化物半導体および金属電極層のいずれとも接合面を有するように積層することにより、p 型酸化物半導体に強く密着した酸化物半導体電極を形成出来る。
【００３５】
また、本発明の第 2 の酸化物半導体の電極の製造方法は、p 型伝導を有する酸化物半導体上に、遷移金属酸化物よりなる酸化物電極層を形成する工程と、前記酸化物電極層をパターニングする工程と、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層を、前記 p 型伝導を有する酸化物半導体および前記酸化物電極層のいずれとも接合面を有するように形成する工程を含むことを特徴とする。
【００３６】
酸化物電極層を先ず形成することで、後に金属電極層を形成することにより、酸化物電極層が金属電極層の密着性を強化する役割を果し、信頼性に優れオーミック抵抗の低い酸化物半導体電極を形成出来る。
【００３７】
一実施形態の酸化物半導体の電極の製造方法は、前記遷移金属酸化物を蒸着源とした真空蒸着法で形成される。
【００３８】
真空蒸着法は量産性の高い電極形成法であり、電極の歩留まりを向上させ低コストで製造出来る。また、遷移金属酸化物を蒸着源として用いることにより、装置内に O2 ガスを導入する必要が無く、本発明の電極を簡便に作製出来る。
【００３９】
一実施形態の酸化物半導体の電極の製造方法は、前記酸化物電極層は、前記遷移金属を蒸着源として酸素雰囲気中における真空蒸着法で形成される。
【００４０】
金属元素は高純度な原料を安価に入手出来るため、これを蒸着源に用いることにより特性に優れた電極を低コストで製造出来る。また、酸素雰囲気中で蒸着することにより、オーミック抵抗の低い酸化物電極層を形成出来る。
【００４１】
一実施形態の酸化物半導体の電極の製造方法は、前記酸化物電極層は、前記遷移金属酸化物を原料ターゲットとしたスパッタリング法で形成される。
【００４２】
スパッタリング法は量産性の高い電極形成法であり、電極の歩留まりを向上させ低コストで製造出来る。また、遷移金属酸化物を原料ターゲットとして用いることにより、装置内に O2 ガスを導入する必要が無く、本発明の電極を簡便に作製出来る。
【００４３】
一実施形態の酸化物半導体の電極の製造方法は、前記酸化物電極層は、前記遷移金属を原料ターゲットとした酸素雰囲気中におけるスパッタリング法で形成される。
【００４４】
金属元素は高純度な原料を安価に入手出来るため、これを原料ターゲットに用いることにより、特性に優れた電極を低コストで製造出来る。また、酸素雰囲気中でスパッタリングすることにより、オーミック抵抗の低い酸化物電極層を形成出来る。
【００４５】
一実施形態の酸化物半導体の電極の製造方法は、前記酸化物電極層は、前記遷移金属酸化物を原料ターゲットとしたレーザアブレーション法で形成される。
【００４６】
レーザアブレーション法は極めて高い品質の電極を形成出来る成膜手法であり、遷移金属酸化物を原料ターゲットとして用いることにより、オーミック抵抗が低く信頼性に優れた電極を簡便に作製出来る。
【００４７】
一実施形態の酸化物半導体の電極の製造方法は、前記酸化物電極層は、前記遷移金属を原料ターゲットとした酸素雰囲気中におけるレーザアブレーション法で形成される。
【００４８】
金属元素は高純度な原料を安価に入手出来るため、これを原料ターゲットに用いることにより、特性に優れた電極を低コストで製造出来る。また、酸素雰囲気中でアブレーションすることにより、オーミック抵抗の低い酸化物電極層を形成出来る。
【００４９】
また、本発明の酸化物半導体発光素子の製造方法は、結晶成長装置を用いて p型コンタクト層を最表面に有する酸化物半導体発光素子を形成する工程と、前記結晶成長装置内で連続して前記 p型コンタクト層上に、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層と、遷移金属酸化物を含む酸化物電極層より成る電極を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００５０】
結晶成長から電極形成までを結晶成長装置内で連続して行うことにより、特に水分などの汚染物の付着を防ぐことが出来るため、電極の密着性が更に向上し、オーミック抵抗が低減する。
【００５１】
一実施形態の酸化物半導体の電極の製造方法は、前記結晶成長装置がレーザアブレーション装置であり、結晶成長手法がレーザアブレーション法である。
【００５２】
レーザアブレーション法は、極めて結晶性の高い酸化物半導体を、原子層レベルで制御しながら成長出来る。また、金属や金属酸化物の成長も簡便に行え、且つ高品質な薄膜が得られるので、半導体結晶から電極までを連続して成長出来且つ結晶性や電気特性に優れる。
【００５３】
一実施形態の酸化物半導体の電極および酸化物半導体発光素子の製造方法は、前記酸化物電極層および前記金属電極層を、酸素雰囲気中で熱処理する工程を含む。
【００５４】
熱 (アニール) 処理を行うことにより、酸化物半導体と電極の密着性およびオーミック特性は格段に向上する。特に酸素雰囲気中で熱処理を行うことにより、酸化物電極層からの酸素抜けを抑止して、低いオーミック抵抗を保ったまま密着性を向上させることが出来る。
【００５５】
一実施形態の酸化物半導体の電極および酸化物半導体発光素子の製造方法は、前記酸素雰囲気中での熱処理温度が 300〜400 ℃の範囲である。
【００５６】
300 ℃以上であれば密着性向上と抵抗低減効果が高く、400 ℃以下であれば、酸化物半導体素子が劣化せず、特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００５７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
(実施形態 1)
本実施形態では、本発明を ZnO 系発光ダイオード素子に適用した例を示す。
図 1 は本実施形態の発光ダイオード素子 100 の構造断面図である。
本実施形態の発光ダイオード素子 100 は、亜鉛面を主面とする ZnO 基板 101上に、Ga を3×1018cm-3 の濃度でドーピングした厚さ 1 μm の n 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 102、厚さ0.1 μm のノンドープ Cd0.1Zn0.9O 発光層 103、N を 1×1020cm-3の濃度でドーピングした厚さ1 μm の p 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 104、N を 5×1020cm-3の濃度でドーピングした厚さ 0.3μm の p 型 ZnO コンタクト層 105 が積層されている。
【００５８】
p 型 ZnO コンタクト層 105 の主表面全面には、厚さ 15nm の Pt を積層した透光性を有する金属電極層 106 が積層されている。Pt 金属電極層 106 は素子中央に直径 50 μm の開口部を有し、この開口部を埋めるように直径 150 μm で厚さ 30nm の NiO より成る酸化物電極層 107 が形成されている。発光ダイオード素子の場合、上部電極が厚ければ、全面に形成すると光取りだし効率が悪くなる。本実施形態では金属電極層は薄く透光性を有するようにし、酸化物電極層は金属電極層を密着させボンディングに支障のない面積に限定して、光取りだしを損なわない構造とした。NiO 酸化物電極層 107 は、p 型 ZnO コンタクト層 105 および Pt 金属電極層 106 のいずれとも接合面を有している。NiO 酸化物電極層 107 上には、直径 150 μm で厚さ 100nm のボンディング用 Au パッド電極 108 が積層されている。ZnO 基板 1 の裏面には n 型オーミック電極 109として厚さ 100nm の Al が積層されている。
【００５９】
本発明は、白金族遷移元素を含む金属電極層と遷移金属酸化物を含む酸化物電極層から成る p 型オーミック電極を備えたことに特徴を有している。
【００６０】
本発明の酸化物半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー (MBE)法、レーザ分子線エピタキシー (レーザ MBE) 法、有機金属気相成長 (MOCVD) 法などの結晶成長手法で作製することが出来るが、本実施形態の発光ダイオード素子 100 は、図 2 に示すレーザ分子線エピタキシー (レーザ MBE） 装置 200 で形成した。
【００６１】
超高真空に排気可能な成長室 201 の上部に基板ホルダー 202 が配置され、基板ホルダー 202 に基板 203 が固定されている。基板ホルダー 202 上部に配置されたヒーター 204 により基板ホルダー202 の裏面が加熱され、その熱伝導により基板 203 が加熱される。基板ホルダー 202 直下には適当な距離を置いてターゲットテーブル 205 が配置され、ターゲットテーブル 205 上には原料ターゲット 206 が複数配置出来る。ターゲット 206 の表面は成長室 201 の側面に設けられたビューポート207 を通じ照射されるパルスレーザ光 208 によりアブレーションされ、瞬時に蒸発したターゲット206 の原料が基板上に堆積することにより薄膜が成長する。ターゲットテーブル 205 は回転機構を有し、パルスレーザ光 208 の照射シーケンスに同期して回転を制御することにより、異なるターゲット原料を薄膜上に積層することが可能となる。また、成長室には複数のガスを導入出来るようガス導入管 210 が複数設けられており、ラジカルセル 209 によって活性化された原子状ビームを基板に照射することも可能である。
【００６２】
レーザ MBE 法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、また ZnGa2O4 などの意図しない副生成物の生成を抑えることが出来るので好ましい。
【００６３】
以下に製造方法を順に説明する。
まず、洗浄処理した ZnO 基板 101 をレーザ MBE 装置 200 に導入し、O2 ガスを流しながら成長室 201 内の圧力を 5×10-3Pa に調整し、温度 600 ℃で 30分間加熱し清浄化した。
【００６４】
次に基板温度を 550 ℃に降温し、ノンドープ ZnO 単結晶および Ga2O3 を添加した MgZnO 燒結体を原料ターゲットとし、回転機構によるターゲットテーブルの駆動周期と KrF エキシマレーザのパルス照射周期を外部制御装置 (図示しない) によって同期させ、前記原料ターゲットを所望の Mg組成と Ga ドーピング濃度が得られる比率で交互にアブレーションして n 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 102 を得た。アブレーションを行うパルスレーザには KrF エキシマレーザ (波長:248nm, パルス数:10Hz, 出力 1J/cm2) を用いた。成長中にはガス導入管 210a より、O2 ガスを導入した。
【００６５】
次に、ノンドープ ZnO 単結晶およびノンドープ CdO 単結晶を原料ターゲットとして交互アブレーションを行い、Cd0.1Zn0.9O 発光層 103 を成長させた。
【００６６】
次に、ガス導入管 210b より導入した N2 ガスをラジカルセル 209 でプラズマ化して照射しながら、ノンドープ ZnO 単結晶およびノンドープ MgZnO 燒結体を原料ターゲットとして交互アブレーションを行い、p 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 104 を成長させた。
【００６７】
次に、ガス導入管 210b より導入した N2 ガスをラジカルセル 209 でプラズマ化して照射しながら、ノンドープ ZnO 単結晶を原料ターゲットとしてアブレーションを行い、p 型 ZnO コンタクト層 105 を成長させた。
【００６８】
次に、O2 ガスの導入を停止して成長室 201 内の圧力を 1×10-4Pa に調整し、Pt タブレットを原料ターゲットとしてアブレーションを行い、Pt 金属電極層106 を成膜した。
【００６９】
次に、ZnO 基板 101 をレーザ MBE 装置 200 から取り出して、エッチングにより Pt 金属電極層106 に直径 50 μm の開口部を形成した。
【００７０】
次に ZnO 基板 101 を真空蒸着装置 (図示しない) へ導入し、O2 ガスを流しながら成長室 201 内の圧力を 5×10-3Pa に調整し、Ni タブレットを原料として電子ビーム蒸着を行い、NiO 酸化物電極層 107 を成膜した。
【００７１】
次に、O2 ガスの導入を停止して成長室 201 内の圧力を 1×10-4Pa に調整し、Au タブレットを原料として電子ビーム蒸着を行い、Au パッド電極 108 を成膜した。
【００７２】
次に、ZnO 基板 101 を真空蒸着装置から取り出して、エッチングにより NiO 酸化物電極層 107および Au パッド電極 108 を直径 150 μm に加工した。
【００７３】
次に、ZnO 基板 101 をアニール炉 (図示せず) に導入し、O2 ガスを流しながら常圧において温度 350 ℃で 1 分間アニールを行なった。
【００７４】
次に、ZnO 基板 101 を真空蒸着装置へ再度導入し、O2 ガスを導入せずに成長室 201 内の圧力を1×10-4Paに調整し、Al タブレットを原料として ZnO 基板 101 の裏面に電子ビーム蒸着を行い、n 型オーミック電極 109 を成膜した。
【００７５】
本実施形態の発光ダイオード素子を 300 μ m 角のチップ状に分離し、基板裏面に Ag ペーストを塗布して n 型オーミック電極 109 をリードフレーム (図示せず) の一方に接続し、Au パッド電極 108 をリードフレームの他方にワイヤボンディングした後、樹脂でモールドし発光させたところ、発光ピーク波長 410nmの青色発光が得られ、20mA の動作電流における動作電圧は 3.6V であった。
【００７６】
図 3 に、Pt 金属電極層 106 の層厚と発光ダイオード素子の動作電圧および発光強度の関係を示す。Pt 金属電極層 106 の層厚が 5nm を超えると動作電圧は減少し、100nm 以上でほぼ飽和する。一方、100nm 以上では電極の透光性も低下してくるので発光強度が急激に低下する。
【００７７】
以上の結果より、発光ダイオード素子の動作電圧を低く保ち、且つ高い発光強度を実現するためには、金属電極層の層厚は 5nm 以上 100nm 以下が好ましい。
【００７８】
また、100 個の発光ダイオード素子のチップをリードフレームに実装したところ、Au パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に電極剥れは 1 つも生じなかった。
【００７９】
比較例 1 として、O2 ガスを流さずに Ni を電子ビーム蒸着し、NiO 酸化物電極層 107 を Ni 金属電極層で構成した他は本実施形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Au パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に 25個が電極剥れを生じ、20 個の動作電圧は 5V 以上であった。
【００８０】
比較例 2 として、Pt 金属電極層 106 に開口部を設けずに NiO 酸化物電極層107 を形成した他は本実施形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Au パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に 10 個が電極剥れを生じ、8 個の動作電圧は 5V 以上であった。
【００８１】
すなわち、金属電極と酸化物半導体は密着性が弱く製造歩留まりが低いのに対し、本発明の電極構成では、酸化物電極層の介在によって密着性が向上し、特に金属電極層と酸化物電極層がいずれも酸化物電極層と接合面を有することにより、密着性は飛躍的に向上する。
【００８２】
本発明の酸化物半導体の電極は、金属電極層に白金族遷移元素 (Pd、Rh、Ru、Os、Ir および Pt)を用いることにより、p 型酸化物半導体と低抵抗なオーミック接触を実現出来るが、仕事関数の大きな Pd および Pt が特に好ましい。
【００８３】
比較例 3 として、Ni に代えて Ti を用い、NiO 酸化物電極層 107 を TiO2 酸化物電極層で構成した他は本実施形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Au パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に電極剥れは 1 つも生じなかったが、動作電圧は全て 5V 以上であった。
【００８４】
すなわち、酸化物層に用いる金属が n 型酸化物半導体に対するオーミック電極である場合には、p 型酸化物半導体に対する白金族遷移金属のオーミック接触を著しく阻害してしまうが、本発明の電極では、p 型オーミック電極として作用する金属酸化物を用いているので、低抵抗なオーミック接触と強い密着性を両立出来る。
【００８５】
酸化物電極層に用いる遷移金属には、本実施形態で用いた Ni の他に、Ag、Cu、Ir および Re を用いることが出来るが、密着性が最も強い Ni を用いることが好ましい。
【００８６】
比較例 4 として、p 型 ZnO コンタクト層 105 を成長後に ZnO 基板 101 をレーザ MBE 装置 200から取り出し、真空蒸着装置へ導入して Pt 金属電極層 106 を成膜した他は、本実施形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Au パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に 7 個が電極剥れを生じ、5 個の動作電圧は 5V以上であった。
【００８７】
すなわち、金属電極層を形成する際、p 型酸化物半導体を一旦大気に晒すと表面に水分などが付着し、オーミック特性と密着性を低下させてしまう。本発明の電極では、結晶成長装置内で連続して p 型コンタクト層上に金属電極層を形成したので、低抵抗なオーミック接触が得られ、密着性が向上する。
【００８８】
なお、本実施形態では金属電極層を形成後に装置から取り出して大気に晒しているが、酸化物電極層も結晶成長装置内で連続して形成すると、更に本発明の効果は高くなる。しかし、酸化物電極層も結晶成長装置内で連続して形成するには、結晶成長装置内で金属電極層を形成する際に開口部を有するよう、遮蔽マスクなどを用いて選択的に金属電極を成膜する必要があり、製造工程が複雑化し高コストとなる。本実施形態にて示したように、金属電極層のみを連続して成膜するのみでも、本発明は実用上問題無い効果を有する。
【００８９】
酸化物半導体から電極形成までを連続して行うには、結晶成長装置内に複数の成長室を設け、酸化物半導体を成長後に成長室を移動して電極形成を行うようにすればよいが、レーザアブレーション法は酸化物半導体を原子層レベルでエピタキシャル成長することが出来、また金属薄膜の形成にも適している。よってレーザアブレーション装置を用いると、原料ターゲットを変更するだけで同一成長室内で連続形成出来る。
【００９０】
比較例 5 として、p 型オーミック電極形成後のアニール処理を行なわない他は本実施形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Auパッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に 4 個が電極剥れを生じ、10 個の動作電圧は 5V 以上であった。
【００９１】
すなわち、本実施形態にて示すように、熱 (アニール) 処理を行うことにより、酸化物半導体と電極の密着性およびオーミック特性は格段に向上する。
【００９２】
アニール処理の温度は、300 ℃以上であれば密着性向上と抵抗低減効果が高く、400 ℃以下であれば、酸化物半導体素子が劣化しにくい。
【００９３】
また、アニール処理における雰囲気は O2 あるいは大気雰囲気中が好ましく、N2 では逆に抵抗が増大する。従って、n 型オーミック電極に Al など酸化し易い金属を用いる場合は、本実施形態のように先に p 型オーミック電極のアニール処理を行った後、n 型オーミック電極を形成することが好ましい。
【００９４】
比較例 6 として、Au パッド電極 108 を形成しない他は本実施形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。100 個のチップをリードフレームに実装したところ、60 個がワイヤボンディング出来ず、20 個が通電中に NiO 酸化物電極層 107 からワイヤーが外れた。
【００９５】
比較例 7 として、パッド電極 108 を Al で形成した他は本実施形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Al パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に電極剥れは 1 つも生じなかったが、動作電圧は全て 5V 以上であった。
【００９６】
すなわち、本発明の低いオーミック抵抗と強い密着性の効果を最大限に得るには、パッド電極を形成してワイヤボンディングを行うことが好ましく、パッド電極材料としてはボンディングが容易で且つ酸化物半導体中へ拡散してもドナー不純物とならない Au が好ましい。
【００９７】
以下、本実施形態において本発明の効果を最大限に得るための他の構成について記す。
【００９８】
n 型オーミック電極 109 には Ti、Cr、Al などを用いることが出来る。中でも低抵抗でコストの低い Al あるいは密着性の良い Ti が好ましい。前記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００９９】
Al 電極は青〜紫外光の反射率が高いため、裏面全面に形成しても光取り出し効率は高いが、電極を任意の形状にパターニングし、露出した基板裏面を Ag ペーストなどでリードフレームに接着しても良く、Ag の方が青〜紫外光の反射率が Al より高いため好ましい。
【０１００】
p 型 ZnO 系半導体層にドーピングするアクセプタ不純物としては、I 族元素の Li、Cu、Ag や V族元素の N、As、P などを用いることが出来るが、本発明の効果を最大限に得るためには、活性化率が高い N と Ag が特に好ましく、更に N は N2 をプラズマ化し結晶成長中に照射する手法によって、結晶性を良好に保って高濃度ドーピングが行えるので好ましい。
【０１０１】
n 型 ZnO 系半導体層にドーピングするドナー不純物には III 族元素の B、Al、Ga、In などを用いることが出来るが、ZnO 系半導体中での活性化率が高い Ga
または Al が好ましい。
【０１０２】
発光ダイオード素子の発光効率を向上させるには、p 型クラッド層 104 上に直接金属電極層 106を形成せず、p 型コンタクト層 105 を設けて低抵抗化し電流広がりを均一化することが好ましい。コンタクト層材料には、結晶性に優れキャリア濃度を高く出来る ZnO を用いることが好ましい。p型 ZnO コンタクト層 10５ に過剰にアクセプタ不純物ドーピングすると結晶性劣化が顕著となり、本発明の効果が減少するので、5×1016〜5×1019cm-3 のキャリア濃度範囲となるようドーピングされることが好ましい。
その他の構成は任意であり、本実施形態によって限定されるものではない
【０１０３】
(実施形態 2)
図 4 は本実施形態の発光ダイオード素子 100 の構造断面図である。
本実施形態の発光ダイオード素子は、金属電極層 106 を Pd で構成し、Au パッド電極 108 を NiO酸化物電極層 107 の面積より大きくなるように形成し、また、NiO 酸化物電極層 107 は O2 ガスとNi ターゲットを用いスパッタリング法で形成した他は実施形態 1 と同様である。
尚、図 4 中において、実施形態 1 と同様の構成要素については図 1 と同じ符号を用いている。
【０１０４】
本実施形態の発光ダイオード素子を実施形態 1 と同様の手法でリードフレームに実装し発光させたところ、発光ピーク波長 410nm の青色発光が得られた。また、Au パッド電極 108 が大きくなったので、20mA の動作電流における動作電圧は実施形態 1 に比べ 0.2V 低減したが、発光強度は 5%低下した。
【０１０５】
また、100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Au パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に電極剥れは 1 つも生じなかった。
【０１０６】
(実施形態 3)
本実施形態の発光ダイオード素子は、金属電極層 106 を Rh で構成し、また、NiO酸化物電極層 107 は O2 ガスと Ni ターゲットを用いレーザアブレーション法で形成した他は実施形態 1 と同様である。
【０１０７】
本実施形態の発光ダイオード素子を実施形態 1 と同様の手法でリードフレームに実装し発光させたところ、発光ピーク波長 410nm の青色発光が得られた。また、20mA の動作電流における動作電圧および発光強度はは実施形態 1 とほぼ同じであった。また、100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Au パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に電極剥れは 1 つも生じなかった。
【０１０８】
(実施形態 4)
図 5 は本実施形態の発光ダイオード素子 100 の構造断面図である。
本実施形態の発光ダイオード素子は、実施形態 2 における金属電極層 106 と酸化物電極層 107を逆（積層順序、形状および形成位置）にしている。すなわち、p 型 ZnO コンタクト層 105 の主表面全面に、厚さ 15nm の NiO より成る透光性酸化物電極層 107 が積層されている。NiO 酸化物電極層 107 は素子中央に直径 50 μmの開口部を有し、この開口部を埋めるように直径 150 μm で厚さ 30nm の Pd 金属電極層 106 が、p 型 ZnO コンタクト層 105 および NiO 酸化物電極層 107 のいずれにも接するように形成されている。
尚、図 5 中において、実施形態 2 と同様の構成要素については図 4 と同じ符号を用いている。
【０１０９】
本実施形態の発光ダイオード素子を実施形態 1 と同様の手法でリードフレームに実装し発光させたところ、発光ピーク波長 410nm の青色発光が得られた。
【０１１０】
本実施形態の発光ダイオード素子は、実施形態 2 に比べ動作電圧は 0.05V 増大したものの十分本発明の効果を有しており、高価な Pd 電極の形成面積が減少したためコストが大幅に減少した。発光強度は実施形態２の素子とほぼ同じであった。
【０１１１】
また、100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Au パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に電極剥れは 1 つも生じなかった。これは、Au パッド電極 108 と NiO 酸化物電極層 107 との接触面積が大きく、密着性が向上したためと考えられる。
【０１１２】
(実施形態 5)
本実施形態の発光ダイオード素子は、金属電極層 106 を Os で構成し、また、酸化物電極層 107 は O2 ガスと Cu タブレットを用い真空蒸着法で Cu2Oを形成した他は実施形態 4 と同様である。
【０１１３】
本実施形態の発光ダイオード素子を実施形態 1 と同様の手法でリードフレームに実装し発光させたところ、発光ピーク波長 410nm の青色発光が得られた。また、20mA の動作電流における動作電圧および発光強度はは実施形態 4 とほぼ同じであった。また、100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Au パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に電極剥れは 1 つも生じなかった。
【０１１４】
(実施形態 6)
本実施形態の発光ダイオード素子は、金属電極層 106 を Ir で構成し、また、酸化物電極層 107 は ReO3 ターゲットを用いレーザアブレーション法で ReO3 を形成した他は実施形態4 と同様である。
【０１１５】
本実施形態の発光ダイオード素子を実施形態 1 と同様の手法でリードフレームに実装し発光させたところ、発光ピーク波長 410nm の青色発光が得られた。また、20mA の動作電流における動作電圧および発光強度はは実施形態 4 とほぼ同じであった。また、100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Au パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に電極剥れは 1 つも生じなかった。
【０１１６】
(実施形態 7)
図 6 は本実施形態の発光ダイオード素子 100 の構造断面図である。
本実施形態の発光ダイオード素子は、NiO 酸化物電極層 107 と Au パッド電極 108 の間に、厚さ 100nm の Ag 中間層 110 を形成した他は、実施形態 1 と同様にして発光ダイオード素子を作製した。
尚、図 6 中において、実施形態 1 と同様の構成要素については図 1 と同じ符号を用いている。
【０１１７】
本実施形態の発光ダイオード素子を実施形態 1 と同様の手法でリードフレームに実装し発光させたところ、発光ピーク波長 410nm の青色発光が得られた。また、動作電圧は実施形態 1 とほぼ同じであったが、Au パッド電極に入射した発光が反射率の高い Ag 中間層 110 で反射されチップ側面から取り出されたため、発光強度は 10%増大した。
【０１１８】
(実施形態 8)
本実施形態では、ZnO 系半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示す。
図 7 は本実施形態の ZnO 系半導体レーザ素子 300 の構造斜視図である。
本実施形態の半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面とした n 型 ZnO 単結晶基板301 上に、厚さ 0.1 μm の ZnO バッファ層 302、Ga ドーピング濃度が 1×1018cm-3 で厚さ 1.0 μm の n 型 Mg0.1Zn0.9Oクラッド層 303、Ga ドーピング濃度が 5×1017cm-3で厚さ 30nm の n 型 ZnO 光ガイド層 304、ノンドープ量子井戸活性層 305、N ドーピング濃度が 5×1018cm-3 で厚さ 30nm の p 型 ZnO 光ガイド層 306、N ドーピング濃度が 1×1020cm-3で厚さ 1.2 μm の p 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層307 が積層されている。
【０１１９】
量子井戸活性層 305 は、厚さ 5nm の ZnO 障壁層 2 層と、厚さ 6nm の Cd0.1Zn0.9O 井戸層 3 層とが交互に積層されている。
p 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 307 はリッジストライプ状にエッチング加工され、側面は Ga が 1×1018cm-3 の濃度でドーピングされた n 型 Mg0.3Zn0.7O 電流ブロック層 309 によって埋め込まれている。リッジストライプ状のp 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 307およびn 型 Mg0.3Zn0.7O 電流ブロック層 309上には、N ドーピング濃度が 1×1020cm-3で厚さ 0.5 μm の p 型 ZnO コンタクト層 308 が積層されている。
【０１２０】
n 型 ZnO 基板 301 の下には n 型オーミック電極 310 が形成されている。
p 型 ZnO コンタクト層 308 の上には、リッジストライプより広く素子より狭い幅で、厚さ 100nmの Pt 金属電極層 311 が形成され、Pt 金属電極層 311 を覆うように厚さ 100nm の NiO 酸化物電極層 312 が形成され、最上面全面に Au
パッド電極 313 が形成されている。
【０１２１】
本実施形態の構造を作製後、ZnO 基板 301 を劈開して端面ミラーを形成し、保護膜を真空蒸着した後、素子を 300 μm に分離した。
本実施形態の半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長 400nm の青色発振光が得られた。
【０１２２】
比較例 8 として NiO 酸化物電極層 312 を形成しない他は本実施形態と同様に半導体レーザ素子を作製し、100 個のチップを実装したところ、30 個の素子が Au パッド電極 313 をワイヤボンディングする際に電極剥れを生じた。
【０１２３】
比較例 9 として Pt 金属電極層 311 を形成しない他は本実施形態と同様に半導体レーザ素子を作製したところ、本実施形態に比べて発振閾値電流が 20%増大し、光出力 5mW における動作電圧は 30%増大した。
【０１２４】
比較例 10 として、パッド電極 313 を Al で構成した他は本実施形態と同様に半導体レーザ素子を作製したところ、本実施形態に比べて発振閾値電流が 30%増大し、光出力 5mW における動作電圧は 50%増大した。
【０１２５】
以上のように、本発明の酸化物半導体の電極は半導体レーザ素子に適用しても十分な抵抗低減とレーザ特性の向上効果を有する。
【０１２６】
（実施形態9）
（酸化物電極層にIrO2を用いた実施形態）
本実施形態の発光ダイオード素子は、酸化物電極層 107 を IrO2 で構成した他は実施形態6 と同様である。
本実施形態の発光ダイオード素子を実施形態 1 と同様の手法でリードフレームに実装し発光させたところ、発光ピーク波長 410nm の青色発光が得られた。また、20mA の動作電流における動作電圧および発光強度はは実施形態 4 とほぼ同じであった。また、100 個のチップをリードフレームに実装したところ、Au パッド電極 108 をポストにワイヤボンディングする際に電極剥れは 1 つも生じなかった。
【０１２７】
【発明の効果】
本発明の酸化物半導体の電極によると、抵抗が低く密着性に優れた p 型電極を形成することが出来、酸化物半導体を用いた電子デバイスの信頼性が格段に向上する。
【０１２８】
本発明の酸化物半導体発光素子によると、基板上に少なくとも、酸化物半導体で構成される n 型クラッド層、活性層、p 型クラッド層、p 型コンタクト層を備えた酸化物半導体発光素子において、前記 p 型コンタクト層をp型伝導酸化物半導体として、その上に上記電極構造を形成することにより、抵抗が低く密着性に優れた p 型電極構造を形成することが出来、発光効率、信頼性および生産性に優れた酸化物半導体発光素子が実現出来る。
【０１２９】
前記金属電極層が少なくとも Pd あるいは Pt のいずれかを含む場合、特に酸化物半導体に対するオーミック特性に優れ、低抵抗な p 型オーミック電極を形成出来る。
【０１３０】
前記酸化物電極層に含まれる遷移金属酸化物が、 Ni、Ag、Cu、Ir、Re の酸化物のうち少なくとも 1 種を含む場合、密着性の向上と共に p 型オーミック電極が低抵抗化し、信頼性と省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【０１３１】
前記酸化物電極層に含まれる遷移金属酸化物が NiO、IrO2、Cu2O および ReO3より選択された 1 種以上を含むので、p 型オーミック電極が更に低抵抗化する。
【０１３２】
前記酸化物電極層に含まれる遷移金属酸化物が、ABO3 で表されるペロブスカイトおよび類似構造複酸化物であり、元素 A が Y、Bi、希土類およびアルカリ土類より選択された 1 種以上の元素を含み、元素 B が Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Re、Os および Ir より選択された 1 種以上の遷移元素を含むので、低抵抗で密着性に優れた p 型オーミック電極が得られる。
【０１３３】
前記 p 型コンタクト層とも接した電極層上に Au を含むパッド電極が形成する場合、ボンディング時の密着性に優れ、p 型オーミック電極上にAuパッド電極を形成しても電極が高抵抗化せず、信頼性と省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【０１３４】
前記金属電極層と前記酸化物電極層の間に、Ag を含む金属中間層を形成した場合、密着性と低抵抗なオーミック接触を損うことなく、電極へ入射した発光の反射率を向上させることが出来る。
【０１３５】
前記金属電極層および酸化物電極層の厚みを 5〜100nm とすることにより、光取り出し効率が向上し、発光効率に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【０１３６】
また、本発明の第 1 の酸化物半導体の電極の製造方法によると、p 型伝導を有する酸化物半導体上に、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層を形成する工程と、前記金属電極層をパターニングする工程と、遷移金属酸化物を含む酸化物電極層を、前記 p 型伝導を有する酸化物半導体および前記金属電極層のいずれとも接合面を有するように形成する工程を含むので、p 型酸化物半導体に強く密着し且つオーミック抵抗の低い酸化物半導体電極を形成出来る。
【０１３７】
本発明の第 2 の酸化物半導体の電極の製造方法によると、p 型伝導を有する酸化物半導体上に、遷移金属酸化物よりなる酸化物電極層を形成する工程と、前記酸化物電極層をパターニングする工程と、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Pt から選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層を、前記 p 型伝導を有する酸化物半導体および前記酸化物電極層のいずれとも接合面を有するように形成する工程を含むので、酸化物電極層と金属電極層の密着性が強化され、信頼性に優れオーミック抵抗の低い酸化物半導体電極を形成出来る。
【０１３８】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属酸化物を蒸着源とした真空蒸着法で形成できるので、本発明の電極を簡便に低コストで製造出来る。
【０１３９】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属を蒸着源として酸素雰囲気中における真空蒸着法で形成できるので、オーミック抵抗の低い電極を簡便に低コストで製造出来る。
【０１４０】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属酸化物を原料ターゲットとしたスパッタリング法で形成できるので、本発明の電極を簡便に低コストで製造出来る。
【０１４１】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属を原料ターゲットとした酸素雰囲気中におけるスパッタリング法で形成されるので、オーミック抵抗の低い電極を簡便に低コストで製造出来る。
【０１４２】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属酸化物を原料ターゲットとしたレーザアブレーション法で形成されるので、極めて高い品質の電極を簡便に作製出来る。
【０１４３】
前記酸化物電極層は、前記遷移金属を原料ターゲットとした酸素雰囲気中におけるレーザアブレーション法で形成できるので、極めて高い品質の電極を簡便に作製出来る。
【０１４４】
本発明の酸化物半導体発光素子の製造方法として、結晶成長装置を用いて p 型コンタクト層を最表面に有する酸化物半導体発光素子を形成する工程と、前記結晶成長装置内で連続して前記 p型コンタクト層上に、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Ptから選択された少なくとも 1 種の元素を含む金属電極層と、遷移金属酸化物を含む酸化物電極層より成る電極を形成する工程を経る場合、水分などの付着が防止され、電極の密着性が更に向上し、オーミック抵抗が低減する。
【０１４５】
前記結晶成長装置がレーザアブレーション装置であり、結晶成長手法がレーザアブレーション法である場合、極めて結晶性の高い酸化物半導体と高品質な電極層が連続して得られ、結晶性や電気特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【０１４６】
前記酸化物電極層および前記金属電極層を、酸素雰囲気中で熱処理する工程を含ませると、酸化物半導体と電極の密着性およびオーミック特性が格段に向上する。
【０１４７】
前記酸素雰囲気中での熱処理温度を 300〜400 ℃の範囲とすることにより、密着性向上と抵抗低減効果が高く、酸化物半導体素子が劣化せず、特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態 1 の発光ダイオード素子の模式的構造断面図。
【図２】レーザ MBE 装置の概略構成図。
【図３】Pt 金属電極層の層厚と発光ダイオード素子の動作電圧および発光強度の関係を示す図。
【図４】実施形態 2 の発光ダイオード素子の模式的構造断面図。
【図５】実施形態 4 の発光ダイオード素子の模式的構造断面図。
【図６】実施形態 7 の発光ダイオード素子の模式的構造断面図。
【図７】実施形態 8 の半導体レーザ素子の模式的構造斜視図である。
【符号の説明】
100： 発光ダイオード素子
101： ZnO 基板
102： n 型 MgZnO クラッド層
103： CdZnO 発光層
104： p 型 MgZnO クラッド層
105： p 型 ZnO コンタクト層
106： Pt 金属電極層
107： NiO 酸化物電極層
108： パッド電極
109： n 型オーミック電極
300： 半導体レーザ素子
301： ZnO 基板
302： n 型 ZnO バッファ層
303： n 型 MgZnO クラッド層
304： n 型 ZnO 光ガイド層
305： 量子井戸活性層
306： p 型 ZnO 光ガイド層
307： p 型 MgZnO クラッド層
308： p 型 ZnO コンタクト層
309： n 型 MgZnO 電流ブロック層
310:  n 型オーミック電極
311:  Pt 金属電極層
312:  NiO 酸化物電極層
313:  Au パッド電極
【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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【図６】
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【図７】
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