(57)【要約】【課題】電流注入効率の向上した高輝度発光ダイオードの製造方法を提供する。【解決手段】  基板上に形成されたn型窒化物半導体層と、上記n型窒化物半導体層の上面一部が露出するよう上記n型窒化物半導体層上に形成された活性層と、上記活性層上に形成されたp型窒化物半導体層と、上記p型窒化物半導体層の上部にp型不純物が高濃度でドーピングされ形成された高濃度不純物領域と、上記高濃度不純物領域上にn型不純物が高濃度でドーピングされ形成されたカウンタードーピング領域と、上記n型窒化物半導体層の露出した上面と上記カウンタードーピング領域上に夫々形成されたn側電極及びp側電極を含む窒化物半導体発光素子を提供する。【選択図】図2
2005117005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたn型窒化物半導体層と、
上記n型窒化物半導体層の上面一部が露出するよう上記n型窒化物半導体層上に形成された活性層と、
上記活性層上に形成されたp型窒化物半導体層と、
上記p型窒化物半導体層の上部にp型不純物が高濃度でドーピングされ形成された高濃度不純物領域と、
上記高濃度不純物領域上にn型不純物が高濃度でドーピングされ形成されたカウンタードーピング領域と、
上記n型窒化物半導体層の露出した上面と上記カウンタードーピング領域上に夫々形成されたn側電極及びp側電極と、
を含む窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
上記高濃度不純物領域のp型不純物はZn、Be、Mg及びCdから成るグループから選択された少なくとも一つであることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
上記カウンタードーピング領域のn型不純物はSiであることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
上記p側電極はAl及びTiを含むことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
上記高濃度不純物領域のp型不純物濃度は1×1018〜1×1019/cm3であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
上記カウンタードーピング領域のn型不純物濃度は1×1018〜1×1020/cm3であることを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
上記p型窒化物半導体層の厚さは0.2〜0.5μmであることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
上記高濃度不純物領域の厚さは0.01〜0.1μmであることを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
上記カウンタードーピング領域の厚さは0.01〜0.1μmであることを特徴とする請求項8に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
上記高濃度不純物領域と上記カウンタードーピング領域は上記p型クラッド層の上部に対するイオン注入及び熱処理工程を通して形成されることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
基板上にn型窒化物半導体層を形成する段階と、
上記n型窒化物半導体層の上面一部が露出するよう上記n型窒化物半導体層上に活性層を形成する段階と、
上記活性層上にp型窒化物半導体層を形成する段階と、
上記p型窒化物半導体層の上部にp型不純物が高濃度でドーピングされた高濃度不純物領域を形成し、上記高濃度不純物領域上にn型不純物が高濃度でドーピングされたカウンタードーピング領域を形成する段階と、
上記n型窒化物半導体層の露出した上面と上記カウンタードーピング領域上に夫々n側電極及びp側電極を形成する段階と、
を含む窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
上記高濃度不純物領域のp型不純物はZn、Be、Mg及びCdから成るグループから選択された少なくとも一種であることを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
上記カウンタードーピング領域のn型不純物はSiであることを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
上記p側電極はAl及びTiを含むことを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
上記高濃度不純物領域のp型不純物濃度は1×1018〜1×1019/cm3であることを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法.
【請求項１６】
上記カウンタードーピング領域のn型不純物濃度は1×1018〜1×1020/cm3であることを特徴とする請求項15に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
上記p型窒化物半導体層の厚さは0.2〜0.5μmであることを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
上記高濃度不純物領域の厚さは0.01〜0.1μmであることを特徴とする請求項17に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
上記カウンタードーピング領域の厚さは0.01〜0.1μmであることを特徴とする請求項18に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
上記高濃度不純物領域と上記カウンタードーピング領域を形成する段階は、
上記p型窒化物半導体層の上部にp型不純物イオンを高濃度で注入する段階と、
上記p型不純物がドーピングされた領域上にn型不純物イオンを高濃度で注入する段階と、
上記高濃度でドーピングされたp型不純物領域とn型不純物領域を急速熱処理する段階と、から成ることを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２１】
上記p型不純物イオンと上記n型不純物イオンを注入する各段階は、
約100〜200keVのエネルギーで各不純物イオンを注入する段階であることを特徴とする請求項20に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２２】
上記急速熱処理段階は、 
約600〜1200℃の温度範囲において急速熱処理する段階であることを特徴とする請求項20に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子に関するもので、より詳しくは、イオン注入工程を用いてp側電極部のためのオーミック接触を形成することにより従来のNi/Au層から成る透明伝導層(Transparent Conductive Layer)を代替できる高輝度窒化物系半導体発光素子及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、窒化物系半導体は青色または緑色波長帯の光を得るための発光ダイオードに用いられ、代表的にAlxInyGa(1-x-y)N組成式(ここで0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する半導体物質が挙げられる。
【０００３】
緑色光を生成する発光素子には約3.4eVの広いバンドギャップを有するGaN半導体物質が使用される。かかるGaN半導体物質のように、窒化物系半導体は広いバンドギャップを有するので、電極とオーミック接触を形成するのに困難がある。より具体的に云うと、p側電極部位に接触抵抗が高まり、これにより素子の動作電圧が高くなる同時に発熱量が多くなるとの問題がある。このようなオーミック接触形成案として様々な手段が提案されるが、オーミック接触形成部分が主な光放出面となるため、活性層から生成された光が透過するのを保障しなければならない重要な要求事項が伴われ、実際に採用できる手段は極めて制限される。
【０００４】
かかる要求事項を満たす従来の技術に、米国登録特許第5563422号(譲受人: Nichia Chemical Industry Limit.、発明の名称:窒化ガリウム系III-IV族化合物半導体装置及び製造方法)において提案されたNi/Auの二重層を利用した透明電極層がある。図3は上記文献による発光素子構造の一形態を示す。
【０００５】
図3に示したように、従来の窒化物半導体発光素子(10)はサファイア基板(11)上に順次形成されたn型GaNクラッド層(13)、多重井戸構造のGaN/InGaN活性層(15)及びp型GaNクラッド層(17)を含み、上記p型GaNクラッド層(17)とGaN/InGaN活性層(15)はその一部領域が除去されn型GaNクラッド層(13)の一部上面を露出させた構造を有する。n型GaNクラッド層(13)上にはn側電極(19a)が形成され、p型GaNクラッド層(17)上にはオーミック接触を形成するためにNi/Auからなる透明電極(18)を形成した後、p側ボンディング電極(19b)を形成する。上記透明電極(18)は透光性を有しながら接触抵抗を改善するための層としてNi/Au二重層の蒸着工程と後続する熱処理工程を通して形成することができる。
【０００６】
こうした透明電極(18)は電流注入効率を向上させるためにできる限り厚く形成することが好ましいが、金属を用いて透明電極を形成するので所望の透光性を得るのに問題となりかねない。たとえ熱処理過程を通して比較的透光性の高いNiO層を形成しても、その透過率は60%に過ぎないので、透明電極の厚さが増加する場合発光効率を低下させかねない。したがって、こうした透明電極の厚さは100μm以下に制限するしかなく、これにより電流注入効率の向上に限界がある。
【０００７】
また、金属を用いた透明電極の追加的な形成案は所望の透過率を考慮して適宜な厚さに形成しても、透明電極の制限的な透過率によりある程度の輝度減少は甘んずるしかない。
【０００８】
したがって、当技術分野においては従来の透明電極を用いた案と異なり透過率低下により輝度を減少させることなく接触抵抗を改善させられる新たな発光ダイオードとその製造方法が要求されてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上述した従来の技術の問題を解決するためのもので、その目的は透過率を低下させることなく接触抵抗を改善して表面の電流注入効率を向上させるために、p側電極の形成されたp型クラッド層の上部に高濃度カウンタードーピング領域を有する高輝度発光ダイオードを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の異なる目的はp型クラッド層の上部にイオン注入工程と熱処理工程を利用して高濃度カウンタードーピング領域を形成することにより電流注入効率の向上した高輝度発光ダイオード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】
【００１１】
上記技術的課題を成し遂げるために、本発明は、基板上に形成されたn型窒化物半導体層と、上記n型窒化物半導体層の上面一部が露出するよう上記n型窒化物半導体層上に形成された活性層と、上記活性層上に形成されたp型窒化物半導体層と、上記p型窒化物半導体層の上部にp型不純物が高濃度でドーピングされ形成された高濃度不純物領域と、上記高濃度不純物領域上にn型不純物が高濃度でドーピングされ形成されたカウンタードーピング領域と、上記n型窒化物半導体層の露出した上面と上記カウンタードーピング領域上に夫々形成されたn側電極及びp側電極を含む窒化物半導体発光素子を提供する。
【００１２】
好ましくは、上記高濃度不純物領域のp型不純物はZn、Be、Mg及びCdから成るグループから選択された少なくとも一種であることができ、上記カウンタードーピング領域のn型不純物はSiであることができる。
【００１３】
本発明の一実施形態においては、上記p側電極を従来のAu/Ni透明電極でないAl及びTiから形成することができ、n側電極と同一な工程を通して具現することができる。
【００１４】
また、上記高濃度不純物領域のp型不純物濃度は1×1018〜1×1019/cm3であることが好ましく、この場合、上記カウンタードーピング領域のn型不純物濃度は1×1018〜1×1020/cm3であることが好ましい。
【００１５】
本発明によるp型窒化物半導体層は上記高濃度不純物領域と上記カウンタードーピング領域の追加的な厚さを考慮して通常のp型窒化物半導体層の厚さより厚い0.2〜0.5μmに形成することができる。
【００１６】
好ましくは、上記高濃度不純物領域の厚さは0.01〜0.1μmで、上記カウンタードーピング領域の厚さは0.01〜0.1μmであることができる。
【００１７】
こうした高濃度不純物領域と上記カウンタードーピング領域は好ましくは 上記p型クラッド層の上部に対するイオン注入及び急速熱処理(rapid thermal annealing: RTA)工程を通して形成することができる。
【００１８】
また、本発明は上記窒化物半導体発光素子の製造方法も提供する。
【００１９】
上記方法は、基板上にn型窒化物半導体層を形成する段階と、上記n型窒化物半導体層の上面の一部が露出するよう上記n型窒化物半導体層上に活性層を形成する段階と、 上記活性層上にp型窒化物半導体層を形成する段階と、上記p型窒化物半導体層の上部にp型不純物が高濃度でドーピングされた高濃度不純物領域を形成し、上記高濃度不純物領域上にn型不純物が高濃度でドーピングされたカウンタードーピング領域を形成する段階と、上記n型窒化物半導体層の露出した上面と上記カウンタードーピング領域上に夫々n側電極及びp側電極を形成する段階とを含む。
【００２０】
本発明の好ましき実施形態において、上記高濃度不純物領域と上記カウンタードーピング領域を形成する段階はイオン注入工程と急速熱処理工程を通して実現することができる。上記p型窒化物半導体層の上部にp型不純物イオンを高濃度で注入する段階と、上記p型不純物がドーピングされた領域上にn型不純物イオンを高濃度で注入する段階と、上記高濃度でドーピングされたp型不純物領域とn型不純物領域を急速熱処理する段階とでなることができる。
【００２１】
ここで、上記p型不純物イオンと上記n型不純物イオンを注入する各段階は約100〜200keVのエネルギーで各不純物イオンを注入する段階であることができ、上記急速熱処理段階は約600〜1200℃の温度範囲において実施することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
上述したように、本発明によると、高いエネルギーバンドギャップを有するp型窒化物半導体層にp側電極を形成するのに適したオーミック接触を具現するために、p型クラッド層の上部に高濃度p型不純物領域とカウンタードーピング領域を設けてトンネリング効果を利用する方案を提供する。したがって、Au/Niのような光透過率の低い金属を用いた透明電極を形成しなくともp型クラッド層表面の電流効率を向上させながら、輝度を大幅に向上させられる。
【００２３】
また、上記p側電極はn側電極と同一な金属であるAl及びTiを含む金属から形成することができるので、一つのフォトレジスト工程を通して同時に両電極を形成することができる工程上の利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付の図を参照しながら本発明の実施形態を詳しく説明する。
【００２５】
図1は本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を示した側断面図である。
【００２６】
図1によると、本発明による窒化物半導体発光素子(20)は図3に示した発光素子(10)と類似にサファイア基板(21)上に順次形成されたn型GaNクラッド層(23)、多重井戸構造のGaN/InGaN活性層(25)及びp型GaNクラッド層(27)を含み、上記p型GaNクラッド層(27)とGaN/InGaN活性層(25)はその一部領域が除去されn型GaNクラッド層(23)の一部上面が露出した構造を有することができる。n側電極(29a)は従来と類似した方式でn型GaNクラッド層(23)上に形成されるがp側電極(29b)を形成するためにp型GaNクラッド層(27)上にオーミック接触を形成する方式は従来の技術と異なる。
【００２７】
本実施形態による窒化物半導体発光素子(20)はp側電極(29b)が形成されたp型クラッド層(27)の上部領域にp型不純物が高濃度でドーピングされた不純物領域(28a)とその不純物領域(28a)上にn型不純物が高濃度でドーピングされたカウンタードーピング領域(28a)を有する。上記高濃度不純物領域(28a)を形成するp型不純物はZn、Be、Mg及びCdから成るグループから選択された少なくとも一種であることができ、上記カウンタードーピング領域(28b)を形成するn型不純物はSiであることができる。
【００２８】
上記高濃度p型不純物領域(28a)は少なくともp型クラッド層の不純物濃度より高濃度で形成され、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の不純物濃度を有することができる。また、上記カウンタードーピング領域(28b)はp型不純物領域との接合面にトンネリング効果が発生するのに十分なn型不純物濃度を有するよう形成される。好ましくは、上記カウンタードーピング領域(28b)のn型不純物濃度は上記1×1018〜1×1020/cm3であることができる。したがって、上記高濃度不純物領域と上記カウンタードーピング領域はトンネリング効果を利用したゼナーダイオードと同一なI-V特性を有することができる。
【００２９】
一般に、上記p型窒化物半導体層(27)は0.2〜0.3μmの厚さに形成するが、本発明においては通常の厚さに具現することもできるが、上記高濃度不純物領域(28a)と上記カウンタードーピング領域(28b)の厚さを考慮して通常の厚さより大きい範囲を含む0.2〜0.5μmの厚さに形成することが好ましい。上記高濃度不純物領域(28a)と上記カウンタードーピング領域(28b)はより低い抵抗を有するよう薄い厚さに具現することが好ましい。したがって、上記高濃度不純物領域(28a)と上記カウンタードーピング領域(28b)は夫々0.1μm以下の厚さに形成することが好ましい。但し、十分な特性を有するために、上記両領域(28a、28b)は0.01μmより厚く形成することが好ましい。
【００３０】
本発明において用いる高濃度不純物領域(28a)とカウンタードーピング領域(28b)は上記p型クラッド層(27)の上部に対するイオン注入工程を通して適切なドーズ量の不純物をドーピングさせた後に、急速熱処理(RTA)工程を通して形成することが好ましい。
【００３１】
このように、本発明においてはp型クラッド層の上部に高濃度p型不純物領域とカウンタードーピング領域を設けることにより、 トンネリング効果を利用したオーミック接触を具現することができる。したがって、Au/Niのような金属を用いた透明電極を形成せずにp型クラッド層表面の電流効率を向上させながら、光透過率の低い金属透明電極を使用しないことにより輝度を大きく改善させることができる。さらに、上記p側電極はn側電極と同一な金属であるAl及びTiを含む金属から形成することができるので、一つのフォトレジスト工程を通して同時に両電極を形成できるとの工程上の利点もある。 本発明による窒化物半導体発光素子の製造方法は図2を参照しながらより詳しく説明する。
【００３２】
図2(a)ないし図2(e)は本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
【００３３】
図2(a)のように、本発明による窒化物半導体発光素子の製造方法は基板(31)上にn型窒化物半導体層(33)、活性層(35)、及びp型窒化物半導体層(37)を形成する段階から始まる。上記p型及びn型窒化物半導体層(33、37)及び活性層(35)はAlxInyGa(1-x-y)N組成式(ここで0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する半導体物質であることができ、 上記基板(31)は窒化物半導体の成長に適したサファイア基板であることができる。また、上記p型及びn型窒化物半導体層(33、37)と活性層(35)はMOCVD及びMBE工程のような公知の蒸着工程を通して形成することができる。
【００３４】
次いで、図2(b)のように、上記n型窒化物半導体層(33)の一領域が露出するよう上記p型窒化物半導体層(37)と上記活性層(35)の一部領域を除去するメサエッチング(mesa etching)工程を施す。本発明が適用される発光素子は窒化物半導体層を成長させるためのサファイア基板のような絶縁性基板を使用するので、n型窒化物半導体層(33)と連結されるn側電極(図2(e)の39a)を形成するためにn型窒化物半導体層(33)の上面の一領域を露出させるメサエッチング工程が施される。
【００３５】
次に、図2(c)のように、上記p型窒化物半導体層(37)の上部にp型不純物をイオン注入してp型不純物領域(38a')を形成し、次いで上記p型不純物領域(38a')上にn型不純物を高濃度でイオン注入してn型不純物領域(38b')を形成する。上記p型不純物領域(38a')と上記n型不純物領域(38b')は少なくともp側電極(図2(e)の39b)が形成される領域を含むよう設けられる。p型不純物にはZn、Be、Mg及びCdから成るグループから選択された少なくとも一種の不純物を使用することができ、n型不純物にはSiを使用することができる。本イオン注入工程において適したドーズ量は少なくとも5×1014/cm3以上で実施することが好ましく、後続熱処理工程を通して最終的に得られる各領域(38a'、38b')の不純物濃度を考慮してイオン注入深さを決定する。好ましくは、約100〜200KeV範囲のエネルギーを利用してイオン注入工程を施すことができる。
【００３６】
次いで、イオン注入したp型不純物領域(38a')とn型不純物領域(38b')に対して熱処理工程を施す。本工程を通して、図2(d)のように上記両不純物領域(38a'、38b')は夫々所望のプロファイルを有する高濃度p型不純物領域(38a)とカウンタードーピング領域(38b)を形成することができる。本段階において熱処理工程は急速熱処理工程(RTA)を用い、約600℃ないし1200℃の温度範囲において実施することが好ましい。かかる工程を通して高濃度p型不純物領域(38a)は1×1018〜1×1019/cm3の不純物濃度を有し、上記n型不純物カウンタードーピング領域(38b)は1×1018〜1×1020/cm3の不純物濃度を有するよう形成することができ、高濃度p型不純物領域(38a)とカウンタードーピング領域(38b)は最終厚さ(t1、t2)が0.01〜0.1μmを有するよう形成することができる。
【００３７】
本発明において提示した好ましい厚さと濃度を得るために、当業者であれば図2(c)に説明したイオン注入工程と本熱処理工程を適切に調整して実施することができるであろう。即ち、イオン注入工程において適切な濃度と深さで不純物領域が形成されるよう各不純物のドーズ量と注入エネルギーの適切な範囲を採用し、これに係わり必要な熱処理工程条件を適切に変更し設定することができるであろう。
【００３８】
最後に、上記n型窒化物半導体層(33)の露出した上面と上記カウンタードーピング領域(38b)上に夫々n側電極(39a)及びp側電極(39b)を形成する段階を行う。上記p側電極(39b)はAl及びTiを含む物質から成ることができる。かかる電極物質はn側電極(39a)の物質にも同じく使用できるので、一つのフォトレジストパターンを利用した蒸着工程から容易に形成することができる。
【００３９】
このように、本発明は上述した実施形態及び添付の図により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定されるもので、請求範囲に記載の本発明の技術的思想を外れない範囲内において様々な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとっては自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による窒化物半導体発光素子を示した側断面図である。
【図２】(a)ないし(e)は本発明による窒化物半導体発光素子の製造方法を示した工程断面図である。
【図３】従来の窒化物半導体発光素子を示した側断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
21  サファイア基板
23  n型GaN窒化物半導体層
25  活性層
27  p型GaN窒化物半導体層
28a  高濃度p型不純物領域
28b  n型不純物カウンタードーピング領域
29a  n側電極
29b  p側電極
【図１】
2005117005.tif 000003
【図２】
2005117005.tif 000004
【図３】
2005117005.tif 000005