(57)【要約】      （修正有）【課題】低動作電圧、外部量子効果の強化を達成することができる窒化ガリウム系半導体の発光ダイオード構造及び製造方法を提供する。【解決手段】ｐ型窒化ガリウムオーム接触層２０７の繊維状構造上に、第一接触分布（contact  spreading）金属層２０８ａを形成し、次に、第一接触分布金属層上に、第二、及び、第三金属接触分布層２０８ｂ、２０８ｃを形成して、三層構造のｐ型金属からなる透光性導電層を構成し、この三種構造のｐ型金属からなる透光性導電層は、酸素或いは、窒素含有の環境中で、高温合金された後、好ましい導電性を有する。且つ、効果的に、ｐ型金属電極とｐ型窒化ガリウムオーム接触層の面方向の接触均一性を強化して、第二接触分布金属層の第三分布接触金属層中での分布が不均一のために生じる局部発光の現象を防止し、動作電圧を低下させて、外部量子効率を向上させる。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系半導体発光ダイオードの構造であって、
基板と、
前記基板上の低温形成バッファ層、高温形成バッファ層、ｎ型オーム接触層、発光層、被覆層、表面が微細な粗面であるｐ型オーム接触層、及び、
前記ｐ型オーム接触層上に形成されたｐ型金属、及び又はｐ型金属酸化物からなる透光性導電層と、
からなることを特徴とする発光ダイオードの構造。
【請求項２】
窒化ガリウム系の複数のエピタキシー層中の前記ｐ型オーム接触層、前記被覆層、前記発光層、前記ｎ型オーム接触層は、一部分が除去された構造で、且つ、前記ｎ型オーム接触層は、部分的に露出した表面を有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの構造。
【請求項３】
前記窒化ガリウム系の複数のエピタキシー層の材料は、BxAlyInzGa1-x-y-zNpAsq（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, 0≦p≦1, 0≦q≦1, 且つ、x+y+z=1, p+q=1）、或いは、BxAlyInzGa1-x-y-zNpPq（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, 0≦p≦1, 0≦q≦1, 且つ、x+y+z=1, p+q=1）であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの構造。
【請求項４】
前記ｐ型金属からなる透光性導電層は、
前記ｐ型オーム接触層の微細な粗面構造表面上に形成された第一分布接触金属層と、
前記第一分布接触金属層上に形成された第二分布接触金属層と、
前記第二分布接触金属層上に形成された第三分布接触金属層と、
からなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの構造。
【請求項５】
前記第一分布接触金属層の材料は、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）であることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの構造。
【請求項６】
前記第二、第三分布接触金属層は、ITO, ZnO, In2O3, SnO2, (LaO)CuS, (La1-xSrxO)CuSの中のどれか、或いは、遷移金属、及び、貴金属系のどれか一つ、或いは、その酸化物からなることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの構造。
【請求項７】
前記第一分布接触金属層と前記第二、第三接触金属層の組み合わせは、以下の組み合せのどれかで、
金 (Au)、酸化ニッケル(NiO)、金(Au)、
プラチナ (Pt)、二酸化ルテニウム(RuO2)、金(Au)、
プラチナ(Pt)、金(Au)、インジウム:二酸化スズ(In:SnO2)、
金(Au)、ニッケル(Ni)、金(Au)、
プラチナ(Pt)、ルテニウム(Ru)、金(Au)
であることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの構造。
【請求項８】
前記第一分布接触金属層の厚さは、５〜５０Åであることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの構造。
【請求項９】
前記第二分布接触金属層の厚さは、１０〜１００Åであることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの構造。
【請求項１０】
前記第三分布接触金属層の厚さは、２０〜１００Åであることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの構造。
【請求項１１】
更に、前記ｐ型金属からなる透光性導電層上に、ｐ型金属電極を有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの構造。
【請求項１２】
更に、前記ｎ型オーム接触層の露出表面上に、ｎ型金属電極を有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの構造。
【請求項１３】
発光ダイオードの製造方法であって、少なくとも、
基板を提供する工程と、
前記基板上に、低温形成バッファ層、高温形成バッファ層、ｎ型オーム接触層、発光層、被覆層の順に、窒化ガリウム系の複数のエピタキシー層を形成する工程と、
前記被覆層上に、表面が微細な粗面であるｐ型オーム接触層を形成する工程と、
ドライエッチングにより、部分的な前記ｐ型オーム接触層、前記被覆層、前記発光層、及び、前記ｎ型オーム接触層を除去すると共に、前記ｎ型オーム接触層の表面を露出させる工程と、
蒸着により、ｐ型金属からなる透光性導電層を、前記の部分的なｐ型オーム接触層表面の微細な粗面構造上に形成する工程と、
からなることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項１４】
更に、ｐ型金属電極を、前記ｐ型金属からなる透光性導電層上に形成する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１５】
更に、ｎ型金属電極を、部分的に露出した前記ｎ型オーム接触層上に形成する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１６】
前記蒸着方法は、
前記Ｐ型オーム接触層２０７表面と露出した前記ｎ型オーム接触層表面をそれぞれ、約１０分ずつ洗浄する工程と、
電子ビーム蒸着法により、前記Ｐ型オーム接触層上で、順に、第一分布接触金属層、第二分布接触金属層、及び、第三分布接触金属層を形成する工程と、
アニール工程により前記第一、第二、第三接触金属層からなる前記ｐ型金属からなる透光性導電層を形成させる工程と、
からなることを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオードの製造方法方法。
【請求項１７】
前記アニール工程の雰囲気条件は、酸素を含む、或いは、含まない環境で、温度は、摂氏４００〜６００℃であることを特徴とする請求項１６に記載の発光ダイオードの製造方法方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム系半導体発光ダイオード（LED）に関するものであって、特に、窒化ガリウム系発光ダイオードの発光均一性を向上し、発光ダイオードから射出する光の透光効率を向上させる透光性導電層の構造とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、公知のサファイア基板上にエピタキシアル成長した窒素ガリウム系半導体を使用した発光ダイオード装置を示す図である。サファイア基板１０１上に、窒化ガリウム系半導体の複数のエピタキシー層を形成し、低温形成窒化ガリウムバッファ層１０２、高温形成窒化ガリウムバッファ層１０３、ｎ型窒化ガリウムオーム接触層１０４、窒化インジウム・ガリウム発光層１０５、ｐ型窒化インジウム・ガリウム被覆層１０６、ｐ型窒化ガリウムオーム接触層１０７、ｐ型窒化ガリウムオーム接触層１０７上に形成されたｐ型金属からなる透光性導電層１０８、ｐ型金属からなる透光性導電層１０８上に形成されたｐ型金属電極１０９、そして、ｎ型窒化ガリウムオーム接触層１０４の上に形成されたｎ型金属電極１１０、からなる。
【０００３】
窒化ガリウム系半導体からなる複数のエピタキシー層構造（即ち、発光ダイオード）の屈折係数（ｎ＝２.４）、サファイア基板１０１の屈折係数（ｎ＝１．７７）及び、パッケージ用の樹脂封止材料の屈折係数（ｎ＝１．５）の異なる屈折率分布のために、窒化インジウム・ガリウム発光層１０５が発する一次光は、僅かに、２５％程度がこれらの界面により反射されないで外部に射出する。残りの７５％の光は、サファイア基板１０１、及び、パッケージ用樹脂封止材料の上記の屈折率の差により形成される光導波構造により、多数の界面反射を繰り返す間に光が吸収されるために、効果的に取り出して利用することが出来ない。故に、この種の発光ダイオード装置構造においては、光線取り出し効率が透光性金属導電層の吸収、及び、層状の内部エピタキシー構造の反射、屈折による重吸収のメカニズムにより制限される。
【０００４】
更に、ｐ型窒化ガリウムオーム接触層１０７の導電性はかなり低く、その抵抗係数は、一般に、１〜２Ωｃｍ、且つ、厚さ０．１〜０．５μｍほどである。つまり、電流は容易に、ｐ型金属電極１０９直下に集中して、横方向への分散距離は約１μｍほどにしかならない。したがって、電流密度を均一にして均一に発光させるために、まず、ｐ型金属からなる透光性導電層１０８を、ｐ型窒化ガリウムオーム接触層１０７上において、発光領域全体に、且つ均一に分布させなければならない。透光性を向上するためには、ｐ型金属からなる透光性導電層１０８は薄くなければならず、一般に、ニッケルと金から形成されるが、その厚さは、５０〜５００Åである。
【０００５】
ニッケルと金から形成される透光性金属導電層の研究に基づいて、発光ダイオード装置の動作電圧を低下させるため、金属導電層とｐ型窒化ガリウムオーム接触層の接触抵抗（constant  resistivity）を１０Ωｃｍ２まで効果的に低下させなければならな
い。窒化ガリウム系半導体発光ダイオードの外部量子効果（external quantum efficiency）を増加させるため、可視光波長が４００ｎｍ〜７００ｎｍである時、この金属導電層の透光率は、８０％以上が好ましく、学術雑誌Applied  Physic  letters  vol.７４（１９９９）P.１２７５論文では、サンプルを、酸素を含有する環境中でアニール（anneal）し、酸化ニッケル（NiO）半導体中間層を形成し、効果的に、接触抵抗を低下させると共に、透光性を増加させることが開示されている。また、Solid State Electronic４７（２００３）ｐ.１７４１論文中では、効果的に、透光性を増加させるために、ニッケルと金の厚さは薄ければ薄いほど良く、効果的に、接触抵抗を低下させるため、金の厚さは、厚ければ厚いほどよいことが開示されている。
【非特許文献１】Applied  Physic  letters  vol.７４（１９９９）P.１２７５
【非特許文献２】Solid State Electronic４７（２００３）ｐ.１７４１
【０００６】
図８で示されるように、光導波構造を効果的に遮断し、光射出効率を増加させるために、発光ダイオード表面に、繊維状構造を形成する。図２は、図１中のｐ型金属からなる透光性導電層１０８とｐ型窒化ガリウムオーム接触層１０７の界面１２０の拡大図である。図２に示すように、繊維状構造を形成する表面上で、ニッケルと金両層金属をｐ型金属からなる透光性導電層１０８として酸素を含む環境中でアニールすると、金層１０８ａの酸化ニッケル層１０８ｂ中での分布が極めて不均一になりやすい。即ち、電流分布が不均一となって、図９で示されるような、局部発光の現象が生じ、動作電圧が上昇してしまう。
【０００７】
よって、ニケッルと金からなる積層金属構造を繊維状構造表面構造とする窒化ガリウム系発光ダイオード装置のｐ型金属からなる透光性導電層は、以上のような制限を受け、好ましくない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これにより、繊維状表面構造の発光均一性を改善することが可能な窒化ガリウム系半導体発光ダイオード装置のｐ型金属からなる透光性導電層を製作する方法が必要で、窒化ガリウム系半導体の発光ダイオード装置の低動作電圧、外部量子効果の強化を達成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明が開示する、窒化ガリウム系半導体発光ダイオード装置製作方法は、まず、ｐ型窒化ガリウムオーム接触層の繊維状構造上に、第一接触分布（contact  spreading）金属層を形成し、次に、第一接触分布金属層上に、第二、及び、第三金属接触分布層を形成して、三層構造のP型金属からなる透光性導電層を構成し、この三層構造のｐ型金属からなる透光性導電層は、酸素或いは、窒素含有の環境中で、高温アニールされた後、好ましい導電性となる。
【００１０】
本発明の開示するｐ型透光導電層の製作方法で製作される窒化ガリウム系半導体発光ダイオードは、第一接触分布金属層が非常に薄く、発光層が射出する光に対し、吸収も反射もしない。且つ、効果的に、ｐ型金属電極とｐ型窒化ガリウムオーム接触層の均一な面接触性を強化して、第二接触分布金属層の第三分布接触金属層中での分布が不均一のために生じる局部発光の現象を防止し、動作電圧を低下させて、外部量子効果（external quantum efficiency）を向上させる。
【００１１】
本発明の開示するｐ型透光導電層の製作方法で製作される窒化ガリウム系発光ダイオードは、高温環境下で動作しても、第一分布接触金属層の不均一な面接触メカニズムが生じず、素子の特性を維持でき、即ち、安定性が好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
効果的に、ｐ型金属電極とｐ型窒化ガリウムオーム接触層の面接触均一性を強化して、第二接触分布金属層の第三分布接触金属層中での分布が不均一のために生じる局部発光の現象を防止し、動作電圧を低下させて、外部量子効果（external quantum efficiency）を向上させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図３〜図６は、本発明の製造フローチャートである。
【００１４】
図３で示されるように、まず、基板２０１を提供し、基板２０１はサファイア（Sapphire）である。続いて、窒化ガリウム系の複数のエピタキシー層を形成する。その材料は、BxAlyInzGa1-x-y-zNpAsqで、0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, 0≦p≦1, 0≦q≦1, 且つ、x+y+z=1, p+q=1、或いは、BxAlyInzGa1-x-y-zNpPqで、0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, 0≦p≦1, 0≦q≦1, 且つ、x+y+z=1, p+q=1である。
【００１５】
上述の窒化ガリウム系の複数のエピタキシー層は、構造から見ると、低温下で、基板２０１表面上に、エピタキシー成長した低温形成バッファ層２０２を有し、低温形成バッファ層２０２の厚さは、約２００〜３００Åである。続いて、高温下で、低温形成バッファ層２０２上に、高温形成バッファ層２０３を形成し、高温形成バッファ層２０３の厚さは約０．７μmである。低温、高温形成バッファ層２０２、２０３の材料は、窒化ガリウム系化合物からなり、AlxGa1-xN(0(x(1)である。続いて、高温形成バッファ層２０３上に、ｎ型オーム接触層２０４を形成し、ｎ型オーム接触層の材料は、キャリアドープ濃度が約3~5e+18 cm-3のｎ型窒化ガリウム(N-GaN)で、その成長厚さは、約２〜５μｍである。続いて、キャリアドープを含まない窒化インジウム・ガリウムからなる発光層２０５を形成する。その後、発光層２０５上に、キャリアドープ濃度約3e+17~5e+17 cm-3のｐ型窒化アルミニウム・ガリウム(P-AlGaN)からなる被覆層２０６、及び、キャリアドープ濃度約３ｅ＋１７〜１ｅ＋１８ｃｍのｐ型窒化ガリウム(P-AlGaN)からなるオーム接触層２０７を成長させ、オーム接触層２０７の表面は、微細な粗面（texturing  surface）である。
【００１６】
図４で示されるように、上述のエピタキシー成長完成後、ドライエッチングにより、部分的なｐ型オーム接触層２０７、被覆層２０６、発光層２０５、及び、ｎ型オーム接触層２０４を除去し、ｎ型オーム接触層２０４の表面２０４ａを露出させる。
【００１７】
続いて、図５で示されるように、蒸着により、ｐ型透明金属導電層２０８を、ｐ型オーム接触層２０７の微細表面上に形成する。蒸着工程は、
（１）それぞれ、バッファードオキサイドエッチャント（Buffered  Oxide  Echant、BOE）、及び、硫化アンモニウム（NH）S溶液を用いて、ｐ型オーム接触層２０７と露出したｎ型オーム接触層２０４表面２０４ａをそれぞれ、約１０分ずつ洗浄する。
（２）子ビーム蒸着法（Ｅ−beam  evaporation）は、ｐ型オーム接触層２０７      上で
順に、厚さ５〜５０Åの第一分布接触金属層２０８ａ、厚さ１０〜１００Åの第二分布接触金属層２０８ｂ、及び、厚さ２０〜１００Åの第三分布接触金属層２０８ｃを形成する。第一分布接触金属層の材料は、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）である。この他、第二、第三分布接触金属層は、ITO, ZnO, In2O3, SnO2, (LaO)CuS, (La1-xSrxO)CuSの中のどれか、或いは、遷移金属、及び、貴金属系のどれか一つ、或いは、その酸化物からなる。三つの分布接触金属層２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃの理想的な組み合せは、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）；プラチナ（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、金（Ａｕ）；プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、インジウム；二酸化スズ（Ｉｎ：ＳｎＯ）、金（Ａｕ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、金（Ａｕ）；プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ）、金（Ａｕ）である。その後、加熱炉（furnace）中で、酸素、或いは、窒素を含む環境下で、温度４００〜６００度で、１〜１０分アニールし、酸素を含む環境中で、Au/NiO/Au；Pt/RuO2/Au；Pt/Au/In:SnO2構造を形成して、ｐ型オーム接触層２０７との接触抵抗を低下させると共に、横向き接触均一性を増進する。窒素を含む環境中で、Au/Ni/Au；Pt/Ru/Au；Pt/Au/In:SnO2構造を形成する場合、同様に、ｐ型オーム接触層２０７との接触抵抗を低下させると共に、面方向の接触均一性を増進する。
【００１８】
最後に、図６で示されるように、ｐ型透明金属導電層２０８を形成した後、ｐ型金属からなる透光性導電層２０８上に、ｐ型金属電極２０９を形成し、また、ｎ型透光金属２０４の露出表面２０４ａ上に、ｎ型金属電極２１０を形成する。
【００１９】
図７は、図５中の界面２２０の拡大図である。図７で示されるように、第一分布接触金属層２０８ａとｐ型オーム接触層２０７の微細な粗面は、面方向に均一な接触性を保ち、発光ダイオードを均一に発光させる。
【００２０】
本発明の好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変更や改良を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】公知技術の発光ダイオード構造である。
【図２】図１の界面１２０の拡大図である。
【図３】本発明の製造工程のフローチャートである。
【図４】本発明の製造工程のフローチャートである。
【図５】本発明の製造工程のフローチャートである。
【図６】本発明の製造工程のフローチャートである。
【図７】図５中の界面２２０の拡大図である。
【図８】ｐ型オーム接触層の微細表面を示す図である。
【図９】公知技術の発光ダイオードの局部発光図である。
【図１０】本発明の発光ダイオードの均一な発光を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０１…サファイア基板
１０２…低温形成窒化ガリウムバッファ層
１０３…高温形成窒化ガリウムバッファ層
１０４…ｎ型窒化ガリウムオーム接触層
１０５…窒化インジウム・ガリウム発光層
１０６…ｐ型窒化インジウム・ガリウム被覆層
１０７…ｐ型窒化ガリウムオーム接触層
１０８…ｐ型金属からなる透光性導電層
１０８ａ…金層
１０８ｂ…酸化ニッケル層
１０９…ｐ型金属電極
１１０…ｎ型金属電極
２０１…基板
２０２…低温形成バッファ層
２０３…高温形成バッファ層
２０４…ｎ型オーム接触層
２０５…発光層
２０６…ｐ型被覆層
２０７…ｐ型オーム接触層
２０８…Ｐ型金属からなる透光性導電層
２０８ａ…第一金属層
２０８ｂ…第二金属層
２０８ｃ…金属酸化層
２０９…ｐ型金属電極
２１０…ｎ型金属電極
２２０…界面
【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】
2005191575.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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