(57)【要約】【課題】  本発明によると、従来のNi/Auから成る透明電極より透過率を向上させることができ、オーミックコンタクトを形成して接触抵抗を減少させることができる。その結果、同一な駆動電圧においてより輝度が向上された発光素子を提供することができる。【解決手段】  本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子に関するもので、窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板と、前記基板上に形成され、第1導電性窒化ガリウム系半導体物質から成る下部クラッド層と、前記下部クラッド層の一部領域に形成され、アンドープされた窒化ガリウム系半導体物質から成る活性層と、前記活性層上に形成され、第2導電型窒化ガリウム系半導体物質から成る上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成され、La系合金及びNi系合金から成るグループから選択された一金属から成る金属層と、前記金属層上に形成されたITO層と、を含む窒化ガリウム系半導体発光素子を提供する。【選択図】図１
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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物質を成長させるための基板と、
前記基板上に形成され、第1導電性窒化ガリウム系半導体物質から成る下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の一部領域に形成され、アンドープされた窒化ガリウム系半導体物質から成る活性層と、
前記活性層上に形成され、第2導電型窒化ガリウム系半導体物質から成る上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成され、La系合金、Ni系合金で成るグループから選択された一合金から成る合金層と、
前記合金層上に形成されたITO層と、
を含む窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項２】
前記合金層は100Å以下の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項３】
前記La系合金はLaNi5であることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項４】
前記Ni系合金はNiZnまたはMgNiであることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項５】
窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板を設ける段階と、
前記基板上に第1導電型窒化ガリウム系半導体物質で下部クラッド層を形成する段階と、
前記下部導電型クラッド層上にアンドープされた窒化ガリウム系半導体物質で活性層を形成する段階と、
前記活性層上に第2導電型窒化ガリウム系半導体物質で上部クラッド層を形成する段階と、
前記少なくとも上部クラッド層と活性層の一部領域を除去して前記下部クラッド層の一部を露出させる段階と、
前記上部クラッド層上にLa系合金、Ni系合金及びMg系合金で成るグループから選択された一合金から成る合金層を形成する段階と、
前記合金層上にITO層を形成する段階と、
を含む窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記合金層は100Å以下の厚さを有することを特徴とする請求項5に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記La系合金はLaNi5で、Ni系合金はNiZnまたはMgNiであることを特徴とする請求項5に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記La系合金はLaNi5であることを特徴とする請求項5に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記Ni系合金はNiZnまたはMgNiであることを特徴とする請求項5に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記合金層を形成する段階は、前記上部クラッド層上に合金層を電子ビーム蒸発法(E-beam evaporator)により成長させる段階であることを特徴とする請求項5に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記ITO層を形成する段階は、前記合金層上にITO層を電子ビーム蒸発法により成長させる段階であることを特徴とする請求項5に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、前記ITO層を熱処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記ITO層を熱処理する段階は、大気雰囲気下で200℃以上の温度において少なくとも30秒間前記ITO層を熱処理する段階であることを特徴とする請求項12に記載の窒化ガリウム系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】
本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子に関するもので、より詳しくは電極の隣接部において接触抵抗を減少させ光透過率を改善することにより、同じ駆動電圧で高い輝度特性が得られる窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近頃、新たな映像情報の伝達媒体として浮上したLED(発光素子)電光板は、初期の単なる文字や数字情報を始め現在各種CF映像物、グラフィック、ビデオ画面などの動画像を提供するレベルにまで至ってきた。色相も従来単色の粗雑な画面から赤色と黄緑色LEDなど制限された範囲の色相に具現され、最近は窒化ガリウム(GaN)系半導体を用いた高輝度青色LEDの登場に相次いで赤色、黄緑色、青色を用いた総天然色表示がついに可能になった。しかし、黄緑色LEDが赤色LED、青色LEDより輝度が低く発光波長が565nm程と光の三原色に要する波長の緑色でない為、自然な総天然色表現は不可能であったが、以降自然な総天然色表示に適した波長525nmの高輝度純粋緑色窒化ガリウム系半導体LEDを生産することによって解決された。
【０００３】
このような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は一般に絶縁性基板であるサファイア基板上に成長され得るので、GaAs系発光素子のように基板の背面に電極を設けられず、両電極すべてを結晶成長された半導体層側に形成しなければならない。こうした従来の窒化ガリウム系発光素子の構造が図５に例示してある。
【０００４】
図５によると、窒化ガリウム系発光素子(20)は、サファイア成長基板(11)と、前記サファイア成長基板(11)上に順次形成された第1導電型半導体物質の下部クラッド層(13)、活性層(14)及び第2導電型半導体物質の上部クラッド層(15)を含む。
【０００５】
前記下部クラッド層(13)はn型GaN層(13a)とn型AlGaN層(13b)とで成ることができ、前記活性層(14)は多重量子井戸(Multi-Quantum Well)構造のアンドープInGaN層から成ることができる。また、前記上部クラッド層(15)はp型GaN層(15a)とp型AlGaN層(15b)とで成ることができる。一般に、前記半導体結晶層(13、14、15)はMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などの工程により成長させることができる。この際、n型GaN層(13a)を成長させる前にサファイア基板(11)との格子整合を向上させるべく、AlN/GaNのようなバッファ層(図示せず)を予め形成することもできる。
【０００６】
先に述べたように、前記サファイア基板(11)は電気的に絶縁性物質なので、両電極をすべて上面に形成すべく、所定の領域に該当する上部クラッド層(15)と活性層(14)をエッチングして下部クラッド層(13)、より具体的にはn型GaN層(13a)の一部上面を露出させ、その露出したn型GaN(13a)層の上面に第1電極(21)を形成する。
【０００７】
一方、前記p型GaN層(15a)は相対的に高抵抗を有するので、通常の電極でオーミックコンタクト(Ohmic Contact)を形成できる追加的な層が要求される。このため、米国特許番号5,563,422号(出願人： Nichia Chemical Industries, Ltd.、登録公告日：1996.10.08)においては、p型GaN層(15a)の上面に第2電極(22)を形成する前に、オーミックコンタクトを形成すべくNi/Auから成る透明電極を形成する案を開示している。前記透明電極(18)は電流注入面積を増加させながらオーミックコンタクトを形成して順方向電圧(Vf)を低下させる効果がある。
【０００８】
しかし、Ni/Auから成る透明電極(18)は熱処理過程により処理されても約60%ないし70%の低い透過率を示す。こうした低い透過率は、発光素子を用いてワイヤボンディングによりパッケージを具現する際、全体の発光効率を低下させることになる。
【０００９】
こうした低い透過率問題を克服するため、Ni/Au層に代わって透過率が約90%以上と知られているITO(Indium Tin Oxide)層を設ける案が提示されている。しかし、ITOはGaN結晶に対して接着力が弱いばかりでなく、p型GaN層の仕事関数は7.5eVであるが、ITOの仕事関数は4.7〜5.2eVなので、ITOをp型GaN層に直接蒸着する場合、オーミックコンタクトが形成されない。したがって、仕事関数の差を減らしオーミックコンタクトを形成するため、従来は前記p-GaN上にZnなどの仕事関数の低い物質をドープしたりCをハイ(high)ドープしてp-GaNの仕事関数を減少させてITOの蒸着を図った。しかし、ドープされたZnまたはCは高い移動性を有し、長時間使用するとp型GaN層に拡散しかねず、これにより素子の信頼性を低下させてしまう問題がある。
【００１０】
したがって、当技術分野においてはGaN発光素子の電極を形成すべく、p-GaN層と電極間のオーミックコンタクトを形成すると同時に、高い透過率を保てる窒化ガリウム系半導体発光素子及び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】
【００１１】
本発明は前述した問題を解決すべく案出されたもので、その目的は透明電極で高い透過率を有するITO膜を用いながらp型GaN層との接触抵抗の問題を改善した窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は前記窒化ガリウム系半導体発光素子を製造するための方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記技術的課題を成し遂げるために、本発明は、窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板と、前記基板上に形成され、第1導電性窒化ガリウム系半導体物質から成る下部クラッド層と、前記下部クラッド層の一部領域に形成され、アンドープされた窒化ガリウム系半導体物質から成る活性層と、前記活性層上に形成され、第2導電型窒化ガリウム系半導体物質から成る上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成され、La系合金、Ni系合金で成るグループから選択された一合金から成る合金層と、前記合金層上に形成されるITO層と、を含む窒化ガリウム系半導体発光素子を提供する。
【００１４】
前記合金層は100Å以下の厚さを有することが好ましく、前記La系合金はLaNi5でもよく、前記Ni系合金はNiZnまたはMgNiでもよい。
【００１５】
さらに、本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を提供する。本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板を設ける段階と、前記基板上に第1導電型窒化ガリウム系半導体物質で下部クラッド層を形成する段階と、前記下部導電型クラッド層上にアンドープされた窒化ガリウム系半導体物質で活性層を形成する段階と、前記活性層上に第2導電型窒化ガリウム系半導体物質で上部クラッド層を形成する段階と、前記少なくとも上部クラッド層と活性層の一部領域を除去して前記下部クラッド層の一部を露出させる段階と、前記上部クラッド層上にLa系合金、Ni系合金及びMg系合金で成るグループから選択された一合金から成る合金層を形成する段階と、前記合金層上にITO層を形成する段階と、を含む。
【００１６】
前記本発明による方法において、前記合金層は100Å以下の厚さを有することが好ましく、前記La系合金はLaNi5でもよく、前記Ni系合金はNiZnまたはMgNiでもよい。
【００１７】
また、前記ITO層を形成する段階は、前記合金層上にITO層を電子ビーム蒸発法により成長させることが好ましく、前記合金層及び前記ITO層は電子ビーム蒸発法(E-beam evaporator)により成長させることが好ましい。
【００１８】
また、本発明による前記窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、前記ITO層を熱処理する段階をさらに含むことができ、この際前記ITO層の熱処理は、大気雰囲気下で200℃以上の温度において少なくとも30秒間前記ITO層を熱処理することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
前述したように、本発明によると、透明電極として高い透過率を有するITO層を形成する前に、LaNi5などのLa系合金及びNiZn、MgNiなどのNi系合金らのように水素貯蔵合金から成る合金層をp型GaN層上に形成してp型GaN層の不純物であるMgと水素との結合を防止することにより、前記不純物Mgを活性化させてオーミック抵抗を減少させ、所望のオーミックコンタクトを形成することができる。また、熱処理を施してITO層を前記合金層の上面に形成することにより高い透過率を保てるので、より高輝度の光を具現できる優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
添付の図面を参照しながら、本発明をより詳しく説明する。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態による窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示した断面図である。図１によると、窒化ガリウム系半導体発光素子(40)は、窒化ガリウム系半導体物質の成長のためのサファイア基板(31)と、前記サファイア基板(31)上に順次形成された第1導電型半導体物質の下部クラッド層(33)、活性層(34)及び第2導電型半導体物質の上部クラッド層(35)を含む。第1導電型半導体物質から成る前記下部クラッド層(33)はn型GaN層(33a)とn型AlGaN層(33b)とで成ることができ、前記活性層(34)は多重量子井戸構造(Multi-Quantum Well)のアンドープInGaN層から成ることができる。また、第2導電型半導体物質から成る前記上部クラッド層(35)はp型GaN層(35a)とp型AlGaN層(35b)とで成ることができる。一般に前記半導体結晶層(33、34、35)はMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などの工程により成長させることができる。この際、n型GaN層(13a)を成長させる前にサファイア基板(11)との格子整合を向上させるべく、AlN/GaNのようなバッファ層(図示せず)を予め形成することもできる。
【００２２】
所定の領域に該当する上部クラッド層(35)と活性層が除去された領域に前記下部クラッド層の上面一部が露出する。その露出した下部クラッド層(33)、とりわけ図１においてn型GaN層(33a)の上面に第1電極(41)が配置される。
【００２３】
また、第2電極(42)はITO層(Indium Titanium Oxide layer : 38)上に形成される。P型GaN層(35a)はn型GaN層(33a)に比して相対的に高い抵抗と大きい仕事関数(約7.5eV)を有するので、前記p型GaN層(35a)と前記ITO層(38)間にオーミックコンタクトを形成すべく、合金層(37)をさらに形成する。本発明に用いる合金層(37)はLa系合金及びNi合金から成るグループから選択された一金属から成る。前記La系合金としてはLaNi5が代表的で、Ni系合金にはNiZn、MgNiなどがある。
【００２４】
前記合金層(37)は透過率の優れたITO層(38)を用いる際発生しかねない問題を解決するための中間層である。即ち、前記合金層(37)は先に説明したLaNi5 などのLa系合金、またはNiZn、MgNiなどのNi系合金のような水素貯蔵合金から成る。このように水素貯蔵合金を使う理由は次のとおりである。
【００２５】
前記p型GaN層(35a)はMgを不純物に用いて大変低濃度でドープされる。とりわけ、前記p型GaN層(35a)の表面に存在する水素(H)と前記不純物Mgとが相互結合してMgの濃度はより減少する。これにより前記p型GaN層のオーミック抵抗はより増加するようになる。本発明の合金層を成すLaNi5 などのLa系合金またはNiZn、MgNiなどのNi系合金のような水素貯蔵合金を約100Å以下で前記p型GaN層の上面に蒸着後熱処理を行うと、前記水素貯蔵合金がp型GaN層表面の水素を吸収して水素とp型GaN層内の不純物であるMgとの結合を防止することによりp型GaN層表面のMg(不純物)を活性化させ、オーミック抵抗を減少させるのである。
【００２６】
したがって、前記ITO層(38)と前記合金層(37)は強固に形成され、また電流注入効率を増加させながらもオーミックコンタクトを形成して順方向電圧(Vf)を低下させる効果を奏する。
【００２７】
また、前記合金層(37)は前記ITO層(38)に比して相対的に透過率が低いので、全体透過率をより向上させるべく、好ましくは約100Å以下の厚さで、より好ましくは約50Åの厚さで形成される。
【００２８】
一方、本発明による半導体発光素子の一実施形態として、半導体結晶成長面側に発光効率をより向上させるべく、前記合金層とITO層は透過率をより向上させるメッシュ(mesh)形状を用いることができる。このような実施形態においては、前記合金層とITO層が、網目のように規則的に配列され任意の形状を有する複数個の孔を含むメッシュ形態で前記p型GaNクラッド層上に形成されることにより、前記複数個の孔からp型GaNクラッド層の一部を露出させるようになる。したがって、規則的に配列された前記孔から露出した領域を通して活性層から発生した光を直接放出することにより、全体的な発光効率を向上させることができる。しかし、本発明による合金層及びITO層の形状がメッシュ形態に限られるわけではない。
【００２９】
図２は本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程斜視図である。
【００３０】
先ず、図２（ａ）のように窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板(111)に、第1導電型半導体物質から成る下部クラッド層(113)、活性層(114)、及び第2導電型半導体物質から成る上部クラッド層(115)を順次形成する。前記成長用基板(111)はサファイア基板であり、前記下部クラッド層(113)及び上部クラッド層(115)は図１に示した実施形態のように夫々GaN層とAlGaN層で形成することができ、MOCVD工程により形成することができる。
【００３１】
次いで、図２（ｂ）のように前記下部クラッド層(113)の一部領域(113a)が露出するよう、前記少なくとも上部クラッド層(115)と活性層(114)の一部を除去する。前記下部クラッド層(113)の露出した領域(113a)は電極が形成される領域とされる。本除去工程による構造物の形状は電極を形成しようとする位置に応じて多様な形態に変更可能であり電極形状及び大きさも多様に変形することができる。例えば、本工程は一辺に接する領域を除去する方式でも具現でき、電流密度を分散させるべく、電極の形状も辺に沿って延長された構造に形成できる。
【００３２】
次に、図２（ｃ）のように、前記上部クラッド層(115)上に順次に合金層(117)及びITO層(118)を形成する。本発明において、前記合金層(117)は透過率向上とオーミックコンタクト形成のため、La系合金及びNi系合金から成るグループから選択された一金属から成る。前記合金層(117)の構成物質として、前記La系合金にはLaNi5が代表的で、Ni系合金にはNiZn、MgNiなどが挙げられる。こうした合金層(117)及びITO層(118)は水素イオンによる接触抵抗の増加を防止すべく電子ビーム蒸発法(E-beam evaporator)で形成するのが好ましい。
【００３３】
この際、前記合金層及びITO層はメッシュ形状で形成することができる。前記合金層及びITO層をメッシュ形状で形成する場合には、図２（ｂ）のように設けられた上部クラッド層の上面に、所望のメッシュ形状の逆相となる逆メッシュ相でフォトレジストをパターニングし、次いで前記上部クラッド層上にメッシュ形状の合金層及びITO層を順次蒸着した後、リフトオフ(lift-off)工程によりフォトレジストを除去する過程を経てメッシュ形状の合金層及びITO層を形成することができる。しかし、先に述べたように、メッシュ形態の合金層とITO層を形成する実施形態は本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子を限定するものではない。
【００３４】
最終的に、図２（ｄ）のように前記下部クラッド層(113)の一部が露出した領域(113a)と前記ITO層(118)の上部に、夫々第1電極(121)と第2電極(122)を形成する。図２（ｄ）の電極形成工程に先立って、透過率などの特性を向上させるべくITO層を熱処理する段階をさらに行うことができる。こうしたITO層の熱処理は、大気(air)雰囲気下で約200℃以上の温度において少なくとも30秒間実施するのが好ましい。
【００３５】
図３は従来の窒化ガリウム系半導体発光素子のNi/Au層の透過率と本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子LaNi5/ITO層の透過率とを比較したグラフである。二点鎖線(52)は従来の半導体発光素子のp型GaN層上面に形成されたNi/Au層の透過率を示すもので、350ｎｍないし600ｎｍの波長を有する光の透過率が60%を超えない。とりわけ、窒化ガリウム系半導体発光素子から放出される青色または緑色光の波長領域である450ｎｍないし500ｎｍの波長領域において透過率が約50%に過ぎない。
【００３６】
一点鎖線(51)は、 二点鎖線(52)で示した従来の半導体発光素子のp型GaN層上面に形成されたNi/Au層を熱処理した後の透過率である。熱処理しない 二点鎖線(52)と比較して一定レベルほど透過率が向上したことがわかる。しかし、450ｎｍないし500ｎｍの波長領域において透過率が70%ないし80%に留まっている。
【００３７】
これらに比して、本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子に形成されたLaNi5/ITO層の透過率が実線(50)で示してある。とりわけ、図３に示したLaNi5/ITO層の透過率は前記LaNi5/ITO層を熱処理した場合の透過率である。図３からわかるように、本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子に形成されたLaNi5/ITO層の透過率は全波長帯域において従来の半導体発光素子のNi/Au層より高い透過率を示す。とりわけ、青色または緑色光の波長帯域450ｎｍないし500ｎｍの波長領域における透過率が約90%ないし100%以上と従来の窒化ガリウム系半導体発光素子のNi/Au層より約20%以上の透過率向上を示している。こうした透過率の向上は半導体発光素子から放出される光の輝度を向上させるのに重要な要因となる。
【００３８】
図４は従来の窒化ガリウム系半導体発光素子の輝度と本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の輝度とを比較したグラフである。先に図３を参照しながら説明したように、本発明による半導体発光素子に用いる熱処理済みLaNi5/ITO層の透過率が従来の場合より約20%以上の透過率向上を示すので、輝度もまた向上される。図４によると、従来の半導体発光素子の輝度(60)は約9mcdないし10mcdであるが、本発明による半導体発光素子の輝度(62)は約11mcdないし13mcdで、従来より輝度が著しく向上したことがわかる。
【００３９】
本発明は前述した実施形態及び添付の図面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、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、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る。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態による窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示した断面図である。
【図２】本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程斜視図である。
【図３】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子のNi/Au層の透過率と本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子LaNi5/ITO層の透過率を比較したグラフである。
【図４】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子の輝度と本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の輝度を比較したグラフである。
【図５】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
31、111 サファイア基板
33、113 下部クラッド層
34、114 活性層
35、115 上部クラッド層
37、117 合金層
38、118 ITO層
41、121 第1電極
42、122 第2電極
【図１】
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【図２】
2005109429.tif 000004
【図３】
2005109429.tif 000005
【図４】
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【図５】
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