(57)【要約】【課題】ｐ型半導体層に直接接する透明導電膜層からなる正極を有し、駆動電圧が低く、かつ、発光出力が高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供すること。【解決手段】基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をこの順序で含み、負極および正極がそれぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層に接して設けられており、該正極の少なくとも一部が透明導電膜で形成され、該透明導電膜の少なくとも一部がｐ型半導体層と接しており、該透明導電膜の半導体側表面にＩＩＩ族金属成分を含む半導体金属混在層が存在し、該半導体金属混在層の厚さが０．１〜１０ｎｍである窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をこの順序で含み、負極および正極がそれぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層に接して設けられている発光素子において、該正極の少なくとも一部が透明導電膜で形成され、該透明導電膜の少なくとも一部がｐ型半導体層と接しており、該透明導電膜の半導体側表面にＩＩＩ族金属成分を含む半導体金属混在層が存在し、該半導体金属混在層の厚さが０．１〜１０ｎｍであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
半導体金属混在層中に、半導体金属の濃度が全金属に対して２０原子％以上である領域が存在する請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
半導体金属混在層の半導体／透明導電膜界面から３ｎｍ未満の範囲内に、半導体金属の濃度が全金属に対して４０原子％以上である領域が存在する請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
半導体金属混在層の半導体／透明導電膜界面から３ｎｍ以上の範囲の半導体金属の濃度が全金属に対して１５原子％以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項５】
透明導電膜は室温で成膜され、成膜後に３００〜７００℃で加熱処理される請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項６】
透明導電膜が透明導電膜コンタクト層と透明導電膜電流拡散層からなり、透明導電膜コンタクト層がｐ型半導体層と接している請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項７】
透明導電膜コンタクト層がＲＦスパッタリング法で成膜される請求項６に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項８】
透明導電膜電流拡散層がＤＣスパッタリング法で成膜される請求項６または７に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項９】
透明導電膜コンタクト層の厚さが１〜５ｎｍである請求項６〜８のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１０】
透明導電膜電流拡散層の厚さが１５０〜５００ｎｍである請求項６〜９のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１１】
透明導電膜電流拡散層はｐ型半導体に近い側と遠い側で異なった構造をとり、半導体に遠い側の層の構造が柱状構造である請求項６〜１０のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１２】
半導体に近い側の構造体層の膜厚が３０〜１００ｎｍである請求項１０に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１３】
ｐ型半導体層中に透明導電膜の金属成分を含む正極金属混在層が存在する請求項１〜１２のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１４】
正極金属混在層の厚さが０．１〜５ｎｍである請求項１３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１５】
正極金属混在層中の透明導電膜金属成分の濃度が正極金属混在層中の全金属に対して０．１〜２０原子％である請求項１３または１４に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１６】
透明導電膜がＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、ＩｒおよびＰｔからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属の酸化物からなる請求項１〜１５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１７】
透明導電膜がＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｗ、ＭｏおよびＣｒからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属の酸化物からなる請求項１６に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
【請求項１９】
請求項１８に記載のランプが組み込まれている電子機器。
【請求項２０】
請求項１９に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に優れた透光性とオーミック性を有する正極を具備したフェイスアップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長光発光素子用の半導体材料としてＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして、種々の酸化物基板やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板として、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。
【０００３】
ＧａＮ系化合物半導体材料の特性として、横方向への電流拡散が小さいことがある。原因は、エピタキシャル結晶中に多く存在する基板から表面へ貫通する転位の存在であることが考えられるが、詳しいことは判っていない。さらに、ｐ型のＧａＮ系化合物半導体においてはｎ型のＧａＮ系化合物半導体の抵抗率に比べて抵抗率が高いため、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体とオーミック接触をする材料を正極としないと駆動電圧が大幅に上がってしまう。
【０００４】
ｐ型ＧａＮ系化合物半導体とオーミック接触をする材料は主に金属であり、特に仕事関数の高いものがオーミック接触しやすい。また、光取り出しの観点から、正極は透光性であることが望ましい。そこで、これまではｐ型ＧａＮ系化合物半導体とオーミック接触しやすい金属材料を薄膜化することによって低抵抗と透光性の両立を図ってきた。
【０００５】
金属を薄膜化してしまうと、拡散方向の抵抗が高くなってしまうという問題が生じる。そこで、オーミック接触層を薄膜金属とし、電流拡散層としてより光透過率の高い透明導電膜の２層の正極構造とする考えがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
さらに明るい発光素子（ＬＥＤ）とするには光を反射または吸収する金属層の存在をなくさなければならない。そこで透明導電膜自身をｐ型ＧａＮ系化合物半導体とオーミック接触させる方法が模索されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２においては、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体と直接接触する透明導電膜をスパッタリング法以外の方法で作製することが提案されている。これは、スパッタリング法ではｐ型ＧａＮ系化合物半導体層が損傷を受けるためか、接触抵抗が高いため、低動作電圧を得ることができなかったとある。しかし、スパッタリング法以外で透明導電膜を成膜後、さらにスパッタリング法で透明導電膜を厚くする方法では、積層構造の途中で成膜方法を変えるため、方法を変えた界面で抵抗が高くなり、また生産性も劣る。
【０００７】
【特許文献１】特許第２９４１７３号公報
【特許文献２】特開２００１−２１０８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、ｐ型半導体層に直接接する透明導電膜層からなる正極を有し、駆動電圧が低く、かつ、発光出力が高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することである。また、透明導電膜層の成膜時にｐ型半導体層へダメージを与えずに、一貫した成膜手法によって異なった目的を持つ複数の透明導電膜層を成膜し、低接触抵抗かつ電流拡散性に優れた正極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、正極を構成する透明導電膜層の半導体側表面に半導体金属混在層とｐ型半導体の正極側表面に正極金属混在層を適度に形成することによって低接触抵抗を得ることができること、透明導電膜層をｐ型ＧａＮ系化合物半導体に直接接する透明導電膜コンタクト層と透明導電膜電流拡散層の少なくとも２層を含む積層構造とすることおよび透明導電膜コンタクト層をＲＦスパッタリング法によって成膜することでｐ型窒化ガリウム系化合物半導体に損傷を与えずに透明導電膜層を成膜できること、透明導電膜コンタクト層上に透明導電膜電流拡散層をＤＣスパッタリング法で連続して積層することで両層界面の抵抗上昇を抑えられること、また透明導電膜電流拡散層の膜厚を厚くすることで高い透光性を維持したまま電流拡散も促進できること、さらに、透明導電膜層を成膜後に加熱処理することによって、半導体金属混在層内で半導体金属の濃度勾配が大きくなること等を見出し、本発明に到達した。
【００１０】
即ち、本発明は以下の発明を提供する。
（１）基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をこの順序で含み、負極および正極がそれぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層に接して設けられている発光素子において、該正極の少なくとも一部が透明導電膜で形成され、該透明導電膜の少なくとも一部がｐ型半導体層と接しており、該透明導電膜の半導体側表面にＩＩＩ族金属成分を含む半導体金属混在層が存在し、該半導体金属混在層の厚さが０．１〜１０ｎｍであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１１】
（２）半導体金属混在層中に、半導体金属の濃度が全金属に対して２０原子％以上である領域が存在する上記１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１２】
（３）半導体金属混在層の半導体／透明導電膜界面から３ｎｍ未満の範囲内に、半導体金属の濃度が全金属に対して４０原子％以上である領域が存在する上記１または２項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１３】
（４）半導体金属混在層の半導体／透明導電膜界面から３ｎｍ以上の範囲の半導体金属の濃度が全金属に対して１５原子％以下である上記１〜３項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１４】
（５）透明導電膜は室温で成膜され、成膜後に３００〜７００℃で加熱処理される上記１〜４項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１５】
（６）透明導電膜が透明導電膜コンタクト層と透明導電膜電流拡散層からなり、透明導電膜コンタクト層がｐ型半導体層と接している上記１〜５項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１６】
（７）透明導電膜コンタクト層がＲＦスパッタリング法で成膜される上記６項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１７】
（８）透明導電膜電流拡散層がＤＣスパッタリング法で成膜される上記６または７項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１８】
（９）透明導電膜コンタクト層の厚さが１〜５ｎｍである上記６〜８項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１９】
（１０）透明導電膜電流拡散層の厚さが１５０〜５００ｎｍである上記６〜９項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００２０】
（１１）透明導電膜電流拡散層はｐ型半導体に近い側と遠い側で異なった構造をとり、半導体に遠い側の層の構造が柱状構造である上記６〜１０項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００２１】
（１２）半導体に近い側の構造体層の膜厚が３０〜１００ｎｍである上記１０項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００２２】
（１３）ｐ型半導体層中に透明導電膜の金属成分を含む正極金属混在層が存在する上記１〜１２項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００２３】
（１４）正極金属混在層の厚さが０．１〜５ｎｍである上記１３項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００２４】
（１５）正極金属混在層中の透明導電膜金属成分の濃度が正極金属混在層中の全金属に対して０．１〜２０原子％である上記１３または１４項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００２５】
（１６）透明導電膜がＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、ＩｒおよびＰｔからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属の酸化物からなる上記１〜１５項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００２６】
（１７）透明導電膜がＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｗ、ＭｏおよびＣｒからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属の酸化物からなる上記１６項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００２７】
（１８）上記１〜１７項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
【００２８】
（１９）上記１８項に記載のランプが組み込まれている電子機器。
（２０）上記１９項に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、正極を構成する透明導電膜層の半導体側表面に半導体を構成するＩＩＩ族金属を含有する半導体金属混在層を適度に有することによって、正極とｐ型半導体層との接触抵抗が小さい。また、半導体金属混在層において、半導体／透明導電膜層界面近傍で半導体金属の割合が高くなるように、界面から離れた位置では半導体金属の割合が低くなるように半導体金属の濃度勾配を大きくすることによって、界面近傍では半導体と透明導電膜層との接触抵抗を低く出来、界面から離れた位置では半導体の結晶性を良好に維持させることができ、発光素子の抵抗を低くすることが出来る。
【００３０】
さらに、ｐ型半導体層の正極側表面に正極の透明導電膜層を構成する金属を含有する正極金属混在層を適度に存在させることにより、半導体と透明導電膜層との接触抵抗は一層低下する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、図１に示したような、基板（１）上に必要に応じてバッファ層（２）を介して窒化ガリウム系化合物半導体を積層し、ｎ型半導体層（３）、発光層（４）およびｐ型半導体層（５）を形成した後、発光層およびｐ型半導体層の一部を除去することにより露出されたｎ型半導体層上に負極（２０）を形成し、残されたｐ型半導体層上に正極（１０）を形成した半導体発光素子である。
【００３２】
基板には、サファイア単結晶（Ａｌ2Ｏ3；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ2単結晶、ＬｉＧａＯ2単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ2などのホウ化物単結晶などの公知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
【００３３】
ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層は各種構造のものが周知であり、これら周知のものを何ら制限なく用いることができる。特にｐ型半導体層のキャリア濃度は一般的な濃度のものを用いるが、比較的キャリア濃度の低い、例えば１×１０17ｃｍ-3程度のｐ型半導体層も本発明には適用できる。
【００３４】
それらを構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体が周知であり、本発明におけるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００３５】
これらの窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、など窒化ガリウム系化合物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ2）または窒素（Ｎ2）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）またはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を、Ｇｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ4）または有機ゲルマニウム化合物を用い、ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ）を用いる。
【００３６】
基板上にｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体のｎ型半導体層に接して負極を形成するために、発光層およびｐ型半導体層の一部を除去して、ｎ型半導体層を露出させる。その後残したｐ型半導体層上に本発明の透光性正極を形成し、露出させたｎ型半導体層上に負極を形成する。負極としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができる。
【００３７】
その一例を説明すると、図２に示したような、サファイア基板（１）上にＡｌＮ層から構成されるバッファ層（２）を積層し、その上にｎ型ＧａＮ層から構成されるｎコンタクト層（３ａ）およびｎ型ＧａＮ層から構成されるｎクラッド層（３ｂ）からなるｎ型半導体層（３）、ＩｎＧａＮ層から構成される発光層（４）、およびｐ型ＡｌＧａＮ層から構成されるｐクラッド層（５ｂ）およびｐ型ＧａＮ層から構成されるｐコンタクト層（５ａ）からなるｐ型半導体層（５）を順次積層したものを用いることができる。
【００３８】
このような窒化ガリウム系化合物半導体のｐコンタクト層（５ａ）、ｐクラッド層（５ｂ）、発光層（４）、およびｎクラッド層（３ｂ）の一部をエッチングにより除去して、露出したｎコンタクト層（３ａ）上に例えばＴｉ／Ａｕからなる従来周知の負極（２０）を設け、残されたｐコンタクト層（５ａ）上に正極（１０）を設ける。
【００３９】
本発明において、正極（１０）は少なくともｐ型半導体層と接する透明導電膜（１１）を有する。透明導電膜（１１）上の一部には、回路基板またはリードフレーム等との電気接続のためにボンディングパッド層（１５）が設けられる。
【００４０】
透明導電膜は、発光波長領域の光に対して透光性であり、且つ導電性を有する材料から構成される。透明導電膜は、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、ＩｒおよびＰｔからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属の酸化物から構成される。中でも、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｗ、ＭｏおよびＣｒからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属の酸化物が、透光性が良好で導電性が高いので好ましい。特に、各種組成のＩＴＯが好ましい。
【００４１】
透明導電膜の厚さは５０ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましい。５０ｎｍ未満ではシート抵抗値が低く、１０００ｎｍを超えると生産性が悪くなるので好ましくない。さらに好ましくは１００ｎｍ〜５００ｎｍであり、特に好ましくは１５０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００４２】
透明導電膜を透明導電膜コンタクト層と透明導電膜電流拡散層の２層構造とすることが望ましい。ｐ型半導体層に接して設ける透明導電膜コンタクト層は成膜時にｐ型半導体層にダメージを与えることなく形成する。そのため、ｐ型半導体層に入射するエネルギーをなるべく低くする必要がある。透明導電膜コンタクト層は入射エネルギーが弱い成膜となるため、膜の密度が低くなる。透明導電膜コンタクト層の膜厚は１〜５ｎｍが望ましい。１ｎｍ以下では透明導電膜拡散層成膜時にｐ型半導体層にダメージを与えてしまう。５ｎｍ以上とすると、透明導電膜コンタクト層では電流拡散効果が弱いため、逆に透明導電膜全体としての電流拡散効果が低下してしまう。より好ましくは１．５〜３．５ｎｍとする。
【００４３】
続いて成膜する透明導電膜電流拡散層は高い光透過率と低いシート抵抗を両立させる。透明導電膜電流拡散層は電流拡散効果を高めるため、密度の高い膜が望ましい。透明導電膜電流拡散層の膜厚は５０〜１０００ｎｍが望ましい。５０ｎｍより薄いと低いシート抵抗が得られない。１０００ｎｍより厚いと高い光透過率が得られない。より好ましくは、１５０〜７００ｎｍとする。この２層は間をおくことなく連続して成膜することが望ましい。時間が空いたり、別の装置に移動するようなことがあると、２層の間に汚染物が付着したり、金属酸化物膜がさらに酸化されて高抵抗な層を作ってしまう。
【００４４】
透明導電膜の半導体側表面に半導体を構成する金属を含有する半導体金属混在層を存在させると、透明導電膜と半導体との接触抵抗が低下する。即ち、本発明において、「半導体金属混在層」とは透明導電膜中の半導体金属含有層として定義され、透明導電膜中において、半導体の金属成分を全金属成分に対して３原子％以上含有する層を「半導体金属混在層」という。
【００４５】
半導体金属混在層の厚さは０．１〜１０ｎｍが好ましい。０．１ｎｍ未満および１０ｎｍを超えると低接触抵抗が得られ難い。より良い接触抵抗を得るためには１〜８ｎｍとすることがさらに好ましい。
【００４６】
また、半導体金属混在層中に含まれる半導体金属の比率に関しては、半導体金属が全金属成分に対して２０原子％以上含まれる領域が存在することが好ましい。その比率には分布があり、半導体／透明導電膜界面に近い方が半導体形成金属の比率が高くなる。特に、半導体／透明導電膜界面から３ｎｍ未満の範囲で半導体金属の比率が当該半導体金属混在層中の全金属に対して４０原子％以上である領域が存在することが好ましい。半導体／透明導電膜界面から３ｎｍ未満の界面近傍では透明導電膜中に半導体金属の拡散が進んでいる状態になることで接触抵抗が低くなる。
【００４７】
この詳しい機構は明らかではないが、ｐ型ＧａＮ／透明導電膜の接触界面でのエネルギー準位図を考えた場合、拡散が進んでいる状態では拡散がない場合に比べて、正孔や電子がより近い箇所にあるという理由から再結合中心がより多く発生すると考えられる。再結合中心があるとその領域には正孔や電子が流れ込むので電気的に中性となり、障壁が低くなると考えることも出来る。
【００４８】
一方、半導体／透明導電膜界面から３ｎｍ以上離れた範囲では、半導体金属の比率が１５原子％以下であることが好ましい。この範囲で半導体金属の比率が１５原子％を超えると、発光素子の駆動電圧が上昇する場合がある。即ち、半導体／透明導電膜界面から３ｎｍ以上離れた透明導電膜中では半導体金属の拡散が進んでいない状態であることが望ましい。これは半導体を構成する金属の拡散が進みすぎると、半導体層の結晶を崩してしまい、半導体層を高抵抗にしてしまうと考えられる。
【００４９】
半導体金属混在層の厚さおよび含有する半導体形成金属の比率は、当業者には周知の断面ＴＥＭのＥＤＳ分析によって測定できる。即ち、透明導電膜について、ｐ型半導体層界面から厚み方向に数点、例えば５点断面ＴＥＭのＥＤＳ分析を行い、各点でのチャートから含まれる金属とその量を求められる。厚さを決定するのに測定した５点では不十分な場合は、追加してさらに数点測定すればよい。
【００５０】
さらに、ｐ型半導体層の正極側表面に正極である透明導電膜を構成する金属を含有する正極金属混在層を存在させると、接触抵抗が一層低下するので好ましい。即ち、本発明において、「正極金属混在層」とはｐ型半導体層中の透明導電膜の金属成分含有層として定義される。
【００５１】
正極金属混在層の電気抵抗は他のｐ型半導体層のそれよりも高いが、半導体／正極間の接触抵抗が低くなるので、正極金属混在層を適度な膜厚で形成することで駆動電圧を最も低く出来る。
【００５２】
正極金属混在層の厚さは０．１〜５ｎｍが好ましい。０．１ｎｍ未満では接触抵抗低下の効果が顕著ではない。５ｎｍを超えると半導体層表面の結晶性が崩れるので好ましくない。さらに好ましくは１〜３ｎｍである。
【００５３】
また、正極金属混在層中に含まれる透明導電膜構成金属の比率は全金属量に対して０．１〜３０原子％が好ましい。０．１％未満では接触抵抗低下の効果が顕著ではない。３０原子％を超えると半導体側の結晶性を崩して半導体層の抵抗率を上昇させてしまう懸念がある。さらに好ましくは１〜２０原子％である。
【００５４】
正極金属混在層の厚さおよび正極金属含有量の測定は、半導体金属混在層と同様、断面ＴＥＭのＥＤＳ分析によって行なうことができる。
次に、透明導電膜、半導体金属混在層および正極金属混在層の形成方法について述べる。
【００５５】
透明導電膜をｐ型半導体層上に形成するにあたり、即ち透明導電膜コンタクト層を形成するにあたり、ＲＦ放電によるスパッタリング成膜法で形成することが好ましい。ＲＦ放電によるスパッタリング成膜法を用いることで、蒸着法やＤＣ放電のスパッタリング成膜法を用いるより接触抵抗の低い透明導電膜を形成できることが見出された。
【００５６】
ＲＦ放電によるスパッタリング成膜では、イオンアシスト効果により、ｐ型半導体層に付着したスパッタ原子にエネルギーを与え、ｐ型半導体、例えばＭｇドープのｐ−ＧａＮとの間で表面拡散を促す作用があると考えられる。さらに、上記成膜においては、ｐ型半導体層の最表面原子にもエネルギーを与え、半導体材料、例えばＧａが透明導電膜コンタクト層に拡散することを促す作用もあると考えられる。断面ＴＥＭのＥＤＳ分析において、ｐ−ＧａＮ上のＲＦスパッタリング成膜部である透明導電膜コンタクト層に半導体由来のＧａが検出される領域、即ち、半導体金属混在層が確認された（本発明の実施例１における透明導電膜コンタクト層の分析結果の一例である図５参照）。
【００５７】
一方、半導体側では断面ＴＥＭのＥＤＳ分析で透明導電膜由来のＩｎおよびＳｎが検出される領域、即ち、正極金属混在層が確認された（本発明の実施例１におけるｐ型半導体層の分析結果の一例である図６参照）。
【００５８】
金属酸化物のスパッタリングでは、ＧａＮ層表面がスパッタリング時のプラズマに曝されるとプラズマ粒子がＧａＮ表面の結晶性を崩してしまうことが考えられる。結晶性が崩れている証拠は観測されていないが、結果として、半導体金属混在層における半導体金属の割合が高く、混在層の膜厚が大きくなる。これはＧａＮ表面がまずプラズマ粒子により結晶性を崩されてのちに透明導電膜の成膜が行われるため、結晶構造を崩された半導体金属がより透明導電膜中に拡散するためだと考えられる。
【００５９】
また、このことから、ＧａＮ積層基板がスパッタリング時のプラズマに曝されないように工夫することが接触抵抗を高くしない方法となる。例えば、Ｔ-Ｓ（ターゲット-基板）距離を離すこと、マグネットの磁力を上げること、マグネットの形状の工夫によりプラズマが基板方向に広がらないようにすることなどである。
【００６０】
さらに透明導電膜コンタクト層の成膜は室温以下で行なうことが望ましい。ｐ型半導体が加熱されていると、透明導電膜コンタクト層の入射粒子がｐ型半導体から拡散エネルギーを与えられて拡散が進みすぎて半導体の結晶性を崩して高抵抗な層を形成してしまう。
【００６１】
透明導電膜形成後に３００〜７００℃で加熱することで半導体／透明導電膜界面から３ｎｍ未満の界面近傍では透明導電膜形成金属と半導体形成金属の拡散が進んでいる状態になる。この加熱処理では半導体層の深部まで拡散を進めるような長時間の処理は行わない。１〜３０分の範囲が望ましい。
【００６２】
透明導電膜コンタクト層に引き続いて透明導電膜電流拡散層を形成する場合は、ＤＣ放電によるスパッタリング法で形成する。ＤＣ放電によるスパッタリングでは、ＲＦ放電によるスパッタリングよりも透明導電膜の密度が高くなるので、電流拡散層として好ましい。
【００６３】
また、透明導電膜を室温で、ＤＣ放電によるスパッタリング法で成膜することにより、電流拡散層はｐ型半導体に近い側と遠い側で異なった構造をとり、電流拡散層の半導体側から遠い側の層が密度の高いより明確な柱状構造となる。半導体側に近い層はドメインが観察されるが柱状構造とはいえない構造である。本発明の実施例１における透明導電膜電流拡散層の断面ＴＥＭ写真を図７に示す。図中、Ａの部分が明確な柱状構造となっていることが分かる。Ｂの部分はドメインが観察されるが柱状構造とは云えない。この部分の膜厚は通常３０〜１００ｎｍであり、電流拡散層をそれ以上の膜厚とすることで結晶性の高い柱状構造のＡの部分を形成することができる。Ｃは半導体層である。なお、透明導電膜コンタクト層はこの倍率では確認できない。
【００６４】
スパッタリングは、従来公知のスパッタリング装置を用いて従来公知の条件を適宜選択して実施することができる。窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板をチャンバ内に収容する。チャンバ内は真空度が１０-4〜１０-7Ｐａとなるまで排気する。スパッタリング用ガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等が使用できる。入手の容易さからＡｒとするのが望ましい。これらの内の一つのガスをチャンバ内に導入し、０．１〜１０Ｐａにしたのち放電を行う。好ましくは０．２〜５Ｐａの範囲に設定する。供給する電力は０．２〜２．０ｋＷの範囲が好ましい。この際、放電時間と供給電力を調節することによって、形成する層の厚さを調節することができる。
【００６５】
ボンディングパッド層は、Ａｕ、Ａｌ、ＮｉおよびＣｕ等の材料を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料および構造のものを何ら制限無く用いることができる。また、厚さは１００〜１０００ｎｍが好ましい。ボンディングパッドの特性上厚くするとボンダビリティーが高くなる。従って３００ｎｍ以上が好ましい。さらに、製造コストの観点から５００ｎｍ以下が好ましい。
【００６６】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば当業界周知の手段により透明カバーを設けてランプにすることができる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有するカバーとを組み合わせて白色のランプを作製することもできる。
【００６７】
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子から作製したランプは駆動電圧が低く、発光出力が高いので、この技術によって作製したランプを組み込んだ携帯電話、ディスプレイ、パネル類などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車、コンピュータ、ゲーム機、などの機械装置類は、低電力での駆動が可能となり、高い特性を実現することが可能である。特に、携帯電話、ゲーム機、玩具、自動車部品などの、バッテリ駆動させる機器類において、省電力の効果を発揮する。
【実施例】
【００６８】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
【００６９】
（実施例１）
図３は本実施例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図であり、図４はその平面を示した模式図である。サファイアからなる基板（１）上に、ＡｌＮからなるバッファ層（２）を介して、厚さ３μｍのアンドープＧａＮから構成される下地層（３ｃ）、厚さ２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮから構成されるｎコンタクト層（３ａ）および厚さ０．０３μｍのｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎから構成されるｎクラッド層（３ｂ）からなるｎ型半導体層（３）、厚さ０．０３μｍのＳｉドープＧａＮから構成される障壁層および厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから構成される井戸層を５回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層（４）、および厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎから構成されるｐクラッド層（５ｂ）および厚さ０．１５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮから構成されるｐコンタクト層（５ａ）からなるｐ型半導体層（５）を順に積層した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のｐコンタクト層上に、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）からなる厚さ２ｎｍの透明導電膜コンタクト層（１２）およびＩＴＯからなる厚さ４００ｎｍの透明導電膜電流拡散層（１３）からなる透明導電膜（１１）を形成し、その上にＣｒ／Ｔｉ／Ａｕ三層構造（厚さはそれぞれ４／１０／２００ｎｍでＣｒがＩＴＯ側）のボンディングパッド層（１５）をさらに形成し、正極（１０）とした。次にｎコンタクト層上にＴｉ／Ａｕの二層構造の負極（２０）を形成し、光取り出し面を半導体側とした本発明の発光素子を作製した。正極および負極の形状は図４に示したとおりである。
【００７０】
この構造において、ｎ型ＧａＮから構成されるｎコンタクト層のキャリア濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、ＧａＮから構成される障壁層のＳｉドープ量は１×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型ＧａＮから構成されるｐコンタクト層のキャリア濃度は５×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型ＡｌＧａＮから構成されるｐクラッド層のＭｇドープ量は５×１０19ｃｍ-3であった。
【００７１】
窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。また、正極および負極は次の手順で形成した。
【００７２】
初めに反応性イオンエッチング法によって負極を形成する部分のｎコンタクト層を下記手順により露出させた。
【００７３】
まず、エッチングマスクをｐコンタクト層上に形成した。形成手順は以下の通りである。レジストを全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、正極領域からレジストを除去した。真空蒸着装置内にセットして、圧力４×１０-4Ｐａ以下でＮｉおよびＴｉをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約５０ｎｍおよび３００ｎｍとなるように積層した。その後リフトオフ技術により、正極領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。
【００７４】
次いで、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基板を載置し、エッチング室を１０-4Ｐａに減圧した後、エッチングガスとしてＣｌ2を供給してｎコンタクト層が露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。
【００７５】
次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐコンタクト層上の正極を形成する領域にのみ、ＩＴＯからなる透明導電膜コンタクト層およびＩＴＯからなる透明導電膜電流拡散層を形成した。透明導電膜コンタクト層および透明導電膜電流拡散層の形成では、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板をスパッタリング装置内に入れ、基板温度は室温で、ｐコンタクト層上に初めにＩＴＯおよそ２ｎｍをＲＦスパッタリングにより成膜し、次にＩＴＯおよそ４００ｎｍをＤＣスパッタリングにより積層した。なお、ＲＦ成膜時の圧力はおよそ１．０Ｐａ、供給電力は０．５ｋＷとした。ＤＣ成膜時の圧力はおよそ０．８Ｐａ、供給電力は０．５ｋＷとした。スパッタリング装置から取り出した後、通常リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、引き続いてさらに蒸着法により透明導電膜電流拡散層上の一部にＣｒからなる第１の層、Ｔｉからなる第２の層およびＡｕからなる第３の層を順に積層し、ボンディングパッド層を形成した。このようにしてｐコンタクト層上に、正極を形成した。
【００７６】
この方法で形成した正極は透光性を示し、４６０ｎｍの波長領域で９０％以上の光透過率を有していた。なお、光透過率は、上記と同じ厚さの透明導電膜コンタクト層および透明導電膜電流拡散層をガラス板上に積層した光透過率測定用のサンプルを用いて、分光光度計により測定した。なお、光透過率の値はガラス板だけで測定したブランクを考慮して算出した。
【００７７】
次に正極までを成膜したウェハーをオーブンにおいて５５０℃で１０分間加熱処理した。
次に、露出したｎコンタクト層上に負極を以下の手順により形成した。レジストを全面に一様に塗布した後、公知リソグラフィー技術を用いて、露出したｎコンタクト層上の負極形成部分からレジストを除去して、通常用いられる真空蒸着法で半導体側から順にＴｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍよりなる負極を形成した。その後レジストを公知の方法で除去した。
【００７８】
このようにして正極および負極を形成したウェハーを、基板裏面を研削・研磨することにより８０μｍまで基板の板厚を薄くして、レーザスクライバを用いて半導体積層側から罫書き線を入れたあと、押し割って、３５０μｍ角のチップに切断した。続いてこれらのチップをプローブ針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧の測定をしたところ３．３Ｖであった。
【００７９】
その後、ＴＯ−１８缶パッケージに実装してテスターによって発光出力を計測したところ印加電流２０ｍＡにおける発光出力は１０ｍＷを示した。またその発光面の発光分布は正極上の全面で発光しているのが確認できた。
【００８０】
なお、断面ＴＥＭのＥＤＳ分析の結果、半導体金属混在層の厚さは３ｎｍであり、Ｇａの比率は全金属（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）に対して該層中で３〜５０原子％と見積もられた。半導体／正極界面から正極側に１ｎｍの箇所ではＧａの比率は全金属に対して５０原子％であり、３ｎｍの箇所では１０原子％以下であった。また、正極金属混在層の厚さは２ｎｍであり、存在する正極材料は透明導電膜を構成するＩｎおよびＳｎで、その比率は全金属（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）に対して該層中で１〜１０原子％と見積もられた。なお、図５は透明導電膜コンタクト層の断面ＴＥＭのＥＤＳ分析チャートの一例であり、図６はｐコンタクト層の断面ＴＥＭのＥＤＳ分析チャートの一例である。
【００８１】
（実施例２および３）
正極の成膜条件（透明導電膜コンタクト層を形成する際のスパッタ装置の圧力）を変えたことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製し、その素子特性を評価した。その結果を表１に実施例１の結果と共に示した。なお、これらの発光素子の正極金属混在層は厚さが１〜５ｎｍ、正極金属の比率は０．５〜１８％の範囲に入っていた。半導体金属混在層については表１に記す。
【表１】
2007142028.tif 000003
【００８２】
（実施例４）
正極形成後の加熱処理を行なわなかったことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。その素子特性を表１に併せて示した。
【００８３】
（実施例５）
透明導電膜コンタクト層成膜時に基板を２００℃に加熱して成膜した以外は、実施例１と同じ条件で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。また、その素子特性を表１に併せて示した。
【００８４】
（比較例１）
透明導電膜コンタクト層の成膜を行わなかったことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。その素子特性を表１に併せて示した。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によって提供される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、優れた特性と生産性を有し、発光ダイオードおよびランプ等の材料として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一般的な構造を示す概略図である。
【図２】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図である。
【図４】本発明の実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の平面を示した模式図である。
【図５】本発明の実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の正極（透明導電膜）の断面ＴＥＭのＥＤＳ分析チャートの一例である。
【図６】本発明の実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のｐコンタクト層の断面ＴＥＭのＥＤＳ分析チャートの一例である。
【図７】本発明の実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の正極-ｐコンタクト層の断面ＴＥＭ写真の一例である。
【符号の説明】
【００８７】
１    基板
２    バッファ層
３    ｎ型半導体層
４    発光層
５    ｐ型半導体層
１０    正極
１１    透明導電膜
１２    透明導電膜コンタクト層
１３    透明導電膜電流拡散層
１５    ボンディングパッド層
２０    負極
【図１】
2007142028.tif 000004
【図２】
2007142028.tif 000005
【図３】
2007142028.tif 000006
【図４】
2007142028.tif 000007
【図５】
2007142028.tif 000008
【図６】
2007142028.tif 000009
【図７】
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