WO2007125860A1 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法及び窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、並びにランプ - Google Patents

窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法及び窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、並びにランプ Download PDF

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Naoki Fukunaga
Hiroshi Osawa
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    • H10H20/825—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, and in particular, a manufacturing method for obtaining a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device with a low driving voltage (Vf) and a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device.
  • the present invention relates to an element and a lamp.
  • GaN-based compound semiconductor materials which are nitride-based semiconductors, have attracted attention as semiconductor materials for short-wavelength light-emitting devices.
  • GaN-based compound semiconductors include sapphire single crystals, various oxides and III-V compounds as substrates, and metal organic vapor phase chemical reaction (MOCVD) and molecular beam epitaxy (MBE) on this substrate. Method).
  • a characteristic of gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting devices is that current diffusion in the lateral direction is small. For this reason, current is injected only into the semiconductor directly under the electrode, and light emitted from the light emitting layer immediately under the electrode is blocked by the electrode, making it difficult to extract the light outside the light emitting element. Therefore, in such a light emitting element, a transparent electrode is usually used as a positive electrode, and light is extracted through the positive electrode.
  • a positive electrode made of a transparent electrode a well-known conductive material such as NiZAu or ITO (In 2 O 3 SnO 2)
  • a metal such as NiZAu has a low light transmittance, although its contact resistance with the p-type semiconductor layer is small.
  • an oxide such as ITO has a high light transmittance, but has a large contact resistance.
  • Patent Document 1 JP-A-9 129919
  • thermal annealing at a temperature of 300 ° C or higher is performed in order to reduce the specific resistance of the conductive oxide film. There is a way to do it. This thermal annealing process increases oxygen vacancies in the conductive oxide film and increases the carrier concentration of the conductive oxide film. This increase in carrier concentration reduces the specific resistance of the conductive oxide film.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device with a low driving voltage (Vf) and a high light extraction efficiency, a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, and The purpose is to provide a lamp.
  • the inventor of the present invention has completed the present invention as a result of intensive investigations to solve the above problems.
  • the present invention relates to the following.
  • a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device in which a light-transmitting conductive oxide film containing a dopant is stacked on a p-type semiconductor layer of a gallium nitride-based compound semiconductor device.
  • a nitriding process comprising a laser annealing step of laminating a light-conductive conductive oxide film and then annealing the light-transmitting conductive oxide film using a laser.
  • a method for manufacturing a gallium compound semiconductor light emitting device comprising a laser annealing step of laminating a light-conductive conductive oxide film and then annealing the light-transmitting conductive oxide film using a laser.
  • At least one of the pre-process and post-process of the laser annealing process includes a thermal annealing process in which a thermal annealing process is performed on the translucent conductive oxide film at a temperature in a range of 200 to 300 ° C.
  • the laser laser process is characterized in that an annealing process is performed by using a KrF excimer laser or an ArF excimer laser as an excimer laser.
  • Gallium nitride compound semiconductor light emitting device Gallium nitride compound semiconductor light emitting device.
  • the laser energy density of the excimer laser in ⁇ Neil process is characterized in that in the range of 50 ⁇ 1000micm _2 [1] ⁇ [ 4] a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting according to any one of Device manufacturing method.
  • the laser annealing process is characterized in that the translucent conductive film is irradiated with an excimer laser pulse in a range of 2 to 2000 times. Any one of [1] to [6] 1 The manufacturing method of the gallium nitride type compound semiconductor light-emitting device of description.
  • the laser annealing step is characterized in that the translucent conductive film is irradiated with an excimer laser pulse in the range of 2 to 200 times.
  • [1] to [6] The manufacturing method of the gallium nitride type compound semiconductor light-emitting device of description.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device obtained by the manufacturing method according to any one of [1] to [8] above.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device in which a light-transmitting conductive oxide film containing a dopant is laminated on a p-type semiconductor layer of a gallium nitride-based compound semiconductor device, wherein the P-type semiconductor layer is The concentration of the element formed in the translucent conductive oxide film is A gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device characterized in that it is 20% or less within a range of 2 nm or less from the interface between the translucent conductive oxide film and the p-type semiconductor layer.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device in which a light-transmitting conductive oxide film containing a dopant is laminated on a p-type semiconductor layer of a gallium nitride-based compound semiconductor device, wherein the P-type semiconductor layer is The concentration of the element formed in the translucent conductive oxide film is 20 ⁇ % or less within a range of lnm from the interface between the translucent conductive oxide film and the P-type semiconductor layer.
  • a gallium nitride compound semiconductor light emitting device in which a light-transmitting conductive oxide film containing a dopant is laminated on a p-type semiconductor layer of a gallium nitride-based compound semiconductor device, wherein the P-type semiconductor layer is The concentration of the element formed in the translucent conductive oxide film is 20 ⁇ % or less within a range of lnm from the interface between the translucent conductive oxide film and the P-type semiconductor layer.
  • the translucent conductive oxide film is made of ITO, AZO, IZO, GZO, ZnO-based conductor, TiO
  • gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to [10] or [11], wherein the group power of the two-system conductor is at least one material force selected.
  • the thickness of the translucent conductive oxide film is 35 ⁇ !
  • the translucent conductive oxide film has a thickness of ⁇ !
  • the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of [10] to [13], wherein the gallium nitride compound semiconductor light-emitting element is in a range of ⁇ 1 ⁇ m.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device of the present invention, and is a schematic diagram showing a cross-sectional structure.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention, and is a schematic diagram showing a plan view structure.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view of a laminated structure of gallium nitride compound semiconductors.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a lamp configured using the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element of the present invention.
  • Gallium nitride compound semiconductor light emitting device semiconductor light emitting device
  • the method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention is a method for laminating a light-transmitting conductive oxide film containing a dopant on a p-type semiconductor layer of a gallium nitride-based compound semiconductor device.
  • the light-transmitting conductive oxide film is laminated, and then laser annealing is performed on the light-transmitting conductive oxide film using a laser.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device (hereinafter sometimes abbreviated as a semiconductor light-emitting device) of the present invention.
  • reference numeral 11 is a substrate
  • 12 is an n-type semiconductor layer
  • 13 is a light emitting layer
  • 14 is a p-type semiconductor layer
  • 15 is a translucent conductive oxide film
  • 16 is a positive electrode bonding pad
  • 17 is a negative electrode.
  • a substrate 11, an n-type semiconductor layer 12, a light emitting layer 13, and a p-type semiconductor layer 14 are laminated in this order, and a translucent positive electrode is formed on the p-type semiconductor layer 14.
  • a translucent conductive oxide film 15 is laminated, and the concentration of Ga element forming the p-type semiconductor layer 14 in the translucent conductive oxide film 15 is different from that of the translucent conductive oxide film 15 and p. 20 at% or less within the range of 2 nm or less from the interface with the type semiconductor layer 14, more preferably 20 at% or less within the range of 1 nm or less.
  • Substrate materials such as oxide single crystals, Si single crystals, SiC single crystals, GaAs single crystals, A1N single crystals, GaN single crystals, and boride single crystals such as ZrB are well known.
  • any substrate material including these known substrate materials can be used without any limitation.
  • sapphire single crystals and SiC single crystals are particularly preferred.
  • the plane orientation of the substrate is not particularly limited. Also, a just substrate or a substrate with an off angle may be used.
  • an n-type semiconductor layer (n-type GaN layer) 12 On the substrate 11, an n-type semiconductor layer (n-type GaN layer) 12, a light emitting layer 13, and a p-type semiconductor layer (p-type GaN layer) 14 are laminated in this order, and various structures are well known. These well-known ones can be used without any limitation.
  • the p-type semiconductor layer is low carrier concentration of Yogu relatively carrier concentration be used as a general concentration, even for example 1 X 10 17 cm_ 3 about the p-type semiconductor layer, the present invention
  • a light-transmitting conductive oxide film can be laminated and used.
  • nitride compound semiconductor for example, the general formula Al Ga In N M (0 ⁇ X ⁇ 1, 0
  • the symbol ⁇ represents a group V element different from nitrogen ( ⁇ ), where 0 ⁇ ⁇ 1.
  • a large number of nitride compound semiconductors represented by the general formula Al Ga I are also included in the present invention, including these known nitride compound semiconductors.
  • N) represents another group V element, 0 ⁇ A ⁇ 1.
  • the gallium nitride compound semiconductor represented by) can be used without any limitation.
  • the growth method of the nitride-based compound semiconductor is not particularly limited, and nitride semiconductors such as MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (hydride vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy) are used. All methods known to grow can be applied.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • HVPE hydrogen vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • All methods known to grow can be applied.
  • a preferred growth method is the MOCVD method, which has the advantages of film thickness controllability and mass productivity.
  • SiH monosilane
  • disilane SiH
  • germanium is used as the Ge material.
  • Organic germanium compounds such as (C H) Ge can be used.
  • elemental germanium can also be used as a doping source.
  • Mg raw materials such as biscyclopentagel magnesium (Cp Mg) or biseth
  • an unillustrated film made of A1N is formed on a substrate 21 having a sapphire force, such as a gallium nitride compound semiconductor 20 having a multilayer structure as shown in FIG. GaN underlayer 22, n-type GaN contact layer 23, n-type AlGaN cladding layer 24, light-emitting layer 25 made of InGaN, p-type AlGaN cladding layer 26, p-type GaN contact layer 27 Can be used.
  • a conventionally known negative electrode made of, for example, TiZAu is provided on the n-type GaN contact layer 23, and a positive electrode (translucent light is transmitted on the p-type GaN contact layer 27.
  • a gallium nitride compound semiconductor light emitting device can be formed.
  • the translucent conductive oxide film 15 is stacked on and in contact with at least the p-type semiconductor layer (p-type GaN layer) 14. A part of the translucent conductive oxide film 15 is provided with a positive electrode bonding pad 16 for electrical connection with a circuit board or a lead frame.
  • the concentration of Ga element forming the p-type semiconductor layer 14 in the translucent conductive oxide film 15 is such that the translucent conductive oxide film 15 It is preferably 20 at% or less in the range of 2 nm or less from the interface between the p-type semiconductor layer 14 and more preferably 20 at% or less in the range of 1 nm or less.
  • the concentration of the element forming the P-type semiconductor layer in the light-transmitting conductive oxide film within the above range, the specific resistance of the light-transmitting conductive oxide film is reduced.
  • the contact resistance between the translucent conductive oxide film can be reduced.
  • a semiconductor light emitting device having a low driving voltage (Vf) can be obtained.
  • any known material can be used for the light-transmitting conductive oxide film without any limitation.
  • ITO lan O—SnO
  • AZO ZnO—Al O
  • IZO ZnO—In O
  • ITO when it is desired to reduce the driving voltage (Vf), ITO can obtain a low specific resistance, so it is sufficient to use a material containing at least ITO.
  • Vf driving voltage
  • AZO or GZO these specific resistances are higher than the specific resistance of ITO, so the drive voltage (Vf) is higher than the drive voltage (Vf) when using ITO.
  • ZnO is deposited, ZnO present in AZO and GZO has a grain boundary, but epitaxy grows, so it has better crystallinity than ITO. Therefore, it is possible to form a light-transmitting conductive oxide film with less strength and less strength than ITO.
  • a translucent conductive oxide film having a composition in the vicinity of the dopant concentration at which the specific resistance is lowest is preferable to use.
  • the Sn concentration in ITO is preferably in the range of 5 to 20% by mass.
  • ITO having a Sn concentration in the range of 7.5 to 12.5% by mass may be used.
  • the thickness of the light-transmitting conductive oxide film is such that a low specific resistance and a high transmittance can be obtained. It is preferably in the range of ⁇ 10000 nm (10 m). Furthermore, from the viewpoint of production cost, the thickness of the light-transmitting conductive oxide film is more preferably 1000 nm (l ⁇ m) or less.
  • the positive electrode bonding pad 16 is formed on the translucent conductive oxide film layer 15, and various structures using materials such as Au, Al, Ni, and Cu are well known. It can be used without.
  • the thickness of the positive electrode bonding pad 16 is preferably in the range of 100 to 1000 nm. In addition, in view of the characteristics of the bonding pad, the bond thickness becomes higher when the thickness is larger. Therefore, the thickness of the positive electrode bonding pad 16 is more preferably 300 nm or more. Further, it is preferably 500 nm or less from the viewpoint of production cost.
  • the negative electrode 17 is formed on the substrate 11 so as to be in contact with the n-type semiconductor layer 12 of the gallium nitride compound semiconductor in which the n-type semiconductor layer 12, the light emitting layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 are sequentially stacked. It is.
  • the light emitting layer 13 and the p-type semiconductor layer 14 are partially removed to expose the n-type semiconductor layer 12.
  • a translucent conductive oxide film 15 is formed on the remaining p-type semiconductor layer 14, and a negative electrode 17 is formed on the exposed n-type semiconductor layer 12.
  • negative electrodes having various compositions and structures are known, and these known negative electrodes can be used without any limitation.
  • the method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention has a translucent conductive material containing a dopant on the p-type semiconductor layer 14 of the gallium nitride-based compound semiconductor device 1 as shown in FIG.
  • the light-transmitting conductive oxide film 15 is roughly structured as a method including a laser annealing process in which annealing is performed using a laser.
  • a known method used for forming a thin film can be used without any limitation.
  • a sputtering method, a vacuum deposition method, or the like can be used.
  • ITO is used as the translucent conductive oxide film and vacuum evaporation is performed.
  • the film is deposited by the deposition method, the ITO transmittance is low and a thermal annealing process of about 600 ° C is required. Therefore, the element is not bonded at the interface between the translucent conductive oxide film and the P-type semiconductor layer. Diffusion occurs and the specific resistance reduction by laser annealing is insufficient. Therefore, it is preferable to select a film-forming method such as a sputtering method so that the transmittance immediately after the film formation is higher for the film formation of the light-transmitting conductive oxide film.
  • the light-transmitting conductive oxide film layer 15 is laminated on the p-type semiconductor layer 14, and then the laser annealing process using a laser is performed in the laser annealing process.
  • the specific resistance of the conductive oxide film 15 can be lowered.
  • an excimer laser As the excimer laser, a KrF excimer laser having a wavelength of 248 nm or an ArF excimer laser having a wavelength of 193 nm can be used. By performing laser annealing using an excimer laser having these wavelengths, the specific resistance of the light-transmitting conductive oxide film can be effectively reduced, and as a result, the p-type semiconductor layer and the light-transmitting conductive film can be reduced. The contact resistance with the oxide film can be effectively reduced.
  • a translucent conductive oxide film such as ITO is transparent in the visible light region, but light with a wavelength of 300 nm or less is almost absorbed. Therefore, by using a KrF excimer laser or ArF excimer laser with a wavelength of 300 nm or less, the laser light is almost absorbed by the translucent conductive oxide film if the energy density is within the range used for laser annealing. Therefore, it is possible to suppress the diffusion and suppression of Ga with almost no damage to the p-type semiconductor layer by the laser.
  • the excimer laser can be irradiated to the light-transmitting conductive oxide film by pulse irradiation.
  • the number of times is preferably in the range of 2 to 2000 times.
  • the pulse width is preferably in the range of 5 to lOOns.
  • the pulse width and the number of times of excimer laser pulse irradiation are within this range, the specific resistance of the translucent conductive oxide film is effectively reduced, and the p-type semiconductor layer and the translucent conductive oxide film are reduced.
  • the contact resistance is reduced, and the light extraction efficiency of the semiconductor light emitting device is improved. Also, considering productivity, the number of times of excimer laser pulse irradiation is 2
  • the beam size of the excimer laser is not particularly limited, and the specific resistance of the translucent conductive oxide film is not affected by this beam size. However, if the beam size is too large, the energy distribution of the laser is reduced. There is a risk of getting worse. For this reason, for example, the energy density is
  • the laser annealing step may include a step of forming an uneven shape on the surface of the translucent conductive oxide film 15 using an excimer laser.
  • a concavo-convex shape preferably a disordered concavo-convex shape on the surface of the translucent conductive oxide film 15
  • the light extraction efficiency of the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element 1 can be improved and the light output can be improved. It becomes possible.
  • the surface of the light-transmitting conductive oxide film is formed without causing plasma damage. Can do.
  • a concavo-convex shape having a size of 1 ⁇ m or less which is difficult to form by a patterning process using photolithography, etc., can also be formed in the laser annealing process of the present invention. Therefore, the laser annealing process of the present invention can simultaneously perform two processes of reducing the specific resistance of the translucent conductive oxide film and forming the irregular shape on the surface of the translucent conductive oxide film. .
  • the p-type semiconductor layer 14 When the p-type semiconductor layer 14 is directly irradiated with a laser, the energy of the excimer laser is large! /, And the crystallinity of the GaN constituting the p-type semiconductor layer 14 is deteriorated. Metal elements in the semiconductor layer 14 may precipitate on the surface of the p-type semiconductor layer 14. For this reason, it is preferable to irradiate only the surface of the translucent conductive oxide film 15 with the excimer laser.
  • a p-type semiconductor layer is formed by performing the laser annealing process on the light-transmitting conductive oxide film by including the laser annealing process as described above.
  • the concentration of Ga element in the translucent conductive oxide film is different from that of the translucent conductive oxide film and p-type semiconductor. It is possible to obtain a semiconductor light emitting device having 20 at% or less within a range of 2 nm or less from the interface with the layer, more preferably 20 at% or less within a range of 1 nm or less.
  • the concentration of Ga element in the light-transmitting conductive oxide film within the above range, the specific resistance of the light-transmitting conductive oxide film is reduced, and as a result, between the p-type semiconductor layer and the light-transmitting conductive oxide film. It is possible to reduce the contact resistance. This makes it possible to reduce the driving voltage (Vf) of the semiconductor light emitting element.
  • the method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention includes a range of 200 to 300 ° C. with respect to the light-transmitting conductive oxide film 15 in at least one of the pre-process and post-process of the laser annealing process. It can be set as the structure provided with the thermal annealing process which performs a thermal annealing process at the temperature of this.
  • the thermal annealing process of the present invention is a process for performing a thermal annealing process by means other than the laser annealing.
  • the transmittance is lower than that of the translucent conductive oxide film subjected to the thermal annealing process. Lower. Therefore, by performing both the laser annealing process and the thermal annealing process, a light-transmitting conductive oxide film having a low specific resistance and a high transmittance can be obtained.
  • thermal annealing it is preferable to perform the annealing at a temperature of 300 ° C or lower, at which the diffusion of Ga hardly occurs at the interface between the translucent conductive oxide film and the p-type semiconductor layer. It is more preferable to perform at a temperature in the range! /.
  • the treatment atmosphere in the thermal annealing process is preferably an atmosphere containing oxygen (O 2) in order to further increase the transmittance of the light-transmitting conductive oxide film.
  • the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention as described above can be used to form a lamp with a transparent cover, for example, by means well known to those skilled in the art.
  • a white lamp can be configured by combining the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention and a cover having a phosphor.
  • the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention can be configured as an LED lamp without any limitation using a conventionally known method.
  • the lamp can be used for any purpose such as a general-purpose bullet type, a side view type for portable backlight use, and a top view type used for a display.
  • the gallium nitride compound semiconductor light emitting device 1 is coated on one of the two frames 31 and 32 as shown in the example of the drawing. Then, the positive electrode bonding pad and the negative electrode bonding pad are bonded to the frames 31 and 32 using wires 33 and 34 having a material strength such as gold, respectively. Thereafter, a shell-type lamp 30 can be manufactured by molding the periphery of the element with a transparent resin (see mold 35 in FIG. 4).
  • the light emitting device of the present invention has a low driving voltage (Vf) and excellent light extraction efficiency, it is possible to realize a lamp having excellent light emission characteristics.
  • a translucent conductive oxide film is laminated on the p-type semiconductor layer of the gallium nitride compound semiconductor device.
  • the light-transmitting conductive oxide film is subjected to a laser annealing process.
  • a laser annealing process it is possible to suppress the diffusion of elements at the interface between the p-type semiconductor layer and the translucent conductive oxide film, compared to the case where only the thermal annealing treatment is performed.
  • the specific resistance can be reduced, and the contact resistance between the translucent conductive oxide film and the p-type semiconductor layer can be reduced.
  • a thermal annealing process in a temperature range of 200 ° C. to 300 ° C. is performed either before or after the laser annealing process.
  • the transmittance of the translucent conductive oxide film can be increased.
  • a gallium nitride compound semiconductor light-emitting device having a further excellent light emission output can be obtained as compared with a gallium nitride compound semiconductor light-emitting device subjected only to laser annealing treatment. Therefore, it is possible to obtain a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device with a low driving voltage (Vf) and high light emission output.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of an epitaxial structure fabricated for use in the gallium nitride compound semiconductor light-emitting device of this experimental example.
  • FIG. 1 and FIG. 2 are a schematic sectional view and a schematic plan view of the gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device of the present invention, which will be described below with appropriate reference.
  • the laminated structure of the GaN-based compound semiconductor light-emitting element 20 is sequentially formed on a substrate 21 composed of a sapphire c-plane ((001) crystal plane) via a nofer layer (not shown) having an A1N force.
  • a substrate 21 composed of a sapphire c-plane ((001) crystal plane) via a nofer layer (not shown) having an A1N force.
  • Undoped GaN underlayer 2 m) 22
  • Si-doped n-type Al Ga N cladding layer (
  • the constituent layers 22 to 27 of the stacked structure of the gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device 20 were grown by a general low pressure MOCVD means.
  • a gallium nitride compound semiconductor light emitting device (see FIG. 1) was fabricated using the above epitaxial structure of the gallium nitride compound semiconductor light emitting device 20.
  • ITO was deposited to a thickness of approximately 250 nm by DC magnetron sputtering. For sputtering, SnO
  • a 0 degree target of 10% by mass at 2 degrees was used, and the pressure during ITO film formation was about 0.3 Pa.
  • the light-transmitting conductive oxide film of the present invention (see reference numeral 15 in FIGS. 1 and 2) was formed on the p-type GaN contact layer 27.
  • the positive electrode made of the light-transmitting conductive oxide film formed by the above-described method showed high light-transmitting properties and had a transmittance of 90% or more in the 46 Onm wavelength region.
  • the light transmittance was measured with a spectrophotometer using a transmittance measurement sample in which a light-transmitting conductive oxide film having the same thickness as described above was laminated on a glass plate.
  • the light transmittance value was calculated in consideration of the light transmission blank value measured only with the glass plate.
  • a first layer (layer thickness 40 nm) made of Cr is formed on a part of the light-transmitting conductive oxide film (positive electrode) and the Si-doped n-type GaN contact layer 23 by vacuum deposition.
  • the back surface of the substrate having sapphire force was polished using a cannonball such as diamond fine particles, and finally finished to a mirror surface.
  • the stacked structure was cut, separated into individual 350 m square chips, placed in a lead frame shape, and then connected to the lead frame with gold (Au) wire.
  • the forward voltage (driving voltage: Vf) at a current applied value of 20 mA was measured, it was 3.3 V.
  • the light emission output (Po) measured with a general integrating sphere was 10 mW, and it was confirmed that the light emission distribution on the light emitting surface was emitted over the entire surface of the translucent conductive oxide film.
  • Cross-sectional TEM EDX analysis shows that the interfacial force between the p-type GaN contact layer 27 and the light-transmitting conductive oxide film layer (positive electrode) toward the light-transmitting conductive oxide film side. See the concentration Piled up.
  • the Ga concentration in this translucent conductive oxide film is defined by the ratio (at%) to the metal element (In + Sn + Ga + Al) that is considered to exist near the interface in the translucent conductive oxide film. did.
  • the Ga concentration in the light-transmitting conductive oxide film was 10 at% and 6 at%, respectively, at lnm and 2nm from the interface, and a semiconductor light emitting device subjected to thermal annealing at 600 ° C, which will be described later (experimental). It was confirmed that Ga diffusion was smaller than in Example 6).
  • a gallium nitride compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1, except that laser annealing was performed under the conditions shown in Table 1 below for the number of excimer laser pulse irradiations.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1, except that laser annealing with an excimer laser was not performed.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1, except that the thermal annealing treatment was performed at the temperature shown in Table 1 without performing the laser annealing treatment.
  • Nitriding is performed in the same manner as in Experimental Example 1 except that either the pre-process or post-process of the laser annealing process is provided with a thermal annealing process with the conditions shown in Table 1 below.
  • a gallium compound semiconductor light emitting device was fabricated.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1. [0067] [Experiment 14]
  • a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1, except that a light-transmitting conductive oxide film was formed by vacuum evaporation using ITO.
  • a light-transmitting conductive oxide film is deposited by vacuum evaporation using ITO, and a gallium nitride compound semiconductor is formed in the same manner as in Experimental Example 1 except that it does not perform laser beam processing.
  • a light emitting element was manufactured.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1, except that a light-transmitting conductive oxide film was formed using AZO.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1, except that the thermal annealing treatment was performed at a temperature of 250 ° C.
  • a gallium nitride compound semiconductor light-emitting device was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1, except that the thermal annealing treatment was performed at a temperature of 100 ° C.
  • Table 1 shows a list of film-forming conditions and device characteristics of the light-transmitting conductive oxide films of Experimental Examples 1 to 24 described above. Table 1 also shows the interfacial force between the p-type GaN contact layer and the light-transmitting conductive oxide film layer, and the Ga concentration at a position 1 nm away from the light-transmitting conductive oxide film layer. .
  • the gallium nitride compound semiconductor light-emitting device in Experimental Example 1 was irradiated with a pulse of 150 mjcm- 2 KrF excimer laser once and laser annealed.
  • Vf was 3.3V
  • the light emission output (Po) was 10mW.
  • the Ga concentration at a position within 2 nm from the interface between the p-type GaN layer and the ITO layer to the ITO side was less than 10%. This is similar to the case where the laser annealing treatment was not performed as in the semiconductor light emitting device of Experimental Example 6, as in the case of the semiconductor light emitting device of Experimental Example 5 where the laser annealing treatment was not performed. It can also be seen that the Ga concentration is low and the Vf is low.
  • Vf was 3.3 V and Po was 10 mW, which was as high as when a KrF excimer laser was used. Device characteristics were obtained.
  • Vf was very high at 3.7V. This indicates that laser irradiation on the p-type GaN surface increases Vf.
  • the Po power was as low as S8 mW, and the device characteristics were low.
  • Vf was 3.3 V and Po was 10 mW.
  • the gallium nitride compound semiconductor light-emitting device obtained by the production method of the present invention has excellent light extraction efficiency and high device characteristics with low starting voltage (Vf). It became clear that.
  • the present invention can be applied to a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, and in particular, a manufacturing method for obtaining a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device with a low driving voltage (Vf) and a gallium nitride-based compound semiconductor It can be applied to a light emitting element and a lamp.
  • Vf driving voltage

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Abstract

　駆動電圧（Ｖｆ）が低く、光取り出し効率の高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法及び窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、並びにランプが提供される。そのような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、窒化ガリウム系化合物半導体素子１のｐ型半導体層１４上に、ドーパントを含む透光性導電酸化膜１５を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、透光性導電酸化膜１５を積層した後、該透光性導電酸化膜１５にレーザーを用いてアニール処理を行うレーザーアニール工程が備えられている。

Description

明 細 書
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法及び窒化ガリウム系化 合物半導体発光素子、並びにランプ
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の製造方法に関し、特に、駆動電 圧 (Vf)が低められた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる製造方法及 び窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、並びにランプに関する。
本願は、 2006年 4月 24曰に、日本に出願された特願 2006— 119207号に基づき 優先権を主張し、その内容をここに援用する。
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窒化物系半導体である 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 はじめ、種々の酸ィ匕物や III— V族化合物を基板として、この基板上に有機金属気相 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] 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の特徴として、横方向への電流拡散が小さ いことが挙げられる。このため、電極直下の半導体にのみ電流が注入され、電極直 下の発光層で発光した光は電極に遮られてしまい、発光素子の外部に取り出すのが 困難となる。そこで、このような発光素子では、通常、正極として透明電極が用いられ 、正極を透過して光を取り出すように構成されている。
[0004] 透明電極からなる正極には、 NiZAuや ITO (In O SnO )等の周知の導電材
2 3 2
料が用いられる。 NiZAu等の金属は、 p型半導体層との接触抵抗は小さいものの、 光の透過率が低い。これに対し、 ITOなどの酸ィ匕物は、光の透過率は高いものの、 接触抵抗が大き ヽと ヽぅ問題がある。
[0005] このため、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に用いられる正極を、 ITO等の導 電性に優れた金属酸化物層とコンタクト金属層とを組み合わせた構成としたものがあ る（例えば、特許文献 1)。 [0006] し力しながら、特許文献 1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、正 極に用いられて 、るコンタクト金属層によって p型半導体層との接触抵抗を下げること は可能であるものの、コンタクト金属層の光透過率が低いため、十分な光取出し効率 を得ることができず、発光出力が低くなるという問題がある。
特許文献 1 :特開平 9 129919号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の正極として ITO等の導電酸ィ匕膜を用いる 場合、該導電酸化膜の比抵抗を減少させるため、 300°C以上の温度での熱ァニー ル処理を行う方法がある。この熱ァニール処理によって導電酸化膜中の酸素空孔が 増加し、導電酸化膜のキャリア濃度が増加する。このキャリア濃度の増加が導電酸化 膜の比抵抗を低減させる。
[0008] し力しながら、本発明者の研究によれば、このような高温での熱ァニール処理を行 つた場合、導電酸ィ匕膜と p型半導体層との界面付近で元素の相互拡散が生じてしま い、導電酸ィ匕膜の比抵抗の低減の妨げになるだけではなぐ p型半導体層の比抵抗 の増大や、導電酸ィ匕膜と p型半導体層との接触抵抗の増大が生じてしまうといった問 題があることが見出されている。特に、 p型半導体層中の Ga元素の透光性導電酸ィ匕 膜中への拡散は、比抵抗や接触抵抗の低抵抗ィ匕の妨げとなるという問題があった。
[0009] 本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、駆動電圧 (Vf)が低ぐ光取り出し 効率の高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法及び窒化ガリウム系 化合物半導体発光素子、並びにランプを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
[0011] [1] 窒化ガリウム系化合物半導体素子の p型半導体層上に、ドーパントを含む透光 性導電酸ィヒ膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であつ て、前記透光性導電酸化膜を積層した後、該透光性導電酸ィ匕膜にレーザーを用い てァニール処理を行うレーザーァニール工程が備えられてい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の製造方法。
[2] 前記レーザーァニール工程は、エキシマレーザーを用いて前記透光性導電酸 化膜の表面に凹凸形状を形成する工程を含むことを特徴とする [1]に記載の窒化ガ リウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[3] 前記レーザーァニール工程の前工程或いは後工程の少なくとも一方に、前記 透光性導電酸ィ匕膜に対して 200〜300°Cの範囲の温度で熱ァニール処理を行う熱 ァニール工程が備えられて 、ることを特徴とする [1]又は [2]に記載の窒化ガリウム 系化合物半導体発光素子の製造方法。
[4] 前記レーザーァ-ーノレ工程は、エキシマレーザーとして、 KrFエキシマレーザ 一、又は、 ArFエキシマレーザーを用いてァニール処理を行うことを特徴とする [1] 〜 [3]の何れか 1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[5] 前記レーザーァニール工程におけるエキシマレーザーのエネルギー密度が 50 〜1000micm_2の範囲であることを特徴とする [1]〜 [4]の何れか 1項に記載の窒 化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[6] 前記レーザーァニール工程におけるエキシマレーザーのエネルギー密度が 50 〜300micm_2の範囲であることを特徴とする [1]〜 [4]の何れか 1項に記載の窒化 ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[7] 前記レーザーァニール工程は、前記透光性導電膜に対して、エキシマレーザ 一を 2〜2000回の範囲でパルス照射することを特徴とする [1]〜 [6]の何れ力 1項に 記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[8] 前記レーザーァニール工程は、前記透光性導電膜に対して、エキシマレーザ 一を 2〜200回の範囲でパルス照射することを特徴とする [1]〜 [6]の何れか 1項に 記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[9] 上記 [1]〜[8]の何れか 1項に記載の製造方法によって得られる窒化ガリウム 系化合物半導体発光素子。
[10] 窒化ガリウム系化合物半導体素子の p型半導体層上に、ドーパントを含む透 光性導電酸ィ匕膜が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、 前記 P型半導体層をなす元素の、前記透光性導電酸化膜中における濃度が、前記 透光性導電酸化膜と p型半導体層との界面から 2nm以内の範囲にぉ 、て 20^%以 下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。
[11] 窒化ガリウム系化合物半導体素子の p型半導体層上に、ドーパントを含む透 光性導電酸ィ匕膜が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、 前記 P型半導体層をなす元素の、前記透光性導電酸化膜中における濃度が、前記 透光性導電酸ィ匕膜と P型半導体層との界面から lnm以内の範囲において 20^%以 下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。
[12] 前記透光性導電酸化膜が、 ITO、 AZO、 IZO、 GZO、 ZnO系導電体、 TiO
2 系導電体の群力 選択される少なくとも 1種以上の材料力 なることを特徴とする [10 ]又は [11]に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[13] 前記透光性導電酸化膜が、少なくとも ITOを含有してなることを特徴とする [1 2]に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[14] 前記透光性導電酸ィ匕膜の厚さが 35ηπ！〜 10 mの範囲であることを特徴と する [10]〜[13]の何れか 1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[15] 前記透光性導電酸化膜の厚さが ΙΟΟηπ！〜 1 μ mの範囲であることを特徴と する [10]〜[13]の何れか 1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
[16] 上記 [9]〜[15]の何れ力 1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素 子力もなるランプ。
[0013] 本発明者の研究によれば、 p型半導体層中の Ga元素が透光性導電酸化膜中に拡 散すると透光性導電酸化膜の比抵抗が増大するが、透光性導電酸化膜中の Ga元 素が透光性導電酸化膜と p型半導体層との界面付近に偏祈した場合に、透光性導 電酸ィ匕膜と P型半導体層との接触抵抗が低減されることが見出された。
従って、 Gaの透光性導電酸化膜中への拡散を抑制することが、透光性導電酸ィ匕 膜と P型半導体層との接触抵抗を低減するのに有効である。
発明の効果
[0014] 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法によれば、窒化ガリウ ム系化合物半導体素子の P型半導体層上に透光性導電酸化膜を積層して成膜後、 該透光性導電酸化膜にレーザーァニール処理を行う方法としている。これにより、熱 ァニール処理のみを行った場合に比べ、 p型半導体層と透光性導電酸化膜との界面 の Ga元素の拡散を抑えることができるため、透光性導電酸ィ匕膜の比抵抗を減少させ ることができ、透光性導電酸ィ匕膜と p型半導体層との接触抵抗を低減することができ る。
従って、駆動電圧 (Vf)が低ぐ発光出力の高い窒化ガリウム系化合物半導体発光 素子を得ることができる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を模式的に説明する図であり 、断面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を模式的に説明する図であり 、平面視構造を示す概略図である。
[図 3]本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を模式的に説明する図であり
、窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造体の断面図である。
[図 4]本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いて構成したランプを模 式的に説明する図である。
符号の説明
[0016] 1…窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 (半導体発光素子)、
11 · ,·基板、
12· •·η型半導体層、
13· ··発光層、
14· • ·ρ型半導体層、
is透光性導電酸化膜層、
le- ··正極ボンディングパッド、
17· ··負極、
21 · ,·基板、
22· ··アンドープ GaN下地層、
23· •·η型 GaNコンタクト層、
24· •·η型 AlGaNクラッド層、 25· ··発光層、
26 · · ·ρ型 AlGaNクラッド層、
27· ··ρ型 GaNコンタクト層、
30· "ランプ。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下に、本発明の半導体発光素子及びそれを用いたランプの一実施形態につい て、図 1〜4を適宜参照しながら説明する。
但し、本発明は以下の実施形態の各々に限定されるものではなぐ例えば、これら 実施形態の構成要素同士を適宜組み合わせても良 、。
[0018] 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、窒化ガリウム系化 合物半導体素子の p型半導体層上に、ドーパントを含む透光性導電酸ィ匕膜を積層 する製造方法であって、前記透光性導電酸化膜を積層した後、該透光性導電酸ィ匕 膜にレーザーを用いてァニール処理を行うレーザーァニール工程が備えられた方法 として概略構成されている。
以下に、本発明の製造方法で得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子につ いて説明する。
[0019] [窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の全体構成]
図 1は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 (以下、半導体発光素子と 略称することがある）の断面を模式的に示した図である。図 1において、符号 11は基 板、 12は n型半導体層、 13は発光層、 14は p型半導体層、 15は透光性導電酸化膜 、 16は正極ボンディングパッド、 17は負極である。
本実施形態の半導体発光素子 1は、基板 11、 n型半導体層 12、発光層 13、 p型半 導体層 14がこの順で積層されており、 p型半導体層 14上に透光性正極である透光 性導電酸化膜 15が積層されてなり、 p型半導体層 14をなす Ga元素の、透光性導電 酸ィ匕膜 15中における濃度が、透光性導電酸ィ匕膜 15と p型半導体層 14との界面から 2nm以内の範囲において 20at%以下、より好ましくは lnm以内の範囲において 20 at%以下とされ、概略構成されている。
以下、本実施形態の半導体発光素子 1について詳述する。 [0020] (基板）
基板 11としては、サファイア単結晶（Al O； A面、 C面、 M面、 R面）、スピネル単結
2 3
晶（MgAl O；)、 ZnO単結晶、 LiAlO単結晶、 LiGaO単結晶、 MgO単結晶等の
2 4 2 2
酸化物単結晶、 Si単結晶、 SiC単結晶、 GaAs単結晶、 A1N単結晶、 GaN単結晶及 び ZrB等のホウ化物単結晶、等の基板材料が周知である。
2
本発明においても、これら周知の基板材料を含めて、如何なる基板材料を何ら制 限なく用いることができる。これらの中でも、サファイア単結晶及び SiC単結晶が特に 好ましい。
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 、。
[0021] (窒化物系化合物半導体）
基板 11上には、 n型半導体層（n型 GaN層） 12、発光層 13、及び p型半導体層（p 型 GaN層） 14がこの順で積層され、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型半導体層はキャリア濃度が一般的な濃 度のものを用いれば良ぐ比較的キャリア濃度の低い、例えば 1 X 1017cm_3程度の p 型半導体層に対しても、本発明の透光性導電酸ィ匕膜を積層して用いることができる。
[0022] 窒化物系化合物半導体としては、例えば一般式 Al Ga In N M (0≤X≤1、0
X Y Z 1 -Α A
≤Υ≤ 1、 0≤Ζ≤ 1で且つ、 Χ+Υ+Ζ= 1。記号 Μは窒素（Ν)とは別の第 V族元素 を表し、 0≤Α< 1である。）で表わされる窒化物系化合物半導体が多数知られており 、本発明においても、それら周知の窒化物系化合物半導体を含めて一般式 Al Ga I
X Y
n N M (0≤X≤1, 0≤Y≤1, 0≤Z≤ 1で且つ、 X+Y+Z= 1。記号 Mは窒素（
Z l -A A
N)とは別の第 V族元素を表し、 0≤A< 1である。）で表わされる窒化ガリウム系化合 物半導体を何ら制限なく用いることができる。
[0023] 窒化物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)等 、窒化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、量産性の観点力 MOCVD法である。
MOCVD法では、キャリアガスとして水素（H )または窒素（N )、 III族原料である Ga源としてトリメチルガリウム (TMG)またはトリェチルガリウム (TEG)、 A1源としてトリ メチルアルミニウム (TMA)またはトリェチルアルミニウム (TEA)、 In源としてトリメチ ルインジウム (TMI)またはトリェチルインジウム (TEI)、 V族原料である N源としてァ ンモユア（NH )、ヒドラジン (N H )などが用いられる。また、ドーパントとしては、 n型
3 2 4
には Si原料としてモノシラン（SiH )またはジシラン（Si H )を、 Ge原料としてゲルマ
4 2 6
ンガス（GeH )や、テトラメチルゲルマニウム（（CH ) Ge)ゃテトラェチルゲルマニウ
4 3 4
ム（（C H ) Ge)等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。
2 5 4
MBE法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。 p型には Mg 原料としては例えばビスシクロペンタジェ-ルマグネシウム（Cp Mg)またはビスェチ
2
ルシクロペンタジェ-ルマグネシウム（EtCp Mg)を用いる。
2
[0024] このような窒化ガリウム系化合物半導体の一例として、図 3に示すような積層体構造 を有した窒化ガリウム系化合物半導体 20のように、サファイア力もなる基板 21上に、 A1Nからなる図示略のバッファ層を積層して、順次、 GaN下地層 22、 n型 GaNコンタ タト層 23、 n型 AlGaNクラッド層 24、 InGaNからなる発光層 25、 p型 AlGaNクラッド 層 26、 p型 GaNコンタクト層 27を積層したものを用いることができる。
[0025] また、図 3に示すような、窒化ガリウム系化合物半導体力 なる p型 GaNコンタクト層 27、 p型 AlGaNクラッド層 26、発光層 25、および n型 AlGaNクラッド層 24の一部を エッチングによって除去することにより、 n型 GaNコンタクト層 23を露出させ、該 n型 G aNコンタクト層 23上に、例えば、 TiZAuからなる従来公知の負極を設け、 p型 GaN コンタクト層 27上に正極 (透光性導電酸ィ匕膜)を設けることにより、窒化ガリウム系化 合物半導体発光素子を構成することができる。
[0026] (透光性導電酸化膜）
透光性導電酸ィ匕膜 15は、少なくとも p型半導体層 (p型 GaN層） 14上に接して積層 される。透光性導電酸ィ匕膜 15上の一部には、回路基板またはリードフレーム等との 電気接続のための正極ボンディングパッド 16が設けられる。
[0027] 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、上述したように、 p型半導体 層をなす元素の透光性導電酸化膜中における濃度が、透光性導電酸化膜と P型半 導体層との界面から 2nm以内の範囲において 20at%以下であることが好ましぐ 10 at%以下であることがより好ましい。例えば、図 1に示すような半導体発光素子 1にお いて、 p型半導体層 14をなす Ga元素の透光性導電酸ィ匕膜 15中における濃度が、該 透光性導電酸ィ匕膜 15と p型半導体層 14との界面から 2nm以内の範囲において 20a t%以下であることが好ましぐより好ましくは lnm以内の範囲において 20at%以下 である。
P型半導体層をなす元素の透光性導電酸ィヒ膜中における濃度を上述の範囲とする ことにより、透光性導電酸ィ匕膜の比抵抗が低減され、ひいては、 p型半導体層と透光 性導電酸ィ匕膜との間の接触抵抗を低減することができる。これにより、駆動電圧 (Vf) の低 、半導体発光素子を得ることができる。
[0028] 透光性導電酸ィ匕膜として使用する材料には、周知のものを何ら制限なく用いること ができる。例えば、 ITO (ln O— SnO )、 AZO (ZnO— Al O )、 IZO (ZnO— In O
2 3 2 2 3 2
)、 GZO (ZnO— Ga O )、 TiTaO、 TiNbO等の透光性と低比抵抗に優れた材料
3 2 3 2 2
を使用することが好ましい。特に、駆動電圧 (Vf)を低減したい場合、 ITOは低比抵 抗を得ることができることから、少なくとも ITOを含有した材料を使用すれば良 、。 また、 AZOや GZOを使用した場合、これらの比抵抗は ITOの比抵抗よりも高いた め、駆動電圧 (Vf)は ITOを用いた際の駆動電圧 (Vf)よりも高くなるが、 GaN上に成 膜した場合、 AZOや GZO中に存在する ZnOは粒界をもつもののェピタキシャル成 長するため、 ITOに比べて結晶性が良い。従って、 ITOよりも剥離等が少なぐ強度 特性に優れた透光性導電酸化膜を形成することが可能である。
また、透光性導電酸ィ匕膜として TiTaO、 TiNbOを使用した場合、 TiOの屈折率
2 2 2
2. 6は GaNの屈折率とほぼ等しいため、 GaN上での光取り出し効率に優れた透光 性導電酸ィ匕膜として使用することが可能である。
[0029] 透光性導電酸ィ匕膜は、その比抵抗が最も低くなるドーパント濃度付近の組成を有 するものを使用することが好ましい。例えば、 ITOを透光性導電酸化膜として使用す る場合、 ITO中の Sn濃度は 5〜20質量％の範囲であることが好ましい。さらに低い 比抵抗を得るためには、 Sn濃度が 7. 5〜12. 5質量％の範囲の ITOを使用すれば 良い。
[0030] また、透光性導電酸化膜の厚さは、低比抵抗、高透過率を得ることができる 35nm 〜10000nm (10 m)の範囲であることが好ましい。さらに、生産コストの観点から、 透光性導電酸化膜の厚さは 1000nm (l μ m)以下であることがより好ましい。
[0031] (正極ボンディングパッド及び負極）
正極ボンディングパッド 16は、透光性導電酸化膜層 15上に形成され、 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、構造のもの を何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド 16の厚さは、 100〜1000nmの範囲内であることが好まし い。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダピリティーが高くな るため、正極ボンディングパッド 16の厚さは 300nm以上とすることがより好ましい。さ らに、製造コストの観点から 500nm以下とすることが好ましい。
[0032] 負極 17は、基板 11上に、 n型半導体層 12、発光層 13および p型半導体層 14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 12に接するように形成さ れる。
このため、負極 17を形成する際は、発光層 13および p型半導体層 14の一部を除 去して n型半導体層 12を露出させる。そして、本発明では、残存した p型半導体層 14 上に透光性導電酸化膜 15を形成し、露出させた n型半導体層 12上に負極 17を形 成する。
負極 17の材料としては、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。
[0033] [窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法]
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、上述したように、 図 1に示すような窒化ガリウム系化合物半導体素子 1の p型半導体層 14上に、ドーパ ントを含む透光性導電酸化膜 15を積層する製造方法であって、透光性導電酸化膜
15を積層した後、該透光性導電酸ィ匕膜 15にレーザーを用いてァニール処理を行う レーザーァニール工程が備えられた方法として概略構成されている。
[0034] 透光性導電酸ィ匕膜 15の成膜方法としては、薄膜の成膜に使用される周知の方法 を何ら制限なく用いることができ、例えば、スパッタ法ゃ真空蒸着法等の方法を用い て成膜することができる。しかしながら、透光性導電酸化膜として ITOを用い、真空蒸 着法にて成膜した場合、 ITOの透過率が低ぐまた 600°C程度の熱ァニール処理を 必要とするため、透光性導電酸ィ匕膜と P型半導体層との界面で元素の拡散が起こり、 レーザーァニール処理による比抵抗の低減が不十分となる。従って、透光性導電酸 化膜の成膜には、成膜直後の透過率がより高くなるようなスパッタ法等の成膜方法を 選択することが好ましい。
[0035] (レーザーァニール工程）
本発明の製造方法では、透光性導電酸化膜層 15を p型半導体層 14上に積層した 後、レーザーァニール工程において、レーザーを用いたレーザーァニール処理を行 うことにより、透光性導電酸ィ匕膜 15の比抵抗を下げることができる。
透光性導電酸ィ匕膜に対してレーザーァニール処理を行うことにより、熱ァニール処 理を行った場合に見られるような透光性導電酸化膜と p型半導体層との界面におけ る Ga元素の拡散作用を抑制し、熱ァニール処理を施した場合よりも比抵抗が低い透 光性導電酸化膜が得られる。このため、 p型半導体層と透光性導電酸化膜との間の 接触抵抗が低減された半導体発光素子を得ることができる。
[0036] 本発明の製造方法で行なうレーザーァニール処理では、レーザーとしてエキシマレ 一ザ一を用いることが好ましい。エキシマレーザーとしては、波長が 248nmの KrFェ キシマレーザーか、又は、波長が 193nmの ArFエキシマレーザーを用いることがで きる。これらの波長を有するエキシマレーザーを用いてレーザーァニール処理を行う ことにより、透光性導電酸ィ匕膜の比抵抗を効果的に低減することができ、ひいては p 型半導体層と透光性導電酸化膜との間の接触抵抗を効果的に低減することができる
ITOなどの透光性導電酸ィ匕膜は、可視光領域では透明であるが、波長が 300nm 以下の光はほとんど吸収されてしまう。従って、波長が 300nm以下の KrFエキシマレ 一ザ一や ArFエキシマレーザーを用いることにより、レーザーァニールに用いる範囲 のエネルギー密度であればレーザー光が透光性導電酸ィ匕膜でほとんど吸収されて しまうので、レーザーによるダメージを p型半導体層に与えることがほとんど無ぐ Ga の拡散ち抑免ることがでさる。
[0037] レーザーァニール処理に用いるエキシマレーザーのエネルギー密度は、透光性導 電酸ィ匕膜の比抵抗を低減するためには、 50micm 〜 lOOOmJcm—2の範囲である ことが好ましい。これは、 lOOOmJcnT2以上のエネルギー密度を有するエキシマレー ザ一を使用すると、透光性導電酸化膜の結晶性が崩れ、導電性が悪くなるためであ る。さらに、透光性導電酸ィ匕膜と p型半導体層との界面における Ga元素の拡散を抑 えるには、 50mjcm一2〜 300niJcm_2の範囲とすることがより好ましい。
[0038] 本発明のレーザーァニール工程では、エキシマレーザーの透光性導電酸化膜へ の照射を、パルス照射で行うことができる。
高工ネルギ一のエキシマレーザーを透光性導電酸ィ匕膜に連続照射した場合、 p型 半導体層に吸収されるレーザーのエネルギーが大きくなり過ぎ、 Gaが透光性導電酸 化膜中に拡散されるため、駆動電圧 (Vf)が上昇してしまう。このため、エキシマレー ザ一のエネルギーを駆動電圧 (Vf)の上昇が実質的に生じな 、程度のエネルギーま で低くし、レーザー照射をパルス照射としたうえでパルス回数を増やして照射すること が有効である。また、レーザー照射のパルス回数を増やすことにより、 1パルス毎のレ 一ザ一エネルギーのばらつきを平均化させることができ、エネルギーのばらつきの少 な!、レーザー照射が可能となる。
[0039] レーザーァニール工程において、エキシマレーザーを透光性導電酸ィ匕膜に対して パルス照射する場合、回数を 2〜2000回の範囲とすることが好ましい。また、この際 のパルス幅は 5〜 lOOnsの範囲とすることが好ましい。
エキシマレーザーをパルス照射する際のパルス幅及び回数がこの範囲であれば、 透光性導電酸化膜の比抵抗が効果的に低減され、 p型半導体層と透光性導電酸ィ匕 膜との間の接触抵抗が低減されるとともに、半導体発光素子の光取り出し効率が向 上する。また、生産性を考慮した場合、エキシマレーザーをパルス照射する回数を 2
〜200回の範囲とすることがより好まし!/、。
[0040] エキシマレーザーのビームサイズは特に制限されず、このビームサイズによって透 光性導電酸ィ匕膜の比抵抗に影響が及ぶことは無 、が、ビームサイズが大きすぎると レーザーのエネルギー分布が悪くなる虞がある。このため、例えばエネルギー密度が
50niJcm_2〜300mJcm_2の範囲のエキシマレーザーを使用する場合には、口 lm m X lmm〜□ 3mm X 3mmの範囲のビームサイズのものを用いることが好ましい。 [0041] また、本発明の製造方法では、前記レーザーァニール工程を、エキシマレーザー を用いて透光性導電酸化膜 15の表面に凹凸形状を形成する工程を含む構成とする ことができる。
透光性導電酸化膜 15の表面に凹凸形状、好ましくは無秩序な凹凸形状を形成す ることにより、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 1の光取り出し効率が向上し、発 光出力を向上させることが可能となる。特に、ドライエッチング装置などを使用して透 光性導電酸ィ匕膜表面に凹凸形状を形成した場合に比べ、プラズマによるダメージを 与えることなぐ透光性導電酸化膜表面に凹凸形状を形成することができる。また、フ オトリソグラフィ一等によるパターユング処理では形成が困難な 1 μ m以下のサイズの 凹凸形状も、本発明のレーザーァニール工程において形成することが可能である。 従って、本発明のレーザーァニール工程は、透光性導電酸化膜の比抵抗の低減、 及び該透光性導電酸化膜表面への凹凸形状の形成の、二つのプロセスを同時に行 うことができる。
[0042] なお、エキシマレーザーのエネルギー密度が高くなるほど、透光性導電酸化膜表 面の凹凸形状の大きさが大きくなる傾向があるため、光取り出し効率を向上させるた めには、透光性導電酸ィ匕膜の導電性が悪ィ匕しないエネルギー密度の範囲内で、より 高いエネルギー密度のエキシマレーザーを照射することが好ましい。特に、凸部と凹 部との高低差が 35ηπ！〜 2000nmの範囲となるように凹凸形状を形成すれば、光取 り出し効率の向上に有効であり、凸部と凹部との高低差が ΙΟΟηπ！〜 500nmであれ ば、さらに好ましい。
[0043] また、 p型半導体層 14にレーザーを直接照射した場合、エキシマレーザーのエネ ルギ一が大き!/、と p型半導体層 14を構成する GaNの結晶性が悪くなることや、 p型半 導体層 14中の金属元素が p型半導体層 14表面に析出してしまうことがある。このた め、エキシマレーザーは透光性導電酸ィ匕膜 15の表面のみに照射することが好ましい
[0044] 本発明の製造方法では、上述のようなレーザーァニール工程を備え、透光性導電 酸ィ匕膜に対してレーザーァニール処理を行うことにより、例えば、 p型半導体層をな す Ga元素の透光性導電酸化膜中における濃度が、透光性導電酸化膜と p型半導体 層との界面から 2nm以内の範囲において 20at%以下、より好ましくは lnm以内の範 囲において 20at%以下とされた半導体発光素子を得ることができる。 Ga元素の透光 性導電酸化膜中における濃度を上述の範囲とすることにより、透光性導電酸化膜の 比抵抗が低減され、ひいては、 p型半導体層と透光性導電酸化膜との間の接触抵抗 を低減することができる。これにより、半導体発光素子の駆動電圧 (Vf)を低減するこ とが可能となる。
[0045] (熱ァニール工程）
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、前記レーザーァ ニール工程の前工程或いは後工程の少なくとも一方に、透光性導電酸ィ匕膜 15に対 して 200〜300°Cの範囲の温度で熱ァニール処理を行う熱ァニール工程を備えた構 成とすることができる。なお、本発明の熱ァニール工程は、上記レーザーァニール以 外の手段によって熱ァニール処理を行う工程である。
前記レーザーァニール処理を行うことにより、透光性導電酸ィ匕膜の比抵抗を低減さ せることはできるものの、熱ァニール処理を施した透光性導電酸化膜と比べると、透 過率は低くなる。このため、レーザーァニール処理と熱ァニール処理の両方を行うこ とで、比抵抗が低ぐ且つ透過率が高い透光性導電酸ィ匕膜を得ることができる。
[0046] 熱ァニール処理を行う場合、透光性導電酸化膜と p型半導体層との界面において Gaの拡散が生じにくい、 300°C以下の温度で行うことが好ましぐ 200〜300°Cの範 囲の温度で行なうことがより好まし！/、。
熱ァニール工程における処理雰囲気は、透光性導電酸化膜の透過率をより高める ためには酸素（O )を含んだ雰囲気とすることが好ましいが、窒素 (N )雰囲気や、水
2 2
素 (H )と窒素の混合雰囲気中でァニール処理を行っても良ぐ適宜決定することが
2
できる。
なお、熱ァニール工程は、レーザーァニール処理の前工程及び後工程の何れに 設けても良ぐ適宜決定することができる。
[0047] [ランプの構成]
以上、説明したような本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いて、例 えば、当業者周知の手段により、透明カバーを設けてランプを構成することができる。 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 を組み合わせることにより、白色のランプを構成することもできる。
[0048] また、例えば、図 4に示すように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 は、従来公知の方法を用いてなんら制限無く LEDランプとして構成することができる 。ランプとしては、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表 示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。
例えば、フェイスアップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を砲弾型に実 装する場合、図示例のように、 2本のフレーム 31、 32の一方に窒化ガリウム系化合物 半導体発光素子 1を榭脂などで接着し、正極ボンディングパッド及び負極ボンディン グパッドを金等の材質力もなるワイヤー 33、 34用いて、それぞれフレーム 31、 32に 接合する。その後、透明樹脂で素子周辺をモールドすることにより（図 4のモールド 3 5参照）、砲弾型のランプ 30を作製することができる。
[0049] 本発明の発光素子は、駆動電圧 (Vf)が低ぐまた光取り出し効率に優れていること から、発光特性に優れたランプを実現することが可能となる。
[0050] 以上説明したように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 によれば、窒化ガリウム系化合物半導体素子の p型半導体層上に透光性導電酸ィ匕 膜を積層して成膜後、該透光性導電酸化膜にレーザーァニール処理を行う方法とし ている。これにより、熱ァニール処理のみを行った場合に比べ、 p型半導体層と透光 性導電酸ィ匕膜との界面の元素の拡散を抑えることができるため、透光性導電酸ィ匕膜 の比抵抗を減少させることができ、透光性導電酸ィ匕膜と p型半導体層との接触抵抗を 低減することができる。
また、透光性導電酸化膜の表面に、エキシマレーザーによって凹凸形状を形成す ることにより、光取り出し効率が向上する。
また、 p型半導体層に含有される元素の拡散が起こりにく 、200°C〜300°Cの温度 域での熱ァニール処理を、前記レーザーァニール処理の前工程或いは後工程の何 れかで行うことで、透光性導電酸ィ匕膜の透過率を高くすることができる。これにより、 レーザーァニール処理のみを行った窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に比べ、 さらに発光出力に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。 従って、駆動電圧 (Vf)が低ぐ発光出力の高い窒化ガリウム系化合物半導体発光 素子を得ることができる。
実施例
[0051] 次に、本発明の発光素子及びそれを用いたランプ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。
[0052] [実験例 1]
図 3に、本実験例の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に用いるために作製し たェピタキシャル構造体の断面模式図を示す。また、図 1及び図 2に、本発明の窒化 ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図及び平面模式図を示し、以下、適 宜参照しながら説明する。
[0053] (窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製）
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 20の積層構造体は、サファイアの c面（ (00 01)結晶面)からなる基板 21上に、 A1N力もなるノ ッファ層（図示せず)を介して、順 次、アンドープ GaN下地層（層厚 = 2 m) 22、 Siドープ n型 GaNコンタクト層（層厚 = 2 m、キャリア濃度 = 1 X 1019cm"3) 23、 Siドープ n型 Al Ga Nクラッド層 (
0. 07 0. 93
層厚 = 12. 5nm、キャリア濃度 = 1 X 1018cm"3) 24、 6層の Siドープ GaN障壁層（ 層厚 = 14. Onm、キャリア濃度 = 1 X 1018cm"3)と 5層のアンドープ In Ga N
0. 20 0. 80 の井戸層（層厚 = 2. 5nm)とからなる多重量子構造の発光層 25、 Mgドープ p型 A1
0.
Ga Nクラッド層（層厚 lOnm) 26、及び Mgドープ p型 GaNコンタクト層（層厚 = 1
07 0. 93
OOnm) 27を積層して構成した。上記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 20の積 層構造体の各構成層 22〜27は、一般的な減圧 MOCVD手段で成長させた。
[0054] 上記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 20のェピタキシャル構造体を用いて、 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子（図 1を参照）を作製した。まず、 HF及び HC1 を用いて、 p型 GaNコンタクト層 27表面を洗浄した後、該 p型 GaNコンタクト層 27上 に、 ITO力もなる透光性導電酸ィ匕膜層をスパッタリング法にて形成した。 ITOは DC マグネトロンスパッタによりおよそ 250nmの膜厚で成膜した。スパッタには、 SnO濃
2 度が 10質量％の 0ターゲットを使用し、 ITO成膜時の圧力は約 0. 3Paとした。
[0055] ITO力もなる透光性導電酸ィ匕膜を成膜した後、エネルギー密度が 150m[Cm_2の KrFエキシマレーザーを 1パルス（パルス幅 = 20ns)照射し、レーザーァニール処理 を行った。その後、周知のフォトリソグラフィ一とウエットエッチングにより、 p型 GaNコ ンタクト層 27上の正極を形成する領域にのみ ITOが成膜された状態とした。
このようにして、 p型 GaNコンタクト層 27上に、本発明の透光性導電酸化膜（図 1及び 図 2の符号 15を参照）を形成した。
[0056] 上述の方法で形成した透光性導電酸化膜からなる正極は、高 ヽ透光性を示し、 46 Onmの波長領域で 90%以上の透過率を有していた。なお、光透過率は、上記と同じ 厚さの透光性導電酸ィ匕膜をガラス板上に積層した透過率測定用のサンプルを用い、 分光光度計によって測定した。また、光透過率の値はガラス板のみで測定した光透 過ブランク値を考慮のうえ算出した。
[0057] 次に、 n型電極 (負極)を形成する領域に一般的なドライエッチングを施し、その領 域に限り、 Siドープ n型 GaNコンタクト層の表面を露出（図 1を参照）させた。そして、 真空蒸着法により、透光性導電酸ィヒ膜 (正極)上の一部、及び Siドープ n型 GaNコン タクト層 23上に、 Crからなる第 1の層（層厚 =40nm)、 Tiからなる第 2の層（層厚 = 1 OOnm)、 Auからなる第 3の層（層厚 =400nm)を順に積層し、それぞれ正極ボンデ イングパッド (図 1の符号 16参照)及び負極 (図 1の符号 17参照)を形成した。
[0058] 正極ボンディングパッド及び負極を形成した後、サファイア力もなる基板の裏面をダ ィャモンド微粒などの砲粒を使用して研磨し、最終的に鏡面に仕上げた。その後、積 層構造体を裁断し、 350 m角の正方形の個別のチップへと分離し、リードフレーム 状に載置した後、金 (Au)線でリードフレームと結線した。
[0059] (駆動電圧 (Vf)および発光出力（Po)の測定）
これらのチップを、プローブ針による通電により、電流印加値 20mAにおける順方 向電圧 (駆動電圧: Vf)を測定したところ、 3. 3Vであった。また、一般的な積分球で 測定された発光出力（Po)は 10mWであり、発光面の発光分布は、透光性導電酸ィ匕 膜の全面で発光して 、ることが確認できた。
[0060] (ITO中の Ga濃度の算出）
断面 TEMの EDX分析により、 p型 GaNコンタクト層 27と透光性導電酸ィ匕膜層（正 極）との界面力 透光性導電酸ィ匕膜側へ lnm及び 2nmの位置での Gaの濃度を見 積もった。この透光性導電酸ィヒ膜内の Ga濃度は、透光性導電酸化膜内の界面付近 に存在すると考えられる金属元素（In+Sn+Ga+Al)との比率 (at%)で定義した。 透光性導電酸ィ匕膜内の Ga濃度は、界面から lnmおよび 2nmの位置でそれぞれ 10 at%、 6at%であり、後述の 600°Cの熱ァニール処理を行った半導体発光素子（実 験例 6)に比べて Gaの拡散が少な 、ことが確認できた。
[0061] [実験例 2]
エキシマレーザーのエネルギー密度を 300mjcm_2としてレーザーァニール処理を 行った点を除き、実験例 1と同様の方法で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を 作製した。
[0062] [実験例 3— 4]
エキシマレーザーのパルス照射回数を下記表 1に示す条件でレーザーァニールを 行なった点を除き、実験例 1と同様の方法で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 を作製した。
[0063] [実験例 5]
エキシマレーザーによるレーザーァニール処理を行わな力つた点を除き、実験例 1 と同様の方法で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0064] [実験例 6— 7]
レーザーァニール処理を行わずに、表 1に示した温度での熱ァニール処理を行つ た点を除き、実験例 1と同様の方法で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製 した。
[0065] [実験例 8— 12]
レーザーァニール工程の前工程或いは後工程の何れか一方に、下記表 1に示した 条件の熱ァニール工程を設けて熱ァニール処理を行なった点を除き、実験例 1と同 様の方法で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0066] [実験例 13]
エキシマレーザー密度のエネルギー密度及びパルス照射回数をそれぞれ 150mjc m_2、 20回（20Hz)とし、 O雰囲気中で 250°Cの熱ァニール処理を行った点を除き
2
、実験例 1と同様の方法で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。 [0067] [実験例 14]
透光性導電酸化膜を、 ITOを用いて真空蒸着法にて成膜した点を除き、実験例 1 と同様の方法で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0068] [実験例 15]
透光性導電酸化膜を、 ITOを用いて真空蒸着法にて成膜し、また、レーザーァ- ール処理を行わな力つた点を除き、実験例 1と同様の方法で窒化ガリウム系化合物 半導体発光素子を作製した。
[0069] [実験例 16]
透光性導電酸化膜を、 ITOを用いて真空蒸着法にて成膜し、レーザーァニール処 理を行わずに熱ァニール処理を 600°Cの温度で行った点を除き、実験例 1と同様の 方法で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0070] [実験例 17]
透光性導電酸化膜を、 ITOを用いて真空蒸着法にて成膜し、レーザーァニール処 理を行った後、熱ァニール処理を 600°Cの温度で行った点を除き、実験例 1と同様 の方法で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0071] [実験例 18]
透光性導電酸化膜を、 AZOを用いて成膜した点を除き、実験例 1と同様の方法で 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0072] [実験例 19]
透光性導電酸化膜を、 AZOを用いて成膜し、レーザーァニール処理を行わなかつ た点を除き、実験例 1と同様の方法で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製 した。
[0073] [実験例 20]
透光性導電酸化膜を、 AZOを用いて成膜し、レーザーァニール処理を行わずに熱 ァニール処理 250°Cの温度で行った点を除き、実験例 1と同様の方法で窒化ガリウ ム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0074] [実験例 21]
透光性導電酸化膜を、 AZOを用いて成膜し、レーザーァニール処理を行った後、 熱ァニール処理を 250°Cの温度で行った点を除き、実験例 1と同様の方法で窒化ガ リウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0075] [実験例 22]
ArFエキシマレーザーを用いてレーザーァニール処理を行った点を除き、実験例 1 と同様の方法で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0076] [実験例 23]
p型 GaN層表面にエキシマレーザーを照射した後、この上にスパッタ法にて ITOを 成膜して透光性導電酸化膜を形成し、該透光性導電酸化膜へのレーザーァニール 処理及び熱ァニール処理を行わな力つた点を除き、実験例 1と同様の方法で窒化ガ リウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0077] [実験例 24]
100°Cの温度で熱ァニール処理を行った点を除き、実験例 1と同様の方法で窒化 ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
[0078] 上記実験例 1〜24の透光性導電酸化膜の成膜条件、素子特性の一覧を表 1に示 す。また、表 1には、 p型 GaNコンタクト層と透光性導電酸ィ匕膜層との界面力 透光性 導電酸化膜層側へ、それぞれ lnmおよび 2nm離れた位置における Ga濃度も併せ て示す。
[0079] [表 1]
Figure imgf000023_0001
[評価結果]
表 1に示す素子特性の評価結果より、 150mjcm— 2の KrFエキシマレーザーによる パルス照射を 1回行い、レーザーァニール処理を施した実験例 1の窒化ガリウム系化 合物半導体発光素子は、駆動電圧 (Vf)が 3. 3V、発光出力（Po)が 10mWであった 。また、 p型 GaN層と ITO層との界面から ITO側へ 2nm以内の位置における Ga濃度 は 10%以下であった。これは、実験例 5の半導体発光素子のようにレーザーァニー ル処理を行わなかった場合と同様、実験例 6の半導体発光素子のようにレーザーァ ニール処理を行わずに熱ァニール処理を行った場合よりも Ga濃度が低くなつており 、 Vfが低い特性となっていることが分かる。
[0081] また、実験例 2〜4の半導体発光素子のように、エキシマレーザーのエネルギー密 度やパルス照射の回数を変えた場合には、素子特性に違いがみられる。 300mjcm _2のエネルギー密度のエキシマレーザーを照射した実験例 2の場合、 ITO表面の粗 さ（凹凸の高低差)が大き 、ために光取り出し効率が高ぐ Poが高!、特性となって!/、 る。また、エキシマレーザーのパルス照射の回数を 10回、 20回としてレーザーを照 射した実験例 3及び 4の場合、パルス照射の回数が 1回の場合と比べ、 Vfが低い特 '性となっている。
[0082] また実験例 7の半導体発光素子のように、レーザーァニール処理を行わずに 300 °C以下（250°C)の温度で熱ァニール処理を行った場合、 p型 GaN層と ITO層との界 面から ITO側へ 2nm以内の位置における Ga濃度は 14%以下となり、 ITO中への G a濃度の拡散は抑制されるものの、 ITOの比抵抗が充分に低減されないため、 Vfは 3 . 5 Vとなった。
[0083] また、レーザーァニール処理と熱ァニール処理の両方を行った実験例 8〜12の半 導体発光素子では、熱ァニール処理によって ITOの透過率が上昇するため、 Po = l lmWと、レーザーァニール処理のみを行った場合よりも発光出力が高い特性となつ た。この中で、熱ァニール処理の温度を 600°Cとした実験例 8のみ、 ITO中の Ga濃 度が増大しており、レーザーァニール処理のみを行った実験例 1等に比べて Vfが高 い特性となっている（Vf= 3. 5V) 0一方、実験例 9〜12のように 250°Cの温度で熱 ァニール処理を行った場合、熱ァニール時の雰囲気によらず ITO中の Ga濃度が低 ぐ Vfが低い特性となっている。
なお、実験例 10のみレーザーァニール処理の前工程で熱ァニール処理を行って いるが、レーザーァニール処理の後工程で熱ァニール処理を行った実験例 9と、 Vf 、 Poは同等の特性となっている（Vf= 3. 3V、 Po = l lmW) 0
[0084] また、エキシマレーザーのパルス照射の回数を 20回とした実験例 13の半導体素子 では、 Vfが 3. 2V、 Poが 12mWと良好な特性が得られた。レーザーァニール処理と 3000°C以下（250°C)の熱ァニール処理を組み合わせることで、 Vfが低ぐ且つ Po の高 、素子が得られることがわかる。
[0085] また、 ITOの成膜に真空蒸着法を用いた実験例 14〜17の半導体発光素子は、 IT Oの透過率が極端に低いため、熱ァニール処理を行わない実験例 14及び 15では、 Poが 4mWと非常に低い特性となっている。 ITOの透過率を上昇させるためには 600 °C程度の熱ァニール処理が必要であると考え、 600°Cの熱ァニール処理のみを行つ た実験例 16では、 Vfが 3. 5V、 Po力 lOmWとなり、素子特性が向上している。さらに 、レーザーァニール処理と熱ァニール処理の両方を行った実験例 17では、 Vfが 3. 5V、 Poが l lmWとなっている。
真空蒸着法で ITOを成膜して透光性導電酸化膜を形成した場合、透過率を上昇さ せるために 600°Cの熱ァニール処理が必要となる力 このようにして作製した実験例 16及び 17では ITO中の Ga濃度が高くなつており、スパッタ法で ITOを成膜した場合 よりも Vfが高くなることがわかる。
[0086] 透光性導電酸ィ匕膜として AZOを用いて成膜した実験例 18〜21の半導体発光素 子では、 ITOを成膜した場合と同様、レーザーァニール処理を行った実験例 18及び 21の方力 レーザーァニール処理を行わなかった実験例 19及び 20よりも Vfが低い 特性となっている。しカゝしながら、 AZOの比抵抗は ITOの比抵抗よりも高いために、 AZOを成膜した実験例 18〜21の Vfは、 ITOを成膜した実験例 1等に比べて高くな つている。
[0087] ArFエキシマレーザーを用いてレーザーァニール処理を行った実験例 22の半導 体発光素子では、 Vfが 3. 3V、 Poが 10mWであり、 KrFエキシマレーザーを用いた 場合と同様に高い素子特性が得られた。
[0088] また、 ITOを p型 GaN層上に成膜する前にレーザーァニール処理を行った実験例 23の半導体発光素子では、 Vfが 3. 7Vと非常に高くなつている。このことから、 p型 G aN表面へのレーザー照射は Vfを上昇させてしまうことがわかる。また、実験例 23で は、 ITOに対してはレーザーァニール処理ゃァニール処理を行っていないため、 Po 力 S8mWと低 、素子特性となった。 [0089] また、温度を 100°Cとして熱ァニール処理を行った実験例 24の半導体発光素子で は、 Vfが 3. 3V、 Poが 10mWとなった。
[0090] 以上の結果により、本発明の製造方法によって得られる窒化ガリウム系化合物半導 体発光素子が、光取り出し効率に優れているとともに起動電圧 (Vf)が低ぐ高い素 子特性を有して 、ることが明らかとなつた。
産業上の利用可能性
[0091] 本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法に適用でき、特に、 駆動電圧 (Vf)が低められた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる製造 方法及び窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、並びにランプに適用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 窒化ガリウム系化合物半導体素子の P型半導体層上に、ドーパントを含む透光性 導電酸ィヒ膜を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって 前記透光性導電酸化膜を積層した後、該透光性導電酸化膜にレーザーを用いて ァニール処理を行うレーザーァニール工程が備えられてい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の製造方法。
[2] 前記レーザーァニール工程は、エキシマレーザーを用いて前記透光性導電酸ィ匕 膜の表面に凹凸形状を形成する工程を含むことを特徴とする請求項 1に記載の窒化 ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[3] 前記レーザーァニール工程の前工程或いは後工程の少なくとも一方に、前記透光 性導電酸ィ匕膜に対して 200〜300°Cの範囲の温度で熱ァニール処理を行う熱ァ- ール工程が備えられていることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の窒化ガリウム系 化合物半導体発光素子の製造方法。
[4] 前記レーザーァ-ーノレ工程は、エキシマレーザーとして、 KrFエキシマレーザー、 又は、 ArFエキシマレーザーを用いてァニール処理を行うことを特徴とする請求項 1
〜3の何れか 1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[5] 前記レーザーァニール工程におけるエキシマレーザーのエネルギー密度が 50〜1
OOOnJcnT2の範囲であることを特徴とする請求項 1〜4の何れか 1項に記載の窒化 ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[6] 前記レーザーァニール工程におけるエキシマレーザーのエネルギー密度が 50〜3
OOnJcnT2の範囲であることを特徴とする請求項 1〜4の何れか 1項に記載の窒化ガ リウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[7] 前記レーザーァニール工程は、前記透光性導電膜に対して、エキシマレーザーを
2〜2000回の範囲でパルス照射することを特徴とする請求項 1〜6の何れ力 1項に 記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
[8] 前記レーザーァニール工程は、前記透光性導電膜に対して、エキシマレーザーを
2〜200回の範囲でパルス照射することを特徴とする請求項 1〜6の何れか 1項に記 載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
請求項 1〜8の何れか 1項に記載の製造方法によって得られる窒化ガリウム系化合 物半導体発光素子。
窒化ガリウム系化合物半導体素子の P型半導体層上に、ドーパントを含む透光性 導電酸ィ匕膜が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、 前記 P型半導体層をなす元素の、前記透光性導電酸化膜中における濃度が、前記 透光性導電酸化膜と P型半導体層との界面から 2nm以内の範囲にぉ 、て 20^%以 下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。
窒化ガリウム系化合物半導体素子の P型半導体層上に、ドーパントを含む透光性 導電酸ィ匕膜が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、 前記 P型半導体層をなす元素の、前記透光性導電酸化膜中における濃度が、前記 透光性導電酸ィ匕膜と P型半導体層との界面から lnm以内の範囲において 20^%以 下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。
前記透光性導電酸化膜が、 ITO、 AZO、 IZO、 GZO、 ZnO系導電体、 TiO系導
2 電体の群力 選択される少なくとも 1種以上の材料力 なることを特徴とする請求項 1 0又は 11の何れかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記透光性導電酸ィ匕膜が、少なくとも ITOを含有してなることを特徴とする請求項 1 2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記透光性導電酸化膜の厚さが 35ηπ！〜 10 μ mの範囲であることを特徴とする請 求項 10〜13の何れか 1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記透光性導電酸化膜の厚さが ΙΟΟηπ！〜 1 μ mの範囲であることを特徴とする請 求項 10〜13の何れか 1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 9〜15の何れか 1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子力もな るランプ。
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