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JP2015026756A - Light-emitting diode element - Google Patents

Light-emitting diode element Download PDF

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JP2015026756A JP2013156298A JP2013156298A JP2015026756A JP 2015026756 A JP2015026756 A JP 2015026756A JP 2013156298 A JP2013156298 A JP 2013156298A JP 2013156298 A JP2013156298 A JP 2013156298A JP 2015026756 A JP2015026756 A JP 2015026756A
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type semiconductor
semiconductor layer
metal oxide
emitting diode
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JP2013156298A
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Japanese (ja)
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周平 市川
Shuhei Ichikawa
周平 市川
悟 高澤
Satoru Takazawa
悟 高澤
杉浦 功
Isao Sugiura
功 杉浦
石橋 暁
Akira Ishibashi
暁 石橋
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Ulvac Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having an auxiliary electrode with low contact resistance.SOLUTION: An auxiliary electrode layer 10 is provided between a p-type semiconductor layer 17 and a positive electrode 21 in order to electrically connect the p-type semiconductor layer to the positive electrode. The auxiliary electrode layer has an intermediate layer 18 in contact with the p-type semiconductor layer. The intermediate layer is constituted of a thin film which contains, as main components, conductive materials having work functions larger than that of a metal oxide layer 19 in contact with the intermediate layer, specifically one or more selected materials selected from the conductive material group consisting of Ni, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, WO, and MoO. Thus, contact resistance between the auxiliary electrode layer and the p-type semiconductor layer is made low.

Description

本発明は、発光ダイオード素子の技術分野に係り、特に、GaNを主成分とするp型半導体層との間の接触抵抗が小さい透明電極を有する発光ダイオード素子に関する。   The present invention relates to a technical field of a light-emitting diode element, and more particularly to a light-emitting diode element having a transparent electrode having a small contact resistance with a p-type semiconductor layer mainly composed of GaN.

発光ダイオードは、pn接合を基本にし、孔と電子とが再結合して放出する光を利用している。
近年では高寿命、高効率な発光素子として、液晶用バックライトや照明の用途で普及が進んでいる。
特にGaN系LEDはバンドギャップが大きいため、青紫半導体レーザーや青色の発光ダイオードに用いられている。
The light emitting diode is based on a pn junction and utilizes light emitted by recombination of holes and electrons.
In recent years, as a long-life and high-efficiency light-emitting element, it has been widely used for backlights for liquid crystals and illumination.
In particular, since GaN-based LEDs have a large band gap, they are used for blue-violet semiconductor lasers and blue light-emitting diodes.

p−GaNのドーパントには一般的にMgが用いられるが、GaN中のMgは活性化率が低く、高キャリア密度のp−GaNを得ることは困難である。
このため、p型GaNと電極のコンタクト抵抗は高くなりやすく、LED素子の駆動電圧を増加させる要因になっている。
Mg is generally used as a p-GaN dopant, but Mg in GaN has a low activation rate, and it is difficult to obtain p-GaN having a high carrier density.
For this reason, the contact resistance between the p-type GaN and the electrode tends to be high, which causes the drive voltage of the LED element to increase.

また、LEDではp−GaNの電極材料としてITO等、金属酸化物層が用いられる。
金属酸化物電極を用いることで、金属電極を用いた際よりも透過率に優れた電極を形成することができるが、更なるLEDの高発光効率化は常に求められ続けており、より透過率に優れる電極が必要である。
Further, in an LED, a metal oxide layer such as ITO is used as an electrode material of p-GaN.
By using a metal oxide electrode, it is possible to form an electrode having a higher transmittance than when a metal electrode is used, but further improvement in light emission efficiency of the LED is always required, and the transmittance is further increased. It is necessary to have an electrode that excels.

特開平10−173222号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-173222 特開2008−153676号公報JP 2008-153676 A

本発明は、上記従来技術の課題を解決するために、透過率が実用上充分な値を維持しながら、接触抵抗を小さくすることができる技術を提供することを課題とする。   In order to solve the above-described problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a technique capable of reducing the contact resistance while maintaining a practically sufficient transmittance.

p型GaNの仕事関数が7eV程度であり、オーミック接続させるためには、p型GaNの仕事関数よりも大きな仕事関数を持つ金属をp型GaNに接触させる必要がある。   The work function of p-type GaN is about 7 eV, and in order to achieve ohmic connection, a metal having a work function larger than that of p-type GaN needs to be brought into contact with p-type GaN.

そのような金属は存在せず、金属酸化物層は仕事関数がp型GaN層よりも低いことから、本願発明の発明者等は、p型GaN層と金属酸化物層との間の抵抗は、ショットキー障壁によるものが支配的であると考え、ショットキー障壁を低下させるために、p型GaN層よりは低いが、できるだけ大きな仕事関数を持つ金属をp型GaN層と金属酸化物層との間に配置したところ、予想通りp型GaN層と金属酸化物層との間の接触抵抗値が低下した。   Since such a metal does not exist and the metal oxide layer has a work function lower than that of the p-type GaN layer, the inventors of the present invention have no resistance between the p-type GaN layer and the metal oxide layer. In order to reduce the Schottky barrier, a metal having a work function lower than that of the p-type GaN layer but having a work function as large as possible is defined as a p-type GaN layer and a metal oxide layer. As a result, the contact resistance value between the p-type GaN layer and the metal oxide layer was lowered as expected.

本発明は、上記予想と実験結果に基づいて成されたものであり、本発明は、GaNを主成分とするn型半導体層と、前記n型半導体層の片面側に位置するGaNを主成分とするp型半導体層と、前記p型半導体層の前記n型半導体層とは反対側に位置する補助電極層と、を有し、前記p型半導体層と前記n型半導体層との間に電圧が印加されて動作電流が流れ、発光する発光ダイオード素子であって、前記補助電極層は、前記p型半導体層と接触して設けられた透明な中間層と、前記中間層に接触して設けられた透明な金属酸化物層とを有し、前記中間層は、接触される前記金属酸化物層の仕事関数よりも高い仕事関数を有する薄膜である発光ダイオード素子である。
本発明は発光ダイオード素子であって、前記中間層は、Ni、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au、WOx、MoOxから成る導電材料群の中からいずれか一種以上を選択して成る選択材料を主成分とする薄膜である発光ダイオード素子である。
本発明は発光ダイオード素子であって、前記金属酸化物層は、ITO層である発光ダイオード素子である。
本発明は発光ダイオード素子であって、前記n型半導体層は、n型GaN層を有し、前記n型GaN層と前記p型半導体層との間には、多重量子井戸層が設けられた発光ダイオード素子である。
The present invention has been made based on the above predictions and experimental results. The present invention is mainly composed of an n-type semiconductor layer mainly composed of GaN and GaN located on one side of the n-type semiconductor layer. A p-type semiconductor layer and an auxiliary electrode layer located on the opposite side of the p-type semiconductor layer to the n-type semiconductor layer, and between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer A light-emitting diode element that emits light when an operating current flows when voltage is applied thereto, wherein the auxiliary electrode layer is in contact with the p-type semiconductor layer and a transparent intermediate layer provided in contact with the p-type semiconductor layer. A transparent metal oxide layer provided, wherein the intermediate layer is a thin film having a work function higher than a work function of the metal oxide layer to be contacted.
The present invention is a light emitting diode device, wherein the intermediate layer is selected from at least one of a conductive material group consisting of Ni, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, WO x , and MoO x. The light emitting diode element is a thin film mainly composed of a selected material.
The present invention is a light emitting diode element, wherein the metal oxide layer is an ITO layer.
The present invention is a light emitting diode device, wherein the n-type semiconductor layer includes an n-type GaN layer, and a multiple quantum well layer is provided between the n-type GaN layer and the p-type semiconductor layer. It is a light emitting diode element.

p型半導体層と補助電極層との間の接触抵抗が小さいから、発光ダイオード素子を低消費電力で動作させることができる。   Since the contact resistance between the p-type semiconductor layer and the auxiliary electrode layer is small, the light-emitting diode element can be operated with low power consumption.

(a):補助電極層を形成する成膜対象物を説明するための図 (b):次工程で処理する処理対象物を説明するための図(a): A diagram for explaining a film formation target for forming an auxiliary electrode layer (b): A diagram for explaining a processing target to be processed in the next step 本発明の発光ダイオード素子の一例を説明するための図The figure for demonstrating an example of the light emitting diode element of this invention 本発明の補助電極層を形成する成膜装置を説明するための図The figure for demonstrating the film-forming apparatus which forms the auxiliary electrode layer of this invention 仕事関数と抵抗率の比の値の関係を示すグラフGraph showing the relationship between work function and resistivity ratio values (a):TLM法による接触抵抗の抵抗率の測定方法を説明するための図 (b):接触抵抗と伝搬長を求めるためのグラフ(a): Diagram for explaining a method for measuring the resistivity of contact resistance by the TLM method (b): Graph for obtaining contact resistance and propagation length

図2の符号3は、本発明の一例の発光ダイオード素子を示している。
この発光ダイオード素子3は、基板13を有している。基板13上には、GaNを主成分とするn型半導体層15と、GaNを主成分とするp型半導体層17とが配置されている。ここで、「GaNを主成分とする」、の意味は、Gaの原子数とNの原子数の合計数が、全原子の50原子%よりも多くの割合で含有されていることを指すものとする。p型又はn型のGaN層の場合は、p型又はn型のドーパント以外の原子は、GaとNであり、GaNは100%に近い主成分であるが、「GaNを主成分とする半導体」には、InGaNや、AlGaN等の半導体も含まれる。
Reference numeral 3 in FIG. 2 indicates a light emitting diode element according to an example of the present invention.
The light emitting diode element 3 has a substrate 13. On the substrate 13, an n-type semiconductor layer 15 mainly composed of GaN and a p-type semiconductor layer 17 mainly composed of GaN are arranged. Here, the meaning of “having GaN as the main component” means that the total number of Ga atoms and N atoms is contained in a proportion higher than 50 atomic% of all atoms. And In the case of a p-type or n-type GaN layer, atoms other than the p-type or n-type dopant are Ga and N, and GaN is a main component close to 100%. "Includes semiconductors such as InGaN and AlGaN.

n型半導体層15は、この発光ダイオード素子3ではn型GaN層であり、n型半導体層15のn型GaNと、p型半導体層17のp型GaNとは、エピタキシャル成長によって単結晶層にされている。ここでは、単結晶層を成長させるために、基板13にはサファイヤの基板が用いられ、その基板13の表面に、n型のGaNから成るバッファー層14が形成された後、バッファー層14の表面に、n型のGaNがエピタキシャル成長されて、n型半導体層15が形成されている。   The n-type semiconductor layer 15 is an n-type GaN layer in the light-emitting diode element 3, and the n-type GaN of the n-type semiconductor layer 15 and the p-type GaN of the p-type semiconductor layer 17 are formed into a single crystal layer by epitaxial growth. ing. Here, in order to grow a single crystal layer, a sapphire substrate is used as the substrate 13, and after the buffer layer 14 made of n-type GaN is formed on the surface of the substrate 13, the surface of the buffer layer 14 is formed. In addition, n-type GaN is epitaxially grown to form an n-type semiconductor layer 15.

また、発光効率を向上させるために、n型半導体層15上に多重量子井戸層16が形成された後、多重量子井戸層16上にp型半導体層17と補助電極層10とが形成される。   In order to improve the light emission efficiency, after the multiple quantum well layer 16 is formed on the n-type semiconductor layer 15, the p-type semiconductor layer 17 and the auxiliary electrode layer 10 are formed on the multiple quantum well layer 16. .

補助電極層10は透明であり、p型半導体層17の表面上に、GaNを主成分とするp型半導体層17と接触して設けられた透明な中間層18と、中間層18の表面上に、中間層18と接触して設けられた透明な金属酸化物層19とを有している。   The auxiliary electrode layer 10 is transparent, on the surface of the p-type semiconductor layer 17, a transparent intermediate layer 18 provided in contact with the p-type semiconductor layer 17 mainly composed of GaN, and on the surface of the intermediate layer 18. And a transparent metal oxide layer 19 provided in contact with the intermediate layer 18.

金属酸化物層19は透明であり、ITO(インジウム・スズ酸化物)、AZO(アルミニウムドープ酸化亜鉛)、GZO(ガリウムドープ酸化亜鉛)、IZO(インジウム・亜鉛酸化物)の薄膜を金属酸化物層19に用いることができるが、本発明は、低抵抗であることから、特にITOで形成された金属酸化物層19が適している。   The metal oxide layer 19 is transparent, and a thin film of ITO (indium tin oxide), AZO (aluminum doped zinc oxide), GZO (gallium doped zinc oxide), IZO (indium zinc oxide) is used as the metal oxide layer. However, since the present invention has a low resistance, the metal oxide layer 19 made of ITO is particularly suitable.

金属酸化物層19は、一般に仕事関数の値が小さく、ITO層の表面は、4.7eV程度である。中間層18の仕事関数が、p型半導体層17よりも大きい場合は、p型半導体層17と中間層18との間にオーミック接合が形成されるが、実使用できる中間層18の導電材料の仕事関数は、p型GaNの仕事関数よりも小さいことが多く、特に金属の導電材料では、4eV程度であることが多い。   The metal oxide layer 19 generally has a small work function value, and the surface of the ITO layer is about 4.7 eV. When the work function of the intermediate layer 18 is larger than that of the p-type semiconductor layer 17, an ohmic junction is formed between the p-type semiconductor layer 17 and the intermediate layer 18. The work function is often smaller than the work function of p-type GaN, and in particular for metal conductive materials, it is often about 4 eV.

本発明では、中間層18は片面がp型半導体層17に接触されており、反対側の面が金属酸化物層19に接触されているから、中間層18の仕事関数は、中間層18が接触した金属酸化物層19の仕事関数よりも大きくなるように、中間層18を構成する導電材料が選択されており、その導電材料には、例えば、Ni、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au、WOx、MoOxを用いることができる。従って、この中間層18では、Ni、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au、WOx、MoOxから成る導電材料群の中からいずれか一種以上を選択して成る選択材料が主成分とされている。
選択材料が中間層18の主成分であるとは、中間層18を構成する物質の全原子数に対する、選択材料の原子数の割合が50%よりも大きいことを意味している。
In the present invention, the intermediate layer 18 has one surface in contact with the p-type semiconductor layer 17 and the opposite surface in contact with the metal oxide layer 19, so that the work function of the intermediate layer 18 is that of the intermediate layer 18. The conductive material constituting the intermediate layer 18 is selected so as to be larger than the work function of the metal oxide layer 19 in contact. For example, Ni, Rh, Pd, Os, Ir, Pt are used as the conductive material. , Au, WO x , and MoO x can be used. Therefore, the intermediate layer 18 is mainly composed of a selective material selected from at least one selected from the conductive material group consisting of Ni, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, WO x , and MoO x. Has been.
That the selected material is the main component of the intermediate layer 18 means that the ratio of the number of atoms of the selected material to the total number of atoms of the substance constituting the intermediate layer 18 is greater than 50%.

金属酸化物層19上には、正電極21が接触して形成されており、p型半導体層17は、中間層18と金属酸化物層19とを介して正電極21に電気的に接続されている。
他方、n型半導体層15には、負電極22が接触して形成されており、ここでは、n型半導体層15の、多重量子井戸層16側の面が一部露出されて、負電極22が形成され、n型半導体層15は負電極22に電気的に接続されている。
A positive electrode 21 is formed in contact with the metal oxide layer 19, and the p-type semiconductor layer 17 is electrically connected to the positive electrode 21 through the intermediate layer 18 and the metal oxide layer 19. ing.
On the other hand, a negative electrode 22 is formed in contact with the n-type semiconductor layer 15. Here, a part of the surface of the n-type semiconductor layer 15 on the multiple quantum well layer 16 side is exposed, and the negative electrode 22 is exposed. The n-type semiconductor layer 15 is electrically connected to the negative electrode 22.

従って、正電極21と負電極22の間に、正電極21が負電極22に対して正電圧となる電圧を印加すると、p型半導体層17とn型半導体層15との間は順バイアスされ、多重量子井戸層16に、p型半導体層17から正孔が注入され、n型半導体層15から電子が注入され、注入された正孔と電子が多重量子井戸層16の内部で再結合し、発光光が生成される。   Accordingly, when a voltage is applied between the positive electrode 21 and the negative electrode 22 so that the positive electrode 21 has a positive voltage with respect to the negative electrode 22, the p-type semiconductor layer 17 and the n-type semiconductor layer 15 are forward-biased. Then, holes are injected into the multiple quantum well layer 16 from the p-type semiconductor layer 17, electrons are injected from the n-type semiconductor layer 15, and the injected holes and electrons are recombined inside the multiple quantum well layer 16. , Emission light is generated.

中間層18の膜厚は、発光ダイオードの発光光が透過する場合は、発光光に対して透明であることが望ましいので、0.1nm以上10nm以下の膜厚がよい。
多重量子井戸層16と、p型半導体層17と、金属酸化物層19とも、発光光に対して透明であり、多重量子井戸層16の内部で生成された発光光のうち、p型半導体層17が位置する方向に向かう発光光は、多重量子井戸層16と、p型半導体層17と、中間層18と、金属酸化物層19とを透過し、正電極21が位置しない部分から、発光ダイオード素子3の外部に放出される。
The thickness of the intermediate layer 18 is preferably 0.1 nm or more and 10 nm or less because the intermediate layer 18 is preferably transparent to the emitted light when the emitted light of the light emitting diode is transmitted.
The multiple quantum well layer 16, the p-type semiconductor layer 17, and the metal oxide layer 19 are all transparent to the emitted light, and of the emitted light generated inside the multiple quantum well layer 16, the p-type semiconductor layer The emitted light traveling in the direction in which 17 is located is transmitted from the multiple quantum well layer 16, the p-type semiconductor layer 17, the intermediate layer 18, and the metal oxide layer 19, and emitted from a portion where the positive electrode 21 is not located. It is emitted to the outside of the diode element 3.

n型半導体層15と、バッファー層14と、基板13とも、発光光に対して透明であり、基板13の、n型半導体層15が配置された面とは反対側の面に反射層12が設けられており、n型半導体層15が位置する方向に向かう発光光は、多重量子井戸層16と、n型半導体層15と、バッファー層14と、基板13とを透過し、反射層12で基板13が位置する方向に反射され、反射層12上の基板13及び各層14〜19とを透過して、金属酸化物層19から外部に放出される。   The n-type semiconductor layer 15, the buffer layer 14, and the substrate 13 are all transparent to the emitted light, and the reflective layer 12 is provided on the surface of the substrate 13 opposite to the surface on which the n-type semiconductor layer 15 is disposed. The emitted light that is provided and travels in the direction in which the n-type semiconductor layer 15 is located passes through the multiple quantum well layer 16, the n-type semiconductor layer 15, the buffer layer 14, and the substrate 13. The light is reflected in the direction in which the substrate 13 is located, passes through the substrate 13 and the layers 14 to 19 on the reflective layer 12, and is emitted from the metal oxide layer 19 to the outside.

この発光ダイオード素子3の、中間層18と金属酸化物層19の形成工程について説明すると、図1(a)の符号2aは、中間層18と金属酸化物層19とを形成する成膜対象物であり、基板13上に、バッファー層14と、n型半導体層15と、多重量子井戸層16と、p型半導体層17とが形成された状態であり、p型半導体層17の表面は露出されている。   The formation process of the intermediate layer 18 and the metal oxide layer 19 of the light-emitting diode element 3 will be described. Reference numeral 2a in FIG. 1 (a) denotes a film formation target for forming the intermediate layer 18 and the metal oxide layer 19. The buffer layer 14, the n-type semiconductor layer 15, the multiple quantum well layer 16, and the p-type semiconductor layer 17 are formed on the substrate 13, and the surface of the p-type semiconductor layer 17 is exposed. Has been.

図3は、成膜装置40であり、搬出入室41と、成膜室42とを有している。
成膜対象物2aを搬出入室41内に搬入し、真空排気装置47aによって搬出入室41内を真空排気する。成膜室42は、真空排気装置47bによって予め真空排気されておりゲートバルブ48を開け、成膜対象物2aを成膜室42内に移動させる。
FIG. 3 shows a film forming apparatus 40 having a carry-in / out chamber 41 and a film forming chamber 42.
The film formation target 2a is carried into the carry-in / out chamber 41, and the inside of the carry-in / out chamber 41 is evacuated by the vacuum exhaust device 47a. The film forming chamber 42 is evacuated in advance by a vacuum exhaust device 47b, and the gate valve 48 is opened to move the film forming target 2a into the film forming chamber 42.

成膜室42の内部には、中間層用ターゲット45と、金属酸化物ターゲット46とが配置されている。
中間層用ターゲット45は、Ni、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au、WOx、MoOxから成る導電材料群の中からいずれか一種以上を選択して成る選択材料を主成分にされており、その中間層用ターゲット45が一個、又は、二個以上、成膜室42の中に設けられている。
An intermediate layer target 45 and a metal oxide target 46 are disposed inside the film forming chamber 42.
The intermediate layer target 45 is mainly composed of a selective material selected from at least one selected from a conductive material group consisting of Ni, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, WO x , and MoO x. The intermediate layer target 45 is provided in the film formation chamber 42, or two or more.

二個以上の中間層用ターゲット45を成膜室42に設ける場合は、各中間層用ターゲット45は、異なる導電材料から成るものでもよく、導電材料が異なる複数の中間層用ターゲット45が一緒にスパッタリングされてスパッタリング粒子がp型半導体層17上に到達し、各中間層用ターゲット45の導電材料を有する中間層18が形成されてもよい。   When two or more intermediate layer targets 45 are provided in the film formation chamber 42, each intermediate layer target 45 may be made of a different conductive material, and a plurality of intermediate layer targets 45 having different conductive materials are combined together. Sputtered particles may reach the p-type semiconductor layer 17 by sputtering, and the intermediate layer 18 having the conductive material of each intermediate layer target 45 may be formed.

金属酸化物ターゲット46は、ここではITOで構成されている。
中間層用ターゲット45や金属酸化物ターゲット46には、除去することが困難な不純物は、微少量含まれる。
Here, the metal oxide target 46 is made of ITO.
The intermediate layer target 45 and the metal oxide target 46 contain a very small amount of impurities that are difficult to remove.

成膜室42には、ガス導入装置44が接続されており、成膜室42の内部は、真空排気装置47bによって真空排気されながら、ガス導入装置44からスパッタガスが導入されており、成膜室42の内部では、中間層用ターゲット45と金属酸化物ターゲット46とは、スパッタリングされている。   A gas introducing device 44 is connected to the film forming chamber 42, and the inside of the film forming chamber 42 is evacuated by a vacuum evacuating device 47 b while a sputtering gas is introduced from the gas introducing device 44. Inside the chamber 42, the intermediate layer target 45 and the metal oxide target 46 are sputtered.

成膜対象物2aは、成膜室42内の搬送装置(不図示)によって、成膜室42内を移動され、露出しているp型半導体層17を中間層用ターゲット45に対面させながら、中間層用ターゲット45近くを通過させ、p型半導体層17の表面に、p型半導体層17と接触する中間層18を形成する。   The film formation target 2 a is moved in the film formation chamber 42 by a transfer device (not shown) in the film formation chamber 42, while exposing the exposed p-type semiconductor layer 17 to the intermediate layer target 45. An intermediate layer 18 that is in contact with the p-type semiconductor layer 17 is formed on the surface of the p-type semiconductor layer 17 while passing near the intermediate layer target 45.

次に、露出している中間層18を金属酸化物ターゲット46と対面させながら成膜対象物2aを移動させ、中間層18の表面に、中間層18と接触する金属酸化物層19を形成し、次工程で処理する処理対象物を得る。図1(b)の符号2bは、その処理対象物を示している。   Next, the film formation target 2a is moved while the exposed intermediate layer 18 faces the metal oxide target 46, and a metal oxide layer 19 in contact with the intermediate layer 18 is formed on the surface of the intermediate layer 18. A processing object to be processed in the next step is obtained. Reference numeral 2b in FIG. 1B indicates the processing object.

処理対象物2bは、ゲートバルブ48を開け、予め真空排気されている搬出入室41に戻された後、成膜装置40から取り出され、N2+O2(N2:O2=8:2)の雰囲気中で、550℃の温度でアニールされ、金属酸化物層19が低抵抗化される。 The processing object 2b is opened from the film forming apparatus 40 after opening the gate valve 48 and returned to the carry-in / out chamber 41 which has been evacuated in advance, and N 2 + O 2 (N 2 : O 2 = 8: 2). In this atmosphere, annealing is performed at a temperature of 550 ° C., and the resistance of the metal oxide layer 19 is reduced.

次いで、部分的にエッチングされてn型半導体層15の一部が露出された後、正電極21が金属酸化物層19の表面に形成され、負電極22がn型半導体層15上に形成され、反射層12が形成されると、図2の発光ダイオード素子3が得られる。   Next, after partial etching to expose part of the n-type semiconductor layer 15, the positive electrode 21 is formed on the surface of the metal oxide layer 19, and the negative electrode 22 is formed on the n-type semiconductor layer 15. When the reflective layer 12 is formed, the light emitting diode element 3 of FIG. 2 is obtained.

次に、補助電極層10をp型GaNから成るp型半導体層17に接触させ、p型半導体層17から補助電極層10に向けて電流を流したときの、補助電極層10とp型半導体層17との間の接触抵抗の抵抗率(10-2Ω・cm2)を測定した。 Next, the auxiliary electrode layer 10 and the p-type semiconductor when the auxiliary electrode layer 10 is brought into contact with the p-type semiconductor layer 17 made of p-type GaN and a current flows from the p-type semiconductor layer 17 toward the auxiliary electrode layer 10. The resistivity (10 −2 Ω · cm 2 ) of the contact resistance with the layer 17 was measured.

下記表1は、中間層18を設けず、ITO層である金属酸化物層19から成る補助電極層10を、p型GaNから成るp型半導体層17に接触させたときの測定値を“1”とし、中間層18とITO層である金属酸化物層19とを有する補助電極層10の中間層18をp型GaNから成るp型半導体層17に接触させたときの抵抗率を、中間層18を設けなかったときの抵抗率に対する比の値で示した。   Table 1 below shows the measured values when the auxiliary electrode layer 10 made of the metal oxide layer 19 that is an ITO layer is brought into contact with the p-type semiconductor layer 17 made of p-type GaN without providing the intermediate layer 18. The resistivity when the intermediate layer 18 of the auxiliary electrode layer 10 having the intermediate layer 18 and the metal oxide layer 19 which is an ITO layer is brought into contact with the p-type semiconductor layer 17 made of p-type GaN is expressed as the intermediate layer. The value is shown as a ratio to the resistivity when 18 is not provided.

Figure 2015026756
Figure 2015026756

Cu薄膜やAl薄膜をp型GaN層と接触させて、p型GaN層とITO層との間に設けても、ITO層をp型GaN層に接触させたときの抵抗値を低下させることはできなかったが、この表1から、Ni、Rh、Pd、Re、Os、Ir、Pt、Au、WOx、MoOxを導電材料とする中間層18を補助電極層10が有する場合は、中間層18を設けない場合に比べて抵抗率が小さくなっていることが分かる。 Even if a Cu thin film or an Al thin film is brought into contact with the p-type GaN layer and provided between the p-type GaN layer and the ITO layer, the resistance value when the ITO layer is brought into contact with the p-type GaN layer is reduced. However, from Table 1, when the auxiliary electrode layer 10 has an intermediate layer 18 using Ni, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt, Au, WO x , and MoO x as a conductive material, It can be seen that the resistivity is smaller than when the layer 18 is not provided.

ITO層、AZO層、IZO層、又はTiO2層の仕事関数の最大値を4.7eVとすると、その値よりも大きな仕事関数を持つNi、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au、WOx、MoOxを導電材料として選択された中間層18では、抵抗率の比の値は、0.55以下になっており、低電圧化、低消費電力のことから好ましいことが分かる。 When the maximum value of the work function of the ITO layer, AZO layer, IZO layer, or TiO 2 layer is 4.7 eV, Ni, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, WO having a work function larger than that value In the intermediate layer 18 in which x and MoO x are selected as the conductive materials, the resistivity ratio value is 0.55 or less, which is preferable from the viewpoint of lower voltage and lower power consumption.

他方、Reの中間層18についても、抵抗率の比の値は“1”よりも小さくなり、中間層18を設けない場合よりも抵抗率が小さくなるが、導電材料がNi、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au、WOx、MoOxの中間層18の場合よりも大きくなっており、Ni、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au、WOx、MoOxが本発明の中間層18として好ましい。 On the other hand, the value of the ratio of the resistivity of the Re intermediate layer 18 is smaller than “1”, which is lower than that in the case where the intermediate layer 18 is not provided, but the conductive material is Ni, Rh, Pd, It is larger than the intermediate layer 18 of Os, Ir, Pt, Au, WO x , and MoO x , and Ni, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, WO x , and MoO x are intermediate in the present invention. Preferred as layer 18.

図4は、仕事関数を横軸にとり、接触抵抗の抵抗率の比の値を縦軸にとり、表1の中間層の測定値をプロットしたグラフである。
WOx(仕事関数が9.20)の中間層以外の中間層では、仕事関数が大きい方が抵抗率の比は小さくなっていることが読み取れる。仕事関数が大きくなるに従って、ショットキー障壁が小さくなっているからであると考えられる。
FIG. 4 is a graph in which measured values of the intermediate layer in Table 1 are plotted with the work function on the horizontal axis and the resistivity ratio value of contact resistance on the vertical axis.
It can be seen that in the intermediate layer other than the intermediate layer of WO x (work function is 9.20), the resistivity ratio is smaller as the work function is larger. This is probably because the Schottky barrier becomes smaller as the work function becomes larger.

なお、表1の接触抵抗の抵抗率の測定はTLM法によって行った。TLM法では、先ず、図5(a)に示すように、p型半導体層17上に、中間層181、182と、金属酸化物層191、192の二層構造で離間した二個一組の補助電極層101、102を、電極間隔Lを異ならせて複数組作成し、各組の補助電極層101、102の間に電流を流して抵抗値を測定した。この補助電極層101、102は長方形又は正方形であり、一辺同士が平行に対向して配置されている。 In addition, the measurement of the resistivity of the contact resistance of Table 1 was performed by the TLM method. In the TLM method, first, as shown in FIG. 5A, two layers separated by a two-layer structure of intermediate layers 18 1 and 18 2 and metal oxide layers 19 1 and 19 2 are formed on a p-type semiconductor layer 17. A plurality of sets of auxiliary electrode layers 10 1 , 10 2 were prepared with different electrode intervals L, and a resistance value was measured by passing a current between each set of auxiliary electrode layers 10 1 , 10 2 . The auxiliary electrode layers 10 1 and 10 2 are rectangular or square, and are arranged so that one side faces each other in parallel.

図5(b)(横軸は電極間隔L、縦軸は測定抵抗値RT)に示すように、グラフ上に測定した抵抗値をプロットし、測定した抵抗値を結んだ直線Pを求めると、Y軸切片の抵抗値RTが、電極間隔Lがゼロのときの抵抗値であり、測定した抵抗値RTと、p型半導体層17のシート抵抗RSと、一個の補助電極層101又は102当たりの接触抵抗RCと、電極間隔Lに対して直角な補助電極層101、102の幅Wと、電極間隔Lとの間の下記(1)式、 As shown in FIG. 5B (the horizontal axis is the electrode interval L and the vertical axis is the measured resistance value R T ), the measured resistance value is plotted on the graph, and a straight line P connecting the measured resistance values is obtained. , The resistance value RT of the Y-axis intercept is the resistance value when the electrode interval L is zero, the measured resistance value RT , the sheet resistance RS of the p-type semiconductor layer 17, and one auxiliary electrode layer 10 The following equation (1) between the contact resistance R C per 1 or 10 2 , the width W of the auxiliary electrode layers 10 1 , 10 2 perpendicular to the electrode interval L, and the electrode interval L:

T=RS・L/W + 2・RC …… (1) R T = R S · L / W + 2 · R C (1)

から、x軸切片の値は、二個の補助電極層101、102とp型半導体層17との接触抵抗RCの合計値を示していることが分かる(=2・RC)。
そして、グラフ上の直線Pを、電極間隔Lが負の領域に外挿し、X軸切片の値を求めると、その値から、p型半導体層17が接触抵抗Rcになるときの長さである伝搬長LTが求められ、伝搬長LTを下記(2)式に代入すると、接触抵抗の抵抗率ρ(Ω・cm2)が求められる。
From this, it can be seen that the value of the x-axis intercept indicates the total value of the contact resistance R C between the two auxiliary electrode layers 10 1 , 10 2 and the p-type semiconductor layer 17 (= 2 · R C ).
Then, when the straight line P on the graph is extrapolated to a region where the electrode interval L is negative and the value of the X-axis intercept is obtained, the length when the p-type semiconductor layer 17 becomes the contact resistance Rc is obtained from that value. propagation length L T is determined, by substituting the propagation length L T in the following equation (2), the resistivity of the contact resistance [rho (Omega · cm 2) is calculated.

ρ=Rs・LT 2 ……(2) ρ = Rs · L T 2 (2)

なお、金属酸化物層に替え、金属層を用い、GaNを主成分とするp型半導体層と金属層との間に中間層を形成し、抵抗率が低下された発光ダイオードも本発明に含まれる。
なお、上記ITO膜のアニールは550℃で行ったが、550℃よりも低温でアニールしても、接触抵抗が大きくなる訳ではない。逆に、550℃よりも高温でアニールすることもでき、その場合も本願発明に含まれる。
Note that the present invention also includes a light emitting diode in which a metal layer is used instead of the metal oxide layer, an intermediate layer is formed between the p-type semiconductor layer mainly composed of GaN and the metal layer, and the resistivity is lowered. It is.
Although the ITO film is annealed at 550 ° C., annealing at a temperature lower than 550 ° C. does not increase the contact resistance. Conversely, annealing can be performed at a temperature higher than 550 ° C., which is also included in the present invention.

金属酸化物層の仕事関数よりも大きな仕事関数のWOxの中間層では、オーミック接続を形成するため、金属酸化物層と、GaNを主成分とするp型半導体層との間の仕事関数を持ち、ショットキー接合を形成するのは、Ni、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au、WOxである。 In the intermediate layer of WO x having a work function larger than that of the metal oxide layer, in order to form an ohmic connection, the work function between the metal oxide layer and the p-type semiconductor layer containing GaN as a main component is obtained. It is Ni, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, and WO x that form a Schottky junction.

3……発光ダイオード素子
13……基板
14……バッファー層
15……GaNを主成分とするn型半導体層
16……多重量子井戸層
17……GaNを主成分とするp型半導体層
18……中間層
19……金属酸化物層
3... Light emitting diode element 13... Substrate 14... Buffer layer 15... N-type semiconductor layer 16 containing GaN as a main component 16 .. multiple quantum well layer 17. ... intermediate layer 19 ... metal oxide layer

Claims (4)

GaNを主成分とするn型半導体層と、
前記n型半導体層の片面側に位置するGaNを主成分とするp型半導体層と、
前記p型半導体層の前記n型半導体層とは反対側に位置する補助電極層と、
を有し、前記p型半導体層と前記n型半導体層との間に電圧が印加されて動作電流が流れ、発光する発光ダイオード素子であって、
前記補助電極層は、前記p型半導体層と接触して設けられた透明な中間層と、前記中間層に接触して設けられた透明な金属酸化物層とを有し、
前記中間層は、接触される前記金属酸化物層の仕事関数よりも高い仕事関数を有する薄膜である発光ダイオード素子。
An n-type semiconductor layer mainly composed of GaN;
A p-type semiconductor layer mainly composed of GaN located on one side of the n-type semiconductor layer;
An auxiliary electrode layer located on the opposite side of the p-type semiconductor layer from the n-type semiconductor layer;
A light emitting diode element that emits light when an operating current flows when a voltage is applied between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer,
The auxiliary electrode layer has a transparent intermediate layer provided in contact with the p-type semiconductor layer, and a transparent metal oxide layer provided in contact with the intermediate layer,
The light emitting diode device, wherein the intermediate layer is a thin film having a work function higher than that of the metal oxide layer to be contacted.
前記中間層は、Ni、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au、WOx、MoOxから成る導電材料群の中からいずれか一種以上を選択して成る選択材料を主成分とする薄膜である請求項1記載の発光ダイオード素子。 The intermediate layer is a thin film containing as a main component a selective material selected from at least one selected from a conductive material group consisting of Ni, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, WO x , and MoO x. The light emitting diode element according to claim 1. 前記金属酸化物層は、ITO層である請求項1又は請求項2のいずれか1項記載の発光ダイオード素子。   The light emitting diode element according to claim 1, wherein the metal oxide layer is an ITO layer. 前記n型半導体層は、n型GaN層を有し、
前記n型GaN層と前記p型半導体層との間には、多重量子井戸層が設けられた請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の発光ダイオード素子。
The n-type semiconductor layer has an n-type GaN layer,
4. The light emitting diode device according to claim 1, wherein a multiple quantum well layer is provided between the n-type GaN layer and the p-type semiconductor layer. 5.
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