IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 豊田合成株式会社の特許一覧

<>
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図1
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図2
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図3
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図4
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図5
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図6
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図7
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図8
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図9
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図10
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図11
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図12
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図13
  • 特開-発光素子およびその製造方法 図14
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024080988
(43)【公開日】2024-06-17
(54)【発明の名称】発光素子およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 33/40 20100101AFI20240610BHJP
   H01L 33/32 20100101ALI20240610BHJP
【FI】
H01L33/40
H01L33/32
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022194380
(22)【出願日】2022-12-05
(71)【出願人】
【識別番号】000241463
【氏名又は名称】豊田合成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000648
【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】牧野 浩明
(72)【発明者】
【氏名】面家 英樹
【テーマコード(参考)】
5F241
【Fターム(参考)】
5F241AA03
5F241CA13
5F241CA40
5F241CA65
5F241CA74
5F241CA83
5F241CA87
5F241CA92
5F241CA98
(57)【要約】
【課題】コンタクト抵抗が低く高反射率なp電極を形成することができる発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子の製造方法は、n層11と、発光層12と、p層13を順に積層させたIII族窒化物半導体からなる半導体層を有し、前記n層11に接するn電極17と、前記p層13に接するp電極16を有する発光素子の製造方法である。そして、前記n電極17を形成する工程と、前記n電極17の低コンタクト抵抗化の熱処理を行う第1熱処理工程と、前記p層13のP型不純物活性化の熱処理を行う第2熱処理工程と、前記第1熱処理工程および前記第2熱処理工程の後に、前記p電極16を形成するp電極形成工程と、を有する。また、前記p電極形成工程は、前記p層13上に接するNiまたはNiを主成分とする金属である第1層16Aを形成し、前記第1層16A上に接するAlである第2層16Bを形成する工程を有する。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
n層と、発光層と、p層を順に積層させたIII族窒化物半導体からなる半導体層を有し、前記n層に接するn電極と、前記p層に接するp電極を有する発光素子の製造方法において、
前記n電極を形成するn電極形成工程と、
前記n電極の低コンタクト抵抗化の熱処理を行う第1熱処理工程と、
前記p層のp型不純物活性化の熱処理を行う第2熱処理工程と、
前記第1熱処理工程および前記第2熱処理工程の後に、前記p電極を形成するp電極形成工程と、
を有し、
前記p電極形成工程は、前記p層上に接するNiまたはNiを主成分とする金属である第1層を形成し、前記第1層上に接するAlまたはAlを主成分とする金属である第2層を形成する工程を有する、
発光素子の製造方法。
【請求項2】
前記p電極の形成工程後、前記発光素子の製造工程が終了するまでの間、熱処理を行わない、請求項1に記載の発光素子の製造方法。
【請求項3】
前記p電極の形成工程後、前記発光素子の製造工程が終了するまでの間、前記発光素子に300℃を超える温度がかからないようにする、請求項1に記載の発光素子の製造方法。
【請求項4】
前記p電極形成工程において、前記第1層の厚さを0.5nm以上5nm以下とし、前記第2層の厚さを100nm以上とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項5】
前記n電極形成工程は、前記n層上に接し、厚さ5nm以上15nm以下のVまたはVを主成分とする金属であるV層を形成する工程と、前記V層上に接するAlまたはAlを主成分とする金属であるAl層と、を有し、
前記第1熱処理工程は、酸素を含む雰囲気で、500~650℃の熱処理を行う工程であり前記第2熱処理工程を兼ねる、請求項1~3のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項6】
請求項1~3のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法によって前記発光素子を作製後に、前記発光素子を実装基板に実装する実装工程を有する発光装置の製造方法であって、
前記p電極形成工程後、前記実装工程前までの間に、前記p電極に300℃を超える温度がかからないようにする、発光装置の製造方法。
【請求項7】
前記実装工程は、前記p電極にかかる温度が300℃以下の工程である、請求項6に記載の発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、紫外線LEDを殺菌や消毒に使用することが注目されており、紫外線LEDの高効率化に向けた研究、開発が盛んに行われている。
【0003】
III族窒化物半導体からなるUVCの紫外発光素子では、p型のIII族窒化物半導体に接触するp電極として、Ni/Alを用いることが検討されている(特許文献1)。ここで「/」は積層であることを示し、A/BはA、Bの順に積層した構造であることを示している。以下、材料の説明において同様とする。p電極をNi/Alとすれば、Ni層によってp-GaNに良好なコンタクトを取りつつ、Al層によって紫外線を反射させることができ、光取り出し効率の向上が実現できる。
【0004】
特許文献1には、p電極にNi/Alを用いることが記載され、Niの厚さは5nmよりも薄くすることが記載され、実質的に1nmとするのがよいと記載されている。Ni層を薄くすることでNi層を透過させ、Al層による反射を増やすためである。
【0005】
非特許文献1には、紫外発光素子のp電極としてNi/Alを用いることが記載され、熱処理を行うとNiクラスターが形成されてp電極の反射率が向上することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2015-216352号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】XianchunPeng, et al., Applied Physics Express 14, 072005(2021)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかし、p電極としてNi/Alを用いた場合、pコンタクト抵抗が高く、順方向電圧Vfが上昇してしまう。
【0009】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、コンタクト抵抗が低く高反射率なp電極を形成することができる発光素子の製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様は、
n層と、発光層と、p層を順に積層させたIII族窒化物半導体からなる半導体層を有し、前記n層に接するn電極と、前記p層に接するp電極を有する発光素子の製造方法において、
前記n電極を形成する工程と、
前記n電極の低コンタクト抵抗化の熱処理を行う第1熱処理工程と、
前記p層のP型不純物活性化の熱処理を行う第2熱処理工程と、
前記第1熱処理工程および前記第2熱処理工程の後に、前記p電極を形成するp電極形成工程と、
を有し、
前記p電極形成工程は、前記p層上に接するNiまたはNiを主成分とする金属である第1層を形成し、前記第1層上に接するAlである第2層を形成する工程を有する、
発光素子の製造方法にある。
【発明の効果】
【0011】
本発明の一態様によれば、コンタクト抵抗が低く高反射率なp電極を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】実施形態における発光素子の構成を示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図。
図2】p電極の構成を拡大して示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図。
図3】n電極の構成を拡大して示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図。
図4】実施形態における発光素子の製造工程を示したフローチャート。
図5】実施形態における発光素子の製造工程を示した図。
図6】p電極の形成後に熱処理を行った場合のp電極の構成を示した図。
図7】実験例1、2の発光素子の電流電圧特性を示したグラフ。
図8】実験例1~3の発光素子における電流密度と外部量子効率EQEの関係を示したグラフ。
図9】実験例1~3の発光素子における電流密度と発光効率WPEの関係を示したグラフ。
図10】熱処理温度とpコンタクト抵抗率の関係を示したグラフ。
図11】熱処理温度とpコンタクト抵抗率の関係を示したグラフ。
図12】Niの厚さとpコンタクト抵抗率の関係を示したグラフ。
図13】Niの厚さとp電極の反射率の関係を示したグラフ。
図14】Ni膜表面およびサファイア基板表面のAFM像を示した図。
【発明を実施するための形態】
【0013】
発光素子の製造方法は、n層と、発光層と、p層を順に積層させたIII族窒化物半導体からなる半導体層を有し、前記n層に接するn電極と、前記p層に接するp電極を有する発光素子の製造方法である。そして、前記n電極を形成する工程と、前記n電極の低コンタクト抵抗化の熱処理を行う第1熱処理工程と、前記p層のP型不純物活性化の熱処理を行う第2熱処理工程と、前記第1熱処理工程および前記第2熱処理工程の後に、前記p電極を形成するp電極形成工程と、を有する。また、前記p電極形成工程は、前記p層上に接するNiまたはNiを主成分とする金属である第1層を形成し、前記第1層上に接するAlまたはAlを主成分とする金属である第2層を形成する工程を有する。
【0014】
前記p電極の形成工程後、前記発光素子の製造工程が終了するまでの間、熱処理を行わないようにしてもよい。p電極のpコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。
【0015】
前記p電極の形成工程後、前記発光素子の製造工程が終了するまでの間、前記発光素子に300℃を超える温度がかからないようにしてもよい。p電極のpコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。
【0016】
前記p電極形成工程において、前記第1層の厚さを0.5nm以上5nm以下とし、前記第2層の厚さを100nm以上としてもよい。
【0017】
前記n電極形成工程は、前記n層上に接し、厚さ5nm以上15nm以下のVまたはVを主成分とする金属であるV層を形成する工程と、前記V層上に接するAlまたはAlを主成分とする金属であるAl層と、を有し、前記第1熱処理工程は、酸素を含む雰囲気で、500~650℃の熱処理を行う工程であり前記第2熱処理工程を兼ねていてもよい。熱処理回数を減らすことができ、素子への熱ダメージを抑制することができる。
【0018】
発光装置の製造方法は、上記により作製した発光素子を実装基板に実装する実装工程を有する。そして、前記p電極形成工程後、前記実装工程前までの間に、前記p電極に300℃を超える温度がかからないようにする。
【0019】
前記実装工程は、前記p電極にかかる温度が300℃以下の工程としてもよい。p電極のpコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。
【0020】
(実施形態)
図1は、実施形態における発光素子の構成を示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図である。実施形態における発光素子は、フリップチップ型の紫外発光素子であり、発光波長はたとえば200~280nmである。
【0021】
1.発光素子の各構成
図1に示すように、実施形態の発光素子は、基板10と、n層11と、発光層12と、p層13と、電子ブロック層14と、p電極16と、n電極17と、を有している。
【0022】
基板10は、c面を主面とするサファイアからなる基板である。サファイア以外にも、発光波長に対して透過率が高く、III族窒化物半導体を成長させることができる材料であれば任意の材料を用いてよい。
【0023】
n層11は、基板10上にバッファ層(図示しない)を介して位置している。n層11は、Al組成比が60%以上のn―AlGaNからなる。ここでIII族窒化物半導体のAl組成比は、III族金属に対するAlのモル比(%)である。つまり、III族窒化物半導体を一般式AlGaInN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z=1)で表したとき、Al組成比はx×100(%)である。n型不純物はSiであり、Si濃度が5×1018~5×1019/cmである。n層11は複数の層で構成されていてもよい。その場合、n層11の最上層(n電極17と接する層)のAl組成比が60%以上であればよい。
【0024】
n層11のAl組成比は、65~90%がより好ましく、さらに好ましくは70~85%である。n層11のSi濃度は、8×1018~3×1019/cmがより好ましく、さらに好ましくは、1×1019~2×1019/cmである。
【0025】
発光層12は、n層11上に位置している。発光層12は、井戸層と障壁層が交互に繰り返し積層されたMQW構造である。繰り返し数はたとえば2~5である。井戸層はAlGaNからなり、そのAl組成比は所望の発光波長に応じて設定される。障壁層は、井戸層よりもAl組成比の大きなAlGaNである。井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きなAlGaInNでもよい。また、発光層12はSQW構造でもよい。
【0026】
電子ブロック層14は、発光層12上に位置している。電子ブロック層14は、発光層12の障壁層よりもAl組成比の高いp-AlGaNからなる。電子ブロック層14によって、n電極17から注入した電子が発光層12を超えてp層13側に拡散してしまうのを抑制している。
【0027】
p層13は、電子ブロック層14上に位置している。p層13は、p-AlGaN/p-GaNからなる。p型不純物はMgである。Mg濃度は、1×1019/cm以上である。p層13は単層でもよい。p電極16と接する層が、Al組成比60%未満のAlGaNであればよい。
【0028】
p層13表面の一部領域には、n層11に達する深さの溝22が形成されている。溝22の底面にはn層11が露出している。
【0029】
p電極16は、p層13上に位置している。p電極16は、発光層12から放射される紫外線を基板10側に反射させて光取り出し効率を高める反射電極である。
【0030】
図2は、p電極16の構成を拡大して示した図であり、基板10主面に垂直な面での断面図である。図2のように、p電極16は、p層13に接して位置する第1層16Aと、第1層16A上に接して位置する第2層16Bと、第2層16B上に接して位置する第3層16Cとを有する構造である。
【0031】
第1層16Aは、Niからなる。Niを主成分とする金属でもよい。第1層16Aは、p層13に対するp電極16のpコンタクト抵抗低減を図る役割である。
【0032】
第1層16Aの厚さは、0.5~5nmである。0.5nmよりも薄いと、pコンタクト抵抗を十分に低減することができない。また、5nmよりも厚いと、第1層16Aの透過率が低くなるため第2層16Bによって十分に紫外線を反射させることができず、発光素子の光取り出し効率向上が十分でない。好ましくは0.5~2nm、より好ましくは0.5~1nm、さらに好ましくは0.5~0.8nmである。
【0033】
第1層16Aの表面のRMS(二乗平均平方根高さ)は、0.2nm以下とすることが好ましい。RMSがこれよりも大きいと、第1層16Aがクラスター化してp層13表面の一部領域が第1層16Aに覆われず、p層13と第2層16Bが直接接している可能性があり、p電極16のコンタクト抵抗が悪化してしまう可能性がある。より好ましくは0.1nm以下である。
【0034】
第2層16Bは、Alからなる。Alを主成分とする金属でもよい。第2層16Bは、第1層16Aを透過した紫外線を反射させる役割である。
【0035】
第2層16Bの厚さは、100nm以上とする。これにより、p電極16の反射率を十分に高めることができ、光取り出し効率の向上を図ることができる。第2層16Bの厚さは300nm以下とすることが好ましい。厚くなるにつれて反射率上昇の効果は飽和していくためである。好ましくは120~200nmである。
【0036】
第3層16Cは、Tiからなる。第3層16Cは、第2層16Bの保護層として設けるものである。Ti以外にも、TiN、Ni、Pt、Auなどを用いることができる。
【0037】
n電極17は、溝22の底面に露出するn層11上に位置している。図3は、n電極17の構成を拡大して示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図である。図3のように、n電極17は、n層11に接して位置する第1層17Aと、第1層17A上に接して位置する第2層17Bと、第2層17B上に接して位置する第3層17Cと、を有する構造である。
【0038】
第1層17Aは、AlNからなり、厚さは1~3nmである。xは、たとえば0.4~0.7である。またxは、厚さ方向にn層11から離れるにつれて減少していてもよい。この場合はxの厚さ方向の平均が0.4~0.7である。また、n層11側からのGaの拡散がある場合もあり、その場合には第1層17Aは、n層11よりもAl組成比が高いAlGa1-y(0.4≦x≦0.7)である。n層11のAl組成比がaであれば、a<y≦1である。yはたとえば0.7以上である。またこの場合も、xは厚さ方向にn層11から離れるにつれて減少していてもよく、yは厚さ方向にn層11から離れるにつれて増加していてもよい。
【0039】
第2層17Bは、Alを主としVとTiを含む金属からなり、厚さは50~500nmである。第2層17BにおいてAl、V、Tiの比率は、たとえばAlが50~85mol%、Vが5~20mol%、Tiが10~30mol%である。第3層17Cは、Tiからなり、厚さは20~100nmである。このようなn電極17の構造は、V/Al/Tiを500~650℃でアロイした結果得られた構造である。詳細は後述する。
【0040】
上記構造のn電極17では、n層11に対するコンタクト抵抗が低減されている。たとえば、n層11に対するn電極17のコンタクト抵抗率は4×10―4Ω・cm以下である。その理由は、第1に、AlNからなる第1層17Aがn層11に対する良好なコンタクト層として機能しているためと考えられる。また、第2に、n層11表面に窒素空孔が生じ、n型化するためコンタクト抵抗が低下していると考えられる。
【0041】
第3層17Cは、アロイ時にn電極17中のAlが蒸発してしまうのを抑制するカバーとして設けるものである。Ti以外にもTiN、Ni、Pt、Auなどを用いることができる。
【0042】
なお、低温でnコンタクトアニール可能であれば、n電極17の材料は上記に限らない。
【0043】
また、実施形態では、p型不純物としてMg、n型不純物としてSiを用いているが、III族窒化物半導体のp型不純物、n型不純物として従来知られている他の不純物を用いてもよい。
【0044】
2.発光素子の製造工程
実施形態における発光素子の製造工程について図4、5を参照に説明する。図4は、実施形態における発光素子の製造工程を示したフローチャートであり、図5は、実施形態における発光素子の製造工程を示した図であり、各段階における構造の断面図を示した図である。
【0045】
まず、サファイアからなる基板10を用意する。そして、基板10上にバッファ層を介してMOCVD法によってn層11、発光層12、電子ブロック層14、p層13を順に積層する(図4のステップS1、図5(a)参照)。
【0046】
次に、p層13の所定領域をn層11に達するまでドライエッチングして溝22を形成する(図4のステップS2、図5(b)参照)。
【0047】
次に、溝22の底面に露出するn層11上に、スパッタや蒸着によってV/Al/Tiからなるn電極17を形成する(図4のステップS3、図5(c)参照)。V層の厚さは、5~15nm、Al層の厚さは50~500nm、Ti層の厚さは20~100nmである。V層は、VまたはVを主成分とする金属である。Al層は、AlまたはAlを主成分とする金属である。Ti層は、TiまたはTiを主成分とする金属である。
【0048】
次に、酸素を含む雰囲気で、温度500~650℃、1~10分間の熱処理を行う(図4のステップS4)。酸素を含む雰囲気は、たとえば窒素などの不活性ガスに酸素を混合した雰囲気であり、酸素濃度はたとえば0.1~1体積%である。熱処理は減圧下で行うことが好ましく、たとえば1×10~1×10Paである。熱処理温度は好ましくは550~650℃である。
【0049】
この熱処理は、p層13のMg活性化処理とn電極17の低コンタクト抵抗化とを兼ねており、p層13の低抵抗化と、n層11に対するn電極17のコンタクト抵抗の低減とを同時に行うことができる。
【0050】
実施形態では、n電極17としてV/Al/Tiを用いることで熱処理温度を低減し、p層13のMg活性化処理とn電極17のコンタクト抵抗の低減とを共通化して同時に行うことで熱処理回数を減らしている。熱処理温度の低温化と熱処理回数減少の結果、発光素子の電気特性の劣化を抑制できる。
【0051】
なお、p層13のMg活性化処理とn電極17の低コンタクト抵抗化とを別々に行ってもよい。たとえば温度を変える、雰囲気を変えるなどして別々に行ってもよい。ただし、素子への熱ダメージの点から実施形態のように共通化して同時に行うことが好ましい。別々に行う場合、n電極17の低コンタクト抵抗化の熱処理は、酸素を含まない雰囲気で行ってもよい。また、別々に行う場合、たとえば、p層13形成、Mg活性化の熱処理、n電極形成、nコンタクトの熱処理の順に行う。
【0052】
この熱処理によって、n電極17の構造は次のように変化する。n電極17であるV/Al/TiのうちVはAl中に拡散していき、n層11やTiには拡散しない。この拡散の結果、V層は消失する。また、V/Al/Ti中のAlは、n層11中のNと反応し、n層11とAl層の界面にはAlNが形成される。Vは、AlとNの反応を促進する触媒のような作用をしていると考えられる。この熱処理の結果、n電極17の構造は、n層11に接して位置し、AlNからなる第1層17Aと、第1層17A上に接して位置し、Alを主としVとTiを含む金属からなる第2層17Bと、第2層17B上に接して位置し、Tiからなる第3層17Cとの3層構造に変化する。
【0053】
n電極17がこのような構造に変化することにより、n層11に対するn電極17のコンタクト抵抗が低減する。その理由はすでに述べたとおりである。すなわち、第1に、AlNからなる第1層17Aがn層11に対して良好なコンタクト層として機能していると考えられること、第2に、AlNの形成によりn層11に窒素空孔が生じたことでn層11のn型化がより促進したと考えられることである。
【0054】
V層の厚さが5~15nmの範囲であれば、n層11に対するn電極17のコンタクト抵抗は低減できるが、5nm未満や15nmよりも厚いとコンタクト抵抗は十分に低減できない。V層が5nm未満ではコンタクト抵抗が高い理由は、V層が薄すぎるとAlとNの反応を促進する作用が十分に発揮されず、AlNの形成が不十分となるためと考えられる。また、V層が15nmよりも厚いとコンタクト抵抗が高い理由は、V層が厚いとV層が拡散しきらず残存し、n層11との界面にAlNが形成されるのを阻害するためと考えられる。
【0055】
次に、p層13上の所定領域にスパッタや蒸着によってNiからなる第1層16A、Alからなる第2層16B、Tiからなる第3層16Cを順に積層してNi/Al/Tiからなるp電極16を形成する(図4のステップS5、図5(d)参照)。第1層16Aの厚さは0.5~5nm、第2層16Bの厚さは100nm以上とする。ここで、第1層16Aの成膜速度は0.2nm/s以下とすることが好ましい。第1層16A表面のRMSを0.2nm以下に抑えることができ、一様に平坦な膜状に形成することができる。
【0056】
p電極16やn電極17の上部にさらに電極構造を設けてもよい。たとえば、p電極16やn電極17を複数のドットが配列されたパターンとし、p電極16の形成後、素子上面を第1絶縁膜で覆い、第1絶縁膜上に孔を介してp電極16やn電極17と接続する配線電極を形成し、配線電極上に第2絶縁膜を形成し、さらに第2絶縁膜上に孔を介して配線電極と接続するパッド電極を形成する(いずれも図示しない)。これらの工程は、発光素子に300℃を超える温度がかからない工程であり、熱処理もp電極16の形成後は行わない。以上によって図1に示す発光素子が作製される。
【0057】
実施形態における発光素子の製造工程では、p電極16の形成前にn電極17の低コンタクト抵抗化の熱処理とp層13のMg活性化の熱処理を行っており、p電極16の形成後、発光素子の作製完了までの間に熱処理は行なわず、p電極16に300℃を超える温度がかかる工程はない。このような工程とする理由は次の通りである。
【0058】
p電極16の形成後に熱処理を行うと、図6のように、Niからなる第1層16Aがクラスター化して多数の島状になり、p層13が第1層16Aに覆われない領域が生じ、Alからなる第2層16Bがp層13に直接接するようになる。その結果、p電極16のコンタクト抵抗が増加してしまう。特にp電極16に300℃を超える温度がかかるとpコンタクト抵抗が大きく増加してしまう。
【0059】
一方、p電極16の形成前にp層13のMg活性化を行い、p電極16の形成後に熱処理を行わなければ、Niからなる第1層16Aは平坦なままであり、Alからなる第2層16Bが直接p層13に接することはない。そのため、コンタクト抵抗が増加してしまうことがない。
【0060】
実施形態における発光素子は、その後、実装基板に実装されるが、発光素子の作製後、実装工程前までの間、p電極16に300℃を超える温度がかからないようにすることが好ましい。熱によるp電極16のコンタクト抵抗増加を抑制するためである。また、発光素子の実装方法は、p電極16にかかる温度が300℃以下の方法が好ましく、なるべく実装にかかる時間の短い方法が好ましい。たとえば、フリップチップボンディング(FCB)が好ましく、特にAuスタッドバンプを用いた方法を用いるのがよい。
【0061】
3.実施形態に係る実験例
実施形態に係る各種実験例について図を参照に説明する。
【0062】
実験1
p電極16の第1層16Aの厚さを0.5nm、第2層16Bの厚さを150nmとした実施形態に係る発光素子(以下、実験例1の発光素子とする)を作製し、電流電圧特性、外部量子効率EQE、発光効率WPEを測定した。また、比較のため、実験例1の発光素子を窒素雰囲気で400℃、1分間熱処理し(以下、実験例2の発光素子とする)、同様に電流電圧特性、外部量子効率EQE、発光効率WPEを測定した。また、p電極16をNi/Auに替えた発光素子(以下、実験例3の発光素子とする)についても、外部量子効率EQE、発光効率WPEを測定した。
【0063】
図7は実験例1、2の発光素子の電流電圧特性を示したグラフ、図8は実験例1~3の発光素子における電流密度と外部量子効率EQEの関係を示したグラフ、図9は実験例1~3の発光素子における電流密度と発光効率WPEの関係を示したグラフである。
【0064】
図7のように、実験例1の発光素子は実験例2の発光素子よりも順方向電圧Vfが低く、順方向電流350mAにおいてVfが4.3%低かった。この結果から、Ni/Alからなるp電極16の形成後に熱処理を行うとpコンタクト抵抗が悪化し、順方向電圧Vfが上昇してしまうことが分かった。これは、熱処理によってNiがクラスター化して島状となり、一部領域で第2層16Bがp層13に直接接してしまうためと考えられる。
【0065】
また図8のように、実験例1、2の発光素子は、実験例3の発光素子よりも外部量子効率EQEが高かった。これはp電極16がNi/Alであるため、Ni/Auよりも紫外線の反射率が高く、光取り出し効率が向上しているためである。
【0066】
また図9のように、実験例1、2の発光素子は、実験例3の発光素子よりも発光効率WPEが高く、実験例1の発光素子の発光効率WPEは、実験例2の発光素子の発光効率WPEよりも高かった。これは、図7のように、実験例1の発光素子は実験例2の発光素子よりもVfが低いためである。
【0067】
実験2
実施形態に係る発光素子を作製し、p電極16の形成後に熱処理を行い、各種熱処理温度におけるpコンタクト抵抗率を測定した。第2層16Bの厚さは150nmとした。また、第1層16Aの厚さは0.5nm、2nm、5nmの3段階とした。以下、それぞれ実験例4~6の発光素子とする。熱処理の雰囲気や処理時間は実験1と同様とした。
【0068】
図10は、熱処理温度とpコンタクト抵抗率の関係を示したグラフである。グラフ中、熱処理温度0℃は熱処理を行わない場合である。また、グラフにおけるpコンタクト抵抗率は、実験例4の発光素子において熱処理を行わない場合のpコンタクト抵抗率を1として規格化した値である。
【0069】
図10のように、実験例4~6のいずれの発光素子も、p電極16の形成後の熱処理によってpコンタクト抵抗率が増加することが分かった。特に、p電極16に300℃を超える温度がかかるとpコンタクト抵抗が大きく増加してしまうことが分かった。したがって、p電極16の形成後は熱処理を行わないことが好ましく、p電極16に300℃を超える温度がかからないようすることが好ましいと分かった。また、発光素子の実装基板への実装工程は、300℃以下の工程が好ましいことが分かった。
【0070】
実験3
実施形態に係る発光素子を作製し、p電極16の形成後に熱処理を行い、各種熱処理温度におけるpコンタクト抵抗率を測定した。第1層16Aの厚さは5nm、第2層16Bの厚さは150nmとした。以下、実験例7の発光素子とする。比較として、p層13のMg活性化およびn電極17の低コンタクト抵抗化を兼ねる熱処理を行わない発光素子を作製し、p電極16の形成後に熱処理を行い、各種熱処理温度におけるpコンタクト抵抗率を測定した。以下、実験例8の発光素子とする。実験例8の発光素子における第1層16A、第2層16Bの厚さは実験例7と同様である。
【0071】
図11は、熱処理温度とpコンタクト抵抗率の関係を示したグラフである。グラフ中、熱処理温度0℃は熱処理を行わない場合である。また、グラフにおけるpコンタクト抵抗率は、実験例7の発光素子において熱処理を行わない場合のpコンタクト抵抗率を1として規格化した値である。
【0072】
図11のように、p層13のMg活性化を行わない実験例8の発光素子では、p電極16形成後の熱処理の有無によらず、pコンタクト抵抗率は1000以上であり、p層13のMg活性化を行った実験例7の発光素子に比べて非常に大きな値であった。
【0073】
実験2、3の結果、p電極16のpコンタクト抵抗率を低減するためには、p電極16の形成前にp層13のMg活性化の熱処理を行い、p電極16の形成後、発光素子の作製終了までは熱処理を行わないようにする必要があることが分かった。
【0074】
実験4
p電極16の第1層16Aの厚さを種々の値とし、第2層16Bの厚さを150nmとした実施形態に係る発光素子(以下、実験例9の発光素子とする)を作製し、pコンタクト抵抗率を測定した。
【0075】
図12は、第1層16AであるNiの厚さとpコンタクト抵抗率の関係を示したグラフである。グラフにおけるpコンタクト抵抗率は第1層16Aの厚さが5nmの場合のpコンタクト抵抗率を1として規格化した値である。
【0076】
図12のように、第1層16Aが0.5nm以上であれば、pコンタクト抵抗率はおよそ1となり、低く安定することが分かった。
【0077】
実験5
サファイア基板上にp電極16を積層した試料を作製し、サファイア基板の裏面(p電極16側とは反対側の面)から波長280nmの紫外線を垂直に入射させ、p電極16の紫外線反射率を測定した。第1層16Aの厚さは種々の値とし、第2層16Bは150nm、第3層16Cは50nmとした。
【0078】
図13は、第1層16AであるNiの厚さとp電極16の反射率の関係を示したグラフである。図13のように、第1層16Aが厚くなるにつれて反射率は指数関数的に減少していくことが分かり、厚さ2nmあたりまでは厚さの増加により急激に反射率が減少し、厚さ2nmを超えると反射率の減少は少し緩やかとなり、5nmを超えると一層反射率の減少は緩やかとなった。図12から、第1層16Aの厚さは5nm以下とするのがよく、2nmがより好ましく、1nm以下がさらに好ましいことが分かった。
【0079】
実験6
サファイア基板上に平均厚さ0.5nmのNi膜を成膜し、その表面のAFM像を撮影した。Ni膜の成膜速度は0.2nm以下とした。
【0080】
図14(a)は、Ni膜の表面のAFM像であり、図14(b)はNi膜の成膜前のサファイア基板表面のAFM像である。AFM像は2μm角である。図14(b)のように、サファイア基板表面は平坦であり、サファイア基板表面のRMSは0.104nmであった。一方、図14(a)のように、Ni膜の表面には凹凸が見られ、Ni膜表面のRMSは0.185nm、サファイア基板表面のRMSとの差は0.081nmであった。Ni膜に凹凸はあるものの、図12のようにNi膜の厚さが0.5nmでも低いpコンタクト抵抗率が得られていること、非特許文献1に記載のクラスター化したNi膜のRMSの値が3.07nmであることから、図14(a)の場合においてもNi膜はクラスター化していないものと考えられる。
【0081】
また、Ni膜表面のRMSとサファイア基板表面のRMSとの差が0.081nmであり、サファイア基板表面のRMSよりも小さいことから、Ni膜の実質的な表面凹凸はサファイア基板表面よりも小さいと考えられ、Ni膜は十分に平坦であると言える。
【0082】
この結果、第1層16AのRMSが0.2nm以下であれば、第1層16Aは十分に平坦で均一であり、第1層16Aがクラスター化せずに良好なpコンタクト抵抗が得られることが分かった。また、第1層16AのRMSは0.1nm以下がより好ましいことが分かった。第1層16AのRMSを0.1nmとすれば、サファイア基板表面のRMSとの差はほぼ0であり、Ni膜の厚さばらつきをほぼ0に低減できると考えられる。
【符号の説明】
【0083】
10:基板
11:n層
12:発光層
13:p層
14;電子ブロック層
16:p電極
16A、17A:第1層
16B、17B:第2層
16C、17C:第3層
17:n電極
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14