JP5220409B2 - トップエミット型窒化物系発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、トップエミット型窒化物系発光素子及びその製造方法に関し、詳細には、オーミック特性及び発光効率が改善されたトップエミット型窒化物系発光素子及びその製造方法に関する。

現在、透明導電性薄膜は、光電子分野、ディスプレイ分野及びエネルギー産業分野において多様に用いられている。
発光素子分野では、円滑なホール注入（hole injection）及び高効率の光放出（light emission）の役目をする透明導電性オーミック電極構造を開発するために、全世界的に活発に研究が重ねられている。

現在、最も活発に研究されている透明導電性薄膜の素材としては、透明導電性酸化物（transparent conducting oxide：ＴＣＯ）と、透明導電性窒化物（transparent conducting nitride：ＴＣＮ）が挙げられる。
透明導電性酸化物（ＴＣＯ）には、インジウム酸化物（Ｉｎ₂Ｏ₃）、スズ酸化物（ＳｎＯ₂）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などが挙げられ、透明導電性窒化物（ＴＣＮ）には、チタン窒化物（ＴｉＮ）が挙げられる。

ところが、これらの物質は、相対的に大きい面抵抗（sheet resistance）値、高い光反射率（reflectivity）、及び相対的に小さい仕事関数（work function）値を有していて、単独でトップエミット型窒化ガリウム系発光素子のｐ型透明オーミック電極として適用することが難しいという問題点を抱えている。

このような問題点を記述すれば、次の通りである。
第一に、前述した透明導電性薄膜は、スパッタリング（sputtering）、ｅ−ビーム蒸着器または熱蒸着器（e-beam or heat evaporator）などのようなＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）方法により薄膜を形成する時、一般的に単位面積当たり１００Ωに近い大きい面抵抗値を有するため、発光素子の水平方向（層間境界面に並ぶ方向）への電流広がり（current spreading）を難しくし、且つ垂直方向への円滑なホール注入（hole injection）をも難しくし、これにより、大面積及び大容量の高輝度発光素子を具現するのに適用することが困難である。

第二に、前述した透明導電性薄膜は、窒化ガリウム系発光ダイオードから出射される光に対して高い光反射及び吸収をする性質を有していて、発光効率を低下させる。
第三に、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）及びチタン窒化物（ＴｉＮ）などをはじめとする透明導電性薄膜は、相対的に小さい仕事関数値を有するため、ｐ型窒化ガリウムとの直接接触によるオーミック接触を形成することが難しい。

最後に、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）は、窒化ガリウム系化合物半導体と直接オーミック接触する電極として適用する場合、薄膜形成工程において窒化ガリウム表面にガリウム（Ｇａ）の大きい酸化能（oxidation）により絶縁性物質である酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）の生成を誘発し、良質のオーミック接触電極を形成することが難しい。
一方、発光素子は、トップエミット型発光ダイオード（top-emitting light emitting diodes：ＴＬＥＤｓ）とフリップチップ型発光ダイオード（flip-chip light emitting diodes：ＦＣＬＥＤｓ）とに分けられる。

現在、広く使われているトップエミット型発光ダイオードは、ｐ型クラッド層と接触しているオーミック接触層を介して光（light）が射出されるように構成されている。しかし、高輝度のトップエミット型発光ダイオードを具現するためには、低いホール濃度を有するｐ型クラッド層の高い面抵抗値を補償するための良質のカレントスプレッディング薄膜（current spreading layer）が絶対的に必要である。したがって、低い面抵抗値を有し且つ高い光透過度を有するカレントスプレッディング薄膜層をオーミック接触層として形成し、円滑なホール注入（hole injection）、カレントスプレッディング（current spreading）、及び優れた光放出（light emission）の役目を提供することができることが要求される。

現在まで知られたトップエミット型発光ダイオードは、ｐ型クラッド層上にニッケル（Ｎｉ）層と金（Ａｕ）層とが順次に形成されたオーミック接触層が広く用いられている。
ニッケル−金からなるオーミック接触層は、酸素（Ｏ₂）雰囲気で熱処理して、約１０^-3〜１０^-4Ωｃｍ²の優れた非接触抵抗及び半透明性を有するものと知られている。
このような従来のオーミック接触層は、約５００℃から約６００℃の温度及び酸素雰囲気で熱処理する時、ｐ型クラッド層をなしている窒化ガリウムと、オーミック接触層として適用されたニッケル層との界面でｐ型半導体酸化物であるニッケル酸化物（ＮｉＯ）が島（island）形状に形成されている金（Ａｕ）層間及び上層部に形成され、ショットキー障壁の高さ（Schottky barrier height：ＳＢＨ）を減少させるようになり、ｐ型クラッド層の表面近くに多数のキャリアであるホール（hole）を容易に供給する。

また、ニッケル−金層構造をｐ型クラッド層上に形成した後、熱処理すれば、Ｍｇ−Ｈ金属間の化合物を除去し、窒化ガリウムの表面でマグネシウムドーパント（dopant）の濃度を増加させる再活性化（reactivation）過程を通じてｐ型クラッド層の表面での実効キャリア濃度が１０¹⁸以上となるようにして、ｐ型クラッド層と酸化ニッケルを含有するオーミック接触層との間にトンネリング伝導を起こし、低い非接触抵抗値を有するオーミック伝導特性を示すと理解されている。

しかし、ニッケル−金構造で形成される半透明性オーミック接触層を利用したトップエミット型発光ダイオードは、光の透過度を阻害する金（Ａｕ）を含んでいて、発光効率が低いため、次世代の大容量及び高輝度発光素子を具現するのに限界点を有している。
また、光の発光効率を増加させるために、ｐ型反射膜オーミック電極を適用して、透明基板であるサファイアを介して光を放射するフリップチップ発光ダイオード構造が開発及び研究されているが、電気、機械及び熱的に安定したｐ型反射膜オーミック電極の不在により、良質のフリップチップ型発光ダイオードを具現していない。

このようなトップエミット型及びフリップチップ発光ダイオードの素子の限界を克服するために、既存にｐ型オーミック接触層として使われている従来の半透明ニッケル（酸化物）−金層構造より優れた光透過度を有するように、金（Ａｕ）を完全に排除した透明導電性酸化物、例えば、ＩＴＯを利用しようとする研究内容が非特許文献１において報告されている。最近、ＩＴＯオーミック接触層を利用することで、既存のニッケル−金構造と比較してさらに向上した出力（output power）を示すトップエミット型発光ダイオードを具現したという内容が非特許文献２において報告されている。しかし、このような構造のオーミック接触層は、発光素子の発光効率を増大させることができるが、相対的に高い動作電圧を示す問題点を相変らず有しているため、大面積及び大容量の高輝度発光素子への応用に多くの限界点を有している。さらに、特許文献１には、酸化された薄いニッケル−金またはニッケル−銀構造をインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）との結合を通じて光透過度や電気的特性を改善させた発光ダイオードの製作方法が開示されている。しかし、提案された方法は、オーミック接触電極の形成工程が複雑であり、ニッケル金属をはじめとする遷移金属または元素周期律表の第２族元素の酸化物で形成されるオーミック電極が高い面抵抗を有するため、高効率の発光素子を具現することが難しいという問題点を有する。

また、ニッケルをはじめとする酸化した遷移金属は、光透過度を劣化させるという短所がある。
前述したように、電気及び光学的特性に優れた良質のｐ型オーミック電極を開発するのに多くの難点があるが、その根本的な原因は、次のように要約することができる。
第一に、ｐ型窒化ガリウムの低いホール濃度と、このため、単位面積当たり１０⁴Ω以上の高い面抵抗（sheet resistance）値を有する点と、第二に、ｐ型窒化ガリウムの仕事関数値に比べて相対的に大きい仕事関数値を有する高透明電極物質の不在により、ｐ型窒化ガリウムと電極との間の界面に高いショットキー障壁高さ（schottky barrier height）及び幅（width）が形成され、垂直方向への円滑なホール注入が難しい点と、第三に、大部分の物質が電気的特性と光学的な特性とが相互反比例し、それにより、高い光透過度を有する透明電極は、一般的に大きい面抵抗（sheet resistance）値を有するため、水平方向への電流広がり（current spreading）が急激に低下する点と、第四に、透明導電性薄膜層をｐ型窒化ガリウムの上部に直接蒸着する工程で、窒化ガリウムの表面に絶縁性の酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）が生成されるため、発光素子の電気的特性が低下する点が挙げられる。

IEEE PTL, Y. C. Lin, etc. Vol. 14, 1668, IEEE PTL, Shyi-Ming Pan, etc. Vol. 15, 646 Semicond. Sci. Technol., C S Chang, etc. 18(2003), L21 米国特許第６，２８７，９４７号明細書

本発明は、前述のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、熱的に安定し且つ高い信頼性を有する良質のオーミック接触電極を適用して、優れた電気的特性を有するトップエミット型窒化物系発光素子及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有するトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法において、（イ）基板上に前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層が順次に積層された発光構造体の前記ｐ型クラッド層上に、ｐ型透明導電性酸化物で形成された界面改質層を形成する段階と、（ロ）前記界面改質層上に透明導電性素材で少なくとも１つ以上の透明導電性薄膜層を形成する段階と、（ハ）前記（イ）段階及び前記（ロ）段階を経て形成された構造体を熱処理して、前記界面改質層を導電性ナノ相酸化物粒子に分解する段階と、を含む。

好ましくは、前記透明導電性薄膜層形成の前に、前記界面改質層上に挿入金属層を形成する段階をさらに含む。

本発明の他の実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有するトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法において、（イ）基板上に前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層が順次に積層された発光構造体の前記ｐ型クラッド層上に、ｐ型透明導電性酸化物で形成された界面改質層と少なくとも１つの透明導電性薄膜層とを積層繰り返し単位として積層し、マルチオーミック接触層を形成する段階と、（ロ）前記（イ）段階を経て形成された構造体を熱処理して、前記界面改質層を導電性ナノ相酸化物粒子に分解する段階と、を含む。

本発明に係るトップエミット型窒化物系発光素子及びその製造方法によれば、ｐ型クラッド層とのオーミック接触特性が改善され、発光素子のパッケージングの際、ワイヤーボンディング効率及び収率を高めることができ、低い非接触抵抗及び優れた電流−電圧特性により素子の発光効率及び素子寿命を向上させることができる長所を提供する。

以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子をさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子を示す断面図である。

図１に示したように、トップエミット型窒化物系発光素子は、基板１１０、バッファ層１２０、ｎ型クラッド層１３０、活性層１４０、ｐ型クラッド層１５０、界面改質層１６０、及び透明導電性薄膜層１７０が順次に積層された構造となっている。参照符号１８０は、ｐ型電極パッドであり、１９０は、ｎ型電極パッドである。
また、ｐ型クラッド層１５０上に積層された界面改質層１６０及び透明導電性薄膜層１７０が、マルチオーミック接触層、すなわちｐ型電極構造体に該当する。
基板１１０は、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、及びガリウム砒素（ＧａＡｓ）のうちいずれか１つで形成されることが好ましい。

バッファ層１２０は省略してもよい。
バッファ層１２０からｐ型クラッド層１５０までの各層は、第３窒化物系化合物の一般式であるＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される化合物の中から選択されたいずれかの化合物を基本として形成され、ｎ型クラッド層１３０及びｐ型クラッド層１５０は、該当ドーパントが添加される。
また、活性層１４０は、単層またはＭＱＷ層など公知の多様な方式で構成することができる。

一例として、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体を適用する場合、バッファ層１２０は、ＧａＮで形成され、ｎ型クラッド層１３０は、ＧａＮにｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどが添加されて形成され、活性層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷまたはＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷで形成され、ｐ型クラッド層１５０は、ＧａＮにＰ型ドーパントとしてＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどが添加されて形成される。
ｎ型クラッド層１３０とｎ型電極パッド１９０との間には、ｎ型オーミック接触層（図示せず）を介することができ、ｎ型オーミック接触層は、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とが順次に積層された層構造など公知の多様な構造を適用することができる。

ｐ型電極パッド１８０は、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）／金（Ａｕ）が順次に積層された層構造を適用することができる。
各層の形成方法は、電子ビーム蒸着器、ＰＶＤ（physical vapor deposition）、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、ＰＬＤ（plasma laser deposition）、二重型の熱蒸着器（dual-type thermal evaporator）スパッタリング（sputtering）などにより形成すればよい。

透明導電性薄膜層１７０は、界面改質層１６０上に形成されている。
透明導電性薄膜層１７０の素材として、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）または透明導電性窒化物（ＴＣＮ）を適用することができる。
前記透明導電性酸化物は、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、カドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、銀（Ａｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、及びランタン（Ｌａ）の中から選択された少なくとも１つ以上の成分と酸素とが結合された物質を適用することができる。

また、透明導電性窒化物は、低い面抵抗値及び高い光透過度を有する少なくともチタン（Ｔｉ）と窒素（Ｎ）を含有して形成されたものを含み、一例として、チタン窒化物（ＴｉＮ）及びチタン窒化酸化物（Ｔｉ−Ｎ−Ｏ）のいずれか１つを挙げることができる。
透明導電性酸化物または透明導電性窒化物に電気的特性を向上させるために、元素周期律表の金属のうち少なくとも１つ以上の元素をドーパントとして添加することができる。
好ましくは、透明導電性酸化物または透明導電性窒化物に添加されるドーパントの添加比率は、０．００１から２０重量％の範囲内で適用する。ここで、重量％は、添加される物質相互間の重量比率をいう。

透明導電性薄膜層１７０の素材は、適用しようとする発光素子の用途に応じて仕事関数（work function）値と、面抵抗値（sheet resistance）を考慮して選択すればよい。
透明導電性薄膜層１７０の厚さは、所望の光透過度及び電気伝導性を有するように１ナノメートルから１０００ナノメートルの厚さで形成されることが好ましい。
上記のような透明導電性薄膜層１７０は、単層で形成されてもよく、２層以上の複層で形成されてもよい。その一例が図４に示されている。
界面改質層１６０は、ｐ型クラッド層１５０と透明導電性薄膜層１７０とのオーミック接触を向上させるために適用される。

界面改質層１６０は、高い電気伝導度を有し、且つ８００℃以下の温度及び酸素、窒素またはアルゴンなどの様々なガス雰囲気で熱処理する際に、容易に導電性ナノ相（nano phase）酸化物粒子に分解されたり、透明導電性薄膜層を形成すると同時に、ｐ型クラッド層１５０の上部に薄く形成された自然酸化層である酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）を還元させたり、導電性酸化物に変化させることができる物質を適用する。

このような条件を有する界面改質層１６０用素材は、以下のような多様な材料の中から選択可能である。
（１）インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）の中から選択されたいずれか１つの元素、前記元素の中から選択された少なくとも１つの元素を含む合金、及び固溶体。
（１−１）前記成分中のインジウム、インジウムを主成分として添加元素が添加された合金、または固溶体のうちいずれか１つで形成されることが好ましい。この際、前記界面改質層に適用される素材としてインジウムに添加される添加元素は、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、カドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、銀（Ａｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）及びランタン（Ｌａ）元素系列金属の中から選択された少なくとも１つ以上を含む。前記インジウムに対して添加される前記添加元素の添加比は、特に限定されるものではなく、０．００１から５０重量％である。

（１−２）前記成分中のスズ、スズを主成分として添加元素が添加された合金または固溶体のうちいずれか１つで形成されることが好ましい。この際、前記界面改質層に適用される素材としてスズに添加される添加元素は、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、カドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、銀（Ａｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）及びランタン（Ｌａ）元素系列金属の中から選択された少なくとも１つ以上を含む。前記スズに対して添加される前記添加元素の添加比は、特に限定されるものではなく、約０．００１から約５０重量％である。

（２）Ｐ型透明導電性酸化物
界面改質層１６０は、ｐ型クラッド層１５０との間に形成されるショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、ｐ型クラッド層１５０の上部に形成されるｐ型透明導電性酸化物の正孔（hole）濃度が１０¹⁵から１０¹⁸／ｃｍ³の値を提供できる物質を適用する。
（２−１）前記Ｐ型透明酸化物の例としては、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びベリリウム（Ｂｅ）を含む第２族元素の中から選択された少なくとも１つの元素で形成された２元系または３元系酸化物が好ましい。

（２−２）前記Ｐ型酸化物の例としては、Ａｇ₂Ｏ、ＣｕＡｌＯ₂、ＳｒＣｕ₂Ｏ₂、ＬａＭｎＯ₃、ＬａＮｉＯ₃、Ｉｎ_xＯ_1-xの中から選択されたいずれか１つの酸化物が好ましい。
前記酸化物には、ｐ型透明導電性酸化物の濃度及び仕事関数を調節すると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、ｐ型ドーパントが適宜添加されることができる。
また、上記のようなｐ型透明導電性酸化物以外に、ｐ型クラッド層１５０との間に形成されるショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができるように、ｐ型クラッド層１５０の上部に形成される透明導電性ナノ相粒子または薄膜層の電子濃度が１０¹⁵から１０¹⁷／ｃｍ³の値を提供できる物質を適用することができる。

（２−３）前記物質のうちインジウム系酸化物、スズ系酸化物、または亜鉛系酸化物が好ましい。
前記インジウム系酸化物は、好ましくは、主成分であるインジウム酸化物（Ｉｎ₂Ｏ₃）に、インジウム酸化物の濃度及び仕事関数値を調節することができると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができる添加元素が添加される。このような添加元素として、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びランタン（Ｌａ）元素系列金属の中から選択された少なくとも１つ以上の成分を挙げることができる。

前記スズ系酸化物は、好ましくは、スズ酸化物の濃度及び仕事関数値を調節することができると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができる添加元素がさらに添加されることが好ましい。このような添加元素として、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びランタン（Ｌａ）元素系列金属の中から選択された少なくとも１つ以上の成分を挙げることができる。

前記亜鉛系酸化物は、好ましくは、亜鉛酸化物の濃度及び仕事関数値を調節することができると同時に、ショットキー障壁の高さ及び幅を減少させることができる添加元素がさらに添加されることが好ましい。このような添加元素として、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びランタン（Ｌａ）元素系列金属の中から選択された少なくとも１つ以上の成分を挙げることができる。

この際、前記主成分に対する前記添加元素の添加比は、特に限定されるものではなく、約０．００１から約５０重量％である。ここで、重量％は、添加される物質相互間の重量比率をいう。
前述したような素材で構成される界面改質層１６０は、熱処理時、容易に導電性ナノ相酸化物に分解されたり、キャリア（carrier）が量子的にトンネリングすることができる薄膜層を形成できる０．１ナノメートルから１００ナノメートルの厚さで形成されることが好ましい。

このような構造のマルチオーミック接触層及び反射層１８０は、２００℃以上の温度で発生する表面退化（surface degradation）現象が防止され、酸化に安定で、且つ高い反射率をそのまま有しているので、高効率の発光素子を具現することができる。
図２は、本発明の第２実施形態に係るトップエミット型窒化物系発光素子を示す断面図である。前記実施形態に示された構成要素と同じ機能をする構成要素には、同じ参照符号を付す。

図２に示したように、トップエミット型発光素子は、基板１１０、バッファ層１２０、ｎ型クラッド層１３０、活性層１４０、ｐ型クラッド層１５０、界面改質層１６０、挿入金属層１６５、及び透明導電性薄膜層１７０が順次に積層された構造となっている。
ここで、界面改質層１６０、挿入金属層１６５、及び透明導電性薄膜層１７０がマルチオーミック接触層に該当する。
挿入金属層１６５は、界面改質層１６０と透明導電性薄膜層１７０との間に形成されている。

挿入金属層１６５は、熱処理時、容易に透明な導電性酸化物に変態すると同時に、界面改質層１６０または後続工程でその上部に形成される透明導電性薄膜層１７０の電気または光学的特性を調整できる金属を適用することが好ましい。
好ましくは、挿入金属層１６５は、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ガリウム（Ｇａ）、銅（Ｃｕ）、ベリリウム（Ｂｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びモリブデン（Ｍｏ）の中から選択された少なくとも１つ以上の成分で形成される。

挿入金属層１６５は、前述した素材を用いて複層で形成することができることはもちろんである。
好ましくは、挿入金属層１６５は、１ナノメートルから１００ナノメートルの厚さで形成される。
このような発光素子は、基板１１０上にｎ型クラッド層１３０、活性層１４０及びｐ型クラッド層１５０が順次に積層された発光構造体のｐ型クラッド層１５０上に、前述した素材で界面改質層１６０、挿入金属層１６５及び透明導電性薄膜層１７０を順次に前述した蒸着方法により蒸着し、ｐ型電極構造体を形成した後、熱処理を行えばよい。

以下、本発明の第１実施形態及び第２実施形態に係る構造を有する発光素子を製造する過程を図１及び図２を参照して説明する。
まず、基板１１０上にバッファ層１２０、ｎ型クラッド層１３０、活性層１４０及びｐ型クラッド層１５０を順次に形成する。
その後、ｎ型電極パッド１９０を形成するための空間を確保するために、ｐ型クラッド層１５０からｎ型クラッド層１３０の一部までエッチングし、メサ（ＭＥＳＡ）構造を形成する。

次に、図１の構造を適用する場合、ｐ型クラッド層１５０上に界面改質層１６０及び透明導電性薄膜層１７０を形成し、図２の構造を適用する場合、界面改質層１６０、場合によって挿入金属層１６５、及び透明導電性薄膜層１７０を順次に形成する。
界面改質層１６０／透明導電性薄膜層１７０、または界面改質層１６０／挿入金属層１６５／透明導電性薄膜層１７０は、電子ビーム蒸着器、ＰＶＤ（physical vapor deposition）、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、ＰＬＤ（plasma laser deposition）、二重型の熱蒸着器（dual-type thermal evaporator）スパッタリング（sputtering）など公知の蒸着方法により順次に形成すればよい。

また、蒸着温度は、２０℃から１５００℃範囲内で、蒸着器内の圧力は、大気圧または１０^-12トールを適用する。
ｐ型クラッド層１５０上に界面改質層１６０／透明導電性薄膜層１７０、または界面改質層１６０／挿入金属層１６５／透明導電性薄膜層１７０を形成した後、構造体を真空または様々なガス雰囲気で熱処理することが好ましい。
熱処理時、反応器内の温度は、１００℃から８００℃で１０秒から３時間行う。
熱処理時、反応器内に投入されるガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、及び空気のうち少なくとも１つ以上の気体を適用することができる。

図３は、本発明の第３実施形態に係るトップエミット型発光素子を示す断面図である。前記実施形態に示された構成要素と同じ機能をする構成要素には、同じ参照符号を付す。
図３に示したように、トップエミット型発光素子は、基板２１０、バッファ層２２０、ｎ型クラッド層２３０、活性層２４０、ｐ型クラッド層２５０及びマルチオーミック接触層２６０が順次に積層された構造となっている。参照符号２８０は、ｐ型電極パッドであり、２９０は、ｎ型電極パッドである。

以下、前記マルチオーミック接触層２６０について説明する。
マルチオーミック接触層２６０は、界面改質層２６０ａ／透明導電性薄膜層２６０ｂを単位として繰り返し積層されて形成される。このような繰り返し積層構造の一例が図３に示されている。
図３に示したように、マルチオーミック接触層２６０は、第１界面改質層２６０ａ／第１透明導電性薄膜層２６０ｂ／第２界面改質層２６０ｃ／第２透明導電性薄膜層２６０ｄが順次に積層されて形成されている。

第１界面改質層２６０ａ及び第１透明導電性薄膜層２６０ｂは、前述した本発明の第１実施形態または第２実施形態の界面改質層１６０及び透明導電性薄膜層１７０と同様に形成することができる。
第２界面改質層２６０ｃは、熱処理時、第１透明導電性薄膜層２６０ｂまたは後続工程を通じて形成される第２透明導電性薄膜層２６０ｄから酸素を供給され、第２界面改質層２６０ｃが透明導電性酸化薄膜層を形成すると同時に、第１及び第２透明導電性薄膜層２６０ｂ、２６０ｄのキャリア濃度をさらに高める機能を行う。

第２界面改質層２６０ｃに適用される素材は、面抵抗を低減するために、第１界面改質層２６０ａの成分と同一に適用されてもよく、又は異なって適用されてもよい。
第１及び第２界面改質層２６０ａ、２６０ｃの各々は、熱処理時、容易に導電性ナノ相粒子に分解及び酸化され得る厚さである０．１ナノメートルから１００ナノメートルの厚さで形成することが好ましい。

また、第１透明導電性薄膜層２６０ｂ及び第２透明導電性薄膜層２６０ｄは、前述した素材で形成し、面抵抗を低減するために、第１透明導電性薄膜層２６０ｂの成分と第２透明導電性薄膜層２６０ｄの成分とが互いに同一に適用されてもよく、異なって適用されてもよい。
また、第１透明導電性薄膜層２６０ｂ及び第２透明導電性薄膜層２６０ｄの各々は、前述したように、１ナノメートルから１０００ナノメートルの厚さで形成する。

このような発光素子は、基板２１０上にｎ型クラッド層２３０、活性層２４０及びｐ型クラッド層２５０が順次に積層された発光構造体のｐ型クラッド層２５０上に、前述した素材で第１界面改質層２６０ａ、第１透明導電性薄膜層２６０ｂ、第２界面改質層２６０ｃ及び第２透明導電性薄膜層２６０ｄを順次に前述した蒸着方法により蒸着し、マルチオーミック接触層２６０を形成した後、熱処理を行えばよい。

一方、本発明の第４実施形態としてさらに他のマルチオーミック接触層が適用された発光素子が図４に示されている。前記実施形態に示された構成要素と同じ機能をする構成要素には、同じ参照符号を付す。
図４を参照すれば、マルチオーミック接触層２６０は、第１界面改質層２６０ａ／第１透明導電性薄膜層２６０ｂ／第２透明導電性薄膜層２６０ｄが順次に積層されて形成されている。

ここで、積層繰り返し単位は、第１界面改質層２６０ａ／第１透明導電性薄膜層２６０ｂ／第２透明導電性薄膜層２６０ｄとなる。
このような構造のマルチオーミック接触層２６０において、第１界面改質層２６０ａ／第１透明導電性薄膜層２６０ｂ／第２透明導電性薄膜層２６０ｄは、前述した素材及び方法により形成すればよい。

以下、本発明の第３及び第４実施形態に係る構造を有する発光素子を製造する過程を図３及び図４を参照して説明する。
まず、基板２１０上にバッファ層２２０、ｎ型クラッド層２３０、活性層２４０及びｐ型クラッド層２５０を順次に蒸着し、発光構造体を形成する。
その後、ｎ型電極パッド２９０を形成するための空間を確保するために、ｐ型クラッド層２５０からｎ型クラッド層２３０の一部までエッチングし、メサ（ＭＥＳＡ）構造を形成する。

次に、発光構造体のｐ型クラッド層２５０上にマルチオーミック接触層２６０を形成する。
マルチオーミック接触層２６０の各層は、 電子ビーム蒸着器、ＰＶＤ（physical vapor deposition）、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、ＰＬＤ（plasma laser deposition）、二重型の熱蒸着器（dual-type thermal evaporator）スパッタリング（sputtering）など公知の蒸着方法により形成すればよい。
また、マルチオーミック接触層２６０の各層を順次に形成するために適用される蒸着温度は、２０℃から１５００℃の範囲内であり、蒸着器内の圧力は、大気圧から約１０^-12トールで行う。

また、マルチオーミック接触層２６０を形成した後に、熱処理（annealing）を進めることが好ましい。
熱処理は、反応器内の温度を１００℃から８００℃にして、真空または様々なガス雰囲気で１０秒から約３時間行う。
熱処理時、反応器内に投入されるガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、及び空気のうち少なくとも１つ以上の気体を適用することができる。
図５は、ｐ型クラッド層１５０上に、インジウム酸化物（Ｉｎ_xＯ_1-x）に銅（Ｃｕ）を１０重量％で添加して３ナノメートルに形成した界面改質層１６０と、ＩＴＯで２００ナノメートル積層した透明導電性薄膜層１７０を形成した後、６００℃で熱処理して製作されたｐ型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。

図５において、各グラフは、製作されたｐ型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離（４、８、１２マイクロメートル）で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図５から分かるように、熱処理されたｐ型電極構造体は、ショットキー接触でなく、オーミック接触を意味する直線型の電流−電圧特性を有する。

図６は、発光構造体のｐ型クラッド層１５０上に、インジウム酸化物（Ｉｎ_xＯ_1-x）に銅（Ｃｕ）を１０重量％で添加して３ナノメートルに形成した界面改質層１６０と、ＩＴＯで２００ナノメートル積層した透明導電性薄膜層１７０を形成した後、６００℃で熱処理したｐ型電極構造体が適用された発光素子に対して電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。

図６から分かるように、２０ｍＡ注入電流で３．４Ｖ以内の低い作動電圧を提供する。
図７は、ｐ型クラッド層１５０上に、ｐ型ＬａＮｉＯ３を３ナノメートルで形成した界面改質層１６０と、ＩＴＯで２００ナノメートル積層した透明導電性薄膜層１７０を形成した後、６００℃で熱処理して製作されたｐ型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図７において、互いに異なるマークで表記された各グラフは、製作されたｐ型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離（４、８マイクロメートル）で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図７から分かるように、熱処理されたｐ型電極構造体は、オーミック接触を意味する直線型の電流−電圧特性を示す。

図８は、発光構造体のｐ型クラッド層１５０上に、ｐ型ＬａＮｉＯ₃を３ナノメートルで形成した界面改質層１６０と、ＩＴＯで２００ナノメートル積層した透明導電性薄膜層１７０を形成した後、６００℃で熱処理して製作されたｐ型電極構造体が適用された発光素子に対して電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
図８から分かるように、２０ｍＡ注入電流で３．４Ｖ以内の低い作動電圧を提供する。
図９は、ｐ型クラッド層２５０上に、インジウム（Ｉｎ）を３ナノメートルで形成した界面改質層２６０ａと、ＩＴＯで２００ナノメートル積層した透明導電性薄膜層２６０ｂを形成した後、６００℃で熱処理して製作されたｐ型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。

図９において、互いに異なるマークで表記された各グラフは、製作されたｐ型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離（４、８、１２、１６マイクロメートル）で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図９から分かるように、本発明に係るｐ型電極構造体は、オーミック接触を示す直線型の電流−電圧特性を示す。

図１０は、発光構造体のｐ型クラッド層２５０上に、ｐ型電極構造体としてインジウム（Ｉｎ）を３ナノメートルで形成した第１界面改質層２６０ａと、ＩＴＯで２００ナノメートル積層した第１透明導電性薄膜層２６０ｂを形成した後、５００℃で熱処理して製作された発光素子の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図１０から分かるように、２０ｍＡ注入電流で３．４Ｖ以内の低い作動電圧を提供する。

図１１は、ｐ型クラッド層２５０上に、スズ（Ｓｎ）に銀（Ａｇ）を３．５％添加させて３ナノメートルで形成した界面改質層２６０ａと、ＩＴＯで２００ナノメートル積層した透明導電性薄膜層２６０ｂを形成した後、６００℃で熱処理して製作されたｐ型電極構造体の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図面で、互いに異なるマークで表記された各グラフは、製作されたｐ型電極構造体に対して各々異なるオーミック電極間距離で測定したものである。このような結果は、電流−電圧間の関係がオームの法則によっていることを示す。すなわち、図１１から分かるように、本発明に係るｐ型電極構造体は、オーミック接触を示す直線型の電流−電圧特性を示す。

図１２は、発光構造体のｐ型クラッド層２５０上に、スズ（Ｓｎ）に銀（Ａｇ）を３．５％添加させて３ナノメートルで形成した界面改質層２６０ａと、ＩＴＯで２００ナノメートル積層した透明導電性薄膜層２６０ｂを形成した後、６００℃で熱処理して製作された発光素子の電流−電圧特性を測定した結果を示す図である。
図１２から分かるように、２０ｍＡ注入電流で３．４Ｖ以内の低い作動電圧を提供する。

本発明の第１実施形態に係る発光素子を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る発光素子を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る発光素子を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る発光素子を示す断面図である。 銅がドープされたインジウム酸化物とＩＴＯとが順次に積層されたｐ型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。 銅がドープされたインジウム酸化物とＩＴＯとが順次に積層されたｐ型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。 ｐ型ＬａＮｉＯ₃とＩＴＯとが順次に積層されたｐ型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。 ｐ型ＬａＮｉＯ₃とＩＴＯとが順次に積層されたｐ型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。 インジウムとＩＴＯとが順次に積層されたｐ型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。 インジウムとＩＴＯとが順次に積層されたｐ型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。 銀が３．５％添加されたスズ合金とＩＴＯとが順次に積層されたｐ型電極構造体に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。 銀が３．５％添加されたスズ合金とＩＴＯとが順次に積層されたｐ型電極構造体が適用された発光素子に対する電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。

Claims (3)

1. ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有するトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法において、
   （イ）基板上に前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層が順次に積層された発光構造体の前記ｐ型クラッド層上に、ｐ型透明導電性酸化物で形成された界面改質層を形成する段階と、
   （ロ）前記界面改質層上に透明導電性素材で少なくとも１つ以上の透明導電性薄膜層を形成する段階と、
   （ハ）前記（イ）段階及び前記（ロ）段階を経て形成された構造体を熱処理して、前記界面改質層を導電性ナノ相酸化物粒子に分解する段階と、
   を含むことを特徴とするトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法。
2. 前記透明導電性薄膜層形成の前に、前記界面改質層上に挿入金属層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法。
3. ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有するトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法において、
   （イ）基板上に前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層が順次に積層された発光構造体の前記ｐ型クラッド層上に、ｐ型透明導電性酸化物で形成された界面改質層と少なくとも１つの透明導電性薄膜層とを積層繰り返し単位として積層し、マルチオーミック接触層を形成する段階と、
   （ロ）前記（イ）段階を経て形成された構造体を熱処理して、前記界面改質層を導電性ナノ相酸化物粒子に分解する段階と、
   を含むことを特徴とするトップエミット型窒化物系発光素子の製造方法。

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