CN101449397A - 氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法、氮化镓系化合物半导体发光元件和使用它的灯 - Google Patents

氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法、氮化镓系化合物半导体发光元件和使用它的灯 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够得到可抑制由氢退火处理所导致的p型半导体层的电阻率的增加，同时减少透光性导电氧化膜的电阻率，并且驱动电压(Vf)低的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法、氮化镓系化合物半导体发光元件以及使用它的灯。能够得到这样的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，是在氮化镓系化合物半导体元件的p型GaN层(14)上层叠由透光性导电氧化膜形成的正极(15)的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，为具有在含氢(H2)的气体气氛中对正极15进行退火处理的氢退火工序的构成。

Description

氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法、氮化镓系化合物半导体发光元件和使用它的灯
技术领域
本发明涉及氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，特别是涉及驱动电压(Vf)低的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法、氮化镓系化合物半导体发光元件以及使用它的灯。
本申请基于在2006年3月23日在日本提出申请的特愿2006-080882号要求优先权，将其内容援引于其中。
背景技术
近年来，作为短波长光发光元件用的半导体材料，作为氮化物系半导体的GaN系化合物半导体材料受到关注。GaN系化合物半导体，是以蓝宝石单晶为首的各种氧化物、III族～V族(即第III主族～第V主族)化合物为基板，在该基板上通过金属有机物化学气相淀积法(MOCVD法)或分子束外延法(MBE法)等形成的。
作为GaN系化合物半导体元件的特性，可举出在横向上的电流扩散较小。因此，只向电极正下方的半导体注入电流由发光层发出的光被电极遮挡而不能取出到外部。因此，在这样的发光元件中，通常使用透光性正极，通过透光性正极光被取出。
透光性正极中可使用Ni/Au或ITO等公知的导电材料。但是，虽然Ni/Au等金属与p型半导体层的接触电阻较小，但是存在光透射率较低的问题。另外，ITO等氧化物虽然透射率高，但是存在与金属相比接触电阻较大的问题。
作为减少ITO之类的导电氧化膜的电阻率的方法，可举出在氮气(N2)、氢气气氛中进行退火处理的方法。通过该退火处理，导电氧化膜中的氧空穴增加，导电氧化膜的载流子浓度增加。由于该载流子浓度的增加，而使导电氧化膜的电阻率减少。一般地，与氮相比使用氢时氧化膜的还原作用较强，因此通过在含氢的气氛中进行退火处理，可获得电阻率得到进一步降低的导电氧化膜。
然而，在含氢的气氛中的退火处理，掺杂于氮化镓系化合物半导体发光元件的p型半导体层中的Mg、Zn等与氢结合，妨碍Mg、Zn等杂质作为受体发挥作用。由于这样的受体杂质与氢的结合，因而产生p型半导体层的电阻率上升的问题。
专利文献1：日本特开平6-88973号公报
专利文献2：日本专利第2540791号公报
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的是提供可以得到能抑制由氢退火处理所引起的p型半导体层的电阻率的增加，同时减少透光性导电氧化膜的电阻率，驱动电压(Vf)较低的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法、氮化镓系化合物半导体发光元件以及使用它的灯。
本发明人为了解决上述问题而进行深入研究的结果，完成了本发明。
即，本发明涉及下述方案。
[1]一种氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，是在氮化镓系化合物半导体元件的p型半导体层上层叠透光性导电氧化膜的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，具有将上述透光性导电氧化膜在含氢(H2)的气体气氛中进行退火处理的氢退火工序。
[2]如[1]所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，顺序具有下述(a)～(c)各工序：
(a)在上述p型半导体层表面的全部区域形成透光性导电氧化膜的成膜工序；
(b)在含氢的气体气氛中将上述透光性导电氧化膜进行退火处理的氢退火工序；
(c)通过蚀刻将上述透光性导电氧化膜图案化的蚀刻工序。
[3]如[1]或[2]所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，上述氢退火工序是在300℃～900℃的温度下进行退火处理。
[4]如[1]所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，顺序具有下述(d)～(f)各工序：
(d)在上述p型半导体层表面的全部区域形成透光性导电氧化膜的成膜工序；
(e)通过蚀刻将上述透光性导电氧化膜图案化的蚀刻工序；
(f)在含氢的气体气氛中将上述透光性导电氧化膜进行退火处理的氢退火工序。
[5]如[4]所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，上述氢退火工序是在600℃～900℃的温度下进行退火处理。
[6]如[1]～[5]的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，上述氢退火工序是在以0.1～5体积％的范围含有氢的气体气氛中进行退火处理。
[7]如[1]～[6]的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在上述氢退火工序的前工序中，具有在含氧(O2)的气体气氛中在200℃～300℃的温度下进行退火处理的氧退火工序。
[8]如[1]～[7]的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在上述氢退火工序之后，在上述透光性导电氧化膜上层叠保护层。
[9]一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是在氮化镓系化合物半导体元件的p型半导体层上层叠有透光性导电氧化膜的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，上述透光性导电氧化膜是在含氢(H2)的气体气氛中被退火处理了的透光性导电氧化膜。
[10]如[9]所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，上述透光性导电氧化膜包含选自ITO、IZO、IWO、GZO、ZnO系导电体、TiO2系导电体中的至少一种以上的材料。
[11]如[10]所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，上述透光性导电氧化膜至少含有ITO。
[12]如[9]～[11]的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，上述透光性导电氧化膜的厚度为35nm～10μm的范围。
[13]如[9]～[11]的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，上述透光性导电氧化膜的厚度为100nm～1μm的范围。
[14]如[9]～[13]的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，在上述透光性导电氧化膜上层叠地形成有保护层。
[15]如[14]所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，上述保护层的厚度为20nm～500nm的范围。
[16]一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是采用上述[1]～[8]的任一项所述的制造方法得到的。
[17]一种灯，其特征在于，使用了上述[9]～[16]的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件。
发明效果
根据本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，在上述p型半导体层上形成透光性导电氧化膜后，通过在含氢的气氛中进行退火处理，可获得低电阻率的透光性导电氧化膜，同时还可抑制p型半导体层的电阻率上升。由此，可得到驱动电压(Vf)低的氮化镓系化合物半导体发光元件。
另外，通过使用本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件来构成灯，可得到具有优异的发光特性的灯。
附图说明
图1是模式地说明本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的一例的图，是表示剖面结构的概略图。
图2是模式地说明本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的一例的图，是表示俯视结构的概略图。
图3是说明本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法的一例的图，是表示氮化镓系化合物半导体的叠层结构体的剖面图。
图4是模式地说明本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的另一例的图，是表示剖面结构的概略图。
图5是模式地说明使用本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件构成的灯的剖面图。
图6是说明本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的图，是表示实施例中的驱动电压(Vf)与氢退火处理温度的关系的曲线图。是表示实施例1和2中的驱动电压(Vf)的图。
附图标记说明
1...氮化镓系化合物半导体发光元件、
11、21...基板、
12...n型GaN层(n型半导体层)、
13...发光层、
14...p型GaN层(p型半导体层)、
15...正极(透光性导电氧化膜)、
16...正极焊盘、
17...负极、
18...保护层、
20...氮化镓系化合物半导体、
22...不掺杂GaN基底层(n型半导体层)、
23...n型GaN接触层(n型半导体层)、
24...n型AlGaN覆层(n型半导体层)、
25...发光层、
26...p型AlGaN覆层(p型半导体层)、
27...p型GaN接触层(p型半导体层)、
30...灯、
具体实施方式
以下，适当参照图1～5来说明本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件(以下有时简称为发光元件)的制造方法、氮化镓系化合物半导体发光元件以及使用它的灯的一个实施方式。
但本发明并不限于以下各实施方式，例如还可以将这些实施方式的构成要素彼此适当组合。
本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，是在氮化镓系化合物半导体元件的p型半导体层上层叠透光性导电氧化膜的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，是具有在p型半导体层上形成透光性导电氧化膜后，在含氢(H2)的气体气氛中进行退火处理的氢退火工序的方法。
图1是用剖面图模式地表示在本发明中得到的发光元件的一例的图。
图1所示的发光元件1，是在基板11上顺序层叠有n型GaN层12、发光层13和p型GaN层(p型半导体层)14的氮化镓系化合物半导体元件的上述p型GaN层14上，层叠形成透光性导电氧化膜而成的正极15从而概略地构成的。另外，在正极15上形成有正极焊盘16，在n型GaN层12上的负极形成区域形成有负极17。
在本发明中，在p型GaN层上成膜的正极，是在上述氢退火工序中对透光性导电氧化膜实施氢退火处理而成的。
本发明中使用的对透光性导电氧化膜实施氢退火处理而成的正极，对于在基板上根据需要介有缓冲层而层叠氮化镓系化合物半导体，并形成了n型半导体层、发光层及p型半导体层的以往公知的氮化镓系化合物半导体发光元件可以没有任何限制地使用。
[氮化镓系化合物半导体发光元件的构成]
以下，对于采用本发明的制造方法得到的氮化镓系化合物半导体发光元件的各构成进行详述。
[基板]
作为基板11，众所周知有蓝宝石单晶(Al2O3；A面、C面、M面、R面)、尖晶石单晶(MgAl2O4)、ZnO单晶、LiAlO2单晶、LiGaO2单晶、MgO单晶等的氧化物单晶、Si单晶、SiC单晶、GaAs单晶、AlN单晶、GaN单晶及ZrB2等硼化物单晶等的基板材料。在本发明中，可以没有任何限制地使用包括这些众所周知的基板材料在内的任何的基板材料。
另外，对基板的面取向没有特别限定。另外，既可以是Just基板(相对于结晶取向面没有倾斜角的基板)，又可以是赋予倾斜角的基板。[氮化镓系化合物半导体]
作为n型GaN层(n型半导体层)12、发光层13及p型GaN层(p型半导体层)14，众所周知有各种结构的，可以没有任何限制地使用这些众所周知的层。特别是p型半导体层，只要使用载流子浓度为一般浓度的p型半导体层即可，对于载流子浓度比较低的例如为1×1017cm-3左右的p型GaN层，也可使用在本发明中使用的透光性的正极15。
另外，作为氮化镓系化合物半导体，众所周知有例如由通式AlxInyGa1-x-yN(0≤x<1，0≤y<1，0≤x+y<1)表示的各种组成的半导体，作为本发明中的构成n型GaN层、发光层和p型GaN层的氮化镓系化合物半导体，可没有任何限制地使用由通式AlxInyGa1-x-yN(0≤x<1，0≤y<1，0≤x+y<1)表示的各种组成的半导体。
氮化镓系化合物半导体的生长方法没有特别限定，可以使用MOCVD(金属有机物化学气相淀积法)、HVPE(氢化物气相生长法)、MBE(分子束外延法)等已知使III族氮化物半导体生长的所有方法。从膜厚控制性和量产性的观点考虑，作为优选的生长方法是MOCVD法。
在MOCVD法中，作为载气，可以使用氢(H2)或氮(N2)，作为III族原料即Ga源，可以使用三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)，作为Al源可以使用三甲基铝(TMA)或三乙基铝(TEA)，作为In源可以使用三甲基铟(TMI)或三乙基铟(TEI)，作为V族原料即N源，可以使用氨(NH3)、联氨(N2H4)等。另外，作为掺杂物，在n型中作为Si原料可以使用甲硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)，作为Ge原料可以使用锗烷气体(GeH4)，在p型中作为Mg原料可以使用例如双环戊二烯基镁(Cp2Mg)或双乙基环戊二烯基镁(EtCp2Mg)。
作为这样的氮化镓系化合物半导体的一例，可以使用如图3所示的具有叠层体结构的氮化镓系化合物半导体层20那样，在由蓝宝石制成的基板21上层叠由AlN形成的省略图示的缓冲层，并顺次层叠了GaN基底层22、n型GaN接触层23、n型AlGaN覆层24、由InGaN形成的发光层25、p型AlGaN覆层26、p型GaN接触层27的氮化镓系化合物半导体。[正极(透光性导电氧化膜)]
在p型GaN层14上形成有由透光性导电氧化膜形成的正极15。透光性导电氧化膜的成膜方法，可没有任何限制地使用用于薄膜成膜的公知方法。例如，可使用溅射法和真空蒸镀法等方法进行成膜，但与真空蒸镀法相比，进一步优选使用在成膜时产生的颗粒和粉尘等较少的溅射法。
本发明的正极，是在p型GaN层上形成透光性导电氧化膜后，在含氢的气氛中实施了氢退火处理而成的正极，其电阻率得到降低。
在作为透光性导电氧化膜使用的材料中，可以没有任何限制地使用众所周知的材料。优选使用例如ITO(In2O3-SnO2)、AZO(ZnO-Al2O3)、IZO(In2O3-ZnO)、IWO(In2O3-WO2)、GZO(ZnO-Ga2O3)、TiTaO2、TiNbO2等透光性和电阻率优异的材料。
特别是在想要降低发光元件的驱动电压(Vf)时，使用可获得低电阻率的ITO即可。另外，由于IZO和IWO的蚀刻性优异，因此正极的图案化较容易。在使用AZO、GZO的情况下，这些材料的电阻率比ITO的电阻率高，因此Vf比ITO的Vf高，在GaN上成膜的场合，在AZO、GZO中存在的ZnO虽然具有晶界，但是进行外延生长，因此与ITO相比结晶性良好。因此，可形成与ITO相比剥离等较少，强度特性优异的透光性导电氧化膜。在使用TiTaO2、TiNbO2的场合，TiO2的折射率2.6与GaN的折射率大致相等，因此能够作为在GaN上的光取出性优异的透光性导电膜使用。
透光性导电氧化膜，优选使用其电阻率变为最低的组成。例如，使用ITO作为透光性导电氧化膜的场合，ITO中的Sn浓度优选为5～20质量％的范围。为了得到更低的电阻率，只要使用Sn浓度为7.5～12.5质量％的范围的ITO即可。
另外，透光性导电氧化膜的膜厚，优选为可获得低电阻率、高透射率的35nm～10000nm(10μm)的范围。进而从生产成本的观点出发，透光性导电氧化膜的膜厚优选为1000nm(1μm)以下。
[正极焊盘和负极]
正极焊盘16形成于由透光性导电氧化膜形成的正极15上，众所周知有使用了Au、Al、Ni和Cu等材料的各种结构，可没有任何限制地使用这些公知的材料、结构的正极焊盘。
正极焊盘16的厚度优选在100～1000nm的范围。另外，在焊盘的特性上，厚度大时接合性变高，因此正极焊盘16的厚度更优选为300nm以上。进而，从制造成本的观点出发优选为500nm以下。
负极17如图1所示的例子那样，与n型GaN层12邻接地形成。
因此，形成负极17时，通过蚀刻来除去发光层13和p型GaN层14的一部分而使n型GaN层12的n接触层露出，在其上形成负极17。
作为负极17的材料，众所周知有各种组成和结构的负极，可以没有任何限制地使用这些公知的负极，可采用在本技术领域中所熟知的惯用手段来设置。
[保护层]
在本发明中，为了防止被实施氢退火处理的透光性导电氧化膜的氧化，例如如图4所示的发光元件2那样，更优选在透光性导电氧化膜上形成保护层。
在图示例中，保护层18以覆盖由透光性导电氧化膜形成的正极15的同时，覆盖正极焊盘16的外周部的方式来形成，但不限于此。例如，保护层还可以制成以进一步覆盖n型GaN层、发光层和p型GaN层的各侧面的方式形成的构成。
作为保护层的材质，为了覆盖透光性导电氧化膜的全区域，优选使用透光性优异的材料。另外，在以覆盖n型GaN层、发光层和p型GaN层的各侧面的方式形成保护层的场合，为了防止在p型GaN层与n型GaN层之间的漏电，优选为绝缘性的材质，例如优选使用SiO2、Al2O3等。
另外，保护层的膜厚，只要是可防止透光性导电氧化膜的氧化、并且透光性优异的膜厚即可，例如优选为20nm～500nm的膜厚。
[氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法]
本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，如上所述，是在氮化镓系化合物半导体元件的p型半导体层上层叠透光性导电氧化膜的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，是具有在p型半导体层上形成透光性导电氧化膜后，在含氢(H2)的气体气氛中进行退火处理的氢退火工序的方法。
另外，本发明的制造方法可为顺序具有下述(a)～(c)各工序的构成，
(a)在所述p型半导体层表面的全区域形成透光性导电氧化膜的成膜工序；
(b)在含氢的气体气氛中对上述透光性导电氧化膜进行退火处理的氢退火工序；
(c)通过蚀刻将上述透光性导电氧化膜图案化的蚀刻工序。
另外，本发明的制造方法可为顺序具有下述(d)～(f)各工序的构成，
(d)在上述p型半导体层表面的全区域形成透光性导电氧化膜的成膜工序；
(e)通过蚀刻将上述透光性导电氧化膜图案化的蚀刻工序；
(f)在含氢的气体气氛中对上述透光性导电氧化膜进行退火处理的氢退火工序
如上述工序(a)～(c)及工序(d)～(f)的各个工序所示，本发明的制造方法，可以是将对于在成膜工序(工序(a)和(d))中成膜的透光性导电氧化膜进行氢退火处理的氢退火工序(工序(b)、(f))和进行蚀刻处理的蚀刻工序(工序(c)、(e))的工序顺序重新排列的构成。
[成膜工序]
在成膜工序中，覆盖p型GaN层表面的全区域地形成透光性导电氧化膜。
以p型GaN层的上面露出较大的状态进行氢退火处理的场合，氢会侵入p型GaN层，导致p型GaN层的电阻率上升，通过以覆盖p型GaN层的整个面的方式形成透光性导电氧化膜，氢就不会侵入p型GaN层，可防止电阻率降低。
另外，在图1及图2所示的例中，通过将氢退火处理后的透光性导电氧化膜进行蚀刻处理，在p型GaN层14表面上以只有该p型GaN层14表面的边缘部露出的方式形成。
[氢退火工序]
在p型GaN层上形成透光性导电氧化膜后，在氢退火工序中进行氢退火处理。
此时的氢退火处理的温度优选为300℃～900℃的范围。但是，氢退火处理的处理时间依赖于退火处理温度。氢退火处理时间过长时，有时透光性导电氧化膜的透射率降低，因此必须注意。例如，在600℃的温度下进行氢退火处理时，优选为1～2分钟的处理时间。
进行氢退火处理的气体气氛中的氢浓度，优选为0.1～5体积％的范围。气体气氛中所含的氢的浓度为上述范围的较低浓度较好，例如可以在以体积％计H2:N2＝1(％):99(％)的气体气氛中进行氢退火处理。通过在为上述范围的氢浓度的气体气氛中进行氢退火处理，可获得电阻率得到充分降低的透光性导电氧化膜。
在本发明中，如下述表1所示，通过对透光性导电氧化膜进行氢退火处理，与在不含氢(H2)的氮(N2)气氛中进行退火处理的情况相比，可获得电阻率低的透光性导电氧化膜。在含氢的气体气氛中将透光性导电氧化膜进行退火处理时，氢吸附于p型GaN层中，p型GaN层中的Mg、Zn等受体与氢结合，因此有可能发生p型GaN层的电阻率上升的情况。
因此，在本发明中，在p型GaN层表面的全区域形成透光性导电氧化膜后，通过在p型GaN层的表面没有露出到含氢的气体气氛中的状态下进行氢退火处理，可防止氢向p型GaN层的侵入，并防止Mg、Zn等受体与氢原子结合，由此可防止电阻率上升。由此，可降低发光元件的驱动电压(Vf)。
表1
 
透光性导电氧化膜 退火 电阻率/Ω·cm
ITO 无 2.5×10-3
ITO N2气氛 5.0×10-4
ITO H2气氛 2.5×10-4
[蚀刻工序]
以下对于蚀刻工序进行说明。
在氢退火处理后，通过将透光性导电氧化膜进行蚀刻处理，来对图2中的电极15所示的区域进行图案化处理。此时，进行了氢退火处理的透光性导电氧化膜其结晶性变得良好的情况较多，因此在众所周知的湿蚀刻中有时难以蚀刻。在这样的情况下，只要使用干蚀刻装置来蚀刻透光性导电氧化膜即可。
另外，在本发明中，可以为在透光性导电氧化膜的成膜工序后，进行蚀刻处理，然后进行氢退火处理的构成。
氢退火处理后，由于透光性导电氧化膜的结晶性变高，难以进行蚀刻，因此蚀刻处理时间变长。因此，通过对氢退火处理前的结晶性低的状态的透光性导电氧化膜进行蚀刻，可缩短蚀刻处理时间。在该情况下，通过蚀刻，透光性导电氧化膜的膜厚变薄，同时透光性导电氧化膜的一部分被除去，p型GaN层的一部分露出，因此氢容易侵入到p型GaN层中。
在本发明中，在蚀刻工序之后设置氢退火工序的场合，优选退火处理温度为600℃～900℃的范围。退火处理温度为600℃以上时，氢难以侵入p型GaN层，因此可防止p型GaN层的电阻率上升。
[氧退火工序]
另外，在本发明中，想要进一步提高透光性导电氧化膜的透射率时，作为氢退火处理的前工序，优选在200℃～300℃的温度下在含氧(O2)的气体气氛中(例如大气中等)进行氧退火处理。
氧退火工序，只要是在透光性导电氧化膜的成膜工序与氢退火工序的工序之间则可以任意地设置，但与氢退火处理同样，氧退火处理后难以通过湿蚀刻来图案化，因此优选通过干蚀刻来进行图案化。
如上述那样操作，在p型GaN层上形成由透光性导电氧化膜形成的正极后，如图1所示，通过蚀刻除去p型GaN层14、发光层13和n型GaN层12的一部分而使n型GaN层12露出，在该n型GaN层12上设置负极17。另外，通过在作为正极15的透光性导电氧化膜层上的一部分上设置正极焊盘16，可获得如图1所示的发光元件1。
[保护膜的形成]
在本发明中，如上所述，对透光性导电氧化膜进行氢退火处理，并形成正极焊盘和负极之后，为了防止透光性导电氧化膜的氧化，更优选如图4所示的发光元件2那样在正极15上形成保护层。
在图4所示的发光元件2中，以覆盖正极15上的同时覆盖正极焊盘16的外周部的方式形成了保护层18，但不限于此，例如，还可以覆盖n型GaN层、发光层和p型GaN层的各侧面而形成。
如以上说明的那样，本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件，通过采用上述构成的制造方法制造，可获得低电阻率的透光性导电氧化膜，同时还可抑制p型GaN层的电阻率上升。由此，可获得驱动电压(Vf)低的氮化镓系化合物半导体发光元件。
[灯的构成]
本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件，例如可通过本领域公知的手段设置透明罩从而构成灯。另外，还可以将本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件和具有荧光体的罩组合来制作白炽灯。
另外，例如如图5所示，本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件可使用以往公知的方法没有任何限制地构成LED灯。作为灯，可用于一般用途的炮弹型、便携的背光用途的侧面发光(side view)型、在显示器中使用的顶部发光(top view)型等的任何用途。
例如将面朝上型的氮化镓系化合物半导体发光元件安装成炮弹型时，如图示例那样，利用树脂等将氮化镓系化合物半导体发光元件1与两个框31、32中的一个粘接，用由金等材质制成的接合线33、34将正极焊盘和负极焊盘分别与框31、32接合。通过用透明树脂将元件周边模塑(参照图5的塑模35)，可制作炮弹型的灯30。
本发明的灯，通过使用上述氮化镓系化合物半导体发光元件，就成为具有优异的发光特性的灯。
实施例
接着，通过实施例更详细地说明本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法、氮化镓系化合物半导体发光元件和灯，但本发明并不仅限于这些实施例。
[实施例1]
图3是表示为用于本实施例的氮化镓系化合物半导体发光元件而制造的外延结构体的剖面模式图。另外，图1示出本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的剖面模式图，图2示出其平面模式图，以下适当参照进行说明。
[氮化镓系化合物半导体发光元件的制作]
作为如图3所示的氮化镓系化合物半导体20的叠层结构体，在由蓝宝石的c面((0001)晶面)制成的基板21上，介有由AlN形成的缓冲层(未图示)，顺次地层叠以下各层而构成，上述各层为未掺杂的GaN基底层(层厚＝2μm)22、掺杂Si的n型GaN接触层(层厚＝2μm、载流子浓度＝1×1019cm-3)23、掺杂Si的n型Al0.07Ga0.93N覆层(层厚＝12.5nm、载流子浓度＝1×1018cm-3)24、包括6层的掺杂Si的GaN势垒层(层厚＝14.0nm、载流子浓度＝1×1018cm-3)和5层的未掺杂的In0.20Ga0.80N阱层(层厚＝2.5nm)的多量子结构的发光层25、掺杂Mg的p型Al0.07Ga0.93N覆层(层厚＝10nm)26和掺杂Mg的p型GaN接触层(层厚＝100nm)27。上述氮化镓系化合物半导体20的叠层结构体的各构成层22～27，采用一般的减压MOCVD方法进行生长。
使用上述氮化镓系化合物半导体20的外延结构体，制作了氮化镓系化合物半导体发光元件(参照图1)。首先，使用HF和HCl，洗涤p型GaN接触层27表面后，在该p型GaN层接触层27上用溅射法形成包含ITO的透光性导电氧化膜层。ITO通过DC磁控溅射以约250nm的膜厚成膜。溅射中，使用SnO2浓度为10质量％的ITO靶，ITO成膜时的压力约为0.3Pa。
包含ITO的透光性导电氧化膜成膜后，使用RTA退火炉进行200℃～900℃的氢(H2)退火处理。此时的氢退火处理在含有1体积％的H2的N2气氛中进行。然后，通过众所周知的光刻和湿蚀刻，形成为只在p型GaN接触层27上的形成正极的区域上形成ITO膜的状态。这样，就在p型GaN接触层27上形成了本发明的正极(参照图1及图2的符号15)。
用上述方法形成的正极显示出高的透光性，在460nm的波段中具有90％以上的透射率。另外，光透射率是使用将与上述相同的厚度的透光性导电氧化膜层层叠于玻璃板上的透射率测定用样品，通过分光光度计进行测定。另外，光透射率的值是在考虑了仅用玻璃板测定的光透射空白值的基础上算出的。
[正极焊盘和负极的形成]
接着，对形成n型电极(负极)的区域实施一般的干蚀刻，仅限于该区域，使掺杂Si的n型GaN接触层的表面露出(参照图1)。然后，利用真空蒸镀法，在透光性导电氧化膜层(正极)15上的一部分及掺杂Si的n型GaN接触层23上，顺序层叠由Cr形成的第1层(层厚＝40nm)、由Ti形成的第2层(层厚＝100nm)、由Au形成的第3层(层厚＝400nm)，分别形成了正极焊盘16和负极17。
[发光元件的分割]
形成正极焊盘16和负极17后，使用金刚石微粒等磨粒研磨由蓝宝石制成的基板11的背面，最终加工成镜面。然后，裁断叠层结构体，分离成为350μm见方的正方形的一个个芯片，载置于引线框上后，用金(Au)线与引线框连接。
[驱动电压(Vf)和发光输出功率(Po)的测定]
通过探针通电，对这些芯片测定在电流施加值20mA下的正向电压(驱动电压：Vf)。另外，采用一般的积分球测定发光输出功率(Po)。发光面的发光分布可确认在正极15的整个面都发光。
以氢退火温度为横坐标，在图6的曲线图中示出上述测定的发光元件的驱动电压(Vf)。
另外，Po与氢退火温度无关，全部为10mW。
下述表2中示出实施例1的元件特性的一览。
如图6的曲线图所示，在300℃以上的温度下进行了氢退火处理的场合，发光元件的Vf为低的结果。另一方面，当为300℃以下的温度时，Vf为高的结果。
在200℃的温度下进行了氢退火处理的ITO，电阻率较高，为4×10- 4Ωcm，因此如图6所示，在300℃以下的温度下进行了氢退火处理的场合Vf变高是因为ITO的电阻率完全没有下降的缘故。
[实施例2]
除了将ITO进行湿蚀刻后进行氢退火处理以外，与实施例1同样地操作，制作了氮化镓系化合物半导体发光元件。
将实施例2的发光元件的驱动电压(Vf)示于图6的曲线图中。
另外，实施例2的发光元件的发光输出功率(Po)为10mW。
在将ITO进行湿蚀刻后进行了氢退火处理的实施例2中，随着温度上升Vf下降，但没有发现如实施例1那样的在300℃附近的温度的急剧的Vf降低。可以认为这是由于在H2气氛中p型GaN层露出，由此产生了H2原子在p型GaN层上吸附的缘故。但是，在600℃以上的温度区中，Vf降低至与实施例1相当的程度，由此可以认为在为600℃以上的温度时，H2原子在p型GaN层上的吸附被抑制。
[实施例3]
在600℃以上的温度进行氢退火处理之前，在含氧的气体气氛中进行了250℃、1分钟的氧退火处理，除此以外与实施例1同样操作，制作了氮化镓系化合物半导体发光元件。
进行了这样的氧退火处理的ITO膜，与不进行氧退火处理的ITO膜相比，在460nm的波段显示出高3～5％左右的光透射率。另外，进行了氧退火处理的场合的发光输出功率(Po)为11mW，与不进行氧退火处理的情况(实施例1)相比，为高1mW的结果。
将实施例3的退火条件及元件特性的一览与实施例1的数据一起示于表2中。
表2
 
O2退火 H2退火 Vf/V Po/mW
实施例1 无 600℃ 3.3 10
实施例3 250℃ 600℃ 3.3 11
[实施例4]
在除了正极焊盘和负极以外的区域形成100nm的SiO2保护层，除此以外与实施例3同样操作，制作了氮化镓系化合物半导体发光元件。
测定了在实施例4的发光元件发光的状态下的100小时后的输出功率劣化度，与不形成保护层的情况相比，输出功率的劣化变小。可以认为通过形成保护层，可抑制由空气中的O2原子所导致的ITO电阻率的增加。
根据以上结果可知本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件，其驱动电压(Vf)低，具有高的元件特性。
产业上的可利用性
本发明可用于氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，特别是可用于驱动电压(Vf)低的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法、氮化镓系化合物半导体发光元件和使用它的灯。
本发明中表示数值范围的“以上”和“以下”均包括本数。

Claims (17)

1.一种氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，是在氮化镓系化合物半导体元件的p型半导体层上层叠透光性导电氧化膜的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，具有在所述p型半导体层上形成所述透光性导电氧化膜之后，在含氢(H2)的气体气氛中进行退火处理的氢退火工序。
2.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，顺序具有下述(a)～(c)各工序：
(a)在所述p型半导体层表面的全部区域形成透光性导电氧化膜的成膜工序；
(b)在含氢的气体气氛中将所述透光性导电氧化膜进行退火处理的氢退火工序；
(c)通过蚀刻将所述透光性导电氧化膜图案化的蚀刻工序。
3.如权利要求1或2所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述氢退火工序是在300℃～900℃的温度下进行退火处理。
4.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，顺序具有下述(d)～(f)各工序：
(d)在所述p型半导体层表面的全部区域形成透光性导电氧化膜的成膜工序；
(e)通过蚀刻将所述透光性导电氧化膜图案化的蚀刻工序；
(f)在含氢的气体气氛中将所述透光性导电氧化膜进行退火处理的氢退火工序。
5.如权利要求4所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述氢退火工序是在600℃～900℃的温度下进行退火处理。
6 如权利要求1～5的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述氢退火工序是在以0.1～5体积％的范围含有氢的气体气氛中进行退火处理。
7 如权利要求1～6的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在所述氢退火工序的前工序中，具有在含氧(O2)的气体气氛中在200℃～300℃的温度下进行退火处理的氧退火工序。
8 如权利要求1～7的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在所述氢退火工序之后，在所述透光性导电氧化膜上层叠保护层。
9 一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是在氮化镓系化合物半导体元件的p型半导体层上层叠有透光性导电氧化膜的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，所述透光性导电氧化膜是在含氢(H2)的气体气氛中被退火处理了的透光性导电氧化膜。
10 如权利要求9所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，所述透光性导电氧化膜包含选自ITO、IZO、IWO、GZO、ZnO系导电体、TiO2系导电体中的至少一种以上的材料。
11 如权利要求10所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，所述透光性导电氧化膜至少含有ITO。
12 如权利要求9～11的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，所述透光性导电氧化膜的厚度为35nm～10μm的范围。
13 如权利要求9～11的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，所述透光性导电氧化膜的厚度为100nm～1μm的范围。
14 如权利要求9～13的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，在所述透光性导电氧化膜上层叠地形成有保护层。
15 如权利要求14所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，其特征在于，所述保护层的厚度为20nm～500nm的范围。
16 一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是通过权利要求1～8的任一项所述的制造方法得到的。
17 一种灯，其特征在于，使用了权利要求9～16的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件。
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