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LED素子とその製造方法 NEW

国内特許コード P200017222
整理番号 AE06-01JP2
掲載日 2020年9月30日
出願番号 特願2018-196890
公開番号 特開2019-062204
出願日 平成30年10月18日(2018.10.18)
公開日 平成31年4月18日(2019.4.18)
優先権データ
  • 特願2016-169994 (2016.8.31) JP
発明者
  • 藤岡 洋
  • 上野 耕平
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 LED素子とその製造方法 NEW
発明の概要 【課題】高ドナー濃度領域においても高い電子移動度を示すn型導電型を用いたGaN系LED素子の提供。
【解決手段】導電部と電極とが接続されたコンタクト構造が備えられ、前記導電部に薄膜の窒化物半導体が用いられたGaN系のLED素子であって、前記窒化物半導体は、窒素と、B、Al、GaまたはInからなる群より選ばれる少なくとも1種の13族元素を含有する2元系、3元系または4元系の窒化物半導体であり、1×10cm-3以上の酸素を不純物として含有し、SiまたはGeをドナーとして含有し、5×1019cm-3以上の電子濃度を有し、前記電子濃度は実質的にSiドナー濃度またはGeドナー濃度に等しく、n型導電性であり、電子移動度が46cm2/(V・s)以上であるLED素子。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要

GaNやInNといった13族窒化物半導体を利用したデバイスが広く実用化されてきている。従来、このような13族窒化物半導体の結晶成長には、MOCVD法やMBE法が用いられている。しかし、MOCVD法では1000℃を超えるプロセス温度が必要となる。MBE法は低温で化合物半導体の成膜することができるが、成膜面積に限度があることや生産コストが高く量産に向いてはいない。

また、MBE法においては、高濃度にドナーを添加すると、結晶構造の伝導帯近傍の禁制帯中に生じた高濃度ドナー準位による吸収が発生する。そのため、成膜した化合物半導体の透明度が低下するという問題がある(非特許文献1)。このようなことから、化合物半導体の生産、主として窒化物半導体の実用的な生産には、MOCVD法が用いられている。

現在、高耐圧で低オン抵抗の特性を合わせ持つ次世代の電子デバイスが求められている。そのためには、2元系、3元系または4元系の化合物半導体、より具体的には、13族窒化物半導体を用いた化合物半導体素子の実現が求められている。そのためには、化合物半導体の結晶のさらなる高品質化と、ドーピング技術の精緻化が求められる。特に、GaN基板上に形成される縦型パワーデバイスにおいては、n型ドリフト層の炭素濃度の低減と、電子移動度の向上が急務である。先行技術として以下の文献をあげることができる。

特許文献1には、銅基板上に金属窒化物からなるバッファ層、半導体層が備えられた半導体素子が開示されている。

特許文献2には、厚みが10~100μmで、焼結されたポリマーを含み、耐熱性を有する可撓性を有するグラファイト基板上に設けられたHfNをバッファ層とし、バッファ層上に設けられたGaNからなる半導体層とを備えた半導体基板の実施例が開示されている。また、特許文献3には、ZnO基板上にIII-V族の化合物半導体をエピタキシャル成長させる製造方法が開示されている。

非特許文献1にはP型のGaN半導体層を形成に関する研究成果が開示されている。非特許文献2にはP型のGaN半導体層の接触抵抗に関する研究成果が開示されている。非特許文献3には、窒化物半導体への低濃度ドーピング技術に関する研究成果が開示されている。非特許文献4には、電子の高電界での輸送モデルについての研究成果が開示されている。非特許文献5には、GaNにおけるキャリア移動度のモデルについての研究成果が開示されている。非特許文献6には、PSD法で形成したP型のGaNに対する接触抵抗の評価に関する研究成果が開示されている。非特許文献7には、LEDをガラス上に作成した実験例が開示されている。非特許文献8には、PSD法を用いて成長させた窒化物単結晶に関する研究成果が開示されている。

産業上の利用分野

本発明は化合物半導体とその製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
窒素と13族元素であるB、Al、GaまたはInからなる群より選ばれる一つの元素を含有する2元系、3元系または4元系の化合物半導体であって、
1×1017cm-3以上の酸素を不純物として含有し、
5×1019cm-3以上の電子濃度を有し、N型導電性であり、
電子移動度が46cm2/V・s以上である化合物半導体。

【請求項2】
GaとNを主成分とする請求項1に記載の化合物半導体。

【請求項3】
405nmの波長領域の光に対する吸光係数が2000cm-1以下である請求項2に記載の化合物半導体。

【請求項4】
450nmの波長領域の光に対する吸光係数が1000cm-1以下である請求項2に記載の化合物半導体。

【請求項5】
AFMによる表面粗さ測定で得られるRMS値が5.0nm以下である請求項1~4のいずれか1項に記載の化合物半導体。

【請求項6】
N型オーミック電極金属に対するコンタクト抵抗が1×10-4Ωcm-2以下である請求項1~5のいずれか1項に記載の化合物半導体。

【請求項7】
前記13族元素としてGaを含み、さらにAl及び/またはInを含有する請求項1~6のいずれか1項に記載の化合物半導体。

【請求項8】
Siをドナーとして含有する請求項1~7のいずれか1項に記載の化合物半導体。

【請求項9】
Geをドナーとして含有する請求項1~7のいずれか1項に記載の化合物半導体。

【請求項10】
請求項1~9のいずれか1項に記載の化合物半導体が用いられた導電部と電極とが接続されてなるコンタクト構造。

【請求項11】
請求項10に記載のコンタクト構造が備えられた半導体素子。

【請求項12】
請求項1~9のいずれか1項に記載の化合物半導体が用いられた透明電極。

【請求項13】
パルススパッタリング法を用いて、酸素を含むプロセス雰囲気で請求項1~9のいずれか1項に記載の化合物半導体を成膜する化合物半導体の製造方法。

【請求項14】
請求項13の化合物半導体の製造方法において、成膜時の基板温度を700℃以下で行う化合物半導体の製造方法。

【請求項15】
窒素と、B、Al、GaまたはInからなる群より選ばれる少なくとも1種の13族元素を含有する、導電型がn型の窒化物半導体であって、
電子濃度が1×1020cm-3以上で、且つ、比抵抗が0.3×10-3Ω・cm以下である、窒化物半導体。

【請求項16】
前記電子濃度が2×1020cm-3以上である、請求項15に記載の窒化物半導体。

【請求項17】
n型オーミック電極金属に対するコンタクト抵抗が1×10-4Ωcm-2以下である、請求項15または16に記載の窒化物半導体。

【請求項18】
酸素不純物を1×1017cm-3以上含有する、請求項15~17の何れか1項に記載の窒化物半導体。

【請求項19】
405nmの波長領域の光に対する吸光係数が2000cm-1以下である、請求項18に記載の窒化物半導体。

【請求項20】
450nmの波長領域の光に対する吸光係数が1000cm-1以下である、請求項18に記載の窒化物半導体。

【請求項21】
AFMによる表面粗さ測定で得られるRMS値が5.0nm以下である、請求項15~20の何れか1項に記載の窒化物半導体。

【請求項22】
前記少なくとも1種の13族元素はGaである、請求項15~21の何れか1項に記載の窒化物半導体。

【請求項23】
前記窒化物半導体は、SiまたはGeの何れか若しくは双方をドナー不純物として含有している、請求項15~22の何れか1項に記載の窒化物半導体。

【請求項24】
比抵抗が0.2×10-3Ω・cm以上である、請求項15~23の何れか1項に記載の窒化物半導体。

【請求項25】
比抵抗が0.15×10-3Ω・cm以上である、請求項15~23の何れか1項に記載の窒化物半導体。

【請求項26】
比抵抗が0.1×10-3Ω・cm以上である、請求項15~23の何れか1項に記載の窒化物半導体。

【請求項27】
(a)電子濃度が1×1020cm-3、且つ、比抵抗が0.3×10-3Ω・cm、
(b)電子濃度が3×1020cm-3、且つ、比抵抗が0.3×10-3Ω・cm、
(c)電子濃度が4×1020cm-3、且つ、比抵抗が0.15×10-3Ω・cm、
及び(d)電子濃度が9×1020cm-3、且つ、比抵抗が0.15×10-3Ω・cmの4点で囲まれた数値範囲を満たす請求項15~24の何れか1項に記載の窒化物半導体。

【請求項28】
請求項18~27の何れか1項に記載の窒化物半導体を導電部として備えた、コンタクト構造。

【請求項29】
請求項18~27の何れか1項に記載の窒化物半導体を電極部として備えた、コンタクト構造。

【請求項30】
請求項28または29に記載のコンタクト構造を備えた、半導体素子。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2018196890thum.jpg
出願権利状態 公開
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