JP2002016285A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JP2002016285A
JP2002016285A JP2000193525A JP2000193525A JP2002016285A JP 2002016285 A JP2002016285 A JP 2002016285A JP 2000193525 A JP2000193525 A JP 2000193525A JP 2000193525 A JP2000193525 A JP 2000193525A JP 2002016285 A JP2002016285 A JP 2002016285A
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semiconductor
zno
band gap
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JP2000193525A
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Hiroya Iwata
拡也 岩田
Fonsu Paul
ポール・フォンス
Koji Matsubara
浩司 松原
Akimasa Yamada
昭政 山田
Sakae Niki
栄 仁木
Takeshi Nakahara
健 中原
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Rohm Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Rohm Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/327—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIBVI compounds, e.g. ZnCdSe-laser

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安全無害の材料を用いながら、ＺｎＯ系材料
のナローバンドギャップ化を図ると共に、活性層をクラ
ッド層により挟持する青色系のＬＥＤやＬＤなどの半導
体発光素子の活性層の材料に結晶欠陥の少ない結晶性の
優れたＺｎＯ系化合物半導体を用いて発光特性を向上さ
せ得る半導体発光素子を提供する。 【解決手段】 電流注入により発光する活性層５が、そ
の活性層５よりバンドギャップエネルギーが大きい材料
からなるｎ形クラッド層４およびｐ形クラッド層６によ
り挟持される構造で、前記活性層５がＺｎと、Ｏと、Ｏ
以外のVI族の元素を含む化合物半導体からなっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は紫外から黄色程度の
青色系の短波長でも発光する、フルカラーディスプレー
や、信号灯などの光源に用いられる発光ダイオード（以
下、ＬＥＤという）や、室温で連続発振する次世代の高
精細ＤＶＤ光源用などに用いられる半導体レーザ（以
下、ＬＤという）などの半導体発光素子に関する。さら
に詳しくは、ＺｎＯ系化合物半導体のナローバンドギャ
ップ化を図り、結晶性に優れた活性層を有する半導体発
光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】青色系のＬＥＤや、ＬＤは、最近サファ
イア基板上にＧａＮ系化合物半導体を積層することによ
り得られるようになり脚光を浴びている。従来のこの種
の青色系（紫外線から黄色近傍の色を意味する、以下同
じ）の半導体発光素子は、たとえば図７にＬＤの一例の
構造図が示されるように、サファイア基板２１上にIII
族チッ化物化合物半導体（ＧａＮ系化合物半導体）が有
機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Dep
osition 以下、ＭＯＣＶＤという）により順次積層さ
れるもので、ＧａＮ緩衝層２２、ｎ形ＧａＮからなるｎ
形コンタクト層２３、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなるｎ形
クラッド層２４、ＧａＮからなるｎ形光ガイド層２５、
ＩｎＧａＮ系化合物半導体の多重量子井戸構造からなる
活性層２６、ｐ形ＧａＮからなるｐ形光ガイド層２７、
ｐ形Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなるｐ形クラッド層２８、
ｐ形ＧａＮからなるｐ形コンタクト層２９が順次積層さ
れ、積層された半導体層の一部が図７に示されるように
ドライエッチングなどによりエッチングされてｎ形コン
タクト層２３を露出させ、その表面にｎ側電極３１、前
述のｐ形コンタクト層２９上にｐ側電極３０がそれぞれ
形成されることにより構成されている。
【０００３】一方、ＺｎＯ系化合物半導体は、そのエキ
シトン（励起子；電子と正孔がクーロン力により束縛さ
れてペアを作ったもの）の結合エネルギー（束縛エネル
ギー）が６０ｍｅＶと非常に大きく、室温の熱エネルギ
ー２６ｍｅＶより大きいため、室温においてもエキシト
ンは安定に存在し得る。このエキシトンは、一旦形成さ
れると容易に光子を生成する。すなわち効率よく発光す
る。そのため、自由電子と自由正孔とが直接再結合して
発光する直接再結合発光より遥かに効率よく発光するこ
とが知られている。そのため、ＺｎＯ系化合物半導体を
用いた半導体発光素子も研究されている。
【０００４】しかし、このＺｎＯは、バンドギャップエ
ネルギーが３.２ｅＶで、この材料をそのまま活性層に
用いても紫外領域の３７０ｎｍ付近での発光にしかなら
ない。たとえば高精細ＤＶＤの光源として用いるために
は、光ディスク基板の透過率とディスクへの記録密度の
両方を満たす必要があり、その光源の波長領域は４００
〜４３０ｎｍの範囲に入ることが要求されている。その
ため、ＺｎＯのナローバンドギャップ化が必要となる
が、従来のＺｎＯ系化合物半導体でナローバンドギャッ
プ化する方法として、ＺｎＯにＣｄＯを混晶させること
が考えられており、ＣｄＺｎＯ系化合物（系とはＣｄと
Ｚｎとの混晶比が変化し得ることを意味する）を活性層
に用いることが考えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このような青色系の波
長の短い半導体発光素子用のIII族チッ化物化合物半導
体（チッ化ガリウム系化合物半導体）は、熱的、化学的
に非常に安定であり、信頼性が高く、長寿命化という点
においては、非常に優れた性質を有している。しかし、
安定であるがゆえに、良好な結晶性を有する半導体層を
得るためには、１０００℃程度の非常に高温で成長をし
なければならない。一方、活性層のようにＩｎを含有す
る半導体層は、元素ＩｎとＧａＮとが混晶しにくく、か
つ、Ｉｎの蒸気圧が高いため、十分なＩｎを入れようと
すると７００℃程度またはそれ以下の温度でしか結晶を
積むことができない。そのため、結晶性の優れた半導体
層に必要な高温にできないため、結晶性のよい半導体層
を得ることができず、発光効率が低下したり、寿命特性
が低下するという問題がある。
【０００６】一方、ＺｎＯ系化合物半導体によりバンド
ギャップエネルギーのナロー化を図るには、前述のよう
に、ＣｄＺｎＯ系化合物を用いることが考えられている
が、Ｃｄは毒性が強く、より安全性の高い材料を用いる
ことが要望されている。
【０００７】本発明はこのような状況に鑑みなされたも
ので、より毒性の小さい材料を用いながら、ＺｎＯ系材
料のナローバンドギャップ化を図ると共に、活性層をク
ラッド層により挟持する青色系の発光ダイオードやレー
ザダイオードなどの半導体発光素子の活性層の材料に結
晶欠陥の少ない結晶性の優れたＺｎＯ系化合物半導体を
用いて発光特性を向上させ得る半導体発光素子を提供す
ることを目的とする。
【０００８】本発明の他の目的は、高精細ＤＶＤ光源に
も用いられるような青色系の半導体レーザを提供するこ
とにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＺｎＯ系
化合物のバンドギャップエネルギーを、Ｃｄを用いない
で小さくして、ＺｎＯ系化合物を主体とする半導体発光
素子を得るため、鋭意検討を重ねた結果、ＺｎＯのＯの
一部をＳまたはＳｅなどのＯ以外のVI族元素で置換する
ように成長することにより、ＺｎＯ1-xＳx（０＜ｘ＜
１）またはＺｎＯ 1-yＳｅy（０＜ｙ＜１）などの混晶を
形成することができ、しかも混晶時のバンドギャップボ
ーイングを利用することにより、バンドギャップエネル
ギーを所望の範囲に狭くすることができることを見出し
た。ここにＺｎＯ系化合物とは、少なくともＺｎとＯを
含む化合物で、Ｚｎの一部がＭｇやＣｄなど他のII族元
素と置換したものおよび／またはＯの一部がＳやＳｅな
どの他のVI族元素と置換した化合物を意味する。
【００１０】すなわち、ＳやＳｅなどを混晶させようと
してもバンドギャップエネルギーの変化が激しく、その
混晶割合が多すぎるとＺｎＳやＺｎＳｅなどの性質が支
配し、少なすぎるとＺｎＯの性質が支配し、所望のバン
ドギャップエネルギーを得られないが、その混晶割合を
厳密に制御すれば、ボーイング状（弓状または放物線
状）にバンドギャップエネルギーが変化する性質を有し
ており、そのボーイング状に変化する部分で混晶比を厳
密に制御することにより、所望のバンドギャップエネル
ギーが得られることを見出した。前述の４００〜４３０
ｎｍの波長領域で発光させる場合、Ｓの混晶比ｘは、好
ましくは０.０２〜０.１、さらに好ましくは、０.０３
〜０.０６であることが、Ｓｅの混晶比ｙは、好ましく
は０.００５〜０.１、さらに好ましくは、０.００８〜
０.０４であることが、前述の波長領域での発光をさせ
るのに都合がよい。
【００１１】本発明による半導体発光素子は、電流注入
により発光する活性層と、該活性層よりバンドギャップ
エネルギーが大きい材料からなり前記活性層を両面から
挟持するｎ形およびｐ形のクラッド層とを有し、前記活
性層がＺｎと、Ｏと、Ｏ以外のVI族の元素を含む化合物
半導体からなっている。
【００１２】この構造にすることにより、ＺｎＯよりバ
ンドギャップエネルギーを狭くすることができ、Ｏ以外
のVI族元素の混晶比を制御することにより、所望の波長
の光を発光させるバンドギャップエネルギーの活性層が
結晶性のよい半導体層として得られ、高い発光効率の半
導体発光素子が得られる。なお、ＺｎＯのＯを置換する
のみではなく、Ｚｎの一部をＣｄやＭｇなどと置換した
混晶化合物において、Ｏ以外のVI族元素を混晶させるこ
ともできる。この場合Ｃｄはバンドギャップを狭くする
作用をし、Ｍｇはバンドギャップを広くする作用をする
ため、好ましい混晶割合も前述のｘおよびｙの値よりず
れる。
【００１３】具体的には、前記クラッド層は、Ｚｎを含
む酸化物化合物、ＭｇとＺｎを含む酸化物化合物半導
体、またはIII族チッ化物化合物半導体などにより形成
され、前記活性層は、ＺｎＯ1-xＳx（０＜ｘ＜１）また
はＺｎＯ1-yＳｅy（０＜ｙ＜１）により形成され得る。
すなわち、III族チッ化物化合物半導体からなる半導体
発光素子でも、その活性層は前述のように結晶性がよく
ないが、その活性層だけに、本発明のＺｎと、Ｏと、Ｏ
以外のVI族の元素を含む化合物半導体を用いることがで
きる。
【００１４】ここにIII族チッ化物化合物半導体とは、I
II族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII族
元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のII
I族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの
一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物か
らなる半導体を意味し、チッ化ガリウム系化合物半導体
ともいう。
【００１５】
【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明の半導体発光素子について説明をする。本発明による
半導体発光素子は、図１にその一実施形態であるＬＥＤ
チップの斜視図が示されるように、電流注入により発光
する活性層５が、その活性層５よりバンドギャップエネ
ルギーが大きい材料からなるｎ形クラッド層４およびｐ
形クラッド層６により挟持される構造で、前記活性層５
がＺｎと、Ｏと、Ｏ以外のVI族の元素を含む化合物半導
体からなっている。
【００１６】活性層５は、キャリアの再結合により発光
させる層で、そのバンドギャップエネルギーにより発光
する光の波長が定まり、発光させる光の波長に応じたバ
ンドギャップエネルギーの材料が使用され、たとえばバ
ルク活性層で０.１μｍ程度の厚さに形成されている。
本発明では、この活性層５に、たとえばＺｎＯ1-xＳ
x（０＜ｘ＜１、たとえばｘ＝０.０５）のように、Ｚｎ
と、Ｏと、Ｏ以外のVI族の元素を含む化合物半導体から
なっていることに特徴がある。
【００１７】すなわち、前述のように、活性層をそれよ
りバンドギャップエネルギーの大きいクラッド層により
挟持して発光させる従来の青色系の半導体発光素子とし
ては、チッ化ガリウム系化合物半導体が用いられ、その
活性層としてＩｎＧａＮ系（Ｉｎの混晶比が所望のバン
ドギャップエネルギーになるように変化させ得ることを
意味する）化合物半導体が使用されてきたが、前述のよ
うに、ＩｎＧａＮ系化合物半導体はその結晶性がよくな
いと共に、Ｉｎの混晶比を一定以上に大きくすることが
できず、ある程度以上の長波長の発光をさせることがで
きない。また、ＺｎＯ系化合物半導体を用いると、その
バンドギャップエネルギーを狭くするためには、Ｃｄを
混晶させる必要があり、毒性が大きいという問題があ
る。
【００１８】そこで、前述のように、ＺｎＯ系化合物
で、Ｃｄを使用しないでバンドギャップエネルギーを狭
くするため、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、Ｚｎ
ＯのＯの一部をＳまたはＳｅなどのＯ以外のVI族元素で
置換するように成長することにより、ＺｎＯ1-xＳx（０
＜ｘ＜１）またはＺｎＯ1-yＳｅy（０＜ｙ＜１）などの
混晶を形成することができ、しかも混晶時のバンドギャ
ップボーイングを利用することにより、バンドギャップ
エネルギーを所望の範囲に狭くすることができ、ナロー
バンドギャップ化を達成することができることを見出し
た。
【００１９】すなわち、一般に化合物ＡＢ1-pＣpのバン
ドギャップエネルギーＥｇ(λ)は Ｅｇ（λ）＝ａ＋ｂｘ＋ｃｘ2 と表され、ｃがボーイングパラメータで、このｃは、ｃ
＝ｃi＋ｃeに分解でき、ｃeは、ｃe＝ＴBC 2／Ｓ （Ｓ
は定数）で表され、ＴBCは元素Ｂ、Ｃの電気陰性度（el
ectronegativity）の差を表す。たとえばＡｓの電気陰
性度は２.０で、Ｐの電気陰性度は２.１であるため、Ｇ
ａＡｓＰではｃが小さく、ＡｓとＰとの混晶比を変えて
もボーイング特性は殆ど現れないが、Ｏの電気陰性度は
３.５であるのに、ＳおよびＳｅはそれぞれ２.５と２.
４であり、Ｏとの差が大きいため、ＺｎＯＳやＺｎＯＳ
ｅはボーイング特性が顕著に現れる。このバンドギャッ
プエネルギーの変化は概略図６に示されるように変化す
る。したがって、ＺｎＳやＺｎＳｅ自身もＺｎＯと同様
に所望のバンドギャップエネルギーより大きすぎても、
ＺｎＯＳやＺｎＯＳｅなどの混晶化合物を形成すること
により、所望のバンドギャップエネルギーが得られるこ
とを見出した。
【００２０】この活性層５は、ＺｎとＯと他のVI族元素
を含んでおれば前述のように所望のバンドギャップエネ
ルギーが得られるが、Ｚｎの一部が他のII族元素と置換
された構造やＳとＳｅとの両方などＯ以外のVI族の２元
素以上を含んでいてもよい。また、ＡｌやＮなどのドー
パント元素を含み得ることももちろんである。
【００２１】前述のように、４００〜４３０ｎｍの波長
領域で発光させる場合、ＺｎＯ1-xＳxまたはＺｎＯ1-y
ＳｅyＳからなる活性層５の混晶比ｘは、好ましくは０.
０２〜０.１、さらに好ましくは、０.０３〜０.０６で
あることが、Ｓｅの混晶比ｙは、好ましくは０.００５
〜０.１、さらに好ましくは、０.００８〜０.０４であ
ることが、前述の波長領域での発光をさせるのに都合が
よい。しかし、ｘ、ｙが０に近い側のみではなく、放物
線の極小点に関して反対側（ｘ、ｙがもっと大きい側）
にも所望のバンドギャップエネルギーが得られる混晶比
がある。
【００２２】ｎ形およびｐ形クラッド層４、６は、図１
に示される例では、ＭｇzＺｎ1-zＯ（０≦ｚ＜１、たと
えばｚ＝０.１５）が用いられている。クラッド層４、
６は、活性層５よりバンドギャップエネルギーが大き
く、キャリアを活性層５内に有効に閉じ込める効果を有
すればよく、他のIII族元素チッ化物（チッ化ガリウム
系化合物半導体）などでもよい。しかし、ＭｇzＺｎ1-z
Ｏを用いることにより、チッ化ガリウム系化合物半導体
とは異なり、ウェットエッチングが可能であり、後述す
るＬＤなどの場合には、メサ型形状にしたり、内部電流
狭窄層を作り込みやすいため好ましい。このｎ形クラッ
ド層４は、たとえば２μｍ程度の厚さに、ｐ形クラッド
層６は、たとえば０.５μｍ程度の厚さに設けられる。
【００２３】基板１は、たとえばサファイア基板が用い
られるが、クラッド層などにチッ化ガリウム系化合物半
導体が用いられる場合を含めて、ＧａＮ基板、ＳｉＣを
表面に形成したシリコン基板、単結晶のＳｉＣ基板など
を用いることができる。基板１の表面には、化合物半導
体の格子不整合を緩和するための緩衝層２が、たとえば
ＺｎＯにより０.１μｍ程度形成される。この緩衝層２
は、基板１がサファイアのような絶縁性基板であればノ
ンドープでも、他の導電形でもよい。しかし、基板１が
導電性の基板で、基板１の裏面から一方の電極を取り出
す場合には、その基板と同一の導電形で形成される。そ
して、その上にＺｎＯからなるｎ形コンタクト層３が１
〜２μｍ程度の厚さ形成されている。ｐ形クラッド層６
上には、ＺｎＯからなるｐ形コンタクト層７が０.３μ
ｍ程度設けられ、その表面にたとえばＩＴＯなどからな
る透明電極８が形成されると共に、積層された半導体層
３〜７の一部がエッチングにより除去されて露出するｎ
形コンタクト層３にｎ側電極パッド９がＴｉおよびＡｕ
などの真空蒸着とパターニングまたはリフトオフ法によ
り、また、透明電極８上の一部にＮｉ／Ａｌ／Ａｕなど
からなるｐ側電極１０がたとえばリフトオフ法などによ
り形成されている。
【００２４】このＬＥＤを製造するには、たとえばＭＯ
ＣＶＤ装置内に基板１をセッティングし、基板温度を３
００〜６００℃程度にして、反応ガス、必要なドーパン
トガスをキャリアガスのＨ2と共に導入し、気相反応さ
せることにより、半導体層を成長させることができ、反
応ガスを順次変化させたり、その流量を変化させること
により所望の混晶比の半導体層を積層することができ
る。なお、反応ガスとしては、Ｚｎとしてジエチル亜鉛
（Ｚｎ（Ｃ2Ｈ5）2）、Ｏとしてテトラヒドロフラン
（Ｃ4Ｈ8Ｏ）、Ｍｇとしてシクロペンタジエチルマグネ
シウム（Ｃｐ2Ｍｇ）、Ｓとしてジエチルサルファイド
（ＤＥＳ）、またはＳｅとしてジエチルセレン（ＤＥＳ
ｅ）などがそれぞれ用いられ、ドーパントガスとして
は、Ａｌのｎ形ドーパントガスとしてトリメチルアルミ
ニウム（ＴＭＡ）、ｐ形ドーパントガスとしてプラズマ
Ｎ2などを供給する。そして、反応時間を制御すること
により、前述のような各半導体層の厚さを制御すること
ができる。
【００２５】そして、積層した半導体層の一部をＲＩＥ
法などによりエッチングしてｎ形コンタクト層３を露出
させる。その後、基板１の裏面を研磨し、１００μｍ程
度の厚さとし、露出したｎ形コンタクト層３の表面に、
たとえばリフトオフ法などによりＴｉ／Ａｕなどを真空
蒸着などにより成膜してｎ側電極パッド９を形成し、ｐ
形コンタクト層７の表面に真空蒸着などによりＩＴＯを
成膜して透明電極８を形成すると共に、さらにたとえば
リフトオフ法によりＮｉ／Ａｌ／Ａｕを真空蒸着してｐ
側電極１０を形成する。その後ウェハからチップ化する
ことにより、図１に示されるＬＥＤチップが得られる。
【００２６】この例では、ＺｎＯ系化合物をＭＯＣＶＤ
法により成長する例であったが、活性層以外のクラッド
層などをＧａＮやＡｌＧａＮ系化合物などのIII族チッ
化物化合物により形成することもできる。この場合、II
I族チッ化物化合物は、１０００度程度で成長し、活性
層は前述の６００℃程度で成長することにより、全ての
層を結晶性よく成長することができる。また、とくにＺ
ｎＯ系化合物によりクラッド層などを構成する場合、Ｍ
ＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法による方が、材料純
度の得やすさや安全性の点で好ましいが、ＭＢＥ法によ
りこのＬＥＤを製造するには、たとえばＭＢＥ装置内に
サファイア基板１をセッティングし、基板温度を３００
〜６００℃程度にして、Ｚｎのソース源（セル）、Ｍｇ
のソース源、プラズマ酸素源、ＳまたはＳｅのソース
源、ドーパントとしてのＡｌのソース源、プラズマチッ
素源などの必要な材料源のシャッターをあけて成長する
ことにより得られる。
【００２７】図２は、本発明による半導体発光素子の他
の実施形態である電極ストライプ型のＬＤチップの斜視
説明図である。このＬＤチップも基本的には図１のＬＥ
Ｄチップと同様の構造になっているが、ＬＤにするた
め、活性層１５とクラッド層との間に光ガイド層１４、
１６が設けられていることと、活性層１５が多重量子井
戸構造で形成されていることが主な相違である。
【００２８】すなわち、サファイア基板１上にＺｎＯか
らなるバッファ層２が０.１μｍ程度設けられ、その上
にＺｎＯからなるｎ形コンタクト層３が１μｍ程度の厚
さ設けられている。そして、その上にＭｇzＺｎ1-zＯ
（０≦ｚ＜１、たとえばｚ＝０.１５）からなるｎ形ク
ラッド層４が２μｍ程度の厚さに設けられ、ついでｎ形
ＺｎＯからなり光導波路の一部をなすｎ形光ガイド層１
４が０.０５μｍ程度設けられている。活性層１５は、
たとえばノンドープのＺｎＯ0.95Ｓ0.05／ＺｎＯ 1-uＳu
（０≦ｕ≦０.０２）からなるバリア層とウェル層とを
それぞれ５ｎｍおよび４ｎｍづつ交互に２〜５層づつ積
層した多重量子井戸構造により形成されている。なお、
ＺｎＯＳｅを活性層に用いる場合は、ＺｎＯ0.97Ｓｅ
0.03／ＺｎＯ 1-vＳｅv（０≦ｖ≦０.１）からなるバリ
ア層とウェル層との同様の組合せを用いることができ
る。
【００２９】その活性層１５の上に、ＺｎＯからなり光
導波路の一部をなすｐ形光ガイド層が０.０５μｍ程
度、ＭｇzＺｎ1-zＯ（０≦ｚ＜１、たとえばｚ＝０.１
５）からなるｐ形クラッド層６が２μｍ程度の厚さに設
けられ、さらにＺｎＯからなるｐ形コンタクト層７が１
μｍ程度の厚さに設けられている。そして、ＬＥＤチッ
プの場合と同様に、積層された半導体層の一部がエッチ
ングにより除去されて露出したｎ形コンタクト層３にＴ
ｉ／Ａｕなどからなるｎ側電極９が設けられ、ｐ形コン
タクト層７の表面にｐ側電極１０がたとえばＮｉ／Ａｌ
／Ａｕなどにより形成されている。半導体レーザの場
合、光は上面から放射されないで、活性層１５の端面か
ら放射されるため、上面に透明電極は不要で、電流通路
を形成するために、たとえば１０μｍ程度の幅のストラ
イプ状に形成したｐ側電極１０が直接ｐ形コンタクト層
７上に形成されている。
【００３０】このようなＬＤチップを形成する場合で
も、積層される半導体層が酸化物半導体層であるため、
活性層の結晶性が良好になると共に、そのエッチングが
容易で、ウェットエッチングをすることができ、基板が
サファイアなどで劈開しにくい場合でも、活性層の端面
である光の放射面を平坦な面で形成しやすく、良好な共
振器を形成しやすい。
【００３１】図３は、本発明による半導体発光素子の他
の実施形態であるＬＤチップの斜視説明図である。この
例は、ｐ側電極１０のみのストライプではなく、ｐ形ク
ラッド層６の一部までをメサ型にエッチングしたメサス
トライプ型の構造としたもので、このメサ型エッチング
は、ｎ形コンタクト層３を露出させるためのエッチング
と同時にマスクを形成し直すだけで形成される。他の半
導体層の積層構造は、図２に示される構造と同じで製造
方法も同様である。
【００３２】図４は、本発明による半導体発光素子のさ
らに他の実施形態であるＬＤチップの同様の説明図であ
る。この例は、ｐ形クラッド層６側にｎ形電流制限層
（内部電流狭窄層）１７が設けられたＳＡＳ型構造の例
である。この構造のＬＤチップを製造するには、前述と
同様に基板１上にバッファ層２、ｎ形コンタクト層３、
ｎ形光ガイド層１４、活性層１５、ｐ形光ガイド層１
６、ｐ形クラッド層６を順次積層した後に、たとえばｎ
形Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏからなる電流制限層１７を０.４μ
ｍ程度成長させる。そして、一旦結晶成長装置からウェ
ハを取り出し、表面にレジスト膜を設けてストライプ状
にパターニングをし、ＮａＯＨなどのアルカリ溶液によ
り電流制限層１７をストライプ状にエッチングして、ス
トライプ溝１８を形成する。その後、再度ＭＯＣＶＤ装
置にウェハを戻し、ｐ形ＺｎＯからなるｐ形コンタクト
層７を前述の例と同様に成長する。その後は、前述の各
例と同様にｎ側電極９およびｐ側電極１０を形成し、チ
ップ化することにより図４に示される構造のＬＤチップ
が得られる。なお、ｐ形クラッド層６を２段構造とし、
その間に電流制限層１７を作り込むこともできる。
【００３３】従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用
いた青色系の積層構造では、前述のように化学薬品に対
して安定であるため、この例のように積層した半導体層
をエッチングしてストライプ溝を形成することができな
かったため、活性層の近くまで電流経路を充分に集中さ
せることができなかったが、ＺｎＯ系化合物を用いるこ
とにより、このようなストライプ溝を形成した電流制限
層（内部電流狭窄層）１７を半導体層の中に作り込むこ
とができる。
【００３４】図５は、本発明による半導体発光素子のさ
らに他の実施形態であるＬＤチップの同様の説明図であ
る。この例は、基板にサファイアではなく、導電性の基
板を用いた例で、その結果ｎ側電極９が基板１１の裏面
に設けられている。この例では基板としてシリコン（Ｓ
ｉ）基板１１が用いられ、Ｓｉ基板１１の表面に立方晶
のＳｉＣ層１２が形成され、その表面に直接または図示
しない緩衝層を介して前述の各半導体層が積層されてい
る。このＳｉＣ層１２の形成は、たとえばＳｉ基板１１
をアセチレン（Ｃ2Ｈ2）と水素の雰囲気中で、１０２０
℃程度で６０分程度保持することによる炭化処理により
１０ｎｍ程度の図示しないＳｉＣ膜を形成した後に同一
炉内でＳｉの原料ガスであるジクロルシラン（ＳｉＨ2
Ｃｌ2）と、炭素の原料ガスであるＣ2Ｈ2を導入して熱
ＣＶＤ法によりたとえば２μｍ程度成長することにより
形成する。その後の各半導体層の積層は、前述の各例と
同様に行う。この例によれば、半導体層のエッチングは
行われない構造であるが、各半導体層の積層がチッ化ガ
リウム系化合物半導体のように高温で成長させなくて
も、６００℃程度以下の低温で成長させることができ、
成長装置の負担が非常に軽く、装置の保守が容易である
と共に、半導体層の成長も簡単に行うことができる。さ
らに、活性層の結晶性も優れているため、発光効率の高
いＬＤおよびＬＥＤが得られる。
【００３５】図５に示される例では、簡単化のため、電
極ストライプ型の構造にしたが、電流制限層の埋込み型
など、前述の各例の構造にすることもでき、このような
導電性の基板を用いることにより、ｐ側およびｎ側の両
電極をチップの上下両面から取り出すことができ、チッ
プのボンディングなどに非常に取り扱いやすい素子とな
る。このような導電性の基板としては、他にＳｉＣの結
晶基板や、ＧａＮ基板などでも、前述と同様に酸化物半
導体を積層することができる。
【００３６】前述の各例では、ＬＤの活性層として、多
重量子井戸構造の例を示したが、その例に限られず、単
一量子井戸構造またはバルク構造で形成することもでき
る。さらに、活性層で充分に光導波路を形成することが
できれば、光ガイド層を別途設ける必要がないこともい
うまでもない。なお、前述の各例に示される図では、基
板１、１１が実際には他の層と比較して数十倍以上の厚
さがあるが、省略して薄く書かれている。他の半導体層
の厚さも説明用で厳密な厚さを表してはいない。
【００３７】本発明によれば、ＺｎＯをＣｄなどの有毒
な元素を使用しないで、ナローバンドギャップ化するこ
とができるため、バンドギャップエネルギーが紫外線か
ら高精細なＤＶＤの光源に必要とされる４００〜４３０
ｎｍの波長の光を発光させるバンドギャップエネルギー
をＺｎＯ系の酸化物半導体を用いて得ることができ、短
波長の半導体発光素子に有利に用いることができる。
【００３８】また、本発明の半導体発光素子によれば、
活性層をクラッド層で挟持する構造で、青色系の色を発
光させる場合に、活性層にＺｎＯ系化合物半導体が用い
られているため、ＩｎＧａＮ系化合物半導体のように結
晶性の低下を招くことなく、４００〜４３０ｎｍ近傍の
光を発光しながら非常に結晶性のよい活性層が得られ
る。その結果、発光効率も向上し、高輝度の青色系の半
導体発光素子が得られる。
【００３９】さらに、活性層がＺｎＯ系化合物半導体で
あるため、クラッド層にＺｎを含む酸化物化合物または
ＭｇとＺｎを含む酸化物化合物半導体が用いられること
により、結晶性よく半導体積層部を形成することがで
き、チッ化ガリウム系化合物半導体では行いにくいウェ
ットエッチングをすることができること、６００℃程度
以下の低温で半導体層を成長することができること、な
ど取扱が非常に容易となり、青色系の半導体発光素子を
容易に得ることができる。半導体レーザでは、電流注入
領域を画定する必要があるが、電流制限層の埋込みやメ
サエッチングなどを容易に行うことができるため、とく
にメリットが大きい。
【００４０】さらに、前述のＺｎＯ系化合物半導体層
は、Ｓｉ基板上に設けたＳｉＣやＳｉＣ基板などの上に
も成長することができるため、電極をチップの上下両面
から取り出す垂直型のチップとすることができる。その
結果、ワイヤボンディングなども一方の電極のみを行え
ばよく、非常に取扱性が向上する。
【００４１】
【発明の効果】本発明によれば、従来のチッ化ガリウム
系化合物半導体とは異なるＺｎＯ系の酸化物半導体層を
用いて青色系の発光をさせることができ、しかもＣｄな
どの有毒な元素を使用しないで公害などを発生させるこ
とがなく、実用的な結晶性のよい半導体層により高い発
光効率の半導体発光素子が得られる。
【００４２】さらに、公害の心配なくＺｎＯ系の酸化物
半導体を用いることにより、チッ化ガリウム系化合物半
導体に比べて非常に低い温度で半導体層を積層すること
ができるため、成長装置の負担を軽くすることができる
と共に、ウェットエッチングをすることができて取扱い
やすく安定した半導体層を積層することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体発光素子の一実施形態の斜
視説明図である。
【図２】本発明による半導体発光素子の他の実施形態を
示す斜視説明図である。
【図３】本発明による半導体発光素子のさらに他の実施
形態を示す斜視説明図である。
【図４】本発明による半導体発光素子のさらに他の実施
形態を示す斜視説明図である。
【図５】本発明による半導体発光素子のさらに他の実施
形態を示す斜視説明図である。
【図６】ＺｎＯＳおよびＺｎＯＳｅが、その混晶比によ
りバンドギャップボーイングを生じる状態を説明する図
である。
【図７】従来の青色系半導体レーザの一例を示す断面説
明図である。
【符号の説明】
１ 基板 ３ ｎ形コンタクト層 ４ ｎ形クラッド層 ５ 活性層 ６ ｐ形クラッド層 ７ ｐ形コンタクト層
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１２年６月２８日（２０００．６．２
８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１９】すなわち、一般に化合物ＡＢ1-pＣpのバン
ドギャップエネルギーＥｇ(ｘ)は Ｅｇ（ｘ）＝ａ＋ｂｘ＋ｃｘ2 と表され、ｃがボーイングパラメータで、このｃは、ｃ
＝ｃi＋ｃeに分解でき、ｃeは、ｃe＝ＴBC 2／Ｓ （Ｓ
は定数）で表され、ＴBCは元素Ｂ、Ｃの電気陰性度（el
ectronegativity）の差を表す。たとえばＡｓの電気陰
性度は２.０で、Ｐの電気陰性度は２.１であるため、Ｉ
ｎＧａＡｓＰではｃが小さく、ＡｓとＰとの混晶比を変
えてもボーイング特性は殆ど現れないが、Ｏの電気陰性
度は３.５であるのに、ＳおよびＳｅはそれぞれ２.５と
２.４であり、Ｏとの差が大きいため、ＺｎＯＳやＺｎ
ＯＳｅはボーイング特性が顕著に現れる。このバンドギ
ャップエネルギーの変化は概略図６に示されるように変
化する。したがって、ＺｎＳやＺｎＳｅ自身もＺｎＯと
同様に所望のバンドギャップエネルギーより大きすぎて
も、ＺｎＯＳやＺｎＯＳｅなどの混晶化合物を形成する
ことにより、所望のバンドギャップエネルギーが得られ
ることを見出した。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポール・フォンス 茨城県つくば市梅園１−１−４ 通商産業 省 工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 松原 浩司 茨城県つくば市梅園１−１−４ 通商産業 省 工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 山田 昭政 茨城県つくば市梅園１−１−４ 通商産業 省 工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 仁木 栄 茨城県つくば市梅園１−１−４ 通商産業 省 工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 中原 健 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム株 式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 CA04 CA05 CA41 CA65 CA66 CA82 CA88 5F045 AA04 AB06 AB14 AB17 AB22 AC01 AC05 AC07 AC09 AD07 AD08 AD09 AD10 AD14 AF02 AF03 AF04 AF09 BB12 BB20 CA11 CA12 DA53 DA55 DA63 HA13 5F073 BA09 CA02 CA22 CB05 CB06 CB22 DA05 DA22 DA25 DA30

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電流注入により発光する活性層と、該活
    性層よりバンドギャップエネルギーが大きい材料からな
    り前記活性層を両面から挟持するｎ形およびｐ形のクラ
    ッド層とを有する半導体発光素子であって、前記活性層
    がＺｎと、Ｏと、Ｏ以外のVI族の元素を含む化合物半導
    体からなる半導体発光素子。
  2. 【請求項２】 前記クラッド層がＺｎを含む酸化物化合
    物半導体、またはＭｇとＺｎを含む酸化物化合物半導体
    からなる請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項３】 前記クラッド層がIII族チッ化物化合物
    半導体である請求項１記載の半導体発光素子。
  4. 【請求項４】 前記活性層がＺｎＯ1-xＳxまたはＺｎＯ
    1-yＳｅyである請求項１、２または３記載の半導体発光
    素子。
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