JP2003273400A

JP2003273400A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2003273400A
Application number: JP2002070165A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Maruta; 秀昭丸田; Hideo Hosono; 秀雄細野; Hiromichi Ota; 裕道太田; Masahiro Hirano; 正浩平野
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】青色系の半導体発光素子に適したｐ形層を実
現させ、さらにはその結晶性を向上させることにより、
青色系の発光材料として適したＺｎＯ系化合物などの半
導体層を発光層部に用いて、発光特性の優れた青色系の
ＬＥＤやＬＤなどを提供する。【解決手段】基板１の一主面上に、ｎ形クラッド層
４、活性層５およびｐ形クラッド層６を少なくとも具備
する発光層形成部８が設けられている。そして、活性層
５は基板１の一主面に垂直方向にｃ軸配向しており、ｐ
形クラッド層６がＮｉＯ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、ｐ形層としてＮｉ
Ｏ層を用いた発光ダイオードやレーザダイオードなどの
半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、ＮｉＯ層を
ｐ形層として用いることにより、格子定数などが異なる
半導体層上に積層しても、発光効率の向上などの素子特
性を向上することができる半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】高度情報化社会の発達に伴い、記録メデ
ィアの高密度化が進んでおり、たとえば光ディスクの記
録、再生はコンパクトディスクから、より高密度記録可
能なＤＶＤ（デジタル多用途ディスク；digital versat
ile disk）へと変化している。光ディスクでは、記録、
再生は光を使って行うため、波長の短い光を用いること
ができれば記録密度を増加させることができる。このた
め、青色系（紫外から黄色の波長領域を意味する、以下
同じ）の発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）や、青
色系レーザダイオード（以下、ＬＤという）の実用化が
進められており、最近サファイア基板の（０００１）面
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。

【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、このエキシトンは
一旦形成されると光子を生成し、効率よく発光するた
め、発光素子材料として注目されている。さらに、Ｚｎ
Ｏは高電気伝導性、可視領域での光透過性を利用して太
陽電池用の透明導電膜として検討されているほか、緑色
の蛍光材料としても広く応用されており、ＺｎＯは室温
でのバンドギャップエネルギーが約３.３８ｅＶの直接
遷移型の半導体であり、紫外光励起により紫外領域（室
温では波長３８０ｎｍ）の蛍光を示すことやＺｎＯにＣ
ｄを混晶させることによりバンドギャップエネルギーの
ナロー化がなされることが知られており、これら性質を
利用したＺｎＯ系化合物半導体からなる青色系の発光素
子の研究開発も盛んに行われている。

【０００４】一般にＬＥＤやＬＤを作製するには、ｐ形
半導体とｎ形半導体を接合する必要がある。ＺｎＯは酸
素欠陥もしくは格子間亜鉛によりｎ形化するため、ｎ形
ＺｎＯを作製することは容易であるが、ｐ形ＺｎＯを作
製することは困難とされており、ＺｎＯの亜鉛の一部を
Ｇａで置換した焼結体ターゲットを用いて、パルスレー
ザーデポジション法（以下、ＰＬＤ法という）によりＮ
₂Ｏガス中で成膜することにより、ｃｏ−ｄｏｐｅ効果
によるホール濃度を増加させ、ｐ形を作製する方法など
の研究が現在進められている。しかし、再現性などの点
から実用化の段階には至っていない。

【０００５】また、ｐ形層としてＺｎＯではないｐ形を
示す酸化物を用いることも試みられており、ｐ形層に酸
化ストロンチウム銅（以下、ＳｒＣｕ₂Ｏ₂という）を用
いた発光素子が作製されたという報告例（H. Ohta et a
l. Appl. Phys. Lett.７７巻、４７５頁２０００年）が
ある。しかしながら、ＳｒＣｕ₂Ｏ₂は水によりたやすく
分解される性質があり、大気中で発光素子を駆動すると
大気中に含まれる水分によって材料が分解し、発光素子
の寿命が短くなるという問題がある。さらに、Ｃｕイオ
ンには１価と２価があり、青色系発光をさせるにはＣｕ
が１価であることが必要であるが、どちらの価数も安定
なため、成長条件によっては、ＳｒＣｕ ₂Ｏ₂が容易にＣ
ｕの２価の酸化物（ＳｒＣｕＯ₂）に変化してしまう
が、生成された２価のＣｕを含むＳｒＣｕＯ₂のバンド
ギャップエネルギーは約２ｅＶである。そのため、発光
素子を作製しても電子とホールの再結合はバンドギャッ
プエネルギーの狭いＳｒＣｕＯ₂で起こってしまい、青
色系発光素子を作製することが極めて困難であるという
問題もある。

【０００６】一方、ｎ形ＺｎＯとの接合に適するｐ形半
導体層としてＳｒＣｕ₂Ｏ₂以外にＮｉＯを用いることが
考えられる。ＮｉＯは室温でのバンドギャップエネルギ
ーが約３.７ｅＶの間接遷移型半導体であり、ｐ形伝導
を示す。結晶系は立方晶系（ＮａＣｌ構造）であり、堆
積時の基板温度が室温以上であれば、単一相であるＮｉ
Ｏとして形成することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、ＮｉＯ
はドーパントをドーピングしなくてもｐ形を呈するた
め、ｐ形層を得られやすく、しかもバンドギャップエネ
ルギーも３.７ｅＶと青色系に用いる活性層のバンドギ
ャップエネルギーより大きいため、青色系半導体発光素
子のｐ形層として用いることが考えられている。しか
し、活性層またはｎ形層として使用することが考えられ
るＺｎＯ系化合物は六方晶でその格子定数は、ｃ軸長が
０.５２１３ｎｍで、ａ軸長が０.３２５ｎｍであるのに
対して、ＮｉＯは立方晶で、その格子定数が０.４１７
６ｎｍであるため、格子整合をし難く、しかもＺｎＯ系
化合物半導体層自体も、その基板として考えられている
サファイア基板との格子整合も得られないため、ＮｉＯ
層は隙間の多い柱状の成長となり、結晶性のよいＮｉＯ
層が得られず、発光素子として実現していない。とく
に、ＬＤを形成する場合、結晶性が悪いとリーク電流が
増えてしきい電流値の小さい高特性の半導体レーザが得
られない。

【０００８】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、青色系の半導体発光素子に適したｐ形
層を実現させることにより、発光能力に優れたＺｎＯ系
化合物などの半導体層を発光層部に用いて、青色系の発
光材料として適したＬＥＤなどの半導体発光素子を提供
することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、ｐ形層としてＮｉＯ
層を用い、その結晶性を向上させることにより、リーク
電流の少ない高特性のＬＤやさらに高輝度のＬＥＤな
ど、高特性の青色系半導体発光素子を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、たとえば
エキシトンの結合エネルギーの大きいＺｎＯ系化合物を
発光層部分に用いながら、ｐ形層の得にくいＺｎＯ系化
合物の代りにＮｉＯ層を用いることにより、高輝度のＬ
ＥＤやＬＤなどの化合物半導体発光素子を得るため鋭意
検討を重ねた結果、ＮｉＯ層の下地となる発光層部分の
結晶性を向上させたり、ＮｉＯ層とその下層との界面の
ヘテロ接合による格子歪緩和層が数原子層以下程度にな
るようにきれいな界面とする、などの手段を講ずること
により、結晶構造や格子定数の異なるＺｎＯ系化合物半
導体層上に積層されるＮｉＯ層を、結晶性の良い層とし
て成長することができて、高輝度の発光素子を得ること
ができ、さらには基板の一主面と垂直方向のみならず水
平方向にも配向性を有するように形成することもでき、
ＬＤ特性なども向上させることができることを見出し
た。

【００１１】とくに、たとえば発光層部にＺｎＯ系化合
物を用い、発光層形成部を、クラッド層により活性層を
挟持するダブルヘテロ構造により形成し、その活性層
を、基板の一主面に垂直方向にｃ軸配向させて結晶性を
よくすることにより、さらに望ましくは、その一主面の
面内にもａ軸配向をさせた結晶性の優れた層とすること
により、ＮｉＯ層の結晶性を余り気にしなくても、ＬＥ
Ｄとして充分に使用し得る発光素子が得られることを見
出した。

【００１２】本発明による青色系の半導体発光素子は、
基板と、該基板の一主面上に設けられ、ｎ形クラッド
層、活性層およびｐ形クラッド層を少なくとも具備する
発光層形成部とを有し、前記活性層が前記基板の一主面
に垂直方向にｃ軸配向しており、前記ｐ形クラッド層が
ＮｉＯからなっている。

【００１３】ここに「ｃ軸配向」とは、結晶のｃ軸方向
がある程度揃っていることを意味し、完全に揃っている
ことを必要とするものではない。また、「垂直方向にｃ
軸配向」とは、基板表面（一主面）と完全に垂直方向に
ｃ軸配向している必要はなく、ほぼ垂直方向という意味
で、たとえば図４に示されるように、基板面と垂直方向
に対して５°程度以下の傾いているものも含む意味であ
る。

【００１４】この構造にすることにより、ヘテロ接合で
あっても、ＮｉＯ層の下層がきれいな結晶層になってお
り、ＮｉＯ層とＺｎＯ系化合物層との間に良好なヘテロ
界面が形成ているため、たとえばＺｎＯ系化合物を発光
層部に用いることにより、ｐ形層からの正孔の供給を充
分に行うことができると共に、ｐ形層での電流ロス、光
吸収の発生を抑制することができ、高効率の発光素子と
することができる。

【００１５】前記活性層が、さらに前記基板の主面と平
行方向にａ軸配向していることにより、ＮｉＯ層とＺｎ
Ｏ系化合物層との間に、さらに良好な界面が形成される
ためとくに好ましい。

【００１６】ここに「ａ軸配向」とは、ａ軸方向がほぼ
同一方向を向くことを意味し、完全にはａ軸が揃う必要
はなく、さらに、たとえばＺｎＯ系化合物のように、あ
る１つの面内でａ軸配向するドメインと、それに対して
３０°回転したａ軸配向ドメインとが混在する場合があ
るが、この場合、その３０°回転ドメインも含み、その
混在により転位が生じても支障はない。

【００１７】前記ｎ形クラッド層および活性層がＺｎＯ
系酸化物からなることにより、エキシトンの結合エネル
ギーの大きいＺｎＯ系化合物半導体を活性層として使用
しながら、ＮｉＯ層によりｐ形層が得られるため、青色
系の半導体発光素子としてとくに好ましい。

【００１８】ここに「ＺｎＯ系化合物」とは、Ｚｎを含
む酸化物、具体例としてはＺｎＯの他IIＡ族元素とＺｎ
またはIIＢ族元素とＺｎまたはIIＡ族元素およびIIＢ族
元素とＺｎのそれぞれの酸化物であることを意味する。

【００１９】前記基板がサファイアからなり、該基板の
一主面がサファイアの（０００１）面（以下、Ｃ面とも
いう）と直交する面、たとえば（１１−２０）面（以
下、Ａ面ともいう）であれば、サファイアのｃ軸がその
一主面に平行に現れ、その上に成長するＺｎＯ層のａ軸
長の４倍（１.３０ｎｍ）とサファイア基板のｃ軸長
（１.２９９１ｎｍ）とがほぼ同じになるため、非常に
整合性よく成長する。そのため、ＺｎＯ系化合物層の結
晶性が優れ、その上に成長されるＮｉＯ層とＺｎＯ系化
合物層との間の界面が良好になる。ここに「サファイア
のＣ面と直交する」とは、通常の基板製作仕様上許容さ
れる±１°以内のものを含む意味である。

【００２０】前記ｐ形層の下面に５原子層以下の格子歪
緩和層が形成されることにより、ＮｉＯ層とＺｎＯ系化
合物層との間の界面が良好になるため好ましい。

【００２１】前記ＮｉＯからなるｐ形クラッド層の結晶
構造が、前記基板の一主面と垂直方向に配向性を有する
ように形成されれば、ＮｉＯ層も結晶性の優れたｐ形層
となるため、ｐ形層でのキャリアの移動度を高めること
ができ、電流ロス、光吸収の発生を抑制することができ
るため、高効率の発光素子とすることができる。ここに
「配向性を有する」とは、結晶軸の方向がランダムな結
晶構造ではなく、結晶軸の方向がある程度揃っているこ
とを意味し、完全に揃っていることを必要とするもので
はない。

【００２２】前記ｐ形クラッド層が、さらに前記基板の
主面と平行方向にａ軸配向していれば、さらにＮｉＯ層
の結晶性も向上し、発光特性が良好になると共に、ＬＤ
としてもしきい電流値が下がり、非常に高性能な半導体
発光素子が得られる。

【００２３】

【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
青色系の半導体発光素子は、図１にその一実施形態であ
るＬＥＤチップの斜視説明図が示されるように、基板１
の一主面上に、ｎ形クラッド層４、活性層５およびｐ形
クラッド層６を少なくとも具備する発光層形成部８が設
けられている。そして、活性層５は基板１の一主面に垂
直方向にｃ軸配向しており、ｐ形クラッド層６がＮｉＯ
からなっていることに特徴がある。

【００２４】図１に示される例では、基板１として、Ａ
面を一主面とするサファイア基板が用いられている。こ
れは、後述するように、この上に堆積するＺｎＯ系化合
物半導体層の結晶性を良好にし、発光特性を向上させる
と共に、その上に堆積されるＮｉＯからなるｐ形クラッ
ド層６との間に良好な界面を形成するためである。しか
し、結晶性を良好にする他の手段が用いられれば、とく
に基板材料およびその一主面の結晶面には限定されず、
たとえば、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル
などのプラスチック基板、石英ガラス、パイレックス
（登録商標）ガラスなどのガラス基板、ＹＳＺ、サファ
イアなどの結晶性基板などを用いることもできる。この
場合でも、ＺｎＯ層、ＮｉＯ層などの成膜プロセスに耐
える化学的性質を有するものであることが必要である。
また、ＬＥＤで基板裏面から光を取り出す場合には、３
８０ｎｍにおける光透過率の良いものが好ましく、たと
えば５０〜１００％、さらに好ましくは８０〜１００％
の透過率を有すものが好ましい。さらに、ガラス基板や
結晶性基板は、光透過率を高めるために、両面を光学的
鏡面に研磨してあることが好ましい。

【００２５】サファイアのＡ面は、図２（ａ）にサファ
イア単結晶の代表的な面方位が、図２（ｂ）に単結晶の
Ｃ面の正面図が示されるように、Ｃ面の格子の１つおき
の格子を結ぶ線分のＣ面と垂直な面で、サファイア単結
晶の（１１−２０）の面方位で示される面である。この
面方位は６回対称で、図２（ｂ）に示されるように、１
つの六角柱にて形成される結晶で６か所ある。このＡ面
であれば、前述のようにサファイアのｃ軸長がＺｎＯの
ａ軸長の４個分に対応して、優れた結晶構造が得られる
と考えられる。しかし、必ずしもＡ面でなくても、図２
（ｂ）のＸで示されるように、Ａ面がＣ面内で回転する
ような面でもＣ面に対して直角になり、同様の結晶構造
を得ることができる。なお、このＣ面に対して直角（直
交）というのは、ほぼ直角という程度のもので、通常の
面方位の誤差である±１°程度の範囲は結晶軸長のズレ
には影響しない。

【００２６】発光層形成部８は、図１に示される例で
は、サファイア基板１上に、５ｎｍ程度の厚さのアンド
ープＺｎＯからなるバッファー層２およびＧａをドープ
したｎ形ＺｎＯからなり、１μｍ程度の厚さのコンタク
ト層３を介して設けられている。この発光層形成部８
は、ＧａドープもしくはアンドープのＭｇ_y Ｚｎ_1-y Ｏ
（０＜ｙ＜１、たとえばｙ＝０.２５）からなるｎ形ク
ラッド層４が０.５μｍ程度、Ｍｇ_x Ｚｎ_1-xＯ（０≦
ｘ＜１、かつ、クラッド層よりバンドギャップエネルギ
ーが小さくなる組成、たとえばｘ＝０）からなる活性層
５が０.３μｍ程度、ＬｉをドープしたＮｉＯからなる
ｐ形クラッド層６が０.２μｍ程度、それぞれ積層され
ることにより、ダブルヘテロ構造に形成されている。コ
ンタクト層３は、後述するｎ側電極９を形成するため、
できるだけキャリア濃度が大きい方が好ましく、１×１
０¹⁸〜１×１０²⁰ｃｍ^-3程度の範囲に形成され、ｎ形ク
ラッド層４は、高い発光効率を得るためにキャリア濃度
が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることが望ましい。

【００２７】なお、活性層５は、非発光再結合中心の形
成を避けるため、アンドープであることが好ましい。ま
た、その観点から、クラッド層の活性層５側の不純物濃
度をあまり大きくしない方がよい場合には、たとえばｐ
形層をクラッド層とコンタクト層（電流拡散層）とに分
けてコンタクト層のキャリア濃度をより大きくしたり、
１層でキャリア濃度に勾配をもたせてもよい。これらの
基板１上に積層される半導体層全てを纏めて半導体積層
部１１という。なお、ｎ形およびｐ形クラッド層４、６
は、活性層５よりバンドギャップが大きく、キャリアを
活性層５内に有効に閉じ込める効果を有するように形成
されている。これらの半導体層は、前述のＭＢＥ装置ま
たはＰＬＤ法で連続的に成長される。

【００２８】前述のように、本発明者らがこの構造の半
導体発光素子でしきい値電流の小さいＬＤを得るため、
また、ＬＥＤでも高効率で発光させるため鋭意検討を重
ねた結果、ＮｉＯ層の下地となる発光層部分の結晶性を
向上させたり、ＮｉＯ層とその下層との界面のヘテロ接
合による格子歪緩和層が数原子層以下程度になるように
成長する、などのＮｉＯ層とＺｎＯ系化合物半導体層間
の良好な界面を得る手段を講ずることにより、結晶構造
や格子定数の異なるＺｎＯ系化合物半導体層上に積層さ
れるＮｉＯ層をきれいな界面で積層することができて、
高輝度の発光素子を得ることができ、さらには基板の一
主面と垂直方向のみならず水平方向にも配向性を有する
ように形成することもでき、ＬＤ特性なども向上させる
ことができることを見出した。さらに、ＮｉＯ層６をそ
の結晶構造が基板１の一主面（半導体層が積層される表
面）に対して垂直方向のみならず、面内でも配向性を有
するように成長させることにより、より一層高特性の発
光素子が得られることを見出した。図１に示される例で
は、その下層である少なくとも活性層５の結晶構造を垂
直方向のみならず、面内でも結晶性良く配向させる構造
が用いられている。

【００２９】すなわち、図３にＡ面を主面とするサファ
イア基板１に、ＺｎＯ系化合物からなるｎ形クラッド層
４と活性層５を積層した状態における活性層５の結晶軸
の方向が示されているように、基板１の主面と垂直方向
にｃ軸配向をし、面内でａ軸配向をするようにＺｎＯ系
化合物が成長されている。この面内配向をａ軸配向にす
ると共に、前述のように、基板にＡ面を主面とするサフ
ァイア基板を用いることにより、サファイア基板１のｃ
軸長とＺｎＯ系化合物のａ軸の４倍の長さとが殆ど一致
するため、きれいに配向する。すなわち、青色系発光が
得られたＧａＮ系化合物で基板として用いられているサ
ファイア基板はＣ面を主面とする基板が用いられてお
り、ＺｎＯ系化合物を成長するのに用いる場合でも、一
般的にはＣ面を主面とするサファイア基板が用いられる
が、サファイアのａ軸長ａ_sは０.４７５４ｎｍであるの
に対して、ＺｎＯのａ軸長ａ_zは０.３２５ｎｍであるた
め、その不整合度（（ａ_z−ａ_s）／ａ_s）は−３１.６％
と大きく、ＺｎＯ系化合物自体の面内配向が充分に得ら
れていなかった。

【００３０】さらに、ＺｎＯの結晶成長時の基板温度
や、ＺｎおよびＯ元素の供給量、さらに下部の基板の表
面処理方法などにもＺｎＯの結晶性が左右され、これら
の改良によっても結晶性のよいＺｎＯ系化合物半導体層
が得られ、その上に堆積するＮｉＯ層の結晶性も改善す
ることができた。そのため、必ずしも面内でのａ軸配向
が充分に得られなくても、垂直方向にｃ軸配向させて結
晶性をよくすれば、ＮｉＯ層との界面をきれいにするこ
とができ、高輝度の半導体発光素子が得られた。

【００３１】なお、このＺｎＯ系化合物は、ａ軸方向で
６回対称であるため、１つのａ軸配向ドメインに対して
３０°回転したａ軸配向ドメインも発生し得る。この場
合、結晶間に転位が形成され得るが、このような３０°
回転ドメインが含まれていても、その上に積層されるＮ
ｉＯ層の結晶性には影響がなく、本願発明でいう、「ａ
軸方向に配向」は、このような３０°ドメインも含む意
味である。なお、ａ軸配向には、完全にａ軸が一致して
いなくても、その結晶性に影響を受けないような僅かな
角度ずれは問題がなく、それらも含む意味である。

【００３２】また、前述の基板の主面と「垂直方向にｃ
軸が配向」についても、必ずしも基板主面と完全に垂直
方向である必要はなく、ほぼ垂直方向にｃ軸が配向され
ておればよいという意味であり、たとえば図４に示され
るように、垂直方向Ｖに対して、たとえば５°程度以下
の角度θ傾いていても、活性層５の結晶性には影響しな
い。

【００３３】ＮｉＯ層６は、たとえばＮｉＯの焼結体を
ターゲットとして、ＰＬＤ法により堆積することができ
る。このＮｉＯは、熱的、化学的に安定であるため、水
により分解されることはなく、大気中で素子特性の安定
性に優れた発光素子を作製することができる。また、こ
のＮｉＯ層はドーピングしなくてもｐ形が得られるが、
アクセプタとなるＬｉなどのアルカリ金属元素をドーピ
ングすることにより、容易に電気特性を制御することが
できる。たとえばＬｉをドーピングしたＮｉＯの焼結体
をターゲットとしてＰＬＤ法によりＮｉＯ層を成膜する
と、そのＮｉＯ層（すなわちターゲット）中に含まれる
Ｌｉ濃度とゼーベック係数との関係は、図５に示される
ように、Ｌｉ濃度（ａｔ％）の増加に伴ってゼーベック
係数（μＶ／Ｋ）が減少しており、キャリア濃度が増加
していることが分る。なお、ドーパントとしては、Ｌｉ
の他にＮａ、ＫなどのＩ族元素などを用いることができ
る。

【００３４】このキャリア濃度としては、１×１０¹⁶〜
１×１０²⁰／ｃｍ^-3程度に設定される。キャリア濃度が
１×１０¹⁶／ｃｍ^-3より低いと正電極とのコンタクトを
取るのが難しく、キャリア濃度が１×１０²⁰／ｃｍ^-3よ
り高いと、リーク電流が増大するため好ましくない。前
述のように、活性層はアンドープの方が発光には好まし
いため、不純物が活性層に拡散し難くするという面で
は、キャリア濃度を余り高くすることは好ましなく、一
方、電流をチップ全体に広げるためには、また、電極と
のオーミックコンタクト特性を向上させるためには、キ
ャリア濃度が大きい方が好ましい。この観点からは、こ
のｐ形層のキャリア濃度を活性層側と電極側とで変えて
形成することが好ましい。また、ＭＢＥ法などにより堆
積する場合には、ドーパントの量を連続的に変化させて
そのキャリア濃度を連続的に変化させることもできる。

【００３５】積層された半導体積層部１１は、その一部
がエッチングにより除去されてｎ形コンタクト層３が露
出され、その露出するｎ形コンタクト層３上に、Ｔｉ／
ＡｌまたはＴｉ／Ａｕなどの積層構造からなるｎ側電極
９が真空蒸着などにより形成されている。また、ｐ形ク
ラッド層６の表面には、Ｎｉ／ＡｕまたはＰｔなどの仕
事関数の大きい金属材料を真空蒸着などにより成膜して
ｐ側電極１０がリフトオフ法などにより設けられてい
る。このｐ側電極１０は、ＮｉＯとのオーミックコンタ
クトがとれると共に、仕事関数の大きい材料が好まし
く、ＮｉがＮｉＯの酸素と反応して良好なオーミックコ
ンタクトが得られやすいと共に、仕事関数が大きく安価
であるため好ましい。この場合、その表面にＡｕ膜を設
けるとワイヤボンディングをしやすいため好ましい。

【００３６】つぎに、このＬＥＤの製法について、具体
的実施例により説明をする。前述のように、Ａ面を主面
とする（１１−２０）サファイア基板１をアセトンなど
により脱脂洗浄をし、サンプル導入室にて４００℃程度
の仮加熱をし、余分な水分や有機物を飛ばす。その後、
７×１０^-7Ｐａ以下の真空度に保たれたＭＢＥ装置に導
入し、再び７００℃程度に加熱してサーマルクリーニン
グを行った。その後、基板温度を３５０℃程度に下げ、
酸素プラズマを２分ウォームアップしてからＺｎのセル
を開け、５ｎｍのＺｎＯからなるバッファ層２を堆積し
た。引き続きＧａセルシャッタを開け、ＺｎＯからなる
コンタクト層３を１μｍ程度、さらに、Ｍｇセルシャッ
タを開け、Ｍｇ_0.25Ｚｎ_0.75Ｏからなるｎ形クラッド層
４を０.５μｍ程度、ＧａセルシャッタとＭｇセルシャ
ッタを閉め、アンドープのＺｎＯからなる活性層５を
０.３μｍ程度積層した。なお、Ｚｎ、Ｍｇは原料に固
体金属を用い、クヌーセンセルにより分子線として供給
し、Ｏ原料としては、酸素分子をプラズマでクラッキン
グすることにより発生する反応性の高いラジカル酸素を
用いた。

【００３７】その後、活性層までエピタキシャル成長さ
れたウェハをＭＢＥ装置より取り出し、ＰＬＤ法により
室温で、２×１０^-5Ｐａの酸素雰囲気中で、Ｌｉを１０
ａｔ％程度ドーピングしたＮｉＯの焼結体をターゲット
として、２００ｎｍ程度堆積し、ｐ形クラッド層６を形
成した。なお、ＰＬＤ法を用いないで、ＭＢＥ法により
Ｎｉ、Ｌｉを飛ばし、ラジカル酸素を用いて成膜するこ
ともできる。その上に、たとえばリフトオフ法を用い、
真空蒸着によりＮｉを１０ｎｍ、Ａｕを５０ｎｍそれぞ
れ成膜し、ｐ側電極１０を形成した。ついで、表面にレ
ジスト膜などを設けてホトリソグラフィによりパターニ
ングをし、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのド
ライエッチング法により半導体積層部１１の一部をエッ
チングし、ｎ形コンタクト層３を露出させた。そして、
リフトオフ法を用い真空蒸着により、Ｔｉ膜を５００ｎ
ｍほど堆積してｎ側電極９を形成した。その後、ダイシ
ングによりウェハから各チップに分割することにより、
図１に示される構造のＬＥＤチップが得られた。

【００３８】この構造のＬＥＤチップの発光特性を調べ
た結果、図６に示されるように、３８５ｎｍの波長をピ
ークとする発光特性が得られた。また、このＬＥＤの活
性層の結晶構造を調べた結果、縦方向のみならず、横方
向にもきれいに配向性を有していた。すなわち、従来
は、ＺｎＯ系化合物もサファイア基板のＣ面に成長され
ていたため、サファイアとＺｎＯ系化合物との結晶の整
合性が得られず、横方向の配向性が不充分であったの
が、本発明によれば、ＺｎＯ系化合物が横方向にもきれ
いに配向されており、その結果、ＮｉＯ層との間も非常
に良好な界面が得られていた。

【００３９】このような結晶性の優れたＺｎＯ系化合物
層上にＮｉＯ層を堆積することにより、従来の柱状構造
とは異なり、ＮｉＯ層自体も縦方向（基板面と垂直方
向）のみならず、横方向（ＮｉＯ層の面内方向）にも配
向性を有する結晶性の優れたｐ形層が得られやすい。こ
のＮｉＯ層は必ずしも縦方向および横方向に配向性を有
することを必要とはしないが、配向性を有することによ
り、ＮｉＯ層とＺｎＯ系化合物層との間に良好な界面が
得られると共に、ＮｉＯ層でのキャリア移動度を高める
ことができ、ｐ形層での電流ロス、光吸収の発生を抑制
することができ、発光特性を向上させることができる。
すなわち、非常に高輝度のＬＥＤや高性能なＬＤを得る
ためには、ＮｉＯ層が縦方向のみならず横方向にも配向
性を有することが好ましい。しかし、簡単に発光させる
という観点からは、活性層の結晶性が縦方向のみなら
ず、横方向にも配向していることにより良好に形成され
ておれば、ＮｉＯ層により高キャリア濃度のｐ形層が得
られるため、たとえばエキシトンの結合エネルギーの大
きいＺｎＯ系化合物を発光層として用いることにより、
青色系のＬＥＤを得ることができる。

【００４０】さらに前述の構造のＬＥＤでは、ＮｉＯ層
６と活性層５との界面が非常にはっきりとしており、Ｚ
ｎＯ系化合物の結晶からＮｉＯの結晶へ移行する格子歪
緩和層が数原子層以下であった。すなわち、ＺｎＯ系化
合物層の結晶性に拘わらず、ＮｉＯ層とその界面の格子
歪緩和層が５原子層程度以下になるようにＮｉＯ層が堆
積されれば、ＮｉＯ層の結晶性を良好にし得ることを見
出した。

【００４１】前述の例は、ＬＥＤの例であったが、ＬＤ
であっても同様である。この場合、半導体積層部１１が
若干異なり、たとえば図７に一例の斜視説明図が示され
ている。まず、活性層１５はアンドープのＭｇ_xＺｎ_1-x
Ｏ（０≦ｘ＜１）のバルク構造またはＺｎＯ／Ｍｇ_xＺ
ｎ_1-xＯからなるバリア層とウェル層とをそれぞれ５ｎ
ｍ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する。また、活性層１５が薄く充
分に光を活性層１５内に閉じ込められない場合には、た
とえばＺｎＯからなる光ガイド層１４、１６が活性層１
５の両側に設けられる。なお、半導体積層部１１の一部
がエッチングされて、露出するｎ形コンタクト層３にｎ
側電極９が形成されるのは、前述のＬＥＤの場合と同様
である。この場合、ｐ側電極１０はストライプ状に形成
されて、電極ストライプ構造のＬＤとして形成されてい
る。しかし、ストライプ状電極の両側の半導体積層部１
１をｐ形クラッド層の上部までをメサ型形状にエッチン
グするメサストライプ構造や、エッチングをしないでプ
ロトンなどを打ち込んだプロトン打込み型にすることも
できる。

【００４２】前述の例では、ＬＥＤとして、ダブルヘテ
ロ構造の例であったが、単純なｐｎ接合構造など他の構
造にすることもできる。また、ＬＤチップの構造も、光
ガイド層がなく他の層が設けられてもよく、前述の積層
構造に限定されるものではない。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、ｐ形層が得られ難い青
色系半導体発光素子のｐ形層として、ＮｉＯ層を用いる
ことができるようになったため、エキシトンの結合エネ
ルギーの大きいＺｎＯ系化合物などの半導体材料を発光
層として使用することができ、非常に高輝度で高特性の
青色系半導体発光素子を得ることができる。その結果、
ＤＶＤなどの記録メディアの高密度化を可能とし、高度
情報化社会の発達に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態であるＬＥＤチップの説明
図である。

【図２】サファイア単結晶の代表的な面方位の説明図で
ある。

【図３】図１に示される例の活性層における結晶方位を
示す図である。

【図４】図１に示される例の活性層におけるｃ軸方向が
基板と垂直方向から傾き得ることを説明する図である。

【図５】図１に示されるＮｉＯ層の不純物濃度とゼーベ
ック係数との関係を示す図である。

【図６】図１に示される構造のＬＥＤの波長に対する発
光特性を示す図である。

【図７】本発明の半導体発光素子の他の実施形態である
ＬＤチップの説明図である。

【符号の説明】

１Ａ面サファイア基板４ｎ形クラッド層５活性層６ｐ形クラッド層８発光層形成部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者丸田秀昭京都府京都市下京区西七条南衣田町32 グランコート西七条603 (72)発明者細野秀雄神奈川県大和市下鶴間2786−４−212 (72)発明者太田裕道神奈川県川崎市高津区千年1184 グランドールＢ−202 (72)発明者平野正浩東京都世田谷区松原５−５−６Ｆターム(参考） 5F041 AA11 CA04 CA05 CA41 CA46 CA49 CA57 CA66 5F073 AA74 CA22 CA24 CB19 DA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、該基板の一主面上に設けられ、
ｎ形クラッド層、活性層およびｐ形クラッド層を少なく
とも具備する発光層形成部とを有し、前記活性層が前記
基板の一主面に垂直方向にｃ軸配向しており、前記ｐ形
クラッド層がＮｉＯからなる半導体発光素子。
【請求項２】前記活性層が、さらに前記基板の主面と
平行方向にａ軸配向している請求項１記載の半導体発光
素子。
【請求項３】前記ｎ形クラッド層および活性層がＺｎ
Ｏ系酸化物からなる請求項１または２記載の半導体発光
素子。
【請求項４】前記基板がサファイアからなり、該基板
の一主面がサファイアの（０００１）面と直交する面で
ある請求項１、２または３記載の半導体発光素子。
【請求項５】前記ｐ形クラッド層の下面に５原子層以
下の格子歪緩和層が形成されてなる請求項１ないし４の
いずれか１項記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記ＮｉＯからなるｐ形クラッド層の結
晶構造が、前記基板の一主面と垂直方向に配向性を有し
ている請求項１ないし５のいずれか１項記載の半導体発
光素子。
【請求項７】前記ｐ形クラッド層が、さらに前記基板
の主面と平行方向にａ軸配向している請求項６記載の半
導体発光素子。