JP2004095649A

JP2004095649A - 酸化物半導体発光素子

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Publication number: JP2004095649A
Application number: JP2002251309A
Authority: JP
Inventors: Hajime Saito; 齊藤　肇
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】内部発光効率と外部光取り出し効率の両方に優れ、加えて高い信頼性と生産性を有する酸化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ＺｎＯ　系半導体発光層１４をｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層１３と　ｐ　型ＺｎＯ　系半導体層１５とで挟持し、ｎ　型ＺｎＯ　系半導体層１３の発光層１４とは反対側の面におけるキャリア濃度を、ｐ　型　ＺｎＯ　半導体層１５の発光層１４とは反対側の面におけるキャリア濃度より大きくする。ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層１３とｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層１５のキャリア濃度は発光層１４に接近するにつれて小さくなるように調整されている。これらの層のキャリア濃度は層厚全体にわたって一定としてもよい。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダ　イオードや半導体レーザなどの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、酸化亜鉛　（ＺｎＯ）系半導体を用いた酸化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化亜鉛　（ＺｎＯ）　は、約　３．４ｅＶ　のバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが　６０ｍｅＶ　と極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現出来る可能性がある。
【０００３】
なお、本明細書において、ＺｎＯ　系半導体とは、ＺｎＯ　およびこれを母体とした　ＭｇＺｎＯ　あるいは　ＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めるものとする。
【０００４】
ＺｎＯ　は強いイオン性に起因する自己補償効果のために従来　ｐ　型の導電型制御が困難であったが、アクセプタ不純物として窒素　（Ｎ）　を用いることで、ｐ　型化を実現したという発表がなされている（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．　３６　（１９９７），　ｐ．ｐ．　Ｌ１４５３　−　Ｌ１４５５，　Ｍｉｎｅｇｉｓｈｉ　ｅｔ　ａｌ．）。
【０００５】
また、ＺｎＯ　系半導体の　ｐｎ　接合を利用した発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子についても提案がなされている（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，　Ｖｏｌ．　４０　（２００１），　ｐ．ｐ．　Ｌ１７７　−　Ｌ１８０，　Ｇｕｏ　ｅｔ　ａｌ．）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＺｎＯ　中でのアクセプタ準位は非常に深く、ｐ　型化が実現した　Ｎでさえ約　３００ｍｅＶ　の活性化エネルギーを必要とする。このため、ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体中では十分に注入キャリアが拡散せず、発光ダイオード素子などにおいては、ｐ　型電極直下でしか十分な発光が得られない。
【０００７】
一方、半導体発光素子においては、注入キャリアを均一に拡散させると共に素子抵抗を低減させる目的で、ｐ　型不純物を高濃度にドーピングした低抵抗のコンタクト層を形成することが一般的に行われている。
【０００８】
しかし、ｐ　型コンタクト層で十分電流を広げても、ｐ　型クラッド層のキャリア濃度が小さければ全体的な注入効率が悪く発光効率が低いので、ｐ　型クラッド層のキャリア濃度も高くする必要がある。
【０００９】
ところが　、ＺｎＯ　系半導体は前述のように低抵抗の　ｐ　型層が得られにくく、高濃度ドープを行なうと結晶性や透光性が悪化してしまう。この問題は、クラッド層に用いられるバンドギャップの広いＭｇＺｎＯ　混晶で特に顕著である。
【００１０】
本発明は以上の課題に鑑み、内部発光効率と外部光取り出し効率の両方に優れた酸化物半導体発光素子、さらには高い信頼性と生産性をも有する酸化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ＺｎＯ　系半導体を用いた発光素子について、低抵抗化が困難な　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層を用いても十分な発光効率を得られる技術について鋭意検討した結果、電流広がりを低抵抗化が容易な　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層で補うと共に、ドーピングプロファイルを最適化することで目的が達せられることを見い出し、本発明に至った。
【００１２】
すなわち、本発明の第１の側面に係る酸化物半導体発光素子は、基板上に、　ｎ型　ＺｎＯ　系半導体層および　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層と、前記両半導体層の間に形成された　ＺｎＯ　系半導体発光層とを備えた発光素子であって、前記　ｎ　型ＺｎＯ　系半導体層の前記発光層とは反対側の面におけるキャリア濃度が、前記　ｐ　型　ＺｎＯ　半導体層の前記発光層とは反対側の面におけるキャリア濃度より大きいことを特徴とする。
【００１３】
キャリア濃度を高くするのが困難な　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層での電流広がりを、高ドープした　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層で補うことにより、電流広がりを均一化出来、光取り出し効率が向上する。このことにより、発光効率の高い発光素子を実現出来る。
【００１４】
なお、発光素子には代表的なものとして発光ダイオードおよび半導体レーザ素子が含まれる。発光素子が半導体レーザ素子の場合には、発光を司るという意味において、「活性層」と称される層が前記「発光層」に該当する。
【００１５】
前記　ｎ　型および　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層のキャリア濃度はそれぞれ、層厚全体にわたって一定であってもよいし、あるいは、前記　ｎ　型ＺｎＯ　系半導体層または前記　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層の少なくとも一方のキャリア濃度が前記発光層に接近するにつれて小さくなるように調整されていてもよい。
【００１６】
前者の場合には、層厚全体にわたってキャリア濃度が一定であるので、ドーピング制御が容易という利点がある。また、この場合には、発光素子の作製に固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法などの結晶成長手法を用いることができる。
【００１７】
一方、後者の場合には、キャリア濃度に勾配を持たせることにより、ＺｎＯ　系半導体層全体のキャリア濃度が低くても十分な電流広がりが得られ、またドーピング総量を低く抑えることが出来るので、ＺｎＯ　系半導体層の結晶性を損なわない。このことにより、発光効率が高く信頼性に優れた発光素子を実現出来る。なお、発光層と接する側でのキャリア濃度については、必ずしもｎ　型ＺｎＯ　系半導体層の方がｐ　型ＺｎＯ　系半導体層よりも大きくなくてもよく、両者が同じであってもよいし、あるいは、ｐ　型ＺｎＯ　系半導体層の方が大きくてもよい。
【００１８】
一実施形態では、前記　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層または前記　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層の少なくとも一方のキャリア濃度が、連続的な傾斜を有する。
【００１９】
キャリア濃度の勾配が連続的であれば、急峻な結晶成長条件変化を伴わないので、クラックや転位などの結晶欠陥を低減出来る。このことにより、発光効率が高く信頼性に優れた発光素子を実現出来る。
【００２０】
一実施形態では、前記　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層または前記　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層の少なくとも一方が、一定のキャリア濃度を有する単層を複数積層して構成され、前記単層のキャリア濃度が層毎に増加あるいは減少することによって段階的な傾斜を有する。
【００２１】
キャリア濃度が段階的な勾配を有することにより、レーザアブレーション法などキャリア濃度を連続的に変化させにくい製造方法においても結晶成長条件変化を緩和出来、クラックや転位などの結晶欠陥を低減出来る。このことにより、発光効率が高く信頼性に優れた発光素子を実現出来る。
【００２２】
前記　ｎ　型ＺｎＯ　系半導体層の前記発光層とは反対側の面におけるキャリア濃度は、好ましくは５×１０^１６〜１×１０^２０ｃｍ^−３、より好ましくは、５×１０^１７〜１×１０^２０ｃｍ^−３の範囲にあり、前記　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層の前記発光層とは反対側の面におけるキャリア濃度は、好ましくは　１×１０^１５〜１×１０^１９ｃｍ^−３、より好ましくは、１×１０^１６〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲にある。
【００２３】
これらのキャリア濃度範囲は、発光素子の動作電圧を低減し、かつ、キャリアによる散乱・吸収損失を防止する。このことにより、発光効率が高く省電力性に優れた発光素子を実現出来る。
【００２４】
また、前記　ｐ　型　ＺｎＯ　半導体層の不純物ドーピング濃度は、好ましくは、最大で　１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３、より好ましくは、１×１０^１９〜５×１０^２０ｃｍ^−３の範囲にある。
【００２５】
ＺｎＯ　系半導体は　ｐ　型不純物の活性化エネルギーが大きいため、キャリア濃度は通常ドーピング濃度より低くなる。ドーピング濃度を前記所定の範囲とすることにより、前記　ｐ　型　ＺｎＯ　半導体層において所望のキャリア濃度を得ることができる。
【００２６】
前記　ｐ　型または　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層の少なくとも一方が、ＺｎＯ　層と、前記　ＺｎＯ　層よりもキャリア濃度が小さくかつ前記発光層側に形成された　Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０　＜　ｘ　＜　１）層を備えていてもよい。
【００２７】
発光層を挾持する　ＺｎＯ　系半導体層を積層構造とすることで、発光層側はバンドギャップの大きい　ＭｇＺｎＯ　混晶によってキャリアを閉じ込め、発光層と反対側はキャリア活性化率が高い　ＺｎＯ　層を用いてキャリア濃度を大きく出来る。このことにより発光効率が高く動作電圧の低い発光素子を実現出来る。
【００２８】
前記積層構造は、更に組成比を細分化した　３　層以上の積層構造から成ってもよい。
【００２９】
前記発光層に　ｎ　型不純物がドーピングされていてもよい。このドーピングは前記発光層のキャリア濃度が前記　ｎ　および　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層いずれよりも低くなるように行なうのがよい。こうすることにより、発光素子は従来よりも高い発光強度を有し、また動作電圧が低減する。特にクラッド層よりドーピング濃度が低いことにより発光層へのキャリア注入効率を高く保てる。このことにより発光効率が高く省電力性に優れた発光素子を実現出来る。
【００３０】
一実施形態では、前記発光層と、前記　ｎ　型および　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層との界面において、キャリア濃度が不連続な変化を有し、前記発光層のキャリア濃度は、前記　ｎ　型および　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層の前記界面におけるキャリア濃度の１／３以下である。
【００３１】
発光層とこれを挾持する　ｎ　および　ｐ　型半導体層のキャリア濃度差が界面で　３倍以上不連続に変化することにより、ヘテロ障壁を高くしてキャリア注入効率を向上しオーバーフローを抑止出来る。このことにより発光効率が高く省電力に優れた発光素子を実現出来る。
【００３２】
一実施形態では、前記　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層上に、ｐ　型　ＺｎＯ　コンタクト層と、前記ｐ　型コンタクト層上全面に形成された透光性を有する　ｐ　型オーミック電極と、前記　ｐ　型オーミック電極上の一部に形成されたボンディング用パッド電極とを備えている。
【００３３】
ｐ　型半導体層側に透光性電極を用いることにより、発光を効率良く取り出すことが出来、更にパッド　電極が形成されていることにより、リードフレームへの実装が簡便に行なえる。このことにより発光効率と生産効率に優れた発光素子を実現出来る。
【００３４】
また、前記基板として　透光性基板を用いれば、発光を効率良く取り出すことが出来る。特に透光性基板がＺｎＯ　単結晶からなる基板であれば、エピタキシャル層との親和性に優れ、結晶欠陥の極めて小さい良好なエピタキシャル結晶を得られる。また、ＺｎＯ　基板は導電性基板であるので、基板裏面に　ｎ　型電極を形成することが出来、低抵抗で生産プロセスが簡略である。このことにより発光および生産効率に優れた発光素子を実現出来る。
【００３５】
また、発光層として量子井戸構造を用いれば、量子効果によって発光効率が飛躍的に向上すると共に、発光層を薄く出来るので、ｎ型ＺｎＯ層で均一に広がった電流を発光層全体に効率的に注入することが出来る。このことにより、発光効率が更に高い発光素子を実現できる。
【００３６】
前記量子井戸発光層にｎ型不純物がドーピングされていてもよく、特に井戸層にのみドーピングされた場合は、量子井戸層全体にドーピングされた場合に比べドーピング濃度を抑えることが出来るので、光吸収損失や結晶欠陥を低減して発光効率と信頼性に優れた発光素子を実現出来る。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【００３８】
（実施形態１）
まず、本発明の実施形態１として、層厚全体にわたってｎ　型半導体層のキャリア濃度がｐ　型半導体層のキャリア濃度よりも高くなるようにＺｎＯ　系発光ダイオード　素子を構成した例を示す。
【００３９】
図　１　は本実施形態の発光ダイオード　素子　１０　の構造断面図およびキャリア濃度プロファイルである。
【００４０】
発光ダイオード　素子　１０　は、亜鉛面を主面とする　ＺｎＯ　基板　１　上に、Ｇａ　をドープしキャリア濃度を　１×１０^１８ｃｍ^−３とした厚さ　１　μ　ｍ　の　ｎ　型　ＺｎＯ　層　２、ノンドープで厚さ　０．５　μ　ｍ　のＺｎＯ　発光層　３、Ｎ　をドープしキャリア濃度を　１×１０^１７ｃｍ^−３とした厚さ　１　μ　ｍ　の　ｐ　型　ＺｎＯ　層　４　が積層されている。
【００４１】
ＺｎＯ　基板　１　の裏面には、　ｎ　型オーミック電極　５　として、厚さ　１０００　Åの　Ａｌ
が積層されている。
【００４２】
ｐ　型　ＺｎＯ　層　４　の主表面全面には、厚さ　１５０　Åの　Ｎｉ　を積層した透光性オーミック電極　６　が積層され、透光性オーミック電極　６　上には厚さ　１０００　Åのボンディング用　Ａｕ　パッド　電極　７　が、オーミック電極　６　より小さい面積で形成されている。
【００４３】
本実施形態の発光ダイオード素子１０は、ｎ　型　ＺｎＯ　層　２　のキャリア濃度が、ｐ　型　ＺｎＯ　半導体層　４　のキャリア濃度より大きいことに特徴を有している。
【００４４】
本発明の酸化物半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー　（ＭＢＥ）法、有機金属気相成長　（ＭＯＣＶＤ）　法などの結晶成長手法で作製することが出来るが、本実施形態においては、金属　Ｚｎ　とプラズマ化した酸素ガスを用いた　ＭＢＥ　法で作製した。
【００４５】
ウェハに形成された発光ダイオード　素子１０をチップ状に分離し、Ａｇ　ペーストでリードフレームに取り付けてモールドし、発光させたところ、発光ピーク波長　３８０ｎｍ　の青紫色発光が得られた。
【００４６】
本実施形態の発光ダイオード　素子１０について、ｐ　型　ＺｎＯ　層　４　のキャリア濃度と輝度の関係を図２に示す。
【００４７】
ｐ　型　ＺｎＯ　層　４　のキャリア濃度が　１×１０^１５ｃｍ^−３　以下では正孔キャリアが少ないため輝度が低く、逆に　１×１０^１９ｃｍ^−３　以上では高ドープされた　Ｎ　の光吸収および結晶性の劣化により、輝度が急激に減少した。ｎ　型　ＺｎＯ　層　２　のキャリア濃度を変化させて調べたところ、電子キャリア濃度が高い程輝度も高いが、ｐ　型　ＺｎＯ層　４　の正孔キャリア濃度が　ｎ　型　ＺｎＯ　層　２　の電子キャリア濃度を超えると、ド　ーピング不純物による吸収損失が顕著となり、輝度は低下する傾向にある。
【００４８】
以上の検討により、ｐ　型　ＺｎＯ　層　４　のキャリア濃度が　１×１０^１５〜１×１０^１９　ｃｍ^−３の範囲にあり、ｎ型　ＺｎＯ　層　２　のキャリア濃度が　５×１０^１６〜１×１０^２０　ｃｍ^−３　の範囲にあって、且つ　ｎ　型　ＺｎＯ　層　２　のキャリア濃度が　ｐ　型　ＺｎＯ　層　４　のキャリア濃度より大きければ十分な発光強度が得られ、好ましくは、ｐ　型　ＺｎＯ　層　４　のキャリア濃度が　１×１０^１６〜５×１０^１８ｃｍ^−３　の範囲にあり、ｎ　型　ＺｎＯ　層　２　のキャリア濃度が　５×１０^１７〜１×１０^２０ｃｍ^−３　の範囲にあって、且つ　ｎ　型　ＺｎＯ　層　２　のキャリア濃度が　ｐ　型　ＺｎＯ層　４　のキャリア濃度より大きければ、更に十分な発光強度が得られることがわかった。
【００４９】
ＺｎＯ　系半導体は　ｐ　型不純物の活性化エネルギーが大きいため、キャリア濃度は通常ドーピング濃度より低くなる。このため、ｐ　型　ＺｎＯ層　４　の不純物ド　ーピング濃度は、前記　ｐ　型　ＺｎＯ　層　４　のキャリア濃度範囲１×１０^１５〜１×１０^１９　ｃｍ^−３を得るために１×１０^１８〜５×１０^２１ｃｍ^−３　の範囲にあることが好ましく、より好ましいキャリア濃度範囲１×１０^１６〜５×１０^１８ｃｍ^−３　を得るために１×１０^１９〜５×１０^２０ｃｍ^−３　の範囲にあれば更に好ましい。
【００５０】
前記キャリア濃度範囲を得るために　ＺｎＯ　半導体層４にドーピングする　ｐ　型不純物としては、Ｉ　族元素の　Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｇ　や　Ｖ　族元素の　Ｎ、Ａｓ、Ｐ　などを用いることが出来る。Ｎ　と　Ａｇ　は活性化エネルギーが小さいので特に好ましく、更に　Ｎは、　Ｎ_２　をプラズマ化し結晶成長中に照射する手法によって、結晶性を良好に保って高濃度ドーピングが行えるので好ましい。
【００５１】
また、ｎ　型不純物には　ＩＩＩ　族元素の　Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ　などを用いることが出来るが、ＺｎＯ　系半導体中での活性化率が高い　Ｇａ　または　Ａｌ　が好ましい。
【００５２】
基板材料としては、本発明の効果である発光効率を最大限に得るために、発光波長に対応する吸収係数が低い透光性基板が好ましい。
【００５３】
本実施形態で基板　１　として用いた　ＺｎＯ　単結晶は、成長層と同じ材料系であるので、結晶欠陥の生成が極めて小さく、最も好ましい。また、亜鉛面を用いることにより、ｐ　型層のキャリア活性化率が向上し　、抵抗の低い　ｐ　型層が得られやすくなるので好ましい。
【００５４】
ＺｎＯ　単結晶以外にも、サファイアや　ＬｉＧａＯ_２　などの絶縁性基板、ＳｉＣ　や　ＧａＮ　などの導電性基板を用いることが出来る。
【００５５】
絶縁性基板を用いる場合は、成長層の一部をエッチングして　ｎ　型　ＺｎＯ　層　２　を露出させ、その上に　ｎ　型オーミック電極　５　を形成すればよい。また、結晶性の良好な成長層を得るためにバッファ層を形成してもよい。
【００５６】
導電性基板を用いる場合は、本実施形態で示したように、基板裏面に　ｎ　型オーミック電極　５　を形成することが出来るので、素子抵抗が低く製造工程が簡便になるので好ましい。
【００５７】
また、基板１に入射した発光を乱反射させるために、研磨やエッチングなどの公知の手法で基板裏面に凹凸を形成すれば、光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００５８】
ｐ　型オーミック電極　６　には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ　などを用いることが出来るが、中でも低抵抗で密着性の良い　Ｎｉ　が好ましい。特に、本実施形態で示したように、素子主面全面に透光性を有する程度に薄く形成すると、電極での光吸収が小さく光取り出し効率が向上する。良好なオーミック特性と高い透光性を両立する厚みとしては　５０〜２０００　Åの範囲が好ましく、３００〜１０００　Åの範囲が更に好ましい。前記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００５９】
ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体は低抵抗層を得るのが難しいため、ｐ　型電極形成後にアニール処理を行うと、密着性が向上すると共に接触抵抗が低減するので好ましい。ＺｎＯ　結晶に欠陥を生じずにアニール効果を得るには、温度は　３００〜４００　℃が好ましい。また、アニール処理における雰囲気は　Ｏ_２　あるいは大気雰囲気が好ましく、Ｎ_２　では逆に抵抗が増大する。
【００６０】
パッド電極　７　は、透光性　ｐ　型オーミック電極　６　上の一部に、ｐ　型オーミック電極　６　より小さな面積で形成すれば、透光性電極の効果を損なわずにリードフレームへの実装プロセスが容易になるので好ましい。パッド電極　７　の材料としては、ボンディングが容易で　ＺｎＯ　中へ拡散してもドナー不純物とならない　Ａｕが好ましい。ｐ　型オーミック電極　６　とパッド電極　７　の間に密着性や光反射性を向上させる目的で他の金属層を介してもよい。
【００６１】
ｎ　型オーミック電極　５　には　Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ　などを用いることが出来る。中でも低抵抗でコストの低い　Ａｌ　あるいは密着性の良い　Ｔｉ　が好ましく、前記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。特に　Ａｌ　電極は青〜紫外光の反射率が高いため、裏面全面に形成しても光取り出し効率は高いが、電極を任意の形状にパターニングし、露出した基板裏面を　Ａｇ　ペーストなどでリードフレームに接着すれば、Ａｇ　の方が青〜紫外光の反射率が　Ａｌ　より高いため、光取り出し効率をさらに高めることができ好ましい。また、ｎ　型オーミック電極５をパターニングする場合は、素子抵抗の増大を防ぐため補助電極を形成してもよく、Ａｇ　や　Ｐｔなど青〜紫外光の反射率が高い金属を補助電極に用いれば更に好ましい。
【００６２】
その他の構成は任意であり、本実施形態によって限定されるものではない。
【００６３】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２として、いずれもキャリア濃度が発光層に接近するにつれて小さくなるように傾斜を有するｐ　型クラッドとｎ　型クラッド層とを用いてダブルヘテロ構造の　ＺｎＯ　系発光ダイオード素子を構成した例を示す。
【００６４】
図　３　は本実施形態の発光ダイオード　素子　２０　の構造断面図およびダブルヘテロ構造におけるキャリア濃度プロファイルである。
【００６５】
本実施形態の発光ダイオード　素子　２０　は、亜鉛面を主面とするＺｎＯ　基板　１１　上に、Ｇａ　をドープしキャリア濃度を　２×１０^１８ｃｍ^−３　とした厚さ　０．３　μｍ　の　ｎ　型ＺｎＯ　層　１２、Ｇａ　をドープしキャリア濃度が　１×１０^１８ｃｍ^−３　から積層方向に連続的に減少するプロファイルを有する厚さ　１　μｍ　の　ｎ　型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　クラッド層　１３、ノンドープで厚さ　０．５　μｍ　の　Ｃｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　発光層　１４、Ｎ　をドープしキャリア濃度が積層方向に連続的に増大して　１×１０^１７ｃｍ^−３　に至るプロファイルを有する厚さ　１　μｍ　の　ｐ　型　Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　クラッド層　１５、Ｎ　をドープしキャリア濃度を　２×１０^１７ｃｍ^−３　とした厚さ　０．３　μｍ　の　ｐ　型　ＺｎＯ　コンタクト層　１６　が積層されている。
【００６６】
また、実施形態　１　と同じ構成で、ｎ　型オーミック電極　１７、ｐ　型透光性オーミック電極　１８　およびパッド　電極　１９　が形成されている。
【００６７】
本実施形態は、ｎ　型　Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　クラッド層　１３　および　ｐ　型　Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　クラッド層　１５　のキャリア濃度が、ノンドープ　Ｃｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　発光層　１４　に近づくにつれて共に小さくなる傾斜を有することに特徴を有している。
【００６８】
ウェハに形成された発光ダイオード素子２０をチップ状に分離し、Ａｇ　ペーストでリードフレームに取り付けてモールドし発光させたところ、発光ピーク波長４００ｎｍ　の青色発光が得られた。また、視感度を考慮しない発光強度は、実施形態　１　に比べて　４　倍に向上した。
【００６９】
更に詳細な検討により、ＭｇＺｎＯ　クラッド層を用いたダブルヘテロ構造によって発光層にキャリアを閉じ込めた効果が実施形態　１　に比べて発光強度を　２　倍向上させ、ｎ　型および　ｐ　型クラッド層のキャリア濃度が傾斜を有することによって、電流広がり効果を保ったまま全体のキャリア濃度を減少させた効果が実施形態１　に比べて発光強度を　２　倍向上させたことがわかった。
【００７０】
更に、ｎ　型および　ｐ　型クラッド　層のキャリア濃度が傾斜を有するよう、ドーピング条件を連続的に変化させたため、急峻に変化させた実施形態　１　の場合に比べてクラッド層と発光層界面の結晶欠陥が低減し、素子寿命が　５０％向上した。
【００７１】
本実施形態では、ｎ　型　Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　クラッド層１３とｐ　型　Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　クラッド層１５の両方のキャリア濃度を傾斜させたが、いずれか一方のみを傾斜させてもよい。
【００７２】
（実施形態３）
本実施形態では、ｎ　型　Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　クラッド層および　ｐ　型　Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　クラッド　層を、一定のキャリア濃度を有する複数の層で構成し、各々の層のキャリア濃度をノンドープ　Ｃｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　発光層に近づくにつれて減少あるいは増加させることによって段階的な濃度傾斜を有するように構成した他は、実施形態　２
と同様にして、ダブルヘテロ構造の発光ダイオード素子を作製した。
【００７３】
図　４　は本実施形態の発光ダイオード　素子３０　の構造断面図およびダブルヘテロ構造におけるキャリア濃度プロファイルである。尚、図中において、符号２３、２５はそれぞれ、ｎ　型　Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　クラッド層および　ｐ　型　Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　クラッド　層を示しており、実施形態　２　と同様の構成要素については図　３　と同じ符号を用いている。
【００７４】
ウェハに形成された発光ダイオード　素子３０をチップ状に分離し、Ａｇ　ペーストでリードフレームに取り付けてモールドし発光させたところ、発光ピーク波長４００ｎｍ　の青色発光が得られた。また、発光強度および素子寿命は、実施形態　２　と同じであった。
【００７５】
このように、クラッド層キャリア濃度プロファイルは段階的な濃度傾斜を有しても本発明の効果を有する。
【００７６】
クラッド層のキャリア濃度が段階的に変化する酸化物半導体発光素子は、固体原料ターゲットをエキシマレーザなどのパルス光でアブレーションし堆積させるレーザ分子線エピタキシー　（レーザＭＢＥ）　法によっても作製することが出来る。レーザＭＢＥ　法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、また　ＺｎＧａ_２Ｏ_４　などの意図しない副生成物の生成を抑えることが出来るので特に好ましい。レーザＭＢＥ　法は原料供給がパルス状に行われるので、ドーピング濃度を連続的に傾斜させることは困難であるが、本実施形態で示したように、ドーピング濃度を段階的に傾斜させることで、本発明の効果を有する酸化物半導体発光素子を作製することが出来る。
【００７７】
（実施形態４）
本実施形態では、実施形態２のＣｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　発光層　１４　に　Ｇａ　をドーピングして　ｎ　型発光層とした他は、実施形態　２　と同様にして本発明の酸化物半導体発光素子を作製した。以下では、図３で使用した参照符号を用いて説明する。
【００７８】
ウェハに形成された本実施形態の発光ダイオード　素子をチップ状に分離し、Ａｇ　ペーストでリードフレームに取り付けてモールドし発光させたところ、発光ピーク波長　４１０ｎｍ　の青色発光が得られた。発光層　１４　に不純物をド　ーピングした場合は、励起子発光と不純物準位を介した発光が共に関与する。このため、実施形態　２　に比べて　１０ｎｍ　長波長化したものと考えられる。
【００７９】
また、発光層　１４　にドーピングを行ったので発光効率が増大し、実施形態　２　に比べて発光強度は　５０％増大した。
【００８０】
次に、ｎ　型クラッド　層　１３　および　ｐ　型クラッド　層　１５　のキャリア濃度が、発光層　１４　との界面において共に　３×１０^１６ｃｍ^−３　となるようにし、発光層　１４　のキャリア濃度を変化させて発光強度を調べた結果を図　５　に示す。
【００８１】
発光層キャリア濃度が増大するに伴って発光効率が向上し強度が増大するが、ｎ　型クラッド層　１３および　ｐ　型クラッド　層　１５　の界面キャリア濃度である　３×１０^１６ｃｍ^−３　近傍で強度は飽和し　、更に発光層キャリア濃度を増大させると、強度は逆に低下する傾向にある。この理由としては、発光層からクラッド　層へのキャリアオーバーフローが生じていると考えられる。
【００８２】
このことから、キャリアオーバーフローを抑止して発光効率を増大させるには、発光層１４のキャリア濃度は　ｎ　型および　ｐ　型クラッド層１３，１５の界面におけるキャリア濃度の　１／３　以下とし、更に前記界面でキャリア濃度が不連続に変化することが好ましい。
【００８３】
（実施形態５）
本実施形態では、実施形態２のノンドープ　Ｃｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ　発光層１４を、厚さ　５０　ÅのノンドープＺｎＯ　障壁層　８　層と、厚さ　６０　Åのノンドープ　Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ井戸層　７　層とを交互に積層した多重量子井戸構造とした他は、実施形態　２　と同様にして発光ダイオード　素子を作製した。
【００８４】
ウェハに形成された本実施形態の発光ダイオード　素子をチップ状に分離し、Ａｇ　ペーストでリードフレームに取り付けてモールドし発光させたところ、発光ピーク波長　４００ｎｍ　の青色発光が得られた。また、本実施形態では発光層を量子井戸構造としたのでキャリア閉じ込め効率と発光効率が増大し、実施形態　２　に比べて発光層が薄いにもかかわらず発光強度は　５０％増大した。
【００８５】
また、発光層に　ｎ　型不純物である　Ｇａ　をドーピングしたところ、実施形態　４　と同様の傾向を示し発光強度が増大した。ドーピングは、量子井戸構造全体に行なった場合に比べて井戸層のみにドーピングした方が、発光強度は　１５％高かった。障壁層のみにドーピングした場合は、量子井戸構造全体に行なった場合と発光強度はほぼ同じであったが、動作電圧が　５％上昇した。
【００８６】
（実施形態６）
次に、実施形態６として、ＺｎＯ　系半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示す。
【００８７】
図　６　は本実施形態の　ＺｎＯ　系半導体レーザ素子　１００　の構造斜視図である。この半導体レーザ素子１００は、亜鉛面を主面とした　ｎ　型　ＺｎＯ　単結晶基板　１０１　上に、キャリア濃度　２×１０^１８ｃｍ^−３　で厚さ　０．３　μｍ　の　ｎ　型　ＺｎＯ　バッファ層　１０２、最大キャリア濃度　１×１０^１８ｃｍ^−３　で厚さ１．０　μｍ　の　ｎ　型　Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ　クラッド層　１０３、キャリア濃度　５×１０^１７ｃｍ^−３　で厚さ　３００　Åの　ｎ　型ＺｎＯ　光ガイド層　１０４、ノンドープ量子井戸活性層　１０５、キャリア濃度　５×１０^１６ｃｍ^−３　で厚さ　３００　Åの　ｐ　型　ＺｎＯ　光ガイド層　１０６、最大キャリア濃度　１×１０^１７ｃｍ^−３　で厚さ　１．０　μｍ　の　ｐ　型　Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏクラッド層　１０７、キャリア濃度　２×１０^１７ｃｍ^−３　で厚さ　０．５　μｍ　の　ｐ　型　ＺｎＯ　コンタクト層　１０８　が積層されている。
【００８８】
ｎ　型　Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ　クラッド層　１０３　および　ｐ　型　Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ　クラッド層　１０７は、実施形態　２　と同様に連続的なキャリア濃度傾斜を有している。
【００８９】
ノンドープ量子井戸活性層　１０５　は、厚さ　５０　Åの　Ｍｇ_０．０５Ｚｎ_０．９５Ｏ　障壁層　２　層と、厚さ　６０　ÅのＣｄ_０．０５Ｚｎ_０．９５Ｏ　井戸層　３　層とが交互に積層されている。
【００９０】
ｐ　型　Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ　クラッド層　１０７は、リッジストライプ状にエッチング加工され、側面は　Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏより成る　ｎ　型電流ブロック層　１０９　によって埋め込まれている。
【００９１】
また、ＺｎＯ　基板　１　の下には　ｎ　型オーミック電極　１１０　が形成され、ｐ　型　ＺｎＯ　コンタクト層　１０８　の上には　ｐ　型オーミック電極　１１１　が形成されている。
【００９２】
本実施形態の構造を作製後、ＺｎＯ　基板を劈開して端面ミラーを形成し、保護膜を真空蒸着した後、素子を　３００　μｍ　に分離した。
【００９３】
本実施形態の半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長　４００ｎｍ　の青色発振光が得られた。
【００９４】
本実施形態の　ＺｎＯ　系半導体レーザ素子は、ｐ　型　Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ　クラッド層　１０７が　ｎ　型　Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏクラッド　層　１０３　と同じキャリア濃度である場合に比べて発振閾値電流が　５０％低減し、また　ｎ　型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ　クラッド　層　１０３　および　ｐ　型　Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ　クラッド　層　１０７　が、前記最大キャリア濃度に相当する一定キャリア濃度である場合に比べて発振閾値電流が　３０％低減した。
【００９５】
半導体レーザ素子の場合には、電流ブロック層で狭窄された電流通路にのみキャリアを注入するので、電流が均一に広がる効果の寄与は少ないが、本発明によって不純物のドーピング総量を低減出来るため、キャリア吸収損失が減少して発振閾値電流が減少したものと考えられる。
【００９６】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の半導体発光素子は、内部発光効率と外部光取り出し効率の両方が向上し、発光特性、信頼性および生産性が改善され優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の発光ダイオード　素子の構造断面図およびキャリア濃度プロファイルである。
【図２】実施形態１の発光ダイオード素子について、ｐ型ＺｎＯ層のキャリア濃度と輝度の関係を示した図である。
【図３】実施形態２の発光ダイオード　素子の構造断面図およびダブルヘテロ構造におけるキャリア濃度プロファイルである。
【図４】実施形態３の発光ダイオード　素子の構造断面図およびダブルヘテロ構造におけるキャリア濃度プロファイルである。
【図５】実施形態４の発光ダイオード　素子について、発光層のキャリア濃度と発光強度の関係を示した図である。
【図６】実施形態６の半導体レーザ素子の構造斜視図である。
【符号の説明】
１、１１、１０１　　ＺｎＯ　基板
２、１２　　　　　ｎ　型　ＺｎＯ　層
３　　　　　　　ＺｎＯ　発光層
４　　　　　　　ｐ　型　ＺｎＯ　層
５、１７、１１０　　ｎ　型オーミック電極
６、１８、１１１　　ｐ　型オーミック電極
７、１９　　　　　パッド　電極
１０、２０、３０　　発光ダイオード素子
１３、２３、１０３　ｎ　型　ＭｇＺｎＯ　クラッド層
１４　　　　　　ＣｄＺｎＯ　発光層
１５、２５、１０７　ｐ　型　ＭｇＺｎＯ　クラッド層
１６、１０８　　　ｐ　型　ＺｎＯ　コンタクト層
１００　　　　　半導体レーザ素子
１０２　　　　　ｎ　型　ＺｎＯバッファ層
１０４　　　　　ｎ　型　ＺｎＯ　光ガイド層
１０５　　　　　量子井戸活性層
１０６　　　　　ｐ　型　ＺｎＯ　光ガイド層
１０９　　　　　ｎ　型　ＭｇＺｎＯ　電流ブロック層

Claims

基板上に、　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層および　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層と、前記両半導体層の間に形成された　ＺｎＯ　系半導体発光層とを備え、
前記　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層の前記発光層とは反対側の面におけるキャリア濃度が、前記　ｐ　型　ＺｎＯ　半導体層の前記発光層とは反対側の面におけるキャリア濃度より大きいことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
前記　ｎ　型および　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層のキャリア濃度はそれぞれ、層厚全体にわたって一定である請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
前記　ｎ　型ＺｎＯ　系半導体層または前記　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層の少なくとも一方のキャリア濃度が前記発光層に接近するにつれて小さくなるように調整されている請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
前記　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層または前記　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層の少なくとも一方のキャリア濃度が、連続的な傾斜を有する請求項３記載の酸化物半導体発光素子。
前記　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層または前記　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層の少なくとも一方が、一定のキャリア濃度を有する単層を複数積層して構成され、前記単層のキャリア濃度が層毎に増加あるいは減少することによって段階的な傾斜を有する請求項　３　記載の酸化物半導体発光素子。
前記　ｎ　型ＺｎＯ　系半導体層の前記発光層とは反対側の面におけるキャリア濃度が　５×１０^１６　〜　１×１０^２０ｃｍ^−３　であり、前記　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層の前記発光層とは反対側の面におけるキャリア濃度が　１×１０^１５　〜　１×１０^１９ｃｍ^−３　の範囲にある請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
前記ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層の不純物ドーピング濃度が最大で１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３の範囲にある請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
前記　ｐ　型または　ｎ　型　ＺｎＯ　系半導体層の少なくとも一方が、ＺｎＯ　層と、前記　ＺｎＯ　層よりもキャリア濃度が小さくかつ前記発光層側に形成された　Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０　＜　ｘ　＜　１）層を備えている請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
前記発光層に少なくともｎ　型不純物がドーピングされ、前記発光層のキャリア濃度は前記　ｎ　型および　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層いずれよりも低い請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
前記発光層と、前記　ｎ　型および　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層との界面において、キャリア濃度が不連続な変化を有し、前記発光層のキャリア濃度は、前記　ｎ　型および　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層の前記界面におけるキャリア濃度の１／３以下である請求項９記載の酸化物半導体発光素子。
前記　ｐ　型　ＺｎＯ　系半導体層上に、ｐ　型　ＺｎＯ　コンタクト層と、前記ｐ　型コンタクト層上全面に形成された透光性を有する　ｐ　型オーミック電極と、前記　ｐ　型オーミック電極上の一部に形成されたボンディング用パッド電極とを備えた請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
前記基板が透光性を有する請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
前記透光性を有する基板が　ＺｎＯ　単結晶からなる請求項１２記載の酸化物半導体発光素子。
前記発光層が量子井戸構造である請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
前記量子井戸発光層の少なくとも井戸層に、少なくともｎ型不純物がドーピングされている請求項１４記載の酸化物半導体発光素子。