【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、信頼性に優れ、低電圧で動作する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あり、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、以下において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し、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上の各層がＺｎＯ系半導体で構成されてなる。
【０００４】
ＺｎＯ系半導体は、青色〜紫外領域の発光素子として既に実用化されているＩＩＩ族窒化物半導体と同じ六方晶の結晶構造を有し、熱膨張係数や格子定数がＧａＮに極めて近いことから、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスで一般に用いられているサファイアやＳｉなどの基板上にエピタキシャル薄膜を積層し、発光素子を作製する研究がなされている。
【０００５】
例えば、特開２００１−４４４９９号公報には、Ｓｉ基板上にシリコンチッ化膜を形成し、その上にＺｎＯ系半導体薄膜を結晶成長する技術が開示されている。また、特開２００１−４４５００号公報には、サファイア基板のＡ面（１１−２０）を主面として用い、その上にＺｎＯ系半導体薄膜を結晶成長する技術が開示されている。
【０００６】
これらＳｉやサファイアは、コストが低く、極めて高品質な基板結晶を得ることが出来るが、ＩＩＩ族窒化物半導体やＺｎＯ系半導体とは格子定数差が十数％以上と極めて大きく、エピタキシャル結晶中には多くの結晶欠陥が発生する。
【０００７】
このような基板との格子不整合による欠陥を低減するために、半導体デバイスにおいては、基板とエピタキシャル層の間にバッファ層を介在させ、格子歪や成長初期の表面荒れを低減させて、良質なエピタキシャル層を得る技術が一般的に用いられている。
【０００８】
前記異種基板を主としたＩＩＩ族窒化物半導体の成長においては、低温成長させたＧａＮやＡｌＮ、ＩｎＧａＮ混晶をバッファ層に用いる技術が多く開示されており、ＺｎＯ系半導体に関しても、例えば再公表特許ＷＯ ００／１６４１１号において、ＭｇＺｎＯやＡｌ２Ｏ３、低温成長させたＺｎＯおよびＡｌＧａＮなどをバッファ層に用いる技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−４４４９９号公報
【特許文献２】
特開２００１−４４５００号公報
【特許文献３】
国際公開ＷＯ ００／１６４１１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＩＩ族窒化物半導体の成長においては、前記バッファ層の介在によって２次元の横方向成長が促成されるため、良質なエピタキシャル薄膜が得られる。
【００１１】
しかし、ＺｎＯ系半導体の場合は、これらバッファ層を形成しても界面エネルギーの減少割合が小さく、格子定数差の大きい前記基板上では結晶性が顕著に改善されないという問題があった。
【００１２】
本発明は以上の課題に鑑み、エピタキシャル層の欠陥を低減し、高い信頼性と発光効率を有する酸化物半導体発光素子を提供する。
【００１３】
【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、格子歪などに起因したエピタキシャル層の結晶欠陥を低減する技術について鋭意検討した結果、ｎ型不純物として用いられるＩｎをドーピングしたＺｎＯ系半導体層が、結晶欠陥の抑制に極めて効果的であることを見い出し本発明に至った。
【００１４】
すなわち、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体で構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層が順次積層されて成る酸化物半導体発光素子において、前記基板と前記ｎ型クラッド層の間にＩｎをドープしたｎ型ＺｎＯ系半導体層が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
なお、前記「活性層」は、発光ダイオード素子の場合には「発光層」と称されるが、発光を司る層という意味において同義であるので、以下においては特に区別しない。
【００１６】
ｎ型不純物であるＩｎはＺｎと置換することによりドナーとなる。Ｚｎのイオン半径が０．７４Åであるのに対し、Ｉｎのイオン半径は０．８１Åであり、他のｎ型不純物であるＧａ（０．６２Å）やＡｌ（０．５０Å）よりもＺｎのイオン半径に近いので、Ｚｎ原子を置換しやすい。このため、結晶欠陥や格子歪を抑制してＺｎＯ系半導体中に高濃度にドーピングすることが出来る。
また、Ｉｎ化合物はＧａ化合物やＡｌ化合物に比べ弾性定数が小さいため、結晶中に格子歪による応力を生じてもこれを緩和する効果が生じ、特にＩｎが高濃度にドーピングされていることにより、応力緩和効果が極めて高くなる。
このことにより、素子抵抗低減と信頼性向上を両立出来る。
【００１７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型ＺｎＯ系半導体層のＩｎドーピング濃度が１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３、好ましくは５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲にある。
【００１８】
Ｉｎを前記所定のドーピング濃度に制御することにより、素子抵抗を低減して動作電圧を低く出来ると共にキャリア散乱・吸収損失を生じない。
【００１９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記基板が絶縁性基板であり、前記ＩｎをドープしたＺｎＯ系半導体層が露出部を有し、前記露出部上にｎ型オーミック電極が形成されて成る。
【００２０】
前記基板が絶縁性基板であり、前記ＩｎをドープしたＺｎＯ系半導体層が露出部を有し、前記露出部上にｎ型オーミック電極が形成されて成るので、接触抵抗が低減し、動作電圧を低く出来る。
【００２１】
異種絶縁基板は格子不整合が大きいのと共に、基板から電極を取り出せないため、素子が高抵抗化するが、Ｉｎを高濃度にドープしたｎ型ＺｎＯ系半導体層をコンタクト層として電極を形成することにより、接触抵抗が低減し、動作電圧を低く出来る。
【００２２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記絶縁性基板がサファイアである。格子定数の大きく異なるサファイア基板を用いても欠陥が発生しにくく、低コストで光透過率の高いメリットを生かせる。
【００２３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記基板が導電性基板であり、前記導電性基板の裏面にｎ型オーミック電極が形成されて成る。
【００２４】
異種導電性基板は裏面に電極を形成出来る反面、格子不整合が大きいが、Ｉｎドープｎ型ＺｎＯ系半導体層をバッファ層として設けることにより、欠陥や格子歪が低減し、発光強度と信頼性を向上出来る。
【００２５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記導電性基板が、６Ｈ−ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＧａＮのいずれかである。
【００２６】
格子定数の大きく異なる６Ｈ−ＳｉＣ基板を用いても欠陥が発生しにくく、低コストで光透過率の高いメリットを生かせる。また、格子整合するＺｎＯやＧａＮ基板を用いた場合でも、ＩｎドープＺｎＯ系半導体層を形成することによってエピタキシャル層の結晶性が向上し、素子の故障率が低い。
【００２７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型クラッド層にＩｎがドープされている。
【００２８】
ｎ型クラッド層にＩｎがドープされていることにより、更に格子歪緩和効果が高い。
【００２９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記活性層にＩｎがドープされている。活性層にＩｎがドープされていることにより、活性層の欠陥増殖抑制効果が高い。
【００３０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｐ型ＺｎＯコンタクト層のドーピング濃度が１×１０１７〜１×１０２１ｃｍ−３、好ましくは１×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３である。
【００３１】
本発明によって高い発光効率と低い動作電圧を最大限の効果で得るためには、低抵抗なｐ型コンタクト層を形成して活性層へ高効率にキャリアを注入することが好ましいが、ＺｎＯ系半導体は低抵抗な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。ｐ型コンタクト層を前記所定のドーピング濃度に制御することにより、キャリア散乱・吸収損失を抑制して高い発光効率が得られると共に、素子抵抗を低減して動作電圧を低く出来る。
【００３２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｐ型ＺｎＯコンタクト層上全面に、透光性のｐ型オーミック電極が形成されて成る。
本発明によって高い発光効率と低い動作電圧を最大限の効果で得るためには、コンタクト層全面に透明電極が形成されていることが好ましく、このことにより光取り出し効率が向上すると共に動作電圧が低減する。
【００３３】
【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。
【００３４】
（実施形態１）
本実施形態では、サファイア基板およびＩｎドープＺｎＯバッファ層を用いてＺｎＯ系発光ダイオード素子を構成した例を示す。
【００３５】
図１は本実施形態の発光ダイオード素子１０の模式的構造断面図である。
本実施形態の発光ダイオード素子１０は、サファイアＣ面（０００１）を主面とする基板１上に、Ｉｎが１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．１μｍのｎ型ＺｎＯ層２、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３、厚さ０．１μｍのノンドープＺｎＯ発光層４、Ｎが１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層５、Ｎが５×１０２０ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．３μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層６が積層されている。
【００３６】
ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３からｐ型ＺｎＯコンタクト層６までのエピタキシャル層は一部がエッチングされ、露出したＩｎドープｎ型ＺｎＯ層２の表面には、ｎ型オーミック電極７として厚さ１０００ÅのＡｌが積層されている。
ｐ型ＺｎＯコンタクト層６の主表面全面には、厚さ１５０ÅのＮｉを積層した透光性のｐ型オーミック電極８が積層され、ｐ型オーミック電極８上には厚さ１０００Åのボンディング用Ａｕパッド電極９が、ｐ型オーミック電極８より小さい面積で形成されている。
本発明は、基板１とＺｎＯ系半導体エピタキシャル層（３）の間に、ＩｎドープＺｎＯ系半導体層を形成したことを特徴としている。
【００３７】
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、レーザ分子線エピタキシー（レーザ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、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ＺｎＩｎ２Ｏ４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。
【００３８】
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３８０ｎｍの青紫色発光が得られた。
【００３９】
本実施形態の発光ダイオード素子について、ｎ型ＺｎＯ層２のＩｎドーピング濃度と素子特性の関係を図２に示す。
Ｉｎドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上で、発光強度・動作電圧および素子寿命が改善されるが、１×１０２１ｃｍ−３以上では過剰なドーピング濃度のため透光性および結晶性が逆に劣化し素子特性が悪化する。
【００４０】
以上の結果より、ｎ型ＺｎＯ層２のＩｎドーピング濃度は、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲が好ましく、更には５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲で調整されることが好ましい。
【００４１】
ＩｎドープＺｎＯ層２の膜厚は、０．００１〜１μｍ、好ましくは０．００５〜０．５μｍ、更に好ましくは０．０１〜０．１μｍの範囲に調整する。
【００４２】
このようにして形成されたＩｎドープｎ型ＺｎＯ層２は、格子歪や結晶欠陥の増殖を抑制するバッファ層としての効果が極めて高い。
【００４３】
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い。更にＮは、Ｎ２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。
【００４４】
また、ｎ型ＺｎＯ層２以外の層にドーピングするｎ型不純物は、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどを用いることが出来るが、これらの層にもＩｎをドーピングすることが好ましい。
【００４５】
本実施形態においては、基板材料としてサファイアを用いたが、Ｓｉ基板でも本発明の効果である結晶欠陥の低減効果は発揮される。しかし、発光効率改善効果を最大限に得るためには、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く、サファイアの他にはＬｉＧａＯ２やＭｇＡｌ２Ｏ３などを用いることが出来る。特に、低コストで良質な結晶が得られ、ＺｎＯ系半導体と同じ酸化物である点で親和性に優れるサファイア基板が好ましい。また、成長主面としては、本実施形態で適用したＣ面（０００１）以外にＡ面（１１−２０）を用いてもよい。
【００４６】
また、基板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。
【００４７】
本発明の高い発光効率と低い動作電圧を最大限の効果で得るためには、ｐ型ＺｎＯコンタクト層６に、ｐ型不純物を高ドープし低抵抗化することが好ましいが、過剰にドーピングされるとキャリア損失および結晶性劣化が顕著となるので、５×１０１６〜５×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度範囲となるようドーピングされることが好ましく、ｐ型不純物の活性化率を考慮すると、ドーピング濃度は１×１０１７〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲が好ましい。
【００４８】
ｐ型オーミック電極８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。前記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００４９】
また、本発明の高い発光効率と低い動作電圧を最大限の効果で得るためには、ｐ型オーミック電極８が透光性を有するように形成して光取り出し効率を向上させることが好ましい。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５０〜２０００Åの範囲が好ましく、３００〜１０００Åの範囲が更に好ましい。
【００５０】
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Ｏ２あるいは大気雰囲気中が好ましく、Ｎ２では逆に抵抗が増大する。
【００５１】
パッド電極９は、透光性ｐ型オーミック電極８上の一部に、ｐ型オーミック電極８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９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８とパッド電極９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。
【００５２】
ｎ型オーミック電極７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が好ましい。前記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００５３】
導電性基板を用いて基板裏面にｎ型オーミック電極７を設ける場合、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しても良く、Ａｇの方が青〜紫外光の反射率がＡｌより高いため好ましい。また、ｎ型オーミック電極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。
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。
【００５４】
（実施形態２）
本実施形態では、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３のｎ型不純物を、Ｇａに代えてＩｎとした他は、実施形態１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。
【００５５】
Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３へのＩｎドーピング濃度は１×１０１８ｃｍ−３とした。
本実施形態の発光ダイオード素子も実施形態１と同様に、発光ピーク波長３８０ｎｍの青紫色発光が得られたが、動作電圧が１０％低減し、素子寿命が３０％向上した。
【００５６】
このように、ｎ型クラッド層にもＩｎがドープされていることにより、更に結晶欠陥の増殖が抑制される効果が高くなる。
【００５７】
（実施形態３）
本実施形態では、ノンドープＺｎＯ発光層４を、厚さ５０ÅのＭｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ障壁層１１層と、厚さ６０ÅのＺｎＯ井戸層１０層とを交互に積層した多重量子井戸構造とし、ＺｎＯ井戸層にＩｎを５×１０１６ｃｍ−３の濃度でドーピングした他は、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。
【００５８】
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３９０ｎｍの青紫色発光が得られた。
【００５９】
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。また、動作電圧が１０％低減し、素子寿命が３０％向上した。
【００６０】
比較例として、井戸層のｎ型不純物をＧａに代えて同様に発光ダイオード素子を作製したところ、発光強度は本実施形態と同じであったが、素子寿命が３０％短かくなった。
【００６１】
このように、発光層が量子井戸構造であっても本発明の効果は変らず、Ｉｎがドープされていることにより、更に結晶欠陥の増殖が抑制される効果が高くなる。
【００６２】
なお、Ｉｎ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１０％上昇した。
【００６３】
（実施形態４）
図３は本実施形態のＺｎＯ系発光ダイオード素子の構造断面図である。尚、図中において、実施形態３と同様の構成要素については図１と同じ符号を用いている。
【００６４】
本実施形態では、量子井戸発光層４を構成する井戸層組成をＣｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏとして波長４３０ｎｍの青色発光を得ると共に、基板１に６Ｈ−ＳｉＣ基板のＣ面（０００１）を用い、ｎ型オーミック電極７を６Ｈ−ＳｉＣ基板１の裏面に形成した。その他は実施形態３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。
【００６５】
比較例として、ｎ型ＺｎＯ層２の不純物をＧａに代えて同様に発光ダイオード素子を作製したところ、発光強度は本実施形態より３０％低減し、素子寿命が６０％短かくなった。
【００６６】
（実施形態５）
本実施形態では、ＺｎＯ系半導体レーザ素子に、本発明を適用した例を示す。
図４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。
本実施形態の半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｉｎドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３で厚さ０．３μｍのｎ型ＺｎＯ層１０２、Ｉｎドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０３、Ｉｎドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３で厚さ３００Åのｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４、量子井戸活性層１０５、Ｎドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ３００Åのｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６、Ｎドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０７、Ｎドーピング濃度が５×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８が積層されている。
【００６７】
量子井戸活性層１０５は、厚さ５０ÅのＺｎＯ障壁層２層と、厚さ６０ÅのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層３層とが交互に積層され、井戸層のみにＩｎが５×１０１６ｃｍ−３の濃度でドーピングされている。
【００６８】
ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ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、Ｉｎが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされたＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ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。
【００６９】
また、ＺｎＯ基板１０１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。
【００７０】
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３００μｍに分離した。
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。
【００７１】
本実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、ｎ型不純物を全てＧａで構成した場合に比べて発振閾値電流が５０％低減し、素子寿命が８０％長くなった。
【００７２】
半導体レーザ素子は、発振光が高いエネルギー密度を有するので、駆動中に結晶欠陥などが増殖して素子劣化に至りやすいが、本発明のＩｎドープＺｎＯ層をバッファ層として用い、ｎ型クラッド層や活性層の不純物をＩｎとすることにより、ＺｎＯ単結晶を基板に用いた場合でも、明らかに素子特性が向上することがわかる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の酸化物半導体発光素子によると、基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体で構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層が順次積層されて成る酸化物半導体発光素子において、前記基板と前記ｎ型クラッド層の間にＩｎをドープしたｎ型ＺｎＯ系半導体層が形成されているので、このｎ型ＺｎＯ系半導体層にｎ型不純物を高ドーピング出来ると共に、このｎ型ＺｎＯ系半導体層上にエピタキシャル成長される半導体層の格子歪を緩和する効果が極めて高く、素子抵抗低減と信頼性向上を両立出来る。
【００７４】
前記ｎ型ＺｎＯ系半導体層のＩｎドーピング濃度を１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲にすることにより、素子抵抗を低減して動作電圧を低く出来ると共にキャリア散乱・吸収損失を生じず、高い発光効率を有する発光素子を作製出来る。
【００７５】
前記基板として絶縁性基板を使用する場合、前記ＩｎをドープしたＺｎＯ系半導体層を露出させ、該露出部上にｎ型オーミック電極が形成することにより、接触抵抗を低減させ、動作電圧を低く出来る。
【００７６】
前記絶縁性基板としてサファイアを使用すると、透過率の高いメリットを生かして発光素子を作製出来る。
【００７７】
前記基板として導電性基板を使用すると、該導電性基板の裏面にｎ型オーミック電極を形成できるので、基板上にエピタキシャル成長される半導体層の欠陥や格子歪が低減し、発光強度が向上すると共に動作電圧を低減出来る。
【００７８】
前記導電性基板として６Ｈ−ＳｉＣを使用すると、低コストで光透過率の高い６Ｈ−ＳｉＣ基板のメリットを生かせる。また、格子整合基板（ＺｎＯまたはＧａＮ）を用いる場合でも、エピタキシャル層の結晶性が向上し、故障率が低い素子とすることができる
【００７９】
前記ｎ型クラッド層にＩｎをドープすると、更に格子歪緩和効果が高く、信頼性に優れた発光素子を実現出来る。
【００８０】
前記活性層にＩｎをドープすると、活性層の欠陥増殖抑制効果が高く、更に信頼性に優れた発光素子を実現出来る。
【００８１】
前記ｐ型ＺｎＯコンタクト層のドーピング濃度を１×１０１７〜１×１０２１ｃｍ−３に調整することにより、キャリア注入効率が向上し発光効率が高まると共に、素子抵抗が低減して動作電圧が低くなる。
【００８２】
前記ｐ型ＺｎＯコンタクト層上全面に、透光性のｐ型オーミック電極を形成することにより、光取り出し効率を向上させ、且つ動作電圧を低減させることが出来る。
【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模式的構造断面図。
【図２】実施形態１における発光ダイオード素子のｎ型ＺｎＯ層のＩｎドーピング濃度と素子特性（（ａ）素子寿命、（ｂ）動作電圧、（ｃ）発光強度）の関係を示す図。
【図３】実施形態４の発光ダイオード素子の模式的構造断面図。
【図４】実施形態５の半導体レーザ素子の構造斜視図。
【符号の説明】
１、１０１；基板
２、１０２；ｎ型ＺｎＯ層
３、１０７；ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
４；ＺｎＯ発光層
５、１０３；ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
６、１０８；ｐ型ＺｎＯコンタクト層
７、１１０；ｎ型オーミック電極
８、１１１；ｐ型オーミック電極
９；パッド電極
１０；発光ダイオード素子
１００；半導体レーザ素子
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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode and a semiconductor laser, and more particularly, to an oxide semiconductor light emitting device having excellent reliability and operating at a low voltage.
[0002]
[Prior art]
Zinc oxide (ZnO) is a direct transition semiconductor having a band gap energy of about 3.4 eV. The exciton binding energy is as high as 60 meV. The raw material is inexpensive, harmless to the environment and the human body. There is a possibility that a light-emitting device having features such as simplicity, high efficiency, low power consumption, and excellent environmental performance can be realized.
[0003]
In the following, a ZnO-based semiconductor includes ZnO and a mixed crystal represented by MgZnO or CdZnO or the like based on ZnO. In the oxide semiconductor light-emitting element of the present invention, each layer on the substrate is a ZnO-based semiconductor. It consists of.
[0004]
A ZnO-based semiconductor has the same hexagonal crystal structure as a group III nitride semiconductor already practically used as a light emitting element in the blue to ultraviolet region, and has a thermal expansion coefficient and a lattice constant very close to GaN. Studies have been made on stacking an epitaxial thin film on a substrate of sapphire, Si, or the like generally used in group nitride semiconductor devices to produce a light emitting device.
[0005]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-44499 discloses a technique in which a silicon nitride film is formed on a Si substrate, and a ZnO-based semiconductor thin film is grown thereon. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-44500 discloses a technique in which the A-plane (11-20) of a sapphire substrate is used as a main surface, and a ZnO-based semiconductor thin film is crystal-grown thereon.
[0006]
These Si and sapphire are low in cost and can obtain very high-quality substrate crystals, but have a very large lattice constant difference of more than 10% or more from group III nitride semiconductors and ZnO-based semiconductors. Causes many crystal defects.
[0007]
In order to reduce defects due to such lattice mismatch with the substrate, in a semiconductor device, a buffer layer is interposed between the substrate and the epitaxial layer to reduce lattice distortion and surface roughness at the initial stage of growth, thereby improving quality. A technique for obtaining an epitaxial layer is generally used.
[0008]
In the growth of a group III nitride semiconductor mainly composed of the heterogeneous substrate, many techniques using a low-temperature-grown GaN, AlN, or InGaN mixed crystal for a buffer layer have been disclosed. Patent WO 00/16411 discloses a technique in which MgZnO or Al 2 O 3 , ZnO or AlGaN grown at low temperature, or the like is used for a buffer layer.
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2001-44499 A [Patent Document 2]
JP 2001-44500 A [Patent Document 3]
International Publication WO 00/16411
[Problems to be solved by the invention]
In the growth of the group III nitride semiconductor, two-dimensional lateral growth is promoted by the interposition of the buffer layer, so that a high-quality epitaxial thin film can be obtained.
[0011]
However, in the case of a ZnO-based semiconductor, even if these buffer layers are formed, there is a problem that the reduction ratio of the interface energy is small and the crystallinity is not significantly improved on the substrate having a large lattice constant difference.
[0012]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides an oxide semiconductor light-emitting element that reduces defects in an epitaxial layer and has high reliability and luminous efficiency.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies on a technique for reducing crystal defects in an epitaxial layer caused by lattice distortion or the like in a light emitting device using a ZnO-based semiconductor, and as a result, have found that a ZnO-based semiconductor layer doped with In used as an n-type impurity. However, they have found that they are extremely effective in suppressing crystal defects, and have reached the present invention.
[0014]
That is, the oxide semiconductor light emitting device of the present invention is an oxide semiconductor in which at least an n-type clad layer, an active layer, a p-type clad layer, and a p-type contact layer composed of a ZnO-based semiconductor are sequentially laminated on a substrate. In the light emitting device, an n-type ZnO-based semiconductor layer doped with In is formed between the substrate and the n-type cladding layer.
[0015]
The “active layer” is referred to as a “light-emitting layer” in the case of a light-emitting diode element, but has the same meaning as a layer that controls light emission, and is not particularly distinguished below.
[0016]
In, which is an n-type impurity, becomes a donor by substituting for Zn. Zn has an ionic radius of 0.74 °, whereas In has an ionic radius of 0.81 °, which is smaller than that of other n-type impurities such as Ga (0.62 °) and Al (0.50 °). Since it is close to the radius, it is easy to substitute Zn atoms. For this reason, the ZnO-based semiconductor can be doped at a high concentration while suppressing crystal defects and lattice distortion.
In addition, since the In compound has a smaller elastic constant than the Ga compound and the Al compound, even if stress due to lattice strain is generated in the crystal, an effect of alleviating the stress is produced. In particular, since In is doped at a high concentration, The stress relaxation effect becomes extremely high.
This makes it possible to achieve both a reduction in element resistance and an improvement in reliability.
[0017]
In one embodiment, the n-type ZnO-based semiconductor layer has an In doping concentration of 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 , preferably 5 × 10 19 to 5 × 10 20 cm −3. In the range.
[0018]
By controlling In to the predetermined doping concentration, the device resistance can be reduced and the operating voltage can be reduced, and carrier scattering and absorption loss do not occur.
[0019]
In one embodiment, the substrate is an insulating substrate, the In-doped ZnO-based semiconductor layer has an exposed portion, and an n-type ohmic electrode is formed on the exposed portion. .
[0020]
Since the substrate is an insulating substrate, the In-doped ZnO-based semiconductor layer has an exposed portion, and an n-type ohmic electrode is formed on the exposed portion, so that contact resistance is reduced and operating voltage is reduced. Can be lowered.
[0021]
Since the heterogeneous insulating substrate has a large lattice mismatch and the electrode cannot be taken out from the substrate, the resistance of the device increases, but the electrode must be formed using an n-type ZnO-based semiconductor layer doped with a high concentration of In as a contact layer. Thereby, the contact resistance is reduced and the operating voltage can be reduced.
[0022]
In one embodiment, the insulating substrate is sapphire. Even if a sapphire substrate having a significantly different lattice constant is used, defects are unlikely to occur, and the advantages of low cost and high light transmittance can be utilized.
[0023]
In one embodiment, the substrate is a conductive substrate, and an n-type ohmic electrode is formed on a back surface of the conductive substrate.
[0024]
Although heterogeneous conductive substrates can form electrodes on the back surface, they have large lattice mismatch, but by providing an In-doped n-type ZnO-based semiconductor layer as a buffer layer, defects and lattice distortion are reduced, and emission intensity and reliability are improved. Can be improved.
[0025]
In one embodiment, the conductive substrate is any of 6H-SiC, ZnO, and GaN.
[0026]
Even if a 6H-SiC substrate having a significantly different lattice constant is used, defects are less likely to occur, and the advantages of low cost and high light transmittance can be utilized. Further, even when a ZnO or GaN substrate having lattice matching is used, the crystallinity of the epitaxial layer is improved by forming the In-doped ZnO-based semiconductor layer, and the failure rate of the element is low.
[0027]
In one embodiment, the n-type cladding layer is doped with In.
[0028]
Since the n-type cladding layer is doped with In, the effect of alleviating the lattice strain is higher.
[0029]
In one embodiment, the active layer is doped with In. Since the active layer is doped with In, the effect of suppressing the growth of defects in the active layer is high.
[0030]
In one embodiment, the doping concentration of the p-type ZnO contact layer is 1 × 10 17 to 1 × 10 21 cm −3 , preferably 1 × 10 19 to 5 × 10 20 cm −3 . .
[0031]
In order to obtain high luminous efficiency and low operating voltage with the maximum effect according to the present invention, it is preferable to form a low-resistance p-type contact layer and inject carriers with high efficiency into the active layer. However, it is difficult to obtain a p-type layer having low resistance, and high concentration doping deteriorates crystallinity and light transmittance. By controlling the p-type contact layer to the predetermined doping concentration, high light emission efficiency can be obtained by suppressing carrier scattering and absorption loss, and the operating voltage can be reduced by reducing the device resistance.
[0032]
In one embodiment, a light-transmitting p-type ohmic electrode is formed on the entire surface of the p-type ZnO contact layer.
In order to obtain high luminous efficiency and low operating voltage with the maximum effect according to the present invention, it is preferable that a transparent electrode is formed on the entire surface of the contact layer, thereby improving light extraction efficiency and reducing operating voltage. I do.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0034]
(Embodiment 1)
In the present embodiment, an example in which a ZnO-based light emitting diode element is configured using a sapphire substrate and an In-doped ZnO buffer layer will be described.
[0035]
FIG. 1 is a schematic structural sectional view of a light emitting diode element 10 of the present embodiment.
The light emitting diode element 10 of the present embodiment is a substrate 1 having a sapphire C plane (0001) as a main surface, and a 0.1 μm thick n-type ZnO doped with In at a concentration of 1 × 10 19 cm −3. Layer 2, a 1 μm thick n-type Mg 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 3 doped with Ga at a concentration of 1 × 10 18 cm −3 , a non-doped ZnO light emitting layer 4 with a 0.1 μm thickness, N Is doped at a concentration of 1 × 10 19 cm −3 , a p-type Mg 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 5 having a thickness of 1 μm, and a thickness of N doped at a concentration of 5 × 10 20 cm −3. A 0.3 μm p-type ZnO contact layer 6 is stacked.
[0036]
Part of the epitaxial layer from the n-type Mg 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 3 to the p-type ZnO contact layer 6 is etched, and the exposed surface of the In-doped n-type ZnO layer 2 has an n-type ohmic electrode As No. 7, Al with a thickness of 1000 ° is laminated.
On the entire main surface of the p-type ZnO contact layer 6, a light-transmitting p-type ohmic electrode 8 having a thickness of 150 ° Ni is laminated, and a 1000 ° -thick Au pad for bonding is formed on the p-type ohmic electrode 8. The electrode 9 is formed with an area smaller than the p-type ohmic electrode 8.
The present invention is characterized in that an In-doped ZnO-based semiconductor layer is formed between the substrate 1 and the ZnO-based semiconductor epitaxial layer (3).
[0037]
The oxide semiconductor light-emitting device of the present invention is manufactured by a crystal growth method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method using a solid or gaseous raw material, a laser molecular beam epitaxy (laser MBE) method, and a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Although the laser MBE method can be manufactured, the laser MBE method is particularly preferable because the composition deviation between the raw material target and the thin film is small and generation of unintended by-products such as ZnIn 2 O 4 can be suppressed.
[0038]
The light-emitting diode element of this embodiment was separated into chips, mounted on a lead frame with an Ag paste, and molded to emit light. As a result, blue-violet light with an emission peak wavelength of 380 nm was obtained.
[0039]
FIG. 2 shows the relationship between the In doping concentration of the n-type ZnO layer 2 and the device characteristics of the light emitting diode device of the present embodiment.
An In doping concentration of 1 × 10 18 cm -3 or more, although the emission intensity, operating voltage and device life can be improved, translucency and crystallinity due to excessive doping concentration in less than 1 × 10 21 cm -3 is Conversely, it deteriorates and the element characteristics deteriorate.
[0040]
From the above results, the In doping concentration of the n-type ZnO layer 2 is preferably in the range of 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 , and more preferably in the range of 5 × 10 19 to 5 × 10 20 cm −3 . Preferably, it is adjusted.
[0041]
The thickness of the In-doped ZnO layer 2 is adjusted to the range of 0.001 to 1 μm, preferably 0.005 to 0.5 μm, and more preferably 0.01 to 0.1 μm.
[0042]
The In-doped n-type ZnO layer 2 formed as described above has an extremely high effect as a buffer layer for suppressing the growth of lattice distortion and crystal defects.
[0043]
As the p-type impurity, a group I element such as Li, Cu, or Ag, or a group V element such as N, As, or P can be used. N and Ag are particularly preferred because of their low activation energy. Further, N is preferable because high-concentration doping can be performed while maintaining good crystallinity by a method in which N 2 is converted into plasma and irradiated during crystal growth.
[0044]
As the n-type impurity to be doped into layers other than the n-type ZnO layer 2, a group III element such as B, Al, Ga, and In can be used, and it is preferable that these layers are also doped with In.
[0045]
In the present embodiment, sapphire is used as the substrate material, but the effect of the present invention of reducing crystal defects is also exerted on a Si substrate. However, in order to maximize the effect of improving the luminous efficiency, a translucent substrate having a low absorption coefficient corresponding to the emission wavelength is preferable, and other than sapphire, LiGaO 2 or MgAl 2 O 3 can be used. In particular, a sapphire substrate that can provide high-quality crystals at low cost and has the same affinity as a ZnO-based semiconductor and has excellent affinity is preferable. As the growth main surface, an A-plane (11-20) may be used in addition to the C-plane (0001) applied in the present embodiment.
[0046]
Further, it is preferable to form irregularities on the back surface of the substrate by a known method such as polishing or etching in order to irregularly reflect light emitted to the substrate, since light extraction efficiency is improved.
[0047]
In order to obtain the high luminous efficiency and low operating voltage of the present invention with the maximum effect, it is preferable that the p-type ZnO contact layer 6 is highly doped with a p-type impurity to reduce the resistance, but is excessively doped. And carrier loss and crystallinity deterioration become remarkable, it is preferable to dope so as to have a carrier concentration range of 5 × 10 16 to 5 × 10 19 cm −3. Considering the activation rate of the p-type impurity, The doping concentration is preferably in the range of 1 × 10 17 to 1 × 10 21 cm −3 .
[0048]
Ni, Pt, Pd, Au, or the like can be used for the p-type ohmic electrode 8, and among them, Ni having low resistance and good adhesion is preferable. The plurality of metal materials may be formed by alloying.
[0049]
In order to obtain the high luminous efficiency and the low operating voltage of the present invention with the maximum effect, it is preferable to improve the light extraction efficiency by forming the p-type ohmic electrode 8 to have a light transmitting property. The thickness that achieves both good ohmic characteristics and high translucency is preferably in the range of 50 to 2000 °, and more preferably in the range of 300 to 1000 °.
[0050]
It is preferable to perform an annealing treatment after the formation of the p-type electrode because the adhesion is improved and the contact resistance is reduced. In order to obtain an annealing effect without generating defects in the ZnO crystal, the temperature is preferably 300 to 400 ° C. The atmosphere in the annealing treatment is preferably O 2 or an air atmosphere, and N 2 increases the resistance.
[0051]
If the pad electrode 9 is formed on a part of the translucent p-type ohmic electrode 8 with a smaller area than the p-type ohmic electrode 8, the mounting process on the lead frame is easy without impairing the effect of the translucent electrode. Is preferable. As a material of the pad electrode 9, Au which can be easily bonded and does not become a donor impurity even when diffused into ZnO is preferable. Another metal layer may be interposed between the p-type ohmic electrode 8 and the pad electrode 9 for the purpose of improving adhesion and light reflectivity.
[0052]
For the n-type ohmic electrode 7, Ti, Cr, Al, or the like can be used. Among them, Al with low resistance and low cost or Ti with good adhesion is preferable. The plurality of metal materials may be formed by alloying.
[0053]
When the n-type ohmic electrode 7 is provided on the back surface of the substrate using a conductive substrate, the Al electrode has a high reflectance of blue to ultraviolet light, and thus the light extraction efficiency is high even when formed on the entire back surface. It may be patterned into a shape and the exposed back surface of the substrate may be adhered to the lead frame with an Ag paste or the like, and Ag is preferable because the reflectivity of blue to ultraviolet light is higher than that of Al. When patterning the n-type ohmic electrode, an auxiliary electrode may be formed in order to prevent an increase in element resistance, and it is more preferable to use a metal having a high reflectance of blue to ultraviolet light, such as Ag or Pt, for the auxiliary electrode. .
Other configurations are arbitrary and are not limited by the present embodiment.
[0054]
(Embodiment 2)
In the present embodiment, the oxide semiconductor light emitting device of the present invention is the same as in Embodiment 1, except that the n-type impurity of the n-type Mg 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 3 is In instead of Ga. Was prepared.
[0055]
The In doping concentration in the Mg 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 3 was 1 × 10 18 cm −3 .
The light-emitting diode element of this embodiment also emitted blue-violet light with an emission peak wavelength of 380 nm, as in Embodiment 1, but the operating voltage was reduced by 10% and the element life was improved by 30%.
[0056]
As described above, by doping the n-type cladding layer with In, the effect of further suppressing the growth of crystal defects is enhanced.
[0057]
(Embodiment 3)
In the present embodiment, the non-doped ZnO light emitting layer 4 has a multiple quantum well structure in which 11 Mg 0.05 Zn 0.95 O barrier layers having a thickness of 50 ° and 10 ZnO well layers having a thickness of 60 ° are alternately stacked. An oxide semiconductor light emitting device of the present invention was manufactured in the same manner as in Embodiment 2, except that the ZnO well layer was doped with In at a concentration of 5 × 10 16 cm −3 .
[0058]
The light emitting diode element of this embodiment was separated into chips, mounted on a lead frame with an Ag paste, and molded to emit light. As a result, blue-violet light with a light emission peak wavelength of 390 nm was obtained.
[0059]
In the present embodiment, since the light emitting layer has a quantum well structure, the carrier confinement efficiency and the light emitting efficiency are increased, and the light emitting intensity is increased by 50% as compared with the second embodiment despite the thin light emitting layer. In addition, the operating voltage was reduced by 10%, and the element life was improved by 30%.
[0060]
As a comparative example, when a light emitting diode device was manufactured in the same manner as above except that the n-type impurity in the well layer was replaced with Ga, the light emission intensity was the same as that of the present embodiment, but the device life was shortened by 30%.
[0061]
As described above, even if the light emitting layer has a quantum well structure, the effect of the present invention does not change, and the effect of suppressing the growth of crystal defects is further enhanced by doping with In.
[0062]
It should be noted that the light emission intensity was higher by 15% when doping only the well layer than in the case where the In doping was performed on the entire quantum well structure. When doping was performed only on the barrier layer, the emission intensity was almost the same as that when the entire quantum well structure was doped, but the operating voltage was increased by 10%.
[0063]
(Embodiment 4)
FIG. 3 is a structural sectional view of the ZnO-based light emitting diode element of the present embodiment. In the figure, the same components as those in the third embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
[0064]
In this embodiment, the composition of the well layer constituting the quantum well light emitting layer 4 is Cd 0.2 Zn 0.8 O to obtain blue light emission at a wavelength of 430 nm, and the substrate 1 has a C surface (0001) of a 6H—SiC substrate. An n-type ohmic electrode 7 was formed on the back surface of the 6H-SiC substrate 1. Other than that, the oxide semiconductor light emitting device of the present invention was manufactured in the same manner as in Embodiment 3.
[0065]
As a comparative example, when a light-emitting diode element was manufactured in the same manner as above except that the impurity of the n-type ZnO layer 2 was replaced with Ga, the light-emitting intensity was reduced by 30% and the element life was shortened by 60% compared with the present embodiment.
[0066]
(Embodiment 5)
In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to a ZnO-based semiconductor laser device will be described.
FIG. 4 is a structural perspective view of the ZnO-based semiconductor laser device 100 of the present embodiment.
The semiconductor laser device of the present embodiment has an n-type ZnO layer 102 having an In doping concentration of 1 × 10 19 cm −3 and a thickness of 0.3 μm on an n-type ZnO single crystal substrate 101 having a zinc surface as a main surface. An n-type Mg 0.2 Zn 0.8 O cladding layer 103 having an In doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 and a thickness of 1.0 μm, and n having an In doping concentration of 5 × 10 17 cm −3 and a thickness of 300 ° -Type ZnO light guide layer 104, quantum well active layer 105, p-type ZnO light guide layer 106 having an N doping concentration of 5 × 10 18 cm −3 and a thickness of 300 °, and a thick N-doping concentration of 1 × 10 19 cm −3 . A p-type Mg 0.2 Zn 0.8 O cladding layer 107 having a thickness of 1.0 μm and a p-type ZnO contact layer 108 having an N doping concentration of 5 × 10 20 cm −3 and a thickness of 0.5 μm are stacked.
[0067]
The quantum well active layer 105 is formed by alternately stacking two 50 nm thick ZnO barrier layers and three 60 mm thick Cd 0.05 Zn 0.95 O well layers. It is doped at a concentration of 10 16 cm −3 .
[0068]
The p-type Mg 0.2 Zn 0.8 O cladding layer 107 is etched into a ridge stripe shape, and the side surface is Mg 0.3 Zn 0.7 doped with In at a concentration of 1 × 10 18 cm −3. It is buried by an n-type current block layer 109 made of O.
[0069]
An n-type ohmic electrode 110 is formed below the ZnO substrate 101, and a p-type ohmic electrode 111 is formed on the p-type ZnO contact layer.
[0070]
After fabricating the structure of the present embodiment, the ZnO substrate was cleaved to form an end face mirror, a protective film was vacuum-deposited, and the device was separated into 300 μm.
When a current was applied to the semiconductor laser device of this embodiment, blue oscillation light having a wavelength of 400 nm was obtained from the end face.
[0071]
In the ZnO-based semiconductor laser device of the present embodiment, the lasing threshold current is reduced by 50% and the device life is extended by 80% as compared with the case where all the n-type impurities are made of Ga.
[0072]
Since the semiconductor laser element has a high energy density of the oscillating light, crystal defects and the like are proliferated during driving and the element is likely to be deteriorated.However, the In-doped ZnO layer of the present invention is used as a buffer layer, It can be seen that when the impurity of the active layer is In, the element characteristics are clearly improved even when a ZnO single crystal is used for the substrate.
[0073]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the oxide semiconductor light emitting element of this invention, the oxide semiconductor light emission which laminated | stacked at least the n-type cladding layer comprised of the ZnO type semiconductor, the active layer, the p-type cladding layer, and the p-type contact layer on the board | substrate In the device, since the n-type ZnO-based semiconductor layer doped with In is formed between the substrate and the n-type clad layer, the n-type ZnO-based semiconductor layer can be highly doped with n-type impurities, The effect of alleviating the lattice distortion of the semiconductor layer epitaxially grown on the type ZnO-based semiconductor layer is extremely high, and it is possible to achieve both reduction in element resistance and improvement in reliability.
[0074]
By setting the In doping concentration of the n-type ZnO-based semiconductor layer in the range of 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 , the device resistance can be reduced, the operating voltage can be reduced, and carrier scattering and absorption loss occur. Thus, a light-emitting element having high luminous efficiency can be manufactured.
[0075]
When using an insulating substrate as the substrate, the contact resistance can be reduced and the operating voltage can be lowered by exposing the In-doped ZnO-based semiconductor layer and forming an n-type ohmic electrode on the exposed portion. .
[0076]
When sapphire is used as the insulating substrate, a light-emitting element can be manufactured by taking advantage of high transmittance.
[0077]
When a conductive substrate is used as the substrate, an n-type ohmic electrode can be formed on the back surface of the conductive substrate, so that defects and lattice distortion of a semiconductor layer epitaxially grown on the substrate are reduced, emission intensity is improved, and operation is performed. Voltage can be reduced.
[0078]
When 6H-SiC is used as the conductive substrate, the advantages of a 6H-SiC substrate having low cost and high light transmittance can be utilized. Further, even when a lattice-matched substrate (ZnO or GaN) is used, the crystallinity of the epitaxial layer is improved, and a device with a low failure rate can be obtained.
If the n-type cladding layer is doped with In, a light emitting element having a higher lattice strain relaxation effect and excellent reliability can be realized.
[0080]
When the active layer is doped with In, the effect of suppressing the growth of defects in the active layer is high, and a light emitting device having more excellent reliability can be realized.
[0081]
By adjusting the doping concentration of the p-type ZnO contact layer to 1 × 10 17 to 1 × 10 21 cm −3 , the carrier injection efficiency is improved, the luminous efficiency is increased, and the device resistance is reduced to lower the operating voltage. Become.
[0082]
By forming a transmissive p-type ohmic electrode on the entire surface of the p-type ZnO contact layer, light extraction efficiency can be improved and operating voltage can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic structural cross-sectional view of a light-emitting diode element according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between the In doping concentration of an n-type ZnO layer of the light emitting diode element and element characteristics ((a) element life, (b) operating voltage, and (c) light emission intensity) of the light emitting diode element according to the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic structural sectional view of a light emitting diode element according to a fourth embodiment.
FIG. 4 is a structural perspective view of a semiconductor laser device according to a fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
1, 101; substrates 2, 102; n-type ZnO layers 3, 107; p-type MgZnO cladding layer 4, ZnO light-emitting layers 5, 103; n-type MgZnO cladding layers 6, 108; p-type ZnO contact layers 7, 110; P-type ohmic electrode 9, 111; p-type ohmic electrode 9; pad electrode 10; light-emitting diode element 100; semiconductor laser element 104; n-type ZnO light guide layer 105; quantum well active layer 106; p-type ZnO light guide layer 109; Type MgZnO current block layer
