JP2004228212A - 酸化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を向上させ、信頼性を高める。
【解決手段】ＺｎＯ系発光ダイオード素子１０におけるノンドープＣｄＺｎＯ発光層３とｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層５との間に、ｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層４を設けている。したがって、発光層３とｐ型クラッド層５との界面のヘテロ障壁が高く、伝導帯側でキャリアオーバーフローが生じ難い構造になっている。そのため、キャリア障壁層４がない場合に比してキャリア閉じ込め率が格段に高くなり、発光効率が向上し、信頼性に優れた発光ダイオード素子が得られる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、活性層へのキャリア閉じ込め効果と発光効率および信頼性とに優れた発光ダイオードや半導体レーザ等の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あり、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、原材料が安価で、環境や人体に無害であり、成膜手法が簡便である等の特徴を有している。そのため、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できる可能性を有している。尚、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等で表される混晶を含めるものとする。
【０００３】
上記ＺｎＯ系半導体は、強いイオン性に起因する自己補償効果のために従来ｐ型で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）を用いることによってｐ型化が実現し、ＺｎＯ系半導体を用いて高効率な発光素子を作製すべく、多くの研究がなされるようになってきている。
【０００４】
しかしながら、ＺｎＯ中のアクセプタ準位は非常に深く、ｐ型化が実現したＮアクセプタでさえ２００ｍｅＶのイオン化エネルギーを必要とし、ｐ型層のキャリア濃度を高くすることができない。そのために、活性層とｐ型クラッド層との界面のヘテロ障壁が低く、ｎ型クラッド層から発光層へ注入されたキャリアがうまく閉じ込められずにｐ型クラッド層へ溢れ出す「キャリアオーバーフロー」が顕著に生じ、発光効率を高くすることができないと言う問題を有している。
【０００５】
一方、上記活性層とクラッド層との界面のヘテロ障壁を高くするためには、クラッド層におけるＭｇ組成比を大きくし、活性層に比してバンドギャップエネルギーの大きなクラッド層を形成することが有効である。
【０００６】
しかしながら、良好なＺｎＯ結晶が得られる結晶成長温度の範囲（概ね５００℃〜６００℃）ではＣｄ，ＺｎおよびＭｇの間には大きな蒸気圧差が存在する。すなわち、活性層からクラッド層へ至る結晶成長時においては成長温度を上げる必要があり、その場合に活性層からＣｄやＺｎが蒸発して結晶性の著しい劣化が生じてしまう。
【０００７】
このような問題を解決するために、特許文献１においては、上記活性層と上部クラッド層との間の少なくとも活性層側に低温ＺｎＯ層を設ける半導体発光素子およびその製法が開示されている。上記特許文献１によれば、低温ＺｎＯ層を設けることによって、活性層上にＭｇＺｎＯが高温で成長されても、上記活性層に含まれる蒸気圧の高いＣｄは低温ＺｎＯ層により蒸発が抑制されて良好な青色発光を得ることができる。それと共に、活性層の結晶性が向上して発光特性を改善することができることが示されている。
【０００８】
【特許文献１】
再公表特許ＷＯ００／１６４１１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の特許文献１に開示された半導体発光素子およびその製法においては、以下のような問題がある。すなわち、特許文献１においては、低温ＺｎＯ層を低温で成長するために結晶性が劣り、特に成長表面の平坦性が著しく損われる。そのために、低温ＺｎＯ層上に成長されるｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層の結晶性も著しく損われ、活性層の結晶性が良好であっても発光特性や信頼性は劣化してしまうのである。
【００１０】
以上のように、上記特許文献１に開示された従来の技術では、ＺｎＯ系半導体発光素子において活性層へのキャリア閉じ込めを向上させることは困難を極めるのである。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、活性層へのキャリア閉じ込め効果に優れ、発光特性と信頼性とに優れた酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この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型クラッド層およびｐ型コンタクト層が順次積層されて成り、上記活性層とｎ型クラッド層との間または上記活性層とｐ型クラッド層との間の少なくとも何れか一方には、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）を含むキャリア障壁層を備えている。
【００１３】
上記構成によれば、上記活性層とクラッド層との間に、 バンドギャップエネルギーが大きいＭｇＺｎＯを含むキャリア障壁層が設けられている。したがって、活性層からのキャリアオーバーフローが効果的に抑止される。また、ｐ型層側に形成されたキャリア障壁層は、上記活性層の蒸発防止層としての役割も兼ねることができ、上記特許文献１のごとくＺｎＯを用いた蒸発防止層よりも結晶性に優れている。
【００１４】
以上の結果、発光効率が格段に向上し、信頼性に優れた酸化物半導体発光素子が実現可能になる。
【００１５】
尚、上記「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こととする。
【００１６】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記キャリア障壁層を構成する上記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯにおけるＭｇ組成比ｘを、０よりも大きく且つ０．３５よりも小さい値に設定している。
【００１７】
この実施例によれば、上記Ｍｇ組成比ｘの値が上記所定の範囲内に設定されているため、キャリアブロック効果が高く且つ結晶性にも優れたキャリア障壁層が得られる。
【００１８】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記キャリア障壁層を、組成が異なる２層以上の積層構造に成している。
【００１９】
この実施例によれば、上記キャリア障壁層を例えばＺｎＯとＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯとの積層構造にすることによって、キャリアブロック効果と活性層の蒸発防止効果が更に向上される。
【００２０】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記キャリア障壁層を構成する上記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯにおけるバンドギャップエネルギーを、上記キャリア障壁層に隣接するクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも大きくしている。
【００２１】
この実施例によれば、上記キャリア障壁層のポテンシャル障壁が隣接クラッド層よりも高くなっているため、上記クラッド層へのキャリアオーバーフローが抑止されて活性層へのキャリア閉じ込め効果が向上される。
【００２２】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記活性層とｎ型クラッド層との間または上記活性層とｐ型クラッド層との間の少なくとも何れか一方に光ガイド層を備えると共に、上記キャリア障壁層を上記活性層と光ガイド層との間に形成している。
【００２３】
この実施例によれば、上記活性層と光ガイド層との間に上記キャリア障壁層が形成されているために、上記光ガイド層へのキャリアオーバーフローが抑止される。こうして、上記キャリア障壁層が上記クラッド層と光ガイド層との間に形成された場合よりも更にキャリア閉じ込め効果が向上される。
【００２４】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記キャリア障壁層を構成する上記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯにおけるバンドギャップエネルギーを、上記キャリア障壁層に隣接する光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも大きく且つ上記光ガイド層に隣接するクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さくしている。
【００２５】
この実施例によれば、上記活性層からクラッド層へのキャリアオーバーフローは、上記活性層と光ガイド層との間に形成された上記キャリア障壁層によって十分抑止される。そのため、上記キャリア障壁層のバンドギャップエネルギーをクラッド層よりも小さくすることが可能になる。したがって、上記キャリア障壁層のバンドギャップエネルギーをクラッド層よりも小さくすることによって、成長条件の急峻な変化が緩和されて結晶欠陥の増植等が抑止され、発光特性および寿命の向上が図られる。
【００２６】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記キャリア障壁層の厚みを１ｎｍ以上且つ１００ｎｍ以下にしている。
【００２７】
この実施例によれば、上記キャリア障壁層の厚みが１ｎｍ〜１００ｎｍであるために、動作電圧を上昇させることなく高い光閉じ込め効果が得られる。
【００２８】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記キャリア障壁層を構成する上記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯにおけるＭｇ組成比ｘに傾斜を持たせている。
【００２９】
この実施例によれば、上記キャリア障壁層のＭｇ組成比に傾斜を有しているため、上記キャリア障壁層と活性層との境界で成長条件が急峻に変化することがなく、上記活性層とキャリア障壁層との境界近傍において優れた表面平坦性と結晶性とが得られる。
【００３０】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記キャリア障壁層における不純物ドーピング濃度に傾斜を持たせている。
【００３１】
この実施例によれば、上記キャリア障壁層の不純物ドーピング濃度に傾斜を有しているため、上記キャリア障壁層と活性層との境界で成長条件が急峻に変化することがなく、上記活性層とキャリア障壁層との境界近傍において優れた表面平坦性と結晶性とが得られる。
【００３２】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記活性層を、量子井戸構造を有するようにしている。
【００３３】
上記量子井戸活性層は、高い量子効率と微分利得とを有して発光素子の特性を飛躍的に向上させることができるのであるが、注入キャリアのオーバーフローが生じ易くなる。この実施例によれば、上記量子井戸活性層とクラッド層との間にＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯを含むキャリア障壁層が設けられている。したがって、上記量子井戸活性層からのキャリアオーバーフローが効果的に抑止されて、上記量子井戸活性層による発光効率向上の効果が損なわれることはない。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
・第１実施の形態
本実施の形態においては、酸化物半導体発光素子として、ＺｎＯ系半導体によって発光ダイオード素子を構成している。図１は、本実施の形態の発光ダイオード素子における断面構造およびバンドダイアグラムを示す図である。
【００３５】
本実施の形態の発光ダイオード素子１０においては、亜鉛面を主面とするＺｎＯ基板１上に、Ｇａを３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さが１μｍのｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層２、厚さ０．１μｍのノンドープＣｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ発光層３、Ｎを１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ１０ｎｍのｐ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏキャリア障壁層４、Ｎを濃度１×１０^２０ｃｍ^−３でドーピングした厚さ１μｍのｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５、Ｎを５×１０^２０ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ０．３μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層６を、順次積層している。
【００３６】
そして、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層６の主表面全面には、厚さ１５ｎｍのＮｉを積層して成る透光性ｐ型オーミック電極７を積層し、ｐ型オーミック電極７上には厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極８をｐ型オーミック電極７よりも小さい面積で形成している。また、ＺｎＯ基板１の裏面には、ｎ型オーミック電極９として厚さ１００ｎｍのＡｌを積層している。
【００３７】
すなわち、本実施の形態は、上記活性層としてのＣｄＺｎＯ発光層３とｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層５との間に、ｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層４を設けたことに特徴を有しているのである。
【００３８】
上記構成を有する発光ダイオード素子１０をチップ状に分離し、Ａｇペーストによってリードフレームに取り付け、モールドを行って発光させたところ、発光ピーク波長が４１０ｎｍの青色発光を得ることができた。
【００３９】
比較例１として、ｐ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏキャリア障壁層４を形成しない他は、本実施の形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。そして、本実施の形態と同様にして発光させたところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は、本実施の形態の発光ダイオード素子に比べて１／５であった。
【００４０】
図２に、本実施の形態の発光ダイオード素子１０と比較例１の発光ダイオード素子とについて、バイアス電圧印加の有無におけるバンドダイアグラム変化を示す。但し、図２（ａ）は本実施の形態の発光ダイオード素子１０であり、図２（ｂ）は比較例１の発光ダイオード素子である。
【００４１】
何れの発光ダイオード素子においても、上記ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５，５’にはＮが１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度でドーピングされているが、アクセプタ不純物のイオン化率が小さいために、キャリア濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３以下と見積られる。そのために、比較例１の発光ダイオード素子では、活性層３’とｐ型クラッド層５’との界面のヘテロ障壁が低く、順バイアス電圧印加時にはｐ型クラッド層５’のポテンシャルが活性層３’より低くなってしまい、ｎ型クラッド層２’から注入されたキャリアのオーバーフローが顕著に生じていると考えられる。
【００４２】
一方、上述したように、上記ｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層４を形成した本実施の形態の発光ダイオード素子１０は、伝導帯側でキャリアオーバーフローが生じ難い構造になっており、比較例１の発光ダイオード素子に比べてキャリア閉じ込め率が格段に高く、発光効率が向上したものと考えられる。
【００４３】
上記キャリア障壁層４がキャリアオーバーフロー抑止効果を有するためには、キャリア障壁層４が隣接するｐ型クラッド層５より大きなバンドギャップエネルギーを有する必要があり、Ｍｇ組成比はｐ型クラッド層５よりも大きいことが好ましい。
【００４４】
ここで、上記活性層３およびクラッド層５の何れもがＣｄＺｎＯ混晶より成る場合には、キャリア障壁層４をＭｇを含まないＺｎＯ層で構成してもキャリアブロック機能を有する。しかしながら、クラッド層５を成長する際に成長温度を上昇させると、ＺｎＯで構成したキャリア障壁層では活性層３の蒸発を抑止し切れずに素子寿命が低下する。すなわち、活性層３やクラッド層５がＣｄＺｎＯ混晶によって構成されている場合でも、キャリア障壁層４はＭｇＺｎＯ混晶で形成することが好ましいと言える。一方において、上記ＭｇＺｎＯキャリア障壁層４のＭｇ組成比が０．３５以上になると、欠陥の増大や相分離による結晶性の劣化が著しくなって発光効率が低下する。したがって、上記ＭｇＺｎＯキャリア障壁層４のＭｇ組成比ｘは０．３５よりも小さいことが好ましい。
【００４５】
図３に、上記ＭｇＺｎＯキャリア障壁層４の層厚と発光強度および動作電圧との関係を示す。ＭｇＺｎＯキャリア障壁層４の層厚が１ｎｍ以上になると発光強度は増大するが、１００ｎｍを越えると量子トンネル効果が低下し活性層３へキャリアが注入され難くなり、発光強度と動作電圧とは共に悪化する。したがって、ＭｇＺｎＯキャリア障壁層４の厚みは１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００４６】
以下、本実施の形態において効果を最大限に得るための他の構成について述べるが、その他の実施の形態において任意に組み合わせて用いてもよい。
【００４７】
本実施の形態における発光ダイオード素子は、固体または気体を原料として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）法等の結晶成長手法によって作製することができる。そのうちでが、レーザＭＢＥ法が、原料ターゲットと薄膜との組成ずれが小さく、ＺｎＧａ_２Ｏ_４等の意図しない副生成物の生成を抑えることができるので特に好ましい。
【００４８】
また、ｐ型ＺｎＯ系半導体層にドーピングするアクセプタ不純物として、Ｉ族元素のＬｉ，Ｃｕ，ＡｇやＶ族元素のＮ，Ａｓ，Ｐ等を用いることができるのであるが、そのうちでもＮ，ＬｉおよびＡｇが活性化率が高いので特に好ましい。さらには、Ｎが、Ｎ_２をプラズマ化して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。
【００４９】
また、ｎ型ＺｎＯ系半導体層にドーピングするドナー不純物には、ＩＩＩ族元素のＢ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ等を用いることができるのではあるが、ＺｎＯ系半導体中において活性化率が高いＧａまたはＡｌが好ましい。
【００５０】
発光ダイオード素子の発光効率を向上させるには、ｐ型ＭｇＣｄＺｎＯクラッド層５上に直接ｐ型オーミック電極７を形成せずに、ｐ型コンタクト層６を設けて低抵抗化し、電流広がりを均一化することが好ましい。また、ｐ型コンタクト層６の材料としては、結晶性に優れてキャリア濃度を高くできるＺｎＯを用いることが好ましい。尚、ｐ型コンタクト層６に過剰にアクセプタ不純物をドーピングすると結晶性劣化が顕著となり、本実施の形態の効果が減少する。したがって、５×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１９ｃｍ^−３のキャリア濃度範囲になるようドーピングすることが好ましい。
【００５１】
基板１の材料としては、本実施の形態において用いたＺｎＯ基板以外にも、サファイア，スピネルあるいはＬｉＧａＯ_２等の絶縁性基板や、ＳｉＣやＧａＮ等の導電性基板を用いることもできる。尚、上記絶縁性基板を用いる場合には、基板１とｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２との間にｎ型コンタクト層を形成し、成長層の一部をエッチングしてｎ型コンタクト層を露出させ、その上にｎ型オーミック電極９を形成すればよい。その場合における上記ｎ型コンタクト層の材料としてはｐ型コンタクト層６の場合と同様にＺｎＯが適しており、ドナー不純物のドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^２１ｃｍ^−３の範囲が好ましく、更には５×１０^１９ｃｍ^−３〜５×１０^２０ｃｍ^−３の範囲で調整されることが好ましい。また、膜厚は、０．００１μｍ〜１μｍ、好ましくは０．００５μｍ〜０．５μｍ、さらに好ましくは０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲に調整されることが望ましい。
【００５２】
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。しかしながら、可視領域における発光効率を最大限に得るための基板としては、
１． ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内であって、非発光中心となる欠陥を低減できる。
２． 発光波長に対応する吸収係数が低い。
３． 導電性基板であって、裏面（図１中下面）に電極を形成できる。
ことが好ましい。本実施の形態において基板１として用いたＺｎＯ単結晶は、上記の条件を全て満しているため最も好ましい。また、亜鉛面を用いることによって、ｐ型層のキャリア活性化率が向上して抵抗の低いｐ型層が得られ易くなるので好ましい。
【００５３】
また、上記基板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（図１中下面）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。
【００５４】
ｐ型オーミック電極７としてＮｉ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｕ等を用いることができるが、中でも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。また、上記複数の金属材料（Ｎｉ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｕ等）を合金化してｐ型オーミック電極７を形成してもよい。また、高い発光効率を得るためには、本実施の形態で示したように、ｐ型オーミック電極７を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とを両立させることができる厚みとしては５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が好ましく、３０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲が更に好ましい。
【００５５】
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結晶に欠陥を生じさせ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雰囲気中あるいは大気雰囲気中が好ましく、Ｎ_２雰囲気中においては逆に抵抗が増大してしまう。
【００５６】
また、上記パッド電極８は、上記透光性ｐ型オーミック電極７上の一部に、ｐ型オーミック電極７よりも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８の材料としては、ボンディングが容易でＺｎＯ中に拡散してもドナー不純物とならないＡｕが好ましい。尚、ｐ型オーミック電極７とパッド電極８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在させてもよい。
【００５７】
一方、上記ｎ型オーミック電極９としては、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ等を用いることができる。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。上記複数の金属材料（Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ等）を合金化して形成してもよい。尚、Ａｌ電極は、青〜紫外光の反射率が高いために裏面全面に形成しても光取り出し効率は高い。しかしながら、Ａｌ電極を任意の形状にパターニングして露出した基板裏面をＡｇペースト等でリードフレームに接着しても良く、その場合にはＡｇの方が青〜紫外光の反射率がＡｌより高いため好ましい。
【００５８】
その他の構成は任意であり、本実施の形態によって限定されるものではない。
【００５９】
・第２実施の形態
図４は、本実施の形態における発光ダイオード素子２１の断面構造およびバンドダイアグラムである。ＺｎＯ基板１１，ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１２，ノンドープＣｄＺｎＯ発光層１４，ｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層１５，ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１６，ｐ型ＺｎＯコンタクト層１７，透光性ｐ型オーミック電極１８，パッド電極１９およびｎ型オーミック電極２０は、図１に示す発光ダイオード素子１０におけるＺｎＯ基板１，ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２，ノンドープＣｄＺｎＯ発光層３，ｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層４，ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層５，ｐ型ＺｎＯコンタクト層６，透光性ｐ型オーミック電極７，パッド電極８およびｎ型オーミック電極９と同じである。
【００６０】
本実施の形態においては、上記ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１２とノンドープＣｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ発光層１４との間に、Ｇａを５×１０^１７ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さが１０ｎｍのｎ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏキャリア障壁層１３を形成している。すなわち、本実施の形態では、ｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層１３を形成する以外は、上記第１実施の形態と同様にして発光ダイオード素子２１を作製している。
【００６１】
本実施の形態における発光ダイオード素子２１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。また、その際における２０ｍＡの動作電流時での発光強度は、上記第１実施の形態の場合に比べて３０％増大した。
【００６２】
一方、上記ｐ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏキャリア障壁層１５を形成せずに、ｎ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏキャリア障壁層１３のみにした場合には、上記第１実施の形態における上記比較例１よりも発光強度は３０％増大したが、上記第１実施の形態における発光ダイオード素子１０および本実施の形態における発光ダイオード素子２１よりも発光強度は低下した。
【００６３】
以上のことより、上記キャリア障壁層１３，１５を形成することによってノンドープＣｄＺｎＯ発光層１４へのキャリア閉じ込め性は向上するが、その効果はｐ型層側へ形成した方が格段に高いことが分る。
【００６４】
・第３実施の形態
図５は、本実施の形態における発光ダイオード素子４１の断面構造およびバンドギャップエネルギーである。ＺｎＯ基板３１，ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層３２，ｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層３３，ノンドープＣｄＺｎＯ発光層３４，ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層３６，ｐ型ＺｎＯコンタクト層３７，透光性ｐ型オーミック電極３８，パッド電極３９およびｎ型オーミック電極４０は、図４に示す発光ダイオード素子２１におけるＺｎＯ基板１１，ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１２，ｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層１３，ノンドープＣｄＺｎＯ発光層１４，ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１６，ｐ型ＺｎＯコンタクト層１７，透光性ｐ型オーミック電極１８，パッド電極１９およびｎ型オーミック電極２０と同じである。
【００６５】
本実施の形態においては、ｐ型キャリア障壁層３５を、厚さ５ｎｍのＺｎＯと厚さ５ｎｍのＭｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏとから成る２層構造としている。すなわち、本実施の形態では、ｐ型キャリア障壁層３５を上記２層構造に形成する以外は、上記第２実施の形態と同様にして発光ダイオード素子４１を作製している。
【００６６】
本実施の形態における発光ダイオード素子４１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。また、その際に、上記第２実施の形態の場合に比べて、２０ｍＡの動作電流時での発光強度は１０％増大し、素子寿命は３０％増大した。
【００６７】
上記第１実施の形態において示したように、上記ｐ型キャリア障壁層４をＺｎＯ層のみで構成すると、活性層３の蒸発を抑止し切れず素子寿命が低下する。ところが、本実施の形態の場合のように、ＺｎＯ層とＭｇＺｎＯ層との多層構造とすることによって、ｐ型キャリア障壁層３５をＺｎＯ層のみやＭｇＺｎＯ層のみで構成した場合よりも特性が改善され、特に信頼性が向上することが分る。
【００６８】
その場合、上記ｐ型キャリア障壁層３５におけるＺｎＯ層とＭｇＺｎＯ層との積層順は、本実施の形態の場合と逆であっても同様の効果を奏することはできるのであるが、低混晶層を活性側に形成し高混晶層をクラッド層側に形成する方がキャリアブロック効果と蒸発防止効果とが共に高くなるので好ましい。
【００６９】
・第４実施の形態
本実施の形態は、この発明の酸化物半導体発光素子を半導体レーザ素子で構成した場合を例を示す。図６は、本実施の形態におけるＺｎＯ系半導体レーザ素子６４の斜視図および活性層近傍のバンドダイアグラムである。
【００７０】
本ＺｎＯ系半導体レーザ素子６４は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板５１上に、Ｇａドーピング濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３で厚さが０．３μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層５２、Ｇａのドーピング濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３で厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏクラッド層５３、Ｇａドーピング濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３で厚さが３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層５４、Ｇａドーピング濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３で厚さが５ｎｍのｎ型Ｍｇ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏキャリア障壁層５５、ノンドープ量子井戸活性層５６、Ｎドーピング濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３で厚さが５ｎｍのｐ型Ｍｇ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏキャリア障壁層５７、Ｎドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層５８、Ｎドーピング濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３で厚さ１．２μｍのｐ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏクラッド層５９、Ｎドーピング濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層６０を積層して構成されている。そして、上記ノンドープ量子井戸活性層５６は、２層の厚さ５ｎｍのＭｇ_０．０５Ｚｎ_０．９５Ｏ障壁層と３層の厚さ６ｎｍのＣｄ_０．０５Ｚｎ_０．９５Ｏ井戸層とを交互に積層して構成されている。
【００７１】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層６０およびｐ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏクラッド層５９はリッジストライプ状にエッチング加工され、リッジストライプ側面は、Ｇａが１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたＭｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏを含むｎ型電流ブロック層６１によって埋め込まれている。
【００７２】
また、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板５１の下面上にはｎ型オーミック電極６２が形成され、ｐ型ＺｎＯコンタクト層６０およびｎ型電流ブロック層６１の上にはｐ型オーミック電極６３が形成されている。そして、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板５１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に、素子を３００μｍに分離して、本実施の形態におけるＺｎＯ系半導体レーザ素子６４が得られる。
【００７３】
上記構成を有するＺｎＯ系半導体レーザ素子６４に電流を流したところ、端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られた。
【００７４】
比較例として、図７（ａ）に示すように、上記ｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５５およびｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５７を形成しない他は、本実施の形態の場合同様にして半導体レーザ素子を作製（比較例２）したところ、発振閾値電流は本実施の形態の場合に比べて５０％増大した。
【００７５】
上記量子井戸活性層５６は、高い光学利得を有して発光素子の特性を飛躍的に向上させることができる。ところが、バルク活性層に比べて厚さが薄いために注入キャリアのオーバーフローが生じ易くなる。本実施の形態によれば、ｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５５およびｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５７によって量子井戸活性層５６へのキャリア閉じ込めが向上するため、量子井戸構造の高い発光効率を用いて特性に優れた半導体レーザ素子６４を作製することができるのである。
【００７６】
また、他の比較例として、図７（ｂ）に示すように、上記ｎ型ＭｇＺｎクラッド層５３とｎ型ＺｎＯ光ガイド層５４との間にｎ型Ｍｇ_０．２５Ｚｎ_０．７５Ｏキャリア障壁層６５を形成すると共に、ｐ型ＺｎＯ光ガイド層５８とｐ型ＭｇＺｎクラッド層５９との間にｐ型Ｍｇ_０．２５Ｚｎ_０．７５Ｏキャリア障壁層６６を形成した他は、比較例２の場合と同様にして半導体レーザ素子を作製（比較例３）したところ、発振閾値電流は本実施の形態の場合に比べて１０％増大した。
【００７７】
本実施の形態の半導体レーザ素子６４は、上記ｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５５およびｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５７が量子井戸活性層５６に接するように形成されているため、比較例３の構造に比べて量子井戸活性層５６へのキャリア閉じ込め率が高く、発振閾値電流が低くなると考えられる。
【００７８】
また、他の比較例として、図７（ｃ）に示すように、上記ｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５５およびｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５７の組成をＭｇ_０．２５Ｚｎ_０．７５Ｏとした他は、本実施の形態の場合と同様にして半導体レーザ素子を作製（比較例４）したところ、発振閾値電流は本実施の形態の場合に比べて５％増大し、素子寿命が１０％短かくなった。
【００７９】
本実施の形態の半導体レーザ素子６４は、上記ｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５５およびｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５７が量子井戸活性層５６に接するように形成されており、キャリア障壁層５５，５７のバンドギャップエネルギーがクラッド層５３，５９より小さくても、量子井戸活性層５６へのキャリア閉じ込め率が高い。従って、キャリア障壁層のＭｇ組成比を比較例４の「０．２５」から「０．１５」に下げて結晶性を向上させることができ、発振閾値電流の低減と素子寿命の向上とを共に実現することができるのである。
【００８０】
尚、本実施の形態のようにｎ型ＺｎＯ単結晶基板５１を用いた場合には、十分高品質なＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長させることができるので、ｎ型ＺｎＯバッファ層５２を形成しなくても本実施の形態の効果に影響することはない。また、活性層が量子井戸構造では無い半導体レーザ素子の場合においても本実施の形態の効果を奏することができることは明らかである。
【００８１】
・第５実施の形態
図８は、本実施の形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子における活性層近傍のバンドダイアグラムである。本実施の形態の半導体レーザ素子は、上記第４実施の形態の半導体レーザ素子６４におけるｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５５およびｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５７のＭｇ組成比が一定では無く、ＺｎＯ光ガイド層５４，５８側から量子井戸活性層５６側に向って小さくなるような傾斜を持たせた他は、上記第４実施の形態の場合と同様にして半導体レーザ素子を作製している。
【００８２】
本実施の形態における半導体レーザ素子は、上記ｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５５’およびｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５７’の成長条件を、傾斜的に変化させている。そのために、急峻に変化させた上記第４実施の形態の場合に比べて結晶欠陥が低減し、素子寿命を３０％向上させることができる。
【００８３】
・第６実施の形態
本実施の形態における半導体レーザ素子は、上記第４実施の形態の半導体レーザ素子６４のｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５５およびｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層５７におけるＭｇ組成比だけでは無く、不純物ドーピング濃度にも図８と同様の傾斜を持たせた他は、上記第４実施の形態の場合と同様にして半導体レーザ素子を作製している。
【００８４】
本実施の形態における半導体レーザ素子は、上記ｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層およびｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層のＭｇ組成比に加えてドーピング条件も傾斜的に変化させているので、上記第５実施の場合に比べて更に結晶欠陥が低減し、素子寿命を１０％向上させることができる。
【００８５】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の酸化物半導体発光素子は、ＺｎＯ系半導体で構成された活性層とＺｎＯ系半導体で構成されたｎ型クラッド層との間、または、上記活性層とＺｎＯ系半導体で構成されたｐ型クラッド層との間、の少なくとも何れか一方に、バンドギャップエネルギーが大きいＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）を含むキャリア障壁層を備えたので、上記活性層からのキャリアオーバーフローを上記キャリア障壁層によって効果的に抑止することができる。
【００８６】
さらに、上記キャリア障壁層をｐ型層側に形成した場合には、ｐ型キャリア障壁層は、上記ｐ型クラッド層を成長させる際における上記活性層の蒸発防止層としての役割をも兼ねることができる。したがって、ＺｎＯを用いた蒸発防止層よりも優れた結晶性を得ることができる。
【００８７】
すなわち、この発明によれば、酸化物半導体発光素子の発光効率を格段に向上させることができ、優れた信頼性を実現することが可能になる。
【００８８】
また、上記キャリア障壁層を組成が異なる２層以上の積層構造にすれば、例えばＺｎＯとＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯとの積層構造にすることによって、キャリアブロック効果と活性層の蒸発防止効果とを更に向上することができる。
【００８９】
また、上記活性層とクラッド層との間に光ガイド層を備えると共に、上記キャリア障壁層を上記活性層と光ガイド層との間に形成すれば、上記光ガイド層へのキャリアオーバーフローを抑止することができる。したがって、上記キャリア障壁層を上記クラッド層と光ガイド層との間に形成した場合よりも、更にキャリア閉じ込め効果を向上できる。
【００９０】
その際に、上記キャリア障壁層を構成するＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯにおけるバンドギャップエネルギーを隣接する上記光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも大きくすれば、上記活性層からクラッド層へのキャリアオーバーフローを上記キャリア障壁層によって十分抑止することができる。したがって、上記キャリア障壁層のバンドギャップエネルギーをクラッド層よりも小さくすることが可能になり、成長条件の急峻な変化を緩和して結晶欠陥の増植等を抑止し、発光特性および寿命の向上を図ることができる。
【００９１】
また、上記キャリア障壁層の厚みは、動作電圧を上昇させることなく高い光閉じ込め効果が得られるので、１ｎｍ〜１００ｎｍであることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の酸化物半導体発光素子の一例としての発光ダイオード素子における断面構造およびバンドダイアグラムを示す図である。
【図２】図１における発光ダイオード素子と比較例１とに関するバイアス電圧印加の有無におけるバンドダイアグラム変化を示す図である。
【図３】図１におけるＭｇＺｎＯキャリア障壁層の層厚と発光強度および動作電圧との関係を示す図である。
【図４】図１とは異なる発光ダイオード素子の断面構造およびバンドダイアグラムを示す図である。
【図５】図１および図４とは異なる発光ダイオード素子の断面構造およびバンドダイアグラムを示す図である。
【図６】この発明の酸化物半導体発光素子の一例としてのＺｎＯ系半導体レーザ素子の斜視図および活性層近傍のバンドダイアグラムを示す図である。
【図７】図６に示すＺｎＯ系半導体レーザ素子との比較例における活性層近傍のバンドダイアグラムを示す図である。
【図８】図６とは異なるＺｎＯ系半導体レーザ素子における活性層近傍のバンドダイアグラムを示す図である。
【符号の説明】
１，１１，３１…ＺｎＯ基板、
２，１２，３２，５３…ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、
３，１４，３４…ノンドープＣｄＺｎＯ発光層、
４，１５，５７，５７’，６６…ｐ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層、
５，１６，３６，５９…ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、
６，１７，３７，６０…ｐ型ＺｎＯコンタクト層、
７，１８，３８…透光性ｐ型オーミック電極、
８，１９，３９…パッド電極、
９，２０，４０，６２…ｎ型オーミック電極、
１０，２１，４１…発光ダイオード素子、
１３，３３，５５，５５’，６５…ｎ型ＭｇＺｎＯキャリア障壁層、
３５…ｐ型キャリア障壁層、
５１…ｎ型ＺｎＯ単結晶基板、
５２…ｎ型ＺｎＯバッファ層、
５４…ｎ型ＺｎＯ光ガイド層、
５６…ノンドープ量子井戸活性層、
５８…ｐ型ＺｎＯ光ガイド層、
６１…ｎ型電流ブロック層、
６３…ｐ型オーミック電極、
６４…ＺｎＯ系半導体レーザ素子。

Claims (10)

1. 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型クラッド層および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であって、
   上記活性層とｎ型クラッド層との間または上記活性層とｐ型クラッド層との間の少なくとも何れか一方に、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）を含むキャリア障壁層を備えたことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記キャリア障壁層を構成する上記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯにおけるＭｇ組成比ｘは、０よりも大きく且つ０．３５よりも小さい値であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
3. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記キャリア障壁層は、組成が異なる２層以上の積層構造より成ることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
4. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記キャリア障壁層を構成する上記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯにおけるバンドギャップエネルギーは、上記キャリア障壁層に隣接するクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
5. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記活性層とｎ型クラッド層との間または上記活性層とｐ型クラッド層との間の少なくとも何れか一方に、光ガイド層を備えると共に、
   上記キャリア障壁層は、上記活性層と光ガイド層との間に形成されている
   ことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
6. 請求項５に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記キャリア障壁層を構成する上記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯにおけるバンドギャップエネルギーは、上記キャリア障壁層に隣接する光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも大きく且つ上記光ガイド層に隣接するクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さいことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
7. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記キャリア障壁層の厚みは、１ｎｍ以上且つ１００ｎｍ以下であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
8. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記キャリア障壁層を構成する上記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯにおけるＭｇ組成比ｘは傾斜を有していることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
9. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記キャリア障壁層における不純物ドーピング濃度は傾斜を有していることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
10. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
    上記活性層は量子井戸構造を有していることを特徴とする酸化物半導体発光素子。

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