JP2004228318A - Oxide semiconductor light emitting element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide semiconductor light emitting element exhibiting excellent emission characteristics and reliability and applicable to a light emitting diode or a semiconductor laser element. <P>SOLUTION: The lattice constant of a substrate is controlled by changing the composition of group I elements or group III elements using an oxide substrate having a composition represented by Li<SB>1-(x+y)</SB>Na<SB>x</SB>K<SB>y</SB>Al<SB>1-z</SB>Ga<SB>z</SB>O<SB>2</SB>(0≤x, y, z≤1, 0≤x+y≤1). Consequently, crystal defects and strain in the epitaxial layer of an oxide semiconductor light emitting element are reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

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、半導体結晶中の歪を低減し発光特性と信頼性に優れた酸化物半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
酸化物材料は、誘電性、磁性、超伝導性等の従来の半導体材料では実現できない多くの機能を持ち、また半導体材料としても既存材料の特質を補って余りある可能性を有している。
最近、II族酸化物半導体である酸化亜鉛(ZnO)が青色領域ないし紫外領域の発光デバイス用の材料として有望視されている。
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る。また、ZnOは約60meVと極めて高い励起子結合エネルギーを有するため、低消費電力で環境性に優れた高効率な発光デバイスを実現できる可能性があり、さらに、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等の特徴を有している。
【0003】
以下、本明細書において、「ZnO系」半導体なる語を用いるときは、ZnOおよびこれを母体としたMgZnOまたはCdZnO等で表される混晶を含むものとする。また、本明細書において、組成を特定せずに化合物を示す場合には、例えば、「MgZnO」と単に元素記号のみで記載し、組成を特定する場合には、例えば、「Mg0.1Zn0.9O」と記載する。
【0004】
ZnO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GaNのようなIII族窒化物半導体と同じウルツ鉱の結晶構造を有し、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(特許文献1)には、Si基板上にシリコン窒化膜を形成し、その上にZnO系半導体薄膜を結晶成長させる技術が開示されている。また、特開2001−44500号公報(特許文献2)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させる技術が開示されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−44499号公報
【0007】
【特許文献2】
特開2001−44500号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
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できるが、ZnO系半導体とは格子定数差が十数%以上と極めて大きく、バッファ層を形成しても、良好な結晶性を有するZnO系半導体エピタキシャル層を得ることは難しい。特に、Si基板上ではSiが酸素と反応してSiOx層を形成しやすい。このため、エピタキシャル結晶中には多くの結晶欠陥が発生し、また大きな格子歪を内在しているため、発光効率や信頼性が十分でないという問題があった。
かくして、本発明の目的は、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ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、結晶性に優れた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基板材料について鋭意検討した結果、ZnO系半導体との親和性に優れ、組成によって格子定数の制御が可能な酸化物を基板に用いることで、目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【0010】
第1の局面において、本発明は、酸化物基板上に、少なくとも、n型ZnO系半導体クラッド層、ZnO系半導体活性層、およびp型ZnO系半導体クラッド層が形成され、ここに、該酸化物基板がLi1−(x+y)NaAl1−zGa(0≦x、y、z≦1、0≦x+y≦1)で表される組成を有する酸化物半導体発光素子を提供する。
本発明のLi1−(x+y)NaAl1−zGa基板は、ZnO系半導体と類似の結晶構造を有し、ZnO系半導体をエピタキシャル成長できる。さらに、組成を制御することにより、ZnO系半導体に極めて近い範囲で格子定数を制御できる。
したがって、本発明の酸化物基板を用いることにより、殆ど歪を内在しないZnO系半導体エピタキシャル層を得ることができ、信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製できる。
【0011】
特に、該酸化物基板が、Li1−aNaAlO、Li1−bNaGaO、LiAl1−cGa、およびNaAl1−dGa(0≦a、b、c、d≦1)のいずれかである酸化物半導体発光素子を提供する。
前記の酸化物は、本発明のLi1−(x+y)NaAl1−zGaの中で、ZnO系半導体との格子定数差が特に小さく、組成の制御が容易であるので、これを基板として用いることにより、特に信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製できる。
【0012】
なお、本明細書において、半導体発光素子中発光を司る層を「発光層」というが、半導体レーザ素子の場合には同様の意味で「活性層」なる語を用いることがある。しかしながら、両者の機能は実質的に同じであるため特に区別はしない。
【0013】
第2の局面において、本発明は、酸化物基板の成長主面を制御することによって、信頼性および発光特性に優れた酸化物半導体発光素子を提供する。
本発明の酸化物半導体発光素子は、1の具体例として、その酸化物基板の成長主面が(001)金属面であって、酸化物基板上にエピタキシャル成長されたZnO系半導体の成長主面が(0001)亜鉛面であることを特徴とする。
酸化物基板の成長主面を(001)金属面とすることにより、ZnO系半導体の成長面方位を(0001)亜鉛面とすることができる。成長主面が(0001)亜鉛面であるZnO系半導体は、特アクセプタ不純物のドーピング特性に優れ、動作電圧が低減する。このことにより、省電力性と信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製できる。
【0014】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、もう一つの具体例として、その酸化物基板の結晶成長主面が、(001)面より15°以下のオフ角度にて傾斜させた面であることを特徴とする。
一般に、半導体発光素子を形成する際、基板の結晶成長主面を(001)面等の低指数面とした「ジャスト基板」を用いるが、基板の表面方位を上記低指数面から傾斜させた「オフ基板」は、成長主面にステップおよびテラスが形成されているので、材料原子がステップに取り込まれ2次元成長する「ステップフロー成長」が生じやすく、平坦性に優れたZnO系半導体層が得られる。
本発明によれば、基板の(001)面から所定のオフ角度にて傾斜させた面を結晶成長主面とする「オフ基板」を用いるので、発光効率と信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製できる。
【0015】
さらに、第3の局面において、本発明は、酸化物基板上に、前記酸化物基板とは組成の異なるLi1−(x+y)NaAl1−zGa(0<x、y、z<1、0<x+y<1)を含むバッファ層が形成されている酸化物半導体発光素子を提供する。
酸化物基板がその上に成長されるZnO系半導体層と格子不整合を有する場合でも、本発明と同じ材料で構成されるバッファ層を形成し、バッファ層の組成を制御して、格子歪を緩和することができる。したがって、結晶性の高いZnO系半導体エピタキシャル層が得られ、信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸化物半導体発光素子を発光ダイオード素子および半導体レーザ素子に適用した実施形態を図面に基づいて、具体的に説明する。
第1の実施形態
本発明による第1の実施形態の酸化物半導体発光素子は、酸化物基板上に、少なくとも、n型ZnO系半導体クラッド層、ZnO系半導体発光層、およびp型ZnO系半導体クラッド層が形成され、ここに、該酸化物基板がLi1−(x+y)NaAl1−zGa(0≦x、y、z≦1、0≦x+y≦1)で表される組成を有する発光ダイオード素子である。
本発明によれば、基板として、ZnO系半導体層との親和性に優れたLi1−(x+y)NaAl1−zGa酸化物を用いるので、良好な結晶性を有するエピタキシャル層を得ることができ、また、その組成を変化させることにより格子定数を制御することができる。
かくして、発光特性および信頼性に優れた発光ダイオード素子を得ることができる。
【0017】
図1は、発光ダイオード素子1の斜視図(A)および断面図(B)を示す。発光ダイオード素子1は、(001)金属面を主面とするLiGaO単結晶基板101上に、n型ZnOコンタクト層102、n型MgZnOクラッド層103、量子井戸発光層104、p型MgZnOクラッド層105、およびp型ZnOコンタクト層106を積層することによって構成されている。
【0018】
量子井戸発光層104は、1または複数のZnO障壁層と、1または複数のCdZnO井戸層とを交互に積層した多重井戸構造である。
また、p型ZnOコンタクト層106の主表面全面には、発光層から発光された光に対して透光性であるp型オーミック電極107が積層されている。さらに、この透光性オーミック電極107上には、透光性p型オーミック電極107より小さい面積でボンディング用パッド電極108が形成されている。
さらに、n型MgZnOクラッド層103からp型ZnOコンタクト層106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n型ZnOコンタクト層102の表面にはn型オーミック電極109が積層されている。
【0019】
以下、本発明の効果を最大限に得るための他の構成について記すが、その他の実施形態において任意に組み合わせて用いてもよい。
【0020】
本発明において基板として用いる絶縁体酸化物LiGaOの結晶構造を、ZnOと比較して図2に示す。
XYOなる構成の斜方晶酸化物は、ZnO系半導体のウルツ鉱構造に類似の結晶構造である。特に、元素XがLi、NaまたはKのいずれかを含み、かつ、元素YがAlまたはGaのいずれかを含む斜方晶酸化物の面内格子定数は、ZnOの格子定数(3.25Å)に極めて近いため、格子歪が極めて小さいZnO系半導体エピタキシャル層を得ることができる。
【0021】
発光ダイオード素子を作製する場合、基板を研磨やエッチング等の公知の手法で基板裏面に凹凸を形成して、入射した発光を乱反射させれば、光取り出し効率が向上するので好ましい。
【0022】
n型ZnOバッファ層102およびn型MgZnOクラッド層103にドーピングするドナー不純物としては、ZnO系半導体中での活性化率が高いので、III族元素のB、Al、Ga、In等を用いることが好ましく、GaまたはAlが特に好ましい。
【0023】
発光層は単層構造とすることもできるが、発光層を量子井戸構造とすることにより、半導体レーザ素子においては光学利得が向上し、発光ダイオード素子においても発光効率が向上するので好ましい。
【0024】
p型MgZnO層105およびp型ZnOコンタクト層106にドーピングするアクセプタ不純物としては、IまたはV族元素であるLi、Na、Cu、Ag、N、P、As等を用いることができる。N、LiおよびAgは活性化しやすいので好ましい。Nは、N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ちつつ、高濃度ドーピングが行えるので特に好ましい。
【0025】
発光ダイオード素子の効率を向上させるには、MgZnO混晶はZnOに比べて不純物の活性化率が低いことから、p型MgZnOクラッド層105上に直接p型オーミック電極107を形成せず、p型コンタクト層106を設けて低抵抗化することが好ましい。
コンタクト層材料には、結晶性に優れキャリア濃度を高くできるZnOを用いることが好ましい。p型ZnOコンタクト層106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、本発明の効果が減少するので、5×1016〜5×1019cm−3のキャリア濃度範囲となるようドーピングすることが好ましい。
【0026】
n型コンタクト層102にはp型コンタクト層106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1×1018〜1×1021cm−3の範囲が好ましく、さらには5×1019〜5×1020cm−3の範囲で調整されることが好ましい。また、膜厚は、0.001〜1μm、好ましくは0.005〜0.5μm、さらに好ましくは0.01〜0.1μmの範囲に調整されることが好ましい。
【0027】
p型オーミック電極107には、Ni、Pt、Pd、Au等の金属材料を用いることができる。前記の金属材料は、p型ZnO系半導体層に対して低抵抗なオーミック接触を形成すると共にZnO系半導体との密着性に優れる。よって、信頼性に優れ動作電圧の低い発光素子を実現できる。なかでも低抵抗で密着性の良いNiが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。
【0028】
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107が発光層から発光された光に対して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。
透明導電膜が主表面全面に形成されていることにより、電流広がりが均一化し外部光取り出し効率が向上する。よって、発光効率に優れた紫外発光素子を実現できる。
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5〜200nmの範囲が好ましく、30〜100nmの範囲がさらに好ましい。
p型オーミック電極107の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または大気雰囲気中が好ましく、Nでは逆に抵抗が増大する。
【0029】
リードフレームへの配線を簡便に行うためには、p型オーミック電極107上にワイヤボンディング用のパッド電極108を設けることが有効である。パッド電極108は、透光性p型オーミック電極107上の一部に、p型オーミック電極107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108の材料としてはボンディングが容易でZnO系半導体中へ拡散してもドナー不純物とならない金属材料が好ましく、特に、Auが好ましい。
また、p型オーミック電極107とパッド電極108と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形成してもよい。
【0030】
n型オーミック電極109には、Ti、Cr、Al等の金属材料を用いることができる。なかでも低抵抗でコストの低いAlまたは密着性の良いTiが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。
【0031】
その他の構成は任意であり、本明細書に記載された構成のみに限定されるものではない。
【0032】
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)法等の結晶成長手法で作製することができる。
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、例えば、ZnOにGaをドーピングさせる場合に、ZnGa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好ましい。
本発明を半導体レーザ素子に適用する場合、図4に示すレーザMBE装置7を用いて、半導体レーザ素子を作製することができる。
【0033】
レーザMBE装置7において、超高真空に排気可能な成長室701の上部に基板ホルダー702が配置され、基板ホルダー702に基板703が固定されている。基板ホルダー702上部に配置されたヒーター704により基板ホルダー702の裏面が加熱され、その熱伝導により基板703が加熱される。
基板ホルダー702直下には適当な距離を置いてターゲットテーブル705が配置され、ターゲットテーブル705上には、複数の原料ターゲット706を配置することができる。
ターゲット706の表面は成長室701の側面に設けられたビューポート707を通じ照射されるパルスレーザ光708によりアブレーションされ、瞬時に蒸発したターゲット706の原料が基板上に堆積することにより薄膜が成長する。
ターゲットテーブル705は回転機構を有し、パルスレーザ光708の照射シーケンスに同期して回転を制御することにより、異なるターゲット原料を薄膜上に積層することが可能となる。また、成長室には複数のガスを導入できるように複数のガス導入管710が設けられており、ラジカルセル709によって活性化された原子状ビームを基板703に照射することも可能である。
【0034】
第2の実施形態
本発明による第2の実施形態の酸化物半導体発光素子は、第1の実施形態の酸化物半導体発光素子と同様に構成されるが、LiGaO基板101とn型ZnOコンタクト層102との間に、Li1−(x+y)NaAl1−zGa(0<x、y、z<1、0<x+y<1)を含むバッファ層201が形成されていることを特徴とする発光ダイオード素子である(図示せず)。
本発明によれば、先ず、基板上にLi1−(x+y)NaAl1−zGaバッファ層201を形成するので、I族元素およびIII族元素の組成を制御することによって、LiGaO基板101とn型ZnOコンタクト層102との間の格子不整合を緩和して、発光ダイオード素子としての特性をさらに向上させることができる。
【0035】
第3の実施形態
本発明による第3の実施形態の酸化物半導体発光素子は、酸化物基板上に、少なくとも、n型ZnO系半導体クラッド層、ZnO系半導体活性層、およびp型ZnO系半導体クラッド層が形成され、該p型ZnO系半導体クラッド層はリッジストライプ状に加工され、ここに、該酸化物基板がLi1−(x+y)NaAl1−zGa(0≦x、y、z≦1、0≦x+y≦1)で表される組成を有する半導体レーザ素子である。
本発明によれば、基板として、ZnO系半導体層との親和性に優れたLi1−(x+y)NaAl1−zGa酸化物を用いるので、良好な結晶性を有するエピタキシャル層を得ることができ、また、その組成を変化させることにより格子定数を制御することができる。
かくして、信頼性と発光効率に優れた半導体レーザ素子を得ることができる。
【0036】
図3は、ZnO系半導体レーザ素子3の斜視図(A)および断面図(B)を示す。半導体レーザ素子3は、(001)金属面を主面としたNaAlO基板301上に、Li1−aNaAlOバッファ層302、n型ZnOコンタクト層303、n型MgZnOクラッド層304、n型ZnO光ガイド層305、ノンドープ量子井戸活性層306、p型ZnO光ガイド層307、p型MgZnOクラッド層308、およびp型ZnOコンタクト層309を積層することによって構成されている。
また、量子井戸活性層306は、1または複数のZnO障壁層と、1または複数のCdZnO井戸層とを交互に積層して形成された多重量子井戸構造である。
【0037】
さらに、p型ZnOコンタクト層309およびp型MgZnOクラッド層308はリッジストライプ状にエッチング加工され、n型MgZnO電流ブロック層310によって、リッジストライプ側面は埋め込まれている。
n型MgZnO電流ブロック層310およびp型ZnOコンタクト層309の上にはp型オーミック電極312が形成されている。
また、n型MgZnOクラッド層304からn型MgZnO電流ブロック層310に至る積層構造は一部がエッチングされ、露出したn型ZnOコンタクト層303上にn型オーミック電極311が形成されている。
【0038】
Li1−aNaAlOバッファ層302がNaAlO基板301およびn型ZnOコンタクト層303との界面で各々格子整合するように、Li1−aNaAlOバッファ層中のNa組成をエピタキシャル層の成長方向において徐々に変化させることによって、成長層の結晶欠陥を低減し、格子歪を緩和することができる。
【0039】
半導体レーザ素子の効率を向上させるには、MgZnO混晶はZnOに比べて不純物の活性化率が低いことから、p型MgZnOクラッド層308上に直接p型オーミック電極312を形成せず、p型コンタクト層309を設けて低抵抗化することが好ましい。
コンタクト層材料には、結晶性に優れキャリア濃度を高くできるZnOを用いることが好ましい。p型ZnOコンタクト層309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、本発明の効果が減少するので、5×1016〜5×1019cm−3のキャリア濃度範囲となるようドーピングすることが好ましい。
【0040】
n型コンタクト層303にはp型コンタクト層309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1×1018〜1×1021cm−3の範囲が好ましく、さらには5×1019〜5×1020cm−3の範囲で調整されることが好ましい。また、膜厚は、0.001〜1μm、好ましくは0.005〜0.5μm、さらに好ましくは0.01〜0.1μmの範囲に調整されることが好ましい。
【0041】
【実施例】
実施例1
この実施例は、本発明を発光ダイオード素子に適用した第1の実施形態の酸化物半導体発光素子を説明する。
図1は、発光ダイオード素子1の断面図を示す。この実施例において、(001)金属面を主面とするLiGaO単結晶基板101上に、Gaを3×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.1μmのn型ZnOコンタクト層102、Gaを1×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ1μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層103、ノンドープ量子井戸発光層104、Nを5×1019cm−3の濃度でドーピングした厚さ1μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層105、およびNを1×1020cm−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106を積層して、発光ダイオード素子1aを作製した。
【0042】
量子井戸発光層104は、厚さ5nmのZnO障壁層11層と、厚さ4nmのCd0.2Zn0.8O井戸層10層とを交互に積層した多重井戸構造である。
n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層103からp型ZnOコンタクト層106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n型ZnOコンタクト層102の表面にはn型オーミック電極109として厚さ100nmのAlが積層されている。
また、p型ZnOコンタクト層106の主表面全面には、透光性p型オーミック電極107として、厚さ15nmのNiが積層され、その上に、透光性p型オーミック電極107より小さい面積で厚さ100nmのボンディング用Auパッド電極108が形成されている。
【0043】
以下に製造方法を順に説明する。
まず、洗浄処理したLiGaO基板101をレーザMBE装置7に導入し、温度600℃で30分間加熱し清浄化した。
次に基板温度を500℃に降温し、ノンドープZnO単結晶およびGaを添加したZnO焼結体を原料ターゲットとし、回転機構によるターゲットテーブルの駆動周期とKrFエキシマレーザのパルス照射周期を外部制御装置(図示しない)によって同期させ、所望のGaドーピング濃度が得られる比率で2つの原料ターゲットを交互にアブレーションしてn型ZnOコンタクト層102を成長させた。
アブレーションを行うパルスレーザにはKrFエキシマレーザ(波長:248nm、パルス数:10Hz、出力1J/cm)を用いた。成長中にはガス導入管710aより、Oガスを導入した。
次に、ノンドープZnO単結晶およびGaを添加したMgZnO焼結体を原料ターゲットとし、所望のMg組成とGaドーピング濃度が得られる比率で交互にアブレーションしてn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層103を成長させた。
次に、ノンドープZnO単結晶、CdZnO焼結体を原料ターゲットとし、所望のCd組成が得られる比率で交互にアブレーションして、ZnO障壁層およびCd0.2Zn0.8O井戸層よりなる量子井戸活性層104を成長させた。
【0044】
次に、ガス導入管710bより導入したNガスをラジカルセル709でプラズマ化して照射しながら、ノンドープZnO単結晶およびノンドープMgZnO焼結体を原料ターゲットとして交互アブレーションを行い、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層105を成長させた。
次に、ガス導入管710bより導入したNガスをラジカルセル709でプラズマ化して照射しながら、ノンドープZnO単結晶を原料ターゲットとしてアブレーションを行い、p型ZnOコンタクト層106を成長させた。
【0045】
次に、基板101をレーザMBE装置7から取り出し、成長層の一部を覆うレジストマスクを形成し、1重量%の硝酸水溶液を用いてp型ZnOコンタクト層106からn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層103に至る成長層を部分的にエッチング除去した。
次に、露出したn型ZnOコンタクト層102上にn型オーミック電極109としてAlを真空蒸着した。
次に、p型ZnOコンタクト層106上面全面に、p型オーミック電極107としてNi薄膜を真空蒸着した。このNi薄膜は高い透光性を有し、青色発光波長において80%を透過する。
最後に、p型オーミック電極107上にパッド電極108として厚さ100nmのAuを真空蒸着した。
【0046】
なお、この実施例においては、ZnO単結晶およびGaドープMgZnO焼結体の2つの原料ターゲットを交互アブレーションすることによって、Mg組成およびGaドーピング濃度を制御したが、ZnO単結晶、ノンドープMgZnO焼結体およびGaドープZnO焼結体の3つの原料ターゲットを打ち分ける等の方法を用いて、ドーピング濃度の制御性を向上させることができる。
また、MgZnO焼結体を用いず、ZnO単結晶とMgO単結晶とを交互アブレーションして所望組成のMgZnO混晶を得てもよい。
さらに、Ga添加焼結体を用いず、蒸発セルを用いて金属Gaをドーピングしてもよい。
【0047】
発光ダイオード素子1aをチップ状に分離してリードフレームに取り付け、樹脂モールドし発光させたところ、発光ピーク波長430nmの青色発光が得られた。
【0048】
比較のため、基板101にサファイアを用いる以外は、発光ダイオード素子1aと同様にして、発光ダイオード素子1bを作製した。
上記と同様にして、発光ダイオード素子1bをチップ状に分離してリードフレームに取り付け、樹脂モールドし発光させたところ、発光ピーク波長450nmの青色発光が得られた。発光波長が長波長化したのは、基板からの応力によってZnO系半導体エピタキシャル層に格子歪が生じたためと考えられる。
また、発光ダイオード素子1aと比較して、20mAの動作電流における発光強度は3/4に減少し、さらに、素子寿命(動作電流20mAで動作させ、動作開始から発光強度が初期値の50%に減少するまでの時間で定義する。)は1/5になった。
発光強度の大幅な悪化は、結晶性劣化による発光効率の低下が原因であると考えられる。
【0049】
さらに、基板101にSiを用いる以外は、発光ダイオード素子1aと同様にして、発光ダイオード素子1cを作製した。
上記と同様にして、発光ダイオード素子1cをチップ状に分離してリードフレームに取り付け、樹脂モールドし発光させたところ、発光ピーク波長450nmの青色発光が得られた。発光波長が長波長化したのは、基板からの応力によってZnO系半導体エピタキシャル層に格子歪が生じたためと考えられる。
また、発光ダイオード素子1aと比較して、20mAの動作電流における発光強度は1/10に減少し、さらに、素子寿命(動作電流20mAで動作させ、動作開始から発光強度が初期値の50%に減少するまでの時間で定義する。)は1/10になった。
発光強度の大幅な悪化は、結晶性劣化による発光効率の低下に加え、Si基板での吸収損失が原因であると考えられる。
【0050】
以上に示したように、Li1−(x+y)NaAl1−zGa基板を用いると、発光効率が高く信頼性に優れたZnO系半導体発光素子を作製できる。
【0051】
実施例2
次に、基板の成長主面が発光ダイオード素子特性に及ぼす影響を調べるために、LiGaO単結晶基板101の成長主面を(00−1)酸素面とする以外は、発光ダイオード素子1aと同様にして、発光ダイオード素子1dを作製した。
実施例1と同様に、発光ダイオード素子1dをチップ状に分離してリードフレームに取り付け、樹脂モールドし発光させたところ、20mAの動作電流における動作電圧は、発光ダイオード1aと比較して0.5V増大した。
この原因を調べたところ、ZnO系半導体層の成長主面が酸素面(000−1)となっており、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層105およびp型ZnOコンタクト層106の抵抗率が増大していたためであることがわかった。
【0052】
したがって、本発明のLi1−(x+y)NaAl1−zGa基板は、成長主面に(001)金属面を選択すると、その上にエピタキシャル成長するZnO系半導体層が(0001)亜鉛面となり、亜鉛面が成長主面であればp型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いp型ZnO系半導体層が得られやすくなるので好ましいことがわかった。
【0053】
実施例3
基板の結晶成長主面の方位が発光ダイオード素子の特性に与える影響を調べるため、基板の成長主面として、結晶面方向が(001)面から[100]方向へ傾斜したLiGaO単結晶のオフ基板を用いる以外は、発光ダイオード素子1aと同様にして種々の発光ダイオード素子を作製した。
基板のオフ角度と発光強度との関係を図5に示す。
【0054】
オフ角度が15°以下では、傾斜の無い「ジャスト基板」に比べ発光強度が増大するが、15°を超えると発光強度は急激に減少する。すなわち、成長主面が(001)より15°以下のオフ角度にて傾斜する「オフ基板」を用いることが好ましい。
なお、図5は[100]方向へ傾斜を有する場合について調べたものであるが、[010]方向に傾斜したオフ基板を用いても同様の結果が得られた。
【0055】
「オフ基板」を用いると発光強度が増大する理由は、材料原子がステップに取り込まれ2次元成長する「ステップフロー成長」が生じ、ZnO系半導体層の結晶性と平坦性が改善されたためであり、特にオフ角が15°までのオフ基板であれば、適度なステップの高さとテラスの広さを有するため、成長層の平坦性に優れると考えられる。
また、この実施例においては、[100]方向および[010]方向に傾斜したオフ基板についてのみの結果を示したが、一般に傾斜方向によらず、基板主面が傾斜していれば、必ずステップ状の原子面段差を有するので、本発明に用いるオフ基板の傾斜方向は限定されるものではない。
【0056】
実施例4
この実施例は、本発明を発光ダイオード素子に適用した第2の実施形態の酸化物半導体発光素子を説明する。
この実施例において、LiGaO基板101とn型ZnOコンタクト層102との間に、厚さ30nmのLi0.75Na0.25GaOよりなるバッファ層201を形成する以外は、発光ダイオード素子1aと同様にして、発光ダイオード素子2aを作製した(図示せず)。
【0057】
実施例1と同様に、発光ダイオード素子2aをチップ状に分離してリードフレームに取り付け、樹脂モールドし発光させたところ、発光ピーク波長430nmの青色発光が得られた。また、発光ダイオード素子1aと比較して、20mAの動作電流における発光強度は30%増大し、素子寿命は2倍になった。
【0058】
発光ダイオード素子1aと比較して、発光ダイオード素子2aの特性が改善された理由は、バッファ層201として形成したLi0.75Na0.25GaO層が、LiGaO基板101とn型ZnOコンタクト層102の間の格子不整合を緩和したためと考えられる。
【0059】
この実施例において、LiGaO基板101上に単一組成のLi0.75Na0.25GaOバッファ層を形成したが、基板側およびZnO系半導体側で各々格子不整合が小さくなるように組成を変化させると、結晶欠陥や格子歪がさらに緩和され、極めて特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製できるので好ましい。
【0060】
参考例1
本発明のLi1−(x+y)NaAl1−zGa基板は、構成元素の組成を適切に選択することにより、格子定数を制御してZnO系半導体に格子整合させることができる。特に、Li1−bNaGaOの他に、Li1−aNaAlO、LiAl1−cGa、NaAl1−dGaなど、IA族またはIIIA族のいずれかが2種の元素からなる酸化物は、組成の制御が簡便であるので好ましい。
【0061】
この参考例において、前記4つの酸化物に対して、平均酸素−酸素間距離で表される実効格子定数を求めた結果を図6に示す。ここで「実効格子定数」とは、同一面内の6つの酸素原子で構成される六角形と同じ面積の正六角形を仮定し、この正六角形の一辺を成す酸素−酸素原子間距離と定義する。
【0062】
これより、ZnOに対しては、全組成範囲で−4%(LiAlOを用いた場合;実効格子定数=3.12Å)〜+6%(NaGaOを用いた場合;実効格子定数=3.44Å)の格子定数差を制御でき、特に、Li1−aNaAlOにおいて、Na組成xが0.4〜0.6である場合;またはLi1−bNaGaOにおいて、Na組成xが0.15〜0.35である場合には、ZnOとの格子定数差が±0.75%と極めて小さいため好ましく、さらにLi0.5Na0.5AlOまたはLi0.75Na0.25GaOであれば、実効格子定数が3.25Åとなり、ZnOとほぼ完全に格子整合し、歪を有せず結晶性に優れたZnO系半導体層をエピタキシャル成長できることがわかる。
【0063】
実施例5
この実施例は、本発明を半導体レーザ素子に適用した第3の実施形態の酸化物半導体発光素子を説明する。
図3は、ZnO系半導体レーザ素子3の斜視図(A)および断面図(B)を示す。この実施例において、(001)金属面を主面としたNaAlO基板301上に、厚さ30nmのLi1−aNaAlOバッファ層302、Gaを1×1019cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.3μmのn型ZnOコンタクト層303、Gaを3×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ1μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層304、Gaを5×1017cm−3の濃度でドーピングした厚さ30nmのn型ZnO光ガイド層305、ノンドープ量子井戸活性層306、Nを5×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ30nmのp型ZnO光ガイド層307、Nを5×1019cm−3の濃度でドーピングした厚さ1.2μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層308、およびNを1×1020cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層309を積層して、半導体レーザ素子3aを作製した。
【0064】
量子井戸活性層306は、厚さ5nmのZnO障壁層2層と、厚さ6nmのCd0.1Zn0.9O井戸層3層とを交互に積層することによって形成されている。
p型ZnOコンタクト層309およびp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層308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3×1018cm−3の濃度でドーピングされたn型Mg0.2Zn0.8O電流ブロック層310によって埋め込まれている。
n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層304からn型Mg0.2Zn0.8O電流ブロック層310に至る積層構造は一部がエッチングされ、露出したn型ZnOコンタクト層303上にn型オーミック電極311が形成されている。
n型Mg0.2Zn0.8O電流ブロック層310およびp型ZnOコンタクト層309の上にはp型オーミック電極312が形成されている。
【0065】
Li1−aNaAlOバッファ層302は、基板301側からZnOコンタクト層303側に向って、NaAlO(Na組成a=1)からLi0.5Na0.5AlO(Na組成a=0.5)までの組成傾斜を有し、NaAlO基板301およびn型ZnOコンタクト層303との界面で各々格子整合している。
【0066】
半導体レーザ素子3aの作製後、リッジストライプに垂直なミラー端面に保護膜を真空蒸着した後、素子を300μm角のチップ状に分離した。
半導体レーザ素子3a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。
発振閾値電流は35mAであり、光出力5mWでの動作電圧は4Vであって、素子寿命(60℃にて光出力5mWで連続発振させ、発振開始から動作電流が初期値より20%増大するまでの時間で定義する。)は10,000時間であった。
【0067】
比較のため、基板にサファイア(0001)面を用いる以外は、半導体発光素子3aと同様にして、半導体レーザ素子3bを作製した。
上記と同様にして、半導体レーザ素子3bを発光させたところ、発振閾値電流は45mAに増大し、素子寿命は約1,000時間であった。
【0068】
以上より、本発明のLi1−(x+y)NaAl1−zGa基板は、半導体レーザ素子に適用しても、発振閾値電流の低減および信頼性の向上に効果を有することがわかった。
【0069】
さらに、Li1−aNaAlOバッファ層を形成しない以外は、半導体レーザ素子3aと同様にして、半導体レーザ素子3cを作製した。
上記と同様にして、半導体レーザ素子3cを発光させたところ、発振閾値電流は40mAに増大し、素子寿命は約3,500時間であった。
【0070】
さらに、Li1−aNaAlOバッファ層をa=0.5の単一組成とする以外は、半導体レーザ素子3aと同様にして、半導体レーザ素子3dを作製した。
上記と同様にして、半導体レーザ素子3dを発光させたところ、発振閾値電流は半導体レーザ素子3aとほぼ同じであったが、素子寿命は約8,000時間であった。
【0071】
以上より、本発明のようにLi1−(x+y)NaAl1−zGa基板上にLi1−aNaAlOバッファ層を形成する場合、バッファ層中のNa組成を変化させて、バッファ層の格子定数を制御することによって、ZnO系半導体層の格子歪を緩和することができ、信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製できることがわかった。
【0072】
【発明の効果】
本発明の酸化物半導体発光素子によると、Li1−(x+y)NaAl1−zGa(0≦x、y、z≦1)で表される組成を有する酸化物基板上に、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、およびp型クラッド層が形成されているので、基板組成を制御することにより、ZnO系半導体に極めて近い範囲で格子定数を制御でき、信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製できた。また、成長主面を所定のオフ角度にて傾斜させたオフ基板とすることで、酸化物半導体発光素子の信頼性をさらに向上させることができた。
また、Li1−(x+y)NaAl1−zGa基板上に、酸化物基板とは組成の異なるLi1−(x+y)NaAl1−zGa(0<x、y、z<1)を含むバッファ層を形成し、バッファ層の組成を制御することによって、格子歪を緩和することができ、より一層信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による第1の実施形態の酸化物半導体発光素子(発光ダイオード素子)を示す斜視図(A)および断面図(B)。
【図2】ZnOおよび絶縁体酸化物LiGaOの結晶構造を説明する概略図。
【図3】本発明による第3の実施形態の酸化物半導体発光素子(半導体レーザ素子)を示す断面図。
【図4】レーザ分子線エピタキシー装置の概略図。
【図5】傾斜基板のオフ角度と発光ダイオード素子の発光強度の関係を説明するグラフ。
【図6】本発明の4つの酸化物に対して、組成と平均酸素−酸素間距離で表される実効格子定数との関係を説明するグラフ。
【符号の説明】
1・・・発光ダイオード素子、
101・・・LiNaKAlGaO基板、
102・・・n型ZnOコンタクト層、
103・・・n型MgZnOクラッド層、
104・・・発光層、
105・・・p型MgZnOクラッド層、
106・・・p型ZnOコンタクト層、
107・・・p型オーミック電極、
108・・・パッド電極、
109・・・n型オーミック電極、
201・・・n型LiNaKAlGaOバッファ層、
3・・・半導体レーザ素子、
301・・・LiNaKAlGaO基板、
302・・・LiNaKAlGaOバッファ層、
303・・・n型ZnOコンタクト層、
304・・・n型MgZnOクラッド層、
305・・・n型ZnO光ガイド層、
306・・・量子井戸活性層、
307・・・p型ZnO光ガイド層、
308・・・p型MgZnOクラッド層、
309・・・p型ZnOコンタクト層、
310・・・n型MgZnO電流ブロック層、
311・・・n型オーミック電極、
312・・・p型オーミック電極、
7・・・レーザMBE装置、
701・・・成長室、
702・・・基板ホルダー、
703・・・基板、
704・・・ヒーター、
705・・・ターゲットテーブル、
706・・・原料ターゲット、
707・・・ビューポート、
708・・・パルスレーザ光(エキシマレーザ)、
709・・・ラジカルセル、
710・・・ガス導入管。
[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 which reduces distortion in a semiconductor crystal and has excellent light emitting characteristics and reliability.
[0002]
[Prior art]
Oxide materials have many functions, such as dielectric properties, magnetism, and superconductivity, which cannot be realized by conventional semiconductor materials, and also have the potential to supplement the characteristics of existing materials as semiconductor materials.
Recently, zinc oxide (ZnO), which is a Group II oxide semiconductor, has been regarded as a promising material for light emitting devices in the blue or ultraviolet region.
ZnO is a direct transition semiconductor having a band gap energy of about 3.4 eV. Further, since ZnO has an extremely high exciton binding energy of about 60 meV, there is a possibility that a highly efficient light emitting device with low power consumption and excellent environmental properties may be realized, and furthermore, the raw material is inexpensive and harmless to the environment and the human body. And that the film forming technique is simple.
[0003]
Hereinafter, when the term "ZnO-based" semiconductor is used in this specification, it includes ZnO and mixed crystals represented by MgZnO, CdZnO, or the like using the same as a host. Further, in the present specification, when a compound is indicated without specifying a composition, for example, “MgZnO” is simply described only by an element symbol, and when a composition is specified, for example, “MgZnO” is used.0.1Zn0.9O ".
[0004]
ZnO has the same wurtzite crystal structure as a group III nitride semiconductor such as GaN that has already been put to practical use as a light emitting device in the blue to ultraviolet region, and has a thermal expansion coefficient and a lattice constant that are extremely close to GaN. Studies have been made on stacking an epitaxial thin film on a substrate such as sapphire or Si used in a group III nitride semiconductor device to produce a light emitting device.
[0005]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-44499 (Patent Document 1) 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. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-44500 (Patent Document 2) discloses a technique in which an 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]
[Patent Document 1]
JP 2001-44499 A
[0007]
[Patent Document 2]
JP 2001-44500 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Although Si and sapphire are low in cost and can obtain very high quality substrate crystals, the difference in lattice constant from the ZnO-based semiconductor is as large as more than 10%, and even if a buffer layer is formed, good crystallinity can be obtained. It is difficult to obtain a ZnO-based semiconductor epitaxial layer having the following. In particular, on a Si substrate, Si reacts with oxygen to easily form a SiOx layer. For this reason, many crystal defects are generated in the epitaxial crystal, and a large lattice strain is inherent therein, so that there is a problem that luminous efficiency and reliability are not sufficient.
Thus, an object of the present invention is to provide an oxide semiconductor light emitting device having reduced reliability of an epitaxial layer and high reliability and luminous efficiency in view of the above problems.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies on a substrate material capable of epitaxially growing a ZnO-based semiconductor layer having excellent crystallinity. As a result, an oxide having an excellent affinity for a ZnO-based semiconductor and capable of controlling a lattice constant by composition has The present inventors have found that the object can be attained by using as a substrate, and have reached the present invention.
[0010]
In a first aspect, the present invention provides at least an n-type ZnO-based semiconductor cladding layer, a ZnO-based semiconductor active layer, and a p-type ZnO-based semiconductor cladding layer formed on an oxide substrate, wherein the oxide The substrate is Li1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2Provided is an oxide semiconductor light emitting device having a composition represented by (0 ≦ x, y, z ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
Li of the present invention1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2The substrate has a crystal structure similar to that of the ZnO-based semiconductor, and can epitaxially grow the ZnO-based semiconductor. Further, by controlling the composition, the lattice constant can be controlled in a range very close to that of the ZnO-based semiconductor.
Therefore, by using the oxide substrate of the present invention, a ZnO-based semiconductor epitaxial layer having almost no distortion can be obtained, and a highly reliable oxide semiconductor light-emitting element can be manufactured.
[0011]
In particular, the oxide substrate is Li1-aNaaAlO2, Li1-bNabGaO2, LiAl1-cGacO2, And NaAl1-dGadO2(0 ≦ a, b, c, d ≦ 1)
Said oxide is the Li of the present invention.1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2Among them, the lattice constant difference from the ZnO-based semiconductor is particularly small, and the composition can be easily controlled. By using this as a substrate, an oxide semiconductor light-emitting element with particularly excellent reliability can be manufactured.
[0012]
In this specification, a layer that controls light emission in a semiconductor light emitting device is referred to as a “light emitting layer”, but in the case of a semiconductor laser device, the term “active layer” may be used in the same sense. However, since the functions of the two are substantially the same, no distinction is made.
[0013]
In a second aspect, the present invention provides an oxide semiconductor light-emitting device having excellent reliability and light-emitting characteristics by controlling a main growth surface of an oxide substrate.
As one specific example of the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, the main growth surface of the oxide substrate is a (001) metal surface, and the main growth surface of the ZnO-based semiconductor epitaxially grown on the oxide substrate is It is a (0001) zinc surface.
When the main growth surface of the oxide substrate is a (001) metal surface, the growth plane orientation of the ZnO-based semiconductor can be a (0001) zinc surface. A ZnO-based semiconductor whose main growth surface is a (0001) zinc surface is excellent in doping characteristics of a special acceptor impurity and has a reduced operating voltage. Thus, an oxide semiconductor light-emitting element having excellent power saving properties and reliability can be manufactured.
[0014]
As another specific example of the oxide semiconductor light-emitting device of the present invention, the crystal growth main surface of the oxide substrate is a surface inclined at an off angle of 15 ° or less from the (001) plane. It is characterized by.
Generally, when forming a semiconductor light emitting device, a “just substrate” having a crystal growth main surface of a low index surface such as a (001) plane is used, but the surface orientation of the substrate is inclined from the low index surface. The “off-substrate” has steps and terraces formed on the main growth surface, so that “step flow growth” in which material atoms are taken into the steps and two-dimensionally grow, is likely to occur, and a ZnO-based semiconductor layer excellent in flatness is obtained. Can be
According to the present invention, since the “off substrate” having the crystal growth main surface is a surface inclined at a predetermined off angle from the (001) plane of the substrate, the oxide semiconductor light emitting with excellent luminous efficiency and reliability is used. An element can be manufactured.
[0015]
Furthermore, in a third aspect, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of:1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2Provided is an oxide semiconductor light-emitting element in which a buffer layer including (0 <x, y, z <1, 0 <x + y <1) is formed.
Even when the oxide substrate has a lattice mismatch with a ZnO-based semiconductor layer grown thereon, a buffer layer made of the same material as that of the present invention is formed, and the composition of the buffer layer is controlled to reduce lattice distortion. Can be eased. Therefore, a ZnO-based semiconductor epitaxial layer having high crystallinity can be obtained, and an oxide semiconductor light-emitting element having excellent reliability can be manufactured.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the oxide semiconductor light emitting device of the present invention is applied to a light emitting diode device and a semiconductor laser device will be specifically described with reference to the drawings.
First embodiment
The oxide semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention has at least an n-type ZnO-based semiconductor clad layer, a ZnO-based semiconductor light-emitting layer, and a p-type ZnO-based semiconductor clad layer formed on an oxide substrate, Here, the oxide substrate is Li1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2It is a light emitting diode element having a composition represented by (0 ≦ x, y, z ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
According to the present invention, as the substrate, Li having excellent affinity with the ZnO-based semiconductor layer is used.1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2Since an oxide is used, an epitaxial layer having good crystallinity can be obtained, and a lattice constant can be controlled by changing its composition.
Thus, a light-emitting diode element having excellent light-emitting characteristics and reliability can be obtained.
[0017]
FIG. 1 shows a perspective view (A) and a sectional view (B) of the light emitting diode element 1. The light emitting diode element 1 is made of LiGaO having a (001) metal surface as a main surface.2An n-type ZnO contact layer 102, an n-type MgZnO cladding layer 103, a quantum well light emitting layer 104, a p-type MgZnO cladding layer 105, and a p-type ZnO contact layer 106 are stacked on a single crystal substrate 101. .
[0018]
The quantum well light emitting layer 104 has a multi-well structure in which one or a plurality of ZnO barrier layers and one or a plurality of CdZnO well layers are alternately stacked.
On the entire main surface of the p-type ZnO contact layer 106, a p-type ohmic electrode 107 that is transparent to light emitted from the light-emitting layer is laminated. Further, a bonding pad electrode 108 is formed on the translucent ohmic electrode 107 with an area smaller than that of the translucent p-type ohmic electrode 107.
Further, the epitaxial layer from the n-type MgZnO cladding layer 103 to the p-type ZnO contact layer 106 is partially etched, and an n-type ohmic electrode 109 is laminated on the exposed surface of the n-type ZnO contact layer 102.
[0019]
Hereinafter, other configurations for maximizing the effects of the present invention will be described, but they may be used in any combination in other embodiments.
[0020]
Insulator oxide LiGaO used as a substrate in the present invention22 is shown in FIG. 2 in comparison with ZnO.
XYO2The orthorhombic oxide having the following structure has a crystal structure similar to the wurtzite structure of a ZnO-based semiconductor. In particular, the in-plane lattice constant of the orthorhombic oxide in which the element X contains any of Li, Na, or K and the element Y contains any of Al or Ga is the lattice constant of ZnO (3.25 °). , It is possible to obtain a ZnO-based semiconductor epitaxial layer having extremely small lattice distortion.
[0021]
In the case of manufacturing a light-emitting diode element, it is preferable to form irregularities on the back surface of the substrate by a known method such as polishing or etching and irregularly reflect incident light, since light extraction efficiency is improved, which is preferable.
[0022]
As a donor impurity to be doped into the n-type ZnO buffer layer 102 and the n-type MgZnO cladding layer 103, a group III element such as B, Al, Ga, or In may be used because the activation rate in the ZnO-based semiconductor is high. Preferably, Ga or Al is particularly preferred.
[0023]
Although the light emitting layer may have a single layer structure, it is preferable that the light emitting layer has a quantum well structure because the optical gain is improved in a semiconductor laser device and the light emitting efficiency is also improved in a light emitting diode device.
[0024]
As an acceptor impurity to be doped into the p-type MgZnO layer 105 and the p-type ZnO contact layer 106, a group I or V element such as Li, Na, Cu, Ag, N, P, As, or the like can be used. N, Li and Ag are preferred because they are easily activated. N is N2Is particularly preferable because high-concentration doping can be performed while maintaining good crystallinity by a method of irradiating during plasma growth with plasma.
[0025]
In order to improve the efficiency of the light emitting diode element, the MgZnO mixed crystal has a lower impurity activation rate than ZnO, so that the p-type ohmic electrode 107 is not directly formed on the p-type MgZnO cladding layer 105, and the p-type It is preferable to provide a contact layer 106 to reduce the resistance.
As the contact layer material, it is preferable to use ZnO which has excellent crystallinity and can increase the carrier concentration. If the p-type ZnO contact layer 106 is excessively doped with an acceptor impurity, the crystallinity deteriorates remarkably, and the effect of the present invention is reduced.16~ 5 × 1019cm-3It is preferable to dope so that the carrier concentration is within the above range.
[0026]
ZnO is suitable for the n-type contact layer 102 as in the case of the p-type contact layer 106, and the doping concentration of the donor impurity is 1 × 1018~ 1 × 1021cm-3Is more preferable, and 5 × 1019~ 5 × 1020cm-3Is preferably adjusted within the range described above. Further, the film thickness is preferably adjusted to a range of 0.001 to 1 μm, preferably 0.005 to 0.5 μm, and more preferably 0.01 to 0.1 μm.
[0027]
For the p-type ohmic electrode 107, a metal material such as Ni, Pt, Pd, and Au can be used. The metal material forms a low-resistance ohmic contact with the p-type ZnO-based semiconductor layer and has excellent adhesion to the ZnO-based semiconductor. Therefore, a light-emitting element with excellent reliability and low operating voltage can be realized. Among them, Ni having low resistance and good adhesion is preferable. An electrode may be formed by alloying a plurality of the metal materials.
[0028]
In order to obtain the high luminous efficiency and low operating voltage of the present invention with the maximum effect, the p-type ohmic electrode 107 is formed so as to transmit light emitted from the light-emitting layer. It is preferable to improve the extraction efficiency.
Since the transparent conductive film is formed on the entire main surface, the current spread becomes uniform and the external light extraction efficiency is improved. Therefore, an ultraviolet light emitting device having excellent luminous efficiency can be realized.
The thickness that achieves both good ohmic characteristics and high translucency is preferably in the range of 5 to 200 nm, more preferably in the range of 30 to 100 nm.
It is preferable to perform an annealing treatment after the formation of the p-type ohmic electrode 107, because the adhesion is improved and the contact resistance is reduced. In order to obtain an annealing effect without causing defects in the ZnO crystal, the temperature is preferably 300 to 400 ° C. The atmosphere in the annealing process is O2Or in an air atmosphere;2Then, on the contrary, the resistance increases.
[0029]
In order to easily perform wiring to a lead frame, it is effective to provide a pad electrode 108 for wire bonding on the p-type ohmic electrode 107. If the pad electrode 108 is formed on a part of the translucent p-type ohmic electrode 107 with a smaller area than the p-type ohmic electrode 107, 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 108, a metal material that is easy to bond and does not become a donor impurity even when diffused into a ZnO-based semiconductor is preferable, and Au is particularly preferable.
Further, another metal layer may be formed between the p-type ohmic electrode 107 and the pad electrode 108 for the purpose of improving adhesion and light reflectivity.
[0030]
For the n-type ohmic electrode 109, a metal material such as Ti, Cr, or Al can be used. Above all, Al with low resistance and low cost or Ti with good adhesion is preferable. An electrode may be formed by alloying a plurality of the metal materials.
[0031]
Other configurations are arbitrary and are not limited to only the configurations described in this specification.
[0032]
The oxide semiconductor light emitting device of the present invention can be manufactured by a crystal growth method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method, a laser molecular beam epitaxy (laser MBE) method, and a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method using a solid or gaseous raw material. Can be made.
In the laser MBE method, the composition deviation between the raw material target and the thin film is small, and for example, when ZnO is doped with Ga,2O4This is preferable because generation of unintended by-products such as the above can be suppressed.
When the present invention is applied to a semiconductor laser device, a semiconductor laser device can be manufactured using the laser MBE device 7 shown in FIG.
[0033]
In the laser MBE apparatus 7, a substrate holder 702 is disposed above a growth chamber 701 capable of being evacuated to an ultra-high vacuum, and a substrate 703 is fixed to the substrate holder 702. The back surface of the substrate holder 702 is heated by the heater 704 disposed above the substrate holder 702, and the substrate 703 is heated by the heat conduction.
A target table 705 is arranged directly below the substrate holder 702 at an appropriate distance, and a plurality of raw material targets 706 can be arranged on the target table 705.
The surface of the target 706 is ablated by a pulsed laser beam 708 radiated through a view port 707 provided on a side surface of the growth chamber 701, and a thin film grows by instantaneously evaporating the raw material of the target 706 on the substrate.
The target table 705 has a rotation mechanism, and by controlling the rotation in synchronization with the irradiation sequence of the pulsed laser beam 708, different target materials can be stacked on the thin film. A plurality of gas introduction tubes 710 are provided in the growth chamber so that a plurality of gases can be introduced, and the substrate 703 can be irradiated with an atomic beam activated by the radical cell 709.
[0034]
Second embodiment
The oxide semiconductor light emitting device of the second embodiment according to the present invention is configured similarly to the oxide semiconductor light emitting device of the first embodiment,2Li between the substrate 101 and the n-type ZnO contact layer 1021- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2This is a light emitting diode element (not shown) in which a buffer layer 201 including (0 <x, y, z <1, 0 <x + y <1) is formed.
According to the present invention, first, Li1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2Since the buffer layer 201 is formed, by controlling the composition of the group I element and the group III element, the LiGaO2The lattice mismatch between the substrate 101 and the n-type ZnO contact layer 102 can be reduced, and the characteristics as a light emitting diode element can be further improved.
[0035]
Third embodiment
In the oxide semiconductor light emitting device of the third embodiment according to the present invention, at least an n-type ZnO-based semiconductor clad layer, a ZnO-based semiconductor active layer, and a p-type ZnO-based semiconductor clad layer are formed on an oxide substrate, The p-type ZnO-based semiconductor cladding layer is processed into a ridge stripe shape.1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2A semiconductor laser device having a composition represented by (0 ≦ x, y, z ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
According to the present invention, as the substrate, Li having excellent affinity with the ZnO-based semiconductor layer is used.1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2Since an oxide is used, an epitaxial layer having good crystallinity can be obtained, and a lattice constant can be controlled by changing its composition.
Thus, a semiconductor laser device excellent in reliability and luminous efficiency can be obtained.
[0036]
FIG. 3 shows a perspective view (A) and a sectional view (B) of the ZnO-based semiconductor laser device 3. The semiconductor laser device 3 is made of NaAlO having a (001) metal surface as a main surface.2On a substrate 301, Li1-aNaaAlO2Buffer layer 302, n-type ZnO contact layer 303, n-type MgZnO cladding layer 304, n-type ZnO light guiding layer 305, non-doped quantum well active layer 306, p-type ZnO light guiding layer 307, p-type MgZnO cladding layer 308, and p It is configured by laminating type ZnO contact layers 309.
The quantum well active layer 306 has a multiple quantum well structure formed by alternately stacking one or more ZnO barrier layers and one or more CdZnO well layers.
[0037]
Further, the p-type ZnO contact layer 309 and the p-type MgZnO cladding layer 308 are etched into a ridge stripe shape, and the side surfaces of the ridge stripe are buried by the n-type MgZnO current block layer 310.
A p-type ohmic electrode 312 is formed on the n-type MgZnO current block layer 310 and the p-type ZnO contact layer 309.
A part of the laminated structure from the n-type MgZnO cladding layer 304 to the n-type MgZnO current block layer 310 is partially etched, and an n-type ohmic electrode 311 is formed on the exposed n-type ZnO contact layer 303.
[0038]
Li1-aNaaAlO2Buffer layer 302 is made of NaAlO2In order to make lattice matching at the interface between the substrate 301 and the n-type ZnO contact layer 303, Li1-aNaaAlO2By gradually changing the Na composition in the buffer layer in the growth direction of the epitaxial layer, crystal defects in the growth layer can be reduced and lattice distortion can be reduced.
[0039]
In order to improve the efficiency of the semiconductor laser device, the MgZnO mixed crystal has a lower impurity activation rate than ZnO, so that the p-type ohmic electrode 312 is not directly formed on the p-type MgZnO cladding layer 308, and the p-type It is preferable to provide a contact layer 309 to reduce resistance.
As the contact layer material, it is preferable to use ZnO which has excellent crystallinity and can increase the carrier concentration. If the p-type ZnO contact layer 309 is excessively doped with an acceptor impurity, crystallinity deterioration becomes remarkable, and the effect of the present invention is reduced.16~ 5 × 1019cm-3It is preferable to dope so that the carrier concentration is within the above range.
[0040]
ZnO is suitable for the n-type contact layer 303 as in the case of the p-type contact layer 309, and the doping concentration of the donor impurity is 1 × 1018~ 1 × 1021cm-3Is more preferable, and 5 × 1019~ 5 × 1020cm-3Is preferably adjusted within the range described above. Further, the film thickness is preferably adjusted to a range of 0.001 to 1 μm, preferably 0.005 to 0.5 μm, and more preferably 0.01 to 0.1 μm.
[0041]
【Example】
Example 1
Example 1 This example describes an oxide semiconductor light emitting device of the first embodiment in which the present invention is applied to a light emitting diode device.
FIG. 1 shows a sectional view of the light emitting diode element 1. In this embodiment, LiGaO having a (001) metal surface as a main surface is used.2On the single crystal substrate 101, 3 × 10 Ga18cm-30.1 μm thick n-type ZnO contact layer 102 doped with18cm-3N-type Mg doped at a concentration of 1 μm0.1Zn0.9O cladding layer 103, non-doped quantum well light emitting layer 104, N is 5 × 1019cm-3P-type Mg doped at a concentration of 1 μm0.1Zn0.9O cladding layer 105 and N are 1 × 1020cm-3The p-type ZnO contact layer 106 having a thickness of 0.3 μm and doped with the above concentration was stacked to fabricate a light emitting diode element 1a.
[0042]
The quantum well light emitting layer 104 is composed of 11 ZnO barrier layers having a thickness of 5 nm and Cd having a thickness of 4 nm.0.2Zn0.8It has a multi-well structure in which 10 O-well layers are alternately stacked.
n-type Mg0.1Zn0.9A part of the epitaxial layer from the O-cladding layer 103 to the p-type ZnO contact layer 106 is partially etched, and 100 nm thick Al is laminated as an n-type ohmic electrode 109 on the exposed surface of the n-type ZnO contact layer 102. .
On the entire main surface of the p-type ZnO contact layer 106, Ni having a thickness of 15 nm is laminated as a light-transmitting p-type ohmic electrode 107, and an area smaller than that of the light-transmitting p-type ohmic electrode 107 is formed thereon. An Au pad electrode 108 for bonding having a thickness of 100 nm is formed.
[0043]
The manufacturing method will be described below in order.
First, the washed LiGaO2The substrate 101 was introduced into the laser MBE device 7 and heated at a temperature of 600 ° C. for 30 minutes to be cleaned.
Next, the substrate temperature was lowered to 500 ° C., and the non-doped ZnO single crystal and Ga2O3Is used as a raw material target, and the driving cycle of the target table by the rotation mechanism and the pulse irradiation cycle of the KrF excimer laser are synchronized by an external control device (not shown) at a ratio at which a desired Ga doping concentration can be obtained. The n-type ZnO contact layer 102 was grown by alternately ablating the two material targets.
A KrF excimer laser (wavelength: 248 nm, pulse number: 10 Hz, output 1 J / cm) is used as a pulse laser for ablation.2) Was used. During growth, O gas is introduced through the gas introduction pipe 710a.2Gas was introduced.
Next, a non-doped ZnO single crystal and Ga2O3The MgZnO sintered body to which n is added is used as a raw material target, and ablation is alternately performed at a ratio to obtain a desired Mg composition and a Ga doping concentration to obtain n-type Mg.0.1Zn0.9An O-cladding layer 103 was grown.
Next, using a non-doped ZnO single crystal and a CdZnO sintered body as raw material targets, the ZnO barrier layer and the Cd0.2Zn0.8A quantum well active layer 104 composed of an O well layer was grown.
[0044]
Next, N introduced through the gas introduction pipe 710b2Alternating ablation is performed using a non-doped ZnO single crystal and a non-doped MgZnO sintered body as a raw material target while irradiating the gas with plasma generated in a radical cell 709 to obtain p-type Mg.0.1Zn0.9An O-cladding layer 105 was grown.
Next, N introduced through the gas introduction pipe 710b2Ablation was performed using a non-doped ZnO single crystal as a raw material target while irradiating the gas with plasma generated in a radical cell 709 to grow a p-type ZnO contact layer 106.
[0045]
Next, the substrate 101 is taken out of the laser MBE device 7, a resist mask covering a part of the growth layer is formed, and the n-type MgO is removed from the p-type ZnO contact layer 106 using a 1% by weight nitric acid aqueous solution.0.1Zn0.9The growth layer reaching the O-clad layer 103 was partially removed by etching.
Next, Al was vacuum-deposited as an n-type ohmic electrode 109 on the exposed n-type ZnO contact layer 102.
Next, a Ni thin film was vacuum-deposited as a p-type ohmic electrode 107 on the entire upper surface of the p-type ZnO contact layer 106. This Ni thin film has high translucency and transmits 80% at a blue emission wavelength.
Finally, Au having a thickness of 100 nm was vacuum-deposited on the p-type ohmic electrode 107 as a pad electrode.
[0046]
In this example, the Mg composition and the Ga doping concentration were controlled by alternately ablating two material targets of a ZnO single crystal and a Ga-doped MgZnO sintered body. The controllability of the doping concentration can be improved by using a method such as punching out three raw material targets of a Ga-doped ZnO sintered body.
Instead of using a MgZnO sintered body, a ZnO single crystal and a MgO single crystal may be alternately ablated to obtain a MgZnO mixed crystal having a desired composition.
Further, Ga2O3Instead of using the additive sintered body, metal Ga may be doped using an evaporation cell.
[0047]
The light-emitting diode element 1a was separated into chips, mounted on a lead frame, and resin-molded to emit light. As a result, blue light having an emission peak wavelength of 430 nm was obtained.
[0048]
For comparison, a light-emitting diode element 1b was fabricated in the same manner as the light-emitting diode element 1a, except that sapphire was used for the substrate 101.
In the same manner as described above, the light emitting diode element 1b was separated into chips, mounted on a lead frame, and resin-molded to emit light. As a result, blue light emission having an emission peak wavelength of 450 nm was obtained. It is considered that the reason why the emission wavelength was increased was that lattice stress was generated in the ZnO-based semiconductor epitaxial layer by stress from the substrate.
Also, as compared with the light emitting diode element 1a, the light emission intensity at an operation current of 20 mA is reduced to /, and the element life (operating at an operation current of 20 mA, the light emission intensity is reduced to 50% of the initial value from the start of operation). Defined as the time to decrease.) Was 1/5.
It is considered that the large deterioration of the light emission intensity is caused by a decrease in the light emission efficiency due to the deterioration of the crystallinity.
[0049]
Further, a light emitting diode element 1c was fabricated in the same manner as the light emitting diode element 1a except that Si was used for the substrate 101.
In the same manner as described above, the light emitting diode element 1c was separated into chips, mounted on a lead frame, and resin-molded to emit light. As a result, blue light with a peak emission wavelength of 450 nm was obtained. It is considered that the reason why the emission wavelength was increased was that lattice stress was generated in the ZnO-based semiconductor epitaxial layer by stress from the substrate.
Also, as compared with the light emitting diode element 1a, the light emission intensity at an operation current of 20 mA is reduced to 1/10, and the element life (operated at an operation current of 20 mA, the light emission intensity is reduced to 50% of the initial value from the start of operation) (Defined by the time to decrease)) was 1/10.
It is considered that the significant deterioration of the light emission intensity is caused by the absorption loss in the Si substrate in addition to the decrease in the light emission efficiency due to the deterioration of the crystallinity.
[0050]
As shown above, Li1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2When a substrate is used, a ZnO-based semiconductor light-emitting element having high luminous efficiency and excellent reliability can be manufactured.
[0051]
Example 2
Next, in order to examine the influence of the growth main surface of the substrate on the characteristics of the light emitting diode, LiGaO2A light emitting diode element 1d was fabricated in the same manner as the light emitting diode element 1a, except that the growth main surface of the single crystal substrate 101 was changed to the (00-1) oxygen plane.
As in the case of the first embodiment, the light emitting diode element 1d was separated into chips, mounted on a lead frame, and resin-molded to emit light. The operating voltage at an operating current of 20 mA was 0.5 V compared to the light emitting diode 1a. Increased.
When the cause was investigated, the growth main surface of the ZnO-based semiconductor layer was an oxygen surface (000-1), and p-type Mg0.1Zn0.9It was found that the resistivity of the O clad layer 105 and the p-type ZnO contact layer 106 was increased.
[0052]
Therefore, the Li of the present invention1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2When a (001) metal plane is selected as the main growth plane of the substrate, the ZnO-based semiconductor layer epitaxially grown thereon becomes a (0001) zinc plane. If the zinc plane is the main growth plane, the carrier activation rate of the p-type layer is increased. Is improved, and a p-type ZnO-based semiconductor layer having low resistance is easily obtained, which is preferable.
[0053]
Example 3
In order to investigate the influence of the orientation of the crystal growth main surface of the substrate on the characteristics of the light emitting diode element, LiGaO having a crystal plane direction inclined from the (001) plane to the [100] direction was used as the substrate main growth surface.2Various light-emitting diode elements were manufactured in the same manner as the light-emitting diode element 1a except that a single-crystal off-substrate was used.
FIG. 5 shows the relationship between the off angle of the substrate and the light emission intensity.
[0054]
When the off angle is 15 ° or less, the luminous intensity increases as compared with the “just substrate” having no inclination, but when the off angle exceeds 15 °, the luminous intensity sharply decreases. That is, it is preferable to use an “off substrate” whose main growth surface is inclined at an off angle of 15 ° or less from (001).
Although FIG. 5 shows the case where the substrate has a tilt in the [100] direction, similar results were obtained using an off-substrate tilted in the [010] direction.
[0055]
The reason why the emission intensity is increased when the “off substrate” is used is that “step flow growth” in which material atoms are incorporated into the steps and two-dimensional growth occurs, and the crystallinity and flatness of the ZnO-based semiconductor layer are improved. In particular, if the off-substrate has an off-angle of up to 15 °, the growth layer has excellent flatness because it has an appropriate step height and a wide terrace.
Further, in this embodiment, the results are shown only for the off-substrate inclined in the [100] direction and the [010] direction. The off-substrate used in the present invention is not limited in inclination direction because it has an atomic plane step.
[0056]
Example 4
Example 2 This example describes an oxide semiconductor light emitting device of a second embodiment in which the present invention is applied to a light emitting diode device.
In this example, LiGaO2Between the substrate 101 and the n-type ZnO contact layer 102, a 30 nm-thick Li0.75Na0.25GaO2A light emitting diode element 2a was fabricated in the same manner as the light emitting diode element 1a except that the buffer layer 201 was formed (not shown).
[0057]
As in Example 1, the light emitting diode element 2a was separated into chips, mounted on a lead frame, resin-molded, and emitted light. As a result, blue light emission having an emission peak wavelength of 430 nm was obtained. Also, as compared with the light emitting diode element 1a, the light emission intensity at an operating current of 20 mA was increased by 30%, and the element life was doubled.
[0058]
The reason why the characteristics of the light emitting diode element 2a are improved as compared with the light emitting diode element 1a is that the Li layer formed as the buffer layer 2010.75Na0.25GaO2The layer is LiGaO2This is probably because the lattice mismatch between the substrate 101 and the n-type ZnO contact layer 102 was reduced.
[0059]
In this example, LiGaO2Li of a single composition on substrate 1010.75Na0.25GaO2Although the buffer layer is formed, when the composition is changed so that the lattice mismatch is reduced on the substrate side and on the ZnO-based semiconductor side, crystal defects and lattice distortion are further relaxed, and the oxide semiconductor light emitting element has extremely excellent characteristics. Is preferable since it can be produced.
[0060]
Reference Example 1
Li of the present invention1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2The substrate can be lattice-matched to the ZnO-based semiconductor by controlling the lattice constant by appropriately selecting the composition of the constituent elements. In particular, Li1-bNabGaO2Besides Li1-aNaaAlO2, LiAl1-cGacO2, NaAl1-dGadO2For example, an oxide in which either the group IA or the group IIIA is composed of two elements is preferable because the composition can be easily controlled.
[0061]
FIG. 6 shows the result of obtaining the effective lattice constant represented by the average oxygen-oxygen distance for the four oxides in this reference example. Here, the "effective lattice constant" is defined as a regular hexagon having the same area as a hexagon composed of six oxygen atoms in the same plane, and defined as an oxygen-oxygen atom distance forming one side of the regular hexagon. .
[0062]
From this, with respect to ZnO, -4% (LiAlO2Is used; effective lattice constant = 3.12 °) to + 6% (NaGaO2Is used; an effective lattice constant of 3.44 °) can be controlled.1-aNaaAlO2In the case where the Na composition x is 0.4 to 0.6;1-bNabGaO2In the case where the Na composition x is 0.15 to 0.35, the difference in lattice constant with ZnO is extremely small as ± 0.75%, and it is preferable.0.5Na0.5AlO2Or Li0.75Na0.25GaO2In this case, the effective lattice constant is 3.25 °, which indicates that a ZnO-based semiconductor layer that is almost perfectly lattice-matched with ZnO and has no distortion and excellent crystallinity can be epitaxially grown.
[0063]
Example 5
Example 3 This example describes an oxide semiconductor light emitting device of a third embodiment in which the present invention is applied to a semiconductor laser device.
FIG. 3 shows a perspective view (A) and a sectional view (B) of the ZnO-based semiconductor laser device 3. In this embodiment, NaAlO having a (001) metal surface as a main surface is used.2On a substrate 301, a 30 nm-thick Li1-aNaaAlO2Buffer layer 302, Ga is 1 × 1019cm-30.3 μm thick n-type ZnO contact layer 303 doped with a concentration of18cm-3N-type Mg doped at a concentration of 1 μm0.1Zn0.9O cladding layer 304, Ga is 5 × 1017cm-330 nm thick n-type ZnO light guide layer 305, undoped quantum well active layer 306, and N18cm-330 nm thick p-type ZnO light guide layer 307 doped with a concentration of19cm-31.2 μm thick p-type Mg doped at a concentration of0.1Zn0.9O cladding layer 308 and N20cm-3A 0.5 μm-thick p-type ZnO contact layer 309 doped with the above-described concentration was stacked to fabricate a semiconductor laser device 3a.
[0064]
The quantum well active layer 306 includes two ZnO barrier layers each having a thickness of 5 nm and Cd having a thickness of 6 nm.0.1Zn0.9It is formed by alternately stacking three O well layers.
p-type ZnO contact layer 309 and p-type Mg0.1Zn0.9The O-clad layer 308 is etched into a ridge stripe shape, and Ga is 3 × 10 on the side surfaces of the ridge stripe.18cm-3-Type Mg doped at a concentration of0.2Zn0.8It is buried by the O current block layer 310.
n-type Mg0.1Zn0.9From the O cladding layer 304 to n-type Mg0.2Zn0.8The laminated structure reaching the O current block layer 310 is partially etched, and an n-type ohmic electrode 311 is formed on the exposed n-type ZnO contact layer 303.
n-type Mg0.2Zn0.8A p-type ohmic electrode 312 is formed on the O current block layer 310 and the p-type ZnO contact layer 309.
[0065]
Li1-aNaaAlO2The buffer layer 302 is formed of NaAlO from the substrate 301 side toward the ZnO contact layer 303 side.2(Na composition a = 1) to Li0.5Na0.5AlO2(Na composition a = 0.5).2Lattice matching is performed at the interface between the substrate 301 and the n-type ZnO contact layer 303.
[0066]
After the fabrication of the semiconductor laser device 3a, a protective film was vacuum-deposited on the mirror end surface perpendicular to the ridge stripe, and then the device was separated into 300 μm square chips.
When a current was applied to the semiconductor laser device 3a, blue oscillation light having a wavelength of 405 nm was obtained from the end face.
The oscillation threshold current is 35 mA, the operating voltage at an optical output of 5 mW is 4 V, and the element life (continuous oscillation at an optical output of 5 mW at 60 ° C., from the start of oscillation until the operating current increases by 20% from the initial value) Is 10,000 hours.
[0067]
For comparison, a semiconductor laser device 3b was fabricated in the same manner as the semiconductor light emitting device 3a except that a sapphire (0001) plane was used for the substrate.
When the semiconductor laser device 3b was made to emit light in the same manner as above, the oscillation threshold current increased to 45 mA, and the device life was about 1,000 hours.
[0068]
From the above, Li of the present invention1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2It has been found that even when the substrate is applied to a semiconductor laser device, it is effective in reducing the oscillation threshold current and improving the reliability.
[0069]
Furthermore, Li1-aNaaAlO2A semiconductor laser device 3c was fabricated in the same manner as the semiconductor laser device 3a, except that the buffer layer was not formed.
When the semiconductor laser device 3c was made to emit light in the same manner as described above, the oscillation threshold current was increased to 40 mA, and the device life was about 3,500 hours.
[0070]
Furthermore, Li1-aNaaAlO2A semiconductor laser device 3d was fabricated in the same manner as the semiconductor laser device 3a, except that the buffer layer had a single composition of a = 0.5.
When the semiconductor laser element 3d was made to emit light in the same manner as described above, the oscillation threshold current was almost the same as that of the semiconductor laser element 3a, but the element life was about 8,000 hours.
[0071]
From the above, as in the present invention, Li1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2Li on the substrate1-aNaaAlO2In the case of forming the buffer layer, by changing the Na composition in the buffer layer and controlling the lattice constant of the buffer layer, the lattice strain of the ZnO-based semiconductor layer can be reduced, and the oxide having excellent reliability can be obtained. It was found that a semiconductor light emitting device could be manufactured.
[0072]
【The invention's effect】
According to the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, Li1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2At least an n-type cladding layer, an active layer, and a p-type cladding layer composed of a ZnO-based semiconductor are formed on an oxide substrate having a composition represented by (0 ≦ x, y, z ≦ 1). Therefore, by controlling the composition of the substrate, the lattice constant could be controlled in a range very close to that of the ZnO-based semiconductor, and an oxide semiconductor light-emitting element having excellent reliability could be manufactured. In addition, the reliability of the oxide semiconductor light-emitting element could be further improved by using an off-substrate in which the main growth surface was inclined at a predetermined off-angle.
Also, Li1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2On the substrate, Li having a different composition from the oxide substrate1- (x + y)NaxKyAl1-zGazO2By forming a buffer layer containing (0 <x, y, z <1) and controlling the composition of the buffer layer, lattice distortion can be reduced, and an oxide semiconductor light emitting device with even higher reliability can be obtained. Could be produced.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a sectional view, respectively, showing an oxide semiconductor light emitting device (light emitting diode device) according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows ZnO and insulator oxide LiGaO2FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the crystal structure of FIG.
FIG. 3 is a sectional view showing an oxide semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view of a laser molecular beam epitaxy apparatus.
FIG. 5 is a graph illustrating the relationship between the off-angle of the inclined substrate and the emission intensity of the light-emitting diode element.
FIG. 6 is a graph illustrating the relationship between the composition and the effective lattice constant represented by the average oxygen-oxygen distance for four oxides of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... light emitting diode element
101 ... LiNaKAlGaO2substrate,
102 ... n-type ZnO contact layer,
103 ... n-type MgZnO cladding layer,
104 light emitting layer,
105 ... p-type MgZnO cladding layer,
106 ... p-type ZnO contact layer,
107 ... p-type ohmic electrode,
108 ... pad electrode,
109 ... n-type ohmic electrode,
201 ... n-type LiNaKAlGaO2Buffer layer,
3 ... Semiconductor laser device,
301 ・ ・ ・ LiNaKAlGaO2substrate,
302 ・ ・ ・ LiNaKAlGaO2Buffer layer,
303 ... n-type ZnO contact layer,
304 n-type MgZnO cladding layer,
305 ... n-type ZnO light guide layer,
306 ・ ・ ・ Quantum well active layer,
307 ... p-type ZnO light guide layer,
308: p-type MgZnO cladding layer,
309: p-type ZnO contact layer,
310 ... n-type MgZnO current block layer,
311 ... n-type ohmic electrode,
312 ... p-type ohmic electrode,
7 ... Laser MBE device,
701 ... growth room,
702: substrate holder,
703: substrate,
704: heater,
705: target table,
706: Raw material target,
707 ... viewport,
708: pulsed laser light (excimer laser),
709: radical cell,
710: gas introduction pipe.

Claims (9)

酸化物基板上に、少なくとも、n型ZnO系半導体クラッド層、ZnO系半導体活性層、およびp型ZnO系半導体クラッド層が形成され、ここに、該酸化物基板がLi1−(x+y)NaAl1−zGa(0≦x、y、z≦1、0≦x+y≦1)で表される組成を有する酸化物半導体発光素子。At least an n-type ZnO-based semiconductor clad layer, a ZnO-based semiconductor active layer, and a p-type ZnO-based semiconductor clad layer are formed on an oxide substrate, and the oxide substrate is formed of Li 1- (x + y) Na x K y Al 1-z Ga z O 2 (0 ≦ x, y, z ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) oxide semiconductor light-emitting device having a composition represented by. 該酸化物基板が、Li1−aNaAlO、Li1−bNaGaO、LiAl1−cGa、およびNaAl1−dGa(0≦a、b、c、d≦1)のいずれかである請求項1記載の酸化物半導体素子。Oxide substrate, Li 1-a Na a AlO 2, Li 1-b Na b GaO 2, LiAl 1-c Ga c O 2, and NaAl 1-d Ga d O 2 (0 ≦ a, b, c , D ≦ 1). 該酸化物基板の成長主面が(001)金属面であって、該酸化物基板上にエピタキシャル成長されたZnO系半導体の成長主面が(0001)亜鉛面である請求項1または2に記載の酸化物半導体発光素子。3. The oxide substrate according to claim 1, wherein a main growth surface of the oxide substrate is a (001) metal surface, and a main growth surface of the ZnO-based semiconductor epitaxially grown on the oxide substrate is a (0001) zinc surface. An oxide semiconductor light-emitting element. 該酸化物基板の結晶成長主面が、(001)面より15°以下のオフ角度にて傾斜した面である請求項1〜3いずれか1に記載の酸化物半導体発光素子。The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a main crystal growth surface of the oxide substrate is a surface inclined at an off angle of 15 ° or less from a (001) plane. 該酸化物基板上に、該酸化物基板とは組成の異なるLi1−(x+y)NaAl1−zGa(0<x、y、z<1、0<x+y<1)を含むバッファ層が形成されている請求項1〜3いずれか1に記載の酸化物半導体素子。On the oxide substrate, a different composition from the oxide substrate Li 1- (x + y) Na x K y Al 1-z Ga z O 2 (0 <x, y, z <1,0 <x + y <1 The oxide semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein a buffer layer containing (b) is formed. 該酸化物基板の組成または該バッファ層の成長方向における終端の組成がLi1−aNaAlOであって、該Na組成aが0.4〜0.6の範囲にある請求項1〜5いずれか1に記載の酸化物半導体素子。The composition of the end in the direction of growth of the composition or the buffer layer of the oxide substrate is a Li 1-a Na a AlO 2 , claim 1 of the Na composition a is in the range of 0.4-0.6 5. The oxide semiconductor device according to any one of 5. 該酸化物基板の組成または該バッファ層の成長方向における終端の組成がLi0.5Na0.5AlOである請求項6記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide semiconductor light-emitting device according to claim 6, wherein the composition of the oxide substrate or the composition of the terminal in the growth direction of the buffer layer is Li 0.5 Na 0.5 AlO 2 . 該酸化物基板の組成または該バッファ層の成長方向における終端の組成がLi1−bNaGaOであって、該Na組成bが0.15〜0.35の範囲にある請求項1〜5いずれか1に記載の酸化物半導体素子。The composition of the end in the direction of growth of the composition or the buffer layer of the oxide substrate is a Li 1-b Na b GaO 2 , claim 1 of the Na composition b is in the range of 0.15 to 0.35 5. The oxide semiconductor device according to any one of 5. 該酸化物基板の組成または該バッファ層の成長方向における終端の組成がLi0.75Na0.25GaOである請求項8記載の酸化物半導体発光素子。9. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein the composition of the oxide substrate or the composition of the terminal in the growth direction of the buffer layer is Li 0.75 Na 0.25 GaO 2 .
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