JP2004247681A - Oxide semiconductor light emitting device - Google Patents

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JP2004247681A
JP2004247681A JP2003038385A JP2003038385A JP2004247681A JP 2004247681 A JP2004247681 A JP 2004247681A JP 2003038385 A JP2003038385 A JP 2003038385A JP 2003038385 A JP2003038385 A JP 2003038385A JP 2004247681 A JP2004247681 A JP 2004247681A
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zno
light emitting
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oxide semiconductor
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Hajime Saito
肇 齊藤
Masashi Kawasaki
雅司 川崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide semiconductor light emitting device that is high in electrostatic withstanding voltage and excellent in reliability. <P>SOLUTION: In this oxide semiconductor light emitting device, an n-type ZnO buffer layer 102 is formed between an n-type ZnO single-crystal substrate 101 and an n-type Mg<SB>0.1</SB>Zn<SB>0.9</SB>O clad layer 103. The carrier concentration in the ZnO buffer layer 102 is maintained within the range from 1×10<SP>18</SP>cm<SP>-3</SP>to 1×10<SP>21</SP>cm<SP>-3</SP>. Consequently, the electrical resistance between the n-type ZnO single-crystal substrate 101 and n-type Mg<SB>0.1</SB>Zn<SB>0.9</SB>O clad layer 103 is reduced, and the electrostatic withstanding voltage of this light emitting device can be improved. <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素子や半導体レーザ素子などの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、静電耐圧が高く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】
酸化亜鉛(ZnO)は、約3.4eVのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが60meVと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
【0003】
ZnOは強いイオン性に起因する自己補償効果のために従来p型の導電型制御が困難であったが、アクセプタ不純物として窒素(N)を用いることでp型化が実現し、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ている。
【0004】
ところで、半導体レーザ素子のような微細かつ複雑な構造を有する半導体発光素子は、静電気などに起因した過大なサージ電流によって、劣化や破壊に至ることが知られている。よって、上記半導体発光素子における静電耐圧の向上は、半導体発光素子およびこれを用いた電子機器の信頼性や低コスト化を鑑みると重要な課題である。
【0005】
例えば、半導体発光素子の静電耐圧を向上させる技術が特許3063757号公報(特許文献1)に開示されている。この特許文献1では、多重量子井戸構造の活性層を挟むように、n側多層クラッド層とp側クラッド層とを形成している。ここで、上記n側多層クラッド層の層構成をアンドープ/n型不純物ドープ/アンドープとすることによって、発光効率と静電耐圧とを改善している。
【0006】
【特許文献1】
特許3063757号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献1に開示されている技術は、窒化物半導体素子に対して用いるものであるため、酸化物半導体発光素子に適用しても、酸化物半導体発光素子の静電耐圧を向上させることができない。より具体的に説明すると、本発明者らが上記特許文献1の技術を酸化物半導体発光素子に適用してみたところ、酸化物半導体発光素子の静電耐圧は50V以下であり、静電耐圧向上の効果を十分に得られなかった。
【0008】
また、本発明者らが酸化物半導体発光素子の静電耐圧を向上させる技術を探したところ、そのような技術は文献などに開示されていなかった。
【0009】
そこで、本発明の目的は、静電耐圧が高く信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
酸化物半導体発光素子の静電耐圧が低いのは、主に、基板とこの基板上に積層するZnO系半導体層との間の電気抵抗が高いことが原因であると考えられる。そこで、本発明者らは、その電気抵抗を低減する手法を鋭意検討した結果、本発明に至った。
【0011】
本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に、少なくとも、第1導電型クラッド層、活性層、第2導電型クラッド層および第2導電型コンタクト層が順次積層され、
上記第1導電型クラッド層、上記活性層、上記第2導電型クラッド層および上記第2導電型コンタクト層がZnO系半導体で構成され、
上記基板と上記第1導電型クラッド層との間に、キャリア濃度が1×1018cm−3〜1×1021cm−3の範囲内である第1導電型ZnO層が形成されていることを特徴としている。
【0012】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、活性層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
【0013】
また、本明細書において、第1導電型とは、p型またはn型を意味する。また、第2導電型とは、第1導電型がp型の場合はn型、n型の場合はp型を意味する。
【0014】
また、本明細書において、ZnO系半導体とは、ZnOおよびこれを母体としたMgZnOあるいはCdZnOなどで表される混晶を含めるものとする。
【0015】
上記構成の酸化物半導体発光素子は、上記基板と第1導電型クラッド層との間に、キャリア濃度が1×1018cm−3〜1×1021cm−3の範囲内である第1導電型ZnO層を形成しているので、基板と第1導電型クラッド層との間の電気抵抗が低減する。その結果、静電耐圧を向上させることができて、信頼性を高めることができる。つまり、静電耐圧が高く信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を得ることができる。
【0016】
また、上記第1導電型ZnO層のキャリア濃度が1×1018cm−3未満の場合、第1導電型ZnO層の電気抵抗が高くなって、静電耐圧が低くなってしまう。
【0017】
また、上記第1導電型ZnO層のキャリア濃度が1×1021cm−3を越える場合、第1導電型ZnO層の結晶性が劣化して、静電耐圧が低くなってしまう。
【0018】
なお、上記「活性層」は、発光ダイオード素子において「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。
【0019】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は上記第1導電型ZnO層のキャリア濃度が1×1019cm−3〜1×1020cm−3の範囲内である。
【0020】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第1導電型ZnO層のキャリア濃度が1×1019cm−3〜1×1020cm−3の範囲内であるので、基板と第1導電型クラッド層との間の電気抵抗がより低減する。その結果、静電耐圧をより向上させることができて、信頼性をより高めることができる。
【0021】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は上記基板が導電性基板である。
【0022】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記基板が導電性基板であるので、基板の裏面(活性層とは反対側の表面)に電極を形成することができる。したがって、製造工程を簡素化できると共に、動作電圧を軽減できる。
【0023】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は上記導電性基板がZnO単結晶基板である。
【0024】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記導電性基板がZnO単結晶基板であるので、第1導電型ZnO層に対する導電性基板の親和性が良くなる。その結果、上記第1導電型ZnO層に生じる歪や欠陥を極めて少なくすることができる。
【0025】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は上記ZnO単結晶基板の成長主面が亜鉛面である。
【0026】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記ZnO単結晶基板上にp型層を形成する場合、ZnO単結晶基板の成長主面を亜鉛面とすることにより、p型層のキャリア活性化率が向上し、電気抵抗の低いp型層が得られ易くなる。
【0027】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第1導電型ZnO層の層厚が10nm〜10μmの範囲内である。
【0028】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第1導電型ZnO層の層厚が10nm〜10μmの範囲内であると、基板と第1導電型クラッド層との間の電気抵抗を十分に低くなる。したがって、動作電圧を低減できる。
【0029】
また、上記第1導電型ZnO層の層厚が10nm未満の場合、動作電圧が高くなってしまう上に、静電耐圧も低くなってしまう。
【0030】
また、上記第1導電型ZnO層の層厚が10μmを越える場合、静電耐圧を向上させることができるが、動作電圧が高くなってしまう。
【0031】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板が絶縁性基板であると共に、上記第1導電型ZnO層の一部が露出していて、この一部上に第1導電型オーミック電極が形成されている。
【0032】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記基板が絶縁性基板であるから、基板に電極を設けることはできず、素子電気抵抗が高くなり、静電耐圧が高くなる傾向にある。しかし、上記第1導電型ZnO層において露出した一部上に第1導電型オーミック電極を形成しているので、第1導電型ZnO層をコンタクト層として用いることができる。その結果、素子電気抵抗が高くなるのを阻止することができる。
【0033】
また、上記絶縁性基板の一例としてのサファイア基板は、低コストで高品質であるので好ましい。
【0034】
また、上記絶縁性基板の一例としてのLiGaO基板は、ZnO系半導体に対する格子整合性が高いので好ましい。
【0035】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は上記第1導電型ZnO層の層厚が100nm〜20μmの範囲内である。
【0036】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第1導電型ZnO層の層厚が100nm〜20μmの範囲内であると、基板と第1導電型クラッド層との間の電気抵抗が十分に低くなる。したがって、動作電圧を低減できる。
【0037】
また、上記第1導電型ZnO層の層厚が100nm未満の場合、動作電圧が高くなってしまう上に、静電耐圧も低くなってしまう。
【0038】
また、上記第1導電型ZnO層の層厚が20μmを越える場合、静電耐圧を向上させることができるが、動作電圧が高くなってしまう。
【0039】
なお、上記基板として絶縁性基板を用いた場合は、素子電気抵抗が高くなるのを防ぐために、第1導電型ZnO層をコンタクト層として用いるのが好ましい。このように、上記第1導電型ZnO層をコンタクト層として用いた場合、電流が第1導電型ZnO層を横方向(第1導電型ZnO層の表面に沿った方向)に流れるので、基板として導電性基板を用いた場合に比べ、第1導電型ZnO層の層厚を厚くする必要がある。
【0040】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記絶縁性基板の面内格子定数がZnOの面内格子定数に対して(100±3)%の範囲内に収まっている。
【0041】
本明細書において、面内格子定数とは、結晶成長方向(半導体層の積層方向)に対して垂直な2次元平面での格子点間の距離のことである。
【0042】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記絶縁性基板の面内格子定数がZnOの面内格子定数に対して(100±3)%の範囲内に収まっているので、歪や欠陥の極めて少ない結晶性に優れた結晶構造を絶縁性基板上に得ることができる。
【0043】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記絶縁性基板と上記第1導電型ZnO層との間にバッファ層が形成されていて、このバッファ層の材料が、ZnOの面内格子定数に対して(100±3)%の面内格子定数を有している。
【0044】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記絶縁性基板と第1導電型ZnO層との間に、ZnOの面内格子定数に対して(100±3)%の面内格子定数を有する第2の第1導電型ZnO層が形成されているので、サファイアなどZnOと面内格子定数差が大きい絶縁性基板を用いる場合でも、歪や欠陥の極めて少ない結晶性に優れた素子構造をその絶縁性基板上に得ることができる。
【0045】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第1導電型ZnO層はn型ZnO層であって、上記第1導電型ZnO層にドーピングされた不純物がGaまたはAlを含む。
【0046】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第1導電型ZnO層にドーピングされた不純物がGaまたはAlを含むので、不純物の活性化率を高めることができる。その結果、上記第1導電型ZnO層の電気抵抗を低減できると共に、上記第1導電型ZnO層の結晶性を向上させることができる。
【0047】
【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図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0048】
(実施形態1)
本実施形態1では、本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ついて説明する。なお、上記発光ダイオードはZnO基板を用いて作製している。
【0049】
図1に、上記発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【0050】
上記発光ダイオード素子は、成長主面が亜鉛面であるn型ZnO単結晶基板101上に、Gaが1×1019cm−3の濃度でドーピングされた厚さ0.5μmのn型ZnOバッファ層102、Gaが3×1018cm−3の濃度でドーピングされた厚さ1μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層103、ノンドープで厚さ0.5μmのCd0.05Zn0.95O発光層104、Nが5×1019cm−3の濃度でドーピングされた厚さ1μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層105、Nが1×1020cm−3の濃度でドーピングされた厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層106がこの順で積層されている。
【0051】
ここでは、上記n型ZnO単結晶基板101が導電性基板の一例に、n型ZnOバッファ層102が第1導電型ZnO層の一例に、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層103が第1導電型クラッド層の一例に、Cd0.05Zn0.95O発光層104が活性層の一例に、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層105が第2導電型クラッド層の一例に、p型ZnOコンタクト層106が第2導電型コンタクト層の一例に相当する。
【0052】
また、上記p型コンタクト層106の主表面全面上には、厚さ15nmのNiから成るp型オーミック電極107が積層されている。そして、上記p型オーミック電極107上には、厚さ100nmのボンディング用Auパッド電極108がp型オーミック電極107より小さい面積で形成されている。
【0053】
また、上記ZnO基板101の裏面(図中下側の表面)には、厚さ100nmのAlから成るn型オーミック電極109を設けている。
【0054】
上述したような積層構造をn型ZnO単結晶基板101上に形成した後、n型ZnO単結晶基板101をチップ状に分離することにより、本実施形態1の発光ダイオード素子を得る。この発光ダイオードをAgペーストでリードフレームに取り付けてモールドして発光させたところ、発光ピーク波長400nmの青色発光が得られた。
【0055】
図2に、上記n型ZnOバッファ層102のキャリア濃度と、発光ダイドード素子の逆耐圧(逆バイアス電圧を印加した時に降伏に至る電圧)との関係を実線で示す。
【0056】
上記n型ZnOバッファ層102のキャリア濃度が1×1018cm−3未満の場合は、n型ZnOバッファ層102の電気抵抗が高くなることにより、逆耐圧が低下してしまう。また、上記n型ZnOバッファ層102のキャリア濃度が1×1021cm−3を越える場合は、n型ZnOバッファ層102の結晶性が劣化することにより、逆耐圧が低下してしまう。
【0057】
したがって、上記n型ZnOバッファ層102のキャリア濃度は、静電耐圧を向上させる観点上、1×1018cm−3〜1×1021cm−3の範囲内であるのが好ましい。
【0058】
また、図2では、上記n型ZnO単結晶基板101の代わりに、成長主面が酸素面であるn型ZnO単結晶基板を用いた場合の上記関係を点線で示している。
【0059】
図中の実線と点線とを比較すれば判るように、酸素面を成長主面として用いるよりも、亜鉛面を成長主面として用いる方が逆耐圧を高めることができる。このように、亜鉛面が成長主面であるn型ZnO単結晶基板101を用いることにより逆耐圧が高くなる理由は、p型層のキャリア活性化率が向上し、電気抵抗の低いp型層が得られやすくなるためと推察される。
【0060】
図3に、上記n型ZnOバッファ層102の層厚と、発光ダイドード素子の動作電圧および逆耐圧との関係を示す。図中の点線は、n型ZnOバッファ層102の層厚と、発光ダイドード素子の動作電圧との関係を示す。また、図中の実線は、n型ZnOバッファ層102の層厚と、発光ダイドード素子の逆耐圧との関係を示す。なお、上記逆耐圧とは、発光ダイオード素子に逆バイアス電圧を印加した時に降伏に至る電圧を指す。
【0061】
図3より、n型ZnOバッファ層102の層厚が10nm以上10μm以下であると、動作電圧が低減すると共に、逆耐圧が高くなるのが判る。したがって、上記n型ZnOバッファ層102の層厚は10nm以上10μm以下にするのが好ましい。
【0062】
また、上記n型ZnOバッファ層102の層厚が10nm未満であると、動作電圧が高くなると共に、逆耐圧も低くなってしまう。
【0063】
また、上記n型ZnOバッファ層102の層厚が10μmを越えると、逆耐圧は高いが、動作電圧が高くなってしまう。
【0064】
本実施形態1では、ZnO単結晶からなる基板を導電性基板として用いていたが、SiCやGaNなどからなる基板を導電性基板として用いてもよい。
【0065】
ZnO系半導体が有する高い発光効率を最大限に得るためには、以下の(a)〜(c)の条件を満たす基板を用いるのが好ましい。
【0066】
(a) 基板上の成長層において非発光中心となる欠陥を低減する観点上、基板の面内格子定数は、ZnOの面内格子定数に対して(100±3)%の範囲内に収まっている。
【0067】
(b) 基板は発光波長に対応する吸収係数が低い。
【0068】
(c) 基板の裏面下に電極を設ける観点上、基板は導電性基板である。
【0069】
本実施形態1で用いたn型ZnO単結晶基板101は、上記(a)〜(c)の条件を全て満し、最も好ましい。
【0070】
また、研磨やエッチングなどの公知の手法で基板の裏面に凹凸を形成すると、基板に入射した発光が乱反射して、光取り出し効率が向上するので好ましい。
【0071】
上記n型ZnOバッファ層102にドーピングするドナー不純物としては、III族元素のB、Al、Ga、Inなどを用いることができるが、ZnO系半導体中での活性化率が高いGaまたはAlが好ましい。勿論、これらのドナー不純物は、n型ZnOバッファ層102以外のn型ZnO系半導体層に適用してもよい。
【0072】
以下、本実施形態1において本発明の効果を最大限に得るための他の構成について述べるが、この構成は他の実施形態と任意に組み合わせてもよい。
【0073】
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(MBE)法、レーザ分子線エピタキシ(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できる。これらの結晶成長手法の中でレーザMBE法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、またZnGaなど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。
【0074】
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できるが、本発明の効果を最大限に得るためには、活性化率が高いN、LiおよびAgが特に好ましい。また、そのNをアクセプタ不純物として用いる場合、NはNをプラズマ化して結晶成長中に照射する手法が好ましい。この手法により、結晶性を良好に保ちつつNの高濃度ドーピングを行える。
【0075】
発光ダイオード素子の発光効率を向上させるには、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層105上に直接p型オーミック電極107を形成せずに、p型ZnOコンタクト層106上にp型オーミック電極107を形成するのが好ましい。つまり、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層105とp型オーミック電極107との間にp型ZnOコンタクト層106を形成するのが好ましい。このp型ZnOコンタクト層106によって、素子電気抵抗がより低下し、電流広がりが均一化する。また、上記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、キャリア濃度が5×1016〜5×1019cm−3の範囲内に収まるようにp型ZnOコンタクト層106にドーピングするのが好ましい。なお、上記p型ZnOコンタクト層106のように、結晶性に優れキャリア濃度を高くできるZnOをp型コンタクト層の材料として用いるのが好ましい。
【0076】
また、高い発光効率を得るためには、本実施形態1で示したように、p型オーミック電極107が透光性を有するよう形成して光取り出し効率を向上させるのが好ましい。p型オーミック電極の材料としては、Ni、Pt、Pd、Auなどを用いることができるが、中でも低抵抗で密着性のよいNiが好ましい。また、上記複数の金属材料を合金化したものをp型オーミック電極として用いてもよい。また、p型オーミック電極の厚みとしては、良好なオーミック特性と高い透光性を両立する観点上、5〜200nmの範囲内に調整されるのが好ましく、30〜100nmの範囲内に調整されるのがより好ましい。
【0077】
p型電極を形成した後にアニール処理を行うと、p型電極の密着性が向上すると共に、p型電極の接触抵抗が低減するので好ましい。基板上のZnO結晶に欠陥を生じさせずにアニール効果を得るには、アニール処理の温度は300〜400℃の範囲内に調節されるのが好ましい。また、上記アニール処理における雰囲気はOあるいは大気雰囲気であるのが好ましい。なお、アニール処理における雰囲気がNであると、p型電極の接触抵抗が増大してしまう。
【0078】
上記ボンディング用Auパッド電極108をp型オーミック電極107より小さい面積で形成すれば、つまりボンディング用Auパッド電極108をp型オーミック電極107の一部上に形成すれば、p型オーミック電極107の透光性に大きな悪影響を与えることなく、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。また、上記ボンディング用Auパッド電極108とp型オーミック電極107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設けてもよい。
【0079】
n型オーミック電極の材料としては、Ti、CrおよびAlなどを用いることができる。Ti、CrおよびAlなどの中でも、低電気抵抗でコストの低いAl、または、密着性のよいTiが好ましい。また、Ti、CrおよびAlなどの複数の金属材料を合金化したものをn型オーミック電極として用いてもよい。Alから成るn型オーミック電極は、青〜紫外光に対する反射率が高いため、裏面全面に形成しても光取り出し効率は高い。また、Alから成るn型オーミック電極を任意の形状にパターニングし、露出した基板の裏面をAgペーストなどでリードフレームに接着してもよい。Alに比べてAgの方が青〜紫外光の反射率がAlより高いため好ましい。
【0080】
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。
【0081】
(実施形態2)
本実施形態2では、本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ついて説明する。なお、上記発光ダイオードはLiGaO基板を用いて作製している。
【0082】
図4に、上記発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【0083】
上記発光ダイオード素子は、LiGaO基板201の(111)面上に、Gaが1×1019cm−3の濃度でドーピングされた厚さ0.5μmのn型ZnOコンタクト層202、Gaが3×1018cm−3の濃度でドーピングされた厚さ1μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層203、ノンドープで厚さ0.5μmのCd0.05Zn0.95O発光層204、Nが5×1019cm−3の濃度でドーピングされた厚さ1μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層205、Nが1×1020cm−3の濃度でドーピングされた厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層206がこの順で積層されている。
【0084】
ここでは、上記LiGaO基板201が絶縁性基板の一例に、n型ZnOコンタクト層202が第1導電型ZnO層の一例に、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層203が第1導電型クラッド層の一例に、Cd0.05Zn0.95O発光層204が活性層の一例に、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層205が第2導電型クラッド層の一例に、p型ZnOコンタクト層206が第2導電型コンタクト層の一例に相当する。
【0085】
また、上記n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層203から図中上方に向ってp型ZnOコンタクト層206までを形成すべき積層構造の一部をエッチングして、n型ZnOコンタクト層202の一部を露出させている。このn型ZnOコンタクト層202において露出した一部上には、第1導電型オーミック電極の一例としてのn型オーミック電極209が形成されている。このn型オーミック電極209は厚さ100nmのAlから成っている。
【0086】
また、上記p型ZnOコンタクト層206の主表面全面上には、厚さ15nmのNiからなるp型オーミック電極207を積層している。そして、上記p型オーミック電極207上には、厚さ100nmのボンディング用Auパッド電極208がp型オーミック電極207よりも小さい面積で形成されている。
【0087】
上述したような積層構造をLiGaO基板201上に形成した後、LiGaO基板201をチップ状に分離することにより、本実施形態2の発光ダイオード素子を得る。この発光ダイオードをAgペーストでリードフレームに取り付けてモールドして発光させたところ、発光ピーク波長400nmの青色発光が得られた。
【0088】
上記構成の発光ダイオード素子において、n型ZnOコンタクト層202のキャリア濃度を1×1018cm−3〜1×1021cm−3の範囲内に収めることにより、LiGaO基板201とp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層205との間の電気抵抗を低減できる。その結果、静電耐圧を向上させることができて、信頼性を高めることができる。
【0089】
また、上記n型ZnOコンタクト層202は、静電耐圧を向上させるための低電気抵抗なバッファ層としても作用している。
【0090】
図5に、上記n型ZnOコンタクト層202の層厚と、発光ダイドード素子の動作電圧および逆耐圧との関係を示す。図中の点線は、n型ZnOコンタクト層202の層厚と、発光ダイドード素子の動作電圧との関係を示す。また、図中の実線は、n型ZnOコンタクト層202の層厚と、発光ダイドード素子の逆耐圧との関係を示す。なお、上記逆耐圧とは、発光ダイオード素子に逆バイアス電圧を印加した時に降伏に至る電圧を指す。
【0091】
図5より、上記n型ZnOコンタクト層202の層厚が100nm以上20μm以下であると、動作電圧が低減すると共に、逆耐圧が高くなるのが判る。したがって、上記n型ZnOコンタクト層202の層厚は100nm以上20μm以下にするのが好ましい。
【0092】
また、上記n型ZnOコンタクト層202の層厚が100nm未満であると、動作電圧が高くなると共に、逆耐圧も低くなってしまう。
【0093】
また、上記n型ZnOコンタクト層202の層厚が20μmを越えると、逆耐圧は高いが、動作電圧が高くなってしまう。
【0094】
このように、上記n型ZnOコンタクト層202の好ましい層厚が、上記実施形態1におけるn型ZnOバッファ層102の好ましい膜厚よりも厚くなるのは、n型ZnOコンタクト層202を横方向(n型ZnOコンタクト層202の表面に沿った方向)に電流が流れるからである。
【0095】
本実施形態2では、LiGaOから成る基板を絶縁性基板として用いていたが、サファイアやスピネルから成る基板を絶縁性基板として用いてもよい。LiGaOは、ZnO系半導体の面内格子定数に対して(100±3)%の面内格子定数を有するので、ZnO系半導体と容易に格子整合させることができる。したがって、LiGaOから成る基板上にZnO系半導体層を形成した場合、そのZnO系半導体層の結晶性を極めて高めることができる。
【0096】
また、ZnO系半導体と格子整合性の高い絶縁性基板としては、LiGaO基板の他に、LiAlO、NaGaO、NaAlOおよびこれらの混晶から成る基板がある。
【0097】
(実施形態3)
本実施形態3では、本発明の酸化物半導体発光素子の一例としてのファブリペロー型ZnO系半導体レーザ素子について説明する。なお、上記半導体レーザ素子はZnO基板を用いて作製している。
【0098】
図6に、上記半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。
【0099】
上記半導体レーザ素子は、亜鉛面を成長主面としたn型ZnO単結晶基板301上に、Gaが1×1019cm−3の濃度でドーピングされた厚さ0.3μmのn型ZnOバッファ層302、Gaが3×1018cm−3の濃度でドーピングされた厚さ1μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層303、Gaが5×1017cm−3の濃度でドーピングされた厚さ30nmのn型ZnO光ガイド層304、ノンドープ量子井戸活性層305、Nが5×1018cm−3の濃度でドーピングされた厚さ30nmのp型ZnO光ガイド層306、Nが5×1019cm−3の濃度でドーピングされた厚さ1.2μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層307、Nが1×1020cm−3の濃度でドーピングされた厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層308がこの順で積層されている。
【0100】
ここでは、上記n型ZnO単結晶基板301が導電性基板の一例に、n型ZnOバッファ層302が第1導電型ZnO層の一例に、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層303が第1導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層305が活性層の一例に、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層307が第2導電型クラッド層の一例に、p型ZnOコンタクト層308が第2導電型コンタクト層にの一例に相当している。
【0101】
上記量子井戸活性層305は、厚さ5nmのZnO障壁層と、厚さ6nmのCd0.1Zn0.9O井戸層とが交互に積層されて構成されている。そのZnO障壁層は2層あり、Cd0.1Zn0.9O井戸層は3層ある。
【0102】
上記p型MgZnOクラッド層307の一部と、p型ZnOコンタクト層308とはリッジストライプ状にエッチング加工されている。そして、上記p型MgZnOクラッド層307におけるリッジストライプ状の一部の側面と、p型ZnOコンタクト層308の側面とは、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309によって埋め込まれている。
【0103】
また、上記n型ZnO単結晶基板301下にはn型オーミック電極310が形成され、p型ZnOコンタクト層308およびn型Mg0.2Zn0.8O電流ブロック層309上にはp型オーミック電極311が形成されている。
【0104】
上述のような積層構造を有するn型ZnO単結晶基板301を劈開することにより端面ミラーを一対形成した後、その端面ミラーに保護膜を真空蒸着する。そして、素子分離を行って幅が300μmの半導体レーザ素子を得る。こ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。
【0105】
上記構成の発光ダイオード素子において、n型ZnOバッファ層302のキャリア濃度を1×1018cm−3〜1×1021cm−3の範囲内に収めることにより、n型ZnO単結晶基板301とn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層303との間の電気抵抗を低減できる。その結果、静電耐圧を向上させることができて、信頼性を高めることができる。具体的には、逆耐圧を170V以上にすることができる。
【0106】
比較例として、n型ZnOバッファ層302を形成しない他は本実施形態3と同様にして半導体レーザ素子を作製した。この比較例の半導体レーザ素子の発振波長や発振閾値電流は本実施形態3と同じであったが、比較例の半導体レーザ素子の逆耐圧は本実施形態3よりも低下して100V以下であった。
【0107】
以上のように、導電性基板を用いたファブリペロー型半導体レーザ素子に本発明を適用しても、静電耐圧の低減効果を得ることができる。
【0108】
(実施形態4)
本実施形態4では、本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について説明する。なお、上記半導体レーザ素子はサファイア基板を用いて作製している。
【0109】
図7に、上記半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。
【0110】
上記半導体レーザ素子は、C面(0001)を成長主面としたサファイア基板401上に、ノンドープで厚さ0.1μmのZnO第1バッファ層402、ノンドープで厚さ0.1μmのLi0.35Na0.65GaO第2バッファ層403、Gaが1×1019cm−3の濃度でドーピングされた厚さ0.3μmのn型ZnOコンタクト層404、Gaが3×1018cm−3の濃度でドーピングされた厚さ1μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層405、Gaが5×1017cm−3の濃度でドーピングされた厚さ30nmのn型ZnO光ガイド層406、ノンドープ量子井戸活性層407、Nが5×1018cm−3の濃度でドーピングされた厚さ30nmのp型ZnO光ガイド層408、Nが5×1019cm−3の濃度でドーピングされた厚さ1.2μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層409、Nが1×1020cm−3の濃度でドーピングされた厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層410がこの順で積層されている。
【0111】
ここでは、上記サファイア基板401が絶縁性基板の一例に、Li0.35Na0.65GaO第2バッファ層403がバッファ層の一例に、n型ZnOコンタクト層404が第1導電型ZnO層の一例に、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層405が第1導電型クラッド層の一例に、ノンドープ量子井戸活性層407が活性層の一例に、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層409が第2導電型クラッド層の一例に、p型ZnOコンタクト層410が第2導電型クラッド層の一例に相当している。
【0112】
また、上記量子井戸活性層407は、厚さ5nmのZnO障壁層と、厚さ6nmのCd0.1Zn0.9O井戸層とが交互に積層されて構成されている。そのZnO障壁層は2層あり、Cd0.1Zn0.9O井戸層は3層ある。
【0113】
また、上記p型MgZnOクラッド層409の一部はリッジストライプ状にエッチング加工されている。そして、上記p型MgZnOクラッド層409におけるリッジストライプ状の一部の側面は、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411によって埋め込まれている。
【0114】
また、上記n型MgZnOクラッド層405から図中上方に向ってp型ZnOコンタクト層410までを形成すべき積層構造の一部をエッチングして、n型ZnOコンタクト層404の一部を露出させている。このn型ZnOコンタクト層404において露出した一部上には、第1導電型オーミック電極の一例としてのn型オーミック電極412が形成されている。
【0115】
また、上記p型ZnOコンタクト層410上にはp型オーミック電極413が形成されている。
【0116】
上述のような積層構造を有するサファイア基板401を劈開することにより、リッジストライプに垂直な端面ミラーを一対形成した後、その端面ミラーに保護膜を蒸着する。そして、素子分離を行って幅が300μmの半導体レーザ素子を得る。この半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から400nmの青色発光が得られた。
【0117】
上記構成の発光ダイオード素子において、n型ZnOコンタクト層404のキャリア濃度を1×1018cm−3〜1×1021cm−3の範囲内に収めることにより、サファイア基板401とn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層405との間の電気抵抗を低減できる。その結果、静電耐圧を向上させることができて、信頼性を高めることができる。具体的には、逆耐圧を150V以上にすることができる。
【0118】
また、上記n型ZnOコンタクト層404は、静電耐圧を向上させるための低電気抵抗なバッファ層としても作用している。
【0119】
また、上記Li0.35Na0.65GaO第2バッファ層403の材料であるLi0.35Na0.65GaOはZnOとほぼ格子整合する。具体的には、Li0.35Na0.65GaOは、ZnOの面内格子定数に対して(100±3)の面内格子定数を有している。したがって、上記Li0.35Na0.65GaO第2バッファ層403をサファイア基板401とn型ZnOコンタクト層404との間に形成していることにより、結晶性の極めて高いZnO系半導体層をサファイア基板401上に形成することができている。
【0120】
また、Li0.35Na0.65GaOから成るバッファ層を基板上に形成した後、そのバッファ層上にZnO系半導体層を形成した場合、その基板がサファイア基板のように格子不整合の大きな絶縁性基板であっても、結晶性の極めて高いZnO系半導体層を基板上に形成することができる。
【0121】
また、上記ZnO第1バッファ層402は、静電耐圧を向上させる効果は有していないが、サファイア基板401とLi0.35Na0.65GaO第2バッファ層403との親和性を向上させている。したがって、上記サファイア基板401上にLi0.35Na0.65GaO第2バッファ層403を直接形成する場合に比べて、Li0.35Na0.65GaO第2バッファ層403の結晶性が格段に向上している。
【0122】
比較例1として、n型ZnOコンタクト層404を形成しない他は本実施形態4と同様にして半導体レーザ素子を作製した。この比較例1の半導体レーザ素子は、発振波長や発振閾値電流が本実施形態4と同じであったが、逆耐圧が本実施形態4よりも低い100V以下であった。
【0123】
比較例2として、n型ZnO第1バッファ層402を形成しない他は本実施形態と同様にして半導体レーザ素子を作製した。この比較例2の半導体レーザ素子は、発振閾値電流が本実施形態4に比べて40%増大し、逆耐圧が本実施形態4よりも低い80V以下であった。
【0124】
比較例3として、n型ZnO第1バッファ層402およびLi0.35Na0.65GaO第2バッファ層403を形成しない他は本実施形態4と同様にして半導体レーザ素子を作製した。この比較例3の半導体レーザ素子は、発振閾値電流が本実施形態4に比べて60%増大し、逆耐圧が本実施形態4よりも低い50V以下であった。
【0125】
以上、上記実施の形態1〜4で説明したように、基板とn型クラッド層との間のn型ZnO層は、静電耐圧を向上させる観点上、キャリア濃度が1×1018cm−3〜1×1021cm−3の範囲内であるのが好ましい。また、上記記キャリア濃度は、静電耐圧をより向上させる観点上、1×1019cm−3〜1×1020cm−3の範囲内であるのが好ましい。
【0126】
また、上記実施の形態1〜4では、基板上に、n型クラッド層、活性層およびp型クラッド層をこの順で積層してたが、p型クラッド層、活性層およびn型クラッド層をこの順で積層してもよい。
【0127】
また、上記n型クラッド層、発光層、p型クラッド層およびp型ZnOコンタクト層は、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で構成してもよい。
【0128】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板と第1導電型クラッド層との間に、キャリア濃度が1×1018cm−3〜1×1021cm−3の範囲内である第1導電型ZnO層を形成しているので、基板と第1導電型クラッド層との間の電気抵抗が低減し、静電耐圧を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施形態1の発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図2】図2は、上記実施形態1の発光ダイオード素子のn型ZnOバッファ層のキャリア濃度と、その発光ダイオード素子の逆耐圧との関係を示す図である。
【図3】図3は、上記実施形態1の発光ダイオードのn型ZnOバッファ層の層厚と、その発光ダイオード素子の動作電圧および逆耐圧との関係を示す図である。
【図4】図4は本発明の実施形態2の発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図5】図5は、上記実施形態2のn型ZnOコンタクト層の層厚と、その発光ダイドード素子の動作電圧および逆耐圧との関係を示す。
【図6】図6は本発明の実施形態3のファブリペロー型ZnO系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図7】図7は本発明の実施形態4のZnO系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【符号の説明】
101,301 n型ZnO単結晶基板
102,302 n型ZnOバッファ層
103,203,303,405 n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層
104,204 Cd0.05Zn0.95O発光層
105,205,307,409 p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層
106,206,308,410 p型ZnOコンタクト層
201 LiGaO基板
202,404 n型ZnOコンタクト層
305,407 量子井戸活性層
401 サファイア基板
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode device and a semiconductor laser device, and more particularly, to an oxide semiconductor light emitting device having a high electrostatic breakdown voltage and excellent reliability.
[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. There is a possibility that a light emitting device having high efficiency, low power consumption, and excellent environmental performance can be realized.
[0003]
Conventionally, it has been difficult to control the p-type conductivity of ZnO due to a self-compensation effect caused by strong ionicity. However, by using nitrogen (N) as an acceptor impurity, the p-type is realized, and ZnO-based semiconductors can be used. Many studies have been made to produce a highly efficient light-emitting element by using the light-emitting element.
[0004]
By the way, it is known that a semiconductor light emitting device having a minute and complicated structure such as a semiconductor laser device is deteriorated or destroyed by an excessive surge current due to static electricity or the like. Therefore, improvement of the electrostatic withstand voltage in the semiconductor light emitting device is an important issue in view of the reliability and cost reduction of the semiconductor light emitting device and the electronic device using the same.
[0005]
For example, a technology for improving the electrostatic withstand voltage of a semiconductor light emitting device is disclosed in Japanese Patent No. 3063757 (Patent Document 1). In Patent Document 1, an n-side multilayer clad layer and a p-side clad layer are formed so as to sandwich an active layer having a multiple quantum well structure. Here, the luminous efficiency and the electrostatic breakdown voltage are improved by making the layer configuration of the n-side multilayer cladding layer undoped / n-type impurity doped / undoped.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3063757
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the technique disclosed in Patent Document 1 is used for a nitride semiconductor device, it is possible to improve the electrostatic breakdown voltage of the oxide semiconductor light-emitting device even when applied to an oxide semiconductor light-emitting device. I can't. More specifically, when the present inventors applied the technique of Patent Document 1 to an oxide semiconductor light emitting element, the electrostatic breakdown voltage of the oxide semiconductor light emitting element was 50 V or less, and the electrostatic breakdown voltage was improved. The effect of was not fully obtained.
[0008]
In addition, the present inventors have searched for a technique for improving the electrostatic breakdown voltage of an oxide semiconductor light-emitting element, and such technique has not been disclosed in any literature.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to provide an oxide semiconductor light emitting device having high electrostatic withstand voltage and excellent reliability.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The low electrostatic breakdown voltage of the oxide semiconductor light-emitting element is considered mainly due to the high electric resistance between the substrate and the ZnO-based semiconductor layer stacked over the substrate. The inventors of the present invention have intensively studied a method for reducing the electric resistance, and have reached the present invention.
[0011]
In the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, at least a first conductivity type clad layer, an active layer, a second conductivity type clad layer and a second conductivity type contact layer are sequentially laminated on a substrate,
The first conductivity type clad layer, the active layer, the second conductivity type clad layer, and the second conductivity type contact layer are made of a ZnO-based semiconductor;
The carrier concentration between the substrate and the first conductivity type cladding layer is 1 × 10 18 cm -3 ~ 1 × 10 21 cm -3 Is characterized in that a first conductivity type ZnO layer within the range described above is formed.
[0012]
Here, the phrase “at least” means that a light guide layer, an etching stop layer, a planarizing layer, a cap layer, and the like on both sides of the active layer may be provided.
[0013]
In this specification, the first conductivity type means p-type or n-type. The second conductivity type means n-type when the first conductivity type is p-type and p-type when the first conductivity type is n-type.
[0014]
Further, in this specification, a ZnO-based semiconductor includes ZnO and a mixed crystal represented by MgZnO, CdZnO, or the like using the same as a host.
[0015]
The oxide semiconductor light emitting device having the above configuration has a carrier concentration of 1 × 10 between the substrate and the first conductivity type cladding layer. 18 cm -3 ~ 1 × 10 21 cm -3 Is formed, the electrical resistance between the substrate and the first conductivity type cladding layer is reduced. As a result, the electrostatic withstand voltage can be improved, and the reliability can be improved. That is, an oxide semiconductor light-emitting element having high electrostatic withstand voltage and excellent reliability can be obtained.
[0016]
The carrier concentration of the first conductivity type ZnO layer is 1 × 10 18 cm -3 If it is less than 1, the electrical resistance of the ZnO layer of the first conductivity type increases, and the electrostatic breakdown voltage decreases.
[0017]
The carrier concentration of the first conductivity type ZnO layer is 1 × 10 21 cm -3 If the ratio exceeds 1, the crystallinity of the ZnO layer of the first conductivity type deteriorates, and the electrostatic breakdown voltage decreases.
[0018]
The “active layer” is referred to as a “light-emitting layer” in the light-emitting diode element, but has the same meaning as a layer that controls light emission, and is not particularly distinguished below.
[0019]
In one embodiment, the first conductive ZnO layer has a carrier concentration of 1 × 10 3. 19 cm -3 ~ 1 × 10 20 cm -3 Is within the range.
[0020]
In the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the carrier concentration of the first conductivity type ZnO layer is 1 × 10 19 cm -3 ~ 1 × 10 20 cm -3 , The electrical resistance between the substrate and the first conductivity type cladding layer is further reduced. As a result, the electrostatic withstand voltage can be further improved, and the reliability can be further improved.
[0021]
In one embodiment, the substrate is a conductive substrate.
[0022]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the embodiment, since the substrate is a conductive substrate, an electrode can be formed on the back surface of the substrate (the surface opposite to the active layer). Therefore, the manufacturing process can be simplified and the operating voltage can be reduced.
[0023]
In one embodiment, the conductive substrate is a ZnO single crystal substrate.
[0024]
In the oxide semiconductor light emitting device of the embodiment, since the conductive substrate is a ZnO single crystal substrate, the affinity of the conductive substrate for the first conductivity type ZnO layer is improved. As a result, distortion and defects generated in the first conductivity type ZnO layer can be extremely reduced.
[0025]
In one embodiment, the main growth surface of the ZnO single crystal substrate is a zinc surface.
[0026]
In the oxide semiconductor light emitting device of the embodiment, when a p-type layer is formed on the ZnO single crystal substrate, the carrier activation rate of the p-type layer is determined by setting the main growth surface of the ZnO single crystal substrate to a zinc surface. And a p-type layer having low electric resistance is easily obtained.
[0027]
In one embodiment, the thickness of the first conductivity type ZnO layer is in the range of 10 nm to 10 μm.
[0028]
In the oxide semiconductor light emitting device of the embodiment, when the thickness of the first conductivity type ZnO layer is in the range of 10 nm to 10 μm, the electric resistance between the substrate and the first conductivity type clad layer is sufficiently low. Become. Therefore, the operating voltage can be reduced.
[0029]
If the thickness of the first conductivity type ZnO layer is less than 10 nm, the operating voltage increases and the electrostatic breakdown voltage also decreases.
[0030]
When the thickness of the first conductivity type ZnO layer exceeds 10 μm, the electrostatic withstand voltage can be improved, but the operating voltage increases.
[0031]
In one embodiment, the substrate is an insulating substrate, a part of the first conductivity type ZnO layer is exposed, and a first conductivity type ohmic electrode is formed on the part. Have been.
[0032]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, since the substrate is an insulating substrate, no electrode can be provided on the substrate, and the electric resistance of the device tends to increase, and the electrostatic breakdown voltage tends to increase. However, since the first conductivity type ohmic electrode is formed on the exposed part of the first conductivity type ZnO layer, the first conductivity type ZnO layer can be used as the contact layer. As a result, an increase in the element electrical resistance can be prevented.
[0033]
Further, a sapphire substrate as an example of the insulating substrate is preferable because of its low cost and high quality.
[0034]
LiGaO as an example of the insulating substrate 2 The substrate is preferable because of its high lattice matching with the ZnO-based semiconductor.
[0035]
In one embodiment, the thickness of the first conductivity type ZnO layer is in the range of 100 nm to 20 μm.
[0036]
In the oxide semiconductor light emitting device of the embodiment, when the thickness of the first conductivity type ZnO layer is in the range of 100 nm to 20 μm, the electric resistance between the substrate and the first conductivity type clad layer is sufficiently low. Become. Therefore, the operating voltage can be reduced.
[0037]
If the thickness of the first conductivity type ZnO layer is less than 100 nm, the operating voltage increases and the electrostatic breakdown voltage also decreases.
[0038]
When the thickness of the first conductivity type ZnO layer exceeds 20 μm, the electrostatic withstand voltage can be improved, but the operating voltage increases.
[0039]
When an insulating substrate is used as the substrate, it is preferable to use a first conductivity type ZnO layer as a contact layer in order to prevent an increase in element electrical resistance. As described above, when the first conductivity type ZnO layer is used as a contact layer, a current flows in the first conductivity type ZnO layer in a lateral direction (a direction along the surface of the first conductivity type ZnO layer). It is necessary to increase the thickness of the first conductivity type ZnO layer as compared with the case where a conductive substrate is used.
[0040]
In one embodiment, the in-plane lattice constant of the insulating substrate is within a range of (100 ± 3)% of the in-plane lattice constant of ZnO.
[0041]
In this specification, the in-plane lattice constant refers to a distance between lattice points on a two-dimensional plane perpendicular to a crystal growth direction (a direction in which semiconductor layers are stacked).
[0042]
In the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the in-plane lattice constant of the insulating substrate falls within the range of (100 ± 3)% with respect to the in-plane lattice constant of ZnO. A crystal structure with less crystallinity can be obtained on an insulating substrate.
[0043]
In one embodiment, a buffer layer is formed between the insulating substrate and the first conductivity type ZnO layer, and the material of the buffer layer is based on the in-plane lattice constant of ZnO. (100 ± 3)%.
[0044]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the in-plane lattice constant of (100 ± 3)% of the in-plane lattice constant of ZnO is provided between the insulating substrate and the first conductivity type ZnO layer. Since the second first conductivity type ZnO layer is formed, even when an insulating substrate having a large in-plane lattice constant difference from ZnO such as sapphire is used, an element structure having excellent crystallinity with few distortions and defects can be obtained. It can be obtained on the insulating substrate.
[0045]
In one embodiment, the first conductivity type ZnO layer is an n-type ZnO layer, and the impurity doped in the first conductivity type ZnO layer contains Ga or Al.
[0046]
In the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the impurity doped in the first conductivity type ZnO layer contains Ga or Al, so that the activation rate of the impurity can be increased. As a result, the electric resistance of the first conductivity type ZnO layer can be reduced, and the crystallinity of the first conductivity type ZnO layer can be improved.
[0047]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the oxide semiconductor light emitting device of the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
[0048]
(Embodiment 1)
In Embodiment 1, a light-emitting diode element as an example of the oxide semiconductor light-emitting element of the present invention will be described. The light emitting diode is manufactured using a ZnO substrate.
[0049]
FIG. 1 shows a schematic sectional view of the light emitting diode element.
[0050]
In the light emitting diode element, Ga is 1 × 10 5 on an n-type ZnO single crystal substrate 101 whose main growth surface is a zinc surface. 19 cm -3 N-type ZnO buffer layer 102 doped with a concentration of 0.5 μm and having a Ga content of 3 × 10 18 cm -3 1 μm thick n-type Mg doped at a concentration of 0.1 Zn 0.9 O-cladding layer 103, non-doped 0.5 μm thick Cd 0.05 Zn 0.95 O light emitting layer 104, N is 5 × 10 19 cm -3 P-type Mg doped at a concentration of 1 μm 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 105, N is 1 × 10 20 cm -3 The p-type ZnO contact layer 106 having a thickness of 0.5 μm and doped at a concentration of 0.5 μm is stacked in this order.
[0051]
Here, the n-type ZnO single crystal substrate 101 is an example of a conductive substrate, and the n-type ZnO buffer layer 102 is an example of a first conductivity type ZnO layer. 0.1 Zn 0.9 The O-clad layer 103 is an example of the first conductivity type clad layer, 0.05 Zn 0.95 O-emitting layer 104 is an example of an active layer, 0.1 Zn 0.9 The O-cladding layer 105 corresponds to an example of a second conductivity type cladding layer, and the p-type ZnO contact layer 106 corresponds to an example of a second conductivity type contact layer.
[0052]
On the entire main surface of the p-type contact layer 106, a 15-nm-thick Ni p-type ohmic electrode 107 is laminated. On the p-type ohmic electrode 107, a bonding Au pad electrode 108 having a thickness of 100 nm is formed with a smaller area than the p-type ohmic electrode 107.
[0053]
An n-type ohmic electrode 109 made of Al having a thickness of 100 nm is provided on the back surface (the lower surface in the figure) of the ZnO substrate 101.
[0054]
After the stacked structure as described above is formed on the n-type ZnO single-crystal substrate 101, the n-type ZnO single-crystal substrate 101 is separated into chips to obtain the light-emitting diode element of the first embodiment. When this light emitting diode was mounted on a lead frame with an Ag paste and molded to emit light, blue light emission having an emission peak wavelength of 400 nm was obtained.
[0055]
FIG. 2 shows the relationship between the carrier concentration of the n-type ZnO buffer layer 102 and the reverse withstand voltage of the light emitting diode element (a voltage that causes breakdown when a reverse bias voltage is applied) by a solid line.
[0056]
The carrier concentration of the n-type ZnO buffer layer 102 is 1 × 10 18 cm -3 If it is less than 0, the reverse breakdown voltage will decrease due to an increase in the electrical resistance of the n-type ZnO buffer layer 102. Further, the carrier concentration of the n-type ZnO buffer layer 102 is 1 × 10 21 cm -3 In the case where n exceeds 3, the crystallinity of the n-type ZnO buffer layer 102 deteriorates, and the reverse breakdown voltage decreases.
[0057]
Therefore, the carrier concentration of the n-type ZnO buffer layer 102 is set to 1 × 10 18 cm -3 ~ 1 × 10 21 cm -3 Is preferably within the range.
[0058]
Further, in FIG. 2, the above relationship in the case where an n-type ZnO single crystal substrate whose growth main surface is an oxygen surface is used instead of the n-type ZnO single crystal substrate 101 is indicated by a dotted line.
[0059]
As can be seen by comparing the solid line and the dotted line in the figure, the reverse breakdown voltage can be increased by using the zinc surface as the main growth surface rather than using the oxygen surface as the main growth surface. As described above, the reason why the reverse breakdown voltage is increased by using the n-type ZnO single crystal substrate 101 in which the zinc surface is the main growth surface is that the carrier activation rate of the p-type layer is improved and the p-type layer having a low electric resistance is low. It is presumed that it becomes easier to obtain
[0060]
FIG. 3 shows the relationship between the layer thickness of the n-type ZnO buffer layer 102 and the operating voltage and reverse breakdown voltage of the light emitting diode device. The dotted line in the figure shows the relationship between the thickness of the n-type ZnO buffer layer 102 and the operating voltage of the light emitting diode device. The solid line in the figure shows the relationship between the thickness of the n-type ZnO buffer layer 102 and the reverse breakdown voltage of the light emitting diode element. The reverse withstand voltage refers to a voltage that causes breakdown when a reverse bias voltage is applied to the light emitting diode element.
[0061]
FIG. 3 shows that when the layer thickness of the n-type ZnO buffer layer 102 is 10 nm or more and 10 μm or less, the operating voltage is reduced and the reverse breakdown voltage is increased. Therefore, it is preferable that the thickness of the n-type ZnO buffer layer 102 be 10 nm or more and 10 μm or less.
[0062]
If the thickness of the n-type ZnO buffer layer 102 is less than 10 nm, the operating voltage increases and the reverse breakdown voltage also decreases.
[0063]
When the thickness of the n-type ZnO buffer layer 102 exceeds 10 μm, the reverse breakdown voltage is high, but the operating voltage is high.
[0064]
In the first embodiment, the substrate made of ZnO single crystal is used as the conductive substrate, but a substrate made of SiC, GaN, or the like may be used as the conductive substrate.
[0065]
In order to maximize the high luminous efficiency of the ZnO-based semiconductor, it is preferable to use a substrate satisfying the following conditions (a) to (c).
[0066]
(A) From the viewpoint of reducing defects serving as non-emission centers in the growth layer on the substrate, the in-plane lattice constant of the substrate is within (100 ± 3)% of the in-plane lattice constant of ZnO. I have.
[0067]
(B) The substrate has a low absorption coefficient corresponding to the emission wavelength.
[0068]
(C) From the viewpoint of providing electrodes under the back surface of the substrate, the substrate is a conductive substrate.
[0069]
The n-type ZnO single crystal substrate 101 used in the first embodiment satisfies all of the above conditions (a) to (c) and is most preferable.
[0070]
In addition, it is preferable to form irregularities on the back surface of the substrate by a known method such as polishing or etching, because light incident on the substrate is irregularly reflected, thereby improving light extraction efficiency.
[0071]
As the donor impurity to be doped into the n-type ZnO buffer layer 102, group III elements such as B, Al, Ga, and In can be used, but Ga or Al having a high activation rate in a ZnO-based semiconductor is preferable. . Of course, these donor impurities may be applied to n-type ZnO-based semiconductor layers other than the n-type ZnO buffer layer 102.
[0072]
Hereinafter, another configuration for maximizing the effects of the present invention in the first embodiment will be described. However, this configuration may be arbitrarily combined with the other embodiments.
[0073]
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. Can be made. Among these crystal growth methods, the laser MBE method has a small composition deviation between a raw material target and a thin film and has a ZnGa 2 O 4 This is particularly preferable because generation of unintended by-products such as the above can be suppressed.
[0074]
As an acceptor impurity to be doped into the p-type ZnO-based semiconductor layer, a Group I element such as Li, Cu, or Ag, or a Group V element such as N, As, or P can be used, but the effect of the present invention is maximized. For obtaining N, Li and Ag, which have a high activation rate, are particularly preferable. When N is used as an acceptor impurity, N becomes N 2 It is preferable to irradiate during the crystal growth by turning into plasma. By this method, high-concentration doping of N can be performed while maintaining good crystallinity.
[0075]
To improve the luminous efficiency of the light emitting diode element, p-type Mg 0.1 Zn 0.9 It is preferable to form the p-type ohmic electrode 107 on the p-type ZnO contact layer 106 without forming the p-type ohmic electrode 107 directly on the O-cladding layer 105. That is, p-type Mg 0.1 Zn 0.9 It is preferable to form a p-type ZnO contact layer 106 between the O-cladding layer 105 and the p-type ohmic electrode 107. The p-type ZnO contact layer 106 further reduces the element electrical resistance and makes the current spread uniform. Also, if the p-type ZnO contact layer 106 is excessively doped with an acceptor impurity, the crystallinity is remarkably deteriorated, and the effect of the present invention is reduced. 16 ~ 5 × 10 19 cm -3 It is preferable to dope the p-type ZnO contact layer 106 so as to fall within the range described above. Note that, as in the case of the p-type ZnO contact layer 106, it is preferable to use ZnO, which has excellent crystallinity and can increase the carrier concentration, as a material for the p-type contact layer.
[0076]
In order to obtain high luminous efficiency, it is preferable to form the p-type ohmic electrode 107 so as to have a light-transmitting property as described in the first embodiment to improve the light extraction efficiency. As a material of the p-type ohmic electrode, Ni, Pt, Pd, Au, or the like can be used, and among them, Ni having low resistance and good adhesion is preferable. Further, an alloy of a plurality of the above metal materials may be used as the p-type ohmic electrode. Further, the thickness of the p-type ohmic electrode is preferably adjusted within a range of 5 to 200 nm, and more preferably within a range of 30 to 100 nm, from the viewpoint of achieving both good ohmic characteristics and high translucency. Is more preferred.
[0077]
It is preferable to perform an annealing treatment after forming the p-type electrode because the adhesion of the p-type electrode is improved and the contact resistance of the p-type electrode is reduced. In order to obtain an annealing effect without causing defects in the ZnO crystal on the substrate, the temperature of the annealing treatment is preferably adjusted within the range of 300 to 400 ° C. The atmosphere in the annealing treatment is O 2 Alternatively, it is preferably an air atmosphere. The atmosphere in the annealing process is N 2 In this case, the contact resistance of the p-type electrode increases.
[0078]
If the bonding Au pad electrode 108 is formed with a smaller area than the p-type ohmic electrode 107, that is, if the bonding Au pad electrode 108 is formed on a part of the p-type ohmic electrode 107, the p-type ohmic electrode 107 becomes transparent. This is preferable because the process of mounting on a lead frame is facilitated without significantly affecting optical properties. As a material of the pad electrode, Au which can be easily bonded and does not become a donor impurity even when diffused into ZnO is preferable. Further, another metal layer may be provided between the bonding Au pad electrode 108 and the p-type ohmic electrode 107 for the purpose of improving adhesion and light reflectivity.
[0079]
As the material of the n-type ohmic electrode, Ti, Cr, Al, or the like can be used. Among Ti, Cr, Al and the like, Al with low electric resistance and low cost or Ti with good adhesion is preferable. Further, an alloy of a plurality of metal materials such as Ti, Cr, and Al may be used as the n-type ohmic electrode. Since the n-type ohmic electrode made of Al has a high reflectance with respect to blue to ultraviolet light, the light extraction efficiency is high even if it is formed on the entire back surface. Alternatively, an n-type ohmic electrode made of Al may be patterned into an arbitrary shape, and the exposed back surface of the substrate may be bonded to a lead frame with an Ag paste or the like. Ag is preferable because the reflectivity of blue to ultraviolet light is higher than that of Al.
[0080]
Other configurations are arbitrary and are not limited by the present embodiment.
[0081]
(Embodiment 2)
In Embodiment 2, a light-emitting diode element as an example of the oxide semiconductor light-emitting element of the present invention will be described. Note that the light emitting diode is LiGaO 2 It is manufactured using a substrate.
[0082]
FIG. 4 shows a schematic sectional view of the light emitting diode element.
[0083]
The light emitting diode element is LiGaO 2 Ga is 1 × 10 on the (111) plane of the substrate 201. 19 cm -3 0.5 μm thick n-type ZnO contact layer 202 doped with a concentration of 18 cm -3 1 μm thick n-type Mg doped at a concentration of 0.1 Zn 0.9 O-cladding layer 203, non-doped Cd 0.5 μm thick 0.05 Zn 0.95 O light emitting layer 204, N is 5 × 10 19 cm -3 P-type Mg doped at a concentration of 1 μm 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 205, N is 1 × 10 20 cm -3 The p-type ZnO contact layer 206 having a thickness of 0.5 μm and doped at a concentration of 0.1 μm is stacked in this order.
[0084]
Here, the above-mentioned LiGaO 2 The substrate 201 is an example of an insulating substrate, and the n-type ZnO contact layer 202 is an example of a first conductivity type ZnO layer. 0.1 Zn 0.9 The O-clad layer 203 is an example of a first-conductivity-type clad layer, 0.05 Zn 0.95 The O light emitting layer 204 is an example of an active layer, 0.1 Zn 0.9 The O clad layer 205 corresponds to an example of a second conductive type clad layer, and the p-type ZnO contact layer 206 corresponds to an example of a second conductive type contact layer.
[0085]
The n-type Mg 0.1 Zn 0.9 A part of the layered structure to be formed from the O-clad layer 203 to the p-type ZnO contact layer 206 upward in the drawing is etched to expose a part of the n-type ZnO contact layer 202. On an exposed part of the n-type ZnO contact layer 202, an n-type ohmic electrode 209 as an example of a first conductivity type ohmic electrode is formed. This n-type ohmic electrode 209 is made of Al having a thickness of 100 nm.
[0086]
On the entire main surface of the p-type ZnO contact layer 206, a 15-nm-thick Ni p-type ohmic electrode 207 is laminated. On the p-type ohmic electrode 207, a bonding Au pad electrode 208 having a thickness of 100 nm is formed with an area smaller than that of the p-type ohmic electrode 207.
[0087]
The above-described laminated structure is made of LiGaO 2 After being formed on the substrate 201, LiGaO 2 By separating the substrate 201 into chips, the light emitting diode element of Embodiment 2 is obtained. When this light emitting diode was mounted on a lead frame with an Ag paste and molded to emit light, blue light emission having an emission peak wavelength of 400 nm was obtained.
[0088]
In the light emitting diode device having the above configuration, the carrier concentration of the n-type ZnO contact layer 202 is set to 1 × 10 18 cm -3 ~ 1 × 10 21 cm -3 Within the range of LiGaO 2 Substrate 201 and p-type Mg 0.1 Zn 0.9 The electric resistance between the O-clad layer 205 and the O-clad layer 205 can be reduced. As a result, the electrostatic withstand voltage can be improved, and the reliability can be improved.
[0089]
The n-type ZnO contact layer 202 also functions as a low electric resistance buffer layer for improving electrostatic withstand voltage.
[0090]
FIG. 5 shows the relationship between the layer thickness of the n-type ZnO contact layer 202 and the operating voltage and reverse breakdown voltage of the light emitting diode device. The dotted line in the figure shows the relationship between the thickness of the n-type ZnO contact layer 202 and the operating voltage of the light emitting diode device. The solid line in the figure shows the relationship between the thickness of the n-type ZnO contact layer 202 and the reverse breakdown voltage of the light emitting diode device. The reverse withstand voltage refers to a voltage that causes breakdown when a reverse bias voltage is applied to the light emitting diode element.
[0091]
FIG. 5 shows that when the thickness of the n-type ZnO contact layer 202 is 100 nm or more and 20 μm or less, the operating voltage is reduced and the reverse breakdown voltage is increased. Therefore, it is preferable that the layer thickness of the n-type ZnO contact layer 202 be 100 nm or more and 20 μm or less.
[0092]
If the thickness of the n-type ZnO contact layer 202 is less than 100 nm, the operating voltage increases and the reverse breakdown voltage decreases.
[0093]
When the thickness of the n-type ZnO contact layer 202 exceeds 20 μm, the reverse breakdown voltage is high, but the operating voltage is high.
[0094]
As described above, the preferable thickness of the n-type ZnO contact layer 202 is larger than the preferable thickness of the n-type ZnO buffer layer 102 in the first embodiment because the n-type ZnO contact layer 202 is formed in the lateral direction (n This is because a current flows in the direction along the surface of the type ZnO contact layer 202).
[0095]
In the second embodiment, LiGaO 2 Although a substrate made of sapphire or spinel is used as the insulating substrate, a substrate made of sapphire or spinel may be used as the insulating substrate. LiGaO 2 Has an in-plane lattice constant of (100 ± 3)% with respect to the in-plane lattice constant of the ZnO-based semiconductor, so that it can be easily lattice-matched with the ZnO-based semiconductor. Therefore, LiGaO 2 When a ZnO-based semiconductor layer is formed on a substrate made of, the crystallinity of the ZnO-based semiconductor layer can be extremely increased.
[0096]
As an insulating substrate having high lattice matching with a ZnO-based semiconductor, LiGaO 2 In addition to the substrate, LiAlO 2 , NaGaO 2 , NaAlO 2 And substrates composed of these mixed crystals.
[0097]
(Embodiment 3)
In Embodiment 3, a Fabry-Perot ZnO-based semiconductor laser device as an example of the oxide semiconductor light-emitting device of the present invention will be described. The semiconductor laser device is manufactured using a ZnO substrate.
[0098]
FIG. 6 is a schematic perspective view of the semiconductor laser device.
[0099]
In the semiconductor laser device, Ga is 1 × 10 5 on an n-type ZnO single crystal substrate 301 having a zinc surface as a main growth surface. 19 cm -3 0.3 μm thick n-type ZnO buffer layer 302 doped with a concentration of 18 cm -3 1 μm thick n-type Mg doped at a concentration of 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 303, Ga is 5 × 10 17 cm -3 30 nm thick n-type ZnO light guide layer 304, non-doped quantum well active layer 305 doped with a concentration of 18 cm -3 P-type ZnO light guide layer 306 doped with a concentration of 30 nm and having a thickness of 5 × 10 19 cm -3 1.2 μm thick p-type Mg doped at a concentration of 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 307, N is 1 × 10 20 cm -3 A p-type ZnO contact layer 308 doped with a concentration of 0.5 μm and having a thickness of 0.5 μm is stacked in this order.
[0100]
Here, the n-type ZnO single crystal substrate 301 is an example of a conductive substrate, and the n-type ZnO buffer layer 302 is an example of a first conductivity type ZnO layer. 0.1 Zn 0.9 The O-cladding layer 303 is an example of a first conductivity type cladding layer, and the quantum well active layer 305 is an example of an active layer. 0.1 Zn 0.9 The O clad layer 307 corresponds to an example of a second conductive type clad layer, and the p-type ZnO contact layer 308 corresponds to an example of a second conductive type contact layer.
[0101]
The quantum well active layer 305 includes a ZnO barrier layer having a thickness of 5 nm and a Cd layer having a thickness of 6 nm. 0.1 Zn 0.9 O well layers are alternately stacked. There are two ZnO barrier layers, Cd 0.1 Zn 0.9 There are three O well layers.
[0102]
A part of the p-type MgZnO cladding layer 307 and the p-type ZnO contact layer 308 are etched in a ridge stripe shape. The side surface of a part of the ridge stripe in the p-type MgZnO cladding layer 307 and the side surface of the p-type ZnO contact layer 308 have Ga of 3 × 10 3. 18 cm -3 -Type Mg doped at a concentration of 0.2 Zn 0.8 It is embedded by the O current block layer 309.
[0103]
An n-type ohmic electrode 310 is formed below the n-type ZnO single crystal substrate 301, and a p-type ZnO contact layer 308 and an n-type MgO 0.2 Zn 0.8 On the O current block layer 309, a p-type ohmic electrode 311 is formed.
[0104]
After a pair of end face mirrors are formed by cleaving the n-type ZnO single crystal substrate 301 having the above-described laminated structure, a protective film is vacuum-deposited on the end face mirrors. Then, device isolation is performed to obtain a semiconductor laser device having a width of 300 μm. When a current was applied to this semiconductor laser device, blue oscillation light having a wavelength of 400 nm was obtained from the end face.
[0105]
In the light emitting diode device having the above configuration, the carrier concentration of the n-type ZnO buffer layer 302 is set to 1 × 10 18 cm -3 ~ 1 × 10 21 cm -3 , The n-type ZnO single crystal substrate 301 and the n-type Mg 0.1 Zn 0.9 The electric resistance between the O-clad layer 303 and the O-clad layer 303 can be reduced. As a result, the electrostatic withstand voltage can be improved, and the reliability can be improved. Specifically, the reverse withstand voltage can be made 170 V or more.
[0106]
As a comparative example, a semiconductor laser device was manufactured in the same manner as in Embodiment 3 except that the n-type ZnO buffer layer 302 was not formed. The oscillation wavelength and oscillation threshold current of the semiconductor laser device of this comparative example were the same as those of the third embodiment, but the reverse breakdown voltage of the semiconductor laser device of the comparative example was lower than that of the third embodiment and was 100 V or less. .
[0107]
As described above, even when the present invention is applied to a Fabry-Perot semiconductor laser device using a conductive substrate, an effect of reducing electrostatic withstand voltage can be obtained.
[0108]
(Embodiment 4)
Embodiment 4 describes a ZnO-based semiconductor laser device as an example of the oxide semiconductor light-emitting device of the present invention. The semiconductor laser device is manufactured using a sapphire substrate.
[0109]
FIG. 7 is a schematic perspective view of the semiconductor laser device.
[0110]
In the semiconductor laser device, a non-doped 0.1 μm thick ZnO first buffer layer 402 and a non-doped 0.1 μm thick Li 0.35 Na 0.65 GaO 2 Second buffer layer 403, Ga is 1 × 10 19 cm -3 0.3 μm-thick n-type ZnO contact layer 404 doped with a concentration of 18 cm -3 1 μm thick n-type Mg doped at a concentration of 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 405, Ga is 5 × 10 17 cm -3 N-type ZnO light guide layer 406 doped with a concentration of 30 nm and a non-doped quantum well active layer 407; 18 cm -3 P-type ZnO light guide layer 408 doped with a concentration of 30 nm and having a thickness of 5 × 10 19 cm -3 1.2 μm thick p-type Mg doped at a concentration of 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 409, N is 1 × 10 20 cm -3 A p-type ZnO contact layer 410 having a thickness of 0.5 μm and doped at a concentration of 0.5 μm is stacked in this order.
[0111]
Here, the sapphire substrate 401 is an example of an insulating substrate, 0.35 Na 0.65 GaO 2 The second buffer layer 403 is an example of a buffer layer, and the n-type ZnO contact layer 404 is an example of a first conductivity type ZnO layer. 0.1 Zn 0.9 The O-cladding layer 405 is an example of a first conductivity type cladding layer, and the non-doped quantum well active layer 407 is an example of an active layer. 0.1 Zn 0.9 The O clad layer 409 corresponds to an example of a second conductive type clad layer, and the p-type ZnO contact layer 410 corresponds to an example of a second conductive type clad layer.
[0112]
The quantum well active layer 407 includes a ZnO barrier layer having a thickness of 5 nm and a Cd layer having a thickness of 6 nm. 0.1 Zn 0.9 O well layers are alternately stacked. There are two ZnO barrier layers, Cd 0.1 Zn 0.9 There are three O well layers.
[0113]
A part of the p-type MgZnO cladding layer 409 is etched in a ridge stripe shape. The side surface of a part of the ridge stripe in the p-type MgZnO cladding layer 409 has Ga of 3 × 10 18 cm -3 -Type Mg doped at a concentration of 0.2 Zn 0.8 It is buried by the O current blocking layer 411.
[0114]
Further, a part of the laminated structure to be formed from the n-type MgZnO cladding layer 405 to the p-type ZnO contact layer 410 upward in the drawing is etched to expose a part of the n-type ZnO contact layer 404. I have. On an exposed part of the n-type ZnO contact layer 404, an n-type ohmic electrode 412 as an example of a first conductivity type ohmic electrode is formed.
[0115]
On the p-type ZnO contact layer 410, a p-type ohmic electrode 413 is formed.
[0116]
By cleaving the sapphire substrate 401 having the above-described laminated structure, a pair of end face mirrors perpendicular to the ridge stripe are formed, and then a protective film is deposited on the end face mirror. Then, device isolation is performed to obtain a semiconductor laser device having a width of 300 μm. When a current was applied to this semiconductor laser device, blue light emission of 400 nm was obtained from the end face.
[0117]
In the light emitting diode device having the above configuration, the carrier concentration of the n-type ZnO contact layer 404 is set to 1 × 10 18 cm -3 ~ 1 × 10 21 cm -3 Sapphire substrate 401 and n-type Mg 0.1 Zn 0.9 The electric resistance between the O clad layer 405 and the O clad layer 405 can be reduced. As a result, the electrostatic withstand voltage can be improved, and the reliability can be improved. Specifically, the reverse withstand voltage can be set to 150 V or more.
[0118]
Further, the n-type ZnO contact layer 404 also functions as a low electric resistance buffer layer for improving the electrostatic withstand voltage.
[0119]
In addition, the above Li 0.35 Na 0.65 GaO 2 Li as a material of the second buffer layer 403 0.35 Na 0.65 GaO 2 Is substantially lattice-matched with ZnO. Specifically, Li 0.35 Na 0.65 GaO 2 Has an in-plane lattice constant of (100 ± 3) with respect to the in-plane lattice constant of ZnO. Therefore, the above Li 0.35 Na 0.65 GaO 2 Since the second buffer layer 403 is formed between the sapphire substrate 401 and the n-type ZnO contact layer 404, a ZnO-based semiconductor layer having extremely high crystallinity can be formed on the sapphire substrate 401.
[0120]
Also, Li 0.35 Na 0.65 GaO 2 When a ZnO-based semiconductor layer is formed on a buffer layer formed on a substrate after forming the buffer layer on the substrate, even if the substrate is an insulating substrate having a large lattice mismatch such as a sapphire substrate, the An extremely high ZnO-based semiconductor layer can be formed over a substrate.
[0121]
Although the ZnO first buffer layer 402 has no effect of improving the electrostatic withstand voltage, the sapphire substrate 401 0.35 Na 0.65 GaO 2 The affinity with the second buffer layer 403 is improved. Therefore, Li on the sapphire substrate 401 0.35 Na 0.65 GaO 2 Compared to the case where the second buffer layer 403 is directly formed, Li 0.35 Na 0.65 GaO 2 The crystallinity of the second buffer layer 403 is significantly improved.
[0122]
As Comparative Example 1, a semiconductor laser device was manufactured in the same manner as in Embodiment 4 except that the n-type ZnO contact layer 404 was not formed. The semiconductor laser device of Comparative Example 1 had the same oscillation wavelength and oscillation threshold current as those of the fourth embodiment, but had a reverse breakdown voltage of 100 V or less, which was lower than that of the fourth embodiment.
[0123]
As Comparative Example 2, a semiconductor laser device was manufactured in the same manner as in the present embodiment except that the n-type ZnO first buffer layer 402 was not formed. In the semiconductor laser device of Comparative Example 2, the oscillation threshold current was increased by 40% as compared with Embodiment 4, and the reverse breakdown voltage was 80 V or lower, which was lower than that of Embodiment 4.
[0124]
As Comparative Example 3, the n-type ZnO first buffer layer 402 and Li 0.35 Na 0.65 GaO 2 A semiconductor laser device was manufactured in the same manner as in Embodiment 4 except that the second buffer layer 403 was not formed. In the semiconductor laser device of Comparative Example 3, the oscillation threshold current was increased by 60% as compared with the fourth embodiment, and the reverse breakdown voltage was 50 V or less, which was lower than that of the fourth embodiment.
[0125]
As described above in Embodiments 1 to 4, the n-type ZnO layer between the substrate and the n-type cladding layer has a carrier concentration of 1 × 10 18 cm -3 ~ 1 × 10 21 cm -3 Is preferably within the range. The carrier concentration is 1 × 10 4 from the viewpoint of further improving the electrostatic withstand voltage. 19 cm -3 ~ 1 × 10 20 cm -3 Is preferably within the range.
[0126]
In the first to fourth embodiments, the n-type cladding layer, the active layer, and the p-type cladding layer are laminated on the substrate in this order. The layers may be stacked in this order.
[0127]
Further, the n-type clad layer, the light-emitting layer, the p-type clad layer and the p-type ZnO contact layer may be composed of ZnO and a mixed crystal represented by MgZnO, CdZnO or the like based on ZnO.
[0128]
【The invention's effect】
As is clear from the above, the oxide semiconductor light emitting device of the present invention has a carrier concentration of 1 × 10 3 between the substrate and the first conductivity type cladding layer. 18 cm -3 ~ 1 × 10 21 cm -3 Is formed, the electrical resistance between the substrate and the first conductivity type cladding layer is reduced, and the electrostatic breakdown voltage can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a light-emitting diode element according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between a carrier concentration of an n-type ZnO buffer layer of the light emitting diode element according to the first embodiment and a reverse breakdown voltage of the light emitting diode element.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a layer thickness of an n-type ZnO buffer layer of the light emitting diode according to the first embodiment and an operating voltage and a reverse breakdown voltage of the light emitting diode element.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a light-emitting diode element according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 5 shows the relationship between the layer thickness of the n-type ZnO contact layer of Embodiment 2 and the operating voltage and reverse breakdown voltage of the light emitting diode element.
FIG. 6 is a schematic perspective view of a Fabry-Perot ZnO-based semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic perspective view of a ZnO-based semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
101,301 n-type ZnO single crystal substrate
102,302 n-type ZnO buffer layer
103, 203, 303, 405 n-type Mg 0.1 Zn 0.9 O clad layer
104,204 Cd 0.05 Zn 0.95 O light emitting layer
105, 205, 307, 409 p-type Mg 0.1 Zn 0.9 O clad layer
106, 206, 308, 410 p-type ZnO contact layer
201 LiGaO 2 substrate
202,404 n-type ZnO contact layer
305,407 Quantum well active layer
401 Sapphire substrate

Claims (11)

基板上に、少なくとも、第1導電型クラッド層、活性層、第2導電型クラッド層および第2導電型コンタクト層が順次積層され、
上記第1導電型クラッド層、上記活性層、上記第2導電型クラッド層および上記第2導電型コンタクト層がZnO系半導体で構成され、
上記基板と上記第1導電型クラッド層との間に、キャリア濃度が1×1018cm−3〜1×1021cm−3の範囲内である第1導電型ZnO層が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。
On the substrate, at least a first conductivity type clad layer, an active layer, a second conductivity type clad layer and a second conductivity type contact layer are sequentially laminated,
The first conductivity type clad layer, the active layer, the second conductivity type clad layer, and the second conductivity type contact layer are made of a ZnO-based semiconductor;
A first conductivity type ZnO layer having a carrier concentration within a range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 is formed between the substrate and the first conductivity type clad layer. An oxide semiconductor light emitting device characterized by the above-mentioned.
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第1導電型ZnO層のキャリア濃度が1×1019cm−3〜1×1020cm−3の範囲内であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
An oxide semiconductor light-emitting element, wherein the first conductivity type ZnO layer has a carrier concentration in a range of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 .
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板が導電性基板であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein the substrate is a conductive substrate.
請求項3に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記導電性基板がZnO単結晶基板であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 3,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein the conductive substrate is a ZnO single crystal substrate.
請求項4に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ZnO単結晶基板の成長主面が亜鉛面であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 4,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein a main growth surface of the ZnO single crystal substrate is a zinc surface.
請求項3に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第1導電型ZnO層の層厚が10nm〜10μmの範囲内であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 3,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein the thickness of the first conductivity type ZnO layer is in the range of 10 nm to 10 μm.
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板が絶縁性基板であると共に、上記第1導電型ZnO層の一部が露出していて、
この一部上に第1導電型オーミック電極が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。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
The substrate is an insulating substrate, and a part of the first conductivity type ZnO layer is exposed;
An oxide semiconductor light emitting device, wherein a first conductivity type ohmic electrode is formed on a part thereof.
請求項7に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第1導電型ZnO層の層厚が100nm〜20μmの範囲内であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 7,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein the thickness of the first conductivity type ZnO layer is in the range of 100 nm to 20 μm.
請求項7に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記絶縁性基板の面内格子定数がZnOの面内格子定数に対して(100±3)%の範囲内に収まっていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 7,
An oxide semiconductor light-emitting device, wherein the in-plane lattice constant of the insulating substrate is within (100 ± 3)% of the in-plane lattice constant of ZnO.
請求項7に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記絶縁性基板と上記第1導電型ZnO層との間にバッファ層が形成されていて、
このバッファ層の材料がZnOの面内格子定数に対して(100±3)%の面内格子定数を有していることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 7,
A buffer layer is formed between the insulating substrate and the first conductivity type ZnO layer,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein the material of the buffer layer has an in-plane lattice constant of (100 ± 3)% with respect to the in-plane lattice constant of ZnO.
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第1導電型ZnO層はn型ZnO層であって、上記第1導電型ZnO層にドーピングされた不純物がGaまたはAlを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
The first semiconductor ZnO layer is an n-type ZnO layer, and the impurity doped in the first conductivity ZnO layer contains Ga or Al.
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