JP2004342732A - Oxide semiconductor light emitting device - Google Patents

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JP2004342732A
JP2004342732A JP2003135664A JP2003135664A JP2004342732A JP 2004342732 A JP2004342732 A JP 2004342732A JP 2003135664 A JP2003135664 A JP 2003135664A JP 2003135664 A JP2003135664 A JP 2003135664A JP 2004342732 A JP2004342732 A JP 2004342732A
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Hajime Saito
肇 齊藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide semiconductor light emitting device which is excellent in light emitting properties, simple in structure, and manufacturable at a low cost. <P>SOLUTION: An n-type ZnO layer 2 doped with Ga, a ZnO light emitting layer 3 which is doped with Ga and 10 μm in thickness, and a p-type ZnO layer 4 doped with N, are formed on a ZnO substrate 1. A non-doped region of thickness 0.5 μm is provided to the ZnO light emitting layer 3 at a point located nearly at a center but closer to the p-type ZnO layer 4 than to the n-type ZnO layer 2 in the direction of thickness. A Ga impurity level in the doped region of the light emitting layer 3 is excited by exciton emission that is preferentially generated in the non-doped region to induce emission of light through an impurity level for carrying out multiple emission of light. Without using a multi-quantum well structure, light can be emitted from nearly all the light emitting layer 3 that is comparatively large in thickness, so that the oxide semiconductor light emitting device which is simple in structure, manufactured at a low cost, and high in luminous efficiency can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばZnO系半導体を用いた酸化物半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えばIII族窒化物に代表されるワイドギャップ半導体は、従来の半導体材料を凌駕する産業上利用価値の極めて高い特質を多く有しており、最近、青色〜紫外の短波長発光素子を始め、多くの電子デバイスへの適用が提案されている。
【0003】
このようなワイドギャップ半導体の一つである酸化亜鉛(以下、ZnOという)は、約3.4eVのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体であり、励起子結合エネルギーが60meVと極めて高く、しかも、原材料が安価である、環境や人体に無害である、成膜手法が簡便であるなどの特徴を有するので、高効率・低消費電力かつ環境への影響が少ない発光素子を実現できる可能性がある。
【0004】
なお、本明細書において、ZnO系半導体とは、ZnOおよびこれを母体としたMgZnO(マグネシウム・酸化亜鉛)あるいはCdZnO(カドミウム・酸化亜鉛)などの混晶をも含むものとする。
【0005】
上記ワイドギャップ半導体が有する短波長発光などの特質を生かして発光素子を作製するには、量子井戸やダブルヘテロ構造などのように、層厚およびバンドギャップを厳密に制御するための薄膜作製技術が多く用いられている。
【0006】
しかし、上記ワイドギャップ半導体は、安定性が高いゆえに結晶成長や加工の制御が困難であり、歩留まりやコストの点で従来の半導体材料よりも劣るという問題がある。
【0007】
このような問題に対して、上記薄膜作製技術の研究が進められる一方、簡易な構成で十分に高効率の発光素子を製造する試みもなされている。
【0008】
そのような簡易な構成で高効率を有する半導体発光素子に関して、本発明者らは、炭化硅素(以下、SiCという)を用いたpn接合型発光ダイオードにおいて、発光層厚を5μm以上に厚く形成することにより、ドナー・アクセプタ(以下、DAという)対に多段階の遷移を生じさせて発光強度を向上する技術を提案している(特開平6−334214号公報:特許文献1)。
【0009】
また、従来、n型GaNクラッド層、InGaN量子井戸発光層、p型AlGaNクラッド層およびp型GaNコンタクト層を備え、最小限の構成で高輝度が得られる半導体発光素子が提案されている(特許第3135041号公報:特許文献2)。
【0010】
また、従来、ZnO系半導体を用いた酸化物半導体発光素子の製造方法が提案されている(国際公開第00/16411号パンフレット:特許文献3)。
【0011】
【特許文献1】
特開平6−334214号公報(第1図)
【特許文献2】
特許第3135041号公報(第1図)
【特許文献3】
国際公開第00/16411号パンフレット(第1図)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記SiCを用いた発光ダイオードは、SiCが間接遷移型半導体であるため、発光強度が不十分であるという問題がある。
【0013】
また、上記従来のInGaN系半導体発光素子におけるような量子井戸構造の作製技術や、バンドギャップ制御のための組成比制御技術は、ZnO系半導体への適用が不十分であり、ZnO系半導体発光素子において量子井戸構造を歩留まり良く作製できないという問題がある。
【0014】
また、上記ZnO系半導体を用いた従来の酸化物半導体発光素子は、本発明者の試験によれば、発光層を厚く形成するのみでは発光強度の向上が不十分であり、発光層厚が3μm程度を越えると、厚みを増大しても発光強度を有効に増大できないという問題が生じることが判明した。
【0015】
そこで、本発明の目的は、優れた発光特性を有し、しかも、構造が簡易で安価に製造可能な酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に、第1導電型層、発光層および第2導電型層を少なくとも備え、
上記発光層は、不純物がドーピングされたドープ領域と、不純物がドーピングされていないノンドープ領域とを有することを特徴としている。
【0017】
本発明者は、例えばZnO系半導体などのワイドギャップ半導体における励起子発光の機構は、上記従来のSiCのようなDA対のみによる発光機構とは異なり、発光層の厚みに加えて、この発光層にドーピングされた不純物の構成が発光強度に相関することを見出し、これに基いて、本発明をなすに至った。
【0018】
上記構成によれば、上記第1導電型層および第2導電型層によって上記発光層に閉じ込められたキャリアによって、上記発光層のノンドープ領域で、励起子発光が優先的に生じる。次いで、上記励起子発光によって、上記ドープ領域で、不純物準位を介した発光が促進される。このように、上記発光層にノンドープ領域を設けることによって、励起子発光を用いた多段階発光を効果的に行なうことができ、これによって、従来のDA対発光のみを行なうSiCを用いた半導体発光素子よりも、発光強度が飛躍的に増大する。特に、上記発光層に例えばZnO系半導体を用いた場合、励起子発光は、バンド間発光に次いで遷移エネルギーの大きい発光機構であるので、キャリアを容易に不純物準位に励起して多段階発光を行なうことができる。したがって、構造が複雑な多重量子井戸構造などを用いることなく、簡易な構造で高効率・高強度発光が実現できる。
【0019】
ここにおいて、上記第1導電型がp型であるときは、第2導電型はn型である。一方、上記第1導電型がn型であるときは、第2導電型はp型である。
【0020】
なお、上記第1導電型層および第2導電型層は、一部が発光層を兼ねてもよい。
【0021】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層は、厚みが3μm以上30μm以下である。
【0022】
上記実施形態によれば、上記発光層の厚みが3μm以上30μm以下であるので、上記多段階発光を十分に行なうことができて発光強度が効果的に増大する。
ここで、上記発光層の厚みが3μmよりも小さいと、励起子を用いた多段階発光が行ない難くなる。一方、上記発光層の厚みが30μmよりも大きいと、発光強度の増大の割合が低下する。
【0023】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層の厚みが5μm以上15μm以下である。
【0024】
上記実施形態によれば、上記発光層の厚みが5μm以上であるので、励起子を用いた多段階発光によって、比較的大きい強度の発光が得られる。また、上記発光層の厚みが15μm以下であるので、製造コストの増大を抑えることができる。ここで、上記発光層の厚みが5μmよりも小さいと、発光強度の増大効果が比較的小さくなる。一方、上記発光層の厚みが15μmよりも大きいと、成膜コストが増大して酸化物半導体発光素子の製造コストが増大する。
【0025】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第1導電型層、発光層および第2導電型層は、いずれもZnOからなる。
【0026】
上記実施形態によれば、上記第1導電型層、発光層および第2導電型層は、いずれもZnOからなり、略同一の結晶成長条件の下で積層できる。したがって、従来の発光層に多重量子井戸活性層を備える半導体発光素子におけるように、結晶成長条件が異なるMgZnO層やCdZnO層を形成する必要が無く、極めて簡易な製造工程で作製が可能になる。その結果、コストパフォーマンスと歩留まりが著しく向上する。
【0027】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第1導電型層および第2導電型層は、上記発光層よりもバンドギャップが大きいZnO系半導体からなる。
【0028】
上記実施形態によれば、上記発光層が比較的薄い場合、この発光層と、上記第1導電型層および第2導電型層によって、ダブルヘテロ構造が構成できるので、キャリア閉じ込め効率を向上させて発光効率をさらに向上できる。
【0029】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第1導電型層および第2導電型層は、MgZn1−xO(0<x<1)からなる。
【0030】
上記実施形態によれば、上記第1導電型層および第2導電型層にMgZnO混晶を用いることによって、上記発光層に対するヘテロ障壁を高くして、この発光層へのキャリア閉じ込め効率を向上させて、発光効率をさらに向上できる。
【0031】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層は、CdZn1−yO(0<y<1)からなる。
【0032】
上記実施形態によれば、上記発光層にCdZnOを用いることによって、バンドギャップが小さくなって、産業上利用価値の高い可視光の発光が得られる。
【0033】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、Li,Na,K,Rb,Cu,AgおよびAuの中から選ばれた1つ以上の元素を含む。
【0034】
上記実施形態によれば、上記発光層において、上記元素が例えばZnと置換してアクセプタとなり、価電子帯から約100〜400meVのエネルギー位置に不純物準位を形成する。したがって、約3eVあるいはこれ以下のエネルギーに応じた波長成分を有する発光が得られる。また、上記不純物のうちの2種類以上の不純物を含む場合には、各々の不純物準位が異なるので、上記発光層における発光スペクトル幅が広がり、これによって、発光強度が効果的に増大する。
【0035】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、B,Al,Ga,In,Sc,Y,LaおよびCeの中から選ばれた1つ以上の元素を含む。
【0036】
上記実施形態によれば、上記発光層において、上記元素が例えばZnと置換してドナーとなり、伝導帯から約10〜50meVのエネルギー位置に不純物準位を形成する。したがって、約3.3eVあるいはこれ以下のエネルギーに応じた波長成分を有する発光が得られる。また、上記不純物のうちの2種類以上の不純物を含む場合や、上記I族元素をさらに含む場合には、各々の不純物準位が異なるので、上記発光層における発光スペクトル幅が広がり、これによって、発光強度が効果的に増大する。
【0037】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、N,P,As,Sb,Bi,V,NbおよびTaの中から選ばれた1つ以上の元素を含む。
【0038】
上記実施形態によれば、上記発光層において、上記元素が例えばOと置換してアクセプタとなり、伝導帯から約100〜400meVのエネルギー位置に不純物準位を形成する。したがって、約3eVあるいはこれ以下のエネルギーに応じた波長成分を有する発光が得られる。また、上記不純物のうちの2種類以上の不純物を含む場合や、上記I族元素およびIII族元素をさらに含む場合には、各々の不純物準位が異なるので、上記発光層における発光スペクトル幅が広がり、これによって、発光強度が効果的に増大する。
【0039】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、F,Cl,Br,I,MnおよびReの中から選ばれた1つ以上の元素を含む。
【0040】
上記実施形態によれば、上記発光層において、上記元素が例えばOと置換してドナーとなり、伝導帯から約50〜100meVのエネルギー位置に不純物準位を形成する。したがって、約3.2eVあるいはこれ以下のエネルギーに応じた波長成分を有する発光が得られる。また、上記不純物のうちの2種類以上の不純物を含む場合や、上記I族元素、III族元素およびV族元素をさらに含む場合には、各々の不純物準位が異なるので、上記発光層における発光スペクトル幅が広がり、これによって、発光強度が効果的に増大する。
【0041】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、C,Si,Ge,Sn,Ti,ZrおよびHfの中から選ばれた1つ以上の元素を含む。
【0042】
上記実施形態によれば、上記発光層において、上記元素によって比較的深い不純物準位が形成され、これを介した発光の波長が比較的長くなる。これによって、可視光波長の発光が得られる。また、上記不純物のうちの2種類以上の不純物を含む場合や、上記I族元素、III族元素、V族元素およびVII族元素をさらに含む場合には、各々の不純物準位が異なるので、上記発光層における発光スペクトル幅が広がり、これによって、発光強度がさらに増大する。
【0043】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、複数の元素を含む。
【0044】
上記実施形態によれば、上記発光層にドーピングされる不純物が複数の元素を含むことにより、種々のエネルギーレベルにおける励起子発光や、不純物準位間発光が得られる。この複数の波長成分を組み合わせることによって、例えば発光強度の増大等のような発光特性の向上を図ることができる。
【0045】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、上記複数の元素が無秩序に分散してなる。
【0046】
上記実施形態によれば、上記発光層にドーピングされた不純物は、複数の元素が無秩序に分散してなるので、上記ドープ領域において、異なる活性化エネルギーに基いた発光が均一に混ざり合って生成される。これによって、スペクトル幅の広い光が得られるので、発光強度が増大する。
【0047】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層は、厚み方向の中央よりも上記第1導電型層または第2導電型層のうちのp型導電型層側に、上記ノンドープ領域を有する。
【0048】
上記実施形態によれば、上記第1導電型層および第2導電型層のうちのn型層から供給される電子と、上記第1導電型層および第2導電型層のうちのp型層から供給される正孔とについて、上記発光層における拡散長は、電子の方が正孔よりも長い。したがって、上記発光層の厚み方向の中央よりもp型導電型層側に形成された上記ノンドープ領域で、上記電子と正孔による光再結合が効率良く生じて、自由励起子発光が優先的に生じる。その結果、上記自由励起子発光によって、上記発光層のドープ領域が効率良く光励起されて、可視光が高効率に生成される。
【0049】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層のドープ領域は、上記ノンドープ領域近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーが、上記第1導電型層近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーおよび上記第2導電型層近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーよりも小さい。
【0050】
上記実施形態によれば、上記ノンドープ領域で生成される励起子発光によって、上記ドープ領域の上記ノンドープ領域近傍の部分の不純物準位にキャリアが励起され、不純物準位を介した発光が生じる。上記第1導電型層近傍の部分にドーピングされた不純物および上記第2導電型層近傍の部分にドーピングされた不純物は、活性化エネルギーが、上記ノンドープ領域近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーよりも大きいので、上記ドープ領域の上記ノンドープ領域近傍の部分より発せられる発光によって効果的にキャリアが励起され、不純物準位を介した発光が行われる。したがって、上記発光層は、上記ノンドープ領域近傍の部分から、上記第1導電型層近傍の部分および第2導電型層近傍の部分に亘って、効果的に励起・発光が行なわれるので、良好な発光効率が得られる。
【0051】
なお、上記ドープ領域において、上記ノンドープ領域近傍の部分と、上記第1導電型層近傍の部分および上記第2導電型層近傍の部分との間における不純物の活性化エネルギーは、連続的に変化している必要は無く、階段状に変化していてもよい。
【0052】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層のドープ領域は、上記ノンドープ領域近傍の部分から、上記第1導電型層と、上記第2導電型層とに向って、活性化エネルギーが大きくなるように上記不純物がドーピングされている。
【0053】
上記実施形態によれば、上記発光層のドープ領域の不純物は、上記ノンドープ領域近傍の部分から、上記第1導電型層と、上記第2導電型層とに向うにつれて、不純物準位間の遷移エネルギーが小さくなるようにドーピングされる。つまり、上記ノンドープ領域近傍の部分から、上記第1導電型層と、上記第2導電型層とに向うにつれて、遷移エネルギーが順次小さくなるように不純物準位が形成される。したがって、上記ノンドープ領域で生じた励起子発光によって、このノンドープ領域近傍の上記ドープ領域の部分において不純物準位にキャリアが励起され、不純物準位を介した発光が生じる。このノンドープ領域近傍における不純物準位を介した発光のエネルギーは、上記第1導電型層側および第2導電型層側の不純物の遷移エネルギーよりも大きいので、この第1導電型層側および第2導電型層側において不純物準位にキャリアが励起され、不純物準位を介した発光が生じる。こうして、上記発光層のドープ領域は、上記ノンドープ領域近傍の部分からキャリアが不純物準位に順次励起され、上記第1導電型層側の境界および第2導電型層側の境界に至るまで発光する。その結果、上記発光層に、紫外から可視領域に亘る波長の光が高効率に生成される。
【0054】
1実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板は、ZnO基板である。
【0055】
上記実施形態によれば、上記ZnO基板は、ZnO系半導体層と優れた親和性を有するので、このZnO基板上に、例えばエピタキシャル成長によって、結晶欠陥が極めて少ない良好なZnO系半導体層を形成できる。また、上記ZnOは導電性であるので、上記ZnO基板の裏面にn型電極を直接形成することができる。したがって、この酸化物半導体発光素子は、低抵抗になると共に生産プロセスが簡易化でき、その結果、発光効率と生産効率に優れた酸化物半導体発光素子を実現できる。
【0056】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0057】
(第1実施形態)
第1実施形態では、ZnOのみを用いて構成した酸化物半導体発光素子の例を示す。
【0058】
図1は、第1実施形態の酸化物半導体発光素子としての発光ダイオード10を示す断面図である。本実施形態の発光ダイオード10は、ZnO基板1上に、Gaをドープしてキャリア濃度を5×1018cm−3とした厚さ1μmのn型ZnO層2と、Gaをドープした厚さ10μmのZnO発光層3と、Nをドープしてキャリア濃度を1×1018cm−3とした厚さ1μmのp型ZnO層4とを順次積層している。上記n型ZnO層2が第1導電型層であり、上記p型ZnO層4が第2導電型層である。
【0059】
上記ZnO発光層3は、厚み方向の中央よりもp型ZnO層4側に位置して、不純物がドーピングされていないノンドープ領域を有する。このノンドープ領域は、厚さが0.5μmであり、このノンドープ領域以外の領域であるドープ領域に、キャリア濃度が1×1017cm−3となるように、Gaを均一にドーピングしている。
【0060】
図1には、上記n型ZnO層2からp型ZnO層4に亘って、各位置におけるドーピング濃度を表すドーピングプロファイルを同時に示している。
【0061】
上記ZnO基板1の裏面には、n型オーミック電極5として、1000Åの厚みを有するAlを形成している。
【0062】
p型ZnO層4の主表面の全面には、厚さ150ÅのNiを積層してなる透光性オーミック電極6が積層され、この透光性オーミック電極6上には、厚さ1000Åのボンディング用Auパッド電極7が、上記透光性オーミック電極6よりも小さい面積をなして形成されている。
【0063】
本実施形態の酸化物半導体発光素子としての発光ダイオード10は、発光層3の一部にノンドープ領域を形成すると共に、この発光層3を3μm以上の厚膜としたことに特徴を有している。
【0064】
上記発光ダイオード10を、Agペーストでリードフレームに取り付け、配線を施してモールドし、発光させたところ、ピーク波長が400nmの青色光が得られた。
【0065】
図2は、本実施形態の発光ダイオード10について、ZnO発光層3の層厚と発光強度との関係を示した図である。
【0066】
図2には、比較例として、AlアクセプタおよびNドナーが発光層にドーピングされていると共に、ノンドープ領域を有しない6H−SiC発光ダイオード(比較例1)と、Siドナーがドーピングされていると共に、本発明と同様のノンドープ領域を有するGaN系発光ダイオード(比較例2)と、MgZnO障壁層とCdZnO井戸層とから成る多重量子井戸発光層を有するZnO系半導体発光ダイオード(比較例3)とについて、発光層厚と発光強度との関係を示している。
【0067】
図2において、横軸は発光層厚(μm)であり、縦軸は発光強度(相対強度)である。上記縦軸の発光強度は、視感度を考慮していない。
【0068】
比較例1のSiC発光ダイオードは、間接遷移型であるため発光強度が比較的小さいが、DA対遷移の多段階発光を行なうので、発光層厚が5μmのものから10μm程度に達するものまで、発光層厚の増大に伴って発光強度が増大する。
【0069】
比較例2のGaN系発光ダイオードは、直接遷移型であるため発光強度が比較的大きく、しかも、発光層の厚みを12μm程度まで増大した場合においても、この発光層厚の増大に伴って発光強度が増大し、本発明と同様の効果を有する。
【0070】
これらの比較例に対して、本実施形態のZnO発光ダイオード10は、発光層3の厚みが10μmを超えて30μm程度まで増大した場合においても、この発光層3の厚みの増大に伴って発光強度が増大する。つまり、本実施形態の発光層3は、図2に示すように、発光層に多重量子井戸構造を用いて高い発光効率とキャリア閉じ込め効果を有する比較例3の半導体発光装置と、略同等の発光強度が得られる。
【0071】
この理由は明確ではないが、ZnOの励起子結合エネルギーが60meVと極めて高いことが関係していると推察される。図3は、本実施形態の発光ダイオード10における発光機構を示したものである。本実施形態では、n型層、発光層およびp型層をZnO系半導体で構成したので、GaN(励起子結合エネルギーは約24meVである)で発光層を形成した比較例1と比べて、発光層3のノンドープ領域からの励起子発光が桁違いに強い。この強い励起子発光が、上記発光層3内の上記ノンドープ領域に隣接するドープ領域の不純物準位にキャリアを励起し、この不純物準位を介した発光を著しく促進したものと考えられる。
【0072】
図2から分かるように、発光層3の厚みとしては、3μm以上30μm以下であるのが、この発光層3の厚みの増大に伴って発光強度を増大できる点で好ましい。しかしながら、上記発光層3は、過剰に厚いと製造コストが増大するので、十分な発光強度が得られる5μm以上15μm以下の厚みであるのが、より好ましい。
【0073】
本実施形態の酸化物半導体発光素子は、固体原料または気体原料を用いた分子線エピタキシー(以下、MBEという)法、パルスレーザ堆積(以下、PLDという)法、有機金属気相成長(以下、MOCVDという)法などの結晶成長手法で作製できる。
【0074】
図4(a),(b)は、第1実施形態のZnO系発光ダイオード10と、上記比較例3の多重量子井戸発光層を有するZnO系発光ダイオードとについて、発光層近傍をMBE法で形成する場合の成長温度制御および原料供給シーケンスを示す図である。
【0075】
図4(b)に示すように、比較例3では、n型およびp型MgZnOクラッド層と多重量子井戸発光層とを形成する際、原料であるII族元素のMg、CdおよびZnの蒸気圧が異なるため、形成すべき層の組成比に応じて成長温度を制御する必要がある。特に、CdZnOおよびMgZnOを交互に複数回積層して量子井戸発光層を形成する際、成長温度を異なる値の間で頻繁に変更させるように制御する必要がある。これに加えて、原料を供給する複数のセルシャッターの開閉を頻繁に行う必要がある。
【0076】
これに対して、本実施形態では、MgZnO混晶やCdZnO混晶を積層しないので、図4(a)に示すように、温度制御やセルシャッターの開閉は殆んど必要無い。したがって、本実施形態の発光ダイオードは、製造工程を大幅に簡易化して、これによって、歩留まりを大幅に向上できる。
【0077】
また、本実施形態の発光ダイオードの製造工程に用いる積層法としては、PLD法の一つである分子線エピタキシー(レーザMBE)法が、以下の点で特に好ましい。すなわち、原料ターゲットと、積層する薄膜との間の組成ずれが小さく、また、不純物ドープにおいて意図しない副生成物(ZnGaなど)の生成を抑えることができる。また、レーザMBE法を用いた場合においても、本実施形態の発光ダイオードによれば、工程の簡易化や歩留まりの向上を効果的に実現できることは自明である。
【0078】
本実施形態において、発光層3内にノンドープ領域を形成すれば、本発明の効果を奏することができる。しかしながら、上記発光層3におけるキャリア拡散長は、電子のほうが正孔よりも長いので、注入キャリアで生成される励起子発光は、正孔を供給するp型ZnO層4に近い側で優先的に生じる。したがって、上記ノンドープ領域は、発光層3の厚み方向の中央よりもp型ZnO層4に近い側に形成することが好ましい。
【0079】
また、多段階発光を生じさせるのに十分な強度の励起子発光を得るためには、上記ノンドープ領域の厚みが、上記発光層3全体の厚みの3%以上であることが好ましい。しかしながら、上記ノンドープ領域がドープ領域より厚いと、多段階発光が効果的に生じにくく、動作電圧も上昇する。したがって、上記ノンドープ領域の厚みは、発光層3全体の厚みの50%以下であることが好ましく、特に、30%以下であるのが、従来と同等の動作電圧で発光できる点で、より好ましい。
【0080】
上記発光層3のドープ領域に導入する不純物は、キャリアオーバーフローおよび吸収損失を抑止すると共に、動作電圧の上昇を防ぐため、キャリア濃度がn型ZnO層2およびp型ZnO層4のいずれよりも低く、かつ、ドーピング濃度が1×1016〜1×1019cm−3の範囲にあることが好ましい。特に、上記ドーピング濃度は、1×1017〜1×1018cm−3の範囲にあるのが、結晶性の劣化を防止可能な点で、より好ましい。
【0081】
本実施形態において、上記ZnO発光層3のドープ領域に導入する不純物としては、n型のドナー不純物であるGaを用いたが、ZnOの室温における自由励起子発光(約3.3eV)よりも小さい遷移エネルギーを取り得る不純物準位が形成できるものであればよい。このような不純物として、例えば、以下の4つの種類のようなものがある。
【0082】
(1)I族元素は、Znと置換してアクセプタとなり、価電子帯から約100〜400meVのエネルギー位置に不純物準位を形成する。具体的には、Li、Na、K、Rb、Cu、AgおよびAuなどがある。特に、活性化エネルギーが比較的小さくドーピング効率が高い点で、Li、CuおよびAgが好ましく、Agが最も好ましい。
【0083】
(2)III族元素は、Znと置換してドナーとなり、伝導帯から約10〜50meVのエネルギー位置に不純物準位を形成する。具体的には、B、Al、Ga、In、Sc、Y、LaおよびCeなどがある。特に、活性化エネルギーが比較的小さくドーピング効率が高い点で、Al、GaおよびInが好ましく、GaおよびAlが最も好ましい。
【0084】
(3)V族元素は、O(酸素)と置換してアクセプタとなり、価電子帯から約100〜400meVのエネルギー位置に不純物準位を形成する。具体的には、N、P、As、Sb、Bi、V、NbおよびTaなどがある。特に、活性化エネルギーが比較的小さくドーピング効率が高い点で、NおよびPが好ましく、Nが最も好ましい。
【0085】
(4)VII族元素は、O(酸素)と置換してドナーとなり、伝導帯から約50〜100meVのエネルギー位置に不純物準位を形成する。具体的には、F、Cl、Br、I、MnおよびReなどがある。活性化エネルギーが比較的小さくドーピング効率が高い点で、F、Clが特に好ましい。
【0086】
(5)V族元素は、深い不純物準位を形成するので、この不純物準位を介して長波長の光が得られる。具体的にはC、Si、Ge、Sn、Ti、ZrおよびHfなどがある。低コストでドーピング効率が高い点で、Si、TiおよびZrが好ましく、特に、Siが最も好ましい。
【0087】
また、本実施形態において、p型ZnO層4に不純物としてNをドープしたが、p型ZnO層4にドーピングする不純物としては、I族元素のLi、CuおよびAgや、V族元素のN、AsおよびPなどを用いることが出来る。NとAgは、活性化エネルギーが小さいので特に好ましく、さらに、Nは、Nをプラズマ化して結晶成長中に照射する手法によって、結晶性を良好に保ちつつ高濃度ドーピングが行えるので、特に好ましい。
【0088】
本実施形態において、上記p型ZnO層4は、発光効率を高めるために、p型不純物が高濃度にドープされて低抵抗化されていることが好ましい。しかしながら、上記p型ZnO層4は、ドーピング濃度が過剰であると吸収損失および結晶性劣化が顕著となるので、5×1016〜5×1019cm−3の範囲のキャリア濃度となるドーピング濃度に設定されているのが好ましい。
【0089】
また、上記n型ZnO層2にドーピングするn型不純物としては、III族元素のB、Al、Gaおよび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点で、GaまたはAlが好ましい。
【0090】
また、上記基板1には、発光効率を最大限に得るために、発光波長に対応する吸収係数が低い材料を用いるのが好ましい。本実施形態において、基板1として用いた単結晶のZnOは、その上に成長される層と同じ材料系であるので、結晶欠陥の生成が極めて小さく、最も好ましい。また、亜鉛面を用いることにより、p型ZnO層4のキャリア活性化率が向上して抵抗が低減されるので、好ましい。
【0091】
また、上記基板1としては、ZnO単結晶以外にも、サファイアやLiGaOなどの絶縁性基板、SiCやGaNなどの導電性基板を用いてもよい。
【0092】
特に、上記基板1に絶縁性基板を用いる場合、その上の成長層の一部をエッチングしてn型ZnO層2を露出させて、この露出したn型ZnO層2上にn型オーミック電極5を形成すればよい。また、結晶性の良好な成長層を得るために、基板1上にバッファ層を設けてもよい。
【0093】
一方、上記基板1に導電性基板を用いる場合、本実施形態で示すように、基板1の裏面にn型オーミック電極5を直接形成することができるので、素子抵抗を低減できると共に製造工程が簡易になり、好ましい。
【0094】
また、上記基板1は、裏面に、研磨やエッチングなどの公知の手法で凹凸を形成すれば、入射した発光を乱反射させて光取り出し効率が向上するので、好ましい。
【0095】
上記p型オーミック電極6には、Ni、Pt、PdおよびAuなどを用いることができるが、特に、低抵抗で密着性の良いNiが好ましい。あるいは、上記複数の金属材料を合金化してp型電極6を形成してもよい。
【0096】
また、上記p型オーミック電極6は、動作電圧の低減と発光効率の向上とを効果的に両立するために、透光性を有するように形成して光取り出し効率を向上させることが好ましい。良好なオーミック特性と高い透光性を両立するp型電極6の厚みとしては、50〜2000Åの範囲が好ましく、300〜1000Åの範囲が更に好ましい。
【0097】
また、上記p型オーミック電極6形成後にアニール処理を行うと、その下側のp型ZnO層4に対する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。各層を形成するZnO結晶に欠陥を生じさせずにアニール効果を得るためには、アニール温度は300〜400℃であるのが好ましい。また、アニール処理における雰囲気は、Oあるいは大気雰囲気中が好ましく、N雰囲気中では、逆に抵抗が増大する。
【0098】
上記パッド電極7は、透光性のp型オーミック電極6上の一部に、このp型オーミック電極6よりも面積を小さく形成すれば、上記p型電極6の光透過効果を損なわずにリードフレームへの実装プロセスを容易化できるので好ましい。上記パッド電極7の材料としては、ボンディングが容易でZnO中へ拡散してもドナー不純物とならないAuが好ましい。上記p型オーミック電極6とパッド電極7との間には、密着性や光反射性を向上させるために、他の金属層を介設してもよい。
【0099】
上記n型オーミック電極5には、Ti、CrおよびAlなどの材料を用いることができる。特に、低抵抗でコストの低いAl、あるいは、密着性の良いTiが好ましい。また、上記複数の金属材料を合金化してn型電極5を形成してもよい。本実施形態のn型電極5は、青〜紫外光に対する反射率が比較的高いAlからなり、また、基板1の裏面全面に形成されているので、良好な光取り出し効率が得られる。あるいは、上記n型電極5は、任意の形状にパターニングし、露出した基板1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良い。この場合、Agのほうが青〜紫外光に対する反射率がAlよりも高いので、好ましい。また、n型オーミック電極5をパターニングする場合は、素子抵抗の増大を防ぐため補助電極を形成してもよく、上記補助電極には、AgやPtなどのように青〜紫外光に対する反射率が高い金属を用いれば、さらに好ましい。
【0100】
本実施形形態において、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。
【0101】
(第2実施形態)
第2実施形態では、ZnO発光層13にGaとNをドーピングし、このZnO発光層13のドープ領域におけるドーピング濃度が、ノンドープ領域近傍に向って高くなるプロファイルをなす点以外は、第1実施形態のZnO系発光ダイオードと同一である。
【0102】
図5は、本実施形態の発光ダイオードの断面およびドーピングプロファイルを示す図である。なお、本実施形態において、第1実施形態と同一の構成要素については、同一の参照番号を付して詳細な説明を省略する。
【0103】
図5に示すように、上記ZnO発光層13は、厚み方向の中央よりもp型ZnO層4側位置にノンドープ領域を有し、このノンドープ領域のn型ZnO層2側とp型ZnO層4側とに、GaおよびNがドーピングされたドープ領域を各々有する。このドープ領域におけるGaおよびNの濃度は、上記ノンドープ領域に隣接する部分が最も高く設定されている。そして、上記ドープ領域において、上記ノンドープ領域に隣接する部分から、上記n型ZnO層2およびp型ZnO層4に向うに伴って、上記GaおよびNの濃度が低くなるドーピングプロファイルをなしている。つまり、上記ノンドープ領域に隣接する部分から、上記n型ZnO層2と、上記p型ZnO層4とに向って、活性化エネルギーが小さくなるように上記不純物がドーピングされている。
【0104】
本実施形態において、上記ZnO発光層13にドーピングしたGaとNは、DA(ドナー・アクセプタ)対発光を生じさせるために導入したものであり、低抵抗なp型ZnO層を得る技術として開示されている所謂「同時ドーピング技術」とは異なるものである。
【0105】
本実施形態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、配線、モールドを行なって発光させたところ、ピーク波長が420nmの青色光が得られた。また、発光強度は、第1実施形態における発光強度に対して50%向上した。
【0106】
本実施形態の発光ダイオードについて、発光波長が長波長化すると共に発光強度が向上したのは、上記ZnO発光層13にドーピングした複数の不純物によってDA対発光のスペクトル幅が増大し、さらに、上記ZnO発光層13のドーピングプロファイルを発光過程に対して最適化したためであると考えられる。
【0107】
すなわち、DA対発光においては、ドーピング濃度が高くなるとDA対間距離が短かくなって、発光波長が短波長化する。したがって、ノンドープ領域の励起子発光により、このノンドープ領域に隣接する領域において、高濃度の不純物準位にキャリアが励起されて短波長のDA対発光が得られる。この短波長光により、この領域よりもn型層側およびp型層側の領域において、多少低濃度の不純物準位にキャリアが励起され、上記短波長光よりも波長が多少長いDA対発光が得られる。このようにして、上記n型層側およびp型層側に向って濃度が低くなるように不純物がドーピングされたドープ領域について、キャリアを不純物準位に順次励起し、発光させることによって、上記発光層全体について、比較的広い幅に亘るスペクトルをなして発光させて、発光効率の向上および発光強度の増大を実現できる。
【0108】
上記実施形態において、上記ドープ領域にはGaおよびNをドーピングしたが、他の不純物をドーピングしてもよい。
【0109】
また、上記発光層13のドープ領域に導入する不純物のプロファイルについて、ノンドープ領域近傍の部分の不純物濃度が、上記n型ZnO層2近傍の部分およびp型ZnO層4近傍の部分の不純物濃度よりも高ければ、その他の部分の濃度プロファイルは、直線状、曲線状および階段状など、どのような形状をなしてもよい。
【0110】
(第3実施形態)
図6は、第3実施形態の発光ダイオードを示す断面図である。
【0111】
本実施形態の発光ダイオードは、n型ZnO層2とZnO発光層3の間に、n型Mg0.05Zn0.95Oクラッド層8を形成し、p型ZnO層4とZnO発光層3の間に、p型Mg0.05Zn0.95Oクラッド層9を形成した以外は、第1実施形態のZnO系発光ダイオードど同一の構成を有する。
【0112】
なお、図中において、第1実施形態と同一の構成要素については同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。
【0113】
本実施形態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、配線、モールドして発光させたところ、ピーク波長が400nmの青色光が得られた。
【0114】
図7は、本実施形態の発光ダイオードについて、ZnO発光層3の層厚と発光強度との関係を示した図である。図7において、横軸は発光層厚(μm)であり、縦軸は発光強度(相対強度)である。図7には、第1実施形態の発光ダイオードにおける関係も併せて示している。
【0115】
図7から分かるように、本実施形態によれば、ZnO発光層3の層厚が5μm程度までの間は、ホモ構造である第1実施形態に比べ、ダブルヘテロ構造である本実施形態の方が、発光強度が高い。しかしながら、それ以上の発光層厚では、本実施形態の発光強度は、第1実施形態の発光強度と略同一となるので、ヘテロ障壁でキャリアを閉じ込める優位性はあまり無いと考えられる。したがって、発光層厚が5μm以下であって、それ以上厚くできない場合には、MgZnO混晶によるダブルヘテロ構造を構成することが好ましい。
【0116】
上記クラッド層8,9について、結晶性を維持して十分なキャリア閉じ込め効果を得るには、MgZn1−xOのMgの組成比xは、0.01以上0.5以下が好ましく、さらに好ましくは、0.03以上0.33以下である。
【0117】
なお、上記発光層3をCdZn1−yO混晶として発光波長をさらに長波長化した場合においても、本実施形態と同様の効果が得られる。この場合、結晶性を維持して発光波長を長波長化させるには、CdZn1−yOのCdの組成比yは、0.02以上0.3以下が好ましく、さらに好ましくは、0.05以上0.25以下である。
【0118】
(第4実施形態)
第4実施形態の発光ダイオードは、発光層のドープ領域に、不純物としてのGa、NおよびSiを均一かつ同時にドーピングした以外は、第1実施形態の発光ダイオードと同一の構成を有する。第1実施形態と同一の構成部分には同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。
【0119】
上記発光層のドープ領域には、上記均一かつ同時にドーピングされた不純物としてのGa,NおよびSiが、無秩序に分散している。
【0120】
上記実施形態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、配線、モールドして発光させたところ、ピーク波長が420nmの青色光が得られた。本実施形態の発光ダイオードの出射光は、第1実施形態に対して、発光スペクトル幅が倍以上に広がり、また、視感度を考慮した輝度が60%向上した。
【0121】
本実施形態の発光ダイオードは、上記ドープ領域において、Ga、NおよびSiが、バンドギャップエネルギー中に互いに異なる不純物準位を形成する。上記ノンドープ領域で生成された励起子発光によって、上記異なる不純物準位にキャリアが励起され、これによって、複数の遷移エネルギーに対応する複数の波長の光が生成される。その結果、複数の波長の光が重なり合って、比較的広いスペクトル幅の発光が得られる。また、上記不純物のうちのSiが深い準位を形成するので、上記スペクトルが長波長化する。
【0122】
本実施形態の発光ダイオードによれば、上記スペクトル幅の拡大によって色純度は劣るが、極めて高い発光強度が得られる。したがって、例えば蛍光体励起光源などに用いた場合、従来よりも発光強度と省電力性に優れた多色発光素子を形成することができる。
【0123】
なお、上記発光層のドープ領域に導入する不純物は、Ga、NおよびSiに限られず、生成すべき発光強度やスペクトル幅に応じて、元素を追加、変更してもよい。
【0124】
(第5実施形態)
第5実施形態の発光ダイオードは、発光層23が有する2つのドープ領域を、各々4つの領域に分割して、ノンドープ領域に隣接するものから順に、Gaのみをドーピングした領域と、Nのみをドーピングした領域と、GaおよびNを同時にドーピングした領域と、Ga,NおよびSiを同時にドーピングした領域とを設けた以外は、第1実施形態と同一の構成を有する。本実施形態において、第1実施形態と同一の構成部分には同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。
【0125】
図8は、本実施形態の発光ダイオードの断面と、この発光ダイオードのn型ZnO層2、ZnO発光層23およびp型ZnO層4のドーピングプロファイルとを示す図である。図8に示すように、上記発光層23は、ノンドープ領域の上側と下側とに形成した2つのドープ領域に、上記ノンドープ領域に隣接するものから順に、Gaドープ領域、Nドープ領域、GaおよびNドープ領域、Ga,NおよびSiドープ領域とを各々形成している。
【0126】
本実施形態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、配線およびモールドして発光させたところ、ピーク波長が450nmの青色光が得られた。また、視感度を考慮しない発光強度は、第4実施形態の発光ダイオードの発光強度に対して30%向上した。
【0127】
図9(a),(b)は、本実施形態の発光ダイオードの発光機構を、第4実施形態のものと比較して説明する図である。図9(a)は第4実施形態の発光ダイオードの発光機構であり、図9(b)は第5実施形態の発光ダイオードの発光機構である。
【0128】
本実施形態の発光ダイオードは、ドープ領域内に複数の不純物準位を有する点では、第4実施形態の発光ダイオードと同じである。しかしながら、第4実施形態では、上記ドープ領域中に複数の不純物準位が無秩序に分散していたのに対して、本実施形態では、ノンドープ領域側から順に、不純物準位が、その遷移エネルギーが大きい順に配置されている。したがって、図9(b)に示すように、ノンドープ領域で生成された励起子発光によって、このノンドープ領域に隣接するGa不純物準位から順に、N不純物準位、GaおよびN不純物準位、Ga、NおよびSi不純物準位について、キャリアが確実に励起されて、各遷移エネルギーに応じた波長の光が生成される。その結果、この発光層23は、比較的大きい厚みを有するにもかかわらず、紫外〜青色に亘るスペクトルの発光を高効率に行なうことができる。
【0129】
なお、上記発光層23のドープ領域に導入する不純物は、Ga、N、GaおよびN、並びに、Ga,NおよびSiに限られず、生成すべき発光強度やスペクトル幅に応じて、元素を追加、変更してもよい。要は、上記ノンドープ領域側から順に、不純物が、その不純物準位の遷移エネルギーが大きい順にドーピングされていればよい。
【0130】
【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によれば、基板上に、第1導電型層、発光層および第2導電型層を少なくとも備え、上記発光層は、不純物がドーピングされたドープ領域と、不純物がドーピングされていないノンドープ領域とを有するので、上記ノンドープ領域で優先的に生じる励起子発光によって、上記ドープ領域で不純物準位を介した発光を促進する多段階発光を効果的に行なうことができ、これによって、多重量子井戸構造などを用いることなく発光層の略全てに亘って発光が得られる。その結果、簡易な構造で高効率・高強度発光が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の酸化物半導体発光素子としての発光ダイオードを示す断面図である。
【図2】第1実施形態の発光ダイオードについて、発光層の層厚と発光強度との関係を示した図である。
【図3】第1実施形態の発光ダイオードにおける発光機構を示したものである。
【図4】図4(a)は第1実施形態の発光ダイオードについて、図4(b)は比較例3の発光ダイオードについて、発光層近傍をMBE法で形成する場合の成長温度制御および原料供給シーケンスを各々示す図である。
【図5】第2実施形態の発光ダイオードの断面およびドーピングプロファイルを示す図である。
【図6】第3実施形態の発光ダイオードを示す断面図である。
【図7】第3実施形態の発光ダイオードについて、発光層の層厚と発光強度との関係を示す図である。
【図8】第5実施形態の発光ダイオードの断面およびドーピングプロファイルを示す図である。
【図9】図9(a)は第4実施形態の発光ダイオードの発光機構を示し、図9(b)は第5実施形態の発光ダイオードの発光機構を示す図である。
【符号の説明】
1 ZnO基板
2 n型ZnO層
3 ZnO発光層
4 p型ZnO層
5 n型オーミック電極
6 透光性オーミック電極
7 Auパッド電極
10 発光ダイオード
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxide semiconductor light emitting device using, for example, a ZnO-based semiconductor.
[0002]
[Prior art]
For example, wide-gap semiconductors represented by group III nitrides have many characteristics that are extremely high in industrial application value over conventional semiconductor materials, and recently, including blue to ultraviolet short-wavelength light-emitting elements, Application to electronic devices has been proposed.
[0003]
Zinc oxide (hereinafter referred to as ZnO), which is one of such wide gap semiconductors, is a direct transition semiconductor having a band gap energy of about 3.4 eV, has an extremely high exciton binding energy of 60 meV, and furthermore, It has features such as inexpensive raw materials, harmlessness to the environment and the human body, and simple film forming method, so that it is possible to realize a light-emitting element with high efficiency, low power consumption, and little impact on the environment. .
[0004]
In this specification, the ZnO-based semiconductor includes ZnO and a mixed crystal such as MgZnO (magnesium / zinc oxide) or CdZnO (cadmium / zinc oxide) using the same as a host.
[0005]
In order to produce a light-emitting element utilizing the characteristics of the wide-gap semiconductor, such as short-wavelength light emission, a thin-film fabrication technique for strictly controlling the layer thickness and band gap, such as a quantum well or a double heterostructure, is required. Many are used.
[0006]
However, the wide gap semiconductor has a problem that it is difficult to control crystal growth and processing due to high stability, and is inferior to a conventional semiconductor material in terms of yield and cost.
[0007]
In order to solve such a problem, research on the above-described thin film manufacturing technology has been advanced, and attempts have been made to manufacture a light emitting element having a simple configuration and sufficiently high efficiency.
[0008]
Regarding a semiconductor light emitting device having such a simple configuration and high efficiency, the present inventors have formed a light emitting layer having a thickness of 5 μm or more in a pn junction type light emitting diode using silicon carbide (hereinafter referred to as SiC). Thus, a technique has been proposed in which a donor-acceptor (hereinafter, referred to as DA) pair is caused to undergo multi-stage transition to improve the emission intensity (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-334214: Patent Document 1).
[0009]
Conventionally, there has been proposed a semiconductor light emitting device including an n-type GaN clad layer, an InGaN quantum well light-emitting layer, a p-type AlGaN clad layer, and a p-type GaN contact layer and capable of obtaining high brightness with a minimum configuration (Patent). No. 31,35041: Patent Document 2).
[0010]
In addition, conventionally, a method for manufacturing an oxide semiconductor light emitting device using a ZnO-based semiconductor has been proposed (International Patent Publication No. WO 00/16411: Patent Document 3).
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-6-334214 (FIG. 1)
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 3135041 (FIG. 1)
[Patent Document 3]
WO 00/16411 pamphlet (Fig. 1)
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the light emitting diode using SiC has a problem that the light emission intensity is insufficient because SiC is an indirect transition type semiconductor.
[0013]
In addition, the technique of manufacturing a quantum well structure and the technique of controlling a composition ratio for controlling a band gap as in the conventional InGaN-based semiconductor light-emitting element described above are not sufficiently applied to a ZnO-based semiconductor. However, there is a problem that the quantum well structure cannot be manufactured with a high yield.
[0014]
According to tests by the present inventors, the conventional oxide semiconductor light-emitting device using the ZnO-based semiconductor cannot improve the light-emitting intensity only by forming the light-emitting layer thicker, and the light-emitting layer thickness is 3 μm. It has been found that when the thickness exceeds the above range, there arises a problem that the emission intensity cannot be effectively increased even if the thickness is increased.
[0015]
Therefore, an object of the present invention is to provide an oxide semiconductor light-emitting element having excellent light-emitting characteristics, a simple structure, and which can be manufactured at low cost.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an oxide semiconductor light emitting device of the present invention includes at least a first conductivity type layer, a light emitting layer, and a second conductivity type layer on a substrate,
The light emitting layer is characterized in that it has a doped region doped with impurities and a non-doped region not doped with impurities.
[0017]
The present inventor has found that the mechanism of exciton emission in a wide gap semiconductor such as a ZnO-based semiconductor is different from the emission mechanism using only a DA pair such as the conventional SiC described above, in addition to the thickness of the emission layer. It has been found that the structure of the impurities doped with GaAs is correlated with the emission intensity, and based on this, the present invention has been accomplished.
[0018]
According to the above configuration, exciton emission occurs preferentially in the non-doped region of the light emitting layer due to the carriers confined in the light emitting layer by the first conductivity type layer and the second conductivity type layer. Next, light emission via the impurity level is promoted in the doped region by the exciton light emission. As described above, by providing the non-doped region in the light emitting layer, multi-step light emission using exciton light emission can be effectively performed. The light emission intensity is dramatically increased as compared with the element. In particular, when, for example, a ZnO-based semiconductor is used for the light-emitting layer, exciton light emission is a light emission mechanism having a large transition energy next to inter-band light emission, so that carriers are easily excited to impurity levels to perform multi-step light emission. Can do it. Therefore, high-efficiency and high-intensity light emission can be realized with a simple structure without using a multiple quantum well structure having a complicated structure.
[0019]
Here, when the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type. On the other hand, when the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type.
[0020]
Note that a part of the first conductivity type layer and the second conductivity type layer may also serve as a light emitting layer.
[0021]
In one embodiment, the light-emitting layer has a thickness of 3 μm or more and 30 μm or less.
[0022]
According to the above embodiment, since the thickness of the light emitting layer is 3 μm or more and 30 μm or less, the multi-step light emission can be sufficiently performed, and the light emission intensity is effectively increased.
Here, when the thickness of the light emitting layer is smaller than 3 μm, it is difficult to perform multi-step light emission using excitons. On the other hand, when the thickness of the light emitting layer is larger than 30 μm, the rate of increase in light emission intensity decreases.
[0023]
In one embodiment, the thickness of the light emitting layer is 5 μm or more and 15 μm or less.
[0024]
According to the embodiment, since the thickness of the light emitting layer is 5 μm or more, light of relatively high intensity can be obtained by multi-step light emission using excitons. Further, since the thickness of the light emitting layer is 15 μm or less, an increase in manufacturing cost can be suppressed. Here, if the thickness of the light emitting layer is smaller than 5 μm, the effect of increasing the light emission intensity becomes relatively small. On the other hand, if the thickness of the light emitting layer is larger than 15 μm, the film formation cost increases and the manufacturing cost of the oxide semiconductor light emitting device increases.
[0025]
In one embodiment, the first conductivity type layer, the light emitting layer, and the second conductivity type layer are all made of ZnO.
[0026]
According to the embodiment, the first conductivity type layer, the light emitting layer, and the second conductivity type layer are all made of ZnO, and can be stacked under substantially the same crystal growth conditions. Therefore, unlike a conventional semiconductor light emitting device having a multiple quantum well active layer in a light emitting layer, it is not necessary to form an MgZnO layer or a CdZnO layer having different crystal growth conditions, and the fabrication can be performed by an extremely simple manufacturing process. As a result, cost performance and yield are significantly improved.
[0027]
In one embodiment, the first conductivity type layer and the second conductivity type layer are made of a ZnO-based semiconductor having a larger band gap than the light emitting layer.
[0028]
According to the above embodiment, when the light emitting layer is relatively thin, a double hetero structure can be formed by the light emitting layer, the first conductivity type layer and the second conductivity type layer, so that the carrier confinement efficiency can be improved. The luminous efficiency can be further improved.
[0029]
In one embodiment, the first conductivity type layer and the second conductivity type layer are made of Mg. x Zn 1-x O (0 <x <1).
[0030]
According to the embodiment, by using MgZnO mixed crystal for the first conductivity type layer and the second conductivity type layer, the hetero barrier to the light emitting layer is increased, and the carrier confinement efficiency in the light emitting layer is improved. As a result, the luminous efficiency can be further improved.
[0031]
In one embodiment, in the oxide semiconductor light emitting device, the light emitting layer includes Cd y Zn 1-y O (0 <y <1).
[0032]
According to the embodiment, by using CdZnO for the light emitting layer, the band gap is reduced, and visible light emission having high industrial value is obtained.
[0033]
In one embodiment, the impurity doped in the light emitting layer includes one or more elements selected from Li, Na, K, Rb, Cu, Ag, and Au.
[0034]
According to the above embodiment, in the light emitting layer, the element replaces, for example, Zn and becomes an acceptor, and forms an impurity level at an energy position of about 100 to 400 meV from the valence band. Therefore, light emission having a wavelength component corresponding to energy of about 3 eV or less can be obtained. When two or more of the above impurities are contained, the respective impurity levels are different, so that the emission spectrum width in the light emitting layer is widened, and the light emission intensity is effectively increased.
[0035]
In one embodiment, the impurity doped in the light emitting layer includes at least one element selected from B, Al, Ga, In, Sc, Y, La, and Ce.
[0036]
According to the embodiment, in the light emitting layer, the element replaces, for example, Zn and becomes a donor, and forms an impurity level at an energy position of about 10 to 50 meV from the conduction band. Therefore, light emission having a wavelength component corresponding to energy of about 3.3 eV or less can be obtained. Further, when two or more of the above impurities are contained or when the above-mentioned group I element is further contained, the respective impurity levels are different, so that the emission spectrum width in the light emitting layer is widened. The emission intensity is effectively increased.
[0037]
In one embodiment, the impurity doped in the light-emitting layer includes one or more elements selected from N, P, As, Sb, Bi, V, Nb, and Ta.
[0038]
According to the embodiment, in the light-emitting layer, the element replaces, for example, O to become an acceptor, and forms an impurity level at an energy position of about 100 to 400 meV from the conduction band. Therefore, light emission having a wavelength component corresponding to energy of about 3 eV or less can be obtained. When two or more of the above impurities are contained, or when the above-mentioned group I element and group III element are further contained, the respective impurity levels are different, so that the emission spectrum width in the light emitting layer is increased. This effectively increases the light emission intensity.
[0039]
In one embodiment, the impurity doped in the light emitting layer includes at least one element selected from F, Cl, Br, I, Mn, and Re.
[0040]
According to the embodiment, in the light emitting layer, the element replaces, for example, O and becomes a donor, and forms an impurity level at an energy position of about 50 to 100 meV from the conduction band. Therefore, light emission having a wavelength component corresponding to energy of about 3.2 eV or less can be obtained. When two or more of the above impurities are contained, or when the above-mentioned group I element, group III element and group V element are further contained, the respective impurity levels are different. The spectrum width is broadened, thereby effectively increasing the emission intensity.
[0041]
In one embodiment, the impurity doped in the light emitting layer includes at least one element selected from C, Si, Ge, Sn, Ti, Zr, and Hf.
[0042]
According to the above embodiment, a relatively deep impurity level is formed by the element in the light emitting layer, and the wavelength of light emitted through the impurity level is relatively long. Thereby, emission of visible light wavelength is obtained. When two or more of the above impurities are contained, or when the above-mentioned group I element, group III element, group V element and group VII element are further contained, the respective impurity levels are different. The emission spectrum width in the emission layer is broadened, and the emission intensity is further increased.
[0043]
In one embodiment, the impurity doped in the light-emitting layer includes a plurality of elements.
[0044]
According to the above embodiment, exciton light emission and light emission between impurity levels at various energy levels can be obtained by including a plurality of elements in the impurity doped into the light emitting layer. By combining the plurality of wavelength components, it is possible to improve light emission characteristics such as an increase in light emission intensity.
[0045]
In one embodiment, the impurity doped in the light-emitting layer is formed by randomly dispersing the plurality of elements.
[0046]
According to the embodiment, the impurity doped in the light emitting layer is generated by dispersing a plurality of elements in a random manner, so that light emission based on different activation energies is uniformly mixed in the doped region. You. As a result, light with a wide spectrum width can be obtained, so that the emission intensity increases.
[0047]
In one embodiment, the light-emitting layer has the non-doped region on the p-type conductivity type layer side of the first conductivity type layer or the second conductivity type layer with respect to the center in the thickness direction. .
[0048]
According to the above embodiment, the electrons supplied from the n-type layer of the first conductivity type layer and the second conductivity type layer and the p-type layer of the first conductivity type layer and the second conductivity type layer With respect to the holes supplied from, the diffusion length in the light emitting layer is longer for electrons than for holes. Therefore, in the non-doped region formed closer to the p-type conductivity type layer than the center in the thickness direction of the light emitting layer, light recombination due to the electrons and holes efficiently occurs, and free exciton emission is preferentially performed. Occurs. As a result, the doped region of the light emitting layer is efficiently photoexcited by the free exciton light emission, and visible light is generated with high efficiency.
[0049]
In one embodiment, the doped region of the light emitting layer has an activation energy of an impurity doped in a portion near the non-doped region and an impurity doped in a portion near the first conductivity type layer. And the activation energy of the impurity doped in the portion near the second conductivity type layer.
[0050]
According to the above-described embodiment, the exciton emission generated in the non-doped region excites the carrier to the impurity level in the portion of the doped region near the non-doped region, and emits light via the impurity level. The impurity doped in the portion near the first conductivity type layer and the impurity doped in the portion near the second conductivity type layer have an activation energy of activating the impurity doped in the portion near the non-doped region. Since the energy is larger than the energy, carriers are effectively excited by light emitted from a portion of the doped region near the non-doped region, and light is emitted via an impurity level. Therefore, in the light emitting layer, excitation and light emission are effectively performed from a portion near the non-doped region to a portion near the first conductivity type layer and a portion near the second conductivity type layer. Luminous efficiency is obtained.
[0051]
In the doped region, the activation energy of impurities between the portion near the non-doped region, the portion near the first conductivity type layer, and the portion near the second conductivity type layer changes continuously. It does not need to be, and may change stepwise.
[0052]
In one embodiment, the doped region of the light emitting layer has an activation energy from a portion near the non-doped region toward the first conductivity type layer and the second conductivity type layer. The impurity is doped so as to increase the size.
[0053]
According to the above-described embodiment, the impurity in the doped region of the light-emitting layer is changed from the portion near the non-doped region to the first conductive type layer and the second conductive type layer as the transition between the impurity levels proceeds. Doping is performed so as to reduce energy. That is, an impurity level is formed such that the transition energy is gradually reduced from the portion near the non-doped region toward the first conductivity type layer and the second conductivity type layer. Therefore, the exciton emission generated in the non-doped region excites the carrier to the impurity level in the portion of the doped region near the non-doped region, and emits light via the impurity level. The energy of light emission via the impurity level in the vicinity of the non-doped region is larger than the transition energy of the impurities on the first conductivity type layer side and the second conductivity type layer side. Carriers are excited to impurity levels on the conductivity type layer side, and light emission occurs through the impurity levels. Thus, in the doped region of the light emitting layer, carriers are sequentially excited to the impurity level from the portion near the non-doped region, and light is emitted up to the boundary on the first conductivity type layer side and the boundary on the second conductivity type layer side. . As a result, light having a wavelength ranging from the ultraviolet to the visible region is efficiently generated in the light emitting layer.
[0054]
In one embodiment, the substrate is a ZnO substrate.
[0055]
According to the above-described embodiment, the ZnO substrate has excellent affinity with the ZnO-based semiconductor layer. Therefore, a favorable ZnO-based semiconductor layer having extremely few crystal defects can be formed on the ZnO substrate by, for example, epitaxial growth. Since the ZnO is conductive, an n-type electrode can be directly formed on the back surface of the ZnO substrate. Therefore, this oxide semiconductor light emitting device has low resistance and can simplify the production process, and as a result, an oxide semiconductor light emitting device having excellent luminous efficiency and production efficiency can be realized.
[0056]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
[0057]
(1st Embodiment)
In the first embodiment, an example of an oxide semiconductor light-emitting element including only ZnO will be described.
[0058]
FIG. 1 is a sectional view showing a light emitting diode 10 as an oxide semiconductor light emitting device of the first embodiment. The light emitting diode 10 of the present embodiment has a carrier concentration of 5 × 10 18 cm -3 N-type ZnO layer 2 having a thickness of 1 μm, ZnO light-emitting layer 3 having a thickness of 10 μm doped with Ga, and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm -3 And a p-type ZnO layer 4 having a thickness of 1 μm. The n-type ZnO layer 2 is a first conductivity type layer, and the p-type ZnO layer 4 is a second conductivity type layer.
[0059]
The ZnO light emitting layer 3 has a non-doped region where impurities are not doped, which is located closer to the p-type ZnO layer 4 than the center in the thickness direction. This non-doped region has a thickness of 0.5 μm, and a carrier concentration of 1 × 10 17 cm -3 Ga is uniformly doped so that
[0060]
FIG. 1 also shows a doping profile representing the doping concentration at each position from the n-type ZnO layer 2 to the p-type ZnO layer 4.
[0061]
On the back surface of the ZnO substrate 1, Al having a thickness of 1000 ° is formed as an n-type ohmic electrode 5.
[0062]
On the entire main surface of the p-type ZnO layer 4, a translucent ohmic electrode 6 formed by laminating Ni with a thickness of 150 ° is laminated. The Au pad electrode 7 is formed to have an area smaller than the translucent ohmic electrode 6.
[0063]
The light emitting diode 10 as the oxide semiconductor light emitting element of the present embodiment is characterized in that a non-doped region is formed in a part of the light emitting layer 3 and that the light emitting layer 3 has a thickness of 3 μm or more. .
[0064]
The light emitting diode 10 was mounted on a lead frame with an Ag paste, wired, molded, and emitted light. Blue light having a peak wavelength of 400 nm was obtained.
[0065]
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the thickness of the ZnO light emitting layer 3 and the light emission intensity of the light emitting diode 10 of the present embodiment.
[0066]
FIG. 2 shows, as a comparative example, a 6H-SiC light emitting diode (Comparative Example 1) in which an Al acceptor and an N donor are doped in a light emitting layer and has no non-doped region, and a Si donor is doped. A GaN-based light emitting diode having a non-doped region similar to the present invention (Comparative Example 2) and a ZnO-based semiconductor light emitting diode having a multiple quantum well light emitting layer including a MgZnO barrier layer and a CdZnO well layer (Comparative Example 3) The relationship between the light emitting layer thickness and the light emitting intensity is shown.
[0067]
In FIG. 2, the horizontal axis is the light emitting layer thickness (μm), and the vertical axis is the light emission intensity (relative intensity). The luminous intensity on the vertical axis does not take luminosity into account.
[0068]
The SiC light emitting diode of Comparative Example 1 is of an indirect transition type and has a relatively small light emission intensity. However, since it performs multi-step light emission of DA versus transition, light emission from a light emitting layer thickness of 5 μm to about 10 μm is obtained. The emission intensity increases with an increase in the layer thickness.
[0069]
Since the GaN-based light-emitting diode of Comparative Example 2 is a direct transition type, the light-emitting intensity is relatively large, and even when the light-emitting layer thickness is increased to about 12 μm, the light-emitting intensity increases with the light-emitting layer thickness. Increases, and has the same effect as the present invention.
[0070]
In contrast to these comparative examples, the ZnO light emitting diode 10 according to the present embodiment has the luminous intensity with the increase in the thickness of the light emitting layer 3 even when the thickness of the light emitting layer 3 is increased from about 10 μm to about 30 μm. Increase. That is, as shown in FIG. 2, the light emitting layer 3 of the present embodiment has a light emission substantially equivalent to that of the semiconductor light emitting device of Comparative Example 3 having a high light emitting efficiency and a carrier confinement effect by using a multiple quantum well structure in the light emitting layer. Strength is obtained.
[0071]
Although the reason is not clear, it is presumed to be related to the fact that the exciton binding energy of ZnO is as high as 60 meV. FIG. 3 shows a light emitting mechanism in the light emitting diode 10 of the present embodiment. In the present embodiment, since the n-type layer, the light-emitting layer, and the p-type layer are made of a ZnO-based semiconductor, compared with Comparative Example 1 in which the light-emitting layer is formed of GaN (exciton binding energy is about 24 meV), Exciton emission from the non-doped region of the layer 3 is extremely strong. It is considered that the strong exciton light emission excites carriers at the impurity level in the doped region adjacent to the non-doped region in the light emitting layer 3 and significantly promotes light emission via this impurity level.
[0072]
As can be seen from FIG. 2, the thickness of the light emitting layer 3 is preferably 3 μm or more and 30 μm or less in that the light emission intensity can be increased with the increase in the thickness of the light emitting layer 3. However, if the light emitting layer 3 is excessively thick, the manufacturing cost increases. Therefore, it is more preferable that the light emitting layer 3 has a thickness of 5 μm or more and 15 μm or less, at which sufficient emission intensity is obtained.
[0073]
The oxide semiconductor light-emitting device of the present embodiment includes a molecular beam epitaxy (hereinafter, referred to as MBE) method, a pulse laser deposition (hereinafter, referred to as PLD) method using a solid material or a gaseous material, and a metal organic chemical vapor deposition (hereinafter, referred to as MOCVD). ) Method.
[0074]
FIGS. 4A and 4B show the ZnO-based light-emitting diode 10 of the first embodiment and the ZnO-based light-emitting diode having a multiple quantum well light-emitting layer of Comparative Example 3 in which the vicinity of the light-emitting layer is formed by MBE. FIG. 4 is a diagram showing a growth temperature control and a raw material supply sequence in the case of performing the above.
[0075]
As shown in FIG. 4B, in Comparative Example 3, when forming the n-type and p-type MgZnO cladding layers and the multiple quantum well light emitting layer, the vapor pressures of the group II elements Mg, Cd and Zn which are the raw materials are used. Therefore, it is necessary to control the growth temperature according to the composition ratio of the layer to be formed. In particular, when CdZnO and MgZnO are alternately stacked a plurality of times to form a quantum well light emitting layer, it is necessary to control so that the growth temperature is frequently changed between different values. In addition, it is necessary to frequently open and close a plurality of cell shutters for supplying a raw material.
[0076]
On the other hand, in the present embodiment, since MgZnO mixed crystal or CdZnO mixed crystal is not laminated, as shown in FIG. 4A, temperature control and opening / closing of a cell shutter are almost unnecessary. Therefore, the light emitting diode of the present embodiment greatly simplifies the manufacturing process, thereby greatly improving the yield.
[0077]
As a lamination method used in the manufacturing process of the light emitting diode of the present embodiment, a molecular beam epitaxy (laser MBE) method, which is one of the PLD methods, is particularly preferable in the following points. That is, the composition deviation between the raw material target and the thin film to be laminated is small, and an unintended by-product (ZnGa 2 O 4 Etc.) can be suppressed. Also, it is obvious that, even when the laser MBE method is used, according to the light emitting diode of the present embodiment, simplification of the process and improvement of the yield can be effectively realized.
[0078]
In the present embodiment, if a non-doped region is formed in the light emitting layer 3, the effects of the present invention can be obtained. However, the carrier diffusion length in the light emitting layer 3 is longer for electrons than holes, so that exciton emission generated by injected carriers preferentially occurs on the side closer to the p-type ZnO layer 4 that supplies holes. Occurs. Therefore, the non-doped region is preferably formed closer to the p-type ZnO layer 4 than the center of the light emitting layer 3 in the thickness direction.
[0079]
In addition, in order to obtain exciton light emission having sufficient intensity to cause multi-step light emission, the thickness of the non-doped region is preferably 3% or more of the total thickness of the light emitting layer 3. However, if the non-doped region is thicker than the doped region, it is difficult to effectively generate multi-step light emission and the operating voltage increases. Therefore, the thickness of the non-doped region is preferably 50% or less of the total thickness of the light-emitting layer 3, and more preferably 30% or less, in that light can be emitted at the same operating voltage as the conventional one.
[0080]
The impurity introduced into the doped region of the light emitting layer 3 has a carrier concentration lower than that of either the n-type ZnO layer 2 or the p-type ZnO layer 4 in order to suppress carrier overflow and absorption loss and to prevent an increase in operating voltage. And the doping concentration is 1 × 10 16 ~ 1 × 10 19 cm -3 Is preferably within the range. In particular, the doping concentration is 1 × 10 17 ~ 1 × 10 18 cm -3 Is more preferable in that the deterioration of crystallinity can be prevented.
[0081]
In the present embodiment, Ga, which is an n-type donor impurity, is used as an impurity to be introduced into the doped region of the ZnO light emitting layer 3, but is smaller than the free exciton emission (about 3.3 eV) of ZnO at room temperature. What is necessary is just to be able to form the impurity level which can take transition energy. Such impurities include, for example, the following four types.
[0082]
(1) The group I element replaces Zn and becomes an acceptor, and forms an impurity level at an energy position of about 100 to 400 meV from the valence band. Specifically, there are Li, Na, K, Rb, Cu, Ag, and Au. In particular, Li, Cu and Ag are preferable, and Ag is most preferable, since the activation energy is relatively small and the doping efficiency is high.
[0083]
(2) The group III element becomes a donor by replacing Zn, and forms an impurity level at an energy position of about 10 to 50 meV from the conduction band. Specifically, there are B, Al, Ga, In, Sc, Y, La and Ce. In particular, Al, Ga and In are preferable, and Ga and Al are most preferable, since the activation energy is relatively small and the doping efficiency is high.
[0084]
(3) The group V element becomes an acceptor by substituting O (oxygen) and forms an impurity level at an energy position of about 100 to 400 meV from the valence band. Specifically, there are N, P, As, Sb, Bi, V, Nb and Ta. In particular, N and P are preferable, and N is most preferable, since activation energy is relatively small and doping efficiency is high.
[0085]
(4) Group VII element replaces O (oxygen) and becomes a donor, and forms an impurity level at an energy position of about 50 to 100 meV from the conduction band. Specifically, there are F, Cl, Br, I, Mn and Re. F and Cl are particularly preferable because activation energy is relatively small and doping efficiency is high.
[0086]
(5) Since the group V element forms a deep impurity level, light of a long wavelength can be obtained through the impurity level. Specifically, there are C, Si, Ge, Sn, Ti, Zr and Hf. In terms of low cost and high doping efficiency, Si, Ti and Zr are preferred, and Si is most preferred.
[0087]
In the present embodiment, the p-type ZnO layer 4 is doped with N as an impurity. However, the impurities to be doped into the p-type ZnO layer 4 include Li, Cu, and Ag of a group I element, and N, of a group V element. As and P can be used. N and Ag are particularly preferred because of their low activation energy. 2 Is particularly preferred by a method of irradiating during the crystal growth by turning into a plasma, since high-concentration doping can be performed while maintaining good crystallinity.
[0088]
In the present embodiment, it is preferable that the p-type ZnO layer 4 is doped with a p-type impurity at a high concentration to reduce the resistance in order to increase the luminous efficiency. However, if the doping concentration is excessive, the p-type ZnO layer 4 causes remarkable absorption loss and crystallinity deterioration. 16 ~ 5 × 10 19 cm -3 It is preferable to set the doping concentration so that the carrier concentration falls within the range described above.
[0089]
As the n-type impurity to be doped into the n-type ZnO layer 2, a group III element such as B, Al, Ga, and In can be used. However, in view of a high activation rate in a ZnO-based semiconductor, Ga or Al is preferred.
[0090]
Further, in order to obtain the maximum luminous efficiency, it is preferable to use a material having a low absorption coefficient corresponding to the emission wavelength for the substrate 1. In the present embodiment, the single crystal ZnO used as the substrate 1 has the same material system as the layer grown thereon, so that the generation of crystal defects is extremely small and is most preferable. The use of a zinc surface is preferable because the carrier activation rate of the p-type ZnO layer 4 is improved and the resistance is reduced.
[0091]
The substrate 1 may be made of sapphire or LiGaO4 in addition to ZnO single crystal. 2 Or an electrically conductive substrate such as SiC or GaN.
[0092]
In particular, when an insulating substrate is used as the substrate 1, a part of the growth layer thereon is etched to expose the n-type ZnO layer 2, and the n-type ohmic electrode 5 is formed on the exposed n-type ZnO layer 2. May be formed. In addition, a buffer layer may be provided on the substrate 1 in order to obtain a growth layer having good crystallinity.
[0093]
On the other hand, when a conductive substrate is used as the substrate 1, as shown in this embodiment, the n-type ohmic electrode 5 can be directly formed on the back surface of the substrate 1, so that the element resistance can be reduced and the manufacturing process can be simplified. Is preferable.
[0094]
In addition, it is preferable that the substrate 1 be provided with unevenness on the back surface thereof by a known method such as polishing or etching, because the emitted light is diffusely reflected to improve the light extraction efficiency.
[0095]
For the p-type ohmic electrode 6, Ni, Pt, Pd, Au, or the like can be used, and particularly, Ni having low resistance and good adhesion is preferable. Alternatively, the p-type electrode 6 may be formed by alloying the plurality of metal materials.
[0096]
The p-type ohmic electrode 6 is preferably formed to have a light-transmitting property to improve the light extraction efficiency in order to effectively reduce the operating voltage and improve the luminous efficiency. The thickness of the p-type electrode 6 that achieves both good ohmic characteristics and high translucency is preferably in the range of 50 to 2000 °, and more preferably in the range of 300 to 1000 °.
[0097]
Further, it is preferable to perform an annealing treatment after the formation of the p-type ohmic electrode 6 because the adhesion to the underlying p-type ZnO layer 4 is improved and the contact resistance is reduced. In order to obtain an annealing effect without causing defects in the ZnO crystal forming each layer, the annealing temperature is preferably 300 to 400 ° C. The atmosphere in the annealing process is O 2 Alternatively, it is preferably in an air atmosphere. 2 In the atmosphere, the resistance increases conversely.
[0098]
If the pad electrode 7 is formed on a part of the translucent p-type ohmic electrode 6 with a smaller area than the p-type ohmic electrode 6, the pad electrode 7 can be connected to the lead without impairing the light transmission effect of the p-type ohmic electrode 6. This is preferable because the mounting process on the frame can be facilitated. The material of the pad electrode 7 is preferably Au, which can be easily bonded and does not become a donor impurity even when diffused into ZnO. Another metal layer may be interposed between the p-type ohmic electrode 6 and the pad electrode 7 in order to improve adhesion and light reflectivity.
[0099]
For the n-type ohmic electrode 5, a material such as Ti, Cr and Al can be used. In particular, Al with low resistance and low cost or Ti with good adhesion is preferable. Further, the n-type electrode 5 may be formed by alloying the plurality of metal materials. Since the n-type electrode 5 of the present embodiment is made of Al having a relatively high reflectance for blue to ultraviolet light, and is formed on the entire back surface of the substrate 1, good light extraction efficiency can be obtained. Alternatively, the n-type electrode 5 may be patterned into an arbitrary shape, and the exposed back surface of the substrate 1 may be bonded to a lead frame with an Ag paste or the like. In this case, Ag is preferable because it has a higher reflectance for blue to ultraviolet light than Al. When the n-type ohmic electrode 5 is patterned, an auxiliary electrode may be formed in order to prevent an increase in element resistance. The auxiliary electrode has a reflectance for blue to ultraviolet light such as Ag or Pt. It is more preferable to use a high metal.
[0100]
In the present embodiment, other configurations are optional and are not limited by the present embodiment.
[0101]
(2nd Embodiment)
The second embodiment is different from the first embodiment except that the ZnO light emitting layer 13 is doped with Ga and N, and the doping concentration in the doped region of the ZnO light emitting layer 13 becomes higher toward the vicinity of the non-doped region. Is the same as the above ZnO-based light emitting diode.
[0102]
FIG. 5 is a diagram showing a cross section and a doping profile of the light emitting diode of the present embodiment. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0103]
As shown in FIG. 5, the ZnO light emitting layer 13 has a non-doped region at a position closer to the p-type ZnO layer 4 than the center in the thickness direction, and the non-doped region is closer to the n-type ZnO layer 2 and to the p-type ZnO layer 4. On the side, there are doped regions doped with Ga and N, respectively. The concentration of Ga and N in the doped region is set highest in the portion adjacent to the non-doped region. The doping region has a doping profile in which the concentrations of Ga and N decrease from the portion adjacent to the non-doping region toward the n-type ZnO layer 2 and the p-type ZnO layer 4. That is, the impurity is doped from the portion adjacent to the non-doped region toward the n-type ZnO layer 2 and the p-type ZnO layer 4 so that the activation energy is reduced.
[0104]
In the present embodiment, Ga and N doped in the ZnO light emitting layer 13 are introduced to generate DA (donor / acceptor) pair light emission, and are disclosed as a technique for obtaining a low-resistance p-type ZnO layer. This is different from the so-called “co-doping technique”.
[0105]
When the light emitting diode of this embodiment was mounted on a lead frame with an Ag paste, and wiring and molding were performed to emit light, blue light with a peak wavelength of 420 nm was obtained. Further, the light emission intensity was improved by 50% with respect to the light emission intensity in the first embodiment.
[0106]
In the light emitting diode of the present embodiment, the emission wavelength is increased and the emission intensity is improved because a plurality of impurities doped into the ZnO light emitting layer 13 increase the spectral width of DA versus emission, and further increase the ZnO emission. This is probably because the doping profile of the light emitting layer 13 was optimized for the light emitting process.
[0107]
That is, in the light emission from the DA, as the doping concentration increases, the distance between the DA and the light becomes shorter, and the emission wavelength becomes shorter. Therefore, the exciton light emission in the non-doped region excites the carrier to a high concentration of impurity levels in the region adjacent to the non-doped region, so that a short-wavelength DA pair light emission is obtained. Due to this short-wavelength light, carriers are excited to an impurity level of a somewhat lower concentration in the n-type layer side and the p-type layer side than this area, and DA emission having a wavelength slightly longer than the short-wavelength light is emitted. can get. In this way, the carriers are sequentially excited to the impurity level in the doped region doped with impurities so that the concentration becomes lower toward the n-type layer side and the p-type layer side, and light is emitted. The entire layer emits light in a spectrum having a relatively wide width, so that the luminous efficiency can be improved and the luminous intensity can be increased.
[0108]
In the above embodiment, the doped region is doped with Ga and N, but may be doped with another impurity.
[0109]
Regarding the profile of the impurity introduced into the doped region of the light emitting layer 13, the impurity concentration in the portion near the non-doped region is higher than the impurity concentration in the portion near the n-type ZnO layer 2 and the portion near the p-type ZnO layer 4. If it is high, the density profile of the other portions may have any shape such as a linear shape, a curved shape, and a stepped shape.
[0110]
(Third embodiment)
FIG. 6 is a sectional view showing a light emitting diode of the third embodiment.
[0111]
The light emitting diode of the present embodiment has an n-type MgO layer between the n-type ZnO layer 2 and the ZnO light-emitting layer 3. 0.05 Zn 0.95 An O-cladding layer 8 is formed, and a p-type MgO layer is formed between the p-type ZnO layer 4 and the ZnO light emitting layer 3. 0.05 Zn 0.95 Except that the O clad layer 9 is formed, the ZnO-based light emitting diode of the first embodiment has the same configuration.
[0112]
In the drawings, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0113]
When the light emitting diode of this embodiment was mounted on a lead frame with an Ag paste, wired, and molded to emit light, blue light having a peak wavelength of 400 nm was obtained.
[0114]
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the thickness of the ZnO light emitting layer 3 and the light emission intensity in the light emitting diode of the present embodiment. In FIG. 7, the horizontal axis is the light emitting layer thickness (μm), and the vertical axis is the light emission intensity (relative intensity). FIG. 7 also shows the relationship in the light emitting diode of the first embodiment.
[0115]
As can be seen from FIG. 7, according to the present embodiment, when the ZnO light emitting layer 3 has a layer thickness of up to about 5 μm, the present embodiment having the double hetero structure has a better structure than the first embodiment having the homo structure. However, the emission intensity is high. However, when the thickness of the light-emitting layer is larger than that, the light-emitting intensity of the present embodiment is substantially the same as the light-emitting intensity of the first embodiment. Therefore, it is considered that there is not much advantage in confining carriers by the hetero barrier. Therefore, when the thickness of the light emitting layer is 5 μm or less and cannot be increased further, it is preferable to form a double hetero structure using MgZnO mixed crystal.
[0116]
In order to obtain a sufficient carrier confinement effect while maintaining the crystallinity of the cladding layers 8 and 9, it is necessary to use Mg. x Zn 1-x The composition ratio x of Mg in O is preferably 0.01 or more and 0.5 or less, and more preferably 0.03 or more and 0.33 or less.
[0117]
The light emitting layer 3 is made of Cd y Zn 1-y Even when the emission wavelength is further increased as an O mixed crystal, the same effect as in the present embodiment can be obtained. In this case, in order to maintain the crystallinity and increase the emission wavelength, Cd y Zn 1-y The composition ratio y of Cd of O is preferably 0.02 or more and 0.3 or less, more preferably 0.05 or more and 0.25 or less.
[0118]
(Fourth embodiment)
The light emitting diode of the fourth embodiment has the same configuration as the light emitting diode of the first embodiment, except that Ga, N, and Si as impurities are uniformly and simultaneously doped in the doped region of the light emitting layer. The same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0119]
In the doped region of the light emitting layer, Ga, N, and Si as the uniformly and simultaneously doped impurities are randomly distributed.
[0120]
When the light emitting diode of the above embodiment was mounted on a lead frame with an Ag paste, wired, and molded to emit light, blue light having a peak wavelength of 420 nm was obtained. The emission light of the light emitting diode of the present embodiment has an emission spectrum width that is twice or more that of the first embodiment, and the luminance in consideration of the visibility is improved by 60%.
[0121]
In the light emitting diode of the present embodiment, Ga, N, and Si form impurity levels different from each other in the band gap energy in the doped region. Carriers are excited to the different impurity levels by the exciton emission generated in the non-doped region, thereby generating light of a plurality of wavelengths corresponding to a plurality of transition energies. As a result, light of a plurality of wavelengths overlaps, and light emission of a relatively wide spectrum width is obtained. Further, since Si among the impurities forms a deep level, the spectrum has a longer wavelength.
[0122]
According to the light emitting diode of this embodiment, although the color purity is inferior due to the expansion of the spectrum width, an extremely high emission intensity can be obtained. Therefore, for example, when used as a phosphor excitation light source, it is possible to form a multicolor light emitting element having better light emission intensity and power saving than before.
[0123]
The impurity introduced into the doped region of the light emitting layer is not limited to Ga, N, and Si, and an element may be added or changed according to the emission intensity or spectrum width to be generated.
[0124]
(Fifth embodiment)
The light-emitting diode according to the fifth embodiment divides the two doped regions of the light-emitting layer 23 into four regions, respectively, and, in order from a region adjacent to the non-doped region, a region doped only with Ga and a region doped only with N. The structure is the same as that of the first embodiment except that a region doped with Ga, N, and a region doped with Ga, N, and Si are provided. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0125]
FIG. 8 is a diagram illustrating a cross section of the light emitting diode of the present embodiment and doping profiles of the n-type ZnO layer 2, the ZnO light-emitting layer 23, and the p-type ZnO layer 4 of the light-emitting diode. As shown in FIG. 8, the light emitting layer 23 has two doped regions formed on the upper side and the lower side of the non-doped region, the Ga-doped region, the N-doped region, Ga and N-doped regions, Ga, N and Si-doped regions are formed respectively.
[0126]
When the light emitting diode of this embodiment was mounted on a lead frame with an Ag paste, wiring and molding to emit light, blue light having a peak wavelength of 450 nm was obtained. In addition, the light emission intensity without considering the visibility was improved by 30% with respect to the light emission intensity of the light emitting diode of the fourth embodiment.
[0127]
FIGS. 9A and 9B are diagrams for explaining the light emitting mechanism of the light emitting diode of the present embodiment in comparison with that of the fourth embodiment. FIG. 9A shows a light emitting mechanism of the light emitting diode of the fourth embodiment, and FIG. 9B shows a light emitting mechanism of the light emitting diode of the fifth embodiment.
[0128]
The light emitting diode of the present embodiment is the same as the light emitting diode of the fourth embodiment in that it has a plurality of impurity levels in the doped region. However, in the fourth embodiment, a plurality of impurity levels are randomly dispersed in the doped region, whereas in the present embodiment, the impurity levels are sequentially changed from the non-doped region side and the transition energy is They are arranged in descending order. Therefore, as shown in FIG. 9B, the exciton emission generated in the non-doped region causes the N impurity level, Ga and N impurity levels, Ga, For N and Si impurity levels, carriers are reliably excited, and light having a wavelength corresponding to each transition energy is generated. As a result, the light emitting layer 23 can emit light in a spectrum ranging from ultraviolet to blue with high efficiency, despite having a relatively large thickness.
[0129]
The impurities to be introduced into the doped region of the light emitting layer 23 are not limited to Ga, N, Ga and N, and Ga, N and Si, and elements may be added according to the emission intensity or spectrum width to be generated. May be changed. The point is that the impurities may be doped in order from the non-doped region side in order of increasing transition energy of the impurity level.
[0130]
【The invention's effect】
As is clear from the above, according to the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, at least the first conductivity type layer, the light emitting layer, and the second conductivity type layer are provided on the substrate, and the light emitting layer is doped with impurities. And a non-doped region in which impurities are not doped, so that exciton luminescence that occurs preferentially in the non-doped region results in multi-step luminescence that promotes luminescence through the impurity level in the doped region. Thus, light emission can be obtained over substantially the entire light emitting layer without using a multiple quantum well structure or the like. As a result, high efficiency and high intensity light emission can be realized with a simple structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode as an oxide semiconductor light emitting device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a layer thickness of a light emitting layer and light emission intensity in the light emitting diode of the first embodiment.
FIG. 3 shows a light emitting mechanism in the light emitting diode of the first embodiment.
FIG. 4 (a) shows the light emitting diode of the first embodiment, and FIG. 4 (b) shows the light emitting diode of Comparative Example 3 when controlling the growth temperature and material supply when forming the vicinity of the light emitting layer by the MBE method. It is a figure which shows a sequence each.
FIG. 5 is a diagram illustrating a cross section and a doping profile of a light emitting diode according to a second embodiment.
FIG. 6 is a sectional view showing a light emitting diode of a third embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a layer thickness of a light emitting layer and light emission intensity in a light emitting diode according to a third embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a cross section and a doping profile of a light emitting diode according to a fifth embodiment.
FIG. 9A illustrates a light emitting mechanism of a light emitting diode according to a fourth embodiment, and FIG. 9B illustrates a light emitting mechanism of a light emitting diode according to a fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 ZnO substrate
2 n-type ZnO layer
3 ZnO light emitting layer
4 p-type ZnO layer
5 n-type ohmic electrode
6 Transparent ohmic electrode
7 Au pad electrode
10. Light emitting diode

Claims (18)

基板上に、第1導電型層、発光層および第2導電型層を少なくとも備え、
上記発光層は、不純物がドーピングされたドープ領域と、不純物がドーピングされていないノンドープ領域とを有す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 layer, a light emitting layer and a second conductivity type layer are provided,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein the light emitting layer has a doped region doped with an impurity and a non-doped region not doped with an impurity.
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層は、厚みが3μm以上30μm以下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 light emitting layer has a thickness of 3 μm or more and 30 μm or less.
請求項2に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層は、厚みが5μm以上15μm以下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 2,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein the light emitting layer has a thickness of 5 μm or more and 15 μm or less.
請求項1乃至3のいずれか1つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第1導電型層、発光層および第2導電型層は、いずれもZnOからな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 first conductivity type layer, the light emitting layer, and the second conductivity type layer are all made of ZnO.
請求項1乃至3のいずれか1つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第1導電型層および第2導電型層は、上記発光層よりもバンドギャップが大きいZnO系半導体からな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 first conductivity type layer and the second conductivity type layer are made of a ZnO-based semiconductor having a band gap larger than that of the light emitting layer.
請求項5に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第1導電型層および第2導電型層は、MgZn1−xO(0<x<1)からな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 5,
The first conductive layer and a second conductivity type layer, oxide semiconductor light-emitting device characterized by comprising a Mg x Zn 1-x O ( 0 <x <1).
請求項1、2、3、5または6に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層は、CdZn1−yO(0<y<1)からな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, 2, 3, 5, or 6,
The light emitting layer, Cd y Zn 1-y O oxide semiconductor light-emitting device characterized in that it consists of (0 <y <1).
請求項1乃至7のいずれか1つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、Li,Na,K,Rb,Cu,AgおよびAuの中から選ばれた1つ以上の元素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 any one of claims 1 to 7,
An oxide semiconductor light-emitting element, wherein the impurity doped in the light-emitting layer includes one or more elements selected from Li, Na, K, Rb, Cu, Ag, and Au.
請求項1乃至8のいずれか1つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、B,Al,Ga,In,Sc,Y,LaおよびCeの中から選ばれた1つ以上の元素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,
An oxide semiconductor light-emitting element, wherein the impurity doped in the light-emitting layer includes one or more elements selected from B, Al, Ga, In, Sc, Y, La, and Ce.
請求項1乃至9のいずれか1つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、N,P,As,Sb,Bi,V,NbおよびTaの中から選ばれた1つ以上の元素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 any one of claims 1 to 9,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein the impurity doped in the light emitting layer contains one or more elements selected from N, P, As, Sb, Bi, V, Nb and Ta.
請求項1乃至10のいずれか1つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、F,Cl,Br,I,MnおよびReの中から選ばれた1つ以上の元素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 any one of claims 1 to 10,
An oxide semiconductor light-emitting element, wherein the impurity doped in the light-emitting layer contains one or more elements selected from F, Cl, Br, I, Mn, and Re.
請求項1乃至11のいずれか1つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、C,Si,Ge,Sn,Ti,ZrおよびHfの中から選ばれた1つ以上の元素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 any one of claims 1 to 11,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein the impurity doped in the light emitting layer includes one or more elements selected from C, Si, Ge, Sn, Ti, Zr, and Hf.
請求項1乃至12のいずれか1つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、複数の元素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 any one of claims 1 to 12,
An oxide semiconductor light-emitting element, wherein the impurity doped in the light-emitting layer includes a plurality of elements.
請求項13に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、上記複数の元素が無秩序に分散してな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 13,
An oxide semiconductor light-emitting element, wherein the plurality of elements are randomly dispersed in the impurity doped in the light-emitting layer.
請求項1乃至14のいずれか1つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層は、厚み方向の中央よりも上記第1導電型層または第2導電型層のうちのp型導電型層側に、上記ノンドープ領域を有す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 any one of claims 1 to 14,
The oxide semiconductor light emitting device, wherein the light emitting layer has the non-doped region closer to the p-type conductive layer of the first conductive layer or the second conductive layer than the center in the thickness direction.
請求項1乃至15のいずれか1つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層のドープ領域は、上記ノンドープ領域の近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーが、上記第1導電型層の近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーおよび上記第2導電型層の近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーよりも小さいことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 15,
In the doped region of the light emitting layer, the activation energy of the impurity doped in the portion near the non-doped region is the activation energy of the impurity doped in the portion near the first conductivity type layer and the second conduction type. An oxide semiconductor light emitting device, wherein the activation energy of an impurity doped in a portion near a mold layer is smaller than the activation energy.
請求項16に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層のドープ領域は、上記ノンドープ領域近傍の部分から、上記第1導電型層と、上記第2導電型層とに向って、活性化エネルギーが大きくなるように上記不純物がドーピング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 16,
The doped region of the light emitting layer is doped with the impurity such that activation energy increases from a portion near the non-doped region toward the first conductivity type layer and the second conductivity type layer. An oxide semiconductor light emitting device, comprising:
請求項1乃至17のいずれか1つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板は、ZnO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 any one of claims 1 to 17,
An oxide semiconductor light-emitting element, wherein the substrate is a ZnO substrate.
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