JP2004349584A - 酸化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル層の欠陥を低減出来、高信頼性と高発光効率とを有する酸化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】サファイア基板１０１と量子井戸発光層１０５との間に、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２を形成している。このＬｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２は、裏面と表面との間でＮａ組成比ｂが傾斜している。これにより、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２上に、欠陥の少ないＺｎＯ系半導体をエピタキシャル成長出来る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、半導体結晶中の歪を低減し発光特性と信頼性に優れた酸化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化亜鉛（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出来る可能性がある。
【０００３】
以下、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯまたはＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めて「ＺｎＯ系半導体」と言う。
【０００４】
ＺｎＯ系半導体は、青色〜紫外領域の発光素子として既に実用化されているＩＩＩ族窒化物半導体と同じウルツ鉱の結晶構造を有し、熱膨張係数や格子定数がＧａＮに極めて近いことから、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスで用いられているサファイアやＳｉなどの基板上にエピタキシャル成長させることが出来る。
【０００５】
例えば、特開２００１−４４４９９号公報（特許文献１）には、Ｓｉ基板上にシリコン窒化膜を形成し、そのシリコンチッ化膜上にＺｎＯ系半導体薄膜を結晶成長する技術が開示されている。また、特開２００１−４４５００号公報（特許文献２）には、Ａ面（１１−２０）を主面としたサファイア基板上にＺｎＯ系半導体薄膜を結晶成長する技術が開示されている。
【０００６】
Ｓｉやサファイアはコストが低く、極めて高品質な基板結晶を形成出来るが、ＩＩＩ族窒化物半導体やＺｎＯ系半導体とは格子定数差が十数％以上と極めて大きい。このため、Ｓｉ基板やサファイア基板上にエピタキシャル成長させたＺｎＯ系半導体中には多くの結晶欠陥が発生する。
【０００７】
このような基板とＺｎＯ系半導体との格子不整合による欠陥を低減するために、半導体デバイスにおいては、基板とＺｎＯ系半導体との間にバッファ層を介在させて、良質なＺｎＯ系半導体を得る技術が一般的に用いられている。
【０００８】
上記Ｓｉ基板やサファイア基板などの異種基板を主として用いたＩＩＩ族窒化物半導体の成長においては、低温成長させたＧａＮやＡｌＮ、ＩｎＧａＮ混晶をバッファ層に用いる技術が多く開示されている。そして、ＺｎＯ系半導体に関しても、国際公開第００／１６４１１号パンフレット（特許文献３）において、ＭｇＺｎＯやＡｌ_２Ｏ_３、低温成長させたＺｎＯおよびＡｌＧａＮなどをバッファ層に用いる技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−４４４９９号公報
【特許文献２】
特開２００１−４４５００号公報
【特許文献３】
国際公開第００／１６４１１号パンフレット
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＩＩ族窒化物半導体の成長においては、上述したようなＧａＮ系のバッファ層上にエピタキシャル層を形成することによって、エピタキシャル層は２次元の横方向成長が促成される。これにより、格子定数差の大きい異種基板上でも良質なエピタキシャル層が得られる。
【００１１】
しかし、ＺｎＯ系半導体の場合は、上記ＧａＮ系やＭｇＺｎＯなどのバッファ層を基板上に形成しても界面エネルギーの減少割合が小さく、格子定数差の大きい上記基板上では結晶性が顕著に改善されない。すなわち、上記バッファ層上に、ＺｎＯ系半導体を良好な結晶性でエピタキシャル成長させることができないという問題がある。
【００１２】
特に、低温で堆積したバッファ層は平坦性に乏しいため、ＺｎＯ系半導体のエピタキシャル層には結晶粒界や多数の欠陥が発生し、実用に供する発光素子を作製出来ない。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、エピタキシャル層の欠陥を低減出来、高信頼性と高発光効率とを有する酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、格子定数差の大きい異種基板上にＺｎＯ系半導体をエピタキシャル成長する際のバッファ層材料およびその形成方法について鋭意検討した結果、ＺｎＯ系半導体との親和性に優れ、組成比によって異種基板からＺｎＯ系半導体までの格子定数を制御可能な酸化物薄膜をバッファ層に用いることで、上記目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【００１５】
本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に、ＺｎＯ系半導体から成る発光層が形成された酸化物半導体発光素子において、上記基板と上記発光層との間に形成され、Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１かつ０≦（ｘ＋ｙ）≦１）を含むバッファ層を備えたことを特徴としている。
【００１６】
上記「発光層」は、発光を司る層という意味において「活性層」と同義であるので、以下においては特に区別しない。
【００１７】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２から成る薄膜はＺｎＯ系半導体と類似の結晶構造を有するので、その薄膜上にＺｎＯ系半導体をエピタキシャル成長出来る。
【００１８】
更に、上記Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２の組成比を制御することにより、ＺｎＯ系半導体の格子定数に極めて近い範囲でその薄膜の格子定数を制御出来る。
【００１９】
したがって、格子定数の異なる異種基板上にＺｎＯ系半導体を成長する場合でも、本発明のバッファ層を形成することにより、殆ど歪を内在しないＺｎＯ系半導体エピタキシャル層を得ることが出来、信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００２０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記バッファ層と上記発光層との間に形成され、ＺｎＯ系半導体から成る第１導電型クラッド層と、上記発光層上に形成され、ＺｎＯ系半導体から成る第２導電型クラッド層とを備えている。
【００２１】
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。
【００２２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層とで発光層を挟んでいるので、発光効率を高めることが出来る。
【００２３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記バッファ層が、Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２、ＬｉＡｌ_１−ｃＧａ_ｃＯ_２およびＮａＡｌ_１−ｄＧａ_ｄＯ_２（０＜ａ，ｂ，ｃ，ｄ＜１）のうちのいずれか１つを含む。
【００２４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２、ＬｉＡｌ_１−ｃＧａ_ｃＯ_２およびＮａＡｌ_１−ｄＧａ_ｄＯ_２の酸化物は、Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２の中で、ＺｎＯ系半導体との格子定数差が特に小さく、組成比の制御が容易である。したがって、上記酸化物をバッファ層に用いることにより、より信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００２５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２は成長方向において組成傾斜している。
【００２６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２が成長方向において組成傾斜しているので、バッファ層が成長方向の組成傾斜を有する。これにより、上記バッファ層の面内格子定数が成長方向において傾斜する。つまり、上記バッファ層の面内格子定数が成長方向において変化する。その結果、上記バッファ層と異種基板との間の格子不整合を緩和出来ると共に、バッファ層とＺｎＯ系半導体との間の格子不整合も緩和出来る。したがって、上記ＺｎＯ系半導体とは異なる格子定数の異種基板上に、ＺｎＯ系半導体を成長する場合でも、殆ど歪を内在しないＺｎＯ系半導体エピタキシャル層を得ることが出来る。
【００２７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記バッファ層が超格子構造を有する。
【００２８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ＺｎＯ系半導体に対して格子不整合の大きな異種基板上では、バッファ層が超格子構造を有することにより、バッファ層上にエピタキシャル成長したＺｎＯ系半導体において結晶欠陥や格子歪を更に低減出来る。また、上記バッファ層に超格子構造を持たせても、バッファ層自体の結晶性を損ねない。したがって、極めて信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００２９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記バッファ層において上記基板とは反対側の表面は、Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２の組成を有し、上記Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２のＮａ組成比ａが０．４〜０．６の範囲内である。
【００３０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記バッファ層において基板とは反対側の表面は、Ｎａ組成比ａが０．４〜０．６のＬｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２の組成を有するので、ＺｎＯとほぼ完全に格子整合する。したがって、極めて高い結晶性のＺｎＯ系エピタキシャル膜が得られ、酸化物半導体発光素子の信頼性を格段に向上させることが出来る。
【００３１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記バッファ層において上記基板とは反対側の表面は、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２の組成を有し、上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２のＮａ組成比ｂが０．１５〜０．３５の範囲内である。
【００３２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記バッファ層において基板とは反対側の表面は、Ｎａ組成比ｂが０．１５〜０．３５のＬｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２の組成を有するので、ＺｎＯとほぼ完全に格子整合する。したがって、極めて高い結晶性のＺｎＯ系エピタキシャル膜が得られ、酸化物半導体発光素子の信頼性を格段に向上させることが出来る。
【００３３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記バッファ層の成長方向の主面が（００１）であり、上記バッファ層上にエピタキシャル成長されたＺｎＯ系半導体の成長主面が（０００１）である。
【００３４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記バッファ層の成長方向の主面を（００１）とし、バッファ層上にエピタキシャル成長するＺｎＯ系半導体の成長主面を（０００１）とするので、ＺｎＯ系半導体の成長面方位を制御出来、特に上記所定の成長主面を持つＺｎＯ系半導体はドーピング特性に優れ、動作電圧が低減する。このことにより、省電力性と信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００３５】
【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。
【００３６】
（実施形態１）
本実施形態１では、ＺｎＯ系半導体で構成した青色発光ダイオード素子に本発明を適用した一例について説明する。
【００３７】
図１に、本実施形態１の発光ダイオード素子の模式断面図を示す。なお、図１の右側のグラフでは、上記発光ダイオードのバッファ層のＮａ組成比を実線で示し、そのバッファ層の面内格子定数を点線で示している。
【００３８】
上記発光ダイオード素子は、サファイアＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板１０１上に、厚さ３０ｎｍのＬｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２、Ｇａ（ガリウム）が３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープされた厚さ０．１μｍのｎ型ＺｎＯコンタクト層１０３、Ｇａが１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０４、ノンドープ量子井戸発光層１０５、Ｎ（窒素）が５×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０６、Ｎが１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度でドープされた厚さ０．３μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０７がこの順で積層されている。但し、上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２のＮａ組成比ｂは０＜ｂ＜１の範囲内となっている。
【００３９】
本実施形態１では、上記サファイア基板１０１が基板の一例に、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２がバッファ層の一例に、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０４が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸発光層１０５が発光層の一例に、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０６が第２導電型クラッド層の一例にそれぞれ相当する。
【００４０】
上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２は、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２で構成され、図１の右側のグラフで示すようなＮａ組成比ｂを有している。
【００４１】
より詳しく説明すると、上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２は、サファイア基板１０１と接する裏面がＮａＧａＯ_２（Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２でのＮａ組成比ｂ＝１）から成り、ｎ型ＺｎＯコンタクト層１０３と接する表面がＬｉ_０．７５Ｎａ_０．２５ＧａＯ_２（Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２でのＮａ組成比ｂ＝０．２５）から成っている。そして、上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２は、裏面と表面との間でＮａ組成比ｂが傾斜を有している。つまり、上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２は、裏面から表面に向ってＮａ組成比ｂが小さくなるように組成傾斜している。
【００４２】
上記量子井戸発光層１０３は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ４ｎｍのＣｄ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ井戸層とが交互に積層されて成っている。上記ＺｎＯ障壁層は８層ある一方、Ｃｄ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ井戸層は７層ある。
【００４３】
上記ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０４から図中上側（サファイ基板１０１とは反対側）に向ってｐ型ＺｎＯコンタクト層１０７までの層を形成するためのエピタキシャル層の一部をエッチングすることで露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層１０３の表面上に、Ａｌ（アルミニウム）から成る厚さ１００ｎｍのｎ型オーミック電極１１０を形成している。
【００４４】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０７の主表面全面には、厚さ１５ｎｍのＮｉ（ニッケル）を積層した透光性ｐ型オーミック電極１０８が積層されている。また、上記ｐ型オーミック電極１０８上には、Ａｕ（金）から成る厚さ１００ｎｍのボンディング用ｐ型パッド電極１０９をオーミック電極１０８より小さい面積で形成している。
【００４５】
本発明の酸化物半導体発光素子は、固体または気体原料を用いたＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、レーザＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの結晶成長手法で作製することが出来るが、本実施形態の発光ダイオード素子は、図２に示すレーザＭＢＥ装置２００で形成した。
【００４６】
上記レーザＭＢＥ装置２００は超高真空に排気可能な成長室２０１を備えている。この成長室２０１の一方の側壁には、パルスレーザ光２０８が通過するビューポート２０７を設けている。そして、上記成長室２０１の他方の側壁には、活性化された原子状ビームを基板２０３に向けて照射可能なラジカルセル２０９と、成長室２０１内に複数のガスを導入できるよう複数のガス導入管２１０および２１１とを設けている。また、上記成長室２０１の上部には、基板２０３を固定する基板ホルダ２０２が配置されている。この基板ホルダ２０２の上方にはヒータ２０４を配置し、基板ホルダ２０２の下方には所定の距離をおいてターゲットテーブル２０５を配置している。このターゲットテーブル２０５は、複数の原料ターゲット２０６を上面（基板ホルダ２０２側の表面）上に配置できる。また、図示しないが、上記ターゲットテーブル２０５は回転機構を有している。
【００４７】
上記ヒータ２０４は、基板ホルダー２０２の上面（原料ターゲット２０６とは反対側の表面）を加熱する。そうすると、上記基板ホルダー２０２の上面の熱が熱伝導により基板２０３に伝わって、基板２０３が加熱される。その後、上記ビューポート２０７を通じてパルスレーザ光２０８を原料ターゲット２０６の表面に照射し、原料ターゲット２０６の表面をアブレーションする。これにより、瞬時に蒸発した原料ターゲット２０６が基板２０３の下面に付着し、基板２０３下に薄膜が成長する。そして、上記パルスレーザ光２０８の照射シーケンスに同期してターゲットテーブル２０５の回転を制御することにより、異なる原料ターゲット２０６の表面にパルスレーザ光２０８を照射して、その異なる原料ターゲット２０６を上記薄膜に付着させることが可能となる。つまり、上記薄膜とは異なる薄膜を基板２０３下に成長させることが可能となる。また、上記ラジカルセル２０９によって活性化された原子状ビームを基板２０３に照射することも可能である。
【００４８】
上記レーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと、この原料ターゲットの表面をアブレーションすることで成長させた薄膜との間において組成ずれが小さく、またＺｎＧａ_２Ｏ_４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好ましい。
【００４９】
以下、上記発光ダイオード素子の製造方法を順に説明する。
【００５０】
まず、洗浄処理したサファイア基板１０１をレーザＭＢＥ装置２００に導入し、温度６００℃で３０分間加熱し清浄化する。
【００５１】
次に、基板温度を５００℃に降温し、ＬｉＧａＯ_２単結晶およびＮａＧａＯ_２単結晶を原料ターゲット２０６とし、回転機構によるターゲットテーブル２０５の駆動周期とＫｒＦエキシマレーザのパルス照射周期とを外部制御装置（図示しない）によって同期させる。そして、上記ＬｉＧａＯ_２単結晶とＮａＧａＯ_２単結晶とを交互にＫｒＦエキシマレーザでアブレーションして、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２を成長する。
【００５２】
上記ＫｒＦエキシマレーザは、波長が２４８ｎｍ、パルス数が１０Ｈｚ、出力が１Ｊ／ｃｍ^２のものである。なお、上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２の成長中には、ガス導入管２１０によりＯ_２ガスを成長室２０１内に導入する。
【００５３】
また、上記ＬｉＧａＯ_２単結晶とＮａＧａＯ_２単結晶とのアブレーション比率は、図１の右側のグラフに示したＮａ組成比傾斜となるように調整する。
【００５４】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶と、Ｇａ_２Ｏ_３を添加したＺｎＯ燒結体とを原料ターゲット２０６として用い、所望のＧａドーピング濃度が得られる比率で交互にアブレーションして、ｎ型ＺｎＯコンタクト層１０３を成長する。
【００５５】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶と、Ｇａ_２Ｏ_３を添加したＭｇＺｎＯ燒結体とを原料ターゲット２０６として用い、これらを所望のＭｇ組成およびＧａドーピング濃度が得られる比率で交互にアブレーションして、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０４を形成するためのエピタキシャル層を成長する。
【００５６】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶、ＣｄＺｎＯ燒結体を原料ターゲット２０６として用い、これらを所望のＣｄ組成比が得られる比率で交互にアブレーションする。これにより、ＺｎＯ障壁層とＣｄ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ井戸層とより成る量子井戸活性層１０５を形成するためのエピタキシャル層を成長する。
【００５７】
次に、ガス導入管２１１より導入したＮ_２ガスをラジカルセル２０９でプラズマ化して照射しながら、原料ターゲット２０６としてのノンドープＺｎＯ単結晶およびノンドープＭｇＺｎＯ燒結体を交互アブレーションして、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０６を形成するための成長する。
【００５８】
次に、上記ガス導入管２１１より導入したＮ_２ガスをラジカルセル２０９でプラズマ化して照射しながら、原料ターゲット２０６としてのノンドープＺｎＯ単結晶をアブレーションして、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０７を形成するためのエピタキシャル層を成長する。
【００５９】
次に、上記基板１０１をレーザＭＢＥ装置２００から取り出し、基板１０１の一部を覆うレジストマスクを形成し、１重量％の硝酸水溶液を用いて、ｎ型ＺｎＯコンタクト層１０３上の各エピタキシャル層を部分的にエッチング除去する。これにより、上記ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０４、量子井戸活性層１０５、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０６およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１０７が得られる。
【００６０】
次に、露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層１０３上にｎ型オーミック電極１１０としてＡｌを真空蒸着した後、レジストマスクを洗浄除去し、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０７の上面全面に、ｐ型オーミック電極１０８としてＮｉ薄膜を真空蒸着する。このＮｉ薄膜は高い透光性を有し、青色発光波長において８０％を透過する。
【００６１】
最後に、上記ｐ型オーミック電極１０８上にパッド電極１０９として厚さ１００ｎｍのＡｕを真空蒸着する。
【００６２】
なお、本実施形態１では、所望のＭｇ組成およびＧａドーピング濃度を、ＺｎＯ単結晶とＧａドープＭｇＺｎＯ燒結体の２つの原料ターゲット２０６を交互アブレーションして制御したが、ＺｎＯ単結晶、ノンドープＭｇＺｎＯ燒結体およびＧａドープＺｎＯ燒結体の３つの原料ターゲット２０６を打ち分けるなどの方法で制御してもよい。
【００６３】
また、ＭｇＺｎＯ燒結体を用いず、ＺｎＯ単結晶とＭｇＯ単結晶とを交互アブレーションして所望組成のＭｇＺｎＯ混晶を得てもよい。
【００６４】
更に、Ｇａ_２Ｏ_３添加燒結体を用いず、蒸発セルを用いて金属Ｇａをドーピングしてもよい。
【００６５】
本実施形態１の発光ダイオード素子をチップ状に分離してリードフレームに取り付け、ｎ型オーミック電極１１０とｐ型パッド電極１０９に配線を行った後、樹脂モールドし発光させたところ、発光ピーク波長４３０ｎｍの青色発光が得られた。
【００６６】
比較例１として、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２を形成せずに、サファイア基板１０１上に直接ＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長して発光ダイオード素子を作製したところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は本実施形態１に比べて７０％減少し、素子寿命（動作電流２０ｍＡで発光強度が初期値より５０％に減少した時間で定義する）は本実施形態１に比べて１／３になった。
【００６７】
比較例２として、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２のＮａ組成比がｂ＝１で一定となって組成傾斜を有さないバッファ層をバッファ層１０２の代わりに用いて発光ダイオード素子を作製したところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は本実施形態１に比べて４０％減少し、素子寿命は本実施形態１に比べて３０％短くなった。
【００６８】
比較例３として、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２のＮａ組成比がｂ＝０．２５で一定となって組成傾斜を有さないバッファ層をバッファ層１０２の代わりに用いて発光ダイオード素子を作製したところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は本実施形態１に比べて５％減少し、素子寿命は本実施形態１に比べて２％短くなった。
【００６９】
以上に示したように、格子定数の異なる異種基板上にＺｎＯ系半導体を成長する場合、Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２を含むバッファ層を形成することにより、発振閾値電流が低く信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００７０】
図３に、本実施形態１のバッファ層１０２に用いた絶縁体酸化物Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２の結晶構造をＺｎＯと比較して示す。
【００７１】
αβＯ_２（α，βは単数または複数の原子を表わす）なる構成の斜方晶酸化物は、ＺｎＯ系半導体のウルツ鉱構造に類似の結晶構造を有している。特に、上記αの元素がＬｉ（リチウム）、Ｎａ（ナトリウム）およびＫ（カリウム）の少なくとも２つを含み、且つ、上記βの元素がＡｌおよびＧａの少なくとも１つを含む場合、上記酸化物の面内格子定数はＺｎＯに極めて近く、構成元素の組成比を適切に選択することにより、基板の格子定数に近づけたり、ＺｎＯ系半導体に格子整合させることが出来る。
なお、図３における絶縁体酸化物Ｌｉ_１―ｂＮａ_ｂＧａＯ_２の酸素―酸素間距離（Ｓ＝３．１４ÅおよびＬ＝３．１９Å）は、Ｎａ組成比ｂが０のときの格子定数である。
【００７２】
特に、本実施形態１のＬｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２のほかに、Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２、ＬｉＡｌ_１−ｃＧａ_ｃＯ_２およびＮａＡｌ_１−ｄＧａ_ｄＯ_２（０＜ａ，ｃ，ｄ＜１）など、α，βのいずれか一方が２種の元素から成る上記酸化物は、組成比の制御が簡便であるので好ましい。
【００７３】
図４（ａ），（ｂ）に、上記４つの酸化物に対して平均格子定数を求めた結果を示す。ここで「平均格子定数」とは、同一面内の６つの酸素原子で構成される六角形と同じ面積の正六角形を仮定し、この正六角形の一辺を成す酸素−酸素原子間距離と定義する。
【００７４】
図４（ａ），（ｂ）から判るように、上記４つの酸化物の格子定数は、ＺｎＯに対して全組成範囲で９４％（３．１２Å）〜１０６％（３．４４Å）の範囲内の格子定数に制御出来る。特に、下記（１），（２）の条件を満たす場合は、上記４つの酸化物とＺｎＯとの格子定数差が極めて小さいため好ましい。
（１） Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２において、Ｎａ組成比ａを０．４〜０．６の範囲内とする。
（２） Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２において、Ｎａ組成比ｂを０．１５〜０．３５の範囲内とする。
【００７５】
また、図４（ａ），（ｂ）から、Ｌｉ_０．５Ｎａ_０．５ＡｌＯ_２またはＬｉ_０．７５Ｎａ_０．２５ＧａＯ_２は、ＺｎＯとほぼ完全に格子整合し、歪を有せず結晶性に優れたＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長出来ることがわかる。
【００７６】
本発明のＬｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２バッファ層は、単一組成で用いても効果を有することは比較例１〜３から明らかであるが、本実施形態１で示したように、バッファ層において基板側およびＺｎＯ系半導体側で各々格子不整合が小さくなるよう組成傾斜を設けると、ＺｎＯ系半導体で結晶欠陥や格子歪が大幅に緩和され、極めて特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
なお、組成傾斜は、本実施形態のように連続的な傾斜のみならず、階段状の傾斜を有していてもよい。
【００７７】
本発明のＬｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２バッファ層は、成長主面が（００１）となるよう形成されると、そのバッファ層上にエピタキシャル成長するＺｎＯ系半導体層が亜鉛面（０００１）となる。亜鉛面が成長主面であればｐ型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いｐ型層が得られやすくなるので好ましい。
【００７８】
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記すが、その他の実施形態において任意に組み合わせて用いてもよい。
【００７９】
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（銅）およびＡｇ（銀）や、Ｖ族元素のＮ、Ａｓ（砒素）およびＰ（リン）などを用いることが出来るが、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が特に好ましく、更にＮはＮ_２をプラズマ化し結晶成長中に照射する手法によって、結晶性を良好に保って高濃度ドーピングが行えるので好ましい。
【００８０】
ｎ型ＺｎＯ系半導体層にドーピングするドナー不純物にはＩＩＩ族元素のＢ（ホウ素）、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ（インジウム）などを用いることが出来るが、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。
【００８１】
酸化物半導体発光素子の効率を向上させるには、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０６上に直接ｐ型オーミック電極１０８を形成せず、ｐ型コンタクト層１０７を設けて低抵抗化することが好ましい。コンタクト層材料には、結晶性に優れキャリア濃度を高く出来るＺｎＯを用いることが好ましい。ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０７に過剰にアクセプタ不純物をドーピングすると結晶性劣化が顕著となり、本発明の効果が減少するので、５×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１９ｃｍ^−３のキャリア濃度範囲となるようドーピングされることが好ましい。
【００８２】
ｎ型コンタクト層１０３にはｐ型コンタクト層１０７の場合と同様にＺｎＯが適しており、ドナー不純物のドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^２１ｃｍ^−３の範囲が好ましく、更には５×１０^１９ｃｍ^−３〜５×１０^２０ｃｍ^−３の範囲で調整されることが好ましい。また、膜厚は、０．００１μｍ〜１μｍ、好ましくは０．００５μｍ〜０．５μｍ、更に好ましくは０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲に調整されることが好ましい。
【００８３】
本実施形態１においては、成長主面としてサファイアＣ面（０００１）を用いたが、Ａ面（１１−２０）を用いてもよい。
【００８４】
また、基板に入射した発光を乱反射させるために、研磨やエッチングなどの公知の手法で基板裏面に凹凸を形成すれば、光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００８５】
ｐ型オーミック電極１０８の材料には、Ｎｉ、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）およびＡｕなどを用いることが出来るが、中でも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。また、上記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００８６】
ｐ型オーミック電極形成後にアニール処理を行うと、ｐ型オーミック電極の密着性が向上すると共に、ｐ型オーミック電極の接触抵抗が低減するので好ましい。このようなアニール効果を、ＺｎＯ結晶に欠陥を生じずに得るには、アニール処理の温度は３００℃〜４００℃の範囲内が好ましい。また、上記アニール処理における雰囲気はＯ_２または大気雰囲気中が好ましく、Ｎ_２では逆に抵抗が増大するので好ましくない。
【００８７】
リードフレームへの配線を簡便に行うためには、ｐ型オーミック電極１０８上にワイヤボンディング用のパッド電極１０９を設けることが有効である。パッド電極１０９の材料としてはボンディングが容易でＺｎＯ中へ拡散してもドナー不純物とならないＡｕが好ましい。ｐ型オーミック電極１０８とパッド電極１０９との間に、密着性を向上させる目的で他の金属層を設けてもよい。
【００８８】
上記ｎ型オーミック電極１１０の材料には、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）およびＡｌなどを用いることが出来る。Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどの中でも、低抵抗でコストの低いＡｌまたは密着性の良いＴｉが好ましい。上記Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどの複数の金属材料を合金化してｎ型オーミック電極を形成してもよい。
【００８９】
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。
【００９０】
（実施形態２）
図５に、本実施形態２の発光ダイオード素子の模式断面図を示す。また、図５の右側のグラフでは、上記発光ダイオード素子のバッファ層のＮａ組成比を実線で示し、そのバッファ層の面内格子定数を点線で示している。
【００９１】
本実施形態２の発光ダイオード素子は、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２の代わりにバッファ層３０２を用いた他は上記実施形態１と同様に作製したものである。
【００９２】
上記バッファ層３０２は、１ｎｍのＺｎＯ層と２ｎｍのＬｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２層（０＜ｂ＜１）とを交互に積層して構成した超格子構造を有している。そして、上記バッファ層３０２は、図５の右側のグラフに示すように、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２層のＮａ組成比ｂを１〜０．２５まで段階的に増加させている。より詳しく説明すると、上記バッファ層３０２は、サファイア基板１０１と接する裏面がＮａＧａＯ_２（Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２でのＮａ組成比ｂ＝１）から成り、ｎ型ＺｎＯコンタクト層１０３と接する表面がＬｉ_０．７５Ｎａ_０．２５ＧａＯ_２（Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２でのＮａ組成比ｂ＝０．２５）から成り、その裏面と表面との間でＮａ組成比ｂが傾斜を有している。要するに、上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２では、裏面から表面に向ってＮａ組成比ｂが段階的に小さくなっている。
【００９３】
なお、図５において、図１で示した構成部と同一構成部は、図１における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
【００９４】
本実施形態２の発光ダイオード素子をチップ状に分離してリードフレームに取り付け、ｎ型オーミック電極１１０とｐ型パッド電極１０９とに配線を行った後、樹脂モールドし発光させたところ、発光ピーク波長４３０ｎｍの青色発光が得られた。
【００９５】
このように、本実施形態２の発光ダイオード素子は、２０ｍＡの動作電流における発光強度が上記実施形態１に比べて３０％増大し、素子寿命が上記実施形態１に比べて１．４倍に長くなった。
【００９６】
本実施形態２にて示したように、バッファ層を超格子構造とすることにより、バッファ層上に形成するＺｎＯ系半導体の結晶欠陥や格子歪を更に低減出来、またバッファ層自体の結晶性を損ねないので、酸化物半導体発光素子の特性を更に向上させることが出来る。
【００９７】
（実施形態３）
図６に、本実施形態３の発光ダイオード素子の模式断面図を示す。また、図６の右側のグラフでは、上記発光ダイオード素子のバッファ層のＮａ組成比を実線で示し、そのバッファ層の面内格子定数を点線で示している。
【００９８】
上記発光ダイオード素子は、（０００１）面を主面とする６Ｈ−ＳｉＣ基板４０１上に、Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２、Ｇａが３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープされたｎ型ＺｎＯコンタクト層４０３、Ｇａが１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープされたｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層４０４、ノンドープ量子井戸発光層４０５、Ｎが５×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドープされたｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層４０６、Ｎが１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度でドープされたｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７がこの順で積層されている。但し、上記Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２のＮａ組成比ａは０＜ａ＜１の範囲内となっている。
【００９９】
本実施形態３では、上記６Ｈ−ＳｉＣ基板４０１が基板の一例に、Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２がバッファ層の一例に、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層４０４が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸発光層４０５が発光層の一例に、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層４０６が第２導電型クラッド層の一例にそれぞれ相当する。
【０１００】
上記Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２は、６Ｈ−ＳｉＣ基板４０１の表面の中央部上のみに形成され、ｎ型ＺｎＯコンタクト層４０３で覆われている。そして、上記Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２は、６Ｈ−ＳｉＣ基板４０１との界面およびｎ型ＺｎＯコンタクト層４０３との界面で各々格子整合している。また、上記Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２は、Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２で構成され、図６の右側のグラフに示すようなＮａ組成比ａを有している。
【０１０１】
より詳しく説明すると、上記Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２は、６Ｈ−ＳｉＣ基板４０１と接する裏面がＬｉＡｌＯ_２（Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２でのＮａ組成比ａ＝０）から成り、量子井戸発光層４０５側においてｎ型ＺｎＯコンタクト層４０３と接する表面がＬｉ_０．５Ｎａ_０．５Ａｌ_２Ｏ_２（Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２でのＮａ組成比ａ＝０．５）から成っている。そして、上記Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２は、裏面と表面との間でＮａ組成比ａが傾斜を有している。つまり、上記Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２は、裏面から表面に向ってＮａ組成比ａが小さくなるように組成傾斜している。
【０１０２】
上記６Ｈ−ＳｉＣ基板４０１は、ＺｎＯ系半導体と同じくウルツ鉱型の結晶構造を有する高品質な基板である。また、上記６Ｈ−ＳｉＣ基板４０１はバンドギャップエネルギーが約３ｅＶで、量子井戸発光層４０３の発光を吸収せず、加えて導電性を有するため基板に電極を直接形成することが出来るという利点がある。
【０１０３】
上記量子井戸発光層４０３は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ４ｎｍのＣｄ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ井戸層とを交互に積層するで構成されている。上記ＺｎＯ障壁層は８層ある一方、Ｃｄ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ井戸層は７層ある。
【０１０４】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７の主表面全面には、Ｎｉから成る透光性ｐ型オーミック電極４０８を形成している。また、上記ｐ型オーミック電極４０８上には、Ａｕから成るｐ型パッド電極４０９をオーミック電極４０８より小さい面積で形成している。
【０１０５】
更に、上記６Ｈ−ＳｉＣ基板４０１の導電性を生かしてｎ型オーミック電極４１０を６Ｈ−ＳｉＣ基板４０１の裏面下に形成している。
【０１０６】
本実施形態３の発光ダイオード素子をチップ状に分離し、ｎ型オーミック電極４１０を銀ペーストでリードフレームに取り付け、ｐ型パッド電極１０９に配線を行った後、樹脂モールドし発光させたところ、発光ピーク波長４３０ｎｍの青色発光が得られた。
【０１０７】
本実施形態３の発光ダイオード素子では、２０ｍＡの動作電流における発光強度が上記実施形態１に比べて２０％増大し、素子寿命が上記実施形態１に比べて１．２倍になった。また、２０ｍＡの動作電流における動作電圧は上記実施形態１に比べて０．２Ｖ低減した。
【０１０８】
以上のように、導電性の異種基板を用いた場合であっても、本発明のバッファ層は、動作電流を低減出来ると共に、信頼性を向上させることが出来る。
【０１０９】
上記Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２を素子と同じ面積で形成しても、つまり、Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２を６Ｈ−ＳｉＣ基板４０１の表面全面上に形成しても、Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層４０２の層厚を５０ｎｍ以下程度に薄くすればトンネル効果によって電流が流れるので、本発明の効果を有する発光ダイオード素子を簡便な工程で作製することが出来る。好ましくは、本実施形態３にて示したように、発光への寄与が高いｐ型パッド電極４０９直下のみにバッファ層を形成し、このバッファ層の周囲にコンタクト層を設けてコンタクト層と基板との導通を確保する。この場合は、動作電圧が低減する効果が得られる。
【０１１０】
また、本実施形態３とは逆に、素子周辺部にバッファ層を設け、素子中央部で導通をとるようにしてもよい。つまり、本発明のバッファ層を基板の周辺部上のみに形成し、基板の中央部上にコンタクト層を形成して、基板とコンタクト層との導通を確保するようにしてもよい。この場合は、素子の周辺部で発光強度が向上し、光取り出し効率が向上するのでより好ましい。
【０１１１】
（実施形態４）
本実施形態では、ＺｎＯ系半導体レーザ素子に本発明を適用した一例について説明する。
【０１１２】
図７に、本実施形態４のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。
【０１１３】
上記半導体レーザ素子は、Ｃ面（０００１）を主面としたサファイア基板５０１上に、ノンドープで厚さ１０ｎｍのＺｎＯ第１バッファ層５０２、厚さ３０ｎｍのＬｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２第２バッファ層５０３、Ｇａドーピング濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３で厚さ０．３μｍのｎ型ＺｎＯコンタクト層５０４、Ｇａドーピング濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３で厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５０５、Ｇａドーピング濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３で厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層５０６、ノンドープ量子井戸活性層５０７、Ｎドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層５０８、Ｎドーピング濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３で厚さ１．２μｍのｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５０９、Ｎドーピング濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層５１０がこの順で積層されている。但し、上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２第２バッファ層５０３のＮａ組成比ｂは０＜ｂ＜１の範囲内となっている。
【０１１４】
本実施形態１では、上記サファイア基板５０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５０５が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層５０７が発光層の一例に、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５０９が第２導電型クラッド層の一例にそれぞれ相当する。また、上記ＺｎＯ第１バッファ層５０２とＬｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２第２バッファ層５０３によって、本発明のバッファ層の一例が構成されている。
【０１１５】
上記量子井戸活性層５０７は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ井戸層とが交互に積層されて成っている。上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｃｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ井戸層は３層ある。
【０１１６】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層５１０と、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５０９の上部とはリッジストライプ状にエッチング加工されている。このようにリッジストライプ状にエッチング加工されたリッジストライプ部の側面は、Ｇａが３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたｎ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ電流ブロック層５１１によって埋め込まれている。つまり、上記リッジストライプ部の両側には、ｎ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ電流ブロック層５１１を形成している。
【０１１７】
上記ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５０５から図中上側（サファイア基板５０１とは反対側）に向ってｎ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ電流ブロック層５１１までの層を形成するためのエピタキシャル層の一部をエッチングすることで露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層５０４の表面上にｎ型オーミック電極５１２を形成している。
【０１１８】
上記ｎ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ電流ブロック層５１１およびｐ型ＺｎＯコンタクト層５１０の上にはｐ型オーミック電極５１３が形成されている。
【０１１９】
上記ＺｎＯ第１バッファ層５０２は、サファイア基板５０１とＬｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２第２バッファ層５０３との親和性を向上させるために設けたものであり、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２第２バッファ層５０３上に形成する層の結晶性が格段に向上する。
【０１２０】
上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２第２バッファ層５０３は、上記実施形態１の記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層１０２と同様のＮａ組成比ｂを有している。つまり、上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２第２バッファ層５０３は、ＮａＧａＯ_２（Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２でのＮａ組成比ｂ＝１）からＬｉ_０．７５Ｎａ_０．２５ＧａＯ_２（Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２でのＮａ組成比ｂ＝０．２５）までの組成傾斜を有し、ｎ型ＺｎＯコンタクト層５０４との界面で格子整合している。
【０１２１】
上述したような構造を作製した後、リッジストライプに垂直なミラー端面に保護膜を真空蒸着した後、素子を３００μｍに分離した。
【０１２２】
本実施形態４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、発振閾値電流は３５ｍＡ、光出力５ｍＷでの動作電圧は４Ｖ、素子寿命（６０℃、光出力５ｍＷで連続発振させ、動作電流が初期値より２０％増大した時間で定義する）は５０００時間であった。
【０１２３】
比較例として、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２第２バッファ層５０３を形成しない他は本実施形態４と同様にしてＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製したところ、発振閾値電流は５０ｍＡに増大し、素子寿命は約８００時間に下がった。
【０１２４】
以上より、本発明のＬｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２バッファ層は、半導体レーザ素子に適用しても、発振閾値電流の低減および信頼性の向上に効果を有することがわかる。
【０１２５】
上記実施形態１〜４では、基板上に、バッファ層、ｎ型クラッド層、発光層およびｐ型クラッド層をこの順で形成していたが、バッファ層、ｐ型クラッド層、発光層およびｎ型クラッド層をこの順で形成してもよい。つまり、上記実施形態１〜４において、各層の導電型を逆にして素子を形成してもよい。
【０１２６】
また、本発明は、ダブルへテロ構造の酸化物半導体発光素子に適用してもよいし、シングルへテロ構造の酸化物半導体発光素子に適用してもよい。
【０１２７】
【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、基板と発光層との間に、Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）を含むバッファ層が形成されているので、殆ど歪を内在しないＺｎＯ系半導体エピタキシャル層を得ることが出来、極めて信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【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と、この発光ダイオードのバッファ層におけるＮａ組成比，面内格子定数のグラフとを示す図である。
【図２】図２は上記実施形態１の発光ダイオード素子の製造に使用するレーザＭＢＥ装置の概略構成図である。
【図３】図３はＺｎＯおよび絶縁体酸化物Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２の結晶構造を示す図である。
【図４】図４（ａ）はＬｉＡｌＧａＯ_２およびＬｉＡｌＧａＯ_２の酸化物に対して平均格子定数を求めた結果を示す図であり、図４（ｂ）はＬｉＮａＡｌＯ_２およびＬｉＮａＧａＯ_２の酸化物に対して平均格子定数を求めた結果を示す図である。
【図５】図５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と、この発光ダイオードのバッファ層におけるＮａ組成比，面内格子定数のグラフとを示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態３の発光ダイオード素子の模式断面図と、この発光ダイオードのバッファ層におけるＮａ組成比，面内格子定数のグラフとを示す図である。
【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】
１０１，５０１ サファイア基板
１０２ Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２バッファ層
１０５，４０５ 量子井戸発光層
３０２ バッファ層
４０１ ６Ｈ−ＳｉＣ基板
４０２ Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２バッファ層
５０７ 量子井戸活性層
５０３ Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２第２バッファ層

Claims (8)

1. 基板上に、ＺｎＯ系半導体から成る発光層が形成された酸化物半導体発光素子において、
   上記基板と上記発光層との間に形成され、Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１かつ０≦（ｘ＋ｙ）≦１）を含むバッファ層を備えたことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記バッファ層と上記発光層との間に形成され、ＺｎＯ系半導体から成る第１導電型クラッド層と、
   上記発光層上に形成され、ＺｎＯ系半導体から成る第２導電型クラッド層とを備えたことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
3. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記バッファ層が、Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２、ＬｉＡｌ_１−ｃＧａ_ｃＯ_２およびＮａＡｌ_１−ｄＧａ_ｄＯ_２（０＜ａ，ｂ，ｃ，ｄ＜１）のうちのいずれか１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
4. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２は成長方向において組成傾斜していることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
5. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記バッファ層が超格子構造を有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
6. 請求項３に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記バッファ層において上記基板とは反対側の表面は、Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２の組成を有し、
   上記Ｌｉ_１−ａＮａ_ａＡｌＯ_２のＮａ組成比ａが０．４〜０．６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。
7. 請求項３に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記バッファ層において上記基板とは反対側の表面は、Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２の組成を有し、
   上記Ｌｉ_１−ｂＮａ_ｂＧａＯ_２のＮａ組成比ｂが０．１５〜０．３５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。
8. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記バッファ層の成長方向の主面が（００１）であり、
   上記発光層バッファ層上にエピタキシャル成長されたＺｎＯ系半導体の成長主面が（０００１）であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。

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