JP2005005421A - 酸化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光の効率と発光の均一性に優れ、低電圧で動作する酸化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】このZnO半導体発光ダイオード素子10では、サファイア基板1上にi型ZnO発光層2、n型ZnO層3が順に積層され、n型ZnO層3上にn型のITO透明導電膜4が形成されている。この発光ダイオード素子10の積層構造によれば、バイアス電圧を印加しても電位障壁がキャリア注入を阻害せず、i型ZnO発光層2へ高効率にキャリアを注入できる。また、従来例のような異種半導体材料とのヘテロ接合ではなく、i型ZnO発光層2とn型ZnO層3とのZnO系半導体によるホモ接合でpn界面を形成しているので、ホール注入効率が高い。
【選択図】 図1
【解決手段】このZnO半導体発光ダイオード素子10では、サファイア基板1上にi型ZnO発光層2、n型ZnO層3が順に積層され、n型ZnO層3上にn型のITO透明導電膜4が形成されている。この発光ダイオード素子10の積層構造によれば、バイアス電圧を印加しても電位障壁がキャリア注入を阻害せず、i型ZnO発光層2へ高効率にキャリアを注入できる。また、従来例のような異種半導体材料とのヘテロ接合ではなく、i型ZnO発光層2とn型ZnO層3とのZnO系半導体によるホモ接合でpn界面を形成しているので、ホール注入効率が高い。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光の効率と均一性に優れ、低電圧で動作する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、また原材料が安価であり、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
なお、以下の記述において、ZnO系半導体とは、ZnOおよびこれを母体としたMgZnOあるいはCdZnOなどで表される混晶を含めるものとする。
【0003】
ZnO系半導体では、アクセプタドーピングによって自己補償効果が強く生じるため、p型伝導およびその導電率制御は極めて困難である。このため、現在、この材料を用いた実用的な発光素子としては、MIS構造(metal insulator semiconductor structure)の青紫色発光ダイオードが知られており、Electronics LettersVol.9.No.16.p362(1973)や、JJAP(Japanese Journal of Applied Physics )Vol.13,No.9.p1475(1974)には、ZnO基板上に酸化硅素絶縁膜および金属電極を積層した構造を用いて、室温で青紫色に相当するキャリア注入による発光を得た旨が発表されている。
【0004】
また、国際特許WO00−16411号には、n型ZnO系半導体層の上に、半絶縁性のi型ZnO系半導体層および導電層を積層する技術が開示されている。この技術によると、Liなどのp型不純物を高濃度にドープすることによって、i型ZnOを作製してMIS構造とすることにより、小さい電流で高出力な発光を得ることができる。
【0005】
一方、n型ZnO系半導体と異種のp型半導体によってpn接合を形成した発光素子についても提案されており、上記国際特許WO00−16411号や特開2002−222991号には、p型GaN系半導体を用いて、pn接合型発光素子を作製する技術が開示されている。
【0006】
【特許文献1】
国際公開第00/16411号パンフレット
【特許文献2】
特開2002−222991号公報
【特許文献3】
特許第3209233号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術の示すところに従って、半絶縁性のi型ZnO系半導体層上に透明導電層を形成しても、十分な電流広がりが得られないことがわかった。
【0008】
また、透明導電層の代りに、光透過性の高い極薄のオーミック電極を発光素子の主表面全面に形成したところ、電流広がりは改善されるが、電極金属が薄いため接触抵抗が増大し、動作電圧の上昇とこれに伴う信頼性の低下という問題が生じた。
【0009】
さらに、p型GaN半導体とn型ZnO半導体によるpn接合型発光素子においても、十分な発光強度は得られなかった。その理由として、GaNとZnOでは結晶成長条件が大きく異なるので、連続成長が不可欠なpn接合界面で良好な結晶性が得られにくいことが考えられる。また、上記pn接合界面にはバンド不連続やダングリングボンドに起因する多数の界面準位が存在し、これが発光層へのホール注入効率を大きく低下させると考えられる。
【0010】
そこで、この発明の目的は、以上の課題に鑑み、発光の効率と発光の均一性に優れ、低電圧で動作する酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、i型あるいはキャリア濃度の低いp型ZnOを用いても、高い発光効率と電流広がりの均一性を実現できる素子構造を鋭意検討した結果、i型発光層(もしくはp型発光層)/n型ZnO系半導体層/透明導電膜という順序で積層することにより目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【0012】
すなわち、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に、順に、i型またはp型の導電型を有するZnO系半導体発光層と、n型ZnO系半導体層とが、少なくとも積層され、上記n型ZnO系半導体層上にn型の透明導電膜が形成されていることを特徴とする。
【0013】
n型の縮退半導体である透明導電膜を、低抵抗化が可能なn型ZnO系半導体層上に形成することにより、バイアス電圧を印加しても電位障壁がキャリア注入を阻害せず、ZnO系半導体発光層へ高効率にキャリアを注入することができる。また、上記従来例のような異種半導体材料とのヘテロ接合ではなく、ZnO系半導体によるホモ接合でpn界面を形成しているので、ホール注入効率が高い。さらに、電流広がりを補うため極薄の透明電極を形成する必要が無く、十分低抵抗なオーミック電極を得ることができる。
【0014】
これらのことにより、本発明によれば、発光が高効率、かつ、発光が均一で動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を実現できる。なお、i型とは、通常は、真性半導体を指すが、ここでは真性半導体と同程度のキャリア濃度あるいは抵抗率を有する半導体と定義する。
【0015】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ZnO系(酸化亜鉛系)半導体発光層は上記n型ZnO系半導体層と接しており、上記n型ZnO系半導体層のバンドギャップは、上記ZnO系半導体発光層のバンドギャップよりも大きい。
【0016】
この実施形態では、n型ZnO系半導体層は、ZnO系半導体発光層と接する領域でバンドギャップが大きいことにより、クラッド層として機能する。この場合、いわゆるシングルヘテロ構造となり、上記ZnO系半導体発光層への高効率なキャリア閉じ込めを容易に実現でき、高輝度な発光素子を実現できる。なお、n型ZnO系半導体層は、複数の層より成る積層構造であってもよい。
【0017】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板と上記ZnO系半導体発光層の間に、p型半導体層が形成されている。
【0018】
この実施形態では、ZnO系半導体発光層に接して、p型半導体層を設けることにより、ZnO系半導体発光層へのホール注入効率を飛躍的に向上できる。
【0019】
上記p型半導体層としては、低抵抗なp型半導体層、例えば、GaNなどのIII族窒化物半導体やCdTeなどのII−VI族化合物半導体を用いることができる。
【0020】
この構造では、発光に寄与するpn界面はZnO系半導体のみで構成されているから、バンド不連続や界面準位が存在しない。一方、ZnO系半導体発光層は、上記pn界面とは反対側で、p型半導体層に接しており、このp型半導体層は、ZnO系半導体発光層へのホール注入にのみ寄与する。したがって、発光効率を損なうこと無く、ホールを高効率に注入することが可能となる。
【0021】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板と上記ZnO系半導体発光層の間に形成された上記p型半導体層のバンドギャップは、上記ZnO系半導体発光層のバンドギャップよりも大きい。
【0022】
この実施形態では、上記p型半導体層のバンドギャップが上記ZnO系半導体発光層のバンドギャップよりも大きいから、上記p型半導体層がクラッド層として機能する。これにより、シングルヘテロ構造あるいはダブルヘテロ構造の発光素子を実現できる。したがって、さらに高効率なキャリア閉じ込めを実現できる。
【0023】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板が絶縁体基板であり、上記ZnO系半導体発光層の一部が露出部を有し、上記露出部上に電極が形成されている。
【0024】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板が絶縁体基板であり、上記p型半導体層の一部が露出部を有し、上記露出部上に電極が形成されている。
【0025】
上記実施形態では、上記基板を、サファイア、スピネル(尖晶石)、LiGaO2あるいはNaAlO2などの絶縁体基板とした。これにより、光透過性に優れ、高い発光効率を有する酸化物半導体発光素子を低コストで実現できる。また、上記露出部上に電極が形成されている所定の構造によれば、絶縁性基板を採用しても、電極を容易に形成でき、動作電圧の上昇を防ぐことができる。
【0026】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板がn型の導電性基板であり、上記n型の透明導電膜が上記n型の導電性基板と電気的に接続されている。
【0027】
この実施形態では、上記基板がn型の導電性基板であり、このn型の導電性基板とn型の透明導電膜とが電気的に接続されていることにより、上記n型の導電性基板の裏面からn型の電極を取り出すことができる。さらに、この実施形態の構造によれば、ZnO系半導体発光層とn型の導電性基板との接合面、および、ZnO系半導体発光層とn型ZnO系半導体層との接合面の両接合面を発光領域とすることができ、発光効率が飛躍的に向上する。
【0028】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記n型の導電性基板がZnO基板である。
【0029】
この実施形態では、上記n型の導電性基板がZnO基板である。このZnO基板は、ZnO系半導体エピタキシャル層との親和性に最も優れ、極めて結晶性の高い高効率な発光素子を実現できる。
【0030】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ZnO系半導体発光層が量子井戸構造である。
【0031】
この実施形態では、上記ZnO系半導体発光層が量子井戸構造である。この量子井戸発光層は、発光効率が高くキャリア閉じ込めに優れるので、高輝度な発光素子を実現できる。
【0032】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記n型の透明導電膜が、InあるいはSnの少なくともいずれかを含む縮退半導体である。
【0033】
この実施形態では、上記n型の透明導電膜が、例えばITO(酸化インジウム・スズ)などの透明導電膜であり、縮退したn型半導体であるので、低抵抗でn型ZnO系半導体層との親和性に優れ、十分な電流広がりを確保できる。これにより、動作電圧が低く光取り出し効率の高い発光素子を実現できる。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態に基いて詳細に説明する。
【0035】
(第1の実施形態)
図1は、この発明の第1実施形態であるZnO発光ダイオード素子10の構造断面図である。
【0036】
この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10は、c面(0001)を主面とするサファイア基板1上に、Nを1×1019cm− 3でドープして半絶縁化した厚さ50nmのi型ZnO発光層2と、Gaを3×1018cm− 3でドープした厚さ500nmのn型ZnO層3と、厚さ1μmのITO透明導電膜4が順に積層されている。上記n型ZnO層3がn型ZnO系半導体層であり、上記ITO透明導電膜4はn型の透明導電膜である。また、上記i型ZnO発光層2は、ZnO系半導体発光層である。
【0037】
上記n型ZnO層3およびITO透明導電膜4は、一部がエッチングされ、露出したi型ZnO発光層2の露出部2Aの上面2A−1上には、p型オーミック電極5として厚さ50nmのNiが積層され、このp型オーミック電極5上にはパッド電極6として厚さ1μmのAuが積層されている。
【0038】
一方、上記ITO透明導電膜4上には、n型電極7として厚さ1μmのAlが、ITO透明導電膜4の上面4Aよりも小さい面積で形成されている。
【0039】
この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10は、サファイア基板1,i型ZnO発光層2,n型ZnO層3,ITO透明導電膜4という積層順序で形成した酸化物半導体発光素子である。
【0040】
この第1実施形態の酸化物半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー(MBE)法、レーザ分子線エピタキシー(レーザMBE)法、有機金属気相成長(MOCVD)法などの結晶成長手法で作製することができる。
【0041】
この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10は、結晶成長をレーザ分子線エピタキシー(MBE)法で行った。レーザMBE法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、またZnGa2O4などの意図しない副生成物の生成を抑えることができるので特に好ましい。
【0042】
また、この第1実施形態では、ITO透明導電膜4およびn型電極7,p型電極5はスパッタリングによって形成したが、他に、真空蒸着、電子ビーム蒸着、レーザアブレーションなどの手法によっても同様に形成できる。
【0043】
上述のごとく作製した半導体積層体をチップ状に分離して、この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10とした。このZnO発光ダイオード素子10のパッド電極6およびn型電極7を、リードフレーム(図示しない)にボンディングした後、樹脂でモールドした。このZnO発光ダイオード素子10に電流を流したところ、4.0Vの駆動電圧で20mAの電流が流れ、発光ピーク波長380nmの紫外発光が得られた。
【0044】
一方、この第1実施形態に対する比較例として、i型ZnO発光層2とn型ZnO層3の積層順を、この第1実施形態とは逆にして、n型ZnO層3の一部を露出させてAl電極を形成した他は、この第1実施形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。この比較例をリードフレームに実装して発光させたところ、20mAの動作電流を得るための駆動電圧は15Vに達し、発光強度はこの第1実施形態の10%程度であった。
【0045】
上記のような結果が得られた理由は、以下のように考えられる。
【0046】
図2(A)および図2(B)に、この第1実施形態における無バイアス時および順バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示し、図3(A)および図3(B)に、上記比較例における無バイアスおよび順方向バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示す。
【0047】
図2(A)に示すように、ITO透明導電膜4をなすITOは、室温でバンドギャップが3.75eVの縮退したn型半導体であり、i型ZnO発光層2をなすZnO(酸化亜鉛)は室温でバンドギャップ3.37eVの半導体である。このZnOは、不純物ドーピングによってn型伝導を示す場合(n−ZnO)には、フェルミ準位Efは伝導帯下端Ecから数10meVの浅い準位に位置し、半絶縁性の場合(i−ZnO)にはフェルミ準位Efはほぼミッドギャップに位置する。
【0048】
この第1実施形態のi型ZnO発光層2/n型ZnO層3/ITO透明導電膜4の積層構造に、順方向バイアス電圧(i型ZnO発光層2側が正、ITO透明導電膜4側が負である)を印加すると、図2(B)に示すように、i型ZnO発光層2とn型ZnO層3の間の電位障壁が下がり、ITO透明導電膜4から注入された電子はi型ZnO発光層2の正孔と結合することができる。
【0049】
ところが、上記比較例のような、n型ZnO層3/i型ZnO発光層2/ITO透明導電膜4の積層構造では、バンドラインナップはnpn接合と同様になるため、図3(A)に示すように、i型ZnO発光層2の両接合面に電位障壁が存在する。すなわち、図3(B)に順方向バイアスを印加した一例を示す如く、バイアス電圧をいずれの方向に印加しても、i型ZnO発光層2の片側の電位障壁は更に高くなって、キャリアの注入拡散が阻害されてしまう。このことにより、上記比較例の発光ダイオード素子は、本実施形態に比べて動作電圧が高くなり、発光強度が低くなったと考えられる。
【0050】
以上に示したように、この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10によれば、発光層をi型ZnO発光層2とした構造によって、高い発光効率と電流広がりの均一性を実現できる。
【0051】
なお、この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10では、発光層を、半絶縁化したi型ZnO発光層2としたが、発光層としてキャリア濃度の低いp型ZnOを用いてもよい。この低いキャリア濃度とは、一例として、1×1017cm−3程度である。
p型ZnOは自己補償効果のために低抵抗化が難しく、十分な電流広がりが得られにくいが、p型ZnO発光層2上にn型ZnO層3を積層するという積層構造と、この積層構造上にITO透明導電膜4を形成した構成にすれば、光取り出し効率を大幅に向上できる。
【0052】
また、ZnO発光層2をi型化あるいはp型化するのにドーピングするアクセプタ不純物としては、I族元素のLi、Cu、AgやV族元素のN、As、Pなどを用いることができる。特に、Nは、N2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。
【0053】
なお、上記実施形態では、i型ZnO発光層2の層厚を50nmとしたが、このi型ZnO発光層2の層厚が10nmよりも薄いとキャリアオーバーフローや非発光再結合が増大する。また、i型ZnO発光層2の層厚が、1μmを超えると発光強度が飽和し、動作電圧が上昇するので、ZnO発光層2の層厚は10nm〜1μmの範囲内に設定することが好ましい。
【0054】
また、n型ZnO層3にドーピングするドナー不純物としては、III族元素のB、Al、Ga、Inなどを用いることができるが、ZnO系半導体中での活性化率が高いGaまたはAlが好ましい。
【0055】
また、この第1実施形態では、基板としてサファイア基板1を備えたが、基板の材料としては、それ以外にも、スピネルやLiGaO2、NaAlO2などの絶縁性基板を用いてもよい。また、上記基板として異種基板を用いる場合は、結晶性の良好な成長層を得るためにバッファ層を形成してもよい。
【0056】
また、i型(あるいはp型)ZnO層2上に形成するp型オーミック電極5の材料としては、Ni、Pt、Pd、Auなどを用いることができるが、中でも低抵抗で密着性の良いNiが好ましい。さらには、上記p型オーミック電極5を、上記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【0057】
また、良好なオーミック特性を有するp型オーミック電極5の電極厚みとしては、5〜200nmの範囲が好ましく、30〜100nmの範囲が更に好ましい。
【0058】
このp型オーミック電極5を形成した後にアニール処理を行うと、i型(あるいはp型)ZnO発光層2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。このZnO発光層2のZnO結晶に欠陥を生じずにアニール効果を得るには、温度は300〜400℃が好ましい。また、このアニール処理における雰囲気は、O2あるいは大気雰囲気中が好ましく、上記アニール処理の雰囲気をN2にした場合、上記接触抵抗は逆に増大する。
【0059】
また、p型オーミック電極5上に形成するパッド電極6の材料としてはボンディングが容易でi型(あるいはp型)ZnO発光層2中へ拡散してもドナー不純物とならないAuが好ましい。なお、p型オーミック電極5とパッド電極6との間の密着性を向上させる目的や光反射性を向上させる目的で、p型オーミック電極5とパッド電極6の間に別の金属層を介在させてもよい。
【0060】
また、ITO透明導電膜4上に形成するn型電極7としては、低抵抗かつ形状加工性に優れ、安価なAlあるいはAuを含んだ合金が好ましい。
【0061】
なお、この第1実施形態では、Alで作製したn型電極7の厚さを1μmとして厚く形成したので、n型電極7にパッド電極は設けなかったが、n型電極が1μmより薄い場合などはワイヤボンディングを容易に行うためにパッド電極を設けることが好ましい。
【0062】
但し、Alで作製したn型電極7に対して、Auを含む金属をパッド電極として用いると、AlとAuが合金化し、接触抵抗の増大に加えて電極の機械強度が著しく低下するので好ましくない。したがって、Auを含む金属をパッド電極として用いる場合には、Ti、CrやTaなどでn型電極を作製することが好ましい。
【0063】
また、この第1実施形態では、n型の透明導電膜を、ITOで作製したITO透明導電膜4としたが、n型の透明導電膜としては、酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)およびこれらの複合物で作製したものを用いてもよい。さらに、上記n型の透明導電膜の材料としては、ZnOとIn2O3の複合物であるZnXIn2OX+3(xは整数)などを用いてもよい。なお、その他の構成は任意であり、この第1実施形態によって限定されるものではない。
【0064】
(第2の実施形態)
次に、図4に、この発明の酸化物半導体発光素子の第2実施形態であるZnO発光ダイオード素子20を示す。図4は、この第2実施形態のZnO発光ダイオード素子20の構造断面図である。
【0065】
この第2実施形態のZnO発光ダイオード素子20は、i型ZnO発光層2とn型ZnO層3の間に、Gaを5×1018cm−3でドープした厚さ500nmのn型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8を形成した他は、第1実施形態と同様にして発光ダイオード素子20を作製した。このn型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8は、n型ZnO層3およびITO透明導電膜4と同様に、一部がエッチングされて、i型ZnO発光層2の上面2Aが露出している。尚、図4において、第1実施形態と同様の構成要素については同じ符号を用いている。
【0066】
この第2実施形態のZnO発光ダイオード素子20を、第1実施形態と同様にリードフレームに実装して発光させたところ、4.0Vの駆動電圧で20mAの電流が流れ、発光ピーク波長380nmの紫外発光が得られた。また、この第2実施形態では、n型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8を形成したことによって、シングルヘテロ構造となり、i型ZnO発光層2へのキャリア閉じ込め効率が向上したため、第1実施形態に比べて、発光強度が50%向上した。
【0067】
(第3の実施形態)
次に、図5に、この発明の第3実施形態を示す。図5は、この第3実施形態のZnO発光ダイオード素子30の構造断面図である。この第3実施形態は、以下に述べる構成が前述の第2実施形態と異なる。
【0068】
この第3実施形態のZnO発光ダイオード素子30は、基板として、第2実施形態のサファイア基板1に替えて、NaAlO2基板31を採用した。また、このNaAlO2基板31をなすNaAlO2の(100)面の上に、Mgを1×1019cm−3でドープした厚さ500nmのp型GaN層39を形成した。
【0069】
また、この第3実施形態では、ZnO系半導体発光層として、第2実施形態のi型ZnO発光層2に替えて、量子井戸発光層32を備えた。この量子井戸発光層32は、厚さ5nmのi型ZnO障壁層と、厚さ5nmのi型Cd0 . 05Zn0 . 95O井戸層とが交互に積層された構造を有し、11層のi型ZnO障壁層と10層のi型Cd0 . 05Zn0 . 95O井戸層を有する量子井戸構造を有する。
【0070】
この量子井戸発光層32は、n型ZnO層3,ITO透明導電膜4およびn型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8と同様に、一部がエッチングされて、p型GaN層39の露出部39Aの上面39A−1が露出している。また、この第3実施形態では、p型オーミック電極5をp型GaN層39の露出した上面39A上に形成した。その他は、第2実施形態と同様にして、第3実施形態の発光ダイオード素子30を作製した。なお、図5において、第2実施形態と同様の構成要素については同じ符号を用いている。
【0071】
この第3実施形態のZnO発光ダイオード素子30を、第2実施形態と同様にリードフレームに実装して発光させたところ、4.0Vの駆動電圧で20mAの電流が流れ、発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。また、この第3実施形態では、第2実施形態に比べて発光強度が2倍となった。
【0072】
このように、第3実施形態の発光強度が、第2実施形態の発光強度から200%増加するという発光強度向上の要因としては、基板としてGaNとの格子不整合が極めて小さいNaAlO2基板31を採用して、非発光中心となる結晶欠陥を低減した効果が40%だけ寄与していた。また、発光層として、量子効率とキャリア閉じ込め効果の高い量子井戸構造の量子井戸発光層32を採用した効果が100%だけ寄与し、p型GaN層39を形成して発光層への正孔キャリアの注入効率を向上させた効果が60%だけ寄与していた。
【0073】
(第4の実施形態)
次に、図6に、この発明の第4実施形態を示す。図6は、この第4実施形態のZnO発光ダイオード素子40の構造断面図である。この第4実施形態は、以下に述べる構成が前述の第3実施形態と異なる。
【0074】
この第4実施形態のZnO発光ダイオード素子40は、正孔キャリアの注入効率を向上させるために形成したp型GaN層39に替えて、p型Al0 . 05Ga0 . 95N層49を備えた点だけが、前述の第3実施形態のZnO発光ダイオード素子30を作製した。したがって、図6に示すように、p型Al0 . 05Ga0 . 95N層49の露出層49Aの露出面49A−1にP型オーミック電極5,パッド電極6が積層されている。
【0075】
この第4実施形態のZnO発光ダイオード素子40を、第3実施形態と同様にリードフレームに実装して発光させたところ、4.0Vの駆動電圧で20mAの電流が流れ、発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。
【0076】
また、この第4実施形態では、p型Al0 . 05Ga0 . 95N層49がクラッド層として働いたことによって、ダブルヘテロ構造となり、量子井戸発光層32へのキャリア閉じ込め効率が更に向上した。したがって、この第4実施形態では、第3実施形態に比べて、発光強度が50%向上した。
【0077】
(第5実施形態)
次に、図7に、この発明の第5実施形態のZnO発光ダイオード素子50を示す。図7は、このZnO発光ダイオード素子50の構造断面図である。この第5実施形態は、以下に述べる点が前述の第3実施形態と異なる。
【0078】
この第5実施形態のZnO発光ダイオード素子50は、基板として、前述の第3実施形態のNaAlO2基板31に替えて、n型ZnO基板51を備え、このn型ZnO基板51の亜鉛面(0001)の上に、上記p型GaN層39を形成した。
【0079】
また、図7に示すように、この第5実施形態では、p型GaN層39,量子井戸発光層32,n型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8およびn型ZnO層3が、一部エッチングされて、上記n型ZnO基板51の亜鉛面(0001)が上面51Aとして露出している。
【0080】
そして、この第5実施形態では、n型ZnO層3に形成されたITO透明導電膜54は、n型ZnO層3,n型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8,量子井戸発光層32,p型GaN層39の側面に沿って延在し、n型ZnO基板51の露出した上面51Aの上に達する延在部54Aを有する。このITO透明導電膜54は、上記延在部54Aによって、n型ZnO基板51に短絡されている。
【0081】
さらに、この第5実施形態では、n型電極57を、n型ZnO基板51の裏面に形成した。上述の他は、第3実施形態と同様にして、この第5実施形態の発光ダイオード素子50を作製した。尚、図7において、第3実施形態と同様の構成要素については、図5と同じ符号を用いている。
【0082】
チップ状に分離した第5実施形態のZnO発光ダイオード素子50を、n型電極57をAgペーストでリードフレーム(図示せず)の一方の部分に取り付け、パッド電極6を上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。このZnO発光ダイオード素子50に電流を流したところ、3.8Vの駆動電圧で20mAの電流が流れ、発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。この第5実施形態では、駆動電圧が第4実施形態に比べて低減したのは、n型電極57の面積が第4実施形態に比べて増大し接触抵抗が低減したためと考えられる。
【0083】
また、この第5実施形態のZnO発光ダイオード素子50は、基板として、n型ZnO基板51を備えたので、エピタキシャル層の結晶性が更に向上すると共に、量子井戸発光層32の両側の接合面P1,P2で発光するので、発光効率が大幅に向上し、発光強度は第4実施形態に比べ2倍に向上した。
【0084】
また、この第5実施形態では、ITO透明導電膜54をエピタキシャル層EPをなすn型ZnO層3,n型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8,量子井戸発光層32,p型GaN層39の側面に沿って、n型ZnO基板51に短絡するよう形成した。この構造において、このITO透明導電膜54が、最も広く接しているのは、n型ZnO層3およびn型ZnO基板51であるので、他の層(クラッド層8,量子井戸発光層32,p型GaN層39)へのリーク電流は殆んど流れない。なお、ITO透明導電膜54の延在部54Aに替えて、ITO透明導電膜4とn型ZnO基板51とをワイヤボンディングなどで直接接続しても勿論よい。
【0085】
尚、上記第1〜第5の実施形態では、この発明の酸化物半導体発光素子が発光ダイオード素子である例を説明したが、この発明は発光ダイオード素子のみならず、端面発光型および面発光型の半導体レーザ素子にも適用できることは言うまでもない。
【0086】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の酸化物半導体発光素子では、基板上にi型またはp型の導電型を有するZnO系半導体発光層と、n型ZnO系半導体層がこの順に積層され、上記n型ZnO系半導体層上にn型の透明導電膜が形成されているので、均一な電流広がりを確保できると共に、ホール注入効率を向上することができ、発光が高効率かつ均一で動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施形態であるZnO発光ダイオード素子10の構造断面図である。
【図2】図2(A)は上記第1実施形態における無バイアス時のバンドラインナップを示す図であり、図2(B)は上記第1実施形態における順バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示す図である。
【図3】図3(A)は上記第1実施形態の比較例における無バイアス時のバンドラインナップを示す図であり、図3(B)は上記比較例における順方向バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示す図である。
【図4】図4は、この発明の第2実施形態のZnO発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図5】図5は、この発明の第3実施形態のZnO発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図6】図6は、この発明の第4実施形態のZnO発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図7】図7は、この発明の第5実施形態のZnO発光ダイオード素子の構造断面図である。
【符号の説明】
1 サファイア基板
2 i型ZnO発光層
3 n型ZnO層
4,54 ITO透明導電膜
5 p型オーミック電極
6 パッド電極
7 n型電極
8 n型MgZnOクラッド層
9,39 p型GaN層
10、20、30、40 ZnO発光ダイオード素子
31 NaAlO2基板
32 量子井戸発光層
49 p型Al0 . 05Ga0 . 95N層
51 n型ZnO基板
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光の効率と均一性に優れ、低電圧で動作する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、また原材料が安価であり、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
なお、以下の記述において、ZnO系半導体とは、ZnOおよびこれを母体としたMgZnOあるいはCdZnOなどで表される混晶を含めるものとする。
【0003】
ZnO系半導体では、アクセプタドーピングによって自己補償効果が強く生じるため、p型伝導およびその導電率制御は極めて困難である。このため、現在、この材料を用いた実用的な発光素子としては、MIS構造(metal insulator semiconductor structure)の青紫色発光ダイオードが知られており、Electronics LettersVol.9.No.16.p362(1973)や、JJAP(Japanese Journal of Applied Physics )Vol.13,No.9.p1475(1974)には、ZnO基板上に酸化硅素絶縁膜および金属電極を積層した構造を用いて、室温で青紫色に相当するキャリア注入による発光を得た旨が発表されている。
【0004】
また、国際特許WO00−16411号には、n型ZnO系半導体層の上に、半絶縁性のi型ZnO系半導体層および導電層を積層する技術が開示されている。この技術によると、Liなどのp型不純物を高濃度にドープすることによって、i型ZnOを作製してMIS構造とすることにより、小さい電流で高出力な発光を得ることができる。
【0005】
一方、n型ZnO系半導体と異種のp型半導体によってpn接合を形成した発光素子についても提案されており、上記国際特許WO00−16411号や特開2002−222991号には、p型GaN系半導体を用いて、pn接合型発光素子を作製する技術が開示されている。
【0006】
【特許文献1】
国際公開第00/16411号パンフレット
【特許文献2】
特開2002−222991号公報
【特許文献3】
特許第3209233号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術の示すところに従って、半絶縁性のi型ZnO系半導体層上に透明導電層を形成しても、十分な電流広がりが得られないことがわかった。
【0008】
また、透明導電層の代りに、光透過性の高い極薄のオーミック電極を発光素子の主表面全面に形成したところ、電流広がりは改善されるが、電極金属が薄いため接触抵抗が増大し、動作電圧の上昇とこれに伴う信頼性の低下という問題が生じた。
【0009】
さらに、p型GaN半導体とn型ZnO半導体によるpn接合型発光素子においても、十分な発光強度は得られなかった。その理由として、GaNとZnOでは結晶成長条件が大きく異なるので、連続成長が不可欠なpn接合界面で良好な結晶性が得られにくいことが考えられる。また、上記pn接合界面にはバンド不連続やダングリングボンドに起因する多数の界面準位が存在し、これが発光層へのホール注入効率を大きく低下させると考えられる。
【0010】
そこで、この発明の目的は、以上の課題に鑑み、発光の効率と発光の均一性に優れ、低電圧で動作する酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、i型あるいはキャリア濃度の低いp型ZnOを用いても、高い発光効率と電流広がりの均一性を実現できる素子構造を鋭意検討した結果、i型発光層(もしくはp型発光層)/n型ZnO系半導体層/透明導電膜という順序で積層することにより目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【0012】
すなわち、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に、順に、i型またはp型の導電型を有するZnO系半導体発光層と、n型ZnO系半導体層とが、少なくとも積層され、上記n型ZnO系半導体層上にn型の透明導電膜が形成されていることを特徴とする。
【0013】
n型の縮退半導体である透明導電膜を、低抵抗化が可能なn型ZnO系半導体層上に形成することにより、バイアス電圧を印加しても電位障壁がキャリア注入を阻害せず、ZnO系半導体発光層へ高効率にキャリアを注入することができる。また、上記従来例のような異種半導体材料とのヘテロ接合ではなく、ZnO系半導体によるホモ接合でpn界面を形成しているので、ホール注入効率が高い。さらに、電流広がりを補うため極薄の透明電極を形成する必要が無く、十分低抵抗なオーミック電極を得ることができる。
【0014】
これらのことにより、本発明によれば、発光が高効率、かつ、発光が均一で動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を実現できる。なお、i型とは、通常は、真性半導体を指すが、ここでは真性半導体と同程度のキャリア濃度あるいは抵抗率を有する半導体と定義する。
【0015】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ZnO系(酸化亜鉛系)半導体発光層は上記n型ZnO系半導体層と接しており、上記n型ZnO系半導体層のバンドギャップは、上記ZnO系半導体発光層のバンドギャップよりも大きい。
【0016】
この実施形態では、n型ZnO系半導体層は、ZnO系半導体発光層と接する領域でバンドギャップが大きいことにより、クラッド層として機能する。この場合、いわゆるシングルヘテロ構造となり、上記ZnO系半導体発光層への高効率なキャリア閉じ込めを容易に実現でき、高輝度な発光素子を実現できる。なお、n型ZnO系半導体層は、複数の層より成る積層構造であってもよい。
【0017】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板と上記ZnO系半導体発光層の間に、p型半導体層が形成されている。
【0018】
この実施形態では、ZnO系半導体発光層に接して、p型半導体層を設けることにより、ZnO系半導体発光層へのホール注入効率を飛躍的に向上できる。
【0019】
上記p型半導体層としては、低抵抗なp型半導体層、例えば、GaNなどのIII族窒化物半導体やCdTeなどのII−VI族化合物半導体を用いることができる。
【0020】
この構造では、発光に寄与するpn界面はZnO系半導体のみで構成されているから、バンド不連続や界面準位が存在しない。一方、ZnO系半導体発光層は、上記pn界面とは反対側で、p型半導体層に接しており、このp型半導体層は、ZnO系半導体発光層へのホール注入にのみ寄与する。したがって、発光効率を損なうこと無く、ホールを高効率に注入することが可能となる。
【0021】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板と上記ZnO系半導体発光層の間に形成された上記p型半導体層のバンドギャップは、上記ZnO系半導体発光層のバンドギャップよりも大きい。
【0022】
この実施形態では、上記p型半導体層のバンドギャップが上記ZnO系半導体発光層のバンドギャップよりも大きいから、上記p型半導体層がクラッド層として機能する。これにより、シングルヘテロ構造あるいはダブルヘテロ構造の発光素子を実現できる。したがって、さらに高効率なキャリア閉じ込めを実現できる。
【0023】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板が絶縁体基板であり、上記ZnO系半導体発光層の一部が露出部を有し、上記露出部上に電極が形成されている。
【0024】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板が絶縁体基板であり、上記p型半導体層の一部が露出部を有し、上記露出部上に電極が形成されている。
【0025】
上記実施形態では、上記基板を、サファイア、スピネル(尖晶石)、LiGaO2あるいはNaAlO2などの絶縁体基板とした。これにより、光透過性に優れ、高い発光効率を有する酸化物半導体発光素子を低コストで実現できる。また、上記露出部上に電極が形成されている所定の構造によれば、絶縁性基板を採用しても、電極を容易に形成でき、動作電圧の上昇を防ぐことができる。
【0026】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板がn型の導電性基板であり、上記n型の透明導電膜が上記n型の導電性基板と電気的に接続されている。
【0027】
この実施形態では、上記基板がn型の導電性基板であり、このn型の導電性基板とn型の透明導電膜とが電気的に接続されていることにより、上記n型の導電性基板の裏面からn型の電極を取り出すことができる。さらに、この実施形態の構造によれば、ZnO系半導体発光層とn型の導電性基板との接合面、および、ZnO系半導体発光層とn型ZnO系半導体層との接合面の両接合面を発光領域とすることができ、発光効率が飛躍的に向上する。
【0028】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記n型の導電性基板がZnO基板である。
【0029】
この実施形態では、上記n型の導電性基板がZnO基板である。このZnO基板は、ZnO系半導体エピタキシャル層との親和性に最も優れ、極めて結晶性の高い高効率な発光素子を実現できる。
【0030】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ZnO系半導体発光層が量子井戸構造である。
【0031】
この実施形態では、上記ZnO系半導体発光層が量子井戸構造である。この量子井戸発光層は、発光効率が高くキャリア閉じ込めに優れるので、高輝度な発光素子を実現できる。
【0032】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記n型の透明導電膜が、InあるいはSnの少なくともいずれかを含む縮退半導体である。
【0033】
この実施形態では、上記n型の透明導電膜が、例えばITO(酸化インジウム・スズ)などの透明導電膜であり、縮退したn型半導体であるので、低抵抗でn型ZnO系半導体層との親和性に優れ、十分な電流広がりを確保できる。これにより、動作電圧が低く光取り出し効率の高い発光素子を実現できる。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態に基いて詳細に説明する。
【0035】
(第1の実施形態)
図1は、この発明の第1実施形態であるZnO発光ダイオード素子10の構造断面図である。
【0036】
この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10は、c面(0001)を主面とするサファイア基板1上に、Nを1×1019cm− 3でドープして半絶縁化した厚さ50nmのi型ZnO発光層2と、Gaを3×1018cm− 3でドープした厚さ500nmのn型ZnO層3と、厚さ1μmのITO透明導電膜4が順に積層されている。上記n型ZnO層3がn型ZnO系半導体層であり、上記ITO透明導電膜4はn型の透明導電膜である。また、上記i型ZnO発光層2は、ZnO系半導体発光層である。
【0037】
上記n型ZnO層3およびITO透明導電膜4は、一部がエッチングされ、露出したi型ZnO発光層2の露出部2Aの上面2A−1上には、p型オーミック電極5として厚さ50nmのNiが積層され、このp型オーミック電極5上にはパッド電極6として厚さ1μmのAuが積層されている。
【0038】
一方、上記ITO透明導電膜4上には、n型電極7として厚さ1μmのAlが、ITO透明導電膜4の上面4Aよりも小さい面積で形成されている。
【0039】
この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10は、サファイア基板1,i型ZnO発光層2,n型ZnO層3,ITO透明導電膜4という積層順序で形成した酸化物半導体発光素子である。
【0040】
この第1実施形態の酸化物半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー(MBE)法、レーザ分子線エピタキシー(レーザMBE)法、有機金属気相成長(MOCVD)法などの結晶成長手法で作製することができる。
【0041】
この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10は、結晶成長をレーザ分子線エピタキシー(MBE)法で行った。レーザMBE法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、またZnGa2O4などの意図しない副生成物の生成を抑えることができるので特に好ましい。
【0042】
また、この第1実施形態では、ITO透明導電膜4およびn型電極7,p型電極5はスパッタリングによって形成したが、他に、真空蒸着、電子ビーム蒸着、レーザアブレーションなどの手法によっても同様に形成できる。
【0043】
上述のごとく作製した半導体積層体をチップ状に分離して、この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10とした。このZnO発光ダイオード素子10のパッド電極6およびn型電極7を、リードフレーム(図示しない)にボンディングした後、樹脂でモールドした。このZnO発光ダイオード素子10に電流を流したところ、4.0Vの駆動電圧で20mAの電流が流れ、発光ピーク波長380nmの紫外発光が得られた。
【0044】
一方、この第1実施形態に対する比較例として、i型ZnO発光層2とn型ZnO層3の積層順を、この第1実施形態とは逆にして、n型ZnO層3の一部を露出させてAl電極を形成した他は、この第1実施形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。この比較例をリードフレームに実装して発光させたところ、20mAの動作電流を得るための駆動電圧は15Vに達し、発光強度はこの第1実施形態の10%程度であった。
【0045】
上記のような結果が得られた理由は、以下のように考えられる。
【0046】
図2(A)および図2(B)に、この第1実施形態における無バイアス時および順バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示し、図3(A)および図3(B)に、上記比較例における無バイアスおよび順方向バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示す。
【0047】
図2(A)に示すように、ITO透明導電膜4をなすITOは、室温でバンドギャップが3.75eVの縮退したn型半導体であり、i型ZnO発光層2をなすZnO(酸化亜鉛)は室温でバンドギャップ3.37eVの半導体である。このZnOは、不純物ドーピングによってn型伝導を示す場合(n−ZnO)には、フェルミ準位Efは伝導帯下端Ecから数10meVの浅い準位に位置し、半絶縁性の場合(i−ZnO)にはフェルミ準位Efはほぼミッドギャップに位置する。
【0048】
この第1実施形態のi型ZnO発光層2/n型ZnO層3/ITO透明導電膜4の積層構造に、順方向バイアス電圧(i型ZnO発光層2側が正、ITO透明導電膜4側が負である)を印加すると、図2(B)に示すように、i型ZnO発光層2とn型ZnO層3の間の電位障壁が下がり、ITO透明導電膜4から注入された電子はi型ZnO発光層2の正孔と結合することができる。
【0049】
ところが、上記比較例のような、n型ZnO層3/i型ZnO発光層2/ITO透明導電膜4の積層構造では、バンドラインナップはnpn接合と同様になるため、図3(A)に示すように、i型ZnO発光層2の両接合面に電位障壁が存在する。すなわち、図3(B)に順方向バイアスを印加した一例を示す如く、バイアス電圧をいずれの方向に印加しても、i型ZnO発光層2の片側の電位障壁は更に高くなって、キャリアの注入拡散が阻害されてしまう。このことにより、上記比較例の発光ダイオード素子は、本実施形態に比べて動作電圧が高くなり、発光強度が低くなったと考えられる。
【0050】
以上に示したように、この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10によれば、発光層をi型ZnO発光層2とした構造によって、高い発光効率と電流広がりの均一性を実現できる。
【0051】
なお、この第1実施形態のZnO発光ダイオード素子10では、発光層を、半絶縁化したi型ZnO発光層2としたが、発光層としてキャリア濃度の低いp型ZnOを用いてもよい。この低いキャリア濃度とは、一例として、1×1017cm−3程度である。
p型ZnOは自己補償効果のために低抵抗化が難しく、十分な電流広がりが得られにくいが、p型ZnO発光層2上にn型ZnO層3を積層するという積層構造と、この積層構造上にITO透明導電膜4を形成した構成にすれば、光取り出し効率を大幅に向上できる。
【0052】
また、ZnO発光層2をi型化あるいはp型化するのにドーピングするアクセプタ不純物としては、I族元素のLi、Cu、AgやV族元素のN、As、Pなどを用いることができる。特に、Nは、N2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。
【0053】
なお、上記実施形態では、i型ZnO発光層2の層厚を50nmとしたが、このi型ZnO発光層2の層厚が10nmよりも薄いとキャリアオーバーフローや非発光再結合が増大する。また、i型ZnO発光層2の層厚が、1μmを超えると発光強度が飽和し、動作電圧が上昇するので、ZnO発光層2の層厚は10nm〜1μmの範囲内に設定することが好ましい。
【0054】
また、n型ZnO層3にドーピングするドナー不純物としては、III族元素のB、Al、Ga、Inなどを用いることができるが、ZnO系半導体中での活性化率が高いGaまたはAlが好ましい。
【0055】
また、この第1実施形態では、基板としてサファイア基板1を備えたが、基板の材料としては、それ以外にも、スピネルやLiGaO2、NaAlO2などの絶縁性基板を用いてもよい。また、上記基板として異種基板を用いる場合は、結晶性の良好な成長層を得るためにバッファ層を形成してもよい。
【0056】
また、i型(あるいはp型)ZnO層2上に形成するp型オーミック電極5の材料としては、Ni、Pt、Pd、Auなどを用いることができるが、中でも低抵抗で密着性の良いNiが好ましい。さらには、上記p型オーミック電極5を、上記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【0057】
また、良好なオーミック特性を有するp型オーミック電極5の電極厚みとしては、5〜200nmの範囲が好ましく、30〜100nmの範囲が更に好ましい。
【0058】
このp型オーミック電極5を形成した後にアニール処理を行うと、i型(あるいはp型)ZnO発光層2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。このZnO発光層2のZnO結晶に欠陥を生じずにアニール効果を得るには、温度は300〜400℃が好ましい。また、このアニール処理における雰囲気は、O2あるいは大気雰囲気中が好ましく、上記アニール処理の雰囲気をN2にした場合、上記接触抵抗は逆に増大する。
【0059】
また、p型オーミック電極5上に形成するパッド電極6の材料としてはボンディングが容易でi型(あるいはp型)ZnO発光層2中へ拡散してもドナー不純物とならないAuが好ましい。なお、p型オーミック電極5とパッド電極6との間の密着性を向上させる目的や光反射性を向上させる目的で、p型オーミック電極5とパッド電極6の間に別の金属層を介在させてもよい。
【0060】
また、ITO透明導電膜4上に形成するn型電極7としては、低抵抗かつ形状加工性に優れ、安価なAlあるいはAuを含んだ合金が好ましい。
【0061】
なお、この第1実施形態では、Alで作製したn型電極7の厚さを1μmとして厚く形成したので、n型電極7にパッド電極は設けなかったが、n型電極が1μmより薄い場合などはワイヤボンディングを容易に行うためにパッド電極を設けることが好ましい。
【0062】
但し、Alで作製したn型電極7に対して、Auを含む金属をパッド電極として用いると、AlとAuが合金化し、接触抵抗の増大に加えて電極の機械強度が著しく低下するので好ましくない。したがって、Auを含む金属をパッド電極として用いる場合には、Ti、CrやTaなどでn型電極を作製することが好ましい。
【0063】
また、この第1実施形態では、n型の透明導電膜を、ITOで作製したITO透明導電膜4としたが、n型の透明導電膜としては、酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)およびこれらの複合物で作製したものを用いてもよい。さらに、上記n型の透明導電膜の材料としては、ZnOとIn2O3の複合物であるZnXIn2OX+3(xは整数)などを用いてもよい。なお、その他の構成は任意であり、この第1実施形態によって限定されるものではない。
【0064】
(第2の実施形態)
次に、図4に、この発明の酸化物半導体発光素子の第2実施形態であるZnO発光ダイオード素子20を示す。図4は、この第2実施形態のZnO発光ダイオード素子20の構造断面図である。
【0065】
この第2実施形態のZnO発光ダイオード素子20は、i型ZnO発光層2とn型ZnO層3の間に、Gaを5×1018cm−3でドープした厚さ500nmのn型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8を形成した他は、第1実施形態と同様にして発光ダイオード素子20を作製した。このn型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8は、n型ZnO層3およびITO透明導電膜4と同様に、一部がエッチングされて、i型ZnO発光層2の上面2Aが露出している。尚、図4において、第1実施形態と同様の構成要素については同じ符号を用いている。
【0066】
この第2実施形態のZnO発光ダイオード素子20を、第1実施形態と同様にリードフレームに実装して発光させたところ、4.0Vの駆動電圧で20mAの電流が流れ、発光ピーク波長380nmの紫外発光が得られた。また、この第2実施形態では、n型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8を形成したことによって、シングルヘテロ構造となり、i型ZnO発光層2へのキャリア閉じ込め効率が向上したため、第1実施形態に比べて、発光強度が50%向上した。
【0067】
(第3の実施形態)
次に、図5に、この発明の第3実施形態を示す。図5は、この第3実施形態のZnO発光ダイオード素子30の構造断面図である。この第3実施形態は、以下に述べる構成が前述の第2実施形態と異なる。
【0068】
この第3実施形態のZnO発光ダイオード素子30は、基板として、第2実施形態のサファイア基板1に替えて、NaAlO2基板31を採用した。また、このNaAlO2基板31をなすNaAlO2の(100)面の上に、Mgを1×1019cm−3でドープした厚さ500nmのp型GaN層39を形成した。
【0069】
また、この第3実施形態では、ZnO系半導体発光層として、第2実施形態のi型ZnO発光層2に替えて、量子井戸発光層32を備えた。この量子井戸発光層32は、厚さ5nmのi型ZnO障壁層と、厚さ5nmのi型Cd0 . 05Zn0 . 95O井戸層とが交互に積層された構造を有し、11層のi型ZnO障壁層と10層のi型Cd0 . 05Zn0 . 95O井戸層を有する量子井戸構造を有する。
【0070】
この量子井戸発光層32は、n型ZnO層3,ITO透明導電膜4およびn型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8と同様に、一部がエッチングされて、p型GaN層39の露出部39Aの上面39A−1が露出している。また、この第3実施形態では、p型オーミック電極5をp型GaN層39の露出した上面39A上に形成した。その他は、第2実施形態と同様にして、第3実施形態の発光ダイオード素子30を作製した。なお、図5において、第2実施形態と同様の構成要素については同じ符号を用いている。
【0071】
この第3実施形態のZnO発光ダイオード素子30を、第2実施形態と同様にリードフレームに実装して発光させたところ、4.0Vの駆動電圧で20mAの電流が流れ、発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。また、この第3実施形態では、第2実施形態に比べて発光強度が2倍となった。
【0072】
このように、第3実施形態の発光強度が、第2実施形態の発光強度から200%増加するという発光強度向上の要因としては、基板としてGaNとの格子不整合が極めて小さいNaAlO2基板31を採用して、非発光中心となる結晶欠陥を低減した効果が40%だけ寄与していた。また、発光層として、量子効率とキャリア閉じ込め効果の高い量子井戸構造の量子井戸発光層32を採用した効果が100%だけ寄与し、p型GaN層39を形成して発光層への正孔キャリアの注入効率を向上させた効果が60%だけ寄与していた。
【0073】
(第4の実施形態)
次に、図6に、この発明の第4実施形態を示す。図6は、この第4実施形態のZnO発光ダイオード素子40の構造断面図である。この第4実施形態は、以下に述べる構成が前述の第3実施形態と異なる。
【0074】
この第4実施形態のZnO発光ダイオード素子40は、正孔キャリアの注入効率を向上させるために形成したp型GaN層39に替えて、p型Al0 . 05Ga0 . 95N層49を備えた点だけが、前述の第3実施形態のZnO発光ダイオード素子30を作製した。したがって、図6に示すように、p型Al0 . 05Ga0 . 95N層49の露出層49Aの露出面49A−1にP型オーミック電極5,パッド電極6が積層されている。
【0075】
この第4実施形態のZnO発光ダイオード素子40を、第3実施形態と同様にリードフレームに実装して発光させたところ、4.0Vの駆動電圧で20mAの電流が流れ、発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。
【0076】
また、この第4実施形態では、p型Al0 . 05Ga0 . 95N層49がクラッド層として働いたことによって、ダブルヘテロ構造となり、量子井戸発光層32へのキャリア閉じ込め効率が更に向上した。したがって、この第4実施形態では、第3実施形態に比べて、発光強度が50%向上した。
【0077】
(第5実施形態)
次に、図7に、この発明の第5実施形態のZnO発光ダイオード素子50を示す。図7は、このZnO発光ダイオード素子50の構造断面図である。この第5実施形態は、以下に述べる点が前述の第3実施形態と異なる。
【0078】
この第5実施形態のZnO発光ダイオード素子50は、基板として、前述の第3実施形態のNaAlO2基板31に替えて、n型ZnO基板51を備え、このn型ZnO基板51の亜鉛面(0001)の上に、上記p型GaN層39を形成した。
【0079】
また、図7に示すように、この第5実施形態では、p型GaN層39,量子井戸発光層32,n型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8およびn型ZnO層3が、一部エッチングされて、上記n型ZnO基板51の亜鉛面(0001)が上面51Aとして露出している。
【0080】
そして、この第5実施形態では、n型ZnO層3に形成されたITO透明導電膜54は、n型ZnO層3,n型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8,量子井戸発光層32,p型GaN層39の側面に沿って延在し、n型ZnO基板51の露出した上面51Aの上に達する延在部54Aを有する。このITO透明導電膜54は、上記延在部54Aによって、n型ZnO基板51に短絡されている。
【0081】
さらに、この第5実施形態では、n型電極57を、n型ZnO基板51の裏面に形成した。上述の他は、第3実施形態と同様にして、この第5実施形態の発光ダイオード素子50を作製した。尚、図7において、第3実施形態と同様の構成要素については、図5と同じ符号を用いている。
【0082】
チップ状に分離した第5実施形態のZnO発光ダイオード素子50を、n型電極57をAgペーストでリードフレーム(図示せず)の一方の部分に取り付け、パッド電極6を上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。このZnO発光ダイオード素子50に電流を流したところ、3.8Vの駆動電圧で20mAの電流が流れ、発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。この第5実施形態では、駆動電圧が第4実施形態に比べて低減したのは、n型電極57の面積が第4実施形態に比べて増大し接触抵抗が低減したためと考えられる。
【0083】
また、この第5実施形態のZnO発光ダイオード素子50は、基板として、n型ZnO基板51を備えたので、エピタキシャル層の結晶性が更に向上すると共に、量子井戸発光層32の両側の接合面P1,P2で発光するので、発光効率が大幅に向上し、発光強度は第4実施形態に比べ2倍に向上した。
【0084】
また、この第5実施形態では、ITO透明導電膜54をエピタキシャル層EPをなすn型ZnO層3,n型Mg0 . 2Zn0 . 8Oクラッド層8,量子井戸発光層32,p型GaN層39の側面に沿って、n型ZnO基板51に短絡するよう形成した。この構造において、このITO透明導電膜54が、最も広く接しているのは、n型ZnO層3およびn型ZnO基板51であるので、他の層(クラッド層8,量子井戸発光層32,p型GaN層39)へのリーク電流は殆んど流れない。なお、ITO透明導電膜54の延在部54Aに替えて、ITO透明導電膜4とn型ZnO基板51とをワイヤボンディングなどで直接接続しても勿論よい。
【0085】
尚、上記第1〜第5の実施形態では、この発明の酸化物半導体発光素子が発光ダイオード素子である例を説明したが、この発明は発光ダイオード素子のみならず、端面発光型および面発光型の半導体レーザ素子にも適用できることは言うまでもない。
【0086】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の酸化物半導体発光素子では、基板上にi型またはp型の導電型を有するZnO系半導体発光層と、n型ZnO系半導体層がこの順に積層され、上記n型ZnO系半導体層上にn型の透明導電膜が形成されているので、均一な電流広がりを確保できると共に、ホール注入効率を向上することができ、発光が高効率かつ均一で動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施形態であるZnO発光ダイオード素子10の構造断面図である。
【図2】図2(A)は上記第1実施形態における無バイアス時のバンドラインナップを示す図であり、図2(B)は上記第1実施形態における順バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示す図である。
【図3】図3(A)は上記第1実施形態の比較例における無バイアス時のバンドラインナップを示す図であり、図3(B)は上記比較例における順方向バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示す図である。
【図4】図4は、この発明の第2実施形態のZnO発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図5】図5は、この発明の第3実施形態のZnO発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図6】図6は、この発明の第4実施形態のZnO発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図7】図7は、この発明の第5実施形態のZnO発光ダイオード素子の構造断面図である。
【符号の説明】
1 サファイア基板
2 i型ZnO発光層
3 n型ZnO層
4,54 ITO透明導電膜
5 p型オーミック電極
6 パッド電極
7 n型電極
8 n型MgZnOクラッド層
9,39 p型GaN層
10、20、30、40 ZnO発光ダイオード素子
31 NaAlO2基板
32 量子井戸発光層
49 p型Al0 . 05Ga0 . 95N層
51 n型ZnO基板
Claims (10)
- 基板上に、順に、i型またはp型の導電型を有するZnO系半導体発光層と、n型ZnO系半導体層とが、少なくとも積層され、上記n型ZnO系半導体層上にn型の透明導電膜が形成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
- 請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ZnO系半導体発光層は上記n型ZnO系半導体層と接しており、上記n型ZnO系半導体層のバンドギャップは、上記ZnO系半導体発光層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板と上記ZnO系半導体発光層の間に、p型半導体層が形成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項3に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板と上記ZnO系半導体発光層の間に形成された上記p型半導体層のバンドギャップは、上記ZnO系半導体発光層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板が絶縁体基板であり、上記ZnO系半導体発光層の一部が露出部を有し、上記露出部上に電極が形成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項3に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板が絶縁体基板であり、上記p型半導体層の一部が露出部を有し、上記露出部上に電極が形成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板がn型の導電性基板であり、上記n型の透明導電膜が上記n型の導電性基板と電気的に接続されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項7に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記n型の導電性基板がZnO基板であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ZnO系半導体発光層が量子井戸構造であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記n型の透明導電膜が、InあるいはSnの少なくともいずれかを含む縮退半導体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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