JP4194854B2 - 酸化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、多層反射膜を有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、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
【０００３】
半導体レーザや発光ダイオードなどの素子においては、屈折率の異なる誘電体膜もしくは半導体膜の交互積層によって構成された多層反射膜を形成する技術が知られている。具体的には、上記発光ダイオード素子に多層反射膜を用いる場合、基板と発光層との間に多層反射膜を設ける。これにより、上記発光ダイオード素子は、基板側に進む光を多層反射膜で反射して素子上面側に進ませ、外部への光の取出し効率を非常に向上させている。また、このような多層反射膜を半導体レーザに用いた場合、多層反射膜により光閉込め効率が向上するので、発振閾値電流の低減など素子特性が改善する。
【０００４】
多層反射膜を有する半導体発光素子としては、例えば、青色発光素子として既に実用化され、III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子が存在する。この半導体発光素子では、ＩｎおよびＧａを含むｎ型窒化物半導体によって構成されたｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層との間に多層反射膜を設けるか、または、そのｎ型コンタクト層中に多層反射膜を設けることにより、外部への光取出し効率を向上させている。ここで、上記多層反射膜は、屈折率の異なる２種類の窒化物半導体が２層以上積層されて構成されている。このような半導体発光素子は特許３１４１８２４号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００５】
また、多層反射膜を有する他の半導体発光素子としては、ＺｎＯ系半導体を用いた半導体発光素子が国際公開ＷＯ００/１６４１１号公報（特許文献２）に開示されている。上記半導体発光素子では、屈折率の異なる誘電体膜または半導体膜を基板上に偶数層積層して多層反射膜を構成している。ここで、上記誘電体膜または半導体膜の膜厚は、λ／（４ｎ）（ｎは誘電体膜または半導体膜の屈折率、λは発光波長）と一致するように設定されている。また、上記多層反射膜では、屈折率の小さい層と屈折率の大きい層とがこの順番で交互に基板上に偶数層積層されている。このような多層反射膜が基板とは反対側からの光を反射することにより、外部への光取出し効率が向上している。
【０００６】
【特許文献１】
特許３１４１８２４号公報
【特許文献２】
国際公開ＷＯ００/１６４１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１の半導体発光素子においては、多層反射膜上に結晶性に優れた発光素子構造をエピタキシャル成長することができる。しかしながら、上記多層反射膜を構成する２種類の窒化物半導体間の屈折率差が小さいため、多層反射膜の反射率を高めるには、多層反射膜を構成する層の数を増やさなければならない。具体的には、通常、上記多層反射膜は１０〜３０ペア程度の２種類の窒化物半導体で構成する必要がある。その結果、製造工程が複雑化すると共に、製造コストが高くなるという問題が生じる。
【０００８】
一方、上記特許文献２の半導体発光素子は、屈折率差の大きい２種類の誘電体を選択し、これらの誘電体で多層反射膜を構成できるので、少ない積層数で高い反射率の多層反射膜を得ることが可能である。しかし、このような構成の多層反射膜は、基板と、多層反射膜上の層の材料である半導体とは結晶構造、格子定数および結晶成長条件が大きく異なる。したがって、上記多層反射膜上に発光素子構造をエピタキシャル成長で設けることは不可能であるという問題が生じる。または、上記多層反射膜上に成長させた結晶は結晶性などが非常に悪く実用に耐えないという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、製造工程を簡略化できると共に、製造コストを低減できて、結晶性に優れた発光素子構造を多層反射膜上に形成できる酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、製造工程を簡略化できて反射率が高い多層反射膜を形成し、この多層反射膜上に結晶性に優れた発光素子構造を形成する技術について鋭意検討した結果、絶縁体酸化物と、半導体発光素子の少なくとも一部を構成する半導体材料とを用いて多層反射膜を形成することにより目的を達成できることを見い出し本発明に至った。
【００１１】
本発明の酸化物半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層が酸化物半導体より成り、
上記基板と上記第１導電型クラッド層との間に、酸化物半導体と絶縁体酸化物とを交互に積層して成る多層反射膜を有し、
上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体がＺｎＯ系半導体であり、
上記絶縁体酸化物が、αβＯ 2 （α，βは単数または複数の原子）なる構成の斜方晶構造を有し、
上記αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＡｌとＧａとの少なくとも一方を含むことを特徴としている。
【００１２】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、発光層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
【００１３】
また、本明細書において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。
また、以下において、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。
【００１４】
上記構成の酸化物半導体発光素子において、上記酸化物半導体と絶縁体酸化物とは屈折率の差が大きいので、多層反射膜を構成する層の数を少なくしても、多層反射膜の反射率が高くなる。これにより、上記多層反射膜の反射率を高めるために、多層反射膜を構成する層の数を増やさなくてもよい。したがって、上記多層反射膜を構成する層の数を少なくして、製造工程を簡略化できると共に、製造コストを低減できる。
【００１５】
また、上記多層反射膜は酸化物半導体と絶縁体酸化物とで構成している。したがって、上記多層反射膜の一部と、その多層反射膜上の第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層とが、共に酸化物半導体から構成しているので、結晶性に優れた発光素子構造を多層反射膜上に形成できる。
【００１６】
また、上記酸化物半導体発光素子は、発光素子構造の結晶性を良好にできるので、信頼性を高めることができる。
また、上記絶縁体酸化物の屈折率は概ね１．５前後であり、ＺｎＯ系半導体の屈折率は概ね２．０である。つまり、上記絶縁体酸化物とＺｎＯ系半導体とでは屈折率の差が大きい。したがって、上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体がＺｎＯ系半導体であることにより、高反射率の多層反射膜を少ない積層数で確実に得ることができる。
また、上記構成の絶縁体酸化物は歪んだウルツ鉱型の結晶構造を有している。この場合、上記絶縁体酸化物は、αおよびβの元素の組成比を適切に選択することにより、ウルツ鉱型半導体であるＺｎＯ系半導体と相互にエピタキシャル成長できる。その結果、上記多層反射膜の結晶性をより高めることができる。
【００１７】
なお、上記「活性層」は、発光ダイオード素子の場合には「発光層」と称されるが、発光を司る層という意味において同義であるので、以下においては特に区別しない。
本発明の酸化物半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層が酸化物半導体より成り、
上記基板と上記第１導電型クラッド層との間に、酸化物半導体と絶縁体酸化物とを交互に積層して成る多層反射膜を有し、
上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体がＺｎＯ系半導体であり、
上記絶縁体酸化物が、γαβＯ 4 またはγαＯ 3 （βＯ） n （但し、γ，α，βは単数または複数の原子、ｎは１以上の自然数）なる構造を有し、
上記γの元素がＳｃとＩｎとの少なくとも一方であり、且つ、上記αの元素がＡｌ、ＦｅおよびＧａのうちの少なくとも１つであり、且つ、上記βの元素がＭｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも１つであることを特徴としている。
ここで、「少なくとも」と言う文言は、発光層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
また、本明細書において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。
また、以下において、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。
上記構成の酸化物半導体発光素子において、上記酸化物半導体と絶縁体酸化物とは屈折率の差が大きいので、多層反射膜を構成する層の数を少なくしても、多層反射膜の反射率が高くなる。これにより、上記多層反射膜の反射率を高めるために、多層反射膜を構成する層の数を増やさなくてもよい。したがって、上記多層反射膜を構成する層の数を少なくして、製造工程を簡略化できると共に、製造コストを低減できる。
また、上記多層反射膜は酸化物半導体と絶縁体酸化物とで構成している。したがって、上記多層反射膜の一部と、その多層反射膜上の第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層とが、共に酸化物半導体から構成しているので、結晶性に優れた発光素子構造を多層反射膜上に形成できる。
また、上記酸化物半導体発光素子は、発光素子構造の結晶性を良好にできるので、信頼性を高めることができる。
また、上記絶縁体酸化物の屈折率は概ね１．５前後であり、ＺｎＯ系半導体の屈折率は概ね２．０である。つまり、上記絶縁体酸化物とＺｎＯ系半導体とでは屈折率の差が大きい。したがって、上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体がＺｎＯ系半導体であることにより、高反射率の多層反射膜を少ない積層数で確実に得ることができる。
また、上記構成の絶縁体酸化物はウルツ鉱型の結晶構造を含んでいる。この場合、上記絶縁体酸化物は、γ，α，βの元素を適切に選択することにより、ウルツ鉱型半導体であるＺｎＯ系半導体と相互にエピタキシャル成長できる。その結果、上記多層反射膜の結晶性をより高めることができる。
なお、上記「活性層」は、発光ダイオード素子の場合には「発光層」と称されるが、発光を司る層という意味において同義であるので、以下においては特に区別しない。
【００１８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層を構成する酸化物半導体がＺｎＯ系半導体である。
【００１９】
【００２０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層をＺｎＯ系半導体で構成するので、消費電力を低減することができる。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体の面内格子定数に対して、上記絶縁体酸化物の面内格子定数が（１００±３）％の範囲内に収まっている。
【００２４】
本明細書において、面内格子定数とは、結晶成長方向（半導体層の積層方向）に対して垂直な２次元平面での格子点間の距離のことで、例えば最も近い酸素元素と酸素元素との距離のことである。
【００２５】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体の面内格子定数に対して、絶縁体酸化物の面内格子定数が（１００±３）％の範囲内に収まっているので、その酸化物半導体と絶縁体酸化物とを相互にエピタキシャル成長できる。つまり、上記多層反射膜をエピタキシャル成長で形成することができる。したがって、上記多層反射膜の結晶性を良好にすることができるので、その多層反射膜上に形成する発光素子構造の結晶性をより高めることができる。
【００２６】
【００２７】
【００２８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記絶縁体酸化物が、Ｌｉ1-aＮａaＡｌＯ2、Ｌｉ1-bＮａbＧａＯ2、ＬｉＡｌ1-cＧａcＯ2、ＮａＡｌ1-dＧａdＯ2（但し、０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）のいずれか１つである。
【００２９】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記構成の絶縁体酸化物は、レーザ分子線エピタキシー法などを用いることにより簡便に結晶成長させることができ、且つ、組成制御によって±３％の格子歪を制御できる。
【００３０】
【００３１】
【００３２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記絶縁体酸化物が、ＳｃＡｌＭｇＯ4、ＳｃＧａＭｇＯ4、ＳｃＡｌＭｎＯ4、ＳｃＧａＣｏＯ4、ＳｃＡｌＣｏＯ4、ＳｃＧａＺｎＯ4、ＳｃＡｌＺｎＯ4、ＳｃＧａＯ3（ＺｎＯ）nおよびＳｃＡｌＯ3（ＺｎＯ）nのうちのいずれか１つである。
【００３３】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記構成の絶縁体酸化物は、レーザ分子線エピタキシー法などを用いることにより簡便に結晶成長させることができ、且つ、組成制御によって±３％の格子歪を制御できる。
【００３４】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記多層反射膜を構成する一層当たりの層厚が、
λ／（４ｎ） …（１）
λ；発光波長
ｎ；上記酸化物半導体または上記絶縁体酸化物の屈折率
である。
【００３５】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によると、上記多層反射膜を構成する層の層厚がほぼ上記（１）の式を満たすことにより、高い反射率を有する多層反射膜を少ない積層数で確実に形成できる。したがって、発光特性および信頼性を向上させることができると共に、歩留りを高めることができる。
【００３６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記多層反射膜と上記第１導電型クラッド層との間に第１導電型ＺｎＯコンタクト層を有する。
【００３７】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記基板として絶縁体基板を用いる場合、第１導電型ＺｎＯコンタクト層（第１導電型ＺｎＯより成るコンタクト層）を多層反射膜と第１導電型クラッド層との間に設けることにより、第１導電型オーミック電極を第１導電型ＺｎＯコンタクト層上に形成できる。したがって、上記第１導電型ＺｎＯコンタクト層の形成が容易になる。また、上記第１導電型オーミック電極を第１導電型ＺｎＯコンタクト層上に形成することにより、動作電圧を低減できる。
【００３８】
また、上記基板として導電性基板を用いる場合でも、本発明の多層反射膜は絶縁体と半導体との積層構造であるので、第１導電型ＺｎＯコンタクト層を多層反射膜と第１導電型クラッド層との間に設けることにより、動作電圧を低減できる。
【００３９】
したがって、省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を得ることができる。
【００４０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板がサファイア基板である。
【００４１】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記サファイア基板は安価で高品質な絶縁体基板であるので、発光特性および信頼性を低コストで向上させることができる。
【００４２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板が導電性基板であり、上記多層反射膜が上記基板の中央部上のみに形成され、上記基板において上記多層反射膜とは反対側の表面に第１導電型電極が形成されている。
【００４３】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記導電性基板を用いることにより、導電性基板において多層反射膜とは反対側の表面、つまり基板裏面に電極を形成できるので、動作電圧および製造コストと低減できる。
【００４４】
また、上記多層反射膜が基板の中央部上のみに形成されているので、多層反射膜の周辺部を電流が流れやすくなる。
【００４５】
したがって、上記多層反射膜の効果と裏面電極の効果を同時に得ることができる。
【００４６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板がＳｉまたはＺｎＯ単結晶から成る。
【００４７】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、Ｓｉはサファイアと同様に、低コストで高品質な単結晶が得られる。したがって、上記基板がＳｉ単結晶から成る場合、基板を低コストで高品質にすることができる。また、上記基板がＳｉ単結晶から成る場合に問題となる基板光吸収（基板における光吸収）は、基板上に多層反射膜があるので回避される。
【００４８】
また、上記基板がＺｎＯ単結晶から成る場合、ＺｎＯからなる層を基板上にエピタキシャル成長させると、その層と基板との親和性が高いので、その層の結晶性を良好にすることができると共に、その層の欠陥を極めて少なくすることができる。
【００４９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体が、ＺｎＯ、ＣｄxＺｎ1-xＯ、ＭｇyＺｎ1-yＯおよびＢｅzＺｎ1-zＯのうちのいずれか１つである。
【００５０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記ＺｎＯ、ＣｄxＺｎ1-xＯ、ＭｇyＺｎ1-yＯおよびＢｅzＺｎ1-zＯは、ＺｎＯ系半導体であり、絶縁体酸化物に対して屈折率差が大きい。したがって、上記多層反射膜の反射率を少ない積層数でより確実に大きくできる。
【００５１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ｘが０＜ｘ≦０．２を満たす。
【００５２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記ＣｄxＺｎ1-xＯのｘが上記の式を満たしていれば、Ｃｄ含有量が少なくなり、多層反射膜の結晶性が低下するのを防ぐことができる。また、上記多層反射膜のＣｄ含有量が少ないので、多層反射膜の製造時における安全性を確保することができる。
【００５３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ｙが０＜ｙ≦０．３５を満たす。
【００５４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記ＭｇyＺｎ1-yＯのｙが上記の式を満たしていれば、Ｍｇ含有量が少なくなり、多層反射膜の結晶性が低下するのを防ぐことができる。
【００５５】
【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。
【００５６】
（実施形態１）
本実施形態１では、本発明の酸化物半導体発光素子の一例である青色発光ダイオード素子について説明する。この青色発光ダイオード素子はＺｎＯ系半導体で発光素子構造を構成している。
【００５７】
図１に、上記青色発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【００５８】
上記青色発光ダイオード素子は、基板の一例であるファイア基板１上に、多層反射膜の一例である多層反射膜２、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３、第１導電型クラッド層の一例であるｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４、活性層の一例であるノンドープ量子井戸発光層５、第２導電型クラッド層の一例であるｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層６、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７が積層されている。なお、上記サファイア基板１はサファイアＣ面（０００１）を主面としている。また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３はＧａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ０．１μｍの層、上記ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４はＧａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１μｍの層、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層６はＮが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１μｍの層、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７はＮが５×１０19ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ０．３μｍの層である。
【００５９】
上記多層反射膜２は、絶縁体酸化物の一例である厚さ７５ｎｍのＬｉＧａＯ2層と、酸化物半導体の一例である厚さ５５ｎｍのＺｎＯ層とを交互に積層することで構成している。上記ＬｉＧａＯ2層およびＺｎＯ層は夫々５層づつある。また、上記量子井戸発光層５は、厚さ５ｎｍのＭｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層と、厚さ４ｎｍのＣｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層とを交互に積層することで構成している。上記Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層は８層あり、Ｃｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層は７層ある。
【００６０】
また、上記ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４から図中上方に向ってｐ型ＺｎＯコンタクト層７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して、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３の表面の一部を露出させている。この露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層３の表面上には、Ａｌから成る厚さ１００ｎｍのｎ型オーミック電極１０を形成している。
【００６１】
そして、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層７の主表面全面上には、厚さ１５ｎｍのｐ型オーミック電極８が積層されている。このｐ型オーミック電極８は、Ｎｉ層からなり、透光性を有している。また、上記ｐ型オーミック電極８上には、Ａｕから成る厚さ１００ｎｍのボンディング用パッド電極９をｐ型オーミック電極８より小さい面積で形成している。
【００６２】
上記構成の青色発光ダイオード素子は、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシ（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの結晶成長手法で作製することができるが、本実施形態１では、レーザ分子線エピタキシ（以下、レーザＭＢＥと称する）法で作製した。
【００６３】
図２に、上記レーザＭＢＥ法で用いるレーザＭＢＥ装置１００の概略構成を示す。
【００６４】
上記レーザＭＢＥ装置１００は超高真空に排気可能な成長室１０１を備えている。この成長室１０１の一方の側壁には、パルスレーザ光１０８が通過するビューポート１０７を設けている。そして、上記成長室１０１の他方の側壁には、ラジカルセル１０９と、成長室１０１内に複数のガスを導入できるようガス導入管１１０とを複数（図２では１つのみ示す）設けている。また、上記成長室１０１の上部には、基板１０３が固定された基板ホルダ１０２を配置している。この基板ホルダ１０２の上方にはヒータ１０４を配置し、基板ホルダ１０２の下方には所定の距離をおいてターゲットテーブル１０５を配置している。このターゲットテーブル１０５は、原料ターゲット１０６を上面（基板ホルダ１０２側の表面）上に複数配置できる。また、図示しないが、上記ターゲットテーブル１０５は回転機構を有している。
【００６５】
上記ヒーター１０4は、基板ホルダー１０２の上面（原料ターゲット１０６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１０２の上面の熱が熱伝導により基板１０３に伝わって、基板１０３が加熱される。その後、上記ビューポート１０７を通じてパルスレーザ光１０８を原料ターゲット１０６の表面に照射し、原料ターゲット１０６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１０６が基板１０３の下面に付着し、基板１０３下に薄膜が成長する。そして、上記パルスレーザ光１０８の照射シーケンスに同期してターゲットテーブル１０５の回転を制御することにより、異なる原料ターゲット１０６の表面にパルスレーザ光１０８を照射して、その異なる原料ターゲット１０６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１０３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１０９によって活性化された原子状ビームを基板１０３に照射することも可能である。
【００６６】
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好ましい。
【００６７】
以下、上記青色発光ダイオード素子の製造方法を順に説明する。
【００６８】
まず、洗浄処理したサファイア基板１をレーザＭＢＥ装置１００に導入し、温度６００℃で３０分間加熱して清浄化する。
【００６９】
次に、基板温度を５００℃に降温し、ＬｉＧａＯ2単結晶およびノンドープＺｎＯ単結晶を原料ターゲット１０６として用い、回転機構によるターゲットテーブル１０５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ＬｉＧａＯ2単結晶およびノンドープＺｎＯ単結晶の表面を交互にＫｒＦエキシマレーザでアブレーションして、ＬｉＧａＯ2とＺｎＯとの交互積層により多層反射膜２を構成する。
【００７０】
上記ＫｒＦエキシマレーザは、波長が２４８ｎｍ、パルス数が１０Ｈｚ、出力１J／ｃｍ2のものである。なお、上記多層反射膜２の成長中には、ガス導入管１１０によりＯ2ガスを成長室１０１内に導入する。
【００７１】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶と、Ｇａ2Ｏ3を添加したＺｎＯ燒結体とを原料ターゲット１０６として用い、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３を形成する。具体的には、上記ノンドープＺｎＯ単結晶の表面と、Ｇａ2Ｏ3を添加したＺｎＯ燒結体の表面とを、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３を得る。
【００７２】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶と、Ｇａ2Ｏ3を添加したＭｇＺｎＯ燒結体とを原料ターゲット１０６として用い、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４を形成するためのエピタキシャル層を得る。具体的には、ノンドープＺｎＯ単結晶の表面と、Ｇａ2Ｏ3を添加したＭｇＺｎＯ燒結体の表面とを、所望のＭｇ組成とＧａドーピング濃度が得られる比率で交互にアブレーションして、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４を形成するためのエピタキシャル層を得る。
【００７３】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶、ＣｄＺｎＯ燒結体およびＭｇＺｎＯ燒結体を原料ターゲット１０６として用い、ノンドープ量子井戸活性層５を形成するためのエピタキシャル層を得る。具体的には、ノンドープＺｎＯ単結晶、ＣｄＺｎＯ燒結体およびＭｇＺｎＯ燒結体の表面を、所望のＣｄ組成比およびＭｇ組成比が得られる比率で順次アブレーションして、ノンドープ量子井戸活性層５を形成するためのエピタキシャル層を得る。このエピタキシャル層は、Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層とＣｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層とより成っている。
【００７４】
次に、上記ラジカルセル１０９よりプラズマ化したＮ2ガスを流しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶およびノンドープＭｇＺｎＯ燒結体を原料ターゲット１０６として用い、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層６を形成するためのエピタキシャル層を成長させる。具体的には、ノンドープＺｎＯ単結晶およびノンドープＭｇＺｎＯ燒結体の表面を交互にアブレーションして、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層６を形成するためのエピタキシャル層を得る。
【００７５】
次に、上記ラジカルセル１０９よりプラズマ化したN2ガスを流しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶を原料ターゲット１０６として用い、そのノンドープＺｎＯ単結晶の表面をアブレーションして、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７を形成するためのエピタキシャル層を得る。
【００７６】
次に、上記サファイア基板１をレーザＭＢＥ装置１００から取り出し、サファイア基板１の一部上にレジストマスクを形成する。そして、１重量％の硝酸水溶液を用いて、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３上の複数の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Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４から図中上方に向ってｐ型ＺｎＯコンタクト層７までが形成される。
【００７７】
次に、露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層３上にｎ型オーミック電極１０としてＡｌを真空蒸着する。引き続き、上記レジストマスクを洗浄除去した後、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７の上面全面に、ｐ型オーミック電極８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、青色発光を８０％透過する。
【００７８】
最後に、上記ｐ型オーミック電極８上にパッド電極９としてＡｕを真空蒸着する。
【００７９】
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燒結体との２つの原料ターゲット１０６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１０６を打ち分けるなどの方法で制御してもよい。
【００８０】
また、ＭｇＺｎＯ燒結体を用いず、ＺｎＯ単結晶とＭｇＯ単結晶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。
【００８１】
更に、Ｇａ2Ｏ3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。
【００８２】
本実施形態１の青色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１０およびｐ型パッド電極９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４２０ｎｍの青色発光が得られた。
【００８３】
比較例１として、多層反射膜２を形成しない他は本実施形態１と同様にして青色発光ダイオード素子を作製したところ、素子寿命は本実施形態１の青色発光ダイオード素子と同程度であったが、発光強度は本実施形態１の青色発光ダイオード素子の２０％程度であった。
【００８４】
このように、上記多層反射膜２を形成すると、ノンドープ量子井戸活性層５から下側に放射される光を反射し、光取り出し効率の高い素子上面や側面に反射させるため、発光効率が著しく向上する。
【００８５】
比較例２として、Ｃｄ0.2Ｚｎ0.8ＯとＭｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏとを用いて多層反射膜を形成した他は本実施形態１と同様にして青色発光ダイオード素子を作製したところ、本実施形態１の青色発光ダイオード素子と同等の発光強度を得るには、多層反射膜の積層回数を２５対以上にする必要があった。
【００８６】
これに対して、本発明に係る多層反射膜２は、屈折率の低い絶縁体酸化物と屈折率の高い酸化物半導体とを交互積層して形成したので、高反射率を得るのに積層数が少なくて済む。
【００８７】
比較例３として、ＳｉＯ2とＴｉＯ2を用いて多層反射膜を形成した他は本実施形態１と同様にして青色発光ダイオード素子を作製したところ、素子寿命は本実施形態１の青色発光ダイオード素子の１／１００であり、発光強度は本実施形態１の青色発光ダイオード素子の４０％程度であった。
【００８８】
これに対して、本発明に係る多層反射膜２は、多層反射膜２上に成長させる層の材料と同じＺｎＯ系半導体で高屈折率層を形成し、そのＺｎＯ系半導体と格子整合する絶縁体酸化物で低屈折率層を形成している。これにより、上記多層反射膜２と、この多層反射膜２上に成長させる層との結晶性を高めて、素子寿命および発光強度を向上させることができる。
【００８９】
図３に、本実施形態１の多層反射膜２に用いた絶縁体酸化物であるＬｉＧａＯ2の結晶構造と、ＺｎＯ系半導体であるＺｎＯの結晶構造とを示す。
【００９０】
ＬｉＧａＯ2のような、αβＯ2なる構成の斜方晶酸化物は、ＺｎＯ系半導体のウルツ鉱構造に類似の結晶構造である。
【００９１】
特に、上記αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも２つを含み、且つ、上記βの元素がＡｌとＧａとの少なくとも一方を含む場合、上記斜方晶酸化物の面内格子定数はＺｎＯの面内格子定数に極めて近くなる。また、その場合、上記斜方晶酸化物の構成元素の組成比を適切に選択することにより、斜方晶酸化物をＺｎＯ系半導体に格子整合させると共に、斜方晶酸化物の屈折率を制御することができる。
【００９２】
このような斜方晶酸化物としては、本実施形態１のＬｉ1-aＮａaＡｌＯ2の他に、Ｌｉ1-bＮａbＧａＯ2、ＬｉＡｌ1-cＧａcＯ2およびＮａＡｌ1-dＧａdＯ2（但し、０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）などを用いることができる。
【００９３】
図４（ａ），（ｂ）に、上記４つの酸化物に対して実効格子定数を求めた結果を示す。ここで「実効格子定数」とは、同一面内の６つの酸素原子で構成される六角形と同じ面積の正六角形を仮定し、この正六角形の一辺を成す酸素−酸素原子間距離と定義する。
【００９４】
図４（ａ），（ｂ）から判るように、Ｌｉ1-aＮａaＡｌＯ2、Ｌｉ1-bＮａbＧａＯ2、ＬｉＡｌ1-cＧａcＯ2およびＮａＡｌ1-dＧａdＯ2は、ＺｎＯに対して全組成範囲で０．３１２〜０．３４４ｎｍの格子定数差を制御できる。特に、Ｌｉ0.5Ｎａ0.5ＡｌＯ2およびＬｉ0.75Ｎａ0.25ＧａＯ2は、ＺｎＯと完全に格子整合する。このＬｉ0.5Ｎａ0.5ＡｌＯ2またはＬｉ0.75Ｎａ0.25ＧａＯ2と、ＺｎＯとで多層反射膜を構成した場合は、多層反射膜の結晶性を極めて高めることができる。
【００９５】
上記多層反射膜２に用いるＺｎＯ系半導体としては、ＺｎＯの他に、ＣｄxＺｎ1-xＯ、ＭｇyＺｎ1-yＯおよびＢｅzＺｎ1-zＯの少なくとも１つを用いることができる。
【００９６】
特に、多層反射膜２の材料としては屈折率の高いＣｄＺｎＯ混晶が好ましいが、このＣｄＺｎＯ混晶は、Ｃｄ組成比が大きくなると結晶性と組成均一性とが劣り、吸収損失を生じるようになると発光効率が低下する。したがって、Ｃｄ組成比の範囲としては０〜０．２の範囲、つまりＣｄxＺｎ1-xＯのｘが０＜ｘ≦０．２を満たして、且つ、ＣｄＺｎＯ混晶のバンドギャップは活性層のバンドギャップより大きいことが好ましい。
【００９７】
また、多層反射膜の材料としてＭｇＺｎＯ混晶を用いる場合は、Ｍｇ組成比は、０〜０．３５の範囲が結晶性と組成均一性に優れ好ましく、特に、０〜０．３３の範囲が結晶性と組成均一性により優れ好ましい。
【００９８】
また、サファイアなどの異種基板上に本発明の多層反射膜を形成する場合、まずＺｎＯ系半導体層を形成し、そのＺｎＯ系半導体層上に絶縁体酸化物層を形成し、以後この順で交互積層することが好ましい。これは、上記絶縁体酸化物は、異種基板よりもＺｎＯ系半導体層との親和性が高く、異種基板上に直接形成するよりもＺｎＯ層系半導体層を形成した上に形成すると平坦性・結晶性が格段に向上するからである。したがって、上記ＺｎＯ系半導体層をバッファ層として積層した後、絶縁体酸化物を積層することにより、欠陥の極めて少ない多層反射膜を得ることができる。その結果、上記多層反射膜上にＺｎＯ系半導体エピタキシャル層を形成すると、ＺｎＯ系半導体エピタキシャル層の欠陥を極めて少なくすることができる。
【００９９】
上記多層反射膜での光反射において、入射光は屈折率の高いＺｎＯ系半導体層から屈折率の低い絶縁体酸化物層への境界で反射されると位相が変化しないのに対して、絶縁体酸化物層からＺｎＯ系半導体層への境界で反射されると位相がπだけ変化する。したがって、上記多層反射膜を構成する一層当たりの層厚を、λ／（４ｎ）（λ；入射光の波長（発光波長）、ｎ；上記多層反射膜を構成する層の屈折率）とすると、入射光に対する各境界からの反射光位相が全て揃い、高い反射率が得られるので好ましい。
【０１００】
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、成長主面としてサファイアＡ面（１１−２０）を用いてもよい。
【０１０１】
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。
【０１０２】
また、本発明の高い発光効率を最大限の効果で得るためには、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７にｐ型不純物を高ドープし低抵抗化することが好ましい。しかし、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層７にｐ型不純物を過剰にドーピングすると、キャリア損失および結晶性劣化が顕著となるので、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７に対するｐ型不純物のドーピングは、５×１０16〜５×１０19ｃｍ-3のキャリア濃度範囲となるようにすることが好ましい。
【０１０３】
上記ｐ型不純物としては、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。このＩ族元素およびＶ族元素の中で、ＮとＬｉおよびＡｇは活性化率が高いので特に好ましい。また、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より好ましい。
【０１０４】
本実施形態１のように絶縁性基板を用いる場合は、多層反射膜２とｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層４の間にｎ型コンタクト層３を形成し、このｎ型コンタクト層３上にｎ型オーミック電極１０を形成する必要がある。上記ｎ型コンタクト層３の材料としては、結晶性に優れキャリア濃度を高くできるＺｎＯを用いることが好ましい。また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３のドーピング濃度は、１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3の範囲内で調整されることが好ましく、５×１０19〜５×１０20ｃｍ-3の範囲内で調整されることがより好ましい。また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３の膜厚は、０．００１〜１μｍが好ましく０．００５〜０．５μｍがより好ましく、０．０１〜０．１μｍがより更に好ましい。
【０１０５】
また、ｎ型ＺｎＯ系半導体層にドープする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。このIII族元素のうち、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。
【０１０６】
また、上記ｐ型オーミック電極８は、Ｎｉで形成していたが、Ｎｉの代わりにＰｔ、Ｐｄ、Ａｕなどで形成してもよい。また、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄおよびＡｕなどの金属材料を合金化して、ｐ型オーミック電極を形成してもよい。これらのＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどの中でＮｉは、低抵抗で密着性の良いので、ｐ型オーミック電極８の材料として好ましい。
【０１０７】
また、高い発光効率を最大限の効果で得るためには、本実施形態１で示したように、ｐ型オーミック電極８が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。上記ｐ型オーミック電極８において、良好なオーミック特性と高い透光性を両立する厚みとしては５〜２００ｎｍの範囲内が好ましく、３０〜１００ｎｍの範囲がより好ましい。
【０１０８】
上記ｐ型オーミック電極８の形成後にアニール処理を行うと、ｐ型オーミック電極８の密着性が向上すると共に、ｐ型オーミック電極８の接触抵抗が低減するので好ましい。上記アニール処理を行う場合、ＺｎＯ結晶に欠陥を生じずにアニール効果を得るには、アニール処理の温度を３００〜４００℃の範囲内に設定するのが好ましい。また、上記アニール処理における雰囲気はＯ2あるいは大気雰囲気中が好ましい。なお、上記アニール処理における雰囲気をＮ2にすると、ｐ型オーミック電極８の抵抗が増大する。
【０１０９】
上記ボンディング用パッド電極９をｐ型オーミック電極８より小さな面積で形成することは、透光性電極の効果を損なわずにリードフレームへの実装プロセスが容易になるので好ましい。また、上記ボンディング用パッド電極９の材料としては、ボンディングが容易でＺｎＯ中へ拡散してもドナー不純物とならないＡｕが好ましい。また、上記ｐ型オーミック電極８とボンディング用パッド電極９との間に、密着性や光反射性を向上させる目的で他の金属層を設けてもよい。
【０１１０】
上記ｎ型オーミック電極１０は、Ａｌで形成していたが、ＴｉやＣｒなどで形成してもよい。これらのＡｌ、ＴｉおよびＣｒなどの中でも、Ａｌは低抵抗でコストが低いの点で好ましく、Ｔｉは密着性の良いＴｉが好ましい。また、上記ｎ型オーミック電極１０は、Ａｌ、ＴｉおよびＣｒなどの金属材料を合金化して形成してもよい。
【０１１１】
その他の構成は任意であり、本実施形態１によって限定されるものではない。
【０１１２】
（実施形態２）
本実施形態２の青色発光ダイオード素子は、多層反射膜２とは異なる多層反射膜と、Ｓｉ基板とを用いた以外は上記実施形態１の青色発光ダイオード素子と同様に作製した。なお、以下では、図１で示した構成部と同一構成部については、図１における構成部と同一参照番号を用いて説明を行う。
【０１１３】
本実施形態２の青色発光ダイオードでは、Ｓｉ基板の（１１１）面を主面として用いている。また、上記Ｓｉ基板上の多層反射膜は、絶縁体酸化物の一例である厚さ７５ｎｍのＳｃＡｌＭｇＯ4層と、酸化物半導体の一例である厚さ５５ｎｍのＣｄ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層とを交互に積層して構成している。上記ＳｃＡｌＭｇＯ4層およびＣｄ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層は夫々５層づつある。
【０１１４】
本実施形態２の青色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１０およびｐ型オーミック電極９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４２０ｎｍの青色発光が得られ、多層反射膜２を形成しない発光ダイオード素子に比べ８倍の発光強度が得られた。
【０１１５】
図５に、本実施形態２の多層反射膜の材料として用いたＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶構造を示す。
【０１１６】
上記ＳｃＡｌＭｇＯ4のような、γαβＯ4またはγαＯ3（βＯ）nなる構造を有する酸化物は、ＺｎＯ系半導体と同じウルツ鉱構造を含む。なお、上記γ，α，βは単数または複数の原子、ｎは１以上の自然数である。
【０１１７】
図６および図７に、γαβＯ4またはγαＯ3（βＯ）nなる構造を有する絶縁体酸化物の格子定数とイオン半径の関係図を示す。
【０１１８】
図６および図７から判るように、上記γの元素がＳｃとＩｎとの少なくとも一方であり、且つ、上記αの元素がＡｌ、ＦｅおよびＧａのうちの少なくとも１つであり、且つ、上記βの元素がＭｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも１つであるようにすることによって、γαβＯ4またはγαＯ3（βＯ）nなる構造を有する絶縁体酸化物は、ＺｎＯ系半導体に格子整合させることができると共に、屈折率を制御することができる。
【０１１９】
このような絶縁体酸化物には、本実施形態のＳｃＡｌＭｇＯ4の他に、ＳｃＧａＭｇＯ4、ＳｃＡｌＭｎＯ4、ＳｃＧａＣｏＯ4、ＳｃＡｌＣｏＯ4、ＳｃＧａＺｎＯ4、ＳｃＡｌＺｎＯ4、ＳｃＧａＯ3（ＺｎＯ）nおよびＳｃＡｌＯ3（ＺｎＯ）nなどがＺｎＯ系半導体との格子不整合が極めて小さく好ましい。
【０１２０】
（実施形態３）
図８に、本実施形態３の青色発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【０１２１】
上記青色発光ダイオード素子は、基板の一例であるＺｎＯ基板３１上に、多層反射膜の一例である多層反射膜３２、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３３、第１導電型クラッド層の一例であるｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層３４、活性層の一例であるノンドープ量子井戸発光層３５、第２導電型クラッド層の一例であるｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層３６、ｐ型ＺｎＯコンタクト層３７が積層されている。ここで、上記ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層３４はＧａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１μｍの層、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層３６はＮが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１μｍの層、ｐ型ＺｎＯコンタクト層３７はＮが５×１０19ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ０．３μｍの層である。
【０１２２】
上記多層反射膜３２は、ＺｎＯ基板３１の中央部上のみに形成されている。そして、上記多層反射膜３２は、絶縁体酸化物の一例である厚さ７５ｎｍのＬｉＧａＯ2層と、酸化物半導体の一例である厚さ５５ｎｍのＺｎＯ層とを交互に積層することで構成している。上記ＬｉＧａＯ2層およびＺｎＯ層は夫々５層づつある。また、上記量子井戸発光層３５は、厚さ５ｎｍのＭｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層と、厚さ４ｎｍのＣｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層とを交互に積層することで構成している。上記Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層は８層あり、Ｃｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層は７層ある。
【０１２３】
また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３３は、ＺｎＯ基板３１および多層反射膜３２を覆うように積層されている。これにより、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３３は、多層反射膜３２の周囲においてＺｎＯ基板３１と接触している。また、上記ＺｎＯコンタクト層３３は、Ｇａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされ、多層反射膜３２上の厚みが０．１μｍになっている。
【０１２４】
また、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層３７の主表面全面上には、厚さ１５ｎｍのｐ型オーミック電極３８が積層されている。このｐ型オーミック電極３８は、Ｎｉ層からなり、透光性を有している。また、上記ｐ型オーミック電極３８上には、Ａｕから成る厚さ１００ｎｍのボンディング用パッド電極３９をｐ型オーミック電極３８より小さい面積で形成している。一方、上記ＺｎＯ基板３１の下面全面には、Ａｌから成るｎ型オーミック電極４０を設けている。
【０１２５】
上記青色発光ダイオード素子をチップ状に分離してＡｇペーストでリードフレームに取り付け、ｐ型パッド電極３９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４２０ｎｍの青色発光が得られた。上記青色発光ダイオード素子の発光強度は、多層反射膜３２を形成しない発光ダイオード素子に比べて５倍に向上した。また、本実施形態３の青色発光ダイオード素子は、絶縁体基板を用いた上記実施形態１の青色発光ダイオード素子と比べて、発光強度が１．５倍向上し、動作電圧が０．３V低減した。
【０１２６】
このように、本実施形態３の青色発光ダイオード素子の発光強度が向上したのは、ＺｎＯ基板１上にエピタキシャル成長で形成される発光素子構造と、そのＺｎＯ基板１とが親和性に優れていることにより、結晶性が良好で欠陥の極めて少ない発光素子構造を作製することができたためであると考えられる。
【０１２７】
（実施形態４）
本実施形態４では、本発明の酸化物半導体発光素子の一例である青色半導体レーザ素子について説明する。
【０１２８】
図９に、本実施形態４の青色半導体レーザ素子２０の模式斜視図を示す。
【０１２９】
上記青色半導体レーザ素子は、基板の一例であるサファイア基板４１上に、多層反射膜の一例である第１多層反射膜４２、ｎ型ＺｎＯコンタクト層４３、第１導電型クラッド層の一例であるｎ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４４、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ光ガイド層４５、活性層の一例である量子井戸発光層４６、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ光ガイド層４７、第２導電型クラッド層の一例であるｐ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４８、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４９が積層されている。なお、上記サファイア基板１はサファイアＣ面（０００１）を主面としている。また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層４３はＧａがドープされた厚さ０．１μｍの層、ｎ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４４はＧａがドープされた厚さ０．１μｍの層、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ光ガイド層４５およびｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ光ガイド層４７は共にＧａがドープされた厚さ５０ｎｍの層、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ光ガイド層４７はＮがドープされた厚さ５０ｎｍの層、ｐ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４８はＮがドープされた厚さ１．０μｍの層、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４９はNがドープされた厚さ０．５μｍの層である。
【０１３０】
上記第１多層反射膜４２は、絶縁体酸化物の一例である厚さ７５ｎｍのＬｉＧａＯ2層と、酸化物半導体の一例である厚さ５５ｎｍのＺｎＯ層とを交互に積層して構成している。上記ＬｉＧａＯ2層およびＺｎＯ層は夫々５層づつある。また、上記量子井戸発光層４６は、厚さ５ｎｍのＭｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層と、厚さ４ｎｍのＣｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層とを交互に積層して構成している。上記Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層は２層あり、Ｃｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層は３層ある。
【０１３１】
また、上記ｐ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４８は、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を有している。このリッジストライプ部の側面は、Ｇａドープのｎ型Ｍｇ0.35Ｚｎ0.65Ｏ電流ブロック層５０と、第１多層反射膜と同じ構成の第２多層反射膜５１とによって埋め込まれている。
【０１３２】
また、上記ｎ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４４から図中上方に向ってｐ型ＺｎＯコンタクト層４９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により、ｎ型ＺｎＯコンタクト層４３の表面の一部を露出させている。この露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層４３の表面上には、ｎ型オーミック電極４２を形成している。
【０１３３】
なお、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層４９の上に形成されているのは、ｐ型オーミック電極５３である。
【０１３４】
また、上記青色半導体レーザ素子は、上記リッジストライプ部が延びる方向に垂直なミラー端面に保護膜を蒸着された後、３００μｍに分離されたものである。
【０１３５】
上記青色半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られ、発振閾値電流は、第１，第２多層反射膜４２，５１を形成しない半導体レーザ素子に比べて３０％低減した。このように、本発明の多層反射膜は、発光ダイオード素子のみならず、端面発光型の半導体レーザ素子においても、多層反射膜が光閉込め効率を向上させるので、閾値電流を低減させ、素子特性を向上させることができる。
【０１３６】
本実施形態４においては、基板としてサファイア基板を用いたが、上記実施形態３の製造方法と同様にして、ＺｎＯなどの導電性基板を用いてもよい。
【０１３７】
また、多層反射膜は活性層に対して片側のみに設けても本発明の効果は発揮されるが、より大きな光閉じ込めや、対称性の良い光分布を得るためには、両側に設けることが好ましい。つまり、上記第１，第２多層反射膜４２，５１の一方だけ設けても本発明の効果を得られるが、より大きな光閉じ込めや、対称性の良い光分布を得る観点上、第１，第２多層反射膜４２，５１の両方を設けることが好ましい。
【０１３８】
上記実施形態１〜４においては、基板側から順に、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層を積層していたが、基板側から順に、ｐ型クラッド層、活性層およびｎ型クラッド層を積層してもよい。
【０１３９】
また、本発明の酸化物半導体発光素子の基板として、ＳｉまたはＺｎＯ単結晶から成る基板を用いてもよい。
【０１４０】
【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、酸化物半導体と絶縁体酸化物とを交互に積層して多層反射膜を構成しているので、多層反射膜を構成する層の数を少なくしても、多層反射膜の反射率が高くなる。したがって、上記多層反射膜を構成する層の数を少なくして、製造工程を簡略化できると共に、製造コストを低減できる。
【０１４１】
また、上記多層反射膜の一部と、その多層反射膜上の第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層とを、共に酸化物半導体から構成しているので、結晶性に優れた発光素子構造を多層反射膜上に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の実施形態１の青色発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図２】 図２は上記青色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、ＬｉＧａＯ2の結晶構造とＺｎＯの結晶構造とを示す図である。
【図４】 図４（ａ）はＬｉＮａＧａＯ2およびＮａＡｌＧａＯ2の組成と実行格子定数との関係を示す図であり、図４（ｂ）はＬｉＮａＡｌＯ2およびＬｉＡｌＧａＯ2の組成と実行格子定数との関係を示す図である。
【図５】 図５はＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶構造を示す図である。
【図６】 図６はγαβＯ4構造の絶縁体酸化物の格子定数とイオン半径との関係を示す図である。
【図７】 図７はγαＯ3（βＯ）n構造の絶縁体酸化物の格子定数とイオン半径との関係を示す図である。
【図８】 図８は本発明の実施形態３の青色発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図９】 図９は本発明の実施形態４の青色半導体レーザ素子の模式断面図である。
【符号の説明】
１，４１ サファイア基板
２，３２ 多層反射膜
４，３４ ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４
５，３５，４６ 量子井戸発光層
６，３６ ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層
３１ ＺｎＯ基板
４２ 第１多層反射膜
５１ 第２多層反射膜
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、多層反射膜を有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、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
【０００３】
半導体レーザや発光ダイオードなどの素子においては、屈折率の異なる誘電体膜もしくは半導体膜の交互積層によって構成された多層反射膜を形成する技術が知られている。具体的には、上記発光ダイオード素子に多層反射膜を用いる場合、基板と発光層との間に多層反射膜を設ける。これにより、上記発光ダイオード素子は、基板側に進む光を多層反射膜で反射して素子上面側に進ませ、外部への光の取出し効率を非常に向上させている。また、このような多層反射膜を半導体レーザに用いた場合、多層反射膜により光閉込め効率が向上するので、発振閾値電流の低減など素子特性が改善する。
【０００４】
多層反射膜を有する半導体発光素子としては、例えば、青色発光素子として既に実用化され、III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子が存在する。この半導体発光素子では、ＩｎおよびＧａを含むｎ型窒化物半導体によって構成されたｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層との間に多層反射膜を設けるか、または、そのｎ型コンタクト層中に多層反射膜を設けることにより、外部への光取出し効率を向上させている。ここで、上記多層反射膜は、屈折率の異なる２種類の窒化物半導体が２層以上積層されて構成されている。このような半導体発光素子は特許３１４１８２４号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００５】
また、多層反射膜を有する他の半導体発光素子としては、ＺｎＯ系半導体を用いた半導体発光素子が国際公開ＷＯ００/１６４１１号公報（特許文献２）に開示されている。上記半導体発光素子では、屈折率の異なる誘電体膜または半導体膜を基板上に偶数層積層して多層反射膜を構成している。ここで、上記誘電体膜または半導体膜の膜厚は、λ／（４ｎ）（ｎは誘電体膜または半導体膜の屈折率、λは発光波長）と一致するように設定されている。また、上記多層反射膜では、屈折率の小さい層と屈折率の大きい層とがこの順番で交互に基板上に偶数層積層されている。このような多層反射膜が基板とは反対側からの光を反射することにより、外部への光取出し効率が向上している。
【０００６】
【特許文献１】
特許３１４１８２４号公報
【特許文献２】
国際公開ＷＯ００/１６４１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１の半導体発光素子においては、多層反射膜上に結晶性に優れた発光素子構造をエピタキシャル成長することができる。しかしながら、上記多層反射膜を構成する２種類の窒化物半導体間の屈折率差が小さいため、多層反射膜の反射率を高めるには、多層反射膜を構成する層の数を増やさなければならない。具体的には、通常、上記多層反射膜は１０〜３０ペア程度の２種類の窒化物半導体で構成する必要がある。その結果、製造工程が複雑化すると共に、製造コストが高くなるという問題が生じる。
【０００８】
一方、上記特許文献２の半導体発光素子は、屈折率差の大きい２種類の誘電体を選択し、これらの誘電体で多層反射膜を構成できるので、少ない積層数で高い反射率の多層反射膜を得ることが可能である。しかし、このような構成の多層反射膜は、基板と、多層反射膜上の層の材料である半導体とは結晶構造、格子定数および結晶成長条件が大きく異なる。したがって、上記多層反射膜上に発光素子構造をエピタキシャル成長で設けることは不可能であるという問題が生じる。または、上記多層反射膜上に成長させた結晶は結晶性などが非常に悪く実用に耐えないという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、製造工程を簡略化できると共に、製造コストを低減できて、結晶性に優れた発光素子構造を多層反射膜上に形成できる酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、製造工程を簡略化できて反射率が高い多層反射膜を形成し、この多層反射膜上に結晶性に優れた発光素子構造を形成する技術について鋭意検討した結果、絶縁体酸化物と、半導体発光素子の少なくとも一部を構成する半導体材料とを用いて多層反射膜を形成することにより目的を達成できることを見い出し本発明に至った。
【００１１】
本発明の酸化物半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層が酸化物半導体より成り、
上記基板と上記第１導電型クラッド層との間に、酸化物半導体と絶縁体酸化物とを交互に積層して成る多層反射膜を有し、
上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体がＺｎＯ系半導体であり、
上記絶縁体酸化物が、αβＯ 2 （α，βは単数または複数の原子）なる構成の斜方晶構造を有し、
上記αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＡｌとＧａとの少なくとも一方を含むことを特徴としている。
【００１２】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、発光層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
【００１３】
また、本明細書において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。
また、以下において、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。
【００１４】
上記構成の酸化物半導体発光素子において、上記酸化物半導体と絶縁体酸化物とは屈折率の差が大きいので、多層反射膜を構成する層の数を少なくしても、多層反射膜の反射率が高くなる。これにより、上記多層反射膜の反射率を高めるために、多層反射膜を構成する層の数を増やさなくてもよい。したがって、上記多層反射膜を構成する層の数を少なくして、製造工程を簡略化できると共に、製造コストを低減できる。
【００１５】
また、上記多層反射膜は酸化物半導体と絶縁体酸化物とで構成している。したがって、上記多層反射膜の一部と、その多層反射膜上の第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層とが、共に酸化物半導体から構成しているので、結晶性に優れた発光素子構造を多層反射膜上に形成できる。
【００１６】
また、上記酸化物半導体発光素子は、発光素子構造の結晶性を良好にできるので、信頼性を高めることができる。
また、上記絶縁体酸化物の屈折率は概ね１．５前後であり、ＺｎＯ系半導体の屈折率は概ね２．０である。つまり、上記絶縁体酸化物とＺｎＯ系半導体とでは屈折率の差が大きい。したがって、上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体がＺｎＯ系半導体であることにより、高反射率の多層反射膜を少ない積層数で確実に得ることができる。
また、上記構成の絶縁体酸化物は歪んだウルツ鉱型の結晶構造を有している。この場合、上記絶縁体酸化物は、αおよびβの元素の組成比を適切に選択することにより、ウルツ鉱型半導体であるＺｎＯ系半導体と相互にエピタキシャル成長できる。その結果、上記多層反射膜の結晶性をより高めることができる。
【００１７】
なお、上記「活性層」は、発光ダイオード素子の場合には「発光層」と称されるが、発光を司る層という意味において同義であるので、以下においては特に区別しない。
本発明の酸化物半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層が酸化物半導体より成り、
上記基板と上記第１導電型クラッド層との間に、酸化物半導体と絶縁体酸化物とを交互に積層して成る多層反射膜を有し、
上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体がＺｎＯ系半導体であり、
上記絶縁体酸化物が、γαβＯ 4 またはγαＯ 3 （βＯ） n （但し、γ，α，βは単数または複数の原子、ｎは１以上の自然数）なる構造を有し、
上記γの元素がＳｃとＩｎとの少なくとも一方であり、且つ、上記αの元素がＡｌ、ＦｅおよびＧａのうちの少なくとも１つであり、且つ、上記βの元素がＭｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも１つであることを特徴としている。
ここで、「少なくとも」と言う文言は、発光層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
また、本明細書において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。
また、以下において、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。
上記構成の酸化物半導体発光素子において、上記酸化物半導体と絶縁体酸化物とは屈折率の差が大きいので、多層反射膜を構成する層の数を少なくしても、多層反射膜の反射率が高くなる。これにより、上記多層反射膜の反射率を高めるために、多層反射膜を構成する層の数を増やさなくてもよい。したがって、上記多層反射膜を構成する層の数を少なくして、製造工程を簡略化できると共に、製造コストを低減できる。
また、上記多層反射膜は酸化物半導体と絶縁体酸化物とで構成している。したがって、上記多層反射膜の一部と、その多層反射膜上の第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層とが、共に酸化物半導体から構成しているので、結晶性に優れた発光素子構造を多層反射膜上に形成できる。
また、上記酸化物半導体発光素子は、発光素子構造の結晶性を良好にできるので、信頼性を高めることができる。
また、上記絶縁体酸化物の屈折率は概ね１．５前後であり、ＺｎＯ系半導体の屈折率は概ね２．０である。つまり、上記絶縁体酸化物とＺｎＯ系半導体とでは屈折率の差が大きい。したがって、上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体がＺｎＯ系半導体であることにより、高反射率の多層反射膜を少ない積層数で確実に得ることができる。
また、上記構成の絶縁体酸化物はウルツ鉱型の結晶構造を含んでいる。この場合、上記絶縁体酸化物は、γ，α，βの元素を適切に選択することにより、ウルツ鉱型半導体であるＺｎＯ系半導体と相互にエピタキシャル成長できる。その結果、上記多層反射膜の結晶性をより高めることができる。
なお、上記「活性層」は、発光ダイオード素子の場合には「発光層」と称されるが、発光を司る層という意味において同義であるので、以下においては特に区別しない。
【００１８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層を構成する酸化物半導体がＺｎＯ系半導体である。
【００１９】
【００２０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層をＺｎＯ系半導体で構成するので、消費電力を低減することができる。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体の面内格子定数に対して、上記絶縁体酸化物の面内格子定数が（１００±３）％の範囲内に収まっている。
【００２４】
本明細書において、面内格子定数とは、結晶成長方向（半導体層の積層方向）に対して垂直な２次元平面での格子点間の距離のことで、例えば最も近い酸素元素と酸素元素との距離のことである。
【００２５】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体の面内格子定数に対して、絶縁体酸化物の面内格子定数が（１００±３）％の範囲内に収まっているので、その酸化物半導体と絶縁体酸化物とを相互にエピタキシャル成長できる。つまり、上記多層反射膜をエピタキシャル成長で形成することができる。したがって、上記多層反射膜の結晶性を良好にすることができるので、その多層反射膜上に形成する発光素子構造の結晶性をより高めることができる。
【００２６】
【００２７】
【００２８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記絶縁体酸化物が、Ｌｉ1-aＮａaＡｌＯ2、Ｌｉ1-bＮａbＧａＯ2、ＬｉＡｌ1-cＧａcＯ2、ＮａＡｌ1-dＧａdＯ2（但し、０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）のいずれか１つである。
【００２９】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記構成の絶縁体酸化物は、レーザ分子線エピタキシー法などを用いることにより簡便に結晶成長させることができ、且つ、組成制御によって±３％の格子歪を制御できる。
【００３０】
【００３１】
【００３２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記絶縁体酸化物が、ＳｃＡｌＭｇＯ4、ＳｃＧａＭｇＯ4、ＳｃＡｌＭｎＯ4、ＳｃＧａＣｏＯ4、ＳｃＡｌＣｏＯ4、ＳｃＧａＺｎＯ4、ＳｃＡｌＺｎＯ4、ＳｃＧａＯ3（ＺｎＯ）nおよびＳｃＡｌＯ3（ＺｎＯ）nのうちのいずれか１つである。
【００３３】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記構成の絶縁体酸化物は、レーザ分子線エピタキシー法などを用いることにより簡便に結晶成長させることができ、且つ、組成制御によって±３％の格子歪を制御できる。
【００３４】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記多層反射膜を構成する一層当たりの層厚が、
λ／（４ｎ） …（１）
λ；発光波長
ｎ；上記酸化物半導体または上記絶縁体酸化物の屈折率
である。
【００３５】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によると、上記多層反射膜を構成する層の層厚がほぼ上記（１）の式を満たすことにより、高い反射率を有する多層反射膜を少ない積層数で確実に形成できる。したがって、発光特性および信頼性を向上させることができると共に、歩留りを高めることができる。
【００３６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記多層反射膜と上記第１導電型クラッド層との間に第１導電型ＺｎＯコンタクト層を有する。
【００３７】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記基板として絶縁体基板を用いる場合、第１導電型ＺｎＯコンタクト層（第１導電型ＺｎＯより成るコンタクト層）を多層反射膜と第１導電型クラッド層との間に設けることにより、第１導電型オーミック電極を第１導電型ＺｎＯコンタクト層上に形成できる。したがって、上記第１導電型ＺｎＯコンタクト層の形成が容易になる。また、上記第１導電型オーミック電極を第１導電型ＺｎＯコンタクト層上に形成することにより、動作電圧を低減できる。
【００３８】
また、上記基板として導電性基板を用いる場合でも、本発明の多層反射膜は絶縁体と半導体との積層構造であるので、第１導電型ＺｎＯコンタクト層を多層反射膜と第１導電型クラッド層との間に設けることにより、動作電圧を低減できる。
【００３９】
したがって、省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を得ることができる。
【００４０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板がサファイア基板である。
【００４１】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記サファイア基板は安価で高品質な絶縁体基板であるので、発光特性および信頼性を低コストで向上させることができる。
【００４２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板が導電性基板であり、上記多層反射膜が上記基板の中央部上のみに形成され、上記基板において上記多層反射膜とは反対側の表面に第１導電型電極が形成されている。
【００４３】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記導電性基板を用いることにより、導電性基板において多層反射膜とは反対側の表面、つまり基板裏面に電極を形成できるので、動作電圧および製造コストと低減できる。
【００４４】
また、上記多層反射膜が基板の中央部上のみに形成されているので、多層反射膜の周辺部を電流が流れやすくなる。
【００４５】
したがって、上記多層反射膜の効果と裏面電極の効果を同時に得ることができる。
【００４６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板がＳｉまたはＺｎＯ単結晶から成る。
【００４７】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、Ｓｉはサファイアと同様に、低コストで高品質な単結晶が得られる。したがって、上記基板がＳｉ単結晶から成る場合、基板を低コストで高品質にすることができる。また、上記基板がＳｉ単結晶から成る場合に問題となる基板光吸収（基板における光吸収）は、基板上に多層反射膜があるので回避される。
【００４８】
また、上記基板がＺｎＯ単結晶から成る場合、ＺｎＯからなる層を基板上にエピタキシャル成長させると、その層と基板との親和性が高いので、その層の結晶性を良好にすることができると共に、その層の欠陥を極めて少なくすることができる。
【００４９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体が、ＺｎＯ、ＣｄxＺｎ1-xＯ、ＭｇyＺｎ1-yＯおよびＢｅzＺｎ1-zＯのうちのいずれか１つである。
【００５０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記ＺｎＯ、ＣｄxＺｎ1-xＯ、ＭｇyＺｎ1-yＯおよびＢｅzＺｎ1-zＯは、ＺｎＯ系半導体であり、絶縁体酸化物に対して屈折率差が大きい。したがって、上記多層反射膜の反射率を少ない積層数でより確実に大きくできる。
【００５１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ｘが０＜ｘ≦０．２を満たす。
【００５２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記ＣｄxＺｎ1-xＯのｘが上記の式を満たしていれば、Ｃｄ含有量が少なくなり、多層反射膜の結晶性が低下するのを防ぐことができる。また、上記多層反射膜のＣｄ含有量が少ないので、多層反射膜の製造時における安全性を確保することができる。
【００５３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ｙが０＜ｙ≦０．３５を満たす。
【００５４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子において、上記ＭｇyＺｎ1-yＯのｙが上記の式を満たしていれば、Ｍｇ含有量が少なくなり、多層反射膜の結晶性が低下するのを防ぐことができる。
【００５５】
【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。
【００５６】
（実施形態１）
本実施形態１では、本発明の酸化物半導体発光素子の一例である青色発光ダイオード素子について説明する。この青色発光ダイオード素子はＺｎＯ系半導体で発光素子構造を構成している。
【００５７】
図１に、上記青色発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【００５８】
上記青色発光ダイオード素子は、基板の一例であるファイア基板１上に、多層反射膜の一例である多層反射膜２、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３、第１導電型クラッド層の一例であるｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４、活性層の一例であるノンドープ量子井戸発光層５、第２導電型クラッド層の一例であるｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層６、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７が積層されている。なお、上記サファイア基板１はサファイアＣ面（０００１）を主面としている。また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３はＧａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ０．１μｍの層、上記ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４はＧａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１μｍの層、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層６はＮが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１μｍの層、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７はＮが５×１０19ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ０．３μｍの層である。
【００５９】
上記多層反射膜２は、絶縁体酸化物の一例である厚さ７５ｎｍのＬｉＧａＯ2層と、酸化物半導体の一例である厚さ５５ｎｍのＺｎＯ層とを交互に積層することで構成している。上記ＬｉＧａＯ2層およびＺｎＯ層は夫々５層づつある。また、上記量子井戸発光層５は、厚さ５ｎｍのＭｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層と、厚さ４ｎｍのＣｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層とを交互に積層することで構成している。上記Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層は８層あり、Ｃｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層は７層ある。
【００６０】
また、上記ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４から図中上方に向ってｐ型ＺｎＯコンタクト層７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して、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３の表面の一部を露出させている。この露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層３の表面上には、Ａｌから成る厚さ１００ｎｍのｎ型オーミック電極１０を形成している。
【００６１】
そして、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層７の主表面全面上には、厚さ１５ｎｍのｐ型オーミック電極８が積層されている。このｐ型オーミック電極８は、Ｎｉ層からなり、透光性を有している。また、上記ｐ型オーミック電極８上には、Ａｕから成る厚さ１００ｎｍのボンディング用パッド電極９をｐ型オーミック電極８より小さい面積で形成している。
【００６２】
上記構成の青色発光ダイオード素子は、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシ（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの結晶成長手法で作製することができるが、本実施形態１では、レーザ分子線エピタキシ（以下、レーザＭＢＥと称する）法で作製した。
【００６３】
図２に、上記レーザＭＢＥ法で用いるレーザＭＢＥ装置１００の概略構成を示す。
【００６４】
上記レーザＭＢＥ装置１００は超高真空に排気可能な成長室１０１を備えている。この成長室１０１の一方の側壁には、パルスレーザ光１０８が通過するビューポート１０７を設けている。そして、上記成長室１０１の他方の側壁には、ラジカルセル１０９と、成長室１０１内に複数のガスを導入できるようガス導入管１１０とを複数（図２では１つのみ示す）設けている。また、上記成長室１０１の上部には、基板１０３が固定された基板ホルダ１０２を配置している。この基板ホルダ１０２の上方にはヒータ１０４を配置し、基板ホルダ１０２の下方には所定の距離をおいてターゲットテーブル１０５を配置している。このターゲットテーブル１０５は、原料ターゲット１０６を上面（基板ホルダ１０２側の表面）上に複数配置できる。また、図示しないが、上記ターゲットテーブル１０５は回転機構を有している。
【００６５】
上記ヒーター１０4は、基板ホルダー１０２の上面（原料ターゲット１０６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１０２の上面の熱が熱伝導により基板１０３に伝わって、基板１０３が加熱される。その後、上記ビューポート１０７を通じてパルスレーザ光１０８を原料ターゲット１０６の表面に照射し、原料ターゲット１０６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１０６が基板１０３の下面に付着し、基板１０３下に薄膜が成長する。そして、上記パルスレーザ光１０８の照射シーケンスに同期してターゲットテーブル１０５の回転を制御することにより、異なる原料ターゲット１０６の表面にパルスレーザ光１０８を照射して、その異なる原料ターゲット１０６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１０３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１０９によって活性化された原子状ビームを基板１０３に照射することも可能である。
【００６６】
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好ましい。
【００６７】
以下、上記青色発光ダイオード素子の製造方法を順に説明する。
【００６８】
まず、洗浄処理したサファイア基板１をレーザＭＢＥ装置１００に導入し、温度６００℃で３０分間加熱して清浄化する。
【００６９】
次に、基板温度を５００℃に降温し、ＬｉＧａＯ2単結晶およびノンドープＺｎＯ単結晶を原料ターゲット１０６として用い、回転機構によるターゲットテーブル１０５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ＬｉＧａＯ2単結晶およびノンドープＺｎＯ単結晶の表面を交互にＫｒＦエキシマレーザでアブレーションして、ＬｉＧａＯ2とＺｎＯとの交互積層により多層反射膜２を構成する。
【００７０】
上記ＫｒＦエキシマレーザは、波長が２４８ｎｍ、パルス数が１０Ｈｚ、出力１J／ｃｍ2のものである。なお、上記多層反射膜２の成長中には、ガス導入管１１０によりＯ2ガスを成長室１０１内に導入する。
【００７１】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶と、Ｇａ2Ｏ3を添加したＺｎＯ燒結体とを原料ターゲット１０６として用い、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３を形成する。具体的には、上記ノンドープＺｎＯ単結晶の表面と、Ｇａ2Ｏ3を添加したＺｎＯ燒結体の表面とを、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３を得る。
【００７２】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶と、Ｇａ2Ｏ3を添加したＭｇＺｎＯ燒結体とを原料ターゲット１０６として用い、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４を形成するためのエピタキシャル層を得る。具体的には、ノンドープＺｎＯ単結晶の表面と、Ｇａ2Ｏ3を添加したＭｇＺｎＯ燒結体の表面とを、所望のＭｇ組成とＧａドーピング濃度が得られる比率で交互にアブレーションして、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４を形成するためのエピタキシャル層を得る。
【００７３】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶、ＣｄＺｎＯ燒結体およびＭｇＺｎＯ燒結体を原料ターゲット１０６として用い、ノンドープ量子井戸活性層５を形成するためのエピタキシャル層を得る。具体的には、ノンドープＺｎＯ単結晶、ＣｄＺｎＯ燒結体およびＭｇＺｎＯ燒結体の表面を、所望のＣｄ組成比およびＭｇ組成比が得られる比率で順次アブレーションして、ノンドープ量子井戸活性層５を形成するためのエピタキシャル層を得る。このエピタキシャル層は、Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層とＣｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層とより成っている。
【００７４】
次に、上記ラジカルセル１０９よりプラズマ化したＮ2ガスを流しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶およびノンドープＭｇＺｎＯ燒結体を原料ターゲット１０６として用い、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層６を形成するためのエピタキシャル層を成長させる。具体的には、ノンドープＺｎＯ単結晶およびノンドープＭｇＺｎＯ燒結体の表面を交互にアブレーションして、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層６を形成するためのエピタキシャル層を得る。
【００７５】
次に、上記ラジカルセル１０９よりプラズマ化したN2ガスを流しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶を原料ターゲット１０６として用い、そのノンドープＺｎＯ単結晶の表面をアブレーションして、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７を形成するためのエピタキシャル層を得る。
【００７６】
次に、上記サファイア基板１をレーザＭＢＥ装置１００から取り出し、サファイア基板１の一部上にレジストマスクを形成する。そして、１重量％の硝酸水溶液を用いて、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３上の複数の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Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４から図中上方に向ってｐ型ＺｎＯコンタクト層７までが形成される。
【００７７】
次に、露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層３上にｎ型オーミック電極１０としてＡｌを真空蒸着する。引き続き、上記レジストマスクを洗浄除去した後、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７の上面全面に、ｐ型オーミック電極８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、青色発光を８０％透過する。
【００７８】
最後に、上記ｐ型オーミック電極８上にパッド電極９としてＡｕを真空蒸着する。
【００７９】
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燒結体との２つの原料ターゲット１０６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１０６を打ち分けるなどの方法で制御してもよい。
【００８０】
また、ＭｇＺｎＯ燒結体を用いず、ＺｎＯ単結晶とＭｇＯ単結晶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。
【００８１】
更に、Ｇａ2Ｏ3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。
【００８２】
本実施形態１の青色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１０およびｐ型パッド電極９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４２０ｎｍの青色発光が得られた。
【００８３】
比較例１として、多層反射膜２を形成しない他は本実施形態１と同様にして青色発光ダイオード素子を作製したところ、素子寿命は本実施形態１の青色発光ダイオード素子と同程度であったが、発光強度は本実施形態１の青色発光ダイオード素子の２０％程度であった。
【００８４】
このように、上記多層反射膜２を形成すると、ノンドープ量子井戸活性層５から下側に放射される光を反射し、光取り出し効率の高い素子上面や側面に反射させるため、発光効率が著しく向上する。
【００８５】
比較例２として、Ｃｄ0.2Ｚｎ0.8ＯとＭｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏとを用いて多層反射膜を形成した他は本実施形態１と同様にして青色発光ダイオード素子を作製したところ、本実施形態１の青色発光ダイオード素子と同等の発光強度を得るには、多層反射膜の積層回数を２５対以上にする必要があった。
【００８６】
これに対して、本発明に係る多層反射膜２は、屈折率の低い絶縁体酸化物と屈折率の高い酸化物半導体とを交互積層して形成したので、高反射率を得るのに積層数が少なくて済む。
【００８７】
比較例３として、ＳｉＯ2とＴｉＯ2を用いて多層反射膜を形成した他は本実施形態１と同様にして青色発光ダイオード素子を作製したところ、素子寿命は本実施形態１の青色発光ダイオード素子の１／１００であり、発光強度は本実施形態１の青色発光ダイオード素子の４０％程度であった。
【００８８】
これに対して、本発明に係る多層反射膜２は、多層反射膜２上に成長させる層の材料と同じＺｎＯ系半導体で高屈折率層を形成し、そのＺｎＯ系半導体と格子整合する絶縁体酸化物で低屈折率層を形成している。これにより、上記多層反射膜２と、この多層反射膜２上に成長させる層との結晶性を高めて、素子寿命および発光強度を向上させることができる。
【００８９】
図３に、本実施形態１の多層反射膜２に用いた絶縁体酸化物であるＬｉＧａＯ2の結晶構造と、ＺｎＯ系半導体であるＺｎＯの結晶構造とを示す。
【００９０】
ＬｉＧａＯ2のような、αβＯ2なる構成の斜方晶酸化物は、ＺｎＯ系半導体のウルツ鉱構造に類似の結晶構造である。
【００９１】
特に、上記αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも２つを含み、且つ、上記βの元素がＡｌとＧａとの少なくとも一方を含む場合、上記斜方晶酸化物の面内格子定数はＺｎＯの面内格子定数に極めて近くなる。また、その場合、上記斜方晶酸化物の構成元素の組成比を適切に選択することにより、斜方晶酸化物をＺｎＯ系半導体に格子整合させると共に、斜方晶酸化物の屈折率を制御することができる。
【００９２】
このような斜方晶酸化物としては、本実施形態１のＬｉ1-aＮａaＡｌＯ2の他に、Ｌｉ1-bＮａbＧａＯ2、ＬｉＡｌ1-cＧａcＯ2およびＮａＡｌ1-dＧａdＯ2（但し、０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）などを用いることができる。
【００９３】
図４（ａ），（ｂ）に、上記４つの酸化物に対して実効格子定数を求めた結果を示す。ここで「実効格子定数」とは、同一面内の６つの酸素原子で構成される六角形と同じ面積の正六角形を仮定し、この正六角形の一辺を成す酸素−酸素原子間距離と定義する。
【００９４】
図４（ａ），（ｂ）から判るように、Ｌｉ1-aＮａaＡｌＯ2、Ｌｉ1-bＮａbＧａＯ2、ＬｉＡｌ1-cＧａcＯ2およびＮａＡｌ1-dＧａdＯ2は、ＺｎＯに対して全組成範囲で０．３１２〜０．３４４ｎｍの格子定数差を制御できる。特に、Ｌｉ0.5Ｎａ0.5ＡｌＯ2およびＬｉ0.75Ｎａ0.25ＧａＯ2は、ＺｎＯと完全に格子整合する。このＬｉ0.5Ｎａ0.5ＡｌＯ2またはＬｉ0.75Ｎａ0.25ＧａＯ2と、ＺｎＯとで多層反射膜を構成した場合は、多層反射膜の結晶性を極めて高めることができる。
【００９５】
上記多層反射膜２に用いるＺｎＯ系半導体としては、ＺｎＯの他に、ＣｄxＺｎ1-xＯ、ＭｇyＺｎ1-yＯおよびＢｅzＺｎ1-zＯの少なくとも１つを用いることができる。
【００９６】
特に、多層反射膜２の材料としては屈折率の高いＣｄＺｎＯ混晶が好ましいが、このＣｄＺｎＯ混晶は、Ｃｄ組成比が大きくなると結晶性と組成均一性とが劣り、吸収損失を生じるようになると発光効率が低下する。したがって、Ｃｄ組成比の範囲としては０〜０．２の範囲、つまりＣｄxＺｎ1-xＯのｘが０＜ｘ≦０．２を満たして、且つ、ＣｄＺｎＯ混晶のバンドギャップは活性層のバンドギャップより大きいことが好ましい。
【００９７】
また、多層反射膜の材料としてＭｇＺｎＯ混晶を用いる場合は、Ｍｇ組成比は、０〜０．３５の範囲が結晶性と組成均一性に優れ好ましく、特に、０〜０．３３の範囲が結晶性と組成均一性により優れ好ましい。
【００９８】
また、サファイアなどの異種基板上に本発明の多層反射膜を形成する場合、まずＺｎＯ系半導体層を形成し、そのＺｎＯ系半導体層上に絶縁体酸化物層を形成し、以後この順で交互積層することが好ましい。これは、上記絶縁体酸化物は、異種基板よりもＺｎＯ系半導体層との親和性が高く、異種基板上に直接形成するよりもＺｎＯ層系半導体層を形成した上に形成すると平坦性・結晶性が格段に向上するからである。したがって、上記ＺｎＯ系半導体層をバッファ層として積層した後、絶縁体酸化物を積層することにより、欠陥の極めて少ない多層反射膜を得ることができる。その結果、上記多層反射膜上にＺｎＯ系半導体エピタキシャル層を形成すると、ＺｎＯ系半導体エピタキシャル層の欠陥を極めて少なくすることができる。
【００９９】
上記多層反射膜での光反射において、入射光は屈折率の高いＺｎＯ系半導体層から屈折率の低い絶縁体酸化物層への境界で反射されると位相が変化しないのに対して、絶縁体酸化物層からＺｎＯ系半導体層への境界で反射されると位相がπだけ変化する。したがって、上記多層反射膜を構成する一層当たりの層厚を、λ／（４ｎ）（λ；入射光の波長（発光波長）、ｎ；上記多層反射膜を構成する層の屈折率）とすると、入射光に対する各境界からの反射光位相が全て揃い、高い反射率が得られるので好ましい。
【０１００】
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、成長主面としてサファイアＡ面（１１−２０）を用いてもよい。
【０１０１】
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。
【０１０２】
また、本発明の高い発光効率を最大限の効果で得るためには、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７にｐ型不純物を高ドープし低抵抗化することが好ましい。しかし、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層７にｐ型不純物を過剰にドーピングすると、キャリア損失および結晶性劣化が顕著となるので、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７に対するｐ型不純物のドーピングは、５×１０16〜５×１０19ｃｍ-3のキャリア濃度範囲となるようにすることが好ましい。
【０１０３】
上記ｐ型不純物としては、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。このＩ族元素およびＶ族元素の中で、ＮとＬｉおよびＡｇは活性化率が高いので特に好ましい。また、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より好ましい。
【０１０４】
本実施形態１のように絶縁性基板を用いる場合は、多層反射膜２とｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層４の間にｎ型コンタクト層３を形成し、このｎ型コンタクト層３上にｎ型オーミック電極１０を形成する必要がある。上記ｎ型コンタクト層３の材料としては、結晶性に優れキャリア濃度を高くできるＺｎＯを用いることが好ましい。また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３のドーピング濃度は、１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3の範囲内で調整されることが好ましく、５×１０19〜５×１０20ｃｍ-3の範囲内で調整されることがより好ましい。また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３の膜厚は、０．００１〜１μｍが好ましく０．００５〜０．５μｍがより好ましく、０．０１〜０．１μｍがより更に好ましい。
【０１０５】
また、ｎ型ＺｎＯ系半導体層にドープする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。このIII族元素のうち、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。
【０１０６】
また、上記ｐ型オーミック電極８は、Ｎｉで形成していたが、Ｎｉの代わりにＰｔ、Ｐｄ、Ａｕなどで形成してもよい。また、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄおよびＡｕなどの金属材料を合金化して、ｐ型オーミック電極を形成してもよい。これらのＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどの中でＮｉは、低抵抗で密着性の良いので、ｐ型オーミック電極８の材料として好ましい。
【０１０７】
また、高い発光効率を最大限の効果で得るためには、本実施形態１で示したように、ｐ型オーミック電極８が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。上記ｐ型オーミック電極８において、良好なオーミック特性と高い透光性を両立する厚みとしては５〜２００ｎｍの範囲内が好ましく、３０〜１００ｎｍの範囲がより好ましい。
【０１０８】
上記ｐ型オーミック電極８の形成後にアニール処理を行うと、ｐ型オーミック電極８の密着性が向上すると共に、ｐ型オーミック電極８の接触抵抗が低減するので好ましい。上記アニール処理を行う場合、ＺｎＯ結晶に欠陥を生じずにアニール効果を得るには、アニール処理の温度を３００〜４００℃の範囲内に設定するのが好ましい。また、上記アニール処理における雰囲気はＯ2あるいは大気雰囲気中が好ましい。なお、上記アニール処理における雰囲気をＮ2にすると、ｐ型オーミック電極８の抵抗が増大する。
【０１０９】
上記ボンディング用パッド電極９をｐ型オーミック電極８より小さな面積で形成することは、透光性電極の効果を損なわずにリードフレームへの実装プロセスが容易になるので好ましい。また、上記ボンディング用パッド電極９の材料としては、ボンディングが容易でＺｎＯ中へ拡散してもドナー不純物とならないＡｕが好ましい。また、上記ｐ型オーミック電極８とボンディング用パッド電極９との間に、密着性や光反射性を向上させる目的で他の金属層を設けてもよい。
【０１１０】
上記ｎ型オーミック電極１０は、Ａｌで形成していたが、ＴｉやＣｒなどで形成してもよい。これらのＡｌ、ＴｉおよびＣｒなどの中でも、Ａｌは低抵抗でコストが低いの点で好ましく、Ｔｉは密着性の良いＴｉが好ましい。また、上記ｎ型オーミック電極１０は、Ａｌ、ＴｉおよびＣｒなどの金属材料を合金化して形成してもよい。
【０１１１】
その他の構成は任意であり、本実施形態１によって限定されるものではない。
【０１１２】
（実施形態２）
本実施形態２の青色発光ダイオード素子は、多層反射膜２とは異なる多層反射膜と、Ｓｉ基板とを用いた以外は上記実施形態１の青色発光ダイオード素子と同様に作製した。なお、以下では、図１で示した構成部と同一構成部については、図１における構成部と同一参照番号を用いて説明を行う。
【０１１３】
本実施形態２の青色発光ダイオードでは、Ｓｉ基板の（１１１）面を主面として用いている。また、上記Ｓｉ基板上の多層反射膜は、絶縁体酸化物の一例である厚さ７５ｎｍのＳｃＡｌＭｇＯ4層と、酸化物半導体の一例である厚さ５５ｎｍのＣｄ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層とを交互に積層して構成している。上記ＳｃＡｌＭｇＯ4層およびＣｄ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層は夫々５層づつある。
【０１１４】
本実施形態２の青色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１０およびｐ型オーミック電極９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４２０ｎｍの青色発光が得られ、多層反射膜２を形成しない発光ダイオード素子に比べ８倍の発光強度が得られた。
【０１１５】
図５に、本実施形態２の多層反射膜の材料として用いたＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶構造を示す。
【０１１６】
上記ＳｃＡｌＭｇＯ4のような、γαβＯ4またはγαＯ3（βＯ）nなる構造を有する酸化物は、ＺｎＯ系半導体と同じウルツ鉱構造を含む。なお、上記γ，α，βは単数または複数の原子、ｎは１以上の自然数である。
【０１１７】
図６および図７に、γαβＯ4またはγαＯ3（βＯ）nなる構造を有する絶縁体酸化物の格子定数とイオン半径の関係図を示す。
【０１１８】
図６および図７から判るように、上記γの元素がＳｃとＩｎとの少なくとも一方であり、且つ、上記αの元素がＡｌ、ＦｅおよびＧａのうちの少なくとも１つであり、且つ、上記βの元素がＭｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも１つであるようにすることによって、γαβＯ4またはγαＯ3（βＯ）nなる構造を有する絶縁体酸化物は、ＺｎＯ系半導体に格子整合させることができると共に、屈折率を制御することができる。
【０１１９】
このような絶縁体酸化物には、本実施形態のＳｃＡｌＭｇＯ4の他に、ＳｃＧａＭｇＯ4、ＳｃＡｌＭｎＯ4、ＳｃＧａＣｏＯ4、ＳｃＡｌＣｏＯ4、ＳｃＧａＺｎＯ4、ＳｃＡｌＺｎＯ4、ＳｃＧａＯ3（ＺｎＯ）nおよびＳｃＡｌＯ3（ＺｎＯ）nなどがＺｎＯ系半導体との格子不整合が極めて小さく好ましい。
【０１２０】
（実施形態３）
図８に、本実施形態３の青色発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【０１２１】
上記青色発光ダイオード素子は、基板の一例であるＺｎＯ基板３１上に、多層反射膜の一例である多層反射膜３２、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３３、第１導電型クラッド層の一例であるｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層３４、活性層の一例であるノンドープ量子井戸発光層３５、第２導電型クラッド層の一例であるｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層３６、ｐ型ＺｎＯコンタクト層３７が積層されている。ここで、上記ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層３４はＧａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１μｍの層、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層３６はＮが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１μｍの層、ｐ型ＺｎＯコンタクト層３７はＮが５×１０19ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ０．３μｍの層である。
【０１２２】
上記多層反射膜３２は、ＺｎＯ基板３１の中央部上のみに形成されている。そして、上記多層反射膜３２は、絶縁体酸化物の一例である厚さ７５ｎｍのＬｉＧａＯ2層と、酸化物半導体の一例である厚さ５５ｎｍのＺｎＯ層とを交互に積層することで構成している。上記ＬｉＧａＯ2層およびＺｎＯ層は夫々５層づつある。また、上記量子井戸発光層３５は、厚さ５ｎｍのＭｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層と、厚さ４ｎｍのＣｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層とを交互に積層することで構成している。上記Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層は８層あり、Ｃｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層は７層ある。
【０１２３】
また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３３は、ＺｎＯ基板３１および多層反射膜３２を覆うように積層されている。これにより、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３３は、多層反射膜３２の周囲においてＺｎＯ基板３１と接触している。また、上記ＺｎＯコンタクト層３３は、Ｇａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされ、多層反射膜３２上の厚みが０．１μｍになっている。
【０１２４】
また、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層３７の主表面全面上には、厚さ１５ｎｍのｐ型オーミック電極３８が積層されている。このｐ型オーミック電極３８は、Ｎｉ層からなり、透光性を有している。また、上記ｐ型オーミック電極３８上には、Ａｕから成る厚さ１００ｎｍのボンディング用パッド電極３９をｐ型オーミック電極３８より小さい面積で形成している。一方、上記ＺｎＯ基板３１の下面全面には、Ａｌから成るｎ型オーミック電極４０を設けている。
【０１２５】
上記青色発光ダイオード素子をチップ状に分離してＡｇペーストでリードフレームに取り付け、ｐ型パッド電極３９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４２０ｎｍの青色発光が得られた。上記青色発光ダイオード素子の発光強度は、多層反射膜３２を形成しない発光ダイオード素子に比べて５倍に向上した。また、本実施形態３の青色発光ダイオード素子は、絶縁体基板を用いた上記実施形態１の青色発光ダイオード素子と比べて、発光強度が１．５倍向上し、動作電圧が０．３V低減した。
【０１２６】
このように、本実施形態３の青色発光ダイオード素子の発光強度が向上したのは、ＺｎＯ基板１上にエピタキシャル成長で形成される発光素子構造と、そのＺｎＯ基板１とが親和性に優れていることにより、結晶性が良好で欠陥の極めて少ない発光素子構造を作製することができたためであると考えられる。
【０１２７】
（実施形態４）
本実施形態４では、本発明の酸化物半導体発光素子の一例である青色半導体レーザ素子について説明する。
【０１２８】
図９に、本実施形態４の青色半導体レーザ素子２０の模式斜視図を示す。
【０１２９】
上記青色半導体レーザ素子は、基板の一例であるサファイア基板４１上に、多層反射膜の一例である第１多層反射膜４２、ｎ型ＺｎＯコンタクト層４３、第１導電型クラッド層の一例であるｎ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４４、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ光ガイド層４５、活性層の一例である量子井戸発光層４６、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ光ガイド層４７、第２導電型クラッド層の一例であるｐ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４８、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４９が積層されている。なお、上記サファイア基板１はサファイアＣ面（０００１）を主面としている。また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層４３はＧａがドープされた厚さ０．１μｍの層、ｎ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４４はＧａがドープされた厚さ０．１μｍの層、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ光ガイド層４５およびｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ光ガイド層４７は共にＧａがドープされた厚さ５０ｎｍの層、ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ光ガイド層４７はＮがドープされた厚さ５０ｎｍの層、ｐ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４８はＮがドープされた厚さ１．０μｍの層、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４９はNがドープされた厚さ０．５μｍの層である。
【０１３０】
上記第１多層反射膜４２は、絶縁体酸化物の一例である厚さ７５ｎｍのＬｉＧａＯ2層と、酸化物半導体の一例である厚さ５５ｎｍのＺｎＯ層とを交互に積層して構成している。上記ＬｉＧａＯ2層およびＺｎＯ層は夫々５層づつある。また、上記量子井戸発光層４６は、厚さ５ｎｍのＭｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層と、厚さ４ｎｍのＣｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層とを交互に積層して構成している。上記Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ障壁層は２層あり、Ｃｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層は３層ある。
【０１３１】
また、上記ｐ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４８は、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を有している。このリッジストライプ部の側面は、Ｇａドープのｎ型Ｍｇ0.35Ｚｎ0.65Ｏ電流ブロック層５０と、第１多層反射膜と同じ構成の第２多層反射膜５１とによって埋め込まれている。
【０１３２】
また、上記ｎ型Ｍｇ0.3Ｚｎ0.7Ｏクラッド層４４から図中上方に向ってｐ型ＺｎＯコンタクト層４９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により、ｎ型ＺｎＯコンタクト層４３の表面の一部を露出させている。この露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層４３の表面上には、ｎ型オーミック電極４２を形成している。
【０１３３】
なお、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層４９の上に形成されているのは、ｐ型オーミック電極５３である。
【０１３４】
また、上記青色半導体レーザ素子は、上記リッジストライプ部が延びる方向に垂直なミラー端面に保護膜を蒸着された後、３００μｍに分離されたものである。
【０１３５】
上記青色半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られ、発振閾値電流は、第１，第２多層反射膜４２，５１を形成しない半導体レーザ素子に比べて３０％低減した。このように、本発明の多層反射膜は、発光ダイオード素子のみならず、端面発光型の半導体レーザ素子においても、多層反射膜が光閉込め効率を向上させるので、閾値電流を低減させ、素子特性を向上させることができる。
【０１３６】
本実施形態４においては、基板としてサファイア基板を用いたが、上記実施形態３の製造方法と同様にして、ＺｎＯなどの導電性基板を用いてもよい。
【０１３７】
また、多層反射膜は活性層に対して片側のみに設けても本発明の効果は発揮されるが、より大きな光閉じ込めや、対称性の良い光分布を得るためには、両側に設けることが好ましい。つまり、上記第１，第２多層反射膜４２，５１の一方だけ設けても本発明の効果を得られるが、より大きな光閉じ込めや、対称性の良い光分布を得る観点上、第１，第２多層反射膜４２，５１の両方を設けることが好ましい。
【０１３８】
上記実施形態１〜４においては、基板側から順に、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層を積層していたが、基板側から順に、ｐ型クラッド層、活性層およびｎ型クラッド層を積層してもよい。
【０１３９】
また、本発明の酸化物半導体発光素子の基板として、ＳｉまたはＺｎＯ単結晶から成る基板を用いてもよい。
【０１４０】
【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、酸化物半導体と絶縁体酸化物とを交互に積層して多層反射膜を構成しているので、多層反射膜を構成する層の数を少なくしても、多層反射膜の反射率が高くなる。したがって、上記多層反射膜を構成する層の数を少なくして、製造工程を簡略化できると共に、製造コストを低減できる。
【０１４１】
また、上記多層反射膜の一部と、その多層反射膜上の第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層とを、共に酸化物半導体から構成しているので、結晶性に優れた発光素子構造を多層反射膜上に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の実施形態１の青色発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図２】 図２は上記青色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、ＬｉＧａＯ2の結晶構造とＺｎＯの結晶構造とを示す図である。
【図４】 図４（ａ）はＬｉＮａＧａＯ2およびＮａＡｌＧａＯ2の組成と実行格子定数との関係を示す図であり、図４（ｂ）はＬｉＮａＡｌＯ2およびＬｉＡｌＧａＯ2の組成と実行格子定数との関係を示す図である。
【図５】 図５はＳｃＡｌＭｇＯ4の結晶構造を示す図である。
【図６】 図６はγαβＯ4構造の絶縁体酸化物の格子定数とイオン半径との関係を示す図である。
【図７】 図７はγαＯ3（βＯ）n構造の絶縁体酸化物の格子定数とイオン半径との関係を示す図である。
【図８】 図８は本発明の実施形態３の青色発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図９】 図９は本発明の実施形態４の青色半導体レーザ素子の模式断面図である。
【符号の説明】
１，４１ サファイア基板
２，３２ 多層反射膜
４，３４ ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層４
５，３５，４６ 量子井戸発光層
６，３６ ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層
３１ ＺｎＯ基板
４２ 第１多層反射膜
５１ 第２多層反射膜
Claims (13)
- 基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層が酸化物半導体より成り、
上記基板と上記第１導電型クラッド層との間に、酸化物半導体と絶縁体酸化物とを交互に積層して成る多層反射膜を有し、
上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体がＺｎＯ系半導体であり、
上記絶縁体酸化物が、αβＯ2（α，βは単数または複数の原子）なる構成の斜方晶構造を有し、
上記αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＡｌとＧａとの少なくとも一方を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層が酸化物半導体より成り、
上記基板と上記第１導電型クラッド層との間に、酸化物半導体と絶縁体酸化物とを交互に積層して成る多層反射膜を有し、
上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体がＺｎＯ系半導体であり、
上記絶縁体酸化物が、γαβＯ4またはγαＯ3（βＯ）n（但し、γ，α，βは単数または複数の原子、ｎは１以上の自然数）なる構造を有し、
上記γの元素がＳｃとＩｎとの少なくとも一方であり、且つ、上記αの元素がＡｌ、ＦｅおよびＧａのうちの少なくとも１つであり、且つ、上記βの元素がＭｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも１つ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または２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層を構成する酸化物半導体がＺｎＯ系半導体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または２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体の面内格子定数に対して、上記絶縁体酸化物の面内格子定数が（１００±３）％の範囲内に収まっていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記絶縁体酸化物が、Ｌｉ1-aＮａaＡｌＯ2、Ｌｉ1-bＮａbＧａＯ2、ＬｉＡｌ1-cＧａcＯ2、ＮａＡｌ1-dＧａdＯ2（但し、０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）のいずれか１つであることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記絶縁体酸化物が、ＳｃＡｌＭｇＯ4、ＳｃＧａＭｇＯ4、ＳｃＡｌＭｎＯ4、ＳｃＧａＣｏＯ4、ＳｃＡｌＣｏＯ4、ＳｃＧａＺｎＯ4、ＳｃＡｌＺｎＯ4、ＳｃＧａＯ3（ＺｎＯ）nおよびＳｃＡｌＯ3（ＺｎＯ）nのうちのいずれか１つ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または２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記多層反射膜と上記第１導電型クラッド層との間に第１導電型ＺｎＯコンタクト層を有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１または２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板がサファイア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または２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板が導電性基板であり、
上記多層反射膜が上記基板の中央部上のみに形成され、
上記基板において上記多層反射膜とは反対側の表面に第１導電型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または２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板がＳｉまたはＺｎＯ単結晶から成ることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１または２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記多層反射膜に含まれる酸化物半導体が、ＺｎＯ、ＣｄxＺｎ1-xＯ、ＭｇyＺｎ1-yＯおよびＢｅzＺｎ1-zＯのうちのいずれか１つであることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｘが０＜ｘ≦０．２を満たすであることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｙが０＜ｙ≦０．３５を満たすことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
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