JP4278399B2 - 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、更に詳しくは、低い動作電圧で駆動でき、発光効率に優れ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を有する直接遷移型半導体であり、励起子結合エネルギが６０meVと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
【０００３】
ＺｎＯは強いイオン性に起因する自己補償効果のために従来ｐ型の導電型制御が困難であったが、アクセプタ不純物としてＮ（窒素）を用いることでｐ型化が実現した。これにより、ＺｎＯ系半導体を用いて高効率な半導体発光素子を作製すべく、多くの研究がなされるようになった。
【０００４】
しかし、ＺｎＯ中でのアクセプタ準位は非常に深く、ＺｎＯのｐ型化を実現するＮでさえ約２００meVの活性化エネルギを必要とする。このため、ｐ型ＺｎＯ系半導体の電気抵抗が高くなってしまう。その結果、ｐ型ＺｎＯ系半導体を用いた酸化物半導体発光素子では、素子電気抵抗が高くなるという問題が生じてしまう。
【０００５】
この問題を解決する酸化物半導体発光素子が、特開２０００−３３２２９６号公報（特許文献１）に開示されている。この特許文献１の酸化物半導体発光素子では、低電気抵抗なｐ型ＺｎＯ系半導体として、ＺｎＯ／ＺｎＴｅ超格子構造を有するｐ型II−VI族半導体結晶を用いている。より詳しく説明すると、そのＺｎＯ／ＺｎＴｅ超格子構造は、所定濃度まではアクセプタ不純物がドーピングされていないＺｎＯ層と、所定濃度以上にアクセプタ不純物がドーピングされたＺｎＴｅ層とが交互に積層されて構成されている。
【０００６】
また、低電気抵抗なｐ型ＺｎＯ系半導体を得る他の技術としては、アクセプタ不純物と共にドナー不純物を特定の比率でドーピングする「同時ドーピング法」が考案され、特開２００１−４８６９８号公報（特許文献２）や特開２００１−６８７０７号公報（特許文献３）に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−３３２２９６号公報
【特許文献２】
特開２００１−４８６９８号公報
【特許文献３】
特開２００１−６８７０７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したようなｐ型ＺｎＯ系半導体の低電気抵抗化では、以下のような問題が生じてしまう。
【０００９】
特許技術文献１のＺｎＯ／ＺｎＴｅ超格子構造によるｐ型II−VI族半導体結晶では、ＺｎＯはウルツ鉱型結晶構造（面内格子定数３．２Å）が安定相であるのに対して、ＺｎＴｅは閃亜鉛鉱型結晶構造（面内格子定数６．１Å）が安定相である。従って、ＺｎＯとＺｎＴｅとを交互にエピタキシャル成長して超格子構造を作製するのは難しいという問題がある。特に、１μｍ程度の厚膜が要求される発光素子のクラッド層にＺｎＯ／ＺｎＴｅ超格子構造を適用するのは、結晶性とコストとの両面から考えて難しい。
【００１０】
特許文献２、特許文献３の「同時ドーピング法」によるｐ型ＺｎＯ系半導体の低電気抵抗化は、キャリアの散乱機構が長距秩序から短距離秩序へ変わることによって実現される。このため、上記ｐ型ＺｎＯ系半導体を低電気抵抗化するには、ドナー不純物およびアクセプタ不純物のドーピング濃度を高濃度にする必要がある。その結果、上記ｐ型ＺｎＯ系半導体では、不純物による光吸収が顕著となり、発光効率が著しく悪化するという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、素子電気抵抗が低く、超格子構造の作製が容易で発光効率に優れる酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＺｎＯ系半導体を用いた酸化物半導体発光素子について鋭意検討した結果、ＺｎＯ層とＭｇＺｎＯ層とで構成した超格子構造を用いることによって、特許文献１〜３の従来例よりも素子電気抵抗を低減できることを見い出し、本発明に至った。
【００１３】
本発明の酸化物半導体発光素子は、
基板上に形成され、ＺｎＯ系半導体から成る半導体層を備えた酸化物半導体発光素子において、
上記半導体層は、ＺｎＯ層とＭｇxＺｎ1-xＯ層（但し、０＜ｘ≦１）とで構成された超格子構造を有し、
上記基板上に、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ていて、
上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層がＺｎＯ系半導体から成り、
上記第１導電型クラッド層と上記第２導電型クラッド層との少なくとも一方が上記超格子構造を有し、
上記超格子構造に、ドナー不純物またはアクセプタ不純物がドーピングされていて、
上記Ｍｇ x Ｚｎ 1-x Ｏ層のキャリア濃度が上記ＺｎＯ層のキャリア濃度よりも少ないことを特徴としている。
【００１４】
本明細書において、ＺｎＯ系半導体とは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶も含めるものとする。
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、上記「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。
【００１５】
上記構成の酸化物半導体発光素子は、上記超格子構造をＺｎＯ層とＭｇxＺｎ1-xＯ層とで構成しているので、その超格子構造を有する半導体層の電気抵抗が低くなり、素子電気抵抗を低減できる。つまり、動作電圧が低く、省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を得ることできる。
【００１６】
より詳しく説明すると、ＭｇyＺｎ1-yＯ混晶と同等のバンドギャップエネルギと光学特性とを有する半導体層は、ＺｎＯ／ＭｇxＺｎ1-xＯ超格子構造（但し、ｘ＞ｙ）によって実現されるが、ＭｇyＺｎ1-yＯ混晶よりもＺｎＯ／ＭｇxＺｎ1-xＯ超格子構造の方が、ドーピング効率が高く、低電気抵抗化し易い。従って、上記第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層との少なくとも一方をＺｎＯ／ＭｇxＺｎ1-xＯ超格子構造で構成することにより、発光素子の動作電圧が低減でき、省電力性を向上させることができる。
【００１７】
また、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層は共に酸化物半導体であるので、ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層からなる超格子構造は容易に作製できる。
【００１８】
また、上記超格子構造はドーピング効率が高く低電気抵抗なので、高濃度ドーピングを行う必要がなく、発光効率を向上させることができる。
【００１９】
また、上記超格子構造には高濃度ドーピングを行わなくてよいので、結晶性および透光性を向上させることができる。
【００２０】
上記超格子構造のＺｎＯ系半導体は、例えば半導体レーザの発光層には勿論のこと、クラッド層、ブロック層およびコンタクト層などに使用することもできる。特に、上記超格子構造のＺｎＯ系半導体をクラッド層などに使用すると、クラッド層などのドーピン効率を高めることでき、素子電気抵抗を低減できる。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
また、上記構成の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層との少なくとも一方が、ＺｎＯ層とＭｇxＺｎ1-xＯ層とで構成された超格子構造を有するので、第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層とのうちの少なくとも一方の電気抵抗を低減できる。
また、上記構成の酸化物半導体発光素子は、上記Ｍｇ x Ｚｎ 1-x Ｏ層のキャリア濃度がＺｎＯ層のキャリア濃度よりも少ないので、Ｍｇ x Ｚｎ 1-x Ｏ層からＺｎＯ層へドーピング不純物（ドナー不純物またはアクセプタ不純物）が拡散するのを阻止できる。従って、上記ドーピング不純物の拡散による超格子構造の無秩序化を防ぐことができる。
以上より、信頼性と発光効率に優れた酸化物半導体発光素子を作製することができる。
【００２５】
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。
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記超格子構造に、ドナー不純物またはアクセプタ不純物がドーピングされていて、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層の不純物ドーピング濃度が１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3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は、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層の不純物ドーピング濃度が１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3の範囲内であるから、第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層との少なくとも一方の電気抵抗を確実に低減できると共に、超格子構造の結晶性が低下するのを防ぐことできる。
【００３１】
また、上記不純物ドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3未満になると、超格子構造のキャリア濃度が低くなるため、動作電圧が高くなる。
【００３２】
また、上記不純物ドーピング濃度が１×１０21ｃｍ-3を越えると、超格子構造の結晶性が低下してしまう。
【００３３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＭｇxＺｎ1-xＯ層のＭｇ組成比ｘが０．０５≦ｘ≦０．３５を満たす。
【００３４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＭｇxＺｎ1-xＯ層のＭｇ組成比ｘが０．０５≦ｘ≦０．３５を満たすので、超格子構造を形成するために十分なポテンシャル障壁を得ることができると共に、ＭｇxＺｎ1-xＯ層の結晶性が低下するのを阻止できる。
【００３５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＺｎＯ層または上記ＭｇxＺｎ1-xＯ層の層厚が１〜１０ｎｍの範囲内である。
【００３６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＺｎＯ層またはＭｇxＺｎ1-xＯ層の層厚が１〜１０ｎｍの範囲内であるので、ポテンシャル障壁をキャリアがトンネルし易くなり、素子電気抵抗をより低減できる。
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
【００４５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記アクセプタ不純物がＮ、ＬｉおよびＡｇのうちの１つを含む。
【００４６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記アクセプタ不純物がＮ、ＬｉおよびＡｇのうちの１つを含むので、活性化率が高く、素子電気抵抗が更に低くなる。従って、動作電圧がより低く、省電力性がより優れた酸化物半導体発光素子を得ることができる。
【００４７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ドナー不純物がＧａ、ＡｌおよびＩｎのうちの１つを含む。
【００４８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ドナー不純物がＧａ、ＡｌおよびＩｎのうちの１つを含むので、活性化率が高く、素子電気抵抗が更に低くなる。従って、動作電圧がより低く、省電力性がより優れた酸化物半導体発光素子を得ることができる。
【００４９】
【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。
【００５０】
（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ＺｎＯ系発光ダイオード素子について説明する。
【００５１】
図１に、上記発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【００５２】
上記発光ダイオード素子は、亜鉛面を主面とするｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｇａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層１０２、ノンドープで厚さ０．５μｍのＣｄ0.05Ｚｎ0.95Ｏ発光層１０３、ｐ型超格子クラッド層１０４、Ｎが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされ厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５が順次積層されている。ここでは、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層１０２が第１導電型クラッド層の一例に、Ｃｄ0.05Ｚｎ0.95Ｏ発光層１０３が活性層の一例に、ｐ型超格子クラッド層１０４が第２導電型クラッド層の一例に相当している。
【００５３】
上記ｐ型超格子クラッド層１０４は、厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層とが交互に積層されて構成されている。上記ＺｎＯ層にはＮが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされている一方、上記Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層にはＮが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。つまり、上記ＺｎＯ層とＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層とは同じ導電型である。また、上記ｐ型超格子クラッド層１０４の厚さは１μｍである。
【００５４】
また、上記ｐ型コンタクト層１０５の主表面全面上には、厚さ１５ｎｍのＮｉから成るｐ型オーミック電極１０６が積層されている。このｐ型オーミック電極１０６上には、厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極１０７がｐ型オーミック電極１０６より小さい面積で形成されている。
【００５５】
そして、上記ＺｎＯ基板１０１の裏面（図中下側の表面）下には、厚さ１００ｎｍのＡｌからなるｎ型オーミック電極１０８を設けている。
【００５６】
上述したような積層構造をｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に形成した後、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１をチップ状に分離することにより、本実施形態１の発光ダイオード素子を得る。この発光ダイオード素子をＡｇペーストでリードフレームに取り付けてモールドし発光させたところ、発光ピーク波長４００ｎｍの青色発光が得られた。
【００５７】
上記構成の発光ダイオードは、ＺｎＯ層とＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層とからなるｐ型超格子クラッド層１０４を用いているので、ｐ型超格子クラッド層１０４の電気抵抗が低くなり、素子電気抵抗を低減できる。
【００５８】
また、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層は共に酸化物半導体であるので、ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層からなる超格子構造、つまりｐ型超格子クラッド層１０４は容易に作製できる。
【００５９】
また、上記ｐ型超格子クラッド層１０４はドーピング効率が高く低電気抵抗なので、高濃度ドーピングを行う必要がなく、発光効率を向上させることができる。
【００６０】
以下、上記ｐ型超格子クラッド層１０４による素子電気抵抗の低減効果について詳しく説明する。
【００６１】
図２に、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層の一部を構成するＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層へのＮドーピング濃度と、２０ｍＡの動作電流における動作電圧との関係を示す。図２において、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層の一部を構成するＺｎＯ層へのＮドーピング濃度は、実線（１）が１×１０18ｃｍ-3、実線（２）が１×１０19ｃｍ-3、実線（３）が１×１０20ｃｍ-3となっている。また、図２では、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層のみから成るクラッド層において、そのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層へのＮドーピング濃度と、２０ｍＡの動作電流における動作電圧との関係を比較例として点線で示す。
【００６２】
図２より、実線（３）のｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層は、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層のみで構成したクラッド層よりも動作電圧が低いことが判る。また、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層へのＮドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3未満の場合は、ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層のキャリア濃度が低くなるため、動作電圧が高くなる。そして、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層へのＮドーピング濃度が１×１０21ｃｍ-3を越える場合も、ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層の結晶性が低下するため、動作電圧が高くなる。
【００６３】
以上より、動作電圧を低減する観点上、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層のＮドーピング濃度は、１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3の範囲が好ましい。つまり、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層へのＮドーピング濃度は、１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3の範囲が好ましい。
【００６４】
更に、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層において、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層のキャリア濃度がＺｎＯ層のキャリア濃度を超えると、動作電圧の上昇が顕著になった。この理由は、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層からＺｎＯ層への不純物拡散によって超格子構造が無秩序化するからである。なお、ｐ型ＺｎＯ系半導体においてキャリア濃度はドーピング濃度より低い。図２ではＭｇＺｎＯ層へのＮドーピング濃度がＺｎＯ層へのＮドーピング濃度をおよそ一桁上回ったところで動作電圧が上昇している。
【００６５】
以上より、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層においては、ＭｇxＺｎ1-xＯ層のキャリア濃度がＺｎＯ層キャリア濃度より少なくなるようにドーピング濃度が調整されることが好ましい。
【００６６】
図３に、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層を構成するＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚と、２０ｍＡの動作電流における動作電圧との関係を示す。なお、上記ＺｎＯ層はＮが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされたものであり、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層はＮが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされたものである。
【００６７】
図３より、ＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚が１０ｎｍを越えると、動作電圧の上昇が顕著となっているのが判る。このように動作電圧が上昇する原因は、ＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚が１０ｎｍを越えると、量子トンネル効果が弱くなってキャリアが流れにくくなるためだと考えられる。一方、ＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚が１ｎｍ未満でも、動作電圧の上昇が顕著となっているのが判る。例えば、ＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚がＺｎＯの単位セル高さに相当する０．５ｎｍの厚さでは、動作電圧が高くなっている。このような動作電圧の上昇が生じる原因はＺｎＯ層とＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との接合界面の数が増大するためだと考えられる。
【００６８】
以上より、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層におけるＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の一層当りの層厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。
【００６９】
ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層において超格子構造を形成するために十分なポテンシャル障壁を有するためには、ＭｇＺｎＯ層のＭｇ組成比を０．０５以上にするのが好ましい。また、ＭｇＺｎＯ層のＭｇ組成比が０．３５を超えると、欠陥の増大や相分離による結晶性の劣化が著しくなり、発光効率が低下し動作電圧が上昇するので、ＭｇＺｎＯ層のＭｇ組成比は０．３５以下であることが好ましい。従って、上記ＭｇＺｎＯ層のＭｇ組成比は０．０５〜０．３５の範囲内であるのが好ましい。
【００７０】
ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層にドーピングするアクセプタ不純物としては、Ｉ族元素のＬｉ、Ｃｕ、ＡｇやＶ族元素のＮ、Ａｓ、Ｐなどを用いることができるが、本発明の効果を最大限に得る観点上、活性化率が高いＮ、ＬｉおよびＡｇが特に好ましい。また、そのＮをアクセプタ不純物として用いる場合、ＮはＮ2をプラズマ化して結晶成長中に照射する手法が好ましい。この手法により、結晶性を良好に保ちつつＮの高濃度ドーピングを行える。
【００７１】
本実施形態１ではｐ型クラッド層の全てを超格子構造で構成したが、ｐ型クラッド層の一部を超格子構造にしても、ｐ型クラッド層の全てを単一組成のＭｇＺｎＯ混晶で構成する場合よりも、ｐクラッド層に対して低電気抵抗化の効果を奏する。
【００７２】
以下、本実施形態１において本発明の効果を最大限に得るための他の構成について述べるが、この構成は他の実施形態と任意に組み合わせて用いてもよい。
【００７３】
本発明の酸化物半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシ（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの結晶成長手法で作製することができる。これらの結晶成長手法の中でレーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、また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。
【００７４】
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、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。
【００７５】
発光ダイオード素子の発光効率を向上させるには、ｐ型超格子クラッド層１０４上に直接ｐ型オーミック電極１０６を形成せず、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５を設けるのが好ましい。このｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５によって、素子電気抵抗がより低下し、電流広がりが均一になる。ｐ型コンタクト層の材料には、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。勿論、ｐ型超格子クラッド層１０４へのドーピングに用いるアクセプタ不純物を、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５にも適用するのが好ましい。また、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５に過剰にアクセプタ不純物をドーピングすると、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５において結晶性の劣化が顕著となり、本発明の効果が減少するので、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５へのドーピングは、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５のキャリア濃度が５×１０16〜５×１０19ｃｍ-3の範囲内に収まるように行うのが好ましい。
【００７６】
本実施形態１で用いたＺｎＯ基板以外にも、サファイアやスピネルあるいはＬｉＧａＯ2などの絶縁性基板、ＳｉＣやＧａＮなどの導電性基板を用いてもよい。
【００７７】
絶縁性基板を用いる場合は、絶縁性基板とｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０２との間にｎ型コンタクト層を設けて、ｎ型コンタクト層上の成長層の一部をエッチングしてｎ型コンタクト層の一部を露出させ、この露出したｎ型コンタクト層の一部上にｎ型オーミック電極を設ければよい。ｎ型コンタクト層の材料には、ｐ型コンタクト層の場合と同様にＺｎＯが適している。また、ｎ型コンタクト層にドーピングするドナー不純物のドーピング濃度は、１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3の範囲内に調整されるのが好ましく、５×１０19〜５×１０20ｃｍ-3の範囲内に調整されるのがより好ましい。また、ｎ型コンタクト層の層厚は、０．００１〜１μｍの範囲内に調整されるのが好ましく、０．００５〜０．５μｍの範囲内に調整されるのがより好ましく、０．０１〜０．１μｍの範囲内に調整されるのが極めて好ましい。
【００７８】
また、絶縁性基板を用いる場合、バッファ層を絶縁性基板上に積層した後、そのバッファ層上に成長層を形成してもよい。これにより、結晶性の良好な成長層を得ることができる。
【００７９】
可視領域における発光強度を最大限に得るためには、以下の（ａ）〜（ｃ）の条件を満たす基板を用いるのが好ましい。
【００８０】
（ａ） 基板の面内格子定数は、ＺｎＯの面内格子定数に対して（１００±
３）％の範囲内に収まっている。
【００８１】
（ｂ） 基板は発光波長に対応する吸収係数が低い。
【００８２】
（ｃ） 基板の裏面下に電極を設ける観点上、基板は導電性基板である。
【００８３】
なお、上記面内格子定数とは、結晶成長方向（半導体層の積層方向）に対して垂直な２次元平面での格子点間の距離のことである。
【００８４】
本実施形態１において、基板として用いたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１は、上記（ａ）〜（ｃ）の条件を全て満して最も好ましい。また、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１の亜鉛面を主面として用いるので、ｐ型層のキャリア活性化率が向上し、電気抵抗の低いｐ型層が得られ易くなっている。
【００８５】
また、研磨やエッチングなどの公知の手法で基板の裏面に凹凸を形成すると、基板に入射した発光が乱反射して、光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００８６】
また、高い発光効率を得るためには、本実施形態１で示したように、ｐ型オーミック電極１０６が透光性を有するよう形成して光取り出し効率を向上させることが好ましい。ｐ型オーミック電極の材料としては、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどを用いることができるが、中でも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。また、上記複数の金属材料を合金化したものをｐ型オーミック電極として用いてもよい。また、ｐ型オーミック電極の厚みとしては、良好なオーミック特性と高い透光性を両立する観点上、５〜２００ｎｍの範囲内に調整されるのが好ましく、３０〜１００ｎｍの範囲内に調整されるのがより好ましい。
【００８７】
ｐ型電極を形成した後にアニール処理を行うと、ｐ型電極の密着性が向上すると共に、ｐ型電極の接触抵抗が低減するので好ましい。基板上のＺｎＯ結晶に欠陥を生じさせずにアニール効果を得るには、アニール処理の温度は３００〜４００℃の範囲内に調節されるのが好ましい。また、上記アニール処理における雰囲気はＯ2あるいは大気雰囲気であるのが好ましい。なお、アニール処理における雰囲気がＮ2であると、ｐ型電極の接触抵抗が増大してしまう。
【００８８】
上記ボンディング用Ａｕパッド電極１０７をｐ型オーミック電極１０６より小さい面積で形成すれば、つまりボンディング用Ａｕパッド電極１０７をｐ型オーミック電極１０６の一部上に形成すれば、ｐ型オーミック電極１０６の透光性に大きな悪影響を与えることなく、リードフレームへの実装プロセスが容易になるので好ましい。パッド電極の材料としては、ボンディングが容易でＺｎＯ中へ拡散してもドナー不純物とならないＡｕが好ましい。また、上記ボンディング用Ａｕパッド電極１０７とｐ型オーミック電極１０６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。
【００８９】
ｎ型オーミック電極の材料としては、Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどを用いることができる。Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどの中でも、低電気抵抗でコストの低いＡｌ、または、密着性の良いＴｉが好ましい。また、Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどの複数の金属材料を合金化したものをｎ型オーミック電極として用いてもよい。Ａｌから成るｎ型オーミック電極は、青〜紫外光に対する反射率が高いため、裏面全面に形成しても光取り出し効率は高い。また、Ａｌから成るｎ型オーミック電極を任意の形状にパターニングし、露出した基板の裏面をＡｇペーストなどでリードフレームに接着しても良い。Ａｌに比べてＡｇの方が青〜紫外光の反射率がＡｌより高いため好ましい。
【００９０】
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。
【００９１】
（実施形態２）
本実施形態２のＺｎＯ系発光ダイオード素子は、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層１０２の代わりにｎ型超格子クラッド層を用いた以外は上記実施形態１のＺｎＯ系発光ダイオード素子と同様に作製したものである。
【００９２】
上記ｎ型超格子クラッド層は、Ｇａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と、Ｇａが５×１０17ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との交互積層によって構成されている。また、上記ｎ型超格子クラッド層の厚さは１μｍである。
【００９３】
本実施形態２のｎ型超格子クラッド層は、上記実施形態１のｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層１０２に比べてＧａのドーピング濃度が低いにもかかわらず、上記実施形態１のｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層１０２よりも電気抵抗率が低くなっている。
【００９４】
本実施形態２の発光ダイオード素子をＡｇペーストでリードフレームに取り付けてモールドし発光させたところ、発光ピーク波長４００ｎｍの青色発光が得られ、２０ｍＡの動作電流における動作電圧は、上記実施形態１の発光ダイオード素子に比べて０．３Ｖ低減した。
【００９５】
このように、本発明に関するＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層はｐ型クラッド層だけでなくｎ型クラッド層に適用しても動作電圧の低減効果を奏する。
【００９６】
なお、上記ｎ型超格子クラッド層にドーピングするドナー不純物には、実施形態１にて述べたように、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が特に好ましい。
【００９７】
（実施形態３）
本実施形態３では、本発明の酸化物半導体発光素子の一例であるファブリペロー型ＺｎＯ系半導体レーザ素子について説明する。
【００９８】
図４に、上記半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。
【００９９】
上記半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１上に、Ｇａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ０．３μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層２０２、ｎ型超格子クラッド層２０３、Ｇａが５×１０17ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層２０４、ノンドープ量子井戸活性層２０５、Ｎが５×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層２０６、ｐ型超格子クラッド層２０７、Ｎが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８が順次積層されている。ここでは、上記ｎ型超格子クラッド層２０３が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層２０５が活性層の一例に、ｐ型超格子クラッド層２０７が第２導電型クラッド層の一例に相当している。また、上記半導体レーザ素子は、ｎ型超格子クラッド層２０３やｐ型超格子クラッド層２０７の積層方向に対して垂直な平面に沿って延びる導波路を有している。
【０１００】
上記ｎ型超格子クラッド層２０３は、Ｇａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と、Ｇａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との交互積層によって構成されている。また、上記ｎ型超格子クラッド層２０３の厚さは１μｍである。
【０１０１】
上記量子井戸活性層２０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層との交互積層によって構成されている。そのＺｎＯ障壁層は２層あり、Ｃｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層は３層ある。
【０１０２】
上記ｐ型超格子クラッド層２０７は、Ｎが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と、Ｎが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との交互積層によって構成されている。また、上記ｐ型超格子クラッド層２０７の厚さは１μｍである。
【０１０３】
また、上記ｐ型超格子クラッド層２０７の一部とｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８とはリッジストライプ状にエッチング加工されている。そして、上記ｐ型超格子クラッド層２０７の一部とｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８とから成るリッジストライプの側面は、Ｇａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされたｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９によって埋め込まれている。つまり、上記ｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９をリッジストライプの両側に設けている。
【０１０４】
また、上記ＺｎＯ基板２０１下にはｎ型オーミック電極２１０を設けると共に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８およびｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９上にはｐ型オーミック電極２１１を設けている。
【０１０５】
上述したような積層構造をｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１上に形成した後、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１をバー状に劈開して光反射面の一例である端面ミラー２１２を一対形成し、その端面ミラー２１２上に保護膜を真空蒸着する。そして、バー状のｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１を分離することにより、幅が３００μｍでチップ状の半導体レーザ素子を得る。この半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られた。
【０１０６】
比較例として、ｎ型超格子クラッド層２０３，ｐ型超格子クラッド層２０７の代わりにｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ層，ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ層を用いた他は本実施形態３と同様にしてファブリペロー型ＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。この比較例の半導体レーザ素子は、本実施形態３の半導体レーザ素子に比べて発振閾値電流が１０％増大し、光出力５ｍＷ時における動作電圧が１．５Ｖ増大してしまう。
【０１０７】
以上より、本発明に関するＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層は、ファブリペロー型半導体レーザ素子においても効果を奏する。
【０１０８】
また、上記ｎ型超格子クラッド層２０３，ｐ型超格子クラッド層２０７を構成するＺｎＯ層およびＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の一層当りの厚みを、略λ／（４ｎ）（ｎ：ＺｎＯ層の屈折率）に相当する５ｎｍに変更したところ、ｎ型超格子クラッド層２０３，ｐ型超格子クラッド層２０７が量子井戸活性層２０５からの光を反射して、光閉じ込め効率が向上し、発振閾値電流が２０%低減した。
【０１０９】
また、上記ＺｎＯ層の層厚がλ／（４ｎ1）（但し、λは発光波長、ｎ1は上記ＺｎＯ層の屈折率）を満たすようにすると共に、上記Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の層厚がλ／（４ｎ2）（但し、λは発光波長、ｎ2は上記ＭｇxＺｎ1-xＯ層の屈折率）を満たすように、ＺｎＯ層およびＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の層厚を調整してもよい。
【０１１０】
（実施形態４）
実施形態４のファブリペロー型ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、上記実施形態３におけるｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９の代わりにｎ型超格子ブロック層を用いた他は上記実施形態３と同様にして作製したものである。
【０１１１】
上記ｎ型超格子ブロック層は、Ｇａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ５ｎｍのＺｎＯ層と、Ｇａが１×１０17ｃｍ-3の濃度でドーピングされた５ｎｍのＭｇ0.35Ｚｎ0.65Ｏ層との交互積層によって構成されている。
【０１１２】
本実施形態４のｎ型超格子電流ブロック層は、上記実施形態３のｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９に比べてＧａのドーピング濃度が低いにもかかわらず、上記実施形態３のｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９よりも電気抵抗率が低くなる。よって、ｐ型超格子クラッド層２０７との界面で障壁が大きくなり、電流ブロック効果が向上する。
【０１１３】
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４０５ｎｍの青色発振光が得られ、上記実施形態３に比べて発振閾値電流が１０％低減し、動作電圧が０．１５Ｖ低減した。
【０１１４】
（実施形態５）
本実施形態５では、面発光型半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示す。
【０１１５】
図５に、本実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。この半導体レーザ素子は、基板側から発振光を取り出す構造になっている。なお、図５に示された積層構造は積層順とは上下が逆になっている。つまり、基板下において、図中上側の成長層は図中下側の成長層よりも先に積層されたものである。以下では、成長層を基板上に順次積層して行くものとして説明する。
【０１１６】
上記半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１上に、ｎ型ＺｎＯバッファ層３０２、ｎ型超格子クラッド層３０３、ノンドープ量子井戸活性層３０４、ｐ型超格子クラッド層３０５およびｐ型ＺｎＯコンタクト層３０６が順次積層されている。ここでは、上記ｎ型超格子クラッド層３０３が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層３０４が活性層の一例に、ｐ型超格子クラッド層３０５が第２導電型クラッド層の一例に相当している。また、上記半導体レーザ素子は、ｎ型超格子クラッド層３０３やｐ型超格子クラッド層３０５の積層方向に対して平行な方向（図中上下方向）に沿って延びる導波路を有している。
【０１１７】
上記ｎ型超格子クラッド層３０３は、Ｇａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と、Ｇａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との交互積層によって構成されている。また、上記ｎ型超格子クラッド層３０３は、０．３μｍの厚さを有し、波長４００ｎｍの発光に対する反射率が２０％となっている。
【０１１８】
上記ｐ型超格子クラッド層３０５は、Ｎが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と、Ｎが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との交互積層によって構成されている。また、上記ｐ型超格子クラッド層２０７は、１μｍの厚さを有し、波長４０５ｎｍの発光に対する反射率が９５％となっている。
【０１１９】
また、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層３０６上には、直径２０μｍの開口部を有するＳｉＮ絶縁層３０８を形成している。そして、上記ＳｉＮ絶縁層３０８の開口部を覆うように、ｐ型オーミック電極３０９を形成している。また、上記ＺｎＯ基板３０１裏面下（ＺｎＯ基板３０１の図中上側の表面上）にはｎ型オーミック電極３０７を形成している。このｎ型オーミック電極３０７およびｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１は、ＳｉＮ絶縁層３０８の開口部直下に対応する箇所がエッチグで除去されている。
【０１２０】
なお、その他の層のドーピング濃度や層厚、組成などは上記実施形態４と同じである。
【０１２１】
上記構成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４０５ｎｍの青色発振光が得られた。
【０１２２】
比較例として、ｎ型超格子クラッド層３０３，ｐ型超格子クラッド層３０５の代わりにｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ層で，ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ層を用いた他は本実施形態５と同様にして半導体レーザ素子を作製した。この比較例の半導体レーザ素子は、本実施形態５の半導体レーザ素子に比べて発振閾値電流が２０％増大し、光出力５ｍＷ時における動作電圧が０．５Ｖ増大してしまう。
【０１２３】
以上より、本発明に関するＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層は、面発光型半導体レーザ素子においても効果を奏する。
【０１２４】
本実施形態５ではＳｉＮ絶縁層３０８によって電流狭窄を行なったが、ｐ型超格子クラッド層３０５やｐ型ＺｎＯコンタクト層３０６中に形成した電流ブロック層によって電流狭窄を行ってもよい。
【０１２５】
また、上記ｎ型超格子クラッド層３０３，ｐ型超格子クラッド層３０５において、ＺｎＯ層の層厚がλ／（４ｎ1）（但し、λは発光波長、ｎ1は上記ＺｎＯ層の屈折率）を満たすようにすると共に、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の層厚がλ／（４ｎ2）（但し、λは発光波長、ｎ2は上記Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の屈折率）を満たすように、ＺｎＯ層およびＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の層厚を調整してもよい。
【０１２６】
上記実施形態１〜５では、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順で積層していたが、基板上に、ｐ型クラッド層、活性層およびｎ型クラッド層をこの順で積層してもよい。
【０１２７】
また、上記実施形態１〜５では、本発明をダブルへテロ構造の酸化物半導体発光素子に適用していたが、本発明を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。
【０１２８】
また、本発明は発光ダイオードに適用してもよい。すなわち、上記発光ダイオードは、ＺｎＯ系半導体から成るｎ型半導体層と、ＺｎＯ系半導体から成るｐ型半導体層とを有するようにし、そのｎ型半導体層，ｐ型半導体層のうちの少なくとも一方を、ＺｎＯ層とＭｇxＺｎ1-xＯ層（但し、０＜ｘ≦１）とで構成された超格子構造にする。
【０１２９】
【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、超格子構造をＺｎＯ層とＭｇxＺｎ1-xＯ層とで構成しているので、その超格子構造を有する半導体層の電気抵抗が低くなり、素子電気抵抗を低減できる。
【０１３０】
また、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層は共に酸化物半導体であるので、ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層から成る超格子構造は容易に作製できる。
【０１３１】
また、上記超格子構造はドーピング効率が高く低電気抵抗なので、高濃度ドーピングを行う必要がなく、発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の実施形態１のＺｎＯ系発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図２】 図２は、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層へのＮドーピング濃度と、２０ｍＡの動作電流における動作電圧との関係を示す図である。
【図３】 図３は、ＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚と、２０ｍＡの動作電流における動作電圧との関係を示す図である。
【図４】 図４は本発明の本実施形態３のファブリペロー型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図５】 図５は本発明の本実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１ ｎ型ＺｎＯ単結晶基板
１０４，２０７，３０５ ｐ型超格子クラッド層
２０３，３０３ ｎ型超格子クラッド層
【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、更に詳しくは、低い動作電圧で駆動でき、発光効率に優れ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を有する直接遷移型半導体であり、励起子結合エネルギが６０meVと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
【０００３】
ＺｎＯは強いイオン性に起因する自己補償効果のために従来ｐ型の導電型制御が困難であったが、アクセプタ不純物としてＮ（窒素）を用いることでｐ型化が実現した。これにより、ＺｎＯ系半導体を用いて高効率な半導体発光素子を作製すべく、多くの研究がなされるようになった。
【０００４】
しかし、ＺｎＯ中でのアクセプタ準位は非常に深く、ＺｎＯのｐ型化を実現するＮでさえ約２００meVの活性化エネルギを必要とする。このため、ｐ型ＺｎＯ系半導体の電気抵抗が高くなってしまう。その結果、ｐ型ＺｎＯ系半導体を用いた酸化物半導体発光素子では、素子電気抵抗が高くなるという問題が生じてしまう。
【０００５】
この問題を解決する酸化物半導体発光素子が、特開２０００−３３２２９６号公報（特許文献１）に開示されている。この特許文献１の酸化物半導体発光素子では、低電気抵抗なｐ型ＺｎＯ系半導体として、ＺｎＯ／ＺｎＴｅ超格子構造を有するｐ型II−VI族半導体結晶を用いている。より詳しく説明すると、そのＺｎＯ／ＺｎＴｅ超格子構造は、所定濃度まではアクセプタ不純物がドーピングされていないＺｎＯ層と、所定濃度以上にアクセプタ不純物がドーピングされたＺｎＴｅ層とが交互に積層されて構成されている。
【０００６】
また、低電気抵抗なｐ型ＺｎＯ系半導体を得る他の技術としては、アクセプタ不純物と共にドナー不純物を特定の比率でドーピングする「同時ドーピング法」が考案され、特開２００１−４８６９８号公報（特許文献２）や特開２００１−６８７０７号公報（特許文献３）に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−３３２２９６号公報
【特許文献２】
特開２００１−４８６９８号公報
【特許文献３】
特開２００１−６８７０７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したようなｐ型ＺｎＯ系半導体の低電気抵抗化では、以下のような問題が生じてしまう。
【０００９】
特許技術文献１のＺｎＯ／ＺｎＴｅ超格子構造によるｐ型II−VI族半導体結晶では、ＺｎＯはウルツ鉱型結晶構造（面内格子定数３．２Å）が安定相であるのに対して、ＺｎＴｅは閃亜鉛鉱型結晶構造（面内格子定数６．１Å）が安定相である。従って、ＺｎＯとＺｎＴｅとを交互にエピタキシャル成長して超格子構造を作製するのは難しいという問題がある。特に、１μｍ程度の厚膜が要求される発光素子のクラッド層にＺｎＯ／ＺｎＴｅ超格子構造を適用するのは、結晶性とコストとの両面から考えて難しい。
【００１０】
特許文献２、特許文献３の「同時ドーピング法」によるｐ型ＺｎＯ系半導体の低電気抵抗化は、キャリアの散乱機構が長距秩序から短距離秩序へ変わることによって実現される。このため、上記ｐ型ＺｎＯ系半導体を低電気抵抗化するには、ドナー不純物およびアクセプタ不純物のドーピング濃度を高濃度にする必要がある。その結果、上記ｐ型ＺｎＯ系半導体では、不純物による光吸収が顕著となり、発光効率が著しく悪化するという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、素子電気抵抗が低く、超格子構造の作製が容易で発光効率に優れる酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＺｎＯ系半導体を用いた酸化物半導体発光素子について鋭意検討した結果、ＺｎＯ層とＭｇＺｎＯ層とで構成した超格子構造を用いることによって、特許文献１〜３の従来例よりも素子電気抵抗を低減できることを見い出し、本発明に至った。
【００１３】
本発明の酸化物半導体発光素子は、
基板上に形成され、ＺｎＯ系半導体から成る半導体層を備えた酸化物半導体発光素子において、
上記半導体層は、ＺｎＯ層とＭｇxＺｎ1-xＯ層（但し、０＜ｘ≦１）とで構成された超格子構造を有し、
上記基板上に、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ていて、
上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層がＺｎＯ系半導体から成り、
上記第１導電型クラッド層と上記第２導電型クラッド層との少なくとも一方が上記超格子構造を有し、
上記超格子構造に、ドナー不純物またはアクセプタ不純物がドーピングされていて、
上記Ｍｇ x Ｚｎ 1-x Ｏ層のキャリア濃度が上記ＺｎＯ層のキャリア濃度よりも少ないことを特徴としている。
【００１４】
本明細書において、ＺｎＯ系半導体とは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶も含めるものとする。
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、上記「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。
【００１５】
上記構成の酸化物半導体発光素子は、上記超格子構造をＺｎＯ層とＭｇxＺｎ1-xＯ層とで構成しているので、その超格子構造を有する半導体層の電気抵抗が低くなり、素子電気抵抗を低減できる。つまり、動作電圧が低く、省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を得ることできる。
【００１６】
より詳しく説明すると、ＭｇyＺｎ1-yＯ混晶と同等のバンドギャップエネルギと光学特性とを有する半導体層は、ＺｎＯ／ＭｇxＺｎ1-xＯ超格子構造（但し、ｘ＞ｙ）によって実現されるが、ＭｇyＺｎ1-yＯ混晶よりもＺｎＯ／ＭｇxＺｎ1-xＯ超格子構造の方が、ドーピング効率が高く、低電気抵抗化し易い。従って、上記第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層との少なくとも一方をＺｎＯ／ＭｇxＺｎ1-xＯ超格子構造で構成することにより、発光素子の動作電圧が低減でき、省電力性を向上させることができる。
【００１７】
また、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層は共に酸化物半導体であるので、ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層からなる超格子構造は容易に作製できる。
【００１８】
また、上記超格子構造はドーピング効率が高く低電気抵抗なので、高濃度ドーピングを行う必要がなく、発光効率を向上させることができる。
【００１９】
また、上記超格子構造には高濃度ドーピングを行わなくてよいので、結晶性および透光性を向上させることができる。
【００２０】
上記超格子構造のＺｎＯ系半導体は、例えば半導体レーザの発光層には勿論のこと、クラッド層、ブロック層およびコンタクト層などに使用することもできる。特に、上記超格子構造のＺｎＯ系半導体をクラッド層などに使用すると、クラッド層などのドーピン効率を高めることでき、素子電気抵抗を低減できる。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
また、上記構成の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層との少なくとも一方が、ＺｎＯ層とＭｇxＺｎ1-xＯ層とで構成された超格子構造を有するので、第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層とのうちの少なくとも一方の電気抵抗を低減できる。
また、上記構成の酸化物半導体発光素子は、上記Ｍｇ x Ｚｎ 1-x Ｏ層のキャリア濃度がＺｎＯ層のキャリア濃度よりも少ないので、Ｍｇ x Ｚｎ 1-x Ｏ層からＺｎＯ層へドーピング不純物（ドナー不純物またはアクセプタ不純物）が拡散するのを阻止できる。従って、上記ドーピング不純物の拡散による超格子構造の無秩序化を防ぐことができる。
以上より、信頼性と発光効率に優れた酸化物半導体発光素子を作製することができる。
【００２５】
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。
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記超格子構造に、ドナー不純物またはアクセプタ不純物がドーピングされていて、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層の不純物ドーピング濃度が１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3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は、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層の不純物ドーピング濃度が１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3の範囲内であるから、第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層との少なくとも一方の電気抵抗を確実に低減できると共に、超格子構造の結晶性が低下するのを防ぐことできる。
【００３１】
また、上記不純物ドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3未満になると、超格子構造のキャリア濃度が低くなるため、動作電圧が高くなる。
【００３２】
また、上記不純物ドーピング濃度が１×１０21ｃｍ-3を越えると、超格子構造の結晶性が低下してしまう。
【００３３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＭｇxＺｎ1-xＯ層のＭｇ組成比ｘが０．０５≦ｘ≦０．３５を満たす。
【００３４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＭｇxＺｎ1-xＯ層のＭｇ組成比ｘが０．０５≦ｘ≦０．３５を満たすので、超格子構造を形成するために十分なポテンシャル障壁を得ることができると共に、ＭｇxＺｎ1-xＯ層の結晶性が低下するのを阻止できる。
【００３５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＺｎＯ層または上記ＭｇxＺｎ1-xＯ層の層厚が１〜１０ｎｍの範囲内である。
【００３６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＺｎＯ層またはＭｇxＺｎ1-xＯ層の層厚が１〜１０ｎｍの範囲内であるので、ポテンシャル障壁をキャリアがトンネルし易くなり、素子電気抵抗をより低減できる。
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
【００４５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記アクセプタ不純物がＮ、ＬｉおよびＡｇのうちの１つを含む。
【００４６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記アクセプタ不純物がＮ、ＬｉおよびＡｇのうちの１つを含むので、活性化率が高く、素子電気抵抗が更に低くなる。従って、動作電圧がより低く、省電力性がより優れた酸化物半導体発光素子を得ることができる。
【００４７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ドナー不純物がＧａ、ＡｌおよびＩｎのうちの１つを含む。
【００４８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ドナー不純物がＧａ、ＡｌおよびＩｎのうちの１つを含むので、活性化率が高く、素子電気抵抗が更に低くなる。従って、動作電圧がより低く、省電力性がより優れた酸化物半導体発光素子を得ることができる。
【００４９】
【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。
【００５０】
（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ＺｎＯ系発光ダイオード素子について説明する。
【００５１】
図１に、上記発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【００５２】
上記発光ダイオード素子は、亜鉛面を主面とするｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｇａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層１０２、ノンドープで厚さ０．５μｍのＣｄ0.05Ｚｎ0.95Ｏ発光層１０３、ｐ型超格子クラッド層１０４、Ｎが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされ厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５が順次積層されている。ここでは、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層１０２が第１導電型クラッド層の一例に、Ｃｄ0.05Ｚｎ0.95Ｏ発光層１０３が活性層の一例に、ｐ型超格子クラッド層１０４が第２導電型クラッド層の一例に相当している。
【００５３】
上記ｐ型超格子クラッド層１０４は、厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層とが交互に積層されて構成されている。上記ＺｎＯ層にはＮが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされている一方、上記Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層にはＮが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。つまり、上記ＺｎＯ層とＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層とは同じ導電型である。また、上記ｐ型超格子クラッド層１０４の厚さは１μｍである。
【００５４】
また、上記ｐ型コンタクト層１０５の主表面全面上には、厚さ１５ｎｍのＮｉから成るｐ型オーミック電極１０６が積層されている。このｐ型オーミック電極１０６上には、厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極１０７がｐ型オーミック電極１０６より小さい面積で形成されている。
【００５５】
そして、上記ＺｎＯ基板１０１の裏面（図中下側の表面）下には、厚さ１００ｎｍのＡｌからなるｎ型オーミック電極１０８を設けている。
【００５６】
上述したような積層構造をｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に形成した後、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１をチップ状に分離することにより、本実施形態１の発光ダイオード素子を得る。この発光ダイオード素子をＡｇペーストでリードフレームに取り付けてモールドし発光させたところ、発光ピーク波長４００ｎｍの青色発光が得られた。
【００５７】
上記構成の発光ダイオードは、ＺｎＯ層とＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層とからなるｐ型超格子クラッド層１０４を用いているので、ｐ型超格子クラッド層１０４の電気抵抗が低くなり、素子電気抵抗を低減できる。
【００５８】
また、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層は共に酸化物半導体であるので、ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層からなる超格子構造、つまりｐ型超格子クラッド層１０４は容易に作製できる。
【００５９】
また、上記ｐ型超格子クラッド層１０４はドーピング効率が高く低電気抵抗なので、高濃度ドーピングを行う必要がなく、発光効率を向上させることができる。
【００６０】
以下、上記ｐ型超格子クラッド層１０４による素子電気抵抗の低減効果について詳しく説明する。
【００６１】
図２に、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層の一部を構成するＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層へのＮドーピング濃度と、２０ｍＡの動作電流における動作電圧との関係を示す。図２において、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層の一部を構成するＺｎＯ層へのＮドーピング濃度は、実線（１）が１×１０18ｃｍ-3、実線（２）が１×１０19ｃｍ-3、実線（３）が１×１０20ｃｍ-3となっている。また、図２では、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層のみから成るクラッド層において、そのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層へのＮドーピング濃度と、２０ｍＡの動作電流における動作電圧との関係を比較例として点線で示す。
【００６２】
図２より、実線（３）のｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層は、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層のみで構成したクラッド層よりも動作電圧が低いことが判る。また、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層へのＮドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3未満の場合は、ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層のキャリア濃度が低くなるため、動作電圧が高くなる。そして、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層へのＮドーピング濃度が１×１０21ｃｍ-3を越える場合も、ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層の結晶性が低下するため、動作電圧が高くなる。
【００６３】
以上より、動作電圧を低減する観点上、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層のＮドーピング濃度は、１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3の範囲が好ましい。つまり、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層へのＮドーピング濃度は、１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3の範囲が好ましい。
【００６４】
更に、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層において、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層のキャリア濃度がＺｎＯ層のキャリア濃度を超えると、動作電圧の上昇が顕著になった。この理由は、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層からＺｎＯ層への不純物拡散によって超格子構造が無秩序化するからである。なお、ｐ型ＺｎＯ系半導体においてキャリア濃度はドーピング濃度より低い。図２ではＭｇＺｎＯ層へのＮドーピング濃度がＺｎＯ層へのＮドーピング濃度をおよそ一桁上回ったところで動作電圧が上昇している。
【００６５】
以上より、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層においては、ＭｇxＺｎ1-xＯ層のキャリア濃度がＺｎＯ層キャリア濃度より少なくなるようにドーピング濃度が調整されることが好ましい。
【００６６】
図３に、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層を構成するＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚と、２０ｍＡの動作電流における動作電圧との関係を示す。なお、上記ＺｎＯ層はＮが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされたものであり、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層はＮが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされたものである。
【００６７】
図３より、ＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚が１０ｎｍを越えると、動作電圧の上昇が顕著となっているのが判る。このように動作電圧が上昇する原因は、ＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚が１０ｎｍを越えると、量子トンネル効果が弱くなってキャリアが流れにくくなるためだと考えられる。一方、ＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚が１ｎｍ未満でも、動作電圧の上昇が顕著となっているのが判る。例えば、ＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚がＺｎＯの単位セル高さに相当する０．５ｎｍの厚さでは、動作電圧が高くなっている。このような動作電圧の上昇が生じる原因はＺｎＯ層とＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との接合界面の数が増大するためだと考えられる。
【００６８】
以上より、ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層におけるＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の一層当りの層厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。
【００６９】
ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層において超格子構造を形成するために十分なポテンシャル障壁を有するためには、ＭｇＺｎＯ層のＭｇ組成比を０．０５以上にするのが好ましい。また、ＭｇＺｎＯ層のＭｇ組成比が０．３５を超えると、欠陥の増大や相分離による結晶性の劣化が著しくなり、発光効率が低下し動作電圧が上昇するので、ＭｇＺｎＯ層のＭｇ組成比は０．３５以下であることが好ましい。従って、上記ＭｇＺｎＯ層のＭｇ組成比は０．０５〜０．３５の範囲内であるのが好ましい。
【００７０】
ｐ型ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層にドーピングするアクセプタ不純物としては、Ｉ族元素のＬｉ、Ｃｕ、ＡｇやＶ族元素のＮ、Ａｓ、Ｐなどを用いることができるが、本発明の効果を最大限に得る観点上、活性化率が高いＮ、ＬｉおよびＡｇが特に好ましい。また、そのＮをアクセプタ不純物として用いる場合、ＮはＮ2をプラズマ化して結晶成長中に照射する手法が好ましい。この手法により、結晶性を良好に保ちつつＮの高濃度ドーピングを行える。
【００７１】
本実施形態１ではｐ型クラッド層の全てを超格子構造で構成したが、ｐ型クラッド層の一部を超格子構造にしても、ｐ型クラッド層の全てを単一組成のＭｇＺｎＯ混晶で構成する場合よりも、ｐクラッド層に対して低電気抵抗化の効果を奏する。
【００７２】
以下、本実施形態１において本発明の効果を最大限に得るための他の構成について述べるが、この構成は他の実施形態と任意に組み合わせて用いてもよい。
【００７３】
本発明の酸化物半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシ（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの結晶成長手法で作製することができる。これらの結晶成長手法の中でレーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、また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。
【００７４】
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、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。
【００７５】
発光ダイオード素子の発光効率を向上させるには、ｐ型超格子クラッド層１０４上に直接ｐ型オーミック電極１０６を形成せず、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５を設けるのが好ましい。このｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５によって、素子電気抵抗がより低下し、電流広がりが均一になる。ｐ型コンタクト層の材料には、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。勿論、ｐ型超格子クラッド層１０４へのドーピングに用いるアクセプタ不純物を、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５にも適用するのが好ましい。また、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５に過剰にアクセプタ不純物をドーピングすると、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５において結晶性の劣化が顕著となり、本発明の効果が減少するので、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５へのドーピングは、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５のキャリア濃度が５×１０16〜５×１０19ｃｍ-3の範囲内に収まるように行うのが好ましい。
【００７６】
本実施形態１で用いたＺｎＯ基板以外にも、サファイアやスピネルあるいはＬｉＧａＯ2などの絶縁性基板、ＳｉＣやＧａＮなどの導電性基板を用いてもよい。
【００７７】
絶縁性基板を用いる場合は、絶縁性基板とｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０２との間にｎ型コンタクト層を設けて、ｎ型コンタクト層上の成長層の一部をエッチングしてｎ型コンタクト層の一部を露出させ、この露出したｎ型コンタクト層の一部上にｎ型オーミック電極を設ければよい。ｎ型コンタクト層の材料には、ｐ型コンタクト層の場合と同様にＺｎＯが適している。また、ｎ型コンタクト層にドーピングするドナー不純物のドーピング濃度は、１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3の範囲内に調整されるのが好ましく、５×１０19〜５×１０20ｃｍ-3の範囲内に調整されるのがより好ましい。また、ｎ型コンタクト層の層厚は、０．００１〜１μｍの範囲内に調整されるのが好ましく、０．００５〜０．５μｍの範囲内に調整されるのがより好ましく、０．０１〜０．１μｍの範囲内に調整されるのが極めて好ましい。
【００７８】
また、絶縁性基板を用いる場合、バッファ層を絶縁性基板上に積層した後、そのバッファ層上に成長層を形成してもよい。これにより、結晶性の良好な成長層を得ることができる。
【００７９】
可視領域における発光強度を最大限に得るためには、以下の（ａ）〜（ｃ）の条件を満たす基板を用いるのが好ましい。
【００８０】
（ａ） 基板の面内格子定数は、ＺｎＯの面内格子定数に対して（１００±
３）％の範囲内に収まっている。
【００８１】
（ｂ） 基板は発光波長に対応する吸収係数が低い。
【００８２】
（ｃ） 基板の裏面下に電極を設ける観点上、基板は導電性基板である。
【００８３】
なお、上記面内格子定数とは、結晶成長方向（半導体層の積層方向）に対して垂直な２次元平面での格子点間の距離のことである。
【００８４】
本実施形態１において、基板として用いたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１は、上記（ａ）〜（ｃ）の条件を全て満して最も好ましい。また、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１の亜鉛面を主面として用いるので、ｐ型層のキャリア活性化率が向上し、電気抵抗の低いｐ型層が得られ易くなっている。
【００８５】
また、研磨やエッチングなどの公知の手法で基板の裏面に凹凸を形成すると、基板に入射した発光が乱反射して、光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００８６】
また、高い発光効率を得るためには、本実施形態１で示したように、ｐ型オーミック電極１０６が透光性を有するよう形成して光取り出し効率を向上させることが好ましい。ｐ型オーミック電極の材料としては、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどを用いることができるが、中でも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。また、上記複数の金属材料を合金化したものをｐ型オーミック電極として用いてもよい。また、ｐ型オーミック電極の厚みとしては、良好なオーミック特性と高い透光性を両立する観点上、５〜２００ｎｍの範囲内に調整されるのが好ましく、３０〜１００ｎｍの範囲内に調整されるのがより好ましい。
【００８７】
ｐ型電極を形成した後にアニール処理を行うと、ｐ型電極の密着性が向上すると共に、ｐ型電極の接触抵抗が低減するので好ましい。基板上のＺｎＯ結晶に欠陥を生じさせずにアニール効果を得るには、アニール処理の温度は３００〜４００℃の範囲内に調節されるのが好ましい。また、上記アニール処理における雰囲気はＯ2あるいは大気雰囲気であるのが好ましい。なお、アニール処理における雰囲気がＮ2であると、ｐ型電極の接触抵抗が増大してしまう。
【００８８】
上記ボンディング用Ａｕパッド電極１０７をｐ型オーミック電極１０６より小さい面積で形成すれば、つまりボンディング用Ａｕパッド電極１０７をｐ型オーミック電極１０６の一部上に形成すれば、ｐ型オーミック電極１０６の透光性に大きな悪影響を与えることなく、リードフレームへの実装プロセスが容易になるので好ましい。パッド電極の材料としては、ボンディングが容易でＺｎＯ中へ拡散してもドナー不純物とならないＡｕが好ましい。また、上記ボンディング用Ａｕパッド電極１０７とｐ型オーミック電極１０６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。
【００８９】
ｎ型オーミック電極の材料としては、Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどを用いることができる。Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどの中でも、低電気抵抗でコストの低いＡｌ、または、密着性の良いＴｉが好ましい。また、Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどの複数の金属材料を合金化したものをｎ型オーミック電極として用いてもよい。Ａｌから成るｎ型オーミック電極は、青〜紫外光に対する反射率が高いため、裏面全面に形成しても光取り出し効率は高い。また、Ａｌから成るｎ型オーミック電極を任意の形状にパターニングし、露出した基板の裏面をＡｇペーストなどでリードフレームに接着しても良い。Ａｌに比べてＡｇの方が青〜紫外光の反射率がＡｌより高いため好ましい。
【００９０】
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。
【００９１】
（実施形態２）
本実施形態２のＺｎＯ系発光ダイオード素子は、ｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層１０２の代わりにｎ型超格子クラッド層を用いた以外は上記実施形態１のＺｎＯ系発光ダイオード素子と同様に作製したものである。
【００９２】
上記ｎ型超格子クラッド層は、Ｇａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と、Ｇａが５×１０17ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との交互積層によって構成されている。また、上記ｎ型超格子クラッド層の厚さは１μｍである。
【００９３】
本実施形態２のｎ型超格子クラッド層は、上記実施形態１のｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層１０２に比べてＧａのドーピング濃度が低いにもかかわらず、上記実施形態１のｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏクラッド層１０２よりも電気抵抗率が低くなっている。
【００９４】
本実施形態２の発光ダイオード素子をＡｇペーストでリードフレームに取り付けてモールドし発光させたところ、発光ピーク波長４００ｎｍの青色発光が得られ、２０ｍＡの動作電流における動作電圧は、上記実施形態１の発光ダイオード素子に比べて０．３Ｖ低減した。
【００９５】
このように、本発明に関するＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層はｐ型クラッド層だけでなくｎ型クラッド層に適用しても動作電圧の低減効果を奏する。
【００９６】
なお、上記ｎ型超格子クラッド層にドーピングするドナー不純物には、実施形態１にて述べたように、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が特に好ましい。
【００９７】
（実施形態３）
本実施形態３では、本発明の酸化物半導体発光素子の一例であるファブリペロー型ＺｎＯ系半導体レーザ素子について説明する。
【００９８】
図４に、上記半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。
【００９９】
上記半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１上に、Ｇａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ０．３μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層２０２、ｎ型超格子クラッド層２０３、Ｇａが５×１０17ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層２０４、ノンドープ量子井戸活性層２０５、Ｎが５×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層２０６、ｐ型超格子クラッド層２０７、Ｎが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８が順次積層されている。ここでは、上記ｎ型超格子クラッド層２０３が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層２０５が活性層の一例に、ｐ型超格子クラッド層２０７が第２導電型クラッド層の一例に相当している。また、上記半導体レーザ素子は、ｎ型超格子クラッド層２０３やｐ型超格子クラッド層２０７の積層方向に対して垂直な平面に沿って延びる導波路を有している。
【０１００】
上記ｎ型超格子クラッド層２０３は、Ｇａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と、Ｇａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との交互積層によって構成されている。また、上記ｎ型超格子クラッド層２０３の厚さは１μｍである。
【０１０１】
上記量子井戸活性層２０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層との交互積層によって構成されている。そのＺｎＯ障壁層は２層あり、Ｃｄ0.1Ｚｎ0.9Ｏ井戸層は３層ある。
【０１０２】
上記ｐ型超格子クラッド層２０７は、Ｎが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と、Ｎが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との交互積層によって構成されている。また、上記ｐ型超格子クラッド層２０７の厚さは１μｍである。
【０１０３】
また、上記ｐ型超格子クラッド層２０７の一部とｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８とはリッジストライプ状にエッチング加工されている。そして、上記ｐ型超格子クラッド層２０７の一部とｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８とから成るリッジストライプの側面は、Ｇａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされたｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９によって埋め込まれている。つまり、上記ｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９をリッジストライプの両側に設けている。
【０１０４】
また、上記ＺｎＯ基板２０１下にはｎ型オーミック電極２１０を設けると共に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８およびｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９上にはｐ型オーミック電極２１１を設けている。
【０１０５】
上述したような積層構造をｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１上に形成した後、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１をバー状に劈開して光反射面の一例である端面ミラー２１２を一対形成し、その端面ミラー２１２上に保護膜を真空蒸着する。そして、バー状のｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１を分離することにより、幅が３００μｍでチップ状の半導体レーザ素子を得る。この半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られた。
【０１０６】
比較例として、ｎ型超格子クラッド層２０３，ｐ型超格子クラッド層２０７の代わりにｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ層，ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ層を用いた他は本実施形態３と同様にしてファブリペロー型ＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。この比較例の半導体レーザ素子は、本実施形態３の半導体レーザ素子に比べて発振閾値電流が１０％増大し、光出力５ｍＷ時における動作電圧が１．５Ｖ増大してしまう。
【０１０７】
以上より、本発明に関するＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層は、ファブリペロー型半導体レーザ素子においても効果を奏する。
【０１０８】
また、上記ｎ型超格子クラッド層２０３，ｐ型超格子クラッド層２０７を構成するＺｎＯ層およびＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の一層当りの厚みを、略λ／（４ｎ）（ｎ：ＺｎＯ層の屈折率）に相当する５ｎｍに変更したところ、ｎ型超格子クラッド層２０３，ｐ型超格子クラッド層２０７が量子井戸活性層２０５からの光を反射して、光閉じ込め効率が向上し、発振閾値電流が２０%低減した。
【０１０９】
また、上記ＺｎＯ層の層厚がλ／（４ｎ1）（但し、λは発光波長、ｎ1は上記ＺｎＯ層の屈折率）を満たすようにすると共に、上記Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の層厚がλ／（４ｎ2）（但し、λは発光波長、ｎ2は上記ＭｇxＺｎ1-xＯ層の屈折率）を満たすように、ＺｎＯ層およびＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の層厚を調整してもよい。
【０１１０】
（実施形態４）
実施形態４のファブリペロー型ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、上記実施形態３におけるｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９の代わりにｎ型超格子ブロック層を用いた他は上記実施形態３と同様にして作製したものである。
【０１１１】
上記ｎ型超格子ブロック層は、Ｇａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ５ｎｍのＺｎＯ層と、Ｇａが１×１０17ｃｍ-3の濃度でドーピングされた５ｎｍのＭｇ0.35Ｚｎ0.65Ｏ層との交互積層によって構成されている。
【０１１２】
本実施形態４のｎ型超格子電流ブロック層は、上記実施形態３のｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９に比べてＧａのドーピング濃度が低いにもかかわらず、上記実施形態３のｎ型Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ電流ブロック層２０９よりも電気抵抗率が低くなる。よって、ｐ型超格子クラッド層２０７との界面で障壁が大きくなり、電流ブロック効果が向上する。
【０１１３】
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４０５ｎｍの青色発振光が得られ、上記実施形態３に比べて発振閾値電流が１０％低減し、動作電圧が０．１５Ｖ低減した。
【０１１４】
（実施形態５）
本実施形態５では、面発光型半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示す。
【０１１５】
図５に、本実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。この半導体レーザ素子は、基板側から発振光を取り出す構造になっている。なお、図５に示された積層構造は積層順とは上下が逆になっている。つまり、基板下において、図中上側の成長層は図中下側の成長層よりも先に積層されたものである。以下では、成長層を基板上に順次積層して行くものとして説明する。
【０１１６】
上記半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１上に、ｎ型ＺｎＯバッファ層３０２、ｎ型超格子クラッド層３０３、ノンドープ量子井戸活性層３０４、ｐ型超格子クラッド層３０５およびｐ型ＺｎＯコンタクト層３０６が順次積層されている。ここでは、上記ｎ型超格子クラッド層３０３が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層３０４が活性層の一例に、ｐ型超格子クラッド層３０５が第２導電型クラッド層の一例に相当している。また、上記半導体レーザ素子は、ｎ型超格子クラッド層３０３やｐ型超格子クラッド層３０５の積層方向に対して平行な方向（図中上下方向）に沿って延びる導波路を有している。
【０１１７】
上記ｎ型超格子クラッド層３０３は、Ｇａが３×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と、Ｇａが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との交互積層によって構成されている。また、上記ｎ型超格子クラッド層３０３は、０．３μｍの厚さを有し、波長４００ｎｍの発光に対する反射率が２０％となっている。
【０１１８】
上記ｐ型超格子クラッド層３０５は、Ｎが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＺｎＯ層と、Ｎが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされた厚さ３ｎｍのＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層との交互積層によって構成されている。また、上記ｐ型超格子クラッド層２０７は、１μｍの厚さを有し、波長４０５ｎｍの発光に対する反射率が９５％となっている。
【０１１９】
また、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層３０６上には、直径２０μｍの開口部を有するＳｉＮ絶縁層３０８を形成している。そして、上記ＳｉＮ絶縁層３０８の開口部を覆うように、ｐ型オーミック電極３０９を形成している。また、上記ＺｎＯ基板３０１裏面下（ＺｎＯ基板３０１の図中上側の表面上）にはｎ型オーミック電極３０７を形成している。このｎ型オーミック電極３０７およびｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１は、ＳｉＮ絶縁層３０８の開口部直下に対応する箇所がエッチグで除去されている。
【０１２０】
なお、その他の層のドーピング濃度や層厚、組成などは上記実施形態４と同じである。
【０１２１】
上記構成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４０５ｎｍの青色発振光が得られた。
【０１２２】
比較例として、ｎ型超格子クラッド層３０３，ｐ型超格子クラッド層３０５の代わりにｎ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ層で，ｐ型Ｍｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ層を用いた他は本実施形態５と同様にして半導体レーザ素子を作製した。この比較例の半導体レーザ素子は、本実施形態５の半導体レーザ素子に比べて発振閾値電流が２０％増大し、光出力５ｍＷ時における動作電圧が０．５Ｖ増大してしまう。
【０１２３】
以上より、本発明に関するＺｎＯ／ＭｇＺｎＯ超格子クラッド層は、面発光型半導体レーザ素子においても効果を奏する。
【０１２４】
本実施形態５ではＳｉＮ絶縁層３０８によって電流狭窄を行なったが、ｐ型超格子クラッド層３０５やｐ型ＺｎＯコンタクト層３０６中に形成した電流ブロック層によって電流狭窄を行ってもよい。
【０１２５】
また、上記ｎ型超格子クラッド層３０３，ｐ型超格子クラッド層３０５において、ＺｎＯ層の層厚がλ／（４ｎ1）（但し、λは発光波長、ｎ1は上記ＺｎＯ層の屈折率）を満たすようにすると共に、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の層厚がλ／（４ｎ2）（但し、λは発光波長、ｎ2は上記Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の屈折率）を満たすように、ＺｎＯ層およびＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層の層厚を調整してもよい。
【０１２６】
上記実施形態１〜５では、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順で積層していたが、基板上に、ｐ型クラッド層、活性層およびｎ型クラッド層をこの順で積層してもよい。
【０１２７】
また、上記実施形態１〜５では、本発明をダブルへテロ構造の酸化物半導体発光素子に適用していたが、本発明を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。
【０１２８】
また、本発明は発光ダイオードに適用してもよい。すなわち、上記発光ダイオードは、ＺｎＯ系半導体から成るｎ型半導体層と、ＺｎＯ系半導体から成るｐ型半導体層とを有するようにし、そのｎ型半導体層，ｐ型半導体層のうちの少なくとも一方を、ＺｎＯ層とＭｇxＺｎ1-xＯ層（但し、０＜ｘ≦１）とで構成された超格子構造にする。
【０１２９】
【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、超格子構造をＺｎＯ層とＭｇxＺｎ1-xＯ層とで構成しているので、その超格子構造を有する半導体層の電気抵抗が低くなり、素子電気抵抗を低減できる。
【０１３０】
また、上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層は共に酸化物半導体であるので、ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層から成る超格子構造は容易に作製できる。
【０１３１】
また、上記超格子構造はドーピング効率が高く低電気抵抗なので、高濃度ドーピングを行う必要がなく、発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の実施形態１のＺｎＯ系発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図２】 図２は、Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層へのＮドーピング濃度と、２０ｍＡの動作電流における動作電圧との関係を示す図である。
【図３】 図３は、ＺｎＯ層，Ｍｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏ層一層当りの層厚と、２０ｍＡの動作電流における動作電圧との関係を示す図である。
【図４】 図４は本発明の本実施形態３のファブリペロー型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図５】 図５は本発明の本実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１ ｎ型ＺｎＯ単結晶基板
１０４，２０７，３０５ ｐ型超格子クラッド層
２０３，３０３ ｎ型超格子クラッド層
Claims (6)
- 基板上に形成され、ＺｎＯ系半導体から成る半導体層を備えた酸化物半導体発光素子において、
上記半導体層は、ＺｎＯ層とＭｇxＺｎ1-xＯ層（但し、０＜ｘ≦１）とで構成された超格子構造を有し、
上記基板上に、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ていて、
上記第１導電型クラッド層、上記活性層および上記第２導電型クラッド層がＺｎＯ系半導体から成り、
上記第１導電型クラッド層と上記第２導電型クラッド層との少なくとも一方が上記超格子構造を有し、
上記超格子構造に、ドナー不純物またはアクセプタ不純物がドーピングされていて、
上記Ｍｇ x Ｚｎ 1-x Ｏ層のキャリア濃度が上記ＺｎＯ層のキャリア濃度よりも少な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、
上記超格子構造に、ドナー不純物またはアクセプタ不純物がドーピングされていて、
上記ＺｎＯ層およびＭｇxＺｎ1-xＯ層の不純物ドーピング濃度が１×１０18〜１×１０21cm-3の範囲内であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ＭｇxＺｎ1-xＯ層のＭｇ組成比ｘが０．０５≦ｘ≦０．３５を満たす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層または上記ＭｇxＺｎ1-xＯ層の層厚が１〜１０ｎｍ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。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記アクセプタ不純物がＮ、ＬｉおよびＡｇのうちの１つを含む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、
上記ドナー不純物がＧａ、ＡｌおよびＩｎのうちの１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
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