JP4284103B2 - Oxide semiconductor light emitting device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、発光特性と信頼性および省電力性に優れた酸化物半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体レーザや発光ダイオードなどの半導体発光素子の活性層には、量子井戸層とポテンシャル障壁層との交互積層で構成した量子井戸構造がよく用いられる。量子井戸構造を有する量子井戸活性層は、バルク活性層に比べ量子効率が高いため、特性に優れた半導体発光素子を実現することが出来る。このような量子井戸活性層は、青色発光素子として既に実用化されているIII族窒化物半導体を用いた半導体発光素子において採用されている。例えば、特許2932467号公報では、InGaN混晶で井戸層および障壁層を形成した量子井戸活性層が開示されている。
【0003】
ところで、半導体発光素子の材料の一つに酸化亜鉛(ZnO)がある。この酸化亜鉛は、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、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出来る可能性がある。
【0004】
従来、ZnOおよびこれを母体した混晶で構成された酸化物半導体発光素子としては、Cd0.3Zn0.7Oから成る井戸層と、Cd0.06Zn0.94Oから成る障壁層との交互積層を複数回繰り返して形成された量子井戸活性層を備えたものがある(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
国際公開第00/16411号パンフレット
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の酸化物半導体発光素子は、III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子などに比べて発光効率が悪い上に、動作電圧や発振閾値電流が高いという問題がある。
【0007】
本発明者らの検討によると、この問題が生じる理由は以下のように推察される。
【0008】
量子井戸活性層を構成する井戸層,障壁層の両方をCdZnO混晶で構成すると、障壁層のポテンシャルが低くなるため、量子井戸活性層に注入された電子が各井戸層に均一に閉じ込められない。その結果、各井戸層における発振波長や利得にばらつきが生じてしまう。
【0009】
このようなばらつきは、井戸層,障壁層の両方をInGaN混晶で構成した量子井戸活性層では、井戸層と障壁層とのIn組成比の差を大きくして、障壁層のポテンシャルを高くすることによって解決される。
【0010】
しかし、このような解決方法は、井戸層,障壁層の両方をCdZnO混晶で構成した量子井戸活性層には用いることが出来ない。より詳しく説明すると、CdZnO混晶はCdOとZnOとの結晶構造が異なるため、Cd組成比が大きくなると相分離を生じやすく、十分な結晶性を有する単一組成のCdZnO混晶が得られる組成範囲が狭い。すなわち、上記井戸層と障壁層とのCd組成比を大きくすることが出来ない。したがって、上記井戸層,障壁層の両方をCdZnO混晶で構成した量子井戸活性層では、障壁層のポテンシャルを高く出来ず、量子井戸層間の特性不均一が生じやすい。
【0011】
そこで、本発明の目的は、発光特性および省電力性に優れた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系半導体で構成された量子井戸活性層を有する半導体発光素子について、発光効率を向上させる技術について鋭意検討した結果、量子井戸活性層の構成を最適化することにより上記目的を達成出来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、ZnO系半導体で構成された酸化物半導体発光素子であって、
CdxZn1-xO井戸層(但し、0<x≦1)とMgyZn1-yO障壁層(但し、0<y≦1)とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層と、
上記障壁層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するMgZnO混晶を含むと共に、上記活性層を挟持するクラッド層と
を備え、
上記井戸層は3層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端に位置する上記井戸層の層厚は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の層厚と異なり、
上記両端に位置する上記井戸層の層厚は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の層厚よりも厚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を含めるものとする。
【0015】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記井戸層をバンドギャップエネルギの小さなCdZnOで構成し、障壁層をバンドギャップエネルギの大きなMgZnOで構成するので、十分な障壁高さが確保されて、井戸層のキャリア閉じ込め効果が向上する。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、動作電圧や発振閾値電流を下げることが出来る。すなわち、発光効率、省電力性および信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
また、上記両端に位置する上記井戸層の層厚と、その両端以外の箇所に位置する井戸層の層厚とを異ならせることにより、全ての井戸層の量子準位を揃えることができる。つまり、全ての井戸層の量子準位をほぼ同じに出来る。したがって、発光波長を均一化して特性を改善することが出来る。すなわち、発光効率や温度特性などの諸特性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
また、上記両端に位置する上記井戸層の層厚が、その両端以外の箇所に位置する井戸層の層厚よりも厚いので、全ての井戸層の量子準位が揃い易くなる。
【0016】
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、ZnO系半導体で構成され得た酸化物半導体発光素子であって、
CdxZn1-xO井戸層(但し、0<x≦1)とMgyZn1-yO障壁層(但し、0<y≦1)とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層と、
上記障壁層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するMgZnO混晶を含むと共に、上記活性層を挟持するクラッド層と
を備え、
上記井戸層は3層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端に位置する上記井戸層の組成は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の組成と異なり、
上記両端に位置する上記井戸層のバンドギャップエネルギは、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層のバンドギャップよりも小さいことを特徴としている。
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よれば、上記井戸層をバンドギャップエネルギの小さなCdZnOで構成し、障壁層をバンドギャップエネルギの大きなMgZnOで構成するので、十分な障壁高さが確保されて、井戸層のキャリア閉じ込め効果が向上する。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、動作電圧や発振閾値電流を下げることが出来る。すなわち、発光効率、省電力性および信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
また、上記両端に位置する上記井戸層の組成と、その両端以外の箇所に位置する井戸層の組成とを異ならせることにより、全ての井戸層の量子準位を揃えることができる。つまり、全ての井戸層の量子準位をほぼ同じに出来る。したがって、発光波長を均一化して特性を改善することが出来る。すなわち、発光効率や温度特性などの諸特性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
また、上記両端に位置する上記井戸層のバンドギャップエネルギが、その両端以外の箇所に位置する井戸層のバンドギャップよりも小さいので、全ての井戸層の量子準位が揃い易くなる。
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。
本発明の酸化物半導体発光素子は、ZnO系半導体で構成された酸化物半導体発光素子において、
CdxZn1-xO井戸層(但し、0<x≦1)とMgyZn1-yO障壁層(但し、0<y≦1)とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層と、
上記活性層と積層された光ガイド層とを備え、
上記障壁層のバンドギャップエネルギは上記光ガイド層のバンドギャップエネルギよりも高いことを特徴としている。
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よれば、上記井戸層をバンドギャップエネルギの小さなCdZnOで構成し、障壁層をバンドギャップエネルギの大きなMgZnOで構成するので、十分な障壁高さが確保されて、井戸層のキャリア閉じ込め効果が向上する。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、動作電圧や発振閾値電流を下げることが出来る。すなわち、発光効率、省電力性および信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
また、上記障壁層のバンドギャップエネルギが光ガイド層のバンドギャップエネルギより高いので、十分な障壁高さが得られて、井戸層のキャリア閉じ込め効果が向上する。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、動作電圧や発振閾値電流を下げることが出来る。すなわち、諸特性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
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。
【0017】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記CdxZn1-xO井戸層のCd組成比xは0<x≦0.2である。
【0018】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Cd組成比xを0<x≦0.2の範囲内に設定することにより、CdxZn1-xO井戸層の結晶性および組成均一性を向上させることが出来る。
【0019】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記MgyZn1-yO障壁層のMg組成比yは0<y≦0.35である。
【0020】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Mg組成比yを0<y≦0.35の範囲内に設定することにより、MgyZn1-yO障壁層の結晶性および組成均一性を向上させることが出来る。
【0021】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記CdxZn1-xO井戸層のCd組成比xは0<x≦0.08であり、且つ、上記MgyZn1-yO障壁層のMg組成比yは0<y≦0.33である。
【0022】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Cd組成比xを0<x≦0.08の範囲内に、且つ、上記Mg組成比yを0<y≦0.33の範囲内に設定することにより、CdxZn1-xO井戸層の面内格子定数およびMgyZn1-yO障壁層の面内格子定数を3.250Å〜3.261Åの範囲内でほぼ同じにすることが出来る。その結果、上記活性層内に生じる応力を極めて小さくすることが出来る。
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記活性層にはドナー不純物がドーピングされている。
【0034】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記活性層にドナー不純物をドーピングしているので、発光効率が向上すると共に、素子の動作電圧が低減する。
【0035】
また、上記活性層にドナー不純物をドーピングすることにより、不純物準位を介したエネルギ遷移を生ぜしめることが出来、発光特性を向上させることが出来る。
【0036】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第1乃至第4のいずれか1つ発明の酸化物半導体発光素子において、上記ドナー不純物は上記井戸層のみにドーピングされている。
【0037】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ドナー不純物を上記井戸層のみにドーピングしていることにより、活性層全体に不純物をドーピングした場合と同等の発光効率の向上効果が得られると共に、ドーピング総量を低減することが出来る。その結果、上記活性層の結晶性が向上して信頼性が高くなると共に、活性層のキャリア吸収損失が低減して発光効率が更に向上する。
【0038】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ドナー不純物は上記障壁層のみにドーピングされている。
【0039】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ドナー不純物を障壁層のみにドーピングしていることにより、活性層全体に不純物をドーピングした場合と同等の発光効率の向上効果が得られると共に、ドーピング総量を低減することが出来る。その結果、上記活性層の結晶性が向上して信頼性が高くなると共に、活性層のキャリア吸収損失が低減して発光効率が更に向上する。
【0040】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記井戸層の膜厚は2nm〜8nmの範囲内である。
【0041】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記井戸層の膜厚を2nm〜8nmの範囲内に設定することにより、量子効率や微分利得が向上して、発光特性を向上出来る。
【0042】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記井戸層は3層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端以外の箇所に位置する上記井戸層の膜厚は3nm〜6nmの範囲内である。
【0043】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記両端以外の箇所に位置する井戸層の膜厚を3nm〜6nmの範囲内に設定することにより、量子効率や微分利得が更に向上して、発光特性を更に向上出来る。
【0044】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記活性層は、上記障壁層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するMgZnO混晶を含むクラッド層で挟持されている。
【0045】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記障壁層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するMgZnO混晶を含むクラッド層が活性層を挟持しているので、注入キャリアが活性層に閉じ込められる。その結果、発光効率が向上するので、低い動作電流で高い発光効率が得られる。
【0046】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記活性層と上記クラッド層との間に、上記クラッド層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するMgZnO混晶を含むキャリアブロック層を備えている。
【0047】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記キャリアブロック層を活性層と上記クラッド層との間に形成することにより、井戸層におけるキャリア閉じ込め効果が更に向上する。その結果、発光特性や温度特性を向上させることが出来る。
【0048】
【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。
【0049】
(参考例)
本参考例では、ZnO系半導体で構成された青色発光ダイオード素子に本発明を適用した第1の例について説明する。
【0050】
図1に、本参考例の青色発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【0051】
上記発光ダイオード素子では、亜鉛面を主面とするZnO単結晶基板101上に、Ga(ガリウム)を3×1018cm-3の濃度でドーピングした厚さ0.5μmのn型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層102、活性層の一例としてのノンドープ量子井戸発光層103、N(窒素)を1×1020cm-3の濃度でドーピングした厚さ0.5μmのp型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層104、Nを1×1020cm-3の濃度でドーピングした厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層105とがこの順で積層されている。
【0052】
上記量子井戸発光層103は、厚さ5nmのMg0.1Zn0.9O障壁層と、厚さ4nmのCd0.1Zn0.9O井戸層とが交互に積層されて成っている。そして、上記Mg0.1Zn0.9O障壁層は8層ある一方、Cd0.1Zn0.9O井戸層は7層ある。
【0053】
上記p型ZnOコンタクト層105の主表面全面上には、厚さ15nmのNiを積層した透光性のp型オーミック電極106が形成されている。更に、上記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7がオーミック電極6より小さい面積で形成されている。
【0054】
上記ZnO単結晶基板101の裏面下には、Alから成る厚さ100nmのn型オーミック電極108が形成されている。
【0055】
上記構成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て発光させたところ、発光ピーク波長430nmの青色発光が得られた。
【0056】
図2に、上記量子井戸発光層103を構成する障壁層の組成比を変えて本参考例の発光ダイオード素子を作製し、20mAの動作電流における発光強度を調べた結果を示す。
【0057】
図2から判るように、上記障壁層を井戸層と同じCdZnO混晶で構成した場合は発光強度が弱くなっている。これに対して、上記障壁層をバンドギャップエネルギの大きなMgZnO混晶で構成すると発光強度が飛躍的に増大する。この理由としては、CdZnO障壁層はポテンシャル障壁が相対的に低く、各々の井戸層に電子を均一に閉じ込めることが出来ないのに対し、ポテンシャル障壁が高くなるに伴って井戸層への電子の閉じ込めが均一化し、十分な量子効果が得られるようになり発光強度が増大したと考えられる。
【0058】
また、上記MgZnO混晶で構成した障壁層においてMg組成比が0.35を超えると、発光強度は急激に低下する。これは、上記Mg組成比が0.35が越えることにより結晶性の劣化や組成不均一が生じていると考えられる。
【0059】
以上より、上記量子井戸発光層103の障壁層のMg組成比は0を超えて0.35までの範囲が結晶性と組成均一性に優れ好ましい。
【0060】
一方、上記量子井戸発光層103の井戸層のCd組成比は、大きい方がより長波長の可視発光が得られるため、産業的な利用価値が高いが、結晶性と組成均一性に優れる範囲としては0を超えて0.2までの範囲が好ましい。
【0061】
図3には、CdxZn1-xOおよびMgyZn1-yOで構成した量子井戸発光層に関して、CdxZn1-xOおよびMgyZn1-yOの組成比とバンドギャップエネルギとの関係を調べて示すと共に、その組成比と面内格子定数との関係も調べて示している。なお、図3には、III族窒化物半導体の井戸層,障壁層の材料として用いられるInGaNおよびAlGaNに関して上記関係を調べて比較例として示している。
【0062】
図3において、CdxZn1-xOは、Cd組成比xが0〜0.08の範囲内で面内格子定数が3.249Å〜3.261Åの範囲内にある。一方、MgyZn1-yOは、Mg組成比yが0〜0.33の範囲内で面内格子定数が3.249Å〜3.261Åの範囲内にある。そして、CdxZn1-xOとMgyZn1-yOとの両方とも組成比x,yが増大するにつれて、面内格子定数も増大する。
【0063】
したがって、上記組成範囲内、つまりCd組成比xが0〜0.08の範囲内、且つ、Mg組成比yが0〜0.33の範囲内において量子井戸発光層を構成することにより、井戸層と障壁層とのバンドギャップ差を大きく取ることが出来、且つ、格子不整合を極めて小さくすることが出来る。
【0064】
但し、上記Cd組成比xおよびMg組成比yが共に0の場合はキャリアが井戸層へ閉じ込まらないので、xおよびyは0を含まず、面内格子定数は3.250Å以上であることが好ましい。
【0065】
なお、比較例として示したIII族窒化物半導体のInGaNおよびAlGaNの場合には、In組成比およびAl組成比が共に増大すると、バンドギャップ差は大きくなるが、格子不整合も極めて大きくなり、結晶性が悪化すると共に、内部応力によって発生するピエゾ分極電界の影響を受けて発光効率が大きく低下する。
【0066】
このことは、ZnO系半導体を用いた本発明の酸化物半導体発光素子がIII族窒化物半導体に比べ構造設計の自由度が高く、より優れた青色〜紫外発光素子を作製出来ることを示している。
【0067】
図4に、上記量子井戸発光層103の井戸層の層厚と発光強度との関係を示す。つまり、図4には発光強度の井戸層厚依存性が示されている。なお。図4では、量子井戸発光層103の井戸層の膜厚は「量子井戸膜厚」と記載している。
【0068】
図4から判るように、上記井戸層の膜厚を1nmから増加させて行くと、井戸層の膜厚が2nmとなったところから発光強度が著しく向上する。このように、上記井戸層の膜厚の増加に伴って発光強度も大きくなるが、井戸層の膜厚が8nmを超えると発光強度が急激に低下し、10nm以上ではさらに急激に低下してしまう。この理由としては、量子効果の低減によって励起子の結合エネルギが小さくなることが考えられる。
【0069】
したがって、上記量子井戸発光層103の井戸層の膜厚は2nm以上8nm以下とすることが好ましく、3nm以上6nm以下とすることがより好ましい。
【0070】
量子井戸発光層の各井戸層へキャリアを均一に閉じ込める効果を最大限に得るには、クラッド層から量子井戸活性層へ注入されたキャリアを閉じ込めるダブルヘテロ構造を有することが好ましい。
【0071】
上記量子井戸発光層103を挟持するMgZnOクラッド層のMg組成比は、量子井戸発光層103の障壁層のMg組成比より高く、結晶性劣化が顕著となる0.35より低いことが好ましい。
【0072】
上記p型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層104およびp型ZnOコンタクト層105にドーピングするアクセプタ不純物としては、I族元素あるいはV族元素であるLi、Na、Cu、Ag、N、P、Asなどのうちの少なくとも1つを用いることが出来る。N、LiおよびAgは活性化しやすいので特に好ましく、更に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。
【0073】
上記n型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層102にドーピングするドナー不純物には、ZnO系半導体中での活性化率が高いIII族元素のB、Al、GaおよびInのうちの少なくとも1つを用いることが好ましい。
【0074】
基板材料としては、本参考例で用いたZnO基板以外にも、サファイア基板、スピネル基板およびLiGaO2基板などの絶縁性基板や、SiC基板やGaN基板などの導電性基板も用いることが出来る。
【0075】
上記絶縁性基板を用いる場合は、成長層の一部をエッチングしてn型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層102の一部を露出させ、この一部上にn型オーミック電極5を形成すればよい。あるいは、上記n型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層102に接するn型ZnOコンタクト層を設け、このコンタクト層の一部を露出させて、この一部上にn型オーミック電極5を形成すればより好ましい。
【0076】
結晶性の良好な成長層を得るためには、n型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層102またはn型ZnOコンタクト層と基板との間にバッファ層を形成するのが好ましい。
【0077】
ZnO系半導体が有する高い発光効率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。
【0078】
(a) 基板上の成長層において非発光中心となる欠陥を低減する観点上、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。
【0079】
(b) 基板は発光波長に対応する吸収係数が低い。
【0080】
(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。
【0081】
本参考例のZnO単結晶基板101は、上記(a)〜(c)の条件を全て満し、最も好ましい。また、上記ZnO単結晶基板101の亜鉛面を用いることにより、p型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いp型層が得られやすくなるので好ましい。
【0082】
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。
【0083】
p型オーミック電極の材料としては、Ni、Pt、PdおよびAuなどのうちの1つを用いることが出来る。Ni、Pt、PdおよびAuなどの中でも低抵抗で密着性の良いNiが、p型オーミック電極の材料として特に好ましい。また、上記p型オーミック電極は、上記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。つまり、上記p型オーミック電極は、異なる複数の金属材料を用いて形成してもよい。
【0084】
また、ZnO系半導体が有する高い発光効率を最大限の効果で得るためには、本参考例で示したように、透光性のp型オーミック電極106を用い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106において、良好なオーミック特性と高い透光性とを両立する厚みとしては5nm〜200nmの範囲内であることが好ましく、30nm〜100nmの範囲内であることが更に好ましい。
【0085】
p型電極形成後にアニール処理を行うと、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。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℃の範囲内であることが好ましい。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く、N2では逆に電気抵抗が増大してしまうので好ましくない。
【0086】
上記Auパッド電極7は、透光性オーミック電極6上の一部に、p型オーミック電極106より小さな面積で形成すれば、透光性オーミック電極6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。
【0087】
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。
【0088】
上記透光性オーミック電極6とパッド電極7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などをのうちの1つを用いることが出来る。Ti、CrおよびAlなどの中でも低電気抵抗で低コストなAl、あるいは、密着性の良いTiが、n型オーミック電極の材料として好ましい。また、上記n型オーミック電極は、上記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。つまり、上記p型オーミック電極は、異なる複数の金属材料を用いて形成してもよい。
【0090】
その他の構成は任意であり、本参考例によって限定されるものではない。
【0091】
(実施形態1)
本実施形態1は、量子井戸発光層において積層方向の両端の井戸層の膜厚が残りの井戸層の膜厚と異なっている点が上記参考例と異なっている。
【0092】
すなわち、本実施形態1では、量子井戸発光層が有する7層の井戸層のうち、積層方向の両端に位置する2層の井戸層の膜厚を5.5nmとし、残りの5つの井戸層の膜厚を4nmとした他は、参考例と同様にして発光ダイオード素子を作製している。
【0093】
本実施形態1の発光ダイオード素子をチップ状に分離し、Agペーストでリードフレームに取り付けてモールドして発光させたところ、上記参考例と同じ発光ピーク波長430nmの青色発光が得られたが、上記参考例に比べて発光強度が10%大きくなると共に、発光スペクトルの半値幅が上記参考例に比べて30%狭くなり、単色性が向上した。
【0094】
この理由は以下のように考えられる。
【0095】
図5(a)に、上記参考例の量子井戸発光層103近傍における伝導帯バンドダイヤグラムの概略図を示し、図5(b)に、本実施形態1の量子井戸発光層近傍における伝導帯バンドダイヤグラムの概略図を示す。なお、図5(a),(b)中の左右方向が積層方向に相当する。
【0096】
図5(a)に示すように、上記参考例の量子井戸発光層103は、8層のMg0.1Zn0.9O障壁層111,112,…,118と、7層のCd0.1Zn0.9O井戸層121,122,…,127とで構成されている。そして、この7層全ての井戸層121,122,…,127の膜厚が4nmとなっている。
【0097】
上記構成の量子井戸発光層103によれば、積層方向の両端の井戸層121,127はクラッド層102,104の障壁ポテンシャルの影響を強く受ける。このため、電子波が形成する量子準位は、点線で示すように、積層方向の両端の井戸層121,127が他の井戸層122,123,…,126よりも高くなる。すなわち、全ての井戸層121,122,…,127の量子準位は揃っていない。
【0098】
一方、図5(b)に示すように、本実施形態1の量子井戸発光層203は、8層のMg0.1Zn0.9O障壁層211,212,…,218と、7層のCd0.1Zn0.9O井戸層221,222,…,227とで構成されている。この7層の井戸層221,222,…,227のうち、積層方向の両端に位置する2層の井戸層221,227の膜厚が5.5nm、残りの5層の井戸層222,223,…,226の膜厚は4nmとなっている。
【0099】
上記構成の量子井戸発光層203によれば、両端の2層の井戸層221,227の膜厚が他の井戸層222,223,…,226の膜厚よりも厚いので、点線で示すように、井戸層221,227において量子効果が減少して量子準位が下る。その結果、上記井戸層221,227の量子準位と、残りの井戸層222,223,…,226の量子準位とが揃い易くなる。すなわち、上記井戸層221,222,…,227の全ての量子準位が揃い易い。これにより、上記参考例に比べてスペクトル幅などの特性が向上したものと考えられる。
【0100】
このように、量子井戸発光層の複数の井戸層の量子準位を揃えて特性を向上させるには、その複数の井戸層のうち積層方向の両端の井戸層の膜厚を他の井戸層の膜厚よりも厚くすることが好ましい。但し、上記参考例で述べたように、井戸層の膜厚は2nm以上8nm以下とするのが好ましいので、積層方向の両端以外の井戸層の膜厚は3nm以上6nm以下とするのが好ましい。
【0101】
(実施形態2)
本実施形態2では、量子井戸発光層の全体にGaを1×1018cm-3の濃度でドーピングした他は、上記実施形態1と同様にしてZnO系発光ダイオード素子を作製した。
【0102】
本実施形態3の発光ダイオード素子をチップ状に分離し、Agペーストでリードフレームに取り付けてモールドして発光させたところ、発光ピーク波長430nmの青色発光が得られ、発光強度は上記実施形態1に比べて20%増大した。また、上記量子井戸発光層が低抵抗化したため、動作電圧が0.1V減少した。
【0103】
上記発光ダイオード素子は、量子井戸発光層にGaをドーピングしたことにより、このGaがドナー準位を形成し、励起子発光と共にドナー準位を介した発光が生じるので、発光波長が長波長化すると共に、エネルギ遷移確率も向上するので上記実施形態1に比べて発光強度が増大すると考えられる。
【0104】
(実施形態3)
本実施形態3では、量子井戸発光層が有する井戸層のみにGaをドーピングした他は、上記実施形態2と同様にしてZnO系発光ダイオード素子を作製した。すなわち、本実施形態3の量子井戸発光層は、ノンドープの8層のMg0.1Zn0.9O障壁層と、Gaを1×1018cm-3の濃度でドーピングした7層のCd0.1Zn0.9O井戸層とで構成されている。
【0105】
本実施形態3の発光ダイオード素子をチップ状に分離し、Agペーストでリードフレームに取り付けてモールドして発光させたところ、発光ピーク波長430nmの青色発光が得られ、発光強度は上記実施形態2に比べて20%増大したが、動作電圧が実施形態2に比べて0.05V増大した。
【0106】
上記発光ダイオード素子は、井戸層のみに不純物をドーピングしたことにより、発光効率を維持して量子井戸発光層全体のドーピング濃度が低くなり、量子井戸発光層におけるキャリア吸収が低減するので、量子井戸発光層全体に不純物をドーピングした場合に比べて発光強度が増大すると考えられる。
【0107】
(実施形態4)
本実施形態4では、量子井戸発光層が有する障壁層のみにGaをドーピングした他は、上記実施形態2と同様にしてZnO系発光ダイオード素子を作製した。すなわち、本実施形態4の量子井戸発光層は、Gaを1×1018cm-3の濃度でドーピングした8層のMg0.1Zn0.9O障壁層と、ノンドープの7層のCd0.1Zn0.9O井戸層とで構成されている。
【0108】
本実施形態4の発光ダイオード素子をチップ状に分離し、Agペーストでリードフレームに取り付けてモールドして発光させたところ、発光ピーク波長425nmの青色発光が得られ、発光強度は上記実施形態2に比べて15%増大し、動作電圧は実施形態2に比べて0.05V増大した。
【0109】
上記発光ダイオード素子は、障壁層のみに不純物をドーピングしたことにより、発光効率を維持して量子井戸発光層全体のドーピング濃度が低くなり、量子井戸発光層におけるキャリア吸収が低減するので、井戸層のみに不純物をドーピングした場合とほぼ同等の発光強度増大が得られる。
【0110】
(実施形態5)
本実施形態5は、量子井戸発光層において両端の井戸層の組成が残りの井戸層の組成と異なっている点が上記参考例と異なっている。
【0111】
すなわち、本実施形態5では、量子井戸発光層が有する7層の井戸層のうち、積層方向の両端に位置する2層の井戸層のみをCd0.05Zn0.95Oで構成し、残りの5層の井戸層をCd0.1Zn0.9Oで構成した他は、上記参考例と同様にして発光ダイオード素子を作製した。
【0112】
本実施形態5の発光ダイオード素子をチップ状に分離し、Agペーストでリードフレームに取り付けてモールドして発光させたところ、上記参考例と同じ発光ピーク波長430nmの青色発光が得られたが、発光強度が上記参考例に比べて10%大きくなると共に、発光スペクトルの半値幅が上記参考例に比べて30%狭くなり、単色性が向上した。
【0113】
この理由は以下のように考えられる。
【0114】
図6に、本実施形態5の量子井戸発光層603における伝導帯バンドダイヤグラムの概略図を示す。
【0115】
上記量子井戸発光層603は、8層のMg0.1Zn0.9O障壁層611,612,…,618と、2層のCd0.05Zn0.95O井戸層621,627と、5層のCd0.1Zn0.9O井戸層622,623,…,626とで構成されている。この井戸層621,622,…,627において井戸層621,627が積層方向の両端に位置している。
【0116】
上記構成の量子井戸発光層603は、積層方向の両端の井戸層621,627の組成が他の井戸層622,623,…,626の組成と異なっているので、上記実施形態1と同様に井戸層621,622,…,627の全ての量子準位が揃い易い構造となっている。その結果、本実施形態5の発光ダイオード素子は、上記参考例に比べてスペクトル幅などの特性が向上したものと考えられる。
【0117】
このように、複数の井戸層において、全ての井戸層の量子準位を揃えて特性を向上させるには、積層方向の両端の井戸層のバンドギャップエネルギは他の井戸層(積層方向の両端以外の箇所に位置する井戸層)のバンドギャップエネルギに比して小さいことが好ましい。したがって、上記複数の井戸層において、積層方向の両端の井戸層のバンドギャップエネルギが他の井戸層のバンドギャップエネルギに比して小さくなるように、各井戸層の組成を調節するのが好ましい。
【0118】
(実施形態6)
本実施形態6では、ZnO系半導体で構成された青色半導体レーザ素子に本発明を適用した一例について説明する。
【0119】
図7に、本実施形態6のZnO系半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。
【0120】
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701上に、厚さ0.5μmのn型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層702、光ガイド層の一例としての厚さ20nmのn型Mg0.05Zn0.95O光ガイド層703、活性層の一例としての多重量子井戸活性層704、光ガイド層の一例としての厚さ20nmのp型Mg0.05Zn0.95O光ガイド層705、厚さ1.0μmのp型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層706、厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層707がこの順で積層されている。
【0121】
上記p型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層706の上部はリッジストライプ形状にエッチング加工されている。そして、上記p型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層706の上部の両側には、Mg0.3Zn0.7Oより成るn型電流ブロック層708を形成している。つまり、上記p型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層706の上部の側面は、n型電流ブロック層708によって埋め込まれている。
【0122】
また、上記p型ZnOコンタクト層707上にはp型オーミック電極30を形成している一方、n型ZnO単結晶基板701下にはn型オーミック電極709を形成している。
【0123】
図8に、上記多重量子井戸活性層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図を示す。
【0124】
上記多重量子井戸活性層704は、厚さ4nmのMg0.1Zn0.9O障壁層711,712と、厚さ4nmのCd0.1Zn0.9O井戸層721,722,723とを交互に積層して構成されている。上記Mg0.1Zn0.9O障壁層711,712は2層ある一方、Cd0.1Zn0.9O井戸層721,722,723は3層ある。そして、上記Mg0.1Zn0.9O障壁層711,712のバンドギャップエネルギは、n型Mg0.05Zn0.95O光ガイド層703およびp型Mg0.05Zn0.95O光ガイド層705のバンドギャップエネルギより高くなっている。
【0125】
以上のような構造を作製後、n型ZnO単結晶基板701を劈開して端面ミラーを形成し、その端面に保護膜を真空蒸着した後、素子分離を行って幅300μmの本実施形態6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430nmの青色発振光が得られた。
【0126】
図9に、上記多重量子井戸活性層704が有する障壁層のMg組成比を変えて本実施形態6の半導体レーザ素子を作製し、発振閾値電流および特性温度を調べた結果を示す。なお、図9では、上記障壁層のMg組成比と発振閾値電流との関係を実線で示し、上記障壁層のMg組成比と特性温度との関係を点線で示している。
【0127】
図9から判るように、上記障壁層の組成比が光ガイド層より大きくなって井戸層に対するポテンシャル障壁が高くなると、発振閾値電流および特性温度が大きく改善された。このことは、上記障壁層のバンドギャップエネルギが光ガイド層のバンドギャップエネルギより高いことにより、井戸層へのキャリア閉じ込めが均一に行なわれ、諸特性が大きく改善されることを示している。
【0128】
(実施形態7)
図10に、本実施形態7の量子井戸活性層近傍における伝導帯バンドダイヤグラムの概略図を示す。
【0129】
本実施形態7では、図10に示すように、n型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層702とn型Mg0.05Zn0.95O光ガイド層703との間に、Mg0.3Zn0.7Oより成る厚さ5nmのn型キャリアブロック層801を形成すると共に、p型Mg0.05Zn0.95O光ガイド層705とp型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層706との間に、Mg0.3Zn0.7Oより成る厚さ5nmのp型キャリアブロック層802を形成した他は、上記実施形態6と同様にして半導体レーザ素子を作製した。
【0130】
上記n型キャリアブロック層801,p型キャリアブロック層802のバンドギャップエネルギは、n型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層702,p型Mg0.2Zn0.8Oクラッド層706のバンドギャップエネルギよりも大きくなっている。
【0131】
本実施形態7の半導体レーザ素子に電流を流したところ、上記実施形態6と同じく端面から波長430nmの青色発振光が得られたが、発振閾値電流は上記実施形態6に比べて30%低く、特性温度は20K向上した。
【0132】
このように、活性層とクラッド層との間に、クラッド層よりもバンドギャップエネルギが大きなキャリアブロック層を形成することによって、井戸層からのキャリアオーバーフローが抑制される。その結果、上記井戸層におけるキャリアの閉じ込め率を向上させることが出来て、本発明の効果を更に向上させることが出来る。
【0133】
n型ZnO系半導体に比べてp型ZnO系半導体はキャリア濃度が低いため、活性層とp型クラッド層とのヘテロ障壁が低くなりやすい。したがって、キャリアブロック層は、少なくとも、活性層とp型クラッド層との間に設けるのが好ましい。また、活性層とn型クラッド層との間、および、活性層とp型クラッド層との間に、キャリアブロック層を設ければより好ましい。
【0134】
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MBE(分子線エピタキシ)法、レーザMBE法、MOCVD(有機金属気相成長)法などの結晶成長手法で作製することが出来る。これらの結晶成長手法のうちレーザMBE法は、原料ターゲットと、この原料ターゲットを用いて形成した薄膜とにおいて組成ずれが小さく、また、ZnGa24などの意図しない副生成物の生成を抑えることが出来るので特に好ましい。
【0135】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、シングルへテロ構造またはダブルへテロ構造であってもよい。
【0136】
【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、活性層の量子井戸構造をCdxZn1-xO井戸層(但し、0<x≦1)とMgyZn1-yO障壁層(但し、0<y≦1)との交互積層で構成するので、十分な障壁高さが確保されて、井戸層のキャリア閉じ込め効果が高まる。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、動作電圧や発振閾値電流を下げることが出来る。
【0137】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、障壁層と3層以上の井戸層とから成る量子井戸構造において、積層方向の両端に位置する井戸層の層厚が、その両端以外の箇所に位置する井戸層の層厚と異なるので、全ての井戸層の量子準位が揃う。その結果、発光波長が均一化して特性を向上させることが出来る。
【0138】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、障壁層と3層以上の井戸層とから成る量子井戸構造において、積層方向の両端に位置する井戸層の組成が、その両端以外の箇所に位置する井戸層の組成と異なるので、全ての井戸層の量子準位が揃る。その結果、発光波長が均一化して特性を向上させることが出来る。
【0139】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、障壁層のバンドギャップエネルギが上記光ガイド層のバンドギャップエネルギより高いので、十分な障壁高さが得られて、井戸層のキャリア閉じ込め効果が向上する。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、動作電圧や発振閾値電流を下げることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は本発明の参考例の発光ダイオード素子の構模式断面図である。
【図2】 図2は上記参考例の発光ダイオード素子における障壁層の組成比と発光強度との関係を示す図である。
【図3】 図3はCdZnOおよびMgZnOの組成比とバンドギャップエネルギおよび面内格子定数との関係を示す図である。
【図4】 図4は上記参考例の発光ダイオード素子における井戸層の層厚と発光強度との関係を示す図である。
【図5】 図5(a)は上記参考例の発光ダイオード素子における量子井戸発光層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図であり、図5(b)は本発明の実施形態1の発光ダイオード素子における量子井戸発光層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図である。
【図6】 図6は本発明の実施形態5の発光ダイオード素子における量子井戸発光層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図である。
【図7】 図7は本発明の実施形態6の半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図8】 図8は上記実施形態6の半導体レーザ素子における多重量子井戸活性層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図である。
【図9】 図9は上記実施形態6の半導体レーザ素子における障壁層の組成比と発振閾値電流および特性温度との関係を示す図である。
【図10】 図10は本発明の実施形態7の半導体レーザ素子のおける量子井戸活性層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図である。
【符号の説明】
103 量子井戸発光層
111,112,…,118 Mg0.1Zn0.9O障壁層
121,122,…,127 Cd0.1Zn0.9O井戸層
203 量子井戸発光層
211,212,…,218 Mg0.1Zn0.9O障壁層
221,222,…,227 Cd0.1Zn0.9O井戸層
603 量子井戸発光層
611,612,…,618 Mg0.1Zn0.9O障壁層
621,627 Cd0.05Zn0.95O井戸層
622,623,…,626 Cd0.1Zn0.9O井戸層
703 n型Mg0.05Zn0.95O光ガイド層
704 多重量子井戸活性層
705 p型Mg0.05Zn0.95O光ガイド層
711,712 Mg0.1Zn0.9O障壁層
721,722,723 Cd0.1Zn0.9O井戸層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode or a semiconductor laser, and more particularly to an oxide semiconductor light emitting device excellent in light emission characteristics, reliability, and power saving.
[0002]
[Prior art]
  As an active layer of a semiconductor light emitting device such as a semiconductor laser or a light emitting diode, a quantum well structure constituted by alternately stacking quantum well layers and potential barrier layers is often used. Since the quantum well active layer having the quantum well structure has higher quantum efficiency than the bulk active layer, it is possible to realize a semiconductor light emitting device having excellent characteristics. Such a quantum well active layer is employed in a semiconductor light emitting device using a group III nitride semiconductor that has already been put to practical use as a blue light emitting device. For example, Japanese Patent No. 2932467 discloses a quantum well active layer in which a well layer and a barrier layer are formed of InGaN mixed crystals.
[0003]
  Incidentally, zinc oxide (ZnO) is one of materials for semiconductor light emitting devices. This zinc oxide is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of about 3.4 eV, an exciton binding energy as extremely high as 60 meV, a raw material is inexpensive, harmless to the environment and the human body, and a film forming method is simple. There is a possibility that a light-emitting device with high environmental efficiency and high efficiency and low power consumption can be realized.
[0004]
  Conventionally, as an oxide semiconductor light emitting device composed of ZnO and a mixed crystal based on ZnO, Cd0.3Zn0.7A well layer composed of O and Cd0.06Zn0.94Some include a quantum well active layer formed by repeating alternate lamination with a barrier layer made of O a plurality of times (see, for example, Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
          International Publication No. 00/16411 Pamphlet
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the above-described conventional oxide semiconductor light emitting device has a problem in that it has a low operating efficiency and a high oscillation threshold current as well as a light emitting efficiency as compared with a semiconductor light emitting device using a group III nitride semiconductor.
[0007]
  According to the study by the present inventors, the reason why this problem occurs is assumed as follows.
[0008]
  If both the well layer and the barrier layer constituting the quantum well active layer are composed of CdZnO mixed crystal, the potential of the barrier layer is lowered, so that electrons injected into the quantum well active layer are not uniformly confined in each well layer. . As a result, the oscillation wavelength and gain in each well layer vary.
[0009]
  Such a variation increases the potential of the barrier layer by increasing the difference in the In composition ratio between the well layer and the barrier layer in the quantum well active layer in which both the well layer and the barrier layer are composed of InGaN mixed crystals. It is solved by.
[0010]
  However, such a solution cannot be used for a quantum well active layer in which both the well layer and the barrier layer are composed of CdZnO mixed crystals. More specifically, since the CdZnO mixed crystal has a different crystal structure between CdO and ZnO, a composition range in which a CdZnO mixed crystal having a single composition having sufficient crystallinity is likely to occur when the Cd composition ratio is increased and phase separation is likely to occur. Is narrow. That is, the Cd composition ratio between the well layer and the barrier layer cannot be increased. Therefore, in the quantum well active layer in which both the well layer and the barrier layer are composed of CdZnO mixed crystals, the potential of the barrier layer cannot be increased, and characteristic nonuniformity between the quantum well layers tends to occur.
[0011]
  Accordingly, an object of the present invention is to provide an oxide semiconductor light emitting device having excellent light emitting characteristics and power saving properties.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  As a result of intensive studies on a technique for improving the light emission efficiency of a semiconductor light emitting device having a quantum well active layer composed of a ZnO-based semiconductor, the present inventors have optimized the structure of the quantum well active layer to achieve the above object. As a result, the present invention has been found.
[0013]
  The oxide semiconductor light emitting device of the present invention is an oxide semiconductor light emitting device composed of a ZnO-based semiconductor,
  CdxZn1-xO well layer (however, 0 <x ≦ 1) and MgyZn1-yAn active layer having a quantum well structure in which O barrier layers (where 0 <y ≦ 1) are alternately stacked.When,
  A clad layer including an MgZnO mixed crystal having a band gap energy larger than that of the barrier layer and sandwiching the active layer;
With
  The well layer has three or more layers, and the layer thickness of the well layer located at both ends in the stacking direction in the quantum well structure is different from the layer thickness of the well layer located at a place other than the both ends.The
  The thickness of the well layer located at both ends is thicker than the thickness of the well layer located at locations other than the both ends.It is characterized by that.
[0014]
  In this specification, a ZnO-based semiconductor includes a mixed crystal represented by ZnO and MgZnO or CdZnO based on the ZnO.
[0015]
  According to the oxide semiconductor light emitting device having the above configuration, since the well layer is configured by CdZnO having a small band gap energy and the barrier layer is configured by MgZnO having a large band gap energy, a sufficient barrier height is ensured, The carrier confinement effect of the well layer is improved. As a result, the luminous efficiency can be increased, and the operating voltage and the oscillation threshold current can be lowered. That is, an oxide semiconductor light-emitting element excellent in light emission efficiency, power saving property, and reliability can be realized.
  Moreover, the quantum levels of all the well layers can be made uniform by making the layer thickness of the well layer located at both ends different from the layer thickness of the well layer located at a place other than the both ends. That is, the quantum levels of all the well layers can be made substantially the same. Accordingly, it is possible to improve the characteristics by making the emission wavelength uniform. That is, an oxide semiconductor light-emitting element having excellent characteristics such as light emission efficiency and temperature characteristics can be realized.
  In addition, since the thickness of the well layer located at both ends is thicker than the thickness of the well layer located at locations other than the both ends, the quantum levels of all well layers are easily aligned.
[0016]
  The “active layer” is referred to as a “light emitting layer” in the case of a light emitting diode element, but is synonymous in terms of a layer that controls light emission, and is not particularly distinguished below.
  The oxide semiconductor light emitting device of the present invention is an oxide semiconductor light emitting device that can be composed of a ZnO-based semiconductor,
  CdxZn1-xO well layer (however, 0 <x ≦ 1) and MgyZn1-yAn active layer having a quantum well structure in which O barrier layers (where 0 <y ≦ 1) are alternately stacked.When,
  A clad layer including an MgZnO mixed crystal having a band gap energy larger than that of the barrier layer and sandwiching the active layer;
With
  The well layer has three or more layers, and the composition of the well layer located at both ends in the stacking direction in the quantum well structure is different from the composition of the well layer located at a place other than the both ends.The
  The band gap energy of the well layer located at both ends is smaller than the band gap of the well layer located at a place other than the both ends.It is characterized by that.
  In this specification, the ZnO-based semiconductor includes ZnO and a mixed crystal represented by MgZnO or CdZnO based on the ZnO.
  According to the oxide semiconductor light emitting device having the above configuration, since the well layer is configured by CdZnO having a small band gap energy and the barrier layer is configured by MgZnO having a large band gap energy, a sufficient barrier height is ensured, The carrier confinement effect of the well layer is improved. As a result, the luminous efficiency can be increased, and the operating voltage and the oscillation threshold current can be lowered. That is, an oxide semiconductor light-emitting element excellent in light emission efficiency, power saving property, and reliability can be realized.
  Further, the quantum levels of all the well layers can be made uniform by making the composition of the well layers located at both ends different from the composition of the well layers located at locations other than the both ends. That is, the quantum levels of all the well layers can be made substantially the same. Accordingly, it is possible to improve the characteristics by making the emission wavelength uniform. That is, an oxide semiconductor light-emitting element having excellent characteristics such as light emission efficiency and temperature characteristics can be realized.
  Further, since the band gap energy of the well layer located at both ends is smaller than the band gap of the well layer located at a place other than both ends, the quantum levels of all the well layers are easily aligned.
  The “active layer” is referred to as a “light emitting layer” in the case of a light emitting diode element, but is synonymous in terms of a layer that controls light emission, and is not particularly distinguished below.
  The oxide semiconductor light emitting device of the present invention is an oxide semiconductor light emitting device composed of a ZnO-based semiconductor.
  CdxZn1-xO well layer (however, 0 <x ≦ 1) and MgyZn1-yAn active layer having a quantum well structure in which O barrier layers (where 0 <y ≦ 1) are alternately stacked;
  A light guide layer laminated with the active layer,
  The band gap energy of the barrier layer is higher than the band gap energy of the light guide layer.
  In this specification, the ZnO-based semiconductor includes ZnO and a mixed crystal represented by MgZnO or CdZnO based on the ZnO.
  According to the oxide semiconductor light emitting device having the above configuration, since the well layer is configured by CdZnO having a small band gap energy and the barrier layer is configured by MgZnO having a large band gap energy, a sufficient barrier height is ensured, The carrier confinement effect of the well layer is improved. As a result, the luminous efficiency can be increased, and the operating voltage and the oscillation threshold current can be lowered. That is, an oxide semiconductor light-emitting element excellent in light emission efficiency, power saving property, and reliability can be realized.
  Further, since the band gap energy of the barrier layer is higher than the band gap energy of the light guide layer, a sufficient barrier height can be obtained and the carrier confinement effect of the well layer is improved. As a result, the luminous efficiency can be increased, and the operating voltage and the oscillation threshold current can be lowered. That is, an oxide semiconductor light-emitting element having excellent characteristics can be realized.
  The “active layer” is referred to as a “light emitting layer” in the case of a light emitting diode element, but is synonymous in terms of a layer that controls light emission, and is not particularly distinguished below.
[0017]
  In one embodiment, the oxide semiconductor light emitting device includes the CdxZn1-xThe Cd composition ratio x of the O well layer is 0 <x ≦ 0.2.
[0018]
  According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the Cd composition ratio x is set within the range of 0 <x ≦ 0.2, whereby CdxZn1-xThe crystallinity and composition uniformity of the O well layer can be improved.
[0019]
  In one embodiment, the oxide semiconductor light emitting device includes the MgyZn1-yThe Mg composition ratio y of the O barrier layer is 0 <y ≦ 0.35.
[0020]
  According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the Mg composition ratio y is set within the range of 0 <y ≦ 0.35, whereby MgyZn1-yThe crystallinity and composition uniformity of the O barrier layer can be improved.
[0021]
  In one embodiment, the oxide semiconductor light emitting device includes the CdxZn1-xCd composition ratio x of the O well layer is 0 <x ≦ 0.08, and the above MgyZn1-yThe Mg composition ratio y of the O barrier layer is 0 <y ≦ 0.33.
[0022]
  According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the Cd composition ratio x is in the range of 0 <x ≦ 0.08, and the Mg composition ratio y is in the range of 0 <y ≦ 0.33. By setting, CdxZn1-xIn-plane lattice constant of O well layer and MgyZn1-yThe in-plane lattice constant of the O barrier layer can be made substantially the same within the range of 3.250 to 3.261. As a result, the stress generated in the active layer can be extremely reduced.
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
  In the oxide semiconductor light emitting device of one embodiment, the active layer is doped with a donor impurity.
[0034]
  According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, since the active layer is doped with a donor impurity, the light emission efficiency is improved and the operating voltage of the device is reduced.
[0035]
  In addition, by doping the active layer with a donor impurity, energy transition through an impurity level can be generated, and light emission characteristics can be improved.
[0036]
  In one embodiment, the oxide semiconductor light emitting device according to any one of the first to fourth inventions is such that the donor impurity is doped only in the well layer.
[0037]
  According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, since the donor impurity is doped only in the well layer, the same luminous efficiency improvement effect as that obtained when the entire active layer is doped can be obtained. The total doping amount can be reduced. As a result, the crystallinity of the active layer is improved and the reliability is increased, and the carrier absorption loss of the active layer is reduced to further improve the light emission efficiency.
[0038]
  In the oxide semiconductor light emitting device according to one embodiment, the donor impurity is doped only in the barrier layer.
[0039]
  According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, by doping the donor impurity only in the barrier layer, an effect of improving the luminous efficiency equivalent to the case where the entire active layer is doped can be obtained, The total doping amount can be reduced. As a result, the crystallinity of the active layer is improved and the reliability is increased, and the carrier absorption loss of the active layer is reduced to further improve the light emission efficiency.
[0040]
  In the oxide semiconductor light emitting device of one embodiment, the film thickness of the well layer is in the range of 2 nm to 8 nm.
[0041]
  According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, by setting the film thickness of the well layer in the range of 2 nm to 8 nm, the quantum efficiency and the differential gain are improved, and the light emission characteristics can be improved.
[0042]
  In one embodiment, the oxide semiconductor light-emitting device has three or more well layers, and the well layers located at positions other than both ends in the stacking direction in the quantum well structure are in the range of 3 nm to 6 nm. It is.
[0043]
  According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the quantum efficiency and the differential gain are further improved by setting the film thickness of the well layer located at a place other than the both ends within the range of 3 nm to 6 nm. The light emission characteristics can be further improved.
[0044]
  In one embodiment, the active layer is sandwiched between clad layers containing MgZnO mixed crystals having a band gap energy larger than that of the barrier layer.
[0045]
  According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, since the clad layer containing the MgZnO mixed crystal having the band gap energy larger than the band gap energy of the barrier layer sandwiches the active layer, the injected carriers are the active layer. Be trapped in. As a result, since the luminous efficiency is improved, high luminous efficiency can be obtained with a low operating current.
[0046]
  An oxide semiconductor light emitting device according to an embodiment includes a carrier block layer including an MgZnO mixed crystal having a band gap energy larger than that of the cladding layer between the active layer and the cladding layer. .
[0047]
  According to the oxide semiconductor light emitting device having the above configuration, the carrier confinement effect in the well layer is further improved by forming the carrier block layer between the active layer and the cladding layer. As a result, light emission characteristics and temperature characteristics can be improved.
[0048]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, an oxide semiconductor light emitting device of the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings.
[0049]
  (Reference example)
  In this reference example, a first example in which the present invention is applied to a blue light-emitting diode element composed of a ZnO-based semiconductor will be described.
[0050]
  FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the blue light-emitting diode element of this reference example.
[0051]
  In the light-emitting diode element, Ga (gallium) is 3 × 10 3 on the ZnO single crystal substrate 101 whose principal surface is the zinc surface.18cm-30.5 μm thick n-type Mg doped at a concentration of0.2Zn0.8O-cladding layer 102, non-doped quantum well light emitting layer 103 as an example of active layer, N (nitrogen) 1 × 1020cm-30.5 μm thick p-type Mg doped at a concentration of0.2Zn0.8O cladding layer 104, N is 1 × 1020cm-3A p-type ZnO contact layer 105 having a thickness of 0.5 μm doped at a concentration of 1 to 5 is stacked in this order.
[0052]
  The quantum well light-emitting layer 103 is made of Mg with a thickness of 5 nm.0.1Zn0.9O barrier layer and 4 nm thick Cd0.1Zn0.9O well layers are alternately stacked. And the Mg0.1Zn0.9While there are 8 O barrier layers, Cd0.1Zn0.9There are seven O well layers.
[0053]
  On the entire main surface of the p-type ZnO contact layer 105, a translucent p-type ohmic electrode 106 in which Ni with a thickness of 15 nm is laminated is formed. Further, a bonding Au pad electrode 7 having a thickness of 100 nm is formed on the p-type ohmic electrode 106 with a smaller area than the ohmic electrode 6.
[0054]
  Under the back surface of the ZnO single crystal substrate 101, an n-type ohmic electrode 108 made of Al and having a thickness of 100 nm is formed.
[0055]
  When the light emitting diode element having the above structure was attached to a lead frame with Ag paste and molded to emit light, blue light emission with an emission peak wavelength of 430 nm was obtained.
[0056]
  FIG. 2 shows the results of examining the light emission intensity at an operating current of 20 mA by fabricating the light emitting diode element of this reference example by changing the composition ratio of the barrier layer constituting the quantum well light emitting layer 103.
[0057]
  As can be seen from FIG. 2, when the barrier layer is made of the same CdZnO mixed crystal as the well layer, the emission intensity is weak. On the other hand, if the barrier layer is composed of a MgZnO mixed crystal having a large band gap energy, the light emission intensity increases dramatically. The reason for this is that the CdZnO barrier layer has a relatively low potential barrier and cannot uniformly confine electrons in each well layer. However, as the potential barrier becomes higher, electrons are confined in the well layer. It is considered that the light emission intensity is increased because of a uniform quantum effect and a sufficient quantum effect.
[0058]
  Further, when the Mg composition ratio exceeds 0.35 in the barrier layer composed of the MgZnO mixed crystal, the light emission intensity rapidly decreases. This is thought to be due to the deterioration of crystallinity and non-uniform composition caused by the Mg composition ratio exceeding 0.35.
[0059]
  From the above, the Mg composition ratio of the barrier layer of the quantum well light-emitting layer 103 is preferably in the range of more than 0 to 0.35 because of excellent crystallinity and composition uniformity.
[0060]
  On the other hand, the Cd composition ratio of the well layer of the quantum well light-emitting layer 103 is higher in industrial utility value because visible light emission with a longer wavelength can be obtained, but as a range excellent in crystallinity and composition uniformity. Is preferably in the range of more than 0 to 0.2.
[0061]
  FIG. 3 shows CdxZn1-xO and MgyZn1-yFor quantum well light-emitting layers composed of O, CdxZn1-xO and MgyZn1-yThe relationship between the composition ratio of O and the band gap energy is examined and shown, and the relationship between the composition ratio and the in-plane lattice constant is also shown. FIG. 3 shows a comparative example by examining the above-described relationship regarding InGaN and AlGaN used as materials for the well layer and barrier layer of the group III nitride semiconductor.
[0062]
  In FIG. 3, CdxZn1-xO has a Cd composition ratio x in the range of 0 to 0.08 and an in-plane lattice constant in the range of 3.249 to 3.261. Meanwhile, MgyZn1-yO has an Mg composition ratio y in the range of 0 to 0.33 and an in-plane lattice constant in the range of 3.249 to 3.261. And CdxZn1-xO and MgyZn1-yBoth the O and the in-plane lattice constant increase as the composition ratios x and y increase.
[0063]
  Accordingly, by forming the quantum well light-emitting layer within the above composition range, that is, within the range where the Cd composition ratio x is 0 to 0.08 and within the range where the Mg composition ratio y is 0 to 0.33, the well layer And the barrier layer can have a large band gap difference, and lattice mismatch can be extremely reduced.
[0064]
  However, when the Cd composition ratio x and the Mg composition ratio y are both 0, carriers are not confined to the well layer, so x and y do not include 0, and the in-plane lattice constant is 3.250Å or more. Is preferred.
[0065]
  In the case of the group III nitride semiconductors InGaN and AlGaN shown as comparative examples, when both the In composition ratio and the Al composition ratio increase, the band gap difference increases, but the lattice mismatch becomes extremely large, and the crystal As a result, the luminous efficiency is greatly lowered due to the influence of a piezoelectric polarization electric field generated by internal stress.
[0066]
  This indicates that the oxide semiconductor light emitting device of the present invention using a ZnO-based semiconductor has a higher degree of freedom in structural design than a group III nitride semiconductor, and can produce more excellent blue to ultraviolet light emitting devices. .
[0067]
  FIG. 4 shows the relationship between the thickness of the well layer of the quantum well light-emitting layer 103 and the light emission intensity. That is, FIG. 4 shows the dependence of the emission intensity on the well layer thickness. Note that. In FIG. 4, the film thickness of the well layer of the quantum well light emitting layer 103 is described as “quantum well film thickness”.
[0068]
  As can be seen from FIG. 4, when the film thickness of the well layer is increased from 1 nm, the emission intensity is remarkably improved from the point where the film thickness of the well layer is 2 nm. As described above, the emission intensity increases as the thickness of the well layer increases. However, the emission intensity rapidly decreases when the thickness of the well layer exceeds 8 nm, and decreases more rapidly when the thickness of the well layer exceeds 10 nm. . A possible reason for this is that the binding energy of excitons is reduced by reducing the quantum effect.
[0069]
  Therefore, the thickness of the well layer of the quantum well light emitting layer 103 is preferably 2 nm or more and 8 nm or less, and more preferably 3 nm or more and 6 nm or less.
[0070]
  In order to obtain the maximum effect of uniformly confining carriers in each well layer of the quantum well light emitting layer, it is preferable to have a double heterostructure that confines carriers injected from the cladding layer into the quantum well active layer.
[0071]
  The Mg composition ratio of the MgZnO clad layer sandwiching the quantum well light-emitting layer 103 is preferably higher than the Mg composition ratio of the barrier layer of the quantum well light-emitting layer 103 and lower than 0.35 at which the crystallinity deterioration becomes remarkable.
[0072]
  P-type Mg0.2Zn0.8As an acceptor impurity doped into the O-clad layer 104 and the p-type ZnO contact layer 105, at least one of Li, Na, Cu, Ag, N, P, As, etc., which are Group I elements or Group V elements, is used. I can do it. N, Li and Ag are particularly preferable because they are easily activated. Further, N is N2It is preferable to perform high-concentration doping while maintaining good crystallinity by a method in which plasma is irradiated and irradiated during crystal growth.
[0073]
  N-type Mg0.2Zn0.8It is preferable to use at least one of group III elements B, Al, Ga, and In, which have a high activation rate in the ZnO-based semiconductor, as a donor impurity doped in the O-clad layer 102.
[0074]
  As the substrate material, in addition to the ZnO substrate used in this reference example, a sapphire substrate, a spinel substrate, and LiGaO2An insulating substrate such as a substrate, or a conductive substrate such as a SiC substrate or a GaN substrate can also be used.
[0075]
  When the insulating substrate is used, n-type Mg is etched by etching a part of the growth layer.0.2Zn0.8A part of the O cladding layer 102 may be exposed, and the n-type ohmic electrode 5 may be formed on the part. Alternatively, the n-type Mg0.2Zn0.8More preferably, an n-type ZnO contact layer in contact with the O-clad layer 102 is provided, a part of the contact layer is exposed, and the n-type ohmic electrode 5 is formed on the part.
[0076]
  In order to obtain a growth layer with good crystallinity, n-type Mg0.2Zn0.8A buffer layer is preferably formed between the O-clad layer 102 or the n-type ZnO contact layer and the substrate.
[0077]
  In order to maximize the high luminous efficiency of the ZnO-based semiconductor, it is preferable to use a substrate that satisfies the following conditions (a) to (c).
[0078]
  (A) From the viewpoint of reducing defects that become non-luminescent centers in the growth layer on the substrate,
          The in-plane lattice constant of the plate is (100 ±
          3) It is within the range of%.
[0079]
  (B) The substrate has a low absorption coefficient corresponding to the emission wavelength.
[0080]
  (C) From the viewpoint of providing electrodes under the back surface of the substrate, the substrate is a conductive substrate.
[0081]
  The ZnO single crystal substrate 101 of this reference example satisfies the above conditions (a) to (c) and is most preferable. Further, it is preferable to use the zinc surface of the ZnO single crystal substrate 101 because the carrier activation rate of the p-type layer is improved and a p-type layer having a low resistance is easily obtained.
[0082]
  Further, in order to diffusely reflect the light incident on the substrate, it is preferable to form irregularities on the back surface of the substrate by a known method such as polishing or etching because the light extraction efficiency is improved.
[0083]
  As a material for the p-type ohmic electrode, one of Ni, Pt, Pd, Au, and the like can be used. Among Ni, Pt, Pd, and Au, Ni having a low resistance and good adhesion is particularly preferable as a material for the p-type ohmic electrode. The p-type ohmic electrode may be formed by alloying the plurality of metal materials. That is, the p-type ohmic electrode may be formed using a plurality of different metal materials.
[0084]
  Further, in order to obtain the highest light emission efficiency of the ZnO-based semiconductor with the maximum effect, as shown in this reference example, the light extraction efficiency can be improved by using the light-transmitting p-type ohmic electrode 106. preferable. In the p-type ohmic electrode 106, the thickness that achieves both good ohmic characteristics and high translucency is preferably in the range of 5 nm to 200 nm, and more preferably in the range of 30 nm to 100 nm.
[0085]
  Annealing treatment after the formation of the p-type electrode is preferable because adhesion is improved and contact resistance is reduced. In order to obtain an annealing effect without causing defects in the ZnO crystal, the temperature is preferably in the range of 300 ° C to 400 ° C. The atmosphere in the annealing process is O2Or in air atmosphere, N2On the other hand, the electrical resistance increases, which is not preferable.
[0086]
  If the Au pad electrode 7 is formed on a part of the translucent ohmic electrode 6 with a smaller area than the p-type ohmic electrode 106, the mounting process on the lead frame without impairing the effect of the translucent ohmic electrode 6 Is preferable.
[0087]
  As a material for the pad electrode, Au that is easy to bond and does not become a donor impurity even if diffused into ZnO is preferable.
[0088]
  Another metal layer may be provided between the translucent ohmic electrode 6 and the pad electrode 7 for the purpose of improving adhesion and light reflectivity.
[0089]
  As a material for the n-type ohmic electrode, one of Ti, Cr, Al and the like can be used. Among Ti, Cr, Al and the like, Al having low electric resistance and low cost, or Ti having good adhesion is preferable as a material for the n-type ohmic electrode. The n-type ohmic electrode may be formed by alloying the plurality of metal materials. That is, the p-type ohmic electrode may be formed using a plurality of different metal materials.
[0090]
  Other configurations are arbitrary and are not limited by this reference example.
[0091]
  (Embodiment 1)
  Embodiment 1 differs from the above reference example in that the thickness of the well layers at both ends in the stacking direction in the quantum well light emitting layer is different from the thickness of the remaining well layers.
[0092]
  That is, in the first embodiment, out of the seven well layers of the quantum well light emitting layer, the thickness of the two well layers located at both ends in the stacking direction is set to 5.5 nm, and the remaining five well layers A light emitting diode element is fabricated in the same manner as in the reference example except that the film thickness is 4 nm.
[0093]
  When the light emitting diode element of Embodiment 1 was separated into chips and attached to a lead frame with Ag paste and molded to emit light, blue light emission having the same emission peak wavelength of 430 nm as in the above reference example was obtained. The emission intensity was increased by 10% compared to the reference example, and the half-value width of the emission spectrum was reduced by 30% compared to the reference example, so that the monochromaticity was improved.
[0094]
  The reason is considered as follows.
[0095]
  FIG. 5A shows a schematic diagram of the conduction band diagram in the vicinity of the quantum well light emitting layer 103 of the reference example, and FIG. 5B shows the conduction band diagram in the vicinity of the quantum well light emitting layer of the first embodiment. The schematic of is shown. Note that the horizontal direction in FIGS. 5A and 5B corresponds to the stacking direction.
[0096]
  As shown in FIG. 5 (a), the quantum well light-emitting layer 103 of the above reference example has eight layers of Mg.0.1Zn0.9O barrier layers 111, 112,..., 118 and seven layers of Cd0.1Zn0.9O well layers 121, 122,..., 127 are formed. The thicknesses of all the seven well layers 121, 122,..., 127 are 4 nm.
[0097]
  According to the quantum well light emitting layer 103 configured as described above, the well layers 121 and 127 at both ends in the stacking direction are strongly affected by the barrier potential of the cladding layers 102 and 104. Therefore, the quantum levels formed by the electron waves are higher in the well layers 121 and 127 at both ends in the stacking direction than the other well layers 122, 123,. That is, the quantum levels of all the well layers 121, 122,..., 127 are not aligned.
[0098]
  On the other hand, as shown in FIG. 5B, the quantum well light-emitting layer 203 of the first embodiment has eight layers of Mg.0.1Zn0.9O barrier layers 211, 212, ..., 218 and 7 layers of Cd0.1Zn0.9O well layers 221, 222,..., 227. Of the seven well layers 221, 222,..., 227, the thickness of the two well layers 221 and 227 located at both ends in the stacking direction is 5.5 nm, and the remaining five well layers 222, 223, and 223 ..., 226 has a thickness of 4 nm.
[0099]
  According to the quantum well light emitting layer 203 configured as described above, the thicknesses of the two well layers 221 and 227 at both ends are thicker than the thicknesses of the other well layers 222, 223,. In the well layers 221, 227, the quantum effect is reduced and the quantum level is lowered. As a result, the quantum levels of the well layers 221 and 227 and the quantum levels of the remaining well layers 222, 223,. That is, all the quantum levels of the well layers 221, 222,. Thereby, it is considered that characteristics such as a spectrum width are improved as compared with the reference example.
[0100]
  As described above, in order to improve the characteristics by aligning the quantum levels of the plurality of well layers of the quantum well light emitting layer, the thickness of the well layers at both ends in the stacking direction of the plurality of well layers is set to be different from that of the other well layers. It is preferable to make it thicker than the film thickness. However, as described in the above reference example, the thickness of the well layer is preferably 2 nm or more and 8 nm or less. Therefore, the thickness of the well layer other than both ends in the stacking direction is preferably 3 nm or more and 6 nm or less.
[0101]
  (Embodiment 2)
  In Embodiment 2, 1 × 10 5 Ga is added to the whole quantum well light emitting layer.18cm-3A ZnO-based light-emitting diode element was fabricated in the same manner as in the first embodiment except that doping was performed at a concentration of 1%.
[0102]
  When the light-emitting diode element of Embodiment 3 was separated into chips, attached to a lead frame with Ag paste and molded to emit light, blue light emission with an emission peak wavelength of 430 nm was obtained, and the emission intensity was the same as that of Embodiment 1 above. Compared to 20%. Moreover, since the resistance of the quantum well light emitting layer was lowered, the operating voltage was reduced by 0.1V.
[0103]
  In the light emitting diode element, since the quantum well light emitting layer is doped with Ga, this Ga forms a donor level, and light is emitted through the donor level together with exciton light emission, so that the light emission wavelength becomes longer. In addition, since the energy transition probability is improved, it is considered that the emission intensity is increased as compared with the first embodiment.
[0104]
  (Embodiment 3)
  In the third embodiment, a ZnO-based light emitting diode element was fabricated in the same manner as in the second embodiment except that only the well layer included in the quantum well light emitting layer was doped with Ga. That is, the quantum well light-emitting layer of Embodiment 3 is composed of eight non-doped Mg layers.0.1Zn0.9O barrier layer and 1 × 10 Ga18cm-37 layers of Cd doped at a concentration of0.1Zn0.9It is composed of an O well layer.
[0105]
  When the light emitting diode element of Embodiment 3 was separated into chips, attached to a lead frame with Ag paste and molded to emit light, blue light emission with an emission peak wavelength of 430 nm was obtained, and the emission intensity was the same as in Embodiment 2 above. Although the operation voltage increased by 20%, the operating voltage increased by 0.05 V compared to the second embodiment.
[0106]
  Since the light emitting diode element is doped with impurities only in the well layer, the light emission efficiency is maintained, the doping concentration of the whole quantum well light emitting layer is lowered, and the carrier absorption in the quantum well light emitting layer is reduced. It is considered that the emission intensity is increased as compared with the case where the entire layer is doped with impurities.
[0107]
  (Embodiment 4)
  In the fourth embodiment, a ZnO-based light emitting diode element was fabricated in the same manner as in the second embodiment except that only the barrier layer of the quantum well light emitting layer was doped with Ga. That is, in the quantum well light emitting layer of the fourth embodiment, Ga is 1 × 10 5.18cm-3Layers of Mg doped at a concentration of0.1Zn0.9O barrier layer and 7 undoped Cd layers0.1Zn0.9It is composed of an O well layer.
[0108]
  When the light emitting diode element of Embodiment 4 was separated into chips, attached to a lead frame with Ag paste and molded to emit light, blue light emission with an emission peak wavelength of 425 nm was obtained, and the emission intensity was the same as in Embodiment 2 above. Compared to the second embodiment, the operating voltage increased by 15%.
[0109]
  In the above light emitting diode element, since only the barrier layer is doped with impurities, the luminous efficiency is maintained, the doping concentration of the whole quantum well light emitting layer is lowered, and the carrier absorption in the quantum well light emitting layer is reduced, so that only the well layer is provided. As a result, almost the same increase in emission intensity as in the case of doping impurities can be obtained.
[0110]
  (Embodiment 5)
  Embodiment 5 differs from the above reference example in that the composition of the well layers at both ends in the quantum well light emitting layer is different from the composition of the remaining well layers.
[0111]
  That is, in Embodiment 5, only the two well layers located at both ends in the stacking direction among the seven well layers of the quantum well light emitting layer are Cd.0.05Zn0.95The remaining 5 well layers are composed of Cd.0.1Zn0.9A light emitting diode element was fabricated in the same manner as in the above reference example except that it was composed of O.
[0112]
  When the light emitting diode element of Embodiment 5 was separated into chips, attached to a lead frame with Ag paste and molded to emit light, blue light emission with the same emission peak wavelength of 430 nm as in the above reference example was obtained. The intensity was increased by 10% compared to the reference example, and the half-value width of the emission spectrum was reduced by 30% compared to the reference example, so that the monochromaticity was improved.
[0113]
  The reason is considered as follows.
[0114]
  In FIG. 6, the schematic of the conduction band diagram in the quantum well light emitting layer 603 of this Embodiment 5 is shown.
[0115]
  The quantum well light-emitting layer 603 includes eight layers of Mg0.1Zn0.9O barrier layers 611, 612, ..., 618 and two layers of Cd0.05Zn0.95O well layers 621 and 627 and five layers of Cd0.1Zn0.9O well layers 622, 623,..., 626. In the well layers 621, 622,..., 627, the well layers 621 and 627 are located at both ends in the stacking direction.
[0116]
  The quantum well light-emitting layer 603 having the above configuration is different from the compositions of the other well layers 622, 623,..., 626 in the composition of the well layers 621, 627 at both ends in the stacking direction. The structure is such that all the quantum levels of the layers 621, 622,. As a result, it is considered that the light-emitting diode element of Embodiment 5 has improved characteristics such as a spectral width compared to the above reference example.
[0117]
  As described above, in order to improve the characteristics by aligning the quantum levels of all the well layers in the plurality of well layers, the band gap energy of the well layers at both ends in the stacking direction is set to other well layers (other than both ends in the stacking direction). It is preferable that it is smaller than the band gap energy of the well layer located at the location of Therefore, in the plurality of well layers, it is preferable to adjust the composition of each well layer so that the band gap energy of the well layers at both ends in the stacking direction is smaller than the band gap energy of the other well layers.
[0118]
  (Embodiment 6)
  In the sixth embodiment, an example in which the present invention is applied to a blue semiconductor laser element composed of a ZnO-based semiconductor will be described.
[0119]
  FIG. 7 is a schematic perspective view of the ZnO-based semiconductor laser device according to the sixth embodiment.
[0120]
  The semiconductor laser element is formed on an n-type MgO having a thickness of 0.5 μm on an n-type ZnO single crystal substrate 701 having a zinc surface as a main surface.0.2Zn0.820-nm-thick n-type Mg as an example of an O-cladding layer 702 and a light guide layer0.05Zn0.95O light guide layer 703, multi-quantum well active layer 704 as an example of active layer, p-type Mg of 20 nm thickness as an example of light guide layer0.05Zn0.95O light guide layer 705, p-type Mg having a thickness of 1.0 μm0.2Zn0.8An O cladding layer 706 and a 0.5 μm thick p-type ZnO contact layer 707 are laminated in this order.
[0121]
  P-type Mg0.2Zn0.8The upper part of the O-cladding layer 706 is etched into a ridge stripe shape. And the p-type Mg0.2Zn0.8On both sides of the top of the O cladding layer 706, Mg0.3Zn0.7An n-type current blocking layer 708 made of O is formed. That is, the p-type Mg0.2Zn0.8The upper side surface of the O clad layer 706 is buried with an n-type current blocking layer 708.
[0122]
  A p-type ohmic electrode 30 is formed on the p-type ZnO contact layer 707, while an n-type ohmic electrode 709 is formed under the n-type ZnO single crystal substrate 701.
[0123]
  FIG. 8 shows a schematic diagram of a conduction band diagram near the multiple quantum well active layer.
[0124]
  The multi-quantum well active layer 704 is made of Mg with a thickness of 4 nm.0.1Zn0.9O barrier layers 711 and 712 and Cd with a thickness of 4 nm0.1Zn0.9O well layers 721, 722, and 723 are alternately stacked. Mg0.1Zn0.9There are two O barrier layers 711 and 712, while Cd0.1Zn0.9There are three O well layers 721, 722, and 723. And the Mg0.1Zn0.9The band gap energy of the O barrier layers 711 and 712 is n-type Mg.0.05Zn0.95O light guide layer 703 and p-type Mg0.05Zn0.95The band gap energy of the O light guide layer 705 is higher.
[0125]
  After producing the structure as described above, the n-type ZnO single crystal substrate 701 is cleaved to form an end face mirror, a protective film is vacuum-deposited on the end face, element isolation is performed, and the width of 300 μm of this embodiment 6 is applied. A semiconductor laser element is obtained. When a current was passed through the semiconductor laser element, blue oscillation light having a wavelength of 430 nm was obtained from the end face.
[0126]
  FIG. 9 shows the results of examining the oscillation threshold current and the characteristic temperature by fabricating the semiconductor laser device of the sixth embodiment by changing the Mg composition ratio of the barrier layer of the multiple quantum well active layer 704. In FIG. 9, the relationship between the Mg composition ratio of the barrier layer and the oscillation threshold current is indicated by a solid line, and the relationship between the Mg composition ratio of the barrier layer and the characteristic temperature is indicated by a dotted line.
[0127]
  As can be seen from FIG. 9, when the composition ratio of the barrier layer is larger than that of the light guide layer and the potential barrier with respect to the well layer is increased, the oscillation threshold current and the characteristic temperature are greatly improved. This indicates that when the band gap energy of the barrier layer is higher than the band gap energy of the optical guide layer, carriers are confined uniformly in the well layer, and various characteristics are greatly improved.
[0128]
  (Embodiment 7)
  FIG. 10 shows a schematic diagram of a conduction band diagram in the vicinity of the quantum well active layer of the seventh embodiment.
[0129]
  In the seventh embodiment, as shown in FIG. 10, n-type Mg0.2Zn0.8O-cladding layer 702 and n-type Mg0.05Zn0.95Between the O light guide layer 703 and Mg0.3Zn0.7An n-type carrier block layer 801 made of O and having a thickness of 5 nm is formed and p-type Mg0.05Zn0.95O light guide layer 705 and p-type Mg0.2Zn0.8Between the O clad layer 706 and Mg0.3Zn0.7A semiconductor laser device was fabricated in the same manner as in Embodiment 6 except that a 5 nm-thick p-type carrier block layer 802 was formed.
[0130]
  The band gap energy of the n-type carrier block layer 801 and the p-type carrier block layer 802 is n-type Mg.0.2Zn0.8O-clad layer 702, p-type Mg0.2Zn0.8The band gap energy of the O cladding layer 706 is larger.
[0131]
  When a current was passed through the semiconductor laser device of the seventh embodiment, blue oscillation light having a wavelength of 430 nm was obtained from the end face as in the sixth embodiment, but the oscillation threshold current was 30% lower than that in the sixth embodiment. The characteristic temperature was improved by 20K.
[0132]
  Thus, carrier overflow from the well layer is suppressed by forming a carrier block layer having a larger band gap energy than the cladding layer between the active layer and the cladding layer. As a result, the carrier confinement ratio in the well layer can be improved, and the effects of the present invention can be further improved.
[0133]
  Since the p-type ZnO-based semiconductor has a lower carrier concentration than the n-type ZnO-based semiconductor, the hetero barrier between the active layer and the p-type cladding layer tends to be low. Therefore, the carrier block layer is preferably provided at least between the active layer and the p-type cladding layer. It is more preferable to provide a carrier block layer between the active layer and the n-type cladding layer and between the active layer and the p-type cladding layer.
[0134]
  The oxide semiconductor light emitting device of the present invention can be manufactured by a crystal growth technique such as MBE (molecular beam epitaxy), laser MBE, or MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) using a solid or gas source. Among these crystal growth methods, the laser MBE method has a small compositional deviation between a raw material target and a thin film formed using this raw material target.2OFourIt is particularly preferable because generation of unintended by-products such as can be suppressed.
[0135]
  In addition, the oxide semiconductor light-emitting element of the present invention may have a single hetero structure or a double hetero structure.
[0136]
【The invention's effect】
  As is clear from the above, the oxide semiconductor light-emitting device of the present invention has the quantum well structure of the active layer as Cd.xZn1-xO well layer (however, 0 <x ≦ 1) and MgyZn1-ySince it is configured by alternately laminating with O barrier layers (however, 0 <y ≦ 1), a sufficient barrier height is secured, and the carrier confinement effect of the well layer is enhanced. As a result, the luminous efficiency can be increased, and the operating voltage and the oscillation threshold current can be lowered.
[0137]
  In the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, in the quantum well structure including the barrier layer and the three or more well layers, the thicknesses of the well layers positioned at both ends in the stacking direction are positioned at positions other than the both ends. Since the thickness of the well layer is different, the quantum levels of all the well layers are aligned. As a result, the emission wavelength can be made uniform and the characteristics can be improved.
[0138]
  In the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, in a quantum well structure including a barrier layer and three or more well layers, the composition of the well layer located at both ends in the stacking direction is located at a place other than the both ends. Since the composition of the well layer is different, the quantum levels of all the well layers are aligned. As a result, the emission wavelength can be made uniform and the characteristics can be improved.
[0139]
  In the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, since the band gap energy of the barrier layer is higher than the band gap energy of the light guide layer, a sufficient barrier height is obtained and the carrier confinement effect of the well layer is improved. . As a result, the luminous efficiency can be increased, and the operating voltage and the oscillation threshold current can be lowered.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a light-emitting diode element according to a reference example of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the composition ratio of the barrier layer and the light emission intensity in the light-emitting diode device of the reference example.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the composition ratio of CdZnO and MgZnO, the band gap energy, and the in-plane lattice constant.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the layer thickness of the well layer and the light emission intensity in the light emitting diode element of the reference example.
FIG. 5 (a) is a schematic diagram of a conduction band diagram in the vicinity of the quantum well light emitting layer in the light emitting diode device of the above reference example, and FIG. 5 (b) is a light emitting diode device according to Embodiment 1 of the present invention. It is the schematic of the conduction band diagram of the quantum well light emitting layer vicinity in FIG.
FIG. 6 is a schematic diagram of a conduction band diagram in the vicinity of a quantum well light emitting layer in a light emitting diode device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic perspective view of a semiconductor laser device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram of a conduction band diagram near the multiple quantum well active layer in the semiconductor laser device of the sixth embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the composition ratio of the barrier layer, the oscillation threshold current, and the characteristic temperature in the semiconductor laser device of the sixth embodiment.
FIG. 10 is a schematic diagram of a conduction band diagram near the quantum well active layer in the semiconductor laser device according to the seventh embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
103 Quantum well light emitting layer
111, 112, ..., 118 Mg0.1Zn0.9O barrier layer
121, 122, ..., 127 Cd0.1Zn0.9O well layer
203 Quantum well light emitting layer
211, 212, ..., 218 Mg0.1Zn0.9O barrier layer
221, 222, ..., 227 Cd0.1Zn0.9O well layer
603 Quantum well light emitting layer
611,612, ..., 618 Mg0.1Zn0.9O barrier layer
621,627 Cd0.05Zn0.95O well layer
622, 623, ..., 626 Cd0.1Zn0.9O well layer
703 n-type Mg0.05Zn0.95O light guide layer
704 Multiple quantum well active layer
705 p-type Mg0.05Zn0.95O light guide layer
711,712 Mg0.1Zn0.9O barrier layer
721,722,723 Cd0.1Zn0.9O well layer

Claims (11)

ZnO系半導体で構成された酸化物半導体発光素子であって、
CdxZn1-xO井戸層(但し、0<x≦1)とMgyZn1-yO障壁層(但し、0<y≦1)とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層と、
上記障壁層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するMgZnO混晶を含むと共に、上記活性層を挟持するクラッド層と
を備え、
上記井戸層は3層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端に位置する上記井戸層の層厚は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の層厚と異なり、
上記両端に位置する上記井戸層の層厚は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の層厚よりも厚いことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
An oxide semiconductor light emitting device composed of a ZnO-based semiconductor,
It has a quantum well structure in which Cd x Zn 1-x O well layers (where 0 <x ≦ 1) and Mg y Zn 1-y O barrier layers (where 0 <y ≦ 1) are alternately stacked. An active layer ,
A MgZnO mixed crystal having a band gap energy larger than the band gap energy of the barrier layer, and a clad layer sandwiching the active layer ,
The well layer is more than three layers, and the layer thickness of the well layer located at both ends in the stacking direction in the quantum well structure, unlike preparative layer thickness of the well layer located at a position other than the ends,
The oxide semiconductor light emitting element, wherein a thickness of the well layer located at both ends is greater than a thickness of the well layer located at a place other than the both ends .
ZnO系半導体で構成され得た酸化物半導体発光素子であって、
CdxZn1-xO井戸層(但し、0<x≦1)とMgyZn1-yO障壁層(但し、0<y≦1)とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層と、
上記障壁層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するMgZnO混晶を含むと共に、上記活性層を挟持するクラッド層と
を備え、
上記井戸層は3層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端に位置する上記井戸層の組成は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の組成と異なり、
上記両端に位置する上記井戸層のバンドギャップエネルギは、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層のバンドギャップよりも小さいことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
An oxide semiconductor light emitting device that can be composed of a ZnO-based semiconductor,
It has a quantum well structure in which Cd x Zn 1-x O well layers (where 0 <x ≦ 1) and Mg y Zn 1-y O barrier layers (where 0 <y ≦ 1) are alternately stacked. An active layer ,
A MgZnO mixed crystal having a band gap energy larger than the band gap energy of the barrier layer, and a clad layer sandwiching the active layer ,
The well layer is more than three layers, and the composition of the well layer located at both ends in the stacking direction in the quantum well structure, unlike the composition of the well layer located at a position other than the ends,
The band gap energy of the well layer located at the both ends is smaller than the band gap of the well layer located at a place other than the both ends .
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CdxZn1-xO井戸層のCd組成比xは0<x≦0.2であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2 ,
The Cd x Zn 1-x O well layer has a Cd composition ratio x of 0 <x ≦ 0.2.
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MgyZn1-yO障壁層のMg組成比yは0<y≦0.35であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2 ,
The oxide semiconductor light emitting device, wherein the Mg composition ratio y of the Mg y Zn 1-y O barrier layer is 0 <y ≦ 0.35.
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CdxZn1-xO井戸層のCd組成比xは0<x≦0.08であり、且つ、上記MgyZn1-yO障壁層のMg組成比yは0<y≦0.33であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2 ,
The Cd composition ratio x of the Cd x Zn 1-x O well layer is 0 <x ≦ 0.08, and the Mg composition ratio y of the Mg y Zn 1-y O barrier layer is 0 <y ≦ 0. 33. An oxide semiconductor light-emitting element, which is 33.
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、
上記活性層にはドナー不純物がドーピングされていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2 ,
An oxide semiconductor light-emitting element, wherein the active layer is doped with a donor impurity.
請求項に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ドナー不純物は上記井戸層のみにドーピングされていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 6 ,
The oxide semiconductor light-emitting element, wherein the donor impurity is doped only in the well layer.
請求項に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ドナー不純物は上記障壁層のみにドーピングされていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 6 ,
The oxide semiconductor light-emitting element, wherein the donor impurity is doped only in the barrier layer.
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、
上記井戸層の膜厚は2nm〜8nm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。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2 ,
The oxide semiconductor light-emitting element, wherein the well layer has a thickness in a range of 2 nm to 8 nm.
請求項に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記井戸層は3層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端以外の箇所に位置する上記井戸層の膜厚は3nm〜6nm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。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 9 ,
Oxide semiconductor light emission characterized in that there are three or more well layers, and the film thickness of the well layers located at locations other than both ends in the stacking direction in the quantum well structure is in the range of 3 nm to 6 nm. element.
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、
上記活性層と上記クラッド層との間に、上記クラッド層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するMgZnO混晶を含むキャリアブロック層を備えたことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2 ,
An oxide semiconductor light emitting device comprising a carrier block layer containing MgZnO mixed crystal having a band gap energy larger than that of the cladding layer between the active layer and the cladding layer.
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