JP4287698B2 - 酸化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物半導体レーザ等の酸化物半導体発光素子および酸化物半導体発光素子の製造方法に関し、詳しくは、発振閾値電流が低く信頼性に優れた酸化物半導体レーザ等の酸化物半導体発光素子およびその酸化物半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物半導体を用いた半導体レーザなどの酸化物半導体発光素子では、活性層とクラッド層との間に光ガイド層を形成した分離閉じ込めヘテロ構造がよく用いられている。この分離閉じ込めヘテロ構造を適用した半導体レーザ素子は、光ガイド層によって活性層への光閉じ込め率が向上し、発振閾値電流の低減や導波モードの制御に極めて有効である。
【０００３】
この分離閉じ込めヘテロ構造を適用した半導体レーザ素子としては、例えば、特許３２３５４４０号公報（特許文献１）に示されたものがある。この半導体レーザ素子は、青色〜紫外領域の波長の光を発光するＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子であり、基板の上方に、Ａｌを含むＩＩＩ族窒化物系半導体層と、ＧａＮ層と、Ｉｎを含むＩＩＩ族窒化物系半導体層（ｎ型ガイド層のみ）とを積層して、光ガイド層を形成している。
【０００４】
また、他の酸化物半導体発光素子としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いたものがある。酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、約３.４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現出来る可能性がある。
【０００５】
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ＺｎＯ系半導体を用いた酸化物半導体発光素子としては、例えば、国際公報ＷＯ００/１６４１１号公報（特許文献２）に示されたものがある。この酸化物半導体発光素子は、ＣｄＺｎＯ量子井戸活性層を用いたダブルヘテロ構造を有し、ストレス緩和層とクラッド層の間に光ガイド層が設けられている。
【０００６】
【特許文献１】
特許３２３５４４０号公報
【特許文献２】
国際公報ＷＯ００/１６４１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＺｎＯ系半導体の特長である大きな自由励起子結合エネルギーを利用した発振閾値電流が小さい半導体レーザ素子は、これまで存在しなかった。
【０００８】
例えば、本発明者は、以前、発振閾値電流を低減するために、光学利得の大きな量子井戸活性層を作製して、この量子井戸活性層の周囲に光ガイド層を形成することによってＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製してみたが、このようにして作製されたＺｎＯ系半導体レーザ素子は、発振閾値電流が大きく低減せず、素子寿命も極めて短かいという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、発振閾値電流が小さく、かつ、信頼性に優れたＺｎＯ系酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の酸化物半導体発光素子は、
基板の上に、少なくともＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層が、この順に積層され、
上記第２導電型光ガイド層は、Ｃｄを含んだＺｎＯ系半導体からなる層およびＭｇを含んだＺｎＯ系半導体からなる層を含み、
上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーは、上記活性層のバンドギャップエネルギー以上で、かつ、上記第２導電型クラッド層のバンドギャップエネルギー以下になっており、
上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーは、上記活性層側から上記第２導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜していることを特徴としている。
【００１１】
尚、この明細書では、上記ＺｎＯ系半導体を、ＺｎＯ結晶のみで出来た半導体、または、これを母体とするＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯ半導体等のＺｎＯ結晶に混晶を行った半導体として定義するものとする。
【００１２】
また、この明細書では、第１導電型とは、ｎ型またはｐ型のことを言う。第１導電型がｎ型である場合、第２導電型はｐ型であり、第１導電型がｐ型である場合、第２導電型はｎ型である。
【００１３】
また、上記「活性層のバンドギャップエネルギー以上で」という表現には、例えば、第２導電型光ガイド層の構造を超格子構造にした場合に起こり得るように、上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーが、活性層の近傍で、部分的に、活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなる場合も含めるものとする。
【００１４】
また、上記「活性層側から上記第２導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなる」という表現には、活性層側から上記第２導電型クラッド層側に近づくにつれて部分的にバンドギャップエネルギーが一定になる場合や、例えば、第２導電型光ガイド層の構造を超格子構造にした場合に起こり得るように、活性層側から上記第２導電型クラッド層側に近づくにつれて局所的にバンドギャップエネルギーが減少する場合も含めるものとする。
【００１５】
本発明者は、酸化物半導体発光素子の光ガイド層のバンドギャップエネルギーに傾斜を持たせると、酸化物半導体発光素子の発振閾値電流を低減できると共に、酸化物半導体発光素子の信頼性も向上させることができることを見出した。すなわち、本発明者は、ＺｎＯ系半導体はバンドギャップエネルギーが大きくなるに伴って屈折率が小さくなる性質を有することと、バンドギャップエネルギーがＩＩ族元素であるＺｎとＣｄあるいはＺｎとＭｇの組成比によって決定されることに着目することによって、ＺｎとＣｄあるいはＺｎとＭｇの組成比を適切に変化させて、光ガイド層の組成を適切に傾斜させれば、光ガイド層を一定組成で構成した場合よりも光閉じ込め効果を大きくできて、発振閾値電流を低減できることを見出した。また、特に、本発明者は、第２導電型光ガイド層側のバンドギャップエネルギーを、上記活性層側から上記第２導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させた場合に、成長条件を急峻に変化させるより結晶欠陥を低減させることができて、低い電流で動作できて信頼性も高くできることを見出した。
【００１６】
上記発明の酸化物半導体発光素子によれば、上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーが、上記活性層側から上記第２導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させているので、酸化物半導体発光素子を低い電流で動作できて、酸化物半導体発光素子の信頼性を高くできる。
【００１７】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーは、上記活性層のバンドギャップエネルギー以上で、かつ、上記第１導電型クラッド層のバンドギャップエネルギー以下になっており、上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーは、上記活性層側から上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜していることを特徴としている。
【００１８】
尚、上記「活性層のバンドギャップエネルギー以上で」という表現には、例えば、第１導電型光ガイド層の構造を超格子構造にした場合に起こり得るように、上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーが、活性層の近傍で、部分的に、活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなる場合も含めるものとする。
【００１９】
また、上記「活性層側から上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなる」という表現には、活性層側から上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれてバンドギャップエネルギーが部分的に一定になる場合や、例えば、第１導電型光ガイド層の構造を超格子構造にした場合に起こり得るように、活性層側から上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて局所的にバンドギャップエネルギーが減少する場合も含めるものとする。
【００２０】
上記実施形態によれば、第２導電型光ガイド層の組成を傾斜させたことに加え、第１導電型光ガイド層の組成も傾斜させているので、光閉じ込め率を更に向上させることができる。また、第１導電型光ガイド層の組成も傾斜させることによって、光強度分布が対称になるので、単一モード発振の安定性も向上できる。また、第１導電型光ガイド層成長時の条件変化が緩和されるので、結晶欠陥を更に低減できる。このことから、酸化物半導体発光素子を、光学特性に優れ、かつ、信頼性の高いものにできる。
【００２１】
【００２２】
また、本発明によれば、光ガイド層を組成の異なる２層以上の積層構造としているので、組成比を傾斜させるだけでは制御することが困難な屈折率やバンドギャップエネルギーを、微細な変化に至るまで完全に制御出来る。また、バンドギャップエネルギーの大きなＭｇＺｎＯ混晶層を積層構造の１層に選択しているから、活性層へのキャリア閉じ込めを向上させることが出来て、酸化物半導体発光素子を、光学特性に優れたものにできる。
【００２３】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記積層構造が、組成の異なるＺｎＯ系半導体の超格子構造を含むことを特徴としている。
【００２４】
上記実施形態によれば、光ガイド層の構造を、組成の異なるＺｎＯ系半導体の超格子構造としたので、屈折率やバンドギャップエネルギーの変化を更に微細に制御出来て、キャリア移動度を向上できる。したがって、酸化物半導体発光素子を、電気特性と光学特性に優れたものにできる。
【００２５】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型光ガイド層および上記第２導電型光ガイド層の少なくとも一方の傾斜しているバンドギャップエネルギーが、階段状に不連続に変化することを特徴としている。
【００２６】
上記実施形態によれば、上記第１導電型光ガイド層および上記第２導電型光ガイド層の少なくとも一方の成長条件を階段状に不連続に変化させて、組成比を階段状に変化させるので、連続的な条件変化が困難なレーザ分子線エピタキシー法等の結晶成長手法を用いることが可能になり、レーザ分子線エピタキシー法等を用いて容易に組成を傾斜させることが出来る。このことから、酸化物結晶に好適な成長手法を状況に応じて選別できるので、酸化物半導体発光素子の発光特性を優れたものにでき、酸化物半導体発光素子の信頼性を高くできる。
【００２７】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記活性層側から上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーが大きくなるように傾斜していない場合には、
上記第２導電型光ガイド層と、上記第２導電型クラッド層の間に、上記第２導電型光ガイド層および上記第２導電型クラッド層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２導電型キャリアオーバフロー抑制層を形成し、
上記活性層側から上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギー大きくなるように傾斜している場合には、
上記第２導電型光ガイド層と、上記第２導電型クラッド層の間に、上記第２導電型光ガイド層および上記第２導電型クラッド層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２導電型キャリアオーバフロー抑制層と
上記第１導電型光ガイド層と、上記第１導電型クラッド層との間に、上記第１導電型光ガイド層および上記第１導電型クラッド層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第１導電型キャリアオーバフロー抑制層の内の少なくとも一方を形成したことを特徴としている。
【００２８】
上記実施形態によれば、上記第２導電型光ガイド層と、上記第２導電型クラッド層の間に、上記第２導電型光ガイド層および上記第２導電型クラッド層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２導電型キャリアオーバフロー抑制層と、上記第１導電型光ガイド層と、上記第１導電型クラッド層との間に、上記第１導電型光ガイド層および上記第１導電型クラッド層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第１導電型キャリアオーバフロー抑制層の少なくとも一方を形成したので、活性層からのキャリアオーバーフローを抑制できて、酸化物半導体発光素子の発光効率を向上できる。
【００２９】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記活性層が、量子井戸構造になっていることを特徴としている。
【００３０】
量子井戸活性層は、偏波選択性に優れるといった長所や、大きな光学利得と特性温度を有するといった長所を有し、活性層を量子井戸構造にすれば、高性能な半導体レーザ素子を作製出来る一方、活性層厚が薄いため光閉じ込め率が小さいといった短所がある。この発明では、活性層側からクラッド層側に近づくにつれて光ガイド層のバンドギャップエネルギーを大きくしているので、光ガイド層の屈折率を、活性層側で高くクラッド層側で低できて、活性層の光閉じ込めを大きくできる。したがって、活性層を量子井戸構造にすることによって、酸化物半導体発光素子の発光特性を更に優れたものにできる。
【００３１】
また、本発明の酸化物半導体発光素子の製造方法は、
基板の上に、少なくともＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層が、この順に積層されている酸化物半導体発光素子を製造する酸化物半導体発光素子の製造方法であって、
上記第２導電型光ガイド層および上記第１導電型光ガイド層の少なくとも一方における少なくとも一部分のＣｄを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、ＣｄとＺｎの供給速度を一定にし、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＣｄの割合を変えて、上記第２導電型光ガイド層および上記第１導電型光ガイド層のうちの少なくとも一方の光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、その少なくとも一方の光ガイド層と同じ導電型のクラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程と、
上記第２導電型光ガイド層および上記第１導電型光ガイド層の少なくとも一方における少なくとも一部分のＭｇを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、ＺｎとＭｇの供給速度を一定にし、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＭｇの割合を変えて、上記第２導電型光ガイド層および上記第１導電型光ガイド層のうちの少なくとも一方の光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、その少なくとも一方の光ガイド層と同じ導電型のクラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程
の内の少なくとも一方の工程を備えることを特徴としている。
【００３２】
ＣｄはＺｎより蒸気圧が高いので、成長温度が上昇すると供給速度が一定であってもＺｎに対するＣｄ組成比が減少する。また、ＭｇはＺｎより蒸気圧が低いので、成長温度が上昇すると供給速度が一定であってもＺｎに対するＭｇ組成比が増大する。したがって、成長温度のみを制御することによって、Ｚｎに対するＣｄ組成比、または、Ｚｎに対するＭｇ組成比を簡単に変化させることができ、バンドギャップエネルギーを傾斜させることができるので、酸化物半導体発光素子の工数を低減できて、酸化物半導体発光素子の生産性を向上できる。
【００３３】
また、本発明の酸化物半導体発光素子の製造方法は、
基板の上に、少なくともＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層が、この順に積層されている酸化物半導体発光素子を製造する酸化物半導体発光素子の製造方法であって、
上記第２導電型光ガイド層における少なくとも一部分のＣｄを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、Ｃｄの供給速度を減少させ、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＣｄの割合を変えて、上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、上記第２導電側クラッド層に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程と、上記第１導電型光ガイド層における少なくとも一部分のＣｄを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、Ｃｄの供給速度を増加させ、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＣｄの割合を変えて、上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程とのうちの少なくとも一方を含む工程と、
上記第２導電型光ガイド層における少なくとも一部分のＭｇを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、Ｍｇの供給速度を増加させ、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＭｇの割合を変えて、上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、上記第２導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程と、上記第１導電型光ガイド層における少なくとも一部分のＭｇを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、Ｍｇの供給速度を減少させ、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＭｇの割合を変えて、上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程とのうちの少なくとも一方を含む工程と
のうちの少なくとも一方の工程を備えることを特徴としている。
【００３４】
尚、上記「Ｃｄの供給速度を減少（あるいは増加）させ」、または、上記「Ｍｇの供給速度を減少（あるいは増加）させ」の表現には、Ｃｄの供給速度が部分的（全体的でなく）に一定になっている場合、または、Ｍｇの供給速度が部分的（全体的でなく）に一定になっている場合を含めるものとする。
【００３５】
上記発明のようにＣｄあるいはＭｇの供給速度を減少（あるいは増加）させると、バンドギャップエネルギー傾斜の制御性を更に向上させることができて、光学特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００３６】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子の製造方法は、上記Ｃｄを含んだＺｎＯ系半導体から成る層および上記Ｍｇを含んだＺｎＯ系半導体から成る層の少なくとも一方を成長させるときの成長温度を、連続的に変化させることを特徴としている。
【００３７】
上記実施形態のように成長条件を連続的に変化させて、組成比を連続的に傾斜させると、成長条件を急峻に変化させたときより結晶欠陥を低減することができて、酸化物半導体発光素子の信頼性を高くすることができる。
【００３８】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子の製造方法は、上記Ｃｄを含んだＺｎＯ系半導体から成る層および上記Ｍｇを含んだＺｎＯ系半導体から成る層の少なくとも一方を成長させるときの成長温度を、段階的に変化させることを特徴としている。
【００３９】
上記実施形態によれば、上記成長温度を段階的に変化させて成長条件を変化させるので、レーザ分子線エピタキシー法など連続的な条件変化が困難な結晶成長手法を用いて容易にバンドギャップエネルギーを傾斜させることが出来て、かつ、成長条件を急峻に変化させた場合よりも結晶欠陥を低減できる。このことから、酸化物半導体発光素子を光学特性と信頼性に優れたものにできる。
【００４０】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子の製造方法は、上記ＣｄとＭｇの少なくとも一方の供給速度を、段階的に変化させることを特徴としている。
【００４１】
上記実施形態のように、ＣｄあるいはＭｇ供給速度の段階的に変化させると、成長条件の変化が更に緩和され、結晶欠陥が更に低減する。このことから、酸化物半導体発光素子の信頼性を更に優れたものにできる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の酸化物半導体発光素子であるＺｎＯ系半導体レーザ素子の構造斜視図および活性層近傍のバンドプロファイルである。
【００４４】
この半導体レーザ素子は、半導体基板の一例としての亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上（第１実施形態では、第１導電型をｎ型にし、第２導電型をｐ型にした）に、Ｇａドーピング濃度が１×１０^１８ｃｍ^{- ３}で厚さが０.１μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層１０２、Ｇａドーピング濃度が３×１０^１８ｃｍ^{- ３}で厚さが１μｍのｎ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０３、Ｇａドーピング濃度が５×１０^１７ｃｍ^{- ３}で厚さが３０ｎｍのｎ型Ｃｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ光ガイド層１０４、活性層の一例としてのノンドープ量子井戸活性層１０５、Ｎドーピング濃度が１×１０^１８ｃｍ^{- ３}で厚さが３０ｎｍのｐ型光ガイド層１０６、Ｎドーピング濃度が５×１０^１９ｃｍ^{- ３}で厚さが１.２μｍのｐ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０７、Ｎドーピング濃度が１×１０^２０ｃｍ^{- ３}で厚さが０.５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８を順次積層している。
【００４５】
上記ノンドープ量子井戸活性層１０５は、厚さが５ｎｍのＣｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ障壁層２層と、厚さが６ｎｍのＣｄ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏ井戸層３層とを互い違いに交互に積層して形成されている。図１において、矢印Ａは、バンドギャップエネルギーの増大方向を示し、曲線Ｂは、各層のバンドギャップエネルギーを示している。図１に示すように、Ｃｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ障壁層２層のバンドギャップエネルギーは、Ｃｄ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏ井戸層３層のバンドギャップエネルギーよりも大きくなっており、電子とホールをＣｄ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏ井戸層３層に重点的に閉じ込めることができるようになっている。
【００４６】
上記ｐ型光ガイド層１０６は、厚さが１０ｎｍのＣｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ層１０６ａ、厚さが１０ｎｍのＣｄ_ｘＺｎ_{１ - ｘ}Ｏ層１０６ｂおよび厚さが１０ｎｍのＭｇ_ｙＺｎ_{１ - ｙ}Ｏ層１０６ｃの３つの層から成っている。上記Ｃｄ組成比ｘは０.０５〜０まで連続的に変化し、Ｍｇ組成比ｙは０〜０.１まで連続的に変化している。このように、上記Ｃｄ組成およびＭｇ組成比を連続的に変化させることにより、図１に示すように、この実施形態の半導体レーザ素子は、ｐ型光ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーが、ノンドープ量子井戸活性層１０５側からｐ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０７に向かって増加するように傾斜している。尚、この実施形態では、上記Ｃｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ障壁層２層のバンドギャップエネルギーと、第１の光ガイド層であるＣｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ層１０６ａのバンドギャップエネルギーが同じ値に設定されており、量子井戸のエネルギー深さが、量子井戸の両側で同じになっている。
【００４７】
ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０７はリッジストライプ状にエッチング加工され、エッチングされたｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０７上に、上記リッジストライプの側面に接触するように、Ｇａが３×１０^１８ｃｍ^{- ３}の濃度でドーピングされたｎ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏ電流ブロック層１０９が埋め込まれている。
【００４８】
ＺｎＯ基板１０１の下には、ｎ型オーミック電極１１０が形成される一方、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８およびｎ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏ電流ブロック層１０９の上には、ｐ型オーミック電極１１１が形成されている。
【００４９】
第１実施形態の半導体レーザ素子は、図２に示す分子線エピタキシー（以下ＭＢＥと称する）装置で作製されている。
【００５０】
このＭＢＥ装置は、超高真空に排気可能な成長室２０１の上部に基板ホルダー２０２が配置され、基板ホルダー２０２に基板２０３が固定されている。基板ホルダー２０２上部に配置されたヒーター２０４により基板ホルダー２０２が加熱され、その熱伝導により基板２０３が加熱されるようになっている。基板ホルダー２０２直下には適当な距離を置いて半導体原料を充填した蒸発セル２０５が複数配置されている。各々の蒸発セル２０５は側面に設けられた加熱ヒータ２０６によって加熱され、蒸発した分子状の原料が基板２０３に堆積することにより薄膜を成長させるようになっている。各々の蒸発セル２０５はシャッター２０７を有している。上記ＭＢＥ装置は、各蒸発セル２０５のシャッター２０７の開閉を制御することによって、異なる組成の薄膜を積層している。また、成長室にはプラズマ状のガス原料を導入出来るよう、ラジカルセル２０８が設けられている。
【００５１】
以下に、主に図１を用いて、上記第１実施形態の半導体レーザ素子の作製方法を説明する。
【００５２】
先ず、洗浄処理したＺｎＯ基板１０１をＭＢＥ装置に導入して、温度６００℃で３０分間加熱して清浄化した後、基板温度を４５０℃に降温して、酸素ラジカルセル、ＺｎセルおよびＧａセルのシャッターを開いて、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２を成長させる。このとき、Ｇａドーピング濃度を、基板上でのＧａ分子線強度によって制御する。
【００５３】
次に、基板温度を５００℃に昇温して、酸素ラジカルセル、Ｚｎセル、ＭｇセルおよびＧａセルのシャッターを開いて、Ｇａがドーピングされたｎ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０３を成長させた後、基板温度を４２５℃に降温して、酸素ラジカルセル、Ｚｎセル、ＣｄセルおよびＧａセルのシャッターを開いて、Ｇａがドーピングされたｎ型Ｃｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ光ガイド層１０４を成長させる。
【００５４】
次いで、基板温度を４００℃に降温して、酸素ラジカルセル、ＺｎセルおよびＣｄセルのシャッターの開閉を制御し、Ｃｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ障壁層とＣｄ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏ井戸層を交互に積層して、ノンドープ量子井戸活性層１０５を成長させる。
【００５５】
次に、光ガイド層１０６を形成する。先ず、基板温度を４２５℃に昇温して、窒素ラジカルセル、酸素ラジカルセル、ＺｎセルおよびＣｄセルのシャッターを開いて、窒素がドーピングされたｐ型Ｃｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ光ガイド層１０６ａを成長させた後、各原料の分子線強度をそのまま一定にして、温度を４２５℃から４５０℃まで徐々に昇温しながら、Ｃｄ組成比ｘが０.０５〜０まで連続的に傾斜した窒素がドーピングされたＣｄ_ｘＺｎ_{１ - ｘ}Ｏ光ガイド層１０６ｂを成長させる。この後、窒素ラジカルセル、酸素ラジカルセル、ＺｎセルおよびＭｇセルのシャッターを開いて、各原料の分子線強度を一定にして、温度を４５０℃から５００℃まで徐々に昇温しながら、Ｍｇ組成比ｙが０〜０.１まで連続的に傾斜した窒素がドーピングされたＭｇ_ｙＺｎ_{１ - ｙ}Ｏ光ガイド層１０６ｃを成長させる。
【００５６】
次いで、基板温度と各原料の分子線強度はそのまま一定にして、ｐ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０７を成長させた後、基板温度を４５０℃に降温して、窒素ラジカルセル、酸素ラジカルセル、Ｚｎセルのシャッターを開いて、窒素がドーピングされたｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８を成長させる。
【００５７】
この後、基板１０１をＭＢＥ装置から取り出して、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８およびｐ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０７の上部を幅が略１.５μｍのリッジ形状にエッチングした後、基板１０１をＭＢＥ装置に再度導入して、基板温度を５５０℃に昇温して、酸素ラジカルセル、Ｚｎセル、ＭｇセルおよびＧａセルのシャッターを開いてリッジの側方にリッジと接触するように、Ｇａがドーピングされたｎ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏ電流ブロック層１０９を成長させる。この後、基板１０１をＭＢＥ装置から取り出して、リッジストライプ上に堆積されたｎ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏ層をエッチング除去して、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８を露出させる。
【００５８】
最後に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８とｎ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏ電流ブロック層１０９の上面全面に、ｐ型オーミック電極１１１としての厚さ１００ｎｍのＮｉを真空蒸着させる一方、ＺｎＯ基板１０１の裏面全面に、ｎ型オーミック電極１１０としての厚さ１００ｎｍのＡｌを真空蒸着させて、第１実施形態の半導体レーザ素子の要部を作製する。
【００５９】
上記第１実施形態の半導体レーザの要部を作製した後、ＺｎＯ基板１０１を劈開してバーを生成し、バーの端面に端面ミラーを形成する。この端面ミラーに保護膜を真空蒸着させた後、再度バーをストライプ方向にけがいて割り出して半導体レーザ素子を３００μｍの個別チップに分離する。
【００６０】
上記第１実施形態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４１０ｎｍの青色発振光が出射された。
【００６１】
本発明者は、比較例として、ｐ型光ガイド層を、ｎ型光ガイド層１０４と同様のＣｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏのみで構成する一方、ｐ型光ガイド層以外の層を、上記第１実施形態の半導体レーザ素子の層と同様な層で構成した半導体レーザ素子を作製し、この半導体レーザ素子のレーザ出射実験を行った。その結果、発振閾値電流が第１実施形態の半導体レーザ素子と比較して２倍に増大し、かつ、素子寿命が１/１０になった。
【００６２】
上記第1実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ｐ型光ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーを、ノンドープ量子井戸活性層１０５側からｐ型クラッド層１０７側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させているので、ｐ型光ガイド層１０６の屈折率が、ノンドープ量子井戸活性層１０５側で大きく、かつ、ｐ型クラッド層１０７側で小さい構造となっている。したがって、酸化物半導体発光素子を低い電流で動作できて、酸化物半導体発光素子の信頼性を高くできる。
【００６３】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ｐ型光ガイド層１０６を、組成の異なるＣｄ_ｘＺｎ_{１ - ｘ}Ｏ層１０６ｂと、Ｍｇ_ｙＺｎ_{１ - ｙ}Ｏ層１０６ｃを用いた積層構造としているので、組成比を傾斜させるだけでは制御することが困難な屈折率やバンドギャップエネルギーを、微細な変化に至るまで完全に制御出来る。また、バンドギャップエネルギーの大きなＭｇ_ｙＺｎ_{１ - ｙ}Ｏ層１０６ｃを積層構造の１層に選択しているので、ノンドープ量子井戸活性層１０５へのキャリア閉じ込めを向上させることが出来て、酸化物半導体発光素子を、光学特性に優れたものにできる。
【００６４】
図３に、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇの蒸気圧と温度の関係を示す。図３の縦軸の蒸気圧の間隔は、指数関数的に増大している。図３に示すように、温度が上昇するに伴ってＺｎよりもＣｄの方が蒸発し易くなるので、ＣｄＺｎＯ混晶を成長させる際、ＺｎとＣｄの供給比が一定であれば、温度が上昇するに伴ってＣｄの方が格段に蒸発し易くなり、Ｃｄの組成比が低減することになる。また、図３に示すように、温度が上昇するに伴ってＭｇよりもＺｎの方が蒸発し易くなるので、ＭｇＺｎＯ混晶を成長する際、ＺｎとＭｇの供給比が一定であれば、Ｍｇの組成比が増大することになる。
【００６５】
このことから、上記光ガイド層１０６の形成で示したように、Ｚｎ、および、ＣｄあるいはＭｇの供給速度を一定とすると共に、成長温度を変化させながらｐ型光ガイド層１０６を成長させるようにするだけで、Ｚｎに対するＣｄの組成比またはＭｇに対するＺｎの組成比を簡単に変化させることができて、ｐ型光ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーを簡単に傾斜させることができる。温度による蒸気圧の差を用いる方法が、ＩＩ族元素の供給比を制御して光ガイド層を成長される方法よりも簡便にｐ型光ガイド層のバンドギャップエネルギーを傾斜させることができることは勿論である。また、第１実施形態では、成長温度を急峻に変化させず徐々に変化させたので、結晶欠陥の増殖を抑制できる。また、Ｃｄ組成比の高い活性層の成長後に、ＭｇＺｎＯクラッド層１０７を成長させるために温度を上昇させる必要があるので、光ガイド層１０６の成長温度を徐々に変化させた方がＣｄの蒸発が抑えられ、素子寿命を向上させることができる。
【００６６】
尚、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、リッジストライプ幅を略１.５μｍにしたが、リッジストライプ幅を略０.５〜３μｍの範囲に設定すると、キャリア注入効率が高くて、高次横モードをカットオフしてキンクレベルを向上させることが出来ると共に、動作電圧も低い高性能の酸化物半導体発光素子を作製できる。尚、リッジストライプ幅を０.５μｍよりも小さくすると、動作電圧が上昇して信頼性が悪化する。また、リッジストライプ幅を３μｍよりも大きくすると、キャリア注入効率が低くなって、高次横モードをカットオフできなくなる。
【００６７】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、電流ブロック層１０９のＭｇ組成を０.２以下にしたが、電流ブロック層のＭｇ組成をクラッド層の組成比よりも高く、かつ、０.５以下にすると、実屈折率型の導波機構を実現できて、光吸収を防止できると共に、電流ブロック層の結晶性も優れたものにすることができる。尚、電流ブロック層のＭｇ組成をクラッド層の組成比よりも低くすると、光吸収が発生して、レーザの発振閾値電流が増大する。また、電流ブロック層のＭｇ組成を０.５よりも大きな値に設定すると、電流ブロック層に転位等が発生して、電流ブロック層の結晶性が悪化する。
【００６８】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｐ型ＺｎＯ系半導体層にドーピングするアクセプタ不純物として窒素（Ｎ）を用いたが、ｐ型ＺｎＯ系半導体層にドーピングするアクセプタ不純物として、Ｎの代わりにＮI族元素のＬｉ、Ｃｕ、ＡｇやＶ族元素のＡs、P等を用いても良い。ｐ型ＺｎＯ系半導体層にドーピングするアクセプタ不純物として、活性化率が高いＮ、ＬｉまたはＡｇを用いると、発振閾値電流が小さく、かつ、素子寿命も長い酸化物半導体発光素子を作製できる。また、NはN_２をプラズマ化して結晶成長中に照射する手法によって、結晶性を良好に保ちながら高濃度のドーピングが行えるので好ましい。
【００６９】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｎ型ＺｎＯ系半導体層にドーピングするドナー不純物として、Ｇａを用いたが、ｎ型ＺｎＯ系半導体層にドーピングするドナー不純物として、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｉｎ等を用いても良い。ＺｎＯ系半導体中での活性化率が高いＧａまたはＡｌを用いると、発振閾値電流が小さく、かつ、素子寿命も長い酸化物半導体発光素子を作製できる。
【００７０】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０７上にｐ型コンタクト層１０８を形成して、ｐ型コンタクト層１０８上にｐ型オーミック電極１１１を形成したが、ｐ型コンタクト層を設けず、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層上に直接ｐ型オーミック電極を形成しても良い。尚、コンタクト層を形成すると酸化物半導体発光素子の電気抵抗を小さくできる。また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子のように、コンタクト層の材料を、結晶性に優れたＺｎＯに限定すると、キャリア濃度を高く出来る。ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８に過剰にアクセプタ不純物をドーピングすると結晶性劣化が顕著となって、酸化物半導体発光素子の素子効率が低下するので、アクセプタ不純物は、キャリア濃度が５×１０^１６〜５×１０^１９ｃｍ^{- ３}の範囲になるようにドーピングされることが好ましい。
【００７１】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、基板としてｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１を用いたが、基板として、サファイア基板やスピネル基板あるいはＬｉＧａＯ_２基板等の絶縁性基板を用いても良く、ＳｉＣ基板やＧａN基板等の導電性基板を用いても良い。尚、絶縁性基板を用いる場合には、成長層の一部をエッチングしてｎ型ＺｎＯバッファ層を露出させてｎ型コンタクト層とし、その上にｎ型オーミック電極を形成することもできる。上記ｎ型ＺｎＯバッファ層を露出させて形成されるｎ型コンタクト層材料には、ｐ型コンタクト層の場合と同様にＺｎＯが適しており、ドナー不純物のドーピング濃度は１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^{- ３}の範囲が好ましく、更には５×１０^１９〜５×１０^２０ｃｍ^{- ３}の範囲で調整されることが好ましい。また、上記ｎ型ＺｎＯバッファ層を露出させて形成されるｎ型コンタクト層の膜厚は、０.００１〜１μｍ、好ましくは０.００５〜０.５μｍ、更に好ましくは０.０１〜０.１μｍの範囲に調整されることが好ましい。絶縁性基板を用いた場合でも、絶縁性基板上にｎ型バッファ層を形成しても良いことは勿論であり、この場合、ｎ型バッファ層上に結晶性に優れた成長層を形成できる。尚、可視領域における発光効率を最大限に得るために半導体基板が満たさなければならない条件として、次の三つの条件があり（１.ＺｎＯとの面内格子定数差が３%以内であり、非発光中心となる欠陥を低減出来る。２.発光波長に対応する吸収係数が低い。３.導電性基板であり、裏面に電極を形成出来る。）、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１は、上記の条件を全て満していて最も好ましい。また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子のように、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１の亜鉛面を主面として、この亜鉛面上に層を形成すると、ｐ型層のキャリア活性化率を向上させることができて、抵抗の低いｐ型層を形成することができる。
【００７２】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８およびｎ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏ電流ブロック層１０９の上面全面に、Ｎｉを真空蒸着させて、ｐ型オーミック電極１１１を形成したが、この発明の酸化物半導体発光素子では、ｎ型コンタクト層およびｎ型電流ブロック層の上面全面に、Ｐｔ、ＰｄまたはＡｕを蒸着させて、ｐ型オーミック電極を形成しても良く、ｎ型コンタクト層およびｎ型電流ブロック層の上面全面に、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄおよびＡｕの内の二つ以上の金属を蒸着させて、ｐ型オーミック電極を形成しても良い。尚、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子のように、Ｎｉを蒸着させて、ｐ型オーミック電極１１１を形成すると、ｐ型オーミック電極１１１を、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８およびｎ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏ電流ブロック層１０９の上面全面に容易に固着できて、ｐ型オーミック電極１１１の電気抵抗も小さくできる。
【００７３】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｐ型オーミック電極形成後にアニール処理を行わなかったが、この発明の酸化物半導体発光素子では、ｐ型オーミック電極形成後にアニール処理を行っても良く、この場合、ｐ型オーミック電極の密着性を向上できると共に、ｐ型オーミック電極の電気的抵抗を低減できる。ＺｎＯ結晶に欠陥を生じずにアニール効果を得るには、アニール温度を３００〜４００℃に設定することが好ましく、また、アニール処理における雰囲気を、Ｏ_２あるいは大気雰囲気にすることが好ましい。尚、アニール処理における雰囲気を、N_２に設定すると、ｐ型オーミック電極の電気的抵抗が増大することがわかっている。
【００７４】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｐ型オーミック電極１１１上にワイヤボンディング用のパッド電極を設けなかったが、この発明の酸化物半導体発光素子では、リードフレームへの配線を簡便に行うために、ｐ型オーミック電極上にワイヤボンディング用のパッド電極を形成しても良い。尚、ｐ型オーミック電極上にワイヤボンディング用のパッド電極を形成する場合、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、ｐ型オーミック電極とパッド電極の間に密着性を向上させる目的で、他の金属層を形成しても良い。
【００７５】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ＺｎＯ基板１０１の裏面に、Ａｌを真空蒸着させて、ｎ型オーミック電極を形成したが、この発明の酸化物半導体発光素子では、基板の裏面にＴｉまたはＣｒを蒸着させて、ｎ型オーミック電極を形成しても良く、Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌの内の二つ以上の金属を蒸着させてｎ型オーミック電極を形成しても良い。尚、蒸着させる金属として、第１実施形態のように、Ａｌを選択すると、ｎ型オーミック電極の電気抵抗を小さくできて、ｎ型オーミック電極の製造コストを低減できる。また、蒸着させる金属として、Ｔｉを選択すると、ｎ型オーミック電極を、基板の裏面に容易に固着できる。
【００７６】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ＺｎＯ基板１０１の裏面全面に、Ａｌを真空蒸着して、ｎ型オーミック電極１１０を形成したが、この発明の酸化物半導体発光素子では、半導体基板の裏面に部分的にＡｌを真空蒸着して、Ａｌの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電極は青〜紫外光の反射率が高いため、裏面全面に形成しても光取り出し効率は高いが、Ａｇの方が青〜紫外光の反射率がＡｌより高いため、青〜紫外光の出射出力を向上させることができて好ましい。
【００７７】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、半導体原料（固体あるいは気体原料）を用いたＭＢＥ法を使用して、酸化物半導体発光素子を製造したが、この発明の酸化物半導体発光素子を、レーザ分子線エピタキシー（レーザＭＢＥ）法または有機金属気相成長（ＭＯＣＶD）法等の結晶成長手法で製造しても良い。また、上記ＭＢＥ法、ＭＯＣＶD法およびレーザＭＢＥ法の内の少なくとも二つの方法を組み合わせて、酸化物半導体発光素子を製造しても良い。
【００７８】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｐ型光ガイド層１０６を３層に分けて組成傾斜させたが、この発明の酸化物半導体発光素子では、ｐ型光ガイド層を、組成傾斜したＣｄＺｎＯ混晶とＭｇＺｎＯ混晶の２層で構成しても良く、組成傾斜したＣｄＺｎＯ混晶か、あるいは、組成傾斜したＭｇＺｎＯ混晶の一層で構成しても良い。
【００７９】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｐ型光ガイド層１０６を、Ｃｄ_ｘＺｎ_{１ - ｘ}Ｏ層１０６ｂと、Ｍｇ_ｙＺｎ_{１ - ｙ}Ｏ層１０６ｃを用いて形成し、組成の異なる２層の積層構造にしたが、この発明の酸化物半導体発光素子では、ｐ型光ガイド層を、組成の異なる３層以上の層の積層構造にしても良い。
【００８０】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｎ型光ガイド層１０４を一層で構成する一方、ｐ型光ガイド層１０６を３層に分けて組成傾斜させたが、この発明の酸化物半導体発光素子では、例えば、ｎ型光ガイド層を、厚さ１０ｎｍのＣｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ層２０４ａ、厚さ１０ｎｍのＣｄ_ｘＺｎ_{１ - ｘ}Ｏ層２０４ｂおよび厚さ１０ｎｍのＭｇ_ｙＺｎ_{１ - ｙ}Ｏ層２０４ｃの３層で構成して、Ｃｄ組成比ｘを０.０５〜０まで連続的に徐々に変化させると共に、Ｍｇ組成比ｙを０〜０.１まで連続的に徐々に変化させる一方、ｐ型光ガイド層を一層で構成しても良く、このようにしても、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子と略同様の作用効果を得ることができる。
【００８１】
また、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としたが、この発明の酸化物半導体発光素子では、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としても良い。
【００８２】
尚、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｐ型光ガイド層１０６のＣｄ組成比ｘを０.０５〜０まで連続的に徐々に変化させると共に、Ｍｇ組成比ｙを０〜０.１まで連続的に徐々に変化させたが、組成比を変化させる範囲が、上記範囲に限定されないことは勿論である。また、ｐ型光ガイド層を一層で構成し、ｎ型光ガイド層を３層で構成する上記変形例に示した場合においても、Ｃｄ組成比ｘおよびＭｇ組成比ｙが上記変形例で示した範囲に限られないことも勿論である。また、この発明の酸化物半導体発光素子の各層の組成比が、第１実施形態の酸化物半導体発光素子で具体的に記載された対応する層の組成比の数値に限定されないことも勿論である。
【００８３】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態の酸化物半導体発光素子であるＺｎＯ系半導体レーザ素子の活性層近傍のバンドプロファイルである。
【００８４】
図４において、矢印Ｃは、第２実施形態の酸化物半導体発光素子のバンドギャップエネルギーの増大方向を示し、曲線Ｄは、第２実施形態の酸化物半導体発光素子の各層のバンドギャップエネルギーを示している。
【００８５】
第２実施形態の酸化物半導体発光素子は、ｎ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０３上に、厚さ１０ｎｍのＭｇ_ｙＺｎ_{１ - ｙ}Ｏ層２０４ｃ（Ｍｇ組成比ｙは０〜０.１まで連続的に徐々に変化）、厚さ１０ｎｍのＣｄ_ｘＺｎ_{１ - ｘ}Ｏ層２０４ｂ（Ｃｄ組成比ｘは０.０５〜０まで連続的に徐々に変化）、厚さ１０ｎｍのＣｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ層２０４ａをこの順に３層積層して、ｎ型光ガイド層２０４を構成し、ｐ型光ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーに加えてｎ型光ガイド層２０４のバンドギャップエネルギーも傾斜させるようにした点のみが第１実施形態の酸化物半導体発光素子と異なる。
【００８６】
上記第２実施形態の酸化物半導体発光素子では、第１実施形態の酸化物半導体発光素子の構成部と同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略することにする。また、上記第２実施形態の酸化物半導体発光素子では、第１実施形態の酸化物半導体発光素子と共通の作用効果および変形例についても説明を省略することにし、第１実施形態の酸化物半導体発光素子と異なる作用効果および変形例についてのみ説明を行うことにする。
【００８７】
第２実施形態の酸化物半導体発光素子の構造では、ｎ型光ガイド層２０４のバンドギャップエネルギーが、ノンドープ量子井戸活性層１０５側からｎ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０３に向かって増加するように傾斜しており、図４に示すように、ノンドープ量子井戸活性層１０５を境にして、ノンドープ量子井戸活性層１０５の上下で、バンドギャップエネルギーが対称になっている。
【００８８】
第２実施形態の酸化物半導体発光素子の構造を作製後、ＺｎＯ基板１０１を劈開して端面ミラーを形成し、保護膜を真空蒸着した後、素子を３００μｍに分離した。第２実施形態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４１０ｎｍの青色発振光が得られた。
【００８９】
また、上記第２実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子と比較して、発振閾値電流が約２０%低減し、結晶欠陥が更に低減し、かつ、素子寿命が約２０%長くなった。
【００９０】
上記第２実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ノンドープ量子井戸活性層１０５の上下で、バンドギャップエネルギーが対称になるように、ｐ型光ガイド層１０６（１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃ）に加えて、ｎ型光ガイド層２０４（２０４ａ、２０４ｂおよび２０４ｃ）も組成傾斜構造としたので、ノンドープ量子井戸活性層１０５への光およびキャリアの閉じ込め効果を更に向上させることができる。
【００９１】
また、上記第２実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ｎ型光ガイド層２０４を、組成の異なるＣｄ_ｘＺｎ_{１ - ｘ}Ｏ層２０４ｂと、Ｍｇ_ｙＺｎ_{１ - ｙ}Ｏ層２０４ｃを用いた積層構造としているので、組成比を傾斜させるだけでは制御することが困難な屈折率やバンドギャップエネルギーを、微細な変化に至るまで完全に制御出来る。また、バンドギャップエネルギーの大きなＭｇ_ｙＺｎ_{１ - ｙ}Ｏ層２０４ｃを積層構造の１層に選択しているので、ノンドープ量子井戸活性層１０５へのキャリア閉じ込めを向上させることが出来て、酸化物半導体発光素子を、光学特性に優れたものにできる。
【００９２】
尚、上記第２実施形態の酸化物半導体発光素子では、ノンドープ量子井戸活性層１０５の上下で、バンドギャップエネルギーが対称になるように、ｐ型光ガイド層１０６（１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃ）に加えて、ｎ型光ガイド層２０４（２０４ａ、２０４ｂおよび２０４ｃ）も組成傾斜構造としたが、ノンドープ量子井戸活性層の上下でバンドギャップエネルギーが対称でなくて、ｎ型光ガイド層のバンドギャップエネルギーがノンドープ量子井戸活性層側からｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層に向かって増加する条件で、ｐ型光ガイド層１０６（１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃ）に加えて、ｎ型光ガイド層２０４（２０４ａ、２０４ｂおよび２０４ｃ）を組成傾斜構造にしても良い。
【００９３】
また、上記第２実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｎ型光ガイド層２０４を３層に分けて組成傾斜させたが、この発明の酸化物半導体発光素子では、ｎ型光ガイド層を、組成傾斜したＣｄＺｎＯ混晶とＭｇＺｎＯ混晶の２層で構成しても良く、組成傾斜したＣｄＺｎＯ混晶か、あるいは、組成傾斜したＭｇＺｎＯ混晶の一層で構成しても良い。
【００９４】
また、上記第２実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｐ型光ガイド層２０６を、Ｃｄ_ｘＺｎ_{１ - ｘ}Ｏ層２０４ｂと、Ｍｇ_ｙＺｎ_{１ - ｙ}Ｏ層２０４ｃを用いて形成し、組成の異なる２層の積層構造にしたが、この発明の酸化物半導体発光素子では、ｎ型光ガイド層を、組成の異なる３層以上の層の積層構造にしても良い。
【００９５】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態の酸化物半導体発光素子であるＺｎＯ系半導体レーザ素子の構造斜視図および活性層近傍のバンドプロファイルである。
【００９６】
図５において、矢印Ｅは、バンドギャップエネルギーの増大方向を示し、曲線Ｆは、各層のバンドギャップエネルギーを示している。
【００９７】
第３実施形態の酸化物半導体発光素子は、ｎ型光ガイド層５０４およびｐ型光ガイド層５０６のバンドギャップエネルギーが、ノンドープ量子井戸活性層１０５の上下で対称になるように段階的に階段状に不連続に傾斜するようにした点と、酸化物半導体発光素子を、レーザＭＢＥ装置を用いて形成した点のみが、第１実施形態の酸化物半導体発光素子と異なる。
【００９８】
上記第３実施形態の酸化物半導体発光素子では、第１実施形態の酸化物半導体発光素子の構成部と同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略することにする。また、上記第３実施形態の酸化物半導体発光素子では、第１および第２実施形態の酸化物半導体発光素子と共通の作用効果および変形例について説明を省略することにし、第１および第２実施形態の酸化物半導体発光素子と異なる作用効果および変形例についてのみ説明を行うことにする。
【００９９】
上記第３実施形態の酸化物半導体発光素子を、図６に示すレーザＭＢＥ装置（レーザ分子線エピタキシー装置）で形成した。
【０１００】
このレーザＭＢＥ装置は、超高真空に排気可能な成長室３０１の上部に基板ホルダー３０２を配置している。基板ホルダー３０２の裏面には、基板３０３が固定されており、基板ホルダー３０２上部に配置されたヒーター３０４により基板ホルダー３０２が加熱されると、その熱伝導により基板３０３が加熱されるようになっている。上記基板ホルダー３０２直下には適当な距離を置いてターゲットテーブル３０５が配置され、ターゲットテーブル３０５上には原料ターゲット３０６が複数配置されている。ターゲット３０６の表面は成長室３０１の側面に設けられたビューポート３０７を通じて照射されるパルスレーザ光３０８によりアブレーションされ、瞬時に蒸発したターゲット３０６の原料が基板上に堆積することにより薄膜が成長するようになっている。ターゲットテーブル３０５は回転機構を有し、パルスレーザ光３０８の照射シーケンスに同期して回転を制御することにより、異なるターゲット原料を薄膜上に積層することが可能となる。また、成長室３０１には複数のガスを導入出来るようガス導入管（図６には、例として３１０ａ,３０１ｂを示す）が複数設けられており、ラジカルセル３０９によって活性化された原子状ビームを基板に照射することも可能である。第３実施形態のように、酸化物半導体発光素子を、レーザＭＢＥ法で製造すると、原料ターゲットと薄膜の組成のずれを小さくできて、また、ＺｎＧａ_２Ｏ_４等の意図しない副生成物の生成を抑えることも出来る。
【０１０１】
以下に、レーザＭＢＥ装置を用いた第３実施形態の酸化物半導体発光素子の作製方法を、図５および図６を用いて説明する。
【０１０２】
先ず、洗浄処理したＺｎＯ基板１０１をレーザＭＢＥ装置に導入して、Ｏ_２ガスを流しながら温度６００℃で３０分間加熱し清浄化する。
【０１０３】
次に、基板温度を４５０℃に降温し、ノンドープＺｎＯ単結晶およびＧａ_２Ｏ_３を添加したＺｎＯ燒結体を原料ターゲットとし、回転機構によるターゲットテーブルの駆動周期とＫｒＦエキシマレーザのパルス照射周期を、外部制御装置（図示しない）によって同期させ、上記原料ターゲットを所望のＧａドーピング濃度が得られる比率で交互にアブレーションして、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２を成長させる。アブレーションを行うパルスレーザにはＫｒＦエキシマレーザ（波長:２４８ｎｍ、パルス数:１０Hz,出力１J／ｃｍ^２）を用いた。成長中にはガス導入管３１０ａより、Ｏ_２ガスを導入した。
【０１０４】
次に、基板温度を５００℃に昇温し、更に、ノンドープＺｎＯ単結晶およびＧａ_２Ｏ_３を添加したＭｇＺｎＯ燒結体を原料ターゲットとし、所望のＭｇ組成比とＧａドーピング濃度が得られる比率で交互アブレーションして、ｎ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０３を成長させる。
【０１０５】
次に、光ガイド層５０４形成させる。先ず、基板温度を４７５℃に降温して、ノンドープＺｎＯ単結晶およびＧａ_２Ｏ_３を添加したＭｇＺｎＯ燒結体を原料ターゲットとし、所望のＭｇ組成比とＧａドーピング濃度が得られる比率で交互アブレーションして、ｎ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０３上に１０ｎｍのｎ型Ｍｇ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ光ガイド層５０４ｃを成長させた後、基板温度を４５０℃に降温し、ノンドープＺｎＯ単結晶およびＧａ_２Ｏ_３を添加したＺｎＯ燒結体を原料ターゲットとし、所望のＧａドーピング濃度が得られる比率で交互アブレーションして、１０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層５０４ｂを成長させる。その後、基板温度を４２５℃に降温した上で、ノンドープＺｎＯ単結晶およびＧａ_２Ｏ_３を添加したＣｄＺｎＯ燒結体を原料ターゲットとし、所望のＣｄ組成比とＧａドーピング濃度が得られる比率で交互アブレーションして、１０ｎｍのｎ型Ｃｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ光ガイド層５０４ａを成長させる。
【０１０６】
次いで、基板温度を４００℃に降温し、ノンドープＺｎＯ単結晶およびＧａ_２Ｏ_３を添加したＣｄＺｎＯ燒結体を原料ターゲットとし、所望のＣｄ組成比が得られる比率で交互アブレーションして、Ｃｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ障壁層とＣｄ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏ井戸層を交互に積層し、ノンドープ量子井戸活性層１０５を成長させる。
【０１０７】
この後、基板温度を４２５℃に昇温し、ガス導入管３１０ｂより導入したN_２ガスをラジカルセル３０９でプラズマ化して照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶およびノンドープＣｄＺｎＯ燒結体を原料ターゲットとし、所望のＣｄ組成比とNドーピング濃度が得られる比率で交互アブレーションして、ノンドープ量子井戸活性層１０５上に、１０ｎｍのｐ型Ｃｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ光ガイド層５０６ａを成長させた。
【０１０８】
次に、基板温度を４５０℃に昇温し、ガス導入管３１０ｂより導入したN_２ガスをラジカルセル３０９でプラズマ化して照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶を原料ターゲットとしてアブレーションを行い、ｐ型Ｃｄ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ光ガイド層５０６ａ上に、１０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層５０６ｂを成長させた。
【０１０９】
次に、基板温度を４７５℃に昇温し、ガス導入管３１０ｂより導入したN_２ガスをラジカルセル３０９でプラズマ化して照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶およびノンドープＭｇＺｎＯ燒結体を原料ターゲットとし、所望のＭｇ組成比とNドーピング濃度が得られる比率で交互アブレーションして、ｐ型ＺｎＯ光ガイド層５０６ｂ上に、１０ｎｍのｐ型Ｍｇ_{０ . ０５}Ｚｎ_{０ . ９５}Ｏ光ガイド層５０６ｃを成長させる。
【０１１０】
次に、基板温度を５００℃に昇温し、ガス導入管３１０ｂより導入したN_２ガスをラジカルセル３０９でプラズマ化して照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶およびノンドープＭｇＺｎＯ燒結体を原料ターゲットとして交互アブレーションを行い、ｐ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０７を成長させる。
【０１１１】
次に、ガス導入管３１０ｂより導入したN_２ガスをラジカルセル３０９でプラズマ化して照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶を原料ターゲットとしてアブレーションを行い、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８を成長させる。
【０１１２】
次に、基板１０１をレーザＭＢＥ装置から取り出し、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８およびｐ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０７の一部を幅１.５μｍのリッジ形状にエッチングする。
【０１１３】
次に、基板１０１を再度レーザＭＢＥ装置に導入して、基板温度を５５０℃に昇温し、ノンドープＺｎＯ単結晶およびＧａ_２Ｏ_３を添加したＭｇＺｎＯ燒結体を原料ターゲットとし、所望のＭｇ組成比とＧａドーピング濃度が得られる比率で交互アブレーションして、ｎ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏ電流ブロック層１０９を成長させる。
【０１１４】
最後に、基板１０１をレーザＭＢＥ装置から取り出し、リッジストライプ上に堆積したｎ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏ層をエッチング除去してｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８を露出させ、ｎ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏ流ブロック層１０９を含む上面全面に、厚さ１００ｎｍのＮｉを真空蒸着させて、ｐ型オーミック電極１１１を形成する一方、ＺｎＯ基板１０１の裏面に、厚さ１００ｎｍのＡｌを真空蒸着させてｎ型オーミック電極１１０を形成する。
【０１１５】
第３実施形態の酸化物半導体発光素子の構造を作製後、第３実施形態のＺｎＯ基板１０１を劈開して端面ミラーを形成し、保護膜を真空蒸着した後、素子を３００μｍに分離した。第３実施形態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４１０ｎｍの青色発振光が得られた。第３実施形態の酸化物半導体発光素子は、第２実施形態の酸化物半導体発光素子と発振閾値電流および素子寿命が略同じであった。
【０１１６】
レーザＭＢＥ法は、原料をパルス状に供給するため、供給量などの成長条件を連続的に変化させにくいが、図５に示すように、ｎ型光ガイド層５０４とｐ型光ガイド層５０６のバンドギャップエネルギーを段階的に階段状に不連続に変化させるようにすれば、レーザＭＢＥ法が使用可能になる。
【０１１７】
上記第３実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ｎ型光ガイド層５０４およびｐ型光ガイド層５０６の成長条件を段階的に階段状に不連続に変化させて、組成比を階段状に不連続に変化させるので、連続的な条件変化が困難なレーザＭＢＥ法等の結晶成長手法を用いることが可能になり、レーザＭＢＥ法等を用いて容易に組成を傾斜させることが出来る。このことから、酸化物結晶に好適な成長手法を状況に応じて選別できるので、酸化物半導体発光素子の発光特性を優れたものにでき、酸化物半導体発光素子の信頼性を高くでき、光ガイド層１０６,２０４のバンドギャップエネルギーを連続的に傾斜させた図４に示した場合と同様の効果が得られる。
【０１１８】
尚、上記第３実施形態の酸化物半導体発光素子では、光ガイド層のバンドギャップエネルギーを階段上に３段階に変化させたが、この発明の酸化物半導体発光素子では、光ガイド層のバンドギャップエネルギーを３段階以外の２段階以上に変化させても良く、この場合でも、第３実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【０１１９】
また、上記第３実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｎ型光ガイド層５０４およびｐ型光ガイド層５０６の両方を、レーザＭＢＥ装置で、ノンドープ量子井戸活性層１０５からｎ型クラッド層１０３またはｐ型クラッド層１０７に向かって、バンドギャップエネルギーが増加するように段階的に階段状に不連続に傾斜し、かつ、ノンドープ量子井戸活性層１０５の上下でバンドギャップエネルギーが対称になるように、夫々３層で構成したが、この発明の酸化物半導体発光素子では、ｎ型光ガイド層またはｐ型光ガイド層の一方のみ、ノンドープ量子井戸活性層からｎ型クラッド層またはｐ型クラッド層に向かって、バンドギャップエネルギーが増加するように段階的に階段状に不連続に傾斜させても良いことは勿論であり、ｎ型光ガイド層５０４およびｐ型光ガイド層５０６の両方のバンドギャップエネルギーを傾斜させた場合では、両方のバンドギャップエネルギーが、ノンドープ量子井戸活性層の上下で対称にならなくても良いことは勿論である。
【０１２０】
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態の酸化物半導体発光素子であるＺｎＯ系半導体レーザ素子の活性層近傍のバンドプロファイルである。
【０１２１】
図７において、矢印Ｇは、バンドギャップエネルギーの増大方向を示し、曲線Ｊは、各層のバンドギャップエネルギーを示している。
【０１２２】
第４実施形態の酸化物半導体発光素子は、ｎ型光ガイド層４０４とｐ型光ガイド層４０６を、厚さ４ｎｍのＣｄＺｎＯ、ＺｎＯおよびＭｇＺｎＯから成る超格子構造として、バンドギャップエネルギーを傾斜させた点のみが、上記第３実施形態の酸化物半導体発光素子と異なる。
【０１２３】
尚、上記超格子構造は、図７に示すように、上記厚さ４ｎｍの複数のＣｄＺｎＯ、ＺｎＯおよびＭｇＺｎＯ層を複数繰り返すことによって、バンドギャップエネルギーが、大小を繰り返し、かつ、ギャップエネルギーの井戸の深さの中間を結ぶ線（または曲線）Ｈ,Ｉが、ノンドープ量子井戸活性層１０５からｎ型クラッド層１０２またはｐ型クラッド層１０７に向かって、増加する構造を示すものとする。
【０１２４】
上記第４実施形態の酸化物半導体発光素子では、第３実施形態の酸化物半導体発光素子と共通の構成、作用効果および変形例について説明を省略し、第３実施形態の酸化物半導体発光素子と異なる構成、作用効果および変形例についてのみ説明を行うことにする。
【０１２５】
上記第４実施形態の酸化物半導体発光素子に電流を流したところ、端面から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られ、上記第２実施形態と比較して発振閾値電流が１０%低減し、素子寿命が１０%長くなった。
【０１２６】
上記第４実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ｎ型光ガイド層４０４とｐ型光ガイド層４０６とを、超格子構造にして、バンドギャップエネルギーを傾斜させたので、屈折率やバンドギャップエネルギーの変化を、更に微細に制御出来る。また、キャリア移動度を大きくできて、発振閾値電流を低減させることができ、かつ、信頼性も向上させることができる。
【０１２７】
尚、上記第４実施形態の酸化物半導体発光素子では、上記Ｈ,Ｉが単調増加していたが、ギャップエネルギーの井戸の深さの中間を結ぶ線（または曲線）は、ノンドープ量子井戸活性層からｎ型クラッド層またはｐ型クラッド層に向かって、全体的に増加していれば良く、局所的に減少しても良い。
【０１２８】
（第５実施形態）
図８は、本発明の第５実施形態の酸化物半導体発光素子であるＺｎＯ系半導体レーザ素子の活性層近傍のバンドプロファイルである。
【０１２９】
図８において、矢印Ｋは、バンドギャップエネルギーの増大方向を示し、曲線Ｌは、各層のバンドギャップエネルギーを示している。
【０１３０】
第５実施形態の酸化物半導体発光素子は、ｎ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０３とｎ型光ガイド層２０４の間に、厚さ５ｎｍのｎ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏキャリアオーバーフロー抑制層１１２を形成し、ｐ型光ガイド層１０６とｐ型Ｍｇ_{０ . １}Ｚｎ_{０ . ９}Ｏクラッド層１０７の間に、厚さ５ｎｍのｐ型Ｍｇ_{０ . ２}Ｚｎ_{０ . ８}Ｏキャリアオーバーフロー抑制層１１３を形成した点のみが、第２実施形態の酸化物半導体発光素子と異なる。
【０１３１】
上記第５実施形態の酸化物半導体発光素子では、第２実施形態の酸化物半導体発光素子と共通の構成、作用効果および変形例について説明を省略し、第２実施形態の酸化物半導体発光素子と異なる構成、作用効果および変形例についてのみ説明を行うことにする。
【０１３２】
上記第５実施形態の酸化物半導体発光素子に電流を流したところ、端面から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られ、上記第２実施形態と比較して発振閾値電流が２０%低減し、素子寿命が１０%長くなった。
【０１３３】
上記第５実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ｎ型クラッド層１０３とｎ型光ガイド層２０４の間に、バンドギャップエネルギーがｎ型光ガイド層２０４およびｎ型クラッド層１０３よりも大きなｎ型ＭｇＺｎＯキャリアオーバーフロー抑制層１１２を形成すると共に、ｐ型光ガイド層１０６とｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０７の間に、バンドギャップエネルギーがｐ型光ガイド層１０６およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０７よりも大きなｐ型ＭｇＺｎＯキャリアオーバーフロー抑制層１１３を形成したので、活性層からのキャリアオーバーフローを抑止できて、酸化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
【０１３４】
尚、第５実施形態の酸化物半導体発光素子では、ｎ型クラッド層１０３とｎ型光ガイド層２０４の間に、ｎ型ＭｇＺｎＯキャリアオーバーフロー抑制層１１２を形成すると共に、ｐ型光ガイド層１０６とｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０７の間に、ｐ型ＭｇＺｎＯキャリアオーバーフロー抑制層１１３を形成したが、ｎ型ＭｇＺｎＯキャリアオーバーフロー抑制層１１２またはｐ型ＭｇＺｎＯキャリアオーバーフロー抑制層１１３のどちらか一方を省略しても良い。また、大きなバンドギャップエネルギーを有するｎ型ＭｇＺｎＯキャリアオーバーフロー抑制層とｐ型ＭｇＺｎＯキャリアオーバーフロー抑制層は、ノンドープ量子井戸活性層１０５の上下で、対称であっても、非対称であっても良い。
【０１３５】
上記第１〜第５実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ノンドープ量子井戸活性層１０５を量子井戸構造にしているので、酸化物半導体発光素子を、偏波選択性に優れると共に、大きな光学利得と特性温度を有する素子にできる。また、上記第１〜第５実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ノンドープ量子井戸活性層１０５側からクラッド層１０３,１０７側に近づくにつれて、光ガイド層のバンドギャップエネルギーを大きくしたので、光ガイド層の屈折率を、活性層側で高くクラッド層側で低くできて、ノンドープ量子井戸活性層１０５の光閉じ込めを大きくできる。したがって、酸化物半導体発光素子の発光特性を更に優れたものにできる。
【０１３６】
尚、上記第１〜第５実施形態の酸化物半導体発光素子では、量子井戸構造のノンドープ量子井戸活性層１０５を採用したが、活性層に量子井戸構造を採用しなくても良い。また、この発明では、ドープを用いた活性層を採用しても良い。
【０１３７】
また、上記第１〜第５実施形態の酸化物半導体発光素子では、第１導電型をｎ型にし、第２導電型をｐ型にしたが、第１導電型をｐ型にし、第２導電型をｎ型にしても良い。
【０１３８】
また、この発明の酸化物半導体発光素子の各層の組成比は、第１〜第５実施形態の酸化物半導体発光素子で具体的に記載された各層の組成比の数値に限定されるものではない。
【０１３９】
また、上記第１〜第５実施形態の酸化物半導体発光素子の内の少なくとも２つ以上の酸化物半導体発光素子を部分的に組み合わせて、この発明の酸化物半導体発光素子を製造しても良いことは勿論である。
【０１４０】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の酸化物半導体発光素子は、基板の上方に、少なくともＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層を、この順に積層している酸化物半導体発光素子であって、上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーが、上記活性層のバンドギャップエネルギーより大きく、かつ、上記第２導電型クラッド層のバンドギャップエネルギーより小さく、上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーが、上記活性層側から上記第２導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜しているので、光閉じ込め効果を大きくできて、発振閾値電流を低減できると共に、結晶欠陥を低減させることができる。また、低い電流で動作させることができて、信頼性も高くできる。
【０１４１】
また、この発明の酸化物半導体発光素子の製造方法は、基板の上方に、ＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層が、この順に積層されている酸化物半導体発光素子を製造する酸化物半導体発光素子の製造方法であって、Ｃｄの供給速度を一定にするか、または、変化させた上、上記第２導電型ガイド層および上記第１導電型ガイド層の少なくとも一方におけるＣｄを含んだＺｎＯ系半導体から成る少なくとも一部分を、成長温度を変化させて成長させることにより、上記基板に垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＣｄの割合を変えて、上記第２導電型ガイド層および上記第１導電型ガイド層の少なくとも一方のバンドギャップエネルギーを傾斜させる工程と、Ｍｇの供給速度を一定にするか、または、変化させて、上記第２導電型ガイド層および上記第１導電型ガイド層の少なくとも一方におけるＭｇを含んだＺｎＯ系半導体から成る少なくとも一部分を、成長温度を変化させて成長させることにより、上記基板に垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＭｇの割合を変えて、上記第２導電型ガイド層および上記第１導電型ガイド層の少なくとも一方のバンドギャップエネルギーを傾斜させる工程の内の少なくとも一方の工程を備えているので、製造工程が簡便で生産性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態の酸化物半導体発光素子の構造斜視図および活性層近傍のバンドプロファイルを示す図である。
【図２】 上記第１実施形態の酸化物半導体発光素子を製造するのに用いた分子線エピタキシー装置の平面図である。
【図３】 Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇの蒸気圧と温度の関係を示す図である。
【図４】 本発明の第２実施形態の酸化物半導体発光素子の活性層近傍のバンドプロファイルを示す図である。
【図５】 本発明の第３実施形態の酸化物半導体発光素子の構造斜視図および活性層近傍のバンドプロファイルを示す図である。
【図６】 上記第３実施形態の酸化物半導体発光素子を製造するのに用いたレーザ分子線エピタキシー装置の平面図である。
【図７】 本発明の第４実施形態の酸化物半導体発光素子の活性層近傍のバンドプロファイルを示す図である。
【図８】 本発明の第５実施形態の酸化物半導体発光素子の活性層近傍のバンドプロファイルを示す図である。
【符号の説明】
１０１ ＺｎＯ基板
１０２ ｎ型ＺｎＯバッファ層
１０３ ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
１０４,２０４,４０４,５０４ ｎ型光ガイド層
１０５ ノンドープ量子井戸活性層
１０６,４０６,５０６ ｐ型光ガイド層
１０７ ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
１０８ ｐ型ＺｎＯコンタクト層
１０９ ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層
１１０ ｎ型オーミック電極
１１１ ｐ型オーミック電極
１１２ ｎ型ＭｇＺｎＯキャリアオーバーフロー抑制層
１１３ ｐ型ＭｇＺｎＯキャリアオーバーフロー抑制層
２０１ 成長室
２０２ 基板ホルダー
２０３ 基板
２０４ ヒーター
２０５ 蒸発セル
２０６ ヒーター
２０７ シャッター
２０８ ラジカルセル
３０１ 成長室
３０２ 基板ホルダー
３０３ 基板
３０４ ヒーター
３０５ ターゲットテーブル
３０６ 原料ターゲット
３０７ ビューポート
３０８ パルスレーザ光(エキシマレーザ)
３０９ ラジカルセル
３１０ａ,３１０ｂ ガス導入管

Claims (11)

1. 基板の上に、少なくともＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層が、この順に積層され、
   上記第２導電型光ガイド層は、Ｃｄを含んだＺｎＯ系半導体からなる層およびＭｇを含んだＺｎＯ系半導体からなる層を含み、
   上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーは、上記活性層のバンドギャップエネルギー以上で、かつ、上記第２導電型クラッド層のバンドギャップエネルギー以下になっており、
   上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーは、上記活性層側から上記第２導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜していることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーは、上記活性層のバンドギャップエネルギー以上で、かつ、上記第１導電型クラッド層のバンドギャップエネルギー以下になっており、
   上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーは、上記活性層側から上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜していることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
3. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記積層構造は、組成の異なるＺｎＯ系半導体の超格子構造を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
4. 請求項１または２に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記第１導電型光ガイド層および上記第２導電型光ガイド層の少なくとも一方の傾斜しているバンドギャップエネルギーは、階段状に不連続に変化することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
5. 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、
   上記活性層側から上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーが大きくなるように傾斜していない場合には、
   上記第２導電型光ガイド層と、上記第２導電型クラッド層の間に、上記第２導電型光ガイド層および上記第２導電型クラッド層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２導電型キャリアオーバフロー抑制層を形成し、
   上記活性層側から上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギー大きくなるように傾斜している場合には、
   上記第２導電型光ガイド層と、上記第２導電型クラッド層の間に、上記第２導電型光ガイド層および上記第２導電型クラッド層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２導電型キャリアオーバフロー抑制層と
   上記第１導電型光ガイド層と、上記第１導電型クラッド層との間に、上記第１導電型光ガイド層および上記第１導電型クラッド層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第１導電型キャリアオーバフロー抑制層の内の少なくとも一方を形成したことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
6. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記活性層は、量子井戸構造になっていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
7. 基板の上に、少なくともＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層が、この順に積層されている酸化物半導体発光素子を製造する酸化物半導体発光素子の製造方法であって、
   上記第２導電型光ガイド層および上記第１導電型光ガイド層の少なくとも一方における少なくとも一部分のＣｄを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、ＣｄとＺｎの供給速度を一定にし、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＣｄの割合を変えて、上記第２導電型光ガイド層および上記第１導電型光ガイド層のうちの少なくとも一方の光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、その少なくとも一方の光ガイド層と同じ導電型のクラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程と、
   上記第２導電型光ガイド層および上記第１導電型光ガイド層の少なくとも一方における少なくとも一部分のＭｇを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、ＺｎとＭｇの供給速度を一定にし、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＭｇの割合を変えて、上記第２導電型光ガイド層および上記第１導電型光ガイド層のうちの少なくとも一方の光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、その少なくとも一方の光ガイド層と同じ導電型のクラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程
   の内の少なくとも一方の工程を備えることを特徴とする酸化物半導体発光素子の製造方法。
8. 基板の上に、少なくともＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層が、この順に積層されている酸化物半導体発光素子を製造する酸化物半導体発光素子の製造方法であって、
   上記第２導電型光ガイド層における少なくとも一部分のＣｄを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、Ｃｄの供給速度を減少させ、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＣｄの割合を変えて、上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、上記第２導電側クラッド層に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程と、上記第１導電型光ガイド層における少なくとも一部分のＣｄを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、Ｃｄの供給速度を増加させ、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＣｄの割合を変えて、上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程とのうちの少なくとも一方を含む工程と、
   上記第２導電型光ガイド層における少なくとも一部分のＭｇを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、Ｍｇの供給速度を増加させ、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＭｇの割合を変えて、上記第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、上記第２導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程と、上記第１導電型光ガイド層における少なくとも一部分のＭｇを含んだＺｎＯ系半導体から成る層を、Ｍｇの供給速度を減少させ、かつ、成長温度を変化させる条件で成長させることにより、上記基板に略垂直な方向で、上記少なくとも一部分のＺｎに対するＭｇの割合を変えて、上記第１導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギーを、上記第１導電型クラッド層側に近づくにつれて大きくなるように傾斜させる工程とのうちの少なくとも一方を含む工程と
   のうちの少なくとも一方の工程を備えることを特徴とする酸化物半導体発光素子の製造方法。
9. 請求項７または８に記載の酸化物半導体発光素子の製造方法において、
   上記Ｃｄを含んだＺｎＯ系半導体から成る層および上記Ｍｇを含んだＺｎＯ系半導体から成る層の少なくとも一方を成長させるときの成長温度を、連続的に変化させることを特徴とする酸化物半導体発光素子の製造方法。
10. 請求項７または８に記載の酸化物半導体発光素子の製造方法において、
    上記Ｃｄを含んだＺｎＯ系半導体から成る層および上記Ｍｇを含んだＺｎＯ系半導体から成る層の少なくとも一方を成長させるときの成長温度を、段階的に変化させることを特徴とする酸化物半導体発光素子の製造方法。
11. 請求項８に記載の酸化物半導体発光素子の製造方法において、
    上記ＣｄとＭｇの少なくとも一方の供給速度を、段階的に変化させることを特徴とする酸化物半導体発光素子の製造方法。

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