JP4324387B2 - 酸化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードチップや半導体レーザチップなどの酸化物半導体発光素子に関するものである。特に、半導体結晶中の格子歪を低減し、発光素子の発光特性と信頼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】
本発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−４４４９９号公報
【特許文献２】
特開２００１−４４５００号公報
【特許文献３】
特許第２７９１４４８号公報
【特許文献４】
国際公開第００／１６４１１号パンフレット
【０００４】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価であり、環境や人体に無害、かつ成膜手法が簡便であるなどの特徴を有する。また、酸化亜鉛は、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる。
【０００５】
なお、以下において、酸化亜鉛（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。
【０００６】
ＺｎＯ系半導体は、ＩＩＩ族窒化物半導体と同様のウルツ鉱型の結晶構造を有する。また、ＺｎＯ系半導体に関して、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた発光素子と同様にサファイア基板やＳｉ基板上に半導体層（エピタキシャル層）を積層して発光素子を製造する研究が行なわれている。
【０００７】
例えば、前記特許文献１には、Ｓｉ基板上にシリコンチッ化膜を形成し、その上にＺｎＯ系半導体薄膜を結晶成長する技術が開示されている。また、前記特許文献２には、サファイア基板のＡ面（１１−２０）を主面として用い、その上にＺｎＯ系半導体層を結晶成長する技術が開示されている。
【０００８】
これら基板に用いられるＳｉやサファイアは、コストが低く、極めて高品質な基板結晶を得ることができるが、結晶成長されるＺｎＯ系半導体とは格子定数および熱膨張係数の差が極めて大きい。このため、基板との間に格子不整合が生じ、半導体層（エピタキシャル結晶）中に多くの結晶欠陥が発生するという欠点があった。
【０００９】
そこで、このような基板との格子不整合による欠陥を低減するために、基板と半導体層の間にバッファ層を介在させて、良質な半導体層を得る技術が一般的に用いられている。
【００１０】
異種基板を主としたＩＩＩ族窒化物半導体の結晶成長においては、低温で結晶成長させたＧａＮやＡｌＧａＮ混晶をバッファ層に用いる技術が開示されている（例えば、特許文献３を参照）。また、ＺｎＯ系半導体の結晶成長においても、例えば、特許文献４において、ＭｇＺｎＯやＡｌ_２Ｏ_３、または低温で結晶成長させたＺｎＯなどをバッファ層に用いる技術が開示されている。更に、基板の熱膨張係数とＺｎＯ系半導体の熱膨張係数との中間の値の熱膨張係数を有する材料、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＳｉＣなどをバッファ層に用いることで、クラックなどの結晶欠陥を大幅に低減できることが示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ＺｎＯ系半導体は、ＩＩＩ族窒化物半導体（ＧａＮ系半導体）と同じく圧電効果を有し、格子歪によって応力が印加されると結晶内にピエゾ分極による電界が生じる。この意図しない電界は、結晶内の電子や光子の挙動に大きな影響を与える。したがって、良好な電気・光学特性を得るためには、ＺｎＯ系半導体層に内在する格子歪を極力低減させることが必要である。
【００１２】
また、ＧａＮ系半導体とＺｎＯ系半導体は、結晶成長条件が異なる。良質な結晶を得るために必要な基板温度は、ＧａＮ系半導体では１０００℃以上もの高温を必要とするのに対して、ＺｎＯ系半導体では５００〜６００℃である。特に、蒸気圧の低いＡｌＧａＮをバッファ層に用いると、両者の成長温度の隔差は大きくなり、たとえ熱膨張係数差が小さくとも、結晶成長後の冷却過程で導入される格子歪が増大する。
【００１３】
また、ＺｎＯの面内格子定数は、３．２５Åであり、ＧａＮの面内格子定数（３．１９Å）に比べて大きく、面内格子定数が３．１１ÅのＡｌＮとの混晶からなるバッファ層を用いた場合、更に面内格子定数の隔差が大きくなる。これにより、ＺｎＯ系半導体層内の格子歪は増大する。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、前記従来の問題に鑑み、基板上にエピタキシャル成長されるＺｎＯ系半導体層の格子歪を低減し、高い信頼性と発光効率を有する酸化物半導体発光素子を提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、異種基板上にＺｎＯ系半導体層を成長する際のバッファ層材料および構造について鋭意検討した結果、格子歪を吸収あるいは緩和させるために、ＩｎＧａＮを含む超格子構造または組成傾斜構造を有するバッファ層を設けることにより、前記目的を達成するものである。
【００１６】
本発明に係る酸化物半導体発光素子は、前記課題を解決するための手段として、
基板上に、超格子構造を有するバッファ層が形成され、前記バッファ層はＧａＮ層とＩｎ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）層を交互に積層し、またはＩｎ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）層とＡｌ _ｙ Ｇａ _１−ｙ Ｎ（０＜ｙ＜１）を交互に積層してなり、前記バッファ層上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層からなるＺｎＯ系半導体層が形成されたものである。
【００１７】
前記発明によれば、ＺｎＯの面内格子定数は、３．２５Åであり、ＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮの面内格子定数（３．１９Å）とＩＩＩ族窒化物半導体であるＩｎＮの面内格子定数（３．５５Å）の間の値を有するので、ＩｎＧａＮをバッファ層に用いることにより、ＺｎＯとの格子不整合が最も小さくなる。また、超格子構造を有するバッファ層を設けることにより、基板とＺｎＯ系半導体層の熱膨張係数差に起因する応力を吸収して、格子歪や結晶欠陥の極めて少ないＺｎＯ系半導体層を成長させることができる。これらのことにより、発光特性と信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を実現できる。
【００１８】
前記超格子構造が、ＧａＮ層、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層およびＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層の組み合わせからなることにより、ＩｎＧａＮのみで構成した場合に比べ格子定数を広い範囲で制御できるため、応力の緩和効果が大きく、格子歪および結晶欠陥をより低減することができる。
【００１９】
前記超格子構造の１層当りの層厚は、０．５〜１０ｎｍであることが好ましい。超格子構造を構成する１層当りの層厚が、前記所定の範囲（０．５〜１０ｎｍ）にあれば弾性臨界膜厚以下となるので、バッファ層およびその上に成長されるＺｎＯ系半導体層の結晶性が良好となる。
【００２０】
本発明に係る酸化物半導体発光素子は、前記課題を解決するための他の手段として、
基板上にバッファ層が形成され、前記バッファ層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層およびＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層を交互に積層してなり、前記Ｉｎ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ｎ層はＩｎ組成比ｘが成長方向に向かって連続的に増加する組成傾斜構造を有し、前記Ａｌ _ｙ Ｇａ _１−ｙ Ｎ層はＡｌ組成比ｙが成長方向に向かって連続的に増加する組成傾斜構造を有し、前記バッファ層上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層からなるＺｎＯ系半導体層が形成されたものである。
【００２１】
前記発明によれば、ＺｎＯの面内格子定数は、３．２５Åであり、ＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮの面内格子定数（３．１９Å）とＩＩＩ族窒化物半導体であるＩｎＮの面内格子定数（３．５５Å）の間の値を有するので、ＩｎＧａＮをバッファ層に用いることにより、ＺｎＯとの格子不整合が最も小さくなる。また、組成傾斜構造を有するバッファ層を設けることにより、基板およびＺｎＯ系半導体層との間のいずれの格子不整合も緩和できる。これらのことにより、発光特性と信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を実現できる。
【００２２】
また、前記バッファ層を構成するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮのＩｎ組成比は、前記ＺｎＯ系半導体層との界面において、０．１≦ｘ≦０．２であることが好ましい。このように、バッファ層終端組成を前記所定の範囲（０．１≦ｘ≦０．２）とすることにより、バッファ層がＺｎＯ系半導体層にほぼ完全に格子整合するので、極めて高い結晶性のＺｎＯ系半導体層が得られる。
【００２３】
前記バッファ層の成長主面が、（０００１）Ｇａ面であり、前記バッファ層上に形成された前記ＺｎＯ系半導体の成長主面が（０００１）Ｚｎ面であることが好ましい。バッファ層成長主面を（０００１）Ｇａ面にすることにより、ＺｎＯ系半導体の成長面方位をＺｎ面に制御できる。Ｚｎ面が成長主面であるＺｎＯ系半導体は、特に、アクセプタドーピング特性に優れ、電気特性に優れたＺｎＯ系半導体層を得ることができる。
【００２４】
また、前記基板が、サファイア基板であることにより、安価かつ透光性を有する点で好ましい。
【００２５】
また、前記基板は、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓから選択された材料からなる導電性基板であることにより、結晶性に優れたＺｎＯ系半導体層が得られるとともに、基板裏面から電極を取り出すことができるので、素子抵抗を低減することができる点で好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る酸化物半導体発光素子１の断面図である。この酸化物半導体発光素子１は、サファイアＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板２上に、ノンドープで厚さ４０ｎｍのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ／ＧａＮ超格子バッファ層３、Ｇａが３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープされた厚さ０．１μｍのｎ型ＺｎＯコンタクト層４、Ｇａを１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５、ノンドープ量子井戸発光層６（活性層）、Ｎを５×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ１μｍのｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層７、Ｎを１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ０．３μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層８が積層されている。
【００２８】
前記Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ／ＧａＮ超格子バッファ層３は、超格子構造を有しており、厚さ２ｎｍのＧａＮ層と厚さ２ｎｍのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層を交互に１０層ずつ積層して構成されている。また、前記量子井戸発光層６は、８層の厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、７層の厚さ４ｎｍのＣｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ井戸層とからなり、互いに交互に積層されている。前記超格子バッファ層３は、ＧａＮ層、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層およびＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層の３種類の層を交互に積層して構成したものであってもよい。
【００２９】
前記ｐ型ＺｎＯコンタクト層８上には、厚さ１５ｎｍのＮｉを積層した透光性を有するｐ型オーミック電極９が積層され、その上には厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極１０が積層されている。このＡｕパッド電極１０の垂直方向から見た面積は、前記ｐ型オーミック電極９の面積より小さい。
【００３０】
また、前記ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５からｐ型ＺｎＯコンタクト層８までの半導体層（エピタキシャル層）の一部がエッチングされており、露出した前記ｎ型ＺｎＯコンタクト層４の表面には、厚さ１００ｎｍのＡｌを積層したｎ型オーミック電極１１が積層されている。
【００３１】
本実施形態の酸化物半導体発光素子１は、図示しないレーザ分子線エピタキシー（以下レーザＭＢＥと称する）装置で製造した。また、レーザＭＢＥ法に限らず、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの結晶成長手法で製造してもよい。
【００３２】
そして、前記製造された酸化物半導体発光素子１をチップ状に分割する。この酸化物半導体発光素子１のＡｕパッド電極１０およびｎ型オーミック電極１１をリードフレームにワイヤボンディングした後、酸化物半導体発光素子１を樹脂でモールドし、発光させたところ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。
【００３３】
（比較例１）
前記第１実施形態と異なりＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ／ＧａＮ超格子バッファ層３を形成せずに、サファイア基板２上にＺｎＯ系半導体層（ｎ型ＺｎＯコンタクト層４、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５、量子井戸発光層６、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層７、およびｐ型ＺｎＯコンタクト層８）をエピタキシャル成長して酸化物半導体発光素子を製造した。この酸化物半導体発光素子を樹脂でモールドし、２０ｍＡの動作電流で発光させたところ、発光強度が前記第１実施形態に比べて７０％低下した。また、素子寿命（動作電流２０ｍＡで連続駆動し、発光強度が初期発光強度より５０％に減少した時間で定義する）は、第１実施形態に比べて１／３になった。
【００３４】
（比較例２）
また、前記超格子構造を有するバッファ層３をＡｌＧａＮ単一層で構成したところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は、第１実施形態に比べて４０％減少し、素子寿命は３０％短かくなった。
【００３５】
（比較例３）
また、バッファ層３をＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ単一層で構成したところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は、第１実施形態に比べて１０％減少し、素子寿命は１０％短かくなった。
【００３６】
以上に示したように、格子定数の異なる異種基板２上にＺｎＯ系半導体層４〜８を結晶成長するとき、ＩＩＩ族窒化物半導体より成るバッファ層３を形成することにより、発振閾値電流が低く信頼性に優れた酸化物半導体発光素子１を得ることができる。特に、成長温度が低く、ＺｎＯとの格子定数差が小さく、かつ弾性定数が小さいＩｎＧａＮを含むバッファ層３を用いることにより、格子歪を低減でき、素子特性は格段に向上することがわかった。更に、バッファ層３を超格子構造とすることにより、基板２およびＺｎＯ系半導体層４〜８との間の格子不整合に起因する応力を緩和することができる。このとき、超格子バッファ層３を構成する１層当りの層厚は、０．５〜１０ｎｍの範囲内であればよい。このように超格子バッファ層３の層厚を前記所定の範囲（０．５〜１０ｎｍ）にすると、弾性臨界膜厚以下となるので、バッファ層３およびその上に成長されるＺｎＯ系半導体層４〜８の結晶性が良好となる。
【００３７】
図２に、超格子バッファ層３のＩｎ組成比ｘと酸化物半導体発光素子１の発光強度（動作電流２０ｍＡ）の関係を示す。発光強度は、Ｉｎ組成比ｘが、０．１〜０．２の間で強く、特に、０．１５〜０．１８の間で強い。これは、０．１５〜０．１８の範囲内のＩｎ組成比ｘでは、超格子バッファ層３の面内格子定数がＺｎＯの面内格子定数に最も近くなるため、非発光再結合やピエゾ電界による発光効率低下が起りにくいためであると考えられる。したがって、バッファ層３のＩｎ組成比ｘは、ＺｎＯ系半導体層との界面において０．１〜０．２であることが好ましく、０．１５〜０．１８であれば更に好ましい。
【００３８】
また、本実施形態においては、サファイア基板２の成長主面としてサファイアＣ面（０００１）を用いたが、成長主面の面方位はＡ面（１１−２０）を用いてもよい。また、サファイア基板２は、絶縁性基板の中では安価かつ高品質であるので、低コストで酸化物半導体発光素子１を製造できるので好ましい。また、他に、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４やＬｉＧａＯ_２、ＮａＡｌＯ_２などの絶縁性基板を用いてもよい。一方、導電性基板では、６Ｈ−ＳｉＣ基板がＺｎＯ系半導体と同じウルツ鉱型結晶であり、熱膨張係数もＺｎＯ系半導体に近いため好ましい。その他、ＳｉやＧａＡｓ基板を用いてもよい。また、基板２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２裏面に凹凸を形成して光取り出し効率を向上させてもよい。
【００３９】
以下、本実施形態の変形例について記す。
【００４０】
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は、Ｉ族元素のＬｉ，Ｃｕ，ＡｇやＶ族元素のＮ，Ａｓ，Ｐなどを用いることが好ましく、本発明の効果を最大限に得るためには、活性化率が高いＮとＬｉおよびＡｇが特に好ましい。さらに、Ｎをドーピングする場合、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、結晶性を良好に保って高濃度ドーピングが行えるのでより好ましい。
【００４１】
また、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は、ＩＩＩ族元素のＢ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎなどを用いることが好ましく、特に、ＺｎＯ系半導体中での活性化率が高いＧａまたはＡｌが好ましい。
【００４２】
また、キャリアの注入効率を向上させるには、本実施形態に示したようにｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層７上にｐ型ＺｎＯコンタクト層８を設け、ｐ型ＺｎＯコンタクト層８を介してｐ型オーミック電極９を形成して低抵抗化することが好ましい。ｐ型ＺｎＯコンタクト層８の材料には、結晶性に優れキャリア濃度を高くできるＺｎＯを用いることが好ましい。ｐ型ＺｎＯコンタクト層８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り、発光効率が低下するので、５×１０^１６〜５×１０^１９ｃｍ^−３のキャリア濃度範囲となるようにドーピング濃度を調整することが好ましい。
【００４３】
ｎ型ＺｎＯコンタクト層４の材料には、ｐ型ＺｎＯコンタクト層８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、より好ましくは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、ｎ型ＺｎＯコンタクト層４の膜厚は、０．００１〜１μｍ、好ましくは０．００５〜０．５μｍ、より好ましくは０．０１〜０．１μｍの範囲内に調整されることが好ましい。
【００４４】
ｐ型オーミック電極９には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどが適しており、中でも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。また、前記複数の金属材料Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕを合金化してｐ型オーミック電極９を形成してもよい。
【００４５】
また、ｐ型オーミック電極９を形成した後にアニール処理を行うと、ｐ型電極の密着性が向上するととも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、アニール処理時の処理温度は３００〜４００℃が好ましい。また、アニール処理における雰囲気は、Ｏ_２あるいは大気雰囲気が好ましく、Ｎ_２では逆に接触抵抗が増大する。
【００４６】
リードフレームへのワイヤボンディングを簡便に行うためには、ｐ型オーミック電極９上にワイヤボンディング用のパッド電極１０を設けることが有効である。パッド電極１０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。ｐ型オーミック電極９とＡｕパッド電極１０との間に密着性を向上させる目的で他の金属層を設けてもよい。
【００４７】
また、ｎ型オーミック電極１１には、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌなどを用いることが好ましい。特に、Ａｌは、低抵抗かつ低コストであり好ましく、また、Ｔｉは、密着性が優れているので好ましい。あるいは、前記金属材料Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌを合金化してｎ型オーミック電極１１を形成してもよい。その他の構成は任意であり、本実施形態によって限定されるものではない。
【００４８】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る酸化物半導体発光素子１ａの断面図である。この酸化物半導体発光素子１ａは、前記超格子構造を有するバッファ層３の代りに、各々厚さ２０ｎｍのＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１２ａとＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１２ｂからなるバッファ層１２が設けられている。このＡｌＧａＮ層１２ａは、基板２との界面からＩｎＧａＮ層１２ｂとの界面まで、Ａｌ組成比ｙが０．３〜０へと連続的に減少している。一方、ＩｎＧａＮ層１２ｂは、ＡｌＧａＮ層１２ａとの界面からｎ型ＺｎＯコンタクト層４との界面まで、Ｉｎ組成比ｘが０〜０．１７へと連続的に増加している。このバッファ層１２は、サファイア基板２との界面からｎ型ＺｎＯコンタクト層４との界面に至る間、面内格子定数が３．１６〜３．２５Åへと傾斜的に変化する（成長方向における組成傾斜構造を有する）。なお、前記第１実施形態と同一かつ同様の作用を有する部分には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４９】
前記酸化物半導体発光素子１ａをチップ状に分割し、Ａｕパッド電極１０およびｎ型オーミック電極１１をリードフレームにワイヤボンディングした後、酸化物半導体発光素子１ａを樹脂でモールドし、発光させたところ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。また、発光強度は、第１実施形態とほぼ同じであったが、素子寿命は第１実施形態に比べ３０％長寿命化した。
【００５０】
このように、バッファ層１２の組成を傾斜させて面内格子定数を連続かつ傾斜的に変化させると、格子歪を低減し、結晶成長条件の変化を緩和することができる。また、単一組成のバッファ層に比べ酸化物半導体発光素子の特性を更に向上させることができる。
【００５１】
（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態に係る酸化物半導体発光素子１ｂの断面図である。この酸化物半導体発光素子１ｂは、前記第１実施形態と異なり、サファイア基板２の代りに６Ｈ−ＳｉＣ基板１３を用いている。そして、この６Ｈ−ＳｉＣ基板１３の（０００１）面上に、Ｇａが３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープされたｎ型層であるＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ／ＧａＮ超格子バッファ層３ａを形成し、さらにその上にＺｎＯ系半導体層（ｎ型ＺｎＯコンタクト層４、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５、量子井戸発光層６、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層７、およびｐ型ＺｎＯコンタクト層８）をエピタキシャル成長させたものである。また、６Ｈ−ＳｉＣ基板１３の裏面には、ｎ型オーミック電極１１が形成されている。なお、前記第１実施形態と同一かつ同様の作用を有する部分には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５２】
前記酸化物半導体発光素子１ｂをチップ状に分割し、ｎ型オーミック電極１１を銀ペーストを用いてリードフレームに取り付け固定し、Ａｕパッド電極１０をリードフレームにワイヤボンディングした後、酸化物半導体発光素子１ｂを樹脂でモールドし、発光させたところ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。また、２０ｍＡの動作電流における発光強度は、第１実施形態に比べて２０％増加し、素子寿命は１．２倍に長くなった。また、２０ｍＡの動作電流における動作電圧は、第１実施形態に比べて０．２Ｖ低減した。
【００５３】
これは、６Ｈ−ＳｉＣ基板１３の面内格子定数が３．０９Åであり、ＺｎＯ系半導体と同じくウルツ鉱型の結晶構造を有する高品質な基板材料であるためである。また、６Ｈ−ＳｉＣ基板１３のバンドギャップエネルギーが約３ｅＶで、酸化物半導体発光素子１ｂの発光を吸収せず、加えて導電性を有するため基板１３裏面にｎ型オーミック電極１１を形成できるという利点がある。また、導電性の異種基板１３を用いた場合であっても、本発明のバッファ層３ａは動作電流の低減と信頼性向上に高い効果を有する。
【００５４】
（第４実施形態）
図５は、本発明の第４実施形態に係る半導体レーザ素子１ｃの断面図である。この半導体レーザ素子１ｃは、（０００１）Ｇａ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板１４上に、Ｇａが１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドープされた厚さ４０ｎｍのＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮ超格子バッファ層３ｂ、Ｇａを３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５ａ、Ｇａを５×１０^１７ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層１４、ノンドープ量子井戸発光層６（活性層）、Ｎを５×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層１５、Ｎを５×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ１．２μｍのｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層７ａ、Ｎを１×１０^２０ｃｍ^−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８ａが積層されている。
【００５５】
前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮ超格子バッファ層３ｂは、超格子構造を有しており、厚さ２ｎｍのＧａＮ層と厚さ２ｎｍのＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層を交互に１０層ずつ積層して構成されている。また、各Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層のＩｎ組成比ｘは、０〜０．１５へと連続的に増加しており、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層５ａとの界面で格子整合するようになっている。
【００５６】
前記量子井戸発光層６は、２層の厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、３層の厚さ６ｎｍのＣｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ井戸層とからなり、互いに交互に積層されている。前記ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層７ａおよびｐ型ＺｎＯコンタクト層８ａの一部は、リッジストライプ状にエッチング加工され、その両側にはＧａを３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングしたｎ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ電流ブロック層１６が埋め込まれている。
【００５７】
ｎ型ＧａＮ基板１４の裏面には、ｎ型オーミック電極１１が形成されている。ｐ型ＺｎＯコンタクト層８ａおよびｎ型Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ電流ブロック層１６上には、ｐ型オーミック電極９が形成されている。
【００５８】
また、本実施形態の半導体レーザ素子１ｃには、リッジストライプに対して垂直なミラー端面に図示しない保護膜が真空蒸着されている。そして、３００μｍ角のチップ状に分割した前記半導体レーザ素子１ｃに電流を流したところ、端面から発光ピーク波長４０５ｎｍの青色発振光が得られた。また、発振閾値電流は３５ｍＡであり、光出力５ｍＷでの動作電圧は４Ｖであり、素子寿命（６０℃かつ光出力５ｍＷで連続発振させ、動作電流が初期値より２０％増大した時間で定義する）は５，０００時間であった。
【００５９】
（比較例４）
一方、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮ超格子バッファ層３ｂを形成しなかった場合、発振閾値電流は５０ｍＡに増大し、素子寿命は約８００時間であった。
【００６０】
（比較例５）
また、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮ超格子バッファ層３ｂを構成する各Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層のＩｎ組成比ｘを、第１実施形態と同様に全てＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎとした場合、発振閾値電流は４０ｍＡに増大し、素子寿命は約４，０００時間であった。
【００６１】
（比較例６）
また、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮ超格子バッファ層３ｂを構成する各Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層のＩｎ組成比ｘを、第２実施形態と同様に連続的に増加させた場合、発振閾値電流は４０ｍＡに増大し、素子寿命は約４，０００時間であった。
【００６２】
（比較例７）
また、ｎ型ＧａＮ基板１４の（０００１）Ｇａ面を成長主面とする代りに、（０００１）窒素面とした場合、発振閾値電流は本実施形態例と同じであったが、動作電圧が０．５Ｖ増大し、素子寿命は約４，５００時間であった。
【００６３】
以上より、本発明に係るバッファ層を半導体レーザ素子に適用しても発振閾値電流の低減および信頼性の向上が図れ、特に、超格子構造と組成傾斜構造を組み合わせた場合に最も効果が高いことがわかる。また、ｎ型ＧａＮ基板１４の成長主面は、（０００１）Ｇａ面の方が（０００１）窒素面に比べて動作電圧が低減する。この理由は、成長主面が金属面の方がアクセプタ不純物の活性化が促進されるためと推察される。この場合、その上に成長するＩｎＧａＮバッファ層３ｂも同様の面方位となり、ＺｎＯ系半導体層も金属（Ｚｎ）面が成長主面となる。よって、バッファ層３ｂの成長主面は、（０００１）Ｇａ面であることが好ましく、その上に形成されるＺｎＯ系半導体の成長主面は（０００１）Ｚｎ面であることが好ましい。
【００６４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る酸化物半導体発光素子は、基板上に、２種類以上の層を交互に積層してなる超格子構造を有するバッファ層が形成され、バッファ層はＧａＮ層、Ｉｎ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）層およびＡｌ _ｙ Ｇａ _１−ｙ Ｎ（０＜ｙ＜１）層の組み合わせからなり、バッファ層上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層からなるＺｎＯ系半導体層が形成されているので、ＺｎＯ系半導体層内の格子歪を低減できるとともに、ＺｎＯ系半導体層との格子不整合が最も小さくなる。また、超格子構造を有するバッファ層を設けることにより、基板とＺｎＯ系半導体層の熱膨張係数差に起因する応力を吸収して、格子歪や結晶欠陥の極めて少ないＺｎＯ系半導体層を成長させることができる。これらのことにより、発光特性と信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を実現できる。
【００６５】
また、本発明に係る酸化物半導体発光素子は、基板上に、２種類以上の層が成長方向における組成傾斜構造を有するバッファ層が形成され、バッファ層はＧａＮ層、Ｉｎ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）層およびＡｌ _ｙ Ｇａ _１−ｙ Ｎ（０＜ｙ＜１）層の組み合わせからなり、バッファ層上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層からなるＺｎＯ系半導体層が形成されているので、基板およびＺｎＯ系半導体層との間のいずれの格子歪も低減できる。また、組成傾斜構造を有するバッファ層を設けることにより、基板およびＺｎＯ系半導体層との間のいずれの格子不整合も緩和できる。これらのことにより、発光特性と信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る酸化物半導体発光素子の断面図である。
【図２】 超格子バッファ層のＩｎ組成比ｘと酸化物半導体発光素子の発光強度（動作電流２０ｍＡ）の関係を示す図である。
【図３】 本発明の第２実施形態に係る酸化物半導体発光素子の断面図である。
【図４】 本発明の第３実施形態に係る酸化物半導体発光素子の断面図である。
【図５】 本発明の第４実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
１…酸化物半導体発光素子
２…サファイア基板
３…Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ／ＧａＮ超格子バッファ層
４…ｎ型ＺｎＯコンタクト層
５…ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層
６…ノンドープ量子井戸発光層（活性層）
７…ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層
８…ｐ型ＺｎＯコンタクト層
９…ｐ型オーミック電極
１０…Ａｕパッド電極
１１…ｎ型オーミック電極

Claims (7)

1. 基板上に、超格子構造を有するバッファ層が形成され、前記バッファ層はＧａＮ層とＩｎ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）層を交互に積層し、またはＩｎ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）層とＡｌ _ｙ Ｇａ _１−ｙ Ｎ（０＜ｙ＜１）を交互に積層してなり、前記バッファ層上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層からなるＺｎＯ系半導体層が形成された酸化物半導体発光素子。
2. 前記超格子構造の１層当りの層厚は、０．５〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の酸化物半導体発光素子。
3. 基板上にバッファ層が形成され、前記バッファ層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層およびＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層を交互に積層してなり、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層はＩｎ組成比ｘが成長方向に向かって連続的に増加する組成傾斜構造を有し、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層はＡｌ組成比ｙが成長方向に向かって連続的に増加する組成傾斜構造を有し、前記バッファ層上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層からなるＺｎＯ系半導体層が形成された酸化物半導体発光素子。
4. 前記バッファ層を構成するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層のＩｎ組成比は、前記ＺｎＯ系半導体層との界面において、０．１≦ｘ≦０．２であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の酸化物半導体発光素子。
5. 前記バッファ層の成長主面が、（０００１）Ｇａ面であり、前記バッファ層上に形成された前記ＺｎＯ系半導体の成長主面が（０００１）Ｚｎ面であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の酸化物半導体発光素子。
6. 前記基板が、サファイア基板であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の酸化物半導体発光素子。
7. 前記基板は、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓから選択された材料からなる導電性基板であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の酸化物半導体発光素子。

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