(57)【要約】【課題】ＺｎＯにおいては、ｐ型不純物とｎ型不純物を取り込みやすい結晶極性面は異なるため、単一極性面を用いると一方の電気伝導性の制御が困難になる。そこで両結晶極性面を同時に利用したＺｎＯ発光デバイスを提供することを課題とする。【解決手段】Ｚｎ極性面のｐ型ＺｎＯ層、Ｚｎ極性面のＺｎＯ活性層、Ｚｎ極性面のｎ型ＺｎＯ層及びＯ極性面のｎ型ＺｎＯ層を含むＺｎＯ発光デバイス。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎ極性面のｐ型ＺｎＯ層、Ｚｎ極性面のＺｎＯ活性層、Ｚｎ極性面のｎ型ＺｎＯ層及びＯ極性面のｎ型ＺｎＯ層を含むＺｎＯ発光デバイス。
【請求項２】
上記ＺｎＯ層はＭｇあるいはＣｄを含んだＺｎＯを主体とする化合物であることを特徴とする請求項１に記載のＺｎＯ発光デバイス。
【請求項３】
上記ＺｎＯ層はＳあるいはＳｅを含んだＺｎＯを主体とする化合物であることを特徴とする請求項１に記載のＺｎＯ発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＺｎＯ発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉやＧａＡｓ等に代表される従来の半導体に比べて、禁制帯幅の広いワイドギャップ半導体は高出力デバイスや短波長の光電子デバイスの材料として有用である。
【０００３】
ＺｎＯはその中でも、バンドギャップが３．４ｅＶの直接遷移型半導体であるために、発光・受光の光電子デバイスとして、特に紫外領域で動作するデバイス材料として期待されている。また、同様なバンドギャップの直接遷移型半導体であるＧａＮの励起子結合エネルギーは２４ｍｅＶであるのに対し、ＺｎＯは６０ｍｅＶと非常に大きいため、励起子の遷移過程を利用した高効率な発光デバイスとして期待されている。
【０００４】
小型で高効率という特徴を持つ半導体デバイスを利用した、紫外領域の発光素子は現在研究・開発段階であるが、高効率な発光デバイスが実用化されれば高密度光記録、環境汚染物質の分解、さらには蛍光灯に代わる白色用の光源として波及効果は非常に大きい。
【０００５】
ところが、多くの利点を有するＺｎＯにおいても、多くのワイドギャップ半導体と同様に電気伝導性の制御が非常に困難であり、特に一方の電気伝導性の制御が困難である単極性という性質を有する。ＺｎＯの場合にはｐ型の伝導性制御が非常に困難であり、そこでＺｎＯの結晶極性の制御（特許文献１）や、成長温度を急峻に制御する（非特許文献１）等の様々な手法により、この課題の克服が行われている。
【０００６】
結晶の極性を有する半導体において、極性面（閃亜鉛鉱構造の場合（１１１）面、ウルツ鉱構造の場合（０００１）面）を利用する場合、不純物の取り込み等ドーピング特性が結晶面の裏表で大きく異なることが知られている。ＺｎＯでは主としてｎ型のドーパントとしてIII族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）でII族のＺｎを置換し、ｐ型ドーパントは主としてＶ族元素（Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ）でVI族のＯを置換することによってそれぞれ機能させる。ＺｎＯにおいてはｎ型とｐ型のドーパントの置換位置がそれぞれＺｎ、Ｏと異なるため結晶面の表裏（（０００１）面におけるＺｎ極性面とＯ極性面）によりドーピング特性が大きく異なる。
【０００７】
図１にＺｎＯにおけるＺｎ極性面、Ｏ極性面の模式図を示す。Ｚｎ極性ＺｎＯを成長面とする場合Ｏを置換するＶ族元素が結晶中に取り込まれやすく、III族元素は取り込まれにくい。一方Ｏ極性ＺｎＯにおいてはそれとは反対にＺｎを置換するIII族元素が取り込まれやすく、Ｖ族元素は取り込まれにくい。そのため、作製が困難なｐ型ＺｎＯにＺｎ極性を用いる場合、ｎ型のＺｎＯ電気伝導性の制御が困難になる。
【０００８】
また、最近ＧａＮ層（特許文献２、非特許文献２）や、ＭｇＯ層（特許文献３、特許文献４、非特許文献３）を利用することにより基板上に、Ｚｎ極性面、またはＯ極性面のＺｎＯ層の作りわけについて報告されており、どちらか一方の極性面の利用のみが想定されている。しかしながら、ＺｎＯベースの光デバイスにおいては、ｎ型ＺｎＯ層、ｐ型ＺｎＯ層の両層が必要であり、一方の結晶極性のＺｎＯ層のみを用いると段落０００６、０００７で述べたとおり、ｎ層若しくはｐ層ＺｎＯ層の電気伝導性の制御が困難となる。
【特許文献１】特開２００４−３０４１６６号公報
【特許文献２】特開２００４−２８４８３１号公報
【特許文献３】特開２００４−２８４９４２号公報
【特許文献４】特開２００２−２７０５２５号公報
【非特許文献１】ＮＡＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ Ｖｏｌｕｍｅ４, Ｊａｎｕａｒｙ ２００５ ｐ.４２〜４６
【非特許文献２】ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌｕｍｅ７７，Ｎｕｍｂｅｒ２２，２７ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０００ ｐ.３５７１〜３５７３
【非特許文献３】ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌｕｍｅ８４，Ｎｕｍｂｅｒ２２，３１ Ｍａｙ ２００４ ｐ.４５６２〜４５６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の従来の問題点に鑑み、不純物の取り込み特性の違うＺｎ極性、Ｏ極性の両方の結晶極性面を同時に利用したＺｎＯ発光デバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、結晶極性による不純物の取り込み特性の違いに鑑み、ｐ型層としてＺｎ極性のＺｎＯ主体の層を用い、電子濃度が高い主たるｎ型層としてＯ極性のＺｎＯ主体の層を用いることを主たる特徴とし、具体的には、次のようなＺｎＯ発光デバイスを提供することである。
（１）Ｚｎ極性面のｐ型ＺｎＯ層、Ｚｎ極性面のＺｎＯ活性層、Ｚｎ極性面のｎ型ＺｎＯ層及びＯ極性面のｎ型ＺｎＯ層を含むＺｎＯ発光デバイス。
（２）上記ＺｎＯ層はＭｇあるいはＣｄを含んだＺｎＯを主体とする化合物であることを特徴とする（１）に記載のＺｎＯ発光デバイス。
（３）上記ＺｎＯ層はＳあるいはＳｅを含んだＺｎＯを主体とする化合物であることを特徴とする（１）に記載のＺｎＯ発光デバイス。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、ＺｎＯ発光デバイスにおいてｎ型層、ｐ型層のそれぞれにドーピング特性が最適な結晶極性面を使用することにより、ドーピングプロファイルを中心としたデバイス設計が容易になる。さらに直列抵抗が小さく、低損失で長寿命の高性能な発光デバイスが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図２は、本発明によるＺｎＯ発光デバイスの基本構造の断面模式図であり、Ｏ極性ＺｎＯ層、結晶極性反転層及びＺｎ極性ＺｎＯ層が順次積層された構造となっている。以下本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図３は、実施例１に係るＺｎＯ発光デバイスの断面模式図である。そして、その作製方法は次のとおりである。成長法は酸素ラジカルを用いたＭＢＥ法である。基板としてサファイアa面を用い、初めにアンドープのＺｎＯ（１μｍ程度）を成長させる。このときアンドープＺｎＯはＯ極性面が成長面となる。
その上にＯ極性面のＧａをドープした、電子濃度が高いＺｎＯ層（ｎ＋ＺｎＯ層：１μｍ程度）を成長させる。その後、結晶極性面反転層として岩塩構造のＧａドープしたＺｎＭｇＯを１０ｎｍ程度成長させる。
【００１４】
結晶極性面反転層の上には、電子濃度が低いＺｎ極性のｎ型のＧａドープＺｎＯ層（ｎ−ＺｎＯ層：２００ｎｍ程度）、Ｚｎ極性ＺｎＯ活性層（５０ｎｍ程度）、Ｚｎ極性ｐ型ＺｎＯ層（２００ｎｍ程度）を続けて成長させる。
ｎ側の電極はＯ極性の電子濃度が高いｎ＋ＺｎＯ層の上に設け、ｐ側の電極はＺｎ極性ｐ型ＺｎＯ層の上に設ける。
【００１５】
実施例１における結晶極性面反転層は、本デバイスの他の層と同じII−VI族元素から構成されているため、結晶極性面反転層の構成元素の拡散による接合前後の層への電気特性の影響を排除でき、また作製が非常に容易であるという利点を有する。
【実施例２】
【００１６】
図４は、実施例２に係るＺｎＯ発光デバイスの断面模式図である。そして、その作製方法は実施例１において、結晶極性面反転層としてＧａＮ及びＧａＮ層の表面層を酸化することによって得られる酸化Ｇａ（ＧａＯｘ）の２層を用いた例である。
【００１７】
実施例２ではII−VI族半導体とは異なるＧａＮを結晶極性面反転層として用いたが、ＧａＮの結晶構造はＺｎＯと同じウルツ鉱構造であり、格子定数が非常に近いため界面でののひずみを格段に低減できる。また、高濃度にＧａＮへのドーピングが可能であるため、結晶極性面反転層としてＧａＯｘ等と組み合わせてもデバイスへの影響は非常に小さい。
【００１８】
以上、本発明を実施するための最良の形態を説明したが、本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。
実施例１〜２におけるＺｎＯとしては、ＺｎＯ単体のみならず他のII−VI族元素（Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ等）を含んだＺｎＯを主体とするものでもよい。したがって、本発明におけるＺｎＯとしては、他のII−VI族元素（Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ等）を含んだ、Ｚｎ及びＯを主体とする化合物半導体も当然含まれる。
【００１９】
また実施例１〜２では、結晶極性面反転層として岩塩構造のＺｎＭｇＯ（ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ混晶を主体とする層）又はＧａＮ、ＧａＯｘの２層からなるものを例示したが、結晶極性面反転層としては、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの窒化物又は酸化物を主体とする層若しくは岩塩構造のＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ混晶を主体とする層から選定された、１層又は２層以上の層であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ＺｎＯ（０００１）面における、Ｚｎ極性面及びＯ極性面の模式図である。
【図２】本発明によるＺｎＯ発光デバイスの基本構造の断面模式図である。
【図３】本発明の実施例１に係るＺｎＯ発光デバイスの断面模式図である。
【図４】本発明の実施例２に係るＺｎＯ発光デバイスの断面模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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