(57)【要約】【課題】４００ｎｍ以上の波長の発光を得ることができ、かつ、発光効率を高めて省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】サファイア基板１上には、少なくとも、Ｌｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２バッファ層２、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４、ＺｎＯ発光層５、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層６およびｐ型ＺｎＯコンタクト層７が順次積層されている。Ｌｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２バッファ層２から、サファイア基板１とは反対側に向ってｐ型ＺｎＯコンタクト層７までの層は、酸化物で構成されたエピタキシャル層である。ＺｎＯ発光層５は、積層方向に対して垂直な面内に引張歪を有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくとも、バッファ層、第１導電型クラッド層、発光層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記バッファ層、上記第１導電型クラッド層、上記発光層および上記第２導電型クラッド層が、酸化物で構成されたエピタキシャル層であり、
上記発光層が、積層方向に対して垂直な面内に引張歪を有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項２】
基板上に、少なくとも、バッファ層、第１導電型クラッド層、発光層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記バッファ層、上記第１導電型クラッド層、上記発光層および上記第２導電型クラッド層が、酸化物で構成されたエピタキシャル層であり、
上記基板または上記バッファ層の上記発光層側の表面における格子定数が、上記発光層の上記基板側の表面における格子定数よりも大きいことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項３】
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、
上記バッファ層が、αβＯ２（α，βは単数または複数の原子を表わす）なる構成の酸化物で構成され、
上記発光層が、井戸層と障壁層を有する量子井戸発光層であり、
上記バッファ層の面内格子定数が、上記第１導電型クラッド層、上記発光層、上記第２導電型クラッド層および上記第２導電型コンタクト層の面内格子定数より大きいことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記αβＯ２なる構成の酸化物が斜方晶構造を有し、上記αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも１つを含み、かつ、上記βの元素がＡｌとＧａとのうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項５】
請求項４に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記αβＯ２なる構成の酸化物が、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２、ＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２、（但し０＜ａ，ｂ，ｃ，ｄ＜１）のいずれか１つであることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項６】
請求項３に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記量子井戸発光層の上記障壁層が、上記αβＯ２なる構成の酸化物で構成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項７】
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、
上記発光層の発光出力は波長が６２５±５０ｎｍの範囲にピークを有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項８】
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、
上記発光層の発光出力は波長が５５０±５０ｎｍの範囲にピークを有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項９】
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、
上記発光層の発光出力は波長が４５０±５０ｎｍの範囲にピークを有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１０】
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、
上記発光層がＣｄｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ＜１）を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項３に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板が上記αβＯ２なる構成の酸化物であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１２】
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、
上記基板がサファイア基板であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１３】
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、
上記基板がＳｉＣ基板であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板と上記バッファ層との間にＺｎＯ層が形成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１５】
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、
上記バッファ層と上記第１導電型クラッド層との間に、所定の電気抵抗率の第１導電型ＺｎＯで構成されたコンタクト層を設けていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１６】
第１，第２および第３の領域を表面に有する１つの基板を備え、
上記第１，第２および第３の領域の夫々の上に、少なくとも、バッファ層、第１導電型クラッド層、発光層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層されてなる積層構造が設けられ、
上記積層構造は酸化物で構成されたエピタキシャル層からなり、
上記発光層が、積層方向に対して垂直な面内に引張歪を有し、
上記第１，第２および第３の領域上の各積層構造のバッファ層は互いに異なる面内格子定数を有し、
上記第１の領域上の上記発光層の発光出力は波長が６２５±５０ｎｍの範囲にピークを有し、
上記第２の領域上の上記発光層の発光出力は波長が５５０±５０ｎｍの範囲にピークを有し、
上記第３の領域上の上記発光層の発光出力は波長が４５０±５０ｎｍの範囲にピークを有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、可視光領域の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】
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できる可能性がある。
【０００３】
ＺｎＯのバンド間遷移エネルギーは、約３７０ｎｍの紫外領域の発光に相当し、産業上の利用価値が高い４００ｎｍ以上の可視光領域よりも短波長である。
【０００４】
従来、４００ｎｍ以上の発光をする酸化物半導体発光素子としては、特開２００２−１６２８５号公報（特許文献１）に開示されたものがある。この酸化物半導体発光素子では、電流注入により発光する活性層が、その活性層よりバンドギャップエネルギが大きい材料からなるｎ形クラッド層およびｐ形クラッド層により挟持する構造となっている。そして、上記活性層がＺｎと、Ｏと、Ｏ以外のＶＩ族の元素とを含む化合物半導体からなっている。その結果、バンドギャップボーイングを利用することできて、バンドギャップエネルギーを所望の範囲に狭くすることができる。すなわち、ナローバンドギャップ化を達成することができる。このように、上記活性層のナローギャップ化を図れるので、４００ｎｍ以上の波長の発光を得ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１６２８５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記酸化物半導体発光素子では、上記活性層における混晶比の増大に伴って結晶中に大きな歪エネルギーを生じ、非発光中心となる結晶欠陥が増大して発光効率は急激に低下するという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、４００ｎｍ以上の波長の発光を得ることができ、かつ、発光効率を高めて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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、酸化物半導体発光素子の例えばＺｎＯ系半導体の有する高い発光効率を用いることによって、可視領域の発光素子を作製する技術について鋭意検討した結果、面内格子定数差を厳密に制御できる酸化物材料を基板あるいはバッファ層などに用いることによって発光層に精度高く、適性に応力を与えて、上記目的が達せられることを見い出した。
【０００９】
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。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の酸化物半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、バッファ層、第１導電型クラッド層、発光層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記バッファ層、上記第１導電型クラッド層、上記発光層および上記第２導電型クラッド層が、酸化物で構成されたエピタキシャル層であり、
上記発光層が、積層方向に対して垂直な面内に引張歪を有することを特徴としている。
【００１１】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、発光層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
【００１２】
また、上記第２導電型コンタクト層は、酸化物で構成されたエピタキシャル層であってもよい。
【００１３】
また、本明細書において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。
【００１４】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記発光層が面（例えば、上記発光層の上記基板側の表面や上記発光層において上記基板と反対側の表面）内に引張応力を受けていることにより、その面内に引張歪が生じている。その結果、上記引張歪がエネルギーバンド構造を変化させ、発光層のバンドギャップエネルギーよりも小さなエネルギーの光を放射する。したがって、上記酸化物半導体発光素子は、４００ｎｍ以上の波長の発光を得ることができ、かつ発光効率を高めることができる。また、発光効率が向上するので、省電力性を高めることができる。
【００１５】
このような引張応力は、基板やバッファ層によって発光層に与えることができる。また、上記基板上のバッファ層、第１導電型クラッド層、発光層および第２導電型クラッド層がエピタキシャル層であって、そのエピタキシャル層の全てが酸化物で構成されていることにより、そのエピタキシャル層の全ては熱膨張係数などが近く互いに親和性が高い。そうすると、上記エピタキシャル層は歪を有しても、結晶欠陥の発生や増植を抑えることができる。したがって、上記酸化物からなる発光層を基板上にエピタキシャル成長させると、上記発光層において結晶欠陥の発生や増植を抑えることができる。このことにより、高い発光効率を有する可視光発光素子を実現することができる。
【００１６】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、バッファ層、第１導電型クラッド層、発光層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記バッファ層、上記第１導電型クラッド層、上記発光層および上記第２導電型クラッド層が、酸化物で構成されたエピタキシャル層であり、
上記基板または上記バッファ層の上記発光層側の表面における格子定数が、上記発光層の上記基板側の表面における格子定数よりも大きいことを特徴としている。
【００１７】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記基板またはバッファ層の発光層側の表面における格子定数が、発光層の基板側の表面における格子定数よりも大きいことにより、発光層の基板側の表面に引張歪が生じ、この引張歪がエネルギーバンド構造を変化させる。その結果、上記酸化物半導体発光素子は、発光層のバンドギャップエネルギーよりも小さなエネルギーの光が放射される。したがって、上記酸化物半導体発光素子は、４００ｎｍ以上の波長の発光を得ることができ、かつ発光効率を高めることができる。また、発光効率が向上するので、省電力性を高めることができる。
【００１８】
なお、上記「発光層」は、上記酸化物半導体発光素子か半導体レーザ素子の場合には「活性層」と称されるが、発光を司る層という意味において活性層と同義である。
【００１９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記バッファ層が、αβＯ２（α，βは単数または複数の原子）なる構成の酸化物で構成され、
上記発光層が、井戸層と障壁層を有する量子井戸発光層であり、
上記バッファ層の面内格子定数が、上記第１導電型クラッド層、上記発光層、上記第２導電型クラッド層および上記第２導電型コンタクト層の面内格子定数より大きい。
【００２０】
本明細書において、面内格子定数とは、結晶成長方向（半導体層の積層（結晶成長）方向）に対して垂直な２次元平面での格子点間の距離のことで、例えば最も近い酸素元素と酸素元素との距離のことである。
【００２１】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ＺｎＯ系半導体と、αβＯ２なる構成の酸化物とは親和性が高い。これにより、上記バッファ層上に、第１導電型クラッド層、発光層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層が高い結晶性を維持しながら結晶成長する。したがって、上記発光層の結晶性を高く維持しつつ、発光層の引張歪を大きくすることができる。
【００２２】
また、上記バッファ層と、第１導電型クラッド層、上記発光層、上記第２導電型クラッド層および上記第２導電型コンタクト層との親和性が高いので、厳密に制御された波長の可視光発光を得ることができる。
【００２３】
また、高い発光効率を有するＺｎＯ系半導体で発光層を構成しているので、青色より波長の長い可視光を得ることができる。
【００２４】
また、上記発光層が量子井戸構造であるので、発光効率を格段に向上させると共に、歪量を精密に制御することが可能となる。
【００２５】
上記αβＯ２なる構成の酸化物の面内格子定数が、ＺｎＯ系半導体の面内格子定数より大きいので、引張歪を発光層に確実に与えることができる。
【００２６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記αβＯ２なる構成の酸化物が斜方晶構造を有し、上記αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも１つを含み、かつ、上記βの元素がＡｌとＧａとのうちの少なくとも一方を含む。
【００２７】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記構成の酸化物は歪んだウルツ鉱型の結晶構造を有するので、同じくウルツ鉱型ワイドギャップ半導体であるＺｎＯ系半導体をその酸化物上にエピタキシャル成長できる。
【００２８】
また、上記αの元素およびβの元素の組成比を適切に選択することにより、結晶性を保ったまま引張歪を厳密に制御することができる。
【００２９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記αβＯ２なる構成の酸化物が、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２、ＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２、（但し０＜ａ，ｂ，ｃ，ｄ＜１）のいずれか１つである。
【００３０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記構成の酸化物はレーザ分子線エピタキシー法などを用いることにより簡便に結晶成長が行え、かつ、組成制御によって±５％の大きな格子歪を制御できる。
【００３１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記量子井戸発光層が有する障壁層が、上記αβＯ２なる構成の酸化物で構成されている。
【００３２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記量子井戸発光層の障壁層が上記構成の酸化物で構成されていることにより、直接引張応力を井戸層に与えることができ、結晶性を損わずに大きな引張応力を井戸層に与えることができる。
【００３３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層の発光出力は波長が６２５±５０ｎｍの範囲にピークを有する。
【００３４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層による発光出力の波長のピークが６２５±５０ｎｍの範囲なので、発光効率に優れ色純度の高い赤色発光素子を実現できる。
【００３５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層の発光出力は波長が５５０±５０ｎｍの範囲にピークを有する。
【００３６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層による発光出力の波長のピークが５５０±５０ｎｍの範囲なので、発光効率に優れ色純度の高い緑色発光素子を実現できる。
【００３７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層の発光出力は波長が４５０±５０ｎｍの範囲にピークを有する。
【００３８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記発光層による発光出力の波長のピークが４５０±５０ｎｍの範囲なので、なので、発光効率に優れ色純度の高い青色発光素子を実現できる。
【００３９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層がＣｄｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ＜１）を含む。
【００４０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ＣｄＺｎＯ混晶は、ＺｎＯより小さいバンドギャップエネルギーを有するので、発光層がＣｄｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ＜１）を含むことにより、発光層に与える引張応力を軽減しても長波長化することができ、信頼性に優れた可視光発光素子を実現できる。
【００４１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板が上記αβＯ２なる構成の酸化物である。
【００４２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記構成の酸化物が基板であるので、更に効率よく井戸層に引張応力を与えることができる。
【００４３】
また、上記構成の酸化物はＺｎＯ系半導体との親和性に優れるので、結晶性を損わず信頼性の高い可視光発光素子が得られる。
【００４４】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板がサファイア基板である。
【００４５】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記サファイア基板はＺｎＯよりも大きな面内格子定数を有し、引張応力を発光層に与えることができる。
【００４６】
また、安価で高品質のものを用いることができる。このことにより、低コストで信頼性に優れた可視光発光素子を得ることができる。
【００４７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板がＳｉＣ基板である。
【００４８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ＳｉＣ基板はＺｎＯよりも大きな面内格子定数と小さな熱膨張係数を有するので、サファイア基板よりも効果的に引張応力を発光層に与えることができる。
【００４９】
また、上記ＳｉＣ基板は導電性基板であるため裏面に電極を形成することができ、製造工程が簡素化すると共に動作電圧を軽減することができる。
【００５０】
このことにより、低コストで信頼性に優れた可視光発光素子を得ることができる。
【００５１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板と上記バッファ層との間にＺｎＯ層が形成されている。
【００５２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記αβＯ２なる構成の酸化物は異種基板よりもＺｎＯとの親和性が高く、異種基板上に直接形成するよりもＺｎＯ層を形成した上にバッファ層を形成すると、バッファ層の平坦性・結晶性が格段に向上する。したがって、上記酸化物のバッファ層をＺｎＯ層上に設けることにより、結晶性が格段に向上し欠陥の極めて少ないＺｎＯ系半導体エピタシャル層を得ることができる。したがって、発光効率と信頼性が更に優れた可視光発光素子を得ることができる。
【００５３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記バッファ層と上記第１導電型クラッド層との間に、所定の電気抵抗率の第１導電型ＺｎＯで構成されたコンタクト層を設けている。
【００５４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記コンタクト層をバッファ層と第１導電型クラッド層との間に設けるので、絶縁性基板を用いることができると共に、動作電圧を低減することができる。
【００５５】
また、導電性基板を用いる場合においても、上記コンタクト層をバッファ層と第１導電型クラッド層との間に設けることにより、結晶性が向上する。また、上記コンタクト層の電気抵抗を適切に選択することにより、動作電圧を低減できる。
【００５６】
なお、上記第１導電型が例えばｎ型であると、コンタクト層の電気抵抗を低くしやすいので好ましい。
【００５７】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、
第１，第２および第３の領域を表面に有する１つの基板を備え、
上記第１，第２および第３の領域の夫々の上に、少なくとも、バッファ層、第１導電型クラッド層、発光層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層されてなる積層構造が設けられ、
上記積層構造は酸化物で構成されたエピタキシャル層からなり、
上記発光層が、積層方向に対して垂直な面内に引張歪を有し、
上記第１，第２および第３の領域上の各積層構造のバッファ層は互いに異なる面内格子定数を有し、
上記第１の領域上の上記発光層の発光出力の波長が６２５±５０ｎｍの範囲にピークを有し、
上記第２の領域上の上記発光層の発光出力の波長が５５０±５０ｎｍの範囲にピークを有し、
上記第３の領域上の上記発光層の発光出力の波長が４５０±５０ｎｍの範囲にピークを有することを特徴としている。
【００５８】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、発光層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
【００５９】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記発光層が面（例えば、上記発光層の上記基板側の表面や上記発光層において上記基板と反対側の表面）内に引張応力を受けていることにより、その面内に引張歪が生じている。その結果、上記引張歪がエネルギーバンド構造を変化させ、発光層のバンドギャップエネルギーよりも小さなエネルギーの光を放射する。したがって、上記酸化物半導体発光素子は、４００ｎｍ以上の波長の発光を得ることができ、かつ発光効率を高めることができる。また、発光効率が向上するので、省電力性が高めることができる。
【００６０】
そして、上記第１の領域上の発光層の発光出力は波長が６２５±５０ｎｍの範囲、上記第２の領域上の発光層の発光出力は波長が５５０±５０ｎｍの範囲、上記第３の領域上の発光層の発光出力は波長が４５０±５０ｎｍの範囲であるから、３つの発光が得られ、この３つの発光を混色することにより、任意の発光色を得ることができる。
【００６１】
また、上記構成の酸化物半導体発光素子は、同一の基板上にモノリシックに３原色のＺｎＯ系発光素子を形成できる。このことにより、発光効率が高いフルカラーディスプレイなどを高歩留まりで作製することができる。
【００６２】
【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。
【００６３】
（実施形態１）
本実施形態１では、ＺｎＯ系半導体で青色発光ダイオード素子を構成した例を示す。つまり、本実施形態１では、酸化物半導体発光素子の一例である青色発光ダイオード素子について説明する。
【００６４】
図１に、上記青色発光ダイオード素子の概略断面図を示す。
【００６５】
上記青色発光ダイオード素子は、サファイアＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板１上に、厚さ０．０５μｍのＬｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２バッファ層２、Ｇａ（ガリウム）が３×１０１８ｃｍ−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３、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４、ノンドープで厚さ０．１μｍのＺｎＯ発光層５、Ｎ（窒素）が１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層６、Ｎが５×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．３μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層７が順次積層されている。ここでは、上記ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４が第１導電型クラッド層の一例に、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層６が第２導電型クラッド層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７が第２導電型コンタクト層の一例に相当する。
【００６６】
そして、上記ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４からｐ型ＺｎＯコンタクト層７までのエピタキシャル層は一部がエッチングされて、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３の表面の一部が露出している。この露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層３の表面上には、ｎ型オーミック電極１０として厚さ１００ｎｍのＡｌを設けている。
【００６７】
また、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層７の主表面全面、つまりｐ型ＺｎＯコンタクト層７においてサファイア基板１とは反対側の表面全面には、厚さ１５ｎｍのＮｉを積層した透光性Ｐ型オーミック電極８が積層されている。そして、この透光性Ｐ型オーミック電極８上には、厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極９がオーミック電極８より小さい面積で形成されている。具体的には、上記ｐ型オーミック電極８のボンディング用Ａｕパッド電極９側の面積より、ボンディング用Ａｕパッド電極９のＰ型オーミック電極８側の面積が小さくなるように、ボンディング用Ａｕパッド電極９をｐ型オーミック電極８上に設けている。
【００６８】
以上のように各層および電極を形成した後、チップ状に分離して青色発光ダイオード素子が完成する。この青色発光ダイオード素子の各層は、固体原料あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシー（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの結晶成長手法で作製することができる。これらの中でレーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、またＺｎＧａ２Ｏ４などの意図しない副生成物の生成を抑えることができるので特に好ましい。
【００６９】
上記構成の青色発光ダイオード素子によれば、発光層に引張歪を与えるための酸化物バッファ層を基板とＺｎＯ系半導体層との間に形成したことに特徴がある。このような特徴を有する青色発光ダイオード素子をＡｇペーストでリードフレームに取り付けてモールドし発光させたところ、ＺｎＯのバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーに相当する発光出力が得られた。この発光出力のピーク波長は４２０ｎｍであるので、青色発光を得ることができた。
【００７０】
上記青色発光ダイオード素子のバッファ層２としては、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２（但し、０＜ａ＜１）の酸化物材料で構成したものが使える。
【００７１】
図２に、酸化物のＬｉ１−ａＮａａＡｌＯ２の結晶構造と、ＺｎＯの結晶構造とを示す。図２から、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２の結晶構造と、ＺｎＯの結晶構造とが類似していることが判る。つまり、αβＯ２なる構成の斜方晶酸化物は、ＺｎＯ系半導体のウルツ鉱構造に類似の結晶構造である。
【００７２】
特に、上記αβＯ２において、αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも１つを含み、かつ、βの元素がＡｌとＧａとのうちの少なくとも一方を含む場合、そのαβＯ２よりなる酸化物の面内格子定数は、ＺｎＯの面内格子定数に極めて近くなる。このように、上記αβＯ２における構成元素の組成比を適切に選択することにより、結晶構造を保ったまま面内格子定数を厳密に制御することができる。
【００７３】
このような酸化物には、本実施形態のＬｉ１−ａＮａａＡｌＯ２の他に、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２（但し、０＜ｂ＜１）、ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２（但し、０＜ｃ＜１）およびＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２（但し、０＜ｄ＜１）などがある。したがって、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２のいずれか１つを用いて形成した酸化物を、バッファ層として用いることができる。
【００７４】
図３（ａ）に、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２およびＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２の酸化物に対して実効格子定数を求めた結果を示す。また、図３（ｂ）に、上記Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２およびＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２の酸化物に対して実効格子定数を求めた結果を示す。ここで「実効格子定数」とは、同一面内の６つの酸素原子で構成される六角形と同じ面積の正六角形を仮定し、この正六角形の一辺の長さと定義する。
【００７５】
図３（ａ），（ｂ）から判るように、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２は、ＺｎＯに対して全組成範囲で−４％（３．１２Å）〜＋６％（３．４４Å）の格子定数差を制御できる。つまり、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２の夫々の全組成範囲の平均格子定数と、ＺｎＯの格子定数との差を、−４％（３．１２Å）〜＋６％（３．４４Å）の範囲内に制御することができる。特に、次の（１）〜（３）の場合であれば、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２の夫々の全組成範囲の平均格子定数は、ＺｎＯの面内格子定数より大きくなる。
（１）Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２において、Ｎａ組成比ｘが０．５以上
（２）Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２において、Ｎａ組成比ｘが０．２５以上
（３）ＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２（Ｇａは全組成）
【００７６】
よって、（１）〜（３）の場合、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧの何れの酸化物上に、ＺｎＯからなる酸化物を設けてもこの酸化物に引張応力を与えることができる。この引張応力を受けているＺｎＯの酸化物で発光層を形成すると、この発光層のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーで発光させることができる。
【００７７】
本実施形態１では、基板としてサファイア基板１を用いたが、発光効率を最大限に得るためには、発光出力の波長に対応する吸収係数が低い透光性基板を用いるのが好ましいが、低コストで良質な結晶が得られる点では、サファイア基板を用いるのが好ましい。成長主面としては、本実施形態１で適用したＣ面（０００１）以外にＡ面（１１−２０）を用いてもよい。
【００７８】
また、上記バッファ層２をサファイア基板１上に形成していたが、基板上にバッファ層を形成しなくてもよい。基板上にバッファ層を形成しない場合、Ｌｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２単結晶を基板として用いても同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００７９】
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（基板において発光層とは反対側の表面）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。
【００８０】
本発明の高い発光効率を最大限の効果で得るためには、ｐ型ＺｎＯコンタクト層７にｐ型不純物を高ドープし低抵抗化することが好ましいが、過剰にドーピングするとキャリア損失および結晶性劣化が顕著となるので、５×１０１６〜５×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度範囲となるようドーピングされることが好ましい。
【００８１】
上記ｐ型不純物としては、Ｉ族元素のＬｉ、Ｃｕ、ＡｇやＶ族元素のＮ、Ａｓ、Ｐなどを用いることができる。ＮとＡｇは活性化エネルギーが小さ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。
【００８２】
本実施形態１のように絶縁性基板を用いる場合は、バッファ層２とｎ型クラッド層４との間にｎ型コンタクト層３を形成し、この上にｎ型オーミック電極１０を形成する必要がある。ｎ型コンタクト層３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。
【００８３】
上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３のドーピング濃度は１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲で調整されることが好ましく、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲で調整されることが更に好ましい。
【００８４】
また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３の膜厚は、０．００１〜１μｍの範囲に調整するのが好ましく、０．００５〜０．５μｍの範囲に調整するのが更に好ましく、０．０１〜０．１μｍの範囲に調整するのがより更に好ましい。
【００８５】
また、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３の電気抵抗は、低く設定するのが好ましい。具体的には、上記ｎ型ＺｎＯコンタクト層３の電気抵抗率は、１×１０−２〜１×１０−４Ωｃｍの範囲に調整するのが好ましい。
【００８６】
また、上記ｎ型ＺｎＯ系半導体層にドープするｎ型不純物にはＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどを用いることができるが、ＺｎＯ系半導体中での活性化率が高いＧａまたはＡｌが好ましい。
【００８７】
上記ｐ型オーミック電極８にはＮｉ、Ｐｔ、ＰｄおよびＡｕなどを用いることができる。これらの中でもＮｉは電気抵抗が低抵抗で、かつ、密着性が良好であるので好ましい。
【００８８】
また、上記複数の金属材料を合金化して、ｐ型オーミック電極８を形成してもよい。また、高い発光効率を最大限の効果で得るためには、本実施形態で示したように、ｐ型オーミック電極８が透光性を有するよう形成して光取り出し効率を向上させることが好ましい。
【００８９】
また、上記ｐ型オーミック電極８が良好なオーミック特性と高い透光性を両立する厚みとしては５０〜２０００Åの範囲が好ましく、３００〜１０００Åの範囲とすると更に好ましい。
【００９０】
上記ｐ型電極形成後にアニール処理を行うと、下層に対するｐ型電極の密着性が向上すると共に、下層に対するｐ型電極の接触電気抵抗が低減するので好ましい。ＺｎＯ結晶に欠陥を生じさせずにアニール効果を得るには、アニール処理の温度は３００〜４００℃が好ましい。
【００９１】
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い。なお、上記アニール処理における雰囲気がＮ２では逆に、ＺｎＯ結晶の電気抵抗が増大するので好ましくない。
【００９２】
上記パッド電極９は、透光性ｐ型オーミック電極８の一部の上に形成すれば、透光性電極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。
【００９３】
上記パッド電極９の材料としてはボンディングが容易でＺｎＯ結晶中へ拡散してもドナー不純物とならなＡｕが好ましい。また、ｐ型オーミック電極８とパッド電極９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。
【００９４】
上記ｎ型オーミック電極１０にはＴｉ、ＣｒおよびＡｌなどを用いることができる。それらの中でも、Ａｌは、電気抵抗が低く、かつ、コストが低いので好ましい。そして、Ｔｉは密着性が良好であるので好ましい。また、上記複数の金属材料を合金化して、ｎ型オーミック電極を形成してもよい。
【００９５】
なお、その他の構成は任意であり、本実施形態１によって限定されるものではない。
【００９６】
上記実施形態１では、サファイア基板上にバッファ層を１層設けていたが、サファイア基板上にバッファ層を２層設けてもよい。例えば、サファイア基板上に、Ｌｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２第１バッファ層とＺｎＯ第２バッファとを順次設けてもよい。
【００９７】
また、上記実施形態で使用するバッファ層はＬｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２バッファ層に限定されるわけではなく、発光層に引張歪を導入できるバッファ層であれば、このバッファ層をＬｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２バッファ層の代わりに用いてもよい。
【００９８】
また、上記実施形態１では、基板上にｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層の順に形成したが、基板上にｐ型クラッド層、発光層、ｎ型クラッド層の順に形成してもよい。基板上にｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層の順に形成する場合、その基板が導電性基板であれば、導電性基板の裏面にｎ型電極を設けることができる。その結果、ｎ型電極の接触面積の大きくすることができて素子の電気抵抗も低減することができる。一方、基板上にｐ型クラッド層、発光層、ｎ型クラッド層の順に形成する場合、ｎ型クラッド層が十分に低抵抗だと、電流がｎ型クラッド層全体に広がりやすく、発光層を均一に発光させることができる。つまり、ｎ型クラッド層の電気抵抗が十分に低くすれば、光取り出し効率を高くできる。なお、ＺｎＯ系半導体層からなるｎ型クラッド層は、容易に低抵抗化することができる。
【００９９】
また、上記実施形態１の構成を用いることにより、発光出力のピーク波長が４５０±５０の範囲の発光層も得ることができる。
【０１００】
（実施形態２）
図４に、本発明の実施形態２のＺｎＯ系発光ダイオード素子の概略断面図を示す。また、図４において、図１に示した上記実施形態１の構成部と同一構成部は、図１における構成部と同一参照番号を付して説明を省略するか、あるいは簡単に説明する。
【０１０１】
上記発光ダイオード素子においては、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４とｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層６との間に量子井戸発光層２５を設けている。この量子井戸発光層２５は、厚さ５ｎｍのＬｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２障壁層と、厚さ４ｎｍのＺｎＯ井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有している。上記多重量子井戸構造において、Ｌｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２障壁層は１１層有り、ＺｎＯ井戸層は１０層有る。また、上記多重量子井戸構造の全体には、Ｇａを１×１０１８ｃｍ−３をドーピングしている。つまり、上記量子井戸発光層２５の全体にはＧａを１×１０１８ｃｍ−３をドーピングしている。
【０１０２】
また、上記Ｌｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２バッファ層２の面内格子定数は、ｎ型ＺｎＯコンタクト層３からｐ型ＺｎＯコンタクト層７までのいずれの面内格子定数より大きくなっている。このような構成により、上記量子井戸発光層２５は、積層方向に対して垂直な面内に引張歪を確実に有することができている。このような量子井戸構造を用いた以外は、本実施形態２の発光ダイオード素子を上記実施形態１と同様に作製している。
【０１０３】
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発光させると、量子井戸発光層２５におけるサファイア基板１側の表面が引張歪を有しているので、量子井戸発光層２５においてＺｎＯ井戸層がＬｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２障壁層から引張応力を受ける。これにより、上記量子井戸発光層２５のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーに相当する発光出力が得られた。この発光出力のピーク波長が４５０ｎｍであるので、青色発光を得ることができた。すなわち、上記量子井戸発光層２５による発光出力の波長が長波長化し、発光出力のピーク波長が４５０ｎｍとなって青色発光を得ることができた。
【０１０４】
また、発光層を量子井戸構造としたのでキャリア閉じ込め効率と発光効率が増大し、上記実施形態１に比べて発光層が薄いにもかかわらず発光強度は２倍となった。
【０１０５】
なお、上記量子井戸発光層２５はノンドープであっても本発明の効果を有するが、不純物をドーピングすると動作電圧が低減し、発光効率も向上するので好ましい。
【０１０６】
また、上記実施形態２の構成を用いることにより、発光出力のピーク波長が４５０±５０の範囲の量子井戸発光層も得ることができる。
【０１０７】
（実施形態３）
図５に、本発明の実施形態３のＺｎＯ系発光ダイオード素子の概略断面図を示す。また、図５において、図４に示した上記実施形態２の構成部と同一構成部は、図４における構成部と同一参照番号を付して説明を省略するか、あるいは簡単に説明する。
【０１０８】
上記発光ダイオード素子においては、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４とｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層６との間に量子井戸発光層３５を設けている。この量子井戸発光層３５は、障壁層としてＮａＡｌＯ２を用いた他は上記実施形態２の量子井戸発光層２５と同様の構成を有している。このような量子井戸構造を用いた以外は、本実施形態３の発光ダイオード素子を上記実施形態２と同様に作製している。
【０１０９】
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発光させると、障壁層がＬｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２より更に格子定数の大きいＮａＡｌＯ２で構成されているので、量子井戸発光層３５において井戸層が障壁層より更に大きな引張応力を受ける。つまり、本実施形態３の井戸層が障壁層から受ける引張応力は、上記実施形態２の井戸層が障壁層から受ける引張応力より大きい。その結果、上記量子井戸発光層３５による発光出力の波長は量子井戸発光層２５による発光出力の波長よりも長波長化し、発光出力のピーク波長が５５０ｎｍとなって緑色発光が得られた。
【０１１０】
また、上記実施形態３の構成を用いることにより、発光出力のピーク波長が５５０±５０の範囲の量子井戸発光層を得ることができる。
【０１１１】
（実施形態４）
図６に、本発明の実施形態４のＺｎＯ系発光ダイオード素子の概略断面図を示す。また、図６において、図４に示した上記実施形態２の構成部と同一構成部は、図４における構成部と同一参照番号を付して説明を省略するか、あるいは簡単に説明する。
【０１１２】
上記発光ダイオード素子においては、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４とｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層６との間には量子井戸発光層４５を設けている。この量子井戸発光層４５は、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏで構成された井戸層と、ＮａＧａＯ２で構成された障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有している。このような多重量子井戸構造を用いた以外は、本実施形態４の発光ダイオード素子を上記実施形態２と同様に作製している。
【０１１３】
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発光させたところ、ＣｄＺｎＯ混晶によって井戸層がナローギャップ化する。このとき、ＮａＧａＯ２の格子定数はＮａＡｌＯ２の格子定数より大きいので、更に大きな引張応力が井戸層に生じる。つまり、本実施形態４において井戸層が障壁層から受ける引張応力は、上記実施形態２において井戸層が障壁層から受ける引張応力より大きい。その結果、上記量子井戸発光層４５による発光出力の波長は、量子井戸発光層３５による発光出力の波長よりも長波長化し、発光出力のピーク波長が６２０ｎｍとなって赤色発光が得られた。
【０１１４】
また、上記実施形態４の構成を用いることにより、発光出力のピーク波長が６２５±５０ｎｍの範囲の量子井戸発光層も得ることができる。
【０１１５】
（実施形態５）
図７に、本発明の実施形態５のＺｎＯ系発光ダイオード素子の概略断面図を示す。また、図７において、図６に示した上記実施形態４の構成部と同一構成部は、図６における構成部と同一参照番号を付して説明を省略するか、あるいは簡単に説明する。
【０１１６】
上記発光ダイオード素子においては、サファイア基板１とバッファ層４２との間に厚さ１０ｎｍのｎ型ＺｎＯ層５０１を設けている。このｎ型ＺｎＯ層５０１を形成した他は、本実施形態５の発光ダイオード素子を上記実施形態４と同様に作製した。
【０１１７】
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発光させたところ、バッファ層２の結晶性が向上し、上記実施形態４に比べて発光強度が５０％向上した。
【０１１８】
（実施形態６）
図８に、本発明の実施形態６のＺｎＯ系発光ダイオード素子の概略断面図を示す。
【０１１９】
上記発光ダイオード素子においては、基板として６Ｈ−ＳｉＣ基板６１を用いている。より詳しくは、上記発光ダイオード素子では、厚さ１０ｎｍのｎ型ＺｎＯ層６０１を６Ｈ−ＳｉＣ基板６１のＣ面（０００１）上に設けている。そして、ｎ型ＺｎＯ層６０１の表面に対して、ＮａＧａＯ２で構成されたバッファ層６２を選択的に設けている。つまり、上記ｎ型ＺｎＯ層６０１の表面の一部の上には、ＮａＧａＯ２で構成されたバッファ層６２を設けている。また、上記バッファ層６２と、露出しているＺｎＯ層６０１とを覆うようにｎ型ＺｎＯコンタクト層６３を設けている。このｎ型ＺｎＯコンタクト層６３上には、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層６４、量子井戸発光層６５、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層６６、ｐ型ＺｎＯコンタクト層６７、透光性Ｐ型オーミック電極６８およびボンディング用Ａｕパッド電極６９が順次積層されている。そして、上記ｎ型オーミック電極７０を６Ｈ−ＳｉＣ基板１の裏面に設けている。また、上記量子井戸発光層６５は、ＮａＧａＯ２で構成された障壁層と、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏで構成された井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有する。
【０１２０】
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発光させたところ、サファイア基板を用いた場合よりも引張応力が増大するため、量子井戸発光層６５による発光出力のピーク波長が６５０ｎｍとなって赤色発光が得られた。
【０１２１】
また、基板裏面に電極を形成したので素子の電気抵抗が低くなり、実施形態５に比べて動作電圧が２０％低減した。
【０１２２】
また、上記実施形態６の構成を用いることにより、発光出力のピーク波長が６２５±５０の範囲の量子井戸層発光層も得ることもできる。
【０１２３】
（実施形態７）
図９に、本発明の実施形態７のＺｎＯ系半導体装置の概略斜視図を示す。
また、図９において、図１の上記実施形態１の構成部と同一構成部については、図１における構成部と同一参照番号を付して説明を省略するか、あるいは簡単に説明する。
【０１２４】
上記半導体装置においては、サファイアＣ面（０００１）を主面とする基板１上に、厚さ０．０５μｍのＬｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２バッファ層７２ａ、厚さ０．０５μｍのＮａＡｌＯ２バッファ層７２ｂおよび厚さ０．０５μｍのＮａＧａＯ２バッファ層７２ｃが選択的に形成されている。つまり、１つのサファイア基板７１は第１，第２，第３の領域を表面に有しており、その第１の領域上にはＬｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２バッファ層７２ａ、第２の領域上にはＮａＡｌＯ２バッファ層７２ｂ、第３の領域上にはＮａＧａＯ２バッファ層７２ｃを設けている。そして、Ｌｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２バッファ層７２ａ上には上記実施形態２の一部と同じ構成の青色発光部ａが、ＮａＡｌＯ２バッファ層７２ｂ上には実施形態３の一部と同じ構成の緑色発光部ｂが、ＮａＧａＯ２バッファ層７２ｃ上には実施形態４の一部と同じ構成の赤色発光部ｃが形成されている。
【０１２５】
上記構成の半導体装置をＡｇペーストでリードフレームに取り付けてモールドし発光させたところ、３つの発光部ａ，ｂ，ｃによる発光出力のピーク波長が各々４５０ｎｍ、５５０ｎｍおよび６２０ｎｍに相当する青色発光、緑色発光および赤色発光が得られた。
【０１２６】
本実施形態７にて示したように、本発明の酸化物半導体発光素子は、同一の基板上に同一の材料系を用いて３原色の発光素子をモノリシックに形成できる。
【０１２７】
図１０に、本実施形態７の３色の発光を、色度座標上にプロットしたものを示す。
【０１２８】
本実施形態７の３色の発光を任意の強度比で混色することにより、ほぼ全ての色を表すことができる。特に、精度の高い発色を得るためには、次の（１）〜（３）であることが好ましい。
（１）  青色発光部ａによる発光出力の波長が４５０±５０ｎｍにピークを有する。
（２）  緑色発光部ｂによる発光出力の波長が５５０±５０ｎｍにピークを有する。
（３）  赤色発光部ｃによる発光出力の波長が６２５±５０ｎｍにピークを有する。
【０１２９】
以上より、高精細で発光効率が高いフルカラーディスプレイなどを高歩留まりで作製することができる。
【０１３０】
（実施形態８）
本実施形態８では、青色半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示す。
【０１３１】
図１１に、本実施形態８のＺｎＯ系半導体レーザ素子の概略斜視図を示す。
【０１３２】
上記半導体レーザ素子によれば、Ｃ面（０００１）を主面としたサファイア基板８１上には、厚さ０．０５μｍのＬｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２バッファ層８２、厚さ０．１μｍのＧａドープｎ型ＺｎＯコンタクト層８３、厚さ０．１μｍのＧａドープｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏクラッド層８４、厚さ５０ｎｍのＧａドープｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ光ガイド層８５、量子井戸発光層８６、厚さ５０ｎｍのＮドープｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ光ガイド層８７、厚さ１．０μｍのＮドープｐ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏクラッド層８８および厚さ０．５μｍのＮドープｐ型ＺｎＯコンタクト層８９が積層されている。
【０１３３】
上記量子井戸発光層８６は、厚さ５ｎｍのＬｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２障壁層と、厚さ４ｎｍのＺｎＯ井戸層とを交互に積層した構造になっている。この構造においては、Ｌｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２障壁層が３層有り、ＺｎＯ井戸層が２層有る。
【０１３４】
上記ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏクラッド層８４からｐ型ＺｎＯコンタクト層８９に至る各層の一部がエッチングされ、露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層８３上にはｎ型オーミック電極９１が形成されている。
【０１３５】
上記ｐ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏクラッド層８８はリッジストライプ状にエッチング加工され、側面がＧａドープｎ型Ｍｇ０．３５Ｚｎ０．６５Ｏ電流ブロック層９０によって埋め込まれている。つまり、上記ｐ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏクラッド層８８においてリッジストライプ状にエッチング加工された部分の両側には、Ｇａがドープされたｎ型Ｍｇ０．３５Ｚｎ０．６５Ｏ電流ブロック層９０を設けている。
【０１３６】
なお、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層８９上に設けているのはｐ型オーミック電極９２である。
【０１３７】
以上の構造を作製後、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。このように分離して得られた半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４５０ｎｍの青色発振光が得られた。
【０１３８】
また、上記実施形態８の構成を用いることにより、発光出力の波長が４５０±５０の範囲である量子井戸発光層も得ることができる。
【０１３９】
上記実施形態１〜８で示したように、本発明の酸化物半導体発光素子によれば、高い発光効率を有するＺｎＯ系半導体より成る発光層が、バッファ層および障壁層から面内に引張応力を受けていることにより、バンドギャップエネルギー以下の発振光を放射する。
【０１４０】
また、上述と同様の手法で面内の引張応力を制御することにより、同一の基板上に同一の材料系を用いて発振波長の異なる半導体レーザ素子をモノリシックに集積できる。このような半導体レーザ素子を用いると、例えば記録・再生波長の異なる複数のディジタル光記録メディアを、本発明の半導体レーザ素子のみで全て活用することができるなど、産業的な利用価値が極めて高い。
【０１４１】
また、本発明は、酸化物半導体発光素子が、発光層の基板側の表面と、発光層において基板とは反対側の表面との少なくとも一方とに引張歪を有していれば、発光出力の波長の長波長化の効果を得ることができる。例えば、発光層の基板側の表面に引張歪を生じさせる方法としては、基板またはバッファ層の発光層側の表面における格子定数が、発光層の上記基板側の表面における格子定数よりも大きくする。
【０１４２】
また、本発明の効果を得るための引張歪は、図１２に示すようにして発光層１０５に生じさせてもよい。つまり、酸化物半導体発光素子に対して外部から力を加え、酸化物半導体発光素子が湾曲するようにして、発光層１０５に引張歪を発生させることが考えられる。このように上記酸化物半導体発光素子を湾曲させる方法としては、例えば図１３に示すように、湾曲したリードフレームに酸化物半導体発光素子を取り付ける方法などがある。この方法を行うとき、基板の中央部が発光層側に向って突出するように、酸化物半導体発光素子を湾曲させる必要がある。すなわち、酸化物半導体発光素子において積層方向に対して垂直な方向における端部が下方に向うように、酸化物半導体発光素子を湾曲させる必要がある。
【０１４３】
【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によると、基板上に、酸化物で構成されたバッファ層、第１導電型クラッド層、発光層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層を少なくとも備え、上記発光層が面内に引張歪を有し、上記発光層のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの光を放射するようにしたので、結晶欠陥の発生や増植を抑えて発光を長波長化することができ、高い発光効率を有する可視光発光素子を実現することができる。
【０１４４】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板またはバッファ層の発光層側の表面における格子定数が、発光層の基板側の表面における格子定数よりも大きいので、発光層の基板側の表面に引張歪が生じ、この引張歪がエネルギーバンド構造を変化させて、発光層のバンドギャップエネルギーよりも小さなエネルギーの光が放射される。したがって、上記酸化物半導体発光素子は、４００ｎｍ以上の波長の発光を得ることができ、かつ発光効率を高めることができる。また、発光効率が向上するので、省電力性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施形態１の発光ダイオード素子の概略断面図である。
【図２】図２はＺｎＯおよび酸化物ＬｉＮａＡｌＯ２の結晶構造を表わす図である。
【図３】図３（ａ）はＬｉＮａＧａＯ２およびＮａＡｌＧａＯ２の酸化物に対して実効格子定数を求めた結果を示す図であり、図３（ｂ）はＬｉＮａＡｌＯ２およびＬｉＡｌＧａＯ２の酸化物に対して実効格子定数を求めた結果を示す図である。
【図４】図４は本発明の実施形態２の発光ダイオード素子の概略断面図である。
【図５】図５は本発明の実施形態３の発光ダイオード素子の概略断面図である。
【図６】図６は本発明の実施形態４の発光ダイオード素子の概略断面図である。
【図７】図７は本発明の実施形態５の発光ダイオード素子の概略断面図である。
【図８】図８は本発明の実施形態６の発光ダイオード素子の概略断面図である。
【図９】図９は本発明の実施形態７の発光ダイオード素子の概略斜視図である。
【図１０】図１０は本発明の実施形態７の３発光色をプロットした色度座標を示す図である。
【図１１】図１１は本発明の実施形態８の半導体レーザ素子の概略斜視図である。
【図１２】図１２は本発明の酸化物半導体発光素子の変形例を示す図である。
【図１３】図１３は上記変形例の作製方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  Ｌｉ０．３Ｎａ０．７ＡｌＯ２バッファ層
４  ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層
５  ＺｎＯ発光層
６  ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層
７  ｐ型ＺｎＯコンタクト層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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