(57)【要約】【課題】発光ダイオードや半導体レーザ素子に適用することができ、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。【解決手段】基板上に、少なくともｎ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体発光層、ｐ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層が形成されている酸化物半導体発光素子のｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層に遷移金属の酸化物を用いて、ＺｎＯ系半導体層に対して高い密着性を有し、かつ、低抵抗なオーミック電極を形成する。【選択図】  図１
2004214434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくともｎ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体発光層、ｐ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層が形成され、該ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層上に、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇよりなる群から選択された少なくとも１の遷移金属の酸化物を含むｐ型オーミック電極が形成されている酸化物半導体発光素子。
【請求項２】
該ｐ型オーミック電極の厚みが１〜１００ｎｍであり、該発光層からの発光波長に対して透光性を有する請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項３】
該ｐ型オーミック電極上に、Ａｕを含むパッド電極が形成されている請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項４】
該ｐ型オーミック電極と該パッド電極との間に、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＣｕおよびＡｇよりなる群から選択された少なくとも１の元素を含む中間層が形成された請求項３記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項５】
該ｐ型オーミック電極および該中間層の構成元素が、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｃｒを含まない請求項１または４記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項６】
基板上に、少なくともｎ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体発光層、ｐ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層を形成し；次いで、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇよりなる群から選択された少なくとも１の遷移金属の酸化物を用いて、該ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層上に遷移金属酸化物よりなるｐ型オーミック電極を形成する酸化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
基板上に、少なくともｎ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体発光層、ｐ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層を形成し；次いで、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇよりなる群から選択された少なくとも１の遷移金属を用いて、酸素の存在下で、該ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層上に遷移金属酸化物よりなるｐ型オーミック電極を形成する酸化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
電子ビーム蒸着法、スパッタリング法またはレーザアブレーション法を用いて該遷移金属酸化物ｐ型オーミック電極を形成する請求項６または７記載の酸化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
該遷移金属酸化物ｐ型オーミック電極を形成した後に、酸素雰囲気中または大気中で熱処理を行なう請求項６または７記載の酸化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
該熱処理を３００〜４５０℃の範囲にある温度にて行う請求項９記載の酸化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は発光ダイオード素子や半導体レーザ素子等の半導体発光素子に関し、より詳しくは、ｐ型酸化物半導体に対して低抵抗なオーミック電極を用いた酸化物半導体発光素子に関する。さらに、本発明は上記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】
酸化物材料は、誘電性、磁性、超伝導性等の従来の半導体材料では実現できない多くの機能を持ち、また半導体材料としても既存材料の特質を補って余りある可能性を有している。
最近、ＩＩ族酸化物半導体である酸化亜鉛（ＺｎＯ）が青色領域ないし紫外領域の発光デバイス用の材料として有望視されている。
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ある。また、ＺｎＯは約６０ｍｅＶと極めて高い励起子結合エネルギーを有するため、低消費電力で環境性に優れた高効率な発光デバイスを実現できる可能性があり、さらに、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等の特徴を有している。
【０００３】
以下、本明細書において、「ＺｎＯ系」半導体なる語を用いるときは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯまたはＣｄＺｎＯ等で表される混晶を含むものとする。また、本明細書において、組成を特定せずに化合物を示す場合には、例えば、「ＭｇＺｎＯ」と単に元素記号のみで記載し、組成を特定する場合には、例えば、「Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ」と記載する。
【０００４】
ＺｎＯは強いイオン性に起因する自己補償効果のために従来ｐ型の導電型制御が困難であったが、アクセプタ不純物として窒素（Ｎ）を用いることでｐ型化が実現し（例えば、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第３６巻、１９９７年、ｐ．Ｌ１４５３−１４５５；非特許文献１を参照せよ）、ＺｎＯ系半導体を用いて高効率な発光素子を作製すべく、多くの研究がなされるようになった（例えば、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第４０巻、２００１年、ｐ．Ｌ１７７−１８０；非特許文献２を参照せよ）。
【０００５】
しかし、ＺｎＯ中のアクセプタ準位は非常に深く、ｐ型化を実現し得るＮアクセプタでさえ２００〜３００ｍｅＶのイオン化エネルギーを必要とするため、低抵抗層を得ることが難しい。
【０００６】
特開２００１−４８６９８号公報（特許文献１）および特開２００１−６８７０７号公報（特許文献２）には、高密度記録や大量情報の伝達に必要な紫外光半導体レーザダイオードをＺｎＯで作製するために、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとを同時にＺｎＯにドーピングして、低抵抗なｐ型ＺｎＯ単結晶薄膜を作製する、いわゆる「同時ドーピング技術」を開示する。この「同時ドーピング技術」においては、ｐ型ドーパント濃度がｎ型ドーパント濃度より大きくなるようにドーピングすることを特徴とする。この技術により得られた低抵抗なｐ型ＺｎＯとＧａ等の不純物ドーピングにより得られるｎ型ＺｎＯとを組合わせることによって、同一半導体化合物であるＺｎＯにおいてｐｎ接合が実現できる。
【０００７】
また、ｐ型ＺｎＯ系半導体に低抵抗なオーミック電極を形成する技術は、キャリアを活性層へ均一かつ高効率に注入するために極めて重要である。ｐ型ＺｎＯ系半導体層のオーミック電極に関する従来の技術として、例えば、Ｎｉ、Ｐｈ、ＰｔもしくはＰｄまたはこれらの合金を含む第１の金属層と、第１の金属層とは異なる金属または合金を含む第２の金属層からなるオーミック電極を形成する技術が、特開２００１−１６８３９２号公報（特許文献３）に開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−４８６９８号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００１−６８７０７号公報
【００１０】
【特許文献３】
特開２００１−１６８３９２号公報
【００１１】
【非特許文献１】
「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第３６巻、１９９７年、ｐ．Ｌ１４５３−１４５５
【００１２】
【非特許文献２】
「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第４０巻、２００１年、ｐ．Ｌ１７７−１８０
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者の検討によると、酸化物半導体は金属層との密着性に乏しく、前記従来技術の金属を真空蒸着法やスパッタリング法等の生産性に優れた常法によって形成したオーミック電極は、ワイヤボンディング時や通電時に剥れたり劣化することが多く、信頼性において問題を有していた。
かくして、本発明は以上の課題に鑑み、ｐ型酸化物半導体に対して密着性に優れ、かつ低抵抗なオーミック電極を用いて優れた発光特性を実現する酸化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、酸化物半導体発光素子のｐ型層に対して密着性と低抵抗性を両立するオーミック電極の材料、構造および製造方法を鋭意検討した結果、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇの金属酸化物をオーミック電極に用いることで目的が達せられることを見い出し本発明にいたった。
【００１５】
以下、本明細書において、半導体発光素子中発光を司る層を「発光層」というが、半導体レーザ素子の場合には同様の意味で「活性層」なる語を用いることがある。しかしながら、両者の機能は実質的に同じであるため特に区別はしない。
【００１６】
本発明は、基板上に、少なくともｎ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体発光層、ｐ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層が形成され、該ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層上に、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇよりなる群から選択された少なくとも１の遷移金属の酸化物を含むｐ型オーミック電極が形成されている酸化物半導体発光素子を提供する。
【００１７】
遷移金属酸化物は金属よりも酸化物に対する密着性に優れるので、これを用いたオーミック抵抗は、ワイヤボンディングや通電によって剥がれたりすることがない。特に、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇの酸化物はｐ型半導体的性質を示し、低抵抗な導電性を有するため、ｐ型酸化物半導体のオーミック電極として好適である。このことにより、信頼性に優れ、動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を作製できる。
【００１８】
ｐ型クラッド層を低抵抗にすれば、光取り出し効率を向上させることができるが、ＺｎＯ系半導体は低抵抗なｐ型層を得ることが難しく、光取り出し効率を向上させるためには、電極を透光性とすることが有効である。
該オーミック電極の厚みを１〜１００ｎｍとすれば、十分低抵抗なオーミック接触を確保でき、かつ該発光層からの発光波長に対して透光性が高く光取り出し効率が向上する。
【００１９】
本発明の酸化物半導体発光素子において、Ａｕを用いて、該ｐ型オーミック電極上にパッド電極を形成する。
Ａｕは低抵抗でワイヤをボンディングするパッド電極として好適であり、また酸化物半導体に対してドナー不純物として作用しないので、ｐ型オーミック電極上に形成しても電極が高抵抗化しない。
【００２０】
本発明の酸化物半導体発光素子の別の局面において、該オーミック電極と該パッド電極との間に、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＣｕおよびＡｇよりなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む中間層を形成する。
中間層を含むことにより、ｐ型オーミック電極とパッド電極との密着性が向上する。また、中間層が金属薄膜で形成されていると、透光性電極に入射した発光を吸収せずに反射することができ、また電極がさらに低抵抗化する。
このような特長を有する中間層は、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ、ＣｕおよびＡｇよりなる群から選択された少なくとも１種の元素を含んで構成されることにより実現される。
【００２１】
該ｐ型オーミック電極およびその上に接して形成される中間層にドナー不純物およびｎ型オーミック電極材料が含まれると、これら元素がｐ型オーミック電極やｐ型ＺｎＯコンタクト層に拡散し、高抵抗化を生じてしまう。
したがって、本発明の酸化物半導体発光素子において、該ｐ型オーミック電極および該中間層の構成元素には、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、ＴｉおよびＣｒが含まれない。
【００２２】
また、本発明は、基板上に、少なくともｎ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体発光層、ｐ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層を形成し；次いで、該ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層上に遷移金属酸化物よりなるｐ型オーミック電極を形成する酸化物半導体発光素子の製造方法を提供する。
【００２３】
本発明の酸化物半導体発光素子の製造方法の第１の局面において、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇよりなる群から選択された少なくとも１の遷移金属の酸化物を用いて、遷移金属酸化物よりなるｐ型オーミック電極を形成する。
遷移金属酸化物を電極薄膜の原料として用いることにより、装置内にＯ２ガスを導入する必要がなく、遷移金属酸化物ｐ型オーミック電極を簡便に作製できる。
【００２４】
本発明の酸化物半導体発光素子の製造方法の第２の局面において、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇよりなる群から選択された少なくとも１の遷移金属を用いて、酸素の存在下で、遷移金属酸化物よりなるｐ型オーミック電極を形成する。
元素金属は高純度な原料を安価に入手できるため、これを電極薄膜の原料に用いることにより、特性に優れた電極を低コストで製造できる。また、酸素雰囲気中で蒸着することにより、容易に酸化物薄膜を形成できるので、密着性に優れ低抵抗なオーミック電極を形成できる。
【００２５】
上記の遷移金属酸化物よりなるｐ型オーミック電極は、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法およびレーザアブレーション法のいずれかの薄膜形成法を用いて形成する。前記の薄膜形成法は、量産性が高く、高品質の酸化物薄膜を簡便に形成できる成膜手法であり、特性に優れた発光素子を低コストで製造できる。
【００２６】
また、本発明の酸化物半導体発光素子の製造方法において、上記のｐ型オーミック電極を形成した後に、酸素雰囲気中または大気中で熱処理を行なって、該電極の密着性およびオーミック特性を向上させる。特に、酸素雰囲気中でアニール処理を行うことにより、該電極からの酸素抜けを抑止して、低いオーミック抵抗を保ったまま密着性を向上させることができる。
【００２７】
上記の熱処理は、３００〜４５０℃の範囲にある温度にて行う。３００℃以上であれば電極の密着性向上と抵抗低減効果が高く、４５０℃以下であれば、酸化物半導体素子が劣化せず、特性に優れた酸化物半導体発光素子を製造できる。
【００２８】
本発明において、基板上に、ｎ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体発光層、ｐ型ＺｎＯ系半導体クラッド層、ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層およびオーミック電極をこの順に直接積層することができるが、半導体発光素子の特性を向上させる目的で各層の間に他の層を形成することもできる。例えば、結晶性の良好な成長層を得るために、基板上に、先ず、バッファ層を形成することができる。また、半導体レーザ素子においては、発光層からの発光の光閉じ込め率を向上させる目的で、ＺｎＯ系半導体発光層とｎ型およびｐ型ＺｎＯ系半導体クラッド層との間に光ガイド層を形成することもできる。
【００２９】
【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適用した実施形態を図面に基づいて、具体的に説明する。
【００３０】
第１の実施形態
本発明による第１の実施形態の酸化物半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、ＣｄＺｎＯ発光層、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層およびｐ型ＺｎＯコンタクト層を有する発光ダイオード素子である。この発光ダイオード素子は、該ｐ型ＺｎＯコンタクト層上に遷移金属の酸化物を含むｐ型オーミック電極が形成されていることを特徴とする。
【００３１】
図１は発光ダイオード素子１の斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示す。発光ダイオード素子１は、亜鉛面を主面とするｎ型ＺｎＯ基板１０１上に、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０２、ノンドープのＣｄＺｎＯ発光層１０３、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０４およびｐ型コンタクト層１０５を積層することによって構成されている。
【００３２】
ｐ型ＭｇＺｎＯコンタクト層１０５の主表面全面には、発光層から発光された光に対して透光性であるｐ型オーミック電極１０６が積層されている。また、この透光性ｐ型オーミック電極１０６は、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇよりなる群から選択される少なくとも１の遷移金属の酸化物、例えば、ＮｉＯ、Ｃｕ２ＯまたはＡｇ２Ｏを用いて形成されている。さらに、この透光性ｐ型オーミック電極１０６上には、透光性ｐ型オーミック電極１０６よりも小さい面積でボンディング用パッド電極１０７が形成されている。
ＺｎＯ基板１０１の裏面には、ｎ型オーミック電極１０８が積層されている。
【００３３】
本発明の酸化物半導体発光素子において、基板１０１の材料としては、ＺｎＯ単結晶以外にも、サファイア、スピネル、ＬｉＧａＯ２等の絶縁性基板、またはＳｉＣ、ＧａＮ等の導電性基板を用いることができる。
図２（Ａ）および（Ｂ）は、絶縁体であるサファイアを基板１０１に用いた発光ダイオード素子１’の斜視図を示す。
絶縁性基板を用いる場合は、図２（Ａ）のように、成長層の一部をエッチングしてｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０２を露出させ、その上にｎ型オーミック電極１０８を形成すればよい。また、図２（Ｂ）のように、結晶性の良好な成長層を得るために、基板上に先ずｎ型ＺｎＯバッファ層１０９を形成し、さらにｎ型オーミック電極１０８の接触抵抗を低減するためにｎ型ＺｎＯコンタクト層１１０を形成してもよい。
【００３４】
しかしながら、高い発光効率を最大限に得るためには、（１）ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内の格子整合基板であって、成長層の結晶性に優れ、非発光中心となる欠陥を低減でき、（２）発光波長に対応する吸収係数が低く、また、（３）導電性であって、裏面に電極を形成できる基板を用いることが好ましい。ＺｎＯ単結晶よりなる基板は、前記の条件を全て満足させるので最も好ましい。ＺｎＯ基板はその上にエピタキシャル成長されるＺｎＯ系半導体発光素子と完全に格子整合し、異種基板を用いるより親和性に優れる。これによって結晶性が良好で非発光中心の極めて少ない発光素子を作製することができる。
【００３５】
また、主面として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。
また、基板を研磨やエッチング等の公知の手法で基板裏面に凹凸を形成して入射した発光光を乱反射させれば、光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００３６】
ｎ型ＭｇＺｎＯ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ので、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等を用いることが好ましく、ＧａまたはＡｌが特に好ましい。
【００３７】
発光層１０３は、ドナー不純物、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素を任意量ドーピングしてｎ型にすることができる。あるいは、上記のドナー不純物とアクセプタ不純物、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等のＩまたはＶ族元素とを共ドーピングして、発光層１０３をｎ型にすることもできる。ＮおよびＡｇは活性化しやすいので好ましい。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ちつつ、高濃度ドーピングが行えるので特に好ましい。これにより、ピーク波長および発光強度を制御することができる。
また、発光層１０３は井戸層および障壁層が交互に積層された量子井戸構造であってもよい。この場合、発光層１０３の井戸層のみまたは障壁層のみに上記ドナー不純物または上記ドナー不純物およびアクセプタ不純物をドーピングすることができる。
【００３８】
ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０４およびｐ型コンタクト層１０５にドーピングするアクセプタ不純物としては、ＩまたはＶ族元素であるＬｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等を用いることができる。ＮおよびＡｇは活性化しやすいので好ましい。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ちつつ、高濃度ドーピングが行えるので特に好ましい。
【００３９】
ｐ型コンタクト層１０５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。キャリア濃度を高くするために、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５に過剰にアクセプタ不純物をドーピングすると、吸収損失の増大と結晶性劣化が顕著となり、光取り出し効率が低下するので、５×１０１６〜５×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度範囲となるようドーピング濃度を調整することが好ましい。
【００４０】
ｐ型オーミック電極１０６には、大きな仕事関数を有することが必要であり、特に４ｅＶ以上の仕事関数を有する遷移金属は、安定なオーミック特性を有する。このうち、特にＮｉ、ＣｕおよびＡｇの酸化物は低抵抗なｐ型半導体的性質を示し、ｐ型酸化物オーミック電極として好ましい。
ｐ型オーミック電極１０６はｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０４上に直接形成することができるが、ＭｇＺｎＯ混晶はＺｎＯに比べて不純物の活性化率が低いことから、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５を形成して低抵抗化し、その上に形成すれば、電流広がりを均一化することができるので、好ましい。
【００４１】
また、本発明の高い発光効率と低い動作電圧を最大限の効果で得るためには、ｐ型オーミック電極１０６が発光層から発光された光に対して透光性を有するように形成して光取り出し効率を向上させることが好ましい。光透過率は０％以上であれば効果を奏するが、発光波長に対して３０％以上であることが好ましく、６０％以上であることがより好ましい。
透明導電膜が主表面全面に形成されていることにより、電流広がりが均一化し外部光取り出し効率が向上する。よって、発光効率に優れた紫外発光素子を実現できる。
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１〜１００ｎｍの範囲が好ましい。
【００４２】
ｐ型オーミック電極１０６の形成後、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結晶に欠陥を生じさせずにアニール効果を得るには、温度は３００〜４５０℃が好ましい。また、アニール処理における雰囲気はＯ２または大気雰囲気中が好ましく、Ｎ２では逆に抵抗が増大する。
【００４３】
パッド電極１０７は、透光性ｐ型オーミック電極１０６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。
パッド電極１０７の材料としてはボンディングが容易でＺｎＯ系半導体中へ拡散してもドナー不純物とならない金属材料が好ましく、特に、Ａｕが好ましい。
【００４４】
ｎ型オーミック電極１０８には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ等の金属材料を用いることができる。なかでも低抵抗でコストの低いＡｌまたは密着性の良いＴｉが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。
Ａｌは青〜紫外光の反射率が高いため、Ａｌを用いてｎ型オーミック電極１０８を裏面全面に形成しても光取り出し効率は高いので好ましい。
また、ｎ型オーミック電極１０８を任意の形状にパターニングし、露出した基板裏面をＡｇペースト等の導電性樹脂でリードフレームに接着することができる。ＡｌよりもＡｇの方が青〜紫外光の反射率が高いため、Ａｇペーストでリードフレームに接着することも好ましい。
また、ｎ型オーミック電極１０８をパターニングする場合は、素子抵抗の増大を防ぐため補助電極を形成してもよく、ＡｇやＰｔ等の青〜紫外光の反射率が高い金属を補助電極に用いればさらに好ましい。
補助電極がリードフレームとの接触面積を増大させるため、ｎ型電極をパターニングしても動作電圧が上昇しない。よって、動作電圧の低い発光素子を実現できる。
【００４５】
その他の構成は任意であり、本明細書に記載された構成のみに限定されるものではない。
【００４６】
本発明の酸化物半導体発光素子は、固体また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）法等の結晶成長手法で作製することができる。
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、例えば、ＺｎＯにＧａをドーピングさせる場合に、ＺｎＧａ２Ｏ４等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好ましい。
本発明を発光ダイオード素子および半導体レーザ素子に適用する場合、図５に示すレーザＭＢＥ装置７を用いて、半導体レーザ素子を作製することができる。
レーザＭＢＥ装置７において、超高真空に排気可能な成長室７０１の上部に基板ホルダー７０２が配置され、基板ホルダー７０２に基板７０３が固定されている。基板ホルダー７０２上部に配置されたヒーター７０４により基板ホルダー７０２の裏面が加熱され、その熱伝導により基板７０３が加熱される。
基板ホルダー７０２直下には適当な距離を置いてターゲットテーブル７０５が配置され、ターゲットテーブル７０５上には、複数の原料ターゲット７０６を配置することができる。
ターゲット７０６の表面は成長室７０１の側面に設けられたビューポート７０７を通じ照射されるパルスレーザ光７０８によりアブレーションされ、瞬時に蒸発したターゲット７０６の原料が基板上に堆積することにより薄膜が成長する。
ターゲットテーブル７０５は回転機構を有し、パルスレーザ光７０８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、成長室には複数のガスを導入できるように複数のガス導入管７１０が設けられており、ラジカルセル７０９によって活性化された原子状ビームを基板７０３に照射することも可能である。
【００４７】
本発明の酸化物半導体発光素子の金属酸化物オーミック電極を形成する場合、９９．９９〜９９．９９９％の高純度で安価な元素金属および高純度なＯ２ガスを用い、レーザＭＢＥ装置中で酸化物層の成長を行うことができる。成長層から電極までを真空成長室中で一貫して形成することができるので、純度に優れ低抵抗な酸化物オーミック電極を簡便に形成することが可能である。
【００４８】
また、本発明の酸化物半導体発光素子において、金属酸化物オーミック電極を形成する場合、量産性が高く、高品質の酸化物薄膜を簡便に形成できる成膜手法である電子ビーム蒸着法を用いることもでき、この方法を用いれば、特性に優れた発光素子を低コストで製造できる。
【００４９】
さらに、金属酸化物のターゲットやタブレットは、９９．９９９％以上の高純度なものが得られにくいが、あまり高純度な原料を必要としない場合には、原料タブレットに金属酸化物を用いることによって、装置内にＯ２ガスを導入せずに酸化物オーミック電極を形成することができ、製造プロセスの簡便性に優れると共に、酸素を嫌う真空成膜装置等を用いる場合に好適である。
【００５０】
さらに、スパッタリング法およびレーザアブレーション法も電子ビーム蒸着法と同様、量産性が高く、高品質の酸化物薄膜を簡便に形成できる成膜手法であり、特性に優れた発光素子を低コストで製造できる。
【００５１】
第２の実施形態
本発明による第２の実施形態の酸化物半導体発光素子は、第１の実施形態の半導体発光素子と同様に構成されるが、ｐ型オーミック電極１０６とパッド電極１０７との間に、中間層２０１が形成されていることを特徴とする発光ダイオード素子である。
【００５２】
図３は発光ダイオード素子２の断面図を示す。この図では、発光ダイオード素子１と同様の構成要素については図１と同じ符号を用いている。
発光ダイオード素子２は、ｐ型オーミック電極１０６とパッド電極１０７との間に中間層２０１を形成する以外は、発光ダイオード素子１と同様にして作製される。
パッド電極１０７はｐ型オーミック電極１０６上に直接形成することができるが、中間層２０１を形成して、その上に形成すれば、密着性や光反射性を向上させるので好ましい。
【００５３】
また、該ｐ型オーミック電極１０６およびその上に接して形成される中間層２０１にドナー不純物およびｎ型オーミック電極材料が含まれると、これら元素がｐ型オーミック電極やｐ型ＺｎＯコンタクト層に拡散し、高抵抗化を生じてしまうので、該ｐ型オーミック電極および中間層は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、ＴｉおよびＣｒ以外の元素を用いて形成する。
【００５４】
第３の実施形態
本発明による第３の実施形態の酸化物半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、量子井戸活性層、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、およびｐ型ＺｎＯコンタクト層を有し、該ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層の一部およびｐ型ＺｎＯコンタクト層がリッジストライプ状に加工されている半導体レーザ素子である。
この半導体レーザ素子は、該ｐ型ＺｎＯコンタクト層上には、遷移金属の酸化物を含むｐ型オーミック電極が形成され、その上にパッド電極が形成されていることを特徴とする。
【００５５】
図４は、ＺｎＯ系半導体レーザ素子３の斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示す。半導体レーザ素子３は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１上に、ＺｎＯバッファ層３０２、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層３０３、ｎ型ＺｎＯ光ガイド層３０４、量子井戸活性層３０５、ｐ型光ガイド層３０６、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層３０７、およびｐ型ＺｎＯコンタクト層３０８を積層することによって構成されている。
【００５６】
ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層３０７の一部およびｐ型ＺｎＯコンタクト層３０８はリッジストライプ状にエッチング加工され、ｎ型電流ブロック層３０９によって、リッジストライプの側面は埋め込まれている。
【００５７】
ｐ型ＺｎＯコンタクト層３０８およびｎ型電流ブロック層３０９上には、リッジストライプより広く素子より狭い幅で遷移金属の酸化物を含むｐ型オーミック電極３１０が形成され、最上面全面にはパッド電極３１１が形成されている。
また、ＺｎＯ基板３０１の下にはｎ型オーミック電極３１２が形成されている。
【００５８】
本発明の酸化物半導体において、基板３０１の材料としては、ＺｎＯ単結晶以外にも、サファイア、スピネル、ＬｉＧａＯ２等の絶縁性基板、またはＳｉＣ、ＧａＮ等の導電性基板を用いることができる。
第１の実施形態において図２で示したように、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ＭｇＺｎＯクラッド層３０３を露出させ、その上にｎ型オーミック電極３１２を形成すればよい。また、結晶性の良好な成長層を得るために、基板上に先ずバッファ層を形成してもよい。
【００５９】
しかしながら、高い発光効率を最大限に得るためには、（１）ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内の格子整合基板であって、成長層の結晶性に優れ、非発光中心となる欠陥を低減でき、（２）発光波長に対応する吸収係数が低く、また、（３）導電性であって、裏面に電極を形成できる基板を用いることが好ましい。ＺｎＯ単結晶よりなる基板は、前記の条件を全て満足させるので最も好ましい。ＺｎＯ基板はその上にエピタキシャル成長されるＺｎＯ系半導体発光素子と完全に格子整合し、異種基板を用いるより親和性に優れる。これによって結晶性が良好で非発光中心の極めて少ない発光素子を作製することができる。
【００６０】
また、主面として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。
【００６１】
バッファ層３０２はＭｇＺｎＯより結晶性に優れるＺｎＯで構成されることが好ましいが、ＺｎＯ基板を用いる場合はＺｎＯとＭｇＺｎＯクラッド層の中間のＭｇ組成のＭｇＺｎＯ層を用いても良く、さらにＭｇ組成が傾斜を有していてもよい。
また、基板に絶縁性基板を用いる場合には、ＺｎＯと同じ結晶構造を有し格子定数が近いＧａＮやＡｌＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物をバッファ層に用いても効果を奏する。
バッファ層はｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層３０３より低温で成長すると、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層３０３より上の結晶性が向上するので好ましい。
【００６２】
ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層３０３にドーピングするドナー不純物としては、ＺｎＯ系半導体中での活性化率が高いので、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等を用いることが好ましく、ＧａまたはＡｌが特に好ましい。
【００６３】
量子井戸活性層３０５は、１または複数のＺｎＯ系半導体障壁層と１または複数のＺｎＯ系半導体井戸層とを交互に積層して形成された多重量子井戸構造である。
障壁層は井戸層にキャリアを閉じ込める働きを有し、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＺｎＯ、ＣｄＺｎＯあるいはＭｇＺｎＯで構成されることが好ましい。また、井戸層は所望の発振波長に応じたバンドギャップエネルギーを有するＺｎＯ、ＣｄＺｎＯあるいはＭｇＺｎＯで構成されることが好ましい。
また、量子井戸活性層３０５全体に、ドナー不純物、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素をドーピングすることができる。あるいは、上記ドナー不純物とアクセプタ不純物、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等のＩまたはＶ族元素とを共ドーピングして、量子井戸活性層３０５をｎ型にすることもできる。これにより、ピーク波長および発光強度を制御することができる。
また、量子井戸活性層３０５の井戸層のみまたは障壁層のみに上記ドナー不純物または上記ドナー不純物およびアクセプタ不純物をドーピングすることができる。
【００６４】
ｎ型光ガイド層３０４およびｐ型光ガイド層３０６についてはＺｎＯで構成されることが好ましいが、光閉じ込め効果を奏する屈折率を有すれば、ＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯで構成されていてもよい。また、ｎ型光ガイド層３０４とｐ型光ガイド層３０６の層厚や組成比が異なっていてもよく、一方のみが形成されていてもよい。また、屈折率の異なる２層以上の積層構造であってもよい。
【００６５】
ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層３０７およびｐ型ＺｎＯコンタクト層３０８にドーピングするアクセプタ不純物としては、ＩまたはＶ族元素であるＬｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等を用いることができる。Ｎ、ＬｉおよびＡｇは活性化しやすいので好ましい。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ちつつ、高濃度ドーピングが行えるので特に好ましい。
【００６６】
ｎ型電流ブロック層３０９は、ドナー不純物、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素をドーピングしたＭｇＺｎＯよりなる。
【００６７】
ｐ型オーミック電極３１０には、大きな仕事関数を有することが必要であり、特に４ｅＶ以上の仕事関数を有する遷移金属は、安定なオーミック特性を有する。このうち、特にＮｉ、ＣｕおよびＡｇの酸化物は低抵抗なｐ型半導体的性質を示し、ｐ型酸化物オーミック電極として好ましい。
ｐ型オーミック電極３１０はｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層３０７上に直接形成することができるが、ＭｇＺｎＯ混晶はＺｎＯに比べて不純物の活性化率が低いことから、ｐ型ＺｎＯコンタクト層３０８を形成して低抵抗化し、その上に形成すれば、電流広がりを均一化することができるので、好ましい。
また、半導体レーザ素子３は端面発光型であるため、オーミック電極３１０は透光性である必要ななく、オーミック抵抗を十分低減させるために厚く形成することが好ましい。
【００６８】
ｐ型オーミック電極３１０の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結晶に欠陥を生じさせずにアニール効果を得るには、温度は３００〜４５０℃が好ましい。また、アニール処理における雰囲気はＯ２または大気雰囲気中が好ましく、Ｎ２では逆に抵抗が増大する。
【００６９】
また、リッジストライプ幅は狭いほどキャリア注入効率が高く、また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できるが、一方で動作電圧が上昇し信頼性も悪化するため、０．５μｍ以上５μｍ以下の範囲で適宜制御することが好ましい。
【００７０】
パッド電極３１１の材料としてはボンディングが容易でＺｎＯ系半導体中へ拡散してもドナー不純物とならない金属材料が好ましく、特に、Ａｕが好ましい。
【００７１】
ｎ型オーミック電極３１２には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ等の金属材料を用いることができる。なかでも低抵抗でコストの低いＡｌまたは密着性の良いＴｉが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。
【００７２】
その他の構成は任意であり、本明細書に記載された構成のみに限定されるものではない。
【００７３】
本発明の酸化物半導体発光素子は、固体また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）法等の結晶成長手法で作製することができる。
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、例えば、ＺｎＯにＧａをドーピングさせる場合に、ＺｎＧａ２Ｏ４等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好ましい。
本発明を半導体レーザ素子に適用する場合、図５に示すレーザＭＢＥ装置７を用いて、半導体レーザ素子を作製することができる。
レーザＭＢＥ装置７において、超高真空に排気可能な成長室７０１の上部に基板ホルダー７０２が配置され、基板ホルダー７０２に基板７０３が固定されている。基板ホルダー７０２上部に配置されたヒーター７０４により基板ホルダー７０２の裏面が加熱され、その熱伝導により基板７０３が加熱される。
基板ホルダー７０２直下には適当な距離を置いてターゲットテーブル７０５が配置され、ターゲットテーブル７０５上には、複数の原料ターゲット７０６を配置することができる。
ターゲット７０６の表面は成長室７０１の側面に設けられたビューポート７０７を通じ照射されるパルスレーザ光７０８によりアブレーションされ、瞬時に蒸発したターゲット７０６の原料が基板上に堆積することにより薄膜が成長する。
ターゲットテーブル７０５は回転機構を有し、パルスレーザ光７０８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、成長室には複数のガスを導入できるように複数のガス導入管７１０が設けられており、ラジカルセル７０９によって活性化された原子状ビームを基板７０３に照射することも可能である。
【００７４】
本発明の酸化物半導体発光素子の金属酸化物オーミック電極を形成する場合、９９．９９〜９９．９９９％の高純度で安価な元素金属および高純度なＯ２ガスを用い、レーザＭＢＥ装置中で酸化物層の成長を行うことができる。成長層から電極までを真空成長室中で一貫して形成することができるので、純度に優れ低抵抗な酸化物オーミック電極を簡便に形成することが可能である。
【００７５】
また、本発明の酸化物半導体発光素子において、金属酸化物オーミック電極を形成する場合、量産性が高く、高品質の酸化物薄膜を簡便に形成できる成膜手法である電子ビーム蒸着法を用いることもでき、この方法を用いれば、特性に優れた発光素子を低コストで製造できる。
【００７６】
さらに、金属酸化物のターゲットやタブレットは、９９．９９９％以上の高純度なものが得られにくいが、あまり高純度な原料を必要としない場合には、原料タブレットに金属酸化物を用いることによって、装置内にＯ２ガスを導入せずに酸化物オーミック電極を形成することができ、製造プロセスの簡便性に優れると共に、酸素を嫌う真空成膜装置等を用いる場合に好適である。
【００７７】
さらに、スパッタリング法およびレーザアブレーション方も電子ビーム蒸着法と同様、量産性が高く、高品質の酸化物薄膜を簡便に形成できる成膜手法であり、特性に優れた発光素子を低コストで製造できる。
【００７８】
【実施例】
実施例１
この実施例は、本発明を発光ダイオード素子に適用した第１の実施形態の酸化物半導体発光素子を説明する。
図１は、発光ダイオード素子１の斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示す。この実施例において、（０００１）亜鉛面を主面とするｎ型ＺｎＯ基板１０１上に、Ｇａを３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０２、厚さ０．１μｍのノンドープＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ発光層１０３、Ｎを１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０４、およびＮを５×１０２０ｃｍ−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１０５を積層して、発光ダイオード素子１ａを作製した。
また、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の主表面全面には、透光性のｐ型オーミック電極１０６として、厚さ１０ｎｍのＮｉＯを積層し、その上に、直径１００μｍで厚さ５００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極１０７を形成した。
さらに、ＺｎＯ基板１０１の裏面には、ｎ型オーミック電極１０８として厚さ１００ｎｍのＡｌを積層した。
【００７９】
以下に製造方法を順に説明する。
まず、洗浄処理したＺｎＯ基板１０１をレーザＭＢＥ装置７に導入し、Ｏ２ガスを流しながら成長室７０１内の圧力を５×１０−３Ｐａに調整し、温度６００℃で３０分間加熱し清浄化した。
次に基板温度を５５０℃に降温し、ノンドープＺｎＯ単結晶およびＧａ２Ｏ３を添加したＭｇＺｎＯ焼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（図示せず）によって同期させ、前記原料ターゲットを所望のＭｇ組成と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Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０２を得た。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１ｍＪ／ｃｍ２）を用いた。成長中にはガス導入管７１０ａより、Ｏ２ガスを導入した。
【００８０】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶およびノンドープＣｄＯ単結晶を原料ターゲットとして交互アブレーションを行い、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ発光層１０３を成長させた。
次に、ガス導入管７１０ｂより導入したＮ２ガスをラジカルセル７０９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焼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Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０４を成長させた。
【００８１】
次に、ガス導入管７１０ｂより導入したＮ２ガスをラジカルセル７０９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１０５を成長させた。
【００８２】
次に、Ｏ２ガスの流量を調整して成長室７０１内の圧力を１×１０−３Ｐａに調整し、Ｎｉを原料ターゲットとしてアブレーションを行い、ＮｉＯオーミック電極１０６を成膜した。このとき、アブレーションにより蒸発した金属Ｎｉは、成長室内のＯ２ガスによってＮｉＯとなる。成膜したＮｉＯは厚さ１０ｎｍで、発光層からの発光の７０５を透過する。
【００８３】
次に、Ｏ２ガスの導入をを停止して成長室７０１内の圧力を１×１０−４Ｐａに調整し、Ａｕを原料としてアブレーションを行い、Ａｕパッド電極１０７を成膜した。
【００８４】
次に、ＺｎＯ基板１０１をレーザＭＢＥ装置７装置から取り出して、エッチングによりＡｕパッド電極１０７を直径１００μｍに加工した。
次に、ＺｎＯ基板１０１をアニール炉（図示しない）に導入し、Ｏ２ガスを流しながら常圧において温度３５０℃で１分間アニールを行なった。
次に、ＺｎＯ基板１０１を真空蒸着装置（図示しない）へ導入し、Ａｌを原料としてＺｎＯ基板１０１の裏面に電子ビーム蒸着を行い、ｎ型オーミック電極１０８を成膜した。
【００８５】
発光ダイオード素子１ａを３００μｍ角のチップ状に分離し、基板裏面にＡｇペーストを塗布してｎ型オーミック電極１０８をリードフレーム（図示しない）の一方に接続し、Ａｕパッド電極１０７をリードフレームの他方にワイヤボンディングした後、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、２０ｍＡの動作電流における動作電圧は３．６Ｖであった。
【００８６】
発光ダイオード素子１ａのチップ１００個をリードフレームに実装したところ、Ａｕパッド電極１０７をリードフレームにワイヤボンディングする際に電極剥れは１つも生じなかった。
【００８７】
比較のため、Ｏ２ガスを流さずにＮｉをアブレーションすることにより、ＮｉＯオーミック電極１０６をＮｉ金属電極に変更する以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、発光ダイオード素子１ｂを作製した。１００個のチップをリードフレームに実装したところ、ワイヤボンディングの際に２５個が電極剥れを生じ、２０個の動作電圧は５Ｖ以上であった。
すなわち、金属電極と酸化物半導体との密着性が弱いため、発光ダイオード素子１ｂでは、製造歩留まりが低いのに対し、発光ダイオード素子１ａでは、オーミック電極を金属酸化物で構成しているので密着性が強く、信頼性は飛躍的に向上することが確認された。
【００８８】
また、比較のため、Ａｕパッド電極１０７を形成しない以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして発光ダイオード素子１ｃを作製した。１００個のチップをリードフレームに実装したところ、６０個がワイヤボンディングできず、２０個が通電中にＮｉＯオーミック電極１０６からボンディングワイヤが外れた。
すなわち、本発明の低いオーミック抵抗と強い密着性の効果を最大限に得るには、パッド電極を形成してワイヤボンディングを行うことが好ましいことが確認された。
【００８９】
さらに、比較のため、ｐ型オーミック電極１０６を形成した後にアニール処理を行なわない以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして発光ダイオード素子１ｄを作製した。１００個のチップをリードフレームに実装したところ、ワイヤボンディングの際に１５個が電極剥れを生じ、１０個の動作電圧は５Ｖ以上であった。
すなわち、アニール処理を行うことにより、酸化物半導体と電極の密着性およびオーミック特性は格段に向上することが確認された。
【００９０】
アニール処理の温度は、３００℃以上であれば密着性向上と抵抗低減効果が高く、４５０℃以下であれば、酸化物半導体素子が劣化しにくいことが確認された。したがって、アニール処理は、３００〜４５０℃の範囲にある温度にて行うことが好ましい。
また、アニール処理における雰囲気はＯ２または大気雰囲気中が好ましく、Ｎ２では逆に抵抗が増大することが確認された。
さらに、ｎ型オーミック電極にＡｌ等の酸化し易い金属を用いる場合は、大気雰囲気中でアニール処理を行うか、この実施例のように先にｐ型オーミック電極のアニール処理を行った後、ｎ型オーミック電極を形成することが好ましいことがわかった。
【００９１】
実施例２
図６に、ＮｉＯオーミック電極層１０６の層厚と発光ダイオード素子１の動作電圧および発光強度の関係を示す。
ＮｉＯオーミック電極１０６の層厚を変化させる以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、種々の発光ダイオード素子を作製した。
図６からわかるように、ＮｉＯオーミック電極層１０６の層厚が１ｎｍ以上で動作電圧は急激に減少し、１０ｎｍを超えると動作電圧はほぼ一定になった。
また、１００ｎｍを超えると発光強度が急激に低下する。電極の層厚が高くなり過ぎると、透光性も低したためと考えられる。
以上の結果より、発光ダイオード素子の動作電圧を低く保ち、かつ高い発光強度を実現するためには、金属電極層の層厚は１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましい。
【００９２】
実施例３
ｐ型オーミック電極１０６として、Ｃｕ２Ｏタブレットを用いた電子ビーム蒸着法でＣｕ２Ｏを形成する以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、発光ダイオード素子１ｅを作製した。
発光ダイオード素子１ｅを実施例１と同様の手法でリードフレームに実装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動作電圧および発光強度は発光ダイオード素子１ａの場合とほぼ同じであった。
また、１００個のチップをリードフレームに実装したところ、ワイヤボンディングする際に電極剥れは１つも生じなかった。
【００９３】
実施例４
この実施例は、本発明を発光ダイオード素子に適用した第２の実施形態の酸化物半導体発光素子を説明する。第２の実施形態の酸化物半導体発光素子は、ＮｉＯオーミック電極１０６とＡｕパッド電極１０７との間に、Ａｇ中間層２０１が形成されている発光ダイオード素子である。
【００９４】
図３は発光ダイオード素子２の断面図を示す。この実施例において、ＮｉＯオーミック電極１０６とＡｕパッド電極１０７の間に、厚さ５０ｎｍのＡｇ中間層２０１を形成する以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして発光ダイオード素子２ａを作製した。なお、この図中、発光素子１ａと同様の構成要素については図１と同じ符号を用いている。
【００９５】
発光ダイオード素子２ａを実施例１と同様の手法でリードフレームに実装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。
【００９６】
発光ダイオード素子２ａのチップ１００個をリードフレームに実装したところ、ワイヤボンディングする際に電極剥れは１つも生じなかった。また、動作電圧は発光ダイオード素子１ａより低減して３．３Ｖとなった。
すなわち、ｐ型オーミック電極１０６とパッド電極１０７との間にＡｇのごとき金属薄膜で中間層２０１を形成したことにより、酸化物オーミック電極とパッド電極との密着性を向上させることができることが確認された。
さらに、発光強度は１０％増大した。これは、Ａｕパッド電極直下に入射した発光が反射率の高いＡｇ中間層２０１で反射されチップ側面から取り出されたためと考えられる。
【００９７】
比較のため、Ｇａを用いて中間層２０１を形成する以外は、発光ダイオード素子２ａと同様にして、発光ダイオード素子２ｂを作製し、上記と同様の手法によりリードフレームに実装したところ、ワイヤボンディングの際に電極剥れは生じなかったが、動作電圧は５Ｖ以上であった。
すなわち、ｐ型オーミック電極１０６とパッド電極１０７との間にＧａのごときドナー不純物に用いる元素で中間層２０１を形成したことにより、酸化物オーミック電極とパッド電極との密着性を向上させることができることが確認された。
しかしながら、Ａｇ中間層を適用した発光ダイオード素子２ａと比較して、Ｇａ中間層を適用した発光ダイオード素子２ｂの動作電圧は増大した。この理由は、ＧａがＺｎＯ半導体においてドナー不純物として働くため、ｐ型オーミック電極やｐ型ＺｎＯ層に拡散することによって電気伝導を阻害したものと考えられる。
したがって、中間層はＧａのごとき導電性酸化物で形成してもよいが、Ａｇのごとき金属薄膜で形成すれば、透光性電極に入射した発光を吸収せずに反射することができ、また電極がさらに低抵抗化するので好ましいことが確認された。
【００９８】
以上の結果より、ｐ型オーミック電極１０６とパッド電極１０７との間の密着性を向上させ、かつ、オーミック抵抗を低減させるような中間層材料としては、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇが好ましい。
このように、ｐ型オーミック電極および中間層には、ドナー不純物であるＡｌ、ＧａおよびＩｎを含まないことが好ましく、さらにｎ型オーミック電極材料となるＴｉ、Ｃｒも含まないことが好ましい。
【００９９】
実施例５
この実施例は、本発明を半導体レーザ素子に適用した第３の実施形態の半導体発光素子を説明する。
図４はＺｎＯ系半導体レーザ素子３の斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示す。この実施例において、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１上に、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのＺｎＯバッファ層３０２、Ｇａドーピング濃度が３×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３０３、Ｇａドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層３０４、ノンドープ量子井戸活性層３０５、Ｎドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層３０６、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ１．２μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３０７、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層３０８を積層して、半導体レーザ素子３ａを作製した。
量子井戸活性層３０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層２層と厚さ６ｎｍのＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層３層とを交互に積層することによって形成されている。
ｐ型ＺｎＯコンタクト層３０８およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３０７の一部はリッジストライプ状にエッチング加工され、側面はＧａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされたｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層３０９によって埋め込まれている。
ｐ型ＺｎＯコンタクト層３０８およびｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層３０９上には、リッジストライプより広く素子より狭い幅で、厚さ１００ｎｍのＡｇ２Ｏオーミック電極３１０が形成され、最上面全面には厚さ５００ｎｍのＡｕパッド電極３１１が形成されている。
半導体レーザ素子３ａは端面発光型であるため、Ａｇ２Ｏオーミック電極３１０は透光性である必要はなく、オーミック抵抗を十分低減させるために厚く形成している。
ｎ型ＺｎＯ基板３０１の下にはｎ型Ａｌオーミック電極３１２が形成されている。
【０１００】
以下に製造方法を順に説明する。
半導体レーザ素子３ａは、レーザＭＢＥ装置７を用いて結晶成長を行い、ｐ型Ａｇ２Ｏオーミック電極３１０、Ａｕパッド電極３１１およびｎ型Ａｌオーミック電極３１２は、原料ターゲットに各々Ａｇ２Ｏ、ＡｕおよびＡｌを用いてスパッタリング法で形成した。
【０１０１】
半導体レーザ素子３ａを作製後、ＺｎＯ基板３０１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角のチップ状に分離した。
半導体レーザ素子３ａのチップに電流を流したところ、端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られ、光出力５ｍＷ駆動時に動作電圧および動作電流は、３．５Ｖおよび２５ｍＡであった。
【０１０２】
比較のため、ｐ型Ａｇ２Ｏオーミック電極３１０を金属Ａｇで形成する以外は、半導体レーザ素子３ａと同様にして、半導体レーザ素子３ｂを作製した。半導体レーザ素子３ｂをチップ状に分離し、１００個のチップを実装したところ、３０個の素子がワイヤボンディングする際に電極剥れを生じ、２０個の素子が光出力５ｍＷ駆動時の動作電圧が５Ｖを超え、発熱によって素子寿命が著しく低下した。
【０１０３】
すなわち、酸化物オーミック電極を半導体レーザ素子に適用しても十分な密着性と抵抗低減効果を有することが確認された。
【０１０４】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇよりなる群から選択された少なくとも１種の遷移金属の酸化物を用いて、酸化物半導体発光素子のｐ型コンタクト層上に遷移金属酸化物オーミック電極を形成したので、ＺｎＯ系半導体層との密着性に優れると共に、安定かつ低抵抗なオーミック電極を形成でき、信頼性が高く動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態の酸化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）を示す斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）。
【図２】絶縁性基板を用いた第１の実施形態の酸化物半導体発光素子（発光ダイオード）を示す斜視図。
【図３】本発明による第２の実施形態の酸化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）を示す断面図。
【図４】本発明による第３の実施形態の酸化物半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）。
【図５】レーザ分子線エピタキシー装置の概略図。
【図６】ＮｉＯオーミック電極層の層厚と発光ダイオード素子の動作電圧および発光強度との関係を説明するグラフ図。
【符号の説明】
１・・・発光ダイオード素子、
１０１・・・ＺｎＯ基板、
１０２・・・ｎ型ＺｎＯ系半導体層、
１０３・・・発光層、
１０４・・・ｐ型ＺｎＯ系半導体層、
１０５・・・ｐ型ＺｎＯ系半導体コンタクト層、
１０６・・・ｐ型オーミック電極、
１０７・・・パッド電極、
１０８・・・ｎ型オーミック電極、
１０９・・・ｎ型ＺｎＯバッファ層、
１１０・・・ｎ型ＺｎＯコンタクト層、
２０１・・・中間層、
３・・・半導体発光素子、
３０１・・・ＺｎＯ基板、
３０２・・・ｎ型ＺｎＯバッファ層、
３０３・・・ｎ型ＺｎＯ系半導体層、
３０４・・・ｎ型ＺｎＯ光ガイド層、
３０５・・・量子井戸活性層、
３０６・・・ｐ型ＺｎＯ光ガイド層、
３０７・・・ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、
３０８・・・ｐ型ＺｎＯコンタクト層、
３０９・・・ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層、
３１０・・・ｐ型オーミック電極、
３１１・・・パッド電極、
３１２・・・ｎ型オーミック電極、
７・・・レーザＭＢＥ装置、
７０１・・・成長室、
７０２・・・基板ホルダー、
７０３・・・基板、
７０４・・・ヒーター、
７０５・・・ターゲットテーブル、
７０６・・・原料ターゲット、
７０７・・・ビューポート、
７０８・・・パルスレーザ光（エキシマレーザ）、
７０９・・・ラジカルセル、
７１０・・・ガス導入管。
【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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