(57)【要約】【課題】励起子発光を高い効率で高出力まで得ると共に動作電圧の上昇を抑止する。【解決手段】ＧａＮ積層サファイア基板１上に、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層２，ｎ型ＺｎＯ層３，Ｎを１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープして半絶縁化したｉ型ＺｎＯ発光層４を順次積層している。このように、結晶性が良好で残留電子濃度が低いＺｎＯ層にｐ型不純物を１×１０１９ｃｍ−３以下の低濃度でドープして半絶縁化することによって、優れた結晶性を得ることができ、励起子発光が高い効率で得られる。また、発光への不純物の関与を抑制することができ、高出力まで出力飽和や波長シフトを生じなく、低動作電圧を実現できる。【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ｐ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度でドーピングされて半絶縁化されたｉ型ＺｎＯ系半導体発光層と、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層に接して設けられたｎ型ＺｎＯ系半導体層とを備えたことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項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ｐ型不純物は、ＩＡ族，ＩＢ族，ＶＡ族およびＶＢ族の元素から選択された少なくとも１つを含んでいる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２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｐ型不純物は、Ｎ，Ｌｉ，Ｐ，ＡｇおよびＡｓのうちの少なくとも１つを含んでいる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１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層は、障壁層と井戸層とで構成された量子井戸構造を有している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１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記井戸層は、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも一方を含んでい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１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記井戸層は、Ｚｎ，ＯおよびＯ以外のＶＩＡ族元素を含んで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に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板は、ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内の格子整合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８】
請求項７に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記格子整合基板は、ＺｎＯ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９】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｎ型ＺｎＯ系半導体層は、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層よりもバンドギャップが大きいＺｎＯ系半導体層を含む積層構造であ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に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層における主表面上全面に、透光性電極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１１】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層における主表面上全面に、透光性導電膜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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光ダイオード等の半導体発光素子に関し、詳しくは発光特性に優れた消費電力の少ない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あり、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、原材料が安価で環境や人体に無害で成膜方法が簡便である等の特徴を有している。そのために、高効率・低消費電力であって環境に優しい発光デバイスを実現できる可能性がある。
【０００３】
尚、以下において、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等で表される混晶を含めるものとする。
【０００４】
上記ＺｎＯ系半導体においては、アクセプタドーピングによって自己補償効果が強く生じるため、ｐ型伝導およびその導電率制御は極めて困難である。そのため、現在この材料を用いた実用的な発光素子としては、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  ＩｎｓｕｌａｔｏｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造の青紫色発光ダイオードが知られており、非特許文献１や非特許文献２には、ＺｎＯ基板上に酸化硅素絶縁膜および金属電極を積層した構造を用いて、室温で青紫色に相当するキャリア注入による発光を得た旨が発表されている。
【０００５】
また、特許文献１には、ｎ型ＺｎＯ系半導体層上に、半絶縁性のｉ型ＺｎＯ系半導体層および導電層を積層する技術が開示されている。この技術によれば、Ｌｉ等のｐ型不純物を高濃度にドープすることによってｉ型ＺｎＯを作製してＭＩＳ構造を得ることによって、小さい電流で高出力な発光を得ることができる。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．９  Ｎｏ．１６  ｐ３６２（１９７３）
【非特許文献２】
Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．１３，  Ｎｏ．９  ｐ１４７５（１９７４）
【特許文献１】
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、上記非特許文献１や非特許文献２に記載された構造を有する従来のＭＩＳ型発光ダイオードにおいては、何れの場合にも絶縁性のＺｎＯ単結晶を用いているために動作電圧が非常に高いという問題がある。
【０００８】
一方、上記特許文献１に記載された構造を有する従来のＭＩＳ型発光ダイオードにおいては、ｉ型層とｎ型層の積層構造であるために動作電圧は低いが、ｐ型不純物を高ドープしてｉ型を得ているために発光に不純物が関与し、ＺｎＯの特長である励起子発光の効率が低下してしまうという問題がある。また、不純物が関与した発光の場合には、電流注入に伴って出力が飽和してしまって高輝度が得られ難いという問題もある。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、ＺｎＯの特長である励起子発光を高い効率で高出力まで得ることができると共に、動作電圧の上昇を抑止できる消費電力の少ないＭＩＳ構造の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、基板上に、少なくともｐ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度でドーピングされて半絶縁化されたｉ型ＺｎＯ系半導体発光層と、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層に接して設けられたｎ型ＺｎＯ系半導体層とを備えている。
【００１１】
上記構成によれば、ｐ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３以下であるｉ型ＺｎＯ系半導体発光層を有している。このような低不純物濃度のｉ型ＺｎＯ系半導体層は結晶性に優れ、ＺｎＯ系半導体の特長である励起子発光が高い効率で得られる。また、不純物準位や欠陥に起因する発光が抑止されるため、低出力から高出力に至るまで励起子発光が顕著となり、高いキャリア注入時に出力飽和や波長シフトが生ずることはない。
【００１２】
尚、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発発光層の形成時に、ｐ型不純物と共にｎ型不純物が同時にドープされても、ｐ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３以下であれば、ドーピング濃度が十分小さいので結晶性が損なわれず、ｐ型不純物濃度のみをドーピングした場合と同様の効果が得られる。
【００１３】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型不純物を、ＩＡ族，ＩＢ族，ＶＡ族およびＶＢ族の元素から選択された少なくとも１つを含んで構成している。
【００１４】
この実施例によれば、上記ｐ型不純物は、ＩＡ族，ＩＢ族，ＶＡ族およびＶＢ族の元素から選択された少なくとも１つを含んでいる。したがって、このｐ型不純物は、ＺｎＯ系半導体中においてアクセプタ不純物として機能することになり、結晶欠陥等に起因する残留キャリアが補償されてＺｎＯ系半導体発光層が高抵抗化される。
【００１５】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型不純物を、Ｎ，Ｌｉ，Ｐ，ＡｇおよびＡｓのちの少なくとも１つを含んで構成している。
【００１６】
この実施例によれば、上記ｐ型不純物は、ＺｎＯ系半導体に対するアクセプタ不純物の中でも活性化エネルギーが小さく、少ないドーピング濃度で残留キャリアが補償されて高抵抗な発光層が得られる。
【００１７】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層を、障壁層と井戸層とで構成された量子井戸構造としている。
【００１８】
この実施例によれば、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層を量子井戸発光層としているので発光効率が高く、バルク発光層に比して薄い層厚であっても高い発光強度を得ることができる。したがって、低い動作電圧で高輝度が得られる。
【００１９】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記井戸層を、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも一方を含んで構成している。
【００２０】
ＺｎＯは、ＣｄＯとの混晶であるＣｄｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）とすることによってバンドギャップエネルギーが小さくなり、可視光に相当する光を発光するようになる。可視光発光素子は表示素子等に用いられるため産業上の利用価値が高い。
【００２１】
この実施例によれば、ｉ型ＺｎＯ系半導体による量子井戸発光層の井戸層としてＣｄｘＺｎ１−ｘＯ半導体を用い、ｐ型不純物を１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度でドーピングしてｉ型層とすることによって、可視光に相当する励起子発光が高効率で得られる。したがって、高効率で消費電力の低い発光表示装置を製造することが可能になる。
【００２２】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記井戸層を、Ｚｎ，ＯおよびＯ以外のＶＩＡ族元素を含んで構成している。
【００２３】
ＺｎＯは、Ｚｎ系ＩＩ‐ＶＩ族化合物半導体であるＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＴｅ等と混晶化することによって、低混晶側でバンドギャップがボウイングして小さくなるため可視発光が得られる。
【００２４】
この実施例によれば、ｉ型ＺｎＯ系半導体による量子井戸発光層の井戸層としてＺｎ（Ｓｅ，Ｓ，Ｔｅ）Ｏ半導体を発光層に用い、ｐ型不純物を１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度でドーピングしてｉ型層とすることによって、可視光に相当する励起子発光が高効率で得られる。したがって、高効率で消費電力の低い発光表示装置を製造することが可能になる。さらに、これらのＶＩＡ族元素はＣｄに比べて環境や人体に与える影響が極めて小さい。したがって、製造に際して安全に使用することができ、且つ、環境に優しい高輝度発光素子が得られる。
【００２５】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記基板を、ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内の格子整合基板としている。
【００２６】
この実施例によれば、上記基板として格子整合基板が用いられているので、成長するＺｎＯ系半導体層の欠陥が低減し、残留電子が減少する。したがって、少ないｐ型不純物濃度で上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層が半絶縁化され、高効率な励起子発光が得られる。
【００２７】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記格子整合基板をＺｎＯ基板としている。
【００２８】
上記格子整合基板としては、ＺｎＯ，（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２，ＳｃＡｌＭｇＯ４等のホモロガス化合物やＧａＮ系半導体を成長したサファイア基板等を用いることができる。この実施例によれば、上記格子整合基板としてＺｎＯ単結晶基板を用いているため、ＺｎＯ系半導体と完全に格子整合し且つ優れた親和性が得られる。
【００２９】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｎ型ＺｎＯ系半導体層を、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層よりもバンドギャップが大きいＺｎＯ系半導体層を含む積層構造としている。
【００３０】
この実施例によれば、上記ｎ型ＺｎＯ系半導体層として、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層よりもバンドギャップが大きいＭｇＺｎＯ等が用いられている。したがって、バンドギャップエネルギー差によって、注入キャリアが上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層に閉じ込められる。これによって、発光効率が向上し、低い動作電圧で高輝度が得られる。
【００３１】
尚、上記ｎ型のワイドギャップ半導体層は、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層に接して設けられることがキャリア閉じ込め効果が向上するので好ましい。
【００３２】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層における主表面上全面に透光性電極が形成されている。
【００３３】
上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層は、高抵抗であるため電流が広がり難く、電極周辺のみが発光し易い。この実施例によれば、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層における主表面上全面に透光性電極が形成されている。したがって、注入電流が広がり易くなって均一な発光が得られ、光取り出し効率が向上する。
【００３４】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層における主表面上全面に透光性導電膜が形成されている。
【００３５】
この実施例によれば、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層における主表面上全面に上記透光性電極に比べて厚く形成することが可能な透光性導電膜が形成されている。したがって、注入電流が上記透光性電極よりも広がり易くなり、より均一な発光が得られ、光取り出し効率が更に向上する。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３７】
・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の酸化物半導体発光素子としてのＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子における断面図である。
【００３８】
本実施の形態における発光ダイオード素子においては、ｃ面を主面とするＧａＮ薄膜が形成されたサファイア基板１上に、Ｇａを３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープしたｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層２、Ｇａを１×１０１７ｃｍ−３の濃度でドープしたｎ型ＺｎＯ層３、Ｎを１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープして半絶縁化したｉ型ＺｎＯ発光層４が、順次積層されている。
【００３９】
そして、上記ｉ型ＺｎＯ発光層４がエッチングされて露出したｎ型ＺｎＯ層３の上には、ｎ型オーミック兼パッド電極５としてＡｌが積層されている。さらに、ｉ型ＺｎＯ発光層４の主表面上全面には、Ｎｉを積層して成る透光性オーミック電極６が形成されており、このＮｉ透光性オーミック電極６上にはボンディング用のＡｕパッド電極７が、オーミック電極６よりも小さい面積で形成されている。
【００４０】
本実施の形態は、発光層として機能するｉ型ＺｎＯ発光層４の不純物濃度を１×１０１９ｃｍ−３以下にして、半絶縁化させたことに特徴を有している。但し、本実施の形態における「半絶縁性」とは、室温において１００Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有することと定義する。
【００４１】
本実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子は、図２に示すレーザ分子線エピタキシ（以下、レーザＭＢＥと略称する）装置１１によって以下のようにして形成している。すなわち、超高真空に排気可能な成長室１２の上部に基板ホルダ１３が配置されており、この基板ホルダ１３に基板１４が固定される。そして、基板ホルダ１３の上部に配置されたヒータ１５によって基板ホルダ１３の裏面が加熱され、その熱伝導によって基板１４が加熱される。
【００４２】
上記基板ホルダ１３の直下には適当な距離を置いてターゲットテーブル１６が配置され、このターゲットテーブル１６上には原料ターゲット１７が複数配置できるようになっている。そして、成長室１２の側面に設けられたビューポート１８から照射されるパルスレーザ光１９によって原料ターゲット１７の表面がアブレーションされ、瞬時に原料ターゲット１７から蒸発した原料ガス２０が基板１４に付着して、基板１４上に原料が堆積することによって薄膜が成長する。
【００４３】
上記ターゲットテーブル１６には回転機構（図示せず）が設けられている。そして、パルスレーザ光１９の照射シーケンスに同期して回転を制御することによって、異なる原料ターゲット１７の表面をアブレーションして異なる原料を基板１４上に積層することが可能になる。また、成長室１２に複数のガスを導入できるように、複数本のガス導入管２１が配設されている。
【００４４】
以下、本実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子の製造方法について、図１および図２に従って順次説明する。
【００４５】
先ず、洗浄処理したＧａＮ積層サファイア基板１（１４）をレーザＭＢＥ装置１１に導入し、温度７００℃で３０分間加熱し、清浄化する。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燒結体を原料ターゲット１７として、ＫｒＦエキシマレーザのパルス周期とターゲットテーブル１６の回転周期とを同期させて、所望の組成比と不純物濃度とが得られる比率で交互にアブレーションを行う。こうして、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層２を０．５μｍの膜厚で成長させる。尚、成長中においては、ガス導入管２１の一つよってＯ２ガスを導入する。
【００４６】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶およびＧａ２Ｏ３を添加したＺｎＯ燒結体を原料ターゲット１７とし、所望の不純物濃度が得られる比率で交互にアブレーションを行ない、ｎ型ＺｎＯ層３を１０００Åの膜厚に成長させる。次に、ノンドープＺｎＯ単結晶を原料ターゲット１７とし、Ｏ２ガスと共にプラズマ化したＮ２ガスを導入しながら、ｉ型ＺｎＯ発光層４を５００Åの膜厚に成長させる。尚、窒素の不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３になるようにＮ２ガスの導入量を制御する。
【００４７】
次に、上記ＧａＮ積層サファイア基板１（１４）をレーザＭＢＥ装置１１中から取り出し、透光性オーミック電極６としてＮｉ薄膜を１５０Åの厚さに真空蒸着する。このオーミック電極６は、入射した発光の７０％以上を透過する。次に、ＨＮＯ３溶液を用いたフォトリソグラフィによって透光性オーミック電極６およびｉ型ＺｎＯ発光層４の一部をエッチングし、ｎ型ＺｎＯ層３を露出させる。尚、反応性ガス等を用いたドライエッチングによってｎ型ＺｎＯ層３を露出させてもよい。最後に、透光性オーミック電極６上に、パッド電極７としてＡｕを１０００Åの厚さで真空蒸着する。さらに、露出しているｎ型ＺｎＯ層３上に、ｎ型オーミック兼パッド電極５としてＡｌを１０００Åの厚さで真空蒸着する。こうして、図１に示すような断面を有するＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子が形成される。
【００４８】
以上のようにして作製されたＺｎＯ系ＭＩＳ型発光ダイオードをチップ状に分離し、リードフレームに取り付けモールドして発光させたところ、２０ｍＡにおいて、順方向電圧４Ｖで発光波長３９０ｎｍの青紫色発光が得られた。
【００４９】
比較例として、
（１）ｐ型不純物としてＮを５×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープしｉ型ＺｎＯ発光層としたＺｎＯ系ＭＩＳ型発光ダイオード…比較例１
（２）ｐ型不純物としてＮを１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドープすると同時に、ｎ型不純物としてＧａを１×１０１７ｃｍ−３の濃度でドープして、ｉ型ＺｎＯ発光層としたＺｎＯ系ＭＩＳ型発光ダイオード…比較例２
を作製して、輝度を比較した。図３に、上記輝度の比較結果を示す。
【００５０】
比較例１および比較例２におけるＺｎＯ系ＭＩＳ型発光ダイオードは、本実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ型発光ダイオードよりも輝度が低く、駆動電流の増加に伴って輝度が飽和する現象が見られる。これに対して、本実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ型発光ダイオードは、駆動電流の増加に略比例して輝度が増加する。また、比較例１および比較例２におけるＺｎＯ系ＭＩＳ型発光ダイオードは、本実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ型発光ダイオードよりも発光波長が長波長化している。
【００５１】
この理由として、ｐ型不純物であるＮの濃度が増大すると、ｉ型ＺｎＯ発光層の結晶性が悪化して残留電子濃度の増大を招くこと、発光効率が低下すること、さらに過剰な同時ドーピングによって励起子発光から不純物が関与した発光に遷移することが考えられる。
【００５２】
図４に、ｉ型ＺｎＯ発光層４の発光強度のｐ型不純物濃度依存性を示す。ドーピング前の残留電子濃度が１×１０１６ｃｍ−３と低いＺｎＯ発光層にｐ型不純物をドープしてｉ型層とした場合、ｐ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３までは濃度の増大に伴って、発光層の抵抗率が高くなると共に、発光強度が増大する。そして、ｐ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３を超えると、発光層の抵抗率が低下すると共に、発光強度が減少する現象が見られる。
【００５３】
これに対して、ドーピング前の残留電子濃度が１×１０１６ｃｍ−３よりも高いＺｎＯ発光層にｐ型不純物をドープしてｉ型層とした場合には、発光強度が最も強くなるｐ型不純物濃度が高不純物濃度側へ移動し、発光強度が大幅に低下することが分る。
【００５４】
以上の結果より、結晶性が良好で残留電子濃度が低いＺｎＯ層にｐ型不純物を低濃度でドープすることによって、発光層の発光効率は飛躍的に増大し、特にｐ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３以下で半絶縁化することが好ましいことが分る。
【００５５】
尚、上記比較例２に見られるように、上述したように、ｐ型不純物と同時にｎ型不純物をドープしたｉ型ＺｎＯ発光層の場合には特性が悪化する。しかしながら、ｐ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲で同時ドープされて半絶縁化された場合には、結晶性の悪化は生じない。したがって、本実施の形態の効果は十分得られるのである。
【００５６】
また、本実施の形態においては、上記ｎ型ＺｎＯ層３上にｎ型オーミック兼パッド電極５を形成している。しかしながら、ｎ型ＺｎＯ層３を形成せずに、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層２上にｉ型ＺｎＯ発光層とｎ型オーミック兼パッド電極とを形成してもよい。その場合には、ｉ型ＺｎＯ発光層へのキャリア閉じ込め効果が向上するので好ましい。尚、ｎ型ＺｎＯ層３を形成する場合には、その層厚を５０００Å以下とすることが好ましい。
【００５７】
また、上記ｉ型ＺｎＯ発光層４の層厚が厚くなると、発光強度は増大するが動作電圧が上昇する。したがって、ｉ型ＺｎＯ発光層４の層厚としては、１００Å以上１０００Å以下であることが好ましい。
【００５８】
また、上記ＺｎＯ発光層４を半絶縁化させるためのｐ型不純物については、ＩＡ族，ＩＢ族，ＶＡ族およびＶＢ族の元素を用いることが可能である。尚、上記ｐ型不純物としては、本実施の形態で用いたＮの他に、Ｌｉ，Ｐ，ＡｇおよびＡｓが、活性化率が高いため少ないドーピング濃度で半絶縁化が可能であり、特に好ましい。
【００５９】
その他の構成層の組成比や層厚等は任意であり、本実施の形態によって限定されるものではない。
【００６０】
・第２実施の形態
図５は、本実施の形態のＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子における断面図である。
【００６１】
本実施の形態の発光ダイオード素子におけるＧａＮ積層サファイア基板３１，ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層３２，ｎ型ＺｎＯ層３３，ｉ型ＺｎＯ発光層３４，ｎ型オーミック兼パッド電極３５，透光性オーミック電極３７およびＡｕパッド電極３８は、上記第１実施の形態の発光ダイオード素子におけるＧａＮ積層サファイア基板１，ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層２，ｎ型ＺｎＯ層３，ｉ型ＺｎＯ発光層４，ｎ型オーミック兼パッド電極５，透光性オーミック電極６およびＡｕパッド電極７と同じであり、  上記第１実施の形態の場合と同様にして形成する。
【００６２】
本実施の形態においては、上記ｉ型ＺｎＯ発光層３４とＮｉ透光性オーミック電極３７との間に、上記透光性導電膜の一例であるｐ型透明導電膜３６として、膜厚０．５μｍのＣｕＡｌＯ２が積層されている。
【００６３】
本実施の形態のＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオードは、ｉ型ＺｎＯ発光層３４上に形成された低抵抗なｐ型透明導電膜３６によって電流が十分に広がるため、ｉ型ＺｎＯ発光層３４の発光が均一化し、上記第１実施の形態の場合に比べて輝度を５０％程度向上させることができる。
【００６４】
尚、上記ｐ型透明導電膜３６の形成に用いられるｐ型透明導電膜材料は、上述したＣｕＡｌＯ２に限定されるものではなく、ＡｇＡｌＯ２等の他のｐ型透明導電膜材料を用いても本実施の形態における効果は十分に得ることができる。
【００６５】
・第３実施の形態
本実施の形態は、上記第１実施の形態のＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子におけるｉ型ＺｎＯ発光層４を、膜厚が５０ÅのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ障壁層と膜厚が８０ÅのＺｎＯ井戸層とを交互に積層した多重量子井戸発光層で構成したものである。そして、その他の構成は、上記第１実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子と同じであり、上記第１実施の形態の場合と同様にして形成する。尚、その際に、ｐ型不純物であるＮを上記障壁層と井戸層との両方にドープしてＺｎＯ発光層を半絶縁化させている。
【００６６】
本実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオードは、多重量子井戸発光層を用いたことによって、発光効率とキャリア閉じ込め効率とを向上することができる。したがって、発光層厚が上記第１実施の形態の場合と略同じであるにも拘らず、輝度を６０％程度向上させることができる。
【００６７】
尚、本実施の形態においては、量子効果によって実質的なバンドギャップエネルギーが大きくなるため、発光波長は上記第１実施の形態の場合よりも短波長側に移動する。
【００６８】
・第４実施の形態
本実施の形態は、上記第１実施の形態のＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子におけるｉ型ＺｎＯ発光層４を、膜厚が５０ÅのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ障壁層と膜厚が５０ÅのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層とを交互に積層した多重量子井戸発光層で構成したものである。そして、その他の構成は、上記第１実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子と同じであり、上記第１実施の形態の場合と同様にして形成する。尚、その際に、ｐ型不純物であるＮを上記障壁層と井戸層との両方にドープしてＺｎＯ発光層を半絶縁化させている。
【００６９】
本実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオードは、上記多重量子井戸発光層における井戸層の組成をバンドギャップエネルギーの小さなＣｄＺｎＯ混晶にしたことによって、発光波長が上記第３実施の形態の場合よりも長波長側へ移動し、発光中心波長は４３０ｎｍの青色となる。
【００７０】
このように、４００ｎｍより長波長であって、産業上における利用価値の高い青色発光を得るためには、ＣｄＺｎＯ混晶におけるＣｄ組成は０．０４以上であることが好ましく、また均一組成を得るためには０．２５以下であることが好ましい。
【００７１】
さらに、上記多重量子井戸発光層における井戸層厚を上記第３実施の形態の場合よりも薄くして量子効果が顕著になったことと、発光が長波長化して視感度が向上したこととによって、上記第３実施の形態の場合よりもさらに輝度を１０％向上させることができる。
【００７２】
・第５実施の形態
本実施の形態は、上記第１実施の形態のＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子におけるｉ型ＺｎＯ発光層４を、膜厚が５０ÅのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ障壁層と膜厚が５０ÅのＺｎＳｅ０．０２Ｏ０．９８井戸層とを交互に積層した多重量子井戸発光層で構成したものである。そして、その他の構成は、上記第１実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子と同じであり、上記第１実施の形態の場合と同様にして形成する。尚、その際に、ｐ型不純物であるＮを上記障壁層と井戸層との両方にドープしてＺｎＯ発光層４を半絶縁化させている。
【００７３】
本実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオードは、上記多重量子井戸発光層における井戸層の組成をバンドギャップボウイングによってエネルギーが小さくなるＺｎＳｅＯ混晶にしたことによって、発光波長が上記第３実施の形態の場合よりも長波長側へ移動し、発光中心波長は４３０ｎｍの青色となる。
【００７４】
このように、４００ｎｍより長波長であって、産業上における利用価値の高い青色発光を得るためには、ＺｎＳｅＯ混晶におけるＳｅ組成は０．０１以上であることが好ましく、また均一組成を得るためには０．１以下であることが好ましい。
【００７５】
さらに、上記多重量子井戸発光層における井戸層厚を上記第３実施の形態の場合よりも薄くして量子効果が顕著になったことと、発光が長波長化して視感度が向上したこととによって、上記第３実施の形態の場合よりもさらに輝度を１０％向上させることができる。
【００７６】
尚、上記バンドギャップエネルギーを小さくするＶＩ族元素としては、Ｓｅの他にＳ，Ｔｅ等を用いることができる。
【００７７】
・第６実施の形態
図６は、本実施の形態のＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子における断面図である。
【００７８】
本実施の形態の発光ダイオード素子におけるＧａＮ積層サファイア基板４１，ｎ型ＺｎＯ層４４，ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層４５，透光性オーミック電極４７およびＡｕパッド電極４８は、上記第１実施の形態の発光ダイオード素子におけるＧａＮ積層サファイア基板１，ｎ型ＺｎＯ層３，ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層２，透光性オーミック電極６およびＡｕパッド電極７と同じであり、  上記第１実施の形態の場合と同様にして形成される。但し、ｎ型ＺｎＯ層４４とｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層４５との形成順序が上記第１実施の形態の場合とは逆になっている。
【００７９】
本実施の形態においては、ｉ型ＺｎＯ発光層４２を、ＧａＮ積層サファイア基板４１の直上に形成している。但し、ｉ型ＺｎＯ発光層４２の組成および形成方法は、上記第１実施の形態の場合と同様である。さらに、ｎ型オーミック兼パッド電極４３を、ｉ型ＺｎＯ発光層４２の直上に、上記第１実施の形態の場合と同様にして形成している。
【００８０】
また、上記透光性導電膜としての透明導電膜４６を、上記ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層４５と透光性オーミック電極４７との間に、ｎ型半導体であるＩＴＯ（酸化インジウム錫）を用いて形成することによって、ｎ型透明導電膜としている。
【００８１】
本実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオードは、上記ｉ型ＺｎＯ発光層４２をＧａＮ積層サファイア基板４１上に最初に成長しているため、結晶性に優れている。また、透明導電膜として、ｐ型透明導電膜よりも抵抗率の低いｎ型透明導電膜４６を用いているため、上記第２実施の形態の場合に比べて、輝度を２０％程度向上させることができる。
【００８２】
・第７実施の形態
図７は、本実施の形態のＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子における断面図である。
【００８３】
本実施の形態の発光ダイオード素子におけるｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層５２，ｉ型ＺｎＯ発光層５３，透光性オーミック電極５５およびＡｕパッド電極５６は、上記第１実施の形態の発光ダイオード素子におけるｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層２，ｉ型ＺｎＯ発光層４，透光性オーミック電極６およびＡｕパッド電極７と同じであり、  上記第１実施の形態の場合と同様にして形成される。但し、ｉ型ＺｎＯ発光層５３はｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層５２の直上に形成されている。また、上記第２実施の形態の場合と同様に、ｉ型ＺｎＯ発光層５３と透光性オーミック電極５５の間に、ｐ型透明導電膜５４を、上記第２実施の形態の場合と同様にして形成している。
【００８４】
本実施の形態においては、基板５１として、ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内の格子整合基板であるＺｎＯ単結晶基板を用いている。また、ｎ型オーミック電極５７を、ＺｎＯ単結晶基板５１の裏面上全面に形成している。
【００８５】
本実施の形態におけるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオードは、基板５１として成長層と同じ材料系であるＺｎＯを用いているために、結晶性に優れている。また、ｎ型オーミック電極５７をＺｎＯ単結晶基板５１の裏面に形成して、素子主面の発光を遮蔽しない構造になっている。したがって、上記第２実施の形態に比べて、輝度を５０％程度向上させることができる。
【００８６】
尚、Ａｌによって形成されるｎ型オーミック電極５７は、青光〜紫外光の反射率が高いために裏面全面に形成しても高い光取り出し効率を得ることはできる。しかしながら、任意の形状にパターニングし、露出したＺｎＯ単結晶基板５１裏面を銀Ａｇペースト等によってリードフレームに接着してもよい。その場合、Ａｇの方が青光〜紫外光の反射率がＡｌよりも高いので好ましい。さらに、Ａｌによるｎ型オーミック電極５７の裏面被覆率が２０％以上であれば、動作電圧が上昇しないのでより好ましい。
【００８７】
また、上記ＺｎＯ単結晶基板５１の裏面が適当な凹凸を有する粗面になっている場合には、ｉ型ＺｎＯ系発光層５３からの光を乱反射して光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００８８】
【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、基板上に、少なくともｐ型不純物が１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度でドーピングされて半絶縁化されたｉ型ＺｎＯ系半導体発光層と、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発光層に接して設けられたｎ型ＺｎＯ系半導体層とを備えたので、結晶性に優れ、且つ、不純物に起因する発光を抑止することができる。したがって、励起子発光を高い効率で得ることができ、低い動作電圧で高い輝度を得ることができ、高出力まで出力飽和や波長シフトを生じない優れた特性の発光素子を実現することができる。
【００８９】
尚、上記ｉ型ＺｎＯ系半導体発発光層の形成時に、ｐ型不純物と共にｎ型不純物が同時にドープしても、ｐ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３以下であれば結晶性が損なわれず、ｐ型不純物濃度のみをドーピングした場合と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の酸化物半導体発光素子の一例としてのＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子における断面図である。
【図２】レーザＭＢＥ装置の概略構成図である。
【図３】図１に示す発光ダイオード素子と比較例１および比較例２との輝度の比較結果を示す図である。
【図４】ｉ型ＺｎＯ発光層の発光強度に対するｐ型不純物濃度依存性を示す図である。
【図５】図１とは異なるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子における断面図である。
【図６】図１および図５とは異なるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子における断面図である。
【図７】図１，図５および図６とは異なるＺｎＯ系ＭＩＳ構造発光ダイオード素子における断面図である。
【符号の説明】
１，３１，４１…ＧａＮ積層サファイア基板、
２，３２，４５，５２…ｎ型ＭｇＺｎＯ層、
３，３３，４４…ｎ型ＺｎＯ層、
４，３４，４２，５３…ｉ型ＺｎＯ発光層、
５，３５，４３…ｎ型オーミック兼パッド電極、
６，３７，４７，５５…透光性オーミック電極、
７，３８，４８，５６…Ａｕパッド電極、
１１…レーザＭＢＥ装置、
１２…成長室、
１３…基板ホルダ、
１５…ヒータ、
１６…ターゲットテーブル、
１７…原料ターゲット、
１９…パルスレーザ光、
２０…原料ガス、
３６，５４…ｐ型透明導電膜、
４６…ｎ型透明導電膜、
５１…ＺｎＯ単結晶基板、
５７…ｎ型オーミック電極。
【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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