(57)【要約】【課題】低電圧で動作し且つ発光効率に優れた酸化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】ＺｎＯ基板１上に、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２，ＺｎＯ発光層３，ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層４および１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３の濃度でＮをドープした層厚１００Å〜５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層５を順次積層し、透光性オーミック電極６を形成して発光ピーク波長３８０ｎｍの青紫色発光を行うＺｎＯ系発光ダイオード素子９を作成する。その際に、コンタクト層５のオーミック電極６との界面側に形成された高濃度ドーピング領域５ａのドーピング濃度を１×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２２ｃｍ−３とし、層厚を１０Å〜１０００Åまたはコンタクト層５全層厚の２０％までとする。こうして、動作電圧が低く発光特性に優れたＺｎＯ系発光ダイオード素子９を作製する。【選択図】　図１
2004095634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に順次積層されたｎ型ＺｎＯ系半導体層，発光層，ｐ型ＺｎＯ系半導体層と、
上記ｐ型ＺｎＯ系半導体層上に積層されたｐ型コンタクト層と、
上記ｐ型コンタクト層上に形成されたｐ型オーミック電極と、
上記ｐ型コンタクト層に、上記ｐ型オーミック電極との界面側にこの界面を含んで設けられた高濃度ドーピング領域
を備えて、
上記高濃度ドーピング領域の不純物ドーピング濃度を、上記ｐ型コンタクト層における上記高濃度ドーピング領域を除く領域よりも高くし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、
上記高濃度ドーピング領域の不純物ドーピング濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上且つ１×１０２２ｃｍ−３以下であり、
上記ｐ型コンタクト層における上記高濃度ドーピング領域を除く領域の不純物ドーピング濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上且つ１×１０２１ｃｍ−３以下である
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１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記高濃度ドーピング領域の不純物ドーピング濃度は、上記ｐ型オーミック電極との界面に向って連続的に増加している領域を含む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ｐ型コンタクト層の層厚は、１００Å以上且つ５μｍ以下であり、
上記高濃度ドーピング領域の層厚は、１０Å以上且つ１０００Å以下あるいは上記ｐ型コンタクト層厚の２０％以下である
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ｐ型コンタクト層がｐ型ＺｎＯ系半導体を含んで構成され、
上記ｐ型コンタクト層を構成するＺｎＯ系半導体にドーピングされるアクセプタ不純物は、Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｃｕ，Ａｇから選択された少なくとも１種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】
基板上に順次積層されたｎ型ＺｎＯ系半導体層，発光層，ｐ型ＺｎＯ系半導体層と、
上記ｐ型ＺｎＯ系半導体層上に積層されたＺｎＯとＣｄＺｎＯとの超格子構造より成るｐ型超格子コンタクト層と、
上記ｐ型超格子コンタクト層上に形成されたｐ型オーミック電極
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７】
請求項６に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｐ型超格子コンタクト層を構成するＺｎＯ系半導体ににドーピングされるアクセプタ不純物は、Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｃｕ，Ａｇから選択された少なくとも１種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１あるいは請求項６に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｐ型半導体層は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦０．３３）の組成を有するｐ型クラッド層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９】
請求項８に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｐ型クラッド層は、上記ｐ型コンタクト層との界面を有しており、Ｍｇ組成比ｘが０．０５以上且つ０．１以下である上記界面を含む領域を備えてい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８に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層におけるＭｇ組成比ｘは、上記ｐ型コンタクト層との界面に向って連続的に減少している領域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８に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層の層厚は、１０００Å以上且つ２μｍ以下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６に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｐ型超格子コンタクト層におけるＣｄ組成比は、上記ＣｄＺｎＯに関して、上記ｐ型オーミック電極との界面に向って連続的に増加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１３】
請求項１あるいは請求項６に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｐ型オーミック電極は、Ｎｉ，Ｐｔ，Ｐｄから選択された少なくとも１種を含ん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１４】
請求項１あるいは請求項６に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｐ型オーミック電極は、透光性を有すると共に、上記ｐ型コンタクト層の主表面全面に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】
基板上に、少なくともｎ型ＺｎＯ系半導体層，発光層，ｐ型ＺｎＯ系半導体層を順次形成し、
上記ｐ型ＺｎＯ系半導体層上に、ｐ型コンタクト層を形成し、
上記ｐ型コンタクト層に接してｐ型オーミック電極を形成し、
その後に、酸素あるいは大気雰囲気中において３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行う
ことを特徴とする酸化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、酸化物発光ダイオードや酸化物半導体レーザ等の酸化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【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手法が簡便である等の特徴を有している。したがって、ＺｎＯを用いることによって、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】
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】
半導体発光素子では、素子抵抗を減少させ、動作電圧を低減する目的で、半導体層とオーミック電極との間に低抵抗なコンタクト層を形成することが一般に行われている。
【０００５】
例えば、青色〜紫外発光素子に用いられるＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子として、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の上にＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層を形成して動作電圧を低減した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７７８４０５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ＺｎＯ系半導体発光素子には、以下のような問題がある。ＺｎＯ系半導体は、強いイオン性に起因する自己補償効果のために、従来はｐ型の導電型制御が困難であったが、Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｖｏｌ．３６（１９９７）　Ｌ１４５３−Ｌ１４５５に開示された技術によると、アクセプタ不純物として窒素（Ｎ）を用いることでｐ型層が得られるようになった。
【０００８】
ところが、上記ＺｎＯ中でのアクセプタ準位は非常に深く、ｐ型化が実現したＮでさえ約３００ｍｅＶの活性化エネルギーを必要とする。そのために、コンタクト層を低抵抗化させるためにはアクセプタ不純物を高濃度にドーピングする必要があり、アクセプタ不純物による発光の散乱・吸収が顕著になって素子の発光強度が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、発光効率に優れ且つ低電圧で動作する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、基板上に順次積層されたｎ型ＺｎＯ系半導体層，発光層，ｐ型ＺｎＯ系半導体層と、上記ｐ型ＺｎＯ系半導体層上に積層されたｐ型コンタクト層と、上記ｐ型コンタクト層上に形成されたｐ型オーミック電極を備えている。そして、上記ｐ型コンタクト層に、ｐ型オーミック電極との界面を含んで他の領域よりもｐ型不純物ドーピング濃度が高い高濃度ドーピング領域が形成されている。
【００１１】
上記構成によれば、上記ｐ型オーミック電極との接触抵抗が減少し、発光素子の動作電圧が低減する。また、上記ｐ型オーミック電極から注入された電流は上記高濃度ドーピング領域内で十分拡散するので、電流はコンタクト層全面に渡って均一に流れるようになり、発光ダイオード素子等においては周辺部の発光が従来よりも強くなって光取り出し効率が向上する。さらに、コンタクト層全体を高濃度ドーピングする場合に比べて、上記ｐ型不純物による吸収損失が格段に低減する。
【００１２】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型コンタクト層における高濃度ドーピング領域の不純物ドーピング濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上且つ１×１０２２ｃｍ−３以下にする一方、上記高濃度ドーピング領域を除く領域の不純物ドーピング濃度を１×１０１７ｃｍ−３以上且つ１×１０２１ｃｍ−３以下にしている。
【００１３】
この場合には、上記ｐ型オーミック電極との接触抵抗が十分低減すると共に、上記ｐ型不純物による吸収損失が極めて小さくなる。
【００１４】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記高濃度ドーピング領域の不純物ドーピング濃度を、上記ｐ型オーミック電極との界面に向って連続的に増加させた領域を含んでいる。
【００１５】
この場合には、上記高濃度ドーピング領域の不純物ドーピング濃度が急激に増大する場合に比べて、結晶成長条件が緩やかに変化することになり、それに伴って結晶欠陥が低減される。
【００１６】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型コンタクト層の層厚を１００Å以上且つ５μｍ以下とし、上記高濃度ドーピング領域の層厚を１０Å以上且つ１０００Å以下または上記ｐ型コンタクト層厚の２０％以下としている。
【００１７】
この場合には、上記ｐ型コンタクト層とｐ型オーミック電極との接触抵抗が十分低減されると共に、上記高濃度ドーピング領域での吸収損失が低減される。
【００１８】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型コンタクト層がｐ型ＺｎＯ系半導体を含み、
上記ｐ型コンタクト層を構成するＺｎＯ系半導体にドーピングされるアクセプタ不純物を、Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｃｕ，Ａｇから選択された少なくとも１種としている。
【００１９】
ＺｎＯ系半導体中でアクセプタ不純物として機能する元素は主にＩ族およびＶ族元素であるが、この場合には、上記選択されたｐ型不純物はＺｎＯ系半導体中での活性化エネルギーが小さく、極めて低抵抗なｐ型層が得られる。
【００２０】
また、この発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に順次積層されたｎ型ＺｎＯ系半導体層，発光層，ｐ型ＺｎＯ系半導体層と、上記ｐ型ＺｎＯ系半導体層上に積層されたＺｎＯとＣｄＺｎＯとの超格子構造より成るｐ型超格子コンタクト層と、上記ｐ型超格子コンタクト層上に形成されたｐ型オーミック電極を備えている。
【００２１】
上記ＣｄＺｎＯ半導体はＺｎＯに比べてバンドギャップエネルギーが小さく、ｐ型不純物の活性化率が高い。その一方において、上記ＣｄＺｎＯは厚く成長すると結晶性が悪化する。上記構成によれば、上記コンタクト層を、上記ＣｄＺｎＯのみではなくＺｎＯとの超格子構造とすることによって、結晶性を損うことなくコンタクト層の抵抗が低減される。
【００２２】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型超格子コンタクト層を構成するＺｎＯ系半導体にドーピングされるアクセプタ不純物を、Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｃｕ，Ａｇから選択された少なくとも１種としている。
【００２３】
ＺｎＯ系半導体中でアクセプタ不純物として機能する元素は主にＩ族およびＶ族元素であるが、この場合には、上記選択されたｐ型不純物はＺｎＯ系半導体中での活性化エネルギーが小さく、極めて低抵抗なｐ型層が得られる。
【００２４】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型半導体層をＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦０．３３）の組成を有するｐ型クラッド層を含むように成している。
【００２５】
ＭｇＺｎＯ半導体はＺｎＯに比べてバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物の活性化率が低い。そこで、この場合のごとく、上記ｐ型コンタクト層と接するｐ型半導体層をｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層とし、そのＭｇ組成比を０．３３以下に小さくしてバンドギャップエネルギーを小さくすることによって、ｐ型不純物の活性化率が向上して界面抵抗が減少する。
【００２６】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型クラッド層に、上記ｐ型コンタクト層との界面を含んでＭｇ組成比ｘが０．０５以上且つ０．１以下である低Ｍｇ組成領域を設けている。
【００２７】
上述したように、上記ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のＭｇ組成比が０．３３以下であれば、組成が均一で結晶性に優れたｐ型クラッド層が得られる。そして、この場合のように、上記ｐ型コンタクト層との界面側にＭｇ組成比ｘが０．０５以上且つ０．１以下である低Ｍｇ組成領域を設けることによって、結晶性を損なうことなく界面抵抗が減少するのである。
【００２８】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層におけるＭｇ組成比ｘを、上記ｐ型コンタクト層との界面に向って連続的に減少させた領域を含んでいる。
【００２９】
この場合には、上記Ｍｇ組成比が急激に変化する場合に比べて、結晶成長条件が緩やかに変化することになり、それに伴って結晶欠陥が低減する。
【００３０】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層の層厚を１０００Å以上且つ２μｍ以下にしている。
【００３１】
この場合には、優れた結晶性が得られると共に、バンドギャップの小さいｐ型コンタクト層での光吸収が防がれる。
【００３２】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型超格子コンタクト層におけるＣｄ組成比を、上記ＣｄＺｎＯに関して、上記ｐ型オーミック電極との界面に向って連続的に増加させている。
【００３３】
この場合には、上記Ｃｄ組成比が急激に変化する場合に比べて、結晶成長条件が緩やかに変化することになり、それに伴って結晶欠陥が低減する。
【００３４】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型オーミック電極をＮｉ，Ｐｔ，Ｐｄから選択された少なくとも１種を含んで構成している。
【００３５】
この場合には、上記選択されたｐ型電極材料によって、ｐ型ＺｎＯ系半導体層において低抵抗なオーミック接触が形成されると共に、ＺｎＯ系半導体との優れた密着性が得られる。
【００３６】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ｐ型オーミック電極を、上記ｐ型コンタクト層の主表面全面に透光性を有すように形成している。
【００３７】
この場合には、透光性を有するｐ型オーミック電極が主表面全面に形成されていることによって、電流の広がりが更に均一化すると共に、発光ダイオード素子等において外部光取り出し効率が向上する。
【００３８】
また、この発明の酸化物半導体発光素子の製造方法は、基板上にｎ型ＺｎＯ系半導体層，発光層，ｐ型ＺｎＯ系半導体層を順次形成し、上記ｐ型ＺｎＯ系半導体層上にｐ型コンタクト層を形成し、上記ｐ型コンタクト層に接してｐ型オーミック電極を形成した後に、酸素あるいは大気雰囲気中において３００℃〜４００℃の温度でアニール処理が行われる。
【００３９】
上記構成によれば、上記ｐ型コンタクト層上に形成されたｐ型オーミック電極は、３００℃〜４００℃の温度でアニール処理が行われることによって、上記ｐ型コンタクト層との密着性が向上すると共に抵抗が低減される。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明者は、酸化物半導体発光素子において、コンタクト層を含むｐ型半導体層およびオーミック電極の形成条件について鋭意検討した結果、ｐ型オーミック電極との界面においてｐ型コンタクト層の不純物ドーピング濃度が他の領域よりも高い高濃度ドーピング領域を形成することによって、高い発光強度と低い動作電圧を共に達成し得ることを見い出し、この発明に至った。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。
【００４１】
・第１実施の形態
本実施の形態の酸化物半導体発光素子として、ＺｎＯ系発光ダイオード素子を例に上げて説明する。図１は、ＺｎＯ系発光ダイオード素子９の構造を示す断面図である。
【００４２】
図１に示すように、本実施の形態におけるＺｎＯ系発光ダイオード素子９は、亜鉛面を主面とするＺｎＯ単結晶基板１上に、Ｇａを３×１０１８ｃｍ−３ドープした厚さが１μｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層２、ノンドープで厚さが０．５μｍのＺｎＯ発光層３、Ｎを１×１０２０ｃｍ−３ドープした厚さが０．５μｍのｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層４、Ｎをドープした厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層５が積層されている。
【００４３】
上記ｐ型コンタクト層５の主表面全面には、厚さ１５０ÅのＮｉが積層されて透光性オーミック電極６が形成され、透光性オーミック電極６上には厚さ１０００Åのボンディング用Ａｕパッド電極７が、透光性オーミック電極６より小さい面積で形成されている。
【００４４】
上記ｐ型の透光性オーミック電極６は真空蒸着によって形成され、ｎ型電極形成前に、Ｏ２雰囲気中において３５０℃で１分間アニール処理が行われている。そして、ＺｎＯ基板１の裏面には、ｎ型オーミック電極８として厚さ１０００ÅのＡｌが積層されている。
【００４５】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層５には、Ｎｉオーミック電極６との界面側にはこの界面から０．１μｍの深さまでＮが１×１０２１ｃｍ−３の濃度でドーピングされた高濃度ドーピング領域５ａが形成されており、残りの領域にはＮが１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングされている。
【００４６】
本実施の形態は、上述したように、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層５におけるｐ型透明性オーミック電極６との界面に、不純物ドーピング濃度が他の領域よりも高い高濃度ドーピング領域５ａを形成したことに特徴がある。
【００４７】
本実施の形態におけるＺｎＯ系発光ダイオード素子９は、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，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が、その中でもレーザＭＢＥ法が、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、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、特に好ましい。
【００４８】
本実施の形態のＺｎＯ系発光ダイオード素子９をチップ状に分離し、Ａｇペーストでリードフレームに取り付けてモールドして発光させたところ、発光ピーク波長３８０ｎｍの青紫色発光が得られた。
【００４９】
本ＺｎＯ系発光ダイオード素子９に関して、高濃度ドーピング領域５ａへのＮドーピング濃度と輝度との関係を図２に示す。尚、ｐ型ＺｎＯコンタクト層５における濃度ドーピング領域５ａ以外の領域へのドーピング濃度は１×１０２０ｃｍ−３に固定している。また、図２には、比較例として、ｐ型ＺｎＯコンタクト層全体を均一にＮドーピングした発光ダイオード素子の場合についても示している。
【００５０】
図２から分るように、上記比較例の発光ダイオード素子は、上記Ｎ濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲では輝度が略一定であるが、１×１０２０ｃｍ−３以上になると輝度が急激に低下し、１×１０２１ｃｍ−３を超えると発光しなくなる。これに対して、本実施の形態におけるＺｎＯ系発光ダイオード素子９の場合は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２２ｃｍ−３の広いＮ濃度範囲で輝度が略一定である。
【００５１】
次に、上記高濃度ドーピング領域５ａへのＮドーピング濃度と動作電流２０ｍＡでの動作電圧との関係を図３に示す。図２に示す輝度の場合と同様に、比較例として、ｐ型ＺｎＯコンタクト層全体を均一にＮドーピングした場合についても示している。
【００５２】
図３から分るように、上記比較例の発光ダイオード素子は、Ｎ濃度の増加と共に動作電圧が低減するが、１×１０２１ｃｍ−３以上では逆に上昇する。一方、本実施の形態におけるＺｎＯ系発光ダイオード素子９の場合には、１×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２２ｃｍ−３の高濃度まで動作電圧が低減した。
【００５３】
図２および図３に示すように、Ｎの高濃度によって輝度と動作電圧とが悪化する理由としては、ドーピング不純物による発光の吸収・散乱が増大すると共に、結晶性が悪くなるためと考えられる。
【００５４】
以上の結果より、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層５へのｐ型不純物のドーピング濃度は１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３が好ましく、特にｐ型オーミック電極６と接する領域には１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３よりも高濃度にドーピングされた高濃度ドーピング領域５ａを設けると共に、その濃度範囲を１×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２２ｃｍ−３とすることによって、発光特性に優れ且つ低電圧でも動作できるＺｎＯ系発光ダイオード素子９を実現することができるのである。
【００５５】
次に、上記高濃度ドーピング領域５ａの厚さと発光ダイオード素子の輝度および動作電圧との関係を図４に示す。図４より、高濃度ドーピング領域５ａの厚さが０．２μｍまでは結晶性の悪化が顕著ではないため、動作電圧は減少する。しかしながら、厚さが０．１μｍを超えると不純物が発光を吸収するため輝度が低下し始めることが分る。また、ｐ型ＺｎＯコンタクト層５の全体の層厚を変えて同様の検討を行ったところ、結晶性が良好で十分な電流広がりを得るためには、ｐ型ＺｎＯコンタクト層５全体の層厚は１００Å〜５μｍの範囲が好ましく、高濃度ドーピング領域５ａの厚さは１０Å〜１０００Åあるいはｐ型ＺｎＯコンタクト層５全体の層厚の２０％までは輝度があまり変化しないことが分った。
【００５６】
以上のごとく、本実施の形態においては、上記ＺｎＯ基板１上に、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２，ＺｎＯ発光層３，ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層４およびＮをドープしたｐ型ＺｎＯコンタクト層５を順次積層し、ｐ型ＺｎＯコンタクト層５の主表面全面には透光性オーミック電極６を形成して、発光ピーク波長３８０ｎｍの青紫色発光を行う酸化物半導体発光素子としてのＺｎＯ系発光ダイオード素子９を作成する。そして、ｐ型ＺｎＯコンタクト層５における透光性オーミック電極６との界面側には高濃度ドーピング領域５ａを形成する。
【００５７】
こうして、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層５における電極側のアクセプタ不純物を高濃度にすることによって、ｐ型ＺｎＯコンタクト層５の低抵抗化と輝度低下の抑制との両立を図るのである。
【００５８】
その際に、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層５の層厚を１００Å以上且つ５μｍ以下とする。そして、高濃度ドーピング領域５ａのドーピング濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上且つ１×１０２２ｃｍ−３以下とし、その層厚を１０Å以上且つ１０００Å以下またはｐ型ＺｎＯコンタクト層５全体の層厚の２０％までとする。さらに、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層５における高濃度ドーピング領域５ａ以外の領域のドーピング濃度を１×１０１７ｃｍ−３以上且つ１×１０２１ｃｍ−３以下にすることによって、動作電圧が低く発光特性に優れたＺｎＯ系発光ダイオード素子９（酸化物半導体発光素子）を作製することができるのである。
【００５９】
尚、本実施の形態においては、ＺｎＯ半導体層にドーピングするアクセプタ不純物にＮを用いたが、Ｎの他にＩ族元素のＬｉ，Ｃｕ，ＡｇやＶ族元素のＡｓ，Ｐ等を用いることができる。その中でもＮとＡｇと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好ましい。
【００６０】
また、ドナー不純物としてはＩＩＩ族元素のＢ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ等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。
【００６１】
また、本実施の形態において基板１として用いたＺｎＯ単結晶は、成長層と同じ材料系であるので結晶欠陥が極めて小さく、最も好ましい。また、ＺｎＯ基板１は、ｐ型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いｐ型層が得られ易くなるので、その亜鉛面を用いることが好ましい。また、基板としては、ＺｎＯ単結晶以外にも、サファイアやＬｉＧａＯ２等の絶縁性基板、ＳｉＣやＧａＮ等の導電性基板を用いることができる。
【００６２】
尚、絶縁性基板を用いる場合には、成長層をエッチングしてｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層２を露出させ、その上にＡｌでｎ型オーミック電極８を形成すればよい。また、ＭｇＺｎＯよりも低抵抗なＺｎＯを用いてｎ型コンタクト層を形成してもよい。また、結晶性の良好な成長層を得るために、バッファ層を形成してもよい。
【００６３】
また、上記導電性基板を用いる場合には、基板裏面にｎ型電極を形成することができるので、素子製造工程が簡便になって好ましい。
【００６４】
また、上記基板１に入射した発光を乱反射させるために、研磨やエッチング等の公知の手法によって基板裏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。
【００６５】
また、上記ｐ型オーミック電極６には、Ｎｉ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｕ等を用いることができるが、中でも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。また、本実施の形態のごとく薄く透光性を有するように素子主表面全面に形成することが、電流広がりが更に均一化するので好ましい。
【００６６】
また、上記ｐ型オーミック電極６上に形成するパッド電極７は、ワイヤボンディングを行い易いＡｕ，Ａｌが好ましい。尚、Ａｌは、ＺｎＯにおいてドナー不純物として機能するため、Ａｌをｐ型パッド電極７の材料として用いる場合には、ＺｎＯコンタクト層５中に拡散しないようバリアメタルを設けることが好ましい。
【００６７】
また、上記ｎ型オーミック電極８にはＴｉ，Ｃｒ，Ａｌ等を用いることができる。特にＡｌ電極は、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光取り出し効率は高い。しかしながら、ｎ型オーミック電極８を任意の形状にパターニングし、露出した基板裏面をＡｇペースト等でリードフレームに接着しても良い。その場合、Ａｇの方が青光〜紫外光の反射率がＡｌより高いため好ましい。さらに、パターニングによってｎ型オーミック型電極８の面積が減少して動作電圧が上昇するのを防ぐために、ＰｔやＡｇ等の高光反射材料で構成された補助電極を形成すれば、より好ましい。
【００６８】
また、ｐ型ＺｎＯ系半導体は低抵抗層を得るのが難しいため、本実施の形態にで行ったように、ｐ型電極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結晶に欠陥を発生させずにアニール効果を得るには、温度は３００℃〜４００℃が好ましい。また、アニール処理時における雰囲気はＯ２あるい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】
その他の構成は任意であり、本実施の形態によって限定されるものではない。
【００７０】
・第２実施の形態
本実施の形態では、上記第１実施の形態のＺｎＯ系発光ダイオードにおけるｐ型ＺｎＯコンタクト層５の高濃度ドーピング領域５ａに、１×１０２０ｃｍ−３以上且つ１×１０２１ｃｍ−３以下の連続的な不純物濃度傾斜を持たせたものである。
【００７１】
図５（ａ）は、本実施の形態におけるＺｎＯ系発光ダイオードのｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１４，ｐ型ＺｎＯコンタクト層１５およびｐ型オーミック電極１６の断面図であり、上記第１実施の形態のＺｎＯ系発光ダイオード９におけるｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層４，ｐ型ＺｎＯコンタクト層５及びｐ型オーミック電極６に相当する。尚、ＺｎＯ基板，ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層およびＺｎＯ発光層は省略しているが、上記第１実施の形態のＺｎＯ系発光ダイオード９におけるＺｎＯ単結晶基板１，ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２およびＺｎＯ発光層３と同じである。
【００７２】
図５（ｂ）に、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１５におけるＮドーピング濃度のプロファイルを示す。尚、破線は上記第１実施の形態の場合のプロファイルである。
【００７３】
図５（ｂ）から分るように、上記第１実施の形態の場合には、ｐ型ＺｎＯコンタクト層５のＮドーピング濃度１×１０２０ｃｍ−３から高濃度ドーピング領域５ａのＮドーピング濃度１×１０２１ｃｍ−３へ段階的に変化している。これに対して、本実施の形態の場合における高濃度ドーピング領域１５ａでは、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１５側のＮドーピング濃度１×１０２０ｃｍ−３からｐ型オーミック電極１６側のＮドーピング濃度１×１０２１ｃｍ−３まで直線的に連続して変化している。したがって、本実施の形態における高濃度ドーピング領域１５ａにおける平均Ｎドーピング濃度は第１実施の形態の場合に比して減少している。そのため、本実施の形態におけるＺｎＯ系発光ダイオードの動作電圧は上記第１実施の形態の場合に比べて５％上昇するが、輝度は５％増大し、素子寿命は１５％向上するのである。
【００７４】
尚、寿命が向上した理由としては、高濃度ドーピング領域５ａにおいてドーピング濃度が急激に増大する上記第１実施の形態に比べて、本実施の形態の場合には成長条件が緩やかに変化しているため、これに伴って結晶欠陥が低減したものと考えられる。このように、高濃度ドーピング領域１５ａに、連続的な不純物濃度傾斜を持たせることによって、信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製することができるのである。
【００７５】
尚、上記高濃度ドーピング領域１５ａにおける不純物濃度傾斜は、図５（ｂ）に示すごとく直線的な変化である必要は無く、曲線的であっても連続的に変化していれば上述と同様の効果を奏することができる。
【００７６】
また、不純物濃度は上記高濃度ドーピング領域１５ａの全域で傾斜している必要は無く、一部に不純物濃度が一定の領域を含んでいても良い。
【００７７】
・第３実施の形態
本実施の形態では、上記第１実施の形態のＺｎＯ系発光ダイオードにおけるｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層４の組成を、ｐ型ＺｎＯコンタクト層５との界面から０．１μｍの深さまでＭｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ（以下、このＭｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ領域を低Ｍｇ組成領域と称する）としたものである。
【００７８】
図６は、本実施の形態におけるＺｎＯ系発光ダイオード素子２９の断面図である。図６において、ＺｎＯ基板２１，ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２２，ＺｎＯ発光層２３，ｐ型ＺｎＯコンタクト層２５，高濃度ドーピング領域２５ａ，ｐ型透光性オーミック電極２６，ボンディング用Ａｕパッド電極２７およびｎ型オーミック電極２８は、上記第１実施の形態のＺｎＯ系発光ダイオード９におけるＺｎＯ基板１，ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２，ＺｎＯ発光層３，ｐ型ＺｎＯコンタクト層５，高濃度ドーピング領域５ａ，ｐ型透光性オーミック電極６，ボンディング用Ａｕパッド電極７およびｎ型オーミック電極８と同じである。また、本ＺｎＯ系発光ダイオード素子２９の作製方法も、上記第１実施の形態におけるＺｎＯ系発光ダイオード素子９の場合と同様である。
【００７９】
また、ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層２４におけるｐ型ＺｎＯコンタクト層２５との界面から０．１μｍの深さまでの低Ｍｇ組成領域２４ａの組成を、Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏとしている。
【００８０】
本実施の形態におけるＺｎＯ系発光ダイオード素子２９は、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層２４の低Ｍｇ組成領域２４ａにおいて、ｐ型不純物の活性化率が向上してｐ型ＺｎＯコンタクト層２５との界面抵抗が減少するため、上記第１実施の形態に比べて動作電圧は１０％低減する。ところが、発光の吸収が発生するために輝度が３％減少する。
【００８１】
そこで、上記低Ｍｇ組成領域２４ａのＭｇ組成を均一にせず、０．２から０．０５まで連続的な組成傾斜を有するように構成する。そうすることによって、上記第１実施の形態に比べて輝度は変化せず、動作電圧は１０％低減し、素子寿命が１０％向上するのである。
【００８２】
このように、本実施の形態においては、ＺｎＯ系発光ダイオード素子２９のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層２４におけるＭｇ組成比を、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２５との界面において低組成になるようにしている。こうすることによって、Ｎ不純物の活性化率が向上してｐ型ＺｎＯコンタクト層２５との界面抵抗が減少する。したがって、動作電圧が低減して素子寿命が向上するのである。
【００８３】
また、上記低Ｍｇ組成領域２４ａにＭｇ組成傾斜を設けることによって低Ｍｇ組成領域２４ａの結晶性が向上し、発光の吸収を低減して上記第１実施の形態の場合と同程度の輝度が得られると共に、結晶成長条件を緩やかに変化させて結晶欠陥を低減できる。尚、このようにｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層２４の結晶性が悪化しないＭｇ組成比は０．３３以下であるが、結晶性を損なうことなくｐ型ＺｎＯコンタクト層２５との界面抵抗を減少させるには、Ｍｇ組成比は０．０５以上且つ０．１以下の範囲が特に好ましい。
【００８４】
また、上記ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層２４全体の層厚は、薄いとｐ型ＺｎＯコンタクト層２５での光吸収が顕著となる一方、厚いと結晶性が悪化する。そのために、１０００Å以上且つ２μｍ以下の層厚が好ましい。
【００８５】
また、上記ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層２４のｐ型ＺｎＯコンタクト層２５との界面における低Ｍｇ組成領域２４ａの層厚は、１０Å以上且つ１０００Å以下あるいはｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層２４全体の層厚の２０％までが好ましい。
【００８６】
・第４実施の形態
本実施の形態においては、酸化物半導体発光素子として、ｐ型コンタクト層をＺｎＯ／ＣｄＺｎＯ超格子構造で構成したＺｎＯ系半導体レーザ素子を例に上げて説明する。
【００８７】
図７は、本実施の形態におけるＺｎＯ系半導体レーザ素子４１の構造を示す斜視図である。本実施の形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子４１は以下のようにして作製される。
【００８８】
すなわち、先ず、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板３１上に、Ｇａを３×１０１８ｃｍ−３ドープした厚さ０．５μｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層３２、Ｇａを３×１０１８ｃｍ−３ドープした厚さ２００Åのｎ型ＺｎＯ光ガイド層３３、ノンドープＣｄＺｎＯ／ＺｎＯ多重量子井戸活性層３４、Ｎを１×１０１９ｃｍ−３ドープした厚さ２００Åのｐ型ＺｎＯ光ガイド層３５、Ｎを５×１０２０ｃｍ−３ドープした厚さ０．５μｍのｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層３６が、順次積層される。
【００８９】
次に、上記ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層３６が、リッジストライプ状にエッチング加工され、リッジストライプの両側にＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏより成るｎ型電流ブロック層３７が埋め込まれる。そして、リッジストライプ状のｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層３６及びｎ型電流ブロック層３７上に、Ｎを３×１０２１ｃｍ−３ドープした厚さ０．２μｍのｐ型ＺｎＯ／ＣｄＺｎＯ超格子コンタクト層３８が積層される。
【００９０】
ここで、多重量子井戸活性層３４は、厚さが５０Åの２層のＺｎＯ障壁層と、厚さが４０Åの３層のＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層とを、交互に積層して形成されている。また、ｐ型ＺｎＯ／ＣｄＺｎＯ超格子コンタクト層３８は、厚さ５０ÅのＺｎＯ層と厚さ５０ÅのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ層とを所定の膜厚に達するまで交互に積層して形成されている。
【００９１】
次に、上記ＺｎＯ単結晶基板３１の下面上にはｎ型オーミック電極３９が形成される一方、ｐ型ＺｎＯ／ＣｄＺｎＯ超格子コンタクト層３８の上面上にはｐ型オーミック電極４０が形成される。
【００９２】
そうした後、上記ＺｎＯ基板３１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の幅で分離した。
【００９３】
こうして作製されたＺｎＯ系半導体レーザ素子４１に電流を流したところ、端面から波長４３０ｎｍの青色発振光が得られた。その場合、ｐ型コンタクト層３８をＺｎＯのみで構成した場合よりも、発振閾値における動作電圧が３５％低くなる。
【００９４】
このように、バンドギャップエネルギーが小さくｐ型不純物の活性化率が高いＣｄＺｎＯをコンタクト層に用いることによって、ｐ型コンタクト層３８での抵抗が低減して動作電圧を低減することができる。そして、その際に、ｐ型コンタクト層３８を、ＣｄＺｎＯのみで形成するのではなくＺｎＯとの超格子構造にすることによって、結晶性を損うことなくコンタクト層の抵抗を低減することができるのである。
【００９５】
また、上記ｐ型ＺｎＯ／ＣｄＺｎＯ超格子コンタクト層３８におけるＣｄ組成に傾斜を持たせることによって、つまり、上記Ｃｄ組成比をｐ型オーミック電極４０との界面に向ってＣｄＺｎＯに関して連続的に増加させることによって、結晶成長条件を緩やかに変化させることができ、それに伴って結晶欠陥が低減するので好ましい。
【００９６】
更に、上記ｐ型ＺｎＯ／ＣｄＺｎＯ超格子コンタクト層３８を構成する個々のＣｄＺｎＯ層が組成傾斜を有していてもよい。
【００９７】
以上のごとく、本実施の形態においては、上記ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層３６におけるリッジストライプの両側をｎ型電流ブロック層３７で埋め込み、全体にｐ型ＺｎＯ／ＣｄＺｎＯ超格子コンタクト層３８を積層し、ｐ型オーミック電極４０を形成して、波長４３０ｎｍの青色発振光が得られる酸化物半導体発光素子としてのＺｎＯ系半導体レーザ素子４１を作製する。
【００９８】
その際に、上記ｐ型コンタクト層３８を、ＣｄＺｎＯのみで形成するのではなくＺｎＯとの超格子構造にすることによって、結晶性を損うことなくコンタクト層の抵抗を低減することができるのである。
【００９９】
尚、本実施の形態においては、上記ＣｄＺｎＯ／ＺｎＯ多重量子井戸活性層３４をノンドープとしたが、Ｇａ等のＩＩＩ族元素をドーピングしても差し支えない。但し、その場合には、励起子発光を用いたレーザ発振から不純物準位を介した発光を用いたレーザ発振に変化するために、発振閾値電流が増大する。しかしながら、ｐ型コンタクト層３８での抵抗を低減するという本実施の形態の効果に変化はない。
【０１００】
また、上記光ガイド層３３，３５は無くても本実施の形態の効果を奏することはできるが、量子井戸のような薄い活性層は光を閉じ込め難く発振閾値電流が増大し易いために、構成に応じて形成することが好ましい。
【０１０１】
【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ｎ型ＺｎＯ系半導体層と発光層とｐ型ＺｎＯ系半導体層を積層し、上記ｐ型ＺｎＯ系半導体層上にｐ型コンタクト層およびｐ型オーミック電極を形成する際に、上記ｐ型コンタクト層におけるｐ型オーミック電極との界面に他の領域よりも不純物ドーピング濃度が高い高濃度ドーピング領域を設けたので、上記ｐ型オーミック電極との接触抵抗を減少し、電流を上記ｐ型コンタクト層の全面に渡って均一に流すことができる。さらに、ｐ型不純物による吸収損失を格段に低減することができる。
【０１０２】
したがって、動作電圧が低く発光効率の高い酸化物半導体発光素子を作製することができるのである。
【０１０３】
また、上記高濃度ドーピング領域の不純物ドーピング濃度に、連続的な傾斜を設けるようにすれば、結晶成長条件を緩やかに変化させて結晶欠陥を低減することができる。したがって、信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製することができる。
【０１０４】
また、この発明の酸化物半導体発光素子の製造方法は、上記構成の酸化物半導体発光素子を製造するに際して、上記ｐ型コンタクト層に接してｐ型オーミック電極を形成した後、酸素あるいは大気雰囲気中おいて３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うので、上記ｐ型オーミック電極とｐ型コンタクト層との密着性を向上できると共に、抵抗を低減することができる。したがって、信頼性に優れ動作電圧の低い酸化物発光素子を作製することができる。
【０１０５】
また、この発明の酸化物半導体発光素子は、基板上にｎ型ＺｎＯ系半導体層と発光層とｐ型ＺｎＯ系半導体層を積層し、上記ｐ型ＺｎＯ系半導体層上にＺｎＯおよびＣｄＺｎＯの超格子構造より成るｐ型超格子コンタクト層とｐ型オーミック電極とを設けているので、結晶性を損うことなく上記ｐ型コンタクト層の抵抗を低減することができる。したがって、動作電圧が低く信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製することができる。
【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としてのＺｎＯ系発光ダイオード素子における断面図である。
【図２】図１に示すＺｎＯ系発光ダイオード素子の高濃度ドーピング領域におけるＮドーピング濃度と輝度との関係を示す図である。
【図３】図１に示すＺｎＯ系発光ダイオード素子の高濃度ドーピング領域におけるＮドーピング濃度と動作電圧との関係を示す図である。
【図４】図１に示すＺｎＯ系発光ダイオード素子の高濃度ドーピング領域における厚さと輝度および動作電圧との関係を示す図である。
【図５】図１とは異なるＺｎＯ系発光ダイオード素子のｐ型ＺｎＯコンタクト層におけるＮドーピング濃度のプロファイルを示す図である。
【図６】図１および図５とは異なるＺｎＯ系発光ダイオードの断面図である。
【図７】この発明の酸化物半導体発光素子としてのＺｎＯ系半導体レーザ素子の斜視図である。
【符号の説明】
１，２１，３１…ＺｎＯ単結晶基板、
２，２２，３２…ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、
３，２３…ＺｎＯ発光層、
４，１４，２４，３６…ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、
５，１５，２５…ｐ型ＺｎＯコンタクト層、
５ａ，１５ａ，２５ａ…高濃度ドーピング領域、
６，１６，２６…ｐ型透光性オーミック電極、
７，２７…ボンディング用Ａｕパッド電極、
８，２８，３９…ｎ型オーミック電極、
９，２９…ＺｎＯ系発光ダイオード素子、
２４ａ…低Ｍｇ組成領域、
３３…ｎ型ＺｎＯ光ガイド層、
３４…ＣｄＺｎＯ／ＺｎＯ多重量子井戸活性層、
３５…ｐ型ＺｎＯ光ガイド層、
３７…ｎ型電流ブロック層、
３８…ｐ型ＺｎＯ／ＣｄＺｎＯ超格子コンタクト層、
４０…ｐ型オーミック電極、
４１…ＺｎＯ系半導体レーザ素子。
【図１】
2004095634.tif 000003
【図２】
2004095634.tif 000004
【図３】
2004095634.tif 000005
【図４】
2004095634.tif 000006
【図５】
2004095634.tif 000007
【図６】
2004095634.tif 000008
【図７】
2004095634.tif 000009