(57)【要約】【課題】優れた発光特性を有し、しかも、構造が簡易で安価に製造可能な酸化物半導体発光素子を提供すること。【解決手段】ＺｎＯ基板１上に、Ｇａをドープしたｎ型ＺｎＯ層２と、Ｇａをドープして厚さが１０μｍのＺｎＯ発光層３と、Ｎをドープしたｐ型ＺｎＯ層４を備える。ＺｎＯ発光層３に、厚み方向の中央よりもｐ型ＺｎＯ層４側に位置して、０．５μｍの厚みに亘るノンドープ領域を形成する。このノンドープ領域に優先的に生成される励起子発光によって、発光層３のドープ領域のＧａ不純物準位を励起し、不純物準位を介した発光を誘導して、多段階発光を行なう。多重量子井戸構造などを用いることなく、比較的厚い発光層３の略全体を発光できるので、構造簡易で製造コストが低く、しかも、高効率発光の酸化物半導体発光素子が得られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１導電型層、発光層および第２導電型層を少なくとも備え、
上記発光層は、不純物がドーピングされたドープ領域と、不純物がドーピングされていないノンドープ領域と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】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層は、厚みが３μｍ以上３０μｍ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２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層は、厚みが５μｍ以上１５μｍ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４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１導電型層、発光層および第２導電型層は、いずれもＺｎＯからな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乃至３のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１導電型層および第２導電型層は、上記発光層よりもバンドギャップが大きいＺｎＯ系半導体からな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５に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１導電型層および第２導電型層は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ＜１）からな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、２、３、５または６に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層は、ＣｄｙＺｎ１−ｙＯ（０＜ｙ＜１）からな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乃至７のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｕ，ＡｇおよびＡｕの中から選ばれた１つ以上の元素を含む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乃至８のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｃ，Ｙ，ＬａおよびＣｅの中から選ばれた１つ以上の元素を含む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乃至９のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｖ，ＮｂおよびＴａの中から選ばれた１つ以上の元素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１乃至１０のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ，ＭｎおよびＲｅの中から選ばれた１つ以上の元素を含む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乃至１１のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆの中から選ばれた１つ以上の元素を含む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乃至１２のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、複数の元素を含む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１３に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層にドーピングされた不純物は、上記複数の元素が無秩序に分散してな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乃至１４のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層は、厚み方向の中央よりも上記第１導電型層または第２導電型層のうちのｐ型導電型層側に、上記ノンドープ領域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１６】
請求項１乃至１５のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層のドープ領域は、上記ノンドープ領域の近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーが、上記第１導電型層の近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーおよび上記第２導電型層の近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーよりも小さいことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１７】
請求項１６に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記発光層のドープ領域は、上記ノンドープ領域近傍の部分から、上記第１導電型層と、上記第２導電型層とに向って、活性化エネルギーが大きくなるように上記不純物がドーピング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１８】
請求項１乃至１７のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板は、ＺｎＯ基板であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＺｎＯ系半導体を用いた酸化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばＩＩＩ族窒化物に代表されるワイドギャップ半導体は、従来の半導体材料を凌駕する産業上利用価値の極めて高い特質を多く有しており、最近、青色〜紫外の短波長発光素子を始め、多くの電子デバイスへの適用が提案されている。
【０００３】
このようなワイドギャップ半導体の一つである酸化亜鉛（以下、ＺｎＯという）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、しかも、原材料が安価である、環境や人体に無害である、成膜手法が簡便であるなどの特徴を有するので、高効率・低消費電力かつ環境への影響が少ない発光素子を実現できる可能性がある。
【０００４】
なお、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（マグネシウム・酸化亜鉛）あるいはＣｄＺｎＯ（カドミウム・酸化亜鉛）などの混晶をも含むものとする。
【０００５】
上記ワイドギャップ半導体が有する短波長発光などの特質を生かして発光素子を作製するには、量子井戸やダブルヘテロ構造などのように、層厚およびバンドギャップを厳密に制御するための薄膜作製技術が多く用いられている。
【０００６】
しかし、上記ワイドギャップ半導体は、安定性が高いゆえに結晶成長や加工の制御が困難であり、歩留まりやコストの点で従来の半導体材料よりも劣るという問題がある。
【０００７】
このような問題に対して、上記薄膜作製技術の研究が進められる一方、簡易な構成で十分に高効率の発光素子を製造する試みもなされている。
【０００８】
そのような簡易な構成で高効率を有する半導体発光素子に関して、本発明者らは、炭化硅素（以下、ＳｉＣという）を用いたｐｎ接合型発光ダイオードにおいて、発光層厚を５μｍ以上に厚く形成することにより、ドナー・アクセプタ（以下、ＤＡという）対に多段階の遷移を生じさせて発光強度を向上する技術を提案している（特開平６−３３４２１４号公報：特許文献１）。
【０００９】
また、従来、ｎ型ＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ量子井戸発光層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層を備え、最小限の構成で高輝度が得られる半導体発光素子が提案されている（特許第３１３５０４１号公報：特許文献２）。
【００１０】
また、従来、ＺｎＯ系半導体を用いた酸化物半導体発光素子の製造方法が提案されている（国際公開第００／１６４１１号パンフレット：特許文献３）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−３３４２１４号公報（第１図）
【特許文献２】
特許第３１３５０４１号公報（第１図）
【特許文献３】
国際公開第００／１６４１１号パンフレット（第１図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＳｉＣを用いた発光ダイオードは、ＳｉＣが間接遷移型半導体であるため、発光強度が不十分であるという問題がある。
【００１３】
また、上記従来のＩｎＧａＮ系半導体発光素子におけるような量子井戸構造の作製技術や、バンドギャップ制御のための組成比制御技術は、ＺｎＯ系半導体への適用が不十分であり、ＺｎＯ系半導体発光素子において量子井戸構造を歩留まり良く作製できないという問題がある。
【００１４】
また、上記ＺｎＯ系半導体を用いた従来の酸化物半導体発光素子は、本発明者の試験によれば、発光層を厚く形成するのみでは発光強度の向上が不十分であり、発光層厚が３μｍ程度を越えると、厚みを増大しても発光強度を有効に増大できないという問題が生じることが判明した。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、優れた発光特性を有し、しかも、構造が簡易で安価に製造可能な酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
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、第１導電型層、発光層および第２導電型層を少なくとも備え、
上記発光層は、不純物がドーピングされたドープ領域と、不純物がドーピングされていないノンドープ領域とを有することを特徴としている。
【００１７】
本発明者は、例えばＺｎＯ系半導体などのワイドギャップ半導体における励起子発光の機構は、上記従来のＳｉＣのようなＤＡ対のみによる発光機構とは異なり、発光層の厚みに加えて、この発光層にドーピングされた不純物の構成が発光強度に相関することを見出し、これに基いて、本発明をなすに至った。
【００１８】
上記構成によれば、上記第１導電型層および第２導電型層によって上記発光層に閉じ込められたキャリアによって、上記発光層のノンドープ領域で、励起子発光が優先的に生じる。次いで、上記励起子発光によって、上記ドープ領域で、不純物準位を介した発光が促進される。このように、上記発光層にノンドープ領域を設けることによって、励起子発光を用いた多段階発光を効果的に行なうことができ、これによって、従来のＤＡ対発光のみを行なうＳｉＣを用いた半導体発光素子よりも、発光強度が飛躍的に増大する。特に、上記発光層に例えばＺｎＯ系半導体を用いた場合、励起子発光は、バンド間発光に次いで遷移エネルギーの大きい発光機構であるので、キャリアを容易に不純物準位に励起して多段階発光を行なうことができる。したがって、構造が複雑な多重量子井戸構造などを用いることなく、簡易な構造で高効率・高強度発光が実現できる。
【００１９】
ここにおいて、上記第１導電型がｐ型であるときは、第２導電型はｎ型である。一方、上記第１導電型がｎ型であるときは、第２導電型はｐ型である。
【００２０】
なお、上記第１導電型層および第２導電型層は、一部が発光層を兼ねてもよい。
【００２１】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層は、厚みが３μｍ以上３０μｍ以下である。
【００２２】
上記実施形態によれば、上記発光層の厚みが３μｍ以上３０μｍ以下であるので、上記多段階発光を十分に行なうことができて発光強度が効果的に増大する。
ここで、上記発光層の厚みが３μｍよりも小さいと、励起子を用いた多段階発光が行ない難くなる。一方、上記発光層の厚みが３０μｍよりも大きいと、発光強度の増大の割合が低下する。
【００２３】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層の厚みが５μｍ以上１５μｍ以下である。
【００２４】
上記実施形態によれば、上記発光層の厚みが５μｍ以上であるので、励起子を用いた多段階発光によって、比較的大きい強度の発光が得られる。また、上記発光層の厚みが１５μｍ以下であるので、製造コストの増大を抑えることができる。ここで、上記発光層の厚みが５μｍよりも小さいと、発光強度の増大効果が比較的小さくなる。一方、上記発光層の厚みが１５μｍよりも大きいと、成膜コストが増大して酸化物半導体発光素子の製造コストが増大する。
【００２５】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型層、発光層および第２導電型層は、いずれもＺｎＯからなる。
【００２６】
上記実施形態によれば、上記第１導電型層、発光層および第２導電型層は、いずれもＺｎＯからなり、略同一の結晶成長条件の下で積層できる。したがって、従来の発光層に多重量子井戸活性層を備える半導体発光素子におけるように、結晶成長条件が異なるＭｇＺｎＯ層やＣｄＺｎＯ層を形成する必要が無く、極めて簡易な製造工程で作製が可能になる。その結果、コストパフォーマンスと歩留まりが著しく向上する。
【００２７】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型層および第２導電型層は、上記発光層よりもバンドギャップが大きいＺｎＯ系半導体からなる。
【００２８】
上記実施形態によれば、上記発光層が比較的薄い場合、この発光層と、上記第１導電型層および第２導電型層によって、ダブルヘテロ構造が構成できるので、キャリア閉じ込め効率を向上させて発光効率をさらに向上できる。
【００２９】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型層および第２導電型層は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ＜１）からなる。
【００３０】
上記実施形態によれば、上記第１導電型層および第２導電型層にＭｇＺｎＯ混晶を用いることによって、上記発光層に対するヘテロ障壁を高くして、この発光層へのキャリア閉じ込め効率を向上させて、発光効率をさらに向上できる。
【００３１】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層は、ＣｄｙＺｎ１−ｙＯ（０＜ｙ＜１）からなる。
【００３２】
上記実施形態によれば、上記発光層にＣｄＺｎＯを用いることによって、バンドギャップが小さくなって、産業上利用価値の高い可視光の発光が得られる。
【００３３】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｕ，ＡｇおよびＡｕの中から選ばれた１つ以上の元素を含む。
【００３４】
上記実施形態によれば、上記発光層において、上記元素が例えばＺｎと置換してアクセプタとなり、価電子帯から約１００〜４００ｍｅＶのエネルギー位置に不純物準位を形成する。したがって、約３ｅＶあるいはこれ以下のエネルギーに応じた波長成分を有する発光が得られる。また、上記不純物のうちの２種類以上の不純物を含む場合には、各々の不純物準位が異なるので、上記発光層における発光スペクトル幅が広がり、これによって、発光強度が効果的に増大する。
【００３５】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｃ，Ｙ，ＬａおよびＣｅの中から選ばれた１つ以上の元素を含む。
【００３６】
上記実施形態によれば、上記発光層において、上記元素が例えばＺｎと置換してドナーとなり、伝導帯から約１０〜５０ｍｅＶのエネルギー位置に不純物準位を形成する。したがって、約３．３ｅＶあるいはこれ以下のエネルギーに応じた波長成分を有する発光が得られる。また、上記不純物のうちの２種類以上の不純物を含む場合や、上記Ｉ族元素をさらに含む場合には、各々の不純物準位が異なるので、上記発光層における発光スペクトル幅が広がり、これによって、発光強度が効果的に増大する。
【００３７】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｖ，ＮｂおよびＴａの中から選ばれた１つ以上の元素を含む。
【００３８】
上記実施形態によれば、上記発光層において、上記元素が例えばＯと置換してアクセプタとなり、伝導帯から約１００〜４００ｍｅＶのエネルギー位置に不純物準位を形成する。したがって、約３ｅＶあるいはこれ以下のエネルギーに応じた波長成分を有する発光が得られる。また、上記不純物のうちの２種類以上の不純物を含む場合や、上記Ｉ族元素およびＩＩＩ族元素をさらに含む場合には、各々の不純物準位が異なるので、上記発光層における発光スペクトル幅が広がり、これによって、発光強度が効果的に増大する。
【００３９】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ，ＭｎおよびＲｅの中から選ばれた１つ以上の元素を含む。
【００４０】
上記実施形態によれば、上記発光層において、上記元素が例えばＯと置換してドナーとなり、伝導帯から約５０〜１００ｍｅＶのエネルギー位置に不純物準位を形成する。したがって、約３．２ｅＶあるいはこれ以下のエネルギーに応じた波長成分を有する発光が得られる。また、上記不純物のうちの２種類以上の不純物を含む場合や、上記Ｉ族元素、ＩＩＩ族元素およびＶ族元素をさらに含む場合には、各々の不純物準位が異なるので、上記発光層における発光スペクトル幅が広がり、これによって、発光強度が効果的に増大する。
【００４１】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆの中から選ばれた１つ以上の元素を含む。
【００４２】
上記実施形態によれば、上記発光層において、上記元素によって比較的深い不純物準位が形成され、これを介した発光の波長が比較的長くなる。これによって、可視光波長の発光が得られる。また、上記不純物のうちの２種類以上の不純物を含む場合や、上記Ｉ族元素、ＩＩＩ族元素、Ｖ族元素およびＶＩＩ族元素をさらに含む場合には、各々の不純物準位が異なるので、上記発光層における発光スペクトル幅が広がり、これによって、発光強度がさらに増大する。
【００４３】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、複数の元素を含む。
【００４４】
上記実施形態によれば、上記発光層にドーピングされる不純物が複数の元素を含むことにより、種々のエネルギーレベルにおける励起子発光や、不純物準位間発光が得られる。この複数の波長成分を組み合わせることによって、例えば発光強度の増大等のような発光特性の向上を図ることができる。
【００４５】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層にドーピングされた不純物は、上記複数の元素が無秩序に分散してなる。
【００４６】
上記実施形態によれば、上記発光層にドーピングされた不純物は、複数の元素が無秩序に分散してなるので、上記ドープ領域において、異なる活性化エネルギーに基いた発光が均一に混ざり合って生成される。これによって、スペクトル幅の広い光が得られるので、発光強度が増大する。
【００４７】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層は、厚み方向の中央よりも上記第１導電型層または第２導電型層のうちのｐ型導電型層側に、上記ノンドープ領域を有する。
【００４８】
上記実施形態によれば、上記第１導電型層および第２導電型層のうちのｎ型層から供給される電子と、上記第１導電型層および第２導電型層のうちのｐ型層から供給される正孔とについて、上記発光層における拡散長は、電子の方が正孔よりも長い。したがって、上記発光層の厚み方向の中央よりもｐ型導電型層側に形成された上記ノンドープ領域で、上記電子と正孔による光再結合が効率良く生じて、自由励起子発光が優先的に生じる。その結果、上記自由励起子発光によって、上記発光層のドープ領域が効率良く光励起されて、可視光が高効率に生成される。
【００４９】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層のドープ領域は、上記ノンドープ領域近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーが、上記第１導電型層近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーおよび上記第２導電型層近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーよりも小さい。
【００５０】
上記実施形態によれば、上記ノンドープ領域で生成される励起子発光によって、上記ドープ領域の上記ノンドープ領域近傍の部分の不純物準位にキャリアが励起され、不純物準位を介した発光が生じる。上記第１導電型層近傍の部分にドーピングされた不純物および上記第２導電型層近傍の部分にドーピングされた不純物は、活性化エネルギーが、上記ノンドープ領域近傍の部分にドーピングされた不純物の活性化エネルギーよりも大きいので、上記ドープ領域の上記ノンドープ領域近傍の部分より発せられる発光によって効果的にキャリアが励起され、不純物準位を介した発光が行われる。したがって、上記発光層は、上記ノンドープ領域近傍の部分から、上記第１導電型層近傍の部分および第２導電型層近傍の部分に亘って、効果的に励起・発光が行なわれるので、良好な発光効率が得られる。
【００５１】
なお、上記ドープ領域において、上記ノンドープ領域近傍の部分と、上記第１導電型層近傍の部分および上記第２導電型層近傍の部分との間における不純物の活性化エネルギーは、連続的に変化している必要は無く、階段状に変化していてもよい。
【００５２】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層のドープ領域は、上記ノンドープ領域近傍の部分から、上記第１導電型層と、上記第２導電型層とに向って、活性化エネルギーが大きくなるように上記不純物がドーピングされている。
【００５３】
上記実施形態によれば、上記発光層のドープ領域の不純物は、上記ノンドープ領域近傍の部分から、上記第１導電型層と、上記第２導電型層とに向うにつれて、不純物準位間の遷移エネルギーが小さくなるようにドーピングされる。つまり、上記ノンドープ領域近傍の部分から、上記第１導電型層と、上記第２導電型層とに向うにつれて、遷移エネルギーが順次小さくなるように不純物準位が形成される。したがって、上記ノンドープ領域で生じた励起子発光によって、このノンドープ領域近傍の上記ドープ領域の部分において不純物準位にキャリアが励起され、不純物準位を介した発光が生じる。このノンドープ領域近傍における不純物準位を介した発光のエネルギーは、上記第１導電型層側および第２導電型層側の不純物の遷移エネルギーよりも大きいので、この第１導電型層側および第２導電型層側において不純物準位にキャリアが励起され、不純物準位を介した発光が生じる。こうして、上記発光層のドープ領域は、上記ノンドープ領域近傍の部分からキャリアが不純物準位に順次励起され、上記第１導電型層側の境界および第２導電型層側の境界に至るまで発光する。その結果、上記発光層に、紫外から可視領域に亘る波長の光が高効率に生成される。
【００５４】
１実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板は、ＺｎＯ基板である。
【００５５】
上記実施形態によれば、上記ＺｎＯ基板は、ＺｎＯ系半導体層と優れた親和性を有するので、このＺｎＯ基板上に、例えばエピタキシャル成長によって、結晶欠陥が極めて少ない良好なＺｎＯ系半導体層を形成できる。また、上記ＺｎＯは導電性であるので、上記ＺｎＯ基板の裏面にｎ型電極を直接形成することができる。したがって、この酸化物半導体発光素子は、低抵抗になると共に生産プロセスが簡易化でき、その結果、発光効率と生産効率に優れた酸化物半導体発光素子を実現できる。
【００５６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５７】
（第１実施形態）
第１実施形態では、ＺｎＯのみを用いて構成した酸化物半導体発光素子の例を示す。
【００５８】
図１は、第１実施形態の酸化物半導体発光素子としての発光ダイオード１０を示す断面図である。本実施形態の発光ダイオード１０は、ＺｎＯ基板１上に、Ｇａをドープしてキャリア濃度を５×１０１８ｃｍ−３とした厚さ１μｍのｎ型ＺｎＯ層２と、Ｇａをドープした厚さ１０μｍのＺｎＯ発光層３と、Ｎをドープしてキャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３とした厚さ１μｍのｐ型ＺｎＯ層４とを順次積層している。上記ｎ型ＺｎＯ層２が第１導電型層であり、上記ｐ型ＺｎＯ層４が第２導電型層である。
【００５９】
上記ＺｎＯ発光層３は、厚み方向の中央よりもｐ型ＺｎＯ層４側に位置して、不純物がドーピングされていないノンドープ領域を有する。このノンドープ領域は、厚さが０．５μｍであり、このノンドープ領域以外の領域であるドープ領域に、キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３となるように、Ｇａを均一にドーピングしている。
【００６０】
図１には、上記ｎ型ＺｎＯ層２からｐ型ＺｎＯ層４に亘って、各位置におけるドーピング濃度を表すドーピングプロファイルを同時に示している。
【００６１】
上記ＺｎＯ基板１の裏面には、ｎ型オーミック電極５として、１０００Åの厚みを有するＡｌを形成している。
【００６２】
ｐ型ＺｎＯ層４の主表面の全面には、厚さ１５０ÅのＮｉを積層してなる透光性オーミック電極６が積層され、この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、上記透光性オーミック電極６よりも小さい面積をなして形成されている。
【００６３】
本実施形態の酸化物半導体発光素子としての発光ダイオード１０は、発光層３の一部にノンドープ領域を形成すると共に、この発光層３を３μｍ以上の厚膜としたことに特徴を有している。
【００６４】
上記発光ダイオード１０を、Ａｇペーストでリードフレームに取り付け、配線を施してモールドし、発光させたところ、ピーク波長が４００ｎｍの青色光が得られた。
【００６５】
図２は、本実施形態の発光ダイオード１０について、ＺｎＯ発光層３の層厚と発光強度との関係を示した図である。
【００６６】
図２には、比較例として、ＡｌアクセプタおよびＮドナーが発光層にドーピングされていると共に、ノンドープ領域を有しない６Ｈ−ＳｉＣ発光ダイオード（比較例１）と、Ｓｉドナーがドーピングされていると共に、本発明と同様のノンドープ領域を有するＧａＮ系発光ダイオード（比較例２）と、ＭｇＺｎＯ障壁層とＣｄＺｎＯ井戸層とから成る多重量子井戸発光層を有するＺｎＯ系半導体発光ダイオード（比較例３）とについて、発光層厚と発光強度との関係を示している。
【００６７】
図２において、横軸は発光層厚（μｍ）であり、縦軸は発光強度（相対強度）である。上記縦軸の発光強度は、視感度を考慮していない。
【００６８】
比較例１のＳｉＣ発光ダイオードは、間接遷移型であるため発光強度が比較的小さいが、ＤＡ対遷移の多段階発光を行なうので、発光層厚が５μｍのものから１０μｍ程度に達するものまで、発光層厚の増大に伴って発光強度が増大する。
【００６９】
比較例２のＧａＮ系発光ダイオードは、直接遷移型であるため発光強度が比較的大きく、しかも、発光層の厚みを１２μｍ程度まで増大した場合においても、この発光層厚の増大に伴って発光強度が増大し、本発明と同様の効果を有する。
【００７０】
これらの比較例に対して、本実施形態のＺｎＯ発光ダイオード１０は、発光層３の厚みが１０μｍを超えて３０μｍ程度まで増大した場合においても、この発光層３の厚みの増大に伴って発光強度が増大する。つまり、本実施形態の発光層３は、図２に示すように、発光層に多重量子井戸構造を用いて高い発光効率とキャリア閉じ込め効果を有する比較例３の半導体発光装置と、略同等の発光強度が得られる。
【００７１】
この理由は明確ではないが、ＺｎＯの励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高いことが関係していると推察される。図３は、本実施形態の発光ダイオード１０における発光機構を示したものである。本実施形態では、ｎ型層、発光層およびｐ型層をＺｎＯ系半導体で構成したので、ＧａＮ（励起子結合エネルギーは約２４ｍｅＶである）で発光層を形成した比較例１と比べて、発光層３のノンドープ領域からの励起子発光が桁違いに強い。この強い励起子発光が、上記発光層３内の上記ノンドープ領域に隣接するドープ領域の不純物準位にキャリアを励起し、この不純物準位を介した発光を著しく促進したものと考えられる。
【００７２】
図２から分かるように、発光層３の厚みとしては、３μｍ以上３０μｍ以下であるのが、この発光層３の厚みの増大に伴って発光強度を増大できる点で好ましい。しかしながら、上記発光層３は、過剰に厚いと製造コストが増大するので、十分な発光強度が得られる５μｍ以上１５μｍ以下の厚みであるのが、より好ましい。
【００７３】
本実施形態の酸化物半導体発光素子は、固体原料または気体原料を用いた分子線エピタキシー（以下、ＭＢＥという）法、パルスレーザ堆積（以下、ＰＬＤという）法、有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤという）法などの結晶成長手法で作製できる。
【００７４】
図４（ａ），（ｂ）は、第１実施形態のＺｎＯ系発光ダイオード１０と、上記比較例３の多重量子井戸発光層を有するＺｎＯ系発光ダイオードとについて、発光層近傍をＭＢＥ法で形成する場合の成長温度制御および原料供給シーケンスを示す図である。
【００７５】
図４（ｂ）に示すように、比較例３では、ｎ型およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層と多重量子井戸発光層とを形成する際、原料であるＩＩ族元素のＭｇ、ＣｄおよびＺｎの蒸気圧が異なるため、形成すべき層の組成比に応じて成長温度を制御する必要がある。特に、ＣｄＺｎＯおよびＭｇＺｎＯを交互に複数回積層して量子井戸発光層を形成する際、成長温度を異なる値の間で頻繁に変更させるように制御する必要がある。これに加えて、原料を供給する複数のセルシャッターの開閉を頻繁に行う必要がある。
【００７６】
これに対して、本実施形態では、ＭｇＺｎＯ混晶やＣｄＺｎＯ混晶を積層しないので、図４（ａ）に示すように、温度制御やセルシャッターの開閉は殆んど必要無い。したがって、本実施形態の発光ダイオードは、製造工程を大幅に簡易化して、これによって、歩留まりを大幅に向上できる。
【００７７】
また、本実施形態の発光ダイオードの製造工程に用いる積層法としては、ＰＬＤ法の一つである分子線エピタキシー（レーザＭＢＥ）法が、以下の点で特に好ましい。すなわち、原料ターゲットと、積層する薄膜との間の組成ずれが小さく、また、不純物ドープにおいて意図しない副生成物（ＺｎＧａ２Ｏ４など）の生成を抑えることができる。また、レーザＭＢＥ法を用いた場合においても、本実施形態の発光ダイオードによれば、工程の簡易化や歩留まりの向上を効果的に実現できることは自明である。
【００７８】
本実施形態において、発光層３内にノンドープ領域を形成すれば、本発明の効果を奏することができる。しかしながら、上記発光層３におけるキャリア拡散長は、電子のほうが正孔よりも長いので、注入キャリアで生成される励起子発光は、正孔を供給するｐ型ＺｎＯ層４に近い側で優先的に生じる。したがって、上記ノンドープ領域は、発光層３の厚み方向の中央よりもｐ型ＺｎＯ層４に近い側に形成することが好ましい。
【００７９】
また、多段階発光を生じさせるのに十分な強度の励起子発光を得るためには、上記ノンドープ領域の厚みが、上記発光層３全体の厚みの３％以上であることが好ましい。しかしながら、上記ノンドープ領域がドープ領域より厚いと、多段階発光が効果的に生じにくく、動作電圧も上昇する。したがって、上記ノンドープ領域の厚みは、発光層３全体の厚みの５０％以下であることが好ましく、特に、３０％以下であるのが、従来と同等の動作電圧で発光できる点で、より好ましい。
【００８０】
上記発光層３のドープ領域に導入する不純物は、キャリアオーバーフローおよび吸収損失を抑止すると共に、動作電圧の上昇を防ぐため、キャリア濃度がｎ型ＺｎＯ層２およびｐ型ＺｎＯ層４のいずれよりも低く、かつ、ドーピング濃度が１×１０１６〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲にあることが好ましい。特に、上記ドーピング濃度は、１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲にあるのが、結晶性の劣化を防止可能な点で、より好ましい。
【００８１】
本実施形態において、上記ＺｎＯ発光層３のドープ領域に導入する不純物としては、ｎ型のドナー不純物であるＧａを用いたが、ＺｎＯの室温における自由励起子発光（約３．３ｅＶ）よりも小さい遷移エネルギーを取り得る不純物準位が形成できるものであればよい。このような不純物として、例えば、以下の４つの種類のようなものがある。
【００８２】
（１）Ｉ族元素は、Ｚｎと置換してアクセプタとなり、価電子帯から約１００〜４００ｍｅＶのエネルギー位置に不純物準位を形成する。具体的には、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｕ、ＡｇおよびＡｕなどがある。特に、活性化エネルギーが比較的小さくドーピング効率が高い点で、Ｌｉ、ＣｕおよびＡｇが好ましく、Ａｇが最も好ましい。
【００８３】
（２）ＩＩＩ族元素は、Ｚｎと置換してドナーとなり、伝導帯から約１０〜５０ｍｅＶのエネルギー位置に不純物準位を形成する。具体的には、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｙ、ＬａおよびＣｅなどがある。特に、活性化エネルギーが比較的小さくドーピング効率が高い点で、Ａｌ、ＧａおよびＩｎが好ましく、ＧａおよびＡｌが最も好ましい。
【００８４】
（３）Ｖ族元素は、Ｏ（酸素）と置換してアクセプタとなり、価電子帯から約１００〜４００ｍｅＶのエネルギー位置に不純物準位を形成する。具体的には、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｖ、ＮｂおよびＴａなどがある。特に、活性化エネルギーが比較的小さくドーピング効率が高い点で、ＮおよびＰが好ましく、Ｎが最も好ましい。
【００８５】
（４）ＶＩＩ族元素は、Ｏ（酸素）と置換してドナーとなり、伝導帯から約５０〜１００ｍｅＶのエネルギー位置に不純物準位を形成する。具体的には、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、ＭｎおよびＲｅなどがある。活性化エネルギーが比較的小さくドーピング効率が高い点で、Ｆ、Ｃｌが特に好ましい。
【００８６】
（５）Ｖ族元素は、深い不純物準位を形成するので、この不純物準位を介して長波長の光が得られる。具体的にはＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆなどがある。低コストでドーピング効率が高い点で、Ｓｉ、ＴｉおよびＺｒが好ましく、特に、Ｓｉが最も好ましい。
【００８７】
また、本実施形態において、ｐ型ＺｎＯ層４に不純物としてＮをドープしたが、ｐ型ＺｎＯ層４にドーピングする不純物としては、Ｉ族元素のＬｉ、ＣｕおよびＡｇや、Ｖ族元素のＮ、ＡｓおよびＰなどを用いることが出来る。ＮとＡｇは、活性化エネルギーが小さいので特に好ましく、さらに、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、結晶性を良好に保ちつつ高濃度ドーピングが行えるので、特に好ましい。
【００８８】
本実施形態において、上記ｐ型ＺｎＯ層４は、発光効率を高めるために、ｐ型不純物が高濃度にドープされて低抵抗化されていることが好ましい。しかしながら、上記ｐ型ＺｎＯ層４は、ドーピング濃度が過剰であると吸収損失および結晶性劣化が顕著となるので、５×１０１６〜５×１０１９ｃｍ−３の範囲のキャリア濃度となるドーピング濃度に設定されているのが好ましい。
【００８９】
また、上記ｎ型ＺｎＯ層２にドーピングするｎ型不純物としては、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａおよび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点で、ＧａまたはＡｌが好ましい。
【００９０】
また、上記基板１には、発光効率を最大限に得るために、発光波長に対応する吸収係数が低い材料を用いるのが好ましい。本実施形態において、基板１として用いた単結晶のＺｎＯは、その上に成長される層と同じ材料系であるので、結晶欠陥の生成が極めて小さく、最も好ましい。また、亜鉛面を用いることにより、ｐ型ＺｎＯ層４のキャリア活性化率が向上して抵抗が低減されるので、好ましい。
【００９１】
また、上記基板１としては、ＺｎＯ単結晶以外にも、サファイアやＬｉＧａＯ２などの絶縁性基板、ＳｉＣやＧａＮなどの導電性基板を用いてもよい。
【００９２】
特に、上記基板１に絶縁性基板を用いる場合、その上の成長層の一部をエッチングしてｎ型ＺｎＯ層２を露出させて、この露出したｎ型ＺｎＯ層２上にｎ型オーミック電極５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１上にバッファ層を設けてもよい。
【００９３】
一方、上記基板１に導電性基板を用いる場合、本実施形態で示すように、基板１の裏面にｎ型オーミック電極５を直接形成することができるので、素子抵抗を低減できると共に製造工程が簡易になり、好ましい。
【００９４】
また、上記基板１は、裏面に、研磨やエッチングなどの公知の手法で凹凸を形成すれば、入射した発光を乱反射させて光取り出し効率が向上するので、好ましい。
【００９５】
上記ｐ型オーミック電極６には、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄおよびＡｕなどを用いることができるが、特に、低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。あるいは、上記複数の金属材料を合金化してｐ型電極６を形成してもよい。
【００９６】
また、上記ｐ型オーミック電極６は、動作電圧の低減と発光効率の向上とを効果的に両立するために、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。良好なオーミック特性と高い透光性を両立するｐ型電極６の厚みとしては、５０〜２０００Åの範囲が好ましく、３００〜１０００Åの範囲が更に好ましい。
【００９７】
また、上記ｐ型オーミック電極６形成後にアニール処理を行うと、その下側のｐ型ＺｎＯ層４に対する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。各層を形成するＺｎＯ結晶に欠陥を生じさせずにアニール効果を得るためには、アニール温度は３００〜４００℃であるのが好ましい。また、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く、Ｎ２雰囲気中では、逆に抵抗が増大する。
【００９８】
上記パッド電極７は、透光性のｐ型オーミック電極６上の一部に、このｐ型オーミック電極６よりも面積を小さく形成すれば、上記ｐ型電極６の光透過効果を損なわずにリードフレームへの実装プロセスを容易化できるので好ましい。上記パッド電極７の材料としては、ボンディングが容易でＺｎＯ中へ拡散してもドナー不純物とならないＡｕが好ましい。上記ｐ型オーミック電極６とパッド電極７との間には、密着性や光反射性を向上させるために、他の金属層を介設してもよい。
【００９９】
上記ｎ型オーミック電極５には、Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどの材料を用いることができる。特に、低抵抗でコストの低いＡｌ、あるいは、密着性の良いＴｉが好ましい。また、上記複数の金属材料を合金化してｎ型電極５を形成してもよい。本実施形態のｎ型電極５は、青〜紫外光に対する反射率が比較的高いＡｌからなり、また、基板１の裏面全面に形成されているので、良好な光取り出し効率が得られる。あるいは、上記ｎ型電極５は、任意の形状にパターニングし、露出した基板１の裏面をＡｇペーストなどでリードフレームに接着しても良い。この場合、Ａｇのほうが青〜紫外光に対する反射率がＡｌよりも高いので、好ましい。また、ｎ型オーミック電極５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、上記補助電極には、ＡｇやＰｔなどのように青〜紫外光に対する反射率が高い金属を用いれば、さらに好ましい。
【０１００】
本実施形形態において、他の構成は任意であり、本実施形態によって限定されるものではない。
【０１０１】
（第２実施形態）
第２実施形態では、ＺｎＯ発光層１３にＧａとＮをドーピングし、このＺｎＯ発光層１３のドープ領域におけるドーピング濃度が、ノンドープ領域近傍に向って高くなるプロファイルをなす点以外は、第１実施形態のＺｎＯ系発光ダイオードと同一である。
【０１０２】
図５は、本実施形態の発光ダイオードの断面およびドーピングプロファイルを示す図である。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一の構成要素については、同一の参照番号を付して詳細な説明を省略する。
【０１０３】
図５に示すように、上記ＺｎＯ発光層１３は、厚み方向の中央よりもｐ型ＺｎＯ層４側位置にノンドープ領域を有し、このノンドープ領域のｎ型ＺｎＯ層２側とｐ型ＺｎＯ層４側とに、ＧａおよびＮがドーピングされたドープ領域を各々有する。このドープ領域におけるＧａおよびＮの濃度は、上記ノンドープ領域に隣接する部分が最も高く設定されている。そして、上記ドープ領域において、上記ノンドープ領域に隣接する部分から、上記ｎ型ＺｎＯ層２およびｐ型ＺｎＯ層４に向うに伴って、上記ＧａおよびＮの濃度が低くなるドーピングプロファイルをなしている。つまり、上記ノンドープ領域に隣接する部分から、上記ｎ型ＺｎＯ層２と、上記ｐ型ＺｎＯ層４とに向って、活性化エネルギーが小さくなるように上記不純物がドーピングされている。
【０１０４】
本実施形態において、上記ＺｎＯ発光層１３にドーピングしたＧａとＮは、ＤＡ（ドナー・アクセプタ）対発光を生じさせるために導入したものであり、低抵抗なｐ型ＺｎＯ層を得る技術として開示されている所謂「同時ドーピング技術」とは異なるものである。
【０１０５】
本実施形態の発光ダイオードをＡｇペーストでリードフレームに取り付け、配線、モールドを行なって発光させたところ、ピーク波長が４２０ｎｍの青色光が得られた。また、発光強度は、第１実施形態における発光強度に対して５０％向上した。
【０１０６】
本実施形態の発光ダイオードについて、発光波長が長波長化すると共に発光強度が向上したのは、上記ＺｎＯ発光層１３にドーピングした複数の不純物によってＤＡ対発光のスペクトル幅が増大し、さらに、上記ＺｎＯ発光層１３のドーピングプロファイルを発光過程に対して最適化したためであると考えられる。
【０１０７】
すなわち、ＤＡ対発光においては、ドーピング濃度が高くなるとＤＡ対間距離が短かくなって、発光波長が短波長化する。したがって、ノンドープ領域の励起子発光により、このノンドープ領域に隣接する領域において、高濃度の不純物準位にキャリアが励起されて短波長のＤＡ対発光が得られる。この短波長光により、この領域よりもｎ型層側およびｐ型層側の領域において、多少低濃度の不純物準位にキャリアが励起され、上記短波長光よりも波長が多少長いＤＡ対発光が得られる。このようにして、上記ｎ型層側およびｐ型層側に向って濃度が低くなるように不純物がドーピングされたドープ領域について、キャリアを不純物準位に順次励起し、発光させることによって、上記発光層全体について、比較的広い幅に亘るスペクトルをなして発光させて、発光効率の向上および発光強度の増大を実現できる。
【０１０８】
上記実施形態において、上記ドープ領域にはＧａおよびＮをドーピングしたが、他の不純物をドーピングしてもよい。
【０１０９】
また、上記発光層１３のドープ領域に導入する不純物のプロファイルについて、ノンドープ領域近傍の部分の不純物濃度が、上記ｎ型ＺｎＯ層２近傍の部分およびｐ型ＺｎＯ層４近傍の部分の不純物濃度よりも高ければ、その他の部分の濃度プロファイルは、直線状、曲線状および階段状など、どのような形状をなしてもよい。
【０１１０】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態の発光ダイオードを示す断面図である。
【０１１１】
本実施形態の発光ダイオードは、ｎ型ＺｎＯ層２とＺｎＯ発光層３の間に、ｎ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏクラッド層８を形成し、ｐ型ＺｎＯ層４とＺｎＯ発光層３の間に、ｐ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏクラッド層９を形成した以外は、第１実施形態のＺｎＯ系発光ダイオードど同一の構成を有する。
【０１１２】
なお、図中において、第１実施形態と同一の構成要素については同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１１３】
本実施形態の発光ダイオードをＡｇペーストでリードフレームに取り付け、配線、モールドして発光させたところ、ピーク波長が４００ｎｍの青色光が得られた。
【０１１４】
図７は、本実施形態の発光ダイオードについて、ＺｎＯ発光層３の層厚と発光強度との関係を示した図である。図７において、横軸は発光層厚（μｍ）であり、縦軸は発光強度（相対強度）である。図７には、第１実施形態の発光ダイオードにおける関係も併せて示している。
【０１１５】
図７から分かるように、本実施形態によれば、ＺｎＯ発光層３の層厚が５μｍ程度までの間は、ホモ構造である第１実施形態に比べ、ダブルヘテロ構造である本実施形態の方が、発光強度が高い。しかしながら、それ以上の発光層厚では、本実施形態の発光強度は、第１実施形態の発光強度と略同一となるので、ヘテロ障壁でキャリアを閉じ込める優位性はあまり無いと考えられる。したがって、発光層厚が５μｍ以下であって、それ以上厚くできない場合には、ＭｇＺｎＯ混晶によるダブルヘテロ構造を構成することが好ましい。
【０１１６】
上記クラッド層８，９について、結晶性を維持して十分なキャリア閉じ込め効果を得るには、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯのＭｇの組成比ｘは、０．０１以上０．５以下が好ましく、さらに好ましくは、０．０３以上０．３３以下である。
【０１１７】
なお、上記発光層３をＣｄｙＺｎ１−ｙＯ混晶として発光波長をさらに長波長化した場合においても、本実施形態と同様の効果が得られる。この場合、結晶性を維持して発光波長を長波長化させるには、ＣｄｙＺｎ１−ｙＯのＣｄの組成比ｙは、０．０２以上０．３以下が好ましく、さらに好ましくは、０．０５以上０．２５以下である。
【０１１８】
（第４実施形態）
第４実施形態の発光ダイオードは、発光層のドープ領域に、不純物としてのＧａ、ＮおよびＳｉを均一かつ同時にドーピングした以外は、第１実施形態の発光ダイオードと同一の構成を有する。第１実施形態と同一の構成部分には同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１１９】
上記発光層のドープ領域には、上記均一かつ同時にドーピングされた不純物としてのＧａ，ＮおよびＳｉが、無秩序に分散している。
【０１２０】
上記実施形態の発光ダイオードを、Ａｇペーストでリードフレームに取り付け、配線、モールドして発光させたところ、ピーク波長が４２０ｎｍの青色光が得られた。本実施形態の発光ダイオードの出射光は、第１実施形態に対して、発光スペクトル幅が倍以上に広がり、また、視感度を考慮した輝度が６０％向上した。
【０１２１】
本実施形態の発光ダイオードは、上記ドープ領域において、Ｇａ、ＮおよびＳｉが、バンドギャップエネルギー中に互いに異なる不純物準位を形成する。上記ノンドープ領域で生成された励起子発光によって、上記異なる不純物準位にキャリアが励起され、これによって、複数の遷移エネルギーに対応する複数の波長の光が生成される。その結果、複数の波長の光が重なり合って、比較的広いスペクトル幅の発光が得られる。また、上記不純物のうちのＳｉが深い準位を形成するので、上記スペクトルが長波長化する。
【０１２２】
本実施形態の発光ダイオードによれば、上記スペクトル幅の拡大によって色純度は劣るが、極めて高い発光強度が得られる。したがって、例えば蛍光体励起光源などに用いた場合、従来よりも発光強度と省電力性に優れた多色発光素子を形成することができる。
【０１２３】
なお、上記発光層のドープ領域に導入する不純物は、Ｇａ、ＮおよびＳｉに限られず、生成すべき発光強度やスペクトル幅に応じて、元素を追加、変更してもよい。
【０１２４】
（第５実施形態）
第５実施形態の発光ダイオードは、発光層２３が有する２つのドープ領域を、各々４つの領域に分割して、ノンドープ領域に隣接するものから順に、Ｇａのみをドーピングした領域と、Ｎのみをドーピングした領域と、ＧａおよびＮを同時にドーピングした領域と、Ｇａ，ＮおよびＳｉを同時にドーピングした領域とを設けた以外は、第１実施形態と同一の構成を有する。本実施形態において、第１実施形態と同一の構成部分には同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１２５】
図８は、本実施形態の発光ダイオードの断面と、この発光ダイオードのｎ型ＺｎＯ層２、ＺｎＯ発光層２３およびｐ型ＺｎＯ層４のドーピングプロファイルとを示す図である。図８に示すように、上記発光層２３は、ノンドープ領域の上側と下側とに形成した２つのドープ領域に、上記ノンドープ領域に隣接するものから順に、Ｇａドープ領域、Ｎドープ領域、ＧａおよびＮドープ領域、Ｇａ，ＮおよびＳｉドープ領域とを各々形成している。
【０１２６】
本実施形態の発光ダイオードをＡｇペーストでリードフレームに取り付け、配線およびモールドして発光させたところ、ピーク波長が４５０ｎｍの青色光が得られた。また、視感度を考慮しない発光強度は、第４実施形態の発光ダイオードの発光強度に対して３０％向上した。
【０１２７】
図９（ａ），（ｂ）は、本実施形態の発光ダイオードの発光機構を、第４実施形態のものと比較して説明する図である。図９（ａ）は第４実施形態の発光ダイオードの発光機構であり、図９（ｂ）は第５実施形態の発光ダイオードの発光機構である。
【０１２８】
本実施形態の発光ダイオードは、ドープ領域内に複数の不純物準位を有する点では、第４実施形態の発光ダイオードと同じである。しかしながら、第４実施形態では、上記ドープ領域中に複数の不純物準位が無秩序に分散していたのに対して、本実施形態では、ノンドープ領域側から順に、不純物準位が、その遷移エネルギーが大きい順に配置されている。したがって、図９（ｂ）に示すように、ノンドープ領域で生成された励起子発光によって、このノンドープ領域に隣接するＧａ不純物準位から順に、Ｎ不純物準位、ＧａおよびＮ不純物準位、Ｇａ、ＮおよびＳｉ不純物準位について、キャリアが確実に励起されて、各遷移エネルギーに応じた波長の光が生成される。その結果、この発光層２３は、比較的大きい厚みを有するにもかかわらず、紫外〜青色に亘るスペクトルの発光を高効率に行なうことができる。
【０１２９】
なお、上記発光層２３のドープ領域に導入する不純物は、Ｇａ、Ｎ、ＧａおよびＮ、並びに、Ｇａ，ＮおよびＳｉに限られず、生成すべき発光強度やスペクトル幅に応じて、元素を追加、変更してもよい。要は、上記ノンドープ領域側から順に、不純物が、その不純物準位の遷移エネルギーが大きい順にドーピングされていればよい。
【０１３０】
【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れば、基板上に、第１導電型層、発光層および第２導電型層を少なくとも備え、上記発光層は、不純物がドーピングされたドープ領域と、不純物がドーピングされていないノンドープ領域とを有するので、上記ノンドープ領域で優先的に生じる励起子発光によって、上記ドープ領域で不純物準位を介した発光を促進する多段階発光を効果的に行なうことができ、これによって、多重量子井戸構造などを用いることなく発光層の略全てに亘って発光が得られる。その結果、簡易な構造で高効率・高強度発光が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の酸化物半導体発光素子としての発光ダイオードを示す断面図である。
【図２】第１実施形態の発光ダイオードについて、発光層の層厚と発光強度との関係を示した図である。
【図３】第１実施形態の発光ダイオードにおける発光機構を示したものである。
【図４】図４（ａ）は第１実施形態の発光ダイオードについて、図４（ｂ）は比較例３の発光ダイオードについて、発光層近傍をＭＢＥ法で形成する場合の成長温度制御および原料供給シーケンスを各々示す図である。
【図５】第２実施形態の発光ダイオードの断面およびドーピングプロファイルを示す図である。
【図６】第３実施形態の発光ダイオードを示す断面図である。
【図７】第３実施形態の発光ダイオードについて、発光層の層厚と発光強度との関係を示す図である。
【図８】第５実施形態の発光ダイオードの断面およびドーピングプロファイルを示す図である。
【図９】図９（ａ）は第４実施形態の発光ダイオードの発光機構を示し、図９（ｂ）は第５実施形態の発光ダイオードの発光機構を示す図である。
【符号の説明】
１  ＺｎＯ基板
２  ｎ型ＺｎＯ層
３  ＺｎＯ発光層
４  ｐ型ＺｎＯ層
５  ｎ型オーミック電極
６  透光性オーミック電極
７  Ａｕパッド電極
１０  発光ダイオード
【図１】
2004342732.tif 000003
【図２】
2004342732.tif 000004
【図３】
2004342732.tif 000005
【図４】
2004342732.tif 000006
【図５】
2004342732.tif 000007
【図６】
2004342732.tif 000008
【図７】
2004342732.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004342732.tif 000011