(57)【要約】【課題】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】量子井戸発光層１０３は、Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層と、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層とが交互に積層されて成っている。これにより、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層のキャリア閉じ込め効果が向上するので、発光特性および省電力性を高めることが出来る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺｎＯ系半導体で構成された酸化物半導体発光素子であって、
ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ井戸層（但し、０＜ｘ≦１）とＭｇｙＺｎ１−ｙＯ障壁層（但し、０＜ｙ≦１）とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層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ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ井戸層のＣｄ組成比ｘは０＜ｘ≦０．２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ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ障壁層のＭｇ組成比ｙは０＜ｙ≦０．３５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に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ井戸層のＣｄ組成比ｘは０＜ｘ≦０．０８であり、且つ、上記ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ障壁層のＭｇ組成比ｙは０＜ｙ≦０．３３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】
ＺｎＯ系半導体で構成された酸化物半導体発光素子であって、
井戸層と障壁層とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層を備え、
上記井戸層は３層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端に位置する上記井戸層の層厚は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の層厚と異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、
上記両端に位置する上記井戸層の層厚は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の層厚よりも厚いことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項７】
ＺｎＯ系半導体で構成され得た酸化物半導体発光素子であって、
井戸層と障壁層とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層を備え、
上記井戸層は３層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端に位置する上記井戸層の組成は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の組成と異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７に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記両端に位置する上記井戸層のバンドギャップエネルギは、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層のバンドギャップ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９】
ＺｎＯ系半導体で構成された酸化物半導体発光素子において、
井戸層と障壁層とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層と、
上記活性層と積層された光ガイド層とを備え、
上記障壁層のバンドギャップエネルギは上記光ガイド層のバンドギャップエネルギよりも高い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、５、７および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、
上記活性層にはドナー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１１】
請求項１０に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ドナー不純物は上記井戸層のみに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１２】
請求項１０に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ドナー不純物は上記障壁層のみに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１３】
請求項１、５、７および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、
上記井戸層の膜厚は２ｎｍ〜８ｎｍの範囲内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１３に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記井戸層は３層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端以外の箇所に位置する上記井戸層の膜厚は３ｎｍ〜６ｎｍの範囲内であ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、５、７および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、
上記活性層は、上記障壁層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するＭｇＺｎＯ混晶を含むクラッド層で挟持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１６】
請求項１５に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記活性層と上記クラッド層との間に、上記クラッド層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するＭｇＺｎＯ混晶を含むキャリアブロック層を備えた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、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】
半導体レーザや発光ダイオードなどの半導体発光素子の活性層には、量子井戸層とポテンシャル障壁層との交互積層で構成した量子井戸構造がよく用いられる。量子井戸構造を有する量子井戸活性層は、バルク活性層に比べ量子効率が高いため、特性に優れた半導体発光素子を実現することが出来る。このような量子井戸活性層は、青色発光素子として既に実用化されているＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子において採用されている。例えば、特許２９３２４６７号公報では、ＩｎＧａＮ混晶で井戸層および障壁層を形成した量子井戸活性層が開示されている。
【０００３】
ところで、半導体発光素子の材料の一つに酸化亜鉛（ＺｎＯ）がある。この酸化亜鉛は、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが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出来る可能性がある。
【０００４】
従来、ＺｎＯおよびこれを母体した混晶で構成された酸化物半導体発光素子としては、Ｃｄ０．３Ｚｎ０．７Ｏから成る井戸層と、Ｃｄ０．０６Ｚｎ０．９４Ｏから成る障壁層との交互積層を複数回繰り返して形成された量子井戸活性層を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
国際公開第００／１６４１１号パンフレット
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の酸化物半導体発光素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子などに比べて発光効率が悪い上に、動作電圧や発振閾値電流が高いという問題がある。
【０００７】
本発明者らの検討によると、この問題が生じる理由は以下のように推察される。
【０００８】
量子井戸活性層を構成する井戸層，障壁層の両方をＣｄＺｎＯ混晶で構成すると、障壁層のポテンシャルが低くなるため、量子井戸活性層に注入された電子が各井戸層に均一に閉じ込められない。その結果、各井戸層における発振波長や利得にばらつきが生じてしまう。
【０００９】
このようなばらつきは、井戸層，障壁層の両方をＩｎＧａＮ混晶で構成した量子井戸活性層では、井戸層と障壁層とのＩｎ組成比の差を大きくして、障壁層のポテンシャルを高くすることによって解決される。
【００１０】
しかし、このような解決方法は、井戸層，障壁層の両方をＣｄＺｎＯ混晶で構成した量子井戸活性層には用いることが出来ない。より詳しく説明すると、ＣｄＺｎＯ混晶はＣｄＯとＺｎＯとの結晶構造が異なるため、Ｃｄ組成比が大きくなると相分離を生じやすく、十分な結晶性を有する単一組成のＣｄＺｎＯ混晶が得られる組成範囲が狭い。すなわち、上記井戸層と障壁層とのＣｄ組成比を大きくすることが出来ない。したがって、上記井戸層，障壁層の両方をＣｄＺｎＯ混晶で構成した量子井戸活性層では、障壁層のポテンシャルを高く出来ず、量子井戸層間の特性不均一が生じやすい。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、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ことにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＺｎＯ系半導体で構成された量子井戸活性層を有する半導体発光素子について、発光効率を向上させる技術について鋭意検討した結果、量子井戸活性層の構成を最適化することにより上記目的を達成出来ることを見い出し本発明に至った。
【００１３】
第１の発明の酸化物半導体発光素子は、ＺｎＯ系半導体で構成された酸化物半導体発光素子であって、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ井戸層（但し、０＜ｘ≦１）とＭｇｙＺｎ１−ｙＯ障壁層（但し、０＜ｙ≦１）とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層を備えたことを特徴としている。
【００１４】
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。
【００１５】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記井戸層をバンドギャップエネルギの小さなＣｄＺｎＯで構成し、障壁層をバンドギャップエネルギの大きなＭｇＺｎＯで構成するので、十分な障壁高さが確保されて、井戸層のキャリア閉じ込め効果が向上する。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、動作電圧や発振閾値電流を下げることが出来る。すなわち、発光効率、省電力性および信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
【００１６】
なお、上記「活性層」は、発光ダイオード素子の場合には「発光層」と称されるが、発光を司る層という意味において同義であるので、以下においては特に区別しない。
【００１７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ井戸層のＣｄ組成比ｘは０＜ｘ≦０．２である。
【００１８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Ｃｄ組成比ｘを０＜ｘ≦０．２の範囲内に設定することにより、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ井戸層の結晶性および組成均一性を向上させることが出来る。
【００１９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ障壁層のＭｇ組成比ｙは０＜ｙ≦０．３５である。
【００２０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Ｍｇ組成比ｙを０＜ｙ≦０．３５の範囲内に設定することにより、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ障壁層の結晶性および組成均一性を向上させることが出来る。
【００２１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ井戸層のＣｄ組成比ｘは０＜ｘ≦０．０８であり、且つ、上記ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ障壁層のＭｇ組成比ｙは０＜ｙ≦０．３３である。
【００２２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Ｃｄ組成比ｘを０＜ｘ≦０．０８の範囲内に、且つ、上記Ｍｇ組成比ｙを０＜ｙ≦０．３３の範囲内に設定することにより、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ井戸層の面内格子定数およびＭｇｙＺｎ１−ｙＯ障壁層の面内格子定数を３．２５０Å〜３．２６１Åの範囲内でほぼ同じにすることが出来る。その結果、上記活性層内に生じる応力を極めて小さくすることが出来る。
【００２３】
第２の発明の酸化物半導体発光素子は、ＺｎＯ系半導体で構成された酸化物半導体発光素子であって、井戸層と障壁層とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層を備え、上記井戸層は３層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端に位置する上記井戸層の層厚は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の層厚と異なることを特徴としている。
【００２４】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記両端に位置する上記井戸層の層厚と、その両端以外の箇所に位置する井戸層の層厚とを異ならせることにより、全ての井戸層の量子準位を揃えることができる。つまり、全ての井戸層の量子準位をほぼ同じに出来る。したがって、発光波長を均一化して特性を改善することが出来る。すなわち、発光効率や温度特性などの諸特性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
【００２５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記両端に位置する上記井戸層の層厚は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の層厚よりも厚い。
【００２６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記両端に位置する上記井戸層の層厚が、その両端以外の箇所に位置する井戸層の層厚よりも厚いので、全ての井戸層の量子準位が揃い易くなる。
【００２７】
第３の発明の酸化物半導体発光素子は、ＺｎＯ系半導体で構成され得た酸化物半導体発光素子であって、井戸層と障壁層とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層を備え、上記井戸層は３層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端に位置する上記井戸層の組成は、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層の組成と異なることを特徴としている。
【００２８】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記両端に位置する上記井戸層の組成と、その両端以外の箇所に位置する井戸層の組成とを異ならせることにより、全ての井戸層の量子準位を揃えることができる。つまり、全ての井戸層の量子準位をほぼ同じに出来る。したがって、発光波長を均一化して特性を改善することが出来る。すなわち、発光効率や温度特性などの諸特性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
【００２９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記両端に位置する上記井戸層のバンドギャップエネルギは、上記両端以外の箇所に位置する上記井戸層のバンドギャップよりも小さくなっている。
【００３０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記両端に位置する上記井戸層のバンドギャップエネルギが、その両端以外の箇所に位置する井戸層のバンドギャップよりも小さいので、全ての井戸層の量子準位が揃い易くなる。
【００３１】
第４の発明の酸化物半導体発光素子は、ＺｎＯ系半導体で構成された酸化物半導体発光素子において、井戸層と障壁層とが交互に積層されて成る量子井戸構造を有する活性層と、上記活性層と積層された光ガイド層とを備え、上記障壁層のバンドギャップエネルギは上記光ガイド層のバンドギャップエネルギよりも高いことを特徴としている。
【００３２】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記障壁層のバンドギャップエネルギが光ガイド層のバンドギャップエネルギより高いので、十分な障壁高さが得られて、井戸層のキャリア閉じ込め効果が向上する。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、動作電圧や発振閾値電流を下げることが出来る。すなわち、諸特性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
【００３３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記活性層にはドナー不純物がドーピングされている。
【００３４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記活性層にドナー不純物をドーピングしているので、発光効率が向上すると共に、素子の動作電圧が低減する。
【００３５】
また、上記活性層にドナー不純物をドーピングすることにより、不純物準位を介したエネルギ遷移を生ぜしめることが出来、発光特性を向上させることが出来る。
【００３６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１乃至第４のいずれか１つ発明の酸化物半導体発光素子において、上記ドナー不純物は上記井戸層のみにドーピングされている。
【００３７】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ドナー不純物を上記井戸層のみにドーピングしていることにより、活性層全体に不純物をドーピングした場合と同等の発光効率の向上効果が得られると共に、ドーピング総量を低減することが出来る。その結果、上記活性層の結晶性が向上して信頼性が高くなると共に、活性層のキャリア吸収損失が低減して発光効率が更に向上する。
【００３８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ドナー不純物は上記障壁層のみにドーピングされている。
【００３９】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ドナー不純物を障壁層のみにドーピングしていることにより、活性層全体に不純物をドーピングした場合と同等の発光効率の向上効果が得られると共に、ドーピング総量を低減することが出来る。その結果、上記活性層の結晶性が向上して信頼性が高くなると共に、活性層のキャリア吸収損失が低減して発光効率が更に向上する。
【００４０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記井戸層の膜厚は２ｎｍ〜８ｎｍの範囲内である。
【００４１】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記井戸層の膜厚を２ｎｍ〜８ｎｍの範囲内に設定することにより、量子効率や微分利得が向上して、発光特性を向上出来る。
【００４２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記井戸層は３層以上あり、且つ、上記量子井戸構造において積層方向の両端以外の箇所に位置する上記井戸層の膜厚は３ｎｍ〜６ｎｍの範囲内である。
【００４３】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記両端以外の箇所に位置する井戸層の膜厚を３ｎｍ〜６ｎｍの範囲内に設定することにより、量子効率や微分利得が更に向上して、発光特性を更に向上出来る。
【００４４】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記活性層は、上記障壁層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するＭｇＺｎＯ混晶を含むクラッド層で挟持されている。
【００４５】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記障壁層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するＭｇＺｎＯ混晶を含むクラッド層が活性層を挟持しているので、注入キャリアが活性層に閉じ込められる。その結果、発光効率が向上するので、低い動作電流で高い発光効率が得られる。
【００４６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記活性層と上記クラッド層との間に、上記クラッド層のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有するＭｇＺｎＯ混晶を含むキャリアブロック層を備えている。
【００４７】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記キャリアブロック層を活性層と上記クラッド層との間に形成することにより、井戸層におけるキャリア閉じ込め効果が更に向上する。その結果、発光特性や温度特性を向上させることが出来る。
【００４８】
【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。
【００４９】
（実施形態１）
本実施形態１では、ＺｎＯ系半導体で構成された青色発光ダイオード素子に本発明を適用した第１の例について説明する。
【００５０】
図１に、本実施形態１の青色発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【００５１】
上記発光ダイオード素子では、亜鉛面を主面とするＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｇａ（ガリウム）を３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ０．５μｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２、活性層の一例としてのノンドープ量子井戸発光層１０３、Ｎ（窒素）を１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ０．５μｍのｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０４、Ｎを１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５とがこの順で積層されている。
【００５２】
上記量子井戸発光層１０３は、厚さ５ｎｍのＭｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層と、厚さ４ｎｍのＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層とが交互に積層されて成っている。そして、上記Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層は８層ある一方、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層は７層ある。
【００５３】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の主表面全面上には、厚さ１５ｎｍのＮｉを積層した透光性のｐ型オーミック電極１０６が形成されている。更に、上記ｐ型オーミック電極１０６上には、厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極７がオーミック電極６より小さい面積で形成されている。
【００５４】
上記ＺｎＯ単結晶基板１０１の裏面下には、Ａｌから成る厚さ１００ｎｍのｎ型オーミック電極１０８が形成されている。
【００５５】
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て発光させたところ、発光ピーク波長４３０ｎｍの青色発光が得られた。
【００５６】
図２に、上記量子井戸発光層１０３を構成する障壁層の組成比を変えて本実施形態１の発光ダイオード素子を作製し、２０ｍＡの動作電流における発光強度を調べた結果を示す。
【００５７】
図２から判るように、上記障壁層を井戸層と同じＣｄＺｎＯ混晶で構成した場合は発光強度が弱くなっている。これに対して、上記障壁層をバンドギャップエネルギの大きなＭｇＺｎＯ混晶で構成すると発光強度が飛躍的に増大する。この理由としては、ＣｄＺｎＯ障壁層はポテンシャル障壁が相対的に低く、各々の井戸層に電子を均一に閉じ込めることが出来ないのに対し、ポテンシャル障壁が高くなるに伴って井戸層への電子の閉じ込めが均一化し、十分な量子効果が得られるようになり発光強度が増大したと考えられる。
【００５８】
また、上記ＭｇＺｎＯ混晶で構成した障壁層においてＭｇ組成比が０．３５を超えると、発光強度は急激に低下する。これは、上記Ｍｇ組成比が０．３５が越えることにより結晶性の劣化や組成不均一が生じていると考えられる。
【００５９】
以上より、上記量子井戸発光層１０３の障壁層のＭｇ組成比は０を超えて０．３５までの範囲が結晶性と組成均一性に優れ好ましい。
【００６０】
一方、上記量子井戸発光層１０３の井戸層のＣｄ組成比は、大きい方がより長波長の可視発光が得られるため、産業的な利用価値が高いが、結晶性と組成均一性に優れる範囲としては０を超えて０．２までの範囲が好ましい。
【００６１】
図３には、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯおよびＭｇｙＺｎ１−ｙＯで構成した量子井戸発光層に関して、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯおよびＭｇｙＺｎ１−ｙＯの組成比とバンドギャップエネルギとの関係を調べて示すと共に、その組成比と面内格子定数との関係も調べて示している。なお、図３には、ＩＩＩ族窒化物半導体の井戸層，障壁層の材料として用いられるＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮに関して上記関係を調べて比較例として示している。
【００６２】
図３において、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯは、Ｃｄ組成比ｘが０〜０．０８の範囲内で面内格子定数が３．２４９Å〜３．２６１Åの範囲内にある。一方、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯは、Ｍｇ組成比ｙが０〜０．３３の範囲内で面内格子定数が３．２４９Å〜３．２６１Åの範囲内にある。そして、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯとＭｇｙＺｎ１−ｙＯとの両方とも組成比ｘ，ｙが増大するにつれて、面内格子定数も増大する。
【００６３】
したがって、上記組成範囲内、つまりＣｄ組成比ｘが０〜０．０８の範囲内、且つ、Ｍｇ組成比ｙが０〜０．３３の範囲内において量子井戸発光層を構成することにより、井戸層と障壁層とのバンドギャップ差を大きく取ることが出来、且つ、格子不整合を極めて小さくすることが出来る。
【００６４】
但し、上記Ｃｄ組成比ｘおよびＭｇ組成比ｙが共に０の場合はキャリアが井戸層へ閉じ込まらないので、ｘおよびｙは０を含まず、面内格子定数は３．２５０Å以上であることが好ましい。
【００６５】
なお、比較例として示したＩＩＩ族窒化物半導体のＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮの場合には、Ｉｎ組成比およびＡｌ組成比が共に増大すると、バンドギャップ差は大きくなるが、格子不整合も極めて大きくなり、結晶性が悪化すると共に、内部応力によって発生するピエゾ分極電界の影響を受けて発光効率が大きく低下する。
【００６６】
このことは、ＺｎＯ系半導体を用いた本発明の酸化物半導体発光素子がＩＩＩ族窒化物半導体に比べ構造設計の自由度が高く、より優れた青色〜紫外発光素子を作製出来ることを示している。
【００６７】
図４に、上記量子井戸発光層１０３の井戸層の層厚と発光強度との関係を示す。つまり、図４には発光強度の井戸層厚依存性が示されている。なお。図４では、量子井戸発光層１０３の井戸層の膜厚は「量子井戸膜厚」と記載している。
【００６８】
図４から判るように、上記井戸層の膜厚を１ｎｍから増加させて行くと、井戸層の膜厚が２ｎｍとなったところから発光強度が著しく向上する。このように、上記井戸層の膜厚の増加に伴って発光強度も大きくなるが、井戸層の膜厚が８ｎｍを超えると発光強度が急激に低下し、１０ｎｍ以上ではさらに急激に低下してしまう。この理由としては、量子効果の低減によって励起子の結合エネルギが小さくなることが考えられる。
【００６９】
したがって、上記量子井戸発光層１０３の井戸層の膜厚は２ｎｍ以上８ｎｍ以下とすることが好ましく、３ｎｍ以上６ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００７０】
量子井戸発光層の各井戸層へキャリアを均一に閉じ込める効果を最大限に得るには、クラッド層から量子井戸活性層へ注入されたキャリアを閉じ込めるダブルヘテロ構造を有することが好ましい。
【００７１】
上記量子井戸発光層１０３を挟持するＭｇＺｎＯクラッド層のＭｇ組成比は、量子井戸発光層１０３の障壁層のＭｇ組成比より高く、結晶性劣化が顕著となる０．３５より低いことが好ましい。
【００７２】
上記ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０４およびｐ型ＺｎＯ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族元素あるいはＶ族元素であるＬｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、Ｐ、Ａｓなどのうちの少なくとも１つを用いることが出来る。Ｎ、ＬｉおよびＡｇは活性化しやす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。
【００７３】
上記ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ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ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、ＧａおよびＩｎのうちの少なくとも１つを用いることが好ましい。
【００７４】
基板材料としては、本実施形態１で用いたＺｎＯ基板以外にも、サファイア基板、スピネル基板およびＬｉＧａＯ２基板などの絶縁性基板や、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板などの導電性基板も用いることが出来る。
【００７５】
上記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Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２の一部を露出させ、この一部上にｎ型オーミック電極５を形成すればよい。あるいは、上記ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２に接するｎ型ＺｎＯコンタクト層を設け、このコンタクト層の一部を露出させて、この一部上にｎ型オーミック電極５を形成すればより好ましい。
【００７６】
結晶性の良好な成長層を得るためには、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２またはｎ型ＺｎＯコンタクト層と基板との間にバッファ層を形成するのが好ましい。
【００７７】
ＺｎＯ系半導体が有する高い発光効率を最大限に得るためには、以下の（ａ）〜（ｃ）の条件を満たす基板を用いるのが好ましい。
【００７８】
（ａ）  基板上の成長層において非発光中心となる欠陥を低減する観点上、基板の面内格子定数は、ＺｎＯの面内格子定数に対して（１００±３）％の範囲内に収まっている。
【００７９】
（ｂ）  基板は発光波長に対応する吸収係数が低い。
【００８０】
（ｃ）  基板の裏面下に電極を設ける観点上、基板は導電性基板である。
【００８１】
本実施形態１のＺｎＯ単結晶基板１０１は、上記（ａ）〜（ｃ）の条件を全て満し、最も好ましい。また、上記ＺｎＯ単結晶基板１０１の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。
【００８２】
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。
【００８３】
ｐ型オーミック電極の材料としては、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄおよびＡｕなどのうちの１つを用いることが出来る。Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄおよびＡｕなどの中でも低抵抗で密着性の良いＮｉが、ｐ型オーミック電極の材料として特に好ましい。また、上記ｐ型オーミック電極は、上記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。つまり、上記ｐ型オーミック電極は、異なる複数の金属材料を用いて形成してもよい。
【００８４】
また、ＺｎＯ系半導体が有する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１で示したように、透光性のｐ型オーミック電極１０６を用いて光取り出し効率を向上させることが好ましい。上記ｐ型オーミック電極１０６において、良好なオーミック特性と高い透光性とを両立する厚みとしては５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であることが好ましく、３０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であることが更に好ましい。
【００８５】
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結晶に欠陥を生じずにアニール効果を得るには、温度は３００℃〜４００℃の範囲内であることが好ましい。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く、Ｎ２では逆に電気抵抗が増大してまうので好ましくない。
【００８６】
上記Ａｕパッド電極７は、透光性オーミック電極６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、透光性オーミック電極６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。
【００８７】
パッド電極の材料としては、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。
【００８８】
上記透光性オーミック電極６とパッド電極７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。
【００８９】
ｎ型オーミック電極の材料としては、Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどをのうちの１つを用いることが出来る。Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどの中でも低電気抵抗で低コストなＡｌ、あるいは、密着性の良いＴｉが、ｎ型オーミック電極の材料として好ましい。また、上記ｎ型オーミック電極は、上記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。つまり、上記ｐ型オーミック電極は、異なる複数の金属材料を用いて形成してもよい。
【００９０】
その他の構成は任意であり、実施形態１によって限定されるものではない。
【００９１】
（実施形態２）
本実施形態２は、量子井戸発光層において積層方向の両端の井戸層の膜厚が残りの井戸層の膜厚と異なっている点が上記実施形態１と異なっている。
【００９２】
すなわち、本実施形態２では、量子井戸発光層が有する７層の井戸層のうち、積層方向の両端に位置する２層の井戸層の膜厚を５．５ｎｍとし、残りの５つの井戸層の膜厚を４ｎｍとした他は、実施形態１と同様にして発光ダイオード素子を作製している。
【００９３】
本実施形態２の発光ダイオード素子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、上記実施形態１と同じ発光ピーク波長４３０ｎｍの青色発光が得られたが、上記実施形態１に比べて発光強度が１０％大きくなると共に、発光スペクトルの半値幅が上記実施形態１に比べて３０％狭くなり、単色性が向上した。
【００９４】
この理由は以下のように考えられる。
【００９５】
図５（ａ）に、上記実施形態１の量子井戸発光層１０３近傍における伝導帯バンドダイヤグラムの概略図を示し、図５（ｂ）に、本実施形態２の量子井戸発光層近傍における伝導帯バンドダイヤグラムの概略図を示す。なお、図５（ａ），（ｂ）中の左右方向が積層方向に相当する。
【００９６】
図５（ａ）に示すように、上記実施形態１の量子井戸発光層１０３は、８層のＭｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層１１１，１１２，…，１１８と、７層のＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層１２１，１２２，…，１２７とで構成されている。そして、この７層全ての井戸層１２１，１２２，…，１２７の膜厚が４ｎｍとなっている。
【００９７】
上記構成の量子井戸発光層１０３によれば、積層方向の両端の井戸層１２１，１２７はクラッド層１０２，１０４の障壁ポテンシャルの影響を強く受ける。このため、電子波が形成する量子準位は、点線で示すように、積層方向の両端の井戸層１２１，１２７が他の井戸層１２２，１２３，…，１２６よりも高くなる。すなわち、全ての井戸層１２１，１２２，…，１２７の量子準位は揃っていない。
【００９８】
一方、図５（ｂ）に示すように、本実施形態２の量子井戸発光層２０３は、８層のＭｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層２１１，２１２，…，２１８と、７層のＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層２２１，２２２，…，２２７とで構成されている。この７層の井戸層２２１，２２２，…，２２７のうち、積層方向の両端に位置する２層の井戸層２２１，２２７の膜厚が５．５ｎｍ、残りの５層の井戸層２２２，２２３，…，２２６の膜厚は４ｎｍとなっている。
【００９９】
上記構成の量子井戸発光層２０３によれば、両端の２層の井戸層２２１，２２７の膜厚が他の井戸層２２２，２２３，…，２２６の膜厚よりも厚いので、点線で示すように、井戸層２２１，２２７において量子効果が減少して量子準位が下る。その結果、上記井戸層２２１，２２７の量子準位と、残りの井戸層２２２，２２３，…，２２６の量子準位とが揃い易くなる。すなわち、上記井戸層２２１，２２２，…，２２７の全ての量子準位が揃い易い。これにより、上記実施形態１に比べてスペクトル幅などの特性が向上したものと考えられる。
【０１００】
このように、量子井戸発光層の複数の井戸層の量子準位を揃えて特性を向上させるには、その複数の井戸層のうち積層方向の両端の井戸層の膜厚を他の井戸層の膜厚よりも厚くすることが好ましい。但し、上記実施形態１で述べたように、井戸層の膜厚は２ｎｍ以上８ｎｍ以下とするのが好ましいので、積層方向の両端以外の井戸層の膜厚は３ｎｍ以上６ｎｍ以下とするのが好ましい。
【０１０１】
（実施形態３）
本実施形態３では、量子井戸発光層の全体にＧａを１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした他は、上記実施形態２と同様にしてＺｎＯ系発光ダイオード素子を作製した。
【０１０２】
本実施形態３の発光ダイオード素子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４３０ｎｍの青色発光が得られ、発光強度は上記実施形態２に比べて２０％増大した。また、上記量子井戸発光層が低抵抗化したため、動作電圧が０．１Ｖ減少した。
【０１０３】
上記発光ダイオード素子は、量子井戸発光層にＧａをドーピングしたことにより、このＧａがドナー準位を形成し、励起子発光と共にドナー準位を介した発光が生じるので、発光波長が長波長化すると共に、エネルギ遷移確率も向上するので上記実施形態２に比べて発光強度が増大すると考えられる。
【０１０４】
（実施形態４）
本実施形態４では、量子井戸発光層が有する井戸層のみにＧａをドーピングした他は、上記実施形態３と同様にしてＺｎＯ系発光ダイオード素子を作製した。すなわち、本実施形態４の量子井戸発光層は、ノンドープの８層のＭｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層と、Ｇａを１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした７層のＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層とで構成されている。
【０１０５】
本実施形態４の発光ダイオード素子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４３０ｎｍの青色発光が得られ、発光強度は上記実施形態３に比べて２０％増大したが、動作電圧が実施形態３に比べて０．０５Ｖ増大した。
【０１０６】
上記発光ダイオード素子は、井戸層のみに不純物をドーピングしたことにより、発光効率を維持して量子井戸発光層全体のドーピング濃度が低くなり、量子井戸発光層におけるキャリア吸収が低減するので、量子井戸発光層全体に不純物をドーピングした場合に比べて発光強度が増大すると考えられる。
【０１０７】
（実施形態５）
本実施形態５では、量子井戸発光層が有する障壁層のみにＧａをドーピングした他は、上記実施形態３と同様にしてＺｎＯ系発光ダイオード素子を作製した。すなわち、本実施形態５の量子井戸発光層は、Ｇａを１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした８層のＭｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層と、ノンドープの７層のＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層とで構成されている。
【０１０８】
本実施形態５の発光ダイオード素子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４２５ｎｍの青色発光が得られ、発光強度は上記実施形態３に比べて１５％増大し、動作電圧は実施形態３に比べて０．０５Ｖ増大した。
【０１０９】
上記発光ダイオード素子は、障壁層のみに不純物をドーピングしたことにより、発光効率を維持して量子井戸発光層全体のドーピング濃度が低くなり、量子井戸発光層におけるキャリア吸収が低減するので、井戸層のみに不純物をドーピングした場合とほぼ同等の発光強度増大が得られる。
【０１１０】
（実施形態６）
本実施形態６は、量子井戸発光層において両端の井戸層の組成が残りの井戸層の組成と異なっている点が上記実施形態１と異なっている。
【０１１１】
すなわち、本実施形態３では、量子井戸発光層が有する７層の井戸層のうち、積層方向の両端に位置する２層の井戸層のみをＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏで構成し、残りの５層の井戸層をＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏで構成した他は、上記実施形態１と同様にして発光ダイオード素子を作製した。
【０１１２】
本実施形態６の発光ダイオード素子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、上記実施形態１と同じ発光ピーク波長４３０ｎｍの青色発光が得られたが、発光強度が上記実施形態１に比べて１０％大きくなると共に、発光スペクトルの半値幅が上記実施形態１に比べて３０％狭くなり、単色性が向上した。
【０１１３】
この理由は以下のように考えられる。
【０１１４】
図６に、本実施形態６の量子井戸発光層６０３における伝導帯バンドダイヤグラムの概略図を示す。
【０１１５】
上記量子井戸発光層６０３は、８層のＭｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層６１１，６１２，…，６１８と、２層のＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層６２１，６２７と、５層のＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層６２２，６２３，…，６２６とで構成されている。この井戸層６２１，６２２，…，６２７において井戸層６２１，６２７が積層方向の両端に位置している。
【０１１６】
上記構成の量子井戸発光層６０３は、積層方向の両端の井戸層６２１，６２７の組成が他の井戸層６２２，６２３，…，６２６の組成と異なっているので、上記実施形態と同様に井戸層６２１，６２２，…，６２７の全ての量子準位が揃い易い構造となっている。その結果、本実施形態６の発光ダイオード素子は、上記実施形態１に比べてスペクトル幅などの特性が向上したものと考えられる。
【０１１７】
このように、複数の井戸層において、全ての井戸層の量子準位を揃えて特性を向上させるには、積層方向の両端の井戸層のバンドギャップエネルギは他の井戸層（積層方向の両端以外の箇所に位置する井戸層）のバンドギャップエネルギに比して小さいことが好ましい。したがって、上記複数の井戸層において、積層方向の両端の井戸層のバンドギャップエネルギが他の井戸層のバンドギャップエネルギに比して小さくなるように、各井戸層の組成を調節するのが好ましい。
【０１１８】
（実施形態７）
本実施形態７では、ＺｎＯ系半導体で構成された青色半導体レーザ素子に本発明を適用した一例について説明する。
【０１１９】
図７に、本実施形態７のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。
【０１２０】
上記半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板７０１上に、厚さ０．５μｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層７０２、光ガイド層の一例としての厚さ２０ｎｍのｎ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ光ガイド層７０３、活性層の一例としての多重量子井戸活性層７０４、光ガイド層の一例としての厚さ２０ｎｍのｐ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ光ガイド層７０５、厚さ１．０μｍのｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層７０６、厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層７０７がこの順で積層されている。
【０１２１】
上記ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層７０６の上部はリッジストライプ形状にエッチング加工されている。そして、上記ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層７０６の上部の両側には、Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏより成るｎ型電流ブロック層７０８を形成している。つまり、上記ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層７０６の上部の側面は、ｎ型電流ブロック層７０８によって埋め込まれている。
【０１２２】
また、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層７０７上にはｐ型オーミック電極３０を形成している一方、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板７０１下にはｎ型オーミック電極７０９を形成している。
【０１２３】
図８に、上記多重量子井戸活性層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図を示す。
【０１２４】
上記多重量子井戸活性層７０４は、厚さ４ｎｍのＭｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層７１１，７１２と、厚さ４ｎｍのＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層７２１，７２２，７２３とを交互に積層して構成されている。上記Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層７１１，７１２は２層ある一方、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層７２１，７２２，７２３は３層ある。そして、上記Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層７１１，７１２のバンドギャップエネルギは、ｎ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ光ガイド層７０３およびｐ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ光ガイド層７０５のバンドギャップエネルギより高くなっている。
【０１２５】
以上のような構造を作製後、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板７０１を劈開して端面ミラーを形成し、その端面に保護膜を真空蒸着した後、素子分離を行って幅３００μｍの本実施形態７の半導体レーザ素子を得る。この半導体レーザ素子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。
【０１２６】
図９に、上記多重量子井戸活性層７０４が有する障壁層のＭｇ組成比を変えて本実施形態７の半導体レーザ素子を作製し、発振閾値電流および特性温度を調べた結果を示す。なお、図９では、上記障壁層のＭｇ組成比と発振閾値電流との関係を実線で示し、上記障壁層のＭｇ組成比と特性温度との関係を点線で示している。
【０１２７】
図９から判るように、上記障壁層の組成比が光ガイド層より大きくなって井戸層に対するポテンシャル障壁が高くなると、発振閾値電流および特性温度が大きく改善された。このことは、上記障壁層のバンドギャップエネルギが光ガイド層のバンドギャップエネルギより高いことにより、井戸層へのキャリア閉じ込めが均一に行なわれ、諸特性が大きく改善されることを示している。
【０１２８】
（実施形態８）
図１０に、本実施形態８の量子井戸活性層近傍における伝導帯バンドダイヤグラムの概略図を示す。
【０１２９】
本実施形態８では、図１０に示すように、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層７０２とｎ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ光ガイド層７０３との間に、Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏより成る厚さ５ｎｍのｎ型キャリアブロック層８０１を形成すると共に、ｐ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ光ガイド層７０５とｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層７０６との間に、Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏより成る厚さ５ｎｍのｐ型キャリアブロック層８０２を形成した他は、上記実施形態７と同様にして半導体レーザ素子を作製した。
【０１３０】
上記ｎ型キャリアブロック層８０１，ｐ型キャリアブロック層８０２のバンドギャップエネルギは、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層７０２，ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層７０６のバンドギャップエネルギよりも大きくなっている。
【０１３１】
本実施形態８の半導体レーザ素子に電流を流したところ、上記実施形態７と同じく端面から波長４３０ｎｍの青色発振光が得られたが、発振閾値電流は上記実施形態７に比べて３０％低く、特性温度は２０Ｋ向上した。
【０１３２】
このように、活性層とクラッド層との間に、クラッド層よりもバンドギャップエネルギが大きなキャリアブロック層を形成することによって、井戸層からのキャリアオーバーフローが抑制される。その結果、上記井戸層におけるキャリアの閉じ込め率を向上させることが出来て、本発明の効果を更に向上させることが出来る。
【０１３３】
ｎ型ＺｎＯ系半導体に比べてｐ型ＺｎＯ系半導体はキャリア濃度が低いため、活性層とｐ型クラッド層とのヘテロ障壁が低くなりやすい。したがって、キャリアブロック層は、少なくとも、活性層とｐ型クラッド層との間に設けるのが好ましい。また、活性層とｎ型クラッド層との間、および、活性層とｐ型クラッド層との間に、キャリアブロック層を設ければより好ましい。
【０１３４】
本発明の酸化物半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いたＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、レーザＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの結晶成長手法で作製することが出来る。これらの結晶成長手法のうちレーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと、この原料ターゲットを用いて形成した薄膜とにおいて組成ずれが小さく、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出来るので特に好ましい。
【０１３５】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、シングルへテロ構造またはダブルへテロ構造であってもよい。
【０１３６】
【発明の効果】
以上より明らかなように、第１の発明の酸化物半導体発光素子は、活性層の量子井戸構造をＣｄｘＺｎ１−ｘＯ井戸層（但し、０＜ｘ≦１）とＭｇｙＺｎ１−ｙＯ障壁層（但し、０＜ｙ≦１）との交互積層で構成するので、十分な障壁高さが確保されて、井戸層のキャリア閉じ込め効果が高まる。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、動作電圧や発振閾値電流を下げることが出来る。
【０１３７】
また、本発明の第２の酸化物半導体発光素子は、障壁層と３層以上の井戸層とから成る量子井戸構造において、積層方向の両端に位置する井戸層の層厚が、その両端以外の箇所に位置する井戸層の層厚と異なるので、全ての井戸層の量子準位が揃る。その結果、発光波長が均一化して特性を向上させることが出来る。
【０１３８】
第３の発明の酸化物半導体発光素子は、障壁層と３層以上の井戸層とから成る量子井戸構造において、積層方向の両端に位置する井戸層の組成が、その両端以外の箇所に位置する井戸層の組成と異なるので、全ての井戸層の量子準位が揃る。その結果、発光波長が均一化して特性を向上させることが出来る。
【０１３９】
第４の発明の酸化物半導体発光素子は、障壁層のバンドギャップエネルギが上記光ガイド層のバンドギャップエネルギより高いので、十分な障壁高さが得られて、井戸層のキャリア閉じ込め効果が向上する。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、動作電圧や発振閾値電流を下げることが出来る。
【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構模式断面図である。
【図２】図２は上記実施形態１の発光ダイオード素子における障壁層の組成比と発光強度との関係を示す図である。
【図３】図３はＣｄＺｎＯおよびＭｇＺｎＯの組成比とバンドギャップエネルギおよび面内格子定数との関係を示す図である。
【図４】図４は上記実施形態１の発光ダイオード素子における井戸層の層厚と発光強度との関係を示す図である。
【図５】図５（ａ）は上記実施形態１の発光ダイオード素子における量子井戸発光層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図であり、図５（ｂ）は本発明の実施形態２の発光ダイオード素子における量子井戸発光層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図である。
【図６】図６は本発明の実施形態６の発光ダイオード素子における量子井戸発光層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図である。
【図７】図７は本発明の実施形態７の半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図８】図８は上記実施形態７の半導体レーザ素子における多重量子井戸活性層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図である。
【図９】図９は上記実施形態７の半導体レーザ素子における障壁層の組成比と発振閾値電流および特性温度との関係を示す図である。
【図１０】図１０は本発明の実施形態８の半導体レーザ素子のおける量子井戸活性層近傍の伝導帯バンドダイヤグラムの概略図である。
【符号の説明】
１０３  量子井戸発光層
１１１，１１２，…，１１８  Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層
１２１，１２２，…，１２７  Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層
２０３  量子井戸発光層
２１１，２１２，…，２１８  Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層
２２１，２２２，…，２２７  Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層
６０３  量子井戸発光層
６１１，６１２，…，６１８  Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層
６２１，６２７  Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層
６２２，６２３，…，６２６  Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層
７０３  ｎ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ光ガイド層
７０４  多重量子井戸活性層
７０５  ｐ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ光ガイド層
７１１，７１２  Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ障壁層
７２１，７２２，７２３  Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層
【図１】
2004335792.tif 000003
【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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