(57)【要約】【課題】エピタキシャル層の欠陥を低減し、高い信頼性と発光効率を有する酸化物半導体発光素子を提供すること。【解決手段】基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体で構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層が順次積層されて成る酸化物半導体発光素子において、前記基板と前記ｎ型クラッド層の間にＩｎをドープしたｎ型ＺｎＯ系半導体層を形成する。【選択図】  図２
2004153211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体で構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層が順次積層されて成る酸化物半導体発光素子において、前記基板と前記ｎ型クラッド層の間にＩｎをドープしたｎ型ＺｎＯ系半導体層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２】
前記ｎ型ＺｎＯ系半導体層のＩｎドーピング濃度が１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲にある請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記基板が絶縁性基板であり、前記ＩｎをドープしたＺｎＯ系半導体層が露出部を有し、前記露出部上にｎ型オーミック電極が形成されて成る請求項１または２記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記絶縁性基板がサファイアである請求項３記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板が導電性基板であり、前記導電性基板の裏面にｎ型オーミック電極が形成されて成る請求項１または２記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記導電性基板が、６Ｈ−ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＧａＮのいずれかである請求項５記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｎ型クラッド層にＩｎがドープされている請求項１〜６いずれかに記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記活性層にＩｎがドープされている請求項１〜７いずれかに記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｐ型ＺｎＯコンタクト層のドーピング濃度が、１×１０１７〜１×１０２１ｃｍ−３である請求項１〜８いずれかに記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ｐ型ＺｎＯコンタクト層上全面に、透光性のｐ型オーミック電極が形成されて成る請求項１〜９いずれかに記載の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、信頼性に優れ、低電圧で動作する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、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害であり、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。
【０００３】
なお、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などで表される混晶を含めるものとし、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上の各層がＺｎＯ系半導体で構成されてなる。
【０００４】
ＺｎＯ系半導体は、青色〜紫外領域の発光素子として既に実用化されているＩＩＩ族窒化物半導体と同じ六方晶の結晶構造を有し、熱膨張係数や格子定数がＧａＮに極めて近いことから、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスで一般に用いられているサファイアやＳｉなどの基板上にエピタキシャル薄膜を積層し、発光素子を作製する研究がなされている。
【０００５】
例えば、特開２００１−４４４９９号公報には、Ｓｉ基板上にシリコンチッ化膜を形成し、その上にＺｎＯ系半導体薄膜を結晶成長する技術が開示されている。また、特開２００１−４４５００号公報には、サファイア基板のＡ面（１１−２０）を主面として用い、その上にＺｎＯ系半導体薄膜を結晶成長する技術が開示されている。
【０００６】
これらＳｉやサファイアは、コストが低く、極めて高品質な基板結晶を得ることが出来るが、ＩＩＩ族窒化物半導体やＺｎＯ系半導体とは格子定数差が十数％以上と極めて大きく、エピタキシャル結晶中には多くの結晶欠陥が発生する。
【０００７】
このような基板との格子不整合による欠陥を低減するために、半導体デバイスにおいては、基板とエピタキシャル層の間にバッファ層を介在させ、格子歪や成長初期の表面荒れを低減させて、良質なエピタキシャル層を得る技術が一般的に用いられている。
【０００８】
前記異種基板を主としたＩＩＩ族窒化物半導体の成長においては、低温成長させたＧａＮやＡｌＮ、ＩｎＧａＮ混晶をバッファ層に用いる技術が多く開示されており、ＺｎＯ系半導体に関しても、例えば再公表特許ＷＯ  ００／１６４１１号において、ＭｇＺｎＯやＡｌ２Ｏ３、低温成長させたＺｎＯおよびＡｌＧａＮなどをバッファ層に用いる技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−４４４９９号公報
【特許文献２】
特開２００１−４４５００号公報
【特許文献３】
国際公開ＷＯ  ００／１６４１１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＩＩ族窒化物半導体の成長においては、前記バッファ層の介在によって２次元の横方向成長が促成されるため、良質なエピタキシャル薄膜が得られる。
【００１１】
しかし、ＺｎＯ系半導体の場合は、これらバッファ層を形成しても界面エネルギーの減少割合が小さく、格子定数差の大きい前記基板上では結晶性が顕著に改善されないという問題があった。
【００１２】
本発明は以上の課題に鑑み、エピタキシャル層の欠陥を低減し、高い信頼性と発光効率を有する酸化物半導体発光素子を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ＺｎＯ系半導体を用いた発光素子について、格子歪などに起因したエピタキシャル層の結晶欠陥を低減する技術について鋭意検討した結果、ｎ型不純物として用いられるＩｎをドーピングしたＺｎＯ系半導体層が、結晶欠陥の抑制に極めて効果的であることを見い出し本発明に至った。
【００１４】
すなわち、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体で構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層が順次積層されて成る酸化物半導体発光素子において、前記基板と前記ｎ型クラッド層の間にＩｎをドープしたｎ型ＺｎＯ系半導体層が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
なお、前記「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。
【００１６】
ｎ型不純物であるＩｎはＺｎと置換することによりドナーとなる。Ｚｎのイオン半径が０．７４Åであるのに対し、Ｉｎのイオン半径は０．８１Åであり、他のｎ型不純物であるＧａ（０．６２Å）やＡｌ（０．５０Å）よりもＺｎのイオン半径に近いので、Ｚｎ原子を置換しやすい。このため、結晶欠陥や格子歪を抑制してＺｎＯ系半導体中に高濃度にドーピングすることが出来る。
また、Ｉｎ化合物はＧａ化合物やＡｌ化合物に比べ弾性定数が小さいため、結晶中に格子歪による応力を生じてもこれを緩和する効果が生じ、特にＩｎが高濃度にドーピングされていることにより、応力緩和効果が極めて高くなる。
このことにより、素子抵抗低減と信頼性向上を両立出来る。
【００１７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型ＺｎＯ系半導体層のＩｎドーピング濃度が１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３、好ましくは５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲にある。
【００１８】
Ｉｎを前記所定のドーピング濃度に制御することにより、素子抵抗を低減して動作電圧を低く出来ると共にキャリア散乱・吸収損失を生じない。
【００１９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記基板が絶縁性基板であり、前記ＩｎをドープしたＺｎＯ系半導体層が露出部を有し、前記露出部上にｎ型オーミック電極が形成されて成る。
【００２０】
前記基板が絶縁性基板であり、前記ＩｎをドープしたＺｎＯ系半導体層が露出部を有し、前記露出部上にｎ型オーミック電極が形成されて成るので、接触抵抗が低減し、動作電圧を低く出来る。
【００２１】
異種絶縁基板は格子不整合が大きいのと共に、基板から電極を取り出せないため、素子が高抵抗化するが、Ｉｎを高濃度にドープしたｎ型ＺｎＯ系半導体層をコンタクト層として電極を形成することにより、接触抵抗が低減し、動作電圧を低く出来る。
【００２２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記絶縁性基板がサファイアである。格子定数の大きく異なるサファイア基板を用いても欠陥が発生しにくく、低コストで光透過率の高いメリットを生かせる。
【００２３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記基板が導電性基板であり、前記導電性基板の裏面にｎ型オーミック電極が形成されて成る。
【００２４】
異種導電性基板は裏面に電極を形成出来る反面、格子不整合が大きいが、Ｉｎドープｎ型ＺｎＯ系半導体層をバッファ層として設けることにより、欠陥や格子歪が低減し、発光強度と信頼性を向上出来る。
【００２５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記導電性基板が、６Ｈ−ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＧａＮのいずれかである。
【００２６】
格子定数の大きく異なる６Ｈ−ＳｉＣ基板を用いても欠陥が発生しにくく、低コストで光透過率の高いメリットを生かせる。また、格子整合するＺｎＯやＧａＮ基板を用いた場合でも、ＩｎドープＺｎＯ系半導体層を形成することによってエピタキシャル層の結晶性が向上し、素子の故障率が低い。
【００２７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型クラッド層にＩｎがドープされている。
【００２８】
ｎ型クラッド層にＩｎがドープされていることにより、更に格子歪緩和効果が高い。
【００２９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記活性層にＩｎがドープされている。活性層にＩｎがドープされていることにより、活性層の欠陥増殖抑制効果が高い。
【００３０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｐ型ＺｎＯコンタクト層のドーピング濃度が１×１０１７〜１×１０２１ｃｍ−３、好ましくは１×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３である。
【００３１】
本発明によって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、低抵抗なｐ型コンタクト層を形成して活性層へ高効率にキャリアを注入することが好ましいが、ＺｎＯ系半導体は低抵抗なｐ型層が得られにくく、高濃度ドープを行なうと結晶性や透光性が悪化してしまう。ｐ型コンタクト層を前記所定のドーピング濃度に制御することにより、キャリア散乱・吸収損失を抑制して高い発光効率が得られると共に、素子抵抗を低減して動作電圧を低く出来る。
【００３２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｐ型ＺｎＯコンタクト層上全面に、透光性のｐ型オーミック電極が形成されて成る。
本発明によって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、コンタクト層全面に透明電極が形成されていることが好ましく、このことにより光取り出し効率が向上すると共に動作電圧が低減する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【００３４】
（実施形態１）
本実施形態では、サファイア基板およびＩｎドープＺｎＯバッファ層を用いてＺｎＯ系発光ダイオード素子を構成した例を示す。
【００３５】
図１は本実施形態の発光ダイオード素子１０の模式的構造断面図である。
本実施形態の発光ダイオード素子１０は、サファイアＣ面（０００１）を主面とする基板１上に、Ｉｎが１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．１μｍのｎ型ＺｎＯ層２、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３、厚さ０．１μｍのノンドープＺｎＯ発光層４、Ｎが１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層５、Ｎが５×１０２０ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．３μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層６が積層されている。
【００３６】
ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３からｐ型ＺｎＯコンタクト層６までのエピタキシャル層は一部がエッチングされ、露出したＩｎドープｎ型ＺｎＯ層２の表面には、ｎ型オーミック電極７として厚さ１０００ÅのＡｌが積層されている。
ｐ型ＺｎＯコンタクト層６の主表面全面には、厚さ１５０ÅのＮｉを積層した透光性のｐ型オーミック電極８が積層され、ｐ型オーミック電極８上には厚さ１０００Åのボンディング用Ａｕパッド電極９が、ｐ型オーミック電極８より小さい面積で形成されている。
本発明は、基板１とＺｎＯ系半導体エピタキシャル層（３）の間に、ＩｎドープＺｎＯ系半導体層を形成したことを特徴としている。
【００３７】
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）法などの結晶成長手法で作製することが出来るが、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ＺｎＩｎ２Ｏ４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。
【００３８】
本実施形態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。
【００３９】
本実施形態の発光ダイオード素子について、ｎ型ＺｎＯ層２のＩｎドーピング濃度と素子特性の関係を図２に示す。
Ｉｎドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上で、発光強度・動作電圧および素子寿命が改善されるが、１×１０２１ｃｍ−３以上では過剰なドーピング濃度のため透光性および結晶性が逆に劣化し素子特性が悪化する。
【００４０】
以上の結果より、ｎ型ＺｎＯ層２のＩｎドーピング濃度は、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲が好ましく、更には５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲で調整されることが好ましい。
【００４１】
ＩｎドープＺｎＯ層２の膜厚は、０．００１〜１μｍ、好ましくは０．００５〜０．５μｍ、更に好ましくは０．０１〜０．１μｍの範囲に調整する。
【００４２】
このようにして形成されたＩｎドープｎ型ＺｎＯ層２は、格子歪や結晶欠陥の増殖を抑制するバッファ層としての効果が極めて高い。
【００４３】
ｐ型不純物としては、Ｉ族元素のＬｉ、Ｃｕ、ＡｇやＶ族元素のＮ、Ａｓ、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い。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。
【００４４】
また、ｎ型ＺｎＯ層２以外の層にドーピングするｎ型不純物は、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどを用いることが出来るが、これらの層にもＩｎをドーピングすることが好ましい。
【００４５】
本実施形態においては、基板材料としてサファイアを用いたが、Ｓｉ基板でも本発明の効果である結晶欠陥の低減効果は発揮される。しかし、発光効率改善効果を最大限に得るためには、発光波長に対応する吸収係数が低い透光性基板が好ましく、サファイアの他にはＬｉＧａＯ２やＭｇＡｌ２Ｏ３などを用いることが出来る。特に、低コストで良質な結晶が得られ、ＺｎＯ系半導体と同じ酸化物である点で親和性に優れるサファイア基板が好ましい。また、成長主面としては、本実施形態で適用したＣ面（０００１）以外にＡ面（１１−２０）を用いてもよい。
【００４６】
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。
【００４７】
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ＺｎＯコンタクト層６に、ｐ型不純物を高ドープし低抵抗化することが好ましいが、過剰にドーピングされるとキャリア損失および結晶性劣化が顕著となるので、５×１０１６〜５×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度範囲となるようドーピングされることが好ましく、ｐ型不純物の活性化率を考慮すると、ドーピング濃度は１×１０１７〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲が好ましい。
【００４８】
ｐ型オーミック電極８には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどを用いることが出来るが、中でも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。前記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００４９】
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８が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。
【００５０】
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℃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では逆に抵抗が増大する。
【００５１】
パッド電極９は、透光性ｐ型オーミック電極８上の一部に、ｐ型オーミック電極８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９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。ｐ型オーミック電極８とパッド電極９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介してもよい。
【００５２】
ｎ型オーミック電極７にはＴｉ、Ｃｒ、Ａｌなどを用いることが出来る。中でも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。前記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００５３】
導電性基板を用いて基板裏面にｎ型オーミック電極７を設ける場合、Ａｌ電極は青〜紫外光の反射率が高いため、裏面全面に形成しても光取り出し効率は高いが、電極を任意の形状にパターニングし、露出した基板裏面をＡｇペーストなどでリードフレームに接着しても良く、Ａｇの方が青〜紫外光の反射率がＡｌより高いため好ましい。また、ｎ型オーミック電極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など青〜紫外光の反射率が高い金属を補助電極に用いれば更に好ましい。
その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。
【００５４】
（実施形態２）
本実施形態では、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３のｎ型不純物を、Ｇａに代えてＩｎとした他は、実施形態１と同様にして本発明の酸化物半導体発光素子を作製した。
【００５５】
Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３へのＩｎドーピング濃度は１×１０１８ｃｍ−３とした。
本実施形態の発光ダイオード素子も実施形態１と同様に、発光ピーク波長３８０ｎｍの青紫色発光が得られたが、動作電圧が１０％低減し、素子寿命が３０％向上した。
【００５６】
このように、ｎ型クラッド層にもＩｎがドープされていることにより、更に結晶欠陥の増殖が抑制される効果が高くなる。
【００５７】
（実施形態３）
本実施形態では、ノンドープＺｎＯ発光層４を、厚さ５０ÅのＭｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ障壁層１１層と、厚さ６０ÅのＺｎＯ井戸層１０層とを交互に積層した多重量子井戸構造とし、ＺｎＯ井戸層にＩｎを５×１０１６ｃｍ−３の濃度でドーピングした他は、実施形態２と同様にして本発明の酸化物半導体発光素子を作製した。
【００５８】
本実施形態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発光させたところ、発光ピーク波長３９０ｎｍの青紫色発光が得られた。
【００５９】
本実施形態では、発光層を量子井戸構造としたのでキャリア閉じ込め効率と発光効率が増大し、実施形態２に比べて発光層が薄いにもかかわらず発光強度は５０％増大した。また、動作電圧が１０％低減し、素子寿命が３０％向上した。
【００６０】
比較例として、井戸層のｎ型不純物をＧａに代えて同様に発光ダイオード素子を作製したところ、発光強度は本実施形態と同じであったが、素子寿命が３０％短かくなった。
【００６１】
このように、発光層が量子井戸構造であっても本発明の効果は変らず、Ｉｎがドープされていることにより、更に結晶欠陥の増殖が抑制される効果が高くなる。
【００６２】
なお、Ｉｎドーピングは、量子井戸構造全体に行なった場合に比べて井戸層のみにドーピングした方が、発光強度は１５％高かった。障壁層のみにドーピングした場合は、量子井戸構造全体に行なった場合と発光強度はほぼ同じであったが、動作電圧が１０％上昇した。
【００６３】
（実施形態４）
図３は本実施形態のＺｎＯ系発光ダイオード素子の構造断面図である。尚、図中において、実施形態３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。
【００６４】
本実施形態では、量子井戸発光層４を構成する井戸層組成をＣｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏとして波長４３０ｎｍの青色発光を得ると共に、基板１に６Ｈ−ＳｉＣ基板のＣ面（０００１）を用い、ｎ型オーミック電極７を６Ｈ−ＳｉＣ基板１の裏面に形成した。その他は実施形態３と同様にして本発明の酸化物半導体発光素子を作製した。
【００６５】
比較例として、ｎ型ＺｎＯ層２の不純物をＧａに代えて同様に発光ダイオード素子を作製したところ、発光強度は本実施形態より３０％低減し、素子寿命が６０％短かくなった。
【００６６】
（実施形態５）
本実施形態では、ＺｎＯ系半導体レーザ素子に、本発明を適用した例を示す。
図４は本実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子１００の構造斜視図である。
本実施形態の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１０１上に、Ｉｎドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３で厚さ０．３μｍのｎ型ＺｎＯ層１０２、Ｉｎドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０３、Ｉｎドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３で厚さ３００Åのｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４、量子井戸活性層１０５、Ｎドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ３００Åのｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６、Ｎドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０７、Ｎドーピング濃度が５×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８が積層されている。
【００６７】
量子井戸活性層１０５は、厚さ５０ÅのＺｎＯ障壁層２層と、厚さ６０ÅのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層３層とが交互に積層され、井戸層のみにＩｎが５×１０１６ｃｍ−３の濃度でドーピングされている。
【００６８】
ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０７は、リッジストライプ状にエッチング加工され、側面は、Ｉｎが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされたＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏより成るｎ型電流ブロック層１０９によって埋め込まれている。
【００６９】
また、ＺｎＯ基板１０１の下にはｎ型オーミック電極１１０が形成され、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８の上にはｐ型オーミック電極１１１が形成されている。
【００７０】
本実施形態の構造を作製後、ＺｎＯ基板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に分離した。
本実施形態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４００ｎｍの青色発振光が得られた。
【００７１】
本実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、ｎ型不純物を全てＧａで構成した場合に比べて発振閾値電流が５０％低減し、素子寿命が８０％長くなった。
【００７２】
半導体レーザ素子は、発振光が高いエネルギー密度を有するので、駆動中に結晶欠陥などが増殖して素子劣化に至りやすいが、本発明のＩｎドープＺｎＯ層をバッファ層として用い、ｎ型クラッド層や活性層の不純物をＩｎとすることにより、ＺｎＯ単結晶を基板に用いた場合でも、明らかに素子特性が向上することがわかる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の酸化物半導体発光素子によると、基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体で構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層が順次積層されて成る酸化物半導体発光素子において、前記基板と前記ｎ型クラッド層の間にＩｎをドープしたｎ型ＺｎＯ系半導体層が形成されているので、このｎ型ＺｎＯ系半導体層にｎ型不純物を高ドーピング出来ると共に、このｎ型ＺｎＯ系半導体層上にエピタキシャル成長される半導体層の格子歪を緩和する効果が極めて高く、素子抵抗低減と信頼性向上を両立出来る。
【００７４】
前記ｎ型ＺｎＯ系半導体層のＩｎドーピング濃度を１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲にすることにより、素子抵抗を低減して動作電圧を低く出来ると共にキャリア散乱・吸収損失を生じず、高い発光効率を有する発光素子を作製出来る。
【００７５】
前記基板として絶縁性基板を使用する場合、前記ＩｎをドープしたＺｎＯ系半導体層を露出させ、該露出部上にｎ型オーミック電極が形成することにより、接触抵抗を低減させ、動作電圧を低く出来る。
【００７６】
前記絶縁性基板としてサファイアを使用すると、透過率の高いメリットを生かして発光素子を作製出来る。
【００７７】
前記基板として導電性基板を使用すると、該導電性基板の裏面にｎ型オーミック電極を形成できるので、基板上にエピタキシャル成長される半導体層の欠陥や格子歪が低減し、発光強度が向上すると共に動作電圧を低減出来る。
【００７８】
前記導電性基板として６Ｈ−ＳｉＣを使用すると、低コストで光透過率の高い６Ｈ−ＳｉＣ基板のメリットを生かせる。また、格子整合基板（ＺｎＯまたはＧａＮ）を用いる場合でも、エピタキシャル層の結晶性が向上し、故障率が低い素子とすることができる
【００７９】
前記ｎ型クラッド層にＩｎをドープすると、更に格子歪緩和効果が高く、信頼性に優れた発光素子を実現出来る。
【００８０】
前記活性層にＩｎをドープすると、活性層の欠陥増殖抑制効果が高く、更に信頼性に優れた発光素子を実現出来る。
【００８１】
前記ｐ型ＺｎＯコンタクト層のドーピング濃度を１×１０１７〜１×１０２１ｃｍ−３に調整することにより、キャリア注入効率が向上し発光効率が高まると共に、素子抵抗が低減して動作電圧が低くなる。
【００８２】
前記ｐ型ＺｎＯコンタクト層上全面に、透光性のｐ型オーミック電極を形成することにより、光取り出し効率を向上させ、且つ動作電圧を低減させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の発光ダイオード素子の模式的構造断面図。
【図２】実施形態１における発光ダイオード素子のｎ型ＺｎＯ層のＩｎドーピング濃度と素子特性（（ａ）素子寿命、（ｂ）動作電圧、（ｃ）発光強度）の関係を示す図。
【図３】実施形態４の発光ダイオード素子の模式的構造断面図。
【図４】実施形態５の半導体レーザ素子の構造斜視図。
【符号の説明】
１、１０１；基板
２、１０２；ｎ型ＺｎＯ層
３、１０７；ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
４；ＺｎＯ発光層
５、１０３；ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
６、１０８；ｐ型ＺｎＯコンタクト層
７、１１０；ｎ型オーミック電極
８、１１１；ｐ型オーミック電極
９；パッド電極
１０；発光ダイオード素子
１００；半導体レーザ素子
１０４；ｎ型ＺｎＯ光ガイド層
１０５；量子井戸活性層
１０６；ｐ型ＺｎＯ光ガイド層
１０９；ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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