(57)【要約】【課題】電流注入の効率と均一性に優れ、低抵抗で高い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る、 n 型クラッド層、活性層、p 型クラッド層を備えた酸化物半導体発光素子であって、前記 p 型クラッド層上に、少なくとも、Zn と Te を含む p 型コンタクト層が形成されたことを特徴とする酸化物半導体発光素子。【選択図】  図１
2004200340.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る、 n 型クラッド層、活性層、p 型クラッド層を備えた酸化物半導体発光素子であって、前記 p 型クラッド層上に、少なくとも、Zn と Te を含む p 型コンタクト層が形成されたことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記 ZnO 系半導体で構成された p 型クラッド層と前記 Zn と Te を含む p 型コンタクト層の間に、p 型 ZnO 層が形成されている請求項 1
記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記 Zn と Te を含む p 型コンタクト層が超格子構造を含む請求項 1 記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記 Zn と Te を含む p 型コンタクト層が ZnTexO1-x（式中ｘは0＜ｘ≦0.03）酸化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記 ZnO 系半導体で構成された p 型クラッド層厚が 1 μm以下であり、前記 Zn と Te を含む p 型コンタクト層厚が 0.5 μm 以上である請求項 1 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、電流注入の効率と均一性に優れ、低抵抗で高い発光効率を有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する。
【０００４】
ZnO は強いイオン性に起因する自己補償効果のために従来 p 型の導電型制御が困難であったが、アクセプタ不純物として窒素 (N) を用いることで p 型化が実現し、ZnO 系半導体を用いて高効率な発光素子を作製すべく、多くの研究がなされるようになった。
【０００５】
例えば、国際公開 WO00/16411 号公報には、CdZnO 発光層を MgZnO クラッド層で挾持したダブルヘテロ構造を有する ZnO 系半導体発光素子によって、高効率な青色発光素子を作製する技術が開示されている。
【０００６】
しかし、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 200〜300meV の活性化エネルギーを必要とする。このため、p 型 ZnO 系半導体で形成したクラッド層内では十分に注入キャリアが拡散せず、発光ダイオード素子などにおいては、p 型電極直下でしか十分な発光が得られない。
【０００７】
この問題を解決するため、比較的低抵抗な p 型層が得られる GaN 系半導体を用いて p型 クラッド層を形成し、n 型 ZnO 系半導体とのヘテロ pn 接合によって発光素子を作製する技術が、前記国際公開 WO00/16411号公報や特開 2002-222991 号公報に開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
国際公開 WO00/16411 号公報
【特許文献２】
特開 2002-222991 号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、lII 族窒化物である GaN 系半導体と lI-VI 族酸化物である ZnO系半導体は結晶成長条件が大きく異なるので、連続成長が不可欠な pn 接合界面で良好な結晶性が得られにくい。また、pn 接合界面にはバンド不連続やダングリングボンドに起因する界面準位が多数存在し、これが発光層へのホール注入効率を大きく低下させる。
【００１０】
本発明は以上の課題に鑑み、電流注入の効率と均一性に優れ、低抵抗で高い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を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ZnO 系半導体を用いた発光素子へのホール注入効率を向上させ、低い抵抗で十分な電流広がりを得られる手段について鋭意検討した結果、pn 接合を ZnO 系半導体で形成し、p 型クラッド層上に少なくとも Ze と Te を構成元素に含んで構成される p 型コンタクト層を形成することで上記目的が達せられることを見い出し本発明をなすにに至った。
【００１２】
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る、 n 型クラッド層、活性層、p 型クラッド層を備えた酸化物半導体発光素子であって、前記 p 型クラッド層上に、ZnとTeを含む p 型コンタクト層が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
「ZnとTeを含む層」とはZnTe層、ZnTeO混晶、またはZnTeとZnOとの超格子層を意味する。
Zn と Te を構成元素に含む II-VI 族化合物半導体は、低抵抗な p 型層を形成することが出来る半導体材料である。また ZnO 系半導体と同じ II-VI 族化合物であり、成長温度が低く、ZnO 系半導体との一貫成長が可能であるので、ZnO とのヘテロ界面においてダングリングボンドなどの結晶欠陥が極めて少ない。
このことにより、電流注入の効率と均一性に優れ、低抵抗で高い発光効率を有する酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００１４】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、ｐ型クラッド層がZnO以外のZnO系半導体、例えばMgZnO等で構成される場合、そのようなp 型クラッド層と前記 Zn と Teを含む p 型コンタクト層の間に、p 型 ZnO 層が形成されている。
【００１５】
MgZnOよりも結晶性が良好で低抵抗化が可能な p-ZnO 層を界面に形成することにより、ZnTe コンタクト層の結晶性と界面の清浄性が向上し、電流注入効率が向上する。
【００１６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記 Zn と Te を含む p 型コンタクト層が超格子構造を含む。
【００１７】
コンタクト層が ZnO 系半導体と ZnTe の超格子構造を含むことにより、ZnO 系半導体との親和性が高くなる。また、格子歪に起因する応力を緩和することが出来、結晶性に優れ低抵抗なコンタクト層を形成することが出来る。
【００１８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記 Zn と Te を含む p 型コンタクト層が ZnTexO1-x（ｘは0＜ｘ≦0.03）混晶を含む。
【００１９】
コンタクト層が ZnTe と ZnO 系半導体の混晶である ZnTexO1-x 含むことにより、ZnO 系半導体との親和性が高くなる。また、ボウイングによってバンドギャップが小さくなり、アクセプタ不純物の活性化エネルギーが小さくなるので、コンタクト層がより低抵抗化する。
【００２０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記 ZnO 系半導体で構成された p 型クラッド層厚が 1 μm 以下であり、前記 Zn と Te を含む p 型コンタクト層厚が 0.5 μm 以上である。
【００２１】
MgZnO クラッド層厚が 1 μm 以下であれば素子抵抗が低く、ZnとTeを含むコンタクト層厚が 0.5 μm 以上であれば、十分な電流広がり効果を有するので、動作電圧の低減と十分な光取り出し効率の向上効果を得ることが出来る。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に少なくとも、n 型クラッド層、活性層、p 型クラッド層を備えており、その各層がZnO 系半導体で構成されているものである。そして該p 型クラッド層上に、少なくとも、Zn と Te を含む p 型コンタクト層が形成されたことを特徴としている。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。
【００２３】
本実施形態では、発光ダイオード素子に本発明を適用した例を示す。
図 1 は本実施形態の発光ダイオード素子 10 の構造断面図である。
本実施形態の発光ダイオード素子 10 は、亜鉛面を主面とする n 型 ZnO 単結晶基板 1 上に、Ga を3×1018cm-3 の濃度でドーピングした厚さ 1 μm の n 型Mg0.1Zn0.9O クラッド層 2、ノンドープ量子井戸発光層 3、N を 5×1019cm-3の濃度でドーピングした厚さ 0.5 μm の p 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 4、N を 1×1019ｃm-3 の濃度でドーピングした厚さ 1 μm の p 型 ZnTe コンタクト層 5 が積層されている。
【００２４】
量子井戸発光層 3 は、厚さ 5nm の ZnO 障壁層 8 層と、厚さ 4nm の Cd0.1Zn0.9O 井戸層 7 層の交互積層より成っている。
【００２５】
p 型 ZnTe コンタクト層 5 の主表面全面には、厚さ 15nm の Ni を積層した p 型オーミック電極 6 が積層され、p 型オーミック電極 6 上には厚さ 100nm のボンディング用 Au パッド電極 7 が、p 型オーミック電極6 より小さい面積で形成されている。
【００２６】
ZnO 基板 1 の裏面には n 型オーミック電極 8 として厚さ 100nm の Al が積層されている。
【００２７】
本発明は、ZnO 半導体の pn 接合を有する発光素子上に、Zn と Te を構成元素に含む II-VI 族化合物半導体で p 型コンタクト層を形成したことに特徴を有している。
【００２８】
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、本実施形態の発光ダイオード素子 10 は、図 2 に示す分子線エピタキシー（MBE）装置 100
で形成した。
【００２９】
高真空に排気可能な成長室 101 の上部に基板ホルダー 102 が配置され、基板ホルダー 102 に基板 103 が固定されている。基板ホルダー 102 上部に配置されたヒーター 104 により基板ホルダー 102 の裏面が加熱され、その熱伝導により基板 103 が加熱される。基板ホルダー 102 直下には適当な距離を置いて半導体原料やドーピング不純物元素を充填した蒸発源セル 105 が複数配置されている (Ga、Mg、Zn 用セルのみ図示したが、他に Cd および Te 用セルが配置されている)。各々の蒸発源セル 105 は側面に設けられた加熱ヒータ106 によって加熱され、蒸発した分子状の原料が基板 103 に堆積することにより薄膜が成長する。各々の蒸発源セル 105 はシャッター 107 を有し、この開閉を組み合せて制御することによって、異なる組成の薄膜を積層することが可能となる。また、成長室にはプラズマ状のガス原料を導入出来るよう、ラジカルセル 108が複数設けられている。
【００３０】
以下に製造方法を順に説明する。
まず、洗浄処理した ZnO 基板 1 を MBE 装置 100 に導入し、温度 600 ℃で 30 分間加熱し清浄化した。
【００３１】
次に基板温度を 500 ℃に降温し、Oラジカルセル、Zn、Mg および Ga セルのシャッターを開けて、Gaドープ n 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 2 を成長させた。Mg 組成比および Ga ドーピング濃度は、基板上での分子線強度によって制御した。
【００３２】
次に、Oラジカルセル、Zn および Cd セルのシャッター開閉を制御して、ノンドープ Cd0.1Zn0.9O/ZnO量子井戸発光層 3 を成長させた。
【００３３】
次に、OラジカルおよびNラジカルセル、Zn および Mg セルのシャッターを開けて、N ドープ p 型Mg0.1Zn0.9O クラッド層 4 を成長させた。
【００３４】
次に、Nラジカルセル、Zn および Te セルのシャッターを開けて、N ドープ p
型 ZnTe コンタクト層 5を成長させた。
【００３５】
MBE 法による結晶成長では、ZnO および ZnTe はほぼ同じ成長温度領域で良質な結晶が得られる。一方、p 型コンタクト層に III 族窒化物を用いると、最適成長温度が 700 ℃以上の高温であることに加え、N 源にアンモニアを用いた場合 ZnO が還元されてしまうので好ましくない。
【００３６】
なお、本実施形態の発光ダイオード素子は、固体原料ターゲットをレーザアブレーションにすることより結晶成長を行うレーザ MBE 法によっても作製することが出来る。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 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。
【００３７】
次に、基板 1 を MBE 装置 100 から取り出し、p 型オーミック電極 6 としてNi 薄膜を 15nm の厚さに真空蒸着した。この p 型オーミック電極 7 は入射した発光の 70 %以上を透過する。
【００３８】
最後に、p 型オーミック電極 6 上にパッド電極 7 として Au を、ZnO 基板 1の裏面に n 型オーミック電極8 として Al を真空蒸着した。
【００３９】
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 410nm の青色発光が得られ、20mA の駆動電流における動作電圧は 3.7V であった。
【００４０】
比較例 1 として、p 型 ZnTe コンタクト層 5 を、N を同濃度ドープした p 型 ZnO 層で形成した他は本実施形態と同様の発光ダイオード素子を作製したところ、発光ピーク波長 410nm の青色発光が得られたが、発光強度は本実施形態に比べ 1/10 程度であり、20mA の駆動電流における動作電圧は 5V であった。
そこで、この比較例の発光ダイオード素子の p 型 ZnO コンタクト層に更に N をドープしたところ、動作電圧は 4.2Vまで低下したが、透光性が悪化し発光強度が更に低下した。
【００４１】
比較例 2 として、p 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 4 を形成せず、ノンドープ量子井戸発光層 3 上に p 型 ZnTeコンタクト層 5 を形成したところ、動作電圧は 3.5V に低下したが、発光強度は本実施形態の 1/5 程度であった。
【００４２】
このことより、ZnO 系発光ダイオード素子のホール注入効率を改善するためには、pn 接合は ZnO 系半導体で形成し、p 型コンタクト層には低抵抗な ZnTe を用いることが好ましいことがわかる。
【００４３】
図 3 は、本実施形態の発光ダイオード素子の p 型 MgZnO クラッド層 4 層厚と動作電圧の関係および ZnTeコンタクト層 5 層厚と発光強度の関係を調べたものである。
【００４４】
p 型 MgZnO クラッド層は抵抗が高いため、層厚が 1 μm を超えると動作電圧が顕著に上昇する。また、ZnTe コンタクト層 5 の層厚が薄いと電流広がりに乏しいが、0.5 μm を超えると十分に電流広がり効果が得られるようになり、発光強度が増大する。
【００４５】
以上より、p 型半導体層の構成は、ZnO 系 p 型クラッド層厚が 1 μm 以下であり、ZnTe を含む p 型コンタクト層厚が 0.5 μm 以上であることが好ましい。
【００４６】
以下、本実施形態において本発明の効果を最大限に得るための他の構成（要素）について記すが、それらの構成（要素）はその他の実施形態において任意に組み合わせて用いてもよい。
【００４７】
p 型 MgZnO クラッド層および p 型 ZnTe コンタクト層にドーピングするアクセプタ不純物としては、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が、本発明の効果を最大限に得るためには、活性化率が高い N、Li と Ag が特に好ましく、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。
【００４８】
n 型 ZnO 系半導体層にドーピングするドナー不純物には III 族元素の B、Al、Ga、In などを用いることが出来るが、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。
【００４９】
基板材料としては、本実施形態で用いた ZnO 基板以外にも、サファイアやスピネルあるいは LiGaO2 などの絶縁性基板、SiC や GaN などの導電性基板を用いることが出来る。
【００５０】
絶縁性基板を用いる場合は、基板 1 と n 型 MgZnO クラッド層 2 との間に n型コンタクト層を形成し、成長層の一部をエッチングして n 型コンタクト層を露出させ、その上に n 型オーミック電極 8 を形成すればよい。
【００５１】
n 型コンタクト層材料には ZnO が適しており、ドナー不純物のドーピング濃度は 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。また、膜厚は、0.001〜1 μm、更に好ましくは 0.005〜0.5 μm の範囲に調整されることが好ましい。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。
【００５２】
可視領域における発光効率を最大限に得るためには：
1. ZnO との面内格子定数差が 3%以内であり、非発光中心となる欠陥を低減出来る；
2. 発光波長に対応する吸収係数が低い；
3. 導電性基板であり、裏面に電極を形成出来る；
ことが好ましい。
【００５３】
本実施形態で基板 1 として用いた ZnO 単結晶は、前記の条件を全て満し、最も好ましい。また、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。
【００５４】
また、発光ダイオード素子の場合は、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。
【００５５】
n 型クラッド層材料にはMgZnOが適しており、ドナー不純物のドーピング濃度は1×1017〜1×1021cm-3の範囲が好ましく、更には1×1018〜1×1020cm-3の範囲で調整されることが好ましい。また、膜厚は、0.01〜5μm、更に好ましくは 0.1〜2.5μm の範囲に調整されることが好ましい。
【００５６】
ｐ 型クラッド層材料にはMgZnOが適しており、アクセプター不純物のドーピング濃度は1×1018〜5×1021cm-3の範囲が好ましく、更には1×1019〜1×1021cm-3の範囲で調整されることが好ましい。
【００５７】
発光層材料にはZnOあるいはCdZnOが適しており、特に産業上の利用価値が高い400nm以長の可視発光を得るためにはCd組成比xが0.03以上のCdxZn1-xOを含むことが好ましい。なお、Cd組成比が増大すると発光層の結晶性が悪化するので、Cd組成比は0.2以下であることがが好ましい。また、発光ダイオード素子の場合、層厚は0.1〜10 μm、更には0.3〜1 μmに調整されることが好ましい。
【００５８】
発光層は単一組成のZnO系半導体層であっても本発明の効果を奏するが、本実施形態のように量子井戸構造であれば、発光効率が増大するので好ましい。この場合も井戸層の合計層厚が0.1〜10μｍ、更には0.3〜1μｍとなるよう積層数を調整することが好ましい。なお、量子井戸発光層においては、障壁層材料にはバンドギャップの大きなMgZnOを用いることが好ましい。
【００５９】
p 型オーミック電極 6 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。
【００６０】
また、高い発光効率を得るためには、本実施形態で示したように、p 型オーミック電極 6 が透光性を有するよう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 5〜200nm の範囲が好ましく、10〜100nm の範囲が更に好ましい。
【００６１】
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 300〜450 ℃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。
【００６２】
パッド電極 7 は、透光性 p 型オーミック電極 6 上の一部に、p 型オーミック電極 6 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 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。p 型オーミック電極 6 とパッド電極 7 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。
【００６３】
n 型オーミック電極 8 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。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。
【００６４】
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。
【００６５】
(実施形態 2)
図 4 は本実施形態の発光ダイオード素子の構造断面図である。
本実施形態では、p 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 4 と p 型 ZnTe コンタクト層 5 の間に、N を 1×1019cm-3の濃度でドーピングした厚さ 0.1 μm の ZnO 中間層 9 を形成した他は、実施形態 1 と同様にして発光ダイオード素子を作製した。
【００６６】
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 410nm の青色発光が得られた。また、20mA の駆動電流における動作電圧は 3.5V と実施形態 1 に比べて低減した。
【００６７】
ZnO は MgZnO と ZnTe の中間のバンドギャップを有し、アクセプタ不純物の活性化エネルギーも MgZnO に比べて小さいので、ZnO 中間層 9 を形成することにより動作電圧を更に低減することが出来る。
【００６８】
(実施形態 3)
本実施形態では、p 型コンタクト層を、厚さ 2nm の p 型 ZnTe 層と厚さ 2nmの p 型 ZnO層を交互に積層した超格子構造とした他は、実施形態 1 と同様にして発光ダイオード素子を作製した。
【００６９】
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 410nm の青色発光が得られた。また、20mA の駆動電流における動作電圧は 3.4V と実施形態 1 に比べて低減した。
【００７０】
すなわち、ZnO と ZnTe の超格子構造は、単一組成の ZnTe 層に比べ抵抗を低減することが出来る。なお、超格子構造を構成する ZnO 系半導体層は MgZnO であってもよい。
【００７１】
(実施形態 4)
本実施形態では、p 型コンタクト層を、ZnTe0.01O0.99 混晶で構成した他は、実施形態 1 と同様にして発光ダイオード素子を作製した。
【００７２】
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 410nm の青色発光が得られた。また、20mA の駆動電流における動作電圧は 3.5V と実施形態 1 に比べて低減した。
【００７３】
ZnO と ZnTe の混晶である ZnTexO1-x は、バンドギャップボウイング効果によってアクセプタ不純物の活性化エネルギーが小さくなるので、単一組成の ZnTe 層に比べ抵抗を低減することが出来る。良好な結晶性を保つためには、Te 組成比 x は 0を超えて3%以下であることが好ましい。
【００７４】
(実施形態 5)
本実施形態では、半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示す。
図 5 は本実施形態の半導体レーザ素子 200 の構造斜視図である。
本実施形態の半導体レーザ素子 200 は、亜鉛面を主面とした n 型 ZnO 単結晶基板 201 上に、Ga ドーピング濃度が 1×1018cm-3 で厚さ 0.3 μm の n 型 ZnO バッファ層 202、Ga ドーピング濃度が 3×1018cm-3で厚さ 1 μm の n 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 203、Ga ドーピング濃度が 5×1017cm-3で厚さ 30nm の n型 ZnO 光ガイド層 204、ノンドープ量子井戸活性層 205、N ドーピング濃度が 5×1018cm-3で厚さ 30nmの p 型 ZnO 光ガイド層 206、N ドーピング濃度が 5×1019cm-3で厚さ 1 μm の p 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 207、N ドーピング濃度が 1×1020cm-3 で厚さ 0.5 μ m の p 型 ZnTe コンタクト層 208 が積層されている。
量子井戸活性層 205 は、厚さ 5nm の ZnO 障壁層 2 層と、厚さ 6nm の Cd0.1Zn0.9O 井戸層 3 層とが交互に積層されている。
【００７５】
p 型 ZnTe コンタクト層 208 および p 型 Mg0.1Zn0.9O クラッド層 207 はリッジストライプ状にエッチング加工され、リッジストライプ側面は Ga が 3×1018cm-3の濃度でドーピングされた n 型 Mg0.2Zn0.8O電流ブロック層 209 によって埋め込まれている。
【００７６】
また、ZnO 基板 201 の下には n 型オーミック電極 210 が形成され、p 型 ZnTe コンタクト層 208 および n型 Mg0.2Zn0.8O 電流ブロック層 209 の上には p
型オーミック電極 211 が形成されている。
【００７７】
なお、本実施形態の半導体レーザ素子は端面発光型であり、電極が透光性である必要はないので、接触抵抗を低減する目的でいずれも 500nm 程度の厚膜に電極金属を形成した。
【００７８】
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300 μm に分離した。
【００７９】
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。
【００８０】
比較例として、p 型 ZnTe コンタクト層 208 を、N を本実施形態と同濃度ドープした p 型 ZnO 層で構成した他は本実施形態と同様にして半導体レーザ素子を作製したところ、本実施形態に比べて発振閾値電流は10%増大し、光出力 5mW 時における動作電圧は 2V 増大した。
【００８１】
すなわち、本発明の ZnTe コンタクト層は、半導体レーザ素子においても電圧低減効果を有する。
【００８２】
【発明の効果】
本発明に従い、ZnO 系半導体で構成される酸化物半導体発光素子の p 型クラッド層上に、Zn と Te を含む p 型コンタクト層を形成することにより、電流注入の効率と均一性に優れ、低抵抗で高い発光効率を有する酸化物半導体発光素子を作製することが出来る。
【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概略構造断面図。
【図２】分子線エピタキシー装置の概略構成図。
【図３】MgZnO クラッド層厚と動作電圧の関係および ZnTe コンタクト層厚と発光強度の関係を示す図。
【図４】実施形態 2 の発光ダイオード素子の概略構造断面図。
【図５】実施形態 5 の半導体レーザ素子の概略構造斜視図。
【符号の説明】
1：ZnO 基板
2：n 型 MgZnO クラッド層
3：量子井戸発光層
4：p 型 MgZnO クラッド層
5：p 型 ZnTe コンタクト層
6：p 型オーミック電極
7：パッド電極
8：n 型オーミック電極
9：p 型 ZnO 中間層
10：発光ダイオード素子
100：MBE 装置
101：成長室
102：基板ホルダー
103：基板
104：ヒーター
105：蒸発源セル
106：ヒーター
107：シャッター
108：ラジカルセル
200：半導体レーザ素子
201：ZnO 基板
202：n 型 ZnO バッファ層
203：n 型 MgZnO クラッド層
204：n 型 ZnO 光ガイド層
205：量子井戸活性層
206：p 型 ZnO 光ガイド層
207：p 型 MgZnO クラッド層
208：p 型 ZnTe コンタクト層
209：n 型 MgZnO 電流ブロック層
210：n 型オーミック電極
211：p 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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