(57)【要約】【課題】エピタキシャル層の欠陥を低減出来、高信頼性と高発光効率とを有する酸化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】サファイア基板１０１とＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層１０５との間に、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２およびｎ型ＺｎＯバッファ層１０３を形成している。このＺｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２は、ウルツ鉱型結晶構造を有するＺｎＯ系半導体との親和性に優れると共に、低電気抵抗で透明なｎ型半導体である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ＺｎＯ系半導体から成る活性層が形成された酸化物半導体発光素子において、
上記基板と上記活性層との間に形成され、αβＯ３（ＺｎＯ）ｎで表されるＺｎＯ系半導体（α，β：ＩＩＩ族元素、ｎ：１以上の自然数）を含むｎ型バッファ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】
基板上に、ＺｎＯ系半導体から成る活性層が形成された酸化物半導体発光素子において、
上記基板と上記活性層との間に、ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３で表されるＺｎＯ系半導体を含むｎ型バッファ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３】
請求項１または２に記載の酸化物半導体発光素子において、上記ｎ型バッファ層と上記活性層との間に形成され、ＺｎＯ系半導体から成るｎ型クラッド層と、
上記活性層上に形成され、ＺｎＯ系半導体から成るｐ型クラッド層と、
上記ｐ型クラッド層上に形成され、ＺｎＯ系半導体から成るｐ型コンタクト層と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４】
請求項２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３はＺｎ２Ｉｎ２Ｏ５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２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３のＺｎ組成比ｘは３以上１５以下の奇数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】
請求項１または２に記載の酸化物半導体発光素子において、上記ｎ型バッファ層の層厚は１ｎｍ以上３μｍ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７】
請求項１または２に記載の酸化物半導体発光素子において、上記基板は、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＳｉおよびＳｉＣのうちの１つから成ってい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または２に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板は絶縁性基板であり、
上記ｎ型バッファ層は、上記活性層の側方において露出された露出部を有し、
上記露出部上にｎ型オーミック電極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、
上記露出部はＺｎＯから成っ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、
上記絶縁性基板は、サファイア、スピネルおよびＬｉＧａＯ２のうちの１つから成ってい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成長し、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（特許文献１）には、Ｓｉ基板上にシリコン窒化膜を形成した後、このシリコン窒化膜上に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（特許文献２）には、Ａ面（１１−２０）を主面とするサファイア基板上に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、ＺｎＯ系半導体とは格子定数差が十数％以上と極めて大きく、ＺｎＯ系半導体のエピタキシャル層中には多くの結晶欠陥が発生する。
【０００７】
このような基板とエピタキシャル層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と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ＺｎＯ系半導体の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】
例えば、国際公開第００／１６４１１号パンフレット（特許文献３）では、ＭｇＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、低温成長させたＺｎＯまたは低温成長させたＡｌＧａＮなどのバッファ層を用いて、ＺｎＯ系半導体のエピタキシャル層を得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】
国際公開第００／１６４１１号パンフレット
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献３のバッファ層では、界面エネルギーの減少割合が小さいため、格子定数差の大きい上記基板上にエピタキシャル成長したＺｎＯ系半導体の結晶性が顕著に改善されないという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、エピタキシャル層の欠陥を低減出来、高信頼性と高発光効率とを有する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、αβＯ３（ＺｎＯ）ｎで表されるＺｎＯ系半導体（α，β：ＩＩＩ族元素、ｎ：１以上の自然数）を含むバッファ層を設けることが、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。
【００１３】
第１の発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に、ＺｎＯ系半導体から成る活性層が形成された酸化物半導体発光素子において、上記基板と上記活性層との間に形成され、αβＯ３（ＺｎＯ）ｎで表されるＺｎＯ系半導体（α，β：ＩＩＩ族元素、ｎ：１以上の自然数）を含むｎ型バッファ層を備えたことを特徴としている。
【００１４】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記αβＯ３（ＺｎＯ）ｎで表されるＺｎＯ系半導体は、ウルツ鉱型結晶構造を有するＺｎＯ系半導体との親和性に優れると共に、低電気抵抗で透明なｎ型半導体である。したがって、上記αβＯ３（ＺｎＯ）ｎで表されるＺｎＯ系半導体を含むｎ型バッファ層上に、ＺｎＯ系半導体から成るエピタキシャル層を形成した場合、エピタキシャル層において格子歪を緩和して欠陥の増殖を抑止出来る。
【００１５】
また、上記αβＯ３（ＺｎＯ）ｎで表されるＺｎＯ系半導体は、低電気抵抗で透明なｎ型半導体であるから、基板およびエピタキシャル層との導電性を保つと共に、発光効率を向上させることが出来る。
【００１６】
以上より、信頼性に優れ発光効率の高い酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００１７】
上記α，βを構成するＩＩＩ族元素は、ＩＩＩＢ族元素であることが好ましく、ＩｎあるいはＧａであることが更に好ましい。
【００１８】
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。
【００１９】
第２の発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に、ＺｎＯ系半導体から成る活性層が形成された酸化物半導体発光素子において、上記基板と上記活性層との間に、ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３で表されるＺｎＯ系半導体を含むｎ型バッファ層を備えたことを特徴としている。
【００２０】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３で表わされるＩｎ２Ｏ３とＺｎＯとの混晶は、ウルツ鉱型結晶構造を有するＺｎＯ系半導体との親和性に優れる。したがって、上記ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３で表されるＺｎＯ系半導体を含むｎ型バッファ層上に、ＺｎＯ系半導体から成るエピタキシャル層を形成した場合、高品質なエピタキシャル層を得ることが出来る。
【００２１】
また、上記ＺｎＯ系半導体との面内格子定数差が異なる基板を用いた場合でも、高品質なエピタキシャル層をｎ型バッファ層上に成長出来る。
【００２２】
また、完全格子整合基板であるＺｎＯを用いる場合でも、熱膨張係数差による格子歪がｎ型バッファ層上のエピタキシャル層に生じるのを抑止出来る。
【００２３】
また、ＩｎはＺｎとイオン半径が近く弾性定数が小さいので、エピタキシャル層において格子歪を緩和して欠陥の増殖を抑止する効果が極めて高い。
【００２４】
以上より、信頼性に優れ発光効率の高い酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００２５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１または第２の発明の酸化物半導体発光素子において、上記ｎ型バッファ層と上記活性層との間に形成され、ＺｎＯ系半導体から成るｎ型クラッド層と、上記活性層上に形成され、ＺｎＯ系半導体から成るｐ型クラッド層と、上記ｐ型クラッド層上に形成され、ＺｎＯ系半導体から成るｐ型コンタクト層とを備えている。
【００２６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで活性層を挟んでいるので、発光効率を更に高めることが出来る。
【００２７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第２の発明の酸化物半導体発光素子において、上記ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３はＺｎ２Ｉｎ２Ｏ５である。
【００２８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３で表わされる混晶の中で、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５は最も安定して得られる組成であり、結晶性に優れる。したがって、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５上に成長したＺｎＯ系半導体も結晶性に優れる。つまり、結晶性に優れたＺｎＯ系半導体結晶をｎ型バッファ層上に得ることが出来る。
【００２９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第２の発明の酸化物半導体発光素子において、上記ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３のＺｎ組成比ｘは３以上１５以下の奇数である。
【００３０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３で表わされる混晶の中で、Ｚｎ組成比ｘが３〜１５の範囲内の奇数である混晶は、結晶成長条件を制御することで安定に得られるため結晶性に優れる。したがって、上記Ｚｎ組成比ｘが３以上１５以下の奇数であるＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３上に成長したＺｎＯ系半導体も結晶性に優れる。つまり、結晶性に優れたＺｎＯ系半導体結晶をｎ型バッファ層上に得ることが出来る。
【００３１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１または第２の発明の酸化物半導体発光素子において、上記ｎ型バッファ層の層厚は１ｎｍ以上３μｍ以下である。
【００３２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ｎ型バッファ層は、厚みが１ｎｍ以上であると、バッファ層として十分な機能を有する。
【００３３】
また、上記ｎ型バッファ層は、厚みが３μｍ以下であると、不純物散乱による発光特性低下を生じない。
【００３４】
したがって、上記ｎ型バッファ層厚を１ｎｍ以上３μｍ以下にすることにより、ｎ型バッファ層のバッファ機能が損なわれるのを阻止出来、かつ、不純物散乱による発光特性の低下を阻止出来る。
【００３５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１または第２の発明の酸化物半導体発光素子において、上記基板は、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＳｉおよびＳｉＣのうちの１つから成っている。
【００３６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記基板は、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＳｉおよびＳｉＣのうちの１つから成っているので、導電性を有し、電気抵抗が低い。したがって、上記基板に直接電極を形成することが出来ると共に、素子の電気抵抗を下げることが出来る。
【００３７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１または第２の発明の酸化物半導体発光素子において、上記基板は絶縁性基板であり、上記ｎ型バッファ層は、上記活性層の側方において露出された露出部を有し、上記露出部上にｎ型オーミック電極が形成されている。
【００３８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、高品質で安価な絶縁性基板を用いる場合でも、ｎ型バッファ層の一部である露出部上にｎ型オーミック電極を形成することにより、動作電圧の上昇を抑えて信頼性と発光特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製することが出来る。
【００３９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記露出部はＺｎＯから成っている。
【００４０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記露出部上にｎ型オーミック電極を形成する場合、例えばＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３上に直接電極を形成するよりも、ＺｎＯ上に電極を形成する方が、ｎ型オーミック電極の接触抵抗を低減出来る。したがって、省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を作製することが出来る。
【００４１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記絶縁性基板は、サファイア、スピネルおよびＬｉＧａＯ２のうちの１つから成っている。
【００４２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記サファイアやスピネルから成る基板は安価で高品質な絶縁性異種基板である。また、上記ＬｉＧａＯ２はＺｎＯ系半導体との格子不整合が極めて小さい。したがって、上記サファイア、スピネルおよびＬｉＧａＯ２のうちの少なくとも１つを含む絶縁性基板を用いることにより、より結晶性に優れたＺｎＯ系半導体結晶をｎ型バッファ層上に得ることが出来る。
【００４３】
【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。
【００４４】
（実施形態１）
本実施形態１では、ＺｎＯ系発光ダイオード素子に本発明を適用について説明する。
【００４５】
図１に、本実施形態１の発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【００４６】
上記発光ダイオード素子では、サファイアＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板１０１上に、厚さ０．１μｍのＺｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２、Ｇａ（ガリウム）が３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされた厚さ０．１μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層１０３、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされた厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０４、ノンドープで厚さ０．１μｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層１０５、Ｎ（窒素）が１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングされた厚さ１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０６、Ｎが５×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングされた厚さ０．３μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０７がこの順で積層されている。
【００４７】
本実施形態１では、サファイア基板１０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０４がｎ型クラッド層の一例に、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層１０５が活性層の一例に、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０６がｐ型クラッド層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０７がｐ型コンタクト層の一例にそれぞれ相当する。また、上記Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２とｎ型ＺｎＯバッファ層１０３とがｎ型バッファ層の一例を構成している。
【００４８】
上記ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０４から図中上側（サファイ基板１０１とは反対側）に向ってｐ型ＺｎＯコンタクト層１０７までの層を形成するためのエピタキシャル層の一部がエッチングされて、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０３の一部が露出している。つまり、上記ｎ型ＺｎＯバッファ層１０３は、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層１０５の側方において露出した露出部１０３ａを有している。この露出部１０３ａの表面上には、ｎ型オーミック電極の一例としての厚さ１００ｎｍのｎ型オーミック電極１１０を形成している。上記ｎ型オーミック電極１１０はＡｌ（アルミニウム）で構成している。
【００４９】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０７の主表面全面には、Ｎｉ（ニッケル）から成る透光性の厚さ１５ｎｍのｐ型オーミック電極１０８が積層されている。そして、上記ｐ型オーミック電極１０８には、厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕ（金）パッド電極１０９がｐ型オーミック電極１０８より小さい面積で形成されている。
【００５０】
本発明は、基板とｎ型クラッド層との間に、αβＯ３（ＺｎＯ）ｎで表されるＺｎＯ系半導体（α，β：ＩＩＩ族元素、ｎ：１以上の自然数）を含むｎ型バッファ層が形成されていることに特徴を有している。特に、上記ｎ型バッファ層は、ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３で表されるＺｎＯ系半導体を含むｎ型バッファ層である。
【００５１】
本実施形態１の発光ダイオード素子をチップ状に分離し、Ａｇ（銀）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４００ｎｍの青紫色発光が得られた。
【００５２】
図２に、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２の層厚と発光ダイドード素子の発光強度との関係を示すと共に、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２の層厚と動作電圧との関係を示す。なお、図２において、上記発光ダイドード素子の発光強度の変化を実線で、上記動作電圧の変化を点線でそれぞれ図示している。
【００５３】
図２から判るように、上記Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２の層厚の増大に伴って発光強度と動作電圧が向上する。しかし、上記Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２の層厚が３μｍを越えると、発光強度が急激に低下する。また、上記Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２の層厚が厚くなり過ぎると、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２において散乱損失が生じたり結晶性がかえって悪化してしまう。
【００５４】
また、上記Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２の層厚が１ｎｍ未満だと、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２はバッファ層としての機能を十分に発揮することができない。つまり、上記Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２上に形成したエピタキシャル層の欠陥を低減することが出来ない。
【００５５】
したがって、上記Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２の層厚は１ｎｍ以上３μｍ以下が好ましい。
【００５６】
比較例として、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０３を形成せずＺｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２上に直接ｎ型オーミック電極１１０を形成した以外は本実施形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。この比較例は、本実施形態１に比べて動作電圧が０．１Ｖ増大していた。
【００５７】
本実施形態１において、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０３はｎ型コンタクト層としての役割も兼ねている。したがって、上記ｎ型オーミック電極１１０の接触抵抗を低減させる観点上、上記Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２上に直接ｎ型オーミック電極１１０を形成するよりも、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０３上にｎ型オーミック電極１１０を形成する方が好ましい。
【００５８】
本実施形態１で用いたサファイア基板１０１は、低コストで品質に優れた絶縁性基板であるが、ＺｎＯ系半導体の格子不整合が大きく、従来は結晶性に優れたＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長することが困難であった。しかし、本発明のＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３バッファ層を形成することによって格子歪や結晶欠陥が抑止され、特性に優れた発光素子を作製出来る。
【００５９】
また、その他の絶縁体基板材料として、スピネルやＬｉＧａＯ２などから成る基板を用いた場合においても、本発明のＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３バッファ層を形成することによって本実施形態１と同様の効果が得られる。
【００６０】
更に、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。
【００６１】
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について記すが、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。
【００６２】
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。これらの方法の中で、レーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと、この原料ターゲットの表面をアブレーションすることで成長させた薄膜との間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。
【００６３】
ｐ型ＺｎＯ系半導体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（銅）およびＡｇや、Ｖ族元素のＮ、Ａｓ（砒素）およびＰ（リン）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および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。
【００６４】
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（ホウ素）、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ（インジウム）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。
【００６５】
発光ダイオード素子の発光効率を向上させるには、ｐ型クラッド層上に直接ｐ型オーミック電極を形成せず、ｐ型コンタクト層を設けて低電気抵抗化し電流広がりを均一化することが好ましい。つまり、上記ｐ型クラッド層とｐ型オーミック電極との間にｐ型コンタクト層を形成すると、素子の電気抵抗を低減出来ると共に、電流広がりを均一化出来るので好ましい。
【００６６】
コンタクト層の材料には、結晶性に優れキャリア濃度を高く出来るＺｎＯを用いることが好ましい。
【００６７】
また、ｐ型ＺｎＯコンタクト層に過剰にアクセプタ不純物ドーピングすると結晶性劣化が顕著となり、本発明の効果が減少するので、ｐ型ＺｎＯコンタクト層は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い。
【００６８】
ｐ型オーミック電極の材料には、Ｎｉ、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）およびＡｕなどを用いることが出来るが、Ｎｉ、Ｐｔ（白金）、ＰｄおよびＡｕなどの中でも低電気抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。また、上記ｐ型オーミック電極は、複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００６９】
また、高い発光効率を得るためには、本実施形態１で示したように、ｐ型オーミック電極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ｐ型オーミック電極の厚みとしては５〜２００ｎｍの範囲が好ましく、３０〜１００ｎｍの範囲が更に好ましい。
【００７０】
ｐ型オーミック電極の形成後にアニール処理を行うと、ｐ型オーミック電極の密着性が向上すると共に、ｐ型オーミック電極の接触抵抗が低減するので好ましい。このようなアニール効果を、ＺｎＯ結晶に欠陥を生じずに得るには、アニール処理の温度は３００〜４００℃の範囲内が好ましい。また、上記アニール処理における雰囲気はＯ２または大気雰囲気中が好ましく、Ｎ２では逆に抵抗が増大するので好ましくない。
【００７１】
パッド電極は、透光性ｐ型オーミック電極上の一部に、ｐ型オーミック電極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。そして、上記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。また、上記ｐ型オーミック電極とパッド電極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介してもよい。
【００７２】
ｎ型オーミック電極の材料には、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）およびＡｌなどを用いることが出来る。Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどの中でも、低電気抵抗でコストの低いＡｌまたは密着性の良いＴｉが好ましい。また、上記ｎ型オーミック電極は、Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどの複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
（実施形態２）
本実施形態２では、上記実施形態１のＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３バッファ層１０２におけるＩｎ２Ｏ３とＺｎＯとの混晶比を変化させ、発光ダイオード素子の素子寿命を調べた。
【００７６】
図３に、上記ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３バッファ層１０２のＺｎ組成比ｘと発光ダイオード素子の寿命との関係を示す。ここで素子寿命は、２０ｍＡの動作電流における輝度が２０％に低減する時間とし、バッファ層１０２がＺｎＯ（すなわち、ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３混晶においてＩｎ２Ｏ３の比率が０）の場合を基準値（１００）とした。
【００７７】
図３から、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５をバッファ層として用いた場合が最も信頼性が高く、次いでＺｎ組成比が３以上１５以下の奇数である場合に素子寿命が向上することが判った。
【００７８】
これらの混晶は、ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３の中で安定に得られる相であり、結晶性に優れているため、その上に成長したＺｎＯ系半導体層も結晶性に優れ、素子寿命が向上したものと考えられる。
【００７９】
（実施形態３）
図４に、本実施形態３の発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【００８０】
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２０１上に、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層２０２、Ｇａが３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされたｎ型ＺｎＯバッファ層２０３、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされたｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層２０４、ノンドープでＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層２０５、Ｎが１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングされたｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層２０６、Ｎが５×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングされたｐ型ＺｎＯコンタクト層２０７がこの順で積層されている。
【００８１】
本実施形態３では、ＺｎＯ単結晶基板２０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層２０４がｎ型クラッド層の一例に、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層１０５が活性層の一例に、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層２０６がｐ型クラッド層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０７がｐ型コンタクト層の一例にそれぞれ相当する。また、上記Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層２０２とｎ型ＺｎＯバッファ層２０３とがｎ型バッファ層の一例を構成している。
【００８２】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０７の主表面全面には、Ｎｉから成る透光性のｐ型オーミック電極２０８を形成している。また、上記ｐ型オーミック電極２０８上には、Ａｕから成るパッド電極２０９をｐ型オーミック電極２０８より小さい面積で形成している。
【００８３】
更に、上記ＺｎＯ単結晶基板２０１の導電性を生かしてｎ型オーミック電極２１０をＺｎＯ単結晶基板２０１の裏面下に形成している。
【００８４】
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発光させたところ、発光ピーク波長４００ｎｍの青紫色発光が得られ、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層１０２を形成しない場合に比べて発光強度が５％増大し、動作電圧が０．５Ｖ低減し、素子寿命が１０％向上した。
【００８５】
本実施形態３のように導電性基板を用いると、基板裏面にｎ型オーミック電極を形成出来、電極の接触抵抗が低くなって動作電圧が低減するので好ましい。
【００８６】
このような基板には、ＳｉやＧａＮ、ＳｉＣなどを用いることが出来るが、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、下記（１），（２）の条件を満たすことが好ましい。
（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。
【００８７】
本実施形態３で用いたＺｎＯ単結晶基板２０１は、上記（１），（２）の条件を全て満し、最も好ましい。
【００８８】
ＺｎＯ単結晶基板上に成長されたＺｎＯ系半導体は格子歪を殆んど有しないが、ＭｇＺｎＯやＣｄＺｎＯなどの混晶は、ＺｎＯ基板との間に若干乍ら格子定数差と熱膨張係数差を有し、これが結晶欠陥などを生じる要因となる。本発明のＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３バッファ層を形成することによって結晶欠陥が抑止され、特性に優れた発光素子を作製出来る。
【００８９】
（実施形態４）
本実施形態４では、ＺｎＯ系半導体レーザ素子に本発明を適用した例について説明する。
【００９０】
図５に、本実施形態４のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。
【００９１】
上記半導体レーザ素子は、Ｓｉ（０００１）面を主面としたｎ型６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板３０１上に、厚さ０．１μｍのＺｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層３０２、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３０３、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３０４、ノンドープ量子井戸活性層３０５、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３０６、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ１．２μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３０７、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３０８が積層されている。
【００９２】
上記量子井戸活性層３０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層とが交互に積層されて成っている。上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層は３層ある。
【００９３】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層３０８、および、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３０７の上部は、リッジストライプ形状にエッチング加工され、側面がＧａ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３０９によって埋め込まれている。つまり、リッジストライプ形状の部分の両側には、ｎ型電流ブロック層３０９を形成している。
【００９４】
また、上記ｎ型６Ｈ−ＳｉＣ基板３０１の下にはｎ型オーミック電極３１０が形成され、ｐ型ＺｎＯコンタクト層３０８の上にはｐ型オーミック電極３１１が形成されている。
【００９５】
本実施形態４の構造を作製後、ｎ型６Ｈ−ＳｉＣ基板３０１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。
【００９６】
本実施形態４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、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層３０２を形成しない場合に比べて発振閾値電流が１５％減少し、動作電圧が０．２Ｖ低減し、素子寿命（光出力５ｍＷにおいて動作電流が２０％増大する時間で定義した）が３０％向上した。
【００９７】
本実施形態４にて示したように、本発明は発光ダイオード素子のみならず、半導体レーザ素子のようにエネルギー密度が高く欠陥が増殖し易い発光素子においても信頼性向上に絶大が効果を発揮する。
【００９８】
本実施形態４では、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層３０２上に直接ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層３０３を成長したが、実施形態３におけるのと同様にｎ型ＺｎＯバッファ層を介在させてもよい。
【００９９】
本発明は、ダブルへテロ構造の酸化物半導体発光素子に適用してもよいし、シングルへテロ構造の酸化物半導体発光素子に適用してもよい。つまり、本発明の酸化物半導体発光素子は、ダブルへテロ構造を有してもよいし、シングルへテロ構造を有してもよい。
【０１００】
【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によれば、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、ｐ型コンタクト層を備えた酸化物半導体発光素子であって、上記基板と上記ｎ型クラッド層の間に、αβＯ３（ＺｎＯ）ｎで表されるＺｎＯ系半導体（α，β：ＩＩＩ族元素、ｎ：１以上の自然数）を含むｎ型バッファ層が形成されているので、基板およびエピタキシャル層との導電性を保って格子歪を緩和し欠陥の増殖を抑止し、信頼性に優れ発光効率の高い酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【０１０１】
また、本発明の第２の酸化物半導体発光素子によれば、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、ｐ型コンタクト層を備えた酸化物半導体発光素子において、上記基板と上記ｎ型クラッド層の間に、ＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３で表されるＺｎＯ系半導体を含むｎ型バッファ層が形成されているので、格子歪や欠陥増殖が抑止された高品質なＺｎＯ系半導体エピタキシャル薄膜を得ることが出来、信頼性に優れ発光効率の高い酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【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模式断面図である。
【図２】図２はＺｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層の層厚と発光ダイドード素子の発光強度および動作電圧との関係を示すグラフである。
【図３】図３はＺｎｘＩｎ２Ｏｘ＋３バッファ層のＺｎ組成比ｘと発光ダイオード素子の寿命を示すグラフである。
【図４】図４は本発明の実施形態３の発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図５】図５は本発明の実施形態４のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【符号の説明】
１０１  サファイア基板
１０２，２０２  Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層
１０３，２０３  ｎ型ＺｎＯバッファ層
１０５，２０５  Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層
２０１  ＺｎＯ単結晶基板
３０１  ６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板
３０２  Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５バッファ層
３０５  量子井戸活性層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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