(57)【要約】【課題】発光特性に優れたＺｎＯ系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、ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層、ＺｎＯ系半導体活性層、ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層およびｐ型ＺｎＯコンタクト層が形成された酸化物半導体発光素子であって、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層にはドナー不純物のみがドーピングされ、前記ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層にはアクセプタ不純物のみがドーピングされ、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成比ｘおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層のＭｇ組成比ｙはいずれも０．２〜０．３５の範囲にあって、且つ層厚はいずれも０．５〜２μｍの範囲にあること。【選択図】　図２
2004103847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくとも、ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層、ＺｎＯ系半導体活性層、ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層およびｐ型ＺｎＯコンタクト層が形成され、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層にはドナー不純物のみがドーピングされ、前記ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層にはアクセプタ不純物のみがドーピングされ、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成比ｘおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層のＭｇ組成比ｙはいずれも０．２〜０．３５の範囲にあって、且つ層厚はいずれも０．５〜２μｍの範囲にあ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ＭｇｘＺｎ１−ｘＯおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層の層厚はいずれも０．８〜１．５μｍ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ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層に各々ドーピングされたドナーおよびアクセプタ不純物のドーピング濃度が、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲にある請求項１または２に記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項４】
ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層を含む電流ブロック層を有し、Ｍｇ組成比ｚが０．２〜０．５の範囲にあると共に前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成比ｘあるいはｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層のＭｇ組成比ｙのいずれよりも大きい請求項１〜３いずれかに記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板が、バンドギャップエネルギー３．６ｅＶ以上の絶縁体基板である請求項１〜４いずれかに記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項６】
発光波長が３８０ｎｍより長く、且つ前記基板がＺｎＯ単結晶である請求項１〜４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、吸収損失を抑制し発光特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】
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型層が得られるようになった。
【０００５】
特に、低抵抗なｐ型ＺｎＯ層を得る技術として、アクセプタ不純物と共にドナー不純物を特定の比率でドーピングする「同時ドーピング法」が発明され、特開２００１−４８６９８号公報や特開２００１−６８７０７号公報で開示されている。これにより、ＺｎＯ系半導体を用いて実用的な電子デバイスを作製する研究がさかんになり、発光素子に関しても、再公表特許ＷＯ００−１６４１１号公報、特開２００１−４４５００号公報、特開２００１−２８７９９８号公報、特開２００２−１６２８５号公報などに多くの技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−４８６９８号公報
【特許文献２】
特開２００１−６８７０７号公報
【特許文献３】
再公表特許ＷＯ００−１６４１１号公報
【特許文献４】
特開２００１−４４５００号公報
【特許文献５】
特開２００１−２８７９９８号公報
【特許文献６】
特開２００２−１６２８５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記のＺｎＯ系半導体を用いた発光素子はいずれも、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などに比べ十分な発光効率が得られず、また、ＺｎＯ系半導体の特長である強い結合エネルギーを有する励起子発光を利用した低閾値な半導体レーザ素子も実現されていない。
本発明は以上の課題に鑑み、発光特性に優れた酸化物半導体発光素子を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ＺｎＯ系半導体の特長を最大限に生かした高効率な発光素子を実現する素子構造を鋭意検討し、クラッド層の構成を最適に設計すると共に、吸収損失を低減する素子構造を実現することによって目的を達成するに至った。
【０００９】
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、ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層、ＺｎＯ系半導体活性層、ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層およびｐ型ＺｎＯコンタクト層が形成され、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層にはドナー不純物のみがドーピングされ、前記ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層にはアクセプタ不純物のみがドーピングされ、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成比ｘおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯラッド層のＭｇ組成比ｙはいずれも０．２〜０．３５の範囲にあって、且つ層厚がいずれも０．５〜２μｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１０】
同時ドーピング法などによってＭｇＺｎＯクラッド層にドナーおよびアクセプタ不純物を共にドーピングすると、ＭｇＺｎＯクラッド層の抵抗は低下するが、不純物による光吸収が顕著となり、発光効率が著しく悪化する。ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層にはドナー不純物のみがドーピングされ、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層にはアクセプタ不純物のみがドーピングされていることにより、不純物による光吸収を抑えて発光効率を向上させることが出来、結果的に省電力性をも向上させることが出来る。
【００１１】
また、クラッド層の組成比ｘおよびｙを０．２以上とし、層厚を０．５μｍ以上とすることにより、活性層からの光をコンタクト層が吸収しない。更に、クラッド層組成比ｘおよびｙを０．３５以下とし、層厚を２μｍ以下とすることにより、結晶欠陥や相分離を回避出来る。このことにより、吸収損失および結晶性劣化を抑制した特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００１２】
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。
【００１３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層はいずれも層厚が０．８〜１．５μｍの範囲にある。
【００１４】
ＭｇＺｎＯクラッド層厚を前記所定の範囲とすることにより、吸収損失と結晶性劣化の抑止効果が更に高い。
【００１５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層に各々ドーピングされたドナーおよびアクセプタ不純物のドーピング濃度が、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲にある。
不純物ドーピング濃度を前記所定の範囲とすることにより、吸収損失と結晶性劣化の抑止効果が更に高い。
【００１６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層を含む電流ブロック層を有し、Ｍｇ組成比ｚが０．２〜０．５の範囲にあると共に前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成比ｘあるいはｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯラッド層のＭｇ組成比ｙのいずれよりも大きい。
ＭｇＺｎＯ電流ブロック層の構成を前記所定の範囲とすることにより、吸収損失および発振閾値電流の増大を抑制して特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００１７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記基板がバンドギャップエネルギーが３．６ｅＶ以上の絶縁体基板である。
基板がバンドギャップエネルギーの大きな絶縁体であることにより、発光を吸収せず、吸収損失および発振閾値電流の増大を抑制して特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００１８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、発光波長が３８０ｎｍより長く、且つ前記基板がＺｎＯ単結晶である。
発振波長が３８０ｎｍ以長の可視発光素子においては、ＺｎＯ単結晶を基板に用いることにより、発光を吸収せず、且つ結晶性の極めて高い酸化物半導体発光素子を得ることが出来る。
【００１９】
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。
（実施形態１）
本実施形態では、サファイア基板上に、ダブルヘテロ構造を有するＺｎＯ系発光ダイオード素子を構成した例を示す。
【００２０】
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、Ｇａが１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．２μｍのｎ型ＺｎＯコンタクト層２、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層３、ノンドープで厚さ０．１μｍのＺｎＯ発光層４、Ｎが５×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層５、Ｎが１×１０２０ｃｍ−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。
【００２１】
ｐ型ＺｎＯコンタクト層６の主表面全面には、厚さ１５ｎｍのＮｉを積層した透光性のｐ型オーミック電極７が積層され、ｐ型オーミック電極７上には厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極８が、ｐ型オーミック電極７より小さい面積で形成されている。
【００２２】
ｎ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏ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ｎ型ＺｎＯコンタクト層２の表面にはｎ型オーミック電極９として厚さ１００ｎｍのＡｌが積層されている。
【００２３】
本発明は、ＭｇＺｎＯ混晶で構成したクラッド層の組成比と層厚を最適化すると共に、ｎ型クラッド層にはドナー不純物のみをドーピングし、ｐ型クラッド層にはアクセプタ不純物のみをドーピングしたことに特徴を有している。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
本実施形態の発光ダイオード素子について、ＭｇＺｎＯクラッド層の層厚およびＭｇ組成比と発光強度の関係を図２に示す。Ｍｇ組成比が０．２５の場合については、比較例としてｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層５にＧａとＮを同時ドーピングし、本実施形態と同じ抵抗率のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層とした他は本実施形態と同じ発光ダイオード素子についても示した。なお、同図は、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層３とｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層５の層厚およびＭｇ組成比を同一にして変化させたものである。
【００２７】
図２より、従来のＺｎＯ系半導体発光素子において十分な発光が得られなかった主な原因は、ＭｇＺｎＯクラッド層の構成にあり、それは以下のような理由によるものと推察される。
【００２８】
１．アクセプタ不純物とドナー不純物が同時ドーピングされている。同時ドーピング法による低抵抗化は、キャリア散乱機構を従来の１０ｎｍ以上の長距離散乱から数ｎｍレベルの短距離散乱へ変化することによって達成される。故に、顕著な低抵抗化を実現するには不純物を高濃度にドーピングをする必要があり、不純物による光吸収損失が大きくなる。
２．Ｍｇ組成比が低い。すなわち、バンドギャップエネルギーが小さいため、活性層とのヘテロ障壁が低くなってキャリアオーバーフローが顕著となり、発光効率が悪化する。また、活性層からの発光の裾を吸収し、損失が増大する。
３．層厚が最適化されていない。すなわち、クラッド層厚が薄いと活性層からの光がコンタクト層で吸収され、発光効率が低減したり、半導体レーザ素子においては、単一縦モードが実現されなくなる。また、クラッド層厚が厚いと結晶欠陥が増大して非発光再結合の割合が増大し、発光効率は著しく低下する。
【００２９】
以上の考察より、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層にアクセプタ不純物のみをドーピングし、ｎ型およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のＭｇ組成比ｘが０．２〜０．３５の範囲にあって、且つ層厚が０．５〜２μｍの範囲にあることにより、高い発光強度を実現出来ることがわかる。
【００３０】
更に高い発光強度と生産における簡便性および低コスト化を考慮すると、ｎ型およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層はいずれも層厚が０．８〜１．５μｍの範囲にあることがより好ましい。
【００３１】
また、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層においても、ドナー不純物のみがドーピングされている方が高い発光強度を実現出来る。
【００３２】
不純物による吸収損失と結晶性劣化を抑制し、且つ高い発光強度と低い素子抵抗を得るには、ｎ型およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層に各々ドーピングされたドナーおよびアクセプタ不純物のドーピング濃度が、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲にあることが好ましい。
【００３３】
本実施形態においては、基板としてサファイアを用いたが、クラッド層における吸収損失抑止効果を最大限に発揮するためには、基板における発光吸収を回避する必要があることは言うまでもない。よって、基板はバンドギャップエネルギーが３．６ｅＶ以上の絶縁体基板であることが好ましく、サファイア以外にはスピネルやＬｉＧａＯ２などを用いることが出来る。サファイア基板を用いる場合、本実施形態においては成長主面としてＣ面（０００１）を用いたが、Ａ面（１１−２０）を用いてもよい。
【００３４】
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。
【００３５】
本発明の高い発光効率を最大限の効果で得るためには、ｐ型ＺｎＯコンタクト層６を低抵抗化し電流広がりを均一化することが好ましい。本発明は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層において発光吸収が生じないようＭｇＺｎＯクラッド層を最適化しているので、ｐ型ＺｎＯコンタクト層へのアクセプタドーピングは同時ドーピング法を用いてもよい。しかし、不純物を過剰にドーピングすると結晶性劣化が顕著となるので、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３のドーピング濃度範囲とすることが好ましい。
【００３６】
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は活性化率が高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。
【００３７】
本実施形態のように絶縁性基板を用いる場合は、基板１とｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層３の間にｎ型コンタクト層２を形成し、この上にｎ型オーミック電極９を形成する必要がある。ｎ型コンタクト層２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。
【００３８】
ｎ型ＺｎＯコンタクト層２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、０．００１〜１μｍ、好ましくは０．００５〜０．５μｍ、更に好ましくは０．０１〜０．３μｍの範囲に調整する。
【００３９】
また、ｎ型ＺｎＯ系半導体層にドープするｎ型不純物には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、特にＧａが好ましい。
【００４０】
ｐ型オーミック電極７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。
【００４１】
また、高い発光効率を最大限の効果で得るためには、本実施形態で示したように、ｐ型オーミック電極７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、２０〜１００ｎｍの範囲が更に好ましい。
【００４２】
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。
【００４３】
パッド電極８は、透光性ｐ型オーミック電極７上の一部に、ｐ型オーミック電極７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８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７とパッド電極８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。
【００４４】
ｎ型オーミック電極９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。
【００４５】
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。
【００４６】
（実施形態２）
本実施形態では、ＺｎＯ系青色半導体レーザ素子に、本発明を適用した例を示す。
図３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、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．３μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層１０２、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．５μｍのｎ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層１０３、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１０４、ノンドープ量子井戸活性層１０５、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１０６、Ｎドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層１０７、Ｎドーピング濃度が５×１０１９ｃｍ−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。
【００４７】
量子井戸活性層１０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層２層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層３層とが交互に積層されている。
【００４８】
ｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏ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Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされたＭｇ０．３５Ｚｎ０．６５Ｏ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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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４１０ｎｍの青色発振光が得られた。
【００５２】
比較例１として、ｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層１０７の層厚を０．５μｍとしたところ、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８で発振光の吸収が生じ、発振閾値電流が４０％増大した。
【００５３】
比較例２として、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０３およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０７のＭｇ組成比を０．１５としたところ、発振閾値電流が６０％増大した。
【００５４】
比較例３として、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層１０９のＭｇ組成比を０．２としたところ、発振閾値電流が２０％増大した。
【００５５】
比較例３として、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層１０９のＭｇ組成比を０．６としたところ、発振閾値電流は２０％減少したが、光出力５ｍＷで駆動後１時間で素子が劣化し発振が停止した。
【００５６】
本実施形態のように、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層を形成して活性層への電流注入効率を向上させる場合には、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層が発振光を吸収しないよう、Ｍｇ組成比ｚが０．２〜０．５の範囲にあることが好ましく、吸収損失を低減して発振閾値電流の増大を抑止することが出来る。
【００５７】
特に、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層のＭｇ組成比ｚは、ｎ型およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のＭｇ組成比ｘ，ｙよりも大きいことが好ましく、導波路内外の屈折率差を確保して導波路横方向への光閉じ込めを確実に行うことが出来る。
【００５８】
また、半導体レーザ素子だけでなく、発光ダイオード素子中に電流ブロック層を形成し、光取り出し効率の高い素子周辺部の電流注入効率を向上させる場合においても、電流ブロック層が発光を吸収しないよう、Ｍｇ組成比ｚが０．２〜０．５の範囲にあると共に、ｎ型およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のＭｇ組成よりも大きいことが好ましい。
【００５９】
本実施形態の半導体レーザ素子は基板にＺｎＯ基板を用いたが、実施形態１と同様にサファイアなどの絶縁性基板を用いてもよい。しかし、ＺｎＯ半導体発光素子の形成においては、ＺｎＯ基板が最も親和性に優れ、結晶性の極めて高い発光素子を作製出来る。この場合も、クラッド層における吸収損失抑止効果を最大限に発揮するために、基板における発光吸収を回避することは重要で、本実施形態の半導体レーザ素子のように発振波長が３８０ｎｍより長波長である場合はＺｎＯ基板を用いることが好ましい。
【００６０】
尚、本実施形態のようにＺｎＯ基板を用いた場合は、十分高品質なＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長出来るので、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２を形成しなくても本発明の効果には影響しない。
【００６１】
【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、ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層、ＺｎＯ系半導体活性層、ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層およびｐ型ＺｎＯコンタクト層が形成され、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層にはドナー不純物のみがドーピングされ、前記ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯラッド層にはアクセプタ不純物のみがドーピングされ、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成比ｘおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層のＭｇ組成比ｙがいずれも０．２〜０．３５の範囲にあって、且つ層厚がいずれも０．５〜２μｍの範囲にすることにより、吸収損失および発振閾値電流の増大を抑制して特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００６２】
前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層はいずれも層厚を０．８〜１．５μｍの範囲にすることにより、吸収損失と結晶性劣化の抑制効果が更に高く、発光効率の優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００６３】
前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層に各々ドーピングされたドナーおよびアクセプタ不純物のドーピング濃度を、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲にすることにより、吸収損失と結晶性劣化の抑制効果が更に高く、発光効率の優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００６４】
ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層を含む電流ブロック層を有し、Ｍｇ組成比ｚが０．２〜０．５の範囲にあると共に前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成比ｘあるいはｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層のＭｇ組成比ｙのいずれよりも大きくすることにより、吸収損失および発振閾値電流の増大を抑制して特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００６５】
また、前記基板としてバンドギャップエネルギーが３．６ｅＶ以上の絶縁体基板を使用することにより、吸収損失および発振閾値電流の増大を抑制して特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００６６】
また、発振波長が３８０ｎｍ以長の可視発光素子の場合、基板としてＺｎＯ単結晶を使用することにより、発光が吸収されず結晶性の極めて高い酸化物半導体発光素子を得ることが出来る。
【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の発光ダイオード素子についてＭｇＺｎＯクラッド層の層厚およびＭｇ組成比と発光強度の関係を示す図。
【図３】施形態２のＺｎＯ系半導体レーザ素子の構造斜視図
【符号の説明】
１：サファイア基板
２：ｎ型ＺｎＯコンタクト層
３：ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
４：ＺｎＯ活性層
５：ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
６：ｐ型ＺｎＯコンタクト層
７：ｐ型オーミック電極
８：パッド電極
９：ｎ型オーミック電極
１０：発光ダイオード素子
１０１：ＺｎＯ基板
１０２：ｎ型ＺｎＯバッファ層
１０３：ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
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
１０７：ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
１０８：ｐ型ＺｎＯコンタクト層
１０９：ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層
１１０：ｎ型オーミック電極
１１１：ｐ型オーミック電極
１００：半導体レーザ素子
【図１】
2004103847.tif 000003
【図２】
2004103847.tif 000004
【図３】
2004103847.tif 000005