(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層と、
前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層上方に形成されたＩｎｙＧａ１−ｙＮ活性層と、
前記ＩｎｙＧａ１−ｘＮ活性層上方に形成されたｐ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯクラッド層と、
前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層に電気的に接続された第１電極と、
前記ｐ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯクラッド層に電気的に接続された第２電極と、を含み、
順方向バイアス時に、前記ｐ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯクラッド層から前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ活性層へ注入される正孔に対して、前記ｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯクラッド層が電位障壁を形成する光半導体素子。
【請求項２】
前記第２の電極は、ｐ型ＺｎＯ透明導電膜である請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記第２の電極は、反射電極である請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記ｘは、０から０．３３までの間であり、前記ｙは、０から０．３までの間であり、前記ｚは、０から０．３３までの間である請求項１から３までのいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ活性層は、量子井戸構造を形成し、ＩｎＮウェル層の両側をＧａＮバリアで挟んだ構造を含む請求項１から３までのいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項６】
さらに、前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ活性層と前記ｐ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯクラッド層との間にｐ型ＡｌｖＧａ１−ｖＮが配置された請求項１から４までのいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記ｖは、０から０．２までの間である請求項５に記載の光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体素子に関し、特に、ＭｇＺｎＯをクラッド層として用いたＧａＮ系発光ダイオード及びレーザーダオイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に、ＧａＮ系の材料を用いた発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）の基本構造を示す。
【０００３】
図６に示すように、発光ダイオードＸは、サファイヤ基板１０１と、その上に形成されているＧａＮバッファ層１０３と、ｎ型ＧａＮクラッド層１０５と、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０７と、ＩｎxＧａ1-xＮ活性層１１１と、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１３と、ｐ型ＧａＮクラッド層１１５との積層を含む。
【０００４】
ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０７、ＩｎxＧａ1-xＮ活性層１１１、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１３、ｐ型ＧａＮクラッド層１１５は島状に加工されて島状の積層構造ＳＳをなし、ｎ型ＧａＮ層１０５の一部表面が露出している。
【０００５】
島状の積層構造ＳＳの側壁は、絶縁膜１２１により被覆されている。絶縁膜１２１には、ｐ型ＧａＮ層１１５の表面を露出する開口部１２２が形成されている。
【０００６】
ｎ型ＧａＮ層１０５の表面には、第１（ｎ側）電極１２３が形成されている。ｐ型ＧａＮ層１１５上に光を透過する第２（ｐ型）電極１２５が形成されている。第２電極１２５は、好ましくは開口部１２２全面を覆うように形成されている。
【０００７】
第１電極１２３に対して第２電極１２５に正の電圧を印加すると、ｐ−ｎ接合が順バイアスされ、ｎ型ＧａＮクラッド層１０５側から電子が、ｐ型ＧａＮクラッド層１１５側から正孔がＩｎxＧａ1-xＮ活性層１１１に向けて移動し、活性層１１１内において電子と正孔との再結合が生じる。電子と正孔とが再結合する際に、活性層のバンドギャップのエネルギーに対応する波長の発光が起こる。発生した光は、第２電極１２５を透過して発光ダイオードＸの光学面から出射する。
【０００８】
ｎ型及びｐ型のクラッド層であるＡｌxＧａ1-xＮ層１０７、１１３のＡｌ組成ｘは、０≦ｘ≦０．２の範囲が一般的であるが、必要に応じて組成ｘを変化させることができる。
【０００９】
尚、レーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）は、ＩｎxＧａ1-xＮ活性層１１１の２端面でキャビティを形成し、一方、端面（図６の紙面に垂直な方向）からの光を取り出す点でＬＥＤと異なるが、構造は図６に示すＬＥＤの構造と同様である。
【００１０】
図７は、真空準位を基準（０ｅＶ）にした場合の、ＧａＮ系３元混晶系のＩｎxＧａ1-xＮ活性層１１１とＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０７との伝導帯の最小エネルギー値Ｅｃと価電子帯の最大エネルギー値Ｅｖとの、Ｉｎ又はＡｌの組成ｘに対する依存性を示す図である。
【００１１】
尚、Ｅｃの値は、Ｅｃ＝Ｅｇ＋Ｅｖの式から求まる。ここで、Ｅｇはバンドギャップである。Ｉｎ、Ａｌの組成ｘに対するバンドギャップＥｇの値は、次式より求めた。この式は、ＧａＮ系３元混晶で広く認められている式である。
【００１２】
Ｅｇ(ＩｎxＧａ1-xＮ)＝ｘ × Ｅｇ（ＩｎＮ） ＋ （１-ｘ）× Ｅｇ（ＧａＮ）−ｂ×ｘ×（１−ｘ）                             （１）
Ｅｇ(ＡｌxＧａ1-xＮ)＝ｘ × Ｅｇ（ＡｌＮ） ＋ （１-ｘ）× Ｅｇ（ＧａＮ）−ｂ×ｘ×（１−ｘ）                             （２）
但し、Ｅｇ（ＧａＮ）＝３．４（ｅＶ）、Ｅｇ（ＩｎＮ） ＝ １．９５（ｅＶ）、Ｅｇ（ＡｌＮ）＝６．２ （ｅＶ）とした。
【００１３】
ｂは湾曲パラメーターであり、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮともに、約１ｅＶであることが知られている。
【００１４】
図８は、ＧａＮ系ＬＥＤ又はＬＤのエネルギーバンド構造の例を模式的に示した図である。
【００１５】
図６の構造は、サファイヤ（００２）／ｎ−ＧａＮ／ｎ−Ａｌ 0.2Ｇａ0.8Ｎ／ｎ−Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ／ｐ−ＧａＮの構造を有する。
【００１６】
図８は、サファイヤ基板上の積層のエネルギーバンド構造を示す。横軸が基板上の高さを示し、縦軸がエネルギーを単位ｅＶで示す。
【００１７】
ｐ−ｎ接合に対して順バイアスを印加した時に、ｎ型クラッド層から活性層へ向けて電子が注入され、ｐ型クラッド層から活性層へ向けて正孔が注入される。
【００１８】
活性層へ注入された電子がｐ型クラッド層ヘオーバーフローするのを防ぎ、活性層内で、有効に発光性再結合（ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）に寄与させる為に、ｐ−ＡｌＧａＮを設けている。
【００１９】
特にＬＥＤの場合には、光を取り出す側のｐ型電極として半透明電極を用いる。
【００２０】
半透明電極としては、主にＡｕ系の薄い電極を用いる。
【００２１】
尚、光の取り出し効率を増大させる為に、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどの高い光透過率を有するｎ型酸化物半導体を用いた透明導電膜を用いることもできる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、単一量子井戸（Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＳＱＷ）や多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）などの数ｎｍから数１０ｎｍの厚さを有する活性層を備えたＬＥＤやＬＤの場合に上述の材料を用いると、ｎ型クラッド層と活性層との接合領域におけるΔＥｖが小さいため（図８参照）、順方向バイアス時に、活性層からｎ型クラッド層に正孔がオーバーフローしてしまい、活性層内で放射再結合に寄与する割合が低下してしまう。いわゆる、正孔のｎ型クラッド層へのオーバーフローの問題が生じる。
【００２３】
図９に、下側Ｎｉ（０．３ｎｍ）、上側Ａｕ（１０ｎｍ）の半透明積層電極の透過率特性を示す。
【００２４】
図９に示すように、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤの発光波長範囲、例えば約３８０ｎｍから５５０ｎｍまでの範囲において、Ｎｉ／Ａｕは、５０％から６０％程度の透過率しか有していない。活性層内での発光成分のうち外部へ取り出すことができるのは約５０％程度である。いわゆる、Ａｕ系の半透明電極による光取り出し効率の低下という問題が生じる。
【００２５】
光の取り出し効率を増大させる為に、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどの高い透過率を有するｎ型酸化物半導体により形成される透明導電膜をｐ型電極として用いることも考慮される。
【００２６】
しかしながら、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどを用いると、透明導電膜がｎ型であるため、これらの透明導電膜とｐ型クラッド層との間にｐ−ｎ接合が形成されてしまう。素子に順バイアスを印加した場合、ｐ型クラッド層とｎ型酸化物半導体よりなる透明導電膜との間には、逆方向バイアスが印加されることになる。逆方向バイアスが印加されると、ｐ−ｎ接合の界面において空乏層が拡がり、それに起因する駆動電圧の上昇や、発熱による発光効率の低下などの問題が生じる。いわゆる、ｎ型酸化物半導体透明導電膜による素子の高抵抗化という問題が生じる。
【００２７】
本発明の目的は、正孔のｎ型クラッド層へのオーバーフローと光取り出し効率の低下を防止することである。
【００２８】
本発明の一観点によれば、ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層と、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層上方に形成されたＩｎｙＧａ１−ｙＮ活性層と、前記ＩｎｙＧａ１−ｘＮ活性層上方に形成されたｐ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯクラッド層と、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層に電気的に接続された第１電極と、前記ｐ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯクラッド層に電気的に接続された第２電極と、を含み、順方向バイアス時に、前記ｐ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯクラッド層から前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ活性層へ注入される正孔に対して、前記ｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯクラッド層が電位障壁を形成する光半導体素子が提供される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態による光半導体素子について図１から図３までを参照して説明する。
【００３０】
図１は、光半導体素子の構造断面図である。
【００３１】
図１に示す発光ダイオードＡは、（００２）面を主表面とするサファイヤ基板１と、その上に形成されたバッファ層３と、ｎ−ＭｇxＺｎ1-xＯクラッド層５と、ＩｎyＧａ1-yＮ活性層１１と、ｐ−ＡｌvＧａ1-vＮクラッド層１３と、ｐ−ＭｇzＺｎ1-zＯクラッド層１５とを含む。ｐ−ＭｇzＺｎ1-zＯクラッド層のｚ値は、０≦ｚ≦０．３３である。
【００３２】
バッファ層３としては、例えばＭｇＺｎＯ系のバッファ層（例：Ｍｇ0.05Ｚｎ0.95Ｏ）が用いられる。尚、バッファ層３とｎ−ＭｇxＺｎ1-xＯクラッド層５との間に、ｎ−ＺｎＯクラッド層（図示せず）を挿入しても良い。
【００３３】
また、各層のｖ、x、ｙ及びｚは、０から１までの間の値を取りうる。例えば、ｙ＝０．３、ｘ＝０．３３、ｖ＝０．２などの値をとることができる。もちろん、ｎ−ＭｇxＺｎ1-xＯクラッド層５とｐ−ＭｇzＺｎ1-zＯクラッド層１５との間でｘ値およびｚ値と同じ値（ｘ＝ｚ）であっても良いが、必ずしも同じ値である必要はない。
【００３４】
上記の各層は、ＲＳ−ＭＢＥ（Ｒａｄｉｃａｌ−Ｓｏｕｒｃｅ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて成長した。
【００３５】
以下に、上記の各層の成長条件について説明する。
【００３６】
例として、サファイヤ基板（００２）上に、Ｍｇ0.05Ｚｎ0.95Ｏバッファ層、ｎ−ＺｎＯクラッド層、ｎ−Ｍｇ0.33Ｚｎ0.67Ｏクラッド層と、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ活性層と、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層と、ｐ−Ｍｇ0.33Ｚｎ0.67Ｏクラッド層とを含む結晶構造の成長方法を示す。
【００３７】
結晶成長時の圧力は、全層とも１×１０-5Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-3Ｐａ）である。
【００３８】
以下に各層の成長温度、膜厚及び成長原料の例を示す。尚、Ｐ（原子、分子名）との記載は、基板位置においたイオンゲージで測定した材料原子（または分子）の分子線強度を示す。ＲＦ（原子、分子名）との記載は、各材料原子（または分子）のＲＦラジカル源の出力を示す。ＦＲ（原子、分子名）との記載は、ＲＦラジカル源に流す材料（原子、分子）ガスの流量を示す。
【００３９】
Ｍｇ0.05Ｚｎ0.95Ｏバッファ層の成長条件は、成長温度が３５０℃、膜厚が５０ｎｍである。Ｐ（Ｍｇ）＝５×１０-8Ｔｏｒｒ（６．６５×１０-6Ｐａ）、Ｐ（Ｚｎ）＝１×１０-6Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-4Ｐａ）、ＲＦ（Ｏ2）＝３００Ｗ、ＦＲ（Ｏ2）＝２ｓｃｃｍである。
【００４０】
ｎ−ＺｎＯクラッド層の成長条件は、成長温度が５００℃、膜厚が２μｍである。Ｐ（Ｚｎ）＝１．０×１０-6Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-4Ｐａ）、ＲＦ（Ｏ2）＝３００Ｗ、ＦＲ（Ｏ2）＝２ｓｃｃｍ、Ｐ（Ｇａ）＝１×１０-9Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-7Ｐａ）である。尚、Ｇａはｎ型のドーパントである。
【００４１】
尚、本実施の形態においては、ｎ−ＺｎＯクラッド層を形成してはいないが、上記の条件で、Ｍｇ0.05Ｚｎ0.95Ｏバッファ層とｎ−Ｍｇ0.33Ｚｎ0.67Ｏクラッド層との間にｎ−ＺｎＯクラッド層を挿入しておいても良い。
【００４２】
ｎ−Ｍｇ0.33Ｚｎ0.67Ｏクラッド層の成長条件は、成長温度が５００℃、膜厚が１００ｎｍである。Ｐ（Ｍｇ）＝５×１０-7Ｔｏｒｒ（６．６５×１０-5Ｐａ）、Ｐ（Ｚｎ）＝１×１０-6Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-4Ｐａ）、ＲＦ（Ｏ2）＝３００Ｗ、ＦＲ（Ｏ2）＝２ｓｃｃｍ、Ｐ（Ｇａ）＝１×１０-9Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-7Ｐａ）である。
【００４３】
ｎ−Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ活性層の成長条件は、成長温度が５００℃、膜厚が３ｎｍである。Ｐ（Ｉｎ）＝５×１０-7Ｔｏｒｒ（６．６５×１０-5Ｐａ）、Ｐ（Ｇａ）＝１×１０-6Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-4Ｐａ）である。ＲＦ（ＮＨ3）＝３００Ｗ、ＦＲ（ＮＨ3）＝２ｓｃｃｍである。
【００４４】
ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層の成長条件は、成長温度が６００℃、膜厚が１００ｎｍである。Ｐ（Ａｌ）＝５×１０-7Ｔｏｒｒ（６．６５×１０-5Ｐａ）、Ｐ（Ｇａ）＝１×１０-6Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-4Ｐａ）、ＲＦ（ＮＨ3）＝３００Ｗ、ＦＲ（ＮＨ3）＝２ｓｃｃｍ、Ｐ（Ｍｇ）＝１×１０-9Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-7Ｐａ）である。尚、Ｍｇは、ｐ型のドーパントである。
【００４５】
ｐ−Ｍｇ0.33Ｚｎ0.67Ｏクラッド層の成長条件は、成長温度が５００℃、膜厚が３００ｎｍ、Ｐ（Ｍｇ）＝５×１０-7Ｔｏｒｒ（６．６５×１０-5Ｐａ）、Ｐ（Ｚｎ）＝１×１０-6Ｔｏｒｒ（１．３３×１０-4Ｐａ）である。ＲＦ（Ｏ2）＝３００Ｗ、ＦＲ（Ｏ2）＝２ｓｃｃｍである。
【００４６】
尚、ｐ−ＭｇＺｎＯの成長の際は、組成がＧａ：Ｎ＝１：２になるように、Ｐ（Ｇａ）とＲＦ（ＮＨ3）を調節する。
【００４７】
上記のように成長した積層構造を加工する。
【００４８】
ＩｎyＧａ1-yＮ活性層１１と、ｐ−ＡｌvＧａ1-vＮクラッド層１３と、ｐ−ＭｇzＺｎ1-zＯクラッド層１５とが島状に加工されて島状積層構造ＳＳ１を形成している。これにより、ｎ型ＭｇxＺｎ1-xＯ層５の表面の一部が露出する。
【００４９】
島状積層構造ＳＳ１の側壁は、絶縁膜２１により被覆される。絶縁膜２１には、上部に開口２２が形成されており、開口２２からｐ−ＭｇxＺｎ1-xＯクラッド層１５の表面が露出している。
【００５０】
尚、ＩｎxＧａ1-xＮ活性層１１は、ダブルヘテロ構造（ＤＨ構造）、単一量子井戸又は多重量子井戸構造で形成される。
【００５１】
ＩｎxＧａ1-xＮ活性層１１を、ｎ−Ｍｇ0.33Ｚｎ0.67Ｏクラッド層とｐ−Ｍｇ0.33Ｚｎ0.67Ｏクラッド層とで挟んだダブルヘテロ構造を形成する場合は、例えばＩｎxＧａ1-xＮ活性層１１の厚さが１０ｎｍから１００ｎｍである。ＧａＮ層とＩｎＮ層との単一量子井戸構造（ＩｎＮウェル層の両側をＧａＮバリアで挟んだ構造）では、例えば、ＩｎＮウェル層の厚さは１ｎｍから１０ｎｍである。ＧａＮ層とＩｎＮ層との多重量子井戸構造を形成する場合は、井戸層と障壁層が多数形成されている。この場合、１井戸層と１障壁層との合計の膜厚が１０ｎｍ以下であることが好ましい。但し、１井戸層の厚さは１障壁層の厚さよりも薄いの方が好ましい。これらの１井戸層と１障壁層とを１単位として、１単位を３周期から５周期繰り返して多重量子井戸層を形成するのが好ましい。
【００５２】
ｎ−ＭｇxＺｎ1-xＯクラッド層５の表面には、第１の電極２３が形成されている。ｐ−ＭｇzＺｎ1-zＯクラッド層１５上に全面を覆う第２電極２５が形成されている。第２電極２５は、例えばＺｎＯ透明導電層により形成される。第２電極用材料としては、光学的には透明であり、かつ、電気的にはｐ−ＭｇzＺｎ1-zＯクラッド層１５と良好なオーミック接触を得られる材料が好ましい。
【００５３】
ｐ−ＭｇzＺｎ1-zＯクラッド層１５が、ＬＥＤの光学面を形成する。
【００５４】
第１電極２３に対して第２電極２５に正の電圧を印加すると、ｐ−ｎ接合が順バイアスされ、ｎ−ＭｇxＺｎ1-xＯクラッド層５から電子がＩｎyＧａ1-yＮ活性層１１に向けて移動するとともに、ｐ−ＭｇzＺｎ1-zＯクラッド層１５から正孔がＩｎyＧａ1-yＮ活性層１１に向けて移動する。活性層１１内において電子と正孔との再結合が生じる。電子と正孔とが再結合する際に、活性層のバンドギャップエネルギーに対応する波長の発光が起こる。
【００５５】
尚、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層５とＩｎyＧａ1-yＮ活性層１１との間に、ｎ−ＡｌuＧａ1-uＮクラッド層を挿入しても良い。
【００５６】
また、上記構造は、活性層１１の端面からレーザー光が発光するレーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）にも適用可能である。
【００５７】
尚、端面発光のＬＤに用いる場合には、第２電極における光の反射率が高くても良い。
【００５８】
図２に、図１に示したＧａＮ系ＬＥＤ（ＬＤ）のバンド構造の例を示す。
【００５９】
図１に示した構造において、ｎ−ＭｇxＺｎ1-xＯクラッド層５のｘ値は、０．３３、ＩｎyＧａ1-yＮ活性層１１のｙ値は０．３、ｐ−ＡｌvＧａ1-vＮクラッド層１３のｖ値は０．２、ｐ−ＭｇzＺｎ1-zＯクラッド層１５のｚ値は、０．３３である。
【００６０】
図２に示すように、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ活性層１１とｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１３との間の価電子帯端におけるエネルギーバンドの不連続値ΔＥｖは、約０．２３５ｅＶと小さいが、Ｉｎ0。3Ｇａ0.7Ｎ活性層１１とｎ型Ｍｇ0.33Ｚｎ0.67Ｏクラッド５層との間の価電子帯端におけるエネルギーバンドの不連続値ΔＥｖは、約１．９９９ｅＶと大きい。
【００６１】
従って、クラッド層としてｎ型Ｍｇ0.33Ｚｎ0.67Ｏクラッド層を用いることにより、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ活性層１１に注入された正孔のｎ型Ｍｇ0.33Ｚｎ0.67Ｏクラッド層５へのオーバーフローが防止され、ＩｎＧａＮ活性層１１内において有効に放射性再結合を生じさせることができる。
【００６２】
ｐ−Ｍｇ0.33Ｚｎ0.67Ｏクラッド層１５上に形成されているｐ型電極は、ｐ型のＺｎＯ透明導電膜からなる第２電極２５である。
【００６３】
ｐ型ＺｎＯ透明導電膜は、例えば、Ｇａ：Ｎ＝１：２の比率の同時ドーピング法を用いて成長する。この成方法に関しては、例えば、吉田博らによる文献、最近の研究「半導体における第一原理計算からの物質設計」、"まてりあ"、Ｖｏｌ．３８、Ｎｏ．２、（１９９９）、ｐ１３４−ｐ１４３に記載されている方法を用いることができる。
【００６４】
この文献には、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法などの低温での非平衡結晶成長中に、蒸気分圧を制御しながらｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとをある一定の比を有する濃度で同時にドーピングする方法が記載されている。この方法でドーピングを行うと、アクセプター間には斥力が働き、アクセプターとドナー間には引力が働くので、アクセプター・ドナー複合体が形成される。複合体が形成されると、単独ドーピングの場合と比べて化学結合が強くなり形成エネルギーが減少するため、ドーパントの溶解度が大きく上昇する。キャリアの移動度も上昇する。加えて、ドナーやアクセプターの準位を単独ドーピングと比べて浅くすることができる。従って、ｐ型のＺｎＯ透明導電膜を作りやすい。
【００６５】
図３に、ＺｎＯ透明導電膜からなる第２電極２５の光の透過率の波長依存性を示す。図３におけるＺｎＯ透明導電膜の厚さは４２０ｎｍである。
【００６６】
図３より、波長４００ｎｍから波長１０００ｎｍまでの範囲で、光の透過率はほぼ８０％の高い値が得られている。図９に示すＡｕ系の電極に比べて約２倍の光透過率を示す。ｐ型ＺｎＯ透明導電膜を用いることにより、通常のＡｕ系半透明電極を用いた場合と比べて約２倍の光をＩｎＧａＮ活性層から外部へ取り出すことができる。
【００６７】
また、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層とｐ型ＺｎＯ透明導電膜とは、同じｐ型の導電体材料により形成されているため、光半導体素子に対して順方向バイアスを印加して駆動した場合にｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層とｐ型ＺｎＯ透明導電膜との間に障壁が形成されない。光半導体素子の寄生抵抗（コンタクト抵抗）が高くなることによる駆動電圧の上昇、発熱による発光効率の低下などの問題は少ない。
【００６８】
従って、高輝度ＬＥＤの作製が可能となる。
【００６９】
尚、上記の構造を用いて面発光型のＬＤを形成した場合にも、同様の効果が得られる。面発光型のＬＤを形成する場合には、上部電極（第２電極）の光透過率は２０から３０％以下であっても良い。
【００７０】
加えて、格子定数に関しては、ＧａＮ［１−１００］とサファイヤ[１１−２０]との間の格子定数のずれが１６％であり、この値とＺｎＯ[１−１００]とサファイヤ［１１−２０］との間の格子定数のずれ１８％は、ほぼ同じである。尚、上記の［  ］内の数字のうち"−１"や"−２"などの−の付いている数字は、"１"、"２"の反転（バー）を示している。
【００７１】
従って、ＭｇＺｎＯをクラッド層として用いた場合、従来のＩｎＧａＮ系ＬＥＤやＬＤに比べて、格子不整合に起因する品質の低下は生じない。
【００７２】
上記（１）式より、ｘ＝０．３におけるＩｎxＧａ1-xＮのＥｇは、２．６９５ｅＶである。発光波長は４６０ｎｍであり、青色の発光ダイオードが得られる。
【００７３】
上述の青色発光素子は、種々の用途に用いることができる。
【００７４】
尚、第２電極２５としてＺｎＯ透明導電層のような透明導電層を用いる代わりに、第２電極２５を、反射電極、例えばＡｇやＡｌなどを含む高反射率金属電極で形成しても良い。基板は透明基板を用いる。
【００７５】
第２電極２５を反射電極とした光半導体素子は、フリップチップ構造を有している。ＩｎxＧａ1-xＮ活性層１１からの発光は、第２電極（高反射率金属電極）において反射し、活性層を挟んで第２電極とは反対側に形成されている透明基板側から光を出射させる。このようなフリップチップ構造においても、青色発光素子を実現することができる。
【００７６】
図４及び図５を参照して青色発光素子の応用例について説明する。図４は、第１の実施の形態において説明したＩｎＧａＮ系の光半導体素子Ａ（図１：ＬＥＤ）を用いたドットマトリックス表示器の構造を示す斜視図である。
【００７７】
光半導体素子（ＬＥＤ）を用いたドットマトリックス表示器Ｂは、プリント基板又はセラミックス基板３１と、その上に形成され一方向に平行に延びる３本のデータライン３３と、データライン３３とは電気的に絶縁されデータライン３３と交差する方向に延びる複数本のコモンライン３５と、データライン３３とコモンライン３５との交差部近傍のコモンライン３５上に、各交点に３つずつ搭載されたＬＥＤ３７とを有している。
【００７８】
各交点に配置されている３つのＬＥＤ３７は、赤色ＬＥＤ３７ａ、緑色ＬＥＤ３７ｂ、青色ＬＥＤ３７ｃである。これら３色のＬＥＤにより１つのドットを形成している。
【００７９】
青色ＬＥＤ３７ｃは、第１の実施の形態による光半導体素子を用いることができる。発光波長は、ｘ＝０．３において約４５０ｎｍである。赤色ＬＥＤ３７ａは、例えば活性層にＡｌＧａＡｓを用いた発光波長６７０ｎｍのＬＥＤである。緑色ＬＥＤ３７ｂは、例えばＧａＰ系の半導体材料を活性層として用いたＬＥＤであり、発光波長は約５５０ｎｍである。
【００８０】
各データライン３３は、各色のＬＥＤごとに独立したデータラインを３本有している。各ＬＥＤ３７は、光学面とは反対側に設けられた電極が、コモンライン３５に共通に接続されている。光学面側の電極は、赤色ＬＥＤ３７ａ、緑色ＬＥＤ３７ｂ、青色ＬＥＤ３７ｃのそれぞれが独立にデータライン３３中の各色ごとのデータラインと電気的に接続されている。
【００８１】
ＬＥＤが設けられている領域を除く領域上を覆って、基板３１上に反射枠４１が設けられている。ＬＥＤが設けられている領域上には、光を拡散させるための拡散フィルムが設けられている。
【００８２】
図５に、ドットマトリックス表示器の回路図を示す。
【００８３】
図５に示すように、コモンライン３３−１から３３−ｍまでと、コモンラインと交差するデータライン３５−１から３５−ｎまでが設けられ、それらの交点に、３色のＬＥＤ３７ａ、３７ｂ、３７ｃが設けられている。データライン３５−１から３５−ｎまでの各々は、赤色用、緑色用、青色用のそれぞれのデータラインＸnR、ＸnG、ＸnBを有している。ここでｍ、ｎは、正の整数である。尚、ｍ、ｎが等しくても良い。
【００８４】
赤、緑、青のＬＥＤ３７ａ、３７ｂ、３７ｃで１ドットを構成したマトリックス回路を駆動するためには、３３−１から３３−ｎのコモンラインに接続されているドライバを順次オンさせ、３３−１がオンしている間に、３５−１から３５−ｎの信号ラインに表示したい３色のいずれか、又は、３色中の２色の組み合わせ、３色全ての組み合わせのいずれかの信号を入力する。次にコモンライン３３−２でも同じ動作を行い、３３−ｎまで走査すると、３３−１に戻る駆動動作を繰り返し実行する。
【００８５】
以上の動作により、赤、緑、青の３原色を用いてフルカラーの表示を行うことができる。
【００８６】
尚、面発光型ＬＤの場合にも、ＬＥＤと同様にｐ型電極として高透過率のｐ型ＺｎＯ透明導電膜を用いるのが好ましい。但し、端面発光型のＬＤの場合には、ｐ型電極として高透過率のｐ型ＺｎＯ透明導電膜を用いなくても良い。
【００８７】
以上説明したように、本実施の形態による光半導体装置を用いれば、短波長(紫外〜青)ＬＥＤ及びその応用製品(各インジケーター、ＬＥＤディスプレイ等)、白色ＬＥＤ及びその応用製品(照明器具、各インジケーター、ディスプレイ、各表示器のバック照明等)に適用することができる。ディスクやバーコード等の読取光源としても好適である。
【００８８】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。その他、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【００８９】
【発明の効果】
ＭｇＺｎＯをｎ型クラッド層として用いることにより、光半導体素子を駆動する際に、活性層内に注入された正孔がｎ型クラッド層ヘオーバーフローするのを防ぐことができる。低しきい値のＬＤ、高輝度のＬＥＤの作製が可能となる。
【００９０】
特にＬＥＤや面発光型ＬＤの場合、ＭｇＺｎＯをｐ型クラッド層として用い、ｐ型電極として高透過率のｐ型ＺｎＯ透明導電膜を用いることができ、光の取り出し効率が、従来のＡｕ系電極の約２倍に増大する。
【００９１】
従って、高輝度のＬＥＤや面発光型ＬＤの作製が可能となる。青色ＬＥＤ（ＬＤ）と赤色、緑色ＬＥＤ（ＬＤ）とを組み合わせることにより、フルカラーの表示を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態によるＩｎＧａＮ系ＬＥＤの構造断面図である。
【図２】  本発明の第１の実施の形態によるＩｎＧａＮ系ＬＥＤのバンド構造を示す模式的な図面である。
【図３】  本発明の第１の実施の形態によるＩｎＧａＮ系ＬＥＤに用いられるＺｎＯ導電性透明電極の光透過率の波長依存性を示す図である。
【図４】  第１の実施の形態によるＩｎＧａＮ系ＬＥＤを用いたドットマトリックス表示器の構造図である。
【図５】  第１の実施の形態によるＩｎＧａＮ系ＬＥＤを用いたドットマトリックス表示器の回路図である。
【図６】  従来のＩｎＧａＮ系ＬＥＤの構造断面図である。
【図７】  ＧａＮ系３元系結晶の伝導帯及び価電子帯のバンド端のエネルギー値の組成依存性を示す図である。
【図８】  従来のＩｎＧａＮ系ＬＥＤのバンド構造を示す模式的な図面である。
【図９】  ＩｎＧａＮ系ＬＥＤにＡｕ系の電極を用いた場合の光透過率の波長依存性を示す図である。
【符号の説明】
１  サファイヤ基板（００２）
３  バッファ層
５  ｎ−ＭｇxＺｎ1-xＯクラッド層
１１  ＩｎyＧａ1-yＮ活性層
１３  ｐ−ＡｌvＧａ1-vＮクラッド層
１５  ｐ−ＭｇzＺｎ1-zＯクラッド層
ＳＳ１  積層構造
２１  絶縁膜
２２  開口
２３  第１の電極
２５  第２の電極（透明電極）
３１  基板
３３  データライン
３５  コモンライン
３７ａ  赤色ＬＥＤ
３７ｂ  緑色ＬＥＤ
３７ｃ  青色ＬＥＤ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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