(57)【要約】【課題】高い絶縁性を有し信頼性に優れた電流ブロック層を形成して、発光特性と省電力性に優れた半導体発光素子を提供する。【解決手段】ＺｎＯ系半導体を含んで構成された半導体発光素子であって、逆バイアスされたｐｎ接合によって電流をブロックする構造を有し、前記逆バイアスされたｐｎ接合の電流ブロック領域が５×１０１７〜５×１０２０ｃｍ−３のイオン化不純物濃度を有する。【選択図】  図１
2005026493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺｎＯ系半導体を含んで構成された酸化物半導体発光素子であって、逆バイアスされたｐｎ接合によって電流をブロックする構造を有し、前記逆バイアスされたｐｎ接合の電流ブロック領域が５×１０１７〜５×１０２０ｃｍ−３のイオン化不純物濃度を有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記逆バイアスされたｐｎ接合の電流ブロック領域が、ｎ型電流ブロック層である請求項１記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項３】
基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体を含んで構成されるｎ型クラッド層、誘導放出光を放射する活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層および前記ｐ型クラッド層に接するｎ型電流ブロック層を備え、前記ｎ型電流ブロック層界面を含む電流ブロック領域が５×１０１７〜５×１０２０ｃｍ−３のイオン化不純物濃度を有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項４】
基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体を含んで構成されるｎ型クラッド層、自然放出光を放射する発光層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を備え、前記ｐ型クラッド層、前記ｐ型コンタクト層内の少なくともいずれかに島状のｎ型電流ブロック層が形成され、前記ｎ型電流ブロック層界面を含む電流ブロック領域が５×１０１７〜５×１０２０ｃｍ−３のイオン化不純物濃度を有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ型電流ブロック層に接して逆バイアスされるｐ型半導体層のイオン化不純物濃度が、前記ｎ型電流ブロック層よりも高い請求項２記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｎ型電流ブロック層に接して、イオン化不純物濃度が前記ｎ型電流ブロック層よりも高いｐ型エッチングストップ層が形成されている請求項３または４記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｎ型電流ブロック層に接しているｐ型半導体層が、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、ＩＩＩ族窒化物、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓのいずれかを含んで構成されている請求項２〜６のいずれかに記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｎ型電流ブロック層に接しているｐ型半導体層が、アクセプタ不純物としてＮ、ＬｉあるいはＡｇの少なくとも一種以上を含むＺｎＯ系半導体を含む請求項２〜７のいずれかに記載の酸化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｎ型電流ブロック層が、ドナー不純物としてＧａ、ＡｌあるいはＩｎの少なくとも一種以上を含むＺｎＯ系半導体を含む請求項２〜８の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、発光ダイオード素子や半導体レーザ素子などの半導体発光素子に関し、更に詳しくは、酸化物半導体で形成され信頼性に優れた電流ブロック層を有する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】
半導体発光素子の素子構造においては、電流ブロック機構の作製技術が重要な要素を占めている。
【０００５】
半導体レーザ素子においては、ストライプ状の電流路を通じて活性層の限られた領域にキャリアを注入することにより、電流密度を下げること無く発振閾値電流や動作電流を低減することが出来る。このような従来例としては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子におけるメサ型のｐクラッド側面を半導体層で埋め込み、電流ブロックと単一横モードを共に得る技術が特開平９−２３２６８０号公報などに開示されている。
【０００６】
また、発光ダイオード素子においては、素子中央の電流路を遮断して光取り出し効率の高い素子表面近傍でキャリア再結合を行わせることにより、発光効率を格段に向上させることが出来る。このような従来例として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光ダイオード素子の構造内に電流ブロック層を設け、電極直下など光取り出し効率の低い領域への電流注入を防止する技術が特開平０７−３２６７９３号公報などに開示されている。
【０００７】
前記従来例の電流ブロック層は、いずれも不純物添加した半導体層を用い、発光素子を駆動させる順方向バイアス電圧の印加によって電流ブロック領域が逆方向にバイアスされるような構成になっており、当該接合部に広がった空乏層によってキャリアの流れが阻止され、電流ブロックが実現される。
【０００８】
ＺｎＯ系半導体における電流ブロック構造の従来例としては、ＩＡ族やＶＡ族のアクセプタ不純物をドーピングして半絶縁化したＺｎＯ系半導体を電流ブロック層として使用する技術が、国際公開ＷＯ００／１６４１１号公報において開示されている。同公報には、ｐ形クラッド層内にｎ形で電流ブロック層を形成するより遥かに電流ブロックの効果が大きいこと、ウェットエッチングをすることができ、しかもＧａＮ系化合物半導体とも格子定数などの物理的性質が近いため、発光層形成部と連続して積層することができ、活性層に近い場所に設けることができることなどの理由により、高特性の半導体レーザ素子が得られることが示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−２３２６８０号公報
【特許文献２】
特開平０７−３２６７９３号公報
【特許文献３】
国際公開ＷＯ００／１６４１１号公報
【非特許文献１】
Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．３０（２００２年９月２日）  ｐ１８３０，アメリカ物理学会
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、アクセプタ不純物をドーピングして残留電子を補償し半絶縁化した電流ブロック層は、逆バイアス電圧の印加によって空乏層が大きく広がる。すなわち、印加電圧Ｖに対し空乏層厚ｄは、ｐ型半導体層側で、
【数１】
2005026493.tif 000003
ｎ型半導体層側で、
【数２】
2005026493.tif 000004
となる。ここで、εｓは半導体の比誘電率、εｏは真空の誘電率、Ｖｄは拡散電位、ｅは電荷素量、Ｎａはｐ型半導体層のイオン化不純物濃度、Ｎｄはｎ型半導体層のイオン化不純物濃度を表す。半絶縁化された電流ブロック層に接して形成されている半導体層は、通常１０１８ｃｍ−３程度のイオン化不純物濃度であると考えられるので、不純物を添加していない電流ブロック層には、０．１１μｍ近く空乏層が広がる。
【００１１】
空乏層内は電界強度が強いため、酸化物半導体のように結晶性が十分高いとは言えない材料においては結晶欠陥などに電界が集中して電圧降伏を起しやすい。
【００１２】
また、半導体発光素子をパルスあるいは交流成分を持つ駆動電流を光変調する目的で用いる際には、空乏層のような寄生容量が大きくなると高速変調に追随出来なくなり、光通信やディジタル光記録システムへ適用した場合にビットエラーなどを生じる。
【００１３】
更に、ＺｎＯへのアクセプタ不純物ドーピングに関しては、これまで半絶縁性のＺｎＯ系半導体層しか得られていなかったが、近年ＺｎＯ系半導体の結晶成長技術の進展に伴い、例えばＡｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．８１  （２００２）  ｐ１８３０に示されているようにアクセプタとして機能するようになり、導電性を有するようになった。
【００１４】
すなわち、前記従来技術のようなアクセプタ不純物ドープによる半絶縁性の電流ブロック層は、発光素子を機能させるのに十分な電流ブロック効果を有しないという問題があった。
【００１５】
本発明は以上の課題に鑑み、高い絶縁性を有し信頼性に優れた電流ブロック層を形成して、発光特性と省電力性に優れた半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ＺｎＯ系半導体を含むｐｎ接合で構成される電流ブロック領域のイオン化不純物濃度を特定の範囲内とすることにより、電流ブロック効果と発光素子機能の信頼性を両立して改善することが出来ることを見い出し本発明に至った。
【００１７】
すなわち、本発明の第１の酸化物半導体発光素子は、ＺｎＯ系半導体を含んで構成された半導体発光素子であって、逆バイアスされたｐｎ接合によって電流をブロックする構造を有し、前記逆バイアスされたｐｎ接合の電流ブロック領域が５×１０１７〜５×１０２０ｃｍ−３のイオン化不純物濃度を有することを特徴とする。
【００１８】
電流ブロック領域のイオン化不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上であれば、逆バイアス時の空乏層広がりを抑制し、素子機能の低下を抑止出来る。また、５×１０２０ｃｍ−３以下であれば、結晶性悪化によるリーク電流や光吸収損失の増大を抑止出来る。これらのことにより、信頼性と省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
【００１９】
なお、ここで「電流ブロック領域」とは、電流ブロック層のみならず、これと接して空乏層を形成する逆導電型の半導体層をも含むものとする。具体的には、例えばリッジ型半導体レーザ素子の場合には、ｎ型電流ブロック層およびこれと接するｐ型クラッド層の層平面に平行な接合界面が電流ブロック領域を形成する。また、「電流ブロック領域」は、上記の例ではｎ型電流ブロック層およびｐ型クラッド層全体では無く、空乏層を形成して電流をブロックする界面領域のみを指すものとする。よって、ｎ型電流ブロック層内でイオン化不純物濃度が傾斜を持つような場合でも、「電流ブロック領域」が前記所定範囲のイオン化不純物濃度を有していれば効果を奏する。
【００２０】
また、本発明の第２の酸化物半導体発光素子は、基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体を含んで構成されるｎ型クラッド層、誘導放出光を放射する活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層および前記ｐ型クラッド層に接するｎ型電流ブロック層を備え、前記ｎ型電流ブロック層界面を含む電流ブロック領域が５×１０１７〜５×１０２０ｃｍ−３のイオン化不純物濃度を有することを特徴とする。
【００２１】
ＺｎＯ系半導体レーザ素子の電流ブロック領域におけるイオン化不純物濃度を前記所定の範囲とすることにより、逆バイアスによる電圧降伏や寄生容量の増大を防ぎ、また不純物吸収による損失増大を防止して、安定なレーザ動作を実現出来る。
【００２２】
また、本発明の第３の酸化物半導体発光素子は、基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体を含んで構成されるｎ型クラッド層、自然放出光を放射する発光層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を備え、前記ｐ型クラッド層、前記ｐ型コンタクト層内の少なくともいずれかに島状のｎ型電流ブロック層が形成され、前記ｎ型電流ブロック層界面を含む電流ブロック領域が５×１０１７〜５×１０２０ｃｍ−３のイオン化不純物濃度を有することを特徴とする。
【００２３】
ＺｎＯ系発光ダイオード素子の電流ブロック領域におけるイオン化不純物濃度を前記所定の範囲とすることにより、逆バイアスによる電圧降伏を防ぎ、また不純物吸収による損失増大を防止して、信頼性の安定な発光ダイオード素子を実現出来る。
【００２４】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型電流ブロック層に接して逆バイアスされるｐ型半導体層のイオン化不純物濃度が、前記ｎ型電流ブロック層よりも高い。
【００２５】
ＺｎＯ系半導体は低抵抗なｐ型層が得られにくく、ｐ型層側へも空乏層が広がりやすい。半導体レーザ素子などにおいては、ｎ型電流ブロック層界面に接するｐクラッド層厚は放射角制御のため通常０．１μｍ程度かそれ以下に設定されるため、活性層近傍にまで空乏層が広がると、電流降伏を生じやすくなる。電流ブロック層に隣接するｐ型層のイオン化不純物濃度が高いことにより、ｐ型層に空乏層が大きく広がるのを防止して、信頼性の高い発光素子を実現出来る。
【００２６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型電流ブロック層に接してイオン化不純物濃度が前記ｎ型電流ブロック層よりも高いｐ型エッチングストップ層が形成されている。
【００２７】
イオン化不純物濃度の高いエッチングストップ層が設けられていることにより、ｐ型ＺｎＯ系半導体で構成されるクラッド層側へ空乏層が広がるのを防止出来る。
【００２８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型電流ブロック層に接しているｐ型半導体層が、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、ＩＩＩ族窒化物、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓのいずれかを含んで構成されている。
【００２９】
前記所定の半導体材料は、ＺｎＯ系半導体よりも高い濃度にアクセプタ不純物をドープすることが可能であり、ｐ型ＺｎＯ系半導体で構成されるクラッド層側へ空乏層が広がるのを防止出来る。
【００３０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型電流ブロック層に接しているｐ型半導体層が、アクセプタ不純物としてＮ、ＬｉあるいはＡｇの少なくとも一種以上を含むＺｎＯ系半導体をＺｎＯ系半導体を含んで構成されている。
【００３１】
ｐ型ＺｎＯ系半導体に前記所定のアクセプタ不純物を用いると、活性化率が高いので所望のイオン化不純物濃度を得るのにドープする量が少なくて済み、結晶欠陥や不純物吸収などを生じにくい。よって、信頼性の高い発光素子を実現出来る。
【００３２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型電流ブロック層が、ドナー不純物としてＧａ、ＡｌあるいはＩｎの少なくとも一種以上を含むＺｎＯ系半導体を含んで構成されている。
【００３３】
ｎ型ＺｎＯ系半導体に前記所定のドナー不純物を用いると、活性化率が高いので所望のイオン化不純物濃度を得るのにドープする量が少なくて済み、結晶欠陥や不純物吸収などを生じにくい。よって、信頼性の高い発光素子を実現出来る。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って具体的に説明する。
【００３５】
（実施形態１）
本実施形態では、リッジストライプ型のＺｎＯ系半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示す。
【００３６】
図１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。
【００３７】
本実施形態の半導体レーザ素子１００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０．１μｍのＺｎＯバッファ層１０２、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１×１０１８ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層１０７、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ１．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０８、および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１０９が積層されている。
【００３８】
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井戸層層とが交互に積層されている。
【００３９】
ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０８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厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層１１０によって埋め込まれている。
【００４０】
ｎ型ＺｎＯ基板１０１の下には、ｎ型オーミック電極１１１が形成され、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８からｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１０の主表面にかけては、ｐ型オーミック電極１１２が形成されている。
【００４１】
本発明の半導体発光素子は、逆バイアスされたｐｎ接合の電流ブロック領域が５×１０１７〜５×１０２０ｃｍ−３のイオン化不純物濃度を有する点に特徴を有している。
【００４２】
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、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、本実施形態の半導体レーザ素子１００は、原料ターゲットを高出力レーザパルスでアブレーションし蒸発させることにより、ターゲット原料成分を基板上に堆積させて薄膜成長するレーザ分子線エピタキシー（レーザＭＢＥ）法で形成した。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好ましい。
【００４３】
本実施形態の半導体レーザ素子に電流を流したところ、閾値電流３５ｍＡで端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られ、出力５ｍＷにおける動作電流および動作電圧は各々４０ｍＡおよび４Ｖであった。微分効率（駆動電流に対する光出力の変化率）は１Ｗ／Ａで、出力２０ｍＷまでキンクは発生しなかった。また、室温で出力５ｍＷの連続発振動作において、５０００時間以上動作電流が上昇せず安定に発振した。
【００４４】
比較例１として、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１０のＧａドープ濃度を１×１０１７ｃｍ−３としたところ、発振閾値電流が４５ｍＡに増大し、キンクレベルは１０ｍＷに低下した。
【００４５】
比較例２として、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１０のＧａドープ濃度を１×１０２１ｃｍ−３としたところ、発振閾値電流が５５ｍＡに増大した。またレーザ駆動後１０時間程度で動作電流が増大し始め、２４時間後に初期動作電流より２０％増大した。
【００４６】
比較例３として、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層１０７のＮドープ濃度を１×１０１７ｃｍ−３としたところ、キンクレベルは１５ｍＷに低下した。
【００４７】
このような結果が得られた理由は以下のように考えられる。
【００４８】
図２に、電流ブロック層の空乏層幅および半導体レーザ素子の発振閾値電流と、電流ブロック層のＧａドープ濃度の関係を示す。
【００４９】
電流ブロック層のＧａドープ濃度が低いと、バイアス電圧によって空乏層が大きく広がり、この空乏層領域にバイアス電圧が集中するので、電界強度が高くなる。このため、結晶や界面の欠陥部分から電圧降伏が生じ、電流ブロック機構が働かなくなったものと考えられる。このような状態では駆動電流を増大させても光出力が増大せず、キンクレベルが低下したものと考えられる。このような問題を生じないようにするには、電流ブロック層にＧａを高濃度にドープして空乏層広がりを抑制することが有効であり、図２から空乏層幅がほぼ０．０５μｍ以下、すなわちＧａドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上であれば好ましい。
【００５０】
一方、電流ブロック層１１０のＧａドープ濃度が高くても、発振閾値電流は増大する。これは、不純物吸収による損失増大が原因であると考えられ、Ｇａドーピング濃度は５×１０２０ｃｍ−３以下が好ましい。
【００５１】
なお、前記の考察は、電流ブロック層１１０と接してｐｎ逆接合による空乏層を形成しているｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層１０７についても同様に適用され、イオン化不純物濃度がドーピング濃度とほぼ等しいとすると、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層１０７は５×１０１７〜５×１０２０ｃｍ−３の間でＮドープ濃度を調整することが好ましい。
【００５２】
ｐ型第１クラッド層の厚さは、半導体レーザ素子の放射角に与える影響が大きく、通常０．１μｍ程度かそれ以下に設定される。ｐ型第１クラッド層で空乏層が大きく広がり、注入キャリアおよび光エネルギーの密度が大きな活性層近傍に達すると、電圧降伏によって素子特性が悪化する可能性が高い。従って、ｐ型クラッド層側への空乏層広がりは、ｎ型電流ブロック層の場合よりも更に抑制される必要があり、イオン化不純物濃度が、前記ｎ型電流ブロック層よりも高いことが好ましい。
【００５３】
ｐ型ＺｎＯ系半導体層のアクセプタ不純物としては、Ｉ族およびＶ族元素を用いることが出来るが、ＺｎＯ系半導体はアクセプタ不純物を高濃度にドープすることが困難なため、ドーピングした不純物が格子位置に置換されずアクセプタとして働かない場合がある。このような問題を避けるためには、活性化率の高いアクセプタ不純物を選択することが重要であり、Ｎ、ＬｉあるいはＡｇをアクセプタ不純物として含むＺｎＯ系半導体をｐ型クラッド層に用いることが好ましい。
【００５４】
ｎ型ＺｎＯ系半導体層のドナー不純物についても同様に活性化率の高い不純物を選択することが重要であり、Ｇａ、ＡｌあるいはＩｎをドナー不純物として含むＺｎＯ系半導体をｎ型電流ブロック層に用いることが好ましい。
【００５５】
（実施形態２）
本実施形態では、自己整合（ＳＡＳ）型のＺｎＯ系半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示す。
【００５６】
図３は本実施形態のＳＡＳ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子２００の構造斜視図である。
【００５７】
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２０１上に、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのＺｎＯバッファ層２０２、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１×１０１８ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層２０６、Ｎドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層２０７、Ｍｇドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３で厚さ１０ｎｍのＧａＮエッチングストップ層２０８、およびＧａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９が積層されている。
【００５８】
量子井戸活性層２０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層２層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層層とが交互に積層されている。
【００５９】
ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９には、エッチングによってチャネルストライプが形成され、チャネルストライプ内からｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９上面にかけて、Ｎドーピング濃度が５×１０１９ｃｍ−３で厚さ１．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層２１０およびＮドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層２１１が形成されている。
【００６０】
ｎ型ＺｎＯ基板２０１の下には、ｎ型オーミック電極２１２が形成され、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２１１上には、ｐ型オーミック電極２１３が形成されている。
【００６１】
本実施形態においては、チャネルストライプを形成する際の歩留まりを向上させるため、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層２０９とｐ型ＭｇＺｎＯ第１クラッド層２０７の間にｐ型ＧａＮエッチングストップ層２０８を挿入した。また、チャネルストライプ外においてｐ型ＧａＮエッチングストップ層２０８とｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層２０９の界面が電流ブロック領域となるので、空乏層広がりを抑制するために、ｐ型ＧａＮエッチングストップ層２０８にＭｇアクセプタを高濃度にドーピングした。
【００６２】
本実施形態の半導体レーザ素子に電流を流したところ、閾値電流３５ｍＡで端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られ、出力５ｍＷにおける動作電流および動作電圧は各々４０ｍＡおよび４Ｖであった。また、室温で出力５ｍＷの連続発振動作において、５０００時間以上動作電流が上昇せず安定に発振した。また、出力３０ｍＷまでキンクは発生しなかった。
【００６３】
本実施形態において、キンクレベルが実施形態１よりも向上したのは、アクセプタ不純物を高濃度にドープ出来るエッチングストップ層２０８を挿入したためと考えられ、このようなエッチングストップ層の材料として、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、ＩＩＩ族窒化物、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓが好ましい。
【００６４】
（実施形態３）
本実施形態では、ＺｎＯ系発光ダイオード素子に本発明を適用した例を示す。
【００６５】
図４は本実施形態の発光ダイオード素子３００の構造斜視図である。
【００６６】
本実施形態の発光ダイオード素子３００は、亜鉛面を主面とするｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１上に、Ｇａを３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３０２、ノンドープで厚さ０．５μｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層３０３、Ｍｇドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３で厚さ１０ｎｍのｐ型ＧａＮエッチングストップ層３０４、Ｎを１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ１．０μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３０５、およびＮを１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層３０６が積層されている。
【００６７】
ｐ型ＧａＮエッチングストップ層３０４とｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３０５の間には、Ｇａを１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ１０ｎｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３０７が島状に形成されている。
【００６８】
ｐ型コンタクト層３０６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３０９が積層され、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３０７直上のｐ型オーミック電極３０９上には、厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極３１０が、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３０７とほぼ同じ面積で形成されている。ＺｎＯ基板３０１の裏面には、ｎ型オーミック電極３０８として厚さ１００ｎｍのＡｌが積層されている。
【００６９】
本実施形態の発光ダイオード素子は、パッド電極直下の発光層はｎ型電流ブロック層３０７によってキャリア注入が阻止されるため、主に素子周辺部で発光し、光取り出し効率が高い。
【００７０】
本実施形態の発光ダイオード素子に電流を流したところ、動作電圧３．７Ｖで２０ｍＡの電流が流れ、波長４００ｎｍの青色発光が得られた。また、電流−光出力特性は６０ｍＡの動作電流まで一定の変化率を保って光出力が増大した。
【００７１】
一方、比較例としてｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３０７のＧａドープ濃度を１×１０１７ｃｍ−３としたところ、動作電流が４０ｍＡで電圧降伏して素子中央部にも電流が流れ、光取り出し効率が悪化して光出力が１／２に低下した。
【００７２】
このように、本発明の電流ブロック構造は発光ダイオード素子に適用した場合にも信頼性の高い電流ブロック効果を奏する。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の酸化物半導体発光素子によると、ＺｎＯ系半導体を含んで構成された半導体発光素子において、逆バイアスされたｐｎ接合によって電流をブロックする構造を有し、前記逆バイアスされたｐｎ接合の電流ブロック領域を構成する半導体層が５×１０１７〜５×１０２０ｃｍ−３のイオン化不純物濃度を有するようにしたので、逆バイアス時の空乏層広がりを抑制すると共に結晶性悪化によるリーク電流や光吸収損失の増大を抑止出来、信頼性と省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１のリッジ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の構造斜視図である。
【図２】電流ブロック層の空乏層幅および発振閾値電流と電流ブロック層Ｇａドープ濃度の関係を示す図である。
【図３】実施形態２のＳＡＳ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の構造斜視図である。
【図４】実施形態３のＺｎＯ系発光ダイオード素子の構造斜視図である。
【符号の説明】
１００  リッジ型半導体レーザ素子
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第１クラッド層
１０８  ｐ型ＭｇＺｎＯ第２クラッド層
１０９  ｐ型ＺｎＯコンタクト層
１１０  ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層
１１１  ｎ型オーミック電極
１１２  ｐ型オーミック電極
２００  ＳＡＳ型半導体レーザ素子
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第１クラッド層
２０８  ｐ型ＧａＮエッチングストップ層
２０９  ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層
２１０  ｐ型ＭｇＺｎＯ第２クラッド層
２１１  ｐ型ＺｎＯコンタクト層
２１２  ｎ型オーミック電極
２１３  ｐ型オーミック電極
３００  発光ダイオード素子
３０１  ＺｎＯ基板
３０２  ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
３０３  ＣｄＺｎＯ発光層
３０４  ｐ型ＧａＮエッチングストップ層
３０５  ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
３０６  ｐ型ＺｎＯコンタクト層
３０７  ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層
３０８  ｎ型オーミック電極
３０９  ｐ型オーミック電極
３１０  パッド電極
【図１】
2005026493.tif 000005
【図２】
2005026493.tif 000006
【図３】
2005026493.tif 000007
【図４】
2005026493.tif 000008