(57)【要約】【課題】発光の効率と発光の均一性に優れ、低電圧で動作する酸化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】このＺｎＯ半導体発光ダイオード素子１０では、サファイア基板１上にｉ型ＺｎＯ発光層２、ｎ型ＺｎＯ層３が順に積層され、ｎ型ＺｎＯ層３上にｎ型のＩＴＯ透明導電膜４が形成されている。この発光ダイオード素子１０の積層構造によれば、バイアス電圧を印加しても電位障壁がキャリア注入を阻害せず、ｉ型ＺｎＯ発光層２へ高効率にキャリアを注入できる。また、従来例のような異種半導体材料とのヘテロ接合ではなく、ｉ型ＺｎＯ発光層２とｎ型ＺｎＯ層３とのＺｎＯ系半導体によるホモ接合でｐｎ界面を形成しているので、ホール注入効率が高い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、順に、ｉ型またはｐ型の導電型を有するＺｎＯ系半導体発光層と、ｎ型ＺｎＯ系半導体層とが、少なくとも積層され、上記ｎ型ＺｎＯ系半導体層上にｎ型の透明導電膜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２】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ＺｎＯ系半導体発光層は上記ｎ型ＺｎＯ系半導体層と接しており、上記ｎ型ＺｎＯ系半導体層のバンドギャップは、上記ＺｎＯ系半導体発光層のバンドギャップよりも大きい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に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板と上記ＺｎＯ系半導体発光層の間に、ｐ型半導体層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４】
請求項３に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板と上記ＺｎＯ系半導体発光層の間に形成された上記ｐ型半導体層のバンドギャップは、上記ＺｎＯ系半導体発光層のバンドギャップよりも大きい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１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板が絶縁体基板であり、上記ＺｎＯ系半導体発光層の一部が露出部を有し、上記露出部上に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６】
請求項３に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板が絶縁体基板であり、上記ｐ型半導体層の一部が露出部を有し、上記露出部上に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７】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板がｎ型の導電性基板であり、上記ｎ型の透明導電膜が上記ｎ型の導電性基板と電気的に接続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８】
請求項７に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｎ型の導電性基板がＺｎＯ基板であ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１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ＺｎＯ系半導体発光層が量子井戸構造であ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１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ｎ型の透明導電膜が、ＩｎあるいはＳｎの少なくともいずれかを含む縮退半導体であ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】
この発明は、発光の効率と均一性に優れ、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、また原材料が安価であり、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できる可能性がある。
なお、以下の記述において、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。
【０００３】
ＺｎＯ系半導体では、アクセプタドーピングによって自己補償効果が強く生じるため、ｐ型伝導およびその導電率制御は極めて困難である。このため、現在、この材料を用いた実用的な発光素子としては、ＭＩＳ構造（ｍｅｔａｌ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の青紫色発光ダイオードが知られており、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ．９．Ｎｏ．１６．ｐ３６２（１９７３）や、ＪＪＡＰ（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ）Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．９．ｐ１４７５（１９７４）には、ＺｎＯ基板上に酸化硅素絶縁膜および金属電極を積層した構造を用いて、室温で青紫色に相当するキャリア注入による発光を得た旨が発表されている。
【０００４】
また、国際特許ＷＯ００−１６４１１号には、ｎ型ＺｎＯ系半導体層の上に、半絶縁性のｉ型ＺｎＯ系半導体層および導電層を積層する技術が開示されている。この技術によると、Ｌｉなどのｐ型不純物を高濃度にドープすることによって、ｉ型ＺｎＯを作製してＭＩＳ構造とすることにより、小さい電流で高出力な発光を得ることができる。
【０００５】
一方、ｎ型ＺｎＯ系半導体と異種のｐ型半導体によってｐｎ接合を形成した発光素子についても提案されており、上記国際特許ＷＯ００−１６４１１号や特開２００２−２２２９９１号には、ｐ型ＧａＮ系半導体を用いて、ｐｎ接合型発光素子を作製する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
国際公開第００／１６４１１号パンフレット
【特許文献２】
特開２００２−２２２９９１号公報
【特許文献３】
特許第３２０９２３３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術の示すところに従って、半絶縁性のｉ型ＺｎＯ系半導体層上に透明導電層を形成しても、十分な電流広がりが得られないことがわかった。
【０００８】
また、透明導電層の代りに、光透過性の高い極薄のオーミック電極を発光素子の主表面全面に形成したところ、電流広がりは改善されるが、電極金属が薄いため接触抵抗が増大し、動作電圧の上昇とこれに伴う信頼性の低下という問題が生じた。
【０００９】
さらに、ｐ型ＧａＮ半導体とｎ型ＺｎＯ半導体によるｐｎ接合型発光素子においても、十分な発光強度は得られなかった。その理由として、ＧａＮとＺｎＯで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ことが考えられる。また、上記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多数の界面準位が存在し、これが発光層へのホール注入効率を大きく低下させると考えられる。
【００１０】
そこで、この発明の目的は、以上の課題に鑑み、発光の効率と発光の均一性に優れ、低電圧で動作する酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ｉ型あるいはキャリア濃度の低いｐ型ＺｎＯを用いても、高い発光効率と電流広がりの均一性を実現できる素子構造を鋭意検討した結果、ｉ型発光層（もしくはｐ型発光層）／ｎ型ＺｎＯ系半導体層／透明導電膜という順序で積層することにより目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【００１２】
すなわち、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に、順に、ｉ型またはｐ型の導電型を有するＺｎＯ系半導体発光層と、ｎ型ＺｎＯ系半導体層とが、少なくとも積層され、上記ｎ型ＺｎＯ系半導体層上にｎ型の透明導電膜が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
ｎ型の縮退半導体である透明導電膜を、低抵抗化が可能なｎ型ＺｎＯ系半導体層上に形成することにより、バイアス電圧を印加しても電位障壁がキャリア注入を阻害せず、ＺｎＯ系半導体発光層へ高効率にキャリアを注入することができる。また、上記従来例のような異種半導体材料とのヘテロ接合ではなく、ＺｎＯ系半導体によるホモ接合でｐｎ界面を形成しているので、ホール注入効率が高い。さらに、電流広がりを補うため極薄の透明電極を形成する必要が無く、十分低抵抗なオーミック電極を得ることができる。
【００１４】
これらのことにより、本発明によれば、発光が高効率、かつ、発光が均一で動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を実現できる。なお、ｉ型とは、通常は、真性半導体を指すが、ここでは真性半導体と同程度のキャリア濃度あるいは抵抗率を有する半導体と定義する。
【００１５】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＺｎＯ系（酸化亜鉛系）半導体発光層は上記ｎ型ＺｎＯ系半導体層と接しており、上記ｎ型ＺｎＯ系半導体層のバンドギャップは、上記ＺｎＯ系半導体発光層のバンドギャップよりも大きい。
【００１６】
この実施形態では、ｎ型ＺｎＯ系半導体層は、ＺｎＯ系半導体発光層と接する領域でバンドギャップが大きいことにより、クラッド層として機能する。この場合、いわゆるシングルヘテロ構造となり、上記ＺｎＯ系半導体発光層への高効率なキャリア閉じ込めを容易に実現でき、高輝度な発光素子を実現できる。なお、ｎ型ＺｎＯ系半導体層は、複数の層より成る積層構造であってもよい。
【００１７】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板と上記ＺｎＯ系半導体発光層の間に、ｐ型半導体層が形成されている。
【００１８】
この実施形態では、ＺｎＯ系半導体発光層に接して、ｐ型半導体層を設けることにより、ＺｎＯ系半導体発光層へのホール注入効率を飛躍的に向上できる。
【００１９】
上記ｐ型半導体層としては、低抵抗なｐ型半導体層、例えば、ＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体やＣｄＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いることができる。
【００２０】
この構造では、発光に寄与するｐｎ界面はＺｎＯ系半導体のみで構成されているから、バンド不連続や界面準位が存在しない。一方、ＺｎＯ系半導体発光層は、上記ｐｎ界面とは反対側で、ｐ型半導体層に接しており、このｐ型半導体層は、ＺｎＯ系半導体発光層へのホール注入にのみ寄与する。したがって、発光効率を損なうこと無く、ホールを高効率に注入することが可能となる。
【００２１】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板と上記ＺｎＯ系半導体発光層の間に形成された上記ｐ型半導体層のバンドギャップは、上記ＺｎＯ系半導体発光層のバンドギャップよりも大きい。
【００２２】
この実施形態では、上記ｐ型半導体層のバンドギャップが上記ＺｎＯ系半導体発光層のバンドギャップよりも大きいから、上記ｐ型半導体層がクラッド層として機能する。これにより、シングルヘテロ構造あるいはダブルヘテロ構造の発光素子を実現できる。したがって、さらに高効率なキャリア閉じ込めを実現できる。
【００２３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板が絶縁体基板であり、上記ＺｎＯ系半導体発光層の一部が露出部を有し、上記露出部上に電極が形成されている。
【００２４】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板が絶縁体基板であり、上記ｐ型半導体層の一部が露出部を有し、上記露出部上に電極が形成されている。
【００２５】
上記実施形態では、上記基板を、サファイア、スピネル（尖晶石）、ＬｉＧａＯ２あるいはＮａＡｌＯ２などの絶縁体基板とした。これにより、光透過性に優れ、高い発光効率を有する酸化物半導体発光素子を低コストで実現できる。また、上記露出部上に電極が形成されている所定の構造によれば、絶縁性基板を採用しても、電極を容易に形成でき、動作電圧の上昇を防ぐことができる。
【００２６】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板がｎ型の導電性基板であり、上記ｎ型の透明導電膜が上記ｎ型の導電性基板と電気的に接続されている。
【００２７】
この実施形態では、上記基板がｎ型の導電性基板であり、このｎ型の導電性基板とｎ型の透明導電膜とが電気的に接続されていることにより、上記ｎ型の導電性基板の裏面からｎ型の電極を取り出すことができる。さらに、この実施形態の構造によれば、ＺｎＯ系半導体発光層とｎ型の導電性基板との接合面、および、ＺｎＯ系半導体発光層とｎ型ＺｎＯ系半導体層との接合面の両接合面を発光領域とすることができ、発光効率が飛躍的に向上する。
【００２８】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ｎ型の導電性基板がＺｎＯ基板である。
【００２９】
この実施形態では、上記ｎ型の導電性基板がＺｎＯ基板である。このＺｎＯ基板は、ＺｎＯ系半導体エピタキシャル層との親和性に最も優れ、極めて結晶性の高い高効率な発光素子を実現できる。
【００３０】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＺｎＯ系半導体発光層が量子井戸構造である。
【００３１】
この実施形態では、上記ＺｎＯ系半導体発光層が量子井戸構造である。この量子井戸発光層は、発光効率が高くキャリア閉じ込めに優れるので、高輝度な発光素子を実現できる。
【００３２】
また、一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ｎ型の透明導電膜が、ＩｎあるいはＳｎの少なくともいずれかを含む縮退半導体である。
【００３３】
この実施形態では、上記ｎ型の透明導電膜が、例えばＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）などの透明導電膜であり、縮退したｎ型半導体であるので、低抵抗でｎ型ＺｎＯ系半導体層との親和性に優れ、十分な電流広がりを確保できる。これにより、動作電圧が低く光取り出し効率の高い発光素子を実現できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態に基いて詳細に説明する。
【００３５】
（第１の実施形態）
図１は、この発明の第１実施形態であるＺｎＯ発光ダイオード素子１０の構造断面図である。
【００３６】
この第１実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子１０は、ｃ面（０００１）を主面とするサファイア基板１上に、Ｎを１×１０１９ｃｍ−３でドープして半絶縁化した厚さ５０ｎｍのｉ型ＺｎＯ発光層２と、Ｇａを３×１０１８ｃｍ−３でドープした厚さ５００ｎｍのｎ型ＺｎＯ層３と、厚さ１μｍのＩＴＯ透明導電膜４が順に積層されている。上記ｎ型ＺｎＯ層３がｎ型ＺｎＯ系半導体層であり、上記ＩＴＯ透明導電膜４はｎ型の透明導電膜である。また、上記ｉ型ＺｎＯ発光層２は、ＺｎＯ系半導体発光層である。
【００３７】
上記ｎ型ＺｎＯ層３およびＩＴＯ透明導電膜４は、一部がエッチングされ、露出したｉ型ＺｎＯ発光層２の露出部２Ａの上面２Ａ−１上には、ｐ型オーミック電極５として厚さ５０ｎｍのＮｉが積層され、このｐ型オーミック電極５上にはパッド電極６として厚さ１μｍのＡｕが積層されている。
【００３８】
一方、上記ＩＴＯ透明導電膜４上には、ｎ型電極７として厚さ１μｍのＡｌが、ＩＴＯ透明導電膜４の上面４Ａよりも小さい面積で形成されている。
【００３９】
この第１実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子１０は、サファイア基板１，ｉ型ＺｎＯ発光層２，ｎ型ＺｎＯ層３，ＩＴＯ透明導電膜４という積層順序で形成した酸化物半導体発光素子である。
【００４０】
この第１実施形態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できる。
【００４１】
この第１実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子１０は、結晶成長をレーザ分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で行った。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できるので特に好ましい。
【００４２】
また、この第１実施形態では、ＩＴＯ透明導電膜４およびｎ型電極７，ｐ型電極５はスパッタリングによって形成したが、他に、真空蒸着、電子ビーム蒸着、レーザアブレーションなどの手法によっても同様に形成できる。
【００４３】
上述のごとく作製した半導体積層体をチップ状に分離して、この第１実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子１０とした。このＺｎＯ発光ダイオード素子１０のパッド電極６およびｎ型電極７を、リードフレーム（図示しない）にボンディングした後、樹脂でモールドした。このＺｎＯ発光ダイオード素子１０に電流を流したところ、４．０Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長３８０ｎｍの紫外発光が得られた。
【００４４】
一方、この第１実施形態に対する比較例として、ｉ型ＺｎＯ発光層２とｎ型ＺｎＯ層３の積層順を、この第１実施形態とは逆にして、ｎ型ＺｎＯ層３の一部を露出させてＡｌ電極を形成した他は、この第１実施形態と同様にして発光ダイオード素子を作製した。この比較例をリードフレームに実装して発光させたところ、２０ｍＡの動作電流を得るための駆動電圧は１５Ｖに達し、発光強度はこの第１実施形態の１０％程度であった。
【００４５】
上記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。
【００４６】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に、この第１実施形態における無バイアス時および順バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示し、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に、上記比較例における無バイアスおよび順方向バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示す。
【００４７】
図２（Ａ）に示すように、ＩＴＯ透明導電膜４をなすＩＴＯは、室温でバンドギャップが３．７５ｅＶの縮退したｎ型半導体であり、ｉ型ＺｎＯ発光層２をなすＺｎＯ（酸化亜鉛）は室温でバンドギャップ３．３７ｅＶの半導体である。このＺｎＯは、不純物ドーピングによってｎ型伝導を示す場合（ｎ−ＺｎＯ）には、フェルミ準位Ｅｆは伝導帯下端Ｅｃから数１０ｍｅＶの浅い準位に位置し、半絶縁性の場合（ｉ−ＺｎＯ）にはフェルミ準位Ｅｆはほぼミッドギャップに位置する。
【００４８】
この第１実施形態のｉ型ＺｎＯ発光層２／ｎ型ＺｎＯ層３／ＩＴＯ透明導電膜４の積層構造に、順方向バイアス電圧（ｉ型ＺｎＯ発光層２側が正、ＩＴＯ透明導電膜４側が負である）を印加すると、図２（Ｂ）に示すように、ｉ型ＺｎＯ発光層２とｎ型ＺｎＯ層３の間の電位障壁が下がり、ＩＴＯ透明導電膜４から注入された電子はｉ型ＺｎＯ発光層２の正孔と結合することができる。
【００４９】
ところが、上記比較例のような、ｎ型ＺｎＯ層３／ｉ型ＺｎＯ発光層２／ＩＴＯ透明導電膜４の積層構造では、バンドラインナップはｎｐｎ接合と同様になるため、図３（Ａ）に示すように、ｉ型ＺｎＯ発光層２の両接合面に電位障壁が存在する。すなわち、図３（Ｂ）に順方向バイアスを印加した一例を示す如く、バイアス電圧をいずれの方向に印加しても、ｉ型ＺｎＯ発光層２の片側の電位障壁は更に高くなって、キャリアの注入拡散が阻害されてしまう。このことにより、上記比較例の発光ダイオード素子は、本実施形態に比べて動作電圧が高くなり、発光強度が低くなったと考えられる。
【００５０】
以上に示したように、この第１実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子１０によれば、発光層をｉ型ＺｎＯ発光層２とした構造によって、高い発光効率と電流広がりの均一性を実現できる。
【００５１】
なお、この第１実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子１０では、発光層を、半絶縁化したｉ型ＺｎＯ発光層２としたが、発光層としてキャリア濃度の低いｐ型ＺｎＯを用いてもよい。この低いキャリア濃度とは、一例として、１×１０１７ｃｍ−３程度である。
ｐ型ＺｎＯは自己補償効果のために低抵抗化が難しく、十分な電流広がりが得られにくいが、ｐ型ＺｎＯ発光層２上にｎ型ＺｎＯ層３を積層するという積層構造と、この積層構造上にＩＴＯ透明導電膜４を形成した構成にすれば、光取り出し効率を大幅に向上できる。
【００５２】
また、ＺｎＯ発光層２をｉ型化あるいはｐ型化するの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できる。特に、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。
【００５３】
なお、上記実施形態では、ｉ型ＺｎＯ発光層２の層厚を５０ｎｍとしたが、このｉ型ＺｎＯ発光層２の層厚が１０ｎｍよりも薄いとキャリアオーバーフローや非発光再結合が増大する。また、ｉ型ＺｎＯ発光層２の層厚が、１μｍを超えると発光強度が飽和し、動作電圧が上昇するので、ＺｎＯ発光層２の層厚は１０ｎｍ〜１μｍの範囲内に設定することが好ましい。
【００５４】
また、ｎ型ＺｎＯ層３にドーピングするドナー不純物としては、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどを用いることができるが、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。
【００５５】
また、この第１実施形態では、基板としてサファイア基板１を備えたが、基板の材料としては、それ以外にも、スピネルやＬｉＧａＯ２、ＮａＡｌＯ２などの絶縁性基板を用いてもよい。また、上記基板として異種基板を用いる場合は、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。
【００５６】
また、ｉ型（あるいはｐ型）ＺｎＯ層２上に形成するｐ型オーミック電極５の材料としては、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどを用いることができるが、中でも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。さらには、上記ｐ型オーミック電極５を、上記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００５７】
また、良好なオーミック特性を有するｐ型オーミック電極５の電極厚みとしては、５〜２００ｎｍの範囲が好ましく、３０〜１００ｎｍの範囲が更に好ましい。
【００５８】
このｐ型オーミック電極５を形成した後にアニール処理を行うと、ｉ型（あるいはｐ型）ＺｎＯ発光層２に対する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。このＺｎＯ発光層２の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、この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、上記アニール処理の雰囲気をＮ２にした場合、上記接触抵抗は逆に増大する。
【００５９】
また、ｐ型オーミック電極５上に形成するパッド電極６の材料としてはボンディングが容易でｉ型（あるいはｐ型）ＺｎＯ発光層２中へ拡散してもドナー不純物とならないＡｕが好ましい。なお、ｐ型オーミック電極５とパッド電極６との間の密着性を向上させる目的や光反射性を向上させる目的で、ｐ型オーミック電極５とパッド電極６の間に別の金属層を介在させてもよい。
【００６０】
また、ＩＴＯ透明導電膜４上に形成するｎ型電極７としては、低抵抗かつ形状加工性に優れ、安価なＡｌあるいはＡｕを含んだ合金が好ましい。
【００６１】
なお、この第１実施形態では、Ａｌで作製したｎ型電極７の厚さを１μｍとして厚く形成したので、ｎ型電極７にパッド電極は設けなかったが、ｎ型電極が１μｍより薄い場合などはワイヤボンディングを容易に行うためにパッド電極を設けることが好ましい。
【００６２】
但し、Ａｌで作製したｎ型電極７に対して、Ａｕを含む金属をパッド電極として用いると、ＡｌとＡｕが合金化し、接触抵抗の増大に加えて電極の機械強度が著しく低下するので好ましくない。したがって、Ａｕを含む金属をパッド電極として用いる場合には、Ｔｉ、ＣｒやＴａなどでｎ型電極を作製することが好ましい。
【００６３】
また、この第１実施形態では、ｎ型の透明導電膜を、ＩＴＯで作製したＩＴＯ透明導電膜４としたが、ｎ型の透明導電膜としては、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）およびこれらの複合物で作製したものを用いてもよい。さらに、上記ｎ型の透明導電膜の材料としては、ＺｎＯとＩｎ２Ｏ３の複合物であるＺｎＸＩｎ２ＯＸ＋３（ｘは整数）などを用いてもよい。なお、その他の構成は任意であり、この第１実施形態によって限定されるものではない。
【００６４】
（第２の実施形態）
次に、図４に、この発明の酸化物半導体発光素子の第２実施形態であるＺｎＯ発光ダイオード素子２０を示す。図４は、この第２実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子２０の構造断面図である。
【００６５】
この第２実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子２０は、ｉ型ＺｎＯ発光層２とｎ型ＺｎＯ層３の間に、Ｇａを５×１０１８ｃｍ−３でドープした厚さ５００ｎｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層８を形成した他は、第１実施形態と同様にして発光ダイオード素子２０を作製した。このｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層８は、ｎ型ＺｎＯ層３およびＩＴＯ透明導電膜４と同様に、一部がエッチングされて、ｉ型ＺｎＯ発光層２の上面２Ａが露出している。尚、図４において、第１実施形態と同様の構成要素については同じ符号を用いている。
【００６６】
この第２実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子２０を、第１実施形態と同様にリードフレームに実装して発光させたところ、４．０Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長３８０ｎｍの紫外発光が得られた。また、この第２実施形態では、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層８を形成したことによって、シングルヘテロ構造となり、ｉ型ＺｎＯ発光層２へのキャリア閉じ込め効率が向上したため、第１実施形態に比べて、発光強度が５０％向上した。
【００６７】
（第３の実施形態）
次に、図５に、この発明の第３実施形態を示す。図５は、この第３実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子３０の構造断面図である。この第３実施形態は、以下に述べる構成が前述の第２実施形態と異なる。
【００６８】
この第３実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子３０は、基板として、第２実施形態のサファイア基板１に替えて、ＮａＡｌＯ２基板３１を採用した。また、このＮａＡｌＯ２基板３１をなすＮａＡｌＯ２の（１００）面の上に、Ｍｇを１×１０１９ｃｍ−３でドープした厚さ５００ｎｍのｐ型ＧａＮ層３９を形成した。
【００６９】
また、この第３実施形態では、ＺｎＯ系半導体発光層として、第２実施形態のｉ型ＺｎＯ発光層２に替えて、量子井戸発光層３２を備えた。この量子井戸発光層３２は、厚さ５ｎｍのｉ型ＺｎＯ障壁層と、厚さ５ｎｍのｉ型Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層とが交互に積層された構造を有し、１１層のｉ型ＺｎＯ障壁層と１０層のｉ型Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層を有する量子井戸構造を有する。
【００７０】
この量子井戸発光層３２は、ｎ型ＺｎＯ層３，ＩＴＯ透明導電膜４およびｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層８と同様に、一部がエッチングされて、ｐ型ＧａＮ層３９の露出部３９Ａの上面３９Ａ−１が露出している。また、この第３実施形態では、ｐ型オーミック電極５をｐ型ＧａＮ層３９の露出した上面３９Ａ上に形成した。その他は、第２実施形態と同様にして、第３実施形態の発光ダイオード素子３０を作製した。なお、図５において、第２実施形態と同様の構成要素については同じ符号を用いている。
【００７１】
この第３実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子３０を、第２実施形態と同様にリードフレームに実装して発光させたところ、４．０Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。また、この第３実施形態では、第２実施形態に比べて発光強度が２倍となった。
【００７２】
このように、第３実施形態の発光強度が、第２実施形態の発光強度から２００％増加するという発光強度向上の要因としては、基板としてＧａＮとの格子不整合が極めて小さいＮａＡｌＯ２基板３１を採用して、非発光中心となる結晶欠陥を低減した効果が４０％だけ寄与していた。また、発光層として、量子効率とキャリア閉じ込め効果の高い量子井戸構造の量子井戸発光層３２を採用した効果が１００％だけ寄与し、ｐ型ＧａＮ層３９を形成して発光層への正孔キャリアの注入効率を向上させた効果が６０％だけ寄与していた。
【００７３】
（第４の実施形態）
次に、図６に、この発明の第４実施形態を示す。図６は、この第４実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子４０の構造断面図である。この第４実施形態は、以下に述べる構成が前述の第３実施形態と異なる。
【００７４】
この第４実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子４０は、正孔キャリアの注入効率を向上させるために形成したｐ型ＧａＮ層３９に替えて、ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層４９を備えた点だけが、前述の第３実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子３０を作製した。したがって、図６に示すように、ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層４９の露出層４９Ａの露出面４９Ａ−１にＰ型オーミック電極５，パッド電極６が積層されている。
【００７５】
この第４実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子４０を、第３実施形態と同様にリードフレームに実装して発光させたところ、４．０Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。
【００７６】
また、この第４実施形態では、ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層４９がクラッド層として働いたことによって、ダブルヘテロ構造となり、量子井戸発光層３２へのキャリア閉じ込め効率が更に向上した。したがって、この第４実施形態では、第３実施形態に比べて、発光強度が５０％向上した。
【００７７】
（第５実施形態）
次に、図７に、この発明の第５実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子５０を示す。図７は、このＺｎＯ発光ダイオード素子５０の構造断面図である。この第５実施形態は、以下に述べる点が前述の第３実施形態と異なる。
【００７８】
この第５実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子５０は、基板として、前述の第３実施形態のＮａＡｌＯ２基板３１に替えて、ｎ型ＺｎＯ基板５１を備え、このｎ型ＺｎＯ基板５１の亜鉛面（０００１）の上に、上記ｐ型ＧａＮ層３９を形成した。
【００７９】
また、図７に示すように、この第５実施形態では、ｐ型ＧａＮ層３９，量子井戸発光層３２，ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層８およびｎ型ＺｎＯ層３が、一部エッチングされて、上記ｎ型ＺｎＯ基板５１の亜鉛面（０００１）が上面５１Ａとして露出している。
【００８０】
そして、この第５実施形態では、ｎ型ＺｎＯ層３に形成されたＩＴＯ透明導電膜５４は、ｎ型ＺｎＯ層３，ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層８，量子井戸発光層３２，ｐ型ＧａＮ層３９の側面に沿って延在し、ｎ型ＺｎＯ基板５１の露出した上面５１Ａの上に達する延在部５４Ａを有する。このＩＴＯ透明導電膜５４は、上記延在部５４Ａによって、ｎ型ＺｎＯ基板５１に短絡されている。
【００８１】
さらに、この第５実施形態では、ｎ型電極５７を、ｎ型ＺｎＯ基板５１の裏面に形成した。上述の他は、第３実施形態と同様にして、この第５実施形態の発光ダイオード素子５０を作製した。尚、図７において、第３実施形態と同様の構成要素については、図５と同じ符号を用いている。
【００８２】
チップ状に分離した第５実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子５０を、ｎ型電極５７をＡｇペーストでリードフレーム（図示せず）の一方の部分に取り付け、パッド電極６を上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。このＺｎＯ発光ダイオード素子５０に電流を流したところ、３．８Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。この第５実施形態では、駆動電圧が第４実施形態に比べて低減したのは、ｎ型電極５７の面積が第４実施形態に比べて増大し接触抵抗が低減したためと考えられる。
【００８３】
また、この第５実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子５０は、基板として、ｎ型ＺｎＯ基板５１を備えたので、エピタキシャル層の結晶性が更に向上すると共に、量子井戸発光層３２の両側の接合面Ｐ１，Ｐ２で発光するので、発光効率が大幅に向上し、発光強度は第４実施形態に比べ２倍に向上した。
【００８４】
また、この第５実施形態では、ＩＴＯ透明導電膜５４をエピタキシャル層ＥＰをなすｎ型ＺｎＯ層３，ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層８，量子井戸発光層３２，ｐ型ＧａＮ層３９の側面に沿って、ｎ型ＺｎＯ基板５１に短絡するよう形成した。この構造において、このＩＴＯ透明導電膜５４が、最も広く接しているのは、ｎ型ＺｎＯ層３およびｎ型ＺｎＯ基板５１であるので、他の層（クラッド層８，量子井戸発光層３２，ｐ型ＧａＮ層３９）へのリーク電流は殆んど流れない。なお、ＩＴＯ透明導電膜５４の延在部５４Ａに替えて、ＩＴＯ透明導電膜４とｎ型ＺｎＯ基板５１とをワイヤボンディングなどで直接接続しても勿論よい。
【００８５】
尚、上記第１〜第５の実施形態では、この発明の酸化物半導体発光素子が発光ダイオード素子である例を説明したが、この発明は発光ダイオード素子のみならず、端面発光型および面発光型の半導体レーザ素子にも適用できることは言うまでもない。
【００８６】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の酸化物半導体発光素子では、基板上にｉ型またはｐ型の導電型を有するＺｎＯ系半導体発光層と、ｎ型ＺｎＯ系半導体層がこの順に積層され、上記ｎ型ＺｎＯ系半導体層上にｎ型の透明導電膜が形成されているので、均一な電流広がりを確保できると共に、ホール注入効率を向上することができ、発光が高効率かつ均一で動作電圧の低い酸化物半導体発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態であるＺｎＯ発光ダイオード素子１０の構造断面図である。
【図２】図２（Ａ）は上記第１実施形態における無バイアス時のバンドラインナップを示す図であり、図２（Ｂ）は上記第１実施形態における順バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示す図である。
【図３】図３（Ａ）は上記第１実施形態の比較例における無バイアス時のバンドラインナップを示す図であり、図３（Ｂ）は上記比較例における順方向バイアス電圧印加時のバンドラインナップを示す図である。
【図４】図４は、この発明の第２実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図５】図５は、この発明の第３実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図６】図６は、この発明の第４実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図７】図７は、この発明の第５実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  ｉ型ＺｎＯ発光層
３  ｎ型ＺｎＯ層
４，５４  ＩＴＯ透明導電膜
５  ｐ型オーミック電極
６  パッド電極
７  ｎ型電極
８  ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
９，３９  ｐ型ＧａＮ層
１０、２０、３０、４０  ＺｎＯ発光ダイオード素子
３１  ＮａＡｌＯ２基板
３２  量子井戸発光層
４９  ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層
５１  ｎ型ＺｎＯ基板
【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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