(57)【要約】【課題】酸化亜鉛系半導体からなる発光層を有する発光素子において、該発光層を含むｐｉ接合またはｐｎ接合の接合界面の格子整合性を向上させることによって、発光特性を向上させた発光素子を提供する。【解決手段】酸化亜鉛系半導体からなる発光層と、酸化亜鉛系以外の半導体材料からなるｐ型層と、前記発光層と前記ｐ型層との間に設けられた、ｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛系半導体からなる中間層と、を有することを特徴とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛系半導体からなる発光層と、酸化亜鉛系以外の半導体材料からなるｐ型層と、前記発光層と前記ｐ型層との間に設けられた、ｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛系半導体からなる中間層と、を有することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記ｐ型層は、前記中間層より高いドーパント濃度を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記ｐ型層は、ｐ型酸化ニッケルからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型層の厚さが５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記ｐ型層は、電極層と接していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化亜鉛系半導体を用いた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長発光素子を実現するための技術開発が精力的に進められている。既に短波長発光素子は、ＡｌＧａＩｎＮ系の材料を用いることによって実現されているものの、資源量の少ないＧａやＩｎを用いるため製造コストが高いこと、さらに、約１０００度という高温の製造温度を必要とするなどの課題がある。そこで、これらの課題を解決するための材料として酸化亜鉛（ＺｎＯ）系材料が注目されている。
【０００３】
半導体発光素子は主として、ｐ型半導体及びｎ型半導体から構成される。半導体のバンドギャップに相当するエネルギーの光を効率よく発光させるためには、構成された素子が良好な電気特性を有することが必要不可欠である。
【０００４】
しかしながら、ＺｎＯを用いた発光素子では、特に良好な電気特性を有するｐ型ＺｎＯを得ることができず、十分な発光特性を得ることができなかった。
【０００５】
そこで、特許文献１には、ＺｎＯを発光層とする半導体発光素子において、ｐ型層として酸化ニッケル（ＮｉＯ）を用いた半導体発光素子が記載されている。ｐ型ＮｉＯは、ｐ型ＺｎＯよりも正孔濃度を高くすることができるため、ｐ型層としてｐ型ＺｎＯを用いるよりもｐ型ＮｉＯを用いる方が発光効率を向上させることができる。
【０００６】
しかしながら、ＮｉＯは、発光層として用いるＺｎＯと格子定数の差が大きく、ｐ型層としてｐ型ＮｉＯと発光層のＺｎＯとを接合させると、両者の界面格子整合性が悪くなり、このため、十分な発光特性を得ることができないという問題があった。
【特許文献１】特開２００３−２７３４００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、ホール濃度が高いｐ型層を用いながらも、酸化亜鉛系半導体からなる発光層と界面格子整合性が良好な層を設けることによって、発光特性に優れた発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発光素子は、酸化亜鉛系半導体からなる発光層と、酸化亜鉛系以外の半導体材料からなるｐ型層と、前記発光層と前記ｐ型層との間に設けられた、ｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛系半導体からなる中間層と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の発光素子においては、酸化亜鉛系半導体からなる発光層がｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛系半導体からなる中間層と接触するため、界面格子整合性に優れたｐｉ接合を実現できるため、良好な発光特性を得ることができる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、前記ｐ型層は、前記中間層より高いドーパント濃度を有する。
【００１１】
かかる構成の発光素子においては、前記ｐ型層に、前記中間層より高い濃度のホールを設けることができるため、上述したように、良好な発光特性を得ることができる。
【００１２】
本発明において、より好ましくは、前記ｐ型層は、ｐ型酸化ニッケルからなる。
【００１３】
酸化ニッケルは高いホール濃度を持つｐ型層を容易に形成することができるので、発光に寄与するキャリア数をより増大させることができる。さらに、酸化亜鉛のａ軸の結晶格子定数は０．３２４３ｎｍであり、酸化ニッケルのａ軸の結晶格子定数は０．４１６８ｎｍであり、他のｐ型半導体材料と比べ酸化亜鉛との格子定数の差が小さいので、酸化ニッケルは他のｐ型半導体材料よりも酸化亜鉛と格子整合を取りやすい。そのため、前記ｐ型層としてｐ型酸化ニッケルを用いた場合、他のｐ型半導体材料を用いた場合よりも該ｐ型層と前記中間層との間で格子整合性に優れた界面を形成することができる。また、酸化亜鉛のバンドギャップは３．４ｅＶであり、酸化ニッケルのバンドギャップは３．７ｅＶであり、酸化ニッケルは酸化亜鉛よりバンドギャップが大きいことから、酸化ニッケルをクラッド層としても適用することができ、より発光特性に優れた発光素子を作製できる。
【００１４】
本発明において、より好ましくは、前記ｐ型層の厚さが５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
【００１５】
前記酸化亜鉛系半導体からなる中間層のホール濃度は１０１６ｃｍ−３程度であるが、かかる構成の発光素子においては、５×１０１６ｃｍ−３以上の、前記酸化亜鉛系半導体からなる中間層よりも高いホール濃度を有する前記ｐ型層を形成することができるため、良好な発光特性を得ることができる。
【００１６】
本発明において、より好ましくは、前記ｐ型層は、電極層と接している。
【００１７】
前記中間層より高いホール濃度を有する前記ｐ型層が電極層と接することにより、中間層が電極層と接する場合よりも、前記ｐ型層と電極層との間でより良好なオーミック接合を得ることができる。このため、より良好な発光特性を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、発光層と界面格子整合に優れ、かつ、発光に寄与するキャリア濃度を増大させることができ、ｐ型層と電極層との間の良好なオーミック接触を得ることができるため、良好な発光特性を有する発光素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態について、図面を用いて、以下に説明する。
【００２０】
（実施の形態）
まず、本実施形態に係る発光素子の構造について、図１に示す模式的な断面図を用いて説明する。
【００２１】
本実施形態に係る発光素子１００は、基板１上に、ｐ型層２が形成され、このｐ型層２の表面の一部の領域を露出させるようにｐ型層２の上にｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛系半導体からなる中間層３、酸化亜鉛系半導体からなる発光層４及びｎ型層５が順次形成されている。さらに、ｎ型層５上にｎ側電極６が形成され、また、前記ｐ型層２の表面上にｐ側電極７がそれぞれ形成されている。
【００２２】
本実施形態に係る発光素子１００において、基板１として透明な材料を用いることにより基板１側から光を出射させることができ、ｎ側電極６として透明な材料を用いることによりｎ側電極６側から光を出射させることができる。
【００２３】
基板１としては、サファイア、ガラス等を用いることができる。基板１側から光を出射させる場合には、基板１として透明な材料を用いる。
【００２４】
発光層４は、酸化亜鉛系半導体、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、ＺｎＣｄＯ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＳｅ等の半導体材料から構成することができる。また、発光層４は、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法等の成膜方法を用いて形成することができる。
【００２５】
ｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛系半導体からなる中間層３は、酸化亜鉛系半導体、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、ＺｎＣｄＯ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＳｅ等の酸化亜鉛系半導体材料に、Ｌｉ、Ｎａ等のアルカリ金属、Ｎ等のｐ型ドーパントを添加した材料から構成することが出来る。また、ｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛系半導体からなる中間層３は、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法等の成膜方法を用いて形成することができる。
【００２６】
酸化亜鉛系半導体からなる発光層４の材料よりもバンドギャップの大きい材料をｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛系半導体からなる中間層３に用いると、該中間層３をクラッド層として適用できるため、より発光特性に優れた発光素子を作製できる。発光層４にＺｎＯを用いた場合、ｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛系半導体からなる中間層３としてＺｎＭｇＯを用いると、ＺｎＭｇＯのバンドギャップはＺｎＯのバンドギャップより大きいため、前記中間層３をクラッド層として適用できる。例えば、中間層３としてＺｎ０．９Ｍｇ０．１Ｏを用いた場合、ＺｎＯ、Ｚｎ０．９Ｍｇ０．１Ｏのバンドギャップはそれぞれ、３．４ｅＶ、３．６ｅＶであるため、中間層３をクラッド層として適用できる。
【００２７】
前記発光層４と前記中間層３は、ともに酸化亜鉛系半導体から構成されるため、両層３、４から構成されるｐｉ界面は界面格子整合性に優れることから、界面抵抗を小さくすることができる。加えて、下地である中間層３が同じ酸化亜鉛系半導体からなるため、中間層３上に結晶性に優れた発光層４を作製することができるので、発光特性に優れた発光素子１００を作製することができる。
【００２８】
前記中間層３の厚さは、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが望ましい。５０ｎｍ未満であると、上記の界面抵抗を低減できず、１５０ｎｍを超えると、中間層３での光の吸収が大きくなるため、発光素子１００から取り出せる光の強度が小さくなるからである。
【００２９】
ｐ型層２は、酸化亜鉛系半導体以外の材料から構成され、前記中間層３に用いられる材料より高いホール濃度を有し、低抵抗なｐ型半導体材料からなる。例えば、ｐ型ＮｉＯ、ｐ型ＣｕＯ、ｐ型Ｃｕ２Ｏ等を用いることができる。また、ｐ型層２は、１層でもよく、異なる材料からなる複数層から構成されてもよく、発光層４に対して、多くの量のホールを供給できる構成であればよい。
【００３０】
前記ｐ型層２としては、ｐ型酸化ニッケルが好ましい。酸化ニッケルは高いホール濃度を持つｐ型層を容易に形成することができるので、発光に寄与するキャリア数をより増大させることができる。
【００３１】
また、酸化ニッケルは、格子定数及びバンドギャップの点からもｐ型層２として好ましい。表１に、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏについて、それぞれのバンドギャップ及び格子定数を示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１からわかるように、酸化亜鉛のａ軸の結晶格子定数は０．３２４３ｎｍであり、酸化ニッケルのａ軸の結晶格子定数は０．４１６８ｎｍであり、酸化ニッケルの格子定数は、他のＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏよりも酸化亜鉛の格子定数に近いため、酸化ニッケルは他のｐ型半導体材料よりも酸化亜鉛と格子整合を取りやすい。そのため、前記ｐ型層２としてｐ型酸化ニッケルを用いた場合、他のｐ型半導体材料と用いた場合よりも、該ｐ型層２と前記ｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛系半導体からなる中間層３との間で、格子整合性に優れた界面を形成することができる。加えて、下地であるｐ型層２が格子整合性に優れた材料からなるため、ｐ型層２上に結晶性に優れた中間層３を形成することができる。さらに、下地である中間層３が結晶性に優れた材料からなるため、中間層３上に結晶性に優れた発光層４を形成することができる。したがって、ｐ型層２としてｐ型酸化ニッケルを用いることによって、他のｐ型半導体材料を用いるより結晶性に優れた発光素子を作製することができるため、良好な発光特性を得ることができる。また、酸化亜鉛のバンドギャップは３．４ｅＶであり、酸化ニッケルのバンドギャップは３．７ｅＶであり、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏのバンドギャップが酸化亜鉛のバンドギャップよりも小さいのに対し、酸化ニッケルは酸化亜鉛よりバンドギャップが大きいことから、酸化ニッケルをクラッド層としても適用することができ、より発光特性に優れた発光素子を作製できる。
【００３４】
ｐ型層２は、前記中間層３より高いドーパント濃度を有することが望ましい。これにより、ｐ型層２は高いホール濃度を有し、前記発光層４に導入できるキャリア数をより増大することができる。
【００３５】
さらに、ｐ型層２の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが望ましい。表２に、サファイア基板上に種々の膜厚のＮｉＯ膜（Ｌｉ濃度が１ｗｔ％）を形成し、ホール効果測定によってそれぞれのＮｉＯ膜中のホール濃度を測定した結果を示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
表２から、ＮｉＯ膜厚が５００ｎｍ以下では膜厚が大きいほどホール濃度が大きいことがわかる。また、ＮｉＯ膜厚が５００ｎｍ以上ではホール濃度は変わらないことがわかる。前記酸化亜鉛系半導体からなる中間層３のホール濃度は、１０１６ｃｍ−３程度であるが、ｐ型層２の厚さが５０ｎｍ以上である場合には、５×１０１６ｃｍ−３以上の、酸化亜鉛系半導体よりも高いホール濃度を有するｐ型層２を安定して形成することができるため、良好な発光特性を持つ発光素子１００を作製することができる。また、ＮｉＯ：Ｌｉ薄膜の透過率（波長５００ｎｍ）は酸化亜鉛系半導体薄膜より低いため、ＮｉＯの膜厚は薄い方が高出力の発光素子１００を作製することができるので、好ましい。したがって、ｐ型層２の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３８】
ｎ型層５としては、さまざまなｎ型半導体材料を用いることができるが、例えば、酸化亜鉛系半導体材料等、発光層４との界面格子整合性に優れたｎ型半導体材料であることが望ましい。
【００３９】
酸化亜鉛系半導体からなる発光層４の材料よりもバンドギャップの大きい材料をｎ型層５に用いると、ｎ型層５をクラッド層として適用できるため、より発光特性に優れた発光素子を作製できる。発光層４にＺｎＯを用いた場合、ｎ型層５としてＺｎＯよりバンドギャップの大きいＺｎＭｇＯを用いると、ｎ型層５をクラッド層として適用できる。例えば、Ｚｎ０．９Ｍｇ０．１Ｏを用いた場合、ＺｎＯ、Ｚｎ０．９Ｍｇ０．１Ｏのバンドギャップはそれぞれ、３．４ｅＶ、３．６ｅＶであるため、ｎ型層５をクラッド層として適用できる。
【００４０】
ｎ側電極６としては、ｎ型層５とオーミック接触を得られるような低抵抗な金属材料、またその積層構造を用いることができる。例えば、Ａｌ等のような低抵抗金属材料や、ＡｌとＡｕの積層構造、ＡｌとＴｉの積層構造等を用いることができる。また、ｎ側電極６側から光を出射させる場合には、ｎ側電極６としては透明な材料を用いる。
【００４１】
ｐ側電極７としては、ｐ型層２とオーミック接触を得られるような低抵抗な金属材料、またその積層構造を用いることができる。例えば、Ａｕ、Ｎｉの積層構造等を用いることができる。
【実施例】
【００４２】
（実施例）
上述した本発明の実施の形態の一例として、本発明の実施例について図１を参照して説明する。
【００４３】
図１における基板１としてＣ面サファイア基板を用い、Ｃ面サファイア基板上に厚さ３００ｎｍのｐ型ＮｉＯからなるｐ型層２をレーザアブレーション法を用いて形成した。表３にｐ型ＮｉＯからなるｐ型層２の形成条件を示す。
【００４４】
【表３】
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【００４５】
続いて、前記ｐ型層２上に、厚さ５００ｎｍのｐ型ドーパントを含むＺｎＯからなる中間層３、厚さ２００ｎｍのＺｎＯからなる発光層４及び厚さ５００ｎｍのｎ型ドーパントを含むＺｎＯからなるｎ型層５を順次レーザアブレーション法を用いて形成した。表４に中間層３、発光層４及びｎ型層５の形成条件を示す。本実施形態の中間層３は、膜中にＬｉ及びＮが含まれ、これらがｐ型ドーパントとして機能する。
【００４６】
【表４】
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【００４７】
次に、前記ｎ型層５上にレジストを形成し、フォトリソグラフィーによりレジストの所定箇所を除去するパターニングを行った。その後、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、前記レジストが除去された箇所に対応するｎ型層５、発光層４及び中間層３のそれぞれの一部を除去することによって、ｐ型層２の表面の一部を露出させた。
【００４８】
次に、露出されたｐ型層２の表面上に、ｐ側電極７として厚さ１００ｎｍのＮｉと厚さ１５０ｎｍのＡｕを、メタルマスクを用いて所定の形状となるよう順次蒸着して形成した。
【００４９】
次に、ｎ型層５上にｎ側電極６として厚さ４００ｎｍのＡｌを、メタルマスクを用いて所定の形状となるよう蒸着して形成した。
【００５０】
続いて、前記ｐ側電極７又は前記ｎ側電極６を硬化させる目的並びにｐ側電極７と前記ｐ型層２との界面抵抗の低減及びｎ側電極６と前記ｎ型層５との界面抵抗の低減の目的で、不活性ガスであるＡｒ雰囲気中において、発光素子１００を２５０℃で３０分間熱処理した。
（比較例）
上述した本発明の実施例の比較例として、本発明の比較例について図２を参照して説明する。図２は、比較例に係る発光素子２００の模式的断面図である。
【００５１】
比較例に係る発光素子２００の構造は、ｐ型ドーパントを含むＺｎＯからなる中間層３を有していない点を除いては実施例に係る発光素子１００と同様である。すなわち、ｐ型層２２、発光層２４、ｎ型層２５、ｐ側電極２７及びｎ側電極２６はそれぞれ、実施例に係る発光素子１００のｐ型層２、発光層４、ｎ型層５、ｐ側電極７及びｎ側電極６に対応する。
【００５２】
また、比較例に係る発光素子２００の製造方法は、ｐ型ドーパントを含むＺｎＯからなる中間層３を形成しない点を除いては実施例に係る発光素子１００の製造方法と同様である。すなわち、ｐ型層２２、発光層２４、ｎ型層２５、ｐ側電極２７及びｎ側電極２６の形成条件はそれぞれ、実施例に係る発光素子１００のｐ型層２、発光層４、ｎ型層５、ｐ側電極７及びｎ側電極６の形成条件と同じである。
（評価）
上記実施例に係る発光素子１００及び上記比較例に係る発光素子２００について、電流―電圧特性を測定した。
【００５３】
図４は、実施例に係る発光素子１００及び比較例に係る発光素子２００の電流―電圧特性を示す特性図である。図４の実線の曲線は実施例に係る発光素子１００の電流―電圧特性を示し、点線の曲線は比較例に係る発光素子２００の電流―電圧特性を示す。
【００５４】
実施例に係る発光素子１００については、実線で示す電流―電圧特性から、優れた整流特性が確認できる。また、本発光素子１００の発光実験において青色の発光が確認された。
【００５５】
比較例に係る発光素子２００については、点線で示す電流―電圧特性から整流特性が確認されるが、その立ち上がり方が実施例のものより緩やかであるため、実施例に係る発光素子１００よりも内部直列抵抗が大きいと考えられる。さらに、本発光素子２００の発光実験においては発光を確認できたが、実施例に係る発光素子１００よりも発光強度が極めて小さかった。
【００５６】
実施例に係る発光素子１００は、発光層４とｐ型層２の間にｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛からなる中間層３が存在する点で比較例に係る発光素子２００と異なる。発光層４と中間層３はともに酸化亜鉛系半導体からなるため、両層３、４から構成されるｐｉ接合界面は界面格子整合性に優れており、比較例に係る発光素子２００における発光層２４と酸化ニッケルからなるｐ型層２２から構成されるｐｉ接合界面より抵抗が小さいと考えられる。また、実施例に係る発光素子１００においては、下地である中間層３が同じ酸化亜鉛系半導体からなるため、中間層３上に形成された発光層４は結晶性に優れる。これらの理由から、実施例に係る発光素子１００は、比較例に係る発光素子２００より発光特性に優れると考えられる。
【００５７】
このように、本発明によれば、酸化亜鉛系半導体からなる発光層を含むｐｉ接合の界面格子整合性を良好にすることができ、発光特性に優れた発光素子を提供できる。
【００５８】
また、本発明によれば、酸化亜鉛系半導体からなる発光層を含むｐｎ接合を有する場合にも同様に、ｐｎ接合の界面格子整合性を良好にすることができ、発光特性に優れた発光素子を提供できる。
【００５９】
なお、本発明の実施の形態として、図１に示すような構造の発光素子について説明したが、これに限るものではない。例えば、図３に示すような構造の発光素子３００、すなわち、基板３１上にバッファ層３８、ｎ型層３５、酸化亜鉛系半導体からなる発光層３４、ｐ型ドーパントを含む酸化亜鉛系半導体からなる中間層３３、酸化亜鉛系以外の半導体材料からなるｐ型層３２が形成され、ｎ型層３５の露出された表面上にｎ側電極３６、ｐ型層３２上にｐ側電極３７が形成された構造であってもよい。
【００６０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせに様々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光素子の構造を説明するための模式的断面図である。
【図２】比較例に係る発光素子の構造を説明するための模式的断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態に係る発光素子の構造を説明するための模式的断面図である。
【図４】本発明の実施例に係る発光素子と比較例に係る発光素子の電流―電圧特性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  基板
２  ｐ型層
３  中間層
４  発光層
５  ｎ型層
６  ｎ側電極
７  ｐ側電極
１００  発光素子
３１  基板
３２  ｐ型層
３３  中間層
３４  発光層
３５  ｎ型層
３６  ｎ側電極
３７  ｐ側電極
３８  バッファ層
３００  発光素子
【図１】
2007103407.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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