JP2004193270A - Oxide semiconductor light emitting element - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide semiconductor light emitting element exhibiting excellent emission characteristics in the near-ultraviolet region and excellent power saving performance and applicable to a light emitting diode or a semiconductor laser element. <P>SOLUTION: In the oxide semiconductor light emitting element where at least n-type MgZnO clad layer, a p-type MgZnO clad layer and an MgZnO light emitting layer are formed on a substrate and the light emitting layer is sandwiched by the n-type clad layer and the p-type clad layer, a hetero barrier is made high at the interface with the light emitting layer by controlling the carrier concentration and Mg composition of the p-type clad layer thus suppressing overflow of electrons effectively. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は発光ダイオード素子や半導体レーザ素子等の半導体発光素子に関し、より詳しくは、紫外光領域の発光特性と信頼性および省電力性に優れた酸化物半導体発光素子に関する。
【従来の技術】
現在、半導体発光素子の分野では、青色発光素子の開発が最も盛んであるが、さらに高密度なディジタル光記録や、高いエネルギーを利用した光励起による可視発光システム、殺菌等の耐環境システムへ適用すべく、近紫外発光素子の研究が進められている。したがって、将来的には、半導体発光素子の応用は、４００〜４５０ｎｍの波長領域の青色発光から３００〜４００ｎｍの近紫外発光に推移すると考えられる。
【０００２】
上記の近紫外発光素子としては、ＧａＮやＡｌＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体を用いた研究があるが、最近、ＩＩ族酸化物半導体である酸化亜鉛（ＺｎＯ）が青色領域ないし紫外領域の発光デバイス用の材料として有望視されている。
ＺｎＯは、約３．４ｅＶのバンドギャップを有する直接遷移型半導体である。また、ＺｎＯとほぼ等しいバンドギャップを有するＧａＮの励起子結合エネルギーは約２０ｍｅＶであるが、ＺｎＯは約６０ｍｅＶと極めて高い励起子結合エネルギーを有するため、低消費電力で環境性に優れた高効率な発光デバイスを実現できる可能性があり、さらに、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等の特徴を有している。
【０００３】
以下、本明細書において、「ＺｎＯ系」半導体なる語を用いるときは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯまたはＣｄＺｎＯ等で表される混晶を含むものとする。また、本明細書において、組成を特定せずに混晶を示す場合には、例えば、「ＭｇＺｎＯ」と単に元素記号のみで記載し、組成を特定する場合には、例えば、「Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ」と記載する。
【０００４】
ＺｎＯのバンド間遷移エネルギーは、約３７０ｎｍの紫外領域の発光に相当するが、本発明者らは、ＺｎＯにＭｇを固溶させることによって、バンドギャップを広げることに成功し（櫻井ら、第４４回応用物理学関係連合講演会予稿集、２９ｐ−Ｐ−５、非特許文献１）、ＭｇＺｎＯ薄膜をクラッド層として用いたダブルヘテロ構造を有するＺｎＯ系光半導体素子や、ＺｎＯよりさらに短波長の発光を利用して蛍光体を発光させるカラー表示可能な光半導体素子等およびそれらの製造方法を発明し、特開平１０−２７０７４９号公報（特許文献１）において開示した。
【０００５】
ＺｎＯ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型化が実現し（例えば、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第３６巻、１９９７年、ｐ．Ｌ１４５３−１４５５；非特許文献２を参照せよ）、ＺｎＯ系半導体を用いて高効率な発光素子を作製すべく、多くの研究がなされるようになった（例えば、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第４０巻、２００１年、ｐ．Ｌ１７７−１８０；非特許文献３を参照せよ）。
【０００６】
しかし、ＺｎＯ中のアクセプタ準位は非常に深く、ｐ型化を実現し得るＮアクセプタでさえ２００〜３００ｍｅＶのイオン化エネルギーを必要とするため、低抵抗層を得ることが難しい。
【０００７】
特開２００１−４８６９８号公報（特許文献２）および特開２００１−６８７０７号公報（特許文献３）には、高密度記録や大量情報の伝達に必要な紫外光半導体レーザダイオードをＺｎＯで作製するために、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとを同時にＺｎＯにドーピングして、低抵抗なｐ型ＺｎＯ単結晶薄膜を作製する、いわゆる「同時ドーピング技術」を開示する。この「同時ドーピング技術」においては、ｐ型ドーパント濃度がｎ型ドーパント濃度より大きくなるようにドーピングすることを特徴とする。この技術により得られた低抵抗なｐ型ＺｎＯとＧａ等の不純物ドーピングにより得られるｎ型ＺｎＯとを組合わせることによって、同一半導体化合物であるＺｎＯにおいてｐｎ接合が実現できる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−２７０７４９号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００１−４８６９８号公報
【特許文献３】
特開２００１−６８７０７号公報
【００１０】
【非特許文献１】
櫻井ら、第４４回応用物理学関係連合講演会予稿集、２９ｐ−Ｐ−５
【００１１】
【非特許文献２】
「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第３６巻、１９９７年、ｐ．Ｌ１４５３−１４５５
【００１２】
【非特許文献３】
「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第４０巻、２００１年、ｐ．Ｌ１７７−１８０
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＺｎＯ系半導体はＩＩＩ族窒化物半導体を凌駕するポテンシャルを有しているにもかかわらず、その発光効率は低く、また、動作電圧や発振閾値電流が高いという問題を有していた。
本発明者らは、近紫外発光素子をバンドギャップの広いＭｇＺｎＯ混晶で構成した場合、アクセプタ不純物の準位が深く活性化率が低いためｐ型クラッド層のキャリア濃度を高くできず、このため、発光層とｐ型クラッド層界面のヘテロ障壁が低く、ｎ型クラッド層から発光層へ注入された電子がうまく閉じ込められずにｐ型クラッド層へオーバーフローしてしまうことが前記問題の主要因であることを明らかにした。
かくして、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、近紫外発光領域の発光特性に優れ、キャリアオーバーフローを抑止して発光特性および省電力性に優れた酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、発光層やダブルヘテロ構造にＭｇＺｎＯ混晶を用いた半導体発光素子について、素子構造を鋭意検討した結果、キャリアオーバーフローを抑止して優れた特性を有するよう発光素子の構造を最適化することに成功し本発明にいたった。
【００１５】
第１の局面において、本発明は、基板上に、少なくともｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層およびＭｇ_ｃＺｎ_１−ｃＯ発光層が形成され、該発光層は該ｎ型クラッド層および該ｐ型クラッド層に挾持され、ここに、該ｐ型クラッド層のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３〜５×１０^１９ｃｍ^−３の範囲にある酸化物半導体発光素子を提供する。
ｐ型クラッド層のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上であれば、発光層との界面におけるヘテロ障壁を高くし、電子のオーバーフローを効果的に抑止することができる。また、５×１０^１９ｃｍ^−３以下であれば、不純物による光吸収や結晶性劣化を生じない。
【００１６】
第２の局面において、本発明は、基板上に、少なくともｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層およびＭｇ_ｃＺｎ_１−ｃＯ発光層が形成され、該発光層は該ｎ型クラッド層および該ｐ型クラッド層に挾持され、ここに、前記Ｍｇ組成ａ、ｂおよびｃが、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．５；
０．０５＜ｂ≦０．５；
０＜ｃ≦ａ−０．０５；および
０＜ｃ≦ｂ−０．０５
を全て満足させる酸化物半導体発光素子を提供する。
【００１７】
前記Ｍｇ組成ａ、ｂおよびｃが、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．３５；
０．０５＜ｂ≦０．３５；
０＜ｃ≦ａ−０．０５；および
０＜ｃ≦ｂ−０．０５
を全て満足させることが、より好ましい。
前記Ｍｇ組成ａ、ｂおよびｃが上記の関係を満足させる値であれば、各層の結晶性を損なうことなく、キャリアオーバーフローを効果的に抑止することができる。
【００１８】
なお、本明細書において、半導体発光素子中発光を司る層を「発光層」というが、半導体レーザ素子の場合には同様の意味で「活性層」なる語を用いることがある。しかしながら、両者の機能は実質的に同じであるため特に区別はしない。
【００１９】
ダブルヘテロ構造を前記所定の組成の範囲で構成することにより、発光層との界面におけるヘテロ障壁を高くし、キャリアオーバーフローを効果的に抑止することができる。また、単一組成で構成され結晶性に優れたＭｇＺｎＯエピタキシャル層を得ることができ、かくして、信頼性に優れ発光効率の高い紫外発光素子を実現できる。
【００２０】
第３の局面において、本発明の酸化物半導体発光素子において、単一組成のＭｇＺｎＯ発光層に代えて、１または複数のＭｇＺｎＯ井戸層と１または複数のＭｇＺｎＯ障壁層とを交互に積層することによって形成された量子井戸発光層とすることができる。
発光層を量子井戸構造とすることにより光学利得が向上し、半導体レーザ素子における発振閾値電流が低減する。また発光ダイオード素子においても発光効率が向上する。また、酸化亜鉛の特長である励起子結合エネルギーがさらに大きくなり、低閾値電流で高出力な紫外発光素子が実現できる。
【００２１】
すなわち、本発明は、基板上に、少なくともｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層、および１または複数のＭｇ_ｄＺｎ_１−ｄＯ井戸層と１または複数のＭｇ_ｅＺｎ_１−ｅＯ障壁層とを交互に積層することによって形成された量子井戸発光層が形成され、該量子井戸発光層は該ｎ型クラッド層および該ｐ型クラッド層に挾持され、ここに、前記Ｍｇ組成ａ、ｂ、ｄおよびｅが、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．５；
０．０５＜ｂ≦０．５；
０＜ｄ≦ａ−０．０５；
０＜ｄ≦ｂ−０．０５；
ｄ＜ｅ＜ａ；および
ｄ＜ｅ＜ｂ
を全て満足させる酸化物半導体発光素子も提供する。
【００２２】
前記Ｍｇ組成ａ、ｂ、ｄおよびｅが、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．３５；
０．０５＜ｂ≦０．３５；
０＜ｄ≦ａ−０．０５；
０＜ｄ≦ｂ−０．０５；
ｄ＜ｅ＜ａ；および
ｄ＜ｅ＜ｂ
を全て満足させることが、より好ましい。
【００２３】
前記Ｍｇ組成ａ、ｂ、ｄおよびｅが、さらに、以下の関係：
ｄ＜ｅ≦ａ−０．０５；
ｄ＜ｅ≦ｂ−０．０５；および
０＜ｄ＜ｅ−０．０２
も全て満足させることが、より一層好ましい。
【００２４】
量子井戸層組成を前記所定範囲とすることにより、クラッド層へのキャリアオーバーフローが抑止される。
クラッド層組成を前記所定の範囲とすることにより、単一組成で構成され結晶性に優れたＭｇＺｎＯエピタキシャル層を得ることができる。かくして、信頼性に優れ発光効率の高い紫外発光素子を実現できる。
【００２５】
第４の局面において、本発明は、該発光層以外の層中に、ＭｇＺｎＯよりなる電流ブロック層が形成されている酸化物半導体発光素子を提供する。
また、本発明は、半導体レーザ素子に適用するため、該ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層の一部がリッジストライプ形状に加工され、リッジストライプ形状加工されたｐ型クラッド層の側面がＭｇ_ｆＺｎ_１−ｆＯ電流ブロック層により埋め込まれている酸化物半導体発光素子も提供する。
電流ブロック層を設けることにより、発光ダイオード素子においては、電極直下での発光を避けて光取り出し効率の高い周辺部の発光強度を向上させることができる。また、半導体レーザ素子において導波領域へキャリアを効率よく注入することができ、発振閾値電流が低減する。
【００２６】
リッジ型半導体レーザ素子は横モードの制御性に優れ、製造プロセスが簡便で信頼性が高い。また、リッジストライプ幅を所定の範囲とすることにより、高いキャリア注入効率を実現して動作電流を低減し、キンクレベルを向上させることができる。
【００２７】
前記Ｍｇ組成ｂおよびｆが、以下の関係：
ｂ≦ｆ≦０．５
を満足させることが、好ましい。
電流ブロック層の組成を前記所定の範囲とすることにより、電流ブロック層での光吸収を生じず、半導体レーザ等においては実屈折率型の導波機構が実現される。これにより、光強度の大きい発光ダイオード素子や、低閾値電流で横モードの安定性に優れた半導体レーザ素子を実現できる。
【００２８】
本発明の酸化物半導体発光素子において、発光層には、単一組成構造または多重量子井戸構造にかかわらず、ドナー不純物として、例えば、Ｂ、Ａｌ、ＧａおよびＩｎよりなる群から選択される１または複数のＩＩＩ族元素がドーピングされている。
発光層にドナー不純物をドーピングすることによって、不純物準位を介した遷移を利用して発光効率を向上させることができる。
【００２９】
発光層が多重量子井戸構造である場合は、上記ドナー不純物は量子井戸構造全体にドーピングすることができる。また、井戸層のみまたは障壁層のみにドーピングすることもできる。井戸層のみにドーピングすることによって、ドーピング総量を減らして結晶性が向上する。また、障壁層のみにドーピングすることによって、キャリア損失が減少し閾値が低減する。
【００３０】
また、本発明の酸化物半導体発光素子の発光層には、前記ドナー不純物と共に、アクセプタ不純物として、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、ＰおよびＡｓよりなる群から選択される１または複数のＩまたはＶ族元素を共ドーピングすることができる。本発明の酸化物半導体発光素子においては、発光層にドナー不純物およびアクセプター不純物を共ドーピングして、当該発光層の導電型をｎ型とする。発光層にドナー不純物およびアクセプタ不純物を共ドーピングされていることにより、ドナー／アクセプター対（以下、「Ｄ／Ａ対」という。）遷移を利用して発光効率を向上させることができる。
【００３１】
第５の局面において、本発明は、該Ｍｇ_ｃＺｎ_１−ｃＯｃ発光層に接して、ｎ型Ｍｇ_ｇＺｎ_１−ｇＯ光ガイド層および／またはｐ型Ｍｇ_{ｇ ’}Ｚｎ_{１−ｇ ’}Ｏ光ガイド層が形成され、ここに、ｎ型Ｍｇ_ｇＺｎ_１−ｇＯ光ガイド層は該発光層と該ｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層との間に形成され、ｐ型Ｍｇ_{ｇ ’}Ｚｎ_{１−ｇ ’}Ｏ光ガイド層は該発光層と該ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層との間に形成されている酸化物半導体発光素子を提供する。
光ガイド層を有することにより、量子井戸構造等において活性層を薄くしても光閉込め効果が高く、半導体レーザ素子の発振閾値電流が低減する。
【００３２】
本発明の酸化物半導体発光素子において、該ｎ型光ガイド層のＭｇ組成ｇは該ｎ型クラッド層のＭｇ組成ａと該発光層のＭｇ組成ｃとの間の値であって、該ｎ型光ガイド層中にはＭｇ組成ｇが変化する領域が存在し、該ｐ型光ガイド層のＭｇ組成ｇ’は該ｐ型クラッド層のＭｇ組成ｂと該発光層のＭｇ組成ｃとの間の値であって、該ｐ型光ガイド層中にはＭｇ組成ｇ’が変化する領域が存在する。
該発光層との界面および該ｎ型またはｐ型クラッド層との界面の間で、該ｎ型またはｐ型光ガイド層のＭｇ組成を変化させれば、光閉じ込め効率を向上させつつ、結晶成長条件における急峻な成長変化を生じず、素子が熱劣化しない。
【００３３】
本発明の酸化物半導体発光素子において、基板がＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内の格子整合基板、特にＺｎＯ単結晶基板であれば、その上にエピタキシャル成長されるＺｎＯ系半導体層と完全に格子整合し、異種基板を用いるより親和性に優れる。これによって結晶性が良好で非発光中心の極めて少ない発光素子を作製することができる。
【００３４】
また、該基板の裏面を任意形状の凹凸を有する粗面に形成すれば、発光層からの光を乱反射して光取り出し効率が向上するため、発光ダイオード素子における発光強度を増大させることができる。
【００３５】
本発明の酸化物半導体発光素子において、ｐ型オーミック電極を該ＺｎＯコンタクト層の主表面全面に形成する。このｐ型オーミック電極が該発光層に対して透光性を有していれば、電流広がりが均一化し外部光取り出し効率が向上する。よって、発光効率に優れた紫外発光素子を実現できる。
該ｐ型オーミック電極をＮｉ、ＰｄおよびＰｔよりなる群から選択される１の金属材料またはそれらの２以上の金属材料の合金を用いて形成すれば、ｐ型ＺｎＯ系半導体層に対して低抵抗なオーミック接触を形成すると共にＺｎＯ系半導体との密着性に優れる。よって、信頼性に優れ動作電圧の低い発光素子を実現できる。
【００３６】
本発明の酸化物半導体発光素子において、該基板の裏面にｎ型オーミック電極を形成する。このｎ型オーミック電極がＴｉ、ＡｌおよびＣｒよりなる群から選択される１の金属材料またはそれらの２以上の金属材料の合金を用いて形成されていれば、ｎ型ＺｎＯ系半導体層に対して低抵抗なオーミック接触を形成すると共にＺｎＯ系半導体との密着性に優れる。よって、信頼性に優れ動作電圧の低い発光素子を実現できる。
【００３７】
また、該ｎ型オーミック電極をパターニングして、該基板の裏面の一部を露出させれば、電極での吸収や反射によって光取り出し効率が低下するのを防ぐことができる。よって、発光効率に優れた紫外発光素子を実現できる。
さらに、この場合、該ｎ型オーミック電極とは異なる金属材料を用いて、補助電極を形成すれば、リードフレームとの接触面積を増大させるため、該ｎ型オーミック電極をパターニングしても動作電圧の低い紫外発光素子を実現できる。
【００３８】
本発明の酸化物半導体発光素子は、Ａｇを含む導電性樹脂を用いて該基板の裏面を支持フレームに接着する。
Ａｇは紫外光に対する反射率が高いので、基板裏面に入射した発光を高効率で反射するので、光取り出し効率に優れた紫外発光素子を実現できる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸化物半導体発光素子を発光ダイオード素子および半導体レーザ素子に適用した実施形態を図面に基づいて、具体的に説明する。
【００４０】
第１の実施形態
本発明による第１の実施形態の酸化物半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、ＭｇＺｎＯ発光層およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層を有する発光ダイオード素子である。この発光ダイオード素子は、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のキャリア濃度およびダブルヘテロ構造のＭｇ組成が所定の範囲にあることを特徴とする。
本発明によれば、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のキャリア濃度およびダブルヘテロ構造のＭｇ組成を所定の範囲とすることによって、結晶性に優れたＭｇＺｎＯエピタキシャル層を得ることができ、また、発光層との界面におけるヘテロ障壁を高くして、かくして、クラッド層へのキャリアオーバーフローを抑止して、信頼性と発光効率に優れた紫外発光素子を得ることができる。
【００４１】
図１は、発光ダイオード素子１の斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示す。発光ダイオード素子１は、亜鉛面を主面とするＺｎＯ基板１０１上に、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０２、ＭｇＺｎＯ発光層１０３、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０４、およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５を積層することによって構成されている。
【００４２】
ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の主表面全面には、発光層から発光された光に対して透光性であるオーミック電極１０６が積層されている。さらに、この透光性オーミック電極１０６上には、透光性オーミック電極１０６よりも小さい面積でボンディング用パッド電極１０７が形成されている。
ＺｎＯ基板１０１の裏面には、ｎ型オーミック電極１０８が積層されている。
【００４３】
本発明の酸化物半導体発光素子において、基板１０１の材料としては、ＺｎＯ単結晶以外にも、サファイア、スピネル、ＬｉＧａＯ_２等の絶縁性基板、またはＳｉＣ、ＧａＮ等の導電性基板を用いることができる。
図２（Ａ）および（Ｂ）は、絶縁体であるサファイアを基板１０１に用いた発光ダイオード素子１’の斜視図を示す。
絶縁性基板を用いる場合は、図２（Ａ）のように、成長層の一部をエッチングしてｎ型ＭｇＺｎＯ層１０２を露出させ、その上にｎ型オーミック電極１０８を形成すればよい。また、図２（Ｂ）のように、結晶性の良好な成長層を得るために、基板上に先ずｎ型ＺｎＯバッファ層１０９を形成し、さらにｎ型オーミック電極１０８の接触抵抗を低減させるためにｎ型ＺｎＯコンタクト層１１０を形成してもよい。
【００４４】
しかしながら、本発明の効果である高い発光効率を最大限に得るためには、（１）ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内の格子整合基板であって、成長層の結晶性に優れ、非発光中心となる欠陥を低減でき、（２）発光波長に対応する吸収係数が低く、また、（３）導電性であって、裏面に電極を形成できる基板を用いることが好ましい。ＺｎＯ単結晶よりなる基板は、前記の条件を全て満足させるので最も好ましい。ＺｎＯ基板はその上にエピタキシャル成長されるＺｎＯ系半導体発光素子と完全に格子整合し、異種基板を用いるより親和性に優れる。これによって結晶性が良好で非発光中心の極めて少ない発光素子を作製することができる。
【００４５】
また、主面として亜鉛面を用いることにより、ｐ型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いｐ型層が得られやすくなるので好ましい。
また、基板を研磨やエッチング等の公知の手法で基板裏面に凹凸を形成して入射した発光光を乱反射させれば、光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００４６】
ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０２、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０９およびｎ型ＺｎＯコンタクト層１１０にドーピングするドナー不純物としては、ＺｎＯ系半導体中での活性化率が高いので、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等を用いることが好ましい。
【００４７】
発光層１０３は、ドナー不純物、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素を任意量ドーピングしてｎ型にすることができる。あるいは、上記のドナー不純物とアクセプタ不純物、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等のＩまたはＶ族元素とを共ドーピングして、発光層１０３をｎ型にすることもできる。ＮおよびＡｇは活性化しやすいので好ましい。Ｎは、Ｎ_２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ちつつ、高濃度ドーピングが行えるので特に好ましい。これにより、ピーク波長および発光強度を制御することができる。
【００４８】
ｐ型ＭｇＺｎＯ層１０４およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５にドーピングするアクセプタ不純物としては、ＩまたはＶ族元素であるＬｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等を用いることができる。ＮおよびＡｇは活性化しやすいので好ましい。Ｎは、Ｎ_２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ちつつ、高濃度ドーピングが行えるので特に好ましい。
【００４９】
ｐ型オーミック電極１０６には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属材料を用いることができる。前記の金属材料は、ｐ型ＺｎＯ系半導体層に対して低抵抗なオーミック接触を形成すると共にＺｎＯ系半導体との密着性に優れる。よって、信頼性に優れ動作電圧の低い発光素子を実現できる。なかでも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。
ｐ型オーミック電極１０６はｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０４上に直接形成することができるが、ＭｇＺｎＯ混晶はＺｎＯに比べて不純物の活性化率が低いことから、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５を形成して、その上に形成することが好ましい。
また、本発明の高い発光効率と低い動作電圧を最大限の効果で得るためには、ｐ型オーミック電極１０６が発光層から発光された光に対して透光性を有するように形成して光取り出し効率を向上させることが好ましい。
透明導電膜が主表面全面に形成されていることにより、電流広がりが均一化し外部光取り出し効率が向上する。よって、発光効率に優れた紫外発光素子を実現できる。
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５０〜２００ｎｍの範囲が好ましく、３００〜１００ｎｍの範囲がさらに好ましい。
ｐ型オーミック電極１０６の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結晶に欠陥を生じさせ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Ｏ_２または大気雰囲気中が好ましく、Ｎ_２では逆に抵抗が増大する。
【００５０】
パッド電極１０７は、透光性ｐ型オーミック電極１０６上の一部に、ｐ型オーミック電極１０６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１０８の材料としてはボンディングが容易でＺｎＯ系半導体中へ拡散してもドナー不純物とならない金属材料が好ましく、特に、Ａｕが好ましい。
ｐ型オーミック電極１０６とパッド電極１０７と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形成してもよい。
【００５１】
ｎ型オーミック電極１０８には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ等の金属材料を用いることができる。なかでも低抵抗でコストの低いＡｌまたは密着性の良いＴｉが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。
Ａｌは青〜紫外光の反射率が高いため、Ａｌを用いてｎ型オーミック電極１０８を裏面全面に形成しても光取り出し効率は高いので好ましい。
また、ｎ型オーミック電極１０８を任意の形状にパターニングし、露出した基板裏面をＡｇペースト等の導電性樹脂でリードフレームに接着することができる。ＡｌよりもＡｇの方が青〜紫外光の反射率が高いため、ｎ型オーミック電極１０８をパターニングすることも好ましい。
また、ｎ型オーミック電極１０８をパターニングする場合は、素子抵抗の増大を防ぐため、ｎ型オーミック電極１０８とは異なる金属材料を用いて補助電極を形成してもよく、ＡｇやＰｔ等青〜紫外光の反射率が高い金属を補助電極に用いればさらに好ましい。
補助電極がリードフレームとの接触面積を増大させるため、ｎ型電極をパターニングしても動作電圧が上昇しない。よって、動作電圧の低い紫外発光素子を実現できる。
【００５２】
その他の構成は任意であり、本明細書に記載された構成のみに限定されるものではない。
【００５３】
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）法等の結晶成長手法で作製することができるが、本発明を発光ダイオード素子に適用する場合、図６に示す分子線エピタキシー（以下ＭＢＥと称する）装置６を用いて、発光ダイオード素子を作製することができる。
ＭＢＥ装置６において、超高真空に排気可能な成長室６０１の上部に基板ホルダー６０２が配置され、基板ホルダー６０２に基板６０３が固定されている。基板ホルダー６０２上部に配置されたヒーター６０４により基板ホルダー６０２の裏面が加熱され、その熱伝導により基板６０３が加熱される。
基板ホルダー６０２直下には適当な距離を置いて半導体原料やドーピング不純物元素を充填した複数の蒸発源セル６０５が配置されている。各々の蒸発源セル６０５は側面に設けられた加熱ヒータ６０６によって加熱され、蒸発した分子状の原料が基板６０３に堆積することにより薄膜が成長する。
各々の蒸発源セル６０５はシャッター６０７を有し、これら複数のシャッター６０７の開閉を組み合せて制御することによって、異なる組成の薄膜を積層することが可能となる。また、成長室にはプラズマ状のガス原料を導入できるように、複数のラジカルセル６０８が設けられている。
【００５４】
第２の実施形態
本発明による第２の実施形態の酸化物半導体発光素子は、第１の実施形態の酸化物半導体発光素子と同様に構成されるが、発光層が単一構造ではなく、１または複数のＭｇＺｎＯ障壁層と１または複数のＭｇＺｎＯ井戸層とを交互に積層して形成された多重量子井戸構造であることを特徴とする発光ダイオード素子である（図示せず）。
本発明によれば、発光層を多重量子井戸構造とすることによって、光学利得が向上し、キャリア閉込め効率および発光効率が増大し、発光強度を高めることができる。
また、上記多重量子井戸構造全体には、ドナー不純物、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素をドーピングすることができる。これにより、ピーク波長および発光強度を制御することができる。上記したドナー不純物は、障壁層のみまたは井戸層のみにドーピングすることもできる。
【００５５】
第３の実施形態
本発明による第３の実施形態の酸化物半導体発光素子は、第２の実施形態の半導体発光素子と同様に構成されるが、パッド電極の下方に、パッド電極とほぼ同じ面積のｎ型ＭｇＺｎＯ層が電流ブロック層として形成されていることを特徴とする発光ダイオード素子である。
図３は、発光ダイオード素子３の断面図を示す。この図では、発光ダイオード素子１と同様の構成要素については図１と同じ符号を用いている。
発光ダイオード素子３において、電流ブロック層は、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０２、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０４、またはｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の層中に形成することができる。ドーピング濃度、厚み、面積および形成位置は任意に決定することができるが、図３に示すように、電流ブロック層３０１をパッド電極１０７の直下に形成すれば、電流ブロック層３０１によってパッド電極１０７直下には電流が流れず、光取り出し効率の高い素子周辺部で発光強度が強くなるので好ましい。
発光層と電流ブロック層が離れていると、電流がブロックされても拡散によって電流ブロック層直下の発光層に回り込んでしまうため、電流ブロック層の機能を効果的に発揮するには、より発光層に近い領域が好ましい。
【００５６】
第４の実施形態
本発明による第４の実施形態の酸化物半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、ＭｇＺｎＯ量子井戸活性層、第１のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、ならびにリッジストライプ状に加工された第２のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層およびｐ型ＺｎＯコンタクト層を有する半導体レーザ素子である。
この半導体レーザ素子は、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のキャリア濃度およびダブルヘテロ構造のＭｇ組成が所定の範囲にあることを特徴とする。本発明によれば、ｐ型クラッド層のキャリア濃度およびダブルヘテロ構造のＭｇ組成を所定の範囲とすることによって、結晶性に優れたＭｇＺｎＯエピタキシャル層を得ることができ、また、発光層との界面におけるヘテロ障壁を高くでき、かくして、クラッド層へのキャリアオーバーフローを抑止して、信頼性と発光効率に優れた紫外発光素子を得ることができる。
【００５７】
図４は、ＺｎＯ系半導体レーザ素子４の斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示す。半導体レーザ素子４は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１上に、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０２、ＭｇＺｎＯ量子井戸活性層４０３、第１のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０４、ｐ型ＢｅＯエッチングストップ層４０５、第２のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０６、およびｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７を積層することによって構成されている。
【００５８】
本発明の酸化物半導体において、基板４０１の材料としては、ＺｎＯ単結晶以外にも、サファイア、スピネル、ＬｉＧａＯ_２等の絶縁性基板、またはＳｉＣ、ＧａＮ等の導電性基板を用いることができる。
絶縁性基板を用いる場合は、成長層の一部をエッチングしてｎ型ＭｇＺｎＯ層４０２を露出させ、その上にｎ型オーミック電極４１０を形成すればよい。また、結晶性の良好な成長層を得るために、基板上に先ずｎ型ＺｎＯバッファ層を形成し、さらにｎ型オーミック電極４１０の接触抵抗を低減するためにｎ型ＺｎＯコンタクト層を形成してもよい。
【００５９】
しかしながら、本発明の効果である高い発光効率を最大限に得るためには、（１）ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内であって、非発光中心となる欠陥を低減でき、（２）発光波長に対応する吸収係数が低く、また、（３）導電性であって、裏面に電極を形成できる基板を用いることが好ましい。ＺｎＯ単結晶よりなる基板は、前記の条件を全て満足させるので最も好ましい。
【００６０】
また、主面として亜鉛面を用いることにより、ｐ型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いｐ型層が得られやすくなるので好ましい。
【００６１】
ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０２にドーピングするドナー不純物としては、ＺｎＯ系半導体中での活性化率が高いので、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等を用いることが好ましい。
【００６２】
ＭｇＺｎＯ量子井戸活性層４０３は、１または複数のＭｇＺｎＯ障壁層と１または複数のＭｇＺｎＯ井戸層とを交互に積層して形成された多重量子井戸構造である。
また、ＭｇＺｎＯ量子井戸活性層４０３全体に、ドナー不純物、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素をドーピングすることができる。あるいは、上記ドナー不純物とアクセプタ不純物、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等のＩまたはＶ族元素とを共ドーピングして、量子井戸活性層４０３をｎ型にすることもできる。これにより、ピーク波長および発光強度を制御することができる。
また、ＭｇＺｎＯ量子井戸活性層４０３の井戸層のみまたは障壁層のみに上記ドナー不純物または上記ドナー不純物およびアクセプタ不純物をドーピングすることができる。
【００６３】
第１のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０４、第２のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０６およびｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７にドーピングするアクセプタ不純物としては、ＩまたはＶ族元素であるＬｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等を用いることができる。ＮおよびＡｇは活性化しやすいので好ましい。Ｎは、Ｎ_２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ちつつ、高濃度ドーピングが行えるので特に好ましい。
【００６４】
第２のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０６およびｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７はリッジストライプ状にエッチング加工され、ｎ型電流ブロック層４０８によって、リッジストライプの側面は埋め込まれている。ｎ型電流ブロック層４０８は、ドナー不純物、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素をドーピングしたＭｇＺｎＯよりなる。
また、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７およびｎ型電流ブロック層４０８の上にはｐ型オーミック電極４０９が形成され、ＺｎＯ基板４０１の下にはｎ型オーミック電極４１０が形成されている。
【００６５】
エッチングストップ層４０５には、例えば、ＢｅＯ結晶を用いることが好ましい。ＢｅＯ結晶は、ＺｎＯおよびＭｇＺｎＯに比べ安定でエッチング選択比が大きく、また発光を吸収しないという利点を有するため、ＺｎＯ系半導体デバイスのエッチングストップ層として用いることができる。
【００６６】
ｐ型オーミック電極４０９には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属材料を用いることができる。なかでも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。
ｐ型オーミック電極４０９は第２のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０６上に直接形成することができるが、ＭｇＺｎＯ混晶はＺｎＯに比べて不純物の活性化率が低いことから、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７を形成して、その上に形成することが好ましい。
ｐ型オーミック電極４０９の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結晶に欠陥を生じさせ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Ｏ_２または大気雰囲気中が好ましく、Ｎ_２では逆に抵抗が増大する。
【００６７】
また、リッジストライプ幅は狭いほどキャリア注入効率が高く、また高次横モードをカットオフしてキンクレベルを向上させることができるが、一方で動作電圧が上昇し信頼性も悪化するため、０．５μｍ以上５μｍ以下の範囲で適宜制御することが好ましい。
【００６８】
ｎ型オーミック電極４１０には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ等の金属材料を用いることができる。なかでも低抵抗でコストの低いＡｌまたは密着性の良いＴｉが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。
【００６９】
その他の構成は任意であり、本明細書に記載された構成のみに限定されるものではない。
【００７０】
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）法等の結晶成長手法で作製することができる。
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、例えば、ＺｎＯにＧａをドーピングさせる場合に、ＺｎＧａ_２Ｏ_４等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好ましい。
本発明を半導体レーザ素子に適用する場合、図７に示すレーザ分子線エピタキシー（以下レーザＭＢＥと称する）装置７を用いて、半導体レーザ素子を作製することができる。
レーザＭＢＥ装置７において、超高真空に排気可能な成長室７０１の上部に基板ホルダー７０２が配置され、基板ホルダー７０２に基板７０３が固定されている。基板ホルダー７０２上部に配置されたヒーター７０４により基板ホルダー７０２の裏面が加熱され、その熱伝導により基板７０３が加熱される。
基板ホルダー７０２直下には適当な距離を置いてターゲットテーブル７０５が配置され、ターゲットテーブル７０５上には、複数の原料ターゲット７０６を配置することができる。
ターゲット７０６の表面は成長室７０１の側面に設けられたビューポート７０７を通じ照射されるパルスレーザ光７０８によりアブレーションされ、瞬時に蒸発したターゲット７０６の原料が基板上に堆積することにより薄膜が成長する。
ターゲットテーブル７０５は回転機構を有し、パルスレーザ光７０８の照射シーケンスに同期して回転を制御することにより、異なるターゲット原料を薄膜上に積層することが可能となる。また、成長室には複数のガスを導入できるように複数のガス導入管７１０が設けられており、ラジカルセル７０９によって活性化された原子状ビームを基板７０３に照射することも可能である。
【００７１】
第５の実施形態
本発明による第５の実施形態の酸化物半導体発光素子は、第４の実施形態の酸化物半導体発光素子と同様に構成されるが、量子井戸活性層４０３の両側に光ガイド層を形成したことを特徴とする半導体レーザ素子である。
図５は、半導体レーザ素子５の断面図を示す。この図では、半導体発光素子４と同様の構成要素については図４と同じ符号を用いている。
半導体レーザ素子５において、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０２の上にｎ型ＭｇＺｎＯ光ガイド層５０１を形成し、光ガイド層５０１の上に量子井戸活性層４０３を形成した後に、ｐ型ＭｇＺｎＯ光ガイド層５０２を形成する。
量子井戸活性層を光ガイド層で挾持したことによって、光閉込め効率を高くすることができるので、発光効率に優れた紫外発光素子を得ることができる。
ｎ型ＭｇＺｎＯ光ガイド層５０１とｐ型ＭｇＺｎＯ光ガイド層５０２は異なる組成比のＭｇＺｎＯで構成されてもよく、また、ｎ型ＭｇＺｎＯ光ガイド層５０１とｐ型ＭｇＺｎＯ光ガイド層５０２のいずれか一方のみが形成されていてもよい。
【００７２】
【実施例】
実施例１
この実施例は、本発明を発光ダイオード素子に適用した第１の実施形態の酸化物半導体発光素子を説明する。
図１は、発光ダイオード素子１の斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示す。この実施例において、亜鉛面を主面とするＺｎＯ基板１０１上に、Ｇａを３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層１０２、ノンドープで厚さ０．５μｍのＭｇ_０．０５Ｚｎ_０．９５Ｏ発光層１０３、Ｎを２×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ１．０μｍのｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層１０４、およびＮを１×１０^２０ｃｍ^−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１０５を積層して、発光ダイオード素子１ａを作製した。
また、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の主表面全面には、透光性オーミック電極１０６として、厚さ１５ｎｍのＮｉを積層し、その上に、透光性オーミック電極１０６より小さい面積で厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極１０７を形成した。
さらに、ＺｎＯ基板１０１の裏面には、ｎ型オーミック電極１０８として厚さ１００ｎｍのＡｌを積層した。
【００７３】
以下に製造方法を順に説明する。
まず、洗浄処理したＺｎＯ基板１０１を図６に示すＭＢＥ装置６に導入し、温度６００℃で３０分間加熱し清浄化した。
次に、基板温度を４５０℃に降温し、酸素ラジカルセル、Ｚｎセル、ＭｇセルおよびＧａセルのシャッターを開けて、Ｇａドープｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層１０２を成長させた。
次に、酸素ラジカルセル、ＺｎセルおよびＭｇセルのシャッターを開けて、ノンドープＭｇ_０．０５Ｚｎ_０．９５Ｏ発光層１０３を成長させた。
次に、酸素ラジカルセル、窒素ラジカルセル、ＺｎセルおよびＭｇセルのシャッターを開けて、Ｎドープｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層１０４を成長させた。
次に、基板温度を３５０℃に降温し、Ｎドープｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５を成長させた。
Ｍｇ組成およびＧａまたはＮのドーピング濃度は、基板上での分子線強度によって制御した。
【００７４】
次に、基板１０１をＭＢＥ装置６から取り出し、ｐ型オーミック電極１０６としてＮｉ薄膜を１５ｎｍの厚さに真空蒸着した。このｐ型オーミック電極１０６は入射した発光の７０％以上を透過する。
最後に、Ｎｉ透光性オーミック電極１０６上にパッド電極１０７としてＡｕを真空蒸着し、ＺｎＯ基板１０１の裏面にｎ型オーミック電極１０８としてＡｌを真空蒸着した。
【００７５】
発光ダイオード素子１ａ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、モールドして発光させたところ、自由励起子再結合が関与した発光ピーク波長３７０ｎｍの紫外発光が得られた。
動作電流２０ｍＡにおける動作電圧は３．５Ｖ、発光強度（光出力）は１５０ｍＷで、このときの発光効率（外部量子効率）は４５％であった。
【００７６】
次に、別の実験により求められた、Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７ＯおよびＺｎＯへのＮドーピング濃度とキャリア濃度との関係を図８に示す。
Ｎドーピング濃度は２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）で決定し、キャリア濃度は室温におけるホール測定で決定した。
図８は、Ｎドーピング濃度よりもキャリア濃度が低いことを示し、ＭｇＺｎＯ中でのＮの活性化率が低いことを意味している。これは、ＺｎＯ系半導体はｐ型の導電型制御が難しく、アクセプタ不純物の準位も深いためである。
【００７７】
図８は、ＭｇＺｎＯ混晶はＺｎＯに比べてさらに活性化率が低いことも示す。
すなわち、ＭｇＺｎＯ混晶はＺｎＯに比べて不純物の活性化率が低いので、ｐ型オーミック電極１０６はｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０４上に直接形成せず、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５を形成して、その上に形成することが好ましい。
【００７８】
発光ダイオード素子１ａにおいて、Ｎを２×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドーピングしたｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層１０４のキャリア濃度は、図８から２×１０^１７ｃｍ^−３と見積もられた。
【００７９】
実施例２
次に、ｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層１０４のキャリア濃度と発光強度との関係を図９に示す。
ｐ型クラッド層１０４へのＮドーピング濃度を変化させる以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、種々の発光ダイオード素子を作製した。キャリア濃度は、図８を用いて、Ｎドーピング濃度から見積もった。
キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下および２×１０^１９ｃｍ^−３以上では発光強度が著しく弱く５×１０^１９ｃｍ^−３以上での急激な発光強度低下は、高ドーピングによるＮ不純物の光吸収および結晶性劣化によると考えられる。
以上の結果より、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０４のキャリア濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３以上５×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲にあることが好ましい。
十分な発光強度が得られるキャリア濃度の範囲として、１×１０^１７ｃｍ^−３〜２×１０^１９ｃｍ^−３がより好ましく、最高の発光強度が得られ、かつ、キャリア濃度の誤差があっても発光強度の変化が少ない範囲として、５×１０^１７ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３が最も好ましい。
【００８０】
実施例３
次に、ｎ型およびｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯクラッド層１２および１０４のＭｇ組成（ここで、０≦ｘ≦１）と発光強度との関係を図１０に示す。図１０は、代表例として、ｐ型クラッド層１０４のキャリア濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３、１×１０^１７ｃｍ^−３および５×１０^１７ｃｍ^−３とした場合を示す。
図１０からわかるように、ｐ型クラッド層１０４のキャリア濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３では、Ｍｇ組成を増加させても（すなわち、ｘの値を大きくしても）発光強度は向上しなかった。これは、キャリア閉込めが効率良く行われていないためと考えられる。
一方、ｐ型クラッド層１０４のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上では、クラッド層中のＭｇ組成を増加させると発光強度が増大し、Ｍｇ組成が０．４を超えると発光強度が低下してしまう。キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上ではキャリア閉込め効率が高くなるために、発光強度はＭｇ組成と共に増大するが、Ｍｇ組成がある程度より大きくなると結晶性の劣化が顕著となり発光強度が低下したと考えられる。
【００８１】
発光層１０３のＭｇ組成も変化させて、さらに詳細な検討を行った結果、結晶性が良好な層を得るためには、ｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層１０２、Ｍｇ_ｃＺｎ_１−ｃＯ発光層１０３およびｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層１０４のＭｇ組成ａ、ｂおよびｃをいずれも０．５以下とすることが好ましく、クラッド層と発光層との間のバンドギャップ差を大きくして、キャリアのオーバーフローを抑制し活性層への閉じ込め効率を高くするためには、Ｍｇ組成ａおよびｂをＭｇ組成ｃより高くし、かつ、ａおよびｂとｃとの差は０．０５以上とすることが好ましいことがわかった。
すなわち、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．５；
０．０５＜ｂ≦０．５；
０＜ｃ≦ａ−０．０５；および
０＜ｃ≦ｂ−０．０５
を全て満たしていれば、高い発光強度が得られるので好ましいことがわかった。
【００８２】
良好な結晶性を維持するためには、ｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層１０２、Ｍｇ_ｃＺｎ_１−ｃＯ発光層１０３およびｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層１０４のＭｇ組成ａ、ｂおよびｃをいずれも０．３５以下とすることが、より好ましい。
すなわち、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．３５；
０．０５＜ｂ≦０．３５；
０＜ｃ≦ａ−０．０５；および
０＜ｃ≦ｂ−０．０５
を全て満たしていれば、さらに高い発光強度が得られるのでより好ましいことがわかった。
【００８３】
実施例４
次に、ｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層１０４の層厚と発光強度との関係を図１１に示す。
発光層１０３の層厚およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０４の層厚を変化させる以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、種々の発光ダイオード素子を作製した、
図１１では、代表例として、Ｍｇ_０．０５Ｚｎ_０．９５Ｏ発光層１０３の膜厚が３０ｎｍ、５０ｎｍ、５００ｎｍ、１μｍ、３μｍおよび５μｍである場合を示す。
発光層厚およびクラッド層が共に薄いと、発光強度が低かった。これは、発光層厚およびクラッド層が共に薄い場合、光閉込め効率が低く、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５で光が吸収されてしまうためと考えられる。
発光層厚が５０ｎｍを下回ると、発光強度が急激に減少するので、発光層厚は５０ｎｍ以上であることが好ましく、３μｍより厚くしても発光強度はあまり向上しないので、３μｍ以下であることが好ましい。
また、ｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層１０４の層厚が５０ｎｍを下回ると、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５で光が吸収されてしまうので、ｐ型クラッド層１０４の層厚は５０ｎｍ以上であることが好ましく、３μｍを超えると結晶性が劣化することにより発光強度が急激に低下するので、３μｍ以下であることが好ましい。
以上より、発光層の層厚およびクラッド層厚は共に５０ｎｍ以上３μｍ以下の範囲にあることが好ましい。
【００８４】
実施例５
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１０５を高ドーピングして低抵抗化することが好ましいが、過剰にドーピングするとキャリア損失および結晶性劣化が顕著となるので、層厚は５μｍ以下とし、キャリア濃度はｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０４のキャリア濃度を超えて５×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲となるようドーピングすることが好ましい。
また、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の層厚は、１０ｎｍ以上であれば、ｐ型オーミック電極１０６と十分なオーミック接触を得ることができるので好ましく、５００ｎｍ以上であれば、均一な電流広がりを得ることができるのでより好ましい。
以上の結果より、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の層厚は、１０ｎｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、５００ｎｍ以上５μｍ以下であればより好ましい。
【００８５】
実施例６
次に、発光層１０３へのドーピングが発光ダイオード素子１の発光特性に与える影響を調べた。
発光層１０３にＧａを１×１０^１８ｃｍ^−３ドーピングする以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、発光ダイオード素子１ｂを作製した。
また、発光層１０３にＧａを２×１０^１８ｃｍ^−３およびＮを１×１０^２０ｃｍ^−３ドーピングする以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、発光ダイオード素子１ｃを作製した。
なお、発光ダイオード素子１ｃにおいて、ＧａとＮとの両方を発光層１０３に共ドーピングして、発光層１０３の導電型をｎ型とする。
発光ダイオード素子１ｃにＧａおよびＮを共ドーピングした目的は、Ｄ／Ａ対発光を生じさせることにあり、低抵抗なｐ型ＺｎＯ単結晶薄膜を作製する技術として特許文献２および３等に開示されている、いわゆる「同時ドーピング技術」とは全く異なる。
【００８６】
発光ダイオード素子１ａ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３７０ｎｍの紫外発光が得られた。
発光ダイオード素子１ｂ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の紫外発光が得られ、発光強度は発光ダイオード素子１ａに比べ２０％向上した。
発光ダイオード素子１ｃを発光させたところ、発光ピーク波長３９０ｎｍの紫外発光が得られ、発光強度は発光ダイオード素子１ａに比べ３０％向上した。
【００８７】
上記した３種類の発光ダイオード素子１ａ、１ｂおよび１ｃの室温における発光スペクトルを図１２に示す。
発光ダイオード素子１の発光波長が長波長化すると共に発光強度が向上したのは、発光層１０３に不純物をドーピングしたことによって、自由励起子発光と不純物発光が重畳され、ピーク波長が長波長側へシフトすると共にスペクトル幅が広がったためと考えられる。
このように、発光層に不純物をドーピングすることにより、発光波長を制御す
ることができ、また発光強度を増大させることができる。
【００８８】
高い発光効率の紫外光を得るためには、ドナー不純物のドーピング濃度が１×１０^１６〜１×１０^２０ｃｍ^−３の範囲にあることが好ましく、１×１０^１８〜１×１０^１９ｃｍ^−３の範囲にあることがより好ましい。
また、Ｄ／Ａ対ドーピングを行う場合には、アクセプタ不純物のドーピング濃度を１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３の範囲とすることが好ましく、共ドーピングするドナー不純物のドーピング濃度は発光層がｎ型となるようにする必要があることから、ドナー不純物のドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^１９ｃｍ^−３の範囲とすることが望ましい。
【００８９】
実施例７
この実施例は、本発明を発光ダイオード素子に適用した第２の実施形態の酸化物半導体発光素子を説明する。
この実施例において、発光層１０３を、厚さ５ｎｍのＭｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ障壁層１１層と、厚さ４ｎｍのＭｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ井戸層１０層とを交互に積層した多重量子井戸構造とし、多重量子井戸構造全体にＧａを１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングする以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、発光ダイオード素子２ａを作製した（図示せず）。
発光ダイオード素子２ａ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３９０ｎｍの紫外発光が得られ、発光ダイオード素子１ａに比べて発光層が薄いにもかかわらず発光強度は２倍となった。
発光ダイオード素子２ａは、発光層が多重量子井戸構造であるので、キャリア閉込め効率および発光効率が増大したためと考えられる。
このように、発光層を多重量子井戸構造とすることにより、発光効率が飛躍的に向上する。
【００９０】
実施例８
量子井戸発光層を有する紫外発光ダイオード素子２についても、実施例３と同様にして発光層へのキャリア閉込めが良好に行われる条件を検討したところ、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層１０４のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上であるとき、結晶性が良好な層を得るためには、ｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層１０２、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層１０４ならびに量子井戸発光層１０３を構成するＭｇ_ｄＺｎ_{１− ｄ}Ｏ井戸層およびＭｇ_ｅＺｎ_１−ｅＯ障壁層のＭｇ組成ａ、ｂ、ｄおよびｅをいずれも０．５以下とすることが好ましく、クラッド層と発光層との間のバンドギャップ差を大きくして、キャリアのオーバーフローを抑制し活性層への閉じ込め効率を高くするためには、Ｍｇ組成ａおよびｂをＭｇ組成ｄおよびｅより高くし、かつ、ａおよびｂとｄとの差は０．０５以上とし、井戸層と障壁層との関係から、Ｍｇ組成ｅをｄより高くすることが好ましいことがわかった。
すなわち、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．５；
０．０５＜ｂ≦０．５；
０＜ｄ≦ａ−０．０５；
０＜ｄ≦ｂ−０．０５；
ｄ＜ｅ＜ａ；および
ｄ＜ｅ＜ｂ
を全て満たしていれば、高い発光強度が得られるので好ましいことがわかった。
【００９１】
良好な結晶性を維持するためには、ｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層１０２、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層１０４ならびに量子井戸発光層１０３を構成するＭｇ_ｄＺｎ_{１− ｄ}Ｏ井戸層およびＭｇ_ｅＺｎ_１−ｅＯ障壁層のＭｇ組成ａ、ｂ、ｄおよびｅをいずれも０．３５以下とすることが、より好ましい。
すなわち、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．３５；
０．０５＜ｂ≦０．３５；
０＜ｄ≦ａ−０．０５；
０＜ｄ≦ｂ−０．０５；
ｄ＜ｅ＜ａ；および
ｄ＜ｅ＜ｂ
を全て満たしていれば、さらに高い発光強度が得られるのでより好ましいことがわかった。
【００９２】
さらに、ｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層１０２およびｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層１０４のＭｇ組成と発光層１０３を構成するＭｇ_ｅＺｎ_１−ｅＯ障壁層のＭｇ組成との差が０．０５以上であって、発光層１０３を構成するＭｇ_ｅＺｎ_１−ｅＯ障壁層とＭｇ_ｄＺｎ_１−ｄＯ井戸層のＭｇ組成との差が０．０２以上であれば、井戸層と障壁層、およびクラッド層と障壁層のバンドギャップ差が大きく、キャリアのオーバーフローを抑制し井戸層への閉じ込め効率を高くできるので好ましい。
すなわち、以下の関係：
ｄ＜ｅ≦ａ−０．０５；
ｄ＜ｅ≦ｂ−０．０５；および
０＜ｄ＜ｅ−０．０２
を全て満たしていれば、さらに高い発光強度が得られるので、より一層好ましいことがわかった。
【００９３】
実施例９
また、井戸層のみにＧａをでドーピングする以外は、発光ダイオード素子２ａと同様にして発光ダイオード素子２ｂを作製した。
発光ダイオード素子２ｂは、量子井戸構造全体にＧａをドーピングした発光ダイオード素子２ａに比べ、発光強度はさらに１５％向上した。これは、ドーピング総量が減ったため結晶性と透過率が向上したためと考えられる。
【００９４】
実施例１０
井戸層の層厚と発光強度との関係を調べた結果を図１３に示す。井戸層の層厚を変化させる以外は、発光ダイオード素子２ａと同様にして、種々の発光ダイオード素子を作製した。
図１３からわかるように、井戸層１層当たりの層厚が増大するに従い発光強度が増大し、井戸層１層当りの層厚が３ｎｍ以上になると十分な発光強度となった。さらに層厚が増大し、６ｎｍを超えると発光強度が急激に低下し、１０ｎｍ以上では十分な発光強度が得られなかった。これは、量子効果の低減によって励起子の結合エネルギーが小さくなったためと考えられる。
以上の結果より、量子井戸発光層を用いる場合、十分な発光強度を得るためには、井戸層１層当りの層厚を３ｎｍ以上６ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００９５】
実施例１１
この実施例は、本発明を発光ダイオード素子に適用した第３の実施形態の半導体発光素子を説明する。
図３は発光ダイオード素子３の断面図を示す。この実施例において、パッド電極１０７直下のｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層１０４とｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５との間に、パッド電極１０７とほぼ同じ面積でｎ型Ｍｇ_０．３５Ｚｎ_０．６５Ｏ層を電流ブロック層３０１として形成する以外は、発光ダイオード素子２ａと同様にして発光ダイオード素子３ａを作製した。Ｍｇ_０．３５Ｚｎ_０．６５Ｏ電流ブロック層３０１の厚みは０．１μｍとし、Ｇａを１×１０^１８ｃｍ^−３ドーピングした。
【００９６】
発光ダイオード素子３ａ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。
発光ダイオード素子３ａは、電流ブロック層３０１によってパッド電極１０７直下には電流が流れず、光取り出し効率の高い素子周辺部で発光強度が強くなったため、発光ダイオード素子２ａに比べて発光強度が５０％向上した。
【００９７】
実施例１２
この実施例は、本発明を半導体レーザ素子に適用した第４の実施形態の半導体発光素子を説明する。
図４はＺｎＯ系半導体レーザ素子４の斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示す。この実施例において、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１上に、Ｇａを１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層４０２、ＭｇＺｎＯ量子井戸活性層４０３、Ｎを２×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ０．２μｍの第１のｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層４０４、Ｎを２×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ０．０５μｍのｐ型ＢｅＯエッチングストップ層４０５、Ｎを２×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ１．０μｍの第２のｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層４０６、Ｎを５×１０^１９ｃｍ^−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４０７を積層して、半導体レーザ素子４ａを作製した。
また、ＭｇＺｎＯ量子井戸活性層４０３が、厚さ５ｎｍのＭｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ障壁層３層と厚さ４ｎｍのＭｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ井戸層２層とが交互に積層することによって形成され、ＭｇＺｎＯ量子井戸活性層４０３全体にＧａが５×１０^１６ｃｍ^−３の濃度でドーピングされている。
【００９８】
さらに、第２のｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層４０６およびｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７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１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたＭｇ_０．３５Ｚｎ_０．６５Ｏよりなるｎ型電流ブロック層４０８によって埋め込まれている。
また、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７およびｎ型電流ブロック層４０８の上にはｐ型オーミック電極４０９が形成され、ＺｎＯ基板４０１の下にはｎ型オーミック電極４１０が形成されている。
【００９９】
以下に製造方法を順に説明する。
まず、洗浄処理したＺｎＯ基板４０１を図７に示すレーザＭＢＥ装置７に導入し、温度６００℃で３０分間加熱し清浄化した。
次に基板温度を５５０℃に降温し、ノンドープＺｎＯ単結晶およびＧａ_２Ｏ_３を添加したＭｇＺｎＯ焼結体を原料ターゲットとし、回転機構によるターゲットテーブルの駆動周期とＫｒＦエキシマレーザのパルス照射周期を外部制御装置（図示せず）によって同期させ、前記原料ターゲットを所望のＭｇ組成とＧａドーピング濃度が得られる比率で交互にアブレーションしてｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層４０２を得た。アブレーションを行うパルスレーザにはＫｒＦエキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ、パルス数：１０Ｈｚ、出力１Ｊ／ｃｍ^２）を用いた。成長中にはガス導入管７１０ａより、Ｏ_２ガスを導入した。
次に、ｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層４０２と同様の交互アブレーション手法でＭｇ組成を制御し、Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ障壁層とＭｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ井戸層よりなる量子井戸活性層４０３を形成した。
【０１００】
次に、ラジカルセル７０９よりプラズマ化したＮ_２ガスを流しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶およびノンドープＭｇＺｎＯ焼結体を原料ターゲットとして交互アブレーションを行い、第１のｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層４０４を成長させた。
次に、ラジカルセル７０９よりプラズマ化したＮ_２ガスを流しながら、ノンドープＢｅＯ単結晶を原料ターゲットとしてアブレーションを行い、ｐ型ＢｅＯエッチングストップ層４０５を成長させた。
次に、第１のｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層４０４と同じ手法で、第２のｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層４０６を成長させた。
【０１０１】
次に、ラジカルセル７０９よりプラズマ化したＮ_２ガスを流しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶を原料ターゲットとしてアブレーションを行い、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７を成長させた。
【０１０２】
次に、基板４０１をレーザＭＢＥ装置７から取り出し、幅３μｍのストライプ状レジストマスクをｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７上に形成し、１重量％の硝酸水溶液を用いてｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７および第２のｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層４０６をリッジ形状にエッチングし、ｐ型ＢｅＯエッチングストップ層４０５で停止させた。その後、リッジストライプ幅が１．５μｍになるまで横方向のエッチングを進行させ、基板４０１を前記硝酸水溶液から引き上げて水洗しエッチングを停止させた。
【０１０３】
次に、レジストマスクを洗浄除去し、基板４０１を再度レーザＭＢＥ装置７に導入して、ｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層４０２と同様の交互アブレーション手法で、基板上にｎ型Ｍｇ_０．３５Ｚｎ_０．６５Ｏ電流ブロック層４０８を成長させた。
【０１０４】
次に、基板４０１をレーザＭＢＥ装置７から取り出し、リッジストライプ上に堆積したｎ型Ｍｇ_０．３５Ｚｎ_０．６５Ｏ層をエッチング除去してｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７を露出させ、露出したｐ型ＺｎＯコンタクト層４０７および電流ブロック層４０８の上面全面に、ｐ型オーミック電極４０９としてＮｉ薄膜を真空蒸着した。
最後に、ＺｎＯ基板４０１の裏面にｎ型オーミック電極４１０としてＡｌを真空蒸着した。
【０１０５】
なお、この実施例においては、ＺｎＯ単結晶およびＧａドープＭｇＺｎＯ焼結体の２つの原料ターゲットを交互アブレーションすることによって、Ｍｇ組成およびＧａドーピング濃度を制御したが、ＺｎＯ単結晶、ノンドープＭｇＺｎＯ焼結体およびＧａドープＺｎＯ焼結体の３つの原料ターゲットを打ち分ける等の方法を用いて、ドーピング濃度の制御性を向上させることができる。
【０１０６】
半導体レーザ素子４ａの作製後、ＺｎＯ基板４０１を劈開して端面ミラーを形成し、通常の方法によって端面に保護膜を真空蒸着した後、素子を３００μｍ角のチップ状に分離した。
半導体レーザ素子４ａに電流を流したところ、端面から波長３８０ｎｍの紫外発振光が得られた。
発振閾値電流は３０ｍＡで、光出力５ｍＷでの動作電流は３３ｍＡ、動作電圧は３．８Ｖであった。
【０１０７】
実施例１３
半導体レーザ素子４において、適切なリッジストライプ幅を確認した。
リッジストライプ幅は狭い程キャリア注入効率が高くなり、また、高次横モードをカットオフしてキンクレベルを向上させることができるので、５μｍ以下であることが好ましい。
リッジストライプ幅が狭すぎると、動作電圧が上昇し信頼性も悪化するが、リッジストライプ幅が０．５μｍ以上であれば、動作電圧は上昇せず、信頼性も悪化しなかった。
以上の結果から、リッジストライプ幅は０．５μｍ以上５μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【０１０８】
実施例１４
半導体レーザ素子４において、Ｍｇ_ｆＺｎ_１−ｆＯ電流ブロック層４０８のＭｇ組成は、実屈折率型の導波機構を実現し、光吸収を生じさせないために第２のｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層４０６のＭｇ組成より高くする必要がある。また、Ｍｇ組成が高すぎると、電流ブロック層の結晶性を低下させる。
【０１０９】
そこで、結晶性を低下させて発光効率を低下させないＭｇ組成を調べた結果、０．５以下であることが好ましいことがわかった。
すなわち、前記Ｍｇ組成ｂおよびｆが、以下の関係：
ｂ≦ｆ≦０．５
を満たしていることが好ましいことがわかった。
【０１１０】
実施例１５
次に、第１および第２のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０４および４０６のＭｇ組成およびキャリア濃度と発振閾値電流との関係を図１４に示す。
第１および第２のＭｇＺｎＯクラッド層４０４および４０６のＭｇ組成およびそれらのＮドーピング濃度を変化させる以外は、半導体レーザ素子４ａと同様にして、種々の半導体レーザ素子を作製した。キャリア濃度は、図８を用いて、Ｎドーピング濃度から見積もった。
図１４は、代表例として、ｐ型クラッド層のキャリア濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３、１×１０^１７ｃｍ^−３および５×１０^１７ｃｍ^−３とした場合を示す。
ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下では、Ｍｇ組成を上げても発振閾値電流が低減せず、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層側へのキャリアオーバーフローが顕著となっていると考えられる。
ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上の場合、Ｍｇ組成が０．１（井戸層と同じ）以下ではキャリアが量子井戸層に閉じ込められず、一方０．５以上では結晶性劣化によって損失が増大していると考えられ、いずれも発振閾値電流が高かった。
【０１１１】
さらに、半導体レーザ素子４について、活性層へのキャリア閉込めが良好に行われる条件を検討したところ、発光ダイオード素子の場合と同様に、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層４０４のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上であるとき、結晶性が良好な層を得るためには、ｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層４０２、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層４０４ならびに量子井戸活性層４０３を構成するＭｇ_ｄＺｎ_{１− ｄ}Ｏ井戸層およびＭｇ_ｅＺｎ_１−ｅＯ障壁層のＭｇ組成ａ、ｂ、ｄおよびｅをいずれも０．５以下とすることが好ましく、クラッド層と発光層との間のバンドギャップ差を大きくして、キャリアのオーバーフローを抑制し活性層への閉じ込め効率を高くするためには、Ｍｇ組成ａおよびｂをＭｇ組成ｄおよびｅより高くし、かつ、ａおよびｂとｄとの差は０．０５以上とし、井戸層と障壁層との関係から、Ｍｇ組成ｅをｄより高くすることが好ましいことがわかった。
すなわち、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．５；
０．０５＜ｂ≦０．５；
０＜ｄ≦ａ−０．０５；
０＜ｄ≦ｂ−０．０５；
ｄ＜ｅ＜ａ；および
ｄ＜ｅ＜ｂ
を全て満たしていれば、高い発光強度が得られるので好ましいことがわかった。
【０１１２】
良好な結晶性を維持するためには、ｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層４０２、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層４０４ならびに量子井戸活性層４０３を構成するＭｇ_ｄＺｎ_{１− ｄ}Ｏ井戸層およびＭｇ_ｅＺｎ_１−ｅＯ障壁層のＭｇ組成ａ、ｂ、ｄおよびｅをいずれも０．３５以下とすることが、より好ましい。
すなわち、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．３５；
０．０５＜ｂ≦０．３５；
０＜ｄ≦ａ−０．０５；
０＜ｄ≦ｂ−０．０５；
ｄ＜ｅ＜ａ；および
ｄ＜ｅ＜ｂ
を全て満たしていれば、さらに高い発光強度が得られるのでより好ましいことがわかった。
【０１１３】
さらに、ｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層４０２およびｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層４０４のＭｇ組成と発光層１０３を構成するＭｇ_ｅＺｎ_１−ｅＯ障壁層のＭｇ組成との差が０．０５以上であって、量子井戸活性層４０３を構成するＭｇ_ｅＺｎ_１−ｅＯ障壁層とＭｇ_ｄＺｎ_１−ｄＯ井戸層のＭｇ組成との差が０．０２以上であれば、井戸層と障壁層、およびクラッド層と障壁層のバンドギャップ差が大きく、キャリアのオーバーフローを抑制し井戸層への閉じ込め効率を高くできるので好ましい。
すなわち、以下の関係：
ｄ＜ｅ≦ａ−０．０５；
ｄ＜ｅ≦ｂ−０．０５；および
０＜ｄ＜ｅ−０．０２
を全て満たしていれば、さらに高い発光強度が得られるので、より一層好ましいことがわかった。
【０１１４】
なお、半導体レーザ素子の製造方法はこの実施例に限定されるものではない。例えばエッチングストップ層４０５上全面に電流ブロック層４０８を形成した後、硝酸水溶液を用いて幅１．５μｍのチャネルを形成し、エッチングストップ層４０５でエッチングを停止させた後に第２のｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を形成してもよい。
【０１１５】
実施例１６
ＭｇＺｎＯ多重量子井戸層４０３のＭｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ井戸層のみにＧａをドーピングする以外は、半導体レーザ素子４ａと同様にして、半導体レーザ素子４ｂを作製した。
半導体レーザ素子４ｂは、量子井戸構造全体にＧａをドーピングした半導体レーザ素子４ａに比べ、発振閾値電流が１０％低減した。これは、ドーピング総量が減ったため結晶性と透過率が向上したためと考えられる。
また、Ｍｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ障壁層のみにドーピングした場合も、多重量子井戸活性層のみにドーピングした場合と同様に、発振閾値電流が１０％低減した。
量子井戸活性層を用いた半導体レーザ素子においても、図１３に示した発光強度の井戸層厚依存性は有効であるので、井戸層１層当りの層厚を３ｎｍ以上６ｎｍ以下とすることが好ましい。
【０１１６】
実施例１７
この実施例は、本発明を半導体レーザ素子に適用した第５の実施形態の酸化物半導体発光素子を説明する。
図５は半導体レーザ素子５の断面図を示す。この実施例において、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０２と量子井戸活性層４０３との間に、Ｇａを１×１０^１７ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ５０ｎｍのｎ型Ｍｇ_０．２５Ｚｎ_０．７５Ｏ光ガイド層５０１を形成し、量子井戸活性層４０３と第１のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層４０４との間に、Ｎを１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドーピングした厚さ５０ｎｍのｐ型Ｍｇ_０．２５Ｚｎ_０．７５Ｏ光ガイド層５０２を形成する以外は、半導体レーザ素子４ａと同様にして半導体レーザ素子５ａを作製した。
【０１１７】
半導体レーザ素子５ａは、半導体レーザ素子４ａに比べて発振閾値電流が３０％低減した。量子井戸活性層４０３の両側に光ガイド層５０１および５０２を形成したので、量子井戸活性層への光閉込め効率が高くなったためと考えられる。
【０１１８】
実施例１８
次に、所望の光閉込め効率を得るために適当なｎ型ＭｇＺｎＯ光ガイド層５０１およびｐ型ＭｇＺｎＯ光ガイド層５０２のＭｇ組成を調べた。
Ｍｇ_ｇＺｎ_１−ｇＯ層のＭｇ組成を変化させると光の屈折率が変化し、また、光閉込め効率は半導体レーザ素子を構成する層の屈折率に影響される。
そこで、この実施例において、量子井戸活性層近傍の層厚方向の屈折率プロファイルと発光強度分布との関係を調べた。光ガイド層の屈折率は、すでに知れらているＭｇ組成と屈折率との関係を基にして光ガイド層のＭｇ組成から求めた。
【０１１９】
実施例１７で作製された半導体レーザ素子５ａにおいて、光ガイド層５０１および５０２のＭｇ組成は均一であったが、光ガイド層のＭｇ組成をクラッド層から活性層に近付くに従って連続的に変化させて、光ガイド層中の屈折率がクラッド層から活性層に向って連続的に変化するようにする以外は、半導体レーザ素子５ａと同様にして、半導体レーザ素子５ｂを作製した。
半導体レーザ素子４ａ、半導体レーザ素子５ａおよび５ｂを比較して、量子井戸活性層近傍の層厚方向の屈折率プロファイルおよび発光強度分布を図１５に示す。
【０１２０】
半導体レーザ素子５ｂは、半導体レーザ素子５ａに比べて発振閾値電流が２０％低減し、素子寿命が４０％向上した。
発振閾値電流が低減し、素子寿命が向上したのは、活性層への光閉込め効率がさらに高くなったこと、および、図１５からわかるように、半導体レーザ素子５ｂにおいては、光ガイド層中のＭｇ組成を緩やかに変化させたため、結晶欠陥が低減されたことが原因と考えられる。
なお、光ガイド層５０１および５０２のＭｇ組成は、これらの実施例に限定されるものではない。また、光ガイド層のＭｇ組成変化は、半導体レーザ素子５ｂのように連続的ではなく、段階的であっても本発明の効果を奏する。
【０１２１】
かくして、本発明により作製された酸化物半導体発光素子は、近紫外発光領域における発光特性や、信頼性および省電力性が従来のものよりも向上し、高密度光記録や、光励起可視発光システム、耐環境システム等に用いられる光源として、優れた特性を発揮する。
【０１２２】
【発明の効果】
本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に、ＺｎＯ系半導体で構成されたｎ型クラッド層、発光層およびｐ型クラッド層を有する発光ダイオード素子および半導体レーザに適用することができる。
本発明によれば、酸化物半導体発光素子において、クラッド層および発光層のキャリア濃度および組成を所定の範囲にすることによって、結晶性に優れたＺｎＯ系半導体エピタキシャル層を得ることができ、またクラッド層へのキャリアオーバーフローを抑止して、信頼性と発光効率に優れた紫外発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態の酸化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）を示す斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）。
【図２】絶縁性基板を用いた第１の実施形態の酸化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）を示す斜視図。
【図３】本発明による第３の実施形態の酸化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）を示す断面図。
【図４】本発明による第４の実施形態の酸化物半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）。
【図５】本発明による第５の実施形態の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す断面図。
【図６】分子線エピタキシー装置の概略図。
【図７】レーザ分子線エピタキシー装置の概略図。
【図８】Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７ＯおよびＺｎＯへのＮドーピング濃度とキャリア濃度との関係を説明するグラフ。
【図９】本発明による第１の実施形態の酸化物半導体素子（発光ダイオード素子）における、ｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層のキャリア濃度と発光強度との関係を説明するグラフ。
【図１０】本発明による第１の実施形態の酸化物半導体素子（発光ダイオード素子）における、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成と発光強度との関係を説明するグラフ。
【図１１】本発明による第１の実施形態の酸化物半導体素子（発光ダイオード素子）における、Ｍｇ_０．０５Ｚｎ_０．９５Ｏ発光層およびｐ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏクラッド層の層厚と発光強度との関係を説明するグラフ。
【図１２】本発明による第１の実施形態の酸化物半導体素子（発光ダイオード素子）の発光スペクトル。
【図１３】本発明による第２の実施形態の酸化物半導体素子（発光ダイオード素子）における発光強度の井戸層厚依存性を説明するグラフ。
【図１４】本発明による第４および第５の実施形態の半導体発光素子（半導体レーザ素子）における、ｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成およびキャリア濃度と発振閾値電流との関係を説明するグラフ。
【図１５】本発明による第４および第５の実施形態の半導体発光素子（半導体レーザ素子）における、量子井戸活性層近傍の層厚方向の屈折率プロファイルと発光強度分布との関係を示す概略図。
【符号の説明】
１・・・発光ダイオード素子、
１０１・・・ＺｎＯ基板、
１０２・・・ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、
１０３・・・発光層、
１０４・・・ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、
１０５・・・ｐ型ＺｎＯコンタクト層、
１０６・・・ｐ型オーミック電極、
１０７・・・パッド電極、
１０８・・・ｎ型オーミック電極、
１０９・・・ｎ型ＺｎＯバッファ層、
１１０・・・ｎ型ＺｎＯコンタクト層、
３０１・・・ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層、
４・・・半導体レーザ素子、
４０１・・・ＺｎＯ基板、
４０２・・・ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、
４０３・・・量子井戸活性層、
４０４・・・ｐ型ＭｇＺｎＯ第１クラッド層、
４０５・・・ｐ型ＢｅＯエッチングストップ層、
４０６・・・ｐ型ＭｇＺｎＯ第２クラッド層、
４０７・・・ｐ型ＺｎＯコンタクト層、
４０８・・・ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層、
４０９・・・ｐ型オーミック電極、
４１０・・・ｎ型オーミック電極、
５０１・・・ｎ型ＺｎＯ光ガイド層、
５０２・・・ｐ型ＺｎＯ光ガイド層、
６・・・ＭＢＥ装置、
６０１・・・成長室、
６０２・・・基板ホルダー、
６０３・・・基板、
６０４・・・ヒーター、
６０５・・・蒸発源セル、
６０６・・・ヒーター、
６０７・・・シャッター、
６０８・・・ラジカルセル、
７・・・レーザＭＢＥ装置、
７０１・・・成長室、
７０２・・・基板ホルダー、
７０３・・・基板、
７０４・・・ヒーター、
７０５・・・ターゲットテーブル、
７０６・・・原料ターゲット、
７０７・・・ビューポート、
７０８・・・パルスレーザ光（エキシマレーザ）、
７０９・・・ラジカルセル、
７１０・・・ガス導入管。[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a semiconductor light-emitting device such as a light-emitting diode device and a semiconductor laser device, and more particularly, to an oxide semiconductor light-emitting device having excellent light-emitting characteristics, reliability, and power saving in an ultraviolet region.
[Prior art]
Currently, in the field of semiconductor light-emitting devices, blue light-emitting devices are most actively developed, but are applied to even higher-density digital optical recording, visible light-emitting systems by light excitation using high energy, and environmental resistance systems such as sterilization. For this reason, research on near-ultraviolet light-emitting devices has been advanced. Therefore, it is considered that the application of the semiconductor light emitting device will change from blue light emission in the wavelength region of 400 to 450 nm to near ultraviolet light emission in the range of 300 to 400 nm in the future.
[0002]
As the near-ultraviolet light-emitting element, there has been research using a group III nitride semiconductor such as GaN or AlGaN. Recently, zinc oxide (ZnO), which is a group II oxide semiconductor, emits light in a blue region or an ultraviolet region. As a promising material.
ZnO is a direct transition semiconductor having a band gap of about 3.4 eV. In addition, exciton binding energy of GaN having a band gap substantially equal to that of ZnO is about 20 meV, but ZnO has an extremely high exciton binding energy of about 60 meV. There is a possibility that a light-emitting device can be realized, and further, there are features such as low cost of raw materials, harmlessness to the environment and the human body, and a simple film forming method.
[0003]
Hereinafter, when the term "ZnO-based" semiconductor is used in this specification, it includes ZnO and mixed crystals represented by MgZnO, CdZnO, or the like using the same as a host. Further, in the present specification, when a mixed crystal is indicated without specifying the composition, for example, “MgZnO” is simply described only by an element symbol, and when the composition is specified, for example, “MgZnO” is used._0.1Zn_0.9O ".
[0004]
The transition energy between bands of ZnO corresponds to the emission in the ultraviolet region of about 370 nm. However, the present inventors succeeded in widening the band gap by dissolving Mg in ZnO (Sakurai et al., No. 44). Proceedings of the Joint Lecture Meeting on Applied Physics, 29p-P-5, Non-Patent Document 1), ZnO-based optical semiconductor device having a double heterostructure using a MgZnO thin film as a cladding layer, and light emission of a shorter wavelength than ZnO U.S. Pat. No. 6,049,086 (Patent Document 1) has invented an optical semiconductor device and the like capable of emitting a color by using a phosphor and capable of displaying a color, and a method for manufacturing the same.
[0005]
Conventionally, it has been difficult to control the p-type conductivity type of ZnO due to a self-compensation effect caused by strong ionicity. However, by using nitrogen (N) as an acceptor impurity, a p-type conductivity is realized (for example, “Japanese”).・ Journal of Applied Physics ”, Vol. 36, 1997, p. L1453-1455; see Non-Patent Document 2, and a highly efficient light-emitting element using a ZnO-based semiconductor. Many studies have been carried out to produce (for example, "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 40, 2001, p. L177-180; See Non-Patent Document 3).
[0006]
However, the acceptor level in ZnO is very deep, and even an N acceptor capable of realizing p-type requires ionization energy of 200 to 300 meV, so that it is difficult to obtain a low resistance layer.
[0007]
JP-A-2001-48698 (Patent Document 2) and JP-A-2001-68707 (Patent Document 3) disclose the use of ZnO to manufacture an ultraviolet semiconductor laser diode required for high-density recording and transmission of a large amount of information. Discloses a so-called "simultaneous doping technique" in which a p-type dopant and an n-type dopant are simultaneously doped into ZnO to produce a low-resistance p-type ZnO single crystal thin film. This “simultaneous doping technique” is characterized in that doping is performed so that the p-type dopant concentration becomes higher than the n-type dopant concentration. By combining low-resistance p-type ZnO obtained by this technique with n-type ZnO obtained by doping impurities such as Ga, a pn junction can be realized in ZnO, which is the same semiconductor compound.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-10-270779
[0009]
[Patent Document 2]
JP 2001-48698 A
[Patent Document 3]
JP 2001-68707 A
[0010]
[Non-patent document 1]
Sakurai et al., Proceedings of the 44th Lecture Meeting on Applied Physics, 29p-P-5
[0011]
[Non-patent document 2]
"Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 36, 1997, p. L1453-1455
[0012]
[Non-Patent Document 3]
"Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 40, 2001, p. L177-180
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, despite the fact that ZnO-based semiconductors have a potential that surpasses Group III nitride semiconductors, they have problems in that their luminous efficiency is low and their operating voltage and oscillation threshold current are high.
The present inventors have found that when the near-ultraviolet light emitting device is formed of a MgZnO mixed crystal having a wide band gap, the carrier concentration of the p-type cladding layer cannot be increased because the level of the acceptor impurity is deep and the activation rate is low. The main cause of the problem is that the hetero barrier at the interface between the light emitting layer and the p-type cladding layer is low, and electrons injected from the n-type cladding layer into the light emitting layer are not confined well and overflow into the p-type cladding layer. Revealed that there is.
Thus, an object of the present invention is to provide an oxide semiconductor light emitting device that has excellent light emitting characteristics in the near ultraviolet light emitting region, suppresses carrier overflow, and has excellent light emitting characteristics and power saving properties in view of the above-mentioned problems. .
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have studied the element structure of a semiconductor light emitting element using MgZnO mixed crystal for the light emitting layer and the double hetero structure, and as a result, optimized the light emitting element structure so as to suppress carrier overflow and have excellent characteristics. And succeeded to the present invention.
[0015]
In a first aspect, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:_aZn_1-aO cladding layer, p-type Mg_bZn_1-bO cladding layer and Mg_cZn_1-cAn O light emitting layer is formed, and the light emitting layer is sandwiched between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer, and the carrier concentration of the p-type cladding layer is 1 × 10¹⁷cm^-3~ 5 × 10¹⁹cm^-3Is provided.
The carrier concentration of the p-type cladding layer is 1 × 10¹⁷cm^-3With the above, the hetero barrier at the interface with the light emitting layer can be increased, and the overflow of electrons can be effectively suppressed. Also, 5 × 10¹⁹cm^-3If it is below, light absorption and crystallinity deterioration due to impurities do not occur.
[0016]
In a second aspect, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:_aZn_1-aO cladding layer, p-type Mg_bZn_1-bO cladding layer and Mg_cZn_1-cAn O light emitting layer is formed, and the light emitting layer is sandwiched between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer, wherein the Mg compositions a, b and c have the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.5;
0.05 <b ≦ 0.5;
0 <c ≦ a−0.05; and
0 <c ≦ b−0.05
An oxide semiconductor light-emitting device that satisfies all of the following conditions is provided.
[0017]
The Mg compositions a, b and c have the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.35;
0.05 <b ≦ 0.35;
0 <c ≦ a−0.05; and
0 <c ≦ b−0.05
Is more preferably satisfied.
If the Mg compositions a, b, and c satisfy the above relationship, the carrier overflow can be effectively suppressed without impairing the crystallinity of each layer.
[0018]
In this specification, a layer that controls light emission in a semiconductor light emitting device is referred to as a “light emitting layer”, but in the case of a semiconductor laser device, the term “active layer” may be used in the same sense. However, since the functions of the two are substantially the same, no distinction is made.
[0019]
By configuring the double hetero structure within the above-described predetermined composition range, the hetero barrier at the interface with the light emitting layer can be increased, and carrier overflow can be effectively suppressed. In addition, an MgZnO epitaxial layer having a single composition and excellent in crystallinity can be obtained, and thus an ultraviolet light emitting device having high reliability and high luminous efficiency can be realized.
[0020]
In a third aspect, in the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, one or more MgZnO well layers and one or more MgZnO barrier layers are alternately stacked instead of the MgZnO light emitting layer having a single composition. The formed quantum well light emitting layer can be obtained.
When the light emitting layer has the quantum well structure, the optical gain is improved, and the oscillation threshold current in the semiconductor laser device is reduced. Further, the luminous efficiency of the light emitting diode element is improved. In addition, the exciton binding energy, which is a feature of zinc oxide, is further increased, and a high-output ultraviolet light emitting device with a low threshold current can be realized.
[0021]
That is, the present invention provides at least n-type Mg_aZn_1-aO cladding layer, p-type Mg_bZn_1-bO cladding layer and one or more Mg_dZn_1-dO well layer and one or more Mg_eZn_1-eO-barrier layers are alternately laminated to form a quantum well light-emitting layer, which is sandwiched between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer. , B, d and e have the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.5;
0.05 <b ≦ 0.5;
0 <d ≦ a-0.05;
0 <d ≦ b-0.05;
d <e <a; and
d <e <b
Also provided is an oxide semiconductor light emitting device that satisfies all of the above.
[0022]
The Mg compositions a, b, d and e have the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.35;
0.05 <b ≦ 0.35;
0 <d ≦ a-0.05;
0 <d ≦ b-0.05;
d <e <a; and
d <e <b
Is more preferably satisfied.
[0023]
The Mg compositions a, b, d and e further have the following relationship:
d <e ≦ a−0.05;
d <e ≦ b−0.05; and
0 <d <e−0.02
It is even more preferable that all the above conditions are satisfied.
[0024]
By setting the composition of the quantum well layer within the above-mentioned predetermined range, carrier overflow to the cladding layer is suppressed.
By setting the composition of the cladding layer within the above-mentioned predetermined range, a MgZnO epitaxial layer having a single composition and excellent in crystallinity can be obtained. Thus, an ultraviolet light emitting device having excellent reliability and high luminous efficiency can be realized.
[0025]
In a fourth aspect, the present invention provides an oxide semiconductor light emitting device in which a current blocking layer made of MgZnO is formed in a layer other than the light emitting layer.
Further, since the present invention is applied to a semiconductor laser device, the p-type Mg_bZn_1-bA part of the O-clad layer is processed into a ridge stripe shape, and the side surface of the p-type clad layer processed with the ridge stripe shape is formed of Mg._fZn_1-fAn oxide semiconductor light emitting device embedded by an O current blocking layer is also provided.
By providing the current block layer, in the light emitting diode element, light emission can be improved in the peripheral portion having high light extraction efficiency by avoiding light emission immediately below the electrode. Further, carriers can be efficiently injected into the waveguide region in the semiconductor laser device, and the oscillation threshold current is reduced.
[0026]
The ridge type semiconductor laser device has excellent controllability of the transverse mode, has a simple manufacturing process, and has high reliability. Further, by setting the ridge stripe width in a predetermined range, high carrier injection efficiency can be realized, the operating current can be reduced, and the kink level can be improved.
[0027]
The Mg compositions b and f have the following relationship:
b ≦ f ≦ 0.5
Is preferably satisfied.
By setting the composition of the current blocking layer within the above-mentioned predetermined range, light absorption in the current blocking layer does not occur, and a real refractive index type waveguide mechanism is realized in a semiconductor laser or the like. This makes it possible to realize a light emitting diode element having a high light intensity and a semiconductor laser element having a low threshold current and excellent stability in the transverse mode.
[0028]
In the oxide semiconductor light-emitting device of the present invention, the light-emitting layer has, as a donor impurity, for example, one selected from the group consisting of B, Al, Ga, and In irrespective of a single composition structure or a multiple quantum well structure. A plurality of group III elements are doped.
By doping a light-emitting layer with a donor impurity, luminescence efficiency can be improved by utilizing transition via an impurity level.
[0029]
When the light emitting layer has a multiple quantum well structure, the donor impurity can be doped into the entire quantum well structure. Also, only the well layer or only the barrier layer can be doped. By doping only the well layer, the total amount of doping is reduced and the crystallinity is improved. Also, by doping only the barrier layer, carrier loss is reduced and the threshold is reduced.
[0030]
In the light emitting layer of the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, one or more selected from the group consisting of Li, Na, Cu, Ag, N, P and As are used as acceptor impurities together with the donor impurities. Can be co-doped. In the oxide semiconductor light-emitting element of the present invention, the light-emitting layer is co-doped with a donor impurity and an acceptor impurity, so that the light-emitting layer has n-type conductivity. When the light-emitting layer is co-doped with a donor impurity and an acceptor impurity, luminous efficiency can be improved by utilizing a donor / acceptor pair (hereinafter, referred to as “D / A pair”) transition.
[0031]
In a fifth aspect, the present invention provides the method of_cZn_1-cIn contact with the Oc light emitting layer, n-type Mg_gZn_1-gO light guide layer and / or p-type Mg_{g '}Zn_{1-g '}An O light guide layer is formed, where n-type Mg_gZn_1-gThe O light guide layer comprises the light emitting layer and the n-type Mg._aZn_1-aO-cladding layer and p-type Mg_{g '}Zn_{1-g '}The O light guide layer is composed of the light emitting layer and the p-type Mg._bZn_1-bProvided is an oxide semiconductor light emitting device formed between an O clad layer.
By having the light guide layer, even if the active layer is thinned in a quantum well structure or the like, the light confinement effect is high, and the oscillation threshold current of the semiconductor laser device is reduced.
[0032]
In the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, the Mg composition g of the n-type light guide layer is a value between the Mg composition a of the n-type cladding layer and the Mg composition c of the light-emitting layer, and There is a region where the Mg composition g changes in the light guide layer, and the Mg composition g ′ of the p-type light guide layer is between the Mg composition b of the p-type cladding layer and the Mg composition c of the light emitting layer. The p-type light guide layer has a region where the Mg composition g ′ changes.
By changing the Mg composition of the n-type or p-type light guide layer between the interface with the light emitting layer and the interface with the n-type or p-type cladding layer, the crystal growth can be performed while improving the light confinement efficiency. No sharp growth change occurs under the conditions, and the element does not thermally deteriorate.
[0033]
In the oxide semiconductor light-emitting device of the present invention, if the substrate is a lattice-matched substrate having an in-plane lattice constant difference with ZnO of 3% or less, particularly a ZnO single crystal substrate, the substrate is completely compatible with a ZnO-based semiconductor layer epitaxially grown thereon. Lattice matching, and has better affinity than using a heterogeneous substrate. Thus, a light-emitting element having good crystallinity and extremely few non-light-emission centers can be manufactured.
[0034]
In addition, when the back surface of the substrate is formed to have a rough surface having irregularities of an arbitrary shape, light from the light emitting layer is irregularly reflected and light extraction efficiency is improved, so that the light emission intensity of the light emitting diode element can be increased.
[0035]
In the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, a p-type ohmic electrode is formed on the entire main surface of the ZnO contact layer. If the p-type ohmic electrode has a light-transmitting property with respect to the light-emitting layer, the current spread becomes uniform and the external light extraction efficiency is improved. Therefore, an ultraviolet light emitting device having excellent luminous efficiency can be realized.
If the p-type ohmic electrode is formed using one metal material selected from the group consisting of Ni, Pd and Pt or an alloy of two or more of these metal materials, the p-type ohmic electrode has a low resistance to the p-type ZnO-based semiconductor layer. It forms a good ohmic contact and has excellent adhesion to a ZnO-based semiconductor. Therefore, a light-emitting element with excellent reliability and low operating voltage can be realized.
[0036]
In the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, an n-type ohmic electrode is formed on the back surface of the substrate. If the n-type ohmic electrode is formed using one metal material selected from the group consisting of Ti, Al, and Cr or an alloy of two or more of these metal materials, the n-type ohmic electrode is It forms a low-resistance ohmic contact and has excellent adhesion to a ZnO-based semiconductor. Therefore, a light-emitting element with excellent reliability and low operating voltage can be realized.
[0037]
Further, by patterning the n-type ohmic electrode to expose a part of the back surface of the substrate, it is possible to prevent the light extraction efficiency from being reduced by absorption or reflection at the electrode. Therefore, an ultraviolet light emitting device having excellent luminous efficiency can be realized.
Further, in this case, if the auxiliary electrode is formed using a metal material different from the n-type ohmic electrode, the contact area with the lead frame is increased. A low ultraviolet light emitting device can be realized.
[0038]
In the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, the back surface of the substrate is bonded to the support frame using a conductive resin containing Ag.
Ag has a high reflectance to ultraviolet light, and reflects light incident on the back surface of the substrate with high efficiency, so that an ultraviolet light emitting device having excellent light extraction efficiency can be realized.
[0039]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the oxide semiconductor light emitting device of the present invention is applied to a light emitting diode device and a semiconductor laser device will be specifically described with reference to the drawings.
[0040]
First embodiment
The oxide semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention is a light emitting diode device having at least an n-type MgZnO cladding layer, a MgZnO light emitting layer, and a p-type MgZnO cladding layer on a substrate. This light emitting diode element is characterized in that the carrier concentration of the p-type MgZnO cladding layer and the Mg composition of the double hetero structure are within predetermined ranges.
According to the present invention, the MgZnO epitaxial layer having excellent crystallinity can be obtained by setting the carrier concentration of the p-type MgZnO cladding layer and the Mg composition of the double hetero structure in a predetermined range. By increasing the hetero barrier at the interface and thus suppressing carrier overflow to the cladding layer, it is possible to obtain an ultraviolet light emitting device having excellent reliability and luminous efficiency.
[0041]
FIG. 1 shows a perspective view (A) and a sectional view (B) of the light emitting diode element 1. The light-emitting diode element 1 is obtained by stacking an n-type MgZnO cladding layer 102, a MgZnO light-emitting layer 103, a p-type MgZnO cladding layer 104, and a p-type ZnO contact layer 105 on a ZnO substrate 101 having a zinc surface as a main surface. It is configured.
[0042]
On the entire main surface of the p-type ZnO contact layer 105, an ohmic electrode 106 that is transparent to light emitted from the light emitting layer is laminated. Further, a bonding pad electrode 107 is formed on the light-transmitting ohmic electrode 106 with an area smaller than that of the light-transmitting ohmic electrode 106.
On the back surface of the ZnO substrate 101, an n-type ohmic electrode 108 is laminated.
[0043]
In the oxide semiconductor light emitting device of the present invention, the material of the substrate 101 may be sapphire, spinel, LiGaO₂Or a conductive substrate such as SiC or GaN.
FIGS. 2A and 2B are perspective views of a light emitting diode element 1 ′ using sapphire as an insulator for the substrate 101.
In the case of using an insulating substrate, as shown in FIG. 2A, a part of the growth layer is etched to expose the n-type MgZnO layer 102, and the n-type ohmic electrode 108 may be formed thereon. In addition, as shown in FIG. 2B, in order to obtain a growth layer having good crystallinity, first, an n-type ZnO buffer layer 109 is formed on the substrate, and further, the contact resistance of the n-type ohmic electrode 108 is reduced. May be formed with an n-type ZnO contact layer 110.
[0044]
However, in order to maximize the high luminous efficiency, which is the effect of the present invention, (1) a lattice-matched substrate having an in-plane lattice constant difference with ZnO of 3% or less and having excellent crystallinity of the grown layer. It is preferable to use a substrate that can reduce defects serving as non-emission centers, (2) has a low absorption coefficient corresponding to the emission wavelength, and (3) is conductive and can form an electrode on the back surface. A substrate made of ZnO single crystal is most preferable because it satisfies all the above conditions. The ZnO substrate is perfectly lattice-matched with the ZnO-based semiconductor light emitting device epitaxially grown thereon, and has a higher affinity than using a heterogeneous substrate. Thus, a light-emitting element having good crystallinity and extremely few non-light-emission centers can be manufactured.
[0045]
The use of a zinc surface as the main surface is preferable because the carrier activation rate of the p-type layer is improved and a p-type layer having low resistance is easily obtained.
In addition, it is preferable to form irregularities on the back surface of the substrate by a known method such as polishing or etching and irregularly reflect the emitted light, which improves the light extraction efficiency.
[0046]
As a donor impurity to be doped into the n-type MgZnO cladding layer 102, the n-type ZnO buffer layer 109, and the n-type ZnO contact layer 110, a group III element B, Al, Ga , In or the like is preferably used.
[0047]
The light-emitting layer 103 can be made n-type by doping a donor impurity, for example, a group III element such as B, Al, Ga, or In in an arbitrary amount. Alternatively, the light-emitting layer 103 can be made n-type by co-doping the above-described donor impurity and an acceptor impurity, for example, a group I or V element such as Li, Na, Cu, Ag, N, P, or As. . N and Ag are preferable because they are easily activated. N is N₂Is particularly preferable because high-concentration doping can be performed while maintaining good crystallinity by a method of irradiating during plasma growth with plasma. Thereby, the peak wavelength and the emission intensity can be controlled.
[0048]
As an acceptor impurity to be doped into the p-type MgZnO layer 104 and the p-type ZnO contact layer 105, a group I or V element such as Li, Na, Cu, Ag, N, P, As or the like can be used. N and Ag are preferable because they are easily activated. N is N₂Is particularly preferable because high-concentration doping can be performed while maintaining good crystallinity by a method of irradiating during plasma growth with plasma.
[0049]
For the p-type ohmic electrode 106, a metal material such as Ni, Pt, Pd, and Au can be used. The metal material forms a low-resistance ohmic contact with the p-type ZnO-based semiconductor layer and has excellent adhesion to the ZnO-based semiconductor. Therefore, a light-emitting element with excellent reliability and low operating voltage can be realized. Among them, Ni having low resistance and good adhesion is preferable. An electrode may be formed by alloying a plurality of the metal materials.
The p-type ohmic electrode 106 can be formed directly on the p-type MgZnO cladding layer 104. However, since the MgZnO mixed crystal has a lower impurity activation ratio than ZnO, the p-type ZnO contact layer 105 is formed. Is preferably formed thereon.
In order to obtain the high luminous efficiency and low operating voltage of the present invention with the maximum effect, the p-type ohmic electrode 106 is formed so as to have a light-transmitting property with respect to the light emitted from the light-emitting layer. It is preferable to improve the extraction efficiency.
Since the transparent conductive film is formed on the entire main surface, the current spread becomes uniform and the external light extraction efficiency is improved. Therefore, an ultraviolet light emitting device having excellent luminous efficiency can be realized.
The thickness that achieves both good ohmic characteristics and high translucency is preferably in the range of 50 to 200 nm, more preferably in the range of 300 to 100 nm.
It is preferable to perform an annealing treatment after the formation of the p-type ohmic electrode 106 because the adhesion is improved and the contact resistance is reduced. In order to obtain an annealing effect without causing defects in the ZnO crystal, the temperature is preferably 300 to 400 ° C. The atmosphere in the annealing process is O₂Or in an air atmosphere;₂Then, on the contrary, the resistance increases.
[0050]
If the pad electrode 107 is formed on a part of the translucent p-type ohmic electrode 106 with a smaller area than the p-type ohmic electrode 106, the mounting process on the lead frame is easy without impairing the effect of the translucent electrode. Is preferable. As a material of the pad electrode 108, a metal material that is easy to bond and does not become a donor impurity even when diffused into a ZnO-based semiconductor is preferable, and Au is particularly preferable.
Another metal layer may be formed between the p-type ohmic electrode 106 and the pad electrode 107 for the purpose of improving adhesion and light reflectivity.
[0051]
For the n-type ohmic electrode 108, a metal material such as Ti, Cr, or Al can be used. Above all, Al with low resistance and low cost or Ti with good adhesion is preferable. An electrode may be formed by alloying a plurality of the metal materials.
Since Al has a high reflectance of blue to ultraviolet light, even if the n-type ohmic electrode 108 is formed on the entire back surface using Al, the light extraction efficiency is high, which is preferable.
Further, the n-type ohmic electrode 108 can be patterned into an arbitrary shape, and the exposed back surface of the substrate can be bonded to a lead frame with a conductive resin such as Ag paste. Since Ag has a higher reflectance of blue to ultraviolet light than Al, it is also preferable to pattern the n-type ohmic electrode 108.
When the n-type ohmic electrode 108 is patterned, an auxiliary electrode may be formed using a metal material different from the n-type ohmic electrode 108 in order to prevent an increase in element resistance. More preferably, a metal having a high light reflectance is used for the auxiliary electrode.
Since the auxiliary electrode increases the contact area with the lead frame, the operating voltage does not increase even if the n-type electrode is patterned. Therefore, an ultraviolet light emitting element with a low operating voltage can be realized.
[0052]
Other configurations are arbitrary and are not limited to only the configurations described in this specification.
[0053]
The oxide semiconductor light emitting device of the present invention can be manufactured by a crystal growth method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method, a laser molecular beam epitaxy (laser MBE) method, and a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method using a solid or gaseous raw material. In the case where the present invention is applied to a light emitting diode element, the light emitting diode element can be manufactured using a molecular beam epitaxy (hereinafter referred to as MBE) apparatus 6 shown in FIG.
In the MBE apparatus 6, a substrate holder 602 is disposed above a growth chamber 601 that can be evacuated to an ultra-high vacuum, and a substrate 603 is fixed to the substrate holder 602. The back surface of the substrate holder 602 is heated by the heater 604 disposed above the substrate holder 602, and the substrate 603 is heated by the heat conduction.
Immediately below the substrate holder 602, a plurality of evaporation source cells 605 filled with a semiconductor material and a doping impurity element are arranged at an appropriate distance. Each of the evaporation source cells 605 is heated by a heater 606 provided on the side surface, and the evaporated molecular material is deposited on the substrate 603 to grow a thin film.
Each of the evaporation source cells 605 has a shutter 607, and by controlling the opening and closing of the plurality of shutters 607 in combination, thin films having different compositions can be stacked. Further, a plurality of radical cells 608 are provided in the growth chamber so that a plasma-like gas source can be introduced.
[0054]
Second embodiment
The oxide semiconductor light emitting device of the second embodiment according to the present invention is configured in the same manner as the oxide semiconductor light emitting device of the first embodiment, except that the light emitting layer is not a single structure but one or a plurality of MgZnO barriers. A light emitting diode device (not shown) characterized by having a multiple quantum well structure formed by alternately stacking layers and one or more MgZnO well layers.
According to the present invention, since the light emitting layer has a multiple quantum well structure, the optical gain is improved, the carrier confinement efficiency and the light emission efficiency are increased, and the light emission intensity can be increased.
The entire multiple quantum well structure can be doped with a donor impurity, for example, a group III element such as B, Al, Ga, and In. Thereby, the peak wavelength and the emission intensity can be controlled. The above-mentioned donor impurity can be doped only into the barrier layer or only into the well layer.
[0055]
Third embodiment
The oxide semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention is configured in the same manner as the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, except that an n-type MgZnO layer having substantially the same area as the pad electrode is provided below the pad electrode. Is formed as a current blocking layer.
FIG. 3 shows a sectional view of the light emitting diode element 3. In this figure, the same components as those of the light emitting diode element 1 are denoted by the same reference numerals as in FIG.
In the light emitting diode element 3, the current blocking layer can be formed in the n-type MgZnO cladding layer 102, the p-type MgZnO cladding layer 104, or the p-type ZnO contact layer 105. The doping concentration, thickness, area, and formation position can be arbitrarily determined. However, as shown in FIG. No current flows through the device, and the light emission intensity increases around the element having high light extraction efficiency.
If the light-emitting layer and the current blocking layer are far apart, even if the current is blocked, the current will flow into the light-emitting layer immediately below the current blocking layer due to diffusion. The area near the layer is preferred.
[0056]
Fourth embodiment
The oxide semiconductor light-emitting device according to the fourth embodiment of the present invention was processed into at least an n-type MgZnO cladding layer, a MgZnO quantum well active layer, a first p-type MgZnO cladding layer, and a ridge stripe shape on a substrate. This is a semiconductor laser device having a second p-type MgZnO cladding layer and a p-type ZnO contact layer.
This semiconductor laser device is characterized in that the carrier concentration of the p-type MgZnO cladding layer and the Mg composition of the double hetero structure are within predetermined ranges. According to the present invention, by setting the carrier concentration of the p-type cladding layer and the Mg composition of the double hetero structure within a predetermined range, an MgZnO epitaxial layer having excellent crystallinity can be obtained. , The carrier overflow to the cladding layer can be suppressed, and an ultraviolet light emitting device excellent in reliability and luminous efficiency can be obtained.
[0057]
FIG. 4 shows a perspective view (A) and a sectional view (B) of the ZnO-based semiconductor laser device 4. The semiconductor laser device 4 includes an n-type MgZnO cladding layer 402, a MgZnO quantum well active layer 403, a first p-type MgZnO cladding layer 404, and a p-type BeO It is configured by stacking an etching stop layer 405, a second p-type MgZnO cladding layer 406, and a p-type ZnO contact layer 407.
[0058]
In the oxide semiconductor of the present invention, the material of the substrate 401 may be sapphire, spinel, LiGaO₂Or a conductive substrate such as SiC or GaN.
When an insulating substrate is used, a part of the growth layer may be etched to expose the n-type MgZnO layer 402, and the n-type ohmic electrode 410 may be formed thereon. In order to obtain a growth layer having good crystallinity, an n-type ZnO buffer layer is first formed on the substrate, and an n-type ZnO contact layer is further formed to reduce the contact resistance of the n-type ohmic electrode 410. Is also good.
[0059]
However, in order to maximize the high luminous efficiency, which is the effect of the present invention, (1) the in-plane lattice constant difference with ZnO is within 3%, and defects serving as non-luminescent centers can be reduced; 2) It is preferable to use a substrate that has a low absorption coefficient corresponding to the emission wavelength and (3) is conductive and can form an electrode on the back surface. A substrate made of ZnO single crystal is most preferable because it satisfies all the above conditions.
[0060]
The use of a zinc surface as the main surface is preferable because the carrier activation rate of the p-type layer is improved and a p-type layer having low resistance is easily obtained.
[0061]
As a donor impurity to be doped into the n-type MgZnO cladding layer 402, it is preferable to use a group III element such as B, Al, Ga, and In because the activation rate in the ZnO-based semiconductor is high.
[0062]
The MgZnO quantum well active layer 403 has a multiple quantum well structure formed by alternately stacking one or more MgZnO barrier layers and one or more MgZnO well layers.
Further, the entire MgZnO quantum well active layer 403 can be doped with a donor impurity, for example, a group III element such as B, Al, Ga, or In. Alternatively, the quantum well active layer 403 may be made to be n-type by co-doping the donor impurity and an acceptor impurity, for example, a group I or V element such as Li, Na, Cu, Ag, N, P, or As. it can. Thereby, the peak wavelength and the emission intensity can be controlled.
Further, only the well layer or only the barrier layer of the MgZnO quantum well active layer 403 can be doped with the donor impurity or the donor impurity and the acceptor impurity.
[0063]
As acceptor impurities to be doped into the first p-type MgZnO cladding layer 404, the second p-type MgZnO cladding layer 406, and the p-type ZnO contact layer 407, Li, Na, Cu, Ag, N , P, As, etc. can be used. N and Ag are preferable because they are easily activated. N is N₂Is particularly preferable because high-concentration doping can be performed while maintaining good crystallinity by a method of irradiating during plasma growth with plasma.
[0064]
The second p-type MgZnO cladding layer 406 and the p-type ZnO contact layer 407 are etched into a ridge stripe shape, and the side surfaces of the ridge stripe are buried by the n-type current block layer 408. The n-type current block layer 408 is made of MgZnO doped with a donor impurity, for example, a group III element such as B, Al, Ga, and In.
A p-type ohmic electrode 409 is formed on the p-type ZnO contact layer 407 and the n-type current block layer 408, and an n-type ohmic electrode 410 is formed below the ZnO substrate 401.
[0065]
It is preferable to use, for example, BeO crystal for the etching stop layer 405. BeO crystal has advantages of being stable, having a large etching selectivity, and not absorbing light emission as compared with ZnO and MgZnO, and thus can be used as an etching stop layer of a ZnO-based semiconductor device.
[0066]
For the p-type ohmic electrode 409, a metal material such as Ni, Pt, Pd, and Au can be used. Among them, Ni having low resistance and good adhesion is preferable. An electrode may be formed by alloying a plurality of the metal materials.
The p-type ohmic electrode 409 can be formed directly on the second p-type MgZnO cladding layer 406. However, since the MgZnO mixed crystal has a lower impurity activation rate than ZnO, the p-type ZnO contact layer 407 can be formed. Preferably, it is formed and formed thereon.
It is preferable to perform an annealing treatment after the formation of the p-type ohmic electrode 409 because the adhesion is improved and the contact resistance is reduced. In order to obtain an annealing effect without causing defects in the ZnO crystal, the temperature is preferably 300 to 400 ° C. The atmosphere in the annealing process is O₂Or in an air atmosphere;₂Then, on the contrary, the resistance increases.
[0067]
Also, the narrower the ridge stripe width is, the higher the carrier injection efficiency is, and the kink level can be improved by cutting off the higher-order transverse mode. On the other hand, the operating voltage is increased and the reliability is deteriorated. It is preferable to control appropriately within a range of 5 μm or more and 5 μm or less.
[0068]
For the n-type ohmic electrode 410, a metal material such as Ti, Cr, or Al can be used. Above all, Al with low resistance and low cost or Ti with good adhesion is preferable. An electrode may be formed by alloying a plurality of the metal materials.
[0069]
Other configurations are arbitrary and are not limited to only the configurations described in this specification.
[0070]
The oxide semiconductor light emitting device of the present invention can be manufactured by a crystal growth method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method, a laser molecular beam epitaxy (laser MBE) method, and a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method using a solid or gaseous raw material. Can be made.
In the laser MBE method, the composition deviation between the raw material target and the thin film is small, and for example, when ZnO is doped with Ga,₂O₄This is preferable because generation of unintended by-products such as the above can be suppressed.
When the present invention is applied to a semiconductor laser device, a semiconductor laser device can be manufactured using a laser molecular beam epitaxy (hereinafter, referred to as laser MBE) device 7 shown in FIG.
In the laser MBE apparatus 7, a substrate holder 702 is disposed above a growth chamber 701 capable of being evacuated to an ultra-high vacuum, and a substrate 703 is fixed to the substrate holder 702. The back surface of the substrate holder 702 is heated by the heater 704 disposed above the substrate holder 702, and the substrate 703 is heated by the heat conduction.
A target table 705 is arranged directly below the substrate holder 702 at an appropriate distance, and a plurality of raw material targets 706 can be arranged on the target table 705.
The surface of the target 706 is ablated by a pulsed laser beam 708 radiated through a view port 707 provided on a side surface of the growth chamber 701, and a thin film grows by instantaneously evaporating the raw material of the target 706 on the substrate.
The target table 705 has a rotation mechanism, and by controlling the rotation in synchronization with the irradiation sequence of the pulsed laser beam 708, different target materials can be stacked on the thin film. A plurality of gas introduction tubes 710 are provided in the growth chamber so that a plurality of gases can be introduced, and the substrate 703 can be irradiated with an atomic beam activated by the radical cell 709.
[0071]
Fifth embodiment
The oxide semiconductor light emitting device of the fifth embodiment according to the present invention is configured similarly to the oxide semiconductor light emitting device of the fourth embodiment, except that light guide layers are formed on both sides of the quantum well active layer 403. A semiconductor laser device characterized by the following.
FIG. 5 is a sectional view of the semiconductor laser device 5. In this figure, the same components as those of the semiconductor light emitting element 4 are denoted by the same reference numerals as in FIG.
In the semiconductor laser device 5, after forming the n-type MgZnO light guide layer 501 on the n-type MgZnO clad layer 402 and forming the quantum well active layer 403 on the light guide layer 501, the p-type MgZnO light guide layer 502 is formed. To form
Since the quantum well active layer is sandwiched between the light guide layers, the light confinement efficiency can be increased, so that an ultraviolet light emitting device having excellent light emission efficiency can be obtained.
The n-type MgZnO light guide layer 501 and the p-type MgZnO light guide layer 502 may be made of MgZnO having different composition ratios, or only one of the n-type MgZnO light guide layer 501 and the p-type MgZnO light guide layer 502 May be formed.
[0072]
【Example】
Example 1
Example 1 This example describes an oxide semiconductor light emitting device of the first embodiment in which the present invention is applied to a light emitting diode device.
FIG. 1 shows a perspective view (A) and a sectional view (B) of the light emitting diode element 1. In this embodiment, Ga is placed on a ZnO substrate 101 having a zinc surface as a main surface at a concentration of 3 × 10 3.¹⁸cm^-3N-type Mg doped at a concentration of 1 μm_0.3Zn_0.7O-cladding layer 102, non-doped 0.5 μm thick Mg_0.05Zn_0.95O light emitting layer 103, 2 × 10 N¹⁹cm^-31.0 μm thick p-type Mg doped at a concentration of_0.3Zn_0.7O cladding layer 104 and N²⁰cm^-3The p-type ZnO contact layer 105 having a thickness of 0.5 μm and doped at a concentration of 5 μm was laminated to produce a light-emitting diode element 1a.
On the entire main surface of the p-type ZnO contact layer 105, Ni having a thickness of 15 nm is laminated as a light-transmitting ohmic electrode 106, and an area smaller than the light-transmitting ohmic electrode 106 and having a thickness of 100 nm is formed thereon. An Au pad electrode 107 for bonding was formed.
Further, on the back surface of the ZnO substrate 101, Al having a thickness of 100 nm was laminated as an n-type ohmic electrode.
[0073]
The manufacturing method will be described below in order.
First, the cleaned ZnO substrate 101 was introduced into the MBE apparatus 6 shown in FIG. 6, and was cleaned by heating at a temperature of 600 ° C. for 30 minutes.
Next, the substrate temperature was lowered to 450 ° C., and the shutters of the oxygen radical cell, Zn cell, Mg cell, and Ga cell were opened, and the Ga-doped n-type Mg_0.3Zn_0.7An O-clad layer 102 was grown.
Next, the shutters of the oxygen radical cell, the Zn cell and the Mg cell are opened, and the non-doped Mg cell is opened._0.05Zn_0.95An O light emitting layer 103 was grown.
Next, the shutters of the oxygen radical cell, the nitrogen radical cell, the Zn cell and the Mg cell are opened, and the N-doped p-type Mg_0.3Zn_0.7An O-clad layer 104 was grown.
Next, the substrate temperature was lowered to 350 ° C., and an N-doped p-type ZnO contact layer 105 was grown.
The Mg composition and the doping concentration of Ga or N were controlled by the molecular beam intensity on the substrate.
[0074]
Next, the substrate 101 was taken out of the MBE apparatus 6, and a Ni thin film was vacuum-deposited to a thickness of 15 nm as a p-type ohmic electrode 106. The p-type ohmic electrode 106 transmits 70% or more of the incident light.
Finally, Au was vacuum-deposited on the Ni translucent ohmic electrode 106 as the pad electrode 107, and Al was vacuum-deposited on the back surface of the ZnO substrate 101 as the n-type ohmic electrode 108.
[0075]
The light emitting diode element 1a was separated into chips, mounted on a lead frame with an Ag paste, and molded to emit light. As a result, ultraviolet light having an emission peak wavelength of 370 nm involving free exciton recombination was obtained.
At an operating current of 20 mA, the operating voltage was 3.5 V, the light emission intensity (light output) was 150 mW, and the light emission efficiency (external quantum efficiency) at this time was 45%.
[0076]
Next, Mg, determined by another experiment,_0.3Zn_0.7FIG. 8 shows the relationship between the N doping concentration of O and ZnO and the carrier concentration.
The N doping concentration was determined by secondary ion mass spectrometry (SIMS), and the carrier concentration was determined by Hall measurement at room temperature.
FIG. 8 shows that the carrier concentration is lower than the N doping concentration, which means that the activation rate of N in MgZnO is low. This is because it is difficult to control the p-type conductivity of the ZnO-based semiconductor and the level of the acceptor impurity is deep.
[0077]
FIG. 8 also shows that the MgZnO mixed crystal has an even lower activation rate than ZnO.
That is, since the MgZnO mixed crystal has a lower impurity activation rate than ZnO, the p-type ohmic electrode 106 is not formed directly on the p-type MgZnO cladding layer 104, but the p-type ZnO contact layer 105 is formed. It is preferable to form it on.
[0078]
In the light emitting diode element 1a, N is 2 × 10¹⁹cm^-3Mg doped at a concentration of_0.3Zn_0.7The carrier concentration of the O cladding layer 104 is 2 × 10¹⁷cm^-3It was estimated.
[0079]
Example 2
Next, p-type Mg_0.3Zn_0.7FIG. 9 shows the relationship between the carrier concentration of the O-cladding layer 104 and the emission intensity.
Various light emitting diode devices were manufactured in the same manner as the light emitting diode device 1a except that the N doping concentration in the p-type cladding layer 104 was changed. The carrier concentration was estimated from the N doping concentration using FIG.
Carrier concentration is 1 × 10¹⁷cm^-3Below and 2 × 10¹⁹cm^-3Above, the emission intensity was remarkably weak, 5 × 10¹⁹cm^-3It is considered that the rapid decrease in emission intensity described above is due to light absorption of N impurities and deterioration of crystallinity due to high doping.
From the above results, the carrier concentration of the p-type MgZnO cladding layer 104 is 1 × 10¹⁷cm^-35 × 10 or more¹⁹cm^-3It is preferably within the following range.
As the range of the carrier concentration at which sufficient emission intensity can be obtained, 1 × 10¹⁷cm^-3~ 2 × 10¹⁹cm^-3Is more preferable, and the maximum emission intensity is obtained, and the change in emission intensity is small even when there is an error in carrier concentration.¹⁷cm^-3~ 5 × 10¹⁸cm^-3Is most preferred.
[0080]
Example 3
Next, n-type and p-type Mg_xZn_1-xFIG. 10 shows the relationship between the Mg composition (here, 0 ≦ x ≦ 1) of the O-clad layers 12 and 104 and the emission intensity. FIG. 10 shows that the carrier concentration of the p-type cladding layer 104 is 1 × 10¹⁶cm^-3, 1 × 10¹⁷cm^-3And 5 × 10¹⁷cm^-3Is shown.
As can be seen from FIG. 10, the carrier concentration of the p-type cladding layer 104 is 1 × 10¹⁶cm^-3Did not improve the emission intensity even when the Mg composition was increased (that is, when the value of x was increased). This is probably because carrier confinement is not performed efficiently.
On the other hand, when the carrier concentration of the p-type cladding layer 104 is 1 × 10¹⁷cm^-3As described above, the emission intensity increases when the Mg composition in the cladding layer is increased, and the emission intensity decreases when the Mg composition exceeds 0.4. Carrier concentration is 1 × 10¹⁷cm^-3In the above description, since the carrier confinement efficiency is increased, the emission intensity increases with the Mg composition. However, when the Mg composition is larger than a certain level, it is considered that the crystallinity is significantly deteriorated and the emission intensity is reduced.
[0081]
As a result of further detailed examination by changing the Mg composition of the light emitting layer 103, it was found that an n-type Mg_aZn_1-aO clad layer 102, Mg_cZn_1-cO light emitting layer 103 and p-type Mg_bZn_1-bIt is preferable that the Mg composition a, b and c of the O cladding layer 104 are all 0.5 or less, and the band gap difference between the cladding layer and the light emitting layer is increased to suppress the overflow of the carrier and the active layer. It has been found that it is preferable that the Mg compositions a and b be higher than the Mg composition c and that the difference between a, b, and c be 0.05 or more in order to increase the confinement efficiency in the semiconductor device.
That is, the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.5;
0.05 <b ≦ 0.5;
0 <c ≦ a−0.05; and
0 <c ≦ b−0.05
It has been found that when all of the above conditions are satisfied, a high emission intensity can be obtained, which is preferable.
[0082]
In order to maintain good crystallinity, n-type Mg_aZn_1-aO clad layer 102, Mg_cZn_1-cO light emitting layer 103 and p-type Mg_bZn_1-bMore preferably, each of the Mg compositions a, b, and c of the O-clad layer 104 is 0.35 or less.
That is, the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.35;
0.05 <b ≦ 0.35;
0 <c ≦ a−0.05; and
0 <c ≦ b−0.05
It has been found that when all of the conditions are satisfied, higher emission intensity can be obtained, which is more preferable.
[0083]
Example 4
Next, p-type Mg_0.3Zn_0.7FIG. 11 shows the relationship between the thickness of the O-cladding layer 104 and the emission intensity.
Various light emitting diode elements were fabricated in the same manner as the light emitting diode element 1a except that the layer thickness of the light emitting layer 103 and the layer thickness of the p-type MgZnO cladding layer 104 were changed.
In FIG. 11, as a representative example, Mg_0.05Zn_0.95The case where the thickness of the O light emitting layer 103 is 30 nm, 50 nm, 500 nm, 1 μm, 3 μm, and 5 μm is shown.
When both the light emitting layer thickness and the cladding layer were thin, the light emission intensity was low. This is considered to be because light confinement efficiency is low and light is absorbed by the p-type ZnO contact layer 105 when both the light emitting layer thickness and the cladding layer are thin.
When the thickness of the light-emitting layer is less than 50 nm, the light-emitting intensity sharply decreases. Therefore, the light-emitting layer thickness is preferably 50 nm or more. Even if the light-emitting layer thickness is more than 3 μm, the light-emitting intensity is not significantly improved. preferable.
In addition, p-type Mg_0.3Zn_0.7If the thickness of the O-cladding layer 104 is less than 50 nm, light is absorbed by the p-type ZnO contact layer 105. Therefore, the thickness of the p-type cladding layer 104 is preferably 50 nm or more, and if it exceeds 3 μm, It is preferable that the thickness be 3 μm or less, because the light emission intensity is sharply reduced due to the deterioration of the property.
From the above, it is preferable that both the thickness of the light emitting layer and the thickness of the cladding layer are in the range of 50 nm to 3 μm.
[0084]
Example 5
In order to obtain the high luminous efficiency of the present invention with the maximum effect, it is preferable that the p-type ZnO contact layer 105 is highly doped to reduce the resistance. However, excessive doping causes significant loss of carriers and deterioration of crystallinity. Therefore, the layer thickness is set to 5 μm or less, and the carrier concentration exceeds the carrier concentration of the p-type MgZnO cladding layer 104 by 5 × 10 5¹⁹cm^-3It is preferable to dope in the following range.
Further, when the layer thickness of the p-type ZnO contact layer 105 is 10 nm or more, sufficient ohmic contact with the p-type ohmic electrode 106 can be obtained, and when it is 500 nm or more, a uniform current spread can be obtained. Is more preferable.
From the above results, the layer thickness of the p-type ZnO contact layer 105 is preferably from 10 nm to 5 μm, more preferably from 500 nm to 5 μm.
[0085]
Example 6
Next, the effect of doping of the light emitting layer 103 on the light emitting characteristics of the light emitting diode element 1 was examined.
The light emitting layer 103 contains 1 × 10 Ga.¹⁸cm^-3Except for doping, a light-emitting diode element 1b was fabricated in the same manner as the light-emitting diode element 1a.
The light emitting layer 103 contains 2 × 10 Ga.¹⁸cm^-3And N is 1 × 10²⁰cm^-3Except for doping, a light-emitting diode element 1c was fabricated in the same manner as the light-emitting diode element 1a.
In the light-emitting diode element 1c, both the Ga and N are co-doped into the light-emitting layer 103, so that the conductivity of the light-emitting layer 103 is n-type.
The purpose of co-doping the light-emitting diode element 1c with Ga and N is to generate a D / A pair emission, which is disclosed in Patent Documents 2 and 3 as a technique for producing a low-resistance p-type ZnO single crystal thin film. This is completely different from the so-called “co-doping technique”.
[0086]
The light emitting diode element 1a was separated into chips, mounted on a lead frame with an Ag paste, molded, and emitted light. As a result, ultraviolet light having an emission peak wavelength of 370 nm was obtained.
The light emitting diode element 1b was separated into chips, mounted on a lead frame with an Ag paste, and molded to emit light. As a result, ultraviolet light having an emission peak wavelength of 380 nm was obtained, and the light emission intensity was improved by 20% compared to the light emitting diode element 1a. .
When the light emitting diode element 1c was caused to emit light, ultraviolet light having an emission peak wavelength of 390 nm was obtained, and the light emission intensity was improved by 30% as compared with the light emitting diode element 1a.
[0087]
FIG. 12 shows emission spectra at room temperature of the above three types of light emitting diode elements 1a, 1b and 1c.
The reason why the emission wavelength of the light-emitting diode element 1 is increased and the emission intensity is improved is that the doping of the light-emitting layer 103 with the impurity causes free exciton emission and impurity emission to be superimposed and the peak wavelength to shift to the longer wavelength side. It is considered that the spectrum width increased with the shift.
As described above, the emission wavelength is controlled by doping the light emitting layer with the impurity.
And the emission intensity can be increased.
[0088]
To obtain ultraviolet light with high luminous efficiency, the doping concentration of the donor impurity is 1 × 10¹⁶~ 1 × 10²⁰cm^-3Preferably in the range of 1 × 10¹⁸~ 1 × 10¹⁹cm^-3Is more preferably within the range.
When D / A doping is performed, the doping concentration of the acceptor impurity is set to 1 × 10¹⁸~ 1 × 10²¹cm^-3The doping concentration of the donor impurity to be co-doped needs to be such that the light emitting layer is n-type.¹⁶~ 1 × 10¹⁹cm^-3It is desirable to set the range.
[0089]
Example 7
Example 2 This example describes an oxide semiconductor light emitting device of a second embodiment in which the present invention is applied to a light emitting diode device.
In this embodiment, the light emitting layer 103 is made of Mg having a thickness of 5 nm._0.2Zn_0.811 O barrier layers and 4 nm thick Mg_0.1Zn_0.9A multi-quantum well structure in which 10 O-well layers are alternately stacked is used.¹⁸cm^-3The light-emitting diode element 2a was fabricated in the same manner as the light-emitting diode element 1a except that the light-emitting diode element 2a was doped (not shown).
The light emitting diode element 2a was separated into chips, mounted on a lead frame with an Ag paste, and molded to emit light. As a result, ultraviolet light having an emission peak wavelength of 390 nm was obtained, and the light emitting layer was thinner than the light emitting diode element 1a. Regardless, the emission intensity doubled.
It is considered that the light-emitting diode element 2a has an increased carrier confinement efficiency and luminous efficiency because the light-emitting layer has a multiple quantum well structure.
As described above, by forming the light emitting layer to have a multiple quantum well structure, the luminous efficiency is dramatically improved.
[0090]
Example 8
With respect to the ultraviolet light emitting diode element 2 having a quantum well light emitting layer, the conditions for favorably confining carriers in the light emitting layer were examined in the same manner as in Example 3._bZn_1-bThe carrier concentration of the O cladding layer 104 is 1 × 10¹⁷cm^-3In this case, in order to obtain a layer having good crystallinity, n-type Mg_aZn_1-aO clad layer 102, p-type Mg_bZn_1-bMg constituting the O cladding layer 104 and the quantum well light emitting layer 103_dZn_{1- d}O well layer and Mg_eZn_1-eIt is preferable that the Mg compositions a, b, d and e of the O barrier layer are all 0.5 or less, and the band gap difference between the cladding layer and the light emitting layer is increased to suppress carrier overflow and reduce the activity. In order to increase the confinement efficiency in the layers, the Mg compositions a and b are made higher than the Mg compositions d and e, and the difference between a, b and d is 0.05 or more, and the well layer and the barrier layer From the relationship, it was found that it is preferable to set the Mg composition e higher than d.
That is, the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.5;
0.05 <b ≦ 0.5;
0 <d ≦ a-0.05;
0 <d ≦ b-0.05;
d <e <a; and
d <e <b
It has been found that when all of the above conditions are satisfied, a high emission intensity can be obtained, which is preferable.
[0091]
In order to maintain good crystallinity, n-type Mg_aZn_1-aO clad layer 102, p-type Mg_bZn_1-bMg constituting the O cladding layer 104 and the quantum well light emitting layer 103_dZn_{1- d}O well layer and Mg_eZn_1-eMore preferably, each of the Mg compositions a, b, d and e of the O barrier layer is 0.35 or less.
That is, the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.35;
0.05 <b ≦ 0.35;
0 <d ≦ a-0.05;
0 <d ≦ b-0.05;
d <e <a; and
d <e <b
It has been found that when all of the conditions are satisfied, higher emission intensity can be obtained, which is more preferable.
[0092]
Furthermore, n-type Mg_aZn_1-aO clad layer 102 and p-type Mg_bZn_1-bMg composition of O cladding layer 104 and Mg constituting light emitting layer 103_eZn_1-eThe difference between the Mg composition of the O barrier layer and the Mg composition of the light emitting layer 103 is 0.05 or more._eZn_1-eO barrier layer and Mg_dZn_1-dIf the difference between the Mg composition of the O well layer and the Mg composition of the O well layer is 0.02 or more, the band gap difference between the well layer and the barrier layer, and between the clad layer and the barrier layer is large, suppressing the overflow of carriers and improving the confinement efficiency in the well layer. It is preferable because it can be increased.
That is, the following relationship:
d <e ≦ a−0.05;
d <e ≦ b−0.05; and
0 <d <e−0.02
If all of the above conditions are satisfied, a higher emission intensity can be obtained, and thus it has been found to be even more preferable.
[0093]
Example 9
Further, a light emitting diode element 2b was manufactured in the same manner as the light emitting diode element 2a, except that only the well layer was doped with Ga.
The light-emitting diode element 2b further improved the light emission intensity by 15% as compared with the light-emitting diode element 2a in which the entire quantum well structure was doped with Ga. This is considered to be because crystallinity and transmittance improved due to a decrease in the total doping amount.
[0094]
Example 10
FIG. 13 shows the result of examining the relationship between the thickness of the well layer and the emission intensity. Various light-emitting diode elements were manufactured in the same manner as the light-emitting diode element 2a except that the thickness of the well layer was changed.
As can be seen from FIG. 13, the emission intensity increased as the layer thickness per well layer increased, and when the layer thickness per well layer became 3 nm or more, sufficient emission intensity was obtained. Further, the layer thickness was further increased. When the thickness exceeded 6 nm, the emission intensity was sharply reduced. When the thickness was 10 nm or more, sufficient emission intensity was not obtained. This is probably because the exciton binding energy was reduced due to the reduction of the quantum effect.
From the above results, when a quantum well light emitting layer is used, the layer thickness per well layer is preferably 3 nm or more and 6 nm or less in order to obtain sufficient light emission intensity.
[0095]
Example 11
This example describes a semiconductor light emitting device of a third embodiment in which the present invention is applied to a light emitting diode device.
FIG. 3 shows a sectional view of the light emitting diode element 3. In this embodiment, p-type Mg just below the pad electrode 107 is used._0.3Zn_0.7Between the O cladding layer 104 and the p-type ZnO contact layer 105, n-type Mg_0.35Zn_0.65A light emitting diode element 3a was fabricated in the same manner as the light emitting diode element 2a, except that the O layer was formed as the current block layer 301. Mg_0.35Zn_0.65The thickness of the O current block layer 301 is 0.1 μm, and Ga is 1 × 10¹⁸cm^-3Doped.
[0096]
The light emitting diode element 3a was separated into chips, mounted on a lead frame with Ag paste, and molded to emit light.
In the light emitting diode element 3a, the current does not flow directly under the pad electrode 107 due to the current blocking layer 301, and the light emission intensity is increased around the element with high light extraction efficiency. Improved.
[0097]
Example 12
This example describes a semiconductor light emitting device of a fourth embodiment in which the present invention is applied to a semiconductor laser device.
FIG. 4 shows a perspective view (A) and a sectional view (B) of the ZnO-based semiconductor laser device 4. In this embodiment, 1 × 10 Ga was formed on an n-type ZnO single crystal substrate 401 having a zinc surface as a main surface.¹⁸cm^-31.0 μm thick n-type Mg doped at a concentration of_0.3Zn_0.7O cladding layer 402, MgZnO quantum well active layer 403, N is 2 × 10¹⁹cm^-30.2 μm-thick first p-type Mg doped at a concentration of_0.3Zn_0.7O cladding layer 404, N = 2 × 10¹⁹cm^-3A 0.05 μm thick p-type BeO etching stop layer 405 doped with¹⁹cm^-31.0 μm-thick second p-type Mg doped at a concentration of_0.3Zn_0.7O cladding layer 406, N is 5 × 10¹⁹cm^-3A 0.5 μm thick p-type ZnO contact layer 407 doped at a concentration of 5 μm was stacked to fabricate a semiconductor laser device 4 a.
Also, the MgZnO quantum well active layer 403 is made of a 5 nm-thick Mg_0.2Zn_0.83 O barrier layers and 4 nm thick Mg_0.1Zn_0.9O well layers are formed by alternately laminating two O well layers, and the entire MgZnO quantum well active layer 403 has Ga¹⁶cm^-3Doping.
[0098]
Further, the second p-type Mg_0.3Zn_0.7The O-cladding layer 406 and the p-type ZnO contact layer 407 are etched into a ridge stripe shape, and Ga is 1 × 10¹⁸cm^-3Mg doped at a concentration of_0.35Zn_0.65It is buried by an n-type current block layer 408 made of O.
A p-type ohmic electrode 409 is formed on the p-type ZnO contact layer 407 and the n-type current block layer 408, and an n-type ohmic electrode 410 is formed below the ZnO substrate 401.
[0099]
The manufacturing method will be described below in order.
First, the cleaned ZnO substrate 401 was introduced into the laser MBE apparatus 7 shown in FIG. 7, and was heated at a temperature of 600 ° C. for 30 minutes to be cleaned.
Next, the substrate temperature was lowered to 550 ° C., and the non-doped ZnO single crystal and Ga₂O₃Is used as a raw material target, and a driving cycle of a target table by a rotating mechanism and a pulse irradiation cycle of a KrF excimer laser are synchronized by an external control device (not shown), so that the raw material target has a desired Mg composition. N-type Mg is alternately ablated at a ratio to obtain Ga doping concentration._0.3Zn_0.7An O clad layer 402 was obtained. A KrF excimer laser (wavelength: 248 nm, pulse number: 10 Hz, output 1 J / cm) is used as a pulse laser for ablation.²) Was used. During growth, O gas is introduced through the gas introduction pipe 710a.₂Gas was introduced.
Next, n-type Mg_0.3Zn_0.7The Mg composition is controlled by the alternate ablation method similar to that for the O-cladding layer 402,_0.2Zn_0.8O barrier layer and Mg_0.1Zn_0.9A quantum well active layer 403 composed of an O well layer was formed.
[0100]
Next, N radicalized into plasma from the radical cell 709₂While flowing a gas, alternate ablation is performed using a non-doped ZnO single crystal and a non-doped MgZnO sintered body as a raw material target to form a first p-type MgO._0.3Zn_0.7An O-clad layer 404 was grown.
Next, N radicalized into plasma from the radical cell 709₂Ablation was performed using a non-doped BeO single crystal as a raw material target while flowing a gas to grow a p-type BeO etching stop layer 405.
Next, the first p-type Mg_0.3Zn_0.7In the same manner as the O-clad layer 404, the second p-type Mg_0.3Zn_0.7An O cladding layer 406 was grown.
[0101]
Next, N radicalized into plasma from the radical cell 709₂Ablation was performed using a non-doped ZnO single crystal as a raw material target while flowing a gas to grow a p-type ZnO contact layer 407.
[0102]
Next, the substrate 401 is taken out from the laser MBE apparatus 7, a stripe-shaped resist mask having a width of 3 μm is formed on the p-type ZnO contact layer 407, and the p-type ZnO contact layer 407 and the second P-type Mg_0.3Zn_0.7The O-cladding layer 406 was etched in a ridge shape and stopped at the p-type BeO etching stop layer 405. Thereafter, the lateral etching was progressed until the ridge stripe width became 1.5 μm, and the substrate 401 was pulled up from the nitric acid aqueous solution and washed with water to stop the etching.
[0103]
Next, the resist mask is washed and removed, and the substrate 401 is introduced again into the laser MBE apparatus 7, and n-type Mg_0.3Zn_0.7By the same alternate ablation method as the O clad layer 402, n-type Mg_0.35Zn_0.65An O current blocking layer 408 was grown.
[0104]
Next, the substrate 401 is taken out of the laser MBE device 7 and n-type Mg deposited on the ridge stripe is removed._0.35Zn_0.65The O layer was removed by etching to expose the p-type ZnO contact layer 407, and a Ni thin film was vacuum-deposited as a p-type ohmic electrode 409 on the entire upper surfaces of the exposed p-type ZnO contact layer 407 and current blocking layer 408.
Finally, Al was vacuum-deposited on the back surface of the ZnO substrate 401 as an n-type ohmic electrode 410.
[0105]
In this example, the Mg composition and the Ga doping concentration were controlled by alternately ablating two material targets of a ZnO single crystal and a Ga-doped MgZnO sintered body. The controllability of the doping concentration can be improved by using a method such as punching out three raw material targets of a Ga-doped ZnO sintered body.
[0106]
After the fabrication of the semiconductor laser device 4a, the ZnO substrate 401 was cleaved to form an end face mirror, a protective film was vacuum-deposited on the end face by a usual method, and then the element was separated into a chip of 300 μm square.
When a current was applied to the semiconductor laser element 4a, ultraviolet oscillation light having a wavelength of 380 nm was obtained from the end face.
The oscillation threshold current was 30 mA, the operating current at an optical output of 5 mW was 33 mA, and the operating voltage was 3.8 V.
[0107]
Example 13
In the semiconductor laser device 4, an appropriate ridge stripe width was confirmed.
The narrower the ridge stripe width, the higher the carrier injection efficiency, and the higher the transverse mode can be cut off to improve the kink level, so that it is preferably 5 μm or less.
If the ridge stripe width is too narrow, the operating voltage increases and the reliability deteriorates. However, if the ridge stripe width is 0.5 μm or more, the operating voltage does not increase and the reliability does not deteriorate.
From the above results, it is preferable that the ridge stripe width be in the range of 0.5 μm or more and 5 μm or less.
[0108]
Example 14
In the semiconductor laser element 4, Mg_fZn_1-fThe Mg composition of the O current blocking layer 408 realizes a real refractive index type waveguide mechanism and prevents the second p-type Mg_bZn_1-bIt must be higher than the Mg composition of the O cladding layer 406. On the other hand, if the Mg composition is too high, the crystallinity of the current blocking layer is reduced.
[0109]
Then, as a result of examining the Mg composition which does not lower the luminous efficiency by lowering the crystallinity, it was found that the Mg composition is preferably 0.5 or less.
That is, the Mg compositions b and f have the following relationship:
b ≦ f ≦ 0.5
It was found that it was preferable to satisfy
[0110]
Example 15
Next, FIG. 14 shows the relationship between the Mg composition and carrier concentration of the first and second p-type MgZnO cladding layers 404 and 406 and the oscillation threshold current.
Various semiconductor laser devices were manufactured in the same manner as the semiconductor laser device 4a except that the Mg compositions of the first and second MgZnO cladding layers 404 and 406 and their N doping concentrations were changed. The carrier concentration was estimated from the N doping concentration using FIG.
FIG. 14 shows that the carrier concentration of the p-type cladding layer is 1 × 10¹⁶cm^-3, 1 × 10¹⁷cm^-3And 5 × 10¹⁷cm^-3Is shown.
The carrier concentration of the p-type MgZnO cladding layer is 1 × 10¹⁷cm^-3In the following, it is considered that the lasing threshold current does not decrease even if the Mg composition is increased, and the carrier overflow to the p-type MgZnO cladding layer side is conspicuous.
The carrier concentration of the p-type MgZnO cladding layer is 1 × 10¹⁷cm^-3In the above cases, when the Mg composition is 0.1 or less (same as the well layer), the carriers are not confined in the quantum well layer, while when the Mg composition is 0.5 or more, the loss is considered to be increased due to crystallinity deterioration. The oscillation threshold current was high.
[0111]
Further, the conditions for satisfactorily confining carriers in the active layer of the semiconductor laser element 4 were examined. As in the case of the light emitting diode element, p-type Mg_bZn_1-bThe carrier concentration of the O cladding layer 404 is 1 × 10¹⁷cm^-3In this case, in order to obtain a layer having good crystallinity, n-type Mg_aZn_1-aO clad layer 402, p-type Mg_bZn_1-bMg constituting the O cladding layer 404 and the quantum well active layer 403_dZn_{1- d}O well layer and Mg_eZn_1-eIt is preferable that the Mg compositions a, b, d and e of the O barrier layer are all 0.5 or less, and the band gap difference between the cladding layer and the light emitting layer is increased to suppress carrier overflow and reduce the activity. In order to increase the confinement efficiency in the layers, the Mg compositions a and b are made higher than the Mg compositions d and e, and the difference between a, b and d is 0.05 or more, and the well layer and the barrier layer From the relationship, it was found that it is preferable to set the Mg composition e higher than d.
That is, the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.5;
0.05 <b ≦ 0.5;
0 <d ≦ a-0.05;
0 <d ≦ b-0.05;
d <e <a; and
d <e <b
It has been found that when all of the above conditions are satisfied, a high emission intensity can be obtained, which is preferable.
[0112]
In order to maintain good crystallinity, n-type Mg_aZn_1-aO clad layer 402, p-type Mg_bZn_1-bMg constituting the O cladding layer 404 and the quantum well active layer 403_dZn_{1- d}O well layer and Mg_eZn_1-eMore preferably, each of the Mg compositions a, b, d and e of the O barrier layer is 0.35 or less.
That is, the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.35;
0.05 <b ≦ 0.35;
0 <d ≦ a-0.05;
0 <d ≦ b-0.05;
d <e <a; and
d <e <b
It has been found that when all of the conditions are satisfied, higher emission intensity can be obtained, which is more preferable.
[0113]
Furthermore, n-type Mg_aZn_1-aO clad layer 402 and p-type Mg_bZn_1-bMg composition of O cladding layer 404 and Mg constituting light emitting layer 103_eZn_1-eThe difference between the Mg composition of the O barrier layer and the Mg composition of the quantum well active layer 403 is 0.05 or more._eZn_1-eO barrier layer and Mg_dZn_1-dIf the difference between the Mg composition of the O well layer and the Mg composition of the O well layer is 0.02 or more, the band gap difference between the well layer and the barrier layer, and between the clad layer and the barrier layer is large, suppressing the overflow of carriers and improving the confinement efficiency in the well layer. It is preferable because it can be increased.
That is, the following relationship:
d <e ≦ a−0.05;
d <e ≦ b−0.05; and
0 <d <e−0.02
If all of the above conditions are satisfied, a higher emission intensity can be obtained, and thus it has been found to be even more preferable.
[0114]
The method for manufacturing a semiconductor laser device is not limited to this embodiment. For example, after forming a current blocking layer 408 over the entire surface of the etching stop layer 405, a channel having a width of 1.5 μm is formed using a nitric acid aqueous solution, and etching is stopped at the etching stop layer 405, and then the second p-type cladding layer is formed. And a p-type contact layer.
[0115]
Example 16
Mg in MgZnO multiple quantum well layer 403_0.1Zn_0.9A semiconductor laser device 4b was fabricated in the same manner as the semiconductor laser device 4a, except that only the O well layer was doped with Ga.
The semiconductor laser device 4b has a 10% lower oscillation threshold current than the semiconductor laser device 4a in which the entire quantum well structure is doped with Ga. This is considered to be because crystallinity and transmittance improved due to a decrease in the total doping amount.
In addition, Mg_0.2Zn_0.8Also in the case where only the O barrier layer is doped, the oscillation threshold current is reduced by 10% as in the case where only the multiple quantum well active layer is doped.
Even in a semiconductor laser device using a quantum well active layer, the dependence of the emission intensity on the well layer thickness shown in FIG. 13 is effective, so that the layer thickness per well layer is preferably 3 nm or more and 6 nm or less. .
[0116]
Example 17
This example describes an oxide semiconductor light emitting device of a fifth embodiment in which the present invention is applied to a semiconductor laser device.
FIG. 5 is a sectional view of the semiconductor laser device 5. In this embodiment, 1 × 10 Ga is provided between the n-type MgZnO cladding layer 402 and the quantum well active layer 403.¹⁷cm^-3N-type Mg doped at a concentration of 50 nm_0.25Zn_0.75An O light guide layer 501 is formed, and N is set to 1 × 10 between the quantum well active layer 403 and the first p-type MgZnO cladding layer 404.¹⁹cm^-3P-type Mg doped at a concentration of 50 nm_0.25Zn_0.75A semiconductor laser device 5a was manufactured in the same manner as the semiconductor laser device 4a except that the O light guide layer 502 was formed.
[0117]
The semiconductor laser device 5a has a 30% lower oscillation threshold current than the semiconductor laser device 4a. This is probably because the light guide layers 501 and 502 were formed on both sides of the quantum well active layer 403, so that the efficiency of light confinement in the quantum well active layer was increased.
[0118]
Example 18
Next, the Mg composition of the n-type MgZnO light guide layer 501 and the p-type MgZnO light guide layer 502 suitable for obtaining a desired light confinement efficiency was examined.
Mg_gZn_1-gWhen the Mg composition of the O layer is changed, the refractive index of light changes, and the light confinement efficiency is affected by the refractive index of the layers constituting the semiconductor laser device.
Thus, in this example, the relationship between the refractive index profile in the layer thickness direction near the quantum well active layer and the emission intensity distribution was examined. The refractive index of the light guide layer was determined from the already known relationship between the Mg composition and the refractive index from the Mg composition of the light guide layer.
[0119]
In the semiconductor laser device 5a manufactured in Example 17, the Mg composition of the light guide layers 501 and 502 was uniform, but the Mg composition of the light guide layer was continuously changed as approaching from the cladding layer to the active layer. A semiconductor laser device 5b was manufactured in the same manner as the semiconductor laser device 5a, except that the refractive index in the light guide layer was continuously changed from the cladding layer toward the active layer.
FIG. 15 shows the refractive index profile and emission intensity distribution in the thickness direction near the quantum well active layer, comparing the semiconductor laser element 4a and the semiconductor laser elements 5a and 5b.
[0120]
The semiconductor laser device 5b has a 20% lower oscillation threshold current and a 40% longer device life than the semiconductor laser device 5a.
The reason why the oscillation threshold current is reduced and the device life is improved is that the light confinement efficiency in the active layer is further increased, and as can be seen from FIG. 15, in the semiconductor laser device 5b, in the light guide layer, It is considered that the cause was that the crystal defects were reduced because the Mg composition of was gradually changed.
Note that the Mg composition of the light guide layers 501 and 502 is not limited to these examples. Further, the effect of the present invention is exerted even when the Mg composition change of the light guide layer is not continuous like the semiconductor laser element 5b but is stepwise.
[0121]
Thus, the oxide semiconductor light-emitting device manufactured according to the present invention has improved light-emitting characteristics in the near-ultraviolet light emitting region, reliability and power saving compared to conventional ones, high-density optical recording, a light-excited visible light-emitting system, It exhibits excellent characteristics as a light source used in environment-resistant systems.
[0122]
【The invention's effect】
The oxide semiconductor light-emitting device of the present invention can be applied to a light-emitting diode device and a semiconductor laser having an n-type clad layer, a light-emitting layer, and a p-type clad layer composed of a ZnO-based semiconductor on a substrate.
According to the present invention, in the oxide semiconductor light emitting device, by setting the carrier concentration and the composition of the cladding layer and the light emitting layer within a predetermined range, a ZnO-based semiconductor epitaxial layer having excellent crystallinity can be obtained. By suppressing carrier overflow to the layer, an ultraviolet light emitting device having excellent reliability and luminous efficiency can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a sectional view, respectively, showing an oxide semiconductor light emitting device (light emitting diode device) according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an oxide semiconductor light-emitting element (light-emitting diode element) of the first embodiment using an insulating substrate.
FIG. 3 is a sectional view showing an oxide semiconductor light emitting device (light emitting diode device) according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are a perspective view and a sectional view, respectively, showing an oxide semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) according to a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a sectional view showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram of a molecular beam epitaxy apparatus.
FIG. 7 is a schematic view of a laser molecular beam epitaxy apparatus.
FIG. 8: Mg_0.3Zn_0.74 is a graph illustrating the relationship between the N doping concentration of O and ZnO and the carrier concentration.
FIG. 9 shows p-type Mg in the oxide semiconductor device (light-emitting diode device) according to the first embodiment of the present invention._0.3Zn_0.74 is a graph illustrating the relationship between the carrier concentration of the O-cladding layer and the emission intensity.
FIG. 10 shows Mg in the oxide semiconductor device (light emitting diode device) according to the first embodiment of the present invention._xZn_1-x4 is a graph illustrating the relationship between the Mg composition of the O cladding layer and the emission intensity.
FIG. 11 shows Mg in the oxide semiconductor device (light emitting diode device) according to the first embodiment of the present invention._0.05Zn_0.95O light emitting layer and p-type Mg_0.3Zn_0.75 is a graph illustrating the relationship between the thickness of the O-cladding layer and the emission intensity.
FIG. 12 is an emission spectrum of the oxide semiconductor element (light-emitting diode element) according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a graph illustrating the dependence of the emission intensity on the thickness of a well layer in the oxide semiconductor element (light-emitting diode element) according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 14 shows a p-type Mg in the semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of the fourth and fifth embodiments according to the present invention._xZn_1-x4 is a graph illustrating the relationship between the Mg composition and carrier concentration of an O cladding layer and an oscillation threshold current.
FIG. 15 is a schematic diagram showing the relationship between the refractive index profile in the thickness direction near the quantum well active layer and the light emission intensity distribution in the semiconductor light emitting devices (semiconductor laser devices) of the fourth and fifth embodiments according to the present invention. .
[Explanation of symbols]
1 ... light emitting diode element
101 ... ZnO substrate,
102 ... n-type MgZnO cladding layer,
103 ... light-emitting layer,
104 ... p-type MgZnO clad layer,
105 ... p-type ZnO contact layer,
106 ... p-type ohmic electrode,
107 ... pad electrode,
108 ... n-type ohmic electrode,
109 ... n-type ZnO buffer layer,
110 ... n-type ZnO contact layer,
301 ... n-type MgZnO current block layer,
4 ... Semiconductor laser device,
401 ... ZnO substrate,
402... N-type MgZnO cladding layer,
403 ・ ・ ・ Quantum well active layer
404... P-type MgZnO first cladding layer,
405 ... p-type BeO etching stop layer,
406... P-type MgZnO second cladding layer,
407 ... p-type ZnO contact layer,
408... N-type MgZnO current blocking layer,
409 ... p-type ohmic electrode,
410 ... n-type ohmic electrode,
501 ... n-type ZnO light guide layer,
502 ... p-type ZnO light guide layer,
6 ... MBE device,
601 ... growth room,
602: substrate holder,
603: substrate,
604: heater,
605: evaporation source cell,
606: heater,
607: shutter,
608—radical cell,
7 ... Laser MBE device,
701 ... growth room,
702: substrate holder,
703: substrate,
704: heater,
705: target table,
706: Raw material target,
707 ... viewport,
708: pulsed laser light (excimer laser),
709: radical cell,
710: gas introduction pipe.

Claims (33)

基板上に、少なくともｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層およびＭｇ_ｃＺｎ_１−ｃＯ発光層が形成され、該発光層は該ｎ型クラッド層および該ｐ型クラッド層に挾持され、ここに、該ｐ型クラッド層のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３〜５×１０^１９ｃｍ^−３の範囲にある酸化物半導体発光素子。On a substrate, at least n-type _{Mg a Zn 1-a} O cladding layer, p-type _{Mg b Zn 1-b} O cladding layer and _{Mg c Zn 1-c} O emitting layer is formed, the light emitting layer is the n-type cladding An oxide semiconductor light-emitting device sandwiched between a layer and the p-type cladding layer, wherein the carrier concentration of the p-type cladding layer is in the range of 1 × 10 ¹⁷ cm ^{−3 to} 5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . 基板上に、少なくともｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層およびＭｇ_ｃＺｎ_１−ｃＯ発光層が形成され、該発光層は該ｎ型クラッド層および該ｐ型クラッド層に挾持され、ここに、前記Ｍｇ組成ａ、ｂおよびｃが、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．５；
０．０５＜ｂ≦０．５；
０＜ｃ≦ａ−０．０５；および
０＜ｃ≦ｂ−０．０５
を全て満足させる酸化物半導体発光素子。On a substrate, at least n-type _{Mg a Zn 1-a} O cladding layer, p-type _{Mg b Zn 1-b} O cladding layer and _{Mg c Zn 1-c} O emitting layer is formed, the light emitting layer is the n-type cladding Layer and the p-type cladding layer, wherein the Mg compositions a, b and c have the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.5;
0.05 <b ≦ 0.5;
0 <c ≦ a-0.05; and 0 <c ≦ b-0.05
An oxide semiconductor light emitting device that satisfies all of the following. 前記Ｍｇ組成ａ、ｂおよびｃが、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．３５；
０．０５＜ｂ≦０．３５；
０＜ｃ≦ａ−０．０５；および
０＜ｃ≦ｂ−０．０５
を全て満足させる請求項２記載の酸化物半導体発光素子。The Mg compositions a, b and c have the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.35;
0.05 <b ≦ 0.35;
0 <c ≦ a-0.05; and 0 <c ≦ b-0.05
3. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein all of the following are satisfied. 該発光層の厚みが５０ｎｍ以上３μｍ以下である請求項１記載の酸化物半導体発光素子。2. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said light emitting layer has a thickness of 50 nm or more and 3 μm or less. 該発光層に、少なくとも１種以上のＩＩＩ族元素を含むドナー不純物がドーピングされている請求項１記載の酸化物半導体発光素子。The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the light emitting layer is doped with a donor impurity containing at least one or more group III elements. 基板上に、少なくともｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層、ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層、および１または複数のＭｇ_ｄＺｎ_１−ｄＯ井戸層と１または複数のＭｇ_ｅＺｎ_１−ｅＯ障壁層とを交互に積層することによって形成された量子井戸発光層が形成され、該量子井戸発光層は該ｎ型クラッド層および該ｐ型クラッド層に挾持され、ここに、前記Ｍｇ組成ａ、ｂ、ｄおよびｅが、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．５；
０．０５＜ｂ≦０．５；
０＜ｄ≦ａ−０．０５；
０＜ｄ≦ｂ−０．０５；
ｄ＜ｅ＜ａ；および
ｄ＜ｅ＜ｂ
を全て満足させる酸化物半導体発光素子。On a substrate, at least n-type _{Mg a Zn 1-a} O cladding layer, p-type _{Mg b Zn 1-b} O cladding layer, and one or more of _{Mg d Zn 1-d} O well layers and one or more of Mg _e A quantum well light emitting layer is formed by alternately stacking Zn _1-e O barrier layers, and the quantum well light emitting layer is sandwiched between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer. The Mg compositions a, b, d and e have the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.5;
0.05 <b ≦ 0.5;
0 <d ≦ a-0.05;
0 <d ≦ b-0.05;
d <e <a; and d <e <b
An oxide semiconductor light emitting device that satisfies all of the following. 前記Ｍｇ組成ａ、ｂ、ｄおよびｅが、以下の関係：
０．０５＜ａ≦０．３５；
０．０５＜ｂ≦０．３５；
０＜ｄ≦ａ−０．０５；
０＜ｄ≦ｂ−０．０５；
ｄ＜ｅ＜ａ；および
ｄ＜ｅ＜ｂ
を全て満足させる請求項６記載の酸化物半導体発光素子。The Mg compositions a, b, d and e have the following relationship:
0.05 <a ≦ 0.35;
0.05 <b ≦ 0.35;
0 <d ≦ a-0.05;
0 <d ≦ b-0.05;
d <e <a; and d <e <b
The oxide semiconductor light-emitting device according to claim 6, wherein all of the following are satisfied. 前記Ｍｇ組成ａ、ｂ、ｄおよびｅが、さらに、以下の関係：
ｄ＜ｅ≦ａ−０．０５；
ｄ＜ｅ≦ｂ−０．０５；および
０＜ｄ＜ｅ−０．０２
を全て満足させる請求項７記載の酸化物半導体発光素子。The Mg compositions a, b, d and e further have the following relationship:
d <e ≦ a−0.05;
d <e ≦ b−0.05; and 0 <d <e−0.02
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein all of the following are satisfied. 該井戸層１層当りの井戸幅が３ｎｍ以上６ｎｍ以下である請求項６記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein a well width per one well layer is 3 nm or more and 6 nm or less. 該量子井戸発光層全体に、少なくとも１種以上のＩＩＩ族元素がドーピングされている請求項６記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein the entire quantum well light emitting layer is doped with at least one or more group III elements. 該井戸層のみに、少なくとも１種以上のＩＩＩ族元素がドーピングされている請求項６記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein at least one or more group III elements are doped only in said well layer. 該障壁層のみに、少なくとも１種以上のＩＩＩ族元素がドーピングされている請求項６記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein at least one or more group III elements are doped only in said barrier layer. 前記ＩＩＩ族元素のドーピング濃度が１×１０^１６〜１×１０^２０ｃｍ^−３の範囲にある請求項５、１０〜１２いずれか１記載の酸化物半導体発光素子。The oxide semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein a doping concentration of the group III element is in a range of 1 × 10 ¹⁶ to 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ . 該発光層に前記ＩＩＩ族元素と共に、少なくとも１種以上のＩまたはＶ族元素が共ドーピングされ、かつ、該発光層の導電型がｎ型である請求項５、１０〜１２いずれか１記載の酸化物半導体発光素子。13. The light emitting layer according to claim 5, wherein the light emitting layer is co-doped with at least one or more group I or V elements together with the group III element, and the light emitting layer has an n-type conductivity. An oxide semiconductor light-emitting element. 前記ＩまたはＶ族元素のドーピング濃度は１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３の範囲にある請求項１４記載の酸化物半導体発光素子。The oxide semiconductor light-emitting device according to claim 14, wherein the doping concentration of I or V group element in the range of ^{1 × 10 18 ~1 × 10 21} cm -3. 該ｎ型およびｐ型クラッド層の層厚が５０ｎｍ〜３μｍの範囲にある請求項１または５記載の酸化物半導体発光素子。6. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said n-type and p-type cladding layers have a thickness in a range of 50 nm to 3 [mu] m. 該ｎ型およびｐ型クラッド層に接してＺｎＯコンタクト層が形成されている請求項１、２または６記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a ZnO contact layer is formed in contact with said n-type and p-type cladding layers. 該コンタクト層の層厚が１０ｎｍ〜５μｍの範囲にある請求項１７記載の酸化物半導体発光素子。18. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 17, wherein a thickness of the contact layer is in a range of 10 nm to 5 [mu] m. 該発光層以外の層中に、ＭｇＺｎＯよりなる電流ブロック層が形成されている請求項１、２または６記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a current blocking layer made of MgZnO is formed in a layer other than the light emitting layer. 該ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層の一部がリッジストライプ形状に加工され、リッジストライプ形状加工されたｐ型クラッド層の側面がＭｇ_ｆＺｎ_１−ｆＯ電流ブロック層により埋め込まれている請求項１９記載の酸化物半導体発光素子。Some of the p-type _{Mg b Zn 1-b} O cladding layer is processed into a ridge stripe shape, the side surface of the ridge stripe processed p-type cladding layer is filled with _{Mg f Zn 1-f} O current blocking layer 20. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 19, wherein 該リッジストライプ形状に加工されたｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層の幅が０．５〜５μｍの範囲にある請求項２０記載の酸化物半導体発光素子。Oxide semiconductor light-emitting device according to claim 20, wherein the width of the ridge stripe processed p-type shape _{Mg b Zn 1-b} O clad layer is in the range of 0.5 to 5 [mu] m. 前記Ｍｇ組成ｂおよびｆが、以下の関係：
ｂ≦ｆ≦０．５
を満足させる請求項２０記載の酸化物半導体発光素子。The Mg compositions b and f have the following relationship:
b ≦ f ≦ 0.5
21. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 20, which satisfies the following. 該Ｍｇ_ｃＺｎ_１−ｃＯｃ発光層に接して、ｎ型Ｍｇ_ｇＺｎ_１−ｇＯ光ガイド層および／またはｐ型Ｍｇ_{ｇ ’}Ｚｎ_{１−ｇ ’}Ｏ光ガイド層が形成され、ここに、ｎ型Ｍｇ_ｇＺｎ_１−ｇＯ光ガイド層は該発光層と該ｎ型Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯクラッド層との間に形成され、ｐ型Ｍｇ_{ｇ ’}Ｚｎ_{１−ｇ ’}Ｏ光ガイド層は該発光層と該ｐ型Ｍｇ_ｂＺｎ_１−ｂＯクラッド層との間に形成されている請求項１、２または６記載の酸化物半導体発光素子。In contact with the _Mg c _{Zn 1-c} Oc emitting layer, n-type _{Mg g Zn 1-g} O optical guide layer and / or the p-type _{Mg g 'Zn 1-g'} O optical guide layer is formed, here, n-type _{Mg g Zn 1-g} O optical guide layer is formed between the light emitting layer and the n-type _{Mg a Zn 1-a} O cladding layer, p-type _{Mg g 'Zn 1-g'} O optical guide layer oxide semiconductor light-emitting device formed by being claim 1, 2 or 6, wherein between the light emitting layer and the p-type Mg b _Zn 1-b _O cladding layer. 該ｎ型光ガイド層のＭｇ組成ｇは該ｎ型クラッド層のＭｇ組成ａと該発光層のＭｇ組成ｃとの間の値であって、該ｎ型光ガイド層中にはＭｇ組成ｇが変化する領域が存在し、該ｐ型光ガイド層のＭｇ組成ｇ’は該ｐ型クラッド層のＭｇ組成ｂと該発光層のＭｇ組成ｃとの間の値であって、該ｐ型光ガイド層中にはＭｇ組成ｇ’が変化する領域が存在する請求項２３記載の酸化物半導体発光素子。The Mg composition g of the n-type light guide layer is a value between the Mg composition a of the n-type cladding layer and the Mg composition c of the light emitting layer, and the Mg composition g is contained in the n-type light guide layer. There is a changing region, and the Mg composition g ′ of the p-type light guide layer is a value between the Mg composition b of the p-type cladding layer and the Mg composition c of the light emitting layer, and 24. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 23, wherein a region in which the Mg composition g 'changes is present in the layer. 該基板が、ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内の格子整合基板である請求項１、２または６記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the substrate is a lattice-matched substrate having an in-plane lattice constant difference from ZnO of 3% or less. 該基板がＺｎＯ単結晶である請求項２５記載の酸化物半導体発光素子。26. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 25, wherein the substrate is a ZnO single crystal. 該基板の裏面が任意形状の凹凸を有する粗面である請求項１、２または６記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the back surface of the substrate is a rough surface having irregularities of an arbitrary shape. ｐ型オーミック電極が、Ｎｉ、ＰｄおよびＰｔよりなる群から選択される１の金属材料またはそれらの２以上の金属材料の合金を用いて形成されている請求項１、２または６記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide according to claim 1, wherein the p-type ohmic electrode is formed using one metal material selected from the group consisting of Ni, Pd and Pt or an alloy of two or more metal materials thereof. Semiconductor light emitting device. 該発光層に対して透光性を有するｐ型オーミック電極が、該ＺｎＯコンタクト層の主表面全面に形成されている請求項２８記載の酸化物半導体発光素子。29. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 28, wherein a p-type ohmic electrode having a light transmitting property with respect to the light emitting layer is formed on the entire main surface of the ZnO contact layer. ｎ型オーミック電極が、Ｔｉ、ＡｌおよびＣｒよりなる群から選択される１の金属材料またはそれらの２以上の金属材料の合金を用いて形成されている請求項１、２または６記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide according to claim 1, wherein the n-type ohmic electrode is formed using one metal material selected from the group consisting of Ti, Al and Cr, or an alloy of two or more of these metal materials. Semiconductor light emitting device. 該ｎ型オーミック電極がパターニングされ、該基板の裏面の一部が露出している請求項３０記載の酸化物半導体発光素子。31. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 30, wherein the n-type ohmic electrode is patterned, and a part of the back surface of the substrate is exposed. 補助電極が、該ｎ型オーミック電極とは異なる金属材料を用いて、該基板の裏面に形成されている請求項３１記載の酸化物半導体発光素子
。32. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 31, wherein the auxiliary electrode is formed on a back surface of the substrate using a metal material different from the n-type ohmic electrode. 該基板の裏面が、Ａｇを含む導電性樹脂を用いて支持フレームに接着されている請求項１、２または６記載の酸化物半導体発光素子。7. The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the back surface of the substrate is bonded to the support frame using a conductive resin containing Ag.

Images