【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、吸収損失を抑制し発光特性に優れた酸化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現出来る可能性がある。
【０００３】
なお、以下においてＺｎＯ系半導体とは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めるものとする。
【０００４】
ＺｎＯ系半導体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型層が得られるようになった。
【０００５】
特に、低抵抗なｐ型ＺｎＯ層を得る技術として、アクセプタ不純物と共にドナー不純物を特定の比率でドーピングする「同時ドーピング法」が発明され、特開２００１−４８６９８号公報や特開２００１−６８７０７号公報で開示されている。これにより、ＺｎＯ系半導体を用いて実用的な電子デバイスを作製する研究がさかんになり、発光素子に関しても、再公表特許ＷＯ００−１６４１１号公報、特開２００１−４４５００号公報、特開２００１−２８７９９８号公報、特開２００２−１６２８５号公報などに多くの技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−４８６９８号公報
【特許文献２】
特開２００１−６８７０７号公報
【特許文献３】
再公表特許ＷＯ００−１６４１１号公報
【特許文献４】
特開２００１−４４５００号公報
【特許文献５】
特開２００１−２８７９９８号公報
【特許文献６】
特開２００２−１６２８５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記のＺｎＯ系半導体を用いた発光素子はいずれも、青色発光素子として既に実用化されているＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子などに比べ十分な発光効率が得られず、また、ＺｎＯ系半導体の特長である強い結合エネルギーを有する励起子発光を利用した低閾値な半導体レーザ素子も実現されていない。
本発明は以上の課題に鑑み、発光特性に優れた酸化物半導体発光素子を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ＺｎＯ系半導体の特長を最大限に生かした高効率な発光素子を実現する素子構造を鋭意検討し、クラッド層の構成を最適に設計すると共に、吸収損失を低減する素子構造を実現することによって目的を達成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に少なくとも、ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層、ＺｎＯ系半導体活性層、ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層およびｐ型ＺｎＯコンタクト層が形成され、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層にはドナー不純物のみがドーピングされ、前記ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層にはアクセプタ不純物のみがドーピングされ、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成比ｘおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯラッド層のＭｇ組成比ｙはいずれも０．２〜０．３５の範囲にあって、且つ層厚がいずれも０．５〜２μｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１０】
同時ドーピング法などによってＭｇＺｎＯクラッド層にドナーおよびアクセプタ不純物を共にドーピングすると、ＭｇＺｎＯクラッド層の抵抗は低下するが、不純物による光吸収が顕著となり、発光効率が著しく悪化する。ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層にはドナー不純物のみがドーピングされ、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層にはアクセプタ不純物のみがドーピングされていることにより、不純物による光吸収を抑えて発光効率を向上させることが出来、結果的に省電力性をも向上させることが出来る。
【００１１】
また、クラッド層の組成比ｘおよびｙを０．２以上とし、層厚を０．５μｍ以上とすることにより、活性層からの光をコンタクト層が吸収しない。更に、クラッド層組成比ｘおよびｙを０．３５以下とし、層厚を２μｍ以下とすることにより、結晶欠陥や相分離を回避出来る。このことにより、吸収損失および結晶性劣化を抑制した特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００１２】
なお、前記「活性層」は、発光ダイオード素子の場合には「発光層」と称されるが、発光を司る層という意味において同義であるので、以下においては特に区別しない。
【００１３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層はいずれも層厚が０．８〜１．５μｍの範囲にある。
【００１４】
ＭｇＺｎＯクラッド層厚を前記所定の範囲とすることにより、吸収損失と結晶性劣化の抑止効果が更に高い。
【００１５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層に各々ドーピングされたドナーおよびアクセプタ不純物のドーピング濃度が、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲にある。
不純物ドーピング濃度を前記所定の範囲とすることにより、吸収損失と結晶性劣化の抑止効果が更に高い。
【００１６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層を含む電流ブロック層を有し、Ｍｇ組成比ｚが０．２〜０．５の範囲にあると共に前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成比ｘあるいはｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯラッド層のＭｇ組成比ｙのいずれよりも大きい。
ＭｇＺｎＯ電流ブロック層の構成を前記所定の範囲とすることにより、吸収損失および発振閾値電流の増大を抑制して特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００１７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、前記基板がバンドギャップエネルギーが３．６ｅＶ以上の絶縁体基板である。
基板がバンドギャップエネルギーの大きな絶縁体であることにより、発光を吸収せず、吸収損失および発振閾値電流の増大を抑制して特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００１８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、発光波長が３８０ｎｍより長く、且つ前記基板がＺｎＯ単結晶である。
発振波長が３８０ｎｍ以長の可視発光素子においては、ＺｎＯ単結晶を基板に用いることにより、発光を吸収せず、且つ結晶性の極めて高い酸化物半導体発光素子を得ることが出来る。
【００１９】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
（実施形態１）
本実施形態では、サファイア基板上に、ダブルヘテロ構造を有するＺｎＯ系発光ダイオード素子を構成した例を示す。
【００２０】
図１は本実施形態の発光ダイオード素子１０の模式的構造断面図である。
本実施形態の発光ダイオード素子１０は、サファイアＣ面（０００１）を主面とする基板１上に、Ｇａが１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．２μｍのｎ型ＺｎＯコンタクト層２、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層３、ノンドープで厚さ０．１μｍのＺｎＯ発光層４、Ｎが５×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層５、Ｎが１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．３μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層６が積層されている。
【００２１】
ｐ型ＺｎＯコンタクト層６の主表面全面には、厚さ１５ｎｍのＮｉを積層した透光性のｐ型オーミック電極７が積層され、ｐ型オーミック電極７上には厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極８が、ｐ型オーミック電極７より小さい面積で形成されている。
【００２２】
ｎ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層３からｐ型ＺｎＯコンタクト層６までのエピタキシャル層は一部がエッチングされ、露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層２の表面にはｎ型オーミック電極９として厚さ１００ｎｍのＡｌが積層されている。
【００２３】
本発明は、ＭｇＺｎＯ混晶で構成したクラッド層の組成比と層厚を最適化すると共に、ｎ型クラッド層にはドナー不純物のみをドーピングし、ｐ型クラッド層にはアクセプタ不純物のみをドーピングしたことに特徴を有している。
【００２４】
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）法などの結晶成長手法で作製することが出来るが、レーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、またＺｎＧａ２Ｏ４などの意図しない副生成物の生成を抑えることが出来るので特に好ましい。
【００２５】
本実施形態の発光ダイオード素子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の青紫色発光が得られた。
【００２６】
本実施形態の発光ダイオード素子について、ＭｇＺｎＯクラッド層の層厚およびＭｇ組成比と発光強度の関係を図２に示す。Ｍｇ組成比が０．２５の場合については、比較例としてｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層５にＧａとＮを同時ドーピングし、本実施形態と同じ抵抗率のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層とした他は本実施形態と同じ発光ダイオード素子についても示した。なお、同図は、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層３とｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層５の層厚およびＭｇ組成比を同一にして変化させたものである。
【００２７】
図２より、従来のＺｎＯ系半導体発光素子において十分な発光が得られなかった主な原因は、ＭｇＺｎＯクラッド層の構成にあり、それは以下のような理由によるものと推察される。
【００２８】
１．アクセプタ不純物とドナー不純物が同時ドーピングされている。同時ドーピング法による低抵抗化は、キャリア散乱機構を従来の１０ｎｍ以上の長距離散乱から数ｎｍレベルの短距離散乱へ変化することによって達成される。故に、顕著な低抵抗化を実現するには不純物を高濃度にドーピングをする必要があり、不純物による光吸収損失が大きくなる。
２．Ｍｇ組成比が低い。すなわち、バンドギャップエネルギーが小さいため、活性層とのヘテロ障壁が低くなってキャリアオーバーフローが顕著となり、発光効率が悪化する。また、活性層からの発光の裾を吸収し、損失が増大する。
３．層厚が最適化されていない。すなわち、クラッド層厚が薄いと活性層からの光がコンタクト層で吸収され、発光効率が低減したり、半導体レーザ素子においては、単一縦モードが実現されなくなる。また、クラッド層厚が厚いと結晶欠陥が増大して非発光再結合の割合が増大し、発光効率は著しく低下する。
【００２９】
以上の考察より、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層にアクセプタ不純物のみをドーピングし、ｎ型およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のＭｇ組成比ｘが０．２〜０．３５の範囲にあって、且つ層厚が０．５〜２μｍの範囲にあることにより、高い発光強度を実現出来ることがわかる。
【００３０】
更に高い発光強度と生産における簡便性および低コスト化を考慮すると、ｎ型およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層はいずれも層厚が０．８〜１．５μｍの範囲にあることがより好ましい。
【００３１】
また、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層においても、ドナー不純物のみがドーピングされている方が高い発光強度を実現出来る。
【００３２】
不純物による吸収損失と結晶性劣化を抑制し、且つ高い発光強度と低い素子抵抗を得るには、ｎ型およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層に各々ドーピングされたドナーおよびアクセプタ不純物のドーピング濃度が、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲にあることが好ましい。
【００３３】
本実施形態においては、基板としてサファイアを用いたが、クラッド層における吸収損失抑止効果を最大限に発揮するためには、基板における発光吸収を回避する必要があることは言うまでもない。よって、基板はバンドギャップエネルギーが３．６ｅＶ以上の絶縁体基板であることが好ましく、サファイア以外にはスピネルやＬｉＧａＯ２などを用いることが出来る。サファイア基板を用いる場合、本実施形態においては成長主面としてＣ面（０００１）を用いたが、Ａ面（１１−２０）を用いてもよい。
【００３４】
また、基板に入射した発光を乱反射させるために、研磨やエッチングなどの公知の手法で基板裏面に凹凸を形成すれば、光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００３５】
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６を低抵抗化し電流広がりを均一化することが好ましい。本発明は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層において発光吸収が生じないようＭｇＺｎＯクラッド層を最適化しているので、ｐ型ＺｎＯコンタクト層へのアクセプタドーピングは同時ドーピング法を用いてもよい。しかし、不純物を過剰にドーピングすると結晶性劣化が顕著となるので、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３のドーピング濃度範囲とすることが好ましい。
【００３６】
ｐ型不純物としては、Ｉ族元素のＬｉ、Ｃｕ、ＡｇやＶ族元素のＮ、Ａｓ、Ｐなどを用いることが出来る。ＮとＡｇは活性化率が高いので特に好ましく、更にＮはＮ２をプラズマ化し結晶成長中に照射する手法によって、結晶性を良好に保って高濃度ドーピングが行えるので好ましい。
【００３７】
本実施形態のように絶縁性基板を用いる場合は、基板１とｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層３の間にｎ型コンタクト層２を形成し、この上にｎ型オーミック電極９を形成する必要がある。ｎ型コンタクト層２には、結晶性に優れキャリア濃度を高く出来るＺｎＯを用いることが好ましい。
【００３８】
ｎ型ＺｎＯコンタクト層２のドーピング濃度は１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲が好ましく、更には５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲で調整されることが好ましい。また、膜厚は、０．００１〜１μｍ、好ましくは０．００５〜０．５μｍ、更に好ましくは０．０１〜０．３μｍの範囲に調整する。
【００３９】
また、ｎ型ＺｎＯ系半導体層にドープするｎ型不純物にはＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどを用いることが出来るが、ＺｎＯ系半導体中での活性化率が高いＧａまたはＡｌ、特にＧａが好ましい。
【００４０】
ｐ型オーミック電極７には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどを用いることが出来るが、中でも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。前記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００４１】
また、高い発光効率を最大限の効果で得るためには、本実施形態で示したように、ｐ型オーミック電極７が透光性を有するよう形成して光取り出し効率を向上させることが好ましい。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５〜２００ｎｍの範囲が好ましく、２０〜１００ｎｍの範囲が更に好ましい。
【００４２】
ｐ型電極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Ｏ２あるいは大気雰囲気中が好ましく、Ｎ２では逆に抵抗が増大する。
【００４３】
パッド電極８は、透光性ｐ型オーミック電極７上の一部に、ｐ型オーミック電極７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８の材料としてはボンディングが容易でＺｎＯ中へ拡散してもドナー不純物とならないＡｕが好ましい。ｐ型オーミック電極７とパッド電極８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介してもよい。
【００４４】
ｎ型オーミック電極９にはＴｉ、Ｃｒ、Ａｌなどを用いることが出来る。中でも低抵抗でコストの低いＡｌあるいは密着性の良いＴｉが好ましい。前記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００４５】
その他の構成は任意であり、本実施形態によって限定されるものではない。
【００４６】
（実施形態２）
本実施形態では、ＺｎＯ系青色半導体レーザ素子に、本発明を適用した例を示す。
図３は本実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子１００の構造斜視図である。
本実施形態の半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．３μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層１０２、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．５μｍのｎ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層１０３、Ｇａドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４、ノンドープ量子井戸活性層１０５、Ｎドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６、Ｎドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層１０７、Ｎドーピング濃度が５×１０１９ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８が積層されている。
【００４７】
量子井戸活性層１０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層２層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層３層とが交互に積層されている。
【００４８】
ｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層１０７は、リッジストライプ状にエッチング加工され、側面はＧａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされたＭｇ０．３５Ｚｎ０．６５Ｏより成るｎ型電流ブロック層１０９によって埋め込まれている。
【００４９】
また、ＺｎＯ基板１０１の下にはｎ型オーミック電極１１０が形成され、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８の上にはｐ型オーミック電極１１１が形成されている。
【００５０】
本実施形態の構造を作製後、ＺｎＯ基板を劈開して端面ミラーを形成し、保護膜を真空蒸着した後、素子を３００μｍに分離した。
【００５１】
本実施形態の半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られた。
【００５２】
比較例１として、ｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏクラッド層１０７の層厚を０．５μｍとしたところ、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８で発振光の吸収が生じ、発振閾値電流が４０％増大した。
【００５３】
比較例２として、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０３およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０７のＭｇ組成比を０．１５としたところ、発振閾値電流が６０％増大した。
【００５４】
比較例３として、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層１０９のＭｇ組成比を０．２としたところ、発振閾値電流が２０％増大した。
【００５５】
比較例３として、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層１０９のＭｇ組成比を０．６としたところ、発振閾値電流は２０％減少したが、光出力５ｍＷで駆動後１時間で素子が劣化し発振が停止した。
【００５６】
本実施形態のように、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層を形成して活性層への電流注入効率を向上させる場合には、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層が発振光を吸収しないよう、Ｍｇ組成比ｚが０．２〜０．５の範囲にあることが好ましく、吸収損失を低減して発振閾値電流の増大を抑止することが出来る。
【００５７】
特に、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層のＭｇ組成比ｚは、ｎ型およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のＭｇ組成比ｘ，ｙよりも大きいことが好ましく、導波路内外の屈折率差を確保して導波路横方向への光閉じ込めを確実に行うことが出来る。
【００５８】
また、半導体レーザ素子だけでなく、発光ダイオード素子中に電流ブロック層を形成し、光取り出し効率の高い素子周辺部の電流注入効率を向上させる場合においても、電流ブロック層が発光を吸収しないよう、Ｍｇ組成比ｚが０．２〜０．５の範囲にあると共に、ｎ型およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層のＭｇ組成よりも大きいことが好ましい。
【００５９】
本実施形態の半導体レーザ素子は基板にＺｎＯ基板を用いたが、実施形態１と同様にサファイアなどの絶縁性基板を用いてもよい。しかし、ＺｎＯ半導体発光素子の形成においては、ＺｎＯ基板が最も親和性に優れ、結晶性の極めて高い発光素子を作製出来る。この場合も、クラッド層における吸収損失抑止効果を最大限に発揮するために、基板における発光吸収を回避することは重要で、本実施形態の半導体レーザ素子のように発振波長が３８０ｎｍより長波長である場合はＺｎＯ基板を用いることが好ましい。
【００６０】
尚、本実施形態のようにＺｎＯ基板を用いた場合は、十分高品質なＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長出来るので、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２を形成しなくても本発明の効果には影響しない。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の酸化物半導体発光素子によると、基板上に少なくとも、ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層、ＺｎＯ系半導体活性層、ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層およびｐ型ＺｎＯコンタクト層が形成され、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層にはドナー不純物のみがドーピングされ、前記ｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯラッド層にはアクセプタ不純物のみがドーピングされ、前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成比ｘおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層のＭｇ組成比ｙがいずれも０．２〜０．３５の範囲にあって、且つ層厚がいずれも０．５〜２μｍの範囲にすることにより、吸収損失および発振閾値電流の増大を抑制して特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００６２】
前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層はいずれも層厚を０．８〜１．５μｍの範囲にすることにより、吸収損失と結晶性劣化の抑制効果が更に高く、発光効率の優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００６３】
前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯおよびｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層に各々ドーピングされたドナーおよびアクセプタ不純物のドーピング濃度を、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲にすることにより、吸収損失と結晶性劣化の抑制効果が更に高く、発光効率の優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００６４】
ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層を含む電流ブロック層を有し、Ｍｇ組成比ｚが０．２〜０．５の範囲にあると共に前記ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層のＭｇ組成比ｘあるいはｐ型ＭｇｙＺｎ１−ｙＯクラッド層のＭｇ組成比ｙのいずれよりも大きくすることにより、吸収損失および発振閾値電流の増大を抑制して特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００６５】
また、前記基板としてバンドギャップエネルギーが３．６ｅＶ以上の絶縁体基板を使用することにより、吸収損失および発振閾値電流の増大を抑制して特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００６６】
また、発振波長が３８０ｎｍ以長の可視発光素子の場合、基板としてＺｎＯ単結晶を使用することにより、発光が吸収されず結晶性の極めて高い酸化物半導体発光素子を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の発光ダイオード素子の模式的構造断面図。
【図２】実施形態１の発光ダイオード素子についてＭｇＺｎＯクラッド層の層厚およびＭｇ組成比と発光強度の関係を示す図。
【図３】施形態２のＺｎＯ系半導体レーザ素子の構造斜視図
【符号の説明】
１：サファイア基板
２：ｎ型ＺｎＯコンタクト層
３：ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
４：ＺｎＯ活性層
５：ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
６：ｐ型ＺｎＯコンタクト層
７：ｐ型オーミック電極
８：パッド電極
９：ｎ型オーミック電極
１０：発光ダイオード素子
１０１：ＺｎＯ基板
１０２：ｎ型ＺｎＯバッファ層
１０３：ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
１０４：ｎ型ＺｎＯ光ガイド層
１０５：量子井戸活性層
１０６：ｐ型ＺｎＯ光ガイド層
１０７：ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
１０８：ｐ型ＺｎＯコンタクト層
１０９：ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層
１１０：ｎ型オーミック電極
１１１：ｐ型オーミック電極
１００：半導体レーザ素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode and a semiconductor laser, and more particularly, to an oxide semiconductor light emitting device which suppresses absorption loss and has excellent light emission characteristics.
[0002]
[Prior art]
Zinc oxide (ZnO) is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of about 3.4 eV, has an extremely high exciton binding energy of 60 meV, is inexpensive in raw materials, is harmless to the environment and the human body, and has a simple film forming method. There is a possibility that a light emitting device having high efficiency, low power consumption, and excellent environmental performance can be realized.
[0003]
In the following, the ZnO-based semiconductor includes ZnO and a mixed crystal represented by MgZnO or CdZnO, which is based on ZnO.
[0004]
Conventionally, it has been difficult to control the p-type conductivity of a ZnO-based semiconductor due to a self-compensation effect caused by strong ionicity. However, by using nitrogen (N) as an acceptor impurity, a p-type layer can be obtained. became.
[0005]
In particular, as a technique for obtaining a low-resistance p-type ZnO layer, a "simultaneous doping method" in which a donor impurity is doped at a specific ratio together with an acceptor impurity, is disclosed in JP-A-2001-48698 and JP-A-2001-68707. Are disclosed. As a result, research for fabricating a practical electronic device using a ZnO-based semiconductor has become active. Regarding the light-emitting element, re-published patents WO00-16411, JP-A-2001-44500, and JP-A-2001-287998 are also available. Many technologies are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-16285 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-16285.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-48698 A [Patent Document 2]
JP 2001-68707 A [Patent Document 3]
Re-published patent WO00-16411 [Patent document 4]
JP 2001-44500 A [Patent Document 5]
JP 2001-287998 A [Patent Document 6]
JP 2002-16285 A
[Problems to be solved by the invention]
However, none of the light-emitting elements using the ZnO-based semiconductor described above has sufficient luminous efficiency compared to a semiconductor light-emitting element using a group III nitride semiconductor which has already been practically used as a blue light-emitting element, and A low-threshold semiconductor laser device utilizing exciton emission having strong binding energy, which is a feature of ZnO-based semiconductors, has not been realized.
The present invention has been made in view of the above problems, and provides an oxide semiconductor light emitting device having excellent light emitting characteristics.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has intensively studied an element structure for realizing a highly efficient light-emitting element utilizing the features of a ZnO-based semiconductor to the utmost, and has designed an element structure for optimally designing a configuration of a cladding layer and reducing an absorption loss. The realization of the goal was achieved.
[0009]
That is, the oxide semiconductor light-emitting device of the present invention has at least an n-type Mg x Zn 1-x O clad layer, a ZnO-based semiconductor active layer, a p-type Mg y Zn 1-y O clad layer, and a p-type ZnO A contact layer is formed, the n-type Mg x Zn 1-x O cladding layer is doped only with a donor impurity, the p-type Mg y Zn 1-y O cladding layer is doped only with an acceptor impurity, The Mg composition ratio x of the type Mg x Zn 1-x O clad layer and the Mg composition ratio y of the p-type Mg y Zn 1-y O lad layer are both in the range of 0.2 to 0.35, and The thickness is in the range of 0.5 to 2 μm.
[0010]
When the MgZnO cladding layer is doped with a donor and an acceptor impurity together by the simultaneous doping method or the like, the resistance of the MgZnO cladding layer is reduced, but the light absorption by the impurities becomes remarkable, and the luminous efficiency is remarkably deteriorated. Since the n-type MgZnO cladding layer is doped only with a donor impurity and the p-type MgZnO cladding layer is doped only with an acceptor impurity, light absorption by the impurity can be suppressed to improve luminous efficiency. In addition, power saving can be improved.
[0011]
When the composition ratios x and y of the cladding layer are 0.2 or more and the layer thickness is 0.5 μm or more, the contact layer does not absorb light from the active layer. Further, by setting the cladding layer composition ratios x and y to 0.35 or less and the layer thickness to 2 μm or less, crystal defects and phase separation can be avoided. Thus, an oxide semiconductor light-emitting element having excellent characteristics in which absorption loss and crystallinity deterioration are suppressed can be manufactured.
[0012]
The “active layer” is referred to as a “light-emitting layer” in the case of a light-emitting diode element, but has the same meaning as a layer that controls light emission, and is not particularly distinguished below.
[0013]
Oxide semiconductor light-emitting device of one embodiment, the n-type Mg x Zn 1-x O, and p-type Mg y Zn 1-y O cladding layer even layer thickness Any is in the range of 0.8~1.5μm .
[0014]
By setting the thickness of the MgZnO cladding layer in the above-described predetermined range, the effect of suppressing absorption loss and crystallinity deterioration is further enhanced.
[0015]
In one embodiment, the n-type Mg x Zn 1-x O and the p-type Mg y Zn 1-y O cladding layers each have a doping concentration of the donor and acceptor impurities of 1 × 10 It is in the range of 18 to 1 × 10 21 cm −3 .
By setting the impurity doping concentration within the above-mentioned predetermined range, the effect of suppressing absorption loss and crystallinity deterioration is further enhanced.
[0016]
Oxide semiconductor light-emitting device of one embodiment, Mg z Zn has a current blocking layer comprising a 1-z O layer, the n-type Mg x with Mg composition ratio z is in the range of 0.2 to 0.5 It is larger than either the Mg composition ratio x of the Zn 1-x O clad layer or the Mg composition ratio y of the p-type Mg y Zn 1-y O lad layer.
By setting the configuration of the MgZnO current block layer within the above-described predetermined range, an increase in absorption loss and oscillation threshold current can be suppressed, and an oxide semiconductor light-emitting element having excellent characteristics can be manufactured.
[0017]
In one embodiment, the substrate is an insulator substrate having a band gap energy of 3.6 eV or more.
Since the substrate is an insulator having a large bandgap energy, light emission is not absorbed, absorption loss and an increase in oscillation threshold current are suppressed, and an oxide semiconductor light-emitting element having excellent characteristics can be manufactured.
[0018]
In one embodiment, the oxide semiconductor light emitting device has an emission wavelength longer than 380 nm and the substrate is a ZnO single crystal.
In a visible light-emitting element having an oscillation wavelength of 380 nm or longer, an oxide semiconductor light-emitting element which does not absorb light emission and has extremely high crystallinity can be obtained by using a ZnO single crystal for a substrate.
[0019]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
In this embodiment, an example in which a ZnO-based light emitting diode element having a double hetero structure is formed on a sapphire substrate will be described.
[0020]
FIG. 1 is a schematic structural sectional view of a light emitting diode element 10 of the present embodiment.
The light emitting diode element 10 according to the present embodiment has an n-type ZnO doped with Ga at a concentration of 1 × 10 19 cm −3 and having a thickness of 0.2 μm on a substrate 1 having a sapphire C plane (0001) as a main surface. A contact layer 2, a 1 μm thick n-type Mg 0.25 Zn 0.75 O cladding layer 3 doped with Ga at a concentration of 1 × 10 18 cm −3 , and a non-doped 0.1 μm thick ZnO light emitting layer 4 , N doped at a concentration of 5 × 10 19 cm −3 , a p-type Mg 0.25 Zn 0.75 O cladding layer 5 having a thickness of 1 μm, and N doped at a concentration of 1 × 10 20 cm −3 . A p-type ZnO contact layer 6 having a thickness of 0.3 μm is laminated.
[0021]
On the entire main surface of the p-type ZnO contact layer 6, a translucent p-type ohmic electrode 7 in which Ni is laminated in a thickness of 15 nm is laminated. On the p-type ohmic electrode 7, a bonding Au pad having a thickness of 100 nm is formed. The electrode 8 has an area smaller than the p-type ohmic electrode 7.
[0022]
The epitaxial layer from the n-type Mg 0.25 Zn 0.75 O cladding layer 3 to the p-type ZnO contact layer 6 is partially etched, and an n-type ohmic electrode 9 is formed on the exposed surface of the n-type ZnO contact layer 2. Al having a thickness of 100 nm is laminated.
[0023]
The present invention optimizes the composition ratio and layer thickness of a clad layer composed of MgZnO mixed crystal, while doping only n-type clad layers with donor impurities and doping p-type clad layers only with acceptor impurities. It has features.
[0024]
The oxide semiconductor light-emitting device of the present invention is manufactured by a crystal growth method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method using a solid or gaseous raw material, a laser molecular beam epitaxy (laser MBE) method, and a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Although the laser MBE method can be manufactured, the laser MBE method is particularly preferable because the composition deviation between the raw material target and the thin film is small and generation of unintended by-products such as ZnGa 2 O 4 can be suppressed.
[0025]
The light-emitting diode element of this embodiment was separated into chips, mounted on a lead frame with an Ag paste, and molded to emit light. As a result, blue-violet light with an emission peak wavelength of 380 nm was obtained.
[0026]
FIG. 2 shows the relationship between the thickness of the MgZnO cladding layer, the Mg composition ratio, and the light emission intensity of the light emitting diode element of the present embodiment. In the case where the Mg composition ratio is 0.25, as a comparative example, Ga and N are simultaneously doped into the p-type MgZnO cladding layer 5 to obtain a p-type MgZnO cladding layer having the same resistivity as that of the present embodiment. The same light-emitting diode element as that shown in FIG. In the figure, the thickness and the Mg composition ratio of the n-type MgZnO cladding layer 3 and the p-type MgZnO cladding layer 5 are changed while being the same.
[0027]
From FIG. 2, it is presumed that the main reason why sufficient light emission was not obtained in the conventional ZnO-based semiconductor light-emitting device is the structure of the MgZnO cladding layer, which is due to the following reasons.
[0028]
1. An acceptor impurity and a donor impurity are co-doped. The resistance reduction by the simultaneous doping method is achieved by changing the carrier scattering mechanism from the conventional long-range scattering of 10 nm or more to short-range scattering of several nm level. Therefore, it is necessary to dope impurities at a high concentration in order to realize a remarkable reduction in resistance, and the light absorption loss due to the impurities increases.
2. Mg composition ratio is low. That is, since the bandgap energy is small, the hetero barrier with the active layer becomes low, carrier overflow becomes remarkable, and the luminous efficiency deteriorates. Further, the tail of light emission from the active layer is absorbed, and the loss increases.
3. Layer thickness is not optimized. That is, when the thickness of the cladding layer is small, light from the active layer is absorbed by the contact layer, and the luminous efficiency is reduced, and a single longitudinal mode cannot be realized in the semiconductor laser device. When the thickness of the cladding layer is large, the crystal defects increase, the rate of non-radiative recombination increases, and the luminous efficiency decreases significantly.
[0029]
Based on the above considerations, the p-type MgZnO cladding layer is doped with only acceptor impurities, the n-type and p-type MgZnO cladding layers have a Mg composition ratio x in the range of 0.2 to 0.35, and a layer thickness of 0. It can be seen that a high emission intensity can be realized by being in the range of 0.5 to 2 μm.
[0030]
In consideration of higher emission intensity, simplicity in production, and cost reduction, it is more preferable that both the n-type and p-type MgZnO cladding layers have a layer thickness in the range of 0.8 to 1.5 μm.
[0031]
Also, in the n-type MgZnO cladding layer, higher light emission intensity can be realized when only the donor impurity is doped.
[0032]
In order to suppress absorption loss and crystallinity deterioration due to impurities, and to obtain high emission intensity and low device resistance, the doping concentration of the donor and acceptor impurities respectively doped in the n-type and p-type MgZnO cladding layers is 1 × 10 4 It is preferably in the range of 18 to 1 × 10 21 cm −3 .
[0033]
In this embodiment, sapphire is used as the substrate. However, it is needless to say that in order to maximize the effect of suppressing the absorption loss in the cladding layer, it is necessary to avoid light emission absorption in the substrate. Therefore, the substrate is preferably an insulator substrate having a band gap energy of 3.6 eV or more, and spinel, LiGaO 2, or the like can be used other than sapphire. When a sapphire substrate is used, in this embodiment, the C plane (0001) is used as the main growth plane, but the A plane (11-20) may be used.
[0034]
Further, it is preferable to form irregularities on the back surface of the substrate by a known method such as polishing or etching in order to irregularly reflect light emitted to the substrate, since light extraction efficiency is improved.
[0035]
In order to obtain the high luminous efficiency of the present invention with the maximum effect, it is preferable to reduce the resistance of the p-type ZnO contact layer 6 and make the current spread uniform. In the present invention, the MgZnO cladding layer is optimized so that the luminescence absorption does not occur in the p-type ZnO contact layer. Therefore, the co-doping method may be used for the acceptor doping of the p-type ZnO contact layer. However, excessive doping with impurities significantly deteriorates the crystallinity. Therefore, the doping concentration is preferably in the range of 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 .
[0036]
As the p-type impurity, a group I element such as Li, Cu, or Ag, or a group V element such as N, As, or P can be used. Particularly preferred because N and Ag has a high activation rate, further N by method of irradiating N 2 into plasma crystal growth, preferably so performed is satisfactorily maintained and highly doped crystalline.
[0037]
When an insulating substrate is used as in this embodiment, it is necessary to form an n-type contact layer 2 between the substrate 1 and the n-type MgZnO cladding layer 3, and to form an n-type ohmic electrode 9 thereon. For the n-type contact layer 2, it is preferable to use ZnO which is excellent in crystallinity and can increase the carrier concentration.
[0038]
The doping concentration of the n-type ZnO contact layer 2 is preferably in the range of 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 , and more preferably in the range of 5 × 10 19 to 5 × 10 20 cm −3. . The film thickness is adjusted in the range of 0.001 to 1 μm, preferably 0.005 to 0.5 μm, and more preferably 0.01 to 0.3 μm.
[0039]
As the n-type impurity to be doped into the n-type ZnO-based semiconductor layer, a group III element such as B, Al, Ga, and In can be used. Particularly, Ga is preferable.
[0040]
Ni, Pt, Pd, Au, or the like can be used for the p-type ohmic electrode 7, and among them, Ni having low resistance and good adhesion is preferable. The plurality of metal materials may be formed by alloying.
[0041]
In addition, in order to obtain high luminous efficiency with the maximum effect, it is preferable to improve the light extraction efficiency by forming the p-type ohmic electrode 7 so as to have translucency as shown in the present embodiment. The thickness that achieves both good ohmic characteristics and high translucency is preferably in the range of 5 to 200 nm, more preferably in the range of 20 to 100 nm.
[0042]
It is preferable to perform an annealing treatment after the formation of the p-type electrode because the adhesion is improved and the contact resistance is reduced. In order to obtain an annealing effect without generating defects in the ZnO crystal, the temperature is preferably 300 to 400 ° C. The atmosphere in the annealing treatment is preferably O 2 or an air atmosphere, and N 2 increases the resistance.
[0043]
If the pad electrode 8 is formed on a part of the translucent p-type ohmic electrode 7 with a smaller area than the p-type ohmic electrode 7, the mounting process on the lead frame is easy without impairing the effect of the translucent electrode. Is preferable. The pad electrode 8 is preferably made of Au, which can be easily bonded and does not become a donor impurity even when diffused into ZnO. Another metal layer may be interposed between the p-type ohmic electrode 7 and the pad electrode 8 for the purpose of improving adhesion and light reflectivity.
[0044]
Ti, Cr, Al, or the like can be used for the n-type ohmic electrode 9. Among them, Al with low resistance and low cost or Ti with good adhesion is preferable. The plurality of metal materials may be formed by alloying.
[0045]
Other configurations are arbitrary and are not limited by the present embodiment.
[0046]
(Embodiment 2)
In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to a ZnO-based blue semiconductor laser device will be described.
FIG. 3 is a structural perspective view of the ZnO-based semiconductor laser device 100 of the present embodiment.
In the semiconductor laser device of this embodiment, an n-type ZnO buffer layer 102 having a Ga doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 and a thickness of 0.3 μm is formed on an n-type ZnO single crystal substrate 101 having a zinc surface as a main surface. A 1.5 μm thick n-type Mg 0.25 Zn 0.75 O cladding layer 103 having a Ga doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 and a Ga doping concentration of 5 × 10 17 cm −3 and a thickness of 30 nm; n-type ZnO light guide layer 104, non-doped quantum well active layer 105, p-type ZnO light guide layer 106 having an N doping concentration of 5 × 10 18 cm −3 and a thickness of 30 nm, and an N doping concentration of 1 × 10 19 cm −3. 1.0 μm thick p-type Mg 0.25 Zn 0.75 O cladding layer 107, N-doping concentration 5 × 10 19 cm −3 and 0.5 μm thick p-type ZnO contact layer 1 08 are stacked.
[0047]
In the quantum well active layer 105, two ZnO barrier layers each having a thickness of 5 nm and three Cd 0.05 Zn 0.95 O well layers each having a thickness of 6 nm are alternately stacked.
[0048]
The p-type Mg 0.25 Zn 0.75 O cladding layer 107 is etched into a ridge stripe shape, and the side surface is Mg 0.35 Zn 0.65 O doped with Ga at a concentration of 1 × 10 18 cm −3. Embedded in an n-type current block layer 109 made of
[0049]
An n-type ohmic electrode 110 is formed below the ZnO substrate 101, and a p-type ohmic electrode 111 is formed on the p-type ZnO contact layer.
[0050]
After fabricating the structure of the present embodiment, the ZnO substrate was cleaved to form an end face mirror, a protective film was vacuum-deposited, and the device was separated into 300 μm.
[0051]
When a current was applied to the semiconductor laser device of this embodiment, blue oscillation light having a wavelength of 410 nm was obtained from the end face.
[0052]
As Comparative Example 1, when the thickness of the p-type Mg 0.25 Zn 0.75 O cladding layer 107 was set to 0.5 μm, oscillation light was absorbed by the p-type ZnO contact layer 108, and the oscillation threshold current was 40%. Increased.
[0053]
As Comparative Example 2, when the Mg composition ratio of the n-type MgZnO cladding layer 103 and the p-type MgZnO cladding layer 107 was 0.15, the oscillation threshold current increased by 60%.
[0054]
As Comparative Example 3, when the Mg composition ratio of the n-type MgZnO current blocking layer 109 was set to 0.2, the oscillation threshold current increased by 20%.
[0055]
As Comparative Example 3, when the Mg composition ratio of the n-type MgZnO current blocking layer 109 was set to 0.6, the oscillation threshold current decreased by 20%. However, the device deteriorated and stopped oscillation one hour after driving at an optical output of 5 mW. did.
[0056]
When the n-type MgZnO current block layer is formed to improve the efficiency of current injection into the active layer as in the present embodiment, the Mg composition ratio z is set so that the n-type MgZnO current block layer does not absorb oscillation light. It is preferably in the range of 0.2 to 0.5, so that the absorption loss can be reduced and the increase in the oscillation threshold current can be suppressed.
[0057]
In particular, it is preferable that the Mg composition ratio z of the n-type MgZnO current blocking layer is larger than the Mg composition ratios x and y of the n-type and p-type MgZnO cladding layers. Light can be reliably confined in the lateral direction.
[0058]
In addition to forming the current blocking layer in the light emitting diode element as well as the semiconductor laser element, even in the case of improving the current injection efficiency in the peripheral portion of the element having high light extraction efficiency, the current blocking layer does not absorb light emission. It is preferable that the Mg composition ratio z be in the range of 0.2 to 0.5 and be larger than the Mg composition of the n-type and p-type MgZnO cladding layers.
[0059]
Although the semiconductor laser device of this embodiment uses a ZnO substrate as the substrate, an insulating substrate such as sapphire may be used as in the first embodiment. However, in forming a ZnO semiconductor light emitting device, a ZnO substrate has the highest affinity and a light emitting device with extremely high crystallinity can be manufactured. In this case as well, in order to maximize the effect of suppressing the absorption loss in the cladding layer, it is important to avoid emission absorption in the substrate, and as in the semiconductor laser device of the present embodiment, the oscillation wavelength is longer than 380 nm. In some cases, it is preferable to use a ZnO substrate.
[0060]
When a ZnO substrate is used as in the present embodiment, a sufficiently high quality ZnO-based semiconductor layer can be epitaxially grown. Therefore, even if the n-type ZnO buffer layer 102 is not formed, the effect of the present invention is not affected.
[0061]
【The invention's effect】
According to the oxide semiconductor light-emitting device of the present invention, at least an n-type Mg x Zn 1-x O clad layer, a ZnO-based semiconductor active layer, a p-type Mg y Zn 1-y O clad layer, and a p-type ZnO contact are formed on a substrate. A layer is formed, the n-type Mg x Zn 1-x O cladding layer is doped only with a donor impurity, the p-type Mg y Zn 1-y O lad layer is doped only with an acceptor impurity, The Mg composition ratio x of the Mg x Zn 1-x O cladding layer and the Mg composition ratio y of the p-type Mg y Zn 1-y O cladding layer are both in the range of 0.2 to 0.35, and the layer thickness is By setting each of them within the range of 0.5 to 2 μm, an increase in absorption loss and oscillation threshold current can be suppressed, and an oxide semiconductor light-emitting element having excellent characteristics can be manufactured.
[0062]
By setting the thickness of each of the n-type Mg x Zn 1-x O and the p-type Mg y Zn 1-y O cladding layer in the range of 0.8 to 1.5 μm, it is possible to suppress absorption loss and crystallinity deterioration. An oxide semiconductor light-emitting element having higher effects and excellent luminous efficiency can be manufactured.
[0063]
The doping concentration of the donor and acceptor impurities respectively doped in the n-type Mg x Zn 1-x O and p-type Mg y Zn 1-y O cladding layer is in the range of 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . By doing so, an oxide semiconductor light-emitting element having higher luminous efficiency with higher effects of suppressing absorption loss and crystallinity deterioration can be manufactured.
[0064]
Mg z Zn 1-z O layer has a current blocking layer comprising, Mg composition ratio of the n-type Mg x Zn 1-x O cladding layer with Mg composition ratio z is in the range of 0.2 to 0.5 By making the Mg composition ratio y of the x or p-type Mg y Zn 1-y O cladding layer larger, the absorption loss and the increase of the oscillation threshold current are suppressed, and an oxide semiconductor light emitting element having excellent characteristics is manufactured. I can do it.
[0065]
In addition, by using an insulator substrate having a band gap energy of 3.6 eV or more as the substrate, an increase in absorption loss and oscillation threshold current can be suppressed, and an oxide semiconductor light-emitting element having excellent characteristics can be manufactured.
[0066]
In the case of a visible light-emitting element having an oscillation wavelength of 380 nm or longer, by using a ZnO single crystal as a substrate, an oxide semiconductor light-emitting element which does not absorb light emission and has extremely high crystallinity can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic structural cross-sectional view of a light-emitting diode element according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the thickness of the MgZnO cladding layer and the Mg composition ratio and the light emission intensity of the light emitting diode element of the first embodiment.
FIG. 3 is a structural perspective view of a ZnO-based semiconductor laser device according to a second embodiment.
1: Sapphire substrate 2: n-type ZnO contact layer 3: n-type MgZnO cladding layer 4: ZnO active layer 5: p-type MgZnO cladding layer 6: p-type ZnO contact layer 7: p-type ohmic electrode 8: pad electrode 9: n Ohmic electrode 10: light emitting diode element 101: ZnO substrate 102: n-type ZnO buffer layer 103: n-type MgZnO cladding layer 104: n-type ZnO light guide layer 105: quantum well active layer 106: p-type ZnO light guide layer 107: p-type MgZnO cladding layer 108: p-type ZnO contact layer 109: n-type MgZnO current blocking layer 110: n-type ohmic electrode 111: p-type ohmic electrode 100: semiconductor laser device
