(57)【要約】 【課題】  発光層部の構成する際に希少金属の使用量が少なく、かつ比較的低温で成長でき、しかも青色光領域さらには紫外線領域にて高輝度発光が可能な発光素子を提供する。【解決手段】  発光素子１は、ｐ型クラッド層２、活性層３３及びｎ型クラッド層３４がこの順序にて積層された発光層部を有し、かつｐ型クラッド層２がｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ただし、０＜ｘ≦１）層からなる。そして、その層形成をＭＯＶＰＥ法にて行なうことにより、成膜中の酸素欠損発生を効果的に抑制でき、良好な特性のｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層を得ることが可能となる。発光層部は、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層との間にタイプIIのバンドラインナップを形成するＩｎＧａＮ層、又は、タイプIのバンドラインナップを形成するＭｇｙＺｎ１−ｙＯ層（ただし、０＜ｙ＜１、ｘ＞ｙ）からなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層がこの順序にて積層された発光層部を有し、かつ前記ｐ型クラッド層がｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ただし、０＜ｘ≦１）層からなり、前記活性層が前記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層との間にタイプIIのバンドラインナップを形成するＩｎＧａＮ層からなることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層がこの順序にて積層された発光層部を有し、かつ前記ｐ型クラッド層がｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ただし、０＜ｘ≦１）層からなり、前記活性層は、前記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層との間にタイプIのバンドラインナップを形成するＭｇｙＺｎ１−ｙＯ層（ただし、０＜ｙ＜１、ｘ＞ｙ）からなることを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記ｎ型クラッド層はｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層（ただし、０≦ｚ＜１）であることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層がｐ型ドーパントとしてＮと、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎの一種又は２種以上とを含有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層の前記活性層に接しているのと反対側の表面が、導電性材料又は半導体材料からなる保護層により覆われていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層は、層厚方向に酸素イオン充填層と金属イオン充填層とが交互に積層された構造を有するとともに、前記保護層は前記酸素イオン充填層にて接触していることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項７】
前記保護層は透明導電材料層であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記透明導電材料層は発光通電用の電極に兼用されることを特徴とする請求項７記載の発光素子。
【請求項９】
前記保護層はｐ型化合物半導体層であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記ｐ型化合物半導体層は電流拡散層に兼用されることを特徴とする請求項９記載の発光素子。
【請求項１１】
前記保護層は金属層であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記金属層は、前記ｎ型クラッド層側から光取出しを行なう際の光反射層に兼用されている請求項１１記載の発光素子。
【請求項１３】
前記金属層は発光通電用の電極に兼用されることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記活性層を構成する半導体として、波長４００〜５７０ｎｍの可視光にて発光可能なバンドギャップエネルギーを有するものが選択されている請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１５】
前記活性層を構成する半導体として、波長２８０〜４００ｎｍの紫外線にて発光可能なバンドギャップエネルギーを有するものが選択されている請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１６】
請求項１ないし請求項１５のいずれかに記載の発光素子を製造するための方法であって、前記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層を有機金属気相成長法により形成することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記有機金属気相成長法を、１０ｔｏｒｒ以上の圧力を有した雰囲気中で行なうことを特徴とする請求項１６記載の発光素子の製造方法。
【請求項１８】
ｐ型ドーパントとして金属元素ドーパントが使用され、前記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層の気相成長を行なう際に、前記金属元素ドーパントを、アルキル基を少なくとも一つ含む有機金属の形で供給することを特徴とする請求項１６又は請求項１７記載の発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記金属元素ドーパントがＧａ、Ａｌ、Ｉｎ及びＬｉの１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１８記載の発光素子の製造方法。
【請求項２０】
ｐ型ドーパントとしてＧａ、Ａｌ、Ｉｎ及びＬｉの１種又は２種以上からなる金属元素ドーパントとともにＮが使用され、前記ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層の気相成長を行なう際に、Ｎ源となる気体を、金属元素ドーパント源となる有機金属とともに供給することを特徴とする請求項１９記載の発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記ｎ型クラッド層、前記活性層及びｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層を、基板上に順次積層形成することを特徴とする請求項１６ないし請求項２０のいずれかに記載の発光素子の製造方法。
【請求項２２】
請求項１５に記載の発光素子として構成された半導体紫外線発光素子と、その半導体紫外線発光素子からの紫外線照射を受けて可視光を発光する蛍光体とを有することを特徴とする可視光発光装置。
【請求項２３】
基体上に形成された蛍光体層に前記半導体紫外線発光素子からの紫外線が照射されることを特徴とする請求項２２記載の可視光発光装置。
【請求項２４】
前記半導体紫外線発光素子が複数個設けられ、各半導体紫外線発光素子からの紫外線により対応する蛍光体層を発光させることを特徴とする請求項２３に記載の可視光発光装置。
【請求項２５】
複数の前記半導体紫外線発光素子により、対応する蛍光体層を同時発光させる照明装置として構成されたことを特徴とする請求項２４記載の可視光発光装置。
【請求項２６】
前記複数の前記半導体紫外線発光素子に対応する蛍光体層が、横方向に連なって一体に形成されていることを特徴とする請求項２５記載の可視光発光装置。
【請求項２７】
紫外線発光状態が個別に制御可能とされた前記半導体紫外線発光素子と、対応する蛍光体層との組からなる表示単位が表示面に沿って複数配列され、各表示単位の蛍光体層を画素として、それら画素の発光状態の組合せに基づき画像表示を行なう表示装置として構成されたことを特徴とする請求項２４記載の可視光発光装置。
【請求項２８】
前記基体及び前記蛍光体層は平面的に形成されていることを特徴とする請求項２４ないし請求項２７のいずれかに記載の可視光発光装置。
【請求項２９】
前記基体は透明基盤として構成され、該透明基盤の片面に前記蛍光体層が形成される一方、これと反対側の面に前記半導体紫外線発光素子の光取出し面が対向するように配置され、前記透明基盤を介して前記蛍光体層に前記半導体紫外線発光素子からの紫外線が照射されるようになっていることを特徴とする請求項２２ないし請求項２８のいずれかに記載の可視光発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を用いた発光素子、特に青色光あるいは紫外線の発光に適した発光素子とその製造方法、ならびに紫外線発光素子を用いた可視光発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
青色光領域の短波長発光を行なう高輝度発光素子が永らく要望されていたが、最近になってＡｌＧａＩｎＮ系材料を用いることにより、このような発光素子が実現している。また、赤色ないし緑色の高輝度発光素子と組み合わせることにより、フルカラー発光装置や表示装置などへの応用を図ることも急速に進みつつある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＡｌＧａＩｎＮ系材料は比較的希少な金属であるＧａとＩｎとが主成分となるため、コストアップが避けがたい。また、成長温度が７００〜１０００℃と高く、製造時に相当のエネルギーが消費されるのも大きな問題の一つである。これはコスト低減の観点においてはもちろん、省エネルギーや地球温暖化抑制に関する議論が喧しい昨今では、時流に逆行するという意味においても望ましくない。
【０００４】
本発明の課題は、発光層部を構成する際に希少金属の使用量が少なく、かつ比較的低温で成長でき、しかも青色光領域さらには紫外線領域にて高輝度発光が可能な発光素子とその製造方法、ならびに半導体紫外線発光素子を用いた可視光発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の発光素子の第一は、ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層がこの順序にて積層された発光層部を有し、かつｐ型クラッド層がｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ただし、０＜ｘ≦１）層からなり、活性層がｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層との間にタイプIIのバンドラインナップを形成するＩｎＧａＮ層からなることを特徴とすることを特徴とする。また、本発明の発光素子の第二は、ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層がこの順序にて積層された発光層部を有し、かつｐ型クラッド層がｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ただし、０＜ｘ≦１）層からなり、活性層は、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層との間にタイプIのバンドラインナップを形成するＭｇｙＺｎ１−ｙＯ層（ただし、０＜ｙ＜１、ｘ＞ｙ）からなることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の発光素子の製造方法は、上記の本発明の発光素子を製造するために、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層を、有機金属気相成長法により形成することを特徴とする。
【０００７】
青色や紫外線領域の発光材料において、ＡｌＧａＩｎＮの代替材料候補としてはＺｎＯが考えられる。しかしながら、ＺｎＯ系酸化物半導体材料は酸素欠損を生じやすいため、本質的にｎ型導電性となりやすく、発光素子を構成する上で不可欠なｐ型導電性を示すものを製造することは困難とみなされていた。また、仮にｐ型ＺｎＯが得られたと仮定しても、ＺｎＯの価電子帯上端のエネルギーレベルが比較的高いため、活性層との間にｐ型キャリアに対する障壁を十分な高さにて形成できず、発光効率の低下につながる場合もある。
【０００８】
そこで、本発明においては、ＺｎＯのＺｎの一部をＭｇで置換した複合酸化物、すなわち、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦１：以下、該複合酸化物をＭｇＺｎＯと略記することがあるが、これは、Ｍｇ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１であることを意味するものではない）をｐ型クラッド層の構成材料として用いる。ＭｇＺｎＯにおいてはＭｇの含有により、酸化物のバンドギャップエネルギーＥｇが、価電子帯上端のエネルギーレベルＥｖを低下させる形で増大する。これにより、活性層との間のｐ型キャリアに対する障壁高さが高くなり、発光効率を高めることができる。
【０００９】
上記のような効果を確実に達成するためには、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層中の酸素欠損濃度を１０個／ｃｍ３以下に留めることが望ましい。そのためには、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層を形成するための気相成長法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapour Phase Epitaxy）法）を採用することが有効である。他の気相成長法である高周波スパッタリングや分子線エピタキシ（ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy））は、成長雰囲気の圧力が１０−４〜１０−２ｔｏｒｒと低いため、酸素欠損の発生を抑制することが非常に困難であり、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層の形成が事実上不可能である。しかしながら、ＭＯＶＰＥ法を用いた気相成長法は、成長中の酸素分圧を自由に変化させることができるため、雰囲気圧力をある程度上昇させることで酸素離脱ひいては酸素欠損の発生を効果的に抑制できる。その結果、従来不可能であったｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層、特に、酸素欠損濃度を１０個／ｃｍ３以下としたｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層を実現できるようになる。酸素欠損濃度は低ければ低いほどよい（つまり、０個／ｃｍ３となることを妨げない）。
【００１０】
なお、特開平１１−１６８２６２号公報には、上記ＡｌＧａＩｎＮ系材料からなる発光層部、あるいはＺｎ及びＭｇの酸化物あるいはその混晶から構成される発光層部を用いた二次元アレー面型発光装置が開示されている。該公報には、上記発光層部を可視光発光源として用いる態様のほか、発光層部を紫外線発光部として構成し、紫外線により各色の蛍光体層を励起発光させるフルカラーディスプレイも開示されている。しかしながら、特開平１１−１６８２６２号公報には、Ｚｎ及びＭｇの酸化物あるいはその混晶から構成される発光層部を、基板上へのエピタキシャル成長により形成すると記載されているのみで、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層を含む発光層部の構成、及びｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層の具体的な形成方法に関しては記載も示唆もなされていない。
【００１１】
ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層のＭＯＶＰＥ法による層形成は、１０ｔｏｒｒ以上の圧力を有した雰囲気中で行なうことにより、成膜中の酸素欠損発生をより効果的に抑制でき、良好な特性のｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層を得ることができる。この場合、より望ましくは、酸素分圧（Ｏ２以外の酸素含有分子も、含有される酸素をＯ２に換算して組み入れるものとする）が１０ｔｏｒｒ以上とするのがよい。
【００１２】
このようなｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層をｐ型クラッド層として用いることで、青色光領域あるいは紫外線領域にて高輝度発光が可能な発光素子を容易に形成できる。また、ｐ型クラッド層が、ＧａやＩｎのような希少金属を主成分としないため、発光層部全体における希少金属の使用量が少なくなり、ひいては発光素子を安価に製造できる。また、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層は比較的低温で気相成長できるので、省エネルギーを図る上でも有効である。
【００１３】
本発明の第一においては、活性層が、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層との間にタイプIIのバンドラインナップを形成する半導体、具体的にはＩｎＧａＮ層（以下、ＩｎＧａＮ活性層という）とされる。ここで、「活性層とｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層との間にタイプIIのバンドラインナップが形成される」とは、図８に示すように、ｐ型クラッド層（ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層）の伝導体底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルＥｃｐ，Ｅｖｐと、活性層の伝導体底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルＥｃｉ，Ｅｖｉとの間に次のような大小関係が成立している接合構造をいう。
Ｅｃｉ＞Ｅｃｐ  ‥‥(1)
Ｅｖｉ＞Ｅｖｐ  ‥‥(2)
【００１４】
該構造においては、活性層からｐ型クラッド層への電子（ｎ型キャリア）の順拡散に関しては特に障壁を生じないが、活性層からｐ型クラッド層への正孔（ｐ型キャリア）の逆拡散については比較的高いポテンシャル障壁が形成されるので、活性層におけるキャリア再結合が促進され、高い発光効率を実現することができる。
【００１５】
また、本発明の第二においては、活性層が、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層との間にタイプIのバンドラインナップを形成する半導体、具体的にはＭｇｙＺｎ１−ｙＯ層（ただし、０＜ｙ＜１、ｘ＞ｙ）として形成することができる。「活性層とｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層との間にタイプIのバンドラインナップが形成される」とは、図１７に示すように、ｐ型クラッド層（ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層）の伝導体底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルＥｃｐ，Ｅｖｐと、活性層の伝導体底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルＥｃｉ，Ｅｖｉとの間に次のような大小関係が成立している接合構造をいう：
Ｅｃｉ＜Ｅｃｐ  ‥‥(5)
Ｅｖｉ＞Ｅｖｐ  ‥‥(6)
【００１６】
該構造では、図８に示すタイプII型のバンドラインナップと異なり、活性層からｐ型クラッド層への電子（ｎ型キャリア）の順拡散に関してもポテンシャル障壁が生ずる。そして、活性層とｎ型クラッド層との間に図８と同様のタイプI型バンドラインナップが形成されるようｎ型クラッド層の材質選択を行なえば、活性層の位置には、伝導帯底及び価電子帯上端の両方に量子井戸が形成され、電子と正孔との双方に対して閉じ込め効果が高められる。その結果、キャリア再結合促進ひいては発光効率向上が一層顕著となる。
【００１７】
ＭｇｘＺｎ１−ｘＯがｐ型となるためには、適当なｐ型ドーパントを添加する必要がある。このようなｐ型ドーパントとしては、Ｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｌｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｓｅの一種又は２種以上を用いることができる。これらのうち、特にＮを使用することが、良好なｐ型特性を得る上で有効である。また、金属元素ドーパントとしてはＧａ、Ａｌ、Ｉｎ及びＬｉの１種又は２種以上、特にＧａを使用することが有効である。これらは、Ｎと共添加することにより、良好なｐ型特性をより確実に得ることができる。なお、ＧａやＩｎ等を使用する場合も、その使用量はごくわずかであるから、コストアップ等の問題は生じない。
【００１８】
なお、十分な発光特性を確保するには、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層中のｐ型キャリア濃度が１×１０１６個／ｃｍ３〜８×１０１８個／ｃｍ３となっているのがよい。ｐ型キャリア濃度が１×１０１６個／ｃｍ３未満になると十分な発光輝度を得ることが困難となる場合がある。他方、ｐ型キャリア濃度が８×１０１８個／ｃｍ３を超えると、活性層に注入されるｐ型キャリアの量が過剰となり、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層への逆拡散したり、あるいは障壁を乗り越えてｎ型クラッド層へ流入したりして発光に寄与しなくなるｐ型キャリアが増え、発光効率の低下につながる場合がある。
【００１９】
次に、本発明の可視光発光装置は、半導体紫外線発光素子として構成された上記本発明の発光素子、つまり、ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層がこの順序にて積層された発光層部を有し、かつ前記ｐ型クラッド層がｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ただし、０＜ｘ≦１）層からなる半導体紫外線発光素子と、その半導体紫外線発光素子からの紫外線照射を受けて可視光を発光する蛍光体とを有することを特徴とする。
【００２０】
可視光発光装置としては、従来、蛍光ランプが一般的に広く使用されている。しかし蛍光ランプには以下のような欠点がある。
・陰極放電を利用して紫外線を発生させるため、電極の蒸発消耗により比較的早期に寿命がつきやすい。
・高電圧を必要とする上、消費電力も大きい。
・安定器やスタータなどの余分な周辺回路が必要である。
・ランプ廃棄に伴い、紫外線放射源としてガラス管内に封入された水銀が放出されるため、環境保護上の観点においても今後は敬遠されてゆくことが予想される。
【００２１】
しかしながら、本発明の可視光発光装置によると、紫外線源として半導体発光素子を用いるので経時的な劣化が小さく長寿命であり、また、基本的に発光素子への通電回路さえあれば連続発光可能であるから回路構成も簡略化できる。さらに、高電圧を必要とせず、抵抗損失も小さいので消費電力が少なくて済む。また、水銀などの環境保護上望ましくない物質が使用されないので、エコロジカルにクリーンな発光装置が実現できる。そして、半導体紫外線発光素子として、本発明の発光素子を使用すれば安価であり、また、紫外線発光効率も高いので、より省エネルギーを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明に係る発光素子の要部の積層構造を模式的に示すものであり、ｎ型クラッド層３４、活性層３３及びｐ型クラッド層２がこの順序にて積層された発光層部を有している。そして、ｐ型クラッド層２がｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層（０＜ｘ≦１：以下、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２と略記する場合がある）として形成されている。該ｐ型ＭｇＺｎＯ層２には、ｐ型ドーパントとして、例えばＮ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｌｉの一種又は２種以上が微量含有されている。また、ｐ型キャリア濃度は前述の通り１×１０１６個／ｃｍ３〜８×１０１８個／ｃｍ３、例えば１０１７個／ｃｍ３〜１０１８／ｃｍ３程度の範囲で調整される。
【００２３】
図２は、ＭｇＺｎＯの結晶構造を示すもので、いわゆるウルツ鉱型構造を有する。該構造では、酸素イオン充填面と金属イオン（ＺｎイオンまたはＭｇイオン）充填面とがｃ軸方向に交互に積層される形となっており、図３に示すように、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２はｃ軸が層厚方向に沿うように形成される。酸素イオンが欠落して空孔を生ずると酸素欠損となり、ｎ型キャリアである電子を生ずる。従って、このような酸素欠損が多く形成されすぎると、ｎ型キャリアが増加してｐ型導電性を示さなくなる。そこで、ｐ型ＭｇＺｎＯ層を形成する際には、酸素欠損の発生を如何に抑制するかが重要となる。
【００２４】
既に説明した通り、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２はＭＯＶＰＥ法により形成される。ＭＯＶＰＥ法の成長原理自体は公知である。この気相成長の際に前述したｐ型ドーパントの添加を行なう。そして、該気相成長を、１０ｔｏｒｒ以上の雰囲気圧力下にて行なうことにより、図４に示すように、酸素イオンの離脱が抑制され、酸素欠損の少ない良好なｐ型ＭｇＺｎＯ層２が得られる。
【００２５】
なお、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２はエピタキシャル成長により図５（ａ）に示すように単結晶層として形成されていることが理想的であるが、ｃ軸が層厚方向に配向した構造が得られるのであれば、図５（ｂ）に示すような多結晶層となっていても比較的良好な発光効率が得られる。ＭｇＺｎＯの場合、例えば層成長を行なう基板厚さ方向に熱勾配を付与する等により、このような構造が比較的得やすいので好都合であるといえる。
【００２６】
図１に戻り、活性層３３は、要求される発光波長に応じて適宜のバンドギャップを有するものが使用される。例えば、可視光発光に使用するものは、波長４００〜５７０ｎｍにて発光可能なバンドギャップエネルギーＥｇ（３．１０〜２．１８ｅＶ程度）を有するものを選択する。これは、紫から緑色までをカバーする発光波長帯であるが、特に青色発光に使用する場合は、波長４５０〜５００ｎｍにて発光可能なバンドギャップエネルギーＥｇ（２．７６〜２．４８ｅＶ程度）を有するものを選択する。また、紫外線発光に使用するものは、波長２８０〜４００ｎｍのにて発光可能なバンドギャップエネルギーＥｇ（４．４３〜３．１０ｅＶ程度）を有するものを選択する。
【００２７】
活性層３３は、例えば、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２との間にタイプIIのバンドラインナップを形成する半導体により形成することができる。このような活性層としては、図６に示す発光素子１あるいは図７に示す発光素子１００のように、ＩｎＧａＮ層（以下、ＩｎＧａＮ活性層という）３とすることができる（本発明の第一に係る実施形態に該当する）。
【００２８】
前述のごとく、該構造においては、活性層からｐ型クラッド層への電子（ｎ型キャリア）の順拡散に関しては特に障壁を生じないが、活性層からｐ型クラッド層への正孔（ｐ型キャリア）の逆拡散については比較的高いポテンシャル障壁が形成されるので、活性層におけるキャリア再結合が促進され、高い発光効率を実現することができる。なお、ＩｎＮの混晶比をαとしてＩｎαＧａ１−αＮと表したとき、青色可視光発光を狙う場合は０．３４≦α≦０．４７とするのがよく、紫外線発光を狙う場合は０≦α≦０．１９とするのがよい。
【００２９】
この場合、ｎ型クラッド層としては、活性層との間でタイプIのバンドラインナップを形成する半導体を使用することが望ましい。このような活性層としては、例えば図６に示す発光素子１あるいは図７に示す発光素子１００のように、ｎ型ＡｌＧａＮ（ＡｌβＧａ１−βＮ）層４とすることができる。「ｎ型クラッド層と活性層との間にタイプIのバンドラインナップが形成される」とは、図８に示すように、活性層の伝導体底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルＥｃｉ，Ｅｖｉと、ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ層４）の伝導体底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルＥｃｎ，Ｅｖｎとの間に次のような大小関係が成立している接合構造をいう：
Ｅｃｉ＜Ｅｃｎ  ‥‥(3)
Ｅｖｉ＞Ｅｖｎ  ‥‥(4)
【００３０】
これにより、ｎ型クラッド層から活性層への電子の逆拡散に対して比較的高い障壁を生じるとともに、価電子帯上端には活性層の位置に量子井戸が形成されるので、正孔に対する閉じ込め効果が高められる。これは、いずれも活性層におけるキャリア再結合促進ひいては発光効率向上に寄与する。
【００３１】
図８の構造において、活性層からｐ型クラッド層への正孔逆拡散の抑制効果は、価電子帯上端におけるエネルギー障壁高さ（Ｅｖｉ−Ｅｖｐ）を大きくすることにより高められる。そのためには、ｐ型クラッド層を構成するｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２のＭｇＯ混晶比、すなわちｘの値）を増加させることが有効である。混晶比ｘは、必要とされる電流密度に応じて、キャリアのｐ型クラッド層への過剰な溢れ出しが生じないように定められる。例えば活性層をＩｎＧａＮ層３とする場合、混晶比ｘは、発光ダイオードでは０．０５〜０．２程度、半導体レーザー光源では０．１〜０．４程度とするのがよい。
【００３２】
一方、伝導帯底は活性層からｐ型クラッド層に向けて階段状に下がっているため、活性層中での発光再結合に寄与しなかった電子はキャリア濃度の高いｐ型クラッド層に流れ込むので、オージェ再結合等により発光にはもはや寄与しなくなる。従って、発光効率を高めるためには、ｐ型クラッド層に流入する前になるべく多くの電子が正孔と再結合することが必要である。そのためには、活性層の厚さｔを一定以上（例えば３０ｎｍ以上）に大きくすることが有効である。図８（ｂ）に示すように、活性層の厚さｔが小さすぎると、ｐ型クラッド層に流れ込んで発光に寄与しなくなる電子が増大し、発光効率の低下を招くことにつながる。他方、活性層の厚さｔを必要以上に大きくすることは、活性層内でのキャリア密度の低下を招くので、発光効率が却って低下することにつながるので、例えば２μｍ以下の値とする。
【００３３】
また、図８においては、ＩｎＧａＮ活性層を用いた場合のように、Ｅｃｐ＞Ｅｖｉとなっていること、つまりｐ型クラッド層と活性層との間で禁止帯がオーバーラップしていることが、接合界面での非発光再結合を抑制する上で有利である。
【００３４】
次に、図１に示すように、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２の活性層（ＩｎＧａＮ層）３に接しているのと反対側の表面は、導電性材料又は半導体材料からなる保護層３５により覆うことができる。ＭｇＺｎＯは水分との反応により水酸化物等に転じて性能劣化しやすい性質があるので、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２に対して上記のような保護層３５を設けることは、このような不具合を防止する上で極めて効果的である。
【００３５】
ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層は、図３に示すように、層厚方向にｃ軸が向いた構造、つまり、酸素イオン充填層と金属イオン充填層とが層厚方向に交互に積層された構造を有するものとなっている。この場合、電気的中性条件を考慮すれば、層の片側が金属イオン充填層の露出面（以下、金属イオン充填面という）となっている場合、他方の側は必ず酸素イオン充填層の露出面（以下、酸素イオン充填面という）となっている。そして、水分吸着による反応を生じやすいのは、この酸素イオン充填層の露出面側である。
【００３６】
例えば、図１に示すように、活性層３３との接触側が金属イオン充填面となっていれば、反対側が酸素イオン充填面となるため、これを前述の保護層３５にて覆うことが有効となる。この場合、保護層３５は酸素イオン充填面にてｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２と接触する形となる。他方、活性層３３との接触側を酸素イオン充填面とすれば、反対側は水分との反応に対して比較的不活性な金属イオン充填面となる。この場合は、保護層３５を省略することも可能であるが、保護層３５を設ければより耐候性に優れた素子構造を得ることができる。
【００３７】
図６の発光素子１においては、保護層は透明導電材料層１２とされている。透明導電材料層１２すなわち材質の透明な保護層を設けることは、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２側を光取出し面とする場合に、その光取出し効率の向上に寄与する。この場合、透明導電材料層１２を発光通電用の電極に兼用することが可能である。このようにすると、金属電極を設ける場合と異なり、電極自体が光を透過させることができるので、電極の周囲に光取出のための電極非形成領域を積極的に形成する必要がなくなり、光取出し効率を低下させることなく電極の大面積化を図ることができる。また、電流拡散層の形成等も不要となるので、素子の簡略化を図ることができる。
【００３８】
透明導電材料層１２の具体的な材質としては、Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ（スズドープ酸化インジウム：ＩＴＯと通称される）やＳｎＯ２：Ｓｂ（アンチモンドープ酸化スズ：ネサ（Nesa）と通称される）を好適に使用することができる。ＩＴＯは導電性に優れ、素子駆動電圧の低減にも寄与できる。他方、ネサは、導電性はＩＴＯよりもやや劣るがより安価な利点がある。また、耐熱性が高いので、透明導電材料層１２を形成した後に、高温の処理工程が必要となる場合などにおいても有効である。ＩＴＯ膜はスパッタリングあるいは真空蒸着により製造でき、また、ネサ膜はＣＶＤ法により製造できる。また、これら透明導電材料層１２をゾルゲル法により形成してもよい。
【００３９】
図６の発光素子１は、より具体的には以下のような構造を有している。すなわち、サファイア（単結晶アルミナ）基板１０上にＧａＮからなるバッファ層１１が形成され、その上にｎ型クラッド層としてのｎ型ＡｌＧａＮ層４、活性層としてのＩｎＧａＮ層（以下、ＩｎＧａＮ活性層という）３、及びｐ型クラッド層としてのｐ型ＭｇＺｎＯ層２がこの順序にてエピタキシャル成長されることによりダブルへテロ構造をなす発光層部が形成されている。また、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２の表面が例えばＩＴＯからなる透明導電材料層１２にて覆われる一方、ｎ型ＡｌＧａＮ層４とＩｎＧａＮ活性層３とは一部が除去され、露出したｎ型ＡｌＧａＮ層４の表面に金属電極１３が形成されている。そして、透明導電材料層１２側を正として金属電極１３との間で通電することにより、発光層部からの光（青色光又は紫外線）が透明導電材料層１２側から、あるいはサファイア基板１０側から取り出される。なお、金属電極１３（あるいは後述の金属反射層２２あるいは金属電極２１）は、Ａｕ、Ｎｉ、ＴｉあるいはＢｅの１種又は２種以上を含有する金属、例えばＡｕ−Ｂｅ合金等にて構成できる。
【００４０】
次に、図７の発光素子１００においては、保護層がｐ型化合物半導体層２０とされている。ｐ型化合物半導体層２０は電流拡散層に兼用することができる。この場合、該ｐ型化合物半導体層２０よりも小面積の金属電極２１を形成することにより、その周囲からの光取出しを可能としつつ該電極２１からの電流をｐ型ＭｇＺｎＯ層２の全面に拡散させることで光取出し効率を改善することが可能となる。この場合、ｐ型化合物半導体層２０は、光取出しを行なう上で十分な透光性を有していることが必要である。本実施形態では、ｐ型化合物半導体層２０はｐ型ＡｌＧａＮ層であり、その上に金属電極２１が形成されている。他の部分は図６の発光素子１と同じであるので、共通する要素に同一の符号を付与して詳細な説明は省略する。なお、ｐ型化合物半導体層２０が十分な導電性を有している場合、金属電極２１を省略することも可能である。
【００４１】
図７の発光素子１について、その製造方法の一例を図９により説明する。
まず、図９（ａ）に示すように、サファイア基板１０の一方の主表面にＧａＮバッファ層１１を形成し、次いでｎ型ＡｌＧａＮ層（ｎ型クラッド）層４を例えば層厚５０ｎｍにて、さらにＩｎＧａＮ（ノンドープ）活性層３を層厚例えば３０ｎｍにてエピタキシャル成長させる。これらの層の形成は公知のＭＯＶＰＥ法あるいはＭＢＥ法にて行なうことができる。なお、本明細書においてＭＢＥは、金属元素成分源と非金属元素成分源との両方を固体とする狭義のＭＢＥに加え、金属元素成分源を有機金属とし非金属元素成分源を固体とするＭＯＭＢＥ（Metal Organic Molecular Beam Epitaxy）、金属元素成分源を固体とし非金属元素成分源を気体とするガスソースＭＢＥ、金属元素成分源を有機金属とし非金属元素成分源を気体とする化学ビームエピタキシ（ＣＢＥ（Chemical Beam pitaxy））を概念として含む。
【００４２】
次に、図９（ｂ）に示すように、ｐ型ＭｇＺｎＯ層（ｐ型クラッド層）２を例えば層厚１００ｎｍにてエピタキシャル成長させる。ｐ型ドーパントとして金属元素ドーパントを使用する場合、金属元素ドーパントを、アルキル基を少なくとも一つ含む有機金属の形で供給することができる。
【００４３】
ｐ型ＭｇＺｎＯ層２をＭＯＶＰＥ法にて形成する場合、主原料としては次のようなものを用いることができる：
・酸素源：ＮＯ２など；
・Ｚｎ源：ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）など；
・Ｍｇ源：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）など。
【００４４】
また、ｐ型ドーパント源としては次のようなものを用いることができる；
・Ｌｉ源：ノルマルブチルリチウムなど；
・Ｓｉ源：モノシランなどのシリコン水素化物など；
・Ｃ源：炭化水素（例えばＣを１つ以上含むアルキルなど）；
・Ｓｅ源：セレン化水素など。
【００４５】
また、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの１種又は２種以上は、Ｎとの共添加により良好なｐ型ドーパントとして機能させることができる。原料としては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
ｐ型ドーパントとして金属元素（Ｇａ）とともにＮが使用される場合、ｐ型ＭｇＺｎＯ層の気相成長を行なう際に、Ｎ源となる気体を、Ｇａ源となる有機金属とともに供給するようにする。例えば、本実施形態では、酸素源として使用するＮＯ２がＮ源としても機能する形となる。
【００４６】
ＭＯＶＰＥ法によるｐ型ＭｇＺｎＯ層２の気相成長は、基板の配置された成長炉内を例えば３００〜７００℃に昇温し、ここに上記の原料を気体状態にてキャリアガスとともに送り込むことにより実施できる。キャリアガスとしては、例えば窒素ガスあるいはアルゴンガスを使用することができる。
【００４７】
図３２に示す例では、成長容器１１５の内部空間１１５ａに配置された基板１１０の主表面１１１上に、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２がＭＯＶＰＥ法により形成される。基板１１０は図９（ａ）に示す状態のものであり、主表面１１１は図９（ａ）の活性層３の表面である。この場合、内部空間１１５ａに対し、酸素源ガス噴出口１１６ａより酸素源ガスＯＱを供給し、また、主表面１１１までの距離が酸素源ガス噴出口１１６ａより近くなるように形成された有機金属噴出口１１７ａよりＭｇ及び／又はＺｎ源となる有機金属ＭＯを供給することが、酸素欠損の少ない（具体的には１０個／ｃｍ３以下の）ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２を得る上で有効である。このとき、成長容器１１５に供給する酸素源（VI族）ガスＯＱのモル濃度を有機金属（II族）ＭＯのモル濃度の２０００〜３０００倍程度に高くする（すなわち、供給II／VI比を２０００〜３０００にする）とさらに効果的である。
【００４８】
図３２の実施形態では、サセプタ１１９に内蔵されたヒータ１１８により基板１１０が加熱されるようになっている。また、成長容器１１５に接続された酸素源ガス供給配管１１６の開口部が酸素源ガス噴出口１１６ａを形成している。さらに、成長容器１１５内に進入する有機金属供給配管１１７の先端部が、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２を形成すべき主表面１１１の上方近傍に位置し、該先端部に有機金属噴出口１１７ａが形成されて、有機金属ガスを主表面１１１に向けて吹き付けるようになっている。
【００４９】
また、反応容器内の圧力を１０ｔｏｒｒ以上に保持して気相成長を行なうようにすることが有効である。これにより酸素の離脱が抑制され、酸素欠損の少ない良好なｐ型特性を有したＭｇＺｎＯ層を合成することができる。特に酸素源としてＮＯ２を使用する場合、上記の圧力設定によりＮＯ２の解離が急激に進行することが防止され、酸素欠損の発生をより効果的に抑制することが可能となる。
【００５０】
雰囲気圧力は高ければ高いほど酸素離脱抑制効果は高められるが、７６０ｔｏｒｒ（１気圧）程度までの圧力でも効果は十分顕著である。例えば、７６０ｔｏｒｒ以下であれば、反応容器内が常圧又は減圧となるので容器シール構造が比較的簡略なもので済む利点がある。他方、７６０ｔｏｒｒを超える圧力を採用する場合は、容器内が加圧となるので内部の気体が漏れ出さないようにやや強固なシール構造を、また、圧力が相当高い場合には耐圧構造等を考慮する必要があるが、酸素離脱抑制効果は一層顕著となる。この場合、圧力の上限は、装置コストと達成できる酸素離脱抑制効果との兼ね合いにより適当な値に定めるべきである（例えば、７６００ｔｏｒｒ（１０気圧）程度）。
【００５１】
こうしてｐ型ＭｇＺｎＯ層２を形成すれば基板を反応容器から取り出し、図９（ｃ）に示すように、透明導電材料層１２を形成する。ＩＴＯ膜を使用する場合は、高周波スパッタリングあるいは真空蒸着等により形成することが可能である。そして、図９（ｄ）に示すように、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２及びＩｎＧａＮ活性層３の一部をガスエッチング等により除去してｎ型ＡｌＧａＮ層４を露出させ、ここに真空蒸着等にて金属電極１３を形成することにより、図６に示す発光素子１が完成する。なお、適当な大きさの素子とするために、工程（ｃ）の後、基板をダイシングし、その後ダイシングされた個々の基板に対し（ｄ）の工程が実施される。また、最終製品となるまでには、通電用リード線のボンディングや樹脂モールド等の工程が続くが、常識的な事項なので詳細な説明は省略する（以下の他の実施形態においても同じ）。また、図７に示す発光素子１００の場合は、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２の後、さらにｐ型ＡｌＧａＮ層をＭＯＶＰＥ法等により気相成長し、その上に金属電極２１を形成する点を除いては、図９と同様の工程により製造できる。
【００５２】
次に、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２の保護層は、図１１に示す発光素子１０１のように、金属層２２とすることも可能である。この場合、金属層２２は、ｎ型クラッド層４側から光取出しを行なう際の光反射層（以下、金属反射層２２という）に兼用することができる。このようにすれば、発光層部からｐ型クラッド層２側に向かう光をｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ層）４側に反射させることで、光取出し効率を一層向上させることができる。この場合、例えばｎ型クラッド層４側に電極を取り付けることで、金属反射層（金属層）２２は発光通電用の電極に兼用することが当然可能となる。図１１に示す発光素子では、ｎ型クラッド層４と直接接する形でその表面を部分的に覆う金属電極２３が形成されている。光はこの金属電極２３の周囲から取り出される形となる。また、図６あるいは図７の発光素子１，１００と異なり、サファイア基板１０は除去されている。
【００５３】
図１０は、上記発光素子１０１の製造工程の一例を示すものである。サファイア基板上１０上にバッファ層１１と、発光層部となる各層４，３，２とを形成する（ａ）及び（ｂ）の工程は、図９と同じである。そして図１０（ｃ）では、ＩＴＯ膜を形成する代わりにＡｕ層などの金属反射層２２を真空蒸着等により形成する。また、図１０（ｄ）ではサファイア基板１０の除去を行なう。例えばＧａＮバッファ層１１が用いられている場合、サファイア基板１０の裏面側からエキシマレーザーを照射することによりＧａＮバッファ層１１が溶解し、サファイア基板１０を簡単に剥離除去することができる。なお、工程（ｃ）と工程（ｄ）とは入れ替えてもよい。そして、図１１に示すように、サファイア基板１０の除去されたｎ型クラッド層４の裏面側に金属電極２３を真空蒸着等により形成し、さらにダイシングすることにより発光素子１０１が得られる。なお、バッファ層又はバッファ層とは別に設けられた剥離層を化学エッチング等により溶解してサファイア基板１０の除去を行なうようにしてもよい。
【００５４】
なお、図１２に示す発光素子９９ように、金属電極２３とｎ型ＡｌＧａＮ層との間に電流拡散層２４（例えばｎ型ＡｌＧａＮ層）を挿入してもよい。また、図１３に示す発光素子９８のように、金属電極２３に代えてＩＴＯ膜のような透明導電材料層２５を形成してもよい。
【００５５】
次に、活性層は、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層との間にタイプIのバンドラインナップを形成する半導体により形成することもできる。このような活性層は、具体的には、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ層（ただし、０＜ｙ＜１、ｘ＞ｙ）として形成することができる（本発明の第二にかかる実施形態に該当する）。
【００５６】
前述のごとく、該構造では、図８に示すタイプII型のバンドラインナップと異なり、活性層からｐ型クラッド層への電子（ｎ型キャリア）の順拡散に関してもポテンシャル障壁が生ずる。そして、活性層とｎ型クラッド層との間に図８と同様のタイプI型バンドラインナップが形成されるようｎ型クラッド層の材質選択を行なえば、活性層の位置には、伝導帯底及び価電子帯上端の両方に量子井戸が形成され、電子と正孔との双方に対して閉じ込め効果が高められる。その結果、キャリア再結合促進ひいては発光効率向上が一層顕著となる。ｎ型クラッド層の材質は、図６に示すようなＡｌＧａＮなどでもよいが、ｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層（ただし、０≦ｚ＜１）を使用すれば、発光層部をなす全ての層がＭｇＺｎＯ系の酸化物材料にて構成できるため（以下、このような発光層部を「全酸化物型発光層部」という）、前記したＧａやＩｎなどの希少金属を使用する必要がなくなり（ドーパントを除く）、大幅なコスト削減が可能となる。ここで、ｘ＝ｙとすれば、量子井戸の両側のポテンシャル障壁高さは等しくなる。
【００５７】
なお、活性層の厚さｔは、活性層内でのキャリア密度の低下を招かず、かつトンネル効果にて活性層を通過するキャリアが増加し過ぎないように、例えば３０〜１０００ｎｍの値とする。
【００５８】
ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ層からなる活性層（以下、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層という：ただしｙ＝０の場合を含む）において、ｙの値は、バンドギャップエネルギーＥｇを決める因子ともなる。例えば、波長２８０〜４００ｎｍの紫外線発光を行なわせる場合は０≦ｙ≦０．５の範囲にて選択する。また、形成される井戸障壁の高さは、発光ダイオードでは０．１〜０．３ｅＶ程度、半導体レーザー光源では０．２５〜０．５ｅＶ程度とするのがよい。この値は、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層及びｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯの組成、すなわちｘ、ｙ、ｚの数値の選択により決定できる。そして、量子井戸構造の形成を前提として考えれば、活性層はＭｇの含有は必須とはならないが（つまりＺｎＯを使用できる）、ｐ型及びｎ型クラッド層はＭｇの含有が必須となる。
【００５９】
図１４は上記の発光素子の具体例の一つを示すものである。該発光素子１０２においては、ｎ型クラッド層としてのｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層５４、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層５３、及びｐ型クラッド層としてのｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層５２がこの順序にてエピタキシャル成長されることによりダブルへテロ構造をなす発光層部が形成されている。他の構造は図６の発光素子１と同じであるため、共通する部分に同一の符号を付与して詳細な説明は省略する。また、図１５の発光素子１０３は、図１２の発光素子９９において発光層部を上記のダブルへテロ構造と置き換えたものに相当する。さらに、図１６の発光素子１０４は図１３の発光素子９８の発光層部を上記のダブルへテロ構造にて置き換えたものに相当する。
【００６０】
なお、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層５３とｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層５４とを、ｎ型キャリア濃度が異なるのみで同一組成（すなわちｙ＝ｚ）とし、図１７において両層間の接合をホモ接合とした発光素子の構造も可能である。この場合、ポテンシャル障壁が、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層５２とＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層５３（ｚ＞ｙ）との間にのみ生ずるシングルへテロ構造となる。
【００６１】
以下、図１８により、上記全酸化物型発光層部を有した発光素子の製造工程の一例を、図１６の発光素子１０４の場合を例にとって説明する。まず、図１８（ａ）に示すように、サファイア基板１０上にＧａＮバッファ層１１をエピタキシャル成長し、次いでｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層５４（層厚例えば５０ｎｍ）、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層５３（層厚例えば３０ｎｍ）及びｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層５２（層厚例えば５０ｎｍ）をこの順序にて形成する（形成順序を逆転させてもよい）。これら各層のエピタキシャル成長は、図６あるいは図７の発光素子１，１００と同様、ＭＯＶＰＥ法にて形成できる。ＭＯＶＰＥ法を用いる場合は原料も同様であるが、ｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層５４、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層５３及びｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層５２を全て同じ原料を用いて同一の反応容器内にて連続的に形成できる利点がある。他方、本構成では、ＧａＮバッファ層１１との反応性を低減し、格子整合性を高めるために、多少低めの温度、例えば３００〜４００度℃にて成長を行なうことが望ましい。
【００６２】
この場合、混晶比ｘ、ｙ、ｚの違いにより、層毎にＭｇ源及びＺｎ源となる有機金属の流量比をマスフローコントローラ等により制御する。また、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層５３及びｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層５２を形成する際は、酸素欠損発生を抑制するために、図３２を用いてすでに説明したものと同様の方法を採用することが望ましい。他方、ｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層５４の形成に際しては酸素欠損を積極的に生じさせてｎ型とする方法を採用できる。ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層５３及びｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層５２を形成する場合よりも雰囲気圧力を下げる（例えば１０ｔｏｒｒ未満とする）ことが有効である。また、ｎ型ドーパントを別途導入する形で層形成を行なってもよい。あるいは、供給原料のII族とVI族との比（供給II／VI比）を大きくしても良い。
【００６３】
例えば、一例として、次のような工程が可能である。まず、ＮＯ２、ＤＥＺｎ及びＣｐ２Ｍｇを用いたＭＯＶＰＥ法により、厚さ５０ｎｍのｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層５４を、雰囲気圧力５ｔｏｒｒで温度約３００℃にて形成する。次に、雰囲気圧力を７６０〜７６００ｔｏｒｒとして温度約３００℃にてＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層５３を形成する。最後に、例えばノルマルブチルリチウムをドーパントガスとして導入することにより、温度３００〜４００℃にて厚さ５０ｎｍのｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層５２を形成する。
【００６４】
このようにして発光層部の形成が終了すれば、図１８（ｂ）に示すようにｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層５２上に保護層としての金属反射層２２を形成し、図１８（ｃ）に示すようにサファイア基板１０を剥離した後、ｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層５４側に保護層としての透明導電材料層２５（例えばＩＴＯ膜）を形成する。これらの工程は、既に説明したものと同様である。その後、図１８（ｄ）に示すように、ダイシングすれば発光素子１０４が得られる。この例からもわかるように、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の両方がＭｇＺｎＯにて構成されるため、両層とも活性層に接しない側を保護層で覆うことが望ましいといえる。なお、図１４に示す発光素子１０２のように、サファイア基板などの成長基板を剥離せず、そのまま素子の一部として流用する場合は、該成長基板が保護層の役割を兼ねるものとなる。
【００６５】
以上説明した方法では、各層５２〜５４をＭｇＺｎＯ単結晶層としてＭＯＶＰＥ法によりヘテロエピタキシャル成長させる形にしていたが、ＭｇＺｎＯ層のみからなる発光層部は、図５（ｂ）に示すような、層厚方向にｃ軸配向した多結晶体層であっても良好な発光特性を示すことができるので、多結晶基板や、図２７に示す発光素子１０５のように、ガラス基板９上に各層５２〜５４を成長させることもできる（この実施形態では、ガラス基板９の上に薄いｎ型ＺｎＯバッファ層８形成してから、発光層部をなす各層５２〜５４を成長させている）。例えば、図２８（ａ）に示すように、ガラス基板上９上に、例えばレーザービームスパッタリングなどの低温型気相成長方法を用いることにより、ｎ型ＺｎＯバッファ層８、発光層部をなす各層５２〜５４を形成し、さらに金属反射層２２を形成した後、素子分離のためダイシングする。そして、図２８（ｂ）に示すように、ｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層５４の一部を露出させて金属電極１３を形成すれば、発光素子１０５が得られる。該発光素子１０５は、発光層部からの光を、金属反射層２２からの反射光も含めてガラス基板９を介して取り出すことができる。なお、各層５２〜５４を、ｃ軸配向層として形成する方法としては、他に、ゾルゲル法を用いた方法も可能である。
【００６６】
なお、以上説明した実施形態では、発光層部をなすｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層、活性層及びｎ型クラッド層を、基板上に順次積層形成する形で製造していたが、いわゆる貼り合せ技術を用いて同様の積層構造を得るようにすることも可能である。例えば、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層、活性層及びｎ型クラッド層の積層構造を、活性層の片側にて２つに分割したものに相当する第一部分と第二部分とをそれぞれ基板上に個別に形成し、それら第一部分と第二部分とを互いに張り合わせる。図１９に、その具体的な例を示している。図１９（ａ）に示すように、第一部分ＰＰはｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２を含む。本実施形態では、サファイア基板１０上にＧａＮバッファ層１１を介してｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２をエピタキシャル成長させている。他方、第二部分ＳＰは活性層５３とｎ型クラッド層５４との積層体を含む。サファイア基板１０上にＧａＮバッファ層１１を介してｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層５４とＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層５３とをエピタキシャル成長させている。これら第一部分ＰＰと第二部分ＳＰとを、図１９（ｂ）に示すように、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層５３とｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２との間で重ね合わせ、適当な温度（例えば３００〜５００℃程度）で熱処理することにより、貼り合わせを行なう。
【００６７】
以下、本発明の発光素子の応用例について説明する。
すでに説明したように、本発明の発光素子は活性層のバンドギャップの選択により、図２０（ａ）に示すように可視光発光素子２００とすることもできるし、同図（ｂ）に示すように、紫外線発光素子２０１とすることもできる。図２０には、活性層２０３，２０３’にて発生した光を、ｎ型クラッド層２０４側に形成された金属反射層２２にて反射させつつ、ｐ型クラッド層２０２側に形成された透明導電材料層２５側から取り出すようにしているが、電極等の形成形態や光の取出し形態はもちろんこれに限定されるものではなく、図６、図７、図１１、図１２、図２７等、種々の形態が可能であることはいうまでもない。
【００６８】
可視光発光素子２００として使用する場合は、一般表示用に使用できることはもちろんである。特に、高輝度の青色発光が実現することで、高性能で低消費電力かつコンパクトなフルカラー表示器あるいはフルカラーＬＥＤディスプレイを実現することができる。また、紫外線発光素子２０１として使用する場合も含め、光ファイバ通信用発光源やフォトカプラ用点光源などとして使用することが可能である。前者においては、高輝度の短波長発光が可能となることで情報伝送密度を飛躍的に向上させることができる利点がある。また、本発明の発光素子はレーザー光源として使用することも可能であるが、小型・軽量の短波長レーザー出射ユニットを構成することが可能となり、例えば、光記録用のレーザー光源として用いることで、記録密度を飛躍的に高めることができるようになる。
【００６９】
また、半導体を用いた紫外線発光素子が実現することで、電極放電を利用した従来の紫外線光源よりも圧倒的な軽量・小型化、省エネルギー化及び長寿命化を図ることが可能となる。
【００７０】
また、図２１に示すように、ｐ型クラッド層２０２、活性層２０３’及びｎ型クラッド層２０４がこの順序にて積層された構造の発光層部２０１ｍを有する半導体紫外線発光素子を蛍光体２１０と組み合わせることで、新しいタイプの可視光発光装置を実現することができる。具体的には、半導体紫外線発光素子からの紫外線照射を受けて、光励起された蛍光体２１０が可視光を放射する。これは、原理としては、蛍光ランプやＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等と基本的には同じであるが、紫外線光源として半導体発光素子を使用する点に決定的な違いがある。これによりもたらされる効果については、すでに「課題を解決するための手段及び作用・効果」の欄にて述べた。以下、その具体的な実施形態についてさらに詳しく説明する。
【００７１】
まず、図２２に示すように、半導体紫外線発光素子（以下、単に発光素子ともいう）２０１からの紫外線は、基体２０９上に形成された蛍光体層２１０に照射されるように構成することができる。このような基体２０９を用いることで、装置の発光部分の形状を基体２０９の形状に応じて自由に選択することができ、種々の目的に応じて装置外観形態を柔軟に設計できる利点がある。例えば、図２２の発光装置２５０では、基体２０９及び蛍光体層２１０がいずれも平面的に形成されている。これは、省スペース化に大きく寄与する。例えば、基体２０９を薄板状に形成し、これに蛍光体層２１０を形成する形とすれば、発光層部が本来非常に薄くできるため、図２４に示すように極薄型（例えば厚さｔｄが１０ｍｍ以下あるいは５ｍｍ以下のようなもの；場合によっては１ｍｍ程度まで薄型化することも可能である）で光輝度の発光装置２５１を実現することが可能である。また、用途に応じて、図２５に示すように、曲面状の基体２１０を用いることもできる。
【００７２】
図２２、図２４及び図２５に示す発光装置２５０、２５１及び２５２は、個々の構成要素は形状の違いを除いて共通しているので、以下、より詳しい構造に付き、図２２の発光装置２５０で代表させて説明する。まず、発光素子２０１は複数個設けられ、各発光素子２０１からの紫外線により、対応する蛍光体層２１０を発光させるようにしている。このようにすることで、装置の発光面積を容易に大型化できる利点がある。本発光装置２５０は、複数の発光素子２１０により、対応する蛍光体層を同時発光させる照明装置として構成されており、大面積で薄型かつ長寿命の照明装置が実現されている。
【００７３】
なお、蛍光体層２１０は、複数の発光素子２１０に対応する部分２１０ａが、横方向に連なって一体に形成されているが、このようにすれば蛍光体層部分２１０ａを単一の蛍光体層２１０として一括形成できるので製造が容易である。この場合、蛍光体層部分２１０ａを発光素子２１０により覆われる部分と考えたとき、発光素子２１０と蛍光体層部分２１０ａとの距離関係により、発光素子２０１からの紫外線が外方に広がって蛍光体層部分２１０ａの外側に漏れ出し、結果的に蛍光体層部分２１０ａよりも広い領域で発光を生じさせることも可能である。従って、蛍光体層２１０と発光素子２０１との距離を適当に調整することによって、隣接する発光素子２０１，２０１間に多少の隙間ができていても、個々の発光素子２０１，２０１からの紫外線による蛍光体層２１０の可視光発光領域が互いに接続され、蛍光体層２１０の全面に渡ってムラの少ない均一な発光を生じさせることができるようになる。
【００７４】
発光装置２５０においては、基体は透明基盤２０９として構成され、該透明基盤２０９の片面に蛍光体層２１０が形成されている。これと反対側の面に発光素子２０１の光取出し面が対向するように配置され（ここでは密着して配置されている）、透明基盤２０９を介して蛍光体層２１０に発光素子２０１（半導体紫外線発光素子）からの紫外線が照射されるようになっている。この構成によると、透明基盤２０９の両面を利用して発光素子２０１（半導体紫外線発光素子）と蛍光体層２１０とを振り分けて配置することができ、装置のコンパクト化と構成の簡略化とを図る上で一層効果的である。
【００７５】
なお、透明基盤２０９はガラス板や透明プラスチック（例えばアクリル樹脂など）を使用できる。発光素子２０１は透明基盤２０９に対し、光取出し面側を例えば接着剤等により貼り付けて配置することができるが、例えばガラス板を用いる場合は、発光素子２０１の発光層部を該ガラス板上に成長させることも可能である。なお、個々の発光素子２０１，２０１による蛍光体層２１０の可視光発光領域を互いに接続したい場合は、このような接続が生ずる程度に紫外線が広がるよう、透明基盤２０９の厚さを調整しておけばよい。逆に、発光素子２０１を蛍光体層２１０に近づけるほど紫外線の広がりが少なくなり、後述する表示装置等への用途においては、画素の鮮明化等において有利となる。
【００７６】
図２２の発光装置２５０においては、蛍光体層２１０の表面が透明プラスチック等で構成された透明保護層２１１により覆われている。また、透明基盤２０９の発光素子２０１の配置側をケース２１２で覆っている。なお、ムラの少ない均一な発光を生じさせるための別の方法としては、図２３に示すように、光分散板２１２を介して光を取り出すようにする構成も可能である。本実施形態では、蛍光体層２１０と光分散板２１２との間に透明保護層２１１を設けている。
【００７７】
なお、発光体の材質としては、紫外線励起発光が可能なものであればどのようなものを用いてもよい。例えば、白色光を発光させたい場合は、蛍光ランプ等にて使用されている公知の蛍光体材料、例えばハロリン酸カルシウム（３Ｃａ３（ＰＯ４）２・ＣａＦＣｌ／Ｓｂ，Ｍｎ）を使用でき、例えばＦとＣｌ，ＳｂとＭｎのそれぞれの量を調整することにより、種々の色温度の白色光を得ることができる。なお、赤・緑・青（ＲＧＢ）の３波長領域での幅の狭い発光を組み合わせれば、より演色性の優れた照明を実現できる。この場合、各色の蛍光体を混ぜて使うことになるが、代表的なものとして、例えばＹ２Ｏ３：Ｅｕ３＋（Ｒ：中心波長６１１ｎｍ）、ＣｅＭｇＡｌ１１Ｏ１９：Ｔｂ３＋（Ｇ：中心波長５４３ｎｍ）、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ２＋（Ｂ：中心波長４５２ｎｍ）の組合せがある。
【００７８】
次に、図２６に示すように、蛍光体層は各発光素子２０１に対応するもの（２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂ）を個別に分離して設けてもよい。この構成は、照明装置においても採用可能であるが、表示装置としての応用を図る上でより重要である。この場合、発光素子２０１は紫外線発光状態を個別に制御可能としておき、各発光素子２０１に対応する蛍光体層との組（２０１／２１０Ｒ，２０１／２１０Ｇ，２０１／２１０Ｂ）を表示単位として、表示面ＤＰ（透明基盤２０９の板面にて形成されている）に沿ってこれを複数配列しておく。図２６（ｂ）は、カラー表示の場合を示しており、ＲＧＢの蛍光体層２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂが、同一色のものが隣接しないように配置されている。そして、各表示単位の蛍光体層２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂを画素として、それらの発光状態の組合せに基づき画像表示を行なうことができる。
【００７９】
この方式の表示装置には、種々の大きな利点がある。
・ＣＲＴやプラズマディスプレーなどと異なり、紫外線源としてフィラメントや電極あるいは電子銃を使用しないため長寿命であり、また駆動電圧が低いため消費電力が小さい。
・液晶ディスプレイと同程度の薄型化が図れ、かつ発光型であるためバックライト等が不要である。さらに、視認方向性の問題もほとんど生じない。
・全酸化物型発光層部（図１６等）を用いる構成では、ＭｇＺｎＯを希酸やアルカリを用いて簡単に溶解できるので、化学エッチングにより画素に対応した発光層部のパターニングが簡単に行なえる。従って、微細な画素を有した高解像度のディスプレイを容易に実現できる。なお、蛍光体を用いず、図２０（ａ）に示す可視光発光素子２００を直接画素として用いるＬＥＤディスプレイを構成することも可能であるが、全酸化物型発光層部の使用により、従来のものよりもはるかに小型で高解像度のＬＥＤディスプレイを実現できる。
【００８０】
以上説明した照明装置及び表示装置は、使用する発光素子２０１への通電配線も含めて、種々の構成形態が可能であるが、以下、いくつかの例を示す。図２９は薄型の照明装置２６０を構成したもので、アクリル板等の透明板７４の裏面側に蛍光体層１０を形成し、その上に、図２７に示す発光素子１０５（ガラス基板９を用いたもの：製造方法は図２８を用いてすでに説明した）を、複数個接着剤を用いて貼り付けてある（発光層部の厚さを誇張して描いてあり、実際にはもっと薄い）。そして、各素子１０５の電極１３及び２２に対し、通電配線７１，７２と電極端子１３ａ，２２ａを形成した配線板を重ね合わせて全体をケース７３によりモールドしている（本実施形態では、配線板がモールド用のケース７３の一部に兼用されている）。そして、ケース７３には、通電配線７１，７２の末端を取り出す形でコネクタ７５が形成されている。ここに電源７６を接続することで、各素子１０５が通電される。
【００８１】
なお、電源７６としては直流電源を用いることができるが、交流を整流したのみの脈流にて駆動することも可能であり、さらに、半波波形となることが問題にならなければ、交流電源にて直接駆動することも可能である。
【００８２】
また、従来の蛍光ランプの場合、調光機能を付加するには、電極保温と交流位相制御とを同時に行なう必要があったため回路構成の複雑化が避けがたく、高級な照明設備以外には搭載しにくい事情があった（なお、直列インピーダンス切り換えにより調光を行なうものもあるが、非常に不経済である）。しかしながら、本発明の照明装置２６０によれば、発光素子１０５への供給電圧を変化させる方式、あるいはデューティ比制御により平均電流を変化させる方式等により、複雑な回路構成を用いなくとも簡単に調光を行なうことができる利点がある。
【００８３】
次に、図３０は、ガラス基板２０９上に発光素子１０６の発光層部５３，５４，５２を成長させたタイプの照明装置２６１を示すものである。ガラス基板２０９の片面に蛍光体層２１０及び透明保護膜２１１を形成し、反対側には、各発光素子１０６の形成領域に対応する形で、ＩＴＯ等の透明導電材料からなる電極層２２０のパターンを、フォトリソグラフィー等を用いて形成する。そして、その上に、例えば適当なバッファ層２２１を介して全酸化物型の発光層部５４，５３，５２を順次形成し、次いで各電極層２２０の一部が露出するように化学エッチングによりパターニングして、個々の素子１０６の発光層部に分離する。最後に、それら発光層部のそれぞれに金属反射膜２２を形成し、必要な配線部７１，７２を設ければ、照明装置２６２が完成する。
【００８４】
図３１は、表示装置２６２の構成例を示すものである。ガラス基板２０９の片面には、画素を構成するＲＧＢの蛍光体層２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂが形成され、透明保護層２１１により覆われている。他方、ガラス基板２０９の反対側の面には、各蛍光体層２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂに対応する位置に、図３０の照明装置２６１と同様の発光素子１０６が形成されている（図３０との共通部分に同一の符号を付与している）。各発光素子は、個別の画像制御信号により制御回路７５により通電制御される。本実施形態では、ごく簡単な例として、トランジスタ７５ａにより各発光素子１０６のスイッチングを行なう形態としているが、画素の発光輝度を階調的に変化させる場合は、各発光素子１０６の通電電圧を個別に制御するものとして制御回路７５を構成しておけばよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の発光素子の概念図。
【図２】ＭｇＺｎＯの結晶構造を示す模式図。
【図３】ＭｇＺｎＯ層の金属イオンと酸素イオンとの配列形態を示す模式図。
【図４】ＭｇＺｎＯ層を形成する際に生ずる酸素離脱を、雰囲気圧力により抑制する様子を表す説明図。
【図５】ＭｇＺｎＯ層を単結晶層及びｃ軸配向多結晶層として形成する例を示す模式図。
【図６】本発明に係る発光素子の第一の実施形態を示す断面模式図。
【図７】本発明に係る発光素子の第二の実施形態を示す断面模式図。
【図８】本発明の第一に係る、タイプI型とタイプII型のバンドラインナップの接合構造を用いた発光素子のバンド模式図。
【図９】図６の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図１０】図１１の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図１１】本発明に係る発光素子の第三の実施形態を示す断面模式図。
【図１２】図１１の発光素子の、第一の変形例を示す断面模式図。
【図１３】図１１の発光素子の、第二の変形例を示す断面模式図。
【図１４】本発明に係る発光素子の第四の実施形態を示す断面模式図。
【図１５】同じく第五の実施形態を示す断面模式図。
【図１６】同じく第六の実施形態を示す断面模式図。
【図１７】本発明の第二に係る、タイプI型バンドラインナップの接合構造を用いた発光素子のバンド模式図。
【図１８】図１６の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図１９】本発明の発光素子を貼り合せ方式により製造する方法の一例を示す工程説明図。
【図２０】本発明の発光素子の作用説明図。
【図２１】本発明の可視光発光装置の原理説明図。
【図２２】本発明の可視光発光装置を照明装置として構成した第一の例を示す断面模式図。
【図２３】同じく第二の例を示す断面模式図。
【図２４】同じく第三の例を示す断面模式図。
【図２５】同じく第四の例を示す断面模式図。
【図２６】本発明の可視光発光装置を用いた表示装置の原理説明図。
【図２７】本発明に係る発光素子の第七の実施形態を示す断面模式図。
【図２８】図２８の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図２９】本発明の可視光発光装置を照明装置として構成した第二の例を示す断面模式図。
【図３０】本発明の可視光発光装置を照明装置として構成した第三の例を示す断面模式図。
【図３１】本発明の可視光発光装置を表示装置として構成した第一の例を示す模式図。
【図３２】ＭＯＶＰＥ法によりＭｇＺｎＯ層を形成する装置の一例を概念的に示す図。
【符号の説明】
【００８６】
１，９８〜１０６，２００，２０１  発光素子
２  ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層（ｐ型クラッド層）
３  ＩｎＧａＮ活性層
４  ｎ型ＡｌＧａＮ層（ｎ型クラッド層）
１０  サファイア基板
１１  ＧａＮバッファ層
１２，２５  透明導電材料層（保護層）
１３  金属電極
２０，２４  ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層（保護層：電流拡散層）
２１  金属電極
２２  金属反射層（保護層）
２３  金属電極
３３  活性層
３４  ｎ型クラッド層
３５  保護層
５２  ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層（ｐ型クラッド層）
５３  ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層
５４  ｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層（ｎ型クラッド層）
２０２  ｐ型クラッド層
２０３，２０３’  活性層
２０４  ｎ型クラッド層
２０９  透明基盤（基体）
２１０  蛍光体層
２５０〜２５２，２６０，２６１  可視光発光装置（照明装置）
２６２  可視光発光装置（表示装置）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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