(57)【要約】【課題】ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物からなる発光層部と、その光取出面側に配置された高導電率のＭｇＺｎＯ系化合物半導体層とを有する、光取出効率に優れたＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物系の発光素子を提供する。【解決手段】発光素子１は、各々ＭｇａＺｎ１−ａＯ（ただし、０≦ａ≦１）型酸化物により構成されるｐ型クラッド層３４、活性層３３及びｎ型クラッド層３２がこの順序で積層されたダブルヘテロ構造により発光層部２４が形成され、ｎ型クラッド層３２側が光取出面として使用される。また、該ｎ型クラッド層３２の光取出面側の主表面に、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物により構成され、かつｎ型クラッド層３２よりもｎ型ドーパントの添加量が多いｎ型低抵抗層３５が設けられてなる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々ＭｇａＺｎ１−ａＯ（ただし、０≦ａ≦１）型酸化物により構成されるｐ型クラッド層、活性層及びｎ型クラッド層がこの順序で積層されたダブルヘテロ構造により発光層部が形成され、前記ｎ型クラッド層側が光取出面として使用されるとともに、該ｎ型クラッド層の光取出面側の主表面に、ＭｇａＺｎ１−ａＯ（ただし、０≦ａ≦１）型酸化物により構成され、かつ前記ｎ型クラッド層よりもｎ型ドーパントの添加量が多いｎ型低抵抗層が設けられてなることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記ｎ型低抵抗層の主表面の一部を覆う形で金属製のボンディングパッドが設けられてなることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記ｎ型低抵抗層の有効ｎ型キャリア濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記ｎ型低抵抗層のｎ型ドーパント濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
前記ｎ型低抵抗層は、ｎ型ドーパントがＢ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記ｎ型低抵抗層はＭＯＶＰＥ法により、成長段階にてｎ型ドーパントを含有したＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層として成長されたものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記ｎ型低抵抗層は、最終的なｎ型ドーパント濃度よりも低いｎ型ドーパント濃度を有するＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層の形で気相成長後、該層の主表面からｎ型ドーパントを追加拡散して形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法であって、各々ＭｇａＺｎ１−ａＯ（ただし、０≦ａ≦１）型酸化物により構成されるｐ型クラッド層、活性層及びｎ型クラッド層をこの順序で気相成長することにより、ダブルヘテロ構造を有する発光層部を形成する際に、前記ｐ型クラッド層を形成後、酸化性ガス雰囲気中にてアニール処理し、その後前記活性層及び前記ｎ型クラッド層を気相成長することを特徴とする発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−４４５００号公報
【０００３】
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。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。そこで、特許文献１には、サファイア基板上に、より安価なＭｇＺｎＯ系化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させた発光素子が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭｇＺｎＯ系酸化物を、減圧雰囲気下にてＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相成長法で成長しようとすると、余剰電子を生ずる酸素欠損が形成されやすいため、発光素子を構成する上で不可欠なｐ型あるいは真性半導体型（以下、「ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ」の頭文字を使用して、「ｉ型」ともいう）ＭｇＺｎＯ系酸化物層の形成が容易でない問題がある。
【０００５】
また、従来の発光素子は、光取出面側にｐ型クラッド層を位置させた構造のものが多く使用されている。この場合、ｐ型クラッド層側に配置される金属電極は、光取出しをなるべく妨げないように、光取出面の一部領域のみを覆う形で形成される。そして、発光駆動電流の面内分布が電極近傍の領域に偏らないよう、ｐ型ドーパントを高濃度ドープすることにより面内導電率を高めた電流拡散層をｐ型クラッド層上に成長し、その電流拡散層上に金属電極を形成することが行なわれている。
【０００６】
しかし、ＺｎＯ系化合物半導体を用いた発光素子の場合、前記した酸素欠損の影響により、クラッド層レベルの導電率のｐ型半導体の作製ですら容易でないから、ｐ型ドーパント濃度を高めた電流拡散用の高導電率のＭｇＺｎＯ系化合物半導体の作製は一層困難を極めるものとなり、発光素子の品質や性能、製品歩留まり及び製造効率のあらゆる側面において不利となることが予想される。
【０００７】
本発明の課題は、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物からなる発光層部と、その光取出面側に配置された高導電率のＭｇＺｎＯ系化合物半導体層とを有する、光取出効率に優れたＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物系の発光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、
各々ＭｇａＺｎ１−ａＯ（ただし、０≦ａ≦１）型酸化物により構成されるｐ型クラッド層、活性層及びｎ型クラッド層がこの順序で積層されたダブルヘテロ構造により発光層部が形成され、ｎ型クラッド層側が光取出面として使用されるとともに、該ｎ型クラッド層の光取出面側の主表面に、ＭｇａＺｎ１−ａＯ（ただし、０≦ａ≦１）型酸化物により構成され、かつｎ型クラッド層よりもｎ型ドーパントの添加量が多いｎ型低抵抗層が設けられてなることを特徴とする。
【０００９】
光取出面側にｐ型クラッド層を位置させた発光素子構造では、その上に形成する電流拡散用の低抵抗層も、当然ｐ型のものとして形成しなければならない。しかし、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物は成長時に酸素欠損を生じやすいためにｐ型の半導体を得るには相当の技術的工夫が必要であり、特に高導電率のｐ型半導体を得ることは非常に困難である。ｐ型ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物を得るためには、具体的には、該酸化物中の電子濃度を低減することが必要である。電子濃度を低減するひとつの考え方としては、電子を正孔で補償する考え方がある。これは、正孔を発生するＬｉ等のｐ型ドーパント（アクセプタ）をＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物中にドーピングすることでドナーを補償し、ｉ型やｐ型の酸化物を得ようとするものである。しかし、酸素欠損により発生する電子濃度は、最大オーダーで１０１９ｃｍ−３程度以上もあり、このような大量の電子をｐ型ドーパントの均一なドーピングにより全て補償した上、電流拡散用に抵抗率を下げるため、さらに余剰のホールを発生させようとすれば、ｐ型ドーパントは電子濃度を大幅に上回る程度に大量添加する必要が生ずる。しかし、このようなｐ型ドーパントの大量添加は、ＭｇＺｎＯ結晶中にｐ型ドーパントを主体とした粗大な異相結晶を形成することにつながり、良好な品質のｐ型ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物が結局のところ得られなくなってしまうのである。
【００１０】
そこで、本発明に発光素子においては、ｎ型クラッド層側を光取出面として使用し、該ｎ型クラッド層の光取出面側の主表面に、ＭｇＺｎＯ型酸化物によりなるｎ型低抵抗層を設けるようにした。ｎ型のＭｇＺｎＯ型酸化物は、ｐ型の場合は好ましくなかった酸素欠損を、ｎ型キャリア発生源としてむしろ有効活用できるので、はるかに製造が容易である。従って、電流拡散用の低抵抗層を製造する場合も、ｐ型キャリアの補償がほとんど不要であるため、ｎ型ドーパントの添加量を比較的少なく留めつつ、電流拡散用に適した抵抗率の十分低いｎ型酸化物を容易にかつ高品質に得ることができる。
【００１１】
この場合、ｎ型低抵抗層の主表面の一部を覆う形で金属製のボンディングパッドを設けることができる。本発明の採用により電流拡散用の低抵抗層を高品質にて形成できるので、ボンディングパッドから供給される発光駆動電流を、該ｎ型低抵抗層面内にて均一に拡散させることができる。その結果、光取出面直下にて発光層部を均一かつ効率的に発光させることができ、ひいては高輝度のＭｇＺｎＯ型酸化物系の発光素子を得ることができる。
【００１２】
十分な電流拡散効果を得るには、ｎ型低抵抗層のシート抵抗は概ね、１×１０１６Ω／ｃｍ２以下になっていることが望ましい。該シート抵抗は、ｎ型低抵抗層を厚くすれば低減できるが、製造能率の低下につながるので、該厚さは例えば０．１μｍ以上１０μｍ以下に設定することが望ましい。
【００１３】
そして、ｎ型低抵抗層の有効ｎ型キャリア濃度は１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下であることが望ましい。有効ｎ型キャリア濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満では十分なシート抵抗低減が望めず、１×１０２０／ｃｍ３を超えると、ｎ型ドーパントの過剰添加に由来する異相生成が顕著となり、光吸収などによる発光輝度低下につながるので望ましくない。また、同様に理由により、ｎ型低抵抗層のｎ型ドーパント濃度は１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下であることが望ましい。なお、ｎ型低抵抗層のｎ型ドーパントは、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの１種又は２種以上を使用できる。ｎ型低抵抗層は、例えばＭＯＶＰＥ法により、成長段階にてｎ型ドーパントを含有したＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層として成長することができる。他方、ｎ型低抵抗層は、最終的なｎ型ドーパント濃度よりも低いｎ型ドーパント濃度を有するＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層の形で気相成長後、該層の主表面からｎ型ドーパントを追加拡散して形成することも可能である。
【００１４】
なお、ｎ型クラッド層は、ｎ型ドーパントを積極添加してもよいし、結晶中の酸素欠損により必要な導電率を確保できる場合は、ｎ型ドーパントの積極添加を行なわない構成も可能である。
【００１５】
また、活性層とｐ型クラッド層については、良質な真性あるいはｐ型半導体を得るために、種々の構造上の工夫を講ずることができる。例えば、活性層あるいはｐ型クラッド層となるＭｇＺｎＯ層中に、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物とは異種であってｐ型導電性を示すｐ型酸化物層を介挿する構成を採用することができる。この構成によれば、電子を吸収・補償する機能を、ＭｇＺｎＯ層中に局所的に存在するｐ型酸化物層が担うことになるので、大量のｐ型ドーパントを添加する必要がなくなり、良好な品質のｐ型もしくはｉ型のＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物を得ることができ、ひいては高発光効率の紫外線もしくは青色発光型発光素子の実現に寄与する。ｐ型酸化物層の形成層数は特に限定されるものではないが、高発光効率を期待するためには、電子補償効果がＭｇＺｎＯ層中で一様に生じるようになっていることが当然望ましい。そのためには、複数のｐ型酸化物層を、ＭｇＺｎＯ層の厚さ方向に分散形成すること、例えば周期的に形成することが望ましい。ｐ型酸化物層としては、例えばＣｕＯ、ＮｉＯ及びＬｉＯのいずれかを主体とするものが使用できる。なお、ＣｕＯを使用する場合は、Ｃｕの一部がＧａ等のＩＩＩ族元素又はＳｒ等のＩＩ族元素で置き換えられていてもよい。
【００１６】
また、ｐ型クラッド層中には、ｐ型ドーパント濃度が当該ｐ型クラッド層の平均濃度よりも高い高濃度ドープ層を、前記ｐ型クラッド層の１分子層以下の領域幅を有するもの（いわゆるδドーピング層）として形成することができる。ｐ型クラッド層において、ｐ型ドーパントの高濃度ドープ層を、該ｐ型クラッド層の１分子層以下の領域幅を有するものとして形成することにより、ｐ型ドーパントがいわば層厚方向に局在化する。この、ｐ型ドーパントの局在化層である高濃度ドープ層が、電子を吸収・補償する機能を担うことになるので、大量のｐ型ドーパントを添加する必要がなくなり、良好な品質のｐ型クラッド層を得ることができる。また、該高濃度ドープ層は、ｐ型ドーパントの集合体である粗大な異相結晶を形成するのではなく、ｐ型クラッド層の１分子層以下の領域幅を有するものとして形成されていることから、キャリアの散乱要因となる非整合の異相界面や転位等が形成されにくい。
【００１７】
本発明の発光素子において、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物は気相成長法により形成することができる。例えばスパッタ法やＭＢＥ法の採用も可能であるが、ＭＯＶＰＥ法を用いた場合、以下に示す利点がある。ＭＯＶＰＥ法では、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、発光素子には不可欠のｐ型ＭｇａＺｎ１−ａＯ層、特に、酸素欠損濃度を１０個／ｃｍ３以下としたｐ型ＭｇａＺｎ１−ａＯ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）。
【００１８】
ＭＯＶＰＥ法によるｐ型クラッド層あるいは活性層の成長は、１Ｔｏｒｒ（１．３×１０２Ｐａ）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型クラッド層あるいは活性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１Ｔｏｒｒ（１．３×１０２Ｐａ）以上とするのがよい。
【００１９】
他方、ＭＢＥ法を用いた場合、超高真空（〜１０−１０Ｔｏｒｒ）中でｐ型クラッド層あるいは活性層の成長が行なわれるために、上記ＭＯＶＰＥ法に比べて酸素欠損発生を抑制できないが、原子層オーダーでの層制御ができるという利点を有する。その結果、ｐ型クラッド層あるいは活性層の結晶性を高めることが可能であり、さらに、ＭＢＥ法を用いることで、上記した本発明におけるｐ型クラッド層中に介層されるｐ型酸化物層または／および高濃度ドープ層の層制御を高精度にて行なうことができ、より品質の高いｐ型クラッド層の形成が可能となる。
【００２０】
また、本発明の発光素子の製造方法は、上記本発明の発光素子を製造するために、各々ＭｇａＺｎ１−ａＯ（ただし、０≦ａ≦１）型酸化物により構成されるｐ型クラッド層、活性層及びｎ型クラッド層をこの順序で気相成長することにより、ダブルヘテロ構造を有する発光層部を形成する際に、ｐ型クラッド層を形成後、酸化性ガス雰囲気中にてアニール処理し、その後活性層及びｎ型クラッド層を気相成長することを特徴とする。ｐ型クラッド層を酸化性ガス雰囲気中にてアニール処理してから、活性層以降の層成長を行なうようにすることで、ｐ型クラッド層への酸素欠損形成がより効果的に抑制され、また、結晶性も改善されるので、より高品質のｐ型クラッド層が得られるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、添付の図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１の要部を、積層構造にて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３２がこの順序にて積層された発光層部２４を有している。そして、各層３２〜３４はいずれもＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層（０≦ａ≦１：以下、ＭｇＺｎＯとも記す：ただし、混晶比ａの範囲からも明らかなように、ＭｇＺｎＯと記していても、これはＭｇＯ及びＺｎＯの各単体酸化物の概念を含むものである）として形成されている。
【００２２】
発光素子１は、発光層部２４のｎクラッド層３２側が光取出面として使用され、該ｎ型クラッド層３２の光取出面側の主表面に、ＭｇａＺｎ１−ａＯ（ただし、０≦ａ≦１）型酸化物により構成され、かつｎ型クラッド層よりもｎ型ドーパントの添加量が多いｎ型低抵抗層３５が設けられている。該ｎ型低抵抗層３５の主表面の略中央に、該主表面の一部を覆う形でＡｕ等の金属よりなるボンディングパッド９が配置されている。また、このボンディングパッド９には、通電用の電極ワイヤ４７が接合されている。
【００２３】
他方、発光層部２４の裏面側（ｐ型クラッド層３４側）は、Ａｇ（ＡｕあるいはＡｌであってもよい）等の金属よりなる反射金属層２２にて覆われ、該反射金属層２２を介して、導電性基板であるＳｉ基板７が貼り合わされている。さらに、Ｓｉ基板７の裏面は、Ａｕ等の金属よりなる裏面電極１５により覆われている。
【００２４】
ＭｇＺｎＯはウルツ鉱型構造を有し、酸素原子層と金属原子（ＺｎイオンまたはＭｇイオン）層とがｃ軸方向に交互に積層される形となっている。各層３４，３３，３２，３５は、いずれもｃ軸方向に成長されたものである。ＭｇＺｎＯの結晶にて酸素イオンが欠落すると酸素欠損となり、ｎ型キャリアである電子を生ずる。酸素欠損は、ｎ型クラッド層３２においては、適量であれば害にならず、むしろ電子源として積極活用できる。他方、ｐ型クラッド層３２や活性層３３は、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型導電性あるいは真性半導体特性を示さなくなるので、酸素欠損の発生抑制を図ることが重要である。
【００２５】
ｎ型クラッド層３２は、活性層３３における発光再結合が最適化されるよう、ｎ型キャリア濃度が例えば１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０ｃｍ３以下の範囲で調整される。ｎ型ドーパントとしては、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの１種又は２種以上を添加できるが、ｎ型キャリア（電子）源となる酸素欠損を積極形成してドーパントを非添加とすることもできる。
【００２６】
また、ｎ型低抵抗層３５は電流拡散層として機能し、ｎ型ドーパントとして、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの１種又は２種以上、本実施形態ではＡｌが積極添加されている。ｎ型低抵抗層３５の厚さは０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、十分な電流拡散効果を得るため、そのシート抵抗は１×１０１６Ω／ｃｍ２以下に調整される。また、有効ｎ型キャリア濃度は１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下であり、積極添加されるｎ型ドーパントの濃度は１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下である。
【００２７】
他方、ｐ型クラッド層３４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。ｐ型キャリア濃度は１×１０１６個／ｃｍ３以上８×１０１８個／ｃｍ３以下、例えば１０１７個／ｃｍ３〜１０１８／ｃｍ３の範囲で調整される。
【００２８】
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４００ｎｍ〜５７０ｎｍにて発光可能なバンドギャップエネルギーＥｇ（３．１０ｅＶ〜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４５０ｎｍ〜５００ｎｍにて発光可能なバンドギャップエネルギーＥｇ（２．７６ｅＶ〜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２８０ｎｍ〜４００ｎｍにて発光可能なバンドギャップエネルギーＥｇ（４．４３ｅＶ〜３．１０ｅＶ程度）を有するものを選択する。
【００２９】
活性層３３において、混晶比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２８０ｎｍ〜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、両側のクラッド層３２，３４との間に形成されるバンド端不連続値は、発光ダイオードでは０．１ｅＶ〜０．３ｅＶ程度、半導体レーザー光源では０．２５ｅＶ〜０．５ｅＶ程度とするのがよい。この値は、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層３４、ＭｇｙＺｎ１−ｙＯ活性層３３及びｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ層３２の各混晶比ｘ、ｙ、ｚの数値の選択により決定できる。
【００３０】
本実施形態においては、図３に示すように、ｐ型クラッド層３４中に、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物とは異種の酸化物、例えばＣｕＯ、ＮｉＯあるいはＬｉＯからなるｐ型酸化物層３４ｂが介挿されている。そして該ｐ型酸化物層３４ｂに対し、ｐ型にドーピングされたＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａが交互に積層されている。このような構造を採用することにより、ｐ型クラッド層３４中にバックグラウンドキャリアとして存在する電子が、ｐ型酸化物層３４ｂに吸収・補償されるので、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａ中のｐ型ドーパント濃度を下げても良好なｐ型導電特性が得られる。その結果、ｐ型ドーパントが集合した異相領域が形成されにくくなり、良好な品質のｐ型もしくはｉ型のＭｇＺｎＯ酸化物層を得ることができる。
【００３１】
ｐ型酸化物層３４ｂの層厚は、量子効果が発揮できる程度の膜厚に薄くしておき、トンネル効果を利用して発光層として機能しないように調整する。他方、該ｐ型酸化物層３４ｂと接するＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａは一種の障壁層に相当するものであり、バルク結晶としての性質が求められるため、逆にトンネル効果の影響が顕著とならないように、その層厚を１５ｎｍ以上に調整することが望ましい。
【００３２】
上記ｐ型酸化物は、ＭｇＺｎＯと結晶構造も格子定数も相違する。他方、ｐ型酸化物層３４ｂはｐ型クラッド層３４中にてＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａと格子整合した形で形成されていないと、転位等の発生によりキャリアが散乱を受け、発光効率の低下を招くことにつながる。この場合、ｐ型酸化物層３４ｂの層厚が過剰になると格子緩和して、該ｐ型酸化物層３４ｂと接するＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａとの間に格子不整合が生じ、以降の成長層に貫通転位が形成される不具合が生ずる。これを避けるためには、ｐ型酸化物層３４ｂを形成する際に格子緩和しない程度の膜厚（臨界膜厚）で形成する必要があり、具体的には２０ｎｍ以下の層厚にて形成することが好ましい。例えば、ｐ型酸化物層３４ｂをＣｕＯあるいはＮｉＯにて構成する場合は、ＭｇＺｎＯと格子整合するための臨界膜厚が３〜５分子層程度なので、ｐ型酸化物層３４ｂを臨界膜厚以下となるように、１分子層以上３〜５分子層以下の範囲とし、これと接するＭｇＺｎＯ層３２ａの層厚を２０ｎｍ以下、例えば１５ｎｍ程度の層厚で形成することが望ましい。
【００３３】
上記のようなｐ型酸化物層３４ｂの形成層数は特に限定されるものではないが、高発光効率を期待するためには、電子補償効果が対象ＭｇＺｎＯ層中で一様に生じるようになっていることが当然望ましい。そのためには、図３に示すように、２層以上、すなわち複数のｐ型酸化物層３４ｂをｐ型クラッド層３４の厚さ方向に分散して形成すること、例えば周期的に形成することが望ましい。ｐ型酸化物層３４ｂをこのように複数層形成する場合、各ｐ型酸化物層３４ｂと、それらと交互に積層される各ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａの層厚を前記した範囲に調整することが望ましい。
【００３４】
図１の発光素子１は、ボンディングパッド９側が負、裏面電極１５側が正となる極性で電圧印加することにより発光する。発光駆動電流はｎ型低抵抗層３５内を面内拡散して発光層部２４に供給される。活性層３３で生じた発光光束は、ボンディングパッド９の周囲領域を光取出領域として取り出される。他方、活性層３３の裏面側に向かう発光光束は、金属反射層２２で反射されて光取出面側の発光光束に重畳されて取り出される。なお、ｎ型低抵抗層３５は活性層３３よりもバンドギャップエネルギーが大きく設定され、発光光束に対してほぼ透明である。
【００３５】
以下、上記発光素子の製造工程の一例を説明する。まず、図２の工程１に示すように、サファイア基板１０上にＺｎＯからなるバッファ層１１をエピタキシャル成長させる。次いで、ｎ型低抵抗層３５、ｎ型クラッド層３２、活性層３３及びｐ型クラッド層３４をこの順序にてエピタキシャル成長させる。これら各層のエピタキシャル成長は、前述のＭＯＶＰＥ法もしくはＭＢＥ法にて成長させることができる。以下、ＭＯＶＰＥ法の場合について説明を行なう。
【００３６】
ＭＯＶＰＥ法により、バッファ層１１、ｎ型低抵抗層３５、ｎ型クラッド層３２、活性層３３及びｐ型クラッド層３４を同一の反応容器内にて連続的に成長できる。なお、反応容器内の温度は、層形成のための化学反応を促進するため、加熱源（本実施形態では赤外線ランプ）により調整される。各層の主原料としては次のようなものを用いることができる。
・酸素源ガス：酸素ガスを用いることもできるが、酸化性化合物ガスの形で供給することが、後述する有機金属との過度の反応を抑制する観点において望ましい。具体的には、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏなど。本実施形態では、Ｎ２Ｏ（亜酸化窒素）を用いている。
・Ｚｎ源ガス：ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）など。
・Ｍｇ源ガス：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）など。
・Ｃｕ源ガス：ヘキサフロロアセチルアセトナート銅など。
・Ｎｉ源ガス：シクロペンタジエニルニッケル、メチルシクロペンタジエニルニッケルなど。
・Ｌｉ源ガス：ノルマルブチルリチウムなど。
なお、Ｃｕ源ガス、Ｎｉ源ガス及びＬｉ源ガスは、ｐ型酸化物原料ガスである。
【００３７】
また、ｐ型ドーパントガスとしては次のようなものを用いることもできる；
・Ｌｉ源ガス：ノルマルブチルリチウムなど。
・Ｓｉ源ガス：モノシランなどのシリコン水素化物など。
・Ｃ源ガス：炭化水素（例えばＣを１つ以上含むアルキルなど）。
・Ｓｅ源ガス：セレン化水素など。
【００３８】
また、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎ等のＩＩＩ族元素の１種又は２種以上は、Ｖ族元素である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。ドーパントガスとしては以下のようなものを使用できる。
・Ａｌ源ガス；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源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など。
・Ｉｎ源ガス；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）とともに窒素（Ｎ）が使用される場合、ｐ型クラッド層の気相成長を行なう際に、Ｎ源となる気体を、Ｇａ源となる有機金属ガスとともに供給するようにする。例えば、本実施形態では、酸素成分源として使用するＮ２ＯがＮ源としても機能する形となる。また、モノメチルヒドラジン等の有機金属をＮ源として使用しても良い。
【００３９】
他方、ｎ型クラッド層３２は、成長時の酸素分圧を下げて酸素欠損を積極形成することによりｎ型導電性を得るようにしてもよいし、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎ等のＩＩＩ族元素を、ｎ型ドーパントとして単独添加することによりｎ型導電性を得るようにしてもよい。ドーパントガスとしては、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎについては、ｐ型ドーパントの項で説明したものが同様に使用できる。また、Ｂに関しては、例えばジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用いることができる。
【００４０】
上記の各原料ガスをキャリアガス（例えば窒素ガス）により適度に希釈し、反応容器内に供給する。なお、各層の混晶比の違いにより、層毎にＭｇ源及びＺｎ源となる有機金属ガスＭＯの流量比をマスフローコントローラＭＦＣ等により制御する。また、酸素源ガスであるＮ２Ｏ及びドーパント源ガスの流量もマスフローコントローラＭＦＣにより制御する。
【００４１】
バッファ層１１の成長は、例えば以下のようにして行なう。まず、層を成長させる基板１０は、結晶主軸がａ軸のサファイア（つまりアルミナ単結晶）基板であり、酸素原子面側の主表面が層成長面として使用される。層成長に先立って、基板１０を酸化性ガス雰囲気下にて十分にアニール処理する。酸化性ガスは、Ｏ２、ＣＯ、Ｎ２Ｏのいずれかから選択できるが、後述する層成長時の酸素源ガスと共用するため、本実施形態ではＮ２Ｏを使用している。アニール処理温度は、ＭＯＶＰＥの反応容器内にて行なう場合は、７５０℃以上（ただし、基板の融点よりも低温）にて３０分以上の保持時間で行なうことが望ましい。ただし、湿式洗浄等により基板表面の清浄化が十分可能である場合には、アニール処理時間をこれよりも短縮して差し支えない。
【００４２】
上記アニール処理が終了すれば、酸化性ガス雰囲気を保持した状態にて基板温度を、欠損等の発生を抑制するために２５０〜３５０℃（本実施形態では３５０℃）に設定される第一温度に低下させる。そして、温度が設定値に安定すれば酸化性ガスの供給を止め、窒素ガスで反応容器内を置換して酸化性ガスを十分にパージアウトする。パージ時間は、反応容器の形状や容積によっても異なるが、５秒以上確保することが有効である。
【００４３】
次いで、有機金属ガスＭＯを反応容器内に供給し、例えば図１のバッファ層１１の一部をなす最初の金属原子層をＡＬＥ法（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｅｐｉｔａｘｙ法）により単原子金属層として形成する。ＡＬＥ法では自己停止機能により金属原子層の成長は１原子層分で飽和し、有機金属ガスＭＯの供給を継続しても、それ以上の金属原子層の成長は起こらない。その後、有機金属ガスＭＯの供給を停止し、窒素ガスで反応容器内を置換して有機金属ガスＭＯを十分にパージアウトした後、酸素源ガス（酸化性ガス雰囲気でもある）としてＮ２Ｏを導入し、ＡＬＥ法により酸素原子層を１原子層分形成する。これにより、基板１０上にはＭｇＺｎＯ層が１分子層分だけ形成されたことになる。
【００４４】
その後、酸化性ガス雰囲気を保持したまま、反応容器内の温度を４００〜８００℃に設定される第二温度（本実施形態では７５０℃）に昇温し、さらに有機金属ガス（金属源ガス）を連続的に流すことで、バッファ層の残余の部分を通常のＭＯＶＰＥ法により成長させる。なお、より結晶性及び平坦性の高いバッファ層を得る観点から、最初の複数分子層をＡＬＥ法により成長させてもよい。
【００４５】
バッファ層１１の形成が終了すれば、ｎ型低抵抗層３５、ｎ型クラッド層３２、活性層３３及びｐ型クラッド層３４をこの順序にてＭＯＶＰＥ法により形成する。ｎ型クラッド層３２は、酸素分圧を常圧以下（例えばｔｏｒｒ以下）に下げ、酸素欠損を積極形成しながら成長させる。このとき、ｎ型ドーパントガスを、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３２の原料ガス（金属源ガス＋酸素源ガス）の供給を継続しつつ、一定流量により供給する。これにより、ｎ型低抵抗層３５は、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物にｎ型ドーパントが一様にドーピングされたものとして得られる。他方、ｎ型クラッド層３２は、ｎ型低抵抗層３５よりも高抵抗率のものとして形成され、ｎ型ドーパントガスを流さないか、又は流す場合でも、その流量はｎ型低抵抗層３５成長時よりも低く設定される。
【００４６】
その後、活性層３３及びｐ型クラッド層３４の順で成長を行なう。ｐ型クラッド層３４は、図３に示すように、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａとｐ型酸化物層３４ｂとを交互に積層したものとして成長する必要がある。図４は、ｐ型クラッド層３４を成長する際のガス供給シーケンスの一例を示すものである。このシーケンスでは、ＭｇＺｎＯ金属源ガスの流量を、ＮＳ１となる大流量期間と、該ＮＳ１より小さいＮＳ０となる小流量期間とが交替するように切り替える一方、ｐ型酸化物金属源ガスは、ＭｇＺｎＯ金属源ガスの大流量期間に対応する小流量期間（流量：ＮＡ０＝０）と、同じく小流量期間に対応する大流量期間（流量：ＮＡ１）とが交替するように切り替える。他方、酸素源ガスは決められた流量ＮＸ０にて定常的に流し続ける。これにより、ｐ型クラッド層３４の成長途中に、複数のｐ型酸化物層３４ｂが間欠的に成長される。
【００４７】
ｐ型酸化物層３４ｂを間欠成長させる際には、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａの成長を継続しながらｐ型酸化物層３４ｂの成長も同時進行させるようにすることができる。この場合、図４において示すように、ＭｇＺｎＯ金属源ガスの供給は、小流量期間においてもゼロではない一定流量値ＮＳ０’となるように流量制御する。この場合、ｐ型酸化物層３４ｂは、ｐ型酸化物とＭｇＺｎＯとが混在した領域となる。
【００４８】
他方、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａの成長を停止させた状態で、ｐ型酸化物層３４ｂを成長させるようにすることもできる。これは、図４においては、小流量期間においてＭｇＺｎＯ金属源ガスの流量ＮＳ０をゼロとすることを意味する。ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａの成長を停止させた状態で、ｐ型酸化物層３４ｂの成長を行なうことで、その停止期間が一種の熱処理期間として作用する結果、結晶性が改善されてより欠陥の少ないｐ型クラッド層３４の成長が可能となる。また、ＭｇＺｎＯ金属源ガスの供給を遮断し、酸素源ガスの供給のみを一定時間継続した後、ｐ型酸化物金属源ガスの供給に切り替えるようにすると、酸素欠損等の欠陥発生をより効果的に防止することができる。
【００４９】
また、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａの成長時には、ｐ型ドーパント（例えばＧａとＮとの共添加）によるドーピングを行なう。ｐ型ドーパントガスは、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａの原料ガス（金属源ガス＋酸素源ガス）の供給を継続しつつ、一定流量により供給を行なうことができる。このようにすると、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａはｐ型ドーパントが一様にドーピングされた構造を有するものとなる。
【００５０】
他方、図５に示すように、ｐ型ドーパント濃度がｐ型クラッド層３４（あるいはＭｇｚＺｎ１−ｚＯ型酸化物層３４ａ）の平均濃度よりも高い高濃度ドーピング層（以下、δドーピング層という）３４ｃを、ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ型酸化物層３４ａの１分子層以下の領域幅を有するものとして、形成することもできる。このようにすると、バックグラウンド電子濃度を低減する効果が一層顕著なものとなり、ｐ型クラッド層３４全体の平均ｐ型ドーパント濃度を低減することができるので、発光効率をさらに改善できる。δドーピング層３４ｃは、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａ中において２層以上周期的に形成することで、電子補償効果を一層高めることができる。
【００５１】
δドーピング層３４ｃにおけるｐ型ドーパントの供給量は、ｐ型ドーパントガス分子による被覆率が、１／２０以上１／４分子層以下となるように調整することが望ましい。１／２０分子層未満ではバックグラウンドの電子濃度低減効果が不十分となる。また、１／４分子層を超えるとｐ型ドーパントの添加量が過剰となりやすくなり、発光効率の低下等につながる。また、δドーピング層３４ｃの形成間隔は、ＭｇＺｎＯ層３４ａの分子層換算にて１０〜５００分子層の範囲にすることが望ましい。１０分子層未満では、ｐ型ドーパントの添加量が過剰となりやすくなり、発光効率の低下等につながる。他方、５００分子層を超えると、バックグラウンドの電子濃度低減効果あるいはｐ型導電性の付与が不十分となる場合がある。
【００５２】
上記δドーピング層３４ｃは、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物の原料ガス（金属源ガス＋酸素源ガス）に対するｐ型ドーパントガスの供給濃度比を一時的に増加させることにより形成できる。複数のδドーピング層３４ｃを層厚方向に分散して形成する場合は、ｐ型ドーパントガスの供給濃度比を間欠的に増加させることにより形成可能である。図６は、そのガス供給シーケンスの一例を示すものであり、ＭｇＺｎＯ金属源ガスの流量を、ＮＳ１となる大流量期間と、該ＮＳ１より小さいＮＳ０となる小流量期間とが交替するように切り替え、また、酸素源ガスの流量を、ＮＸ１となる大流量期間と、該ＮＸ１より小さいＮＸ０となる小流量期間とが交替するように切り替える一方、ｐ型ドーパントガスは、ＭｇＺｎＯ原料ガスの大流量期間に対応する小流量期間（流量：ＮＤ０）と、同じく小流量期間に対応する大流量期間（流量：ＮＤ１）とが交替するように切り替える。
【００５３】
そして、δドーピング層３４ｃの形成によるバックグラウンド電子濃度低減効果は、δドーピング層３４ｃにおけるｐ型ドーパント濃度の変化プロファイルが急峻であるほど顕著となる。このようなプロファイルを得るには、δドーピング層３４ｃを形成する際に、ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ原料ガスの供給を停止することが有効である。具体的には、図６において、ＮＳ０とＮＸ０とをともにゼロにすることを意味する。また、δドーピング層３４ｃの非形成時には、ｐ型ドーパントガスの流量ＮＤ０をゼロにすることが、より急峻な濃度変化プロファイルを形成する上で望ましい。さらに、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａ中にδドーピング層３４ｃを形成する際には、ｐ型ドーパントガスの供給直前に、ＭＯＶＰＥ法によるＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａの成長モードを、バッファ層１１の形成時と同様のＡＬＥモードに切り替えることも有効である。すなわち、ｐ型ドーパントガスの供給直前におけるＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａの少なくとも最後の１分子層をＡＬＥにより形成して自己停止させ、その状態でｐ型ドーパントガスを供給すれば、極めて急峻な濃度変化プロファイルを得ることが可能となる。
【００５４】
図７は、上記の方法により最終的に得られるｐ型クラッド層３４の詳細構造を模式的に示すものである。この構造では、複数のδドーピング層３４ｃがＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａ中に周期的に形成され、そのＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３４ａに対しｐ型酸化物層３４ｂがさらに周期的に形成される、いわば二重周期構造を有してなる。これにより、バックグラウンド電子濃度の低減効果を最大限に引き出すことができ、ｐ型クラッド層３４に対するｐ型導電性の付与を確実に行なうことができるとともに、図１の構造としたときの発光素子の発光効率ひいては輝度の向上に寄与する。
【００５５】
また、図８に示すように、活性層３３に対してもｐ型酸化物層３３ｂを全く同様に形成でき、バックグラウンド電子濃度の低減、ひいては発光効率の向上に寄与する。この場合、活性層３３の全体は真性半導体型（ｉ型）の導電特性を有している必要があり、ＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層３３ａはノンドープとする。
【００５６】
なお、活性層３３及びｐ型クラッド層３４を成長する際は、酸素欠損発生を抑制するために、反応容器内の圧力を１０Ｔｏｒｒ以上に保持することが有効である。これにより酸素の離脱が一層抑制され、酸素欠損の少ないＭｇＺｎＯ層を成長することができる。特に酸素成分源としてＮ２Ｏを使用する場合、上記の圧力設定によりＮ２Ｏ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。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（１．０１×１０５Ｐａ又は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（（１．０１×１０６Ｐａ又は１０気圧）程度）。
【００５７】
なお、ｐ型クラッド層３４を形成後、以降の層の成長を行わずにｐ型クラッド層３４を酸化性ガス雰囲気中にてアニール処理し、その後活性層３３及びｎ型クラッド層３２を気相成長するようにしてもよい。これにより、ｐ型クラッド層３２の酸素欠損発生を一層効果的に抑制でき、酸素欠損の少ない高品質のｐ型クラッド層を得ることができる。また、活性層３３の成長後、ｎ型クラッド層３２の成長前に、該活性層３３を同様の酸化性ガス雰囲気中にてアニール処理することもでき、高品質の活性層を同様に得ることができる。アニール処理は、層の成長温度と同程度に設定することができる。この場合、ｐ型クラッド層３４あるいは活性層３３を所定の温度で成長後、その温度をキープしたまま原料ガスの供給を停止し、代わって酸化性ガスを反応容器内に導入すれば、アニール処理を極めて簡単に行なうことができる。なお、酸化性ガスはＯ２のほか、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏなどを採用できる。
【００５８】
図２に戻り、以上のようにして成長が終了すれば、工程２に示すように、裏面電極１５及び金属反射層２２を予め形成したＳｉ基板を、ｐ型クラッド層３４の主裏面に重ね合わせて密着させ、さらに適当な温度で熱処理することにより貼り合わせを行なう。他方、ｎ型低抵抗層３５から、サファイア基板１０をバッファ層１１とともに除去し、その除去面にボンディングパッド９を蒸着等により形成し、さらに電極ワイヤ４７をボンディングすれば、図１に示す発光素子１が得られる。
【００５９】
なお、以上説明した製造方法では、各層の成長をＭＯＶＰＥ法にて行ったが、ＭＢＥ法を採用することも可能である。例えばｐ型酸化物層としてＬｉＯ層を形成したりあるいはｐ型ドーパントとしてＬｉを使用する場合は、固体Ｌｉをｐ型酸化物形成原料あるいはドーピング源として用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の具体例を積層構造にて示す模式図。
【図２】図１の発光素子の製造工程説明図。
【図３】図１の発光素子の、ｐ型クラッド層の構造を示す模式図。
【図４】図３のｐ型クラッド層をＭＯＶＰＥ法により形成する場合の、ガス供給シーケ
ンスの一例を示す模式図。
【図５】ｐ型ドーパントをδドーピングしたＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層の構造を示
す模式図。
【図６】図５のＭｇａＺｎ１−ａＯ型酸化物層をＭＯＶＰＥ法により形成する場合の、
ガス供給シーケンスの一例を示す模式図。
【図７】δドーピング層とｐ型酸化物層とを二重周期にて形成したｐ型クラッド層の構
造を示す模式図。
【図８】活性層にｐ型酸化物層を周期的に形成した例を示す模式図。
【符号の説明】
１  発光素子
３２  ｎ型クラッド層
３３  活性層
３４  ｐ型クラッド層
３５  ｎ型低抵抗層
４７  ボンディングパッド
【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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