(57)【要約】【課題】  強い発光強度を得る。【解決手段】  第１導電型のＺｎＯ系半導体層と、第１導電型のＺｎＯ系半導体層上に形成されたＺｎＯ系発光層と、ＺｎＯ系発光層上に形成された、第２導電型のＺｎＯ系半導体層とを備える積層構造と、第１導電型のＺｎＯ系半導体層に電気的に接続された第１の電極と、第２導電型のＺｎＯ系半導体層に電気的に接続された第２の電極とを有し、第２導電型のＺｎＯ系半導体層は、ＺｎＯ系発光層上に形成された第１ＺｎＯ系半導体層と、第１ＺｎＯ系半導体層上に形成された第２ＺｎＯ系半導体層とを含み、第２ＺｎＯ系半導体層は、底面を有する凹部を複数備え、複数の凹部の底面積の和は、積層構造の積層方向から見たときの第２ＺｎＯ系半導体層の面積の２０％〜５０％であるＺｎＯ系半導体発光素子を提供する。【選択図】  図２
2012038750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のＺｎＯ系半導体層と、
前記第１導電型のＺｎＯ系半導体層上に形成されたＺｎＯ系発光層と、
前記ＺｎＯ系発光層上に形成された、第２導電型のＺｎＯ系半導体層と
を備える積層構造と、
前記第１導電型のＺｎＯ系半導体層に電気的に接続された第１の電極と、
前記第２導電型のＺｎＯ系半導体層に電気的に接続された第２の電極と
を有し、
前記第２導電型のＺｎＯ系半導体層は、
前記ＺｎＯ系発光層上に形成された第１ＺｎＯ系半導体層と、
前記第１ＺｎＯ系半導体層上に形成された第２ＺｎＯ系半導体層と
を含み、
前記第２ＺｎＯ系半導体層は、底面を有する凹部を複数備え、該複数の凹部の底面積の和は、前記積層構造の積層方向から見たときの前記第２ＺｎＯ系半導体層の面積の２０％〜５０％であるＺｎＯ系半導体発光素子。
【請求項２】
前記第２ＺｎＯ系半導体層の凹部の深さは、前記第２ＺｎＯ系半導体層の厚さの８５％以下である請求項１に記載のＺｎＯ系半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２ＺｎＯ系半導体層の厚さは３０ｎｍ以下であり、該厚さのうち、前記凹部の底面までの厚さは５ｎｍ以下である請求項２に記載のＺｎＯ系半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２ＺｎＯ系半導体層の凹部の底面が平らである請求項１〜３のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体発光素子。
【請求項５】
更に、前記第２導電型のＺｎＯ系半導体層は、前記第２ＺｎＯ系半導体層上に形成された第３ＺｎＯ系半導体層を含み、
前記第２ＺｎＯ系半導体層の電気抵抗率は、前記第３ＺｎＯ系半導体層の電気抵抗率の２倍以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２ＺｎＯ系半導体層の凹部は、倒立した六角錐台形状を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型である請求項１〜６のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体発光素子。
【請求項８】
前記第２導電型のＺｎＯ系半導体層にはｐ型不純物として窒素が添加され、前記第３ＺｎＯ系半導体層の窒素濃度は、前記第２ＺｎＯ系半導体層の窒素濃度の２倍以上である請求項７に記載のＺｎＯ系半導体発光素子。
【請求項９】
（ａ）第１導電型のＺｎＯ系半導体層を形成する工程と、
（ｂ）前記第１導電型のＺｎＯ系半導体層上に、ＺｎＯ系発光層を形成する工程と、
（ｃ）前記ＺｎＯ系発光層上に、第２導電型のＺｎＯ系半導体層を形成する工程と、
（ｄ）前記第１導電型のＺｎＯ系半導体層に電気的に接続される第１の電極、及び、前記第２導電型のＺｎＯ系半導体層に電気的に接続される第２の電極を形成する工程と
を有し、
前記工程（ｃ）は、
（ｃ１）前記ＺｎＯ系発光層上に、第１ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程と、
（ｃ２）前記第１ＺｎＯ系半導体層上に、底面を有する凹部を複数備える第２ＺｎＯ系半導体層を、２次元成長から３次元成長へと変化する成長形態で成長させる工程と
を含み、
前記工程（ｃ２）において、前記複数の凹部の底面積の和が、積層方向から見たときの前記第２ＺｎＯ系半導体層の面積の２０％〜５０％となるように、前記第２ＺｎＯ系半導体層を成長させるＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｃ２）において、前記凹部の深さが、前記第２ＺｎＯ系半導体層の厚さの８５％以下となるように、前記第２ＺｎＯ系半導体層を成長させる請求項９に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ｃ２）において、前記第２ＺｎＯ系半導体層の厚さが３０ｎｍ以下となり、該厚さのうち、前記凹部の底面までの厚さが５ｎｍ以下となるように、前記第２ＺｎＯ系半導体層を成長させる請求項１０に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（ｃ２）において、前記凹部の底面が平らとなるように、前記第２ＺｎＯ系半導体層を成長させる請求項９〜１１のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
更に、前記工程（ｃ）は、
（ｃ３）前記第２ＺｎＯ系半導体層上に、第３ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程
を含み、
前記工程（ｃ２）及び（ｃ３）において、前記第２ＺｎＯ系半導体層の電気抵抗率が、前記第３ＺｎＯ系半導体層の電気抵抗率の２倍以上となるように、前記第２及び第３ＺｎＯ系半導体層を成長させる請求項９〜１２のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（ｃ２）において形成される前記第２ＺｎＯ系半導体層の凹部が、倒立した六角錐台形状を有する請求項９〜１３のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型である請求項９〜１４のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（ｃ）において、第２導電型の不純物として窒素を添加し、
前記工程（ｃ２）及び（ｃ３）において、前記第３ＺｎＯ系半導体層の窒素濃度が、前記第２ＺｎＯ系半導体層の窒素濃度の２倍以上となるように、前記第２及び第３ＺｎＯ系半導体層を成長させる請求項１５に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＺｎＯ系半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、室温で３．３７ｅＶのバンドギャップエネルギを持つ直接遷移型の半導体で、紫外光や白色光等を発光する発光ダイオード(light emitting diode; LED)への応用が期待されている。ＺｎＯは原材料が安価であるとともに、環境や人体への悪影響が少ないという特徴を有し、産業的有用性が高い。
【０００３】
使用可能な電力が限られているモバイル機器や小型車載機器においては、限られた電力（電流）で十分な明るさが得られるＬＥＤが求められている。省電力のためには、ＬＥＤに流れる電流を小さく抑えることが有効である。しかし一般にＬＥＤはその発光原理から、電流を制限すると発光強度が著しく低下する。
【０００４】
Ｖ字型の溝をもつ半導体積層構造において、各層の不純物濃度を調節し溝内の発光領域に電流を集中させ、光出力の温度依存性を改良する半導体発光素子の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１記載の技術においては、微小領域に溝を正確に分散形成するには多大なコストがかかるという問題がある。
【０００５】
基板の電流通路面積が光取り出し窓の面積よりも小さくなるように電流狭窄層を形成することで、光取り出し効率を向上させるＬＥＤの発明も公知である（たとえば、特許文献２参照）。特許文献２記載の構成においては、光取り出し面のｐ型半導体層による光の吸収が避けられない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−１２４１８３号公報
【特許文献２】特開昭６２−６２５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、強い発光強度を得ることができるＺｎＯ系半導体発光素子、及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によれば、第１導電型のＺｎＯ系半導体層と、前記第１導電型のＺｎＯ系半導体層上に形成されたＺｎＯ系発光層と、前記ＺｎＯ系発光層上に形成された、第２導電型のＺｎＯ系半導体層とを備える積層構造と、前記第１導電型のＺｎＯ系半導体層に電気的に接続された第１の電極と、前記第２導電型のＺｎＯ系半導体層に電気的に接続された第２の電極とを有し、前記第２導電型のＺｎＯ系半導体層は、前記ＺｎＯ系発光層上に形成された第１ＺｎＯ系半導体層と、前記第１ＺｎＯ系半導体層上に形成された第２ＺｎＯ系半導体層とを含み、前記第２ＺｎＯ系半導体層は、底面を有する凹部を複数備え、該複数の凹部の底面積の和は、前記積層構造の積層方向から見たときの前記第２ＺｎＯ系半導体層の面積の２０％〜５０％であるＺｎＯ系半導体発光素子が提供される。
【０００９】
また、本発明の他の観点によれば、（ａ）第１導電型のＺｎＯ系半導体層を形成する工程と、（ｂ）前記第１導電型のＺｎＯ系半導体層上に、ＺｎＯ系発光層を形成する工程と、（ｃ）前記ＺｎＯ系発光層上に、第２導電型のＺｎＯ系半導体層を形成する工程と、（ｄ）前記第１導電型のＺｎＯ系半導体層に電気的に接続される第１の電極、及び、前記第２導電型のＺｎＯ系半導体層に電気的に接続される第２の電極を形成する工程とを有し、前記工程（ｃ）は、（ｃ１）前記ＺｎＯ系発光層上に、第１ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程と、（ｃ２）前記第１ＺｎＯ系半導体層上に、底面を有する凹部を複数備える第２ＺｎＯ系半導体層を、２次元成長から３次元成長へと変化する成長形態で成長させる工程とを含み、前記工程（ｃ２）において、前記複数の凹部の底面積の和が、積層方向から見たときの前記第２ＺｎＯ系半導体層の面積の２０％〜５０％となるように、前記第２ＺｎＯ系半導体層を成長させるＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、強い発光強度を得ることができるＺｎＯ系半導体発光素子、及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ＭＢＥ装置の例を示す概略断面図である。
【図２】実施例によるＺｎＯ系半導体発光素子の概略断面図である。
【図３】第１〜第３の実施例に共通するＺｎＯ系半導体層成長工程を示すタイミングチャートである。
【図４】第１の実施例によるｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程を示すタイミングチャートである。
【図５】実施例による発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプの概略断面図である。
【図６】６Ａは、第１の実施例の第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの成長条件で成長させたテスト用自己形成凹層の表面を観察したＡＦＭ像であり、６Ｂは、第１の実施例による半導体発光素子の第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃの表面を観察したＡＦＭ像であり、６Ｃは、比較例による半導体発光素子のｐ型ＭｇＺｎＯ層の表面を観察したＡＦＭ像である。
【図７】第１の実施例及び比較例による半導体発光素子に関する電流−ＥＬ特性を示すグラフである。
【図８】第２の実施例によるｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程を示すタイミングチャートである。
【図９】第３の実施例によるｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程を示すタイミングチャートである。
【図１０】第１〜第３の実施例による半導体発光素子の表面（ｐ側電極３２の表面）の概略斜視図である。
【図１１】第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの形成過程を示す概略断面図である。
【図１２】Ｎ濃度のＶＩ／ＩＩ比依存性を示す図である。
【図１３】Ｎ濃度の基板温度依存性を示す図である。
【図１４】一般的なＬＥＤにおける発光強度の電流依存性を示すグラフである。
【図１５】成長条件に関する本願発明者の研究の結果を概略的に示すグラフである。
【図１６】１６Ａは、ｐ型ＭｇＺｎＯ層に関する電気抵抗−Ｎ濃度特性を示すグラフであり、１６Ｂは、１６Ａに示す結果を測定した接合構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、本発明の実施例によるＺｎＯ系半導体発光素子の製造に用いられる分子線エピタキシ(molecular beam epitaxy; MBE)装置について説明する。ＺｎＯ系半導体は、少なくともＺｎ及びＯを含む半導体である。ＺｎＯにＭｇを添加することで、バンドギャップを広げることができる。また、Ｎをｐ型不純物として添加することができる。ｎ型ＺｎＯ系半導体は、ｎ型不純物を特に添加しなくとも得ることができるが、Ｇａをｎ型不純物として添加することもできる。
【００１３】
図１は、ＭＢＥ装置の例を示す概略断面図である。真空チャンバ１が、Ｚｎソースガン２、Ｇａソースガン３、Ｍｇソースガン４、Ｏソースガン５、及び、Ｎソースガン６を備える。
【００１４】
Ｚｎソースガン２、Ｇａソースガン３、Ｍｇソースガン４は、それぞれ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｍｇの固体ソースを収容するクヌーセンセルを含み、それぞれ、Ｚｎビーム、Ｇａビーム、Ｍｇビームを出射する。Ｚｎ材料、Ｍｇ材料、Ｇａ材料として、それぞれ、たとえば純度７Ｎのものを用いる。
【００１５】
Ｏソースガン５、Ｎソースガン６は、それぞれ、たとえば１３．５６ＭＨｚのラジオ周波(radio frequency; RF)を用いた無電極放電管５ａ、６ａを含む。
【００１６】
Ｏソースガン５の無電極放電管５ａに、Ｏ２ボンベ５ｂからマスフローコントローラ５ｃを介してＯ２ガスが導入される。無電極放電管５ａに放電して発生させたＯラジカルビームが、Ｏソースガン５から出射される。
【００１７】
なお、Ｏソースガン５から出射されるビームには、Ｏの中性分子、イオン、分子ラジカル、原子ラジカルが含まれるが、原子状のＯラジカルが、結晶成長に有効である。単に「Ｏラジカル」というときは、原子ラジカルを指すこととする。
【００１８】
Ｎソースガン６の無電極放電管６ａに、Ｎ２ボンベ６ｂからマスフローコントローラ６ｃを介してＮ２ガスが導入される。窒素が導入された無電極放電管６ａに放電することにより、主に、原子ラジカル（Ｎ＊）、分子ラジカル（Ｎ２＊）、分子イオン（Ｎ２＋）等からなる、Ｎを含む複数のスピーシーズが生成され、これらのビームがＮソースガン６から出射される。なお、単に「Ｎラジカル」というときは、Ｎドーピングに有効な原子ラジカル（Ｎ＊）を指すこととする。
【００１９】
Ｏソースガン５、Ｎソースガン６に導入するＯ２ガス、Ｎ２ガスとして、それぞれ、たとえば純度７Ｎのものを用いる。
【００２０】
真空チャンバ１内に、基板ヒータを含むステージ７が配置され、ステージ７が基板８を保持する。加熱可能なＳｉＣセラミックス板が、ステージ７の基板保持面となっており、基板８が、ＳｉＣセラミックス板に裏面を接して固定される。なお、基板温度は、基板８の表面側からパイロメータで測定される。
【００２１】
ソースガン２〜６と基板８との間に、メインシャッタ９が設けられている。メインシャッタ９は、基板８上に各ビームが供給される状態と供給されない状態とを切り替える。基板８上に、所望のタイミングで所望のビームを供給することにより、所望の組成のＺｎＯ系半導体層を成長させることができる。
【００２２】
Ｎソースガン６のビーム出射口から僅かに離れた位置に、Ｎガンシャッタ６ｄが設けられている。Ｎガンシャッタ６ｄが閉状態のとき、Ｎソースガン６から出射されたビームは、Ｎガンシャッタ６ｄに衝突する。
【００２３】
分子ラジカルＮ２＊は、衝突により励起状態のＮ２＊から基底状態のＮ２に戻り、また、分子イオンＮ２＋は、衝突により中性化されて基底状態のＮ２に戻る。基底状態のＮ２は、活性がないためＺｎＯ系半導体の成長に関与しないと考えられる。一方、原子ラジカルＮ＊は、衝突によるエネルギ損失はあるものの活性を維持し、分子にならないため、基板８に到達して結晶の材料と結合するものが多い。
【００２４】
Ｎガンシャッタ６ｄが開状態のとき、原子ラジカルＮ＊、分子ラジカルＮ２＊、及び分子イオンＮ２＋のすべての活性粒子が、基板８上に供給される。Ｎ２＊及びＮ２＋は、Ｚｎ及びＭｇのマイグレーションを抑制して、３次元成長に関与するものと考えられる。
【００２５】
Ｎガンシャッタ６ｄの開状態及び閉状態の双方で、原子ラジカルＮ＊は基板８上に供給されて、Ｎドーピングが行われる。このように、Ｎガンシャッタ６ｄの開閉により、基板８上方に到達する、Ｎを含むスピーシーズが変化する。
【００２６】
次に、ＺｎＯ系半導体結晶成長におけるＶＩ／ＩＩ比について説明する。ソースガンから出射されたビームについて、単位時間・単位面積当たりの原子数（ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓｅｃ））をフラックス量と定義する。
【００２７】
Ｚｎビームのフラックス量をＪＺｎと表し、Ｏラジカルビームのフラックス量をＪＯと表す。なお、金属材料であるＺｎのビームは、原子、または複数個の原子を含むクラスターのＺｎを含み、原子及びクラスターのいずれも結晶成長に有効である。ガス材料であるＯのビームは、中性分子、イオン、分子ラジカル、原子ラジカルのＯを含むが、ここでは、結晶成長に有効な原子ラジカルのフラックス量を考える。
【００２８】
また、結晶へのＺｎの付着しやすさを示す付着係数をＫＺｎとし、Ｏの付着しやすさを示す付着係数をＫＯとする。Ｚｎの付着係数ＫＺｎとフラックス量ＪＺｎとの積ＫＺｎＪＺｎが、基板の単位面積に単位時間当たりに付着するＺｎ原子の個数に対応し、Ｏの付着係数ＫＯとフラックス量ＪＯとの積ＫＯＪＯが、基板の単位面積に単位時間当たりに付着するＯ原子の個数に対応する。
【００２９】
積ＫＺｎＪＺｎに対する積ＫＯＪＯの比であるＫＯＪＯ／ＫＺｎＪＺｎを、ＶＩ／ＩＩ比と定義する。ＶＩ／ＩＩ比が１より小さい場合をＺｎリッチ条件と呼び、ＶＩ／ＩＩ比が１に等しい場合をストイキオメトリ条件と呼び、ＶＩ／ＩＩ比が１より大きい場合をＯリッチ条件と呼ぶ。なお、基板表面温度８５０℃以下であれば、付着係数ＫＺｎ及びＫＯを１と見なすことができ、ＶＩ／ＩＩ比をＪＯ／ＪＺｎと表すことができる。
【００３０】
なお、Ｚｎ及びＭｇのフラックス量測定のため、たとえば、水晶振動式の膜厚計１０を用いる。まず、成長前に膜厚計１０のセンサ面を成長位置に配置する。次に、セルごとに所定のフラックス量になるように、各セルの加熱温度を設定する。モニタ終了後、センサを成長位置から元の位置へ戻し、成長基板を成長位置に配置する。成長の各工程において、目的のフラックス量が得られるセル温度に設定、安定した後、成長を行なう。なお、フラックス量の測定には、膜厚計１０の代わりに、イオンゲージによるフラックスモニタを用いてもよい。
【００３１】
なお、フラックス量を良好に制御するために、所望のソースについて複数のソースガンを設けることができる。たとえば、Ｚｎソースガンを２つ設けておき、Ｚｎフラックス量を多くするときには両方のＺｎソースガンを用い、Ｚｎフラックス量を少なくするときには一方のＺｎソースガンを用いることができる。なお、あるソースについて複数のソースガンを設けている場合も、図１にはまとめて１つのソースガンとして示す。
【００３２】
次に、第１〜第３の実施例によるＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００３３】
図２は、実施例によるＺｎＯ系半導体発光素子の概略断面図であり、この断面構造は、第１〜第３の実施例による半導体発光素子について共通である。なお、同一基板に多数の発光素子が同時形成された後、個々の発光素子に分離される。図２は、分離された一つ分の発光素子を示す。
【００３４】
図２、さらに他図に示すタイミングチャートを参照して、各実施例によるＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法を説明する。以下のタイミングチャートには、基板表面温度、Ｏラジカルフラックス量ＪＯ、Ｚｎフラックス量ＪＺｎ、Ｍｇフラックス量ＪＭｇ、Ｎラジカル量ＪＮ、Ｎガンシャッタの開閉状態、及びメインシャッタの開閉状態を示す。
【００３５】
まず、図３のタイミングチャートを参照して、第１〜第３の実施例に共通するＺｎＯ系半導体層成長工程について説明する。
【００３６】
ＺｎＯ基板２１として、六方晶ＺｎＯ結晶のｃ面｛（０００１）面｝からｍ軸（＜１１００＞）方向に０．５°オフした主面を有する基板を用いた。ＺｎＯ基板２１を、Ｚｎ極性面（＋ｃ面）側に結晶成長が行われるように、ＭＢＥ装置のステージに保持した。
【００３７】
次に、真空チャンバを超高真空（たとえば１０−７〜１０−５Ｐａ）に排気して、基板表面温度７５０℃で３０分、ＺｎＯ基板２１をサーマルクリーニングした（基板アニール工程）。
【００３８】
次に、基板表面温度を７５０℃から３００℃へ降温し、３００℃になるまでの間に、Ｏラジカルフラックス量ＪＯを８．０×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）、Ｚｎフラックス量ＪＺｎを７．２×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）に調整した。
【００３９】
３００℃に到達後、約１０分待った後、メインシャッタを５分開いて、厚さ３ｎｍの緩衝層２２を成長させた（緩衝層形成工程）。
【００４０】
続いて、基板表面温度を７５０℃まで昇温し、約５分アニールして、低温で成長させた緩衝層２２の結晶性を向上させた（アニール工程）。
【００４１】
次に、基板表面温度を７５０℃に保ったまま、Ｏラジカルフラックス量ＪＯを８．０×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）、Ｚｎフラックス量ＪＺｎを２．０×１０１５ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）とし、フラックス量が安定した後、メインシャッタを２０分開いて、厚さ１００ｎｍのｎ型ＺｎＯ層２３を成長させた（ｎ型ＺｎＯ層形成工程）。
【００４２】
なお、ｎ型ＺｎＯ層２３にはＧａをドープすることもできる。ｎ型ＺｎＯ層２３中のＧａ濃度は０．５×１０１８ｃｍ−３〜５．０×１０１８ｃｍ−３が適当である。適当なＧａ濃度が得られるようなＧａフラックス量を、予め実験により求めておくことができる。
【００４３】
次に、基板表面温度を６５０℃に降温し、Ｏラジカルフラックス量ＪＯを８．０×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）、Ｚｎフラックス量ＪＺｎを７．２×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）とし、フラックス量が安定した後、メインシャッタを１分３０秒開いて、厚さ１５ｎｍのＺｎＯ発光層２４を成長させた（発光層形成工程）。
【００４４】
なお、発光層は、Ｍｇ組成ｘが相対的に低いＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜０．６８）を井戸層とし、Ｍｇ組成ｙが相対的に高いＭｇｙＺｎ１−ｙＯ（０＜ｙ≦０．６８、ｙ＞ｘ）を障壁層とする量子井戸(quantum well; QW)構造とすることもできる。
【００４５】
また、ＺｎＯ結晶は六方晶構造を取り、ＭｇＯ結晶は岩塩型構造を取る。ＭｇｘＺｎ１−ｘＯは、Ｍｇ組成ｘが０．６８程度までは六方晶構造を保つことができ、安定な六方晶構造を得るためには、ｘを０．５程度以下とするのが好ましいことがわかっている。
【００４６】
なお、発光層形成工程終了まで、Ｎガンシャッタは閉状態である。
【００４７】
ＺｎＯ発光層２４の形成工程に次ぐｐ型ＭｇＺｎＯ層２５の形成工程が、第１〜第３の各実施例で異なる。まず、第１の実施例によるｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程について説明する。
【００４８】
図４は、第１の実施例によるｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程を示すタイミングチャートである。ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程は、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程〜第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程の３工程を含む。これは第２及び第３の実施例でも同様である。
【００４９】
まず、発光層形成工程から基板表面温度を６５０℃に保ったまま、Ｏラジカルフラックス量ＪＯを８．０×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）、Ｚｎフラックス量ＪＺｎを９．５×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）とした。また、Ｍｇフラックス量ＪＭｇを１．３×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）とした。ＶＩ／ＩＩ比（ＪＯ／ＪＺｎ）は０．８４となる。 Ｎソースガンは窒素流量を１．０ｓｃｃｍ、ＲＦ電力を１２０Ｗとした。Ｎラジカル量ＪＮは８．０×１０１１ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）であった。
【００５０】
フラックス量が安定した後、メインシャッタを１分３０秒間開いて、厚さ１０ｎｍの第１ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２５ａ（ｘ＝０．２５）を成長させた（第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ中のＮ濃度は約２．０×１０２０ｃｍ−３であった。
【００５１】
次に、基板表面温度を６５０℃、Ｏラジカルフラックス量ＪＯを８．０×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）、Ｍｇフラックス量ＪＭｇを１．３×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）に保ったまま、Ｚｎフラックス量ＪＺｎを６．６×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）とした。第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程に比べて、Ｚｎフラックス量ＪＺｎを減少させたことにより、ＶＩ／ＩＩ比（ＪＯ／ＪＺｎ）が１．２２に増加する。Ｎソースガンは窒素流量を０．５ｓｃｃｍ、ＲＦ電力を７０Ｗとした。Ｎラジカル量ＪＮは４．７×１０１１ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）であった。
【００５２】
フラックス量が安定した後、メインシャッタを４分間開いて、厚さ２７ｎｍの第２ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層（自己形成凹層）２５ｂ（ｘ＝０．２５）を成長させた（第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ中のＮ濃度は約７．０×１０１９ｃｍ−３であった。
【００５３】
次に、基板表面温度を６５０℃に保ったまま、Ｏラジカルフラックス量ＪＯ、Ｚｎフラックス量ＪＺｎ、Ｍｇフラックス量ＪＭｇ、及びＮソースガンの設定条件を、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程と同様の条件に戻し、第３ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２５ｃ（ｘ＝０．２５）を成長させた。ただし、メインシャッタを開く成長時間を４分３０秒として、厚さを３０ｎｍとした（第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。このようにして、第１の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５を形成した。
【００５４】
たとえば、ＶＩ／ＩＩ比の低い第１（及び第３）ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程ではＺｎソースガンを２本使用し、ＶＩ／ＩＩ比の高い第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成工程ではＺｎソースガンを１本使用することにより、ＶＩ／ＩＩ比の制御が容易になる。
【００５５】
ＶＩ／ＩＩ比は、Ｚｎフラックス量を一定とし、Ｏラジカルフラックス量を変えることで制御することも可能である。たとえば、ＶＩ／ＩＩ比の低い第１（及び第３）ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程でＯソースガンを１本使用し、ＶＩ／ＩＩ比の高い第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成工程でＯソースガンを２本使用して、ＶＩ／ＩＩ比を制御することができる。
【００５６】
なお、第１の実施例で、Ｎガンシャッタは、発光層形成工程終了後に開状態とし、ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程終了まで開状態を継続した。
【００５７】
図２に示すように、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａは、平坦な表面を有する。第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａが、２次元成長で形成されるためである。第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａを２次元成長条件で形成するのは、ＺｎＯ発光層２４に接する第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａは、高い結晶性を備えるのが望ましいことによる。
【００５８】
第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂは、表面に凹凸を備える。これは第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの３次元成長によるものである。第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂを、自己形成凹層とも呼ぶこととする。第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃは、２次元成長する条件で形成される層であるが、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの表面凹凸を反映し、対応位置の表面に凹凸を備える。
【００５９】
ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５の形成後の工程は、第１〜第３の実施例で共通である。まず、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５（第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃ）上に、フォトリソグラフィによりｐ側電極３２の形状で開口したレジストマスクを形成し、電子ビーム(electron beam; EB)蒸着によりＮｉを厚さ０．３ｎｍ〜１０ｎｍに成膜し、さらにＡｕを厚さ５ｎｍ〜２０ｎｍに成膜し、リフトオフ法により不要なＮｉ層及びＡｕ層を除去して、ｐ側電極３２を形成した。ｐ側電極３２は、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５に電気的に接続される電極である。
【００６０】
なお、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃを２次元成長条件で成長させると先述したが、これは、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃはｐ側電極３２に接するため、高い結晶性を備えるのが望ましいことによる。
【００６１】
次に、ラピッドサーマルアニール(rapid thermal anneal; RTA)により、１％〜１０％の酸素含有窒素雰囲気下で５００℃、３０秒の熱処理を行った。この熱処理により、Ａｕ／Ｎｉ電極材料が酸化し透明化して、ｐ側電極３２が透光性となる。
【００６２】
次に、フォトリソグラフィにより、ｐ側電極パッド３３の形状でｐ側電極３２の一部領域上に開口したレジストマスクを形成し、ＥＢ蒸着によりＮｉを厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍに成膜し、Ｐｔを厚さ１００ｎｍに成膜し、さらにＡｕを厚さ１０００ｎｍに成膜し、リフトオフ法により不要なＮｉ層、Ｐｔ層及びＡｕ層を除去して、ｐ側電極パッド３３を形成した。
【００６３】
次に、ＺｎＯ基板２１の裏面上に、フォトリソグラフィにより、ｎ側電極３１の形状で開口したレジストマスクを形成し、ＥＢ蒸着によりＴｉを厚さ１０ｎｍ〜１００ｎｍに成膜し、さらにＡｕを厚さ３００ｎｍ〜１０００ｎｍに成膜し、リフトオフ法により不要なＴｉ層及びＡｕ層を除去して、ｎ側電極３１を形成した。ｎ側電極３１は、ｎ型ＺｎＯ層２３に電気的に接続される電極である。
【００６４】
次に、ＺｎＯ基板２１にスクライブ溝をｍ軸方向及びａ軸方向に形成し、ブレーキング装置で個々の半導体発光素子に分離した。
【００６５】
図５は、実施例による発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプの概略断面図である。この断面構造は、第１〜第３の実施例による半導体発光素子４１を使ったＬＥＤランプに共通である。
【００６６】
ｎ側電極を銀ペースト４２でステム４３（ＴＯ−３７）に接着して半導体発光素子４１をダイボンディングし、ｐ側電極パッドを金線４４によりピン４５にワイヤボンディングして、缶パッケージのＬＥＤランプ４６を作製した。
【００６７】
図６Ａは、第１の実施例の第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの成長条件で成長させたテスト用自己形成凹層の表面を観察した原子間力顕微鏡(atomic force microscope; AFM)像である。５μｍ角の正方形領域が観察されている。色の濃い部分が凹部であり、凹凸形状の表面が得られていることがわかる。これは第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの３次元成長によるものである。２乗平均表面粗さ（以下、単に表面粗さと呼ぶこととする。）Ｒｍｓは１９．７ｎｍであった。
【００６８】
図６Ｂは、第１の実施例による半導体発光素子の第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃの表面を観察したＡＦＭ像である。５μｍ角の正方形領域が観察されている。前述したように、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃは、２次元成長する条件で形成された層であるが、下地の第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの表面構造をある程度反映した凹凸形状を示す。表面粗さＲｍｓは１８．６８ｎｍであった。
【００６９】
図６Ａ及び図６Ｂに示すＡＦＭ像からは、第２及び第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂ、２５ｃの表面には、六角形の開口部と底面とをもつ凹部が分散しているように観察される。
【００７０】
第１の実施例に対応し、本願発明者は比較例による半導体発光素子を作製した。比較例による半導体発光素子は、第１の実施例におけるｐ型ＭｇＺｎＯ層２５形成工程から、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ形成工程を省いて作製した発光素子である。
【００７１】
図６Ｃは、比較例による半導体発光素子のｐ型ＭｇＺｎＯ層の表面を観察したＡＦＭ像である。５μｍ角の正方形領域が観察されている。比較例のｐ型ＭｇＺｎＯ層は２次元成長しており、平坦な表面が得られている。表面粗さＲｍｓは０．４９ｎｍであった。
【００７２】
図７は、第１の実施例及び比較例による半導体発光素子に関する電流−エレクトロルミネセンス(electro-luminescence; EL)特性を示すグラフである。横軸はＥＬ強度を任意単位で示し、縦軸は素子に流れる電流を単位「ｍＡ」で示す。黒三角を結んだ曲線は、第１の実施例におけるＥＬ強度と素子に流れる電流との関係を表し、黒四角を結んだ曲線は、比較例におけるそれを表す。
【００７３】
たとえば８０００のＥＬ強度を得るために必要な素子電流は、比較例においては５０ｍＡ、第１の実施例においては３４ｍＡ（比較例の６８％）である。同じＥＬ強度を得るのに、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂを備える第１の実施例においては、比較例に比べて約３０％の素子電流を削減することができることがわかる。第１の実施例による半導体発光素子は、小電流で強い発光強度を得ることが可能な発光素子であるということができる。
【００７４】
図８は、第２の実施例によるｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程を示すタイミングチャートである。まず、発光層形成工程から基板表面温度を６５０℃、Ｏラジカルフラックス量ＪＯを８．０×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）、Ｚｎフラックス量ＪＺｎを７．２×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）に保ったまま、Ｍｇフラックス量ＪＭｇを１．３×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）とした。ＶＩ／ＩＩ比（ＪＯ／ＪＺｎ）は１．２２となる。Ｎソースガンは窒素流量を１．０ｓｃｃｍとしＲＦ電力を１５０Ｗとした。Ｎガンシャッタは閉状態とした。Ｎラジカル量ＪＮは約７．６×１０１１ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）であった。
【００７５】
フラックス量が安定した後、メインシャッタを１分３０秒間開いて、厚さ１０ｎｍの第１ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２５ａ（ｘ＝０．２５）を成長させた（第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ中のＮ濃度は約１．６３×１０２０ｃｍ−３であった。
【００７６】
次に、基板表面温度、Ｏラジカルフラックス量ＪＯ、Ｚｎフラックス量ＪＺｎ、Ｍｇフラックス量ＪＭｇを保ったまま、Ｎソースガンの窒素流量を０．３ｓｃｃｍ、ＲＦ電力を５０Ｗとした。また、Ｎソースガンのガンシャッタを開状態とした。Ｎラジカル量ＪＮは約３．３×１０１１ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）であった。
【００７７】
フラックス量が安定した後、メインシャッタを４分間開いて、厚さ２７ｎｍの第２ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層（自己形成凹層）２５ｂ（ｘ＝０．２５）を成長させた（第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ中のＮ濃度は約３．０×１０１９ｃｍ−３であった。
【００７８】
次に、基板表面温度を６５０℃に保ったまま、Ｏラジカルフラックス量ＪＯ、Ｚｎフラックス量ＪＺｎ、Ｍｇフラックス量ＪＭｇ、及びＮソースガンの流量と供給電力などの設定条件を、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程と同様の条件に戻し、第３ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２５ｃ（ｘ＝０．２５）を成長させた。ただし、メインシャッタを開く成長時間を４分３０秒として、厚さを３０ｎｍとした（第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。このようにして、第２の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５を形成した。
【００７９】
第２の実施例においても、自己形成凹層、及びその凹凸構造を反映する素子表面が形成される。また、第１の実施例と同様に、小電流で強い発光強度を得ることができる。
【００８０】
続いて、第３の実施例によるｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程について説明する。
【００８１】
図９は、第３の実施例によるｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程を示すタイミングチャートである。まず、発光層形成工程後、Ｎガンシャッタを閉状態としたまま、基板表面温度を４８０℃、Ｏラジカルフラックス量ＪＯを８．０×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）、Ｚｎフラックス量ＪＺｎを７．２×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）、Ｍｇフラックス量ＪＭｇを１．３×１０１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）とした。ＶＩ／ＩＩ比（ＪＯ／ＪＺｎ）は１．１となる。 Ｎソースガンは窒素流量を１．０ｓｃｃｍとしＲＦ電力を１５０Ｗとした。Ｎラジカル量ＪＮは約７．６×１０１１ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）であった。
【００８２】
フラックス量が安定した後、メインシャッタを開いた状態で１分３０秒、厚さ１０ｎｍの第１ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２５ａ（ｘ＝０．２５）を成長させた（第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ中のＮ濃度は約１．６×１０２０ｃｍ−３であった。
【００８３】
次に、基板表面温度を６６８℃、Ｎガンシャッタを開状態とした。Ｏラジカルフラックス量ＪＯ、Ｚｎフラックス量ＪＺｎ、Ｍｇフラックス量ＪＭｇは、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程と同一に保ち、メインシャッタを開いて４分、厚さ２７ｎｍの第２ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層（自己形成凹層）２５ｂ（ｘ＝０．２５）を成長させた（第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。Ｎソースガンは窒素流量を０．５ｓｃｃｍとしＲＦ電力を７０Ｗとした。Ｎラジカル量ＪＮは約４．６×１０１１ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）であった。
【００８４】
第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ中のＮ濃度は、約４．０×１０１９ｃｍ−３であった。基板表面温度を増加させることでドープされるＮの濃度が減少する。また、所定の基板温度、ＶＩ／ＩＩ比（ＪＯ／ＪＺｎ）においてＮガンシャッタを開くと、自己凹部をもつｐ型半導体層が形成される。
【００８５】
次に、Ｎガンシャッタを再び閉状態とし、Ｏラジカルフラックス量ＪＯ、Ｚｎフラックス量ＪＺｎ、Ｍｇフラックス量ＪＭｇ、及びＮソースガンの窒素流量、ＲＦ電力を、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程と同様の条件とし、基板表面温度を５２０℃として、第３ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層２５ｃ（ｘ＝０．２５）を成長させた。ただし、メインシャッタを開いた状態で４分３０秒間成長させて、厚さを３０ｎｍとした（第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。このようにして、第３の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５を形成した。
【００８６】
第３の実施例においても、自己形成凹層、及びその凹凸構造を反映する素子表面が形成される。また、第１の実施例と同様に、小電流で強い発光強度を得ることができる。
【００８７】
図１０は、第１〜第３の実施例による半導体発光素子の表面（ｐ側電極３２の表面）の概略斜視図である。なお、本図の一点鎖線ＸＸ´に沿った概略断面図が図２である。発光素子の表面には、倒立した六角錐台形状の凹部が複数形成されている。各凹部の開口部は六角形であり、底面は平らな六角形である。
【００８８】
第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂには、発光素子表面の凹部形成位置と対応する位置に、ほぼ同形状、同サイズの凹部が形成されていると考えられる。第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂには、側面が結晶面{（１１０ｎ）面（ｎ＝０、１、２、３、・・）}で囲まれ、六角形の開口部と、平らな六角形の底面とをもつ、倒立した六角錐台形状の凹部が複数形成されているであろう。
【００８９】
第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂや発光素子表面の、凹部のサイズ（開口部や底面の大きさ、凹部の深さ）及び分布密度は、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの成長膜厚（成長時間）、基板温度（成膜温度）、ＶＩ／ＩＩ比で制御できると考えられる。
【００９０】
図１１は、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの形成過程を示す概略断面図である。形成過程における第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂは、ぬれ層２５ｂ１及び島状部分２５ｂ２を含むと考えられる。
【００９１】
第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの形成過程においては、まず第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ上に、その全面を被覆するようにぬれ層２５ｂ１が形成される。その後、ぬれ層２５ｂ１上に、複数の島状部分２５ｂ２からなる島状構造が形成される。そして島状構造の各々の島状部分２５ｂ２が完全に繋がる前に成膜を停止することにより、底面をもつ凹部が分布する第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂが形成される。
【００９２】
凹部は、倒立した六角錐台の形状を有し、斜面（側面）（結晶面（１１０ｎ））２５ｂ３及び底面（結晶面（０００１））２５ｂ４を備える。凹部の底面２５ｂ４は、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの成長初期に形成されるぬれ層２５ｂ１で構成される。凹部の開口部は六角形状である。
【００９３】
一般に、薄膜の結晶成長は、基板または下地層と、成長材料（プリカーサー）との結合力の大きさにより、２次元成長をするFrank-vader-der-Werwe型、２次元成長から３次元成長へと変化するStranski-Krastanov型、３次元成長をするVolmer-Weber型に分類される。
【００９４】
実施例による第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの形成工程においては、成膜条件を適当に選択することにより、Stranski-Krastanov型の成長形態を実現する。成長の初期においては、下地層である第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａと、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの成膜材料（プリカーサー）との結合力がある程度大きいため、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａに近い数層めまでは２次元成長し、ぬれ層２５ｂ１が第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａの全面を覆うように形成される。
【００９５】
しかしその後は、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａとの結合力の寄与は薄れて、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂは３次元的に成長しはじめ、（１１０ｎ）面の斜面と、（０００１）面の上面とをもつ島状部分２５ｂ２が分布した構造が形成される。この後、成膜初期の２次元成長によって得られるぬれ層２５ｂ１で構成される底面２５ｂ４と、その後の３次元成長によって得られる島状部分２５ｂ２で構成される斜面（側面）２５ｂ３とをもつ凹部が形成される。
【００９６】
ぬれ層２５ｂ１の厚みは、成長条件によって異なる。Ｍｇ組成が低く、下地層とのミスマッチ量が少なければ、結合力の寄与が及ぶ範囲が広いのでぬれ層２５ｂ１は厚く、逆にＭｇ組成が高くミスマッチ量が多ければ薄くなる。実施例による第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂにおけるぬれ層２５ｂ１の厚みは５ｎｍ以下であればよい。Stranski-Krastanov型成長において、２次元成長するぬれ層は２〜数原子層であり、ＺｎＯ（ＭｇＺｎＯ）のｃ軸方向の１層あたりの高さは約５．２ｎｍであるためである。
【００９７】
凹部の底面を得るには、３次元成長の初期、各々の島状部分２５ｂ２が、ぬれ層２５ｂ１上を覆うような態様で連続する前に、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの成長を止めなければならない。第１〜第３の実施例においては、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの厚さを２７ｎｍと薄くすることで凹部の底面を得た。厚さを少なくとも３０ｎｍ以下とすることで、凹部の底面は得られるであろう。
【００９８】
凹部の底面が得られる理由は、いまだ研究中である。ただ、ぬれ層２５ｂ１の厚さが、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの厚さに対し一定の割合以上ある場合は、底面が埋没されず残るものと考えられる。ぬれ層２５ｂ１の厚さを５ｎｍと仮定すると、実施例における第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの厚さは２７ｎｍであるため、その割合は１８．５％となる。第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの厚さに対するぬれ層２５ｂ１の厚さの割合は、１５％以上必要ではないかと考えられる。このとき凹部の深さは、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの厚さの８５％以下となる。
【００９９】
なお、前述のように、凹部底面の大きさは、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの成長膜厚（成長時間）、基板温度（成膜温度）、ＶＩ／ＩＩ比で制御できると考えられる。これらによって島状部分２５ｂ２の繋がり方が調節されるためである。
【０１００】
続いて、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５（第１〜第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ〜２５ｃ）のＮ濃度の調節方法について説明する。ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５内においてＮ濃度を変化させるために、３つの方法を用いることができる。
【０１０１】
第１の方法は、ＶＩ／ＩＩ比を変える方法である。
【０１０２】
図１２に、Ｎ濃度のＶＩ／ＩＩ比依存性を示す。図の横軸は、リニアな目盛りでＶＩ／ＩＩ比を表す。縦軸は、対数目盛りによりＮ濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。黒丸で、ＮソースガンのＲＦ電力が７０Ｗのときの両者の関係を示し、黒四角で、ＮソースガンのＲＦ電力が１２０Ｗの場合のそれを示す。
【０１０３】
ＲＦ電力にかかわらず、Ｏリッチ条件とすることでＮ濃度は低下する。また、Ｏリッチ条件下では、ＶＩ／ＩＩ比の増加に伴いＮ濃度が低下することがわかる。この関係を利用して、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５のＮ濃度を変化させることができる。たとえばＮ濃度を小さくするときには、Ｏリッチ条件の下でＶＩ／ＩＩ比を増加させればよい。なお、Ｎ濃度のＶＩ／ＩＩ比依存性に関する同様の傾向が、特願２００９−０７８１６７号に報告されている。
【０１０４】
第２の方法は、基板温度を変化させる方法である。
【０１０５】
図１３に、Ｎ濃度の基板温度依存性を示す。図の横軸は、リニアな目盛りにより基板表面温度を単位「℃」で表す。縦軸は、対数目盛りによりＮ濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。黒丸で、Ｎガンシャッタが開状態のときの両者の関係を示し、黒三角で、Ｎガンシャッタが閉状態の場合のそれを示す。
【０１０６】
Ｎガンシャッタの開状態、閉状態にかかわらず、基板温度の増加につれて、Ｎ濃度が低下する傾向が認められる。基板温度の上昇に伴いＮ濃度が低下するのは、温度上昇にしたがってＮラジカルの付着確率が低下するためと考えられる。この関係を利用して、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５のＮ濃度を変化させることができる。たとえばＮ濃度を小さくするときには、基板温度を上昇させればよい。
【０１０７】
第３の方法は、Ｎソースガンに投入する電力を調整する方法である。たとえばＲＦ電力を５０〜１５０Ｗの範囲で調節することで、Ｎラジカル量ＪＮを３．３×１０１１〜１．０×１０１２ａｔｏｍｓ／（ｃｍ２・ｓ）の範囲で変化させることができる。ＲＦ電力を小さくすると、Ｎラジカル量ＪＮも小さくなり、Ｎ濃度は低下する。
【０１０８】
第１〜第３の実施例においては、以上の３つの方法を、単独で、または組み合わせてＮ濃度を調整することで、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂのＮ濃度を低下させ、高抵抗化を行っている。
【０１０９】
第１の実施例においては、基板温度（成膜温度）一定の下、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ形成時に、Ｚｎリッチ条件からＯリッチ条件に変更するとともに、Ｎソースガンに投入するＲＦ電力を小さくして、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂのＮ濃度を下げ、高抵抗化した（上記第１の方法及び第３の方法）。
【０１１０】
第２の実施例においては、基板温度とＶＩ／ＩＩ比とを一定にし、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ形成時に、Ｎソースガンに投入するＲＦ電力を小さくして、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂのＮ濃度を下げ、高抵抗化した（上記第３の方法）。
【０１１１】
第３の実施例においては、ＶＩ／ＩＩ比を一定とし、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ形成時に、基板温度を上げるとともに、Ｎソースガンに投入するＲＦ電力を小さくして、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂのＮ濃度を下げ、高抵抗化した（上記第２の方法及び第３の方法）。
【０１１２】
第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃは第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａと等しい基板温度、ＶＩ／ＩＩ比、及びＮソースガンへの投入ＲＦ電力で成膜されるため、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂは、第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃよりも電気抵抗値の高い層となる。
【０１１３】
次に、実施例によるＺｎＯ系半導体発光素子が小電流で強い発光強度を得ることができる理由について考察する。
【０１１４】
第１〜第３の実施例による半導体発光素子においては、ｎ側電極３１とｐ側電極３２との間に電圧を印加したとき、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃから第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａに流れる電流は、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂを通過する際、その凹部に集中する。これは、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂが、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃよりも高抵抗であるためである。すなわち第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂにおいては六角形凹部底面が主たる発光部となる。
【０１１５】
仮に、半導体発光素子の発光が第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの六角形凹部底面のみを介して行われ、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの１μｍ角当たりに、外径３０ｎｍの六角形凹部底面が１２０個分布しているとする。このとき六角形凹部底面からなる発光部の総面積は、１μｍ角当たり０．２８μｍ２となる。電流密度は発光部の総面積と反比例の関係にあるため、六角形凹部底面を流れる電流は、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂが均一の厚さを有する場合（第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂの全面から均一に発光が行われる場合）と比較すると、１／０．２８＝約３．５７倍になる。
【０１１６】
図１４は、一般的なＬＥＤにおける発光強度の電流依存性を示すグラフである。グラフの横軸は、ＬＥＤに流れる電流を単位「ｍＡ」で表し、縦軸は、ＬＥＤの発光強度を任意単位で表す。グラフから、たとえばＬＥＤを流れる電流が２０ｍＡから約３．５７倍の約７０ｍＡに増加した場合、発光強度は１７００から１００００へと約５．８倍になることがわかる。
【０１１７】
実施例によるＺｎＯ系半導体発光素子の、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂにおける１μｍ角当たりの発光部総面積を０．２８μｍ２とした場合、発光強度は、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂが均一の厚さを有する場合と比較すると、０．２８×５．８＝約１．６倍になると計算される。このように、実施例によるＺｎＯ系半導体発光素子においては、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂにおける凹部への電流集中による発光部面積の減少に基いて、発光強度を強くすることができる。たとえば必要な発光強度が定まっている場合には、半導体発光素子の低電流化を実現することができる。
【０１１８】
また、実施例によるＺｎＯ系半導体発光素子においては、発光部が凹部の底面であり、発光部における第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの膜厚が薄い。これに基く第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂによる発光吸収の減少も、発光強度の向上に寄与していると考えられる。
【０１１９】
なお、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂに形成される凹部が平らな底面をもつことが、実施例による半導体発光素子が小電流で強い発光強度を得る上で重要である。これは電流が集中する領域を、一定以上の面積で設けることができるためである。楔型の谷が設けられた場合は先端部分に電流が集中するが、発光面積が小さくなるため、強い発光強度は得られない。また、ここでの平らとは、電流集中にほとんど変化のない程度の多少の高低差は許容するものである。
【０１２０】
第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂに形成される凹部は、Stranski-Krastanov型成長によって設けられるものと考えられるため、結晶面（１１０ｎ）（ｎ＝０、１、２、３、・・）で囲まれ、ＺｎＯの結晶面に平行もしくは沿った六角形の底面をもつ凹部となっているものと考えられる。
【０１２１】
第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの凹部底面の総面積は、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの成膜（形成）範囲の面積（素子の積層方向から平面視したときの面積、素子上面面積）の２０％〜５０％であることが好適であろう。５０％を超えると、凹部への電流集中による発光強度向上の効果が得られにくいであろう。２０％未満である場合、素子の電気抵抗が大きくなってしまい好ましくない。
【０１２２】
第１〜第３の実施例によるｐ型ＭｇＺｎＯ層２５の成長方法についてまとめる。
【０１２３】
第１の実施例では、第１〜第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ〜２５ｃの形成工程において、基板温度（成膜温度）一定の下、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ成膜時に、ＶＩ／ＩＩ比を増加させ、さらにＮソースガンに投入するＲＦ電力を小さくことにより、成長モードを２次元成長と３次元成長との間で変化させ、かつ、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂを高抵抗化した。
【０１２４】
第２の実施例では、第１〜第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ〜２５ｃの形成工程において、基板温度とＶＩ／ＩＩ比とを一定としたまま、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ成膜時に、Ｎガンシャッタを開状態とし、さらにＮソースガンに投入するＲＦ電力を小さくことにより、成長モードを２次元成長と３次元成長との間で変化させ、かつ、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂを高抵抗化した。ＶＩ／ＩＩ比を変化させないので、フラックス量を変えずにすむ。
【０１２５】
第３の実施例では、第１〜第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ〜２５ｃの形成工程において、ＶＩ／ＩＩ比を一定としたまま、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ成膜時に、Ｎガンシャッタを開状態とし、またＮソースガンに投入するＲＦ電力を小さくし、さらに基板温度を大きくすることにより、成長モードを２次元成長と３次元成長との間で変化させ、かつ、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂを高抵抗化した。第２の実施例と同様に、ＶＩ／ＩＩ比を変化させないので、フラックス量を変えずにすむ。
【０１２６】
本願発明者は、実施例を含む多数の半導体発光素子の製作、及び実験から、第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃの形成条件と、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの形成条件との境界を推定した。第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃの形成条件は２次元成長させて成膜を行う条件である。また、前述したように、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの形成条件においては、２次元成長から３次元成長へと変化するStranski-Krastanov型の成長形態が実現される。
【０１２７】
図１５は、成長条件に関する本願発明者の研究の結果を概略的に示すグラフである。グラフの横軸はＶＩ／ＩＩ比を表し、縦軸は基板表面温度を単位「℃」で表す。
【０１２８】
領域Ｉは、第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃの形成条件を示す。領域Ｉは、本図において（ＶＩ／ＩＩ比，基板表面温度）の組み合わせが（０．６，４５０）、（０．６，７００）、（１．２，７００）の３点を頂点とする三角形の内部で表される領域である。領域Ｉに属する条件は、２次元成長による成膜を実現する。
【０１２９】
領域ＩＩは、Ｎガンシャッタが開状態のとき、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの形成条件を示す。領域ＩＩは、本図において（ＶＩ／ＩＩ比，基板表面温度）の組み合わせが（０．６，４５０）、（１．２，７００）、（１．８，４５０）の３点を頂点とする三角形の内部で表される領域である。領域ＩＩに属する条件で、２次元成長から３次元成長へと変化するStranski-Krastanov型による成膜、または３次元成長による成膜が実現される。
【０１３０】
基板表面温度が７００℃でStranski-Krastanov型成長または３次元成長が生じるのは、ＶＩ／ＩＩ比が１．２程度のときに限られる。Stranski-Krastanov型成長または３次元成長が実現されるＶＩ／ＩＩ比の範囲は、基板表面温度が低くなるにつれて広くなり、たとえば基板表面温度が６８０℃では、ＶＩ／ＩＩ比１．１５〜１．２５の範囲、６５０℃では、ＶＩ／ＩＩ比１．０〜１．３の範囲、５５０℃では、ＶＩ／ＩＩ比０．９〜１．５の範囲、４５０℃では、ＶＩ／ＩＩ比０．６〜１．８の範囲となる。
【０１３１】
領域ＩＩＩは、基板表面温度が４５０℃未満の領域である。領域ＩＩＩに属する条件で成膜を行った場合、半導体発光素子のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５に、十分な結晶性をもたせることは困難である。
【０１３２】
領域ＩＶは、領域Ｉ及びＩＩより高温側、すなわち基板表面温度が７００℃を超える領域である。領域ＩＶに属する条件では、２次元成長による成膜が実現される。ただし、基板表面温度が領域ＩＩより高い領域ＩＶの条件で、第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃを成膜した場合、第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃのＮ濃度が低下して、高抵抗となるため、小電流で強い発光強度を得るという効果を十分には奏することはできないであろう。
【０１３３】
第１〜第３の実施例におけるｐ型ＭｇＺｎＯ層２５の成長条件を、本図を参照し整理する。
【０１３４】
小領域５０は、第１の実施例の第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃの成膜条件に対応する。
【０１３５】
小領域５１は、Ｎガンシャッタが開状態のとき、第１〜第３の実施例の第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの成膜条件に対応し、Ｎガンシャッタが閉状態のとき、第２の実施例の第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃの成膜条件に対応する。
【０１３６】
小領域５２は、Ｎガンシャッタが閉状態のとき、第３の実施例の第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃの成膜条件に対応する。
【０１３７】
第１の実施例では、小領域５０の条件で第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃを成長させ、ＶＩ／ＩＩ比の大きい小領域５１の条件、かつ、Ｎソースガンへの投入電力を小さくし、Ｎガンシャッタ開状態で、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂを成長させる。
【０１３８】
第２の実施例では、基板温度とＶＩ／ＩＩ比とを小領域５１の条件に固定し、Ｎガンシャッタの閉状態で第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃを成長させ、Ｎガンシャッタを開状態にし、かつ、Ｎソースガンへの投入電力を小さくして、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂを成長させる。
【０１３９】
Ｎガンシャッタを閉状態とした場合でも、開状態の３分の２程度まではＮをドープできるため、Ｎソースガンへの投入電力を適当な値に設定することで、所望のＮ濃度の第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃを成長させることが可能である。
【０１４０】
第３の実施例では、小領域５２の条件、かつ、Ｎガンシャッタの閉状態で第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃを成長させ、小領域５１の条件、かつ、Ｎガンシャッタを開状態にし、Ｎソースガンへの投入電力を小さくして、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂを成長させる。
【０１４１】
最後に、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５の好ましいＮ濃度及び電気抵抗値について述べる。第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃの好ましいＮ濃度の範囲は、９．０×１０１９ｃｍ−３〜３．０×１０２０ｃｍ−３であり、より好ましい範囲は、１．８×１０２０ｃｍ−３〜３．０×１０２０ｃｍ−３である。また、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂのＮ濃度は、８．０×１０１９ｃｍ−３以下であることが望ましく、５．０×１０１９ｃｍ−３以下であることが一層望ましい。
【０１４２】
第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃのＮ濃度は、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂのＮ濃度の２倍以上であることが望ましい。第１の実施例においては約２．９倍、第２の実施例においては約５．４倍、第３の実施例においては約４．０倍となっている。
【０１４３】
図１６Ａは、ｐ型ＭｇＺｎＯ層に関する電気抵抗−Ｎ濃度特性を示すグラフである。グラフの横軸は、対数目盛りを用いてｐ型ＭｇＺｎＯ層のＮ濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。縦軸は、リニアな目盛りを用い、ｐ型ＭｇＺｎＯ層を含む接合構造の電気抵抗値を単位「Ω」で表す。
【０１４４】
図１６Ｂは、図１６Ａに示す結果を測定した接合構造を示す概略断面図である。図１６Ａに示す電気抵抗−Ｎ濃度特性は、ｐ型ＭｇＺｎＯ層のＮ濃度を変えて、本図に示す金属電極／ｐ型ＭｇＺｎＯ層／ＺｎＯ基板の接合構造を作製し、接合構造の積層（縦）方向の電流−電圧特性を測定することで求めた。ここでＺｎＯ基板は一辺が２ｍｍの正方形状で、厚さは０．５ｍｍ、電気抵抗率は、０．４Ω・ｃｍである。ＺｎＯ基板の電気抵抗値は約９０Ωと計算される。
【０１４５】
図１６Ａに示す測定結果を参照すると、Ｎ濃度が８．０×１０１９ｃｍ−３以下のとき、接合構造の電気抵抗値は１７０Ω以上であることがわかる。また、Ｎ濃度が１．８×１０２０ｃｍ−３〜３．０×１０２０ｃｍ−３であるとき、接合構造の電気抵抗値は１００Ω〜１３０Ωであると考えられる。これらの値から、ＺｎＯ基板の電気抵抗値（９０Ω）を引くと、Ｎ濃度が８．０×１０１９ｃｍ−３以下のとき、ｐ型ＭｇＺｎＯ層の電気抵抗値は８０Ω以上であり、Ｎ濃度が１．８×１０２０ｃｍ−３〜３．０×１０２０ｃｍ−３であるとき、ｐ型ＭｇＺｎＯ層の電気抵抗値は１０Ω〜４０Ωであると考えられる。
【０１４６】
したがって、第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃがより好ましいＮ濃度の範囲（１．８×１０２０ｃｍ−３〜３．０×１０２０ｃｍ−３）に形成され、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂが望ましいＮ濃度の範囲（８．０×１０１９ｃｍ−３以下）に形成されるとき、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの電気抵抗率は、第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃのそれの２倍以上となることがわかる。
【０１４７】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。
【０１４８】
たとえば実施例においては、Ｍｇを添加したｐ型ＭｇＺｎＯ層２５について、２次元成長させる相対的高窒素濃度（低抵抗）層（第１、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃ）と、３次元成長部分を含む相対的低窒素濃度（高抵抗）層（第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂ）を積層した。他のＺｎＯ系半導体層についても、ＶＩ／ＩＩ比と基板温度（成膜温度）のうちの少なくとも一方、Ｎソースガンへの投入電力（Ｎラジカル量）、及びＮガンシャッタの開閉状態の制御により、同様に、２次元成長により形成される相対的高窒素濃度（低抵抗）層と、３次元成長を含む成長形態により形成される相対的低窒素濃度（高抵抗）層とを積層して、強い発光強度を実現可能な半導体発光素子を作製することができる。
【０１４９】
また、実施例においては、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ上に、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃを積層したが、第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃは必須ではない。第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃが形成されない場合でも、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂの膜厚の相違に基いて、凹部に電流集中が生じ、発光強度の向上が実現される。
【０１５０】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
ＺｎＯ系半導体発光素子に、３次元成長を含む成長態様で形成される高抵抗のｐ型ＺｎＯ系半導体層を用いることにより、所定の発光強度を得る際の低電流化効果を奏することができる。消費電力が低減できるため、省電力機器へ幅広く利用可能である。
【符号の説明】
【０１５２】
１  真空チャンバ
２  Ｚｎソースガン
３  Ｇａソースガン
４  Ｍｇソースガン
５  Ｏソースガン
５ａ  無電極放電管
５ｂ  Ｏ２ボンベ
５ｃ  マスフローコントローラ
６  Ｎソースガン
６ａ  無電極放電管
６ｂ  Ｎ２ボンベ
６ｃ  マスフローコントローラ
６ｄ  Ｎガンシャッタ
７  ステージ
８  基板
９  メインシャッタ
１０  膜厚計
２１  ＺｎＯ基板
２２  緩衝層
２３  ｎ型ＺｎＯ層
２４  ＺｎＯ発光層
２５  ｐ型ＭｇＺｎＯ層
２５ａ  第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層
２５ｂ  第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）
２５ｂ１  ぬれ層
２５ｂ２  島状部分
２５ｂ３  凹部の斜面（結晶面（１１０ｎ））
２５ｂ４  凹部の底面（結晶面（０００１））
２５ｃ  第３ｐ型ＭｇＺｎＯ層
３１  ｎ側電極
３２  ｐ側電極
３３  ｐ側電極パッド
４１  半導体発光素子
４２  銀ペースト
４３  ステム
４４  金線
４５  ピン
４６  ＬＥＤランプ
【図１】
2012038750.tif 000003
【図２】
2012038750.tif 000004
【図３】
2012038750.tif 000005
【図４】
2012038750.tif 000006
【図５】
2012038750.tif 000007
【図７】
2012038750.tif 000008
【図８】
2012038750.tif 000009
【図９】
2012038750.tif 000010
【図１１】
2012038750.tif 000011
【図１４】
2012038750.tif 000012
【図１５】
2012038750.tif 000013
【図１６】
2012038750.tif 000014
【図６】
2012038750.tif 000015
【図１０】
2012038750.tif 000016
【図１２】
2012038750.tif 000017
【図１３】
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