(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンドギャップエネルギーが２．２ｅＶ以上であるワイドギャップ型酸化物半導体からなる発光層部を有し、
該発光層部は、ｐ型クラッド層、活性層及びｎ型クラッド層が互いに積層されたダブルヘテロ構造を有し、さらに、前記ｐ型クラッド層と前記ｎ型クラッド層との少なくとも一方が、
前記活性層に隣接するようにヘテロ接合され、キャリアに対するバリア層の機能を果たす第一結晶層と、
該第一結晶層に対して前記活性層と反対側にヘテロ接合され、該第一結晶層よりバンドギャップエネルギーが低い第二結晶層とを有するとともに、
前記ワイドギャップ型酸化物半導体は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）であり、
前記第一結晶層は単一層であり、かつ、前記ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１：以下、ｘを混晶比という）により構成される前記第一結晶層の混晶比ｘをｘＨ、前記第二結晶層の混晶比ｘをｘＬとして、ｘＨ＞ｘＬであり、
前記第一結晶層は、前記第二結晶層よりも、キャリア濃度が低いことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記混晶比ｘＨ及びｘＬが、それぞれ０．１０≦ｘＨ≦０．６５、０．０１≦ｘＬ≦０．４０の範囲で調整されてなる請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記第一結晶層の厚さｔが５０Å以上５００Å以下の範囲で調整されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
バンドギャップエネルギーが２．２ｅＶ以上であるワイドギャップ型酸化物半導体からなる発光層部を有し、
該発光層部は、ｐ型クラッド層、活性層及びｎ型クラッド層が互いに積層されたダブルヘテロ構造を有し、さらに、前記ｐ型クラッド層と前記ｎ型クラッド層との少なくとも一方が、
前記活性層に隣接するようにヘテロ接合され、キャリアに対するバリア層の機能を果たす第一結晶層と、
該第一結晶層に対して前記活性層と反対側にヘテロ接合され、該第一結晶層よりバンドギャップエネルギーが低い第二結晶層とを有し、
前記第一結晶層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有するバリア層と井戸層とが交互に積層された量子井戸構造からなり、
前記ワイドギャップ型酸化物半導体は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）であり、
前記第一結晶層は前記量子井戸構造を有するものであり、前記ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）より構成される前記バリア層の混晶比ｘをｘＢ、及び前記井戸層の混晶比ｘをｘＷとして、ｘＢ＞ｘＷとされてなり、
前記バリア層は、前記井戸層よりも、キャリア濃度が低いことを特徴とする発光素子。
【請求項５】
前記混晶比ｘＢ及びｘＷが、それぞれ０．１０≦ｘＢ≦０．６５、０．０１≦ｘＷ≦０．４０の範囲で調整されていることを特徴とする請求項４記載の発光素子。
【請求項６】
前記第一結晶層の厚さｔが５０Å以上５００Å以下の範囲で調整されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記バリア層の厚さｔＢが５０Å以上１５０Å以下の範囲で調整され、前記井戸層の厚さｔｗが１５Å以上１５０Å以下の範囲で調整されていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記第一結晶層及び第二結晶層を有するクラッド層は、ｐ型クラッド層であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項９】
前記ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）より構成される前記ｐ型クラッド層は、ｐ型ドーパントとしてＬｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの１種又は２種以上とを含有することを特徴とする請求項８記載の発光素子。
【請求項１０】
前記ｐ型ドーパントは、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９記載の発光素子。
【請求項１１】
前記ｎ型クラッド層は、ｎ型ドーパントとしてＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の発光素子。
【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バンドギャップエネルギーが２．２ｅＶ以上であるワイドギャップ型の半導体結晶を用いた発光素子、特に青色光領域の短波長発光が可能な発光素子は、永らく要望されてきており、最近になり、室温でのバンドギャップエネルギーが２．０ｅＶから６．２ｅＶまで変化可能なワイドギャップ型の窒化ガリウム系材料を用いた短波長発光が可能な発光素子が実現されている。また、窒化ガリウム系材料以外においても、ワイドギャップ型酸化物である、安価な酸化亜鉛及び酸化マグネシウムもしくはその混晶の酸化亜鉛マグネシウムを発光層部に用いた二次元アレー面型発光装置が特開平１１−１６８２６２号公報に開示されている。このような状況下において、短波長発光が可能な上記材料は、短波長半導体レーザ、高輝度青色ＬＥＤあるいは紫外線発光素子などの高効率発光素子の材料として開発が進められている。尚、酸化亜鉛マグネシウムの室温でのバンドギャップエネルギーは、３．２５ｅＶから４．０２ｅＶである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）及びそれらの混晶である酸化亜鉛マグネシウム（ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）：以下、単にＭｇＺｎＯとも記す。また、本組成式におけるｘを混晶比として定義する）を用いて発光素子を構成する場合、他のヘテロ接合構造型発光素子と同様、活性層をｐ型及びｎ型のクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造を採用することが有効である。ＭｇＺｎＯ混晶においては、混晶比の増加に伴いバンドギャップエネルギーは増大するので、活性層におけるキャリア閉じ込め効果により発光効率を高めるためには、活性層の混晶比ｘを減少させ、クラッド層の混晶比ｘを高めることが効果的である。
【０００４】
しかしながら、ノンドープにおいて、ＺｎＯはｎ型半導体であり、ＭｇＯは絶縁体であるので、ＭｇＺｎＯ混晶は、混晶比ｘが増加するに伴い、結晶の絶縁性が強くなる。その結果、クラッド層の材質として混晶比ｘの高いＭｇｘＺｎ１−ｘＯを採用すると、ドーピングによりクラッド層の有効キャリア濃度を高めることが難しくなり、設定キャリア濃度にするためには、クラッド層を構成するＭｇＺｎＯ混晶の混晶比ｘをある程度低く抑える必要がある。しかしながら、クラッド層における混晶比ｘを低くすることは、そのバンドギャップエネルギーを低下させてしまう。そのため、活性層に注入されるキャリアに対する閉じ込め効果を抑制し、結果として高輝度な発光素子を製造することができなくなる問題がある。
【０００５】
本発明は、ワイドギャップ型酸化物半導体を用いたダブルヘテロ構造型発光素子において、活性層に効率よくキャリアを注入することができ、発光効率を高めることができる構造を有した発光素子を提供する。
【０００６】
【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、本発明の発光素子の第一は、
バンドギャップエネルギーが２．２ｅＶ以上であるワイドギャップ型酸化物半導体からなる発光層部を有し、
該発光層部は、ｐ型クラッド層、活性層及びｎ型クラッド層が互いに積層されたダブルヘテロ構造を有し、さらに、前記ｐ型クラッド層と前記ｎ型クラッド層との少なくとも一方が、
前記活性層に隣接するようにヘテロ接合され、キャリアに対するバリア層の機能を果たす第一結晶層と、
該第一結晶層に対して前記活性層と反対側にヘテロ接合され、該第一結晶層よりバンドギャップエネルギーが低い第二結晶層とを有するとともに、
前記ワイドギャップ型酸化物半導体は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）であり、
前記第一結晶層は単一層であり、かつ、前記ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１：以下、ｘを混晶比という）により構成される前記第一結晶層の混晶比ｘをｘＨ、前記第二結晶層の混晶比ｘをｘＬとして、ｘＨ＞ｘＬであり、
前記第一結晶層は、前記第二結晶層よりも、キャリア濃度が低いことを特徴とする。
また、本発明の発光素子の第二は、
バンドギャップエネルギーが２．２ｅＶ以上であるワイドギャップ型酸化物半導体からなる発光層部を有し、
該発光層部は、ｐ型クラッド層、活性層及びｎ型クラッド層が互いに積層されたダブルヘテロ構造を有し、さらに、前記ｐ型クラッド層と前記ｎ型クラッド層との少なくとも一方が、
前記活性層に隣接するようにヘテロ接合され、キャリアに対するバリア層の機能を果たす第一結晶層と、
該第一結晶層に対して前記活性層と反対側にヘテロ接合され、該第一結晶層よりバンドギャップエネルギーが低い第二結晶層とを有し、
前記第一結晶層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有するバリア層と井戸層とが交互に積層された量子井戸構造からなり、
前記ワイドギャップ型酸化物半導体は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）であり、
前記第一結晶層は前記量子井戸構造を有するものであり、前記ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）より構成される前記バリア層の混晶比ｘをｘＢ、及び前記井戸層の混晶比ｘをｘＷとして、ｘＢ＞ｘＷとされてなり、
前記バリア層は、前記井戸層よりも、キャリア濃度が低いことを特徴とする。
【０００７】
上記本発明の発光素子においては、クラッド層の活性層に隣接した部分をポテンシャル障壁として機能する第一結晶層とし、この第一結晶層に対し活性層と反対側に隣接する形でバンドギャップエネルギーが低い第二結晶層を形成している。第二結晶層内を移動するキャリアは第一結晶層が形成するポテンシャル障壁にせき止められ、第一結晶層と第二結晶層との境界付近の領域に一時的に貯留して、キャリア密度が高められる（以下、該キャリア密度が高くなる領域をキャリア貯留領域という）。これにより、低キャリア密度しか得られない結晶からなるクラッド層においても、活性層付近に位置するキャリア貯留領域にキャリアを蓄えることができ、ひいては活性層へのキャリア注入効率を高めて高輝度の発光素子を実現することができる。
【０００８】
活性層に効果的にキャリア密度を注入させるために、第一結晶層の厚さｔは、５０Å以上５００Å以下の範囲で調整されることが望ましい。キャリア貯留領域におけるキャリアは、第一結晶層が形成するポテンシャル障壁を越えるか、もしくは、トンネル効果によりポテンシャル障壁を通過して活性層に流れ込む。活性層へのキャリア注入効率を高めるためには、キャリア貯留領域へのキャリア貯留効果を高めることが有効であり、そのためにはトンネル効果によるポテンシャル障壁のキャリア通過を抑制する必要がある。第一結晶層の厚さｔが５０Å未満になると、上記トンネル効果が顕著となってキャリア貯留領域のキャリア密度を上げる効果が損なわれ、発光輝度向上効果が十分に達成されなくなる。他方、第一結晶層の厚さｔが大きくなると、トンネル効果の影響は軽減されるが、厚さｔが５００Åを超えて大きくなった場合は、キャリア貯留領域のキャリアが第一結晶層のポテンシャル障壁を乗り越えて流れる際の抵抗が大きくなりすぎ、活性層に流れ込むキャリア密度が低下して、発光輝度向上効果がやはり十分に達成されなくなる。
【０００９】
なお、ＩＩ―ＶＩ族間化合物からなるワイドギャップ型酸化物半導体においては、後述するＭｇＺｎＯに代表されるように、低抵抗率（つまり高キャリア密度）のｐ型半導体層を得ることはそれほど簡単ではない。また、ｐ型キャリア（正孔）は有効質量がｎ型キャリアである電子よりも大きく、移動度が小さいので、該ｐ型キャリアの活性層への注入効率をいかに高めるかが、高輝度の発光素子を得る上での鍵を握ることになる。そこで、少なくとも、ｐ型クラッド層の側に上記の第一結晶層及び第二結晶層を形成しておくと、ｐ型キャリアの活性層への注入効率を効果的に高めることができ、発光効率をさらに高めることが可能となる。
【００１０】
次に、第一結晶層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有するバリア層と井戸層とが交互に積層された量子井戸構造を有するものとして構成できる。量子井戸構造では、キャリアの井戸層への局在化により散乱の影響を受けにくくなり、少ないキャリアを無駄なく活性層へ注入することが可能となるので、発光効率を高めることができる。例えば単一量子井戸構造を採用した場合は、井戸層においてキャリアが量子化された状態で閉じ込められ、第一結晶層が形成するポテンシャル障壁の高さよりも低い閉じ込めエネルギー準位を形成する。その結果、キャリア貯留領域のキャリアは、その低い閉じ込めエネルギー準位を経由して活性層に流れ込むので、活性層へ注入されるキャリア密度を向上させることができる。他方、多重量子井戸構造の場合は、単一量子井戸構造の閉じ込めエネルギー準位よりさらに低いサブバンドが形成されることから、キャリア貯留領域のキャリアを活性層に一層効率よく注入することができ、発光効率を高めることができる。
【００１１】
量子井戸構造を採用する場合、キャリアの量子閉じ込め効果を機能させるために、バリア層の厚さｔＢが５０Å以上１５０Å以下の範囲で調整され、井戸層の厚さｔｗが１５Å以上１５０Å以下の範囲で調整されていることが望ましい。井戸層の厚さｔｗが１５０Åより大きくなるとキャリアの量子閉じ込め効果が機能しなくなる。また、井戸層の厚さが１５Å未満では、量子井戸構造を実現するのに好適なバンド構造を維持するための結晶構造の維持が困難となる。他方、単一量子井戸構造を採用する場合は、バリア層の厚さｔＢが５０Å未満になると、トンネル効果によりバリア層の機能が低下するので、キャリアの量子閉じ込め効果が同様に機能しなくなる。また、バリア層の厚さｔＢが１５０Åより大きくなると、キャリア貯留領域のキャリアを活性層に注入させる過程で、バリア層をキャリアがトンネル効果により通過する確率が減少し、活性層へ注入されるキャリア密度が低下する不具合が生じる。なお、多重量子井戸構造においては、上記したサブバンド形成が妨げられないように、活性層及び第二結晶層に隣接する量子井戸構造のバリア層以外のバリア層の厚さｔＢは５０Å以上１５０Å以下とし、それ以外のバリア層の厚さｔＢは、上記単一量子井戸構造のバリア層同様に５０Å以上１５０Å以下とすることが好適である。
【００１２】
ワイドギャップ型酸化物半導体として、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）を採用する。該ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）において、ＺｎＯはノンドープではｎ型半導体であり、ＭｇＯはノンドープでは絶縁体であるので、混晶比の増加に伴いイオン結晶性（絶縁化）が強くなる。その結果、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）では、混晶比（ｘ）が増加するに伴い、ドーピングによるキャリア注入が難しくなる。このことは、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）よりｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層を作成しようとすると十分なキャリア数をドーピングすることができず、高輝度な発光素子を製造する上で障害となる。しかし、上記した本発明における発光層部は、低キャリア密度しか得られない結晶より構成されるクラッド層においても、活性層付近に位置するキャリア貯留領域においてキャリア密度を上げることができるので、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）よりｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層を形成した場合においても、活性層に注入されるキャリア密度を上げることが可能となる。
【００１３】
第一結晶層が単一層で構成される場合、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）は、混晶比ｘが増加するに従いバンドギャップエネルギーは大きくなるので、第一結晶層の混晶比ｘをｘＨ、第二結晶層の混晶比ｘをｘＬとしたとき、第一結晶層をバリア層として機能させるためには、ｘＨ＞ｘＬとなっていることが必要である。また、各層の混晶比ｘＨ及びｘＬは、０．１０≦ｘＨ≦０．６５、０．０１≦ｘＬ≦０．４０の範囲で調整されることが望ましい。第二結晶層の混晶比ｘLが０．４０より大きくなるとドーピングによるキャリア発生効率が低下し、それを補うためにドーパント量を増やすと結晶品質の悪化につながるからである。他方、ｘLが０．０１未満であると、活性層と第二結晶層とのバンドギャップエネルギー差を十分とることができなくなり、活性層に効率よくキャリアを注入できなくなる。
【００１４】
また、第一結晶層の混晶比ｘHは、ｘHが０．０１未満になると、第一結晶層のバリア層としての機能が不十分となり、キャリア貯留領域へのキャリア貯留効果が不十分となる。また、ｘHが０．６５より大きくなるとキャリア貯留領域のキャリアが第一結晶層のポテンシャル障壁を越えられない確率が増加する。いずれも、発光効率を低下させることにつながる。なお、第一結晶層の第二結晶層に対するバリアの高さは、０．１５ｅＶ以上１．００ｅＶ以下とすることが望ましい。また、このためには、ｘＨ−ｘＬを０．１４以上０．６９以下に設定することが望ましい。
【００１５】
なお、第一結晶層は第二結晶層よりも、キャリア濃度が低くなるように調整されることが望ましい。第一結晶層は混晶比ｘが大であり絶縁性のＭｇＯの含有率が高いために、キャリア濃度を高めようとするとドーパント量の増加に伴う結晶品質の劣化が生じるからである。なお、第一結晶層はノンドープ層であってもよい。
【００１６】
次に、第一結晶層が量子井戸構造を有する場合は、バリア層の混晶比ｘをｘＢ、及び井戸層の混晶比ｘをｘＷとすれば、ｘＢ＞ｘＷである必要がある。また、各層の混晶比ｘＢ及びｘＷは、それぞれ０．１０≦ｘＢ≦０．６５、０．０１≦ｘＷ≦０．４０の範囲で調整されることが望ましい。井戸層の混晶比ｘＷが０．４０より大きくなると、ドーピングによるキャリア発生効率が低下し、それを補うためにドーパント量を増やすと結晶品質の悪化につながる。ｘＷが０．０１未満となると、活性層と井戸層とのバンドギャップエネルギー差を十分とることができなくなり、活性層に効率よくキャリアを注入できなくなる。
【００１７】
他方、バリア層の混晶比ｘＢが０．１０未満となると、バリアの高さが不十分となり、井戸層からキャリアがバリア層側に流れ出す確率が増え、量子井戸構造における閉じ込め効果が期待できなくなる。また、ｘＢが０．６５より大きくなるとキャリア貯留領域のキャリアがバリア層のポテンシャル障壁を越えられない確率が過度に増加する。いずれも発光効率の低下につながる。なお、バリア層の井戸層に対するバリアの高さは、０．１５ｅＶ以上１．００ｅＶ以下とすることが望ましい。また、このためには、ｘＢ−ｘＷを０．１４以上０．６９以下に設定することが望ましい。
【００１８】
なお、バリア層は井戸層よりもキャリア濃度が低くなるように調整されることが望ましい。バリア層は混晶比ｘが大であり絶縁性のＭｇＯの含有率が高いために、キャリア濃度を高めようとするとドーパント量の増加に伴う結晶品質の劣化が生じるからである。なお、バリア層はノンドープ層であってもよい。
【００１９】
ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）より構成されるｐ型クラッド層は、ｐ型ドーパントとしてＬｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの１種又は２種以上を含有する。Ｉ族元素であるＬｉ、Ｎａは、ＩＩ族元素であるＭｇ、Ｚｎサイトを置換し、Ｖ族元素であるＮ、Ｐ、Ａｓは、ＶＩ族であるＯサイトを置換することによりｐ型キャリアをドーピングすることが可能である。また、ＣｕＯは、ノンドーピングでｐ型半導体であるので、ＣｕをドーピングしＣｕＯを生成することにより、Ｃｕはｐ型ドーパントとして機能することになる。他方、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｌｉ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。ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）においては、混晶比は少なく調整されているので、ｐ型ドーパントとしては、ＺｎもしくはＯ元素にイオン半径が近いものを選択することが、ｐ型クラッド層の結晶品質を低下させないと考えられる。そこで、ｐ型ドーパントとしては、Ｎと、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎの一種又は２種以上、特にＧａとを選択することが好適である。
【００２０】
ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ≦１）より構成されるｎ型クラッド層は、ｎ型ドーパントとしてＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの１種又は２種以上を含有する。ＩＩＩ族元素であるＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎは、ＩＩ族元素であるＭｇ、Ｚｎ元素を置換し、ｎ型キャリアをドーピングすることが可能である。上記ｐ型ドーパントと同様に、ｎクラッド層の結晶品質を考慮し、Ｚｎ元素のイオン半径に近いＧａを、ｎ型ドーパントとして選択することが好適である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態を説明するための発光素子要部の積層構造を模式的に示すものである。それぞれワイドギャップ型酸化物半導体より構成される、ｎ型第二結晶層２、ｎ型第一結晶層３、活性層４、ｐ型第一結晶層５、ｐ型第二結晶層６をこの順序で格子整合形態をなして積層させることにより、ダブルへテロ接合よりなる発光層部１が形成される。ｎ型第二結晶層２とｎ型第一結晶層３とがｎ型クラッド層７を、ｐ型第一結晶層５及びｐ型第二結晶層６とがｐ型クラッド層８をそれぞれ構成する。また、ｎ型第一結晶層３はｎ型第二結晶層２より、ｐ型第一結晶層５はｐ型第二結晶層６よりバンドギャップエネルギーが大きいワイドギャップ型酸化物半導体より構成されている。図１（ｂ）は、図１（ａ）の積層構造における、電圧印加下における伝導電子帯底のエネルギーレベル（Ｅｃ）を模式的に示したものである。ｎ型第二結晶層２で発生したキャリアに対し、ｎ型第一結晶層３はポテンシャル障壁として作用し、ｎ型第一結晶層３とｎ型第二結晶層２との境界付近の領域（図１（ｂ）の斜線領域：キャリア貯留領域）に一時的に貯留して、キャリア密度が高められる。図１（ｂ）においては、伝導電子帯底のエネルギーレベルのみ示しているが、価電子帯上端においても、ｐ型第一結晶層６で発生したキャリアが、ｐ型第一結晶層５のポテンシャル障壁を受け、ｐ型第一結晶層５とｐ型第二結晶層６が形成する積層界面付近においてキャリア濃度が大きくなる。図１（ａ）に示すような積層構造を形成することにより、低キャリア密度しか得られない結晶より構成されるクラッド層においても、活性層付近においてキャリア密度を上げることができ、ひいては活性層における発光効率を向上させることができる。
【００２２】
図２は、ワイドギャップ型酸化物半導体としてＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）を採用した場合の発光素子の実施形態を示す積層構造の断面図である。図２に示すように、サファイア基板１１上にＺｎＯバッファ層１２をエピタキシャル成長させ、次いで、ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層（ｎ型第二結晶層）２、ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層（ｎ型第一結晶層）３、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ活性層４、ｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ｐ型第一結晶層）層５及びｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ｐ型第二結晶層）６をこの順序にて成長させる。これら各層のエピタキシャル成長は、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapour Phase Epitaxy）法もしくはMBE（Molecular Beam Epitaxy）法にて成長させることができる。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 Epitaxy））を概念として含む。また、本明細書においてＭｇｘＺｎ１−ｘＯをＭｇＺｎＯと記述することもあるが、ＭｇＺｎＯの組成比がＭｇ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１であるという意味ではない。
【００２３】
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：
・酸素成分源ガス：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など。本実施形態では、Ｎ２Ｏ（亜酸化窒素）を用いている。
・Ｚｎ源（金属成分源）ガス：ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）など；
・Ｍｇ源（金属成分源）ガス：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）など。
【００２４】
ｐ型ドーパントとして、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの１種又は２種以上を、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源となる有機金属ガスとともに供給するようにする。例えば、本実施例の場合、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。
【００２５】
ｎ型ドーパントとして、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの１種又は２種以上を添加することによりｎ型キャリアをドーピングすることができる。ドーパントガスとしては、上記同様なものを使用できる。
【００２６】
図３は、ＭｇＺｎＯの結晶構造を示すものである。図３（ａ）に示すようにＭｇＺｎＯの結晶構造は、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イオン又は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（ｂ）に示すように、ＭｇＺｎＯ層は，ｃ軸が厚さ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が生ずる。ＭｇＺｎＯ結晶は真空雰囲気中での気相成長時に、酸素欠損が非常に生じやすく、導電型が必然的にｎ型となる傾向がある。そこで、図２におけるｎ型ＭｇＺｎＯ層２及び３の成長に際しては酸素欠損を積極的に生じさせてｎ型とする方法をとることも可能で、ＭｇＺｎＯ活性層４及びｐ型ＭｇＺｎＯ層５及び６を成長する場合よりも酸素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、同時にｎ型ドーパントを導入する形で層成長を行なうことにより積極的にｎ型キャリアをドーピングすることも可能である。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。
【００２７】
図２に示される積層構造を形成する、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）結晶は、ノンドープにおいてｎ型半導体であるＺｎＯと絶縁体であるＭｇＯとの混晶であるので、Ｚｎに対する混晶比ｘが増加するに従いイオン結晶性が強くなる。その結果、ＭｇＺｎＯ結晶において、混晶比ｘの増加は、ドーピングによるキャリア発生の効率を低下させる。しかしながら混晶比ｘの増加に伴い、ＭｇＺｎＯ結晶のバンドギャップエネルギーは増加するので、ＭｇＺｎＯより構成されるクラッド層は、混晶比ｘが多いほど活性層におけるキャリアの閉じ込め効果は上がり発光効率は向上する。ＭｇＺｎＯより構成されるクラッド層に、活性層のキャリアに対する閉じ込め効果と有効なキャリアを発生させるという２つの機能をもたせるために、図２におけるｎ型第一結晶層３はｎ第二結晶層２よりも、ｐ型第一結晶層５はｐ型第二結晶層６よりも、それぞれバンドギャップエネルギーが大きくなるように混晶比ｘが調整されている。具体的には、第一結晶層は第二結晶層よりも混晶比ｘが大とされる。
この様に、クラッド層を、少なくとも第一結晶層と第二結晶層との２層構造とし、活性層に隣接する第一結晶層の混晶比ｘを第二結晶層より大とすることで、第一結晶層は、第二結晶層で発生したキャリアに対してポテンシャル障壁として作用し、キャリアを第一結晶層と第二結晶層との境界付近の領域に一時的に貯留して、キャリア密度を高める効果を有するのみならず、さらに、活性層に注入されたキャリアに対する閉じ込め効果を高めるという２つの効果を有することとなる。
【００２８】
図４（ａ）は、図２の積層構造における発光層部の電圧印加における伝導電子帯底のエネルギーレベル（Ｅｃ）を模式的に示したものである。ｎ型キャリア（電子）は、図４にてすでに説明した機構により、ｎ型第一結晶層３とｎ型第二結晶層２との積層界面付近をキャリア貯留領域として貯留され、ｎ型キャリア密度が高くなる。その結果、活性層４に注入されるｎ型キャリア密度は向上する。図４（ａ）においては、伝導電子帯のみ示しているが、価電子帯においても同様で、ｐ型第一結晶層５とｐ型第二結晶層６との積層界面付近をキャリア貯留領域としてｐ型キャリア（正孔）が貯留され、活性層４に注入されるｐ型キャリア密度は向上する。なお、図４（ｂ）に示すように、ｐ型クラッド層８側にのみ第一結晶層５を形成してもよい。
【００２９】
次に、図５（ａ）は、図２におけるｎ型第一結晶層３とｐ型第一結晶層５とを、単一量子井戸構造とした例を示すものであり、図５（ｂ）は、同じく多重量子井戸構造とした例を示すものである。単一量子井戸構造では１つの井戸層（ｎ型井戸層１４あるいはｐ型井戸層１６）が２つのバリア層（ｎ型バリア層１３あるいはｐ型バリア層１５）で挟まれる形となり、多重量子井戸構造では複数の井戸層とバリア層とを積層した構造となる。図６は、図５の積層構造における、電圧印加下での伝導電子帯底のエネルギーレベル（Ｅｃ）を模式的に示したものである。図６（ａ）が図５（ａ）に、図６（ｂ）が図５（ｂ）に対応する。図６（ａ）に示すように、図５（ａ）におけるｎ型第一結晶層３及びｐ型第一結晶層５が単一量子井戸構造である場合は、井戸層のキャリアに対して、井戸層のＥｃとバリア層のＥｃとの中間に閉じ込めエネルギー準位（点線）が形成される。ｎ型第二結晶層２で発生するキャリアは、該エネルギー準位を経由して活性層４へ注入されるので、散乱等によるエネルギー損失を抑制することができる。また、図６（ｂ）に示す多重量子井戸構造よりなる場合には、上記の閉じ込めエネルギー準位よりもさらに低いサブバンドエネルギー準位（点線）が形成されるので、さらに効果が高められる。図６（ｂ）の多重量子井戸構造は、図示の便宜のため単一量子井戸構造の３周期分しか示していないが、この周期の数に制限はなく、２周期あるいは４周期以上とすることも可能である。ただし、キャリアの多重量子井戸構造内における移動度を考慮すれば、１周期以上７周期以下とすることが適当である。また、ＭｇＺｎＯ結晶においては、図２（ｂ）と同様に、ｐ型クラッド層８にのみ上記量子井戸構造からなる第一結晶層を形成するようにしてもよい。
【００３０】
図２及び図５のＭｇＺｎＯより構成される活性層４において、混晶比を調整することにより、要求される発光波長に応じて適宜のバンドギャップエネルギーを有するものを使用することができる。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。
【００３１】
図２及び図５における発光層部１の成長が終了すれば、図２に示すようにｎ型ＭｇＺｎＯ層３及びｐ型ＭｇＺｎＯ層６の一部をフォトリソグラフィー等により一部除去して、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）等からなる透明電極２５を形成する一方、残余のｐ型ＭｇＺｎＯ層６上には金属電極２２を形成し、その後、基板１１とともにダイシングすれば発光素子１００が得られる。光取出は、透明なサファイア基板１１側から行なうことになる。
【００３２】
このように、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）より発光層部１が構成される発光素子１００を形成することにより、結晶品質を保つために低キャリア密度しか得られなかったクラッド層（特にｐ型クラッド層）においても活性層近傍においてキャリア密度を高めることができ、短波長発光を効率よく取り出すことが可能になる。
【００３３】
図７は、第一結晶層の形成形態に係る種々の変形例を示すバンド図（伝導電子帯底のエネルギーレベルのみ）である。図７（ａ）は、ｎ型第二結晶層２及びｐ型第二結晶層６を、それぞれｎ型第一結晶層３及びｐ型第一結晶層５に近づくにつれ、バンドギャップエネルギーが徐々に小さくなるように形成した例である。これによりキャリア貯留効果を一層高めることができる。図７（ｂ）は、ｎ型第一結晶層３及びｐ型第一結晶層５を多重量子井戸構造とし、かつ、該量子井戸構造における各井戸層を、活性層４に向かいバンドギャップエネルギーが順次小さくなるように形成した例である。このような多重量子井戸構造内で形成されるサブバンドのバンドエネルギーは活性層４に近づくほど低くなる。その結果。サブバンドを経由して活性層４にキャリアを注入する際のエネルギー損失がより軽減され、活性層４での発光効率を高めることができる。また、図７（ｃ）においても多重量子井戸構造が採用されているが、ここでは、バリア層の混晶比ｘを層両端から中心に向かうほど連続的（段階的でもよい）に高くなるように変化させ、ポテンシャル障壁に傾斜を付与した形態としている。その結果、サブバンドの形成が促進され、活性層４に注入されるキャリア密度を向上させることができる。
【００３４】
また、図１、図２及び図５においては、基板に対してｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層の順に積層させているが、ｎクラッド層とｐ型クラッド層の順番を変え、基板に対してｐ型クラッド層、活性層、ｎ型クラッド層の順に積層させても本発明における効果が達成されることはいうまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明が示すように、ＭｇＺｎＯクラッド層を少なくとも第一結晶層と第二結晶層との２層構造とし、Ｍｇ組成比（ｘ）を上げてバンドギャップエネルギーを大きくした第一結晶層を活性層に隣接させ、該第一結晶層よりＭｇ組成比（ｘ）を小さく調整しドーピングによる有効キャリア濃度を高めた第二結晶層を第一結晶層に隣接させることで、ＭｇＺｎＯクラッド層から活性層に注入されるキャリア密度を向上させ、かつ活性層に注入されたキャリアに対する閉じ込め効果を向上させるという２つの効果の達成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の概念を示す積層構造断面図、及びその伝導電子帯底のエネルギーレベル（Ｅｃ）の模式図。
【図２】図１の発光層部をＭｇＺｎＯで構成した発光素子の一例を示す積層構造断面図。
【図３】ＭｇＺｎＯの結晶構造を示す模式図。
【図４】図２の発光層部における伝導電子帯底のエネルギーレベル（Ｅｃ）の模式図、及び図２の変形例における価電子帯上端のエネルギーレベル（ＥＶ）の模式図。
【図５】第一結晶層を量子井戸構造とする例を示す模式図。
【図６】量子井戸構造を採用した場合の伝導電子帯底のエネルギーレベル（Ｅｃ）を示す模式図。
【図７】量子井戸構造の種々の変形例を示す説明図。
【符号の説明】
１  発光層部
２  ｎ型第二結晶層
３  ｎ型第一結晶層
４  活性層
５  ｐ型第一結晶層
６  ｐ型第二結晶層
７  ｎ型クラッド層
８  ｐ型クラッド層
【図１】
0004277246.tif 000002
【図２】
0004277246.tif 000003
【図３】
0004277246.tif 000004
【図４】
0004277246.tif 000005
【図５】
0004277246.tif 000006
【図６】
0004277246.tif 000007
【図７】
0004277246.tif 000008