JP2011054866A - ＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し構造の新規な形成方法を含む、ＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】ＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法は、基板上方に、第１導電型ＺｎＯ系半導体層を形成する工程と、第１導電型ＺｎＯ系半導体層の上方に、第１導電型と逆導電型の、第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程と、第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層の上に、第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程とを有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法に関する。

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、近年、紫外光や白色光等の発光ダイオード（ＬＥＤ）等への応用が期待されている。また、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。

一般に、ＬＥＤ等の半導体発光素子において、表面に凹凸構造を形成して、発光素子外に取り出される光量を向上させる方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００３−２０９２８３号公報 特開２００６−２５３１７２号公報

本発明の一目的は、光取り出し構造の新規な形成方法を含む、ＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、基板上方に、第１導電型ＺｎＯ系半導体層を形成する工程と、前記第１導電型ＺｎＯ系半導体層の上方に、該第１導電型と逆導電型の、第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程と、前記第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層の上に、第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程とを有するＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法が提供される。

３次元成長させた第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層により、凹凸構造が得られ、発光素子からの光取り出し効率向上が図られる。

図１は、ＭＢＥ装置の例を示す概略断面図である。 図２は、本発明の第１〜第４の実施例によるＺｎＯ系半導体発光素子の概略断面図である。 図３は、実施例のＬＥＤランプの概略断面図である。 図４は、第１〜第４の実施例に共通なＺｎＯ系半導体層成長工程のタイミングチャートである。 図５は、第１の実施例のタイミングチャートである。 図６Ａ及び図６Ｂは、第１の実施例の自己形成凹層及びＺｎＯ系半導体発光素子のＡＦＭ像であり、図６Ｃは、第１の比較例のＺｎＯ系半導体発光素子のＡＦＭ像である。 図７は、第１の実施例及び第１の比較例の発光素子のＥＬスペクトルである。 図８は、第２の実施例のタイミングチャートである。 図９は、第３の実施例のタイミングチャートである。 図１０は、第４の実施例のタイミングチャートである。 図１１Ａ及び図１１Ｂは、第４の実施例の自己形成凹層及びＺｎＯ系半導体発光素子のＡＦＭ像であり、図１１Ｃは、第４の比較例のＺｎＯ系半導体発光素子のＡＦＭ像であり、図１１Ｄは、第４の実施例のＮガンシャッタ閉状態で成長させたｐ型ＭｇＺｎＯ層のＡＦＭ像である。 図１２は、第４の実施例及び第４の比較例の発光素子のＥＬスペクトルである。 図１３Ａは、実施例の凹凸構造の概略斜視図であり、図１３Ｂは、図１３Ａの一点鎖線ＸＸ´に沿った概略断面図であり、図１３Ｃ及び図１３Ｄは、第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層の成長条件を示す概略断面図である。 図１４は、ｐ型ＭｇＺｎＯ層の２次元成長条件と３次元成長条件の境界を概略的に示すグラフである。

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（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。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。

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。

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、及び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、及びＭｇビームを出射する。Ｚｎ材料、Ｍｇ材料及びＧａ材料として、それぞれ、例えば純度７Ｎのものを用いる。

Ｏソースガン５、Ｎソースガン６は、それぞれ、例えば１３．５６ＭＨｚのラジオ周波（ＲＦ）を用いた無電極放電管５ａ、６ａを含む。

Ｏソースガン５の無電極放電管５ａに、Ｏ_２ボンベ５ｂからマスフローコントローラ５ｃを介してＯ_２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。

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。

Ｎソースガン６の無電極放電管６ａに、Ｎ_２ボンベ６ｂからマスフローコントローラ６ｃを介してＮ_２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（Ｎ_２ ^＊）、分子イオン（Ｎ_２ ^＋）を含む、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。

Ｏソースガン５、Ｎソースガン６に導入するＯ_２ガス、Ｎ_２ガスとして、それぞれ、例えば純度７Ｎのものを用いる。

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。加熱される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。

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。

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が、Ｎガンシャッタ６ｄに衝突する。

分子ラジカルＮ_２ ^＊は、衝突により励起状態のＮ_２ ^＊から基底状態のＮ_２に戻り、また、分子イオンＮ_２ ^＋は、衝突により中性化されて基底状態のＮ_２に戻る。基底状態のＮ_２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。

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Ｎ_２ ^＊、及び分子イオンＮ_２ ^＋のすべての活性粒子が、基板８上に供給される。第４の実施例で後述するように、Ｎ_２ ^＊及びＮ_２ ^＋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。

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。

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／ｃｍ^２・ｓｅｃ）をフラックス量と定義する。

Ｚｎビームのフラックス量をＪ_Ｚｎと表し、Ｏラジカルビームのフラックス量をＪ_Ｏ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。

また、結晶へのＺｎの付着しやすさを示す付着係数をＫ_Ｚｎとし、Ｏの付着しやすさを示す付着係数をＫ_Ｏとする。Ｚｎの付着係数Ｋ_Ｚｎとフラックス量Ｊ_Ｚｎとの積Ｋ_ＺｎＪ_Ｚｎ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Ｋ_Ｏとフラックス量Ｊ_Ｏとの積Ｋ_ＯＪ_Ｏ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。

積Ｋ_ＺｎＪ_Ｚｎに対する積Ｋ_ＯＪ_Ｏの比であるＫ_ＯＪ_Ｏ／Ｋ_ＺｎＪ_Ｚｎ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Ｋ_Ｚｎ及びＫ_Ｏを１と見なすことができ、ＶＩ／ＩＩ比をＪ_Ｏ／Ｊ_Ｚｎと表せる。

なお、Ｚｎ及びＭｇのフラックス量測定のため、例えば、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、膜厚計の替わりに、イオンゲージによるフラックスモニタを用いてもよい。

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。例えば、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。

次に、第１〜第４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。

図２は、実施例の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４の実施例の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１つ分の発光素子を示す。

図２を参照しつつ、さらに各実施例の製造方法を、タイミングチャートも参照して説明する。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、Ｚｎフラックス量、Ｍｇフラックス量、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。

まず、図４のタイミングチャートを参照して、第１〜第４の実施例に共通なＺｎＯ系半導体層成長工程について説明する。

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）側に結晶成長が行なわれるように、ＭＢＥ装置のステージに保持した。

次に、真空チャンバを超高真空（例えば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）。

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Ｊ_Ｏを８．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎを７．２×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）に調整した。

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３０ｎｍの緩衝層２２を成長させた（緩衝層形成工程）。

次に、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）。

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Ｊ_Ｏを８．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎを２．０×１０^１５ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・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）。

なお、ｎ型ＺｎＯ層はＧａをドープすることもできる。ｎ型ＺｎＯ層中のＧａ濃度は０．５×１０^１８ｃｍ^−３から５．０×１０^１８ｃｍ^−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。

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Ｊ_Ｏを８．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎを７．２×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・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）。

なお、発光層は、Ｍｇ組成ｘが相対的に低いＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ＜０．６８）を井戸層とし、Ｍｇ組成ｙが相対的に高いＭｇ_ｙＺｎ_１−ｙＯ（０＜ｙ≦０．６８、ｙ＞ｘ）を障壁層層とする量子井戸（ＱＷ）構造とすることもできる。

なお、ＺｎＯ結晶は六方晶構造を取り、ＭｇＯ結晶は岩塩型構造を取る。Ｍｇ_ｘＺｎ_１−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。

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。

発光層２４の形成工程に次ぐｐ型ＭｇＺｎＯ層２５の形成工程が、各実施例で異なる。まず、第１の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程について説明する。

図５は、第１の実施例の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つの工程に分けられる。これは第２〜第４の実施例でも同様である。

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Ｊ_Ｏを８．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎを９．５×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とした。ＶＩ／ＩＩ比（Ｊ_Ｏ／Ｊ_Ｚｎ）は０．８４となる。 また、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇを１．３×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とし、Ｎソースガンは窒素流量を０．５ｓｃｃｍとしＲＦ電力を９０Ｗとした。

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１０ｎｍの第１のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−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２．０×１０^２０ｃｍ^−３であった。

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Ｊ_Ｏを８．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎを６．６×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とした。第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程に比べて、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎを減少させたことにより、ＶＩ／ＩＩ比（Ｊ_Ｏ／Ｊ_Ｚｎ）が１．２２に増加している。また、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇを１．３×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とし、Ｎソースガンは窒素流量を１．０ｓｃｃｍとしＲＦ電力を１５０Ｗとした。

フラックス量が安定した後、メインシャッタを９分開いて、厚さ６０ｎｍの第２のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層２５ｂ（ｘ＝０．２５）を成長させた（第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。

第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂ中のＮ濃度は約２．０×１０^２０ｃｍ^−３であった。ＶＩ／ＩＩ比を高くすると、ドープされるＮの濃度が低下する。そこで、Ｎソースガンの窒素流量およびＲＦ電力（の少なくとも一方）を高くして、Ｎラジカル供給量を増やし、第１のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａとＮ濃度がほぼ等しくなるようにした。

なお、ｐ型ＺｎＯ系半導体層中のＮ濃度は、２．０×１０^１９ｃｍ^−３〜３．０×１０^２０ｃｍ^−３の範囲が好適であり、第１、第２（及び後に形成する第３）のｐ型ＭｇＺｎＯ層中のＮ濃度がこの範囲となるようにした。

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Ｊ_Ｏ、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎ、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇ、及びＮソースガンの設定条件を、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程と同様な条件に戻し、第３のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−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。

例えば、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。

なお、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。例えば、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。

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とした。

ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５の形成後の工程は、第１〜第４の実施例で共通である。まず、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２５の上に、フォトリソグラフィーにより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（ＥＢ）蒸着によりＮｉを厚さ０．３ｎｍ〜１０ｎｍ成膜し、さらにＡｕを厚さ５ｎｍ〜２０ｎｍ成膜し、リフトオフにより不要なＮｉ層及びＡｕ層を除去して、ｐ側電極３２を形成した。

次に、ラピッドサーマルアニーラ（ＲＴＡ）により、１％〜１０％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電極材料が酸化透明化して、ｐ側電極３２が透光性となる。

次に、フォトリソグラフィーにより、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成膜し、Ｐｔを厚さ１００ｎｍ成膜し、さらにＡｕを厚さ１０００ｎｍ成膜し、リフトオフにより不要な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。

次に、ＺｎＯ基板２１の裏面上に、フォトリソグラフィーにより、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成膜し、さらにＡｕを厚さ３００ｎｍ〜１０００ｎｍ成膜し、リフトオフにより不要なＴｉ層及びＡｕ層を除去して、ｎ側電極３１を形成した。

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発光素子に分離した。

図３は、実施例の発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプの概略断面図である。この断面構造は、第１〜第４の実施例の発光素子を使ったＬＥＤランプについて共通である。

ｎ側電極を銀ペースト４２でステム（ＴＯ−３７）４３に接着して発光素子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。

上述のように作製したＺｎＯ系半導体発光素子において、第１のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａは、２次元成長し表面が平坦である。一方、第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂは、３次元成長し表面が平坦でない。３次元成長した第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂを、自己形成凹層とも呼ぶこととする。

図６Ａは、第１の実施例の第２のｐ型ＭｇＺｎＯ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（ＡＦＭ）像である。１μｍ角の正方形領域が観察されており、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７．１ｎｍである。色の濃い部分が凹部であり、３次元成長により凹凸形状の表面が得られていることがわかる。

図６Ｂは、第１の実施例の発光素子の第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃの表面を観察したＡＦＭ像である。１μｍ角の正方形領域が観察されており、表面粗さＲｍｓは９．２ｎｍである。第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃは、２次元成長する条件で形成された層だが、下地の第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂの表面構造を反映した凹凸形状を示す。

第１の実施例に対し、第１の比較例の発光素子も作製した。第１の比較例は、第１の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層の形成工程から、３次元成長の自己形成凹層形成工程を省いたものである。

図６Ｃは、第１の比較例の発光素子のｐ型ＭｇＺｎＯ層の表面を観察したＡＦＭ像である。１μｍ角の正方形領域が観察されており、表面粗さＲｍｓは０．２３ｎｍである。第１の比較例の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。

図７は、第１の実施例及び第１の比較例の発光素子のエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルである。横軸が波長をｎｍ単位で示し、縦軸がＥＬ強度を任意単位で示す。第１の実施例及び第１の比較例の両方で、波長３８４ｎｍ程度をピークとする発光が見られるが、第１の実施例の方が、第１の比較例よりも２倍程度強い光放射出力が得られている。

第１の実施例では、自己形成凹層により、素子表面に凹凸構造が形成されている。これにより、素子表面での光取り出し効率が向上して、発光出力が向上したものと推測される。

なお、発光層に接する第１のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、及び、ｐ側電極３２に接する第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層は、結晶性の高い方が好ましいので２次元成長条件で成長させている。

第１の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程では、成膜温度一定の下、ＶＩ／ＩＩ比を変えることにより、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た。ＶＩ／ＩＩ比を、２次元成長の第１（及び第３）ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程で相対的に低くし、３次元成長の第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成工程で相対的に高くした。

次に、第２の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程について説明する。第２の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程でも、以下に説明するように、成膜温度一定の下、ＶＩ／ＩＩ比を変えることにより、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る。ただし、ＶＩ／ＩＩ比を、２次元成長の第１（及び第３）ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程で相対的に高くし、３次元成長の第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成工程で相対的に低くする。

図８は、第２の実施例の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℃に保ったまま、Ｏラジカルフラックス量Ｊ_Ｏを８．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎを５．３×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とした。ＶＩ／ＩＩ比（Ｊ_Ｏ／Ｊ_Ｚｎ）は１．５２となる。 また、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇを１．３×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とし、Ｎソースガンは窒素流量を１．０ｓｃｃｍとしＲＦ電力を１５０Ｗとした。

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１０ｎｍの第１のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−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１．０×１０^２０ｃｍ^−３であった。

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Ｊ_Ｏを８．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎを６．６×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とした。第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程に比べて、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎを増加させたことにより、ＶＩ／ＩＩ比（Ｊ_Ｏ／Ｊ_Ｚｎ）が１．２２に減少している。 また、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇを１．３×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とし、Ｎソースガンは窒素流量を０．５ｓｃｃｍとしＲＦ電力を９０Ｗとした。

フラックス量が安定した後、メインシャッタを９分開いて、厚さ６０ｎｍの第２のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層２５ｂ（ｘ＝０．２５）を成長させた（第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。

第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂ中のＮ濃度は約１．０×１０^２０ｃｍ^−３であった。ＶＩ／ＩＩ比を低くすると、ドープされるＮの濃度が増加する。そこで、Ｎソースガンの窒素流量およびＲＦ電力（の少なくとも一方）を低くして、Ｎラジカル供給量を減らし、第１のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａとＮ濃度がほぼ等しくなるようにした。

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Ｊ_Ｏ、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎ、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇ、及びＮソースガンの設定条件を、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程と同様な条件に戻し、第３のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−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。

例えば、ＶＩ／ＩＩ比の高い第１（及び第３）ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程ではＺｎソースガンを１本使用し、ＶＩ／ＩＩ比の低い第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成工程ではＺｎソースガンを２本使用することにより、ＶＩ／ＩＩ比の制御が容易になる。

なお、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。例えば、ＶＩ／ＩＩ比の高い第１（及び第３）ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程でＯソースガンを２本使用し、ＶＩ／ＩＩ比の低い第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成工程でＯソースガンを１本使用して、ＶＩ／ＩＩ比を制御することができる。

なお、第２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とした。

第２の実施例の第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成工程のＶＩ／ＩＩ比等成膜条件は、（Ｎソースガンの設定条件を除き）第１の実施例のそれと等しく、３次元成長が起こる条件である。

第２の実施例の第１（及び第３）ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程は、第１の実施例に比べて高いＶＩ／ＩＩ比（低いＺｎフラックス量）に設定されているが、この条件も２次元成長が起こる条件である。

第２の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成方法でも、自己形成凹層が形成されて、凹凸構造の発光素子表面が得られる。

次に、第３の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程について説明する。第３の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程では、以下に説明するように、ＶＩ／ＩＩ比一定の下、成膜温度を変えることにより、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る。

図９は、第３の実施例のタイミングチャートである。まず、発光層形成工程後、基板表面温度を７２０℃に昇温し、Ｏラジカルフラックス量Ｊ_Ｏを８．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎを６．６×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とした。ＶＩ／ＩＩ比（Ｊ_Ｏ／Ｊ_Ｚｎ）は１．２２となる。 また、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇを１．３×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とし、Ｎソースガンは窒素流量を０．５ｓｃｃｍとしＲＦ電力を９０Ｗとした。

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１０ｎｍの第１のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−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１．０×１０^２０ｃｍ^−３であった。

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Ｊ_Ｏ、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎ、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇ、及びＮソースガン設定条件は、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程と同一に保ち、メインシャッタを９分開いて、厚さ６０ｎｍの第２のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層２５ｂ（ｘ＝０．２５）を成長させた（第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。

第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂ中のＮ濃度は、ＶＩ／ＩＩ比を変化させていないので第１のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａと同様に、約１．０×１０^２０ｃｍ^−３となる。

次に、再び基板表面温度を７２０℃に昇温し、Ｏラジカルフラックス量Ｊ_Ｏ、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎ、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇ、及びＮソースガンの設定条件を、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程と同様な条件として、第３のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−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３の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５を形成した。

なお、第３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とした。

第３の実施例の第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成工程のＶＩ／ＩＩ比等成膜条件は、第２の実施例のそれと等しく、３次元成長が起こる条件である。

第３の実施例の第１（及び第３）ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程は、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成工程とＶＩ／ＩＩ比は変えないが、成膜温度を高くすることにより、２次元成長を生じさせている。

第３の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成方法でも、自己形成凹層が形成されて、凹凸構造の発光素子表面が得られる。

次に、第４の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程について説明する。第４の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程では、以下に説明するように、ＶＩ／ＩＩ比及び成膜温度一定の下、Ｎガンシャッタの開閉状態を変えることにより、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る。

図１０は、第４の実施例の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のまま、基板表面温度を６００℃に降温し、Ｏラジカルフラックス量Ｊ_Ｏを８．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎを７．２×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とした。ＶＩ／ＩＩ比（Ｊ_Ｏ／Ｊ_Ｚｎ）は１．１となる。また、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇを１．３×１０^１４ａｔｏｍｓ／（ｃｍ^２・ｓ）とし、Ｎソースガンは窒素流量を１．０ｓｃｃｍとしＲＦ電力を１５０Ｗとした。

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１のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−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１．４×１０^２０ｃｍ^−３であった。

次に、Ｎガンシャッタを開状態とし、基板表面温度、Ｏラジカルフラックス量Ｊ_Ｏ、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎ、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇは、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程と同一に保ち、Ｎソースガンは窒素流量を０．５ｓｃｃｍとしＲＦ電力を９０Ｗとして、メインシャッタを開いた状態で９分、厚さ６０ｎｍの第２のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層２５ｂ（ｘ＝０．２５）を成長させた（第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程）。

第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂ中のＮ濃度は約１．４×１０^２０ｃｍ^−３であった。Ｎガンシャッタを開くと、ドープされるＮの濃度が増加する。そこで、Ｎソースガンの窒素流量およびＲＦ電力（の少なくとも一方）を低くして、Ｎラジカル供給量を減らし、第１のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａとＮ濃度がほぼ等しくなるようにした。

次に、Ｎガンシャッタを再び閉状態とし、基板表面温度、Ｏラジカルフラックス量Ｊ_Ｏ、Ｚｎフラックス量Ｊ_Ｚｎ、Ｍｇフラックス量Ｊ_Ｍｇ、及びＮソースガンの設定条件を、第１ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程と同様な条件として、第３のｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−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４の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５を形成した。

第４の実施例の第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成工程のＶＩ／ＩＩ比等成膜条件は、Ｎガンシャッタ開状態で、３次元成長が起こる条件である。

第４の実施例の第１（及び第３）ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程は、第２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成工程と成膜温度やＶＩ／ＩＩ比は変わらないが、Ｎガンシャッタを閉じて成膜することにより、２次元成長が生じている。

図１１Ａは、第４の実施例の第２のｐ型ＭｇＺｎＯ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像である。１μｍ角の正方形領域が観察されており、表面粗さＲｍｓは７．１ｎｍである。第１の実施例の自己形成凹層と同様に、３次元成長により凹凸形状の表面が得られていることがわかる。

図１１Ｂは、第４の実施例の発光素子の第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃの表面を観察したＡＦＭ像である。１μｍ角の正方形領域が観察されており、表面粗さＲｍｓは１８．９ｎｍである。第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃは、２次元成長する条件で形成された層だが、第１の実施例と同様に、下地の第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｂの表面構造を反映した凹凸形状を示す。

第４の実施例に対し、第４の比較例の発光素子も作製した。第４の比較例は、第４の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層の形成工程から、３次元成長の自己形成凹層形成工程を省いたものである（なお、第２、第３の実施例についても同様にして、第２、第３の比較例の発光素子を作製した）。

図１１Ｃは、第４の比較例の発光素子のｐ型ＭｇＺｎＯ層の表面を観察したＡＦＭ像である。１μｍ角の正方形領域が観察されており、表面粗さＲｍｓは０．３２ｎｍである。第１の比較例と同様に、第４の比較例の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。

なお、図１１Ｄは、第４の実施例の第１（または第３）のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ（２５ｃ）の成長条件で成長させた厚さ３０ｎｍのｐ型ＭｇＺｎＯ層サンプルの表面を観察したＡＦＭ像である。１μｍ角の正方形領域が観察されており、表面粗さＲｍｓは０．３３ｎｍである。Ｎガンシャッタの閉状態で２次元成長が起こり、平坦な表面が得られている。

図１２は、第４の実施例及び第４の比較例の発光素子のＥＬスペクトルである。横軸が波長をｎｍ単位で示し、縦軸がＥＬ強度を任意単位で示す。第４の実施例及び第４の比較例の両方で、波長３８２ｎｍ程度をピークとする発光が見られるが、第４の実施例の方が、第４の比較例よりも２倍程度強い光放射出力が得られている。

第４の実施例でも、第１の実施例と同様に、自己形成凹層による凹凸構造により、素子表面での光取り出し効率が向上して、発光出力が向上したものと推測される。

次に、凹凸構造の凹部サイズと光取り出し効果について考察する。発光素子表面上の凹部ピッチ及び凹部密度は、第１の実施例で平均７４ｎｍ（５５〜１０５ｎｍ）、約８．７×１０^９個・ｃｍ^−２であり、第４の実施例で平均７８ｎｍ（５０〜１１０ｎｍ）、約５．６×１０^９個・ｃｍ^−２であった。

表面凹凸による光取り出し構造は、凹部サイズによって、幾何光学的なものと、波動光学的なものの２種に分けられる。幾何光学的光取り出し構造は、発光波長の１／２程度以上のサイズの凹部により、発光層のある１点から全方向に放射された光束の有効取り出し角（立体角）を大きくでき（すなわち、屈折臨界角を大きくでき）、光取り出し効率を向上できる。

波動光学的光取り出し構造は、発光波長の１／２程度以下のサイズの凹部により、屈折率を連続的に変化させる構造（グラディエーション・インデックス構造）が形成されて、光取り出し効率を向上できる。

実施例（第１〜第４の実施例をまとめて、単に実施例と呼ぶこととする）の発光素子の発光波長は、約３８０ｎｍなので、ｐ型層であるＭｇＺｎＯ層の屈折率を２程度と仮定すると、結晶内の波長は１９０ｎｍ程度となる。実施例の光取り出し構造は、波長の１／２（９５ｎｍ）程度の凹部ピッチを含み、幾何光学的光取り出し構造と波動光学的光取り出し構造の中間的構造といえる。

次に、凹部サイズの制御について考察する。

図１３Ａは、実施例の発光素子の表面（ｐ側電極３２の表面）の概略斜視図であり、図１３Ｂは、図１３Ａの一点鎖線ＸＸ´に沿った概略断面図である。

実施例の発光素子の自己形成凹層２５ｂには、結晶面（１１０ｎ）面（ｎ＝０、１、２、３、・・・）面で囲まれた、（下方が頂点側の）６角錐形状の凹部が形成されていると考えられる。底の尖った６角錐形状の凹部が好ましいが、平らな底面を持つ６角錐台形状の凹部であっても、光取り出し効果は得られる。

発光素子表面の凹部サイズと密度は、自己形成凹層（第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層）２５ｂの成長膜厚、基板温度、ＶＩ／ＩＩ比で制御できるであろう。さらに、その上の第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃの成長膜厚、基板温度、ＶＩ／ＩＩ比でも制御できるであろう。

なお、第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃを省略したとしても、自己形成凹層２５ｂにより、発光素子表面の凹凸構造による光取り出し効果を得ることはできる。

図１３Ｃは、自己形成凹層２５ｂに形成された凹部サイズが拡大される場合の第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃの成長条件を示す概略断面図である。凹部斜面の（１１０ｎ）面の成長速度が、上面の（０００１）面の成長速度よりも遅いことにより、凹部サイズが拡大する。

一方、図１３Ｄは、自己形成凹層２５ｂに形成された凹部サイズが変わらない場合の第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃの成長条件を示す概略断面図である。凹部斜面の（１１０ｎ）面の成長速度が、上面の（０００１）面の成長速度と等しいことにより、凹部サイズが維持される。

第１の実施例の第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃの成長は、凹部サイズが維持されるタイプであり、第４の実施例の第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃの成長は、凹部サイズが拡大されるタイプであった。

次に、凹部形成面積の比率について考察する。発光素子上面（ｐ型ＭｇＺｎＯ層上面）に占める凹部形成面積の比率（これを凹部比率と呼ぶこととする）は、高いほど（凹部比率が１に近いほど）光取り出し効果が高い。多数のサンプルを作製して調べたところ、凹凸構造なしのサンプルに比べて、凹部比率が０．３程度から発光出力向上効果が表れ、０．５を超えると顕著に発光出力が高くなった。特に、凹部比率０．７以上で、２倍以上の発光出力が得られた。

次に、第１〜第４の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層成長方法についてまとめる。

第１及び第２の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程では、成膜温度一定の下、ＶＩ／ＩＩ比を変えることにより、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た。ＶＩ／ＩＩ比は、例えば、ＺｎソースガンあるいはＯソースガンの使用本数を変えるだけで容易に変えることができる。ｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程は、温度一定で行なうことができる。

第３の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程では、ＶＩ／ＩＩ比一定の下、成膜温度を変えることにより、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た。ＶＩ／ＩＩ比を変化させないので、フラックス量を変えずに済む。

第４の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成工程では、ＶＩ／ＩＩ比及び成膜温度が一定のもと、Ｎガンシャッタの開閉状態を変えることにより、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た。ＶＩ／ＩＩ比及び成膜温度を変化させずに済む。

第１〜第４の実施例、及びその他の多数の実験より、ｐ型ＭｇＺｎＯ層の２次元成長条件（実施例の発光素子の第１及び第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成条件）と、３次元成長条件（実施例の発光素子の第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）形成条件）の境界を推定した。

図１４は、ｐ型ＭｇＺｎＯ層の２次元成長条件と３次元成長条件の境界を概略的に示すグラフである。領域Ｉが、２次元成長領域を示し、領域ＩＩが、３次元成長（自己形成凹層成長）領域を示す。横軸がＶＩ／ＩＩ比を示し、縦軸が基板表面温度Ｔｇを℃単位で示す。

３次元成長領域ＩＩは、基板表面温度７００℃でＶＩ／ＩＩ比１．２、基板表面温度４５０℃でＶＩ／ＩＩ比０．６、及び、基板表面温度４５０℃でＶＩ／ＩＩ比１．８を頂点とする３角形内の領域と推定される。なお、基板表面温度４５０℃未満の領域ＩＩＩは、発光素子のｐ型ＭｇＺｎＯ層として充分な結晶性が得られない領域である。

領域ＩＩ及び領域ＩＩＩの上側（高温側）が、２次元成長領域Ｉである。基板表面温度７００℃より高くなると、基板表面に吸着したＺｎ、Ｍｇのマイグレーションが激しくなって２次元成長となり、自己形成凹層は形成されない。

基板表面温度７００℃では、３次元成長は、ＶＩ／ＩＩ比１．２程度に限られる。３次元成長可能なＶＩ／ＩＩ比の範囲は、これより低温になるにつれ広くなり、基板表面温度６８０℃では、ＶＩ／ＩＩ比１．１５〜１．２５の範囲、基板表面温度６５０℃では、ＶＩ／ＩＩ比１．０〜１．３の範囲、基板表面温度５５０℃では、ＶＩ／ＩＩ比０．９〜１．５の範囲、基板表面温度４５０℃では、ＶＩ／ＩＩ比０．６〜１．８の範囲となる。

第１〜第４の実施例の成長条件を、このグラフを参照して整理することができる。点５０は、第１〜第３の実施例の第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂ成長条件に対応する。

点５１及び点５２は、それぞれ、第１及び第２の実施例の、第１及び第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃ成長条件に対応する。第１の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成は、点５１から点５０にＶＩ／ＩＩ比を上げて自己形成凹層を成長させた後、ＶＩ／ＩＩ比を下げて点５１に戻る。第２の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成は、点５２から点５０にＶＩ／ＩＩ比を下げて自己形成凹層を成長させた後、ＶＩ／ＩＩ比を上げて点５２に戻る。

点５３は、第３の実施例の第１及び第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ、２５ｃ成長条件に対応する。第３の実施例のｐ型ＭｇＺｎＯ層形成は、点５３から点５０に成膜温度を下げて自己形成凹層を成長させた後、成膜温度を上げて点５３に戻る。

点５４は、第４の実施例の、第１〜第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａ〜２５ｃすべての成長条件に対応する。ただし、Ｎガンシャッタを閉状態として第１のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ａを形成し、Ｎガンシャッタを開状態として第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）２５ｂを成長させた後、Ｎガンシャッタを閉状態として第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層２５ｃを形成する。

なお、実施例では、Ｍｇを添加したｐ型ＭｇＺｎＯ層について、２次元成長モードと３次元成長モード間の切り替えを考察したが、他のＺｎＯ系半導体層についても、ＶＩ／ＩＩ比、成膜温度（の少なくとも１つ）によって、２次元成長モードと３次元成長モード間の切り替えを行なうことができるであろう。Ｎをドープするｐ型ＺｎＯ系半導体層については、Ｎガンシャッタの開閉による成長モード切り替え方法も有効であろう。

以上説明したように、ＺｎＯ系半導体発光素子において、ｐｎ接合界面より光取り出し側のＺｎＯ系半導体層として、３次元成長させた層（自己形成凹層）を用いることにより、発光出力向上効果が得られる。ＺｎＯ系半導体層の成長条件制御で、光取り出し構造を形成できるので、例えば、結晶成長後に光取り出し構造形成工程を追加する必要がない。

自己形成凹層の下（ｐｎ接合界面側）は、平坦な２次元成長層であることが好ましい。２次元成長モードと３次元成長モード間の切り替えは、ＶＩ／ＩＩ比、成膜温度の（少なくとも一方の）変化で行なうことができる。Ｎをドープするｐ型ＺｎＯ系半導体層については、Ｎソースガンのガンシャッタの開閉で、２次元成長モードと３次元成長モード間を切り替えることができる。

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。例えば、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。

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
６ Ｎソースガン
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 発光層
２５ ｐ型ＭｇＺｎＯ層
２５ａ 第１のｐ型ＭｇＺｎＯ層
２５ｂ 第２のｐ型ＭｇＺｎＯ層（自己形成凹層）
２５ｃ 第３のｐ型ＭｇＺｎＯ層
３１ ｎ側電極
３２ ｐ側電極
３３ ｐ側電極パッド

Claims (10)

1. 基板上方に、第１導電型ＺｎＯ系半導体層を形成する工程と、
   前記第１導電型ＺｎＯ系半導体層の上方に、該第１導電型と逆導電型の、第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程と、
   前記第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層の上に、第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程と
   を有するＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
2. 前記第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程と、前記第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程とは、それぞれ、少なくともＺｎビームとＯラジカルビームを供給して、第２導電型ＺｎＯ系半導体層を成長させ、
   前記第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程は、前記第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程に対して、Ｚｎビームに対するＯラジカルビームのフラックス量の比を高くするかまたは低くする請求項１に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
3. 前記第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程は、前記第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程に対して、成膜温度を同一とする請求項２に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
4. 前記第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程と、前記第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程とは、それぞれ、少なくともＺｎビームとＯラジカルビームを供給して、第２導電型ＺｎＯ系半導体層を成長させ、
   前記第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程は、前記第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程に対して、成膜温度を低くする請求項１に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
5. 前記第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程は、前記第１の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程に対して、Ｚｎビームに対するＯラジカルビームのフラックス量の比を同一とする請求項４に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
6. 前記第１導電型はｎ型、前記第２導電型はｐ型であり、
   前記第１のｐ型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程と、前記第２のｐ型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程とは、それぞれ、少なくともＺｎビームと、Ｏラジカルビームと、窒素が導入され放電によりＮを含む複数のスピーシーズを生成する無電極放電管からＮラジカルを含むビームを供給して、ｐ型ＺｎＯ系半導体層を成長させ、
   前記第２のｐ型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程は、前記第１のｐ型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程に対して、前記無電極放電管から供給され前記基板上方に到達するＮを含むスピーシーズを変化させる請求項１に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
7. 前記第１のｐ型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程は、前記無電極放電管のビーム出射口に近接して設けられたシャッタを閉状態とし、前記第２のｐ型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程は、該シャッタを開状態とする請求項６に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
8. 前記第２のｐ型ＺｎＯ系半導体層を３次元成長させる工程は、前記第１のｐ型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長させる工程に対して、Ｚｎビームに対するＯラジカルビームのフラックス量の比と成膜温度を同一とする請求項６または７に記載のＺｎＯ系半導体発光素子の製造方法。
9. さらに、前記第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層の上に、第３の第２導電型ＺｎＯ系半導体層を２次元成長する条件で成長させる工程を有する請求項１〜８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。
10. さらに、前記第２の第２導電型ＺｎＯ系半導体層の上方に、透明電極を形成する工程を有する請求項１〜９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。