JP4020314B2

JP4020314B2 - Ga2O3 light emitting device and method for manufacturing the same

Info

Publication number: JP4020314B2
Application number: JP2003137916A
Authority: JP
Inventors: 昇一ノ瀬; 清史島村; 和夫青木; ビジョラエンカルナシオンアントニアガルシア
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP2004342857A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｇａ₂Ｏ₃系発光素子およびその製造方法に関し、特に、紫外領域で発光するＧａ₂Ｏ₃系発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外領域での発光素子は、水銀フリーの蛍光灯の実現、クリーンな環境を提供する光触媒、より高密度記録を実現する新世代ＤＶＤ等で特に大きな期待がもたれている。このような背景から、ＧａＮ系青色発光素子が実現されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１には、サファイア基板と、サファイア基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成されたｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層とｎ型クラッド層と、ｎ型活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とを備える発光素子が記載されている。この従来のＧａＮ系青色発光素子は、発光波長３７０ｎｍで発光する。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２７７８４０５号公報（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＧａＮ系青色発光素子では、バンドギャップの関係でさらに短波長の紫外領域で発光する発光素子を得るのが困難である。そこで、近年、バンドギャップがより大きく、紫外領域で発光する可能性がある物質としてβ−Ｇａ₂Ｏ₃が期待されている。しかし、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶は得られているが、高品質のβ−Ｇａ₂Ｏ₃薄膜を得る具体的な方法およびその薄膜を用いた発光素子は実現されていないのが現状である。
【０００６】
また、サファイア基板は、絶縁性を有するため、基板の両側から電極を取り出せず、層構成が複雑化するという問題がある。
【０００７】
さらに、サファイア基板の上に形成される薄膜は、サファイア基板と組成や格子定数が異なるため、バッファ層を介してサファイア基板の上に薄膜を形成する必要があり、製造工程が複雑化するという問題がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、紫外領域で発光するＧａ₂Ｏ₃系発光素子およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、発光素子の層構成を簡素化し、製造工程を簡略化できるＧａ₂Ｏ₃系発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるｎ型導電性を示す第１の層と、前記第１の層上に形成されたＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなるｐ型導電性を示す第２の層とを備え、前記第１の層および第２の層は、これらの間に活性層を備えることを特徴とするＧａ_２Ｏ_３系発光素子を提供する。
【００１０】
この構成によれば、ｎ型導電性を示す第１の層上にｐ型導電性を示す第２の層を形成することにより、ＰＮ接合の発光素子を形成することができるため、Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶が有するバンドギャップにより紫外領域の発光が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係るＧａ₂Ｏ₃系発光素子は、ｎ型導電性を示す基板とその基板上に形成されたｐ型導電性を示す薄膜により構成されたもの、ｐ型導電性を示す基板とその基板上に形成されたｎ型導電性を示す薄膜により構成されたもの、および絶縁型の基板とその基板上に形成されたｐ型導電性を示す薄膜とｎ型導電性を示す薄膜により構成されたもの等がある。以下、それら発光素子の構成要素の製造方法等について説明する。
【００１２】
（１）ｎ型導電性を示す基板の製造方法
基板がｎ型導電性を示すためには、基板中のＧａがｎ型ドーパントと置換されるか、基板中の酸素がｎ型ドーパントと置換されるか、またはβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶中の酸素欠陥によらなければならない。Ｇａがｎ型ドーパントと置換されるガリウム置換型ｎ型ドーパントとして、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｍｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等が挙げられる。酸素がｎ型ドーパントと置換される酸素置換型ｎ型ドーパントとして、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ等が挙げられる。
【００１３】
ｎ型導電性を示す基板は、以下のように製作する。まず、ＦＺ（ＦｌｏａｔｉｎｇＺｏｎｅ）法によりβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶を形成する。すなわち、β−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶とβ−Ｇａ₂Ｏ₃多結晶素材とを別個に準備し、石英管中でβ−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶とβ−Ｇａ₂Ｏ₃多結晶素材とを接触させてその部位を加熱し、β−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶とβ−Ｇａ₂Ｏ₃多結晶素材との接触部分で両者を溶融する。溶解したβ−Ｇａ₂Ｏ₃多結晶素材をβ−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶とともに結晶化させると、β−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶上にβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶が生成される。次に、このβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶に切断等の加工を施すことにより、ｎ型導電性を示す基板が製作される。なお、ｂ軸＜０１０＞方位に結晶成長させた場合には、（１００）面の劈開性が強くなるので、（１００）面に平行な面と垂直な面で切断して基板を作製する。ａ軸＜１００＞方位、ｃ軸＜００１＞方位に結晶成長させた場合は、（１００）面、（００１）面の劈開性が弱くなるので、全ての面の加工性が良くなり、上記のような切断面の制限はなく、（００１）面、（０１０）面、（１０１）面であってもよい。
【００１４】
上記の製造方法により基板がｎ型導電性を示すことになるのは、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶中の酸素欠陥によるためである。
【００１５】
（２）ｎ型導電性を示す基板の導電率制御
β−Ｇａ₂Ｏ₃からなるｎ型導電性を示す基板の導電率を制御する方法には、雰囲気中の酸素分圧を変えたり、成長中に酸素流量を変えることにより酸素欠陥濃度を制御する方法、ＦＺ法によりｎ型ドーパント濃度を制御する方法等が挙げられる。導電率は、酸素欠陥濃度が大きくなると大きくなる。β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶の成長中における酸素流量と導電率の対数との関係は、略反比例の関係にある。β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶の成長時に、１〜２気圧で、０〜０．２ｍ³／ｈの間で酸素流量を変化させ酸素濃度を変化させることにより、キャリア濃度を１０¹⁶〜１０¹⁹／ｃｍ³の間で制御することができる。
【００１６】
（３）絶縁型基板の製造方法
絶縁型基板は、以下のように製作する。まず、ｎ型導電性を示す基板の製造方法と同様に、酸素欠陥濃度のコントロールによりｎ型導電性を示すβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶を成長させる。次いで、大気中で所定の温度（例えば、温度９００℃）の雰囲気で所定の期間（例えば６日間）アニールすることにより、酸素欠陥を減少させ、Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなる絶縁型基板が得られる。
【００１７】
（４）ｐ型導電性を示す基板の製造方法
β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶から形成される基板がｐ型導電性を示すためには、基板中のＧａがｐ型ドーパントと置換されるか、または基板中の酸素がｐ型ドーパントと置換されなければならない。Ｇａがｐ型ドーパントと置換されるガリウム置換型ｐ型ドーパントとして、Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ等が挙げられる。酸素がｐ型ドーパントと置換される酸素置換型ｐ型ドーパントとして、Ｎ、Ｐ等が挙げられる。
【００１８】
ｐ型導電性を示す基板は、以下のように製作する。まず、ＦＺ法によりβ−Ｇａ₂Ｏ₃結晶を形成する。原料として、例えば、ＭｇＯ（ｐ型ドーパント源）を含むβ−Ｇａ₂Ｏ₃を均一に混合し、混合物をゴム管に入れ５００ＭＰａで冷間圧縮して棒状に成形する。成形したものを大気中において１５００℃で１０時間焼結してＭｇを含むβ−Ｇａ₂Ｏ₃系多結晶素材を得る。β−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶を準備し、成長雰囲気が全圧１〜２気圧の下、Ｎ₂およびＯ₂混合ガスを５００ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、石英管中でβ−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶とβ−Ｇａ₂Ｏ₃系多結晶素材とを接触させてその部位を加熱し、β−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶とβ−Ｇａ₂Ｏ₃系多結晶素材との接触部分で両者を溶融する。溶解したβ−Ｇａ₂Ｏ₃系多結晶素材をβ−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶とともに回転速度２０ｒｐｍで反対方向に回転させながら、かつ５ｍｍ／ｈの成長速度で成長させると、β−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶上に透明で、Ｍｇを含む絶縁性のβ−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶が生成する。このβ−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶により基板を作製し、この基板を酸素雰囲気中において所定の温度（例えば９５０℃）で所定の期間アニールすると、酸素欠陥が減少し、ｐ型導電性を示す基板が得られる。
【００１９】
（５）ｐ型導電性を示す基板の導電率制御
β−Ｇａ₂Ｏ₃からなるｎ型導電性を示す基板の導電率を制御する方法には、ＦＺ法によりｐ型ドーパント濃度を制御する方法が挙げられる。
【００２０】
（６）ｎ型導電性を示す薄膜の製造方法
ｎ型導電性を示す薄膜は、ＰＬＤ（ＰｕｌｓｅｄＬａｓｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタ法等の物理的気相成長法、熱ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマＣＶＤ等の化学的気相成長法等により成膜することができる。
【００２１】
ＰＬＤ法による成膜を説明する。ｎ型導電性を示すためには、薄膜中のＧａがｎ型ドーパントと置換されるか、薄膜中の酸素がｎ型ドーパントと置換されるか、または酸素欠陥の存在によらなければならない。Ｇａがｎ型ドーパントと置換されるガリウム置換型ｎ型ドーパントとして、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｍｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等が挙げられる。酸素がｎ型ドーパントと置換される酸素置換型ｎ型ドーパントとして、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ等が挙げられる。
【００２２】
ＰＬＤ法において、ガリウム置換型ｎ型ドーパントおよび酸素置換型ｎ型ドーパントをドープする方法には、下記の方法がある。すなわち、Ｇａとｎ型ドーパントの合金からなるターゲット、β−Ｇａ₂Ｏ₃とｎ型ドーパントの酸化物との焼結体からなるターゲット、β−Ｇａ₂Ｏ₃とｎ型ドーパントの酸化物との固溶体単結晶からなるターゲット、またはＧａ金属からなるターゲットおよびｎ型ドーパントからなるターゲットを用いる方法等がある。
【００２３】
また、ＰＬＤ法において、酸素欠陥によりｎ型導電性を示す薄膜は、ターゲットとしてβ−Ｇａ₂Ｏ₃結晶（単結晶、多結晶）を用い、酸素雰囲気中で成膜することにより作製できる。
【００２４】
（７）ｎ型導電性を示す薄膜の導電率制御
β−Ｇａ₂Ｏ₃からなるｎ型導電性を示す薄膜の導電率を制御する方法には、ターゲットのｎ型ドーパント配合比を制御する方法、レーザの照射条件や基板の成膜条件を変えて酸素欠陥濃度を制御する方法等が挙げられる。
【００２５】
ＰＬＤ法によりｎ型ドーパント濃度を制御する方法には、Ｇａとｎ型ドーパントの合金からなるターゲット、β−Ｇａ₂Ｏ₃とｎ型ドーパントの酸化物との焼結体からなるターゲット、β−Ｇａ₂Ｏ₃とｎ型ドーパントの酸化物との固溶体単結晶からなるターゲットを用いる方法においては、Ｇａとドーパントの成分比を変える方法、またはＧａ金属からなるターゲットおよびｎ型ドーパントからなるターゲットを用いる方法においては、ターゲットへのレーザーの照射方法を変える方法がある。例えば、レーザの波長（例えば、１５７ｎｍ、１９３ｎｍ、２４８ｎｍ、２６６ｎｍ、３５５ｎｍ等）を変える方法、１パルスあたりのパワー（例えば、１０〜５００ｍＷ）や繰り返しの周波数（例えば、１〜２００Ｈｚ）を変える方法等がある。
【００２６】
ＰＬＤ法により酸素欠陥濃度を制御する方法には、ターゲットへのレーザー照射条件を変える方法がある。例えば、レーザの波長（例えば、１５７ｎｍ、１９３ｎｍ、２４８ｎｍ、２６６ｎｍ、３５５ｎｍ等）を変える方法、１パルスあたりのパワー（例えば、１０〜５００ｍＷ）や繰り返しの周波数（例えば、１〜２００Ｈｚ）を変える方法がある。あるいは、基板の成膜条件を変える方法、例えば基板温度（例えば、３００〜１５００℃）を変える方法、ターゲットと基板の距離（例えば、２０〜５０ｍｍ）を変える方法,成膜の真空度（例えば、１０^-3〜１０^-7ｔｏｒｒ）を変える方法、プラズマガンの出力を変える方法等がある。
【００２７】
（８）ｐ型導電性を示す薄膜の製造方法
ｐ型導電性を示す薄膜は、ＰＬＤ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法等の物理的気相成長法、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等の化学的気相成長法等により成膜することができる。
【００２８】
ＰＬＤ法による成膜を説明する。ｐ型導電性を示すためには、薄膜中のＧａがｐ型ドーパントと置換されるか、または薄膜中の酸素がｐ型ドーパントと置換されるか、Ｇａ欠陥によらなければならない。Ｇａがｐ型ドーパントと置換されるガリウム置換型ｐ型ドーパントとして、Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ等が挙げられる。酸素がｐ型ドーパントと置換される酸素置換型ｐ型ドーパントとして、Ｐ等が挙げられる。
【００２９】
ＰＬＤ法によりガリウム置換型ｐ型ドーパントをドープする方法および酸素置換型ｐ型ドーパントをドープする方法は、薄膜成長工程でｐ型ドーパントをドープする方法である。ｐ型ドーパントをドープする方法には、下記の方法がある。すなわち、Ｇａとｐ型ドーパントの合金からなるターゲット、β−Ｇａ₂Ｏ₃とｐ型ドーパントの酸化物との焼結体からなるターゲット、β−Ｇａ₂Ｏ₃とｐ型ドーパントの酸化物との固溶体単結晶からなるターゲット、またはＧａ金属からなるターゲットおよびｐ型ドーパントからなるターゲットを用いる方法等がある。
【００３０】
また、Ｇａ欠陥によりＰ型導電性を示す薄膜は、ターゲットとしてＧａ金属、β−Ｇａ₂Ｏ₃焼結体、あるいはβ−Ｇａ₂Ｏ₃結晶（単結晶、多結晶）を用い、プラズマガンによりラジカルにされたＮ₂Ｏの雰囲気中で成膜することにより作製できる。
【００３１】
（９）ｐ型導電性を示す薄膜の導電率制御
β−Ｇａ₂Ｏ₃からなるｐ型導電性を示す薄膜の導電率を制御する方法には、ターゲットのｐ型ドーパント配合比を制御する方法、レーザーの照射条件や基板の成膜条件を変えてＧａ欠陥濃度を制御する方法等が挙げられる。
【００３２】
ＰＬＤ法によりｐ型ドーパント濃度を制御する方法には、Ｇａとｐ型ドーパントの合金からなるターゲット、β−Ｇａ₂Ｏ₃とｐ型ドーパントの酸化物との焼結体からなるターゲット、β−Ｇａ₂Ｏ₃とｎ型ドーパントの酸化物との固溶体単結晶からなるターゲットを用いる方法においては、Ｇａとドーパントの成分比を変える方法、またはＧａ金属からなるターゲットおよびｐ型ドーパントからなるターゲットを用いる方法においては、ターゲットへのレーザーの照射方法を変える方法がある。例えば、レーザの波長（例えば、１５７ｎｍ、１９３ｎｍ、２４８ｎｍ、２６６ｎｍ、３５５ｎｍ等）を変える方法、１パルスあたりのパワー（例えば、１０〜５００ｍＷ）や繰り返しの周波数（例えば、１〜２００Ｈｚ）を変える方法等がある。
【００３３】
ＰＬＤ法によりＧａ欠陥濃度を制御する方法には、ターゲットへのレーザー照射条件を変える方法がある。例えば、レーザの波長（例えば、１５７ｎｍ、１９３ｎｍ、２４８ｎｍ、２６６ｎｍ、３５５ｎｍ等）を変える方法、１パルスあたりのパワー（例えば、１０〜５００ｍＷ）や繰り返しの周波数（例えば、１〜２００Ｈｚ）を変える方法がある。あるいは、基板の成膜条件を変える方法、例えば基板温度（例えば、３００〜１５００℃）を変える方法、ターゲットと基板の距離（例えば、２０〜５０ｍｍ）を変える方法,成膜の真空度（例えば、１０^-3〜１０^-7ｔｏｒｒ）を変える方法、プラズマガンの出力を変える方法等がある。
【００３４】
（１０）電極
電極は、ｐ型導電性を示す薄膜、あるいは基板、またはｎ型導電性を示す薄膜、あるいは基板上に蒸着、スパッタ等により形成される。電極は、オーミック接触が得られる材料で形成される。例えば、ｎ型導電性を示す薄膜あるいは基板には、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｂ等の金属単体、これらのうち少なくとも２種の合金（例えば、Ａｕ−Ｇｅ合金）、これらを２層構造に形成するもの（例えば、Ａｌ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｃｏ）、あるいはＩＴＯが挙げられる。ｐ型導電性を示す薄膜あるいは基板には、Ａｕ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｎ等の金属単体、これらのうち少なくとも２種の合金（例えば、Ａｕ−Ｚｎ合金、Ａｕ−Ｂｅ合金）、これらを２層構造に形成するもの（例えば、Ｎｉ／Ａｕ）あるいはＩＴＯが挙げられる。
【００３５】
【実施例】
＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１に係るＧａ₂Ｏ₃系発光素子の断面を示す。この発光素子１は、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなるｎ型導電性を示すｎ型基板２と、このｎ型基板２の上面に形成されβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなるｐ型導電性を示すｐ型層３と、このｐ型層３の上面に形成される透明電極４と、透明電極４の一部に形成されるボンディング電極６と、ｎ型基板２の下面の全面に形成されるｎ電極５とを備える。ボンディング電極６は、例えば、Ｐｔから形成され、ｎ電極５は、例えば、Ａｕから形成され、ボンディング電極６は、リード８がボンディング９によって接続される。透明電極４は、例えば、Ａｕ／Ｎｉにより形成する。
【００３６】
次に、この発光素子１の製造方法について説明する。まず、前述したようにＦＺ法によりβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶を形成する。図２において酸素濃度とキャリア濃度との関係を示すように、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶の成長時に、酸素濃度１〜２０％の間で変化させることにより、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶のキャリア濃度を１．４×１０¹⁷〜１×１０¹⁶／ｃｍ³の間で制御することが可能である。１〜２０ｍｍ／ｈで単結晶化させ、製造されたβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶に切断等の加工を施すことにより、ｎ型導電性を示すｎ型基板２が製作される。このｎ型基板２のキャリア濃度は、１×１０^-17／ｃｍ³、ｐ型層３のキャリア濃度は、１０¹⁶／ｃｍ³である。
【００３７】
図３は、本発明の実施例１に係る発光素子を製造するための成膜装置の概略構成を示す。この成膜装置２０は、ＰＬＤ法によって成膜するものであり、真空可能な空間部６０を有するチャンバ２１と、チャンバ２１内に配置されたターゲット２３を保持するターゲット台２５と、チャンバ２１の外部に設けられ、ターゲット台２５を回転させる回転機構３０と、チャンバ２１内に配置され、ｎ型基板２を保持するとともに、ｎ型基板２を１５００℃まで加熱可能なヒータを内蔵する基板保持部２７と、チャンバ２１内にパイプ２１ａからラジカルを注入するラジカル注入部２８と、パイプ２１ｂを介して空間部６０を排気して空間部６０を真空にする真空ポンプ（図示せず）を有する排気部２９と、チャンバ２１の外部に設けられ、ターゲット２３に励起ビームとしてのレーザ光４２を照射するレーザ部２４とを備える。
【００３８】
ターゲット２３は、例えば、高純度のＧａとＭｇを含む合金、Ｍｇをドープしたβ−Ｇａ₂Ｏ₃結晶（単結晶あるいは多結晶）、Ｍｇをドープしたβ−Ｇａ₂Ｏ₃焼結体を用いる。合金以外の固体からなるものであっても、液状であってもよい。
【００３９】
レーザ部２４は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＫｒＦエキシマレーザまたはＡｒＦエキシマレーザ等をレーザ源としてレーザ光４２をパルス状に照射するレーザ発振部４１と、レーザ発振部４１から出射されたレーザ光４２をターゲット２３上に集光するレンズ４３、４４とを備える。
【００４０】
ｎ型基板２は、β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶からなり、ターゲット２３にレーザ光４２が照射されたときに、ターゲット２３から放出された金属原子等の化学種３３が成膜できるように、ターゲット２３と対向している。
【００４１】
ラジカル注入部２８は、酸素ガス、オゾンを含む酸素ガス、純オゾンガス、Ｎ₂Ｏガス、ＮＯ₂ガス、酸素ラジカルを含む酸素ガス、酸素ラジカル等のうち１または２以上のガス、すなわち成膜時にターゲット２３から放出された金属原子等の化学種３３と結合するガスを空間部６０に注入するようになっている。
【００４２】
次に、ｎ型基板２の表面にβ−Ｇａ₂Ｏ₃からなるｐ型層３を形成する方法について説明する。ｎ型基板２上にｐ型層３を成長させるには、前述の成膜装置２０を使用する。すなわち、ターゲット２３として、例えば、ＧａとＭｇからなる合金のターゲット２３をターゲット台２５に固定する。ｎ型基板２を基板保持部２７に保持する。排気部２９の真空ポンプにより空間部６０中の空気を排気し、空間部６０内の真空度を、例えば、１×１０^-9ｔｏｒｒ程度にし、その後、例えば酸素ガスをラジカル注入部２８によって空間部６０に注入し１×１０^-7ｔｏｒｒ程度にする。基板保持部２７に設けたヒータに通電し、ｎ型基板２の温度を、例えば、３００〜１５００℃に加熱する。次いで、酸素ラジカルをラジカル注入部２８によって空間部６０内に注入して真空度を１×１０^-6〜１×１０^-4ｔｏｒｒとする。レーザ部２４からレーザ出力１００ｍＷ、繰り返し周波数１０Ｈｚで、波長２６６ｎｍのレーザ光４２を回転機構３０により回転するターゲット２３に照射すると、ターゲット２３を構成しているＧａ原子、Ｍｇ原子が励起され、熱的・光化学的作用により、ターゲット２３から放出される金属原子、金属イオン、励起金属原子、励起金属イオン等の化学種３３が雰囲気中の酸素ラジカルと基板２上で結合し、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなるｐ型層３が形成される。この導電性は、Ｍｇがアクセプターとして働くことによるものである。
【００４３】
その後、適宜手段により、ｐ型層３の表面に透明電極４および透明電極４の一部にボンディング電極６を形成し、ｎ型基板２の下面の全面にｎ電極５を形成する。その後、リード８をボンディング９によりボンディング電極６に接続する。
【００４４】
この実施例１の発光素子１は、ｎ型基板２と、このｎ型基板２の上面にｐ型層３とを接合することとしたため、ボンディング電極６の極性をプラス、ｎ電極５の極性をマイナスとして電圧を印加すると、ｎ型基板２とｐ型層３との接合部において、ｎ型基板２内の電子とｐ型層３内の正孔とが互いに接合部に向い、それらが接合部付近で再結合するために、接合部付近が短波長、例えば、２６０ｎｍの発光が可能となる。
【００４５】
この実施例１によれば、下記の効果が得られる。
（イ）ｎ型基板２とｐ型層３とを接合することにより、ＰＮ接合の発光素子を形成することができるため、β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶が有する広いバンドギャップにより短波長、例えば、２６０ｎｍのような短波長の発光が可能となる。
（ロ）ｎ型基板２およびｐ型層３は、β−Ｇａ₂Ｏ₃を主体に構成されているので、バッファ層を不要にすることが可能となり、結晶性の高いｐ型層を形成することができる。
（ハ）ｎ型基板２は、導電性を有するため、上下から電極を取り出す垂直型の構造をとることができるので、層構成、製造工程の簡素化を図ることができる。
（ニ）ｎ型基板２は、発光領域で透過性が高いので、光の取り出し効率を高くすることができ、２６０ｎｍのような短波長の紫外光を基板側からも取り出すことができる。
（ホ）ｎ型基板２やｐ型層３に酸化物系β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶を用いているため、高温の大気中でも安定に動作する発光素子を形成することができる。
【００４６】
＜実施例２＞
図４は、本発明の実施例２に係るＧａ₂Ｏ₃系発光素子の断面を示す。この実施例２に係る発光素子１が、実施例１に係る発光素子１と異なるところは、ｐ型層３とｎ型基板２との間に、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなり、ｎ型基板２とキャリア濃度が異なるｎ型導電性を示すｎ型層７が形成されていることである。
【００４７】
次に、ｎ型基板２の表面にｎ型層７を形成する場合について説明する。この場合、図２に示す成膜装置２０を使用してｎ型層７を形成する。このとき、ターゲット２３は、例えば、高純度のＧａとＳｎを含む合金、またはＳｎドープβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶またはＳｎドープβ−Ｇａ₂Ｏ₃結晶焼結体からなるものを用いる。
【００４８】
まず、ターゲット２３として、例えば、ＧａとＳｎからなる合金のターゲット２３をターゲット台２５に固定する。ｎ型基板２を基板保持部２７に保持する。排気部２９の真空ポンプにより空間部６０中の空気を排気し、空間部６０内の真空度を、例えば、１×１０^-9ｔｏｒｒ程度にし、その後、例えば酸素ガスをラジカル注入部２８によって空間部６０に注入し１×１０^-7ｔｏｒｒ程度にする。基板保持部２７に設けたヒータに通電し、ｎ型基板２の温度を、例えば、３００〜１５００℃に加熱する。次いで、酸素ラジカルをラジカル注入部２８によって空間部６０内に注入して１×１０^-6〜１×１０^-4ｔｏｒｒとする。レーザ部２４からレーザ出力１００ｍＷ、繰り返し周波数１０Ｈｚで、波長２６６ｎｍのレーザ光４２を回転機構３０により回転するターゲット２３に照射すると、ターゲット２３を構成しているＧａ原子、Ｓｎ原子が励起され、熱的・光化学的作用により、ターゲット２３から放出される金属原子、金属イオン、励起金属原子、励起金属イオン等の化学種３３が雰囲気中の酸素ラジカルとｎ型基板２上で結合し、ｎ型層７が形成される。このときｎ型層７のキャリア濃度は、膜の成長中において酸素ラジカル濃度を減少するなどの方法により、ｎ型基板２のキャリア濃度よりも低くなるように形成する。例えば、ｎ型基板２のキャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³、ｎ型層７のキャリア濃度は、１０¹⁷／ｃｍ³、ｐ型層３のキャリア濃度は、１０¹⁶／ｃｍ³である。
【００４９】
その後、適宜手段により、ｐ型層３の表面に透明電極４を形成し、透明電極４の一部にボンディング電極６を、ｎ型基板２の下面の全面にｎ電極５を形成する。その後、リード８をボンディング９によりボンディング電極６に接続する。
【００５０】
この実施例２によれば、下記の効果が得られる。
（イ）ｎ型層７のキャリア濃度をｎ型基板２のキャリア濃度より低く形成することにより、ｐ型層３の結晶性がよくなり、実施例１に比べて発光効率が向上する。
（ロ）ｎ型層７とｐ型層３とを接合することにより、ＰＮ接合の発光素子を形成することができるため、β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶が有する広いバンドギャップにより短波長、例えば、２６０ｎｍのような短波長の発光が可能となる。
（ハ）ｎ型基板２およびｎ型層７は、β−Ｇａ₂Ｏ₃を主体に構成されているので、バッファ層を不要にすることが可能となり、結晶性の高いｐ型層３を形成することができる。
（ニ）ｎ型基板２は、導電性を有するため、上下から電極を取り出す垂直型の構造をとることができるので、層構成、製造工程の簡素化を図ることができる。
（ホ）ｎ型基板２は、発光領域で透過性が高いので、光の取り出し効率を高くすることができ、２６０ｎｍのような短波長の紫外光を基板側からも取り出すことができる。
（ヘ）ｎ型基板２、ｎ型層７やｐ型層３に酸化物系β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶を用いているため、高温の大気中でも安定に動作する発光素子を形成することができる。
【００５１】
＜実施例３＞
図５は、本発明の実施例３に係るＧａ₂Ｏ₃系発光素子の断面を示す。この発光素子１は、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなるｐ型導電性を示すｐ型基板１２と、このｐ型基板１２の上面に形成されるβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなるｎ型導電性を示すｎ型層１３と、このｎ型層１３の上面に形成される透明電極４と、透明電極４の一部に形成されるボンディング電極６と、ｐ型基板１２の下面の全面に形成されるｐ電極３６とを備える。ボンディング電極６は、リード８がボンディング９によって接続される。ｐ電極３６は、例えば、Ｐｔから形成され、ボンディング電極６は、例えば、Ａｕから形成される。
【００５２】
次に、この発光素子１の製造方法について説明する。まず、ＦＺ法によりβ−Ｇａ₂Ｏ₃結晶を形成する。原料として、ドーパントとしてのＭｇＯ（ｐ型ドーパント源）を含むβ−Ｇａ₂Ｏ₃とを均一に混合し、混合物をゴム管に入れ５００ＭＰａで冷間圧縮して棒状に成形する。成形したものを大気中において１５００℃で１０時間焼結してβ−Ｇａ₂Ｏ₃系多結晶素材を得る。Ｇａ₂Ｏ₃種結晶を準備し、成長雰囲気が全圧１〜２気圧のもと、Ｎ₂およびＯ₂混合ガスを５００ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、石英管中でβ−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶とβ−Ｇａ₂Ｏ₃系多結晶素材とを接触させてその部位を加熱し、β−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶とβ−Ｇａ₂Ｏ₃系多結晶素材との接触部分で両者を溶融する。溶解したβ−Ｇａ₂Ｏ₃系多結晶素材をβ−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶とともに回転速度２０ｒｐｍで反対方向に回転させながら、かつ５ｍｍ／ｈの引き下げ速度で成長させると、β−Ｇａ₂Ｏ₃種結晶上に透明なβ−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶が生成する。次に、このβ−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶に切断等の加工を施すことにより基板を作製する。次に、この基板を酸素雰囲気中において９５０℃でアニールすると、ｐ型導電性を示すｐ型基板１２となる。次いで、ｎ型層１３を、実施例２に示すように形成し、ボンディング電極６、ｐ電極３６等を形成する。
【００５３】
この実施例３の発光素子１は、ｐ型基板１２と、このｐ型基板１２の上面に形成するｎ型層１３とを接合することとしたため、ボンディング電極６の極性をマイナス、ｐ電極３６の極性をプラスとして電圧を印加すると、ｐ型基板１２とｎ型層１３との接合部において、ｐ型基板１２内の正孔とｎ型層１３内の電子とが互いに接合部に向い、それらが接合部付近で再結合するために、接合部付近が発光する。
【００５４】
この実施例３によれば下記の効果が得られる。
（イ）ｐ型基板１２とｎ型層１３とを接合することにより、ＰＮ接合の発光素子を形成することができるため、β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶が有する広いバンドギャップにより短波長、例えば、２６０ｎｍのような短波長の発光が可能となる。
（ロ）ｐ型基板１２およびｎ型層１３は、β−Ｇａ₂Ｏ₃を主体に構成されているので、バッファ層を不要にすることが可能となり、結晶性の高いｎ型層１３を形成することができる。
（ハ）ｐ型基板１２は、導電性を有するため、上下から電極を取り出す垂直型の構造をとることができるので、層構成、製造工程の簡素化を図ることができる。
（ニ）ｐ型基板１２は、発光領域で透過性が高いので、光の取り出し効率を高くくすることができ、２６０ｎｍのような短波長の紫外光を基板側からも取り出すことができる。
（ホ）ｐ型基板１２やｎ型層１３に酸化物系β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶を用いているため、高温の大気中でも安定に動作する発光素子を形成することができる。
【００５５】
＜実施例４＞
図６は、本発明の実施例４に係るＧａ₂Ｏ₃系発光素子の断面を示す。この実施例４に係る発光素子１が、実施例３に係る発光素子１と異なるところは、ｎ型層１３とｐ型基板１２との間に、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなるｐ型導電性を示すｐ型層３が形成されていることである。このｐ型層３は、前記の導電率制御を行い、ｐ型基板１２のキャリア濃度よりも低く形成されている。
【００５６】
この発光素子１は、実施例３のようにしてｐ型基板１２を形成し、そのｐ型基板１２上に実施例１のようにしてｐ型層３を形成し、そのｐ型層３の上に実施例２のようにしてｎ型層１３を形成する。
【００５７】
この実施例４によれば、以下の効果が得られる。
（イ）ｐ型層３のキャリア濃度をｐ型基板１２のキャリア濃度より低く形成しているので、発光効率の低下を防止することができる。
（ロ）ｎ型層１３とｐ型層３とを接合することにより、ＰＮ接合の発光素子を形成することができるため、β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶が有する広いバンドギャップにより短波長、例えば、２６０ｎｍの発光が可能となる。
（ハ）ｐ型基板１２およびｐ型層３は、β−Ｇａ₂Ｏ₃を主体に構成されているので、バッファ層を不要にすることが可能となり、結晶性の高いｎ型層１３を形成することができる。
（ニ）ｐ型基板１２は、導電性を有するため、上下から電極を取り出す垂直型の構造をとることができるので、層構成、製造工程の簡素化を図ることができる。
（ホ）ｐ型基板１２は、発光領域で透過性が高いので、光の取り出し効率を高くすることができ、２６０ｎｍのような短波長の紫外光を基板側からも取り出すことができる。
（へ）ｐ型基板１２やｎ型層１３に酸化物系β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶を用いているため、高温の大気中でも安定に動作する発光素子を形成することができる。
【００５８】
＜実施例５＞
図７は、本発明の実施例５に係るβ−Ｇａ₂Ｏ₃系発光素子の断面を示す。この発光素子１は、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなる絶縁型基板１６と、この絶縁型基板１６の下面に形成されるβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなるｎ型導電性を示すｎ型層１７と、このｎ型層１７の一部の下面に形成されるβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなるｐ型導電性を示すｐ型層１８と、このｐ型層１８上に形成されるｐ電極３６と、ｎ型層１７上に形成されるｎ電極３７とを備える。ｐ電極３６は、例えば、Ｐｔから形成され、ｎ電極３７は、例えば、Ａｕ等から形成される。ｐ電極３６およびｎ電極３７は、それぞれ半田ボール６３、６４を介してプリント基板６５上のプリントパターン６６と接触される。
この発光素子１は、ｎ型層１７とｐ型層１８とが接合されたｐｎ接合部で発光するが、発光した光は、絶縁型基板１６を透過して出射光７０として上方に出射する。
【００５９】
次に、この発光素子１の製造方法について説明する。絶縁型基板１６は、以下のようにして得られる。ＦＺ法によって実施例１のようにして得られたｎ型導電性を示すβ−Ｇａ₂Ｏ₃からなる基板を、大気中で温度９５０℃の雰囲気でアニールすることにより、酸素欠陥を減少させることができ、絶縁型基板１６が得られる。この絶縁型基板１６上に実施例３のようにしてｎ型層１７を形成し、このｎ型層１７の一部をマスキングして実施例１のようにｐ型層１８を形成し、マスキングを除去した後、このｐ型層１８上にｐ電極３６を、ｎ型層１７の一部の上にｎ電極３７をそれぞれ形成する。
【００６０】
この実施例５によれば、以下の効果が得られる。
（イ）ｎ型層１７とｐ型層１８とを接合することにより、ＰＮ接合の発光素子を形成することができるため、β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶が有する広いバンドギャップにより短波長、例えば、２６０ｎｍのような短波長の発光が可能となる。
（ロ）プリント基板やリードフレームとの接続方法が、フリップチップ・ボンディングが可能となるので、発光領域からの発熱を効率よくプリント基板や、リードフレームに逃がすことができる。
（ハ）絶縁型基板１６およびｎ型層１７は、β−Ｇａ₂Ｏ₃を主体に構成されているので、バッファ層を不要にすることが可能となり、結晶性の高いｎ型層１７を形成することができる。
（ニ）絶縁型基板１６は、発光領域で透過性が高いので、光の取り出し効率を高くすることができ、２６０ｎｍのような短波長の紫外光を基板側からも取り出すことができる。
（ホ）絶縁型基板１６やｎ型層１７、ｐ型層１８に酸化物系β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶を用いているため、高温の大気中でも安定に動作する発光素子を形成することができる。
【００６１】
＜実施例６＞
図８は、本発明の実施例６に係るβ−Ｇａ₂Ｏ₃系発光素子の断面を示す。この発光素子１は、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなるｎ型導電性を示すｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５０と、このｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５０の上に形成されるｎ型導電性を示すｎ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５１と、このｎ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５１の上に形成され、β−Ｇａ₂Ｏ₃からなるβ−Ｇａ₂Ｏ₃活性層５２と、β−Ｇａ₂Ｏ₃活性層５２の上部に形成されるｐ型導電性を示すｐ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５３と、ｐ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５３の上面に形成されるβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなるｐ型導電性を示すｐ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層５４と、このｐ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層５４の上面に形成される透明電極４と、透明電極４の一部の上に形成されるボンディング電極６と、ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５０の下面の全面に形成されるｎ電極３７とを備える。ボンディング電極６は、例えばＰｔから形成され、ｎ電極３７は、例えば、Ａｕから形成される。
【００６２】
ｐ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５３のキャリア濃度は、前述の方法によりｐ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層５４のキャリア濃度より低く形成する。また、同様に、ｎ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５１のキャリア濃度は、ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５０のキャリア濃度より低く形成する。
【００６３】
β−Ｇａ₂Ｏ₃活性層５２は、ｎ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５１およびｐ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５３によりサンドイッチ状に挟まれたダブルへテロ接合とされており、各クラッド層５１、５３のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有するβ−Ｇａ₂Ｏ₃で形成する。
【００６４】
この発光素子１は、ボンディング電極６を介してボンディング９によりリード８を取り付け、金属ペースト８１を介してプリント基板８０に搭載される。
【００６５】
この発光素子１は、ダブルへテロ構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがβ−Ｇａ₂Ｏ₃活性層５２に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光効率が大幅に上昇する。さらに発光光は、透明電極４を透過して上方に出射する出射光７０として外部に射出する他、ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５０の下面の方に向う発光光７１は、例えば、ｎ電極３７あるいは金属ペースト８１により反射させられて上方に出射する。従って、発光光７１が直接外部に出射するのと比べて、発光強度が増大する。
【００６６】
なお、β−Ｇａ₂Ｏ₃活性層５２は、β−ＧａＩｎＯ₃により形成してもよい。この時クラッド層としてβ−Ｇａ₂Ｏ₃で形成しても良い。また活性層５２として、発光効率を高めることができる量子井戸構造のものであってもよい。
【００６７】
図９は、β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃、β−Ｇａ₂Ｏ₃およびβ−ＧａＩｎＯ₃の格子定数率とバンドギャップとの関係を示す。Ａｌの濃度を高めるとバンドギャップが大きくなり、格子定数率が小さくなり、Ｉｎの濃度を高めると、バンドギャップが小さくなり、格子定数率が大きくなることがわかる。β−Ｇａ₂Ｏ₃については、ｂ軸<０１０>方位、およびｃ軸<００１>方位について図９のように示され、ａ軸＜１００>方位については、同様な傾向が現れる。
【００６８】
この実施例６によれば、以下の効果が得られる。
（イ）活性層５２を形成するβ−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶が有する広いバンドギャップにより短波長、例えば、２６０ｎｍのような短波長の発光が可能となる。
（ロ）ダブルヘテロ接合を有するため、発光効率の低下を防止することができる。
（ハ）ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５０および各層５１〜５４は、β−Ｇａ₂Ｏ₃を主体に構成されているので、バッファ層を不要にすることが可能となり、結晶性の高いｐ型層を形成することができる。
（ニ）ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５０は、導電性を有するため、上下から電極を取り出す垂直型の構造をとることができるので、層構成、製造工程の簡素化を図ることができる。
（ホ）ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５０は、発光領域で透過性が高いので、光の取り出し効率を高くすることができ、２６０ｎｍのような短波長の紫外光を基板側からも取り出すことができる。
（ヘ）ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５０および各層５１〜５４に酸化物系β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶を用いているため、高温の大気中でも安定に動作する発光素子を形成することができる。
【００６９】
＜実施例７＞
図１０は、本発明の実施例７に係るβ−Ｇａ₂Ｏ₃系発光素子の断面を示す。この発光素子１は、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなる絶縁型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５５と、この絶縁型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５５の上面に形成されるβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶からなるｎ型導電性を示すｎ型Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層５６と、このｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層５６の一部の上面に形成されるｎ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５１と、このｎ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５１の上に形成され、β−Ｇａ₂Ｏ₃からなるβ−Ｇａ₂Ｏ₃活性層５２と、β−Ｇａ₂Ｏ₃活性層５２の上に形成されるｐ型導電性を示すｐ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５３と、ｐ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５３の上に形成されるＧａ₂Ｏ₃単結晶からなるｐ型導電性を示すｐ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層５４と、ｐ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層５４に形成される透明電極４と、透明電極４の一部に形成されるボンディング電極６と、ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層５６の上に形成されるｎ電極３７とを備える。ボンディング電極６は、例えば、Ｐｔから形成され、リード８がボンディング９によって接続され、ｎ電極３７は、例えば、Ａｕから形成され、リード５８がボンディング５９によって接続される。ｐ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５３のキャリア濃度をｐ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層５４のキャリア濃度より低く形成し、ｎ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５１のキャリア濃度をｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層５６のキャリア濃度より低く形成する。この発光素子１は、プリント基板８０に搭載される。
【００７０】
β−Ｇａ₂Ｏ₃活性層５２は、実施例６と同様にｎ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５１およびｐ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５３によりサンドイッチ状に挟まれたダブルへテロ接合とされており、各クラッド層５１、５３のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有するβ−Ｇａ₂Ｏ₃で形成される。
【００７１】
この発光素子１は、ダブルへテロ構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがβ−Ｇａ₂Ｏ₃活性層５２に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光効率が大幅に上昇する。さらに発光光は、透明電極４を透過して上方に出射する出射光７０として外部に射出する他、ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５０の下面の方に向う発光光７１は、例えば、プリント基板８０により反射させられて上方に出射する。従って、発光光７１が直接外部に出射するのと比べて、発光強度が増大する。
【００７２】
この実施例７によれば、以下の効果が得られる。
（イ）活性層５２を形成するβ−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶が有する広いバンドギャップにより短波長、例えば、２６０ｎｍの発光が可能となる。
（ロ）ダブルヘテロ接合を有するため、発光効率の低下を防止することができる。
（ハ）絶縁型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５５およびｎ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５１は、β−Ｇａ₂Ｏ₃を主体に構成されているので、バッファ層を不要にすることが可能となり、結晶性の高いｎ型層を形成することができる。
（ニ）絶縁型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５５が、発光領域で透過性が高いので、光の取り出し効率を高くすることができる。
（ホ）絶縁型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５５や各層５１、５３、５２、５６に酸化物系β−Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶を用いているため、高温の大気中でも安定に動作する発光素子を形成することができる。
【００７３】
実施例１〜実施例７において、発光素子１にバッファ層を設けてもよい。バッファ層は、ｎ型基板２とｐ型層３との間（実施例１、図１）、ｎ型基板２とｎ型層７との間（実施例２、図４）、ｐ型基板１２とｎ型層１３との間（実施例３、図５）、ｐ型基板１２とｐ型層３との間（実施例４、図６）、絶縁型基板１６とｎ型層１７との間（実施例５、図７）、ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ型基板５０とｎ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層５１との間（実施例６、図８）、絶縁型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板５５とｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層５６の間（実施例７、図１０）に形成する。
【００７４】
また、励起ビームとしては、レーザ光以外に金属ターゲットに照射して金属原子等の化学種を遊離させることができるものならば、電子ビーム、イオンビーム等でもよい。
【００７５】
なお、β−Ｇａ₂Ｏ₃は、他のタイプのＧａ₂Ｏ₃であってもよい。
【００７６】
本発明は、発光素子について説明してきたが、入射光を電気信号に変換するフォトセンサにも適用することができる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、ｎ型導電性を示す第１の層上にｐ型導電性を示す第２の層を形成することにより、ＰＮ接合の発光素子を形成することができるため、Ｇａ₂Ｏ₃系単結晶が有するバンドギャップにより紫外領域の発光が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るＧａ₂Ｏ₃系発光素子を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る酸素濃度とキャリア濃度との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係るＧａ₂Ｏ₃系発光素子を製造するための成膜装置の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例２に係るＧａ₂Ｏ₃系発光素子を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例３に係るＧａ₂Ｏ₃系発光素子を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例４に係るＧａ₂Ｏ₃系発光素子を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例５に係る発光素子を示す断面図である。
【図８】本発明の実施例６に係るＧａ₂Ｏ₃系発光素子を示す断面図である。
【図９】β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃、β−Ｇａ₂Ｏ₃、およびβ−ＧａＩｎＯ₃の格子定数率とバンドギャップとの関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施例７に係る発Ｇａ₂Ｏ₃系光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１発光素子
２ｎ型基板
３ｐ型層
４透明電極
５ｎ電極
６ボンディング電極
７ｎ型層
８リード
９ボンディング
１２ｐ型基板
１３ｎ型層
１６絶縁型基板
１７ｎ型層
１８ｐ型層
２０成膜装置
２１チャンバ
２１ａ，２１ｂパイプ
２３ターゲット
２４レーザ部
２５ターゲット台
２７基板保持部
２８ラジカル注入部
２９排気部
３０回転機構
３３化学種
３６ｐ電極
３７ｎ電極
４１レーザ発振部
４２レーザ光
４３，４４レンズ
５０ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ型基板
５１ｎ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層
５２ β−Ｇａ₂Ｏ₃からなる活性層
５３ｐ型β−Ａｌ_1.4Ｇａ_0.6Ｏ₃クラッド層
５４ｐ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層
５５絶縁型β−Ｇａ₂Ｏ₃基板
５６ｎ型β−Ｇａ₂Ｏ₃コンタクト層
５８リード
５９ボンディング
６０空間部
６３半田ボール
６５プリント基板
６６プリントパターン
７０出射光
７１発光光
８０プリント基板
８１金属ペースト
６０空間部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to Ga ₂ O _Three In particular, Ga light emitting in the ultraviolet region ₂ O _Three The present invention relates to a light emitting device and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Light-emitting elements in the ultraviolet region are particularly expected for the realization of mercury-free fluorescent lamps, photocatalysts that provide a clean environment, and new-generation DVDs that realize higher-density recording. From such a background, a GaN-based blue light-emitting element has been realized (for example, see Patent Document 1).
[0003]
Patent Document 1 discloses a sapphire substrate, a buffer layer formed on the sapphire substrate, an n-type gallium nitride compound semiconductor layer and an n-type cladding layer formed on the buffer layer, an n-type active layer, p-type A light emitting device comprising a mold cladding layer and a p-type contact layer is described. This conventional GaN-based blue light emitting device emits light at an emission wavelength of 370 nm.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2778405 (FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional GaN-based blue light-emitting element, it is difficult to obtain a light-emitting element that emits light in the ultraviolet region of a shorter wavelength due to the band gap. Therefore, in recent years, β-Ga is a substance that has a larger band gap and may emit light in the ultraviolet region. ₂ O _Three Is expected. However, β-Ga ₂ O _Three Single crystal is obtained, but high quality β-Ga ₂ O _Three The present condition is that the specific method of obtaining a thin film, and the light emitting element using the thin film are not implement | achieved.
[0006]
Further, since the sapphire substrate has an insulating property, there is a problem that the electrodes cannot be taken out from both sides of the substrate and the layer configuration becomes complicated.
[0007]
Furthermore, since the thin film formed on the sapphire substrate has a different composition and lattice constant from the sapphire substrate, it is necessary to form the thin film on the sapphire substrate through the buffer layer, which complicates the manufacturing process. There is.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to emit Ga in the ultraviolet region. ₂ O _Three An object of the present invention is to provide a light emitting device and a method for manufacturing the same. Another object of the present invention is to simplify the layer structure of the light emitting element and simplify the manufacturing process. ₂ O _Three An object of the present invention is to provide a light emitting device and a method for manufacturing the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides Ga ₂ O ₃ A first layer of n-type conductivity made of a single crystal and Ga formed on the first layer ₂ O ₃ And a second layer exhibiting p-type conductivity made of a system single crystal. The first layer and the second layer include an active layer therebetween. Ga ₂ O ₃ A system light emitting device is provided.
[0010]
According to this configuration, a PN junction light-emitting element can be formed by forming the second layer exhibiting p-type conductivity on the first layer exhibiting n-type conductivity. ₂ O _Three The band gap of the single crystal makes it possible to emit light in the ultraviolet region.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Ga according to the present invention ₂ O _Three The system light emitting element includes a substrate exhibiting n-type conductivity and a thin film exhibiting p-type conductivity formed on the substrate, a substrate exhibiting p-type conductivity, and an n-type formed on the substrate. There are those composed of a thin film exhibiting conductivity, and those composed of an insulating substrate, a thin film exhibiting p-type conductivity formed on the substrate, and a thin film exhibiting n-type conductivity. Hereinafter, the manufacturing method of the component of these light emitting elements, etc. are demonstrated.
[0012]
(1) Manufacturing method of substrate showing n-type conductivity
In order for the substrate to exhibit n-type conductivity, Ga in the substrate is replaced with an n-type dopant, oxygen in the substrate is replaced with an n-type dopant, or β-Ga. ₂ O _Three Must be due to oxygen defects in the single crystal. As gallium-substituted n-type dopants in which Ga is replaced with n-type dopants, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ru, Rh, Ir, C, Sn, Si, Ge, Pb, Mn , As, Sb, Bi and the like. Examples of oxygen-substituted n-type dopants in which oxygen is substituted with n-type dopants include F, Cl, Br, and I.
[0013]
A substrate exhibiting n-type conductivity is manufactured as follows. First, β-Ga is obtained by FZ (Floating Zone) method. ₂ O _Three A single crystal is formed. That is, β-Ga ₂ O _Three Seed crystal and β-Ga ₂ O _Three Prepare the polycrystalline material separately and place β-Ga in the quartz tube. ₂ O _Three Seed crystal and β-Ga ₂ O _Three The polycrystalline material is brought into contact and the part is heated, and β-Ga ₂ O _Three Seed crystal and β-Ga ₂ O _Three Both are melted in contact with the polycrystalline material. Dissolved β-Ga ₂ O _Three Polycrystalline material is β-Ga ₂ O _Three When crystallized with a seed crystal, β-Ga ₂ O _Three Β-Ga on the seed crystal ₂ O _Three A single crystal is produced. Next, this β-Ga ₂ O _Three By subjecting the single crystal to processing such as cutting, a substrate exhibiting n-type conductivity is manufactured. Note that when the crystal is grown in the b-axis <010> orientation, the cleaving property of the (100) plane becomes strong, so that the substrate is manufactured by cutting along a plane perpendicular to the (100) plane. When the crystal is grown in the a-axis <100> orientation and the c-axis <001> orientation, the cleaving properties of the (100) plane and the (001) plane are weakened. There is no such limitation on the cut surface, and it may be the (001) plane, the (010) plane, or the (101) plane.
[0014]
It is β-Ga that the substrate exhibits n-type conductivity by the above manufacturing method. ₂ O _Three This is because of oxygen defects in the single crystal.
[0015]
(2) Conductivity control of substrate showing n-type conductivity
β-Ga ₂ O _Three The method for controlling the conductivity of a substrate having n-type conductivity is a method for controlling the oxygen defect concentration by changing the oxygen partial pressure in the atmosphere or changing the oxygen flow rate during growth, and n by the FZ method. And a method of controlling the type dopant concentration. The conductivity increases as the oxygen defect concentration increases. β-Ga ₂ O _Three The relationship between the oxygen flow rate and the logarithm of conductivity during the growth of a single crystal is substantially inversely proportional. β-Ga ₂ O _Three 0 to 0.2 m at 1 to 2 atm during single crystal growth ^Three By changing the oxygen flow rate between / h and changing the oxygen concentration, the carrier concentration is reduced to 10 ¹⁶ -10 ¹⁹ / Cm ^Three Can be controlled between.
[0016]
(3) Insulating substrate manufacturing method
The insulating substrate is manufactured as follows. First, similarly to the method of manufacturing a substrate exhibiting n-type conductivity, β-Ga exhibiting n-type conductivity by controlling the oxygen defect concentration. ₂ O _Three A single crystal is grown. Then, oxygen defects are reduced by annealing in the atmosphere at a predetermined temperature (for example, a temperature of 900 ° C.) for a predetermined period (for example, 6 days). ₂ O _Three An insulating substrate made of a single crystal can be obtained.
[0017]
(4) Manufacturing method of substrate showing p-type conductivity
β-Ga ₂ O _Three In order for a substrate formed from a single crystal to exhibit p-type conductivity, Ga in the substrate must be replaced with a p-type dopant, or oxygen in the substrate must be replaced with a p-type dopant. Gallium-substituted p-type dopants in which Ga is substituted with p-type dopants include H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Mn, Fe, Co, Ni , Pd, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Tl, Pb, and the like. Examples of oxygen-substituted p-type dopants in which oxygen is substituted with p-type dopants include N and P.
[0018]
A substrate exhibiting p-type conductivity is manufactured as follows. First, β-Ga by FZ method ₂ O _Three Form crystals. As a raw material, for example, β-Ga containing MgO (p-type dopant source) ₂ O _Three Are uniformly mixed, and the mixture is put into a rubber tube and cold-compressed at 500 MPa to form a rod shape. The molded product is sintered in the atmosphere at 1500 ° C. for 10 hours, and β-Ga containing Mg ₂ O _Three A polycrystalline material is obtained. β-Ga ₂ O _Three A seed crystal is prepared, and the growth atmosphere is under a total pressure of 1 to 2 atm. ₂ And O ₂ While flowing the mixed gas at 500 ml / min, β-Ga in the quartz tube ₂ O _Three Seed crystal and β-Ga ₂ O _Three The material is brought into contact with the polycrystalline material to heat the part, and β-Ga ₂ O _Three Seed crystal and β-Ga ₂ O _Three Both are melted in contact with the polycrystalline material. Dissolved β-Ga ₂ O _Three Β-Ga ₂ O _Three While growing in the opposite direction with the seed crystal at a rotation speed of 20 rpm and at a growth rate of 5 mm / h, β-Ga ₂ O _Three Insulating β-Ga that is transparent on the seed crystal and contains Mg ₂ O _Three A system single crystal is formed. This β-Ga ₂ O _Three When a substrate is made of a single crystal and the substrate is annealed at a predetermined temperature (for example, 950 ° C.) for a predetermined period in an oxygen atmosphere, oxygen defects are reduced and a substrate exhibiting p-type conductivity is obtained.
[0019]
(5) Conductivity control of substrate showing p-type conductivity
β-Ga ₂ O _Three Examples of a method for controlling the conductivity of a substrate having n-type conductivity comprising a method of controlling the p-type dopant concentration by the FZ method.
[0020]
(6) Manufacturing method of thin film showing n-type conductivity
A thin film exhibiting n-type conductivity is formed by physical vapor deposition such as PLD (Pulsed Laser Deposition), MBE (Molecular Beam Epitaxy), MOCVD (Metal Organic Vapor Deposition), sputtering, etc., thermal CVD (Chemical) Deposition), chemical vapor deposition such as plasma CVD, and the like can be used for film formation.
[0021]
The film formation by the PLD method will be described. In order to exhibit n-type conductivity, Ga in the thin film must be replaced with an n-type dopant, oxygen in the thin film must be replaced with an n-type dopant, or the presence of oxygen defects. As gallium-substituted n-type dopants in which Ga is replaced with n-type dopants, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ru, Rh, Ir, C, Sn, Si, Ge, Pb, Mn , As, Sb, Bi and the like. Examples of oxygen-substituted n-type dopants in which oxygen is substituted with n-type dopants include F, Cl, Br, and I.
[0022]
In the PLD method, there are the following methods for doping a gallium-substituted n-type dopant and an oxygen-substituted n-type dopant. That is, a target made of an alloy of Ga and n-type dopant, β-Ga ₂ O _Three A target composed of a sintered body of an oxide of n-type dopant and β-Ga ₂ O _Three And a method using a target composed of a solid solution single crystal of n-type dopant and an oxide of n-type dopant, or a target composed of Ga metal and a target composed of n-type dopant.
[0023]
In the PLD method, a thin film that exhibits n-type conductivity due to oxygen defects is a β-Ga as a target. ₂ O _Three It can be manufactured by forming a film in an oxygen atmosphere using crystals (single crystal, polycrystal).
[0024]
(7) Conductivity control of thin film showing n-type conductivity
β-Ga ₂ O _Three The method for controlling the conductivity of a thin film having n-type conductivity is a method for controlling the n-type dopant blending ratio of the target, and the oxygen defect concentration is controlled by changing the laser irradiation conditions and the film forming conditions of the substrate. Methods and the like.
[0025]
The method of controlling the n-type dopant concentration by the PLD method includes a target made of an alloy of Ga and n-type dopant, β-Ga ₂ O _Three A target composed of a sintered body of an oxide of n-type dopant and β-Ga ₂ O _Three In a method using a target composed of a solid solution single crystal of an oxide of n-type dopant and a method of changing a component ratio of Ga and dopant, or a method using a target composed of Ga metal and a target composed of n-type dopant, There is a method of changing the laser irradiation method to the target. For example, a method of changing a laser wavelength (for example, 157 nm, 193 nm, 248 nm, 266 nm, 355 nm, etc.), a method of changing a power per pulse (for example, 10 to 500 mW) or a repetition frequency (for example, 1 to 200 Hz), etc. There is.
[0026]
As a method of controlling the oxygen defect concentration by the PLD method, there is a method of changing the laser irradiation condition to the target. For example, a method of changing the laser wavelength (for example, 157 nm, 193 nm, 248 nm, 266 nm, 355 nm, etc.), a method of changing the power per pulse (for example, 10 to 500 mW) and the repetition frequency (for example, 1 to 200 Hz). is there. Alternatively, a method for changing the film formation conditions of the substrate, for example, a method for changing the substrate temperature (for example, 300 to 1500 ° C.), a method for changing the distance between the target and the substrate (for example, 20 to 50 mm), 10 ^-3 -10 ^-7 There are a method of changing torr), a method of changing the output of the plasma gun, and the like.
[0027]
(8) Method for producing thin film exhibiting p-type conductivity
A thin film exhibiting p-type conductivity can be formed by a physical vapor deposition method such as a PLD method, an MBE method, an MOCVD method, or a sputtering method, or a chemical vapor deposition method such as thermal CVD or plasma CVD. .
[0028]
The film formation by the PLD method will be described. In order to exhibit p-type conductivity, Ga in the thin film must be replaced with a p-type dopant, or oxygen in the thin film must be replaced with a p-type dopant, or due to Ga defects. Gallium-substituted p-type dopants in which Ga is substituted with p-type dopants include H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Mn, Fe, Co, Ni , Pd, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Tl, Pb, and the like. Examples of oxygen-substituted p-type dopants in which oxygen is substituted with p-type dopants include P.
[0029]
A method of doping a gallium-substituted p-type dopant by a PLD method and a method of doping an oxygen-substituted p-type dopant are methods of doping a p-type dopant in a thin film growth process. As a method of doping with a p-type dopant, there are the following methods. That is, a target made of an alloy of Ga and p-type dopant, β-Ga ₂ O _Three [Beta] -Ga, a target made of a sintered body of a p-type dopant oxide ₂ O _Three And a method using a target composed of a solid solution single crystal of a p-type dopant and an oxide of p-type dopant, or a target composed of Ga metal and a target composed of p-type dopant.
[0030]
In addition, a thin film exhibiting P-type conductivity due to Ga defects has a Ga metal, β-Ga as a target. ₂ O _Three Sintered body or β-Ga ₂ O _Three N made into a radical by a plasma gun using crystals (single crystal, polycrystal) ₂ It can be manufactured by forming a film in an atmosphere of O.
[0031]
(9) Conductivity control of thin film showing p-type conductivity
β-Ga ₂ O _Three The method for controlling the conductivity of a thin film having p-type conductivity is to control the Ga defect concentration by changing the p-type dopant compounding ratio of the target, changing the laser irradiation conditions and the film forming conditions of the substrate. Methods and the like.
[0032]
In the method of controlling the p-type dopant concentration by the PLD method, a target made of an alloy of Ga and p-type dopant, β-Ga ₂ O _Three [Beta] -Ga, a target made of a sintered body of a p-type dopant oxide ₂ O _Three In a method using a target composed of a solid solution single crystal of an oxide of n-type dopant and a method of changing a component ratio of Ga and dopant, or a method using a target composed of Ga metal and a target composed of p-type dopant, There is a method of changing the laser irradiation method to the target. For example, a method for changing the laser wavelength (for example, 157 nm, 193 nm, 248 nm, 266 nm, 355 nm, etc.), a method for changing the power per pulse (for example, 10 to 500 mW), the repetition frequency (for example, 1 to 200 Hz), etc. There is.
[0033]
As a method of controlling the Ga defect concentration by the PLD method, there is a method of changing the laser irradiation condition to the target. For example, a method of changing a laser wavelength (for example, 157 nm, 193 nm, 248 nm, 266 nm, 355 nm, etc.), a method of changing a power per pulse (for example, 10 to 500 mW) or a repetition frequency (for example, 1 to 200 Hz). is there. Alternatively, a method for changing the film formation conditions of the substrate, for example, a method for changing the substrate temperature (for example, 300 to 1500 ° C.), a method for changing the distance between the target and the substrate (for example, 20 to 50 mm), the degree of vacuum for film formation (for example, 10 ^-3 -10 ^-7 and the like.
[0034]
(10) Electrode
The electrode is formed by vapor deposition, sputtering, or the like on a thin film or substrate that exhibits p-type conductivity, or a thin film or substrate that exhibits n-type conductivity. The electrode is formed of a material that can provide ohmic contact. For example, the thin film or substrate exhibiting n-type conductivity includes a single metal such as Au, Al, Ti, Sn, Ge, In, Ni, Co, Pt, W, Mo, Cr, Cu, and Pb, at least of these. Two types of alloys (for example, Au—Ge alloy), those forming these in a two-layer structure (for example, Al / Ti, Au / Ni, Au / Co), or ITO can be used. The thin film or substrate exhibiting p-type conductivity includes a simple metal such as Au, Al, Be, Ni, Pt, In, Sn, Cr, Ti, Zn, and at least two alloys (for example, Au-Zn). Alloys, Au-Be alloys), those forming these in a two-layer structure (for example, Ni / Au), and ITO.
[0035]
【Example】
<Example 1>
FIG. 1 shows Ga according to Example 1 of the present invention. ₂ O _Three The cross section of a system light emitting element is shown. The light-emitting element 1 has a β-Ga ₂ O _Three An n-type substrate 2 made of a single crystal and exhibiting n-type conductivity, and β-Ga formed on the upper surface of the n-type substrate 2 ₂ O _Three A p-type layer 3 made of a single crystal and exhibiting p-type conductivity, a transparent electrode 4 formed on the upper surface of the p-type layer 3, a bonding electrode 6 formed on a part of the transparent electrode 4, and an n-type substrate 2 and an n-electrode 5 formed on the entire lower surface. The bonding electrode 6 is made of, for example, Pt, the n electrode 5 is made of, for example, Au, and the bonding electrode 6 has leads 8 connected by bonding 9. The transparent electrode 4 is made of, for example, Au / Ni.
[0036]
Next, a method for manufacturing the light emitting element 1 will be described. First, as described above, β-Ga is obtained by the FZ method. ₂ O _Three A single crystal is formed. As shown in FIG. 2, the relation between the oxygen concentration and the carrier concentration is β-Ga. ₂ O _Three By changing the oxygen concentration between 1% and 20% during the growth of the single crystal, β-Ga ₂ O _Three The carrier concentration of the single crystal is 1.4 × 10 ¹⁷ ~ 1x10 ¹⁶ / Cm ^Three It is possible to control between. Β-Ga produced by single crystallization at 1-20 mm / h ₂ O _Three By subjecting the single crystal to processing such as cutting, the n-type substrate 2 exhibiting n-type conductivity is manufactured. The carrier concentration of the n-type substrate 2 is 1 × 10 ^-17 / Cm ^Three The carrier concentration of the p-type layer 3 is 10 ¹⁶ / Cm ^Three It is.
[0037]
FIG. 3 shows a schematic configuration of a film forming apparatus for manufacturing a light emitting device according to Example 1 of the present invention. The film forming apparatus 20 forms a film by the PLD method, and includes a chamber 21 having a space 60 that can be evacuated, a target base 25 that holds a target 23 disposed in the chamber 21, and an outside of the chamber 21. And a substrate holding unit 27 which is disposed in the chamber 21 and holds the n-type substrate 2 and incorporates a heater capable of heating the n-type substrate 2 to 1500 ° C. And an exhaust part 29 having a radical injection part 28 for injecting radicals into the chamber 21 from the pipe 21a, and a vacuum pump (not shown) for exhausting the space part 60 and evacuating the space part 60 through the pipe 21b. And a laser unit 24 that is provided outside the chamber 21 and irradiates the target 23 with a laser beam 42 as an excitation beam.
[0038]
The target 23 is, for example, an alloy containing high purity Ga and Mg, or β-Ga doped with Mg. ₂ O _Three Crystal (single crystal or polycrystal), β-Ga doped with Mg ₂ O _Three A sintered body is used. It may be made of a solid other than an alloy or may be liquid.
[0039]
The laser unit 24 includes a laser oscillating unit 41 that irradiates a laser beam 42 in a pulse form using an Nd: YAG laser, a KrF excimer laser, an ArF excimer laser, or the like as a laser source, and a laser beam 42 emitted from the laser oscillating unit 41 as a target. 23, lenses 43 and 44 for condensing light.
[0040]
The n-type substrate 2 is β-Ga ₂ O _Three It is made of a system single crystal and faces the target 23 so that a chemical species 33 such as a metal atom emitted from the target 23 can be formed when the target 23 is irradiated with the laser beam 42.
[0041]
The radical injection unit 28 includes oxygen gas, oxygen gas containing ozone, pure ozone gas, N ₂ O gas, NO ₂ One or more of gases, oxygen gas containing oxygen radicals, oxygen radicals, etc., that is, a gas that is bonded to the chemical species 33 such as a metal atom released from the target 23 during film formation is injected into the space 60. It has become.
[0042]
Next, β-Ga is formed on the surface of the n-type substrate 2. ₂ O _Three A method of forming the p-type layer 3 made of will be described. In order to grow the p-type layer 3 on the n-type substrate 2, the film forming apparatus 20 described above is used. That is, as the target 23, for example, an alloy target 23 made of Ga and Mg is fixed to the target base 25. The n-type substrate 2 is held on the substrate holding unit 27. The air in the space part 60 is exhausted by the vacuum pump of the exhaust part 29, and the degree of vacuum in the space part 60 is, for example, 1 × 10. ^-9 After that, for example, oxygen gas is injected into the space 60 by the radical injection unit 28 to 1 × 10 6. ^-7 Set to about torr. The heater provided in the substrate holding unit 27 is energized, and the temperature of the n-type substrate 2 is heated to 300 to 1500 ° C., for example. Next, oxygen radicals are injected into the space portion 60 by the radical injection portion 28 to make the degree of vacuum 1 × 10. ^-6 ~ 1x10 ^-Four Torr. When a laser beam 42 having a laser output of 100 mW, a repetition frequency of 10 Hz and a wavelength of 266 nm is irradiated from the laser unit 24 onto the target 23 that is rotated by the rotating mechanism 30, the Ga atoms and Mg atoms constituting the target 23 are excited and thermally -Chemical species 33 such as metal atoms, metal ions, excited metal atoms, and excited metal ions released from the target 23 are bonded to the oxygen radicals in the atmosphere on the substrate 2 by the photochemical action, and β-Ga ₂ O _Three A p-type layer 3 made of a single crystal is formed. This conductivity is due to Mg acting as an acceptor.
[0043]
Thereafter, the transparent electrode 4 and the bonding electrode 6 are formed on a part of the transparent electrode 4 on the surface of the p-type layer 3 by an appropriate means, and the n-electrode 5 is formed on the entire lower surface of the n-type substrate 2. Thereafter, the lead 8 is connected to the bonding electrode 6 by bonding 9.
[0044]
In the light-emitting element 1 of Example 1, since the n-type substrate 2 and the p-type layer 3 are bonded to the upper surface of the n-type substrate 2, the polarity of the bonding electrode 6 is added and the polarity of the n-electrode 5 is increased. When a voltage is applied as a negative voltage, electrons in the n-type substrate 2 and holes in the p-type layer 3 face each other at the junction between the n-type substrate 2 and the p-type layer 3, and these are the junction Since recombination occurs in the vicinity, light emission at a short wavelength, for example, 260 nm is possible near the junction.
[0045]
According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
(A) Since the n-type substrate 2 and the p-type layer 3 are joined to form a PN junction light-emitting element, β-Ga ₂ O _Three The wide band gap of the single crystal makes it possible to emit light with a short wavelength such as 260 nm.
(B) The n-type substrate 2 and the p-type layer 3 are made of β-Ga ₂ O _Three Therefore, the buffer layer can be eliminated, and a p-type layer with high crystallinity can be formed.
(C) Since the n-type substrate 2 has conductivity, it can have a vertical structure in which electrodes are taken out from above and below, so that the layer configuration and the manufacturing process can be simplified.
(D) Since the n-type substrate 2 has high transparency in the light emitting region, the light extraction efficiency can be increased, and ultraviolet light with a short wavelength such as 260 nm can be extracted from the substrate side.
(E) Oxide-based β-Ga on the n-type substrate 2 and the p-type layer 3 ₂ O _Three Since a single crystal is used, a light-emitting element that operates stably even in a high-temperature atmosphere can be formed.
[0046]
<Example 2>
FIG. 4 shows Ga according to Example 2 of the present invention. ₂ O _Three The cross section of a system light emitting element is shown. The light-emitting element 1 according to Example 2 is different from the light-emitting element 1 according to Example 1 in that a β-Ga is interposed between the p-type layer 3 and the n-type substrate 2. ₂ O _Three An n-type layer 7 made of a single crystal and exhibiting n-type conductivity having a carrier concentration different from that of the n-type substrate 2 is formed.
[0047]
Next, the case where the n-type layer 7 is formed on the surface of the n-type substrate 2 will be described. In this case, the n-type layer 7 is formed using the film forming apparatus 20 shown in FIG. At this time, the target 23 is, for example, an alloy containing high-purity Ga and Sn, or Sn-doped β-Ga. ₂ O _Three Single crystal or Sn-doped β-Ga ₂ O _Three A crystal sintered body is used.
[0048]
First, as the target 23, for example, an alloy target 23 made of Ga and Sn is fixed to the target base 25. The n-type substrate 2 is held on the substrate holding unit 27. The air in the space part 60 is exhausted by the vacuum pump of the exhaust part 29, and the degree of vacuum in the space part 60 is, for example, 1 × 10. ^-9 After that, for example, oxygen gas is injected into the space 60 by the radical injection unit 28 to 1 × 10 6. ^-7 Set to about torr. The heater provided in the substrate holding unit 27 is energized, and the temperature of the n-type substrate 2 is heated to 300 to 1500 ° C., for example. Next, oxygen radicals are injected into the space 60 by the radical injection unit 28 to 1 × 10. ^-6 ~ 1x10 ^-Four Torr. When the laser beam 42 having a laser output of 100 mW, a repetition frequency of 10 Hz, and a wavelength of 266 nm is irradiated from the laser unit 24 onto the rotating target 23, Ga atoms and Sn atoms constituting the target 23 are excited and thermally Chemical species 33 such as metal atoms, metal ions, excited metal atoms, and excited metal ions emitted from the target 23 are bonded to the oxygen radicals in the atmosphere on the n-type substrate 2 by the photochemical action, and the n-type layer 7 Is formed. At this time, the carrier concentration of the n-type layer 7 is formed to be lower than the carrier concentration of the n-type substrate 2 by a method such as reducing the oxygen radical concentration during film growth. For example, the carrier concentration of the n-type substrate 2 is 2 × 10 ¹⁸ / Cm ^Three The carrier concentration of the n-type layer 7 is 10 ¹⁷ / Cm ^Three The carrier concentration of the p-type layer 3 is 10 ¹⁶ / Cm ^Three It is.
[0049]
Thereafter, the transparent electrode 4 is formed on the surface of the p-type layer 3 by appropriate means, the bonding electrode 6 is formed on a part of the transparent electrode 4, and the n-electrode 5 is formed on the entire lower surface of the n-type substrate 2. Thereafter, the lead 8 is connected to the bonding electrode 6 by bonding 9.
[0050]
According to the second embodiment, the following effects can be obtained.
(A) By forming the carrier concentration of the n-type layer 7 lower than the carrier concentration of the n-type substrate 2, the crystallinity of the p-type layer 3 is improved, and the light emission efficiency is improved as compared with Example 1.
(B) By joining the n-type layer 7 and the p-type layer 3, a PN junction light-emitting element can be formed. ₂ O _Three The wide band gap of the single crystal makes it possible to emit light with a short wavelength such as 260 nm.
(C) The n-type substrate 2 and the n-type layer 7 are made of β-Ga ₂ O _Three Therefore, the buffer layer can be made unnecessary, and the p-type layer 3 having high crystallinity can be formed.
(D) Since the n-type substrate 2 has conductivity, it can have a vertical structure in which electrodes are taken out from above and below, so that the layer configuration and the manufacturing process can be simplified.
(E) Since the n-type substrate 2 has high transparency in the light emitting region, the light extraction efficiency can be increased, and ultraviolet light having a short wavelength such as 260 nm can be extracted from the substrate side.
(F) Oxide-based β-Ga on the n-type substrate 2, the n-type layer 7 and the p-type layer 3 ₂ O _Three Since a single crystal is used, a light-emitting element that operates stably even in a high-temperature atmosphere can be formed.
[0051]
<Example 3>
FIG. 5 shows Ga according to Example 3 of the present invention. ₂ O _Three The cross section of a system light emitting element is shown. The light-emitting element 1 has a β-Ga ₂ O _Three A p-type substrate 12 made of a single crystal and exhibiting p-type conductivity, and β-Ga formed on the upper surface of the p-type substrate 12 ₂ O _Three An n-type layer 13 made of a single crystal and exhibiting n-type conductivity, a transparent electrode 4 formed on the upper surface of the n-type layer 13, a bonding electrode 6 formed on a part of the transparent electrode 4, and a p-type substrate And a p-electrode 36 formed on the entire lower surface of the twelve. The bonding electrode 6 has leads 8 connected by bonding 9. The p electrode 36 is made of, for example, Pt, and the bonding electrode 6 is made of, for example, Au.
[0052]
Next, a method for manufacturing the light emitting element 1 will be described. First, β-Ga by FZ method ₂ O _Three Form crystals. Β-Ga containing MgO (p-type dopant source) as a dopant as a raw material ₂ O _Three Are uniformly mixed, and the mixture is put into a rubber tube and cold-compressed at 500 MPa to form a rod shape. The molded product is sintered in the atmosphere at 1500 ° C. for 10 hours, and β-Ga ₂ O _Three A polycrystalline material is obtained. Ga ₂ O _Three A seed crystal is prepared, and the growth atmosphere is 1 to 2 atm. ₂ And O ₂ While flowing the mixed gas at 500 ml / min, β-Ga in the quartz tube ₂ O _Three Seed crystal and β-Ga ₂ O _Three The material is brought into contact with the polycrystalline material to heat the part, and β-Ga ₂ O _Three Seed crystal and β-Ga ₂ O _Three Both are melted in contact with the polycrystalline material. Dissolved β-Ga ₂ O _Three Β-Ga ₂ O _Three While growing in the opposite direction with the seed crystal at a rotation speed of 20 rpm and at a pulling-down speed of 5 mm / h, β-Ga ₂ O _Three Transparent β-Ga on the seed crystal ₂ O _Three A system single crystal is formed. Next, this β-Ga ₂ O _Three A substrate is produced by subjecting a single crystal to processing such as cutting. Next, when this substrate is annealed at 950 ° C. in an oxygen atmosphere, a p-type substrate 12 exhibiting p-type conductivity is obtained. Next, the n-type layer 13 is formed as shown in Example 2, and the bonding electrode 6, the p electrode 36, and the like are formed.
[0053]
In the light-emitting element 1 of this Example 3, since the p-type substrate 12 and the n-type layer 13 formed on the upper surface of the p-type substrate 12 are bonded, the polarity of the bonding electrode 6 is negative, When a voltage is applied with a positive polarity, the holes in the p-type substrate 12 and the electrons in the n-type layer 13 face each other at the junction between the p-type substrate 12 and the n-type layer 13, and In order to recombine in the vicinity of the joint, the vicinity of the joint emits light.
[0054]
According to the third embodiment, the following effects can be obtained.
(A) Since a PN junction light-emitting element can be formed by bonding the p-type substrate 12 and the n-type layer 13, β-Ga ₂ O _Three The wide band gap of the single crystal makes it possible to emit light with a short wavelength such as 260 nm.
(B) The p-type substrate 12 and the n-type layer 13 are β-Ga ₂ O _Three Therefore, the buffer layer can be eliminated and the n-type layer 13 with high crystallinity can be formed.
(C) Since the p-type substrate 12 has conductivity, it can have a vertical structure in which electrodes are taken out from above and below, so that the layer configuration and the manufacturing process can be simplified.
(D) Since the p-type substrate 12 has high transparency in the light emitting region, the light extraction efficiency can be increased, and ultraviolet light having a short wavelength such as 260 nm can be extracted from the substrate side.
(E) Oxide-based β-Ga on the p-type substrate 12 and the n-type layer 13 ₂ O _Three Since a single crystal is used, a light-emitting element that operates stably even in a high-temperature atmosphere can be formed.
[0055]
<Example 4>
FIG. 6 shows Ga according to Example 4 of the present invention. ₂ O _Three The cross section of a system light emitting element is shown. The light-emitting element 1 according to Example 4 is different from the light-emitting element 1 according to Example 3 in that a β-Ga is interposed between the n-type layer 13 and the p-type substrate 12. ₂ O _Three That is, a p-type layer 3 made of a single crystal and exhibiting p-type conductivity is formed. The p-type layer 3 performs the above-described conductivity control and is formed lower than the carrier concentration of the p-type substrate 12.
[0056]
In this light emitting device 1, a p-type substrate 12 is formed as in Example 3, a p-type layer 3 is formed on the p-type substrate 12 as in Example 1, and the p-type layer 3 is formed on the p-type layer 3. Then, the n-type layer 13 is formed as in Example 2.
[0057]
According to the fourth embodiment, the following effects can be obtained.
(A) Since the carrier concentration of the p-type layer 3 is formed lower than the carrier concentration of the p-type substrate 12, it is possible to prevent a decrease in light emission efficiency.
(B) By joining the n-type layer 13 and the p-type layer 3, a PN junction light-emitting element can be formed. ₂ O _Three Light emission with a short wavelength, for example, 260 nm is possible due to the wide band gap of the single crystal.
(C) The p-type substrate 12 and the p-type layer 3 are formed of β-Ga. ₂ O _Three Therefore, the buffer layer can be eliminated and the n-type layer 13 with high crystallinity can be formed.
(D) Since the p-type substrate 12 has conductivity, it can have a vertical structure in which electrodes are taken out from above and below, so that the layer configuration and the manufacturing process can be simplified.
(E) Since the p-type substrate 12 has high transparency in the light emitting region, the light extraction efficiency can be increased, and ultraviolet light having a short wavelength such as 260 nm can be extracted from the substrate side.
(F) Oxide-based β-Ga on the p-type substrate 12 and the n-type layer 13 ₂ O _Three Since a single crystal is used, a light-emitting element that operates stably even in a high-temperature atmosphere can be formed.
[0058]
<Example 5>
FIG. 7 shows β-Ga according to Example 5 of the present invention. ₂ O _Three The cross section of a system light emitting element is shown. The light-emitting element 1 has a β-Ga ₂ O _Three An insulating substrate 16 made of a single crystal and β-Ga formed on the lower surface of the insulating substrate 16 ₂ O _Three An n-type layer 17 made of a single crystal and exhibiting n-type conductivity, and β-Ga formed on a part of the lower surface of the n-type layer 17 ₂ O _Three A p-type layer 18 made of a single crystal and exhibiting p-type conductivity, a p-electrode 36 formed on the p-type layer 18, and an n-electrode 37 formed on the n-type layer 17 are provided. The p electrode 36 is made of, for example, Pt, and the n electrode 37 is made of, for example, Au. The p electrode 36 and the n electrode 37 are in contact with the printed pattern 66 on the printed circuit board 65 through solder balls 63 and 64, respectively.
The light emitting element 1 emits light at a pn junction where the n-type layer 17 and the p-type layer 18 are joined, but the emitted light passes through the insulating substrate 16 and is emitted upward as emitted light 70.
[0059]
Next, a method for manufacturing the light emitting element 1 will be described. The insulating substrate 16 is obtained as follows. Β-Ga showing n-type conductivity obtained as in Example 1 by the FZ method. ₂ O _Three By annealing the substrate made of the above in the atmosphere at a temperature of 950 ° C., oxygen defects can be reduced, and the insulating substrate 16 can be obtained. An n-type layer 17 is formed on the insulating substrate 16 as in the third embodiment, and a part of the n-type layer 17 is masked to form a p-type layer 18 as in the first embodiment. After the removal, a p-electrode 36 is formed on the p-type layer 18, and an n-electrode 37 is formed on a part of the n-type layer 17.
[0060]
According to the fifth embodiment, the following effects can be obtained.
(A) Since a light emitting element with a PN junction can be formed by bonding the n-type layer 17 and the p-type layer 18, β-Ga ₂ O _Three The wide band gap of the single crystal makes it possible to emit light with a short wavelength such as 260 nm.
(B) Since the connection method with the printed circuit board or the lead frame enables flip chip bonding, the heat generated from the light emitting region can be efficiently released to the printed circuit board or the lead frame.
(C) The insulating substrate 16 and the n-type layer 17 are β-Ga ₂ O _Three Thus, the buffer layer can be eliminated, and the n-type layer 17 having high crystallinity can be formed.
(D) Since the insulating substrate 16 has high transparency in the light emitting region, the light extraction efficiency can be increased, and ultraviolet light having a short wavelength such as 260 nm can be extracted from the substrate side.
(E) Oxide β-Ga on the insulating substrate 16, the n-type layer 17, and the p-type layer 18 ₂ O _Three Since a single crystal is used, a light-emitting element that operates stably even in a high-temperature atmosphere can be formed.
[0061]
<Example 6>
FIG. 8 shows β-Ga according to Example 6 of the present invention. ₂ O _Three The cross section of a system light emitting element is shown. The light-emitting element 1 has a β-Ga ₂ O _Three N-type β-Ga showing n-type conductivity made of a single crystal ₂ O _Three Substrate 50 and this n-type β-Ga ₂ O _Three N-type β-Al having n-type conductivity formed on the substrate 50 _1.4 Ga _0.6 O _Three The clad layer 51 and the n-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three Formed on the cladding layer 51, β-Ga ₂ O _Three Β-Ga consisting of ₂ O _Three Active layer 52 and β-Ga ₂ O _Three P-type β-Al having p-type conductivity formed on the active layer 52 _1.4 Ga _0.6 O _Three Clad layer 53 and p-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three Β-Ga formed on the upper surface of the cladding layer 53 ₂ O _Three P-type β-Ga showing p-type conductivity made of a single crystal ₂ O _Three Contact layer 54 and this p-type β-Ga ₂ O _Three The transparent electrode 4 formed on the upper surface of the contact layer 54, the bonding electrode 6 formed on a part of the transparent electrode 4, and the n-type β-Ga ₂ O _Three And an n-electrode 37 formed on the entire lower surface of the substrate 50. The bonding electrode 6 is made of, for example, Pt, and the n electrode 37 is made of, for example, Au.
[0062]
p-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three The carrier concentration of the cladding layer 53 is p-type β-Ga by the method described above. ₂ O _Three The contact layer 54 is formed lower than the carrier concentration. Similarly, n-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three The carrier concentration of the cladding layer 51 is n-type β-Ga. ₂ O _Three It is formed lower than the carrier concentration of the substrate 50.
[0063]
β-Ga ₂ O _Three The active layer 52 is made of n-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three Cladding layer 51 and p-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three Β-Ga which is a double heterojunction sandwiched between clad layers 53 and has a band gap smaller than the band gap of each clad layer 51, 53. ₂ O _Three Form with.
[0064]
The light emitting element 1 is mounted on a printed circuit board 80 via a metal paste 81 by attaching leads 8 by bonding 9 via bonding electrodes 6.
[0065]
Since the light-emitting element 1 has a double hetero structure, electrons and holes serving as carriers are β-Ga. ₂ O _Three Since the probability of recombination is confined to the active layer 52, the light emission efficiency is significantly increased. Further, the emitted light is emitted to the outside as outgoing light 70 that passes through the transparent electrode 4 and is emitted upward, and n-type β-Ga. ₂ O _Three The emitted light 71 directed toward the lower surface of the substrate 50 is reflected by the n-electrode 37 or the metal paste 81 and emitted upward, for example. Accordingly, the emission intensity is increased as compared with the case where the emitted light 71 is directly emitted to the outside.
[0066]
Β-Ga ₂ O _Three The active layer 52 is made of β-GaInO. _Three May be formed. At this time, β-Ga is used as the cladding layer. ₂ O _Three May be formed. Further, the active layer 52 may have a quantum well structure capable of increasing the light emission efficiency.
[0067]
FIG. 9 shows β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three , Β-Ga ₂ O _Three And β-GaInO _Three The relationship between the lattice constant ratio and the band gap is shown. It can be seen that increasing the Al concentration increases the band gap and reduces the lattice constant ratio, and increasing the In concentration increases the band gap and increases the lattice constant ratio. β-Ga ₂ O _Three About the b-axis <010> orientation and c-axis The <001> orientation is shown as in FIG. 9, and a similar tendency appears for the a-axis <100> orientation.
[0068]
According to the sixth embodiment, the following effects can be obtained.
(A) β-Ga forming the active layer 52 ₂ O _Three The wide band gap of the single crystal makes it possible to emit light with a short wavelength such as 260 nm.
(B) Since it has a double heterojunction, it is possible to prevent a decrease in luminous efficiency.
(C) n-type β-Ga ₂ O _Three The substrate 50 and the layers 51 to 54 are made of β-Ga ₂ O _Three Therefore, the buffer layer can be eliminated, and a p-type layer with high crystallinity can be formed.
(D) n-type β-Ga ₂ O _Three Since the substrate 50 has conductivity, the substrate 50 can have a vertical structure in which electrodes are taken out from above and below, so that the layer configuration and the manufacturing process can be simplified.
(E) n-type β-Ga ₂ O _Three Since the substrate 50 is highly transmissive in the light emitting region, the light extraction efficiency can be increased, and ultraviolet light having a short wavelength such as 260 nm can be extracted from the substrate side.
(F) n-type β-Ga ₂ O _Three Oxide-based β-Ga on the substrate 50 and the layers 51 to 54 ₂ O _Three Since a single crystal is used, a light-emitting element that operates stably even in a high-temperature atmosphere can be formed.
[0069]
<Example 7>
FIG. 10 shows β-Ga according to Example 7 of the present invention. ₂ O _Three The cross section of a system light emitting element is shown. The light-emitting element 1 has a β-Ga ₂ O _Three Insulating β-Ga made of single crystal ₂ O _Three Substrate 55 and this insulated β-Ga ₂ O _Three Β-Ga formed on the upper surface of the substrate 55 ₂ O _Three N-type Ga having n-type conductivity made of single crystal ₂ O _Three Contact layer 56 and this n-type β-Ga ₂ O _Three N-type β-Al formed on part of the upper surface of the contact layer 56 _1.4 Ga _0.6 O _Three The clad layer 51 and the n-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three Formed on the cladding layer 51, β-Ga ₂ O _Three Β-Ga consisting of ₂ O _Three Active layer 52 and β-Ga ₂ O _Three P-type β-Al having p-type conductivity formed on the active layer 52 _1.4 Ga _0.6 O _Three Clad layer 53 and p-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three Ga formed on the cladding layer 53 ₂ O _Three P-type β-Ga showing p-type conductivity made of a single crystal ₂ O _Three Contact layer 54 and p-type β-Ga ₂ O _Three Transparent electrode 4 formed on contact layer 54, bonding electrode 6 formed on a part of transparent electrode 4, and n-type β-Ga ₂ O _Three And an n-electrode 37 formed on the contact layer 56. The bonding electrode 6 is formed of, for example, Pt, the lead 8 is connected by bonding 9, and the n electrode 37 is formed of, for example, Au, and the lead 58 is connected by bonding 59. p-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three The carrier concentration of the cladding layer 53 is changed to p-type β-Ga. ₂ O _Three The contact layer 54 is formed lower than the carrier concentration, and n-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three The carrier concentration of the cladding layer 51 is changed to n-type β-Ga. ₂ O _Three The contact layer 56 is formed lower than the carrier concentration. The light emitting element 1 is mounted on a printed board 80.
[0070]
β-Ga ₂ O _Three The active layer 52 is n-type β-Al as in the sixth embodiment. _1.4 Ga _0.6 O _Three Cladding layer 51 and p-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three Β-Ga which is a double heterojunction sandwiched between clad layers 53 and has a band gap smaller than the band gap of each clad layer 51, 53. ₂ O _Three Formed with.
[0071]
Since the light-emitting element 1 has a double hetero structure, electrons and holes serving as carriers are β-Ga. ₂ O _Three Since the probability of recombination is confined to the active layer 52, the light emission efficiency is significantly increased. Further, the emitted light is emitted to the outside as outgoing light 70 that passes through the transparent electrode 4 and is emitted upward, and n-type β-Ga. ₂ O _Three The emitted light 71 directed toward the lower surface of the substrate 50 is reflected by the printed circuit board 80 and emitted upward, for example. Accordingly, the emission intensity is increased as compared with the case where the emitted light 71 is directly emitted to the outside.
[0072]
According to the seventh embodiment, the following effects can be obtained.
(A) β-Ga forming the active layer 52 ₂ O _Three Light emission with a short wavelength, for example, 260 nm is possible due to the wide band gap of the single crystal.
(B) Since it has a double heterojunction, it is possible to prevent a decrease in luminous efficiency.
(C) Insulated β-Ga ₂ O _Three Substrate 55 and n-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three The cladding layer 51 is made of β-Ga ₂ O _Three Therefore, the buffer layer can be eliminated, and an n-type layer with high crystallinity can be formed.
(D) Insulated β-Ga ₂ O _Three Since the substrate 55 is highly transmissive in the light emitting region, the light extraction efficiency can be increased.
(E) Insulated β-Ga ₂ O _Three Oxide-based β-Ga on the substrate 55 and each layer 51, 53, 52, 56 ₂ O _Three Since a single crystal is used, a light-emitting element that operates stably even in a high-temperature atmosphere can be formed.
[0073]
In Examples 1 to 7, the light emitting element 1 may be provided with a buffer layer. The buffer layer is formed between the n-type substrate 2 and the p-type layer 3 (Example 1, FIG. 1), between the n-type substrate 2 and the n-type layer 7 (Example 2, FIG. 4), and the p-type substrate 12. And n-type layer 13 (Example 3, FIG. 5), between p-type substrate 12 and p-type layer 3 (Example 4, FIG. 6), and between insulated substrate 16 and n-type layer 17 (Example 5, FIG. 7), n-type β-Ga ₂ O-type substrate 50 and n-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three Between the clad layer 51 (Example 6, FIG. 8), insulating β-Ga ₂ O _Three Substrate 55 and n-type β-Ga ₂ O _Three It is formed between the contact layers 56 (Example 7, FIG. 10).
[0074]
In addition to the laser beam, the excitation beam may be an electron beam or an ion beam as long as it can irradiate a metal target and release chemical species such as metal atoms.
[0075]
Β-Ga ₂ O _Three Other types of Ga ₂ O _Three It may be.
[0076]
Although the present invention has been described with respect to a light emitting element, it can also be applied to a photosensor that converts incident light into an electrical signal.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a PN junction light-emitting element can be formed by forming a second layer exhibiting p-type conductivity on a first layer exhibiting n-type conductivity. Therefore, Ga ₂ O _Three The band gap of the single crystal makes it possible to emit light in the ultraviolet region.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows Ga according to Example 1 of the present invention. ₂ O _Three It is sectional drawing which shows a system light emitting element.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between oxygen concentration and carrier concentration according to Example 1 of the present invention.
FIG. 3 shows Ga according to Example 1 of the present invention. ₂ O _Three It is a figure which shows schematic structure of the film-forming apparatus for manufacturing a system light emitting element.
FIG. 4 shows Ga according to Example 2 of the present invention. ₂ O _Three It is sectional drawing which shows a system light emitting element.
FIG. 5 shows Ga according to Example 3 of the present invention. ₂ O _Three It is sectional drawing which shows a system light emitting element.
FIG. 6 shows Ga according to Example 4 of the present invention. ₂ O _Three It is sectional drawing which shows a system light emitting element.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a light emitting device according to Example 5 of the invention.
FIG. 8 shows Ga according to Example 6 of the present invention. ₂ O _Three It is sectional drawing which shows a system light emitting element.
FIG. 9: β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three , Β-Ga ₂ O _Three , And β-GaInO _Three It is a figure which shows the relationship between the lattice constant rate of this and a band gap.
FIG. 10 is a Ga gas generator according to Example 7 of the present invention. ₂ O _Three It is sectional drawing which shows a system optical element.
[Explanation of symbols]
1 Light emitting element
2 n-type substrate
3 p-type layer
4 Transparent electrodes
5 n electrode
6 Bonding electrodes
7 n-type layer
8 lead
9 Bonding
12 p-type substrate
13 n-type layer
16 Insulated substrate
17 n-type layer
18 p-type layer
20 Deposition equipment
21 chambers
21a, 21b pipe
23 Target
24 Laser unit
25 Target stand
27 Substrate holder
28 Radical injection part
29 Exhaust section
30 Rotating mechanism
33 chemical species
36 p electrode
37 n-electrode
41 Laser oscillator
42 Laser light
43,44 lens
50 n-type β-Ga ₂ O-type substrate
51 n-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three Cladding layer
52 β-Ga ₂ O _Three Active layer consisting of
53 p-type β-Al _1.4 Ga _0.6 O _Three Cladding layer
54 p-type β-Ga ₂ O _Three Contact layer
55 Insulated β-Ga ₂ O _Three substrate
56 n-type β-Ga ₂ O _Three Contact layer
58 lead
59 Bonding
60 spaces
63 Solder balls
65 Printed circuit board
66 Print Pattern
70 Outgoing light
71 Light emission
80 Printed circuit board
81 Metal paste
60 spaces

Claims

A first layer having n-type conductivity made of a Ga ₂ O ₃ based single crystal;
A second layer having p-type conductivity made of a Ga ₂ O ₃ based single crystal formed on the first layer ,
The Ga ₂ O ₃ -based light emitting device, wherein the first layer and the second layer include an active layer between them .

_2. The Ga ₂ O ₃ -based light emitting device according to claim 1, wherein one of the first layer and the second layer is a thin film grown on the substrate and the other is grown on the substrate.

The Ga ₂ O ₃ -based light emitting device according to claim 2 , wherein the substrate has a (100) plane on which the thin film is grown.

The Ga ₂ O ₃ -based light emitting device according to claim 2 , wherein the substrate has a (001) plane on which the thin film is grown.

The Ga ₂ O ₃ -based light emitting device according to claim 2 , wherein the substrate has a (010) plane on which the thin film is grown.

The Ga ₂ O ₃ -based light emitting device according to claim 2 , wherein the substrate has a (101) plane on which the thin film is grown.

The first layer is a substrate or a thin film;
_2. The Ga ₂ O ₃ light emitting device according to claim 1, wherein the substrate or the thin film exhibits n-type conductivity due to oxygen defects in the Ga ₂ O ₃ single crystal.

The first layer is a substrate or a thin film;
Ga ₂ O ₃ light-emitting device according to claim 1, characterized in that an n-type conductivity by adding an n-type dopant to the substrate or the thin film.

The second layer is a substrate or a thin film;
The Ga ₂ O ₃ light emitting device according to claim 1, wherein the substrate or the thin film exhibits p-type conductivity due to Ga defects in the Ga ₂ O ₃ single crystal.

The second layer is a substrate or a thin film;
Ga ₂ O ₃ light-emitting device according to claim 1, wherein the indicating p-type conductivity by adding a p-type dopant to the substrate or the thin film.

A substrate having n-type conductivity made of a Ga ₂ O ₃ based single crystal;
A p-type conductive thin film made of a Ga ₂ O ₃ based single crystal formed on the substrate ,
Between the substrate and the thin film exhibiting p-type conductivity, a thin film exhibiting n-type conductivity made of a Ga ₂ O ₃ single crystal and having a carrier concentration different from that of the substrate is formed. Ga ₂ O ₃ light emitting element.

The Ga ₂ O ₃ light emitting element according to claim 11 , wherein a buffer layer made of a Ga ₂ O ₃ single crystal is formed between the substrate and the thin film exhibiting n-type conductivity.

A substrate showing p-type conductivity made of a Ga ₂ O ₃ based single crystal;
A thin film showing n-type conductivity made of a Ga ₂ O ₃ based single crystal formed on the substrate ,
A thin film having p-type conductivity, which is made of a Ga ₂ O ₃ single crystal and has a carrier concentration different from that of the substrate, is formed between the substrate and the thin film having n-type conductivity. Ga ₂ O ₃ light emitting element.

Between the thin film exhibiting the p-type conductivity and the substrate, Ga ₂ O ₃ system Ga ₂ O ₃ light-emitting device according to claim 13, wherein a buffer layer made of single crystal is formed.

Forming a substrate having n-type conductivity composed of a Ga ₂ O ₃ based single crystal;
Forming an insulating substrate by annealing the substrate;
Forming a thin film exhibiting n-type conductivity by adding an n-type dopant on the insulating substrate;
Furthermore, the thin film which shows p-type electroconductivity is formed by adding p-type dopant on it, The manufacturing method of the light emitting element characterized by the above-mentioned.