JP4404995B2

JP4404995B2 - Ａ面サファイア基板を用いたＺｎＯ系化合物半導体発光素子およびその製法

Info

Publication number: JP4404995B2
Application number: JP21122399A
Authority: JP
Inventors: 栄仁木; ポール・フォンス; 拡也岩田; 哲弘田辺; 健中原
Original assignee: Rohm Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Rohm Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 1999-07-26
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2019-07-26
Also published as: JP2001044500A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素子、ＳＡＷ（surface acoustic wave；表面弾性波）フィルタやＳＡＷ発振素子などのＳＡＷデバイス、焦電素子、圧電素子、ガスセンサなどのＺｎＯ系化合物半導体を用いた素子、およびそれらの素子を製造するためのＺｎＯ系化合物半導体層の結晶成長方法に関する。さらに詳しくは、ＺｎＯ系化合物半導体層を結晶性よく成長し、発光効率の向上などの素子特性を向上することができるＺｎＯ系化合物半導体を用いた素子、およびそれらの素子を製造するためのＺｎＯ系化合物半導体層の結晶成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フルカラーディスプレーや、信号灯などの光源に用いられる青色系（紫外から黄色の波長領域を意味する、以下同じ）の発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）や、室温で連続発振する次世代の高精細ＤＶＤ光源用などの青色系半導体レーザ（以下、ＬＤという）は、最近サファイア基板のＣ面上にＧａＮ系化合物半導体を積層することにより得られるようになり脚光を浴びている。
【０００３】
この構造は、図９にＬＤチップの斜視説明図が示されるように、サファイア基板２１のＣ面上にIII 族チッ化物化合物半導体が有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition 以下、ＭＯＣＶＤという）により順次積層されるもので、ＧａＮ緩衝層２２、ｎ形ＧａＮ層２３、Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎからなるｎ形クラッド層２４、ＧａＮからなるｎ形光ガイド層２５、ＩｎＧａＮ系化合物半導体の多重量子井戸構造からなる活性層２６、ｐ形ＧａＮからなるｐ形光ガイド層２７、ｐ形Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8 Ｎからなるｐ形第１クラッド層２８ａ、Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎからなるｐ形第２クラッド層２８ｂ、ｐ形ＧａＮからなるコンタクト層２９が順次積層され、積層された半導体層の一部が図９に示されるようにドライエッチングなどによりエッチングされてｎ形ＧａＮ層２３を露出させ、その表面にｎ側電極３１、前述のコンタクト層２９上にｐ側電極３０がそれぞれ形成されることにより構成されている。
【０００４】
一方、ＺｎＯ系化合物半導体もワイドギャップエネルギー半導体で、Ｃｄを混晶させることによりバンドギャップエネルギーのナロー化がなされ、同様に青色系の発光をさせ得ること、ＳＡＷデバイスや焦電素子、圧電素子などに用いられることなどのため、種々の研究がなされ始めている。そして、このＺｎＯ系化合物半導体もＧａＮ系化合物半導体やサファイアと同様にヘキサゴナル（hexagonal)結晶であり、格子定数もこれらと近いため、ＧａＮ系化合物半導体のエピタキシャル成長用基板として工業的に広く用いられている主面がＣ面の（０００１）サファイアが、基板として考えられている。
【０００５】
この（０００１）サファイア基板上へのＺｎＯ系化合物半導体の成長は、たとえばZ. K. Tangらによる「ルーム−テンパラチャーウルトラバイオレットレーザエミッションフロムセルフアッセンブルドＺｎＯマイクロクリスタライトシンフィルムズ（Room-temperature ultraviolet laser emission from self-assembled ZnO microcrystallite thin films)」（アプライドフィジックスレター（Applied Physics Letters）第７２巻２５号、１９９８年６月２２日号、３２７０〜３２７２頁）にも記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来のＺｎＯ系化合物層を成長するには、基板としてＣ面を主面とする（０００１）サファイア基板が用いられ、その上にＺｎＯ系化合物半導体のＣ面が重なるように成長されている。しかしサファイアのｃ軸長ｃ_sは１２.９９１Åでａ軸長ａ_sが４.７５４Åであるのに対して、ＺｎＯのｃ軸長ｃ_zは５.２１３Åでａ軸長ａ_zは３.２５Åであるため、格子不整合度εは、ε＝（ａ_z−ａ_s）／ａ_s＝−３１.６％と非常に大きくなる。この場合、図１０に示されるように、ＺｎＯの結晶が３０°回転して成長する場合があるが、その場合でも、格子不整合度εは、ε＝（２／３^1/2・ａ_z−ａ_s）／ａ_s＝−２１.１％と非常に大きい。そのため、とくに結晶成長時の基板温度や、ＺｎおよびＯ元素の供給量、基板の表面処理方法や、傾斜角度などの種々のパラメータが複雑に作用し、結晶成長面の平坦性の再現性に乏しいという問題がある。
【０００７】
また、サファイアとＺｎＯとで格子定数が整合しないため、前述のように、ＺｎＯが３０°回転して成長する場合があり、回転しない結晶と３０°回転する結晶とが混在して、一層結晶成長面の平坦性の再現性が乏しいという問題がある。
【０００８】
本発明はこのよな問題を解決するためになされたもので、結晶性の優れたＺｎＯ系化合物結晶層が得られ、素子の特性を向上させた半導体発光素子などのＺｎＯ系化合物を用いる素子を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の他の目的は、結晶性の優れたＺｎＯ系化合物結晶層を得ることができるＺｎＯ系化合物の結晶成長方法を提供することにある。
【００１０】
本発明のさらに他の目的は、結晶性の優れたＺｎＯ系化合物半導体を用い、発光特性の優れたＬＥＤやＬＤなどの半導体発光素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、サファイア基板上にＺｎＯ系化合物結晶層を成長するのに、格子欠陥が少なく結晶性のよいＺｎＯ系化合物層を成長すべく鋭意検討を重ねた。その結果、サファイアのＡ面など、Ｃ面と直交する面を主面とする基板表面にＺｎＯ系化合物層を成長することにより、非常に結晶性に優れ、発光特性など素子特性の優れた素子が得られることを見出した。
【００１３】
ここにＺｎＯ系化合物とは、Ｚｎを含む酸化物、具体例としてはＺｎＯの他IIＡ族元素とＺｎまたはIIＢ族元素とＺｎまたはIIＡ族元素およびIIＢ族元素とＺｎのそれぞれの酸化物であることを意味する。また、サファイア基板のＣ面と直交する面とは、サファイアのＡ面の他にそのＡ面がＣ面内で回転する面のように、Ｃ面と直角に交わる面を意味し、直交（直角）には、通常の基板製作仕様上許容される±０.５°以内のものを含む意味である。
【００１７】
本発明の半導体発光素子は、Ａ面を主面とするサファイア基板と、該サファイア基板の前記主面上に面内配向するようにエピタキシャル成長されたＺｎＯ系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を少なくとも有し、発光層を形成すべく積層される半導体積層部とを含み、前記サファイア基板のｃ軸長と、前記サファイア基板の前記主面上に設けられる前記ＺｎＯ系化合物半導体層の格子のａ軸長４個分とが整合するように前記半導体積層部が形成され、かつ、前記半導体積層部が、Ｃｄ _x Ｚｎ _1-x Ｏ（０≦ｘ＜１）からなる活性層を、Ｍｇ _y Ｚｎ _1-y Ｏ（０≦ｙ＜１）からなり前記活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいクラッド層により挟持するダブルヘテロ構造を有している。
【００１８】
前記サファイア基板の前記主面上に、ＺｎＯからなるコンタクト層が面内配向するようにエピタキシャル成長され、該コンタクト層上に前記半導体積層部が形成されることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明のＺｎＯ系化合物層を用いた素子、およびそれらの素子を製造するためのＺｎＯ系化合物層の結晶成長方法について説明をする。
【００２０】
本発明のＺｎＯ系化合物層を有する素子は、図１にその一実施形態であるＡ面を主面とするサファイア基板１上にＺｎＯ化合物層を成長した断面説明図が示されるように、サファイア基板１のＣ面と直交する面、たとえばＡ面（１１−２０）を主面とするサファイア基板１の前記主面（Ａ面）上にＺｎＯ系化合物層２がエピタキシャル成長されている。このＺｎＯ系化合物層の成長は、目的とする素子により必要な組成（ＭｇやＣｄなどを混晶したり、ドーパントをドーピングしたりする）にしたり、必要な厚さに成長される。たとえば半導体発光素子を構成する場合には、後述するように、たとえばＺｎＯ系化合物半導体層からなるｎ形クラッド層とｐ形クラッド層とで、クラッド層よりバンドギャップの小さい活性層を挟持する発光層形成部を構成するように順次積層される。
【００２１】
サファイアのＡ面は、図２（ａ）にサファイア単結晶の代表的な面方位が、図２（ｂ）に単結晶のＣ面の正面図が示されるように、Ｃ面の格子の１つおきの格子を結ぶ線分のＣ面と垂直な面で、サファイア単結晶の（１１−２０）の面方位で示される面である。この面方位は６回対称で、図２（ｂ）に示されるように、１つの六角柱にて形成される結晶で６ヶ所ある。このＡ面であれば、後述するようにサファイアのｃ軸長にＺｎＯのａ軸長が４個分に対応して、優れた結晶構造が得られると考えられるが、この考えに基づくと、必ずしもＡ面である必要はなく、図２（ｂ）のＸで示されるように、Ａ面がＣ面内で回転するような面でもＣ面に対して直角になり、このようにＣ面に直交する面であればよい。なお、このＣ面に対して直角（直交）というのは、ほぼ直角という程度のもので、通常の面方位の誤差である±０.５°程度の範囲は結晶軸長のズレには影響しない。
【００２２】
このサファイア基板１上にＺｎＯ化合物層を成長するには、まずＡ面を主面とするサファイアのウェハ１を、アセトン、エタノールを用いて、脱脂洗浄をし、最後に純粋洗浄をする。その後、洗浄ウェハをロードロック（Load Lock）室に入れ、１０^-6Torr程度以下の真空度中で、４００℃程度で１時間程度の予備加熱をし、余分な水分を飛ばす。
【００２３】
予備加熱終了後、１０^-9〜１０^-10Torr程度の真空度に保たれたＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置に搬入する。そして、８００℃程度で３０分程度のサーマルクリーニングをした後に６５０℃程度にする。そして、Ｏ₂ラジカルを１３.５６ＭＨｚのＲＦによりプラズマ化することによって供給し、Ｚｎのセルのシャッターを開けることによりＺｎＯ層２がエピタキシャル成長する。なお、ＭｇやＣｄなどを混晶したり、ドーパントをドーピングする場合には、それらの元素のセルを開けることにより所望のＺｎＯ系化合物層を得ることができる。なお、この例では、洗浄後のサーマルクリーニングを８００℃程度で３０分程度行ったが、１０００℃程度で１時間程度のアニール処理を行うと成長するＺｎＯ層の結晶性の再現性が非常に向上することが確認された。
【００２４】
このように、Ａ面を主面とするサファイア基板の表面にエピタキシャル成長したＺｎＯ膜の結晶状態を調べるため、数千Å程度の厚さにエピタキシャル成長したＺｎＯ膜の表面にＸ線を照射して、その反射強度分布により得られる面の法線方向の位置をその面方位と共に図３に示す。図３（ａ）が本発明のＡ面を主面とするサファイア基板上に成長した膜における面の法線方向の位置を示す図で、図３（ｂ）がＣ面を主面とするサファイア基板上に成長したＺｎＯ膜における面の法線方向の位置を示す図である。
【００２５】
ＺｎＯはａ軸方向で６回対称であるため、本来なら６点しか回折パターン（面の法線方向の位置）が現れないはずであるが、図３（ｂ）に示されるＣ面上に成長したＺｎＯ膜では、ＺｎＯのａ軸とサファイアのａ軸とが平行なところの他に、ＺｎＯのａ軸がサファイアのａ軸に対して３０°回転したパターンが入り混じり、１２点のパターンが観察されている（実際には、３０°回転の位置のパターンは強度が薄く、その割合が少ないことを示していた）。これに対して、図３（ａ）に示されるように、本発明のＡ面上に成長させたＺｎＯ膜は、ＺｎＯのＡ面とサファイアのＣ面とが平行になり、ＺｎＯは一定の結晶方向でサファイアのｃ軸方向に成長し、６回対称の回折パターンのみが観察されている。すなわち３０°回転した結晶成長はしていないことが分る。
【００２６】
また、ＭＢＥ法により１分程度成長した状態（数百Å程度の厚さ）で、ＲＨＥＥＤ法（反射高エネルギー電子回折法；電子銃により１０〜５０ｋＶで加速された電子ビームを基板表面に浅い角度（１〜２゜以下）で入射させ、表面原子によって反射回折された電子ビームを蛍光スクリーンに投影して結晶の表面状態を調べる方法）により調べた結果、サファイアのＣ面上に成長した膜では、本来のＺｎＯパターンの間に薄いパターンが現れたが、本発明のＡ面上に成長したＺｎＯ膜では、面内配向の乱れがなく本来のＺｎＯのパターンのみが観察された。
【００２７】
図４は、ＺｎＯ膜の結晶状態をさらに別の方法で調べたもので、このＺｎＯのバンドギャップエネルギーより大きい４ｅＶ程度の光を照射してフォトルミネッセント発光をさせたものの波長に対する発光強度を示した図である。図４のＡで示される特性が、本発明のＡ面を主面とするサファイア基板上に成長したＺｎＯ膜の特性で、Ｃで示される特性がＣ面を主面とするサファイア基板上に成長したＺｎＯの特性である。図４からも明らかなように、本発明のＺｎＯ膜では、Ｃ面上に成長したＺｎＯ膜より約３０倍の強度の発光が得られ、その半値幅もＣ面上に成長したものが３０ｍｅＶであるのに対して、本発明のＡ面に成長したものは０.７ｍｅＶと小さく、明らかに良好な結晶が得られていることを示している。
【００２８】
本発明によれば、Ｃ面と直交するＡ面を主面とするサファイア基板上にＺｎＯ系化合物を成長しているため、前述のように、結晶性の優れたＺｎＯ系化合物層が得られた。この理由はつぎのように考えられる。すなわち、サファイアのｃ軸長ｃ_sは、前述のように、１２.９９１Åであり、ＺｎＯのａ軸長ａ_zは、３.２５Åであるため、ｃ_sがほぼ４ａ_zとなる。そのため、図５にＡ面を主面とするサファイア基板上に成長するＺｎＯの結晶状態（Ｃ面）の平面図が示されるように、サファイアのｃ軸長ｃ_sに２個分のＺｎＯ結晶（ａ軸が４個分の結晶）が配列されて、非常に面内配向が安定し、常に一定の面内配向で成長すると考えられる。このときの格子整合度εは、ε＝（４×ａ_z−ｃ_s）／ｃ_s＝０.０７％となり、非常に整合度が高くなっている。その結果、高い結晶性を保持して成長することができる。
【００２９】
この観点からは、Ａ面でなくても、前述の図２に示されるＸ面のように、Ａ面がＣ面内で回転した面、すなわちＣ面と直交する面であれば、前述の図５に示されるように、サファイアのｃ軸長に、ＺｎＯのａ軸長４個分が対応するようにＺｎＯ系化合物結晶が配列され、同様に結晶性のよいＺｎＯ系化合物結晶層が得られることが推察される。
【００３０】
つぎに、このＡ面（１１−２０）を主面とするサファイア基板を用いて、ＺｎＯ系化合物半導体層を成長した青色系の半導体発光素子の構成例について説明をする。
【００３１】
本発明の半導体発光素子は、図６にＬＥＤチップの斜視説明図が示されるように、Ａ面を主面とするサファイア基板１の表面にＺｎＯ系化合物半導体からなるｎ形層３、４およびｐ形層６、７を少なくとも有し、発光層を形成するように半導体積層部１１が積層されている。
【００３２】
半導体積層部１１は、図６に示される例では、Ｇａをドープしたｎ形ＺｎＯからなるコンタクト層３が１μｍ程度、同じくＧａをドープしたＭｇ_y Ｚｎ_1-y Ｏ（０≦ｙ＜１、たとえばｙ＝０.１５）からなるｎ形クラッド層４が０.２μｍ程度、Ｃｄ_x Ｚｎ_1-xＯ（０≦ｘ＜１、かつクラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さくなる組成、たとえばｘ＝０.０８）からなる活性層５が０.１μｍ程度、ＧａおよびＮを同時ドープしたＭｇ_yＺｎ_1-yＯ（０≦ｙ＜１、たとえばｙ＝０.１５）からなるｐ形クラッド層６が０.２μｍ程度、ＧａおよびＮを同時ドープしたＺｎＯからなるｐ形コンタクト層７が１μｍ程度、それぞれ積層されることにより、ダブルヘテロ構造の発光層形成部を有する半導体積層部１１になっている。これらの半導体層は、前述のＭＢＥ装置で連続的に成長される。なお、活性層５は、非発光再結合中心の形成を避けるため、ノンドープであることが好ましい。また、ｎ形およびｐ形クラッド層４、６は、活性層５よりバンドギャップが大きく、キャリアを活性層５内に有効に閉じ込める効果を有するように形成されている。
【００３３】
半導体積層部１１上には、電流を拡散させるための、たとえばＩＴＯ膜からなる透明電極８が０.２μｍ程度成膜されており、その表面の一部にＮｉ／ＡｌまたはＮｉ／Ａｕなどの積層体からなるｐ側電極１０がリフトオフ法などにより、また、半導体積層部１１の一部がエッチングにより除去され、露出するｎ形コンタクト層３上に、Ｔｉ／ＡｌまたはＴｉ／Ａｕなどの積層体からなるｎ側電極９が真空蒸着などにより形成されている。
【００３４】
つぎに、このＬＥＤの製法について説明をする。前述のように、Ａ面を主面とするサファイア基板１をアセトンなどにより脱脂洗浄をし、Load Lock室で予備加熱、ＭＢＥ装置内でのサーマルクリーニングをした後、６５０℃程度にして酸素ラジカルを供給すると共に、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｇａなどの、所望材料のセルのシャッターを開けることにより、前述の組成のＺｎＯ系化合物半導体層をそれぞれ前述の厚さになるように、順次エピタキシャル成長して、半導体積層部１１を形成する。なお、ｎ形層を形成する場合はドーパントとしてＧａをドーピングし、ｐ形層を形成する場合は、ドーパントとしてＮ2プラズマとＧａを同時にドーピングした。
【００３５】
その後、ＭＢＥ装置よりエピタキシャル成長がされたウェハを取り出し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチング法により、半導体積層部の一部をエッチングして、ｎ形コンタクト層３を露出させる。このエッチングは、硫酸系エッチャントなどによるウェットエッチングにより行うこともできる。その後、たとえばスパッタ装置に入れて、ｐ形コンタクト層７上にＩＴＯを成膜し、透明電極８を０.２μｍ程度の厚さに設ける。その後、リフトオフ法などによりｎ形コンタクト層３上にＴｉ／Ａｌなどからなるｎ側電極９を、ＩＴＯ膜８上の一部にＴｉ／Ａｌなどからなるｐ側電極１０を、それぞれ０.２μｍ程度づつ形成する。その後ウェハからチップ化することにより、図１に示されるＬＥＤチップが得られる。
【００３６】
本発明の半導体発光素子によれば、Ａ面を主面とするサファイア基板の表面にＺｎＯ化合物半導体層がエピタキシャル成長されているため、サファイアのｃ軸長とＺｎＯ化合物の４個のａ軸長とが整合して配列され、結晶性のよいＺｎＯ化合物半導体層が成長する。その上に成長されるＺｎＯ系化合物半導体層もＺｎＯと同種の化合物であり、ＺｎＯ層の結晶に沿って整合された結晶層が成長する。その結果、膜質の悪い場合のように非発光再結合中心が発生することなく、内部量子効率が大幅に向上し、ＺｎＯ系化合物の有する高いエキシトンと相俟って、非常に高い発光効率の半導体発光素子が得られる。なお、Ａ面を主面とするサファイア基板上に成長する化合物半導体層は、ＺｎＯでなくても、Ｚｎの一部がＭｇやＣｄなどと置換されたＺｎＯ系化合物半導体でも格子定数に殆ど変化はなく、同様に結晶性よく成長することができる。
【００３７】
前述の例は、ＬＥＤの例であったが、ＬＤであっても同様である。この場合、半導体積層部１１が若干異なり、たとえば図７に斜視説明図が示されるように、活性層１５はノンドープのＣｄ_0.03Ｚｎ_0.97Ｏ／Ｃｄ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏからなるバリア層とウェル層とをそれぞれ５０Åおよび４０Åづつ交互に２〜５層づつ積層した多重量子井戸構造により形成することが好ましい。また、活性層１５が薄く充分に光を活性層１５内に閉じ込められない場合には、たとえばＺｎＯからなる光ガイド層１４、１６が活性層１５の両側に設けられる。なお、半導体積層部１１の一部がエッチングされて、露出するｎ形コンタクト層３にｎ側電極９が形成されるのは、前述のＬＥＤの場合と同様である。
【００３８】
また、図７に示される例では、電流狭窄層１７を埋め込むＳＡＳ型構造のＬＤチップの例で、ｐ形Ｍｇ_0.15Ｚｎ_0.85Ｏからなるｐ形第１クラッド層６ａの上に、たとえばｎ形Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏからなる電流狭窄層１７が０.４μｍ程度設けられ、一旦結晶成長装置からウェハを取り出し、表面にレジスト膜を設けてストライプ状にパターニングをし、硫酸系溶液などにより電流狭窄層１７をストライプ状にエッチングして、２〜３μｍ幅のストライプ溝１８が形成され、再度ＭＢＥ装置にウェハを戻し、ｐ形Ｍｇ_0.15Ｚｎ_0.85Ｏからなるｐ形第２クラッド層６ｂおよびｐ形ＺｎＯからなるｐ形コンタクト層７が前述の例と同様に成長されることにより形成されている。この場合は、ＩＴＯからなる透明電極は不要で、ｐ形コンタクト層７上にもほぼ全面にｐ側電極１０が形成されている。なお、図示されていないが、ｐ形第１クラッド層６ａと電流狭窄層１７との間にｐ形ＧａＮからなるエッチングストップ層が設けられることが好ましい。
【００３９】
ＺｎＯ系化合物半導体は、ウェットエッチングによりエッチング処理をすることができるため、ＧａＮ系化合物半導体では難しい電流狭窄層を埋め込むＳＡＳ型構造のＬＤチップを形成することができ、活性層の近くに電流狭窄層を形成することができ、高特性の半導体レーザが得られる。しかし、ＬＤチップの構造は、ＳＡＳ型構造に限らず、ｐ側電極をストライプ状にしただけの電極ストライプ構造や、ストライプ状電極の両側の半導体層をｐ形クラッド層の上部までをメサ型形状にエッチングするメサストライプ構造や、プロトンなどを打ち込んだプロトン打込み型にすることもできる。電極ストライプ構造のＬＤチップの例を図８に示す。この構造はｐ側電極１０がストライプ状にパターニングされていることと、電流狭窄層が設けられていない点で図７の構造と異なるだけで、他の構造は図７と殆ど同じで、同じ部分には同じ符号を付して、その説明を省略する。なお、６はｐ形クラッド層である。
【００４０】
前述の例では、ＬＥＤとして、ダブルヘテロ構造の例であったが、単純なｐｎ接合やＭＩＳ（金属−絶縁層−半導体層）構造など他の構造にすることもできる。また、ＬＤチップの構造も、光ガイド層がなく他の層が設けられてもよく、前述の積層構造に限定されるものではない。
【００４１】
さらに、前述の各例では、ＺｎＯ系化合物層の成長をするのに、ＭＢＥ装置を用いて行ったが、ＭＯＣＶＤ装置などを用いて行うこともできる。この場合、反応ガスとしては、Ｚｎとしてジエチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）、Ｏとしてテトラヒドロフラン（Ｃ₄Ｈ₈Ｏ）、Ｍｇとしてシクロペンタジエチルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）、Ｃｄとしてジエチルカドミウム（Ｃｄ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）、ドーパントのＧａとしてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ｎ₂としてプラズマＮ₂を供給することにより気相反応をさせることができる。
【００４２】
なお、前述の例では、ＺｎＯ系化合物半導体を用いた素子の例が半導体発光素子のみであるが、ＳＡＷデバイス、圧電素子、焦電素子などで、結晶性の優れたＺｎＯ系化合物層を必要とする場合は、同様にＣ面と直交する面を主面とするサファイア基板を用いて成長させることにより、結晶性の優れたＺｎＯ系化合物半導体層を有する素子を得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、非常に結晶性の優れたＺｎＯ系化合物層を成長することができるため、その上に積層するＺｎＯ系化合物層の結晶性も優れ、優れた特性のＺｎＯ系化合物層を有する素子が得られる。
【００４４】
また、本発明の半導体発光素子によれば、積層されるＺｎＯ系化合物半導体層の結晶性が非常に優れているため、非常に内部量子効率の優れた青色系の半導体発光素子を、ウェット処理をすることができる材料により得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるＡ面サファイア基板上にＺｎＯ層を成長した状態の断面説明図である。
【図２】サファイア単結晶の代表的な面方位の説明図である。
【図３】本発明によるＡ面を主面とするサファイア基板上に成長したＺｎＯ層のＸ線の反射像によるポールフィギュア図（ａ）を、Ｃ面を主面とするサファイア基板上に成長したもの（ｂ）と対比して示した図である。
【図４】本発明によるＡ面を主面とするサファイア基板上に成長したＺｎＯ層のフォトルミネッセントスペクトルを、Ｃ面を主面とするサファイア基板上に成長したものと対比して示した図である。
【図５】本発明によりサファイアのＡ面上にＺｎＯを成長させたときの、ＺｎＯ結晶の配向状態の説明図である。
【図６】本発明の半導体発光素子の一実施形態であるＬＥＤチップの説明図である。
【図７】本発明の半導体発光素子の他の実施形態であるＬＤチップの説明図である。
【図８】本発明の半導体発光素子の他の実施形態であるＬＤチップの説明図である。
【図９】従来のＧａＮ系化合物半導体を用いたＬＤチップの一例の斜視説明図である。
【図１０】サファイアのＣ面上にＣ面が平行になるようにＺｎＯを成長したときの結晶配向の説明図である。
【符号の説明】
１Ａ面サファイア基板
２ＺｎＯ層
４ｎ形クラッド層
５活性層
６ｐ形クラッド層
１１半導体積層部

Claims

Ａ面を主面とするサファイア基板と、該サファイア基板の前記主面上に面内配向するようにエピタキシャル成長されたＺｎＯ系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を少なくとも有し、発光層を形成すべく積層される半導体積層部とを含み、前記サファイア基板のｃ軸長と、前記サファイア基板の前記主面上に設けられる前記ＺｎＯ系化合物半導体層の格子のａ軸長４個分とが整合するように前記半導体積層部が形成され、かつ、前記半導体積層部が、Ｃｄ _x Ｚｎ _1-x Ｏ（０≦ｘ＜１）からなる活性層を、Ｍｇ _y Ｚｎ _1-y Ｏ（０≦ｙ＜１）からなり前記活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいクラッド層により挟持するダブルヘテロ構造を有してなるＺｎＯ系化合物半導体発光素子。
前記サファイア基板の前記主面上に、ＺｎＯからなるコンタクト層が面内配向するようにエピタキシャル成長され、該コンタクト層上に前記半導体積層部が形成されてなる請求項１記載の半導体発光素子。