JP4427924B2

JP4427924B2 - 発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP4427924B2
Application number: JP2001131328A
Authority: JP
Inventors: 順也石崎
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: CN1835254A; JP2002329887A; CN1835255A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体を用いた発光素子、特に青色光あるいは紫外線の発光に適した発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
青色光領域の短波長発光を行なう高輝度発光素子として、ＡｌＧａＩｎＮ系材料が近年注目されているが、特開平１１−１６８２６２号公報には、安価なＺｎ及びＭｇの酸化物あるいはその混晶から構成される発光層部を用いた二次元アレー面型発光装置が開示されている。また、海底光ファイバーケーブルの中継器などにおいて、高出力及び高耐久性を実現するために、結晶欠陥形成密度等のスペックが非常に厳しく設定されたＩｎＡｌＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ化合物半導体レーザーが使用されている。いずれのデバイスにおいても、発光層部をなす半導体層は、スパッタリングや分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）あるいは有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic VapourPhase Epitaxy）などの気相成長法により形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、Ｚｎ及びＭｇの酸化物層は真空雰囲気中での気相成長により得られるが、酸素欠損を非常に生じやすいため、導電型が必然的にｎ型となり、導電性キャリアであるｎ型キャリア（電子）が少ない結晶を得ること自体が難しい問題である。特に発光素子の実現には、導電型がｐ型である材料を得ることが不可欠であるが、上記の酸化物結晶は酸素空孔の存在により導電型がｎ型になる傾向があり、ｐ型結晶や活性層に用いるノンドープの半絶縁性結晶を作成することは、従来、非常に困難であるとみなされていた。他方、それ以外の系の化合物半導体発光素子を気相成長法により製造する場合においても、前記したＩｎＡｌＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ化合物半導体レーザーなど、要求品質レベルの非常に高いデバイスにおいては、原料ガスの反応効率のばらつきに起因したわずかな結晶欠陥でも不良につながり、製品歩留まりが大幅に低下してしまう問題がある。
【０００４】
本発明の課題は、気相成長法により発光層部をなす半導体層を形成する際に、原料ガスの反応効率を飛躍的に高めることができ、ひいては、従来実現不能であった導電型の半導体層や、結晶欠陥の少ない高品質の半導体層を容易に実現できる発光素子の製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の発光素子の製造方法は、サファイア基板を配置した反応容器内に原料ガスとして酸素成分源ガスとＺｎ源ガス及びＭｇ源ガスとを導入し、該原料ガスの化学反応により生ずるＭｇＺｎＯ半導体材料を基板の主表面上に堆積させることにより、該サファイア基板上にｐ型ＭｇＺｎＯ層、ＭｇＺｎＯ活性層及びｎ型ＭｇＺｎＯ層をこの順序にて成長した発光層部をなす半導体層を気相成長させる工程を有し、ｐ型ＭｇＺｎＯ層を含む半導体層を気相成長する際に、反応容器内に導入された原料ガスとサファイア基板の主表面とに紫外線を照射することを特徴とする。
【０００６】
上記の方法によると、原料ガスから半導体材料を生成するための化学反応が紫外線照射により促進されるので、基板主表面上に半導体材料が堆積するときに、結晶欠陥等を生じにくくなり、結晶欠陥の少ない半導体層を容易に実現できる。
【０００７】
原料ガスが化学反応して半導体材料を生成する際には、原料ガスを含んだ反応系が反応活性な高エンタルピーの遷移状態に移行する必要がある。この遷移状態に移行するために必要なエネルギーを十分に与えなければ、未反応あるいは反応不完全な状態で形成中の層に吸着を起こす成分が増大し、結晶欠陥の発生につながる。該エネルギーは熱エネルギーの形で補うことが可能であるが、そのためには系の温度を上昇させなければならない。しかし、基板の温度が上昇しすぎると、結晶成長に寄与する半導体材料の付着率が損なわれ、却って結晶欠陥の多い層しか得られなくなってしまう問題がある。そこで、上記のように紫外線照射を併用することで、系の温度を極端に上昇させることなく、半導体材料の生成反応を完結するのに必要十分なエネルギーを確保でき、ひいては結晶欠陥の少ない半導体層の形成が可能となるのである。
【０００８】
この場合、基板の主表面に対向して紫外線光源を配置し、該紫外線光源により主表面に向けて紫外線を照射しつつ、該基板と紫外線光源との間に原料ガスを供給する方式を採用することができる。これにより、基板の主表面近傍において原料ガスによる半導体材料の生成反応を選択的に促進できる。基板に紫外線照射を行なうと、紫外線の光エネルギーが一旦基板側に吸収され、形成中の層の最表層部を光励起効果により高活性化することができる。つまり、高温で層成長を行なった場合と同様の高活性状態が、層の最表層部において局所的に実現する形となり、ひいては気相中での原料ガス成分の熱分解を抑制しつつ、層成長を効率よく進行させることが可能になるものと考えられる。
【０００９】
反応容器内の原料ガスあるいは基板に紫外線を照射する合理的な方法としては、反応容器の壁部のうち主表面に臨む部位を少なくとも透光性壁部として構成し、紫外線光源を反応容器の外に配置するとともに、該紫外線光源からの紫外線を透光性壁部を介して主表面に向けて照射する方法を例示できる。これによると、紫外線光源を反応容器外に出すことができるので、光源自体には腐食や反応生成物堆積の影響が及ばなくなり、装置の長寿命化を図ることができる。
【００１０】
本発明においては、原料ガスの化学反応が層成長に関与するものであれば、どのような気相成長法を使用してもよいが、高品質の酸化物半導体あるいは化合物半導体を効率よく成長できる方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を本発明に特に好ましく採用することができる。なお、ＭＯＶＰＥ法以外ではＭＢＥ法を採用することも可能であるが、以下に説明する酸化物半導体層を形成する手段としては、酸素欠損がより生じにくい気相成長法として、ＭＯＶＰＥ法を採用することが有利である。
【００１１】
有機金属気相成長法を採用する場合、原料ガスとして有機金属ガスと酸素成分源ガスとを使用することにより、それら有機金属ガスと酸素成分源ガスとの化学反応により金属酸化物からなる半導体層を気相成長させることができる。酸化物半導体の場合、酸素成分源ガスが未反応あるいは反応不完全な状態で吸着した形で層に取り込まれると、該成分が離脱した後に酸素欠損が生ずる。この酸素欠損は電子をキャリアとして放出するので、形成される層を必然的にｎ型にしてしまうことになる。これは、発光層部の形成に不可欠なｐ型や絶縁性（ノンドープ）の層を形成したい場合には甚だ不都合となる。しかしながら、本発明の採用により、酸素欠損の発生を効果的に抑制することができる。このような酸化物半導体層としては、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（ただし、０≦ｘ≦１）層を例示できる。該Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層を発光層部に用いることにより、青色光領域あるいは紫外線領域にて高輝度発光が可能な発光素子を容易に形成できる。
【００１２】
そして、本発明の採用により、酸素欠損が発生することを効果的に抑制でき、ひいてはｎ型キャリアが少ない結晶を容易に得ることができる。その結果、ｎ型キャリアを補償するための過剰なｐ型ドーパントの添加が不要となり、ひいては電気的特性の安定性や再現性あるいは均一性に優れたｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層を含む発光素子を得ることができる。
【００１３】
具体的には、発光層部は、ｎ型Ｍｇ_ｚＺｎ_１−ｚＯ層（ただし、０≦ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層、Ｍｇ_ｙＺｎ_１−ｙＯ層（ただし、０≦ｙ＜１、ｘ＞ｙ）からなる活性層、及びｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（ただし、０≦ｘ≦１）層からなるｐ型クラッド層がこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有するものとして構成できる。この場合、反応容器内に、有機金属ガス及び酸素成分源ガスを供給し、特に紫外線照射を行なわないで層成長することにより、ｎ型クラッド層は容易に成長できる。また、活性層は、反応容器内に、有機金属ガス及び酸素成分源ガスを供給しつつ紫外線照射を行なうことにより成長できる。さらに、ｐ型クラッド層は、活性層と同様の工程においてさらにｐ型ドーパントガスを反応容器内に供給することにより形成できる（なお、以下の説明において、ＺｎＯのＺｎの一部をＭｇで置換した複合酸化物をＭｇＺｎＯと略記することがあるが、これは、Ｍｇ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１であることを意味するものではない）。
【００１４】
ｐ型ＭｇＺｎＯ層あるいはＭｇＺｎＯ活性層中の酸素欠損濃度は、１０個／ｃｍ^３以下に留めることが望ましい（０個／ｃｍ^３となることを妨げない）。ＭＯＶＰＥ法を用いた気相成長法は、成長中の酸素分圧を自由に変化させることができるため、雰囲気圧力をある程度上昇させることで酸素離脱ひいては酸素欠損の発生を効果的に抑制できる。
【００１５】
ＭＯＶＰＥ法によるｐ型ＭｇＺｎＯ層あるいはＭｇＺｎＯ活性層の成長は、１０ｔｏｒｒ以上の圧力を有した雰囲気中で行なうことにより、成膜中の酸素欠損発生をより効果的に抑制でき、良好な特性のｐ型ＭｇＺｎＯ層あるいはＭｇＺｎＯ活性層を得ることができる。この場合、より望ましくは、酸素分圧（Ｏ_２以外の酸素含有分子も、含有される酸素をＯ_２に換算して組み入れるものとする）が１０ｔｏｒｒ以上とするのがよい。
【００１６】
既に説明した通り、ＭｇＺｎＯがｐ型となるためには、前述の通り、適当なｐ型ドーパントを添加する必要がある。このようなｐ型ドーパントとしては、Ｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｌｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｓｅの一種又は２種以上を用いることができる。これらのうち、特にＮを使用することが、良好なｐ型特性を得る上で有効である。また、金属元素ドーパントとしてはＧａ、Ａｌ、Ｉｎ及びＬｉの１種又は２種以上、特にＧａを使用することが有効である。これらは、Ｎと共添加することにより、良好なｐ型特性をより確実に得ることができる。
【００１７】
なお、十分な発光特性を確保するには、ｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層中のｐ型キャリア濃度が１×１０^１６個／ｃｍ^３以上８×１０^１８個／ｃｍ^３以下となっているのがよい。ｐ型キャリア濃度が１×１０^１６個／ｃｍ^３未満になると十分な発光輝度を得ることが困難となる場合がある。他方、ｐ型キャリア濃度が８×１０^１８個／ｃｍ^３を超えると、活性層に注入されるｐ型キャリアの量が過剰となり、ｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層への逆拡散や、あるいは障壁を乗り越えてｎ型クラッド層へ流入したりして発光に寄与しなくなるｐ型キャリアが増え、発光効率の低下につながる場合がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、添付の図面を用いて説明する。
図１は、本発明の製造方法が適用可能な発光素子の要部を模式的に示すものであり、ｎ型クラッド層３４、活性層３３及びｐ型クラッド層２がこの順序にて積層された発光層部を有している。そして、ｐ型クラッド層２がｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦１：以下、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２ともいう）として形成されている。該ｐ型ＭｇＺｎＯ層２には、ｐ型ドーパントとして、例えばＮ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｌｉの一種又は２種以上が微量含有されている。また、ｐ型キャリア濃度は前述の通り１×１０^１６個／ｃｍ^３以上８×１０^１８個／ｃｍ^３以下、例えば１０^１７個／ｃｍ^３〜１０^１８／ｃｍ^３程度の範囲で調整される。
【００１９】
活性層３３は、要求される発光波長に応じて適宜のバンドギャップを有するものが使用される。例えば、可視光発光に使用するものは、波長４００ｎｍ〜５７０ｎｍにて発光可能なバンドギャップエネルギーＥｇ（３．１０ｅＶ〜２．１８ｅＶ程度）を有するものを選択する。これは、紫から緑色までをカバーする発光波長帯であるが、特に青色発光に使用する場合は、波長４５０ｎｍ〜５００ｎｍにて発光可能なバンドギャップエネルギーＥｇ（２．７６ｅＶ〜２．４８ｅＶ程度）を有するものを選択する。また、紫外線発光に使用するものは、波長２８０ｎｍ〜４００ｎｍにて発光可能なバンドギャップエネルギーＥｇ（４．４３ｅＶ〜３．１０ｅＶ程度）を有するものを選択する。
【００２０】
例えば活性層３３は、ｐ型ＭｇＺｎＯ層との間にタイプIのバンドラインナップを形成する半導体により形成することができる。このような活性層３３は、例えばＭｇ_ｙＺｎ_１−ｙＯ層（ただし、０≦ｙ＜１、ｘ＞ｙ：以下、ＭｇＺｎＯ活性層ともいう）として形成することができる。「活性層とｐ型ＭｇＺｎＯ層との間にタイプIのバンドラインナップが形成される」とは、図４に示すように、ｐ型クラッド層（ｐ型ＭｇＺｎＯ層２）の伝導帯底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルＥｃｐ，Ｅｖｐと、活性層の伝導帯底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルＥｃｉ，Ｅｖｉとの間に次のような大小関係が成立している接合構造をいう：
Ｅｃｉ＜Ｅｃｐ ‥‥(1)
Ｅｖｉ＞Ｅｖｐ ‥‥(2)
【００２１】
該構造では、活性層３３からｎ型クラッド層３４への正孔の順拡散と、ｐ型クラッド層２への電子（ｎ型キャリア）の順拡散のいずれに関してもポテンシャル障壁が生ずる。そして、活性層３３とｎ型クラッド層３４との間に図４と同様のタイプI型バンドラインナップが形成されるようｎ型クラッド層３４の材質選択を行なえば、活性層の位置には、伝導帯底及び価電子帯上端の両方に井戸状のポテンシャル障壁が形成され、電子と正孔との双方に対して閉じ込め効果が高められる。その結果、キャリア再結合促進ひいては発光効率向上が一層顕著となる。ｎ型クラッド層３４の材質は、ＡｌＧａＮなどでもよいが、ｎ型Ｍｇ_ｚＺｎ_１−ｚＯ層（ただし、０≦ｚ≦１：以下、ｎ型ＭｇＺｎＯ層ともいう）を使用すれば、発光層部をなす全ての層がＭｇＺｎＯ系の酸化物材料にて構成できるため（以下、このような発光層部を「全酸化物型発光層部」という）、前記したＧａやＩｎなどの希少金属を使用する必要がなくなり（ドーパントを除く）、大幅なコスト削減が可能となる。ここで、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３４とｐ型ＭｇＺｎＯ層の混晶比を等しくすれば、活性層両側のポテンシャル障壁高さは等しくなる。なお、活性層３３の厚さｔは、活性層３３内でのキャリア密度の低下を招かず、かつトンネル効果にて活性層３３を通過するキャリアが増加し過ぎないように、例えば３０ｎｍ〜１０００ｎｍの値とする。
【００２２】
ＭｇＺｎＯ活性層３３において、混晶比ｙの値は、バンドギャップエネルギーＥｇを決める因子ともなる。例えば、波長２８０ｎｍ〜４００ｎｍの紫外線発光を行なわせる場合は０≦ｙ≦０．５の範囲にて選択する。また、形成されるポテンシャル障壁の高さは、発光ダイオードでは０．１ｅＶ〜０．３ｅＶ程度、半導体レーザー光源では０．２５ｅＶ〜０．５ｅＶ程度とするのがよい。この値は、ｐ型Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層２、Ｍｇ_ｙＺｎ_１−ｙＯ活性層３３及びｎ型Ｍｇ_ｚＺｎ_１−ｚＯ層３４の各混晶比ｘ、ｙ、ｚの数値の選択により決定できる。
【００２３】
以下、上記全酸化物型発光層部を有した発光素子の製造工程の一例を説明する。図６は、発光素子の製造工程の一例を示すものであり、図６（ａ）に示すように、サファイア基板１０上にＧａＮバッファ層１１をエピタキシャル成長し、次いで、ｐ型ＭｇＺｎＯ層５２（層厚例えば５０ｎｍ）、ＭｇＺｎＯ活性層５３（層厚例えば３０ｎｍ）及びｎ型ＭｇＺｎＯ層５４（層厚例えば５０ｎｍ）をこの順序にて成長する。これら各層のエピタキシャル成長は、前述の通りＭＯＶＰＥ法にて成長できる。
【００２４】
図５は、紫外線ランプを用いて発光層部をＭＯＶＰＥ法により気相成長させる装置を示すものである。図５（ａ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型ＭｇＺｎＯ層、ＭｇＺｎＯ活性層及びｎ型ＭｇＺｎＯ層を全て同じ原料を用いて同一の反応容器内にて連続的に成長できる。この場合、ＧａＮバッファ層との反応性を低減し、格子整合性を高めるために、多少低めの温度、例えば３００℃〜４００℃にて成長を行なうことが望ましい。なお、基板の加熱は、基板を支持するサセプタ内に組み込まれたヒータにより行なう。
【００２５】
各層の主原料としては次のようなものを用いることができる：
・酸素成分源ガス：酸素ガスを用いることもできるが、酸化性化合物ガスの形で供給することが、後述する有機金属との過度の反応を抑制する観点において望ましい。具体的には、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２、ＣＯなど。本実施形態では、Ｎ_２Ｏ（亜酸化窒素）を用いている。
・Ｚｎ源（金属成分源）ガス：ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）など；
・Ｍｇ源（金属成分源）ガス：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）など。
【００２６】
また、ｐ型ドーパントガスとしては次のようなものを用いることができる；
・Ｌｉ源ガス：ノルマルブチルリチウムなど；
・Ｓｉ源ガス：モノシランなどのシリコン水素化物など；
・Ｃ源ガス：炭化水素（例えばＣを１つ以上含むアルキルなど）；
・Ｓｅ源ガス：セレン化水素など。
【００２７】
また、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの１種又は２種以上は、Ｎとの共添加により良好なｐ型ドーパントとして機能させることができる。ドーパントガスとしては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
ｐ型ドーパントとして金属元素（Ｇａ）とともにＮが使用される場合、ｐ型ＭｇＺｎＯ層の気相成長を行なう際に、Ｎ源となる気体を、Ｇａ源となる有機金属ガスとともに供給するようにする。例えば、本実施形態では、酸素成分源として使用するＮ_２ＯがＮ源としても機能する形となる。
【００２８】
上記の各原料ガスをキャリアガス（例えば窒素ガス）により適当に希釈し、反応容器内に供給する。なお、各層の混晶比の違いにより、層毎にＭｇ源及びＺｎ源となる有機金属ガスＭＯの流量比をマスフローコントローラＭＦＣ等により制御する。また、酸素成分源ガスであるＮ_２Ｏ及びｐ型ドーパント源ガスの流量もマスフローコントローラＭＦＣにより制御する。
【００２９】
図２は、ＭｇＺｎＯの結晶構造を示すものであり、図３は、ＭｇＺｎＯ層の金属イオンと酸素イオンとの配列形態を示すものである。図２に示すように、ＭｇＺｎＯ結晶はいわゆるウルツ鉱型構造を有し、該構造では、酸素イオン充填面と金属イオン（ＺｎイオンまたはＭｇイオン）充填面とがｃ軸方向に交互に積層される形となっており、図３に示すように、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２はｃ軸が層厚方向に沿うように形成される。酸素イオンが欠落して空孔を生ずると酸素欠損となり、ｎ型キャリアである電子を生ずる。従って、このような酸素欠損が多く形成されすぎると、ｎ型キャリアが増加してｐ型導電性を示さなくなる。
【００３０】
ここで、ｎ型ＭｇＺｎＯ層５４の成長に際しては酸素欠損を積極的に生じさせてｎ型とする方法を採用でき、ＭｇＺｎＯ活性層５３及びｐ型ＭｇＺｎＯ層５２を成長する場合よりも雰囲気圧力を下げる（例えば１０ｔｏｒｒ未満とする）ことが有効である。また、ｎ型ドーパントを別途導入する形で層成長を行なってもよい。あるいは、供給原料のＩＩ族とＶＩ族との比（供給ＩＩ／ＶＩ比）を大きくしてもよい。
【００３１】
他方、ＭｇＺｎＯ活性層５３及びｐ型ＭｇＺｎＯ層５２を成長する際は、酸素欠損発生を抑制するために、以下のような本発明特有の方法が採用される。すなわち、基板の主表面に対向して紫外線光源としての紫外線ランプ（例えばエキシマ紫外線ランプ）を配置し、該紫外線ランプにより基板の主表面に向けて紫外線を照射しつつ、該基板と紫外線光源との間に原料ガスを供給する。反応容器の壁部は例えば石英ガラス等で構成された透光性壁部とされており、紫外線ランプは反応容器の外に配置して、該透光性壁部を介して基板に向けての紫外線照射を行うようにする。紫外線ランプは、例えば紫外線の波長が１７２ｎｍ程度であり、Ｎ_２Ｏと有機金属ガスとの各流量がそれぞれ１００ｃｍ^３／分〜１０００ｃｍ^３／分及び１０ｃｍ^３／分〜１００ｃｍ^３／分（いずれも標準状態換算）のとき、出力を８ｍＷ／ｃｍ^２程度のものを採用する。
【００３２】
基板に紫外線照射を行なうと、紫外線の光エネルギーが一旦基板側に吸収され、形成中の層の最表層部が光励起効果により高活性化すると推定される。つまり、高温で層成長を行なった場合と同様の高活性状態が、層の最表層部において局所的に実現する形となる。また、紫外線の照射により、原料ガスも部分的に、高エネルギー遷移状態（ラジカル等）に移行する。その結果、活性化した層最表層部近傍では、原料ガスである有機金属ガスと酸素成分源ガス（Ｎ_２Ｏ）とが、未反応成分等を生ずることなく過不足なく反応し、酸素欠損の少ない層成長が促される。
【００３３】
有機金属ガスと酸素成分源ガスとのラジカルはおおむね不安定であり、両成分のラジカルが反応可能な距離にまで接近する状態が長時間実現しない場合は、各々別の分解生成物に移行して、酸化物形成反応には寄与しなくなる。このような分解反応は、反応系の温度が高くなるほど進行しやすくなるが、例えば基板温度を前記したような４００℃以下の比較的低温に留めることで、ある程度抑制することができる。そして、基板主表面近傍では紫外線照射の効果により、反応活性を高めることができるから、種々の要因により基板温度をそれほど高くできない場合でも、酸素欠損の少ない酸化物半導体層を容易に形成することができる。
【００３４】
他方、層成長に寄与する酸化物形成反応の確率は、形成中の層の表面近傍に形成される境界層（物質移動が拡散に支配される：よどみ層ともいう）にて高くなり、境界層外のガス流速の大きい領域では低くなる。従って、反応容器内に流通する原料ガスの流速が大きくなれば、境界層の厚さは減少するから、酸化物の成長速度は鈍ることになる。そこで、図５（ｂ）に示すように、基板と紫外線ランプ（紫外線光源）との間に供給される原料ガスの流速を、紫外線光源に面する側において主表面に面する側よりも高くすると、紫外線ランプ近傍に位置する反応容器の壁部には反応生成物が堆積しにくくなり、ひいては光源からの紫外線が堆積物により遮られて反応効率が低下するといった不具合を回避することができる。具体的には、図５（ｂ）に示すように、反応溶液へのガスの流入口及び流出口を、紫外線ランプ側のガス流を形成するための第一ガス流入／流出口と、基板側のガス流を形成するための第二ガス流入／流出口とに分離して形成し、第一ガス流入／流出口側のガス流速λ_１が第二ガス流入／流出口側のガス流速λ_２よりも大きくなるように調整する。
【００３５】
なお、有機金属ガスの導入により層の成長を行なう際は、反応容器内の圧力を１０ｔｏｒｒ以上に保持することが有効である。これにより酸素の離脱が一層抑制され、酸素欠損の少ないＭｇＺｎＯ層を成長することができる。特に酸素成分源としてＮ_２Ｏを使用する場合、上記の圧力設定によりＮ_２Ｏの解離が急激に進行することが防止され、酸素欠損の発生をより効果的に抑制することが可能となる。雰囲気圧力は高ければ高いほど酸素離脱抑制効果は高められるが、７６０ｔｏｒｒ（１気圧）程度までの圧力でも効果は十分顕著である。例えば、７６０ｔｏｒｒ以下であれば、反応容器内が常圧又は減圧となるので容器シール構造が比較的簡略なもので済む利点がある。他方、７６０ｔｏｒｒを超える圧力を採用する場合は、容器内が加圧となるので内部の気体が漏れ出さないようにやや強固なシール構造を、また、圧力が相当高い場合には耐圧構造等を考慮する必要があるが、酸素離脱抑制効果は一層顕著となる。この場合、圧力の上限は、装置コストと達成できる酸素離脱抑制効果との兼ね合いにより適当な値に定めるべきである（例えば、７６００ｔｏｒｒ（１０気圧）程度）。
【００３６】
このようにして発光層部の成長が終了すれば、図６（ｂ）に示すようにｎ型ＭｇＺｎＯ層５４上に金属反射層２２を形成し、図６（ｃ）に示すようにサファイア基板１０を剥離した後、ｐ型ＭｇＺｎＯ層５２側に透明導電材料層２５（例えばＩＴＯ膜）を形成する。その後、図６（ｄ）に示すように、ダイシングすれば発光素子１０４が得られる。なお、サファイア基板などの成長基板を剥離せず、そのまま素子の一部として流用することも可能である。
【００３７】
なお、上記の実施形態では、紫外線光源として紫外線ランプを用いた。紫外線ランプは光照射面積を大きく取ることができ、ひいては酸化物層形成の反応を均一かつ効率的に進行させる上で有利となる。他方、図７に示すように、紫外線レーザービームを基板上にて二次元的に走査する形で照射することもできる。この方式では、紫外線ランプよりも光収束密度を高くできるので、反応効率を一層高めることができる。本実施形態では、エキシマレーザ光源あるいは半導体レーザー光源として構成されたレーザー光源を、高速回転駆動されるポリゴンミラーによりＸ方向に走査する一方、基板を保持するサセプタをＹスキャンテーブルによりＸ方向と交差するＹ方向に駆動することで、基板主表面の全面をレーザービームにより二次元走査できるようにしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ｐ型ＭｇＺｎＯ層を含んだダブルへテロ構造の発光層部を概念的に示す図。
【図２】ＭｇＺｎＯの結晶構造を示す模式図。
【図３】ＭｇＺｎＯ層の金属イオンと酸素イオンとの配列形態を示す模式図。
【図４】タイプI型バンドラインナップの接合構造を用いた発光素子のバンド模式図。
【図５】紫外線ランプを用いて発光層部をＭＯＶＰＥ法により気相成長させる装置を変形例とともに模式的に説明する図。
【図６】発光素子の製造工程の一例を示す説明図。
【図７】紫外線レーザービームを用いて発光層部を気相成長する方法を概念的に説明する図。
【符号の説明】
１０４発光素子
２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（ｐ型クラッド層）
３３活性層
３４ｎ型クラッド層
１０サファイア基板
１１ＧａＮバッファ層
５２ｐ型ＭｇＺｎＯ層（ｐ型クラッド層）
５３ＭｇＺｎＯ活性層
５４ｎ型ＭｇＺｎＯ層（ｎ型クラッド層）

Claims

サファイア基板を配置した反応容器内に原料ガスとして酸素成分源ガスとＺｎ源ガス及びＭｇ源ガスとを導入し、該原料ガスの化学反応により生ずるＭｇＺｎＯ半導体材料を前記基板の主表面上に堆積させることにより、該サファイア基板上にｐ型ＭｇＺｎＯ層、ＭｇＺｎＯ活性層及びｎ型ＭｇＺｎＯ層をこの順序にて成長した発光層部をなす半導体層を気相成長させる工程を有し、前記ｐ型ＭｇＺｎＯ層を含む前記半導体層を気相成長する際に、前記反応容器内に導入された前記原料ガスと前記サファイア基板の主表面とに紫外線を照射することを特徴とする発光素子の製造方法。
前記基板の前記主表面に対向して紫外線光源を配置し、該紫外線光源により前記主表面に向けて紫外線を照射しつつ、該基板と紫外線光源との間に前記原料ガスを供給することを特徴とする請求項１記載の発光素子の製造方法。
前記反応容器の壁部のうち前記主表面に臨む部位を少なくとも透光性壁部として構成し、前記紫外線光源を前記反応容器の外に配置するとともに、該紫外線光源からの紫外線を前記透光性壁部を介して前記主表面に向けて照射することを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
前記基板と前記紫外線光源との間に供給される前記原料ガスの流速を、前記紫外線光源に面する側において前記主表面に面する側よりも高くすることを特徴とする請求項３に記載の発光素子の製造方法。
前記気相成長を有機金属気相成長法にて行なうことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
前記有機金属気相成長法において、原料ガスとして有機金属ガスと酸素成分源ガスとを使用し、それら有機金属ガスと酸素成分源ガスとの化学反応により金属酸化物からなる半導体層を気相成長させることを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
前記半導体層がＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（ただし、０≦ｘ≦１）層であることを特徴とする請求項６記載の発光素子の製造方法。