JP4431925B2 - 発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【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が永らく要望されていたが、最近になってAlGaInN系材料を用いることにより、このような発光素子が実現している。また、赤色ないし緑色の高輝度発光素子と組み合わせることにより、フルカラー発光装置や表示装置などへの応用を図ることも急速に進みつつある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、AlGaInN系材料は比較的希少な金属であるGaとInとが主成分となるため、コストアップが避けがたい。また、成長温度が700〜1000℃と高く、製造時に相当のエネルギーが消費されるのも大きな問題の一つである。これはコスト低減の観点においてはもちろん、省エネルギーや地球温暖化抑制に関する議論が喧しい昨今では、時流に逆行するという意味においても望ましくない。
【0004】
本発明の課題は、発光層部を構成する際に希少金属の使用量が少なく、かつ比較的低温で成長でき、しかも青色光領域さらには紫外線領域にて高輝度発光が可能な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】
上記の課題を解決するために、本発明の適用対象となる発光素子は、n型クラッド層、活性層及びp型クラッド層がこの順序にて積層された発光層部を有し、かつp型クラッド層がp型MgxZn1−xO(ただし、0<x≦1)層からなることを特徴とする。
【0006】
また、本発明の発光素子の製造方法は、上記の発光素子を製造するために、p型MgxZn1−xO層を、有機金属気相成長法により形成することを骨子とする。そして、p型MgxZn1−xO層を有機金属気相成長法により形成するとともに、成長容器の内部空間に配置された基板の主表面上にp型MgxZn1−xO層を有機金属気相成長法により形成するに際して、内部空間に対し酸素源ガス噴出口より酸素源ガスを供給し、また、有機金属噴出口よりMg及び/又はZn源となる有機金属を供給するとともに、主表面と直角な向きにおける有機金属噴出口の該主表面までの距離が酸素源ガス噴出口より近くなるように、成長容器内に進入する有機金属供給配管の先端部が、p型Mg x Zn 1−x O層を形成すべき主表面の上方近傍に位置し、該先端部に有機金属噴出口が形成されて、有機金属ガスを主表面に向けて上方から吹き付けるようにし、さらに該有機金属噴出口よりも上方にて成長容器の壁部に対し酸素源ガス供給配管を開口させることにより酸素源ガス噴出口を形成したことを特徴とする。
【0007】
青色や紫外線領域の発光材料において、AlGaInNの代替材料候補としてはZnOが考えられる。しかしながら、ZnO系酸化物半導体材料は酸素欠損を生じやすいため、本質的にn型導電性となりやすく、発光素子を構成する上で不可欠なp型導電性を示すものを製造することは困難とみなされていた。また、仮にp型ZnOが得られたと仮定しても、ZnOの価電子帯上端のエネルギーレベルが比較的高いため、活性層との間にp型キャリアに対する障壁を十分な高さにて形成できず、発光効率の低下につながる場合もある。
【0008】
そこで、本発明においては、ZnOのZnの一部をMgで置換した複合酸化物、すなわち、MgxZn1−xO(0<x≦1:以下、該複合酸化物を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)をp型クラッド層の構成材料として用いる。MgZnOにおいてはMgの含有により、酸化物のバンドギャップエネルギーEgが、価電子帯上端のエネルギーレベルEvを低下させる形で増大する。これにより、活性層との間のp型キャリアに対する障壁高さが高くなり、発光効率を高めることができる。
【0009】
上記のような効果を確実に達成するためには、p型MgxZn1−xO層中の酸素欠損濃度を10個/cm3以下に留めることが望ましい。そのためには、p型MgxZn1−xO層を形成するための気相成長法としては、有機金属気相成長法(MOVPE(Metal Organic Vapour Phase Epitaxy)法)を採用することが有効である。他の気相成長法である高周波スパッタリングや分子線エピタキシ(MBE(Molecular Beam Epitaxy))は、成長雰囲気の圧力が10−4〜10−2torrと低いため、酸素欠損の発生を抑制することが非常に困難であり、p型MgxZn1−xO層の形成が事実上不可能である。しかしながら、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。その結果、従来不可能であったp型MgxZn1−xO層、特に、酸素欠損濃度を10個/cm3以下としたp型MgxZn1−xO層を実現できるようになる。酸素欠損濃度は低ければ低いほどよい(つまり、0個/cm3となることを妨げない)。
【0010】
なお、特開平11−168262号公報には、上記AlGaInN系材料からなる発光層部、あるいは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。該公報には、上記発光層部を可視光発光源として用いる態様のほか、発光層部を紫外線発光部として構成し、紫外線により各色の蛍光体層を励起発光させるフルカラーディスプレイも開示されている。しかしながら、特開平11−168262号公報には、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、基板上へのエピタキシャル成長により形成すると記載されているのみで、p型MgxZn1−xO層を含む発光層部の構成、及びp型MgxZn1−xO層の具体的な形成方法に関しては記載も示唆もなされていない。
【0011】
p型MgxZn1−xO層のMOVPE法による層形成は、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MgxZn1−xO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(O2以外の酸素含有分子も、含有される酸素をO2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。
【0012】
このようなp型MgxZn1−xO層をp型クラッド層として用いることで、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。また、p型クラッド層が、GaやInのような希少金属を主成分としないため、発光層部全体における希少金属の使用量が少なくなり、ひいては発光素子を安価に製造できる。また、MgxZn1−xO層は比較的低温で気相成長できるので、省エネルギーを図る上でも有効である。
【0013】
MgxZn1−xOがp型となるためには、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。なお、GaやIn等を使用する場合も、その使用量はごくわずかであるから、コストアップ等の問題は生じない。
【0014】
なお、十分な発光特性を確保するには、p型MgxZn1−xO層中のp型キャリア濃度が1×1016個/cm3〜8×1018個/cm3となっているのがよい。p型キャリア濃度が1×1016個/cm3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8×1018個/cm3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MgxZn1−xO層への逆拡散したり、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】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図1は、本発明に係る発光素子の要部の積層構造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MgxZn1−xO層(0<x≦1:以下、p型MgZnO層2と略記する場合がある)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1×1016個/cm3〜8×1018個/cm3、例えば1017個/cm3〜1018/cm3程度の範囲で調整される。
【0019】
図2は、MgZnOの結晶構造を示すもので、いわゆるウルツ鉱型構造を有する。該構造では、酸素イオン充填面と金属イオン(Znイオンまたは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。そこで、p型MgZnO層を形成する際には、酸素欠損の発生を如何に抑制するかが重要となる。
【0020】
既に説明した通り、p型MgZnO層2はMOVPE法により形成される。MOVPE法の成長原理自体は公知である。この気相成長の際に前述したp型ドーパントの添加を行なう。そして、該気相成長を、10torr以上の雰囲気圧力下にて行なうことにより、図4に示すように、酸素イオンの離脱が抑制され、酸素欠損の少ない良好なp型MgZnO層2が得られる。
【0021】
なお、p型MgZnO層2はエピタキシャル成長により図5(a)に示すように単結晶層として形成されていることが理想的であるが、c軸が層厚方向に配向した構造が得られるのであれば、図5(b)に示すような多結晶層となっていても比較的良好な発光効率が得られる。MgZnOの場合、例えば層成長を行なう基板厚さ方向に熱勾配を付与する等により、このような構造が比較的得やすいので好都合であるといえる。
【0022】
図1に戻り、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400〜570nmにて発光可能なバンドギャップエネルギーEg(3.10〜2.18eV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450〜500nmにて発光可能なバンドギャップエネルギーEg(2.76〜2.48eV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280〜400nmのにて発光可能なバンドギャップエネルギーEg(4.43〜3.10eV程度)を有するものを選択する。
【0023】
活性層33は、例えば、p型MgxZn1−xO層2との間にタイプII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。このような活性層としては、例えば図6に示す発光素子1あるいは図7に示す発光素子100のように、InGaN層(以下、InGaN活性層という)3とすることができる。ここで、「活性層とp型MgxZn1−xO層との間にタイプIIのバンドラインナップが形成される」とは、図8に示すように、p型クラッド層(p型MgxZn1−xO層2)の伝導体底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルEcp,Evpと、活性層の伝導体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)
【0024】
該構造においては、活性層からp型クラッド層への電子(n型キャリア)の順拡散に関しては特に障壁を生じないが、活性層からp型クラッド層への正孔(p型キャリア)の逆拡散については比較的高いポテンシャル障壁が形成されるので、活性層におけるキャリア再結合が促進され、高い発光効率を実現することができる。なお、InNの混晶比をαとしてInαGa1−αNと表したとき、青色可視光発光を狙う場合は0.34≦α≦0.47とするのがよく、紫外線発光を狙う場合は0≦α≦0.19とするのがよい。
【0025】
この場合、n型クラッド層としては、活性層との間でタイプIのバンドラインナップを形成する半導体を使用することが望ましい。このような活性層としては、例えば図6に示す発光素子1あるいは図7に示す発光素子100のように、n型AlGaN(AlβGa1−βN)層4とすることができる。「n型クラッド層と活性層との間にタイプIのバンドラインナップが形成される」とは、図8に示すように、活性層の伝導体底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルEci,Eviと、n型クラッド層(n型AlGaN層4)の伝導体底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルEcn,Evn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<Ecn ‥‥(3)
Evi>Evn ‥‥(4)
【0026】
これにより、n型クラッド層から活性層への電子の逆拡散に対して比較的高い障壁を生じるとともに、価電子帯上端には活性層の位置に量子井戸が形成されるので、正孔に対する閉じ込め効果が高められる。これは、いずれも活性層におけるキャリア再結合促進ひいては発光効率向上に寄与する。
【0027】
図8の構造において、活性層からp型クラッド層への正孔逆拡散の抑制効果は、価電子帯上端におけるエネルギー障壁高さ(Evi−Evp)を大きくすることにより高められる。そのためには、p型クラッド層を構成するp型MgxZn1−xO層2のMgO混晶比、すなわちxの値)を増加させることが有効である。混晶比xは、必要とされる電流密度に応じて、キャリアのp型クラッド層への過剰な溢れ出しが生じないように定められる。例えば活性層をInGaN層3とする場合、混晶比xは、発光ダイオードでは0.05〜0.2程度、半導体レーザー光源では0.1〜0.4程度とするのがよい。
【0028】
一方、伝導帯底は活性層からp型クラッド層に向けて階段状に下がっているため、活性層中での発光再結合に寄与しなかった電子はキャリア濃度の高いp型クラッド層に流れ込むので、オージェ再結合等により発光にはもはや寄与しなくなる。従って、発光効率を高めるためには、p型クラッド層に流入する前になるべく多くの電子が正孔と再結合することが必要である。そのためには、活性層の厚さtを一定以上(例えば30nm以上)に大きくすることが有効である。図8(b)に示すように、活性層の厚さtが小さすぎると、p型クラッド層に流れ込んで発光に寄与しなくなる電子が増大し、発光効率の低下を招くことにつながる。他方、活性層の厚さtを必要以上に大きくすることは、活性層内でのキャリア密度の低下を招くので、発光効率が却って低下することにつながるので、例えば2μm以下の値とする。
【0029】
また、図8においては、InGaN活性層を用いた場合のように、Ecp>Eviとなっていること、つまりp型クラッド層と活性層との間で禁止帯がオーバーラップしていることが、接合界面での非発光再結合を抑制する上で有利である。
【0030】
次に、図1に示すように、p型MgxZn1−xO層2の活性層(InGaN層)3に接しているのと反対側の表面は、導電性材料又は半導体材料からなる保護層35により覆うことができる。MgZnOは水分との反応により水酸化物等に転じて性能劣化しやすい性質があるので、p型MgxZn1−xO層2に対して上記のような保護層35を設けることは、このような不具合を防止する上で極めて効果的である。
【0031】
p型MgxZn1−xO層は、図3に示すように、層厚方向にc軸が向いた構造、つまり、酸素イオン充填層と金属イオン充填層とが層厚方向に交互に積層された構造を有するものとなっている。この場合、電気的中性条件を考慮すれば、層の片側が金属イオン充填層の露出面(以下、金属イオン充填面という)となっている場合、他方の側は必ず酸素イオン充填層の露出面(以下、酸素イオン充填面という)となっている。そして、水分吸着による反応を生じやすいのは、この酸素イオン充填層の露出面側である。
【0032】
例えば、図1に示すように、活性層33との接触側が金属イオン充填面となっていれば、反対側が酸素イオン充填面となるため、これを前述の保護層35にて覆うことが有効となる。この場合、保護層35は酸素イオン充填面にてp型MgxZn1−xO層2と接触する形となる。他方、活性層33との接触側を酸素イオン充填面とすれば、反対側は水分との反応に対して比較的不活性な金属イオン充填面となる。この場合は、保護層35を省略することも可能であるが、保護層35を設ければより耐候性に優れた素子構造を得ることができる。
【0033】
図6の発光素子1においては、保護層は透明導電材料層12とされている。透明導電材料層12すなわち材質の透明な保護層を設けることは、p型MgxZn1−xO層2側を光取出し面とする場合に、その光取出し効率の向上に寄与する。この場合、透明導電材料層12を発光通電用の電極に兼用することが可能である。このようにすると、金属電極を設ける場合と異なり、電極自体が光を透過させることができるので、電極の周囲に光取出のための電極非形成領域を積極的に形成する必要がなくなり、光取出し効率を低下させることなく電極の大面積化を図ることができる。また、電流拡散層の形成等も不要となるので、素子の簡略化を図ることができる。
【0034】
透明導電材料層12の具体的な材質としては、In2O3:Sn(スズドープ酸化インジウム:ITOと通称される)やSnO2:Sb(アンチモンドープ酸化スズ:ネサ(Nesa)と通称される)を好適に使用することができる。ITOは導電性に優れ、素子駆動電圧の低減にも寄与できる。他方、ネサは、導電性はITOよりもやや劣るがより安価な利点がある。また、耐熱性が高いので、透明導電材料層12を形成した後に、高温の処理工程が必要となる場合などにおいても有効である。ITO膜はスパッタリングあるいは真空蒸着により製造でき、また、ネサ膜はCVD法により製造できる。また、これら透明導電材料層12をゾルゲル法により形成してもよい。
【0035】
図6の発光素子1は、より具体的には以下のような構造を有している。すなわち、サファイア(単結晶アルミナ)基板10上にGaNからなるバッファ層11が形成され、その上にn型クラッド層としてのn型AlGaN層4、活性層としてのInGaN層(以下、InGaN活性層という)3、及びp型クラッド層としてのp型MgZnO層2がこの順序にてエピタキシャル成長されることによりダブルへテロ構造をなす発光層部が形成されている。また、p型MgZnO層2の表面が例えばITOからなる透明導電材料層12にて覆われる一方、n型AlGaN層4とInGaN活性層3とは一部が除去され、露出したn型AlGaN層4の表面に金属電極13が形成されている。そして、透明導電材料層12側を正として金属電極13との間で通電することにより、発光層部からの光(青色光又は紫外線)が透明導電材料層12側から、あるいはサファイア基板10側から取り出される。なお、金属電極13(あるいは後述の金属反射層22あるいは金属電極21)は、Au、Ni、TiあるいはBeの1種又は2種以上を含有する金属、例えばAu−Be合金等にて構成できる。
【0036】
次に、図7の発光素子100においては、保護層がp型化合物半導体層20とされている。p型化合物半導体層20は電流拡散層に兼用することができる。この場合、該p型化合物半導体層20よりも小面積の金属電極21を形成することにより、その周囲からの光取出しを可能としつつ該電極21からの電流をp型MgZnO層2の全面に拡散させることで光取出し効率を改善することが可能となる。この場合、p型化合物半導体層20は、光取出しを行なう上で十分な透光性を有していることが必要である。本実施形態では、p型化合物半導体層20はp型AlGaN層であり、その上に金属電極21が形成されている。他の部分は図6の発光素子1と同じであるので、共通する要素に同一の符号を付与して詳細な説明は省略する。なお、p型化合物半導体層20が十分な導電性を有している場合、金属電極21を省略することも可能である。
【0037】
図7の発光素子1について、その製造方法の一例を図9により説明する。
まず、図9(a)に示すように、サファイア基板10の一方の主表面にGaNバッファ層11を形成し、次いでn型AlGaN層(n型クラッド)層4を例えば層厚50nmにて、さらにInGaN(ノンドープ)活性層3を層厚例えば30nmにてエピタキシャル成長させる。これらの層の形成は公知のMOVPE法あるいはMBE法にて行なうことができる。なお、本明細書においてMBEは、金属元素成分源と非金属元素成分源との両方を固体とする狭義のMBEに加え、金属元素成分源を有機金属とし非金属元素成分源を固体とするMOMBE(Metal Organic Molecular Beam Epitaxy)、金属元素成分源を固体とし非金属元素成分源を気体とするガスソースMBE、金属元素成分源を有機金属とし非金属元素成分源を気体とする化学ビームエピタキシ(CBE(Chemical Beam Epitaxy))を概念として含む。
【0038】
次に、図9(b)に示すように、p型MgZnO層(p型クラッド層)2を例えば層厚100nmにてエピタキシャル成長させる。p型ドーパントとして金属元素ドーパントを使用する場合、金属元素ドーパントを、アルキル基を少なくとも一つ含む有機金属の形で供給することができる。
【0039】
p型MgZnO層2をMOVPE法にて形成する場合、主原料としては次のようなものを用いることができる:
・酸素源:NO2など;
・Zn源:ジメチル亜鉛(DMZn)、ジエチル亜鉛(DEZn)など;
・Mg源:ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)など。
【0040】
また、p型ドーパント源としては次のようなものを用いることができる;
・Li源:ノルマルブチルリチウムなど;
・Si源:モノシランなどのシリコン水素化物など;
・C源:炭化水素(例えばCを1つ以上含むアルキルなど);
・Se源:セレン化水素など。
【0041】
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。原料としては以下のようなものを使用できる;
・Al源;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;トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)など;
・In源;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、酸素源として使用するNO2がN源としても機能する形となる。
【0042】
MOVPE法によるp型MgZnO層2の気相成長は、基板の配置された成長炉内を例えば300〜700℃に昇温し、ここに上記の原料を気体状態にてキャリアガスとともに送り込むことにより実施できる。キャリアガスとしては、例えば窒素ガスあるいはアルゴンガスを使用することができる。
【0043】
図32に示す例では、成長容器115の内部空間115aに配置された基板110の主表面111上に、p型MgxZn1−xO層2がMOVPE法により形成される。基板110は図9(a)に示す状態のものであり、主表面111は図9(a)の活性層3の表面である。この場合、内部空間115aに対し、酸素源ガス噴出口116aより酸素源ガスOQを供給し、また、主表面111までの距離が酸素源ガス噴出口116aより近くなるように形成された有機金属噴出口117aよりMg及び/又はZn源となる有機金属MOを供給することが、酸素欠損の少ない(具体的には10個/cm3以下の)p型MgxZn1−xO層2を得る上で有効である。このとき、成長容器115に供給する酸素源(VI族)ガスOQのモル濃度を有機金属(II族)MOのモル濃度の2000〜3000倍程度に高くする(すなわち、供給II/VI比を2000〜3000にする)とさらに効果的である。
【0044】
図32の実施形態では、サセプタ119に内蔵されたヒータ118により基板110が加熱されるようになっている。また、成長容器115に接続された酸素源ガス供給配管116の開口部が酸素源ガス噴出口116aを形成している。さらに、成長容器115内に進入する有機金属供給配管117の先端部が、p型MgxZn1−xO層2を形成すべき主表面111の上方近傍に位置し、該先端部に有機金属噴出口117aが形成されて、有機金属ガスを主表面111に向けて吹き付けるようになっている。
【0045】
また、反応容器内の圧力を10torr以上に保持して気相成長を行なうようにすることが有効である。これにより酸素の離脱が抑制され、酸素欠損の少ない良好なp型特性を有したMgZnO層を合成することができる。特に酸素源としてNO2を使用する場合、上記の圧力設定によりNO2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。
【0046】
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)。
【0047】
こうしてp型MgZnO層2を形成すれば基板を反応容器から取り出し、図9(c)に示すように、透明導電材料層12を形成する。ITO膜を使用する場合は、高周波スパッタリングあるいは真空蒸着等により形成することが可能である。そして、図9(d)に示すように、p型MgZnO層2及びInGaN活性層3の一部をガスエッチング等により除去してn型AlGaN層4を露出させ、ここに真空蒸着等にて金属電極13を形成することにより、図6に示す発光素子1が完成する。なお、適当な大きさの素子とするために、工程(c)の後、基板をダイシングし、その後ダイシングされた個々の基板に対し(d)の工程が実施される。また、最終製品となるまでには、通電用リード線のボンディングや樹脂モールド等の工程が続くが、常識的な事項なので詳細な説明は省略する(以下の他の実施形態においても同じ)。また、図7に示す発光素子100の場合は、p型MgZnO層2の後、さらにp型AlGaN層をMOVPE法等により気相成長し、その上に金属電極21を形成する点を除いては、図9と同様の工程により製造できる。
【0048】
次に、p型MgZnO層2の保護層は、図11に示す発光素子101のように、金属層22とすることも可能である。この場合、金属層22は、n型クラッド層4側から光取出しを行なう際の光反射層(以下、金属反射層22という)に兼用することができる。このようにすれば、発光層部からp型クラッド層2側に向かう光をn型クラッド層(n型AlGaN層)4側に反射させることで、光取出し効率を一層向上させることができる。この場合、例えばn型クラッド層4側に電極を取り付けることで、金属反射層(金属層)22は発光通電用の電極に兼用することが当然可能となる。図11に示す発光素子では、n型クラッド層4と直接接する形でその表面を部分的に覆う金属電極23が形成されている。光はこの金属電極23の周囲から取り出される形となる。また、図6あるいは図7の発光素子1,100と異なり、サファイア基板10は除去されている。
【0049】
図10は、上記発光素子101の製造工程の一例を示すものである。サファイア基板上10上にバッファ層11と、発光層部となる各層4,3,2とを形成する(a)及び(b)の工程は、図9と同じである。そして図10(c)では、ITO膜を形成する代わりにAu層などの金属反射層22を真空蒸着等により形成する。また、図10(d)ではサファイア基板10の除去を行なう。例えばGaNバッファ層11が用いられている場合、サファイア基板10の裏面側からエキシマレーザーを照射することによりGaNバッファ層11が溶解し、サファイア基板10を簡単に剥離除去することができる。なお、工程(c)と工程(d)とは入れ替えてもよい。そして、図11に示すように、サファイア基板10の除去されたn型クラッド層4の裏面側に金属電極23を真空蒸着等により形成し、さらにダイシングすることにより発光素子101が得られる。なお、バッファ層又はバッファ層とは別に設けられた剥離層を化学エッチング等により溶解してサファイア基板10の除去を行なうようにしてもよい。
【0050】
なお、図12に示す発光素子99ように、金属電極23とn型AlGaN層との間に電流拡散層24(例えばn型AlGaN層)を挿入してもよい。また、図13に示す発光素子98のように、金属電極23に代えてITO膜のような透明導電材料層25を形成してもよい。
【0051】
次に、活性層は、p型MgxZn1−xO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もできる。このような活性層は、例えばMgyZn1−yO層(ただし、0≦y<1、x>y)として形成することができる。「活性層とp型MgxZn1−xO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17に示すように、p型クラッド層(p型MgxZn1−xO層2)の伝導体底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルEcp,Evpと、活性層の伝導体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 ‥‥(5)
Evi>Evp ‥‥(6)
【0052】
該構造では、図8に示すタイプII型のバンドラインナップと異なり、活性層からp型クラッド層への電子(n型キャリア)の順拡散に関してもポテンシャル障壁が生ずる。そして、活性層とn型クラッド層との間に図8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量子井戸が形成され、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型クラッド層の材質は、図6に示すようなAlGaNなどでもよいが、n型MgzZn1−zO層(ただし、0≦z<1)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、x=yとすれば、量子井戸の両側のポテンシャル障壁高さは等しくなる。
【0053】
なお、活性層の厚さtは、活性層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を通過するキャリアが増加し過ぎないように、例えば30〜1000nmの値とする。
【0054】
MgyZn1−yO層からなる活性層(以下、MgyZn1−yO活性層という:ただしy=0の場合を含む)において、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280〜400nm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、形成される井戸障壁の高さは、発光ダイオードでは0.1〜0.3eV程度、半導体レーザー光源では0.25〜0.5eV程度とするのがよい。この値は、p型MgxZn1−xO層、MgyZn1−yO活性層及びn型MgzZn1−zOの組成、すなわちx、y、zの数値の選択により決定できる。そして、量子井戸構造の形成を前提として考えれば、活性層はMgの含有は必須とはならないが(つまりZnOを使用できる)、p型及びn型クラッド層はMgの含有が必須となる。
【0055】
図14は上記の発光素子の具体例の一つを示すものである。該発光素子102においては、n型クラッド層としてのn型MgzZn1−zO層54、MgyZn1−yO活性層53、及びp型クラッド層としてのp型MgxZn1−xO層52がこの順序にてエピタキシャル成長されることによりダブルへテロ構造をなす発光層部が形成されている。他の構造は図6の発光素子1と同じであるため、共通する部分に同一の符号を付与して詳細な説明は省略する。また、図15の発光素子103は、図12の発光素子99において発光層部を上記のダブルへテロ構造と置き換えたものに相当する。さらに、図16の発光素子104は図13の発光素子98の発光層部を上記のダブルへテロ構造にて置き換えたものに相当する。
【0056】
なお、MgyZn1−yO活性層53とn型MgzZn1−zO層54とを、n型キャリア濃度が異なるのみで同一組成(すなわちy=z)とし、図17において両層間の接合をホモ接合とした発光素子の構造も可能である。この場合、ポテンシャル障壁が、p型MgxZn1−xO層52とMgyZn1−yO活性層53(z>y)との間にのみ生ずるシングルへテロ構造となる。
【0057】
以下、図18により、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、図16の発光素子104の場合を例にとって説明する。まず、図18(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n型MgzZn1−zO層54(層厚例えば50nm)、MgyZn1−yO活性層53(層厚例えば30nm)及びp型MgxZn1−xO層52(層厚例えば50nm)をこの順序にて形成する(形成順序を逆転させてもよい)。これら各層のエピタキシャル成長は、図6あるいは図7の発光素子1,100と同様、MOVPE法にて形成できる。MOVPE法を用いる場合は原料も同様であるが、n型MgzZn1−zO層54、MgyZn1−yO活性層53及びp型MgxZn1−xO層52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形成できる利点がある。他方、本構成では、GaNバッファ層11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度℃にて成長を行なうことが望ましい。
【0058】
この場合、混晶比x、y、zの違いにより、層毎にMg源及びZn源となる有機金属の流量比をマスフローコントローラ等により制御する。また、MgyZn1−yO活性層53及びp型MgxZn1−xO層52を形成する際は、酸素欠損発生を抑制するために、図32を用いてすでに説明したものと同様の方法を採用することが望ましい。他方、n型MgzZn1−zO層54の形成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る。MgyZn1−yO活性層53及びp型MgxZn1−xO層52を形成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形成を行なってもよい。あるいは、供給原料のII族とVI族との比(供給II/VI比)を大きくしても良い。
【0059】
例えば、一例として、次のような工程が可能である。まず、NO2、DEZn及びCp2Mgを用いたMOVPE法により、厚さ50nmのn型MgzZn1−zO層54を、雰囲気圧力5torrで温度約300℃にて形成する。次に、雰囲気圧力を760〜7600torrとして温度約300℃にてMgyZn1−yO活性層53を形成する。最後に、例えばノルマルブチルリチウムをドーパントガスとして導入することにより、温度300〜400℃にて厚さ50nmのp型MgxZn1−xO層52を形成する。
【0060】
このようにして発光層部の形成が終了すれば、図18(b)に示すようにp型MgxZn1−xO層52上に保護層としての金属反射層22を形成し、図18(c)に示すようにサファイア基板10を剥離した後、n型MgzZn1−zO層54側に保護層としての透明導電材料層25(例えばITO膜)を形成する。これらの工程は、既に説明したものと同様である。その後、図18(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。この例からもわかるように、p型クラッド層とn型クラッド層の両方がMgZnOにて構成されるため、両層とも活性層に接しない側を保護層で覆うことが望ましいといえる。なお、図14に示す発光素子102のように、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場合は、該成長基板が保護層の役割を兼ねるものとなる。
【0061】
以上説明した方法では、各層52〜54をMgZnO単結晶層としてMOVPE法によりヘテロエピタキシャル成長させる形にしていたが、MgZnO層のみからなる発光層部は、図5(b)に示すような、層厚方向にc軸配向した多結晶体層であっても良好な発光特性を示すことができるので、多結晶基板や、図27に示す発光素子105のように、ガラス基板9上に各層52〜54を成長させることもできる(この実施形態では、ガラス基板9の上に薄いn型ZnOバッファ層8形成してから、発光層部をなす各層52〜54を成長させている)。例えば、図28(a)に示すように、ガラス基板上9上に、例えばレーザービームスパッタリングなどの低温型気相成長方法を用いることにより、n型ZnOバッファ層8、発光層部をなす各層52〜54を形成し、さらに金属反射層22を形成した後、素子分離のためダイシングする。そして、図28(b)に示すように、n型MgzZn1−zO層54の一部を露出させて金属電極13を形成すれば、発光素子105が得られる。該発光素子105は、発光層部からの光を、金属反射層22からの反射光も含めてガラス基板9を介して取り出すことができる。なお、各層52〜54を、c軸配向層として形成する方法としては、他に、ゾルゲル法を用いた方法も可能である。
【0062】
なお、以上説明した実施形態では、発光層部をなすp型MgxZn1−xO層、活性層及びn型クラッド層を、基板上に順次積層形成する形で製造していたが、いわゆる貼り合せ技術を用いて同様の積層構造を得るようにすることも可能である。例えば、p型MgxZn1−xO層、活性層及びn型クラッド層の積層構造を、活性層の片側にて2つに分割したものに相当する第一部分と第二部分とをそれぞれ基板上に個別に形成し、それら第一部分と第二部分とを互いに張り合わせる。図19に、その具体的な例を示している。図19(a)に示すように、第一部分PPはp型MgxZn1−xO層2を含む。本実施形態では、サファイア基板10上にGaNバッファ層11を介してp型MgxZn1−xO層2をエピタキシャル成長させている。他方、第二部分SPは活性層53とn型クラッド層54との積層体を含む。サファイア基板10上にGaNバッファ層11を介してn型MgzZn1−zO層54とMgyZn1−yO活性層53とをエピタキシャル成長させている。これら第一部分PPと第二部分SPとを、図19(b)に示すように、MgyZn1−yO活性層53とp型MgxZn1−xO層2との間で重ね合わせ、適当な温度(例えば300〜500℃程度)で熱処理することにより、貼り合わせを行なう。
【0063】
以下、本発明の発光素子の応用例について説明する。
すでに説明したように、本発明の発光素子は活性層のバンドギャップの選択により、図20(a)に示すように可視光発光素子200とすることもできるし、同図(b)に示すように、紫外線発光素子201とすることもできる。図20には、活性層203,203’にて発生した光を、n型クラッド層204側に形成された金属反射層22にて反射させつつ、p型クラッド層202側に形成された透明導電材料層25側から取り出すようにしているが、電極等の形成形態や光の取出し形態はもちろんこれに限定されるものではなく、図6、図7、図11、図12、図27等、種々の形態が可能であることはいうまでもない。
【0064】
可視光発光素子200として使用する場合は、一般表示用に使用できることはもちろんである。特に、高輝度の青色発光が実現することで、高性能で低消費電力かつコンパクトなフルカラー表示器あるいはフルカラーLEDディスプレイを実現することができる。また、紫外線発光素子201として使用する場合も含め、光ファイバ通信用発光源やフォトカプラ用点光源などとして使用することが可能である。前者においては、高輝度の短波長発光が可能となることで情報伝送密度を飛躍的に向上させることができる利点がある。また、本発明の発光素子はレーザー光源として使用することも可能であるが、小型・軽量の短波長レーザー出射ユニットを構成することが可能となり、例えば、光記録用のレーザー光源として用いることで、記録密度を飛躍的に高めることができるようになる。
【0065】
また、半導体を用いた紫外線発光素子が実現することで、電極放電を利用した従来の紫外線光源よりも圧倒的な軽量・小型化、省エネルギー化及び長寿命化を図ることが可能となる。
【0066】
また、図21に示すように、p型クラッド層202、活性層203’及びn型クラッド層204がこの順序にて積層された構造の発光層部201mを有する半導体紫外線発光素子を蛍光体210と組み合わせることで、新しいタイプの可視光発光装置を実現することができる。具体的には、半導体紫外線発光素子からの紫外線照射を受けて、光励起された蛍光体210が可視光を放射する。これは、原理としては、蛍光ランプやCRT(Cathode Ray Tube)等と基本的には同じであるが、紫外線光源として半導体発光素子を使用する点に決定的な違いがある。これによりもたらされる効果については、すでに「課題を解決するための手段及び作用・効果」の欄にて述べた。以下、その具体的な実施形態についてさらに詳しく説明する。
【0067】
まず、図22に示すように、半導体紫外線発光素子(以下、単に発光素子ともいう)201からの紫外線は、基体209上に形成された蛍光体層210に照射されるように構成することができる。このような基体209を用いることで、装置の発光部分の形状を基体209の形状に応じて自由に選択することができ、種々の目的に応じて装置外観形態を柔軟に設計できる利点がある。例えば、図22の発光装置250では、基体209及び蛍光体層210がいずれも平面的に形成されている。これは、省スペース化に大きく寄与する。例えば、基体209を薄板状に形成し、これに蛍光体層210を形成する形とすれば、発光層部が本来非常に薄くできるため、図24に示すように極薄型(例えば厚さtdが10mm以下あるいは5mm以下のようなもの;場合によっては1mm程度まで薄型化することも可能である)で光輝度の発光装置251を実現することが可能である。また、用途に応じて、図25に示すように、曲面状の基体210を用いることもできる。
【0068】
図22、図24及び図25に示す発光装置250、251及び252は、個々の構成要素は形状の違いを除いて共通しているので、以下、より詳しい構造に付き、図22の発光装置250で代表させて説明する。まず、発光素子201は複数個設けられ、各発光素子201からの紫外線により、対応する蛍光体層210を発光させるようにしている。このようにすることで、装置の発光面積を容易に大型化できる利点がある。本発光装置250は、複数の発光素子210により、対応する蛍光体層を同時発光させる照明装置として構成されており、大面積で薄型かつ長寿命の照明装置が実現されている。
【0069】
なお、蛍光体層210は、複数の発光素子210に対応する部分210aが、横方向に連なって一体に形成されているが、このようにすれば蛍光体層部分210aを単一の蛍光体層210として一括形成できるので製造が容易である。この場合、蛍光体層部分210aを発光素子210により覆われる部分と考えたとき、発光素子210と蛍光体層部分210aとの距離関係により、発光素子201からの紫外線が外方に広がって蛍光体層部分210aの外側に漏れ出し、結果的に蛍光体層部分210aよりも広い領域で発光を生じさせることも可能である。従って、蛍光体層210と発光素子201との距離を適当に調整することによって、隣接する発光素子201,201間に多少の隙間ができていても、個々の発光素子201,201からの紫外線による蛍光体層210の可視光発光領域が互いに接続され、蛍光体層210の全面に渡ってムラの少ない均一な発光を生じさせることができるようになる。
【0070】
発光装置250においては、基体は透明基盤209として構成され、該透明基盤209の片面に蛍光体層210が形成されている。これと反対側の面に発光素子201の光取出し面が対向するように配置され(ここでは密着して配置されている)、透明基盤209を介して蛍光体層210に発光素子201(半導体紫外線発光素子)からの紫外線が照射されるようになっている。この構成によると、透明基盤209の両面を利用して発光素子201(半導体紫外線発光素子)と蛍光体層210とを振り分けて配置することができ、装置のコンパクト化と構成の簡略化とを図る上で一層効果的である。
【0071】
なお、透明基盤209はガラス板や透明プラスチック(例えばアクリル樹脂など)を使用できる。発光素子201は透明基盤209に対し、光取出し面側を例えば接着剤等により貼り付けて配置することができるが、例えばガラス板を用いる場合は、発光素子201の発光層部を該ガラス板上に成長させることも可能である。なお、個々の発光素子201,201による蛍光体層210の可視光発光領域を互いに接続したい場合は、このような接続が生ずる程度に紫外線が広がるよう、透明基盤209の厚さを調整しておけばよい。逆に、発光素子201を蛍光体層210に近づけるほど紫外線の広がりが少なくなり、後述する表示装置等への用途においては、画素の鮮明化等において有利となる。
【0072】
図22の発光装置250においては、蛍光体層210の表面が透明プラスチック等で構成された透明保護層211により覆われている。また、透明基盤209の発光素子201の配置側をケース212で覆っている。なお、ムラの少ない均一な発光を生じさせるための別の方法としては、図23に示すように、光分散板212を介して光を取り出すようにする構成も可能である。本実施形態では、蛍光体層210と光分散板212との間に透明保護層211を設けている。
【0073】
なお、発光体の材質としては、紫外線励起発光が可能なものであればどのようなものを用いてもよい。例えば、白色光を発光させたい場合は、蛍光ランプ等にて使用されている公知の蛍光体材料、例えばハロリン酸カルシウム(3Ca3(PO4)2・CaFCl/Sb,Mn)を使用でき、例えばFとCl,SbとMnのそれぞれの量を調整することにより、種々の色温度の白色光を得ることができる。なお、赤・緑・青(RGB)の3波長領域での幅の狭い発光を組み合わせれば、より演色性の優れた照明を実現できる。この場合、各色の蛍光体を混ぜて使うことになるが、代表的なものとして、例えばY2O3:Eu3+(R:中心波長611nm)、CeMgAl11O19:Tb3+(G:中心波長543nm)、BaMg2Al16O27:Eu2+(B:中心波長452nm)の組合せがある。
【0074】
次に、図26に示すように、蛍光体層は各発光素子201に対応するもの(210R,210G,210B)を個別に分離して設けてもよい。この構成は、照明装置においても採用可能であるが、表示装置としての応用を図る上でより重要である。この場合、発光素子201は紫外線発光状態を個別に制御可能としておき、各発光素子201に対応する蛍光体層との組(201/210R,201/210G,201/210B)を表示単位として、表示面DP(透明基盤209の板面にて形成されている)に沿ってこれを複数配列しておく。図26(b)は、カラー表示の場合を示しており、RGBの蛍光体層210R,210G,210Bが、同一色のものが隣接しないように配置されている。そして、各表示単位の蛍光体層210R,210G,210Bを画素として、それらの発光状態の組合せに基づき画像表示を行なうことができる。
【0075】
この方式の表示装置には、種々の大きな利点がある。
・CRTやプラズマディスプレーなどと異なり、紫外線源としてフィラメントや電極あるいは電子銃を使用しないため長寿命であり、また駆動電圧が低いため消費電力が小さい。
・液晶ディスプレイと同程度の薄型化が図れ、かつ発光型であるためバックライト等が不要である。さらに、視認方向性の問題もほとんど生じない。
・全酸化物型発光層部(図16等)を用いる構成では、MgZnOを希酸やアルカリを用いて簡単に溶解できるので、化学エッチングにより画素に対応した発光層部のパターニングが簡単に行なえる。従って、微細な画素を有した高解像度のディスプレイを容易に実現できる。なお、蛍光体を用いず、図20(a)に示す可視光発光素子200を直接画素として用いるLEDディスプレイを構成することも可能であるが、全酸化物型発光層部の使用により、従来のものよりもはるかに小型で高解像度のLEDディスプレイを実現できる。
【0076】
以上説明した照明装置及び表示装置は、使用する発光素子201への通電配線も含めて、種々の構成形態が可能であるが、以下、いくつかの例を示す。図29は薄型の照明装置260を構成したもので、アクリル板等の透明板74の裏面側に蛍光体層10を形成し、その上に、図27に示す発光素子105(ガラス基板9を用いたもの:製造方法は図28を用いてすでに説明した)を、複数個接着剤を用いて貼り付けてある(発光層部の厚さを誇張して描いてあり、実際にはもっと薄い)。そして、各素子105の電極13及び22に対し、通電配線71,72と電極端子13a,22aを形成した配線板を重ね合わせて全体をケース73によりモールドしている(本実施形態では、配線板がモールド用のケース73の一部に兼用されている)。そして、ケース73には、通電配線71,72の末端を取り出す形でコネクタ75が形成されている。ここに電源76を接続することで、各素子105が通電される。
【0077】
なお、電源76としては直流電源を用いることができるが、交流を整流したのみの脈流にて駆動することも可能であり、さらに、半波波形となることが問題にならなければ、交流電源にて直接駆動することも可能である。
【0078】
また、従来の蛍光ランプの場合、調光機能を付加するには、電極保温と交流位相制御とを同時に行なう必要があったため回路構成の複雑化が避けがたく、高級な照明設備以外には搭載しにくい事情があった(なお、直列インピーダンス切り換えにより調光を行なうものもあるが、非常に不経済である)。しかしながら、本発明の照明装置260によれば、発光素子105への供給電圧を変化させる方式、あるいはデューティ比制御により平均電流を変化させる方式等により、複雑な回路構成を用いなくとも簡単に調光を行なうことができる利点がある。
【0079】
次に、図30は、ガラス基板209上に発光素子106の発光層部53,54,52を成長させたタイプの照明装置261を示すものである。ガラス基板209の片面に蛍光体層210及び透明保護膜211を形成し、反対側には、各発光素子106の形成領域に対応する形で、ITO等の透明導電材料からなる電極層220のパターンを、フォトリソグラフィー等を用いて形成する。そして、その上に、例えば適当なバッファ層221を介して全酸化物型の発光層部54,53,52を順次形成し、次いで各電極層220の一部が露出するように化学エッチングによりパターニングして、個々の素子106の発光層部に分離する。最後に、それら発光層部のそれぞれに金属反射膜22を形成し、必要な配線部71,72を設ければ、照明装置262が完成する。
【0080】
図31は、表示装置262の構成例を示すものである。ガラス基板209の片面には、画素を構成するRGBの蛍光体層210R,210G,210Bが形成され、透明保護層211により覆われている。他方、ガラス基板209の反対側の面には、各蛍光体層210R,210G,210Bに対応する位置に、図30の照明装置261と同様の発光素子106が形成されている(図30との共通部分に同一の符号を付与している)。各発光素子は、個別の画像制御信号により制御回路75により通電制御される。本実施形態では、ごく簡単な例として、トランジスタ75aにより各発光素子106のスイッチングを行なう形態としているが、画素の発光輝度を階調的に変化させる場合は、各発光素子106の通電電圧を個別に制御するものとして制御回路75を構成しておけばよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の発光素子の概念図。
【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】MgZnO層を形成する際に生ずる酸素離脱を、雰囲気圧力により抑制する様子を表す説明図。
【図5】MgZnO層を単結晶層及びc軸配向多結晶層として形成する例を示す模式図。
【図6】本発明に係る発光素子の第一の実施形態を示す断面模式図。
【図7】本発明に係る発光素子の第二の実施形態を示す断面模式図。
【図8】タイプI型とタイプII型の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9】図6の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図10】図11の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図11】本発明に係る発光素子の第三の実施形態を示す断面模式図。
【図12】図11の発光素子の、第一の変形例を示す断面模式図。
【図13】図11の発光素子の、第二の変形例を示す断面模式図。
【図14】本発明に係る発光素子の第四の実施形態を示す断面模式図。
【図15】同じく第五の実施形態を示す断面模式図。
【図16】同じく第六の実施形態を示す断面模式図。
【図17】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18】図16の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図19】本発明の発光素子を貼り合せ方式により製造する方法の一例を示す工程説明図。
【図20】本発明の発光素子の作用説明図。
【図21】本発明の可視光発光装置の原理説明図。
【図22】本発明の可視光発光装置を照明装置として構成した第一の例を示す断面模式図。
【図23】同じく第二の例を示す断面模式図。
【図24】同じく第三の例を示す断面模式図。
【図25】同じく第四の例を示す断面模式図。
【図26】本発明の可視光発光装置を用いた表示装置の原理説明図。
【図27】本発明に係る発光素子の第七の実施形態を示す断面模式図。
【図28】図28の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図29】本発明の可視光発光装置を照明装置として構成した第二の例を示す断面模式図。
【図30】本発明の可視光発光装置を照明装置として構成した第三の例を示す断面模式図。
【図31】本発明の可視光発光装置を表示装置として構成した第一の例を示す模式図。
【図32】MOVPE法によりMgZnO層を形成する装置の一例を概念的に示す図。
【符号の説明】
1,98〜106,200,201 発光素子
2 p型MgxZn1−xO層(p型クラッド層)
3 InGaN活性層
4 n型AlGaN層(n型クラッド層)
10 サファイア基板
11 GaNバッファ層
12,25 透明導電材料層(保護層)
13 金属電極
20,24 p型AlGaInN層(保護層:電流拡散層)
21 金属電極
22 金属反射層(保護層)
23 金属電極
33 活性層
34 n型クラッド層
35 保護層
52 p型MgxZn1−xO層(p型クラッド層)
53 MgyZn1−yO活性層
54 n型MgzZn1−zO層(n型クラッド層)
202 p型クラッド層
203,203’ 活性層
204 n型クラッド層
209 透明基盤(基体)
210 蛍光体層
250〜252,260,261 可視光発光装置(照明装置)
262 可視光発光装置(表示装置)
Claims (8)
- n型クラッド層、活性層及びp型クラッド層がこの順序にて積層された発光層部を有し、かつ前記p型クラッド層がp型MgxZn1−xO(ただし、0<x≦1)層からなる発光素子を製造するための方法であって、
前記p型MgxZn1−xO層を有機金属気相成長法により形成するとともに、
成長容器の内部空間に配置された基板の主表面上に前記p型MgxZn1−xO層を前記有機金属気相成長法により形成するに際して、前記内部空間に対し酸素源ガス噴出口より酸素源ガスを供給し、また、有機金属噴出口よりMg及び/又はZn源となる有機金属を供給するとともに、前記主表面と直角な向きにおける前記有機金属噴出口の該主表面までの距離が前記酸素源ガス噴出口より近くなるように、前記成長容器内に進入する有機金属供給配管の先端部が、前記p型Mg x Zn 1−x O層を形成すべき主表面の上方近傍に位置し、該先端部に有機金属噴出口が形成されて、前記有機金属ガスを主表面に向けて上方から吹き付けるようにし、さらに該有機金属噴出口よりも上方にて前記成長容器の壁部に対し酸素源ガス供給配管を開口させることにより前記酸素源ガス噴出口を形成したことを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記有機金属気相成長法を、10torr以上の圧力を有した雰囲気中で行なうことを特徴とする請求項1記載の発光素子の製造方法。
- p型ドーパントとして金属元素ドーパントが使用され、前記p型Mg x Zn 1−x O層の気相成長を行なう際に、前記金属元素ドーパントを、アルキル基を少なくとも一つ含む有機金属の形で供給することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の発光素子の製造方法。
- 前記金属元素ドーパントがGa、Al、In及びLiの1種又は2種以上であることを特徴とする請求項3記載の発光素子の製造方法。
- p型ドーパントとしてGa、Al、In及びLiの1種又は2種以上からなる金属元素ドーパントとともにNが使用され、前記p型Mg x Zn 1−x O層の気相成長を行なう際に、N源となる気体を、金属元素ドーパント源となる有機金属とともに供給することを特徴とする請求項4記載の発光素子の製造方法。
- 前記n型クラッド層、前記活性層及びp型Mg x Zn 1−x O層を、基板上に順次積層形成することを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
- 前記n型クラッド層、前記活性層及び前記p型Mg x Zn 1−x O層の積層構造を、前記活性層の片側にて2つに分割したものに相当する第一部分と第二部分とをそれぞれ基板上に個別に形成し、それら第一部分と第二部分とを互いに張り合わせることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
- 前記第一部分はp型Mg x Zn 1−x O層を含み、前記第二部分は前記n型クラッド層と前記活性層との積層体を含むことを特徴とする請求項7記載の発光素子の製造方法。
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