JPWO2007015330A1 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質の半導体発光素子を製造することのできる製造方法を提供する。【解決手段】 ｎ型ＺｎＯ基板である第１の基板を準備する。第１の基板上に、ＺｎＯ系化合物半導体で形成された、発光層を含む発光積層構造を形成する。発光積層構造上に、ｐ側電極を形成する。ｐ側電極上に、共晶材料で形成された第１の共晶材料層を形成する。導電性を有する第２の基板上に、共晶材料で形成された第２の共晶材料層を形成する。第１の共晶材料層と第２の共晶材料層とを共晶させて、第１の基板と第２の基板とを接合する。第１の基板を加工する。第１の基板上の一部に、ｎ側電極を形成する。

Description

本発明は、ＺｎＯ（酸化亜鉛）系化合物半導体発光素子、及びその製造方法に関する。

日本特開２００２−１１１０５９号公報や、日本特開２００４−３４２７３２号公報に記載されているように、活性層がＺｎＯ系化合物半導体で形成された半導体発光素子が知られている。ここで、ＺｎＯ系化合物半導体には、ＺｎＯのみならずこれを母体としたＭｇＺｎＯ（マグネシウム・酸化亜鉛）あるいはＣｄＺｎＯ（カドミウム・酸化亜鉛）などの混晶も含まれる。

図５Ａ及び図５Ｂは、ＺｎＯ系化合物半導体で形成された活性層を有する半導体発光素子の概略的な断面図である。

図５Ａを参照して、活性層がＺｎＯ系化合物半導体で形成された半導体発光素子の製造方法について説明する。

ｎ型ＺｎＯ基板５１上に、３００〜５００℃で、厚さ１０〜１０００ｎｍのｎ型ＺｎＯバッファ層５２を形成する。続いてｎ型ＺｎＯバッファ層５２上に、Ｇａをドープした、厚さ１μｍ以上のｎ型ＺｎＯ層５３を形成する。厚さを１μｍ以上とするのは、ｎ型ＺｎＯ基板５１とｎ型ＺｎＯバッファ層５２との界面から伝わる欠陥の影響を除いて、ｎ型ＺｎＯ層５３より上の層の機能を十分に確保するためである。

ｎ型ＺｎＯ層５３上に、Ｇａをドープしたｎ型ＭｇＺｎＯ層５４を形成する。ｎ型ＭｇＺｎＯ層５４は、ｎ型キャリア注入層及びキャリア閉じ込め層としての機能を有する。

次に、ｎ型ＭｇＺｎＯ層５４上に、活性層５５を形成する。活性層５５は、たとえばダブルヘテロ(double hetero ;DH)構造または量子井戸(quantum well ;QW)構造を備える。
ＤＨ構造の場合、活性層５５として、アンドープのＺｎＯ層、ＣｄＺｎＯ層、ＺｎＯＳ層、ＺｎＯＳｅ層またはＺｎＯＴｅ層が形成される。また、ＱＷ構造の場合、活性層５５は、たとえば薄膜のＭｇＺｎＯ／ＺｎＯ（またはＣｄＺｎＯまたはＺｎＯＳまたはＺｎＯＳｅまたはＺｎＯＴｅ）／ＭｇＺｎＯの積層構造を有する。

活性層５５上に、Ｎをドープしたｐ型ＭｇＺｎＯ層５６を形成する。ｐ型ＭｇＺｎＯ層５６は、ｐ型キャリア注入層としての機能を有する。ｐ型ＭｇＺｎＯ層５６は、キャリア密度とキャリア移動度とがともに低く、抵抗率が高い。したがってオーミック電極を形成するために、ｐ型ＭｇＺｎＯ層５６上に、Ｎをドープしたｐ型ＺｎＯ層５７を形成する。

ｐ型ＺｎＯ層５７の形成後、ｐ側オーミック電極５８を形成する。ｐ側オーミック電極５８は、ｐ型ＺｎＯ層５７の一部の領域上に形成される、たとえば円形部分電極である。

また、ｎ側オーミック電極５０をｎ型ＺｎＯ基板５１の、ｎ型ＺｎＯバッファ層５２が形成されている面とは反対の面に形成する。ｎ側オーミック電極５０は、たとえばＡｌで厚さ１００ｎｍに形成される。

図５Ａに示した半導体発光素子においては、抵抗率の高い（キャリア移動度の低い）ｐ型側から光が取り出される。ｐ側オーミック電極５８を部分電極としたのはこのためである。

ｐ型ＺｎＯ層５７は、正孔の有効質量が大きいため、移動度がたとえば数ｃｍ^２／Ｖｓと小さく、抵抗率が大きい。また、図５Ａに示した半導体発光素子の各層は、面内方向に比べ、厚さ方向の寸法が非常に小さい。このため、図５Ａに示す構造の半導体発光素子に電流を流した場合、電流は主として厚さ方向に流れ、結果的に部分電極であるｐ側オーミック電極５８直下にのみ電流が注入されやすく、各層の面内方向に拡散しにくい。したがって、活性層５５における発光もｐ側オーミック電極５８の直下でのみで生じ、発生した光の大部分が電極に遮られて、素子外部に取り出されない場合がある。

図５Ｂに、図５Ａに示した半導体発光素子の変形例を示す。図５Ａに示した半導体発光素子とは、ｐ型ＺｎＯ層５７上にたとえばＮｉで厚さ１５ｎｍの透明電極５９が形成され、更に透明電極５９上にｐ側ボンディング電極６０が、たとえばＡｕで厚さ１００ｎｍに形成されている点において異なる。

発生した光の大部分が電極に遮られ、素子外部に取り出されないという問題は、透明電極５９を用いることにより解決される。しかし、透明電極５９を設けると、半導体発光素子の製造において、透明電極を作製する工程が必要となる。また、透明電極５９によって、発生した光が吸収され、取り出し光量が低下するという問題が新たに生じる。

なお、ｐ型ＺｎＯ基板を準備し、ｐ型側からｐ型ＺｎＯ層、及びその他の各層を形成してｎ型ＺｎＯ層側を光取り出し面とする半導体発光素子を作製することも考えられるが、この場合、結晶性の良好な素子を得ることは難しい。ｐ型ＺｎＯ層の形成にあたっては、ｎ型ＺｎＯ層形成時よりも不純物のドープ量を多くする必要があり、また、ドープ量の増大に伴い結晶性は低下する。ｐ型側から各層を成長させると、ｐ型ＺｎＯ層形成時に多量にドープした不純物が、それ以降形成する層へも悪影響を及ぼすためである。

更に、ｐ型ＺｎＯ基板を作製すること自体も困難である。ｐ型ＺｎＯ基板を作製するためには、大量の不純物をドープする必要がある。ところが平衡状態においては不純物の溶解度が小さいため、基板の作製は、非平衡な成長条件の中で行わなければならない。しかしながら、大型・厚膜基板は、工業的には平衡状態で成長させることにより生産される。

本発明の目的は、高品質の半導体発光素子を提供することである。

また、本発明の他の目的は、高品質の半導体発光素子を製造することのできる製造方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、（ａ）ｎ型ＺｎＯ基板である第１の基板を準備する工程と、（ｂ）前記第１の基板上に、ＺｎＯ系化合物半導体で形成された、発光層を含む発光積層構造を形成する工程と、（ｃ）前記発光積層構造上に、ｐ側電極を形成する工程と、（ｄ）前記ｐ側電極上に、共晶材料で形成された第１の共晶材料層を形成する工程と、（ｅ）導電性を有する第２の基板上に、共晶材料で形成された第２の共晶材料層を形成する工程と、（ｆ）前記第１の共晶材料層と前記第２の共晶材料層とを共晶させて、前記第１の基板と前記第２の基板とを接合する工程と、（ｇ）前記第１の基板を加工する工程と、（ｈ）前記第１の基板上の一部に、ｎ側電極を形成する工程とを有する半導体発光素子の製造方法が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、 導電性基板と、前記導電性基板上に配置され、共晶材料で形成された共晶材料層と、前記共晶材料層上に形成されたｐ側電極と、前記ｐ側電極上に配置され、ＺｎＯ系化合物半導体で形成された、発光層を含む発光積層構造と、前記発光積層構造上に配置され、ｎ型ＺｎＯで形成された電流拡散層と、前記電流拡散層の一部の領域上に形成されたｎ側電極とを有する半導体発光素子が提供される。

図１Ａ〜図１Ｈは、実施例による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な断面図である。

図２は、実施例による半導体発光素子の変形例を示す概略的な断面図である。

図３は、ＺｎＯ基板の厚さと光吸収率との関係を示すグラフである。

図４は、高反射率金属、及び高反射率金属を用いた積層構造について、入射する光の波長とその反射率の関係を示すグラフである。

図５Ａ及び図５Ｂは、ＺｎＯ系化合物半導体で形成された活性層を有する半導体発光素子の概略的な断面図である。

図６Ａは、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯについて、エネルギギャップ及びギャップ波長のＣｄ組成（ｘ）依存性を示すグラフであり、図６Ｂは、波長３９０ｎｍ、３９５ｎｍ、４００ｎｍ、及び４５５ｎｍの光が発光される場合の、Ｃｄ組成（ｘ）とエネルギギャップの値をまとめた表である。

／ 図７Ａは、数種類の化合物について、エネルギギャップのボンド長依存性を示すグラフであり、図７Ｂは、図７Ａの点線円で囲んだ範囲に位置する曲線ｃについてより詳細に示すとともに、当該範囲におけるＺｎＯＳｅ（ＺｎＯ１−ｙＳｅｙ）についてのギャップ波長のボンド長依存性を、曲線ｄに表したグラフであり、図７Ｃは、０〜０．１３１６の範囲のＳｅ組成（ｙ）の離散的な値について、ボンド長、エネルギギャップ、及びギャップ波長の値をまとめた表であり、図７Ｄは、様々な結晶についての、ボンド長とエネルギギャップ／ギャップ波長との関係を示す図である。

／ 図８Ａは、ＺｎＯＳ（ＺｎＯ１−ｚＳｚ）について、Ｓ組成（ｚ）とエネルギギャップとの関係を示すグラフであり、図８Ｂは、図８Ａの点線円で囲んだ範囲に位置する曲線ｅについてより詳細に示すとともに、当該範囲におけるＺｎＯＳ（ＺｎＯ１−ｚＳｚ）についてのギャップ波長のＳ組成（ｚ）依存性を、曲線ｆに表したグラフであり、図８Ｃは、０．００９〜０．４００の範囲のＳ組成（ｚ）の離散的な値について、エネルギギャップ、及びギャップ波長の値をまとめた表である。

図９は、活性層５５の構成の一例を示す概略的な断面図である。

図１Ａ〜図１Ｈは、実施例による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な断面図である。

図１Ａを参照する。厚さ３００〜５００μｍのｎ型ＺｎＯ基板５１上に、３００〜５００℃で、厚さ１０〜１０００ｎｍのｎ型ＺｎＯバッファ層５２を形成する。なお、ｎ型ＺｎＯ基板５１は、後述するように、素子完成後において電流拡散層として機能するが、製造時においては、一時成長用基板としても機能する。したがって、平坦性と機械的強度を確保するため、３００〜５００μｍ以上の厚さを備えることが好ましい。

ｎ型ＺｎＯバッファ層５２上に、ｎ型ＺｎＯバッファ層５２の成長温度よりも高温、たとえば３００〜１０００℃で、厚さ１μｍ以上のｎ型ＺｎＯ層５３を形成する。厚さを１μｍ以上とするのは、ｎ型ＺｎＯ基板５１とｎ型ＺｎＯバッファ層５２の界面から伝わる欠陥の影響を除いて、表面の結晶性を高めるためである。

ｎ型ＺｎＯ層５３上に、ｎ型キャリア注入層及びキャリア閉じ込め層（クラッド層）として機能するｎ型ＭｇＺｎＯ層５４を、厚さ２００ｎｍに形成する。

ｎ型ＭｇＺｎＯ層５４上に、活性層５５を形成する。活性層５５は、たとえばＤＨ構造またはＱＷ構造を備える、厚さ３０〜１００ｎｍの層である。

ＤＨ構造の場合、活性層５５として、アンドープの、または適当な伝導性をもたせたＺｎＯ層、ＣｄＺｎＯ層、ＺｎＯＳ層、ＺｎＯＳｅ層またはＺｎＯＴｅ層が形成される。

ＱＷ構造の場合、活性層５５は、たとえば薄膜のＭｇＺｎＯ／ＺｎＯ（またはＣｄＺｎＯまたはＺｎＯＳまたはＺｎＯＳｅまたはＺｎＯＴｅ）／ＭｇＺｎＯの積層構造を有する。この場合、ＺｎＯ層等がウェルを構成し、ＭｇＺｎＯ層がバリアを構成する。

なお、後述するが、ｎ型ＺｎＯ基板５１を用いる場合、活性層５５には、ＺｎＯよりもＣｄＺｎＯ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＳｅまたはＺｎＯＴｅを用いる方が好ましい。ＺｎＯ活性層からの発光は、ｎ型ＺｎＯ基板５１による自己吸収の影響を受けるためである。

活性層５５上に、たとえば厚さ２００ｎｍのｐ型ＭｇＺｎＯ層５６を形成する。ｐ型ＭｇＺｎＯ層５６は、ｐ型キャリア注入層として機能する。

ｐ型ＭｇＺｎＯ層５６上に、厚さ１００〜２００ｎｍのｐ型ＺｎＯ層５７を形成する。

ｎ型ＺｎＯ基板５１上に形成されたｎ型ＺｎＯバッファ層５２からｐ型ＺｎＯ層５７までの積層構造を発光積層構造６１と呼ぶ。

発光積層構造６１は、たとえば分子線エピタキシ法（molecular beamepitxy; MBE）を
用いて形成される。発光積層構造６１の形成において、ｎ型ＺｎＯ層５３及びｎ型ＭｇＺｎＯ層５４に添加するｎ型のドーパントとしては、たとえばＧａを用いる。Ａｌ、Ｉｎ等を用いることもできる。また、ｐ型ＭｇＺｎＯ層５６及びｐ型ＺｎＯ層５７に添加するｐ型のドーパントとしては、たとえばＮを用いる。Ａｓ、Ｐ等を用いてもよい。

ｎ型、ｐ型ともに、ドーパントの添加は、たとえばキャリア濃度が、５×１０^１７〜１×１０^１９ｃｍ^−３となるように行う。ただし、２×１０^１６ｃｍ^−３のキャリア濃度で素子の発光が確認された例もある。

図１Ｂを参照する。ｐ型ＺｎＯ層５７上に、ｐ側オーミック・反射電極６２を形成する。ｐ側オーミック・反射電極６２は、ｐ型ＺｎＯ層５７上の全面電極とすることができる。

ｐ側オーミック・反射電極６２は、たとえばオーミック材料層と高反射率材料層の２層で構成される。オーミック材料層は、発光積層構造６１（ｐ型ＺｎＯ層５７）上に、Ｔｉ、Ｎｉ等で形成され、発光積層構造６１とオーミック接触を得ることができる。高反射率材料層は、オーミック材料層上に、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ等の高反射率材料で形成され、発光積層構造６１側から入射した光を、有効に取り出し面側（ｎ型ＺｎＯ基板５１側）に反射することができる。ｐ側オーミック・反射電極６２の一構成例として、厚さ１ｎｍのＮｉ層（オーミック材料層）と厚さ２０００ｎｍのＡｇ層（高反射率材料層）との積層構造を採用することができる。この場合、ｐ側オーミック・反射電極６２の形成は、電子線加熱蒸着法（ＥＢ法）、またはスパッタ法により行う。なお、ｐ側オーミック・反射電極６２を形成する材料については、後に考察する。

図１Ｃを参照する。ｐ側オーミック・反射電極６２上に、たとえば厚さ２００ｎｍのＡｕ層６３を、スパッタ法で形成する。Ａｕ層６３は、後工程で共晶による接合のために用いられる。

図１Ｄを参照する。図１Ａ〜図１Ｃを参照して説明した工程とは別工程により、たとえばｎ型またはｐ型不純物を高濃度に添加したシリコン基板６４の両面に、それぞれＡｕ層６５、及び６６を蒸着し、窒素雰囲気下において、４００℃で合金化する。Ａｕ層６５、６６の厚さは、たとえば１５０〜６００ｎｍである。合金化により、シリコン基板６４とＡｕ層６５、６６とは共晶化し、一体化され、オーミック接触を形成する。このため、Ａｕ層６５、６６はシリコン基板６４から剥離しない。

図１Ｅを参照する。Ａｕ層６５上に、厚さ６００〜１２００ｎｍのＡｕＳｎ層６７を、ＥＢ法、スパッタ法等により蒸着する。ＡｕＳｎ層６７の組成は、重量比でＡｕ：Ｓｎ＝約２０：約８０である。

図１Ｆを参照する。図１Ｃ及び図１Ｅに示す構造体を、それぞれ保持台６８ａ、６８ｂに、Ａｕ層６３とＡｕＳｎ層６７とが向き合うように保持し、両者を共晶ボンディングする。共晶ボンディングは、たとえば熱圧着（メタルボンディング）により行う。熱圧着（メタルボンディング）とは、共晶材料が溶融する温度を加え、更に加重することにより接着する方法である。接合は、ＡｕＳｎ層６７とＡｕ層６３とを、たとえば、窒素雰囲気下、３００℃で１０分間、約１ＭＰａの圧力で密着させることにより行う。

図１Ｇを参照する。Ａｕ層６３とＡｕＳｎ層６７の共晶ボンディングにより、Ａｕ−Ｓｎ共晶ボンディングパット６９が形成され、図１Ｃ及び図１Ｅに示す２つの構造体が接合される。

続いて、厚さ３００〜５００μｍのｎ型ＺｎＯ基板５１を、所望の厚さまで研削する。研削には、たとえば粒径５〜１０μｍのＡｌ２Ｏ３粉末を用いる。どの程度の厚さまで研削するかについては、後に詳述する。研削されたｎ型ＺｎＯ基板５１は、完成後の素子において、電流を拡散させる層として機能する。

研削した面に、ドライまたはウェットエッチングを施し、凹凸構造（テクスチャ構造）を構築する。凹凸構造（テクスチャ構造）によって、半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。また、ドライまたはウェットエッチングにより、研磨ダメージを除去することもできる。

図１Ｈを参照する。研削され、凹凸構造（テクスチャ構造）の形成されたｎ型ＺｎＯ基板５１の一部の領域上に、部分電極であるｎ側オーミック電極７０を形成する。ｎ側オーミック電極７０は、たとえばＡｌで厚さ１００ｎｍに形成される。

ｎ側オーミック電極７０の形成には、たとえばリフトオフ法を用いる。リフトオフ法とは、半導体発光層２２上にフォトレジストを塗布し、フォトマスクを用いて露光することにより、所望の電極形状を開口し、電極材料を蒸着し、その後フォトレジストを、その上の金属層とともに取り除く方法である。電極材料を蒸着する方法として、ＥＢ法、スパッタ法などを用いることができる。

以上のような工程を経て、実施例による半導体発光素子を製造することができる。

なお、実施例による半導体発光素子においては、共晶材料層として、Ａｕ層６３及びＡｕＳｎ層６７を形成した。これらはＡｕやＡｕＳｎに限らず、たとえばＡｕＧｅ、ＡｕＳｉ等のＡｕを主体とする共晶材料（はんだ材料）で好ましく形成することもできる。

ただし、各層の成長温度より高温の共晶温度を有する材料は、発光積層構造６１にダメージを与える可能性があるため、共晶材料層として好ましくは用いることができない。更に、図１Ａ〜図１Ｈを参照して説明した製造方法により製造された半導体発光素子を、後にはんだを用いて実装基板に実装する場合には、一般的なはんだ材料を接合層材料として用いることは好ましくない。

また、実施例による半導体発光素子の製造方法においては、発光積層構造６１を有する積層構造体を、支持構造体（図１Ｅに示すＡｕ層６６、シリコン基板６４、Ａｕ層６５、及びＡｕＳｎ層６７の積層構造からなる構造体）に接合した。これによりｎ型ＺｎＯ基板５１を研削する際に機械的強度を保持し、ハンドリング効率を向上させることができる。更に、製造された半導体発光素子の使用に伴って発生した熱を、シリコン基板６４を介して効率的に放熱することができる。

なお、支持構造体の構造は、製造される半導体発光素子の構造、特性、または用途に合わせて適宜選択することが可能である。たとえば、実施例においては、支持構造体中にシリコン基板を用いたが、その他にもＣｕ基板など、導電性があり、熱伝導率が高く、更には、Ａｕと合金化する材料で形成された基板を好ましく用いることができる。

支持構造体のサイズや材料によって、機械的強度のみならず、導電性や放熱性の優れた半導体発光素子を製造することができる。

図１Ｈに示す実施例による半導体発光素子においては、活性層５５で光が発光され、ｎ側オーミック電極７０側の光取り出し面（ｎ型ＺｎＯ基板５１の凹凸構造（テクスチャ構造）形成面）から取り出される。光はｐ型側から取り出されないので、ｐ側オーミック・反射電極６２を全面電極とすることができる。一方、ｎ型ＺｎＯ基板５１は、電流拡散機能を備える。この結果、電流を各層の面内方向全域に拡散することができ、活性層５５は面内方向の広い領域で発光を行うことが可能となる。したがって、発光領域が、電極の形成された領域及びその近傍に局在する場合と比べて、より多くの光を外部に取り出すことができる。

また、実施例による半導体発光素子においては、活性層５５で発光された光のうち、ｐ側オーミック・反射電極６２側に向かった光が、ｐ側オーミック・反射電極６２により光取り出し面側に反射される。更に、実施例による半導体発光素子は、光取り出し面に凹凸構造（テクスチャ構造）を備えている。このため、実施例による半導体発光素子は、光取り出し効率が高い。

図１Ａ〜図１Ｈを参照して説明した半導体発光素子の製造方法によれば、一時成長基板であるｎ型ＺｎＯ基板５１を、研削して電流拡散層として利用する。したがって、新たに電流拡散層を成膜する工程を省くことができる。新たに、成膜に長時間を要する電流拡散層の成膜工程を省略することができるため、半導体発光素子の製造時間の長大化を抑制することができる。

また、電流拡散層（ｎ型ＺｎＯ基板５１）は、研削により層厚の制御が可能であるため、光取り出しに適当な電流拡散層を容易に実現することができる。

このように、実施例による半導体発光素子の製造方法によって、簡易に半導体発光素子を製造することができる。

図２は、実施例による半導体発光素子の変形例を示す概略的な断面図である。図１Ｈに示した実施例による半導体発光素子と比較した場合、シリコン基板６４の面積がｎ型ＺｎＯ基板５１の面積よりも大きい点、及びＡｕ層６５、６６が形成されていない点において異なる。

シリコン基板６４の面積をｎ型ＺｎＯ基板５１の面積よりも大きく形成する（たとえば２倍以上の面積に形成する）ことで、半導体発光素子の使用により発生した熱の放熱性を向上させることができる。

図３は、ＺｎＯ基板の厚さと光吸収率との関係を示すグラフである。

グラフの横軸は、対数目盛りでＺｎＯ基板の厚さを単位「μｍ」で示す。グラフの縦軸は、リニアな目盛りでＺｎＯ基板の光吸収率を示す。ａ、ｂ、及びｃのグラフは、それぞれ３９０ｎｍ、３９５ｎｍ、及び４００ｎｍの波長の光に対するＺｎＯ基板の厚さと光吸収率との関係を表している。

ＺｎＯの発光の中心波長は、３７８ｎｍである。このためＺｎＯ基板の厚さにかかわらず、３７８ｎｍに近い波長の光の吸収率が高い。すなわち、吸収率は３９０ｎｍ（ａのグラフ）、３９５ｎｍ（ｂのグラフ）、４００ｎｍ（ｃのグラフ）の順に大きい。また、３９０ｎｍ程度の波長の光までは吸収されやすく、４００ｎｍの光については、ＺｎＯ基板の厚さによらず、吸収率がほぼ０であることがわかる。

活性層を形成することが可能な材料として先にあげたＣｄＺｎＯ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＳｅまたはＺｎＯＴｅはＺｎＯよりも長い波長側で発光の中心波長を有する材料である。したがって、基板材料としてｎ型ＺｎＯを用いる場合、活性層はＣｄＺｎＯ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＳｅまたはＺｎＯＴｅを用いて形成する方が好ましい。基板に吸収される光量を少なくして、光取り出し効率を向上させることができる。

図４を用いて、ｐ側オーミック・反射電極を形成する材料について考察する。図４は、高反射率金属、及び高反射率金属を用いた積層構造について、入射する光の波長とその反射率の関係を示すグラフである。

グラフの横軸は、入射光の波長を単位「ｎｍ」で示す。グラフの縦軸は、高反射率金属、または高反射率金属を用いた積層構造の光反射率を単位「％」示す。ａ、ｂ、ｃ、及びｄのグラフは、それぞれＡｇ、Ａｌ、Ｐｄ、及びＲｈについて、入射光の波長と光反射率の関係を表す。ｅ、ｆ、ｇ、及びｈのグラフは、それぞれ「ＺｎＯ層／１ｎｍのＴｉ層」の積層構造上に、更にＡｇ、Ａｌ、Ｐｄ、及びＲｈ層を形成した積層体について、両者の関係を表す。また、ｉ、ｊ、ｋ、及びｌのグラフは、それぞれＺｎＯ層上に、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｄ、及びＲｈ層を形成した積層構造について、両者の関係を表す。

ａ、ｅ、及びｉのグラフを参照する。これらは高反射率金属としてＡｇを用いた場合のグラフである。３７８ｎｍ（ＺｎＯの発光の中心波長）以上の波長範囲においては、ａのグラフ（Ａｇ）、ｉのグラフ（ＺｎＯ／Ａｇ）、ｅのグラフ（ＺｎＯ／Ｔｉ／Ａｇ）の順に反射率が高い。

ｂ、ｆ、及びｊのグラフを参照する。これらは高反射率金属としてＡｌを用いた場合のグラフである。３７８ｎｍ以上の波長範囲においては、ｂのグラフ（Ａｌ）、ｊのグラフ（ＺｎＯ／Ａｌ）、ｆのグラフ（ＺｎＯ／Ｔｉ／Ａｌ）の順に反射率が高い。

ｃ、ｇ、及びｋのグラフを参照する。これらは高反射率金属としてＰｄを用いた場合のグラフである。３７８ｎｍ以上の波長範囲においては、ｃのグラフ（Ｐｄ）、ｋのグラフ（ＺｎＯ／Ｐｄ）、ｇのグラフ（ＺｎＯ／Ｔｉ／Ｐｄ）の順に反射率が高い。

ｄ、ｈ、及びｌのグラフを参照する。これらは高反射率金属としてＲｈを用いた場合のグラフである。３７８ｎｍ以上の波長範囲においては、ｄのグラフ（Ｒｈ）、ｌのグラフ（ＺｎＯ／Ｒｈ）、ｈのグラフ（ＺｎＯ／Ｔｉ／Ｒｈ）の順に反射率が高い。

このように、「ＺｎＯ／Ｔｉ／高反射率金属」の積層構造は、「高反射率金属層」や「ＺｎＯ／高反射率金属」の積層構造と比較すると、３７８ｎｍ以上の波長範囲において反射率が低い。

しかしながら、３７８ｎｍ以上の波長範囲においては、「ＺｎＯ／Ｔｉ／Ｒｈ」（ｈのグラフ）や「ＺｎＯ／Ｔｉ／Ｐｄ」（ｇのグラフ）と比較して、「ＺｎＯ／Ｔｉ／Ａｌ」（ｆのグラフ）、及び、「ＺｎＯ／Ｔｉ／Ａｇ」（ｅのグラフ）は、高い光反射率を備える。

３７８ｎｍ以上の波長範囲において、「ＺｎＯ／Ｔｉ／Ａｌ」（ｆのグラフ）は８０％を超える反射率を有し、「ＺｎＯ／Ｔｉ／Ａｇ」（ｅのグラフ）も７５％を超える反射率を有する。また、約４５０ｎｍ以上の波長範囲においては、「ＺｎＯ／Ｔｉ／Ａｇ」（ｅのグラフ）の反射率は、「ＺｎＯ／Ｔｉ／Ａｌ」（ｆのグラフ）の反射率よりも高くなる。

したがって、ｐ側オーミック・反射電極の高反射率材料層は、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ等で形成することが好ましく、Ａｇ、Ａｌ等で形成することがより好ましい、ということができる。

続いて、ｎ型ＺｎＯ基板５１の研削後の厚さについて説明する。

前述したように、ｎ型ＺｎＯ基板５１は製造された半導体発光素子において、電流拡散機能を有し、半導体発光素子の発光量の増加に寄与する。ここで一般的にｎ型ＺｎＯ膜は、ｐ型ＺｎＯ膜と比較した場合、膜内のキャリア移動度において２桁大きく、抵抗率が２桁小さい。そのため、実施例による半導体発光素子のｎ型ＺｎＯ基板５１は、図５Ａまたは図５Ｂに示した半導体発光素子におけるｐ型ＺｎＯ層よりも薄い厚さで、より大きな電流拡散機能を発揮することが可能である。しかしｎ型ＺｎＯ基板５１の厚さが薄すぎた場合、厚さ方向の距離と面内方向の距離との差が大きくなる結果、面内方向へ電流が拡散しにくくなる。

したがって、ｎ型ＺｎＯ基板５１は、その抵抗率や半導体発光素子のサイズに応じた厚さまで研削することが好ましい。たとえば図１Ｈに示した半導体発光素子の面内方向のサイズが３５０μｍ×３５０μｍであり、その中央にｎ側オーミック電極７０が形成されており、ｎ型ＺｎＯ基板５１の抵抗率を標準的な０．１Ωｃｍであるとした場合、電流拡散の観点からｎ型ＺｎＯ基板５１には５〜１０μｍの厚さが必要である。

次に、活性層で発光された光の吸収の観点から、ｎ型ＺｎＯ基板５１の厚さについて考察する。

再び図３を参照する。波長４００ｎｍの光については、ＺｎＯ基板による吸収はみられないものの、波長３９０ｎｍ及び３９５ｎｍの光については、ＺｎＯ基板の厚さが厚くなるほど、光吸収率が増加する。

このように波長によって、基板の厚さと光吸収率との関係が異なるので、ｎ型ＺｎＯ基板５１の厚さは、活性層で発光される光の波長や外部に取り出す光の波長により、適宜定めることが可能である。

たとえば、活性層が、発光中心波長４０５ｎｍ、半値幅１７ｎｍの発光を示すＺｎＯＳｅで形成されている場合、３９５ｎｍ以下の光の吸収を０．１以下に抑えるためには、ｎ型ＺｎＯ基板５１の厚さは、９０μｍ以下とすることが好ましい。

本願発明者らは、ｎ型ＺｎＯ基板５１による光吸収との関係で、活性層５５を構成するのに好ましい材料について、より深く考察した。

ＺｎＯ基板は、水熱合成法、ＣＶＴ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）法、フラックス法等で合成される。ＺｎＯは、ウルツァイト構造（六方晶）の結晶で、エネルギギャップは、約３．４ｅＶ（３．３６１ｅＶ）である。これに対応するギャップ波長は３６５ｎｍであり、光吸収における吸収端はそれより若干短い波長となる。

しかし、ＺｎＯ基板は、基板の結晶性による効果等で、実際のエネルギギャップより幾分狭いエネルギギャップに対応する波長の光（長波長の光）まで吸収する。

このため、図３のグラフに示したように、たとえば波長３９０ｎｍの光は、厚さ４０μｍのＺｎＯ基板に約５０％が吸収され、厚さ１００μｍのＺｎＯ基板には、８０〜９０％が吸収される。しかし波長３９５ｎｍの光については、ＺｎＯ基板の厚さが４０μｍ以下であれば、光吸収率は３〜４％にとどまる。更に、波長４００ｎｍの光については、ＺｎＯ基板の厚さが５００μｍであっても、光吸収率はほぼ０％である。

したがって活性層を、波長３９５ｎｍ以上（真空中）の光、より好ましくは４００ｎｍ以上（真空中）の光を発光する材料を用いて構成することによって、半導体発光素子の発光効率を高めることができる。

前述のように、活性層は、ＣｄＺｎＯ、ＺｎＯＳｅ、ＺｎＯＳ等を用いて好ましく形成することができる。ここでＣｄＺｎＯ、ＺｎＯＳｅ、ＺｎＯＳとは、それぞれ一般的にＣｄｘＺｎ１−ｘＯ、ＺｎＯ１−ｙＳｅｙ、ＺｎＯ１−ｚＳｚと示される化合物の総称的表記である。

まず、ＣｄＺｎＯ（ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ）を用いた場合の、望ましいＣｄ組成（ｘ）の範囲について検討する。なお、ＣｄＯ、ＺｎＯのエネルギギャップは、それぞれ約２．２ｅＶ、約３．３６１ｅＶであるため、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯと表される結晶を用いることで、波長３９５ｎｍ以上の光を放射する活性層を形成することができる。

図６Ａは、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯについて、エネルギギャップ及びギャップ波長のＣｄ組成（ｘ）依存性を示すグラフである。

グラフの横軸には、Ｃｄ組成（ｘ）の値を示し、縦軸には、エネルギギャップ及びギャップ波長を、それぞれ単位「ｅＶ」、「ｎｍ」で示した。

曲線ａは、Ｃｄ組成（ｘ）とエネルギギャップとの関係を表し、曲線ｂは、Ｃｄ組成（ｘ）とギャップ波長との関係を表す。

Ｃｄ組成（ｘ）が増加するほど、エネルギギャップは減少し、ギャップ波長は増加する。

図６Ｂは、波長３９０ｎｍ、３９５ｎｍ、４００ｎｍ、及び４５５ｎｍの光が発光される場合の、Ｃｄ組成（ｘ）とエネルギギャップの値をまとめた表である。

Ｃｄ組成（ｘ）が０．１９のとき、波長３９５ｎｍの光が発光され、Ｃｄ組成（ｘ）が０．２３のとき、波長４００ｎｍの光が発光される。

図６Ａ及び図６Ｂより、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯを用いて活性層を形成する場合、Ｃｄ組成（ｘ）は、０．１９以上であることが好ましく、０．２３以上であることがより好ましいことがわかる。

次に、ＺｎＯＳｅ（ＺｎＯ１−ｙＳｅｙ）を用いた場合の、望ましいＳｅ組成（ｙ）の範囲について検討する。

図７Ａは、数種類の化合物について、エネルギギャップのボンド長依存性を示すグラフである。ここで曲線ｃは、ＺｎＯＳｅ（ＺｎＯ１−ｙＳｅｙ）についてのそれを表す。

グラフの横軸には、ボンド長を単位「Å」で示し、縦軸には、エネルギギャップを単位「ｅＶ」で示した。

曲線ｃを参照する。ボンド長の変化量に対するエネルギギャップの変化量が大きい。ＺｎＯＳｅ（ＺｎＯ１−ｙＳｅｙ）結晶のエネルギギャップは、Ｓｅの添加量に対して大きくボーイングする。この特性によって、ＺｎＯＳｅ（ＺｎＯ１−ｙＳｅｙ）結晶は、微量のＳｅの添加で発光波長が長波長化される。

図７Ｂは、図７Ａの点線円で囲んだ範囲に位置する曲線ｃについてより詳細に示すとともに、当該範囲におけるＺｎＯＳｅ（ＺｎＯ１−ｙＳｅｙ）についてのギャップ波長のボンド長依存性を、曲線ｄに表したグラフである。

グラフの横軸には、ボンド長を単位「Å」で示し、縦軸には、エネルギギャップ及びギャップ波長を、それぞれ単位「ｅＶ」、「ｎｍ」で示した。

グラフに示す範囲においては、ボンド長が増加するほど、エネルギギャップは減少し（曲線ｃ）、ギャップ波長は増加する（曲線ｄ）。

図７Ｃは、０〜０．１３１６の範囲のＳｅ組成（ｙ）の離散的な値について、ボンド長、エネルギギャップ、及びギャップ波長の値をまとめた表である。

Ｓｅ組成（ｙ）が０．０２１０のとき、波長３９５ｎｍの光が発光され、Ｓｅ組成（ｙ）が０．０２４０のとき、波長４００ｎｍの光（近紫外光）が発光される。また、Ｓｅ組成（ｙ）を０．０２４０以上の範囲で増加させると、たとえばＳｅ組成（ｙ）が、０．０５６５、０．０９５５、０．１０６４、０．１２２７のとき、それぞれ、波長４６０ｎｍ（青）、５５０ｎｍ（緑）、５８０ｎｍ（黄）、６３０ｎｍ（赤）の、ほとんど基板に吸収されることのない光を発光させることができる。Ｓｅ組成（ｙ）を更に大きな値とすることにより、赤外光を発光させることも可能である。ただし、ＺｎＯＳｅは、非混和を起こす場合があるため、長波長化には限界があると思われる。

以上より、ＺｎＯ１−ｙＳｅｙを用いて活性層を形成する場合、Ｓｅ組成（ｙ）は、０．０２１０以上であることが好ましく、０．０２４０以上であることがより好ましい。また、ＺｎＯＳｅ結晶は大きなボーイングパラメータをもつため、ＺｎＯＳｅ混晶を活性層（ウェル層またはバリア層）に用いることにより、近紫外光から緑色光まで発光可能な半導体発光素子を作製することが可能である。

図７Ｄに、様々な結晶についての、ボンド長とエネルギギャップ／ギャップ波長との関係を示す。

本図によると、ＺｎＯのボンド長は１．９９Å、ＺｎＳｅのボンド長は２．４５Åであり、比較的大きな差がある。しかしながら、ＺｎＯ１−ｙＳｅｙはボーイング特性を有し、わずかなＳｅ組成（ｙ）の差により、ギャップ波長に顕著な差が生じる。したがって、ＺｎＯ１−ｙＳｅｙを用いて活性層を構成する場合には、Ｓｅ添加によるギャップ波長の長波長化に伴うボンド長の増加量を小さく抑えることができる。

続いて、ＺｎＯＳ（ＺｎＯ１−ｚＳｚ）を用いた場合の、望ましいＳ組成（ｚ）の範囲について検討する。

図８Ａは、ＺｎＯＳ（ＺｎＯ１−ｚＳｚ）について、Ｓ組成（ｚ）とエネルギギャップとの関係を示すグラフである。両者の関係を、曲線ｅで示した。

グラフの横軸は、Ｓ組成（ｚ）を表し、縦軸は、エネルギギャップを単位「ｅＶ」で示す。

曲線ｅが示すように、ＺｎＯＳ（ＺｎＯ１−ｚＳｚ）結晶のエネルギギャップは、ＺｎＯＳｅ（ＺｎＯ１−ｙＳｅｙ）の場合と同様、Ｓの添加量に対して大きくボーイングする。この特性によって、ＺｎＯＳ（ＺｎＯ１−ｚＳｚ）結晶は、微量のＳの添加でギャップ波長が長波長化される。

図８Ｂは、図８Ａの点線円で囲んだ範囲に位置する曲線ｅについてより詳細に示すとともに、当該範囲におけるＺｎＯＳ（ＺｎＯ１−ｚＳｚ）についてのギャップ波長のＳ組成（ｚ）依存性を、曲線ｆに表したグラフである。

グラフの横軸は、Ｓ組成（ｚ）を示し、縦軸は、エネルギギャップ及びギャップ波長を、それぞれ単位「ｅＶ」、「ｎｍ」で示す。

グラフに示す範囲においては、Ｓ組成（ｚ）が増加するほど、エネルギギャップは減少し（曲線ｅ）、ギャップ波長は増加する（曲線ｆ）。

図８Ｃは、０．００９〜０．４００の範囲のＳ組成（ｚ）の離散的な値について、エネルギギャップ、及びギャップ波長の値をまとめた表である。

Ｓ組成（ｚ）が０．０２５のとき、波長３９５ｎｍの光が発光され、Ｓ組成（ｚ）が０．０４０のとき、波長４００ｎｍの光（近紫外光）が発光される。また、Ｓ組成（ｚ）が、０．２９５のとき、発光波長は４６０ｎｍ（青色光）となる。Ｓ組成（ｚ）を増加させることにより、緑〜赤外の光を発光させることもできる。

以上より、ＺｎＯ１−ｚＳｚを用いて活性層を形成する場合、Ｓ組成（ｚ）は、０．０２５以上であることが好ましく、０．０４０以上であることがより好ましい。また、ＺｎＯＳ結晶は大きなボーイングパラメータをもつため、ＺｎＯＳ混晶を活性層（ウェル層またはバリア層）に用いることにより、近紫外光から赤外光まで発光可能な半導体発光素子を作製することが可能である。

更に、ＺｎＯ１−ｚＳｚを用いて活性層を構成する場合には、Ｓ添加によるギャップ波長の長波長化に伴うボンド長の増加量を小さく抑えることができる。

なお、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳの屈折率は、それぞれ２．０、２．６、２．４９である。ＺｎＯに比べると、ＺｎＳｅ及びＺｎＳの屈折率は大きい。しかし、ＺｎＯ結晶にＳｅまたはＳを混入すると、バンドボーイングを生じ、バンドギャップは狭くなる。このため、ＳｅやＳの含有比率が大きくなった場合であっても、屈折率は大きくならず、むしろ小さくなると予想される。したがって、ＳｅやＳの添加による屈折率の変化に起因する、半導体発光素子の発光効率の低下は生じにくいと考えられる。

活性層は、ｎ型不純物を添加した材料、ｐ型不純物を添加した材料、またはアンドープの材料のいずれで形成してもよい。添加するｎ型不純物には、Ｚｎサイトを置換するものとしてＩＩＩ族元素のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ等を用いることができ、酸素（Ｏ）サイトを置換するものとして、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ等を用いることができる。また、添加するｐ型不純物には、Ｚｎサイトを置換するものとしてＩ族元素のＬｉ、Ｎａ、Ｋ等を用いることができ、酸素（Ｏ）サイトを置換するものとして、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等を用いることができる。

活性層から発光される光の波長を、ＺｎＯ基板の吸収波長より長波長化することで、ＺｎＯ基板による光吸収を抑え、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。また、ＺｎＯ基板の厚さを、素子分離可能な７０〜２００μｍ程度とすることができる。

本願発明者らは、次に、ＭｇＺｎＯ層（ｎ型ＭｇＺｎＯ層５４、及びｐ型ＭｇＺｎＯ層５６）について、より深く考察した。なお、ここでＭｇＺｎＯとは、一般的にＭｇｗＺｎ１−ｗＯと示される化合物の総称的表記である。

ＺｎＯ結晶にＭｇを添加しＭｇＺｎＯ結晶とすると、Ｍｇ組成（ｗ）に応じてバンドギャップは広がる。しかし、前述のように、ＺｎＯは、ウルツァイト構造（六方晶）の結晶であるのに対し、ＭｇＯ結晶は塩化ナトリウム構造であり、結晶形が異なる。

ＭｇＺｎＯ（ＭｇｗＺｎ１−ｗＯ）は、Ｍｇ組成（ｗ）が小さい場合は、ウルツァイト構造（六方晶）であるが、Ｍｇ組成（ｗ）が大きい場合は、結晶が塩化ナトリウム構造をとる。ＭｇＺｎＯ（ＭｇｗＺｎ１−ｗＯ）結晶が塩化ナトリウム構造をとるとき、ウルツァイト構造（六方晶）のＺｎＯ結晶と積層（エピタキシャル成長による積層）するのは困難である。

たとえば、Ｍｇ組成（ｗ）が０．４６以下の範囲においては、ＭｇＺｎＯ（ＭｇｗＺｎ１−ｗＯ）にウルツァイト構造を保たせつつ、Ｍｇを添加し、ＭｇＺｎＯ（ＭｇｗＺｎ１−ｗＯ）層を形成することが可能である。

また、活性層５５が、Ｃｄ組成の高いＣｄＺｎＯや、ＺｎＯＳｅ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＴｅ等を用いて構成された半導体発光素子にあっては、ｎ型ＭｇＺｎＯ（ＭｇｗＺｎ１−ｗＯ）層５４、及び、ｐ型ＭｇＺｎＯ（ＭｇｗＺｎ１−ｗＯ）層５６は、Ｍｇ組成（ｗ）が０のとき（すなわちＺｎＯ層となるとき）でも、十分なバリアハイトの効果を備える場合がある。

以上より、ｎ型、及び、ｐ型ＭｇＺｎＯ（ＭｇｗＺｎ１−ｗＯ）層５４、５６におけるＭｇ組成（ｗ）は、０以上０．４６以下であることが好ましい。

なお、ｎ型ＭｇＺｎＯ層５４、ｐ型ＭｇＺｎＯ層５６は、双方形成される必要はなく、いずれか一方が備わっているだけでもよい。添加するｎ型またはｐ型不純物としては、先に活性層に添加しうるとして挙げた不純物を用いることができる。

不純物の活性化率を高めるために、デルタドーピングを行ってもよい。また、［ＭｇＺｎＯ（ＭｇｗＺｎ１−ｗＯ）／（不純物の添加されたＺｎＯ）］ｎという構造のスーパーラティスストラクチャを採用してもよい。

図９は、活性層５５の構成の一例を示す概略的な断面図である。本図を参照して、活性層５５について、より詳細に説明する。

活性層５５は、通電によって発光の行われるＭＱＷ層５５ｅ、及び、ＭＱＷ層５５ｅを厚さ方向の両側から挟む移行層５５ｃ、５５ｄを含んで構成される。たとえば、移行層５５ｄは、ｎ型ＭｇＺｎＯ層５４上に形成され、移行層５５ｃ上には、ｐ型ＭｇＺｎＯ層５６が形成される。

ＭＱＷ層５５ｅは、ウェル層５５ａとバリア層５５ｂとの積層構造を含んで構成される。両層５５ａ、５５ｂの積層態様は、（ｉ）ＺｎＯ基板側（本図においては下側）から、バリア層５５ｂ、ウェル層５５ａが、この順に交互に積層され、両層５５ａ、５５ｂの積層体を２つ以上含む態様（すなわち本図に示す態様）、（ｉｉ）ＺｎＯ基板側（本図においては下側）から、ウェル層５５ａ、バリア層５５ｂが、この順に交互に積層され、両層５５ａ、５５ｂの積層体を２つ以上含む態様、（ｉｉｉ）ウェル層５５ａをバリア層５５ｂで挟んだ態様、（ｉｖ）バリア層５５ｂをウェル層５５ａで挟んだ態様、等がある。発光効率の高い態様を選択すればよい。

ウェル層５５ａは、たとえば、ＣｄＺｎＯ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＳｅ、及び、ＺｎＯＴｅのうちの１つまたは複数の結晶を用いて構成することができる。

バリア層５５ｂは、たとえば、ウェル層５５ａよりエネルギギャップの大きい、ＭｇＺｎＯ、ＺｎＯ、ＣｄＺｎＯ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＳｅ、及び、ＺｎＯＴｅのうちの１つまたは複数の結晶を用いて構成することができる。

発光波長は、ウェル層５５ａの結晶組成、バリア層５５ｂの結晶組成、及び、両層５５ａ、５５ｂの厚さ等によって変化する。ＱＷ構造により実効バンドギャップが広がるため、たとえば、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯを用いて活性層（たとえばウェル層）を形成する場合、前述した好ましいＣｄ組成（ｘ）（０．１９以上、より好ましくは、０．２３以上）よりも、少し広い範囲のＣｄ組成（ｘ）を好ましく用いることが可能である。

同様に、ＺｎＯ１−ｙＳｅｙ、ＺｎＯ１−ｚＳｚ、ＭｇｗＺｎ１−ｗＯを用いて活性層（たとえばウェル層）を形成する場合も、それぞれ前述した好ましい組成よりも、少し広い範囲の組成を好ましく用いることができる。

ウェル層５５ａの厚さは、たとえば１〜５ｎｍ、バリア層５５ｂの厚さは、たとえば２〜１５ｎｍである。

なお、活性層５５は、ＭＱＷ構造に限らず、ＳＱＷ構造やＤＨ構造を含んで構成することもできる。

移行層５５ｃ、５５ｄについて説明する。移行層５５ｃ、５５ｄは、それぞれたとえば、ｐ型ＭｇＺｎＯ層５６、ｎ型ＭｇＺｎＯ層５４とＭＱＷ層５５ｅとの間の接合障壁（スパイク）を小さくするための組成変化層である。たとえばＭｇｖＺｎ１−ｖＯ（ｖ１≦ｖ≦ｖ２）で形成され、ＭＱＷ層５５ｅに向かう厚さ方向に、連続的にＭｇ組成（ｖ）が変化（ｖ２からｖ１に連続的に変化）する構成を備えている。Ｍｇ組成（ｖ）を段階的に変化させる構成とすることもできる。ＭＱＷ層５５ｅへのキャリア注入を促進させることができる。

また、移行層５５ｃ、５５ｄは、たとえば通電時に、ＭＱＷ層５５ｅ内にジャンクション領域が形成されるように、キャリア濃度を調整する層、すなわちジャンクションの位置調整層であってもよい。

更に、移行層５５ｃ、５５ｄは、ＭＱＷ層５５ｅへの歪を緩和させるスーパーラティスストラクチャを有する層であってもよい。この場合、活性層５５の結晶性を向上させることができる。

このように移行層５５ｃ、５５ｄを設けることによって、たとえばＱＷ層の発光効率を高めることができる。

なお、図９においては、ＭＱＷ層５５ｅの両側に移行層を設けたが、片側だけに設けることもできる。

最後に、シリコン基板６４を含む支持構造体について補足する。

半導体発光素子の発光波長が、ＺｎＯ基板に吸収されやすい波長、たとえば３９５ｎｍ未満である場合には、図１Ａ〜図１Ｈを参照して製造方法を説明したように、発光積層構造６１を有する積層構造体を支持構造体に接合し、その後、ｎ型ＺｎＯ基板５１を研削することが有効である。

しかし、たとえば、半導体発光素子の発光波長が４００ｎｍ以上であれば、光吸収の観点からは、ｎ型ＺｎＯ基板５１を薄くする必要はない。このため、たとえば支持構造体の作製工程や、支持構造体と積層構造体との接合工程は不要となる。

したがって、発光積層構造６１、ｎ型ＺｎＯ基板５１、ｐ側オーミック・反射電極６２、及び、ｎ側オーミック電極７０を含む構造を作製した後、支持構造体の代わりに、用途に応じた永久基板を選択し、永久基板と当該構造とを接着すればよい。当該構造の面内方向全面で接着することが可能であるため、接着は容易に行うことができる。

永久基板は、Ｓｉウエハ、Ｓｉサブマウント、ホーン型シリコンの他、永久基板にリード配線を施したセラミック、たとえばアルミナ、窒化アルミ等を用いることができる。メタライズ済セラミックの例として、Ａｕ／アルミナ、Ａｇ／アルミナ、Ａｌ／アルミナ、Ａｕ／窒化アルミ、Ａｇ／窒化アルミ、Ａｌ／窒化アルミという構成を挙げることができる。

また、ＣｕＷ等の、放熱性の高い、導電性金属間化合物を用いてもよい。更に、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ／Ｃｕ、Ａｌ／Ｃｕ、真鍮、インバー（超低熱膨張金属）等金属材料に、前記構造との接着面処理を施した材料を使用してもよい。

たとえば、ＺｎＯの熱伝導率が約３０（Ｗ／ｍＫ）であるのに対し、Ｃｕ、窒化アルミ（セラミック）、ＣｕＷのそれは、それぞれ約２００、約２００または２５０〜２７０、約２００（Ｗ／ｍＫ）である。

このように、波長３９５ｎｍ以上の光、より好ましくは４００ｎｍ以上の光を発光するように活性層を形成した場合、様々な材料の永久基板を利用することが可能となり、たとえば放熱性に優れた半導体発光素子を作製することができる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

ＺｎＯ系化合物半導体発光素子は、ディスプレイ、インディケータ、照明光源、バックライト等に好適に用いられる。

本発明の一観点によれば、（ａ）ｎ型ＺｎＯ基板である第１の基板を準備する工程と、（ｂ）前記第１の基板上に、ＺｎＯ系化合物半導体で形成された、発光層を含む発光積層構造を形成する工程と、（ｃ）前記発光積層構造上に、ｐ側電極を形成する工程と、（ｄ）前記ｐ側電極上に、共晶材料で形成された第１の共晶材料層を形成する工程と、（ｅ）導電性を有する第２の基板上に、共晶材料で形成された第２の共晶材料層を形成する工程と、（ｆ）前記第１の共晶材料層と前記第２の共晶材料層とを共晶させて、前記第１の基板と前記第２の基板とを接合する工程と、（ｇ）前記第１の基板を薄くする工程と、（ｈ）前記第１の基板上の一部に、ｎ側電極を形成する工程とを有する半導体発光素子の製造方法が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、 導電性基板と、前記導電性基板上に配置され、共晶材料で形成された共晶材料層と、前記共晶材料層上に形成されたｐ側電極と、前記ｐ側電極上に配置され、ＺｎＯ系化合物半導体で形成された、発光層を含む発光積層構造と、前記発光積層構造上に配置され、ｎ型ＺｎＯ基板で形成された電流拡散層と、前記電流拡散層の一部の領域上に形成されたｎ側電極とを有する半導体発光素子が提供される。

Claims (21)

1. （ａ）ｎ型ＺｎＯ基板である第１の基板を準備する工程と、
   （ｂ）前記第１の基板上に、ＺｎＯ系化合物半導体で形成された、発光層を含む発光積層構造を形成する工程と、
   （ｃ）前記発光積層構造上に、ｐ側電極を形成する工程と、
   （ｄ）前記ｐ側電極上に、共晶材料で形成された第１の共晶材料層を形成する工程と、
   （ｅ）導電性を有する第２の基板上に、共晶材料で形成された第２の共晶材料層を形成する工程と、
   （ｆ）前記第１の共晶材料層と前記第２の共晶材料層とを共晶させて、前記第１の基板と前記第２の基板とを接合する工程と、
   （ｇ）前記第１の基板を加工する工程と、
   （ｈ）前記第１の基板上の一部に、ｎ側電極を形成する工程と
   を有する半導体発光素子の製造方法。
2. 前記工程（ｇ）が、前記第１の基板を薄くする工程を含む請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記工程（ｇ）が、前記第１の基板を薄くした後、前記第１の基板の表面に凹凸構造を形成する工程を含む請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記工程（ｇ）において、前記第１の基板を研削によって薄くする請求項２または３に記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 前記工程（ｇ）において、前記第１の基板の表面にドライエッチングまたはウェットエッチングによって、凹凸構造を形成する請求項３に記載の半導体発光素子の製造方法。
6. 前記工程（ｇ）において、残された前記第１の基板の厚さが５μｍ以上とされる請求項２〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
7. 前記工程（ｃ）において、前記発光積層構造上に、前記発光積層構造とオーミック接続をとることのできるオーミック材料層、及び、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｄ、またはＲｈで形成された高反射率材料層の積層構造を有するｐ側電極を形成する請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 前記第２の基板の面積が、前記第１の基板の面積よりも大きい請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
9. 前記第２の基板がｎ型またはｐ型の不純物を添加されたシリコン基板である請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
10. 導電性基板と、
    前記導電性基板上に配置され、共晶材料で形成された共晶材料層と、
    前記共晶材料層上に形成されたｐ側電極と、
    前記ｐ側電極上に配置され、ＺｎＯ系化合物半導体で形成された、発光層を含む発光積層構造と、
    前記発光積層構造上に配置され、ｎ型ＺｎＯで形成された電流拡散層と、
    前記電流拡散層の一部の領域上に形成されたｎ側電極と
    を有する半導体発光素子。
11. 前記電流拡散層が表面に凹凸構造を備える請求項１０に記載の半導体発光素子。
12. 前記ｐ側電極が、前記共晶材料層上にＡｇ、Ａｌ、Ｐｄ、またはＲｈで形成された高反射率材料層、及び、前記高反射率材料層上に形成され、前記発光積層構造とオーミック接続をとることのできるオーミック材料層の積層構造を備える請求項１０または１１に記載の半導体発光素子。
13. 前記導電性基板の面積が、前記電流拡散層の面積よりも大きい請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
14. 前記導電性基板がｎ型またはｐ型の不純物を添加されたシリコン基板である請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
15. 前記発光積層構造は、前記発光層の片側または両側に形成されたＭｇ_ｗＺｎ_１−ｗＯ層であって、ｗが０以上０．４６以下であるＭｇ_ｗＺｎ_１−ｗＯ層を含む請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
16. 前記発光層は、Ｃｄ_ｘＺｎ_１−ｘＯ、ＺｎＯ_１−ｙＳｅ_ｙ、ＺｎＯ_１−ｚＳ_ｚ、及び、ＺｎＯＴｅのうちの１つまたは複数の結晶を含んで構成されている請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
17. 前記発光層が、Ｃｄ_ｘＺｎ_１−ｘＯの結晶を含んで構成されているとき、ｘは０．１９以上であり、ＺｎＯ_１−ｙＳｅ_ｙの結晶を含んで構成されているとき、ｙは０．０２１以上であり、ＺｎＯ_１−ｚＳ_ｚの結晶を含んで構成されているとき、ｚは０．０２５以上である請求項１６に記載の半導体発光素子。
18. 前記発光層は、ウェル層及びバリア層を備える量子井戸構造を有し、前記ウェル層は、Ｃｄ_ｘ１Ｚｎ_１−ｘ１Ｏ、ＺｎＯ_１−ｙ１Ｓｅ_ｙ１、ＺｎＯ_１−ｚ１Ｓ_ｚ１、及び、ＺｎＯＴｅのうちの１つまたは複数の結晶を含んで構成されており、前記バリア層は、前記ウェル層よりエネルギギャップの大きい、ＭｇＺｎＯ、ＣｄＺｎＯ、ＺｎＯＳｅ、ＺｎＯＳ、及び、ＺｎＯＴｅのうちの１つまたは複数の結晶を含んで構成されている請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
19. 前記ウェル層が、Ｃｄ_ｘ１Ｚｎ_１−ｘ１Ｏの結晶を含んで構成されているとき、ｘ１は０．１９以上であり、ＺｎＯ_１−ｙ１Ｓｅ_ｙ１の結晶を含んで構成されているとき、ｙ１は０．０２１以上であり、ＺｎＯ_１−ｚ１Ｓ_ｚ１の結晶を含んで構成されているとき、ｚ１は０．０２５以上である請求項１８に記載の半導体発光素子。
20. 前記発光層は、通電により３９５ｎｍ以上の波長の光を発光する請求項１０〜１９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
21. 前記導電性基板は、リード配線を備えたセラミック基板であるか、金属または導電性の金属間化合物で形成されている請求項１０〜２０のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
    
    
    

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