JP2004342857A - Ｇａ２Ｏ３系発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】紫外領域で発光するＧａ_２Ｏ_３系発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】この発光素子１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなるｎ型基板２と、このｎ型基板２の上面に形成されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３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。発光素子１は、ｎ型基板２とｐ型層３とを接合することとしたため、その接合部において、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、接合部付近が発光する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３が期待されている。しかし、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶は得られているが、高品質のβ−Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３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の層上に接して形成された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、Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法によりβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を形成する。すなわち、β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材とを別個に準備し、石英管中でβ−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材とを接触させてその部位を加熱し、β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材との接触部分で両者を溶融する。溶解したβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材をβ−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とともに結晶化させると、β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶上にβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶が生成される。次に、このβ−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶の成長時に、１〜２気圧で、０〜０．２ｍ^３／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１０^１６〜１０^１９／ｃｍ^３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−Ｇａ_２Ｏ_３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、Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３系多結晶素材を得る。β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶を準備し、成長雰囲気が全圧１〜２気圧の下、Ｎ_２およびＯ_２混合ガスを５００ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、石英管中でβ−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系多結晶素材とを接触させてその部位を加熱し、β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３系多結晶素材をβ−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶上に透明で、Ｍｇを含む絶縁性のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶が生成する。このβ−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタ法等の物理的気相成長法、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３焼結体、あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３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Ｎ_２Ｏ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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３系発光素子の断面を示す。この発光素子１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶のキャリア濃度を１．４×１０^１７〜１×１０^１６／ｃｍ^３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−Ｇａ_２Ｏ_３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／ｃｍ^３、ｐ型層３のキャリア濃度は、１０^１６／ｃｍ^３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−Ｇａ_２Ｏ_３結晶（単結晶あるいは多結晶）、Ｍｇをドープしたβ−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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、Ｎ_２Ｏガス、ＮＯ_２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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶またはＳｎドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３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２×１０^１８／ｃｍ^３、ｎ型層７のキャリア濃度は、１０^１７／ｃｍ^３、ｐ型層３のキャリア濃度は、１０^１６／ｃｍ^３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３系発光素子の断面を示す。この発光素子１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３系多結晶素材を得る。Ｇａ_２Ｏ_３種結晶を準備し、成長雰囲気が全圧１〜２気圧のもと、Ｎ_２およびＯ_２混合ガスを５００ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、石英管中でβ−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系多結晶素材とを接触させてその部位を加熱し、β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３系多結晶素材をβ−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶上に透明なβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶が生成する。次に、このβ−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３系発光素子の断面を示す。この発光素子１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３系発光素子の断面を示す。この発光素子１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなるｎ型導電性を示すｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板５０と、このｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３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_０．６Ｏ_３クラッド層５１と、このｎ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３クラッド層５１の上に形成され、β−Ｇａ_２Ｏ_３からなるβ−Ｇａ_２Ｏ_３活性層５２と、β−Ｇａ_２Ｏ_３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_０．６Ｏ_３クラッド層５３と、ｐ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３クラッド層５３の上面に形成されるβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなるｐ型導電性を示すｐ型β−Ｇａ_２Ｏ_３コンタクト層５４と、このｐ型β−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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_０．６Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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_０．６Ｏ_３クラッド層５１のキャリア濃度は、ｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板５０のキャリア濃度より低く形成する。
【００６３】
β−Ｇａ_２Ｏ_３活性層５２は、ｎ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３クラッド層５１およびｐ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３活性層５２は、β−ＧａＩｎＯ_３により形成してもよい。この時クラッド層としてβ−Ｇａ_２Ｏ_３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_０．６Ｏ_３、β−Ｇａ_２Ｏ_３およびβ−ＧａＩｎＯ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３基板５０および各層５１〜５４は、β−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３基板５０および各層５１〜５４に酸化物系β−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３系発光素子の断面を示す。この発光素子１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなる絶縁型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板５５と、この絶縁型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板５５の上面に形成されるβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなるｎ型導電性を示すｎ型Ｇａ_２Ｏ_３コンタクト層５６と、このｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３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_０．６Ｏ_３クラッド層５１と、このｎ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３クラッド層５１の上に形成され、β−Ｇａ_２Ｏ_３からなるβ−Ｇａ_２Ｏ_３活性層５２と、β−Ｇａ_２Ｏ_３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_０．６Ｏ_３クラッド層５３と、ｐ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３クラッド層５３の上に形成されるＧａ_２Ｏ_３単結晶からなるｐ型導電性を示すｐ型β−Ｇａ_２Ｏ_３コンタクト層５４と、ｐ型β−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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_０．６Ｏ_３クラッド層５３のキャリア濃度をｐ型β−Ｇａ_２Ｏ_３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_０．６Ｏ_３クラッド層５１のキャリア濃度をｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３活性層５２は、実施例６と同様にｎ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３クラッド層５１およびｐ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３基板５５およびｎ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３クラッド層５１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３基板５５や各層５１、５３、５２、５６に酸化物系β−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ型基板５０とｎ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３クラッド層５１との間（実施例６、図８）、絶縁型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板５５とｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３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−Ｇａ_２Ｏ_３は、他のタイプのＧａ_２Ｏ_３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、Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３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Ｇａ_２Ｏ_３系発光素子を示す断面図である。
【図９】β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３、β−Ｇａ_２Ｏ_３、およびβ−ＧａＩｎＯ_３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Ｇａ_２Ｏ_３系光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 発光素子
２ ｎ型基板
３ ｐ型層
４ 透明電極
５ ｎ電極
６ ボンディング電極
７ ｎ型層
８ リード
９ ボンディング
１２ ｐ型基板
１３ ｎ型層
１６ 絶縁型基板
１７ ｎ型層
１８ ｐ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
３６ ｐ電極
３７ ｎ電極
４１ レーザ発振部
４２ レーザ光
４３，４４ レンズ
５０ ｎ型β−Ｇａ_２Ｏ型基板
５１ ｎ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３クラッド層
５２ β−Ｇａ_２Ｏ_３からなる活性層
５３ ｐ型β−Ａｌ_１．４Ｇａ_０．６Ｏ_３クラッド層
５４ ｐ型β−Ｇａ_２Ｏ_３コンタクト層
５５ 絶縁型β−Ｇａ_２Ｏ_３基板
５６ ｎ型β−Ｇａ_２Ｏ_３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

Claims (24)

1. 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の層とを備えることを特徴とするＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
2. 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請求項１記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
3. 前記第１の層および第２の層は、一方が基板、他方が前記基板上に成長させる薄膜であることを特徴とする請求項１記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
4. 前記基板は、前記薄膜を成長させる表面が、（１００）面となっていることを特徴とする請求項３記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
5. 前記基板は、前記薄膜を成長させる表面が、（００１）面となっていることを特徴とする請求項３記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
6. 前記基板は、前記薄膜を成長させる表面が、（０１０）面となっていることを特徴とする請求項３記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
7. 前記基板は、前記薄膜を成長させる表面が、（１０１）面となっていることを特徴とする請求項３記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
8. 前記第１の層は、基板または薄膜であり、
   前記基板または薄膜は、前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶中の酸素欠陥によりｎ型導電性を示すことを特徴とする請求項１記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
9. 前記第１の層は、基板または薄膜であり、
   前記基板または前記薄膜にｎ型ドーパントを添加することによりｎ型導電性を示すことを特徴とする請求項１記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
10. 前記第２の層は、基板または薄膜であり、
    前記基板または薄膜は、前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶中のＧａ欠陥によりｐ型導電性を示すことを特徴とする請求項１記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
11. 前記第２の層は、基板または薄膜であり、
    前記基板または前記薄膜にｐ型ドーパントを添加することによりｐ型導電性を示すことを特徴とする請求項１記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
12. Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるｎ型導電性を示す基板と、
    前記基板上に形成されたＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなるｐ型導電性を示す薄膜とを備えることを特徴とするＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
13. 前記基板と前記ｐ型導電性を示す薄膜との間に、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなり、前記基板とキャリア濃度が異なるｎ型導電性を示す薄膜が形成されていることを特徴とする請求項１２記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
14. 前記基板と前記ｎ型導電性を示す薄膜との間に、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるバッファ層が形成されていることを特徴とする請求項１３記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
15. Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるｐ型導電性を示す基板と、
    前記基板上に形成されたＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなるｎ型導電性を示す薄膜とを備えることを特徴とするＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
16. 前記基板と前記ｎ型導電性を示す薄膜との間に、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなり、前記基板とキャリア濃度が異なるｐ型導電性を示す薄膜が形成されていることを特徴とする請求項１５記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
17. 前記基板と前記ｐ型導電性を示す薄膜との間に、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるバッファ層が形成されていることを特徴とする請求項１６記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子。
18. Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるｎ型導電性を示す基板を形成し、
    Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶薄膜にｐ型ドーパントを添加することによってｐ型導電性を示す薄膜を形成することを特徴とするＧａ_２Ｏ_３系発光素子の製造方法。
19. 前記基板は、ＦＺ法により形成されたことを特徴とする請求項１８記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子の製造方法。
20. 前記薄膜は、ＰＬＤ法により形成されたことを特徴とする請求項１８記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子の製造方法。
21. Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるｐ型導電性を示す基板を形成し、
    Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶薄膜にｎ型ドーパントを添加することによってｎ型導電性を示す薄膜を形成することを特徴とするＧａ_２Ｏ_３系発光素子の製造方法。
22. 前記基板は、ＦＺ法により形成されたことを特徴とする請求項２１記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子の製造方法。
23. 前記薄膜は、ＰＬＤ法により形成されたことを特徴とする請求項２１記載のＧａ_２Ｏ_３系発光素子の製造方法。
24. Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるｎ型導電性を示す基板を形成し、
    前記基板をアニールすることによって絶縁基板を形成し、
    前記絶縁基板上に、ｎ型ドーパントを添加することによってｎ型導電性を示す薄膜を形成し、
    さらにその上に、ｐ型ドーパントを添加することによってｐ型導電性を示す薄膜を形成することを特徴とする発光素子の製造方法。

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