JP2012059874A - MANUFACTURING METHOD OF ZnO-BASED SEMICONDUCTOR LAYER AND MANUFACTURING METHOD OF ZnO-BASED SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING ELEMENT - Google Patents
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Abstract
【課題】ZnO系半導体単結晶の新規な製造方法を提供する。
【解決手段】ZnO系半導体層の製造方法は、(a)MgxZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶表面を有する下地上に、(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)単結晶膜を成長させる工程と、(b)(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)単結晶膜を酸化して、NドープMgzZn1−zO(0≦z≦0.6)単結晶膜を形成する。
【選択図】図11A novel method for producing a ZnO-based semiconductor single crystal is provided.
A method of manufacturing a ZnO-based semiconductor layer includes: (a) Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) on a base having a single crystal surface, (Mg y Zn 1-y ) 3 A step of growing a N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) single crystal film, and (b) oxidizing the (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) single crystal film. Then, an N-doped Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6) single crystal film is formed.
[Selection] Figure 11
Description
本発明は、ZnO系半導体層の製造方法及びZnO系半導体発光素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a ZnO-based semiconductor layer and a method for manufacturing a ZnO-based semiconductor light emitting device.
Zn3N2を酸化することによりZnOを得る方法が提案されている。発光ダイオード等の半導体素子への応用を考えると、単結晶のZnOが得られることが望ましい。しかし、このような方法でZnO単結晶を得ることは難しい。 A method for obtaining ZnO by oxidizing Zn 3 N 2 has been proposed. Considering application to semiconductor elements such as light emitting diodes, it is desirable to obtain single crystal ZnO. However, it is difficult to obtain a ZnO single crystal by such a method.
本発明の一目的は、ZnO系半導体単結晶の新規な製造方法、及び、このようなZnO系半導体単結晶の製造方法を利用したZnO系半導体発光素子の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a novel method for manufacturing a ZnO-based semiconductor single crystal and a method for manufacturing a ZnO-based semiconductor light-emitting element using such a method for manufacturing a ZnO-based semiconductor single crystal.
本発明の一観点によれば、(a)MgxZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶表面を有する下地上に、(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)単結晶膜を成長させる工程と、(b)前記(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)単結晶膜を酸化して、NドープMgzZn1−zO(0≦z≦0.6)単結晶膜を形成する工程とを有するZnO系半導体層の製造方法が提供される。 According to one aspect of the present invention, (a) Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) a step of growing a single crystal film, and (b) oxidizing the (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) single crystal film to form N-doped And a step of forming a Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6) single crystal film.
MgxZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶表面に、(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)単結晶膜を成長させることができる。(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)単結晶膜を酸化することにより、NドープMgzZn1−zO(0≦z≦0.6)単結晶膜を得ることができる。 A (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) single crystal film can be grown on the surface of the Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal. . By oxidizing a (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) single crystal film, an N-doped Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6) single crystal film is obtained. Can be obtained.
本願発明者らは、以下に説明するように、NがドープされたZnO系半導体単結晶の新規な製造方法を提案する。ここで、ZnO系半導体は、少なくともZnとOとを含む。以下、NがドープされたZnOを、ZnO:Nと呼ぶ。例えば発光ダイオード等のZnO系半導体素子への利用を考えたとき、ZnO:N膜は、単結晶であることが望ましく、また、ZnO系半導体下地上に形成できることが望ましい。 The inventors of the present application propose a novel method for producing a ZnO-based semiconductor single crystal doped with N, as will be described below. Here, the ZnO-based semiconductor includes at least Zn and O. Hereinafter, ZnO doped with N is referred to as ZnO: N. For example, when considering application to a ZnO-based semiconductor element such as a light-emitting diode, the ZnO: N film is preferably a single crystal and can be formed on a ZnO-based semiconductor substrate.
本願発明者らは、Zn3N2単結晶膜を酸化することにより、ZnO:N単結晶膜を得ることを試みた。そのため、Zn3N2単結晶膜を成長させる実験を行った。Zn3N2膜の成膜には、分子線エピタキシ(MBE)装置を用いた。 The inventors of the present application tried to obtain a ZnO: N single crystal film by oxidizing the Zn 3 N 2 single crystal film. Therefore, an experiment for growing a Zn 3 N 2 single crystal film was conducted. A molecular beam epitaxy (MBE) apparatus was used for forming the Zn 3 N 2 film.
図1は、Zn3N2単結晶膜の成膜に用いられるMBE装置の概略断面図である。なお、ここで、MBE装置として、後述の第4、第5実験で形成するZnO膜やMgO膜、応用例のZnO系半導体発光素子の作製時に形成する各層等も成膜できる装置について説明する。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an MBE apparatus used for forming a Zn 3 N 2 single crystal film. Here, as the MBE apparatus, an apparatus capable of forming a ZnO film or an MgO film formed in the later-described fourth and fifth experiments, each layer formed at the time of manufacturing the ZnO-based semiconductor light emitting element of the application example, and the like will be described.
真空チャンバー1が、Znソースガン2、Mgソースガン3、(必要に応じて)Gaソースガン4、Oソースガン5、及び、Nソースガン6を備える。Znソースガン2、Mgソースガン3、Gaソースガン4は、それぞれ、Zn固体ソース(例えば純度7N)、Mg固体ソース(例えば純度6N)、及びGa固体ソースを収容するクヌーセンセルを含み、Znビーム、Mgビーム、Gaビームを出射する。クヌーセンセルは、パイロリティックボロンナイトライド(PBN)製るつぼと、るつぼを加熱するヒータとを含む。 The vacuum chamber 1 includes a Zn source gun 2, an Mg source gun 3, a Ga source gun 4, an O source gun 5, and an N source gun 6 (if necessary). Each of the Zn source gun 2, the Mg source gun 3, and the Ga source gun 4 includes a Zn solid source (eg, purity 7N), an Mg solid source (eg, purity 6N), and a Knudsen cell containing a Ga solid source, and a Zn beam. , Mg beam and Ga beam are emitted. The Knudsen cell includes a pyrolytic boron nitride (PBN) crucible and a heater that heats the crucible.
なお、ZnO系半導体のn型導電性は、n型不純物を添加しなくても得ることができるが、Gaを、n型キャリア濃度を高めるために添加することもできる。 Note that the n-type conductivity of the ZnO-based semiconductor can be obtained without adding an n-type impurity, but Ga can also be added to increase the n-type carrier concentration.
Oソースガン5、Nソースガン6は、それぞれ、例えば13.56MHzのラジオ周波(RF)を用いた無電極放電管を含み、Oラジカルビーム、Nラジカルビームを出射する。放電管材料としては、PBNもしくは高純度石英を使用する。O2ボンベ5aからマスフローコントローラ5bを介して、O源となるO2ガス(例えば純度6N)がOソースガン5に供給される。N2ボンベ6aからマスフローコントローラ6bを介して、N源となるN2ガス(例えば純度6N)がNソースガン6に供給される。 Each of the O source gun 5 and the N source gun 6 includes an electrodeless discharge tube using a radio frequency (RF) of 13.56 MHz, for example, and emits an O radical beam and an N radical beam. As the discharge tube material, PBN or high-purity quartz is used. O 2 through the mass flow controller 5b from the cylinder 5a, O source and comprising O 2 gas (e.g. purity 6N) is supplied to the O source gun 5. Through the N 2 gas cylinder 6a mass flow controller 6b, the N source N 2 gas (e.g. purity 6N) is supplied to the N source gun 6.
真空チャンバー1内に、ヒータを含む基板ホルダ7が配置され、ホルダ7が基板8を保持する。基板8上に、所望のビームを供給することにより、所望の組成の結晶層を成長させることができる。真空チャンバー1内に、また、水晶振動子を用いた膜厚計9が備えられている。膜厚計9で測定される堆積速度から、Znビーム等のフラックスが求められる。 A substrate holder 7 including a heater is disposed in the vacuum chamber 1, and the holder 7 holds the substrate 8. A crystal layer having a desired composition can be grown on the substrate 8 by supplying a desired beam. In the vacuum chamber 1, a film thickness meter 9 using a quartz resonator is provided. From the deposition rate measured by the film thickness meter 9, a flux such as a Zn beam is obtained.
本MBE装置は、反射高速電子回折(RHEED)用のガン10、RHEED像を映すスクリーン11、及び、固体撮像装置とモニタとを含むRHEED像の表示装置12も備える。RHEED像から、成長した結晶層の結晶性を判定することができる。 The MBE apparatus also includes a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) gun 10, a screen 11 that displays an RHEED image, and an RHEED image display device 12 that includes a solid-state imaging device and a monitor. From the RHEED image, the crystallinity of the grown crystal layer can be determined.
次に、Zn3N2単結晶膜を成膜できる条件について調べた第1実験について説明する。第1実験では、a面サファイア基板上に、Zn3N2膜を成長させた。a面サファイア基板は、10mm角のものを用いた。 Next, a first experiment in which the conditions under which a Zn 3 N 2 single crystal film can be formed will be described. In the first experiment, a Zn 3 N 2 film was grown on an a-plane sapphire substrate. The a-plane sapphire substrate used was a 10 mm square.
Nラジカルビームの供給条件は、RFパワーを300W、N2流量を2sccmとし、一定とした。Znビームの供給条件は、Znフラックスを0.05nm/s〜0.65nm/s(3.3×1014atoms/cm2s〜4.3×1015atoms/cm2s)の範囲で変化させた。そして、成長温度を200℃〜250℃の範囲で変化させた。 The supply conditions of the N radical beam were constant, with the RF power being 300 W and the N 2 flow rate being 2 sccm. The supply condition of the Zn beam varies in the range of Zn flux from 0.05 nm / s to 0.65 nm / s (3.3 × 10 14 atoms / cm 2 s to 4.3 × 10 15 atoms / cm 2 s). I let you. And the growth temperature was changed in the range of 200 degreeC-250 degreeC.
図2は、Zn3N2膜の成長速度の、Znフラックス及び成長温度依存性を示すグラフである。横軸は、Å/s単位の堆積速度で表したZnフラックス(FZn)であり、縦軸は、nm/h単位で表したZn3N2膜の成長速度である。成長温度(Tg)200℃、225℃、及び250℃の結果を、それぞれ、丸、四角、三角のプロットで示す。 FIG. 2 is a graph showing the Zn flux and growth temperature dependence of the growth rate of the Zn 3 N 2 film. The horizontal axis represents Zn flux (F Zn ) expressed in deposition rate in units of Å / s, and the vertical axis represents the growth rate of Zn 3 N 2 film expressed in nm / h units. The results at the growth temperature (Tg) of 200 ° C., 225 ° C., and 250 ° C. are shown as circle, square, and triangle plots, respectively.
Zn3N2膜の成長速度は、成長温度に大きく依存し、成長温度の増加とともに減少することがわかる。図2中には、成長速度のZnフラックス依存性を近似式GZn3N2=[(kZnJZn)−1+(kNJN)−1]−1でフィッティングした結果を曲線で示している。ここでkZn、kNはそれぞれZn及びNの付着係数、JZn、JNはそれぞれZn及びNのフラックスで単位面積単位時間あたりの照射原子数である。kNJNを2´1014atoms/cm2sとして、成長温度Tgが200℃、 225℃、 250℃の時、それぞれ、Znの付着係数kZnが0.2、0.03、 0.002であると見積もられた。Zn3N2膜は、成長温度300℃を超えると全く成長しなかった。 It can be seen that the growth rate of the Zn 3 N 2 film greatly depends on the growth temperature and decreases as the growth temperature increases. In the figure 2 shows the results of fitting the Zn flux dependence of the growth rate approximation formula G Zn3N2 = [(k Zn J Zn) -1 + (k N J N) -1] -1 by curve . Here k Zn, k N is the number of irradiation atoms per sticking coefficient, J Zn, J N unit area per unit time in the flux of each Zn and N, respectively Zn and N. When k N J N is 2′10 14 atoms / cm 2 s and the growth temperatures Tg are 200 ° C., 225 ° C., and 250 ° C., the Zn adhesion coefficient k Zn is 0.2, 0.03,. 002 was estimated. The Zn 3 N 2 film did not grow at all when the growth temperature exceeded 300 ° C.
Zn3N2膜の結晶性を、RHEEDで評価した。成長温度が200℃〜250℃の範囲において、成長速度が100nm/h以下の場合に、RHEED像はストリークで(4×4)の再構築パターンを示し、Zn3N2単結晶膜がエピタキシャル成長することがわかった。成長速度が100nm/h以上では、RHEED像がリングパターンを示し、多結晶膜が成長することがわかった。 The crystallinity of the Zn 3 N 2 film was evaluated by RHEED. When the growth temperature is in the range of 200 ° C. to 250 ° C. and the growth rate is 100 nm / h or less, the RHEED image shows a (4 × 4) reconstruction pattern with streaks, and the Zn 3 N 2 single crystal film grows epitaxially. I understood it. When the growth rate was 100 nm / h or more, it was found that the RHEED image showed a ring pattern and a polycrystalline film grew.
さらに、c面サファイア基板上にZn3N2膜を成長させる実験と、ZnO基板上にZn3N2膜を成長させる実験も行った。 Furthermore, an experiment for growing a Zn 3 N 2 film on a c-plane sapphire substrate and an experiment for growing a Zn 3 N 2 film on a ZnO substrate were also performed.
上述の単結晶膜が成長する成長条件で、c面サファイア基板上にZn3N2膜を成長させた場合は、RHEED像がスポット−リングパターンとなり、多結晶膜しか成長しないことを確認した。 It was confirmed that when a Zn 3 N 2 film was grown on a c-plane sapphire substrate under the growth conditions for growing the above-described single crystal film, the RHEED image became a spot-ring pattern and only a polycrystalline film was grown.
上述の単結晶膜が成長する成長条件で、ZnO基板上にZn3N2膜を成長させた場合は、a面サファイア基板上に成長させた場合と同様に、RHEED像がストリークで(4×4)の再構築パターンを示し、Zn3N2単結晶膜がエピタキシャル成長することがわかった。 When a Zn 3 N 2 film is grown on a ZnO substrate under the above-described growth conditions for growing a single crystal film, the RHEED image is streak (4 ×) as in the case of growing on an a-plane sapphire substrate. The reconstruction pattern of 4) was shown, and it was found that the Zn 3 N 2 single crystal film was epitaxially grown.
次に、a面サファイア基板上に成長させたZn3N2単結晶膜の結晶方位について調べた第2実験について説明する。 Next, a second experiment in which the crystal orientation of the Zn 3 N 2 single crystal film grown on the a-plane sapphire substrate is examined will be described.
図3Aは、第2実験のサンプル構造を示す概略断面図である。a面サファイア基板21上に、成長温度を225℃とし、Znフラックスを0.12nm/s(7.9×1014atoms/cm2s)とし、Nラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでN2流量2sccmとして、Zn3N2膜22を成長した。 FIG. 3A is a schematic cross-sectional view showing a sample structure of a second experiment. On the a-plane sapphire substrate 21, the growth temperature is set to 225 ° C., the Zn flux is set to 0.12 nm / s (7.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), and the N radical beam irradiation condition is set to N with RF power of 300 W. A Zn 3 N 2 film 22 was grown at a flow rate of 2 sccm.
図3B1〜図3B4は、第2実験のサンプルのRHEED像である。図3B1は、サファイア基板の[0001]方向のRHEED像であり、図3B2は、サファイア基板の[1−100]方向のRHEED像であり、図3B3は、Zn3N2膜の[1−10]方向のRHEED像であり、図3B4は、Zn3N2膜の[11−2]方向のRHEED像である。 3B1 to 3B4 are RHEED images of the sample of the second experiment. 3B1 is a RHEED image in the [0001] direction of the sapphire substrate, FIG. 3B2 is a RHEED image in the [1-100] direction of the sapphire substrate, and FIG. 3B3 is a [1-10] of the Zn 3 N 2 film. ] FIG. 3B4 is a RHEED image in the [11-2] direction of the Zn 3 N 2 film.
図3Cは、第2実験のサンプルに対するX線回折(XRD)の2θ/ωスキャン測定結果を示すグラフである。 FIG. 3C is a graph showing the X-ray diffraction (XRD) 2θ / ω scan measurement result for the sample of the second experiment.
図5Aは、第2実験のサンプルに対するXRDのΦスキャン測定結果を示すグラフである。 FIG. 5A is a graph showing the XRD Φ scan measurement results for the sample of the second experiment.
XRDの2θ/ωスキャン測定において、サファイア基板の(11−20)面及び(22−40)面からの回折ピークと、Zn3N2膜の(222)面及び(444)面からの回折ピークのみが観測され、サファイア(11−20)面上に、Zn3N2(111)面がエピタキシャル成長していることがわかった。 In XRD 2θ / ω scan measurement, diffraction peaks from the (11-20) plane and (22-40) plane of the sapphire substrate, and diffraction peaks from the (222) plane and (444) plane of the Zn 3 N 2 film Only Zn was observed, and it was found that the Zn 3 N 2 (111) plane was epitaxially grown on the sapphire (11-20) plane.
また、RHEED及びXRDのΦスキャン測定から、面内方向はZn3N2[11−2]+8°//サファイア[1−100]、及びZn3N2[1−10]+8°//サファイア[0001]という結果が得られ、Zn3N2膜がサファイアのm軸から約8°回転して配向していることがわかった。 Also, from the RHEED and XRD Φ scan measurements, the in-plane directions are Zn 3 N 2 [11-2] + 8 ° // sapphire [1-100] and Zn 3 N 2 [1-10] + 8 ° // sapphire. The result of [0001] was obtained, and it was found that the Zn 3 N 2 film was oriented by rotating about 8 ° from the m-axis of sapphire.
次に、Zn面ZnO基板上に成長させたZn3N2単結晶膜の結晶方位について調べた第3の実験について説明する。 Next, a third experiment in which the crystal orientation of the Zn 3 N 2 single crystal film grown on the Zn-face ZnO substrate is examined will be described.
図4Aは、第3実験のサンプル構造を示す概略断面図である。Zn面ZnO基板31上に、第3実験と同様に、成長温度を225℃とし、Znフラックスを0.12nm/s(7.9×1014atoms/cm2s)とし、Nラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでN2流量2sccmとして、Zn3N2膜32を成長した。 FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing a sample structure of a third experiment. On the Zn surface ZnO substrate 31, as in the third experiment, the growth temperature is 225 ° C., the Zn flux is 0.12 nm / s (7.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), and N radical beam irradiation conditions are set. The Zn 3 N 2 film 32 was grown at an RF power of 300 W and an N 2 flow rate of 2 sccm.
図4B1〜図4B4は、第3実験のサンプルのRHEED像である。図4B1は、ZnO基板の[11−20]方向のRHEED像であり、図4B2は、ZnO基板の[1−100]方向のRHEED像であり、図4B3は、Zn3N2膜の[1−10]方向のRHEED像であり、図4B4は、Zn3N2膜の[11−2]方向のRHEED像である。 4B1 to 4B4 are RHEED images of the sample of the third experiment. 4B1 is a RHEED image of the [11-20] direction of the ZnO substrate, FIG. 4B2 is a RHEED image of the [1-100] direction of the ZnO substrate, and FIG. 4B3 is a [1] of the Zn 3 N 2 film. FIG. 4B4 is a RHEED image in the [11-2] direction of the Zn 3 N 2 film.
図4Cは、第3実験のサンプルに対するXRDの2θ/ωスキャン測定結果を示すグラフである。 FIG. 4C is a graph showing the XRD 2θ / ω scan measurement results for the sample of the third experiment.
図5Bは、第3実験のサンプルに対するXRDのΦスキャン測定結果を示すグラフである。 FIG. 5B is a graph showing the XRD Φ scan measurement result for the sample of the third experiment.
XRDの2θ/ωスキャン測定において、ZnO基板の (0002)面及び(0004)面からの回折ピークと、Zn3N2膜の(222)面及び(444)面からの回折ピークのみが観測され、ZnO(0001)面上に、Zn3N2(111)面がエピタキシャル成長していることがわかった。 In XRD 2θ / ω scan measurement, only diffraction peaks from the (0002) and (0004) planes of the ZnO substrate and diffraction peaks from the (222) and (444) planes of the Zn 3 N 2 film were observed. It was found that the Zn 3 N 2 (111) plane was epitaxially grown on the ZnO (0001) plane.
また、RHEED及びXRDのΦスキャン測定から、面内方向はZn3N2[11−2]//ZnO[1−100]、及びZn3N2[1−10]//ZnO[11−20]であることがわかった。Zn3N2のストリークパターンは、格子ミスマッチに対応して、ZnOのストリークパターンの約6%内側に現れた。 Further, from the RHEED and XRD Φ scan measurements, the in-plane directions are Zn 3 N 2 [11-2] // ZnO [1-100] and Zn 3 N 2 [1-10] // ZnO [11-20]. It turns out that The streak pattern of Zn 3 N 2 appeared approximately 6% inside the streak pattern of ZnO corresponding to the lattice mismatch.
なお、第3実験においてはZn面ZnO基板を用いたが、O面ZnO基板でも同様な結果が得られた。 In the third experiment, a Zn-face ZnO substrate was used, but similar results were obtained with an O-face ZnO substrate.
次に、a面サファイア基板上にZnOエピタキシャル成長膜を形成し、ZnOエピタキシャル成長膜上にZn3N2膜を成長させた第4実験について説明する。 Next, a fourth experiment in which a ZnO epitaxial growth film is formed on an a-plane sapphire substrate and a Zn 3 N 2 film is grown on the ZnO epitaxial growth film will be described.
図6Aは、第4実験のサンプル構造を示す概略断面図である。a面サファイア基板41上に、成長温度を300℃とし、Znフラックスを0.11nm/sとし、Oラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでO2流量2sccmとして、厚さ約30nmの低温ZnOバッファ層42を成長させた。そして、低温ZnOバッファ層42の結晶性及び表面平坦性改善のため、900℃で30分アニールを施した。 FIG. 6A is a schematic cross-sectional view showing a sample structure of a fourth experiment. On the a-plane sapphire substrate 41, a growth temperature is set to 300 ° C., a Zn flux is set to 0.11 nm / s, an O radical beam irradiation condition is set to an RF power of 300 W, an O 2 flow rate of 2 sccm, and a low-temperature ZnO buffer having a thickness of about 30 nm. Layer 42 was grown. Then, annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes in order to improve the crystallinity and surface flatness of the low-temperature ZnO buffer layer 42.
そして、成長温度を700℃とし、Znフラックスを0.35nm/sとし、Oラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでO2流量2sccmとして、厚さ約1μmのZnO膜43を成長させた。ZnO膜43は、O極性面(−c面)で成長している。 Then, a ZnO film 43 having a thickness of about 1 μm was grown at a growth temperature of 700 ° C., a Zn flux of 0.35 nm / s, an O radical beam irradiation condition of RF power of 300 W and an O 2 flow rate of 2 sccm. The ZnO film 43 is grown on the O polar plane (−c plane).
さらに、成長温度を225℃とし、Znフラックスを0.11nm/sとし、Nラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでN2流量2sccmとして、厚さ約100nmのZn3N2膜44を成長させた。 Further, a Zn 3 N 2 film 44 having a thickness of about 100 nm is grown at a growth temperature of 225 ° C., a Zn flux of 0.11 nm / s, an N radical beam irradiation condition of an RF power of 300 W and an N 2 flow rate of 2 sccm. It was.
図6B1〜図6B4は、第4実験のサンプルのRHEED像である。図6B1は、ZnO下地膜の[11−20]方向のRHEED像であり、図6B2は、ZnO下地膜の[1−100]方向のRHEED像であり、図6B3は、Zn3N2膜の[110]方向のRHEED像であり、図6B4は、Zn3N2膜の[112]方向のRHEED像である。なお、これらのRHEED像ではスクリーンの汚れが斜めの線として現れている(これは、後述の第5実験の図7B1〜図7B4でも同様である)。 6B1 to 6B4 are RHEED images of the sample of the fourth experiment. 6B1 is a [11-20] direction RHEED image of the ZnO underlayer, FIG. 6B2 is a [1-100] direction RHEED image of the ZnO underlayer, and FIG. 6B3 is a Zn 3 N 2 layer. FIG. 6B4 is an RHEED image in the [112] direction of the Zn 3 N 2 film. In these RHEED images, screen stains appear as diagonal lines (this is the same in FIGS. 7B1 to 7B4 of the fifth experiment described later).
図6Cは、第4実験のサンプルに対するXRDの2θ/ωスキャン測定結果を示すグラフである。 FIG. 6C is a graph showing the XRD 2θ / ω scan measurement results for the sample of the fourth experiment.
サファイア基板のa面、ZnOのc面、及びZn3N2(111)面に係る回折ピークのみが観察され、エピタキシャル成長方向は、Zn3N2(111)//ZnO(000−1)//サファイア(11−20)であることがわかった。また、面内方向は、Zn3N2[11−2]//ZnO[1−100]//サファイア[1−100]、及びZn3N2[1−10]//ZnO[11−20]//サファイア [0001]であることがわかった。 Only the diffraction peaks related to the a-plane of the sapphire substrate, the c-plane of ZnO, and the Zn 3 N 2 (111) plane are observed, and the epitaxial growth direction is Zn 3 N 2 (111) // ZnO (000-1) // It was found to be sapphire (11-20). The in-plane directions are Zn 3 N 2 [11-2] // ZnO [1-100] // sapphire [1-100] and Zn 3 N 2 [1-10] // ZnO [11-20]. ] // Sapphire [0001].
次に、c面サファイア基板上にZnOエピタキシャル成長膜を形成し、ZnOエピタキシャル成長膜上にZn3N2膜を成長させた第5実験について説明する。 Next, a fifth experiment in which a ZnO epitaxial growth film is formed on a c-plane sapphire substrate and a Zn 3 N 2 film is grown on the ZnO epitaxial growth film will be described.
図7Aは、第5実験のサンプル構造を示す概略断面図である。c面サファイア基板51上に、成長温度を650℃とし、Mgフラックスを0.05nm/sとし、Oラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでO2流量2sccmとして、厚さ約10nmのMgO膜52を成長させた。MgO膜52は、その上に表面がZn極性面のZnOを成長させる極性制御層として働く。 FIG. 7A is a schematic cross-sectional view showing a sample structure of a fifth experiment. On the c-plane sapphire substrate 51, the growth temperature is set to 650 ° C., the Mg flux is set to 0.05 nm / s, the O radical beam irradiation conditions are set to an RF power of 300 W, an O 2 flow rate of 2 sccm, and a MgO film 52 having a thickness of about 10 nm. Grew. The MgO film 52 functions as a polarity control layer on which ZnO having a Zn polar surface is grown.
MgO膜52上に、成長温度を300℃とし、Znフラックスを0.11nm/sとし、Oラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでO2流量2sccmとして、厚さ約30nmの低温ZnOバッファ層53を成長させた。そして、低温ZnOバッファ層53の結晶性及び表面平坦性改善のため、900℃で30分アニールを施した。 On the MgO film 52, the growth temperature is 300 ° C., the Zn flux is 0.11 nm / s, the O radical beam irradiation conditions are an RF power of 300 W, an O 2 flow rate of 2 sccm, and a low-temperature ZnO buffer layer 53 having a thickness of about 30 nm. Grew. Then, annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes in order to improve crystallinity and surface flatness of the low temperature ZnO buffer layer 53.
そして、成長温度を900℃とし、Znフラックスを0.05nm/sとし、Oラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでO2流量2sccmとして、厚さ約1.5μmのZnO膜54を成長させた。ZnO膜54は、Zn極性面(+c面)で成長している。 Then, the growth temperature was set to 900 ° C., the Zn flux was set to 0.05 nm / s, the O radical beam irradiation conditions were set to an RF power of 300 W, an O 2 flow rate of 2 sccm, and a ZnO film 54 having a thickness of about 1.5 μm was grown. . The ZnO film 54 is grown on the Zn polar face (+ c face).
さらに、成長温度を225℃とし、Znフラックスを0.11nm/sとし、Nラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでN2流量2sccmとして、厚さ約100nmのZn3N2膜55を成長させた。 Further, a Zn 3 N 2 film 55 having a thickness of about 100 nm is grown at a growth temperature of 225 ° C., a Zn flux of 0.11 nm / s, an N radical beam irradiation condition of an RF power of 300 W and an N 2 flow rate of 2 sccm. It was.
図7B1〜図7B4は、第5実験のサンプルのRHEED像である。図7B1は、ZnO下地膜の[11−20]方向のRHEED像であり、図7B2は、ZnO下地膜の[1−100]方向のRHEED像であり、図7B3は、Zn3N2膜の[110]方向のRHEED像であり、図7B4は、Zn3N2膜の[112]方向のRHEED像である。 7B1 to 7B4 are RHEED images of the sample of the fifth experiment. Figure 7B1 is a RHEED image of the [11-20] direction of the ZnO base film, Fig. 7B2 is a RHEED image of the [1-100] direction of the ZnO base film, Fig. 7B3 is a Zn 3 N 2 film [110] direction RHEED image, FIG. 7B4 is a [112] direction RHEED image of the Zn 3 N 2 film.
図7Cは、第5実験のサンプルに対するXRDの2θ/ωスキャン測定結果を示すグラフである。 FIG. 7C is a graph showing the XRD 2θ / ω scan measurement results for the sample of the fifth experiment.
サファイア基板のc面、MgO(111)面、ZnOのc面、及びZn3N2(111)面に係る回折ピークのみが観察され、エピタキシャル成長方向は、Zn3N2(111)//ZnO(0001)//MgO(111)//サファイア(0001)であることがわかった。また、面内方向、Zn3N2[11−2]//ZnO[1−100]//MgO[11−2]//サファイア [11−20]、及びZn3N2[1−10]//ZnO[11−20]//MgO[1−10]//サファイア [1−100]であった。 Only diffraction peaks relating to the c-plane of the sapphire substrate, the MgO (111) plane, the c-plane of ZnO, and the Zn 3 N 2 (111) plane are observed, and the epitaxial growth direction is Zn 3 N 2 (111) // ZnO ( 0001) // MgO (111) // Sapphire (0001). Also, in-plane direction, Zn 3 N 2 [11-2] // ZnO [1-100] // MgO [11-2] // sapphire [11-20], and Zn 3 N 2 [1-10] // ZnO [11-20] // MgO [1-10] // Sapphire [1-100].
第4実験及び第5実験で説明したように、ZnO以外の基板を用いる場合でも、基板上にZnOをエピタキシャル成長させることにより、ZnO単結晶下地膜上に、Zn3N2(111)面をエピタキシャル成長させられることがわかった。なお、ZnO単結晶膜の代わりに、ZnOにMgを添加したMgZnO単結晶膜を下地としても、同様の結果が得られる。 As described in the fourth and fifth experiments, even when a substrate other than ZnO is used, the Zn 3 N 2 (111) plane is epitaxially grown on the ZnO single crystal underlayer by epitaxially growing ZnO on the substrate. I found out that Similar results can be obtained by using a MgZnO single crystal film obtained by adding Mg to ZnO instead of the ZnO single crystal film.
本願発明者らは、さらに、Zn3N2単結晶膜を酸化してZnO:N膜を得る実験を行った。まず、酸化装置について説明する。 The inventors further conducted an experiment to obtain a ZnO: N film by oxidizing a Zn 3 N 2 single crystal film. First, the oxidation apparatus will be described.
図8は、Zn3N2膜の酸化に用いられる酸化用電気炉の概略断面図である。チャンバー61内に配置されたサセプタ62に、サンプル63が載置され、ヒータ64が、サンプル63を加熱する。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an oxidizing electric furnace used for oxidizing a Zn 3 N 2 film. A sample 63 is placed on a susceptor 62 disposed in the chamber 61, and a heater 64 heats the sample 63.
O2源65aからマスフローコントローラ65bを介して、O2ガスがチャンバー61内に供給される。H2O源66aからマスフローコントローラ66bを介して、H2Oガスがチャンバー61内に供給される。例えば以下のようにして、H2Oガスを供給できる。水ボトルを例えば110℃に加熱して水蒸気を発生させ、例えば200℃程度に加熱した配管と、高温用マスフローコントローラを介して、H2Oガスが供給される。 From O 2 source 65a through a mass flow controller 65b, O 2 gas is supplied into the chamber 61. Through a mass flow controller 66b from H 2 O source 66a, H 2 O gas is supplied into the chamber 61. For example, H 2 O gas can be supplied as follows. The water bottle is heated to, for example, 110 ° C. to generate water vapor, and H 2 O gas is supplied through a pipe heated to, for example, about 200 ° C. and a high-temperature mass flow controller.
次に、Zn3N2単結晶膜を、O2ガスフロー中で酸化させてZnO:N膜を得た第6実験について説明する。Zn3N2単結晶膜は、第2実験と同様な成膜条件で、a面サファイア基板上に成長させた。 Next, a sixth experiment in which a Zn 3 N 2 single crystal film is oxidized in an O 2 gas flow to obtain a ZnO: N film will be described. The Zn 3 N 2 single crystal film was grown on the a-plane sapphire substrate under the same film formation conditions as in the second experiment.
成長させたまま(as−grown)のZn3N2単結晶膜は、不透明で金属光沢を有したダークグレー色を呈する。Zn3N2膜は、酸化することにより透光性のあるブラウン色となる。さらに酸化が進み、完全にZnO:N膜となった時は、無色で透明な膜が得られる。これは、以下に考察するように、バンドギャップの変化に対応していると考えられる。 The as-grown Zn 3 N 2 single crystal film exhibits a dark gray color that is opaque and has a metallic luster. The Zn 3 N 2 film becomes a translucent brown color when oxidized. When the oxidation further progresses to a complete ZnO: N film, a colorless and transparent film can be obtained. This is considered to correspond to the change of the band gap as discussed below.
なお、後述のように、第6実験のサンプルのZnO:N膜は、表面凹凸構造による光の散乱で、膜が白っぽく(白濁して)見える。第7、第8実験のサンプルのZnO:N膜は、表面平坦性がよく、白濁のない無色透明となる。 As will be described later, the ZnO: N film of the sample of the sixth experiment appears whitish (white turbid) due to light scattering by the surface uneven structure. The ZnO: N films of the samples of the seventh and eighth experiments have good surface flatness and are colorless and transparent without white turbidity.
図9は、Zn3N2、Mg3N2、ZnO、及びMgOの諸物性をまとめた表である。Zn3N2は、バンドギャップが1.06eVとSiのバンドギャップ(1.1eV)に近く、Siと同様の色を呈す。Zn3N2膜の酸化が一部進むと、ZnOに変化している部分とZn3N2の部分が混在している状態になり、OドープZn3N2は、若干バンドギャップが拡がることが推察される。その結果、膜はブラウン色となる。さらに酸化が進み、膜全体がZnOに変化すると、ZnOのバンドギャップは3.37eVであり、可視光領域で透明であるため、無色透明な膜が得られる。 FIG. 9 is a table summarizing various physical properties of Zn 3 N 2 , Mg 3 N 2 , ZnO, and MgO. Zn 3 N 2 has a band gap close to 1.06 eV and a band gap of Si (1.1 eV), and exhibits the same color as Si. When the oxidation of the Zn 3 N 2 film partially proceeds, the portion changed to ZnO and the portion of Zn 3 N 2 are mixed, and the band gap of O-doped Zn 3 N 2 is slightly expanded. Is inferred. As a result, the film becomes brown. When the oxidation further proceeds and the entire film changes to ZnO, the band gap of ZnO is 3.37 eV and is transparent in the visible light region, so that a colorless and transparent film can be obtained.
図10A及び図10Bは、第6実験におけるXRDの2θ/ωスキャン測定結果を示すグラフである。 10A and 10B are graphs showing the XRD 2θ / ω scan measurement results in the sixth experiment.
図10Aに結果を示す実験では、厚さ200nmのZn3N2膜を形成し、酸化した。酸化条件は、O2流量を200sccm、圧力を50kPaとして、酸化時間を30分と一定にし、酸化温度を550℃〜700℃の範囲で変化させた。 In the experiment whose result is shown in FIG. 10A, a Zn 3 N 2 film having a thickness of 200 nm was formed and oxidized. The oxidation conditions were an O 2 flow rate of 200 sccm, a pressure of 50 kPa, an oxidation time of 30 minutes, and an oxidation temperature in the range of 550 ° C. to 700 ° C.
図10Aに、as−grownで酸化なしのサンプルのXRDパターンと、酸化温度を50℃ずつ変えたサンプルのXRDパターンを示す。酸化温度が高いほど、酸化がより進行し、650℃以上でZn3N2(222)面からの回折が消失して、全てZnO(0002)面からの回折に変化している。 FIG. 10A shows an XRD pattern of a sample that is as-grown and not oxidized, and an XRD pattern of a sample in which the oxidation temperature is changed by 50 ° C. The higher the oxidation temperature, the more the oxidation proceeds, and the diffraction from the Zn 3 N 2 (222) plane disappears at 650 ° C. or higher, and all changes to the diffraction from the ZnO (0002) plane.
図10Bに結果を示す実験でも、厚さ200nmのZn3N2膜を形成し、酸化した。酸化条件は、O2流量を200sccm、圧力を50kPaとして、酸化温度を550℃と一定にし、酸化時間を0分〜180分の範囲で変化させた。 In the experiment whose result is shown in FIG. 10B, a Zn 3 N 2 film having a thickness of 200 nm was formed and oxidized. The oxidation conditions were an O 2 flow rate of 200 sccm, a pressure of 50 kPa, an oxidation temperature of 550 ° C., and an oxidation time of 0 to 180 minutes.
図10Bは、XRDピーク強度の酸化時間に対する変化を示すグラフである。Zn3N2(222)面のピーク強度を、as−grownのZn3N2単結晶膜のピーク強度を1に規格化して示すとともに、ZnO(0002)面のピーク強度を、完全にZnOに変化したZnO:N単結晶膜のピーク強度を1に規格化して示す。Zn3N2のピーク強度を菱形のプロットで示し、ZnOのピーク強度を丸のプロットで示す。 FIG. 10B is a graph showing changes in XRD peak intensity with respect to oxidation time. The peak intensity of the Zn 3 N 2 (222) plane is normalized to the peak intensity of the as-grown Zn 3 N 2 single crystal film as 1, and the peak intensity of the ZnO (0002) plane is completely changed to ZnO. The peak intensity of the changed ZnO: N single crystal film is normalized to 1 and shown. The peak intensity of Zn 3 N 2 is shown as a rhombus plot, and the peak intensity of ZnO is shown as a circle plot.
酸化時間が長くなるにつれて、Zn3N2(222)面のピーク強度が減少し、それに伴いZnO(0002)面のピーク強度が増加すること、つまり、酸化が進行することにより、Zn3N2(111)膜がZnO(0001)膜に変化することがわかる。 As the oxidation time becomes longer, the peak intensity of the Zn 3 N 2 (222) plane decreases, and accordingly the peak intensity of the ZnO (0002) plane increases, that is, the oxidation progresses, so that Zn 3 N 2 It can be seen that the (111) film changes to a ZnO (0001) film.
180分酸化処理をしたものは、Zn3N2(222)面のピークが完全に消失し、すべてZnO(0002)面のピークとなった。基板を除いて他の回折面からのピークは観測されず、Zn3N2からZnOへの変化は単結晶状態を保っていることがわかった。このようにして得られたZnO:N膜は、表面白濁が見られ表面平坦性が悪く、粘着テープにより膜が容易に剥がれてしまい基板との密着性も弱い膜であった。 In the case of 180 minutes oxidation treatment, the peak of the Zn 3 N 2 (222) plane disappeared completely, and all became the peak of the ZnO (0002) plane. Except for the substrate, no peaks from other diffraction planes were observed, and it was found that the change from Zn 3 N 2 to ZnO maintained a single crystal state. The ZnO: N film obtained in this way was a film with a surface turbidity and poor surface flatness, and the film was easily peeled off by an adhesive tape and had poor adhesion to the substrate.
さらに、厚さ50nmのZn3N2膜を形成し、O2流量を200sccm、圧力を50kPa、酸化温度を600℃、酸化時間を30分として酸化を行い、ZnO:N膜を作製した(この試料をサンプルAと呼ぶ)、サンプルAの電気的特性及びN濃度を測定した。電気的特性は室温におけるホール測定で、N濃度は2次イオン質量分析(SIMS)で測定した。 Further, a Zn 3 N 2 film having a thickness of 50 nm was formed, and oxidation was performed with an O 2 flow rate of 200 sccm, a pressure of 50 kPa, an oxidation temperature of 600 ° C., and an oxidation time of 30 minutes, thereby producing a ZnO: N film (this The sample was called Sample A), and the electrical properties and N concentration of Sample A were measured. The electrical characteristics were measured by hole measurement at room temperature, and the N concentration was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
次に、Zn3N2単結晶膜を、H2Oガスフロー中で酸化させてZnO:N膜を得た第7実験について説明する。Zn3N2単結晶膜は、第2実験と同様な成膜条件で、a面サファイア基板上に成長させた。 Next, a seventh experiment in which a ZnO: N film is obtained by oxidizing a Zn 3 N 2 single crystal film in a H 2 O gas flow will be described. The Zn 3 N 2 single crystal film was grown on the a-plane sapphire substrate under the same film formation conditions as in the second experiment.
図11A及び図11Bは、第7実験におけるXRDの2θ/ωスキャン測定結果を示すグラフである。 11A and 11B are graphs showing the XRD 2θ / ω scan measurement results in the seventh experiment.
図11Aに結果を示す実験では、厚さ200nmのZn3N2膜を形成し、酸化した。酸化条件は、H2O流量を200sccm、圧力を50kPaとして、酸化時間を2分と一定にし、酸化温度を400℃〜700℃の範囲で変化させた。 In the experiment whose result is shown in FIG. 11A, a Zn 3 N 2 film having a thickness of 200 nm was formed and oxidized. The oxidation conditions were as follows: the H 2 O flow rate was 200 sccm, the pressure was 50 kPa, the oxidation time was constant at 2 minutes, and the oxidation temperature was changed in the range of 400 ° C. to 700 ° C.
図11Aに、as−grownで酸化なしのサンプルのXRDパターンと、酸化温度を100℃ずつ変えたサンプルのXRDパターンを示す。O2ガス酸化による第6実験と同様に、酸化温度が高いほど、酸化がより進行している。600℃から700℃の間で、Zn3N2(222)面からの回折が消失して、全てZnO(0002)面からの回折に変化している。 FIG. 11A shows an XRD pattern of a sample with as-grown and no oxidation, and an XRD pattern of a sample in which the oxidation temperature is changed by 100 ° C. Similar to the sixth experiment using O 2 gas oxidation, the higher the oxidation temperature, the more the oxidation proceeds. Diffraction from the Zn 3 N 2 (222) plane disappears between 600 ° C. and 700 ° C., and all changes to diffraction from the ZnO (0002) plane.
図11Bに結果を示す実験でも、厚さ200nmのZn3N2膜を形成し、酸化した。酸化条件は、H2O流量を200sccm、圧力を50kPaとして、酸化温度を600℃と一定にし、酸化時間を0分〜20分の範囲で変化させた。 In the experiment whose result is shown in FIG. 11B, a Zn 3 N 2 film having a thickness of 200 nm was formed and oxidized. The oxidation conditions were such that the H 2 O flow rate was 200 sccm, the pressure was 50 kPa, the oxidation temperature was kept constant at 600 ° C., and the oxidation time was varied in the range of 0 to 20 minutes.
図11Bは、XRDピーク強度の酸化時間に対する変化を示すグラフである。Zn3N2(222)面のピーク強度と、ZnO(0002)面のピーク強度とを、第6実験の図10Bと同様に規格化して示す。 FIG. 11B is a graph showing the change of the XRD peak intensity with respect to the oxidation time. The peak intensity of the Zn 3 N 2 (222) plane and the peak intensity of the ZnO (0002) plane are normalized and shown as in FIG. 10B of the sixth experiment.
O2ガス酸化による第6実験と同様に、酸化が進行することにより、Zn3N2(111)単結晶膜がZnO(0001)単結晶膜に変化することがわかった。20分の酸化処理で、Zn3N2(222)面のピークが完全に消失し、すべてZnO(0002)面のピークとなった。 As in the sixth experiment using O 2 gas oxidation, it was found that as the oxidation progressed, the Zn 3 N 2 (111) single crystal film was changed to a ZnO (0001) single crystal film. In the oxidation treatment for 20 minutes, the peak of the Zn 3 N 2 (222) plane disappeared completely, and all became the peak of the ZnO (0002) plane.
このようにして得られたZnO:N膜は、鏡面で表面平坦性が高く、基板との密着性も良好であった。 The ZnO: N film thus obtained had a mirror surface with high surface flatness and good adhesion to the substrate.
さらに、厚さ50nmのZn3N2膜を形成し、H2O流量を200sccm、圧力を50kPa、酸化温度を600℃、酸化時間を10分として酸化を行い、ZnO:N膜を作製した(この試料をサンプルBと呼ぶ)、サンプルBの電気的特性及びN濃度を測定した。 Further, a Zn 3 N 2 film having a thickness of 50 nm was formed, and oxidation was performed with an H 2 O flow rate of 200 sccm, a pressure of 50 kPa, an oxidation temperature of 600 ° C., and an oxidation time of 10 minutes, thereby producing a ZnO: N film ( This sample is called Sample B), and the electrical characteristics and N concentration of Sample B were measured.
Zn3N2のピークが消失しすべてZnOとなるまでに、第6実験の図10Bの例では180分かかり、第7実験の図11Bの例では20分で済んでいる。このように、H2Oガスを用いる酸化は、O2ガスを用いる酸化に比べて、酸化速度が速いことがわかった。なお、この傾向は、H2Oガスを用いる酸化を500℃で行っても同様であった。 It takes 180 minutes in the example of FIG. 10B of the sixth experiment and 20 minutes in the example of FIG. 11B of the seventh experiment until the Zn 3 N 2 peaks disappear and become all ZnO. Thus, it was found that oxidation using H 2 O gas has a higher oxidation rate than oxidation using O 2 gas. This tendency was the same even when oxidation using H 2 O gas was performed at 500 ° C.
また、H2Oガスを用いる酸化は、図11Bの例では、初期の2分でZn3N2のピーク強度が8割程度減少している。このことは、H2Oガスを用いる酸化では、Zn3N2膜の表面が急速に酸化されるというメカニズムを示唆するように思われる。 In the case of oxidation using H 2 O gas, the peak intensity of Zn 3 N 2 is reduced by about 80% in the initial 2 minutes in the example of FIG. 11B. This seems to suggest a mechanism that the surface of the Zn 3 N 2 film is rapidly oxidized in the oxidation using H 2 O gas.
図12は、第6実験のサンプルA及び第7実験のサンプルBの電気的特性及びN濃度をまとめた表である。酸化のスタート材料であるZn3N2エピ膜に対しても電気的特性を測定し、Zn3N2の電気的特性も示す。 FIG. 12 is a table summarizing electrical characteristics and N concentrations of Sample A of the sixth experiment and Sample B of the seventh experiment. Electrical characteristics are also measured for a Zn 3 N 2 epi film which is an oxidation start material, and the electrical characteristics of Zn 3 N 2 are also shown.
Zn3N2膜は低抵抗なn型導電性を示し、キャリア濃度が2.9×1019cm−3、移動度が214cm2/Vs、比抵抗が0.001Ωcmであった。 The Zn 3 N 2 film exhibited low-resistance n-type conductivity, and had a carrier concentration of 2.9 × 10 19 cm −3 , a mobility of 214 cm 2 / Vs, and a specific resistance of 0.001 Ωcm.
O2ガス酸化で得られたサンプルAのZnO:N膜は、比抵抗が1000Ωcm以上の高抵抗を示し、N濃度が1.1×1020cm−3であった。一方、H2Oガス酸化で得られたサンプルBのZnO:N膜は、n型導電性を示し、キャリア濃度が6.9×1019cm−3、移動度が1.1cm2/Vs、比抵抗が0.085Ωcmであり、N濃度が1.0×1021cm−3であった。このように、酸化性ガスのガス種により、得られるZnO:N膜の電気的特性が極端に異なることが明らかとなった。 The ZnO: N film of Sample A obtained by O 2 gas oxidation showed a high resistance with a specific resistance of 1000 Ωcm or more, and the N concentration was 1.1 × 10 20 cm −3 . On the other hand, the ZnO: N film of Sample B obtained by H 2 O gas oxidation exhibits n-type conductivity, the carrier concentration is 6.9 × 10 19 cm −3 , the mobility is 1.1 cm 2 / Vs, The specific resistance was 0.085 Ωcm, and the N concentration was 1.0 × 10 21 cm −3 . Thus, it has been clarified that the electrical characteristics of the obtained ZnO: N film are extremely different depending on the gas type of the oxidizing gas.
膜の密着性・表面平坦性に関しては、上述のように、O2酸化よりもH2O酸化の方が優れている。これは、以下のように、Zn3N2の昇華速度と酸化速度との関係で説明できるのではないかと思われる。 As described above, H 2 O oxidation is superior to O 2 oxidation in terms of film adhesion and surface flatness. This seems to be explained by the relationship between the sublimation rate of Zn 3 N 2 and the oxidation rate as follows.
Zn3N2の沸点は明らかになっていないが、図9に示したように、Mg3N2の沸点(700℃)が融点(800℃)より低いことから、Zn3N2も昇華性の材料と思われ、その沸点はMg3N2よりも低温であると推察される。例えば、MBEチャンバー内で成長後に600℃まで昇温すると、Zn3N2膜は数秒で消失してしまう。 Although the boiling point of Zn 3 N 2 is not clear, as shown in FIG. 9, since the boiling point of Mg 3 N 2 (700 ° C.) is lower than the melting point (800 ° C.), Zn 3 N 2 is also sublimable. It is assumed that the boiling point is lower than that of Mg 3 N 2 . For example, when the temperature is raised to 600 ° C. after growth in the MBE chamber, the Zn 3 N 2 film disappears in a few seconds.
O2ガスによる酸化では、酸化力が弱いので、Zn3N2の昇華と酸化が面内で同時に起こることに起因して、膜の密着性や表面平坦性が悪くなるものと思われる。一方、H2Oガスによる酸化では、酸化力が強いので、Zn3N2膜の全面で、表面がすぐにZnO膜に変化し、その後膜内部への酸化が進んでいくため、密着性や表面平坦性が良くなるものと思われる。 Oxidation with O 2 gas is weak in oxidizing power, and it is considered that adhesion and surface flatness of the film are deteriorated due to simultaneous sublimation and oxidation of Zn 3 N 2 occurring in the surface. On the other hand, the oxidation with H 2 O gas has a strong oxidizing power, so the surface immediately changes to a ZnO film on the entire surface of the Zn 3 N 2 film, and then the oxidation inside the film proceeds. It seems that the surface flatness is improved.
なお、H2Oガス酸化で得られたZnO:N膜がn型導電性を示すメカニズムについては、現在のところよくわからない。 Note that the mechanism by which the ZnO: N film obtained by H 2 O gas oxidation exhibits n-type conductivity is not well understood at present.
次に、Zn3N2単結晶膜を、H2Oガス及びO2ガスで順次酸化させてZnO:N膜を得た第8実験について説明する。まず、第2実験と同様な成膜条件で、厚さ50nmのZn3N2単結晶膜を、a面サファイア基板上に成長させた。 Next, an eighth experiment in which a ZnO: N film is obtained by sequentially oxidizing a Zn 3 N 2 single crystal film with H 2 O gas and O 2 gas will be described. First, a Zn 3 N 2 single crystal film having a thickness of 50 nm was grown on an a-plane sapphire substrate under the same film formation conditions as in the second experiment.
図13は、第8実験の酸化工程における温度と、H2Oガス及びO2ガスの供給状態とを示すタイミングチャートである。 FIG. 13 is a timing chart showing the temperature in the oxidation process of the eighth experiment and the supply state of H 2 O gas and O 2 gas.
まず、真空中で加熱を開始し、300℃になったところで、H2Oガスの導入を開始し、600℃まで昇温した後、酸化温度600℃で2分の酸化を行った。H2Oガスの導入条件は、流量200sccm、圧力50kPaとした。 First, heating was started in a vacuum, and when the temperature reached 300 ° C., introduction of H 2 O gas was started. After the temperature was raised to 600 ° C., oxidation was performed at an oxidation temperature of 600 ° C. for 2 minutes. The conditions for introducing the H 2 O gas were a flow rate of 200 sccm and a pressure of 50 kPa.
そして、導入ガスをH2OからO2に切り替え、酸化温度を引き続き600℃とし、10分の酸化を行った。O2ガスの導入条件は、流量を200sccm、圧力を50kPaとした。 Then, the introduced gas was switched from H 2 O to O 2 , and the oxidation temperature was continuously set to 600 ° C. to perform oxidation for 10 minutes. The conditions for introducing the O 2 gas were a flow rate of 200 sccm and a pressure of 50 kPa.
その後、導入ガスをO2からN2(流量500sccm)切り替え、サンプルを冷却した。このようにして、ZnO:N膜を作製した(この試料をサンプルCと呼ぶ)。サンプルCの膜は無色透明であり、完全にZnOまで酸化されたと膜色から判断できる。サンプルCの電気的特性及びN濃度を測定した。 Thereafter, the introduced gas was switched from O 2 to N 2 (flow rate 500 sccm), and the sample was cooled. In this way, a ZnO: N film was produced (this sample is referred to as sample C). The film of sample C is colorless and transparent, and it can be judged from the film color that it has been completely oxidized to ZnO. The electrical properties and N concentration of sample C were measured.
図12に、第8実験のサンプルCの電気的特性及びN濃度もまとめて示す。H2Oガス及びO2ガスによる順次の酸化で得られたサンプルCのZnO:N膜は、p型伝導性を示し、キャリア濃度が4.5×1016cm−3、移動度が8.4cm2/Vs、比抵抗が16.8Ωcmであり、N濃度が4.2×1020cm−3であった。サンプルCのZnO:N膜は、表面が鏡面で、基板との密着性も良好であった。 FIG. 12 also shows the electrical characteristics and N concentration of Sample C of the eighth experiment. The ZnO: N film of Sample C obtained by sequential oxidation with H 2 O gas and O 2 gas exhibits p-type conductivity, carrier concentration is 4.5 × 10 16 cm −3 , and mobility is 8. The specific resistance was 4 cm 2 / Vs, the specific resistance was 16.8 Ωcm, and the N concentration was 4.2 × 10 20 cm −3 . The ZnO: N film of Sample C had a mirror surface and good adhesion to the substrate.
第8実験では、以下のようなメカニズムでの酸化が起こっているものと思われる。まず、酸化力の強いH2Oガスにより、Zn3N2膜表面を急速に酸化させて、表面キャップ層としてZnO膜を設けることにより、Zn3N2の昇華が防止される。なお、H2Oガスによる酸化は、昇温中に開始しているものと考えられる。 In the 8th experiment, it is considered that oxidation occurs by the following mechanism. First, Zn 3 N 2 sublimation is prevented by rapidly oxidizing the surface of the Zn 3 N 2 film with a highly oxidizing H 2 O gas and providing a ZnO film as a surface cap layer. Note that the oxidation with H 2 O gas is considered to have started during the temperature rise.
その後に、酸化力の弱いO2ガスにより、膜内部の酸化を、比較的ゆっくりと進行させる。このような酸化により、表面平坦性及び膜の密着性が優れたZnO:N膜が作製可能になったものと思われる。そして、このような2ステップの酸化を行うことにより、p型導電性を得ることもできたと思われる。 Thereafter, the oxidation inside the film is allowed to proceed relatively slowly with O 2 gas having weak oxidizing power. It is considered that a ZnO: N film having excellent surface flatness and film adhesion can be produced by such oxidation. And it seems that p-type conductivity could be obtained by performing such two-step oxidation.
なお、このような2ステップ酸化において、強い酸化性ガスはH2Oに限らず、弱い酸化性ガスはO2に限らないと考えられる。1段目の酸化で用いる、2段目の酸化に用いる酸化性ガスに対し相対的に強い酸化性ガスとして、例えば、H2O、オゾン、メチルアルコール、エチルアルコールなどの極性酸化剤や、Oラジカルなどの活性種等を、単独でまたは組み合わせて用いることができるであろう。 In such two-step oxidation, it is considered that the strong oxidizing gas is not limited to H 2 O, and the weak oxidizing gas is not limited to O 2 . As an oxidizing gas that is relatively strong to the oxidizing gas used for the second-stage oxidation used in the first-stage oxidation, for example, a polar oxidant such as H 2 O, ozone, methyl alcohol, and ethyl alcohol, or O Active species such as radicals, etc. could be used alone or in combination.
また、2段目の酸化で用いる、1段目の酸化に用いる酸化性ガスに対して相対的に弱い酸化性ガスとして、例えば、O2、N2O、CO2、NO、NO2などの無極性酸化剤を、単独でまたは組み合わせて用いることができるであろう。 Further, as an oxidizing gas that is relatively weak with respect to the oxidizing gas used for the first stage oxidation used in the second stage oxidation, for example, O 2 , N 2 O, CO 2 , NO, NO 2, etc. Apolar oxidants could be used alone or in combination.
第1段目の強い酸化性ガスによる酸化は、表面のZnO膜が、内部のZn3N2の昇華を抑制するキャップ層として機能する程度の厚さ形成されるまで行うのが好ましいと考えられる。キャップ層の好ましい厚さは、もとのZn3N2膜の厚さや処理温度にやや依存するとは考えられるが、例えば、5nm〜30nm程度と見積もられる。 It is considered that the oxidation with the strong oxidizing gas in the first stage is preferably performed until the surface ZnO film is formed to a thickness that functions as a cap layer that suppresses sublimation of Zn 3 N 2 inside. . The preferable thickness of the cap layer is considered to be somewhat dependent on the thickness of the original Zn 3 N 2 film and the processing temperature, but is estimated to be about 5 nm to 30 nm, for example.
キャップ層が薄すぎると、Zn3N2の昇華を防ぐことができなくなる。例えば1nm〜2nm程度では、600℃以上でのZn3N2の昇華が抑えられない。また、キャップ層が厚すぎると、p型化しなくなる。 If the cap layer is too thin, sublimation of Zn 3 N 2 cannot be prevented. For example, in the range of about 1 nm to 2 nm, sublimation of Zn 3 N 2 at 600 ° C. or higher cannot be suppressed. If the cap layer is too thick, it will not be p-type.
酸化温度の好ましい範囲は、400℃〜650℃程度と考えられる。400℃より低温では、酸化反応が進みにくい。また、650℃より高温では、酸化反応が速く進みすぎて、キャップ層厚の制御(強い酸化性ガスによる酸化時間の制御)が難しくなる。例えば酸化温度700℃では、H2O中2分の酸化で、厚さ200nmのZn3N2膜が全厚さ酸化されてZnOになってしまう。 A preferable range of the oxidation temperature is considered to be about 400 ° C to 650 ° C. At a temperature lower than 400 ° C., the oxidation reaction hardly proceeds. Further, at a temperature higher than 650 ° C., the oxidation reaction proceeds too fast, making it difficult to control the cap layer thickness (control of the oxidation time with a strong oxidizing gas). For example, when the oxidation temperature is 700 ° C., the Zn 3 N 2 film having a thickness of 200 nm is oxidized to become ZnO by oxidation for 2 minutes in H 2 O.
なお、第6〜第8実験では、a面サファイア基板上に形成されたZn3N2単結晶膜を酸化してZnO:N単結晶膜を得たが、ZnO単結晶(及びMgZnO単結晶)上に形成されたZn3N2単結晶膜についても同様に、酸化によりZnO:N単結晶膜を得ることができると考えられる。 In the sixth to eighth experiments, the Zn 3 N 2 single crystal film formed on the a-plane sapphire substrate was oxidized to obtain a ZnO: N single crystal film. However, the ZnO single crystal (and MgZnO single crystal) was obtained. Similarly, it is considered that a ZnO: N single crystal film can be obtained by oxidation with respect to the Zn 3 N 2 single crystal film formed above.
以上説明したように、例えばZnO単結晶表面上に、Zn3N2単結晶膜を成長させることができ、そして、Zn3N2単結晶膜を酸化することにより、ZnO:N単結晶膜を得ることができる。 As described above, for example, a Zn 3 N 2 single crystal film can be grown on the surface of a ZnO single crystal, and the Zn 3 N 2 single crystal film is oxidized by oxidizing the Zn 3 N 2 single crystal film. Obtainable.
相対的に強い酸化性ガスで、Zn3N2膜表面にZnO膜を形成した後、相対的に弱い酸化性ガスで、残った内部のZn3N2膜の酸化を行う2ステップ酸化により、表面平坦性及び密着性に優れ、p型導電性を持つZnO:N膜を作製することができる。 After forming a ZnO film on the surface of the Zn 3 N 2 film with a relatively strong oxidizing gas, two-step oxidation is performed to oxidize the remaining Zn 3 N 2 film with a relatively weak oxidizing gas. A ZnO: N film having excellent surface flatness and adhesion and p-type conductivity can be produced.
なお、図9に示したように、Zn3N2とMg3N2は結晶構造が同じであり、Zn3N2のエピタキシャル成長と同様にして、Zn3N2にMgを添加したMgZnNのエピタキシャル成長も可能である。MgZnNを酸化処理することにより、MgZnOを作製することができる。 Incidentally, as shown in FIG. 9, Zn 3 N 2 and Mg 3 N 2 are crystalline structures are the same, Zn 3 in the same manner as the epitaxial growth of the N 2, epitaxial growth of MgZnN with the addition of Mg to the Zn 3 N 2 Is also possible. MgZnO can be produced by oxidizing MgZnN.
ZnOにMgを添加してMgZnOとすることにより、バンドギャップを広げることができる。ただし、ZnOはウルツ鉱構造で、MgOは岩塩構造であるため、Mg組成が高すぎると相分離を起こしてしまう。 By adding Mg to ZnO to form MgZnO, the band gap can be widened. However, since ZnO has a wurtzite structure and MgO has a rock salt structure, if the Mg composition is too high, phase separation occurs.
MgZnOのMg組成をzと明示したMgzZn1−zOにおいて、Mg組成zは、ウルツ鉱構造を保つため0.6以下とするのが好ましい。なお、Mg組成z=0も含めることにより、MgzZn1−zOという表記に、Mgの添加されていないZnOも含める。 In Mg z Zn 1-z O a Mg composition of MgZnO was stated to z, Mg composition z is preferably set to 0.6 or less to keep the wurtzite structure. In addition, by including Mg composition z = 0, ZnO to which Mg is not added is also included in the notation of Mg z Zn 1-z O.
MgZnNの組成を明示し、Mg組成をyと示した(MgyZn1−y)3N2において、Mg組成yは、これを酸化して得られるMgzZn1−zOのMg組成zと、基本的には等しい。したがって、(MgyZn1−y)3N2のMg組成yの上限も0.6と見積もられる。ただし、酸化条件によってやや(MgyZn1−y)3N2膜が昇華し、MgよりZnの方が飛びやすいことから、酸化で得られたMgzZn1−zO膜のMg組成zの方がやや高くなる場合もありうる。なお、Mg組成y=0も含めることにより、(MgyZn1−y)3N2という表記に、Mgの添加されていないZn3N2も含める。 Clearly the composition of MgZnN, in the Mg composition indicated as y (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2, Mg composition y is obtained by oxidizing this Mg z Zn 1-z O in the Mg composition z Is basically the same. Therefore, the estimated upper limit be 0.6 (Mg y Zn 1-y) of 3 N 2 Mg composition y. However, it sublimates slightly (Mg y Zn 1-y) 3 N 2 film by oxidizing conditions, since it tends to fly towards the Zn from Mg, obtained by oxidizing Mg z Zn 1-z O layer of Mg composition z May be slightly higher. In addition, by including Mg composition y = 0, Zn 3 N 2 to which Mg is not added is also included in the notation (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2 .
次に、第8実験の結果の応用例によるZnO系半導体発光素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing a ZnO-based semiconductor light-emitting device according to an application example as a result of the eighth experiment will be described.
図14Aは、第1応用例の発光素子の構造を示す概略断面図である。n型導電性を持つZn面ZnO(0001)基板71上に、成長温度を300℃とし、Znフラックスを0.1nm/sとし、Oラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでO2流量2sccmとして、厚さ30nmのZnOバッファ層72を成長させる。そして、900℃でアニールを行い、ZnOバッファ層72の結晶性及び表面平坦性を改善する。 FIG. 14A is a schematic cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting element of a first application example. On a Zn-faced ZnO (0001) substrate 71 having n-type conductivity, the growth temperature is 300 ° C., the Zn flux is 0.1 nm / s, and the O radical beam irradiation conditions are an RF power of 300 W and an O 2 flow rate of 2 sccm. A ZnO buffer layer 72 having a thickness of 30 nm is grown. Then, annealing is performed at 900 ° C. to improve the crystallinity and surface flatness of the ZnO buffer layer 72.
ZnOバッファ層72上に、成長温度を900℃とし、Znフラックスを0.3nm/sとし、Oラジカルビーム照射条件を、RFパワー250WでO2流量1sccmとして、厚さ150nmのn型ZnO層73を成長させる。 On the ZnO buffer layer 72, the growth temperature is 900 ° C., the Zn flux is 0.3 nm / s, the O radical beam irradiation conditions are an RF power of 250 W, an O 2 flow rate of 1 sccm, and a 150 nm thick n-type ZnO layer 73. Grow.
n型ZnO層73上に、成長温度を900℃とし、Znフラックスを0.1nm/sとし、Mgフラックスを0.03nm/sとし、Oラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでO2流量2sccmとして、厚さ30nmのn型MgZnO層74を成長させる。 On the n-type ZnO layer 73, the growth temperature is 900 ° C., the Zn flux is 0.1 nm / s, the Mg flux is 0.03 nm / s, and the O radical beam irradiation condition is an RF power of 300 W and an O 2 flow rate of 2 sccm. As a result, an n-type MgZnO layer 74 having a thickness of 30 nm is grown.
n型MgZnO層74上に、成長温度を900℃とし、Znフラックスを0.1nm/sとし、Oラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでO2流量2sccmとして、厚さ10nmのZnO膜を成長させて、活性層75を形成する。 A 10 nm thick ZnO film is grown on the n-type MgZnO layer 74 with a growth temperature of 900 ° C., a Zn flux of 0.1 nm / s, an O radical beam irradiation condition of RF power of 300 W and an O 2 flow rate of 2 sccm. Thus, the active layer 75 is formed.
なお、図14Bに示すように、ZnO単層の活性層75の代わりに、MgZnO障壁層75bとZnO井戸層75wとが交互に積層された量子井戸構造の活性層75を形成してもよい。 As shown in FIG. 14B, instead of the ZnO single layer active layer 75, an active layer 75 having a quantum well structure in which MgZnO barrier layers 75b and ZnO well layers 75w are alternately stacked may be formed.
活性層75上に、成長温度を225℃とし、Znフラックスを0.11nm/sとし、Nラジカルビーム照射条件を、RFパワー300WでN2流量2sccmとし、必要に応じてMgビームも照射して、厚さ100nmの(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)層76aを成長させる。例えば、Mgフラックスを0.004nm/sとして、(Mg0.31Zn0.69)3N2が得られ、Mgフラックスを0.008nm/sとして、(Mg0.5Zn0.5)3N2が得られる。 On the active layer 75, the growth temperature is set to 225 ° C., the Zn flux is set to 0.11 nm / s, the N radical beam irradiation condition is set to an RF power of 300 W, an N 2 flow rate of 2 sccm, and an Mg beam is also irradiated as necessary. , growing (Mg y Zn 1-y) 3 N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) layer 76a having a thickness of 100 nm. For example, (Mg 0.31 Zn 0.69 ) 3 N 2 is obtained with an Mg flux of 0.004 nm / s, and (Mg 0.5 Zn 0.5 ) 3 with an Mg flux of 0.008 nm / s. N 2 is obtained.
そして、基板をMBEチャンバーから取り出し、酸化加熱炉に配置し、H2Oガスフロー中例えば酸化温度600℃で2分熱処理した後、O2ガスフロー中例えば酸化温度600℃で15分の熱処理を施して、(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)層76aを、Nのドープされたp型MgzZn1−zO(0≦z≦0.6)層76に変化させる。 Then, the substrate is taken out from the MBE chamber, placed in an oxidation heating furnace, heat-treated for 2 minutes at an oxidation temperature of 600 ° C. for example in an H 2 O gas flow, and then heat-treated for 15 minutes at an oxidation temperature of 600 ° C. for example in an O 2 gas flow. subjected to, (Mg y Zn 1-y ) 3 and N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6 ) layer 76a, p-type doped in N Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6) Change to layer 76.
その後、ZnO基板71の裏面上にn側電極77nを形成し、p型MgzZn1−zO(0≦z≦0.6)層76上にp側電極77pを形成し、p側電極77p上にボンディング電極BEを形成する。n側電極77nは、例えば、厚さ10nmのTi層上に厚さ500nm のAl層を積層して形成される。p側電極77pは、例えば、厚さ1nmのNi層上に厚さ10nmのAu層を積層して形成され、ボンディング電極BEは、例えば、厚さ500nmのAu層で形成される。n側電極77n、p側電極77p、及びボンディング電極BEの形成後、大気中で例えば300℃、1分の合金化を行う。このようにして、第1応用例の発光素子が形成される。 Thereafter, an n-side electrode 77n is formed on the back surface of the ZnO substrate 71, a p-side electrode 77p is formed on the p-type Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6) layer 76, and a p-side electrode is formed. A bonding electrode BE is formed on 77p. The n-side electrode 77n is formed, for example, by laminating an Al layer having a thickness of 500 nm on a Ti layer having a thickness of 10 nm. The p-side electrode 77p is formed, for example, by laminating a 10 nm thick Au layer on a 1 nm thick Ni layer, and the bonding electrode BE is formed of, for example, a 500 nm thick Au layer. After the n-side electrode 77n, the p-side electrode 77p, and the bonding electrode BE are formed, for example, alloying is performed in the atmosphere at 300 ° C. for 1 minute. In this way, the light emitting element of the first application example is formed.
なお、変形例として、活性層上に、MBE成長により第1のp型ZnO系半導体層として、NドープMgaZn1−aO(0≦a≦0.6)層を成長した後、(MgbZn1−b)3N2(0≦b≦0.6)を成長し酸化によりMgcZn1−cO(0≦c≦0.6)層を形成することにより、コンタクト層として第2のp型ZnO系半導体を形成しても良い。 As a modification, after growing an N-doped Mg a Zn 1-a O (0 ≦ a ≦ 0.6) layer on the active layer as a first p-type ZnO-based semiconductor layer by MBE growth, As a contact layer, Mg b Zn 1-b ) 3 N 2 (0 ≦ b ≦ 0.6) is grown and oxidized to form a Mg c Zn 1-c O (0 ≦ c ≦ 0.6) layer. A second p-type ZnO-based semiconductor may be formed.
図15は、第2応用例の発光素子の構造を示す概略断面図である。絶縁性基板であるc面サファイア基板81に、第5実験のMgO膜52と同様にして、極性制御層として、厚さ3nm以上のMgOバッファ層82を成長させる。 FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a light emitting device of a second application example. An MgO buffer layer 82 having a thickness of 3 nm or more is grown as a polarity control layer on the c-plane sapphire substrate 81 which is an insulating substrate in the same manner as the MgO film 52 in the fifth experiment.
MgOバッファ層82上に、第1応用例のZnOバッファ層72と同様にして、ZnOバッファ層83を形成する。ZnOバッファ層83上に、第1応用例のn型ZnO層73と同様にして、n型ZnO層84を形成する。n型ZnO層84上に、第1応用例のn型MgZnO層74と同様にして、n型MgZnO層85を形成する。 A ZnO buffer layer 83 is formed on the MgO buffer layer 82 in the same manner as the ZnO buffer layer 72 of the first application example. An n-type ZnO layer 84 is formed on the ZnO buffer layer 83 in the same manner as the n-type ZnO layer 73 of the first application example. An n-type MgZnO layer 85 is formed on the n-type ZnO layer 84 in the same manner as the n-type MgZnO layer 74 of the first application example.
n型MgZnO層85上に、第1応用例の活性層75と同様にして、活性層86を形成する。活性層86上に、第1応用例のp型MgzZn1−zO(0≦z≦0.6)層76と同様にして、(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)層の酸化により、p型MgzZn1−zO(0≦z≦0.6)層87を形成する。 An active layer 86 is formed on the n-type MgZnO layer 85 in the same manner as the active layer 75 of the first application example. On the active layer 86, in the same manner as the p-type Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6) layer 76 of the first application example, (M g y Zn 1-y ) 3 N 2 (0 ≦ A p-type Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6) layer 87 is formed by oxidation of the y ≦ 0.6) layer.
第2応用例では絶縁性基板を用いているので、基板裏面側にはn側電極が取れない。そこで、基板上方からn側電極を取る点が、第1応用例の電極形成工程と異なる。n側電極88nの形成領域を、p型MgzZn1−zO(0≦z≦0.6)層87の上面から、n型ZnO層84が露出する深さまでエッチングし、露出したn型ZnO層84上に、n側電極88nを形成する。そして、p側電極88pをp型MgzZn1−zO(0≦z≦0.6)層87上に形成し、ボンディング電極BEをp側電極88上に形成する。このようにして、第2応用例の発光素子が形成される。 Since the insulating substrate is used in the second application example, the n-side electrode cannot be taken on the back side of the substrate. Therefore, the point of taking the n-side electrode from above the substrate is different from the electrode forming process of the first application example. The region where the n-side electrode 88n is formed is etched from the upper surface of the p-type Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6) layer 87 to a depth at which the n-type ZnO layer 84 is exposed, and the exposed n-type is exposed. An n-side electrode 88n is formed on the ZnO layer 84. Then, the p - side electrode 88 p is formed on the p-type Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6) layer 87, and the bonding electrode BE is formed on the p-side electrode 88. In this way, the light emitting element of the second application example is formed.
なお、上記の実験及び応用例では、(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)単結晶膜の成長方法としてMBEを例示したが、例えば、パルスレーザ堆積(PLD)や有機金属化学気相堆積(MOCVD)等の他の成膜方法も用いることができるであろう。 In the above experiments and application examples, MBE is exemplified as a method for growing a (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) single crystal film. However, for example, pulse laser deposition (PLD) ) And other metal deposition methods such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) could be used.
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限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自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
1 真空チャンバー
2 Znソースガン
3 Mgソースガン
4 Gaソースガン
5 Oソースガン
6 Nソースガン
7 基板ホルダ
8 基板
9 膜厚計
10 RHEED用ガン、
11 スクリーン
12 表示装置
21 a面サファイア基板
31 Zn面ZnO基板
22、32 Zn3N2膜
41 a面サファイア基板
51 c面サファイア基板
52 MgO膜
42、53 低温ZnOバッファ層
43、54 ZnO膜
44、55 Zn3N2膜
61 チャンバー
62 サセプタ
63 サンプル
64 ヒータ
65a O2源
66a H2O源
71 Zn面ZnO基板
81 c面サファイア基板
82 MgOバッファ層
72、83 ZnOバッファ層
73、84 n型ZnO層
74、85 n型MgZnO層
75、86 活性層
76、87 p型MgzZn1−zO(0≦z≦0.6)層
77n、88n n側電極
77p、88p p側電極
BE ボンディング電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum chamber 2 Zn source gun 3 Mg source gun 4 Ga source gun 5 O source gun 6 N source gun 7 Substrate holder 8 Substrate 9 Thickness meter 10 RHEED gun,
11 Screen 12 Display device 21 a-plane sapphire substrate 31 Zn-plane ZnO substrate 22, 32 Zn 3 N 2 film 41 a-plane sapphire substrate 51 c-plane sapphire substrate 52 MgO film 42, 53 low-temperature ZnO buffer layer 43, 54 ZnO film 44, 55 Zn 3 N 2 film 61 chamber 62 susceptor 63 sample 64 heater 65a O 2 source 66a H 2 O source 71 Zn surface ZnO substrate 81 c surface sapphire substrate 82 MgO buffer layer 72, 83 ZnO buffer layer 73, 84 n-type ZnO layer 74, 85 n-type MgZnO layer 75, 86 Active layer 76, 87 p-type Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6) layer 77n, 88n n-side electrode 77p, 88pp p-side electrode BE Bonding electrode
Claims (11)
(b)前記(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)単結晶膜を酸化して、NドープMgzZn1−zO(0≦z≦0.6)単結晶膜を形成する工程と
を有するZnO系半導体層の製造方法。 (A) (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) single crystal on a base having a Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal surface Growing the film;
(B) The above (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) single crystal film is oxidized to form N-doped Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6). And a step of forming a single crystal film.
(d)前記n型ZnO系半導体層上に、ZnO系半導体活性層を成長させる工程と、
(e)前記ZnO系半導体活性層上方に、(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)単結晶膜を成長させる工程と、
(f)前記(MgyZn1−y)3N2(0≦y≦0.6)単結晶膜を酸化して、Nドープp型MgzZn1−zO(0≦z≦0.6)単結晶膜を形成する工程と
を有するZnO系半導体発光素子の製造方法。 (C) growing an n-type ZnO-based semiconductor layer above the semiconductor substrate;
(D) growing a ZnO-based semiconductor active layer on the n-type ZnO-based semiconductor layer;
(E) growing a (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) single crystal film above the ZnO-based semiconductor active layer;
(F) The (Mg y Zn 1-y ) 3 N 2 (0 ≦ y ≦ 0.6) single crystal film is oxidized to form N-doped p-type Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0. 6) A method for manufacturing a ZnO-based semiconductor light-emitting device, which includes a step of forming a single crystal film.
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