JP6470061B2 - Manufacturing method of p-type ZnO-based semiconductor structure and manufacturing method of ZnO-based semiconductor element - Google Patents
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Description
本発明は、p型ZnO系半導体構造の製造方法、及び、ZnO系半導体素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a p-type ZnO-based semiconductor structure and a method for manufacturing a ZnO-based semiconductor element.
酸化亜鉛(ZnO)は、室温で3.37eVのバンドギャップエネルギーを持つ直接遷移型の半導体で、励起子の束縛エネルギーが60meVと比較的大きい。また原材料が安価であるとともに、環境や人体への影響が少ないという特徴を有する。このためZnOを用いた高効率、低消費電力で環境性に優れた発光素子の実現が期待されている。 Zinc oxide (ZnO) is a direct-transition semiconductor having a band gap energy of 3.37 eV at room temperature, and has a relatively high exciton binding energy of 60 meV. In addition, the raw materials are inexpensive and have a feature of little influence on the environment and the human body. For this reason, realization of a light-emitting element using ZnO with high efficiency, low power consumption and excellent environmental performance is expected.
しかしZnO系半導体は、強いイオン性に起因する自己補償効果のために、通常の熱拡散手法など熱平衡的不純物ドープ手法による結晶成長法では、p型の導電型制御が困難である。たとえばアクセプタ不純物として、N、P、As、SbなどのVA族元素、Li、Na、KなどのIA族元素、Cu、Ag、AuなどのIB族元素を用い、実用的な性能を持つp型ZnO系半導体の研究が行われている。 However, since the ZnO-based semiconductor has a self-compensation effect due to strong ionicity, it is difficult to control the p-type conductivity by a crystal growth method using a thermal equilibrium impurity doping method such as a normal thermal diffusion method. For example, as an acceptor impurity, a p-type having a practical performance using a group VA element such as N, P, As, or Sb, a group IA element such as Li, Na, or K, or a group IB element such as Cu, Ag, or Au. Research on ZnO-based semiconductors has been conducted.
本願発明者らは、ZnO:Ga層とCu層とが交互に積層されたn型ZnO系半導体構造がアニールによりp型化することを発見し、IIIB族n型不純物、例えばGa、をドープしたMgxZn1−xO(0≦x≦0.6)結晶層とCuまたはAgを含む層とを交互に積層した構造を成長し、交互積層構造をアニールし、CuまたはAgとGa等がコドープされたp型MgxZn1−xO(0≦x≦0.6)層を製造する方法を提案している。 The inventors of the present invention have found that an n-type ZnO-based semiconductor structure in which ZnO: Ga layers and Cu layers are alternately stacked becomes p-type by annealing, and is doped with a group IIIB n-type impurity such as Ga. A structure in which Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) crystal layers and Cu or Ag-containing layers are alternately stacked is grown, and the alternately stacked structure is annealed so that Cu or Ag, Ga, etc. A method for producing a co-doped p-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) layer is proposed.
本発明の実施例の目的は、アクセプタ濃度の高いp型ZnO系半導体構造の製造方法を提供することである。 An object of an embodiment of the present invention is to provide a method for manufacturing a p-type ZnO-based semiconductor structure having a high acceptor concentration.
本発明の実施例の1観点によれば、
(a)Agを含むn型ZnO系半導体構造を準備する工程と、
(b)Agを断続的に照射しながら前記n型ZnO系半導体構造をアニールし、Agがドープされたp型ZnO系半導体構造を形成する工程と
を有するp型ZnO系半導体構造の製造方法
が提供される。
According to one aspect of an embodiment of the present invention,
(A) preparing an n-type ZnO-based semiconductor structure containing Ag;
(B) annealing the n-type ZnO-based semiconductor structure while intermittently irradiating Ag to form a p-type ZnO-based semiconductor structure doped with Ag. Provided.
他の観点によれば、
基板上方に、n型ZnO系半導体構造を形成する工程と、
前記n型ZnO系半導体構造上方に、p型ZnO系半導体構造を形成する工程と
を有し、
前記p型ZnO系半導体構造を形成する工程は、
(a)Agを含むn型ZnO系半導体構造を準備する工程と、
(b)Agを断続的に照射しながら前記n型ZnO系半導体構造をアニールし、Agがドープされたp型ZnO系半導体構造を形成する工程と
を含むZnO系半導体素子の製造方法
が提供される。
From another perspective,
Forming an n-type ZnO-based semiconductor structure above the substrate;
Forming a p-type ZnO-based semiconductor structure above the n-type ZnO-based semiconductor structure,
The step of forming the p-type ZnO-based semiconductor structure includes:
(A) preparing an n-type ZnO-based semiconductor structure containing Ag;
And (b) annealing the n-type ZnO-based semiconductor structure while intermittently irradiating Ag, and forming a Ag-doped p-type ZnO-based semiconductor structure. The
アクセプタ濃度の高いp型ZnO系半導体層を製造することができる。 A p-type ZnO-based semiconductor layer having a high acceptor concentration can be manufactured.
高特性のZnO系半導体素子を提供することができる。 A ZnO-based semiconductor element having high characteristics can be provided.
図1Aは、ZnO系半導体層等の成長に用いられる分子線エピタキシー(molecular beam epitaxy; MBE)装置を示す概略的な断面図である。ZnO系半導体は、少なくともZnとOを含む半導体を指す。2族元素としてZnとMgとを含む混晶半導体MgxZn1−xOもZnO系半導体である。 FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus used for growing a ZnO-based semiconductor layer or the like. A ZnO-based semiconductor refers to a semiconductor containing at least Zn and O. A mixed crystal semiconductor Mg x Zn 1-x O containing Zn and Mg as a group 2 element is also a ZnO-based semiconductor.
MBE装置は、真空チャンバ71内に、Znソースガン72、Oソースガン73、Mgソースガン74、Agソースガン75、及びGaソースガン76を備えている。Znソースガン72、Mgソースガン74、Agソースガン75、Gaソースガン76は、それぞれZn(7N)、Mg(6N)、Ag(6N)、及びGa(7N)の固体ソースを収容するクヌーセンセルを有し、セルを加熱することにより、Znビーム、Mgビーム、Agビーム、Gaビームを出射する。Oソースガン73は、たとえば13.56MHzのラジオ周波数を用いる無電極放電管を有し、無電極放電管内でO2ガス(6N)をプラズマ化し、Oラジカル(O*)ビームを出射する。 The MBE apparatus includes a Zn source gun 72, an O source gun 73, an Mg source gun 74, an Ag source gun 75, and a Ga source gun 76 in a vacuum chamber 71. The Zn source gun 72, the Mg source gun 74, the Ag source gun 75, and the Ga source gun 76 are Knudsen cells that contain solid sources of Zn (7N), Mg (6N), Ag (6N), and Ga (7N), respectively. A Zn beam, Mg beam, Ag beam, and Ga beam are emitted by heating the cell. The O source gun 73 has an electrodeless discharge tube that uses a radio frequency of, for example, 13.56 MHz, converts O 2 gas (6N) into plasma in the electrodeless discharge tube, and emits an O radical (O * ) beam.
基板ヒータを備えるステージ77が基板78を保持する。ソースガン72〜76、ステージ77は、それぞれシャッタを備える。各シャッタの開閉により、基板78上に各ビームが照射される状態と照射されない状態とを切り替え可能な構成である。但し、Oソースガンのシャッタを閉じても、酸素ラジカルO*の一部は基板上に供給される。真空チャンバ71内に、水晶振動子を用いた膜厚計79が備えられている。膜厚計79で測定される付着速度から、各ビームのフラックス強度が求められる。 A stage 77 having a substrate heater holds the substrate 78. The source guns 72 to 76 and the stage 77 are each provided with a shutter. By opening and closing each shutter, the substrate 78 can be switched between a state in which each beam is irradiated and a state in which the beam is not irradiated. However, even if the shutter of the O source gun is closed, a part of the oxygen radical O * is supplied onto the substrate. A film thickness meter 79 using a crystal resonator is provided in the vacuum chamber 71. From the adhesion rate measured by the film thickness meter 79, the flux intensity of each beam is obtained.
真空チャンバ71に、反射高速電子回折(reflection high energy electron diffraction; RHEED)用のガン80、及び、RHEED像を映すスクリーン81が取り付けられている。RHEED像から、基板78上に形成された結晶層の表面平坦性や成長モードを評価することができる。 A gun 80 for reflection high energy electron diffraction (RHEED) and a screen 81 for displaying an RHEED image are attached to the vacuum chamber 71. From the RHEED image, the surface flatness and growth mode of the crystal layer formed on the substrate 78 can be evaluated.
結晶が2次元成長し表面が平坦なエピタキシャル成長(単結晶成長)である場合、RHEED像はストリークパターンを示し、結晶が3次元成長し表面が平坦でないエピタキシャル成長(単結晶成長)の場合、RHEED像はスポットパターンを示す。多結晶成長の場合は、RHEED像がリングパターンとなる。 When the crystal is two-dimensionally grown and the surface is epitaxially grown (single crystal growth), the RHEED image shows a streak pattern, and when the crystal is three-dimensionally grown and the surface is not flat (single crystal growth), the RHEED image is A spot pattern is shown. In the case of polycrystalline growth, the RHEED image becomes a ring pattern.
MgxZn1−xO(0≦x≦0.6)結晶成長におけるVI/IIフラックス比について説明する。Znビームのフラックス強度をJZn、Mgビームのフラックス強度をJMg、Oラジカルビームのフラックス強度をJOと表す。金属材料であるZnあるいはMgのビームは、原子、または複数個の原子を含むクラスターのZnあるいはMgを含む。原子とクラスターのいずれも結晶成長に有効である。ガス材料であるOのビームは、原子ラジカルや中性分子を含むが、ここでは結晶成長に有効な原子ラジカルのフラックス強度を考える。 The VI / II flux ratio in the Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) crystal growth will be described. The flux intensity of Zn beam J Zn, the flux intensity of the Mg beam J Mg, the flux intensity of O radical beam expressed as J O. A beam of Zn or Mg, which is a metal material, contains atoms or clusters of Zn or Mg containing a plurality of atoms. Both atoms and clusters are effective for crystal growth. The O beam, which is a gas material, contains atomic radicals and neutral molecules. Here, the flux intensity of atomic radicals effective for crystal growth is considered.
結晶へのZnの付着しやすさを示す付着係数をkZn、Mgの付着しやすさを示す付着係数をkMg、Oの付着しやすさを示す付着係数をkOと表す。Znの付着係数kZnとフラックス強度JZnの積kZnJZn、Mgの付着係数kMgとフラックス強度JMgの積kMgJMg、Oの付着係数kOとフラックス強度JOの積kOJOは、それぞれ基板の単位面積に単位時間当たりに付着するZn原子、Mg原子、及びO原子の個数に対応する。 An adhesion coefficient indicating the ease with which Zn adheres to the crystal is represented by k Zn , an adhesion coefficient indicating the ease with which Mg is deposited is represented by k Mg , and an adhesion coefficient indicating the ease with which O is deposited is represented by k O. Zn adhesion coefficient k Zn and flux strength J Zn product k Zn J Zn , Mg adhesion coefficient k Mg and flux strength J Mg product k Mg J Mg , O adhesion coefficient k O and flux strength J O product k O J O corresponds to the number of Zn atoms, Mg atoms, and O atoms attached to the unit area of the substrate per unit time.
kZnJZnとkMgJMgの和に対するkOJOの比であるkOJO/(kZnJZn+kMgJMg)を、VI/IIフラックス比と定義する。VI/IIフラックス比が1より小さい場合をII族リッチ条件(Mgを含まない場合は単にZnリッチ条件)、VI/IIフラックス比が1に等しい場合をストイキオメトリ条件、VI/IIフラックス比が1より大きい場合をVI族リッチ条件(あるいはOリッチ条件)と呼ぶ。 k Zn J Zn and k Mg to the sum of J Mg is the ratio of k O J O k O J O / a (k Zn J Zn + k Mg J Mg), defined as VI / II flux ratio. When the VI / II flux ratio is smaller than 1, the group II rich condition (simply Zn rich condition when Mg is not included), when the VI / II flux ratio is equal to 1, the stoichiometric condition, and the VI / II flux ratio is The case where it is larger than 1 is called VI group rich condition (or O rich condition).
Zn面(+C面)での結晶成長においては、基板表面温度850℃以下であれば、付着係数kZn、kMg及びkOを1とみなすことができ、VI/IIフラックス比をJO/(JZn+JMg)と表すことが可能である。 In the crystal growth on the Zn plane (+ C plane), if the substrate surface temperature is 850 ° C. or less, the adhesion coefficients k Zn , k Mg and k 2 O can be regarded as 1, and the VI / II flux ratio is J O / It can be expressed as ( JZn + JMg ).
VI/IIフラックス比は、例えばZnOの成長においては、以下の手順で算出できる。Znフラックスは、水晶振動子を用いた膜厚モニタにより、室温でのZnの蒸着速度FZn(nm/s)として測定される。ZnフラックスはFZn(nm/s)からJZn(atoms/cm2s)に換算される。 The VI / II flux ratio can be calculated by the following procedure, for example, in the growth of ZnO. The Zn flux is measured as a Zn deposition rate F Zn (nm / s) at room temperature by a film thickness monitor using a crystal resonator. The Zn flux is converted from F Zn (nm / s) to J Zn (atoms / cm 2 s).
Oラジカルフラックスは、以下のように求められる。Oラジカルビーム照射条件一定(たとえばRFパワー300W、O2流量2.0sccm)の下で、Znフラックスを変化させてZnOを成長させ、ZnO成長速度のZnフラックス依存性を実験的に求める。その結果を、ZnO成長速度GZnOの近似式:GZnO=[(kZnJZn)−1+(kOJO)−1]−1を用いてフィッティングすることにより、その条件におけるOラジカルフラックスJOが算出される。ZnフラックスJZn及びOラジカルフラックスJOから、VI/IIフラックス比を算出することができる。 O radical flux is calculated | required as follows. Under constant O radical beam irradiation conditions (for example, RF power 300 W, O 2 flow rate 2.0 sccm), Zn flux is changed to grow ZnO, and the Zn flux dependence of the ZnO growth rate is experimentally determined. By fitting the result using the approximate expression of ZnO growth rate G ZnO : G ZnO = [(k Zn J Zn ) -1 + (k O J O ) -1 ] -1 , O radicals under the conditions flux J O is calculated. From Zn flux J Zn and O radical flux J O, it is possible to calculate the VI / II flux ratio.
図1Bを参照して、サンプルの構成を説明する。図1Aに示すMBE装置を用い、n型導電性を有するZn面ZnO(0001)基板(以下、本明細書においてZnO基板)51上に、MBEにより、ZnOバッファ層52、アンドープZnO層53、交互積層54が形成される。 The configuration of the sample will be described with reference to FIG. 1B. Using the MBE apparatus shown in FIG. 1A, a ZnO buffer layer 52 and an undoped ZnO layer 53 are alternately formed by MBE on a Zn-faced ZnO (0001) substrate (hereinafter referred to as a ZnO substrate in this specification) 51 having n-type conductivity. A stack 54 is formed.
図1Cは、交互積層54の構成を示す部分拡大断面図である。GaをドープしたZnO層(ZnO:Ga層)54aとAgO層54bとが交互に積層されて、例えば60対の交互積層54を構成している。「AgO」は、AgO(酸化銀(II))、Ag2O(酸化銀(I))等、AgOxと表すことのできる銀酸化物を表わす。以下、サンプルの製造プロセスを説明する。 FIG. 1C is a partially enlarged cross-sectional view showing the configuration of the alternate stack 54. Ga-doped ZnO layers (ZnO: Ga layers) 54a and AgO layers 54b are alternately stacked to form, for example, 60 pairs of alternately stacked layers 54. “AgO” represents a silver oxide that can be expressed as AgO x , such as AgO (silver oxide (II)) and Ag 2 O (silver oxide (I)). The sample manufacturing process will be described below.
図1Dに示すように、ZnO(0001)基板51に900℃で30分間のサーマルクリーニングを施した後、基板51の温度を250℃まで下げる。その温度(成長温度250℃)で、ZnフラックスFZnを0.15nm/s(JZn=9.9×1014atoms/cm2s)、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O2流量2.0sccm(JO=8.1×1014atoms/cm2s)とし、5分間の成長で、ZnO基板51上に厚さ30nmのZnOバッファ層52を成長する。 As shown in FIG. 1D, after the ZnO (0001) substrate 51 is subjected to thermal cleaning at 900 ° C. for 30 minutes, the temperature of the substrate 51 is lowered to 250 ° C. At that temperature (growth temperature 250 ° C.), Zn flux F Zn is 0.15 nm / s (J Zn = 9.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), O radical beam irradiation conditions are RF power 300 W, O 2 flow rate. The ZnO buffer layer 52 having a thickness of 30 nm is grown on the ZnO substrate 51 with a growth rate of 2.0 sccm (J 2 O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s) for 5 minutes.
ZnOバッファ層52の成長後、成長層の結晶性及び表面平坦性の改善のため、950℃に昇温し、30分間のアニールを行う。アニール後、950℃のまま、ZnOバッファ層52上に、ZnフラックスFZnを0.15nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O2流量2.0sccmとして、15分間の成長で、厚さ100nmのアンドープZnO層53を成長する。アンドープZnO層53はn型となる。 After the growth of the ZnO buffer layer 52, the temperature is raised to 950 ° C. and annealing is performed for 30 minutes in order to improve the crystallinity and surface flatness of the growth layer. After annealing, remains 950 ° C., on the ZnO buffer layer 52, with Zn flux F Zn to 0.15 nm / s, O radical beam irradiation conditions of RF power 300 W, the O 2 flow rate 2.0 sccm, 15 minutes growth, An undoped ZnO layer 53 having a thickness of 100 nm is grown. The undoped ZnO layer 53 is n-type.
アンドープZnO層53の成長後、基板温度を250℃に下げる。アンドープZnO層53の上に、厚さ約120nmの交互積層構造54を形成する。GaドープZnO結晶層54aは、ZnフラックスFZnを0.15nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O2流量2.0sccm、Gaのセル温度TGaを550℃(GaフラックスFGaは検出下限値未満)として1層当たり10秒間成長する。VI/IIフラックス比は0.82となる。 After the growth of the undoped ZnO layer 53, the substrate temperature is lowered to 250 ° C. On the undoped ZnO layer 53, an alternately laminated structure 54 having a thickness of about 120 nm is formed. The Ga-doped ZnO crystal layer 54a has a Zn flux F Zn of 0.15 nm / s, an O radical beam irradiation condition of RF power of 300 W, an O 2 flow rate of 2.0 sccm, a Ga cell temperature T Ga of 550 ° C. (Ga flux F Ga Is less than the lower limit of detection) and grows for 10 seconds per layer. The VI / II flux ratio is 0.82.
AgO層54bは、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O2流量2.0sccm、Agのセル温度TAgを840℃(AgフラックスFAgは0.005nm/s)として1層当たり50秒間成長する。GaドープZnO結晶層54a/AgO層54bの1対の積層の厚さは、約2nmである。60対の交互積層で、厚さ約120nmとなる。 The AgO layer 54b is grown for 50 seconds per layer with an O radical beam irradiation condition of RF power of 300 W, an O 2 flow rate of 2.0 sccm, an Ag cell temperature T Ag of 840 ° C. (Ag flux F Ag is 0.005 nm / s). To do. The thickness of the pair of Ga-doped ZnO crystal layer 54a / AgO layer 54b is about 2 nm. A thickness of about 120 nm is obtained by alternately stacking 60 pairs.
図1Eは、アニール前試料の交互積層構造54の1/C2−V特性及び不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフである。測定は、電解液をショットキー電極に用いたエレクトロケミカルCV測定法(ECV法)により行った。1/C2−V特性を示すグラフの横軸は、電圧を単位「V」で表し、縦軸は、「1/C2」を単位「cm4/F2」で表す。両軸ともリニアスケールである。不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフの横軸は、試料の深さ(厚さ)方向位置を単位「nm」で表し、縦軸は、不純物濃度を単位「cm−3」で表す。横軸はリニアスケール、縦軸は対数スケールである。 FIG. 1E is a graph showing a 1 / C 2 -V characteristic and an impurity concentration depth profile of the alternately laminated structure 54 of the sample before annealing. The measurement was performed by an electrochemical CV measurement method (ECV method) using an electrolytic solution as a Schottky electrode. The horizontal axis of the graph showing the 1 / C 2 -V characteristic represents the voltage in the unit “V”, and the vertical axis represents “1 / C 2 ” in the unit “cm 4 / F 2 ”. Both axes are linear scales. The horizontal axis of the graph showing the depth profile of the impurity concentration represents the position in the depth (thickness) direction of the sample in the unit “nm”, and the vertical axis represents the impurity concentration in the unit “cm −3 ”. The horizontal axis is a linear scale, and the vertical axis is a logarithmic scale.
1/C2−V特性を示すグラフを参照すると、右上がりの曲線(電圧が増加すると1/C2が増加する関係)が得られ、交互積層構造54がn型導電性を備えることを示している。なお、傾きが不純物濃度(抵抗値)に対応する。 Referring to the graph showing the 1 / C 2 -V characteristic, a curve that rises to the right (the relationship in which 1 / C 2 increases as the voltage increases) is obtained, which indicates that the alternate stacked structure 54 has n-type conductivity. ing. Note that the slope corresponds to the impurity concentration (resistance value).
不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフを参照すると、交互積層構造54の不純物濃度(ドナー濃度)Ndは、1.0×1021cm−3程度であることが判る。結晶成長後のサンプルに、3種類のアニールを行った。アニール前の構成は、3種のサンプルで同様である(サンプル3については、交互積層数を減少した)。 Referring to the graph showing the depth profile of the impurity concentration, it can be seen that the impurity concentration (donor concentration) N d of the alternately laminated structure 54 is about 1.0 × 10 21 cm −3 . Three types of annealing were performed on the sample after crystal growth. The structure before annealing is the same for the three types of samples (for sample 3, the number of alternating layers was reduced).
図2Aは、第1のアニールを概略的に示すグラフである。250℃の交互成長により、結晶成長を終えたサンプルをMBE装置から取り出し、炉に搬入し、常圧(1気圧)の酸素雰囲気中で、450℃、10分間のアニールを行った。得られたサンプルを第1のサンプルS1とする。 FIG. 2A is a graph schematically showing the first annealing. A sample after crystal growth was taken out from the MBE apparatus by alternating growth at 250 ° C., carried into a furnace, and annealed at 450 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere at normal pressure (1 atm). Let the obtained sample be 1st sample S1.
図3Aは、第1のサンプルS1の交互積層構造54形成位置の1/C2−V特性及び不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフである。グラフの両軸の意味は、図1Eの対応するグラフのそれらに等しい。 FIG. 3A is a graph showing a 1 / C 2 -V characteristic and a depth profile of the impurity concentration at the position where the alternate stacked structure 54 is formed in the first sample S1. The meanings of both axes of the graph are equal to those of the corresponding graph of FIG. 1E.
1/C2−V特性を示すグラフを参照すると、右下がりの曲線(電圧が増加すると1/C2が減少する関係)が得られ、n型の交互積層構造54がp型導電性を備えるに至ったことが示されている。不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフを参照すると、p型化した交互積層構造54形成位置の不純物濃度(アクセプタ濃度)Naは、3.0×1017cm−3程度であることが判る。GaドープZnO層54aとAgO層54bからなる交互積層構造54は、アニールによりp型化された。アニールを行うことで、AgがGaドープZnO結晶層54a中に拡散し、p型化したと考えられる。 Referring to the graph showing the 1 / C 2 -V characteristic, a downward-sloping curve (a relationship in which 1 / C 2 decreases as the voltage increases) is obtained, and the n-type alternating stacked structure 54 has p-type conductivity. It is shown that it has reached. Referring to the graph indicating the depth profile of the impurity concentration, the impurity concentration (acceptor concentration) N a of alternate stacked structure 54 formed positions p-type is found to be about 3.0 × 10 17 cm -3. The alternate laminated structure 54 composed of the Ga-doped ZnO layer 54a and the AgO layer 54b was made p-type by annealing. By performing the annealing, it is considered that Ag is diffused into the Ga-doped ZnO crystal layer 54a to be p-type.
図3Bは、サンプルS1中のAg濃度を示すグラフである。グラフの横軸は、試料の深さ方向の位置を単位nmで表し、縦軸は、Ag濃度を単位cm−3で表す。横軸はリニアスケール、縦軸は対数スケールである。参考として、アニール前試料のAg濃度分布も示す。サンプルS1においては、Ag濃度が表面に向ってかなり急激に減少している。表面に向ってAg濃度が減少するので、所望の特性を得るのが容易でなくなる可能性がある。酸素雰囲気中でアニールを行うと、Agが試料表面から離脱する可能性が考えられる。Ag濃度が表面に向って急激に減少する現象は、好ましくない。 FIG. 3B is a graph showing the Ag concentration in the sample S1. The horizontal axis of the graph represents the position in the depth direction of the sample in the unit nm, and the vertical axis represents the Ag concentration in the unit cm −3 . The horizontal axis is a linear scale, and the vertical axis is a logarithmic scale. As a reference, the Ag concentration distribution of the sample before annealing is also shown. In the sample S1, the Ag concentration decreases fairly rapidly toward the surface. Since the Ag concentration decreases toward the surface, it may not be easy to obtain the desired characteristics. When annealing is performed in an oxygen atmosphere, Ag may be detached from the sample surface. A phenomenon in which the Ag concentration rapidly decreases toward the surface is not preferable.
第2のアニールは、MBE装置内で行う。結晶成長を終えたサンプルを、(MBE装置から取り出さず)引き続いてMBE装置内でアニールを行う。その場アニール(in−situ annealing)と言える。MBE装置内の圧力は、例えば、10−8Pa〜10−2Paである。減圧雰囲気においては、常圧酸素雰囲気中より激しく、サンプル表面からAgが蒸発することが考えられる。そこで、サンプル表面にAgビームを照射しながらアニールを行う。Agビームを発生させるため、MBE装置内の圧力は10−2Pa未満に保つ。 The second annealing is performed in the MBE apparatus. The sample after crystal growth is subsequently annealed in the MBE apparatus (without being taken out of the MBE apparatus). This can be said to be in-situ annealing. The pressure in the MBE apparatus is, for example, 10 −8 Pa to 10 −2 Pa. In a reduced-pressure atmosphere, Ag is considered to evaporate more intensely than in a normal-pressure oxygen atmosphere from the sample surface. Therefore, annealing is performed while irradiating the sample surface with an Ag beam. In order to generate an Ag beam, the pressure in the MBE apparatus is kept below 10 −2 Pa.
図2Bは、第2のアニールを概略的に示すグラフである。交互積層構造54を250℃で形成した後、Agのセル温度TAgを840℃(AgフラックスFAgは0.005nm/s)に保ち、Agセルシャッタを開状態とし、基板シャッタも開状態とし、Agビームを試料(交互積層構造54)に直接、連続的に照射しながら、基板温度を900℃まで昇温し、900℃で30分間、アニールを行う。酸素セルシャッタは閉じるが、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O2流量2.0sccm(JO=8.1×1014atoms/cm2s)に保つ。サンプル表面には酸素ラジカルが回り込んで到達する。得たサンプルをS2とする。 FIG. 2B is a graph schematically showing the second annealing. After the alternate laminated structure 54 is formed at 250 ° C., the Ag cell temperature T Ag is maintained at 840 ° C. (Ag flux F Ag is 0.005 nm / s), the Ag cell shutter is opened, and the substrate shutter is also opened. The substrate temperature is raised to 900 ° C. while directly irradiating the sample (alternate laminated structure 54) with the Ag beam, and annealing is performed at 900 ° C. for 30 minutes. Although the oxygen cell shutter is closed, the O radical beam irradiation conditions are maintained at an RF power of 300 W and an O 2 flow rate of 2.0 sccm (J O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s). Oxygen radicals wrap around the sample surface. The obtained sample is designated as S2.
図4Aは、サンプルS2の交互積層構造54形成位置の1/C2−V特性及び不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフである。グラフの両軸の意味は、図3Aの対応するグラフのそれらに等しい。1/C2−V特性を示すグラフを参照すると、右下がりの曲線(電圧が増加すると1/C2が減少する関係)が得られ、n型であった交互積層構造54がp型導電性を備えるに至ったことを示している。不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフを参照すると、p型化した交互積層構造54形成位置の不純物濃度(アクセプタ濃度)Naは5.0×1017cm−3程度であることが判る。サンプルS1とサンプルS2とは、同じ構成のアニール前構造から作成している。アクセプタ濃度は、サンプルS1の3×1017cm−3と較べ、サンプルS2では5×1017cm−3に増加している。しかし測定の誤差を考慮した場合、第1のアニールと第2のアニールは、ほぼ同等と考える。 FIG. 4A is a graph showing a 1 / C 2 -V characteristic and a depth profile of the impurity concentration at the position where the alternately laminated structure 54 is formed in the sample S2. The meanings of both axes of the graph are equal to those of the corresponding graph of FIG. 3A. Referring to the graph showing the 1 / C 2 -V characteristic, a downward-sloping curve (relation that 1 / C 2 decreases as the voltage increases) is obtained, and the n-type alternating stacked structure 54 has p-type conductivity. It has shown that it came to prepare. Referring to the graph indicating the depth profile of the impurity concentration, the impurity concentration (acceptor concentration) of alternate stacked structure 54 formed positions p-type N a is seen to be about 5.0 × 10 17 cm -3. The sample S1 and the sample S2 are formed from the pre-anneal structure having the same configuration. The acceptor concentration is increased to 5 × 10 17 cm −3 in sample S2 compared to 3 × 10 17 cm −3 in sample S1. However, considering the measurement error, the first annealing and the second annealing are considered to be substantially equivalent.
サンプルS1と同様に、サンプルS2の交互積層構造54もアニールによりp型化された。アニールを行うことで、AgがGaドープZnO結晶層54a中に拡散し、p型化すると考えられる。 Similar to the sample S1, the alternately laminated structure 54 of the sample S2 was made p-type by annealing. By performing the annealing, it is considered that Ag diffuses into the Ga-doped ZnO crystal layer 54a and becomes p-type.
図4Bは、サンプルS2のAg濃度を示すグラフである。比較のために、サンプルS1のAg濃度も示す。グラフの両軸の意味するところは、図3Bのそれに等しい。 FIG. 4B is a graph showing the Ag concentration of sample S2. For comparison, the Ag concentration of sample S1 is also shown. The meaning of both axes of the graph is equal to that of FIG. 3B.
サンプルS1と較べ、サンプルS2においてはAg濃度が表面に向って減少する程度(勾配)が、大幅に低下したことが判る。Agを照射しながらアニールを行うことにより、表面におけるAg濃度が高くなり、結晶内からのAgの離脱が抑制され、より均一なAgドーピングが実現されると考えられる。 It can be seen that the degree (gradient) in which the Ag concentration decreases toward the surface (gradient) in the sample S2 is significantly lower than that in the sample S1. By performing the annealing while irradiating Ag, the Ag concentration on the surface is increased, the separation of Ag from the crystal is suppressed, and a more uniform Ag doping is realized.
第2のアニールによれば、層中の不純物濃度(Ag濃度)がより均一な、高品質のp型ZnO系半導体結晶層を形成することができ、Ag濃度を所望の値に制御することが容易となろう。さらに、その場アニールを採用することにより、別のアニール装置は不要となり、サンプルを移動させる時間も不要となる。装置が簡略化でき、プロセスに要する時間を短縮できる。 According to the second annealing, a high-quality p-type ZnO-based semiconductor crystal layer with a more uniform impurity concentration (Ag concentration) in the layer can be formed, and the Ag concentration can be controlled to a desired value. It will be easy. Furthermore, by employing in-situ annealing, a separate annealing device is not required, and the time for moving the sample is also unnecessary. The apparatus can be simplified and the time required for the process can be shortened.
図2Cは、第3のアニールを概略的に示すグラフである。第1、第2のアニール同様に、250℃の交互成長により、交互積層構造を形成する。ここで、第3のアニールのサンプルでは、交互積層のペア数を30対にした。薄い構成を得るためであり、ペア数の減少は、本願の技術思想としては重要でない。第2のアニール同様、30対の積層成長を終えたサンプルをMBE装置から取り出さず、引き続いてMBE装置内でアニールを行う。第2のアニール同様のその場アニール(in−situ annealing)である。第2のアニール同様、MBE装置内は真空に近い環境、例えば圧力を10−8Pa〜10−2Paに保ち、酸素ラジカルは発生させ続けた。 FIG. 2C is a graph schematically showing the third annealing. Similar to the first and second annealing, an alternate stacked structure is formed by alternate growth at 250 ° C. Here, in the third annealing sample, the number of pairs of the alternately stacked layers was 30. This is to obtain a thin structure, and the reduction in the number of pairs is not important as the technical idea of the present application. Similar to the second annealing, the sample after completing the 30 pairs of stacked growth is not taken out from the MBE apparatus, and is subsequently annealed in the MBE apparatus. It is an in-situ annealing similar to the second annealing. As in the second annealing, the inside of the MBE apparatus was maintained in an environment close to vacuum, for example, the pressure was maintained at 10 −8 Pa to 10 −2 Pa, and oxygen radicals were continuously generated.
具体的には、交互積層構造54を250℃で形成した後、Agのセル温度TAgを840℃(AgフラックスFAgは0.005nm/s)とし、Agセル、酸素ラジカルシャッタ及び基板シャッタを断続的に開状態として、Agビームを試料(交互積層構造54)に直接かつ断続的に照射しながら基板温度を800℃まで昇温する。そして800℃で30分間、Agビームを試料(交互積層構造54)に直接かつ断続的に照射しながらアニールを行う。酸素セルシャッタは閉じるが、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O2流量2.0sccm(JO=8.1×1014atoms/cm2s)に保つ。なお、アニール温度は、750℃〜950℃の範囲内の温度とすることが好ましく、酸素ラジカルが存在する状況が好ましいであろう。 Specifically, after the alternate laminated structure 54 is formed at 250 ° C., the Ag cell temperature T Ag is 840 ° C. (Ag flux F Ag is 0.005 nm / s), and the Ag cell, oxygen radical shutter, and substrate shutter are mounted. The substrate temperature is raised to 800 ° C. while the sample (alternate laminated structure 54) is irradiated directly and intermittently with the Ag beam being intermittently opened. Then, annealing is performed while directly and intermittently irradiating the sample (alternate laminated structure 54) with an Ag beam at 800 ° C. for 30 minutes. Although the oxygen cell shutter is closed, the O radical beam irradiation conditions are maintained at an RF power of 300 W and an O 2 flow rate of 2.0 sccm (J O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s). The annealing temperature is preferably set to a temperature within the range of 750 ° C. to 950 ° C., and a situation where oxygen radicals are present is preferable.
図2Dは、断続的なAg照射の内容を示すグラフである。基板シャッタ、Agシャッタ及び酸素ラジカルシャッタが同期して、10秒ごとに開状態と閉状態とを繰り返す。第2のアニールと較べると、Agが供給される状態とAgが供給されない状態とが繰り返される点が異なる。Agが供給されない期間に、Zn原子の移動が促進され、それに伴ってAg原子の移動が許容されている可能性がある。得たサンプルをS3とする。なお、Ag断続照射の、照射期間と非照射期間は、10秒と10秒に限らない。例えば、共に5秒〜40秒の範囲内から選択できるであろう。 FIG. 2D is a graph showing the contents of intermittent Ag irradiation. The substrate shutter, the Ag shutter, and the oxygen radical shutter are synchronized to repeat the open state and the closed state every 10 seconds. Compared to the second annealing, the point where Ag is supplied and the state where Ag is not supplied are different. During the period when Ag is not supplied, the movement of Zn atoms is promoted, and the movement of Ag atoms may be allowed accordingly. The obtained sample is designated as S3. The irradiation period and non-irradiation period of Ag intermittent irradiation are not limited to 10 seconds and 10 seconds. For example, both could be selected from the range of 5 to 40 seconds.
図5Aは、サンプルS3の交互積層構造54形成位置の1/C2−V特性及び不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフである。グラフの両軸の意味は、図4Aの対応するグラフのそれらに等しい。1/C2−V特性を示すグラフを参照すると、右下がりの曲線(電圧が増加すると1/C2が減少する関係)が得られ、n型の交互積層構造54がp型導電性を備えるに至ったことが示されている。不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフを参照すると、p型化した交互積層構造54形成位置の不純物濃度(アクセプタ濃度)Naは5.0×1020cm−3程度に増大していることが判る。第1、第2のサンプルと比べる、アクセプタ濃度が3桁増大するという驚くべき結果が得られた。 FIG. 5A is a graph showing a 1 / C 2 -V characteristic and a depth profile of the impurity concentration at the position where the alternately laminated structure 54 is formed in the sample S3. The meaning of both axes of the graph is equal to those of the corresponding graph of FIG. 4A. Referring to the graph showing the 1 / C 2 -V characteristic, a downward-sloping curve (a relationship in which 1 / C 2 decreases as the voltage increases) is obtained, and the n-type alternating stacked structure 54 has p-type conductivity. It is shown that it has reached. Referring to the graph indicating the depth profile of the impurity concentration, the impurity concentration (acceptor concentration) of alternate stacked structure 54 formed positions p-type N a is seen to have increased to about 5.0 × 10 20 cm -3 . The surprising result was obtained that the acceptor concentration increased by 3 orders of magnitude compared to the first and second samples.
図5Bは、サンプルS3のAg濃度を示すグラフである。比較のために、第1、第2のサンプルS1、S2のAg濃度も示す。グラフの両軸の意味するところは、図3Bのそれに等しい。 FIG. 5B is a graph showing the Ag concentration of sample S3. For comparison, Ag concentrations of the first and second samples S1 and S2 are also shown. The meaning of both axes of the graph is equal to that of FIG. 3B.
第3のサンプルS3の交互積層構造54形成位置のAg濃度の層厚さ方向勾配が第2のアニール後のサンプルS2の交互積層構造の厚さ方向勾配とほぼ一致することが判る。Ag照射有/無を繰り返しながらアニールを行うと、Ag連続照射時と同程度に交互積層構造54表面からのAgの離脱が抑制され、サンプルS1より均一なAgドーピングが実現されると考えられる。 It can be seen that the gradient in the thickness direction of the Ag concentration at the position where the alternate stacked structure 54 of the third sample S3 is formed substantially matches the gradient in the thickness direction of the alternate stacked structure of the sample S2 after the second annealing. When annealing is performed while repeating the presence / absence of Ag irradiation, detachment of Ag from the surface of the alternately laminated structure 54 is suppressed to the same extent as in the case of continuous Ag irradiation, and it is considered that uniform Ag doping is realized from the sample S1.
第2のアニール同様、その場アニールを採用することにより、別のアニール装置は不要となり、サンプルを移動させる時間も不要となる。装置が簡略化でき、プロセスに要する時間を短縮できる効果が得られる。第3のアニールによれば、第2のアニールと比較して、極めて高いアクセプタ濃度を得ることが可能となる。ZnO系結晶構造へのAg照射を断続させることにより、Agの照射で表面からのAgの離脱を抑制すると共に、Ag非照射時にZnの移動を促進し、Agの移動を促進すると考えられる。 By adopting in-situ annealing as in the case of the second annealing, another annealing apparatus is unnecessary and time for moving the sample is also unnecessary. The apparatus can be simplified, and the effect of shortening the time required for the process can be obtained. According to the third annealing, it becomes possible to obtain an extremely high acceptor concentration as compared with the second annealing. By intermittently irradiating the ZnO-based crystal structure with Ag, it is considered that the Ag irradiation suppresses the separation of Ag from the surface, promotes the movement of Zn during non-Ag irradiation, and promotes the movement of Ag.
以下、Ag、Ga共ドープZnO系結晶層をp型半導体層に用いたZnO系半導体発光素子について説明する。 Hereinafter, a ZnO-based semiconductor light emitting device using an Ag, Ga co-doped ZnO-based crystal layer as a p-type semiconductor layer will be described.
図6A及び図6Bを参照し、ホモ構造のZnO系半導体発光素子について説明する。図6Aは、ZnO系半導体発光素子の概略的な断面図である。ZnO基板1上に、成長温度300℃で、ZnフラックスFZnを0.15nm/sとし、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O2流量2.0sccmとして、厚さ30nmのZnOバッファ層2を成長させる。ZnOバッファ層2の結晶性及び表面平坦性の改善のため、900℃で10分間のアニールを行う。 With reference to FIGS. 6A and 6B, a homostructure ZnO-based semiconductor light-emitting device will be described. FIG. 6A is a schematic cross-sectional view of a ZnO-based semiconductor light emitting device. On a ZnO substrate 1, a ZnO buffer layer 2 having a thickness of 30 nm with a growth temperature of 300 ° C., a Zn flux F Zn of 0.15 nm / s, an O radical beam irradiation condition of RF power of 300 W and an O 2 flow rate of 2.0 sccm. Grow. In order to improve the crystallinity and surface flatness of the ZnO buffer layer 2, annealing is performed at 900 ° C. for 10 minutes.
ZnOバッファ層2上に、成長温度900℃で、Zn、O及びGaを同時に供給し、厚さ150nmのn型ZnO層3を成長させる。ZnフラックスFZnは0.15nm/s、Oラジカルビーム照射条件はRFパワー250W、O2流量1.0sccm(JO=4.0×1014atoms/cm2s)、Gaのセル温度は460℃とする。n型ZnO層3のGa濃度は、たとえば1.5×1018cm−3となる。 On the ZnO buffer layer 2, Zn, O and Ga are simultaneously supplied at a growth temperature of 900 ° C. to grow an n-type ZnO layer 3 having a thickness of 150 nm. Zn flux F Zn is 0.15 nm / s, O radical beam irradiation conditions are RF power 250 W, O 2 flow rate 1.0 sccm (J O = 4.0 × 10 14 atoms / cm 2 s), Ga cell temperature is 460 ℃. The Ga concentration of the n-type ZnO layer 3 is, for example, 1.5 × 10 18 cm −3 .
n型ZnO層3上に、成長温度900℃、ZnフラックスFZnを0.03nm/s(JZn=2.0×1014atoms/cm2s)、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O2流量2.0sccmとして、厚さ15nmのアンドープZnO活性層4を成長させる。 On the n-type ZnO layer 3, the growth temperature is 900 ° C., the Zn flux F Zn is 0.03 nm / s (J Zn = 2.0 × 10 14 atoms / cm 2 s), the O radical beam irradiation conditions are RF power 300 W, An undoped ZnO active layer 4 having a thickness of 15 nm is grown at an O 2 flow rate of 2.0 sccm.
アンドープZnO活性層4上に、Ag、Ga共ドープp型ZnO層5を形成する。基板温度を250℃とし、アンドープZnO活性層4上に、厚さ120nmの交互積層構造5Aを形成する。 An Ag and Ga co-doped p-type ZnO layer 5 is formed on the undoped ZnO active layer 4. The substrate temperature is set to 250 ° C., and an alternate stacked structure 5 A having a thickness of 120 nm is formed on the undoped ZnO active layer 4.
図6Bは、交互積層構造5Aの概略的な断面図である。交互積層構造5Aは、GaドープZnO結晶層5aとAgO層5bが交互に積層された積層構造を有する。 FIG. 6B is a schematic cross-sectional view of the alternately laminated structure 5A. The alternate laminated structure 5A has a laminated structure in which Ga-doped ZnO crystal layers 5a and AgO layers 5b are alternately laminated.
GaドープZnO結晶層5aは、ZnフラックスFZnを0.14nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O2流量2.0sccm、Gaのセル温度TGaを550℃として成長させる。1層当たりのGaドープZnO結晶層5aの成長時間は、例えば、10秒間である。 The Ga-doped ZnO crystal layer 5a is grown at a Zn flux F Zn of 0.14 nm / s, an O radical beam irradiation condition of RF power of 300 W, an O 2 flow rate of 2.0 sccm, and a Ga cell temperature T Ga of 550 ° C. The growth time of the Ga-doped ZnO crystal layer 5a per layer is, for example, 10 seconds.
AgO層5bは、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O2流量2.0sccm、Agのセル温度TAgを840℃として成長させる。1層当たりのAgO層5bの成長時間は、例えば、50秒間である。 The AgO layer 5b is grown under the O radical beam irradiation conditions of RF power of 300 W, O 2 flow rate of 2.0 sccm, and Ag cell temperature T Ag of 840 ° C. The growth time of the AgO layer 5b per layer is, for example, 50 seconds.
交互積層構造5Aにアニール処理を施す。アニールはMBE装置内で、交互積層構造5Aの形成に続けて実施する。例えばAgのセル温度TAgを840℃とし、Agセルシャッタを開状態として、Agビームを交互積層構造5Aに断続的に照射しながら基板温度を900℃まで昇温する。そして900℃で30分間、Agビームを交互積層構造5Aに直接照射しながらアニールを行う。アニールによって、AgO層5bのAgがGaドープZnO結晶層5a中に拡散し、Ag、Ga共ドープp型ZnO層5が形成される。Ag、Ga共ドープp型ZnO層5は、アクセプタ濃度が高く、層中のAg濃度勾配が緩やかな、高品質のp型ZnO系半導体結晶層となる。 Annealing treatment is applied to the alternate laminated structure 5A. Annealing is performed in the MBE apparatus following the formation of the alternately laminated structure 5A. For example, the Ag cell temperature T Ag is set to 840 ° C., the Ag cell shutter is opened, and the substrate temperature is raised to 900 ° C. while intermittently irradiating the alternating laminated structure 5A with the Ag beam. Then, annealing is performed while directly irradiating the alternating laminated structure 5A with an Ag beam at 900 ° C. for 30 minutes. By annealing, Ag in the AgO layer 5b diffuses into the Ga-doped ZnO crystal layer 5a, and an Ag, Ga co-doped p-type ZnO layer 5 is formed. The Ag and Ga co-doped p-type ZnO layer 5 is a high-quality p-type ZnO-based semiconductor crystal layer having a high acceptor concentration and a gentle Ag concentration gradient in the layer.
ZnO基板1の裏面にn側電極6nを形成し、Ag、Ga共ドープp型ZnO層5上にはp側電極6pを形成し、p側電極6p上にボンディング電極7を形成する。n側電極6nは、厚さ10nmのTi層上に厚さ500nmのAu層を積層して形成することができる。p側電極6pは、サイズ300μm□で厚さ1nmのNi層上に、厚さ10nmのAu層を積層して形成し、ボンディング電極7は、サイズ100μm□で厚さ500nmのAu層で形成する。このようにして、ZnO系半導体発光素子が作製される。 An n-side electrode 6n is formed on the back surface of the ZnO substrate 1, a p-side electrode 6p is formed on the Ag and Ga co-doped p-type ZnO layer 5, and a bonding electrode 7 is formed on the p-side electrode 6p. The n-side electrode 6n can be formed by stacking an Au layer having a thickness of 500 nm on a Ti layer having a thickness of 10 nm. The p-side electrode 6p is formed by laminating a 10 nm thick Au layer on a 1 nm thick Ni layer having a size of 300 μm □, and the bonding electrode 7 is formed by an Au layer having a size of 100 μm □ and a thickness of 500 nm. . In this way, a ZnO-based semiconductor light emitting device is manufactured.
図7に示すように、単層の活性層4に代え、MgZnO障壁層15bとZnO井戸層15wが交互に積層された量子井戸構造を採用することもできる。n型ZnO層に代え、n型MgxZn1−xO(0≦x≦0.6)層を用いることもできる。その他、種々の公知の構成を採用することが可能である。 As shown in FIG. 7, a quantum well structure in which MgZnO barrier layers 15 b and ZnO well layers 15 w are alternately stacked may be employed instead of the single-layer active layer 4. Instead of the n-type ZnO layer, an n-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) layer can also be used. In addition, various known configurations can be employed.
以上、実験及び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。Agと3B族不純物とを含むn型ZnO系半導体結晶を、Agを断続的に照射しながらアニールすることで、活性なp型不純物としてのAg濃度を増大し、表面からのAgの離脱を抑制することができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated along experiment and an Example, this invention is not restrict | limited to these. An n-type ZnO-based semiconductor crystal containing Ag and Group 3B impurities is annealed while intermittently irradiating Ag, thereby increasing the Ag concentration as an active p-type impurity and suppressing the separation of Ag from the surface. can do.
AgとGa等の3B族元素を含むn型ZnO系半導体結晶をアニールすることで、Agが6B族元素であるOと1価(Ag+)の状態で結合しやすくなり、アクセプタとして機能する1価のAg+が2価のAg2+より生じやすくなり、n型ZnO系半導体層が容易にp型化すると考えられる。 By annealing an n-type ZnO-based semiconductor crystal containing a Group 3B element such as Ag and Ga, Ag is easily bonded to O, which is a Group 6B element, in a monovalent (Ag + ) state, and functions as an acceptor 1 It is considered that valence Ag + is more likely to be generated than divalent Ag 2+ , and the n-type ZnO-based semiconductor layer is easily converted to p-type.
Gaに限らず、Gaと同じ3B族元素であるB、Al及びInのいずれかを使用することもできよう。使用される3B族元素は、B、Ga、Al及びInからなる群より選択される1つ以上の3B族元素であればよいであろう。その他、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。 Not only Ga but also any of B, Al, and In, which are the same 3B group elements as Ga, may be used. The 3B group element used may be one or more 3B group elements selected from the group consisting of B, Ga, Al and In. It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
p型ZnO系半導体層は、たとえば短波長(紫外〜青色波長領域)の光を発光する発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)に利用でき、また、これらの応用製品(各種インジケータ、LEDディスプレイ、CV/DVD用光源等)に利用可能である。更に、白色LEDやその応用製品(照明器具、各種インジケータ、ディスプレイ、各種表示器のバックライト等)に利用できる。また、紫外センサに利用可能である。 The p-type ZnO-based semiconductor layer can be used for, for example, light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) that emit light of a short wavelength (ultraviolet to blue wavelength region), and these applied products (various indicators, LED displays) , CV / DVD light source, etc.). Furthermore, it can be used for white LEDs and their application products (lighting fixtures, various indicators, displays, backlights for various displays, etc.). Moreover, it can utilize for an ultraviolet sensor.
1、11 ZnO基板、 2、12 ZnOバッファ層、 3 n型ZnO層、 4 アンドープZnO活性層、 5 Ag、Ga共ドープp型ZnO層、 5A 交互積層構造、 5a GaドープZnO結晶層、 5b AgO層、 6n n側電極、 6p p側電極、 7 ボンディング電極、
51 ZnO基板、 52 ZnOバッファ層、 53 アンドープZnO層、 54 交互積層構造、 54a GaドープZnO結晶層、
54b AgO層、 71 真空チャンバ、 72 Znソースガン、
73 Oソースガン、 74 Mgソースガン、 75 Agソースガン、
76 Gaソースガン、 77 ステージ、 78 基板、 79 膜厚計、
80 RHEED用ガン、 81 スクリーン。
1, 11 ZnO substrate, 2, 12 ZnO buffer layer, 3 n-type ZnO layer, 4 undoped ZnO active layer, 5 Ag, Ga co-doped p-type ZnO layer, 5A alternating stacked structure, 5a Ga-doped ZnO crystal layer, 5b AgO Layer, 6n n-side electrode, 6pp side electrode, 7 bonding electrode,
51 ZnO substrate, 52 ZnO buffer layer, 53 undoped ZnO layer, 54 alternating laminated structure, 54a Ga-doped ZnO crystal layer,
54b AgO layer, 71 vacuum chamber, 72 Zn source gun,
73 O source gun, 74 Mg source gun, 75 Ag source gun,
76 Ga source gun, 77 stage, 78 substrate, 79 film thickness meter,
80 RHEED gun, 81 screen.
Claims (10)
(b)Agを断続的に照射しながら前記n型ZnO系半導体構造をアニールし、Agがドープされたp型ZnO系半導体構造を形成する工程と
を有するp型ZnO系半導体構造の製造方法。 (A) preparing an n-type ZnO-based semiconductor structure containing Ag;
(B) annealing the n-type ZnO-based semiconductor structure while intermittently irradiating Ag to form a p-type ZnO-based semiconductor structure doped with Ag.
前記工程(b)において、前記MBE装置内で前記n型ZnO系半導体構造をアニールする請求項1〜6のいずれか1項に記載のp型ZnO系半導体構造の製造方法。 In the step (a), an n-type ZnO-based semiconductor structure containing Ag is formed by MBE in an MBE apparatus,
The method for manufacturing a p-type ZnO-based semiconductor structure according to claim 1, wherein in the step (b), the n-type ZnO-based semiconductor structure is annealed in the MBE apparatus.
前記n型ZnO系半導体構造上方に、p型ZnO系半導体構造を形成する工程と
を有し、
前記p型ZnO系半導体構造を形成する工程は、
(a)Agを含むn型ZnO系半導体構造を準備する工程と、
(b)Agを断続的に照射しながら前記n型ZnO系半導体構造をアニールし、Agがドープされたp型ZnO系半導体構造を形成する工程と
を含むZnO系半導体素子の製造方法。 Forming an n-type ZnO-based semiconductor structure above the substrate;
Forming a p-type ZnO-based semiconductor structure above the n-type ZnO-based semiconductor structure,
The step of forming the p-type ZnO-based semiconductor structure includes:
(A) preparing an n-type ZnO-based semiconductor structure containing Ag;
(B) annealing the n-type ZnO-based semiconductor structure while intermittently irradiating Ag, and forming a Ag-doped p-type ZnO-based semiconductor structure.
前記工程(b)において、前記MBE装置内で前記n型ZnO系半導体構造をアニールする請求項8または9に記載のZnO系半導体素子の製造方法。 In the step (a), an n-type ZnO-based semiconductor structure containing Ag is formed by MBE in an MBE apparatus,
The method for manufacturing a ZnO-based semiconductor element according to claim 8 or 9, wherein in the step (b), the n-type ZnO-based semiconductor structure is annealed in the MBE apparatus.
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