JP2000332296A - ｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶、その成長方法及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents
ｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶、その成長方法及びそれを用いた半導体装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ｐ型のＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶の成長
方法を提供する。 【解決手段】 ＺｎＯ基板１００上に、所望濃度までは
不純物ドーピングされていないＺｎＯ層１０１ａ〜１０
１ｚと、ｐ型不純物であるＮが所望濃度以上にドーピン
グされたＺｎＴｅ層１０３ａ〜１０３ｙとを交互に複数
層積層する工程を含む。
方法を提供する。 【解決手段】 ＺｎＯ基板１００上に、所望濃度までは
不純物ドーピングされていないＺｎＯ層１０１ａ〜１０
１ｚと、ｐ型不純物であるＮが所望濃度以上にドーピン
グされたＺｎＴｅ層１０３ａ〜１０３ｙとを交互に複数
層積層する工程を含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ｐ型ＩＩ―ＶＩ族
化合物半導体結晶、その成長方法及びそれを用いた半導
体装置に関するものである。
化合物半導体結晶、その成長方法及びそれを用いた半導
体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】元素半導体（Ｓｉ、Ｇｅ）およびＧａＡ
ｓのようなＩＩＩ−Ｖ族半導体の大部分は、ドナー不純
物又はアクセプター不純物を添加することにより、ｎ型
又はｐ型の半導体を形成することができる。
ｓのようなＩＩＩ−Ｖ族半導体の大部分は、ドナー不純
物又はアクセプター不純物を添加することにより、ｎ型
又はｐ型の半導体を形成することができる。
【０００３】ｎ型及びｐ型の両方の半導体を形成するこ
とが可能な性質を両極性と呼ぶ。ＩＩＩ−Ｖ族半導体を
用いることにより、同一基板上にｐ型半導体とｎ型半導
体とを形成することができる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用
いて、ｐ−ｎ接合を含むＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔ
ｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体素子を製造すること
ができる。
とが可能な性質を両極性と呼ぶ。ＩＩＩ−Ｖ族半導体を
用いることにより、同一基板上にｐ型半導体とｎ型半導
体とを形成することができる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用
いて、ｐ−ｎ接合を含むＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔ
ｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体素子を製造すること
ができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】禁制帯幅（バンドギャ
ップ：Ｅｇ）は、結晶に固有の値である。
ップ：Ｅｇ）は、結晶に固有の値である。
【０００５】一般的には、発光波長λは、次に示す式で
表される。
表される。
【０００６】λ ＝ １２４０/Ｅｇ ここで、λは発光波長（ｎｍ）、Ｅｇは半導体の禁制帯
幅（ｅＶ）である。
幅（ｅＶ）である。
【０００７】Ｅｇの値が、結晶からのバンド間発光の波
長、すなわち発光色を決める。ＩＩＩ−Ｖ族半導体のう
ち、比較的狭いＥｇを有するＧａＡｓでは、その禁制帯
幅Ｅｇは、１.４３ ｅＶである。ＧａＡｓの発光波長
は、８７０ｎｍであり、赤外領域の発光を示す。ＩＩＩ
−Ｖ族半導体のうち、比較的広いＥｇを有するＡｌＰで
は、Ｅｇは、２.４３ ｅＶである。ＡｌＰの発光波長
は、５１０ｎｍであり、緑色の発光を示す。
長、すなわち発光色を決める。ＩＩＩ−Ｖ族半導体のう
ち、比較的狭いＥｇを有するＧａＡｓでは、その禁制帯
幅Ｅｇは、１.４３ ｅＶである。ＧａＡｓの発光波長
は、８７０ｎｍであり、赤外領域の発光を示す。ＩＩＩ
−Ｖ族半導体のうち、比較的広いＥｇを有するＡｌＰで
は、Ｅｇは、２.４３ ｅＶである。ＡｌＰの発光波長
は、５１０ｎｍであり、緑色の発光を示す。
【０００８】大部分のＩＩ―ＶＩ族半導体は、ＩＩＩ−
Ｖ族半導体と比較してＥｇが大きい。青色から青紫色、
紫外領域の発光が期待される。
Ｖ族半導体と比較してＥｇが大きい。青色から青紫色、
紫外領域の発光が期待される。
【０００９】ＩＩ―ＶＩ族化合物は、一般的にイオン性
が強く、単極性である。すなわち、ＩＩ―ＶＩ族化合物
の結晶は、一般的に、ｎ型又はｐ型のいずれか一方の導
電性しか持たず、両方の導電特性を持つことが少ない。
が強く、単極性である。すなわち、ＩＩ―ＶＩ族化合物
の結晶は、一般的に、ｎ型又はｐ型のいずれか一方の導
電性しか持たず、両方の導電特性を持つことが少ない。
【００１０】このような単極性の振る舞いは、自己補償
効果によって説明することができる。
効果によって説明することができる。
【００１１】例えば、ＩＩ―ＶＩ族化合物の結晶である
ＺｎＳにおいては、寸法の小さいＳ陰イオン空孔は、寸
法の大きいＺｎ陽イオン空孔よりも結合エネルギーが小
さい。Ｚｎ陽イオン空孔がｐ型不純物を補償する効果が
大きく、ｐ型のＺｎＳを得ることは困難である。自己補
償効果は、ＩＩ-ＶＩ族化合物の種類によって異なる
が、ｐ型のＺｎＯが得にくいという現象に関しても、上
記のＺｎＳの場合と同様に説明することが可能である。
ｐ型のＺｎＯ結晶を容易に得ることができれば、ＺｎＯ
を用いた種々の半導体デバイスを作製することができ
る。
ＺｎＳにおいては、寸法の小さいＳ陰イオン空孔は、寸
法の大きいＺｎ陽イオン空孔よりも結合エネルギーが小
さい。Ｚｎ陽イオン空孔がｐ型不純物を補償する効果が
大きく、ｐ型のＺｎＳを得ることは困難である。自己補
償効果は、ＩＩ-ＶＩ族化合物の種類によって異なる
が、ｐ型のＺｎＯが得にくいという現象に関しても、上
記のＺｎＳの場合と同様に説明することが可能である。
ｐ型のＺｎＯ結晶を容易に得ることができれば、ＺｎＯ
を用いた種々の半導体デバイスを作製することができ
る。
【００１２】本発明の目的は、ｐ型のＩＩ―ＶＩ族化合
物半導体結晶、より詳細にはｐ型ＺｎＯ結晶の成長方法
を提供することである。
物半導体結晶、より詳細にはｐ型ＺｎＯ結晶の成長方法
を提供することである。
【００１３】本発明の他の目的は、ＩＩ―ＶＩ族化合物
半導体結晶、より詳細にはｐ型ＺｎＯ結晶及びそれを用
いた素子を提供することである。
半導体結晶、より詳細にはｐ型ＺｎＯ結晶及びそれを用
いた素子を提供することである。
【００１４】なお、ＺｎＯを主要構成要素とし、ＺｎＴ
ｅを添加構成要素として含む材料も、本明細書において
ＺｎＯと略記する。
ｅを添加構成要素として含む材料も、本明細書において
ＺｎＯと略記する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、基板上に、所望濃度までは不純物ドーピングされて
いないＺｎＯ層と、ｐ型不純物であるＮが所望濃度以上
にドーピングされたＺｎＴｅ層とを交互に複数層積層す
る工程を含むｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶の成長
方法が提供される。
ば、基板上に、所望濃度までは不純物ドーピングされて
いないＺｎＯ層と、ｐ型不純物であるＮが所望濃度以上
にドーピングされたＺｎＴｅ層とを交互に複数層積層す
る工程を含むｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶の成長
方法が提供される。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を説明する。
の形態を説明する。
【００１７】図１から図３までを参照して、本発明の第
一の実施の形態によるＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶の
成長方法を説明する。
一の実施の形態によるＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶の
成長方法を説明する。
【００１８】図１にＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶の成
長装置の一例として、分子線エピタクシー（ＭＢＥ）法
を用いた結晶成長装置（以下「ＭＢＥ装置」という。）
を示す。
長装置の一例として、分子線エピタクシー（ＭＢＥ）法
を用いた結晶成長装置（以下「ＭＢＥ装置」という。）
を示す。
【００１９】ＭＢＥ装置Ａは、結晶成長が行われるチャ
ンバ１と、チャンバ１を超高真空状態に保つ真空ポンプ
Ｐとを含む。
ンバ１と、チャンバ１を超高真空状態に保つ真空ポンプ
Ｐとを含む。
【００２０】チャンバ１は、Ｚｎを蒸発させるためのＺ
ｎ用ポート１１と、Ｔｅを蒸発させるためのＴｅ用ポー
ト２１と、Ｏラジカルを照射するためのＯラジカルポー
ト３１と、Ｎラジカルを照射するためのＮラジカルポー
ト４１とを含む。
ｎ用ポート１１と、Ｔｅを蒸発させるためのＴｅ用ポー
ト２１と、Ｏラジカルを照射するためのＯラジカルポー
ト３１と、Ｎラジカルを照射するためのＮラジカルポー
ト４１とを含む。
【００２１】Ｚｎ用ポート１１は、Ｚｎ（純度７Ｎ）原
料１５を収容するとともに加熱・蒸発させるクヌーセン
セル（Ｋｎｕｄｓｅｎ ｃｅｌｌ： 以下Ｋセルと呼
ぶ。）１７とシャッターＳ1とを備えている。
料１５を収容するとともに加熱・蒸発させるクヌーセン
セル（Ｋｎｕｄｓｅｎ ｃｅｌｌ： 以下Ｋセルと呼
ぶ。）１７とシャッターＳ1とを備えている。
【００２２】Ｔｅ用ポート２１は、Ｔｅ（純度６Ｎ）原
料２５を収容するとともに加熱蒸発させるＫセル２７と
シャッターＳ2とを備えている。
料２５を収容するとともに加熱蒸発させるＫセル２７と
シャッターＳ2とを備えている。
【００２３】Ｏラジカルポート３１は、無電極放電管内
に原料ガスである酸素ガスを導入し、高周波（１３.５
６ＭＨｚ）を用いて生成したＯラジカルを、ＭＢＥチャ
ンバ１内に噴出する。Ｏラジカルのビームに対してもシ
ャッターＳ3が設けられている。
に原料ガスである酸素ガスを導入し、高周波（１３.５
６ＭＨｚ）を用いて生成したＯラジカルを、ＭＢＥチャ
ンバ１内に噴出する。Ｏラジカルのビームに対してもシ
ャッターＳ3が設けられている。
【００２４】Ｎラジカルポート４１は、無電極放電管内
に原料ガスである窒素ガスを導入し、高周波（１３.５
６ＭＨｚ）を用いて生成したＮラジカルを、ＭＢＥチャ
ンバ１内に噴出する。Ｎラジカルのビームに対してもシ
ャッターＳ4が設けられている。
に原料ガスである窒素ガスを導入し、高周波（１３.５
６ＭＨｚ）を用いて生成したＮラジカルを、ＭＢＥチャ
ンバ１内に噴出する。Ｎラジカルのビームに対してもシ
ャッターＳ4が設けられている。
【００２５】チャンバ１内には、結晶成長の下地となる
基板Ｓを保持する基板ホルダー３と、基板ホルダー３を
加熱するためのヒータ３ａとが設けられている。基板Ｓ
の温度は熱電対５によって測定可能である。基板ホルダ
ー３の位置は、ベローズを用いたマニュピュレータ７に
よって移動可能である。
基板Ｓを保持する基板ホルダー３と、基板ホルダー３を
加熱するためのヒータ３ａとが設けられている。基板Ｓ
の温度は熱電対５によって測定可能である。基板ホルダ
ー３の位置は、ベローズを用いたマニュピュレータ７に
よって移動可能である。
【００２６】チャンバ１は、成長した結晶層をモニタリ
ングするために設けられた、ＲＨＥＥＤガン５１とＲＨ
ＥＥＤスクリーン５５とを含む。ＲＨＥＥＤガン５１と
ＲＨＥＥＤスクリーン５５とを用いて、ＭＢＥ装置Ａ内
での結晶成長の様子（成長量、成長した結晶層の質）を
モニタリングしながら成長を行うことができる。
ングするために設けられた、ＲＨＥＥＤガン５１とＲＨ
ＥＥＤスクリーン５５とを含む。ＲＨＥＥＤガン５１と
ＲＨＥＥＤスクリーン５５とを用いて、ＭＢＥ装置Ａ内
での結晶成長の様子（成長量、成長した結晶層の質）を
モニタリングしながら成長を行うことができる。
【００２７】結晶成長の温度、結晶成長膜の厚さ、チャ
ンバ内の真空度等は、制御装置Ｃによって適宜制御され
る。
ンバ内の真空度等は、制御装置Ｃによって適宜制御され
る。
【００２８】以下に、ＺｎＯ基板上に、ｐ型のＺｎＯを
成長する工程について、詳細に説明する。
成長する工程について、詳細に説明する。
【００２９】結晶成長は全てＭＢＥ法により行う。
【００３０】Ｚｎのビーム量は、１.５×１０-7 Ｔｏ
ｒｒであり、Ｔｅのビーム量は４.５×１０-7Ｔｏｒｒ
である。
ｒｒであり、Ｔｅのビーム量は４.５×１０-7Ｔｏｒｒ
である。
【００３１】酸素ビームの供給源としては、ＯのＲＦプ
ラズマソースが用いられる。Ｏラジカルポート３１に純
酸素（純度６Ｎ）ガスを導入し、高周波発振源を用いて
ラジカル化する。
ラズマソースが用いられる。Ｏラジカルポート３１に純
酸素（純度６Ｎ）ガスを導入し、高周波発振源を用いて
ラジカル化する。
【００３２】窒素ビームの供給源としては、ＮのＲＦプ
ラズマソースが用いられる。Ｎラジカルポート４１に純
窒素（純度６Ｎ）ガスを導入し、高周波発振源を用いて
ラジカル化する。
ラズマソースが用いられる。Ｎラジカルポート４１に純
窒素（純度６Ｎ）ガスを導入し、高周波発振源を用いて
ラジカル化する。
【００３３】ガスソースである酸素、窒素のポート３
１，４１内の圧力は、各々、酸素（流量２ｃｃｍ）が８
×１０-5 Ｔｏｒｒ、窒素（流量０.０３ｃｃｍ）が２
×１０- 6Ｔｏｒｒである。成長温度は６００℃である。
１，４１内の圧力は、各々、酸素（流量２ｃｃｍ）が８
×１０-5 Ｔｏｒｒ、窒素（流量０.０３ｃｃｍ）が２
×１０- 6Ｔｏｒｒである。成長温度は６００℃である。
【００３４】ここで、上記の圧力の値は、基板ホルダー
位置（成長位置）に取り付けたヌードイオンゲージの指
示値を示したものである。
位置（成長位置）に取り付けたヌードイオンゲージの指
示値を示したものである。
【００３５】また、上記のガスソースの流量としては、
ｃｃｍの単位を用いたが、これは、周知のように２５
℃、１気圧での流量を示したものである。
ｃｃｍの単位を用いたが、これは、周知のように２５
℃、１気圧での流量を示したものである。
【００３６】図２に、本実施の形態により成長されるｐ
型ＺｎＯ結晶の断面図を示す。ＺｎＯ基板１００上に、
アンドープのＺｎＯ層とＮドープのＺｎＴｅ層との超格
子層１０５を成長する。
型ＺｎＯ結晶の断面図を示す。ＺｎＯ基板１００上に、
アンドープのＺｎＯ層とＮドープのＺｎＴｅ層との超格
子層１０５を成長する。
【００３７】超格子層１０５は、ＺｎＯ層１０１ａ、１
０１ｂ、・・・１０１ｚと、ＺｎＴｅ層１０３ａ、１０
３ｂ、・・・１０３ｚとの交互積層で形成される。Ｚｎ
Ｏ層１０１ａ、１０１ｂ、・・・１０１Ｚの各々は、た
とえば１０分子層であり、ＺｎＴｅ層１０３ａ、１０３
ｂ、・・・１０３ｚの各々は、たとえば１分子層であ
る。なお、ＺｎＯ基板１００上に、まずＺｎＯバッファ
層を形成し、その上に超格子層１０５を成長してもよ
い。超格子層１０５の総厚は、たとえば１００ｎｍ程度
である。
０１ｂ、・・・１０１ｚと、ＺｎＴｅ層１０３ａ、１０
３ｂ、・・・１０３ｚとの交互積層で形成される。Ｚｎ
Ｏ層１０１ａ、１０１ｂ、・・・１０１Ｚの各々は、た
とえば１０分子層であり、ＺｎＴｅ層１０３ａ、１０３
ｂ、・・・１０３ｚの各々は、たとえば１分子層であ
る。なお、ＺｎＯ基板１００上に、まずＺｎＯバッファ
層を形成し、その上に超格子層１０５を成長してもよ
い。超格子層１０５の総厚は、たとえば１００ｎｍ程度
である。
【００３８】図３は、図２に示したＺｎＯ結晶を成長す
るための２通りの成長プロセス（（ａ）及び（ｂ））
を、シャッターＳ1からＳ4の開閉シーケンスにより示し
たものである。
るための２通りの成長プロセス（（ａ）及び（ｂ））
を、シャッターＳ1からＳ4の開閉シーケンスにより示し
たものである。
【００３９】図３（ａ）は、２通りのうちの第１の成長
プロセスを示すものである。時間ｔ 1に、Ｚｎのシャッ
ターＳ1とＯのシャッターＳ3とを開く。Ｚｎ元素とＯ元
素とが基板１００表面上に飛来し、ＺｎＯ結晶層が成長
する。Ｚｎ供給量、Ｏ供給量等の成長パラメータを制御
することによりＺｎＯ結晶が分子層単位で成長する。
プロセスを示すものである。時間ｔ 1に、Ｚｎのシャッ
ターＳ1とＯのシャッターＳ3とを開く。Ｚｎ元素とＯ元
素とが基板１００表面上に飛来し、ＺｎＯ結晶層が成長
する。Ｚｎ供給量、Ｏ供給量等の成長パラメータを制御
することによりＺｎＯ結晶が分子層単位で成長する。
【００４０】なお、本明細書で１分子層とは、Ｚｎの１
原子層とＯの１原子層とで構成される結晶単位を意味す
る。１０分子層の結晶が成長するまでシャッターＳ1、
Ｓ3を開く。
原子層とＯの１原子層とで構成される結晶単位を意味す
る。１０分子層の結晶が成長するまでシャッターＳ1、
Ｓ3を開く。
【００４１】時間ｔ2においてＯのシャッターＳ3を閉じ
て、時間ｔ3までの間、Ｚｎのみを供給する。Ｚｎ供給
の結果、アンドープのＺｎＯ層１０１ａ最表面にＺｎの
終端面が形成される。過剰のＺｎを脱離するために、ｔ
3からｔ4までの間、全てのシャッターを閉じる。時間ｔ
4において、ＴｅのシャッターＳ2とＮのシャッターＳ 4
を開にして、Ｚｎの終端面上にＴｅとＮとを供給する。
Ｚｎ終端面とＴｅ、Ｎが結合することにより、Ｎがドー
ピングされたＺｎＴｅ層が１分子層成長する。
て、時間ｔ3までの間、Ｚｎのみを供給する。Ｚｎ供給
の結果、アンドープのＺｎＯ層１０１ａ最表面にＺｎの
終端面が形成される。過剰のＺｎを脱離するために、ｔ
3からｔ4までの間、全てのシャッターを閉じる。時間ｔ
4において、ＴｅのシャッターＳ2とＮのシャッターＳ 4
を開にして、Ｚｎの終端面上にＴｅとＮとを供給する。
Ｚｎ終端面とＴｅ、Ｎが結合することにより、Ｎがドー
ピングされたＺｎＴｅ層が１分子層成長する。
【００４２】尚、時刻ｔ4で、ＺｎＴｅ層のＲＨＥＥＤ
パターンは、（２×１）でありＴｅリッチの状態を示
す。
パターンは、（２×１）でありＴｅリッチの状態を示
す。
【００４３】ｔ5からｔ6までの間、全てのシャッターを
閉じ、余分の原子を脱離、排気する。その後、再びＺｎ
のシャッターＳ1を開け、ＺｎＴｅの終端面の修正を行
う。Ｔｅリッチになっている表面を、Ｚｎリッチの表面
に変える。これにより、表面のモホロジー及び極性の改
善を行う。
閉じ、余分の原子を脱離、排気する。その後、再びＺｎ
のシャッターＳ1を開け、ＺｎＴｅの終端面の修正を行
う。Ｔｅリッチになっている表面を、Ｚｎリッチの表面
に変える。これにより、表面のモホロジー及び極性の改
善を行う。
【００４４】次に、ＯのシャッターＳ3を開にして
（ｔ7）、再び、ＺｎＯを成長する。この状態は、時刻
ｔ1の状態と同等である。以上の工程を３０回繰り返
す。
（ｔ7）、再び、ＺｎＯを成長する。この状態は、時刻
ｔ1の状態と同等である。以上の工程を３０回繰り返
す。
【００４５】以上の工程を経ることにより、図２に示す
ｐ型ＺｎＯ結晶が成長できる。
ｐ型ＺｎＯ結晶が成長できる。
【００４６】図３（ｂ）には、第二の成長プロセスを示
す。成長プロセスの概略を以下に示す。
す。成長プロセスの概略を以下に示す。
【００４７】ＺｎのシャッターＳ1を開き、基板上にＺ
ｎ元素を継続的に供給した状態にする。時間ｔ2でＯの
シャッターＳ3を開き、Ｏ元素を供給して所望濃度まで
は不純物ドーピングされていないＺｎＯ元素を成長す
る。
ｎ元素を継続的に供給した状態にする。時間ｔ2でＯの
シャッターＳ3を開き、Ｏ元素を供給して所望濃度まで
は不純物ドーピングされていないＺｎＯ元素を成長す
る。
【００４８】次いで、時間ｔ3でＯのシャッターＳ3を閉
じてＯ元素の供給を停止した後、時間ｔ4でＴｅのシャ
ッターＳ2とＮのシャッターＳ4を開き、Ｔｅ元素とＮ元
素とを供給してＮがドーピングされたＺｎＴｅ層を成長
する。
じてＯ元素の供給を停止した後、時間ｔ4でＴｅのシャ
ッターＳ2とＮのシャッターＳ4を開き、Ｔｅ元素とＮ元
素とを供給してＮがドーピングされたＺｎＴｅ層を成長
する。
【００４９】時間ｔ5からｔ6までの間、シャッターＳ3
とＳ4を閉じ、ＺｎＴｅの終端面の修正を行う。
とＳ4を閉じ、ＺｎＴｅの終端面の修正を行う。
【００５０】次に、ＯのシャッターＳ3を開にして
（ｔ7）、再び、ＺｎＯを成長する。この状態は、時刻
ｔ1の状態と同等である。以上の工程を３０回繰り返
す。
（ｔ7）、再び、ＺｎＯを成長する。この状態は、時刻
ｔ1の状態と同等である。以上の工程を３０回繰り返
す。
【００５１】尚、上記の工程と同じく、ＺｎＯバッファ
層１０１を設ける場合には、予め基板１００上にＺｎと
Ｏとを供給し、所望厚のＺｎＯ層を成長した後、上記の
プロセスを行う。
層１０１を設ける場合には、予め基板１００上にＺｎと
Ｏとを供給し、所望厚のＺｎＯ層を成長した後、上記の
プロセスを行う。
【００５２】以上の２工程のいずれかを経た後には、Ｚ
ｎＯが１０分子層に対してＺｎＴｅが１分子層の割合で
積層される。積層された超格子層のバンドギャップはＺ
ｎＯとほぼ同じである。ＺｎＴｅは、Ｎを不純物として
ドーピングすることでｐ型の導電性を示す。Ｎドープの
ＺｎＴｅ層からＺｎＯ層へのＮの不純物拡散およびホー
ルの移動がＺｎＯ層１０分子層にわたって生じる。
ｎＯが１０分子層に対してＺｎＴｅが１分子層の割合で
積層される。積層された超格子層のバンドギャップはＺ
ｎＯとほぼ同じである。ＺｎＴｅは、Ｎを不純物として
ドーピングすることでｐ型の導電性を示す。Ｎドープの
ＺｎＴｅ層からＺｎＯ層へのＮの不純物拡散およびホー
ルの移動がＺｎＯ層１０分子層にわたって生じる。
【００５３】このようにして成長したＺｎＯ/ＺｎＴｅ
超格子層は、全体としてｐ型の導電層としての性質を示
す。
超格子層は、全体としてｐ型の導電層としての性質を示
す。
【００５４】ＺｎＴｅの厚さは１分子層にとどめた。臨
界膜厚以下の厚さであり、成長層中で発生する歪を小さ
く抑えることができる。成長層の表面モホロジーを良好
にすることができる。
界膜厚以下の厚さであり、成長層中で発生する歪を小さ
く抑えることができる。成長層の表面モホロジーを良好
にすることができる。
【００５５】ＺｎＴｅへのＮの流量を、上記の成長条件
において０.０５ｃｃｍ以下にすると、ＺｎＴｅ中への
Ｎのドーピング量は、１×１０20 ｃｍ-3以下に抑えら
れる。
において０.０５ｃｃｍ以下にすると、ＺｎＴｅ中への
Ｎのドーピング量は、１×１０20 ｃｍ-3以下に抑えら
れる。
【００５６】好ましくは、拡散等によりＺｎＯにドーピ
ングされているＮ濃度は、ＺｎＴｅにドーピングされて
いるＮのドーピング濃度よりも低く抑えられる。
ングされているＮ濃度は、ＺｎＴｅにドーピングされて
いるＮのドーピング濃度よりも低く抑えられる。
【００５７】図４に、本発明の第二の実施の形態による
ＺｎＯ/ＺｎＴｅ超格子を用いたｐ型半導体の断面構造
を示す。
ＺｎＯ/ＺｎＴｅ超格子を用いたｐ型半導体の断面構造
を示す。
【００５８】サファイヤ基板２０１の上に３００℃から
５００℃の範囲、例えば４００℃の低温でＺｎＯ層２１
１を厚さ３０から１００ｎｍの間、例えば、５０ｎｍ成
長する。この低温成長されたＺｎＯ層２１１は当初はぼ
アモルファス状態である。その後、基板を徐々に加熱す
る。加熱により結晶化が進行し、低温成長ＺｎＯ層がエ
ピタキシャルＺｎＯ層に変化する。
５００℃の範囲、例えば４００℃の低温でＺｎＯ層２１
１を厚さ３０から１００ｎｍの間、例えば、５０ｎｍ成
長する。この低温成長されたＺｎＯ層２１１は当初はぼ
アモルファス状態である。その後、基板を徐々に加熱す
る。加熱により結晶化が進行し、低温成長ＺｎＯ層がエ
ピタキシャルＺｎＯ層に変化する。
【００５９】次いで、第一の実施の形態において説明し
た成長方法と同様の成長方法で、ＺｎＯとＺｎＴｅ
（Ｎ）との超格子層２２５を総厚として１００ｎｍ成長
する。
た成長方法と同様の成長方法で、ＺｎＯとＺｎＴｅ
（Ｎ）との超格子層２２５を総厚として１００ｎｍ成長
する。
【００６０】図４に示す結晶構造においては、サファイ
ヤ基板２０１上に低温成長ＺｎＯ層２１１を介してＺｎ
Ｏ層２０１ａ、２０１ｂ、・・・２０１ｚとＺｎＴｅ
（Ｎ）層２０３ａ、２０３ｂ、・・・２０３ｙとの交互
積層で形成された超格子層２２５を成長している。
ヤ基板２０１上に低温成長ＺｎＯ層２１１を介してＺｎ
Ｏ層２０１ａ、２０１ｂ、・・・２０１ｚとＺｎＴｅ
（Ｎ）層２０３ａ、２０３ｂ、・・・２０３ｙとの交互
積層で形成された超格子層２２５を成長している。
【００６１】サファイヤ基板２０１と超格子層２２５と
の間に、低温成長ＺｎＯ層２１１が介在するため、サフ
ァイヤ基板２０１と超格子層２２５との間の格子定数の
差に起因する歪の影響が緩和される。表面モホロジーが
良好となる。
の間に、低温成長ＺｎＯ層２１１が介在するため、サフ
ァイヤ基板２０１と超格子層２２５との間の格子定数の
差に起因する歪の影響が緩和される。表面モホロジーが
良好となる。
【００６２】上述のＩＩ―ＶＩ族化合物成長方法によれ
ば、結晶性が良好で電気的抵抗の小さいｐ型ＺｎＯ結晶
を成長することができる。
ば、結晶性が良好で電気的抵抗の小さいｐ型ＺｎＯ結晶
を成長することができる。
【００６３】図５は、上記第二の実施の形態によるＺｎ
Ｏ/ＮドープのＺｎＴｅからなる超格子をｐ型半導体と
して用い、ＧａドープのＺｎＯをｎ型半導体として用い
たｐ―ｎ接合ダーオードを含むＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅ
ｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）の構造を示す断面図であ
る。
Ｏ/ＮドープのＺｎＴｅからなる超格子をｐ型半導体と
して用い、ＧａドープのＺｎＯをｎ型半導体として用い
たｐ―ｎ接合ダーオードを含むＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅ
ｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）の構造を示す断面図であ
る。
【００６４】図５に示すように、ＬＥＤは、サファイア
基板３０１と、その上に低温成長された厚さ１００ｎｍ
のノンドープのＺｎＯバッファ層３０５と、その上に成
長され厚さ１００ｎｍのｎ型（Ｇａドープ：１×１０18
ｃｍ-3）ＺｎＯ層３１１と、その上に形成された３０層
のＺｎＯとＺｎＴｅ（Ｎ）とが交互に積層された超格子
層３１５（総厚として約１００ｎｍ）とを含む。
基板３０１と、その上に低温成長された厚さ１００ｎｍ
のノンドープのＺｎＯバッファ層３０５と、その上に成
長され厚さ１００ｎｍのｎ型（Ｇａドープ：１×１０18
ｃｍ-3）ＺｎＯ層３１１と、その上に形成された３０層
のＺｎＯとＺｎＴｅ（Ｎ）とが交互に積層された超格子
層３１５（総厚として約１００ｎｍ）とを含む。
【００６５】ｎ型ＺｎＯ層３１１は、第１電極３２１と
コンタクトされている。
コンタクトされている。
【００６６】ｎ型ＺｎＯ層を形成するためには、Ｇａの
代わりにＡｌなどの他の３族元素をドーピングしても良
い。
代わりにＡｌなどの他の３族元素をドーピングしても良
い。
【００６７】超格子層３１５は島状に加工されている。
島状に加工された超格子層３１５は、例えばＳｉＮから
なる絶縁膜３１８によりその外側部が被覆される。絶縁
膜３１８のうち超格子層３１５の上部表面には、例えば
略円形の開口が形成される。島状に加工された超格子層
３１５のうち少なくともその側面が絶縁膜３１８により
被覆保護される。
島状に加工された超格子層３１５は、例えばＳｉＮから
なる絶縁膜３１８によりその外側部が被覆される。絶縁
膜３１８のうち超格子層３１５の上部表面には、例えば
略円形の開口が形成される。島状に加工された超格子層
３１５のうち少なくともその側面が絶縁膜３１８により
被覆保護される。
【００６８】超格子層３１５の周辺部には、開口を有す
る例えばリング状の第２電極３２５が形成される。リン
グ状の第２電極は、その内周側の下面が超格子層３１５
の上部表面の周辺部と接触する。第２電極のうちその外
周部は、絶縁膜３１８上に乗り上げた構造となってい
る。
る例えばリング状の第２電極３２５が形成される。リン
グ状の第２電極は、その内周側の下面が超格子層３１５
の上部表面の周辺部と接触する。第２電極のうちその外
周部は、絶縁膜３１８上に乗り上げた構造となってい
る。
【００６９】上記構造において、第１電極３２１に対し
第２電極にプラスの電圧を印加すると、ｐ−ｎ接合に順
方向電流が流れる。ｐ型超格子層３１５中に注入された
少数キャリア（電子）とｐ型超格子層３１５中の多数キ
ャリア（正孔）とが発光性再結合する。電子と正孔との
再結合の際に、ほぼ禁制帯のエネルギーギャップに等し
いエネルギーを有する光が前記開口から発する。すなわ
ち、電気的エネルギーを光のエネルギーに変換する。
第２電極にプラスの電圧を印加すると、ｐ−ｎ接合に順
方向電流が流れる。ｐ型超格子層３１５中に注入された
少数キャリア（電子）とｐ型超格子層３１５中の多数キ
ャリア（正孔）とが発光性再結合する。電子と正孔との
再結合の際に、ほぼ禁制帯のエネルギーギャップに等し
いエネルギーを有する光が前記開口から発する。すなわ
ち、電気的エネルギーを光のエネルギーに変換する。
【００７０】上記の動作により、ＬＥＤの開口から例え
ば約３７０ｎｍの波長の光を発する。
ば約３７０ｎｍの波長の光を発する。
【００７１】尚、本実施の形態においては、ＺｎＯとＺ
ｎＴｅ（Ｎ）とのｐ型超格子層３１５とｎ型ＺｎＯとの
ｐ−ｎ接合を利用した半導体素子の例としてＬＥＤにつ
いて説明したが、ｐ型超格子層３１５とｎ型ＺｎＯとを
組み合わせてレーザー素子を形成することも可能であ
る。その他、ｐ型超格子層３１５と組み合わせて、ＦＥ
Ｔやバイポーラトランジスタ等の電子デバイスや、他の
光デバイス及びこれらを組み合わせた半導体装置を製造
することも可能であることは言うまでもない。
ｎＴｅ（Ｎ）とのｐ型超格子層３１５とｎ型ＺｎＯとの
ｐ−ｎ接合を利用した半導体素子の例としてＬＥＤにつ
いて説明したが、ｐ型超格子層３１５とｎ型ＺｎＯとを
組み合わせてレーザー素子を形成することも可能であ
る。その他、ｐ型超格子層３１５と組み合わせて、ＦＥ
Ｔやバイポーラトランジスタ等の電子デバイスや、他の
光デバイス及びこれらを組み合わせた半導体装置を製造
することも可能であることは言うまでもない。
【００７２】以上、実施の形態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、超格子層の構成薄層の厚さは所望の特性を満足する
範囲で任意に変更することができる。ガス供給シーケン
スも上述のものに制限されない。成長条件その他のプロ
セスパラメータも種々選択することができる。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
には自明あろう。
たが、本発明はこれらに制限されるものではない。例え
ば、超格子層の構成薄層の厚さは所望の特性を満足する
範囲で任意に変更することができる。ガス供給シーケン
スも上述のものに制限されない。成長条件その他のプロ
セスパラメータも種々選択することができる。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
には自明あろう。
【００７３】
【発明の効果】結晶性が良好で電気的抵抗の小さいｐ型
ＺｎＯを成長することができる。
ＺｎＯを成長することができる。
【図１】 本発明の第一の実施の形態による結晶成長方
法に用いるＭＢＥ装置の概略を示す断面図である。
法に用いるＭＢＥ装置の概略を示す断面図である。
【図２】 本発明の第一の実施の形態による結晶成長方
法により成長されたＺｎＯ/ＮドープのＺｎＴｅ超格子
構造を示す。
法により成長されたＺｎＯ/ＮドープのＺｎＴｅ超格子
構造を示す。
【図３】 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第一の実施の
形態による結晶成長方法のシャッター制御シーケンスを
示すタイミングチャートである。
形態による結晶成長方法のシャッター制御シーケンスを
示すタイミングチャートである。
【図４】 本発明の第二の実施の形態による結晶成長方
法により成長されたＺｎＯ/ＮドープのＺｎＴｅ超格子
の構造を示す断面図である。
法により成長されたＺｎＯ/ＮドープのＺｎＴｅ超格子
の構造を示す断面図である。
【図５】 本発明の第二の実施の形態による結晶成長方
法により成長されたＺｎＯ/ＮドープのＺｎＴｅ超格子
をｐ型半導体として用いたｐ−ｎ接合ダーオードを含む
ＬＥＤ装置の構造を示す断面図である。
法により成長されたＺｎＯ/ＮドープのＺｎＴｅ超格子
をｐ型半導体として用いたｐ−ｎ接合ダーオードを含む
ＬＥＤ装置の構造を示す断面図である。
Ａ ＭＢＥ装置 Ｐ 真空ポンプ Ｓ 基板 Ｓ1〜Ｓ4 シャッター １ チャンバ ３ 基板ホルダー ３ａ ヒータ ５ 熱電対 ７ マニピュレータ １１ Ｚｎ用ポート １５ Ｚｎ原料 １７ クヌーセンセル ２１ Ｔｅ用ポート ２５ Ｔｅ原料 ３１ Ｏラジカルポート ４１ Ｎラジカルポート １００ ＺｎＯ基板 １０１ａ〜１０１ｚ ＺｎＯ層 １０３ａ〜１０３ｙ ＺｎＴｅ層 １０５ 超格子層 ２０１ サファイヤ層 ２１１ 低温成長ＺｎＯ層 ２０１ａ〜２０１ｚ ＺｎＯ層 ２０３ａ〜２０３ｙ ＺｎＴｅ層 ２２５ 超格子層 ３０１ サファイヤ層 ３０５ 低温成長ＺｎＯ層 ３１１ ｎ型ＺｎＯ層 ３１５ 超格子層 ３１８ 絶縁膜 ３２１ 第１電極 ３２５ 第２電極
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１２年４月１７日（２０００．４．１
７）
７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４７】 ＺｎのシャッターＳ1を開き、基板上
にＺｎ元素を継続的に供給した状態にする。 時間ｔ1
でＯのシャッターＳ3を開き、Ｏ元素を供給して所望濃
度までは不純物ドーピングされていないＺｎＯ元素を成
長する。
にＺｎ元素を継続的に供給した状態にする。 時間ｔ1
でＯのシャッターＳ3を開き、Ｏ元素を供給して所望濃
度までは不純物ドーピングされていないＺｎＯ元素を成
長する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４８】次いで、時間ｔ2でＯのシャッターＳ3を閉
じてＯ元素の供給を停止した後、時間ｔ4でＴｅのシャ
ッターＳ2とＮのシャッターＳ4を開き、Ｔｅ元素とＮ元
素とを供給してＮがドーピングされたＺｎＴｅ層を成長
する。
じてＯ元素の供給を停止した後、時間ｔ4でＴｅのシャ
ッターＳ2とＮのシャッターＳ4を開き、Ｔｅ元素とＮ元
素とを供給してＮがドーピングされたＺｎＴｅ層を成長
する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４９】時間ｔ5からｔ7までの間、シャッター
Ｓ2、Ｓ3およびＳ4を閉じ、ＺｎＴｅの終端面の修正を
行う。
Ｓ2、Ｓ3およびＳ4を閉じ、ＺｎＴｅの終端面の修正を
行う。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八百 隆文 宮城県仙台市青葉区片平二丁目１番１号 東北大学 金属材料研究所内 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BB07 BE35 DA05 EB01 EB03 ED06 EF04 HA06 5F041 AA31 CA05 CA41 CA46 CA49 CA55 CA57 CA66 5F103 AA04 DD30 HH04 JJ01 KK10 LL02 LL16 NN03
Claims (10)
- 【請求項１】 基板上に、所望濃度までは不純物ドーピ
ングされていないＺｎＯ層と、 ｐ型不純物であるＮが所望濃度以上にドーピングされた
ＺｎＴｅ層とを交互に複数層積層する工程を含むｐ型Ｉ
Ｉ―ＶＩ族化合物半導体結晶の成長方法。 - 【請求項２】 前記ＺｎＴｅ層は、一層の厚さが臨界膜
厚以下である請求項１記載のｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物半
導体結晶層の成長方法。 - 【請求項３】 前記ＺｎＯ層は、一層の厚さが２分子層
以上である請求項１または２に記載のｐ型ＩＩ―ＶＩ族
化合物半導体結晶の成長方法。 - 【請求項４】 （ａ）基板上に、Ｚｎ元素とＯ元素とを
供給する工程と、 （ｂ）前記工程（ａ）の後、Ｏ元素の供給を停止する工
程と、 （ｃ）前記工程（ｂ）の後、Ｚｎ元素の供給を停止して
基板上からＺｎ元素のうち過剰な元素を脱離させる工程
と、 （ｄ）前記工程（ｃ）の後、さらにＴｅ元素とＮ元素と
を供給する工程と、 （ｅ）前記工程（ｄ）の後、基板上へのＴｅ元素とＮ元
素との供給を停止して基板上の結晶成長を中断する工程
とを含むｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶の成長方
法。 - 【請求項５】 さらに、（ｆ）前記工程（ｅ）の後、基
板上にＺｎ元素を供給する工程と、 （ｇ）前記工程（ｆ）の後、基板上にＯ元素を供給する
工程とを含む請求項４記載のｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物半
導体結晶層の成長方法。 - 【請求項６】 基板上にＺｎ元素を供給している状態
で、 （ａ）Ｏ元素を供給して所望濃度までは不純物ドーピン
グされていないＺｎＯ層を成長する工程と、 （ｂ）前記工程（ａ）の後、Ｏ元素の供給を停止する工
程と、 （ｃ）前記工程（ｂ）の後、Ｔｅ元素とＮ元素とを供給
してＮがドーピングされたＺｎＴｅ層を成長する工程と
を含むｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶層の成長方
法。 - 【請求項７】 基板上に、ＺｎＯ層とＺｎＴｅ層とが交
互に積層された積層構造であって、 少なくとも前記ＺｎＴｅ層にはＮがドーピングされてい
るｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶。 - 【請求項８】 前記ＺｎＯ層には、前記ＺｎＴｅ層にド
ーピングされているＮ濃度よりも低い濃度のＮがドーピ
ングされている請求項７記載のｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物
半導体結晶。 - 【請求項９】 さらに前記積層構造と、前記基板との間
に低温成長されたＺｎＯ層を含む請求項７または８に記
載のｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶。 - 【請求項１０】 請求項７から９までのいずれかに記載
のｐ型ＩＩ―ＶＩ族化合物半導体結晶とｎ型ＩＩ―ＶＩ
族化合物半導体結晶とのｐ−ｎ接合構造を有するＩＩ―
ＶＩ族化合物半導体素子。
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