JP2001044500A - Ａ面サファイア基板を用いたＺｎＯ系化合物半導体発光素子およびその製法 - Google Patents
Ａ面サファイア基板を用いたＺｎＯ系化合物半導体発光素子およびその製法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 結晶性の優れたＺｎＯ系化合物半導体が得ら
れ、素子の特性を向上させた半導体発光素子などのＺｎ
Ｏ系化合物半導体を用いる素子を提供する。 【解決手段】 サファイア基板１のＣ面と直交する面、
たとえばＡ面（１１−２０）を主面とするサファイア基
板１の前記主面（Ａ面）上にＺｎＯ系化合物半導体層２
がエピタキシャル成長されている。半導体発光素子を構
成する場合には、たとえばＺｎＯ系化合物半導体層から
なるｎ形クラッド層とｐ形クラッド層とで、クラッド層
よりバンドギャップの小さい活性層を挟持する発光層形
成部を構成するように順次積層される。
れ、素子の特性を向上させた半導体発光素子などのＺｎ
Ｏ系化合物半導体を用いる素子を提供する。 【解決手段】 サファイア基板１のＣ面と直交する面、
たとえばＡ面（１１−２０）を主面とするサファイア基
板１の前記主面（Ａ面）上にＺｎＯ系化合物半導体層２
がエピタキシャル成長されている。半導体発光素子を構
成する場合には、たとえばＺｎＯ系化合物半導体層から
なるｎ形クラッド層とｐ形クラッド層とで、クラッド層
よりバンドギャップの小さい活性層を挟持する発光層形
成部を構成するように順次積層される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光ダイオ
ードやレーザダイオードなどの半導体発光素子、ＳＡＷ
（surface acoustic wave；表面弾性波）フィルタやＳ
ＡＷ発振素子などのＳＡＷデバイス、焦電素子、圧電素
子、ガスセンサなどのＺｎＯ系化合物半導体を用いた素
子、およびそれらの素子を製造するためのＺｎＯ系化合
物半導体層の結晶成長方法に関する。さらに詳しくは、
ＺｎＯ系化合物半導体層を結晶性よく成長し、発光効率
の向上などの素子特性を向上することができるＺｎＯ系
化合物半導体を用いた素子、およびそれらの素子を製造
するためのＺｎＯ系化合物半導体層の結晶成長方法に関
する。
ードやレーザダイオードなどの半導体発光素子、ＳＡＷ
（surface acoustic wave；表面弾性波）フィルタやＳ
ＡＷ発振素子などのＳＡＷデバイス、焦電素子、圧電素
子、ガスセンサなどのＺｎＯ系化合物半導体を用いた素
子、およびそれらの素子を製造するためのＺｎＯ系化合
物半導体層の結晶成長方法に関する。さらに詳しくは、
ＺｎＯ系化合物半導体層を結晶性よく成長し、発光効率
の向上などの素子特性を向上することができるＺｎＯ系
化合物半導体を用いた素子、およびそれらの素子を製造
するためのＺｎＯ系化合物半導体層の結晶成長方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】フルカラーディスプレーや、信号灯など
の光源に用いられる青色系（紫外から黄色の波長領域を
意味する、以下同じ）の発光ダイオード（以下、ＬＥＤ
という）や、室温で連続発振する次世代の高精細ＤＶＤ
光源用などの青色系半導体レーザ（以下、ＬＤという）
は、最近サファイア基板のＣ面上にＧａＮ系化合物半導
体を積層することにより得られるようになり脚光を浴び
ている。
の光源に用いられる青色系（紫外から黄色の波長領域を
意味する、以下同じ）の発光ダイオード（以下、ＬＥＤ
という）や、室温で連続発振する次世代の高精細ＤＶＤ
光源用などの青色系半導体レーザ（以下、ＬＤという）
は、最近サファイア基板のＣ面上にＧａＮ系化合物半導
体を積層することにより得られるようになり脚光を浴び
ている。
【０００３】この構造は、図９にＬＤチップの斜視説明
図が示されるように、サファイア基板２１のＣ面上にII
I 族チッ化物化合物半導体が有機金属化学気相成長法
（Metal Organic Chemical Vapor Deposition 以下、
ＭＯＣＶＤという）により順次積層されるもので、Ｇａ
Ｎ緩衝層２２、ｎ形ＧａＮ層２３、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ
からなるｎ形クラッド層２４、ＧａＮからなるｎ形光ガ
イド層２５、ＩｎＧａＮ系化合物半導体の多重量子井戸
構造からなる活性層２６、ｐ形ＧａＮからなるｐ形光ガ
イド層２７、ｐ形Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなるｐ形第１
クラッド層２８ａ、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなるｐ形第
２クラッド層２８ｂ、ｐ形ＧａＮからなるコンタクト層
２９が順次積層され、積層された半導体層の一部が図９
に示されるようにドライエッチングなどによりエッチン
グされてｎ形ＧａＮ層２３を露出させ、その表面にｎ側
電極３１、前述のコンタクト層２９上にｐ側電極３０が
それぞれ形成されることにより構成されている。
図が示されるように、サファイア基板２１のＣ面上にII
I 族チッ化物化合物半導体が有機金属化学気相成長法
（Metal Organic Chemical Vapor Deposition 以下、
ＭＯＣＶＤという）により順次積層されるもので、Ｇａ
Ｎ緩衝層２２、ｎ形ＧａＮ層２３、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ
からなるｎ形クラッド層２４、ＧａＮからなるｎ形光ガ
イド層２５、ＩｎＧａＮ系化合物半導体の多重量子井戸
構造からなる活性層２６、ｐ形ＧａＮからなるｐ形光ガ
イド層２７、ｐ形Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなるｐ形第１
クラッド層２８ａ、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなるｐ形第
２クラッド層２８ｂ、ｐ形ＧａＮからなるコンタクト層
２９が順次積層され、積層された半導体層の一部が図９
に示されるようにドライエッチングなどによりエッチン
グされてｎ形ＧａＮ層２３を露出させ、その表面にｎ側
電極３１、前述のコンタクト層２９上にｐ側電極３０が
それぞれ形成されることにより構成されている。
【０００４】一方、ＺｎＯ系化合物半導体もワイドギャ
ップエネルギー半導体で、Ｃｄを混晶させることにより
バンドギャップエネルギーのナロー化がなされ、同様に
青色系の発光をさせ得ること、ＳＡＷデバイスや焦電素
子、圧電素子などに用いられることなどのため、種々の
研究がなされ始めている。そして、このＺｎＯ系化合物
半導体もＧａＮ系化合物半導体やサファイアと同様にヘ
キサゴナル（hexagonal)結晶であり、格子定数もこれら
と近いため、ＧａＮ系化合物半導体のエピタキシャル成
長用基板として工業的に広く用いられている主面がＣ面
の（０００１）サファイアが、基板として考えられてい
る。
ップエネルギー半導体で、Ｃｄを混晶させることにより
バンドギャップエネルギーのナロー化がなされ、同様に
青色系の発光をさせ得ること、ＳＡＷデバイスや焦電素
子、圧電素子などに用いられることなどのため、種々の
研究がなされ始めている。そして、このＺｎＯ系化合物
半導体もＧａＮ系化合物半導体やサファイアと同様にヘ
キサゴナル（hexagonal)結晶であり、格子定数もこれら
と近いため、ＧａＮ系化合物半導体のエピタキシャル成
長用基板として工業的に広く用いられている主面がＣ面
の（０００１）サファイアが、基板として考えられてい
る。
【０００５】この（０００１）サファイア基板上へのＺ
ｎＯ系化合物半導体の成長は、たとえばZ. K. Tangらに
よる「ルーム−テンパラチャー ウルトラバイオレット
レーザ エミッション フロム セルフアッセンブル
ド ＺｎＯ マイクロクリスタライト シン フィルム
ズ（Room-temperature ultraviolet laser emissionfro
m self-assembled ZnO microcrystallite thin film
s)」（アプライドフィジックスレター（Applied Physic
s Letters）第７２巻２５号、１９９８年６月２２日
号、３２７０〜３２７２頁）にも記載されている。
ｎＯ系化合物半導体の成長は、たとえばZ. K. Tangらに
よる「ルーム−テンパラチャー ウルトラバイオレット
レーザ エミッション フロム セルフアッセンブル
ド ＺｎＯ マイクロクリスタライト シン フィルム
ズ（Room-temperature ultraviolet laser emissionfro
m self-assembled ZnO microcrystallite thin film
s)」（アプライドフィジックスレター（Applied Physic
s Letters）第７２巻２５号、１９９８年６月２２日
号、３２７０〜３２７２頁）にも記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
ＺｎＯ系化合物層を成長するには、基板としてＣ面を主
面とする（０００１）サファイア基板が用いられ、その
上にＺｎＯ系化合物半導体のＣ面が重なるように成長さ
れている。しかしサファイアのｃ軸長ｃsは１２.９９１
Åでａ軸長ａsが４.７５４Åであるのに対して、ＺｎＯ
のｃ軸長ｃzは５.２１３Åでａ軸長ａzは３.２５Åであ
るため、格子不整合度εは、ε＝（ａz−ａs）／ａs＝
−３１.６％と非常に大きくなる。この場合、図１０に
示されるように、ＺｎＯの結晶が３０°回転して成長す
る場合があるが、その場合でも、格子不整合度εは、ε
＝（２／３1/2・ａz−ａs）／ａs＝−２１.１％と非常
に大きい。そのため、とくに結晶成長時の基板温度や、
ＺｎおよびＯ元素の供給量、基板の表面処理方法や、傾
斜角度などの種々のパラメータが複雑に作用し、結晶成
長面の平坦性の再現性に乏しいという問題がある。
ＺｎＯ系化合物層を成長するには、基板としてＣ面を主
面とする（０００１）サファイア基板が用いられ、その
上にＺｎＯ系化合物半導体のＣ面が重なるように成長さ
れている。しかしサファイアのｃ軸長ｃsは１２.９９１
Åでａ軸長ａsが４.７５４Åであるのに対して、ＺｎＯ
のｃ軸長ｃzは５.２１３Åでａ軸長ａzは３.２５Åであ
るため、格子不整合度εは、ε＝（ａz−ａs）／ａs＝
−３１.６％と非常に大きくなる。この場合、図１０に
示されるように、ＺｎＯの結晶が３０°回転して成長す
る場合があるが、その場合でも、格子不整合度εは、ε
＝（２／３1/2・ａz−ａs）／ａs＝−２１.１％と非常
に大きい。そのため、とくに結晶成長時の基板温度や、
ＺｎおよびＯ元素の供給量、基板の表面処理方法や、傾
斜角度などの種々のパラメータが複雑に作用し、結晶成
長面の平坦性の再現性に乏しいという問題がある。
【０００７】また、サファイアとＺｎＯとで格子定数が
整合しないため、前述のように、ＺｎＯが３０°回転し
て成長する場合があり、回転しない結晶と３０°回転す
る結晶とが混在して、一層結晶成長面の平坦性の再現性
が乏しいという問題がある。
整合しないため、前述のように、ＺｎＯが３０°回転し
て成長する場合があり、回転しない結晶と３０°回転す
る結晶とが混在して、一層結晶成長面の平坦性の再現性
が乏しいという問題がある。
【０００８】本発明はこのよな問題を解決するためにな
されたもので、結晶性の優れたＺｎＯ系化合物結晶層が
得られ、素子の特性を向上させた半導体発光素子などの
ＺｎＯ系化合物を用いる素子を提供することを目的とす
る。
されたもので、結晶性の優れたＺｎＯ系化合物結晶層が
得られ、素子の特性を向上させた半導体発光素子などの
ＺｎＯ系化合物を用いる素子を提供することを目的とす
る。
【０００９】本発明の他の目的は、結晶性の優れたＺｎ
Ｏ系化合物結晶層を得ることができるＺｎＯ系化合物の
結晶成長方法を提供することにある。
Ｏ系化合物結晶層を得ることができるＺｎＯ系化合物の
結晶成長方法を提供することにある。
【００１０】本発明のさらに他の目的は、結晶性の優れ
たＺｎＯ系化合物半導体を用い、発光特性の優れたＬＥ
ＤやＬＤなどの半導体発光素子を提供することにある。
たＺｎＯ系化合物半導体を用い、発光特性の優れたＬＥ
ＤやＬＤなどの半導体発光素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、サファイ
ア基板上にＺｎＯ系化合物結晶層を成長するのに、格子
欠陥が少なく結晶性のよいＺｎＯ系化合物層を成長すべ
く鋭意検討を重ねた。その結果、サファイアのＡ面な
ど、Ｃ面と直交する面を主面とする基板表面にＺｎＯ系
化合物層を成長することにより、非常に結晶性に優れ、
発光特性など素子特性の優れた素子が得られることを見
出した。
ア基板上にＺｎＯ系化合物結晶層を成長するのに、格子
欠陥が少なく結晶性のよいＺｎＯ系化合物層を成長すべ
く鋭意検討を重ねた。その結果、サファイアのＡ面な
ど、Ｃ面と直交する面を主面とする基板表面にＺｎＯ系
化合物層を成長することにより、非常に結晶性に優れ、
発光特性など素子特性の優れた素子が得られることを見
出した。
【００１２】本発明によるＺｎＯ系化合物層を有する素
子は、サファイア基板のＣ面と直交する面を主面とする
サファイア基板と、該サファイア基板の前記主面上にエ
ピタキシャル成長されたＺｎＯ系化合物層とを有してい
る。
子は、サファイア基板のＣ面と直交する面を主面とする
サファイア基板と、該サファイア基板の前記主面上にエ
ピタキシャル成長されたＺｎＯ系化合物層とを有してい
る。
【００１３】ここにＺｎＯ系化合物とは、Ｚｎを含む酸
化物、具体例としてはＺｎＯの他IIＡ族元素とＺｎまた
はIIＢ族元素とＺｎまたはIIＡ族元素およびIIＢ族元素
とＺｎのそれぞれの酸化物であることを意味する。ま
た、サファイア基板のＣ面と直交する面とは、サファイ
アのＡ面の他にそのＡ面がＣ面内で回転する面のよう
に、Ｃ面と直角に交わる面を意味し、直交（直角）に
は、通常の基板製作仕様上許容される±０.５°以内の
ものを含む意味である。
化物、具体例としてはＺｎＯの他IIＡ族元素とＺｎまた
はIIＢ族元素とＺｎまたはIIＡ族元素およびIIＢ族元素
とＺｎのそれぞれの酸化物であることを意味する。ま
た、サファイア基板のＣ面と直交する面とは、サファイ
アのＡ面の他にそのＡ面がＣ面内で回転する面のよう
に、Ｃ面と直角に交わる面を意味し、直交（直角）に
は、通常の基板製作仕様上許容される±０.５°以内の
ものを含む意味である。
【００１４】この構造にすることにより、サファイア基
板のｃ軸方向と直角方向にＺｎＯ系化合物層が成長する
ため、サファイアのｃ軸に沿ってＺｎＯのａ軸が並んで
成長する。その結果、ｃ軸長（１２.９９１Å）に沿っ
てＺｎＯ系化合物のａ軸長（３.２５Å）の４個分の結
晶が並び、結晶の整合度が０.０７％程度と非常によく
なり、優れた結晶面が得られるものと考えられる。
板のｃ軸方向と直角方向にＺｎＯ系化合物層が成長する
ため、サファイアのｃ軸に沿ってＺｎＯのａ軸が並んで
成長する。その結果、ｃ軸長（１２.９９１Å）に沿っ
てＺｎＯ系化合物のａ軸長（３.２５Å）の４個分の結
晶が並び、結晶の整合度が０.０７％程度と非常によく
なり、優れた結晶面が得られるものと考えられる。
【００１５】前記サファイア基板の主面がＡ面であれ
ば、サファイア基板が容易に得られやすいため好まし
い。
ば、サファイア基板が容易に得られやすいため好まし
い。
【００１６】本発明のＺｎＯ系化合物層の結晶成長方法
は、サファイア基板のｃ軸と前記ＺｎＯ系化合物層のｃ
軸とが直交するように前記ＺｎＯ系化合物層をエピタキ
シャル成長するものである。
は、サファイア基板のｃ軸と前記ＺｎＯ系化合物層のｃ
軸とが直交するように前記ＺｎＯ系化合物層をエピタキ
シャル成長するものである。
【００１７】本発明の半導体発光素子は、サファイア基
板のＣ面と直交する面を主面とするサファイア基板と、
該サファイア基板の前記主面上にエピタキシャル成長さ
れたＺｎＯ系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層
を少なくとも有し、発光層を形成すべく積層される半導
体積層部とを含んでいる。前記Ｃ面と直交するサファイ
ア基板の主面としては、たとえばＡ面を用いることがで
きる。
板のＣ面と直交する面を主面とするサファイア基板と、
該サファイア基板の前記主面上にエピタキシャル成長さ
れたＺｎＯ系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層
を少なくとも有し、発光層を形成すべく積層される半導
体積層部とを含んでいる。前記Ｃ面と直交するサファイ
ア基板の主面としては、たとえばＡ面を用いることがで
きる。
【００１８】前記半導体積層部が、Ｃｄx Ｚｎ1-x Ｏ
（０≦ｘ＜１）からなる活性層を、Ｍｇy Ｚｎ1-y Ｏ
（０≦ｙ＜１）からなり前記活性層よりバンドギャップ
エネルギーの大きいクラッド層により挟持するダブルヘ
テロ構造を有することにより、ＺｎＯ系化合物半導体を
用い、発光特性の優れたＬＥＤやＬＤが得られるため好
ましい。
（０≦ｘ＜１）からなる活性層を、Ｍｇy Ｚｎ1-y Ｏ
（０≦ｙ＜１）からなり前記活性層よりバンドギャップ
エネルギーの大きいクラッド層により挟持するダブルヘ
テロ構造を有することにより、ＺｎＯ系化合物半導体を
用い、発光特性の優れたＬＥＤやＬＤが得られるため好
ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明のＺｎＯ系化合物層を用いた素子、およびそれらの素
子を製造するためのＺｎＯ系化合物層の結晶成長方法に
ついて説明をする。
明のＺｎＯ系化合物層を用いた素子、およびそれらの素
子を製造するためのＺｎＯ系化合物層の結晶成長方法に
ついて説明をする。
【００２０】本発明のＺｎＯ系化合物層を有する素子
は、図１にその一実施形態であるＡ面を主面とするサフ
ァイア基板１上にＺｎＯ化合物層を成長した断面説明図
が示されるように、サファイア基板１のＣ面と直交する
面、たとえばＡ面（１１−２０）を主面とするサファイ
ア基板１の前記主面（Ａ面）上にＺｎＯ系化合物層２が
エピタキシャル成長されている。このＺｎＯ系化合物層
の成長は、目的とする素子により必要な組成（ＭｇやＣ
ｄなどを混晶したり、ドーパントをドーピングしたりす
る）にしたり、必要な厚さに成長される。たとえば半導
体発光素子を構成する場合には、後述するように、たと
えばＺｎＯ系化合物半導体層からなるｎ形クラッド層と
ｐ形クラッド層とで、クラッド層よりバンドギャップの
小さい活性層を挟持する発光層形成部を構成するように
順次積層される。
は、図１にその一実施形態であるＡ面を主面とするサフ
ァイア基板１上にＺｎＯ化合物層を成長した断面説明図
が示されるように、サファイア基板１のＣ面と直交する
面、たとえばＡ面（１１−２０）を主面とするサファイ
ア基板１の前記主面（Ａ面）上にＺｎＯ系化合物層２が
エピタキシャル成長されている。このＺｎＯ系化合物層
の成長は、目的とする素子により必要な組成（ＭｇやＣ
ｄなどを混晶したり、ドーパントをドーピングしたりす
る）にしたり、必要な厚さに成長される。たとえば半導
体発光素子を構成する場合には、後述するように、たと
えばＺｎＯ系化合物半導体層からなるｎ形クラッド層と
ｐ形クラッド層とで、クラッド層よりバンドギャップの
小さい活性層を挟持する発光層形成部を構成するように
順次積層される。
【００２１】サファイアのＡ面は、図２（ａ）にサファ
イア単結晶の代表的な面方位が、図２（ｂ）に単結晶の
Ｃ面の正面図が示されるように、Ｃ面の格子の１つおき
の格子を結ぶ線分のＣ面と垂直な面で、サファイア単結
晶の（１１−２０）の面方位で示される面である。この
面方位は６回対称で、図２（ｂ）に示されるように、１
つの六角柱にて形成される結晶で６ヶ所ある。このＡ面
であれば、後述するようにサファイアのｃ軸長にＺｎＯ
のａ軸長が４個分に対応して、優れた結晶構造が得られ
ると考えられるが、この考えに基づくと、必ずしもＡ面
である必要はなく、図２（ｂ）のＸで示されるように、
Ａ面がＣ面内で回転するような面でもＣ面に対して直角
になり、このようにＣ面に直交する面であればよい。な
お、このＣ面に対して直角（直交）というのは、ほぼ直
角という程度のもので、通常の面方位の誤差である±
０.５°程度の範囲は結晶軸長のズレには影響しない。
イア単結晶の代表的な面方位が、図２（ｂ）に単結晶の
Ｃ面の正面図が示されるように、Ｃ面の格子の１つおき
の格子を結ぶ線分のＣ面と垂直な面で、サファイア単結
晶の（１１−２０）の面方位で示される面である。この
面方位は６回対称で、図２（ｂ）に示されるように、１
つの六角柱にて形成される結晶で６ヶ所ある。このＡ面
であれば、後述するようにサファイアのｃ軸長にＺｎＯ
のａ軸長が４個分に対応して、優れた結晶構造が得られ
ると考えられるが、この考えに基づくと、必ずしもＡ面
である必要はなく、図２（ｂ）のＸで示されるように、
Ａ面がＣ面内で回転するような面でもＣ面に対して直角
になり、このようにＣ面に直交する面であればよい。な
お、このＣ面に対して直角（直交）というのは、ほぼ直
角という程度のもので、通常の面方位の誤差である±
０.５°程度の範囲は結晶軸長のズレには影響しない。
【００２２】このサファイア基板１上にＺｎＯ化合物層
を成長するには、まずＡ面を主面とするサファイアのウ
ェハ１を、アセトン、エタノールを用いて、脱脂洗浄を
し、最後に純粋洗浄をする。その後、洗浄ウェハをロー
ドロック（Load Lock）室に入れ、１０-6Torr程度以下
の真空度中で、４００℃程度で１時間程度の予備加熱を
し、余分な水分を飛ばす。
を成長するには、まずＡ面を主面とするサファイアのウ
ェハ１を、アセトン、エタノールを用いて、脱脂洗浄を
し、最後に純粋洗浄をする。その後、洗浄ウェハをロー
ドロック（Load Lock）室に入れ、１０-6Torr程度以下
の真空度中で、４００℃程度で１時間程度の予備加熱を
し、余分な水分を飛ばす。
【００２３】予備加熱終了後、１０-9〜１０-10Torr程
度の真空度に保たれたＭＢＥ（Molecular Beam Epitax
y）装置に搬入する。そして、８００℃程度で３０分程
度のサーマルクリーニングをした後に６５０℃程度にす
る。そして、Ｏ2ラジカルを１３.５６ＭＨｚのＲＦによ
りプラズマ化することによって供給し、Ｚｎのセルのシ
ャッターを開けることによりＺｎＯ層２がエピタキシャ
ル成長する。なお、ＭｇやＣｄなどを混晶したり、ドー
パントをドーピングする場合には、それらの元素のセル
を開けることにより所望のＺｎＯ系化合物層を得ること
ができる。なお、この例では、洗浄後のサーマルクリー
ニングを８００℃程度で３０分程度行ったが、１０００
℃程度で１時間程度のアニール処理を行うと成長するＺ
ｎＯ層の結晶性の再現性が非常に向上することが確認さ
れた。
度の真空度に保たれたＭＢＥ（Molecular Beam Epitax
y）装置に搬入する。そして、８００℃程度で３０分程
度のサーマルクリーニングをした後に６５０℃程度にす
る。そして、Ｏ2ラジカルを１３.５６ＭＨｚのＲＦによ
りプラズマ化することによって供給し、Ｚｎのセルのシ
ャッターを開けることによりＺｎＯ層２がエピタキシャ
ル成長する。なお、ＭｇやＣｄなどを混晶したり、ドー
パントをドーピングする場合には、それらの元素のセル
を開けることにより所望のＺｎＯ系化合物層を得ること
ができる。なお、この例では、洗浄後のサーマルクリー
ニングを８００℃程度で３０分程度行ったが、１０００
℃程度で１時間程度のアニール処理を行うと成長するＺ
ｎＯ層の結晶性の再現性が非常に向上することが確認さ
れた。
【００２４】このように、Ａ面を主面とするサファイア
基板の表面にエピタキシャル成長したＺｎＯ膜の結晶状
態を調べるため、数千Å程度の厚さにエピタキシャル成
長したＺｎＯ膜の表面にＸ線を照射して、その反射強度
分布により得られる面の法線方向の位置をその面方位と
共に図３に示す。図３（ａ）が本発明のＡ面を主面とす
るサファイア基板上に成長した膜における面の法線方向
の位置を示す図で、図３（ｂ）がＣ面を主面とするサフ
ァイア基板上に成長したＺｎＯ膜における面の法線方向
の位置を示す図である。
基板の表面にエピタキシャル成長したＺｎＯ膜の結晶状
態を調べるため、数千Å程度の厚さにエピタキシャル成
長したＺｎＯ膜の表面にＸ線を照射して、その反射強度
分布により得られる面の法線方向の位置をその面方位と
共に図３に示す。図３（ａ）が本発明のＡ面を主面とす
るサファイア基板上に成長した膜における面の法線方向
の位置を示す図で、図３（ｂ）がＣ面を主面とするサフ
ァイア基板上に成長したＺｎＯ膜における面の法線方向
の位置を示す図である。
【００２５】ＺｎＯはａ軸方向で６回対称であるため、
本来なら６点しか回折パターン（面の法線方向の位置）
が現れないはずであるが、図３（ｂ）に示されるＣ面上
に成長したＺｎＯ膜では、ＺｎＯのａ軸とサファイアの
ａ軸とが平行なところの他に、ＺｎＯのａ軸がサファイ
アのａ軸に対して３０°回転したパターンが入り混じ
り、１２点のパターンが観察されている（実際には、３
０°回転の位置のパターンは強度が薄く、その割合が少
ないことを示していた）。これに対して、図３（ａ）に
示されるように、本発明のＡ面上に成長させたＺｎＯ膜
は、ＺｎＯのＡ面とサファイアのＣ面とが平行になり、
ＺｎＯは一定の結晶方向でサファイアのｃ軸方向に成長
し、６回対称の回折パターンのみが観察されている。す
なわち３０°回転した結晶成長はしていないことが分
る。
本来なら６点しか回折パターン（面の法線方向の位置）
が現れないはずであるが、図３（ｂ）に示されるＣ面上
に成長したＺｎＯ膜では、ＺｎＯのａ軸とサファイアの
ａ軸とが平行なところの他に、ＺｎＯのａ軸がサファイ
アのａ軸に対して３０°回転したパターンが入り混じ
り、１２点のパターンが観察されている（実際には、３
０°回転の位置のパターンは強度が薄く、その割合が少
ないことを示していた）。これに対して、図３（ａ）に
示されるように、本発明のＡ面上に成長させたＺｎＯ膜
は、ＺｎＯのＡ面とサファイアのＣ面とが平行になり、
ＺｎＯは一定の結晶方向でサファイアのｃ軸方向に成長
し、６回対称の回折パターンのみが観察されている。す
なわち３０°回転した結晶成長はしていないことが分
る。
【００２６】また、ＭＢＥ法により１分程度成長した状
態（数百Å程度の厚さ）で、ＲＨＥＥＤ法（反射高エネ
ルギー電子回折法；電子銃により１０〜５０ｋＶで加速
された電子ビームを基板表面に浅い角度（１〜２゜以
下）で入射させ、表面原子によって反射回折された電子
ビームを蛍光スクリーンに投影して結晶の表面状態を調
べる方法）により調べた結果、サファイアのＣ面上に成
長した膜では、本来のＺｎＯパターンの間に薄いパター
ンが現れたが、本発明のＡ面上に成長したＺｎＯ膜で
は、面内配向の乱れがなく本来のＺｎＯのパターンのみ
が観察された。
態（数百Å程度の厚さ）で、ＲＨＥＥＤ法（反射高エネ
ルギー電子回折法；電子銃により１０〜５０ｋＶで加速
された電子ビームを基板表面に浅い角度（１〜２゜以
下）で入射させ、表面原子によって反射回折された電子
ビームを蛍光スクリーンに投影して結晶の表面状態を調
べる方法）により調べた結果、サファイアのＣ面上に成
長した膜では、本来のＺｎＯパターンの間に薄いパター
ンが現れたが、本発明のＡ面上に成長したＺｎＯ膜で
は、面内配向の乱れがなく本来のＺｎＯのパターンのみ
が観察された。
【００２７】図４は、ＺｎＯ膜の結晶状態をさらに別の
方法で調べたもので、このＺｎＯのバンドギャップエネ
ルギーより大きい４ｅＶ程度の光を照射してフォトルミ
ネッセント発光をさせたものの波長に対する発光強度を
示した図である。図４のＡで示される特性が、本発明の
Ａ面を主面とするサファイア基板上に成長したＺｎＯ膜
の特性で、Ｃで示される特性がＣ面を主面とするサファ
イア基板上に成長したＺｎＯの特性である。図４からも
明らかなように、本発明のＺｎＯ膜では、Ｃ面上に成長
したＺｎＯ膜より約３０倍の強度の発光が得られ、その
半値幅もＣ面上に成長したものが３０ｍｅＶであるのに
対して、本発明のＡ面に成長したものは０.７ｍｅＶと
小さく、明らかに良好な結晶が得られていることを示し
ている。
方法で調べたもので、このＺｎＯのバンドギャップエネ
ルギーより大きい４ｅＶ程度の光を照射してフォトルミ
ネッセント発光をさせたものの波長に対する発光強度を
示した図である。図４のＡで示される特性が、本発明の
Ａ面を主面とするサファイア基板上に成長したＺｎＯ膜
の特性で、Ｃで示される特性がＣ面を主面とするサファ
イア基板上に成長したＺｎＯの特性である。図４からも
明らかなように、本発明のＺｎＯ膜では、Ｃ面上に成長
したＺｎＯ膜より約３０倍の強度の発光が得られ、その
半値幅もＣ面上に成長したものが３０ｍｅＶであるのに
対して、本発明のＡ面に成長したものは０.７ｍｅＶと
小さく、明らかに良好な結晶が得られていることを示し
ている。
【００２８】本発明によれば、Ｃ面と直交するＡ面を主
面とするサファイア基板上にＺｎＯ系化合物を成長して
いるため、前述のように、結晶性の優れたＺｎＯ系化合
物層が得られた。この理由はつぎのように考えられる。
すなわち、サファイアのｃ軸長ｃsは、前述のように、
１２.９９１Åであり、ＺｎＯのａ軸長ａzは、３.２５
Åであるため、ｃsがほぼ４ａzとなる。そのため、図５
にＡ面を主面とするサファイア基板上に成長するＺｎＯ
の結晶状態（Ｃ面）の平面図が示されるように、サファ
イアのｃ軸長ｃsに２個分のＺｎＯ結晶（ａ軸が４個分
の結晶）が配列されて、非常に面内配向が安定し、常に
一定の面内配向で成長すると考えられる。このときの格
子整合度εは、ε＝（４×ａz−ｃs）／ｃs＝０.０７％
となり、非常に整合度が高くなっている。その結果、高
い結晶性を保持して成長することができる。
面とするサファイア基板上にＺｎＯ系化合物を成長して
いるため、前述のように、結晶性の優れたＺｎＯ系化合
物層が得られた。この理由はつぎのように考えられる。
すなわち、サファイアのｃ軸長ｃsは、前述のように、
１２.９９１Åであり、ＺｎＯのａ軸長ａzは、３.２５
Åであるため、ｃsがほぼ４ａzとなる。そのため、図５
にＡ面を主面とするサファイア基板上に成長するＺｎＯ
の結晶状態（Ｃ面）の平面図が示されるように、サファ
イアのｃ軸長ｃsに２個分のＺｎＯ結晶（ａ軸が４個分
の結晶）が配列されて、非常に面内配向が安定し、常に
一定の面内配向で成長すると考えられる。このときの格
子整合度εは、ε＝（４×ａz−ｃs）／ｃs＝０.０７％
となり、非常に整合度が高くなっている。その結果、高
い結晶性を保持して成長することができる。
【００２９】この観点からは、Ａ面でなくても、前述の
図２に示されるＸ面のように、Ａ面がＣ面内で回転した
面、すなわちＣ面と直交する面であれば、前述の図５に
示されるように、サファイアのｃ軸長に、ＺｎＯのａ軸
長４個分が対応するようにＺｎＯ系化合物結晶が配列さ
れ、同様に結晶性のよいＺｎＯ系化合物結晶層が得られ
ることが推察される。
図２に示されるＸ面のように、Ａ面がＣ面内で回転した
面、すなわちＣ面と直交する面であれば、前述の図５に
示されるように、サファイアのｃ軸長に、ＺｎＯのａ軸
長４個分が対応するようにＺｎＯ系化合物結晶が配列さ
れ、同様に結晶性のよいＺｎＯ系化合物結晶層が得られ
ることが推察される。
【００３０】つぎに、このＡ面（１１−２０）を主面と
するサファイア基板を用いて、ＺｎＯ系化合物半導体層
を成長した青色系の半導体発光素子の構成例について説
明をする。
するサファイア基板を用いて、ＺｎＯ系化合物半導体層
を成長した青色系の半導体発光素子の構成例について説
明をする。
【００３１】本発明の半導体発光素子は、図６にＬＥＤ
チップの斜視説明図が示されるように、Ａ面を主面とす
るサファイア基板１の表面にＺｎＯ系化合物半導体から
なるｎ形層３、４およびｐ形層６、７を少なくとも有
し、発光層を形成するように半導体積層部１１が積層さ
れている。
チップの斜視説明図が示されるように、Ａ面を主面とす
るサファイア基板１の表面にＺｎＯ系化合物半導体から
なるｎ形層３、４およびｐ形層６、７を少なくとも有
し、発光層を形成するように半導体積層部１１が積層さ
れている。
【００３２】半導体積層部１１は、図６に示される例で
は、Ｇａをドープしたｎ形ＺｎＯからなるコンタクト層
３が１μｍ程度、同じくＧａをドープしたＭｇy Ｚｎ
1-y Ｏ（０≦ｙ＜１、たとえばｙ＝０.１５）からなる
ｎ形クラッド層４が０.２μｍ程度、Ｃｄx Ｚｎ1-x Ｏ
（０≦ｘ＜１、かつクラッド層よりバンドギャップエネ
ルギーが小さくなる組成、たとえばｘ＝０.０８）から
なる活性層５が０.１μｍ程度、ＧａおよびＮを同時ド
ープしたＭｇy Ｚｎ1-y Ｏ（０≦ｙ＜１、たとえばｙ＝
０.１５）からなるｐ形クラッド層６が０.２μｍ程度、
ＧａおよびＮを同時ドープしたＺｎＯからなるｐ形コン
タクト層７が１μｍ程度、それぞれ積層されることによ
り、ダブルヘテロ構造の発光層形成部を有する半導体積
層部１１になっている。これらの半導体層は、前述のＭ
ＢＥ装置で連続的に成長される。なお、活性層５は、非
発光再結合中心の形成を避けるため、ノンドープである
ことが好ましい。また、ｎ形およびｐ形クラッド層４、
６は、活性層５よりバンドギャップが大きく、キャリア
を活性層５内に有効に閉じ込める効果を有するように形
成されている。
は、Ｇａをドープしたｎ形ＺｎＯからなるコンタクト層
３が１μｍ程度、同じくＧａをドープしたＭｇy Ｚｎ
1-y Ｏ（０≦ｙ＜１、たとえばｙ＝０.１５）からなる
ｎ形クラッド層４が０.２μｍ程度、Ｃｄx Ｚｎ1-x Ｏ
（０≦ｘ＜１、かつクラッド層よりバンドギャップエネ
ルギーが小さくなる組成、たとえばｘ＝０.０８）から
なる活性層５が０.１μｍ程度、ＧａおよびＮを同時ド
ープしたＭｇy Ｚｎ1-y Ｏ（０≦ｙ＜１、たとえばｙ＝
０.１５）からなるｐ形クラッド層６が０.２μｍ程度、
ＧａおよびＮを同時ドープしたＺｎＯからなるｐ形コン
タクト層７が１μｍ程度、それぞれ積層されることによ
り、ダブルヘテロ構造の発光層形成部を有する半導体積
層部１１になっている。これらの半導体層は、前述のＭ
ＢＥ装置で連続的に成長される。なお、活性層５は、非
発光再結合中心の形成を避けるため、ノンドープである
ことが好ましい。また、ｎ形およびｐ形クラッド層４、
６は、活性層５よりバンドギャップが大きく、キャリア
を活性層５内に有効に閉じ込める効果を有するように形
成されている。
【００３３】半導体積層部１１上には、電流を拡散させ
るための、たとえばＩＴＯ膜からなる透明電極８が０.
２μｍ程度成膜されており、その表面の一部にＮｉ／Ａ
ｌまたはＮｉ／Ａｕなどの積層体からなるｐ側電極１０
がリフトオフ法などにより、また、半導体積層部１１の
一部がエッチングにより除去され、露出するｎ形コンタ
クト層３上に、Ｔｉ／ＡｌまたはＴｉ／Ａｕなどの積層
体からなるｎ側電極９が真空蒸着などにより形成されて
いる。
るための、たとえばＩＴＯ膜からなる透明電極８が０.
２μｍ程度成膜されており、その表面の一部にＮｉ／Ａ
ｌまたはＮｉ／Ａｕなどの積層体からなるｐ側電極１０
がリフトオフ法などにより、また、半導体積層部１１の
一部がエッチングにより除去され、露出するｎ形コンタ
クト層３上に、Ｔｉ／ＡｌまたはＴｉ／Ａｕなどの積層
体からなるｎ側電極９が真空蒸着などにより形成されて
いる。
【００３４】つぎに、このＬＥＤの製法について説明を
する。前述のように、Ａ面を主面とするサファイア基板
１をアセトンなどにより脱脂洗浄をし、Load Lock室で
予備加熱、ＭＢＥ装置内でのサーマルクリーニングをし
た後、６５０℃程度にして酸素ラジカルを供給すると共
に、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｇａなどの、所望材料のセルの
シャッターを開けることにより、前述の組成のＺｎＯ系
化合物半導体層をそれぞれ前述の厚さになるように、順
次エピタキシャル成長して、半導体積層部１１を形成す
る。なお、ｎ形層を形成する場合はドーパントとしてＧ
ａをドーピングし、ｐ形層を形成する場合は、ドーパン
トとしてＮ2プラズマとＧａを同時にドーピングした。
する。前述のように、Ａ面を主面とするサファイア基板
１をアセトンなどにより脱脂洗浄をし、Load Lock室で
予備加熱、ＭＢＥ装置内でのサーマルクリーニングをし
た後、６５０℃程度にして酸素ラジカルを供給すると共
に、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｇａなどの、所望材料のセルの
シャッターを開けることにより、前述の組成のＺｎＯ系
化合物半導体層をそれぞれ前述の厚さになるように、順
次エピタキシャル成長して、半導体積層部１１を形成す
る。なお、ｎ形層を形成する場合はドーパントとしてＧ
ａをドーピングし、ｐ形層を形成する場合は、ドーパン
トとしてＮ2プラズマとＧａを同時にドーピングした。
【００３５】その後、ＭＢＥ装置よりエピタキシャル成
長がされたウェハを取り出し、反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）などのドライエッチング法により、半導体積
層部の一部をエッチングして、ｎ形コンタクト層３を露
出させる。このエッチングは、硫酸系エッチャントなど
によるウェットエッチングにより行うこともできる。そ
の後、たとえばスパッタ装置に入れて、ｐ形コンタクト
層７上にＩＴＯを成膜し、透明電極８を０.２μｍ程度
の厚さに設ける。その後、リフトオフ法などによりｎ形
コンタクト層３上にＴｉ／Ａｌなどからなるｎ側電極９
を、ＩＴＯ膜８上の一部にＴｉ／Ａｌなどからなるｐ側
電極１０を、それぞれ０.２μｍ程度づつ形成する。そ
の後ウェハからチップ化することにより、図１に示され
るＬＥＤチップが得られる。
長がされたウェハを取り出し、反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）などのドライエッチング法により、半導体積
層部の一部をエッチングして、ｎ形コンタクト層３を露
出させる。このエッチングは、硫酸系エッチャントなど
によるウェットエッチングにより行うこともできる。そ
の後、たとえばスパッタ装置に入れて、ｐ形コンタクト
層７上にＩＴＯを成膜し、透明電極８を０.２μｍ程度
の厚さに設ける。その後、リフトオフ法などによりｎ形
コンタクト層３上にＴｉ／Ａｌなどからなるｎ側電極９
を、ＩＴＯ膜８上の一部にＴｉ／Ａｌなどからなるｐ側
電極１０を、それぞれ０.２μｍ程度づつ形成する。そ
の後ウェハからチップ化することにより、図１に示され
るＬＥＤチップが得られる。
【００３６】本発明の半導体発光素子によれば、Ａ面を
主面とするサファイア基板の表面にＺｎＯ化合物半導体
層がエピタキシャル成長されているため、サファイアの
ｃ軸長とＺｎＯ化合物の４個のａ軸長とが整合して配列
され、結晶性のよいＺｎＯ化合物半導体層が成長する。
その上に成長されるＺｎＯ系化合物半導体層もＺｎＯと
同種の化合物であり、ＺｎＯ層の結晶に沿って整合され
た結晶層が成長する。その結果、膜質の悪い場合のよう
に非発光再結合中心が発生することなく、内部量子効率
が大幅に向上し、ＺｎＯ系化合物の有する高いエキシト
ンと相俟って、非常に高い発光効率の半導体発光素子が
得られる。なお、Ａ面を主面とするサファイア基板上に
成長する化合物半導体層は、ＺｎＯでなくても、Ｚｎの
一部がＭｇやＣｄなどと置換されたＺｎＯ系化合物半導
体でも格子定数に殆ど変化はなく、同様に結晶性よく成
長することができる。
主面とするサファイア基板の表面にＺｎＯ化合物半導体
層がエピタキシャル成長されているため、サファイアの
ｃ軸長とＺｎＯ化合物の４個のａ軸長とが整合して配列
され、結晶性のよいＺｎＯ化合物半導体層が成長する。
その上に成長されるＺｎＯ系化合物半導体層もＺｎＯと
同種の化合物であり、ＺｎＯ層の結晶に沿って整合され
た結晶層が成長する。その結果、膜質の悪い場合のよう
に非発光再結合中心が発生することなく、内部量子効率
が大幅に向上し、ＺｎＯ系化合物の有する高いエキシト
ンと相俟って、非常に高い発光効率の半導体発光素子が
得られる。なお、Ａ面を主面とするサファイア基板上に
成長する化合物半導体層は、ＺｎＯでなくても、Ｚｎの
一部がＭｇやＣｄなどと置換されたＺｎＯ系化合物半導
体でも格子定数に殆ど変化はなく、同様に結晶性よく成
長することができる。
【００３７】前述の例は、ＬＥＤの例であったが、ＬＤ
であっても同様である。この場合、半導体積層部１１が
若干異なり、たとえば図７に斜視説明図が示されるよう
に、活性層１５はノンドープのＣｄ0.03Ｚｎ0.97Ｏ／Ｃ
ｄ0.2 Ｚｎ0.8 Ｏからなるバリア層とウェル層とをそれ
ぞれ５０Åおよび４０Åづつ交互に２〜５層づつ積層し
た多重量子井戸構造により形成することが好ましい。ま
た、活性層１５が薄く充分に光を活性層１５内に閉じ込
められない場合には、たとえばＺｎＯからなる光ガイド
層１４、１６が活性層１５の両側に設けられる。なお、
半導体積層部１１の一部がエッチングされて、露出する
ｎ形コンタクト層３にｎ側電極９が形成されるのは、前
述のＬＥＤの場合と同様である。
であっても同様である。この場合、半導体積層部１１が
若干異なり、たとえば図７に斜視説明図が示されるよう
に、活性層１５はノンドープのＣｄ0.03Ｚｎ0.97Ｏ／Ｃ
ｄ0.2 Ｚｎ0.8 Ｏからなるバリア層とウェル層とをそれ
ぞれ５０Åおよび４０Åづつ交互に２〜５層づつ積層し
た多重量子井戸構造により形成することが好ましい。ま
た、活性層１５が薄く充分に光を活性層１５内に閉じ込
められない場合には、たとえばＺｎＯからなる光ガイド
層１４、１６が活性層１５の両側に設けられる。なお、
半導体積層部１１の一部がエッチングされて、露出する
ｎ形コンタクト層３にｎ側電極９が形成されるのは、前
述のＬＥＤの場合と同様である。
【００３８】また、図７に示される例では、電流狭窄層
１７を埋め込むＳＡＳ型構造のＬＤチップの例で、ｐ形
Ｍｇ0.15Ｚｎ0.85Ｏからなるｐ形第１クラッド層６ａの
上に、たとえばｎ形Ｍｇ0.2 Ｚｎ0.8 Ｏからなる電流狭
窄層１７が０.４μｍ程度設けられ、一旦結晶成長装置
からウェハを取り出し、表面にレジスト膜を設けてスト
ライプ状にパターニングをし、硫酸系溶液などにより電
流狭窄層１７をストライプ状にエッチングして、２〜３
μｍ幅のストライプ溝１８が形成され、再度ＭＢＥ装置
にウェハを戻し、ｐ形Ｍｇ0.15Ｚｎ0.85Ｏからなるｐ形
第２クラッド層６ｂおよびｐ形ＺｎＯからなるｐ形コン
タクト層７が前述の例と同様に成長されることにより形
成されている。この場合は、ＩＴＯからなる透明電極は
不要で、ｐ形コンタクト層７上にもほぼ全面にｐ側電極
１０が形成されている。なお、図示されていないが、ｐ
形第１クラッド層６ａと電流狭窄層１７との間にｐ形Ｇ
ａＮからなるエッチングストップ層が設けられることが
好ましい。
１７を埋め込むＳＡＳ型構造のＬＤチップの例で、ｐ形
Ｍｇ0.15Ｚｎ0.85Ｏからなるｐ形第１クラッド層６ａの
上に、たとえばｎ形Ｍｇ0.2 Ｚｎ0.8 Ｏからなる電流狭
窄層１７が０.４μｍ程度設けられ、一旦結晶成長装置
からウェハを取り出し、表面にレジスト膜を設けてスト
ライプ状にパターニングをし、硫酸系溶液などにより電
流狭窄層１７をストライプ状にエッチングして、２〜３
μｍ幅のストライプ溝１８が形成され、再度ＭＢＥ装置
にウェハを戻し、ｐ形Ｍｇ0.15Ｚｎ0.85Ｏからなるｐ形
第２クラッド層６ｂおよびｐ形ＺｎＯからなるｐ形コン
タクト層７が前述の例と同様に成長されることにより形
成されている。この場合は、ＩＴＯからなる透明電極は
不要で、ｐ形コンタクト層７上にもほぼ全面にｐ側電極
１０が形成されている。なお、図示されていないが、ｐ
形第１クラッド層６ａと電流狭窄層１７との間にｐ形Ｇ
ａＮからなるエッチングストップ層が設けられることが
好ましい。
【００３９】ＺｎＯ系化合物半導体は、ウェットエッチ
ングによりエッチング処理をすることができるため、Ｇ
ａＮ系化合物半導体では難しい電流狭窄層を埋め込むＳ
ＡＳ型構造のＬＤチップを形成することができ、活性層
の近くに電流狭窄層を形成することができ、高特性の半
導体レーザが得られる。しかし、ＬＤチップの構造は、
ＳＡＳ型構造に限らず、ｐ側電極をストライプ状にした
だけの電極ストライプ構造や、ストライプ状電極の両側
の半導体層をｐ形クラッド層の上部までをメサ型形状に
エッチングするメサストライプ構造や、プロトンなどを
打ち込んだプロトン打込み型にすることもできる。電極
ストライプ構造のＬＤチップの例を図８に示す。この構
造はｐ側電極１０がストライプ状にパターニングされて
いることと、電流狭窄層が設けられていない点で図７の
構造と異なるだけで、他の構造は図７と殆ど同じで、同
じ部分には同じ符号を付して、その説明を省略する。な
お、６はｐ形クラッド層である。
ングによりエッチング処理をすることができるため、Ｇ
ａＮ系化合物半導体では難しい電流狭窄層を埋め込むＳ
ＡＳ型構造のＬＤチップを形成することができ、活性層
の近くに電流狭窄層を形成することができ、高特性の半
導体レーザが得られる。しかし、ＬＤチップの構造は、
ＳＡＳ型構造に限らず、ｐ側電極をストライプ状にした
だけの電極ストライプ構造や、ストライプ状電極の両側
の半導体層をｐ形クラッド層の上部までをメサ型形状に
エッチングするメサストライプ構造や、プロトンなどを
打ち込んだプロトン打込み型にすることもできる。電極
ストライプ構造のＬＤチップの例を図８に示す。この構
造はｐ側電極１０がストライプ状にパターニングされて
いることと、電流狭窄層が設けられていない点で図７の
構造と異なるだけで、他の構造は図７と殆ど同じで、同
じ部分には同じ符号を付して、その説明を省略する。な
お、６はｐ形クラッド層である。
【００４０】前述の例では、ＬＥＤとして、ダブルヘテ
ロ構造の例であったが、単純なｐｎ接合やＭＩＳ（金属
−絶縁層−半導体層）構造など他の構造にすることもで
きる。また、ＬＤチップの構造も、光ガイド層がなく他
の層が設けられてもよく、前述の積層構造に限定される
ものではない。
ロ構造の例であったが、単純なｐｎ接合やＭＩＳ（金属
−絶縁層−半導体層）構造など他の構造にすることもで
きる。また、ＬＤチップの構造も、光ガイド層がなく他
の層が設けられてもよく、前述の積層構造に限定される
ものではない。
【００４１】さらに、前述の各例では、ＺｎＯ系化合物
層の成長をするのに、ＭＢＥ装置を用いて行ったが、Ｍ
ＯＣＶＤ装置などを用いて行うこともできる。この場
合、反応ガスとしては、Ｚｎとしてジエチル亜鉛（Ｚｎ
（Ｃ2Ｈ5）2）、Ｏとしてテトラヒドロフラン（Ｃ4Ｈ8
Ｏ）、Ｍｇとしてシクロペンタジエチルマグネシウム
（Ｃｐ2Ｍｇ）、Ｃｄとしてジエチルカドミウム（Ｃｄ
（Ｃ2Ｈ5）2）、ドーパントのＧａとしてトリエチルガ
リウム（ＴＥＧ）、Ｎ2としてプラズマＮ2を供給するこ
とにより気相反応をさせることができる。
層の成長をするのに、ＭＢＥ装置を用いて行ったが、Ｍ
ＯＣＶＤ装置などを用いて行うこともできる。この場
合、反応ガスとしては、Ｚｎとしてジエチル亜鉛（Ｚｎ
（Ｃ2Ｈ5）2）、Ｏとしてテトラヒドロフラン（Ｃ4Ｈ8
Ｏ）、Ｍｇとしてシクロペンタジエチルマグネシウム
（Ｃｐ2Ｍｇ）、Ｃｄとしてジエチルカドミウム（Ｃｄ
（Ｃ2Ｈ5）2）、ドーパントのＧａとしてトリエチルガ
リウム（ＴＥＧ）、Ｎ2としてプラズマＮ2を供給するこ
とにより気相反応をさせることができる。
【００４２】なお、前述の例では、ＺｎＯ系化合物半導
体を用いた素子の例が半導体発光素子のみであるが、Ｓ
ＡＷデバイス、圧電素子、焦電素子などで、結晶性の優
れたＺｎＯ系化合物層を必要とする場合は、同様にＣ面
と直交する面を主面とするサファイア基板を用いて成長
させることにより、結晶性の優れたＺｎＯ系化合物半導
体層を有する素子を得ることができる。
体を用いた素子の例が半導体発光素子のみであるが、Ｓ
ＡＷデバイス、圧電素子、焦電素子などで、結晶性の優
れたＺｎＯ系化合物層を必要とする場合は、同様にＣ面
と直交する面を主面とするサファイア基板を用いて成長
させることにより、結晶性の優れたＺｎＯ系化合物半導
体層を有する素子を得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、非常に結晶性の優れた
ＺｎＯ系化合物層を成長することができるため、その上
に積層するＺｎＯ系化合物層の結晶性も優れ、優れた特
性のＺｎＯ系化合物層を有する素子が得られる。
ＺｎＯ系化合物層を成長することができるため、その上
に積層するＺｎＯ系化合物層の結晶性も優れ、優れた特
性のＺｎＯ系化合物層を有する素子が得られる。
【００４４】また、本発明の半導体発光素子によれば、
積層されるＺｎＯ系化合物半導体層の結晶性が非常に優
れているため、非常に内部量子効率の優れた青色系の半
導体発光素子を、ウェット処理をすることができる材料
により得ることができる。
積層されるＺｎＯ系化合物半導体層の結晶性が非常に優
れているため、非常に内部量子効率の優れた青色系の半
導体発光素子を、ウェット処理をすることができる材料
により得ることができる。
【図１】本発明の一実施形態であるＡ面サファイア基板
上にＺｎＯ層を成長した状態の断面説明図である。
上にＺｎＯ層を成長した状態の断面説明図である。
【図２】サファイア単結晶の代表的な面方位の説明図で
ある。
ある。
【図３】本発明によるＡ面を主面とするサファイア基板
上に成長したＺｎＯ層のＸ線の反射像によるポールフィ
ギュア図（ａ）を、Ｃ面を主面とするサファイア基板上
に成長したもの（ｂ）と対比して示した図である。
上に成長したＺｎＯ層のＸ線の反射像によるポールフィ
ギュア図（ａ）を、Ｃ面を主面とするサファイア基板上
に成長したもの（ｂ）と対比して示した図である。
【図４】本発明によるＡ面を主面とするサファイア基板
上に成長したＺｎＯ層のフォトルミネッセントスペクト
ルを、Ｃ面を主面とするサファイア基板上に成長したも
のと対比して示した図である。
上に成長したＺｎＯ層のフォトルミネッセントスペクト
ルを、Ｃ面を主面とするサファイア基板上に成長したも
のと対比して示した図である。
【図５】本発明によりサファイアのＡ面上にＺｎＯを成
長させたときの、ＺｎＯ結晶の配向状態の説明図であ
る。
長させたときの、ＺｎＯ結晶の配向状態の説明図であ
る。
【図６】本発明の半導体発光素子の一実施形態であるＬ
ＥＤチップの説明図である。
ＥＤチップの説明図である。
【図７】本発明の半導体発光素子の他の実施形態である
ＬＤチップの説明図である。
ＬＤチップの説明図である。
【図８】本発明の半導体発光素子の他の実施形態である
ＬＤチップの説明図である。
ＬＤチップの説明図である。
【図９】従来のＧａＮ系化合物半導体を用いたＬＤチッ
プの一例の斜視説明図である。
プの一例の斜視説明図である。
【図１０】サファイアのＣ面上にＣ面が平行になるよう
にＺｎＯを成長したときの結晶配向の説明図である。
にＺｎＯを成長したときの結晶配向の説明図である。
１ Ａ面サファイア基板 ２ ＺｎＯ層 ４ ｎ形クラッド層 ５ 活性層 ６ ｐ形クラッド層 １１ 半導体積層部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｓ 5/327 Ｈ０１Ｌ 41/22 Ａ (72)発明者 ポール・フォンス 茨城県つくば市梅園１−１−４ 通商産業 省 工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 岩田 拡也 茨城県つくば市梅園１−１−４ 通商産業 省 工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 田辺 哲弘 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム株 式会社内 (72)発明者 中原 健 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム株 式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA11 AA40 CA02 CA04 CA06 CA23 CA41 CA46 CA49 CA57 CA65 CA66 CA74 CA82 CA88 CA92 CB05 FF01 5F045 AA05 AB21 AB22 AC07 AC09 AF09 AF13 BB12 CA09 DA53 5F073 AA21 AA74 CA22 CB05 CB16 DA06 DA11 DA22 DA30 EA05 5F103 AA04 AA05 BB09 DD30 GG01 HH08 KK10 LL01 PP02 PP03
Claims (6)
- 【請求項１】 ＺｎＯ系化合物層を有する素子であっ
て、サファイア基板のＣ面と直交する面を主面とするサ
ファイア基板と、該サファイア基板の前記主面上にエピ
タキシャル成長されたＺｎＯ系化合物層とを有するＺｎ
Ｏ系化合物層を有する素子。 - 【請求項２】 前記サファイア基板の主面がＡ面である
請求項１記載の素子。 - 【請求項３】 サファイア基板上にＺｎＯ系化合物層を
エピタキシャル成長する方法であって、サファイア基板
のｃ軸と前記ＺｎＯ系化合物層のｃ軸とが直交するよう
に前記ＺｎＯ系化合物層をエピタキシャル成長するＺｎ
Ｏ系化合物層の結晶成長方法。 - 【請求項４】 サファイア基板のＣ面と直交する面を主
面とするサファイア基板と、該サファイア基板の前記主
面上にエピタキシャル成長されたＺｎＯ系化合物半導体
からなるｎ形層およびｐ形層を少なくとも有し、発光層
を形成すべく積層される半導体積層部とを含むＺｎＯ系
化合物半導体発光素子。 - 【請求項５】 前記サファイア基板の主面がＡ面である
請求項４記載の半導体発光素子。 - 【請求項６】 前記半導体積層部が、Ｃｄx Ｚｎ1-x Ｏ
（０≦ｘ＜１）からなる活性層を、Ｍｇy Ｚｎ1-y Ｏ
（０≦ｙ＜１）からなり前記活性層よりバンドギャップ
エネルギーの大きいクラッド層により挟持するダブルヘ
テロ構造を有する請求項４または５記載の半導体発光素
子。
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|---|---|---|---|
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| KR1020027001072A KR100694928B1 (ko) | 1999-07-26 | 2000-07-26 | ＺｎＯ계 화합물 반도체발광소자 및 그 제조방법 |
| TW089114903A TW469511B (en) | 1999-07-26 | 2000-07-26 | ZnO compound-based semiconductor light emitting element, and manufacturing process therefor |
| US10/031,931 US6674098B1 (en) | 1999-07-26 | 2000-07-26 | ZnO compound semiconductor light emitting element |
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-
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- 1999-07-26 JP JP21122399A patent/JP4404995B2/ja not_active Expired - Lifetime
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