JP2001077420A - 紫外発光体及びその製造方法 - Google Patents
紫外発光体及びその製造方法Info
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- JP2001077420A JP2001077420A JP24660099A JP24660099A JP2001077420A JP 2001077420 A JP2001077420 A JP 2001077420A JP 24660099 A JP24660099 A JP 24660099A JP 24660099 A JP24660099 A JP 24660099A JP 2001077420 A JP2001077420 A JP 2001077420A
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- ultraviolet light
- semiconductor mixed
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 室温で紫外発光可能でバンドギャップを広く
調節できる紫外発光体及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 紫外発光体１はサファイア（α−Ａｌ2
Ｏ3 ）基板２の（００１）面上に形成された酸化亜鉛に
基づく半導体混晶４を有しており、この半導体混晶４に
室温でＣＷ発振Ｈｅ−Ｃｄレーザー又は電子ビームを全
面に照射して紫外光を発生させる。半導体混晶４は室温
でのバンドギャップが３．３ｅＶのＺｎＯよりも大きい
ＺｎＯに基づくＺｎx Ｃy Ｏz である。このような半導
体混晶４は３００℃以下の低温成長温度の調節によって
Ｚｎx Ｃy Ｏz の組成ｘ、ｙ及びｚを調節し、バンドギ
ャップを広くすることが可能である。
調節できる紫外発光体及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 紫外発光体１はサファイア（α−Ａｌ2
Ｏ3 ）基板２の（００１）面上に形成された酸化亜鉛に
基づく半導体混晶４を有しており、この半導体混晶４に
室温でＣＷ発振Ｈｅ−Ｃｄレーザー又は電子ビームを全
面に照射して紫外光を発生させる。半導体混晶４は室温
でのバンドギャップが３．３ｅＶのＺｎＯよりも大きい
ＺｎＯに基づくＺｎx Ｃy Ｏz である。このような半導
体混晶４は３００℃以下の低温成長温度の調節によって
Ｚｎx Ｃy Ｏz の組成ｘ、ｙ及びｚを調節し、バンドギ
ャップを広くすることが可能である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は紫外光源に利用
し、Ｚｎx Ｃy Ｏz の組成比によりバンドギャップを調
節し、室温で紫外線を発光させるための紫外発光体及び
その製造方法に関する。
し、Ｚｎx Ｃy Ｏz の組成比によりバンドギャップを調
節し、室温で紫外線を発光させるための紫外発光体及び
その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】酸化亜鉛（ＺｎＯ）は室温で３．３ｅＶ
という広いバンドギャップを有し、レーザー光の励起に
より３８０ｎｍの紫外光を出すことが知られている。こ
のようなＺｎＯはパルスレーザー堆積法によって良質の
薄膜が得られ、成長温度が２００℃以上での吸収スペク
トルの振る舞いが格子不完全性との関連で報告されてい
る（Ｓｉｍｏｎ Ｌ．Ｋｉｎｇ ｅｔ．ａｌ， Ａｐｐ
ｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ９６−９
８（１９９６）８１１−８１８）。
という広いバンドギャップを有し、レーザー光の励起に
より３８０ｎｍの紫外光を出すことが知られている。こ
のようなＺｎＯはパルスレーザー堆積法によって良質の
薄膜が得られ、成長温度が２００℃以上での吸収スペク
トルの振る舞いが格子不完全性との関連で報告されてい
る（Ｓｉｍｏｎ Ｌ．Ｋｉｎｇ ｅｔ．ａｌ， Ａｐｐ
ｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ９６−９
８（１９９６）８１１−８１８）。
【０００３】また近時、ＺｎＯに基づく紫外線発光デバ
イスを製造するために、広いバンドギャップを持つＩＩ
−ＶＩ族半導体混晶のＭｇx Ｚｎ1-x Ｏがパルスレーザ
ー堆積法により成長温度６００℃で得られ、組成ｘを調
節することでＺｎＯより広いバンドギャップが得られる
ことが示されている（Ａ．Ｏｈｔｏｍｏ ｅｔ．ａｌ，
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖ
ｏｌ．７２，Ｎｏ．１９，１１ Ｍａｙ １９９８，２
４６６−２４６８）。
イスを製造するために、広いバンドギャップを持つＩＩ
−ＶＩ族半導体混晶のＭｇx Ｚｎ1-x Ｏがパルスレーザ
ー堆積法により成長温度６００℃で得られ、組成ｘを調
節することでＺｎＯより広いバンドギャップが得られる
ことが示されている（Ａ．Ｏｈｔｏｍｏ ｅｔ．ａｌ，
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖ
ｏｌ．７２，Ｎｏ．１９，１１ Ｍａｙ １９９８，２
４６６−２４６８）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、３００
℃以下の低温成長で得られたＺｎＯのバンドギャップが
成長温度を下げるにつれて広くなっていくことは、これ
まで知られておらず、本発明者らにより初めて見いださ
れたものである。
℃以下の低温成長で得られたＺｎＯのバンドギャップが
成長温度を下げるにつれて広くなっていくことは、これ
まで知られておらず、本発明者らにより初めて見いださ
れたものである。
【０００５】そこで、本発明はこのような知見を紫外発
光デバイスに適用し、室温で紫外発光が可能でバンドギ
ャップを広く調節できる紫外発光体及びその製造方法を
提供することを目的とする。
光デバイスに適用し、室温で紫外発光が可能でバンドギ
ャップを広く調節できる紫外発光体及びその製造方法を
提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の紫外発光体のうち請求項１記載の発明
は、酸化亜鉛に基づく半導体混晶のＺｎx Ｃy Ｏz を備
え、半導体混晶のバンドギャップに対応した紫外光を発
光する構成とした。また請求項２記載の発明は上記構成
に加え、半導体混晶の炭素固溶量に基づいてバンドギャ
ップを広く調節可能としたことを特徴とする。さらに請
求項３記載の発明は、半導体混晶が３．２６ｅＶ〜５．
４ｅＶのバンドギャップに対応して紫外発光することを
特徴とするものである。
に、この発明の紫外発光体のうち請求項１記載の発明
は、酸化亜鉛に基づく半導体混晶のＺｎx Ｃy Ｏz を備
え、半導体混晶のバンドギャップに対応した紫外光を発
光する構成とした。また請求項２記載の発明は上記構成
に加え、半導体混晶の炭素固溶量に基づいてバンドギャ
ップを広く調節可能としたことを特徴とする。さらに請
求項３記載の発明は、半導体混晶が３．２６ｅＶ〜５．
４ｅＶのバンドギャップに対応して紫外発光することを
特徴とするものである。
【０００７】また請求項４記載の発明は、半導体混晶の
炭素に代えてＩＶ族原子が構成原子であることを特徴と
する。さらに請求項５記載の発明は、半導体混晶が酸化
亜鉛と炭酸亜鉛との中間体を含むことを特徴とするもの
である。また請求項６記載の発明は、半導体混晶が成長
温度３００℃以下でエピタキシャル成長して形成した薄
膜であることを特徴とする。
炭素に代えてＩＶ族原子が構成原子であることを特徴と
する。さらに請求項５記載の発明は、半導体混晶が酸化
亜鉛と炭酸亜鉛との中間体を含むことを特徴とするもの
である。また請求項６記載の発明は、半導体混晶が成長
温度３００℃以下でエピタキシャル成長して形成した薄
膜であることを特徴とする。
【０００８】このような構成の本発明の紫外発光体で
は、広く調節したバンドギャップに対応して室温で紫外
発光が可能となる。
は、広く調節したバンドギャップに対応して室温で紫外
発光が可能となる。
【０００９】さらに、本発明の紫外発光体の製造方法の
うち請求項７記載の発明は、有機金属成長法において、
高真空排気及び圧力制御可能なチャンバー内に設置した
基板を低成長温度に加熱する第１工程と、酸化亜鉛の構
成原子を含む有機金属ソースガス及び酸化ガスを導入す
る第２工程と、第２工程と同期して基板上に光を照射す
る光分解反応及び熱による熱分解反応のいずれか、或い
は両方を用いて酸化亜鉛に基づく半導体混晶を形成する
第３工程とを備えている構成とした。また請求項８記載
の発明は上記構成に加え、低成長温度に加熱する第１工
程が室温〜３００℃の温度範囲であることを特徴とす
る。さらに請求項９記載の発明は、第３工程の光が１８
０ｎｍ〜２６０ｎｍの波長の光を含んでいることを特徴
とするものである。
うち請求項７記載の発明は、有機金属成長法において、
高真空排気及び圧力制御可能なチャンバー内に設置した
基板を低成長温度に加熱する第１工程と、酸化亜鉛の構
成原子を含む有機金属ソースガス及び酸化ガスを導入す
る第２工程と、第２工程と同期して基板上に光を照射す
る光分解反応及び熱による熱分解反応のいずれか、或い
は両方を用いて酸化亜鉛に基づく半導体混晶を形成する
第３工程とを備えている構成とした。また請求項８記載
の発明は上記構成に加え、低成長温度に加熱する第１工
程が室温〜３００℃の温度範囲であることを特徴とす
る。さらに請求項９記載の発明は、第３工程の光が１８
０ｎｍ〜２６０ｎｍの波長の光を含んでいることを特徴
とするものである。
【００１０】請求項１０に記載の発明は、第２工程で導
入する有機金属と酸素との比が１：１０であることを特
徴とする。請求項１１記載の発明は、基板がα−Ａｌ2
Ｏ3 であって半導体混晶をエピタキシャル成長すること
を特徴とするものである。請求項１２記載の発明は、低
成長温度を下げるにつれて半導体混晶のバンドギャップ
を広く形成したことを特徴する。また、請求項１３記載
の発明は第２工程に加え、ＩＶ族原子を含むドーパント
ガスを導入することを特徴とするものである。さらに、
請求項１４記載の発明はＩＶ族原子が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｎ及びＰｂのいずれかであることを特徴とする。
入する有機金属と酸素との比が１：１０であることを特
徴とする。請求項１１記載の発明は、基板がα−Ａｌ2
Ｏ3 であって半導体混晶をエピタキシャル成長すること
を特徴とするものである。請求項１２記載の発明は、低
成長温度を下げるにつれて半導体混晶のバンドギャップ
を広く形成したことを特徴する。また、請求項１３記載
の発明は第２工程に加え、ＩＶ族原子を含むドーパント
ガスを導入することを特徴とするものである。さらに、
請求項１４記載の発明はＩＶ族原子が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｎ及びＰｂのいずれかであることを特徴とする。
【００１１】このような構成の本発明の紫外発光体の製
造方法では、低温度で成長することによりバンドギャッ
プを広く調節して紫外発光体を製造することができる。
造方法では、低温度で成長することによりバンドギャッ
プを広く調節して紫外発光体を製造することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図１〜図８に基づき、実質
的に同一又は対応する部材には同一符号を用いて、本発
明による紫外発光体及びその製造方法の好適な実施の形
態を詳細に説明する。図１は本発明の紫外発光体の外観
図であり、（ａ）はサファイア基板上の全面に半導体混
晶が形成された紫外発光体、（ｂ）は半導体混晶がスト
ライプ状に形成された紫外発光体の外観図である。
的に同一又は対応する部材には同一符号を用いて、本発
明による紫外発光体及びその製造方法の好適な実施の形
態を詳細に説明する。図１は本発明の紫外発光体の外観
図であり、（ａ）はサファイア基板上の全面に半導体混
晶が形成された紫外発光体、（ｂ）は半導体混晶がスト
ライプ状に形成された紫外発光体の外観図である。
【００１３】図１（ａ）を参照すると、この発明の紫外
発光体１はサファイア（α−Ａｌ2Ｏ3 ）基板２の（０
０１）面上に形成された半導体混晶４を有しており、こ
の半導体混晶４に室温でＣＷ発振Ｈｅ−Ｃｄレーザー又
は電子ビームを全面に照射して紫外光を発生させるもの
である。図１（ｂ）に示す紫外発光体は、サファイア基
板上に形成した半導体混晶を、ＳｉＮなどのマスクパタ
ーンを利用しエッチング処理をしてストライプ状に形成
したもの、或いは２６０ｎｍ以下の波長の光を含む光の
照射によるソースガスの光分解反応を用いて選択的に形
成したものである。
発光体１はサファイア（α−Ａｌ2Ｏ3 ）基板２の（０
０１）面上に形成された半導体混晶４を有しており、こ
の半導体混晶４に室温でＣＷ発振Ｈｅ−Ｃｄレーザー又
は電子ビームを全面に照射して紫外光を発生させるもの
である。図１（ｂ）に示す紫外発光体は、サファイア基
板上に形成した半導体混晶を、ＳｉＮなどのマスクパタ
ーンを利用しエッチング処理をしてストライプ状に形成
したもの、或いは２６０ｎｍ以下の波長の光を含む光の
照射によるソースガスの光分解反応を用いて選択的に形
成したものである。
【００１４】半導体混晶４は室温でのバンドギャップが
３．３ｅＶのＺｎＯと、ＺｎＯよりもバンドギャップが
大きい、例えばＺｎＣＯ3 との中間相に相当するＺｎx
ＣyＯz である。このようなＺｎＯに基づく半導体混晶
４は、Ｚｎx Ｃy Ｏz の組成ｘ、ｙ及びｚを調節するこ
とによりバンドギャップが調節可能である。したがっ
て、本発明の紫外発光体では、紫外光の波長をＺｎＯの
自然発光である３．２６ｅＶから真空紫外線領域まで広
げることが可能である。
３．３ｅＶのＺｎＯと、ＺｎＯよりもバンドギャップが
大きい、例えばＺｎＣＯ3 との中間相に相当するＺｎx
ＣyＯz である。このようなＺｎＯに基づく半導体混晶
４は、Ｚｎx Ｃy Ｏz の組成ｘ、ｙ及びｚを調節するこ
とによりバンドギャップが調節可能である。したがっ
て、本発明の紫外発光体では、紫外光の波長をＺｎＯの
自然発光である３．２６ｅＶから真空紫外線領域まで広
げることが可能である。
【００１５】さらに、図１に示したＺｎＯに基づく半導
体混晶４の両端面に紫外光を反射する共振器を形成し
て、紫外レーザーとすることも可能である。図１（ｂ）
に示す例では、ストライプ状の半導体混晶が帯状の光路
を兼ねることになる。
体混晶４の両端面に紫外光を反射する共振器を形成し
て、紫外レーザーとすることも可能である。図１（ｂ）
に示す例では、ストライプ状の半導体混晶が帯状の光路
を兼ねることになる。
【００１６】また本発明に係る半導体混晶はＺｎＯに基
づく半導体混晶のＺｎx Ｃy Ｏz であるが、後述するよ
うに成長温度が３００℃〜１００℃の例ではカーボンの
導入量により、バンドギャップを３．２６ｅＶ〜３．４
５ｅＶまで調節できる。ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳなど
のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は青色発光材料として開発
されているが、例えばＺｎＳの場合、同じ結晶構造を持
ちＺｎＳのバンドギャップ３．４５ｅＶより約１ｅＶ広
いバンドギャップを持つＭｇＳとの間で、組成ｘを調節
してＺｎx Ｍｇ1-x Ｓを作製することによりバンドギャ
ップを広げていると考えられる。
づく半導体混晶のＺｎx Ｃy Ｏz であるが、後述するよ
うに成長温度が３００℃〜１００℃の例ではカーボンの
導入量により、バンドギャップを３．２６ｅＶ〜３．４
５ｅＶまで調節できる。ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳなど
のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は青色発光材料として開発
されているが、例えばＺｎＳの場合、同じ結晶構造を持
ちＺｎＳのバンドギャップ３．４５ｅＶより約１ｅＶ広
いバンドギャップを持つＭｇＳとの間で、組成ｘを調節
してＺｎx Ｍｇ1-x Ｓを作製することによりバンドギャ
ップを広げていると考えられる。
【００１７】本発明に係るＺｎＯのバンドギャップは
３．３ｅＶに対して、カーボンのバンドギャップは５．
４ｅＶであり、ＺｎＯにカーボンが固溶されたと考える
ＺｎxＣy Ｏz のバンドギャップは、ＺｎＯのバンドギ
ャップよりも十分広くなる。
３．３ｅＶに対して、カーボンのバンドギャップは５．
４ｅＶであり、ＺｎＯにカーボンが固溶されたと考える
ＺｎxＣy Ｏz のバンドギャップは、ＺｎＯのバンドギ
ャップよりも十分広くなる。
【００１８】カーボンは化合物半導体においてドーパン
トとしても知られており、特にＩＩ−ＶＩ属化合物半導
体のＺｎＯではカーボンが酸素と結合する傾向が強く、
このカーボンがＺｎのサイトに入ると考えてよい。した
がって、ＺｎＯ中のカーボンはＩＩ族の位置にＩＶ族が
入ることになり、ダブルドナーの役割を担って、バンド
ギャップが広くなると考えても良い。このため本発明に
係るＺｎx Ｃy Ｏz のカーボンの代わりにＩＶ族のドー
パントであるＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＰｂを導入しても広
いバンドギャップを得ることが可能である。
トとしても知られており、特にＩＩ−ＶＩ属化合物半導
体のＺｎＯではカーボンが酸素と結合する傾向が強く、
このカーボンがＺｎのサイトに入ると考えてよい。した
がって、ＺｎＯ中のカーボンはＩＩ族の位置にＩＶ族が
入ることになり、ダブルドナーの役割を担って、バンド
ギャップが広くなると考えても良い。このため本発明に
係るＺｎx Ｃy Ｏz のカーボンの代わりにＩＶ族のドー
パントであるＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＰｂを導入しても広
いバンドギャップを得ることが可能である。
【００１９】次に、この発明の紫外発光体の製造装置に
ついて説明する。図２は本実施形態に係る製造装置の概
略断面図である。図２を参照すると、この発明に係る製
造装置１０は、光励起有機金属気相成長（以下、「ＰＥ
−ＭＯＣＶＤ」という）であり、真空計などの複数のポ
ートを有する多岐管型の高真空排気可能なチャンバー１
２と、このチャンバー１２内に設けられた基板１４を載
置して加熱するヒーター１６と、チャンバー外部からチ
ャンバー内の基板１４に１８０ｎｍ〜２６０ｎｍの波長
の光、例えばアルゴンレーザーの第２高調波光（波長λ
＝２４４ｎｍ）１７を導入する窓１８と、基板１４近く
まで配設された酸素ガスを導入するノズル２１と、窒素
ガスなどの不活性ガスをキャリアガスとして有機金属を
導入するノズル２２と、矢印２３方向に備える高真空排
気システムとを有し、温度、圧力、導入ガス流量及び光
の照射を制御している。光分解反応をおこす光源とし
て、例えばランプの場合、広い波長範囲の光を含んでい
るが、１８０ｎｍ〜２６０ｎｍの波長のいずれかを含ん
でいればよい。
ついて説明する。図２は本実施形態に係る製造装置の概
略断面図である。図２を参照すると、この発明に係る製
造装置１０は、光励起有機金属気相成長（以下、「ＰＥ
−ＭＯＣＶＤ」という）であり、真空計などの複数のポ
ートを有する多岐管型の高真空排気可能なチャンバー１
２と、このチャンバー１２内に設けられた基板１４を載
置して加熱するヒーター１６と、チャンバー外部からチ
ャンバー内の基板１４に１８０ｎｍ〜２６０ｎｍの波長
の光、例えばアルゴンレーザーの第２高調波光（波長λ
＝２４４ｎｍ）１７を導入する窓１８と、基板１４近く
まで配設された酸素ガスを導入するノズル２１と、窒素
ガスなどの不活性ガスをキャリアガスとして有機金属を
導入するノズル２２と、矢印２３方向に備える高真空排
気システムとを有し、温度、圧力、導入ガス流量及び光
の照射を制御している。光分解反応をおこす光源とし
て、例えばランプの場合、広い波長範囲の光を含んでい
るが、１８０ｎｍ〜２６０ｎｍの波長のいずれかを含ん
でいればよい。
【００２０】さらに図示していないが、チャンバー内を
パージする窒素ガスを導入するラインが、酸素ガス導入
ラインと切り換え可能に設けられている。またパージ用
窒素ガスは圧力設定、常圧復帰用として使用可能になっ
ている。なお、ドーピングを行う場合は別途ノズルを設
け、ドーパント用ガスを流量制御して導入する。また図
示していないが、基板１４を清浄化してチャンバー１２
に搬送する高真空排気可能なロードロック室が設けられ
ている。
パージする窒素ガスを導入するラインが、酸素ガス導入
ラインと切り換え可能に設けられている。またパージ用
窒素ガスは圧力設定、常圧復帰用として使用可能になっ
ている。なお、ドーピングを行う場合は別途ノズルを設
け、ドーパント用ガスを流量制御して導入する。また図
示していないが、基板１４を清浄化してチャンバー１２
に搬送する高真空排気可能なロードロック室が設けられ
ている。
【００２１】図２に示すように、有機金属は温度制御可
能な容器２４中に収容されたボンベ２６に充填されてお
り、窒素ガスのような不活性ガスをキャリアガスとし
て、このキャリアガスの流量と蒸気圧を制御してチャン
バー内への導入量が制御されている。
能な容器２４中に収容されたボンベ２６に充填されてお
り、窒素ガスのような不活性ガスをキャリアガスとし
て、このキャリアガスの流量と蒸気圧を制御してチャン
バー内への導入量が制御されている。
【００２２】亜鉛のソースガスとして、例えばジエチル
亜鉛（Ｚｎ（Ｃ2 Ｈ5 ）2 ）（以下、「ＤＥＺ」とい
う）やジメチル亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ3 ）2 ）（以下、「Ｄ
ＭＺ」という）を使用し、酸素のソースガスとして、例
えば酸素ガス（Ｏ2 ）、二酸化窒素ガス（ＮＯ2 ）、オ
ゾンガス（Ｏ3 ）などの酸化ガスを使用する。キャリア
ガス及びパージ用ガスとして窒素ガスの他には、アルゴ
ンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが使用できる。
亜鉛（Ｚｎ（Ｃ2 Ｈ5 ）2 ）（以下、「ＤＥＺ」とい
う）やジメチル亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ3 ）2 ）（以下、「Ｄ
ＭＺ」という）を使用し、酸素のソースガスとして、例
えば酸素ガス（Ｏ2 ）、二酸化窒素ガス（ＮＯ2 ）、オ
ゾンガス（Ｏ3 ）などの酸化ガスを使用する。キャリア
ガス及びパージ用ガスとして窒素ガスの他には、アルゴ
ンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが使用できる。
【００２３】ＰＥ−ＭＯＣＶＤでは光の照射の有無や光
源の選択により選択成長が可能であり、その場パターニ
ングができ、また基板や成長薄膜について材料上の制限
は特にない。ＰＥ−ＭＯＣＶＤのその場観察手段とし
て、表面光吸収法（以下、「ＳＰＡ」という）などの光
を利用したその場観察手段を利用する。
源の選択により選択成長が可能であり、その場パターニ
ングができ、また基板や成長薄膜について材料上の制限
は特にない。ＰＥ−ＭＯＣＶＤのその場観察手段とし
て、表面光吸収法（以下、「ＳＰＡ」という）などの光
を利用したその場観察手段を利用する。
【００２４】次に、この実施形態に係る成長方法を説明
する。図３は本実施形態に係る成長条件を示す図であ
る。図２及び図３を参照すると、先ず基板１４を載置し
たチャンバー１２を高真空に、例えば１０-7Ｔｏｒｒま
で高真空にした後、真空排気したままパージガスを導入
して設定圧力の１０ｍＴｏｒｒに圧力制御する。このと
き基板１４を例えば３００℃に設定し、ヒーター１６で
加熱しておく。基板１４は厚さが５００μｍ程度のサフ
ァイア基板（α−Ａｌ2 Ｏ3 ）を使用し、（００１）面
にヘテロエピタキシャル成長させる。基板としては特に
制限はないが酸化物の方がよい。
する。図３は本実施形態に係る成長条件を示す図であ
る。図２及び図３を参照すると、先ず基板１４を載置し
たチャンバー１２を高真空に、例えば１０-7Ｔｏｒｒま
で高真空にした後、真空排気したままパージガスを導入
して設定圧力の１０ｍＴｏｒｒに圧力制御する。このと
き基板１４を例えば３００℃に設定し、ヒーター１６で
加熱しておく。基板１４は厚さが５００μｍ程度のサフ
ァイア基板（α−Ａｌ2 Ｏ3 ）を使用し、（００１）面
にヘテロエピタキシャル成長させる。基板としては特に
制限はないが酸化物の方がよい。
【００２５】そして温度及び圧力が設定値になったら、
パージガスと酸素ガス導入ラインを切り換えると同時
に、ＤＥＺと酸素ガスとの比を１：１０にして１０ｍＴ
ｏｒｒに圧力制御しつつソースガスを導入する。このと
き、図３に示すようにＤＥＺは１．３×１０-5ｍｏｌ／
ｍｉｎであるが、圧力変動を抑えるために窒素キャリア
ガスと酸素ガスの全流量を１０ｍＴｏｒｒに圧力制御し
ていたパージガスの流量と同程度にしておくのがよい。
またこのとき必要に応じて、ＩＶ族原子をドーパントと
するドーパントガスを導入することも可能である。例え
ばドーパントがＳｉの場合、ドーパントガスのＳｉＨ4
ガスを導入する。なお、ドーパントガスは適宜キャリア
ガスで希釈していてもよい。
パージガスと酸素ガス導入ラインを切り換えると同時
に、ＤＥＺと酸素ガスとの比を１：１０にして１０ｍＴ
ｏｒｒに圧力制御しつつソースガスを導入する。このと
き、図３に示すようにＤＥＺは１．３×１０-5ｍｏｌ／
ｍｉｎであるが、圧力変動を抑えるために窒素キャリア
ガスと酸素ガスの全流量を１０ｍＴｏｒｒに圧力制御し
ていたパージガスの流量と同程度にしておくのがよい。
またこのとき必要に応じて、ＩＶ族原子をドーパントと
するドーパントガスを導入することも可能である。例え
ばドーパントがＳｉの場合、ドーパントガスのＳｉＨ4
ガスを導入する。なお、ドーパントガスは適宜キャリア
ガスで希釈していてもよい。
【００２６】さらに基板１４上の薄膜成長速度を上げる
ために、ソースガスの導入と同期して１８０ｎｍ〜２６
０ｎｍの波長の光を含む、例えばアルゴンレーザーの第
２高調波光１７を照射し、有機金属の光分解反応及び熱
による熱分解反応のいずれか、或いは両方を用いる。次
に、例えば１５０ｎｍ程度の所定膜厚に成長したら、ソ
ースガスの導入と第２高調波光１７の照射を止めると同
時にヒーター１６を切り高真空排気する。そして基板１
４が室温に戻ったらパージガスを導入して常圧復帰し、
基板１４を取り出す。なお、基板１４を取り出す前にチ
ャンバー１２を数回パージしておくのが望ましい。
ために、ソースガスの導入と同期して１８０ｎｍ〜２６
０ｎｍの波長の光を含む、例えばアルゴンレーザーの第
２高調波光１７を照射し、有機金属の光分解反応及び熱
による熱分解反応のいずれか、或いは両方を用いる。次
に、例えば１５０ｎｍ程度の所定膜厚に成長したら、ソ
ースガスの導入と第２高調波光１７の照射を止めると同
時にヒーター１６を切り高真空排気する。そして基板１
４が室温に戻ったらパージガスを導入して常圧復帰し、
基板１４を取り出す。なお、基板１４を取り出す前にチ
ャンバー１２を数回パージしておくのが望ましい。
【００２７】このようにして、本実施形態では室温〜３
００℃の間で基板温度を設定して高品質のＺｎＯに基づ
く半導体混晶をエピタキシャル成長可能であり、後述す
るように成長温度を調節することにより半導体混晶のバ
ンドギャップ、すなわち紫外発光波長を調節した紫外発
光体を製造することができる。
００℃の間で基板温度を設定して高品質のＺｎＯに基づ
く半導体混晶をエピタキシャル成長可能であり、後述す
るように成長温度を調節することにより半導体混晶のバ
ンドギャップ、すなわち紫外発光波長を調節した紫外発
光体を製造することができる。
【００２８】次に、室温から３００℃の温度範囲で製造
した本発明の紫外発光体の特性について説明する。室温
で作製された紫外発光体はアモルファスであるが、１０
０℃〜３００℃の基板温度で作製された紫外発光体はサ
ファイア基板（００１）上にエピタキシャル成長薄膜が
形成されている。このエピタキシャル成長薄膜は、後述
するようにＺｎx Ｃy Ｏz のＺｎＯに基づく半導体混晶
である。ここで、ｘは０を含まない１までの正数、ｙは
０を含む正数、ｚは０を含まない正数である。
した本発明の紫外発光体の特性について説明する。室温
で作製された紫外発光体はアモルファスであるが、１０
０℃〜３００℃の基板温度で作製された紫外発光体はサ
ファイア基板（００１）上にエピタキシャル成長薄膜が
形成されている。このエピタキシャル成長薄膜は、後述
するようにＺｎx Ｃy Ｏz のＺｎＯに基づく半導体混晶
である。ここで、ｘは０を含まない１までの正数、ｙは
０を含む正数、ｚは０を含まない正数である。
【００２９】図４は本発明の紫外発光体のＸ線回折パタ
ーンを示す図であり、（ａ）は基板温度が１００℃、
（ｂ）は基板温度が１５０℃、（ｃ）は基板温度が２０
０℃、（ｄ）は基板温度が３００℃でＺｎＯに基づく半
導体混晶を成長させたＸ線回折パターンである。図４に
示されているように、基板温度が１５０℃以上で温度を
上げて成長させたＺｎＯに基づく半導体混晶はＺｎＯの
（００２）面に対応して強いピークが見られるが、Ｚｎ
Ｏの（１００）面及び（１０１）面に対応したピークは
弱くなっている。なお、４２度近傍の巨大なピークはサ
ファイア基板のα−Ａｌ2 Ｏ3 （００６）面のピークで
ある。
ーンを示す図であり、（ａ）は基板温度が１００℃、
（ｂ）は基板温度が１５０℃、（ｃ）は基板温度が２０
０℃、（ｄ）は基板温度が３００℃でＺｎＯに基づく半
導体混晶を成長させたＸ線回折パターンである。図４に
示されているように、基板温度が１５０℃以上で温度を
上げて成長させたＺｎＯに基づく半導体混晶はＺｎＯの
（００２）面に対応して強いピークが見られるが、Ｚｎ
Ｏの（１００）面及び（１０１）面に対応したピークは
弱くなっている。なお、４２度近傍の巨大なピークはサ
ファイア基板のα−Ａｌ2 Ｏ3 （００６）面のピークで
ある。
【００３０】基板温度が１００℃で成長させた半導体混
晶では３８度近傍に強いピークがみられるが、これはＺ
ｎＯ（１０１）面とＺｎＣＯ3 （１１０）面からの回折
パターン（図５）の間に位置している。図５は炭酸亜鉛
（ＺｎＣＯ3 ）のＸ線回折パターンのピークプロットと
本実施形態に係る基板温度が１００℃で成長させた半導
体混晶の回折パターンを示した図である。
晶では３８度近傍に強いピークがみられるが、これはＺ
ｎＯ（１０１）面とＺｎＣＯ3 （１１０）面からの回折
パターン（図５）の間に位置している。図５は炭酸亜鉛
（ＺｎＣＯ3 ）のＸ線回折パターンのピークプロットと
本実施形態に係る基板温度が１００℃で成長させた半導
体混晶の回折パターンを示した図である。
【００３１】図５中の黒丸が炭酸亜鉛（ＺｎＣＯ3 ）の
ピークプロットであり、３８度近傍の黒丸は炭酸亜鉛の
（１１０）面からのピークプロットである。したがっ
て、１００℃の基板温度で成長させたＺｎＯに基づく半
導体混晶は、Ｚｎx Ｃy Ｏz の組成がｘ＝１、ｙ＝１、
ｚ＝３のものに近い。
ピークプロットであり、３８度近傍の黒丸は炭酸亜鉛の
（１１０）面からのピークプロットである。したがっ
て、１００℃の基板温度で成長させたＺｎＯに基づく半
導体混晶は、Ｚｎx Ｃy Ｏz の組成がｘ＝１、ｙ＝１、
ｚ＝３のものに近い。
【００３２】なお、本実施形態のＺｎＯに基づく半導体
混晶はｃ軸格子定数が０．５２０７ｎｍであり、従来、
ＺｎＯのバルクで報告されている０．５２０６６ｎｍの
値に該当していることから、本実施形態の半導体混晶は
高品質の結晶構造を有している。したがって、本発明の
紫外発光体は成長温度に対応してＺｎＯから半導体混晶
のＺｎx Ｃy Ｏz までの構造を有することができ、しか
も高品質である。
混晶はｃ軸格子定数が０．５２０７ｎｍであり、従来、
ＺｎＯのバルクで報告されている０．５２０６６ｎｍの
値に該当していることから、本実施形態の半導体混晶は
高品質の結晶構造を有している。したがって、本発明の
紫外発光体は成長温度に対応してＺｎＯから半導体混晶
のＺｎx Ｃy Ｏz までの構造を有することができ、しか
も高品質である。
【００３３】次に、本発明の紫外発光体の光学特性を示
す。図６は室温での透過スペクトルを示す図であり、
（ａ）は基板温度が１００℃、（ｂ）は基板温度が１５
０℃、（ｃ）は基板温度が２００℃、（ｄ）は基板温度
が３００℃で成長させたＺｎＯに基づく半導体混晶の透
過スペクトルを示す。図６に示すように、１５０℃以上
の基板温度で作製された半導体混晶では約３８０ｎｍ付
近で吸収が始まるのに対して、１００℃の基板温度で作
製された半導体混晶では３６０ｎｍ付近で吸収が始ま
る。
す。図６は室温での透過スペクトルを示す図であり、
（ａ）は基板温度が１００℃、（ｂ）は基板温度が１５
０℃、（ｃ）は基板温度が２００℃、（ｄ）は基板温度
が３００℃で成長させたＺｎＯに基づく半導体混晶の透
過スペクトルを示す。図６に示すように、１５０℃以上
の基板温度で作製された半導体混晶では約３８０ｎｍ付
近で吸収が始まるのに対して、１００℃の基板温度で作
製された半導体混晶では３６０ｎｍ付近で吸収が始ま
る。
【００３４】図７は本発明の紫外発光体の透過スペクト
ルからバンドギャップを求めた図であり、（ａ）は基板
温度が１００℃、（ｂ）は基板温度が１５０℃、（ｃ）
は基板温度が２００℃、（ｄ）は基板温度が３００℃で
ＺｎＯに基づく半導体混晶の（αｈν）2 −ｈνプロッ
トを示す図である。ここで、αは吸収係数、ｈはプラン
クの定数、νは光の振動数を示す。図７から、バンドギ
ャップＥg は、（ａ）が３．４５ｅＶ、（ｂ）が３．３
２ｅＶ、（ｃ）が３．２７ｅＶ、（ｄ）が３．２６ｅＶ
と求められる。したがって、本実施形態では成長温度を
３００℃から下げていくにつれてバンドギャップを広く
していくことができる。
ルからバンドギャップを求めた図であり、（ａ）は基板
温度が１００℃、（ｂ）は基板温度が１５０℃、（ｃ）
は基板温度が２００℃、（ｄ）は基板温度が３００℃で
ＺｎＯに基づく半導体混晶の（αｈν）2 −ｈνプロッ
トを示す図である。ここで、αは吸収係数、ｈはプラン
クの定数、νは光の振動数を示す。図７から、バンドギ
ャップＥg は、（ａ）が３．４５ｅＶ、（ｂ）が３．３
２ｅＶ、（ｃ）が３．２７ｅＶ、（ｄ）が３．２６ｅＶ
と求められる。したがって、本実施形態では成長温度を
３００℃から下げていくにつれてバンドギャップを広く
していくことができる。
【００３５】図８は本発明の紫外発光体の室温でのフォ
トルミネッセンススペクトルを示す図であり、（ａ）は
基板温度が１００℃、（ｂ）は基板温度が１５０℃、
（ｃ）は基板温度が２００℃、（ｄ）は基板温度が３０
０℃で成長させたＺｎＯに基づく半導体混晶のフォトル
ミネッセンススペクトルである。図８に示すように、室
温において基板温度が２００℃以上で成長させた紫外発
光体では純粋なＺｎＯのエキシトン準位からの強い自由
励起子放出が３８０ｎｍ（３．２６ｅＶ）で見られる
が、基板温度が２００℃以下に温度が下がるにつれて発
光も短波長側に移っている。この基板温度を室温程度ま
でに下げていくと、さらに短波長の発光特性を有する紫
外発光体が作製可能である。
トルミネッセンススペクトルを示す図であり、（ａ）は
基板温度が１００℃、（ｂ）は基板温度が１５０℃、
（ｃ）は基板温度が２００℃、（ｄ）は基板温度が３０
０℃で成長させたＺｎＯに基づく半導体混晶のフォトル
ミネッセンススペクトルである。図８に示すように、室
温において基板温度が２００℃以上で成長させた紫外発
光体では純粋なＺｎＯのエキシトン準位からの強い自由
励起子放出が３８０ｎｍ（３．２６ｅＶ）で見られる
が、基板温度が２００℃以下に温度が下がるにつれて発
光も短波長側に移っている。この基板温度を室温程度ま
でに下げていくと、さらに短波長の発光特性を有する紫
外発光体が作製可能である。
【００３６】
【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明の紫外発光体は広く調節したバンドギャップに対応し
て室温で紫外発光できるという効果を有する。また本発
明の紫外発光体製造方法は低温度で成長することにより
バンドギャップを広く調節して紫外発光体を製造するこ
とができるという効果を有する。
明の紫外発光体は広く調節したバンドギャップに対応し
て室温で紫外発光できるという効果を有する。また本発
明の紫外発光体製造方法は低温度で成長することにより
バンドギャップを広く調節して紫外発光体を製造するこ
とができるという効果を有する。
【図１】本発明の紫外発光体の外観図であり、（ａ）は
サファイア基板上の全面に半導体混晶を形成した紫外発
光体、（ｂ）は半導体混晶をストライプ状に形成した紫
外発光体の外観図である。
サファイア基板上の全面に半導体混晶を形成した紫外発
光体、（ｂ）は半導体混晶をストライプ状に形成した紫
外発光体の外観図である。
【図２】本実施形態に係る製造装置の概略断面図であ
る。
る。
【図３】本実施形態に係る成長条件を示す図である。
【図４】本発明の紫外発光体のＸ線回折パターンを示す
図である。
図である。
【図５】炭酸亜鉛のＸ線回折パターンのピークプロット
と本実施形態に係る基板温度が１００℃で成長させた半
導体混晶の回折パターンを示した図である。
と本実施形態に係る基板温度が１００℃で成長させた半
導体混晶の回折パターンを示した図である。
【図６】本発明の紫外発光体の室温での透過スペクトル
を示す図である。
を示す図である。
【図７】本発明の紫外発光体の透過スペクトルからバン
ドギャップを求めた図であり、ＺｎＯに基づく半導体混
晶の（αｈν）2 −ｈνプロットを示す図である。
ドギャップを求めた図であり、ＺｎＯに基づく半導体混
晶の（αｈν）2 −ｈνプロットを示す図である。
【図８】本発明の紫外発光体の室温でのフォトルミネッ
センススペクトルを示す図である。
センススペクトルを示す図である。
１ 紫外発光体 ２ サファイア基板 ４ 半導体混晶 １０ 製造装置 １２ チャンバー １４ 基板 １６ ヒーター １８ 窓 ２１，２２ ノズル ２４ 容器 ２６ ボンベ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大津 元一 神奈川県大和市つきみ野１−15−42 Ｆターム(参考） 5F041 AA11 CA46 CA57 CA65 CA67 5F045 AA04 AA11 AB22 AC01 AC07 AC11 AD04 AD05 AD06 AD07 AF09 CA09 DP03 EE12 EK19 5F072 AB13 AK03 JJ20 KK02 PP03 RR05 5F073 CA24 CB05 CB13 DA05 DA21 DA35 EA05
Claims (14)
- 【請求項１】 酸化亜鉛に基づく半導体混晶のＺｎx Ｃ
y Ｏz を備え、この半導体混晶のバンドギャップに対応
した紫外光を発光する紫外発光体。 - 【請求項２】 前記半導体混晶の炭素固溶量に基づいて
バンドギャップを広く調節可能であることを特徴とす
る、請求項１記載の紫外発光体。 - 【請求項３】 前記半導体混晶が３．２６ｅＶ〜５．４
ｅＶのバンドギャップに対応して紫外発光することを特
徴とする、請求項１又は２に記載の紫外発光体。 - 【請求項４】 前記半導体混晶の炭素に代えてＩＶ族原
子が構成原子であることを特徴とする、請求項１又は３
に記載の紫外発光体。 - 【請求項５】 前記半導体混晶が酸化亜鉛と炭酸亜鉛と
の中間体を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいず
れかに記載の紫外発光体。 - 【請求項６】 前記半導体混晶が成長温度３００℃以下
でエピタキシャル成長して形成した薄膜であることを特
徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の紫外発光
体。 - 【請求項７】 有機金属成長法において、高真空排気及
び圧力制御可能なチャンバー内に設置した基板を低成長
温度に加熱する第１工程と、酸化亜鉛の構成原子を含む
有機金属ソースガス及び酸化ガスを導入する第２工程
と、この第２工程と同期して上記基板上に光を照射する
光分解反応及び熱による熱分解反応のいずれか、或いは
両方を用いて酸化亜鉛に基づく半導体混晶を形成する第
３工程とを備えていること、を特徴とする紫外発光体の
製造方法。 - 【請求項８】 前記低成長温度に加熱する第１工程が室
温〜３００℃の温度範囲であることを特徴とする、請求
項７記載の紫外発光体の製造方法。 - 【請求項９】 前記第３工程の光が１８０ｎｍ〜２６０
ｎｍの波長のいずれかの光を含んでいることを特徴とす
る、請求項７又は８に記載の紫外発光体の製造方法。 - 【請求項１０】 前記第２工程で導入する有機金属と酸
素との比が１：１０であることを特徴とする、請求項７
〜９のいずれかに記載の紫外発光体の製造方法。 - 【請求項１１】 前記基板がα−Ａｌ2 Ｏ3 であって前
記半導体混晶をエピタキシャル成長することを特徴とす
る、請求項７〜１０のいずれかに記載の紫外発光体の製
造方法。 - 【請求項１２】 前記低成長温度を下げるにつれて前記
半導体混晶のバンドギャップを広く形成したことを特徴
する、請求項７〜１１のいずれかに記載の紫外発光体の
製造方法。 - 【請求項１３】 前記第２工程に加え、ＩＶ族原子を含
むドーパントガスを導入することを特徴とする、請求項
７〜１２のいずれかに記載の紫外発光体の製造方法。 - 【請求項１４】 前記ＩＶ族原子が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ
及びＰｂのいずれかであることを特徴とする、請求項１
３に記載の紫外発光体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24660099A JP3731147B2 (ja) | 1999-08-31 | 1999-08-31 | 紫外発光体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24660099A JP3731147B2 (ja) | 1999-08-31 | 1999-08-31 | 紫外発光体及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001077420A true JP2001077420A (ja) | 2001-03-23 |
| JP3731147B2 JP3731147B2 (ja) | 2006-01-05 |
Family
ID=17150833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24660099A Expired - Fee Related JP3731147B2 (ja) | 1999-08-31 | 1999-08-31 | 紫外発光体及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3731147B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010070677A (ko) * | 2001-04-14 | 2001-07-27 | 김영창 | 증착온도에 따른 단파장 산화아연 발광소자의 제조방법 |
| JP2004128106A (ja) * | 2002-10-01 | 2004-04-22 | Murata Mfg Co Ltd | 光半導体素子 |
| US7515623B2 (en) | 2004-06-04 | 2009-04-07 | Sony Corporation | Surface emitting semiconductor laser, its manufacturing method, and manufacturing method of electron device |
| US20120241651A1 (en) * | 2011-03-23 | 2012-09-27 | Stanely Electric Co., Ltd. | Deep-ultraviolet light source capable of stopping leakage of harmful x-rays |
-
1999
- 1999-08-31 JP JP24660099A patent/JP3731147B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010070677A (ko) * | 2001-04-14 | 2001-07-27 | 김영창 | 증착온도에 따른 단파장 산화아연 발광소자의 제조방법 |
| JP2004128106A (ja) * | 2002-10-01 | 2004-04-22 | Murata Mfg Co Ltd | 光半導体素子 |
| WO2004036659A1 (ja) * | 2002-10-01 | 2004-04-29 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 光半導体素子 |
| US7515623B2 (en) | 2004-06-04 | 2009-04-07 | Sony Corporation | Surface emitting semiconductor laser, its manufacturing method, and manufacturing method of electron device |
| US7858410B2 (en) | 2004-06-04 | 2010-12-28 | Sony Corporation | Surface emitting semiconductor laser, its manufacturing method, and manufacturing method of electron device |
| US20120241651A1 (en) * | 2011-03-23 | 2012-09-27 | Stanely Electric Co., Ltd. | Deep-ultraviolet light source capable of stopping leakage of harmful x-rays |
| US8487285B2 (en) * | 2011-03-23 | 2013-07-16 | Stanley Electric Co., Ltd. | Deep-ultraviolet light source capable of stopping leakage of harmful X-rays |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3731147B2 (ja) | 2006-01-05 |
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