JP2001287998A - ＺｎＯ結晶、その成長方法および光半導体装置 - Google Patents
ＺｎＯ結晶、その成長方法および光半導体装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 欠陥の少ない良質なＺｎＯ層を提供する。
【解決手段】 ＩＩＩ族元素が適度にドーピングされ、
室温において４３０ｎｍから６３０ｎｍの波長領域を含
むブロードなＰＬ発光スペクトルを有しない。
室温において４３０ｎｍから６３０ｎｍの波長領域を含
むブロードなＰＬ発光スペクトルを有しない。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＺｎＯ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。
成長方法及びそれを用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＺｎＯ結晶は、レーザーアブレーション
法やＲＳ（ラジカルソース）−ＭＢＥ法を用いて成長し
ている。
法やＲＳ（ラジカルソース）−ＭＢＥ法を用いて成長し
ている。
【０００３】ＲＳ−ＭＢＥ法を用いると、ＺｎＯ結晶の
膜厚を正確に制御することができる。
膜厚を正確に制御することができる。
【０００４】ＲＳ−ＭＢＥ法を用いてＺｎＯ結晶を成長
する場合、Ｚｎ用のソースとしては、Ｋセル（クヌード
センセル）中のＺｎ用の固体ソースを用いる。Ｏ用のソ
ースとしては、気体ソースである、ＲＦ又はＥＣＲ等を
用いて発生させた酸素ラジカルを用いる。
する場合、Ｚｎ用のソースとしては、Ｋセル（クヌード
センセル）中のＺｎ用の固体ソースを用いる。Ｏ用のソ
ースとしては、気体ソースである、ＲＦ又はＥＣＲ等を
用いて発生させた酸素ラジカルを用いる。
【０００５】ＲＳ−ＭＢＥ法のうち、特に高周波（Ｒ
Ｆ）を用いたＲＦ−ＭＢＥ法は、商業ベース上もっとも
一般的な高周波（１３．５６ＭＨｚ）を用いる。ＭＢＥ
チャンバ内の無電極放電管内に原料ガスであるＯ2ガス
を導入することによりＯラジカルを発生させる。Ｏラジ
カルは、ＭＢＥチャンバ内に吹き出し、Ｏラジカルのビ
ームとなる。ＯラジカルのビームとＫセルからのＺｎの
ビームをサファイヤ基板上に同時に照射することによ
り、ＺｎＯ薄膜の成長を行う。
Ｆ）を用いたＲＦ−ＭＢＥ法は、商業ベース上もっとも
一般的な高周波（１３．５６ＭＨｚ）を用いる。ＭＢＥ
チャンバ内の無電極放電管内に原料ガスであるＯ2ガス
を導入することによりＯラジカルを発生させる。Ｏラジ
カルは、ＭＢＥチャンバ内に吹き出し、Ｏラジカルのビ
ームとなる。ＯラジカルのビームとＫセルからのＺｎの
ビームをサファイヤ基板上に同時に照射することによ
り、ＺｎＯ薄膜の成長を行う。
【０００６】ＩＩ―ＶＩ族半導体のうちの１つであるＺ
ｎＯ結晶を用いてｐ−ｎ接合を形成することができれ
ば、紫外光で発光するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔ
ｉｎｇＤｉｏｄｅ）やＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）
等の光半導体装置を製造することができる。
ｎＯ結晶を用いてｐ−ｎ接合を形成することができれ
ば、紫外光で発光するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔ
ｉｎｇＤｉｏｄｅ）やＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）
等の光半導体装置を製造することができる。
【０００７】ＬＥＤやＬＤ等の半導体装置を構成する半
導体結晶材料の特性は、光半導体素子の光学的特性、電
気的特性及び素子の信頼性（素子寿命）に重大な影響を
与える。光半導体素子を構成する半導体結晶材料の結晶
性が良好なほど、光半導体素子の光学的・電気的特性や
信頼性が良好になる。
導体結晶材料の特性は、光半導体素子の光学的特性、電
気的特性及び素子の信頼性（素子寿命）に重大な影響を
与える。光半導体素子を構成する半導体結晶材料の結晶
性が良好なほど、光半導体素子の光学的・電気的特性や
信頼性が良好になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来、ＲＳ−ＭＢＥ法
を含む様々な成長方法を用いて成長したＺｎＯ結晶に
は、次のような問題点があった。
を含む様々な成長方法を用いて成長したＺｎＯ結晶に
は、次のような問題点があった。
【０００９】図７に、ＲＳ−ＭＢＥ法を用いて成長した
ＺｎＯ結晶を、フォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔｏ Ｌ
ｕｍｉｎｅｓｓｅｎｎｃｅ：ＰＬ）法を用いて発光スペ
クトル分析をした場合の室温での発光スペクトルを示
す。
ＺｎＯ結晶を、フォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔｏ Ｌ
ｕｍｉｎｅｓｓｅｎｎｃｅ：ＰＬ）法を用いて発光スペ
クトル分析をした場合の室温での発光スペクトルを示
す。
【００１０】図７に示すように、ＺｎＯ結晶からは、波
長３７８ｎｍ付近（紫外領域）にピークを有する鋭い第
１発光スペクトルと、波長５１０ｎｍ付近にピークを有
し、ほぼ可視光領域全体（実際には４３０ｎｍから６３
０ｎｍまでの範囲）に広がるブロードな第２発光スペク
トルの２種類の発光スペクトルが観測される。
長３７８ｎｍ付近（紫外領域）にピークを有する鋭い第
１発光スペクトルと、波長５１０ｎｍ付近にピークを有
し、ほぼ可視光領域全体（実際には４３０ｎｍから６３
０ｎｍまでの範囲）に広がるブロードな第２発光スペク
トルの２種類の発光スペクトルが観測される。
【００１１】第１発光スペクトルは、ＺｎＯの禁制帯
幅、すなわち約３．４ｅＶに対応する。
幅、すなわち約３．４ｅＶに対応する。
【００１２】第２発光スペクトルは、２．４３ｅＶ付近
にピークを有し、２．１ｅＶから２．８ｅＶ付近にかけ
ての非常にブロードなピークであり、ＺｎＯの禁制帯内
に存在する深い準位間の発光に起因するものと解され
る。ＺｎＯ結晶中に結晶欠陥が存在することを示唆す
る。
にピークを有し、２．１ｅＶから２．８ｅＶ付近にかけ
ての非常にブロードなピークであり、ＺｎＯの禁制帯内
に存在する深い準位間の発光に起因するものと解され
る。ＺｎＯ結晶中に結晶欠陥が存在することを示唆す
る。
【００１３】結晶欠陥の中には、ＺｎＯの結晶成長中に
Ｏ原子が再蒸発することに起因して生じるＯ欠損による
欠陥が含まれると解される。深い準位の存在は、ＺｎＯ
結晶を用いて製造した光半導体素子の光学的特性を劣化
させる。
Ｏ原子が再蒸発することに起因して生じるＯ欠損による
欠陥が含まれると解される。深い準位の存在は、ＺｎＯ
結晶を用いて製造した光半導体素子の光学的特性を劣化
させる。
【００１４】本発明の目的は、ＺｎＯ中の深い準位を減
少させることによりＺｎＯ結晶の光学的特性を向上させ
ることである。
少させることによりＺｎＯ結晶の光学的特性を向上させ
ることである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、ＩＩＩ族元素が適度にドーピングされ、室温におい
て４３０ｎｍから６３０ｎｍの波長領域を含むブロード
なＰＬ発光スペクトルを有しないＺｎＯ結晶が提供され
る。
ば、ＩＩＩ族元素が適度にドーピングされ、室温におい
て４３０ｎｍから６３０ｎｍの波長領域を含むブロード
なＰＬ発光スペクトルを有しないＺｎＯ結晶が提供され
る。
【００１６】本発明の他の観点によれば、Ｚｎ元素とＯ
元素とを供給するとともに、室温において４３０ｎｍか
ら６３０ｎｍの波長領域を含むブロードなＰＬ発光スペ
クトルを有しないようにＩＩＩ族元素を適度に供給する
工程を含むＺｎＯ結晶の成長方法が提供される。
元素とを供給するとともに、室温において４３０ｎｍか
ら６３０ｎｍの波長領域を含むブロードなＰＬ発光スペ
クトルを有しないようにＩＩＩ族元素を適度に供給する
工程を含むＺｎＯ結晶の成長方法が提供される。
【００１７】本発明の別の観点によれば、基板と、前記
基板上に形成されたＺｎＯバッファ層と、前記ＺｎＯ系
バッファ層上に形成されたｎ型ＺｎＯ層と、前記ｎ型Ｚ
ｎＯ層上に形成されるとともに、ＩＩＩ族元素が適度に
ドーピングされ室温において４３０ｎｍから６３０ｎｍ
の波長領域を含むブロードなＰＬ発光スペクトルを有し
ないＺｎＯ活性層と、前記ＺｎＯ活性層上に形成された
ｐ型ＺｎＯ層と、前記ｎ型ＺｎＯ層に接触する第１電極
と、前記ｐ型ＺｎＯ層に接触する第２電極と、前記第１
電極および又は前記第２電極に形成された開口とを含む
光半導体素子が提供される。
基板上に形成されたＺｎＯバッファ層と、前記ＺｎＯ系
バッファ層上に形成されたｎ型ＺｎＯ層と、前記ｎ型Ｚ
ｎＯ層上に形成されるとともに、ＩＩＩ族元素が適度に
ドーピングされ室温において４３０ｎｍから６３０ｎｍ
の波長領域を含むブロードなＰＬ発光スペクトルを有し
ないＺｎＯ活性層と、前記ＺｎＯ活性層上に形成された
ｐ型ＺｎＯ層と、前記ｎ型ＺｎＯ層に接触する第１電極
と、前記ｐ型ＺｎＯ層に接触する第２電極と、前記第１
電極および又は前記第２電極に形成された開口とを含む
光半導体素子が提供される。
【００１８】尚、特許請求の範囲に記載されている各構
成要素は、任意に組み合わせることができるものであ
る。
成要素は、任意に組み合わせることができるものであ
る。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
する前に、発明者が行った考察について以下に説明す
る。
する前に、発明者が行った考察について以下に説明す
る。
【００２０】発明者は、ＺｎＯの成長過程について以下
のような考察を行った。
のような考察を行った。
【００２１】ＺｎＯの成長過程については完全に解明さ
れたわけではないが、以下のような成長メカニズムを推
測することができる。
れたわけではないが、以下のような成長メカニズムを推
測することができる。
【００２２】１）基板上にＺｎとＯとが飛来し、基板上
にＺｎＯが物理的に吸着する。
にＺｎＯが物理的に吸着する。
【００２３】２）基板上に形成されたＺｎＯ結晶から、
蒸気圧の高いＯ原子が再蒸発する。Ｏ欠損のＺｎＯ結晶
が形成される。
蒸気圧の高いＯ原子が再蒸発する。Ｏ欠損のＺｎＯ結晶
が形成される。
【００２４】発明者は、基板上に成長したＺｎＯ結晶か
らのＯ原子の再蒸発に着目した。
らのＯ原子の再蒸発に着目した。
【００２５】Ｏ原子のサイトにＺｎとの結合力の弱いサ
イトが存在すると考えられる。このようなサイトのＯ原
子は、再蒸発を起こしやすい。
イトが存在すると考えられる。このようなサイトのＯ原
子は、再蒸発を起こしやすい。
【００２６】Ｏ原子の再蒸発を防止するために、ＩＩＩ
属原子例えばＧａ原子をＺｎ原子及びＯ原子とともに基
板上に供給する。結合力の弱いサイトのＯ原子がＧａ原
子と会合し、Ｇａ原子とＯ原子とが結合したＧａ−Ｏの
形態でＺｎＯ結晶中に残る。これにより、Ｏ原子の再蒸
発に起因する欠陥の発生が抑制される。
属原子例えばＧａ原子をＺｎ原子及びＯ原子とともに基
板上に供給する。結合力の弱いサイトのＯ原子がＧａ原
子と会合し、Ｇａ原子とＯ原子とが結合したＧａ−Ｏの
形態でＺｎＯ結晶中に残る。これにより、Ｏ原子の再蒸
発に起因する欠陥の発生が抑制される。
【００２７】少なくとも、Ｏ原子の再蒸発速度と実質的
に同じ量のＧａ原子をＺｎ原子、Ｏ原子とともに供給す
れば、Ｏ欠陥の発生を抑制することができると考えられ
る。
に同じ量のＧａ原子をＺｎ原子、Ｏ原子とともに供給す
れば、Ｏ欠陥の発生を抑制することができると考えられ
る。
【００２８】以上の考察に基づき、以下に、図面を参照
して本発明の実施の形態を説明する。
して本発明の実施の形態を説明する。
【００２９】図１から図３までを参照して、本発明の第
１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。
１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。
【００３０】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、ラジカルソース分子線エピタクシ
ー（ＲＳ−ＭＢＥ）法に用いられる結晶成長装置（以下
「ＲＳ−ＭＢＥ装置」という。）を示す。
長装置の一例として、ラジカルソース分子線エピタクシ
ー（ＲＳ−ＭＢＥ）法に用いられる結晶成長装置（以下
「ＲＳ−ＭＢＥ装置」という。）を示す。
【００３１】ＲＳ−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。
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。
【００３２】チャンバ１は、Ｚｎを蒸発させるためのＺ
ｎ用ポート１１と、Ｇａを蒸発させるためのＧａ用ポー
ト２１とを含む。
ｎ用ポート１１と、Ｇａを蒸発させるためのＧａ用ポー
ト２１とを含む。
【００３３】さらに、チャンバ１は、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。
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。
【００３４】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。）とシャッタ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。）とシャッタＳ1とを備えている。
【００３５】Ｇａ用ポート２１は、Ｇａ（純度６Ｎ）原
料２５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。）とシャッタＳ2とを備えている。
料２５を収容するとともに加熱・蒸発させるクヌーセン
セル（Ｋｎｕｄｓｅｎ ｃｅｌｌ： 以下Ｋセルと呼
ぶ。）とシャッタＳ2とを備えている。
【００３６】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オリ
フィス３３とシャッタＳ3とが設けられている。
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オリ
フィス３３とシャッタＳ3とが設けられている。
【００３７】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シャ
ッタ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シャ
ッタＳ4が設けられている。
【００３８】ラジカルポート３１、４１の構造として
は、外側シールド管内に設けられている放電管の外側に
誘導コイルが巻かれている構造である。
は、外側シールド管内に設けられている放電管の外側に
誘導コイルが巻かれている構造である。
【００３９】チャンバ１内には、結晶成長の下地となる
例えばサファイヤ基板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。
例えばサファイヤ基板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。
【００４０】サファイヤ基板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。
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。
【００４１】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反射電子線回折装置（ＲＨＥ
ＥＤ装置）のガン５１とＲＨＥＥＤ装置のスクリーン５
５とを含む。ＲＨＥＥＤ装置のガン５１とＲＨＥＥＤ装
置のスクリーン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、表面の平
坦性等）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反射電子線回折装置（ＲＨＥ
ＥＤ装置）のガン５１とＲＨＥＥＤ装置のスクリーン５
５とを含む。ＲＨＥＥＤ装置のガン５１とＲＨＥＥＤ装
置のスクリーン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、表面の平
坦性等）をモニタリングしながら成長を行うことができ
る。
【００４２】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。
【００４３】以下に、サファイヤ基板Ｓ上にＺｎＯを成
長する工程について、詳細に説明する。
長する工程について、詳細に説明する。
【００４４】まず、サファイヤ基板Ｓをサーマルアニー
ル処理し、サファイヤ基板Ｓの表面をクリーニングす
る。
ル処理し、サファイヤ基板Ｓの表面をクリーニングす
る。
【００４５】結晶成長はＲＳ−ＭＢＥ法によりシャッタ
ーＳ1からＳ4を適宜開閉することにより行う。
ーＳ1からＳ4を適宜開閉することにより行う。
【００４６】ラジカルソースを発生させる方法として
は、ＲＦを用いたＲＦ−ＭＢＥ法が用いられる。１３．
５６ＭＨｚの高周波を用いて、無電極放電管内に原料ガ
スであるＯ2を導入することによりＯラジカルを生成す
る。Ｏラジカルを高真空状態のＭＢＥチャンバ１内に吹
き出させることにより、Ｏラジカルビームとなる。Ｏラ
ジカルビームとＫセルからのＺｎビームとＧａビームと
をサファイヤ基板Ｓ上に同時に照射することにより、Ｇ
ａを適度にドーピングしたＧａドープＺｎＯ結晶の成長
を行う。
は、ＲＦを用いたＲＦ−ＭＢＥ法が用いられる。１３．
５６ＭＨｚの高周波を用いて、無電極放電管内に原料ガ
スであるＯ2を導入することによりＯラジカルを生成す
る。Ｏラジカルを高真空状態のＭＢＥチャンバ１内に吹
き出させることにより、Ｏラジカルビームとなる。Ｏラ
ジカルビームとＫセルからのＺｎビームとＧａビームと
をサファイヤ基板Ｓ上に同時に照射することにより、Ｇ
ａを適度にドーピングしたＧａドープＺｎＯ結晶の成長
を行う。
【００４７】Ｚｎのビーム量は、６．２×１０-5Ｐａ
（４．６×１０-7 Ｔｏｒｒ）、Ｇａのビーム量は６．
７×１０12Ｐａ（５×１０-10 Ｔｏｒｒ）であり、ガ
スソースであるＯ2の流量を２ｓｃｃｍとし、酸素のチ
ャンバ内での圧力を１．１×１０-3Ｐａ（８×１０-5
Ｔｏｒｒ）に設定した。
（４．６×１０-7 Ｔｏｒｒ）、Ｇａのビーム量は６．
７×１０12Ｐａ（５×１０-10 Ｔｏｒｒ）であり、ガ
スソースであるＯ2の流量を２ｓｃｃｍとし、酸素のチ
ャンバ内での圧力を１．１×１０-3Ｐａ（８×１０-5
Ｔｏｒｒ）に設定した。
【００４８】結晶成長温度は、６００℃である。
【００４９】上記の結晶成長条件でＧａドープのＺｎＯ
結晶を成長した時のキャリア密度（電子）は、ホール測
定によれば１×１０17ｃｍ-3である。
結晶を成長した時のキャリア密度（電子）は、ホール測
定によれば１×１０17ｃｍ-3である。
【００５０】図２に、ＺｎＯ結晶の室温でのＰＬ法によ
る分析結果を示す。
る分析結果を示す。
【００５１】図２には、図７に示した従来方法（Ｇａを
ドーピングしない方法）により成長した場合のＺｎＯ結
晶のＰＬ発光スペクトルも併せて示す。
ドーピングしない方法）により成長した場合のＺｎＯ結
晶のＰＬ発光スペクトルも併せて示す。
【００５２】Ｇａを適度にドーピングしたＺｎＯ結晶
は、波長３７８ｎｍ付近（紫外領域）にピークを有する
鋭い第１発光スペクトルを有するが、波長５１０ｎｍ付
近にピークを持ちほぼ可視光領域全体に広がるブロード
な第２発光スペクトル（室温において４３０ｎｍから６
３０ｎｍの波長領域を含むブロードなＰＬ発光スペクト
ル）を有していない。とりわけ、波長５１０ｎｍ付近に
ピークを有するＰＬスペクトルを有してないことが、Ｚ
ｎＯ中のＯ欠損を有していないことを示すものとして重
要である。
は、波長３７８ｎｍ付近（紫外領域）にピークを有する
鋭い第１発光スペクトルを有するが、波長５１０ｎｍ付
近にピークを持ちほぼ可視光領域全体に広がるブロード
な第２発光スペクトル（室温において４３０ｎｍから６
３０ｎｍの波長領域を含むブロードなＰＬ発光スペクト
ル）を有していない。とりわけ、波長５１０ｎｍ付近に
ピークを有するＰＬスペクトルを有してないことが、Ｚ
ｎＯ中のＯ欠損を有していないことを示すものとして重
要である。
【００５３】尚、本明細書において、「室温において４
３０ｎｍから６３０ｎｍの波長領域を含むブロードなＰ
Ｌ発光スペクトルを有しない」との表現は、上記の波長
範囲内における第２発光スペクトルのピークが全く観測
されない場合の他に、第２発光スペクトルの強度が第１
発光スペクトルの強度に比べてほとんど無視できる場合
をも包含するものである。
３０ｎｍから６３０ｎｍの波長領域を含むブロードなＰ
Ｌ発光スペクトルを有しない」との表現は、上記の波長
範囲内における第２発光スペクトルのピークが全く観測
されない場合の他に、第２発光スペクトルの強度が第１
発光スペクトルの強度に比べてほとんど無視できる場合
をも包含するものである。
【００５４】例えば、第２発光スペクトルの強度が第１
発光スペクトルの強度の１／３０以下のような場合をも
含む。また、４３０ｎｍから６３０ｎｍのブロードなピ
ークは、実際にはその波長範囲内における複数のピーク
を含んで形成されている場合もある。
発光スペクトルの強度の１／３０以下のような場合をも
含む。また、４３０ｎｍから６３０ｎｍのブロードなピ
ークは、実際にはその波長範囲内における複数のピーク
を含んで形成されている場合もある。
【００５５】一方、「ＩＩＩ族元素が適度にドーピング
され、」との表現は、室温において波長４３０ｎｍから
６３０ｎｍにかけてのブロードなＰＬ発光スペクトルを
有しない程度のＩＩＩ族元素がドーピング量されている
ことを意味している。具体的には、例えばＧａであれ
ば、Ｇａドーピング量として１×１０17ｃｍ-3から１×
１０18ｃｍ-3程度を指すが、結晶成長の条件によっては
多少の変動が生じる。
され、」との表現は、室温において波長４３０ｎｍから
６３０ｎｍにかけてのブロードなＰＬ発光スペクトルを
有しない程度のＩＩＩ族元素がドーピング量されている
ことを意味している。具体的には、例えばＧａであれ
ば、Ｇａドーピング量として１×１０17ｃｍ-3から１×
１０18ｃｍ-3程度を指すが、結晶成長の条件によっては
多少の変動が生じる。
【００５６】第１発光スペクトルのピーク強度は、同一
条件下で成長し、Ｇａをドープしていない従来のＺｎＯ
結晶の第１発光スペクトルのピーク強度と比較して４倍
以上の強度を示す。
条件下で成長し、Ｇａをドープしていない従来のＺｎＯ
結晶の第１発光スペクトルのピーク強度と比較して４倍
以上の強度を示す。
【００５７】第２発光スペクトルが観測されないことよ
り、適度のＧａをドーピングしたＺｎＯ結晶は、ＺｎＯ
の禁制帯内に存在する深い準位を含む多くの結晶欠陥を
有していないことを示唆する。
り、適度のＧａをドーピングしたＺｎＯ結晶は、ＺｎＯ
の禁制帯内に存在する深い準位を含む多くの結晶欠陥を
有していないことを示唆する。
【００５８】前述のように、Ｇａをドーピングすること
により深い準位を形成する欠陥の発生が抑制される現象
に関するメカニズムはよくわかっていない。
により深い準位を形成する欠陥の発生が抑制される現象
に関するメカニズムはよくわかっていない。
【００５９】但し、Ｇａの存在が、ＺｎＯ結晶表面から
再蒸発するはずのＯ原子と結合してＧａＯの形でＺｎＯ
結晶中に残ることにより、Ｏの再蒸発に起因する欠陥の
発生が抑制されるため減少が関連しているものと考えら
れる。
再蒸発するはずのＯ原子と結合してＧａＯの形でＺｎＯ
結晶中に残ることにより、Ｏの再蒸発に起因する欠陥の
発生が抑制されるため減少が関連しているものと考えら
れる。
【００６０】図３に、上記の成長方法と同一条件下にお
いて、Ｇａのドーピング量を変化させ、ＺｎＯ結晶に関
するホール測定を行った結果を示す。横軸にキャリア密
度Ｎ Dを、縦軸にＨａｌｌ測定による移動度μを示す。
いて、Ｇａのドーピング量を変化させ、ＺｎＯ結晶に関
するホール測定を行った結果を示す。横軸にキャリア密
度Ｎ Dを、縦軸にＨａｌｌ測定による移動度μを示す。
【００６１】成長温度Ｔｇ＝６００℃でＧａセル温度を
変えて、例えば、Ｇａセルの温度Ｔ Ga＝３２０℃でＮD
＝３×１０17ｃｍ-3、ＴGa＝３５０℃でＮD＝２×１０
18ｃｍ -3、ＴGa＝４００℃でＮD＝５×１０18ｃｍ-3、
ＴGa＝４５０℃でＮD＝２．７×１０19ｃｍ-3である。
変えて、例えば、Ｇａセルの温度Ｔ Ga＝３２０℃でＮD
＝３×１０17ｃｍ-3、ＴGa＝３５０℃でＮD＝２×１０
18ｃｍ -3、ＴGa＝４００℃でＮD＝５×１０18ｃｍ-3、
ＴGa＝４５０℃でＮD＝２．７×１０19ｃｍ-3である。
【００６２】図３には、Ｇａをドーピングしない場合の
成長方法によって得られたＺｎＯ結晶のＨａｌｌ測定結
果についても併せて示す。
成長方法によって得られたＺｎＯ結晶のＨａｌｌ測定結
果についても併せて示す。
【００６３】同じキャリア密度ＮDにおいて、Ｇａをド
ーピングしながら成長したＺｎＯ結晶は、Ｇａをドーピ
ングしないで成長したＺｎＯ結晶と比べてＨａｌｌ移動
度μが２倍程度以上高くなっている。
ーピングしながら成長したＺｎＯ結晶は、Ｇａをドーピ
ングしないで成長したＺｎＯ結晶と比べてＨａｌｌ移動
度μが２倍程度以上高くなっている。
【００６４】ＧａをドーピングしながらＺｎＯ結晶を成
長した場合に、大きいＨａｌｌ移動度μが得られるの
は、結晶欠陥の低減に起因するものと解される。
長した場合に、大きいＨａｌｌ移動度μが得られるの
は、結晶欠陥の低減に起因するものと解される。
【００６５】図４に、Ｇａをドーピングするか否かの点
を除いて、同一条件で成長したＺｎＯ結晶に関するＲＨ
ＥＥＤ法による分析結果を示す。
を除いて、同一条件で成長したＺｎＯ結晶に関するＲＨ
ＥＥＤ法による分析結果を示す。
【００６６】図４（ａ）は、ＧａをドーピングせずにＺ
ｎＯを成長させた場合のＲＨＥＥＤパターンである。図
４（ｂ）は、ＧａをドーピングしながらＺｎＯを成長し
た場合のＲＨＥＥＤパターンである。
ｎＯを成長させた場合のＲＨＥＥＤパターンである。図
４（ｂ）は、ＧａをドーピングしながらＺｎＯを成長し
た場合のＲＨＥＥＤパターンである。
【００６７】図４（ａ）に示すように、Ｇａをドーピン
グせずにＺｎＯ結晶を成長させた場合のＲＨＥＥＤパタ
ーンは、ストリーク（線）があまり鮮明ではなく、スト
リークにスポットが重なっている。ＺｎＯ結晶表面の平
坦性が、Ｇａをドーピングしながら成長したＺｎＯ結晶
に比べると良くないことを示唆している。
グせずにＺｎＯ結晶を成長させた場合のＲＨＥＥＤパタ
ーンは、ストリーク（線）があまり鮮明ではなく、スト
リークにスポットが重なっている。ＺｎＯ結晶表面の平
坦性が、Ｇａをドーピングしながら成長したＺｎＯ結晶
に比べると良くないことを示唆している。
【００６８】図４（ｂ）に示すように、Ｇａをドーピン
グしながらＺｎＯ結晶を成長させた場合のＲＨＥＥＤパ
ターンは、ストリーク（線）が鮮明である。ＺｎＯ結晶
表面の平坦性が良好であることを示唆している。
グしながらＺｎＯ結晶を成長させた場合のＲＨＥＥＤパ
ターンは、ストリーク（線）が鮮明である。ＺｎＯ結晶
表面の平坦性が良好であることを示唆している。
【００６９】ＧａをドーピングしながらＺｎＯ結晶を成
長することにより、ＺｎＯ結晶の表面が平坦になる原因
については明らかではないが、Ｏ原子の再蒸発がＧａの
存在により抑制されることも関係していると推測され
る。
長することにより、ＺｎＯ結晶の表面が平坦になる原因
については明らかではないが、Ｏ原子の再蒸発がＧａの
存在により抑制されることも関係していると推測され
る。
【００７０】尚、上記の実施の形態においては、サファ
イヤ基板Ｓ上に直接ＺｎＯを成長させる工程について説
明したが、サファイヤ基板Ｓ上に、６００℃よりも低温
の条件下において低温成長ＺｎＯバッファ層を成長し、
その後に、ＺｎＯ単結晶を成長することもできる。
イヤ基板Ｓ上に直接ＺｎＯを成長させる工程について説
明したが、サファイヤ基板Ｓ上に、６００℃よりも低温
の条件下において低温成長ＺｎＯバッファ層を成長し、
その後に、ＺｎＯ単結晶を成長することもできる。
【００７１】尚、例えばバッファ層に用いる高抵抗のＺ
ｎＯ結晶を得るためには、成長温度を３００℃から６０
０℃までの間、例えば４５０℃で成長を行えば良い。Ｇ
ａをドーピングすることにより、高抵抗で平坦性の良い
ＺｎＯバッファ層が得られる。
ｎＯ結晶を得るためには、成長温度を３００℃から６０
０℃までの間、例えば４５０℃で成長を行えば良い。Ｇ
ａをドーピングすることにより、高抵抗で平坦性の良い
ＺｎＯバッファ層が得られる。
【００７２】次に、本発明の第２実施の形態による光半
導体装置について図面を参照して説明する。
導体装置について図面を参照して説明する。
【００７３】第２実施の形態は、Ｇａを適度にドーピン
グしながらＺｎＯを成長する結晶成長方法を用いて、発
光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏ
ｄｅ：ＬＥＤ）を製造する方法である。
グしながらＺｎＯを成長する結晶成長方法を用いて、発
光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏ
ｄｅ：ＬＥＤ）を製造する方法である。
【００７４】図５に示すように、まず、サファイヤ基板
３０１上に、低い成長温度でＺｎＯバッファ層３０７を
成長する。
３０１上に、低い成長温度でＺｎＯバッファ層３０７を
成長する。
【００７５】ＺｎＯバッファ層３０７の成長温度は、例
えば４５０℃である。Ｇａを例えば１×１０17ｃｍ-3程
度ドーピングすることにより、高抵抗で平坦性の良いＺ
ｎＯバッファ層３０７を１μｍ程度の厚さで形成する。
えば４５０℃である。Ｇａを例えば１×１０17ｃｍ-3程
度ドーピングすることにより、高抵抗で平坦性の良いＺ
ｎＯバッファ層３０７を１μｍ程度の厚さで形成する。
【００７６】その上に形成するＺｎＯ層の成長温度は６
００℃である。
００℃である。
【００７７】ＺｎＯバッファ層３０７の上に、厚さ１μ
ｍのｎ型（Ｇａドープ：２×１０18ｃｍ-3）ＺｎＯ層３
１１を形成する。
ｍのｎ型（Ｇａドープ：２×１０18ｃｍ-3）ＺｎＯ層３
１１を形成する。
【００７８】電子の移動度は、６５ｃｍ2／Ｖｓであ
る。
る。
【００７９】ｎ型ＺｎＯ層３１１を形成する際に、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。
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。
【００８０】次に、ｎ型ＺｎＯ層３１１の上に、厚さ
０．２μｍのＺｎＯ活性層３１７を形成する。ＺｎＯ活
性層３１７を成長する際にもＧａをドーピングする。但
し、Ｇａのドーピング量は、１×１０17ｃｍ-3から１×
１０18ｃｍ-3までの間である。Ｇａのドーピング量は、
好ましくは１×１０17ｃｍ-3である。この場合の電子の
移動度は、２２０ｃｍ2／Ｖｓである。
０．２μｍのＺｎＯ活性層３１７を形成する。ＺｎＯ活
性層３１７を成長する際にもＧａをドーピングする。但
し、Ｇａのドーピング量は、１×１０17ｃｍ-3から１×
１０18ｃｍ-3までの間である。Ｇａのドーピング量は、
好ましくは１×１０17ｃｍ-3である。この場合の電子の
移動度は、２２０ｃｍ2／Ｖｓである。
【００８１】ＺｎＯ活性層３１７を形成する際に、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。
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。
【００８２】ＺｎＯ活性層３１７の上にｐ型（Ｎドー
プ：１×１０18ｃｍ-3）のＺｎＯ層３１５を成長する。
プ：１×１０18ｃｍ-3）のＺｎＯ層３１５を成長する。
【００８３】ｐ型ＺｎＯ層３１５の厚さは１００ｎｍで
ある。
ある。
【００８４】ｐ型ＺｎＯを成長する際にも、結晶性の向
上のためにＧａなどのＩＩＩ族元素をドーピングするこ
とも可能であり、また、ＧａとＮとの共ドープ法により
成長することも考えられる。
上のためにＧａなどのＩＩＩ族元素をドーピングするこ
とも可能であり、また、ＧａとＮとの共ドープ法により
成長することも考えられる。
【００８５】ｎ型ＺｎＯ層３１１は、例えばＡｌを含む
第１電極３２１とコンタクトされている。
第１電極３２１とコンタクトされている。
【００８６】Ｎドープのｐ型ＺｎＯ層３１５は島状に加
工されている。島状に加工されたｐ型ＺｎＯ層３１５
は、例えばＳｉ3Ｎ4からなる絶縁膜３１８により被覆さ
れる。ｐ型ＺｎＯ層３１５の上部表面には、例えば略円
形の開口が絶縁膜３１８を貫通して形成される。
工されている。島状に加工されたｐ型ＺｎＯ層３１５
は、例えばＳｉ3Ｎ4からなる絶縁膜３１８により被覆さ
れる。ｐ型ＺｎＯ層３１５の上部表面には、例えば略円
形の開口が絶縁膜３１８を貫通して形成される。
【００８７】ｐ型ＺｎＯ層３１５の上面周辺部上に、例
えばＮｉ／Ａｕを含むリング状の第２電極３２５が形成
される。リング状の第２電極は、その下面の少なくとも
一部がｐ型ＺｎＯ層３１５の上部表面の周辺部と接触す
る。リング状の第２電極２３５の、径方向外方部分は、
絶縁膜３１８上に乗り上げた構造となっている。
えばＮｉ／Ａｕを含むリング状の第２電極３２５が形成
される。リング状の第２電極は、その下面の少なくとも
一部がｐ型ＺｎＯ層３１５の上部表面の周辺部と接触す
る。リング状の第２電極２３５の、径方向外方部分は、
絶縁膜３１８上に乗り上げた構造となっている。
【００８８】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。電子と正孔とがＺｎＯ活性層３１７
内において発光性の再結合をする。
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。電子と正孔とがＺｎＯ活性層３１７
内において発光性の再結合をする。
【００８９】電子と正孔との再結合の際に、ＺｎＯのほ
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
する光を開口から発する。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。
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
する光を開口から発する。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。
【００９０】上記の動作により、ＬＥＤのリング状の、
第２電極２３５の開口から、例えば波長として約３７０
ｎｍの紫外光を発する。
第２電極２３５の開口から、例えば波長として約３７０
ｎｍの紫外光を発する。
【００９１】Ｇａを適度にドーピングしたＺｎＯ活性層
３１７は、室温において波長４３０ｎｍから６３０ｎｍ
にかけてのブロードなＰＬ発光スペクトルを有しないＺ
ｎＯ結晶である。従って、ＬＥＤの活性層として用いた
場合には、ＺｎＯの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の発光効率が良好になると
ともに、他の波長での発光が生じにくい。
３１７は、室温において波長４３０ｎｍから６３０ｎｍ
にかけてのブロードなＰＬ発光スペクトルを有しないＺ
ｎＯ結晶である。従って、ＬＥＤの活性層として用いた
場合には、ＺｎＯの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の発光効率が良好になると
ともに、他の波長での発光が生じにくい。
【００９２】尚、ＺｎＯバッファ層にもＧａを適度にド
ーピングすれば、平坦性の良いバッファ層を得ることが
できる。
ーピングすれば、平坦性の良いバッファ層を得ることが
できる。
【００９３】また、活性層とｎ型ＺｎＯ層とは、ｎ型の
ドーパント（Ｎ）を添加する以外は、同じ成長条件で成
長させても良い。
ドーパント（Ｎ）を添加する以外は、同じ成長条件で成
長させても良い。
【００９４】次に、本発明の第３実施の形態による光半
導体素子について説明する。
導体素子について説明する。
【００９５】第３実施の形態による光半導体素子は、Ｇ
ａを適度にドーピングしながらＺｎＯ結晶を成長する方
法を用いて製造したレーザー装置に関する。
ａを適度にドーピングしながらＺｎＯ結晶を成長する方
法を用いて製造したレーザー装置に関する。
【００９６】図６にレーザー素子の構造を示す。
【００９７】図６に示すように、レーザー素子は、サフ
ァイヤ基板５０１上に形成されたＺｎＯバッファ層５０
７と、ＺｎＯバッファ層５０７の上に形成されたｎ型Ｚ
ｎＯ層５１１と、ｎ型ＺｎＯ層上に形成されたｎ型Ｍｇ
xＺｎ1-xＯクラッド層５１３と、ｎ型ＭｇxＺｎ1-xＯク
ラッド層５１３の上に形成されたＺｎＯ活性層５１７
と、ＺｎＯ活性層５１７上に形成されたｐ型ＭｇxＺｎ
1-xＯクラッド層５１６と、ｐ型ＭｇxＺｎ1-xＯクラッ
ド層５１６上に形成されたｐ型ＺｎＯ層５１５とを含
む。
ァイヤ基板５０１上に形成されたＺｎＯバッファ層５０
７と、ＺｎＯバッファ層５０７の上に形成されたｎ型Ｚ
ｎＯ層５１１と、ｎ型ＺｎＯ層上に形成されたｎ型Ｍｇ
xＺｎ1-xＯクラッド層５１３と、ｎ型ＭｇxＺｎ1-xＯク
ラッド層５１３の上に形成されたＺｎＯ活性層５１７
と、ＺｎＯ活性層５１７上に形成されたｐ型ＭｇxＺｎ
1-xＯクラッド層５１６と、ｐ型ＭｇxＺｎ1-xＯクラッ
ド層５１６上に形成されたｐ型ＺｎＯ層５１５とを含
む。
【００９８】ｐ型ＭｇxＺｎ1-xＯクラッド層５１６とｎ
型のＭｇxＺｎ1-xＯクラッド層５１３とのｘ値は、それ
ぞれｘ＝０．１５程度が望ましい。例えば、Ｍｇx0.15
Ｚｎ0 .85Ｏクラッド層５１３、５１６とＺｎＯ活性層５
１７との伝導帯の不連続値は、約０．３ｅＶである。
型のＭｇxＺｎ1-xＯクラッド層５１３とのｘ値は、それ
ぞれｘ＝０．１５程度が望ましい。例えば、Ｍｇx0.15
Ｚｎ0 .85Ｏクラッド層５１３、５１６とＺｎＯ活性層５
１７との伝導帯の不連続値は、約０．３ｅＶである。
【００９９】ｎ型ＺｎＯ層５１１の上には第１電極５２
３が形成されている。
３が形成されている。
【０１００】ｐ型ＺｎＯ層５１５の上には開口Ｏを有す
る絶縁膜５１８が、例えばＳｉＯ2により形成されてい
る。絶縁膜５１８上には、第２電極５２５が形成されて
いる。第２電極５２５は、開口Ｏ内において、ｐ型Ｚｎ
Ｏ層５１５とコンタクトを形成している。
る絶縁膜５１８が、例えばＳｉＯ2により形成されてい
る。絶縁膜５１８上には、第２電極５２５が形成されて
いる。第２電極５２５は、開口Ｏ内において、ｐ型Ｚｎ
Ｏ層５１５とコンタクトを形成している。
【０１０１】第１電極５２３は、例えばＡｌからなる金
属を用いて形成することができる。
属を用いて形成することができる。
【０１０２】第２電極５２５は、例えば、Ｎｉ、Ｒｈ、
Ｐｔ、Ｐｄ及びこれらの合金群から選択された少なくと
も１種の金属を含む第１金属層と、第１金属層上に形成
され、第１金属層とは異なる金属からなる第２金属層に
より形成することができる。例えば、Ｎｉ／Ａｕが好ま
しく用いられる。
Ｐｔ、Ｐｄ及びこれらの合金群から選択された少なくと
も１種の金属を含む第１金属層と、第１金属層上に形成
され、第１金属層とは異なる金属からなる第２金属層に
より形成することができる。例えば、Ｎｉ／Ａｕが好ま
しく用いられる。
【０１０３】上記の構造により、Ｇａを適度にドーピン
グしたＺｎＯ層を活性層として用いたダブルヘテロ構造
（量子井戸構造）を有するＺｎＯ／ＭｇxＺｎ1-xＯ系の
レーザー構造を形成することができる。
グしたＺｎＯ層を活性層として用いたダブルヘテロ構造
（量子井戸構造）を有するＺｎＯ／ＭｇxＺｎ1-xＯ系の
レーザー構造を形成することができる。
【０１０４】上記の構造においては、クラッド層５１
３、５１６によって活性層５１７の両側にエネルギー障
壁が形成されるため、電子と正孔とは、活性層５１７内
に閉じ込められる。第１電極５２３と第２電極５２５と
の間に電圧を印加すると、電子と正孔とが活性層５１７
内に入って閉じ込められる。活性層（量子井戸）内にお
いて、電子と正孔との再結合が起こる。第１電極５２３
と第２電極５２５との間の電圧をある値以上にすると、
電流密度が急激に大きくなり、活性層の端面の一領域Ｌ
からＺｎＯの禁制帯幅に対応する波長のレーザー光が発
生する。
３、５１６によって活性層５１７の両側にエネルギー障
壁が形成されるため、電子と正孔とは、活性層５１７内
に閉じ込められる。第１電極５２３と第２電極５２５と
の間に電圧を印加すると、電子と正孔とが活性層５１７
内に入って閉じ込められる。活性層（量子井戸）内にお
いて、電子と正孔との再結合が起こる。第１電極５２３
と第２電極５２５との間の電圧をある値以上にすると、
電流密度が急激に大きくなり、活性層の端面の一領域Ｌ
からＺｎＯの禁制帯幅に対応する波長のレーザー光が発
生する。
【０１０５】Ｇａを適度にドーピングしたＺｎＯ活性層
５１７は、室温において波長４３０ｎｍから６３０ｎｍ
にかけてのブロードなＰＬ発光スペクトルを有しないＺ
ｎＯ結晶である。従って、レーザーの活性層として用い
た場合には、ＺｎＯの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の発光効率が良好になる
とともに、他の波長での発光が生じにくい。ＺｎＯ活性
層５１７の平坦性も向上する。
５１７は、室温において波長４３０ｎｍから６３０ｎｍ
にかけてのブロードなＰＬ発光スペクトルを有しないＺ
ｎＯ結晶である。従って、レーザーの活性層として用い
た場合には、ＺｎＯの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の発光効率が良好になる
とともに、他の波長での発光が生じにくい。ＺｎＯ活性
層５１７の平坦性も向上する。
【０１０６】従って、発光効率などの光学的特性に優れ
たレーザー装置を実現することができる。バッファ層５
０７として、適度にＧａをドーピングしたＺｎＯ結晶を
用いることもできる。
たレーザー装置を実現することができる。バッファ層５
０７として、適度にＧａをドーピングしたＺｎＯ結晶を
用いることもできる。
【０１０７】量子井戸構造（ＭｇxＺｎ1-xＯ／ＺｎＯ／
ＭｇxＺｎ1-xＯ）を多数繰り返して形成した多重量子井
戸構造を有するレーザーも製造可能である。
ＭｇxＺｎ1-xＯ）を多数繰り返して形成した多重量子井
戸構造を有するレーザーも製造可能である。
【０１０８】以上、Ｇａを適度にドーピングした光半導
体素子について説明した。
体素子について説明した。
【０１０９】尚、Ｇａを適度にドーピングしたＺｎＯ結
晶は、同じキャリア密度において従来の２倍以上の電子
移動度を有する。
晶は、同じキャリア密度において従来の２倍以上の電子
移動度を有する。
【０１１０】従って、電子デバイス、例えばＺｎＯ系の
ＦＥＴやバイポーラトランジスタなどの電子デバイスを
光半導体素子と同じ基板上に形成する必要がある場合に
も、電子デバイスの電気的特性が向上するため、きわめ
て有利である。電子デバイスと光デバイスとを組み合わ
せた半導体装置を製造することも可能である。
ＦＥＴやバイポーラトランジスタなどの電子デバイスを
光半導体素子と同じ基板上に形成する必要がある場合に
も、電子デバイスの電気的特性が向上するため、きわめ
て有利である。電子デバイスと光デバイスとを組み合わ
せた半導体装置を製造することも可能である。
【０１１１】尚、結晶性の良好なＺｎＯ単結晶を含むＺ
ｎＯ系の３元系又は４元系の混晶により半導体結晶や半
導体装置を作成することもできる。
ｎＯ系の３元系又は４元系の混晶により半導体結晶や半
導体装置を作成することもできる。
【０１１２】また、ＺｎＯ結晶は、短波長（紫外から青
色）ＬＥＤ及びその応用製品（各種インジケータ、ＬＥ
Ｄディスプレイ等）、白色ＬＥＤ及びその応用製品（照
明器具、各インジケータ、ディスプレイ、各表示器のバ
ック照明）もに用いることができる。
色）ＬＥＤ及びその応用製品（各種インジケータ、ＬＥ
Ｄディスプレイ等）、白色ＬＥＤ及びその応用製品（照
明器具、各インジケータ、ディスプレイ、各表示器のバ
ック照明）もに用いることができる。
【０１１３】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。結晶
成長の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であろう。
たが、本発明はこれらに制限されるものではない。結晶
成長の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であろう。
【０１１４】
【発明の効果】室温において波長４３０ｎｍから６３０
ｎｍにかけてのブロードなＰＬ発光スペクトルを有しな
いＺｎＯ層を得ることができた。
ｎｍにかけてのブロードなＰＬ発光スペクトルを有しな
いＺｎＯ層を得ることができた。
【図１】 本発明の第１実施の形態によるＺｎＯ結晶の
成長に用いるＭＢＥ装置の概略を示す断面図である。
成長に用いるＭＢＥ装置の概略を示す断面図である。
【図２】 本発明の第１実施の形態によるＺｎＯ結晶層
の室温におけるＰＬ発光スペクトルを示す。併せて、従
来法によるＺｎＯ層のＰＬ発光スペクトルを示す。
の室温におけるＰＬ発光スペクトルを示す。併せて、従
来法によるＺｎＯ層のＰＬ発光スペクトルを示す。
【図３】 本発明の第１実施の形態によるＺｎＯ結晶層
と従来の方法により成長したＺｎＯ層のＨａｌｌ測定に
よる移動度とキャリア密度との関係を示す。
と従来の方法により成長したＺｎＯ層のＨａｌｌ測定に
よる移動度とキャリア密度との関係を示す。
【図４】 本発明の第１実施の形態によるＺｎＯ結晶層
と従来の方法により成長したＺｎＯ層のＲＨＥＥＤパタ
ーンを示す。（ａ）は従来法（Ｇａドーピングなし）、
（ｂ）はＧａを適度にドーピングした場合のパターンを
示す。
と従来の方法により成長したＺｎＯ層のＲＨＥＥＤパタ
ーンを示す。（ａ）は従来法（Ｇａドーピングなし）、
（ｂ）はＧａを適度にドーピングした場合のパターンを
示す。
【図５】 本発明の第２実施の形態によるＺｎＯ結晶を
用いた半導体発光装置（ＬＥＤ）の構造を示す概略的な
断面図である。
用いた半導体発光装置（ＬＥＤ）の構造を示す概略的な
断面図である。
【図６】 本発明の第３実施の形態によるＺｎＯ結晶を
用いた半導体発光装置（レーザー）の構造を示す概略的
な断面図である。
用いた半導体発光装置（レーザー）の構造を示す概略的
な断面図である。
【図７】 従来の成長方法により成長したＺｎＯ結晶層
の室温でのＰＬ発光スペクトルの測定結果である。
の室温でのＰＬ発光スペクトルの測定結果である。
Ａ ＲＳ−ＭＢＥ装置 Ｃ 制御装置 Ｐ 真空ポンプ Ｓ 基板 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 Ｇａ用ポート ２５ Ｇａ原料 ２７ クヌーセンセル ３１ Ｏラジカルポート ４１ Ｎラジカルポート ３０１ サファイヤ基板 ３０７ ＺｎＯバッファ層 ３１１ ｎ型ＺｎＯ層 ３１５ ｐ型ＺｎＯ層 ３１７ ＺｎＯ活性層 ３１８ 絶縁膜 ３２１ 第１電極 ３２５ 第２電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 五月女 博明 神奈川県横浜市青葉区荏田西１−３−１ スタンレー電気株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE31 DA09 DA15 DA20 EB01 ED06 EE02 EF03 HA02 SC02 SC08 SC12 5F041 AA11 AA40 CA05 CA22 CA41 CA46 CA57 CA66 CA82 CA84 FF01 5F103 AA04 BB04 BB05 BB16 BB36 BB48 BB55 DD30 HH04 JJ01 JJ03 KK10 LL02 LL03 NN01 NN04 PP02
Claims (17)
- 【請求項１】 ＩＩＩ族元素が適度にドーピングされ、
室温において４３０ｎｍから６３０ｎｍの波長領域を含
むブロードなＰＬ発光スペクトルを有しないＺｎＯ結
晶。 - 【請求項２】 前記ＩＩＩ族元素は、Ｇａ、Ｉｎ、又は
Ａｌのうちのいずれかの元素である請求項１に記載のＺ
ｎＯ結晶。 - 【請求項３】 前記ＩＩＩ族元素のドーピング量は、１
×１０17ｃｍ-3から１×１０18ｃｍ-3までの間である請
求項２又は３に記載のＺｎＯ結晶。 - 【請求項４】 室温においてドナー濃度１×１０17ｃｍ
-3、から３×１０19ｃｍ-3の範囲に対応して、２００ｃ
ｍ2／Ｖｓから３０ｃｍ2／Ｖｓの移動度を有する請求項
１に記載のＺｎＯ結晶。 - 【請求項５】 Ｏ欠損に起因する深い準位がＩＩＩ族元
素により補償されている請求項１に記載のＺｎＯ結晶。 - 【請求項６】 Ｚｎ元素とＯ元素とを供給するととも
に、室温において４３０ｎｍから６３０ｎｍの波長領域
を含むブロードなＰＬ発光スペクトルを有しないように
ＩＩＩ族元素を適度に供給する工程を含むＺｎＯ結晶の
成長方法。 - 【請求項７】 前記ＩＩＩ族元素は、Ｇａ、Ｉｎ、又は
Ａｌのうちのいずれかの元素である請求項６に記載のＺ
ｎＯ結晶の成長方法。 - 【請求項８】 前記ＩＩＩ族元素の供給量は、ＺｎＯへ
のドーピング量として１×１０18ｃｍ-3以下である請求
項６又は７に記載のＺｎＯ結晶の成長方法。 - 【請求項９】 前記ＩＩＩ族元素の供給量は、ＺｎＯへ
のドーピング量として１×１０17ｃｍ-3から１×１０18
ｃｍ-3までの間である請求項６又は７に記載のＺｎＯ結
晶の成長方法。 - 【請求項１０】 基板と、 前記基板上に形成されたＺｎＯバッファ層と、 前記ＺｎＯ系バッファ層上に形成されたｎ型ＺｎＯ層
と、 前記ｎ型ＺｎＯ層上に形成されるとともに、ＩＩＩ族元
素が適度にドーピングされ室温において４３０ｎｍから
６３０ｎｍの波長領域を含むブロードなＰＬ発光スペク
トルを有しないＺｎＯ活性層と、 前記ＺｎＯ活性層上に形成されたｐ型ＺｎＯ層と、 前記ｎ型ＺｎＯ層に接触する第１電極と、 前記ｐ型ＺｎＯ層に接触する第２電極と、 前記第１電極および又は前記第２電極に形成された開口
とを含む光半導体素子。 - 【請求項１１】 前記ＺｎＯバッファ層は、ＩＩＩ族元
素が適度にドーピングされ室温において４３０ｎｍから
６３０ｎｍの波長領域を含むブロードなＰＬ発光スペク
トルを有しない請求項１０に記載の光半導体素子。 - 【請求項１２】 前記ＺｎＯ活性層は、１×１０17ｃｍ
-3から１×１０18ｃｍ-3までのＩＩＩ族元素がドーピン
グされている請求項１０に記載の光半導体素子。 - 【請求項１３】 前記ＺｎＯバッファ層は、１×１０17
ｃｍ-3以下のＩＩＩ族元素がドーピングされている請求
項１１に記載の光半導体素子。 - 【請求項１４】 基板と、 前記基板上に形成される第１導電型半導体層と、 前記第１導電型半導体層上に形成される第１導電型クラ
ッド層と、 前記第１導電型クラッド層上に形成されるとともに、Ｉ
ＩＩ族元素が適度にドーピングされ室温において４３０
ｎｍから６３０ｎｍの波長領域を含むブロードなＰＬ発
光スペクトルを有しないＺｎＯ活性層と、 前記ＺｎＯ活性層上に形成される第２導電型クラッド層
と、 前記第１導電型クラッド層に対して形成される第１電極
と、 前記第２導電型クラッド層に対して形成される第２電極
とを含む光半導体素子。 - 【請求項１５】 前記ＺｎＯ活性層は、１×１０17ｃｍ
-3から１×１０18ｃｍ-3までのＩＩＩ族元素がドーピン
グされている請求項１４に記載の光半導体素子。 - 【請求項１６】 前記第１導電型クラッド層又は前記第
２導電型クラッド層のうち少なくともいずれか一方は、
ＭｇxＺｎ1-xＯを含む請求項１４又は１５に記載の光半
導体素子。 - 【請求項１７】 前記ＩＩＩ族元素は、Ｇａ、Ａｌ、又
はＩｎのうちのいずれかの元素を含む請求項１０から１
６までに記載の光半導体素子。
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|---|---|---|---|
| JP2000102973A JP2001287998A (ja) | 2000-04-05 | 2000-04-05 | ＺｎＯ結晶、その成長方法および光半導体装置 |
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|---|---|
| JP2001287998A true JP2001287998A (ja) | 2001-10-16 |
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ID=18616747
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|---|---|---|---|
| JP2000102973A Pending JP2001287998A (ja) | 2000-04-05 | 2000-04-05 | ＺｎＯ結晶、その成長方法および光半導体装置 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2001287998A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101458629B1 (ko) * | 2007-08-30 | 2014-11-07 | 스탄레 덴끼 가부시키가이샤 | ＺｎＯ계 화합물 반도체 층의 제조방법 |
-
2000
- 2000-04-05 JP JP2000102973A patent/JP2001287998A/ja active Pending
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