JP2005243955A - Light emitting element, and its manufacturing method - Google Patents

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Junya Ishizaki
順也 石崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light emitting element which has a p-type MgZnO semiconductor layer of high carrier concentration, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: In the light emitting element 1, a light emitting layer 24 has a double-hetero-structure which is formed by a p-type cladding layer 34 which consists of Mg<SB>x</SB>Zn<SB>1-x</SB>O (where 0≤x<1) layer, an active layer 33 which consists of Mg<SB>y</SB>Zn<SB>1-y</SB>O (where 0≤y<1), and an n-type cladding layer 32 which consists of Mg<SB>z</SB>Zn<SB>1-z</SB>O (where 0≤z<1). In the p-type cladding layer 34, C is doped. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体を用いた発光素子、特に青色光あるいは紫外線の発光に適した発光素子と、その発光素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a light-emitting element using a semiconductor, particularly a light-emitting element suitable for blue light or ultraviolet light emission, and a method for manufacturing the light-emitting element.

青色光領域の短波長発光を行なう高輝度発光素子が永らく要望されていたが、最近になってAlGaInN系材料を用いることにより、このような発光素子が実現している。また、赤色ないし緑色の高輝度発光素子と組み合わせることにより、フルカラー発光装置や表示装置などへの応用を図ることも急速に進みつつある。しかしながら、AlGaInN系材料は比較的希少な金属であるGaとInとが主成分となるため、コストアップが避けがたい。また、成長温度が700〜1000℃と高く、製造時に相当のエネルギーが消費されるのも大きな問題の一つである。これはコスト低減の観点においてはもちろん、省エネルギーや地球温暖化抑制に関する議論が喧しい昨今では、時流に逆行するという意味においても望ましくない。そこで、特許文献1〜7には、サファイア基板上に、より安価なZnO系化合物半導体層にて発光層部を構成した発光素子が提案されている。
特開2001−044500号公報 特開2001−048698号公報 特開2002−016088号公報 特開2002−093821号公報 特開2002−105625号公報 特開2002−076026号公報 特開2002−289918号公報
A high-intensity light-emitting element that emits short-wavelength light in the blue light region has been demanded for a long time. Recently, such a light-emitting element has been realized by using an AlGaInN-based material. In addition, by combining with red or green high-luminance light-emitting elements, application to full-color light-emitting devices and display devices is also rapidly progressing. However, since AlGaInN-based materials are mainly composed of relatively rare metals Ga and In, it is difficult to avoid an increase in cost. Another significant problem is that the growth temperature is as high as 700 to 1000 ° C. and a considerable amount of energy is consumed during production. This is not desirable not only from the viewpoint of cost reduction, but also in the sense of going against the currents in recent years when discussions on energy conservation and global warming suppression are frustrating. Therefore, Patent Documents 1 to 7 propose light emitting elements in which a light emitting layer portion is formed of a cheaper ZnO-based compound semiconductor layer on a sapphire substrate.
JP 2001-044500 A JP 2001-048698 A JP 2002-016088 A Japanese Patent Laid-Open No. 2002-092321 JP 2002-105625 A JP 2002-076026 A JP 2002-289918 A

ところで、結晶性のZnO薄膜は真空雰囲気中でのエピタキシャル成長により得られるが、酸素欠損を非常に生じやすいため、導電型が必然的にn型となり、導電性キャリアであるn型キャリア(電子)が少ない結晶を得ること自体が難しい問題がある。一方、上記公報に開示された電子デバイスを、ZnOを用いて作製する際には導電型がp型である材料を得ることが不可欠である。しかし、上記の通り、該酸化物結晶は酸素空孔の存在により導電型がn型になる傾向があり、真性半導体に近い半絶縁性の結晶を作成することすら困難である。p型ZnOを形成する方法に関しては、特許文献2、5、7に開示されたNとGaとを同時にドーピングする方法や、特許文献3に開示されたAsをドーピングする方法、あるいは特許文献3、6に開示されたラジカルNをドーピングする方法などがあるが、効果的にドーパントが入らなかったり、再現性が良くなかったりするなど、問題点が多い。   By the way, although a crystalline ZnO thin film is obtained by epitaxial growth in a vacuum atmosphere, oxygen vacancies are very easily generated. Therefore, the conductivity type is inevitably n-type, and n-type carriers (electrons) that are conductive carriers are generated. There is a problem that it is difficult to obtain few crystals. On the other hand, when the electronic device disclosed in the above publication is manufactured using ZnO, it is essential to obtain a material whose conductivity type is p-type. However, as described above, the oxide crystal tends to be n-type due to the presence of oxygen vacancies, and it is difficult to even create a semi-insulating crystal close to an intrinsic semiconductor. Regarding the method of forming p-type ZnO, the method of simultaneously doping N and Ga disclosed in Patent Documents 2, 5, and 7, the method of doping As disclosed in Patent Document 3, or Patent Document 3, Although there is a method of doping the radical N disclosed in No. 6, there are many problems such as a dopant not being introduced effectively and reproducibility being poor.

本発明の課題は、高いキャリア濃度のp型MgZnO半導体層を有する発光素子と、その製造方法とを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a light emitting device having a p-type MgZnO semiconductor layer having a high carrier concentration and a method for manufacturing the same.

課題を解決するための手段および発明の効果Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

上記課題を解決するために本発明は、 発光層部がZnOを含む半導体層により構成された発光素子において、その発光層部は、MgZn1−xO(ただし、0≦x<1)層からなるp型クラッド層と、MgZn1−yO(ただし、0≦y<1)からなる活性層と、MgZn1−zO(ただし、0≦z<1)からなるn型クラッド層とが積層されたダブルヘテロ構造を有し、p型クラッド層にCがドーピングされ、
酸素欠損に由来するn型キャリアがCによって補償されていることを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, the present invention provides a light-emitting element in which a light-emitting layer portion is formed of a semiconductor layer containing ZnO, and the light-emitting layer portion has Mg x Zn 1-x O (where 0 ≦ x <1). A p-type cladding layer composed of layers, an active layer composed of Mg y Zn 1-y O (where 0 ≦ y <1), and n composed of Mg z Zn 1-z O (where 0 ≦ z <1). A double heterostructure laminated with a type cladding layer, and the p-type cladding layer is doped with C;
The n-type carrier derived from oxygen deficiency is compensated by C.

すなわち、IV族元素であるC(炭素)を積極ドーピングすることによりVI族元素であるO(酸素)を置換し、p型キャリアである正孔の生成を図っている。このことは、MgZnO半導体において、良好なp型特性を得る上で有効であると考えられる。また、ZnOを含む半導体に単独でドーピングすることが技術的に困難であるN(窒素)を同時にドーピングする場合、Nが活性化されることによりp型化に寄与することも考え得る。また、ダブルヘテロ構造を有するものとして発光層部を構成すると、発光強度の高い発光素子を実現する上で有効である。   In other words, the group IV element C (carbon) is positively doped to replace the group VI element O (oxygen), thereby generating holes that are p-type carriers. This is considered to be effective in obtaining good p-type characteristics in the MgZnO semiconductor. In addition, when N (nitrogen), which is technically difficult to dope independently into a semiconductor containing ZnO, is simultaneously doped, it can be considered that N is activated to contribute to p-type conversion. In addition, when the light emitting layer portion is configured to have a double hetero structure, it is effective for realizing a light emitting element with high light emission intensity.

また、課題を解決するために本発明の発光素子の製造方法は、発光層部がZnOを含む半導体層によって構成された発光素子の製造方法において、有機金属気相成長法(MOVPE法)または分子線エピタキシー法(MBE法)により発光層部を形成する工程で、ZnOを含む半導体の原料となる有機金属化合物とともに、該有機金属化合物以外の炭素源ガスを供給することを主要な特徴とする。この方法によれば、半導体薄膜中にCを積極ドーピングすることが可能である。CがO原子と置換すると、p型キャリアである正孔が生成し、酸素欠損に由来するn型キャリアを補償することができる。   In order to solve the problem, a method for manufacturing a light-emitting element according to the present invention is a method for manufacturing a light-emitting element in which a light-emitting layer portion is formed of a semiconductor layer containing ZnO, in a metal organic chemical vapor deposition method (MOVPE method) or a molecule. In the step of forming the light emitting layer by the line epitaxy method (MBE method), the main feature is that a carbon source gas other than the organometallic compound is supplied together with the organometallic compound that is a raw material of the semiconductor containing ZnO. According to this method, it is possible to positively dope C into the semiconductor thin film. When C substitutes for an O atom, holes that are p-type carriers are generated, and n-type carriers derived from oxygen vacancies can be compensated.

上記の炭素源ガスには、炭化水素ガスを好適に使用することができる。炭化水素ガスを使用することにより、CおよびH以外の元素がドーピングされることを防止できる。つまり、不要な元素によりバンド間に深い不純物準位が形成されたりする不具合を防止できる。また、多くの炭化水素ガスは比較的毒性が弱く、工業上の取扱いが容易であるという利点もある。なお、炭化水素ガスの中でも、安価であることや取扱いが容易であること、さらには反応性が比較的高いことなどを考慮すると、メタンガスが特に好適である。   A hydrocarbon gas can be preferably used as the carbon source gas. By using hydrocarbon gas, it is possible to prevent doping of elements other than C and H. That is, it is possible to prevent a problem that deep impurity levels are formed between bands due to unnecessary elements. In addition, many hydrocarbon gases have relatively low toxicity and are advantageous in that they are easy to handle industrially. Of the hydrocarbon gases, methane gas is particularly suitable in view of its low cost, easy handling, and relatively high reactivity.

また、分子線エピタキシー法により発光層部を形成する場合には、炭素源ガス(特にメタンガス)をクラッキングしつつ基板上に供給するとよい。通常、ZnO半導体薄膜をMOVPE法で作製する場合には、基板温度を相当高くするので、炭素源ガスを活性化せずに供給した場合にも、半導体薄膜にCが効率良く取り込まれる。他方、MBE法では基板温度は比較的低温であるため、クラッキングセル等を用いて熱分解(クラッキング)しつつ基板上に供給することが適切である。   Moreover, when forming a light emitting layer part by a molecular beam epitaxy method, it is good to supply carbon source gas (especially methane gas) on a board | substrate, cracking. Usually, when a ZnO semiconductor thin film is manufactured by the MOVPE method, the substrate temperature is considerably increased, so that C is efficiently taken into the semiconductor thin film even when the carbon source gas is supplied without being activated. On the other hand, since the substrate temperature is relatively low in the MBE method, it is appropriate to supply the substrate on the substrate while thermally decomposing (cracking) using a cracking cell or the like.

なお、発光層部を形成する工程は、n型MgZnO半導体層を形成するn型層形成段階と、p型MgZnO半導体層を形成するp型層形成段階を含み、n型層形成段階では炭素源ガスの供給を停止し、p型層形成段階において炭素源ガスの供給を実施することができる。   The step of forming the light emitting layer portion includes an n-type layer forming step of forming an n-type MgZnO semiconductor layer and a p-type layer forming step of forming a p-type MgZnO semiconductor layer, and in the n-type layer forming step, a carbon source The gas supply can be stopped, and the carbon source gas can be supplied in the p-type layer formation stage.

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の一実施形態である発光素子1の要部を、積層構造にて模式的に示すものであり、MgZn1−xO(ただし、0≦x<1)層からなるp型酸化物層としてのp型クラッド層34と、MgZn1−yO(ただし、0≦y<1)からなる活性層33と、MgZn1−zO(ただし、0≦z<1)からなるn型クラッド層32がこの順序にて積層されたダブルヘテロ構造を有する発光層部24を有している。本実施形態において、発光層部24は、成長基板としてのサファイア基板10上に、ZnOバッファ層11を介してp型クラッド層34側からヘテロエピタキシャル成長されている。ただし、図2に示す発光素子1’のように、積層順を逆としてもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 schematically shows a main part of a light-emitting element 1 according to an embodiment of the present invention in a laminated structure, from an Mg x Zn 1-x O (where 0 ≦ x <1) layer. A p-type cladding layer 34 as a p-type oxide layer, an active layer 33 made of Mg y Zn 1-y O (where 0 ≦ y <1), and Mg z Zn 1-z O (where 0 ≦ An n-type cladding layer 32 made of z <1) has a light emitting layer portion 24 having a double heterostructure laminated in this order. In the present embodiment, the light emitting layer portion 24 is heteroepitaxially grown from the p-type cladding layer 34 side via the ZnO buffer layer 11 on the sapphire substrate 10 as a growth substrate. However, the stacking order may be reversed as in the light-emitting element 1 ′ illustrated in FIG.

図1に示すように、n型クラッド層32の主表面は、導電性酸化物よりなる透明電極層35により覆われている。本実施形態では、透明電極層35をITO(Indium Tin Oxide)電極35としているが、ZnO系の透明電極(たとえばAlを1×1020/cm程度ドーピングしたアモルファス状ZnO透明電極)としてもよい。また、透明電極層35の中央には、その一部を覆う形でAl/TiやIn、あるいはAu等の金属よりなる金属電極22が配置されている。この金属電極22には、図示しない通電用の電極ワイヤが接合される。他方、n型クラッド層32と活性層33との一部が除去され、露出したp型クラッド層34の表面に、透明電極層35と同様の透明電極層25が形成され、その一部を覆う形で金属電極122が形成されている。 As shown in FIG. 1, the main surface of the n-type cladding layer 32 is covered with a transparent electrode layer 35 made of a conductive oxide. In the present embodiment, the transparent electrode layer 35 is an ITO (Indium Tin Oxide) electrode 35, but a ZnO-based transparent electrode (for example, an amorphous ZnO transparent electrode doped with about 1 × 10 20 / cm 3 of Al) may be used. . A metal electrode 22 made of a metal such as Al / Ti, In, or Au is disposed at the center of the transparent electrode layer 35 so as to cover a part of the transparent electrode layer 35. A current-carrying electrode wire (not shown) is joined to the metal electrode 22. On the other hand, a part of the n-type cladding layer 32 and the active layer 33 is removed, and a transparent electrode layer 25 similar to the transparent electrode layer 35 is formed on the exposed surface of the p-type cladding layer 34 and covers a part thereof. A metal electrode 122 is formed in a shape.

MgZnOはウルツ鉱型構造を有し、酸素原子層と金属原子(ZnイオンまたはMgイオン)層とがc軸方向に交互に積層される形となっている。各層34,33,32は、いずれもc軸方向に成長されたものである。MgZnOの結晶にて酸素イオンが欠落すると酸素欠損となり、n型キャリア(電子)を生ずる。酸素欠損は、n型クラッド層32においては、適量であれば害にならず、むしろn型キャリア源として積極活用できる。他方、p型クラッド層34や活性層33は、酸素欠損が多く形成されすぎると、n型キャリアが増加してp型導電性あるいは真性半導体特性を示さなくなるので、酸素欠損の発生抑制を図ることが重要である。   MgZnO has a wurtzite structure, and oxygen atoms and metal atoms (Zn ions or Mg ions) layers are alternately stacked in the c-axis direction. Each of the layers 34, 33, and 32 is grown in the c-axis direction. If oxygen ions are lost in the MgZnO crystal, oxygen vacancies are generated and n-type carriers (electrons) are generated. Oxygen vacancies in the n-type cladding layer 32 are not harmful if they are in an appropriate amount, but rather can be actively used as an n-type carrier source. On the other hand, if too many oxygen vacancies are formed in the p-type cladding layer 34 and the active layer 33, n-type carriers are increased and no p-type conductivity or intrinsic semiconductor characteristics are exhibited. is important.

n型クラッド層32は、活性層33における発光再結合が最適化されるよう、n型キャリア濃度がたとえば1×1017/cm以上1×1019/cm以下の範囲で調整される。n型ドーパントとしては、B、Al、GaおよびInの元素群より選ばれる1種または2種以上を添加できるが、n型キャリア(電子)源となる酸素欠損を積極形成してドーパントを非添加とすることもできる。 The n-type clad layer 32 is adjusted so that the n-type carrier concentration is, for example, in the range of 1 × 10 17 / cm 3 or more and 1 × 10 19 / cm 3 or less so that the light emission recombination in the active layer 33 is optimized. As an n-type dopant, one or more selected from the element group of B, Al, Ga, and In can be added, but oxygen dopant is actively formed as an n-type carrier (electron) source, and no dopant is added. It can also be.

p型クラッド層34には、Cがドーピングされている。CがO原子を置換することにより、p型キャリアである正孔が生成する。これにより、酸素欠損に由来するn型キャリアが補償される。p型クラッド層34におけるC濃度は、たとえば1.0×1016atoms/cm以上1.0×1020atoms/cm以下の範囲で調整するとよい。C濃度が1.0×1016atoms/cm未満の場合、酸素欠損に由来するn型キャリアを補償する効果を十分に得ることができない。他方、1.0×1020atoms/cmを超える濃度とすることは極めて困難であり、不経済である。 The p-type cladding layer 34 is doped with C. When C substitutes for an O atom, holes that are p-type carriers are generated. Thereby, n-type carriers derived from oxygen vacancies are compensated. The C concentration in the p-type cladding layer 34 may be adjusted, for example, in the range of 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 to 1.0 × 10 20 atoms / cm 3 . When the C concentration is less than 1.0 × 10 16 atoms / cm 3, the effect of compensating for n-type carriers derived from oxygen deficiency cannot be sufficiently obtained. On the other hand, it is extremely difficult and uneconomical to achieve a concentration exceeding 1.0 × 10 20 atoms / cm 3 .

また、p型クラッド層34には、C以外のp型ドーパントとしてNを混入してもよい。CとともにNを混入すると、Nが活性化してアクセプタとして安定化し、p型キャリアが効率的かつ安定的に発生することを期待できる。特にこの場合、p型クラッド層34に、N濃度と同等またはそれよりも高濃度にCを含有させることが有効である。p型クラッド層34のN濃度は、たとえば1.0×1016atoms/cm以上1.0×1019atoms/cm以下の範囲で調整することが、良好なp型特性と経済性とを両立する上で望ましい。また、NとともにHを同時に混入しても、上記と同様の活性化効果を望める。 Further, N may be mixed in the p-type cladding layer 34 as a p-type dopant other than C. When N is mixed together with C, N is activated and stabilized as an acceptor, and it can be expected that p-type carriers are generated efficiently and stably. Particularly in this case, it is effective to contain C in the p-type cladding layer 34 at a concentration equal to or higher than the N concentration. It is possible to adjust the N concentration of the p-type cladding layer 34 within a range of, for example, 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 or less. It is desirable to achieve both. Further, even if H is mixed with N, the same activation effect as described above can be expected.

活性層33は、要求される発光波長に応じて適宜のバンドギャップを有するものが使用される。たとえば、可視光発光に使用するものは、波長400nm〜570nmにて発光可能なバンドギャップエネルギーEg(3.10eV〜2.18eV程度)を有するものを選択する。これは、紫から緑色までをカバーする発光波長帯であるが、特に青色発光に使用する場合は、波長450nm〜500nmにて発光可能なバンドギャップエネルギーEg(2.76eV〜2.48eV程度)を有するものを選択する。また、紫外線発光に使用するものは、波長280nm〜400nmにて発光可能なバンドギャップエネルギーEg(4.43eV〜3.10eV程度)を有するものを選択する。   As the active layer 33, an active layer having an appropriate band gap according to the required emission wavelength is used. For example, what is used for visible light emission selects what has the band gap energy Eg (about 3.10 eV-2.18 eV) which can light-emit in wavelength 400nm -570nm. This is an emission wavelength band covering from purple to green, but particularly when used for blue emission, a band gap energy Eg (about 2.76 eV to 2.48 eV) that can be emitted at a wavelength of 450 nm to 500 nm is obtained. Choose what you have. Moreover, what uses the band gap energy Eg (about 4.43eV-3.10eV) which can be light-emitted in wavelength 280nm -400nm is selected as what is used for ultraviolet light emission.

活性層33において、混晶比yの値は、バンドギャップエネルギーEgを決める因子ともなる。たとえば、波長280nm〜400nmの紫外線発光を行なわせる場合は0≦y≦0.5の範囲にて選択する。また、両側のクラッド層32,34との間に形成されるバンド端不連続値は、発光ダイオードでは0.1eV〜0.3eV程度、半導体レーザー光源では0.25eV〜0.5eV程度とするのがよい。この値は、p型クラッド層(組成:MgZn1−xO)34、活性層(組成:MgZn1−yO)33およびn型クラッド層(組成:MgZn1−zO)層32の各混晶比x、y、zの数値の選択により決定できる。なお、活性層33にC、NおよびHを含有させてもよい。 In the active layer 33, the value of the mixed crystal ratio y is a factor that determines the band gap energy Eg. For example, in the case where ultraviolet light emission with a wavelength of 280 nm to 400 nm is performed, the selection is made in the range of 0 ≦ y ≦ 0.5. The band edge discontinuity value formed between the clad layers 32 and 34 on both sides is set to about 0.1 eV to 0.3 eV for a light emitting diode and about 0.25 eV to 0.5 eV for a semiconductor laser light source. Is good. This value indicates that the p-type cladding layer (composition: Mg x Zn 1-x O) 34, the active layer (composition: Mg y Zn 1-y O) 33, and the n-type cladding layer (composition: Mg z Zn 1-z O). ) It can be determined by selecting numerical values of the mixed crystal ratios x, y and z of the layer 32. The active layer 33 may contain C, N, and H.

以下、上記発光素子1の製造工程の一例を説明する。まず、サファイア基板10上にZnOからなるバッファ層11をエピタキシャル成長させる。次いで、p型クラッド層34、活性層33およびn型クラッド層32をこの順序にてエピタキシャル成長させる(図3参照)。これら各層のエピタキシャル成長は、前述のMOVPE法もしくはMBE法にて成長させることができる。以下、MOVPE法の場合について説明を行なう。   Hereinafter, an example of a manufacturing process of the light emitting element 1 will be described. First, the buffer layer 11 made of ZnO is epitaxially grown on the sapphire substrate 10. Next, the p-type cladding layer 34, the active layer 33, and the n-type cladding layer 32 are epitaxially grown in this order (see FIG. 3). The epitaxial growth of these layers can be performed by the MOVPE method or the MBE method described above. Hereinafter, the case of the MOVPE method will be described.

MOVPE法により、バッファ層11、p型クラッド層34、活性層33およびn型クラッド層32を同一の反応容器内にて連続的に成長できる。なお、反応容器内の温度は、層形成のための化学反応を促進するため、加熱源(本実施形態では赤外線ランプ)により調整される。各層の主原料としては次のようなものを用いることができる。
・酸素源ガス:酸素ガスを用いることもできるが、酸化性化合物ガスの形で供給することが、後述する有機金属との過度の反応を抑制する観点において望ましい。具体的には、NO、NO、NO、COなど。本実施形態では、NO(亜酸化窒素)を用いている。このガスは、p型ドーパント源であるN源ガスとしても機能する。
・Zn源ガス:ジメチル亜鉛(DMZn)、ジエチル亜鉛(DEZn)など。
・Mg源ガス:ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)など。
・炭素源ガス:CH(メタン)などの飽和炭化水素ガス。CHはC源ガスであるとともに、H源ガスとしても機能する。
By the MOVPE method, the buffer layer 11, the p-type cladding layer 34, the active layer 33, and the n-type cladding layer 32 can be continuously grown in the same reaction vessel. The temperature in the reaction vessel is adjusted by a heating source (infrared lamp in this embodiment) in order to promote a chemical reaction for layer formation. The following can be used as the main raw material of each layer.
-Oxygen source gas: Although oxygen gas can be used, it is desirable to supply it in the form of an oxidizing compound gas from the viewpoint of suppressing an excessive reaction with an organic metal described later. Specifically, N 2 O, NO, NO 2 , CO and the like. In this embodiment, N 2 O (nitrous oxide) is used. This gas also functions as an N source gas that is a p-type dopant source.
Zn source gas: dimethyl zinc (DMZn), diethyl zinc (DEZn), etc.
Mg source gas: biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg), etc.
Carbon source gas: Saturated hydrocarbon gas such as CH 4 (methane). CH 4 is a C source gas and also functions as an H source gas.

上記の各原料ガスをキャリアガス(たとえばNガス)により適度に希釈し、反応容器内に供給する。なお、各層の混晶比の違いにより、層毎にMg源およびZn源となる有機金属ガスMOの流量比をマスフローコントローラMFC等により制御する。また、酸素源ガスであるNOおよび炭素源ガスの流量もマスフローコントローラMFCにより制御する。 Each of the above source gases is appropriately diluted with a carrier gas (for example, N 2 gas) and supplied into the reaction vessel. Note that the flow rate ratio of the organometallic gas MO, which serves as the Mg source and the Zn source, is controlled by a mass flow controller MFC or the like depending on the mixed crystal ratio of each layer. The flow rates of N 2 O, which is an oxygen source gas, and carbon source gas are also controlled by the mass flow controller MFC.

バッファ層11の成長は、たとえば以下のようにして行なう。まず、層を成長させる基板10は、結晶主軸がa軸のサファイア(つまりアルミナ単結晶)基板であり、酸素原子面側の主表面が層成長面として使用される。該成長は、有機金属ガスMOと酸素源ガスであるNOを反応容器内に供給し、たとえば400℃にて通常のMOVPE法により行なう。バッファ層11の成長が終了すれば、発光層部24をなすp型クラッド層34、活性層33およびn型クラッド層32をこの順序にてMOVPE法により形成する。発光層部24の成長温度はたとえば600℃以上1000℃以下(本実施形態では800℃)である。 The buffer layer 11 is grown as follows, for example. First, the substrate 10 on which a layer is grown is a sapphire (that is, alumina single crystal) substrate having an a-axis crystal main axis, and the main surface on the oxygen atom plane side is used as a layer growth surface. The growth is carried out by supplying an organometallic gas MO and an oxygen source gas N 2 O into the reaction vessel, for example, at 400 ° C. by a normal MOVPE method. When the growth of the buffer layer 11 is completed, the p-type cladding layer 34, the active layer 33, and the n-type cladding layer 32 forming the light emitting layer portion 24 are formed in this order by the MOVPE method. The growth temperature of the light emitting layer portion 24 is, for example, 600 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower (800 ° C. in this embodiment).

p型クラッド層34を形成する工程は、有機金属ガスMO、酸素源ガスであるNOに加え、さらにC源ガスであるメタンガスを反応容器内に供給しながら行なうことができる。活性層33の形成時には、メタンガスの供給を停止するか、p型クラッド層34の形成時よりもメタン供給量を少なくする。なお、MOCVD法の代わりにMBE法により半導体薄膜を形成する場合、メタンガスを熱分解(クラッキング)しながら反応容器内に導入するとよい。これにより、低温では不活性な炭化水素ガスが活性化された状態で基板上に達し、半導体薄膜中に効率良く取り込まれることとなる。メタンガスの熱分解は、MBE用熱分解セル(クラッキングセル)を用いて行なうことができる。 The step of forming the p-type cladding layer 34 can be performed while supplying methane gas as C source gas into the reaction vessel in addition to the organic metal gas MO and N 2 O as oxygen source gas. When the active layer 33 is formed, the supply of methane gas is stopped, or the amount of methane supply is made smaller than when the p-type cladding layer 34 is formed. In addition, when forming a semiconductor thin film by MBE method instead of MOCVD method, it is good to introduce | transduce methane gas in a reaction container, thermally decomposing (cracking). As a result, the hydrocarbon gas that is inactive at low temperatures reaches the substrate in an activated state and is efficiently taken into the semiconductor thin film. Pyrolysis of methane gas can be performed using a MBE pyrolysis cell (cracking cell).

活性層33およびp型クラッド層34を成長する際は、酸素欠損発生を抑制するために、反応容器内の圧力を10Torr以上に保持することが有効である。これにより酸素の離脱が一層抑制され、酸素欠損の少ないMgZnO層を成長することができる。特に酸素成分源としてNOを使用する場合、上記の圧力設定によりNOの解離が急激に進行することが防止され、酸素欠損の発生をより効果的に抑制することが可能となる。雰囲気圧力は高ければ高いほど酸素離脱抑制効果は高められるが、760Torr(1.01×10Paまたは1気圧)程度までの圧力でも効果は十分顕著である。たとえば、760Torr以下であれば、反応容器内が常圧または減圧となるので容器シール構造が比較的簡略なもので済む利点がある。他方、760Torrを超える圧力を採用する場合は、容器内が加圧となるので内部の気体が漏れ出さないようにやや強固なシール構造を、また、圧力が相当高い場合には耐圧構造等を考慮する必要があるが、酸素離脱抑制効果は一層顕著となる。この場合、圧力の上限は、装置コストと達成できる酸素離脱抑制効果との兼ね合いにより適当な値に定めるべきである(たとえば、7600Torr((1.01×10Paまたは10気圧)程度)。 When growing the active layer 33 and the p-type cladding layer 34, it is effective to maintain the pressure in the reaction vessel at 10 Torr or more in order to suppress the generation of oxygen vacancies. As a result, the release of oxygen is further suppressed, and an MgZnO layer with few oxygen vacancies can be grown. In particular, when N 2 O is used as the oxygen component source, it is possible to prevent the dissociation of N 2 O from proceeding rapidly by the above pressure setting, and to more effectively suppress the generation of oxygen vacancies. The higher the atmospheric pressure is, the higher the oxygen desorption suppression effect is. However, even at a pressure up to about 760 Torr (1.01 × 10 5 Pa or 1 atm), the effect is sufficiently remarkable. For example, if it is 760 Torr or less, there is an advantage that the inside of the reaction vessel is at normal pressure or reduced pressure, so that the vessel seal structure can be relatively simple. On the other hand, when a pressure exceeding 760 Torr is adopted, the inside of the container is pressurized, so a slightly stronger sealing structure is taken into consideration so that the gas inside does not leak out. However, the effect of suppressing oxygen withdrawal becomes more remarkable. In this case, the upper limit of the pressure should be set to an appropriate value in consideration of the balance between the cost of the apparatus and the achievable oxygen desorption suppression effect (for example, about 7600 Torr ((1.01 × 10 6 Pa or 10 atm)).

n型クラッド層32は、成長時の酸素分圧を下げて酸素欠損を積極形成することによりn型導電性を得るようにしてもよいし、B、Al、GaおよびIn等のIII族元素を、n型ドーパントとして単独添加することによりn型導電性を得るようにしてもよい。ドーパントガスとしては、Al、GaおよびInについては、p型ドーパントの項で説明したものが同様に使用できる。また、Bに関しては、たとえばジボラン(B)を用いることができる。 The n-type cladding layer 32 may obtain n-type conductivity by actively forming oxygen vacancies by lowering the oxygen partial pressure during growth, or group III elements such as B, Al, Ga and In may be used. The n-type conductivity may be obtained by adding it alone as an n-type dopant. As dopant gas, about Al, Ga, and In, what was demonstrated by the term of the p-type dopant can be used similarly. As for B, for example, diborane (B 2 H 6 ) can be used.

このようにして発光層部24の成長が終了すれば、図1に示すように活性層33およびn型MgZnO層32の一部をフォトリソグラフィー等により一部除去し、さらに透明電極層35,25および金属電極層22,122を形成し、その後、基板10とともにダイシングすれば発光素子1が得られる。   When the growth of the light emitting layer portion 24 is completed in this way, a part of the active layer 33 and the n-type MgZnO layer 32 is partially removed by photolithography or the like as shown in FIG. 1, and the transparent electrode layers 35 and 25 are further removed. If the metal electrode layers 22 and 122 are formed and then diced together with the substrate 10, the light emitting device 1 is obtained.

本発明の発光素子の具体例を積層構造にて示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a specific example of a light-emitting element of the present invention in a stacked structure. 図1の発光素子の変形例を積層構造にて示す模式図。The schematic diagram which shows the modification of the light emitting element of FIG. 1 by laminated structure. 図1の発光素子の製造工程説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the light emitting device of FIG. 1.

符号の説明Explanation of symbols

1,1’ 発光素子
10 サファイア基板
24 発光層部
32 n型クラッド層
33 活性層
34 p型クラッド層
1,1 ′ Light-Emitting Element 10 Sapphire Substrate 24 Light-Emitting Layer Portion 32 n-type Cladding Layer 33 Active Layer 34 p-Type Cladding Layer

Claims (6)

発光層部がZnOを含む半導体層により構成された発光素子において、
前記発光層部は、MgZn1−xO(ただし、0≦x<1)からなるp型クラッド層と、MgZn1−yO(ただし、0≦y<1)からなる活性層と、MgZn1−zO(ただし、0≦z<1)からなるn型クラッド層とが積層されたダブルヘテロ構造を有し、
前記p型クラッド層にCがドーピングされ、
酸素欠損に由来するn型キャリアがCによって補償されていることを特徴とする請求項1記載の発光素子。
In the light emitting device in which the light emitting layer portion is configured by a semiconductor layer containing ZnO,
The light emitting layer portion includes a p-type cladding layer made of Mg x Zn 1-x O (where 0 ≦ x <1) and an active layer made of Mg y Zn 1-y O (where 0 ≦ y <1). And a double hetero structure in which an n-type cladding layer made of Mg z Zn 1-z O (where 0 ≦ z <1) is laminated,
The p-type cladding layer is doped with C,
2. The light emitting device according to claim 1, wherein n-type carriers derived from oxygen vacancies are compensated by C.
発光層部がZnOを含む半導体層によって構成された発光素子の製造方法において、有機金属気相成長法または分子線エピタキシー法により前記発光層部を形成する工程で、ZnOを含む半導体の原料となる有機金属化合物とともに、該有機金属化合物以外の炭素源ガスを供給することを特徴とする発光素子の製造方法。   In a method for manufacturing a light-emitting element in which a light-emitting layer portion is formed of a semiconductor layer containing ZnO, a material for a semiconductor containing ZnO is formed in the step of forming the light-emitting layer portion by metal organic vapor phase epitaxy or molecular beam epitaxy. A method for manufacturing a light-emitting element, comprising supplying an organic metal compound and a carbon source gas other than the organic metal compound. 前記炭素源ガスが炭化水素ガスであることを特徴とする請求項2記載の発光素子の製造方法。   The method of manufacturing a light emitting device according to claim 2, wherein the carbon source gas is a hydrocarbon gas. 前記炭化水素ガスがメタンガスであることを特徴とする請求項3記載の発光素子の製造方法。   4. The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 3, wherein the hydrocarbon gas is methane gas. 分子線エピタキシー法により前記発光層部を形成する場合は、前記炭素源ガスをクラッキングしつつ基板上に供給することを特徴とする請求項2ないし4のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。   5. The light emitting device according to claim 2, wherein when the light emitting layer portion is formed by molecular beam epitaxy, the carbon source gas is supplied onto the substrate while being cracked. Method. 前記発光層部を形成する工程は、n型MgZnO半導体層を形成するn型層形成段階と、p型MgZnO半導体層を形成するp型層形成段階を含み、
前記n型層形成段階では前記炭素源ガスの供給を停止し、前記p型層形成段階において前記炭素源ガスの供給を実施することを特徴とする請求項2ないし5のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
The step of forming the light emitting layer includes an n-type layer forming step of forming an n-type MgZnO semiconductor layer and a p-type layer forming step of forming a p-type MgZnO semiconductor layer,
The supply of the carbon source gas is stopped in the n-type layer formation stage, and the supply of the carbon source gas is performed in the p-type layer formation stage. Of manufacturing the light-emitting device.
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