JP2005340384A - Method for manufacturing compound semiconductor element - Google Patents

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順也 石崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a compound semiconductor element in which an MgZnO based oxide element layer can be grown with high efficiency and high quality on a substrate of a different material, e.g. sapphire or SiC, by MOVPE. <P>SOLUTION: When a buffer layer 11 composed of MgZnO is formed on the major surface of a substrate 10 for growth comprising a sapphire single crystal substrate having a crystal a-axis normal to the major surface or an SiC single crystal substrate having a crystal c-axis normal to the major surface, a preliminary buffer layer 11S composed of an Mg<SB>x</SB>Zn<SB>1-x</SB>O microcrystal being dispersed to a substrate for growth is grown using O<SB>2</SB>gas as a source gas of O. Subsequently, a buffer layer body 11M composed of an MgZnO single crystal covering the entire surface of the substrate for growth is grown using an MgZnO microcrystal as a seed crystal and a nitrogen oxide as a source gas of O. The buffer layer body 11M is formed by depositing a first unit layer 11A and a second unit layer 11B different in growth temperatures alternately such that the first unit layer 11A touches the preliminary buffer layer 11S wherein the first unit layer 11A is grown at a lower temperature than that of the second unit layer 11B so that the degree of crystallization becomes lower than that of the second unit layer 11B. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は化合物半導体素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a compound semiconductor device.

特開2001−68485号公報 ZnOないしMgOとZnOとの混晶(以下、これらを総称して「MgZnO系酸化物」ともいう)からなるII−VI族化合物半導体素子は、AlGaInN系材料に代わるワイドギャップ型発光素子(発光ダイオードあるいは半導体レーザー素子)を始め、受光素子、圧電素子、シンチレーターなどのX線蛍光素子などへ広く応用することが検討されている。JP-A-2001-68485 A II-VI group compound semiconductor element made of a mixed crystal of ZnO or MgO and ZnO (hereinafter collectively referred to as “MgZnO-based oxide”) is a wide alternative to an AlGaInN-based material. Widely applied to gap type light emitting elements (light emitting diodes or semiconductor laser elements), X-ray fluorescent elements such as light receiving elements, piezoelectric elements, and scintillators are being studied.

ZnO系酸化物は真空雰囲気中での気相成長により得られるが、安価で高品質なバルク単結晶の入手が困難であるため、サファイアやSiC等の異材質基板を用いたヘテロエピタキシャル成長を採用することになる。しかし、サファイアやSiCは、結晶系はZnOに近いものの、格子定数が大きく異なるため、結晶性の良好な素子層をエピタキシャル成長するためには、基板と素子層との間には適当なバッファ層を挿入する必要がある。特許文献1には、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法にてサファイア基板上に低温でZnOバッファ層を成長した後、高温で熱処理し、その上に素子層となるMgZnO単結晶層をバッファ層よりも厚く成長する方法が開示されている。該文献によると、バッファ層全体を低温成長することで層表面が平坦化し、該バッファ層上に成長されるMgZnO単結晶層の結晶品質を向上できると述べられている。   Although ZnO-based oxides can be obtained by vapor phase growth in a vacuum atmosphere, it is difficult to obtain inexpensive and high-quality bulk single crystals, so heteroepitaxial growth using a different material substrate such as sapphire or SiC is adopted. It will be. However, although sapphire and SiC have a crystal system close to that of ZnO, their lattice constants are greatly different. Therefore, in order to epitaxially grow an element layer with good crystallinity, an appropriate buffer layer is provided between the substrate and the element layer. It is necessary to insert. In Patent Document 1, a ZnO buffer layer is grown on a sapphire substrate at a low temperature by a molecular beam epitaxy (MBE) method, then heat-treated at a high temperature, and an MgZnO single crystal layer serving as an element layer is formed thereon. A method of growing thicker than the buffer layer is disclosed. According to this document, it is stated that the entire surface of the buffer layer can be grown at a low temperature to flatten the layer surface, and the crystal quality of the MgZnO single crystal layer grown on the buffer layer can be improved.

上記特許文献1では、層の平坦化などバッファ層の品質向上を図るために、段落0034に記載されているごとく、MBE法によりZnリッチの予備層を成長した後、Oラジカルビームを照射しつつ熱処理することにより、最終的な低温ZnOバッファ層を得るようにしている。つまり、特許文献1では、非化学量論的な組成で予備層を成長する工程が必須とされており、採用できる結晶成長法も、非化学量論的な成長にも対応できるMBE法の採用が必須となる。しかし、MBE法は層成長速度が小さく、大面積化あるいは複数枚化への対応に際しては、膜厚均一性を保ったまま実現することが難しく、量産性が悪い欠点がある。   In Patent Document 1, in order to improve the quality of the buffer layer such as planarization, as described in paragraph 0034, a Zn-rich preliminary layer is grown by the MBE method, and then irradiated with an O radical beam. A final low temperature ZnO buffer layer is obtained by heat treatment. In other words, in Patent Document 1, a process of growing a preliminary layer with a non-stoichiometric composition is essential, and a crystal growth method that can be adopted is an MBE method that can cope with non-stoichiometric growth. Is essential. However, the MBE method has a drawback that the layer growth rate is low, and it is difficult to realize it with a uniform film thickness when dealing with an increase in area or a plurality of sheets, resulting in poor mass productivity.

一方、層成長速度が比較的大きく量産性にも優れた結晶成長方法に、有機金属気相成長(Metal-Oxide Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)法がある。しかし、MOVPE法は基本的に化学量論的な組成の層成長に適した方法であり、化学量論的組成のZnOバッファ層では低温成長を採用しても、その後に成長するMgZnO単結晶層の下地層として平坦性あるいは結晶均一性などの点で十分良好な結晶状態を実現することが難しく、結果的に良好な品質のMgZnO単結晶層を得ることができない。他方、特許文献1のごとく、非化学量論的な組成の予備層を低温で成長するという、MBE法においてのみ有効な条件を敢えてMOVPE法に横滑りさせて実施しても、結晶が基板上に微結晶として凝集しやすくなり、基板被覆状態が均一で平坦なZnOバッファ層を形成できず、良好な品質のMgZnO単結晶層を得ることは同様に不可能である。以上の問題については、本発明者が当該の方法により得られたZnO単結晶層をフォトルミネッセンス(PL)特性にて評価したところ、バンド端起因の蛍光よりも、欠陥起因である青色蛍光がしばしば強くなる結果が得られること、さらにはホール測定法により電気的特性評価したとき、ホール移動度がアモルファスZnO層と同程度の特性しか得られないことなどからも裏付けられている。   On the other hand, there is a metal-oxide vapor phase (MOVPE) method as a crystal growth method having a relatively high layer growth rate and excellent mass productivity. However, the MOVPE method is basically a method suitable for the growth of a layer having a stoichiometric composition, and a ZnO buffer layer having a stoichiometric composition has a MgZnO single crystal layer grown after the low temperature growth even if low temperature growth is adopted. Therefore, it is difficult to realize a sufficiently good crystal state in terms of flatness or crystal uniformity as the underlayer, and as a result, a MgZnO single crystal layer with good quality cannot be obtained. On the other hand, as described in Patent Document 1, even if the MOVPE method is intentionally slid in a condition that is effective only in the MBE method of growing a preliminary layer having a non-stoichiometric composition at a low temperature, crystals are formed on the substrate. It becomes easy to agglomerate as microcrystals, a substrate covering state is uniform and a flat ZnO buffer layer cannot be formed, and it is similarly impossible to obtain a MgZnO single crystal layer of good quality. About the above problem, when this inventor evaluated the ZnO single-crystal layer obtained by the said method by the photoluminescence (PL) characteristic, the blue fluorescence resulting from a defect is often found rather than the fluorescence resulting from a band edge. This is supported by the fact that stronger results can be obtained, and that when the electrical characteristics are evaluated by the hole measurement method, the hole mobility can be obtained only at the same level as that of the amorphous ZnO layer.

本発明の課題は、サファイアやSiC等の異材質基板上にMgZnO系酸化物素子層をMOVPE法により高能率かつ高品質にて成長できる化合物半導体素子の製造方法を提供することにある。   The subject of this invention is providing the manufacturing method of the compound semiconductor element which can grow an MgZnO type oxide element layer on a dissimilar-material board | substrate, such as sapphire and SiC, by the MOVPE method with high efficiency and high quality.

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

上記の課題を解決するために、本発明の化合物半導体素子の製造方法は、
結晶a軸を主表面法線としたサファイア単結晶基板又は結晶c軸を主表面法線としたSiC単結晶基板からなる成長用基板の主表面上に、MgZn1−xO(ただし、0≦x≦1)からなるバッファ層をMOVPE法により成長するバッファ層成長工程と、
バッファ層上にMgZn1−xO(ただし、0≦x≦1)からなる素子層をMOVPE法によりエピタキシャル成長する素子層成長工程とを有し、
バッファ層成長工程は、成長用基板上に分散するMgZn1−xO微結晶からなる予備バッファ層を、OガスをO源ガスとして用いて成長する予備バッファ層成長工程と、前記MgZn1−xO微結晶を種結晶として、成長用基板の全面を覆うMgZn1−xO単結晶からなるバッファ層本体を、酸化窒素をO源ガスとして用いて成長するバッファ層本体成長工程とを含むことを特徴とする。
In order to solve the above problems, a method for producing a compound semiconductor device of the present invention includes:
Mg x Zn 1-x O (provided that, on the main surface of a growth substrate composed of a sapphire single crystal substrate with the crystal a axis as the main surface normal or an SiC single crystal substrate with the crystal c axis as the main surface normal) A buffer layer growth step of growing a buffer layer consisting of 0 ≦ x ≦ 1) by the MOVPE method;
An element layer growth step of epitaxially growing an element layer made of Mg x Zn 1-x O (where 0 ≦ x ≦ 1) on the buffer layer by the MOVPE method;
The buffer layer growth step includes a preliminary buffer layer growth step of growing a preliminary buffer layer made of Mg x Zn 1-x O microcrystals dispersed on a growth substrate using O 2 gas as an O source gas, and the Mg layer A buffer layer body that is grown by using a nitric oxide as an O source gas, with a buffer layer body made of Mg x Zn 1-x O single crystal covering the entire surface of the growth substrate using x Zn 1-x O microcrystals as a seed crystal And a growth step.

上記本発明の製造方法においては、サファイア又はSiC単結晶からなる成長用基板上にMgZnO系単結晶素子層を成長するためのMgZnO系バッファ層を、特許文献1のように単一層として一括成長するのではなく、まず、バッファ層本体を成長するのに先立って、MgZnO微結晶からなる予備バッファ層をO源ガスとしてOガスを用いて成長し、該予備バッファ層に含まれるMgZnO微結晶を種結晶として、成長用基板の全面を覆うMgZnO単結晶からなるバッファ層本体をO源ガスとして酸化窒素ガスを用いて成長する。O源としてOガスを用いると、II族金属のMOガス(例えばジエチルZn)とOガスとの気相反応によって反応前駆物が気相中で形成されやすくなり、それが基板表面に堆積するため、層の面内連続性は損なわれやすいが、気相中で微結晶化するため、成長用基板の主表面に品質の高い種結晶として形成できる。つまり、成長するMgZnOの連続性は損なわれやすくなるが、基板結晶との整合性が良好で結晶欠陥の少ない高品位の微結晶は逆に得られやすくなる。また、成長用基板の主表面上に成長した微結晶群の結晶面内(サファイアの場合はa軸、SiCの場合はc軸)での回転が生じにくくなり、結晶面内での回転方向の格子不整合が抑制されるとともに、結晶軸方向の結晶配向も強く維持できる。 In the manufacturing method of the present invention, an MgZnO-based buffer layer for growing an MgZnO-based single crystal element layer on a growth substrate made of sapphire or SiC single crystal is grown as a single layer as in Patent Document 1. First, prior to growing the buffer layer body, a preliminary buffer layer made of MgZnO microcrystals is grown using O 2 gas as an O source gas, and MgZnO microcrystals contained in the preliminary buffer layer are grown. As a seed crystal, a buffer layer body made of an MgZnO single crystal covering the entire surface of the growth substrate is grown using nitrogen oxide gas as an O source gas. When O 2 gas is used as the O source, a reaction precursor is easily formed in the gas phase by a gas phase reaction between the MO gas of the group II metal (eg, diethyl Zn) and O 2 gas, and it is deposited on the substrate surface. Therefore, although the in-plane continuity of the layer is easily impaired, since it is microcrystallized in the gas phase, it can be formed as a high quality seed crystal on the main surface of the growth substrate. That is, the continuity of the grown MgZnO tends to be impaired, but high-quality microcrystals with good alignment with the substrate crystal and few crystal defects are easily obtained. Further, rotation within the crystal plane of the microcrystal group grown on the main surface of the growth substrate (a-axis in the case of sapphire, c-axis in the case of SiC) is less likely to occur, and the rotation direction in the crystal plane is less likely to occur. The lattice mismatch is suppressed, and the crystal orientation in the crystal axis direction can be strongly maintained.

しかし、予備バッファ層の成長条件をそのままバッファ層本体の成長条件にも適用すると、MgZnO結晶が基板主表面内で分離して存在し、かつ大きさの異なる種結晶が個々に異なる成長速度で成長していくため、平坦な膜を得ることができなくなる。従って、予備バッファ層はあくまで種結晶となる微結晶を形成する程度にとどめ、その後のバッファ層本体の成長には、面内方向の層の連続性を維持するのに好適なO源ガスに切り替えて成長を行なう。具体的には、バッファ層本体を成長するためのO源ガスとして酸化窒素ガスを用い、バッファ層本体の少なくとも最初の部分を成長する。これにより、成長用基板の主表面の全面を結晶性の良好な単結晶バッファ層で覆うことができ、MOVPE法を用いているにもかかわらず、後に成長する単結晶素子層の下地層としての十分良好な結晶状態を実現できるので、高品質の単結晶素子層を得ることができる。   However, if the growth conditions of the preliminary buffer layer are applied to the growth conditions of the buffer layer body as they are, MgZnO crystals exist separately in the main surface of the substrate, and seed crystals of different sizes grow at different growth rates. As a result, a flat film cannot be obtained. Therefore, the preliminary buffer layer is limited to the formation of microcrystals serving as seed crystals, and the subsequent growth of the buffer layer body is switched to an O source gas suitable for maintaining the continuity of the layer in the in-plane direction. And grow. Specifically, nitrogen oxide gas is used as an O source gas for growing the buffer layer body, and at least the first part of the buffer layer body is grown. As a result, the entire main surface of the growth substrate can be covered with a single crystal buffer layer having good crystallinity, and the MOVPE method can be used as a base layer for a single crystal element layer to be grown later. Since a sufficiently good crystalline state can be realized, a high quality single crystal element layer can be obtained.

また、本発明においては、バッファ層本体についても、これを単一層として一括成長するのではなく、低温成長の第一の単位層と高温成長の第二の単位層とを交互に積層する形で成長する点に特徴がある。本発明においては、成長用基板(サファイア又はSiC)の主表面上に、種結晶となる微結晶群を予備バッファ層として不均一形成するので、これをバッファ層本体を形成する下地の観点で見ると、微結晶群が分散している分だけ下地面には凹凸が生ずる。しかし、その後に成長するバッファ層本体を、上記のように低温/高温の交互成長にて行なうと、最終的に得られるバッファ層の結晶状態を良好に保ちつつ、その表面の平坦性を大幅に向上することができ、ひいては凹凸(ラフネス)が少ない高品質の単結晶素子層を実現することができる。当然、バッファ層の成長工程の全体を、層成長速度の大きいMOVPE法にて行なうので量産性にも優れ、極めて産業上有効である。 Also, in the present invention, the buffer layer body is not grown as a single layer at a time, but the first unit layer of low temperature growth and the second unit layer of high temperature growth are alternately stacked. It is characterized by growing points. In the present invention, a microcrystal group serving as a seed crystal is formed non-uniformly on the main surface of the growth substrate (sapphire or SiC) as a preliminary buffer layer, and this is viewed from the viewpoint of the base on which the buffer layer body is formed. As a result, unevenness occurs on the base surface as much as the microcrystal group is dispersed. However, if the buffer layer body to be grown thereafter is formed by alternating growth at low temperature / high temperature as described above, the flatness of the surface is greatly improved while maintaining the crystal state of the finally obtained buffer layer in good condition. Thus, a high-quality single crystal element layer with less unevenness (roughness) can be realized. Naturally, since the entire growth process of the buffer layer is performed by the MOVPE method having a high layer growth rate, it is excellent in mass productivity and extremely industrially effective.

バッファ層本体においては、種結晶に覆われない基板主表面と第一の単位層とが直接接する形になるが、その結晶化度を下げることで、バッファ層をなすZnO系酸化物と成長用基板との間に相当の格子定数差が存在しても、格子不整合の影響を吸収できる。該第一の単位層は、その後の熱処理(後述)か、又は高温層である第二の単位層を成長する際の熱履歴により結晶化が進行するが、この結晶化は、第一の単位層の成長が完了した段階で進行するので、層成長初期段階に見られるような基板上への結晶の不均一核生成・成長過程も介在せず、第一の単位層を構成する原子は成長用基板の原子配列との整合を保ちつつ再配列しやすいと考えられる。また、バッファ層の全体を単一の低温成長層として成長すると、層厚に比例する形で基板との不整合応力が増大し、熱処理等における結晶化過程でミスフィット転位等も導入されやすくなるが、第一の単位層の厚さが十分に小さければ基板との不整合歪もそれほど増加しないから、結晶化過程におけるミスフィット転位等の導入も生じ難い。   In the buffer layer body, the main surface of the substrate that is not covered with the seed crystal and the first unit layer are in direct contact with each other. By reducing the crystallinity, the ZnO-based oxide that forms the buffer layer and the growth layer are used. Even if there is a considerable difference in lattice constant between the substrate and the substrate, the effect of lattice mismatch can be absorbed. The first unit layer is crystallized by subsequent heat treatment (described later) or by thermal history when growing the second unit layer which is a high temperature layer. As the growth of the layer proceeds, the atoms constituting the first unit layer grow without intervening the process of heterogeneous nucleation and growth of crystals on the substrate as seen in the initial stage of layer growth. This is thought to be easy to rearrange while maintaining the alignment with the atomic arrangement of the industrial substrate. In addition, when the entire buffer layer is grown as a single low-temperature growth layer, mismatch stress with the substrate increases in proportion to the layer thickness, and misfit dislocations and the like are easily introduced in the crystallization process in heat treatment or the like. However, if the thickness of the first unit layer is sufficiently small, mismatch strain with the substrate does not increase so much, so that it is difficult to introduce misfit dislocations or the like in the crystallization process.

しかし、上記の第一の単位層はバッファ層本体の基底部分を構成する薄いものであり、逆に、薄いからこそバッファ層の全体を単一の低温成長層として成長した場合のような、上述の不具合を生じないのである。しかし、それ単独では、下側の成長用基板との格子不整合の影響を十分に軽減し、また、予備バッファ層の凹凸をならして平坦化できるほどの厚さは有していない。他方、第一の単位層は、後から加わる熱履歴によって結晶化を進行させるので、凹凸解消のために無理に厚さを増大させると、基板との整合応力場の影響が層表面付近で希薄となり、層表面側からの再結晶が進みやすくなるので、層をなす結晶が面内で回転するなどの問題が生じ、第一の単位層を単結晶化することが困難になる。そこで、(その後の熱履歴により結晶化の進んだ)第一の単位層上に、高温で第二の単位層を成長することで、第一の単位層による層成長下地として好都合な性状を引き継ぎつつバッファ層の層厚を増大させるようにする。   However, the first unit layer is a thin layer that forms the base portion of the buffer layer body, and conversely, the thin unit layer is the thin buffer layer as a single low-temperature growth layer. This does not cause any problems. However, it alone does not have a thickness that can sufficiently reduce the effect of lattice mismatch with the lower growth substrate and that can flatten the unevenness of the spare buffer layer. On the other hand, since the first unit layer is crystallized by the thermal history applied later, if the thickness is increased forcibly to eliminate the unevenness, the influence of the matching stress field with the substrate is diluted near the layer surface. Thus, since recrystallization from the surface side of the layer easily proceeds, there arises a problem that crystals forming the layer rotate in the plane, and it becomes difficult to make the first unit layer into a single crystal. Therefore, by growing the second unit layer at a high temperature on the first unit layer (which has been crystallized due to the subsequent thermal history), the properties favorable as the layer growth base by the first unit layer are inherited. However, the layer thickness of the buffer layer is increased.

なお、特許文献1は、バッファ層はあくまで単一層として成長する概念を開示するものであり、平坦性の向上も含めたバッファ層の品質改善のため、層をなす酸化物の化学量論比を敢えてZnリッチ側にシフトさせる、という、原理的にも非常に特殊な方法を採用しており、大面積化や複数枚化への応用が不向きで生産性の低いMBEしか採用できない背景がある。これに対し本発明は、VI族原子/II族原子比の切替えにより、先に結晶性の良好な微結晶を予備バッファ層として成長した後に、これを種結晶として用いてバッファ層本体を形成するとともに、低温成長層である第一の単位層の結晶化過程を利用してバッファ層と成長用基板との格子不整合の影響を緩和するので、バッファ層の品質改善機構が特許文献1とは原理的に全く異なり、層をなす酸化物も、気相成長が最も容易な化学的量論組成を採用するのに何の障害もない。換言すれば、本発明の製造方法では、層をなす酸化物の化学量論比を、わざわざ面倒な非化学的量論組成とする必然性を原理的に全く有さないのであり、当然、バッファ層はMOVPE法に適した化学量論組成のMgZn1−xO層として成長すればよいのである。 Note that Patent Document 1 discloses the concept that the buffer layer grows as a single layer, and in order to improve the quality of the buffer layer including the improvement of flatness, the stoichiometric ratio of the oxide forming the layer is set. In principle, a very special method of shifting to the Zn-rich side is adopted, and there is a background in which only MBE with low productivity is unsuitable for application to large areas or multiple sheets. In contrast, the present invention forms a buffer layer body using a seed crystal as a preliminary buffer layer after first growing a crystallite with good crystallinity by switching the group VI atom / group II atomic ratio. In addition, since the influence of the lattice mismatch between the buffer layer and the growth substrate is mitigated by utilizing the crystallization process of the first unit layer which is a low temperature growth layer, the buffer layer quality improvement mechanism is In principle, they are completely different, and even the oxides forming the layers have no obstacle to adopting the stoichiometric composition that is the easiest for vapor phase growth. In other words, in the production method of the present invention, the stoichiometric ratio of the oxide forming the layer does not have the necessity of having a troublesome non-stoichiometric composition in principle. Can be grown as a Mg x Zn 1-x O layer having a stoichiometric composition suitable for the MOVPE method.

バッファ層本体を成長するためのO源ガスとしてはNO(亜酸化窒素)ガスを使用することが望ましい。O源としてNOを採用すると上記の気相反応が抑制され、基板表面での反応がより支配的となるため、連続性の向上したバッファ層本体の成長に有利である。また、後述のごとく、バッファ層本体を非晶質層として形成することも容易となる。 It is desirable to use N 2 O (nitrous oxide) gas as the O source gas for growing the buffer layer body. When N 2 O is used as the O source, the above gas phase reaction is suppressed, and the reaction on the substrate surface becomes more dominant, which is advantageous for the growth of the buffer layer body with improved continuity. Further, as will be described later, it becomes easy to form the buffer layer body as an amorphous layer.

予備バッファ層は成長用基板の主表面の面積被覆率が1%以上50%以下となるように形成することが望ましい。面積被覆率が1%未満になっても、また50%を超えても、いずれもバッファ層本体を面内方向に連続した単結晶層として得るための、種結晶としての機能を十分に確保することができなくなる。なお、上記の面積被覆率は、より望ましくは1%以上10%以下とすることが望ましい。   The preliminary buffer layer is preferably formed so that the area coverage of the main surface of the growth substrate is 1% or more and 50% or less. Whether the area coverage is less than 1% or more than 50%, the function as a seed crystal is sufficiently secured to obtain the buffer layer body as a single crystal layer continuous in the in-plane direction. I can't do that. The area coverage is more preferably 1% or more and 10% or less.

また、予備バッファ層の成長温度は200℃以上600℃未満に設定することが望ましい。成長温度200℃未満ではMOガス(特にジエチルZn)の分解が進みにくくなり、微結晶の成長が妨げられる。一方、成長温度が600℃以上になると、基板到着以前の気相中における反応が進みすぎ、また、基板からのZnOの再蒸発過程も起こりやすくなるので、基板主表面への微結晶の付着確率が低下する。   Further, the growth temperature of the preliminary buffer layer is desirably set to 200 ° C. or higher and lower than 600 ° C. If the growth temperature is less than 200 ° C., the decomposition of MO gas (particularly diethyl Zn) is difficult to proceed, and the growth of microcrystals is hindered. On the other hand, when the growth temperature is 600 ° C. or higher, the reaction in the gas phase before the arrival of the substrate proceeds too much, and the re-evaporation process of ZnO from the substrate is likely to occur, so the probability of adhesion of microcrystals to the main surface of the substrate Decreases.

予備バッファ層を成長する際の、反応容器内に供給するII族元素の原料ガスとVI族元素の原料ガスとの供給比は、前述の気相反応による微結晶の形成を促進するために、VI族原子/II族原子比にて500以上10000以下に設定することが望ましい。該比が500未満になると種結晶の元となる反応前駆物を十分に気相中で形成することができず、結晶表面に種結晶が化学吸着しにくくなり、10,000を超えると気相中での反応前駆物が完全に結晶粒となってしまい、結晶表面に吸着できなくなる。いずれも、MgZn1−xO層の成長に有効な良好な種結晶を得られなくなることにつながる。 When the preliminary buffer layer is grown, the supply ratio of the group II element source gas and the group VI element source gas supplied into the reaction vessel is to promote the formation of microcrystals by the gas phase reaction described above. It is desirable to set it to 500 or more and 10,000 or less in the group VI atom / group II atom ratio. When the ratio is less than 500, the reaction precursor as the seed crystal cannot be sufficiently formed in the gas phase, and the seed crystal is difficult to be chemically adsorbed on the crystal surface. The reaction precursor inside becomes crystal grains completely and cannot be adsorbed on the crystal surface. In either case, a good seed crystal effective for the growth of the Mg x Zn 1-x O layer cannot be obtained.

バッファ層本体の予備バッファ層と接する部分は、はじめから結晶質の層として成長してもよいが、成長温度を下げることにより非晶質層として成長し、その後、該非晶質層を結晶化温度以上に加熱して単結晶化する方法を採用すると、最終的に得られるバッファ層本体の平坦性をより高めることができる。     The portion of the buffer layer body that is in contact with the spare buffer layer may be grown as a crystalline layer from the beginning, but is grown as an amorphous layer by lowering the growth temperature, and then the amorphous layer is crystallized at the crystallization temperature. When the method of heating and single crystallizing is adopted as described above, the flatness of the finally obtained buffer layer body can be further improved.

第一の単位層を低温成長することにより結晶化度を下げ、層と基板との格子不整合を吸収する効果と、層と基板との整合性向上効果は、第一の単位層を非晶質層として成長することにより顕著に達成できる。また、非晶質層からなる第一の単位層は、厚さが小さくとも層の面内の連続性を維持しやすく、島状に凝集しない均質な被膜を得やすい観点においても有利である。   The first unit layer is grown at a low temperature to lower the crystallinity, absorb the lattice mismatch between the layer and the substrate, and improve the consistency between the layer and the substrate. This can be achieved significantly by growing as a stratified layer. In addition, the first unit layer made of an amorphous layer is advantageous from the viewpoint of easily maintaining the in-plane continuity of the layer even if the thickness is small, and easily obtaining a uniform coating that does not aggregate in an island shape.

第一の単位層の成長温度は200℃以上600℃未満に設定することが望ましい。200℃未満になると、MOVPEの原料ガスである有機金属の分解反応が顕著に進まなくなる可能性が高くなる。また、成長温度が600℃以上になると、基板到着以前の気相中における有機金属の分解反応及びOとの結合反応が進みやすくなり、かつ基板からのZnOの再蒸発過程が支配的になるため、基板へのZnOの付着確率が低下し、層厚の小さい第一の単位層を面内に均一な状態で形成することが困難になる。また、成長時における第一の単位層の結晶化も進行しやすくなる。該成長温度は、より望ましくは250℃以上に設定するのがよい。   The growth temperature of the first unit layer is desirably set to 200 ° C. or higher and lower than 600 ° C. When the temperature is lower than 200 ° C., there is a high possibility that the decomposition reaction of the organic metal that is the raw material gas of MOVPE does not proceed remarkably. Further, when the growth temperature is 600 ° C. or more, the decomposition reaction of the organometallic and the bonding reaction with O in the gas phase before the arrival of the substrate easily proceed, and the re-evaporation process of ZnO from the substrate becomes dominant. The probability of ZnO adhesion to the substrate is lowered, and it becomes difficult to form the first unit layer having a small layer thickness in a uniform state in the plane. In addition, the crystallization of the first unit layer during growth also proceeds easily. The growth temperature is more preferably set to 250 ° C. or higher.

他方、第二の単位層の成長温度は、成長時の第二の単位層の結晶性を高めるために600℃以上に設定するのがよい。他方、成長温度が1,100℃を超えると、気相中での有機金属の分解が急激に進みすぎ、基板表面からの脱離が支配的となるため、層成長速度がかえって低下する上、得られる層の結晶性も却って損なわれるので1,100℃以下の範囲で設定するのがよい。第二の単位層の成長温度は、より望ましくは650℃以上950℃以下の範囲で設定するのがよい。   On the other hand, the growth temperature of the second unit layer is preferably set to 600 ° C. or higher in order to increase the crystallinity of the second unit layer during growth. On the other hand, when the growth temperature exceeds 1,100 ° C., the decomposition of the organometallic in the gas phase proceeds too rapidly, and desorption from the substrate surface becomes dominant, so that the layer growth rate decreases instead. Since the crystallinity of the resulting layer is also impaired, it is preferable to set it within a range of 1,100 ° C. or less. The growth temperature of the second unit layer is more desirably set in the range of 650 ° C. or more and 950 ° C. or less.

本発明の効果を顕著なものとするためには、成長時において第一の単位層の結晶性を第二の単位層より低くなるように設定する必要があり、この観点において第一の単位層の成長温度は450℃以下に設定するのがより望ましく、特に第一の単位層を非晶質層として形成したい場合は該成長温度を400℃以下に設定するのがよい。   In order to make the effect of the present invention remarkable, it is necessary to set the crystallinity of the first unit layer to be lower than that of the second unit layer at the time of growth. It is more desirable to set the growth temperature to 450 ° C. or lower. In particular, when the first unit layer is to be formed as an amorphous layer, the growth temperature is preferably set to 400 ° C. or lower.

第一の単位層の層厚は、1nm以上10nm以下に設定することが望ましい。層厚が1nm未満になると、成長後の第一の単位層を昇温して結晶化を進行させる段階で、層の凝集が進みやすくなり、層の面内方向の連続性が失われて、最終的に得られるバッファ層全体の結晶性や平坦性も損なわれやすくなる。一方、第一の単位層の層厚が10nmを超えると、前述のごとく層表面側からの再結晶が進みやすくなり、層をなす結晶が面内で回転するなどの問題が生じ、第一の単位層を単結晶化することが困難になる。第一の単位層の層厚は、より望ましくは1nm以上5nm以下とするのがよい。   The thickness of the first unit layer is preferably set to 1 nm or more and 10 nm or less. When the layer thickness is less than 1 nm, in the stage where the first unit layer after growth is heated and crystallized, the aggregation of the layer is likely to proceed, and the continuity in the in-plane direction of the layer is lost. The crystallinity and flatness of the entire buffer layer finally obtained are also easily lost. On the other hand, if the thickness of the first unit layer exceeds 10 nm, recrystallization from the surface side of the layer tends to proceed as described above, causing problems such as rotation of the crystal forming the layer in the plane. It becomes difficult to monocrystallize the unit layer. The layer thickness of the first unit layer is more preferably 1 nm or more and 5 nm or less.

なお、MOVPE法により第一の単位層を成長する際に、O源としてOを用いた場合、II族金属の有機金属ガス(例えばジエチルZn)とOガスとの気相反応によって反応前駆物が気相中で形成され、それが基板表面に堆積するため単結晶状の微結晶が表面に形成され、層の面内連続性が損なわれやすくなる場合がある。しかし、O源としてNOを採用すると上記の気相反応が抑制され、より基板表面での反応が支配的となるため、第一の単位層の連続性を向上させることができる。また、第一の単位層を非晶質層とすることも容易となる。 When the first unit layer is grown by the MOVPE method, when O 2 is used as the O source, a reaction precursor is obtained by a gas phase reaction between a Group II metal organometallic gas (for example, diethyl Zn) and O 2 gas. Since an object is formed in the gas phase and is deposited on the surface of the substrate, single-crystal microcrystals are formed on the surface, and the in-plane continuity of the layer is likely to be impaired. However, when N 2 O is used as the O source, the above gas phase reaction is suppressed, and the reaction on the substrate surface becomes more dominant, so that the continuity of the first unit layer can be improved. It is also easy to make the first unit layer an amorphous layer.

一方、第二の単位層の層厚は500nm以下に設定することが望ましい。第二の単位層は高温成長である分、結晶性は良好であるが、結晶の面内の連続性は第一の単位層よりも低くなる傾向にあり、層厚が500nmを超えて大きくなると表面の凹凸が増大しやすくなる。一方、第二の単位層は第一の単位層よりは厚く形成すること、望ましくは10nm以上の層厚とすることで、バッファ層形成工程の全体の能率を向上できる。第二の単位層の層厚は、より望ましくは10nm以上100nm以下とするのがよい。   On the other hand, the thickness of the second unit layer is preferably set to 500 nm or less. As the second unit layer is grown at a high temperature, the crystallinity is good, but the in-plane continuity of the crystal tends to be lower than that of the first unit layer, and the layer thickness exceeds 500 nm. Surface irregularities tend to increase. On the other hand, the overall efficiency of the buffer layer forming process can be improved by forming the second unit layer to be thicker than the first unit layer, and preferably by setting the thickness to 10 nm or more. The layer thickness of the second unit layer is more preferably 10 nm or more and 100 nm or less.

上記のごとく、第二の単位層は第一の単位層よりは層表面に凹凸を生じ易く、第一の単位層とその上に成長される第二の単位層の組を1周期形成するだけでは、最終的に得られるバッファ層表面の平坦性を十分に確保することが困難な場合がある。この場合、該組を複数周期繰り返して形成することにより、得られるバッファ層の表面、ひいては最終的に得られる素子層の平坦性をさらに向上することができる。   As described above, the second unit layer is more likely to be uneven on the surface of the layer than the first unit layer, and only forms one cycle of a set of the first unit layer and the second unit layer grown thereon. Then, it may be difficult to ensure sufficient flatness of the finally obtained buffer layer surface. In this case, it is possible to further improve the flatness of the surface of the obtained buffer layer, and finally the element layer obtained by forming the set by repeating a plurality of periods.

第一の単位層の結晶化は、第二の単位層を形成する際の熱履歴によっても進行させることは可能であるが、第二の単位層の品質を高めるには、その成長初期段階で、その結晶化の基礎となる下地の第一の単位層の結晶化度も十分に高められている必要がある。従って、第一の単位層を成長後、該第一の単位層の結晶化度を高めるための熱処理を行った後、該第一の単位層上に第二の単位層を成長する工程を採用することがより望ましい。この効果をより顕著なものとするには、該熱処理を第二の単位層の成長温度と同等又はそれよりも高温にて行なうことが望ましく、具体的には該熱処理の温度を600℃以上に設定することが望ましい。熱処理の温度が600℃未満では、第一の単位層の結晶化度を十分に高めることができない場合がある。他方、経済性を考慮すれば、該熱処理の温度の上限は1,100℃程度である。該熱処理温度は、より望ましくは650℃以上950℃以下の範囲で設定するのがよい。   The crystallization of the first unit layer can be advanced by the thermal history at the time of forming the second unit layer, but in order to improve the quality of the second unit layer, at the initial stage of its growth. Further, the crystallinity of the first unit layer as a base that is the basis of the crystallization needs to be sufficiently increased. Therefore, after the first unit layer is grown, a heat treatment is performed to increase the crystallinity of the first unit layer, and then a second unit layer is grown on the first unit layer. It is more desirable to do. In order to make this effect more prominent, it is desirable to perform the heat treatment at a temperature equal to or higher than the growth temperature of the second unit layer. Specifically, the heat treatment temperature is set to 600 ° C. or higher. It is desirable to set. When the heat treatment temperature is less than 600 ° C., the crystallinity of the first unit layer may not be sufficiently increased. On the other hand, considering the economy, the upper limit of the temperature of the heat treatment is about 1,100 ° C. More preferably, the heat treatment temperature is set in the range of 650 ° C. or more and 950 ° C. or less.

前述のごとく、第二の単位層は第一の単位層よりも高温で成長されるので、成長した層からのOの脱離確率が大きくなり、O比率(つまり、VI族元素の比率)が欠乏した層組成に傾きやすい。そこで、第一の単位層と第二の単位層とをMOVPE法にて成長する際に、反応容器内に供給するII族元素の原料ガスとVI族元素の原料ガスとの供給比をVI族原子/II族原子比にて表したとき、第二の単位層を成長する際の供給比は第一の単位層を成長する際の供給比よりも高く設定することが、第二の単位層成長時のO離脱を抑制する観点において望ましい。具体的には、第一の単位層を成長する際の上記供給比は500以上3,000以下とするのがよく、第二の単位層を成長する際の供給比は10,000以上100,000以下とするのがよい。   As described above, since the second unit layer is grown at a higher temperature than the first unit layer, the probability of desorption of O from the grown layer is increased, and the O ratio (that is, the ratio of the VI group element) is increased. It tends to tilt to the lack of layer composition. Therefore, when the first unit layer and the second unit layer are grown by the MOVPE method, the supply ratio of the group II element source gas and the group VI element source gas supplied into the reaction vessel is set to group VI. When expressed in terms of atomic / group II atomic ratio, the second unit layer may be configured such that the supply ratio when growing the second unit layer is set higher than the supply ratio when growing the first unit layer. This is desirable from the viewpoint of suppressing O separation during growth. Specifically, the supply ratio when growing the first unit layer is preferably 500 or more and 3,000 or less, and the supply ratio when growing the second unit layer is 10,000 or more and 100,000. 000 or less is preferable.

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図1は、本発明の適用対象となる発光素子を積層構造にて模式的に示すものである。該発光素子1は、サファイア基板(成長用基板:SiC単結晶基板でもよい)10の第一主表面上に、バッファ層11、第一クラッド層(本実施形態ではn型)34、活性層33及び第二クラッド層(本実施形態ではp型)32がこの順序にて積層された発光層部24を有している。そして、バッファ層11及び発光層部24をなす各層32〜34は、いずれもMgZn1−aO層(0≦a≦1:以下、MgZnOとも記す:ただし、混晶比aの範囲からも明らかなように、MgZnOと記していても、これはMgO及びZnOの各単体酸化物の概念を含むものである)として、サファイア基板10上へのヘテロエピタキシャル成長により形成されている。なお、サファイア基板10は絶縁性であり、発光層部24の一部を切り欠くことにより第一クラッド層34を露出させ、この露出部に形成した対向電極125と、第二クラッド層32の第一主表面の一部を覆う主電極122との間で発光層部24の駆動通電を行なうようにしている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically shows a light-emitting element to which the present invention is applied in a laminated structure. The light-emitting element 1 includes a buffer layer 11, a first cladding layer (n-type in this embodiment) 34, and an active layer 33 on a first main surface of a sapphire substrate (growth substrate: may be a SiC single crystal substrate) 10. The second cladding layer (in this embodiment, p-type) 32 has a light emitting layer portion 24 laminated in this order. The layers 32 to 34 constituting the buffer layer 11 and the light emitting layer portion 24 are all Mg a Zn 1-a O layers (0 ≦ a ≦ 1: below, also referred to as MgZnO: provided that the mixed crystal ratio a is within the range. As is clear, even though it is described as MgZnO, it includes the concept of each simple oxide of MgO and ZnO), and is formed by heteroepitaxial growth on the sapphire substrate 10. Note that the sapphire substrate 10 is insulative, and the first cladding layer 34 is exposed by cutting out a part of the light emitting layer portion 24, and the counter electrode 125 formed in the exposed portion and the second cladding layer 32 first. The light emitting layer portion 24 is energized to drive with the main electrode 122 covering a part of one main surface.

p型クラッド層32には、p型ドーパントとして、例えばN、Ga、Al、In、Li、As、Pの一種又は2種以上が添加されている。他方、n型クラッド層34は、MgZnOがO欠損により本来的にn型となりやすく、ノンドープにてn型とすることもできるが、キャリア濃度制御のため、B、Al、Ga及びIn等のn型ドーパントを積極添加することが望ましい。   For example, one or more of N, Ga, Al, In, Li, As, and P are added to the p-type cladding layer 32 as a p-type dopant. On the other hand, the n-type cladding layer 34 is inherently easy to be n-type due to O-deficiency of MgZnO, and can be non-doped n-type. However, n, such as B, Al, Ga, and In, is used for carrier concentration control. It is desirable to add the type dopant positively.

活性層33は、これを構成するMgZn1−aOの混晶比aにより発光波長が定められる。波長280nm〜400nmの紫外線発光を行なわせる場合は0≦a≦0.5の範囲にて選択する。また、クラッド層33,34との間に形成されるポテンシャル障壁の高さは、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、両クラッド層の各混晶比により決定できる。 The active layer 33 has an emission wavelength determined by the mixed crystal ratio a of Mg a Zn 1-a O constituting the active layer 33. When ultraviolet light emission with a wavelength of 280 nm to 400 nm is performed, it is selected within the range of 0 ≦ a ≦ 0.5. The height of the potential barrier formed between the cladding layers 33 and 34 is preferably 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. . This value can be determined by the mixed crystal ratio of both cladding layers.

図2は、MgZnOの結晶構造を示すもので、いわゆるウルツ鉱型構造を有する。該構造では、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おり、図2に示すように、c軸が層厚方向に沿うように形成される。コランダム型構造を有する酸化物は、酸素(O)原子の格子が六方晶系の原子配列を有し、そのc軸方向にO原子(イオン)層と金属原子(イオン:図ではAl)層とが交互に積層された構造を有する。そこで、基板主軸をa軸としたサファイア基板は、ウルツ鉱型結晶構造を有するMgZnO型酸化物を直交する上記c軸方向にヘテロエピタキシャル成長させるための成長用基板として使用できる。   FIG. 2 shows the crystal structure of MgZnO, which has a so-called wurtzite structure. In this structure, oxygen atom layers and metal atom (Zn ions or Mg ions) layers are alternately stacked in the c-axis direction, and as shown in FIG. 2, the c-axis is along the layer thickness direction. Formed as follows. An oxide having a corundum structure has a lattice of oxygen (O) atoms having a hexagonal atomic arrangement, and an O atom (ion) layer and a metal atom (ion: Al in the figure) layer in the c-axis direction. Have a structure in which are alternately stacked. Therefore, a sapphire substrate having the substrate main axis as the a axis can be used as a growth substrate for heteroepitaxially growing an MgZnO type oxide having a wurtzite crystal structure in the orthogonal c axis direction.

カチオンであるZn原子とアニオンであるO原子とは、面内投影位置が一致している場合にクーロンエネルギーが最小となり、ヘテロ界面もエネルギー的に最も安定となる。従って、このエネルギー安定点になるべく近づく形でエピタキシャル成長も進行する。この場合の、サファイア基板の主表面をなすa軸を法線とする結晶基面(いわゆるA面)と、ZnO層の主表面をなすc軸を法線とする結晶基面(いわゆるC面)との間の格子対応は、図6に模式的に示す通りとなる(参考文献:Fons et al.,Appl. Phys. Lett., 77(2000)1801)。これによると、ZnO層のC面内最密方向におけるZn原子と、サファイア基板A面内のO原子との間には、周期的に一致点が存在することがわかる。具体的には、図面水平方向に追跡すれば明らかな通り、7つのZn原子からなる正六角形上の配列単位2周期毎に、Zn原子とサファイアO原子との重なり点が発生していることがわかる(より正確には、0.07%程度の格子不整合が存在する)。上記の格子対応関係は、図から明らかな通り、Zn原子とサファイアO原子との格子一致点が面内直交方向に非対称な長方形状の配列となっているから、180゜以下の角度の回転対称性を有さない。その結果、Zn原子とサファイアO原子との一致点におけるクーロン相互作用的なピンニング効果により、成長するZnO結晶の面内回転が効果的に防止される。   When the in-plane projection positions of the Zn atom as a cation and the O atom as an anion coincide, the Coulomb energy is minimized, and the heterointerface is also most energetically stable. Therefore, the epitaxial growth proceeds in a form as close as possible to the energy stable point. In this case, a crystal base plane (so-called A plane) having the a axis forming the main surface of the sapphire substrate as a normal line, and a crystal base plane having a normal axis having the c axis forming the main surface of the ZnO layer (so-called C plane) The lattice correspondence between and is as shown schematically in FIG. 6 (reference: Fons et al., Appl. Phys. Lett., 77 (2000) 1801). According to this, it turns out that a coincidence point exists periodically between the Zn atom in the C-plane closest packing direction of the ZnO layer and the O atom in the sapphire substrate A surface. Specifically, as is apparent from tracking in the horizontal direction of the drawing, an overlapping point of Zn atoms and sapphire O atoms is generated every two cycles of the arrangement unit on the regular hexagon consisting of seven Zn atoms. It can be seen (more precisely, there is a lattice mismatch of about 0.07%). As is apparent from the figure, the lattice correspondence described above is rotationally symmetric at an angle of 180 ° or less because the lattice coincidence points of Zn atoms and sapphire O atoms are asymmetrical in the in-plane orthogonal direction. Does not have sex. As a result, the in-plane rotation of the growing ZnO crystal is effectively prevented by the Coulomb interaction pinning effect at the coincidence point between the Zn atom and the sapphire O atom.

上記の観点で、サファイア基板は、図1に示すように、素子層の成長に先立って、両者の格子不整合を吸収するためのバッファ層11を形成することにより、ZnO成長用の基板として好適に利用できる。なお、六方晶型SiCも、結晶c軸を主軸とする単結晶基板をMgZnO型酸化物の成長用基板として同様に使用できるが、上記格子不整合率は5.49%と、サファイア基板ほどではないがこれもかなり大きく、事情は概ね同じである。バッファ層11はMgZnO系酸化物層、本実施形態ではZnO層として形成される。具体的には、図5の工程7に示すごとく、サファイア基板10の第一主表面上に、種結晶となるZn微結晶(個々の微結晶の寸法は例えば1nm以上10nm以下)を分散形成して予備バッファ層11Sとし、次いで該予備バッファ層11Sを含めてサファイア基板10の第一主表面の全面を覆うバッファ層本体11Mを形成したものである。さらに、該バッファ層本体11Mは、予備バッファ層11S側から、低温成長の第一の単位層11Aと高温成長の第二の単位層11Bとを交互に積層形成したものとして形成されている。図6において、一致点以外でのZn原子とサファイアO原子とは、格子不整合が最大75%にも達するため、成長モードは面内に均一な層状のエピタキシャル成長ではなく、ストランスキー・クラスタノフ成長と呼ばれる粒状成長が主体的になりやすい。従って、面内に連続したZnO系酸化物層を成長することは難しいが、面内回転も含めた格子整合性の良好な種結晶を形成する観点においては却って望ましいのである。   In view of the above, the sapphire substrate is suitable as a substrate for growing ZnO by forming the buffer layer 11 for absorbing the lattice mismatch between the two prior to the growth of the element layer, as shown in FIG. Available to: In addition, for hexagonal SiC, a single crystal substrate with the crystal c axis as the main axis can be used as a growth substrate for MgZnO type oxide, but the lattice mismatch rate is 5.49%, which is not as high as that of a sapphire substrate. This is quite large, but the situation is almost the same. The buffer layer 11 is formed as an MgZnO-based oxide layer, which is a ZnO layer in this embodiment. Specifically, as shown in Step 7 in FIG. 5, Zn microcrystals serving as seed crystals are dispersedly formed on the first main surface of the sapphire substrate 10 (the size of each microcrystal is, for example, 1 nm to 10 nm). The buffer layer body 11M is formed by covering the entire surface of the first main surface of the sapphire substrate 10 including the spare buffer layer 11S. Further, the buffer layer body 11M is formed by alternately laminating low-temperature grown first unit layers 11A and high-temperature grown second unit layers 11B from the spare buffer layer 11S side. In FIG. 6, Zn atoms and sapphire O atoms other than the coincidence point have a lattice mismatch of up to 75%. Granular growth called is likely to be dominant. Therefore, it is difficult to grow a continuous ZnO-based oxide layer in the plane, but it is desirable from the viewpoint of forming a seed crystal with good lattice matching including in-plane rotation.

以下、上記発光素子の製造工程の一例を説明する。まず、図3の工程1に示すように、サファイア基板10を反応容器内にセットする。次に、工程に示すように、サファイア基板10上にMgZnOからなるバッファ層11をエピタキシャル成長する。そして、該バッファ層11上に、素子層たる発光層部24として、第一クラッド層34(層厚例えば50nm)、活性層33(層厚例えば30nm)及び第二クラッド層32(層厚例えば50nm)をこの順序にてエピタキシャル成長する。これら各層のエピタキシャル成長は、前述の通りMOVPE法にて成長できる。気相での化学反応によりMgZnO系酸化物が生成するので、得られるMgZnO系酸化物は化学量論組成を有したものとなる(ただし、層形成過程で不可避的に生ずるO欠損の、マクロな組成への影響は無視できるものとして考える)。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。   Hereinafter, an example of the manufacturing process of the light-emitting element will be described. First, as shown in step 1 of FIG. 3, the sapphire substrate 10 is set in a reaction vessel. Next, as shown in the process, the buffer layer 11 made of MgZnO is epitaxially grown on the sapphire substrate 10. Then, on the buffer layer 11, as the light emitting layer portion 24 as an element layer, a first cladding layer 34 (layer thickness, for example, 50 nm), an active layer 33 (layer thickness, for example, 30 nm), and a second cladding layer 32 (layer thickness, for example, 50 nm). ) In this order. The epitaxial growth of each of these layers can be performed by the MOVPE method as described above. Since MgZnO-based oxides are generated by a chemical reaction in the gas phase, the obtained MgZnO-based oxides have a stoichiometric composition (however, the macroscopicity of O deficiency inevitably generated in the layer formation process) The effect on composition is considered negligible). The temperature in the reaction vessel is adjusted by a heating source (in this embodiment, an infrared lamp) in order to promote a chemical reaction for layer formation. The following can be used as the main raw material of each layer.

・酸素成分源ガス: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。
・Zn源(金属成分源)ガス:ジメチル亜鉛(DMZn)、ジエチル亜鉛(DEZn)など。本実施形態ではジエチル亜鉛(DEZn)を採用する。
・Mg源(金属成分源)ガス:ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)など。
-Oxygen component 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.
Zn source (metal component source) gas: dimethyl zinc (DMZn), diethyl zinc (DEZn), etc. In this embodiment, diethyl zinc (DEZn) is employed.
Mg source (metal component source) gas: biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg), etc.

また、p型ドーパントガスとしては次のようなものを用いることもできる;
・Li源ガス:ノルマルブチルリチウムなど;
・Si源ガス:モノシランなどのシリコン水素化物など;
・C源ガス:炭化水素(例えばCを1つ以上含むアルキルなど);
・Se源ガス:セレン化水素など;
・As源ガス:アルシンなど;
・P源ガス:ホスフィンなど。
Moreover, the following can also be used as a p-type dopant gas;
Li source gas: normal butyl lithium, etc.
-Si source gas: silicon hydride such as monosilane;
C source gas: hydrocarbon (eg, alkyl containing one or more C);
-Se source gas: hydrogen selenide, etc .;
-As source gas: arsine, etc .;
P source gas: phosphine, etc.

さらに、Al、Ga及びIn等のIII族元素の1種又は2種以上は、V族元素であるNとの共添加により良好なp型ドーパントとして機能させることができる。ドーパントガスとしては以下のようなものを使用できる;
・Al源ガス;トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルアルミニウム(TEAl)など;
・Ga源ガス;トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)など;
・In源ガス;トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム(TEIn)など。
p型ドーパントとして金属元素(Ga)とともにNが使用される場合、p型MgZnO層の気相成長を行なう際に、N源となる気体を、Ga源となる有機金属ガスとともに供給するようにする。例えば、本実施形態では、酸素成分源として使用するNOがN源としても機能する形となる。
Furthermore, one or more group III elements such as Al, Ga, and In can function as a good p-type dopant by co-addition with N, which is a group V element. The following can be used as the dopant gas:
Al source gas; trimethylaluminum (TMAl), triethylaluminum (TEAl), etc .;
Ga source gas; trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa), etc .;
In source gas; trimethylindium (TMIn), triethylindium (TEIn), etc.
When N is used as a p-type dopant together with a metal element (Ga), a gas serving as an N source is supplied together with an organometallic gas serving as a Ga source when performing vapor phase growth of the p-type MgZnO layer. . For example, in the present embodiment, N 2 O used as an oxygen component source functions as an N source.

他方、B、Al、Ga及びIn等のIII族元素は、単独で用いることによりn型ドーパントとして機能させることができる。ドーパントガスとしては、Al、Ga及び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、例えばジボラン(B)を用いることができる。 On the other hand, group III elements such as B, Al, Ga, and In can function as n-type dopants when used alone. 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.

上記の各原料ガスをキャリアガス(例えば窒素ガス)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II族元素であるMg源及び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、酸素成分源ガスであるNO及びp型ドーパント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, nitrogen gas) and supplied into the reaction vessel. Depending on the mixed crystal ratio of each layer, the flow rate ratio of the organometallic gas MO, which is a group II element Mg source and Zn source, is controlled for each layer by a mass flow controller MFC or the like. Further, the flow rates of N 2 O and p-type dopant source gas, which are oxygen component source gases, are also controlled by the mass flow controller MFC.

本発明の要部であるバッファ層11の成長は以下のようにして行なう。まず、層成長に先立って、サファイア基板10を酸化性ガス雰囲気下にて十分にアニール処理する。酸化性ガスは、O、CO、NOのいずれかから選択できるが、後述する層成長時の酸素成分源ガスと共用するため、本実施形態ではNOを使用している。アニール処理温度は、MOVPEの反応容器内にて行なう場合は、750℃以上(基板の融点よりも低温)にて30分以上の保持時間で行なうことが望ましい。ただし、湿式洗浄等により基板表面の清浄化が十分可能である場合には、アニール処理時間をこれよりも短縮して差し支えない。上記アニール処理が終了すれば、酸化性ガス雰囲気を保持した状態にて基板温度を、欠損等の発生を抑制するために250〜350℃(本実施形態では350℃)に設定される第一温度に低下させる。 The growth of the buffer layer 11 which is the main part of the present invention is performed as follows. First, prior to layer growth, the sapphire substrate 10 is sufficiently annealed in an oxidizing gas atmosphere. The oxidizing gas can be selected from any of O, CO, and N 2 O, but N 2 O is used in the present embodiment because it is shared with an oxygen component source gas during layer growth described later. The annealing temperature is preferably 750 ° C. or higher (lower temperature than the melting point of the substrate) and a holding time of 30 minutes or longer in the MOVPE reaction vessel. However, if the substrate surface can be sufficiently cleaned by wet cleaning or the like, the annealing time may be shortened. When the annealing process is completed, the substrate temperature is set to 250 to 350 ° C. (350 ° C. in the present embodiment) in order to suppress the occurrence of defects and the like while maintaining the oxidizing gas atmosphere. To lower.

次に、予備バッファ層を成長するために、反応容器内には酸素成分源ガス(VI族元素源)としてのOガスを第一の流量にて流通し、その状態でランプ加熱により、サファイア基板10の温度を200℃以上600℃以下、望ましくは250℃以上400℃以下に設定された第一成長温度に昇温する。 Next, in order to grow the preliminary buffer layer, O 2 gas as an oxygen component source gas (Group VI element source) is circulated at a first flow rate in the reaction vessel, and in this state, by lamp heating, sapphire The temperature of the substrate 10 is raised to a first growth temperature set to 200 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, desirably 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.

そして、第一成長温度に到達・安定したら、有機金属ガス(II族元素源)であるDEZnを反応容器内に供給し、図5の工程1に示すように、ZnO微結晶からなる予備バッファ層11Sを成長する。ZnO微結晶によるサファイア基板10の主表面の面積被覆率は1%以上50%以下、望ましくは1%以上10%以下である(例えば5%)である。また、反応容器内に供給する有機金属ガスと酸素成分源ガス(ここではOガス)との供給比1は、VI族原子/II族原子比にて表した値にて500以上10,000以下、望ましくは2,000以上5,000以下の値に設定する。 When the first growth temperature is reached and stabilized, DEZn, which is an organometallic gas (Group II element source), is supplied into the reaction vessel, and as shown in Step 1 of FIG. 5, a preliminary buffer layer made of ZnO microcrystals Grows 11S. The area coverage of the main surface of the sapphire substrate 10 with ZnO microcrystals is 1% to 50%, preferably 1% to 10% (for example, 5%). Further, the supply ratio 1 of the organometallic gas supplied into the reaction vessel and the oxygen component source gas (here O 2 gas) is 500 or more and 10,000 in terms of the group VI atom / group II atom ratio. Hereinafter, it is desirably set to a value of 2,000 or more and 5,000 or less.

次に、第一の単位層11Aが規定の厚さに到達したら有機金属ガスはDEZnのままとし、O源ガスをNOガスに切り替えてバッファ層本体11Mを成長する。予備バッファ層11Sを成長する際に、O源としてOガスを用いると、II族金属のMOガス(例えばジエチルZn)とOガスとの気相反応によって反応前駆物が気相中で形成されやすくなり、それが基板表面に堆積するため、図7の工程Aに示すように、成長する層の連続性は損なわれやすくなるが、基板結晶との整合性が良好で結晶欠陥の少ない高品位の微結晶は逆に得られやすくなる。また、図8に示すように、成長用基板10の主表面上に成長した微結晶群(11S)のc面内での回転が生じにくくなり、c面内での回転方向の格子不整合が抑制されるとともに、c軸方向の結晶配向も強く維持できる。他方、バッファ層本体11Mの成長に使用するNOガスをO源ガスとして用いると、図9に示すように、微結晶群(11S)のc面内での回転が生じやすくなり、バッファ層本体11Mを単結晶として得るための種結晶としては不向きなものとなる。 Next, when the first unit layer 11A reaches a specified thickness, the organometallic gas remains DEZn, and the O source gas is switched to N 2 O gas to grow the buffer layer body 11M. When O 2 gas is used as the O source when the preliminary buffer layer 11S is grown, a reaction precursor is formed in the gas phase by a gas phase reaction between the MO gas of group II metal (eg, diethyl Zn) and O 2 gas. 7 and is deposited on the surface of the substrate, the continuity of the growing layer is likely to be impaired as shown in Step A of FIG. 7, but the alignment with the substrate crystal is good and the number of crystal defects is small. Conversely, high-quality microcrystals are easily obtained. Further, as shown in FIG. 8, the crystallite group (11S) grown on the main surface of the growth substrate 10 is less likely to rotate in the c-plane, and there is a lattice mismatch in the rotation direction within the c-plane. In addition to being suppressed, the crystal orientation in the c-axis direction can be strongly maintained. On the other hand, when N 2 O gas used for the growth of the buffer layer body 11M is used as the O source gas, as shown in FIG. 9, the microcrystal group (11S) is likely to rotate in the c plane, and the buffer layer This is not suitable as a seed crystal for obtaining the main body 11M as a single crystal.

このように、予備バッファ層11Sに含まれる微結晶を種結晶として用い、バッファ層本体11MをNOガスに切り替えて成長する。以下、図4及び図5に示すシーケンスと工程に従い、該バッファ層本体11Mを、低温層である第一の単位層11Aと、高温層である第二の単位層11Bとを交互に成長する。まず、反応容器内には酸素成分源ガス(VI族元素源)としてのNOガスを第一の流量にて流通し、その状態でランプ加熱により、サファイア基板10の温度を200℃以上600℃以下、望ましくは250℃以上400℃以下に設定された第一成長温度T1に昇温する。 As described above, the microcrystal contained in the spare buffer layer 11S is used as a seed crystal, and the buffer layer main body 11M is switched to N 2 O gas and grown. Thereafter, according to the sequence and process shown in FIGS. 4 and 5, the buffer layer body 11M is alternately grown with the first unit layer 11A as the low temperature layer and the second unit layer 11B as the high temperature layer. First, N 2 O gas as an oxygen component source gas (Group VI element source) is circulated in the reaction vessel at a first flow rate, and in this state, the temperature of the sapphire substrate 10 is set to 200 ° C. or higher and 600 ° C. by lamp heating. The temperature is raised to a first growth temperature T1 set to not higher than ° C., desirably not lower than 250 ° C. and not higher than 400 ° C.

そして、第一成長温度T1に到達・安定したら、有機金属ガス(II族元素源)を反応容器内に供給し、図5の工程1に示すように、バッファ層11の一部をなす最初の第一の単位層11A’を、例えば非晶質層として成長する(結晶化前の層であることを表すために、符号には「’」を付与している)。該第一の単位層11A’の層厚は1nm以上10nm以下、望ましくは1nm以上5nm以下である。また、図4において、反応容器内に供給する有機金属ガスと酸素成分源ガス(ここではNOガス)との供給比1は、VI族原子/II族原子比にて表した値にて200以上3,000以下、望ましくは1,000以上2,000以下の、比較的小さな値R1に設定する。VI族原子の割合を比較的小さく設定するのは、成長温度が低いため、堆積した第一の単位層11AからのO原子の離脱が比較的生じ難いためである。 When the first growth temperature T1 is reached and stabilized, an organometallic gas (group II element source) is supplied into the reaction vessel, and the first part of the buffer layer 11 is formed as shown in step 1 of FIG. The first unit layer 11A ′ is grown as, for example, an amorphous layer (“′” is given to the reference sign to indicate that it is a layer before crystallization). The layer thickness of the first unit layer 11A ′ is 1 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 5 nm or less. Moreover, in FIG. 4, the supply ratio 1 of the organometallic gas supplied into the reaction vessel and the oxygen component source gas (N 2 O gas in this case) is a value represented by a group VI atom / group II atomic ratio. A relatively small value R1 of 200 to 3,000, preferably 1,000 to 2,000 is set. The reason why the group VI atom ratio is set to be relatively small is that, since the growth temperature is low, the separation of O atoms from the deposited first unit layer 11A is relatively difficult to occur.

図4に戻り、第一の単位層11Aが規定の厚さに到達したら有機金属ガスの供給を停止し、続いてサファイア基板10の温度を、600℃以上1,100℃以下、望ましくは650℃以上900℃以下に設定された熱処理温度T2に昇温して一定時間保持し、図5の工程Bに示すように非晶質の第一の単位層11A’を結晶化させる(結晶化後の第一の単位層は「’」なしの符号11Aにて表す)。図7上図のように非晶質層として形成された第一の単位層11Aは、層成長中に動的に結晶化が進むのではなく、層成長自体は完了した状態での一様な非晶質状態からの原子再配列により結晶化するので、結晶化後の面内の不整合応力の分布も均一であり、また、層厚が小さいので不整合応力のレベル自体も小さい。その結果、図7下図に示すように、該第一の単位層11Aは、基板10との格子定数差が大きいにも拘わらず原子配列との整合を良好に保持し、結晶品質及び平坦度の高い層として形成される。なお、熱処理前の第一の単位層11A’は完全な非晶質ではなく、一部(例えば結晶化率50%以下の範囲内)結晶化した層として形成してもよい。   Returning to FIG. 4, when the first unit layer 11A reaches a specified thickness, the supply of the organometallic gas is stopped, and then the temperature of the sapphire substrate 10 is set to 600 ° C. or higher and 1,100 ° C. or lower, preferably 650 ° C. The temperature is raised to a heat treatment temperature T2 set at 900 ° C. or lower and held for a certain period of time to crystallize the amorphous first unit layer 11A ′ as shown in Step B of FIG. The first unit layer is represented by reference numeral 11A without “′”). As shown in the upper diagram of FIG. 7, the first unit layer 11A formed as an amorphous layer does not dynamically crystallize during the layer growth, but is uniform in a state where the layer growth itself is completed. Since crystallization is performed by atomic rearrangement from an amorphous state, the in-plane mismatch stress distribution after crystallization is uniform, and the layer thickness is small, so the mismatch stress level itself is also small. As a result, as shown in the lower diagram of FIG. 7, the first unit layer 11A maintains good alignment with the atomic arrangement in spite of a large lattice constant difference from the substrate 10, and the crystal quality and flatness are improved. Formed as a high layer. Note that the first unit layer 11A ′ before the heat treatment is not completely amorphous, and may be formed as a partially crystallized layer (for example, within a crystallization rate of 50% or less).

上記の熱処理が完了したら、サファイア基板10の温度を、600℃以上1,100℃以下、望ましくは650℃以上900℃以下に設定された第二成長温度T2とし、該温度を保ちつつ、有機金属ガス(II族元素源)を反応容器内に供給し、図5の工程Cに示すように、バッファ層11の一部をなす最初の第二の単位層11B’を成長する。この層は、成長温度が高いため始めから結晶化した層として形成され、また成長速度も大きいので、バッファ層11の主要部を担う形となる。このとき、下地をなす第一の単位層11Aの結晶品位が高く平坦性も良好なことから、該第二の単位層11Bは、成長速度が増加しても均質でミスフィット転位等の少ない良好な品質の層として形成できる。   When the above heat treatment is completed, the temperature of the sapphire substrate 10 is set to a second growth temperature T2 set to 600 ° C. or more and 1,100 ° C. or less, desirably 650 ° C. or more and 900 ° C. or less. Gas (Group II element source) is supplied into the reaction vessel, and the first second unit layer 11B ′ forming a part of the buffer layer 11 is grown as shown in Step C of FIG. This layer is formed as a crystallized layer from the beginning because of the high growth temperature, and has a high growth rate, and thus takes the form of the main part of the buffer layer 11. At this time, since the crystal quality of the first unit layer 11A forming the base is high and the flatness is also good, the second unit layer 11B is homogeneous and has few misfit dislocations and the like even when the growth rate is increased. Can be formed as a high quality layer.

第二の単位層11Bは第一の単位層11A’よりも高温で成長されるので、成長した層からのOの脱離確率が大きくなり、O比率(つまり、VI族元素の比率)が欠乏した層組成に傾きやすいので、図4において、反応容器内に供給する有機金属ガスと酸素成分源ガス(ここではNOガス)との供給比は、前述の第一の単位層11A’を成長するときの値R1よりも大きな値R2に設定される。具体的には、VI族原子/II族原子比にて表した値にて10,000以上100,000以下、望ましくは20,000以上50,000以下に設定する。VI族原子の割合を大きく設定することで、堆積した第二の単位層11BからのO原子の離脱を効果的に抑制できる。 Since the second unit layer 11B is grown at a higher temperature than the first unit layer 11A ′, the probability of O desorption from the grown layer is increased, and the O ratio (that is, the VI group element ratio) is deficient. In FIG. 4, the supply ratio of the organometallic gas supplied into the reaction vessel and the oxygen component source gas (N 2 O gas in this case) is the same as that of the first unit layer 11A ′ described above. The value R2 is set larger than the value R1 when growing. Specifically, it is set to 10,000 or more and 100,000 or less, preferably 20,000 or more and 50,000 or less in terms of the group VI atom / group II atom ratio. By setting the ratio of the group VI atoms large, the separation of O atoms from the deposited second unit layer 11B can be effectively suppressed.

図4において、第一の単位層11A’を結晶化させるための熱処理温度T2と、第二の単位層11Bを成長する第二成長温度T2とは、上記の実施形態では同じ温度に設定されていたが、1,000℃以下、望ましくは950℃以下の温度範囲にて、図中に一点鎖線で示すように、第二成長温度T2よりも高温の熱処理温度T2’を設定することも可能である。   In FIG. 4, the heat treatment temperature T2 for crystallizing the first unit layer 11A ′ and the second growth temperature T2 for growing the second unit layer 11B are set to the same temperature in the above embodiment. However, it is also possible to set a heat treatment temperature T2 ′ higher than the second growth temperature T2 in the temperature range of 1,000 ° C. or lower, preferably 950 ° C. or lower, as indicated by a one-dot chain line in the figure. is there.

第二の単位層11Bは高温成長である分、結晶性は良好であるが、結晶の面内の連続性は第一の単位層11Aよりも低くなる傾向にある。従って、図8に示すように、第二の単位層11Bの厚さを過度に(例えば500nm超)増大させると、層表面の凹凸が増大し、最終的に得られるバッファ層11の平坦性が損なわれる。この観点から、第二の単位層11Bの層厚は10nm以上500nm以下、望ましくは10nm以上100nm以下に設定される。また、第二の単位層11Bが第一の単位層11Aより層表面に凹凸を生じ易いために、両層の組を1周期形成するだけでは、最終的に得られるバッファ層11の平坦性を十分に確保できない場合がある。そこで、図9に示すように、該組を複数周期繰り返して形成することにより、第一の単位層11Aの形成過程で、これに先行する第二の単位層11Bの凹部が埋まってゆき、得られるバッファ層11の平坦度をより向上させることができる。   The second unit layer 11B has good crystallinity because of the high temperature growth, but the in-plane continuity of the crystal tends to be lower than that of the first unit layer 11A. Therefore, as shown in FIG. 8, when the thickness of the second unit layer 11B is excessively increased (for example, more than 500 nm), the unevenness of the layer surface increases, and the flatness of the buffer layer 11 finally obtained is increased. Damaged. From this viewpoint, the layer thickness of the second unit layer 11B is set to 10 nm to 500 nm, preferably 10 nm to 100 nm. In addition, since the second unit layer 11B is more likely to be uneven on the surface of the layer than the first unit layer 11A, the flatness of the finally obtained buffer layer 11 can be improved only by forming one set of both layers. In some cases, it cannot be secured sufficiently. Therefore, as shown in FIG. 9, by forming the set by repeating a plurality of periods, the concave portion of the second unit layer 11B preceding the first unit layer 11A is filled in the formation process of the first unit layer 11A, and thus, The flatness of the buffer layer 11 can be further improved.

具体的には、図4に示すように、第二の単位層11Bが目標の成長厚さに到達したら、酸素成分源ガスの供給は継続しつつ有機金属ガスの供給を停止し、その状態で再び第一成長温度T1まで降温し、図5の工程4〜工程6のように、既に説明した工程1〜工程3をを繰り返して、第一の単位層11Aと第二の単位層11Bとの組を形成する。十分な平坦度を得るためには該組の形成周期数を2周期以上10周期以下、より望ましくは2周期以上5周期以下に選定するのがよい。   Specifically, as shown in FIG. 4, when the second unit layer 11B reaches the target growth thickness, the supply of the oxygen component source gas is continued and the supply of the organometallic gas is stopped. The temperature is lowered again to the first growth temperature T1, and Steps 1 to 3 described above are repeated as in Steps 4 to 6 in FIG. 5 to obtain the first unit layer 11A and the second unit layer 11B. Form a pair. In order to obtain a sufficient flatness, the number of formation periods of the set is selected from 2 to 10 cycles, more preferably from 2 to 5 cycles.

以上のようにしてバッファ層11の形成が終了すれば、図3の工程3のごとく、発光層部24をなす各層34、33、32を、該バッファ層11上にMOVPE法により成長する。上記の工程の採用により、バッファ層11は最表面の平坦度が高く結晶品質も良好であるから、得られる発光層部24の平坦度や結晶品質も向上し、優れた発光特性を示すようになる。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及びp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て、主電極122及び対向電極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。光取出は、主として透明なサファイア基板10側から行なうことになる。   When the formation of the buffer layer 11 is completed as described above, the layers 34, 33, and 32 forming the light emitting layer portion 24 are grown on the buffer layer 11 by the MOVPE method as in Step 3 of FIG. By adopting the above steps, the buffer layer 11 has a flatness on the outermost surface and a good crystal quality, so that the flatness and crystal quality of the resulting light emitting layer portion 24 are also improved, and excellent light emission characteristics are exhibited. Become. When the growth of the light emitting layer portion 24 is completed, as shown in FIG. 1, a part of the active layer 33 and the p-type MgZnO layer 32 is partially removed by photolithography or the like to form the main electrode 122 and the counter electrode 122. Thereafter, if the substrate 10 is diced, the light emitting device 1 is obtained. The light extraction is performed mainly from the transparent sapphire substrate 10 side.

なお、以上の実施形態ではバッファ層11をZnO層として形成したが、MgOとの混晶層として形成してもよい。また、本発明に適用対象として発光素子を例示したが、本発明が適用可能な化合物半導体素子は発光素子に限られるものではなく、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの受光素子、圧電素子、シンチレーターなどのX線蛍光素子などへも適用可能である。   In the above embodiment, the buffer layer 11 is formed as a ZnO layer, but may be formed as a mixed crystal layer with MgO. Further, although the light emitting element is illustrated as an object to be applied to the present invention, the compound semiconductor element to which the present invention can be applied is not limited to the light emitting element, and a light receiving element such as a photodiode or a phototransistor, a piezoelectric element, a scintillator, or the like. It can also be applied to X-ray fluorescent elements.

図10は、従来法にて成長したZnO層の表面の走査型電子顕微鏡観察画像である(倍率7,500倍)。具体的には、有機金属ガスとしてDEZnを用い、O源ガスとしてNOを用いたMOVPE法により、VI族原子/II族原子比を2,000に設定して350℃の低温により、厚さ10nmのZnOバッファ層をサファイア基板上に直接形成した。その後、成長温度を800℃に昇温して該バッファ層上に、ドーパントガスを流さずにZnO層を厚さ0.5μmにて成長したものである。画像からも明らかなように、凹凸が非常に大きく、また、一部基板方面が露出するなど被覆率も非常に悪くなる。また、該層をフォトルミネッセンス(PL)特性にて評価したところ、ZnOのバンド端起因の380nmからの蛍光以外に、欠陥起因と思われる波長500nm付近にブロードなピークを持つ白色蛍光が強く生じていた。さらに、ホール測定法による正孔の移動度は10〜20V/cm・s程度であり、アモルファスZnO層と同程度の特性しか得られなかった。 FIG. 10 is a scanning electron microscope observation image of the surface of the ZnO layer grown by the conventional method (magnification: 7,500 times). Specifically, by using the MOVPE method using DEZn as the organometallic gas and N 2 O as the O source gas, the group VI atom / group II atomic ratio is set to 2,000, and the thickness is reduced at a low temperature of 350 ° C. A ZnO buffer layer having a thickness of 10 nm was directly formed on the sapphire substrate. Thereafter, the growth temperature was raised to 800 ° C., and a ZnO layer was grown on the buffer layer with a thickness of 0.5 μm without flowing a dopant gas. As is apparent from the image, the unevenness is very large, and the coverage is also extremely deteriorated such that a part of the substrate surface is exposed. In addition, when the layer was evaluated by photoluminescence (PL) characteristics, white fluorescence having a broad peak near a wavelength of 500 nm, which seems to be caused by defects, was strongly generated in addition to fluorescence from 380 nm caused by the band edge of ZnO. It was. Furthermore, the hole mobility measured by the hole measurement method was about 10 to 20 V / cm · s, and only the same characteristics as the amorphous ZnO layer were obtained.

図11は、本発明の方法にて成長したZnO層の表面の原子間力顕微鏡によるトポグラフィ画像である。具体的には、有機金属ガスとしてDEZnを用い、O源ガスとしてOガスを用いたMOVPE法により、VI族原子/II族原子比を2,000に設定して350℃の低温により、ZnOからなる被覆率10%予備バッファ層をサファイア基板上に形成した。続いてO源ガスをNOガスに切り替え、VI族原子/II族原子比を3,000に設定して300℃の低温により第一の単位層を10nmの厚さに成長し、次いでDEZnの供給を止めて温度を800℃に引き上げて30分間熱処理し、同じ温度でVI族原子/II族原子比を10,000に設定してDEZnを再び供給することにより、第二の単位層を100nmの厚さに成長する工程を2周期繰り返してバッファ層本体を形成した(全厚さ220nm)。その後、成長温度を800℃に昇温して該バッファ層上に、ノンドープでZnO層を厚さ0.5μmにて成長した。画像からも明らかなように、ZnOが層状に一様に成長し、平坦性も非常に優れていることがわかる。また、該層をフォトルミネッセンス(PL)特性にて評価したところ、ZnOのバンド端起因の380nmからの蛍光のみが見られ、青色蛍光はほとんど生じていなかった。さらに、ホール測定法による電子の移動度は移動度80V/cm・s程度を示し、単結晶レベルの薄膜がMOVPE成長法により問題なく得られることが確認できた。 FIG. 11 is an atomic force microscope topography image of the surface of the ZnO layer grown by the method of the present invention. Specifically, by using a MOVPE method using DEZn as an organometallic gas and O 2 gas as an O source gas, the group VI atom / group II atomic ratio is set to 2,000 and ZnO is cooled at a low temperature of 350 ° C. A preliminary buffer layer consisting of 10% was formed on the sapphire substrate. Subsequently, the O source gas is switched to N 2 O gas, the group VI atom / group II atomic ratio is set to 3,000, the first unit layer is grown to a thickness of 10 nm at a low temperature of 300 ° C., and then DEZn The second unit layer is formed by supplying DEZn again by raising the temperature to 800 ° C., heat-treating for 30 minutes, setting the group VI atom / group II atomic ratio to 10,000 at the same temperature, The process of growing to a thickness of 100 nm was repeated two cycles to form a buffer layer body (total thickness 220 nm). Thereafter, the growth temperature was raised to 800 ° C., and a non-doped ZnO layer was grown to a thickness of 0.5 μm on the buffer layer. As is apparent from the image, ZnO grows uniformly in a layered manner, and the flatness is very excellent. Further, when the layer was evaluated by photoluminescence (PL) characteristics, only fluorescence from 380 nm due to the band edge of ZnO was seen, and almost no blue fluorescence was generated. Furthermore, the mobility of electrons by the hole measurement method showed a mobility of about 80 V / cm · s, and it was confirmed that a single crystal level thin film could be obtained without any problem by the MOVPE growth method.

本発明の適用対象となる化合物半導体素子の一例である発光素子を、積層状態にて示す模式図。The schematic diagram which shows the light emitting element which is an example of the compound semiconductor element used as the application object of this invention in a lamination | stacking state. ZnOの結晶構造を模式的に示す図。The figure which shows the crystal structure of ZnO typically. 図1の発光素子の各層の成長をMOVPEにより行なう工程説明図。FIG. 2 is a process explanatory diagram for growing each layer of the light emitting element of FIG. 1 by MOVPE. バッファ層の成長シーケンスを例示して示す図。The figure which illustrates and illustrates the growth sequence of a buffer layer. バッファ層の成長工程の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the growth process of a buffer layer. MgZnO系酸化物とサファイア基板との結晶的な不整合を模式的に示す図。The figure which shows typically the crystal mismatch of a MgZnO type | system | group oxide and a sapphire substrate. 予備バッファ層の機能を、バッファ層本体との結晶整合状態とともに模式的に示す図。The figure which shows typically the function of a reserve buffer layer with a crystal | crystallization matching state with a buffer layer main body. 予備バッファ層を成長する際にO源ガスとしてOガスを用いることの効果説明図。Effect illustration of the use of O 2 gas as O source gas in growing a preliminary buffer layer. 予備バッファ層を成長する際にO源ガスとしてNOガスを用いることの問題点を説明する図。Figure problems explained of using the N 2 O gas as O source gas in growing a preliminary buffer layer. 比較例の工程により成長したZnO層の走査型電子顕微鏡による観察画像。The observation image by the scanning electron microscope of the ZnO layer grown by the process of the comparative example. 実施例の工程により成長したZnO層の原子間力顕微鏡による表面トポグラフィ画像。The surface topography image by the atomic force microscope of the ZnO layer grown by the process of the Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 発光素子(化合物半導体素子)
10 サファイア基板(素子基板)
11 バッファ層
11S 予備バッファ層
11M バッファ層本体
11A 第一の単位層
11B 第二の単位層
24 発光層部(素子層)
1 Light emitting device (compound semiconductor device)
10 Sapphire substrate (element substrate)
11 buffer layer 11S spare buffer layer 11M buffer layer body 11A first unit layer 11B second unit layer 24 light emitting layer part (element layer)

Claims (13)

結晶a軸を主表面法線としたサファイア単結晶基板又は結晶c軸を主表面法線としたSiC単結晶基板からなる成長用基板の主表面上に、MgZn1−xO(ただし、0≦x≦1)からなるバッファ層をMOVPE法により成長するバッファ層成長工程と、
前記バッファ層上にMgZn1−xO(ただし、0≦x≦1)からなる素子層をMOVPE法によりエピタキシャル成長する素子層成長工程とを有し、
前記バッファ層成長工程は、前記成長用基板上に分散するMgZn1−xO微結晶からなる予備バッファ層を、OガスをO源ガスとして用いて成長する予備バッファ層成長工程と、前記MgZn1−xO微結晶を種結晶として、前記成長用基板の全面を覆うMgZn1−xO単結晶からなるバッファ層本体を、酸化窒素をO源ガスとして用いて成長するバッファ層本体成長工程とを含み、さらに、前記バッファ層本体は、成長温度の互いに異なる第一の単位層と第二の単位層とを、第一の単位層が前記予備バッファ層と接するように交互に積層して形成したものであり、かつ、前記第一の単位層を前記第二の単位層よりも結晶成長時において結晶化度が低くなるように、前記第二の単位層よりも低温で成長することを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。
Mg x Zn 1-x O (provided that, on the main surface of a growth substrate composed of a sapphire single crystal substrate with the crystal a axis as the main surface normal or an SiC single crystal substrate with the crystal c axis as the main surface normal) A buffer layer growth step of growing a buffer layer consisting of 0 ≦ x ≦ 1) by the MOVPE method;
An element layer growth step of epitaxially growing an element layer made of Mg x Zn 1-x O (where 0 ≦ x ≦ 1) on the buffer layer by a MOVPE method;
The buffer layer growth step includes a preliminary buffer layer growth step of growing a preliminary buffer layer made of Mg x Zn 1-x O microcrystals dispersed on the growth substrate using O 2 gas as an O source gas; Using the Mg x Zn 1-x O microcrystal as a seed crystal, a buffer layer body made of Mg x Zn 1-x O single crystal covering the entire surface of the growth substrate is grown using nitrogen oxide as an O source gas. A buffer layer body growth step, wherein the buffer layer body has a first unit layer and a second unit layer having different growth temperatures such that the first unit layer is in contact with the preliminary buffer layer. The first unit layer is formed by alternately laminating, and the first unit layer has a lower temperature than the second unit layer so that the degree of crystallinity during the crystal growth is lower than that of the second unit layer. Characterized by growing in A method of manufacturing a compound semiconductor device.
前記バッファ層は化学量論組成のMgZn1−xO層として成長されることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体素子の製造方法。 The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 1, wherein the buffer layer is grown as a stoichiometric Mg x Zn 1-x O layer. 前記バッファ層本体を成長するためのO源ガスとしてNOガスを使用することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の化合物半導体素子の製造方法。 3. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 1, wherein N 2 O gas is used as an O source gas for growing the buffer layer body. 4. 前記予備バッファ層は前記成長用基板の前記主表面の面積被覆率が1%以上50%以下となるように形成することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の化合物半導体素子の製造方法。 The said preliminary buffer layer is formed so that the area coverage of the said main surface of the said board | substrate for a growth may be 1% or more and 50% or less, The Claim 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned. A method for manufacturing a compound semiconductor device. 前記予備バッファ層の成長温度を200℃以上600℃未満に設定することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の化合物半導体素子の製造方法。 5. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 1, wherein a growth temperature of the preliminary buffer layer is set to 200 ° C. or higher and lower than 600 ° C. 6. 前記予備バッファ層を成長する際の、反応容器内に供給するII族元素の原料ガスとVI族元素の原料ガスとの供給比を、前記VI族原子/II族原子比にて500以上10000以下に設定する請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の化合物半導体素子の製造方法。 When the preliminary buffer layer is grown, the supply ratio of the group II element source gas and the group VI element source gas supplied into the reaction vessel is 500 to 10,000 in terms of the group VI atom / group II atom ratio. The manufacturing method of the compound semiconductor element of any one of Claim 1 thru | or 5 set to these. 前記第一の単位層を非晶質層として成長することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の化合物半導体素子の製造方法。 The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 1, wherein the first unit layer is grown as an amorphous layer. 前記第一の単位層と前記第二の単位層とを有機金属気相成長法にて成長するとともに、前記第一の単位層の成長温度を200℃以上600℃未満に設定し、前記第二の単位層の成長温度を600℃以上1,100℃以下に設定することを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の化合物半導体素子の製造方法。 The first unit layer and the second unit layer are grown by metal organic vapor phase epitaxy, and the growth temperature of the first unit layer is set to 200 ° C. or higher and lower than 600 ° C. 8. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 1, wherein a growth temperature of the unit layer is set to 600 ° C. or more and 1,100 ° C. or less. 前記第一の単位層とその上に成長される前記第二の単位層の組を複数周期繰り返すことを特徴とする請求項8記載の化合物半導体素子の製造方法。 9. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 8, wherein a set of the first unit layer and the second unit layer grown thereon is repeated a plurality of periods. 前記第一の単位層を成長後、該第一の単位層の結晶化度を高めるための熱処理を行った後、該第一の単位層上に前記第二の単位層を成長することを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の化合物半導体素子の製造方法。 After the first unit layer is grown, the second unit layer is grown on the first unit layer after performing a heat treatment for increasing the crystallinity of the first unit layer. The method for producing a compound semiconductor device according to claim 1, wherein: 前記熱処理を前記第二の単位層の成長温度と同等又はそれよりも高温にて行なうことを特徴とする請求項10記載の化合物半導体素子の製造方法。 11. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 10, wherein the heat treatment is performed at a temperature equal to or higher than a growth temperature of the second unit layer. 前記熱処理の温度を600℃以上1,100℃以下に設定する事を特徴とする請求項11記載の化合物半導体素子の製造方法。 The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 11, wherein the temperature of the heat treatment is set to 600 ° C. or more and 1,100 ° C. or less. 前記第一の単位層と前記第二の単位層とをMOVPE法にて成長する際に、反応容器内に供給するII族元素の原料ガスとVI族元素の原料ガスとの供給比をVI族原子/II族原子比にて表したとき、前記第二の単位層を成長する際の前記供給比が前記第一の単位層を成長する際の前記供給比よりも高く設定されることを特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれか1項に記載の化合物半導体素子の製造方法。

When the first unit layer and the second unit layer are grown by the MOVPE method, the supply ratio of the group II element source gas and the group VI element source gas supplied into the reaction vessel is set to group VI. When represented by an atomic / group II atomic ratio, the supply ratio when growing the second unit layer is set higher than the supply ratio when growing the first unit layer. The method for producing a compound semiconductor device according to claim 1, wherein:

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