JP2006253415A - METHOD FOR GROWING ZnO-BASED COMPOUND CRYSTAL - Google Patents

METHOD FOR GROWING ZnO-BASED COMPOUND CRYSTAL Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a growing method of ZnO-based compound crystal for restraining an increase in costs, and decreasing the concentration of residual electrons by reducing the oxygen defect of the ZnO-based compound crystal. <P>SOLUTION: The method has a growth process for supplying first raw material gas containing a raw material containing a zinc atom and a transportation gas, and a second raw material gas containing an oxygen atom into a reactor 2 in which a substrate 3 is stored; and for performing epitaxial growth to the ZnO-based compound crystal on the substrate 3 by allowing the zinc atom to react with the oxygen one. In this case, the oxygen atom is supplied much more than the zinc atom, and the growth speed of the ZnO-based compound crystal is set to 3 [nm/hour] or higher and 300 [nm/hour] or lower. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ZnO系化合物結晶の成長方法に関するものである。   The present invention relates to a method for growing a ZnO-based compound crystal.

例えば、特許文献1には、結晶性に優れたZnO系化合物半導体層を形成するために、サファイア基板のC面と直交する面(例えばA面)上にZnO系化合物をエピタキシャル成長させる方法が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a method of epitaxially growing a ZnO-based compound on a surface (for example, A surface) orthogonal to the C-plane of a sapphire substrate in order to form a ZnO-based compound semiconductor layer having excellent crystallinity. ing.

また、特許文献2に開示された方法では、平坦性を得るために、まずZnO系酸化物半導体からなるバッファ層を低温で基板上に形成している。そして、結晶性を高めるために、基板温度を上昇させてZnO系酸化物半導体層を順次成長させている。また、非特許文献1に開示された方法では、亜鉛原料としてDEZn、酸素原料としてNOをそれぞれ用い、まずバッファ層を500℃で成長させた後、その上に単結晶層を700℃〜800℃で成長させて、単結晶層の結晶性が良好になることを確認している。 In the method disclosed in Patent Document 2, in order to obtain flatness, a buffer layer made of a ZnO-based oxide semiconductor is first formed on a substrate at a low temperature. And in order to raise crystallinity, the substrate temperature is raised and the ZnO type oxide semiconductor layer is grown sequentially. In the method disclosed in Non-Patent Document 1, DEZn is used as a zinc raw material and N 2 O is used as an oxygen raw material. First, a buffer layer is grown at 500 ° C., and then a single crystal layer is formed thereon at 700 ° C. to It has been confirmed that the crystallinity of the single crystal layer is improved by growing at 800 ° C.

特開2001−44500号公報JP 2001-44500 A 特開2002−76025号公報JP 2002-76025 A K.OGATA etal., ”ZnO Growth Toward Optical Devices by MOVPE Using N2O”, Journalof ELECTRONIC MATERIALS, Vol.30, No.6, pp.659-661 (2001)K.OGATA etal., “ZnO Growth Toward Optical Devices by MOVPE Using N2O”, Journalof ELECTRONIC MATERIALS, Vol.30, No.6, pp.659-661 (2001)

ZnO系化合物結晶を成長させる際、酸素欠陥などの結晶欠陥があると、残留電子濃度が増大し、所望の電気的特性を得ることが難しい。上記各文献に開示された方法では、酸素欠陥による残留電子濃度については何ら考慮されていないため、残留電子濃度の抑制が不充分となってしまうおそれがある。   When growing a ZnO-based compound crystal, if there are crystal defects such as oxygen defects, the residual electron concentration increases and it is difficult to obtain desired electrical characteristics. In the methods disclosed in the above-mentioned documents, the residual electron concentration due to oxygen defects is not taken into consideration at all, and there is a risk that the suppression of the residual electron concentration may be insufficient.

なお、この課題に関しては、現在、分子線エピタキシー法(MBE法)により残留電子濃度を低減する方法が試みられているが、この方法では、超高真空中で成膜を行う必要があるので、装置が大型化して高価になるとともに量産性に乏しく、製造コストを抑えることが難しい。   Regarding this problem, a method of reducing the residual electron concentration by molecular beam epitaxy (MBE method) has been attempted at present, but in this method, it is necessary to perform film formation in an ultrahigh vacuum. The apparatus becomes large and expensive, and the mass productivity is poor, and it is difficult to suppress the manufacturing cost.

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、コストの増加を抑えつつ、ZnO系化合物結晶の酸素欠陥を低減することにより残留電子濃度を低減できるZnO系化合物結晶の成長方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a method for growing a ZnO-based compound crystal that can reduce the residual electron concentration by reducing oxygen defects in the ZnO-based compound crystal while suppressing an increase in cost. The purpose is to provide.

上記した課題を解決するために、本発明によるZnO系化合物結晶の成長方法は、基板が収容された反応室内へ、亜鉛原子を含む原料と輸送ガスとを含む第1の原料ガス、及び酸素原子を含む第2の原料ガスを供給し、基板上にZnO系化合物結晶を成長させる成長工程を備え、成長工程の際に、酸素原子を亜鉛原子よりも多く供給するとともに、ZnO系化合物結晶の成長速度を3[nm/時]以上300[nm/時]以下とすることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a method for growing a ZnO-based compound crystal according to the present invention includes a first source gas including a zinc atom-containing source and a transport gas, and oxygen atoms in a reaction chamber in which a substrate is accommodated. A growth step of growing a ZnO-based compound crystal on a substrate by supplying a second source gas containing oxygen, supplying more oxygen atoms than zinc atoms during the growth step, and growing a ZnO-based compound crystal The speed is 3 [nm / hour] or more and 300 [nm / hour] or less.

上記したZnO系化合物結晶の成長方法によれば、酸素原子を亜鉛原子よりも多く供給することによって結晶成長過程において酸素原子が過剰となり、ZnO系化合物結晶中における酸素欠陥を低減できるので、ZnO系化合物結晶の残留電子濃度を低減できる。また、この方法によれば、MBE法のように大型の装置を必要としないので、酸素欠陥の低減を低コストで実現できる。そして、本発明者らの研究によって、ZnO系化合物結晶の成長速度を3[nm/時]以上300[nm/時]以下とすることにより、酸素原子が過剰な状態においてZnO系化合物結晶を結晶性良く成長させ、残留電子濃度を実際に低減し得ることが見出された。   According to the above-described method for growing a ZnO-based compound crystal, by supplying more oxygen atoms than zinc atoms, oxygen atoms become excessive in the crystal growth process, and oxygen defects in the ZnO-based compound crystal can be reduced. The residual electron concentration of the compound crystal can be reduced. Also, according to this method, unlike the MBE method, a large apparatus is not required, so that oxygen defects can be reduced at a low cost. According to the study by the present inventors, the growth rate of the ZnO-based compound crystal is set to 3 [nm / hour] or more and 300 [nm / hour] or less, so that the ZnO-based compound crystal is crystallized in an excessive oxygen atom state. It has been found that the residual electron concentration can actually be reduced with good growth.

また、本発明によるZnO系化合物結晶の成長方法は、基板が収容された反応室内へ、亜鉛原子を含む原料と輸送ガスとを含む第1の原料ガス、及び酸素原子を含む第2の原料ガスを供給し、基板上にZnO系化合物結晶を成長させる成長工程を備え、成長工程の際に、ZnO系化合物結晶を基板の{1−102}面上に成長させるとともに、第2の原料ガスの供給速度を、第1の原料ガスの供給速度の4/n倍以上600/n倍以下(n:第2の原料ガス一分子中に含まれる酸素原子の数)とすることを特徴とする。   The ZnO-based compound crystal growth method according to the present invention includes a first source gas containing a zinc atom-containing source and a transport gas and a second source gas containing an oxygen atom in a reaction chamber containing a substrate. And a growth step of growing a ZnO-based compound crystal on the substrate. During the growth step, the ZnO-based compound crystal is grown on the {1-102} plane of the substrate, and the second source gas The supply rate is 4 / n to 600 / n times the supply rate of the first source gas (n: the number of oxygen atoms contained in one molecule of the second source gas).

上記したZnO系化合物結晶の成長方法によれば、酸素原子を含む第2の原料ガスを亜鉛原子を含む第1の原料ガスよりも多く供給することによって、結晶成長過程において酸素原子が過剰となり、ZnO系化合物結晶中における酸素欠陥を低減できるので、ZnO系化合物結晶の残留電子濃度を低減できる。また、この方法によれば、MBE法のように大型の装置を必要としないので、酸素欠陥の低減を低コストで実現できる。更に、ZnO系化合物結晶を基板の{1−102}面上に成長させることにより、基板の主面と垂直な柱状晶の形成を抑制して、平坦かつ稠密な結晶膜を形成できる。また、本発明者らの研究によって、第2の原料ガスの供給速度を第1の原料ガスの供給速度の4/n倍以上とすることにより、残留電子濃度を効果的に低減できることが見出された。また、第2の原料ガスの供給速度を第1の原料ガスの供給速度の600/n倍以下とすることによって、酸素原子が過剰に供給されることに起因する結晶性の悪化を防ぎ、残留電子濃度を低く抑え得ることが見出された。   According to the growth method of the above-described ZnO-based compound crystal, by supplying more second source gas containing oxygen atoms than first source gas containing zinc atoms, oxygen atoms become excessive in the crystal growth process, Since oxygen defects in the ZnO-based compound crystal can be reduced, the residual electron concentration of the ZnO-based compound crystal can be reduced. Also, according to this method, unlike the MBE method, a large apparatus is not required, so that oxygen defects can be reduced at a low cost. Further, by growing the ZnO-based compound crystal on the {1-102} plane of the substrate, it is possible to suppress the formation of columnar crystals perpendicular to the main surface of the substrate and to form a flat and dense crystal film. Further, the present inventors have found that the residual electron concentration can be effectively reduced by setting the supply rate of the second source gas to 4 / n times or more the supply rate of the first source gas. It was done. Further, by setting the supply rate of the second source gas to 600 / n times or less the supply rate of the first source gas, the deterioration of crystallinity caused by excessive supply of oxygen atoms is prevented, and the residual It has been found that the electron concentration can be kept low.

なお、ここでいう{1−102}面とは、(1−102)面及びその等価面を含む意味である。また、上記したZnO系化合物結晶の成長方法においては、基板がサファイアである(サファイアを主に含む)ことが好ましい。   The {1-102} plane here means that it includes the (1-102) plane and its equivalent plane. In the above-described method for growing a ZnO-based compound crystal, the substrate is preferably sapphire (including mainly sapphire).

また、ZnO系化合物結晶の成長方法は、輸送ガスが窒素ガス(N)であることが好ましい。また、ZnO系化合物結晶の成長方法は、第2の原料ガスが酸素ガス(O)であることが好ましい。 In the method for growing a ZnO-based compound crystal, the transport gas is preferably nitrogen gas (N 2 ). In the method for growing a ZnO-based compound crystal, the second source gas is preferably oxygen gas (O 2 ).

また、ZnO系化合物結晶の成長方法は、亜鉛原子を含む原料が、βジケトン化合物であることが好ましい。また、この場合、βジケトン化合物は、アセチルアセトン亜鉛またはその水和物であることが更に好ましい。また、亜鉛原子を含む原料としてアセチルアセトン亜鉛またはその水和物を用いる場合、アセチルアセトン亜鉛またはその水和物を、60℃以上120℃以下に加熱して昇華または気化させつつ反応室内へ供給することが好ましい。   In the method for growing a ZnO-based compound crystal, the raw material containing zinc atoms is preferably a β-diketone compound. In this case, the β-diketone compound is more preferably acetylacetone zinc or a hydrate thereof. In addition, when acetylacetone zinc or a hydrate thereof is used as a raw material containing zinc atoms, the acetylacetone zinc or the hydrate can be supplied to the reaction chamber while being sublimated or vaporized by heating to 60 ° C or higher and 120 ° C or lower. preferable.

本発明によるZnO系化合物結晶の成長方法によれば、コストの増加を抑えつつ、ZnO系化合物結晶の酸素欠陥を低減することにより残留電子濃度を低減できる。   According to the method for growing a ZnO-based compound crystal according to the present invention, it is possible to reduce the residual electron concentration by reducing oxygen defects in the ZnO-based compound crystal while suppressing an increase in cost.

以下、添付図面を参照しながら本発明によるZnO系化合物結晶の成長方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of a method for growing a ZnO-based compound crystal according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

(実施の形態)
まず、本発明によるZnO系化合物結晶の成長方法の実施形態及び実施例を説明する前に、本方法に好適に用いられる成膜装置の構成について説明する。図1は、本方法に用いられる成膜装置1の構成を示す概略図である。この成膜装置1は、有機金属気相成長法(MOCVD法)により結晶膜を成膜するための装置である。図1を参照すると、成膜装置1は、リアクタ2、基板ホルダ4、基板用ヒータ5、ガス供給管6〜9、バルブ11〜13、原料シリンダ14、原料ボート15、原料用ヒータ16、及び排気口17を備える。
(Embodiment)
First, before describing embodiments and examples of the ZnO-based compound crystal growth method according to the present invention, the configuration of a film forming apparatus suitably used in the present method will be described. FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a film forming apparatus 1 used in the present method. The film forming apparatus 1 is an apparatus for forming a crystal film by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Referring to FIG. 1, a film forming apparatus 1 includes a reactor 2, a substrate holder 4, a substrate heater 5, gas supply pipes 6 to 9, valves 11 to 13, a material cylinder 14, a material boat 15, a material heater 16, and An exhaust port 17 is provided.

リアクタ2は、成膜装置1における反応室である。リアクタ2は、基板ホルダ4及び基板用ヒータ5を有する。基板ホルダ4及び基板用ヒータ5は、回転可能な軸19の先端に取り付けられている。本実施形態においてZnO系化合物結晶膜が成膜される基板3は、基板ホルダ4に装着される。基板用ヒータ5は、基板ホルダ4に装着された基板3を加熱する。   The reactor 2 is a reaction chamber in the film forming apparatus 1. The reactor 2 includes a substrate holder 4 and a substrate heater 5. The substrate holder 4 and the substrate heater 5 are attached to the tip of a rotatable shaft 19. In this embodiment, the substrate 3 on which the ZnO-based compound crystal film is formed is mounted on the substrate holder 4. The substrate heater 5 heats the substrate 3 mounted on the substrate holder 4.

ガス供給管6〜9は、原料ガスをリアクタ2へ供給するための管である。このうち、ガス供給管6は、ガス導入口6aと、リアクタ2内部へ繋がるガス供給口6bとを有する。ガス導入口6aとガス供給口6bとの間には、バルブ13が設けられている。ガス供給管6は、例えば本実施形態における第2の原料ガスである酸素ガス(O)をリアクタ2内へ供給できる。 The gas supply pipes 6 to 9 are pipes for supplying the raw material gas to the reactor 2. Among these, the gas supply pipe 6 has a gas introduction port 6 a and a gas supply port 6 b connected to the inside of the reactor 2. A valve 13 is provided between the gas introduction port 6a and the gas supply port 6b. The gas supply pipe 6 can supply, for example, oxygen gas (O 2 ), which is the second raw material gas in the present embodiment, into the reactor 2.

ガス供給管7及び8それぞれの一端は、ガス導入口7a及び8aとなっている。また、ガス供給管7及び8それぞれの他端は、共にガス供給管9の一端に接続されている。ガス供給管9の他端は、リアクタ2内部へ繋がるガス供給口9aとなっている。ガス供給管7及び8には、それぞれバルブ11及び12が設けられている。ガス供給管7は、例えば、亜鉛原料を輸送するための輸送ガスと同種のガスをガス供給管9を介してリアクタ2へ供給できる。また、ガス供給管8は、輸送ガス及び亜鉛原子を含む原料(例えば亜鉛アセチルアセトナート)をガス供給管9を介してリアクタ2へ供給できる。   One end of each of the gas supply pipes 7 and 8 is a gas inlet 7a and 8a. The other ends of the gas supply pipes 7 and 8 are both connected to one end of the gas supply pipe 9. The other end of the gas supply pipe 9 is a gas supply port 9 a connected to the inside of the reactor 2. The gas supply pipes 7 and 8 are provided with valves 11 and 12, respectively. For example, the gas supply pipe 7 can supply the same type of gas as the transport gas for transporting the zinc raw material to the reactor 2 via the gas supply pipe 9. The gas supply pipe 8 can supply a transport gas and a raw material containing zinc atoms (for example, zinc acetylacetonate) to the reactor 2 through the gas supply pipe 9.

ガス供給管8には原料を昇華または気化させるための原料シリンダ14が設けられており、原料シリンダ14内には原料を収容する原料ボート15が設置されている。この原料ボート15は、例えば亜鉛原子を含む原料を収容できる。また、原料シリンダ14の周囲には原料用ヒータ16が設けられている。原料用ヒータ16は、原料ボート15に収容された原料を加熱し、昇華または気化させる。   The gas supply pipe 8 is provided with a raw material cylinder 14 for sublimating or vaporizing the raw material, and a raw material boat 15 for containing the raw material is installed in the raw material cylinder 14. The material boat 15 can accommodate a material containing, for example, zinc atoms. A raw material heater 16 is provided around the raw material cylinder 14. The raw material heater 16 heats and sublimates or vaporizes the raw material stored in the raw material boat 15.

排気口17は、リアクタ2内において反応の結果生じた残余ガスを排出するために設けられている。残余ガスの排出は、排気口17に設けられたバルブ18によって制御される。   The exhaust port 17 is provided for discharging the residual gas generated as a result of the reaction in the reactor 2. The discharge of the residual gas is controlled by a valve 18 provided at the exhaust port 17.

ここで、上記成膜装置1を用いたZnO系化合物結晶の成長工程について説明する。まず、基板3として、サファイアやZnO等、六方晶を構成する材料からなる基板を用意する。そして、この基板3を基板ホルダ4に装着する。   Here, the growth process of the ZnO-based compound crystal using the film forming apparatus 1 will be described. First, a substrate made of a material constituting a hexagonal crystal such as sapphire or ZnO is prepared as the substrate 3. Then, the substrate 3 is mounted on the substrate holder 4.

続いて、ガス供給管7へ輸送ガスと同種のガス(例えば窒素ガス(N))を導入し、バルブ12を開いてリアクタ2内へ該ガスを供給する。そして、基板用ヒータ5によって基板3を例えば500℃ないし600℃に加熱するとともに、リアクタ内の圧力を例えば60Torr(8000Pa)に高める。また、これと並行して、原料シリンダ14の原料ボート15内に亜鉛を含む原料を収容し、原料用ヒータ16によって例えば原料を40℃ないし250℃に加熱することにより、原料を昇華または気化させる。原料の温度が40℃より低いと原料の昇華(気化)が不充分となり、また、原料の温度が250℃より高いと原料が溶解して装置内部に付着し易くなる。 Subsequently, the same kind of gas as the transport gas (for example, nitrogen gas (N 2 )) is introduced into the gas supply pipe 7, and the valve 12 is opened to supply the gas into the reactor 2. The substrate 3 is heated to, for example, 500 ° C. to 600 ° C. by the substrate heater 5 and the pressure in the reactor is increased to, for example, 60 Torr (8000 Pa). In parallel with this, a raw material containing zinc is accommodated in the raw material boat 15 of the raw material cylinder 14, and the raw material is sublimated or vaporized by, for example, heating the raw material to 40 ° C. to 250 ° C. by the raw material heater 16. . If the temperature of the raw material is lower than 40 ° C., the sublimation (vaporization) of the raw material becomes insufficient, and if the temperature of the raw material is higher than 250 ° C., the raw material is dissolved and easily adheres to the inside of the apparatus.

亜鉛を含む原料としては、亜鉛原子と酸素原子とを含む材料、例えば亜鉛を含むβジケトン化合物を用いるとよい。このようなβジケトン化合物としては、例えば次の化学式で表されるアセチルアセトン亜鉛(亜鉛アセチルアセトナート及びその水和物を含む)が例示される。

Figure 2006253415

或いは、亜鉛を含む原料として、酢酸亜鉛Zn(CHCOO)またはその二水和物(亜鉛アセテートジハイドレート)を用いることもできる。なお、亜鉛を含む原料として亜鉛アセチルアセトナートまたはその水和物を用いる場合、原料用ヒータ16によってこの原料を60℃以上120℃以下に加熱することにより気化または昇華させつつ、該原料をリアクタ2内へ供給するとよい。これにより、該原料が好適に気化または昇華される。 As a raw material containing zinc, a material containing zinc atoms and oxygen atoms, for example, a β-diketone compound containing zinc may be used. Examples of such β diketone compounds include acetylacetone zinc (including zinc acetylacetonate and hydrates thereof) represented by the following chemical formula.
Figure 2006253415

Alternatively, zinc acetate Zn (CH 3 COO) 2 or a dihydrate thereof (zinc acetate dihydrate) can also be used as a raw material containing zinc. When zinc acetylacetonate or a hydrate thereof is used as a raw material containing zinc, the raw material is vaporized or sublimated by heating the raw material to 60 ° C. or higher and 120 ° C. or lower by the raw material heater 16, while the raw material is removed from the reactor 2. It is good to supply inside. Thereby, the raw material is suitably vaporized or sublimated.

続いて、バルブ12を閉じるとともにバルブ11を開き、輸送ガス(例えば窒素ガス(N))をガス供給管8へ導入する。これにより、原料シリンダ14内で気化された原料と輸送ガスとを含む原料ガス(第1の原料ガス)がリアクタ2内へ供給される。また、バルブ13を開き、酸素原子を含む原料ガス(第2の原料ガス)として、例えば酸素ガス(O)をガス供給管6へ導入する。酸素ガスは、リアクタ2内へ供給される。基板3の主面上では、500℃ないし600℃といった高温下で亜鉛原子と酸素原子とが反応し、ZnO系化合物結晶がエピタキシャル成長することにより、ZnO系化合物膜が成膜される。なお、輸送ガスとしては、窒素ガスの他にも例えば水素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを用いることができる。 Subsequently, the valve 12 is closed and the valve 11 is opened, and a transport gas (for example, nitrogen gas (N 2 )) is introduced into the gas supply pipe 8. Thereby, a raw material gas (first raw material gas) including the raw material vaporized in the raw material cylinder 14 and the transport gas is supplied into the reactor 2. Further, the valve 13 is opened and, for example, oxygen gas (O 2 ) is introduced into the gas supply pipe 6 as a source gas containing oxygen atoms (second source gas). Oxygen gas is supplied into the reactor 2. On the main surface of the substrate 3, zinc atoms and oxygen atoms react at a high temperature of 500 ° C. to 600 ° C., and a ZnO-based compound crystal grows epitaxially, thereby forming a ZnO-based compound film. In addition to the nitrogen gas, for example, an inert gas such as hydrogen gas, argon gas, or helium gas can be used as the transport gas.

ここで、本実施形態では、ZnO系化合物結晶の酸素欠陥を低減するため、次のいずれかの方法によりZnO系化合物結晶をエピタキシャル成長させる。   Here, in this embodiment, in order to reduce oxygen defects in the ZnO-based compound crystal, the ZnO-based compound crystal is epitaxially grown by any of the following methods.

(第1の方法)
第1及び第2の原料ガスをリアクタ2内へ供給する際に、第2の原料ガスに含まれる酸素原子を、第1の原料ガスに含まれる亜鉛原子よりも多く供給する。すなわち、第1の原料ガス中の亜鉛原子の供給速度AZn[mol/時]に対し、第2の原料ガス中の酸素原子の供給速度A[mol/時]をA>AZnとなるように、第1及び第2の原料ガスの供給速度(流量)を調節する。また、ZnO系化合物結晶の成長速度が3[nm/時]以上300[nm/時]以下となるように、亜鉛原子と酸素原子との反応速度を第1及び第2の原料ガスの供給速度や基板温度等によって調節する。
(First method)
When supplying the first and second source gases into the reactor 2, oxygen atoms contained in the second source gas are supplied more than zinc atoms contained in the first source gas. That is, with respect to the supply rate A Zn [mol / hour] of zinc atoms in the first raw material gas, the supply rate A O [mol / hour] of oxygen atoms in the second raw material gas is expressed as A O > A Zn . Thus, the supply speed (flow rate) of the first and second source gases is adjusted. Further, the reaction rate between the zinc atom and the oxygen atom is set to the supply rate of the first and second source gases so that the growth rate of the ZnO-based compound crystal is 3 [nm / hour] or more and 300 [nm / hour] or less. And adjust according to substrate temperature.

(第2の方法)
まず、基板3として、R面({1−102}面)を主面(成長面)とする基板を用意する。そして、このR面上にZnO系化合物結晶が成長するように、基板3を基板ホルダ4へ装着する。また、第1及び第2の原料ガスをリアクタ2内へ供給する際に、第2の原料ガスの供給速度(流量)を、第1の原料ガスの供給速度の4/n倍以上600/n倍以下(n:第2の原料ガス一分子中に含まれる酸素原子の数)とする。例えば、本実施形態では第2の原料ガスとして酸素ガス(O)を供給するのでn=2となり、この酸素ガスの供給速度を第1の原料ガスの供給速度の2倍以上300倍以下とする。
(Second method)
First, as the substrate 3, a substrate having an R surface ({1-102} surface) as a main surface (growth surface) is prepared. Then, the substrate 3 is mounted on the substrate holder 4 so that the ZnO-based compound crystal grows on the R plane. Further, when supplying the first and second source gases into the reactor 2, the supply rate (flow rate) of the second source gas is set to 4 / n times or more 600 / n times the supply rate of the first source gas. Less than or equal to twice (n: the number of oxygen atoms contained in one molecule of the second source gas). For example, since oxygen gas (O 2 ) is supplied as the second source gas in the present embodiment, n = 2, and the oxygen gas supply rate is not less than 2 times and not more than 300 times the first source gas supply rate. To do.

以上に説明した工程により、基板3上にZnO系化合物結晶膜が成膜された基板生産物が完成する。なお、上記工程においては、ZnO系化合物結晶を成長させる際または成長後に、窒素(N)やリン(P)などの不純物をドープしてもよい。これにより、例えばp型といった所望の導電性を有する半導体層を形成できる。以後、電極の形成などの工程を経て基板生産物をチップ状に切断することにより、例えば発光素子や受光素子といった半導体素子を製造できる。   By the steps described above, a substrate product in which a ZnO-based compound crystal film is formed on the substrate 3 is completed. In the above step, impurities such as nitrogen (N) and phosphorus (P) may be doped when the ZnO-based compound crystal is grown or after the growth. Thereby, a semiconductor layer having desired conductivity such as p-type can be formed. Thereafter, a semiconductor element such as a light-emitting element or a light-receiving element can be manufactured by cutting the substrate product into a chip shape through processes such as electrode formation.

本実施形態によるZnO系化合物結晶の成長方法によれば、以下の効果が得られる。すなわち、上記した第1の方法によれば、酸素原子を亜鉛原子よりも多く供給することによって結晶成長過程において酸素原子が過剰となり、ZnO系化合物半導体結晶中における酸素欠陥を低減できるので、ZnO系化合物結晶の残留電子濃度を低減できる。また、この方法によれば、MBE法のように大型の装置を必要としないので、酸素欠陥の低減を低コストで実現できる。   According to the method for growing a ZnO-based compound crystal according to the present embodiment, the following effects can be obtained. That is, according to the first method described above, by supplying more oxygen atoms than zinc atoms, oxygen atoms become excessive in the crystal growth process, and oxygen defects in the ZnO-based compound semiconductor crystal can be reduced. The residual electron concentration of the compound crystal can be reduced. Also, according to this method, unlike the MBE method, a large apparatus is not required, so that oxygen defects can be reduced at a low cost.

また、本発明者らは、ZnO系化合物結晶の成長速度と残留電子濃度との間に相関があることを見出した。以下の表1は、ZnO系化合物結晶の成長速度を変化させたときの、残留電子濃度の変化を示す表である。また、図2は、表1の内容をグラフ化した図である。

Figure 2006253415

表1及び図2に示すように、ZnO系化合物結晶の成長速度が過度に低い場合、或いは過度に高い場合には、ZnO系化合物結晶の残留電子濃度が増大してしまう。これに対し、ZnO系化合物結晶の成長速度を3[nm/時]以上300[nm/時]以下とすることにより、残留電子濃度を顕著に低減し得ることがわかる。これは、ZnO系化合物結晶の成長速度を上記範囲とすることにより、酸素原子が過剰な状態においてZnO系化合物結晶を結晶性良く成長させることができるためと考えられる。 The inventors have also found that there is a correlation between the growth rate of the ZnO-based compound crystal and the residual electron concentration. Table 1 below shows changes in residual electron concentration when the growth rate of the ZnO-based compound crystal is changed. FIG. 2 is a graph showing the contents of Table 1.
Figure 2006253415

As shown in Table 1 and FIG. 2, when the growth rate of the ZnO-based compound crystal is excessively low or excessively high, the residual electron concentration of the ZnO-based compound crystal increases. In contrast, it can be seen that the residual electron concentration can be significantly reduced by setting the growth rate of the ZnO-based compound crystal to 3 [nm / hour] or more and 300 [nm / hour] or less. This is presumably because by setting the growth rate of the ZnO-based compound crystal in the above range, the ZnO-based compound crystal can be grown with good crystallinity in a state where oxygen atoms are excessive.

また、上記した第2の方法によれば、第2の原料ガスを第1の原料ガスよりも多く供給することによって結晶成長過程において酸素原子が過剰となり、ZnO系化合物結晶中における酸素欠陥を低減できるので、ZnO系化合物結晶の残留電子濃度を低減できる。また、この方法においても、MBE法のように大型の装置を必要としないので、酸素欠陥の低減を低コストで実現できる。そして、ZnO系化合物結晶を基板のR面({1−102}面)上に成長させることにより、基板3の主面と垂直な柱状晶の生成を抑制して平坦かつ稠密な結晶膜を形成することができ、安定な電気的特性を得ることができる。また、以下の実施例に示すように、第2の原料ガスの供給速度を第1の原料ガスの供給速度の4/n倍以上とすることにより、残留電子濃度を効果的に低減できる。また、第2の原料ガスの供給速度を第1の原料ガスの供給速度の600/n倍以下とすることによって、酸素原子が過剰に供給されることに起因する結晶性の悪化を防ぎ、残留電子濃度を低く抑え得る。   Further, according to the second method described above, by supplying a larger amount of the second source gas than the first source gas, oxygen atoms become excessive during the crystal growth process, and oxygen defects in the ZnO-based compound crystal are reduced. Therefore, the residual electron concentration of the ZnO-based compound crystal can be reduced. Also in this method, unlike the MBE method, a large apparatus is not required, so that oxygen defects can be reduced at a low cost. Then, by growing a ZnO-based compound crystal on the R plane ({1-102} plane) of the substrate, formation of columnar crystals perpendicular to the main surface of the substrate 3 is suppressed, and a flat and dense crystal film is formed. And stable electrical characteristics can be obtained. Further, as shown in the following examples, the residual electron concentration can be effectively reduced by setting the supply rate of the second source gas to 4 / n times or more the supply rate of the first source gas. Further, by setting the supply rate of the second source gas to 600 / n times or less the supply rate of the first source gas, the deterioration of crystallinity caused by excessive supply of oxygen atoms is prevented, and the residual The electron concentration can be kept low.

まず基板3としてR面を主面とするサファイア基板を用意し、このサファイア基板をリアクタ2内の基板ホルダ4にセットした。そして、窒素ガス(N)をガス供給管7を介してリアクタ2内へ供給しながら、基板用ヒータ5によってサファイア基板の温度を600℃に上昇させた。このとき、リアクタ内の圧力を60Torr(8000Pa)とした。また、原料シリンダ14内の原料ボート15に亜鉛アセチルアセトナートを収容し、原料用ヒータ16によって原料シリンダ14を100℃になるまで加熱した。 First, a sapphire substrate having an R surface as a main surface was prepared as the substrate 3, and this sapphire substrate was set in the substrate holder 4 in the reactor 2. Then, while supplying nitrogen gas (N 2 ) into the reactor 2 through the gas supply pipe 7, the temperature of the sapphire substrate was raised to 600 ° C. by the substrate heater 5. At this time, the pressure in the reactor was 60 Torr (8000 Pa). Further, zinc acetylacetonate was accommodated in the raw material boat 15 in the raw material cylinder 14, and the raw material cylinder 14 was heated to 100 ° C. by the raw material heater 16.

続いて、ガス供給管7のバルブ12を閉じた後、ガス供給管8のバルブ11を開き、ガス供給管8に輸送ガスとして窒素ガスを供給速度40sccmで供給しながら、原料ボート15内の亜鉛アセチルアセトナートを昇華させてリアクタ2内への供給を開始した。さらに続いてバルブ13を開き、酸素ガスの供給を開始した。このときの酸素ガスの供給速度を窒素ガスの供給速度の20倍(すなわち800sccm)とした。こうして、リアクタ2内においてサファイア基板上にZnO結晶をエピタキシャル成長させた。その結果、7時間後に膜厚620nmのZnO結晶膜が得られた。なお、このZnO結晶が成長する際に、亜鉛原子は0.0028mol消費されたので、亜鉛原子の供給速度は4×10−4[mol/時]であった。 Subsequently, after closing the valve 12 of the gas supply pipe 7, the valve 11 of the gas supply pipe 8 is opened, and while supplying nitrogen gas as a transport gas to the gas supply pipe 8 at a supply speed of 40 sccm, The acetylacetonate was sublimated and the supply into the reactor 2 was started. Subsequently, the valve 13 was opened and supply of oxygen gas was started. At this time, the supply rate of oxygen gas was set to 20 times the supply rate of nitrogen gas (that is, 800 sccm). Thus, a ZnO crystal was epitaxially grown on the sapphire substrate in the reactor 2. As a result, a ZnO crystal film having a thickness of 620 nm was obtained after 7 hours. When this ZnO crystal was grown, 0.0028 mol of zinc atoms was consumed, so the supply rate of zinc atoms was 4 × 10 −4 [mol / hour].

また、亜鉛アセチルアセトナートを輸送する窒素ガスの供給速度を100sccmとし、酸素ガスの供給速度を窒素ガスの供給速度の4倍(すなわち400sccm)として(他の条件は同じ)、ZnO結晶を別のサファイア基板上に成長させた。また、亜鉛アセチルアセトナートを輸送する窒素ガスの供給速度を200sccmとし、酸素ガスの供給速度を窒素ガスの供給速度の1倍(すなわち200sccm)として(他の条件は同じ)、ZnO結晶を更に別のサファイア基板上に成長させた。   Further, the supply rate of nitrogen gas for transporting zinc acetylacetonate is set to 100 sccm, the supply rate of oxygen gas is set to four times the supply rate of nitrogen gas (that is, 400 sccm) (other conditions are the same), Grown on a sapphire substrate. Further, the supply rate of nitrogen gas for transporting zinc acetylacetonate is set to 200 sccm, the supply rate of oxygen gas is set to one time the supply rate of nitrogen gas (that is, 200 sccm) (other conditions are the same), and ZnO crystals are further separated. Grown on a sapphire substrate.

図3は、窒素ガス(第1の原料ガス)の供給速度に対する酸素ガス(第2の原料ガス)の供給速度の倍率と、ZnO結晶の残留電子濃度との相関を示すグラフである。図3を参照すると、酸素ガスの供給速度を窒素ガスの供給速度の20倍とした場合に残留電子濃度が最も低く、1倍とした場合に残留電子濃度が最も高いことがわかる。   FIG. 3 is a graph showing the correlation between the ratio of the supply rate of oxygen gas (second source gas) to the supply rate of nitrogen gas (first source gas) and the residual electron concentration of the ZnO crystal. Referring to FIG. 3, it can be seen that the residual electron concentration is the lowest when the oxygen gas supply rate is 20 times the nitrogen gas supply rate, and the residual electron concentration is highest when it is 1 time.

実施例1によって示された供給速度比と残留電子濃度との相関を更に詳しく解明するために、次の実験を行った。まず、実施例1と同様に、基板3としてR面を主面とするサファイア基板を用意し、このサファイア基板をリアクタ2内の基板ホルダ4にセットした。そして、ガス供給管7から窒素ガスを供給速度200ccmで供給しながら、このサファイア基板の温度を600℃に上昇させるとともに、リアクタ内の圧力を60Torr(8000Pa)とした。また、原料ボート15に亜鉛アセチルアセトナートを収容し、100℃になるまで加熱した。   In order to further clarify the correlation between the supply rate ratio and the residual electron concentration shown in Example 1, the following experiment was performed. First, as in Example 1, a sapphire substrate having an R plane as a main surface was prepared as the substrate 3, and this sapphire substrate was set in the substrate holder 4 in the reactor 2. While supplying nitrogen gas from the gas supply pipe 7 at a supply rate of 200 ccm, the temperature of the sapphire substrate was raised to 600 ° C., and the pressure in the reactor was set to 60 Torr (8000 Pa). Moreover, zinc acetylacetonate was accommodated in the raw material boat 15, and it heated until it became 100 degreeC.

続いて、昇華した亜鉛アセチルアセトナートを窒素ガスによってリアクタ2内へ輸送するとともに、酸素ガスをリアクタ2内へ供給した。このとき、亜鉛アセチルアセトナートを輸送する窒素ガスの供給速度に対する酸素ガスの供給速度の倍率を以下の表2に示す倍率に変化させ、それぞれの倍率でサファイア基板上にZnO結晶をエピタキシャル成長させた。なお、このZnO結晶を成長させる際の亜鉛原子の供給速度は4×10−4[mol/時]であった。 Subsequently, the sublimated zinc acetylacetonate was transported into the reactor 2 by nitrogen gas, and oxygen gas was supplied into the reactor 2. At this time, the oxygen gas supply rate to the nitrogen gas supply rate for transporting zinc acetylacetonate was changed to the magnifications shown in Table 2 below, and ZnO crystals were epitaxially grown on the sapphire substrate at the respective magnifications. The supply rate of zinc atoms for growing the ZnO crystal was 4 × 10 −4 [mol / hour].

表2は、窒素ガス(第1の原料ガス)の供給速度に対する酸素ガス(第2の原料ガス)の供給速度の倍率と、ZnO結晶の残留電子濃度との相関を示す表である。また、図4は、表2をグラフ化した図である。

Figure 2006253415

表2及び図4を参照すると、酸素ガスの供給速度を窒素ガスの供給速度の2倍以上300倍以下とした場合に残留電子濃度が顕著に低くなることがわかる。なお、本実施例では酸素原子を供給するための原料として酸素ガス(O)を用いているが、他の原料(例えばNO)を用いる場合などに一般化すれば、酸素原子を含む原料ガスの供給速度を、亜鉛原子を輸送する輸送ガスの供給速度の4/n倍以上600/n倍以下(n:酸素原子を含む原料ガス一分子中に含まれる酸素原子の数)とすることにより、残留電子濃度を好適に低減できる。 Table 2 is a table showing the correlation between the ratio of the supply rate of oxygen gas (second source gas) to the supply rate of nitrogen gas (first source gas) and the residual electron concentration of the ZnO crystal. FIG. 4 is a graph of Table 2.
Figure 2006253415

Referring to Table 2 and FIG. 4, it can be seen that the residual electron concentration is remarkably lowered when the oxygen gas supply rate is set to be not less than twice and not more than 300 times the nitrogen gas supply rate. In this embodiment, oxygen gas (O 2 ) is used as a raw material for supplying oxygen atoms. However, when generalized to other raw materials (for example, N 2 O), oxygen atoms are included. The feed rate of the source gas is 4 / n to 600 / n times the feed rate of the transport gas for transporting zinc atoms (n: the number of oxygen atoms contained in one molecule of the source gas containing oxygen atoms). As a result, the residual electron concentration can be suitably reduced.

亜鉛原子の供給速度と残留電子濃度との相関を調べるために、次の実験を行った。まず、実施例1と同様に、基板3としてR面を主面とするサファイア基板を用意し、このサファイア基板をリアクタ2内の基板ホルダ4にセットした。そして、このサファイア基板の温度を550℃に上昇させるとともに、リアクタ内の圧力を60Torr(8000Pa)とした。また、原料ボート15に亜鉛アセチルアセトナートを収容し、亜鉛アセチルアセトナートの昇華速度(すなわちリアクタ2への亜鉛原子の供給速度)を、加熱温度を変更することにより以下の表3に示す値に設定し、酸素ガスの供給速度を輸送ガス(窒素ガス)の供給速度の10倍として、各供給速度毎に別のサファイア基板上にZnO結晶をエピタキシャル成長させた。   In order to investigate the correlation between the supply rate of zinc atoms and the residual electron concentration, the following experiment was conducted. First, as in Example 1, a sapphire substrate having an R plane as a main surface was prepared as the substrate 3, and this sapphire substrate was set in the substrate holder 4 in the reactor 2. And while raising the temperature of this sapphire substrate to 550 degreeC, the pressure in a reactor was 60 Torr (8000 Pa). Moreover, zinc acetylacetonate is accommodated in the raw material boat 15, and the sublimation rate of zinc acetylacetonate (that is, the supply rate of zinc atoms to the reactor 2) is changed to the values shown in Table 3 below by changing the heating temperature. The oxygen gas supply rate was set to 10 times the transport gas (nitrogen gas) supply rate, and a ZnO crystal was epitaxially grown on another sapphire substrate for each supply rate.

表3は、亜鉛原子の供給速度とZnO結晶の残留電子濃度との相関を示す表である。また、図5は、表3をグラフ化した図である。

Figure 2006253415

表3及び図5を参照すると、亜鉛原子の供給速度を5×10−5[mol/時]以上2×10−2[mol/時]以下とした場合に残留電子濃度が顕著に低くなることがわかる。 Table 3 is a table showing the correlation between the supply rate of zinc atoms and the residual electron concentration of the ZnO crystal. FIG. 5 is a graph of Table 3.
Figure 2006253415

Referring to Table 3 and FIG. 5, when the supply rate of zinc atoms is 5 × 10 −5 [mol / hour] or more and 2 × 10 −2 [mol / hour] or less, the residual electron concentration is significantly reduced. I understand.

本発明によるZnO系化合物結晶の成長方法は、上記実施形態及び実施例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施例ではZnO系化合物結晶としてZnO結晶が例示されているが、本発明に係る方法は、これ以外にも例えばCdZnO結晶やMgZnO結晶などを成長させる際にも適用可能である。   The growth method of the ZnO-based compound crystal according to the present invention is not limited to the above-described embodiment and examples, and various other modifications are possible. For example, in the above embodiment, a ZnO crystal is exemplified as the ZnO-based compound crystal. However, the method according to the present invention can be applied to other cases such as CdZnO crystal and MgZnO crystal.

図1は、本方法に用いられる成膜装置の構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a film forming apparatus used in the present method. 図2は、ZnO系化合物結晶の成長速度を変化させたときの、残留電子濃度の変化を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing changes in residual electron concentration when the growth rate of the ZnO-based compound crystal is changed. 図3は、窒素ガス(第1の原料ガス)の供給速度に対する酸素ガス(第2の原料ガス)の供給速度の倍率と、ZnO結晶の残留電子濃度との相関を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the correlation between the ratio of the supply rate of oxygen gas (second source gas) to the supply rate of nitrogen gas (first source gas) and the residual electron concentration of the ZnO crystal. 図4は、窒素ガス(第1の原料ガス)の供給速度に対する酸素ガス(第2の原料ガス)の供給速度の倍率と、ZnO結晶の残留電子濃度との相関を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the correlation between the ratio of the supply rate of oxygen gas (second source gas) to the supply rate of nitrogen gas (first source gas) and the residual electron concentration of the ZnO crystal. 図5は、亜鉛原子の供給速度とZnO結晶の残留電子濃度との相関を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the correlation between the supply rate of zinc atoms and the residual electron concentration of the ZnO crystal.

符号の説明Explanation of symbols

1…成膜装置、2…リアクタ、3…基板、4…基板ホルダ、5…基板用ヒータ、6〜9…ガス供給管、11〜13,18…バルブ、14…原料シリンダ、15…原料ボート、16…原料用ヒータ、17…排気口、19…軸。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Film-forming apparatus, 2 ... Reactor, 3 ... Substrate, 4 ... Substrate holder, 5 ... Substrate heater, 6-9 ... Gas supply pipe, 11-13, 18 ... Valve, 14 ... Raw material cylinder, 15 ... Raw material boat 16 ... Raw material heater, 17 ... Exhaust port, 19 ... Shaft.

Claims (8)

基板が収容された反応室内へ、亜鉛原子を含む原料と輸送ガスとを含む第1の原料ガス、及び酸素原子を含む第2の原料ガスを供給し、前記基板上にZnO系化合物結晶を成長させる成長工程を備え、
前記成長工程の際に、前記酸素原子を前記亜鉛原子よりも多く供給するとともに、前記ZnO系化合物結晶の成長速度を3[nm/時]以上300[nm/時]以下とすることを特徴とする、ZnO系化合物結晶の成長方法。
A first source gas containing a source material containing zinc atoms and a transport gas and a second source gas containing oxygen atoms are supplied into a reaction chamber in which the substrate is accommodated, and a ZnO-based compound crystal is grown on the substrate. With a growth process
In the growth step, oxygen atoms are supplied more than the zinc atoms, and the growth rate of the ZnO-based compound crystal is set to 3 [nm / hour] or more and 300 [nm / hour] or less. A method for growing a ZnO-based compound crystal.
基板が収容された反応室内へ、亜鉛原子を含む原料と輸送ガスとを含む第1の原料ガス、及び酸素原子を含む第2の原料ガスを供給し、前記基板上にZnO系化合物結晶を成長させる成長工程を備え、
前記成長工程の際に、前記ZnO系化合物結晶を前記基板の{1−102}面上に成長させるとともに、前記第2の原料ガスの供給速度を、前記第1の原料ガスの供給速度の4/n倍以上600/n倍以下(n:前記第2の原料ガス一分子中に含まれる酸素原子の数)とすることを特徴とする、ZnO系化合物結晶の成長方法。
A first source gas containing a source material containing zinc atoms and a transport gas and a second source gas containing oxygen atoms are supplied into a reaction chamber containing the substrate, and a ZnO-based compound crystal is grown on the substrate. With a growth process
In the growth step, the ZnO-based compound crystal is grown on the {1-102} plane of the substrate, and the supply rate of the second source gas is set to 4 that is the supply rate of the first source gas. / N times to 600 / n times (n: the number of oxygen atoms contained in one molecule of the second source gas). A method for growing a ZnO-based compound crystal,
前記基板がサファイアであることを特徴とする、請求項2に記載のZnO系化合物結晶の成長方法。   The method for growing a ZnO-based compound crystal according to claim 2, wherein the substrate is sapphire. 前記輸送ガスが窒素ガス(N)であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のZnO系化合物結晶の成長方法。 Characterized in that the transport gas is nitrogen gas (N 2), growth method for a ZnO-based compound crystal according to any one of claims 1 to 3. 前記第2の原料ガスが酸素ガス(O)であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載のZnO系化合物結晶の成長方法。 The method for growing a ZnO-based compound crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein the second source gas is oxygen gas (O 2 ). 前記亜鉛原子を含む原料が、βジケトン化合物であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のZnO系化合物結晶の成長方法。   The method for growing a ZnO-based compound crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein the raw material containing zinc atoms is a β-diketone compound. 前記βジケトン化合物が、アセチルアセトン亜鉛またはその水和物であることを特徴とする、請求項6に記載のZnO系化合物結晶の成長方法。   The method for growing a ZnO-based compound crystal according to claim 6, wherein the β-diketone compound is zinc acetylacetone or a hydrate thereof. 前記成長工程の際に、前記アセチルアセトン亜鉛またはその水和物を、60℃以上120℃以下に加熱して昇華または気化させつつ前記反応室内へ供給することを特徴とする、請求項7に記載のZnO系化合物結晶の成長方法。   The acetylacetone zinc or a hydrate thereof is supplied to the reaction chamber while being sublimated or vaporized by heating to 60 ° C or higher and 120 ° C or lower during the growth step. A method for growing a ZnO-based compound crystal.
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