JP2007043109A - ＺｎＯデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 ＺｎＯにおいては、ｐ型不純物とｎ型不純物を取り込みやすい結晶極性面は異なるため、単一極性面を用いると一方の電気伝導性の制御が困難になる。そこで両結晶極性面を同時に利用したＺｎＯデバイスを提供することを課題とする。
【解決手段】 一方の伝導型のＺｎＯを積層するために、第１の結晶極性面を有するＺｎＯ層を積層し、その上に結晶極性面反転層を挿入する。その後、他方の伝導型のＺｎＯ層を第２の結晶極性面を利用して積層し、両結晶極性面の利点を同時に利用したＺｎＯデバイスを作製する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＺｎＯ発光デバイス等のＺｎＯデバイスに関する。

ＳｉやＧａＡｓ等に代表される従来の半導体に比べて、禁制帯幅の広いワイドギャップ半導体は高出力デバイスや短波長の光電子デバイスの材料として有用である。

ＺｎＯはその中でも、バンドギャップが３．４ｅＶの直接遷移型半導体であるために、発光・受光の光電子デバイスとして、特に紫外領域で動作するデバイス材料として期待されている。また、同様なバンドギャップの直接遷移型半導体であるＧａＮの励起子結合エネルギーは２４ｍｅＶであるのに対し、ＺｎＯは６０ｍｅＶと非常に大きいため、励起子の遷移過程を利用した高効率な発光デバイスとして期待されている。

小型で高効率という特徴を持つ半導体デバイスを利用した、紫外領域の発光素子は現在研究・開発段階であるが、高効率な発光デバイスが実用化されれば高密度光記録、環境汚染物質の分解、さらには蛍光灯に代わる白色用の光源として波及効果は非常に大きい。

ところが、多くの利点を有するＺｎＯにおいても、多くのワイドギャップ半導体と同様に電気伝導性の制御が非常に困難であり、特に一方の電気伝導性の制御が困難である単極性という性質を有する。ＺｎＯの場合にはｐ型の伝導性制御が非常に困難であり、そこでＺｎＯの結晶極性の制御（特許文献１）や、成長温度を急峻に制御する（非特許文献１）等の様々な手法により、この課題の克服が行われている。

結晶の極性を有する半導体において、極性面（閃亜鉛鉱構造の場合（１１１）面、ウルツ鉱構造の場合（０００１）面）を利用する場合、不純物の取り込み等ドーピング特性が結晶面の裏表で大きく異なることが知られている。ＺｎＯでは主としてｎ型のドーパントとしてIII族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）でII族のＺｎを置換し、ｐ型ドーパントは主としてＶ族元素（Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ）でVI族のＯを置換することによってそれぞれ機能させる。ＺｎＯにおいてはｎ型とｐ型のドーパントの置換位置がそれぞれＺｎ、Ｏと異なるため結晶面の表裏（（０００１）面におけるＺｎ極性面とＯ極性面）によりドーピング特性が大きく異なる。

図１にＺｎＯにおけるＺｎ極性面、Ｏ極性面の模式図を示す。Ｚｎ極性ＺｎＯを成長面とする場合Ｏを置換するＶ族元素が結晶中に取り込まれやすく、III族元素は取り込まれにくい。一方Ｏ極性ＺｎＯにおいてはそれとは反対にＺｎを置換するIII族元素が取り込まれやすく、Ｖ族元素は取り込まれにくい。そのため、作製が困難なｐ型ＺｎＯにＺｎ極性を用いる場合、ｎ型のＺｎＯ電気伝導性の制御が困難になる。

また、最近ＧａＮ層（特許文献２、非特許文献２）や、ＭｇＯ層（特許文献３、特許文献４、非特許文献３）を利用することにより基板上に、Ｚｎ極性面、またはＯ極性面のＺｎＯ層の作りわけについて報告されており、どちらか一方の極性面の利用のみが想定されている。しかしながら、ＺｎＯベースの光デバイスにおいては、ｎ型ＺｎＯ層、ｐ型ＺｎＯ層の両層が必要であり、一方の結晶極性のＺｎＯ層のみを用いると段落０００６、０００７で述べたとおり、ｎ層若しくはｐ層ＺｎＯ層の電気伝導性の制御が困難となる。
特開２００４−３０４１６６号公報 特開２００４−２８４８３１号公報 特開２００４−２８４９４２号公報 特開２００２−２７０５２５号公報 ＮＡＴＵＲＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳ Ｖｏｌｕｍｅ４,Ｊａｎｕａｒｙ ２００５ ｐ.４２〜４６ ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌｕｍｅ７７，Ｎｕｍｂｅｒ２２，２７ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０００ ｐ.３５７１〜３５７３ ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌｕｍｅ８４，Ｎｕｍｂｅｒ２２，３１ Ｍａｙ ２００４ ｐ.４５６２〜４５６４

上記の従来の問題点に鑑み、不純物の取り込み特性の違うＺｎ極性、Ｏ極性の両方の結晶極性面を同時に利用したＺｎＯデバイスを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明は、異なる結晶極性面を有するＺｎＯ層を結晶極性面反転層を介して積層すること及び結晶極性による不純物の取り込み特性の違いに鑑み、ｐ型層としてＺｎ極性のＺｎＯ主体の層を用い、電子濃度が高い主たるｎ型層としてＯ極性のＺｎＯ主体の層を用い、デバイスの中間に結晶極性面反転層を挿入することにより両結晶極性を同時に用いることを主たる特徴とし、具体的には、次のようなＺｎＯデバイスを提供することである。

本発明は、第１の結晶極性面を有するＺｎＯ層と第２の結晶極性面を有するＺｎＯ層が、結晶極性面反転層を介して積層していることを特徴とするＺｎＯデバイスを提供する。

また本発明は、上記第１の結晶極性面を有するＺｎＯ層、Ｏ極性面を有するｎ型ＺｎＯ層であり、上記第２の結晶極性面を有するＺｎＯ層は、Ｚｎ極性面を有するｐ型ＺｎＯ層であるＺｎＯデバイスを提供する。

また本発明は、第１の結晶極性面を有するＺｎＯ層は、Ｏ極性面を有するＺｎＯ層であって、ｎ型ＺｎＯ層、高濃度ｎ型ＺｎＯ層、低濃度ｎ型ＺｎＯ層、アンドープＺｎＯ層の中から選定された１層又は２層以上の積層構造で構成され、上記第２の結晶極性面を有するＺｎＯ層は、Ｚｎ極性面を有するＺｎＯ層であって、ｐ型ＺｎＯ層、高濃度ｐ型ＺｎＯ層、低濃度ｐ型ＺｎＯ層、低濃度ｎ型ＺｎＯ層、アンドープＺｎＯ層の中から選定された１層又は２層以上の積層構造で構成されていることを特徴とするＺｎＯデバイスを提供する。

また本発明は、基板上にＯ極性アンドープＺｎＯ層、Ｏ極性高濃度ｎ型（ｎ＋）ＺｎＯ層、結晶極性面反転層、Ｚｎ極性低濃度ｎ型（ｎ−）ＺｎＯ層、Ｚｎ極性活性層、Ｚｎ極性ｐ型ＺｎＯ層を順次積層した構造のＺｎＯデバイスを提供する。

また本発明は、基板上にＯ極性アンドープＺｎＯ層、Ｏ極性高濃度ＺｎＯ、Ｏ極性活性層、結晶極性面反転層、Ｚｎ極性ｐ型ＺｎＯ層を順次積層した構造のＺｎＯデバイスを提供する。

さらに本発明は、上記結晶極性面反転層が、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの窒化物又は酸化物を主体とする層若しくは岩塩構造のＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ混晶を主体とする層から選定された、１層又は２層以上の層であるＺｎＯデバイスを提供する。
なお本発明のＺｎＯデバイスにおける「ＺｎＯ」には、ＺｎＯ単体のみならず他のII−VI族元素（Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ等）を含んだＺｎＯを主体とするものも含まれる。

本発明により、ＺｎＯデバイスにおいてｎ型層、ｐ型層のそれぞれにドーピング特性が最適な結晶極性面を使用することにより、ドーピングプロファイルを中心としたデバイス設計が容易になる。さらに直列抵抗が小さく、低損失で長寿命の高性能な発光デバイスが提供される。

図２は、本発明によるＺｎＯデバイスの基本構造の断面模式図であり、Ｏ極性ＺｎＯ層、結晶極性反転層及びＺｎ極性ＺｎＯ層が順次積層された構造となっている。以下ＺｎＯデバイスとしてＺｎＯ発光デバイスを例示して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

図３は、実施例１に係るＺｎＯ発光デバイスの断面模式図である。そして、その作製方法は次のとおりである。成長法は酸素ラジカルを用いたＭＢＥ法である。基板としてサファイアa面を用い、初めにアンドープのＺｎＯ（１μｍ程度）を成長させる。このときアンドープＺｎＯはＯ極性面が成長面となる。
その上にＯ極性面のＧａをドープした、電子濃度が高いＺｎＯ層（ｎ＋ＺｎＯ層：１μｍ程度）を成長させる。その後、結晶極性面反転層として岩塩構造のＧａドープしたＺｎＭｇＯを１０ｎｍ程度成長させる。

結晶極性面反転層の上には、電子濃度が低いＺｎ極性のｎ型のＧａドープＺｎＯ層（ｎ−ＺｎＯ層：２００ｎｍ程度）、Ｚｎ極性ＺｎＯ活性層（５０ｎｍ程度）、Ｚｎ極性ｐ型ＺｎＯ層（２００ｎｍ程度）を続けて成長させる。
ｎ側の電極はＯ極性の電子濃度が高いｎ＋ＺｎＯ層の上に設け、ｐ側の電極はＺｎ極性ｐ型ＺｎＯ層の上に設ける。

実施例１における結晶極性面反転層は、本デバイスの他の層と同じII−VI族元素から構成されているため、結晶極性面反転層の構成元素の拡散による接合前後の層への電気特性の影響を排除でき、また作製が非常に容易であるという利点を有する。

図４は、実施例２に係るＺｎＯ発光デバイスの断面模式図である。そして、その作製方法は次のとおりである。成長法は酸素ラジカルを用いたＭＢＥ法である。基板としてサファイアa面を用い、初めにアンドープのＺｎＯ（１μｍ程度）を成長させる。このときアンドープＺｎＯはＯ極性面が成長面となる。
その上にＯ極性面のＧａをドープした、電子濃度が高いＺｎＯ層（ｎ＋ＺｎＯ層：１μｍ程度）、Ｏ極性面ＺｎＯ活性層（５０ｎｍ程度）を順次成長させる。その後、結晶極性面反転層として岩塩構造のＧａドープしたＺｎＭｇＯ層（１０ｎｍ程度）を成長させる。

結晶極性面反転層の上には、Ｚｎ極性ｐ型ＺｎＯ層（２００ｎｍ程度）を成長させる。
ｎ側の電極はＯ極性の電子濃度が高いｎ＋ＺｎＯ層の上に設け、ｐ側の電極はＺｎ極性ｐ型ＺｎＯ層の上に設ける。

実施例２における結晶極性面反転層は、本デバイスの他の層と同じII−VI族元素から構成されているため、結晶極性面反転層の構成元素の拡散による接合前後の層への電気特性の影響を排除でき、また作製が非常に容易であるという利点を有する。

図５は、実施例３に係るＺｎＯ発光デバイスの断面模式図である。そして、その作製方法は実施例１において、結晶極性面反転層としてＧａＮ及びＧａＮ層の表面層を酸化することによって得られる酸化Ｇａ（ＧａＯｘ）の２層を用いた例である。

実施例３ではII−VI族半導体とは異なるＧａＮを結晶極性面反転層として用いたが、ＧａＮの結晶構造はＺｎＯと同じウルツ鉱構造であり、格子定数が非常に近いため界面でののひずみを格段に低減できる。また、高濃度にＧａＮへのドーピングが可能であるため、結晶極性面反転層としてＧａＯｘ等と組み合わせてもデバイスへの影響は非常に小さい。

以上、本発明を実施するための最良の形態を説明したが、本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。
実施例１〜３におけるＺｎＯとしては、ＺｎＯ単体のみならず他のII−VI族元素（Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ等）を含んだＺｎＯを主体とするものでもよい。したがって、本発明におけるＺｎＯとしては、他のII−VI族元素（Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ等）を含んだ、Ｚｎ及びＯを主体とする化合物半導体も当然含まれる。

また実施例１〜３では、結晶極性面反転層として岩塩構造のＺｎＭｇＯ（ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ混晶を主体とする層）又はＧａＮ、ＧａＯｘの２層からなるものを例示したが、結晶極性面反転層としては、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの窒化物又は酸化物を主体とする層若しくは岩塩構造のＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ混晶を主体とする層から選定された、１層又は２層以上の層であってもよい。

ＺｎＯ（０００１）面における、Ｚｎ極性面及びＯ極性面の模式図である。 本発明によるＺｎＯデバイスの基本構造の断面模式図である。 本発明の実施例１に係るＺｎＯ発光デバイスの断面模式図である。 本発明の実施例２に係るＺｎＯ発光デバイスの断面模式図である。 本発明の実施例３に係るＺｎＯ発光デバイスの断面模式図である。

Claims (7)

1. 第１の結晶極性面を有するＺｎＯ層と第２の結晶極性面を有するＺｎＯ層が、結晶極性面反転層を介して積層していることを特徴とするＺｎＯデバイス。
2. 上記結晶極性面反転層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの窒化物又は酸化物を主体とする層若しくは岩塩構造のＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ混晶を主体とする層から選定された、１層又は２層以上の層である請求項１記載のＺｎＯデバイス。
3. 上記第１の結晶極性面を有するＺｎＯ層は、Ｏ極性面を有するｎ型ＺｎＯ層であり、上記第２の結晶極性面を有するＺｎＯ層は、Ｚｎ極性面を有するｐ型ＺｎＯ層であることを特徴とする請求項１又は２記載のＺｎＯデバイス。
4. 上記第１の結晶極性面を有するＺｎＯ層は、Ｏ極性面を有するＺｎＯ層であって、ｎ型ＺｎＯ層、高濃度ｎ型ＺｎＯ層、低濃度ｎ型ＺｎＯ層及びアンドープＺｎＯ層の中から選定された１層又は２層以上の積層構造で構成され、また上記第２の結晶極性面を有するＺｎＯ層は、Ｚｎ極性面を有するＺｎＯ層であって、ｐ型ＺｎＯ層、高濃度ｐ型ＺｎＯ層、低濃度ｐ型ＺｎＯ層、低濃度ｎ型ＺｎＯ層及びアンドープＺｎＯ層の中から選定された１層又は２層以上の積層構造で構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のＺｎＯデバイス。
5. 基板上にＯ極性アンドープＺｎＯ層、Ｏ極性高濃度ｎ型ＺｎＯ層、結晶極性面反転層、Ｚｎ極性低濃度ｎ型ＺｎＯ層、Ｚｎ極性活性層、Ｚｎ極性ｐ型ＺｎＯ層を順次積層した構造のＺｎＯデバイス。
6. 基板上にＯ極性アンドープＺｎＯ層、Ｏ極性高濃度ｎ型ＺｎＯ、Ｏ極性活性層、結晶極性面反転層、Ｚｎ極性ｐ型ＺｎＯ層を順次積層した構造のＺｎＯデバイス。
7. 上記結晶極性面反転層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの窒化物又は酸化物を主体とする層若しくは岩塩構造のＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ混晶を主体とする層から選定された、１層又は２層以上の層である請求項５又は６記載のＺｎＯデバイス。