JP2009038179A - Element substrate and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such problems: that crystal growth including consideration of the direction of spontaneous polarization derived from the crystal structure of zinc oxide and zinc oxide solid solution is obtained in manufacturing an electronic element and an optical element each comprising zinc oxide and zinc oxide solid solution; that in order to actualize the crystal growth, the following must be studied, such as selection of a substrate material quality in crystal growth and conditions in crystal growth or preprocessing after crystal growth, and a technique for growing crystals for a desired spontaneous direction must be obtained, i.e. a desired crystal growth direction; and that when economic aspects such as a manufacturing cost is taken into consideration, zinc oxide enabling the use of substrate material which is more fluently circulated in the market and having a controlled spontaneous polarization direction, i.e. a crystal growth direction is required. <P>SOLUTION: This element substrate has a buffer layer of a spinnel structure between a substrate and a zinc oxide thin film, and the zinc oxide thin film has a Wultzite crystal structure and its surface as a zinc (0001) face. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、光学分野、電気・電子工業分野において有用な基板と酸化亜鉛又は/及びその固溶体である酸化亜鉛薄膜を有する素子基板とその製造方法に関する。   The present invention relates to an element substrate having a substrate useful in the fields of optics and electric / electronic industry, zinc oxide and / or a zinc oxide thin film that is a solid solution thereof, and a method for manufacturing the same.

様々な機能を有する光・電子デバイスには、Si、GaAsおよびGaN等が用いられてきた。一方、酸化物に着目すると、酸化亜鉛は、バリスタ、ガスセンサー、日焼け止め等に用いられてきたが、最近その光学特性、電子素子特性および圧電特性から光学素子、電子素子、圧電素子および透明電極等の素子を形成する基板への応用が図られ、注目を集めている。酸化物は大気中で安定であり、かつ、酸化亜鉛は比較的高い電子移動度、優れた発光特性を持つことから、電子素子、あるいは、光学素子等の素子基板としての応用が進められている。   For optical / electronic devices having various functions, Si, GaAs, GaN and the like have been used. On the other hand, focusing on oxides, zinc oxide has been used for varistors, gas sensors, sunscreens, etc. Recently, optical elements, electronic elements, piezoelectric elements and transparent electrodes have been used due to their optical characteristics, electronic element characteristics and piezoelectric characteristics. It has been attracting attention because of its application to substrates on which such elements are formed. Oxides are stable in the atmosphere, and zinc oxide has relatively high electron mobility and excellent light-emitting properties, so that it is being applied as an element substrate for electronic elements or optical elements. .

たとえば、(特許文献1)では、高移動度の酸化亜鉛トランジスタの形成に関する技術が開示されており、また(特許文献2)では、酸化亜鉛発光ダイオードの形成に関する技術が開示されている。   For example, (Patent Document 1) discloses a technique related to the formation of a high mobility zinc oxide transistor, and (Patent Document 2) discloses a technique related to the formation of a zinc oxide light emitting diode.

Zn1−xMgO固溶体では、組成xを調整することで酸化亜鉛より広いバンドギャップが得られることが示されており、(非特許文献1)また、発光ダイオードへの応用を考慮した場合、発光効率を上げるためには、一般に、ダブルへテロ構造を採用する必要がある。上記構造を採用することにより、キャリヤや光の閉じ込め効率が向上し、発光効率が向上する。上記構造を形成するためには、比較的バンドギャップの狭い発光層を比較的バンドギャップが広いn層とp層をもって挟んだ構造を実現する必要があり、バンドギャップと導電性とを共に制御した結晶の成長技術が必要となる。 In the Zn 1-x Mg x O solid solution, it has been shown that a band gap wider than that of zinc oxide can be obtained by adjusting the composition x. (Non-patent Document 1) When considering application to a light-emitting diode In order to increase luminous efficiency, it is generally necessary to adopt a double heterostructure. By adopting the above structure, the efficiency of confining carriers and light is improved, and the light emission efficiency is improved. In order to form the above structure, it is necessary to realize a structure in which a light emitting layer having a relatively narrow band gap is sandwiched between an n layer and a p layer having a relatively wide band gap, and both the band gap and the conductivity are controlled. Crystal growth technology is required.

n型、p型の伝導性制御は、酸化亜鉛、および、酸化亜鉛固溶体をつかった電子素子の形成には不可欠である。一方、酸化亜鉛は、ウルツ鉱型の結晶構造を有することから自発分極を有し、これが、結晶成長時の不純物取り込みなどに強く影響することが知られている。n型に比べて比較的合成しにくいp型の伝導を示す酸化亜鉛、あるいは、その固溶体を得るためには、アクセプター準位を形成するための不純物を効率よく導入する手段が求められる。その際、自発分極特性から、亜鉛表面を有する結晶面、すなわち、(0001)面を成長面として、アクセプターとなる不純物を供給しつつ酸化亜鉛を成長する方法が有効と考えられる。アクセプターとなる窒素を導入する際に、より効率よく窒素を取り込ませるためには、酸素表面を有する結晶面である(000−1)面ではなく、亜鉛表面を有する(0001)面から取り込ませることが有効であることが、既に、開示されている。(非特許文献4)   Control of n-type and p-type conductivity is indispensable for forming an electronic device using zinc oxide and a zinc oxide solid solution. On the other hand, since zinc oxide has a wurtzite type crystal structure, it has spontaneous polarization, and it is known that this strongly influences impurity uptake during crystal growth. In order to obtain zinc oxide that exhibits p-type conduction, which is relatively difficult to synthesize compared to n-type, or a solid solution thereof, means for efficiently introducing impurities for forming an acceptor level is required. At this time, from the spontaneous polarization characteristics, it is considered effective to grow zinc oxide while supplying an impurity serving as an acceptor using a crystal plane having a zinc surface, that is, a (0001) plane as a growth plane. In order to incorporate nitrogen more efficiently when introducing nitrogen as an acceptor, it is incorporated from a (0001) plane having a zinc surface instead of a (000-1) plane which is a crystal plane having an oxygen surface. Has already been disclosed to be effective. (Non-Patent Document 4)

酸化亜鉛、およびその固溶体、あるいは、それらからなる積層体において、電子素子特性や光学素子特性を向上させるためには、高い結晶性が必要となる。高結晶性の酸化亜鉛、および、酸化亜鉛固溶体結晶を得るための手段として、特に、高品質の酸化亜鉛結晶を基板として用いた気相成長法(非特許文献2)、やScAlMgO結晶を基板として用いた気相成長法(非特許文献3)などが開示されているが、これらの基板の流通量はサファイヤなどの結晶と比べて少なく、酸化亜鉛関連産業をさらに展開する上では、より経済的な基板材料を用い、より高結晶性の酸化亜鉛、およびその固溶体結晶を成長する技術が求められる。 In order to improve electronic element characteristics and optical element characteristics in zinc oxide and its solid solution, or a laminate composed thereof, high crystallinity is required. As means for obtaining highly crystalline zinc oxide and zinc oxide solid solution crystals, in particular, vapor phase growth method using high-quality zinc oxide crystals as a substrate (Non-patent Document 2), or ScAlMgO 4 crystals as a substrate Vapor phase epitaxy (Non-patent Document 3) used as a substrate is disclosed, however, the circulation amount of these substrates is smaller than that of crystals such as sapphire, and it is more economical for further development of zinc oxide related industries. A technique for growing higher crystalline zinc oxide and its solid solution crystal using a typical substrate material is required.

また、高い結晶性と並んで、表面平坦性の高い酸化亜鉛結晶を成長させることも、同様に重要な技術課題となっている。たとえば、有機半導体を用いたエレクトロルミネッセス装置や、液晶を用いた液晶パネルを製造する際に用いられる透明電極は、極めて平坦な表面を持っていることが求められる。酸化亜鉛が極性結晶であることから、その結晶成長時には、自形した水晶の結晶のような鉛筆型、すなわち、一端が尖っていて一端が平らな六角柱状の結晶が得られやすい。より平坦な結晶を得るためには、この晶癖を考慮し、表面に尖った形状が発現しにくい成長方向を選択して結晶成長させる必要がある。例えば、酸化亜鉛単結晶の(000−1)面の上に、パルスレーザー蒸着法で形成した酸化亜鉛は、図1の様な鉛筆の先端側が表面に出たような凹凸構造を持ってしまい、一方、酸化亜鉛単結晶の(0001)面に同様の手段で形成した酸化亜鉛は、図2の様に、平坦な結晶として成長する。   In addition to growing high crystallinity, growing a zinc oxide crystal with high surface flatness is also an important technical issue. For example, an electroluminescent device using an organic semiconductor and a transparent electrode used in manufacturing a liquid crystal panel using liquid crystal are required to have a very flat surface. Since zinc oxide is a polar crystal, at the time of crystal growth, it is easy to obtain a pencil shape like a crystal of a self-shaped crystal, that is, a hexagonal columnar crystal with one end sharp and one end flat. In order to obtain a flatter crystal, it is necessary to consider this crystal habit and to select a growth direction in which a sharp shape on the surface is difficult to develop and to grow the crystal. For example, zinc oxide formed by pulsed laser deposition on the (000-1) plane of zinc oxide single crystal has a concavo-convex structure such that the tip side of the pencil as shown in FIG. On the other hand, zinc oxide formed by the same means on the (0001) plane of zinc oxide single crystal grows as a flat crystal as shown in FIG.

前記の通り、酸化亜鉛、およびその固溶体が自発分極をもった結晶であることから、自発分極の極性を考慮したドーピング技術、あるいは、結晶成長技術が求められる。しかし、半導体を成長するための基板として一般に流通する酸化物ウエファーである、サファイヤ基板等を用いた結晶成長では、酸素面、すなわち(000−1)面を表面とした酸化亜鉛が成長してしまい、これによって、尖った先端をもつ、針状の結晶が並んだような結晶構造となってしまい、また、アクセプターを導入する上で、必ずしも有利ではない構造となってしまっていた。すなわち、より高性能の酸化亜鉛電子素子を構成するためには、自発分極を考慮し、その平坦性、ドーピング容易性を考慮した酸化亜鉛結晶の提供が不可欠となる。
特開2005−72067 特開2003−046081 A.Ohtomo et.al , Applied Physics Letters , Vol.72 , No.19 , 11 May 1998 , 2466−2468 H.Matui et al, Journal of Vacuum Science and Technology B , Vol.22 , No.5 , Sep/Oct 2004 , 2454−2461 A.Ohtomo et.al , Applied Physics Letters , Vol.75 , No.17 , 25 October 1999 , 2635−2637 Maki et al. Jpn. J. Appl. Phys. 42 (2003) 75−77 H. L. Mosbacker, Y. M. Strzhemechny, B. D. White, E. Smith, D. C. Look, D. C. Reynolds, C. W. Litton, and L. J. Brillson, Appl. Phys. Lett. 87, 012102 (2005) K. Nakahara, T. Tanabe, H. Takasu, P. Fons, K. Iwata, A. Yamada, K. Matsubara, R. Hunger, and S. Niki, Jpn. J. Appl. Phys. 40, 250 (2001).)
As described above, since zinc oxide and its solid solution are crystals having spontaneous polarization, a doping technique or crystal growth technique considering the polarity of spontaneous polarization is required. However, in crystal growth using a sapphire substrate or the like, which is an oxide wafer generally distributed as a substrate for growing a semiconductor, zinc oxide having an oxygen plane, that is, a (000-1) plane, grows. This resulted in a crystal structure in which needle-shaped crystals with a pointed tip were arranged, and a structure that was not necessarily advantageous for introducing an acceptor. That is, in order to construct a higher performance zinc oxide electronic device, it is indispensable to provide a zinc oxide crystal in consideration of the spontaneous polarization and its flatness and ease of doping.
JP-A-2005-72067 JP 2003-046081 A A. Ohtomo et. al, Applied Physics Letters, Vol. 72, no. 19, 11 May 1998, 2466-2468 H. Matui et al, Journal of Vacuum Science and Technology B, Vol. 22, no. 5, Sep / Oct 2004, 2454-2461 A. Ohtomo et. al, Applied Physics Letters, Vol. 75, no. 17, 25 October 1999, 2635-2637 Maki et al. Jpn. J. et al. Appl. Phys. 42 (2003) 75-77 H. L. Mosbacker, Y.M. M.M. Strzhemechny, B.M. D. White, E.E. Smith, D.D. C. Look, D.D. C. Reynolds, C.I. W. Litton, and L.L. J. et al. Brillson, Appl. Phys. Lett. 87, 0210102 (2005) K. Nakahara, T .; Tanabbe, H.M. Takasu, P.A. Fons, K.C. Iwata, A.I. Yamada, K .; Matsubara, R.A. Hunger, and S.H. Niki, Jpn. J. et al. Appl. Phys. 40, 250 (2001). )

前述したように、酸化亜鉛、および、酸化亜鉛固溶体からなる電子素子、光素子を製造する上で、酸化亜鉛、および酸化亜鉛固溶体の結晶構造に由来する自発分極の方向を考慮した結晶成長が求められる。これらを実現するには、結晶成長に際しての基板材質の選択、および、結晶成長時の成長条件、あるいは、結晶成長後の後処理等を検討し、所望の自発分極方向、すなわち、所望の結晶成長方向に対して結晶を成長する技術が得られなければならない。かつ、製造コストなどの経済性を考慮した場合、より流通量の多い、安定した供給の得られる基板材質をも使用できる、自発分極方向、すなわち、結晶成長方向を制御した酸化亜鉛を提供することが求められる。   As described above, in the production of electronic devices and optical devices made of zinc oxide and zinc oxide solid solution, crystal growth considering the direction of spontaneous polarization derived from the crystal structure of zinc oxide and zinc oxide solid solution is required. It is done. In order to realize these, the selection of the substrate material during crystal growth, the growth conditions during crystal growth, or post-treatment after crystal growth, etc. are studied, and the desired spontaneous polarization direction, that is, the desired crystal growth. Techniques must be obtained for growing crystals in the direction. In addition, in consideration of economics such as manufacturing cost, to provide a zinc oxide with a controlled spontaneous polarization direction, that is, a crystal growth direction, which can use a substrate material with a larger distribution amount and a stable supply. Is required.

上記課題は、以下の本発明によって解決することができる。
発明1の素子基板は、基板と酸化亜鉛薄膜との間にスピネル型構造の緩衝層を有し、前記酸化亜鉛薄膜は、ウルツ鉱型の結晶構造を有し、その表面が亜鉛(0001)面であることを特徴とする。
The above problems can be solved by the following present invention.
The element substrate of the invention 1 has a buffer layer having a spinel structure between the substrate and the zinc oxide thin film, and the zinc oxide thin film has a wurtzite crystal structure, and the surface thereof is a zinc (0001) surface. It is characterized by being.

発明2は、発明1の素子基板において、前記基板の(11−20)面に緩衝層を有していることを特徴とする。   Invention 2 is characterized in that in the element substrate of Invention 1, a buffer layer is provided on the (11-20) plane of the substrate.

発明3は、発明1又は2の素子基板の製造方法であって、基板上に酸化亜鉛又は/及びその固溶体の結晶を気相成長させるに当たり、亜鉛成分に難固溶性の金属を加え、これを加熱した前記基板上に蒸着することで前記緩衝層を形成し、この緩衝層の表面に前記酸化亜鉛薄膜を成長させることを特徴とする。   Invention 3 is a method for manufacturing an element substrate according to Invention 1 or 2, wherein when a crystal of zinc oxide or / and a solid solution thereof is vapor-phase grown on a substrate, a hardly solid-soluble metal is added to the zinc component. The buffer layer is formed by vapor deposition on the heated substrate, and the zinc oxide thin film is grown on the surface of the buffer layer.

発明4は、発明3の製造方法において、膜形成成分の蒸着に当たり、基板を所定の温度に加熱して、緩衝層を形成することを特徴とする。   The invention 4 is characterized in that, in the production method of the invention 3, when the film forming component is deposited, the substrate is heated to a predetermined temperature to form a buffer layer.

本発明により、亜鉛面を成長面とする結晶成長が実現可能となり、これによって、原子レベルで平坦な材料の提供が可能となることから、素子を形成した際の凹凸が原因となった電界集中等の問題が回避可能となる上に、その製造法に課題が残されているp型酸化亜鉛についても、アクセプターとなる不純物の導入の容易性が高まることから、酸化亜鉛、および、酸化亜鉛固溶体を用いた電子素子、光素子のより高効率な製造と、より高性能な素子特性の実現がもたらされる。   According to the present invention, it is possible to realize crystal growth with a zinc surface as a growth surface, and this makes it possible to provide a flat material at an atomic level, and therefore, electric field concentration caused by unevenness when forming an element. In addition, it is possible to avoid problems such as p-type zinc oxide, and the ease of introduction of impurities as acceptors is also increased with respect to p-type zinc oxide, which remains a problem in the manufacturing method thereof, so that zinc oxide and zinc oxide solid solution This makes it possible to manufacture electronic devices and optical devices using the above, and to realize higher performance device characteristics.

本発明において、基板上に気相成長により酸化亜鉛、あるいは、酸化亜鉛固溶体を成長させる場合、亜鉛面を持った酸化亜鉛は、図2に示すような平坦な表面(亜鉛(0001)面)を有することから、この亜鉛面上に、さらに、n型、p型の導電性制御、あるいは、発光センターを導入した酸化亜鉛を高品質に成長するにあたって、ステップフロー型の結晶成長が可能である。したがって、亜鉛面が成長した酸化亜鉛、あるいは、酸化亜鉛固溶体であって、かつ、図2の様な表面構造を有し、かつ、粒子径の大きな薄膜結晶こそ、極めて平坦性の高い、酸化亜鉛薄膜結晶となり、もっとも、望ましい実施形態となる。   In the present invention, when zinc oxide or a zinc oxide solid solution is grown on a substrate by vapor phase growth, the zinc oxide having a zinc surface has a flat surface (zinc (0001) surface) as shown in FIG. Therefore, step-flow type crystal growth is possible on this zinc surface when growing zinc oxide with n-type or p-type conductivity control or introducing a light emission center with high quality. Therefore, a zinc oxide having a zinc surface grown or a zinc oxide solid solution, having a surface structure as shown in FIG. 2 and having a large particle diameter, is a highly flat zinc oxide. Thin film crystals are the most desirable embodiment.

ここでは、サファイアの(11−20)面を基板として用いた構造を例としてさらに詳しく説明する。サファイアの(11−20)面では、表面での酸素副格子が長方形の角に存在するような表面原子配列となっており、六方晶系の酸化亜鉛がエピタキシャル成長する上で、一般的な(0001)面を表面とするサファイヤ基板に比べて格子整合の視点から有利な表面となっている。平坦化されたZnOの表面では、ZnOの結晶格子の1つ分を単位とするステップ構造が形成される。このステップの発現頻度が少なければ少ないほど、より平坦性の高いZnO膜となる。そのため、ステップ構造の発現周期を長くするための手段として、このサファイヤの(11−20)基板表面を用いるのが望ましい。
なお、サファイアに限らずこれと同様な結晶構造を有するものであれば同様な効果を発揮するものと予測される。
また、上記記述は、一般的な(0001)面を用いることを否定するものではない。材料や要求される平坦度合いによっては、有効に使用できることも予想できる。
Here, the structure using the (11-20) plane of sapphire as a substrate will be described in more detail as an example. The (11-20) plane of sapphire has a surface atomic arrangement in which oxygen sublattices on the surface are present at the corners of the rectangle, and is generally used for epitaxial growth of hexagonal zinc oxide (0001). The surface is advantageous from the viewpoint of lattice matching as compared with a sapphire substrate having a surface. On the planarized surface of ZnO, a step structure having one unit of ZnO crystal lattice as a unit is formed. The lower the frequency of occurrence of this step, the higher the planarity of the ZnO film. Therefore, it is desirable to use the (11-20) substrate surface of this sapphire as a means for lengthening the expression cycle of the step structure.
In addition, if it has not only sapphire but the crystal structure similar to this, it is estimated that the same effect is exhibited.
Further, the above description does not deny the use of a general (0001) plane. Depending on the material and the required flatness, it can be expected that it can be used effectively.

本発明の有効な実施形態は、基板上に形成されたウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化亜鉛、およびその固溶体である単結晶薄膜であって、その表面が(0001)面、すなわち、亜鉛面であることが最も重要である。この素子基板は、n型、あるいは、p型の酸化亜鉛およびその固溶体を堆積することでトランジスタ素子、およびダイオード素子を得ることが出来る。   An effective embodiment of the present invention is a zinc oxide having a wurtzite type crystal structure formed on a substrate, and a single crystal thin film that is a solid solution thereof, the surface of which is a (0001) plane, that is, a zinc plane It is most important that In this element substrate, a transistor element and a diode element can be obtained by depositing n-type or p-type zinc oxide and its solid solution.

例えば、図3の様なステップ、テラス構造を有した酸化亜鉛薄膜結晶の上に、(Mg,Zn)Oという組成でかつウルツ鉱型の結晶構造を持ち、酸化亜鉛に比べて広いバンドギャップを有するn型の固溶体層を形成し、その上に、欠陥濃度の低い無添加のZnO層を形成し、しかるのちに、(Mg,Zn)Oという組成でかつウルツ鉱型の結晶構造を持ち、酸化亜鉛に比べて広いバンドギャップを有するn型の固溶体層を形成することで、酸化亜鉛を基本としたp−i−n型のダブルへテロ構造が得られる。ここで、n型の(Mg,Zn)O、および、p型の(Mg,Zn)Oを得るための手段としては、それぞれ、アルミニウム、ガリウムといったIII属の元素による亜鉛の置換、および、窒素による酸素の置換がある。亜鉛面を有するn型酸化亜鉛薄膜結晶に、金などの金属からなるショットキー電極を形成することによって、ショットキーダイオードの形成がなされる。この際において、電界集中を抑え、安定した素子特性を得るためには、凹凸のない酸化亜鉛が必要であり、本発明が提供する基板上で亜鉛面表面を持ち、かつ、原子レベルでの平坦性を持った酸化亜鉛、あるいは、酸化亜鉛固溶体の使用は、極めて有効な技術である。   For example, on a zinc oxide thin film crystal having a step and terrace structure as shown in FIG. 3, it has a composition of (Mg, Zn) O and a wurtzite type crystal structure, and has a wider band gap than zinc oxide. Forming an n-type solid solution layer having an additive-free ZnO layer having a low defect concentration, and then having a composition of (Mg, Zn) O and a wurtzite type crystal structure, By forming an n-type solid solution layer having a wider band gap than zinc oxide, a pin type double heterostructure based on zinc oxide can be obtained. Here, as means for obtaining n-type (Mg, Zn) O and p-type (Mg, Zn) O, substitution of zinc with group III elements such as aluminum and gallium, and nitrogen, respectively, There is oxygen substitution by. A Schottky diode is formed by forming a Schottky electrode made of a metal such as gold on an n-type zinc oxide thin film crystal having a zinc surface. In this case, in order to suppress electric field concentration and to obtain stable device characteristics, zinc oxide without unevenness is necessary, and the substrate provided by the present invention has a zinc surface and is flat at the atomic level. The use of zinc oxide or a zinc oxide solid solution is a very effective technique.

本発明の実施形態のその二は、基板上に緩衝層を形成した後に、酸化亜鉛薄膜結晶を成長させる点にある。   The second of the embodiments of the present invention is that a zinc oxide thin film crystal is grown after the buffer layer is formed on the substrate.

亜鉛は、その蒸気圧が高いことで知られており、ウエファーを高温に保ち、気相から原料を供給する気相成長によって酸化亜鉛を成長させる際には、ウエファー表面に到達した亜鉛成分が全て酸化亜鉛として結晶化せず、一部は再蒸発している。
例えば、サファイヤ(11−20)面に酸化亜鉛を成長させるに際しては、サファイヤ(0001)面に酸化亜鉛を成長させるのに比べて再蒸発の効果が大きいとされ、例えば、分子線エピタクシー法で、サファイヤ(11−20)面に酸化亜鉛を成長させるにおいては、再蒸発の起こりにくい低温で初期成長を行わなければ、酸化亜鉛が成長しないことが知られている。(非特許文献6)
本発明による酸化亜鉛結晶成長法では、逆にこの再蒸発の効果を利用することで、亜鉛面を表面とする酸化亜鉛を得た。
Zinc is known for its high vapor pressure. When zinc oxide is grown by vapor phase growth in which the wafer is kept at a high temperature and the raw material is supplied from the vapor phase, all the zinc components that have reached the wafer surface are all present. It does not crystallize as zinc oxide and part is re-evaporated.
For example, when growing zinc oxide on the sapphire (11-20) plane, it is considered that the effect of re-evaporation is larger than growing zinc oxide on the sapphire (0001) plane. In growing zinc oxide on the sapphire (11-20) surface, it is known that zinc oxide does not grow unless initial growth is performed at a low temperature at which re-evaporation does not easily occur. (Non-patent document 6)
In the zinc oxide crystal growth method according to the present invention, on the contrary, zinc oxide having the zinc surface as a surface was obtained by utilizing the effect of this re-evaporation.

すなわち、亜鉛に対して難固溶性に金属(例えば、アルミニウム)を含む原料を、高温の基板に対して供給した場合、原料中で再蒸発しやすい亜鉛成分の付着率が低く、逆に、付着率の高い成分が基板表面において高濃度化する。このため、難固溶性の金属(M)の高濃度化は、酸化亜鉛ではなく、MZnO(AlZnO)の核生成を誘起し、基板上には、スピネル型構造(完全なスピネル型構造に限らず多量の欠陥が導入された構造、または、基板との格子不整合のために歪んだ構造など類似の構造も含む)の薄膜が形成される。この(111)配向した薄膜が生成されると、酸化亜鉛の核生成が起こりやすい状況が発生し、特に、原料供給やウエファー温度などの成長条件を変化させなくても、自発的に亜鉛表面を持った酸化亜鉛の核生成が起こる。この様子を図4に示す。 典型的な合成条件としては、例えば、亜鉛に対して1%程度の濃度のアルミニウム(難固溶性金属)を加えた原料を供給した蒸着法であり、基板を6×10℃の保ち、これに結晶成長を実施することにより、スピネル構造を持った(111)配向した層が核生成し、スピネル構造の薄膜で基板が覆われると、酸化亜鉛の核生成がおこり、アルミニウムが添加された、n型で亜鉛面を表面とする酸化亜鉛の成長が開始される。 That is, when a raw material containing a metal (for example, aluminum) that is hardly soluble in zinc is supplied to a high-temperature substrate, the adhesion rate of the zinc component that easily re-evaporates in the raw material is low, and conversely A component having a high rate becomes highly concentrated on the substrate surface. For this reason, increasing the concentration of the hardly soluble metal (M) induces nucleation of M x ZnO 4 (Al 2 ZnO 4 ), not zinc oxide, and a spinel structure (completely formed on the substrate). In addition to a spinel structure, a thin film having a structure in which a large amount of defects are introduced, or a similar structure such as a structure distorted due to lattice mismatch with the substrate is formed. When this (111) -oriented thin film is generated, a situation in which zinc oxide nucleation is likely to occur occurs. In particular, even if the growth conditions such as the raw material supply and the wafer temperature are not changed, the zinc surface is spontaneously formed. Nucleation of zinc oxide occurs. This is shown in FIG. Typical synthesis conditions include, for example, a vapor deposition method in which a raw material to which aluminum (a hardly soluble metal) having a concentration of about 1% is added to zinc is supplied, and the substrate is kept at 6 × 10 2 ° C. (111) -oriented layer having a spinel structure is nucleated, and when the substrate is covered with a thin film having a spinel structure, nucleation of zinc oxide occurs and aluminum is added. The growth of zinc oxide having the zinc surface as the surface is started.

実施例1、およびこれと比較する比較例1からわかるとおり、原料にアルミニウムを加えておいた場合には、供給されたアルミニウムと亜鉛によってスピネル構造を持った緩衝層(界面層)が自発的に形成され、亜鉛面を表面とする酸化亜鉛薄膜が得られる。これに対して、比較例1で示すとおり、アルミニウム(難固溶性金属)を加えていない酸化亜鉛のみの原料で成長させた場合、酸素面を表面とする酸化亜鉛薄膜が得られた。これは、比較例1の結晶成長条件では、サファイヤ基板上にスピネル層が形成されること無しに酸化亜鉛が核生成したことによる物であり、アルミニウムを加えた原料を使ってスピネル様の緩衝層を形成することによって、亜鉛表面を有する酸化亜鉛薄膜結晶が得られることを示す典型的な例となっている。   As can be seen from Example 1 and Comparative Example 1 compared thereto, when aluminum is added to the raw material, a buffer layer (interface layer) having a spinel structure is spontaneously formed by the supplied aluminum and zinc. A zinc oxide thin film formed and having a zinc surface as a surface is obtained. On the other hand, as shown in Comparative Example 1, when grown with only zinc oxide raw material to which aluminum (hardly soluble metal) was not added, a zinc oxide thin film having an oxygen surface as a surface was obtained. This is due to the fact that, under the crystal growth conditions of Comparative Example 1, zinc oxide was nucleated without forming a spinel layer on the sapphire substrate, and a spinel-like buffer layer using a raw material to which aluminum was added. This is a typical example showing that a zinc oxide thin film crystal having a zinc surface can be obtained by forming.

本発明の第三の実施形態は、まず、酸化亜鉛層を形成し、熱処理を施すことによって基板(サファイヤ)のもつ難固溶性金属(アルミニウム)と酸化亜鉛との固相反応を誘起し、これによって、基板(サファイヤ)上に難固溶性金属(アルミニウム)と亜鉛の複合酸化物であるスピネル型構造を有する(111)配向した緩衝層を形成し、スピネル型構造/基板(サファイヤ)という構造をなした後に、酸化亜鉛ないし、その固溶体を緩衝層上に成長する態様である。その概要を図5に示す。酸化亜鉛と基板(サファイヤ)のもつ難固溶性金属(アルミニウム)が高温で反応することによって、基板(サファイヤ)の表面に(111)配向したスピネル構造の結晶質緩衝層を形成することが可能である。   In the third embodiment of the present invention, first, a zinc oxide layer is formed and subjected to heat treatment to induce a solid-state reaction between the hardly soluble metal (aluminum) of the substrate (sapphire) and zinc oxide. To form a (111) -oriented buffer layer having a spinel structure, which is a complex oxide of a hardly soluble metal (aluminum) and zinc, on the substrate (sapphire), and a structure called spinel structure / substrate (sapphire) is formed. Then, zinc oxide or a solid solution thereof is grown on the buffer layer. The outline is shown in FIG. A crystalline buffer layer with a (111) -oriented spinel structure can be formed on the surface of the substrate (sapphire) by reacting zinc oxide and the hardly soluble metal (aluminum) of the substrate (sapphire) at a high temperature. is there.

最初に形成する酸化亜鉛層については、比較的低温での気相成長も可能であり、数十ナノメートル程度の厚さを持った酸化亜鉛層が形成されればよい。また、図5に見られるように、最初に形成するZnO層は、図1の様な針状の凹凸をもった酸化亜鉛であっても差し支えない。スピネル層を形成するための熱処理は、固相拡散を誘起する必要があるため、酸化物中の拡散係数を考慮すると、少なくとも8×10℃以上の高温であることが望ましい。前項の連続して成長しながら緩衝層となるスピネル構造層を形成する方法では、亜鉛原料を供給しつつ、スピネル構造層を形成するが、本項の方法では、亜鉛の供給無しに緩衝層を形成するため、特に高い温度での熱処理を施した場合、スピネル構造の結晶相の生成と蒸発による亜鉛の消失との競争になるため、熱処理温度は、亜鉛の蒸発が起こりつつも、スピネル構造の層が形成されるにたる温度でなければならない。 The zinc oxide layer formed first can be vapor-grown at a relatively low temperature, and a zinc oxide layer having a thickness of about several tens of nanometers may be formed. Further, as seen in FIG. 5, the ZnO layer formed first may be zinc oxide having needle-like irregularities as shown in FIG. Since the heat treatment for forming the spinel layer needs to induce solid phase diffusion, it is desirable that the temperature be at least 8 × 10 2 ° C. or higher in consideration of the diffusion coefficient in the oxide. In the method of forming the spinel structure layer that becomes the buffer layer while continuously growing as described in the previous section, the spinel structure layer is formed while supplying the zinc raw material, but in the method of this section, the buffer layer is formed without supplying zinc. In particular, when heat treatment is performed at a high temperature, the formation of a spinel structure crystal phase and the disappearance of zinc due to evaporation are in competition. It must be at the temperature at which the layer is formed.

(111)配向した緩衝層が形成されたのちに、酸化亜鉛薄膜結晶、あるいは、酸化亜鉛固溶体薄膜結晶を気相成長によって成長させることにより、亜鉛面を表面とする酸化亜鉛結晶薄膜を得ることができる。また、本方法を用いて亜鉛面を表面に持つ酸化亜鉛、あるいは、酸化亜鉛固溶体を製造する場合、基板は、(0001)面、(11−20)面の何れかを用いる。なお、スピネル構造の緩衝層を形成するための熱処理にあっては、酸化亜鉛の蒸発を阻止し、スピネル構造の形成を促すため、基板上に酸化亜鉛を堆積させた構造に、例えば、研磨された酸化ジルコニウム単結晶などの平坦表面を有するカバーをかけて熱処理することも有効である。   After the (111) oriented buffer layer is formed, a zinc oxide thin film having a zinc surface as a surface can be obtained by growing a zinc oxide thin film crystal or a zinc oxide solid solution thin film crystal by vapor phase growth. it can. Moreover, when manufacturing the zinc oxide which has a zinc surface on the surface using this method, or a zinc oxide solid solution, a substrate uses either a (0001) surface or a (11-20) surface. In the heat treatment for forming the buffer layer of the spinel structure, for example, the structure in which zinc oxide is deposited on the substrate is polished to prevent evaporation of zinc oxide and promote the formation of the spinel structure. It is also effective to heat-treat with a cover having a flat surface such as zirconium oxide single crystal.

本発明の第四の実施形態は、熱処理を施すことによって基板(サファイヤ)のもつ難固溶性金属(アルミニウム)と酸化亜鉛との固相反応と酸化亜鉛の再結晶化を誘起し、これによって、基板上にスピネル型構造を有する(111)配向した緩衝層を界面に形成した酸化亜鉛/スピネル構造/基板という構造を得る成長法である。その概要を図6に示す。   In the fourth embodiment of the present invention, by subjecting the substrate (sapphire) to heat treatment, a solid-state reaction between the hardly soluble metal (aluminum) of the substrate and zinc oxide and recrystallization of zinc oxide are induced. This is a growth method for obtaining a structure of zinc oxide / spinel structure / substrate in which a (111) -oriented buffer layer having a spinel structure is formed on the substrate at the interface. The outline is shown in FIG.

この手段は、緩衝層の形成と酸化亜鉛膜の形成を一段の熱処理によって実現する方法として特徴づけられる。なお、最初に形成する酸化亜鉛膜は、必ずしも平坦構造を有する必要はなく、図1の様な針状の結晶からなる凹凸構造の酸化亜鉛膜で差し支えない。基板上に酸化亜鉛を形成した構造体に対して、酸化亜鉛の過度な蒸発を妨ぐためのカバーを掛け、これを、酸化亜鉛の穏やかな昇華が起こる温度にて熱処理する。カバーとしては、よく研磨された酸化ジルコニウムの単結晶のように、平坦表面を持ったカバーであることが望ましい。また、熱処理温度は、スピネル構造を保った緩衝層の形成が起こるにたる固相拡散速度を確保し、かつ、酸化亜鉛の再結晶化を促進するため、10×10℃以上から15×10℃以下の高温が望ましい。この熱処理によって、基板と酸化亜鉛との界面においてスピネル構造の層が形成されると共に、形成過程にあるスピネル構造の結晶相上に酸化亜鉛が再結晶化することによって、亜鉛面を表面とする単結晶酸化亜鉛薄膜結晶が得られる。 This means is characterized as a method for realizing the formation of the buffer layer and the formation of the zinc oxide film by one-step heat treatment. Note that the zinc oxide film formed first does not necessarily have a flat structure, and may be a concavo-convex zinc oxide film made of needle-like crystals as shown in FIG. A cover for preventing excessive evaporation of zinc oxide is put on the structure in which zinc oxide is formed on the substrate, and this is heat-treated at a temperature at which mild sublimation of zinc oxide occurs. The cover is preferably a cover having a flat surface, such as a well-polished zirconium oxide single crystal. Also, the heat treatment temperature is 10 × 10 2 ° C. or more to 15 × 10 5 to ensure the solid phase diffusion rate at which the formation of the buffer layer having the spinel structure occurs and to promote the recrystallization of zinc oxide. High temperatures below 2 ° C are desirable. By this heat treatment, a spinel layer is formed at the interface between the substrate and zinc oxide, and the zinc oxide is recrystallized on the crystalline phase of the spinel structure in the formation process, so that a single surface with the zinc surface as the surface is formed. Crystalline zinc oxide thin film crystals are obtained.

ただし、この方法で得られる酸化亜鉛薄膜結晶は、基板との固相反応の過程で得られるモノであるため、基板(サファイヤ)のもつ難固溶性金属(アルミニウム)不純物が侵入した酸化亜鉛となりやすく、主に、酸化亜鉛電子素子を形成する際のn型の電極層の形成において有効な方法である。   However, since the zinc oxide thin film crystal obtained by this method is a thing obtained in the process of solid-phase reaction with the substrate, it is likely to be zinc oxide into which the hardly soluble metal (aluminum) impurities of the substrate (sapphire) have invaded This is mainly an effective method for forming an n-type electrode layer when forming a zinc oxide electronic device.

また、本発明は、緩衝層(AlZnO層)として機能させた結晶成長によって亜鉛表面を有する酸化亜鉛、あるいは、酸化亜鉛固溶体を基板(サファイヤ)上に形成したものであるが、単純にスピネル型構造を有する結晶を基板として用いる、という手段は、必ずしも亜鉛面を表面とし、電子素子形成に応用可能な平坦な表面を有する酸化亜鉛、あるいは、酸化亜鉛固溶体の製造に適した方法とはなり得ない。すなわち、比較例2に示すように、スピネル構造をもつ酸化物の代表例であるAlMgOを基板としてこれに酸化亜鉛を成長させたものは、単結晶薄膜を得るという視点において、その熱的安定性などの視点から、最適な手段とはなり得ない。 In the present invention, zinc oxide having a zinc surface or zinc oxide solid solution is formed on a substrate (sapphire) by crystal growth functioning as a buffer layer (Al 2 ZnO 4 layer). The method of using a crystal having a spinel structure as a substrate is a method suitable for manufacturing zinc oxide or a zinc oxide solid solution having a flat surface that can be applied to the formation of electronic elements, not necessarily the zinc surface. It can't be. That is, as shown in Comparative Example 2, a material in which zinc oxide is grown on Al 2 MgO 4 , which is a representative example of an oxide having a spinel structure, is obtained from the viewpoint of obtaining a single crystal thin film. It cannot be the most appropriate method from the viewpoint of stability.

すなわち、(111)面を有するAlMgOを基板として結晶成長をおこなった場合、確かに、(0001)配向した酸化亜鉛を得ることは可能である。しかし、(111)面を有するAlMgOを基板として成長した酸化亜鉛の表面平坦性を高めるための熱処理を施した場合、AlMgOの内のマグネシウムが酸化亜鉛薄膜中に拡散し、酸化亜鉛が、(Zn,Mg)O膜に変化してしまうと共に、AlMgOの内のマグネシウムが酸化亜鉛薄膜中に拡散した結果として余剰のアルミニウム成分が存在する結果となり、ZnO/AlMgO界面には、(Zn,Mg)O、アルミナ、Al(Zn,Mg)O固溶体などの複数の結晶相が形成され、それらが界面の平坦性を損なわせる働きをもってしまう。これによって、酸化亜鉛薄膜表面の凹凸が顕著となる、あるいは、酸化亜鉛薄膜の結晶配向性に乱れが生じてしまう、という好まれざる結果をもたらすこととなる。 That is, when crystal growth is performed using Al 2 MgO 4 having a (111) plane as a substrate, it is certainly possible to obtain (0001) -oriented zinc oxide. However, when heat treatment for increasing the surface flatness of zinc oxide grown using Al 2 MgO 4 having a (111) plane as a substrate is performed, magnesium in Al 2 MgO 4 diffuses into the zinc oxide thin film, zinc oxide becomes a (Zn, Mg) results with O film varies, magnesium of the Al 2 MgO 4 surplus aluminum component is present as a result of the diffused into the zinc oxide thin film, ZnO / Al 2 A plurality of crystal phases such as (Zn, Mg) O, alumina, and Al 2 (Zn, Mg) O 4 solid solution are formed at the MgO 4 interface, and they have a function of impairing the flatness of the interface. As a result, the unevenness on the surface of the zinc oxide thin film becomes remarkable, or the crystal orientation of the zinc oxide thin film is disturbed.

したがって、単純にスピネル構造を有し(111)表面を持った結晶相を基板として用いることで得られる効果は限定的であり、こうしたことも考慮した結果、本発明は、基板材料としてサファイヤを用い、これと亜鉛成分とが反応することによって形成される(111)配向したスピネル構造と類似の構造を持った層を緩衝層とすることで、問題を回避出来ることを見出したものである。   Therefore, the effect obtained by simply using a crystal phase having a spinel structure and a (111) surface as a substrate is limited, and as a result of considering this, the present invention uses sapphire as a substrate material. The present inventors have found that the problem can be avoided by using a layer having a structure similar to the (111) -oriented spinel structure formed by the reaction of this and the zinc component as a buffer layer.

サファイヤ(11−20)基板上にパルスレーザー蒸着法によって酸化亜鉛薄膜を形成する。成長中の基板温度は、7×10℃とし、アルミニウムを1%添加した酸化亜鉛焼結体をターゲットとして用いる。特に、成長中に成長条件を変化させることなく、約400nmの厚さの酸化亜鉛薄膜を合成する。こうすることで、導電性の酸化亜鉛薄膜が得られる。また、こうして得られる酸化亜鉛薄膜の結晶極性についてイオン散乱分光による解析を行えば、図7に示すように得られた薄膜は、亜鉛表面を有する酸化亜鉛薄膜であることが確認できる。 A zinc oxide thin film is formed on a sapphire (11-20) substrate by pulsed laser deposition. The substrate temperature during growth is 7 × 10 2 ° C., and a zinc oxide sintered body to which 1% of aluminum is added is used as a target. In particular, a zinc oxide thin film having a thickness of about 400 nm is synthesized without changing the growth conditions during growth. By doing so, a conductive zinc oxide thin film can be obtained. Further, if the crystal polarity of the zinc oxide thin film thus obtained is analyzed by ion scattering spectroscopy, it can be confirmed that the thin film obtained as shown in FIG. 7 is a zinc oxide thin film having a zinc surface.

こうしてえら得る薄膜構造では、スピネル構造類似の結晶相が、自発的に形成された緩衝層の役割を果たすことによって、亜鉛表面を有する酸化亜鉛薄膜が得られる。この亜鉛表面を持つ酸化亜鉛結晶に対して、さらに、無添加のネイティブなn型伝導を示す酸化亜鉛を堆積し、さらにショットキー電極と、特開2004−183038の実施例1に示されているように、真空槽内で直流プラズマが発生した状態においてインジウム金属を加熱・蒸発させて、n型伝導性酸化亜鉛上へ低接触抵抗電極を形成することを主とする形成法によりインジウムオーミック電極を形成する。すると、図8の様な、透明電極層を下部電極として用いたショットキーダイオードが得られる。ここでは、パルスレーザー蒸着を用いた結晶成長を行うことで本発明を実施する例を示したが、この結晶成長手段をはじめ、本実施例の示すところは、あくまで例であって、本発明の適用範囲を限定するモノではない。   In the thin film structure thus obtained, a zinc oxide thin film having a zinc surface is obtained by a crystal phase similar to a spinel structure serving as a spontaneously formed buffer layer. Zinc oxide having an additive-free native n-type conductivity is further deposited on the zinc oxide crystal having the zinc surface, and a Schottky electrode is disclosed in Example 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-183038. Thus, an indium ohmic electrode is formed by a forming method mainly comprising heating and evaporating indium metal in a state where DC plasma is generated in a vacuum chamber to form a low contact resistance electrode on the n-type conductive zinc oxide. Form. Then, a Schottky diode using the transparent electrode layer as the lower electrode as shown in FIG. 8 is obtained. Here, an example in which the present invention is implemented by performing crystal growth using pulsed laser deposition has been shown, but this crystal growth means and the examples shown in the present example are only examples, and It is not a thing that limits the scope of application.

比較例1Comparative Example 1

サファイヤ(11−20)基板上にパルスレーザー蒸着法によって酸化亜鉛薄膜を形成する。成長中の基板温度は、7×10℃とし、アルミニウムを添加していない純粋な酸化亜鉛焼結体をターゲットとして用いる。特に、成長中に成長条件を変化させることなく、約400nmの厚さの酸化亜鉛薄膜を合成する。すると、導電性の酸化亜鉛薄膜が得られる。しかし、こうして得られるZnOに対して、イオン散乱分光による解析等を行うと図9のように、得られた薄膜は、酸素表面を有する酸化亜鉛薄膜であることが確認できる。すなわち、積極的なアルミニウムの供給がなされていない状況では、スピネル構造類似の結晶相の自発的な形成がおこらず、酸素表面を有する酸化亜鉛薄膜が得られ、所望の亜鉛面を表面とする酸化亜鉛は、得られない。 A zinc oxide thin film is formed on a sapphire (11-20) substrate by pulsed laser deposition. The substrate temperature during growth is 7 × 10 2 ° C., and a pure zinc oxide sintered body to which aluminum is not added is used as a target. In particular, a zinc oxide thin film having a thickness of about 400 nm is synthesized without changing the growth conditions during growth. Then, a conductive zinc oxide thin film is obtained. However, when the thus obtained ZnO is analyzed by ion scattering spectroscopy, it can be confirmed that the obtained thin film is a zinc oxide thin film having an oxygen surface as shown in FIG. That is, in the situation where no positive supply of aluminum is made, the formation of a crystal phase similar to the spinel structure does not occur spontaneously, and a zinc oxide thin film having an oxygen surface is obtained. Zinc cannot be obtained.

サファイヤ基板上に酸化亜鉛薄膜を形成する。薄膜の厚さは、20nmとする。これを1100℃で熱処理することによって、サファイヤ中のアルミニウムと酸化亜鉛との固相反応を誘起し、結果として、(111)配向したスピネル構造薄膜をえる。このスピネル構造を有する緩衝層を形成したサファイヤ基板に対して、パルスレーザー蒸着法によって、マグネシウムを5%添加したターゲットを用いて、基板温度600℃にて薄膜を形成すると、亜鉛面を表面とする酸化亜鉛薄膜が形成される。これに、さらに1100℃での熱処理を施すことによって、特に、平坦な表面を有するZnO固溶体薄膜が得られる。このZnO固溶体薄膜は、酸化亜鉛ダイオード、あるいは、酸化亜鉛トランジスターの製造に供することのできる、亜鉛表面を有する平坦な表面を持った基板材料として利用される。ここでは、パルスレーザー蒸着を用いた結晶成長を行うことで本発明を実施する例を示したが、この結晶成長手段をはじめ、本実施例の示すところは、あくまで例であって、本発明の適用範囲を限定するものではない。   A zinc oxide thin film is formed on a sapphire substrate. The thickness of the thin film is 20 nm. By heat-treating this at 1100 ° C., a solid phase reaction between aluminum and zinc oxide in sapphire is induced, and as a result, a (111) -oriented spinel structure thin film is obtained. When a thin film is formed on a sapphire substrate on which a buffer layer having a spinel structure is formed at a substrate temperature of 600 ° C. by using a target to which 5% of magnesium is added by a pulse laser deposition method, the zinc surface becomes the surface. A zinc oxide thin film is formed. By subjecting this to a heat treatment at 1100 ° C., a ZnO solid solution thin film having a flat surface can be obtained. This ZnO solid solution thin film is used as a substrate material having a flat surface having a zinc surface, which can be used for manufacturing a zinc oxide diode or a zinc oxide transistor. Here, an example in which the present invention is implemented by performing crystal growth using pulsed laser deposition has been shown, but this crystal growth means and the examples shown in the present example are only examples, and The scope of application is not limited.

比較例2Comparative Example 2

AlZnOと同じスピネル型の結晶構造を有するAlMgO単結晶であり、平坦に研磨された(111)表面を有するウエファーを基板として酸化亜鉛薄膜を成長する。この場合の薄膜の成長は、無添加の酸化亜鉛をターゲットとしたパルスレーザー蒸着によって行う。これにより、c軸配向した比較的平坦な酸化亜鉛薄膜が、AlMgO単結晶上に形成される。この酸化亜鉛薄膜の結晶性の向上、および、表面平坦性の向上を実現するために、熱処理を行うことは一般的に想定されることである。そこで、この薄膜に1100℃にて熱処理を加えると、酸化亜鉛薄膜の平坦化は起こらず、逆に、六角柱状の結晶粒が凝集した配向性の低い薄膜へと変化し、目的の達成はおろか、かえってエピタキシャル構造を言う視点では、かえって劣化した状態の薄膜結晶となってしまう。これは、界面で起こった反応が、AlMgOの分解を促す反応となっており、薄膜と基板との界面の平坦性を損ねる方向の反応となるためである。 A zinc oxide thin film is grown using a wafer having an Al 2 MgO 4 single crystal having the same spinel type crystal structure as Al 2 ZnO 4 and having a flat (111) surface as a substrate. In this case, the growth of the thin film is performed by pulsed laser deposition using undoped zinc oxide as a target. Thereby, a relatively flat zinc oxide thin film with c-axis orientation is formed on the Al 2 MgO 4 single crystal. In order to improve the crystallinity and surface flatness of the zinc oxide thin film, it is generally assumed that heat treatment is performed. Therefore, when this thin film is subjected to heat treatment at 1100 ° C., the zinc oxide thin film does not flatten, but on the contrary, it changes to a thin film with low orientation, in which hexagonal columnar crystal grains are aggregated. On the other hand, from the viewpoint of an epitaxial structure, it becomes a thin film crystal in a deteriorated state. This is because the reaction occurring at the interface is a reaction that promotes the decomposition of Al 2 MgO 4 , and the reaction tends to impair the flatness of the interface between the thin film and the substrate.

サファイヤ基板上に酸化亜鉛薄膜を形成する。薄膜の厚さは、200nmとする。この時点では、得られたZnOは、酸素面を表面とする酸化亜鉛薄膜であり、かつ、これに、過度の亜鉛の蒸発を回避するためのカバーとして(111)面を平坦研磨した酸化ジルコニウム単結晶を載せた状態で、1200℃にて熱処理を施す。すると、サファイヤと酸化亜鉛の界面に、スピネル構造を持ったAlZnO層が形成され、かつ、気相を介した酸化亜鉛の結晶化がおこり、酸化亜鉛/スピネル構造AlZnO/サファイヤ、からなる構造が形成する。このとき、酸化亜鉛の表面は、亜鉛面となっており、表面には、ステップテラス構造が形成される。得られたZnOは、室温での電子濃度が1019cm−3のn型導電体となっている。 A zinc oxide thin film is formed on a sapphire substrate. The thickness of the thin film is 200 nm. At this time, the obtained ZnO is a zinc oxide thin film having an oxygen surface as a surface, and a zirconium oxide single-layer having a (111) surface polished flat as a cover for avoiding excessive evaporation of zinc. A heat treatment is performed at 1200 ° C. with the crystals placed. Then, an Al 2 ZnO 4 layer having a spinel structure is formed at the interface between sapphire and zinc oxide, and crystallization of zinc oxide occurs via the gas phase, and the zinc oxide / spinel structure Al 2 ZnO 4 / sapphire is formed. A structure consisting of At this time, the surface of zinc oxide is a zinc surface, and a step terrace structure is formed on the surface. The obtained ZnO is an n-type conductor having an electron concentration of 10 19 cm −3 at room temperature.

本発明によれば、流通量の多い安価な基板上に、平滑でかつアクセプターとなる不純物を容易に導入できる酸化亜鉛薄膜またはその固溶体である酸化亜鉛薄膜を提供できることから、より安価で高効率な発光ダイオードやレーザーなどの発光素子が実現できる。酸化亜鉛はバンドギャップが約3.4eVで励起子エネルギーが室温で約60meVと大きいことから紫外領域での高効率発光素子が実現でき、これらは光学ディスプレイ、データ記憶装置、通信デバイス、照明装置、医療機器など幅広い分野での応用が期待される。   According to the present invention, it is possible to provide a zinc oxide thin film or a zinc oxide thin film that is a solid solution thereof that can be easily introduced into a smooth and acceptor impurity on an inexpensive substrate having a large amount of circulation. Light emitting elements such as light emitting diodes and lasers can be realized. Zinc oxide has a band gap of about 3.4 eV and an exciton energy of about 60 meV at room temperature, so that a high-efficiency light-emitting element in the ultraviolet region can be realized. These include optical displays, data storage devices, communication devices, lighting devices, Applications in a wide range of fields such as medical equipment are expected.

酸素終端表面をもって成長した酸化亜鉛の様子の模式図Schematic diagram of zinc oxide grown with oxygen-terminated surface 亜鉛終端表面をもって成長した酸化亜鉛の様子の模式図Schematic diagram of zinc oxide grown with a zinc terminated surface ステップテラス構造を持つZnOの表面の原子間力顕微鏡像Atomic force microscope image of ZnO surface with step terrace structure 亜鉛の再蒸発により、供給した、アルミニウム、亜鉛、酸素の成分からAlZnOが最初に核生成し、このAlZnOの存在によって亜鉛の付着率が増加して再蒸発が抑制されることで、自発的に形成されたAlZnO緩衝層上にZnOが形成される。By re-evaporation of zinc, Al 2 ZnO 4 is first nucleated from the supplied components of aluminum, zinc and oxygen, and the presence of this Al 2 ZnO 4 increases the zinc adhesion rate and suppresses re-evaporation. Thus, ZnO is formed on the spontaneously formed Al 2 ZnO 4 buffer layer. サファイヤ上のZnO層とサファイヤを反応させると、AlZnOが核生成し、AlZnO層が形成され、成長を再開するとAlZnO緩衝層上にZnOが形成されるWhen the ZnO layer on the sapphire is reacted with sapphire, Al 2 ZnO 4 is nucleated to form the Al 2 ZnO 4 layer, and when growth is resumed, ZnO is formed on the Al 2 ZnO 4 buffer layer. サファイヤ上に成長した酸化亜鉛に対して熱処理を加え、界面にAlZnO緩衝層、を形成させながら、酸化亜鉛の再結晶化を促す工程の概要Outline of the process that promotes recrystallization of zinc oxide while applying heat treatment to zinc oxide grown on sapphire to form an Al 2 ZnO 4 buffer layer at the interface 実施例1で製造された酸化亜鉛薄膜のイオン散乱分光波形。亜鉛表面を持つ酸化亜鉛単結晶標準試料との比較4 is an ion scattering spectral waveform of the zinc oxide thin film manufactured in Example 1. FIG. Comparison with zinc oxide single crystal standard sample with zinc surface 実施例1で製造された酸化亜鉛ショットキーダイオードの概略図Schematic of the zinc oxide Schottky diode manufactured in Example 1 比較例1で製造された酸化亜鉛薄膜のイオン散乱分光波形。酸素表面を持つ酸化亜鉛単結晶標準試料との比較The ion scattering spectroscopy waveform of the zinc oxide thin film manufactured by the comparative example 1. Comparison with zinc oxide single crystal standard sample with oxygen surface

Claims (4)

基板と酸化亜鉛又は/及びその固溶体である酸化亜鉛薄膜を有する素子基板であって、前記基板と前記酸化亜鉛薄膜との間にスピネル型構造の緩衝層を有し、前記酸化亜鉛薄膜は、ウルツ鉱型の結晶構造を有し、その表面が亜鉛(0001)面であることを特徴とする素子基板。   An element substrate having a zinc oxide thin film that is a substrate and zinc oxide or / and a solid solution thereof, and has a buffer layer having a spinel structure between the substrate and the zinc oxide thin film. An element substrate having an ore-type crystal structure, the surface of which is a zinc (0001) plane. 請求項1に記載の素子基板において、前記基板の(11−20)面に緩衝層を有していることを特徴とする素子基板。   2. The element substrate according to claim 1, further comprising a buffer layer on a (11-20) plane of the substrate. 請求項1又は2に記載の素子基板の製造方法であって、基板上に酸化亜鉛又は/及びその固溶体の結晶を気相成長させるに当たり、亜鉛成分に難固溶性の金属を加え、これを加熱した前記基板上に蒸着することで前記緩衝層を形成し、この緩衝層の表面に前記酸化亜鉛薄膜を成長させることを特徴とする。   3. The method of manufacturing an element substrate according to claim 1 or 2, wherein when a zinc oxide or / and a solid solution crystal thereof is vapor-phase grown on the substrate, a hardly soluble metal is added to the zinc component and heated. The buffer layer is formed by vapor deposition on the substrate, and the zinc oxide thin film is grown on the surface of the buffer layer. 請求項3に記載の製造方法において、膜形成成分の蒸着に当たり、基板を所定の温度に加熱して、緩衝層を形成することを特徴とする。   4. The manufacturing method according to claim 3, wherein the buffer layer is formed by heating the substrate to a predetermined temperature when depositing the film forming component.
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