JP2010157574A - Zinc oxide-based semiconductor, and method and device for manufacturing same - Google Patents

Zinc oxide-based semiconductor, and method and device for manufacturing same Download PDF

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明伯 纐纈
Yoshinao Kumagai
義直 熊谷
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哲雄 藤井
Naoki Yoshii
直樹 吉井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a zinc oxide-based semiconductor capable of preventing unintended incorporation of impurities, and sufficiently doping p-type impurities even at high temperature; and a method and device for manufacturing the same. <P>SOLUTION: A reactive gas with a halogenated group II metal gas containing at least zinc and an oxygen-containing gas mixed with each other is introduced onto a substrate 1, and a group V hydrogenated gas is introduced onto the substrate 1 as a p-type impurity material gas. Thus, a zinc oxide-based semiconductor 2 with p-type impurities doped therein is crystal-grown on the substrate 1. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明はV族元素のドーピングを行った酸化亜鉛(以下ZnO)系半導体、及び酸化亜鉛系半導体の製造方法並びに製造装置に関する。   The present invention relates to a zinc oxide (hereinafter referred to as ZnO) -based semiconductor doped with a group V element, a method for manufacturing a zinc oxide-based semiconductor, and a manufacturing apparatus.

ZnO結晶は、バンドギャップが約3.37eV程度の直接遷移型半導体であり、ホールと電子が固体内で結合した励起子の束縛エネルギーが60meVと大きく、室温でも安定に存在するため、安価で環境負荷も小さく、青色領域から紫外領域までの発光デバイスとして期待されている。   ZnO crystal is a direct transition type semiconductor with a band gap of about 3.37 eV, the exciton binding energy of holes and electrons in solids is as large as 60 meV, and it is stable even at room temperature. The load is small and it is expected as a light emitting device from the blue region to the ultraviolet region.

ZnO結晶は、発光デバイス以外にも用途は広く、受光素子や圧電素子、トランジスタ、透明電極などの応用も期待されている。これらの用途に使用するには、量産性に優れた高品質のZnO結晶成長技術の確立が極めて重要であるとともに、半導体の伝導性を制御するドーピング技術も重要である。   ZnO crystals have a wide range of uses other than light-emitting devices, and applications such as light receiving elements, piezoelectric elements, transistors, and transparent electrodes are also expected. For use in these applications, establishment of a high-quality ZnO crystal growth technique excellent in mass productivity is extremely important, and a doping technique for controlling the conductivity of a semiconductor is also important.

特にZnOのp型化はZnOデバイス開発の大きな障壁となっており、現在でも多くの機関がZnOのp型化に注力している。ZnO系半導体へのp型ドーピング材料は、酸素原子をV族元素に置き換える方法が多くの機関で検討されており、N(窒素), As(砒素)、P(リン)、Sb(アンチモン)等が候補に挙げられる。この中でもNはイオン半径が酸素と同程度であり、ZnOのp型ドーパント候補として有力である。   In particular, ZnO p-type has become a major barrier to ZnO device development, and many organizations are still focusing on making ZnO p-type. As a p-type doping material for ZnO-based semiconductors, a method for replacing oxygen atoms with group V elements has been studied by many organizations. N (nitrogen), As (arsenic), P (phosphorus), Sb (antimony), etc. Is a candidate. Among these, N has an ionic radius similar to that of oxygen, and is a promising candidate for a p-type dopant of ZnO.

通常ワイドギャップ半導体中のアクセプタレベルは深いものが多く、室温付近では活性化率が低いことが知られている。例えばZnOと同程度のバンドギャップを持つ窒化ガリウムの場合、p型ドーパントであるMgの室温での活性化率は数%と低く、通常、光デバイスで使用するキャリア濃度(1×1017cm−3を越える濃度が必要)を実現するために、1019台以上のMgがドーピングされている。 Usually, the acceptor level in a wide gap semiconductor is often deep, and it is known that the activation rate is low near room temperature. For example, in the case of gallium nitride having a band gap similar to that of ZnO, the activation rate of Mg, which is a p-type dopant, is as low as several percent, and the carrier concentration (1 × 10 17 cm to achieve the 3 required concentrations above), 10 19 or more units of Mg is doped.

ZnOへの窒素の高ドーピングはこれまで高温領域では困難と考えられてきた。例えば、特許文献1では窒素が多くドーピングできる300℃程度の低温で高濃度のNをドーピングしたZnO層を形成し、800℃程度の高温でアニール処理と低濃度Nドーピング層を形成するシーケンスを繰り返す方法が提案されている。この発明では基板をレーザーで加熱するパルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法を採用しており、数分という短時間の内に急速昇温、降温が可能な方法であるが、サンプルの昇温、降温中にも酸化亜鉛を成長するステップが含まれており、特に自然冷却である降温中の温度制御を再現よく実行するのは困難である。   Until now, high doping of ZnO with nitrogen has been considered difficult at high temperatures. For example, in Patent Document 1, a ZnO layer doped with high-concentration N is formed at a low temperature of about 300 ° C., in which a large amount of nitrogen can be doped, and a sequence of annealing and forming a low-concentration N-doped layer at a high temperature of about 800 ° C. is repeated. A method has been proposed. In the present invention, a pulsed laser deposition (PLD) method in which the substrate is heated with a laser is adopted, and the temperature can be rapidly raised and lowered within a short time of several minutes. The step of growing zinc oxide is also included during temperature reduction and temperature reduction, and it is particularly difficult to perform temperature control during temperature reduction, which is natural cooling, with good reproducibility.

上記のように、窒素のドーピング効率は、成長温度に強く依存するが、基板温度を下げると、結晶性が低下し、窒素が活性化しないので、p型ZnOの形成が非常に難しくなる。   As described above, the doping efficiency of nitrogen strongly depends on the growth temperature. However, if the substrate temperature is lowered, the crystallinity is lowered and nitrogen is not activated, so that it is very difficult to form p-type ZnO.

また、窒素ドーピングを行う高真空プロセス装置には、上記PLDの他に分子線エピタキシャル成長(MBE:Molecular Beam Epitaxy)装置もあるが、Nドーピング源にラジカルセルを用いたNプラズマを使用する場合が多い。このように、ラジカルセルを用いる装置では、ラジカル元素を増加させるために、プラズマパワーを上げると、セルの内壁がスパッタされ、内壁材料がZnO中にドーピングされてしまうという欠点がある。   In addition to the PLD, there is a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus as a high vacuum process apparatus for performing nitrogen doping, but N plasma using a radical cell as an N doping source is often used. . Thus, in an apparatus using a radical cell, when the plasma power is increased in order to increase radical elements, the inner wall of the cell is sputtered and the inner wall material is doped into ZnO.

内壁材料がZnO中にドーピングされると、汚染源にもなることも多く、望みの組成、p型ドーピングを得るのが難しいだけでなく、意図しない不純物の導入によってイオン濃度の制御性を困難にするという問題があった。   When the inner wall material is doped in ZnO, it often becomes a source of contamination, and it is difficult not only to obtain a desired composition and p-type doping but also to make it difficult to control the ion concentration by introducing unintended impurities. There was a problem.

一方、高真空を必要としないZnO系半導体の製造方法として、III−V族半導体の結晶成長に広く用いられている有機金属気相堆積成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法がある。しかしながら、上述したMOCVD法では、亜鉛の蒸気圧の問題により、成長基板上でZnO系半導体の成長に寄与できる亜鉛の割合が小さく、亜鉛を含む材料の効率が低いといった問題がある。     On the other hand, there is a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method widely used for crystal growth of III-V semiconductors as a method for producing a ZnO-based semiconductor that does not require high vacuum. However, in the MOCVD method described above, due to the problem of the vapor pressure of zinc, there is a problem that the proportion of zinc that can contribute to the growth of the ZnO-based semiconductor on the growth substrate is small and the efficiency of the material containing zinc is low.

またDMZn(ジメチル亜鉛)やDEZn(ジエチル亜鉛)などの有機金属と酸素材料の反応性が高く、通常のIII−V族半導体用MOCVDで採用されている数100 Torr程度の圧力での成長では、基板にガスが到達する前に気相中で有機金属と酸素材料が反応しやすく(過早反応)、原料吹き出し口部のつまりやパーティクルの原因となる。   Further, the reactivity of organic materials such as DMZn (dimethylzinc) and DEZn (diethylzinc) and oxygen materials is high, and in the growth at a pressure of about several hundred Torr, which is adopted in a normal III-V group MOCVD MOCVD, Before the gas reaches the substrate, the organic metal and the oxygen material easily react in the gas phase (premature reaction), which may cause clogging of the raw material outlet and particles.

また、亜鉛を含む有機金属材料ガスを分解させた際に生じる炭化水素基によってZnO系半導体中に炭素が混入するため、炭素を含まないZnO系半導体の成長が難しいといった問題がある。   Another problem is that it is difficult to grow a ZnO-based semiconductor that does not contain carbon, because carbon is mixed into the ZnO-based semiconductor by a hydrocarbon group generated when an organometallic material gas containing zinc is decomposed.

そこで、我々は、ZnO系半導体の結晶成長について、過早反応を防ぎ、高温領域でも成長駆動力を落とさずに低不純物濃度の高品質のZnO膜を形成するために、II族材料としてハロゲン化II族金属を用いたハライド気相成長(HVPE:Halide Vapor Phase Epitaxy)法を適用し、Zn源にハロゲン化物を使用したハロゲン化物HVPE法を特願2008−171610で既に提案した。
特開2005−223219号公報
Therefore, in order to prevent premature reaction in ZnO-based semiconductor crystal growth and to form a high-quality ZnO film with a low impurity concentration without reducing the growth driving force even in a high temperature region, we have halogenated as a Group II material. Japanese Patent Application No. 2008-171610 has already proposed a halide HVPE method in which a halide vapor phase epitaxy (HVPE) method using a group II metal is applied and a halide is used as a Zn source.
JP 2005-223219 A

ところで、HVPE法は、大気圧または大気圧に近い状態で成長を行っているので、HVPE法で、p型不純物としてV族元素の窒素ドーピングを適用したい場合は、MBEやPLDで用いるようなプラズマは使えない。また、Nガスの状態で用いると、N同士の3重結合が強く、1000℃程度の成長温度では窒素ドーピングガスとして働かない。他方、窒素源としては、NOやNOガス等プラズマレスでも窒素源になりうるガスは存在する。 By the way, since the HVPE method is grown at atmospheric pressure or in a state close to atmospheric pressure, if it is desired to apply nitrogen doping of a group V element as a p-type impurity in the HVPE method, the plasma used in MBE or PLD is used. Cannot be used. Further, when used in the state of N 2 gas, triple bonds between N are strong and do not work as nitrogen doping gas at a growth temperature of about 1000 ° C. On the other hand, as a nitrogen source, there are gases that can be a nitrogen source even without plasma, such as N 2 O and NO 2 gas.

しかし、HVPE法では、HOガスとハロゲン化物を用いて平衡定数の小さい系で成長を実施する事で基板に原料ガスが到着する前に反応が起きてしまう過早反応を防いでおり、そこにNOやNOガス等の酸化力を持つガスを導入する事は、過早反応を起こしパーティクルの発生、原料効率の悪化を招きかねない。 However, in the HVPE method, the premature reaction in which the reaction occurs before the raw material gas arrives on the substrate is prevented by performing growth in a system having a small equilibrium constant using H 2 O gas and halide. Introducing a gas having oxidizing power, such as N 2 O or NO 2 gas, may cause premature reaction and generation of particles and deterioration of raw material efficiency.

一方、他のV族元素である、As、P、Sbは、室温で固体であり、単体を出発原料とした気相成長法のドーピングには向いていない。   On the other hand, other group V elements, As, P, and Sb, are solid at room temperature, and are not suitable for doping in a vapor phase growth method using a simple substance as a starting material.

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、意図しない不純物の混入を防ぎ、高温でもp型不純物を十分ドープすることができる酸化亜鉛系半導体、酸化亜鉛系半導体の製造方法及び製造装置を提供することを目的としている。   The present invention was devised to solve the above-described problems, and is capable of preventing unintended impurities from being mixed and manufacturing zinc oxide semiconductors and zinc oxide semiconductors that can be sufficiently doped with p-type impurities even at high temperatures. An object is to provide a method and a manufacturing apparatus.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、基板又は半導体層上に、亜鉛を含むハロゲン化II族金属ガスと酸素含有ガスを混合した反応ガスを導入する工程と、前記基板又は半導体層上にp型不純物原料ガスとしてV族の水素化物ガスを導入する工程とを備え、前記基板又は半導体層上にp型不純物がドープされた酸化亜鉛系半導体層を結晶成長させることを特徴とする酸化亜鉛系半導体の製造方法である。   In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 includes the step of introducing a reaction gas obtained by mixing a halogenated group II metal gas containing zinc and an oxygen-containing gas onto a substrate or a semiconductor layer; A step of introducing a group V hydride gas as a p-type impurity source gas on the semiconductor layer, and crystal-growing a zinc oxide based semiconductor layer doped with the p-type impurity on the substrate or the semiconductor layer. A method for producing a zinc oxide based semiconductor.

また、請求項2記載の発明は、前記V族の水素化物ガスはNH、AsH、またはPHのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の酸化亜鉛系半導体の製造方法である。 The invention according to claim 2 is the method for producing a zinc oxide based semiconductor according to claim 1, wherein the group V hydride gas is NH 3 , AsH 3 , or PH 3. It is.

また、請求項3記載の発明は、前記酸素含有ガスはHOからなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の酸化亜鉛系半導体の製造方法である。 The invention according to claim 3 is the method for producing a zinc oxide based semiconductor according to claim 1 or 2 , wherein the oxygen-containing gas is made of H 2 O.

また、請求項4記載の発明は、前記ハロゲン化II族金属ガスは、亜鉛の他にマグネシウムを含んでいることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の酸化亜鉛系半導体の製造方法である。   The invention according to claim 4 is the zinc oxide according to any one of claims 1 to 3, wherein the halogenated group II metal gas contains magnesium in addition to zinc. This is a method for manufacturing a semiconductor.

また、請求項5記載の発明は、前記V族の水素化物ガスの分圧と亜鉛を含むハロゲン化II族金属ガスの分圧との比(V/II比)が小さくなるにしたがって、前記酸化亜鉛系半導体層がプラス成長できる成長温度範囲の高温側の限界温度が大きくなっていくことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずか1項に記載の酸化亜鉛系半導体の製造方法である。   According to a fifth aspect of the present invention, as the ratio (V / II ratio) between the partial pressure of the Group V hydride gas and the partial pressure of the Group II metal gas containing zinc decreases, The method for producing a zinc oxide semiconductor according to any one of claims 1 to 4, wherein a limit temperature on a high temperature side of a growth temperature range in which the zinc semiconductor layer can be positively grown is increased. It is.

また、請求項6記載の発明は、前記p型不純物がドープされた酸化亜鉛系半導体層は、酸化亜鉛系半導体多層膜であって、該酸化亜鉛系半導体多層膜を構成する各酸化亜鉛系膜は、プラス成長できる成長温度範囲内で成長温度を変えて形成されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の酸化亜鉛系半導体の製造方法である。   According to a sixth aspect of the present invention, the zinc oxide based semiconductor layer doped with the p-type impurity is a zinc oxide based semiconductor multilayer film, and each zinc oxide based film constituting the zinc oxide based semiconductor multilayer film The method for producing a zinc oxide based semiconductor according to any one of claims 1 to 4, wherein the growth temperature is changed within a growth temperature range in which positive growth is possible.

また、請求項7記載の発明は、請求項1〜請求項6のいずれかの酸化亜鉛系半導体の製造方法により作製されたことを特徴とする酸化亜鉛系半導体である。   The invention according to claim 7 is a zinc oxide based semiconductor produced by the method for producing a zinc oxide based semiconductor according to any one of claims 1 to 6.

また、請求項8記載の発明は、亜鉛の金属単体を含むII族金属材料が保持される原料ゾーンと、前記原料ゾーンにハロゲンガスを供給するハロゲンガス供給手段と、酸素を含む酸素材料を供給する酸素材料供給手段と、p型不純物を不純物添加するためのV族の水素化物ガスを供給する水素化物ガス供給手段と、前記V族の水素化物ガスと前記II族金属材料から生成されたハロゲン化II族金属ガスと前記酸素材料とを反応させる成長ゾーンとを備え、前記水素化物ガス供給手段に接続されたガス供給管が前記成長ゾーン内まで伸びて配置され、該ガス供給管のガス供給口が前記基板又は半導体の上方に配置されていることを特徴とする酸化亜鉛系半導体の製造装置である。   The invention according to claim 8 provides a raw material zone in which a group II metal material containing zinc metal alone is held, a halogen gas supply means for supplying halogen gas to the raw material zone, and an oxygen material containing oxygen Oxygen material supply means, hydride gas supply means for supplying a Group V hydride gas for adding a p-type impurity, halogen generated from the Group V hydride gas and the Group II metal material A gas supply pipe connected to the hydride gas supply means is arranged to extend into the growth zone, and a gas supply of the gas supply pipe is provided. An apparatus for producing a zinc oxide based semiconductor, characterized in that a mouth is arranged above the substrate or the semiconductor.

また、請求項9記載の発明は、前記ガス供給管は、非金属で構成されていることを特徴とする請求項8記載の酸化亜鉛系半導体の製造装置である。   The invention according to claim 9 is the zinc oxide based semiconductor manufacturing apparatus according to claim 8, wherein the gas supply pipe is made of a non-metal.

基板又は半導体層上に、少なくとも亜鉛を含むハロゲン化II族金属ガスと酸素含有ガスを混合した反応ガスを導入する工程に加えて、p型不純物原料ガスとしてV族の水素化物ガスを導入する工程を備えているので、過早反応を防ぐことができるとともに、高成長温度でも十分にp型不純物をドーピングできる。また、高成長温度にすることで、ZnO系半導体の結晶品質も良くすることができる。また、プラズマを使用していないので、意図しない不純物の混入を防ぐことができる。   A step of introducing a group V hydride gas as a p-type impurity source gas in addition to a step of introducing a reaction gas obtained by mixing a halogenated group II metal gas containing at least zinc and an oxygen-containing gas onto a substrate or a semiconductor layer. Therefore, premature reaction can be prevented and p-type impurities can be sufficiently doped even at a high growth temperature. In addition, the crystal quality of the ZnO-based semiconductor can be improved by increasing the growth temperature. In addition, since no plasma is used, unintended impurities can be prevented from being mixed.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, the part from which the relationship and ratio of a mutual dimension differ also in between drawings is contained.

以下の説明において、「ZnO系半導体」とはII族元素Znを含有するII族酸化物半導体を意味する。   In the following description, “ZnO-based semiconductor” means a Group II oxide semiconductor containing a Group II element Zn.

基板1を準備する工程を示す模式的断面構造は、図1(a)に示すように表される。ハロゲン化物気相成長によるp型ZnO系半導体層2の形成工程を示す模式的断面構造は、図1(b)に示すように表される。   A schematic cross-sectional structure showing a step of preparing the substrate 1 is expressed as shown in FIG. A schematic cross-sectional structure showing a step of forming the p-type ZnO-based semiconductor layer 2 by halide vapor phase growth is expressed as shown in FIG.

まず、図1(a)に示すように、基板1として、例えば、表面が+c面(0001)を有するZnO基板を準備する。結晶面は、c軸がm軸方向<1−100>に、例えば約0.5度微傾斜した面を備える。   First, as shown in FIG. 1A, as the substrate 1, for example, a ZnO substrate having a surface having a + c plane (0001) is prepared. The crystal plane includes a plane in which the c-axis is slightly inclined, for example, by about 0.5 degrees in the m-axis direction <1-100>.

次に、図1(b)に示すように、ZnO基板1を700℃〜1000℃程度の高温に加熱し、HVPE法により、ZnO基板1上に、p型不純物(アクセプタ元素)がドープされたZnO系半導体層2を形成する。具体的には、ZnO基板1上に亜鉛が含有されたハロゲン化物ガスと酸素含有ガスを混合した反応ガスを導入し、かつ、p型不純物原料ガスとなるV族(窒素族)の水素化物ガスも導入する。このようにして、ZnO基板1上にp型ZnO系半導体層2を結晶成長させる。例えば、p型不純物を窒素とする場合はp型不純物原料ガスにアンモニア(NH)を用いる。また、反応ガスには塩化亜鉛(ZnCl2)と水(H2O)を用いて、ハロゲン化物気相成長を行う。なお、V族の水素化物ガスには、他に、V族元素であるAs、P等の水素化物ガスとなるAsHまたはPH等を用いることができる。 Next, as shown in FIG. 1B, the ZnO substrate 1 was heated to a high temperature of about 700 ° C. to 1000 ° C., and a p-type impurity (acceptor element) was doped on the ZnO substrate 1 by the HVPE method. A ZnO-based semiconductor layer 2 is formed. Specifically, a group V (nitrogen group) hydride gas which introduces a reaction gas in which a halide gas containing zinc and an oxygen-containing gas are mixed on the ZnO substrate 1 and becomes a p-type impurity source gas. Also introduced. In this way, the p-type ZnO-based semiconductor layer 2 is crystal-grown on the ZnO substrate 1. For example, when the p-type impurity is nitrogen, ammonia (NH 3 ) is used as the p-type impurity source gas. Further, halide vapor phase growth is performed using zinc chloride (ZnCl 2 ) and water (H 2 O) as reaction gases. In addition, as the V group hydride gas, AsH 3 or PH 3 that becomes a hydride gas such as As or P that is a V group element can be used.

結晶成長条件としては、ZnClの分圧PZnCl2を、例えば、約1×10−4atm以下程度、VI族元素である酸素を含有するガスとII族元素であるZnを含有するハロゲン化物ガスとの供給比(分圧比)であるVI/II比を、例えば、約100以下程度とし、結晶成長温度Tgを、例えば、約1000℃程度、結晶成長時間を、例えば、約1〜6時間程度とする。ここで、例えば、ZnClの分圧PZnCl2=1×10−4atmとした場合、VI/II比を100とすると、HOの分圧PH2O=10−2atmとなる。 The crystal growth conditions, the partial pressure P ZnCl2 of ZnCl 2, for example, a halide gas containing a degree of about 1 × 10 -4 atm or less, a gas and II-group element containing oxygen is VI element Zn The VI / II ratio, which is the supply ratio (partial pressure ratio), is, for example, about 100 or less, the crystal growth temperature Tg is, for example, about 1000 ° C., and the crystal growth time is, for example, about 1-6 hours To the extent. Here, for example, when the partial pressure P ZnCl2 = 1 × 10 -4 atm of ZnCl 2, when the VI / II ratio is 100, the partial pressure P H2O = 10 -2 atm of H 2 O.

VI族元素である酸素とII族元素であるZnとの供給比であるVI/II比の値としては、例えば、1以上〜約100以下程度であることが望ましい。   The value of the VI / II ratio, which is the supply ratio between the group VI element oxygen and the group II element Zn, is preferably about 1 to about 100, for example.

一方、p型不純物原料ガスとなるV族の水素化物ガスにNHを用いた場合、NHガスはMBEやCVDでの窒化物成長に用いられているように、プラズマ化しなくても、より良い窒素源になることが知られている。従来の方法では、例えば、p型不純物として窒素をZnO系半導体にドーピングする際に、Nをプラズマ化して供給していた。従来の方法で、最も問題なのは、窒素ドープ量は成長温度に強く依存し、成長温度をさげなければ(300℃程度)、窒素が多くドープされないことであった。成長温度を下げると、ZnOの結晶性が低下し、窒素が活性化しない。したがって、結晶品質の良いp型ZnOの形成が非常に難しかった。 On the other hand, when NH 3 is used as a group V hydride gas that is a p-type impurity source gas, the NH 3 gas can be used even if it is not converted to plasma, as it is used for nitride growth in MBE or CVD. It is known to be a good nitrogen source. In the conventional method, for example, when doping a ZnO-based semiconductor with nitrogen as a p-type impurity, N 2 is converted into plasma and supplied. In the conventional method, the most serious problem is that the nitrogen doping amount strongly depends on the growth temperature, and unless the growth temperature is lowered (about 300 ° C.), a large amount of nitrogen is not doped. When the growth temperature is lowered, the crystallinity of ZnO is lowered and nitrogen is not activated. Therefore, it was very difficult to form p-type ZnO with good crystal quality.

しかしながら、我々は、p型不純物原料ガスをV族元素の水素化物ガスとし、Znを含むハロゲン化物ガスと反応させることで、成長温度を高くしても、十分な窒素をドーピングできることを見出した。さらに、従来、アンドープZnO等で結晶性が低下する成長温度領域であっても、上記HVPE法でp型不純物ドープのZnOを成長させると、結晶性が向上することが確認できた。以下に図面を参照しつつ説明する。   However, we have found that even if the growth temperature is high, sufficient nitrogen can be doped by using a p-type impurity source gas as a hydride gas of a group V element and reacting with a halide gas containing Zn. Furthermore, it has been confirmed that crystallinity is improved when p-type impurity-doped ZnO is grown by the HVPE method even in a growth temperature region where the crystallinity is lowered by undoped ZnO or the like. This will be described below with reference to the drawings.

ZnO基板上に、アンドープZnO層をHVPE法により、成長温度が800℃〜900℃の範囲で結晶成長させた場合の表面AFM(原子間力顕微鏡)画像を図4に示す。図4に示されるように六角錘形状のピットが発生する。   FIG. 4 shows a surface AFM (atomic force microscope) image when an undoped ZnO layer is crystal-grown on a ZnO substrate by the HVPE method at a growth temperature in the range of 800 ° C. to 900 ° C. As shown in FIG. 4, hexagonal pyramid-shaped pits are generated.

一方、図3は本発明の窒素ドープZnO層サンプルの代表的な表面AFM像である。具体的には、ZnO基板1上にハロゲン化物ガスとしてZnClを、酸素含有ガスとしてHOを、p型不純物原料ガスとなるV族の水素化物ガスとしてNHを用いた。そして、ZnO基板1上にp型ZnO系半導体層2を結晶成長させた。ハロゲン化物気相成長の成長温度を800℃、ZnCl分圧を2.2×10−5atm、HO分圧を4.4×10−4atm、NH分圧を4.4×10−4atmとした。図3からわかるように、NHを流すことによりステップバンチングが起こり、ピットが消失している。つまり、ZnO基板上に成長させたアンドープZnO層にピットが発生する成長温度であっても、窒素ドープZnO層にすれば結晶性が改善し、使用可能になる。 On the other hand, FIG. 3 is a representative surface AFM image of the nitrogen-doped ZnO layer sample of the present invention. Specifically, ZnCl 2 was used as a halide gas on the ZnO substrate 1, H 2 O was used as an oxygen-containing gas, and NH 3 was used as a group V hydride gas serving as a p-type impurity source gas. Then, a p-type ZnO-based semiconductor layer 2 was grown on the ZnO substrate 1. 800 ° C. The growth temperature of the halide vapor phase epitaxy, a ZnCl 2 partial pressure 2.2 × 10 -5 atm, H 2 O partial pressure 4.4 × 10 -4 atm, 4.4 × the NH 3 partial pressure 10 −4 atm. As can be seen from FIG. 3, step bunching occurs by flowing NH 3 and pits disappear. In other words, even at a growth temperature at which pits are generated in the undoped ZnO layer grown on the ZnO substrate, the crystallinity is improved and it can be used by using a nitrogen-doped ZnO layer.

次に、NHガスは気相成長におけるプラズマレスの窒素源として効果的であり、窒素ドープ量を増やすためには、通常、NHガス流量を増加すること、すなわちNH分圧を増加させれば良いと考えられている。しかし、一方で以下のような不都合が発生する。NHガスは水素を含んでいるために、NHの一部が下式のように分解して発生する水素がZnOの成長駆動力を落とす。これは、水素がZnOを還元するためである。
NH→(N/2)+(3H/2)
Next, NH 3 gas is effective as a plasma-less nitrogen source in vapor phase growth. In order to increase the nitrogen doping amount, it is usual to increase the NH 3 gas flow rate, that is, to increase the NH 3 partial pressure. It is considered good. However, the following inconvenience occurs. Since NH 3 gas contains hydrogen, hydrogen generated when a part of NH 3 is decomposed as in the following equation reduces the growth driving force of ZnO. This is because hydrogen reduces ZnO.
NH 3 → (N 2/2 ) + (3H 2/2)

図5(a)は、熱力学的解析結果に基づくVI族の酸素を含有するHOと、II族のZnのハロゲン化物ガスZnClとの分圧比(供給比)であるVI/II比を変化させた場合の結晶成長駆動力と成長温度との関係を示す。縦軸が結晶成長駆動力(atm)を、横軸が成長温度(℃)を示す。ZnCl分圧は、2.2×10−5 atmとした。また、V族の水素化物ガスであるNHとII族のZnのハロゲン化物ガスZnClとの分圧比であるV/II比は20とした。基板上におけるNHの分解率は3%とした。図5(a)からわかるように、VI/IIの値が小さくなるほど、すなわちHOの供給量が少なくなるほど、成長駆動力が落ちていく。また、成長温度が大きくなるほど、成長駆動力が減少することがわかる。 FIG. 5A shows a VI / II ratio which is a partial pressure ratio (supply ratio) between H 2 O containing Group VI oxygen and a Group II Zn halide gas ZnCl 2 based on the thermodynamic analysis results. The relationship between the crystal growth driving force and the growth temperature in the case where V is changed is shown. The vertical axis represents the crystal growth driving force (atm), and the horizontal axis represents the growth temperature (° C.). ZnCl 2 partial pressure was set to 2.2 × 10 -5 atm. The V / II ratio, which is the partial pressure ratio between NH 3 , which is a Group V hydride gas, and Group II Zn halide gas, ZnCl 2 , was 20. The decomposition rate of NH 3 on the substrate was 3%. As can be seen from FIG. 5A, the growth driving force decreases as the value of VI / II decreases, that is, as the supply amount of H 2 O decreases. It can also be seen that the growth driving force decreases as the growth temperature increases.

一方、図5(b)は、図5(a)のうち、VI/II比が1000と10の大きく異なる2本の曲線を取り出して、破線で拡大表示したものである。また、図5(a)から取り出した上記2本の曲線は、V/II比はいずれも20であるが、これをNHの流量を0にして、V/II比を0とした場合の曲線を、NHフロー無しとして実線で示している。実線の曲線からわかるように、NHフローが無い場合は、成長温度を上昇させても結晶成長駆動力が落ちない。しかしながら、NHフローがある場合には、VI/II比が低い方が、成長温度がかなり低いところでも、早々に駆動力の減少が見られる。図5(b)から、NHを流すことにより、VI/II比がどのような値でも、成長温度が上昇していくと、駆動力が減少する領域が現われることがわかる。 On the other hand, FIG. 5 (b) is obtained by taking out two greatly different curves having a VI / II ratio of 1000 and 10 from FIG. 5 (a) and enlarging them with broken lines. The two curves taken out from FIG. 5 (a) have a V / II ratio of 20, both of which are when the flow rate of NH 3 is 0 and the V / II ratio is 0. The curve is shown as a solid line with no NH 3 flow. As can be seen from the solid curve, when there is no NH 3 flow, the crystal growth driving force does not decrease even if the growth temperature is raised. However, when NH 3 flow is present, the driving force decreases more quickly when the VI / II ratio is lower, even when the growth temperature is considerably lower. From FIG. 5B, it can be seen that by flowing NH 3 , a region in which the driving force decreases appears as the growth temperature rises regardless of the VI / II ratio.

上記のように、NHの分解率を仮定すれば、熱力学解析からある成長温度、原料分圧における成長の可否を判断する事は可能であり、図5から窒素ドープZnO層を成長させる条件を予め予測することは可能である。一方、以下に示すように、実験結果からも、一定のNH分圧下で成長温度を高くしていくと成長駆動力が落ち、また逆にエッチングが起こることがわかった。 As described above, assuming the decomposition rate of NH 3 , it is possible to determine whether or not growth is possible at a certain growth temperature and raw material partial pressure from thermodynamic analysis. The conditions for growing a nitrogen-doped ZnO layer from FIG. Can be predicted in advance. On the other hand, as shown below, the experimental results also show that when the growth temperature is increased under a constant NH 3 partial pressure, the growth driving force decreases, and conversely, etching occurs.

図6は、V族の水素化物ガスであるNHガスの分圧によって、実際にどのように結晶成長駆動力が変化するのかを示す。ハロゲン化物気相成長における、II族のZnのハロゲン化物ガスZnClの分圧を2.2×10−5atm、VI族の酸素を含有するHOの分圧を4.4×10−4atmとした。また、NH分圧は、4.4×10−3atm、4.4×10−4atm、4.4×10−5atmと変化させた。成長温度は、700℃、800℃、900℃、1000℃と変化させた。図6の縦軸はZnO結晶の成長速度(μm/h)を、横軸は成長温度(℃)を示す。 FIG. 6 shows how the crystal growth driving force actually changes depending on the partial pressure of NH 3 gas, which is a group V hydride gas. In halide vapor phase growth, the partial pressure of the halide gas ZnCl 2 of group II Zn is 2.2 × 10 −5 atm, and the partial pressure of H 2 O containing group VI oxygen is 4.4 × 10 − 4 atm. The NH 3 partial pressure was changed to 4.4 × 10 −3 atm, 4.4 × 10 −4 atm, and 4.4 × 10 −5 atm. The growth temperature was changed to 700 ° C., 800 ° C., 900 ° C., and 1000 ° C. The vertical axis in FIG. 6 represents the growth rate (μm / h) of the ZnO crystal, and the horizontal axis represents the growth temperature (° C.).

成長速度が0よりも大きい範囲(正の範囲)がプラス成長を示し、成長速度が0よりも小さい範囲(負の範囲)がマイナス成長、すなわちエッチングされていることを示す。NH分圧が大きくなるほど、成長温度が低いところから、早々にエッチングが始まっていることがわかる。 A range in which the growth rate is greater than 0 (positive range) indicates positive growth, and a range in which the growth rate is less than 0 (negative range) indicates negative growth, that is, etching is performed. It can be seen that as the NH 3 partial pressure increases, the etching starts earlier from the lower growth temperature.

図6のデータをわかりやすくまとめたのが図7である。図6の3種類のNHガスの分圧の曲線に関し、成長温度が700℃、800℃、900℃、1000℃の各測定点について、プラス成長しているのか、エッチング(マイナス成長)となっているのかを示したものである。プラス成長には○を、マイナス成長(エッチング)には×を記してわかりやすくしている。 FIG. 7 summarizes the data of FIG. 6 in an easy-to-understand manner. With respect to the partial pressure curves of the three types of NH 3 gas in FIG. 6, whether the growth temperature is 700 ° C., 800 ° C., 900 ° C., or 1000 ° C. is positive growth or etching (negative growth). It is shown whether it is. ○ for positive growth and x for negative growth (etching) for easy understanding.

図6、7のように、NH分圧が大きくなるほど、エッチング開始の成長温度が低下していく。しかし、特許文献1に示されるように、成長温度上昇に伴い、窒素濃度が減少するという結果とは逆の現象があることを本発明者らは発見した。これを以下に示す。 As shown in FIGS. 6 and 7, the growth temperature at the start of etching decreases as the NH 3 partial pressure increases. However, as disclosed in Patent Document 1, the present inventors have found that there is a phenomenon opposite to the result that the nitrogen concentration decreases as the growth temperature rises. This is shown below.

図8は、HVPE法で、ZnCl分圧を2.2×10−5atm、HO分圧を4.4×10−4atm、NH分圧を4.4×10−5atmとし、成長温度を700℃〜900℃の間で変化させ、ZnO基板上に結晶成長させた窒素ドープZnO層の2次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)測定による窒素(N)濃度の深さ方向分析結果を示す。横軸は、窒素ドープZnO層表面からの深さ(μm)を示し、縦軸はN(窒素)濃度(cm−3)を示す。 FIG. 8 shows an HVPE method in which the ZnCl 2 partial pressure is 2.2 × 10 −5 atm, the H 2 O partial pressure is 4.4 × 10 −4 atm, and the NH 3 partial pressure is 4.4 × 10 −5 atm. The nitrogen (N) concentration was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) measurement of a nitrogen-doped ZnO layer grown on a ZnO substrate by changing the growth temperature between 700 ° C. and 900 ° C. Depth direction analysis results are shown. The horizontal axis indicates the depth (μm) from the surface of the nitrogen-doped ZnO layer, and the vertical axis indicates the N (nitrogen) concentration (cm −3 ).

図7からわかるように、NH分圧を4.4×10−5atmとした場合、700℃〜900℃の成長温度では、プラス成長が行われている。プラス成長が行われている状態で、成長温度の最も高い900℃で窒素ドープZnO層中のN濃度が最も高くなっており、800℃、700℃と成長温度が下がるにしたがって、N濃度も順に少なくなっている。このように、本発明の方法で窒素ドープZnO系半導体を作製すると、特許文献1に示される従来法で現われる成長温度上昇に伴い窒素濃度が減少するという、負の温度相関とは逆の正の温度相関があることがわかる。 As can be seen from FIG. 7, when the NH 3 partial pressure is 4.4 × 10 −5 atm, positive growth is performed at a growth temperature of 700 ° C. to 900 ° C. In the state where the positive growth is performed, the N concentration in the nitrogen-doped ZnO layer is highest at 900 ° C. where the growth temperature is the highest, and as the growth temperature decreases to 800 ° C. and 700 ° C., the N concentration also increases in order. It is running low. Thus, when a nitrogen-doped ZnO-based semiconductor is manufactured by the method of the present invention, the nitrogen concentration decreases as the growth temperature rises in the conventional method shown in Patent Document 1, which is a positive opposite to the negative temperature correlation. It can be seen that there is a temperature correlation.

本発明の方法において、NH分圧を一定した状態では、高温成長の方が、窒素ドープ濃度が高くなるとともに、窒素の活性化が行われやすくなるので、p型化には非常に好ましい。また、図3に見られるように、窒素ドープによる結晶性向上の効果があるが、高温成長を行うことにより、さらに結晶性向上が期待できる。 In the method of the present invention, in a state where the NH 3 partial pressure is constant, high-temperature growth is very preferable for p-type formation because the nitrogen dope concentration becomes higher and activation of nitrogen is facilitated. Further, as seen in FIG. 3, there is an effect of improving the crystallinity by nitrogen doping, but further improvement in crystallinity can be expected by performing high temperature growth.

また、NH分圧が高い方がZnOに対する還元効果が強くなるため、NH分圧が高くなるとZnOに対する還元効果がより低温側で現われる。しかし、NH分圧を減少させると、より高温側で成長させることができ、窒素ドープ濃度の向上、結晶性の向上、窒素活性化の向上等に加えて、ZnOに対する還元効果を低下させることができるので、非常に好ましい。 Moreover, since the higher NH 3 partial pressure is strong reducing effect on ZnO, reduced effect on ZnO when NH 3 partial pressure is high it appears at a lower temperature side. However, if the NH 3 partial pressure is decreased, it can be grown at a higher temperature, and in addition to improving the nitrogen doping concentration, improving the crystallinity, improving the nitrogen activation, etc., reducing the reduction effect on ZnO Is very preferable.

次に、図9は、ZnO基板上に成長させた窒素ドープZnO層の2次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)測定によるN(窒素)、H(水素)の深さ方向の濃度を示す。窒素ドープZnO層は、HVPE法により、成長温度が800℃、ZnCl分圧が2.2×10−5atm、HO分圧が4.4×10−4atm、NH分圧が4.4×10−4atmで形成した。横軸は、窒素ドープZnO層表面からの深さ(μm)を示し、縦軸はN(窒素)又はH(水素)の濃度(cm−3)を示す。ZnO基板中にはバックグラウンドレベルのNが入っているが、NH分圧下で成長させた窒素ドープZnO層中には1×1020atms/cm−3を超える濃度のNが入っている。 Next, FIG. 9 shows the concentration of N (nitrogen) and H (hydrogen) in the depth direction by secondary ion mass spectrometry (SIMS) measurement of a nitrogen-doped ZnO layer grown on a ZnO substrate. Show. The nitrogen-doped ZnO layer has a growth temperature of 800 ° C., a ZnCl 2 partial pressure of 2.2 × 10 −5 atm, an H 2 O partial pressure of 4.4 × 10 −4 atm, and an NH 3 partial pressure of HVPE. 4.4 × 10 −4 atm. The horizontal axis represents the depth (μm) from the surface of the nitrogen-doped ZnO layer, and the vertical axis represents the concentration (cm −3 ) of N (nitrogen) or H (hydrogen). The ZnO substrate contains background level N, but the nitrogen-doped ZnO layer grown under NH 3 partial pressure contains N at a concentration exceeding 1 × 10 20 atms / cm −3 .

図7を参照すると、NH分圧が4.4×10−4atmのプラス成長の高温側の限界温度は800℃である。このように、所定のNH分圧下におけるプラス成長の高温側の限界温度にすることにより、窒素ドープZnO系半導体中に高い窒素濃度を得ることができる。 Referring to FIG. 7, the limit temperature on the high temperature side of the positive growth with NH 3 partial pressure of 4.4 × 10 −4 atm is 800 ° C. Thus, a high nitrogen concentration can be obtained in the nitrogen-doped ZnO-based semiconductor by setting the limit temperature on the high temperature side of positive growth under a predetermined NH 3 partial pressure.

図6〜図9を考察すると、以下の傾向が導き出される。本発明の製造方法による窒素ドープZnO系半導体は、プラスの結晶成長が行われる温度範囲TW内で作製される。プラスの結晶成長が行われる温度範囲TWの高温側の限界温度Thと、V/II比Aとは逆の関係にある。すなわち、V/II比Aが大きくなるほどに、限界温度Thは低くなる。逆に、V/II比Aが小さくなるほどに、限界温度Thは高くなる。また、一定のV/II比の下では、プラスの結晶成長が行われる温度範囲TW内において、成長温度が高くなるほど、窒素ドープ濃度は大きくなる。   Considering FIGS. 6 to 9, the following tendencies are derived. The nitrogen-doped ZnO-based semiconductor according to the manufacturing method of the present invention is manufactured within the temperature range TW in which positive crystal growth is performed. The limit temperature Th on the high temperature side of the temperature range TW in which positive crystal growth is performed is inversely related to the V / II ratio A. That is, the limit temperature Th decreases as the V / II ratio A increases. Conversely, the limit temperature Th increases as the V / II ratio A decreases. Also, under a constant V / II ratio, the nitrogen doping concentration increases as the growth temperature increases within the temperature range TW in which positive crystal growth is performed.

また、p型不純物がドープされたZnO系半導体層を多層膜からなる積層体として、各膜中の窒素濃度を異なるように制御したい場合には、以下のようにすれば良い。V/II比を一定にした状態で、プラス成長の温度範囲TW内における第1の窒素ドープZnO系薄膜の成長温度をT1とする。次に、プラス成長の温度範囲TW内で作製される第2の窒素ドープZnO膜の成長温度をT2(T1≠T2)とする。このように、成長温度を順次変えていけば、窒素濃度が異なる多層膜を形成することができる。さらに、第1の窒素ドープZnO系薄膜の成長温度T1から、第Nの窒素ドープZnO系薄膜の成長温度TNまでの各成長温度を順に上げていくか、順に下げていくかにより、p型不純物濃度(窒素)が傾斜を持つ多層膜を構成することができる。   Further, when a ZnO-based semiconductor layer doped with a p-type impurity is formed as a multilayered body and it is desired to control the nitrogen concentration in each film differently, the following may be performed. With the V / II ratio kept constant, the growth temperature of the first nitrogen-doped ZnO-based thin film within the temperature range TW for positive growth is T1. Next, let T2 (T1 ≠ T2) be the growth temperature of the second nitrogen-doped ZnO film fabricated within the temperature range TW for positive growth. Thus, if the growth temperature is changed sequentially, multilayer films having different nitrogen concentrations can be formed. Further, depending on whether each growth temperature from the growth temperature T1 of the first nitrogen-doped ZnO-based thin film to the growth temperature TN of the N-th nitrogen-doped ZnO-based thin film is sequentially increased or decreased, p-type impurities A multilayer film having a gradient in concentration (nitrogen) can be formed.

本発明のZnO系半導体の製造方法に用いる製造装置の模式的構成を、図2に示す。図2に示すように、p型不純物ドープのZnO半導体を形成するために、塩素ガス供給手段17と、水分ガス供給手段11と、アンモニアガス供給手段15と、原料ゾーン19と、ガス供給管12、16、18a、18bと、加熱手段33と、成長ゾーン30と、加熱手段31と、基板保持手段32等を備えている。水分ガス供給手段11、塩素ガス供給手段17、アンモニアガス供給手段15は、図示されているように、キャリアガスとしてN(窒素ガス)が混合されている。原料ゾーン19には、II族の亜鉛の金属単体からなる金属材料20が保持されている。 FIG. 2 shows a schematic configuration of a manufacturing apparatus used in the method for manufacturing a ZnO-based semiconductor of the present invention. As shown in FIG. 2, a chlorine gas supply means 17, a moisture gas supply means 11, an ammonia gas supply means 15, a raw material zone 19, and a gas supply pipe 12 are used to form a p-type impurity doped ZnO semiconductor. 16, 18a, 18b, heating means 33, growth zone 30, heating means 31, substrate holding means 32, and the like. As shown in the figure, the moisture gas supply means 11, the chlorine gas supply means 17, and the ammonia gas supply means 15 are mixed with N 2 (nitrogen gas) as a carrier gas. The raw material zone 19 holds a metal material 20 made of a group II zinc simple substance.

ZnO系半導体の製造装置には、他の原料ゾーンを構成に加えることも可能である。例えば、MgZnO半導体の結晶成長をさせる場合には、図に示すように、塩素ガス供給手段21と、原料ゾーン23と、ガス供給管22a、22b等の構成が加わる。この原料ゾーンにマグネシウムの金属単体を含むII族の金属材料24が保持される。   It is also possible to add other raw material zones to the configuration of the ZnO-based semiconductor manufacturing apparatus. For example, when crystal growth of an MgZnO semiconductor is performed, as shown in the figure, the configuration of a chlorine gas supply means 21, a raw material zone 23, gas supply pipes 22a and 22b, and the like are added. Group II metal material 24 containing a single metal element of magnesium is held in the raw material zone.

また、n型ZnO系半導体層を作製するために、図のように、n型不純物原料ガス供給手段13を加えることも可能である。n型不純物原料ガス供給手段13は、GaやAlのハロゲン化物を用いることができ、例えば、図のように、GaClとすることができる。n型不純物原料ガス供給手段13にも、キャリアガス(輸送ガス)としてN(窒素ガス)が混合されている。 Further, in order to produce an n-type ZnO-based semiconductor layer, an n-type impurity source gas supply means 13 can be added as shown in the figure. The n-type impurity source gas supply means 13 can use a halide of Ga or Al, for example, GaCl 3 as shown in the figure. The n-type impurity source gas supply means 13 is also mixed with N 2 (nitrogen gas) as a carrier gas (transport gas).

原料ゾーン19は、内部に配置された亜鉛と、塩素ガス供給手段17からガス供給管18aを通して供給される塩素ガスとを反応させて塩化亜鉛ガスを生成し、ガス供給管18bを通して成長ゾーン30に塩化亜鉛ガスを供給するゾーンである。   In the raw material zone 19, zinc disposed inside reacts with chlorine gas supplied from the chlorine gas supply means 17 through the gas supply pipe 18 a to generate zinc chloride gas, and enters the growth zone 30 through the gas supply pipe 18 b. This zone supplies zinc chloride gas.

成長ゾーン30は、ガス供給管18bで繋がれた原料ゾーン19から供給される塩化亜鉛ガスと、酸素材料として水分ガス供給手段11からガス供給管12を通して供給される水(水蒸気)とを反応させて、基板保持手段32上に保持された成長用の基板1上にZnO系半導体を成長させるゾーンである。なお、基板保持手段32上に保持されるのは、成長基板ではなく、半導体の場合もある。例えば、基板上にn型ZnO系半導体層が形成された積層体が保持されている場合もある。   The growth zone 30 reacts zinc chloride gas supplied from the raw material zone 19 connected by the gas supply pipe 18b with water (water vapor) supplied from the moisture gas supply means 11 through the gas supply pipe 12 as an oxygen material. In this zone, a ZnO-based semiconductor is grown on the growth substrate 1 held on the substrate holding means 32. Note that what is held on the substrate holding means 32 may be a semiconductor rather than a growth substrate. For example, a stacked body in which an n-type ZnO-based semiconductor layer is formed on a substrate may be held.

なお、各ガス供給手段と成長ゾーン30と原料ゾーン19、23とを相互に繋ぐガス供給管12、14、16、18a、18b、22a、22bのすべては、石英により構成されている。このように、ガス供給管に非金属である石英を用い、ZnO系半導体の金属材料にZnを含むハロゲン化物を用いるために、V族の水素化物であるNH分解の触媒として働く金属が基板保持手段32上の基板又は半導体周辺に存在しない。 In addition, all of the gas supply pipes 12, 14, 16, 18a, 18b, 22a, and 22b that connect each gas supply means, the growth zone 30, and the raw material zones 19 and 23 are made of quartz. In this way, since the non-metal quartz is used for the gas supply pipe and the halide containing Zn is used for the metal material of the ZnO-based semiconductor, the metal acting as a catalyst for decomposition of NH 3, which is a V group hydride, is formed on the substrate. It does not exist around the substrate or semiconductor on the holding means 32.

加熱手段33は、原料ゾーン19、23、ガス供給管12、14、16、18a、18b、22a、22b等を加熱するためのものである。加熱手段31は、成長ゾーン30を加熱するためのものである。これらの加熱手段31、33によって、ZnO系半導体の製造装置はホットウォール方式を実現している。なお、加熱手段33は、原料ゾーン19、23、各ガス供給経路に対して個別に配置されていてもよい。   The heating means 33 is for heating the raw material zones 19 and 23, the gas supply pipes 12, 14, 16, 18a, 18b, 22a, 22b and the like. The heating means 31 is for heating the growth zone 30. With these heating means 31 and 33, the ZnO-based semiconductor manufacturing apparatus realizes a hot wall system. The heating means 33 may be individually arranged for the raw material zones 19 and 23 and each gas supply path.

次に、上述した酸化亜鉛系半導体の製造装置による酸化亜鉛系半導体の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing a zinc oxide-based semiconductor using the above-described zinc oxide-based semiconductor manufacturing apparatus will be described.

まず、塩素ガス供給手段17から塩素ガス及び窒素ガスが、原料ゾーン19にガス供給管18aを通して供給される。そして、原料ゾーン19では、保持されている亜鉛の金属単体からなるII族金属材料20と供給された塩素ガスとによって、以下の反応式による反応が起こり、塩化亜鉛ガスが生成される。   First, chlorine gas and nitrogen gas are supplied from the chlorine gas supply means 17 to the raw material zone 19 through the gas supply pipe 18a. In the raw material zone 19, a reaction according to the following reaction formula occurs by the group II metal material 20 made of the zinc simple metal and the supplied chlorine gas, and zinc chloride gas is generated.

Zn(s,l)+Cl2(g) ⇔ ZnCl2(g)
ここで、原料ゾーン20に保持される亜鉛の金属単体は、純度の高いものが好ましく、例えば、99.99999%以上のものがよい。なお、反応式における(s)、(l)、(g)はそれぞれ、固体、液体、気体を示す。
Zn (s, l) + Cl 2 (g) ⇔ ZnCl 2 (g)
Here, the single metal element of zinc held in the raw material zone 20 is preferably highly pure, for example, 99.99999% or more. In the reaction formula, (s), (l), and (g) represent solid, liquid, and gas, respectively.

原料ゾーン19は、上記反応式における反応をほとんど右辺へと進行させて、塩化亜鉛ガスの流量を塩素ガスの供給量によって制御できるよう、亜鉛の金属単体からなるII族金属材料20の表面積を大きくした構造及び適切な温度となっている。なお、このような適切な温度としては、約300℃〜約450℃程度が望ましい。また、原料ゾーン19の温度は、金属の中でも非常に蒸気圧の高い、亜鉛ガスが成長ゾーン30へと輸送されることを抑制するために、約500℃以下に設定されている。そして、上述の反応式によって生成された塩化亜鉛ガスは、供給管18bを介して成長ゾーン30に輸送される。   In the raw material zone 19, the surface area of the group II metal material 20 made of a single metal of zinc is increased so that the reaction in the above reaction formula can proceed almost to the right side and the flow rate of the zinc chloride gas can be controlled by the supply amount of the chlorine gas. The structure and the appropriate temperature. In addition, as such suitable temperature, about 300 degreeC-about 450 degreeC are desirable. Further, the temperature of the raw material zone 19 is set to about 500 ° C. or less in order to suppress the transport of zinc gas having a very high vapor pressure among the metals to the growth zone 30. And the zinc chloride gas produced | generated by the above-mentioned reaction type is transported to the growth zone 30 via the supply pipe | tube 18b.

一方、水分ガス供給手段11から供給される水(水蒸気)が、ガス供給管12を通して、酸素材料として成長ゾーン30に輸送される。また、アンモニアガス供給手段15からガス供給管16を通して供給されるアンモニアガスが、p型不純物となる窒素材料として成長ゾーン30に輸送される。   On the other hand, water (water vapor) supplied from the moisture gas supply means 11 is transported through the gas supply pipe 12 to the growth zone 30 as an oxygen material. Further, the ammonia gas supplied from the ammonia gas supply means 15 through the gas supply pipe 16 is transported to the growth zone 30 as a nitrogen material that becomes a p-type impurity.

そして、成長ゾーン30では、輸送された塩化亜鉛ガスと水とによって、以下に示す反応式の反応が右辺に進行することにより、ZnO半導体の薄膜が基板1上に成長する。   In the growth zone 30, a reaction of the following reaction formula proceeds to the right side by the transported zinc chloride gas and water, so that a thin film of ZnO semiconductor grows on the substrate 1.

ZnCl2(g)+H2O(g) ⇔ ZnO(s)+2HCl(g) ・・・(1)
このとき、同時に、基板保持手段32上に保持されている基板1又は半導体上に輸送されてきているNHと反応して、ZnOの酸素原子の一部が窒素に置き換わることにより、窒素ドープZnO半導体層が形成される。
ZnCl 2 (g) + H 2 O (g) Zn ZnO (s) + 2HCl (g) (1)
At the same time, by reacting with NH 3 to have been transported to the substrate 1 or semiconductor which is held on the substrate holding means 32, by which part of oxygen atoms of the ZnO is replaced by nitrogen, the nitrogen-doped ZnO A semiconductor layer is formed.

ここで、図2に示すように、ガス供給管12、14、16は、成長ゾーン30の内側まで形成されており、各ガス供給口12a、14a,16aは、基板1又は半導体の直上に配置されるように構成されている。ところで、V族の水素化物ガスの一種であるアンモニアガスは、熱力学解析からは400℃程度でも窒素と水素に分解が起こりうるが、分解が起こりNとHになってしまうと、p型不純物ドープの際の窒素源として働かない。しかし、NHガスはMBEでの窒化物成長に用いられているように、プラズマ化しなくても、より良いN源になることが知られている。これは、金属のような触媒が存在しない環境では1000℃という高温でも、ほとんどのガスが基板表面まで分解せずに供給できるためである。なお、NHガスから生成したHガスは下記の式でZnOを分解する。
ZnO(s)+H2(g) ⇔ Zn(g)+H2O(g) ・・・(2)
成長ゾーンのH2分圧が高くなるか又は成長温度が高くなると、(2)式の反応が右辺側に進行し、ZnOの成長が阻害される。
Here, as shown in FIG. 2, the gas supply pipes 12, 14, and 16 are formed up to the inside of the growth zone 30, and the gas supply ports 12a, 14a, and 16a are arranged directly on the substrate 1 or the semiconductor. It is configured to be. By the way, ammonia gas, which is a kind of group V hydride gas, can decompose into nitrogen and hydrogen even at about 400 ° C. from thermodynamic analysis, but when decomposition occurs and becomes N 2 and H 2 , p. Does not work as a nitrogen source during doping with type impurities. However, it is known that NH 3 gas becomes a better N source even if it is not converted to plasma as used for nitride growth in MBE. This is because most gases can be supplied to the substrate surface without being decomposed even at a high temperature of 1000 ° C. in an environment where no catalyst such as metal exists. Incidentally, H 2 gas generated from the NH 3 gas decomposes the ZnO in the following equation.
ZnO (s) + H 2 (g) ⇔ Zn (g) + H 2 O (g) (2)
When the H 2 partial pressure in the growth zone is increased or the growth temperature is increased, the reaction of formula (2) proceeds to the right side, and the growth of ZnO is inhibited.

本発明の製造装置では、少なくともアンモニアガスを輸送するガス供給管16の材料に非金属である石英を用い、ガス供給管16は成長ゾーン30内を横切り、ガス供給口16aは基板1の直上に設けられている。このため、アンモニアガスは基板1上に到達するまで金属と接触しないので分解されることがなく、基板直上の反応に寄与することができるので、十分な窒素ドープ濃度を得ることができる。   In the manufacturing apparatus of the present invention, quartz which is a nonmetal is used as a material of at least the gas supply pipe 16 for transporting ammonia gas, the gas supply pipe 16 crosses the inside of the growth zone 30, and the gas supply port 16 a is directly above the substrate 1. Is provided. For this reason, ammonia gas does not come into contact with the metal until it reaches the substrate 1, so it is not decomposed and can contribute to the reaction immediately above the substrate, so that a sufficient nitrogen dope concentration can be obtained.

一方、結晶成長用の金属材料にZnを含むハロゲン化物を用い、酸素含有ガスを輸送するガス供給管12のガス供給口12aは、基板1の直上に設けられているので、Znを含むハロゲン化物と酸素含有ガスとは基板1直上で反応する。このため、非常に効率良くZn材料を基板上に供給することができる。   On the other hand, a halide containing Zn is used as the metal material for crystal growth, and the gas supply port 12a of the gas supply pipe 12 for transporting the oxygen-containing gas is provided immediately above the substrate 1. And the oxygen-containing gas react directly on the substrate 1. For this reason, Zn material can be supplied onto a substrate very efficiently.

ここで、成長ゾーン30の温度は、塩化亜鉛ガスが成長ゾーン30までの途中の経路で析出しないように、原料ゾーン19、23の温度よりも高温に設定される。具体的には、成長ゾーン30の温度は約700℃〜約1000℃程度に設定される。   Here, the temperature of the growth zone 30 is set to be higher than the temperature of the raw material zones 19 and 23 so that the zinc chloride gas does not precipitate on the way to the growth zone 30. Specifically, the temperature of the growth zone 30 is set to about 700 ° C. to about 1000 ° C.

また、原料ゾーン19、23の設定温度を成長ゾーン30の成長温度よりも低くすることによって、原料ゾーン19、23で生成された塩化亜鉛ガス、塩化マグネシウムガスが成長ゾーン30まで輸送されるまでの間に析出することを抑制できる。   In addition, by making the set temperature of the raw material zones 19 and 23 lower than the growth temperature of the growth zone 30, the zinc chloride gas and magnesium chloride gas generated in the raw material zones 19 and 23 are transported to the growth zone 30. Precipitation between them can be suppressed.

また、酸素材料として酸素単体ではなく水を採用することによって、成長ゾーン30の基板1上では、塩素ガスではなく塩酸ガスが生成されるので、熱力学的により安定した状態でZnO薄膜を形成することができる。   Further, by adopting water instead of simple oxygen as the oxygen material, hydrochloric acid gas is generated instead of chlorine gas on the substrate 1 in the growth zone 30, so that the ZnO thin film is formed in a thermodynamically more stable state. be able to.

V族の水素化物ガスとして、NHの替わりに、例えば、AsH、PHのいずれかを用いることができる。また、ハロゲンガスとして、塩素ガスの代わりに臭素ガスを採用してもよい。また、II族金属材料の種類は2種類だけではなく、3種類以上のII族金属材料を用いてもよい。 As a group V hydride gas, instead of NH 3, for example, it can be any of AsH 3, PH 3. Further, bromine gas may be employed as the halogen gas instead of chlorine gas. Further, the group II metal material is not limited to two types, and three or more group II metal materials may be used.

ZnO系半導体層を結晶成長する工程において、反応ガスには、マグネシウム含有ガスを含んでいてもよい。また、マグネシウム含有ガスの分圧は、例えば、約1×10-4 気圧以下程度である。 In the step of crystal growth of the ZnO based semiconductor layer, the reaction gas may contain a magnesium-containing gas. Further, the partial pressure of the magnesium-containing gas is, for example, about 1 × 10 −4 atm or less.

亜鉛および/またはマグネシウムのハロゲン化物は、1000℃程度の温度では、亜鉛および/またはマグネシウムと塩素ガスに分解せず、ZnO基板上で亜鉛および/またはマグネシウムのハロゲン化物と酸素材料と直接反応が起こる。   Zinc and / or magnesium halide does not decompose into zinc and / or magnesium and chlorine gas at a temperature of about 1000 ° C., and direct reaction occurs between zinc and / or magnesium halide and oxygen material on a ZnO substrate. .

亜鉛および/またはマグネシウムのハロゲン化物と酸素材料は、主な有機金属と酸素材料程、過早反応が起こらないため、ZnO基板上にパーティクルが発生することもなく、かつ高温領域の原料効率もMOCVD法よりも高い。   Zinc and / or magnesium halides and oxygen materials do not react as quickly as main organic metals and oxygen materials, so no particles are generated on the ZnO substrate, and the raw material efficiency in the high temperature region is also MOCVD. Higher than the law.

酸素原料と亜鉛および/またはマグネシウムのハロゲン化物のモル供給比(VI/II比)は、重要な成長パラメータである。既出願の特願2008−171610でも説明したように、VI/II比を100以下にすることで、ハロゲン化物原料の基板表面上のマイグレーションを促進するとともに、結晶成長の異常部(ピットや突起物)などの発生を抑える効果がある。また、VI/II比が小さい場合には結晶成長の速度が遅くなってしまうので、VI/II比は例えば1以上とするとよい。   The molar feed ratio (VI / II ratio) of oxygen source and zinc and / or magnesium halide is an important growth parameter. As described in Japanese Patent Application No. 2008-171610, the VI / II ratio is set to 100 or less, thereby promoting the migration of halide raw material on the substrate surface and at the same time abnormal portions of crystal growth (pits and protrusions). ) And the like. Further, when the VI / II ratio is small, the rate of crystal growth becomes slow, so the VI / II ratio is preferably 1 or more, for example.

例えば、ZnCl分圧が2.2×10−5atm、VI/II=20の場合、0.5μm/h程度の成長速度が得られる。この0.5μm/h程度という値は、化合物半導体の薄膜形成速度として許容できる成長速度であり、ZnO系半導体膜の形成方法として十分に使用できる方法である。 For example, when the ZnCl 2 partial pressure is 2.2 × 10 −5 atm and VI / II = 20, a growth rate of about 0.5 μm / h is obtained. This value of about 0.5 μm / h is an acceptable growth rate as the thin film formation rate of the compound semiconductor, and can be used satisfactorily as a method of forming the ZnO-based semiconductor film.

次に、上記酸化亜鉛系半導体の製造方法及び製造装置を用いて形成された半導体素子の模式的断面構造例を図10に示す。図10に示すように、ZnO基板40と、ZnO基板40上に配置され、n型不純物がドープされたn型ZnO系半導体層42と、n型ZnO系半導体層42上に配置されたZnO系半導体活性層44と、ZnO系半導体活性層44上に配置され、p型不純物がドープされたp型ZnO系半導体層46とを備える。   Next, FIG. 10 shows a schematic cross-sectional structure example of a semiconductor element formed by using the above-described zinc oxide semiconductor manufacturing method and manufacturing apparatus. As shown in FIG. 10, a ZnO substrate 40, an n-type ZnO based semiconductor layer 42 that is disposed on the ZnO substrate 40 and doped with an n-type impurity, and a ZnO based that is disposed on the n-type ZnO based semiconductor layer 42. A semiconductor active layer 44 and a p-type ZnO-based semiconductor layer 46 disposed on the ZnO-based semiconductor active layer 44 and doped with a p-type impurity are provided.

n型ZnO系半導体層42、ZnO系半導体活性層44およびp型ZnO系半導体層46は、いずれも上述の酸化亜鉛系半導体の製造装置及び上述のハロゲン化II族金属と酸素原料を用いる製造方法により形成される。   The n-type ZnO-based semiconductor layer 42, the ZnO-based semiconductor active layer 44, and the p-type ZnO-based semiconductor layer 46 are all manufactured using the above-described zinc oxide-based semiconductor manufacturing apparatus and the above-described manufacturing method using a group II metal halide and an oxygen source. It is formed by.

p型ZnO系半導体層46上には、p側電極48が配置され、導電性のZnO基板40の裏面には、n側電極50が配置されている。p側電極48の材料としては、例えば、Ni層およびAu層の積層構造を採用することができる。また、n側電極50の材料としては、例えば、Ti層およびAu層の積層構造を採用することができる。   A p-side electrode 48 is disposed on the p-type ZnO-based semiconductor layer 46, and an n-side electrode 50 is disposed on the back surface of the conductive ZnO substrate 40. As a material of the p-side electrode 48, for example, a stacked structure of a Ni layer and an Au layer can be adopted. In addition, as a material of the n-side electrode 50, for example, a laminated structure of a Ti layer and an Au layer can be adopted.

n型不純物としては、例えば、B,Ga,Al,In,またはTlのいずれかを適用することができる。   As the n-type impurity, for example, any of B, Ga, Al, In, or Tl can be applied.

また、p型不純物としては、V族元素を用いることができ、例えば、N,P,As等のいずれかを適用することができる。   Moreover, as a p-type impurity, a V group element can be used, for example, any of N, P, As etc. is applicable.

ZnO系半導体活性層44は、例えば、MgxZn1-xO(0<x<1)からなるバリア層と、ZnOからなる井戸層が積層された多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum Well)構造を備えている。 The ZnO-based semiconductor active layer 44 is, for example, a multi-quantum well (MQW) in which a barrier layer made of Mg x Zn 1-x O (0 <x <1) and a well layer made of ZnO are stacked. It has a structure.

また、ZnO系半導体活性層44は、CdyZn1-yO(0<y<1)からなる井戸層と、ZnOからなるバリア層が積層されたMQW構造を備えていてもよい。 The ZnO-based semiconductor active layer 44 may have an MQW structure in which a well layer made of Cd y Zn 1-y O (0 <y <1) and a barrier layer made of ZnO are stacked.

量子井戸のペア数は、電子、およびホールの走行距離から決まる。すなわち、電子、およびホールの再結合発光効率が、最も良好となるZnO系半導体活性層44の所定の厚さに対応したMQWのペア数により決定する。   The number of quantum well pairs is determined by the distance traveled by electrons and holes. That is, the recombination emission efficiency of electrons and holes is determined by the number of MQW pairs corresponding to a predetermined thickness of the ZnO-based semiconductor active layer 44 that provides the best.

ここで、ZnOのバンドギャップエネルギー3.37eVに対して、MgOのバンドギャップエネルギーは、7.8eVであることから、MgxZn1-xOの組成比xを調整して、MgxZn1-xOからなるバリア層と、ZnOからなる井戸層が積層されたMQW構造を形成することができる。 Here, since the band gap energy of MgO is 7.8 eV with respect to the band gap energy of 3.37 eV of ZnO, the composition ratio x of Mg x Zn 1-x O is adjusted to make Mg x Zn 1 a barrier layer made of -x O, can be well layer made of ZnO to form a laminated MQW structure.

一方、ZnOのバンドギャップエネルギー3.37eVに対して、CdOのバンドギャップエネルギーは、0.8eVであることから、CdyZn1-yOの組成比y調整して、CdyZn1-yOからなる井戸層と、ZnOからなるバリア層が積層されたMQW構造を形成することができる。 On the other hand, since the band gap energy of CdO is 0.8 eV with respect to the band gap energy of 3.37 eV, the composition ratio y of Cd y Zn 1 -y O is adjusted to obtain Cd y Zn 1 -y. An MQW structure in which a well layer made of O and a barrier layer made of ZnO are stacked can be formed.

なお、上記の半導体装置からの発光(hν)は、図10に示すように、上面方向から取り出すことができる。   Note that light emission (hν) from the semiconductor device can be extracted from the top surface direction as shown in FIG.

図10のZnO系半導体素子のp型ZnO系半導体層46は、単層とせずに、図11のように多層膜とすることもできる。図11では、p型ZnO系半導体層46は、p型ZnO系半導体膜461、p型ZnO系半導体膜462、・・・・、p型ZnO系半導体膜46(n−1)、p型ZnO系半導体膜46n、で構成されている。ここで、nは1以上の整数である。p型ZnO系半導体膜461〜p型ZnO系半導体膜46nまでは、p型不純物であるV族元素が一定の濃度でドーピングされていても良いが、異なるようにドーピングすることもできる。   The p-type ZnO-based semiconductor layer 46 of the ZnO-based semiconductor element of FIG. 10 may be a multilayer film as shown in FIG. 11 instead of a single layer. In FIG. 11, the p-type ZnO-based semiconductor layer 46 includes a p-type ZnO-based semiconductor film 461, a p-type ZnO-based semiconductor film 462,..., A p-type ZnO-based semiconductor film 46 (n-1), and a p-type ZnO. System semiconductor film 46n. Here, n is an integer of 1 or more. The p-type ZnO-based semiconductor film 461 to the p-type ZnO-based semiconductor film 46n may be doped with a group V element that is a p-type impurity at a constant concentration, but may be doped differently.

図6〜図9の説明のところで述べたように、V族の水素化物ガスの分圧と亜鉛を含むハロゲン化II族金属ガスの分圧との比であるV/II比を一定にし、p型ZnO系半導体膜のプラスの結晶成長の温度範囲内で、成長温度を各半導体膜毎に順次変えていけば、p型不純物であるV族元素の濃度が異なる多層膜を形成することができる。また、成長温度をp型ZnO系半導体膜461から順に上げるか、又は下げていけば、p型不純物濃度の傾斜を持つp型ZnO系半導体層46を構成することができる。   As described in the description of FIGS. 6 to 9, the V / II ratio, which is the ratio between the partial pressure of the Group V hydride gas and the partial pressure of the Group II metal gas containing zinc, is made constant, and p If the growth temperature is sequentially changed for each semiconductor film within the positive crystal growth temperature range of the type ZnO-based semiconductor film, multilayer films having different concentrations of group V elements as p-type impurities can be formed. . If the growth temperature is increased or decreased sequentially from the p-type ZnO-based semiconductor film 461, the p-type ZnO-based semiconductor layer 46 having a p-type impurity concentration gradient can be formed.

本発明の酸化亜鉛系半導体の製造法及び製造装置は、青色領域から紫外領域までのLEDまたはレーザダイオード(LD:Laser Dioide)などの発光デバイス、受光素子や圧電素子、HEMT(High Electron Mobility Transistor)、HBT(Hetero-junction Bipolar Transistor)、透明電極など幅広い分野に適用することができる。   The method and apparatus for producing a zinc oxide semiconductor according to the present invention includes a light emitting device such as an LED or a laser diode (LD) from a blue region to an ultraviolet region, a light receiving device, a piezoelectric device, and a HEMT (High Electron Mobility Transistor). It can be applied to a wide range of fields such as HBT (Hetero-junction Bipolar Transistor) and transparent electrodes.

本発明の酸化亜鉛系半導体の製造方法に係るZnO基板を準備する工程を示す模式的断面構造図(a)と、ハロゲン化物気相成長によるZnO系半導体層の形成工程を示す模式的断面構造図(b)である。Schematic cross-sectional structure diagram (a) showing a step of preparing a ZnO substrate according to the method for manufacturing a zinc oxide-based semiconductor of the present invention, and a schematic cross-sectional structure diagram showing a step of forming a ZnO-based semiconductor layer by halide vapor phase epitaxy (B). 本発明の酸化亜鉛系半導体の製造方法を適用する製造装置の模式的構成例を示す図である。It is a figure which shows the typical structural example of the manufacturing apparatus which applies the manufacturing method of the zinc oxide type semiconductor of this invention. 本発明の酸化亜鉛系半導体の製造方法により形成された窒素ドープZnO系半導体層表面の20μm四方のAFM画像を示す図である。It is a figure which shows the 20 micrometers square AFM image of the nitrogen dope ZnO type semiconductor layer surface formed with the manufacturing method of the zinc oxide type semiconductor of this invention. HVPE法により形成されたアンドープZnO系半導体層表面の20μm四方のAFM画像を示す図である。It is a figure which shows the 20 micrometers square AFM image of the undoped ZnO type semiconductor layer surface formed by HVPE method. VI/II比を変化させた場合の熱力学解析による結晶成長駆動力と成長温度との関係及びアンモニアガス供給がない場合との比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison with the case where there is no ammonia gas supply, and the relationship between the crystal growth driving force and growth temperature by thermodynamic analysis when changing VI / II ratio. アンモニアガス分圧毎の窒素ドープZnO層の成長速度と成長温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the growth rate and growth temperature of a nitrogen dope ZnO layer for every ammonia gas partial pressure. 図6のデータに基づき窒素ドープZnO層が成長しているか、エッチングとなっているかを分類した図である。It is the figure which classified based on the data of FIG. 6 whether the nitrogen dope ZnO layer was growing or it was etching. 窒素ドープZnOの窒素濃度が成長温度によって変化することを示す図である。It is a figure which shows that the nitrogen concentration of nitrogen dope ZnO changes with growth temperature. 本発明の酸化亜鉛系半導体の製造方法によって作製された窒素ドープZnO層の代表例における2次イオン質量分析測定結果を示す。The secondary ion mass spectrometry measurement result in the typical example of the nitrogen dope ZnO layer produced with the manufacturing method of the zinc oxide type semiconductor of the present invention is shown. 本発明の酸化亜鉛系半導体の製造方法によって作製されたZnO系半導体素子の構造例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the ZnO type semiconductor element produced by the manufacturing method of the zinc oxide type semiconductor of this invention. 図10のZnO系半導体素子で、p型ZnO系半導体層を多層膜にした構成例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example in which the p-type ZnO-based semiconductor layer is a multilayer film in the ZnO-based semiconductor element of FIG. 10.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 p型ZnO系半導体層
11 水分ガス供給手段
13 n型不純物原料ガス供給手段
15 p型不純物原料ガス供給手段
19、23 原料ゾーン
20、24 II族金属材料
30 成長ゾーン
31、33 加熱手段
32 基板保持手段
17、21 塩素ガス供給手段
12、14、16 ガス供給管
12a、14a、16a ガス供給口
18a、18b ガス供給管
22a、22b ガス供給管
1 substrate 2 p-type ZnO-based semiconductor layer 11 moisture gas supply means 13 n-type impurity source gas supply means 15 p-type impurity source gas supply means 19 and 23 source zones 20 and 24 Group II metal material 30 growth zones 31 and 33 heating means 32 Substrate holding means 17, 21 Chlorine gas supply means 12, 14, 16 Gas supply pipes 12a, 14a, 16a Gas supply ports 18a, 18b Gas supply pipes 22a, 22b Gas supply pipes

Claims (9)

基板又は半導体層上に、亜鉛を含むハロゲン化II族金属ガスと酸素含有ガスを混合した反応ガスを導入する工程と、前記基板又は半導体層上にp型不純物原料ガスとしてV族の水素化物ガスを導入する工程とを備え、前記基板又は半導体層上にp型不純物がドープされた酸化亜鉛系半導体層を結晶成長させることを特徴とする酸化亜鉛系半導体の製造方法。   Introducing a reaction gas obtained by mixing a halogenated group II metal gas containing zinc and an oxygen-containing gas onto a substrate or a semiconductor layer; and a group V hydride gas as a p-type impurity source gas on the substrate or the semiconductor layer. And a step of crystal growth of a zinc oxide based semiconductor layer doped with a p-type impurity on the substrate or the semiconductor layer. 前記V族の水素化物ガスはNH、AsH、またはPHのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の酸化亜鉛系半導体の製造方法。 The method for producing a zinc oxide based semiconductor according to claim 1, wherein the group V hydride gas is NH 3 , AsH 3 , or PH 3 . 前記酸素含有ガスはHOからなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の酸化亜鉛系半導体の製造方法。 The method for producing a zinc oxide based semiconductor according to claim 1, wherein the oxygen-containing gas is made of H 2 O. 前記ハロゲン化II族金属ガスは、亜鉛の他にマグネシウムを含んでいることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の酸化亜鉛系半導体の製造方法。   4. The method for producing a zinc oxide-based semiconductor according to claim 1, wherein the halogenated group II metal gas contains magnesium in addition to zinc. 5. 前記V族の水素化物ガスの分圧と亜鉛を含むハロゲン化II族金属ガスの分圧との比(V/II比)が小さくなるにしたがって、前記酸化亜鉛系半導体層がプラス成長できる成長温度範囲の高温側の限界温度が大きくなっていくことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずか1項に記載の酸化亜鉛系半導体の製造方法。   The growth temperature at which the zinc oxide based semiconductor layer can grow positively as the ratio (V / II ratio) between the partial pressure of the Group V hydride gas and the partial pressure of the Group II metal gas containing zinc decreases. The method for producing a zinc oxide based semiconductor according to any one of claims 1 to 4, wherein a limit temperature on a high temperature side of the range is increased. 前記p型不純物がドープされた酸化亜鉛系半導体層は、酸化亜鉛系半導体多層膜であって、該酸化亜鉛系半導体多層膜を構成する各酸化亜鉛系膜は、プラス成長できる成長温度範囲内で成長温度を変えて形成されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の酸化亜鉛系半導体の製造方法。   The zinc oxide-based semiconductor layer doped with the p-type impurity is a zinc oxide-based semiconductor multilayer film, and each zinc oxide-based film constituting the zinc oxide-based semiconductor multilayer film is within a growth temperature range in which positive growth is possible. The method for producing a zinc oxide-based semiconductor according to any one of claims 1 to 4, wherein the growth temperature is changed. 請求項1〜請求項6のいずれかの酸化亜鉛系半導体の製造方法により作製されたことを特徴とする酸化亜鉛系半導体。   A zinc oxide-based semiconductor produced by the method for producing a zinc oxide-based semiconductor according to claim 1. 亜鉛の金属単体を含むII族金属材料が保持される原料ゾーンと、
前記原料ゾーンにハロゲンガスを供給するハロゲンガス供給手段と、
酸素を含む酸素材料を供給する酸素材料供給手段と、
p型不純物を不純物添加するためのV族の水素化物ガスを供給する水素化物ガス供給手段と、
前記V族の水素化物ガスと前記II族金属材料から生成されたハロゲン化II族金属ガスと前記酸素材料とを反応させる成長ゾーンとを備え、
前記水素化物ガス供給手段に接続されたガス供給管が前記成長ゾーン内まで伸びて配置され、該ガス供給管のガス供給口が前記基板又は半導体の上方に配置されていることを特徴とする酸化亜鉛系半導体の製造装置。
A raw material zone in which a group II metal material containing a metal element of zinc is held;
Halogen gas supply means for supplying halogen gas to the raw material zone;
Oxygen material supply means for supplying oxygen material containing oxygen;
a hydride gas supply means for supplying a Group V hydride gas for adding a p-type impurity;
A growth zone in which the Group V hydride gas, the Group II metal material generated from the Group II metal material and the oxygen material react with each other, and
The gas supply pipe connected to the hydride gas supply means is arranged to extend into the growth zone, and the gas supply port of the gas supply pipe is arranged above the substrate or the semiconductor. Zinc-based semiconductor manufacturing equipment.
前記ガス供給管は、非金属で構成されていることを特徴とする請求項8記載の酸化亜鉛系半導体の製造装置。   9. The apparatus for manufacturing a zinc oxide semiconductor according to claim 8, wherein the gas supply pipe is made of a non-metal.
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