JP2010232623A - Hetero epitaxial growth method, hetero epitaxial crystal structure, hetero epitaxial crystal growth apparatus, and semiconductor device - Google Patents

Hetero epitaxial growth method, hetero epitaxial crystal structure, hetero epitaxial crystal growth apparatus, and semiconductor device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hetero epitaxial growth method, a hetero epitaxial crystal structure, a hetero epitaxial crystal growth apparatus, and a semiconductor device for growing a ZnO based semiconductor crystal on a heterogeneous substrate at a high temperature. <P>SOLUTION: The hetero epitaxial growth method, the hetero epitaxial crystal structure, the hetero epitaxial crystal growth apparatus, and the semiconductor device include a process of forming a buffer layer 42 formed with an orienting film of an oxide or an orienting film of nitride on a heterogeneous substrate 40, and a process of performing crystal growth of a ZnO based a semiconductor layer 44 or 46 on the buffer layer using a halogenated group II metal and an oxygen material. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、ヘテロエピタキシャル成長方法、ヘテロエピタキシャル結晶構造、ヘテロエピタキシャル結晶成長装置および半導体装置に関し、特に、高品質な酸化亜鉛(以下ZnO)系化合物半導体結晶のヘテロエピタキシャル成長方法、ヘテロエピタキシャル結晶構造、ヘテロエピタキシャル結晶成長装置および半導体装置に関する。   The present invention relates to a heteroepitaxial growth method, a heteroepitaxial crystal structure, a heteroepitaxial crystal growth apparatus, and a semiconductor device. The present invention relates to a crystal growth apparatus and a semiconductor device.

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おり、量産性に優れた高品質のZnO結晶成長技術の確立が要望されている。   ZnO crystals have a wide range of uses other than light-emitting devices, and are expected to be applied to light-receiving elements, piezoelectric elements, transistors, transparent electrodes, etc., and establishment of high-quality ZnO crystal growth technology with excellent mass productivity is desired. Yes.

高品質のZnO系半導体を製造する方法としては、以下の方法が知られている。例えば、分子線エピタキシャル成長(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法では、亜鉛とラジカル化(プラズマ化)された酸素とを分子線として供給し、成長基板上で反応させて高品質のZnO系半導体を成長させている。また、パルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法では、ZnO系半導体の焼結体や結晶にレーザ光を照射して蒸発したZnO系半導体を成長基板上に堆積させることによって高品質のZnO系半導体を成長させている。   The following methods are known as methods for producing high-quality ZnO-based semiconductors. For example, in the molecular beam epitaxy (MBE) method, zinc and radicalized (plasmaized) oxygen are supplied as molecular beams and reacted on a growth substrate to grow a high-quality ZnO-based semiconductor. ing. In the pulsed laser deposition (PLD) method, a ZnO-based semiconductor is deposited on a growth substrate by depositing a ZnO-based semiconductor evaporated by irradiating a laser beam onto a ZnO-based semiconductor sintered body or crystal. Growing semiconductors.

しかしながら、上述したMBE法及びPLD法によりZnO系半導体を成長させる場合には、大面積の成膜が困難であり、また、真空中で成長を行う必要があるため、工業的に量産することは困難であるといった問題がある。   However, when a ZnO-based semiconductor is grown by the MBE method and the PLD method described above, it is difficult to form a film with a large area, and it is necessary to perform growth in a vacuum. There is a problem that it is difficult.

そこで、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)法によりZnO系半導体を成長させる方法が知られている。MOCVD法では、亜鉛を含む有機金属が基板近傍、または基板上で分解し、最終的に金属元素と酸素材料が反応し、ZnO系半導体を成長させている。   Therefore, as a method for manufacturing a ZnO-based semiconductor that does not require high vacuum, a ZnO-based semiconductor is formed by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method that is widely used for crystal growth of III-V group semiconductors. There are known ways to grow. In the MOCVD method, an organic metal containing zinc is decomposed in the vicinity of the substrate or on the substrate, and finally the metal element and the oxygen material react to grow a ZnO-based semiconductor.

しかしながら、上述したMOCVD法では、II族元素である亜鉛の蒸気圧がIII族元素に比べて非常に高いため、高品質の成長が可能な高温下では成長基板に亜鉛が到達しても成長基板から離脱しやすい。このため、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いので、亜鉛を含む材料の効率が低いといった問題がある。   However, in the MOCVD method described above, the vapor pressure of zinc, which is a group II element, is extremely higher than that of group III elements. Therefore, even if zinc reaches the growth substrate at a high temperature capable of high-quality growth, the growth substrate Easy to leave. For this reason, since the ratio of zinc that can contribute to the growth of the ZnO-based semiconductor on the growth substrate is small, there is a problem that the efficiency of the material containing zinc is low.

また、亜鉛を含む有機金属材料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。   In addition, there is a problem 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 containing zinc is decomposed.

ZnO系半導体を気相成長(VPE: Vapor Phase Epitaxy)法で成長させる場合、材料として亜鉛の金属単体と酸素を含む酸素材料(例えば、酸素)とを用いることが1つの方法として知られている。しかしながら、この化学反応の平衡定数はIII−V族半導体の平衡定数に比べて大きく、また、前述のように高温成長のためには蒸気圧の高い亜鉛の供給分圧を高く設定する必要があるため、反応を制御することが困難であるといった問題がある。   When a ZnO-based semiconductor is grown by a vapor phase epitaxy (VPE) method, it is known as one method to use a zinc metal simple substance and an oxygen material containing oxygen (for example, oxygen) as materials. . However, the equilibrium constant of this chemical reaction is larger than the equilibrium constant of the III-V group semiconductor, and it is necessary to set the supply partial pressure of zinc having a high vapor pressure high for high-temperature growth as described above. Therefore, there is a problem that it is difficult to control the reaction.

そこで、ZnO系半導体をVPE法で成長させる場合の別の方法として、亜鉛の塩化物と酸素材料とを用いた方法が開示されている(例えば、非特許文献1参照。)。この非特許文献1におけるZnO系半導体の製造方法では、塩化亜鉛の粉末を反応管内に設置し、加熱することにより蒸気になった塩化亜鉛をキャリアガスにより輸送して酸素と反応させてZnO系半導体を成長させている。   Therefore, as another method for growing a ZnO-based semiconductor by the VPE method, a method using zinc chloride and an oxygen material is disclosed (for example, see Non-Patent Document 1). In this method of manufacturing a ZnO-based semiconductor in Non-Patent Document 1, zinc chloride powder is placed in a reaction tube, and heated to transport zinc chloride vaporized by a carrier gas and react with oxygen to form a ZnO-based semiconductor. Is growing.

この方法は、II族材料としてハロゲン化II族金属を用いたハライド(またはハイドライド)気相成長(HVPE:Halide/Hydride Vapor Phase Epitaxy)法と呼ばれている。なお、HVPE法は、III族材料にハロゲン化物(塩化物)を用い、V族材料に水素化物を用いることによって、窒化ガリウム基板などを工業的に製造するIII−V族半導体の製造方法として知られている。このHVPE法では、成長基板及びその周辺のみならず石英管をも高温とするホットウォール方式が一般的に用いられる。   This method is called a halide (or hydride) vapor phase epitaxy (HVPE) method using a group II metal halide as a group II material. The HVPE method is known as a method for producing a group III-V semiconductor in which a gallium nitride substrate or the like is industrially produced by using a halide (chloride) as a group III material and a hydride as a group V material. It has been. In this HVPE method, a hot wall method is generally used in which not only the growth substrate and its periphery but also the quartz tube is heated.

しかしながら、上述した非特許文献1のZnO系半導体の製造方法では、塩化亜鉛を亜鉛材料として用いているが、塩化亜鉛は潮解性があるとともに、容易に入手できる塩化亜鉛の純度は約99.9%程度と低く、純度の高い塩化亜鉛は高価であるため、高品質のZnO系半導体を容易に製造できない。   However, in the method of manufacturing a ZnO-based semiconductor of Non-Patent Document 1 described above, zinc chloride is used as a zinc material. Zinc chloride has deliquescence and purity of easily available zinc chloride is about 99.9. Since zinc chloride having a low purity of about% and high purity is expensive, a high-quality ZnO-based semiconductor cannot be easily manufactured.

ZnO結晶成長用基板として、同一材料種であるZnO基板を用いる場合、ZnO結晶成長用基板は、水晶作製と同様の方法の水熱合成法で作製されており、高レベルの不純物制御が必要な半導体分野で産業化できるかどうかまだ不明である。また、ZnO基板の物性上脆いという点が今後のZnO結晶成長用基板の大型化を困難にすると考えられる。   When a ZnO substrate of the same material type is used as the ZnO crystal growth substrate, the ZnO crystal growth substrate is manufactured by a hydrothermal synthesis method similar to that for crystal manufacturing, and high level impurity control is required. Whether it can be industrialized in the semiconductor field is still unclear. In addition, it is considered that the fact that the ZnO substrate is brittle in physical properties makes it difficult to increase the size of the future ZnO crystal growth substrate.

窒化物半導体は特にコスト削減を求められる発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)用途に用いられる場合、高価なホモエピタキシャル用基板を用いる代わりにサファイア基板、炭化ケイ素基板、シリコン基板などが用いられている。   Nitride semiconductors use sapphire substrates, silicon carbide substrates, silicon substrates, etc. instead of using expensive homoepitaxial substrates, especially when used for light emitting diode (LED) applications that require cost reduction. .

MBE法やMOCVD法でサファイア基板上に直接高温成長を行った場合、ZnOが成長しないという現象があり、これはGaNでは起こらない現象である。   When high temperature growth is directly performed on a sapphire substrate by MBE or MOCVD, there is a phenomenon that ZnO does not grow, which is a phenomenon that does not occur in GaN.

Ga,Alに代表されるIII族元素は蒸気圧が低く、高温領域でもサファイア上での濡れ性が良いため、バッファ層を介さない場合でも高温で結晶が成長するが、Znのような基板上の濡れ性の悪い元素はまず低温で基板上にZnO膜を形成して濡れ性を良くしてからでないと高温でZnOを成長するのは難しいからである。   Group III elements typified by Ga and Al have low vapor pressure and good wettability on sapphire even at high temperatures, so crystals grow at high temperatures even without a buffer layer. This is because it is difficult to grow ZnO at a high temperature without forming a ZnO film on the substrate at a low temperature to improve the wettability.

低温で成長を行うと基板表面での原料の拡散が起こりにくくなり、成長膜はロッド状または芯状結晶の集まりとなり、配向膜ではあるものの半導体レベルの高品質結晶成長は困難であった。   When growing at low temperature, the diffusion of the raw material on the substrate surface is difficult to occur, and the growth film is a collection of rod-like or core-like crystals, and although it is an alignment film, high-quality crystal growth at the semiconductor level is difficult.

異種基板上へのエピタキシャル成長のためにはバッファ層を介して成長させる方法が通常用いられている。特にサファイア基板上のGaNの場合、低温でAlNあるいはGaNから成るバッファ層を形成し、その後高温で成長することで結晶性が良く、平坦性の優れたGaN結晶を得ることに成功している(例えば、特許文献1および非特許文献2参照。)。   A method of growing through a buffer layer is usually used for epitaxial growth on a different substrate. In particular, in the case of GaN on a sapphire substrate, a buffer layer made of AlN or GaN is formed at a low temperature, and then grown at a high temperature, thereby succeeding in obtaining a GaN crystal with good crystallinity and excellent flatness ( For example, see Patent Document 1 and Non-Patent Document 2.)

ZnO系半導体結晶の場合もGaN系半導体結晶と同様にバッファ層を形成することが提案されている(例えば、特許文献2および非特許文献3参照。)。この方法では、600℃よりも低い低温で膜厚約10−100nm程度の低温成長ZnO単結晶層を成長し、その後熱処理による平坦化処理を行った後に、800℃よりも低い温度でZnO成長を行うというものである。しかしこの方法においては、MBE法を前提としており、高温成長の成長温度は800℃程度が限界である。またZn単体原料または有機金属材料をZn原料源として利用する方法ではZnの高い蒸気圧のために、高温成長する程、原料効率が激減するという問題があった。   In the case of a ZnO-based semiconductor crystal, it has been proposed to form a buffer layer as in the case of a GaN-based semiconductor crystal (see, for example, Patent Document 2 and Non-Patent Document 3). In this method, a low-temperature growth ZnO single crystal layer having a film thickness of about 10-100 nm is grown at a low temperature lower than 600 ° C., followed by a planarization process by heat treatment, and then ZnO growth is performed at a temperature lower than 800 ° C. Is to do. However, this method is based on the MBE method, and the growth temperature for high-temperature growth is limited to about 800 ° C. Further, in the method of using a Zn simple substance or an organic metal material as a Zn raw material source, there is a problem that the raw material efficiency decreases drastically as the temperature is increased due to the high vapor pressure of Zn.

特許第3257344号公報Japanese Patent No. 3257344 特許第3424814号公報Japanese Patent No. 3424814

N.Takahashi,et al. “Atomospheric pressure vapor-phase growth of ZnO using chloride source”, Journal of Crystal Growth. 209 (2000), 822N. Takahashi, et al. “Atomospheric pressure vapor-phase growth of ZnO using chloride source”, Journal of Crystal Growth. 209 (2000), 822 H.Amano, N.Sawaki and I.Akasaki, “Metalorganic vapor phase epitaxy growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer”, Appl.Phys.Lett.48(5),3 February 1986,353H. Amano, N. Sawaki and I. Akasaki, “Metalorganic vapor phase epitaxy growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer”, Appl. Phys. Lett. 48 (5), 3 February 1986, 353 H.KATO, M.SANO, K. MIYAMOTO, and T. YAO, “Effect of O/Zn Flux Ratio on Crystalline Quality of ZnO Films Grown by Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy”, Jpn.J.Appl.Phys.Vol.42 (2003), 2241H.KATO, M.SANO, K. MIYAMOTO, and T. YAO, “Effect of O / Zn Flux Ratio on Crystalline Quality of ZnO Films Grown by Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003), 2241

サファイア基板などの異種基板上へのZnO系半導体結晶成長の場合、Znのハロゲン化物を原料とした場合でも、高温成長を行った場合は異種基板に対するZnOの濡れ性が悪く、異種基板上のZnOは膜にならずに結晶核がまばらに成長し、連続膜になりにくい。   In the case of ZnO-based semiconductor crystal growth on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate, even when Zn halide is used as a raw material, the wettability of ZnO to the heterogeneous substrate is poor when grown at a high temperature, and ZnO on the heterogeneous substrate Does not become a film, crystal nuclei grow sparsely, and it is difficult to form a continuous film.

また、MOCVD法やMBE法で高温成長を行う場合、前述のようにバッファ層を用いた場合でも高温成長ではZnOの成長が困難であり、またZn原料の供給量を増やした場合、原料効率が悪くなるばかりでなく、Znと酸素原料が反応しやすいため、気相中での過早反応が起こりパーティクル発生の原因となる。   Further, when high temperature growth is performed by MOCVD method or MBE method, even when a buffer layer is used as described above, it is difficult to grow ZnO by high temperature growth, and when the supply amount of Zn raw material is increased, the raw material efficiency is increased. Not only does it worsen, but Zn and the oxygen source are likely to react with each other, causing premature reaction in the gas phase and causing generation of particles.

本発明の目的は、サファイア基板などの異種基板上へZnO系半導体結晶を800℃よりも高い温度で成長可能なヘテロエピタキシャル成長方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a heteroepitaxial growth method capable of growing a ZnO-based semiconductor crystal on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate at a temperature higher than 800 ° C.

また、本発明の目的は、上記ヘテロエピタキシャル成長方法を用いて形成したヘテロエピタキシャル結晶構造および半導体装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a heteroepitaxial crystal structure and a semiconductor device formed by using the above heteroepitaxial growth method.

さらに、本発明の目的は、サファイア基板などの異種基板上へZnO系半導体結晶を800℃よりも高い温度で成長するためのヘテロエピタキシャル結晶成長装置を提供することにある。   It is another object of the present invention to provide a heteroepitaxial crystal growth apparatus for growing a ZnO-based semiconductor crystal at a temperature higher than 800 ° C. on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate.

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、異種基板上にバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上にハロゲン化II族金属と酸素原料を用いて酸化亜鉛系半導体層を結晶成長する工程とを有するヘテロエピタキシャル成長方法が提供される。   According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a step of forming a buffer layer on a heterogeneous substrate, and a zinc oxide based semiconductor layer using a group II metal halide and an oxygen source on the buffer layer. There is provided a heteroepitaxial growth method having a step of crystal growth.

本発明の他の態様によれば、異種基板と、前記異種基板上に配置されたバッファ層と、前記バッファ層上に配置され、ハロゲン化II族金属と酸素原料を用いる結晶成長により形成された酸化亜鉛系半導体層とを備えるヘテロエピタキシャル結晶構造が提供される。   According to another aspect of the present invention, the heterogeneous substrate, the buffer layer disposed on the heterogeneous substrate, the crystal layer disposed on the buffer layer and using a group II metal halide and an oxygen source are formed. A heteroepitaxial crystal structure comprising a zinc oxide based semiconductor layer is provided.

本発明の他の態様によれば、異種基板と、前記異種基板上に配置されたバッファ層と、前記バッファ層上に配置され、n型不純物を不純物添加されたn型酸化亜鉛系半導体層と、前記n型酸化亜鉛系半導体層上に配置された酸化亜鉛系半導体活性層と、前記酸化亜鉛系半導体活性層上に配置され、p型不純物を不純物添加されたp型酸化亜鉛系半導体層とを備える半導体装置が提供される。   According to another aspect of the present invention, a heterogeneous substrate, a buffer layer disposed on the heterogeneous substrate, an n-type zinc oxide semiconductor layer disposed on the buffer layer and doped with an n-type impurity, A zinc oxide based semiconductor active layer disposed on the n-type zinc oxide based semiconductor layer; a p type zinc oxide based semiconductor layer disposed on the zinc oxide based semiconductor active layer and doped with a p-type impurity; A semiconductor device is provided.

本発明の他の態様によれば、亜鉛の金属単体を含む第1のII族金属材料が保持される第1原料ゾーンと、亜鉛以外のII族金属単体を含む第2のII族金属材料が保持される第2原料ゾーンと、前記第1原料ゾーンに第1ハロゲンガスを供給する第1ハロゲンガス供給手段と、前記第2原料ゾーンに第2ハロゲンガスを供給する第2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、n型不純物を不純物添加するためのn型ドーピングガスを供給する第1ドーピングガス供給手段と、p型不純物を不純物添加するためのp型ドーピングガスを供給する第2ドーピングガス供給手段と、前記第1および第2ハロゲンガス、前記n型およびp型ドーピングガス及び前記II族金属材料から生成されたハロゲン化II族金属と前記酸素材料とを反応させるための成長ゾーンとを備えるヘテロエピタキシャル結晶成長装置が提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a first raw material zone in which a first group II metal material containing a zinc simple substance is held, and a second group II metal material containing a group II metal other than zinc. A second raw material zone to be held; a first halogen gas supply means for supplying a first halogen gas to the first raw material zone; a second halogen gas supply means for supplying a second halogen gas to the second raw material zone; Oxygen material supply means for supplying oxygen material containing oxygen, first doping gas supply means for supplying n-type doping gas for doping n-type impurities, and p-type for doping p-type impurities. A second doping gas supply means for supplying a doping gas; a halogenated II produced from the first and second halogen gases, the n-type and p-type doping gases and the group II metal material; Heteroepitaxial crystal growth apparatus and a growth zone for reacting the metal and the oxygen material is provided.

本発明によれば、サファイア基板などの異種基板上へZnO系半導体結晶を800℃よりも高い温度で成長可能なヘテロエピタキシャル成長方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a heteroepitaxial growth method capable of growing a ZnO-based semiconductor crystal on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate at a temperature higher than 800 ° C.

また、本発明によれば、上記ヘテロエピタキシャル成長方法を用いて形成したヘテロエピタキシャル結晶構造および半導体装置を提供することができる。   Moreover, according to this invention, the heteroepitaxial crystal structure and semiconductor device which were formed using the said heteroepitaxial growth method can be provided.

また、本発明によれば、サファイア基板などの異種基板上へZnO系半導体結晶を800℃よりも高い温度で成長するためのヘテロエピタキシャル結晶成長装置を提供することができる。   In addition, according to the present invention, it is possible to provide a heteroepitaxial crystal growth apparatus for growing a ZnO-based semiconductor crystal at a temperature higher than 800 ° C. on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate.

本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル結晶構造のヘテロエピタキシャル成長方法であって、(a)バッファ層形成工程を示す模式的断面構造図、(b)ハロゲン化物気相成長によるZnOファセットの形成工程を示す模式的断面構造図、(c)ハロゲン化物気相成長によるZnO層の形成工程を示す模式的断面構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a heteroepitaxial growth method of a heteroepitaxial crystal structure according to a first embodiment of the present invention, in which (a) a schematic cross-sectional structure diagram showing a buffer layer forming step, and (b) a ZnO facet formed by halide vapor phase growth. The typical cross-section figure showing a formation process, (c) The typical cross-section figure showing the formation process of the ZnO layer by halide vapor phase growth. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、ハロゲン化物気相成長によるZnO層の形成工程におけるヘテロエピタキシャル結晶構造の模式的鳥瞰構造図。In the heteroepitaxial growth method concerning the 1st Embodiment of this invention, the typical bird's-eye view structure figure of the heteroepitaxial crystal structure in the formation process of the ZnO layer by halide vapor phase growth. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造であって、(a)ZnO層表面の光学顕微鏡写真、(b)ZnO層の鳥瞰SEM写真。It is the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a) Optical microscope photograph of ZnO layer surface, (b) Bird's-eye view SEM photograph of ZnO layer. 本発明の比較例に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造であって、(a)ZnO層表面の光学顕微鏡写真、(b)ZnO層の鳥瞰SEM写真。It is the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method which concerns on the comparative example of this invention, Comprising: (a) Optical microscope photograph of ZnO layer surface, (b) Bird's-eye view SEM photograph of ZnO layer. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造(VI/II比=200の例)であって、(a)ZnO層表面の光学顕微鏡写真、(b)ZnO層の鳥瞰SEM写真。It is a heteroepitaxial crystal structure (example of VI / II ratio = 200) formed by the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, (a) an optical micrograph of the ZnO layer surface, (b) Bird's-eye view SEM photograph of the ZnO layer. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造(成長時間20minの例)であって、(a)ZnO層表面の光学顕微鏡写真、(b)ZnO層の鳥瞰SEM写真。It is the heteroepitaxial crystal structure (example of growth time 20min) formed by the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a) Optical micrograph of ZnO layer surface, (b) ZnO layer Bird's-eye view SEM photograph. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造(成長時間60minの例)であって、(a)ZnO層表面の光学顕微鏡写真、(b)ZnO層の鳥瞰SEM写真。It is the heteroepitaxial crystal structure (example of growth time 60min) formed by the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a) The optical microscope photograph of the ZnO layer surface, (b) ZnO layer Bird's-eye view SEM photograph. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造(成長時間180minの例)であって、(a)ZnO層表面の光学顕微鏡写真、(b)ZnO層の鳥瞰SEM写真。It is the heteroepitaxial crystal structure (example of growth time 180min) formed by the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a) The optical microscope photograph of the ZnO layer surface, (b) ZnO layer Bird's-eye view SEM photograph. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造であって、(a)ZnO層表面の光学顕微鏡写真、(b)ZnO層の鳥瞰SEM写真。(成長時間360minの例)It is the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a) Optical microscope photograph of ZnO layer surface, (b) Bird's-eye view SEM photograph of ZnO layer. (Example of growth time of 360 min) 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造のZnO結晶のX線ロッキング曲線(ZnO(002)面の例)。The X-ray rocking curve (example of ZnO (002) plane) of the ZnO crystal of the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造のZnO結晶のX線ロッキング曲線(ZnO(101)面の例)。The X-ray rocking curve (example of ZnO (101) plane) of the ZnO crystal of the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造のZnO結晶のX線ロッキング曲線の半値幅FWHM(arc sec)と結晶成長時間(分)との関係を示す図(ZnO(002)面の例、およびZnO(101)面の例)。The relationship between the half value width FWHM (arc sec) and the crystal growth time (min) of the X-ray rocking curve of the ZnO crystal of the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention is shown. FIG. (Example of ZnO (002) plane and ZnO (101) plane). 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法に適用する結晶成長装置の模式図。The schematic diagram of the crystal growth apparatus applied to the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、(a)金属亜鉛と水を反応させて形成したZnOバッファ層表面の光学顕微鏡写真、(b)塩化亜鉛と水を反応させて形成したZnOバッファ層表面の光学顕微鏡写真。In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, (a) an optical micrograph of the surface of a ZnO buffer layer formed by reacting metal zinc and water, and (b) formed by reacting zinc chloride and water. An optical micrograph of the surface of the ZnO buffer layer. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、(a)金属亜鉛と水を反応させて形成したZnOバッファ層表面の鳥瞰SEM写真(ステップ1)、(b)水蒸気雰囲気中において窒素ガスとともに熱処理したZnOバッファ層表面の鳥瞰SEM写真(ステップ2)、(c)引き続き塩化亜鉛と水を反応させて形成したZnO層表面の鳥瞰SEM写真(ステップ3)。In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, (a) a bird's-eye view SEM photograph of the surface of a ZnO buffer layer formed by reacting metallic zinc and water (step 1), (b) nitrogen in a water vapor atmosphere Bird's-eye view SEM photograph of ZnO buffer layer surface heat treated with gas (step 2), (c) Bird's-eye view SEM photograph of ZnO layer surface formed by subsequently reacting zinc chloride and water (step 3). 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、図15の各ステップに対応するZnO層の結晶の配向性を説明するX線回折測定(2theta-omega法)の測定結果の例。In the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention, the example of the measurement result of the X-ray-diffraction measurement (2theta-omega method) explaining the crystal orientation of the ZnO layer corresponding to each step of FIG. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、(a)図15の各ステップに対応するZnO層の結晶性を説明するX線ロッキング曲線(ZnO(002)面の例)、(b)図15の各ステップに対応するZnO層の結晶性を説明するX線ロッキング曲線(ZnO(101)面の例)。In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, (a) an X-ray rocking curve (example of ZnO (002) plane) for explaining the crystallinity of the ZnO layer corresponding to each step of FIG. b) X-ray rocking curve (example of ZnO (101) plane) explaining the crystallinity of the ZnO layer corresponding to each step of FIG. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、バッファ層の膜厚依存性を調べるための成長温度と成長時間との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the growth temperature and the growth time for investigating the film thickness dependence of a buffer layer in the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、(a)バッファ層の成長時間を0minとした場合の光学顕微鏡写真、および(b)鳥瞰SEM写真、(c)バッファ層の成長時間を10minとした場合の光学顕微鏡写真、および(d)鳥瞰SEM写真、(e)バッファ層の成長時間を30minとした場合の光学顕微鏡写真、および(f)鳥瞰SEM写真、(g)バッファ層の成長時間を60minとした場合の光学顕微鏡写真、および(h)鳥瞰SEM写真。In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, (a) an optical micrograph when the buffer layer growth time is 0 min, (b) a bird's-eye view SEM photo, and (c) a buffer layer growth time. And (d) a bird's eye SEM photograph, (e) an optical microscope photograph when the growth time of the buffer layer is 30 min, and (f) a bird's eye SEM photograph, (g) the buffer layer An optical microscope photograph when the growth time is 60 min, and (h) a bird's-eye view SEM photograph. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、(a)a面サファイア基板上にバッファ層の成長時間を20min、ZnO層の成長時間を20minとした場合の鳥瞰SEM写真、および(b)その拡大鳥瞰SEM写真、(c)a面サファイア基板上にバッファ層の成長時間を60min、ZnO層の成長時間を20minとした場合の鳥瞰SEM写真、および(d)その拡大鳥瞰SEM写真。In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, (a) a bird's-eye view SEM photograph in which the growth time of the buffer layer on the a-plane sapphire substrate is 20 minutes and the growth time of the ZnO layer is 20 minutes; b) The enlarged bird's-eye view SEM photograph, (c) The bird's-eye view SEM photograph when the growth time of the buffer layer is 60 minutes and the growth time of the ZnO layer is 20 minutes on the a-plane sapphire substrate, and (d) The enlarged bird's-eye view SEM photograph. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、a面サファイア基板上に、バッファ層を10min形成後、HVPE法でZnO層を60min結晶成長した後のX線回折測定(2theta-omega法)の測定結果の例。In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, an X-ray diffraction measurement (2theta-omega) after a buffer layer is formed on an a-plane sapphire substrate for 10 min and a ZnO layer is grown for 60 min by HVPE. Example) 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、a面サファイア基板上に、バッファ層を30min形成後、HVPE法でZnO層を60min結晶成長した後のX線回折測定(2theta-omega法)の測定結果の例。In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, an X-ray diffraction measurement (2theta-omega) after a buffer layer is formed on an a-plane sapphire substrate for 30 min and a ZnO layer is grown for 60 min by HVPE. Example) 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、a面サファイア基板上に、バッファ層を60min形成後、HVPE法でZnO層を60min結晶成長した後のX線回折測定(2theta-omega法)の測定結果の例。In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, an X-ray diffraction measurement (2theta-omega) after forming a buffer layer for 60 min on an a-plane sapphire substrate and then growing a ZnO layer for 60 min by HVPE method. Example) (a)本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、a面サファイア基板上に、バッファ層をそれぞれ30minおよび60min形成後、HVPE法でZnO層を60min結晶成長した後のX線ロッキング曲線の例(ZnO(002)面)、(b)ZnO層を同条件で成長したZnO(101)面の場合のX線ロッキング曲線の例。(A) In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, X-rays after a buffer layer is formed on an a-plane sapphire substrate for 30 min and 60 min, respectively, and a ZnO layer is grown for 60 min by HVPE. Examples of rocking curves (ZnO (002) plane), (b) Examples of X-ray rocking curves in the case of a ZnO (101) plane obtained by growing a ZnO layer under the same conditions. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、a面サファイア基板上に形成されたZnO層のX線ファイスキャンの説明図。Explanatory drawing of the X-ray phi scan of the ZnO layer formed on the a-plane sapphire substrate in the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、a面サファイア基板上に形成されたバッファ層の有無によるZnO(101)面のX線ファイスキャンの測定結果。In the heteroepitaxial growth method which concerns on the 1st Embodiment of this invention, the measurement result of the X-ray phi scan of the ZnO (101) surface by the presence or absence of the buffer layer formed on the a surface sapphire substrate. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、(a)r面サファイア基板上に、バッファ層を形成せずに、結晶成長したZnO層の模式的断面構造図、(b)r面サファイア基板上に、バッファ層を形成せずに、HVPE法でZnO層を60min結晶成長した後の表面鳥瞰SEM写真。In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, (a) a schematic cross-sectional structure diagram of a ZnO layer crystal-grown without forming a buffer layer on an r-plane sapphire substrate, (b) r The surface bird's-eye view SEM photograph after forming a ZnO layer crystal growth for 60 minutes by HVPE method without forming a buffer layer on a surface sapphire substrate. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、(a)r面サファイア基板上にバッファ層を形成後、結晶成長したZnO層の模式的断面構造図、(b)r面サファイア基板上にバッファ層を形成後、HVPE法でZnO層を60min結晶成長した後の表面鳥瞰SEM写真。In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, (a) a schematic cross-sectional structure diagram of a ZnO layer crystal-grown after forming a buffer layer on an r-plane sapphire substrate, (b) an r-plane sapphire substrate The surface bird's-eye view SEM photograph after forming a buffer layer on the top and then growing a ZnO layer for 60 min by HVPE. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、(a)r面サファイア基板上にバッファ層を400℃、60min結晶成長した表面鳥瞰SEM写真、(b)さらに、1000℃、60min結晶成長したZnO層の表面鳥瞰SEM写真。In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment of the present invention, (a) a bird's-eye view SEM photograph in which a buffer layer is grown on a r-plane sapphire substrate at 400 ° C. for 60 min, (b) further, 1000 ° C., 60 min crystal Surface bird's-eye view SEM photograph of the grown ZnO layer. 図29において形成されたZnO層のX線回折測定(2theta-omega法)の測定結果の例。The example of the measurement result of the X-ray-diffraction measurement (2theta-omega method) of the ZnO layer formed in FIG. 本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造を有する半導体装置の模式的断面構造図。1 is a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor device having a heteroepitaxial crystal structure formed by a heteroepitaxial growth method according to a first embodiment of the present invention.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。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ことはもちろんである。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same reference numerals are assigned to the same blocks or elements to avoid duplication of explanation and simplify the explanation. It should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   The following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention. In the embodiments of the present invention, the arrangement of each component is as follows. Not specific. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.

以下の説明において、「ZnO系化合物半導体」とはII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 compound semiconductor” means a Group II oxide semiconductor containing II element Zn.

[第1の実施の形態]
(ヘテロエピタキシャル成長方法)
本発明の第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル結晶構造のヘテロエピタキシャル成長方法について、図1を用いて説明する。
[First embodiment]
(Heteroepitaxial growth method)
A heteroepitaxial growth method of the heteroepitaxial crystal structure according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

バッファ層形成工程は、図1(a)に示すように表される。ハロゲン化物気相成長法によるZnOファセット44の形成工程は、図1(b)に示すように表される。ハロゲン化物気相成長によるZnO層の形成工程は、図1(c)に示すように表される。   The buffer layer forming step is expressed as shown in FIG. The formation process of the ZnO facet 44 by the halide vapor phase growth method is expressed as shown in FIG. The step of forming the ZnO layer by halide vapor phase growth is represented as shown in FIG.

(a)まず、図1(a)に示すように、異種基板40として、例えば、a面サファイア基板を用い、異種基板40上に、レーザアブレーション(Laser Ablation)法によって、ZnOテンプレートを形成する。ZnOテンプレートは、バッファ層42からなる。バッファ層42は、酸化物の配向膜もしくは窒化物の配向膜で形成することもできる。具体的には、例えば、ZnOもしくはMgOなどからなる酸化物の配向膜、或いはAlNもしくはGaNなどからなる窒化物の配向膜を適用することができる。ZnOテンプレートを形成する温度は、例えば、約500℃程度である。また、バッファ層42の厚さは、例えば、約0.3μm程度である。 (A) First, as shown in FIG. 1A, for example, an a-plane sapphire substrate is used as the heterogeneous substrate 40, and a ZnO template is formed on the heterogeneous substrate 40 by a laser ablation method. The ZnO template is composed of the buffer layer 42. The buffer layer 42 may be formed of an oxide alignment film or a nitride alignment film. Specifically, for example, an oxide alignment film made of ZnO or MgO or a nitride alignment film made of AlN or GaN can be applied. The temperature for forming the ZnO template is, for example, about 500 ° C. The buffer layer 42 has a thickness of about 0.3 μm, for example.

ZnOテンプレートの他の形成方法としては、例えば、スパッタ法、パルスレーザ法、MBE法、HVPE法などを利用することができる。或いはZnの蒸気を水蒸気と単に反応させるVPE法などを適用することもできる。なお、これらの形成方法において、成長温度は、例えば400℃以上が望ましい。高温になるほど下地結晶基板の性能を良好にZnOテンプレートに反映することができるからである。Znの蒸気を水蒸気と単に反応させるVPE法については、図14〜図30を用いて、後述する。   As another method for forming the ZnO template, for example, a sputtering method, a pulse laser method, an MBE method, an HVPE method, or the like can be used. Alternatively, a VPE method in which Zn vapor simply reacts with water vapor can be applied. In these formation methods, the growth temperature is preferably 400 ° C. or higher, for example. This is because the higher the temperature, the better the performance of the underlying crystal substrate can be reflected in the ZnO template. The VPE method in which Zn vapor is simply reacted with water vapor will be described later with reference to FIGS.

特にその後のハロゲン化II族金属を使用した高温成長との整合性を考えると、同じ成長炉の中で実現可能なHVPE法、VPE法などが望ましい。   In particular, considering the consistency with the subsequent high-temperature growth using a group II metal halide, the HVPE method, VPE method and the like that can be realized in the same growth furnace are desirable.

バッファ層42の成長温度も特に規定しないが、異種基板40を中温(〜500℃)程度に加熱しながら形成することで、バッファ層42の配向性を向上させることができ、その後の高温成長膜の結晶性も向上する。膜厚も特に規定しないが、バッファ層42の成膜方法によって、厚すぎるとバッファ層42の配向性や平坦性が悪化する可能性があり、薄すぎると連続膜になっていないため、例えば、約0.02μm〜約0.5μm程度が望ましい。   Although the growth temperature of the buffer layer 42 is not particularly defined, the orientation of the buffer layer 42 can be improved by forming the heterogeneous substrate 40 while heating it to an intermediate temperature (˜500 ° C.). The crystallinity is also improved. Although the film thickness is not particularly specified, depending on the film formation method of the buffer layer 42, if it is too thick, the orientation and flatness of the buffer layer 42 may deteriorate, and if it is too thin, it is not a continuous film. About 0.02 μm to about 0.5 μm is desirable.

上述のa面サファイア基板上に形成されるZnO結晶は、c軸方向に配向したc面が得られる。   The ZnO crystal formed on the above-described a-plane sapphire substrate has a c-plane oriented in the c-axis direction.

なお、上記のa面サファイア基板以外にも異種基板40として、シリコン基板、SiC基板、GaAs基板、GaP基板、GaN系基板などを適用することができる。   In addition to the above-described a-plane sapphire substrate, a silicon substrate, a SiC substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, a GaN-based substrate, or the like can be applied as the heterogeneous substrate 40.

(b)次に、図1(b)に示すように、HVPE法により、バッファ層42上にZnOファセット44を形成する。具体的には、塩化亜鉛(ZnCl2)と水(H2O)を用いるハロゲン化物気相成長を適用する。結晶成長条件としては、ZnCl2の分圧PZnCl2を、全圧1atmに対して、例えば、約2.2×10-5atm程度、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比を、例えば、約20〜200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時間程度とする。ここで、ZnCl2の分圧PZnCl2=2.2×10-5atmの場合、VI/II比=20〜200とすると、H2Oの分圧PH2O=4.4×10-4〜4.4×10-3atmとなる。 (B) Next, as shown in FIG. 1B, a ZnO facet 44 is formed on the buffer layer 42 by HVPE. Specifically, halide vapor phase growth using zinc chloride (ZnCl 2 ) and water (H 2 O) is applied. Crystal as the growth conditions, the partial pressure P ZnCl2 of ZnCl 2, relative to the total pressure 1 atm, for example, about 2.2 × 10 -5 atm or so, and Zn is oxygen and the group II element is VI element the VI / II ratio is feed ratio, for example, and about 20 to 200, the crystal growth temperature T g, for example, about 1000 ° C., the crystal growth time, for example, to about 1 hour. Here, if the partial pressure P ZnCl2 = 2.2 × 10 -5 atm of ZnCl 2, when the VI / II ratio = 20 to 200, the partial pressure of H 2 O P H2O = 4.4 × 10 -4 ~ 4.4 × 10 −3 atm.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法においては、結晶成長の温度Tgは、800℃よりも高い高温成長方法を実施している。ZnO結晶の融点1975℃を考慮すると、融点の1/3〜1/2程度は必要であり、結晶成長の温度Tgは、高いほど品質の良好な結晶を得ることができる。したがって、上記の例では、GaNと同様の1000℃程度の成長を実施している。 In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, a high temperature growth method in which the crystal growth temperature Tg is higher than 800 ° C. is performed. Considering the melting point 1975 ° C. of ZnO crystals, about 1 / 3-1 / 2 of the melting point is necessary, the temperature T g of the crystal growth, it is possible to obtain a high enough good crystalline quality. Therefore, in the above example, the growth at about 1000 ° C. is performed as in the case of GaN.

(c)次に、図1(c)に示すように、結晶成長時間をさらに長く設定して、HVPE法により、バッファ層42上に形成されたZnOファセット44をさらにラテラル成長およびバーティカル成長させて、所望の厚さのZnO層46を形成する。具体的には、ZnOファセット44の形成と同様に、塩化亜鉛(ZnCl2)と水(H2O)/N2を用いるハロゲン化物気相成長を適用する。結晶成長条件としては、ZnCl2の分圧PZnCl2を、例えば、約2.2×10-5atm程度、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比を、例えば、約20〜200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時間〜6時間程度とする。 (C) Next, as shown in FIG. 1C, the crystal growth time is set longer, and the ZnO facet 44 formed on the buffer layer 42 is further laterally and vertically grown by the HVPE method. Then, a ZnO layer 46 having a desired thickness is formed. Specifically, as in the formation of the ZnO facet 44, halide vapor phase growth using zinc chloride (ZnCl 2 ) and water (H 2 O) / N 2 is applied. The crystal growth conditions, the partial pressure P ZnCl2 of ZnCl 2, for example, about 2.2 × 10 -5 atm about a feed ratio of Zn is oxygen and the group II element is VI element VI / II the ratio, for example, and about 20 to 200, the crystal growth temperature T g, for example, about 1000 ° C., the crystal growth time, for example, from about 1 hour to 6 hours approximately.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法においては、異種基板上に低温でZnOのバッファ層を堆積し、その後800℃以上の高温でZnのハロゲン化物からなるZn原料と酸素材料を気相中で混合することでZnOの単結晶を得ることを特徴としている。   In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, a ZnO buffer layer is deposited on a heterogeneous substrate at a low temperature, and then a Zn raw material and an oxygen material composed of a halide of Zn at a high temperature of 800 ° C. or higher are placed in a gas phase. It is characterized in that a single crystal of ZnO is obtained by mixing in the above.

ZnOなど、異種基板40上のZnOの濡れ性を向上する目的のバッファ層42をハロゲン化物からなるZn原料を使用した高温成長前に形成することで、ZnOの濡れ性を向上させることができる。   By forming the buffer layer 42 for improving the wettability of ZnO on the heterogeneous substrate 40, such as ZnO, before the high-temperature growth using a Zn raw material made of a halide, the wettability of ZnO can be improved.

(バッファ層上への高温ZnO成長)
第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、HVPE法によるZnO層の形成工程におけるヘテロエピタキシャル結晶構造の模式的鳥瞰構造は、図2に示すように表される。異種基板40の表面40a上において、ZnOファセット44をラテラル成長(GL)およびバーティカル成長(GV)させる様子が模式的に示されている。
(High temperature ZnO growth on the buffer layer)
In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, a schematic bird's-eye view structure of the heteroepitaxial crystal structure in the step of forming the ZnO layer by the HVPE method is expressed as shown in FIG. A state in which the ZnO facet 44 is laterally grown (GL) and vertical grown (GV) on the surface 40a of the heterogeneous substrate 40 is schematically shown.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造において、ZnO層表面の光学顕微鏡写真の一例は、図3(a)に示すように表される。また、図3(a)に対応するZnO層の鳥瞰SEM写真は、図3(b)に示すように表される。図3(a)および図3(b)の例は、図1(b)および図2の構造に対応している。すなわち、異種基板40として、a面サファイア基板を用い、a面サファイア基板上に形成されたバッファ層42上にZnOファセット44を形成した例である。   In the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, an example of an optical micrograph of the ZnO layer surface is expressed as shown in FIG. A bird's-eye view SEM photograph of the ZnO layer corresponding to FIG. 3A is represented as shown in FIG. The examples of FIG. 3A and FIG. 3B correspond to the structures of FIG. 1B and FIG. That is, in this example, an a-plane sapphire substrate is used as the heterogeneous substrate 40, and the ZnO facet 44 is formed on the buffer layer 42 formed on the a-plane sapphire substrate.

結晶成長条件としては、ZnCl2の分圧PZnCl2を、2.2×10-5atm、VI/II比を20とし、結晶成長温度Tgを1000℃、結晶成長時間を1時間としている。 The crystal growth conditions, the partial pressure P ZnCl2 of ZnCl 2, 2.2 × 10 -5 atm , the VI / II ratio was 20, the crystal growth temperature T g of 1000 ° C., is set to one hour crystal growth time.

また、本発明の比較例に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造において、ZnO層表面の光学顕微鏡写真の一例は、図4(a)に示すように表される。また、図4(a)に対応するZnO層の鳥瞰SEM写真は、図4(b)に示すように表される。図4(a)および図4(b)の例は、図1(b)の構造において、バッファ層42を用いず、a面サファイア基板上に直接ZnO結晶を形成した例に対応している。   Moreover, in the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method according to the comparative example of the present invention, an example of an optical micrograph of the ZnO layer surface is expressed as shown in FIG. Moreover, a bird's-eye view SEM photograph of the ZnO layer corresponding to FIG. 4A is represented as shown in FIG. The example of FIGS. 4A and 4B corresponds to an example in which a ZnO crystal is directly formed on an a-plane sapphire substrate without using the buffer layer 42 in the structure of FIG. 1B.

結晶成長条件としては、ZnCl2の分圧PZnCl2を、2.2×10-5atm、VI/II比を600とし、結晶成長温度Tgを1000℃、結晶成長時間を1時間としている。 The crystal growth conditions, the partial pressure P ZnCl2 of ZnCl 2, 2.2 × 10 -5 atm , the VI / II ratio is 600, the crystal growth temperature T g of 1000 ° C., is set to one hour crystal growth time.

図3と図4の比較により、バッファ層42がある場合には、ZnOファセット44の横方向成長(GL)が促進され、さらに縦方向成長(GV)も行われる。これに対して、バッファ層42がない場合には、ZnOファセット44の横方向成長(GL)がほとんど発生せず、主として縦方向成長(GV)のみが発生している。このため、ZnOファセット44面上に形成されるZnO結晶自体の結晶性が良好であっても面内成長が行われないため、ZnOエピタキシャル成長層を形成することが難しい。なお、図3と同様のVI/II比=20の条件でa面サファイア基板上にZnOを直接成長を行った場合、ZnOの核成長が非常にまばらにしか観察されなかった。   3 and 4, when the buffer layer 42 is present, the lateral growth (GL) of the ZnO facet 44 is promoted, and the vertical growth (GV) is also performed. On the other hand, when there is no buffer layer 42, the lateral growth (GL) of the ZnO facet 44 hardly occurs, and only the vertical growth (GV) occurs mainly. For this reason, even if the crystallinity of the ZnO crystal itself formed on the surface of the ZnO facet 44 is good, in-plane growth is not performed, and it is difficult to form a ZnO epitaxial growth layer. When ZnO was directly grown on the a-plane sapphire substrate under the same VI / II ratio = 20 condition as in FIG. 3, ZnO nucleus growth was observed only very sparsely.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造において、VI/II比=20の例におけるZnO層表面の光学顕微鏡写真は、図3(a)に示すように表され、図3(a)に対応するZnO層のSEM写真は、図3(b)に示すように表される。同様に、VI/II比=200の例におけるZnO層表面の光学顕微鏡写真は、図5(a)に示すように表され、図5(a)に対応するZnO層の鳥瞰SEM写真は、図5(b)に示すように表される。   In the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, an optical micrograph of the surface of the ZnO layer in the example of VI / II ratio = 20 is expressed as shown in FIG. A SEM photograph of the ZnO layer corresponding to FIG. 3A is represented as shown in FIG. Similarly, the optical micrograph of the ZnO layer surface in the example of VI / II ratio = 200 is represented as shown in FIG. 5A, and the bird's-eye SEM photograph of the ZnO layer corresponding to FIG. It is expressed as shown in 5 (b).

結晶成長条件としては、ZnCl2の分圧PZnCl2を2.2×10-5atm、結晶成長温度Tgを1000℃、結晶成長時間を1時間としている。 The crystal growth conditions, the partial pressure P ZnCl2 of ZnCl 2 2.2 × 10 -5 atm, 1000 ℃ the crystal growth temperature T g, is set to one hour crystal growth time.

図3(a)および図3(b)から明らかなように、VI/II比=20の場合には、H2Oの分圧PH2Oは、4.4×10-4atmとなり、ZnCl2分子の表面マイグレーションが起こり易いため、ZnOファセット44の横方向成長が起こり易い。これに対して、図5(a)および図5(b)から明らかなように、VI/II比=200の場合には、H2Oの分圧PH2Oは、4.4×10-3atmとなり、H2Oの分圧PH2Oが高いほど、ZnCl2分子の表面マイグレーションが抑制され、縦方向成長(GV)は生じるものの横方向成長(GL)が起こりにくいという結果が得られている。 As is clear from FIGS. 3A and 3B, when VI / II ratio = 20, the partial pressure P H2O of H 2 O is 4.4 × 10 −4 atm, and ZnCl 2 Since surface migration of molecules is likely to occur, lateral growth of the ZnO facet 44 is likely to occur. On the other hand, as is clear from FIGS. 5A and 5B, when the VI / II ratio = 200, the partial pressure P H2O of H 2 O is 4.4 × 10 −3. Atm, the higher the partial pressure P H2O of H 2 O, the more the surface migration of ZnCl 2 molecules is suppressed, and although the vertical growth (GV) occurs, the lateral growth (GL) hardly occurs. .

したがって、ZnOファセット44の横方向成長(GL)を促進し、所望の厚さのZnO層46を得る上で、低Vl/II比成長が重要な成長条件となることがわかる。   Therefore, it can be seen that low Vl / II ratio growth is an important growth condition for promoting the lateral growth (GL) of the ZnO facet 44 and obtaining the ZnO layer 46 having a desired thickness.

このように、結晶成長の際のVI/II比が大きい場合には、横方向成長の速度が遅くなってしまうので、VI/II比は例えば100以下とするとよい。また、結晶成長の際の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。   Thus, when the VI / II ratio during crystal growth is large, the rate of lateral growth becomes slow, so the VI / II ratio is preferably 100 or less, for example. In addition, when the VI / II ratio during crystal growth is small, the crystal growth rate becomes slow, so the VI / II ratio is preferably set to 1 or more, for example.

また、これに限るものではなく、例えばファセットが合体して連続膜ができるまではVI/II比を1以上〜100以下の値(例えば20)とし、その後にVI/II比を100以上の値(例えば200)としてもよい。   Moreover, it is not restricted to this, For example, VI / II ratio shall be 1 or more and 100 or less (for example, 20) until facet unites and a continuous film is made, and then VI / II ratio is 100 or more. (E.g. 200).

(高温ZnOの成長時間依存性)
第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造において、成長時間が20minの場合のZnO層表面の光学顕微鏡写真は図6(a)に示すように表され、図6(a)に対応するZnO層の鳥瞰SEM写真は、図6(b)に示すように表される。同様に、成長時間が60minの場合のZnO層表面の光学顕微鏡写真は図7(a)に示すように表され、図7(a)に対応するZnO層の鳥瞰SEM写真は、図7(b)に示すように表され、成長時間が180minの場合のZnO層表面の光学顕微鏡写真は図8(a)に示すように表され、図8(a)に対応するZnO層の鳥瞰SEM写真は、図8(b)に示すように表され、成長時間が360minの場合のZnO層表面の光学顕微鏡写真は図9(a)に示すように表され、図9(a)に対応するZnO層の鳥瞰SEM写真は、図9(b)に示すように表される。
(Dependence on growth time of high-temperature ZnO)
In the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, an optical micrograph of the surface of the ZnO layer when the growth time is 20 min is represented as shown in FIG. A bird's-eye view SEM photograph of the ZnO layer corresponding to (a) is represented as shown in FIG. Similarly, an optical micrograph of the surface of the ZnO layer when the growth time is 60 min is represented as shown in FIG. 7A, and a bird's-eye SEM photograph of the ZnO layer corresponding to FIG. The optical micrograph of the surface of the ZnO layer when the growth time is 180 min is represented as shown in FIG. 8 (a), and the bird's-eye SEM photograph of the ZnO layer corresponding to FIG. 8 (a) is FIG. 8B shows an optical micrograph of the surface of the ZnO layer when the growth time is 360 minutes, which is shown in FIG. 9A, and corresponds to FIG. 9A. This bird's-eye view SEM photograph is represented as shown in FIG.

結晶成長条件としては、ZnCl2の分圧PZnCl2を2.2×10-5(atm)、VI/II比=20、結晶成長温度Tgを1000℃としている。 Crystal as the growth conditions, the partial pressure P ZnCl2 a 2.2 × 10 -5 ZnCl 2 (atm ), VI / II ratio = 20, is set to 1000 ° C. The crystal growth temperature T g.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により、高温ZnO層は、結晶成長時間の経過とともに、横方向結晶成長(GL)が進み、さらに縦方向結晶成長(GV)が進み、エピタキシャル層が成長される様子がわかる。   By the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, the high-temperature ZnO layer is subjected to the lateral crystal growth (GL), the vertical crystal growth (GV) further progresses, and the epitaxial layer grows as the crystal growth time elapses. You can see how it is done.

ハロゲン化物を使用した高温成長は、MBE法やMOCVD法と比較してバッファ層42の上の結晶核を減らすことができる。またバッファ層42は、ZnOの濡れ性を良くする。このため、MOCVD法によるバッファ層上の高温GaNと同様に、ハロゲン化物を使用した高温成長は、バッファ層42上の大きな結晶核が横方向に繋がって膜を形成していく成長過程をたどる。   High-temperature growth using a halide can reduce crystal nuclei on the buffer layer 42 as compared with MBE or MOCVD. The buffer layer 42 improves the wettability of ZnO. For this reason, similarly to the high-temperature GaN on the buffer layer by MOCVD, high-temperature growth using a halide follows a growth process in which large crystal nuclei on the buffer layer 42 are connected in the lateral direction to form a film.

特に結晶核の横方向成長を促進するために、高温成長および低VI/II比の条件を採用すると、図6〜図9に示すように、早期に結晶核を結合させることができ、高温成長膜の平坦化を可能にする。   In particular, when high temperature growth and low VI / II ratio conditions are employed to promote lateral growth of crystal nuclei, crystal nuclei can be bonded at an early stage, as shown in FIGS. Allows planarization of the film.

Znのハロゲン化物を用いた高温成長の場合、Znのハロゲン化物と酸素原料の反応性はZnと酸素原料程高くはない。このため、Znのハロゲン化物を用いた高温成長は、気相中での反応が少なく、パーティクルの発生が少ない。   In the case of high-temperature growth using Zn halide, the reactivity between Zn halide and oxygen source is not as high as that of Zn and oxygen source. For this reason, high-temperature growth using a halide of Zn has less reaction in the gas phase and less generation of particles.

この反応性の低さは結晶核成長過程にも大きな影響を及ぼしている。すなわち、Znのハロゲン化物を用いた高温成長は、結晶核がバッファ層42上に無数に発生して膜を形成するのではなく、まばらな結晶核を大きく成長させることができるため、結晶粒界が少ない結晶性の良いZnO層46を成長させることができる。   This low reactivity has a great influence on the crystal nucleus growth process. That is, in the high-temperature growth using a halide of Zn, sparse crystal nuclei can be greatly grown rather than forming innumerable crystal nuclei on the buffer layer 42. It is possible to grow the ZnO layer 46 with less crystallinity and good crystallinity.

(ZnO結晶の結晶性)
第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造において、ZnOの(002)面のX線ロッキング曲線は、図10に示すように表される。図10において、各曲線は、結晶成長時間0min,20min,60min,180min,360minの例をパラメータとして表している。結晶成長時間0minは、バッファ層を形成した後の状態に相当する。ZnO結晶において、(002)面は、c軸に平行な面であり、図10に示すX線ロッキング曲線は、成長方向であるc軸方向の揺らぎであるチルト分布を表している。結晶成長時間20min,60min,180min,360minの経過とともに、ZnO結晶の成長膜厚が上昇し、ZnO結晶のX線ロッキング曲線の半値幅が減少し、(002)面を有するZnO結晶の結晶性が向上していることがわかる。
(Crystallinity of ZnO crystal)
In the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, the X-ray rocking curve of the (002) plane of ZnO is expressed as shown in FIG. In FIG. 10, each curve represents an example of crystal growth times of 0 min, 20 min, 60 min, 180 min, and 360 min as parameters. The crystal growth time of 0 min corresponds to the state after the buffer layer is formed. In the ZnO crystal, the (002) plane is a plane parallel to the c-axis, and the X-ray rocking curve shown in FIG. 10 represents a tilt distribution that is fluctuation in the c-axis direction that is the growth direction. As the crystal growth time of 20 min, 60 min, 180 min, and 360 min elapses, the growth thickness of the ZnO crystal increases, the half width of the X-ray rocking curve of the ZnO crystal decreases, and the crystallinity of the ZnO crystal having the (002) plane increases. It can be seen that it has improved.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造において、ZnOの(101)面のX線ロッキング曲線は、図11に示すように表される。図10と同様に、各曲線は、結晶成長時間0min,20min,60min,180min,360minの例をパラメータとして表している。結晶成長時間0minは、バッファ層を形成した後の状態に相当する。ZnO結晶において、(101)面は、半極性面であり、図11に示すX線ロッキング曲線は、半極性面に垂直な方向の揺らぎであるツイスト分布+チルト分布を表している。結晶成長時間の経過とともに、ZnO結晶の成長膜厚が上昇し、ZnO結晶のX線ロッキング曲線の半値幅が減少し、ZnO結晶の結晶性が向上していることがわかる。   In the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, the X-ray rocking curve of the (101) plane of ZnO is expressed as shown in FIG. Similar to FIG. 10, each curve represents an example of crystal growth times of 0 min, 20 min, 60 min, 180 min, and 360 min as parameters. The crystal growth time of 0 min corresponds to the state after the buffer layer is formed. In the ZnO crystal, the (101) plane is a semipolar plane, and the X-ray rocking curve shown in FIG. 11 represents a twist distribution + tilt distribution that is fluctuation in a direction perpendicular to the semipolar plane. As the crystal growth time elapses, the growth thickness of the ZnO crystal increases, the half width of the X-ray rocking curve of the ZnO crystal decreases, and the crystallinity of the ZnO crystal is improved.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造において、ZnO結晶のX線ロッキング曲線の半値幅FWHM(arc sec)と結晶成長時間(分)との関係は、図12に示すように表される。図12には、ZnO(002)面の例、およびZnO(101)面の例が示されている。図12の縦軸は、半値幅FWHM(Full Width at Half Maximun)(arc sec)を表す。ここで、3600(arc sec)=1(degree)に相当する。   In the heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, the relationship between the half-value width FWHM (arc sec) of the X-ray rocking curve of the ZnO crystal and the crystal growth time (min) is shown in FIG. It is expressed as shown in FIG. 12 shows an example of the ZnO (002) plane and an example of the ZnO (101) plane. The vertical axis in FIG. 12 represents a full width at half maximum (FWHM) (arc sec). Here, it corresponds to 3600 (arc sec) = 1 (degree).

サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長されたZnO結晶において、(101)面および(002)面のロッキングカーブの半値幅FWHMの値は、結晶成長時間の経過と共に改善されている。特に、0.1(degree)=360(arc sec)よりも減少しており、結晶性が良好である。   In the ZnO crystal heteroepitaxially grown on the sapphire substrate, the value of the half-value width FWHM of the rocking curves of the (101) plane and the (002) plane is improved with the lapse of the crystal growth time. In particular, it is lower than 0.1 (degree) = 360 (arc sec), and the crystallinity is good.

ここで、本実施形態の場合、結晶成長時間180minの場合はバッファ層上のZnO結晶層が約1.5μm程度成長しており、また結晶成長時間360minの場合はバッファ層上のZnO結晶層が約3μm程度成長していた。したがって、本実施形態では、ZnO結晶層が約1.5μm以上成長した結晶成長時間180min以後は、結晶面(002)(101)ともに半値幅FWHMが0.1(degree)以下となっている。特に、本実施形態では半極性面の一例として(101)を計測したが、これに限るものではない。他の半極性面についても、同様の半値幅FWHMの推移が得られることはもちろんである。他の半極性面の例としては、(102)面、(103)面、(111)面、(112)面、(113)面、(201)面、(203)面、(221)面、(223)面などがある。また、(001)面に垂直な非極性面(100)や(110)でも同様の半値幅が得られる。   In this embodiment, when the crystal growth time is 180 min, the ZnO crystal layer on the buffer layer grows about 1.5 μm, and when the crystal growth time is 360 min, the ZnO crystal layer on the buffer layer grows. The growth was about 3 μm. Therefore, in this embodiment, after the crystal growth time of 180 min after the ZnO crystal layer is grown by about 1.5 μm or more, the full width at half maximum FWHM is 0.1 (degree) or less for both the crystal planes (002) and (101). In particular, in the present embodiment, (101) is measured as an example of a semipolar plane, but the present invention is not limited to this. Of course, the same transition of the full width at half maximum FWHM can be obtained for other semipolar planes. Examples of other semipolar planes include (102) plane, (103) plane, (111) plane, (112) plane, (113) plane, (201) plane, (203) plane, (221) plane, (223) surface. The same half-value width can also be obtained for the nonpolar planes (100) and (110) perpendicular to the (001) plane.

(結晶成長装置)
第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法に適用するヘテロエピタキシャル結晶成長装置20の模式的構成は、図13に示すように、塩素ガス供給手段2と、キャリアガス供給手段3と、原料ゾーン4と、加熱手段5と、水供給手段6と、キャリアガス供給手段7と、成長ゾーン8と、加熱手段9と、基板保持手段10とを備えている。
(Crystal growth equipment)
As shown in FIG. 13, a schematic configuration of the heteroepitaxial crystal growth apparatus 20 applied to the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment includes a chlorine gas supply unit 2, a carrier gas supply unit 3, and a raw material zone 4. A heating means 5, a water supply means 6, a carrier gas supply means 7, a growth zone 8, a heating means 9, and a substrate holding means 10.

ヘテロエピタキシャル結晶成長装置20には、MgZnO半導体(ZnO系半導体)のヘテロエピタキシャル成長方法に適用するための構成も配置されている。すなわち、図13に示すように、塩素ガス供給手段12と、キャリアガス供給手段13と、マグネシウムの金属単体を含むII族金属材料25が保持された原料ゾーン14とを備えている。   The heteroepitaxial crystal growth apparatus 20 is also provided with a configuration for applying to a heteroepitaxial growth method of MgZnO semiconductor (ZnO-based semiconductor). That is, as shown in FIG. 13, a chlorine gas supply unit 12, a carrier gas supply unit 13, and a raw material zone 14 in which a group II metal material 25 containing magnesium metal alone is held.

ヘテロエピタキシャル結晶成長装置20には、ZnO系半導体(ZnO、MgZnO)のヘテロエピタキシャル成長方法において、n型不純物もしくはp型不純物を不純物添加するための装置構成も配置されている。すなわち、図13に示すように、n型不純物を不純物添加するためのn型ドーピングガスを供給する第1ドーピングガス供給手段22と、p型不純物を不純物添加するためのp型ドーピングガスを供給する第2ドーピングガス供給手段24とを備えている。   The heteroepitaxial crystal growth apparatus 20 is also provided with an apparatus configuration for adding an n-type impurity or a p-type impurity in a heteroepitaxial growth method of a ZnO-based semiconductor (ZnO, MgZnO). That is, as shown in FIG. 13, a first doping gas supply means 22 for supplying an n-type doping gas for doping an n-type impurity and a p-type doping gas for doping a p-type impurity are supplied. And a second doping gas supply means 24.

原料ゾーン4は、亜鉛の金属単体からなるII族金属材料15を保持するためのものである。また、原料ゾーン4は、塩素ガス供給手段2から供給される塩素ガスと亜鉛とを反応させて塩化亜鉛ガスを生成するゾーンである。原料ゾーン14は、原料ゾーン4の亜鉛の代わりに、単体のマグネシウムを保持するためのものである。   The raw material zone 4 is for holding a group II metal material 15 made of zinc metal alone. The raw material zone 4 is a zone in which the chlorine gas supplied from the chlorine gas supply means 2 and zinc are reacted to generate zinc chloride gas. The raw material zone 14 is for holding single magnesium instead of the zinc of the raw material zone 4.

成長ゾーン8は、供給管により繋がれた原料ゾーン4から供給される塩化亜鉛ガスと、酸素材料として水供給手段6から供給される水(水蒸気)とを反応させて、基板保持手段10上に保持された成長基板16上にZnO半導体を成長させるゾーンである。   The growth zone 8 reacts with the zinc chloride gas supplied from the raw material zone 4 connected by the supply pipe and the water (water vapor) supplied from the water supply means 6 as an oxygen material, on the substrate holding means 10. This is a zone in which a ZnO semiconductor is grown on the growth substrate 16 held.

なお、原料ゾーン4、成長ゾーン8及び各ガス供給手段と成長ゾーン8とを繋ぐ各供給管は、石英により構成されている。   In addition, each supply pipe | tube which connects the raw material zone 4, the growth zone 8, and each gas supply means and the growth zone 8 is comprised with quartz.

加熱手段5は、原料ゾーン4,14及び水の供給路を加熱するためのものである。加熱手段9は、成長ゾーン8を加熱するためのものである。これらの加熱手段5、9によって、ヘテロエピタキシャル結晶成長装置20はホットウォール方式を実現している。なお、加熱手段5は図示した構成に限るものではない。例えば、図示しない加熱手段5a・5b・5c・5dを用いて、加熱手段5aが原料ゾーン14を加熱し、加熱手段5bが原料ゾーン4を加熱し、加熱手段5cが水供給手段6・キャリアガス供給手段7の石英管を加熱し、加熱手段5dがn型ドーピングガス供給手段22・p型ドーピングガス供給手段24の石英管を加熱する構成としてもよい。   The heating means 5 is for heating the raw material zones 4 and 14 and the water supply path. The heating means 9 is for heating the growth zone 8. With these heating means 5 and 9, the heteroepitaxial crystal growth apparatus 20 realizes a hot wall system. The heating means 5 is not limited to the illustrated configuration. For example, using the heating means 5a, 5b, 5c, and 5d (not shown), the heating means 5a heats the raw material zone 14, the heating means 5b heats the raw material zone 4, and the heating means 5c uses the water supply means 6 and carrier gas. The quartz tube of the supply unit 7 may be heated, and the heating unit 5d may heat the quartz tube of the n-type doping gas supply unit 22 and the p-type doping gas supply unit 24.

キャリアガス供給手段3,7および13から供給される窒素ガスは、原料ゾーン4で生成される塩化亜鉛ガス、水供給手段6から供給される水および原料ゾーン14で生成される塩化マグネシウムガス、を成長ゾーン8へと輸送するためのものである。   The nitrogen gas supplied from the carrier gas supply means 3, 7 and 13 includes zinc chloride gas generated in the raw material zone 4, water supplied from the water supply means 6 and magnesium chloride gas generated in the raw material zone 14. For transporting to the growth zone 8.

次に、上述したヘテロエピタキシャル結晶成長装置20によるZnO半導体の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing a ZnO semiconductor using the heteroepitaxial crystal growth apparatus 20 described above will be described.

まず、塩素ガス供給手段2及びキャリアガス供給手段3からそれぞれ塩素ガス及び窒素ガスが、原料ゾーン4に輸送される。そして、原料ゾーン4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15と供給された塩素ガスとによって、以下の反応式(1)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 transported to the raw material zone 4 from the chlorine gas supply means 2 and the carrier gas supply means 3, respectively. In the raw material zone 4, the reaction according to the following reaction formula (1) occurs by the group II metal material 15 made of the zinc simple metal and the supplied chlorine gas, and zinc chloride gas is generated. .

Zn(s,l)+Cl2(g) ⇔ ZnCl2(g) (1)
ここで、原料ゾーン4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) Zn ZnCl 2 (g) (1)
Here, the zinc simple substance held in the raw material zone 4 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4は、反応式(1)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15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4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8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(1)によって生成された塩化亜鉛ガスは、キャリアガス供給手段3から供給される窒素ガスによって成長ゾーン8に輸送される。   The raw material zone 4 allows the reaction in the reaction formula (1) to proceed almost to the right side, and the surface area of the group II metal material 15 made of zinc metal alone so that the flow rate of the zinc chloride gas can be controlled by the supply amount of the chlorine gas. The structure is increased and the temperature is appropriate. In addition, as such suitable temperature, about 300 degreeC-about 450 degreeC are desirable. In addition, the temperature of the raw material zone 4 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 8. Then, the zinc chloride gas generated by the above reaction formula (1) is transported to the growth zone 8 by the nitrogen gas supplied from the carrier gas supply means 3.

また、他の経路を介して、キャリアガス供給手段7から供給される窒素ガスにより、水供給手段6から供給される水(水蒸気)が、酸素材料として成長ゾーン8に輸送される。   Further, the water (water vapor) supplied from the water supply means 6 is transported to the growth zone 8 as an oxygen material by the nitrogen gas supplied from the carrier gas supply means 7 via another path.

そして、成長ゾーン8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(2)の反応が右辺に進行することにより、ZnO半導体の薄膜が成長基板16上に成長する。   In the growth zone 8, the reaction of the following reaction formula (2) proceeds to the right side by the transported zinc chloride gas and water, so that a thin film of ZnO semiconductor grows on the growth substrate 16.

ZnCl2(g)+H2O(g) ⇔ ZnO(s)+2HCl(g) (2)
ここで、成長ゾーン8の温度は、塩化亜鉛ガスが成長ゾーン8までの途中の経路で析出しないように、原料ゾーン4の温度よりも高温に設定される。具体的には、成長ゾーン8の温度は約500℃〜約1100℃程度に設定される。
ZnCl 2 (g) + H 2 O (g) ⇔ ZnO (s) + 2HCl (g) (2)
Here, the temperature of the growth zone 8 is set to be higher than the temperature of the raw material zone 4 so that the zinc chloride gas does not precipitate on the way to the growth zone 8. Specifically, the temperature of the growth zone 8 is set to about 500 ° C. to about 1100 ° C.

ヘテロエピタキシャル結晶成長装置20によるMgZnO半導体の製造方法では、キャリアガスとともに塩素ガスを原料ゾーン14に輸送し、原料ゾーン14で塩化マグネシウムガスを生成する。そして、キャリアガス供給手段13から供給される窒素ガスにより塩化マグネシウムガスを成長ゾーン8に輸送して、成長ゾーン8で塩化亜鉛ガス、塩化マグネシウムガス及び水を反応させることにより、MgZnO半導体を成長基板16上に成長させることができる。   In the MgZnO semiconductor manufacturing method using the heteroepitaxial crystal growth apparatus 20, chlorine gas is transported to the raw material zone 14 together with the carrier gas, and magnesium chloride gas is generated in the raw material zone 14. Then, the magnesium chloride gas is transported to the growth zone 8 by the nitrogen gas supplied from the carrier gas supply means 13, and the zinc chloride gas, the magnesium chloride gas and water are reacted in the growth zone 8, whereby the MgZnO semiconductor is grown. 16 can be grown.

ZnO系半導体(ZnO、MgZnO)のヘテロエピタキシャル成長方法において、n型ドーピングガス供給手段22およびp型ドーピングガス供給手段24を用いて、成長層に対して、所望のn型不純物もしくはp型不純物を不純物添加することができる。   In a heteroepitaxial growth method of a ZnO-based semiconductor (ZnO, MgZnO), a desired n-type impurity or p-type impurity is doped into a growth layer using an n-type doping gas supply unit 22 and a p-type doping gas supply unit 24 Can be added.

上述したように、第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル結晶成長装置20では、塩化亜鉛ではなく、純度の高い亜鉛の金属単体をII族金属材料15として採用しているので、高品質のZnO系半導体を容易に製造することができる。   As described above, the heteroepitaxial crystal growth apparatus 20 according to the first embodiment employs high-purity ZnO instead of zinc chloride as the group II metal material 15, so high-quality ZnO. -Based semiconductors can be easily manufactured.

また、原料ゾーン4の設定温度を成長ゾーン8の成長温度よりも低くすることによって、原料ゾーン4で生成された塩化亜鉛ガスが成長ゾーン8まで輸送されるまでの間に析出することを抑制できる。   Further, by making the set temperature of the raw material zone 4 lower than the growth temperature of the growth zone 8, it is possible to prevent the zinc chloride gas generated in the raw material zone 4 from being deposited before being transported to the growth zone 8. .

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8において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反応式(2)を右辺に進行させることができる。   Further, by adopting water instead of simple oxygen as the oxygen material, hydrochloric acid gas is generated in the growth zone 8 instead of chlorine gas. Therefore, the reaction formula (2) is advanced to the right side in a more thermodynamically stable state. be able to.

例えば、II族金属材料として、マグネシウムの金属単体の代わりにカドミニウムの金属単体を採用してもよい。   For example, as a group II metal material, a cadmium metal simple substance may be adopted instead of a magnesium metal simple substance.

また、酸素材料として、水の代わりに酸素ガスを採用してもよい。   Further, oxygen gas may be employed as the oxygen material instead of water.

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。   Further, bromine gas may be employed as the halogen gas instead of chlorine gas.

また、II族金属材料の種類は2種類に限定するものでなく、3種類以上のII族金属材料を用いてもよい。   Further, the type of the Group II metal material is not limited to two, and three or more Group II metal materials may be used.

(ZnOテンプレートの形成方法)
ZnOテンプレートの形成方法として、Znの蒸気を水蒸気と単に反応させるVPE法について、以下に説明する。なお、これらの形成方法において、成長温度は、例えば400℃以上が望ましく、高温になるほど下地結晶基板の性能を良好にZnOテンプレートに反映することができる。
(Method for forming ZnO template)
As a method for forming a ZnO template, a VPE method in which Zn vapor is simply reacted with water vapor will be described below. In these formation methods, the growth temperature is desirably 400 ° C. or higher, for example, and the higher the temperature, the better the performance of the underlying crystal substrate can be reflected in the ZnO template.

結晶成長装置20は、ZnOテンプレートの形成方法として、Znの蒸気を水蒸気と単に反応させるVPE法についても、図13に示された構成を使用することができる。   The crystal growth apparatus 20 can use the configuration shown in FIG. 13 for the VPE method in which Zn vapor is simply reacted with water vapor as a ZnO template formation method.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、金属亜鉛と水を反応させて形成したZnOバッファ層表面の光学顕微鏡写真は図14(a)に示すように表され、塩化亜鉛と水を反応させて形成したZnOバッファ層表面の光学顕微鏡写真図14(b)に示すように表される。図14において、成長温度は、約400℃、成長時間は、約60minである。図14(a)において、H2Oの分圧PH2Oは、2.2×10-2atm、図14(b)において、H2Oの分圧PH2Oは、1.32×10-2atmである。図14(b)から明らかなように、塩化亜鉛と水を反応させて形成したZnOバッファ層表面の光学顕微鏡写真の結果では、厚さ約0.93μmが得られているが、不均一な核形成が観測されている。これに対して、金属亜鉛と水を反応させて形成したZnOバッファ層表面の光学顕微鏡写真の結果では、厚さ約0.28μmが得られているが、連続膜の成長が観測されている。 In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, an optical micrograph of the surface of the ZnO buffer layer formed by reacting metal zinc and water is represented as shown in FIG. An optical micrograph of the surface of the ZnO buffer layer formed as shown in FIG. 14B. In FIG. 14, the growth temperature is about 400 ° C., and the growth time is about 60 min. 14A, the partial pressure P H2O of H 2 O is 2.2 × 10 −2 atm, and in FIG. 14B, the partial pressure P H2O of H 2 O is 1.32 × 10 −2. atm. As is clear from FIG. 14B, the optical micrograph of the surface of the ZnO buffer layer formed by reacting zinc chloride with water shows a thickness of about 0.93 μm. Formation has been observed. On the other hand, although the thickness of the optical microscope photograph of the surface of the ZnO buffer layer formed by reacting metallic zinc and water is about 0.28 μm, continuous film growth is observed.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、金属亜鉛と水を反応させて形成したZnOバッファ層を形成した後、HVPE法によってZnO半導体の薄膜を成長基板16上に成長する方法は、以下に示すように表される。   In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, a method of growing a ZnO semiconductor thin film on the growth substrate 16 by the HVPE method after forming a ZnO buffer layer formed by reacting metal zinc and water is as follows. It is expressed as shown in

(a)まず、ステップ1として、キャリアガス供給手段3から窒素ガスが、原料ゾーン4に輸送される。そして、原料ゾーン4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15が気化され、成長ゾーン8内に導入される。一方、水供給手段6から成長ゾーン8内に導入された水蒸気と、気化された亜鉛が反応し、(3)式による反応にしたがって、ZnO半導体の薄膜が成長基板16上に成長する。ここで、ZnOバッファ層42の結晶成長温度は、例えば約400℃以上であり、厚さは、例えば約0.3μm以下である。 (A) First, as step 1, nitrogen gas is transported from the carrier gas supply means 3 to the raw material zone 4. In the raw material zone 4, the held group II metal material 15 made of zinc simple substance is vaporized and introduced into the growth zone 8. On the other hand, water vapor introduced from the water supply means 6 into the growth zone 8 reacts with vaporized zinc, and a ZnO semiconductor thin film grows on the growth substrate 16 according to the reaction according to the equation (3). Here, the crystal growth temperature of the ZnO buffer layer 42 is, for example, about 400 ° C. or more, and the thickness is, for example, about 0.3 μm or less.

Zn(g)+H2O(g) ⇔ ZnO(s)+H2(g) (3)
(b)次に、ステップ2として、水蒸気H2O(g)の雰囲気中で、窒素ガスとともに熱処理(アニール)する。熱処理温度は、例えば約1000℃程度である。このように熱処理することによって、ZnOバッファ層42の結晶性および表面の平坦性を向上させることができる。
Zn (g) + H 2 O (g) Zn ZnO (s) + H 2 (g) (3)
(B) Next, as step 2, heat treatment (annealing) is performed with nitrogen gas in an atmosphere of water vapor H 2 O (g). The heat treatment temperature is about 1000 ° C., for example. By performing the heat treatment in this manner, the crystallinity and surface flatness of the ZnO buffer layer 42 can be improved.

(c)次に、ステップ3として、塩素ガス供給手段2から塩素ガスが原料ゾーン4に輸送され、同時にキャリアガス供給手段3から窒素ガスが、原料ゾーン4に輸送される。そして、原料ゾーン4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15と供給された塩素ガスとによって、反応式(1)による反応が起こり、塩化亜鉛ガスが生成される。そして、反応式(1)によって生成された塩化亜鉛ガスは、キャリアガス供給手段3から供給される窒素ガスによって成長ゾーン8に輸送される。また、他の経路を介して、キャリアガス供給手段7から供給される窒素ガスにより、水供給手段6から供給される水(水蒸気)が、酸素材料として成長ゾーン8に輸送される。そして、成長ゾーン8では、輸送された塩化亜鉛ガスと水とによって、反応式(2)の反応が右辺に進行することにより、ZnO半導体の薄膜が成長基板16上に成長する。ここで、結晶成長温度は、例えば約1000℃程度である。 (C) Next, as step 3, chlorine gas is transported from the chlorine gas supply means 2 to the raw material zone 4, and simultaneously, nitrogen gas is transported from the carrier gas supply means 3 to the raw material zone 4. In the raw material zone 4, a reaction according to the reaction formula (1) occurs between the held group II metal material 15 made of a single metal of zinc and the supplied chlorine gas, and zinc chloride gas is generated. Then, the zinc chloride gas generated by the reaction formula (1) is transported to the growth zone 8 by the nitrogen gas supplied from the carrier gas supply means 3. Further, the water (water vapor) supplied from the water supply means 6 is transported to the growth zone 8 as an oxygen material by the nitrogen gas supplied from the carrier gas supply means 7 via another path. In the growth zone 8, the reaction of the reaction formula (2) proceeds to the right side by the transported zinc chloride gas and water, so that a thin film of ZnO semiconductor grows on the growth substrate 16. Here, the crystal growth temperature is about 1000 ° C., for example.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、金属亜鉛と水を反応させて形成したZnOバッファ層表面のSEM写真(ステップ1)は、例えば図15(a)に示すように表され、水蒸気雰囲気中において窒素ガスとともに熱処理したZnOバッファ層表面のSEM写真(ステップ2)は、例えば図15(b)に示すように表され、塩化亜鉛と水を反応させて形成したZnO層表面のSEM写真(ステップ3)は、例えば図15(c)に示すように表される。   In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, a SEM photograph (step 1) of the surface of the ZnO buffer layer formed by reacting metal zinc and water is represented as shown in FIG. The SEM photograph (step 2) of the ZnO buffer layer surface heat-treated with nitrogen gas in the atmosphere is expressed as shown in FIG. 15B, for example, and the SEM photograph of the ZnO layer surface formed by reacting zinc chloride and water. (Step 3) is expressed, for example, as shown in FIG.

図15(a)において、成長温度は約400℃、成長時間は約60min、H2Oの分圧PH2Oは、約2.2×10-2atmである。 In FIG. 15A, the growth temperature is about 400 ° C., the growth time is about 60 min, and the partial pressure P H2O of H 2 O is about 2.2 × 10 −2 atm.

図15(b)において、熱処理温度は約1000℃、熱処理時間は約60min、H2Oの分圧PH2Oは、約4.4×10-3atmである。 In FIG. 15B, the heat treatment temperature is about 1000 ° C., the heat treatment time is about 60 min, and the partial pressure P H2O of H 2 O is about 4.4 × 10 −3 atm.

図15(c)において、成長温度は約1000℃、成長時間は約60min、H2Oの分圧PH2Oは、約4.4×10-4atmであり、VI/II比は約20である。図15(a)〜図15(c)に示すように、ステップ1〜3にしたがって、結晶性は良好になる様子が観測されている。 In FIG. 15C, the growth temperature is about 1000 ° C., the growth time is about 60 min, the partial pressure P H2O of H 2 O is about 4.4 × 10 −4 atm, and the VI / II ratio is about 20. is there. As shown in FIGS. 15A to 15C, it is observed that the crystallinity is improved according to steps 1 to 3.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、図15の各ステップに対応するZnO結晶の結晶の配向性を説明するX線回折測定(2theta-omega法)の測定結果の例は、図16に示すように表される。図16において、縦軸はXRD強度(a.u.)を表し、横軸は、2θを表す。a面サファイア基板に対してZnO(002)面が配向しており、ステップ1〜ステップ3に移行するにしたがって、ZnO(002)のピーク強度が増大して、結晶の配向性が向上していることが観測される。   In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, an example of the measurement result of the X-ray diffraction measurement (2theta-omega method) for explaining the crystal orientation of the ZnO crystal corresponding to each step of FIG. It is expressed as shown in In FIG. 16, the vertical axis represents the XRD intensity (a.u.), and the horizontal axis represents 2θ. The ZnO (002) plane is oriented with respect to the a-plane sapphire substrate, and the peak intensity of ZnO (002) increases as the process proceeds from step 1 to step 3, thereby improving the crystal orientation. Is observed.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、図15の各ステップに対応するZnO結晶の結晶性を説明するX線ロッキング曲線(ZnO(002)面の例)は、例えば図17(a)に示すように表され、図15の各ステップに対応するZnOバッファ層の結晶性を説明するX線ロッキング曲線(ZnO(101)面の例)は、例えば図17(b)に示すように表される。   In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, an X-ray rocking curve (an example of the ZnO (002) plane) explaining the crystallinity of the ZnO crystal corresponding to each step of FIG. An X-ray rocking curve (an example of the ZnO (101) plane) for explaining the crystallinity of the ZnO buffer layer corresponding to each step of FIG. 15 is represented as shown in FIG. Is done.

図17(a)から明らかなように、ZnOの(002)面のロッキング曲線の半値幅FWHM(arcsec)の値は、ステップ1では約1209(arcsec)、ステップ2では約460(arcsec)、ステップ3では約327(arcsec)である。また、図17(b)から明らかなように、ZnOの(101)面のロッキング曲線の半値幅FWHM(arcsec)の値は、ステップ1では約1458(arcsec)、ステップ2では約702(arcsec)、ステップ3では約493(arcsec)である。図17(a)および図17(b)から明らかなように、ステップ1〜ステップ3と進行するにしたがって、(002)面、および(101)面のロッキング曲線の半値幅が減少していることから、(002)配向しているZnO層のツイスト分布、チルト分布ともに減少し結晶性が向上していることがわかる。   As is clear from FIG. 17A, the half-value width FWHM (arcsec) of the rocking curve of the (002) plane of ZnO is about 1209 (arcsec) in step 1 and about 460 (arcsec) in step 2. 3 is about 327 (arcsec). As is clear from FIG. 17B, the value of the half-value width FWHM (arcsec) of the rocking curve of the (101) surface of ZnO is about 1458 (arcsec) in step 1 and about 702 (arcsec) in step 2. In Step 3, it is about 493 (arcsec). As is clear from FIGS. 17A and 17B, the half-value widths of the rocking curves of the (002) plane and the (101) plane decrease as the process proceeds from step 1 to step 3. From this, it can be seen that both the twist distribution and the tilt distribution of the (002) -oriented ZnO layer are reduced and the crystallinity is improved.

(バッファ層の膜厚依存性)
第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、結晶成長温度と成長時間との関係は、図18に示すように表される。バッファ層の成長時間が0minの場合は、バッファ層が無い場合に相当している。
(Dependence of buffer layer thickness)
In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, the relationship between the crystal growth temperature and the growth time is expressed as shown in FIG. When the growth time of the buffer layer is 0 min, this corresponds to the case where there is no buffer layer.

まず、図18において1000℃の高温で、H2中でサーマルクリーニング(T.C.)を実施して、a面サファイア基板表面を清浄化した後、キャリアガスをN2に切り替えステップ1として、バッファ層を成長する。バッファ層の膜厚依存性を調べるために、バッファ層の結晶成長時間は、0min〜60minと変化させている。バッファ層の成長温度は、約400℃程度であり、Zn(g)の分圧PZnは、約4×10-5atm程度、H2Oの分圧PH2Oは、約4.4×10-3atmである。 First, in FIG. 18, thermal cleaning (TC) is performed in H 2 at a high temperature of 1000 ° C. to clean the surface of the a-plane sapphire substrate, and then the carrier gas is switched to N 2 as Step 1. Growing the buffer layer. In order to investigate the film thickness dependence of the buffer layer, the crystal growth time of the buffer layer is changed from 0 min to 60 min. The growth temperature of the buffer layer is about 400 ° C., the partial pressure P Zn of Zn (g) is about 4 × 10 −5 atm, and the partial pressure P H2O of H 2 O is about 4.4 × 10. -3 atm.

次に、ステップ2として、熱処理を実施する。この場合の熱処理温度は、約1000℃、熱処理時間は約10min、H2Oの分圧PH2Oは、約4.4×10-3atmである。 Next, as step 2, heat treatment is performed. In this case, the heat treatment temperature is about 1000 ° C., the heat treatment time is about 10 minutes, and the partial pressure P H2O of H 2 O is about 4.4 × 10 −3 atm.

次に、ステップ3として、HVPE法によるZnO層の結晶成長を実施する。この場合の結晶成長温度は、約1000℃、結晶成長時間は約60min、ZnCl2の供給分圧PZnCl2は、約2.2×10-5atmであり、VI/II比は約20である。 Next, as step 3, crystal growth of a ZnO layer by HVPE is performed. Crystal growth temperature in this case is about 1000 ° C., the crystal growth time of about 60min, supply partial pressure P ZnCl2 of ZnCl 2 is about 2.2 × 10 -5 atm, VI / II ratio is about 20 .

図18に示す成長条件により得られた結果は、図19に示すように表される。図19(a)は、バッファ層の成長時間を0minとした場合のZnO結晶表面の光学顕微鏡写真、図19(b)は、その鳥瞰SEM写真を示す。図19(c)は、バッファ層の成長時間を10minとした場合のZnO結晶表面の光学顕微鏡写真、および図19(d)は、その鳥瞰SEM写真を示す。図19(e)は、バッファ層の成長時間を30minとした場合のZnO結晶表面の光学顕微鏡写真、図19(f)は、その鳥瞰SEM写真を示す。図19(g)は、バッファ層の成長時間を60minとした場合のZnO結晶表面の光学顕微鏡写真、図19(h)は、その鳥瞰SEM写真を示す。   The results obtained under the growth conditions shown in FIG. 18 are expressed as shown in FIG. FIG. 19A shows an optical micrograph of the ZnO crystal surface when the growth time of the buffer layer is 0 min, and FIG. 19B shows a bird's-eye view SEM photograph. FIG. 19C shows an optical micrograph of the surface of the ZnO crystal when the growth time of the buffer layer is 10 min, and FIG. 19D shows a bird's-eye view SEM photograph. FIG. 19 (e) shows an optical micrograph of the ZnO crystal surface when the growth time of the buffer layer is 30 minutes, and FIG. 19 (f) shows a bird's-eye view SEM photograph. FIG. 19 (g) shows an optical micrograph of the ZnO crystal surface when the growth time of the buffer layer is 60 minutes, and FIG. 19 (h) shows a bird's-eye view SEM photograph.

約400℃の低温成長により形成されたバッファ層の膜厚(成長時間)を変化させることによって、その上にHVPE法で成長するZnO層の結晶表面の状態を調べた結果、図19(a)〜(h)から明らかなように、バッファ層の膜厚が厚い(成長時間が長い)程、ZnO層の結晶表面の状態は良好となっている。バッファ層の膜厚が厚い(成長時間が長い)程、HVPE法によるZnO層の2次元成長が促進されるためであると考えられる。   As a result of examining the state of the crystal surface of the ZnO layer grown by the HVPE method by changing the film thickness (growth time) of the buffer layer formed by low temperature growth at about 400 ° C., FIG. As apparent from (h), the thicker the buffer layer (the longer the growth time), the better the crystal surface state of the ZnO layer. This is probably because the two-dimensional growth of the ZnO layer by the HVPE method is promoted as the buffer layer is thicker (growth time is longer).

a面サファイア基板上にバッファ層の成長時間を20min、ZnO層の成長時間を20minとした場合のZnO層の結晶表面のSEM写真、およびその拡大鳥瞰SEM写真は、それぞれ図20(a)および図20(b)に示すように表される。また、a面サファイア基板上にバッファ層の成長時間を60min、ZnO層の成長時間を20minとした場合のZnO層の結晶表面のSEM写真、およびその拡大鳥瞰SEM写真は、それぞれ図20(c)および図20(d)に示すように表される。   The SEM photograph of the crystal surface of the ZnO layer and the enlarged bird's-eye view SEM photograph when the growth time of the buffer layer on the a-plane sapphire substrate is 20 minutes and the growth time of the ZnO layer is 20 minutes are shown in FIG. It is expressed as shown in 20 (b). Further, the SEM photograph of the crystal surface of the ZnO layer and the enlarged bird's-eye view SEM photograph when the growth time of the buffer layer on the a-plane sapphire substrate is 60 minutes and the growth time of the ZnO layer is 20 minutes are shown in FIG. And as shown in FIG.

図20(a)〜(d)から明らかなように、低温で形成したバッファ層上に形成されるZnO層の結晶表面も六角形状の成長核が生成して、これらの六角形状の成長核が互いに結合して、平坦化される成長モードが実現されている。また、低温で形成したバッファ層の厚さが厚い程、その上にHVPE法で形成されるZnO層の横方向成長が促進されている。   As is apparent from FIGS. 20A to 20D, hexagonal growth nuclei are also generated on the crystal surface of the ZnO layer formed on the buffer layer formed at a low temperature, and these hexagonal growth nuclei are formed. Bonding to each other, a growth mode that is flattened is realized. Further, as the thickness of the buffer layer formed at a low temperature increases, the lateral growth of the ZnO layer formed thereon by the HVPE method is promoted.

(X線回折測定(2theta-omega法))
第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、a面サファイア基板上に、バッファ層を10min形成後、HVPE法でZnO層を60min結晶成長した後のZnO層の結晶のX線回折測定(2theta-omega法)の測定結果は、例えば図21に示すように表される。同様に、バッファ層を30min形成後、HVPE法でZnO層を60min結晶成長した後のX線回折測定結果は、例えば図22に示すように表される。さらに、バッファ層を60min形成後、HVPE法でZnO層を60min結晶成長した後のX線回折測定結果は、例えば図23に示すように表される。図21の結果は、図19(c)および図19(d)に対応し、図22の結果は、図19(e)および図19(f)に対応し、図23の結果は、図19(g)および図19(h)に対応する。
(X-ray diffraction measurement (2theta-omega method))
In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, after forming a buffer layer for 10 min on an a-plane sapphire substrate, the ZnO layer is grown for 60 min by the HVPE method. The measurement result of -omega method is expressed as shown in FIG. 21, for example. Similarly, an X-ray diffraction measurement result after forming a buffer layer for 30 min and then growing a ZnO layer for 60 min by HVPE is expressed as shown in FIG. 22, for example. Furthermore, the X-ray diffraction measurement result after the buffer layer is formed for 60 minutes and the ZnO layer is grown for 60 minutes by the HVPE method is expressed, for example, as shown in FIG. The results of FIG. 21 correspond to FIGS. 19 (c) and 19 (d), the results of FIG. 22 correspond to FIGS. 19 (e) and 19 (f), and the results of FIG. This corresponds to (g) and FIG.

図21に示すように、低温成長によって形成されるバッファ層の厚さが薄い場合には、その上にHVPE法で形成されるZnO層の配向性が揃わず、所望のZnO(002)面以外のZnO(101)面が検出されている。一方、図22および図23に示すように、低温成長によって形成されるバッファ層の厚さが厚くなる場合には、その上にHVPE法で形成されるZnO層の配向性が良好となり、所望のZnO(002)面が検出されている
(X線ロッキング曲線)
実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、a面サファイア基板上に、バッファ層をそれぞれ30minおよび60min形成後、その上にHVPE法でZnO層(ZnO(002)面)を60min結晶成長した後のX線ロッキング曲線の例は、(002)面では、図24(a)に示すように表され、(101)面では、図24(b)に示すように表される。
As shown in FIG. 21, when the thickness of the buffer layer formed by low-temperature growth is thin, the orientation of the ZnO layer formed thereon by the HVPE method is not uniform, and other than the desired ZnO (002) plane ZnO (101) surface of the substrate is detected. On the other hand, as shown in FIGS. 22 and 23, when the thickness of the buffer layer formed by low temperature growth becomes thick, the orientation of the ZnO layer formed thereon by the HVPE method becomes good, and the desired ZnO (002) plane is detected (X-ray rocking curve)
In the heteroepitaxial growth method according to the embodiment, after the buffer layer is formed on the a-plane sapphire substrate for 30 min and 60 min, respectively, and then the ZnO layer (ZnO (002) plane) is grown for 60 min on the crystal by HVPE. An example of a line rocking curve is represented as shown in FIG. 24A on the (002) plane and as shown in FIG. 24B on the (101) plane.

図24(a)から明らかなように、ZnOの(002)面のロッキング曲線の半値幅FWHM(arcsec)の値は、バッファ層を30minおよび60min成長した場合、それぞれ396(arcsec)および327(arcsec)である。同様に、図24(b)から明らかなように、ZnOの(101)面のロッキング曲線の半値幅FWHM(arcsec)の値は、バッファ層を30minおよび60min成長した場合、それぞれ504(arcsec)および493(arcsec)である。   As is apparent from FIG. 24A, the half-value width FWHM (arcsec) of the rocking curve of the (002) plane of ZnO is 396 (arcsec) and 327 (arcsec) when the buffer layer is grown for 30 min and 60 min, respectively. ). Similarly, as apparent from FIG. 24B, the value of the half-value width FWHM (arcsec) of the rocking curve of the (101) surface of ZnO is 504 (arcsec) and, respectively, when the buffer layer is grown for 30 min and 60 min. 493 (arcsec).

図24(a)および図24(b)のように二次元成長が促進され、膜になったZnO層のXRDロックキング曲線の半値幅FWHM(arcsec)は、500(arcsec)以下と良好であり、図12と同様に、さらなる成長膜厚増加とともに、ロッキング曲線の半値幅の値の減少を見込むことができる。   As shown in FIGS. 24 (a) and 24 (b), the two-dimensional growth is promoted, and the half-value width FWHM (arcsec) of the XRD rocking curve of the ZnO layer formed as a film is as good as 500 (arcsec) or less. Similarly to FIG. 12, it is possible to expect a decrease in the half-value width of the rocking curve as the growth film thickness further increases.

(X線ファイスキャン)
第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、a面サファイア基板40上に形成されたc軸配向のZnO層のX線ファイスキャンは、図25に示すように、ZnO(101)面を検出するように入射X線とX線検出器とを合せc軸方向を中心に回転させることで実施される。a面サファイア基板40上に形成されたバッファ層42の有無によるZnO層46のX線ファイスキャンの測定結果は、図26に示すように表される。バッファ層42が無い場合(WITHOUT LT-Buffer)には、6回対称の大きなピークの他に図26中の破線部Aで示すように、30度回転した場合の結晶核が観測され、Φ方向であるツイスト(twist)方向の結晶性が乱れている。一方、バッファ層42を有する場合(WITH LT-Buffer)には、ZnO層46の六方晶の6回対称が正確に観測されている。しかも、バッファ層42を有する場合には、30度回転した場合の結晶核は観測されず、Φ方向であるツイスト(twist)方向にも結晶性を揃える効果がある。
(X-ray Phiscan)
In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, the X-ray phi scan of the c-axis oriented ZnO layer formed on the a-plane sapphire substrate 40 detects the ZnO (101) plane as shown in FIG. In this way, the incident X-ray and the X-ray detector are combined and rotated around the c-axis direction. The measurement result of the X-ray phi scan of the ZnO layer 46 with and without the buffer layer 42 formed on the a-plane sapphire substrate 40 is expressed as shown in FIG. When there is no buffer layer 42 (WITHOUT LT-Buffer), crystal nuclei when rotated by 30 degrees are observed in addition to a large 6-fold symmetrical peak, as shown by a broken line portion A in FIG. The crystallinity in the twist direction is disturbed. On the other hand, when the buffer layer 42 is provided (WITH LT-Buffer), the hexagonal 6-fold symmetry of the ZnO layer 46 is accurately observed. In addition, when the buffer layer 42 is provided, crystal nuclei when rotated by 30 degrees are not observed, and there is an effect of aligning crystallinity in the twist direction that is the Φ direction.

(r面サファイア基板)
第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、r面サファイア基板41上に、バッファ層を形成せずに、結晶成長したZnO層47の模式的断面構造は、図27(a)に示すように表される。また、r面サファイア基板41上に、バッファ層を形成せずに、HVPE法でZnO層47を60min結晶成長した後の表面鳥瞰SEM写真は、図27(b)に示すように表される。図27(a)および図27(b)に示すように、r面サファイア基板41上に、バッファ層を形成せずに、結晶成長したZnO層47の形状は、六角形の柱状結晶が観測されている。
(R-plane sapphire substrate)
In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, a schematic cross-sectional structure of a ZnO layer 47 crystal-grown without forming a buffer layer on the r-plane sapphire substrate 41 is as shown in FIG. It is expressed in Further, a surface bird's-eye view SEM photograph after the ZnO layer 47 is grown for 60 min by the HVPE method without forming the buffer layer on the r-plane sapphire substrate 41 is expressed as shown in FIG. As shown in FIGS. 27A and 27B, a hexagonal columnar crystal is observed as the shape of the ZnO layer 47 grown on the r-plane sapphire substrate 41 without forming a buffer layer. ing.

一方、第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、r面サファイア基板41上にバッファ層43を形成後、結晶成長したZnO層47の模式的断面構造は、図28(a)に示すように表される。また、r面サファイア基板41上にバッファ層43を形成後、HVPE法でZnO層47を60min結晶成長した後の表面鳥瞰SEM写真は、図28(b)に示すように表される。a面サファイア基板40上だけではなく、r面サファイア基板41上においてもZnOバッファ層43によって、その上に堆積するHVPE法によるZnO層47の平坦化形成に効果が認められる。   On the other hand, in the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, a schematic cross-sectional structure of the ZnO layer 47 crystal-grown after forming the buffer layer 43 on the r-plane sapphire substrate 41 is as shown in FIG. It is expressed in Further, a surface bird's-eye view SEM photograph after the buffer layer 43 is formed on the r-plane sapphire substrate 41 and the ZnO layer 47 is grown for 60 min by HVPE is expressed as shown in FIG. An effect is recognized not only on the a-plane sapphire substrate 40 but also on the r-plane sapphire substrate 41 by the ZnO buffer layer 43 for the flattening of the ZnO layer 47 deposited on the HVPE method.

第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法において、r面サファイア基板41上にバッファ層43を400℃、60min結晶成長した表面鳥瞰SEM写真は、図29(a)に示すように表され、さらに、1000℃、60min結晶成長したZnO層の表面鳥瞰SEM写真は、図29(b)に示すように表される。図29から明らかなように、r面サファイア基板41上においてもZnOバッファ層43によって、その上に堆積するHVPE法によるZnO層47の平坦化形成に効果が認められる。   In the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment, a surface bird's-eye view SEM photograph in which the buffer layer 43 is grown on the r-plane sapphire substrate 41 at 400 ° C. for 60 minutes is expressed as shown in FIG. A surface bird's-eye view SEM photograph of the ZnO layer grown at 1000 ° C. for 60 minutes is expressed as shown in FIG. As can be seen from FIG. 29, the ZnO buffer layer 43 is also effective on the r-plane sapphire substrate 41 for the planarization of the ZnO layer 47 deposited thereon by the HVPE method.

図29において形成されたZnO層のX線回折測定(2theta-omega法)の測定結果は、例えば図30に示すように表される。図30に示すように、ZnO(110)のピークが観測されることから、r面サファイア基板41上には、a軸配向したZnO層47が形成される。   The measurement result of the X-ray diffraction measurement (2 theta-omega method) of the ZnO layer formed in FIG. 29 is expressed as shown in FIG. 30, for example. As shown in FIG. 30, since the peak of ZnO (110) is observed, an a-axis oriented ZnO layer 47 is formed on the r-plane sapphire substrate 41.

(半導体装置)
第1の実施の形態に係るヘテロエピタキシャル成長方法により形成されたヘテロエピタキシャル結晶構造を有する半導体装置の模式的断面構造例は、図31に示すように、異種基板40と、異種基板40上に配置されたバッファ層42と、バッファ層42上に配置され、n型不純物を不純物添加されたn型ZnO系半導体層52と、n型ZnO系半導体層52上に配置されたZnO系半導体活性層54と、ZnO系半導体活性層54上に配置され、p型不純物を不純物添加されたp型ZnO系半導体層56とを備える。
(Semiconductor device)
An example of a schematic cross-sectional structure of a semiconductor device having a heteroepitaxial crystal structure formed by the heteroepitaxial growth method according to the first embodiment is arranged on a heterogeneous substrate 40 and on the heterogeneous substrate 40 as shown in FIG. A buffer layer 42, an n-type ZnO-based semiconductor layer 52 doped with an n-type impurity, and a ZnO-based semiconductor active layer 54 disposed on the n-type ZnO-based semiconductor layer 52. And a p-type ZnO-based semiconductor layer 56 which is disposed on the ZnO-based semiconductor active layer 54 and is doped with a p-type impurity.

n型ZnO系半導体層52、ZnO系半導体活性層54およびp型ZnO系半導体層56は、いずれも上述のヘテロエピタキシャル結晶成長装置20および上述のハロゲン化II族金属と酸素原料を用いるヘテロエピタキシャル成長方法により形成される。   The n-type ZnO-based semiconductor layer 52, the ZnO-based semiconductor active layer 54, and the p-type ZnO-based semiconductor layer 56 are all heteroepitaxial growth methods using the above-described heteroepitaxial crystal growth apparatus 20 and the above-described group II metal halide and oxygen source. It is formed by.

p型ZnO系半導体層56上には、p側電極60が配置され、メサエッチングにより、露出されたn型ZnO系半導体層52の表面上には、n側電極70が配置されている。p側電極60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70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 60 is disposed on the p-type ZnO-based semiconductor layer 56, and an n-side electrode 70 is disposed on the surface of the n-type ZnO-based semiconductor layer 52 exposed by mesa etching. As a material of the p-side electrode 60, 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 70, for example, a laminated structure of a Ti layer and an Au layer can be adopted.

また、図31に示す例では、異種基板40の裏面40bは、ZnO系半導体活性層54からの光の取り出し効率を上昇するために、粗面化処理などの凸凹のランダム形状が形成されている。   In the example shown in FIG. 31, the back surface 40 b of the heterogeneous substrate 40 is formed with uneven random shapes such as a roughening process in order to increase the light extraction efficiency from the ZnO-based semiconductor active layer 54. .

なお、n型ドーピングガスによって供給する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 supplied by the n-type doping gas, for example, any of B, Ga, Al, In, or Tl can be applied.

また、p型ドーピングガスによって供給するp型不純物としては、例えば、N,P,As,Sb,Bi,Li,Cuのいずれかを適用することができる。   As the p-type impurity supplied by the p-type doping gas, for example, any of N, P, As, Sb, Bi, Li, and Cu can be applied.

ZnO系半導体活性層54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)構造を備える。 The ZnO-based semiconductor active layer 54 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. Provide structure.

或いは、ZnO系半導体活性層54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。 Alternatively, the ZnO-based semiconductor active layer 54 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54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 54 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もできる。 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. It is also possible to form an MQW structure in which a well layer made of O and a barrier layer made of ZnO are stacked.

異種基板40は、例えば、サファイア基板で構成される。或いはシリコン基板、SiC基板、GaAs基板、GaP基板、GaN系基板、またはScAlMgO4基板などを適用してもよい。 The heterogeneous substrate 40 is composed of, for example, a sapphire substrate. Alternatively, a silicon substrate, a SiC substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, a GaN-based substrate, a ScAlMgO 4 substrate, or the like may be applied.

バッファ層42としては、酸化物の配向膜もしくは窒化物の配向膜を適用することができる。酸化物の配向膜としては、例えば、ZnOもしくはMgOを用いることができる。   As the buffer layer 42, an oxide alignment film or a nitride alignment film can be used. As the oxide alignment film, for example, ZnO or MgO can be used.

窒化物の配向膜としては、例えば、AlNもしくはGaNを用いることができる。   As the nitride alignment film, for example, AlN or GaN can be used.

なお、上記の半導体装置からの発光(hν)は、図31に示すように、上面方向および裏面方向から取り出すことができる。最終的なデバイス構造としては、例えば、フリップチップ化実装構造とすることで、異種基板40の裏面40bから主として発光(hν)が取り出される構成としてもよい。   Note that light emission (hν) from the semiconductor device can be extracted from the top surface direction and the back surface direction as shown in FIG. 31. As a final device structure, for example, a configuration in which light emission (hν) is mainly extracted from the back surface 40b of the heterogeneous substrate 40 by using a flip chip mounting structure may be adopted.

本発明のヘテロエピタキシャル成長方法によれば、サファイア基板などの異種基板上へZnO系半導体結晶を800℃よりも高い温度で形成することができる。   According to the heteroepitaxial growth method of the present invention, a ZnO-based semiconductor crystal can be formed on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate at a temperature higher than 800 ° C.

本発明によれば、上記ヘテロエピタキシャル成長方法を用いて形成したヘテロエピタキシャル結晶構造および半導体装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the heteroepitaxial crystal structure and semiconductor device which were formed using the said heteroepitaxial growth method can be provided.

本発明のヘテロエピタキシャル結晶成長装置によれば、サファイア基板などの異種基板上へ800℃よりも高い温度でZnO系半導体結晶を成長することができる。   According to the heteroepitaxial crystal growth apparatus of the present invention, a ZnO-based semiconductor crystal can be grown on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate at a temperature higher than 800 ° C.

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the present invention has been described according to the first embodiment. However, it should be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure are illustrative and limit the present invention. Absent. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。   As described above, the present invention includes various embodiments that are not described herein.

本発明のヘテロエピタキシャル成長方法、ヘテロエピタキシャル結晶構造および半導体装置は、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。   A heteroepitaxial growth method, a heteroepitaxial crystal structure, and a semiconductor device according to the present invention include a light emitting device such as an LED or a laser diode (LD) from a blue region to an ultraviolet region, a light receiving element, a piezoelectric element, and a HEMT (High Electron Mobility Transistor). ), HBT (Hetero-junction bipolar Transistor), transparent electrodes, and the like.

2,12…塩素ガス供給手段
3,13…キャリアガス供給手段
4,14…原料ゾーン
5,9…加熱手段
6…水供給手段
7…キャリアガス供給手段
8…成長ゾーン
10…基板保持手段
15,25…II族金属材料
16…成長基板
20…ヘテロエピタキシャル結晶成長装置
22…第1ドーピングガス供給手段
24…第2ドーピングガス供給手段
40、41…サファイア基板
40a…サファイア基板の表面
40b…サファイア基板の裏面
42、43…バッファ層
44…ZnOファセット
46、47…ZnO層
52…n型ZnO系半導体層
54…ZnO系半導体活性層
56…p型ZnO系半導体層
60…p側電極
70…n側電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2,12 ... Chlorine gas supply means 3, 13 ... Carrier gas supply means 4, 14 ... Raw material zone 5, 9 ... Heating means 6 ... Water supply means 7 ... Carrier gas supply means 8 ... Growth zone 10 ... Substrate holding means 15, 25 ... Group II metal material 16 ... Growth substrate 20 ... Heteroepitaxial crystal growth device 22 ... First doping gas supply means 24 ... Second doping gas supply means 40, 41 ... Sapphire substrate 40a ... Sapphire substrate surface 40b ... Sapphire substrate surface Back surface 42, 43 ... Buffer layer 44 ... ZnO facet 46, 47 ... ZnO layer 52 ... n-type ZnO-based semiconductor layer 54 ... ZnO-based semiconductor active layer 56 ... p-type ZnO-based semiconductor layer 60 ... p-side electrode 70 ... n-side electrode

Claims (28)

異種基板上にバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上にハロゲン化II族金属と酸素原料を用いて酸化亜鉛系半導体層を結晶成長する工程と
を有することを特徴とするヘテロエピタキシャル成長方法。
Forming a buffer layer on a heterogeneous substrate;
And a step of crystal-growing a zinc oxide-based semiconductor layer on the buffer layer using a group II metal halide and an oxygen source.
前記酸化亜鉛系半導体層を結晶成長する工程において、結晶成長温度は800℃以上であることを特徴とする請求項1に記載のヘテロエピタキシャル成長方法。   2. The heteroepitaxial growth method according to claim 1, wherein the crystal growth temperature is 800 ° C. or higher in the step of crystal growth of the zinc oxide based semiconductor layer. 前記酸化亜鉛系半導体層を結晶成長する工程において、VI族元素とII族元素の供給比VI/IIは、1以上〜100以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のヘテロエピタキシャル成長方法。   3. The heteroepitaxial growth according to claim 1, wherein in the step of crystal growth of the zinc oxide based semiconductor layer, the supply ratio VI / II of the group VI element and the group II element is 1 or more and 100 or less. Method. 前記酸化亜鉛系半導体層を結晶成長する工程において、反応ガスは塩化亜鉛と水であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のヘテロエピタキシャル成長方法。   The heteroepitaxial growth method according to any one of claims 1 to 3, wherein in the step of crystal growth of the zinc oxide based semiconductor layer, the reaction gas is zinc chloride and water. 前記バッファ層を形成する工程は、前記異種基板上に、II族金属と酸素原料を用いて酸化亜鉛系半導体層を結晶成長する工程を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のヘテロエピタキシャル成長方法。   5. The step of forming the buffer layer includes a step of crystal-growing a zinc oxide based semiconductor layer on the heterogeneous substrate using a group II metal and an oxygen source. The heteroepitaxial growth method according to Item. 前記バッファ層を形成する工程は、さらに熱処理、レーザ処理またはプラズマ処理を実施する工程を有することを特徴とする請求項5に記載のヘテロエピタキシャル成長方法。   6. The heteroepitaxial growth method according to claim 5, wherein the step of forming the buffer layer further includes a step of performing heat treatment, laser treatment, or plasma treatment. 前記バッファ層を形成する工程は、さらに酸化雰囲気中において、窒素ガスとともに熱処理する工程を有することを特徴とする請求項5に記載のヘテロエピタキシャル成長方法。   6. The heteroepitaxial growth method according to claim 5, wherein the step of forming the buffer layer further includes a step of heat-treating with nitrogen gas in an oxidizing atmosphere. 前記バッファ層を形成する工程において、前記II族金属と前記酸素原料は、それぞれZnと水であることを特徴とする請求項5に記載のヘテロエピタキシャル成長方法。   6. The heteroepitaxial growth method according to claim 5, wherein in the step of forming the buffer layer, the Group II metal and the oxygen source are Zn and water, respectively. 前記バッファ層を形成する工程と、前記酸化亜鉛系半導体層を結晶成長する工程は、同一の装置内にて実施することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のヘテロエピタキシャル成長方法。   The heteroepitaxial growth according to any one of claims 1 to 8, wherein the step of forming the buffer layer and the step of crystal growth of the zinc oxide based semiconductor layer are performed in the same apparatus. Method. 前記バッファ層を形成する工程において、反応ガスは亜鉛と水、前記酸化亜鉛系半導体層を結晶成長する工程において、反応ガスは塩化亜鉛と水であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のヘテロエピタキシャル成長方法。   The reactive gas is zinc and water in the step of forming the buffer layer, and the reactive gas is zinc chloride and water in the step of crystal growth of the zinc oxide based semiconductor layer. 2. The heteroepitaxial growth method according to claim 1. 異種基板と、
前記異種基板上に配置されたバッファ層と、
前記バッファ層上に配置され、ハロゲン化II族金属と酸素原料を用いる結晶成長により形成された酸化亜鉛系半導体層と
を備えることを特徴とするヘテロエピタキシャル結晶構造。
Different substrates,
A buffer layer disposed on the heterogeneous substrate;
A heteroepitaxial crystal structure comprising: a zinc oxide-based semiconductor layer disposed on the buffer layer and formed by crystal growth using a group II metal halide and an oxygen source.
前記異種基板は、サファイア基板,シリコン基板,GaAs基板,GaP基板,SiC基板,GaN系基板,またはScAlMgO4基板のいずれかであることを特徴とする請求項11に記載のヘテロエピタキシャル結晶構造。 The heteroepitaxial crystal structure according to claim 11, wherein the heterogeneous substrate is one of a sapphire substrate, a silicon substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, a SiC substrate, a GaN-based substrate, and a ScAlMgO 4 substrate. 前記バッファ層は酸化物の配向膜であることを特徴とする請求項11に記載のヘテロエピタキシャル結晶構造。 12. The heteroepitaxial crystal structure according to claim 11, wherein the buffer layer is an oxide alignment film. 前記バッファ層は窒化物の配向膜であることを特徴とする請求項11に記載のヘテロエピタキシャル結晶構造。 The heteroepitaxial crystal structure according to claim 11, wherein the buffer layer is a nitride alignment film. 前記バッファ層は、ZnOもしくはMgOからなる酸化物の配向膜であることを特徴とする請求項11に記載のヘテロエピタキシャル結晶構造。   12. The heteroepitaxial crystal structure according to claim 11, wherein the buffer layer is an oxide oriented film made of ZnO or MgO. 前記バッファ層は、AlNもしくはGaNからなる窒化物の配向膜であることを特徴とする請求項11に記載のヘテロエピタキシャル結晶構造。   12. The heteroepitaxial crystal structure according to claim 11, wherein the buffer layer is a nitride orientation film made of AlN or GaN. 異種基板と、
前記異種基板上に配置されたバッファ層と、
前記バッファ層上に配置され、n型不純物を不純物添加されたn型酸化亜鉛系半導体層と、
前記n型酸化亜鉛系半導体層上に配置された酸化亜鉛系半導体活性層と、
前記活性層上に配置され、p型不純物を不純物添加されたp型酸化亜鉛系半導体層と
を備えることを特徴とする半導体装置。
Different substrates,
A buffer layer disposed on the heterogeneous substrate;
An n-type zinc oxide based semiconductor layer disposed on the buffer layer and doped with an n-type impurity;
A zinc oxide based semiconductor active layer disposed on the n-type zinc oxide based semiconductor layer;
A semiconductor device comprising: a p-type zinc oxide based semiconductor layer disposed on the active layer and doped with a p-type impurity.
前記n型不純物は、B,Ga,Al,In,またはTlのいずれかであることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 17, wherein the n-type impurity is any one of B, Ga, Al, In, and Tl. 前記p型不純物は、N,P,As,Sb,Bi,Li,またはCuのいずれかであることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 17, wherein the p-type impurity is any one of N, P, As, Sb, Bi, Li, and Cu. 前記酸化亜鉛系半導体活性層は、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多重量子井戸構造を備えることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 17, wherein the zinc oxide based semiconductor active layer has a multiple quantum well structure in which a barrier layer made of Mg x Zn 1-x O and a well layer made of ZnO are stacked. . 前記酸化亜鉛系半導体活性層は、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多重量子井戸構造を備えることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 17, wherein the zinc oxide based semiconductor active layer has a multiple quantum well structure in which a well layer made of Cd y Zn 1-y O and a barrier layer made of ZnO are stacked. . 前記異種基板は、サファイア基板,シリコン基板,GaAs基板,GaP基板,SiC基板,GaN系基板,またはScAlMgO4基板のいずれかであることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。 18. The semiconductor device according to claim 17, wherein the heterogeneous substrate is one of a sapphire substrate, a silicon substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, a SiC substrate, a GaN-based substrate, or a ScAlMgO 4 substrate. 前記バッファ層は酸化物の配向膜であることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 17, wherein the buffer layer is an oxide alignment film. 前記バッファ層は窒化物の配向膜であることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 17, wherein the buffer layer is a nitride alignment film. 前記バッファ層は、ZnOもしくはMgOからなる酸化物の配向膜であることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。   18. The semiconductor device according to claim 17, wherein the buffer layer is an oxide alignment film made of ZnO or MgO. 前記バッファ層は、AlNもしくはGaNからなる窒化物の配向膜であることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。   18. The semiconductor device according to claim 17, wherein the buffer layer is a nitride orientation film made of AlN or GaN. 亜鉛の金属単体を含む第1のII族金属材料が保持される第1原料ゾーンと、
亜鉛以外のII族金属単体を含む第2のII族金属材料が保持される第2原料ゾーンと、
前記第1原料ゾーンに第1ハロゲンガスを供給する第1ハロゲンガス供給手段と、
前記第2原料ゾーンに第2ハロゲンガスを供給する第2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、
n型不純物を不純物添加するためのn型ドーピングガスを供給する第1ドーピングガス供給手段と、
p型不純物を不純物添加するためのp型ドーピングガスを供給する第2ドーピングガス供給手段と、
前記第1および第2ハロゲンガス、前記n型およびp型ドーピングガス及び前記第1及び第2のII族金属材料から生成されたハロゲン化II族金属と前記酸素材料とを反応させるための成長ゾーンと
を備えたことを特徴とするヘテロエピタキシャル結晶成長装置。
A first raw material zone in which a first Group II metal material containing a metal element of zinc is held;
A second raw material zone in which a second group II metal material containing a group II metal simple substance other than zinc is held;
First halogen gas supply means for supplying a first halogen gas to the first raw material zone;
Second halogen gas supply means for supplying a second halogen gas to the second raw material zone;
Oxygen material supply means for supplying oxygen material containing oxygen;
first doping gas supply means for supplying an n-type doping gas for doping an n-type impurity;
a second doping gas supply means for supplying a p-type doping gas for adding a p-type impurity;
A growth zone for reacting the oxygen material with the first and second halogen gases, the n-type and p-type doping gases and the halogenated group II metal generated from the first and second group II metal materials. And a heteroepitaxial crystal growth apparatus.
VI族元素とII族元素の供給比VI/IIは、1以上〜100以下であることを特徴とする請求項27に記載のヘテロエピタキシャル結晶成長装置。   28. The heteroepitaxial crystal growth apparatus according to claim 27, wherein the supply ratio VI / II of the group VI element and the group II element is 1 to 100.
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