JP2011009339A - Zinc oxide-based semiconductor element, and method of growing the same - Google Patents

Zinc oxide-based semiconductor element, and method of growing the same Download PDF

Info

Publication number
JP2011009339A
JP2011009339A JP2009149596A JP2009149596A JP2011009339A JP 2011009339 A JP2011009339 A JP 2011009339A JP 2009149596 A JP2009149596 A JP 2009149596A JP 2009149596 A JP2009149596 A JP 2009149596A JP 2011009339 A JP2011009339 A JP 2011009339A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
zno
substrate
growth
crystal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2009149596A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5392608B2 (en
Inventor
Tadashi Horio
直史 堀尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stanley Electric Co Ltd
Original Assignee
Stanley Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stanley Electric Co Ltd filed Critical Stanley Electric Co Ltd
Priority to JP2009149596A priority Critical patent/JP5392608B2/en
Publication of JP2011009339A publication Critical patent/JP2011009339A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5392608B2 publication Critical patent/JP5392608B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Led Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor element excellent in an element characteristic, an element life, and mass producibility by eliminating a trouble such as chipping, cracking, and separation of the element, in an element separation process.SOLUTION: A ZnO-based crystal layer having grown on a substrate of a sapphire (AlO) single crystal has a solid solution layer formed by solidly solving aluminum (Al) of the substrate in an interface with the substrate.

Description

本発明は、酸化亜鉛系半導体素子及びその成長方法に関し、特に、MOCVD法により、サファイア基板上に形成した酸化亜鉛系半導体素子及びその成長方法に関する。   The present invention relates to a zinc oxide semiconductor device and a growth method thereof, and more particularly to a zinc oxide semiconductor device formed on a sapphire substrate by MOCVD and a growth method thereof.

酸化亜鉛(ZnO)は、室温で3.37eVのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型の半導体で、青ないし紫外領域の光素子用の材料として期待されている。特に、励起子の束縛エネルギーが60meV、また屈折率n=2.0と半導体発光素子に極めて適した物性を有している。また、発光素子、受光素子に限らず、表面弾性波(SAW)デバイス、圧電素子等にも広く応用が可能である。さらに、原材料が安価であるとともに、環境や人体に無害であるという特徴を有している。また、特に、かかる材料系による高効率かつ低消費電力の半導体発光素子の実現が期待されている。   Zinc oxide (ZnO) is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of 3.37 eV at room temperature, and is expected as a material for optical elements in the blue or ultraviolet region. In particular, the exciton binding energy is 60 meV and the refractive index n = 2.0, which is very suitable for a semiconductor light emitting device. Further, the present invention can be widely applied not only to light emitting elements and light receiving elements but also to surface acoustic wave (SAW) devices, piezoelectric elements, and the like. In addition, the raw material is inexpensive and harmless to the environment and the human body. In particular, it is expected to realize a semiconductor light emitting device with high efficiency and low power consumption by such a material system.

従来、半導体素子を構成する半導体結晶層が形成されたウエハから、半導体素子を切り出す場合、ウエハに素子分割溝やスクライブ溝を形成し、ナイフエッジなどを用いて素子分離することが行われている。例えば、GaAs(ガリウム砒素)系化合物半導体やInP(インジウム燐)系化合物半導体などの閃亜鉛鉱構造結晶は、(110)面の劈開性が良好であるため、ウエハから半導体素子を切り出す場合の問題は少なかった。しかしながら、ウルツァイト構造を有する窒化物半導体層が形成されたウエハにおいては、劈開性が悪いためクラック等の切断不良が発生し易いという問題があった(例えば、特許文献1,2,3)。例えば、特許文献2には、サファイア基板上に窒化物系半導体層が形成されたウエハの切断において、窒化物系半導体層側及びサファイア基板側に割り溝を形成することが開示されている。   Conventionally, when a semiconductor element is cut out from a wafer on which a semiconductor crystal layer constituting a semiconductor element is formed, an element dividing groove or a scribe groove is formed on the wafer, and the element is separated using a knife edge or the like. . For example, zincblende structure crystals such as GaAs (gallium arsenide) compound semiconductors and InP (indium phosphorous) compound semiconductors have good cleavage properties on the (110) plane. There were few. However, a wafer on which a nitride semiconductor layer having a wurtzite structure is formed has a problem that cutting defects such as cracks are likely to occur due to poor cleavage (for example, Patent Documents 1, 2, and 3). For example, Patent Document 2 discloses that in the cutting of a wafer in which a nitride semiconductor layer is formed on a sapphire substrate, split grooves are formed on the nitride semiconductor layer side and the sapphire substrate side.

しかしながら、当該窒化物半導体と同じ六方晶形のウルツァイト構造の結晶であるが、窒化物半導体とは材料の性質や物性の異なる酸化亜鉛(ZnO)系化合物半導体結晶に関しては、素子分離工程の際に生じる問題について十分な検討がなされていなかった。   However, although it is a crystal of the same hexagonal wurtzite structure as the nitride semiconductor, a zinc oxide (ZnO) -based compound semiconductor crystal having different material properties and physical properties from the nitride semiconductor is generated during the element isolation process. The problem was not fully examined.

特許第2661420号公報Japanese Patent No. 2661420 特許第2780618号公報(第2頁、図1)Japanese Patent No. 2780618 (2nd page, FIG. 1) 特開2003−086541号公報JP 2003-086541 A

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、サファイア基板上に酸化亜鉛(ZnO)系素子構造体(デバイス層)が形成されたウエハの素子分離工程において、素子の欠け、割れ、剥離などの不具合を解消し、素子特性、素子寿命及び量産性に優れた半導体素子及びその成長方法を提供することにある。特に、発光効率及び素子寿命に優れるとともに、量産性に優れた高性能な半導体発光素子及びその成長方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to provide an element separation process for a wafer in which a zinc oxide (ZnO) -based element structure (device layer) is formed on a sapphire substrate. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can eliminate defects such as chipping, cracking, and peeling, and has excellent device characteristics, device life, and mass productivity, and a growth method thereof. In particular, it is an object to provide a high-performance semiconductor light-emitting device excellent in light emission efficiency and device lifetime, and excellent in mass productivity, and a growth method thereof.

本発明は、αサファイア(Al23)単結晶の基板上に成長したZnO系結晶層及び前記ZnO系結晶層上に成長したデバイス層を有する半導体素子であって、
前記ZnO系結晶層は、前記基板との界面に前記基板のアルミニウム(Al)が固溶された固溶層を有することを特徴としている。
The present invention is a semiconductor element having a ZnO-based crystal layer grown on an α sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal substrate and a device layer grown on the ZnO-based crystal layer,
The ZnO-based crystal layer has a solid solution layer in which aluminum (Al) of the substrate is dissolved at the interface with the substrate.

また、本発明は、αサファイア単結晶の基板上にZnO系結晶層及びデバイス層をこの順で成長した半導体素子の成長方法であって、ZnO系結晶層は、前記基板との界面に前記基板のアルミニウム(Al)が固溶された固溶層を有することを特徴としている。   The present invention is also a method for growing a semiconductor device in which a ZnO-based crystal layer and a device layer are grown in this order on an α-sapphire single crystal substrate, wherein the ZnO-based crystal layer is disposed on the interface with the substrate. It has a solid solution layer in which aluminum (Al) is dissolved.

また、本発明は、αサファイア単結晶の基板上にZnO系結晶層を成長した成長層付き基板であって、ZnO系結晶層は、前記基板との界面に前記基板のアルミニウム(Al)が固溶された固溶層を有することを特徴としている。   Further, the present invention is a substrate with a growth layer in which a ZnO-based crystal layer is grown on an α-sapphire single crystal substrate, and the ZnO-based crystal layer is formed by fixing aluminum (Al) of the substrate at the interface with the substrate. It is characterized by having a dissolved solid solution layer.

結晶成長に用いたMOCVD装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the MOCVD apparatus used for crystal growth. 本発明によりサファイア基板上に成長されたZnO系半導体層を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the ZnO type | system | group semiconductor layer grown on the sapphire substrate by this invention. MOCVD法による結晶成長に用いられた結晶成長シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the crystal growth sequence used for the crystal growth by MOCVD method. 本発明の実施例2である半導体発光素子(LED)ウエハの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the semiconductor light-emitting device (LED) wafer which is Example 2 of this invention. LEDデバイス層付き基板の結晶成長に用いられた結晶成長シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the crystal growth sequence used for the crystal growth of the board | substrate with an LED device layer. LEDデバイス層付き基板の上面図である。It is a top view of a board | substrate with an LED device layer. LEDデバイス層付き基板の素子分離工程の概略を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline of the element separation process of a board | substrate with an LED device layer. 半導体発光素子(LED)の上面図及び断面図である。It is the top view and sectional drawing of a semiconductor light emitting element (LED). RF−MBE法により形成した比較例の結晶成長層の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the crystal growth layer of the comparative example formed by RF-MBE method. 実施例1の結晶成長層のSIMS分析結果である。3 is a SIMS analysis result of the crystal growth layer of Example 1. FIG. 図10に示すAl濃度及びZnイオン強度の界面(X)付近におけるプロファイルを拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the profile in the interface (X) vicinity of Al concentration and Zn ion intensity which are shown in FIG. 比較例のサンプルのSIMS分析結果である。It is a SIMS analysis result of the sample of a comparative example. 実施例1(EMB1)の成長層表面の微分顕微鏡像である。It is a differential microscope image of the growth layer surface of Example 1 (EMB1). 実施例1(EMB1)の成長層表面のSEM像である。It is a SEM image of the growth layer surface of Example 1 (EMB1). ZnO層の層厚(t)が1μmの場合の(002)ω及び(100)ωロッキングカーブである。These are (002) ω and (100) ω rocking curves when the thickness (t) of the ZnO layer is 1 μm. ZnO層の層厚(t)が3μmの場合の(002)ω及び(100)ωロッキングカーブである。These are (002) ω and (100) ω rocking curves when the thickness (t) of the ZnO layer is 3 μm. サファイア基板上にデバイス層を形成した場合のブレーキングの原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of braking at the time of forming a device layer on a sapphire substrate.

以下においては、MOCVD法によりサファイア基板上に酸化亜鉛(ZnO)系素子構造体(デバイス層)が形成されたウエハの製造方法について図面を参照して詳細に説明する。また、当該半導体素子として半導体発光素子(LED:Light Emitting Diode)を例に説明する。なお、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付している。   Hereinafter, a method for manufacturing a wafer in which a zinc oxide (ZnO) -based element structure (device layer) is formed on a sapphire substrate by MOCVD will be described in detail with reference to the drawings. Further, a semiconductor light emitting element (LED: Light Emitting Diode) will be described as an example of the semiconductor element. In the drawings described below, substantially the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals.

図1は、結晶成長に用いたMOCVD装置5の構成を模式的に示している。MOCVD装置5の装置構成の詳細について以下に説明する。また、結晶成長材料については後に詳述する。   FIG. 1 schematically shows the configuration of the MOCVD apparatus 5 used for crystal growth. Details of the apparatus configuration of the MOCVD apparatus 5 will be described below. The crystal growth material will be described in detail later.

[装置構成]
MOCVD装置5は、ガス供給部5A、反応容器部5B及び排気部5Cから構成されている。ガス供給部5Aは、有機金属化合物材料を気化して供給する部分と、気体材料ガスを供給する部分と、これらのガスを輸送する機能を備えた輸送部とから構成されている。
[Device configuration]
The MOCVD apparatus 5 includes a gas supply unit 5A, a reaction vessel unit 5B, and an exhaust unit 5C. 5 A of gas supply parts are comprised from the part which vaporizes and supplies organometallic compound material, the part which supplies gaseous material gas, and the transport part provided with the function to convey these gas.

常温で液体(または固体)である有機金属化合物材料は、気化し蒸気として供給する。本実施例においては、亜鉛(Zn)源としてDMZn(ジメチル亜鉛)、マグネシウム(Mg)源としてCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)、ガリウム(Ga)源としてTEGa(トリエチルガリウム)をそれぞれ用いた。   An organometallic compound material that is liquid (or solid) at room temperature is vaporized and supplied as vapor. In this example, DMZn (dimethylzinc) was used as the zinc (Zn) source, Cp2Mg (biscyclopentadienylmagnesium) was used as the magnesium (Mg) source, and TEGa (triethylgallium) was used as the gallium (Ga) source.

まず、DMZnの供給について説明する。図1に示すように、窒素ガスを流量調整装置(マスフローコントローラ)121S にて所定の流量とし、ガス供給弁121Mを通してDMZn格納容器121Cに送り、DMZn蒸気を窒素ガス中に飽和させる。そして、DMZn飽和窒素ガスを取出し弁121E、圧力調整装置121Pを通して、成長待機時には第1ベント配管(以下、第1VENTライン(VENT1)という。)128Vに、成長時には第1ラン配管(以下、第1RUNライン(RUN1)という。)128Rに供給する。なお、この際、圧力調整装置121Pによって格納容器内圧を一定に調整する。またDMZn格納容器は恒温槽121Tで一定温度に保たれる。   First, the supply of DMZn will be described. As shown in FIG. 1, the nitrogen gas is adjusted to a predetermined flow rate by a flow rate adjusting device (mass flow controller) 121S and sent to the DMZn storage container 121C through the gas supply valve 121M to saturate the DMZn vapor in the nitrogen gas. Then, the DMZn saturated nitrogen gas is taken out through the valve 121E and the pressure adjusting device 121P to the first vent pipe (hereinafter referred to as the first VENT line (VENT1)) 128V during the growth standby, and to the first run pipe (hereinafter referred to as the first RUN) during the growth. Line (RUN1).) Supply to 128R. At this time, the internal pressure of the storage container is adjusted to be constant by the pressure adjusting device 121P. Further, the DMZn storage container is kept at a constant temperature in the thermostatic chamber 121T.

また、その他の有機金属化合物材料Cp2Mg、TEGaについても同様である。すなわち、これらの材料をそれぞれ格納する格納容器122C(Cp2Mg),123C(TEGa)に流量調整装置122S、123Sを経た所定の流量の窒素ガスが送気され、取出し弁122E、123E及び圧力調整装置122P、123Pを通して、成長待機時には第1VENTライン(VENT1)128Vに、成長時には第1RUNライン(RUN1)128Rにこれらのガスが供給される。   The same applies to other organometallic compound materials Cp2Mg and TEGa. That is, nitrogen gas having a predetermined flow rate is supplied to the storage containers 122C (Cp2Mg) and 123C (TEGa) for storing these materials through the flow rate adjusting devices 122S and 123S, and the take-off valves 122E and 123E and the pressure adjusting device 122P are supplied. , 123P, these gases are supplied to the first VENT line (VENT1) 128V during growth standby and to the first RUN line (RUN1) 128R during growth.

また、酸素源としての液体材料であるH2O(水蒸気)は格納容器124Cに流量調整装置124Sを経た所定の流量の窒素ガスが送気され、取出し弁124E、圧力調整装置124Pを通して、成長待機時には第2ベント配管(以下、第2VENTライン(VENT2)という。)129Vに、成長時には第2ラン配管(以下、第2RUNライン(RUN2)という。)129Rに供給される。 In addition, H 2 O (water vapor), which is a liquid material as an oxygen source, is supplied with nitrogen gas at a predetermined flow rate through the flow rate adjusting device 124S to the containment vessel 124C, and waits for growth through the extraction valve 124E and the pressure adjusting device 124P. Sometimes it is supplied to the second vent pipe (hereinafter referred to as the second VENT line (VENT2)) 129V, and at the time of growth to the second run pipe (hereinafter referred to as the second RUN line (RUN2)) 129R.

p型不純物源としては、気体材料であるNH3(アンモニア)ガスを用いた。NH3ガスは、流量調整装置125Sにより所定の流量が供給される。待機時には第2VENTライン129V、成長時には第2RUNライン129Rに供給される。なお、当該ガスは、窒素やAr(アルゴン)などの不活性ガスで希釈されていても構わない。 As the p-type impurity source, NH 3 (ammonia) gas, which is a gaseous material, was used. The NH 3 gas is supplied at a predetermined flow rate by the flow rate adjusting device 125S. The power is supplied to the second VENT line 129V during standby and to the second RUN line 129R during growth. Note that the gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen or Ar (argon).

上記した液体または固体材料の蒸気と気体材料(以下、材料ガスという。)は、第1RUNライン128R、第2RUNライン129Rを通して反応容器部5Bのシャワーヘッド130に供給される。なお、第1RUNライン128R及び第2RUNライン129Rのそれぞれにも流量調整装置120C、120Bが設けられており、材料ガスはキャリアガス(窒素ガス)によって反応容器(チャンバ)139の上部に取付けられたシャワーヘッド130に送り込まれる。   The liquid or solid material vapor and the gas material (hereinafter referred to as material gas) are supplied to the shower head 130 of the reaction vessel 5B through the first RUN line 128R and the second RUN line 129R. The first RUN line 128R and the second RUN line 129R are also provided with flow rate adjusting devices 120C and 120B, respectively, and the material gas is a shower attached to the upper part of the reaction vessel (chamber) 139 by a carrier gas (nitrogen gas). It is sent to the head 130.

なお、シャワーヘッド130は、基板10の主面(成長面)に対向する噴出面を有し、当該噴出面内に亘って材料ガスの噴出孔が列及び行方向に多数(例えば、数10〜100)形成されている。また、当該噴出面の有効噴出直径は基板の外径よりも大きい。   The shower head 130 has an ejection surface that faces the main surface (growth surface) of the substrate 10, and a large number of material gas ejection holes in the row and row directions (for example, several 10 to 10). 100) formed. The effective ejection diameter of the ejection surface is larger than the outer diameter of the substrate.

当該噴出孔は、第1RUNライン128Rから供給される有機金属化合物材料ガス(II族ガス)が噴出される第1の噴出孔と、第2RUNライン129Rから供給されるH2O(水蒸気)(VI族ガス)が噴出される第2の噴出孔と、からなっている。そして、第1RUNライン128Rからのガスと第2RUNライン129Rからのガスは混合されずにそれぞれ第1の噴出孔及び第2の噴出孔から噴出されるように構成されている。第1の噴出孔及び第2の噴出孔はほぼ同数で互いに数mmの間隔で設けられ、有機金属化合物材料ガス及びH2Oが均一に混合するように、各列及び各行において交互に配置されている。 The ejection holes include a first ejection hole from which the organometallic compound material gas (group II gas) supplied from the first RUN line 128R is ejected, and H 2 O (water vapor) (VI) supplied from the second RUN line 129R. A second ejection hole from which a group gas) is ejected. The gas from the first RUN line 128R and the gas from the second RUN line 129R are configured to be ejected from the first ejection hole and the second ejection hole, respectively, without being mixed. The first ejection holes and the second ejection holes are provided in the same number and at intervals of several mm, and are alternately arranged in each column and each row so that the organometallic compound gas and H 2 O are uniformly mixed. ing.

反応容器139内には材料ガスを基板10に吹付けるシャワーヘッド130、基板10、基板10を保持するサセプタ119、サセプタ119を加熱するヒーター149が設置されている。そして、ヒーター149によって基板を室温から1100℃程度まで加熱できる構造となっている。   In the reaction vessel 139, a shower head 130 that blows a material gas onto the substrate 10, a substrate 10, a susceptor 119 that holds the substrate 10, and a heater 149 that heats the susceptor 119 are installed. The heater 149 can heat the substrate from room temperature to about 1100 ° C.

なお、本実施例における基板温度とは、基板を載置するサセプタ119の表面の温度を指している。すなわち、MOCVD法の場合、サセプタ119から基板10への熱伝達は直接接触、およびサセプタ119と基板10間に存在するガスにより行なわれる。本実施例で用いた成長圧力1kPa〜120kPa(Pa:パスカル)の間では、基板10の表面温度はサセプタ119の表面温度より0℃〜10℃低い程度である。   Note that the substrate temperature in this embodiment refers to the temperature of the surface of the susceptor 119 on which the substrate is placed. That is, in the case of the MOCVD method, heat transfer from the susceptor 119 to the substrate 10 is performed by direct contact and a gas existing between the susceptor 119 and the substrate 10. Between the growth pressures of 1 kPa to 120 kPa (Pa: Pascal) used in this example, the surface temperature of the substrate 10 is about 0 ° C. to 10 ° C. lower than the surface temperature of the susceptor 119.

また、反応容器139にはサセプタ119を回転させる回転機構が設けられている。より詳細には、サセプタ119はサセプタ支持筒148に支持され、サセプタ支持筒148はステージ141上に回転自在に支持されている。そして、回転モータ143がサセプタ支持筒148を回転させることによりサセプタ119(すなわち、基板10)を回転させる。なお、上記したヒーター149は、サセプタ支持筒148内に設置されている。   The reaction vessel 139 is provided with a rotation mechanism for rotating the susceptor 119. More specifically, the susceptor 119 is supported by a susceptor support cylinder 148, and the susceptor support cylinder 148 is rotatably supported on the stage 141. The rotation motor 143 rotates the susceptor support cylinder 148 to rotate the susceptor 119 (that is, the substrate 10). The heater 149 is installed in the susceptor support cylinder 148.

排気部5Cは、容器内圧力調整装置151と排気ポンプ152で構成されており、容器内圧力調整装置151にて反応容器139内の圧力を0.01kPaないし120kPa程度まで調整できる構造となっている。   The exhaust part 5C includes a container internal pressure adjusting device 151 and an exhaust pump 152. The internal pressure adjusting device 151 can adjust the pressure in the reaction container 139 to about 0.01 kPa to 120 kPa. .

[結晶成長材料]
本実施例においては、有機金属化合物材料(または有機金属材料)として、構成分子内に酸素を含まない材料を用いた。酸素を含まない有機金属材料は、水蒸気(酸素材料又は酸素源)との反応性が高く、低成長圧力、あるいは水蒸気と有機金属(MO)の流量比(FH2O/FMO 比)又はVI/II比が低い領域においてもZnO系結晶の成長を可能とする。
[Crystal growth material]
In this example, a material that does not contain oxygen in the constituent molecules was used as the organometallic compound material (or organometallic material). An organometallic material that does not contain oxygen is highly reactive with water vapor (oxygen material or oxygen source), and has a low growth pressure, or a flow rate ratio of water vapor to organometallic (MO) (F H2O / FMO ratio) or VI / ZnO-based crystals can be grown even in a region where the II ratio is low.

本実施例においては、DMZn、Cp2Mg、TEGaを用いたが、II族材料として、DEZn(ジエチル亜鉛)、MeCp2Mg(ビスメチルペンタジエニルマグネシウム)、EtCp2Mg(ビスエチルペンタジエニルマグネシウム)等を用いることができる。また、III族材料として、TMGa(トリメチルガリウム)、TMAl(トリメチルアルミニウム)、TEAl(トリエチルアルミニウム)、TIBA(トリイソブチルアルミニウム)などを利用することができる。   In this example, DMZn, Cp2Mg, and TEGa were used, but DEZn (diethylzinc), MeCp2Mg (bismethylpentadienylmagnesium), EtCp2Mg (bisethylpentadienylmagnesium), etc., were used as group II materials. Can do. Further, TMGa (trimethylgallium), TMAl (trimethylaluminum), TEAl (triethylaluminum), TIBA (triisobutylaluminum), or the like can be used as the group III material.

酸素材料(以下、酸素源という。)としては、極性酸素材料(極性酸素源)が適している。特に、H2O(水蒸気)は、分子内に水素原子が結合した側と孤立電子対側でδ+、δ-に大きく分極しており、酸化物結晶表面への吸着能力が優れている。 As the oxygen material (hereinafter referred to as oxygen source), a polar oxygen material (polar oxygen source) is suitable. In particular, H 2 O (water vapor) is highly polarized to δ + and δ on the side where hydrogen atoms are bonded in the molecule and on the side of the lone pair, and has an excellent adsorption ability to the oxide crystal surface.

また、H2O分子は、水素原子結合手と孤立電子対で4面体構造をとり、sp3型混成軌道の閃亜鉛鉱構造(Zincblende/Cubic)、ウルツ鉱構造(Wurtzeite/Hexagonal)の酸化物結晶の成長では、優先的に酸素サイトに配向吸着する優れた酸素源である。他の酸素源として、同様に、双極子モーメントが大きくO原子がsp3型混成軌道を取る低級アルコール類でも良い。すなわち、具体的には、酸素源として、H2O(水蒸気)以外に、低級アルコール類、特に、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノールの炭素数が1〜5の低級アルコール類が利用できる。なお、本実施例にはH2Oを用い、比較例にはO2(酸素)、N2O(亜酸化窒素)を用いた。 The H 2 O molecule has a tetrahedral structure with hydrogen atom bonds and lone pairs, and oxides of sp 3 -type hybrid orbital (Zincblende / Cubic) and wurtzite (Wurtzeite / Hexagonal). Crystal growth is an excellent oxygen source that is preferentially oriented and adsorbed to oxygen sites. As other oxygen sources, similarly, lower alcohols having a large dipole moment and O atoms taking sp 3 type hybrid orbitals may be used. Specifically, as the oxygen source, in addition to H 2 O (water vapor), lower alcohols, in particular, lower alcohols having 1 to 5 carbon atoms such as methanol, ethanol, propanol, butanol, and pentanol can be used. . In this example, H 2 O was used, and O 2 (oxygen) and N 2 O (nitrous oxide) were used in the comparative example.

p型不純物源としては、結晶成長過程において閃亜鉛鉱構造、ウルツ鉱構造のO(酸素)サイトに置換し易い化合物が適している。特に、NH3は、上記H2Oと同様な作用があり適している。具体的には、p型不純物材料として、NH3(アンモニア)、(CH32NNH2(ジメチルヒドラジン)、(CH3)NHNH2(モノメチルヒドラジン)などのヒドラジン類、PH3(フォスフィン)、R1PH2、R2PH、R3Pなどのアルキル燐化合物、AsH3(アルシン)、R1PH2、R2PH、R3Pなどのアルキル砒素化合物などを利用できる。また、n型不純物源としては、TEGa(トリエチルガリウム)を用いた。なお、これらのガスは、窒素やAr(アルゴン)などの不活性ガスで希釈されていても構わない。 As the p-type impurity source, a compound that can easily be substituted for the O (oxygen) site of the zinc blende structure or the wurtzite structure in the crystal growth process is suitable. In particular, NH 3 is suitable because it has the same action as the above H 2 O. Specifically, as p-type impurity materials, hydrazines such as NH 3 (ammonia), (CH 3 ) 2 NNH 2 (dimethylhydrazine), (CH 3 ) NHNH 2 (monomethylhydrazine), PH3 (phosphine), R 1 PH 2, R 2 PH, alkyl phosphorus compounds, such as R 3 P, AsH3 (arsine), R 1 PH 2, R 2 PH, available as alkyl arsenic compounds, such as R 3 P. Further, TEGa (triethylgallium) was used as the n-type impurity source. Note that these gases may be diluted with an inert gas such as nitrogen or Ar (argon).

キャリアガス(雰囲気ガス)としては、上記した結晶成長材料と反応しない不活性ガスが適している。また、H2O(水蒸気)、NH3など結晶成長材料の基板表面への吸着を妨げないガスが良い。具体的には、キャリアガス及び雰囲気ガスとして、He(ヘリウム)、Ne(ネオン)、Ar(アルゴン)、またはN2(窒素)などの化学的に不活性なガスを利用できる。液体または固体材料の蒸気と気体材料(以下、材料ガスという。)はキャリアガスによってシャワーヘッドに送り込まれ、基板に供給される。 As the carrier gas (atmosphere gas), an inert gas that does not react with the crystal growth material described above is suitable. Further, a gas that does not prevent adsorption of the crystal growth material such as H 2 O (water vapor) or NH 3 on the substrate surface is preferable. Specifically, a chemically inert gas such as He (helium), Ne (neon), Ar (argon), or N 2 (nitrogen) can be used as the carrier gas and the atmospheric gas. Liquid or solid material vapor and gaseous material (hereinafter referred to as material gas) are fed into the showerhead by the carrier gas and supplied to the substrate.

基板10は、コランダム構造を有するα−サファイア単結晶のサファイア(Al23)基板である。α−サファイア結晶の代表的な基板切り出し面は、{0002}面であるc面、{11−20}面であるa面、{10−10}面であるm面、{10−12}面であるR面がある。本実施例においては、{11−20}面であるa面(以下、サファイアa面ともいう。)を結晶成長面とした。また、以下においては、サファイアa面を主面(結晶成長面)とする基板をa面サファイア基板とも称する。なお、ここで、ミラー指数{ }は等価な面の代表値を示している。 The substrate 10 is an α-sapphire single crystal sapphire (Al 2 O 3 ) substrate having a corundum structure. Representative substrate cutting planes of α-sapphire crystal are c-plane which is {0002} plane, a-plane which is {11-20} plane, m-plane which is {10-10} plane, {10-12} plane There is an R surface that is. In this example, the a-plane (hereinafter also referred to as sapphire a-plane) that is the {11-20} plane was used as the crystal growth plane. In the following, a substrate having a sapphire a-plane as a main surface (crystal growth surface) is also referred to as an a-plane sapphire substrate. Here, the Miller index {} indicates a representative value of an equivalent surface.

図2は、本発明により基板10上に成長された酸化亜鉛系半導体結晶層(以下、ZnO系半導体層又はZnO系結晶層という。)を示す断面図である。より詳細には、MOCVD法を用いて第1のZnO層11Aと、第2のZnO層11Bと、ZnO系半導体層12とをサファイア基板上に成長した。なお、以下においては、ZnO系半導体層12として、MgxZn(1-x)O(0.1≦x≦0.68)を成長する場合を例に説明する。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a zinc oxide based semiconductor crystal layer (hereinafter referred to as a ZnO based semiconductor layer or a ZnO based crystal layer) grown on the substrate 10 according to the present invention. More specifically, the first ZnO layer 11A, the second ZnO layer 11B, and the ZnO-based semiconductor layer 12 were grown on the sapphire substrate using the MOCVD method. In the following, a case where Mg x Zn (1-x) O (0.1 ≦ x ≦ 0.68) is grown as the ZnO-based semiconductor layer 12 will be described as an example.

なお、以下において、ZnO系半導体はZnOベースの他の化合物結晶であってもよい。例えば、Zn(亜鉛)の一部がカルシウム(Ca)で置き換えられたZnO系化合物結晶であってもよい。あるいは、O(酸素)の一部がセレン(Se)、硫黄(S)やテルル(Te)などで置き換えられたZnO系化合物結晶であってもよい。   In the following, the ZnO-based semiconductor may be another compound crystal based on ZnO. For example, a ZnO-based compound crystal in which a part of Zn (zinc) is replaced with calcium (Ca) may be used. Alternatively, a ZnO-based compound crystal in which part of O (oxygen) is replaced with selenium (Se), sulfur (S), tellurium (Te), or the like may be used.

図3は、MOCVD法による結晶成長に用いられた結晶成長シーケンスを示している。まず、MOCVD装置内のサセプタ119にa面サファイア基板10をセットし、反応容器圧力を10kPa(キロパスカル)に調整した(時間T=T1)。また、回転機構によりサファイア基板10を10rpmの回転数で回転した。   FIG. 3 shows a crystal growth sequence used for crystal growth by the MOCVD method. First, the a-plane sapphire substrate 10 was set on the susceptor 119 in the MOCVD apparatus, and the reaction vessel pressure was adjusted to 10 kPa (kilopascal) (time T = T1). Further, the sapphire substrate 10 was rotated at a rotation speed of 10 rpm by a rotation mechanism.

次に、第1RUNライン128R及び第2RUNライン129Rからそれぞれ窒素(N2)ガスを2000cc/min(合計4000cc/min)の流量でシャワーヘッド130に送気し、サファイア基板10に吹付けた。 Next, nitrogen (N 2 ) gas was supplied from the first RUN line 128R and the second RUN line 129R to the shower head 130 at a flow rate of 2000 cc / min (total 4000 cc / min) and sprayed onto the sapphire substrate 10.

なお、第1RUNライン128R及び第2RUNライン129Rからシャワーヘッド130に供給するガス流量は、常に一定流量に保った。すなわち、有機金属材料ガス及び気体材料を供給する際には、有機金属材料ガス及び気体材料の流量分だけ第1RUNライン128R及び第2RUNライン129Rに設けた流量調整装置120C、120Bの流量を増減し、シャワーヘッド130に供給するガス流量を一定に保った。   The gas flow rate supplied from the first RUN line 128R and the second RUN line 129R to the shower head 130 was always kept constant. That is, when supplying the organometallic material gas and the gaseous material, the flow rates of the flow control devices 120C and 120B provided in the first RUN line 128R and the second RUN line 129R are increased or decreased by the flow rate of the organometallic material gas and the gaseous material. The gas flow rate supplied to the shower head 130 was kept constant.

次に、酸素源としてH2O(水蒸気)を640μmol/minの流量でシャワーヘッドから基板10への供給を開始した(T=T2)。次に、ヒーターで基板10を室温(RT)から900℃まで昇温し、サファイア基板10の熱処理を10分間行った(T=T3〜T4)。これ以降、成長終了までH2O(水蒸気)を同じ流量で流し続けた。なお、これ以降、H2O(水蒸気)は成長終了まで同じ流量で流し続けた。 Next, supply of H 2 O (water vapor) as an oxygen source from the shower head to the substrate 10 at a flow rate of 640 μmol / min was started (T = T2). Next, the substrate 10 was heated from room temperature (RT) to 900 ° C. with a heater, and the sapphire substrate 10 was heat-treated for 10 minutes (T = T3 to T4). Thereafter, H 2 O (water vapor) was kept flowing at the same flow rate until the growth was completed. Thereafter, H 2 O (water vapor) continued to flow at the same flow rate until the end of growth.

基板10の熱処理後、基板温度を300℃(第1の低成長温度)まで降下し、亜鉛原料としてDMZn(ジメチル亜鉛)を3μmol/minの流量で基板10に5分間供給した(T=T5〜T6:第1のZnO層11Aの成長期間、図3の期間G1A)。   After the heat treatment of the substrate 10, the substrate temperature was lowered to 300 ° C. (first low growth temperature), and DMZn (dimethylzinc) as a zinc raw material was supplied to the substrate 10 at a flow rate of 3 μmol / min for 5 minutes (T = T5− T6: Growth period of the first ZnO layer 11A, period G1A in FIG.

このように、減圧成長条件(成長圧力Pg=10kPa)において成長温度(Tg)を300℃とし、成長速度が5nm/minで、層厚が25nmのZnO層(第1の低温成長単結晶層、以下、単に第1の単結晶層ともいう。)11Aを成長した。   Thus, a ZnO layer (first low-temperature grown single crystal layer, which has a growth temperature (Tg) of 300 ° C. under a reduced pressure growth condition (growth pressure Pg = 10 kPa), a growth rate of 5 nm / min, and a layer thickness of 25 nm. Hereinafter, it is also simply referred to as a first single crystal layer.) 11A was grown.

なお、本明細書において、一般的にZnO単結晶を成長するのに適した結晶成長温度を「高成長温度」といい、当該温度よりも低い温度を「低成長温度」という。   In the present specification, a crystal growth temperature suitable for growing a ZnO single crystal is generally referred to as a “high growth temperature”, and a temperature lower than the temperature is referred to as a “low growth temperature”.

ZnO層11Aの成長後、基板温度を1000℃まで昇温し、20分間の熱処理(アニール)を行った(T=T7〜T8)。この熱処理により、ZnO層11Aの結晶性および平坦性は更に向上した。   After the growth of the ZnO layer 11A, the substrate temperature was raised to 1000 ° C., and heat treatment (annealing) for 20 minutes was performed (T = T7 to T8). This heat treatment further improved the crystallinity and flatness of the ZnO layer 11A.

第1のZnO層(第1の単結晶層)11Aの熱処理(アニール)が終了した後、第1のZnO層11Aの場合よりも高い温度かつ高い圧力で第2のZnO層11Bを成長した。より具体的には、基板温度を熱処理温度(1000℃)から、3分間で第1の低成長温度よりも高い600℃(第2の低成長温度)まで降下させた。また、反応容器圧力を10kPa(低成長圧力)から80kPa(高成長圧力)まで昇圧した。そして、1分間待機して基板温度が安定した後、DMZnを10μmol/minの流量でシャワーヘッドからZnO層11A上に供給した(T=T9〜T10:第2のZnO層11Bの成長期間、図3の期間G1B)。DMZnを約2.5分間供給し、成長速度が16nm/minで、層厚が40nmの第2のZnO層(第2の低温成長単結晶層、以下、単に第2の単結晶層ともいう。)11Bを形成した。なお、このときの水蒸気流量と有機金属(DMZn)の流量比(FH2O/FMO比)、いわゆるVI/II比は64である。 After the heat treatment (annealing) of the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A was completed, the second ZnO layer 11B was grown at a higher temperature and higher pressure than in the case of the first ZnO layer 11A. More specifically, the substrate temperature was lowered from the heat treatment temperature (1000 ° C.) to 600 ° C. (second low growth temperature) higher than the first low growth temperature in 3 minutes. The reaction vessel pressure was increased from 10 kPa (low growth pressure) to 80 kPa (high growth pressure). Then, after waiting for 1 minute and the substrate temperature was stabilized, DMZn was supplied onto the ZnO layer 11A from the shower head at a flow rate of 10 μmol / min (T = T9 to T10: growth period of the second ZnO layer 11B, FIG. 3 period G1B). DMZn was supplied for about 2.5 minutes, the growth rate was 16 nm / min, and the thickness of the second ZnO layer (the second low-temperature grown single crystal layer, hereinafter simply referred to as the second single crystal layer) was 40 nm. ) 11B was formed. The flow rate ratio (F H2O / F MO ratio) of water vapor flow rate and organometallic this time (DMZn), so-called VI / II ratio is 64.

第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bの成長が終了した後、第2のZnO層11Bの場合よりも高い温度(高成長温度)でZnO系半導体層12を成長した。より具体的には、反応容器圧力は80kPaを維持しつつ、基板温度を600℃(第2の低成長温度)から800℃(高成長温度)まで昇温した。そして、1分間待機して基板温度が安定した後、DMZnを10μmol/minの流量でシャワーヘッドからZnO層11B上に供給した(T=T11〜T12:ZnO系半導体層12の成長期間、図3の期間G2)。基板10にDMZnを約30分間供給し、成長速度が17nm/minで、層厚が0.5μmのZnO系半導体層(ZnO単結晶層)12を形成した。なお、このときの水蒸気流量と有機金属(DMZn)の流量比(FH2O/FMO比)、いわゆるVI/II比は64である。 After the growth of the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B was completed, the ZnO-based semiconductor layer 12 was grown at a temperature (high growth temperature) higher than that of the second ZnO layer 11B. More specifically, the substrate temperature was raised from 600 ° C. (second low growth temperature) to 800 ° C. (high growth temperature) while maintaining the reaction vessel pressure at 80 kPa. Then, after waiting for 1 minute and the substrate temperature was stabilized, DMZn was supplied onto the ZnO layer 11B from the shower head at a flow rate of 10 μmol / min (T = T11 to T12: growth period of the ZnO-based semiconductor layer 12, FIG. Period G2). DMZn was supplied to the substrate 10 for about 30 minutes, and a ZnO-based semiconductor layer (ZnO single crystal layer) 12 having a growth rate of 17 nm / min and a layer thickness of 0.5 μm was formed. The flow rate ratio (F H2O / F MO ratio) of water vapor flow rate and organometallic this time (DMZn), so-called VI / II ratio is 64.

なお、ZnO系半導体層12の成長前の、基板温度が安定するまでの待機時間を第2のZnO層11Bの熱処理と兼用することもできる。   Note that the waiting time until the substrate temperature is stabilized before the growth of the ZnO-based semiconductor layer 12 can also be used as the heat treatment of the second ZnO layer 11B.

なお、本実施例においては、ZnO系半導体層12としてZnOを成長する場合を例に説明するが、これに限らない。例えば、DMZnに加えて、同様に酸素原子を含まない有機金属化合物であるCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)を用いることにより三元結晶であるMgxZn(1-x)O結晶を成長することができる。 In this embodiment, the case where ZnO is grown as the ZnO-based semiconductor layer 12 will be described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, in addition to DMZn, a Mg x Zn (1-x) O crystal that is a ternary crystal is grown by using Cp2Mg (biscyclopentadienylmagnesium) that is an organometallic compound that does not contain an oxygen atom. be able to.

ZnO系半導体層12の成長が終了した後、基板温度が300℃になるまで水蒸気を流したまま圧力80kPaを維持した。基板温度が300℃以下になったら、水蒸気を止め(T=T13)、基板温度が室温になるまで待ち、反応容器から取出した。   After the growth of the ZnO-based semiconductor layer 12 was completed, the pressure of 80 kPa was maintained while flowing water vapor until the substrate temperature reached 300 ° C. When the substrate temperature became 300 ° C. or lower, the water vapor was stopped (T = T13), and the substrate was waited until the substrate temperature reached room temperature, and then taken out from the reaction vessel.

以上、説明したように、基板上に第1のZnO層(第1の単結晶層)11A、第2のZnO層(第2の単結晶層)11B及びZnO系半導体層(第3の単結晶層)12が成長された成長層付き基板15(以下、単に、基板15ともいう。)の製造を行った。   As described above, the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A, the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B, and the ZnO-based semiconductor layer (third single crystal) are formed on the substrate. The substrate with growth layer 15 (hereinafter, also simply referred to as the substrate 15) on which the layer 12 was grown was manufactured.

図4は、本発明の実施例2である半導体発光素子(LED)ウエハ25の構造を模式的に示す断面図である。また、図5は、LEDウエハ(以下、LEDデバイス層付き基板ともいう。)25の結晶成長に用いられた結晶成長シーケンスを示している。   FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a semiconductor light emitting device (LED) wafer 25 that is Embodiment 2 of the present invention. FIG. 5 shows a crystal growth sequence used for crystal growth of an LED wafer (hereinafter also referred to as a substrate with an LED device layer) 25.

より詳細には、上記実施例1と同様の方法によって第1のZnO層(第1の単結晶層)11A、第2のZnO層(第2の単結晶層)11B及びZnO系半導体層12を形成し、さらに、第1のn型ZnO系半導体層21、第2のn型ZnO系半導体層22、ZnO系半導体発光層23及びp型ZnO系半導体層24からなる発光デバイス層(以下、LEDデバイス層ともいう。)20を形成した。なお、第1のZnO層11A、第2のZnO層11B及びZnO系半導体層12はアンドープの半導体層である。   More specifically, the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A, the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B, and the ZnO-based semiconductor layer 12 are formed by the same method as in the first embodiment. And a light emitting device layer (hereinafter referred to as an LED) composed of a first n-type ZnO-based semiconductor layer 21, a second n-type ZnO-based semiconductor layer 22, a ZnO-based semiconductor light-emitting layer 23, and a p-type ZnO-based semiconductor layer 24. 20) was formed. The first ZnO layer 11A, the second ZnO layer 11B, and the ZnO-based semiconductor layer 12 are undoped semiconductor layers.

ここで、本明細書において、デバイス層とは、半導体素子がその機能を果たすために含まれるべき半導体で構成される層を指す。例えば、単純なトランジスタであればn型半導体層及びp型半導体層及びこれらのpn接合によって構成される構造層を含む。また、n型半導体層、発光層及びp型半導体層から構成され、注入されたキャリアの再結合によって発光動作をなす半導体構造層を、特に、発光デバイス層という。   Here, in this specification, the device layer refers to a layer composed of a semiconductor to be included for the semiconductor element to perform its function. For example, a simple transistor includes an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and a structural layer constituted by these pn junctions. A semiconductor structure layer that includes an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer and emits light by recombination of injected carriers is particularly referred to as a light-emitting device layer.

ZnO系半導体層12の成長が終わった後、n型ZnO系半導体層21を成長した。より具体的には、成長温度800℃、成長圧力80kPaを維持し、また、H2O(水蒸気)流量を640μmol/minに保った状態で、DMZn流量を10μmol/minから30μmol/minに増加し、同時にn型不純物材料としてTEGaを成長層付き基板15に供給した(T=T12)。これにより、60分間の成長時間(T=T12〜T21:図5の期間D1)で層厚3μm、Ga濃度が5×1018cm-3のGaドープZnO単結晶半導体層である第1のn型ZnO系半導体層21を成長した(T=T21)。 After the growth of the ZnO-based semiconductor layer 12 was finished, the n-type ZnO-based semiconductor layer 21 was grown. More specifically, the DMZn flow rate was increased from 10 μmol / min to 30 μmol / min while maintaining a growth temperature of 800 ° C., a growth pressure of 80 kPa, and a H 2 O (water vapor) flow rate of 640 μmol / min. At the same time, TEGa as an n-type impurity material was supplied to the substrate 15 with a growth layer (T = T12). Thereby, the first n which is a Ga-doped ZnO single crystal semiconductor layer having a layer thickness of 3 μm and a Ga concentration of 5 × 10 18 cm −3 with a growth time of 60 minutes (T = T12 to T21: period D1 in FIG. 5). A type ZnO-based semiconductor layer 21 was grown (T = T21).

次に、基板温度800℃において、圧力を10kPaまで減圧した。また、DMZnの流量を10μmol/min、Cp2Mgの流量を0.5μmol/minとし、同時にn型不純物材料としてTEGaを基板15に供給して、MgZnO結晶を成長した(T=T22〜T23:期間D2)。すなわち、層厚が70nm、Ga濃度が5×1017cm-3のMgxZn(1-x)O(x=0.15)単結晶半導体層である第2のn型ZnO系半導体層22を成長した。 Next, the pressure was reduced to 10 kPa at a substrate temperature of 800 ° C. Further, the flow rate of DMZn was set to 10 μmol / min, the flow rate of Cp2Mg was set to 0.5 μmol / min, and at the same time, TEGa was supplied to the substrate 15 as an n-type impurity material to grow MgZnO crystals (T = T22 to T23: period D2 ). That is, the second n-type ZnO-based semiconductor layer 22 which is a Mg x Zn (1-x) O (x = 0.15) single crystal semiconductor layer having a layer thickness of 70 nm and a Ga concentration of 5 × 10 17 cm −3. Grew up.

次に、ZnO系半導体発光層23を成長した。具体的には、基板温度800℃を維持し、成長圧力を80kPaとし、また、DMZnの供給量を1μmol/minに減らして、層厚が30nmのZnO単結晶半導体層であるZnO系半導体発光層23を形成した(T=T24〜T25:期間D3)。   Next, a ZnO-based semiconductor light emitting layer 23 was grown. Specifically, the substrate temperature is maintained at 800 ° C., the growth pressure is set to 80 kPa, the supply amount of DMZn is reduced to 1 μmol / min, and the ZnO-based semiconductor light emitting layer which is a ZnO single crystal semiconductor layer having a layer thickness of 30 nm. 23 was formed (T = T24 to T25: period D3).

発光層23を成長した後、p型ZnO系半導体層24を成長した。具体的には、基板温度800℃を維持し、成長圧力を10kPaとし、また、DMZnの供給量を10μmol/minとし、同時にp型不純物材料としてNH3(アンモニア)を流量180μmol/minで供給して、層厚が70nm、窒素不純物濃度が8×1019cm-3のMgxZn(1-x)O(x=0.15)単結晶半導体層であるp型ZnO系半導体層24を成長した(T=T26〜T27:期間D4)。 After the light emitting layer 23 was grown, a p-type ZnO based semiconductor layer 24 was grown. Specifically, the substrate temperature is maintained at 800 ° C., the growth pressure is 10 kPa, the supply amount of DMZn is 10 μmol / min, and at the same time, NH 3 (ammonia) is supplied as a p-type impurity material at a flow rate of 180 μmol / min. Then, a p-type ZnO-based semiconductor layer 24 which is a Mg x Zn (1-x) O (x = 0.15) single crystal semiconductor layer having a layer thickness of 70 nm and a nitrogen impurity concentration of 8 × 10 19 cm −3 is grown. (T = T26 to T27: period D4).

p型ZnO系半導体層24の成長が終了した後、基板温度が300℃になるまで水蒸気を流したまま圧力80kPaを維持し(T=T28)、基板温度が室温になるまで待って反応容器から取出した点は上記実施例1の場合と同様である。
[半導体発光素子の製造]
上記工程で製造したLEDデバイス層付き基板25を用い、以下の工程により半導体発光素子(LED)を製造した。
After the growth of the p-type ZnO-based semiconductor layer 24 is completed, the pressure of 80 kPa is maintained with water vapor flowing until the substrate temperature reaches 300 ° C. (T = T28), and the substrate temperature is increased to room temperature. The extracted points are the same as in the first embodiment.
[Manufacture of semiconductor light emitting devices]
Using the substrate 25 with the LED device layer manufactured in the above process, a semiconductor light emitting element (LED) was manufactured by the following process.

図6は、LEDデバイス層付き基板25の上面図である。図7は、LEDデバイス層付き基板25に後述する電極形成プロセス等を行い、LEDに個片化する素子分離工程の概略を示す断面図である。また、図8(A)は、半導体発光素子(LED)30の素子上面図であり、図8(B)は、LED30の断面図である。なお、図8(B)には、2つのLED30及びこれらをブレーキングにより分離するための素子区画溝32が形成されていることが図示されている。   FIG. 6 is a top view of the substrate 25 with an LED device layer. FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating an outline of an element separation process for performing an electrode formation process, which will be described later, on the substrate 25 with an LED device layer and separating the LED into individual pieces. FIG. 8A is an element top view of the semiconductor light emitting element (LED) 30, and FIG. 8B is a cross-sectional view of the LED 30. FIG. 8B shows that two LEDs 30 and an element partitioning groove 32 for separating them by braking are formed.

まず、フォトリソグラフィ技術を用いて、素子区画31内の領域(素子領域)を覆う形状のレジストマスクを形成した。次に、ウェットエッチングを用いて、素子区画31外の開口部のp型ZnO系半導体層24、発光層23及びn型ZnO系半導体層22の一部を所定深さまで除去した。最後にレジストを洗浄除去し、素子区画溝32を形成した(図6及び図7のSTEP2)。なお、図6に示すように、素子区画31は、OF(オリエンテーションフラット)に対して36.3°傾斜させて形成した。また、素子区画溝31の深さは、発光層23とn型ZnO系半導体層22の界面位置より200nm深くなるように形成した。   First, using a photolithography technique, a resist mask having a shape covering the region (element region) in the element section 31 was formed. Next, using wet etching, the p-type ZnO-based semiconductor layer 24, the light-emitting layer 23, and the n-type ZnO-based semiconductor layer 22 in the opening outside the element section 31 were partially removed to a predetermined depth. Finally, the resist was washed away to form element partition grooves 32 (STEP 2 in FIGS. 6 and 7). As shown in FIG. 6, the element section 31 was formed with an inclination of 36.3 ° with respect to the OF (orientation flat). Further, the element partition groove 31 was formed so that the depth was 200 nm deeper than the interface position between the light emitting layer 23 and the n-type ZnO-based semiconductor layer 22.

次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、p側電極形状に開口した形状のレジストマスクを形成した。そして、EB(電子ビーム)蒸着によって、p側電極33としてNi(ニッケル)を0.3〜10nm、さらにAu(金)を5〜20nmの厚さで成膜した。最後にリフトオフ法にてp側電極33以外の蒸着材料を取除き、p型Zn酸化物半導体層505の表面にp側電極507を形成した。形成したp側電極33は、RTA(ラピッド・サーマル・アニーラー)にて酸素10%雰囲気下で500℃、30秒処理して透光性電極化した。   Next, a resist mask having a shape opened to a p-side electrode shape was formed using a photolithography technique. Then, EB (electron beam) deposition was used to form a p-side electrode 33 with a thickness of Ni (nickel) of 0.3 to 10 nm and Au (gold) of 5 to 20 nm. Finally, the vapor deposition material other than the p-side electrode 33 was removed by a lift-off method, and a p-side electrode 507 was formed on the surface of the p-type Zn oxide semiconductor layer 505. The formed p-side electrode 33 was treated with RTA (Rapid Thermal Annealer) in a 10% oxygen atmosphere at 500 ° C. for 30 seconds to form a translucent electrode.

次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、p側電極34の一部の領域に接するようにp側接続電極34の形状で開口したレジストマスクを形成した。そして、EB蒸着によって、Ni/Pt/Au電極パッド材料をそれぞれ10nm/100nm/1000nmの厚さでこの順に積層してp側接続電極34を形成した(図8(B))。なお、Ni/Pt/Auの表記は、p側電極34側から第1層/第2層/第3層を意味している。   Next, a resist mask having an opening in the shape of the p-side connection electrode 34 was formed so as to be in contact with a partial region of the p-side electrode 34 by using a photolithography technique. And by EB vapor deposition, the Ni / Pt / Au electrode pad material was laminated | stacked in this order with the thickness of 10 nm / 100 nm / 1000 nm, respectively, and the p side connection electrode 34 was formed (FIG.8 (B)). The notation of Ni / Pt / Au means the first layer / second layer / third layer from the p-side electrode 34 side.

さらに、フォトリソグラフィ技術を用いて、露出したn型ZnO系半導体層22の表面にn側接続電極35の形状で開口したレジストマスクを形成した。そして、EB蒸着によって、Ti/Auをそれぞれ10nm /1000nmの厚さで積層し、その後リフトオフ法にてマスク開口部以外の蒸着材料を除去し、n側接続電極35を形成した。   Further, a resist mask having an opening in the shape of the n-side connection electrode 35 was formed on the exposed surface of the n-type ZnO-based semiconductor layer 22 by using a photolithography technique. Then, Ti / Au was laminated at a thickness of 10 nm / 1000 nm by EB vapor deposition, and then the vapor deposition material other than the mask opening was removed by a lift-off method to form the n-side connection electrode 35.

電極形成を行った電極形成したLED動作層20側を保護基板に貼付け、それを研削盤にセットし、基板厚さが120μmとなるまで研削した。そして、研磨装置にて研削面が鏡面になるまで研磨材の番手を徐々に下げて磨き、厚さ約100μmのウエハに成形した。   The electrode-formed LED operation layer 20 side on which the electrodes were formed was attached to a protective substrate, set on a grinding machine, and ground until the substrate thickness was 120 μm. Then, the polishing material was gradually lowered and polished until the ground surface became a mirror surface by a polishing apparatus, and formed into a wafer having a thickness of about 100 μm.

次に、電極形成された表面側に保護シートを貼った後、例えば、ダイヤモンドポイントを用いたスクライブ装置により素子区画溝32の中央部に対応する裏面に互いに直交するスクライブ溝36を形成した(図7のSTEP2、図8(B))。   Next, after a protective sheet is pasted on the surface side on which the electrodes are formed, for example, scribe grooves 36 that are orthogonal to each other are formed on the back surface corresponding to the central portion of the element partition groove 32 by a scribe device using diamond points (see FIG. 7 STEP2, FIG. 8 (B)).

後に詳述するように、ブレーキングにおいては、ナイフエッジ37をスクライブ溝36の対向面の素子区画溝32側より当て、ナイフエッジ37で荷重しスクライブ溝方向に劈開を行った。同様に、基板を90°回転させ、直交するスクライブ溝36方向にも劈開を行った。   As will be described in detail later, in braking, the knife edge 37 was applied from the element partitioning groove 32 side of the opposing surface of the scribe groove 36, loaded with the knife edge 37, and cleaved in the scribe groove direction. Similarly, the substrate was rotated 90 ° and cleaved in the direction of the scribe groove 36 perpendicular to the substrate.

このようにして半導体発光素子30を製造した(図8(A)、図8(B))。半導体発光素子30の各種サイズは、これには限定されないが、例示すれば、ダイサイズは400μm角(図6、L1=L2=400μm)、素子区画サイズは300μm角、p側電極パッドの直径はφ100μm、n側電極パッドの直径はφ100μm、厚さは約100μmである。   In this way, the semiconductor light emitting element 30 was manufactured (FIGS. 8A and 8B). Various sizes of the semiconductor light emitting element 30 are not limited to this, but for example, the die size is 400 μm square (FIG. 6, L1 = L2 = 400 μm), the element partition size is 300 μm square, and the diameter of the p-side electrode pad is φ100 μm, the diameter of the n-side electrode pad is φ100 μm, and the thickness is about 100 μm.

なお、Mgを含む結晶層(MgxZn1-xO層)として組成X=0.15の場合を例に説明したが、これに限らない。半導体素子の所要特性等に応じ、各半導体層の組成(バンドギャップ)を0≦x≦0.68の範囲で選択すればよい。また、層厚、導電型及びドープ濃度(キャリア濃度)などについても、半導体発光素子の所要特性等に応じて適宜改変又は選択することができる。
[比較例]
上記した実施例により成長したZnO系単結晶層の評価のため、比較例として以下の成長方法、成長条件で結晶成長を行った。
In addition, although the case where the composition X = 0.15 was described as an example of the crystal layer containing Mg (Mg x Zn 1-x O layer), the present invention is not limited thereto. What is necessary is just to select the composition (band gap) of each semiconductor layer in the range of 0 <= x <= 0.68 according to the required characteristic etc. of a semiconductor element. Also, the layer thickness, conductivity type, dope concentration (carrier concentration), and the like can be appropriately modified or selected according to the required characteristics of the semiconductor light emitting device.
[Comparative example]
In order to evaluate the ZnO-based single crystal layer grown according to the above-described examples, as a comparative example, crystal growth was performed under the following growth method and growth conditions.

図9は、比較例の結晶成長層の構造を模式的に示す断面図である。具体的には、RF−MBE(ラジカルソースMBE)装置により、a面サファイア基板100上にZnO単結晶層101及びZnO系結晶層102を形成した。   FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the crystal growth layer of the comparative example. Specifically, the ZnO single crystal layer 101 and the ZnO-based crystal layer 102 were formed on the a-plane sapphire substrate 100 by an RF-MBE (radical source MBE) apparatus.

すなわち、比較例の結晶成長に用いたRF−MBE装置は、Zn(亜鉛)、Mg(マグネシウム)、Ga(ガリウム)はクヌーセンセルで照射し、O(酸素)とp型不純物であるN(窒素)はRFラジカルガン(発生装置)で照射する構成を有している。また各クヌーセンセル、RFラジカルガンの出口には、シャッターが付いており、基板に個別に分子線を照射できる。また、基板は抵抗加熱ヒーターにて加熱する構造である。より詳細には、当該比較例の結晶成長層付き基板105は、次の手順で成長した。   That is, the RF-MBE apparatus used for the crystal growth of the comparative example irradiates Zn (zinc), Mg (magnesium), and Ga (gallium) with a Knudsen cell, and O (oxygen) and N (nitrogen) which is a p-type impurity. ) Is configured to irradiate with an RF radical gun (generator). Each Knudsen cell and the exit of the RF radical gun are provided with a shutter, which can individually irradiate the substrate with molecular beams. Further, the substrate is structured to be heated by a resistance heater. More specifically, the substrate 105 with a crystal growth layer of the comparative example was grown by the following procedure.

まず、a面サファイア基板100を、真空下、温度900℃において10分間の熱処理を行って基板表面の吸着物等を放散脱離させた。   First, the a-plane sapphire substrate 100 was subjected to a heat treatment at a temperature of 900 ° C. for 10 minutes under vacuum to dissipate and desorb adsorbed material on the substrate surface.

次に、基板温度を900℃から300℃に降温し、温度が安定したらO(酸素)ラジカルガンのシャッターを開けてOラジカルを基板に照射した。続けてZnクヌーセンセルのシャッターを開けZnビームを基板に照射し、低温(300℃)で第1のZnO層101として厚さ30nmのZnO単結晶層(緩衝層)を形成した。   Next, the substrate temperature was lowered from 900 ° C. to 300 ° C. When the temperature was stabilized, the O (oxygen) radical gun shutter was opened and the substrate was irradiated with O radicals. Subsequently, the Zn Knudsen cell shutter was opened and the substrate was irradiated with a Zn beam to form a ZnO single crystal layer (buffer layer) having a thickness of 30 nm as the first ZnO layer 101 at a low temperature (300 ° C.).

次に、第1のZnO層101の熱処理を行った。より詳細には、基板にOラジカルを照射しながら、基板温度を300℃から800℃まで昇温し、5分間の熱処理を行い、低温300℃で形成したZnO単結晶層(第1のZnO層101)の結晶性の回復を行った。   Next, heat treatment of the first ZnO layer 101 was performed. More specifically, while the substrate is irradiated with O radicals, the substrate temperature is raised from 300 ° C. to 800 ° C., heat treatment is performed for 5 minutes, and a ZnO single crystal layer (first ZnO layer) formed at a low temperature of 300 ° C. 101) was recovered.

第1のZnO層101の熱処理後、再び基板温度を800℃から700℃に降温した。基板温度が安定したら、Znクヌーセンセルのシャッターを開け、第1のZnO層101上にZnビームを照射し、第2のZnO層として厚さ1μmのZnO単結晶層を形成した。 以上、説明した工程により、比較例のZnO結晶層付き基板105を形成した。   After the heat treatment of the first ZnO layer 101, the substrate temperature was lowered again from 800 ° C. to 700 ° C. When the substrate temperature was stabilized, the Zn Knudsen cell shutter was opened, and the first ZnO layer 101 was irradiated with a Zn beam to form a ZnO single crystal layer having a thickness of 1 μm as the second ZnO layer. As described above, the substrate 105 with the ZnO crystal layer of the comparative example was formed by the steps described above.

[結晶成長層の詳細な評価結果及び物性]
以下に、上記した実施例及び比較例の結晶成長層の評価結果及び物性等について図を参照して詳細に説明する。また、上記した結晶成長層については、以下の方法により評価・分析を行った。
[Detailed evaluation results and physical properties of crystal growth layer]
The evaluation results and physical properties of the crystal growth layers of the above-described examples and comparative examples will be described in detail below with reference to the drawings. Further, the crystal growth layer described above was evaluated and analyzed by the following method.

表面モフォロジは、微分偏光顕微鏡、SEM(Scanning Electron Microscope)及びAFM(Atomic Force Microscope)により評価を行った。結晶配向性及び平坦性は、RHEED(reflection high-energy electron diffraction)により評価を行った。また、結晶配向性及び欠陥・転位密度については、X線回折(XRD:X-Ray Diffractometer)で評価した。結晶中の不純物濃度については、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により評価した。   The surface morphology was evaluated by a differential polarization microscope, SEM (Scanning Electron Microscope) and AFM (Atomic Force Microscope). Crystal orientation and flatness were evaluated by RHEED (reflection high-energy electron diffraction). The crystal orientation and the defect / dislocation density were evaluated by X-ray diffraction (XRD). The impurity concentration in the crystal was evaluated by secondary ion mass spectrometry (SIMS).

図10は、実施例1の結晶成長層(以下、<EMB1>とも表記する。)のSIMS分析結果である。すなわち、Al(アルミニウム)及びSi(シリコン)の深さ方向の濃度プロファイルを示している。なお、図中、LM(Al)及びLM(Si)はそれぞれAl及びSiの検出下限界を示している。   FIG. 10 shows SIMS analysis results of the crystal growth layer of Example 1 (hereinafter also referred to as <EMB1>). That is, concentration profiles in the depth direction of Al (aluminum) and Si (silicon) are shown. In the figure, LM (Al) and LM (Si) indicate the lower detection limits of Al and Si, respectively.

図10に示すように、Al(アルミニウム)の濃度は、サファイア基板とZnO結晶成長層(図中、「ZnO epi」と表記)の界面(X)から成長方向に向かって減少している。なお、サファイア基板(図中、「Sub」と表記)とZnO結晶成長層の界面(X)は、Znイオン強度が急峻に低下する位置として同定した。また、SIMS測定の上限値は、1×1021(個/cm3)である。 As shown in FIG. 10, the concentration of Al (aluminum) decreases from the interface (X) between the sapphire substrate and the ZnO crystal growth layer (indicated as “ZnO epi” in the figure) in the growth direction. The interface (X) between the sapphire substrate (denoted as “Sub” in the figure) and the ZnO crystal growth layer was identified as a position where the Zn ion intensity sharply decreased. The upper limit of SIMS measurement is 1 × 10 21 (pieces / cm 3 ).

すなわち、基板であるサファイアの構成元素であるAlは、界面(X)において完全に急峻に(ステップ状に)減少しているのではなく、ZnO結晶成長層中に拡散していることがわかった。より詳細には、AlのZnO成長層への拡散によって、ZnO成長層には、界面(X)近傍においてAlが固溶状態で存在する固溶層(図中、SC)が形成されるとともに、さらに、固溶状態から拡散状態への遷移状態(固溶状態と拡散状態の中間状態)の層である遷移層が形成されていることがわかった。すなわち、固溶層(SC)及び遷移層からなる層(以下、固溶拡散層(SD)という。)が形成されていることがわかった。すなわち、固溶拡散層(SD)のうち、固溶層(SC)以外の領域が遷移層である。この点について、以下に、より詳細に説明する。   That is, it was found that Al, which is a constituent element of sapphire, which is a substrate, does not decrease completely steeply (stepwise) at the interface (X) but diffuses into the ZnO crystal growth layer. . More specifically, due to the diffusion of Al into the ZnO growth layer, a solid solution layer (SC in the figure) in which Al exists in the solid solution state in the vicinity of the interface (X) is formed in the ZnO growth layer, Furthermore, it was found that a transition layer, which is a layer in a transition state from a solid solution state to a diffusion state (an intermediate state between the solid solution state and the diffusion state), is formed. That is, it was found that a layer composed of a solid solution layer (SC) and a transition layer (hereinafter referred to as a solid solution diffusion layer (SD)) was formed. That is, a region other than the solid solution layer (SC) in the solid solution diffusion layer (SD) is a transition layer. This point will be described in more detail below.

図11は、図10のAl濃度及びZnイオン強度の界面(X)付近におけるプロファイルを拡大して示す図である。横軸は成長層厚を示しており、界面(X)においてはゼロである。ZnO成長層中のAl濃度が、一定値(上限濃度CC;図中、P点)以上においては、Alが固溶状態で結晶中に存在する固溶状態であるということができる。一般に、Alがn型不純物として作用する上限濃度は8×1020個/cm3であるとされており、これ以上のAl濃度の領域が固溶状態領域であるといえる。すなわち、図11から、界面(X)からP点までの領域がAl固溶層(SC)であり、当該上限濃度(CC)を8×1020個/cm3としたとき、固溶層(SC)の厚さは、40nmである。 FIG. 11 is an enlarged view of the profile in the vicinity of the interface (X) between the Al concentration and the Zn ion intensity in FIG. The horizontal axis represents the growth layer thickness, and is zero at the interface (X). When the Al concentration in the ZnO growth layer is equal to or higher than a certain value (upper limit concentration CC; point P in the figure), it can be said that Al is in a solid solution state in the crystal in a solid solution state. In general, the upper limit concentration at which Al acts as an n-type impurity is 8 × 10 20 atoms / cm 3 , and it can be said that a region with an Al concentration higher than this is a solid solution state region. That is, from FIG. 11, the region from the interface (X) to the point P is an Al solid solution layer (SC), and when the upper limit concentration (CC) is 8 × 10 20 / cm 3 , The thickness of SC) is 40 nm.

なお、n型不純物として作用する上限濃度については、例えば、「ZnO薄膜の低温成長」、秋葉敦也、平成18年度、博士前期課程、電気電子工学専攻、三重大学大学院工学研究科、H19年2月6日、第6頁(http://hdl.handle.net/10076/9109参照)、に記載されている。   Regarding the upper limit concentration acting as an n-type impurity, for example, “Low-temperature growth of ZnO thin film”, Shinya Akiba, 2006, Master's program, Department of Electrical and Electronic Engineering, Graduate School of Engineering, Mie University, February, H19 6th page (see http://hdl.handle.net/10076/9109).

また、Alの濃度は、界面から成長方向に向かって急激な濃度傾斜で減少する領域(R1)と、緩やかな濃度傾斜で減少する領域(R2)とからなっている。これらの領域R1及びR2における濃度変化の接線の交点をQとすると、界面(X)からQ点までの領域が固溶拡散層(SD)であり、固溶拡散層(SD)の厚さは、100nmである。従って、固溶状態の層(固溶層:SC)から拡散状態の層(拡散層)間の遷移層(すなわち、固溶拡散層SD)の厚さは、60nmである。なお、上記した方法で求めた交点QにおけるAl濃度は、1×1019個/cm3であった。従って、Al濃度が1×1019個/cm3以上の領域を固溶拡散層(SD)と規定することもできる。 The Al concentration is composed of a region (R1) that decreases with a sharp concentration gradient from the interface toward the growth direction and a region (R2) that decreases with a gentle concentration gradient. If the intersection of the tangents of concentration change in these regions R1 and R2 is Q, the region from the interface (X) to the point Q is a solid solution diffusion layer (SD), and the thickness of the solid solution diffusion layer (SD) is , 100 nm. Therefore, the thickness of the transition layer (that is, the solid solution diffusion layer SD) between the solid solution layer (solid solution layer: SC) and the diffusion layer (diffusion layer) is 60 nm. The Al concentration at the intersection point Q determined by the above method was 1 × 10 19 / cm 3 . Therefore, a region having an Al concentration of 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more can be defined as a solid solution diffusion layer (SD).

以上、説明したように、本発明によれば、サファイア基板からZnO成長層にかけてAl組成が連続的に変化した層が形成され、また、Al固溶層(SC)及び固溶拡散層(SD)が形成される。   As described above, according to the present invention, a layer in which the Al composition is continuously changed from the sapphire substrate to the ZnO growth layer is formed, and the Al solid solution layer (SC) and the solid solution diffusion layer (SD) are formed. Is formed.

また、図10に示すように、固溶拡散層(SD)上の拡散層(図中、Q点以降の成長層)においては、Al濃度は更に減少し、ZnO単結晶層の層厚が1μm付近において1×1015個/cm3まで減少する。従って、ZnO成長層が1μm以上であれば、Al不純物の濃度は十分に低下するので、半導体素子を製造する際に問題とはならない。すなわち、例えば、導電型制御のために不純物をドープしたn型ZnO系半導体層、発光層、p型ZnO系半導体層を形成するLEDのような半導体発光素子を製造する場合にもサファイア基板からのAl拡散は問題とはならない。 Further, as shown in FIG. 10, in the diffusion layer on the solid solution diffusion layer (SD) (the growth layer after the Q point in the figure), the Al concentration is further reduced, and the thickness of the ZnO single crystal layer is 1 μm. It decreases to 1 × 10 15 pieces / cm 3 in the vicinity. Therefore, if the ZnO growth layer is 1 μm or more, the concentration of Al impurity is sufficiently lowered, so that there is no problem when manufacturing a semiconductor element. That is, for example, when manufacturing a semiconductor light emitting device such as an LED that forms an n-type ZnO-based semiconductor layer doped with impurities for controlling the conductivity type, a light-emitting layer, and a p-type ZnO-based semiconductor layer, Al diffusion is not a problem.

他方、図12は、比較例のサンプルのSIMS分析結果である。より詳細には、RF−MBE法により形成した、a面サファイア基板上のZnO系結晶成長層(以下、<CMP>とも表記する。)のSIMS分析結果を示している。すなわち、Al(アルミニウム)及びSi(シリコン)の深さ方向の濃度プロファイルを示している。RF−MBE法により形成した場合では、サファイア基板及びZnO成長層間には急峻な界面が形成され、Alは成長層中に拡散せず、固溶層は形成されないことがわかった。   On the other hand, FIG. 12 shows the SIMS analysis result of the sample of the comparative example. More specifically, SIMS analysis results of a ZnO-based crystal growth layer (hereinafter also referred to as <CMP>) formed on the a-plane sapphire substrate formed by the RF-MBE method are shown. That is, concentration profiles in the depth direction of Al (aluminum) and Si (silicon) are shown. When formed by the RF-MBE method, it was found that a steep interface was formed between the sapphire substrate and the ZnO growth layer, Al did not diffuse into the growth layer, and no solid solution layer was formed.

本発明において、さらに注目すべき点は、サファイア基板とZnO層と界面にAl固溶層が形成されているにも関わらず、表面モフォロジが良好なことである。 図13、図14は、それぞれ実施例1(EMB1)の成長層表面の微分顕微鏡像及びSEM像を示している。このように、微分顕微鏡及びSEMの観察結果から広域領域から微小領域に至るまで(巨視的及び微視的にも)高い平坦性を有していることが確認された。   In the present invention, it should be further noted that the surface morphology is good even though the Al solid solution layer is formed at the interface between the sapphire substrate and the ZnO layer. FIGS. 13 and 14 show a differential microscope image and an SEM image of the growth layer surface of Example 1 (EMB1), respectively. Thus, it was confirmed from the observation result of the differential microscope and SEM that it has high flatness from a wide area to a micro area (also macroscopically and microscopically).

また、成長層への欠陥や転位の導入が減少される点にある。図15(A),(B)は、ZnO層12の層厚(t)が1μmの場合について、また図16(A),(B)は、層厚(t)が3μmの場合のXRD(002)ωロッキングカーブ、及び(100)ωロッキングカーブを示している。また、これらの測定結果の比較表を以下に示す。   In addition, the introduction of defects and dislocations into the growth layer is reduced. 15A and 15B show the case where the layer thickness (t) of the ZnO layer 12 is 1 μm, and FIGS. 16A and 16B show the XRD when the layer thickness (t) is 3 μm. 002) ω rocking curve and (100) ω rocking curve. A comparison table of these measurement results is shown below.

例えば、(002)ωロッキングカーブの半値幅(FWHM:full width at half maximum)は、層厚t=1μmで276arcsecであるが、t=3μmでは144arcsecと向上している。また、(100)ωロッキングカーブのFWHMも631arcsec(t=1μm)から270arcsec(t=3μm)と成長層厚が大きくなるに従い改善していることがわかった。サファイア基板のc軸方向<0001> とZnO成長層のa軸方向<11−20>との格子ミスマッチは0.07%であり、サファイア基板のm軸方向<10−10> と ZnO成長層のm軸方向<10−10>との格子ミスマッチは2.46%であるが、上記したように、これらの測定結果から格子ミスマッチが緩和されて成長していることがわかった。また、表面モフォロジも鏡面であり、良好であった。   For example, the full width at half maximum (FWHM) of the (002) ω rocking curve is 276 arcsec at a layer thickness t = 1 μm, but is improved to 144 arcsec at t = 3 μm. It was also found that the FWHM of the (100) ω rocking curve improved from 631 arcsec (t = 1 μm) to 270 arcsec (t = 3 μm) as the growth layer thickness increased. The lattice mismatch between the c-axis direction <0001> of the sapphire substrate and the a-axis direction <11-20> of the ZnO growth layer is 0.07%, and the m-axis direction <10-10> of the sapphire substrate and the ZnO growth layer Although the lattice mismatch with the m-axis direction <10-10> is 2.46%, as described above, it was found from these measurement results that the lattice mismatch was relaxed and grew. Also, the surface morphology was good with a mirror surface.

ところで、従来のGaN、GaAs等の半導体結晶においては、ZnやMg等の不純物が1×1020cm-3程度以上混入すると結晶配列が乱れ始め、欠陥や転位密度が高くなる。さらに5×1020cm-3程度以上加えると表面モフォロジが悪化する、または多結晶化する。このように不純物元素が成長層に高濃度に拡散した場合、非酸素系の化合物半導体結晶は劣化することが知られている。本発明においては、上記したように、表面モフォロジ、格子整合も良好であり、欠陥や転位の低減など、高品質な結晶性を有する成長層を形成できることがわかった。 By the way, in conventional semiconductor crystals such as GaN and GaAs, when impurities such as Zn and Mg are mixed in about 1 × 10 20 cm −3 or more, the crystal arrangement starts to be disturbed, and defects and dislocation density increase. Furthermore, when it is added at about 5 × 10 20 cm −3 or more, the surface morphology is deteriorated or polycrystallized. As described above, it is known that the non-oxygen-based compound semiconductor crystal deteriorates when the impurity element diffuses in the growth layer at a high concentration. In the present invention, as described above, it was found that the surface morphology and lattice matching are good, and a growth layer having high quality crystallinity such as reduction of defects and dislocations can be formed.

このように、本発明によれば、容易にAl固溶層及び固溶拡散層を形成できる。なお、後述するように、Al固溶層がサファイア基板とZnO層の界面に形成されれば界面脆弱性は解消されるので、固溶層(SC)の層厚は数nm程度で良い。しかし、層厚の制御は難しく、固溶層(SC)の層厚は100nm以下が好ましい。さらに好ましくは50nm以下である。あるいは、前述のように、Al濃度が1×1019個/cm3以上の領域を固溶拡散層(SD)と規定した場合の当該固溶拡散層(SD)の厚さは、200nm以下であれば良好である。また、好ましくは150nm以下であり、さらに好ましくは100nm以下である。 Thus, according to the present invention, an Al solid solution layer and a solid solution diffusion layer can be easily formed. As will be described later, if the Al solid solution layer is formed at the interface between the sapphire substrate and the ZnO layer, the interface brittleness is eliminated, so the layer thickness of the solid solution layer (SC) may be about several nm. However, it is difficult to control the layer thickness, and the layer thickness of the solid solution layer (SC) is preferably 100 nm or less. More preferably, it is 50 nm or less. Alternatively, as described above, when a region having an Al concentration of 1 × 10 19 pieces / cm 3 or more is defined as a solid solution diffusion layer (SD), the thickness of the solid solution diffusion layer (SD) is 200 nm or less. If there is, it is good. Moreover, it is preferably 150 nm or less, and more preferably 100 nm or less.

[素子分離の評価結果]
1.1 素子分離の比較結果
実施例1、実施例2、比較例の成長層付き基板(又は発光素子ウエハ)について素子分離(ブレーキングによる個片化)を行った。その結果を以下の表に示す。
[Evaluation results of element isolation]
1.1 Comparison Results of Element Isolation Element isolation (separation by braking) was performed on the substrates with growth layers (or light emitting element wafers) of Examples 1, 2 and Comparative Examples. The results are shown in the following table.

Al固溶層が形成された実施例1の素子分離歩留まりは80〜95%であった。また、n型ZnO系半導体層22をMgxZn(1-x)O(x=0.15)層とした実施例2においては95%以上の素子分離歩留まりが得られた。これに対して、Al固溶層が形成されていないMBE法で作製した比較例の素子分離歩留まりは70%未満と低い結果であった。さらに、実施例1及び実施例2の素子分離においては、劈開面でのZnO系半導体の欠けや割れが殆どなかったが、比較例においては、分離良品においても劈開面でのZnO系半導体の微小な欠けが目立った。 The element isolation yield of Example 1 in which the Al solid solution layer was formed was 80 to 95%. In Example 2 in which the n-type ZnO-based semiconductor layer 22 was an Mg x Zn (1-x) 2 O (x = 0.15) layer, an element isolation yield of 95% or more was obtained. On the other hand, the device isolation yield of the comparative example manufactured by the MBE method in which the Al solid solution layer was not formed was a low result of less than 70%. Further, in the element isolation of Example 1 and Example 2, there was almost no chipping or cracking of the ZnO-based semiconductor on the cleavage plane, but in the comparative example, the ZnO-based semiconductor on the cleavage plane was small even in the separation good product. The lack was noticeable.

本発明によれば、欠けや割れが生じずに素子分離が良好に行うことができる理由は以下のように解釈される。図17を参照して、サファイア基板上にZnO系結晶成長層(LEDデバイス層)を形成した場合のブレーキングの原理を説明する。図17(A)は、サファイア基板及びZnO系結晶層間にAl固溶層が形成されていない場合の、図17(B)は、サファイア基板及びZnO系結晶層間にAl固溶層(SC)が形成されている場合のブレーキングの原理を説明する模式的な断面図である。   According to the present invention, the reason why the element isolation can be satisfactorily performed without chipping or cracking is interpreted as follows. With reference to FIG. 17, the principle of braking when a ZnO-based crystal growth layer (LED device layer) is formed on a sapphire substrate will be described. 17A shows a case where an Al solid solution layer is not formed between the sapphire substrate and the ZnO-based crystal layer, and FIG. 17B shows an Al solid solution layer (SC) between the sapphire substrate and the ZnO-based crystal layer. It is typical sectional drawing explaining the principle of braking in the case of being formed.

素子分離工程は、基板の裏面側にスクライブ溝36を形成し、次にスクライブ溝36に一致した表面側部分にナイフエッジ37を当て、荷重劈開して素子分離する。ところが、ナイフエッジ37で荷重する際に、異種接合面であるサファイア基板とZnO系成長層(LEDデバイス層)との界面Xで、荷重した力が発散し、ZnO系成長層の欠け、割れ、剥離などの不具合が発生する。このような不具合は、異種結晶接合構造であることから発生する。つまり、第1に、a面(r面)サファイア面に対して、c面(a面)ZnO系結晶層が積層された不連続結晶構造であることにある。第2に、サファイア結晶とZnO系結晶のモース硬度が、それぞれ9と4であり、硬い結晶に柔らかい結晶が積層された構造であること、などが原因で発生する。特に、モース硬度差の影響は大きい。すなわち、ナイフエッジで荷重した力は、サファイア基板に効率良く伝達されずに、ZnO系結晶層を横方向に押し広げる方向に働く。また、このとき、a面(r面)サファイア基板に、c面(a面)ZnO系結晶層を積層したLEDデバイス層付き基板の場合、その界面が脆弱なため、上記不具合が発生する。   In the element isolation step, a scribe groove 36 is formed on the back surface side of the substrate, and then a knife edge 37 is applied to the surface side portion coinciding with the scribe groove 36 and the load is cleaved to separate the elements. However, when loading with the knife edge 37, the applied force diverges at the interface X between the sapphire substrate and the ZnO-based growth layer (LED device layer), which is a heterogeneous bonding surface, and the ZnO-based growth layer is chipped, cracked, Defects such as peeling occur. Such a defect occurs because of the heterogeneous crystal junction structure. That is, the first is a discontinuous crystal structure in which a c-plane (a-plane) ZnO-based crystal layer is laminated on an a-plane (r-plane) sapphire surface. Secondly, the Mohs hardness of the sapphire crystal and the ZnO-based crystal is 9 and 4, respectively, which is caused by a structure in which a soft crystal is laminated on a hard crystal. In particular, the influence of the Mohs hardness difference is large. That is, the force loaded by the knife edge is not transmitted efficiently to the sapphire substrate, but acts in the direction of spreading the ZnO-based crystal layer in the lateral direction. Further, at this time, in the case of the substrate with the LED device layer in which the c-plane (a-plane) ZnO-based crystal layer is laminated on the a-plane (r-plane) sapphire substrate, the above problem occurs because the interface is fragile.

より具体的には、ZnO結晶の結晶硬度(例えばモース硬度4〜5)はサファイアの結晶硬度(モース硬度9)より低く柔らかいために、ナイフエッジがZnO結晶層に食込む。図17(A)に示すように、ナイフエッジ37が食い込み、結晶硬度が低いZnO系結晶層には押し広げる力F’が働く。そして、ZnO結晶を押し広げる基板平行方向の力Fhが作用する。この力Fhによって、構造上最も脆弱なサファイア基板とZnO系結晶界面において剥離が発生する。すなわち、サファイア基板とZnO系結晶との間の脆弱な界面に欠け、割れ、剥離などの不具合が発生する。   More specifically, since the crystal hardness (for example, Mohs hardness 4-5) of the ZnO crystal is softer than the crystal hardness of sapphire (Mohs hardness 9), the knife edge bites into the ZnO crystal layer. As shown in FIG. 17A, the knife edge 37 bites in and a pushing force F ′ acts on the ZnO-based crystal layer having a low crystal hardness. Then, a force Fh in the direction parallel to the substrate that spreads the ZnO crystal acts. Due to this force Fh, peeling occurs at the interface between the fragile sapphire substrate and the ZnO-based crystal. That is, the weak interface between the sapphire substrate and the ZnO-based crystal is chipped, and defects such as cracking and peeling occur.

これに対して、Al固溶層SC(あるいは固溶拡散層SD)を界面に形成することで、剥離が防止される。すなわち、Al固溶層を設けた場合、界面の結合力が高いため剥離せず、ナイフエッジ37の荷重が下方向に伝達され劈開できる。より詳細には、図17(B)に示すように、ナイフエッジ37の食込んだ力F’に対して抗力F’'が働きバランスする。その結果、荷重Fはサファイア基板に作用し劈開される。また、僅かではあるが、荷重によりZnO系結晶層には圧縮応力が働き、結晶硬度が高くなり欠け難くなる。また、このとき、基板には引張応力が働く。以上説明したように、Al固溶層(及び固溶拡散層)は界面の脆弱性を解消するだけでは無く、ZnO系結晶層側の結晶硬度を高める働きもある。   On the other hand, peeling is prevented by forming the Al solid solution layer SC (or solid solution diffusion layer SD) at the interface. That is, when the Al solid solution layer is provided, the bonding force at the interface is high, so that it does not peel off, and the load of the knife edge 37 is transmitted downward and can be cleaved. More specifically, as shown in FIG. 17B, the drag force F ′ ′ acts and balances against the biting force F ′ of the knife edge 37. As a result, the load F acts on the sapphire substrate and is cleaved. In addition, although it is slight, compressive stress acts on the ZnO-based crystal layer due to the load, and the crystal hardness increases and the chipping becomes difficult. At this time, tensile stress acts on the substrate. As described above, the Al solid solution layer (and the solid solution diffusion layer) not only eliminates the fragility of the interface, but also functions to increase the crystal hardness on the ZnO-based crystal layer side.

なお、付言すれば、サファイア基板上にGaN系結晶層を積層した構造においては、素子(チップ)欠け等は配向ずれが主要因である。例えば、a面サファイア基板を用いた場合、ZnO結晶と同様にc面GaN結晶が配向し積層する。またc面サファイア基板を用いる場合は、サファイア基板のc軸に対してGaN結晶のc軸が30°回転ずれして配向し積層する。そのため、サファイア結晶の劈開面とGaN結晶の劈開面がずれる。この結果、素子分離の際に素子(チップ)欠け等を発生する。これは、サファイア結晶とGaN結晶のモース硬度が9と等しく、また硬いため、ナイフエッジで荷重した力は、GaN層からサファイア基板に効果的に伝達されるからである。   In addition, in a structure in which a GaN-based crystal layer is laminated on a sapphire substrate, orientation shift is the main cause of element (chip) chipping and the like. For example, when an a-plane sapphire substrate is used, c-plane GaN crystals are oriented and stacked in the same manner as ZnO crystals. When a c-plane sapphire substrate is used, the c-axis of the GaN crystal is oriented and laminated with the c-axis of the GaN crystal shifted by 30 ° from the c-axis of the sapphire substrate. For this reason, the cleavage plane of the sapphire crystal and the cleavage plane of the GaN crystal are shifted. As a result, an element (chip) chipping or the like occurs during element isolation. This is because the Mohs hardness of the sapphire crystal and the GaN crystal is equal to 9 and is hard, so that the force loaded by the knife edge is effectively transmitted from the GaN layer to the sapphire substrate.

これに対して、サファイア結晶上にZnO系結晶を積層した構造では、前述のように、モース硬度差が大きい特性が加わるため、サファイア基板上にGaN系結晶層を積層した構造に用いられる従来の素子分離方法では、欠け、割れ、剥離などの不具合を解決することはできない。   On the other hand, in the structure in which the ZnO-based crystal is laminated on the sapphire crystal, as described above, since the characteristic that the Mohs hardness difference is large is added, the conventional structure used in the structure in which the GaN-based crystal layer is laminated on the sapphire substrate. The element isolation method cannot solve defects such as chipping, cracking, and peeling.

1.2 素子分離とZnO系結晶組成の関係
前述したように、ZnO結晶層の剥離などの原因は、ZnO結晶の結晶硬度が低いことにある。そこで、ナイフエッジが接触面の結晶の硬度を高くすることで、剥離応力Fhを小さくできる。ZnO結晶とMgZnO結晶を比較するとMgZnO結晶硬度は高い。なお、MgO結晶の硬度は5.5である。また、MgZnO結晶のa軸長はZnO結晶のa軸長より長いが、ZnO結晶にコヒーレントに格子整合するので、ZnO結晶層上にMgZnO結晶層を積層すると、MgZnO層自体に圧縮応力が作用する。
1.2 Relationship between element isolation and ZnO-based crystal composition As described above, the cause of the peeling of the ZnO crystal layer is that the crystal hardness of the ZnO crystal is low. Therefore, the peeling stress Fh can be reduced by increasing the hardness of the crystal on the contact surface with the knife edge. When the ZnO crystal and the MgZnO crystal are compared, the MgZnO crystal hardness is high. The hardness of the MgO crystal is 5.5. In addition, although the a-axis length of the MgZnO crystal is longer than the a-axis length of the ZnO crystal, it is lattice-coherently matched with the ZnO crystal. Therefore, when an MgZnO crystal layer is stacked on the ZnO crystal layer, compressive stress acts on the MgZnO layer itself. .

従って、実施例2で示したようにn型ZnO系結晶をMgZnO層にし、素子区画溝をn型MgZnO層までの深さに形成して、ナイフエッジがn型MgZnO層に当たるようにすると、n型MgZnO層の結晶硬度と積層構造による圧縮応力により、ナイフエッジの食込み量が減り、ZnO系結晶層の剥離をより抑制することが可能となる。従って、表2に示すように、素子分離歩留まりも向上する。経験的には、MgxZn(1-x)O(0≦x≦0.68)結晶のMg組成xが0.1以上において食込み量の低下が顕著になり、0.15以上であると、ナイフエッジが食込むことが無い。特に好ましくは0.2以上が良い。 Therefore, when the n-type ZnO-based crystal is formed as an MgZnO layer and the element partition groove is formed at a depth up to the n-type MgZnO layer as shown in the second embodiment, the knife edge hits the n-type MgZnO layer. Due to the crystal hardness of the type MgZnO layer and the compressive stress due to the laminated structure, the amount of biting of the knife edge is reduced, and the exfoliation of the ZnO-based crystal layer can be further suppressed. Therefore, as shown in Table 2, the element isolation yield is also improved. Empirically, when the Mg composition x of the Mg x Zn (1-x) O (0 ≦ x ≦ 0.68) crystal is 0.1 or more, the amount of biting is significantly reduced, and is 0.15 or more. , Knife edge will not bite. Particularly preferred is 0.2 or more.

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、サファイア基板及びZnO系結晶層間の界面にAl固溶層(及び固溶拡散層)が形成されるので、界面の脆弱性を解消でき、素子分離において、欠け、割れ、剥離などの不具合を回避することができる。また、ナイフエッジの当たる結晶を、ZnO結晶よりも結晶硬度の大きなMgZnO層とすることで、上記した不具合をより効果的に回避することができる。このように、本発明によれば、ZnO系結晶層の剥離抑制を可能とし、素子分離歩留まりを向上することが可能となった。   As described above in detail, according to the present invention, since an Al solid solution layer (and a solid solution diffusion layer) is formed at the interface between the sapphire substrate and the ZnO-based crystal layer, the fragility of the interface can be eliminated, In element isolation, problems such as chipping, cracking, and peeling can be avoided. Moreover, the above-mentioned malfunction can be avoided more effectively by making the crystal hitting the knife edge a MgZnO layer having a crystal hardness higher than that of the ZnO crystal. As described above, according to the present invention, it is possible to suppress the exfoliation of the ZnO-based crystal layer and to improve the element isolation yield.

[固溶層の形成]
上記実施例においては、MOCVD法によりAl固溶層及び固溶拡散層を形成する場合を例に説明したが、他の成長方法、例えば、MBE法、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、ハライドVPE(HVPE)法、プラズマCVD法、スパッタ法等で固溶層を形成しても構わない、要は、サファイア基板とZnO系結晶成長層との界面にAl固溶層を備えていればよい。
[Formation of solid solution layer]
In the above embodiment, the case where the Al solid solution layer and the solid solution diffusion layer are formed by the MOCVD method has been described as an example. However, other growth methods such as MBE method, PLD (Pulsed Laser Deposition) method, halide VPE ( The solid solution layer may be formed by HVPE) method, plasma CVD method, sputtering method, or the like. In short, it is sufficient if an Al solid solution layer is provided at the interface between the sapphire substrate and the ZnO-based crystal growth layer.

また、上記実施例において示した、サファイア基板とZnO系結晶成長層との界面にAl固溶層を形成するためのZnO系結晶の成長条件は例示にすぎず、これらに限定されない。以下に、MOCVD法を用いてサファイア基板上にZnO系結晶を成長し、基板と当該成長層との界面にAl固溶層を形成するためのZnO系結晶成長層の性質及び成長条件について詳細に説明する。   In addition, the growth conditions of the ZnO-based crystal for forming the Al solid solution layer at the interface between the sapphire substrate and the ZnO-based crystal growth layer shown in the above examples are merely examples, and are not limited thereto. Below, details of the properties and growth conditions of the ZnO-based crystal growth layer for growing a ZnO-based crystal on the sapphire substrate using the MOCVD method and forming an Al solid solution layer at the interface between the substrate and the growth layer are described in detail. explain.

なお、以下においては、説明及び理解の容易さのため、サファイア基板上に成長する成長層を接続層(又は第1の成長層)と称し、当該接続層上に成長する結晶層をデバイス層(又は第2の成長層)として説明する。   In the following, for ease of explanation and understanding, the growth layer grown on the sapphire substrate is referred to as a connection layer (or first growth layer), and the crystal layer grown on the connection layer is referred to as a device layer ( Or a second growth layer).

1.ZnO系結晶成長層(接続層)の性質
基板のAlを固溶させる場合のZnO系結晶成長層(接続層)の性質、状態としては、ドメイン径が小さく、また、表面の凹凸差が大きい方が良い。すなわち、熱処理工程において、成長層の形状変化率が大きい方がサファイア基板のAlを固溶させ易くなるからである。
1. Properties of the ZnO-based crystal growth layer (connection layer) Properties and state of the ZnO-based crystal growth layer (connection layer) in the case of dissolving Al in the substrate are those in which the domain diameter is small and the surface unevenness difference is large Is good. That is, in the heat treatment step, the larger the change rate of the growth layer shape, the easier it is to dissolve Al of the sapphire substrate.

しかしながら、過度な条件で成長すると、単結晶性が損なわれ、また、成長後の熱処理での結晶性回復が不十分になる。すなわち、当該接続層上に成長するデバイス層などのZnO系結晶層の結晶性を低下させ、固溶したAlの拡散を抑制できなくなるからである。また、接続層が、例えば、多結晶、アモルファス状結晶の場合、熱処理工程においてAl成分が粒界に偏析するなどして、十分な結晶性回復ができず、高成長温度でのデバイス層の成長段階で欠陥や転位が高密度に導入され、Al拡散を抑制できなくなるからである。   However, when grown under excessive conditions, single crystallinity is impaired, and crystallinity recovery by heat treatment after growth becomes insufficient. That is, the crystallinity of a ZnO-based crystal layer such as a device layer grown on the connection layer is lowered, and diffusion of solid solution Al cannot be suppressed. In addition, when the connection layer is, for example, a polycrystal or an amorphous crystal, the Al component is segregated at the grain boundary in the heat treatment step, so that sufficient crystallinity cannot be recovered, and the device layer grows at a high growth temperature. This is because defects and dislocations are introduced at high density at this stage, and Al diffusion cannot be suppressed.

なお、上記実施例においては、サファイア基板上に、接続層として低成長温度で第1のZnO層(第1の単結晶層)11A及び第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bを形成し、その上に高成長温度でZnO系半導体層12を形成する場合について説明した。しかし、接続層として当該第1の単結晶層(ZnO系単結晶層)のみを形成し、当該第1の単結晶層(接続層)上にデバイス層などのZnO系結晶層を成長してもよい。   In the above embodiment, the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A and the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B are formed on the sapphire substrate as a connection layer at a low growth temperature. The case where the ZnO-based semiconductor layer 12 is formed at a high growth temperature has been described. However, even if only the first single crystal layer (ZnO-based single crystal layer) is formed as a connection layer, and a ZnO-based crystal layer such as a device layer is grown on the first single crystal layer (connection layer). Good.

1.1 成長温度
接続層の成長温度は、一般的にZnO単結晶を成長するための結晶成長温度(「高成長温度」という。)よりも低い温度(「低成長温度」という。)であることが適切である。当該高成長温度では、島状成長しやすく、層状単結晶になりにくいからである。
1.1 Growth Temperature The growth temperature of the connection layer is generally lower than the crystal growth temperature (referred to as “high growth temperature”) for growing a ZnO single crystal (referred to as “low growth temperature”). Is appropriate. This is because at the high growth temperature, island-like growth is easy and layered single crystals are hardly formed.

より詳細には、成長温度は、250℃〜450℃の範囲内が好ましい。さらに、300℃〜400℃の温度範囲内であることがより好ましい。250℃以下ではマイグレーション長が短くなるため、アモルファス化、多結晶化し易くなる。また、上記したように、450℃以上になると島状成長しやすくなり、接続層上の成長層が層状単結晶になりにくいからである。   More specifically, the growth temperature is preferably in the range of 250 ° C to 450 ° C. Furthermore, it is more preferable that it exists in the temperature range of 300 to 400 degreeC. At 250 ° C. or lower, the migration length becomes short, so that it becomes easy to be amorphous or polycrystallized. Further, as described above, when the temperature is higher than 450 ° C., island-like growth is likely to occur, and the growth layer on the connection layer is difficult to become a layered single crystal.

1.2 成長圧力
接続層が成長後の熱処理によって偏析等を生じず、十分な結晶性回復がなされるために、また、接続層上の成長層が単結晶成長するために、接続層の単結晶性が損なわれないことが必要である。すなわち、接続層の単結晶成長のためには、基板面上での反応化学種(DMZn、H2O、中間生成物、結晶化前のZn原子、結晶化前のO原子等)のマイグレーション長が大きい方がよい。従って、減圧成長が好適であり、具体的には、成長圧力として1kPa〜30kPaが好適であり、より好ましくは5kPa〜20kPaである。成長圧力が1kPa以下になると著しく成長速度が遅くなる。
1.2 Growth pressure Since the connection layer does not undergo segregation or the like due to the heat treatment after growth, and sufficient crystallinity is recovered, and because the growth layer on the connection layer grows single crystal, It is necessary that the crystallinity is not impaired. That is, for the single crystal growth of the connection layer, the migration length of the reactive chemical species (DMZn, H 2 O, intermediate products, Zn atoms before crystallization, O atoms before crystallization, etc.) on the substrate surface. Is better. Therefore, the reduced pressure growth is suitable, and specifically, the growth pressure is preferably 1 kPa to 30 kPa, more preferably 5 kPa to 20 kPa. When the growth pressure is 1 kPa or less, the growth rate is remarkably slowed.

1.3 材料ガス
低成長圧力、低成長温度下でZnO単結晶層を形成し、固溶層形成を促進するには高い相互反応性を有する材料選択が必要である。相互反応性が低いと結晶成長しなかったり、アモルファス化あるいは多結晶化するからである。Zn源としては、構成分子中に酸素を含まず、酸素源材料と高い反応性を有する有機金属化合物が好適である。上記したDMZnの他には、例えば、DEZn(ジエチル亜鉛)がある。また、酸素源としては、分子内での分極が大きく、高い反応性を有するH2O(水蒸気)が適している。
1.3 Material gas In order to promote the formation of a solid solution layer by forming a ZnO single crystal layer under a low growth pressure and a low growth temperature, it is necessary to select a material having high mutual reactivity. This is because if the mutual reactivity is low, the crystal does not grow, or becomes amorphous or polycrystallized. As the Zn source, an organometallic compound that does not contain oxygen in the constituent molecules and has high reactivity with the oxygen source material is suitable. In addition to the DMZn described above, for example, there is DEZn (diethyl zinc). As an oxygen source, H 2 O (water vapor) having a large intramolecular polarization and high reactivity is suitable.

1.4 熱処理条件
上記したように、固溶層の形成には、接続層が単結晶化していること、及び極性酸素源(H2O:水蒸気)中での熱処理が必要である。より詳細には、接続層は、単結晶ではあるが、ドメイン及び凹凸を有し、熱処理によって界面エネルギーを最小にする方向に、結晶性状が変化する。このとき、サファイア基板のAl元素がZnO単結晶中に高濃度に固溶される。従って、熱処理温度が高く処理時間が長い方が、Alの固溶濃度が増加する。
1.4 Heat treatment conditions As described above, the formation of the solid solution layer requires that the connection layer be single crystallized and heat treatment in a polar oxygen source (H 2 O: water vapor). More specifically, although the connection layer is a single crystal, it has domains and irregularities, and the crystal properties change in a direction that minimizes the interface energy by heat treatment. At this time, the Al element of the sapphire substrate is dissolved in a high concentration in the ZnO single crystal. Therefore, the higher the heat treatment temperature and the longer the treatment time, the higher the solid solution concentration of Al.

また、サファイアは、非常に安定な物質であるため、低温では接続層にAlを十分に固溶及び拡散させることが難しい。さらに、Alを高濃度に含んだ状態での接続層の結晶性回復には800℃以上の高い温度が好ましい。   Further, since sapphire is a very stable substance, it is difficult to sufficiently dissolve and diffuse Al in the connection layer at a low temperature. Furthermore, a high temperature of 800 ° C. or higher is preferable for recovering the crystallinity of the connection layer in a state containing Al at a high concentration.

従って、接続層の熱処理は、高温で行われることが適切である。具体的には、デバイス層などのZnO系結晶層の成長温度よりも100°以上高い温度、あるいは900°以上であることがさらに好ましい。   Therefore, it is appropriate that the heat treatment of the connection layer is performed at a high temperature. Specifically, the temperature is more preferably 100 ° or higher than the growth temperature of a ZnO-based crystal layer such as a device layer, or 900 ° or higher.

また、単結晶性及び平坦性を向上させる上でも、マイグレーション長が長くなる低圧力下において熱処理を行うのがよい。なお、熱処理に適した圧力範囲は上記した接続層の成長圧力の範囲と同じである。   In order to improve single crystallinity and flatness, it is preferable to perform the heat treatment under a low pressure where the migration length becomes long. Note that the pressure range suitable for the heat treatment is the same as the range of the growth pressure of the connection layer described above.

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、サファイア基板及びZnO系結晶層間の界面にAl固溶層(及び固溶拡散層)が形成されるので、界面の脆弱性を解消でき、素子分離において、欠け、割れ、剥離などの不具合を回避することができる。また、ナイフエッジの当たる結晶を、ZnO結晶よりも結晶硬度の大きなMgZnO層とすることで、上記した不具合をより効果的に回避することができる。このように、本発明によれば、素子分離工程のブレーキングにおいてZnO系結晶層の剥離抑制を可能とし、素子分離歩留まりを向上することが可能である。また、欠け、割れ、剥離などによる微細なクラックがデバイス層中に進展して素子特性を劣化させたり素子寿命を低下させるなどの不具合を防止する効果も奏する。   As described above in detail, according to the present invention, since an Al solid solution layer (and a solid solution diffusion layer) is formed at the interface between the sapphire substrate and the ZnO-based crystal layer, the fragility of the interface can be eliminated, In element isolation, problems such as chipping, cracking, and peeling can be avoided. Moreover, the above-mentioned malfunction can be avoided more effectively by making the crystal hitting the knife edge a MgZnO layer having a crystal hardness higher than that of the ZnO crystal. As described above, according to the present invention, it is possible to suppress the peeling of the ZnO-based crystal layer in the breaking of the element isolation process, and it is possible to improve the element isolation yield. In addition, a fine crack due to chipping, cracking, peeling, or the like propagates into the device layer, and there is an effect of preventing problems such as deterioration of element characteristics and reduction of element life.

従って、素子の欠け、割れ、剥離などの不具合を解消し、素子特性、素子寿命及び量産性に優れた半導体素子を提供することができる。また、特に、発光効率及び素子寿命に優れるとともに、量産性に優れた高性能な半導体発光素子及びその製造方法を提供することができる。   Accordingly, problems such as chipping, cracking, and peeling of the element can be solved, and a semiconductor element excellent in element characteristics, element lifetime, and mass productivity can be provided. In particular, it is possible to provide a high-performance semiconductor light-emitting device excellent in light emission efficiency and device lifetime, and excellent in mass productivity, and a method for manufacturing the same.

なお、本発明の素子分離方法においては、ダイヤモンドポイントを用いたスクライブ方法とナイフエッジを用いたブレーキング方法を例に説明した。しかし、本発明の原理からすれば、本発明の素子分離方法はこれに限定されない。例えば、レーザースクライブ法によりスクライブ溝を形成してもよく、ローラーによるブレーキングで素子分離する方法を用いてもよい。   In the element isolation method of the present invention, the scribing method using diamond points and the braking method using knife edges have been described as examples. However, according to the principle of the present invention, the element isolation method of the present invention is not limited to this. For example, a scribe groove may be formed by a laser scribe method, or a method of separating elements by braking with a roller may be used.

10 基板
11A 第1の低温成長層
11B 第2の低温成長層
12 ZnO系化合物半導体層(高温成長単結晶層)
15 成長層付き基板
20 デバイス層
21 第1のn型半導体層
22 第2のn型半導体層
23 発光層
24 p型半導体層
25 LED動作層付き基板
SC 固溶層
SD 固溶拡散層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 11A 1st low temperature growth layer 11B 2nd low temperature growth layer 12 ZnO type compound semiconductor layer (high temperature growth single crystal layer)
15 substrate with growth layer 20 device layer 21 first n-type semiconductor layer 22 second n-type semiconductor layer 23 light emitting layer 24 p-type semiconductor layer 25 substrate with LED operation layer SC solid solution layer SD solid solution diffusion layer

Claims (14)

αサファイア(Al23)単結晶の基板上に成長したZnO系結晶層及び前記ZnO系結晶層上に成長したデバイス層を有する半導体素子であって、
前記ZnO系結晶層は、前記基板との界面に前記基板のアルミニウム(Al)が固溶された固溶層を有することを特徴とする半導体素子。
A semiconductor device having a ZnO-based crystal layer grown on an α-sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal substrate and a device layer grown on the ZnO-based crystal layer,
The ZnO-based crystal layer has a solid solution layer in which aluminum (Al) of the substrate is dissolved in an interface with the substrate.
前記固溶層のAl濃度が8×1020個/cm3以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 1, wherein an Al concentration of the solid solution layer is 8 × 10 20 pieces / cm 3 or more. 前記固溶層の層厚が100nm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, wherein a thickness of the solid solution layer is 100 nm or less. 前記基板との界面に固溶されたAlの濃度が1×1019個/cm3以上である固溶拡散層の層厚が200nm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子。 3. The layer thickness of a solid solution diffusion layer having a concentration of Al dissolved at the interface with the substrate of 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more is 200 nm or less. 4. Semiconductor element. 前記基板の結晶成長面は[11−20]面であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, wherein a crystal growth surface of the substrate is a [11-20] plane. 前記デバイス層は、MgxZn(1-x)O(0.1≦x≦0.68)層を含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1に記載の半導体素子。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the device layer includes a Mg x Zn (1-x) 2 O (0.1 ≦ x ≦ 0.68) layer. 前記デバイス層はn型ZnO系単結晶層、発光層及びp型ZnO系単結晶層を含むLED(発光ダイオード)デバイス層であることを特徴とする1ないし6のいずれか1に記載の半導体素子。   7. The semiconductor element according to claim 1, wherein the device layer is an LED (light emitting diode) device layer including an n-type ZnO single crystal layer, a light emitting layer, and a p type ZnO single crystal layer. . αサファイア(Al23)単結晶の基板上にZnO系結晶層及びデバイス層をこの順で成長した半導体素子の成長方法であって、
前記ZnO系結晶層は、前記基板との界面に前記基板のアルミニウム(Al)が固溶された固溶層を有することを特徴とする成長方法。
A method for growing a semiconductor device comprising a ZnO-based crystal layer and a device layer grown in this order on an α-sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal substrate,
The growth method characterized in that the ZnO-based crystal layer has a solid solution layer in which aluminum (Al) of the substrate is dissolved at an interface with the substrate.
前記固溶層のAl濃度が8×1020個/cm3以上であることを特徴とする請求項8に記載の成長方法。 The growth method according to claim 8, wherein the Al concentration of the solid solution layer is 8 × 10 20 pieces / cm 3 or more. 前記固溶層の層厚が100nm以下であることを特徴とする請求項8又は9に記載の成長方法。   The growth method according to claim 8 or 9, wherein a thickness of the solid solution layer is 100 nm or less. 前記基板の結晶成長面は[11−20]面であることを特徴とする請求項8ないし10のいずれか1に記載の成長方法。   The growth method according to claim 8, wherein the crystal growth surface of the substrate is a [11-20] plane. αサファイア(Al23)単結晶の基板上にZnO系結晶層を成長した成長層付き基板であって、
前記ZnO系結晶層は、前記基板との界面に前記基板のアルミニウム(Al)が固溶された固溶層を有することを特徴とする成長層付き基板。
A substrate with a growth layer in which a ZnO-based crystal layer is grown on an α-sapphire (Al 2 O 3 ) single crystal substrate,
The substrate with a growth layer, wherein the ZnO-based crystal layer has a solid solution layer in which aluminum (Al) of the substrate is dissolved at an interface with the substrate.
前記固溶層のAl濃度が8×1020個/cm3以上であることを特徴とする請求項12に記載の成長層付き基板。 13. The substrate with a growth layer according to claim 12, wherein the Al concentration of the solid solution layer is 8 × 10 20 pieces / cm 3 or more. 前記固溶層の層厚が100nm以下であることを特徴とする請求項12又は13に記載の成長層付き基板。   14. The substrate with a growth layer according to claim 12, wherein the solid solution layer has a thickness of 100 nm or less.
JP2009149596A 2009-06-24 2009-06-24 Zinc oxide based semiconductor device and growth method thereof Expired - Fee Related JP5392608B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009149596A JP5392608B2 (en) 2009-06-24 2009-06-24 Zinc oxide based semiconductor device and growth method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009149596A JP5392608B2 (en) 2009-06-24 2009-06-24 Zinc oxide based semiconductor device and growth method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011009339A true JP2011009339A (en) 2011-01-13
JP5392608B2 JP5392608B2 (en) 2014-01-22

Family

ID=43565679

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009149596A Expired - Fee Related JP5392608B2 (en) 2009-06-24 2009-06-24 Zinc oxide based semiconductor device and growth method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5392608B2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000016411A1 (en) * 1998-09-10 2000-03-23 Rohm Co., Ltd. Semiconductor light-emitting device and method for manufacturing the same
WO2001073170A1 (en) * 2000-03-27 2001-10-04 Tohoku Techno Arch Co., Ltd. Zinc oxide semiconductor material
JP2009043920A (en) * 2007-08-08 2009-02-26 Rohm Co Ltd P-TYPE MgZnO-BASED THIN FILM AND SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING ELEMENT

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000016411A1 (en) * 1998-09-10 2000-03-23 Rohm Co., Ltd. Semiconductor light-emitting device and method for manufacturing the same
WO2001073170A1 (en) * 2000-03-27 2001-10-04 Tohoku Techno Arch Co., Ltd. Zinc oxide semiconductor material
JP2009043920A (en) * 2007-08-08 2009-02-26 Rohm Co Ltd P-TYPE MgZnO-BASED THIN FILM AND SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING ELEMENT

Also Published As

Publication number Publication date
JP5392608B2 (en) 2014-01-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7332031B2 (en) Bulk single crystal gallium nitride and method of making same
US11574809B2 (en) Nitride semiconductor template and nitride semiconductor device
JP5638772B2 (en) Method for growing zinc oxide based semiconductor and method for manufacturing semiconductor light emitting device
TWI524552B (en) Semiconductor wafer with a layer of alzga1-zn and process for producing it
KR101074178B1 (en) Method for manufacturing group ⅲ nitride compound semiconductor light-emitting device, group ⅲ nitride compound semiconductor light-emitting device, and lamp
JP5355221B2 (en) Method for growing zinc oxide based semiconductor and method for manufacturing semiconductor light emitting device
JP2006210578A (en) Nitride semiconductor element and method for growing nitride semiconductor crystal layer
WO2010025153A1 (en) Nitride crystal with removable surface layer and methods of manufacture
US11075077B2 (en) Nitride semiconductor template and nitride semiconductor device
JP2005019872A (en) Method of manufacturing nitride semiconductor, semiconductor wafer, and semiconductor device
JP5073624B2 (en) Method for growing zinc oxide based semiconductor and method for manufacturing semiconductor light emitting device
WO1998024129A1 (en) Iii-v nitride semiconductor devices and process for the production thereof
JP2004111848A (en) Sapphire substrate, epitaxial substrate using it, and its manufacturing method
JP5411681B2 (en) Method for growing zinc oxide based semiconductor and method for manufacturing semiconductor light emitting device
US20160087153A1 (en) ACTIVE REGION CONTAINING NANODOTS (ALSO REFERRED TO AS &#34;QUANTUM DOTS&#34;) IN MOTHER CRYSTAL FORMED OF ZINC BLENDE-TYPE (ALSO REFERRED TO AS &#34;CUBIC CRYSTAL-TYPE&#34;) AlyInxGal-y-xN CRYSTAL(Y . 0, X&gt;0) GROWN ON Si SUBSTRATE, AND LIGHTEMITTING DEVICE USING THE SAME (LED AND LD)
US8529699B2 (en) Method of growing zinc-oxide-based semiconductor and method of manufacturing semiconductor light emitting device
JPH11274079A (en) Semiconductor device and manufacture thereof
JP5537890B2 (en) Manufacturing method of zinc oxide based semiconductor light emitting device
JP2004119423A (en) Gallium nitride crystal substrate, its producing process, gallium nitride based semiconductor device, and light emitting diode
JP5392608B2 (en) Zinc oxide based semiconductor device and growth method thereof
JP2007103955A (en) Nitride semiconductor and method for growing nitride semiconductor crystal layer
JP2004307253A (en) Method for manufacturing semiconductor substrate
JP3152152B2 (en) Compound semiconductor epitaxial wafer
JP5073623B2 (en) Method for growing zinc oxide based semiconductor and method for manufacturing semiconductor light emitting device
JP2005045153A (en) Manufacturing method of nitride semiconductor, semiconductor wafer, and semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120608

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130213

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130326

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130523

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130917

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20131003

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5392608

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees