JP2012129459A - Method for growing zinc oxide-based semiconductor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for growing a p-type ZnO-based crystal of high quality, which is excellent in controllability of a p-type dopant concentration.SOLUTION: The method for growing a p-type ZnO-based crystal of high quality comprises a single-crystal growing process of growing a ZnO-based crystal layer using an organic metal compound not containing an oxygen atom in the molecular structure and a polar oxygen material by a MOCVD method. The single-crystal growing process includes a step of supplying TBP (Tertiary Butyl Phosphine).

Description

本発明は、酸化亜鉛(ZnO)系半導体の成長方法に関し、特に、MOCVD法により、ZnO基板上にp型酸化亜鉛系半導体層を成長する方法に関する。   The present invention relates to a method for growing a zinc oxide (ZnO) based semiconductor, and more particularly to a method for growing a p-type zinc oxide based semiconductor layer on a ZnO substrate by MOCVD.

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。   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.

酸化亜鉛を用いた半導体素子を製造する上では、高品質な酸化亜鉛結晶の成長及び導電型の制御が重要である。酸化亜鉛は、本質的にn型特性を示し、高品質のp型酸化亜鉛を得ることは難しい(例えば、特許文献1)。従って、高品質なp型酸化亜鉛を得ることが可能な結晶成長方法が望まれている。   In manufacturing a semiconductor element using zinc oxide, it is important to control the growth of high quality zinc oxide crystals and the conductivity type. Zinc oxide essentially exhibits n-type characteristics, and it is difficult to obtain high-quality p-type zinc oxide (for example, Patent Document 1). Therefore, a crystal growth method capable of obtaining high-quality p-type zinc oxide is desired.

例えば、酸化亜鉛(ZnO)の結晶成長方法として、低温でZnO結晶又は非晶質を成長させてから、高温で高品質化又は再配列によって高品質化する方法が知られている(例えば、特許文献2、特許文献3)。しかしながら、このように低温で成長し、高温で高品質化(又は再結晶化)した酸化亜鉛には結晶欠陥が含まれやすく、p−ドープの用途には十分な結晶性を有しているとはいえない。例えば、このようなZnO結晶中にp型ドーパントであるP(リン)をドーピングした場合、PがO(酸素)サイトに置換できない可能性がある。また、P(リン)がOサイトに置換してZnO結晶中にドーピングできていたとしても、高温下での高品質化処理において、P(リン)がドーピングされていることが高品質化の妨げになる問題がある。   For example, as a crystal growth method for zinc oxide (ZnO), a method is known in which a ZnO crystal or amorphous material is grown at a low temperature, and then the quality is improved by high quality or rearrangement at a high temperature (for example, patents). Literature 2, Patent Literature 3). However, the zinc oxide grown at such a low temperature and improved in quality (or recrystallized) at a high temperature is likely to contain crystal defects, and has sufficient crystallinity for p-doped applications. I can't say that. For example, when such a ZnO crystal is doped with p-type dopant P (phosphorus), there is a possibility that P cannot be replaced with an O (oxygen) site. In addition, even if P (phosphorus) is substituted into the O site and can be doped in the ZnO crystal, doping with P (phosphorus) in high-quality treatment at high temperatures hinders quality improvement. There is a problem to become.

特開2008−252075号公報JP 2008-252075 A 特開2008−244011号公報JP 2008-244011 A 特開2006−73726号公報JP 2006-73726 A

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高品質な酸化亜鉛系(ZnO系)結晶の成長及び導電型の制御、特に、p型ドーパント濃度の制御性に優れた、高品質なp型ZnO系結晶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 points, and the object thereof is excellent in growth of high quality zinc oxide (ZnO) crystals and control of conductivity type, particularly controllability of p-type dopant concentration. Another object is to provide a method for growing a high-quality p-type ZnO-based crystal.

本発明の方法は、MOCVD法によりZnO単結晶の基板上にZnO系結晶層を成長する方法であって、分子構造中に酸素原子を含まない有機金属化合物と極性酸素材料とを用いてZnO系結晶層を成長する単結晶成長工程を有し、上記単結晶成長工程は、TBP(ターシャリーブチルホスフィン)ガスを供給する工程を含むことを特徴としている。   The method of the present invention is a method of growing a ZnO-based crystal layer on a ZnO single crystal substrate by MOCVD, and uses a metal oxide compound that does not contain oxygen atoms in the molecular structure and a polar oxygen material. A single crystal growth step for growing a crystal layer, wherein the single crystal growth step includes a step of supplying a TBP (tertiary butylphosphine) gas.

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. 結晶成長シーケンスを示す図である。It is a figure which shows a crystal growth sequence. 基板上にアンドープZnO結晶層及びP(リン)ドープZnO結晶層を成長した実施例の成長層の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the growth layer of the Example which grew the undoped ZnO crystal layer and P (phosphorus) doped ZnO crystal layer on the board | substrate. 実施例1による成長層のSIMS分析の結果であり、TBPの供給量に対するP(リン)ドープZnO層のP濃度を示す図である。It is a result of the SIMS analysis of the growth layer by Example 1, and is a figure which shows P density | concentration of the P (phosphorus) dope ZnO layer with respect to the supply amount of TBP. 実施例1によるP(リン)ドープZnO結晶層のSEM像の一例を示す図である。3 is a diagram showing an example of an SEM image of a P (phosphorus) -doped ZnO crystal layer according to Example 1. FIG. 実施例1による成長層の(002)面ロッキングカーブを示す図である。6 is a diagram showing a (002) plane rocking curve of a growth layer according to Example 1. FIG. 実施例1による成長層の(100)面ロッキングカーブを示す図である。6 is a diagram showing a (100) plane rocking curve of a growth layer according to Example 1. FIG. 比較例1の成長層の(002)面ロッキングカーブを示す図である。6 is a diagram showing a (002) plane rocking curve of a growth layer of Comparative Example 1. FIG. 比較例1の成長層の(100)面ロッキングカーブを示す図である。6 is a diagram showing a (100) plane rocking curve of a growth layer of Comparative Example 1. FIG. 実施例2の結果を示し、水蒸気(H2O)の流量に対するP(リン)濃度の依存性を示す図である。The results of Example 2, a diagram illustrating a P (phosphorus) concentration dependence on the flow rate of the water vapor (H 2 O). 実施例3の結果を示し、DMZnの流量に対するP(リン)濃度の依存性を示す図である。It is a figure which shows the result of Example 3 and shows the dependence of P (phosphorus) density | concentration with respect to the flow volume of DMZn. ZnO結晶中のP(リン)濃度をPgo(=FTBP/FH2O)に対してプロットした図である。It is the figure which plotted P (phosphorus) density | concentration in a ZnO crystal | crystallization with respect to Pgo (= F TBP / F H2O ). 実施例4により成長(TBPグレーデッド成長)した成長層のSIMS結果を示す図である。It is a figure which shows the SIMS result of the growth layer grown by Example 4 (TBP graded growth). 比較例2の成長層のSEM像の一例を示す図である。6 is a diagram showing an example of an SEM image of a growth layer of Comparative Example 2. FIG. 比較例2の成長層の(002)面ロッキングカーブを示す図である。6 is a diagram showing a (002) plane rocking curve of a growth layer of Comparative Example 2. FIG. 比較例2の成長層の(100)面ロッキングカーブを示す図である。10 is a diagram showing a (100) plane rocking curve of a growth layer of Comparative Example 2. FIG.

以下においては、MOCVD法によりZnO単結晶基板上に結晶欠陥の少ない高品質なP(リン)ドープのZnO系半導体結晶層を成長する方法及びP(リン)濃度の制御について図面を参照して詳細に説明する。また、本実施形態に係る実施例の成長方法及び成長層の特徴、構成及び効果を説明するための比較例についても詳述する。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説明する。   In the following, a method for growing a high-quality P (phosphorus) -doped ZnO-based semiconductor crystal layer with few crystal defects on a ZnO single crystal substrate by MOCVD and control of P (phosphorus) concentration will be described in detail with reference to the drawings. Explained. Further, a comparative example for explaining the characteristics, configuration, and effects of the growth method and the growth layer of the example according to the present embodiment will be described in detail. In the drawings described below, substantially the same or equivalent parts will be described with 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)を用いた。なお、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)を供給する有機金属材料供給系を備えている。   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. An organometallic material supply system that supplies Cp2Mg (biscyclopentadienyl magnesium) as a magnesium (Mg) source and TEGa (triethylgallium) as a gallium (Ga) source is provided.

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)21S にて所定の流量とし、ガス供給弁21Mを通してDMZn格納容器21C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21E、圧力調整装置21P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。)28Vに、成長時には第1ラン配管(以下、第1RUNライン(RUN1)という。)28Rに供給する。なお、この際、圧力調整装置21P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21T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 set to a predetermined flow rate by a flow rate adjusting device (mass flow controller) 21S and sent to the DMZn storage container 21C through the gas supply valve 21M to saturate the DMZn vapor in the nitrogen gas. Then, the DMZn saturated nitrogen gas is taken out through the take-off valve 21E and the pressure adjusting device 21P to the first vent pipe (hereinafter referred to as the first VENT line (VENT1)) 28V during the growth standby, and to the first run pipe (hereinafter referred to as the first RUN) during the growth. Line (RUN1)) 28R. At this time, the internal pressure of the storage container is adjusted to be constant by the pressure adjusting device 21P. Further, the DMZn storage container is kept at a constant temperature in the thermostatic chamber 21T.

また、その他の有機金属化合物材料Cp2Mg、TEGaを供給する場合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22C(Cp2Mg),23C(TEGa)に流量調整装置22S、23Sを経た所定の流量の窒素ガスが送気され、取出し弁22E、23E及び圧力調整装置22P、23Pを通して、成長待機時には第1VENTライン(VENT1)28Vに、成長時には第1RUNライン(RUN1)28Rにこれらのガスが供給される。   The same applies to the case where other organometallic compound materials Cp2Mg and TEGa are supplied. That is, nitrogen gas having a predetermined flow rate is supplied to the storage containers 22C (Cp2Mg) and 23C (TEGa) for storing these materials, respectively, through the flow rate adjusting devices 22S and 23S, and the take-out valves 22E and 23E and the pressure adjusting device 22P are supplied. , 23P, these gases are supplied to the first VENT line (VENT1) 28V during growth standby and to the first RUN line (RUN1) 28R during growth.

また、酸素源としての液体材料であるHO(水蒸気)は格納容器24Cに流量調整装置24Sを経た所定の流量の窒素ガスが送気され、取出し弁24E、圧力調整装置24P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。)29Vに、成長時には第2ラン配管(以下、第2RUNライン(RUN2)という。)29R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 a predetermined flow rate of nitrogen gas through the flow rate adjusting device 24S to the storage container 24C, and waits for growth through the take-off valve 24E and the pressure adjusting device 24P. Sometimes it is supplied to the second vent pipe (hereinafter referred to as the second VENT line (VENT2)) 29V, and at the time of growth to the second run pipe (hereinafter referred to as the second RUN line (RUN2)) 29R.

p型不純物源としては、TBP(ターシャリーブチルホスフィン)ガスを用いた。TBPガスは、流量調整装置25Sにより所定の流量が供給される。待機時には第2VENTライン(VENT2)29V、成長時には第2RUNライン(RUN2)29R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, TBP (tertiary butyl phosphine) gas was used. The TBP gas is supplied at a predetermined flow rate by the flow rate adjusting device 25S. It is supplied to the second VENT line (VENT2) 29V during standby and to the second RUN line (RUN2) 29R 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(RUN1)28R、第2RUNライン(RUN2)29Rを通して反応容器部5Bのシャワーヘッド30に供給される。なお、第1RUNライン(RUN1)28R及び第2RUNライン(RUN2)29Rのそれぞれにも流量調整装置20C、20B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)39の上部に取付けられたシャワーヘッド30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 30 of the reaction vessel section 5B through the first RUN line (RUN1) 28R and the second RUN line (RUN2) 29R. The first RUN line (RUN1) 28R and the second RUN line (RUN2) 29R are also provided with flow rate adjusting devices 20C and 20B, respectively, and the material gas is supplied to the reaction vessel (chamber) 39 by a carrier gas (nitrogen gas). It is sent to the shower head 30 attached to the upper part.

なお、シャワーヘッド30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 30 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28R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29Rから供給されるHO(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28Rからのガスと第2RUNライン29R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HO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 28R is ejected, and H 2 O (water vapor) (VI) supplied from the second RUN line 29R. A second ejection hole from which a group gas) is ejected. The gas from the first RUN line 28R and the gas from the second RUN line 29R 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 substantially the same number and at intervals of several mm from each other, 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39内には材料ガスを基板10に吹付けるシャワーヘッド30、基板10、基板10を保持するサセプタ19、サセプタ19を加熱するヒーター49が設置されている。そして、ヒーター49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 39, a shower head 30 that blows a material gas onto the substrate 10, a substrate 10, a susceptor 19 that holds the substrate 10, and a heater 49 that heats the susceptor 19 are installed. The heater 49 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19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19から基板10への熱伝達は直接接触、およびサセプタ19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19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 19 on which the substrate is placed. That is, in the case of the MOCVD method, heat transfer from the susceptor 19 to the substrate 10 is performed by direct contact and a gas existing between the susceptor 19 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 19.

また、反応容器39にはサセプタ19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19はサセプタ支持筒48に支持され、サセプタ支持筒48はステージ41上に回転自在に支持されている。そして、回転モータ43がサセプタ支持筒48を回転させることによりサセプタ19(すなわち、基板10)を回転させる。なお、上記したヒーター49は、サセプタ支持筒48内に設置されている。   The reaction vessel 39 is provided with a rotation mechanism for rotating the susceptor 19. More specifically, the susceptor 19 is supported by a susceptor support cylinder 48, and the susceptor support cylinder 48 is rotatably supported on the stage 41. Then, the rotation motor 43 rotates the susceptor support cylinder 48 to rotate the susceptor 19 (that is, the substrate 10). The heater 49 described above is installed in the susceptor support tube 48.

排気部5Cは、容器内圧力調整装置51と排気ポンプ52で構成されており、容器内圧力調整装置51にて反応容器39内の圧力を0.1kPa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 51 and an exhaust pump 52. The internal pressure adjusting device 51 can adjust the pressure in the reaction container 39 to about 0.1 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、構成分子内に酸素原子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。なお、酸素を含む有機金属材料としては、例えばZn(亜鉛)のDPM(Dipivaloylmethane)錯体であるZn(DPM)2などがある。酸素を含む有機金属材料は、酸素(O2)、水蒸気(H2O)、アルコール等には安定であり、反応させるには300℃以上に加熱する必要がある。このように、反応系が全く異なり、装置要件等も異なる。
[Crystal growth material]
In this example, as the organometallic compound material (or organometallic material), a material containing no oxygen atoms in the constituent molecules was used. 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. An example of the organic metal material containing oxygen is Zn (DPM) 2 which is a DPM (Dipivaloylmethane) complex of Zn (zinc). An organometallic material containing oxygen is stable to oxygen (O 2 ), water vapor (H 2 O), alcohol, and the like, and needs to be heated to 300 ° C. or higher for reaction. In this way, the reaction system is completely different, and the apparatus requirements are also different.

本実施例及び比較例においては、DMZnを用いたが、II族材料として、DEZn(ジエチル亜鉛)、Cp2Mg、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)、TEGa、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 and the comparative example, DMZn was used, but DEZn (diethyl zinc), Cp2Mg, MeCp2Mg (bismethylpentadienylmagnesium), EtCp2Mg (bisethylpentadienylmagnesium), etc. are used as the group II material. be able to. In addition, TMGa (trimethylgallium), TEGa, 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、HO(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 greatly 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、HO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、sp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sp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、HO(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HO(超純水)を用いた。 The H 2 O molecule has a tetrahedral structure with a hydrogen atom bond and a lone pair, and an oxide of sp 3 -type hybrid orbital (Zincblende / Cubic) or wurtzite (Wurtzeite / Hexagonal). Crystal growth is an excellent oxygen source that is preferentially oriented and adsorbed to oxygen sites. Similarly, other oxygen sources may be lower alcohols having a large dipole moment and O atoms taking sp 3 type hybrid orbitals. Specifically, as an 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 (ultra pure water) was used.

p型不純物材料としては、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。上記したように、p型不純物源としては、TBP(ターシャリーブチルホスフィン)ガスを用いた。   As the p-type impurity material, 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. As described above, TBP (tertiary butyl phosphine) gas was used as the p-type impurity source.

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、HO(水蒸気)、TBP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、キャリアガスとして、He(ヘリウム)、Ne(ネオン)、Ar(アルゴン)、Kr(クリプトン)、Xe(キセノン)またはN(窒素)などのいわゆる不活性ガスを利用できる。本実施例及び比較例においては、残留O濃度が1ppm未満の高純度N(窒素)ガスを用いた。 As the carrier gas (atmosphere gas), an inert gas that does not react with the crystal growth material described above is suitable. A gas that does not hinder the adsorption of the crystal growth material such as H 2 O (water vapor) or TBP onto the substrate surface is preferable. Specifically, a so-called inert gas such as He (helium), Ne (neon), Ar (argon), Kr (krypton), Xe (xenon) or N 2 (nitrogen) can be used as the carrier gas. In this example and comparative example, high purity N 2 (nitrogen) gas having a residual O 2 concentration of less than 1 ppm was used.

ZnO(酸化亜鉛)基板は、ウルツ鉱(ウルツァイト)構造の結晶で、代表的な基板切り出し面には、{0001}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。また、c面には、Zn極性面(+c面)とO極性面(−c面)がある。   A ZnO (zinc oxide) substrate is a crystal having a wurtzite structure, and typical substrate cut-out surfaces include a c-plane that is a {0001} plane, an a-plane that is a {11-20} plane, {10- There are m-planes that are 10} planes and r-planes that are {10-12} planes. The c-plane includes a Zn polar plane (+ c plane) and an O polar plane (-c plane).

以下に説明する実施例及び比較例においては、水熱合成法(hydrothermal method)で製造されたインゴットより切出されたZnO単結晶基板を用いた。なお、高温熱処理(1000℃以上)等の処理により基板由来の不純物である残留Liの濃度を低減した基板を用いた。   In the examples and comparative examples described below, a ZnO single crystal substrate cut out from an ingot manufactured by a hydrothermal method was used. In addition, the board | substrate which reduced the density | concentration of the residual Li which is an impurity derived from a board | substrate by process, such as high temperature heat processing (1000 degreeC or more) was used.

また、ZnO単結晶基板10として、基板主面(結晶成長面)がZn極性面(+c面)である基板(以下、c面ZnO単結晶基板ともいう。)が好ましい。下記実施例及び比較例においては、結晶成長面がZn極性面である基板を用いた。また、基板主面(結晶成長面)がa軸およびm軸の何れかに傾いた基板であることが好ましい。下記実施例及び比較例においては、具体的には、(0001)面が [10−10]方向に0.5°傾いた基板((0001)0.5°off to [10−10])、いわゆる0.5°オフ基板(あるいは、c面がm軸方向に0.5°傾いた0.5°オフ基板)を用いた。   The ZnO single crystal substrate 10 is preferably a substrate whose main surface (crystal growth surface) is a Zn polar surface (+ c plane) (hereinafter also referred to as a c-plane ZnO single crystal substrate). In the following examples and comparative examples, a substrate whose crystal growth surface is a Zn polar surface was used. Moreover, it is preferable that the substrate main surface (crystal growth surface) be inclined to either the a-axis or the m-axis. In the following examples and comparative examples, specifically, a substrate ((0001) 0.5 ° off to [10-10]) in which the (0001) plane is inclined by 0.5 ° in the [10-10] direction, A so-called 0.5 ° off substrate (or 0.5 ° off substrate with the c-plane inclined 0.5 ° in the m-axis direction) was used.

また、以下に説明する実施例および比較例においては、XRD(100)ωロッキングカーブのFWHMが40arcsec未満のZnO単結晶基板を用いた。   In Examples and Comparative Examples described below, a ZnO single crystal substrate having an XRD (100) ω rocking curve FWHM of less than 40 arcsec was used.

[ZnO単結晶の成長方法]
本実施例においては、まず、XRD(100)ωロッキングカーブのFWHMが40arcsec未満のダメージ層の薄いZnO単結晶基板を選別した。当該選別した基板にエッチングを行い、ダメージ層を除去した。当該エッチングにより良好な表面平坦性が得られた。エッチング液として、EDTA・2Na(エチレンジアミン4酢酸2ナトリウム)0.2mol/L溶液とEDA(エチレンジアミン)の99%溶液を20:1の比で混ぜた混合溶液を用いた。このエッチング液(EDTA・2Na:EDA=20:1)のエッチングレートは0.7μm/hである。なお、当該エッチング液は、特開2007−1787に開示されている。また、エッチング液の混合比は5:1〜30:1程度で良好にエッチングを行うことができる。
[Growth method of ZnO single crystal]
In this example, first, a thin ZnO single crystal substrate with a damaged layer having an XRD (100) ω rocking curve FWHM of less than 40 arcsec was selected. The selected substrate was etched to remove the damaged layer. Good surface flatness was obtained by the etching. As an etching solution, a mixed solution in which a 0.2 mol / L solution of EDTA · 2Na (disodium ethylenediaminetetraacetic acid) and a 99% solution of EDA (ethylenediamine) were mixed at a ratio of 20: 1 was used. The etching rate of this etching solution (EDTA · 2Na: EDA = 20: 1) is 0.7 μm / h. Note that the etching solution is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-1787. Etching can be satisfactorily performed at a mixture ratio of the etching solution of about 5: 1 to 30: 1.

上記エッチング液に、室温で、60分(min)間浸し表面層をエッチングした。その後、水洗にてエッチング液を除去し、有機溶剤洗浄(アセトンまたはアルコール)にて脱水した。最後に、有機溶剤を加熱し、蒸気雰囲気中にて乾燥した。なお、温度および時間等のエッチング条件は、基板表面処理、保管状態により異なる。   The surface layer was etched by immersing in the etching solution at room temperature for 60 minutes (min). Thereafter, the etching solution was removed by washing with water and dehydrated by washing with an organic solvent (acetone or alcohol). Finally, the organic solvent was heated and dried in a steam atmosphere. Etching conditions such as temperature and time vary depending on the substrate surface treatment and storage conditions.

[結晶成長シーケンス及び成長層]
図2は、実施例1の結晶成長シーケンスを示し、該図を参照して本実施例における成長方法について以下に詳細に説明する。
[Crystal growth sequence and growth layer]
FIG. 2 shows the crystal growth sequence of Example 1, and the growth method in this example will be described in detail below with reference to the figure.

まず、表面層をエッチングしたZnO単結晶基板(以下、ZnO基板又は単に基板ともいう。)10を反応容器39内のサセプタ19にセットし、真空に排気後、反応容器圧力を10kPaに調整した(時刻T=T1)。また、回転機構によりZnO基板10を10rpmの回転数で回転した。   First, a ZnO single crystal substrate 10 (hereinafter also referred to as a ZnO substrate or simply a substrate) whose surface layer was etched was set on a susceptor 19 in a reaction vessel 39, and after evacuating to a vacuum, the reaction vessel pressure was adjusted to 10 kPa ( Time T = T1). Further, the ZnO substrate 10 was rotated at a rotation speed of 10 rpm by a rotation mechanism.

次に、第1RUNライン(RUN1)28R及び第2RUNライン(RUN2)29Rからそれぞれ窒素(N)ガスを2000cc/min(合計4000cc/min)の流量でシャワーヘッド30に送気し、ZnO基板10に吹付けた。 Next, nitrogen (N 2 ) gas is supplied from the first RUN line (RUN1) 28R and the second RUN line (RUN2) 29R to the shower head 30 at a flow rate of 2000 cc / min (total 4000 cc / min), and the ZnO substrate 10 Sprayed on.

なお、第1RUNライン(RUN1)28R及び第2RUNライン(RUN2)29Rからシャワーヘッド30に供給するガス流量は、常に一定流量に保った。すなわち、成長待機時及び成長時などにおいて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(RUN1)28R及び第2RUNライン(RUN2)29Rに設けた流量調整装置20C、20Bの流量を増減し、シャワーヘッド30に供給するガス流量を一定に保った。   The gas flow rate supplied to the shower head 30 from the first RUN line (RUN1) 28R and the second RUN line (RUN2) 29R was always kept constant. That is, when the organometallic material gas and the gaseous material are supplied at the time of growth standby and during the growth, the first RUN line (RUN1) 28R and the second RUN line (RUN2) 29R corresponding to the flow rates of the organometallic material gas and the gaseous material. The flow rate of the flow rate adjusting devices 20C and 20B provided in is increased or decreased to keep the gas flow rate supplied to the shower head 30 constant.

次に、基板温度を室温(RT)から昇温を開始するとともにHO(水蒸気)の流量(FH2O)を640μmol/minに調整して第2RUNライン(RUN2)29RからZnO基板10に供給した(T=T2、図中:ON)。そして、基板温度800℃で7min間(T=T3〜T4)の熱処理(サーマルクリーニング)を行った。 Next, the substrate temperature is raised from room temperature (RT) and the flow rate (F H2O ) of H 2 O (water vapor) is adjusted to 640 μmol / min and supplied to the ZnO substrate 10 from the second RUN line (RUN 2) 29R. (T = T2, in the figure: ON). Then, heat treatment (thermal cleaning) was performed at a substrate temperature of 800 ° C. for 7 min (T = T3 to T4).

次に、圧力を80kPaに上昇させ、基板温度が所定の成長温度Tg(本実施例においては、Tg=775℃)になってから1分間待機し、DMZnの流量(FDMZn)を10μmol/minに調整し、ZnO基板10に供給して結晶成長を開始した(T=T5、図中:ON)。30分間の成長時間(層厚0.15μm)が経過した時点(T=T6)でDMZnの供給を停止した(図中:OFF)。このように30分間の成長を行い、図3の断面図に示すように、層厚が0.15μm(マイクロメートル)のアンドープZnO単結晶層11を形成した。次に、30秒(sec)間(T=T6〜T7)、水蒸気(H2O)で熱処理をした後、DMZnの供給(流量10μmol/min)を再開し(図中:ON)、その10秒後にTBPを供給して(T=T8)、90分間の成長時間で層厚が約0.45μmのP(リン)ドープZnO単結晶層12を成長した(T=T8〜T9)。より詳細には、TBPの供給を終了(T=T9)した後、5秒後(T=T10)にDMZnの供給を停止した。 Next, the pressure is increased to 80 kPa, and after waiting for 1 minute after the substrate temperature reaches a predetermined growth temperature Tg (Tg = 775 ° C. in this embodiment), the flow rate of DMZn (F DMZn ) is set to 10 μmol / min. And supplied to the ZnO substrate 10 to start crystal growth (T = T5, ON in the figure). When the growth time of 30 minutes (layer thickness 0.15 μm) had elapsed (T = T6), the supply of DMZn was stopped (in the figure: OFF). Thus, the growth was performed for 30 minutes, and as shown in the cross-sectional view of FIG. 3, an undoped ZnO single crystal layer 11 having a layer thickness of 0.15 μm (micrometer) was formed. Next, after heat treatment with water vapor (H 2 O) for 30 seconds (sec) (T = T6 to T7), the supply of DMZn (flow rate: 10 μmol / min) was restarted (in the figure: ON). TBP was supplied after 2 seconds (T = T8), and a P (phosphorus) -doped ZnO single crystal layer 12 having a layer thickness of about 0.45 μm was grown in a growth time of 90 minutes (T = T8 to T9). More specifically, after the supply of TBP was completed (T = T9), the supply of DMZn was stopped 5 seconds later (T = T10).

なお、P(リン)ドープZnO成長時の成長温度は、好ましくは600℃以上、より好ましくは700℃以上である。この程度の温度で成長すれば、Zn、O、P等及びそれらを供給するための前駆体のマイグレーションが十分に大きくなり、成長面の各元素の安定結合位置により結合しやすくなるためである。更に、P(リン)ドープZnO成長時の成長温度は、好ましくは850℃以下、より好ましくは830℃以下である。この温度を超えて成長させようとしても、層状ではなく島状にZnO結晶が成長してしまう場合があるからである。   The growth temperature during the growth of P (phosphorus) -doped ZnO is preferably 600 ° C. or higher, more preferably 700 ° C. or higher. This is because if the growth is carried out at such a temperature, the migration of Zn, O, P, etc. and the precursor for supplying them becomes sufficiently large, and it becomes easier to bond due to the stable bonding position of each element on the growth surface. Furthermore, the growth temperature during the growth of P (phosphorus) -doped ZnO is preferably 850 ° C. or lower, more preferably 830 ° C. or lower. This is because the ZnO crystal may grow in an island shape rather than a layer shape even if it is attempted to grow beyond this temperature.

なお、TBPの供給量(FTBP)を、0.1nmol/min、1.0nmol/min、10.2nmol/min、49.9nmol/min、102nmol/minとした5回の成長を行い、これら5つの成長層付き基板15について分析・評価を行った。 The TBP supply amount (F TBP ) was set to 0.1 nmol / min, 1.0 nmol / min, 10.2 nmol / min, 49.9 nmol / min, and 102 nmol / min. Analysis and evaluation were performed on two substrates 15 with growth layers.

また、TBPの供給開始(T=T8)の前に10秒間のアンドープZnO結晶薄膜の成長(層厚、0.83nm)がなされるが、説明及び理解の容易さのため、以下においては当該薄膜を含めて、P(リン)ドープZnO単結晶層12として説明する。   In addition, an undoped ZnO crystal thin film is grown (layer thickness, 0.83 nm) for 10 seconds before the start of supply of TBP (T = T8). Will be described as a P (phosphorus) -doped ZnO single crystal layer 12.

結晶成長が終了(T=T10)した後、圧力を80kPaに保ったまま、基板温度が200℃に低下するまで水蒸気(HO)を流しながら冷却した(T=T10〜T11)。その後、圧力をポンプ真空(〜10−1Pa程度)まで減圧し、同時にHOの供給を停止した。基板温度が室温になるまで待ち成長を終了した。なお、冷却中の圧力減圧とHO供給停止は、室温(RT)まで待ってから切換えても良い。 After the completion of crystal growth (T = T10), while maintaining the pressure at 80 kPa, cooling was performed while flowing water vapor (H 2 O) until the substrate temperature decreased to 200 ° C. (T = T10 to T11). Thereafter, the pressure was reduced to a pump vacuum (about 10 −1 Pa), and the supply of H 2 O was stopped at the same time. The growth was completed until the substrate temperature reached room temperature. Note that the pressure reduction during cooling and the H 2 O supply stop may be switched after waiting to room temperature (RT).

上記したMOCVD装置を用い、実施例1の結晶成長シーケンス(図2)と同様な成長シーケンスによりZnO単結晶基板上にZnO単結晶の成長を行った。実施例2においては、TBPの流量を一定とし、水蒸気(H2O)の流量(FH2O)を120,320,640μmol/minとした3回の成長を行い、これら3つの成長層付き基板15について分析・評価を行った。 Using the MOCVD apparatus described above, a ZnO single crystal was grown on a ZnO single crystal substrate by a growth sequence similar to the crystal growth sequence of Example 1 (FIG. 2). In Example 2, the TBP flow rate is kept constant, and the water vapor (H 2 O) flow rate (F H2O ) is 120, 320, 640 μmol / min. Analysis and evaluation were conducted.

より詳細には、成長温度Tgを775℃とし、水蒸気(H2O)を供給しつつ(流量FH2O=120又は320又は640μmol/min)、DMZnの流量(FDMZn)を10μmol/minとして、30分間の成長時間でアンドープZnO単結晶層11(層厚0.15μm)を成長した。次に、DMZnの供給を30秒間停止しつつ(図2、OFF)、水蒸気雰囲気下で熱処理をした後、DMZnの供給(流量10μmol/min)を再開し、その10秒後にTBPを供給して(流量49.9nmol/min)、90分間の成長時間でP(リン)ドープZnO単結晶層12(層厚0.45μm)を成長した。 More specifically, while setting the growth temperature Tg to 775 ° C. and supplying water vapor (H 2 O) (flow rate F H2O = 120 or 320 or 640 μmol / min), the flow rate of DMZn (F DMZn ) is set to 10 μmol / min. An undoped ZnO single crystal layer 11 (layer thickness: 0.15 μm) was grown with a growth time of 30 minutes. Next, while the supply of DMZn was stopped for 30 seconds (FIG. 2, OFF), after heat treatment in a steam atmosphere, the supply of DMZn (flow rate 10 μmol / min) was restarted, and 10 seconds later, TBP was supplied. A P (phosphorus) -doped ZnO single crystal layer 12 (layer thickness: 0.45 μm) was grown at a growth rate of 90 minutes (flow rate: 49.9 nmol / min).

上記したMOCVD装置を用い、実施例1の結晶成長シーケンス(図2)と同様な成長シーケンスによりZnO単結晶基板上にZnO単結晶の成長を行った。実施例3においては、DMZnの流量(FDMZn)を2.5,5.0,10μmol/minとした3回の成長を行い、これら3つの成長層付き基板15について分析・評価を行った。 Using the MOCVD apparatus described above, a ZnO single crystal was grown on a ZnO single crystal substrate by a growth sequence similar to the crystal growth sequence of Example 1 (FIG. 2). In Example 3, the growth was performed three times with the flow rate of DMZn (F DMZn ) being 2.5, 5.0, and 10 μmol / min, and analysis and evaluation of these three growth layer-attached substrates 15 were performed.

より詳細には、成長温度Tgを775℃とし、水蒸気(H2O)を供給しつつ(流量640μmol/min)、DMZnを供給して(流量:10μmol/min)、30分間の成長時間でアンドープZnO単結晶層11(層厚0.15μm)を成長した。次に、DMZnの供給を30秒間停止しつつ、水蒸気雰囲気下で熱処理をした後、DMZnの供給(流量:2.5又は5.0又は10μmol/min)を再開し、その10秒後にTBPを供給して(流量49.9nmol/min)、DMZnの供給流量に反比例させた成長時間(360又は180又は90分間)でP(リン)ドープZnO単結晶層12(層厚0.45μm)を成長した。 More specifically, the growth temperature Tg is set to 775 ° C., water vapor (H 2 O) is supplied (flow rate 640 μmol / min), DMZn is supplied (flow rate: 10 μmol / min), and undoped with a growth time of 30 minutes. A ZnO single crystal layer 11 (layer thickness: 0.15 μm) was grown. Next, after stopping the supply of DMZn for 30 seconds and performing heat treatment in a water vapor atmosphere, the supply of DMZn (flow rate: 2.5 or 5.0 or 10 μmol / min) was restarted, and TBP was turned on 10 seconds later. Supply (flow rate 49.9 nmol / min) and grow P (phosphorus) doped ZnO single crystal layer 12 (layer thickness 0.45 μm) with growth time (360, 180 or 90 minutes) inversely proportional to DMZn supply flow rate did.

上記したMOCVD装置を用い、実施例1の結晶成長シーケンス(図2)と同様な成長シーケンスによりZnO単結晶基板上にZnO単結晶の成長を行った。実施例4においては、P(リン)ドープZnO単結晶層12の成長において、TBPの流量を変化させつつ結晶成長を行った。   Using the MOCVD apparatus described above, a ZnO single crystal was grown on a ZnO single crystal substrate by a growth sequence similar to the crystal growth sequence of Example 1 (FIG. 2). In Example 4, in the growth of the P (phosphorus) doped ZnO single crystal layer 12, the crystal growth was performed while changing the flow rate of TBP.

より詳細には、成長温度Tgを775℃とし、水蒸気(H2O)を供給しつつ(流量640μmol/min)、DMZnを供給して(流量10μmol/min)、30分間の成長時間でアンドープZnO単結晶層11(層厚0.15μm)を成長した。次に、DMZnの供給を30秒間停止しつつ、水蒸気雰囲気下で熱処理をした後、DMZnの供給(流量10μmol/min)を再開し、その10秒後にTBPを供給し、90分間の成長時間でP(リン)ドープZnO単結晶層12(層厚0.45μm)を成長した。ここで、P(リン)ドープZnO単結晶層12の成長において、成長開始から終了までの時間にわたり、TBPの流量を0.1nmol/minから50nmol/minにリニアに増加させて結晶成長(以下、TBPグレーデッド成長ともいう。)を行った。 More specifically, the growth temperature Tg is set to 775 ° C., while supplying water vapor (H 2 O) (flow rate 640 μmol / min) and DMZn (flow rate 10 μmol / min), undoped ZnO with a growth time of 30 minutes. A single crystal layer 11 (layer thickness: 0.15 μm) was grown. Next, after heat treatment was performed in a water vapor atmosphere while stopping the supply of DMZn for 30 seconds, the supply of DMZn (flow rate 10 μmol / min) was resumed, and TBP was supplied 10 seconds later, with a growth time of 90 minutes. A P (phosphorus) -doped ZnO single crystal layer 12 (layer thickness: 0.45 μm) was grown. Here, in the growth of the P (phosphorus) -doped ZnO single crystal layer 12, the TBP flow rate is linearly increased from 0.1 nmol / min to 50 nmol / min over the time from the start to the end of the crystal growth (hereinafter referred to as the following). Also called TBP graded growth).

[比較例1,2]
上記した実施例1〜4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。
[Comparative Examples 1 and 2]
In order to evaluate the ZnO-based single crystal layers grown in Examples 1 to 4 described above, crystal growth was performed as a comparative example using the following growth method and growth conditions.

[比較例1]
比較例1においては、実施例1におけるP(リン)ドープZnO単結晶層12の代わりにアンドープZnO単結晶層を成長した点を除いて実施例1と同じであった。すなわち、実施例1におけるP(リン)ドープZnO単結晶層12の成長工程において、TBPを供給しなかった点を除いて、ZnO基板、基板のエッチング処理、成長材料、成長シーケンス(図2)及び成長条件などの成長方法は実施例1の場合と同じであった。
[Comparative Example 1]
Comparative Example 1 was the same as Example 1 except that an undoped ZnO single crystal layer was grown instead of the P (phosphorus) doped ZnO single crystal layer 12 in Example 1. That is, except that TBP was not supplied in the growth process of the P (phosphorus) -doped ZnO single crystal layer 12 in Example 1, the ZnO substrate, the substrate etching process, the growth material, the growth sequence (FIG. 2) and Growth methods such as growth conditions were the same as those in Example 1.

[比較例2]
比較例2においては、水蒸気の流量に対するTBPの流量の比(モル流量比)Pgo(=FTBP/FH2O)が4つの場合の結晶成長を行った点を除いて実施例1と同じであった。より詳細には、TBPの流量を1020nmol/minとし、この場合に水蒸気の流量を120μmol/min、320μmol/minとした成長(それぞれPgo=8.5×10-3,Pgo=3.2×10-3)、及びTBPの流量を6020nmol/minとし、この場合に水蒸気の流量を120μmol/min、640μmol/minとした成長(それぞれPgo=5.0×10-2,Pgo=9.4×10-3)の4回の成長を行い、これら4つの場合について分析・評価を行った。
[Comparative Example 2]
Comparative Example 2 was the same as Example 1 except that crystal growth was performed when the ratio of the flow rate of TBP to the flow rate of water vapor (molar flow rate ratio) Pgo (= F TBP / F H2O ) was four. It was. More specifically, the growth was performed with a TBP flow rate of 1020 nmol / min, in which case the water vapor flow rate was 120 μmol / min and 320 μmol / min (Pgo = 8.5 × 10 −3 and Pgo = 3.2 × 10 −3, respectively ). And TBP flow rate of 6020 nmol / min, and in this case, water vapor flow rates of 120 μmol / min and 640 μmol / min (Pgo = 5.0 × 10 −2 and Pgo = 9.4 × 10 −3 ), respectively. The four cases were analyzed and evaluated.

[結晶成長層の分析・評価方法]
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。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。
[Analysis and Evaluation Method for Crystal Growth Layer]
The surface morphology was evaluated by a differential polarization microscope, SEM (Scanning Electron Microscope) and AFM (Atomic Force Microscope). 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).

なお、XRD分析において、上記実施例および比較例ではc面ZnO単結晶基板上にZnO系結晶層を成長したので、XRDの2θ測定およびω(ロッキングカーブ)測定を行い、c軸長については(002)2θで、配向性(チルティング、ツイスティングの程度)については(002)ω、(100)ω の半値幅(FWHM:full width at half maximum)で評価した。   In the XRD analysis, since the ZnO-based crystal layer was grown on the c-plane ZnO single crystal substrate in the above examples and comparative examples, XRD 2θ measurement and ω (rocking curve) measurement were performed. (002) 2θ, and the orientation (degree of tilting and twisting) was evaluated by the full width at half maximum (FWHM) of (002) ω and (100) ω.

[結晶成長層の分析・評価結果]
下記の表1は、実施例1によるP(リン)ドープZnO結晶層(E1-1、E1-2、E1-3、E1-4、E1-5)の成長条件、評価結果を示している。
[Results of analysis and evaluation of crystal growth layer]
Table 1 below shows the growth conditions and evaluation results of the P (phosphorus) -doped ZnO crystal layer (E1-1, E1-2, E1-3, E1-4, E1-5) according to Example 1.

図4は、実施例1による成長層のSIMS分析の結果であり、TBPの供給量(FTBP)に対するP(リン)ドープZnO単結晶層12のP(リン)濃度(atoms/cm3)を示す図である。なお、図中、1Enは指数表記であり、例えば、1E+17は1×1017を表している。TBPの供給量(FTBP)を0.1nmol/minから102nmol/minまで増加させると、P濃度は、当該TBPの供給量(FTBP)に応じて2.0×1016(atoms/cm3)から1.4×1018(atoms/cm3)まで増加することがわかった。 FIG. 4 shows the result of SIMS analysis of the growth layer according to Example 1, and shows the P (phosphorus) concentration (atoms / cm 3 ) of the P (phosphorus) doped ZnO single crystal layer 12 with respect to the TBP supply amount (F TBP ). FIG. In the figure, 1En is an index notation, and for example, 1E + 17 represents 1 × 10 17 . When the supply amount of TBP (F TBP ) is increased from 0.1 nmol / min to 102 nmol / min, the P concentration becomes 2.0 × 10 16 (atoms / cm 3 ) depending on the supply amount of TBP (F TBP ). ) To 1.4 × 10 18 (atoms / cm 3 ).

図5は、実施例1によるP(リン)ドープZnO単結晶層12のSEM像の一例を示し、TBPの供給量FTBP=49.9 nmol/minで成長を行ったP(リン)ドープZnO単結晶層12の表面のSEM像である。ナノカラムやウイスカーなどは見られず、二次元成長し、非常に平坦な層状かつ良好な表面モフォロジを有していることが確認された。なお、ピットが観察されるが、基板由来(すなわち、欠陥等)によるピットであり、成膜が原因ではない。すなわち、基板品質が向上すれば減少または消滅する。 FIG. 5 shows an example of an SEM image of the P (phosphorus) -doped ZnO single crystal layer 12 according to Example 1, and a P (phosphorus) -doped ZnO single crystal grown at a TBP supply rate F TBP = 49.9 nmol / min. 2 is an SEM image of the surface of a layer 12. No nanocolumns or whiskers were observed, and it was confirmed that the two-dimensional growth had a very flat layered shape and a good surface morphology. Although pits are observed, the pits originate from the substrate (that is, defects and the like) and are not caused by film formation. That is, it decreases or disappears when the substrate quality is improved.

図6及び図7は、それぞれ実施例1による成長層のXRD測定結果であり、(002)面及び(100)面のロッキングカーブを示し、図8及び図9は、それぞれ比較例1の(002)面及び(100)面のロッキングカーブを示している。実施例1によるP(リン)ドープのZnO結晶(図において、”ZnO:P”と表記)の(002)面のロッキングカーブの半値幅(FWHM:full width at half maximum)は29.3 arcsecであり、比較例1のアンドープのZnO結晶の29.3 arcsec(図8)と比較すると、P(リン)をドーピングしても結晶性及び配向性に乱れがないことが確認された。また、同様に(100)面ロッキングカーブの半値幅についても、実施例1の半値幅は29.7 arcsec、比較例1の半値幅31.8 arcsecであり、Pドーピングによる結晶性及び配向性を低下させる影響はないことが確認された。   6 and 7 are XRD measurement results of the growth layer according to Example 1, respectively, showing rocking curves of the (002) plane and (100) plane, and FIGS. 8 and 9 are (002) of Comparative Example 1 respectively. ) Surface and (100) surface rocking curves. The full width at half maximum (FWHM) of the rocking curve of the (002) plane of the P (phosphorus) doped ZnO crystal according to Example 1 (denoted as “ZnO: P” in the figure) is 29.3 arcsec, When compared with 29.3 arcsec (FIG. 8) of the undoped ZnO crystal of Comparative Example 1, it was confirmed that there was no disorder in crystallinity and orientation even when P (phosphorus) was doped. Similarly, with respect to the half width of the (100) plane rocking curve, the half width of Example 1 is 29.7 arcsec and the half width of Comparative Example 1 is 31.8 arcsec. Not confirmed.

つまり、結晶性が低下すると半値幅が広がってしまうが、実施例1では全く劣化が見られない。通常、ZnO結晶は結晶性が悪化するとn型の残留キャリア濃度が高くなるが、本実施例においては劣化なく、すなわちP(リン)をドーピングすることでp型化を阻害するn型キャリアの発生を抑えて、ドーピングできているものと考えられる。   That is, when the crystallinity is lowered, the full width at half maximum is increased, but in Example 1, no deterioration is observed at all. Normally, when the crystallinity of ZnO crystal deteriorates, the n-type residual carrier concentration increases, but in this embodiment, there is no deterioration, that is, generation of n-type carriers that inhibit p-type formation by doping P (phosphorus). It is considered that doping is possible while suppressing this.

下記の表2は、実施例2によるP(リン)ドープZnO結晶層(E2-1、E2-2、E2-3)の成長条件、評価結果を示している。   Table 2 below shows the growth conditions and evaluation results of the P (phosphorus) -doped ZnO crystal layer (E2-1, E2-2, E2-3) according to Example 2.

図10は、実施例2のSIMS分析の結果を示し、水蒸気(H2O)の流量(FH2O)に対するP(リン)濃度(atoms/cm3)の依存性を示す図である。TBPの供給量(流量49.9nmol/min)を一定とし、水蒸気(H2O)の供給量を変化させてもZnO結晶中にPをドーピングすることができた。なお、P濃度は、2.0×1018 atoms/cm3(FH2O=120μmol/min)、1.2×1018 atoms/cm3(FH2O=320μmol/min)、1.0×1018 atoms/cm3(FH2O=640μmol/min)であった。また、水蒸気(H2O)の供給量に反比例してZnO中のP濃度が変化することがわかった。実施例2においても、実施例1と同様に、表面モフォロジやXRDからみた結晶性も良好な、二次元成長で、平坦な単結晶膜を成長させることができた。 FIG. 10 shows the results of SIMS analysis in Example 2, and shows the dependence of P (phosphorus) concentration (atoms / cm 3 ) on the flow rate (F H2O ) of water vapor (H 2 O). Even if the supply amount of TBP (flow rate 49.9 nmol / min) was kept constant and the supply amount of water vapor (H 2 O) was changed, P could be doped into the ZnO crystal. The P concentration is 2.0 × 10 18 atoms / cm 3 (F H2O = 120 μmol / min), 1.2 × 10 18 atoms / cm 3 (F H2O = 320 μmol / min), 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 (F H2O = 640 μmol / min). It was also found that the P concentration in ZnO changes in inverse proportion to the amount of water vapor (H 2 O) supplied. In Example 2, as in Example 1, a flat single crystal film could be grown by two-dimensional growth with good crystallinity in terms of surface morphology and XRD.

下記の表3は、実施例3によるP(リン)ドープZnO結晶層(E3-1、E3-2、E3-3)の成長条件、評価結果を示している。   Table 3 below shows the growth conditions and evaluation results of the P (phosphorus) -doped ZnO crystal layer (E3-1, E3-2, E3-3) according to Example 3.

図11は、実施例3のSIMS分析の結果を示し、DMZnの流量(FDMZn)に対するP(リン)濃度(atoms/cm3)の依存性を示す図である。TBPの供給量(流量49.9nmol/min)を一定とし、DMZnの供給量を変化させてもZnO結晶中にPをドーピングすることができた。なお、P濃度は、2.0×1017 atoms/cm3(FDMZn=10μmol/min)、1.8×1017 atoms/cm3(FDMZn=5.0μmol/min)、2.1×1017 atoms/cm3(FDMZn=2.5μmol/min)であった。このように、ZnO中のP濃度はDMZnの供給量に依存せず、ほぼ一定であった。実施例3においても、実施例1と同様に、表面モフォロジやXRDの点からも結晶性の良好な、二次元成長で、平坦な単結晶膜を成長することができた。 FIG. 11 shows the results of SIMS analysis in Example 3, and shows the dependence of the P (phosphorus) concentration (atoms / cm 3 ) on the flow rate of DMZn (F DMZn ). Even if the supply amount of TBP (flow rate 49.9 nmol / min) was constant and the supply amount of DMZn was changed, P could be doped into the ZnO crystal. The P concentration is 2.0 × 10 17 atoms / cm 3 (F DMZn = 10 μmol / min), 1.8 × 10 17 atoms / cm 3 (F DMZn = 5.0 μmol / min), 2.1 × 10 17 atoms / cm 3 ( F DMZn = 2.5 μmol / min). Thus, the P concentration in ZnO was almost constant without depending on the supply amount of DMZn. In Example 3, as in Example 1, a flat single crystal film having good crystallinity and two-dimensional growth could be grown from the viewpoint of surface morphology and XRD.

上記したように、実施例1〜3から以下のことが分かった。
(1) 実施例1から、結晶中のP濃度はTBPの供給量(FTBP)に比例して変化する。
(2) 実施例2から、結晶中のP濃度は水蒸気(H2O)の供給量(FH2O)に反比例して変化する。
(3) 実施例3から、結晶中のP濃度はDMZnの供給量(FDMZn)に依存せず、一定である。
As described above, the following was found from Examples 1 to 3.
(1) From Example 1, the concentration of P in the crystal changes in proportion to the supply amount of TBP (F TBP ).
(2) From Example 2, the P concentration in the crystal changes in inverse proportion to the supply amount of steam (H 2 O) (F H2O ).
(3) From Example 3, the P concentration in the crystal does not depend on the supply amount of DMZn (F DMZn ) and is constant.

このように、結晶中のP(リン)濃度はTBPの供給量に応じて変化する。しかしながら、実施例2および実施例3の関係から水蒸気(H2O)の供給量に対するTBPの供給量のみで、結晶中のP濃度は決まっていることが分かる。図12は、ZnO結晶中のP濃度をPgo(=FTBP/FH2O)に対してプロットした図である。このように、ZnO結晶中のP濃度は、水蒸気の流量に対するTBPの流量の比(モル流量比)であるPgo(=FTBP/FH2O)によって制御することができることがわかった。 Thus, the P (phosphorus) concentration in the crystal changes according to the supply amount of TBP. However, it can be seen from the relationship between Example 2 and Example 3 that the P concentration in the crystal is determined only by the supply amount of TBP relative to the supply amount of water vapor (H 2 O). FIG. 12 is a diagram in which the P concentration in the ZnO crystal is plotted against Pgo (= F TBP / F H2O ). Thus, it was found that the P concentration in the ZnO crystal can be controlled by Pgo (= F TBP / F H2O ), which is the ratio of the flow rate of TBP to the flow rate of water vapor (molar flow rate ratio).

例えば、実施例3のようにDMZnの供給量を増減させても、Pgoが一定ならば結晶中のP濃度は変化しない。ZnO結晶は、酸素が不足すると酸素欠損により、n型の残留キャリア(電子)密度が高くなりやすい。すなわち、酸素欠損ができにくいようにFH2Oを増加(すなわち、VI/II比を増加)させた場合においても、Pgoを一定にすること(例えば、H2Oを増加させた場合、TBPも増加させる)により、結晶中のP濃度を一定にすることができる。 For example, even if the supply amount of DMZn is increased or decreased as in Example 3, the P concentration in the crystal does not change if Pgo is constant. In a ZnO crystal, when oxygen is insufficient, the n-type residual carrier (electron) density tends to increase due to oxygen deficiency. That is, even when F H2O is increased (that is, the VI / II ratio is increased) so that oxygen deficiency is difficult to occur, Tgo also increases when Tgo is increased (for example, when H 2 O is increased). The concentration of P in the crystal can be made constant.

また、リン(P)は酸素(O)と化合して燐酸化合物を作る。結晶中に燐酸化合物ができる場合、PがZnサイトに入る可能性が高い。この場合、Pはn型不純物として働くので、好ましくない。しかし、実施例2,3の関係、すなわちPgo(=FTBP/FH2O)の関係から、PはOサイトに置換していると言える。よって、酸素の入っていないZn化合物(DMZn)と水蒸気(H2O)からZnO結晶を成長するMOCVD法において、p型ドーパントとして分子構造中に酸素原子を含まない不純物原料が適していると考えられる。特に、本発明に関わる実験の結果から、酸素を含まないTBPは適した材料であることが分かった。 Phosphorus (P) combines with oxygen (O) to form a phosphoric acid compound. When a phosphoric acid compound is formed in the crystal, P is likely to enter the Zn site. In this case, since P works as an n-type impurity, it is not preferable. However, from the relationship between Examples 2 and 3, that is, the relationship of Pgo (= F TBP / F H2O ), it can be said that P is replaced with an O site. Therefore, in the MOCVD method for growing a ZnO crystal from Zn compound (DMZn) and water vapor (H 2 O) containing no oxygen, an impurity material that does not contain an oxygen atom in the molecular structure is suitable as a p-type dopant. It is done. In particular, from the results of experiments related to the present invention, it was found that oxygen-free TBP is a suitable material.

図13は、実施例4により成長(TBPグレーデッド成長)した成長層のSIMS結果であり、成長層表面からの深さ方向のP濃度プロファイルを示している。上記したように、水蒸気(H2O)の流量(FH2O)を640μmol/minの一定とし、TBPの流量を0.1nmol/min(成長開始時)から50nmol/min(成長終了時)にリニアに増加させて結晶成長(TBPグレーデッド成長)を行った。すなわち、Pgo(=FTBP/FH2O)を1.6×10−7(成長開始時)から1.6×10−4(成長終了時)に増加させて結晶成長を行った。図13に示すように、Pgoの増加に従い、P濃度は2.0×10−6 atoms/cm3から1.4×1018 atoms/cm3に増加することが分かった。上記実施例と同様に、表面モフォロジやXRDの点からも結晶性の良好な、平坦な単結晶膜を成長することができた。なお、Pgoは、P濃度が実用的であるとの観点から1.6×10−7以上であることが好ましい。 FIG. 13 is a SIMS result of the growth layer grown according to Example 4 (TBP graded growth), and shows a P concentration profile in the depth direction from the growth layer surface. As described above, the water vapor (H 2 O) flow rate (F H2O ) is constant at 640 μmol / min, and the TBP flow rate is linear from 0.1 nmol / min (at the start of growth) to 50 nmol / min (at the end of growth). And crystal growth (TBP graded growth) was performed. That is, crystal growth was performed by increasing Pgo (= F TBP / F H2O ) from 1.6 × 10 −7 (at the start of growth) to 1.6 × 10 −4 (at the end of growth). As shown in FIG. 13, it was found that the P concentration increases from 2.0 × 10 −6 atoms / cm 3 to 1.4 × 10 18 atoms / cm 3 as Pgo increases. Similar to the above examples, a flat single crystal film with good crystallinity could be grown from the viewpoint of surface morphology and XRD. Pgo is preferably 1.6 × 10 −7 or more from the viewpoint that the P concentration is practical.

上記実施例においては、775℃いう高温で成長を行っており、ZnO結晶成長中でのPの拡散が予想される。本実施例からわかるように、TBPの供給量(又はPgo)によってPの拡散を抑制すること、及びP濃度を制御することができる。例えば、アンドープの活性層に対しては、活性層近傍でPgoを低減することによりPの拡散を抑制し、あるいはコンタクト層の電極近傍では高濃度にすることが可能である。   In the above example, the growth is performed at a high temperature of 775 ° C., and P diffusion during the growth of the ZnO crystal is expected. As can be seen from this example, the diffusion of P can be suppressed and the P concentration can be controlled by the supply amount of TBP (or Pgo). For example, for an undoped active layer, it is possible to suppress P diffusion by reducing Pgo in the vicinity of the active layer, or to increase the concentration in the vicinity of the electrode of the contact layer.

次に、下記の表4に比較例2のP(リン)ドープZnO結晶層(C2-1、C2-2、C2-3、C2-4)の成長条件、表面モフォロジの評価結果をまとめて示す。   Table 4 below summarizes the growth conditions and surface morphology evaluation results of the P (phosphorus) -doped ZnO crystal layer (C2-1, C2-2, C2-3, C2-4) of Comparative Example 2. .

図14は、比較例2の成長層C2-1のSEM像を示している。また、図15及び図16は、それぞれ比較例2の成長層C2-1の(002)ω及び(100)ωロッキングカーブを示している。(002)ωロッキングカーブの半値幅は54.2 arcsecであり、(100)ωロッキングカーブの半値幅は403.5 arcsecであり、上記実施例と比較して結晶性は劣化している。このように、Pgo(=FTBP/FH2O)を3.2×10−3 以上とすると結晶は多結晶化し、表面モフォロジは島状又は液滴状であった。従って、平坦で結晶性が良好なPドープZnO結晶を成長するには、Pgoは3.2×10−3未満である必要がある。 FIG. 14 shows an SEM image of the growth layer C2-1 of Comparative Example 2. 15 and 16 show the (002) ω and (100) ω rocking curves of the growth layer C2-1 of Comparative Example 2, respectively. The half width of the (002) ω rocking curve is 54.2 arcsec, the half width of the (100) ω rocking curve is 403.5 arcsec, and the crystallinity is degraded as compared with the above example. Thus, when Pgo (= F TBP / F H2O ) was set to 3.2 × 10 −3 or more, the crystal was polycrystallized, and the surface morphology was an island shape or a droplet shape. Therefore, in order to grow a P-doped ZnO crystal having good flatness and crystallinity, Pgo needs to be less than 3.2 × 10 −3 .

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、分子構造中に酸素原子を含まない有機金属化合物と水蒸気(H2O)を用いたMOCVD法により、酸素を含まない燐系化合物(TBP)をドーパントとして用いて良好な結晶性の、P(リン)ドープZnO系結晶の成長を行うことができる。また、本発明によれば、水蒸気(H2O)の供給量に対するTBPの供給量の比でZnO結晶中のP濃度を制御できる。さらに、Pgoが3.2×10−3未満で結晶の良好なP(リン)ドープZnO結晶を得ることができる。775℃の高温成長においても、Pの拡散を制御し、低濃度から高濃度まで制御性よくPドープZnO結晶を成長することができる。 As described above in detail, according to the present invention, an oxygen-free phosphorus compound (TBP) is formed by MOCVD using an organometallic compound that does not contain an oxygen atom in its molecular structure and water vapor (H 2 O). ) Can be used as a dopant to grow a P (phosphorus) -doped ZnO-based crystal having good crystallinity. Further, according to the present invention, the P concentration in the ZnO crystal can be controlled by the ratio of the supply amount of TBP to the supply amount of water vapor (H 2 O). Furthermore, a P (phosphorus) -doped ZnO crystal having a good crystal with Pgo of less than 3.2 × 10 −3 can be obtained. Even at a high temperature growth of 775 ° C., P-doped ZnO crystal can be grown with good controllability from a low concentration to a high concentration by controlling the diffusion of P.

5 MOCVD装置
10 基板
11 ZnO成長層
12 P(リン)ドープZnO単結晶層
5 MOCVD apparatus 10 substrate 11 ZnO growth layer 12 P (phosphorus) doped ZnO single crystal layer

Claims (4)

MOCVD法によりZnO単結晶の基板上にZnO系結晶層を成長する方法であって、
分子構造中に酸素原子を含まない有機金属化合物と極性酸素材料とを用いてZnO系結晶層を成長する単結晶成長工程を有し、
前記単結晶成長工程は、TBP(ターシャリーブチルホスフィン)ガスを供給する工程を含むことを特徴とする方法。
A method of growing a ZnO-based crystal layer on a ZnO single crystal substrate by MOCVD,
A single crystal growth step of growing a ZnO-based crystal layer using an organometallic compound that does not contain an oxygen atom in the molecular structure and a polar oxygen material;
The single crystal growth step includes a step of supplying TBP (tertiary butylphosphine) gas.
前記極性酸素材料は水蒸気(H2O)であり、前記水蒸気に対する前記TBPのモル流量比が1.6×10−7以上で3.2×10−3未満であることを特徴とする請求項1に記載の方法。 The polar oxygen material is water vapor (H 2 O), and a molar flow rate ratio of the TBP to the water vapor is 1.6 × 10 −7 or more and less than 3.2 × 10 −3. The method according to 1. 前記極性酸素材料は水蒸気(H2O)であり、前記水蒸気に対する前記TBPのモル流量比が1.6×10−7以上で1.6×10−4以下であることを特徴とする請求項1に記載の方法。 The polar oxygen material is water vapor (H 2 O), and a molar flow rate ratio of the TBP to the water vapor is 1.6 × 10 −7 or more and 1.6 × 10 −4 or less. The method according to 1. 前記単結晶成長工程は、600℃以上850℃以下でZnO系単結晶を成長する工程であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the single crystal growth step is a step of growing a ZnO-based single crystal at 600 ° C. or higher and 850 ° C. or lower.
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