JP2014027135A - p-TYPE ZnO-BASED SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL LAYER, AND ZnO-BASED SEMICONDUCTOR ELEMENT - Google Patents

p-TYPE ZnO-BASED SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL LAYER, AND ZnO-BASED SEMICONDUCTOR ELEMENT Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a p-type ZnO-based semiconductor single crystal layer doped with Cu or/and Ag with high concentration and uniformly in the thickness direction.SOLUTION: In the p-type ZnO-based semiconductor single crystal layer where (i) a group IB element of Cu or/and Ag, and (ii) one or more group IIIB element selected from a group consisting of B, Ga, Al and In are codoped, the concentration of group IB element is 1×10cmor more, and substantially constant in the thickness direction of layer.

Description

本発明は、p型ZnO系半導体単結晶層、及び、ZnO系半導体素子に関する。   The present invention relates to a p-type ZnO-based semiconductor single crystal layer and a ZnO-based semiconductor element.

酸化亜鉛(ZnO)は、室温で3.37eVのバンドギャップエネルギを持つ直接遷移型の半導体で、励起子の束縛エネルギーが60meVと比較的大きい。また原材料が安価であるとともに、環境や人体への影響が少ないという特徴を有する。このためZnOを用いた高効率、低消費電力で環境性に優れた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 has a relatively high exciton binding energy of 60 meV. In addition, the raw materials are inexpensive and have a feature of little influence on the environment and the human body. For this reason, realization of a light-emitting element using ZnO with high efficiency, low power consumption and excellent environmental performance is expected.

しかしながらZnO系半導体は、強いイオン性に起因する自己補償効果のために、p型の導電型制御が困難である。たとえばアクセプタ不純物として、N、P、As、SbなどのVA族元素、Li、Na、KなどのIA族元素、Cu、Ag、AuなどのIB族元素を用い、実用的な性能をもつp型ZnO系半導体の研究が行われている(たとえば特許文献1〜5参照)。   However, the ZnO-based semiconductor is difficult to control the p-type conductivity because of the self-compensation effect due to strong ionicity. For example, as an acceptor impurity, a p-type having practical performance using a group VA element such as N, P, As, and Sb, a group IA element such as Li, Na, and K, and a group IB element such as Cu, Ag, and Au. Research on ZnO-based semiconductors has been conducted (see, for example, Patent Documents 1 to 5).

特開2001−48698号公報JP 2001-48698 A 特開2001−68707号公報JP 2001-68707 A 特開2004−221132号公報JP 2004-221132 A 特開2009−256142号公報JP 2009-256142 A 特許第4365530号公報Japanese Patent No. 4365530

本発明の目的は、Cuまたは/及びAgが、高濃度に、かつ、厚さ方向に均一にドープされたp型ZnO系半導体単結晶層を提供することである。   An object of the present invention is to provide a p-type ZnO-based semiconductor single crystal layer in which Cu or / and Ag are uniformly doped in a high concentration and in the thickness direction.

また、該p型ZnO系半導体単結晶層を備えるZnO系半導体素子を提供することである。   Moreover, it is providing the ZnO type | system | group semiconductor element provided with this p-type ZnO type semiconductor single crystal layer.

本発明の一観点によれば、(i)Cuまたは/及びAgであるIB族元素と、(ii)B、Ga、Al、及びInからなる群より選択される一以上のIIIB族元素とが共ドープされたp型ZnO系半導体単結晶層であって、前記IB族元素の濃度は、1×1019cm−3以上であり、層の厚さ方向にほぼ一定であるp型ZnO系半導体単結晶層が提供される。 According to one aspect of the present invention, (i) a group IB element that is Cu or / and Ag, and (ii) one or more group IIIB elements selected from the group consisting of B, Ga, Al, and In A p-type ZnO-based semiconductor single-crystal layer that is a co-doped p-type ZnO-based semiconductor, wherein the concentration of the group IB element is 1 × 10 19 cm −3 or more, and is substantially constant in the thickness direction of the layer A single crystal layer is provided.

また、本発明の他の観点によれば、n型ZnO系半導体層と、前記n型ZnO系半導体層上方に形成されたZnO系半導体活性層と、前記ZnO系半導体活性層上方に形成されたp型ZnO系半導体層と、前記n型ZnO系半導体層に電気的に接続されたn側電極と、前記p型ZnO系半導体層に電気的に接続されたp側電極とを有し、前記p型ZnO系半導体層は単結晶層であって、(i)Cuまたは/及びAgであるIB族元素と、(ii)B、Ga、Al、及びInからなる群より選択される一以上のIIIB族元素とが共ドープされ、前記IB族元素の濃度は、1×1019cm−3以上であり、前記p型ZnO系半導体層の厚さ方向にほぼ一定であるZnO系半導体素子が提供される。 According to another aspect of the present invention, the n-type ZnO based semiconductor layer, the ZnO based semiconductor active layer formed above the n-type ZnO based semiconductor layer, and the ZnO based semiconductor active layer are formed. a p-type ZnO-based semiconductor layer, an n-side electrode electrically connected to the n-type ZnO-based semiconductor layer, and a p-side electrode electrically connected to the p-type ZnO-based semiconductor layer, The p-type ZnO-based semiconductor layer is a single crystal layer, and includes (i) a group IB element that is Cu or / and Ag, and (ii) one or more selected from the group consisting of B, Ga, Al, and In. Provided is a ZnO-based semiconductor device that is co-doped with a group IIIB element, the concentration of the group IB element is 1 × 10 19 cm −3 or more, and is substantially constant in the thickness direction of the p-type ZnO-based semiconductor layer Is done.

本発明によれば、Cuまたは/及びAgが、高濃度に、かつ、厚さ方向に均一にドープされたp型ZnO系半導体単結晶層を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a p-type ZnO-based semiconductor single crystal layer in which Cu or / and Ag are uniformly doped in a high concentration and in the thickness direction.

また、該p型ZnO系半導体単結晶層を備えるZnO系半導体素子を提供することができる。   In addition, a ZnO-based semiconductor element including the p-type ZnO-based semiconductor single crystal layer can be provided.

図1は、MBE装置を示す概略的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an MBE apparatus. 図2Aは、アニール前試料の概略的な断面図であり、図2Bは、交互積層構造を形成する際のZnセル、Oセル、Gaセル、及びCuセルのシャッタシーケンスを示すタイムチャートであり、図2Cは、交互積層構造54の概略的な断面図であり、図2Dは、GaドープZnO単結晶層54a及びCu層54bの概略的な断面図である。FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of a sample before annealing, and FIG. 2B is a time chart showing a shutter sequence of Zn cells, O cells, Ga cells, and Cu cells when forming an alternately laminated structure, 2C is a schematic cross-sectional view of the alternately laminated structure 54, and FIG. 2D is a schematic cross-sectional view of the Ga-doped ZnO single crystal layer 54a and the Cu layer 54b. 図3は、アニール前試料の交互積層構造について、CV特性と不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフの一覧である。FIG. 3 is a list of graphs showing the depth profiles of CV characteristics and impurity concentration for the alternately laminated structure of the sample before annealing. 図4は、アニール後試料のCV特性と不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフの一覧である。FIG. 4 is a list of graphs showing CV characteristics and depth profiles of impurity concentrations of the annealed samples. 図5は、2次イオン質量分析法による、アニール終了後のCuの絶対濃度[Cu]及びGaの絶対濃度[Ga]のデプスプロファイルを示すグラフの一覧である。FIG. 5 is a list of graphs showing the depth profiles of the absolute Cu concentration [Cu] and the absolute Ga concentration [Ga] after the end of annealing by secondary ion mass spectrometry. 図6Aは、第1実施例によるZnO系半導体発光素子の概略的な断面図であり、図6Bは、交互積層構造5Aの概略的な断面図である。FIG. 6A is a schematic cross-sectional view of a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the first embodiment, and FIG. 6B is a schematic cross-sectional view of an alternate stacked structure 5A. 図7は、交互積層構造を形成する際のZnセル、Mgセル、Oセル、Gaセル、及びCuセルのシャッタシーケンスの一例を示すタイムチャートである。FIG. 7 is a time chart showing an example of a shutter sequence of Zn cells, Mg cells, O cells, Ga cells, and Cu cells when forming an alternately laminated structure. 図8Aは、第2実施例によるZnO系半導体発光素子の概略的な断面図であり、図8Bは、活性層15の他の例を示す概略的な断面図であり、図8Cは、交互積層構造16Aの概略的な断面図である。FIG. 8A is a schematic cross-sectional view of a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the second embodiment, FIG. 8B is a schematic cross-sectional view showing another example of the active layer 15, and FIG. It is a schematic sectional drawing of structure 16A. 図9は、第3実施例によるZnO系半導体発光素子の概略的な断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the third embodiment. 図10は、第1実施例〜第3実施例によるZnO系半導体発光素子を製造するに当たっての、Gaドープn型MgZn1−xO単結晶膜の成膜条件をまとめた表である。FIG. 10 is a table summarizing the film forming conditions of the Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O single crystal film in manufacturing the ZnO-based semiconductor light emitting devices according to the first to third examples.

まず、ZnO系半導体層等の成長に用いられる結晶製造装置について説明する。以下に説明する実験及び実施例では、結晶製造方法として分子線エピタキシ(molecular beam epitaxy; MBE)を用いる。ここでZnO系半導体は、少なくともZnとOを含む。   First, a crystal manufacturing apparatus used for growing a ZnO-based semiconductor layer or the like will be described. In the experiments and examples described below, molecular beam epitaxy (MBE) is used as a crystal manufacturing method. Here, the ZnO-based semiconductor contains at least Zn and O.

図1は、MBE装置を示す概略的な断面図である。真空チャンバ71内に、Znソースガン72、Oソースガン73、Mgソースガン74、Cuソースガン75、及びGaソースガン76が備えられている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an MBE apparatus. In the vacuum chamber 71, a Zn source gun 72, an O source gun 73, an Mg source gun 74, a Cu source gun 75, and a Ga source gun 76 are provided.

Znソースガン72、Mgソースガン74、Cuソースガン75、及びGaソースガン76は、それぞれZn(7N)、Mg(6N)、Cu(9N)、及びGa(7N)の固体ソースを収容するクヌーセンセルを含み、セルを加熱することにより、Znビーム、Mgビーム、Cuビーム、及びGaビームを出射する。   A Zn source gun 72, an Mg source gun 74, a Cu source gun 75, and a Ga source gun 76 are Knudsen that contain solid sources of Zn (7N), Mg (6N), Cu (9N), and Ga (7N), respectively. A Zn beam, Mg beam, Cu beam, and Ga beam are emitted by heating the cell including the cell.

Oソースガン73は、たとえば13.56MHzのラジオ周波数を用いる無電極放電管を含み、無電極放電管内でOガス(6N)をプラズマ化して、Oラジカルビームを出射する。放電管材料として、アルミナまたは高純度石英を使用することができる。 The O source gun 73 includes an electrodeless discharge tube that uses a radio frequency of 13.56 MHz, for example, and plasmas O 2 gas (6N) in the electrodeless discharge tube to emit an O radical beam. As the discharge tube material, alumina or high-purity quartz can be used.

基板ヒータを備えるステージ77が基板78を保持する。ソースガン72〜76は、それぞれセルシャッタを含む。各セルシャッタの開閉により、基板78上に各ビームが照射される状態と照射されない状態とを切り替え可能である。基板78上に所望のタイミングで所望のビームを照射し、所望の組成のZnO系化合物半導体層を成長させることができる。   A stage 77 having a substrate heater holds the substrate 78. Each of the source guns 72 to 76 includes a cell shutter. By opening / closing each cell shutter, it is possible to switch between a state where each beam is irradiated onto the substrate 78 and a state where each beam is not irradiated. By irradiating a desired beam on the substrate 78 at a desired timing, a ZnO-based compound semiconductor layer having a desired composition can be grown.

ZnOにMgを添加することにより、バンドギャップを広げることができる。しかしZnOはウルツ鉱構造(六方晶)であり、MgOは岩塩構造(立方晶)であることから、Mg組成が高すぎると相分離を起こす。MgZnOのMg組成をxと明示するMgZn1−xOにおいて、Mg組成xは、ウルツ鉱構造を保つため0.6以下とするのが好ましい。なお、MgZn1−xOという表記は、x=0の場合としてMgの添加されないZnOを含む。 By adding Mg to ZnO, the band gap can be widened. However, since ZnO has a wurtzite structure (hexagonal crystal) and MgO has a rock salt structure (cubic crystal), phase separation occurs when the Mg composition is too high. In Mg x Zn 1-x O in which the Mg composition of MgZnO is specified as x, the Mg composition x is preferably 0.6 or less in order to maintain the wurtzite structure. Note that the notation Mg x Zn 1-x O includes ZnO to which Mg is not added when x = 0.

ZnO系半導体のn型導電性は、不純物のドープを行わなくても得られる。Ga等の不純物をドープし、n型導電性を高めることができる。ZnO系半導体のp型導電性は、p型不純物のドープにより得られる。   The n-type conductivity of the ZnO-based semiconductor can be obtained without doping impurities. Impurities such as Ga can be doped to increase n-type conductivity. The p-type conductivity of the ZnO-based semiconductor can be obtained by doping with a p-type impurity.

真空チャンバ71内に、水晶振動子を用いた膜厚計79が備えられている。膜厚計79で測定される付着速度から、各ビームのフラックス強度が求められる。   A film thickness meter 79 using a crystal resonator is provided in the vacuum chamber 71. From the adhesion rate measured by the film thickness meter 79, the flux intensity of each beam is obtained.

真空チャンバ71に、反射高速電子回折(reflection high energy electron diffraction; RHEED)用のガン80、及び、RHEED像を映すスクリーン81が取り付けられている。RHEED像から、基板78上に形成された結晶層の表面平坦性や成長モードを評価することができる。   A gun 80 for reflection high energy electron diffraction (RHEED) and a screen 81 for displaying an RHEED image are attached to the vacuum chamber 71. From the RHEED image, the surface flatness and growth mode of the crystal layer formed on the substrate 78 can be evaluated.

結晶が2次元成長し表面が平坦なエピタキシャル成長(単結晶成長)である場合、RHEED像はストリークパターンを示し、結晶が3次元成長し表面が平坦でないエピタキシャル成長(単結晶成長)の場合、RHEED像はスポットパターンを示す。多結晶成長の場合は、RHEED像がリングパターンとなる。   When the crystal is two-dimensionally grown and the surface is epitaxially grown (single crystal growth), the RHEED image shows a streak pattern, and when the crystal is three-dimensionally grown and the surface is not flat (single crystal growth), the RHEED image is A spot pattern is shown. In the case of polycrystalline growth, the RHEED image becomes a ring pattern.

次に、MgZn1−xO(0≦x≦0.6)結晶成長におけるVI/IIフラックス比について説明する。Znビームのフラックス強度をJZn、Mgビームのフラックス強度をJMg、Oラジカルビームのフラックス強度をJと表す。金属材料であるZnあるいはMgのビームは、原子、または複数個の原子を含むクラスターのZnあるいはMgを含む。原子とクラスターのいずれも結晶成長に有効である。ガス材料であるOのビームは、原子ラジカルや中性分子を含むが、ここでは結晶成長に有効な原子ラジカルのフラックス強度を考える。 Next, the VI / II flux ratio in Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) crystal growth will be described. The flux intensity of Zn beam J Zn, the flux intensity of the Mg beam J Mg, the flux intensity of O radical beam expressed as J O. A beam of Zn or Mg, which is a metal material, contains atoms or clusters of Zn or Mg containing a plurality of atoms. Both atoms and clusters are effective for crystal growth. The O beam, which is a gas material, contains atomic radicals and neutral molecules. Here, the flux intensity of atomic radicals effective for crystal growth is considered.

結晶へのZnの付着しやすさを示す付着係数をkZn、Mgの付着しやすさを示す付着係数をkMg、Oの付着しやすさを示す付着係数をkと表す。Znの付着係数kZnとフラックス強度JZnの積kZnZn、Mgの付着係数kMgとフラックス強度JMgの積kMgMg、及び、Oの付着係数kとフラックス強度Jの積kは、それぞれ基板の単位面積に単位時間当たりに付着するZn原子、Mg原子、及びO原子の個数に対応する。 An adhesion coefficient indicating the ease with which Zn adheres to the crystal is represented by k Zn , an adhesion coefficient indicating the ease with which Mg is deposited is represented by k Mg , and an adhesion coefficient indicating the ease with which O is deposited is represented by k O. Zn adhesion coefficient k Zn and flux strength J Zn product k Zn J Zn , Mg adhesion coefficient k Mg and flux strength J Mg product k Mg J Mg , and O adhesion coefficient k O and flux strength J O The product k O J O corresponds to the number of Zn atoms, Mg atoms, and O atoms attached to the unit area of the substrate per unit time, respectively.

ZnZnとkMgMgの和に対するkの比であるk/(kZnZn+kMgMg)を、VI/IIフラックス比と定義する。VI/IIフラックス比が1より小さい場合をII族リッチ条件(Mgを含まない場合は単にZnリッチ条件)、VI/IIフラックス比が1に等しい場合をストイキオメトリ条件、VI/IIフラックス比が1より大きい場合をVI族リッチ条件(あるいはOリッチ条件)と呼ぶ。 k Zn J Zn and k Mg to the sum of J Mg is the ratio of k O J O k O J O / a (k Zn J Zn + k Mg J Mg), defined as VI / II flux ratio. When the VI / II flux ratio is smaller than 1, the group II rich condition (simply Zn rich condition when Mg is not included), when the VI / II flux ratio is equal to 1, the stoichiometric condition, and the VI / II flux ratio is The case where it is larger than 1 is called VI group rich condition (or O rich condition).

なお、Zn面(+c面)での結晶成長においては、基板表面温度850℃以下であれば、付着係数kZn、kMg及びkを1とみなすことができ、VI/IIフラックス比をJ/(JZn+JMg)と表すことが可能である。 In the crystal growth on the Zn plane (+ c plane), if the substrate surface temperature is 850 ° C. or lower, the adhesion coefficients k Zn , k Mg and k 2 O can be regarded as 1, and the VI / II flux ratio is J O 2 / (J Zn + J Mg ).

VI/IIフラックス比は、たとえばZnOの成長においては、以下の手順で算出することができる。Znフラックスは、水晶振動子を用いた膜厚モニタにより、室温でのZnの蒸着速度FZn(nm/s)として測定される。ZnフラックスはFZn(nm/s)からJZn(atoms/cms)に換算される。 The VI / II flux ratio can be calculated by the following procedure, for example, in the growth of ZnO. The Zn flux is measured as a Zn deposition rate F Zn (nm / s) at room temperature by a film thickness monitor using a crystal resonator. The Zn flux is converted from F Zn (nm / s) to J Zn (atoms / cm 2 s).

一方、Oラジカルフラックスは、以下のように求められる。Oラジカルビーム照射条件一定(たとえばRFパワー300W、O流量2sccm)のもとで、Znフラックスを変化させてZnOを成長させ、ZnO成長速度のZnフラックス依存性を実験的に求める。その結果を、ZnO成長速度GZnOの近似式:GZnO=[(kZnZn−1+(k−1−1を用いてフィッティングすることにより、その条件におけるOラジカルフラックスJが算出される。こうして得られたZnフラックスJZn及びOラジカルフラックスJから、VI/IIフラックス比を算出することができる。 On the other hand, O radical flux is calculated | required as follows. Under constant O radical beam irradiation conditions (for example, RF power 300 W, O 2 flow rate 2 sccm), Zn flux is changed to grow ZnO, and the Zn flux dependence of the ZnO growth rate is experimentally determined. By fitting the result using the approximate expression of ZnO growth rate G ZnO : G ZnO = [(k Zn J Zn ) -1 + (k O J O ) -1 ] -1 , O radicals under the conditions flux J O is calculated. From Zn flux J Zn and O radical flux J O thus obtained, it is possible to calculate the VI / II flux ratio.

本願発明者らは、先の出願(特願2012−41096号)において、たとえばZnO系半導体にCuをドープする新規な技術を提案した。これはZn、O及びCuを同時に供給し、MBE法でCuドープZnO膜を成長させた場合、3次元成長が生じ、表面の粗い多結晶膜が得られ、Cuが膜厚方向に均一にドープされないという実験結果等に基づいてなされた提案である。   In the previous application (Japanese Patent Application No. 2012-41096), the inventors of the present application proposed a novel technique for doping, for example, Cu into a ZnO-based semiconductor. This is because when Zn, O and Cu are supplied simultaneously and a Cu-doped ZnO film is grown by the MBE method, three-dimensional growth occurs, a polycrystalline film having a rough surface is obtained, and Cu is doped uniformly in the film thickness direction. This is a proposal made based on the experimental results and the like.

本願発明者らは、Zn、O及びCuを同時に供給したことによって、活性なOラジカルとCuの反応が促進され、CuがZnサイトを置換する以上に、CuOが別の結晶相として形成される結果、ZnOの成長阻害が起こり多結晶化が生じたと考えた。   By supplying Zn, O and Cu at the same time, the inventors of the present application promote the reaction between the active O radical and Cu, and CuO is formed as another crystal phase more than Cu replaces the Zn site. As a result, it was considered that ZnO growth was inhibited and polycrystallization occurred.

Zn、Oラジカル、及びCuを同時に供給してCuドープZnO膜を成長させると、Cuが活性なOラジカルと容易に反応することに起因して、CuO(II)が形成されやすくなる、すなわち2価のCu2+の形成が支配的になると考えられる。また、CuO(II)がCuO(I)に熱分解する温度は、CuドープZnO膜の成長温度よりも高いため、2価のCu2+は1価のCuになりにくく、ZnO中でアクセプタとして機能しないCuが支配的になると考えられる。 When a Cu-doped ZnO film is grown by simultaneously supplying Zn, O radicals and Cu, CuO (II) is likely to be formed due to the fact that Cu easily reacts with active O radicals. It is thought that the formation of valence Cu 2+ becomes dominant. In addition, since the temperature at which CuO (II) is thermally decomposed into Cu 2 O (I) is higher than the growth temperature of the Cu-doped ZnO film, divalent Cu 2+ is unlikely to become monovalent Cu + , and in ZnO It is considered that Cu that does not function as an acceptor becomes dominant.

本願発明者らは、2価のCu2+よりも1価のCuが生じやすく、CuがZnサイトを置換しやすいCuドープZnO層の形成方法であれば、2次元成長やp型導電性が得られやすいであろうと考え、たとえばMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を形成する工程と、MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜上にCuを供給する工程を交互に繰り返す、Cuドープp型MgZn1−xO(0≦x≦0.6)層の製造方法を、先の出願において提案した。先の出願に係る製造方法によれば、平坦性が高く、結晶性の良好なCuドープp型MgZn1−xO単結晶層を得ることができる。 The inventors of the present application have two-dimensional growth and p-type conductivity as long as monovalent Cu + is more easily produced than divalent Cu 2+ , and Cu is a method for forming a Cu-doped ZnO layer that easily replaces a Zn site. For example, a step of forming a Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film and a Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) A method for producing a Cu-doped p-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) layer that alternately repeats the process of supplying Cu on the single crystal film was proposed in the previous application. According to the manufacturing method according to the previous application, a Cu-doped p-type Mg x Zn 1-x O single crystal layer having high flatness and good crystallinity can be obtained.

本願に係るp型ZnO系半導体単結晶層、及び、ZnO系半導体素子は、たとえば先の出願に係る提案を改良した方法で製造される。本発明のp型ZnO系半導体単結晶層には、たとえば先の出願に係る方法で製造されるp型MgZn1−xO単結晶層より有効にアクセプタとして機能する1価のCuが存する。 The p-type ZnO-based semiconductor single crystal layer and the ZnO-based semiconductor element according to the present application are manufactured by, for example, a method improved from the proposal according to the previous application. In the p-type ZnO-based semiconductor single crystal layer of the present invention, for example, monovalent Cu + that functions as an acceptor more effectively than the p-type Mg x Zn 1-x O single crystal layer manufactured by the method according to the previous application is included. Exist.

まず本願発明者らが行った実験について説明する。本願発明者らは、層上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶層(交互積層構造)がアニールによりp型化することを発見した。以下、サンプル1〜サンプル4の4つのサンプルに沿って説明を行う。なお、説明においては、アニール前の試料をアニール前試料、アニール開始後の試料をアニール後試料と記載する。   First, an experiment conducted by the inventors will be described. The inventors of the present application have found that a Ga-doped ZnO single crystal layer (alternate stacked structure) in which Cu is supplied on the layer becomes p-type by annealing. Hereinafter, description will be made along four samples of Sample 1 to Sample 4. In the description, a sample before annealing is described as a sample before annealing, and a sample after annealing is described as a sample after annealing.

サンプル1のアニール前試料の作製方法について説明する。図2Aに、アニール前試料の概略的な断面図を示す。   A method for manufacturing the sample 1 before annealing will be described. FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view of the sample before annealing.

n型導電性を有するZn面ZnO(0001)基板(以下、本明細書においてZnO基板)51に900℃で30分間のサーマルクリーニングを施した後、基板51温度を300℃まで下げた。その温度(成長温度300℃)で、ZnフラックスFZnを0.17nm/s(JZn=1.1×1015atoms/cms)、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)とし、ZnO基板51上に厚さ30nmのZnOバッファ層52を成長させた。ZnOバッファ層52の結晶性及び表面平坦性の改善のため、900℃で10分間のアニールを行った。 After performing thermal cleaning at 900 ° C. for 30 minutes on a Zn-faced ZnO (0001) substrate (hereinafter referred to as a ZnO substrate in this specification) 51 having n-type conductivity, the temperature of the substrate 51 was lowered to 300 ° C. At that temperature (growth temperature 300 ° C.), Zn flux F Zn is 0.17 nm / s (J Zn = 1.1 × 10 15 atoms / cm 2 s), O radical beam irradiation conditions are RF power 300 W, O 2 flow rate. The ZnO buffer layer 52 having a thickness of 30 nm was grown on the ZnO substrate 51 at 2.0 sccm (J 2 O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s). In order to improve the crystallinity and surface flatness of the ZnO buffer layer 52, annealing was performed at 900 ° C. for 10 minutes.

ZnOバッファ層52上に、成長温度を900℃、ZnフラックスFZnを0.17nm/s(JZn=1.1×1015atoms/cms)、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)として、厚さ100nmのアンドープZnO層53を成長させた。アンドープZnO層53はn型ZnO層である。アンドープZnO層53上に、Zn、O及びGaと、Cuとを別々のタイミングで供給し、交互積層構造54を形成した。交互積層構造54の形成温度は300℃とした。 On the ZnO buffer layer 52, the growth temperature is 900 ° C., the Zn flux F Zn is 0.17 nm / s (J Zn = 1.1 × 10 15 atoms / cm 2 s), the O radical beam irradiation condition is RF power 300 W, An undoped ZnO layer 53 having a thickness of 100 nm was grown at an O 2 flow rate of 2.0 sccm (J O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s). The undoped ZnO layer 53 is an n-type ZnO layer. On the undoped ZnO layer 53, Zn, O and Ga, and Cu were supplied at different timings to form an alternate stacked structure 54. The formation temperature of the alternately laminated structure 54 was 300 ° C.

図2Bは、交互積層構造を形成する際のZnセル、Oセル、Gaセル、及びCuセルのシャッタシーケンスを示すタイムチャートである。   FIG. 2B is a time chart showing a shutter sequence of Zn cells, O cells, Ga cells, and Cu cells when forming an alternately laminated structure.

交互積層構造54の形成に当たっては、Znセルシャッタ、Oセルシャッタ、及びGaセルシャッタを開き、Cuセルシャッタを閉じるGaドープZnO単結晶層成長工程と、Znセルシャッタ、Oセルシャッタ、及びGaセルシャッタを閉じ、Cuセルシャッタを開くCu付着工程(Cu層形成工程)とを交互に繰り返した。ZnO単結晶層を成長させる際にGaを供給することで、GaはZnO単結晶層においてZnサイトに入り、ドナーとして機能すると期待される。GaドープZnO単結晶層を成長させる工程と、GaドープZnO単結晶層上にCuを付着させる工程とを別々に設け、Oセルシャッタの開期間とCuセルシャッタの開期間とを重複させないため、OラジカルとCuとは同時に供給されない。   In forming the alternate laminated structure 54, a Zn cell shutter, an O cell shutter, and a Ga cell shutter are opened, a Cu cell shutter is closed, a Ga-doped ZnO single crystal layer growth step, a Zn cell shutter, an O cell shutter, and a Ga cell are formed. The Cu adhesion step (Cu layer forming step) in which the shutter was closed and the Cu cell shutter was opened was repeated alternately. By supplying Ga when growing the ZnO single crystal layer, it is expected that Ga enters the Zn site in the ZnO single crystal layer and functions as a donor. Since the step of growing the Ga-doped ZnO single crystal layer and the step of depositing Cu on the Ga-doped ZnO single crystal layer are provided separately and the open period of the O cell shutter and the open period of the Cu cell shutter are not overlapped, O radical and Cu are not supplied simultaneously.

GaドープZnO単結晶層成長工程においては、OセルシャッタとGaセルシャッタの開閉は同時に行い、Oセルシャッタ及びGaセルシャッタの開期間の前後に、Znセルシャッタの開期間を延長する。すなわちZnセルシャッタの開期間は、Oセルシャッタ及びGaセルシャッタの開期間を含む。OラジカルとCuを同時に供給しないことに加え、Cu付着工程の前後で、GaドープZnO単結晶層表面をZnで覆うことにより(Oの露出を抑制することにより)、OラジカルとCuの直接の反応を抑制する。   In the Ga-doped ZnO single crystal layer growth step, the O cell shutter and the Ga cell shutter are opened and closed simultaneously, and the open period of the Zn cell shutter is extended before and after the open periods of the O cell shutter and the Ga cell shutter. That is, the open period of the Zn cell shutter includes the open periods of the O cell shutter and the Ga cell shutter. In addition to not supplying the O radical and Cu simultaneously, by covering the surface of the Ga-doped ZnO single crystal layer with Zn before and after the Cu deposition step (by suppressing the exposure of O), the direct O radical and Cu Suppresses the reaction.

サンプル1のアニール前試料の作製においては、Oセルシャッタ及びGaセルシャッタの1回当たりの開期間を16秒とし、Oセルシャッタ及びGaセルシャッタの開期間の前後にZnセルシャッタの開期間を1秒ずつ延長した。Znセルシャッタの1回当たりの開期間は18秒である。Znセルシャッタ、Oセルシャッタ、及びGaセルシャッタがすべて開状態となる16秒間が、1回当たりのGaドープZnO単結晶層成長期間である。Cuセルシャッタの1回当たりの開期間は10秒とした。   In the preparation of the sample 1 before annealing of the sample 1, the open period of each of the O cell shutter and the Ga cell shutter is 16 seconds, and the open period of the Zn cell shutter is set before and after the open period of the O cell shutter and the Ga cell shutter. Extended by 1 second. The open period per time of the Zn cell shutter is 18 seconds. A period of 16 seconds during which the Zn cell shutter, the O cell shutter, and the Ga cell shutter are all opened is a Ga-doped ZnO single crystal layer growth period per time. The opening period per time of the Cu cell shutter was 10 seconds.

GaドープZnO単結晶層成長工程とCu付着工程を交互に140回ずつ繰り返し、厚さ480nmの交互積層構造54を得た。GaドープZnO単結晶層成長工程でのZnフラックスFZnは0.17nm/s(JZn=1.1×1015atoms/cms)、Oラジカルビーム照射条件はRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)、Gaのセル温度TGaは490℃とした。VI/IIフラックス比は0.74(Znリッチ条件)である。Cu付着工程でのCuのセル温度TCuは930℃とし、CuフラックスFCuを0.0015nm/sとした。 The Ga-doped ZnO single crystal layer growth step and the Cu deposition step were alternately repeated 140 times, thereby obtaining an alternately laminated structure 54 having a thickness of 480 nm. Zn flux F Zn in the Ga-doped ZnO single crystal layer growth step is 0.17 nm / s (J Zn = 1.1 × 10 15 atoms / cm 2 s), O radical beam irradiation conditions are RF power 300 W, O 2 flow rate. 2.0 sccm (J 2 O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s), and the Ga cell temperature T Ga was 490 ° C. The VI / II flux ratio is 0.74 (Zn rich condition). The Cu cell temperature T Cu in the Cu adhesion step was 930 ° C., and the Cu flux F Cu was 0.0015 nm / s.

図2Cは、交互積層構造54の概略的な断面図である。交互積層構造54は、GaドープZnO単結晶層54aとCu層54bが交互に積層された積層構造を有する。この積層構造は、層上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶層54aが140層、厚さ方向に積層されたものと考えることが可能である。   FIG. 2C is a schematic cross-sectional view of the alternately laminated structure 54. The alternate laminated structure 54 has a laminated structure in which Ga-doped ZnO single crystal layers 54a and Cu layers 54b are alternately laminated. This stacked structure can be considered as 140 layers of Ga-doped ZnO single crystal layer 54a to which Cu is supplied on the layers stacked in the thickness direction.

GaドープZnO単結晶層54aの厚さは3.3nm程度、Cu層54bの厚さ(Cuの付着厚さ)は1原子層以下、たとえば約1/20原子層である。この場合、GaドープZnO単結晶層54a表面のCu被覆率は5%程度となる。   The Ga-doped ZnO single crystal layer 54a has a thickness of about 3.3 nm, and the Cu layer 54b has a thickness (Cu deposition thickness) of 1 atomic layer or less, for example, about 1/20 atomic layer. In this case, the Cu coverage on the surface of the Ga-doped ZnO single crystal layer 54a is about 5%.

図2Dに、GaドープZnO単結晶層54a及びCu層54bの概略的な断面図を示す。たとえば約1/20原子層の厚さをもつCu層54bは、本図に示すように、GaドープZnO単結晶層54a表面の一部に付着するCuで形成される。以後、図面の簡略化のため、このようなCuの付着態様も含め、交互積層構造を図2Cの層構造で表す。   FIG. 2D shows a schematic cross-sectional view of the Ga-doped ZnO single crystal layer 54a and the Cu layer 54b. For example, the Cu layer 54b having a thickness of about 1/20 atomic layer is formed of Cu adhering to a part of the surface of the Ga-doped ZnO single crystal layer 54a as shown in FIG. Hereinafter, for the sake of simplification of the drawing, the alternate laminated structure including the Cu deposition mode is represented by the layer structure of FIG. 2C.

図3は、アニール前試料の交互積層構造について、CV特性と不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフの一覧である。上段にCV特性を示すグラフを記載し、下段にデプスプロファイルを示すグラフを記載した。測定は、電解液をショットキー電極に用いたECV法により行った。グラフは並列モデルで解析した結果を示す。最も左の列がサンプル1に関するグラフである。なお、後述のサンプルについてのグラフも含め、左の列から順にサンプル1〜サンプル4に関する。CV特性を示すグラフの横軸は、電圧を単位「V」で表し、縦軸は、「1/C」を単位「cm/F」で表す。両軸ともリニアスケールを用いている。また、デプスプロファイルを示すグラフの横軸は、試料の深さ(厚さ)方向の位置を単位「nm」で表す。縦軸は、不純物濃度を単位「cm−3」で表す。横軸はリニアスケール、縦軸は対数スケールを用いている。 FIG. 3 is a list of graphs showing the depth profiles of CV characteristics and impurity concentration for the alternately laminated structure of the sample before annealing. The graph showing the CV characteristics is shown in the upper row, and the graph showing the depth profile is shown in the lower row. The measurement was performed by an ECV method using an electrolytic solution as a Schottky electrode. The graph shows the results of analysis using a parallel model. The leftmost column is a graph relating to Sample 1. In addition, about the sample 1-sample 4 in order from the left column also including the graph about the sample mentioned later. The horizontal axis of the graph showing the CV characteristic represents the voltage in the unit “V”, and the vertical axis represents “1 / C 2 ” in the unit “cm 4 / F 2 ”. Both axes use a linear scale. The horizontal axis of the graph showing the depth profile represents the position in the depth (thickness) direction of the sample in the unit of “nm”. The vertical axis represents the impurity concentration in the unit “cm −3 ”. The horizontal axis uses a linear scale, and the vertical axis uses a logarithmic scale.

サンプル1のCV特性を示すグラフを参照する。右上がりの曲線(電圧が増加すると1/Cが増加する関係)が得られている。これは層上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶層54a(交互積層構造54)がn型導電性を備えることを示す。GaドープZnO単結晶層54a上に局在するCuは、アクセプタとして機能していないと考えられる。なお、傾きが抵抗値と対応する。 Reference is made to the graph showing the CV characteristics of Sample 1. A curve that rises to the right (a relationship in which 1 / C 2 increases as the voltage increases) is obtained. This indicates that the Ga-doped ZnO single crystal layer 54a (alternate stacked structure 54) supplied with Cu on the layer has n-type conductivity. Cu localized on the Ga-doped ZnO single crystal layer 54a is considered not to function as an acceptor. Note that the slope corresponds to the resistance value.

サンプル1のデプスプロファイルを示すグラフを参照する。本図に示されるように、サンプル1のアニール前試料の交互積層構造54の不純物濃度(ドナー濃度)Nは1.0×1020cm−3である。 Reference is made to the graph showing the depth profile of Sample 1. As shown in this figure, the impurity concentration (donor concentration) N d of Sample 1 before annealing samples alternate stacked structure 54 is 1.0 × 10 20 cm -3.

次に、サンプル1にアニール処理を施した。大気中で650℃、30分間のアニールを行った後、更にその温度で10分間のアニールを4回実施した。   Next, the sample 1 was annealed. After annealing at 650 ° C. for 30 minutes in the atmosphere, annealing was further performed four times at that temperature for 10 minutes.

図4は、アニール後試料のCV特性と不純物濃度のデプスプロファイルを示すグラフの一覧である。交互積層構造54形成位置のCV特性とデプスプロファイルを示した。最も左の列がサンプル1に関するグラフである。図3と同様に、後述のサンプルについてのグラフも含め、左の列から順にサンプル1〜サンプル4のアニール後試料に関する。   FIG. 4 is a list of graphs showing CV characteristics and depth profiles of impurity concentrations of the annealed samples. The CV characteristic and depth profile at the position where the alternate laminated structure 54 is formed are shown. The leftmost column is a graph relating to Sample 1. Similar to FIG. 3, the samples 1 to 4 are related to the annealed samples in order from the left column, including a graph of the samples described later.

サンプル1の列を参照する。上欄に、650℃で30分間のアニール処理を行った後のCV特性を示すグラフを記載した。グラフの両軸の意味するところは、図3に示すCV特性のグラフにおけるそれらと同様である。アニール前試料と比較したとき、交互積層構造54(層上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶層54a)形成位置が高抵抗化している。Cuがp型不純物として機能し、n型不純物Gaの機能を相殺していると考えられる。   Refer to Sample 1 column. In the upper column, a graph showing CV characteristics after annealing at 650 ° C. for 30 minutes is shown. The meanings of both axes of the graph are the same as those in the graph of the CV characteristic shown in FIG. When compared with the sample before annealing, the formation position of the alternately laminated structure 54 (Ga-doped ZnO single crystal layer 54a with Cu supplied on the layer) is increased in resistance. It is considered that Cu functions as a p-type impurity and offsets the function of the n-type impurity Ga.

下欄を参照する。下欄には、650℃、30分間のアニール後、更に10分間のアニールを4回実施し、650℃で合計70分間のアニールを行った試料のCV特性とデプスプロファイルを示すグラフを、それぞれ上段と下段に記載した。グラフの両軸の意味するところは、図3に示すグラフのそれらと同様である。   See below. The lower column shows graphs showing the CV characteristics and depth profiles of samples that were annealed at 650 ° C. for 30 minutes, and then annealed for 10 minutes 4 times, and then annealed at 650 ° C. for a total of 70 minutes. And listed in the bottom row. The meanings of both axes of the graph are the same as those of the graph shown in FIG.

上段に示すCV特性のグラフにおいて、右下がりの曲線(電圧が増加すると1/Cが減少する関係)が得られている。これは交互積層構造54の形成位置がp型導電性を備えることを表す。交互積層構造54形成位置における単位体積当たりのCu濃度はGa濃度より高く、Cuの拡散が進むと、Gaを補償した後、p型不純物Cuの濃度が増加するものと考えられる。デプスプロファイルを示す、下段のグラフを参照すると、サンプル1のアニール後試料における交互積層構造54形成位置の不純物濃度(アクセプタ濃度)Nが2.0×1017cm−3〜1.0×1019cm−3であることがわかる。 In the graph of the CV characteristic shown in the upper stage, a downward-sloping curve (a relationship in which 1 / C 2 decreases as the voltage increases) is obtained. This indicates that the formation position of the alternate stacked structure 54 has p-type conductivity. The Cu concentration per unit volume at the position where the alternately laminated structure 54 is formed is higher than the Ga concentration, and it is considered that when the diffusion of Cu proceeds, the concentration of the p-type impurity Cu increases after Ga is compensated. Showing the depth profile, referring to the lower graph, the impurity concentration (acceptor concentration) of alternate stacked structure 54 forming positions in the sample after annealing of the sample 1 N a is 2.0 × 10 17 cm -3 ~1.0 × 10 It turns out that it is 19 cm- 3 .

図5は、2次イオン質量分析法(secondary ion mass spectrometry; SIMS)による、アニール終了後のCuの絶対濃度[Cu]及びGaの絶対濃度[Ga]のデプスプロファイルを示すグラフの一覧である。最も左がサンプル1に関するグラフである。図3、図4と同様に、後述のサンプルについてのグラフも含め、左から順にサンプル1〜サンプル4のアニール後試料に関する。グラフの横軸は、アニール後試料の深さ方向の位置を表し、縦軸は、Cu濃度[Cu]及びGa濃度[Ga]を表す。アニール後試料の深さ方向の位置は、サンプル1〜サンプル3については単位「μm」、サンプル4については単位「nm」で示す。[Cu]及び[Ga]の単位は「cm−3」である。 FIG. 5 is a list of graphs showing the depth profiles of the absolute Cu concentration [Cu] and the absolute Ga concentration [Ga] after the end of annealing by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The leftmost graph is related to Sample 1. Similar to FIGS. 3 and 4, the sample 1 to sample 4 are annealed in order from the left, including graphs of samples to be described later. The horizontal axis of the graph represents the position in the depth direction of the sample after annealing, and the vertical axis represents the Cu concentration [Cu] and the Ga concentration [Ga]. The position in the depth direction of the sample after annealing is indicated by the unit “μm” for the samples 1 to 3 and the unit “nm” for the sample 4. The unit of [Cu] and [Ga] is “cm −3 ”.

サンプル1の欄を参照する。深さ0.0μm〜0.48μmの範囲が、交互積層構造54の形成位置に対応するp型層の形成位置である。Cu濃度[Cu]は2.2×1020cm−3、Ga濃度[Ga]は3.4×1019cm−3、ともにp型層の厚さ方向の全体にわたり、ほぼ一定であることがわかる。本明細書及び特許請求の範囲において、濃度に関し「ほぼ一定」とは、濃度の平均値(本図サンプル1の[Cu]の場合、2.2×1020cm−3)の50%〜150%の範囲(本図サンプル1の[Cu]の場合、1.1×1020cm−3〜3.3×1020cm−3)をいう。Cuは均一に拡散している。[Cu]は[Ga]より大きく、[Ga]に対する[Cu]の比である[Cu]/[Ga]の値は6.5である。なお、[Cu]及び[Ga]は、たとえば表面吸着物の影響により、p型層表面近傍で正確に測定されない場合がある。たとえばサンプル1の場合、低い値に測定されている。 See Sample 1 column. The depth range of 0.0 μm to 0.48 μm is the p-type layer formation position corresponding to the formation position of the alternately laminated structure 54. The Cu concentration [Cu] is 2.2 × 10 20 cm −3 and the Ga concentration [Ga] is 3.4 × 10 19 cm −3 , both of which are almost constant throughout the thickness direction of the p-type layer. Recognize. In the present specification and claims, “substantially constant” in terms of concentration means 50% to 150% of the average value of concentration (2.2 × 10 20 cm −3 in the case of [Cu] in FIG. 1). % Range (1.1 × 10 20 cm −3 to 3.3 × 10 20 cm −3 in the case of [Cu] of sample 1 in the figure). Cu is diffused uniformly. [Cu] is larger than [Ga], and the value of [Cu] / [Ga], which is the ratio of [Cu] to [Ga], is 6.5. [Cu] and [Ga] may not be accurately measured near the surface of the p-type layer due to, for example, the influence of surface adsorbate. For example, in the case of sample 1, it is measured at a low value.

次に、サンプル2〜サンプル4について説明する。サンプル2〜サンプル4は、たとえば交互積層構造作製時にCuとGaの供給量を調整し、[Cu]/[Ga]をそれぞれサンプル1と異なる値にしたサンプルである。   Next, Sample 2 to Sample 4 will be described. Samples 2 to 4 are samples in which, for example, the supply amounts of Cu and Ga are adjusted at the time of producing an alternately laminated structure, and [Cu] / [Ga] are set to values different from those of sample 1, respectively.

サンプル2〜サンプル4のアニール前試料は、ZnO基板51上に、順にZnOバッファ層、アンドープZnO層、及び交互積層構造が形成される点で、図2Aに示したサンプル1の場合と同様であるが、ZnO基板51上に形成される各層の成長条件が相違する。   Samples 2 to 4 are the same as those of Sample 1 shown in FIG. 2A in that a ZnO buffer layer, an undoped ZnO layer, and an alternately laminated structure are sequentially formed on the ZnO substrate 51. However, the growth conditions of the layers formed on the ZnO substrate 51 are different.

サンプル2及びサンプル3のアニール前試料の作製においては、ZnOバッファ層の成長温度を300℃、成長時間を5分とした。ZnフラックスFZnを0.16nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccmとして、厚さ40nmのZnOバッファ層を成長させた。その後、900℃で15分間のアニールを行った。 In the preparation of the samples 2 and 3 before annealing, the growth temperature of the ZnO buffer layer was 300 ° C. and the growth time was 5 minutes. A ZnO buffer layer having a thickness of 40 nm was grown at a Zn flux F of Zn of 0.16 nm / s, an O radical beam irradiation condition of RF power of 300 W, and an O 2 flow rate of 2.0 sccm. Thereafter, annealing was performed at 900 ° C. for 15 minutes.

アンドープZnO層の成長温度は900℃、成長時間は15分とした。ZnフラックスFZnを0.16nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccmとして、厚さ120nmのアンドープZnO層を成長させた。 The growth temperature of the undoped ZnO layer was 900 ° C. and the growth time was 15 minutes. An undoped ZnO layer having a thickness of 120 nm was grown with Zn flux F Zn of 0.16 nm / s, O radical beam irradiation conditions of RF power of 300 W, and O 2 flow rate of 2.0 sccm.

交互積層構造は成長温度300℃で形成した。GaドープZnO単結晶層成長工程におけるZnフラックスFZnは0.16nm/s、Oラジカルビーム照射条件はRFパワー300W、O流量2.0sccmとした。VI/IIフラックス比は1より小さく、Znリッチ条件である。Gaのセル温度TGaは、サンプル2の作製においては498℃、サンプル3の場合は505℃とした。1回当たりのGaドープZnO単結晶層成長期間は16秒に設定した。Cu付着工程でのCuのセル温度TCuは930℃とし、CuフラックスFCuを0.0015nm/sとした。Cuセルシャッタの1回当たりの開期間は10秒とした。GaドープZnO単結晶層成長工程とCu付着工程を交互に60回ずつ繰り返し、交互積層構造を得た。成長時間は30分である。交互積層構造の厚さは、サンプル2が207nm、サンプル3が199nmであった。こうしてサンプル2及びサンプル3のアニール前試料を作製した。 The alternate laminated structure was formed at a growth temperature of 300 ° C. In the Ga-doped ZnO single crystal layer growth step, the Zn flux F Zn was 0.16 nm / s, the O radical beam irradiation conditions were RF power 300 W, and O 2 flow rate 2.0 sccm. The VI / II flux ratio is smaller than 1 and is a Zn-rich condition. The cell temperature T Ga of Ga was 498 ° C. in the production of sample 2 and 505 ° C. in the case of sample 3. The growth period of the Ga-doped ZnO single crystal layer per one time was set to 16 seconds. The Cu cell temperature T Cu in the Cu adhesion step was 930 ° C., and the Cu flux F Cu was 0.0015 nm / s. The opening period per time of the Cu cell shutter was 10 seconds. The Ga-doped ZnO single crystal layer growth step and the Cu adhesion step were alternately repeated 60 times to obtain an alternately laminated structure. The growth time is 30 minutes. The thickness of the alternately laminated structure was 207 nm for sample 2 and 199 nm for sample 3. In this way, samples 2 and 3 were prepared before annealing.

サンプル4のアニール前試料の作製方法は、サンプル2及びサンプル3のそれと、交互積層構造の成長条件において相違する。   The method of preparing the sample 4 before annealing is different from that of the sample 2 and the sample 3 in the growth conditions of the alternately laminated structure.

サンプル4の交互積層構造は、成長温度300℃で形成した。GaドープZnO単結晶層成長工程におけるZnフラックスFZnは0.15nm/s、Oラジカルビーム照射条件はRFパワー300W、O流量2.0sccmとした。VI/IIフラックス比は1より小さく、Znリッチ条件である。Gaのセル温度TGaは525℃とした。1回当たりのGaドープZnO単結晶層成長期間は16秒に設定した。Cu付着工程でのCuのセル温度TCuは930℃とし、CuフラックスFCuを0.0015nm/sとした。Cuセルシャッタの1回当たりの開期間は50秒とした。GaドープZnO単結晶層成長工程とCu付着工程を交互に30回ずつ繰り返して、厚さ90nmの交互積層構造を形成し、サンプル4のアニール前試料を作製した。 The alternately laminated structure of Sample 4 was formed at a growth temperature of 300 ° C. Zn flux in Ga-doped ZnO single crystal layer growing step F Zn is 0.15 nm / s, O radical beam irradiation conditions RF power 300 W, and the O 2 flow rate 2.0 sccm. The VI / II flux ratio is smaller than 1 and is a Zn-rich condition. The cell temperature TGa of Ga was 525 ° C. The growth period of the Ga-doped ZnO single crystal layer per one time was set to 16 seconds. The Cu cell temperature T Cu in the Cu adhesion step was 930 ° C., and the Cu flux F Cu was 0.0015 nm / s. The open period per time of the Cu cell shutter was 50 seconds. The Ga-doped ZnO single crystal layer growth step and the Cu deposition step were alternately repeated 30 times to form an alternating laminated structure having a thickness of 90 nm, and a sample 4 sample before annealing was produced.

図3のサンプル2〜サンプル4の列を参照する。上段のCV特性を示すグラフによると、サンプル2〜サンプル4についても、サンプル1と同様に、交互積層構造において、電圧が増加すると1/Cが増加する関係が得られている。すなわちサンプル2〜サンプル4のアニール前試料において、交互積層構造(層上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶層)がn型導電性を備えることがわかる。 Reference is made to the column of sample 2 to sample 4 in FIG. According to the graph showing the CV characteristics in the upper stage, as in Sample 1, Sample 1 to Sample 4 also have a relationship in which 1 / C 2 increases as the voltage increases in the alternate stacked structure. That is, it can be seen that in the samples before annealing of Sample 2 to Sample 4, the alternately laminated structure (Ga-doped ZnO single crystal layer with Cu supplied on the layer) has n-type conductivity.

デプスプロファイルを示す、下段のグラフを参照する。サンプル2、サンプル3、サンプル4の交互積層構造のドナー濃度Nは、それぞれ1.0×1020cm−3、1.0×1020cm−3、7.0×1020cm−3である。 Refer to the lower graph showing the depth profile. The donor concentrations N d of the alternately stacked structures of Sample 2, Sample 3, and Sample 4 are 1.0 × 10 20 cm −3 , 1.0 × 10 20 cm −3 , and 7.0 × 10 20 cm −3 , respectively. is there.

続いて、サンプル2〜サンプル4にアニール処理を施した。   Subsequently, the samples 2 to 4 were annealed.

図4のサンプル2の列を参照する。サンプル2は2分割し、2分割した一方には、大気中で650℃、10分間のアニール処理、他方には、大気中で650℃、30分間のアニール処理を行った。上欄は、650℃で10分間のアニール処理を行ったサンプル2のCV特性を示すグラフである。交互積層構造(層上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶層)形成位置が、アニール前より高抵抗化している。   Reference is made to the column of sample 2 in FIG. Sample 2 was divided into two parts, one of which was annealed at 650 ° C. for 10 minutes in the atmosphere, and the other was annealed at 650 ° C. for 30 minutes in the atmosphere. The upper column is a graph showing the CV characteristics of Sample 2 that was annealed at 650 ° C. for 10 minutes. The formation position of the alternately laminated structure (Ga-doped ZnO single crystal layer with Cu supplied on the layer) is higher than before the annealing.

下欄は、650℃で30分間のアニールを実施したサンプル2のCV特性と不純物濃度のデプスプロファイルを示す。   The lower column shows the CV characteristics and the depth profile of the impurity concentration of Sample 2 that was annealed at 650 ° C. for 30 minutes.

CV特性を示す、上段のグラフにおいては、電圧が増加すると1/Cが減少する関係が得られている。これにより、交互積層構造の形成位置がp型化したことがわかる。デプスプロファイルを示す、下段のグラフを参照すると、650℃で30分間のアニールを行ったサンプル2における交互積層構造形成位置のアクセプタ濃度Nは1.0×1017cm−3〜7.0×1018cm−3であることがわかる。 In the upper graph showing the CV characteristics, a relationship in which 1 / C 2 decreases as the voltage increases is obtained. As a result, it can be seen that the formation position of the alternately laminated structure is p-type. Showing the depth profile, referring to the lower graph, the acceptor concentration N a of the alternate stacked structure forming position in the sample 2 was annealed for 30 minutes at 650 ℃ 1.0 × 10 17 cm -3 ~7.0 × It turns out that it is 10 < 18 > cm <-3 >.

図5のサンプル2の欄には、650℃で30分間のアニールを行った試料のSIMSによるCu濃度[Cu]及びGa濃度[Ga]のデプスプロファイルを示した。交互積層構造の形成位置に対応する範囲(p型層の形成位置)におけるCu濃度[Cu]は1.7×1020cm−3、Ga濃度[Ga]は3.7×1019cm−3であり、ともにp型層の厚さ方向の全体にわたり、ほぼ一定であることがわかる。[Cu]/[Ga]の値は4.6である。 The column of Sample 2 in FIG. 5 shows the depth profiles of Cu concentration [Cu] and Ga concentration [Ga] by SIMS of the sample annealed at 650 ° C. for 30 minutes. The Cu concentration [Cu] is 1.7 × 10 20 cm −3 and the Ga concentration [Ga] is 3.7 × 10 19 cm −3 in the range corresponding to the formation position of the alternately laminated structure (formation position of the p-type layer). It can be seen that both are substantially constant over the entire thickness of the p-type layer. The value of [Cu] / [Ga] is 4.6.

図4のサンプル3の列を参照する。サンプル3に対しても大気中でアニールを施した。550℃で10分間のアニール処理を7回行った後、570℃で10分間のアニール処理を4回、及び、580℃で10分間のアニール処理を3回と5分間の処理を1回行い、更に、590℃で12分間のアニール処理を実施した。アニールの合計時間は157分である。   Reference is made to the column of sample 3 in FIG. Sample 3 was also annealed in air. After 10 times of annealing at 550 ° C. for 7 times, 4 times of annealing for 10 minutes at 570 ° C., 3 times of annealing for 10 minutes at 580 ° C. and once for 5 minutes, Further, an annealing treatment was performed at 590 ° C. for 12 minutes. The total annealing time is 157 minutes.

上欄は、550℃で10分間のアニール処理を3回(合計30分)行った後のCV特性を示すグラフである。交互積層構造形成位置が、アニール前より高抵抗化している。   The upper column is a graph showing the CV characteristics after performing annealing at 550 ° C. for 10 minutes three times (total 30 minutes). The position where the alternate laminated structure is formed is higher than before the annealing.

下欄は、590℃で12分間のアニール(合計157分のアニール)を実施した試料のCV特性と不純物濃度のデプスプロファイルを示す。   The lower column shows the CV characteristics and the depth profile of the impurity concentration of the sample subjected to annealing at 590 ° C. for 12 minutes (total annealing of 157 minutes).

CV特性を示す、上段のグラフにおいては、電圧が増加すると1/Cが減少する関係が得られており、交互積層構造の形成位置がp型化したことがわかる。デプスプロファイルを示す、下段のグラフを参照すると、サンプル3のアニール後試料における交互積層構造形成位置のアクセプタ濃度Nは6.0×1017cm−3〜1.0×1019cm−3であることがわかる。 In the upper graph showing the CV characteristic, a relationship in which 1 / C 2 decreases as the voltage increases is obtained, and it can be seen that the formation position of the alternate stacked structure has become p-type. Showing the depth profile, referring to the lower graph, the acceptor concentration N a of the alternate stacked structure forming position in the sample after annealing of the sample 3 is 6.0 × 10 17 cm -3 ~1.0 × 10 19 cm -3 I know that there is.

図5のサンプル3の欄を参照する。交互積層構造の形成位置に対応する範囲(p型層の形成位置)におけるCu濃度[Cu]は1.2×1020cm−3、Ga濃度[Ga]は6.0×1019cm−3であり、ともにp型層の厚さ方向の全体にわたり、ほぼ一定であることがわかる。[Cu]/[Ga]の値は2.0である。 Refer to the column for sample 3 in FIG. The Cu concentration [Cu] is 1.2 × 10 20 cm −3 and the Ga concentration [Ga] is 6.0 × 10 19 cm −3 in the range (p-type layer formation position) corresponding to the formation position of the alternately laminated structure. It can be seen that both are substantially constant over the entire thickness of the p-type layer. The value of [Cu] / [Ga] is 2.0.

図4のサンプル4の列を参照する。サンプル4には大気中において、500℃で10分間、525℃で10分間、550℃で10分間のアニール処理を行った後、更に、600℃で10分間のアニール処理を5回実施した。アニールの合計時間は80分である。   Reference is made to the column of sample 4 in FIG. Sample 4 was annealed in air at 500 ° C. for 10 minutes, 525 ° C. for 10 minutes, and 550 ° C. for 10 minutes, and then further annealed at 600 ° C. for 10 minutes for 5 times. The total annealing time is 80 minutes.

上欄は、550℃で10分間のアニール処理を行った後のCV特性を示すグラフである。交互積層構造形成位置が、アニール前より高抵抗化している。   The upper column is a graph showing the CV characteristics after annealing at 550 ° C. for 10 minutes. The position where the alternate laminated structure is formed is higher than before the annealing.

下欄は、600℃で50分間(10分を5回)のアニール処理(合計80分のアニール処理)を実施した試料のCV特性と不純物濃度のデプスプロファイルを示す。   The lower column shows the CV characteristics and the depth profile of the impurity concentration of the sample that was annealed at 600 ° C. for 50 minutes (5 times for 10 minutes) (total annealing for 80 minutes).

CV特性を示す、上段のグラフにおいては、電圧が増加すると1/Cが減少する関係が得られており、交互積層構造の形成位置がp型化したことがわかる。デプスプロファイルを示す、下段のグラフを参照すると、サンプル4のアニール後試料における交互積層構造形成位置のアクセプタ濃度Nは8.0×1017cm−3〜1.0×1019cm−3であることがわかる。 In the upper graph showing the CV characteristic, a relationship in which 1 / C 2 decreases as the voltage increases is obtained, and it can be seen that the formation position of the alternate stacked structure has become p-type. Showing the depth profile, referring to the lower graph, the acceptor concentration N a of the alternate stacked structure forming position in the sample after annealing of the sample 4 is 8.0 × 10 17 cm -3 ~1.0 × 10 19 cm -3 I know that there is.

図5のサンプル4の欄を参照する。交互積層構造の形成位置に対応する範囲(p型層の形成位置)におけるCu濃度[Cu]は3.5×1020cm−3、Ga濃度[Ga]は2.0×1020cm−3であり、ともにp型層の厚さ方向の全体にわたり、ほぼ一定であることがわかる。[Cu]/[Ga]の値は1.8である。 Refer to the column for sample 4 in FIG. The Cu concentration [Cu] is 3.5 × 10 20 cm −3 and the Ga concentration [Ga] is 2.0 × 10 20 cm −3 in the range corresponding to the formation position of the alternately laminated structure (formation position of the p-type layer). It can be seen that both are substantially constant over the entire thickness of the p-type layer. The value of [Cu] / [Ga] is 1.8.

本願発明者らが行った以上の実験より、サンプル1〜サンプル4の交互積層構造(GaドープZnO単結晶層)は、アズグロウンでn型であり(図3参照)、アニールにより、高抵抗化(図4の上欄参照)を経てp型化する(図4の下欄参照)ことが理解される。アニール処理を行うことでCu層のCuがGaドープZnO単結晶層内に均一に拡散する。Cuの拡散(アクセプタとして機能するCuの発生)に伴って交互積層構造(GaドープZnO単結晶層)は高抵抗化(ドナー濃度Nが減少)し、更に、CuとGaが共ドープされたp型ZnO単結晶層となる(p型化する)と考えられる。 From the above experiments conducted by the inventors of the present application, the alternately laminated structure (Ga-doped ZnO single crystal layer) of Sample 1 to Sample 4 is as-grown and n-type (see FIG. 3), and the resistance is increased by annealing (see FIG. 3). It is understood that the p-type is obtained (refer to the lower column of FIG. 4). By performing the annealing treatment, Cu in the Cu layer is uniformly diffused in the Ga-doped ZnO single crystal layer. With the diffusion of Cu (generation of Cu + functioning as an acceptor), the alternate stacked structure (Ga-doped ZnO single crystal layer) is increased in resistance (the donor concentration Nd is decreased), and further, Cu and Ga are co-doped. The p-type ZnO single crystal layer is considered to be p-type.

サンプル1〜サンプル4の比較から、p型化のためのアニール条件(温度、時間、雰囲気等)は、交互積層構造やGaドープZnO単結晶層の厚さ、交互積層構造におけるCu濃度[Cu]、Ga濃度[Ga]、[Ga]に対する[Cu]の比[Cu]/[Ga]等によって異なるであろう。   From the comparison of Sample 1 to Sample 4, the annealing conditions (temperature, time, atmosphere, etc.) for making p-type are as follows: the thickness of the alternate laminated structure, Ga doped ZnO single crystal layer, Cu concentration [Cu] in the alternate laminated structure , Ga concentration [Ga], [Cu] to [Ga] ratio [Cu] / [Ga], etc.

また、Cu濃度[Cu]とGa濃度[Ga]がともに狭い数値範囲内にあるサンプル1〜サンプル3において、[Cu]/[Ga]の値に着目すると、サンプル1>サンプル2>サンプル3の関係にあり、[Cu]/[Ga]の値が小さいほど、p型化に必要なアニール温度が低くなる、または処理時間が短くなる傾向が認められる。たとえば高温アニールによる酸素空孔等ドナー性点欠陥の形成、p型層からの外部拡散に伴うp型層中のCu濃度やGa濃度の低下、CuやGaの下地層(n型層)への拡散に伴うpn界面急峻性の悪化等の不具合発生の可能性を考慮すると、[Cu]/[Ga]の値は、たとえば100未満であることが望ましく、50以下であることが一層望ましいであろう。   Further, in Sample 1 to Sample 3 in which both the Cu concentration [Cu] and the Ga concentration [Ga] are in a narrow numerical range, when attention is paid to the value of [Cu] / [Ga], Sample 1> Sample 2> Sample 3 In relation, it is recognized that the smaller the value of [Cu] / [Ga], the lower the annealing temperature necessary for p-type conversion or the shorter the processing time. For example, formation of donor point defects such as oxygen vacancies by high-temperature annealing, reduction of Cu concentration or Ga concentration in the p-type layer due to external diffusion from the p-type layer, and application of Cu or Ga to the underlying layer (n-type layer) Considering the possibility of occurrence of defects such as deterioration of pn interface steepness due to diffusion, the value of [Cu] / [Ga] is desirably less than 100, for example, and more desirably 50 or less. Let's go.

更に、交互積層構造(GaドープZnO単結晶層とその上に供給されたCuからなる構造)において、CuとGaが1:1で補償されると考えるなら、[Cu]/[Ga]>1のときp型化が可能であろう。また、たとえば[Cu]/[Ga]≧2のとき、アニールによって実用的なp型導電性を得やすいと思われる。   Furthermore, if it is considered that Cu and Ga are compensated by 1: 1 in an alternate stacked structure (a structure composed of a Ga-doped ZnO single crystal layer and Cu supplied thereon), [Cu] / [Ga]> 1 In this case, p-type conversion will be possible. For example, when [Cu] / [Ga] ≧ 2, it is likely that a practical p-type conductivity is easily obtained by annealing.

したがって、たとえば1<[Cu]/[Ga]<100であれば、比較的低温のアニールで交互積層構造をp型化することができ、2≦[Cu]/[Ga]≦50であれば、一層低温のアニールで、実用的なp型導電性が得られるということが可能であろう。   Therefore, for example, if 1 <[Cu] / [Ga] <100, the alternate laminated structure can be made p-type by relatively low-temperature annealing, and if 2 ≦ [Cu] / [Ga] ≦ 50. It may be possible to obtain practical p-type conductivity by annealing at a lower temperature.

また実験においては、たとえば図5に示すように、層の厚さ方向の全体にわたり、Cu濃度[Cu]及びGa濃度[Ga]がほぼ一定のp型層が得られた。p型層におけるCu濃度[Cu]は、1.2×1020cm−3(サンプル3の場合)〜3.5×1020cm−3(サンプル4の場合)であった。 In the experiment, for example, as shown in FIG. 5, a p-type layer having substantially constant Cu concentration [Cu] and Ga concentration [Ga] was obtained over the entire thickness direction of the layer. The Cu concentration [Cu] in the p-type layer was 1.2 × 10 20 cm −3 (in the case of sample 3) to 3.5 × 10 20 cm −3 (in the case of sample 4).

この結果から、たとえば層上にCuが供給されたGaドープn型ZnO単結晶層をアニールする方法によって、Cuを、高濃度といえる1.0×1019cm−3以上の濃度に、サンプル1〜サンプル4においては1020cm−3のオーダーの濃度に、少なくとも1.0×1021cm−3未満の濃度までは、厚さ方向に均一にドープすることができると考えられる。 From this result, for example, by a method of annealing a Ga-doped n-type ZnO single crystal layer to which Cu is supplied on the layer, Cu is concentrated to a concentration of 1.0 × 10 19 cm −3 or more, which can be said to be a high concentration. In Sample 4, it can be considered that doping can be uniformly performed in the thickness direction to a concentration of the order of 10 20 cm −3 to a concentration of at least less than 1.0 × 10 21 cm −3 .

本願発明者らは鋭意研究により、ZnO系半導体層において、Cuの不純物濃度(アクセプタ濃度)は、Cuの絶対濃度[Cu]より約2桁小さいという知見を得ている。この知見を加味すると、層上にCuが供給されたGaドープn型ZnO単結晶層をアニールする方法によって、アクセプタ濃度が1.0×1017cm−3以上、1.0×1019cm−3未満のp型層が得られるということができる。事実、図4の下欄のデプスプロファイルには、サンプル1〜サンプル4のアクセプタ濃度Nが、1.0×1017cm−3(サンプル2の場合)〜1.0×1019cm−3(サンプル1、サンプル3、及びサンプル4の場合)であることが示されている。 The inventors of the present application have found that the impurity concentration (acceptor concentration) of Cu in the ZnO-based semiconductor layer is about two orders of magnitude smaller than the absolute concentration of Cu [Cu]. With consideration of this knowledge, by annealing the Ga-doped n-type ZnO single crystal layer Cu is supplied onto the layer, the acceptor concentration is 1.0 × 10 17 cm -3 or more, 1.0 × 10 19 cm - It can be said that a p-type layer of less than 3 is obtained. In fact, the depth profile of the lower column of FIG. 4, (in the case of sample 2) acceptor concentration N a of samples 1 to 4, 1.0 × 10 17 cm -3 ~1.0 × 10 19 cm -3 (In the case of sample 1, sample 3, and sample 4).

p型層は、アクセプタ濃度が1.0×1017cm−3以上であれば実用的ということが可能である。したがって実験で得られたp型層は、実用的なp型導電性を有するp型ZnO系半導体単結晶層である。 A p-type layer can be considered practical if the acceptor concentration is 1.0 × 10 17 cm −3 or more. Therefore, the p-type layer obtained by the experiment is a p-type ZnO-based semiconductor single crystal layer having practical p-type conductivity.

層上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶層をアニールする方法によれば、Cuが高濃度に、かつ、層の厚さ方向の全体にわたって均一にドープされ、実用的なp型導電性を有するCu、Ga共ドープZnO単結晶層を製造することができる。また、低い温度のアニールで製造可能である。   According to the method of annealing a Ga-doped ZnO single crystal layer supplied with Cu on the layer, Cu is doped at a high concentration and uniformly in the entire thickness direction of the layer, and is practical p-type conductivity. Cu, Ga co-doped ZnO single crystal layer having the above can be produced. Further, it can be manufactured by annealing at a low temperature.

n型導電性を示す交互積層構造(層上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶層)は、アニールにより、高抵抗化を経てp型化される。実験においては、たとえばサンプル1の場合、650℃で30分間のアニール処理を行って高抵抗化した試料を作製した(図4上欄のグラフ参照)後、すなわち顕在的な高抵抗化を経た後、更に40分間のアニール処理を実施してp型化を行った(図4下欄のグラフ参照)が、アニール前試料に650℃で70分間のアニールを連続して行った場合でも、交互積層構造はp型化する。このとき交互積層構造は、潜在的な高抵抗化を経てp型化されるということができる。同様に、サンプル2のアニール前試料には650℃で30分間、サンプル3のアニール前試料には590℃で12分間、サンプル4のアニール前試料には600℃で50分間のアニール処理をそれぞれ大気中で実施することで、各サンプルの交互積層構造を潜在的に高抵抗化した後、p型化することが可能である。   The alternate laminated structure (Ga-doped ZnO single crystal layer with Cu supplied on the layer) showing n-type conductivity is converted to p-type by increasing the resistance by annealing. In the experiment, for example, in the case of Sample 1, after annealing at 650 ° C. for 30 minutes to produce a high resistance sample (see the graph in the upper column of FIG. 4), that is, after undergoing an apparent high resistance Furthermore, p-type conversion was performed by carrying out an annealing treatment for 40 minutes (see the graph in the lower column of FIG. 4). However, even when the sample before annealing was continuously subjected to annealing at 650 ° C. for 70 minutes, alternating lamination was performed. The structure becomes p-type. At this time, it can be said that the alternate laminated structure is made p-type through a potential increase in resistance. Similarly, the sample 2 before annealing at 650 ° C. for 30 minutes, the sample 3 before annealing at 590 ° C. for 12 minutes, and the sample 4 before annealing at 600 ° C. for 50 minutes in the atmosphere. By implementing in, it is possible to p-type after alternately increasing the resistance of the alternately laminated structure of each sample.

なお、交互積層構造は、潜在的または顕在的な高抵抗化の後、更に絶縁化を経てp型化されると考えることもできる。アニール条件の設定により、絶縁化を顕在化させることも可能であろう。したがって交互積層構造は、潜在的または顕在的な高抵抗化の後、更に潜在的または顕在的な絶縁化を経てp型化されるということができるであろう。   In addition, it can also be considered that the alternately laminated structure is converted into a p-type through further insulation after a potential or actual high resistance. It may be possible to make the insulation manifest by setting the annealing conditions. Therefore, it can be said that the alternately laminated structure is made p-type through a potential or an apparent increase in resistance and further through a potential or an apparent insulation.

本願発明者らは、p型化した交互積層構造を更にアニールすると、再びn型導電性をもちうることを発見した。したがってアニール処理は、たとえば交互積層構造が高抵抗化を経てp型化した後、再びn型層となる前に終了すればよい。   The inventors of the present application have discovered that further annealing of the p-type alternate laminated structure can have n-type conductivity again. Therefore, the annealing process may be terminated, for example, after the alternate laminated structure is made p-type through increasing the resistance and before becoming the n-type layer again.

本願発明者らが行った実験により、層上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶層(GaドープZnO単結晶層成長工程とCu付着工程を交互に繰り返し形成した交互積層構造)にアニール処理を施すことで、高抵抗化の後、CuとGaが共ドープされたp型ZnO層が得られることがわかった。   Through experiments conducted by the inventors of the present application, annealing treatment was performed on a Ga-doped ZnO single crystal layer (alternate laminated structure in which Ga-doped ZnO single crystal layer growth step and Cu adhesion step were alternately formed) in which Cu was supplied on the layer. It was found that a p-type ZnO layer co-doped with Cu and Ga was obtained after increasing the resistance.

次に、図6A及び図6Bを参照し、Cu、Ga共ドープZnO層をp型半導体層に用いる、第1実施例によるZnO系半導体発光素子について説明する。第1実施例はホモ構造のZnO系半導体発光素子である。なお、実施例においては半導体発光素子について述べるが、本発明は、発光素子に限らず広く半導体素子について適用することができる。   Next, with reference to FIGS. 6A and 6B, a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the first embodiment using a Cu, Ga co-doped ZnO layer as a p-type semiconductor layer will be described. The first example is a homostructure ZnO-based semiconductor light emitting device. In addition, although an Example demonstrates a semiconductor light-emitting device, this invention is applicable not only to a light-emitting device but a semiconductor device widely.

まず、第1実施例によるZnO系半導体発光素子の製造方法を説明する。   First, a method for manufacturing a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the first embodiment will be described.

図6Aに示すように、ZnO基板1上方に、成長温度300℃で、ZnフラックスFZnを0.15nm/s(JZn=9.9×1014atoms/cms)とし、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)として、厚さ30nmのZnOバッファ層2を成長させた。ZnOバッファ層2の結晶性及び表面平坦性の改善のため、900℃で10分間のアニールを行った。 As shown in FIG. 6A, the ZnO substrate 1 above, and at a growth temperature of 300 ° C., the Zn flux F Zn and 0.15nm / s (J Zn = 9.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), O radical beam The ZnO buffer layer 2 having a thickness of 30 nm was grown under the irradiation conditions of RF power of 300 W and O 2 flow rate of 2.0 sccm (J O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s). In order to improve the crystallinity and surface flatness of the ZnO buffer layer 2, annealing was performed at 900 ° C. for 10 minutes.

ZnOバッファ層2上方に、成長温度900℃で、Zn、O及びGaを同時に供給し、厚さ150nmのn型ZnO層3を成長させた。ZnフラックスFZnは0.15nm/s(JZn=9.9×1014atoms/cms)、Oラジカルビーム照射条件はRFパワー250W、O流量1.0sccm(J=4.0×1014atoms/cms)、Gaのセル温度は460℃とした。n型ZnO層3のGa濃度は、たとえば1.5×1018cm−3である。 Zn, O and Ga were simultaneously supplied above the ZnO buffer layer 2 at a growth temperature of 900 ° C. to grow an n-type ZnO layer 3 having a thickness of 150 nm. Zn flux F Zn is 0.15 nm / s (J Zn = 9.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), O radical beam irradiation conditions are RF power 250 W, O 2 flow rate 1.0 sccm (J O = 4.0). × 10 14 atoms / cm 2 s), and the cell temperature of Ga was 460 ° C. The Ga concentration of the n-type ZnO layer 3 is, for example, 1.5 × 10 18 cm −3 .

n型ZnO層3上方に、成長温度900℃、ZnフラックスFZnを0.03nm/s(JZn=2.0×1014atoms/cms)、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)として、厚さ15nmのアンドープZnO活性層4を成長させた。 Above the n-type ZnO layer 3, the growth temperature is 900 ° C., the Zn flux F Zn is 0.03 nm / s (J Zn = 2.0 × 10 14 atoms / cm 2 s), the O radical beam irradiation conditions are RF power 300 W, An undoped ZnO active layer 4 having a thickness of 15 nm was grown at an O 2 flow rate of 2.0 sccm (J O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s).

続いて、アンドープZnO活性層4上方に、Cu、Ga共ドープp型ZnO層5を形成した。   Subsequently, a Cu and Ga co-doped p-type ZnO layer 5 was formed above the undoped ZnO active layer 4.

まず、基板温度を300℃とし、サンプル1のアニール前試料作製時と等しいシャッタシーケンス(図2B参照)で、Zn、O及びGaと、Cuとを別々のタイミングで供給し、膜上にCuが供給されたGaドープn型ZnO単結晶膜を準備した。具体的には、Zn、O及びGaを供給してGaドープZnO単結晶膜を成長させる工程と、GaドープZnO単結晶膜上にCuを供給する工程を交互に140回ずつ繰り返し、厚さ480nmの交互積層構造を形成した。交互積層構造は、膜上にCuが供給されたGaドープn型ZnO単結晶膜が140層、厚さ方向に積層されたものと考えることができる。   First, the substrate temperature is set to 300 ° C., and Zn, O, Ga, and Cu are supplied at different timings in a shutter sequence (see FIG. 2B) that is the same as that for sample 1 before annealing. A supplied Ga-doped n-type ZnO single crystal film was prepared. Specifically, a process of supplying Zn, O, and Ga to grow a Ga-doped ZnO single crystal film and a process of supplying Cu on the Ga-doped ZnO single crystal film are alternately repeated 140 times each to obtain a thickness of 480 nm. The alternate laminated structure was formed. It can be considered that the alternately laminated structure is formed by stacking 140 Ga-doped n-type ZnO single crystal films supplied with Cu on the film in the thickness direction.

1回当たりのGaドープZnO単結晶膜成長期間は16秒、1回当たりのCu供給期間は10秒とした。GaドープZnO単結晶膜成長工程でのZnフラックスFZnは0.17nm/s(JZn=1.1×1015atoms/cms)、Oラジカルビーム照射条件はRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)とし、Gaのセル温度TGaは490℃とした。VI/IIフラックス比は0.74である。また、Cu供給工程でのCuのセル温度TCuは930℃とし、CuフラックスFCuを0.0015nm/sとした。 The growth period of the Ga-doped ZnO single crystal film per time was 16 seconds, and the Cu supply period per time was 10 seconds. Zn flux F Zn in the Ga-doped ZnO single crystal film growth step is 0.17 nm / s (J Zn = 1.1 × 10 15 atoms / cm 2 s), O radical beam irradiation conditions are RF power 300 W, O 2 flow rate. 2.0 sccm (J 2 O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s), and the Ga cell temperature T Ga was 490 ° C. The VI / II flux ratio is 0.74. Further, the cell temperature T Cu of Cu in the Cu supplying step and 930 ° C., and the Cu flux F Cu and 0.0015 / s.

図6Bは、交互積層構造5Aの概略的な断面図である。交互積層構造5Aは、GaドープZnO単結晶膜5aとCu層5bが交互に積層された構造(膜上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶膜5aが厚さ方向に積層された構造)を有する。GaドープZnO単結晶膜5aの厚さは3.3nm程度、Cu層5bの厚さは1原子層以下、たとえば約1/20原子層(GaドープZnO単結晶膜5a表面のCu被覆率が5%程度)である。交互積層構造5A(膜上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶膜5a)はn型導電性を示し、ドナー濃度Nは、たとえば約1.0×1020cm−3である。 FIG. 6B is a schematic cross-sectional view of the alternately laminated structure 5A. The alternately laminated structure 5A is a structure in which Ga-doped ZnO single crystal films 5a and Cu layers 5b are alternately laminated (a structure in which Ga-doped ZnO single crystal films 5a supplied with Cu are laminated in the thickness direction). Have The thickness of the Ga-doped ZnO single crystal film 5a is about 3.3 nm, and the thickness of the Cu layer 5b is 1 atomic layer or less, for example, about 1/20 atomic layer (Cu coverage on the surface of the Ga-doped ZnO single crystal film 5a is 5). %). The alternately laminated structure 5A (Ga-doped ZnO single crystal film 5a with Cu supplied on the film) exhibits n-type conductivity, and the donor concentration Nd is, for example, about 1.0 × 10 20 cm −3 .

次に、膜上にCuが供給されたGaドープZnO単結晶膜5a(交互積層構造5A)をアニールして、Cuがドープされたp型膜(Cu、Ga共ドープp型ZnO層5)とした。たとえば大気中で650℃、70分間のアニールを実施することにより、Cu層5bのCuをGaドープZnO単結晶膜5a内に拡散させ、n型導電性を示す交互積層構造5Aをp型化することができる。このアニール条件においては、GaドープZnO単結晶膜5aは、潜在的な高抵抗化を経てp型化される。   Next, the Ga-doped ZnO single crystal film 5a (alternate laminated structure 5A) supplied with Cu on the film is annealed, and a p-type film doped with Cu (Cu, Ga co-doped p-type ZnO layer 5) and did. For example, by performing annealing at 650 ° C. for 70 minutes in the atmosphere, Cu in the Cu layer 5b is diffused into the Ga-doped ZnO single crystal film 5a, and the alternate stacked structure 5A exhibiting n-type conductivity is made p-type. be able to. Under this annealing condition, the Ga-doped ZnO single crystal film 5a is made p-type through a potential increase in resistance.

なお、たとえば大気中で650℃、30分間のアニールを実施し、GaドープZnO単結晶膜5aを顕在的に高抵抗化した後、更に、大気中で650℃、40分間のアニールを行うことにより、GaドープZnO単結晶膜5aをp型化してもよい。   For example, after annealing at 650 ° C. for 30 minutes in the atmosphere to increase the resistance of the Ga-doped ZnO single crystal film 5a, the annealing is further performed in air at 650 ° C. for 40 minutes. The Ga-doped ZnO single crystal film 5a may be made p-type.

その後、ZnO基板1の裏面にn側電極6nを形成した。Cu、Ga共ドープp型ZnO層5上にはp側電極6pを形成し、p側電極6p上にボンディング電極7を形成した。n側電極6nは、厚さ10nmのTi層上に厚さ500nmのAu層を積層して形成することができる。p側電極6pは、サイズ300μm□で厚さ1nmのNi層上に、厚さ10nmのAu層を積層して形成し、ボンディング電極7は、サイズ100μm□で厚さ500nmのAu層で形成した。こうして第1実施例によるZnO系半導体発光素子が作製された。   Thereafter, an n-side electrode 6 n was formed on the back surface of the ZnO substrate 1. A p-side electrode 6p was formed on the Cu and Ga co-doped p-type ZnO layer 5, and a bonding electrode 7 was formed on the p-side electrode 6p. The n-side electrode 6n can be formed by stacking an Au layer having a thickness of 500 nm on a Ti layer having a thickness of 10 nm. The p-side electrode 6p is formed by laminating a 10 nm thick Au layer on a 1 nm thick Ni layer having a size of 300 μm □, and the bonding electrode 7 is formed by an Au layer having a size of 100 μm □ and a thickness of 500 nm. . Thus, a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the first example was manufactured.

図6Aは、第1実施例によるZnO系半導体発光素子の概略的な断面図である。第1実施例によるZnO系半導体発光素子は、n型ZnO系半導体層(n型ZnO層3)、n型ZnO系半導体層上方に形成されたZnO系半導体活性層(アンドープZnO活性層4)、ZnO系半導体活性層上方に形成されたp型ZnO系半導体層(Cu、Ga共ドープp型ZnO層5)、n型ZnO系半導体層に電気的に接続されたn側電極(n側電極6n)、及び、p型ZnO系半導体層に電気的に接続されたp側電極(p側電極6p)を含む。   FIG. 6A is a schematic cross-sectional view of a ZnO based semiconductor light emitting device according to the first embodiment. The ZnO-based semiconductor light emitting device according to the first embodiment includes an n-type ZnO-based semiconductor layer (n-type ZnO layer 3), a ZnO-based semiconductor active layer (undoped ZnO active layer 4) formed above the n-type ZnO-based semiconductor layer, A p-type ZnO-based semiconductor layer (Cu, Ga co-doped p-type ZnO layer 5) formed above the ZnO-based semiconductor active layer, and an n-side electrode (n-side electrode 6n) electrically connected to the n-type ZnO-based semiconductor layer And a p-side electrode (p-side electrode 6p) electrically connected to the p-type ZnO-based semiconductor layer.

Cu、Ga共ドープp型ZnO層5は、CuとGaが共ドープされたp型ZnO系単結晶層である。Cu、Ga共ドープp型ZnO層5内において、Cu濃度[Cu]は1.0×1019cm−3以上、1.0×1021cm−3未満、たとえば2.2×1020cm−3であり、層の厚さ方向にほぼ一定である。Ga濃度[Ga]は、たとえば3.4×1019cm−3であり、層の厚さ方向にほぼ一定である。Cu濃度[Cu]とGa濃度[Ga]とは、[Ga]<[Cu]の関係を満たす。第1実施例による半導体発光素子のCu、Ga共ドープp型ZnO層5は、Cuが高濃度に、かつ、厚さ方向の全体にわたって均一にドープされたp型ZnO層である。 The Cu and Ga co-doped p-type ZnO layer 5 is a p-type ZnO-based single crystal layer co-doped with Cu and Ga. In the Cu and Ga co-doped p-type ZnO layer 5, the Cu concentration [Cu] is 1.0 × 10 19 cm −3 or more and less than 1.0 × 10 21 cm −3 , for example, 2.2 × 10 20 cm −. 3, which is substantially constant in the layer thickness direction. The Ga concentration [Ga] is, for example, 3.4 × 10 19 cm −3 and is substantially constant in the layer thickness direction. The Cu concentration [Cu] and the Ga concentration [Ga] satisfy the relationship [Ga] <[Cu]. The Cu and Ga co-doped p-type ZnO layer 5 of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment is a p-type ZnO layer in which Cu is doped at a high concentration and uniformly throughout the thickness direction.

実験及び第1実施例では、Cu、Ga共ドープp型ZnO層を形成した(MgZn1−xO表記においてx=0)が、膜上にCuが供給されたGaドープn型MgZn1−xO(0<x≦0.6)単結晶膜をアニールすることにより、Cuがドープされたp型膜(Cu、Ga共ドープp型MgZn1−xO(0<x≦0.6)単結晶膜)を得ることができる(MgZn1−xO表記においてx≠0)。 In the experiment and the first example, a Cu and Ga co-doped p-type ZnO layer was formed (x = 0 in Mg x Zn 1-x O notation), but Ga-doped n-type Mg x in which Cu was supplied onto the film. By annealing a Zn 1-x O (0 <x ≦ 0.6) single crystal film, a p-type film doped with Cu (Cu, Ga co-doped p-type Mg x Zn 1-x O (0 <x ≦ 0.6) single crystal film) can be obtained (x ≠ 0 in the Mg x Zn 1-x O notation).

膜上にCuが供給されたGaドープn型MgZn1−xO(0<x≦0.6)単結晶膜を準備する例として、Gaドープn型MgZn1−xO(0<x≦0.6)単結晶膜とCu層が交互に積層された交互積層構造を形成する場合を説明する。 As an example of preparing a Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O (0 <x ≦ 0.6) single crystal film supplied with Cu on the film, a Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O (0 <X ≦ 0.6) The case of forming an alternate stacked structure in which single crystal films and Cu layers are alternately stacked will be described.

図7は、交互積層構造を形成する際のZnセル、Mgセル、Oセル、Gaセル、及びCuセルのシャッタシーケンスの一例を示すタイムチャートである。   FIG. 7 is a time chart showing an example of a shutter sequence of Zn cells, Mg cells, O cells, Ga cells, and Cu cells when forming an alternately laminated structure.

交互積層構造の形成においては、Znセルシャッタ、Mgセルシャッタ、Oセルシャッタ、及びGaセルシャッタを開き、Cuセルシャッタを閉じるGaドープMgZn1−xO(0<x≦0.6)単結晶膜成長工程と、Znセルシャッタ、Mgセルシャッタ、Oセルシャッタ、及びGaセルシャッタを閉じ、Cuセルシャッタを開くCu付着工程とを交互に繰り返す。 In the formation of the alternately laminated structure, a Ga-doped Mg x Zn 1-x O (0 <x ≦ 0.6) that opens a Zn cell shutter, an Mg cell shutter, an O cell shutter, and a Ga cell shutter and closes a Cu cell shutter. The single crystal film growth step and the Cu deposition step of closing the Zn cell shutter, Mg cell shutter, O cell shutter, and Ga cell shutter and opening the Cu cell shutter are alternately repeated.

本図に示す例では、GaドープMgZn1−xO単結晶膜成長工程におけるZnセルシャッタの開期間が、Mgセルシャッタ、Oセルシャッタ、及びGaセルシャッタの開期間を含むように設定されている。具体的には、Mgセルシャッタ、Oセルシャッタ、及びGaセルシャッタの開閉は同時に行われ、Mgセルシャッタ、Oセルシャッタ、及びGaセルシャッタの開期間の前後に、Znセルシャッタの開期間が延長される。 In the example shown in the figure, the open period of the Zn cell shutter in the Ga-doped Mg x Zn 1-x O single crystal film growth step is set to include the open periods of the Mg cell shutter, the O cell shutter, and the Ga cell shutter. Has been. Specifically, the Mg cell shutter, the O cell shutter, and the Ga cell shutter are simultaneously opened and closed, and the Zn cell shutter open period is set before and after the Mg cell shutter, O cell shutter, and Ga cell shutter open periods. Extended.

たとえば、Mgセルシャッタ、Oセルシャッタ、及びGaセルシャッタの1回当たりの開期間は16秒である。Mgセルシャッタ、Oセルシャッタ、及びGaセルシャッタの開期間の前後にZnセルシャッタの開期間を1秒ずつ延長し、Znセルシャッタの1回当たりの開期間を18秒とする。Znセルシャッタ、Mgセルシャッタ、Oセルシャッタ、及びGaセルシャッタがすべて開状態となる16秒間が、1回当たりのGaドープMgZn1−xO単結晶膜成長期間である。Cuセルシャッタの1回当たりの開期間は10秒とした。 For example, the open period per time of the Mg cell shutter, O cell shutter, and Ga cell shutter is 16 seconds. The open period of the Zn cell shutter is extended by 1 second before and after the open periods of the Mg cell shutter, the O cell shutter, and the Ga cell shutter, and the open period of each Zn cell shutter is 18 seconds. A period of 16 seconds during which the Zn cell shutter, Mg cell shutter, O cell shutter, and Ga cell shutter are all open is a Ga-doped Mg x Zn 1-x O single crystal film growth period. The opening period per time of the Cu cell shutter was 10 seconds.

OラジカルとCuを同時に供給しないことに加え、Cu付着工程の前後で、GaドープMgZn1−xO単結晶膜表面をZnで覆うことにより、OラジカルとCuの直接の反応が抑制される。 In addition to not supplying the O radical and Cu simultaneously, covering the surface of the Ga-doped Mg x Zn 1-x O single crystal film with Zn before and after the Cu deposition step suppresses the direct reaction between the O radical and Cu. The

なお、ZnとともにMgを供給する場合、OラジカルとCuの反応を抑制するという観点からは、Znセルシャッタの開期間とMgセルシャッタの開期間の少なくとも一方が、Oセルシャッタの開期間を含むようにすればよいであろう。GaドープMgZn1−xO単結晶膜のMg組成の制御性を高める観点からは、Znセルシャッタの開期間が、Mgセルシャッタ及びOセルシャッタの開期間を含むようにすればよいと考えられる。 When supplying Mg together with Zn, from the viewpoint of suppressing the reaction between O radicals and Cu, at least one of the open period of the Zn cell shutter and the open period of the Mg cell shutter includes the open period of the O cell shutter. This should be done. From the viewpoint of enhancing the controllability of the Mg composition of the Ga-doped Mg x Zn 1-x O single crystal film, the open period of the Zn cell shutter should include the open periods of the Mg cell shutter and the O cell shutter. Conceivable.

膜上にCuが供給されたGaドープn型MgZn1−xO(0<x≦0.6)単結晶膜(交互積層構造)をアニールすることにより、高抵抗化を経て、Cu、Ga共ドープp型MgZn1−xO(0<x≦0.6)単結晶膜が作製される。 By annealing a Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O (0 <x ≦ 0.6) single crystal film (alternate laminated structure) supplied with Cu on the film, the resistance is increased, Cu, A Ga co-doped p-type Mg x Zn 1-x O (0 <x ≦ 0.6) single crystal film is produced.

次に、Cu、Ga共ドープp型MgZn1−xO(0<x≦0.6)単結晶層を備える、ダブルへテロ構造のZnO系半導体発光素子に係る第2実施例及び第3実施例について述べる。 Next, a second example and a second example of a ZnO-based semiconductor light emitting device having a double hetero structure including a Cu, Ga co-doped p-type Mg x Zn 1-x O (0 <x ≦ 0.6) single crystal layer are described. Three examples will be described.

図8A〜図8Cを参照し、第2実施例によるZnO系半導体発光素子の製造方法を説明する。   A method for manufacturing a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 8A to 8C.

図8Aに示すように、ZnO基板11上方に、Zn及びOを同時に供給し、たとえば厚さ30nmのZnOバッファ層12を成長させた。一例として、成長温度を300℃、ZnフラックスFZnを0.15nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccmとすることができる。ZnOバッファ層12の結晶性及び表面平坦性の改善のため、900℃で10分間のアニールを行った。 As shown in FIG. 8A, Zn and O were simultaneously supplied above the ZnO substrate 11 to grow, for example, a ZnO buffer layer 12 having a thickness of 30 nm. As an example, the growth temperature may be 300 ° C., the Zn flux F Zn may be 0.15 nm / s, the O radical beam irradiation conditions may be RF power 300 W, and the O 2 flow rate 2.0 sccm. In order to improve the crystallinity and surface flatness of the ZnO buffer layer 12, annealing was performed at 900 ° C. for 10 minutes.

ZnOバッファ層12上方に、Zn、O及びGaを同時に供給し、たとえば成長温度900℃で、厚さ150nmのn型ZnO層13を成長させた。ZnフラックスFZnを0.15nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー250W、O流量1.0sccm、Gaセル温度を460℃とした。n型ZnO層13のGa濃度は、たとえば1.5×1018cm−3となる。 Zn, O and Ga were simultaneously supplied above the ZnO buffer layer 12 to grow an n-type ZnO layer 13 having a thickness of 150 nm at a growth temperature of 900 ° C., for example. Zn flux F Zn was 0.15 nm / s, O radical beam irradiation conditions were RF power 250 W, O 2 flow rate 1.0 sccm, and Ga cell temperature was 460 ° C. The Ga concentration of the n-type ZnO layer 13 is, for example, 1.5 × 10 18 cm −3 .

n型ZnO層13上方に、Zn、Mg及びOを同時に供給し、たとえば厚さ30nmのn型MgZnO層14を成長させた。成長温度を900℃、ZnフラックスFZnを0.1nm/s、MgフラックスFMgを0.025nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2sccmとすることができる。n型MgZnO層14のMg組成は、たとえば0.3である。 Zn, Mg and O were simultaneously supplied above the n-type ZnO layer 13 to grow, for example, an n-type MgZnO layer 14 having a thickness of 30 nm. The growth temperature can be 900 ° C., Zn flux F Zn can be 0.1 nm / s, Mg flux F Mg can be 0.025 nm / s, O radical beam irradiation conditions can be RF power 300 W, and O 2 flow rate 2 sccm. The Mg composition of the n-type MgZnO layer 14 is, for example, 0.3.

n型MgZnO層14上方に、Zn及びOを同時に供給し、たとえば成長温度900℃で、厚さ10nmのZnO活性層15を成長させた。ZnフラックスFZnを0.1nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccmとした。 Zn and O were simultaneously supplied above the n-type MgZnO layer 14 to grow a ZnO active layer 15 having a thickness of 10 nm at a growth temperature of 900 ° C., for example. Zn flux F Zn was 0.1 nm / s, O radical beam irradiation conditions were RF power 300 W, and O 2 flow rate 2.0 sccm.

なお、図8Bに示すように、活性層15として、単層のZnO層ではなく、MgZnO障壁層15bとZnO井戸層15wが交互に積層された量子井戸構造を採用することができる。   As shown in FIG. 8B, the active layer 15 may employ a quantum well structure in which MgZnO barrier layers 15b and ZnO well layers 15w are alternately stacked instead of a single ZnO layer.

基板温度をたとえば300℃まで下げ、GaドープMgZnO単結晶膜成長工程とCu付着工程とを交互に繰り返し、活性層15上方に交互積層構造を形成(膜上にCuが供給されたGaドープn型MgZnO単結晶膜を準備)した。交互積層構造形成に当たってのZnセル、Mgセル、Oセル、Gaセル、及びCuセルのシャッタシーケンスは、たとえば図7に示すそれと同様である。   The substrate temperature is lowered to, for example, 300 ° C., and the Ga-doped MgZnO single crystal film growth process and the Cu deposition process are alternately repeated to form an alternate stacked structure above the active layer 15 (Ga-doped n-type with Cu supplied on the film) MgZnO single crystal film was prepared). The shutter sequence of the Zn cell, Mg cell, O cell, Ga cell, and Cu cell in forming the alternate stacked structure is the same as that shown in FIG. 7, for example.

たとえば、1回当たりのGaドープMgZnO単結晶膜成長工程での成長期間を16秒とし、1回当たりのCu付着工程におけるCu供給期間を10秒とした。GaドープMgZnO単結晶膜成長工程でのZnフラックスFZnは0.15nm/s、MgフラックスFMgは0.03nm/s、Oラジカルビーム照射条件は、RFパワー300W、O流量2.0sccm、Gaのセル温度TGaは498℃である。VI/IIフラックス比は0.72となる。Cu供給工程でのCuのセル温度TCuは930℃とし、CuフラックスFCuを0.0015nm/sとした。GaドープMgZnO単結晶膜成長工程とCu付着工程を交互に60回ずつ繰り返し、厚さ200nmの交互積層構造を得た。交互積層構造は、膜上にCuが供給されたGaドープn型MgZnO単結晶膜が60層、厚さ方向に積層されたものと考えることができる。 For example, the growth period in a single Ga-doped MgZnO single crystal film growth step is 16 seconds, and the Cu supply period in a single Cu deposition step is 10 seconds. Zn flux F Zn in the Ga-doped MgZnO single crystal film growth step is 0.15 nm / s, Mg flux F Mg is 0.03 nm / s, O radical beam irradiation conditions are RF power 300 W, O 2 flow rate 2.0 sccm, The cell temperature TGa of Ga is 498 ° C. The VI / II flux ratio is 0.72. The Cu cell temperature T Cu in the Cu supplying step was 930 ° C., and the Cu flux F Cu was 0.0015 nm / s. The Ga-doped MgZnO single crystal film growth step and the Cu deposition step were alternately repeated 60 times to obtain an alternate laminated structure having a thickness of 200 nm. The alternate stacked structure can be considered as 60 layers of Ga-doped n-type MgZnO single crystal films supplied with Cu stacked in the thickness direction.

図8Cは、交互積層構造16Aの概略的な断面図である。交互積層構造16Aは、GaドープMgZnO単結晶膜16aとCu層16bが交互に積層された積層構造(膜上にCuが供給されたGaドープMgZnO単結晶膜16aが、厚さ方向に積層された構造)を有する。GaドープMgZnO単結晶膜16aの厚さは3.3nm程度、Cu層16bの厚さは1原子層以下、たとえば約1/20原子層(GaドープMgZnO単結晶膜16a表面のCu被覆率が5%程度)である。交互積層構造16A(膜上にCuが供給されたGaドープMgZnO単結晶膜16a)はn型導電性を示し、ドナー濃度Nは、たとえば約7.5×1019cm−3である。 FIG. 8C is a schematic cross-sectional view of the alternately laminated structure 16A. The alternate laminated structure 16A has a laminated structure in which Ga-doped MgZnO single crystal films 16a and Cu layers 16b are alternately laminated (a Ga-doped MgZnO single crystal film 16a supplied with Cu on the film is laminated in the thickness direction). Structure). The thickness of the Ga-doped MgZnO single crystal film 16a is about 3.3 nm, the thickness of the Cu layer 16b is 1 atomic layer or less, for example, about 1/20 atomic layer (the Cu coverage on the surface of the Ga-doped MgZnO single crystal film 16a is 5 %). The alternate stacked structure 16A (Ga-doped MgZnO single crystal film 16a with Cu supplied on the film) exhibits n-type conductivity, and the donor concentration Nd is, for example, about 7.5 × 10 19 cm −3 .

次に、膜上にCuが供給されたGaドープMgZnO単結晶膜16a(交互積層構造16A)をアニールし、活性層15上方に、Cuがドープされたp型膜(Cu、Ga共ドープp型MgZnO層16)を形成した。たとえば大気中で650℃、20分間のアニールを実施することにより、Cu層16bのCuをGaドープMgZnO単結晶膜16a内に拡散させ、n型導電性を示す交互積層構造16Aをp型化することができる。このアニール条件においては、GaドープMgZnO単結晶膜16aは、潜在的な高抵抗化を経てp型化される。   Next, the Ga-doped MgZnO single crystal film 16a (alternate stacked structure 16A) supplied with Cu on the film is annealed, and a Cu-doped p-type film (Cu, Ga co-doped p-type is formed above the active layer 15. An MgZnO layer 16) was formed. For example, by performing annealing at 650 ° C. for 20 minutes in the atmosphere, Cu in the Cu layer 16b is diffused into the Ga-doped MgZnO single crystal film 16a, and the alternate stacked structure 16A exhibiting n-type conductivity is made p-type. be able to. Under this annealing condition, the Ga-doped MgZnO single crystal film 16a is made p-type through a potential increase in resistance.

なお、たとえば大気中で650℃、10分間のアニールを実施し、GaドープMgZnO単結晶膜16aを顕在的に高抵抗化した後、更に、大気中で650℃、10分間のアニールを行うことにより、GaドープMgZnO単結晶膜16aをp型化してもよい。   For example, after annealing at 650 ° C. for 10 minutes in the atmosphere to increase the resistance of the Ga-doped MgZnO single crystal film 16a, the annealing is further performed in air at 650 ° C. for 10 minutes. The Ga-doped MgZnO single crystal film 16a may be made p-type.

Cu、Ga共ドープp型MgZnO層16のMg組成は、たとえば0.3である。   The Mg composition of the Cu and Ga co-doped p-type MgZnO layer 16 is, for example, 0.3.

ZnO基板11の裏面にn側電極17nを形成し、Cu、Ga共ドープp型MgZnO層16上にp側電極17pを形成する。また、p側電極17p上にボンディング電極18を形成する。たとえばn側電極17nは、厚さ10nmのTi層上に厚さ500nmのAu層を積層して形成し、p側電極17pは、大きさ300μm□で厚さ1nmのNi層上に、厚さ10nmのAu層を積層して形成することができる。ボンディング電極18は、大きさ100μm□で厚さ500nmのAu層で形成する。こうして第2実施例によるZnO系半導体発光素子が作製される。   An n-side electrode 17 n is formed on the back surface of the ZnO substrate 11, and a p-side electrode 17 p is formed on the Cu and Ga co-doped p-type MgZnO layer 16. Further, the bonding electrode 18 is formed on the p-side electrode 17p. For example, the n-side electrode 17n is formed by laminating a 500-nm thick Au layer on a 10-nm-thick Ti layer, and the p-side electrode 17p has a thickness of 300 μm □ and a 1-nm-thick Ni layer. It can be formed by laminating a 10 nm Au layer. The bonding electrode 18 is formed of an Au layer having a size of 100 μm □ and a thickness of 500 nm. Thus, the ZnO-based semiconductor light emitting device according to the second embodiment is manufactured.

第2実施例においてはZnO基板11を用いたが、MgZnO基板、GaN基板、SiC基板、Ga基板等の導電性基板を使用することが可能である。 Although the ZnO substrate 11 is used in the second embodiment, a conductive substrate such as an MgZnO substrate, a GaN substrate, a SiC substrate, or a Ga 2 O 3 substrate can be used.

図8Aは、第2実施例によるZnO系半導体発光素子の概略的な断面図である。第2実施例によるZnO系半導体発光素子は、n型ZnO系半導体層(たとえばn型ZnO層13)、n型ZnO系半導体層上方に形成されたZnO系半導体活性層(活性層15)、ZnO系半導体活性層上方に形成されたp型ZnO系半導体層(Cu、Ga共ドープp型MgZnO層16)、n型ZnO系半導体層に電気的に接続されたn側電極(n側電極17n)、及び、p型ZnO系半導体層に電気的に接続されたp側電極(p側電極17p)を含む。   FIG. 8A is a schematic cross-sectional view of a ZnO based semiconductor light emitting device according to a second embodiment. The ZnO-based semiconductor light emitting device according to the second embodiment includes an n-type ZnO-based semiconductor layer (for example, an n-type ZnO layer 13), a ZnO-based semiconductor active layer (active layer 15) formed above the n-type ZnO-based semiconductor layer, ZnO P-type ZnO-based semiconductor layer (Cu, Ga co-doped p-type MgZnO layer 16) formed above the active semiconductor active layer, n-side electrode (n-side electrode 17n) electrically connected to the n-type ZnO-based semiconductor layer And a p-side electrode (p-side electrode 17p) electrically connected to the p-type ZnO-based semiconductor layer.

Cu、Ga共ドープp型MgZnO層16は、CuとGaが共ドープされたp型ZnO系単結晶層である。Cu、Ga共ドープp型MgZnO層16内において、Cu濃度[Cu]は1.0×1019cm−3以上、1.0×1021cm−3未満、たとえば2.0×1020cm−3であり、層の厚さ方向にほぼ一定である。Ga濃度[Ga]は、たとえば3.6×1019cm−3であり、層の厚さ方向にほぼ一定である。Cu濃度[Cu]とGa濃度[Ga]とは、[Ga]<[Cu]の関係を満たす。第2実施例による半導体発光素子のCu、Ga共ドープp型MgZnO層16は、Cuが高濃度に、かつ、厚さ方向の全体にわたって均一にドープされたp型MgZnO層である。 The Cu and Ga co-doped p-type MgZnO layer 16 is a p-type ZnO-based single crystal layer co-doped with Cu and Ga. In the Cu and Ga co-doped p-type MgZnO layer 16, the Cu concentration [Cu] is 1.0 × 10 19 cm −3 or more and less than 1.0 × 10 21 cm −3 , for example, 2.0 × 10 20 cm −. 3, which is substantially constant in the layer thickness direction. The Ga concentration [Ga] is, for example, 3.6 × 10 19 cm −3 and is substantially constant in the layer thickness direction. The Cu concentration [Cu] and the Ga concentration [Ga] satisfy the relationship [Ga] <[Cu]. The Cu and Ga co-doped p-type MgZnO layer 16 of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment is a p-type MgZnO layer in which Cu is doped at a high concentration and uniformly throughout the thickness direction.

図9を参照し、第3実施例によるZnO系半導体発光素子の製造方法を説明する。第1及び第2実施例においては導電性基板上方に半導体層を形成したが、第3実施例では絶縁性基板上方に半導体層を形成する。   With reference to FIG. 9, a method of manufacturing a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the third embodiment will be described. In the first and second embodiments, the semiconductor layer is formed above the conductive substrate. In the third embodiment, the semiconductor layer is formed above the insulating substrate.

絶縁性基板であるc面サファイア基板21上方に、Mg及びOを同時に供給し、たとえば厚さ10nmのMgOバッファ層22を成長させる。一例として、成長温度を650℃、MgフラックスFMgを0.05nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2sccmとすることができる。MgOバッファ層22は、その上のZnO系半導体層がZn面を表面として成長するように制御する極性制御層として機能する。 Mg and O are simultaneously supplied above the c-plane sapphire substrate 21 which is an insulating substrate to grow, for example, an MgO buffer layer 22 having a thickness of 10 nm. As an example, the growth temperature may be 650 ° C., the Mg flux F Mg may be 0.05 nm / s, the O radical beam irradiation conditions may be RF power 300 W, and the O 2 flow rate 2 sccm. The MgO buffer layer 22 functions as a polarity control layer that controls the ZnO-based semiconductor layer on the MgO buffer layer 22 to grow with the Zn surface as the surface.

MgOバッファ層22上方に、たとえば成長温度300℃、ZnフラックスFZnを0.15nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccmとして、Zn及びOを同時に供給し、厚さ30nmのZnOバッファ層23を成長させる。ZnOバッファ層23はZn面で成長する。ZnOバッファ層23の結晶性及び表面平坦性の改善のため、900℃で30分間のアニールを行う。 For example, Zn and O are simultaneously supplied above the MgO buffer layer 22 with a growth temperature of 300 ° C., a Zn flux F Zn of 0.15 nm / s, an O radical beam irradiation condition of RF power of 300 W, and an O 2 flow rate of 2.0 sccm. A ZnO buffer layer 23 having a thickness of 30 nm is grown. The ZnO buffer layer 23 grows on the Zn plane. In order to improve the crystallinity and surface flatness of the ZnO buffer layer 23, annealing is performed at 900 ° C. for 30 minutes.

ZnOバッファ層23上方に、Zn、O及びGaを同時に供給し、たとえば厚さ1.5μmのn型ZnO層24を成長させる。一例として成長温度を900℃、ZnフラックスFZnを0.05nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2sccm、Gaのセル温度を480℃とする。 Zn, O and Ga are simultaneously supplied above the ZnO buffer layer 23 to grow, for example, an n-type ZnO layer 24 having a thickness of 1.5 μm. As an example, the growth temperature is 900 ° C., the Zn flux F Zn is 0.05 nm / s, the O radical beam irradiation condition is RF power 300 W, the O 2 flow rate 2 sccm, and the Ga cell temperature is 480 ° C.

n型ZnO層24上方に、Zn、Mg及びOを同時に供給し、たとえば厚さ30nmのn型MgZnO層25を成長させる。成長温度を900℃、ZnフラックスFZnを0.1nm/s、MgフラックスFMgを0.025nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2sccmとすることができる。n型MgZnO層25のMg組成は、たとえば0.3である。 Zn, Mg and O are simultaneously supplied above the n-type ZnO layer 24 to grow, for example, an n-type MgZnO layer 25 having a thickness of 30 nm. The growth temperature can be 900 ° C., Zn flux F Zn can be 0.1 nm / s, Mg flux F Mg can be 0.025 nm / s, O radical beam irradiation conditions can be RF power 300 W, and O 2 flow rate 2 sccm. The Mg composition of the n-type MgZnO layer 25 is, for example, 0.3.

n型MgZnO層25上方に、たとえば厚さ10nmのZnO活性層26を成長させる。成長条件は、第2実施例における活性層15の場合と等しくすることができる。単層のZnO層のかわりに、量子井戸構造を採用してもよい。   On the n-type MgZnO layer 25, for example, a ZnO active layer 26 having a thickness of 10 nm is grown. The growth conditions can be made equal to those of the active layer 15 in the second embodiment. Instead of the single ZnO layer, a quantum well structure may be adopted.

活性層26上方に、Cu、Ga共ドープp型MgZnO層27を形成する。形成方法は、たとえば第2実施例におけるCu、Ga共ドープp型MgZnO層16のそれと等しい。   A Cu and Ga co-doped p-type MgZnO layer 27 is formed on the active layer 26. The formation method is the same as that of the Cu and Ga co-doped p-type MgZnO layer 16 in the second embodiment, for example.

第3実施例のc面サファイア基板21は絶縁性基板であるため、基板21裏面側にn側電極を取ることができない。そこでCu、Ga共ドープp型MgZnO層27の上面から、n型ZnO層24が露出するまでエッチングを行い、露出したn型ZnO層24上にn側電極28nを形成する。また、Cu、Ga共ドープp型MgZnO層27上にp側電極28pを形成し、p側電極28p上にボンディング電極29を形成する。   Since the c-plane sapphire substrate 21 of the third embodiment is an insulating substrate, an n-side electrode cannot be formed on the back side of the substrate 21. Therefore, etching is performed from the upper surface of the Cu and Ga co-doped p-type MgZnO layer 27 until the n-type ZnO layer 24 is exposed, and an n-side electrode 28n is formed on the exposed n-type ZnO layer 24. A p-side electrode 28p is formed on the Cu, Ga co-doped p-type MgZnO layer 27, and a bonding electrode 29 is formed on the p-side electrode 28p.

n側電極28nは、厚さ10nmのTi層上に厚さ500nmのAu層を積層して形成し、p側電極28pは、厚さ0.5nmのNi層上に厚さ10nmのAu層を積層して形成することができる。ボンディング電極29は、厚さ500nmのAu層で形成する。こうして第3実施例によるZnO系半導体発光素子が作製される。   The n-side electrode 28n is formed by stacking a 500 nm thick Au layer on a 10 nm thick Ti layer, and the p side electrode 28p is formed by a 10 nm thick Au layer on a 0.5 nm thick Ni layer. It can be formed by stacking. The bonding electrode 29 is formed of an Au layer having a thickness of 500 nm. Thus, a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the third embodiment is manufactured.

図9は、第3実施例によるZnO系半導体発光素子の概略的な断面図である。第3実施例によるZnO系半導体発光素子も、第1及び第2実施例と同様に、n型ZnO系半導体層(たとえばn型ZnO層24)、n型ZnO系半導体層上方に形成されたZnO系半導体活性層(活性層26)、ZnO系半導体活性層上方に形成されたp型ZnO系半導体層(Cu、Ga共ドープp型MgZnO層27)、n型ZnO系半導体層に電気的に接続されたn側電極(n側電極28n)、及び、p型ZnO系半導体層に電気的に接続されたp側電極(p側電極28p)を含む。また、第3実施例のCu、Ga共ドープp型MgZnO層27は、第2実施例のCu、Ga共ドープp型MgZnO層16と同様の性質を有する。   FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the third embodiment. Similarly to the first and second embodiments, the ZnO-based semiconductor light emitting device according to the third embodiment also has an n-type ZnO-based semiconductor layer (for example, an n-type ZnO layer 24) and a ZnO formed above the n-type ZnO-based semiconductor layer. Electrically connected to a p-type semiconductor active layer (active layer 26), a p-type ZnO-based semiconductor layer (Cu, Ga co-doped p-type MgZnO layer 27) formed above the ZnO-based semiconductor active layer, and an n-type ZnO-based semiconductor layer And an n-side electrode (n-side electrode 28n) and a p-side electrode (p-side electrode 28p) electrically connected to the p-type ZnO-based semiconductor layer. The Cu and Ga co-doped p-type MgZnO layer 27 of the third embodiment has the same properties as the Cu and Ga co-doped p-type MgZnO layer 16 of the second embodiment.

以上、実験及び実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated along experiment and an Example, this invention is not restrict | limited to these.

たとえば実施例によるZnO系半導体発光素子を製造するに当たり、酸素源としてOラジカルを用いたが、オゾンやHO、アルコールなどの極性酸化剤等、酸化力の強い他のガスを使用することができる。また、MBE法を用い、膜上にCuが供給されたGaドープn型MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を形成したが、たとえば真空蒸着やスパッタにより形成してもよい。更に、アニールを大気中で行ったが、酸素雰囲気中等で行ってもよい。 For example, in manufacturing a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the embodiment, O radicals were used as an oxygen source, but other gases having strong oxidizing power such as ozone, H 2 O, and polar oxidizers such as alcohol may be used. it can. In addition, a Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film in which Cu is supplied on the film is formed using the MBE method. For example, it is formed by vacuum deposition or sputtering. May be. Furthermore, although annealing was performed in the air, it may be performed in an oxygen atmosphere or the like.

また、実験及び実施例では、膜上にCuが供給されたGaドープn型MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜をアニールし、Cuがドープされたp型層(Cu、Ga共ドープp型MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶層)とした。Cu(IB族元素)が付着したGa(IIIB族元素)ドープn型MgZn1−xO単結晶膜がアニールされることで、CuがVIB族元素であるOと1価(Cu)の状態で結合しやすくなり、アクセプタとして機能する1価のCuが2価のCu2+より生じやすくなる結果、Gaドープn型MgZn1−xO単結晶膜がp型化すると考えられる。したがって、Cuにかえて、またはCuとともに、Cuと同様に複数の価数を形成しうるIB族元素であるAgを用いることができる。また、Gaに限らず、Gaと同じくIIIB族元素であるB、Al及びInを使用することができる。使用されるIIIB族元素は、B、Ga、Al及びInからなる群より選択される一以上のIIIB族元素であればよい。 In the experiments and examples, a Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film in which Cu is supplied onto the film is annealed to form a p-type doped with Cu. Layer (Cu, Ga co-doped p-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal layer). By annealing the Ga (IIIB group element) doped n-type Mg x Zn 1-x O single crystal film to which Cu (IB group element) is attached, Cu is a VIB group element O and monovalent (Cu + ) As a result, the monovalent Cu + functioning as an acceptor is more likely to be generated than the divalent Cu 2+ , and as a result, the Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O single crystal film is considered to be p-type. . Therefore, Ag which is a group IB element capable of forming a plurality of valences similarly to Cu can be used instead of or together with Cu. Moreover, not only Ga but B, Al, and In which are IIIB group elements like Ga can be used. The group IIIB element used may be one or more group IIIB elements selected from the group consisting of B, Ga, Al, and In.

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

なお、先の出願(特願2012−41096号)で本願発明者らが提案した、(α)MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を形成する工程と、(β)MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜上にCuを供給する工程を交互に繰り返す、Cuドープp型MgZn1−xO(0≦x≦0.6)層の製造方法においては、以下の(1)〜(3)等の知見が得られている。 The step of forming a (α) Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film proposed by the inventors of the present application (Japanese Patent Application No. 2012-41096), (Β) Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) Cu-doped p-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0), in which the step of supplying Cu on the single crystal film is repeated alternately. In the method for producing the 0.6) layer, the following findings (1) to (3) are obtained.

(1)結晶性の悪化を防止するために、1回の工程(α)当たり、厚さ10nm以下のMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を形成することが望ましい。 (1) Forming a Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film having a thickness of 10 nm or less per step (α) in order to prevent deterioration of crystallinity. Is desirable.

(2)高い平坦性、良好な結晶性を得るために、工程(α)においては、ストイキオメトリ条件(VI/IIフラックス比が1)またはII族リッチ条件(VI/IIフラックス比が1未満)でMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を形成することが望ましく、VI/IIフラックス比が0.5以上で1より小さいという条件のもとで形成することが一層望ましい。 (2) In order to obtain high flatness and good crystallinity, stoichiometry conditions (VI / II flux ratio is 1) or Group II rich conditions (VI / II flux ratio is less than 1) in step (α) ) Is desirable to form a Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film under the condition that the VI / II flux ratio is 0.5 or more and less than 1. More desirable.

(3)良好な結晶成長を実現するために、工程(α)において、成長温度(基板温度)を200℃程度以上350℃以下としてMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を成長させることが望ましい。 (3) In order to realize good crystal growth, in the step (α), the growth temperature (substrate temperature) is about 200 ° C. or more and 350 ° C. or less, and Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) It is desirable to grow a single crystal film.

本願に係るZnO系半導体素子を製造する際にも、Gaドープn型MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を成長させる場合には、上記(1)〜(3)に示す条件で成長させることにより、平坦性が高く、良好な結晶性を有するp型MgZn1−xO(0≦x≦0.6)膜を得ることが可能である。 When a Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film is grown also in manufacturing a ZnO-based semiconductor element according to the present application, the above (1) to ( By growing under the conditions shown in 3), it is possible to obtain a p-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) film having high flatness and good crystallinity.

図10は、第1実施例〜第3実施例によるZnO系半導体発光素子を製造するに当たっての、Gaドープn型MgZn1−xO単結晶膜の成膜条件をまとめた表である。 FIG. 10 is a table summarizing the film forming conditions of the Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O single crystal film in manufacturing the ZnO-based semiconductor light emitting devices according to the first to third examples.

本表に示されるように、第1実施例〜第3実施例のすべてにおいて、上記(1)〜(3)に示す条件は満たされている。このため実施例によるp型MgZn1−xO(0≦x≦0.6)層は、高い平坦性と良好な結晶性を備えるp型ZnO系半導体層である。 As shown in this table, the conditions shown in the above (1) to (3) are satisfied in all of the first to third embodiments. Therefore, the p-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) layer according to the embodiment is a p-type ZnO-based semiconductor layer having high flatness and good crystallinity.

なお、本願発明者らが原子間力顕微鏡(atomic force microscope; AFM)の像等により表面観察を行った結果、p型MgZn1−xO(0≦x≦0.6)層の表面は、交互積層構造の表面より平坦であることがわかった。実施例によるp型MgZn1−xO層は、アニール処理され、平坦性の向上されたp型ZnO系半導体層である。 As a result of the inventors performing surface observation with an atomic force microscope (AFM) image or the like, the surface of the p-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) layer was observed. Was found to be flatter than the surface of the alternating layered structure. The p-type Mg x Zn 1-x O layer according to the example is a p-type ZnO-based semiconductor layer that is annealed and has improved flatness.

実施例によるp型ZnO系半導体層は、たとえば短波長(紫外〜青色波長領域)の光を発光する発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)に利用でき、また、これらの応用製品(各種インジケータ、LEDディスプレイ、CV/DVD用光源等)に利用可能である。更に、白色LEDやその応用製品(照明器具、各種インジケータ、ディスプレイ、各種表示器のバックライト等)に利用できる。また、紫外センサに利用可能である。   The p-type ZnO-based semiconductor layer according to the embodiment can be used for, for example, a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) that emits light having a short wavelength (ultraviolet to blue wavelength region), and these applied products (various indicators). , LED display, CV / DVD light source, etc.). Furthermore, it can be used for white LEDs and their application products (lighting fixtures, various indicators, displays, backlights for various displays, etc.). Moreover, it can utilize for an ultraviolet sensor.

1 ZnO基板
2 ZnOバッファ層
3 n型ZnO層
4 アンドープZnO活性層
5 Cu、Ga共ドープp型ZnO層
5A 交互積層構造
5a GaドープZnO単結晶膜
5b Cu層
6n n側電極
6p p側電極
7 ボンディング電極
11 ZnO基板
12 ZnOバッファ層
13 n型ZnO層
14 n型MgZnO層
15 活性層
15b MgZnO障壁層
15w ZnO井戸層
16 Cu、Ga共ドープp型MgZnO層
16A 交互積層構造
16a GaドープMgZnO単結晶膜
16b Cu層
17n n側電極
17p p側電極
18 ボンディング電極
21 c面サファイア基板
22 MgOバッファ層
23 ZnOバッファ層
24 n型ZnO層
25 n型MgZnO層
26 活性層
27 Cu、Ga共ドープp型MgZnO層
28n n側電極
28p p側電極
29 ボンディング電極
51 ZnO基板
52 ZnOバッファ層
53 アンドープZnO層
54 交互積層構造
54a GaドープZnO単結晶層
54b Cu層
71 真空チャンバ
72 Znソースガン
73 Oソースガン
74 Mgソースガン
75 Cuソースガン
76 Gaソースガン
77 ステージ
78 基板
79 膜厚計
80 RHEED用ガン
81 スクリーン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ZnO substrate 2 ZnO buffer layer 3 n-type ZnO layer 4 Undoped ZnO active layer 5 Cu, Ga co-doped p-type ZnO layer 5A Alternating structure 5a Ga-doped ZnO single crystal film 5b Cu layer 6n n-side electrode 6p p-side electrode 7 Bonding electrode 11 ZnO substrate 12 ZnO buffer layer 13 n-type ZnO layer 14 n-type MgZnO layer 15 active layer 15b MgZnO barrier layer 15w ZnO well layer 16 Cu, Ga co-doped p-type MgZnO layer 16A Alternating structure 16a Ga-doped MgZnO single crystal Film 16b Cu layer 17n n-side electrode 17p p-side electrode 18 bonding electrode 21 c-plane sapphire substrate 22 MgO buffer layer 23 ZnO buffer layer 24 n-type ZnO layer 25 n-type MgZnO layer 26 active layer 27 Cu, Ga co-doped p-type MgZnO Layer 28n n-side electrode 28p p-side electrode 29 Bonding electrode 51 ZnO substrate 52 ZnO buffer layer 53 Undoped ZnO layer 54 Alternating layered structure 54a Ga doped ZnO single crystal layer 54b Cu layer 71 Vacuum chamber 72 Zn source gun 73 O source gun 74 Mg source gun 75 Cu source gun 76 Ga source gun 77 Stage 78 Substrate 79 Film thickness meter 80 RHEED gun 81 Screen

Claims (2)

(i)Cuまたは/及びAgであるIB族元素と、(ii)B、Ga、Al、及びInからなる群より選択される一以上のIIIB族元素とが共ドープされたp型ZnO系半導体単結晶層であって、
前記IB族元素の濃度は、1×1019cm−3以上であり、層の厚さ方向にほぼ一定であるp型ZnO系半導体単結晶層。
A p-type ZnO-based semiconductor in which (i) a group IB element that is Cu or / and Ag and (ii) one or more group IIIB elements selected from the group consisting of B, Ga, Al, and In are co-doped A single crystal layer,
A p-type ZnO-based semiconductor single crystal layer in which the concentration of the group IB element is 1 × 10 19 cm −3 or more and is substantially constant in the thickness direction of the layer.
n型ZnO系半導体層と、
前記n型ZnO系半導体層上方に形成されたZnO系半導体活性層と、
前記ZnO系半導体活性層上方に形成されたp型ZnO系半導体層と、
前記n型ZnO系半導体層に電気的に接続されたn側電極と、
前記p型ZnO系半導体層に電気的に接続されたp側電極と
を有し、
前記p型ZnO系半導体層は単結晶層であって、
(i)Cuまたは/及びAgであるIB族元素と、(ii)B、Ga、Al、及びInからなる群より選択される一以上のIIIB族元素とが共ドープされ、
前記IB族元素の濃度は、1×1019cm−3以上であり、前記p型ZnO系半導体層の厚さ方向にほぼ一定である
ZnO系半導体素子。
an n-type ZnO-based semiconductor layer;
A ZnO-based semiconductor active layer formed above the n-type ZnO-based semiconductor layer;
A p-type ZnO based semiconductor layer formed above the ZnO based semiconductor active layer;
An n-side electrode electrically connected to the n-type ZnO-based semiconductor layer;
A p-side electrode electrically connected to the p-type ZnO-based semiconductor layer,
The p-type ZnO based semiconductor layer is a single crystal layer,
(I) a group IB element that is Cu or / and Ag, and (ii) one or more group IIIB elements selected from the group consisting of B, Ga, Al, and In, are co-doped,
The ZnO-based semiconductor device, wherein the concentration of the group IB element is 1 × 10 19 cm −3 or more and is substantially constant in the thickness direction of the p-type ZnO-based semiconductor layer.
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