JP3380422B2 - Optical semiconductor device containing group II-oxide - Google Patents
Optical semiconductor device containing group II-oxideInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、II族−酸化物を含
む光半導体素子及びその製造方法に係り、特に、マグネ
シウムを添加している酸化亜鉛を含む光半導体素子に関
するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention is, II group - relates to an optical semiconductor device and a manufacturing method thereof comprising an oxide, in particular, about the optical semiconductor element containing zinc oxide that adding magnesium <br/> To do.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、青色・紫外領域の発光素子として
実用化されつつある材料としては、主にIII 族−窒化
物、II族−セレン化物・硫化物、II族−酸化物の化合物
半導体がある。2. Description of the Related Art Conventionally, group III-nitride, group II-selenide / sulfide, and group II-oxide compound semiconductors have been mainly used as materials that are being put to practical use as light emitting devices in the blue / ultraviolet region. is there.
【０００３】〔Ａ〕III 族−窒化物は、（Ａｌ−Ｇａ−
Ｉｎ）Ｎ混晶系であり、代表的なものとしてＡｌＧａ
Ｎ、ＩｎＧａＮ系がある。[A] Group III-nitrides are (Al-Ga-
In) N mixed crystal system, typical of which is AlGa
There are N and InGaN-based materials.
【０００４】これは、欠陥密度が非常に多いのにもかか
わらず発光する。基板としては、サファイア、ＭＯＣＶ
Ｄ（有機金属化学的気相成長法）が用いられる。It emits light despite its very high defect density. As the substrate, sapphire, MOCV
D (metalorganic chemical vapor deposition) is used.
【０００５】発光波長３６４〜４５０ｎｍの青色発光ダ
イオード（ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ系）はすでに実用化
されている。A blue light emitting diode (InGaN / AlGaN system) having an emission wavelength of 364 to 450 nm has already been put into practical use.
【０００６】発光波長４０８ｎｍの青色レーザーダイオ
ード（ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／ＩｎＧａＮ−ＭＱ
Ｗ／ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＧａＮ）の室温連続発振が報
告されている。A blue laser diode (n-AlGaN / n-GaN / InGaN-MQ having an emission wavelength of 408 nm)
Room temperature continuous oscillation of W / p-AlGaN / p-GaN) has been reported.
【０００７】〔Ｂ〕II族−セレン化物・硫化物は、（Ｚ
ｎ−Ｃｄ−Ｍｇ）（Ｓｅ−Ｓ）混晶系であり、代表的な
ものとしてＺｎＳｅＳ、ＺｎＭｇＳＳｅ系がある。[B] Group II-selenide / sulfide is (Z
It is an n-Cd-Mg) (Se-S) mixed crystal system, and typical examples thereof include ZnSeS and ZnMgSSe systems.
【０００８】ＧａＡｓの基板との格子整合がよく、成長
も低温で行える。成膜法はＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ（分子線
エピタキシャル）である。The GaAs has a good lattice matching with the substrate and can be grown at a low temperature. The film forming method is MOCVD or MBE (molecular beam epitaxy).
【０００９】〔Ｃ〕II族−酸化物は、ＺｎＯがある。[C] Group II-oxide includes ZnO.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】〔Ａ〕III 族−窒化物
は、上記したような特徴をもっているが、反面、以下の
ような問題点を有している。[A] Group III-nitrides have the above-mentioned characteristics, but on the other hand, they have the following problems.
【００１１】（１）作製に高温（〜１２００℃）を要す
る。(1) A high temperature (up to 1200 ° C.) is required for manufacturing.
【００１２】（２）サファイア基板と劈開性が相違し、
共振器端面の形成が困難である。(2) Cleavability differs from that of the sapphire substrate,
It is difficult to form the end face of the resonator.
【００１３】（３）格子整合する適当な基板がない。(3) There is no suitable substrate for lattice matching.
【００１４】（４）活性層がＩｎ添加ＧａＮの場合は発
光波長がまだ長い。つまり、ＺｎＯのレーザー波長と比
べると記録密度で７５％となる。(4) When the active layer is In-doped GaN, the emission wavelength is still long. That is, the recording density is 75% compared to the laser wavelength of ZnO.
【００１５】（５）レーザー発振閾値が大きい。量子井
戸構造および光閉じ込め層（クラッド層）を採用してい
る（Ａｌ−Ｇａ−Ｉｎ）Ｎ混晶系のレーザー発振閾値
と、いかなる量子閉じ込め構造も用いていない酸化亜鉛
単膜の閾値とが同程度である。(5) The laser oscillation threshold is large. The laser oscillation threshold of the (Al-Ga-In) N mixed crystal system that employs the quantum well structure and the optical confinement layer (cladding layer) is the same as the threshold of the zinc oxide single film that does not use any quantum confinement structure. It is a degree.
【００１６】〔Ｂ〕〔II族−セレン化物・硫化物〕は、
上記したような特徴をもっているが、反面、以下のよう
な問題点を有している。[B] [Group II-Selenide / Sulfide] is
Although it has the above-mentioned characteristics, it has the following problems.
【００１７】薄膜技術は確実に進歩しているが、まだレ
ーザーダイオードの発光寿命が短い（〜１０００時
間）。非常に長い研究期間（１９８０年〜）を考えると
実用化には時間を要すると思われる。Although thin film technology has certainly advanced, the emission lifetime of laser diodes is still short (up to 1000 hours). Considering a very long research period (1980-), it seems that it will take time for practical use.
【００１８】〔Ｃ〕II族−酸化物としての酸化亜鉛は、
室温におけるバンドギャップが、３．３７ｅＶのII−VI
族半導体であり、かかる酸化亜鉛の発光に関する研究は
数多くあるが、室温においては結晶性の悪さからギャッ
プ内発光が大きく、紫外光発光効率が悪いといった問題
があった。[C] Group II-Zinc oxide as an oxide is
II-VI with a band gap of 3.37 eV at room temperature
Although there are many studies on the light emission of such zinc oxide, which is a group semiconductor, there is a problem that the light emission in the gap is large and the ultraviolet light emission efficiency is low at room temperature due to the poor crystallinity.
【００１９】また、酸化亜鉛のバンドギャップ幅を制御
するという観点からは、酸化亜鉛混晶の作製は今まで存
在しなかった。From the viewpoint of controlling the band gap width of zinc oxide, no zinc oxide mixed crystal has been prepared so far.
【００２０】本発明は、上記問題点を除去し、薄膜技術
を用いて、室温において励起子による発光が可能なII族
−酸化物混晶系による光半導体素子を提供することを目
的とする。[0020] The present invention is to eliminate the above problems, using a thin film technology, II group capable of light emission by excitons at room temperature - and to provide an optical semiconductor element according oxide mixed crystal .
【００２１】[0021]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、
〔１〕II族−酸化物を含む光半導体素子において、マグ
ネシウムを酸化亜鉛に 固溶させた亜鉛酸化物薄膜を有
し、前記マグネシウムは前記亜鉛酸化物のバンドギャッ
プを増加させ、前記亜鉛酸化物薄膜の粒界は励起子の閉
じ込め障壁およびレーザー共振器のミラーとして機能
し、前記亜鉛酸化物薄膜は紫外光領域で発光するように
したものである。Means for Solving the Problems The present invention, in order to achieve the above object, (1) Group II - the light in the semiconductor device, the zinc oxide thin film obtained by solid solution of magnesium in the zinc oxide containing an oxide Existence
However, the magnesium has a band gap of the zinc oxide.
The grain boundaries of the zinc oxide thin film
Functions as a containment barrier and a mirror for the laser cavity
However, the zinc oxide thin film emits light in the ultraviolet region .
【００２２】〔２〕上記〔１〕記載のII族−酸化物を含
む光半導体素子において、発光層から発光した紫外光ま
たは青色光を励起光とし、カラー表示を可能にする可視
光を発光させる蛍光層を具備するようにしたものであ
る。[0022] (2) Group II described in [1] - In an optical semiconductor device including an oxide, ultraviolet light or blue light emitted from the light emitting layer as an excitation light, to enable color display visible
A fluorescent layer that emits light is provided .
【００２３】〔３〕上記〔１〕記載のII族−酸化物を含
む光半導体素子において、発光層となる亜鉛酸化物薄膜
をキャリア閉じ込め及びクラッド層となるマグネシウム
を固溶させた亜鉛酸化物薄膜で挟み込んだダブルヘテロ
構造を有するようにしたものである。[ 3 ] In the optical semiconductor device containing the group II-oxide according to the above [1], a zinc oxide thin film in which a zinc oxide thin film to be a light emitting layer is carrier-confined and magnesium to be a clad layer is dissolved. It has a double hetero structure sandwiched between.
【００２４】本発明によれば、上記したように構成した
ので、
（Ａ）レーザー分子線エピタキシャル法により、高結晶
性薄膜の作製が可能になり、室温においても励起子の再
結合過程による発光が可能になった。According to the present invention, since it is configured as described above, (A) it is possible to prepare a highly crystalline thin film by the laser molecular beam epitaxial method, and the emission due to the recombination process of excitons is performed even at room temperature. It became possible.
【００２５】また、酸化亜鉛ナノクリスタル構造を有す
る薄膜において、レーザー発振は、励起子−励起子散乱
過程により起こり、その発振閾値は非常に小さい。In a thin film having a zinc oxide nanocrystal structure, laser oscillation occurs due to exciton-exciton scattering process, and its oscillation threshold is very small.
【００２６】レーザー共振器が薄膜中の自然成長面で形
成されているため、劈開やエッチングによる共振器作製
プロセスを必要としない。Since the laser resonator is formed on the surface of natural growth in the thin film, the resonator manufacturing process by cleavage or etching is not required.
【００２７】更に、マグネシウムを添加することで、酸
化亜鉛のバンドギャップは広がる。マグネシウムを添加
した酸化亜鉛薄膜を発光層に用いることによって、より
発光波長が短くなる可能性がある。Further, the band gap of zinc oxide is widened by adding magnesium. The emission wavelength may be further shortened by using a zinc oxide thin film to which magnesium is added for the emission layer.
【００２８】（Ｂ）室温でもガラス基板上に結晶を作製
することができる。(B) Crystals can be formed on a glass substrate even at room temperature.
【００２９】（Ｃ）酸化亜鉛の励起子の結合エネルギー
は、６０ｍｅＶとＧａＮ（２４ｍｅＶ）やＺｎＳｅ（２
２ｍｅＶ）に比べて非常に大きく、室温でも励起子が安
定に存在する。また、励起子発光によるレーザー発振が
室温においても可能となる。(C) The binding energy of excitons of zinc oxide is 60 meV and GaN (24 meV) or ZnSe (2
It is much larger than 2 meV), and excitons exist stably even at room temperature. Further, laser oscillation due to exciton emission is possible even at room temperature.
【００３０】酸化亜鉛を発光層とする場合に発光の効率
を上げるためには、
（一）ごく薄い発光層を発光層よりもバンドギャップ幅
の大きい材料で挟み込むこと。In order to improve the efficiency of light emission when zinc oxide is used as the light emitting layer, (1) sandwich a very thin light emitting layer with a material having a wider band gap width than the light emitting layer.
【００３１】（二）発光した光が素子の外部に効率良く
取り出されるために、光の閉じ込め層で発光層を挟むこ
と。(2) In order for the emitted light to be efficiently extracted to the outside of the device, the light emitting layer should be sandwiched between the light confining layers.
【００３２】（三）マグネシウム固溶させた理由は、上
記の効果を期待している。(3) The reason for solid solution of magnesium is expected to be the above effect.
【００３３】そのためには、面内の格子定数が酸化亜鉛
とマッチし、バンドギャップ幅が酸化亜鉛よりも大きい
材料が必要である。また、そのためには、酸化亜鉛の混
晶作製が効果的である。For that purpose, a material whose in-plane lattice constant matches that of zinc oxide and whose band gap width is larger than that of zinc oxide is required. For that purpose, it is effective to prepare a mixed crystal of zinc oxide.
【００３４】ＺｎＯの三元混晶を作製するためには、Ｚ
ｎサイトに２価のカチオンを置換させる方法と、Ｏサイ
トに２価のアニオンを置換させる方法が考えられる。To prepare a ternary mixed crystal of ZnO, Z
A method of substituting a divalent cation for the n-site and a method of substituting a divalent anion for the O-site can be considered.
【００３５】本発明の酸化亜鉛を含む光半導体素子は、
Ｚｎ1-X Ｍｇx Ｏ薄膜の作製を行った。ＭｇＯは岩塩型
構造（格子定数０．４２１３ｎｍ）であるが、非常に大
きいバンドギャップ（７．９ｅＶ）を有する。４配位イ
オン半径は、Ｚｎ2+＝０．０６０ｎｍ、Ｍｇ2+＝０．０
５７ｎｍと近いため、ＺｎＯ薄膜中のＺｎサイトに、Ｍ
ｇが置換してバンドギャップが広がることが期待され
る。The optical semiconductor element containing zinc oxide of the present invention is
A Zn 1-x Mg x O thin film was prepared. MgO has a rock salt structure (lattice constant 0.4213 nm), but has a very large band gap (7.9 eV). The tetracoordinate ion radius is Zn 2+ = 0.060 nm, Mg 2+ = 0.0
Since it is close to 57 nm, M is added to the Zn site in the ZnO thin film.
It is expected that g will be substituted to widen the band gap.
【００３６】なお、ＺｎＯに対するＭｇＯの熱力学的固
溶限界は、図６に示すように、１２００℃で４ｍｏｌ％
である。光学的性質については不明である。As shown in FIG. 6, the thermodynamic solid solution limit of MgO to ZnO is 4 mol% at 1200 ° C.
Is. The optical properties are unknown.
【００３７】[0037]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
【００３８】本発明のII族−酸化物を含む光半導体素子
の薄膜の作製は、レーザー分子線エピタキシャル法を用
いて行った。レーザーは、ＫｒＦエキシマレーザー（波
長：２４８ｎｍ、パルス数：１０Ｈｚ）を用い、レーザ
ーパワーを０．９Ｊ／ｃｍ2とした。原料ターゲットと
してマグネシウムを０〜１８ｍｏｌ％含む酸化亜鉛焼結
体を用いて、サファイア（０００１）基板上に酸素分圧
５×１０-5Ｔｏｒｒ、成膜温度６００℃において成膜し
た。Ｘ線マイクロアナライザーを用いて薄膜中のマグネ
シウム組成を決定した。Ｘ線回折法を用いて異相の有無
による固溶・非固溶の判断、及び格子定数の決定をし
た。室温において可視・紫外透過スペクトル測定を行
い、光学的バンドギャップを決定した。The thin film of the optical semiconductor device containing the group II-oxide of the present invention was manufactured by the laser molecular beam epitaxial method. The laser used was a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm, pulse number: 10 Hz), and the laser power was 0.9 J / cm 2 . Using a zinc oxide sintered body containing 0 to 18 mol% of magnesium as a raw material target, a film was formed on a sapphire (0001) substrate at an oxygen partial pressure of 5 × 10 −5 Torr and a film forming temperature of 600 ° C. The magnesium composition in the thin film was determined using an X-ray microanalyzer. The solid solution / non-solid solution was determined by the presence / absence of a different phase and the lattice constant was determined by using the X-ray diffraction method. Visible and ultraviolet transmission spectra were measured at room temperature to determine the optical band gap.
【００３９】また、４．２ＫにおいてＨｅ−Ｃｄレーザ
ー励起によるフォトルミネッセンス測定を行った。Further, photoluminescence measurement by He-Cd laser excitation was performed at 4.2K.
【００４０】Ｘ線マイクロアナライザーによる分析結果
より、薄膜中のマグネシウム組成は、原料ターゲットと
一致していることが分かった。マグネシウム組成１０ｍ
ｏｌ％まではＸ線回折ピークに異相は見られず、１３ｍ
ｏｌ％の時初めて異相のピークが観察された。熱力学的
固溶限を超えて酸化亜鉛にマグネシウムが固溶したこと
については、以下のように説明することができる。From the analysis result by the X-ray microanalyzer, it was found that the magnesium composition in the thin film was in agreement with the raw material target. Magnesium composition 10m
Up to ol%, no different phase was observed in the X-ray diffraction peak.
A peak of a different phase was observed for the first time when it was ol%. The fact that magnesium is dissolved in zinc oxide beyond the thermodynamic solid solubility limit can be explained as follows.
【００４１】レーザー分子線エピタキシャル法は、固体
物質を真空中で高エネルギーのプラズマ状態に励起し、
基板に凝結、堆積する成膜手法である。励起された原料
固体の成分は、基板で瞬時に凝結され、物質が基板の温
度で熱力学平衡状態に落ちつくまでに結晶を形成する。
そのため、熱力学的には許されない組成、構造を持つ薄
膜を作製することができる。すなわち、準安定状態の薄
膜結晶を作製することができる。The laser molecular beam epitaxial method is to excite a solid material into a high-energy plasma state in a vacuum,
It is a film forming method that is condensed and deposited on a substrate. The excited components of the raw solid are instantly condensed on the substrate and form crystals by the time the substance settles in thermodynamic equilibrium at the temperature of the substrate.
Therefore, it is possible to produce a thin film having a composition and structure that is not thermodynamically acceptable. That is, a metastable thin film crystal can be produced.
【００４２】本発明において、成膜方法としてレーザー
分子線エピタキシャル法を用いていたことがマグネシウ
ムの固溶限を拡げた理由である。In the present invention, the fact that the laser molecular beam epitaxial method is used as the film forming method is the reason for expanding the solid solution limit of magnesium.
【００４３】図１に酸化亜鉛（００４）、及び酸化亜鉛
（１０１）ピーク位置より求めたマグネシウム組成に対
するａ及びｃ軸長の変化を示す。マグネシウム組成の増
加とともにｃ軸長は減少し、ａ軸長は増加した。薄膜の
結晶性は、マグネシウム組成１０ｍｏｌ％までは純粋な
酸化亜鉛薄膜と同等であったが、マグネシウム組成１３
及び１８ｍｏｌ％では、異相の析出及び結晶性の劣化が
見られた。これはマグネシウム組成が１３ｍｏｌ％以上
の時、薄膜結晶が、図６に示した酸化マグネシウム固溶
体と酸化亜鉛固溶体の共晶領域に存在するということを
示している。FIG. 1 shows the changes in the a and c axis lengths with respect to the magnesium composition determined from the peak positions of zinc oxide (004) and zinc oxide (101). As the magnesium composition increased, the c-axis length decreased and the a-axis length increased. The crystallinity of the thin film was the same as that of a pure zinc oxide thin film up to a magnesium composition of 10 mol%, but the magnesium composition of 13
And 18 mol%, precipitation of different phases and deterioration of crystallinity were observed. This indicates that when the magnesium composition is 13 mol% or more, the thin film crystal exists in the eutectic region of the magnesium oxide solid solution and the zinc oxide solid solution shown in FIG.
【００４４】図２にマグネシウム組成に対するＺｎ1-X
Ｍｇx Ｏ薄膜の室温紫外・可視透過スペクトルを示す。
この図から明らかなように、マグネシウム組成の増加と
ともに、吸収端が短波長側にシフトしており、マグネシ
ウム組成１３ｍｏｌ％で飽和している。FIG. 2 shows Zn 1 -X with respect to magnesium composition.
3 shows room temperature ultraviolet / visible transmission spectra of a Mg x O thin film.
As is clear from this figure, as the magnesium composition increases, the absorption edge shifts to the short wavelength side, and the magnesium composition is saturated at 13 mol%.
【００４５】図３は本発明の実施例を示すマグネシウム
組成に対する酸化亜鉛薄膜の室温における光学的バンド
ギャップの変化を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing changes in the optical band gap of a zinc oxide thin film at room temperature with respect to the magnesium composition showing an embodiment of the present invention.
【００４６】この図に示すように、吸収係数より求めた
バンドギャップは、純粋な酸化亜鉛薄膜の３．２５ｅＶ
に対し、最大で４．０２ｅＶまで増加している。As shown in this figure, the band gap obtained from the absorption coefficient is 3.25 eV of the pure zinc oxide thin film.
On the other hand, the maximum value is 4.02 eV.
【００４７】異相の析出のない領域、すなわちマグネシ
ウム組成が０〜１０ｍｏｌ％の時、バンドギャップ幅は
最大で３．８ｅＶまで増加した。The band gap width increased to a maximum of 3.8 eV in the region where no precipitation of a different phase occurred, that is, when the magnesium composition was 0 to 10 mol%.
【００４８】図４にマグネシウム組成が０，２，４，６
ｍｏｌ％の時の４．２Ｋにおけるフォトルミネッセンス
スペクトルを示す。FIG. 4 shows that the magnesium composition is 0, 2, 4, 6
The photoluminescence spectrum in 4.2K at the time of mol% is shown.
【００４９】この図から明らかなように、マグネシウム
組成の増加に伴い発光線が短波長側にシフトしている。
マグネシウムを入れたことによって新しい発光線が存在
しないこと、及び深い準位においての発光が見られない
ことは、マグネシウムが均一かつ安定に亜鉛サイトに置
換していることを示唆している。As is clear from this figure, the emission line is shifted to the shorter wavelength side as the magnesium composition increases.
The absence of a new emission line due to the addition of magnesium and the absence of emission at a deep level suggest that magnesium uniformly and stably substitutes for zinc sites.
【００５０】実際に得られた薄膜がダブルヘテロ構造の
作製に有効であることを確かめるために、マグネシウム
を１０ｍｏｌ％固溶させた酸化亜鉛薄膜で酸化亜鉛を挟
み込んだ積層構造を作製した。中間層である酸化亜鉛薄
膜の膜厚は７０ｎｍとし、上下のマグネシウム固溶膜の
膜厚はそれぞれ１４０ｎｍとした。In order to confirm that the actually obtained thin film is effective for producing a double hetero structure, a laminated structure in which zinc oxide was sandwiched between zinc oxide thin films in which magnesium was dissolved in 10 mol% was produced. The thickness of the zinc oxide thin film as the intermediate layer was 70 nm, and the thicknesses of the magnesium solid solution films above and below were 140 nm.
【００５１】図５に酸化亜鉛（００４）のＸ線回折ピー
クを示す。このピークは、この図において点線で示すよ
うに、酸化亜鉛層の銅Ｋα１、Ｋα２線及びマグネシウ
ム固溶層の銅Ｋα１、Ｋα２線の４本から構成されてお
り、酸化亜鉛層とマグネシウム固溶層のピークがきれい
に分離されていることがわかる。酸化亜鉛層からは、明
瞭な励起子発光も観測された。FIG. 5 shows the X-ray diffraction peak of zinc oxide (004). This peak is composed of four copper Kα1 and Kα2 rays of the zinc oxide layer and copper Kα1 and Kα2 rays of the magnesium solid solution layer as shown by the dotted line in this figure. It can be seen that the peaks of are separated clearly. Clear exciton emission was also observed from the zinc oxide layer.
【００５２】以上の結果から、得られたマグネシウム固
溶酸化亜鉛薄膜は、酸化亜鉛薄膜と相互にエピタキシャ
ル成長が可能であり、キャリア閉じ込め構造の作製に有
効であると言いえる。From the above results, it can be said that the obtained magnesium solid solution zinc oxide thin film can be mutually epitaxially grown with the zinc oxide thin film, and is effective for producing a carrier confinement structure.
【００５３】また、ＭｇＯを０〜１８ｍｏｌ％含むＺｎ
Ｏ焼結体をターゲットとしてサファイア（０００１）基
板上に、パルスレーザー堆積法でＺｎ1-X Ｍｇx Ｏの薄
膜の作製を行った。成膜温度６００℃においてターゲッ
ト組成１０ｍｏｌ％まではＭｇＯがＺｎＯに固溶してい
ることが分かり、１２００℃における熱力学的固溶限界
域の４ｍｏｌ％を大きく上回ることが分かった。[0053] In addition, Zn, including 0~18mol% of MgO
A Zn 1 -X Mg x O thin film was prepared on a sapphire (0001) substrate by using the O sintered body as a target, by a pulse laser deposition method. It was found that MgO was solid-dissolved in ZnO up to the target composition of 10 mol% at the film forming temperature of 600 ° C., which was much higher than 4 mol% of the thermodynamic solid solution limit region at 1200 ° C.
【００５４】これは、作製プロセスが非平衡であるとい
うことが大きな原因であると思われる。ＭｇＯを固溶さ
せることにより、ｃ軸長の減少およびａ軸長の増加が観
察され、室温におけるバンドギャップは、最大で４．０
２ｅＶまで上昇した。 This seems to be largely due to the non-equilibrium production process. By dissolving MgO as a solid solution, a decrease in c-axis length and an increase in a-axis length are observed, and the band gap at room temperature is 4.0 at maximum.
It increased to 2 eV.
【００５５】これらの結果及びＰＬスペクトルにおい
て、Ｍｇドープによる新しい発光線の出現がないことに
より、マグネシウム組成が４〜１０ｍｏｌ％でもＭｇの
Ｚｎサイトへの置換が綺麗に行われていると思われる。From these results and the PL spectrum, it is considered that the substitution of Mg for Zn site is performed neatly even if the magnesium composition is 4 to 10 mol% because no new emission line appears due to Mg doping.
【００５６】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these modifications are not excluded from the scope of the present invention.
【００５７】[0057]
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。As described in detail above, according to the present invention, the following effects can be achieved.
【００５８】（Ａ）レーザー分子線エピタキシャル法に
より、高結晶性薄膜の作製が可能になり、室温において
も励起子発光が可能になった。(A) By the laser molecular beam epitaxial method, a highly crystalline thin film can be produced, and exciton emission is possible even at room temperature.
【００５９】また、酸化亜鉛ナノクリスタル構造を有す
る薄膜において、レーザー発振は、励起子−励起子散乱
過程により起こり、その発振閾値は非常に小さい。In a thin film having a zinc oxide nanocrystal structure, laser oscillation occurs due to exciton-exciton scattering process, and its oscillation threshold is very small.
【００６０】更に、マグネシウムを添加することで、酸
化亜鉛のバンドギャップは広がる。マグネシウムを添加
した酸化亜鉛薄膜を発光層に用いることによって、より
発光波長が短くなる可能性がある。Furthermore, the band gap of zinc oxide is increased by adding magnesium. The emission wavelength may be further shortened by using a zinc oxide thin film to which magnesium is added for the emission layer.
【００６１】（Ｂ）室温でもガラス基板上に結晶を作製
することができる。(B) Crystals can be formed on a glass substrate even at room temperature.
【００６２】（Ｃ）酸化亜鉛の励起子の結合エネルギー
は、６０ｍｅＶとＧａＮ（２４ｍｅＶ）やＺｎＳｅ（２
２ｍｅＶ）に比べて非常に大きく、室温でも励起子が安
定に存在する。(C) The binding energy of excitons of zinc oxide is 60 meV and GaN (24 meV) or ZnSe (2
It is much larger than 2 meV), and excitons exist stably even at room temperature.
【００６３】（Ｄ）マグネシウムを固溶させた薄膜は、
酸化亜鉛と相互にエピタキシャル成長が可能であり、こ
の薄膜を用いて酸化亜鉛のキャリア閉じ込め層を作製す
ることができる。(D) The thin film containing magnesium as a solid solution is
Epitaxial growth is possible with zinc oxide, and a zinc oxide carrier confinement layer can be produced using this thin film.
【図１】本発明の実施例を示すマグネシウム組成に対す
る酸化亜鉛薄膜のａ及びｃ軸長変化を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing changes in a and c axis lengths of a zinc oxide thin film with respect to a magnesium composition showing an example of the present invention.
【図２】本発明の実施例を示す室温におけるＺｎ1-X Ｍ
ｇx Ｏ薄膜の透過スペクトルを示す図である。FIG. 2 shows Zn 1-X M at room temperature showing an example of the present invention.
is a diagram showing the transmission spectrum of g x O thin film.
【図３】本発明の実施例を示すマグネシウム組成に対す
る酸化亜鉛薄膜の室温における光学的バンドギャップの
変化を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a change in optical band gap of a zinc oxide thin film at room temperature with respect to a magnesium composition showing an example of the present invention.
【図４】本発明の実施例を示すマグネシウム組成０，
２，４，６ｍｏｌ％の酸化亜鉛薄膜の４．２Ｋにおける
フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。FIG. 4 is a magnesium composition showing an example of the present invention,
It is a figure which shows the photo-luminescence spectrum in 4.2K of a 2,4,6 mol% zinc oxide thin film.
【図５】マグネシウム固溶酸化亜鉛・酸化亜鉛積層膜の
Ｘ線回折パターンを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a magnesium solid solution zinc oxide / zinc oxide laminated film.
【図６】ＭｇＯ−ＺｎＯ系の相図である。FIG. 6 is a phase diagram of the MgO—ZnO system.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安田 隆 宮城県仙台市青葉区中山６−９−21 (56)参考文献 特開 昭50−68678（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−39713（ＪＰ，Ａ) 米国特許5317583（ＵＳ，Ａ) 応用物理学会学術講演予稿集 ７ａ− ＳＺＮ−28，Ｖｏｌ．57，Ｎｏ．１, ｐ．191（1996 応用物理学会学術講演予稿集 ７ａ− ＳＺＮ−27，Ｖｏｌ．57，Ｎｏ．１, ｐ．190（1996 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Takashi Yasuda 6-9-21 Nakayama, Aoba-ku, Sendai City, Miyagi Prefecture (56) References JP-A-50-68678 (JP, A) JP-A-50-39713 (JP) , A) U.S. Pat. No. 5,317,583 (US, A) Proceedings of the Japan Society of Applied Physics 7a-SZN-28, Vol. 57, No. 1, p. 191 (1996 Proceedings of the Japan Society of Applied Physics 7a- SZN-27, Vol. 57, No. 1, p. 190 (1996 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 33/00
Claims (3)
て、マグネシウムを酸化亜鉛に固溶させた亜鉛酸化物薄
膜を有し、前記マグネシウムは前記亜鉛酸化物のバンド
ギャップを増加させ、前記亜鉛酸化物薄膜の粒界は励起
子の閉じ込め障壁およびレーザー共振器のミラーとして
機能し、前記亜鉛酸化物薄膜は紫外光領域で発光するこ
とを特徴とするII族−酸化物を含む光半導体素子。1. A Group II - In an optical semiconductor device including an oxide, a zinc oxide thin film obtained by solid solution of magnesium in the zinc oxide, the magnesium band of the zinc oxide
The gap is increased and the grain boundaries of the zinc oxide thin film are excited.
As a confinement barrier of the child and a mirror of the laser cavity
An optical semiconductor device comprising a Group II-oxide, which functions and the zinc oxide thin film emits light in an ultraviolet region .
導体素子において、発光層から発光した紫外光または青
色光を励起光とし、カラー表示を可能にする可視光を発
光させる蛍光層を具備することを特徴とするII族−酸化
物を含む光半導体素子。2. A Group II of claim 1, wherein - emitting an optical semiconductor device including an oxide, ultraviolet light or blue light emitted from the light emitting layer as an excitation light, visible light that enables color display
An optical semiconductor device containing a Group II-oxide , comprising a fluorescent layer for emitting light.
導体素子において、発光層となる亜鉛酸化物薄膜をキャ
リア閉じ込め及びクラッド層となるマグネシウムを固溶
させた亜鉛酸化物薄膜で挟み込んだダブルヘテロ構造を
有することを特徴とするII族−酸化物を含む半導体素
子。3. The optical semiconductor device containing the group II-oxide according to claim 1, wherein the zinc oxide thin film to be a light emitting layer is sandwiched between zinc oxide thin films in which carrier confinement and magnesium to form a clad layer are dissolved. group II and having a double heterostructure I - semiconductor device including an oxide.
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| 応用物理学会学術講演予稿集 ７ａ−ＳＺＮ−２７，Ｖｏｌ．５７，Ｎｏ．１，ｐ．１９０（１９９６ |
| 応用物理学会学術講演予稿集 ７ａ−ＳＺＮ−２８，Ｖｏｌ．５７，Ｎｏ．１，ｐ．１９１（１９９６ |
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