JP3424814B2 - ZnO結晶構造及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents
ZnO結晶構造及びそれを用いた半導体装置Info
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Description
びそれを用いた半導体装置に関するものである。
ス)−MBE法を用いてサファイヤ基板上に直接成長さ
せていた。Zn用のソースとしては、Kセル(クヌード
センセル)中のZn用の固体ソースを用いる。O用のソ
ースとしては、気体ソースである酸素ガスを、RF又は
ECR等を用いて発生させた酸素ラジカルを用いる。
業ベース上、最も一般的な高周波(13.56MHz)
を用いる。MBEチャンバ内の無電極放電管内に原料ガ
スであるO2ガスを導入することによりOラジカルを発
生させる。Oラジカルは、MBEチャンバー内に吹き出
し、Oラジカルのビームとなる。Oラジカルのビームと
KセルからのZnのビームをサファイヤ基板上に同時に
照射することにより、ZnO薄膜の成長を行う。
nOを用いて、p−n接合を含むLED(Light
Emitting Diode)やLD(Laser
Diode)等の半導体装置を製造することができる。
導体結晶材料の結晶性は、半導体素子の電気的な特性、
光学的特性及び素子の信頼性(素子寿命)に重大な影響
を与える。半導体素子を構成する半導体結晶材料の結晶
性が良好なほど、半導体素子の光学的・電気的特性や信
頼性が良好になる。
ソース)−MBE法を用いてサファイヤ基板上に直接成
長させたZnO結晶には、次のような問題点があった。
すなわち、サファイヤ基板とZnOとの格子定数の差
(格子定数のミスマッチが約18%)が大きい。加えて
両者の熱膨張係数にも2.6倍という大きな差が存在す
る。
が導入される。
ZnO(0002)結晶を直接成長させた場合の、Zn
O結晶のXRC(X線ロッキングカーブ)法による測定
結果を示す。ZnO結晶は、RS−MBE法により成長
温度:Tg=650℃、Znの分圧:Pzn=1×10-7
Torr、酸素の流量:O2=2 SCCM、RF出
力:300Wの条件で成長した。
17.5度付近にピーク強度を有するほぼ正規分布の曲
線が観測された。半値幅(FWHM)は0.5°(18
00arcsec)と大きな値を示した。図8の測定結
果より、上記の条件で成長したZnO結晶は、その結晶
性が良くないことが判明した。
O結晶を、PL(Photo Luminesenc
e)法により測定した結果を示す。横軸は、PLの出射
光のエネルギーである。エネルギー3.35eV付近に
強度が高く半値幅の常に狭い、鋭いピークが観測され
た。PLのピークエネルギー値は、ZnOの禁制帯幅
(3.3 eV)とほぼ一致する。導電帯と価電子帯と
の間での電子と正孔との再結合に起因する発光ピークで
あると解される。
V付近にかけて非常にブロードなピークも観測された。
このブロードなピークは、禁制帯内に存在する深い準位
間の発光に起因するものと解される。ZnO結晶中に多
くの結晶欠陥が存在することを示唆する。
されるZnO結晶構造及びそれを用いた半導体装置を提
供することである。
ば、サファイヤ基板と、その上に形成され、粒界を有す
るがX線回折法あるいは反射電子線回折法による測定で
は単結晶ZnOの特性を示す低温成長ZnO層にZnO
の結晶が成長し表面の平坦化がなされる熱処理による表
面平坦化処理を施した低温成長ZnO単結晶層と、前記
低温成長ZnO単結晶層上に形成された高温成長ZnO
単結晶層とを含むZnO結晶構造が提供される。
の形態を説明する。
成長ZnOの成長温度」とは、例えば200℃から60
0℃程度の、一般的にZnO単結晶を成長するための結
晶成長の温度よりも100℃から400℃程度低い温度
である。「高温成長単結晶ZnO層の成長温度」とは、
一般的にZnO単結晶を成長する際に適した成長温度で
あり、上記の「低温成長ZnOの成長温度」よりも高
く、かつ、800℃よりも低い温度であり、例えば65
0℃である。
一の実施の形態によるII―VI族化合物半導体結晶の
成長方法を説明する。
長装置の一例として、ラジカルソース分子線エピタクシ
ー(RS−MBE)法を用いた結晶成長装置(以下「R
S−MBE装置」という。)を示す。
るチャンバ1と、チャンバ1を超高真空状態に保つ真空
ポンプPとを含む。
n用ポート11と、Oラジカルを照射するためのOラジ
カルポート21と、Nラジカルを照射するためのNラジ
カルポート31とを含む。
料15を収容するとともに加熱・蒸発させるクヌーセン
セル(Knudsen cell: 以下Kセルと呼
ぶ。)17とシャッターS1とを備えている。
に原料ガスである酸素ガスを導入し、高周波(13.5
6MHz)を用いて生成したOラジカルを、MBEチャ
ンバ1内に噴出する。Oラジカルのビームに対してオリ
フィスS2が設けられている。
に原料ガスである窒素ガスを導入し、高周波(13.5
6MHz)を用いて生成したNラジカルを、MBEチャ
ンバ1内に噴出する。Nラジカルのビームに対してシャ
ッターS3が設けられている。
は、外側シールド管内に設けられている放電管の外側に
誘導コイルが巻かれている構造である。
サファイヤ基板Sを保持する基板ホルダー3と、基板ホ
ルダー3を加熱するためのヒータ3aとが設けられてい
る。サファイヤ基板Sの温度は熱電対5によって測定可
能である。基板ホルダー3の位置は、ベローズを用いた
マニュピュレータ7によって移動可能である。
ングするために設けられた反射電子線回折装置(RHE
ED装置)のガン41とRHEED装置のスクリーン5
5とを含む。RHEED装置のガン41とRHEED装
置のスクリーン55とを用いて、MBE装置A内での結
晶成長の様子(成長量、成長した結晶層の質)をモニタ
リングしながら成長を行うことができる。
ンバ内の真空度等は、制御装置Cによって適宜制御され
る。
成長する工程について、詳細に説明する。
ーS1からS3を適宜開閉することにより行う。
は、RFを用いたRF−MBE法が用いられる。13.
56MHzの高周波を用いて、無電極放電管内に原料ガ
スであるO2を導入することによりOラジカルを生成す
る。Oラジカルを高真空状態のMBEチャンバー1内に
吹き出させることにより、Oラジカルビームとなる。O
ラジカルビームとKセルからのZnビームとをサファイ
ヤ基板S上に同時に照射することにより、ZnO薄膜の
成長を行う。
造の概略を示す。
Oバッファー層101を形成し、バッファー層101の
上にZnOの単結晶層105を形成する。
工程について簡単に説明する。
度で、かつZnリッチの条件においてZnOを成長させ
る。酸素ラジカルを照射した状態で、ZnOを単結晶成
長させるのに適した通常の成長温度まで昇温する。この
状態を例えば20分程度維持する。高温熱処理により低
温成長ZnO層の表面が平坦化する。これによりバッフ
ァー層101が形成される。その上にZnO単結晶層1
05を成長する。
とZnO単結晶層105との間の格子定数の大きなずれ
に起因する格子不整合と大きな熱膨張係数の差とを緩和
し、これらに起因するZnO単結晶層105中への歪み
の導入を防止する。
ce Microscopy)法により観測したZnO
バッファー層101の表面状態を示す。
長させた場合のバッファー層101の表面を、図3
(b)はOリッチの条件において成長させた場合のバッ
ファー層101の表面を示す。
において、xが1よりも小さい割合で含まれている結晶
である。
の条件において成長させると、Oリッチの条件において
成長させた場合と比べてZnOバッファー層101の表
面の平坦性が向上することがわかる。また、酸素リッチ
な成長条件で成長した場合も、Znリッチな成長条件で
成長した場合も、成長した低温成長ZnO層は粒界が存
在する単結晶と考えられる。
10℃に加熱したH3PO4:H2SO4=1:3の溶液中
で60分ウェットエッチングを行う。
板Sを基板ホルダー3(図1)に装着する。
M、RFパワーを150Wの条件下で、MBE装置中に
おいて1時間酸素プラズマによる表面処理を行った。M
BE装置内においてサファイヤ基板Sの表面を処理する
ことにより、サファイヤ基板S表面が清浄化される。
層101を成長する。通常の単結晶ZnO基板の成長条
件と異なり低温かつZnリッチの条件下での成長を行う
(低温成長ZnO層)。Znのビーム量は、2.7×1
0-7 Torrである。
マソースを用いる。Oラジカルポート21に純酸素(純
度6N)ガスを導入し、高周波発振源を用いてラジカル
化する。
ー内の酸素の分圧として流量1.5SCCMにおいて5
×10-5 Torr、RFパワーは300Wである。成
長温度は300℃から600℃の範囲で行う。バッファ
ー層の厚みとしては、10から100nmの範囲であ
る。
位置(成長位置)に取り付けたヌードイオンゲージの指
示値を示したものである。
合のZnの分圧(Pzn)と成長速度との関係を示す。
O 2 の分圧を2SCCM、RF出力を300Wとした。
Znの分圧を1.3×10-7Torrから2.7×10
-7Torrまで変化させた。
2.15×10-7Torrまで増加させると、ZnOの
成長速度は、0.10μm/hrから0.26μm/h
rまで増加する。Znの分圧が2.15×10-7Tor
rから2.7×10-7Torrまでの範囲でのZnOの
成長速度は、0.26μm/hrから0.27μm/h
r程度とほぼ一定の値を示す。
た後、バッファー層の表面の平坦化処理を行う。平坦化
処理としては単結晶を成長させるような高温、例えば6
50℃において2分間から60分間までの間の熱処理を
行う。低い成長温度で成長を終えた低温成長ZnOバッ
ファ層101は粒界を有する単結晶で、各グレインが同
じ異方性を示すようにエピタキシャル成長していると考
えられる。主にそのグレイン間の粒界に起因してAFM
観察でみられたような凹凸が観察されたものと考えられ
る。
を施すことで、各グレインの単結晶が固相成長してグレ
インサイズが大型化して表面を平坦化するものと考えら
れる。
は、酸素リッチの条件で成長させた場合に比べて当初の
表面凹凸が小さいので、平坦化処理により優れた平坦表
面が得られやすい。優れた平面表面を有する低温成長Z
nOバッファー層の上に高温でZnO層を成長すると、
良好な結晶性の単結晶ZnO層が得られやすい。
200℃から600℃の間が好ましい。
ま(as−grown)の状態ではグレインサイズが小
さく粒界が観察されるため、AFM観察では多結晶のよ
うにも見える。しかしながら、X線回折やRHEED法
による解析を行うと単結晶の特性を示す。
いて観察される。低温成長ZnOバッファ層を高温熱処
理することにより、粒界等に起因する凹凸が固相成長の
場合と同様に成長し、表面が平坦化するものと考えられ
る。平坦でないZnO表面上に単結晶ZnOを成長しよ
うとしても、経験上、その結晶性は良くならない。
層上にZnOの単結晶(高温成長ZnO単結晶層)を成
長する。
N)のビーム量8.0×10-5Torrである。酸素の
分圧として流量2.0SCCMにおいて8×10-5 T
orr、RFパワーは300Wである。
1μmである。
しては、600℃から800℃の間の温度で、2分間か
ら60分間の成長を行うのが好ましい。
nO単結晶層の結晶性評価を行った。
とんど同じである。半値幅は、0.06°(216ar
csec)である。図8に示される従来の条件で成長し
た場合のZnOの半値幅(0.5°)と比較して、半値
幅が約1/8に減少した。半値幅の大幅な低減は、低温
成長ZnOバッファー層を設け、かつ、その表面の平坦
化処理を行った後に、その上に高い成長温度で高温成長
ZnO単結晶層を成長したことによる高温成長ZnO単
結晶層の結晶性向上に起因するものと解される。
クトルを示す。
観測された。低温成長ZnOバッファー層がない状態で
成長したZnO単結晶の場合に(図9)観測された1.
8eVから2.7eV付近にかけての非常にブロードな
ピークが観測されない。これは、ZnO層の禁制帯内に
存在する深い準位からの発光が低減したことによるもの
と解される。ZnO結晶中の結晶欠陥が低減し、結晶性
が大幅に向上したと考えられる。
ると、不純物を導入しない状態においても、強いn型の
導電性を示す。上記の結晶成長法を用いて成長した高温
成長ZnO単結晶層は、結晶欠陥も非常に少ない。従来
の結晶成長方法によって成長したZnO単結晶では困難
であったp型の導電性を示すZnOを実現することも可
能となる。非発光センターを形成するような結晶欠陥が
大幅に低減されるため、発光効率も非常に高くなったも
のと考えられる。
p型半導体として用い、GaドープのZnOをn型半導
体として用いたp−n接合ダーオードを含むLED(L
ight Emitting Diode)を実現する
ことが可能である。
して用い、GaドープのZnOをn型半導体として用い
たp−n接合ダーオードを含むLED(Light E
mitting Diode)の断面構造を示す。
1と、その上に低温成長された厚さ100nmのノンド
ープの低温成長ZnOバッファ層305と、その上に成
長された厚さ1μmのn型(Gaドープ:1×1018c
m-3)高温成長ZnO単結晶層311と、その上に形成
され厚さ100nmのNドープのp型の高温成長ZnO
単結晶層315とを含む。
21とコンタクトされている。
代わりにAlなどの他の3族元素をドーピングしても良
い。
工されている。島状に加工されたp型ZnO層315
は、例えばSi3N4からなる絶縁膜318により被覆さ
れる。p型ZnO層315の上部表面には、例えば略円
形の開口が絶縁膜318を貫通して形成される。
ング状の第2電極325が形成される。リング状の第2
電極は、その下面の少なくとも一部がp型ZnO層31
5の上部表面の周辺部と接触する。リング状の第2電極
235の径方向外方の部分は、絶縁膜318上に乗り上
げた構造となっている。
し第2電極にプラスの電圧を印加すると、p−n接合に
順方向電流が流れる。p型ZnO層315中に注入され
た少数キャリア(電子)とp型ZnO層315中の多数
キャリア(正孔)とが発光性の再結合をする。電子と正
孔との再結合の際に、ほぼ禁制帯のエネルギーギャップ
に等しいエネルギーを有する光が前記の開口から発す
る。すなわち、電気的エネルギーを光のエネルギーに変
換する。
2電極235の開口から、例えば波長として約370n
mの光が発する。
層とn型ZnO層とのp−n接合を利用した半導体素子
の例としてLEDについて説明したが、p型ZnO層3
15とn型ZnO311とを組み合わせてレーザー素子
を形成することも可能である。その他、p型ZnO層3
15と組み合わせて、FETやバイポーラトランジスタ
等の電子デバイスや、他の光デバイス及びこれらを組み
合わせた半導体装置を製造することも可能であることは
言うまでもない。
nO系の3元系又は4元系の混晶により半導体結晶や半
導体装置を作成することもできる。
たが、本発明はこれらに制限されるものではない。結晶
成長の条件その他のプロセスパラメータも種々選択する
ことができる。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は自明あろう。
晶ZnOを成長することができる。
法に用いるMBE装置の概略を示す断面図である。
法により成長したサファイヤ基板/低温成長ZnOバッ
ファー層/高温成長ZnO単結晶層の積層構造を示す。
法により成長したZnOバッファー層の表面状態をAF
M法により測定した結果を示す。(a)はZnリッチの
条件で成長したものであり、(b)はOリッチの条件で
成長したものである。
結晶層の成長速度とZnの分圧との関係を示す。
法により成長したサファイヤ基板/低温成長ZnOバッ
ファー層/高温成長ZnO単結晶層の積層構造のうち、
高温成長ZnO単結晶層のXRC法による測定結果であ
る。
法により成長したサファイヤ基板/低温成長ZnOバッ
ファー層/高温成長ZnO単結晶層の積層構造のうち、
ZnO単結晶層のPL測定法による測定結果である。
装置(LED)の構造を示す概略的な断面図である。
板/低温成長ZnOバッファー層/高温成長ZnO単結
晶層の積層構造のうち、ZnO単結晶層のXRC法によ
る測定結果である。
板/低温成長ZnOバッファー層/高温成長ZnO単結
晶層の積層構造のうち、高温成長ZnO単結晶層のPL
測定法による測定結果である。
ー層) 105 ZnO単結晶層(高温成長ZnO単結晶層) 301 サファイヤ基板 305 ZnO層バッファー層(低温成長ZnOバッフ
ァー層) 311 n型ZnO層(高温成長ZnO単結晶層) 315 p型ZnO層(高温成長ZnO単結晶層) 318 絶縁膜 321 第1電極 325 第2電極
Claims (6)
- 【請求項1】 サファイヤ基板と、 その上に形成され、粒界を有するがX線回折法あるいは
反射電子線回折法による測定では単結晶ZnOの特性を
示す低温成長ZnO層にZnOの結晶が成長し表面の平
坦化がなされる熱処理による表面平坦化処理を施した低
温成長ZnO単結晶層と、 前記低温成長ZnO単結晶層上に形成された高温成長Z
nO単結晶層とを含むZnO結晶構造。 - 【請求項2】 前記低温成長ZnO単結晶層は、600
℃よりも低い温度でZnOを成長した層であり、 前記高温成長ZnO単結晶層は、前記低温成長ZnO単
結晶層よりも高くかつ800℃よりも低い温度で成長し
た層である請求項1に記載のZnO結晶構造。 - 【請求項3】 前記低温成長ZnO単結晶層の厚さは、
10から100nmである請求項1又は2に記載のZn
O結晶構造。 - 【請求項4】 前記高温成長ZnO単結晶層は、Ga又
はAlをドーピングしたn型の導電性を有するZnO層
である請求項1から3までのいずれかに記載のZnO結
晶構造。 - 【請求項5】 前記高温成長ZnO単結晶層は、Nをド
ーピングしたp型の導電性を有するZnO層である請求
項1から4までのいずれかに記載のZnO結晶構造。 - 【請求項6】 請求項1記載のZnO結晶構造を含み、
前記高温成長ZnO単結晶層は、Ga又はAlをドーピ
ングしたn型の導電性を有するZnO層とNをドーピン
グしたp型の導電性を有するZnO層とのp−n接合を
有する半導体装置。
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US09/648,046 US6664565B1 (en) | 1999-08-31 | 2000-08-25 | ZnO crystal growth method, ZnO crystal structure, and semiconductor device using ZnO crystal |
EP00118859A EP1081256B1 (en) | 1999-08-31 | 2000-08-31 | ZnO crystal growth method, ZnO crystal structure, and semiconductor device using ZnO crystal |
Applications Claiming Priority (1)
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