JP4268405B2 - ZnO crystal growth method, ZnO crystal structure, and semiconductor device using the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ZnO結晶、その成長方法及びそれを用いた半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、ZnOは、RS(ラジカルソース)−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。
【0003】
特に、RFを用いたRF−MBE法は、商業ベース上、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。
【0004】
II―VI族半導体のうちの1つであるZnO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。
【0005】
LEDやLD等の半導体装置を構成する半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。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来のRS(ラジカルソース)−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。
【0007】
成長後のZnO結晶中には多くの結晶欠陥が導入される。
【0008】
図8にサファイヤ(0001)基板上に、ZnO(0002)結晶を直接成長させた場合の、ZnO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。
【0009】
XRCの測定結果をみると、Omegaが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°(1800arcsec)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。
【0010】
図9に、上記の条件において成長したZnO結晶を、PL(hoto uminesence)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。
【0011】
エネルギーとして1.8eVから2.7eV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。
【0012】
本発明の目的は、サファイヤ基板上に成長されるZnO結晶の結晶欠陥を低減し、良質なZnO結晶を成長する結晶成長方法を提供することである。
【0013】
本発明の他の目的は、サファイヤ基板上に成長されるZnO結晶及びそれを用いた半導体装置を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、RS−MBE法によってサファイヤ基板上に、亜鉛(Zn)リッチもしくは酸素(O)リッチの条件にて200℃から600℃の間の温度でZnO単結晶バッファー層を成長する工程と、前記ZnO単結晶バッファー層に600℃から800℃までの温度で、2分間から60分間の熱処理による表面平坦化処理を実施する工程と、前記表面平坦化処理を施したZnO単結晶バッファー層上に単結晶ZnO層を成長する工程とを含むZnO結晶の成長方法が提供される。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0016】
尚、本明細書中において定義される「低温成長ZnOの成長温度」とは、例えば200℃から600℃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650℃である。
【0017】
図1から図3までを参照して、本発明の第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。
【0018】
図1にII―VI族化合物半導体結晶の成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「RS−MBE装置」という。)を示す。
【0019】
RS−MBE装置Aは、結晶成長が行われるチャンバ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。
【0020】
チャンバ1は、Znを蒸発させるためのZn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。
【0021】
Zn用ポート11は、Zn(純度7N)原料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。
【0022】
Oラジカルポート21は、無電極放電管内に原料ガスである酸素ガスを導入し、高周波(13.56MHz)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。
【0023】
Nラジカルポート31は、無電極放電管内に原料ガスである窒素ガスを導入し、高周波(13.56MHz)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。
【0024】
ラジカルポート21、31の構造としては、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。
【0025】
チャンバ1内には、結晶成長の下地となるサファイヤ基板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。
【0026】
チャンバ1は、成長した結晶層をモニタリングするために設けられた反射電子線回折装置(RHEED装置)のガン41とRHEED装置のスクリーン55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。
【0027】
結晶成長の温度、結晶成長膜の厚さ、チャ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。
【0028】
以下に、サファイヤ基板S上に、ZnOを成長する工程について、詳細に説明する。
【0029】
結晶成長はRS−MBE法によりシャッターS1からS3を適宜開閉することにより行う。
【0030】
ラジカルソースを発生させる方法としては、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。
【0031】
図2に、本実施の形態による半導体結晶構造の概略を示す。
【0032】
サファイヤ(0001)基板S上に、ZnO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。
【0033】
以下に、上記図2の構造を作成するための工程について簡単に説明する。
【0034】
まず、サファイヤ基板S上に、低い成長温度で、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105を成長する。
【0035】
バッファー層101は、サファイヤ基板S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。
【0036】
図3に、AFM法(Atomic Force 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。
【0037】
図3(a)はZn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、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。
【0038】
ZnリッチのZnO結晶とは、ZnO1-x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。
【0039】
ZnOのバッファー層101をZnリッチ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。
【0040】
以下に、より詳細な結晶成長方法を示す。
【0041】
サファイヤ基板Sの(0001)面を、110℃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。
【0042】
上記の表面処理を行った後、サファイヤ基板Sを基板ホルダー3(図1)に装着する。
【0043】
基板温度550℃、酸素の流量を2SCCM、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。MBE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。
【0044】
上記の基板表面処理の後、まずバッファー層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、2.7×10-7 Torrである。
【0045】
酸素ビームの供給源としてOのRFプラズマソースを用いる。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。
【0046】
ガスソースである酸素の流量は、チャンバ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。
【0047】
ここで、上記の圧力の値は、基板ホルダー位置(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。
【0048】
図4に、基板温度Tgを650℃とした場合のZnの分圧(Pzn)と成長速度との関係を示す。O2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。
【0049】
Znの分圧を1.3×10-7Torrから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/hrまで増加する。Znの分圧が2.15×10-7Torr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/hr程度とほぼ一定の値を示す。
【0050】
低温成長したZnOバッファー層を成長した後、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650℃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。
【0051】
低温成長ZnOバッファ層に上記の熱処理を施すことで、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。
【0052】
特にZnリッチの条件で成長させた場合には、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ZnO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。
【0053】
尚、低温成長ZnO層を成長する温度は、200℃から600℃の間が好ましい。
【0054】
低温成長ZnOバッファ層は、成長したまま(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。
【0055】
この現象は、GaNやZnOでの成長において観察される。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。
【0056】
次いで平坦化した低温成長ZnOバッファ層上にZnOの単結晶(高温成長ZnO単結晶層)を成長する。
【0057】
成長条件は、基板温度650℃、Zn(7N)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 Torr、RFパワーは300Wである。
【0058】
成長した高温成長ZnO単結晶層の厚さは1μmである。
【0059】
尚、高温成長ZnO単結晶層の成長条件としては、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。
【0060】
上記の条件で成長させた場合の高温成長ZnO単結晶層の結晶性評価を行った。
【0061】
図5は、XRCによる測定結果である。
【0062】
ピーク値は、17.35°と図1の値とほとんど同じである。半値幅は、0.06°(216arcsec)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。
【0063】
図6に、上記のZnO単結晶層のPLスペクトルを示す。
【0064】
エネルギー3.359eVに鋭いピークが観測された。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。
【0065】
ZnO結晶中に多くの結晶欠陥が導入されると、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。
【0066】
不純物としてNをドーピングしたZnOを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(ight mitting iode)を実現することが可能である。
【0067】
図7に、NドープのZnOを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(ight mitting iode)の断面構造を示す。
【0068】
図7に示すLEDは、サファイア基板301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:1×1018cm-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。
【0069】
上記のn型ZnO層311は、第1電極321とコンタクトされている。
【0070】
n型ZnO層を形成するためには、Gaの代わりにAlなどの他の3族元素をドーピングしても良い。
【0071】
Nドープのp型ZnO層315は島状に加工されている。島状に加工されたp型ZnO層315は、例えばSi34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。
【0072】
p型ZnO層315の上面周辺部上に、リング状の第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315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。
【0073】
上記の構造において、第1電極321に対し第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。
【0074】
上記の動作により、LEDのリング状の第2電極235の開口から、例えば波長として約370nmの光が発する。
【0075】
尚、本実施の形態においては、p型ZnO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315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315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。
【0076】
尚、結晶性の良好なZnO単結晶を含むZnO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。
【0077】
以上、実施の形態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。
【0078】
【発明の効果】
サファイヤ基板上に結晶性が良好な単結晶ZnOを成長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第一の実施の形態による結晶成長方法に用いるMBE装置の概略を示す断面図である。
【図2】 本発明の第一の実施の形態による結晶成長方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。
【図3】 本発明の第二の実施の形態による結晶成長方法により成長したZnOバッファー層の表面状態をAFM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。
【図4】 成長温度650℃における高温成長ZnO単結晶層の成長速度とZnの分圧との関係を示す。
【図5】 本発明の第一の実施の形態による結晶成長方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。
【図6】 本発明の第一の実施の形態による結晶成長方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。
【図7】 本発明の第2の実施の形態による半導体発光装置(LED)の構造を示す概略的な断面図である。
【図8】 従来の成長方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XRC法による測定結果である。
【図9】 従来の成長方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PL測定法による測定結果である。
【符号の説明】
A RS−MBE装置
C 制御装置
P 真空ポンプ
S 基板
1 チャンバ
3 基板ホルダー
3a ヒータ
5 熱電対
7 マニピュレータ
11 Zn用ポート
15 Zn原料
17 クヌーセンセル
21 Oラジカルポート
31 Nラジカルポート
100 ZnO基板
101 ZnOバッファー層(低温成長ZnOバッファー層)
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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ZnO crystal, a growth method thereof, and a semiconductor device using the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, ZnO has been grown directly on a sapphire substrate using an RS (radical source) -MBE method. As a source for Zn, a solid source for Zn in a K cell (Knudsen cell) is used. As a source for O, oxygen radicals generated by using RF or ECR or the like as an oxygen gas as a gas source are used.
[0003]
In particular, the RF-MBE method using RF uses the most common high frequency (13.56 MHz) on a commercial basis. O radicals are generated by introducing O 2 gas, which is a raw material gas, into an electrodeless discharge tube in the MBE chamber. The O radical blows into the MBE chamber and becomes an O radical beam. A ZnO thin film is grown by simultaneously irradiating a sapphire substrate with an O radical beam and a Zn beam from a K cell.
[0004]
A semiconductor device such as an LED (Light Emitting Diode) or an LD (Laser Diode) including a pn junction can be manufactured using ZnO which is one of II-VI group semiconductors.
[0005]
The crystallinity of a semiconductor crystal material constituting a semiconductor device such as an LED or LD has a significant influence on the electrical characteristics, optical characteristics, and element reliability (element lifetime) of the semiconductor element. The better the crystallinity of the semiconductor crystal material constituting the semiconductor element, the better the optical and electrical characteristics and reliability of the semiconductor element.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The ZnO crystal grown directly on the sapphire substrate using the conventional RS (radical source) -MBE method has the following problems. That is, the difference in lattice constant between the sapphire substrate and ZnO (the lattice constant mismatch is about 18%) is large. In addition, there is a large difference of 2.6 times in the coefficient of thermal expansion between the two.
[0007]
Many crystal defects are introduced into the grown ZnO crystal.
[0008]
FIG. 8 shows a measurement result of the ZnO crystal by the XRC (X-ray rocking curve) method when the ZnO (0002) crystal is directly grown on the sapphire (0001) substrate. ZnO crystal is grown by the RS-MBE method under the conditions of growth temperature: Tg = 650 ° C., Zn partial pressure: P zn = 1 × 10 −7 Torr, oxygen flow rate: O 2 = 2 SCCM, RF output: 300 W did.
[0009]
As a result of XRC measurement, an approximately normal distribution curve having peak intensity around 17.5 degrees was observed for Omega. The full width at half maximum (FWHM) was as large as 0.5 ° (1800 arcsec). From the measurement result of FIG. 8, it was found that the ZnO crystal grown under the above conditions has poor crystallinity.
[0010]
Figure 9 shows the results of the grown ZnO crystals was measured by PL (P hoto L uminesence) method in the above conditions. The horizontal axis represents the energy of the emitted light from PL. A sharp peak having a high intensity and a narrow half-value width was observed near an energy of 3.35 eV. The peak energy value of PL substantially coincides with the forbidden band width (3.3 eV) of ZnO. It is understood that the emission peak is due to recombination of electrons and holes between the conduction band and the valence band.
[0011]
A very broad peak was also observed from 1.8 eV to around 2.7 eV as energy. This broad peak is understood to be caused by light emission between deep levels existing in the forbidden band. This suggests that many crystal defects exist in the ZnO crystal.
[0012]
An object of the present invention is to provide a crystal growth method for reducing a crystal defect of a ZnO crystal grown on a sapphire substrate and growing a high-quality ZnO crystal.
[0013]
Another object of the present invention is to provide a ZnO crystal grown on a sapphire substrate and a semiconductor device using the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, a ZnO single crystal buffer layer is formed on a sapphire substrate by a RS-MBE method at a temperature between 200 ° C. and 600 ° C. under conditions of zinc (Zn) rich or oxygen (O) rich. A step of growing, a step of subjecting the ZnO single crystal buffer layer to a surface flattening treatment by heat treatment at a temperature from 600 ° C. to 800 ° C. for 2 minutes to 60 minutes, and a ZnO single crystal subjected to the surface flattening treatment. And a method of growing a single crystal ZnO layer on the crystal buffer layer.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0016]
Note that the “low temperature growth ZnO growth temperature” defined in the present specification is, for example, about 200 ° C. to 600 ° C., generally 100 ° C. higher than the temperature of crystal growth for growing a ZnO single crystal. The temperature is about 400 ° C lower. The “growth temperature of the high temperature grown single crystal ZnO layer” is generally a growth temperature suitable for growing a ZnO single crystal, is higher than the above “growth temperature of low temperature grown ZnO”, and is 800 ° C. The lower temperature, for example, 650 ° C.
[0017]
A method for growing a II-VI compound semiconductor crystal according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0018]
FIG. 1 shows a crystal growth apparatus (hereinafter referred to as “RS-MBE apparatus”) using a radical source molecular beam epitaxy (RS-MBE) method as an example of an II-VI group compound semiconductor crystal growth apparatus.
[0019]
The RS-MBE apparatus A includes a chamber 1 in which crystal growth is performed, and a vacuum pump P that keeps the chamber 1 in an ultrahigh vacuum state.
[0020]
The chamber 1 includes a Zn port 11 for evaporating Zn, an O radical port 21 for irradiating O radicals, and an N radical port 31 for irradiating N radicals.
[0021]
The Zn port 11 includes a Knudsen cell (hereinafter referred to as a K cell) 17 that houses a Zn (purity 7N) raw material 15 and is heated and evaporated, and a shutter S 1 .
[0022]
The O radical port 21 introduces an oxygen gas, which is a raw material gas, into the electrodeless discharge tube, and jets O radicals generated using a high frequency (13.56 MHz) into the MBE chamber 1. An orifice S 2 is provided for the O radical beam.
[0023]
The N radical port 31 introduces nitrogen gas, which is a raw material gas, into the electrodeless discharge tube, and ejects N radicals generated using high frequency (13.56 MHz) into the MBE chamber 1. A shutter S 3 is provided for the beam of N radicals.
[0024]
The structure of the radical ports 21 and 31 is a structure in which an induction coil is wound outside the discharge tube provided in the outer shield tube.
[0025]
In the chamber 1, there are provided a substrate holder 3 for holding a sapphire substrate S as a base for crystal growth, and a heater 3 a for heating the substrate holder 3. The temperature of the sapphire substrate S can be measured by the thermocouple 5. The position of the substrate holder 3 can be moved by a manipulator 7 using a bellows.
[0026]
The chamber 1 includes a gun 41 of a reflection electron beam diffractometer (RHEED device) and a screen 55 of the RHEED device provided for monitoring the grown crystal layer. Using the gun 41 of the RHEED apparatus and the screen 55 of the RHEED apparatus, the growth can be performed while monitoring the state of crystal growth (growth amount, quality of the grown crystal layer) in the MBE apparatus A.
[0027]
The temperature of crystal growth, the thickness of the crystal growth film, the degree of vacuum in the chamber, and the like are appropriately controlled by the control device C.
[0028]
Hereinafter, the step of growing ZnO on the sapphire substrate S will be described in detail.
[0029]
Crystal growth is carried out by opening and closing appropriate S 3 from the shutter S 1 by RS-MBE method.
[0030]
As a method for generating a radical source, an RF-MBE method using RF is used. O radicals are generated by introducing O 2 as a raw material gas into the electrodeless discharge tube using a high frequency of 13.56 MHz. By blowing O radicals into the MBE chamber 1 in a high vacuum state, an O radical beam is obtained. A ZnO thin film is grown by simultaneously irradiating the sapphire substrate S with an O radical beam and a Zn beam from a K cell.
[0031]
FIG. 2 shows an outline of the semiconductor crystal structure according to the present embodiment.
[0032]
A ZnO buffer layer 101 is formed on the sapphire (0001) substrate S, and a ZnO single crystal layer 105 is formed on the buffer layer 101.
[0033]
The process for creating the structure shown in FIG. 2 will be briefly described below.
[0034]
First, ZnO is grown on the sapphire substrate S at a low growth temperature and under Zn-rich conditions. In the state irradiated with oxygen radicals, the temperature is raised to a normal growth temperature suitable for single crystal growth of ZnO. This state is maintained for about 20 minutes, for example. The surface of the low temperature growth ZnO layer is flattened by the high temperature heat treatment. Thereby, the buffer layer 101 is formed. A ZnO single crystal layer 105 is grown thereon.
[0035]
The buffer layer 101 alleviates lattice mismatch and a large difference in thermal expansion coefficient caused by a large shift in lattice constant between the sapphire substrate S and the ZnO single crystal layer 105, and the ZnO single crystal layer 105 caused by these. Prevent the introduction of distortion into the inside.
[0036]
FIG. 3 shows the surface state of the ZnO buffer layer 101 observed by the AFM method (Atomic Force Microscopy).
[0037]
FIG. 3A shows the surface of the buffer layer 101 when grown under a Zn-rich condition, and FIG. 3B shows the surface of the buffer layer 101 when grown under an O-rich condition.
[0038]
A Zn-rich ZnO crystal is a crystal in which x is contained at a ratio smaller than 1 in ZnO 1-x .
[0039]
It can be seen that when the ZnO buffer layer 101 is grown under a Zn-rich condition, the planarity of the surface of the ZnO buffer layer 101 is improved as compared with the case where it is grown under an O-rich condition. In addition, the grown low-temperature grown ZnO layer is considered to be a single crystal in which grain boundaries exist, both when grown under oxygen-rich growth conditions and when grown under Zn-rich growth conditions.
[0040]
Hereinafter, a more detailed crystal growth method will be described.
[0041]
The (0001) plane of the sapphire substrate S is wet-etched for 60 minutes in a solution of H 3 PO 4 : H 2 SO 4 = 1: 3 heated to 110 ° C.
[0042]
After performing the above surface treatment, the sapphire substrate S is mounted on the substrate holder 3 (FIG. 1).
[0043]
Surface treatment with oxygen plasma was performed in an MBE apparatus for 1 hour under conditions of a substrate temperature of 550 ° C., an oxygen flow rate of 2 SCCM, and an RF power of 150 W. By processing the surface of the sapphire substrate S in the MBE apparatus, the surface of the sapphire substrate S is cleaned.
[0044]
After the substrate surface treatment, first, the buffer layer 101 is grown. Unlike normal single crystal ZnO substrate growth conditions, growth is performed under low temperature and Zn rich conditions (low temperature growth ZnO layer). The beam amount of Zn is 2.7 × 10 −7 Torr.
[0045]
An RF plasma source of O is used as the oxygen beam supply source. Pure oxygen (purity 6N) gas is introduced into the O radical port 21 and radicalized using a high frequency oscillation source.
[0046]
The flow rate of oxygen as a gas source is 5 × 10 −5 Torr and the RF power is 300 W at a flow rate of 1.5 SCCM as the partial pressure of oxygen in the chamber. The growth temperature is in the range of 300 ° C to 600 ° C. The thickness of the buffer layer is in the range of 10 to 100 nm.
[0047]
Here, the value of the pressure indicates an instruction value of a nude ion gauge attached to the substrate holder position (growth position).
[0048]
FIG. 4 shows the relationship between the Zn partial pressure (Pzn) and the growth rate when the substrate temperature Tg is 650 ° C. The O 2 partial pressure was 2 SCCM, and the RF output was 300 W. The partial pressure of Zn was changed from 1.3 × 10 −7 Torr to 2.7 × 10 −7 Torr.
[0049]
When the partial pressure of Zn is increased from 1.3 × 10 −7 Torr to 2.15 × 10 −7 Torr, the growth rate of ZnO increases from 0.10 μm / hr to 0.26 μm / hr. When the partial pressure of Zn is in the range of 2.15 × 10 −7 Torr to 2.7 × 10 −7 Torr, the growth rate of ZnO is approximately constant from about 0.26 μm / hr to about 0.27 μm / hr. Indicates.
[0050]
After the ZnO buffer layer grown at a low temperature is grown, the surface of the buffer layer is planarized. As the planarization treatment, heat treatment is performed at a high temperature for growing a single crystal, for example, 650 ° C. for 2 minutes to 60 minutes. The low-temperature grown ZnO buffer layer 101 that has been grown at a low growth temperature is considered to be a single crystal having a grain boundary and epitaxially grown so that each grain exhibits the same anisotropy. It is considered that irregularities such as those observed in AFM observation were observed mainly due to the grain boundaries between the grains.
[0051]
By applying the above heat treatment to the low temperature growth ZnO buffer layer, it is considered that the single crystal of each grain is solid phase grown, the grain size is increased, and the surface is flattened.
[0052]
In particular, when grown under a Zn-rich condition, the initial surface irregularities are smaller than when grown under an oxygen-rich condition, so that an excellent flat surface can be easily obtained by the planarization treatment. When a ZnO layer is grown at a high temperature on a low-temperature grown ZnO buffer layer having an excellent planar surface, a single crystal ZnO layer having good crystallinity is easily obtained.
[0053]
The temperature for growing the low-temperature grown ZnO layer is preferably between 200 ° C. and 600 ° C.
[0054]
The low-temperature grown ZnO buffer layer has a small grain size in an as-grown state and a grain boundary is observed, so that it looks like a polycrystal in AFM observation. However, analysis by X-ray diffraction or RHEED method shows the characteristics of a single crystal.
[0055]
This phenomenon is observed in the growth with GaN or ZnO. By subjecting the low-temperature grown ZnO buffer layer to a high-temperature heat treatment, it is considered that irregularities caused by grain boundaries and the like grow as in the case of solid-phase growth, and the surface becomes flat. Even if an attempt is made to grow single crystal ZnO on a non-planar ZnO surface, the crystallinity is not improved by experience.
[0056]
Next, a ZnO single crystal (high temperature grown ZnO single crystal layer) is grown on the planarized low temperature grown ZnO buffer layer.
[0057]
The growth conditions are a substrate temperature of 650 ° C. and a Zn (7N) beam amount of 8.0 × 10 −5 Torr. The oxygen partial pressure is 8 × 10 −5 Torr at a flow rate of 2.0 SCCM, and the RF power is 300 W.
[0058]
The thickness of the grown high temperature grown ZnO single crystal layer is 1 μm.
[0059]
As the growth conditions for the high-temperature grown ZnO single crystal layer, it is preferable to perform the growth for 2 minutes to 60 minutes at a temperature between 600 ° C. and 800 ° C.
[0060]
The crystallinity of the high-temperature-grown ZnO single crystal layer when grown under the above conditions was evaluated.
[0061]
FIG. 5 shows the measurement result by XRC.
[0062]
The peak value is 17.35 °, which is almost the same as the value in FIG. The full width at half maximum is 0.06 ° (216 arcsec). Compared to the half width (0.5 °) of ZnO grown under the conventional conditions shown in FIG. 8, the half width was reduced to about 1/8. A significant reduction in the half-value width is achieved by providing a low temperature growth ZnO buffer layer and performing a planarization treatment on the surface, and then growing a high temperature growth ZnO single crystal layer on the surface at a high growth temperature. It is understood that this is due to the improvement in crystallinity of the single crystal layer.
[0063]
FIG. 6 shows a PL spectrum of the ZnO single crystal layer.
[0064]
A sharp peak was observed at an energy of 3.359 eV. In the case of a ZnO single crystal grown without a low-temperature grown ZnO buffer layer (FIG. 9), a very broad peak from 1.8 eV to around 2.7 eV is not observed. This is understood to be due to a decrease in light emission from deep levels existing in the forbidden band of the ZnO layer. It is considered that crystal defects in the ZnO crystal are reduced and crystallinity is greatly improved.
[0065]
When many crystal defects are introduced into the ZnO crystal, strong n-type conductivity is exhibited even when no impurity is introduced. The high temperature growth ZnO single crystal layer grown by using the above crystal growth method has very few crystal defects. It is also possible to realize ZnO exhibiting p-type conductivity, which was difficult with a ZnO single crystal grown by a conventional crystal growth method. It is considered that the light emission efficiency is very high because crystal defects that form a non-light emitting center are greatly reduced.
[0066]
Using ZnO doped with N as an impurity as the p-type semiconductor, it is possible to realize a LED (L ight E mitting D iode ) including a p-n junction Daodo using ZnO and Ga-doped as an n-type semiconductor.
[0067]
7, using the ZnO of N doped as p-type semiconductor shows a cross-sectional structure of LED (L ight E mitting D iode ) including a p-n junction Daodo using ZnO and Ga-doped as an n-type semiconductor.
[0068]
The LED shown in FIG. 7 includes a sapphire substrate 301, a non-doped low-temperature growth ZnO buffer layer 305 having a thickness of 100 nm grown thereon, and an n-type (Ga-doped: 1 μm thickness) grown thereon. × 10 18 cm −3 ) A high-temperature-grown ZnO single crystal layer 311 and an N-doped p-type high-temperature-grown ZnO single crystal layer 315 formed thereon and having a thickness of 100 nm.
[0069]
The n-type ZnO layer 311 is in contact with the first electrode 321.
[0070]
In order to form the n-type ZnO layer, other group 3 elements such as Al may be doped instead of Ga.
[0071]
The N-doped p-type ZnO layer 315 is processed into an island shape. The p-type ZnO layer 315 processed into an island shape is covered with an insulating film 318 made of, for example, Si 3 N 4 . On the upper surface of the p-type ZnO layer 315, for example, a substantially circular opening is formed through the insulating film 318.
[0072]
On the periphery of the upper surface of the p-type ZnO layer 315, a ring-shaped second electrode 325 is formed. At least a part of the lower surface of the ring-shaped second electrode is in contact with the peripheral portion of the upper surface of the p-type ZnO layer 315. The radially outer portion of the ring-shaped second electrode 235 has a structure that rides on the insulating film 318.
[0073]
In the above structure, when a positive voltage is applied to the second electrode with respect to the first electrode 321, a forward current flows through the pn junction. Minority carriers (electrons) injected into the p-type ZnO layer 315 and majority carriers (holes) in the p-type ZnO layer 315 recombine with light emission. Upon recombination of electrons and holes, light having an energy substantially equal to the energy gap of the forbidden band is emitted from the opening. That is, electrical energy is converted into light energy.
[0074]
By the above operation, light having a wavelength of about 370 nm, for example, is emitted from the opening of the ring-shaped second electrode 235 of the LED.
[0075]
In this embodiment, the LED has been described as an example of a semiconductor element using a pn junction between a p-type ZnO layer and an n-type ZnO layer. However, the p-type ZnO layer 315 and the n-type ZnO 311 are combined. It is also possible to form a laser element. In addition, it goes without saying that electronic devices such as FETs and bipolar transistors, other optical devices, and semiconductor devices combining these devices can be manufactured in combination with the p-type ZnO layer 315.
[0076]
Note that a semiconductor crystal or a semiconductor device can be formed using a ZnO-based ternary or quaternary mixed crystal including a ZnO single crystal with good crystallinity.
[0077]
As mentioned above, although this invention was demonstrated along embodiment, this invention is not restrict | limited to these. Various conditions for crystal growth and other process parameters can be selected. It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, combinations, and the like are possible.
[0078]
【The invention's effect】
Single crystal ZnO with good crystallinity can be grown on a sapphire substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an MBE apparatus used in a crystal growth method according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a laminated structure of a sapphire substrate / low temperature growth ZnO buffer layer / high temperature growth ZnO single crystal layer grown by the crystal growth method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a result of measuring a surface state of a ZnO buffer layer grown by a crystal growth method according to a second embodiment of the present invention by an AFM method. (A) is grown under Zn-rich conditions, and (b) is grown under O-rich conditions.
FIG. 4 shows the relationship between the growth rate of a high-temperature-grown ZnO single crystal layer at a growth temperature of 650 ° C. and the partial pressure of Zn.
FIG. 5 shows an XRC method for a high-temperature-grown ZnO single crystal layer in a laminated structure of a sapphire substrate / low-temperature-grown ZnO buffer layer / high-temperature-grown ZnO single crystal layer grown by the crystal growth method according to the first embodiment of the present invention. It is a measurement result by.
FIG. 6 shows a PL measurement method of a ZnO single crystal layer in a laminated structure of a sapphire substrate / low temperature growth ZnO buffer layer / high temperature growth ZnO single crystal layer grown by the crystal growth method according to the first embodiment of the present invention. It is a measurement result.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a semiconductor light emitting device (LED) according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a measurement result of a ZnO single crystal layer measured by an XRC method in a laminated structure of a sapphire substrate / low temperature growth ZnO buffer layer / high temperature growth ZnO single crystal layer grown by a conventional growth method.
FIG. 9 is a measurement result of a high temperature growth ZnO single crystal layer measured by a PL measurement method in a laminated structure of a sapphire substrate / low temperature growth ZnO buffer layer / high temperature growth ZnO single crystal layer grown by a conventional growth method.
[Explanation of symbols]
A RS-MBE device C Control device P Vacuum pump S Substrate 1 Chamber 3 Substrate holder 3a Heater 5 Thermocouple 7 Manipulator 11 Zn port 15 Zn raw material 17 Knudsen cell 21 O radical port 31 N radical port 100 ZnO substrate 101 ZnO buffer layer (Low temperature growth ZnO buffer layer)
105 ZnO single crystal layer (high temperature grown ZnO single crystal layer)
301 Sapphire substrate 305 ZnO layer buffer layer (low temperature growth ZnO buffer layer)
311 n-type ZnO layer (high temperature grown ZnO single crystal layer)
315 p-type ZnO layer (high temperature grown ZnO single crystal layer)
318 Insulating film 321 First electrode 325 Second electrode

Claims (8)

RS−MBE法によってサファイヤ基板上に、亜鉛(Zn)リッチもしくは酸素(O)リッチの条件にて200℃から600℃の間の温度でZnO単結晶バッファー層を成長する工程と、
前記ZnO単結晶バッファー層に600℃から800℃までの温度で、2分間から60分間の熱処理による表面平坦化処理を実施する工程と、
前記表面平坦化処理を施したZnO単結晶バッファー層上に単結晶ZnO層を成長する工程と
を含むZnO結晶の成長方法。
A step of growing a ZnO single crystal buffer layer on a sapphire substrate by a RS-MBE method at a temperature between 200 ° C. and 600 ° C. under zinc (Zn) rich or oxygen (O) rich conditions;
Performing a surface flattening process on the ZnO single crystal buffer layer at a temperature from 600 ° C. to 800 ° C. by heat treatment for 2 minutes to 60 minutes;
And a step of growing a single crystal ZnO layer on the ZnO single crystal buffer layer subjected to the surface flattening treatment.
前記ZnO単結晶バッファー層を成長する工程は、Znリッチな条件で気相成長する工程である請求項1に記載のZnO結晶の成長方法。  The method for growing a ZnO crystal according to claim 1, wherein the step of growing the ZnO single crystal buffer layer is a step of vapor phase growth under Zn-rich conditions. サファイヤ基板と、
その上に200℃から600℃の間の温度で形成され、600℃から800℃までの温度で2分間から60分間の熱処理による表面平坦化処理が施された亜鉛(Zn)リッチもしくは酸素(O)リッチの、不純物がドープされていないZnO単結晶バッファー層と、
前記ZnO単結晶バッファー層より上に形成されたZnO単結晶層と
を含むZnO結晶構造。
A sapphire substrate,
Zinc (Zn) rich or oxygen (O) formed thereon at a temperature between 200 ° C. and 600 ° C. and subjected to surface planarization treatment by heat treatment at a temperature from 600 ° C. to 800 ° C. for 2 minutes to 60 minutes. ) A rich , undoped ZnO single crystal buffer layer;
A ZnO crystal structure including a ZnO single crystal layer formed above the ZnO single crystal buffer layer.
前記ZnO単結晶バッファー層は、600℃よりも低い温度でZnOを成長した層であり、前記ZnO単結晶バッファー層上に形成されたZnO単結晶層は、前記ZnO単結晶バッファー層よりも高くかつ800℃よりも低い温度で成長した高温成長ZnO単結晶層を含むことを特徴とする請求項3に記載のZnO結晶構造。  The ZnO single crystal buffer layer is a layer obtained by growing ZnO at a temperature lower than 600 ° C., and the ZnO single crystal layer formed on the ZnO single crystal buffer layer is higher than the ZnO single crystal buffer layer and The ZnO crystal structure according to claim 3, further comprising a high-temperature-grown ZnO single crystal layer grown at a temperature lower than 800 ° C. 前記ZnO単結晶バッファー層の厚さは、10から100nmである請求項3又は4に記載のZnO結晶構造。  The ZnO crystal structure according to claim 3 or 4, wherein a thickness of the ZnO single crystal buffer layer is 10 to 100 nm. 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4又は5に記載のZnO結晶構造。  The ZnO crystal structure according to claim 4 or 5, wherein the high-temperature-grown ZnO single crystal layer is a ZnO layer having n-type conductivity doped with Ga or Al. 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4から6までのいずれかに記載のZnO結晶構造。  The ZnO crystal structure according to any one of claims 4 to 6, wherein the high-temperature-grown ZnO single crystal layer is a ZnO layer having p-type conductivity doped with N. サファイヤ基板と、
前記基板に接するように200℃から600℃の間の温度で形成され、600℃から800℃までの温度で2分間から60分間の熱処理による表面平坦化処理が施された亜鉛(Zn)リッチもしくは酸素(O)リッチの、不純物がドープされていないZnO単結晶バッファー層と、
前記ZnO単結晶バッファー層より上に形成されたZnO単結晶層と
を含み、
前記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。
A sapphire substrate,
Zinc (Zn) -rich, which is formed at a temperature between 200 ° C. and 600 ° C. so as to be in contact with the substrate, and has been subjected to a surface flattening treatment at a temperature from 600 ° C. to 800 ° C. for 2 minutes to 60 minutes An oxygen (O) rich ZnO single crystal buffer layer that is not doped with impurities ;
A ZnO single crystal layer formed above the ZnO single crystal buffer layer,
The ZnO single crystal layer is a semiconductor device having a pn junction between a ZnO layer having n-type conductivity doped with Ga or Al and a ZnO layer having p-type conductivity doped with N.
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