JP5073623B2 - Method for growing zinc oxide based semiconductor and method for manufacturing semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、酸化亜鉛系半導体の成長方法及び半導体素子の製造方法に関し、特に、MOCVD法による酸化亜鉛系半導体層の成長方法及びこれを用いた半導体発光素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for growing a zinc oxide based semiconductor and a method for manufacturing a semiconductor element, and more particularly to a method for growing a zinc oxide based semiconductor layer by MOCVD and a method for manufacturing a semiconductor light emitting element using the same.
酸化亜鉛(ZnO)は、室温で3.37eVのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型の半導体で、青ないし紫外領域の光素子用の材料として期待されている。特に、励起子の束縛エネルギーが60meV、また屈折率n=2.0と半導体発光素子に極めて適した物性を有している。また、発光素子、受光素子に限らず、表面弾性波(SAW)デバイス、圧電素子等にも広く応用が可能である。さらに、原材料が安価であるとともに、環境や人体に無害であるという特徴を有している。 Zinc oxide (ZnO) is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of 3.37 eV at room temperature, and is expected as a material for optical elements in the blue or ultraviolet region. In particular, the exciton binding energy is 60 meV and the refractive index n = 2.0, which is very suitable for a semiconductor light emitting device. Further, the present invention can be widely applied not only to light emitting elements and light receiving elements but also to surface acoustic wave (SAW) devices, piezoelectric elements, and the like. In addition, the raw material is inexpensive and harmless to the environment and the human body.
一般に、酸化亜鉛系化合物半導体の結晶成長方法として、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相堆積)法や、MBE(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシ)法などが利用されている。MBE法は、超高真空下での結晶成長法であり、装置が高価で生産性が低いなどの問題がある。これに対し、MOCVD法は、装置が比較的安価であるとともに、大面積成長や多数枚同時成長が可能で、スループットが高く、量産性やコスト面においても優れているという利点を有している。 In general, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, and the like are used as crystal growth methods for zinc oxide compound semiconductors. The MBE method is a crystal growth method under an ultra-high vacuum, and has problems such as expensive equipment and low productivity. On the other hand, the MOCVD method has the advantages that the apparatus is relatively inexpensive, allows large area growth and simultaneous growth of a large number of sheets, has high throughput, and is excellent in mass productivity and cost. .
MBE法を用いた酸化亜鉛の結晶成長方法として、例えば、サファイア基板上に単結晶特性を示す低温ZnO層を結晶成長し、次に高温で熱処理して平坦化した後、高温ZnO層を結晶成長することで結晶性の良好なZnO層が得られる方法が開示されている(特許文献1)。より詳細には、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低い成長温度を用いて形成した低温成長ZnO単結晶層について開示されている。しかしながら、当該文献に開示されている方法は、MBE法にのみ有効な成長条件・方法であり、かかる方法をMOCVD法に適用することはできない。すなわち、周知のように(例えば、特許文献2)、非ストイキオメトリ(非化学量論的組成)条件での結晶成長が可能なMBE法の成長条件をそのままMOCVD法に適用することはできない。そのため、MOCVD法を用いて酸化亜鉛系半導体の単結晶層を成長させる方法が盛んに研究されている。 As a crystal growth method of zinc oxide using the MBE method, for example, a low-temperature ZnO layer having a single crystal characteristic is grown on a sapphire substrate, and then flattened by heat treatment at a high temperature, and then a high-temperature ZnO layer is grown. A method for obtaining a ZnO layer with good crystallinity is disclosed (Patent Document 1). More specifically, a low-temperature grown ZnO single crystal layer formed by using a growth temperature lower than the crystal growth temperature for growing a ZnO single crystal is disclosed. However, the method disclosed in this document is a growth condition / method effective only for the MBE method, and such a method cannot be applied to the MOCVD method. That is, as is well known (for example, Patent Document 2), the growth conditions of the MBE method capable of crystal growth under non-stoichiometric (non-stoichiometric composition) conditions cannot be directly applied to the MOCVD method. Therefore, a method for growing a single crystal layer of a zinc oxide based semiconductor using MOCVD has been actively studied.
MOCVD法によりサファイア(Al2O3)などの異材質基板上に酸化亜鉛(ZnO)あるいは酸化亜鉛系半導体を結晶成長させる方法について、これまで種々開示されている(例えば、特許文献2、3)。例えば、特許文献2には、A面サファイア基板又はC面炭化珪素基板上に予備バッファ層としてO2を酸素源にしてMgZnO微結晶を形成し、当該微結晶を種結晶としてバッファ層本体となるMgZnO結晶を基板全面に形成することが開示されている。また、特許文献3には、低温形成した多結晶又はアモルファスの積層体を高温でアニールし、バッファ層とすることが開示されている。しかしながら、このような方法においては、多結晶が熱処理により単結晶化する際に隣り合った結晶粒界との間に欠陥が残留する。また、微結晶をバッファ層本体が結晶成長する段階で粒界合体において欠陥が残留する。従って、結晶欠陥を大幅に減少させることは難しい。このように、従来、多結晶や微結晶あるいはアモルファスからなるバッファ層を形成して結晶性を改善することが試みられているが、MOCVD法で結晶性を改善する方法は複雑であり、基板上に高品質のZnO系結晶を成長させることは困難であった。 Various methods for crystal growth of zinc oxide (ZnO) or a zinc oxide based semiconductor on a different material substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ) by MOCVD have been disclosed so far (for example, Patent Documents 2 and 3). . For example, in Patent Document 2, MgZnO microcrystals are formed on an A-plane sapphire substrate or C-plane silicon carbide substrate using O 2 as an oxygen source as a reserve buffer layer, and the microcrystal serves as a seed crystal to serve as a buffer layer body. It is disclosed that an MgZnO crystal is formed on the entire surface of a substrate. Patent Document 3 discloses that a polycrystalline or amorphous laminate formed at a low temperature is annealed at a high temperature to form a buffer layer. However, in such a method, a defect remains between adjacent crystal grain boundaries when the polycrystal is converted into a single crystal by heat treatment. In addition, defects remain in the grain boundary coalescence at the stage where the buffer layer main body grows crystallites. Therefore, it is difficult to greatly reduce crystal defects. Thus, conventionally, attempts have been made to improve the crystallinity by forming a buffer layer made of polycrystal, microcrystal, or amorphous. However, the method for improving the crystallinity by MOCVD is complicated, and it is difficult to remove the crystal on the substrate. It was difficult to grow high quality ZnO-based crystals.
以上説明したように、MOCVD法によりサファイア基板等の上にZnO系単結晶を成長させる方法は数多く提案されているものの、簡便かつ高品質なZnO系単結晶を成長させる方法としては問題も多い。 As described above, although many methods for growing a ZnO-based single crystal on a sapphire substrate or the like by the MOCVD method have been proposed, there are many problems as a method for growing a simple and high-quality ZnO-based single crystal.
また、MOCVD法の場合、結晶性が向上する温度(約600℃以上)環境下で成長するとc軸方向に配向した(六角)柱状結晶、網目状結晶、(六角)ディスク状結晶になり易い性質がある。このような結晶軸方向に強く配向した多結晶や不完全単結晶では、粒界面や転移が半導体素子のリーク電流や局部的な電流集中の原因となり、素子特性や素子寿命の劣化を招来する。特に、半導体発光素子においては、リーク電流や電流集中により、発光効率、素子寿命等の特性の低下が生じる。さらに、結晶表面が平坦でない場合には、リソグラフィ、エッチング等の半導体プロセスにおけるプロセス精度の低下や製造歩留まりの低下につながる。また、劈開やブレーキングなどにおける製造歩留まりの低下も招来する。 In addition, in the case of MOCVD, when grown in an environment where crystallinity is improved (about 600 ° C. or higher), it tends to become (hexagonal) columnar crystals, network crystals, and (hexagonal) disk-like crystals oriented in the c-axis direction. There is. In such a polycrystal or imperfect single crystal that is strongly oriented in the crystal axis direction, the grain interface and transition cause leakage current and local current concentration of the semiconductor element, leading to deterioration of element characteristics and element life. In particular, in a semiconductor light emitting device, characteristics such as light emission efficiency and device life are deteriorated due to leakage current and current concentration. Furthermore, when the crystal surface is not flat, it leads to a decrease in process accuracy and a manufacturing yield in a semiconductor process such as lithography and etching. In addition, the production yield is reduced in cleavage and braking.
このように、従来、MOCVD法によりサファイア基板等の異種基板上に粒界面や転移が少なくかつ平坦なZnO系半導体の単結晶を成長することは困難であった。半導体素子、特に、動作電流密度の大きい半導体発光素子の高性能化、高信頼度化を図るには、結晶欠陥の少ないかつ平坦な理想結晶に近い結晶の成長方法の開発が極めて重要である。
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上に結晶欠陥の少ない、単結晶性及び平坦性に優れた酸化亜鉛系半導体結晶の成長方法を提供することにある。また、高性能かつ高信頼性の半導体素子、特に、発光効率及び素子寿命に優れた高性能な半導体発光素子を提供することにある。さらに、製造歩留まりが高く、量産性に優れた半導体発光素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to provide a method for growing a zinc oxide based semiconductor crystal having few single crystal defects and excellent single crystallinity and flatness on a substrate. is there. Another object of the present invention is to provide a high-performance and high-reliability semiconductor device, particularly a high-performance semiconductor light-emitting device excellent in light emission efficiency and device lifetime. It is another object of the present invention to provide a semiconductor light emitting device with a high manufacturing yield and excellent mass productivity.
本発明は、MOCVD法により基板上に酸化亜鉛系半導体層を結晶成長する方法であって、酸素を含まない有機金属化合物と水蒸気を用い、(a)250℃〜450℃の範囲内の第1の低成長温度及び1kPa〜30kPaの範囲内の低成長圧力で結晶成長を行って第1の単結晶層を形成するステップと、(b)前記第1の低成長温度よりも高い第2の低成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第1の単結晶層上に第2の単結晶層を形成するステップと、(c)高成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第2の単結晶層上に第3の単結晶層を形成するステップと、を有することを特徴としている。 The present invention is a method for crystal growth of a zinc oxide-based semiconductor layer on a substrate by MOCVD, using an organometallic compound not containing oxygen and water vapor, (a) a first in the range of 250 ° C. to 450 ° C. Forming a first single crystal layer by performing crystal growth at a low growth temperature and a low growth pressure in the range of 1 kPa to 30 kPa, and (b) a second low temperature higher than the first low growth temperature. Performing crystal growth at a growth temperature and a pressure higher than the low growth pressure to form a second single crystal layer on the first single crystal layer; and (c) from a high growth temperature and the low growth pressure. Forming a third single crystal layer on the second single crystal layer by performing crystal growth at a high pressure.
また、本発明は、MOCVD法により基板上に酸化亜鉛系半導体層を積層して半導体発光素子を製造する方法であって、酸素を含まない有機金属化合物と水蒸気を用い、(a)250℃〜450℃の範囲内の第1の低成長温度及び1kPa〜30kPaの範囲内の低成長圧力で結晶成長を行って第1の単結晶層を形成するステップと、(b)前記第1の低成長温度よりも高い第2の低成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第1の単結晶層上に第2の単結晶層を形成するステップと、(c)高成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第2の単結晶層上に第3の単結晶層を形成するステップと、(d)高成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第3の単結晶層上に発光層を形成するステップと、を有することを特徴としている。 Further, the present invention is a method for producing a semiconductor light emitting device by laminating a zinc oxide based semiconductor layer on a substrate by MOCVD method, using an organometallic compound not containing oxygen and water vapor, (a) 250 ° C. to Performing crystal growth at a first low growth temperature within a range of 450 ° C. and a low growth pressure within a range of 1 kPa to 30 kPa to form a first single crystal layer; and (b) the first low growth. Performing crystal growth at a second low growth temperature higher than the temperature and a pressure higher than the low growth pressure to form a second single crystal layer on the first single crystal layer; and (c) high Performing crystal growth at a growth temperature and a pressure higher than the low growth pressure to form a third single crystal layer on the second single crystal layer; and (d) from the high growth temperature and the low growth pressure. The third single crystal is grown at a high pressure. It is characterized by having a step of forming a light emitting layer above a.
上記高成長温度は、700℃〜850℃の範囲内の温度とすることができる。 また、上記第2の低成長温度は、500℃〜650℃の範囲内の温度とすることができる。 The high growth temperature can be a temperature in the range of 700 ° C to 850 ° C. The second low growth temperature can be a temperature in the range of 500 ° C to 650 ° C.
さらに、上記低成長圧力よりも高い圧力は、40kPa〜120kPaの範囲内の圧力とすることができる。 Furthermore, the pressure higher than the low growth pressure can be a pressure in the range of 40 kPa to 120 kPa.
さらに、上記第1の単結晶層は酸化亜鉛(ZnO)層であり、上記第2の単結晶層及び上記第3の単結晶層は、MgxZn(1−x)O(0≦x≦0.43)層とすることができる。 Further, the first single crystal layer is a zinc oxide (ZnO) layer, and the second single crystal layer and the third single crystal layer are Mg x Zn (1-x) O (0 ≦ x ≦ 0.43) layer.
以下においては、MOCVD法により基板上に単結晶性及び平坦性に優れた酸化亜鉛系半導体結晶層を成長する方法について図面を参照して詳細に説明する。また、当該成長方法により形成された半導体素子として半導体発光素子(LED:Light Emitting Diode)を例に説明する。 Hereinafter, a method for growing a zinc oxide-based semiconductor crystal layer having excellent single crystallinity and flatness on a substrate by MOCVD will be described in detail with reference to the drawings. Further, a semiconductor light emitting element (LED: Light Emitting Diode) will be described as an example of the semiconductor element formed by the growth method.
なお、本明細書中において定義される「低成長温度」とは、例えば、200℃〜650℃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50℃〜500℃程度低い温度をいう。また、「高成長温度」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「低成長温度」よりも高く、850℃程度以下の温度をいう。 The “low growth temperature” defined in the present specification is, for example, about 200 ° C. to 650 ° C., generally 50 ° C. to 500 ° C. than the temperature of crystal growth for growing a ZnO single crystal. This is a low temperature. The “high growth temperature” is generally a growth temperature suitable for growing a ZnO single crystal, and is a temperature higher than the above “low growth temperature” and about 850 ° C. or less.
図1は、本発明により基板10上に成長された酸化亜鉛系半導体結晶層(以下、ZnO系半導体層と表記する。)を示す断面図である。より詳細には、MOCVD法を用いて第1のZnO層11Aと、第2のZnO層11Bと、ZnO系半導体層12とをサファイア基板上に成長する。なお、以下においては、ZnO系半導体層12として、MgxZn(1−x)O(0≦x≦0.68)を成長する場合を例に説明する。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a zinc oxide based semiconductor crystal layer (hereinafter referred to as a ZnO based semiconductor layer) grown on a substrate 10 according to the present invention. More specifically, the first ZnO layer 11A, the second ZnO layer 11B, and the ZnO-based semiconductor layer 12 are grown on the sapphire substrate using the MOCVD method. In the following, a case where Mg x Zn (1-x) 2 O (0 ≦ x ≦ 0.68) is grown as the ZnO-based semiconductor layer 12 will be described as an example.
なお、以下において、ZnO系半導体はZnOベースの他の化合物結晶であってもよい。例えば、Zn(亜鉛)の一部がカルシウム(Ca)で置き換えられたZnO系化合物結晶であってもよい。あるいは、O(酸素)の一部がセレン(Se)、硫黄(S)やテルル(Te)などで置き換えられたZnO系化合物結晶であってもよい。 In the following, the ZnO-based semiconductor may be another compound crystal based on ZnO. For example, a ZnO-based compound crystal in which a part of Zn (zinc) is replaced with calcium (Ca) may be used. Alternatively, a ZnO-based compound crystal in which part of O (oxygen) is replaced with selenium (Se), sulfur (S), tellurium (Te), or the like may be used.
結晶成長に用いたMOCVD装置(図示しない)は、反応容器(チャンバ)を有し、反応容器内には基板10を保持するサセプタ、サセプタを加熱するヒーター、及び材料ガスを基板に吹付けるシャワーヘッドが設けられている。また、排気ポンプ及び容器内圧力を調整する圧力調整装置が設けられている。 An MOCVD apparatus (not shown) used for crystal growth has a reaction vessel (chamber), and in the reaction vessel, a susceptor that holds the substrate 10, a heater that heats the susceptor, and a shower head that blows material gas onto the substrate. Is provided. Further, a pressure adjusting device for adjusting the exhaust pump and the pressure in the container is provided.
基板10として、コランダム構造を有するα−サファイア単結晶のサファイア(Al2O3)基板が用いられる。本実施例においては、サファイアA面({11−20}面)を結晶成長面として当該サファイアA面上に第1のZnO層11Aを成長する。以下においては、サファイアA面({11−20}面)を主面(結晶成長面)とする基板をA面サファイア基板とも称する。なお、ここで、ミラー指数{ }は等価な面の代表値を示している。 As the substrate 10, an α-sapphire single crystal sapphire (Al 2 O 3 ) substrate having a corundum structure is used. In the present embodiment, the first ZnO layer 11A is grown on the sapphire A plane using the sapphire A plane ({11-20} plane) as a crystal growth plane. Hereinafter, a substrate having a sapphire A plane ({11-20} plane) as a principal plane (crystal growth plane) is also referred to as an A-plane sapphire substrate. Here, the Miller index {} indicates a representative value of an equivalent surface.
本実施例においては、有機金属化合物材料(または有機金属材料)として、酸素を含まない材料を用いた。すなわち、構成分子内に酸素原子を含まない材料、及び酸素分子を含まない材料を用いた。 In this example, a material containing no oxygen was used as the organometallic compound material (or organometallic material). That is, a material that does not contain oxygen atoms in its constituent molecules and a material that does not contain oxygen molecules were used.
より具体的には、亜鉛(Zn)源としてDMZn(ジメチル亜鉛)、マグネシウム(Mg)源としてCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)、ガリウム(Ga)源としてTEGa(トリエチルガリウム)をそれぞれ用いた。尚、上記した材料以外にもDEZn(ジエチル亜鉛)、TMGa(トリメチルガリウム)などを用いることができる。酸素を含まない有機金属材料は、低温で熱分解し易く、O2(酸素)やH2O(水蒸気)とは室温でも反応するので、低温での結晶成長に適している。 More specifically, DMZn (dimethylzinc) was used as the zinc (Zn) source, Cp2Mg (biscyclopentadienylmagnesium) was used as the magnesium (Mg) source, and TEGa (triethylgallium) was used as the gallium (Ga) source. In addition to the above materials, DEZn (diethyl zinc), TMGa (trimethyl gallium), or the like can be used. An organometallic material that does not contain oxygen is easily pyrolyzed at a low temperature, and reacts with O 2 (oxygen) or H 2 O (water vapor) even at room temperature, which is suitable for crystal growth at a low temperature.
酸素源としての液体材料として、H2O(水蒸気)を用いた。H2Oは、酸素を分子中に含まない有機金属材料と室温程度でも高い反応性を有するので、ZnO結晶の低温成長に適している。また、H2O分子は分子内における分極が大きく、また、2つの孤立電子対を有しており、結晶表面等への吸着能力に優れている。 H 2 O (water vapor) was used as a liquid material as an oxygen source. H 2 O is suitable for low-temperature growth of ZnO crystals because it has high reactivity with an organometallic material that does not contain oxygen in the molecule even at room temperature. Further, the H 2 O molecule has a large polarization in the molecule, and has two lone electron pairs, and is excellent in the adsorption ability to the crystal surface and the like.
n型不純物源としては、TMGa(トリメチルガリウム)を用い、p型不純物源としては、NH3(アンモニア)ガスを用いた。なお、これらのガスは、窒素やAr(アルゴン)などの不活性ガスで希釈されていても構わない。 TMGa (trimethylgallium) was used as the n-type impurity source, and NH 3 (ammonia) gas was used as the p-type impurity source. Note that these gases may be diluted with an inert gas such as nitrogen or Ar (argon).
また、輸送(キャリア)ガスとして窒素を用いた。液体または固体材料の蒸気と気体材料(以下、材料ガスという。)はキャリアガスによってシャワーヘッドに送り込まれ、基板に供給される。 Further, nitrogen was used as a transport (carrier) gas. Liquid or solid material vapor and gaseous material (hereinafter referred to as material gas) are fed into the showerhead by the carrier gas and supplied to the substrate.
図2は、当該MOCVD法による結晶成長に用いられた結晶成長シーケンスを示している。まず、MOCVD装置内のサセプタにA面サファイア基板10をセットし、反応容器圧力を10kPa(キロパスカル)に調整した(時間T=T1)。 FIG. 2 shows a crystal growth sequence used for crystal growth by the MOCVD method. First, the A-plane sapphire substrate 10 was set on the susceptor in the MOCVD apparatus, and the reaction vessel pressure was adjusted to 10 kPa (kilopascal) (time T = T1).
次に、酸素源としてH2O(水蒸気)を640μmol/minの流量でシャワーヘッドから基板10への供給を開始した(T=T2)。また、ヒーターで基板10を室温(RT)から900℃まで昇温し、基板10の脱ガス処理を10分間行った(T=T3〜T4)。これ以降、成長終了までH2O(水蒸気)を同じ流量で流し続けた。 Next, supply of H 2 O (water vapor) as an oxygen source from the shower head to the substrate 10 at a flow rate of 640 μmol / min was started (T = T2). The substrate 10 was heated from room temperature (RT) to 900 ° C. with a heater, and the substrate 10 was degassed for 10 minutes (T = T3 to T4). Thereafter, H 2 O (water vapor) was kept flowing at the same flow rate until the growth was completed.
脱ガス処理後、基板温度を400℃(第1の低成長温度)まで降下し、亜鉛原料としてDMZn(ジメチル亜鉛)を1μmol/minの流量で基板10に約15分間供給した(T=T5〜T6:第1のZnO層11Aの成長期間、図2の期間G1A)。なお、このときの水蒸気流量と有機金属(DMZn)の流量比(FH2O/FDMZn比)、いわゆるVI/II比は640である。 After the degassing treatment, the substrate temperature was lowered to 400 ° C. (first low growth temperature), and DMZn (dimethylzinc) as a zinc raw material was supplied to the substrate 10 at a flow rate of 1 μmol / min for about 15 minutes (T = T5−5). T6: Growth period of the first ZnO layer 11A, period G1A in FIG. At this time, the water vapor flow rate and the flow rate ratio of the organic metal (DMZn) (F H2O / F DMZn ratio), so-called VI / II ratio, is 640.
このように、減圧成長条件(成長圧力Pg=10kPa)において成長温度(Tg)を400℃とし、成長速度が1.7nm/minで、層厚が25nmのZnO層(第1の低温成長単結晶層、以下、単に第1の単結晶層ともいう。)11Aを成長した。 Thus, a ZnO layer (first low temperature growth single crystal) having a growth temperature (Tg) of 400 ° C. under a reduced pressure growth condition (growth pressure Pg = 10 kPa), a growth rate of 1.7 nm / min, and a layer thickness of 25 nm. Layer, hereinafter also simply referred to as a first single crystal layer). 11A was grown.
ZnO層11Aの成長後、基板温度を800℃まで昇温し、3分間の熱処理(アニール)を行った(T=T7〜T8)。後述するように、この熱処理により、ZnO層11Aの結晶性および平坦性は更に向上した。 After the growth of the ZnO layer 11A, the substrate temperature was raised to 800 ° C. and heat treatment (annealing) was performed for 3 minutes (T = T7 to T8). As will be described later, this heat treatment further improved the crystallinity and flatness of the ZnO layer 11A.
第1のZnO層(第1の単結晶層)11Aの熱処理(アニール)が終了した後、第1のZnO層11Aの場合よりも高い温度かつ高い圧力で第2のZnO層11Bを成長した。すなわち、基板温度を熱処理温度(800℃)から降下し、第1の低成長温度よりも高い600℃(第2の低成長温度)とした。また、反応容器圧力を10kPa(低成長圧力)から80kPa(高成長圧力)まで昇圧した。基板温度が安定した後、DMZnを10μmol/minの流量でシャワーヘッドからZnO層11A上に供給した(T=T9〜T10:第2のZnO層11Bの成長期間、図2の期間G1B)。なお、このときの水蒸気流量と有機金属(DMZn)の流量比(FH2O/FMO比)、いわゆるVI/II比は64である。DMZnを約2.5分間供給し、成長速度が16nm/minで、層厚が40nmの第2のZnO層(第2の低温成長単結晶層、以下、単に第2の単結晶層ともいう。)11Bを形成した。 After the heat treatment (annealing) of the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A was completed, the second ZnO layer 11B was grown at a higher temperature and higher pressure than in the case of the first ZnO layer 11A. That is, the substrate temperature was lowered from the heat treatment temperature (800 ° C.) to 600 ° C. (second low growth temperature) higher than the first low growth temperature. The reaction vessel pressure was increased from 10 kPa (low growth pressure) to 80 kPa (high growth pressure). After the substrate temperature was stabilized, DMZn was supplied onto the ZnO layer 11A from the shower head at a flow rate of 10 μmol / min (T = T9 to T10: growth period of the second ZnO layer 11B, period G1B in FIG. 2). The flow rate ratio (F H2O / F MO ratio) of water vapor flow rate and organometallic this time (DMZn), so-called VI / II ratio is 64. DMZn was supplied for about 2.5 minutes, the growth rate was 16 nm / min, and the thickness of the second ZnO layer (the second low-temperature grown single crystal layer, hereinafter simply referred to as the second single crystal layer) was 40 nm. ) 11B was formed.
第2のZnO層11Bの成長が終了した後、第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bの場合よりも高い温度(高成長温度)でZnO系半導体層12を成長した。すなわち、反応容器圧力は80kPaを維持しつつ、基板温度を600℃(第2の低成長温度)から800℃(高成長温度)まで昇温した。基板温度が安定した後、DMZnを10μmol/minの流量でシャワーヘッドからZnO層11B上に供給した(T=T11〜T12:ZnO系半導体層12の成長期間、図2の期間G2)。なお、このときの水蒸気流量と有機金属(DMZn)の流量比(FH2O/FMO比)、いわゆるVI/II比は64である。基板10にDMZnを約60分間供給し、成長速度が17nm/minで、層厚が約1μmのZnO系半導体層(ZnO層)12を形成した。 After the growth of the second ZnO layer 11B was completed, the ZnO-based semiconductor layer 12 was grown at a temperature (high growth temperature) higher than that of the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B. That is, the substrate temperature was raised from 600 ° C. (second low growth temperature) to 800 ° C. (high growth temperature) while maintaining the reaction vessel pressure at 80 kPa. After the substrate temperature was stabilized, DMZn was supplied onto the ZnO layer 11B from the shower head at a flow rate of 10 μmol / min (T = T11 to T12: growth period of the ZnO-based semiconductor layer 12, period G2 in FIG. 2). The flow rate ratio (F H2O / F MO ratio) of water vapor flow rate and organometallic this time (DMZn), so-called VI / II ratio is 64. DMZn was supplied to the substrate 10 for about 60 minutes, and a ZnO-based semiconductor layer (ZnO layer) 12 having a growth rate of 17 nm / min and a layer thickness of about 1 μm was formed.
なお、ZnO系半導体層12の成長前の、基板温度が安定するまでの待機時間を第2のZnO層11Bの熱処理と兼用することもできる。 Note that the waiting time until the substrate temperature is stabilized before the growth of the ZnO-based semiconductor layer 12 can also be used as the heat treatment of the second ZnO layer 11B.
このように、第2のZnO層11Bの成長温度よりも高い成長温度(800℃)において、成長速度が17nm/minで、層厚が約1μmのZnO系半導体層12(高温成長単結晶層、以下、第3の単結晶層ともいう。)を形成した。なお、本実施例においては、ZnO系半導体層12としてZnOを成長する場合を例に説明するが、これに限らない。DMZnに加えて、例えば、同様に酸素原子を含まない有機金属化合物であるCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)を用いることにより三元結晶であるMgxZn(1−x)O結晶を成長することができる。 Thus, at a growth temperature (800 ° C.) higher than the growth temperature of the second ZnO layer 11B, the growth rate is 17 nm / min and the layer thickness is about 1 μm. Hereinafter, also referred to as a third single crystal layer). In this embodiment, the case where ZnO is grown as the ZnO-based semiconductor layer 12 will be described as an example, but the present invention is not limited to this. In addition to DMZn, for example, Mg x Zn (1-x) O crystal that is a ternary crystal is grown by using Cp2Mg (biscyclopentadienylmagnesium) that is an organometallic compound that does not contain an oxygen atom. be able to.
ZnO系半導体層12の成長が終了した後、水蒸気を流しながら冷却した。基板温度が300℃以下になった後、水蒸気の供給を止めた(T=T13)。 After the growth of the ZnO-based semiconductor layer 12 was completed, it was cooled while flowing water vapor. After the substrate temperature became 300 ° C. or lower, the supply of water vapor was stopped (T = T13).
以上、説明したように、基板上に第1のZnO層(第1の単結晶層)11A、第2のZnO層(第2の単結晶層)11B及びZnO系半導体層(第3の単結晶層)12が成長された結晶成長層付き基板(以下、単に、成長層付き基板という。)15が製造された。
[第1のZnO層(第1の低温成長単結晶層)11Aの結晶性]
上記した成長工程(T=T5〜T6)で得られた第1のZnO層(第1の単結晶層)11Aは、A面({11−20}面)サファイア基板にc軸配向した単結晶層である。すなわち、α−サファイア単結晶の{11−20}面を主面とした基板上に、酸化亜鉛の{0001}面が単結晶積層される。RHEED(反射高速電子線回折)及びAFM(原子間力顕微鏡)測定によって当該ZnO層11Aの単結晶性及び平坦性について調べた。
As described above, the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A, the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B, and the ZnO-based semiconductor layer (third single crystal) are formed on the substrate. A substrate with a crystal growth layer (hereinafter simply referred to as a substrate with a growth layer) 15 on which the layer 12 was grown was manufactured.
[Crystallinity of first ZnO layer (first low-temperature grown single crystal layer) 11A]
The first ZnO layer (first single crystal layer) 11A obtained by the above-described growth process (T = T5 to T6) is a single crystal that is c-axis oriented on an A plane ({11-20} plane) sapphire substrate. Is a layer. That is, a {0001} plane of zinc oxide is laminated on a substrate having a {11-20} plane of α-sapphire single crystal as a main surface. The single crystallinity and flatness of the ZnO layer 11A were examined by RHEED (reflection high-energy electron diffraction) and AFM (atomic force microscope) measurements.
図3(a)は、成長工程(T=T5〜T6)を終了した後、熱処理(アニール)を行わなかった場合、すなわち成長後のZnO層11AのRHEED回折像を示す図である。図3(a)に示すように、等間隔に並んだストリーク状のRHEED回折像が得られた。これから表面結晶配列が単一であること、平滑であることがわかる。また、AFM(原子間力顕微鏡)測定によって、1μm2エリアのRms(二乗平均粗さ)が0.62nm(ナノメートル)であることがわかった。ZnO結晶のc軸長(格子定数)はc=5.207Åであるので、表面粗さはZnO結晶のc軸長と同等であり、結晶層表面が平坦であることがわかった。これらの結果から、ZnO層11Aが平坦性の良好な単結晶層であることが確認された。 FIG. 3A is a diagram showing an RHEED diffraction image of the grown ZnO layer 11A when heat treatment (annealing) is not performed after the growth step (T = T5 to T6) is completed. As shown in FIG. 3A, streak-like RHEED diffraction images arranged at equal intervals were obtained. This shows that the surface crystal arrangement is single and smooth. Further, it was found by RFM (atomic force microscope) measurement that Rms (root mean square roughness) of 1 μm 2 area was 0.62 nm (nanometer). Since the c-axis length (lattice constant) of the ZnO crystal was c = 5.207 Å, the surface roughness was equivalent to the c-axis length of the ZnO crystal, and it was found that the crystal layer surface was flat. From these results, it was confirmed that the ZnO layer 11A is a single crystal layer with good flatness.
また、図3(b)は、ZnO層11Aの成長後、800℃の温度で3分間の熱処理を行った場合のRHEED回折像を示している。本実施例においては、熱処理時の圧力Paは低圧力(結晶成長時と同じPa=Pg=10kPa)として行う。また、上記したように、H2O(水蒸気)を基板10に供給しつつ、すなわち、水蒸気雰囲気下で熱処理を行う。 FIG. 3B shows an RHEED diffraction image when a heat treatment is performed at a temperature of 800 ° C. for 3 minutes after the growth of the ZnO layer 11A. In this embodiment, the pressure Pa during the heat treatment is set to a low pressure (Pa = Pg = 10 kPa, which is the same as during crystal growth). Further, as described above, heat treatment is performed while supplying H 2 O (water vapor) to the substrate 10, that is, in a water vapor atmosphere.
図3(b)に示すように、熱処理を行うことによってRHEED回折像は、熱処理を行わなかった場合(図3(a))に比べ、更に明確なストリーク状となっていることが確認された。また、AFM測定において、Rms(二乗平均粗さ)が0.5nm以下となり、ZnO結晶のc軸長以下になったことがわかった。従って、熱処理によって、単結晶性と平坦性が向上していることが確認された。つまり、第1の単結晶層11Aは、薄膜ではあるがサブナノレベルで平坦な、低温成長の単結晶層である。 As shown in FIG. 3 (b), it was confirmed that the RHEED diffraction image was more clearly streaked by the heat treatment than when the heat treatment was not performed (FIG. 3 (a)). . In addition, in AFM measurement, it was found that Rms (root mean square roughness) was 0.5 nm or less, which was less than the c-axis length of the ZnO crystal. Therefore, it was confirmed that the single crystallinity and flatness were improved by the heat treatment. That is, the first single crystal layer 11A is a low-temperature grown single crystal layer that is a thin film but flat at the sub-nano level.
このように、ZnO層11Aは、結晶成長を終えた段階で既に良好な平坦性及び単結晶層を有しており、さらに熱処理により単結晶性が向上すること、及びZnO結晶のc軸長以下の平坦性を有することが確認された。 Thus, the ZnO layer 11A already has good flatness and a single crystal layer at the stage where the crystal growth is completed, and further improves the single crystallinity by heat treatment, and is not more than the c-axis length of the ZnO crystal. It was confirmed to have a flatness of
なお、第1の単結晶層11A及び第2の単結晶層11BとしてZnO層を成長する場合を例に説明したが、ZnOベースの他の化合物結晶であってもよい。
[第1の低温成長単結晶層11Aの成長条件]
本実施例においては、基板10としてαサファイア(α−Al2O3)の{11−20}面であるA面サファイア基板、当該酸素を含まない有機金属化合物材料としてDMZnを用い、成長温度を400℃、成長圧力を10kPaとして第1のZnO層(第1の単結晶層)11Aの成長を行った場合を例に説明した。また、成長速度が1.7nm/minで、成長層厚が25nmの場合を例に説明した。
Although the case where a ZnO layer is grown as the first single crystal layer 11A and the second single crystal layer 11B has been described as an example, another compound crystal based on ZnO may be used.
[Growth conditions for first low-temperature grown single crystal layer 11A]
In this example, an A-plane sapphire substrate which is the {11-20} plane of α sapphire (α-Al 2 O 3 ) is used as the substrate 10, DMZ is used as the organometallic compound material not containing oxygen, and the growth temperature is set. The case where the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A is grown at 400 ° C. and a growth pressure of 10 kPa has been described as an example. Further, the case where the growth rate is 1.7 nm / min and the growth layer thickness is 25 nm has been described as an example.
しかし、上記実施例において示した基板、材料ガス、成長温度、成長圧力、成長速度、成長層厚等の条件は例示にすぎず、これらに限定されない。熱処理条件を含む成長条件を変えてZnO層11Aを成長し、平坦性の高い単結晶層を成長するための条件について検討した。以下に、第1のZnO層(第1の単結晶層)11Aの成長条件について詳細に説明する。
<基板>
A面サファイア基板が最適である。サファイア結晶のA面とZnO結晶のC面との格子不整合が小さいからである。すなわち、サファイア<0001>方向(酸素原子)とZnO<11−20>方向(亜鉛原子)の格子ミスマッチは0.07%であり、サファイア<10−10>方向(酸素原子)とZnO<10−10>方向(亜鉛原子)の格子ミスマッチは2.46%である。ここで、サファイア<0001>方向にZnO<11−20>方向がロックされるので、ZnO結晶は成長時に30°回転ドメインを形成することなく単結晶成長が可能となる。
However, the conditions such as the substrate, the material gas, the growth temperature, the growth pressure, the growth rate, the growth layer thickness and the like shown in the above embodiments are merely examples, and are not limited thereto. The growth conditions including the heat treatment conditions were changed to grow the ZnO layer 11A, and the conditions for growing a single crystal layer with high flatness were examined. Hereinafter, the growth conditions of the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A will be described in detail.
<Board>
An A-plane sapphire substrate is optimal. This is because the lattice mismatch between the A plane of the sapphire crystal and the C plane of the ZnO crystal is small. That is, the lattice mismatch between the sapphire <0001> direction (oxygen atom) and the ZnO <11-20> direction (zinc atom) is 0.07%, and the sapphire <10-10> direction (oxygen atom) and ZnO <10- The lattice mismatch in the 10> direction (zinc atom) is 2.46%. Here, since the ZnO <11-20> direction is locked to the sapphire <0001> direction, the ZnO crystal can grow a single crystal without forming a 30 ° rotation domain during growth.
また、用いることが可能な基板としては、基板面上にc軸配向したZnO結晶の場合では、当該基板面が60°、120°、180°の回転対称位置に格子整合点が存在するような結晶基板であればよい。またa軸あるいはm軸配向したZnO結晶の場合では、180°の回転対称位置に格子整合点が存在するような結晶基板であればよい。例えば、R面サファイア基板、M面サファイア基板、SiC(炭化珪素)基板、GaN(窒化ガリウム)基板、Ga2O3(酸化ガリウム)基板、Si(シリコン)基板などを用いることができる。
<成長温度>
成長温度は、一般的にZnO単結晶を成長するための結晶成長温度(「高成長温度」という。)よりも低い温度(「低成長温度」という。)であることが適切である。当該高成長温度では、島状成長しやすく、層状単結晶になりにくいからである。
In addition, as a usable substrate, in the case of a ZnO crystal with c-axis orientation on the substrate surface, the substrate surface has lattice matching points at rotationally symmetric positions of 60 °, 120 °, and 180 °. Any crystal substrate may be used. Further, in the case of an a-axis or m-axis oriented ZnO crystal, any crystal substrate in which a lattice matching point exists at a rotationally symmetric position of 180 ° may be used. For example, an R-plane sapphire substrate, an M-plane sapphire substrate, a SiC (silicon carbide) substrate, a GaN (gallium nitride) substrate, a Ga 2 O 3 (gallium oxide) substrate, a Si (silicon) substrate, or the like can be used.
<Growth temperature>
It is appropriate that the growth temperature is generally lower than a crystal growth temperature (referred to as “high growth temperature”) for growing a ZnO single crystal (referred to as “low growth temperature”). This is because at the high growth temperature, island-like growth is easy and layered single crystals are hardly formed.
より詳細には、成長温度は、250℃〜450℃の範囲内が好ましい。さらに、300℃〜400℃の温度範囲内であることがより好ましい。250℃以下ではマイグレーション長が短くなるため、アモルファス化、多結晶化し易くなる。また、上記したように、450℃以上になると島状成長しやすくなり、平坦性が低下しやすくなる(Rms値が大きくなる)。
<成長圧力>
単結晶成長のためには、基板面上での反応化学種(DMZn、H2O、中間生成物、結晶化前のZn原子、結晶化前のO原子等)のマイグレーション長が大きい方がよい。従って、減圧成長が好適であり、具体的には、成長圧力として1kPa〜30kPaが好適であり、より好ましくは5kPa〜20kPaである。成長圧力が1kPa以下になると著しく成長速度が遅くなる。
<材料ガス>
低成長圧力、低成長温度下でZnO単結晶層を形成するには高い相互反応性を有する材料選択が必要である。相互反応性が低いと結晶成長しなかったり、アモルファス化あるいは多結晶化するからである。Zn源としては、構成分子中に酸素を含まず、酸素源材料と高い反応性を有する有機金属化合物が好適である。上記したDMZnの他には、例えば、DEZn(ジエチル亜鉛)がある。また、酸素源としては、分子内での分極が大きく、有機金属化合物材料と高い反応性を有するH2O(水蒸気)が適している。
<成長速度>
成長速度は0.4nm/min〜9nm/minの範囲内であることが好ましい。さらに、0.8nm/min〜4nm/minの範囲内であることがより好ましい。成長速度が、9nm/min以上では表面の凹凸が大きくなり、十分な平坦性が得られない場合がある。
<成長層厚>
成長層厚は5nm〜60nmの範囲内が良く、また、10nm〜40nmの範囲内であることが好ましい。さらに、より好ましくは15nm〜30nmである。すなわち、層厚が5nm未満では結晶層が基板表面を十分に覆うことができない場合がある。また、60nm以上では表面の凹凸が大きくなり、十分な平坦性が得られない場合がある。
<VI/II比(FH2O/FMO 比)>
水蒸気流量と有機金属(DMZn)流量比(FH2O/FDMZn 比)は、2程度以上ならば良い。具体的には2000程度あれば十分である。水蒸気流量はシャワーヘッド内で水蒸気が凝集を起こさない飽和水蒸気量の70%程度までが良い。
<熱処理条件>
上記したように、ZnO層11Aは結晶成長を終えた段階で既に良好な平坦性及び単結晶層を有しているが、熱処理を行うことによって、さらに単結晶性及び平坦性を向上させることができる。また、マイグレーション長が長くなる低圧力下において熱処理を行うのがよい。なお、熱処理に適した圧力範囲はZnO層11Aの成長圧力の範囲と同じである。
More specifically, the growth temperature is preferably in the range of 250 ° C to 450 ° C. Furthermore, it is more preferable that it exists in the temperature range of 300 to 400 degreeC. At 250 ° C. or lower, the migration length becomes short, so that it becomes easy to be amorphous or polycrystallized. Further, as described above, when the temperature is higher than 450 ° C., island-shaped growth is likely to occur, and flatness is likely to be lowered (Rms value is increased).
<Growth pressure>
For single crystal growth, the migration length of reactive chemical species (DMZn, H 2 O, intermediate products, Zn atoms before crystallization, O atoms before crystallization, etc.) on the substrate surface should be large. . Therefore, the reduced pressure growth is suitable, and specifically, the growth pressure is preferably 1 kPa to 30 kPa, more preferably 5 kPa to 20 kPa. When the growth pressure is 1 kPa or less, the growth rate is remarkably slowed.
<Material gas>
In order to form a ZnO single crystal layer under a low growth pressure and a low growth temperature, it is necessary to select a material having high mutual reactivity. This is because if the mutual reactivity is low, the crystal does not grow, or becomes amorphous or polycrystallized. As the Zn source, an organometallic compound that does not contain oxygen in the constituent molecules and has high reactivity with the oxygen source material is suitable. In addition to the DMZn described above, for example, there is DEZn (diethyl zinc). As the oxygen source, H 2 O (water vapor) having a large intramolecular polarization and high reactivity with the organometallic compound material is suitable.
<Growth rate>
The growth rate is preferably in the range of 0.4 nm / min to 9 nm / min. Furthermore, it is more preferable to be within the range of 0.8 nm / min to 4 nm / min. When the growth rate is 9 nm / min or more, the surface irregularities become large, and sufficient flatness may not be obtained.
<Growth layer thickness>
The growth layer thickness is preferably in the range of 5 nm to 60 nm, and preferably in the range of 10 nm to 40 nm. Furthermore, it is more preferably 15 nm to 30 nm. That is, when the layer thickness is less than 5 nm, the crystal layer may not sufficiently cover the substrate surface. On the other hand, when the thickness is 60 nm or more, the unevenness of the surface becomes large and sufficient flatness may not be obtained.
<VI / II ratio (F H2O / F MO ratio)>
The water vapor flow rate and the organometallic (DMZn) flow rate ratio (F H2O / F DMZn ratio) may be about 2 or more. Specifically, about 2000 is sufficient. The water vapor flow rate is preferably about 70% of the saturated water vapor amount in which water vapor does not aggregate in the shower head.
<Heat treatment conditions>
As described above, the ZnO layer 11A already has good flatness and single crystal layer at the stage where crystal growth is completed. However, by performing heat treatment, the single crystallinity and flatness can be further improved. it can. Further, it is preferable to perform the heat treatment under a low pressure where the migration length becomes long. Note that the pressure range suitable for the heat treatment is the same as the growth pressure range of the ZnO layer 11A.
具体的には、成長したZnO層11Aの熱処理温度は700℃〜1100℃が適当である。また処理時間は、1〜60分の範囲が適切である。処理温度は800℃〜1000℃、処理時間は3分〜10分がさらに好ましい。処理温度が700℃未満では効果が低く、1100℃以上では層表面が荒れる。また、処理時間が60分以上では膜の蒸発により膜欠損が発生する場合がある。
[第2の低温成長単結晶層11Bの成長条件]
<成長温度>
ZnO層11A上に均等で層状に成膜する条件として、500℃〜650℃が好ましい。成長温度が500℃より低いと結晶性が十分でなく熱処理が必要となる。また、650℃以上ではZnO層11A上に島状成長するようになる。
<成長圧力>
第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bの成長圧力は、40kPa〜120kPaが好適である。横方向成長(2次元成長モード)が促進され、成長層が平坦化するからである。尚、この上限値はMOCVD装置の気密性の上限値であり、成膜条件ではない。
<成長層厚>
第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bの層厚は、5nm〜80nmが好適である。5nmより薄いとZnO層11Aの被覆(カバレッジ)が十分ではなくなる。また、80nmより厚くすると表面にヒルロックが発生する。さらに、20nm〜60nmであることがより好ましい。
<成長速度>
成長速度は60nm/min以下が良く、5nm/min〜60nm/minの範囲内であることが好ましい。異常成長の発生を防止するためである。
[ZnO系半導体層(高温成長単結晶層)12の成長条件]
サブナノレベルで平坦で、かつ単結晶性に優れた第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bの上に、2次元結晶成長モード(横方向成長モード)での成長が行われる条件を用い、ZnO系半導体層(高温成長単結晶層、第3の単結晶層)12を成長している。
Specifically, the heat treatment temperature of the grown ZnO layer 11A is suitably 700 ° C. to 1100 ° C. The processing time is suitably in the range of 1 to 60 minutes. More preferably, the treatment temperature is 800 ° C. to 1000 ° C., and the treatment time is 3 minutes to 10 minutes. If the treatment temperature is less than 700 ° C., the effect is low, and if it is 1100 ° C. or more, the layer surface becomes rough. In addition, when the processing time is 60 minutes or more, film defects may occur due to film evaporation.
[Growth conditions for second low-temperature grown single crystal layer 11B]
<Growth temperature>
As a condition for forming a uniform layer on the ZnO layer 11A, 500 ° C. to 650 ° C. is preferable. If the growth temperature is lower than 500 ° C., the crystallinity is not sufficient and a heat treatment is required. Further, at 650 ° C. or higher, island growth occurs on the ZnO layer 11A.
<Growth pressure>
The growth pressure of the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B is preferably 40 kPa to 120 kPa. This is because lateral growth (two-dimensional growth mode) is promoted and the growth layer is flattened. This upper limit value is an upper limit value of the airtightness of the MOCVD apparatus and is not a film forming condition.
<Growth layer thickness>
The layer thickness of the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B is preferably 5 nm to 80 nm. If it is thinner than 5 nm, the covering (coverage) of the ZnO layer 11A is not sufficient. On the other hand, if it is thicker than 80 nm, hill rocks are generated on the surface. Furthermore, it is more preferable that it is 20 nm-60 nm.
<Growth rate>
The growth rate is preferably 60 nm / min or less, and preferably in the range of 5 nm / min to 60 nm / min. This is to prevent the occurrence of abnormal growth.
[Growth conditions of ZnO-based semiconductor layer (high-temperature grown single crystal layer) 12]
Conditions under which growth in the two-dimensional crystal growth mode (lateral growth mode) is performed on the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B that is flat at the sub-nano level and excellent in single crystallinity are performed. A ZnO-based semiconductor layer (high temperature grown single crystal layer, third single crystal layer) 12 is grown.
ここで、本実施例においては、ZnO層11Bの上に、酸素を含まない有機金属化合物材料(DMZn)と水蒸気を用い、高温成長(800℃)とし、成長圧力をZnO層11Bの場合と同様に、ZnO層11Aの成長圧力よりも高い80kPaとして、ZnO層11B上にMgxZn(1−x)O結晶層(第2の結晶層)12の成長を行う場合を例に説明した。また、成長速度が17nm/minで、成長層厚が1μmの場合を例に説明した。 Here, in the present embodiment, the organic metal compound material (DMZn) not containing oxygen and water vapor are used on the ZnO layer 11B to achieve high temperature growth (800 ° C.), and the growth pressure is the same as in the case of the ZnO layer 11B. In addition, the case where the Mg x Zn (1-x) O crystal layer (second crystal layer) 12 is grown on the ZnO layer 11B at 80 kPa higher than the growth pressure of the ZnO layer 11A has been described as an example. Further, the case where the growth rate is 17 nm / min and the growth layer thickness is 1 μm has been described as an example.
しかし、上記実施例において示したZnO層11B上へのZnO系半導体層12の成長条件は例示にすぎず、これらに限定されない。成長条件を変えてZnO層11B上にZnO系半導体層を成長し、平坦性及び単結晶に優れたZnO系半導体層12を成長するための条件について検討した。以下に、第2のZnO層(第2の単結晶層)11B上にZnO系半導体層(第3の単結晶層)12を成長する場合の成長条件について詳細に説明する。
<成長圧力>
成長圧力を高くすることによって結晶性が向上することがわかった。すなわち、成長圧力を高くすると横方向成長(2次元成長モード)が促進され、c軸に直交する面(C面)が平坦化されることがわかった。結晶性が良好で、ZnO系半導体層(高温成長単結晶層)表面に凹凸やピットが無く平坦な結晶成長面を得るには、高い成長圧力が望ましいことがわかった。具体的には、成長圧力は40kPa以上が好ましい。また、60kPa以上がより好ましく、80kPa以上であることがさらに好ましい。上限としては、120kPa程度が適切である。尚、この上限値はMOCVD装置の気密性の上限値であり、成膜条件ではない。
<成長温度>
成長温度が高温になるに従い転移密度が減少して結晶性が向上するとともに、平坦性が向上することがわかった。具体的には、平坦な面がc軸方向に形成される700℃以上が良い。上限はH2O(水蒸気)で成長が困難になる850℃程度である。740℃〜810℃の温度範囲内が好ましく、さらには780℃〜810℃が最も好ましい。
<成長層厚>
SEM(走査型電子顕微鏡)、TEM(透過型電子顕微鏡)により表面モフォロジ、平坦性、結晶性について評価した。図4は、ZnO系半導体層(第3の単結晶層)12を成長後の断面TEM明視野像(層厚1.05μm)及び異なる成長層厚の成長層の表面SEM像(SEM-1〜SEM-4)を示している。尚、SEM-3及びSEM-4のSEM像に見られる表面の構造物は、表面にフォーカスが合焦していることの証明として微結晶が付着した部分を意図的に視野内に入れて撮影したものである。なお、全体としては、微結晶の付着は稀である。
However, the growth conditions of the ZnO-based semiconductor layer 12 on the ZnO layer 11B shown in the above embodiment are merely examples, and are not limited thereto. The growth conditions were changed to grow a ZnO-based semiconductor layer on the ZnO layer 11B, and the conditions for growing the ZnO-based semiconductor layer 12 excellent in flatness and single crystal were examined. Below, the growth conditions for growing the ZnO-based semiconductor layer (third single crystal layer) 12 on the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B will be described in detail.
<Growth pressure>
It was found that the crystallinity is improved by increasing the growth pressure. That is, it was found that when the growth pressure is increased, lateral growth (two-dimensional growth mode) is promoted, and the plane (C plane) perpendicular to the c-axis is flattened. It has been found that a high growth pressure is desirable for obtaining a flat crystal growth surface with good crystallinity and no irregularities or pits on the surface of the ZnO-based semiconductor layer (high temperature growth single crystal layer). Specifically, the growth pressure is preferably 40 kPa or more. Moreover, 60 kPa or more is more preferable, and it is further more preferable that it is 80 kPa or more. As an upper limit, about 120 kPa is appropriate. This upper limit value is an upper limit value of the airtightness of the MOCVD apparatus and is not a film forming condition.
<Growth temperature>
It has been found that as the growth temperature increases, the transition density decreases, the crystallinity improves, and the flatness improves. Specifically, 700 ° C. or higher at which a flat surface is formed in the c-axis direction is preferable. The upper limit is about 850 ° C. where growth becomes difficult with H 2 O (water vapor). A temperature range of 740 ° C. to 810 ° C. is preferable, and 780 ° C. to 810 ° C. is most preferable.
<Growth layer thickness>
Surface morphology, flatness and crystallinity were evaluated by SEM (scanning electron microscope) and TEM (transmission electron microscope). FIG. 4 shows a cross-sectional TEM bright field image (layer thickness: 1.05 μm) after growing the ZnO-based semiconductor layer (third single crystal layer) 12 and surface SEM images (SEM-1˜) of growth layers having different growth layer thicknesses. SEM-4). In addition, the surface structure seen in SEM images of SEM-3 and SEM-4 was taken by intentionally putting the part where microcrystals were attached within the field of view as proof that the focus was on the surface. It is a thing. In addition, as a whole, adhesion of microcrystals is rare.
層厚(t)が0.06μm(SEM-1)、0.13μm(SEM-2)ではピット密度はそれぞれ1.8×109cm-2,3.7×108cm-2であり、基板界面から発生している転移は層厚増加に従って減少している。層厚が0.5μm(SEM-3)ではピットによる隙間は消失するとともに、転移は収束している。すなわち、ピットによる隙間の消失は転移の収束と関係している。このように、第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bに形成したZnO系半導体層12は、成長初期から略膜状に成長し、層厚が増加するに従い基板界面より発生している貫通転移が著しい減少を示すことがわかった。また、層厚が0.5μmという成長の早期に成長層は完全に平坦化し、転移密度は著しく低減していることがわかった。また、層厚(t)が1.05μmの成長層のSEM像(SEM-4)からも分かるように、その後は平坦性を保ちながら成長する。従って、成長層厚は0.5μm以上であることが好ましい。 When the layer thickness (t) is 0.06 μm (SEM-1) and 0.13 μm (SEM-2), the pit densities are 1.8 × 10 9 cm −2 and 3.7 × 10 8 cm −2 , respectively. The transition occurring from the substrate interface decreases with increasing layer thickness. When the layer thickness is 0.5 μm (SEM-3), the gap due to the pit disappears and the transition converges. That is, the disappearance of the gap due to the pit is related to the convergence of the transition. As described above, the ZnO-based semiconductor layer 12 formed on the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B grows in a substantially film shape from the initial growth stage, and is generated from the substrate interface as the layer thickness increases. It has been found that the threading transitions that are present show a marked decrease. It was also found that the growth layer was completely flattened at the early stage of growth with a layer thickness of 0.5 μm, and the transition density was significantly reduced. Further, as can be seen from the SEM image (SEM-4) of the growth layer having a layer thickness (t) of 1.05 μm, it grows while maintaining flatness thereafter. Therefore, the growth layer thickness is preferably 0.5 μm or more.
一方、第2のZnO層11Bを形成せずに、第1のZnO層11A上にZnO系半導体層12を成長する場合、高い平坦性を得るには層厚は1.5μm以上であることが好ましいが、第2のZnO層11Bを設けることによって、高い平坦性を得るためのZnO系半導体層の層厚を減ずることができる。加えて、貫通転移の少ない結晶性の良好なZnO系半導体層12を形成することができる。
<成長速度>
成長速度は、5〜60nm/minの範囲内であることが好ましい。成長速度が60nm/min以上では異常成長が発生し易くなる。
<結晶組成>
ZnO系半導体層12としては、例えば、MgxZn(1−x)O (0≦x≦0.43)結晶を用いることができる。しかし、Mg組成xが大きくなると、a軸方向の格子定数差が大きくなり成膜した半導体結晶層の欠陥密度が高くなるので、0≦x≦0.3の範囲内であることがより好ましい。
On the other hand, when the ZnO-based semiconductor layer 12 is grown on the first ZnO layer 11A without forming the second ZnO layer 11B, the layer thickness may be 1.5 μm or more in order to obtain high flatness. Although it is preferable, the thickness of the ZnO-based semiconductor layer for obtaining high flatness can be reduced by providing the second ZnO layer 11B. In addition, it is possible to form a ZnO-based semiconductor layer 12 with few crystallinity and good crystallinity.
<Growth rate>
The growth rate is preferably in the range of 5 to 60 nm / min. When the growth rate is 60 nm / min or more, abnormal growth tends to occur.
<Crystal composition>
As the ZnO-based semiconductor layer 12, for example, Mg x Zn (1-x) 2 O (0 ≦ x ≦ 0.43) crystal can be used. However, as the Mg composition x increases, the lattice constant difference in the a-axis direction increases and the defect density of the deposited semiconductor crystal layer increases. Therefore, the range of 0 ≦ x ≦ 0.3 is more preferable.
また、上記したように、ZnO系半導体層12は、ZnOベースの他の化合物結晶であってもよい。例えば、Zn(亜鉛)の一部がCaで置き換えられたZnO系化合物結晶であってもよく、あるいは、O(酸素)の一部がSe、SやTeなどで置き換えられたZnO系化合物結晶であってもよい。
<材料ガス>
高温での成長は、結晶成長面における反応化学種のマイグレーション長が十分得られ高品質なZnO結晶が成長可能になる。反面、酸素源になる気体材料の基板表面への付着が困難になり、成長が阻害される。酸素源として、分子内での分極が大きく、高温においても基板表面に吸着するH2O(水蒸気)が適している。
Further, as described above, the ZnO-based semiconductor layer 12 may be another compound crystal based on ZnO. For example, a ZnO-based compound crystal in which a part of Zn (zinc) is replaced by Ca may be used, or a ZnO-based compound crystal in which a part of O (oxygen) is replaced by Se, S, Te, or the like. There may be.
<Material gas>
Growth at a high temperature makes it possible to obtain a high-quality ZnO crystal by sufficiently obtaining the migration length of the reactive chemical species on the crystal growth surface. On the other hand, it becomes difficult for the gaseous material to be an oxygen source to adhere to the substrate surface, and growth is hindered. As the oxygen source, H 2 O (water vapor) that has a large polarization in the molecule and is adsorbed on the substrate surface even at a high temperature is suitable.
Zn源としては、酸素を含まず、酸素源材料と高い反応性を有する有機金属化合物が好適である。上記したDMZnの他には、例えば、DEZn(ジエチル亜鉛)がある。Mg源としては、Cp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)がある。
<ドーパント>
ZnO系半導体層12の導電型(n型)を調整するにはTMGa(トリメチルガリウム)、TEGa(トリエチルガリウム)、TMAl(トリメチルアルミニウム)、TMIn(トリメチルインジウム)、TEIn(トリエチルインジウム)の何れか1種類以上を添加すればよい。
As the Zn source, an organometallic compound that does not contain oxygen and has high reactivity with the oxygen source material is suitable. In addition to the DMZn described above, for example, there is DEZn (diethyl zinc). As the Mg source, there is Cp2Mg (biscyclopentadienylmagnesium).
<Dopant>
To adjust the conductivity type (n-type) of the ZnO-based semiconductor layer 12, any one of TMGa (trimethylgallium), TEGa (triethylgallium), TMAl (trimethylaluminum), TMIn (trimethylindium), and TEIn (triethylindium) is used. What is necessary is just to add more than a kind.
なお、結晶面が平坦化する成長時間の後半にドープされることが好ましい。具体的には、層厚0.25μm以降に添加することがさらに好ましい。つまり、ZnO系半導体層12は、少なくとも層厚0.25μmのアンドープ層であることが好ましい。
<成長シーケンス>
図5は、本実施例の改変例の結晶成長シーケンスを示している。本改変例においては、第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bの成長をZnO系半導体層(ZnO層)12の成長開始まで継続している点にある。なお、その他の成長条件は上記実施例と同様である。
In addition, it is preferable to dope in the latter half of the growth time in which the crystal plane becomes flat. Specifically, it is more preferable to add it after the layer thickness of 0.25 μm. That is, the ZnO-based semiconductor layer 12 is preferably an undoped layer having a layer thickness of at least 0.25 μm.
<Growth sequence>
FIG. 5 shows a crystal growth sequence of a modified example of this embodiment. In this modification, the growth of the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B is continued until the growth of the ZnO-based semiconductor layer (ZnO layer) 12 starts. The other growth conditions are the same as in the above example.
より詳細には、上記した実施例においては、基板温度を600℃(第2の低成長温度)から800℃(高成長温度)まで昇温する前に、第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bの成長を終了していた(成長期間T=T9〜T10、図2の期間G1B)。本改変例においては、DMZnの供給をZnO系半導体層12の成長開始(T=T11)まで継続し、第2の単結晶層11Bの成長期間をT=T9〜T11(図5の期間G1B’)としている。但し、当該昇温時間は10分以内であることがヒルロックの発生防止等の点で好ましい。 More specifically, in the embodiment described above, the second ZnO layer (second single layer layer) is raised before the substrate temperature is raised from 600 ° C. (second low growth temperature) to 800 ° C. (high growth temperature). Crystal layer 11B has been grown (growth period T = T9 to T10, period G1B in FIG. 2). In this modification, the supply of DMZn is continued until the growth start of the ZnO-based semiconductor layer 12 (T = T11), and the growth period of the second single crystal layer 11B is set to T = T9 to T11 (period G1B ′ in FIG. 5). ). However, the temperature raising time is preferably within 10 minutes from the viewpoint of preventing the occurrence of hill rocks.
図6は、ZnO系半導体層(第3の単結晶層)12を第1のZnO層11A上に成長した場合(LT1)、成長期間をT=T9〜T10(図2の期間G1B)とした第2のZnO層11Bの上にZnO系半導体層12を成長した場合(LT2A)、成長期間をT=T9〜T11(図5の期間G1B’)とした第2のZnO層11B上にZnO系半導体層12を成長した場合(LT2B)、のX線回折(0002)ω及び(10−10)ωロッキングカーブの半値幅(FWHM)を示している。 6 shows that when a ZnO-based semiconductor layer (third single crystal layer) 12 is grown on the first ZnO layer 11A (LT1), the growth period is T = T9 to T10 (period G1B in FIG. 2). When the ZnO-based semiconductor layer 12 is grown on the second ZnO layer 11B (LT2A), the growth period is set to T = T9 to T11 (period G1B ′ in FIG. 5), and the ZnO-based semiconductor layer 12 is grown on the second ZnO layer 11B. When the semiconductor layer 12 is grown (LT2B), the half width (FWHM) of the X-ray diffraction (0002) ω and (10-10) ω rocking curves is shown.
第2のZnO層11B上にZnO系半導体層12を成長した場合(LT2A、LT2B)の方が結晶性は優れ、ZnO系半導体層12の成長開始まで第2のZnO層11Bの成長を継続した方(LT2B)がさらに結晶性は優れていることがわかる。 When the ZnO-based semiconductor layer 12 is grown on the second ZnO layer 11B (LT2A, LT2B), the crystallinity is superior, and the growth of the second ZnO layer 11B is continued until the growth of the ZnO-based semiconductor layer 12 starts. (LT2B) is further excellent in crystallinity.
以上、詳細に説明したように、上記した成長条件を用いれば、薄膜ではあるが平坦性及び単結晶性に優れた第2のZnO層(第2の単結晶層)11Bの上に、高い平坦性及び結晶性を有するZnO系半導体層12を成長させることができる。つまり、かかるZnO系半導体層(第3の単結晶層)12は、さらに高い平坦性及び結晶性を有しつつ、素子製造への適用に十分な層厚を有するように成長することができるので、広範に素子製造に適用することが可能である。例えば、ZnO系半導体層12上に、直接、発光層(活性層)、LED発光動作層や半導体レーザ素子におけるクラッド層、あるいは電子デバイス等の素子動作層を成長することができる。あるいは、上記した成長条件により成長されるZnO系半導体層12をLED発光動作層やクラッド層、素子動作層の一部として成長するようにしてもよい。 As described above in detail, when the above growth conditions are used, a high flatness is obtained on the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B which is a thin film but has excellent flatness and single crystallinity. ZnO-based semiconductor layer 12 having the properties and crystallinity can be grown. That is, the ZnO-based semiconductor layer (third single crystal layer) 12 can be grown so as to have a layer thickness sufficient for application to element manufacturing while having higher flatness and crystallinity. It can be widely applied to device manufacturing. For example, a light emitting layer (active layer), an LED light emitting operation layer, a cladding layer in a semiconductor laser element, or an element operation layer such as an electronic device can be directly grown on the ZnO-based semiconductor layer 12. Alternatively, the ZnO-based semiconductor layer 12 grown under the above-described growth conditions may be grown as a part of the LED light emitting operation layer, the cladding layer, or the element operation layer.
ここで、本明細書において、動作層又は素子動作層とは、半導体素子がその機能を果たすために含まれるべき半導体で構成される層を指すこととする。例えば、単純なトランジスタであればn型半導体、p型半導体及びn型半導体(またはp型半導体、n型半導体及びp型半導体)のpn接合によって構成される構造層を含む。なお、p型半導体層、発光層及びn型半導体層(または、p型半導体層及びn型半導体層)から構成され、注入されたキャリアの再結合によって発光動作をなす半導体層を、特に、発光動作層という。
[成長層付き基板15]
上記工程により得られた成長層付き基板15は、冷却せずに引き続きMOCVD装置で半導体素子の製造に用いることができる。あるいは、冷却した後、さらにMOCVD装置、あるいは他の結晶成長装置を用いて半導体素子の製造を行うこともできる。
Here, in this specification, an operation layer or an element operation layer refers to a layer composed of a semiconductor to be included in order for a semiconductor element to perform its function. For example, a simple transistor includes a structural layer formed by a pn junction of an n-type semiconductor, a p-type semiconductor, and an n-type semiconductor (or a p-type semiconductor, an n-type semiconductor, and a p-type semiconductor). Note that a semiconductor layer that includes a p-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and an n-type semiconductor layer (or a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer) and emits light by recombination of injected carriers, particularly, emits light. This is called the operation layer.
[Growth layered substrate 15]
The substrate with a growth layer 15 obtained by the above process can be used for the manufacture of semiconductor elements in the MOCVD apparatus without cooling. Alternatively, after cooling, a semiconductor element can be manufactured using an MOCVD apparatus or another crystal growth apparatus.
すなわち、成長層付き基板15を用いれば、MOCVD装置あるいは他の結晶成長装置を用いて、単結晶性及び平坦性に優れた単結晶層(ZnO系半導体層12)上に直接に単結晶の成長を行うことが可能である。従って、結晶欠陥が少なく、単結晶性及び平坦性に優れた高品質のZnO系半導体層を形成することができる。 That is, if the substrate with growth layer 15 is used, a single crystal is grown directly on the single crystal layer (ZnO-based semiconductor layer 12) having excellent single crystallinity and flatness using an MOCVD apparatus or another crystal growth apparatus. Can be done. Therefore, a high-quality ZnO-based semiconductor layer having few crystal defects and excellent single crystallinity and flatness can be formed.
また、成長層付き基板15を用いて、MOCVD以外の方法、例えば、MBE、プラズマCVD、PLD(Pulsed Laser Deposition)、ハイドライドVPEなどの種々の方法により光半導体素子、種々の電子デバイスなどを形成することも可能である。 Further, using the substrate 15 with a growth layer, optical semiconductor elements, various electronic devices, and the like are formed by various methods other than MOCVD, such as MBE, plasma CVD, PLD (Pulsed Laser Deposition), and hydride VPE. It is also possible.
このように、本発明によれば、光半導体素子、種々の電子デバイスの製造に適用可能な、結晶欠陥が少なく、単結晶性及び平坦性に優れた高品質の単結晶層が形成された成長層付き基板を提供することができる。 As described above, according to the present invention, a growth in which a high-quality single crystal layer with few crystal defects, excellent single crystal properties and flatness, which can be applied to manufacture of optical semiconductor elements and various electronic devices is formed. A layered substrate can be provided.
図7は、本発明により基板10上に成長した半導体発光素子構造の断面図を示している。より詳細には、上記実施例により第1のZnO層(第1の単結晶層)11A、第2のZnO層(第2の単結晶層)11B及びZnO系半導体層12が形成された成長層付き基板15上に、n型ZnO系半導体層21、ZnO系半導体活性層22及びp型ZnO系半導体層23からなる発光動作層(以下、LED動作層ともいう。)20を形成した。また、LED動作層20の結晶成長条件は、以下において明記されていない限り、上記した実施例におけるZnO系半導体層12の成長条件と同様であった。すなわち、結晶成長シーケンスは、図2に示したのと同様であり、T=T11〜T12の期間(G2)と同様の成長温度、成長圧力、材料ガス等を用い、ZnO系半導体層12上にn型ZnO系半導体層21、ZnO系半導体活性層22及びp型ZnO系半導体層23を順次成長した。なお、LED動作層20の成長温度、成長圧力等の成長条件はZnO系半導体層12の成長条件と必ずしも同じでなくとも良い。すなわち、LED動作層20の結晶成長条件は、ZnO系半導体層12の結晶成長条件の範囲内であることが好ましい。 FIG. 7 shows a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device structure grown on a substrate 10 according to the present invention. More specifically, the growth layer in which the first ZnO layer (first single crystal layer) 11A, the second ZnO layer (second single crystal layer) 11B, and the ZnO-based semiconductor layer 12 are formed according to the above embodiment. A light emitting operation layer (hereinafter also referred to as an LED operation layer) 20 including an n-type ZnO-based semiconductor layer 21, a ZnO-based semiconductor active layer 22, and a p-type ZnO-based semiconductor layer 23 was formed on the attached substrate 15. Further, the crystal growth conditions of the LED operation layer 20 were the same as the growth conditions of the ZnO-based semiconductor layer 12 in the above-described examples unless otherwise specified below. That is, the crystal growth sequence is the same as that shown in FIG. 2, and the same growth temperature, growth pressure, material gas, etc. as the period (G2) of T = T11 to T12 are used. An n-type ZnO-based semiconductor layer 21, a ZnO-based semiconductor active layer 22, and a p-type ZnO-based semiconductor layer 23 were sequentially grown. The growth conditions such as the growth temperature and the growth pressure of the LED operation layer 20 do not necessarily have to be the same as the growth conditions of the ZnO-based semiconductor layer 12. That is, the crystal growth conditions of the LED operation layer 20 are preferably within the range of the crystal growth conditions of the ZnO-based semiconductor layer 12.
このように、良好な平坦性、単結晶性を有するZnO系半導体層12上に、ZnO系半導体層12と同様な成長条件でLED動作層を成長することにより、平坦で結晶性に優れたLED動作層を形成することが可能である。なお、以下においては、ZnO系半導体として、MgxZn(1−x)Oを用いた場合を例に説明する。 As described above, the LED operation layer is grown on the ZnO-based semiconductor layer 12 having good flatness and single crystallinity under the growth conditions similar to those of the ZnO-based semiconductor layer 12, thereby obtaining a flat and excellent crystallinity LED. It is possible to form an operating layer. In the following, a case where Mg x Zn (1-x) 2 O is used as the ZnO-based semiconductor will be described as an example.
n型ZnO系半導体層21は、アンドープのZnO系半導体層12を成長した後、成長温度及び成長圧力をそのまま維持し(成長温度800℃、圧力80kPa)、成長を行った。なお、上記したように、アンドープZnO系半導体層12は、層厚は少なくとも0.25μmであることが好ましい。 After growing the undoped ZnO-based semiconductor layer 12, the n-type ZnO-based semiconductor layer 21 was grown while maintaining the growth temperature and pressure (growth temperature 800 ° C., pressure 80 kPa). As described above, the undoped ZnO-based semiconductor layer 12 preferably has a layer thickness of at least 0.25 μm.
H2O(水蒸気)を640μmol/minに保ち、DMZn流量を10μmol/minから30μmol/minに増加して、層厚3μmのGaドープMgxZn(1−x)O結晶を成長した。なお、Mg材料ガス(Cp2Mg)の流量はMgの結晶組成xに応じて調整すればよい。 H 2 O (water vapor) was kept at 640 μmol / min, and the DMZn flow rate was increased from 10 μmol / min to 30 μmol / min to grow a Ga-doped Mg x Zn (1-x) O crystal having a layer thickness of 3 μm. The flow rate of the Mg material gas (Cp2Mg) may be adjusted according to the Mg crystal composition x.
また、導電型(n型)制御のため、MgxZn(1−x)Oの結晶成長と同時にTEGaをMgxZn(1−x)O結晶中の濃度が5×1018(cm−3)となるようにドープした。 Further, since the conductivity type (n-type) control, Mg x Zn (1-x ) simultaneously TEGa crystal growth of O Mg x Zn (1-x ) concentration of O in the crystal 5 × 10 18 (cm -3 ).
次に、DMZn流量を1μmol/minに減らし、層厚30nmの活性層22(MgxZn(1−x)O結晶)を成長した。ここで、DMZnの流量を減ずることによって、DMZn流量に対するH2O(水蒸気)流量比(VI/II比)を21から640に増加させた。これにより、成長層中の酸素欠損等を減らすことができるので、高い発光効率を得ることができた。 Next, the DMZn flow rate was reduced to 1 μmol / min to grow an active layer 22 (Mg x Zn (1-x) O crystal) having a layer thickness of 30 nm. Here, the H 2 O (water vapor) flow rate ratio (VI / II ratio) with respect to the DMZn flow rate was increased from 21 to 640 by reducing the flow rate of DMZn. Thereby, oxygen vacancies and the like in the growth layer can be reduced, so that high luminous efficiency can be obtained.
次に、p型ZnO系半導体層23を成長した。具体的には、DMZn流量を1μmol/minとし、層厚100nmのN(窒素)ドープMgxZn(1−x)O結晶を成長した。ここで、MgxZn(1−x)Oの結晶成長と同時に、p型不純物材料(ドーパント)としてNH3(アンモニア)を180μmol/minの流量で供給し、窒素不純物濃度Na(N)=8×1019(cm−3)となるように結晶成長を行った。 Next, the p-type ZnO-based semiconductor layer 23 was grown. Specifically, N (nitrogen) -doped Mg x Zn (1-x) O crystal having a layer thickness of 100 nm was grown at a DMZn flow rate of 1 μmol / min. Here, simultaneously with the crystal growth of Mg x Zn (1-x) O, NH 3 (ammonia) is supplied as a p-type impurity material (dopant) at a flow rate of 180 μmol / min, and the nitrogen impurity concentration Na (N) = 8. Crystal growth was performed so as to be × 10 19 (cm −3 ).
上記工程が終了した後、基板温度が300℃になるまで水蒸気を流したまま圧力80kPaを維持した。基板温度が300℃以下になった後、水蒸気を止めて基板温度が室温になるまで待ち、反応容器から取出した。 After the above steps were completed, the pressure of 80 kPa was maintained while flowing water vapor until the substrate temperature reached 300 ° C. After the substrate temperature became 300 ° C. or lower, the water vapor was stopped and the substrate was waited until the substrate temperature reached room temperature, and then taken out from the reaction vessel.
なお、n型ZnO系半導体層21、活性層22及びp型ZnO系半導体層23としてMgxZn(1−x)Oの結晶を用いる場合について説明した。この場合、
n型ZnO系半導体層21:MgxZn(1−x)O (0≦x≦0.43)、
p型ZnO系半導体層23:MgxZn(1−x)O (0≦x≦0.43)、
活性層22:MgxZn(1−x)O/MgyZn(1−y)O
(0≦(x , y)≦0.43:y<x)
を用いることが可能である。
Incidentally, it has been described a case of using the Mg x Zn (1-x) O crystals as n-type ZnO based semiconductor layer 21, active layer 22 and p-type ZnO based semiconductor layer 23. in this case,
n-type ZnO-based semiconductor layer 21: Mg x Zn (1-x) 2 O (0 ≦ x ≦ 0.43),
p-type ZnO-based semiconductor layer 23: Mg x Zn (1-x) 2 O (0 ≦ x ≦ 0.43),
Active layer 22: Mg x Zn (1-x) O / Mg y Zn (1-y) O
(0 ≦ (x, y) ≦ 0.43: y <x)
Can be used.
ここで、Mg結晶組成xは、層厚が0.5μm程度以下なら0.63以下で良く、0.5μm以上では0.43以下が良い。Mg組成が高くなると、MgZnO結晶中のMgOが相分離を起こすからである。 Here, the Mg crystal composition x may be 0.63 or less if the layer thickness is about 0.5 μm or less, and 0.43 or less if the layer thickness is 0.5 μm or more. This is because MgO in the MgZnO crystal causes phase separation when the Mg composition increases.
また、n型ZnO系半導体層21、活性層22及びp型ZnO系半導体層23の各々は、発光素子特性に合わせて多層構造とすることも可能である。また、活性層22としてMQW(Multi quantum well)構造を採用しても良い。特に、MQW活性層の場合では、結晶層(ウエル層、バリア層)の層厚の揺らぎが量子準位エネルギ、量子準位密度等を変化させ、発光波長、内部量子効率等に大きく影響するので、平坦性及び単結晶性に優れたZnO系半導体層12を用いる効果はさらに顕著である。 In addition, each of the n-type ZnO-based semiconductor layer 21, the active layer 22, and the p-type ZnO-based semiconductor layer 23 may have a multilayer structure in accordance with the light emitting element characteristics. Further, an MQW (Multi quantum well) structure may be adopted as the active layer 22. In particular, in the case of an MQW active layer, fluctuations in the layer thickness of the crystal layer (well layer, barrier layer) change the quantum level energy, quantum level density, etc., greatly affecting the emission wavelength, internal quantum efficiency, etc. Further, the effect of using the ZnO-based semiconductor layer 12 having excellent flatness and single crystallinity is further remarkable.
上記工程で製造したLED動作層付き基板25を微分干渉顕微鏡、走査型電子顕微鏡(SEM)により評価した。図8(a)は、上記工程により製造したLED動作層付き基板25の表面の微分干渉顕微鏡像(図8(a))である。また、対照のため、図8(b)にLED動作層を成長温度(Tg)680℃で形成した場合の微分干渉顕微鏡像を示している。これらの結果から、上記工程により製造したLED動作層付き基板25では、表面に凹凸やピットは見られず、巨視領域から微視領域にまで亘り、極めて平坦な鏡面であることが確認された。
[半導体発光素子の製造]
上記工程で製造したLED動作層付き基板25を用い、以下の工程により半導体発光素子(LED)を製造する。図9は、半導体発光素子(LED)30の素子上面図であり、図10は、LED30の断面図である。なお、図10には、2つのLED30及びこれらをブレーキングにより分離するための素子区画溝32が形成されていることが図示されている。
The board | substrate 25 with an LED operation layer manufactured at the said process was evaluated with the differential interference microscope and the scanning electron microscope (SEM). Fig.8 (a) is a differential interference microscope image (FIG.8 (a)) of the surface of the board | substrate 25 with an LED operation layer manufactured by the said process. For comparison, FIG. 8B shows a differential interference microscope image when the LED operation layer is formed at a growth temperature (Tg) of 680 ° C. From these results, it was confirmed that the substrate with LED operation layer 25 manufactured by the above-mentioned process has an extremely flat mirror surface from the macroscopic region to the microscopic region without any irregularities or pits on the surface.
[Manufacture of semiconductor light emitting devices]
A semiconductor light emitting element (LED) is manufactured by the following steps using the substrate 25 with an LED operation layer manufactured in the above process. FIG. 9 is an element top view of the semiconductor light emitting element (LED) 30, and FIG. 10 is a cross-sectional view of the LED 30. FIG. 10 shows that two LEDs 30 and an element partitioning groove 32 for separating them by braking are formed.
まず、フォトリソグラフィ技術を用いて、素子区画31内の領域(素子領域)を覆う形状のレジストマスクを形成した。次に、ウェットエッチングを用いて、素子区画31外の開口部のp型ZnO系半導体層23、活性層22及びn型ZnO系半導体層21の一部を所定深さまで除去した。最後にレジストを洗浄除去し、素子区画溝32を形成した。 First, using a photolithography technique, a resist mask having a shape covering the region (element region) in the element section 31 was formed. Next, using wet etching, the p-type ZnO-based semiconductor layer 23, the active layer 22, and the n-type ZnO-based semiconductor layer 21 in the opening outside the element section 31 were partially removed to a predetermined depth. Finally, the resist was removed by washing, and element partition grooves 32 were formed.
本発明のLED動作層付き基板25の表面は、基板全体(例えば、2インチ基板)で平坦かつ鏡面なので、レジストを均一な厚みに塗布形成できる。また、表面に凹凸がないためフォトリソグラフィ工程において転写パターンの露光滲みがなく精度良く転写できる。 Since the surface of the substrate with LED operation layer 25 of the present invention is flat and mirror-like on the entire substrate (for example, a 2-inch substrate), the resist can be applied and formed with a uniform thickness. Further, since there is no unevenness on the surface, there is no exposure blur of the transfer pattern in the photolithography process, and transfer can be performed with high accuracy.
次に、フォトリソグラフィ及びEB(電子ビーム)蒸着等を用いて、p側電極33を形成した。p側電極33は、Ni(ニッケル)を0.3〜10nm、さらにAu(金)を5〜20nmの厚さで成膜し、RTA(ラピッド・サーマル・アニーラ)にて酸素10%雰囲気下で500℃、30秒の処理を行って透光性電極化した。 Next, the p-side electrode 33 was formed using photolithography, EB (electron beam) deposition, or the like. The p-side electrode 33 is formed by depositing Ni (nickel) with a thickness of 0.3 to 10 nm and Au (gold) with a thickness of 5 to 20 nm, and using an RTA (rapid thermal annealer) in an oxygen 10% atmosphere. A translucent electrode was formed by treatment at 500 ° C. for 30 seconds.
次に、p側電極33上に、EB蒸着によってNi/Pt/Au電極パッド材料をそれぞれ3〜10nm/100nm/1000nmの厚みでこの順に積層してp側接続電極34を形成した。 Next, a Ni / Pt / Au electrode pad material was laminated in this order with a thickness of 3 to 10 nm / 100 nm / 1000 nm on the p-side electrode 33 by EB vapor deposition to form a p-side connection electrode 34.
さらに、フォトリソグラフィを用いて、露出したn型ZnO系半導体層21の表面に、EB蒸着によってTi/Auをそれぞれ10〜100nm /1000nmの厚みでこの順に積層してn側接続電極35を形成した。 Further, by using photolithography, Ti / Au was laminated on the exposed surface of the n-type ZnO-based semiconductor layer 21 in this order by EB deposition in a thickness of 10 to 100 nm / 1000 nm, respectively, to form the n-side connection electrode 35. .
このように電極が形成された後、LED動作層側を保護基板に貼付け、裏面側の研削及び研磨を行い、厚さ100μmのウエハに成形した。次に、電極形成された表面側に保護シートを貼った後、スクライブ装置を用いて素子区画溝32の中央部に対応する裏面に互いに直交するスクライブ溝36を形成した。 After the electrodes were formed in this way, the LED operation layer side was attached to a protective substrate, the back side was ground and polished, and formed into a 100 μm thick wafer. Next, after a protective sheet was pasted on the surface side on which the electrodes were formed, a scribe groove 36 perpendicular to each other was formed on the back surface corresponding to the central portion of the element partition groove 32 using a scribe device.
ブレーキングにおいては、ナイフエッジ37をスクライブ溝36の対向面の素子区画溝32側より当て、ナイフエッジ37で荷重しスクライブ溝方向に劈開を行った。同様に、基板を90°回転させ、直交するスクライブ溝36方向にも劈開を行った。 In braking, the knife edge 37 was applied from the element partitioning groove 32 side of the opposing surface of the scribe groove 36, loaded with the knife edge 37, and cleaved in the scribe groove direction. Similarly, the substrate was rotated 90 ° and cleaved in the direction of the scribe groove 36 perpendicular to the substrate.
本発明のLED動作層付き基板25の表面は凹凸がないので、素子区画溝32の底部も極めて平坦に形成でき、ナイフエッジ37によって正確に区画溝底面を加圧できた。従って、加圧劈開時に応力が均等に掛かるため、素子区画のチッピング、劈開面のズレ等による劈開不良の発生を低減することができ、劈開歩留まりが向上した。また、結晶面内に存在する潜在的結晶粒界(ドメイン)もなく、劈開時に粒界に由来する結晶層の欠けが減少し、分離歩留まりが向上した。 Since the surface of the substrate with LED operation layer 25 of the present invention has no unevenness, the bottom of the element partition groove 32 can be formed extremely flat, and the bottom surface of the partition groove can be accurately pressed by the knife edge 37. Accordingly, since stress is applied evenly during the pressure cleavage, the occurrence of cleavage failure due to chipping of the element sections, displacement of the cleavage surface, etc. can be reduced, and the cleavage yield is improved. In addition, there were no potential crystal grain boundaries (domains) existing in the crystal plane, chipping of the crystal layer originating from the grain boundaries was reduced during cleavage, and the separation yield was improved.
本発明のLED動作層付き基板25を用いて素子形成した場合、レジストパターン形成歩留まりは98%程度であった。また、劈開歩留まりも極めて良好で、98%程度であった。 When the element was formed using the substrate 25 with LED operation layer of the present invention, the yield of resist pattern formation was about 98%. Also, the cleavage yield was very good, about 98%.
以上、説明したように、結晶欠陥が少なく、単結晶性及び平坦性に優れた高品質の単結晶層が形成されたZnO系半導体層12上にLED動作層を成長するので、平坦で結晶性に優れたLED動作層を形成することができ、リーク電流や電流集中が抑制された発光効率が高く、素子寿命に優れた高性能LEDを製造することができる。さらに、リソグラフィ、エッチングの半導体プロセスにおいても高いプロセス精度が得られるとともに、劈開やブレーキング等における製造歩留まりも高い。 As described above, the LED operation layer is grown on the ZnO-based semiconductor layer 12 on which a high-quality single crystal layer with few crystal defects and excellent single crystallinity and flatness is formed. It is possible to form a high-performance LED that can form an excellent LED operating layer, has high emission efficiency with suppressed leakage current and current concentration, and has excellent device life. In addition, high process accuracy can be obtained in lithography and etching semiconductor processes, and the manufacturing yield in cleavage and braking is also high.
なお、上記した実施例においては、半導体発光素子(LED)に本発明を適用した場合を例に説明したが、これに限らない。例えば、半導体レーザ(LD:Laser Diode)、あるいは、表面弾性波デバイス、MOSFETなど、ZnO系半導体層を用いて形成できる光半導体素子、電子デバイスに適用することが可能である。 In the above-described embodiments, the case where the present invention is applied to a semiconductor light emitting element (LED) has been described as an example, but the present invention is not limited thereto. For example, the present invention can be applied to an optical semiconductor element and an electronic device that can be formed using a ZnO-based semiconductor layer, such as a semiconductor laser (LD), a surface acoustic wave device, or a MOSFET.
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、A面サファイア基板等の異材質基板上に、酸素を含まない有機金属化合物材料と、当該有機金属化合物材料との反応性が高いH2O(水蒸気)を用いて、低成長温度及び低成長圧力で結晶成長を行い、酸化亜鉛の単結晶層(第1の単結晶層)を成長することができる。また、低圧力(減圧)下、水蒸気雰囲気下において熱処理を行うことにより、成長層の単結晶性及び平坦性を一層向上することができる。さらに、第1の単結晶層の上に、低成長温度で結晶成長を行い、酸化亜鉛系化合物半導体の単結晶層(第2の単結晶層)を成長することによって単結晶性及び平坦性を向上することができる。当該単結晶層は平坦性及び単結晶性に優れ、結晶欠陥も少ない。さらに、MOCVD法を用いているので、大面積成長や多数枚成長も可能である。従って、量産性や製造コストにおいても優れている。 As described above in detail, according to the present invention, H 2 having high reactivity between an organometallic compound material not containing oxygen and the organometallic compound material on a different material substrate such as an A-plane sapphire substrate. Using O (water vapor), crystal growth can be performed at a low growth temperature and a low growth pressure to grow a single crystal layer (first single crystal layer) of zinc oxide. Further, the single crystallinity and flatness of the growth layer can be further improved by performing the heat treatment under a low pressure (reduced pressure) and in a water vapor atmosphere. Furthermore, crystal growth is performed on the first single crystal layer at a low growth temperature to grow a single crystal layer (second single crystal layer) of a zinc oxide-based compound semiconductor. Can be improved. The single crystal layer is excellent in flatness and single crystallinity and has few crystal defects. Furthermore, since the MOCVD method is used, large area growth and large number growth are possible. Therefore, it is excellent in mass productivity and manufacturing cost.
また、平坦性及び単結晶性に優れた第2の単結晶層の上に、さらに高い平坦性及び結晶性を有するZnO系化合物半導体層を成長させることができる。当該ZnO系化合物半導体層(第3の単結晶層)12は、高い平坦性及び結晶性のみならず、素子製造への適用に十分な層厚を有するように成長することができる。従って、ZnO系半導体層12上に、直接、LED発光動作層や半導体レーザ素子におけるクラッド層、電子デバイスの素子層などを成長することができる。 Further, a ZnO-based compound semiconductor layer having higher flatness and crystallinity can be grown on the second single crystal layer having excellent flatness and single crystallinity. The ZnO-based compound semiconductor layer (third single crystal layer) 12 can be grown so as to have not only high flatness and crystallinity but also a layer thickness sufficient for application to device manufacturing. Therefore, an LED light emitting operation layer, a cladding layer in a semiconductor laser element, an element layer of an electronic device, and the like can be directly grown on the ZnO-based semiconductor layer 12.
ZnO系半導体層12上に、LED動作層を成長することにより、平坦で結晶性に優れたLED動作層を形成することができ、リーク電流や電流集中が抑制された発光効率が高く、高出力の高性能LEDを提供することができる。さらに、素子寿命に優れたLEDを製造することができる。さらに、半導体プロセスにおいても高い精度が得られるとともに、劈開やブレーキング等における製造歩留まりも高い。 By growing an LED operation layer on the ZnO-based semiconductor layer 12, an LED operation layer that is flat and excellent in crystallinity can be formed, and the light emission efficiency with high leakage current and current concentration is suppressed, and the output is high. High performance LED can be provided. Furthermore, it is possible to manufacture an LED having an excellent element lifetime. Furthermore, high accuracy can be obtained also in the semiconductor process, and the manufacturing yield in cleavage and braking is also high.
10 基板
11A 第1の低温成長単結晶層
11B 第2の低温成長単結晶層
12 ZnO系化合物半導体層(高温成長単結晶層)
15 結晶成長層付き基板
20 LED動作層
21 n型半導体層
22 活性層
23 p型半導体層
25 LED動作層付き基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 11A 1st low temperature growth single crystal layer 11B 2nd low temperature growth single crystal layer 12 ZnO type compound semiconductor layer (high temperature growth single crystal layer)
15 substrate with crystal growth layer 20 LED operation layer 21 n-type semiconductor layer 22 active layer 23 p-type semiconductor layer 25 substrate with LED operation layer
Claims (14)
酸素を含まない有機金属化合物と水蒸気を用い、
(a)250℃〜450℃の範囲内の第1の低成長温度及び1kPa〜30kPaの範囲内の低成長圧力で結晶成長を行って第1の単結晶層を形成するステップと、
(b)500℃〜650℃の範囲内の第2の低成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第1の単結晶層上に第2の単結晶層を形成するステップと、
(c)700℃〜850℃の範囲内の高成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第2の単結晶層上に第3の単結晶層を形成するステップと、
を有することを特徴とする方法。 A method for crystal growth of a zinc oxide based semiconductor layer on a substrate by MOCVD,
Using oxygen-free organometallic compound and water vapor,
(A) performing crystal growth at a first low growth temperature within a range of 250 ° C. to 450 ° C. and a low growth pressure within a range of 1 kPa to 30 kPa to form a first single crystal layer;
(B) forming a second single crystal layer on the first single crystal layer by performing crystal growth at a second low growth temperature in the range of 500 ° C. to 650 ° C. and a pressure higher than the low growth pressure. And steps to
(C) forming a third single crystal layer on the second single crystal layer by performing crystal growth at a high growth temperature in a range of 700 ° C. to 850 ° C. and a pressure higher than the low growth pressure; ,
A method characterized by comprising:
酸素を含まない有機金属化合物と水蒸気を用い、
(a)250℃〜450℃の範囲内の第1の低成長温度及び1kPa〜30kPaの範囲内の低成長圧力で結晶成長を行って第1の単結晶層を形成するステップと、
(b)500℃〜650℃の範囲内の第2の低成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第1の単結晶層上に第2の単結晶層を形成するステップと、
(c)700℃〜850℃の範囲内の成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第2の単結晶層上に第3の単結晶層を形成するステップと、
(d)700℃〜850℃の範囲内の成長温度及び前記低成長圧力よりも高い圧力で結晶成長を行って前記第3の単結晶層上に発光層を形成するステップと、
を有することを特徴とする方法。 A method of manufacturing a semiconductor light emitting device by stacking a zinc oxide based semiconductor layer on a substrate by MOCVD,
Using oxygen-free organometallic compound and water vapor,
(A) performing crystal growth at a first low growth temperature within a range of 250 ° C. to 450 ° C. and a low growth pressure within a range of 1 kPa to 30 kPa to form a first single crystal layer;
(B) forming a second single crystal layer on the first single crystal layer by performing crystal growth at a second low growth temperature in the range of 500 ° C. to 650 ° C. and a pressure higher than the low growth pressure. And steps to
(C) forming a third single crystal layer 700 ° C. to 850 ° C. growth temperature and the low growth by performing crystal growth at a pressure higher than the pressure the second single crystal layer in the range of ,
Forming a luminescent layer on the third single crystal layer and (d) performing crystal growth at a pressure higher than the growth temperature and the low growth pressure in the range of 700 ° C. to 850 ° C.,
A method characterized by comprising:
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