JP5426315B2 - ZnO-based compound semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、ZnO系化合物半導体素子に関し、特に、ZnO系半導体発光素子に関する。   The present invention relates to a ZnO-based compound semiconductor device, and more particularly to a ZnO-based semiconductor light emitting device.

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持つ直接遷移型の半導体で、励起子の束縛エネルギーが60meVと他の半導体に比べて比較的大きい。又、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する為、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光素子の実現が期待されている。   Zinc oxide (ZnO) is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of 3.37 eV at room temperature, and the exciton binding energy is 60 meV, which is relatively large compared to other semiconductors. In addition, since the raw materials are inexpensive and harmless to the environment and the human body, it is expected to realize a light-emitting element with high efficiency, low power consumption, and excellent environmental characteristics.

LEDなどの発光素子には、p型層とn型層が必要であり、ZnO系化合物半導体でn型を作製する場合のドーパントとしては、Znサイトを置換するようなIII属原子、もしくはOサイトを置換するVII族原子が考えられ、特にGaやAlなどのIII族原子によるn型伝導性制御が数多く報告されている。   A light emitting device such as an LED requires a p-type layer and an n-type layer. As a dopant for producing an n-type with a ZnO-based compound semiconductor, a group III atom or an O site that substitutes a Zn site is used. VII atoms are considered, and many n-type conductivity controls using group III atoms such as Ga and Al have been reported.

例えば、特許文献1によれば、III族原子をドーピングするZnO系透明導電膜ZnO:Al、ZnO:Gaの製造方法が提案されている。さらに非特許文献1によると、単結晶ZnO膜においてGa濃度とキャリア濃度は1017〜1020cm−3の範囲で、制御が十分可能であることが報告されている。 For example, Patent Document 1 proposes a method for producing a ZnO-based transparent conductive film ZnO: Al, ZnO: Ga doped with a group III atom. Further, according to Non-Patent Document 1, it is reported that Ga concentration and carrier concentration in a single crystal ZnO film are sufficiently controllable in the range of 10 17 to 10 20 cm −3 .

ところでLEDなどの発光素子を作製する場合、ドーパントが所望の層以外へと拡散してしまうと素子特性は著しく低下してしまう。GaAs系の半導体光素子の場合、活性層へのp型ドーパントの拡散が問題となっており、その解決策として、例えば、p型クラッド層と活性層の間に、n型の拡散ストッパ層を設けることでp型ドーパントの拡散を抑制する方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。また、特許文献3には、p型層をそれぞれ異なるドーパントをドーピングした少なくとも2つの層から形成することで、p型ドーパントの拡散を抑制する方法が開示されている。   By the way, when manufacturing light emitting elements, such as LED, if a dopant diffuses into other than a desired layer, element characteristics will fall remarkably. In the case of a GaAs-based semiconductor optical device, diffusion of p-type dopants into the active layer is a problem. For example, an n-type diffusion stopper layer is provided between the p-type cladding layer and the active layer. A method of suppressing the diffusion of the p-type dopant by providing it is disclosed (for example, see Patent Document 2). Patent Document 3 discloses a method of suppressing the diffusion of a p-type dopant by forming the p-type layer from at least two layers doped with different dopants.

このようにGaAs系の半導体発光素子の場合では、いくつかのドーパント拡散防止の方法が示されている。   Thus, in the case of a GaAs-based semiconductor light emitting device, several methods for preventing dopant diffusion are shown.

一方、ZnO系化合物半導体に関しては、ドーパントの拡散に関する報告はほとんどなく、本発明者は、n型ドーパントであるGaが、半導体素子内において拡散してしまうことを課題として見出した。   On the other hand, with respect to ZnO-based compound semiconductors, there are almost no reports on dopant diffusion, and the present inventor has found that Ga, which is an n-type dopant, diffuses in a semiconductor element.

図7は、従来の作製方法によるZnO系LED素子構造の一例を示す断面図である。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of a ZnO-based LED element structure according to a conventional manufacturing method.

一般的なLEDは素子内にn型半導体層、活性層、p型半導体層を含み、本従来技術ではZnO系LEDのn型半導体層にはドーパントとして、Ga原子をドーピングしている。   A general LED includes an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer in an element. In this conventional technique, the n-type semiconductor layer of a ZnO-based LED is doped with Ga atoms as a dopant.

本発明者らは、比較例として従来の作製方法を用いて図7に示すZnO系LED素子を実際に作製した。   As a comparative example, the inventors actually manufactured a ZnO-based LED element shown in FIG. 7 using a conventional manufacturing method.

まず、洗浄された+c ZnO基板1上に、undoped ZnO 緩衝層(バッファ層)2を形成した。厚さおよそ300Åで、300℃で成長させた。次に、緩衝層(バッファ層)2を高品質化させるためにアニールを行った。アニール温度は900℃で、アニール時間は20分とした。   First, an undoped ZnO buffer layer (buffer layer) 2 was formed on the cleaned + c ZnO substrate 1. The film was grown at 300 ° C. with a thickness of about 300 mm. Next, annealing was performed to improve the quality of the buffer layer (buffer layer) 2. The annealing temperature was 900 ° C. and the annealing time was 20 minutes.

次に、緩衝層(バッファ層)2の表面上に、n型半導体層3を形成した。n型半導体層は、Ga−doped Mg0.2Zn0.8Oで、Gaの濃度は、1.5×1018cm−3程度である。成長温度は900℃とした。 Next, the n-type semiconductor layer 3 was formed on the surface of the buffer layer (buffer layer) 2. The n-type semiconductor layer is Ga-doped Mg 0.2 Zn 0.8 O, and the Ga concentration is about 1.5 × 10 18 cm −3 . The growth temperature was 900 ° C.

その後、n型半導体層3の表面上に、undoped ZnO活性層4を形成した。成長温度は、900℃とした。活性層3の表面上に、窒素(N)をドーピングしたp型半導体層(N−doped Mg0.2Zn0.8O)を形成した。成長温度は650℃で成長させた。 Thereafter, an undoped ZnO active layer 4 was formed on the surface of the n-type semiconductor layer 3. The growth temperature was 900 ° C. A p-type semiconductor layer (N-doped Mg 0.2 Zn 0.8 O) doped with nitrogen (N) was formed on the surface of the active layer 3. The growth temperature was 650 ° C.

上記の層形成(成膜)工程に続いて、電極を作製した。基板1の表面にn型電極(例えば厚さ20〜100Åのチタン層上に、3000〜5000Åのアルミニウム層)8を形成し、p型半導体層表面にp型透光性電極(例えば厚さ5〜50Åのニッケル層と、その表面上に形成される厚さ10〜200Åの金層)6及び、p型透光性電極6上にボンディング用パッド電極(例えば厚さ1000Åのニッケル層と、厚さ10000Åの金)7を作製する。電極を形成する工程は、例えばレジスト膜などを用いたリソグラフィ技術が用いられる。   Subsequent to the layer formation (film formation) step, an electrode was produced. An n-type electrode (for example, a 3000 to 5000 mm aluminum layer on a 20 to 100 mm thick titanium layer) 8 is formed on the surface of the substrate 1, and a p type translucent electrode (for example, 5 mm thick) is formed on the surface of the p type semiconductor layer. A nickel layer having a thickness of ˜50 mm, a gold layer having a thickness of 10 to 200 mm formed on the surface thereof, and a bonding pad electrode (for example, a nickel layer having a thickness of 1000 mm and a thickness on the p-type translucent electrode 6) 10000 gold) 7 is produced. In the step of forming the electrode, for example, a lithography technique using a resist film or the like is used.

この後、例えば300〜800℃の酸化性ガス雰囲気中で、電極合金化処理を行う。合金処理時間は例えば30秒〜10分程度である。以上のようにして、ZnO系化合物半導体発光素子(ZnO系LED)の製造を行った。   Thereafter, an electrode alloying process is performed in an oxidizing gas atmosphere at 300 to 800 ° C., for example. The alloy processing time is, for example, about 30 seconds to 10 minutes. As described above, a ZnO-based compound semiconductor light emitting device (ZnO-based LED) was manufactured.

特許第3040373号公報Japanese Patent No. 3040373 特開平9−260776号公報JP-A-9-260776 特開2006−19695号公報JP 2006-19695 A

応用物理学会 第120回結晶工学分科会研究会(2004) p.27−34Applied Physics Society 120th Crystal Engineering Subcommittee Meeting (2004) p. 27-34

図8は、図7のように従来方法にて作製したZnO系LEDのN濃度とGa濃度の深さ方向のプロファイルを示すグラフである。本図は、SIMS(Secondary Ion−microprobe Mass Spectrometer)分析によるものである。   FIG. 8 is a graph showing a profile in the depth direction of the N concentration and the Ga concentration of a ZnO-based LED manufactured by the conventional method as shown in FIG. This figure is based on a SIMS (Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer) analysis.

これによると、n型半導体層3にドープしたGaが、活性層4及びp型半導体層5へ拡散している。このような場合、活性層4の結晶品質が悪くなり結果発光効率が低下する。また、p型半導体層5へのGaの拡散は、p型半導体層5の伝導性制御を困難にし、高出力で信頼性の高い半導体発光素子の作製がなされない。   According to this, Ga doped in the n-type semiconductor layer 3 is diffused into the active layer 4 and the p-type semiconductor layer 5. In such a case, the crystal quality of the active layer 4 is deteriorated and as a result, the luminous efficiency is lowered. Further, the diffusion of Ga into the p-type semiconductor layer 5 makes it difficult to control the conductivity of the p-type semiconductor layer 5, and a high-output and highly reliable semiconductor light-emitting element cannot be manufactured.

図9は、図8でSIMS分析結果を示したZnO系LEDの電流電圧特性の一例を示すグラフである。   FIG. 9 is a graph showing an example of current-voltage characteristics of the ZnO-based LED whose SIMS analysis results are shown in FIG.

縦軸は2mA/1メモリであり、横軸は2V/1メモリで測定を行っている。ZnO系の材料でp−n接合を作製した場合、電流−電圧特性における閾値電圧は、およそ3V程度であるはずであるが、上図のZnO系LEDはおよそ1V程度であり、これは素子の特性がショットキーであることを示している。これはp型半導体層5へn型半導体層3からドーパントであるGaが拡散した為に、LEDの素子特性が著しく悪化したためと考えられる。このため従来方法により作製したZnO系LEDからは発光が観測されない。   The vertical axis is 2 mA / 1 memory, and the horizontal axis is 2 V / 1 memory. When a pn junction is made of a ZnO-based material, the threshold voltage in the current-voltage characteristics should be about 3 V, but the ZnO-based LED in the above figure is about 1 V, which is It shows that the characteristic is a Schottky. This is considered to be because the element characteristics of the LED are remarkably deteriorated because the dopant Ga diffuses from the n-type semiconductor layer 3 to the p-type semiconductor layer 5. For this reason, no light emission is observed from the ZnO-based LED fabricated by the conventional method.

本発明の目的は、ZnO系化合物半導体素子の活性層の結晶品質をn型ドーパントの拡散によって落とさないことである。   An object of the present invention is to prevent the crystal quality of the active layer of the ZnO-based compound semiconductor element from being deteriorated by the diffusion of the n-type dopant.

また、本発明の他の目的は、ZnO系化合物半導体素子のp型半導体層の伝導性が、n型ドーパントの拡散によって悪化するのを防ぐことである。   Another object of the present invention is to prevent the conductivity of the p-type semiconductor layer of the ZnO-based compound semiconductor element from being deteriorated by the diffusion of the n-type dopant.

本発明の一観点によれば、ZnO系化合物半導体素子は、III族元素がドープされたn型半導体層と、前記n型半導体層の上方に形成されたp型半導体層と、前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に形成された活性層と、前記n型半導体層と活性層との間に形成され、かつ、窒素がドープされたn型拡散防止層とを有し、前記n型拡散防止層の窒素が、少なくとも1×10 20 cm −3 以上ドープされているAccording to one aspect of the present invention, ZnO based compound semiconductor device includes an n-type semiconductor layer group III element is doped, and p-type semiconductor layer formed above the n-type semiconductor layer, the n-type semiconductor an active layer formed between the the layer p-type semiconductor layer, is formed between the n-type semiconductor layer and the active layer, and nitrogen possess a doped n-type diffusion preventing layer, Nitrogen in the n-type diffusion prevention layer is doped with at least 1 × 10 20 cm −3 or more .

本発明によれば、ZnO系化合物半導体素子の活性層の結晶品質をn型ドーパントの拡散によって落とさないことができる。   According to the present invention, the crystal quality of the active layer of the ZnO-based compound semiconductor element can be prevented from being deteriorated by the diffusion of the n-type dopant.

また、本発明によれば、ZnO系化合物半導体素子のp型半導体層の伝導性が、n型ドーパントの拡散によって悪化するのを防ぐことができる。   Moreover, according to this invention, it can prevent that the conductivity of the p-type semiconductor layer of a ZnO type compound semiconductor element deteriorates by the diffusion of an n-type dopant.

ZnO系化合物半導体の製造装置の概略図である。It is the schematic of the manufacturing apparatus of a ZnO type compound semiconductor. 本発明の実施例によるZnO系化合物半導体素子(ZnO系LED)の素子構造及び作製方法を説明するための概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the element structure and manufacturing method of the ZnO type compound semiconductor element (ZnO type LED) by the Example of this invention. 拡散防止層を導入したZnO系LED素子構造のN濃度とGa濃度の深さ方向のプロファイルを示すグラフである。It is a graph which shows the profile of the depth direction of N density | concentration and Ga density | concentration of the ZnO-type LED element structure which introduce | transduced the diffusion prevention layer. 本発明の実施例による半導体発光素子のサンプル3の拡散防止層9と同条件で作製したN−doped MgZnO単膜のC−V測定結果を表すグラフである。It is a graph showing the CV measurement result of the N-doped MgZnO single film produced on the same conditions as the diffusion prevention layer 9 of the sample 3 of the semiconductor light-emitting device by the Example of this invention. 本発明の実施例による拡散防止層9を導入したZnO系LED(サンプル3)の電流電圧特性を表すグラフである。It is a graph showing the current-voltage characteristic of ZnO-type LED (sample 3) which introduce | transduced the diffusion prevention layer 9 by the Example of this invention. 従来例で作製した図7に示すZnO系LEDおよび、図1に示す本発明の実施例(サンプル3)による拡散防止層9を導入したZnO系LEDのELスペクトルである。FIG. 8 is an EL spectrum of a ZnO-based LED shown in FIG. 7 manufactured in a conventional example and a ZnO-based LED into which a diffusion prevention layer 9 according to an example (sample 3) of the present invention shown in FIG. 1 is introduced. 従来の作製方法によるZnO系LED素子構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the ZnO type LED element structure by the conventional preparation methods. 図7のように従来方法にて作製したZnO系LEDのN濃度とGa濃度の深さ方向のプロファイルを示すグラフである。It is a graph which shows the profile of the depth direction of N density | concentration and Ga density | concentration of ZnO type LED produced by the conventional method like FIG. 図8でSIMS分析結果を示したZnO系LEDの電流電圧特性の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the current-voltage characteristic of ZnO type LED which showed the SIMS analysis result in FIG.

図1は、ZnO系化合物半導体の製造装置の概略図である。   FIG. 1 is a schematic view of a ZnO-based compound semiconductor manufacturing apparatus.

ZnO系化合物半導体を製造する方法としては、たとえば、13.56MHzの高周波を用い無電極放電管内でラジカル化された酸素ラジカルビームと、Kセルからの亜鉛ビームとを、成長温度まで昇温されている基板に同時照射し、基板上でZnOの成長を行わせる分子線エピタキシ(molecular beam epitaxy; MBE)法がある。   As a method of manufacturing a ZnO-based compound semiconductor, for example, an oxygen radical beam radicalized in an electrodeless discharge tube using a high frequency of 13.56 MHz and a zinc beam from a K cell are heated to a growth temperature. There is a molecular beam epitaxy (MBE) method in which a substrate that is simultaneously irradiated is irradiated with ZnO on the substrate.

超高真空容器11内に、基板加熱ヒータ16が配置され、基板17が、基板加熱ヒータ16に保持される。超高真空容器11が、亜鉛(Zn)ソースガン14、酸素(O)ラジカルソースガン15、マグネシウム(Mg)ソースガン18、窒素(N)ラジカルソースガン19、及び、ガリウム(Ga)ソースガン20を備える。亜鉛ソースガン14、マグネシウムソースガン18、及びガリウムソースガン20は、それぞれ、Zn、Mg、及びGaの固体ソースを収容するクヌーセンセルを含み、それぞれ、亜鉛ビーム、マグネシウムビーム、及びガリウムビームを出射する。   A substrate heater 16 is disposed in the ultra-high vacuum container 11, and the substrate 17 is held by the substrate heater 16. The ultra-high vacuum container 11 includes a zinc (Zn) source gun 14, an oxygen (O) radical source gun 15, a magnesium (Mg) source gun 18, a nitrogen (N) radical source gun 19, and a gallium (Ga) source gun 20. Is provided. The zinc source gun 14, the magnesium source gun 18, and the gallium source gun 20 each include a Knudsen cell that contains solid sources of Zn, Mg, and Ga, and emit a zinc beam, a magnesium beam, and a gallium beam, respectively. .

酸素ラジカルソースガン15及び窒素ラジカルソースガン19は、それぞれ、高周波(例えば13.56MHz)を用いる無電極放電管を含む。酸素ラジカルソースガン15及び窒素ラジカルソースガン19は、それぞれ、無電極放電官内で酸素ガス及び窒素ガスをラジカル化して、酸素ラジカルビーム及び窒素ラジカルビームを出射する。基板8上に、所望のタイミングで所望のビームを供給することにより、所望の組成のZnO系化合物半導体層を成長させることができる。   The oxygen radical source gun 15 and the nitrogen radical source gun 19 each include an electrodeless discharge tube that uses a high frequency (for example, 13.56 MHz). The oxygen radical source gun 15 and the nitrogen radical source gun 19 radicalize oxygen gas and nitrogen gas in an electrodeless discharger, respectively, and emit an oxygen radical beam and a nitrogen radical beam. By supplying a desired beam on the substrate 8 at a desired timing, a ZnO-based compound semiconductor layer having a desired composition can be grown.

超高真空容器11にはまた、反射高速電子線回折(RHEED)用のガン12、及び、RHEEDの回折像を映すスクリーン13が取り付けられている。RHEEDの回折像から、基板17上に形成されたZnO系化合物半導体層の結晶性を評価できる。ZnO系化合物半導体層が、平坦な表面を有する(2次元成長した)単結晶である場合は、RHEED回折像がストリークパタンを示し、平坦でない表面を有する(3次元成長した)単結晶である場合は、RHEED回折像がスポットパタンを示す。なお、ZnO系化合物半導体層が、多結晶である場合は、RHEED回折像がリングパタンを示す。   The ultra-high vacuum vessel 11 is also provided with a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) gun 12 and a screen 13 for displaying a RHEED diffraction image. From the RHEED diffraction image, the crystallinity of the ZnO-based compound semiconductor layer formed on the substrate 17 can be evaluated. When the ZnO-based compound semiconductor layer is a single crystal having a flat surface (two-dimensionally grown), the RHEED diffraction image shows a streak pattern, and is a single crystal having a non-flat surface (three-dimensionally grown) Shows a spot pattern in the RHEED diffraction image. When the ZnO-based compound semiconductor layer is polycrystalline, the RHEED diffraction image shows a ring pattern.

ZnO系化合物半導体素子において、n型層を成長させる際には、ラジカル化された酸素ラジカルビームと、Kセルから亜鉛ビーム及び、ガリウムビームを成長温度まで昇温されている基板1に同時照射する。   When growing an n-type layer in a ZnO-based compound semiconductor device, a radicalized oxygen radical beam, a zinc beam from a K cell, and a gallium beam are simultaneously irradiated onto the substrate 1 that has been heated to the growth temperature. .

その他、ZnO系化合物半導体発光素子を作製する上でホールキャリア注入層(p型層)、クラッド層などを成長させる際には、例えば、窒素ガスをラジカル化して得られた窒素ラジカルビームガン19、マグネシウム(Mg)ビームを出射するマグネシウムガン18などを用いて、所望の層を所望の組成で積層させる。   In addition, when a hole carrier injection layer (p-type layer), a cladding layer, or the like is grown in manufacturing a ZnO-based compound semiconductor light emitting device, for example, a nitrogen radical beam gun 19 obtained by radicalizing nitrogen gas, magnesium, etc. A desired layer is laminated with a desired composition using a magnesium gun 18 that emits a (Mg) beam.

ZnO系化合物半導体の作製に用いられる基板には、酸化亜鉛基板(ZnO)、サファイア基板(Al)、炭化珪素基板(SiC)、窒化ガリウム基板(GaN)、六方晶系MgZn−xO基板(0<x≦0.5)、立方晶系MgZn−xO基板(0.5<x≦1)、Si基板などがある。結晶性の良い酸化亜鉛(ZnO)層を得るためには格子不整合度の小さい基板ほどよく、特に好ましいのは酸化亜鉛(ZnO)基板である。また発光素子を作製する場合は、基板が活性層からの放射光を吸収しないようにし素子からの放射光の取り出し効率を落とさないように、ZnOに比べてバンドギャップが大きいMgZn−xO基板(0<x≦1)を用いるのも好ましい。 As a substrate used for manufacturing a ZnO-based compound semiconductor, a zinc oxide substrate (ZnO), a sapphire substrate (Al 2 O 3 ), a silicon carbide substrate (SiC), a gallium nitride substrate (GaN), a hexagonal Mg x Zn 1 There are a −xO substrate (0 <x ≦ 0.5), a cubic Mg x Zn 1 -xO substrate (0.5 <x ≦ 1), a Si substrate, and the like. In order to obtain a zinc oxide (ZnO) layer having good crystallinity, a substrate having a smaller lattice mismatch is better, and a zinc oxide (ZnO) substrate is particularly preferable. In the case of manufacturing a light emitting element, Mg x Zn 1 -xO, which has a larger band gap than ZnO, prevents the substrate from absorbing the emitted light from the active layer and reducing the extraction efficiency of the emitted light from the element. It is also preferable to use a substrate (0 <x ≦ 1).

基板は、+c面、−c面、a面、m面など種々の面を用いて、その上にZnO系化合物半導体層を成長させることができる。さらに、例えば+c面基板について、m方向やa方向などにオフ角をつけた種々の基板を用いることもできる。また、上記基板上に、MgZnO、ZnO、GaN膜を1μm以上形成したテンプレートを用いても良い。   As the substrate, various surfaces such as a + c plane, a −c plane, an a plane, and an m plane can be used, and a ZnO-based compound semiconductor layer can be grown thereon. Furthermore, for example, for the + c plane substrate, various substrates having an off angle in the m direction or the a direction can be used. Alternatively, a template in which an MgZnO, ZnO, or GaN film of 1 μm or more is formed on the substrate may be used.

図2は、本発明の実施例によるZnO系化合物半導体素子(ZnO系LED)の素子構造及び作製方法を説明するための概略的な断面図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a device structure and a manufacturing method of a ZnO-based compound semiconductor device (ZnO-based LED) according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施例による素子構造及びZnO系化合物半導体膜は、例えば、図1に記載の分子線エピタキシ(MBE)法にて作製する。なお、MBE法以外にも、例えば、PLD(Pulsed Laser Deposition)や、MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法など公知のエピタキシャル成長法を用いることもできる。   The device structure and the ZnO-based compound semiconductor film according to the embodiment of the present invention are produced by, for example, the molecular beam epitaxy (MBE) method shown in FIG. In addition to the MBE method, for example, a known epitaxial growth method such as PLD (Pulsed Laser Deposition) or MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) can also be used.

まず、洗浄された+c ZnO基板1上に、緩衝層(バッファ層)2を形成する。厚さは100Å〜300Å程度が望ましく、200℃〜400℃で成長させる。その後、緩衝層(バッファ層)2を高品質化させるためにアニールを行う。アニール温度は500℃〜1000℃で、アニール時間は3分〜30分である。   First, a buffer layer (buffer layer) 2 is formed on the cleaned + c ZnO substrate 1. The thickness is preferably about 100 to 300 mm and grown at 200 to 400 ° C. Thereafter, annealing is performed to improve the quality of the buffer layer (buffer layer) 2. The annealing temperature is 500 ° C. to 1000 ° C., and the annealing time is 3 minutes to 30 minutes.

次に、緩衝層(バッファ層)2の表面上に、ガリウムもしくはアルミニウムをドーピングしたn型半導体層3を形成する。厚さは100Å〜10000Åで、n型ドーパントの濃度は、5×1017cm−3以上である。成長温度は800〜1000℃である。 Next, an n-type semiconductor layer 3 doped with gallium or aluminum is formed on the surface of the buffer layer (buffer layer) 2. The thickness is 100 to 10000 and the concentration of the n-type dopant is 5 × 10 17 cm −3 or more. The growth temperature is 800-1000 ° C.

n型半導体層3の表面上に、n型ドーパントの拡散を防止する為の拡散防止層9を形成する。なお、拡散防止層9に関しては、後に詳述する。拡散防止層9の表面上に、undoped MgZn1−yO(0≦y≦0.6)活性層4を形成する。活性層4は単一の層でも構わないし、例えばMgZnOとZnOを用いた量子井戸構造をとっても構わない。成長温度は、500℃〜1000℃である。 On the surface of the n-type semiconductor layer 3, a diffusion preventing layer 9 for preventing the diffusion of the n-type dopant is formed. The diffusion preventing layer 9 will be described in detail later. On the surface of the diffusion prevention layer 9, an undoped Mg y Zn 1-y O (0 ≦ y ≦ 0.6) active layer 4 is formed. The active layer 4 may be a single layer or may have a quantum well structure using, for example, MgZnO and ZnO. The growth temperature is 500 ° C to 1000 ° C.

なお、活性層4は特に結晶品質の高いものが必要であり、成長温度が500℃より低い場合は、結晶性の高い高品質なMgZn1−yO(0≦y<1)が成長されず、成長温度が1000℃より高い場合は、Zn元素が基板上から再蒸発してしまい、成長レートが著しく低下してしまう。 The active layer 4 must have a particularly high crystal quality. When the growth temperature is lower than 500 ° C., high-quality Mg y Zn 1-y O (0 ≦ y <1) with high crystallinity is grown. If the growth temperature is higher than 1000 ° C., the Zn element is re-evaporated from the substrate, and the growth rate is significantly reduced.

活性層4の表面上に、窒素(N)をドーピングしたp型半導体層(MgZn1−zO(0≦z≦0.6))5を形成する。厚さは50〜2000Åで、窒素(N)の密度は、1×1018cm−3以上である。成長温度300〜800℃で成長させる。 A p-type semiconductor layer (Mg z Zn 1-z O (0 ≦ z ≦ 0.6)) 5 doped with nitrogen (N) is formed on the surface of the active layer 4. The thickness is 50 to 2000 mm, and the density of nitrogen (N) is 1 × 10 18 cm −3 or more. The growth is performed at a growth temperature of 300 to 800 ° C.

p型半導体層5における窒素(N)濃度は、LEDなどの発光素子を作製する場合、少なくともホールキャリア密度として1×1016cm−3以上は必要であるとされる。ZnO及び、ZnMgO中にアクセプタとしてドーピングされるN元素は活性化率が低く、1×1018cm−3以上ドーピングしなければ有効なホールキャリアが得られていない。また、Nの濃度が5×1020cm−3より多くドーピングされるとp型ZnMgO層及び、p型ZnO膜中に多くの欠陥が発生してしまい素子に電流を流した場合のリークの原因となってしまう場合がある。その為、Nの濃度は1×1018cm−3〜5×1020cm−3の範囲が好ましい。より好適には、1×1019cm−3〜3×1020cm−3の範囲である。 The nitrogen (N) concentration in the p-type semiconductor layer 5 is required to be at least 1 × 10 16 cm −3 or more as a hole carrier density when a light emitting device such as an LED is manufactured. ZnO and N element doped as an acceptor in ZnMgO have a low activation rate, and effective hole carriers cannot be obtained unless doping is performed at 1 × 10 18 cm −3 or more. In addition, if the concentration of N is more than 5 × 10 20 cm −3 , many defects are generated in the p-type ZnMgO layer and the p-type ZnO film, causing a leak when a current is passed through the device. It may become. Therefore, the concentration of N is preferably in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 . More preferably, in the range of 1 × 10 19 cm -3 ~3 × 10 20 cm -3.

なお、p型半導体層5は窒素(N)の代わりに、p型ドーパントとしてV属元素であるPやAsを使用することもできる。また、V属元素ではなく、LiやNaまたは、CuやAgなどのI族元素をp型ドーパントとして使用することもできる。さらに、これらを組み合わせて例えばNとPなど2元素以上を同時にドーピングしても構わない。   In addition, the p-type semiconductor layer 5 can also use P and As which are V group elements as a p-type dopant instead of nitrogen (N). In addition, a group I element such as Li, Na, Cu, or Ag can be used as the p-type dopant instead of the group V element. Further, a combination of these may be used to simultaneously dope two or more elements such as N and P.

N元素はZnOのOサイトの一部を置換してアクセプタとなるが、種々のV属元素のなかでNがOとのイオン半径が近しく、安定的に置換がなされる。Nのドーピングに用いるものは、N元素を含むものであれば、N、NO、NO、N+O、NHなどの種々のソースを用いてもかまわない。 The N element substitutes a part of the O site of ZnO to become an acceptor, but among the various group V elements, N has a close ionic radius with O and is stably substituted. What is used for doping N may be various sources such as N 2 , N 2 O, NO, N 2 + O 2 , and NH 3 as long as they contain N element.

上記の層形成(成膜)工程に続いて、電極を作製した。基板1の表面にn型電極(例えば厚さ20〜100Åのチタン層上に、3000〜5000Åのアルミニウム層)8を形成し、p型半導体層表面にp型透光性電極(例えば厚さ5〜50Åのニッケル層と、その表面上に形成される厚さ10〜200Åの金層)6及び、p型透光性電極6上にボンディング用パッド電極(例えば厚さ1000Åのニッケル層と、厚さ10000Åの金)7を作製する。電極を形成する工程は、例えばレジスト膜などを用いたリソグラフィ技術が用いられる。   Subsequent to the layer formation (film formation) step, an electrode was produced. An n-type electrode (for example, a 3000 to 5000 mm aluminum layer on a 20 to 100 mm thick titanium layer) 8 is formed on the surface of the substrate 1, and a p type translucent electrode (for example, 5 mm thick) is formed on the surface of the p type semiconductor layer. A nickel layer having a thickness of ˜50 mm, a gold layer having a thickness of 10 to 200 mm formed on the surface thereof, and a bonding pad electrode (for example, a nickel layer having a thickness of 1000 mm and a thickness on the p-type translucent electrode 6) 10000 gold) 7 is produced. In the step of forming the electrode, for example, a lithography technique using a resist film or the like is used.

この後、例えば300〜800℃の酸化性ガス雰囲気中で、電極合金化処理を行う。合金処理時間は例えば30秒〜10分程度である。以上のようにして、ZnO系化合物半導体発光素子(ZnO系LED)の製造を行う。   Thereafter, an electrode alloying process is performed in an oxidizing gas atmosphere at 300 to 800 ° C., for example. The alloy processing time is, for example, about 30 seconds to 10 minutes. As described above, a ZnO-based compound semiconductor light-emitting element (ZnO-based LED) is manufactured.

なお、本実施例による発光デバイスの作製例については、+c面ZnO基板(n型伝導性)を用いたが、例えばサファイア(Al)などの絶縁性基板を用いる場合には、電極を素子の上下に作製することができない為、ドライエッチング法などを用いてn型半導体層3を上面へ表出させてその上部にn型電極8を作製するなど、発光素子の作製工程が一部異なる。 In addition, although the + c plane ZnO substrate (n-type conductivity) was used for the manufacturing example of the light emitting device according to this example, when an insulating substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ) is used, an electrode is used. Since it cannot be fabricated on the top and bottom of the device, a part of the process for fabricating the light emitting device, such as using the dry etching method to expose the n-type semiconductor layer 3 to the upper surface and fabricating the n-type electrode 8 on the upper surface. Different.

なお、GaやAlなどのIII族元素がドーピングされたZnO基板などを用いて、半導体発光素子を作製する場合、その基板自体が電子注入層の役目を担うため、n型半導体層3を省くことも可能である。その場合でも、本実施例の拡散防止層9を用いることで基板1からのドーパントの拡散を抑制することが可能になる。さらに、n型ドーパントがドーピングされたn型半導体層3/基板1と活性層4の間に拡散防止層9が挿入されていれば、n型ドーパントがドーピングされたn型半導体層3/基板1と、拡散防止層9は、隣合わせである必要はない。   When a semiconductor light emitting device is manufactured using a ZnO substrate doped with a group III element such as Ga or Al, the n-type semiconductor layer 3 is omitted because the substrate itself serves as an electron injection layer. Is also possible. Even in that case, the diffusion of the dopant from the substrate 1 can be suppressed by using the diffusion preventing layer 9 of this embodiment. Furthermore, if the diffusion prevention layer 9 is inserted between the n-type semiconductor layer 3 / substrate 1 doped with the n-type dopant and the active layer 4, the n-type semiconductor layer 3 / substrate 1 doped with the n-type dopant. And the diffusion prevention layer 9 does not need to be adjacent.

本発明者らは、上述の実施例によるZnO系化合物半導体を製造する方法により、サンプル1〜3の三種の半導体発光素子を実際に作製した。以下、サンプル1〜3のそれぞれの作製条件について説明する。   The inventors actually manufactured three types of semiconductor light emitting devices of Samples 1 to 3 by the method of manufacturing the ZnO-based compound semiconductor according to the above-described example. Hereinafter, each production condition of Samples 1 to 3 will be described.

まず、サンプル1について説明する。洗浄された+c ZnO基板1上に、undoped ZnO緩衝層(バッファ層)2を形成した。厚さはおよそ300Åで、300℃で成長させた。その後、undoped ZnO緩衝層(バッファ層)2を高品質化させるためにアニールを行った。アニール温度は900℃で、アニール時間は20分とした。   First, sample 1 will be described. An undoped ZnO buffer layer (buffer layer) 2 was formed on the cleaned + c ZnO substrate 1. The thickness was approximately 300 mm and the film was grown at 300 ° C. Thereafter, annealing was performed to improve the quality of the undoped ZnO buffer layer (buffer layer) 2. The annealing temperature was 900 ° C. and the annealing time was 20 minutes.

続いて、緩衝層(バッファ層)2の表面上に、n型半導体層3を形成した。n型半導体層3は、Ga−doped ZnOで、Gaの濃度は、2.0×1018cm−3程度で、成長温度は950℃とした。 Subsequently, an n-type semiconductor layer 3 was formed on the surface of the buffer layer (buffer layer) 2. The n-type semiconductor layer 3 was Ga-doped ZnO, the Ga concentration was about 2.0 × 10 18 cm −3 , and the growth temperature was 950 ° C.

次に、n型半導体層3の表面上に、n型ドーパントの拡散を防止する為のN−doped ZnO拡散防止層9を形成した。成長温度は900℃、Znビームフラックス=3.0Å/s、O流量1sccm/RFパワー250W、N流量1sccm/RFパワー140Wにておよそ50nm積層した。 Next, an N-doped ZnO diffusion prevention layer 9 for preventing the diffusion of the n-type dopant was formed on the surface of the n-type semiconductor layer 3. The growth temperature was 900 ° C., Zn beam flux = 3.0 Å / s, O 2 flow rate 1 sccm / RF power 250 W, and N 2 flow rate 1 sccm / RF power 140 W.

続いて、拡散防止層9の表面上にundoped ZnO活性層4を形成した。成長温度は、900℃である。その後、活性層4の表面上に、窒素(N)をドーピングしたp型半導体層(N−doped MgZnO(Mg組成0.2))5を形成した。成長温度700℃、Znビームフラックス=1.0Å/s、Mgビームフラックス=0.2Å/s、O流量:2sccm/RFパワー:300W、N流量:1sccm/RFパワー:120Wにておよそ50nm積層させた。 Subsequently, an undoped ZnO active layer 4 was formed on the surface of the diffusion preventing layer 9. The growth temperature is 900 ° C. Thereafter, a p-type semiconductor layer (N-doped MgZnO (Mg composition 0.2)) 5 doped with nitrogen (N) was formed on the surface of the active layer 4. Growth temperature 700 ° C., Zn beam flux = 1.0 Å / s, Mg beam flux = 0.2 Å / s, O 2 flow rate: 2 sccm / RF power: 300 W, N 2 flow rate: 1 sccm / RF power: 120 W, approximately 50 nm Laminated.

次に、サンプル2について説明する。緩衝層(バッファ層)2、活性層4及びp型半導体層5は、サンプル1と同様に形成した。   Next, sample 2 will be described. The buffer layer (buffer layer) 2, the active layer 4, and the p-type semiconductor layer 5 were formed in the same manner as in the sample 1.

緩衝層(バッファ層)2の表面上に、n型半導体層3を形成した。n型半導体層3は、Ga−doped MgZnO(Mg組成0.2)で、Gaの濃度は、2.0×1018cm−3程度で、成長温度は950℃とした。 An n-type semiconductor layer 3 was formed on the surface of the buffer layer (buffer layer) 2. The n-type semiconductor layer 3 was Ga-doped MgZnO (Mg composition 0.2), the Ga concentration was about 2.0 × 10 18 cm −3 , and the growth temperature was 950 ° C.

n型ドーパントの拡散を防止する為のN−doped MgZnO拡散防止層9は、サンプル1と異なり、成長温度を950℃とし、Znビームフラックス=3.0Å/s、Mgビームフラックス=0.1Å/s、O流量1sccm/RFパワー250W、N流量1sccm/RFパワー140Wにておよそ50nm積層した。 Unlike the sample 1, the N-doped MgZnO diffusion prevention layer 9 for preventing the diffusion of the n-type dopant has a growth temperature of 950 ° C., Zn beam flux = 3.0 Å / s, Mg beam flux = 0.1 Å / s, O 2 flow rate 1 sccm / RF power 250 W, N 2 flow rate 1 sccm / RF power 140 W, about 50 nm was laminated.

次に、サンプル3について説明する。緩衝層(バッファ層)2及び活性層4は、サンプル1及び2と同様に形成した。   Next, sample 3 will be described. The buffer layer (buffer layer) 2 and the active layer 4 were formed in the same manner as Samples 1 and 2.

緩衝層(バッファ層)2の表面上に、n型半導体層3を形成した。n型半導体層3は、Ga−doped ZnO(Mg組成0.19)で、Gaの濃度は、2.0×1018cm−3程度で、成長温度は950℃とした。 An n-type semiconductor layer 3 was formed on the surface of the buffer layer (buffer layer) 2. The n-type semiconductor layer 3 was Ga-doped ZnO (Mg composition 0.19), the Ga concentration was about 2.0 × 10 18 cm −3 , and the growth temperature was 950 ° C.

n型ドーパントの拡散を防止する為のN−doped MgZnO拡散防止層9は、サンプル1及び2と異なり、成長温度950℃、Znビームフラックス=3.0Å/s、Mgビームフラックス=0.2Å/s、O流量2sccm/RFパワー300W、N流量1sccm/RFパワー120Wにておよそ50nm積層した。 The N-doped MgZnO diffusion prevention layer 9 for preventing the diffusion of the n-type dopant is different from the samples 1 and 2 in that the growth temperature is 950 ° C., the Zn beam flux = 3.0 Å / s, the Mg beam flux = 0.2 Å / s, O 2 flow rate 2 sccm / RF power 300 W, N 2 flow rate 1 sccm / RF power 120 W, about 50 nm was laminated.

活性層の表面上には、窒素(N)をドーピングしたp型半導体層(N−doped MgZnO (Mg組成0.2))を形成した。成長温度650℃、Znビームフラックス=1.0Å/s、Mgビームフラックス=0.2Å/s、O流量2sccm/RFパワー300W、N流量1sccm/RFパワー120Wにておよそ50nm積層した。 A p-type semiconductor layer doped with nitrogen (N) (N-doped MgZnO 2 (Mg composition 0.2)) was formed on the surface of the active layer. The layers were stacked at a growth temperature of 650 ° C., Zn beam flux = 1.0 Å / s, Mg beam flux = 0.2 Å / s, O 2 flow rate 2 sccm / RF power 300 W, N 2 flow rate 1 sccm / RF power 120 W, and a thickness of about 50 nm.

上記のサンプル1〜3のいずれも層形成(成膜)工程に続いて、図2を参照して説明したように電極を作製し、電極合金化処理を行った。以上のようにして、ZnO系LEDサンプル1〜3の製造を行った。   In any of the above samples 1 to 3, following the layer formation (film formation) step, an electrode was produced as described with reference to FIG. As described above, ZnO-based LED samples 1 to 3 were manufactured.

サンプル1〜3として形成した拡散防止層9は、どれもn型伝導性を示す。N元素はZnOのOサイトを置換した場合アクセプタとなるが、成長条件によってはN分子などの形で取り込まれる。この場合、ZnO中のN分子はダブルドナーとして振舞うため、結果としてN−doped MgZn1−wO(0≦w<1)は、n型伝導性を示す。よって、本実施例に用いたN−doped MgZnO拡散防止層9は、n型伝導性を示している。 All of the diffusion prevention layers 9 formed as Samples 1 to 3 exhibit n-type conductivity. N element becomes an acceptor when the O site of ZnO is substituted, but is incorporated in the form of N 2 molecule or the like depending on the growth conditions. In this case, since the N 2 molecule in ZnO behaves as a double donor, as a result, N-doped Mg w Zn 1-w O (0 ≦ w <1) exhibits n-type conductivity. Therefore, the N-doped MgZnO diffusion prevention layer 9 used in this example exhibits n-type conductivity.

ここで、拡散防止層の成長条件について説明する。   Here, the growth conditions of the diffusion preventing layer will be described.

Znのフラックス強度をJZn、Mgのフラックス強度JMgとし、Oラジカルのフラックス強度をJOとする。また、MgZnO結晶のO終端面へのZn及びMgの付着しやすさを示す係数(Zn及びMgの付着係数)をkZn、kMgとし、MgZnO結晶のZn及びMg終端面へのOの付着しやすさを示す係数(Oの付着係数)をkOとする。このとき、Znの付着係数kZnとフラックス強度JZnとの積であるkZnJZn、Mgの付着係数kMgとフラックス強度JMgとの積であるkMgJMgは、基板上の単位面積に、単位時間当たりに付着するZn原子及びMg原子の個数に対応する。また、Oの付着係数kOとフラックス強度JOとの積kOJOは、基板の単位面積に、単位時間当たりに付着するO原子の個数に対応する。積kZnJZn+積kMgJMgと、積kOJOとの比をII族元素とVI族元素の比という意味で、II/VIフラックス比と定義する。   Zn flux strength is JZn, Mg flux strength JMg, and O radical flux strength is JO. Further, the coefficients (Zn and Mg adhesion coefficients) indicating the ease of adhesion of Zn and Mg to the O-terminated surface of the MgZnO crystal are kZn and kmg, and O easily adheres to the Zn and Mg-terminated surface of the MgZnO crystal. A coefficient (O adhesion coefficient) indicating the thickness is kO. At this time, kZnJZn, which is a product of Zn adhesion coefficient kZn and flux strength JZn, and MgMgJMg, which is a product of Mg adhesion coefficient kmg and flux strength JMg, is deposited on a unit area on the substrate per unit time. This corresponds to the number of atoms and Mg atoms. The product kOJO of the adhesion coefficient kO of O and the flux strength JO corresponds to the number of O atoms deposited per unit time on the unit area of the substrate. The ratio of the product kZnJZn + product kmgJMg and the product kOJO is defined as the II / VI flux ratio in the sense of the ratio of group II elements to group VI elements.

本発明における拡散防止層9の成長条件としては、II/VIフラックス比がII/VI≧1であり、成長温度が800℃以上であることが望ましい。これは、成長温度が高いほどその熱エネルギーによってN分子ダブルドナーが生成されやすくなり、またII/VIフラックス比が増加していくと膜中のN濃度が増える為であると思われる。 As growth conditions for the diffusion preventing layer 9 in the present invention, it is desirable that the II / VI flux ratio is II / VI ≧ 1 and the growth temperature is 800 ° C. or higher. This is presumably because the higher the growth temperature, the easier the N 2 molecular double donor is generated by the thermal energy, and the N concentration in the film increases as the II / VI flux ratio increases.

なお、拡散防止層9へのNのドーピングに用いるものは、N元素を含むものであれば、N、NO、NO、N+O、NHなどの種々のソースを用いてもかまわない。 Incidentally, those used in doping N into the diffusion preventing layer 9, as long as it contains an N element, N 2, N 2 O, NO, even using a variety of sources, such as N 2 + O 2, NH 3 It doesn't matter.

作製したサンプル1〜3について、拡散防止層9のN濃度および、Mg組成を以下の表1に示す。   Table 1 below shows the N concentration and Mg composition of the diffusion prevention layer 9 for the prepared samples 1 to 3.

Figure 0005426315

実施例にて作製したサンプル1〜3は、全てn型半導体層3からのn型ドーパントの拡散が拡散防止層9内で抑えられている。拡散防止層9へのNは、19乗オーダーでもその効果が確認できる。
Figure 0005426315

In all of Samples 1 to 3 produced in the example, the diffusion of the n-type dopant from the n-type semiconductor layer 3 is suppressed in the diffusion prevention layer 9. The effect of N on the diffusion preventing layer 9 can be confirmed even on the order of 19th power.

さらに、N濃度に関して言及すると、拡散防止層9内へドープされるN濃度が多い方が効果的に拡散が抑えられているように思われる。つまりN濃度の範囲としては、1×1020cm−3程度以上がより好ましいと予想される。 Further, regarding the N concentration, it seems that the diffusion is effectively suppressed when the N concentration doped into the diffusion preventing layer 9 is large. That is, it is expected that the N concentration range is more preferably about 1 × 10 20 cm −3 or more.

図3は、拡散防止層を導入したZnO系LED素子構造のN濃度とGa濃度の深さ方向のプロファイルを示すグラフである。このプロファイルは、上述したサンプル3の測定結果である。なお、本プロファイルは、SIMS(Secondary Ion−microprobe Mass Spectrometer)分析によるものである。   FIG. 3 is a graph showing profiles in the depth direction of N concentration and Ga concentration of a ZnO-based LED element structure in which a diffusion preventing layer is introduced. This profile is a measurement result of the sample 3 described above. This profile is based on SIMS (Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer) analysis.

上記プロファイルによると、n型半導体層にドープしたGaは、拡散防止層9によって活性層4及びp型半導体層5への拡散が抑制されている。   According to the above profile, the diffusion of Ga doped in the n-type semiconductor layer into the active layer 4 and the p-type semiconductor layer 5 is suppressed by the diffusion preventing layer 9.

SIMS分析により、n型半導体層3から拡散防止層9内へのGaの拡散はおよそ20nm程度と測定される。つまり、拡散防止層9の層厚が20nm程度あれば、実施例の効果は得られると予想される。ただし、n型ドーパントの拡散する距離は、n型半導体層内のドーパント濃度/結晶品質、さらには、拡散防止層の結晶品質/N濃度などによっても異なる。   By SIMS analysis, the diffusion of Ga from the n-type semiconductor layer 3 into the diffusion prevention layer 9 is measured to be about 20 nm. That is, if the thickness of the diffusion preventing layer 9 is about 20 nm, the effect of the embodiment is expected to be obtained. However, the distance at which the n-type dopant diffuses varies depending on the dopant concentration / crystal quality in the n-type semiconductor layer, and also the crystal quality / N concentration of the diffusion prevention layer.

図4は、本発明の実施例による半導体発光素子のサンプル3の拡散防止層9と同条件で作製したN−doped MgZnO単膜のC−V測定結果を表すグラフである。横軸に電圧、縦軸に1/C2の値をとっている。なお、Cの単位は、[nF/cm]を用いて表している。 FIG. 4 is a graph showing a CV measurement result of an N-doped MgZnO single film manufactured under the same conditions as the diffusion prevention layer 9 of the sample 3 of the semiconductor light emitting device according to the example of the present invention. The horizontal axis represents voltage, and the vertical axis represents 1 / C2. The unit of C is expressed using [nF / cm 2 ].

この測定によるグラフの傾きからNdを算出すると、本実施例における拡散防止層9は、1.5×1018cm−3のn型不純物密度を持っていることが確認された。 When Nd was calculated from the slope of the graph by this measurement, it was confirmed that the diffusion prevention layer 9 in this example had an n-type impurity density of 1.5 × 10 18 cm −3 .

図5は、本発明の実施例による拡散防止層9を導入したZnO系LED(サンプル3)の電流電圧特性を表すグラフである。   FIG. 5 is a graph showing current-voltage characteristics of a ZnO-based LED (sample 3) into which the diffusion prevention layer 9 according to the embodiment of the present invention is introduced.

縦軸は1目盛りで2mAとし、横軸は1目盛りで2Vとして測定を行っている。閾値電圧はおよそ3.3Vであり、図9に示す従来方法で作製したZnO系LEDの電流電圧特性と比較して、閾値電圧が上昇しているのが分かる。これは、拡散防止層9を導入したことで、Gaの拡散によりp型半導体層の伝導性が悪化するのが防止された為であると考えられる。   The vertical axis is 1 mA and 2 mA, and the horizontal axis is 1 V and 2 V. The threshold voltage is about 3.3 V, and it can be seen that the threshold voltage is increased as compared with the current-voltage characteristics of the ZnO-based LED manufactured by the conventional method shown in FIG. This is presumably because the introduction of the diffusion prevention layer 9 prevents the conductivity of the p-type semiconductor layer from being deteriorated due to the diffusion of Ga.

図6は、従来例で作製した図7に示すZnO系LEDおよび、図1に示す本発明の実施例(サンプル3)による拡散防止層9を導入したZnO系LEDのELスペクトルである。横軸に波長を、縦軸に発光強度を示している。   FIG. 6 is an EL spectrum of the ZnO-based LED shown in FIG. 7 manufactured in the conventional example and the ZnO-based LED into which the diffusion prevention layer 9 according to the embodiment of the present invention (sample 3) shown in FIG. 1 is introduced. The horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the emission intensity.

従来例で作製したZnO系LEDが非発光であるのに対し、本発明の実施例により作製されたZnO系LEDは380nm付近に発光ピークが観測される。これは、ZnOのバンド端付近からの発光であると考えられる。この違いは、拡散防止層9を導入したことで、Gaの拡散によりp型半導体層の伝導性が悪化するのが防止された為であると考えられる。   While the ZnO-based LED fabricated in the conventional example does not emit light, the ZnO-based LED fabricated according to the example of the present invention has an emission peak observed in the vicinity of 380 nm. This is considered to be light emission from the vicinity of the band edge of ZnO. This difference is considered to be because the introduction of the diffusion preventing layer 9 prevents the conductivity of the p-type semiconductor layer from being deteriorated due to the diffusion of Ga.

以上、本発明の実施例によれば、n型ドーパントがドープされたZnO系n型層3と、活性層4もしくはp型層5との間に、Nをドープした(Mg)ZnO:N層を拡散防止層9として挿入するので、n型ドーパントは(Mg)ZnO:N層9でとどめられ、その先の層(活性層4もしくはp型層5等)へと拡散しない。   As described above, according to the embodiment of the present invention, the (Mg) ZnO: N layer doped with N between the ZnO-based n-type layer 3 doped with the n-type dopant and the active layer 4 or the p-type layer 5. Is inserted as the diffusion preventing layer 9, the n-type dopant is limited to the (Mg) ZnO: N layer 9, and does not diffuse into the layer (the active layer 4 or the p-type layer 5).

よって、活性層の結晶品質をn型ドーパントの拡散によって落とすようなことが起こらないため、発光効率を落とさない半導体発光素子を作製することができる。   Therefore, since the crystal quality of the active layer is not deteriorated by the diffusion of the n-type dopant, a semiconductor light emitting device that does not reduce the light emission efficiency can be manufactured.

また、p型半導体層の伝導性が、n型ドーパントの拡散によって悪化するのを防ぐことが出来る。   Further, the conductivity of the p-type semiconductor layer can be prevented from being deteriorated by the diffusion of the n-type dopant.

なお、上述の実施例では、ZnOへのn型ドーパントとしてGaを用いたが、この他に、AlやInなどのIII族元素を用いることが出来る。本実施例でn型ドーパントとして用いたGa元素に対して、Al元素は拡散係数が小さい。つまり、拡散防止層9はn型半導体層3のドーパントをAlとした場合、例えば拡散防止層9の層厚をより薄くすることが可能になる。一方、それと比較してIn元素は拡散係数が大きく、この場合、拡散防止層9の層厚を厚くしなければ拡散が抑えられないと考えられる。   In the above-described embodiment, Ga is used as an n-type dopant for ZnO, but other group III elements such as Al and In can be used. The Al element has a smaller diffusion coefficient than the Ga element used as the n-type dopant in this example. That is, in the diffusion prevention layer 9, when the dopant of the n-type semiconductor layer 3 is Al, for example, the diffusion prevention layer 9 can be made thinner. On the other hand, the In element has a large diffusion coefficient, and in this case, it is considered that the diffusion cannot be suppressed unless the thickness of the diffusion preventing layer 9 is increased.

また、ZnO系半導体に対するn型ドーパントとしては種々のVII族元素も有効であり、本発明の実施例による拡散防止層9はVII族元素を用いたn型半導体層からのドーパントの拡散を抑制する働きを有する可能性が考えられる。   In addition, various group VII elements are effective as n-type dopants for ZnO-based semiconductors, and the diffusion prevention layer 9 according to the embodiment of the present invention suppresses diffusion of dopants from the n-type semiconductor layer using group VII elements. The possibility of having a function is considered.

また、本発明の実施例はMgZn1−xO以外にも、[CdZn1−aO、BeZn1−aO、CaZn1−aO(ともに、0<a<1)]や、[ZnO1−b、ZnO1−bSe、ZnO1−bTe(ともに0<b<1)]などといったZnO系の種々の多元系混晶層を素子内に有するLEDにも適用できる。 In addition to Mg x Zn 1-x O, examples of the present invention include [Cd a Zn 1-a O, Be a Zn 1-a O, Ca a Zn 1-a O (both 0 <a < 1)], [ZnO 1-b S b , ZnO 1-b Se b , ZnO 1-b Te b (both 0 <b <1)], etc. It is applicable also to LED which has.

なお、本発明の実施例は、短波長(紫外線〜青色の波長)発光ダイオード(light emitting diode;LED)或いは、短波長レーザーダイオード(Laser diode;LD)及び、その応用製品、例えば、各インジケータやLEDディスプレイなどに適用可能である。   In addition, the embodiment of the present invention includes a short wavelength (ultraviolet to blue wavelength) light emitting diode (LED) or a short wavelength laser diode (LD) and its application products such as indicators, It can be applied to an LED display or the like.

また、白色LED及び、その応用製品、例えば、照明器具、各インジケータ、ディスプレイ、各表示器のバックライトなどにも適用可能である。また、ZnO系電極(例えば透明導電膜)、及びその応用製品、ZnO系トランジスタなど種々の電子デバイス及びその応用製品、ZnO系センサ(例えば湿度センサ、紫外線センサなど)及びその応用製品にも適用可能である。   Moreover, it is applicable also to white LED and its application products, for example, a lighting fixture, each indicator, a display, the backlight of each indicator. Also applicable to ZnO-based electrodes (for example, transparent conductive films) and their applied products, various electronic devices such as ZnO-based transistors and their applied products, ZnO-based sensors (for example, humidity sensors, ultraviolet sensors, etc.) and their applied products. It is.

さらに、ZnO系化合物半導体発光素子だけではなく、例えば、トランジスタや、透明導電膜、圧電素子、熱電素子、紫外線センサーなどZnO系半導体層をその一部に包括するような種々のZnO系化合物半導体素子及びその半導体素子の応用製品に適用可能である。   In addition to ZnO-based compound semiconductor light-emitting devices, various ZnO-based compound semiconductor devices that include ZnO-based semiconductor layers, such as transistors, transparent conductive films, piezoelectric elements, thermoelectric elements, and ultraviolet sensors. And applicable products of the semiconductor element.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

1 ZnO基板
2 バッファ層
3 n型半導体層
4 活性層
5 p型半導体層
6 p型透光性電極
7 ボンディング用パッド電極
8 n型電極
9 拡散防止層
11 超高真空容器
12 反射高速電子線回折(RHEED)用ガン
13 反射高速電子線回折(RHEED)用スクリーン
14 亜鉛(Zn)ソースガン
15 酸素(O)ラジカルソースガン
16 基板加熱ヒータ
17 基板
18 マグネシウム(Mg)ソースガン
19 窒素(N)ラジカルソースガン
20 ガリウム(Ga)ソースガン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ZnO substrate 2 Buffer layer 3 n-type semiconductor layer 4 Active layer 5 p-type semiconductor layer 6 p-type translucent electrode 7 Bonding pad electrode 8 n-type electrode 9 Diffusion prevention layer 11 Ultrahigh vacuum vessel 12 Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) gun 13 Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) screen 14 Zinc (Zn) source gun 15 Oxygen (O) radical source gun 16 Substrate heater 17 Substrate 18 Magnesium (Mg) source gun 19 Nitrogen (N) radical Source Gun 20 Gallium (Ga) Source Gun

Claims (8)

III族元素がドープされたn型半導体層と、
前記n型半導体層の上方に形成されたp型半導体層と、
前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に形成された活性層と、
前記n型半導体層と活性層との間に形成され、かつ、窒素がドープされたn型拡散防止層
を有し、
前記n型拡散防止層の窒素が、少なくとも1×10 20 cm −3 以上ドープされているZnO系化合物半導体素子。
An n-type semiconductor layer doped with a group III element;
A p-type semiconductor layer formed above the n-type semiconductor layer ;
An active layer formed between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer;
Wherein formed between the n-type semiconductor layer and the active layer, and have a n-type diffusion preventing layer which nitrogen is doped,
A ZnO-based compound semiconductor element doped with at least 1 × 10 20 cm −3 or more of nitrogen in the n-type diffusion prevention layer .
前記n型半導体層にドープされるIII族元素が、Ga、Al、Inのいずれか1つ以上である請求項1記載のZnO系化合物半導体素子。 2. The ZnO-based compound semiconductor device according to claim 1, wherein the group III element doped in the n-type semiconductor layer is one or more of Ga, Al, and In. 3. 前記n型拡散防止層は、窒素ドープMgZn1−xO(0≦x<1)からなる請求項1又は2記載のZnO系化合物半導体素子。 The ZnO-based compound semiconductor device according to claim 1, wherein the n-type diffusion prevention layer is made of nitrogen-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x <1). 前記n型拡散防止層が、前記n型半導体層と前記活性層の間に挿入された10nm以上の半導体層からなる請求項1〜3のいずれか1項に記載のZnO系化合物半導体素子。 4. The ZnO-based compound semiconductor device according to claim 1, wherein the n-type diffusion prevention layer is formed of a semiconductor layer of 10 nm or more inserted between the n-type semiconductor layer and the active layer. 前記n型半導体層が、III族元素がドープされたMgZn1−xO(0≦x<1)層からなる請求項1〜4のいずれか1項に記載のZnO系化合物半導体素子。 5. The ZnO-based compound semiconductor device according to claim 1, wherein the n-type semiconductor layer is composed of a Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x <1) layer doped with a group III element. 前記n型半導体層と、前記n型拡散防止層と、前記活性層と、前記p型半導体層とが、酸化亜鉛基板(ZnO)、サファイア基板(Al2O3)、炭化珪素基板(SiC)、窒化ガリウム基板(GaN)、MgZn1−xO基板(0<x≦1)、Si基板のいずれか一つの基板上に積層される請求項1〜5のいずれか1項に記載のZnO系化合物半導体素子。 The n-type semiconductor layer, the n-type diffusion prevention layer, the active layer, and the p-type semiconductor layer include a zinc oxide substrate (ZnO), a sapphire substrate (Al2O3), a silicon carbide substrate (SiC), and gallium nitride. 6. The ZnO-based compound according to claim 1, wherein the ZnO-based compound is laminated on any one of a substrate (GaN), a Mg x Zn 1-x O substrate (0 <x ≦ 1), and a Si substrate. Semiconductor element. 基板を準備する工程と、
MBE法を用いて、前記基板上に、III族元素がドープされたn型半導体層と、窒素がドープされたn型拡散防止層の少なくとも2層からなるn型層を形成する工程と、
MBE法を用いて、前記n型拡散防止層上に活性層を形成する工程と、
MBE法を用いて、前記活性層上に、p型半導体層を形成する工程と
を有し、
前記n型拡散防止層の窒素が、少なくとも1×10 20 cm −3 以上ドープされているZnO系化合物半導体素子の製造方法。
Preparing a substrate;
Forming an n-type layer consisting of at least two layers of an n-type semiconductor layer doped with a group III element and an n-type diffusion prevention layer doped with nitrogen, using the MBE method;
Using MBE method to form an active layer on the n-type diffusion barrier layer ;
Using MBE method, on the active layer, it has a forming a p-type semiconductor layer,
A method for producing a ZnO-based compound semiconductor element in which nitrogen in the n-type diffusion barrier layer is doped with at least 1 × 10 20 cm −3 or more .
前記n型層を形成する工程における成長温度が、前記p型半導体層を形成する工程における成長温度よりも高い請求項7記載のZnO系化合物半導体素子の製造方法。
The method for manufacturing a ZnO-based compound semiconductor element according to claim 7 , wherein a growth temperature in the step of forming the n-type layer is higher than a growth temperature in the step of forming the p-type semiconductor layer.
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