JP5506221B2 - Method for manufacturing ZnO-based semiconductor element - Google Patents

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Description

本発明は、ZnO系半導体素子の製造方法に関する。
The present invention relates to the production how the ZnO-based semiconductor 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比較的大きい。また、原材料が安価であるとともに、環境や人体への悪影響が少ないという特徴を有する。このため、ZnOを用いた高効率、低消費電力で、環境性にも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 binding energy of excitons is 60 meV, which is relatively large compared to other semiconductors. In addition, the raw material is inexpensive and has less adverse effects on the environment and the human body. For this reason, it is expected to realize a light-emitting element using ZnO with high efficiency, low power consumption, and excellent environmental performance.

例えばサファイア基板等の絶縁性基板上に、基板側からn型半導体層、活性層、p型半導体層を積層して形成するZnO系発光素子について考える。例えば、p型半導体層上にp側電極が形成され、p型半導体層を掘り込んで露出したn型半導体層上にn側電極が形成される。   For example, consider a ZnO-based light-emitting element formed by laminating an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer on an insulating substrate such as a sapphire substrate from the substrate side. For example, a p-side electrode is formed on the p-type semiconductor layer, and an n-side electrode is formed on the n-type semiconductor layer exposed by digging the p-type semiconductor layer.

このように、同一面内にp側電極とn側電極が配置されている構造で、n型半導体層の膜厚が電流広がりに対して十分に厚くないと、n型半導体層の比抵抗が高いことに伴い、n側電極に近いメサ構造の端に電流が集中し、メサ外周部しか発光しないこととなる。なお、このような問題について例えば特許文献1に記載されている。n型半導体層の膜厚は、例えば1μm以上とすることが好ましい。   Thus, in the structure in which the p-side electrode and the n-side electrode are arranged in the same plane, if the film thickness of the n-type semiconductor layer is not sufficiently thick with respect to the current spread, the specific resistance of the n-type semiconductor layer is As the height increases, current concentrates at the end of the mesa structure close to the n-side electrode, and only the outer periphery of the mesa emits light. Such a problem is described in Patent Document 1, for example. The film thickness of the n-type semiconductor layer is preferably 1 μm or more, for example.

図7は、サファイア基板上に、MgOバッファ層及びZnOバッファ層を介して成長させたZnO層に対する、(0002)面及び(10−10)面のX線回折(XRD)によるロッキングカーブ測定結果を示すグラフである。横軸がZnO層の膜厚を示し、縦軸がロッキングカーブの半値幅を示す。   FIG. 7 shows rocking curve measurement results by X-ray diffraction (XRD) of (0002) plane and (10-10) plane for a ZnO layer grown on a sapphire substrate via an MgO buffer layer and a ZnO buffer layer. It is a graph to show. The horizontal axis indicates the film thickness of the ZnO layer, and the vertical axis indicates the full width at half maximum of the rocking curve.

ZnO層の膜厚の増加に伴い半値幅が減少する傾向がある。ロッキングカーブの半値幅は、膜中の転位密度に関係していることから、ZnO膜厚の増加とともに転位密度が低減する傾向にあることが分かる。例えばサファイア基板上にZnO層を成長させる場合、ZnO層の膜厚は1μm以上が好ましく、1.5μm以上がより好ましい。   The full width at half maximum tends to decrease as the thickness of the ZnO layer increases. Since the full width at half maximum of the rocking curve is related to the dislocation density in the film, it can be seen that the dislocation density tends to decrease as the ZnO film thickness increases. For example, when a ZnO layer is grown on a sapphire substrate, the thickness of the ZnO layer is preferably 1 μm or more, and more preferably 1.5 μm or more.

厚いZnO層を成長させるためには、成長速度を高めることが好ましい。ただし、それと同時に、ZnO層の表面平坦性も良好であることが望まれる。   In order to grow a thick ZnO layer, it is preferable to increase the growth rate. However, at the same time, it is desired that the surface flatness of the ZnO layer is also good.

なお、Oリッチ条件におけるZnOの2次元成長について、非特許文献1に説明されている。   Non-Patent Document 1 describes the two-dimensional growth of ZnO under O-rich conditions.

なお、ZnOの成長において水素をサーファクタントとして用いる技術について、特許文献2に開示されている。   Patent Document 2 discloses a technique that uses hydrogen as a surfactant in the growth of ZnO.

特開2007−173404号公報JP 2007-173404 A 特開2004−221352号公報JP 2004-221352 A H. Kato, M. Sano, K. Miyamoto, and T. Yao, “High-quality ZnO epilayers grown on Zn-face ZnO substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy”, J. Crystal Growth 265, p375-381 (2004)H. Kato, M. Sano, K. Miyamoto, and T. Yao, “High-quality ZnO epilayers grown on Zn-face ZnO substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy”, J. Crystal Growth 265, p375-381 (2004 )

本発明の一目的は、ZnO系半導体層の表面平坦性低下は抑制しつつ、成長速度の向上が図られたZnO系半導体素子の製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a ZnO-based semiconductor element in which a growth rate is improved while suppressing a decrease in surface flatness of a ZnO-based semiconductor layer.

本発明の他の目的は、ZnO系半導体素子の新規な製造技術を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a novel manufacturing technique of a ZnO-based semiconductor element.

本発明の一観点によれば、基板を準備する工程と、無電極放電管にO ガスとNを含むガスを導入し、放電して第1のビームを発生させる工程と、成長温度を600℃以上として、前記基板の上方に、少なくともZnを供給するとともに、前記無電極放電管から前記第1のビームを供給して、n型ZnO系半導体層を成長させる工程とを有するZnO系半導体素子の製造方法が提供される。
According to one aspect of the present invention, a step of preparing a substrate, introducing a gas containing O 2 gas and N electrodeless discharge tube, comprising the steps of generating a first beam to discharge, the growth temperature And a step of supplying at least Zn above the substrate and supplying the first beam from the electrodeless discharge tube to grow an n-type ZnO-based semiconductor layer at 600 ° C. or higher. An element manufacturing method is provided.

ガスとNを含むガスを導入した無電極放電管から第1のビームを照射して、成長温度600℃以上でn型ZnO系半導体層を成長させることにより、表面平坦性の低下を抑制しつつ、n型ZnO系半導体層の成長速度向上が図られる。 Irradiation of the first beam from an electrodeless discharge tube into which a gas containing O 2 gas and N is introduced to grow an n-type ZnO-based semiconductor layer at a growth temperature of 600 ° C. or higher, thereby suppressing surface flatness degradation. However, the growth rate of the n-type ZnO-based semiconductor layer can be improved.

図1は、本発明の実施例によるZnO系半導体素子の製造に用いられる結晶製造装置の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a crystal manufacturing apparatus used for manufacturing a ZnO-based semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 図2は、第1〜第4の比較例、第1の実施例、第5の比較例、及び第2の実施例のサンプル構造を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing sample structures of the first to fourth comparative examples, the first example, the fifth comparative example, and the second example. 図3−1は、第1〜第4の比較例の結果をまとめた表である。FIG. 3A is a table summarizing the results of the first to fourth comparative examples. 図3−1は、第1の実施例、第5の比較例、及び第2の実施例の結果をまとめた表である。FIG. 3A is a table summarizing the results of the first example, the fifth comparative example, and the second example. 図4は、第6の比較例及び第3の実施例のZnO系半導体発光素子を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing ZnO-based semiconductor light emitting devices of the sixth comparative example and the third example. 図5は、第6の比較例及び第3の実施例の結果をまとめた表である。FIG. 5 is a table summarizing the results of the sixth comparative example and the third example. 図6A及び図6Bは、ZnO層の成長温度と成長速度に対する成長モードの関係を示すグラフである。6A and 6B are graphs showing the relationship between the growth temperature and the growth rate of the ZnO layer. 図7は、サファイア基板上のZnO層に対するXRDによるロッキングカーブ測定結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a rocking curve measurement result by XRD for a ZnO layer on a sapphire substrate.

まず、図1を参照して、本発明の実施例によるZnO系半導体素子の製造に用いられる結晶製造装置について説明する。図1は、結晶製造装置の概略断面図であり、分子線エピタキシ(MBE)で結晶成長を行なう。   First, a crystal manufacturing apparatus used for manufacturing a ZnO-based semiconductor element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic sectional view of a crystal manufacturing apparatus, in which crystal growth is performed by molecular beam epitaxy (MBE).

超高真空容器1内に、Znソースガン2、Oソースガン3、Mgソースガン4、Nソースガン5、及びGaソースガン6が備えられている。Znソースガン2、Mgソースガン4、及びGaソースガン6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、Znビーム、Mgビーム、及びGaビームを出射する。   In the ultra-high vacuum vessel 1, a Zn source gun 2, an O source gun 3, an Mg source gun 4, an N source gun 5, and a Ga source gun 6 are provided. The Zn source gun 2, the Mg source gun 4, and the Ga source gun 6 include Knudsen cells that accommodate solid sources of Zn, Mg, and Ga, respectively, and emit a Zn beam, an Mg beam, and a Ga beam, respectively. .

Oソースガン3及びNソースガン5は、それぞれ、ラジオ周波(例えば13.56MHz)を用いる無電極放電管3a、5aを含む。   The O source gun 3 and the N source gun 5 include electrodeless discharge tubes 3a and 5a that use radio frequencies (for example, 13.56 MHz), respectively.

Oソースガン3の無電極放電管3aに、O用マスフローコントローラ7を介してOガスが導入されるとともに、N用マスフローコントローラ8を介してNガスが導入される。無電極放電管3aに放電して発生させたビームが、Oソースガン3から出射される。無電極放電管3aで発生したビームには、Oラジカル、及びその他N元素の関与する活性種が含まれるものと推測される。 The O electrodeless discharge tube 3a of the source gun 3 via the O 2 mass flow controller 7 with O 2 gas is introduced, N 2 gas is introduced through a N 2 for mass flow controller 8. A beam generated by discharging to the electrodeless discharge tube 3 a is emitted from the O source gun 3. The beam generated in the electrodeless discharge tube 3a is presumed to contain O radicals and other active species involving N elements.

Nソースガン5の無電極放電管5aに、N用マスフローコントローラ9を介してNガスが導入される。Nソースガン5は、無電極放電管5aでNラジカルを生成し、Nラジカルビームを出射する。 The electrodeless discharge tube 5a of N source gun 5, N 2 gas is introduced through a N 2 mass flow controller 9. The N source gun 5 generates N radicals in the electrodeless discharge tube 5a and emits an N radical beam.

超高真空容器1内に、基板ヒータを含むステージ10が配置され、ステージ10が基板11を保持する。基板11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系半導体層を成長させることができる。   A stage 10 including a substrate heater is disposed in the ultra-high vacuum container 1, and the stage 10 holds the substrate 11. By supplying a desired beam on the substrate 11 at a desired timing, a ZnO-based semiconductor layer having a desired composition can be grown.

ZnO系半導体は、少なくともZn及びOを含む。Mgソースガン4から供給されるMgを添加しMgZnOとすることで、ZnOよりもバンドギャップを広げることができる。また、Nソースガン5から供給されるNをp型不純物として添加することができる。n型ZnO系半導体は、n型不純物を特に添加しなくとも得ることができるが、Gaソースガン6から供給されるGaを、n型不純物として添加することもできる。   The ZnO-based semiconductor contains at least Zn and O. By adding Mg supplied from the Mg source gun 4 to make MgZnO, the band gap can be expanded as compared with ZnO. Further, N supplied from the N source gun 5 can be added as a p-type impurity. An n-type ZnO-based semiconductor can be obtained without particularly adding an n-type impurity, but Ga supplied from the Ga source gun 6 can also be added as an n-type impurity.

超高真空容器1にはまた、反射高速電子回折(RHEED)用のガン12、及びRHEEDの像を映すスクリーン13が取り付けられている。RHEED像から、基板11上に成長させた結晶層の表面の平坦性を評価できる。結晶が2次元成長し表面が平坦である場合は、RHEED像がストリークパターンを示し、結晶が3次元成長し表面が平坦でない場合は、RHEED像がスポットパターンを示す。   The ultra-high vacuum vessel 1 is also provided with a gun 12 for reflection high-energy electron diffraction (RHEED) and a screen 13 for displaying an image of RHEED. From the RHEED image, the flatness of the surface of the crystal layer grown on the substrate 11 can be evaluated. When the crystal grows two-dimensionally and the surface is flat, the RHEED image shows a streak pattern, and when the crystal grows three-dimensionally and the surface is not flat, the RHEED image shows a spot pattern.

排気ポンプが超高真空容器1内部を排気する。なお、超高真空とは、真空度が1×10−7Torr以下のことをいう。 An exhaust pump exhausts the inside of the ultra-high vacuum container 1. Note that the ultra-high vacuum means that the degree of vacuum is 1 × 10 −7 Torr or less.

次に、ZnO結晶成長におけるストイキオメトリ条件、Znリッチ条件、及びOリッチ条件の定義について説明する。   Next, the definition of stoichiometry conditions, Zn rich conditions, and O rich conditions in ZnO crystal growth will be described.

Znのフラックス強度をJZnとし、Oラジカルのフラックス強度をJとする。ZnO結晶のO終端面へのZnの付着しやすさを示す係数(Znの付着係数)をKZnとし、Zn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Kとする。 Flux strength Zn and J Zn, a flux intensity of O radical and J O. The coefficient (Zn adhesion coefficient) indicating the easy adhesion of Zn to the O terminal surface of the ZnO crystal is K Zn, and the coefficient (O adhesion coefficient) indicating the easy adhesion of O to the Zn terminal surface is K. O.

Znの付着係数KZnとフラックス強度JZnとの積KZnZnが、基板の単位面積に単位時間当たりに付着するZn原子の個数に対応し、Oの付着係数Kとフラックス強度Jとの積Kが、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。 The product K Zn J Zn of the Zn adhesion coefficient K Zn and the flux strength J Zn corresponds to the number of Zn atoms deposited per unit time on the unit area of the substrate, and the O adhesion coefficient K O and the flux strength J O Product K O J O corresponds to the number of O atoms adhering to the unit area of the substrate per unit time.

本明細書(及び特許請求の範囲)では、特に断らない場合、付着係数を掛けたフラックス強度を、単にフラックス強度と呼ぶこととする。つまり、積KZnZnをZnビームフラックス強度と呼び、積KをOラジカルビームフラックス強度と呼ぶ。 In this specification (and claims), unless otherwise specified, the flux strength multiplied by the adhesion coefficient is simply referred to as flux strength. That is, the product K Zn J Zn is called Zn beam flux intensity, and the product K O J O is called O radical beam flux intensity.

Znビームフラックス強度KZnZnに対するOラジカルビームフラックス強度Kの比であるK/KZnZnを、フラックス比と定義する。フラックス比が1に等しい場合をストイキオメトリ条件と呼び、フラックス比が1より大きい場合をOリッチ条件と呼び、フラックス比が1より小さい場合をZnリッチ条件と呼ぶ。 The ratio of O radical beam flux intensity K O J O to Zn beam flux intensity K Zn J Zn is defined as K O J O / K Zn J Zn as the flux ratio. A case where the flux ratio is equal to 1 is called a stoichiometry condition, a case where the flux ratio is larger than 1 is called an O-rich condition, and a case where the flux ratio is smaller than 1 is called a Zn-rich condition.

なお、H. Kato, M. Sano, K. Miyamoto, and T. Yao, “High-quality ZnO epilayers grown on Zn-face ZnO substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy”, J. Crystal Growth 265, p375-381 (2004)に、 フラックス比が5.6と極端にOリッチ条件のときに、ZnO結晶が2次元成長したエピタキシャル膜が得られることが開示されている。   H. Kato, M. Sano, K. Miyamoto, and T. Yao, “High-quality ZnO epilayers grown on Zn-face ZnO substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy”, J. Crystal Growth 265, p375-381 (2004) discloses that an epitaxial film in which ZnO crystals are two-dimensionally grown can be obtained when the flux ratio is extremely 5.6 and an O-rich condition.

次に、Oラジカルビームフラックス強度K等の求め方について説明する。ZnO結晶の成長速度Gは、次式(1)で表すことができる。
G=[(KZnZn−1+(K−1−1 −RZnO ・・・(1)
ここで、RZnOはZnOの再蒸発の項であり、例えば+c(Zn極性)でのZnOの成長では、基板温度が800℃以下ではほとんど無視できる。基板温度が900℃を超えるとRZnOは数十nm/hのオーダとなり、成長速度に影響を及ぼしてくる。また、Znの付着係数KZnも基板温度が800℃を超えると低下し始め、やはり成長速度に影響を及ぼしてくる。
Next, how to obtain the O radical beam flux intensity K O J O and the like will be described. The growth rate G of the ZnO crystal can be expressed by the following formula (1).
G = [(K Zn J Zn ) −1 + (K O J O ) −1 ] −1 −R ZnO (1)
Here, R ZnO is a term for re-evaporation of ZnO. For example, in the growth of ZnO at + c (Zn polarity), it can be almost ignored when the substrate temperature is 800 ° C. or lower. When the substrate temperature exceeds 900 ° C., R ZnO is on the order of several tens of nm / h, which affects the growth rate. Further, the Zn adhesion coefficient K Zn also starts to decrease when the substrate temperature exceeds 800 ° C., which also affects the growth rate.

成長速度Gは、RZnOが無視でき、Znの付着係数KZnが一定である800℃以下の基板温度で、ZnO膜を実際に成長させて測定することができる。Znビームフラックス強度KZnZnについて、付着係数KZnは、基板温度800℃以下では一定であることから1と置き、フラックス強度JZnは膜厚モニタ等で測定できる。 The growth rate G can be measured by actually growing a ZnO film at a substrate temperature of 800 ° C. or lower where R ZnO can be ignored and the Zn adhesion coefficient K Zn is constant. With respect to the Zn beam flux intensity K Zn J Zn , the adhesion coefficient K Zn is constant at a substrate temperature of 800 ° C. or lower, so it is set to 1, and the flux intensity J Zn can be measured with a film thickness monitor or the like.

得られた成長速度GとZnビームフラックス強度KZnZnとを上式(1)に代入することにより、Oソースガンの設定条件(O流量、RFパワー等)におけるOラジカルビームフラックス強度Kを求めることができる。さらに、フラックス比が求められ、フラックス比がストイキオメトリ条件、Oリッチ条件、Znリッチ条件のいずれであるか判定される。 By substituting the obtained growth rate G and Zn beam flux intensity K Zn J Zn into the above formula (1), the O radical beam flux intensity K under the setting conditions (O 2 flow rate, RF power, etc.) of the O source gun. O J O can be determined. Further, a flux ratio is obtained, and it is determined whether the flux ratio is a stoichiometric condition, an O-rich condition, or a Zn-rich condition.

次に、第1〜第4の比較例、第1の実施例、第5の比較例、及び第2の実施例によるZnO層の成長方法について説明する。   Next, the ZnO layer growth method according to the first to fourth comparative examples, the first example, the fifth comparative example, and the second example will be described.

図2は、これらの比較例及び実施例のサンプル構造を示す概略断面図である。これらの比較例及び実施例では、c面サファイア基板20上に、MgOバッファ層21及びZnOバッファ層22を介して、ZnO層23を成長させる。これらの比較例及び実施例で、それぞれZnO層23の成長条件が異なる。これらの比較例及び実施例に共通な、ZnOバッファ層22の形成工程まで説明する。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing sample structures of these comparative examples and examples. In these comparative examples and examples, the ZnO layer 23 is grown on the c-plane sapphire substrate 20 via the MgO buffer layer 21 and the ZnO buffer layer 22. In these comparative examples and examples, the growth conditions of the ZnO layer 23 are different. A process for forming the ZnO buffer layer 22 common to these comparative examples and examples will be described.

まず、c面サファイア基板20にサーマルアニールを施し基板表面を洗浄した。サーマルアニールは、1×10−9Torrの高真空下において、900℃で30分行なった。 First, thermal annealing was performed on the c-plane sapphire substrate 20 to clean the substrate surface. Thermal annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes under a high vacuum of 1 × 10 −9 Torr.

次に、基板温度を500℃とし、Mgビーム及びOラジカルビームをc面サファイア基板20上に照射して、MgOバッファ層21を、厚さ8nm形成した。c面サファイア基板上に直接ZnO層を成長させると、表面がO極性面のZnO層が成長する。MgOバッファ層を挿入することで、表面がZn極性面のZnO層を成長させることができる。   Next, the substrate temperature was set to 500 ° C. and the c-plane sapphire substrate 20 was irradiated with an Mg beam and an O radical beam to form an MgO buffer layer 21 having a thickness of 8 nm. When a ZnO layer is grown directly on a c-plane sapphire substrate, a ZnO layer whose surface is an O-polar surface grows. By inserting the MgO buffer layer, a ZnO layer whose surface is a Zn polar face can be grown.

次に、基板温度を350℃とし、Znビーム及びOラジカルビームをMgOバッファ層21上に照射して、ZnOバッファ層22を形成した。次に、ZnOバッファ層22の結晶性を向上させるため、基板温度を800℃に上げて、20分のアニールを行なった。ZnOバッファ層22の厚さは、10nm程度とした。   Next, the substrate temperature was set to 350 ° C., and the ZnO buffer layer 22 was formed by irradiating the MgO buffer layer 21 with a Zn beam and an O radical beam. Next, in order to improve the crystallinity of the ZnO buffer layer 22, the substrate temperature was raised to 800 ° C. and annealing was performed for 20 minutes. The thickness of the ZnO buffer layer 22 was about 10 nm.

次に、第1の比較例のZnO層23の成長方法について説明する。第1の比較例では、OソースガンにOガスのみ導入して、Oラジカルビームを照射する。 Next, a method for growing the ZnO layer 23 of the first comparative example will be described. In the first comparative example, only O 2 gas is introduced into an O source gun and irradiated with an O radical beam.

基板温度を700℃とし、Znビーム及びOラジカルビームをZnOバッファ層22上に照射して、厚さ1μmのZnO層23を成長させた。Znビームは、固体ソースとして純度7NのZnを用い、Znビームフラックス強度KZnZnを1.6×1014atoms/(cms)として照射した。 A ZnO layer 23 having a thickness of 1 μm was grown by irradiating the ZnO buffer layer 22 with a Zn beam and an O radical beam at a substrate temperature of 700 ° C. The Zn beam was irradiated with Zn having a purity of 7N as a solid source and a Zn beam flux intensity K Zn J Zn of 1.6 × 10 14 atoms / (cm 2 s).

Oラジカルビームは、純度6Nの純酸素ガスを3sccmで導入し、RFパワー300Wで照射した。この条件は、1.2×1015atoms/(cms)のOラジカルビームフラックス強度Kに相当し、フラックス比は、Oリッチ条件となる。 For the O radical beam, pure oxygen gas with a purity of 6N was introduced at 3 sccm and irradiated with RF power of 300 W. This condition corresponds to an O radical beam flux intensity K o J O of 1.2 × 10 15 atoms / (cm 2 s), and the flux ratio is an O-rich condition.

次に、第2の比較例のZnO層23の成長方法について説明する。第2の比較例でも、第1の比較例と同様に、OソースガンにOガスのみ導入して、Oラジカルビームを照射する。ただし、第1の比較例よりも、Znビームフラックス強度KZnZnを高くする。 Next, a method for growing the ZnO layer 23 of the second comparative example will be described. Also in the second comparative example, as in the first comparative example, only O 2 gas is introduced into the O source gun and the O radical beam is irradiated. However, the Zn beam flux intensity K Zn J Zn is set higher than that of the first comparative example.

基板温度を700℃とし、Znビーム及びOラジカルビームをZnOバッファ層22上に照射して、ZnO層23を成長させた。Znビームは、Znビームフラックス強度KZnZnを2×1015atoms/(cms)として照射した。 The ZnO layer 23 was grown by irradiating the ZnO buffer layer 22 with a Zn beam and an O radical beam at a substrate temperature of 700 ° C. The Zn beam was irradiated with a Zn beam flux intensity K Zn J Zn of 2 × 10 15 atoms / (cm 2 s).

Oラジカルビームは、Oガスを3sccmで導入し、RFパワーを300Wとし、第1の比較例と同様に、Oラジカルビームフラックス強度Kを1.2×1015atoms/(cms)として照射した。フラックス比は、Znリッチ条件となる。 For the O radical beam, O 2 gas was introduced at 3 sccm, the RF power was 300 W, and the O radical beam flux intensity K o J O was 1.2 × 10 15 atoms / (cm 2) as in the first comparative example. Irradiated as s). The flux ratio is a Zn-rich condition.

次に、第3の比較例のZnO層23の成長方法について説明する。第3の比較例でも、第1の比較例と同様に、OソースガンにOガスのみ導入して、Oラジカルビームを照射する。ただし、第1の比較例よりも、Znビームフラックス強度KZnZn及びOラジカルビームフラックス強度Kの両方を高くする。 Next, a method for growing the ZnO layer 23 of the third comparative example will be described. Also in the third comparative example, as in the first comparative example, only O 2 gas is introduced into the O source gun and the O radical beam is irradiated. However, both the Zn beam flux intensity K Zn J Zn and the O radical beam flux intensity K o J O are made higher than those in the first comparative example.

基板温度を700℃とし、Znビーム及びOラジカルビームをZnOバッファ層22上に照射して、ZnO層23を成長させた。Znビームは、第2の比較例と同様に、Znビームフラックス強度KZnZnを2×1015atoms/(cms)として照射した。 The ZnO layer 23 was grown by irradiating the ZnO buffer layer 22 with a Zn beam and an O radical beam at a substrate temperature of 700 ° C. As in the second comparative example, the Zn beam was irradiated at a Zn beam flux intensity K Zn J Zn of 2 × 10 15 atoms / (cm 2 s).

さらに、Oラジカルビームは、Oガスを3sccmで導入し、RFパワーを400Wとし、Oラジカルビームフラックス強度Kを3×1015atoms/(cms)として照射した。フラックス比は、Oリッチ条件となる。 Further, the O radical beam was irradiated with O 2 gas introduced at 3 sccm, RF power of 400 W, and O radical beam flux intensity K o J O of 3 × 10 15 atoms / (cm 2 s). The flux ratio is an O-rich condition.

次に、第4の比較例のZnO層23の成長方法について説明する。第4の比較例は、基板温度を1000℃として、その他は第3の比較例と同様な条件で、ZnO層23を成長させた。   Next, a method for growing the ZnO layer 23 of the fourth comparative example will be described. In the fourth comparative example, the ZnO layer 23 was grown under the same conditions as in the third comparative example except that the substrate temperature was 1000 ° C.

次に、第1の実施例のZnO層23の成長方法について説明する。第1の実施例では、OソースガンにOガスとNガスの混合ガスを導入して、Oラジカルビームを照射する。 Next, a method for growing the ZnO layer 23 of the first embodiment will be described. In the first embodiment, a mixed gas of O 2 gas and N 2 gas is introduced into an O source gun and irradiated with an O radical beam.

第2の比較例と同様に、基板温度を700℃とし、Znビームは、Znビームフラックス強度KZnZnを2×1015atoms/(cms)として照射した。 Similar to the second comparative example, the substrate temperature was set to 700 ° C., and the Zn beam was irradiated with the Zn beam flux intensity K Zn J Zn being 2 × 10 15 atoms / (cm 2 s).

Oラジカルビームは、Oガスを3sccmで導入するとともに、Nガスを0.05sccmで導入し、RFパワー300Wで照射した。つまり、第2の比較例と同様のO流量とRFパワーにおいて、さらにNを導入して、Oラジカルビームを照射した。 For the O radical beam, O 2 gas was introduced at 3 sccm, N 2 gas was introduced at 0.05 sccm, and irradiation was performed with an RF power of 300 W. That is, at the same O 2 flow rate and RF power as in the second comparative example, N 2 was further introduced and the O radical beam was irradiated.

第1〜第4の比較例、及び第1の実施例のZnO層23に対し、RHEED及び原子間力顕微鏡(AFM)で表面平坦性を評価し、目視で表面観察し、さらに、2次イオン質量分析(SIMS)により膜中の不純物濃度を測定した。また、膜厚と成長時間から成長速度を求めた。   For the ZnO layers 23 of the first to fourth comparative examples and the first example, the surface flatness is evaluated by RHEED and atomic force microscope (AFM), the surface is visually observed, and secondary ions are further observed. The impurity concentration in the film was measured by mass spectrometry (SIMS). The growth rate was determined from the film thickness and the growth time.

図3−1は第1〜第4の比較例の、図3−2は第1の実施例(と第5の比較例及び第2の実施例)の結果をまとめた表である。上側から、AFM像、RHEED像、目視観察の評価、不純物濃度、及び成長速度を示す。   FIG. 3A is a table summarizing the results of the first to fourth comparative examples, and FIG. 3B is a table summarizing the results of the first example (and the fifth comparative example and the second example). From the top, the AFM image, RHEED image, visual observation evaluation, impurity concentration, and growth rate are shown.

AFM像は、1μm角の領域を示し、この観察より表面粗さ(二乗平均平方根粗さ)Rmsを求めた。RHEED像は、[11−20]方向のものである。不純物濃度は、第1の比較例のものを基準とし、他のサンプルでは基準よりも混入量の多い元素を確認した。   The AFM image shows a 1 μm square region, and the surface roughness (root mean square roughness) Rms was determined from this observation. The RHEED image is in the [11-20] direction. The impurity concentration was based on that of the first comparative example, and in other samples, elements having a larger amount of contamination than the reference were confirmed.

第1の比較例のZnO層は、AFM観察より、表面が平坦で、表面粗さRmsは0.34nmであった。RHEED像は2次元成長を示すストリークパターンであり、目視観察で透明であった。不純物の混入も少なく、良好なZnO層が得られている。しかし、成長速度が125nm/hと遅い。例えば1μm程度の膜厚を成長させるのに、8時間程度かかってしまう。   The ZnO layer of the first comparative example had a flat surface and a surface roughness Rms of 0.34 nm from AFM observation. The RHEED image was a streak pattern showing two-dimensional growth and was transparent by visual observation. A good ZnO layer is obtained with less contamination of impurities. However, the growth rate is as slow as 125 nm / h. For example, it takes about 8 hours to grow a film thickness of about 1 μm.

第2の比較例のZnO層は、第1の比較例よりもZnビームフラックス強度KZnZnを増やしたことにより、成長速度増加が図られ、成長速度が648nm/hと速くなっている。しかし、AFM像は平坦でなく、表面粗さRmsは22.70nmであり、RHEED像は3次元成長を示すスポットパターンとなっており、表面平坦性が著しく低下している。Znリッチ条件下で、3次元成長となったものと考えられる。また、目視観察で白濁していた。 In the ZnO layer of the second comparative example, the growth rate is increased by increasing the Zn beam flux intensity K Zn J Zn as compared with the first comparative example, and the growth rate is as high as 648 nm / h. However, the AFM image is not flat, the surface roughness Rms is 22.70 nm, and the RHEED image is a spot pattern showing three-dimensional growth, and the surface flatness is remarkably reduced. It is considered that the growth was three-dimensional under Zn-rich conditions. Moreover, it was cloudy by visual observation.

第3の比較例のZnO層は、第1の比較例よりもZnビームフラックス強度KZnZn及びOラジカルビームフラックス強度Kの両方を増やしたことにより、第2の比較例よりもさらに成長速度増加が図られ、成長速度が1028nm/hまで速くなっている。しかし、AFM像は平坦でなく、表面粗さRmsは26.59nmであり、RHEED像は3次元成長を示すスポットパターンとなっており、表面平坦性が著しく低下している。また、目視観察で白濁していた。 The ZnO layer of the third comparative example has both the Zn beam flux intensity K Zn J Zn and the O radical beam flux intensity K o J O higher than those of the first comparative example, so that it is more than the second comparative example. Furthermore, the growth rate is increased and the growth rate is increased to 1028 nm / h. However, the AFM image is not flat, the surface roughness Rms is 26.59 nm, and the RHEED image is a spot pattern showing three-dimensional growth, and the surface flatness is remarkably reduced. Moreover, it was cloudy by visual observation.

第3の比較例では、さらに、Siが濃度2×1019cm−3で混入している。これは、Oラジカルの供給量を増やすためOソースガンに印加するRFパワーを上げたことに起因して、石英製の無電極放電管の内壁がスパッタされて発生したSiがZnO層中に取り込まれたものと考えられる。 In the third comparative example, Si is further mixed in at a concentration of 2 × 10 19 cm −3 . This is because Si generated by sputtering the inner wall of an electrodeless discharge tube made of quartz is taken into the ZnO layer because the RF power applied to the O source gun is increased in order to increase the supply amount of O radicals. It is thought that

第3の比較例は、Oリッチ条件ではあるがストイキオメトリ条件に近い程度のOリッチ条件であり、成長速度が非常に速く、そして膜中にSiが混入したこと等に起因して、3次元成長となったものと考えられる。   The third comparative example is an O-rich condition that is close to the stoichiometric condition although it is an O-rich condition. The growth rate is very fast, and Si is mixed into the film. It is thought that it became dimension growth.

第4の比較例では、第3の比較例において基板温度を1000℃に高めることにより、高い成長速度を維持しつつ表面平坦性の改善を図った。AFM像は第3の比較例に比べて平坦であり、表面粗さRmsは2.21nmに低下しており、RHEED像は2次元成長を示すストリークパターンとなっている。   In the fourth comparative example, surface flatness was improved while maintaining a high growth rate by raising the substrate temperature to 1000 ° C. in the third comparative example. The AFM image is flat compared to the third comparative example, the surface roughness Rms is reduced to 2.21 nm, and the RHEED image has a streak pattern indicating two-dimensional growth.

しかし、第3の比較例に比べ、平坦性は向上したものの、成長速度は低下してしまった。これは、成長温度を1000℃と高くしたことにより、Znの付着係数KZnが低下し、またZnOの再蒸発量が増加したことに起因すると考えられる。 However, although the flatness was improved as compared with the third comparative example, the growth rate was lowered. This can be attributed to the fact that the growth temperature was increased to 1000 ° C., the Zn adhesion coefficient K Zn decreased, and the amount of ZnO re-evaporation increased.

また、ピットが非常に多く、良好な膜とは言えない。目視観察で白濁しており、これはピットによるものと考えられる。第4の比較例でも、無電極放電管内壁のスパッタに起因するSiが、濃度2×1019cm−3で混入しており、Siがピット発生の一因と思われる。 In addition, the number of pits is so large that it cannot be said to be a good film. It is clouded by visual observation, which is thought to be due to pits. Also in the fourth comparative example, Si caused by sputtering on the inner wall of the electrodeless discharge tube is mixed at a concentration of 2 × 10 19 cm −3 , and Si is considered to be a cause of pit generation.

第1の実施例は、第2の比較例と同様なZnビームフラックス強度KZnZn、及び第2の比較例と同様なOソースガンのOガス導入量とRFパワー(Oソースガンに酸素のみ導入の場合の条件に対応させるとフラックス比はZnリッチ)であるが、Oソースガンに窒素も導入した。 In the first example, the same Zn beam flux intensity K Zn J Zn as in the second comparative example, and the O 2 gas introduction amount and RF power of the same O source gun as in the second comparative example (in the O source gun) Nitrogen was also introduced into the O source gun, although the flux ratio was Zn-rich if it was made to correspond to the conditions in the case of introducing only oxygen.

第1の実施例のZnO層は、AFM観察より、表面が平坦で、表面粗さRmsは0.33nmであった。なお、例えば、1μm角の領域のAFM観察で得られる表面粗さRmsが1.0nm以下である場合、表面が平坦であると判断される。   The ZnO layer of the first example had a flat surface and a surface roughness Rms of 0.33 nm as observed by AFM. For example, when the surface roughness Rms obtained by AFM observation of a 1 μm square region is 1.0 nm or less, it is determined that the surface is flat.

RHEED像は2次元成長を示すストリークパターンであり、目視観察で透明であり、良好な膜が得られている。さらに、成長速度が1013nm/hと、1μm/h以上の非常に高い成長速度が得られている。また、Oソースガンに窒素を導入したことに伴い、Nが濃度3×1019cm−3で添加されている。なお、成長速度の増加から、Oソースガンに窒素を混入することにより、Oラジカルビームフラックス強度が増加しているものと予想される。 The RHEED image is a streak pattern showing two-dimensional growth, is transparent by visual observation, and a good film is obtained. Furthermore, the growth rate is 1013 nm / h, which is a very high growth rate of 1 μm / h or more. Further, N is added at a concentration of 3 × 10 19 cm −3 with the introduction of nitrogen into the O source gun. From the increase in growth rate, it is expected that the O radical beam flux intensity is increased by mixing nitrogen into the O source gun.

このように、Oソースガンに酸素と窒素を含むガスを導入することにより、良好な表面平坦性に加え、非常に高い成長速度が得られることがわかった。成長速度が大幅に増加したにも拘らず、表面平坦性が良好であるのは、Oラジカルと同時に照射される、Nが関与した活性種のサーファクタント効果ではないかと推測される。ただし、これは1つの推測である。   Thus, it was found that by introducing a gas containing oxygen and nitrogen into the O source gun, a very high growth rate can be obtained in addition to good surface flatness. Even though the growth rate has increased significantly, it is surmised that the surface flatness is good because of the surfactant effect of the active species involving N irradiated simultaneously with the O radical. However, this is one guess.

近年の薄膜成長の有力な研究手法の一つに、サーファクタント媒介エピタキシがある。これは、サーファクタントと呼ばれる表面活性剤(原子、分子等)を用いて、薄膜の成長様式を人工的に変化させる手法であり、エピタキシャル成長制御の有用な手段となっている。例えば、特開2004−221352号公報に、水素をサーファクタントとして用いる技術が開示されている。   One of the powerful research techniques for thin film growth in recent years is surfactant-mediated epitaxy. This is a technique for artificially changing the growth mode of a thin film using a surfactant (atom, molecule, etc.) called a surfactant, and is a useful means for controlling epitaxial growth. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-221352 discloses a technique using hydrogen as a surfactant.

なお、Nは通常ZnOに対するp型不純物として添加されるが、実施例のZnO層は、Nが添加されていてもn型半導体層として機能する(後述の第3の実施例参照)。   Note that N is usually added as a p-type impurity with respect to ZnO, but the ZnO layer of the example functions as an n-type semiconductor layer even when N is added (see the third example described later).

次に、第5の比較例のZnO層23の成長方法について説明する。第5の比較例では、第3の比較例の条件において、OソースガンにOガスのみを導入してOラジカルビームを照射すると同時に、NソースガンからNラジカルビームを照射する。 Next, a method for growing the ZnO layer 23 of the fifth comparative example will be described. In the fifth comparative example, under the conditions of the third comparative example, only the O 2 gas is introduced into the O source gun and irradiated with the O radical beam, and at the same time, the N radical beam is irradiated from the N source gun.

基板温度を700℃とし、Znビーム及びOラジカルビームをZnOバッファ層22上に照射して、ZnO層23を成長させた。Znビームは、Znビームフラックス強度KZnZnを2×1015atoms/(cms)として照射した。 The ZnO layer 23 was grown by irradiating the ZnO buffer layer 22 with a Zn beam and an O radical beam at a substrate temperature of 700 ° C. The Zn beam was irradiated with a Zn beam flux intensity K Zn J Zn of 2 × 10 15 atoms / (cm 2 s).

Oラジカルビームは、Oガスを3sccmで導入し、RFパワーを400Wとし、Oラジカルビームフラックス強度Kを3×1015atoms/(cms)として照射した。さらに、Nラジカルビームを、Nガスを2sccmで導入し、RFパワー90Wで照射した。 The O radical beam was irradiated with O 2 gas introduced at 3 sccm, RF power of 400 W, and O radical beam flux intensity K o J O of 3 × 10 15 atoms / (cm 2 s). Further, an N radical beam was introduced at 2 sccm of N 2 gas and irradiated with an RF power of 90 W.

第5の比較例のZnO層23に対しても、RHEED及びAFMにより表面平坦性を評価し、目視で表面観察し、さらに、SIMSで膜中の不純物濃度を測定した。また、膜厚と成長時間から成長速度を求めた。   Also for the ZnO layer 23 of the fifth comparative example, the surface flatness was evaluated by RHEED and AFM, the surface was visually observed, and the impurity concentration in the film was measured by SIMS. The growth rate was determined from the film thickness and the growth time.

図3−2に、第5の比較例の結果を示す。AFM像より、表面が平坦でなく3次元成長していることがわかる。表面粗さRmsは30.60nmであった。RHEED像は、3次元成長を示すスポットパターンであった。成長速度は995nm/hであった。第3の比較例と同様に、濃度2×1019cm−3でSiの混入が見られた。また、目視観察で白濁していた。 FIG. 3-2 shows the result of the fifth comparative example. From the AFM image, it can be seen that the surface is not flat but grows three-dimensionally. The surface roughness Rms was 30.60 nm. The RHEED image was a spot pattern showing three-dimensional growth. The growth rate was 995 nm / h. Similar to the third comparative example, Si was mixed in at a concentration of 2 × 10 19 cm −3 . Moreover, it was cloudy by visual observation.

第5の比較例では、Oラジカルの照射時に、NソースガンからNラジカルを照射したが、表面平坦性の向上効果は見られなかった。成長速度は、第3の比較例と同程度であり、成長速度の向上効果も見られなかった。   In the fifth comparative example, the N radical was irradiated from the N source gun during the O radical irradiation, but the effect of improving the surface flatness was not observed. The growth rate was similar to that of the third comparative example, and no effect of improving the growth rate was observed.

次に、第2の実施例のZnO層23の成長方法について説明する。第2の実施例では、第1の実施例と同様に、OソースガンにOガスとNガスの混合ガスを導入して、Oラジカルビームを照射する。ただし、Oソースガンに導入するNガスの流量を、第1の実施例の0.05sccmよりも多い3sccm(体積比で、O:N=1:1)とした。他の条件は第1の実施例と同様である。 Next, a method for growing the ZnO layer 23 of the second embodiment will be described. In the second embodiment, as in the first embodiment, a mixed gas of O 2 gas and N 2 gas is introduced into an O source gun and irradiated with an O radical beam. However, the flow rate of N 2 gas introduced into the O source gun was set to 3 sccm (volume ratio, O 2 : N 2 = 1: 1), which is higher than 0.05 sccm in the first embodiment. Other conditions are the same as in the first embodiment.

第2の実施例のZnO層23に対しても、RHEED及びAFMにより表面平坦性を評価し、目視で表面観察し、さらに、SIMSで膜中の不純物濃度を測定した。また、膜厚と成長時間から成長速度を求めた。   Also for the ZnO layer 23 of the second example, the surface flatness was evaluated by RHEED and AFM, the surface was visually observed, and the impurity concentration in the film was measured by SIMS. The growth rate was determined from the film thickness and the growth time.

図3−2に、第2の実施例の結果を示す。AFM像より、表面が平坦であることがわかる。表面粗さRmsは0.35nmであった。RHEED像は2次元成長を示すストリークパターンであり、目視観察で透明であり、良好な膜が得られている。さらに、成長速度は非常に速く、1020nm/hであった。Nは濃度3×1019cm−3で添加されている。なお、Siの混入は見られない。 FIG. 3-2 shows the result of the second example. It can be seen from the AFM image that the surface is flat. The surface roughness Rms was 0.35 nm. The RHEED image is a streak pattern showing two-dimensional growth, is transparent by visual observation, and a good film is obtained. Furthermore, the growth rate was very fast, 1020 nm / h. N is added at a concentration of 3 × 10 19 cm −3 . In addition, mixing of Si is not seen.

このように、Oソースガンに導入するNガスの流量を、例えば体積比でO:N=1:1まで増加させても、第1の実施例と同様に、表面平坦性の向上効果及び成長速度の向上効果が見られた。 Thus, even if the flow rate of the N 2 gas introduced into the O source gun is increased to, for example, O 2 : N 2 = 1: 1 by volume ratio, the surface flatness is improved as in the first embodiment. The effect and the improvement effect of the growth rate were seen.

良好な表面平坦性を維持しつつ高い成長速度が得られるためには、Oソースガンに導入するOとNの混合比(体積比)を、0<(N/O)<10の範囲とするのが好ましいこと(0.01≦(N/O)<10の範囲とするのがより好ましいこと)を、検討の結果把握した。N/O≧10の範囲では、成長速度の増加があまり見られない。 In order to obtain a high growth rate while maintaining good surface flatness, the mixing ratio (volume ratio) of O 2 and N 2 introduced into the O source gun is set to 0 <(N 2 / O 2 ) <10. As a result of the examination, it was understood that it is preferable to be in the range of 0.01 (more preferably in the range of 0.01 ≦ (N 2 / O 2 ) <10). In the range of N 2 / O 2 ≧ 10, the growth rate is hardly increased.

とNの混合ガスの総量が多すぎると結晶成長装置内の真空度を高真空に維持できず、成長膜の結晶性を悪化させることや、無電極放電管内で放電が安定しないこと等の問題が生じてくるため、高真空を維持し放電の安定する範囲で、適宜O供給量とN供給量を調節することが好ましい。 If the total amount of the mixed gas of O 2 and N 2 is too large, the degree of vacuum in the crystal growth apparatus cannot be maintained at a high vacuum, the crystallinity of the growth film is deteriorated, and the discharge is not stable in the electrodeless discharge tube. Therefore, it is preferable to appropriately adjust the O 2 supply amount and the N 2 supply amount within the range where the high vacuum is maintained and the discharge is stabilized.

次に、第6の比較例及び第3の実施例のZnO系半導体発光素子について説明する。第6の比較例及び実施例では、c面サファイア基板上に、ZnO系半導体発光素子を作製する。まず、第6の比較例について説明する。第6の比較例では、OソースガンにOガスのみ導入して、Oラジカルビームを照射する。 Next, ZnO-based semiconductor light emitting devices of the sixth comparative example and the third example will be described. In the sixth comparative example and the example, a ZnO-based semiconductor light emitting element is fabricated on a c-plane sapphire substrate. First, a sixth comparative example will be described. In the sixth comparative example, only O 2 gas is introduced into the O source gun and the O radical beam is irradiated.

図4は、第6の比較例(及び第3の実施例)のZnO系半導体発光素子を示す概略断面図である。まず、c面サファイア基板30にサーマルアニールを施し基板表面を洗浄した。サーマルアニールは、1×10−9Torrの高真空下において、900℃で30分行なった。サファイア基板30は、絶縁性である。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a ZnO-based semiconductor light emitting device of a sixth comparative example (and a third example). First, the c-plane sapphire substrate 30 was subjected to thermal annealing to clean the substrate surface. Thermal annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes under a high vacuum of 1 × 10 −9 Torr. The sapphire substrate 30 is insulative.

次に、基板温度を500℃とし、Mgビーム及びOラジカルビームをc面サファイア基板30上に照射して、MgOバッファ層31を、厚さ8nm形成した。   Next, the substrate temperature was set to 500 ° C., and the c-plane sapphire substrate 30 was irradiated with an Mg beam and an O radical beam to form the MgO buffer layer 31 with a thickness of 8 nm.

次に、基板温度を350℃とし、Znビーム及びOラジカルビームをMgOバッファ層31上に照射して、ZnOバッファ層32を形成した。次に、ZnOバッファ層32の結晶性を向上させるため、基板温度を800℃に上げて、20分のアニールを行なった。ZnOバッファ層32の厚さは、10nm程度とした。   Next, the substrate temperature was set to 350 ° C., and the ZnO buffer layer 32 was formed by irradiating the MgO buffer layer 31 with a Zn beam and an O radical beam. Next, in order to improve the crystallinity of the ZnO buffer layer 32, the substrate temperature was raised to 800 ° C. and annealing was performed for 20 minutes. The thickness of the ZnO buffer layer 32 was about 10 nm.

次に、基板温度を700℃とし、Znビーム及びOラジカルビームをZnOバッファ層32上に照射して、厚さ1.5μmのn型ZnO層33を成長させた。Znビームは、固体ソースとして純度7NのZnを用い、Znビームフラックス強度KZnZnを1.6×1014atoms/(cms)として照射した。 Next, the substrate temperature was set to 700 ° C., and a Zn beam and an O radical beam were irradiated onto the ZnO buffer layer 32 to grow an n-type ZnO layer 33 having a thickness of 1.5 μm. The Zn beam was irradiated with Zn having a purity of 7N as a solid source and a Zn beam flux intensity K Zn J Zn of 1.6 × 10 14 atoms / (cm 2 s).

Oラジカルビームは、純度6Nの純酸素ガスを3sccmで導入し、RFパワー300Wで照射した。この条件は、1.2×1015atoms/(cms)のOラジカルビームフラックス強度Kに相当する。第6の比較例のn型ZnO層33に対するZnビーム及びOラジカルビームの照射条件は、第1の比較例と同様である。 For the O radical beam, pure oxygen gas with a purity of 6N was introduced at 3 sccm and irradiated with RF power of 300 W. This condition corresponds to an O radical beam flux intensity K o J O of 1.2 × 10 15 atoms / (cm 2 s). The irradiation conditions of the Zn beam and the O radical beam on the n-type ZnO layer 33 of the sixth comparative example are the same as those of the first comparative example.

次に、基板温度700℃で、Znビーム、Oラジカルビーム、及びMgビームをn型ZnO層33上に照射して、n型MgZn1−xO(x=0.25)層34を成長させた。Znビームは、Znビームフラックス強度KZnZnを2×1015atoms/(cms)として照射した。 Next, the n-type Zn x Zn 1-x O (x = 0.25) layer 34 is irradiated by irradiating the n-type ZnO layer 33 with a Zn beam, O radical beam, and Mg beam at a substrate temperature of 700 ° C. Grown up. The Zn beam was irradiated with a Zn beam flux intensity K Zn J Zn of 2 × 10 15 atoms / (cm 2 s).

Oラジカルビームは、Oガスを2sccmで導入し、RFパワー300Wで照射した。この条件は、1×1015atoms/(cms)のOラジカルビームフラックス強度Kに相当する。 For the O radical beam, O 2 gas was introduced at 2 sccm and irradiated with RF power of 300 W. This condition corresponds to an O radical beam flux intensity K o J O of 1 × 10 15 atoms / (cm 2 s).

Mgビームは、固体ソースとして純度6NのMgを用い、Mgビームフラックス強度を1.7×1014atoms/(cms)として照射した。n型MgZn1−xO(x=0.25)層34の厚さは30nmとした。 The Mg beam was irradiated at a Mg beam flux intensity of 1.7 × 10 14 atoms / (cm 2 s) using 6N purity Mg as a solid source. The thickness of the n-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer 34 was 30 nm.

n型ZnO層33及びn型MgZn1−xO(x=0.25)層34には、Ga等のn型不純物を添加していないが、n型の導電型を得ることができる。 The n-type ZnO layer 33 and the n-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer 34 are not added with an n-type impurity such as Ga, but an n-type conductivity type can be obtained. .

次に、基板温度700℃で、Znビーム及びOラジカルビームをn型MgZn1−xO(x=0.25)層34上に照射して、ZnO活性層35を成長させた。Znビームは、Znビームフラックス強度KZnZnを1.6×1014atoms/(cms)として照射した。 Next, a Zn beam and an O radical beam were irradiated onto the n-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer 34 at a substrate temperature of 700 ° C. to grow the ZnO active layer 35. The Zn beam was irradiated with the Zn beam flux intensity K Zn J Zn as 1.6 × 10 14 atoms / (cm 2 s).

Oラジカルビームは、Oガスを3sccmで導入し、RFパワー300Wで照射した。この条件は、1.2×1015atoms/(cms)のOラジカルビームフラックス強度Kに相当する。ZnO活性層35の厚さは10nmとした。 As the O radical beam, O 2 gas was introduced at 3 sccm and irradiated with RF power of 300 W. This condition corresponds to an O radical beam flux intensity K O J O of 1.2 × 10 15 atoms / (cm 2 s). The thickness of the ZnO active layer 35 was 10 nm.

次に、基板温度700℃で、Znビーム、Oラジカルビーム、Mgビーム、及びNラジカルビームをZnO活性層35上に照射して、p型MgZn1−xO(x=0.25)層36を成長させた。 Next, a Zn beam, an O radical beam, an Mg beam, and an N radical beam are irradiated onto the ZnO active layer 35 at a substrate temperature of 700 ° C. to form p-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.25). Layer 36 was grown.

Znビームは、Znビームフラックス強度KZnZnを9.5×1014atoms/(cms)として照射した。Oラジカルビームは、Oガスを2sccmで導入し、RFパワー300Wで照射して、Oラジカルビームフラックス強度Kを1×1015atoms/(cms)とした。 The Zn beam was irradiated at a Zn beam flux intensity of K Zn J Zn of 9.5 × 10 14 atoms / (cm 2 s). The O radical beam was introduced with O 2 gas at 2 sccm and irradiated with RF power of 300 W, so that the O radical beam flux intensity K o J O was 1 × 10 15 atoms / (cm 2 s).

Mgビームは、Mgビームフラックス強度を1.7×1014atoms/(cms)として照射した。Nラジカルビームは、純度7Nの純窒素ガスを0.5sccmで導入し、RFパワー90Wで照射した。 The Mg beam was irradiated with an Mg beam flux intensity of 1.7 × 10 14 atoms / (cm 2 s). For the N radical beam, pure nitrogen gas with a purity of 7N was introduced at 0.5 sccm and irradiated with an RF power of 90 W.

p型MgZn1−xO(x=0.25)層36の厚さは30nmとした。このように成長させたp型MgZn1−xO(x=0.25)層36中のN濃度は、1×1020cm−3以上となる。 The thickness of the p-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer 36 was 30 nm. The N concentration in the p-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer 36 thus grown is 1 × 10 20 cm −3 or more.

次に、p型MgZn1−xO(x=0.25)36までの各層が積層されたサファイア基板30基板上に、レジスト膜あるいは保護膜を設け、n側電極形成部の形状の切り欠き窓を持つエッチングマスクを形成する。その後、例えばウエットエッチングやリアクティブイオンエッチングで、切り欠き窓内の半導体層を、n型ZnO層33が露出するまでエッチングする。 Next, a resist film or a protective film is provided on the sapphire substrate 30 on which the layers up to p-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) 36 are stacked, and the shape of the n-side electrode forming portion is set. An etching mask having a notch window is formed. Thereafter, the semiconductor layer in the cutout window is etched by wet etching or reactive ion etching until the n-type ZnO layer 33 is exposed.

次に、露出したn型ZnO層33上に、n側電極40を形成した。n側電極40は、例えば、厚さ10nmのチタン層上に、厚さ500nmのアルミニウム層を積層して形成される。   Next, the n-side electrode 40 was formed on the exposed n-type ZnO layer 33. The n-side electrode 40 is formed, for example, by laminating an aluminum layer having a thickness of 500 nm on a titanium layer having a thickness of 10 nm.

次に、n側電極形成用のエッチングマスクを除去し、p型MgZn1−xO(x=0.25)層36上に、p側透明電極41を形成した。p側透明電極41は、例えば、厚さ1nmのニッケル層上に、厚さ10nmの金層を積層して形成される。そして、p側透明電極41上に、p側ボンディング電極42を形成した。p側ボンディング電極42は、例えば厚さ500nmの金層で形成される。なお、p側電極の形成にも、適宜レジスト等のマスクが用いられる。 Next, the n-side electrode forming etching mask was removed, and the p-side transparent electrode 41 was formed on the p-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer 36. The p-side transparent electrode 41 is formed, for example, by laminating a 10 nm thick gold layer on a 1 nm thick nickel layer. A p-side bonding electrode 42 was formed on the p-side transparent electrode 41. The p-side bonding electrode 42 is formed of a gold layer having a thickness of 500 nm, for example. Note that a mask such as a resist is appropriately used for forming the p-side electrode.

この後、例えば400℃の酸素雰囲気中で、例えば2分の電極合金化処理を行う。このようにして、第6の比較例のZnO系発光ダイオードを作製した。   Thereafter, an electrode alloying process is performed, for example, for 2 minutes in an oxygen atmosphere at 400 ° C., for example. In this manner, a ZnO-based light emitting diode of the sixth comparative example was produced.

次に、第3の実施例のZnO系半導体発光素子について説明する。第3の実施例は、第6の比較例とn型ZnO層33の成長条件が異なり、他は第6の比較例と同様である。   Next, the ZnO-based semiconductor light emitting device of the third embodiment will be described. The third example is the same as the sixth comparative example except that the growth conditions of the n-type ZnO layer 33 are different from those of the sixth comparative example.

第3の実施例のn型ZnO層33は、第1の実施例と同様にして成長させた。すなわち、基板温度を700℃とし、Znビームは、Znビームフラックス強度KZnZnを2×1015atoms/(cms)として照射した。また、Oラジカルビームは、OソースガンにOガスを3sccmで導入するとともに、Nガスを0.05sccmで導入し、RFパワー300Wで照射した。n型ZnO層33の厚さは1.5μmとした。n型ZnO層33の厚さは、1μm以上が好ましく、1.5μm以上がさらに好ましい。 The n-type ZnO layer 33 of the third example was grown in the same manner as in the first example. That is, the substrate temperature was set to 700 ° C., and the Zn beam was irradiated at a Zn beam flux intensity K Zn J Zn of 2 × 10 15 atoms / (cm 2 s). The O radical beam was irradiated with an RF power of 300 W by introducing O 2 gas into the O source gun at 3 sccm and N 2 gas at 0.05 sccm. The thickness of the n-type ZnO layer 33 was 1.5 μm. The thickness of the n-type ZnO layer 33 is preferably 1 μm or more, and more preferably 1.5 μm or more.

第6の比較例及び第3の実施例の発光素子に対し、発光状態を観察し、I−V特性を測定した。また、p型MgZn1−xO(x=0.25)層36の表面平坦性を、電極形成前にAFMで評価した。さらに、n型ZnO層33のN濃度をSIMSで測定した。 With respect to the light emitting elements of the sixth comparative example and the third example, the light emission state was observed and the IV characteristics were measured. Further, the surface flatness of the p-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer 36 was evaluated by AFM before electrode formation. Further, the N concentration of the n-type ZnO layer 33 was measured by SIMS.

図5は、第6の比較例及び第3の実施例の結果をまとめた表である。上側から、I−V特性、AFM像、及びN濃度を示す。   FIG. 5 is a table summarizing the results of the sixth comparative example and the third example. From the upper side, the IV characteristic, the AFM image, and the N density are shown.

第6の比較例及び第3の実施例の発光素子とも、発光特性はほぼ同等であったが、I−V特性(順バイアスでの特性を示し、横軸が電圧、縦軸が電流を示す)は、第6の比較例でリーク電流がやや多く、第3の実施例の方が、良好なダイオード特性を示した。   The light emitting characteristics of the light emitting elements of the sixth comparative example and the third example were almost the same, but the IV characteristics (characteristics in forward bias, voltage on the horizontal axis and current on the vertical axis). ) Shows a slightly higher leakage current in the sixth comparative example and better diode characteristics in the third example.

AFM像は、比較例及び実施例それぞれについて、左側に5μm角の領域を示し、右側に1μm角の領域を示す。5μm角及び1μm角の領域の観察より、それぞれ表面粗さRmsを求めた。   The AFM image shows a 5 μm square area on the left side and a 1 μm square area on the right side for each of the comparative example and the example. The surface roughness Rms was determined by observing 5 μm square and 1 μm square regions, respectively.

第6の比較例のp型MgZnO層36には多数のピットが見られ、表面粗さRmsは、5μm角について2.32nm、1μm角について0.93nmであった。第3の実施例のp型MgZnO層36にはピットが非常に少なく、表面粗さRmsは、5μm角について1.04nm、1μm角について0.45nmであった。第3の実施例のn型ZnO層33のN濃度は、3×1019cm−3であった。 A large number of pits were observed in the p-type MgZnO layer 36 of the sixth comparative example, and the surface roughness Rms was 2.32 nm for 5 μm square and 0.93 nm for 1 μm square. The p-type MgZnO layer 36 of the third example had very few pits, and the surface roughness Rms was 1.04 nm for 5 μm square and 0.45 nm for 1 μm square. The N concentration of the n-type ZnO layer 33 of the third example was 3 × 10 19 cm −3 .

第6の比較例でリーク電流が多いのは、ピットの発生量が多いことに対応しているものと思われる。第3の実施例でピット発生量が少ないのは、Oソースガンに導入した窒素によるサーファクタント効果が働いたためと考えられる。   The large leak current in the sixth comparative example seems to correspond to the large amount of pits generated. The reason why the amount of pits generated in the third example is small is considered that the surfactant effect by nitrogen introduced into the O source gun worked.

このように、Oソースガンに酸素と窒素を含むガスを導入する実施例の手法が、発光素子等のn型半導体層の成長に適用可能であり、ピット発生の抑えられた膜が得られ、素子のリーク電流低減等に効果があることがわかった。   Thus, the method of the embodiment in which a gas containing oxygen and nitrogen is introduced into the O source gun can be applied to the growth of an n-type semiconductor layer such as a light emitting element, and a film in which the generation of pits is suppressed is obtained. It was found that there is an effect in reducing the leakage current of the element.

図6A及び図6Bは、ZnO層の成長温度と成長速度に対する成長モードの関係を確認した結果を示すグラフである。   6A and 6B are graphs showing the results of confirming the relationship between the growth temperature and the growth rate of the ZnO layer.

図6Aに示すように、Oソースガンの無電極放電管に酸素ガス単体を導入した場合に、平坦性に優れた2次元成長膜の得られる領域が、高温、低成長速度側に位置する領域I(左上りの斜線で示す)である。領域Iに対して、低温、高成長速度側では、多数のピットが発生したり、3次元成長しやすくなったりする傾向がある。   As shown in FIG. 6A, when oxygen gas alone is introduced into an electrodeless discharge tube of an O source gun, a region where a two-dimensional growth film excellent in flatness is obtained is a region located on the high temperature, low growth rate side. I (indicated by a diagonal line up to the left). With respect to the region I, on the low temperature and high growth rate side, a large number of pits tend to be generated or three-dimensional growth tends to be facilitated.

図6Bに示すように、Oソースガンの無電極放電管にOとNの混合ガスを導入する実施例の手法により、平坦性に優れた2次元成長膜の得られる領域が、領域Iよりも低温、高成長速度側に広がった領域II(右上りの斜線で示す)となる(同じ成長速度で比較したとき、OソースガンにOのみ導入したときは3次元成長する領域でも、OとNの混合ガスを導入した場合は2次元成長する領域がある)。 As shown in FIG. 6B, a region where a two-dimensionally grown film excellent in flatness is obtained by the method of the embodiment in which a mixed gas of O 2 and N 2 is introduced into an electrodeless discharge tube of an O source gun is a region I. It becomes a region II (shown by an oblique line in the upper right) that is lower temperature and higher growth rate (when compared at the same growth rate, when only O 2 is introduced into the O source gun, even in a region that grows three-dimensionally, When a mixed gas of O 2 and N 2 is introduced, there are two-dimensional growth regions).

2次元成長において、実施例の手法により、所定の成長速度(例えば600nm/h)が得られる基板温度の下限が下がる。また、領域Iで実現できない高い成長速度(例えば800nm/h以上)が、実施例の手法により実現できる。   In the two-dimensional growth, the lower limit of the substrate temperature at which a predetermined growth rate (for example, 600 nm / h) is obtained is lowered by the method of the embodiment. Further, a high growth rate (for example, 800 nm / h or more) that cannot be realized in the region I can be realized by the method of the embodiment.

2次元成長が得られる下限の基板温度は、成長速度が速くなるほど高くなる。例えば800nm/h以上の高い成長速度を得るため、成長温度は600℃以上とすることが好ましい。なお、2次元成長が得られる上限の基板温度は、成長速度が速くなるほど低くなる。成長温度が高いほど再蒸発及びZnの付着係数低下の影響が大きくなるので、成長速度を速くするのが難しくなる。   The lower limit substrate temperature at which two-dimensional growth can be obtained increases as the growth rate increases. For example, in order to obtain a high growth rate of 800 nm / h or higher, the growth temperature is preferably 600 ° C. or higher. Note that the upper limit substrate temperature at which two-dimensional growth can be obtained decreases as the growth rate increases. The higher the growth temperature, the greater the effects of re-evaporation and a decrease in the Zn adhesion coefficient, making it difficult to increase the growth rate.

なお、実施例の手法でn型ZnO層に添加されるN濃度についても検討したところ、Oラジカルビームフラックス強度Kに対してZnビームフラックス強度KZnZnが高くなるほど(フラックス比が小さくなるほど)、N濃度が高くなる傾向があることがわかった。N濃度は、1×1018cm−3〜7×1020cm−3の範囲となる。特に、1μm/h以上の高い成長速度を実現するO流量では、1×1018cm−3〜1×1020cm−3程度の範囲となる。 In addition, when the N concentration added to the n-type ZnO layer was also examined by the method of the example, the higher the Zn beam flux intensity K Zn J Zn relative to the O radical beam flux intensity K o J O (the flux ratio becomes smaller). It was found that the N concentration tends to increase as the value decreases. The N concentration is in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 7 × 10 20 cm −3 . In particular, at an O 2 flow rate that realizes a high growth rate of 1 μm / h or more, the range is about 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 .

以上説明したように、酸素と窒素を含む混合ガスを、同じソースガンの無電極放電管に導入して発生させたビームを供給して、ZnO層を成長させることにより、良好な表面平坦性を維持しつつ高い成長速度で、n型ZnO層を成長させることができる。例えば厚さ1μm以上の厚いn型ZnO層の成長が容易となる。   As described above, by supplying a beam generated by introducing a mixed gas containing oxygen and nitrogen into an electrodeless discharge tube of the same source gun and growing a ZnO layer, good surface flatness can be obtained. The n-type ZnO layer can be grown at a high growth rate while maintaining. For example, it becomes easy to grow a thick n-type ZnO layer having a thickness of 1 μm or more.

十分に高い成長速度(例えば800nm/h以上)を得るために、成長温度を十分に高く(例えば600℃以上に)することが好ましい。なお、ZnOの再蒸発を抑制するために、成長温度は900℃以下とすることがさらに好ましい。   In order to obtain a sufficiently high growth rate (for example, 800 nm / h or more), the growth temperature is preferably sufficiently high (for example, 600 ° C. or more). In order to suppress re-evaporation of ZnO, the growth temperature is more preferably 900 ° C. or lower.

例えば、1μm角の領域のAFM観察で得られる表面粗さRmsが1.0nm以下の、表面平坦性の高いn型ZnO層が得られる。このように成長されたn型ZnO層は、例えば1×1018cm−3以上の濃度でNを含む。 For example, an n-type ZnO layer having a high surface flatness with a surface roughness Rms of 1.0 nm or less obtained by AFM observation in a 1 μm square region can be obtained. The n-type ZnO layer thus grown contains N at a concentration of, for example, 1 × 10 18 cm −3 or higher.

なお、OソースガンにOとNの混合ガスを導入する例を説明したが、酸素と窒素を含むガスであれば、他のガス種を用いることもできよう。例えば、Oと混合させるガスとして、Nの他に、NO、NO、NO、N、N等の窒素酸化物やNH等を用いることができよう。これらは1種、あるいは複数種を混ぜて用いることができるであろう。 Incidentally, an example has been described for introducing a gas mixture of O 2 and N 2 to O source gun, if a gas containing oxygen and nitrogen, could be used with other gas species. For example, in addition to N 2 , nitrogen gas such as N 2 O, NO, NO 2 , N 2 O 3 , N 2 O 4 , NH 3, or the like may be used as a gas to be mixed with O 2 . These may be used alone or in combination.

あるいは、酸素と窒素を含むガスとして、NO、NO、NO、N、N等の窒素酸化物を用いることもできるであろう。さらに、酸素と窒素を含むガスとして窒素酸化物を用いつつ、窒素源となるガスあるいは酸素源となるガスを組み合わせて用いることも考えられる。 Alternatively, nitrogen oxides such as N 2 O, NO, NO 2 , N 2 O 3 and N 2 O 4 could be used as the gas containing oxygen and nitrogen. Furthermore, it is also conceivable to use a nitrogen source gas or an oxygen source gas in combination while using nitrogen oxide as a gas containing oxygen and nitrogen.

なお、実施例ではn型ZnO層を成長させる例を説明したが、実施例の技術は、n型ZnO系半導体層の成長にも有効であろう。例えば、n型MgZnO層を、Oソースガンに酸素と窒素を含むガスを導入して成長させることにより、良好な表面平坦性と高い成長速度が期待される。ZnO系半導体としては、その他、例えばBeZnO、ZnCdO、ZnSeO、ZnSO等が挙げられる。   In the embodiment, an example in which an n-type ZnO layer is grown has been described. However, the technique of the embodiment will be effective for growing an n-type ZnO-based semiconductor layer. For example, good surface flatness and a high growth rate are expected by growing an n-type MgZnO layer by introducing a gas containing oxygen and nitrogen into an O source gun. Other examples of the ZnO-based semiconductor include BeZnO, ZnCdO, ZnSeO, and ZnSO.

さらに、実施例ではアンドープのn型ZnO層を成長させる例を説明したが、n型不純物として例えばGaやAl等を添加する場合でも、Oソースガンに酸素と窒素を含むガスを導入して成長させることにより、良好な表面平坦性と高い成長速度が期待される。   Further, in the embodiment, an example of growing an undoped n-type ZnO layer has been described. Even when, for example, Ga or Al is added as an n-type impurity, a gas containing oxygen and nitrogen is introduced into the O source gun for growth. As a result, good surface flatness and a high growth rate are expected.

なお、基板としてサファイア基板に限らず、例えばSiC基板やGaN基板等を用いることもできるであろう。   Note that the substrate is not limited to the sapphire substrate, and for example, a SiC substrate, a GaN substrate, or the like may be used.

なお、Oソースガンに酸素と窒素を含むガスを導入して成長させることによる、ZnO系半導体層の表面平坦性の低下抑制効果及び成長速度向上効果は、600℃より低い成長温度についても確かめている。   Note that the effect of suppressing the decrease in surface flatness of the ZnO-based semiconductor layer and the effect of improving the growth rate by introducing a gas containing oxygen and nitrogen into an O source gun were confirmed even at a growth temperature lower than 600 ° C. Yes.

なお、実施例の技術を利用して得られたn型ZnO系半導体層は、種々の製品に利用することができる。例えば、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)及びその応用製品(例えば、各種インジケータや、LEDディスプレイ、LDディスプレイ、プロジェクター用RGB光源など)に利用できる。   Note that the n-type ZnO-based semiconductor layer obtained by using the technique of the example can be used for various products. For example, it can be used for light emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs), and application products thereof (for example, various indicators, LED displays, LD displays, RGB light sources for projectors, etc.).

なお、発光素子以外であっても、例えば1μm以上の厚いZnO系半導体層が必要な用途に利用できるであろう。   In addition, even if it is other than a light emitting element, it will be able to be used for applications that require a thick ZnO-based semiconductor layer of, for example, 1 μm or more.

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 超高真空容器
2 Znソースガン
3 Oソースガン
3a (Oソースガンの)無電極放電管
4 Mgソースガン
5 Nソースガン
5a (Nソースガンの)無電極放電管
6 Gaソースガン
7 O用マスフローコントローラ
8、9 N用マスフローコントローラ9
10 ステージ
11 基板
12 RHEED用ガン
13 RHEED用スクリーン
20 サファイア基板
21 MgOバッファ層
22 ZnOバッファ層
23 (n型)ZnO層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultra high vacuum container 2 Zn source gun 3 O source gun 3a Electrode discharge tube 4 (of O source gun) 4 Mg source gun 5 N source gun 5a Electrode discharge tube 6 (of N source gun) Ga source gun 7 O 2 Mass flow controller 8, 9 Mass flow controller 9 for N 2
10 stage 11 substrate 12 gun for RHEED 13 screen for RHEED 20 sapphire substrate 21 MgO buffer layer 22 ZnO buffer layer 23 (n-type) ZnO layer

Claims (10)

基板を準備する工程と、
無電極放電管にO ガスとNを含むガスを導入し、放電して第1のビームを発生させる工程と、
成長温度を600℃以上として、前記基板の上方に、少なくともZnを供給するとともに、前記無電極放電管から前記第1のビームを供給して、n型ZnO系半導体層を成長させる工程と
を有するZnO系半導体素子の製造方法。
Preparing a substrate;
A step of introducing a gas containing O 2 gas and N electrodeless discharge tube, generating a first beam to discharge,
The growth temperature is set to 600 ° C. or higher, and at least Zn is supplied above the substrate and the first beam is supplied from the electrodeless discharge tube to grow an n-type ZnO-based semiconductor layer. A method for manufacturing a ZnO-based semiconductor element.
前記基板は、サファイア基板、SiC基板、GaN基板のいずれかである請求項1に記載のZnO系半導体素子の製造方法。   The method for manufacturing a ZnO-based semiconductor element according to claim 1, wherein the substrate is one of a sapphire substrate, a SiC substrate, and a GaN substrate. 前記無電極放電管に導入する前記Nを含むガスは、N、NO、NO、NO、N、N、及びNHのうちのいずれかを含む請求項1または2に記載のZnO系半導体素子の製造方法。 The gas containing N to be introduced into the electrodeless discharge tube, N 2, N 2 O, NO, NO 2, N 2 O 3, N 2 O 4, and claim 1 comprising any of the NH 3 Or a method for producing a ZnO-based semiconductor element according to 2; 前記無電極放電管に導入する前記Nを含むガスは、N ある請求項3に記載のZnO系半導体素子の製造方法。 The gas containing N to be introduced into the electrodeless discharge tube, method for manufacturing a ZnO based semiconductor device according to claim 3 which is N 2. 前記無電極放電管に導入するOとNの混合ガスの、OとNの体積比は、(N/O)<10の範囲である請求項4に記載のZnO系半導体素子の製造方法。 Wherein the mixed gas of O 2 and N 2 to be introduced into the electrodeless discharge tube, the volume ratio of O 2 and N 2 are, (N 2 / O 2) <10 ZnO based semiconductor of claim 4 which is in the range of Device manufacturing method. 前記n型ZnO系半導体層を成長させる工程は、分子線エピタキシを用いる請求項1〜5のいずれか1項に記載のZnO系半導体素子の製造方法。   The method for producing a ZnO-based semiconductor element according to claim 1, wherein the step of growing the n-type ZnO-based semiconductor layer uses molecular beam epitaxy. 前記n型ZnO系半導体層を成長させる工程は、n型ZnO系半導体層を厚さ1μm以上成長させる請求項1〜6のいずれか1項に記載のZnO系半導体素子の製造方法。   The method for manufacturing a ZnO-based semiconductor element according to claim 1, wherein the step of growing the n-type ZnO-based semiconductor layer grows the n-type ZnO-based semiconductor layer to a thickness of 1 μm or more. 前記n型ZnO系半導体層を成長させる工程は、Znリッチ条件で行われる請求項1〜7のいずれか1項に記載のZnO系半導体素子の製造方法。   The method for producing a ZnO-based semiconductor element according to claim 1, wherein the step of growing the n-type ZnO-based semiconductor layer is performed under a Zn-rich condition. 前記n型ZnO系半導体層を成長させる工程で成長させたn型ZnO系半導体層は、1×1018cm−3以上の濃度でNを含む請求項1〜8のいずれか1項に記載のZnO系半導体素子の製造方法。 9. The n-type ZnO-based semiconductor layer grown in the step of growing the n-type ZnO-based semiconductor layer contains N at a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more. A method for manufacturing a ZnO-based semiconductor element. 前記n型ZnO系半導体層を成長させる工程で成長させるn型ZnO系半導体は、MgZnO、BeZnO、ZnCdO、ZnSeO、ZnSOのうちのいずれかである請求項1〜9のいずれか1項に記載のZnO系半導体素子の製造方法。   The n-type ZnO based semiconductor grown in the step of growing the n-type ZnO based semiconductor layer is any one of MgZnO, BeZnO, ZnCdO, ZnSeO, and ZnSO. A method for manufacturing a ZnO-based semiconductor element.
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