JP5507234B2 - ZnO-based semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、n型ZnO系半導体層を有するZnO系半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a ZnO-based semiconductor device having an n-type ZnO-based semiconductor layer and a method for manufacturing the same.

酸化亜鉛(ZnO)は、室温で3.37eVのバンドギャップエネルギを持つ直接遷移型の半導体で、近年、紫外光や白色光等の発光ダイオード(LED)等への応用が期待されている。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し、産業的有用性が高い。   Zinc oxide (ZnO) is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of 3.37 eV at room temperature. In recent years, application to light emitting diodes (LED) such as ultraviolet light and white light is expected. In addition, the raw material is inexpensive and has a feature that there are few adverse effects on the environment and the human body, and is highly industrially useful.

発光素子等の作製に必要となるn型ZnO系半導体の形成には、n型ドーパントとして例えばGa等のIII族元素が用いられる。ZnO系半導体において、多様なn型ドーピング技術が望まれる。   For the formation of an n-type ZnO-based semiconductor required for manufacturing a light-emitting element or the like, a group III element such as Ga is used as an n-type dopant. A variety of n-type doping techniques are desired for ZnO-based semiconductors.

加藤裕幸,宮本和弘,佐野道宏“c面サファイア及びZnO基板上へのMBE−ZnO成長 −結晶の高品質化とn型ドーピング−”応用物理学会,結晶工学分科会第120回研究会テキスト,2004年,p.27−34Hiroyuki Kato, Kazuhiro Miyamoto, Michihiro Sano "MBE-ZnO growth on c-plane sapphire and ZnO substrates-Improvement of crystal quality and n-type doping-" Applied Physics Society, Crystal Engineering Subcommittee 120th Meeting Text, 2004 Year, p. 27-34

本発明の一目的は、ZnO系半導体の新規なn型ドーピング技術に係るZnO系半導体装置及びそ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 ZnO-based semiconductor device and a method for manufacturing the same according to a novel n-type doping technique for a ZnO-based semiconductor.

本発明の一観点によれば、基板を準備する工程と、前記基板上方に、Zn、O、及びNを供給し、Nをドープすることにより、Nをドープしない場合に比べてn型キャリア濃度が増したn型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程と、前記n型伝導性を示すZnO系半導体層上方に、Zn、O、及びp型ドーパントを供給して、p型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程とを有するZnO系半導体装置の製造方法が提供される。また、本発明の他の観点によれば、基板を準備する工程と、前記基板上方に、Zn、O、及びp型ドーパントを供給して、p型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程と、前記p型伝導性を示すZnO系半導体層上方に、Zn、O、及びNを供給し、Nをドープすることにより、Nをドープしない場合に比べてn型キャリア濃度が増したn型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程とを有するZnO系半導体装置の製造方法が提供される。 According to an aspect of the present invention, a step of preparing a substrate, and Zn, O, and N are supplied above the substrate, and N is doped, so that the n-type carrier concentration is higher than when N is not doped. Forming a ZnO-based semiconductor layer exhibiting increased n-type conductivity , and supplying Zn, O, and a p-type dopant above the ZnO-based semiconductor layer exhibiting n-type conductivity, thereby forming p-type conductivity And a step of forming a ZnO-based semiconductor layer showing a ZnO-based semiconductor device. According to another aspect of the present invention, a step of preparing a substrate, and Zn, O, and a p-type dopant are supplied above the substrate to form a ZnO-based semiconductor layer exhibiting p-type conductivity. N, in which Zn, O, and N are supplied above the ZnO-based semiconductor layer exhibiting p-type conductivity and doped with N, thereby increasing the n-type carrier concentration compared with the case where N is not doped. A method of manufacturing a ZnO-based semiconductor device is provided that includes a step of forming a ZnO-based semiconductor layer exhibiting type conductivity.

Nをドープすることにより、ZnO系半導体層のn型キャリア濃度を増加させることができる。   By doping N, the n-type carrier concentration of the ZnO-based semiconductor layer can be increased.

図1は、MBE装置の例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an MBE apparatus. 図2は、第1の実験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 a sample structure of the first experiment. 図3Aは、第1の実験のn型キャリア濃度及び比抵抗のフラックス比依存性を示すグラフであり、図3Bは、第1の実験のN濃度のフラックス比依存性を示すグラフである。FIG. 3A is a graph showing the dependence of the n-type carrier concentration and specific resistance on the flux ratio in the first experiment, and FIG. 3B is a graph showing the dependence of the N concentration on the flux ratio in the first experiment. 図4は、第2及び第3の実験のサンプル構造を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing sample structures of the second and third experiments. 図5A〜図5Cは、それぞれ、第3の実験のアンドープサンプル、第1、第2のn型サンプルに対するXRDの2θ−θ測定結果を示すグラフである。5A to 5C are graphs showing XRD 2θ-θ measurement results for the undoped sample, the first, and the second n-type sample, respectively, in the third experiment. 図6は、第3の実験のp型サンプルに対するXRDの2θ−θ測定結果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the XRD 2θ-θ measurement results for the p-type sample of the third experiment. 図7Aは、第4の実験のサンプル構造(実施例及び比較例の発光素子)を示す概略断面図であり、図7B及び図7Cは、変形例の活性層構造の概略断面図である。FIG. 7A is a schematic cross-sectional view illustrating a sample structure of a fourth experiment (light-emitting elements of Examples and Comparative Examples), and FIGS. 7B and 7C are schematic cross-sectional views of a modified active layer structure. 図8Aは、実施例の発光素子のN濃度の深さ方向プロファイルであり、図8Bは、実施例の発光素子の電流電圧特性を示すグラフであり、図8Cは、実施例の発光素子のELスペクトルである。8A is a profile in the depth direction of the N concentration of the light emitting element of the example, FIG. 8B is a graph showing the current-voltage characteristics of the light emitting element of the example, and FIG. 8C is an EL of the light emitting element of the example. It is a spectrum. 図9Aは、比較例の発光素子のGa濃度とN濃度の深さ方向プロファイルであり、図9Bは、比較例の発光素子の電流電圧特性を示すグラフである。FIG. 9A is a depth direction profile of the Ga concentration and N concentration of the light emitting element of the comparative example, and FIG. 9B is a graph showing the current-voltage characteristics of the light emitting element of the comparative example.

まず、本発明の実施例によるNドープZnO系半導体層等の形成に用いる分子線エピタキシ(MBE)装置について説明する。   First, a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus used for forming an N-doped ZnO-based semiconductor layer or the like according to an embodiment of the present invention will be described.

図1は、MBE装置の例を示す概略断面図である。真空チャンバ1が、亜鉛(Zn)ソースガン2、マグネシウム(Mg)ソースガン3、ガリウム(Ga)ソースガン4、酸素(O)ソースガン5、及び、窒素(N)ソースガン6を備える。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an MBE apparatus. The vacuum chamber 1 includes a zinc (Zn) source gun 2, a magnesium (Mg) source gun 3, a gallium (Ga) source gun 4, an oxygen (O) source gun 5, and a nitrogen (N) source gun 6.

Znソースガン2、Mgソースガン3、Gaソースガン4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、Znビーム、Mgビーム、Gaビームを出射する。   Each of the Zn source gun 2, the Mg source gun 3, and the Ga source gun 4 includes a Knudsen cell that accommodates solid sources of Zn, Mg, and Ga, and emits a Zn beam, an Mg beam, and a Ga beam.

Oソースガン5、Nソースガン6は、それぞれ、例えば13.56MHzのラジオ周波(RF)を用いた無電極放電管を含み、Oラジカルビーム、Nラジカルビームを出射する。O源として、例えばOが用いられる。N源として、例えばNが用いられる。なお、N源として、NO、NO、NH等、Nを含む種々のガスを用いることが可能である。 Each of the O source gun 5 and the N source gun 6 includes an electrodeless discharge tube using a radio frequency (RF) of 13.56 MHz, for example, and emits an O radical beam and an N radical beam. For example, O 2 is used as the O source. For example, N 2 is used as the N source. Note that various gases containing N, such as N 2 O, NO, and NH 3 , can be used as the N source.

なお、同一のソースガンにN及びOを導入して、同一のソースガンからOラジカルビーム及びNラジカルビームを出射することもできる。 It is also possible to introduce N 2 and O 2 into the same source gun and emit an O radical beam and an N radical beam from the same source gun.

真空チャンバ1内に、基板ヒータを含む基板ホルダ7が配置され、基板ホルダ7が基板8を保持する。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系半導体層を成長させることができる。   A substrate holder 7 including a substrate heater is disposed in the vacuum chamber 1, and the substrate holder 7 holds the substrate 8. By supplying a desired beam on the substrate 8 at a desired timing, a ZnO-based semiconductor layer having a desired composition can be grown.

真空チャンバ1は、また、反射高速電子回折(RHEED)用のガン9、及びRHEED像を映すスクリーン10を備える。   The vacuum chamber 1 also includes a gun 9 for reflection high-energy electron diffraction (RHEED), and a screen 10 that displays an RHEED image.

ZnO系半導体は、少なくともZnとOとを含む。ZnOに、Znを置換するMgを添加することで、バンドギャップを広げることができる。ZnOと、Mgを添加したMgZnOを併せて、MgZn1−xOと表記する。Mg組成xは、Mgが添加されていないZnOでは0となる。また、ZnOの六方晶系が維持されるように、添加されるMgの上限の組成xは0.6程度である。 The ZnO-based semiconductor contains at least Zn and O. By adding Mg that substitutes Zn to ZnO, the band gap can be widened. ZnO and MgZnO to which Mg is added are collectively expressed as Mg x Zn 1-x O. The Mg composition x is 0 for ZnO to which no Mg is added. Further, the upper limit composition x of Mg to be added is about 0.6 so that the hexagonal system of ZnO is maintained.

MgZn1−xOに、p型ドーパントとしてNを添加することができる。MgZn1−xOのn型伝導性は、n型ドーパントを特に添加しなくとも得ることが可能だが、n型キャリア濃度増加のためGaを添加することができる。 N can be added to Mg x Zn 1-x O as a p-type dopant. The n-type conductivity of Mg x Zn 1-x O can be obtained without adding an n-type dopant, but Ga can be added to increase the n-type carrier concentration.

また、本願発明者らが発見したように、Nをn型ドーパントとして用いることもできる。後述のように、ZnO系半導体発光素子において、n型ドーパントとしてGaを用いると、Gaのp型半導体層への拡散等の不具合が生じるが、n型ドーパントとしてGaを用いずにNを用いれば、このような不具合が解消できる。   Further, as discovered by the present inventors, N can also be used as an n-type dopant. As will be described later, in the ZnO-based semiconductor light emitting device, when Ga is used as the n-type dopant, problems such as diffusion of Ga into the p-type semiconductor layer occur. However, if N is used as the n-type dopant without using Ga. Such a problem can be solved.

次に、第1の実験について説明する。第1の実験では、Nドープでn型伝導性が得られる成長条件について調べた。   Next, the first experiment will be described. In the first experiment, the growth conditions under which n-type conductivity was obtained by N doping were investigated.

まず、MgZn1−xO層成長におけるII/VIフラックス比について説明する。II族元素について、Znビームのフラックス強度をJZnとし、Mgビームのフラックス強度をJMgとする(なお、Mgが添加されない場合はJMg=0である)。VI族元素について、Oラジカルビームのフラックス強度をJとする。 First, the II / VI flux ratio in Mg x Zn 1-x O layer growth will be described. For group II elements, the Zn beam flux intensity is JZn , and the Mg beam flux intensity is JMg ( JMg = 0 if no Mg is added). For Group VI elements, the flux intensity of O radical beam and J O.

MgZn1−xO結晶のO終端面へのZn、Mgそれぞれの付着しやすさを示す係数を付着係数kZn、kMgとし、Zn及びMg終端面へのOの付着しやすさを示す係数をk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kZnZn、Mgの付着係数kMgとフラックス強度JMgとの積であるkMgMg、Oの付着係数kとフラックス強度Jとの積であるkは、それぞれ、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、Mg原子の個数、O原子の個数に対応する。 Mg x Zn 1-x O crystals Zn to O termination surface, depositing a coefficient indicating the respective attachment easiness Mg coefficient k Zn, and k Mg, adhesion ease of O to Zn and Mg endface Let the coefficient shown be k 2 O. At this time, k Zn J Zn , which is a product of Zn adhesion coefficient k Zn and flux strength J Zn, and k Mg J Mg , which is a product of Mg adhesion coefficient k Mg and flux strength J Mg , O adhesion coefficient k K O J O, which is the product of O and flux strength J O , corresponds to the number of Zn atoms, the number of Mg atoms, and the number of O atoms that adhere to the unit area of the substrate per unit time, respectively.

VI族元素の付着係数を加味したフラックス強度kに対する、II族元素の付着係数を加味したフラックス強度kZnZn+kMgMgの比である(kZnZn+kMgMg)/kを、II/VIフラックス比と定義する。II/VIフラックス比=1がストイキオメトリ条件、II/VIフラックス比<1がVI族元素リッチ条件、II/VIフラックス比>1がII族元素リッチ条件である。VI族元素リッチ条件をOリッチ条件と呼び、II族元素リッチ条件をZnリッチ条件と呼ぶこととする。 For flux intensity k O J O in consideration of the sticking coefficient of the Group VI element is the ratio of the flux intensity k Zn J Zn + k Mg J Mg in consideration of the sticking coefficient of the Group II element (k Zn J Zn + k Mg J Mg) / K O J O is defined as the II / VI flux ratio. II / VI flux ratio = 1 is stoichiometric condition, II / VI flux ratio <1 is VI group element rich condition, and II / VI flux ratio> 1 is II group element rich condition. Group VI element-rich conditions are called O-rich conditions, and group II element-rich conditions are called Zn-rich conditions.

なお、Zn、Mgのフラックス強度JZn、JMgは、堆積速度FZn、FMgから求めている。水晶振動子を用いた膜厚計を用いて、室温(冷却水温度15℃)におけるZn、Mgの堆積速度FZn、FMgの測定を、各セル温度を調整して実施する。堆積速度FZn、FMgを、計算により、Zn、Mgのフラックス強度JZn、JMgに変換することができる。 The Zn and Mg flux strengths JZn and JMg are obtained from the deposition rates FZn and FMg . Using a film thickness meter using a crystal resonator, the Zn and Mg deposition rates F Zn and F Mg at room temperature (cooling water temperature 15 ° C.) are measured by adjusting the cell temperature. The deposition rates F Zn and F Mg can be converted into Zn and Mg flux strengths J Zn and J Mg by calculation.

次に、図2を参照して、第1の実験におけるサンプルの作製方法について説明する。図2は、第1の実験のサンプル構造を示す概略断面図である。c面サファイア基板21を有機溶剤で脱脂洗浄後、MBE装置のチャンバ内の基板ホルダに取り付け、1×10−7Pa以下の高真空にした。高真空中で、800℃、30分の熱処理を施し、基板表面をクリーニングした。 Next, a sample manufacturing method in the first experiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a sample structure of the first experiment. The c-plane sapphire substrate 21 was degreased and washed with an organic solvent, and then attached to a substrate holder in the chamber of the MBE apparatus, and a high vacuum of 1 × 10 −7 Pa or less was applied. A heat treatment was performed at 800 ° C. for 30 minutes in a high vacuum to clean the substrate surface.

次いで、基板温度650℃で、Mgビーム及びOラジカルビームをサファイア基板21上に照射して、厚さ8nmのMgOバッファ層22を形成した。Mgビームの照射は、フラックス強度JMgを1.0×1014atoms/cms(Mgの堆積速度FMgを0.025nm/s)として行った。Oラジカルビームの照射は、Oガスを流量2sccmで導入し、RFパワー300Wでプラズマ化して行った。 Next, the MgO buffer layer 22 having a thickness of 8 nm was formed by irradiating the sapphire substrate 21 with an Mg beam and an O radical beam at a substrate temperature of 650 ° C. The Mg beam was irradiated at a flux strength J Mg of 1.0 × 10 14 atoms / cm 2 s (Mg deposition rate F Mg of 0.025 nm / s). The irradiation with the O radical beam was performed by introducing O 2 gas at a flow rate of 2 sccm and turning it into plasma with an RF power of 300 W.

MgOバッファ層22により、その上に、+c面を露出するZnO層が成長可能となる。なお、このような極性制御方法は、特開2005−197410号公報の「発明を実施するための最良の形態」の欄に説明されている。   With the MgO buffer layer 22, a ZnO layer exposing the + c plane can be grown thereon. Such a polarity control method is described in the section “Best Mode for Carrying Out the Invention” in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-197410.

次に、基板温度を350℃まで下げ、MgOバッファ層22上に、Znビーム及びOラジカルビームを照射して、厚さ約30nmのZnOバッファ層23を形成した。Znビームの照射は、フラックス強度JZnを1.0×1014atoms/cms(Znの堆積速度FZnを0.016nm/s)として行った。Oラジカルビームの照射は、Oガスを流量2sccmで導入し、RFパワー300Wでプラズマ化して行った。 Next, the substrate temperature was lowered to 350 ° C., and the ZnO buffer layer 23 having a thickness of about 30 nm was formed on the MgO buffer layer 22 by irradiation with a Zn beam and an O radical beam. The Zn beam was radiated at a flux intensity J Zn of 1.0 × 10 14 atoms / cm 2 s (Zn deposition rate F Zn of 0.016 nm / s). The irradiation with the O radical beam was performed by introducing O 2 gas at a flow rate of 2 sccm and turning it into plasma with an RF power of 300 W.

そして、一旦Znビーム及びOラジカルビームの照射を中止し、基板温度を850℃に上げて10分間アニールを行うことにより、ZnOバッファ層23の表面平坦性を改善した。   Then, irradiation with the Zn beam and O radical beam was stopped once, and the substrate temperature was raised to 850 ° C. and annealing was performed for 10 minutes, thereby improving the surface flatness of the ZnO buffer layer 23.

次に、基板温度を800℃まで下げ、ZnOバッファ層23上に、Znビーム、Oラジカルビームとともに、Nラジカルビームも照射して、厚さ約1000nmのNドープZnO層24を形成した。Oラジカルビームの照射は、Oガスを流量2sccmで導入し、RFパワー300Wでプラズマ化して行った。Nラジカルビームの照射は、Nガスを流量0.5sccmで導入し、RFパワー200Wでプラズマ化して行った。 Next, the substrate temperature was lowered to 800 ° C., and an N radical beam was irradiated on the ZnO buffer layer 23 together with a Zn beam and an O radical beam to form an N-doped ZnO layer 24 having a thickness of about 1000 nm. The irradiation with the O radical beam was performed by introducing O 2 gas at a flow rate of 2 sccm and turning it into plasma with an RF power of 300 W. The irradiation of the N radical beam was performed by introducing N 2 gas at a flow rate of 0.5 sccm and turning it into plasma with an RF power of 200 W.

NドープZnO層24の形成において、Oラジカルビーム及びNラジカルビームの照射条件が一定の下、Znビームフラックス強度JZnを1.6×1014atoms/cms〜2.0×1015atoms/cms(Znの堆積速度FZnを0.025nm/s〜0.31nm/s)の範囲で変えて、II/VIフラックス比を0.26〜3.24の範囲で変化させた。 In the formation of the N-doped ZnO layer 24, the Zn beam flux intensity J Zn is set to 1.6 × 10 14 atoms / cm 2 s to 2.0 × 10 15 atoms under constant irradiation conditions of the O radical beam and the N radical beam. The II / VI flux ratio was changed in the range of 0.26 to 3.24 by changing / cm 2 s (Zn deposition rate F Zn in the range of 0.025 nm / s to 0.31 nm / s).

Znビームフラックス強度JZn=6.3×1014atoms/cms(Znの堆積速度FZn=0.095nm/s)のときが、ストイキオメトリ条件(kZnZn=k)であった。 When the Zn beam flux intensity J Zn = 6.3 × 10 14 atoms / cm 2 s (Zn deposition rate F Zn = 0.095 nm / s), the stoichiometric condition (k Zn J Zn = k O J O )Met.

II/VIフラックス比(以下、単にフラックス比と呼ぶこともある)を変えた各サンプルについて、NドープZnO層24のn型キャリア濃度と比抵抗をホール測定で測定し、N濃度を2次イオン質量分析(SIMS)で測定した。   For each sample with a different II / VI flux ratio (hereinafter sometimes referred to simply as a flux ratio), the n-type carrier concentration and specific resistance of the N-doped ZnO layer 24 are measured by Hall measurement, and the N concentration is determined as a secondary ion. It was measured by mass spectrometry (SIMS).

図3Aは、n型キャリア濃度及び比抵抗のフラックス比依存性を示すグラフであり、図3Bは、N濃度のフラックス比依存性を示すグラフである。   FIG. 3A is a graph showing the dependence of n-type carrier concentration and specific resistance on the flux ratio, and FIG. 3B is a graph showing the dependence of N concentration on the flux ratio.

アンドープのZnO層は、1015cm−3のオーダ以下のn型キャリア濃度を示すことがわかっている。NドープZnO層は、特にフラックス比0.9以上で、n型キャリア濃度が1016cm−3のオーダ以上となって、アンドープZnO層に比べて顕著に高いn型伝導性を示し、n型キャリア濃度は、フラックス比が大きくなるほど高くなることがわかった。フラックス比0.9〜3.2で、n型キャリア濃度3.4×1016cm−3〜5.7×1017cm−3が得られた。 It has been found that undoped ZnO layers exhibit n-type carrier concentrations below the order of 10 15 cm −3 . The N-doped ZnO layer has a flux ratio of 0.9 or more and an n-type carrier concentration of the order of 10 16 cm −3 or more, and exhibits an n-type conductivity significantly higher than that of the undoped ZnO layer. It has been found that the carrier concentration increases as the flux ratio increases. An n-type carrier concentration of 3.4 × 10 16 cm −3 to 5.7 × 10 17 cm −3 was obtained at a flux ratio of 0.9 to 3.2.

比抵抗は、フラックス比0.5程度で10Ωcmのオーダの最大値を示し、そこからフラックス比が大きくなると急減し、フラックス比0.9では10Ωcmのオーダに下がり、さらにフラックス比3.2では10−1Ωcmのオーダまで下がっている。 The specific resistance shows a maximum value on the order of 10 6 Ωcm at a flux ratio of about 0.5, and then rapidly decreases as the flux ratio increases. At a flux ratio of 0.9, the specific resistance decreases to the order of 10 1 Ωcm, and a flux ratio of 3 .2 has dropped to the order of 10 −1 Ωcm.

N濃度は、概ね、Oリッチ条件で低く、Znリッチ条件で高い。Oリッチ条件側で、フラックス比が低下するにつれ、N濃度は急激に減少する。Znリッチ側では、フラックス比が増えるにつれ、N濃度は増加するが、増加の傾きは緩やかになり飽和傾向を示す。フラックス比0.9以上で、1020cm−3のオーダのN濃度が得られている。N濃度が高いほどnキャリア濃度が高くなる傾向が見られる。 The N concentration is generally low under the O-rich condition and high under the Zn-rich condition. As the flux ratio decreases on the O-rich condition side, the N concentration decreases rapidly. On the Zn-rich side, as the flux ratio increases, the N concentration increases, but the slope of the increase becomes gradual and shows a saturation tendency. An N concentration of the order of 10 20 cm −3 is obtained at a flux ratio of 0.9 or more. There is a tendency for the n carrier concentration to increase as the N concentration increases.

以上の結果より、Nドープで(アンドープよりも)n型キャリア濃度を高める(例えば1×1016cm−3以上とする)には、NドープZnO層成長におけるII/VIフラックス比を、0.9以上とすることが好ましいといえる。なお、II/VIフラックス比が0.9近傍では、II/VIフラックス比が少し低下するとnキャリア濃度やN濃度が急減するので、安定的に高いnキャリア濃度を得るという観点からは、II/VIフラックス比を1以上とすることが好ましい。 From the above results, in order to increase the n-type carrier concentration (for example, 1 × 10 16 cm −3 or more) with N doping (more than 1 × 10 16 cm −3 ), the II / VI flux ratio in the growth of the N-doped ZnO layer is set to 0. It can be said that it is preferably 9 or more. When the II / VI flux ratio is around 0.9, the n carrier concentration and the N concentration decrease sharply when the II / VI flux ratio is slightly reduced. From the viewpoint of stably obtaining a high n carrier concentration, II / VI The VI flux ratio is preferably 1 or more.

なお、II/VIフラックス比の上限については、以下のように考察される。高いフラックス比においても、Znリッチ条件であれば、Nドープn型ZnO層は成膜可能と考えられるため、用いる装置の制約による以外の特別なフラックス比の上限はないといえる。II/VIフラックス比は、II族元素についてZnビーム及びMgビームの堆積量、及び、VI族元素についてOラジカル生成に係るO2流量及びRFラジカルガンのパワー、により制御されるため、用いる成膜装置における、Znビーム量の最大値、Oラジカル量の最小値を定める条件により、フラックス比の上限値が決まる。一例を挙げるならば、55程度である。   Note that the upper limit of the II / VI flux ratio is considered as follows. Even at a high flux ratio, it is considered that an N-doped n-type ZnO layer can be formed under Zn-rich conditions. Therefore, it can be said that there is no upper limit of a special flux ratio other than due to restrictions on the apparatus used. The II / VI flux ratio is controlled by the deposition amount of the Zn beam and the Mg beam for the group II element and the O2 flow rate for generating the O radical and the power of the RF radical gun for the group VI element. The upper limit value of the flux ratio is determined by the conditions for determining the maximum value of the Zn beam amount and the minimum value of the O radical amount. For example, it is about 55.

次に、Nドープでn型伝導性を高めたZnOが得られる理由について考察する。N原子がZnOのOサイトを置換した場合、N原子はアクセプタとなりp型ドーパントとして働く。一方、例えばN分子がZnOのOサイトを置換した場合、N分子はダブルドナーとして振舞うと考えられ、これにより、NドープZnOがn型伝導性を示すと考えられる。ドープされたN濃度が高いほど、N分子ダブルドナーが生成されやすくなって、nキャリア濃度が高くなると考えられる。 Next, the reason why ZnO in which n-type conductivity is enhanced by N doping will be considered. When an N atom replaces the O site of ZnO, the N atom becomes an acceptor and functions as a p-type dopant. On the other hand, for example, if the N 2 molecule is substituted with O site ZnO, N 2 molecule is considered to behave as a double donor, thereby, N-doped ZnO is considered to exhibit n-type conductivity. It is considered that the higher the doped N concentration, the easier it is to generate N 2 molecular double donors and the higher the n carrier concentration.

次に、Nドープでn型ZnO層を得るのに好適な成長温度範囲について考察する。N分子ダブルドナーは、成長温度が高いほど、その熱エネルギーにより生成されやすいと考えられ、800℃以上の高い成長温度が好ましい。 Next, a growth temperature range suitable for obtaining an n-doped n-type ZnO layer will be considered. The N 2 molecule double donor is considered to be easily generated by the thermal energy as the growth temperature is higher, and a high growth temperature of 800 ° C. or higher is preferable.

また、フラックス比が0.9以上の、Znリッチまたはストイキオメトリに近い条件において、例えば700℃以下の低温は、ZnO層が3次元成長するので、結晶性の観点で好ましくない。2次元成長を得るには、少なくとも750℃以上の成長温度が必要で、800℃以上が好ましい。   Further, under conditions close to Zn-rich or stoichiometry where the flux ratio is 0.9 or more, a low temperature of, for example, 700 ° C. or less is not preferable from the viewpoint of crystallinity because the ZnO layer grows three-dimensionally. In order to obtain two-dimensional growth, a growth temperature of at least 750 ° C. or higher is necessary, and 800 ° C. or higher is preferable.

膜中へのNの取り込みの観点からは、成長温度が1000℃を超えると、Nの付着係数が極端に低下するので好ましくない。以上より、Nドープでn型ZnO層を得るのに好適な成長温度範囲は、800℃以上、1000℃以下といえる。   From the viewpoint of incorporation of N into the film, it is not preferable that the growth temperature exceeds 1000 ° C., because the adhesion coefficient of N is extremely reduced. From the above, it can be said that a growth temperature range suitable for obtaining an n-type ZnO layer by N doping is 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.

なお、Nドープは、通常、p型ZnO層を得るのに用いられている。Nドープでp型ZnO層を得るのに好適な条件は、フラックス比が0.5以上、0.9未満の範囲で、成長温度が300℃以上、800℃未満の範囲である。   N doping is usually used to obtain a p-type ZnO layer. Suitable conditions for obtaining a p-type ZnO layer with N doping are a flux ratio in the range of 0.5 to 0.9 and a growth temperature in the range of 300 ° C. to 800 ° C.

次に、第2の実験について説明する。第2の実験では、800℃より低い低温で成長させたNドープZnO層に対し、成膜後にアニールを施して、n型伝導性について調べた。   Next, the second experiment will be described. In the second experiment, an N-doped ZnO layer grown at a low temperature lower than 800 ° C. was annealed after film formation to examine n-type conductivity.

図4を参照して、第2の実験におけるサンプルの作製方法について説明する。図4は、第2の実験のサンプル構造を示す概略断面図である。洗浄されたc面ZnO基板31の+c面上に、基板温度300℃で、Znビーム及びOラジカルビームを照射して、厚さ30nmのZnOバッファ層32を形成した。そして、ZnOバッファ層32を高品質化させるために、900℃、20分のアニールを行った。   With reference to FIG. 4, a method for manufacturing a sample in the second experiment will be described. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a sample structure of the second experiment. The + c plane of the cleaned c-plane ZnO substrate 31 was irradiated with a Zn beam and an O radical beam at a substrate temperature of 300 ° C. to form a ZnO buffer layer 32 having a thickness of 30 nm. In order to improve the quality of the ZnO buffer layer 32, annealing was performed at 900 ° C. for 20 minutes.

次に、基板温度を300℃とし、ZnOバッファ層32上に、Znビーム、Oラジカルビームとともに、Nラジカルビームも照射して、厚さ約500nmのNドープZnO層33を形成した。Oラジカルビームの照射は、Oガスを流量0.5sccmで導入し、RFパワー200Wでプラズマ化して行った。Nラジカルビームの照射は、Nガスを流量1sccmで導入し、RFパワー100Wでプラズマ化して行った。そして、Znビームフラックス強度JZnを2.0×1014atoms/cms(Znの堆積速度FZnを0.03nm/s)として、II/VIフラックス比が約1.3のZnリッチ条件で成膜した。 Next, an N-doped ZnO layer 33 having a thickness of about 500 nm was formed on the ZnO buffer layer 32 by irradiating a Zn beam and an O radical beam as well as an N radical beam on the ZnO buffer layer 32. O radical beam irradiation was performed by introducing O 2 gas at a flow rate of 0.5 sccm and turning it into plasma with an RF power of 200 W. The N radical beam was irradiated by introducing N 2 gas at a flow rate of 1 sccm and turning it into plasma with an RF power of 100 W. The Zn beam flux intensity J Zn is 2.0 × 10 14 atoms / cm 2 s (Zn deposition rate F Zn is 0.03 nm / s), and the Zn-rich condition in which the II / VI flux ratio is about 1.3. The film was formed.

次に、Nガス雰囲気、900℃、10分、1気圧(101.3kPa)の条件で、NドープZnO層33にアニールを施した。アニール後のNドープZnO層33のN濃度は2.8×1020cm−3で、C−V測定によるn型キャリア濃度は2.0×1018cm−3であった。 Next, the N-doped ZnO layer 33 was annealed under conditions of N 2 gas atmosphere, 900 ° C., 10 minutes, and 1 atmosphere (101.3 kPa). The N concentration of the N-doped ZnO layer 33 after annealing was 2.8 × 10 20 cm −3 , and the n-type carrier concentration by CV measurement was 2.0 × 10 18 cm −3 .

このように、成長温度を800℃より低い低温としたNドープZnO層であっても、アニールを施すことにより、高いn型キャリア濃度が得られることがわかった。アニール温度は、800℃以上とすればよいであろう。また、アニール温度の上限も、1000℃程度であろう。   Thus, it was found that even with an N-doped ZnO layer whose growth temperature is lower than 800 ° C., a high n-type carrier concentration can be obtained by annealing. The annealing temperature may be 800 ° C. or higher. Also, the upper limit of the annealing temperature will be about 1000 ° C.

なお、NドープZnO層に対するアニールと、下方のZnOバッファ層に対するアニールとを、一緒に行うこともできよう。   It should be noted that annealing for the N-doped ZnO layer and annealing for the lower ZnO buffer layer could be performed together.

第1の実験より、Nドープでn型伝導性を高めるには、成長温度800℃以上、1000℃以下が好ましいことがわかった。また、第2の実験より、成長温度が800℃より低くても、成膜後の800℃以上、1000℃以下のアニールによって、Nドープによる高いn型伝導性が得られることがわかった。これらの知見は、Nドープでn型伝導性を高めるには、NドープZnO層の成膜中または成膜後に、800℃以上、1000℃以下の熱処理を行うことが好ましい、とまとめることができる。   From the first experiment, it was found that a growth temperature of 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower is preferable for increasing n-type conductivity by N doping. Further, from the second experiment, it was found that even when the growth temperature is lower than 800 ° C., high n-type conductivity due to N doping can be obtained by annealing at 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower after film formation. These findings can be summarized as heat treatment at 800 ° C. or more and 1000 ° C. or less is preferable during or after the formation of the N-doped ZnO layer in order to increase n-type conductivity with N doping. .

次に、第3の実験について説明する。第3の実験では、Nドープn型ZnO層の結晶構造について調べた。また、比較のため、Nドープp型ZnO層の結晶構造についても調べた。   Next, a third experiment will be described. In the third experiment, the crystal structure of the N-doped n-type ZnO layer was examined. For comparison, the crystal structure of the N-doped p-type ZnO layer was also examined.

再び図4を参照して、第3の実験におけるサンプルの作製方法について説明する。第3の実験のサンプルの積層構造は、第2の実験と同様である。洗浄されたc面ZnO基板31の+c面上に、基板温度300℃で、Znビーム及びOラジカルビームを照射して、厚さ30nmのZnOバッファ層32を形成した。そして、ZnOバッファ層32を高品質化させるために、900℃、20分のアニールを行った。   Referring to FIG. 4 again, a method for preparing a sample in the third experiment will be described. The laminated structure of the sample of the third experiment is the same as that of the second experiment. The + c plane of the cleaned c-plane ZnO substrate 31 was irradiated with a Zn beam and an O radical beam at a substrate temperature of 300 ° C. to form a ZnO buffer layer 32 having a thickness of 30 nm. In order to improve the quality of the ZnO buffer layer 32, annealing was performed at 900 ° C. for 20 minutes.

次に、ZnOバッファ層32上に、Znビーム、Oラジカルビーム、及びNラジカルビームを照射して、NドープZnO層33を形成した。NドープZnO層33の成膜条件を変えて、複数のサンプルを作製した。   Next, the Zn-doped ZnO layer 33 was formed by irradiating the ZnO buffer layer 32 with a Zn beam, an O radical beam, and an N radical beam. A plurality of samples were produced by changing the film forming conditions of the N-doped ZnO layer 33.

Nドープn型ZnO層について調べた実験では、2種のサンプル(第1、第2のn型サンプル)を作製した。また、比較のため、Nラジカルビームを照射しないアンドープのZnO層33としたサンプル(アンドープサンプル)も作製した。   In the experiment for examining the N-doped n-type ZnO layer, two types of samples (first and second n-type samples) were produced. For comparison, an undoped ZnO layer 33 sample (undoped sample) that was not irradiated with an N radical beam was also produced.

第1のn型サンプルのNドープZnO層33は、成長温度850℃とし、厚さ約500nm形成した。Znビームの照射は、フラックス強度JZnを9.9×1014atoms/cms(Znの堆積速度FZnを0.15nm/s)として行った。Oラジカルビーム及びNラジカルビームの照射は、同一のソースガンにOガス(流量2sccm)及びNガス(流量0.05sccm)を混ぜて導入し、RFパワー300Wでプラズマ化して行った。II/VIフラックス比は約1.2である。 The N-doped ZnO layer 33 of the first n-type sample was formed at a growth temperature of 850 ° C. and a thickness of about 500 nm. The Zn beam was irradiated with a flux intensity J Zn of 9.9 × 10 14 atoms / cm 2 s (Zn deposition rate F Zn of 0.15 nm / s). The O radical beam and the N radical beam were irradiated by mixing O 2 gas (flow rate 2 sccm) and N 2 gas (flow rate 0.05 sccm) into the same source gun, and turning it into plasma with an RF power of 300 W. The II / VI flux ratio is about 1.2.

第2のn型サンプルのNドープZnO層33は、成長温度950℃とし、厚さ約500nm形成した。Znビームの照射は、フラックス強度JZnを9.9×1014atoms/cms(Znの堆積速度FZnを0.15nm/s)として行った。Oラジカルビームの照射は、OソースガンにOガスを流量0.5sccmで導入し、RFパワー200Wでプラズマ化して行った。Nラジカルビームの照射は、NソースガンにNガスを流量1sccmで導入し、RFパワー100Wでプラズマ化して行った。II/VIフラックス比は約6.6である。 The N-doped ZnO layer 33 of the second n-type sample was formed at a growth temperature of 950 ° C. and a thickness of about 500 nm. The Zn beam was irradiated with a flux intensity J Zn of 9.9 × 10 14 atoms / cm 2 s (Zn deposition rate F Zn of 0.15 nm / s). The O radical beam was irradiated by introducing O 2 gas into the O source gun at a flow rate of 0.5 sccm and turning it into plasma with an RF power of 200 W. The irradiation of the N radical beam was performed by introducing N 2 gas into the N source gun at a flow rate of 1 sccm and converting it to plasma with an RF power of 100 W. The II / VI flux ratio is about 6.6.

アンドープサンプルのZnO層33は、成長温度900℃とし、厚さ約500nm形成した。Znビームの照射は、フラックス強度JZnを9.9×1014atoms/cms(Znの堆積速度FZnを0.15nm/s)として行った。Oラジカルビームの照射は、OソースガンにOガスを流量2sccmで導入し、RFパワー300Wでプラズマ化して行った。II/VIフラックス比は約1.2である。 The ZnO layer 33 of the undoped sample was formed at a growth temperature of 900 ° C. and a thickness of about 500 nm. The Zn beam was irradiated with a flux intensity J Zn of 9.9 × 10 14 atoms / cm 2 s (Zn deposition rate F Zn of 0.15 nm / s). The O radical beam was irradiated by introducing O 2 gas into the O source gun at a flow rate of 2 sccm and turning it into plasma with an RF power of 300 W. The II / VI flux ratio is about 1.2.

そして、Nドープp型ZnO層について調べた実験で作製したサンプル(p型サンプル)のNドープZnO層33は、成長温度600℃とし、厚さ約500nm形成した。Znビームの照射は、フラックス強度JZnを5.9×1014atoms/cms(Znの堆積速度FZnを0.09nm/s)として行った。Oラジカルビームの照射は、OソースガンにOガスを流量2sccmで導入し、RFパワー300Wでプラズマ化して行った。Nラジカルビームの照射は、NソースガンにNガスを流量1sccmで導入し、RFパワー100Wでプラズマ化して行った。II/VIフラックス比は約0.8である。 Then, the N-doped ZnO layer 33 of the sample (p-type sample) produced in the experiment for the N-doped p-type ZnO layer was formed at a growth temperature of 600 ° C. and a thickness of about 500 nm. The Zn beam was irradiated with a flux intensity J Zn of 5.9 × 10 14 atoms / cm 2 s (Zn deposition rate F Zn of 0.09 nm / s). The O radical beam was irradiated by introducing O 2 gas into the O source gun at a flow rate of 2 sccm and turning it into plasma with an RF power of 300 W. The irradiation of the N radical beam was performed by introducing N 2 gas into the N source gun at a flow rate of 1 sccm and converting it to plasma with an RF power of 100 W. The II / VI flux ratio is about 0.8.

図5A〜図5C、図6はそれぞれ、アンドープサンプル、第1、第2のn型サンプル、及びp型サンプルに対するX線回折(XRD)の2θ−θ測定結果を示すグラフである。各グラフの横軸が回折角2θを度単位で示し、縦軸が回折強度をログスケールのcps(counts/seconds)単位で示す。   FIGS. 5A to 5C and 6 are graphs showing 2θ-θ measurement results of X-ray diffraction (XRD) for the undoped sample, the first and second n-type samples, and the p-type sample, respectively. The horizontal axis of each graph indicates the diffraction angle 2θ in degrees, and the vertical axis indicates the diffraction intensity in log scale cps (counts / seconds) units.

図5Aに示すように、アンドープサンプルでは、ZnOのc軸方向の格子定数に対応する回折ピーク(以下、単に回折ピークと呼ぶこともある)が回折角72.54度程度に現れている。アンドープサンプルに対してC−V測定を行った結果、n型キャリア濃度は7.0×1015cm−3であった。アンドープサンプルは、アンドープでもn型伝導性を示すが、n型キャリア濃度は1015cm−3程度のオーダで低い。 As shown in FIG. 5A, in the undoped sample, a diffraction peak corresponding to the lattice constant in the c-axis direction of ZnO (hereinafter sometimes simply referred to as a diffraction peak) appears at a diffraction angle of about 72.54 degrees. As a result of performing CV measurement on the undoped sample, the n-type carrier concentration was 7.0 × 10 15 cm −3 . The undoped sample exhibits n-type conductivity even when undoped, but the n-type carrier concentration is low on the order of 10 15 cm −3 .

図5B及び図5Cに示すように、第1及び第2のn型サンプルでは、NドープZnO層の回折ピークが、基板のアンドープZnOの回折ピークよりも低角度側に表れている。第1のn型サンプルのN濃度は4.3×1019cm−3であり、C−V測定によるn型キャリア濃度は2.0×1016cm−3であった。また、第2のn型サンプルのN濃度は1.3×1020cm−3であり、C−V測定によるn型キャリア濃度は2.2×1018cm−3であった。 As shown in FIGS. 5B and 5C, in the first and second n-type samples, the diffraction peak of the N-doped ZnO layer appears on the lower angle side than the diffraction peak of the undoped ZnO of the substrate. The N concentration of the first n-type sample was 4.3 × 10 19 cm −3 , and the n-type carrier concentration by CV measurement was 2.0 × 10 16 cm −3 . The N concentration of the second n-type sample was 1.3 × 10 20 cm −3 , and the n-type carrier concentration by CV measurement was 2.2 × 10 18 cm −3 .

第3の実験のサンプルは、基板面内方向は下地のc面ZnO基板と整合した状態で成長している(a軸長及びm軸長は下地のZnO基板と等しい)。Nドープn型ZnO層の回折ピークが低角側に現れていることは、Nドープn型ZnO層のc軸方向の格子定数が、アンドープのZnOに比べて長くなっていることを示唆する(アンドープZnOのc軸長は0.52066nm)。   The sample of the third experiment is grown in a state in which the in-plane direction of the substrate is aligned with the underlying c-plane ZnO substrate (the a-axis length and the m-axis length are the same as the underlying ZnO substrate). The fact that the diffraction peak of the N-doped n-type ZnO layer appears on the lower angle side suggests that the lattice constant in the c-axis direction of the N-doped n-type ZnO layer is longer than that of undoped ZnO ( (The c-axis length of undoped ZnO is 0.52066 nm).

c軸長の格子不整合度(Δc/c)は、N濃度が4.3×1019cm−3の第1のn型サンプルで0.028%(c軸長0.52081nm)であり、N濃度が1.3×1020cm−3の第2のn型サンプルで0.033%(c軸長0.52083nm)である。このことから、N濃度が増加するほどc軸方向の格子定数が長くなると推測される。 The degree of lattice mismatch (Δc / c) of the c-axis length is 0.028% (c-axis length 0.52081 nm) in the first n-type sample having an N concentration of 4.3 × 10 19 cm −3 , The second n-type sample having an N concentration of 1.3 × 10 20 cm −3 is 0.033% (c-axis length 0.52083 nm). From this, it is presumed that the lattice constant in the c-axis direction becomes longer as the N concentration increases.

一方、図6に示すように、p型サンプルでは、NドープZnO層の回折ピークが、基板のアンドープZnOの回折ピークよりも高角度側に表れており、c軸方向の格子定数が、アンドープのZnOに比べて短くなっていることが示唆される。c軸長の格子不整合度(Δc/c)は、−0.010%(c軸長0.52061nm)である。p型サンプルは、N濃度が1.0×1020cm−3であり、C−V測定の結果がn型伝導性サンプルとは逆の傾きを持ち、p型伝導性を示した。 On the other hand, as shown in FIG. 6, in the p-type sample, the diffraction peak of the N-doped ZnO layer appears on the higher angle side than the diffraction peak of the undoped ZnO of the substrate, and the lattice constant in the c-axis direction is undoped. It is suggested that the length is shorter than that of ZnO. The degree of lattice mismatch (Δc / c) of the c-axis length is −0.010% (c-axis length 0.52061 nm). The p-type sample had an N concentration of 1.0 × 10 20 cm −3 , and the result of CV measurement had a slope opposite to that of the n-type conductivity sample, indicating p-type conductivity.

アンドープZnOに比べて、Nドープn型ZnOでc軸長が長くなり、Nドープp型ZnOでc軸長が短くなる理由について考察する。C. H. Park et al “Origin of p-type doping difficulty in ZnO: The impurity perspective”, PHYSICAL REVIEW B 66, 073202 (2002) や、S. Limpijumnong et al “Substitutional diatomic molecules NO, NC, CO, N2, and O2: Their vibrational frequencies and effects on p doping of ZnO”, APPLIED PHYSICS LETTERS 86, 211910 (2005) によると、Zn−Oボンド長は0.193nm、Zn−Nボンド長は0.188nm、Oサイトを置換したN分子(N 2+のボンド長は0.114nmである。 The reason why the c-axis length is longer in N-doped n-type ZnO than in undoped ZnO and the c-axis length is shorter in N-doped p-type ZnO will be considered. CH Park et al “Origin of p-type doping difficulty in ZnO: The impurity perspective”, PHYSICAL REVIEW B 66, 073202 (2002) and S. Limpijumnong et al “Substitutional diatomic molecules NO, NC, CO, N 2 , and According to O 2 : Their vibrational frequencies and effects on p doping of ZnO ”, APPLIED PHYSICS LETTERS 86, 211910 (2005), the Zn-O bond length is 0.193 nm, the Zn-N bond length is 0.188 nm, and the O site is The bond length of the substituted N 2 molecule (N 2 ) O 2+ is 0.114 nm.

分子で置換された場合、ZnからNの中心まで(Zn−N+(N−N)/2)のボンド長は、Zn−Nボンド長にNボンド長の半分が加算された0.188nm+0.114nm/2=0.245nmと見積もることができ、Zn−Oボンド長(0.193nm)より長くなると考えられる。 When substituted with N 2 molecules, the bond length from Zn to the center of N 2 (Zn—N + (N—N) / 2) is 0, with half of the N 2 bond length added to the Zn—N bond length. 188 nm + 0.114 nm / 2 = 0.245 nm, which is considered to be longer than the Zn—O bond length (0.193 nm).

このようなボンド長の関係により、Oサイトを1つのN原子が置換したp型伝導性の場合は、c軸長がアンドープより短くなり、Oサイトを2つのN原子が(N分子が)置換したn型伝導性の場合は、c軸長がアンドープより長くなると理解される。なお、格子不整合の値は、使用する基板や成長条件に依存すると考えられる。 Due to this bond length relationship, in the case of p-type conductivity in which one N atom is substituted at the O site, the c-axis length is shorter than that of undoped, and the two N atoms (N 2 molecules) are located at the O site. In the case of substituted n-type conductivity, it is understood that the c-axis length is longer than undoped. Note that the value of lattice mismatch is considered to depend on the substrate used and the growth conditions.

ここで、第1〜第3の実験を踏まえて、Nドープn型ZnO層に好適なN濃度について考察する。第1の実験で説明したように、N濃度が高いほど、N分子ダブルドナーが生成されやすくなり、n型キャリア濃度が高くしやすいと考えられる。一方、結晶品質を良好に保つ観点からは、N濃度を低くしたい。 Here, based on the first to third experiments, the N concentration suitable for the N-doped n-type ZnO layer will be considered. As explained in the first experiment, it is considered that the higher the N concentration, the easier it is to generate N 2 molecular double donors and the higher the n-type carrier concentration. On the other hand, from the viewpoint of maintaining good crystal quality, it is desired to lower the N concentration.

第1の実験では、熱処理温度(成長温度)を800℃としたとき、概ね、1020cm−3のオーダのN濃度で、1016cm−3のオーダ以上のn型キャリア濃度が得られた。 In the first experiment, when the heat treatment temperature (growth temperature) was 800 ° C., an n-type carrier concentration of about 10 16 cm −3 or more was obtained with an N concentration of about 10 20 cm −3 . .

第2の実験では、第1の実験に比べ、熱処理温度(アニール温度)を900℃に上げたところ、N濃度2.8×1020cm−3でn型キャリア濃度2.0×1018cm−3のサンプルが得られた。 In the second experiment, as compared with the first experiment, when the heat treatment temperature (annealing temperature) was increased to 900 ° C., the N concentration was 2.8 × 10 20 cm −3 and the n-type carrier concentration was 2.0 × 10 18 cm. -3 samples were obtained.

第3の実験でも、第1の実験に比べ、熱処理温度(成長温度)を850℃に上げた第1のn型サンプルで、N濃度4.3×1019cm−3に対しn型キャリア濃度2.0×1016cm−3が得られ、熱処理温度(成長温度)を950℃に上げた第2のn型サンプルで、N濃度1.3×1020cm−3に対しn型キャリア濃度2.2×1018cm−3が得られた。 Also in the third experiment, compared to the first experiment, the n-type carrier concentration with respect to the N concentration of 4.3 × 10 19 cm −3 in the first n-type sample with the heat treatment temperature (growth temperature) increased to 850 ° C. 2.0 × 10 16 cm −3 was obtained, and the n-type carrier concentration with respect to the N concentration of 1.3 × 10 20 cm −3 in the second n-type sample with the heat treatment temperature (growth temperature) increased to 950 ° C. 2.2 × 10 18 cm −3 was obtained.

なお、第2、第3の実験では、II/VIフラックス比もZnリッチ側として、n型キャリア濃度増加を図っている。   In the second and third experiments, the II / VI flux ratio is also set to the Zn rich side to increase the n-type carrier concentration.

このように、熱処理温度を上げる等、条件の最適化を図ることにより、第1の実験に比べ、低いN濃度でも高いn型キャリア濃度を得ることができる。第3の実験の第1のn型サンプルの結果を踏まえると、N濃度が1×1019cm−3以上で、1×1016cm−3以上のn型キャリア濃度とすることが可能と考えられる。一方、結晶品質の観点から、N濃度の上限は、4×1020cm−3程度としたい。 Thus, by optimizing the conditions such as increasing the heat treatment temperature, a higher n-type carrier concentration can be obtained even at a lower N concentration than in the first experiment. Based on the result of the first n-type sample of the third experiment, it is considered that the N concentration is 1 × 10 19 cm −3 or more and the n-type carrier concentration can be 1 × 10 16 cm −3 or more. It is done. On the other hand, from the viewpoint of crystal quality, the upper limit of the N concentration is about 4 × 10 20 cm −3 .

このように、結晶品質低下を抑制しつつn型キャリア濃度を高めたいという観点から、Nドープn型ZnO層は、N濃度が、1×1019cm−3以上、4×1020cm−3以下の範囲であることが好ましい。 Thus, from the viewpoint of increasing the n-type carrier concentration while suppressing the deterioration of crystal quality, the N-doped n-type ZnO layer has an N concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more and 4 × 10 20 cm −3. The following range is preferable.

なお、第1の実験で考察したように、Nドープn型ZnO層は、熱処理温度800℃以上で得ることは可能であるが、低いN濃度で高いn型キャリア濃度を得やすいという観点からは、熱処理温度を850℃以上とすることがさらに好ましい。   As discussed in the first experiment, the N-doped n-type ZnO layer can be obtained at a heat treatment temperature of 800 ° C. or higher, but it is easy to obtain a high n-type carrier concentration at a low N concentration. The heat treatment temperature is more preferably 850 ° C. or higher.

以上説明したように、第1〜第3の実験では、(Mg組成x=0の)ZnOにNをドープして、良好なn型伝導性を得るための条件や、結晶構造等について考察したが、第1〜第3の実験で得られた知見は、ZnがMgで置換されたMgZnOへのNドープに対しても有効であろう。   As described above, in the first to third experiments, conditions for obtaining good n-type conductivity by doping N into ZnO (Mg composition x = 0), crystal structure, and the like were considered. However, the knowledge obtained in the first to third experiments may be effective for N doping of MgZnO in which Zn is replaced with Mg.

次に、第4の実験について説明する。第4の実験では、n型半導体層としてNドープn型MgZnO層を用いたZnO系半導体発光素子(実施例の発光素子)を作製した。また、比較のため、n型半導体層としてGaドープn型MgZnO層を用いたZnO系半導体発光素子(比較例の発光素子)も作製した。   Next, a fourth experiment will be described. In the fourth experiment, a ZnO-based semiconductor light-emitting device (light-emitting device of the example) using an N-doped n-type MgZnO layer as an n-type semiconductor layer was produced. For comparison, a ZnO-based semiconductor light-emitting element (a light-emitting element of a comparative example) using a Ga-doped n-type MgZnO layer as an n-type semiconductor layer was also produced.

図7Aを参照して、第4の実験におけるサンプルの作製方法について説明する。図7Aは、第4の実験のサンプル構造を示す概略断面図である。   With reference to FIG. 7A, a method for manufacturing a sample in the fourth experiment will be described. FIG. 7A is a schematic cross-sectional view showing a sample structure of a fourth experiment.

まず、実施例の発光素子の作製方法について説明する。洗浄されたc面ZnO基板41(n型伝導性を示す)の+c面上に、基板温度300℃で、Znビーム及びOラジカルビームを照射して、厚さ30nmのZnOバッファ層42を形成した。そして、ZnOバッファ層42を高品質化させるために、900℃、20分のアニールを行った。   First, a method for manufacturing a light-emitting element of an example will be described. A ZnO buffer layer 42 having a thickness of 30 nm was formed on the + c plane of the cleaned c-plane ZnO substrate 41 (showing n-type conductivity) by irradiating a Zn beam and an O radical beam at a substrate temperature of 300 ° C. . In order to improve the quality of the ZnO buffer layer 42, annealing was performed at 900 ° C. for 20 minutes.

なお、ZnOバッファ層の成長温度、厚さは、300℃、30nmに限定されず、200℃〜400℃、10nm〜30nmの範囲であれば好ましい。また、ZnOバッファ層のアニール温度、アニール時間は、900℃、20分に限定されず、500℃〜1000℃、3分〜30分の範囲であれば好ましい。   The growth temperature and thickness of the ZnO buffer layer are not limited to 300 ° C. and 30 nm, but are preferably in the range of 200 ° C. to 400 ° C. and 10 nm to 30 nm. Further, the annealing temperature and annealing time of the ZnO buffer layer are not limited to 900 ° C. and 20 minutes, but are preferably in the range of 500 ° C. to 1000 ° C. and 3 minutes to 30 minutes.

次に、ZnOバッファ層42上に、成長温度950℃で、Znビーム、Mgビーム、Oラジカルビーム、及びNラジカルビームを照射して、厚さ約80nmのNドープn型MgZn1−xO(x=0.2)層43を形成した。Nドープn型MgZn1−xO(x=0.2)層43のN濃度は、9.0×1019cm−3程度であった。 Next, the ZnO buffer layer 42 is irradiated with a Zn beam, an Mg beam, an O radical beam, and an N radical beam at a growth temperature of 950 ° C., and an N-doped n-type Mg x Zn 1-x having a thickness of about 80 nm. An O (x = 0.2) layer 43 was formed. The N concentration of the N-doped n-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.2) layer 43 was about 9.0 × 10 19 cm −3 .

Znビームの照射は、フラックス強度JZnを2.0×1015atoms/cms(Znの堆積速度FZnを0.3nm/s)として行った。Mgビームの照射は、フラックス強度JMgを4.3×1013atoms/cms(Mgの堆積速度FMgを0.01nm/s)として行った。Oラジカルビームの照射は、OソースガンにOガスを流量1sccmで導入し、RFパワー200Wでプラズマ化して行った。Nラジカルビームの照射は、NソースガンにNガスを流量1sccmで導入し、RFパワー150Wでプラズマ化して行った。II/VIフラックス比は約10.0である。 The Zn beam was irradiated at a flux intensity J Zn of 2.0 × 10 15 atoms / cm 2 s (Zn deposition rate F Zn of 0.3 nm / s). The Mg beam was irradiated at a flux intensity J Mg of 4.3 × 10 13 atoms / cm 2 s (Mg deposition rate F Mg of 0.01 nm / s). The irradiation of the O radical beam was performed by introducing O 2 gas into the O source gun at a flow rate of 1 sccm and turning it into plasma with an RF power of 200 W. The irradiation of the N radical beam was performed by introducing N 2 gas into the N source gun at a flow rate of 1 sccm and turning it into plasma with an RF power of 150 W. The II / VI flux ratio is about 10.0.

第1及び第2の実験で説明したように、成長温度を800℃以上とするとともに、II/VIフラックス比を0.9以上とすることが、Nドープn型MgZn1−xO層の形成に好ましい。なお、成長温度を800℃より低温とし、その後(上方のNドープp型MgZn1−zO層45の形成前に)800℃以上の熱処理を行ってもよい。 As described in the first and second experiments, the N-doped n-type Mg x Zn 1-x O layer has a growth temperature of 800 ° C. or higher and an II / VI flux ratio of 0.9 or higher. Preferred for the formation of Note that the growth temperature may be lower than 800 ° C., and then heat treatment may be performed at 800 ° C. or higher (before forming the upper N-doped p-type Mg z Zn 1-z O layer 45).

次に、Nドープn型MgZn1−xO(x=0.2)層43の上に、成長温度900℃で、Znビーム及びOラジカルビームを照射して、厚さ35nmのZnO活性層44を形成した。 Next, a Zn beam and an O radical beam are irradiated onto the N-doped n-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.2) layer 43 at a growth temperature of 900 ° C. to obtain a ZnO activity having a thickness of 35 nm. Layer 44 was formed.

なお、活性層にMgを添加することもできる。MgZn1−yO活性層は、下方のn型MgZn1−xO層と、後に形成する上方のp型MgZn1−zO層とに挟まれる。活性層へのキャリア閉じ込めの観点から、上下クラッド層のバンドギャップの方が大きくなるように、y<x、zとすることが好ましい。なお、Mg組成x、y、zの上限は0.6程度である(よって、0≦y<x、z≦0.6)。 Note that Mg can also be added to the active layer. The Mg y Zn 1-y O active layer is sandwiched between the lower n-type Mg x Zn 1-x O layer and the upper p-type Mg z Zn 1-z O layer to be formed later. From the viewpoint of carrier confinement in the active layer, it is preferable to satisfy y <x and z so that the band gaps of the upper and lower cladding layers are larger. In addition, the upper limit of Mg composition x, y, z is about 0.6 (hence, 0 ≦ y <x, z ≦ 0.6).

なお、図7B、図7Cに示すように、変形例として、活性層44は、MgZn1−aO障壁層44bとMgZn1−bO井戸層44wを交互に重ねた量子井戸構造とすることもできる。障壁層のバンドギャップが、井戸層のバンドギャップよりも大きくなるように、b<aとする。 As shown in FIGS. 7B and 7C, as a modification, the active layer 44 has a quantum well structure in which Mg a Zn 1-a O barrier layers 44b and Mg b Zn 1-b O well layers 44w are alternately stacked. It can also be. B <a so that the band gap of the barrier layer is larger than the band gap of the well layer.

なお、活性層の成長温度は、900℃に限定されず、500℃〜1000℃の範囲であれば好ましい。成長温度が500℃より低いと、結晶性を高めることが難しく、成長温度が1000℃より高いと、Znの再蒸発が増え、成長レートが低下する。   The growth temperature of the active layer is not limited to 900 ° C., but is preferably in the range of 500 ° C. to 1000 ° C. When the growth temperature is lower than 500 ° C., it is difficult to increase the crystallinity, and when the growth temperature is higher than 1000 ° C., re-evaporation of Zn increases and the growth rate decreases.

次に、ZnO活性層44の上に、成長温度700℃で、Znビーム、Mgビーム、Oラジカルビーム、及びNラジカルビームを照射して、厚さ約80nmのNドープp型MgZn1−zO(z=0.2)層45を形成した。Nドープp型MgZn1−zO(z=0.2)層45のN濃度は、6.0×1019cm−3程度であった。 Next, the ZnO active layer 44 is irradiated with a Zn beam, an Mg beam, an O radical beam, and an N radical beam at a growth temperature of 700 ° C. to thereby form an N-doped p-type Mg z Zn 1− having a thickness of about 80 nm. A z O (z = 0.2) layer 45 was formed. The N concentration of the N-doped p-type Mg z Zn 1-z O (z = 0.2) layer 45 was about 6.0 × 10 19 cm −3 .

Znビームの照射は、フラックス強度JZnを6.6×1014atoms/cms(Znの堆積速度FZnを0.1nm/s)として行った。Mgビームの照射は、フラックス強度JMgを8.6×1013atoms/cms(Mgの堆積速度FMgを0.02nm/s)として行った。Oラジカルビームの照射は、OソースガンにOガスを流量2sccmで導入し、RFパワー300Wでプラズマ化して行った。Nラジカルビームの照射は、NソースガンにNガスを流量1sccmで導入し、RFパワー90Wでプラズマ化して行った。II/VIフラックス比は約0.8である。 The Zn beam was radiated at a flux intensity J Zn of 6.6 × 10 14 atoms / cm 2 s (Zn deposition rate F Zn of 0.1 nm / s). The Mg beam was irradiated at a flux intensity J Mg of 8.6 × 10 13 atoms / cm 2 s (Mg deposition rate F Mg of 0.02 nm / s). The O radical beam was irradiated by introducing O 2 gas into the O source gun at a flow rate of 2 sccm and turning it into plasma with an RF power of 300 W. The irradiation of the N radical beam was performed by introducing N 2 gas into the N source gun at a flow rate of 1 sccm and converting it to plasma with an RF power of 90 W. The II / VI flux ratio is about 0.8.

なお、Nドープp型MgZn1−zO層の成長温度、厚さは、700℃、80nmに限定されず、300℃以上、800℃未満、5nm〜200nmの範囲であれば好ましい。 The growth temperature and thickness of the N-doped p-type Mg z Zn 1-z O layer are not limited to 700 ° C. and 80 nm, but are preferably in the range of 300 ° C. or more and less than 800 ° C. and 5 nm to 200 nm.

なお、発光ダイオード等の発光素子を作製する場合、少なくともホールキャリア濃度は1.0×1016cm−3以上は必要であるとされる。p型MgZn1−zO層にアクセプタとしてドープされるNは活性化率が低く、1.0×1018cm−3はドープ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、5×1020cm−3より多くNがドープされると、p型MgZn1−zO層に多くの欠陥が発生してしまい、リーク電流の原因となる場合がある。p型MgZn1−zO層のN濃度は、1.0×1018cm−3〜5×1020cm−3が好ましく、1.0×1019cm−3〜3×1020cm−3がより好ましい。 Note that when a light emitting element such as a light emitting diode is manufactured, at least a hole carrier concentration of 1.0 × 10 16 cm −3 or more is required. N doped as an acceptor in the p-type Mg z Zn 1-z O layer has a low activation rate, and 1.0 × 10 18 cm −3 is not doped unless effective hole carriers are obtained. Further, when N is doped more than 5 × 10 20 cm −3 , many defects are generated in the p-type Mg z Zn 1-z O layer, which may cause a leakage current. The N concentration of the p-type Mg z Zn 1-z O layer is preferably 1.0 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 , and 1.0 × 10 19 cm −3 to 3 × 10 20 cm. -3 is more preferable.

なお、p型のドーパントとして、Nの他に、V族元素であるPやAsを用いることもできる。また、LiやNaまたはCuやAg等のIA族元素、IB族元素を用いることもできる。さらに、これらを組み合わせて例えばNとP等、2元素以上を同時にドープすることもできる。なお、種々のV族元素の中で、NがOとのイオン半径が近く、安定的に置換がなされる。   In addition to N, P or As which is a V group element can also be used as the p-type dopant. Moreover, IA group elements, such as Li, Na, Cu, and Ag, and IB group elements can also be used. Further, by combining these, for example, two elements or more such as N and P can be doped at the same time. Among various group V elements, N has an ionic radius close to O, and stable substitution is performed.

次に、ZnO基板41の裏面上にn側電極48を形成し、Nドープp型MgZn1−zO(z=0.2)層45上にp側透光性電極46を形成し、p側透光性電極46上にp側ボンディング用パッド電極47を形成した。 Next, an n-side electrode 48 is formed on the back surface of the ZnO substrate 41, and a p-side translucent electrode 46 is formed on the N-doped p-type Mg z Zn 1-z O (z = 0.2) layer 45. A p-side bonding pad electrode 47 was formed on the p-side translucent electrode 46.

n側電極48は、例えば、厚さ2nm〜10nmのTi層に、厚さ300nm〜500nmのAl層を積層して形成する。p側透光性電極46は、例えば、厚さ0.5nm〜5nmのNi層に、厚さ1nm〜20nmのAu層を積層して形成する。p側ボンディング用パッド電極47は、例えば、厚さ100nmのNi層に、厚さ1000nmのAu層を積層して形成する。なお、電極形成に、例えばレジスト膜等を用いたリフトオフを用いることができる。   The n-side electrode 48 is formed, for example, by laminating an Al layer having a thickness of 300 nm to 500 nm on a Ti layer having a thickness of 2 nm to 10 nm. The p-side translucent electrode 46 is formed, for example, by laminating an Au layer having a thickness of 1 nm to 20 nm on a Ni layer having a thickness of 0.5 nm to 5 nm. The p-side bonding pad electrode 47 is formed, for example, by laminating an Au layer having a thickness of 1000 nm on an Ni layer having a thickness of 100 nm. For example, lift-off using a resist film or the like can be used for electrode formation.

その後、例えば300℃以上、800℃未満の酸化性ガス雰囲気中で、電極合金化処理を行う。合金化処理時間は例えば30秒〜10分程度である。以上のようにして、実施例の発光素子を作製した。   Thereafter, an electrode alloying process is performed in an oxidizing gas atmosphere of, for example, 300 ° C. or higher and lower than 800 ° C. The alloying treatment time is, for example, about 30 seconds to 10 minutes. As described above, the light emitting device of the example was manufactured.

次に、比較例の発光素子の作製方法について説明する。洗浄されたc面ZnO基板41の+c面上に、基板温度300℃で、Znビーム及びOラジカルビームを照射して、厚さ30nmのZnOバッファ層42を形成した。そして、ZnOバッファ層42を高品質化させるために、900℃、20分のアニールを行った。   Next, a method for manufacturing a light-emitting element of a comparative example will be described. The + c plane of the cleaned c-plane ZnO substrate 41 was irradiated with a Zn beam and an O radical beam at a substrate temperature of 300 ° C. to form a ZnO buffer layer 42 having a thickness of 30 nm. In order to improve the quality of the ZnO buffer layer 42, annealing was performed at 900 ° C. for 20 minutes.

次に、ZnOバッファ層42上に、成長温度900℃で、Znビーム、Mgビーム、Oラジカルビーム、及びGaビームを照射して、Gaドープn型MgZn1−xO(x=0.2)層43を形成した。Gaドープn型MgZn1−xO(x=0.2)層43のGa濃度は、8.0×1017cm−3程度であった。 Next, the ZnO buffer layer 42 is irradiated with a Zn beam, an Mg beam, an O radical beam, and a Ga beam at a growth temperature of 900 ° C., so that a Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O (x = 0. 2) A layer 43 was formed. The Ga concentration of the Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.2) layer 43 was about 8.0 × 10 17 cm −3 .

次に、Gaドープn型MgZn1−xO(x=0.2)層43の上に、成長温度900℃で、Znビーム及びOラジカルビームを照射して、ZnO活性層44を形成した。 Next, a ZnO active layer 44 is formed on the Ga-doped n-type Mg x Zn 1-x O (x = 0.2) layer 43 by irradiation with a Zn beam and an O radical beam at a growth temperature of 900 ° C. did.

次に、ZnO活性層44の上に、成長温度650℃で、Znビーム、Mgビーム、Oラジカルビーム、及びNラジカルビームを照射して、Nドープp型MgZn1−zO(z=0.2)層45を形成した。Nドープp型MgZn1−zO(z=0.2)層45のN濃度は、9×1019cm−3程度であった。 Next, the ZnO active layer 44 is irradiated with a Zn beam, an Mg beam, an O radical beam, and an N radical beam at a growth temperature of 650 ° C., and N-doped p-type Mg z Zn 1-z O (z = 0.2) Layer 45 was formed. The N concentration of the N-doped p-type Mg z Zn 1-z O (z = 0.2) layer 45 was about 9 × 10 19 cm −3 .

さらに、上述のように、p側透光性電極46、p側ボンディング用パッド電極47、及びn側電極48を形成して、比較例の発光素子を作製した。   Further, as described above, the p-side translucent electrode 46, the p-side bonding pad electrode 47, and the n-side electrode 48 were formed to produce a light emitting device of a comparative example.

図8A及び図9Aは、それぞれ、実施例の発光素子のN濃度の深さ方向プロファイル、及び比較例の発光素子のGa濃度とN濃度の深さ方向プロファイルである。深さ方向プロファイルの測定は、SIMSによる。   8A and 9A are a depth direction profile of N concentration of the light emitting element of the example and a depth direction profile of Ga concentration and N concentration of the light emitting element of the comparative example, respectively. The depth profile is measured by SIMS.

図8B及び図9Bは、それぞれ、実施例の発光素子の電流電圧特性、及び比較例の発光素子の電流電圧特性を示すグラフである。横軸は1目盛り2V、縦軸は1目盛り2mAである。   8B and 9B are graphs showing the current-voltage characteristics of the light-emitting elements of the example and the current-voltage characteristics of the light-emitting elements of the comparative example, respectively. The horizontal axis is 1 scale 2 V, and the vertical axis is 1 scale 2 mA.

図8Cは、実施例の発光素子のエレクトロルミネセンス(EL)スペクトルである。   FIG. 8C is an electroluminescence (EL) spectrum of the light-emitting element of the example.

図9Aに示すように、比較例の発光素子では、n型層のみにドープしたGaが、活性層及びp型層へ拡散している。Ga拡散に起因して、活性層では、結晶品質の低下が起こり、非発光再結合中心として働く欠陥が導入されて、発光効率の低下につながる。また、p型層では、結晶品質の低下に伴う欠陥の導入、及びGa混入によるn型キャリアの生成に伴って、p型キャリア濃度の低下、もしくはp型伝導性からn型伝導性への変化が起こってしまう。   As shown in FIG. 9A, in the light emitting device of the comparative example, Ga doped only in the n-type layer is diffused into the active layer and the p-type layer. Due to Ga diffusion, in the active layer, the crystal quality is lowered, and defects acting as non-radiative recombination centers are introduced, leading to a reduction in luminous efficiency. Further, in the p-type layer, the introduction of defects due to the deterioration of crystal quality and the generation of n-type carriers due to Ga mixing reduce the p-type carrier concentration or change from p-type conductivity to n-type conductivity. Will happen.

また、図9Bに示すように、比較例の発光素子では、電流電圧特性の閾値が1V程度となっている。ZnOによりpn接合を形成した場合、電流電圧特性の閾値は3V程度が期待されるが、比較例の閾値はそれより低く、素子の特性がショットキーであることが示唆される。n型層のドーパントであるGaがp型層に拡散したことによる特性劣化と考えられる。比較例の発光素子では、電流注入による発光が観測されなかった。   Further, as shown in FIG. 9B, in the light emitting element of the comparative example, the threshold value of the current-voltage characteristic is about 1V. When a pn junction is formed of ZnO, the current-voltage characteristic threshold is expected to be about 3 V, but the threshold of the comparative example is lower than that, suggesting that the element characteristics are Schottky. This is considered to be characteristic deterioration due to diffusion of Ga which is a dopant of the n-type layer into the p-type layer. In the light emitting device of the comparative example, light emission due to current injection was not observed.

一方、図8Aに示すように、実施例の発光素子では、n型層のドーパントであるNの活性層及びp型層への拡散が見られない。   On the other hand, as shown in FIG. 8A, in the light emitting device of the example, diffusion of N, which is a dopant of the n-type layer, into the active layer and the p-type layer is not observed.

また、図8Bに示すように、実施例の発光素子の電流電圧特性の閾値は、3V程度となっている。比較例と比べると、n型層のドーパントの外側への拡散が抑制されていることにより、素子特性が改善したものと考えられる。   Further, as shown in FIG. 8B, the threshold value of the current-voltage characteristic of the light emitting element of the example is about 3V. Compared with the comparative example, it is considered that the device characteristics were improved by suppressing the diffusion of the dopant of the n-type layer to the outside.

図8Cに示すように、実施例の発光素子は、ZnOのバンド端付近からの発光と考えられる波長380nm付近の発光を示した。   As shown in FIG. 8C, the light emitting device of the example showed light emission at a wavelength of about 380 nm which is considered to be light emission from the vicinity of the band edge of ZnO.

以上説明したように、ZnO系半導体発光素子におけるn型ドーパントとしてNを用いることができる。n型ドーパントとして、Ga等のIII族元素は用いていない。従って、n型ドーパントとしてGaを用いたときに見られる拡散が抑制でき、発光素子の特性向上が図られる。   As described above, N can be used as the n-type dopant in the ZnO-based semiconductor light emitting device. Group III elements such as Ga are not used as n-type dopants. Therefore, the diffusion seen when Ga is used as the n-type dopant can be suppressed, and the characteristics of the light emitting element can be improved.

なお、ZnO系半導体素子を形成する基板は、ZnO基板に限らない。サファイア(Al)基板、炭化珪素(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板、(*27)六方晶系MgZn1−xO(0<x≦0.5)基板、立方晶系MgZn1−xO(0.5<x≦1)基板、Si基板等を用いることも可能である。 The substrate on which the ZnO-based semiconductor element is formed is not limited to the ZnO substrate. Sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, silicon carbide (SiC) substrate, gallium nitride (GaN) substrate, (* 27) hexagonal Mg x Zn 1-x O (0 <x ≦ 0.5) substrate, cubic crystal It is also possible to use a system Mg x Zn 1-x O (0.5 <x ≦ 1) substrate, Si substrate, or the like.

なお、上述の実施例のMgZn1−xOエピタキシャル成長層において、Mg組成の上限は0.6とした。MBEのエピタキシャル成長は、非平衡条件下での成長となり、Mg組成0.6までは、六方晶のウルツ鉱構造と立方晶の岩塩構造とが相分離することなく、六方晶を維持した成長が可能なことを確認している。一方、MgZn1−xO基板では、平衡状態に近い条件で結晶成長が行われると考えられ、六方晶系のMg組成の上限は、0.6より低い0.5となる。 In the Mg x Zn 1-x O epitaxial growth layer of the above-described example, the upper limit of the Mg composition was 0.6. MBE epitaxial growth is performed under non-equilibrium conditions. Up to an Mg composition of 0.6, the hexagonal wurtzite structure and cubic rock-salt structure are not phase-separated and growth is possible while maintaining the hexagonal crystal structure. I have confirmed that. On the other hand, in the Mg x Zn 1-x O substrate, it is considered that crystal growth is performed under conditions close to an equilibrium state, and the upper limit of the hexagonal Mg composition is 0.5, which is lower than 0.6.

結晶性の良いZnO層を得るためには、格子不整合度の小さい基板ほど良く、特に好ましいのは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てしまうことで素子からの光取り出し効率が落ちることを抑制するために、ZnOに比べてバンドギャップが大きいMgZnO基板を用いるのも好ましい。   In order to obtain a ZnO layer with good crystallinity, a substrate having a smaller lattice mismatch is better, and a ZnO substrate is particularly preferable. In the case of manufacturing a light emitting element, an MgZnO substrate having a band gap larger than that of ZnO in order to suppress a decrease in light extraction efficiency from the element due to the substrate absorbing radiation emitted from the active layer. It is also preferable to use.

+c面、−c面、a面、m面等、種々の基板表面上に、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面について、m方向やa方向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層、ZnO層、GaN層等を厚さ1μm以上形成したテンプレートを用いてもよい。   A ZnO-based compound semiconductor layer can be grown on various substrate surfaces such as + c plane, −c plane, a plane, and m plane. Further, for example, for the + c plane, various substrates with off-angles in the m direction and the a direction can be used. A template in which an MgZnO layer, a ZnO layer, a GaN layer, or the like is formed on the substrate with a thickness of 1 μm or more may be used.

なお、サファイア基板等の絶縁性基板を用いた発光素子では、基板裏面にn側電極を形成できないので、エッチングによりn型半導体層を露出させて、露出したn型半導体層上にn側電極を形成する。   Note that in a light emitting element using an insulating substrate such as a sapphire substrate, an n-side electrode cannot be formed on the back surface of the substrate. Therefore, an n-type semiconductor layer is exposed by etching, and an n-side electrode is formed on the exposed n-type semiconductor layer. Form.

なお、発光素子中のn型半導体層とp型半導体層の上下位置関係の組合せとして、基板側にp型半導体層が配置され、p型半導体層上方にn型半導体層が配置される構造も考えられる。   As a combination of the vertical positional relationship between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer in the light emitting element, a structure in which the p-type semiconductor layer is disposed on the substrate side and the n-type semiconductor layer is disposed above the p-type semiconductor layer is also possible. Conceivable.

以上説明したように、MgZn1−xOにNをドープすることにより、Nをドープしない場合に比べてn型キャリア濃度を増加させることができる。なお、Nがn型キャリア濃度を増加させる効果は、MgZn1−xO以外のZnO系半導体に対しても期待できるであろう。 As described above, by doping N into Mg x Zn 1-x O, the n-type carrier concentration can be increased compared to the case where N is not doped. It should be noted that the effect of N increasing the n-type carrier concentration can be expected for ZnO-based semiconductors other than Mg x Zn 1-x O.

Mgは、必要に応じて、バンドギャップを広げるためにZnOに添加されるが、その他例えば、S、Se、Te、Cdを、バンドギャップを狭めるためにZnOに添加したり、Beを、バンドギャップを広げるためにZnOに添加したりすることができる。このようなZnO系半導体に対しても、Nドープでn型伝導性を増すことができるであろう。   Mg is added to ZnO as necessary to widen the band gap. For example, S, Se, Te, Cd may be added to ZnO to narrow the band gap, or Be may be added to the band gap. It is possible to add to ZnO in order to widen the thickness. Even for such a ZnO-based semiconductor, n-type conductivity could be increased by N doping.

なお、ZnO系半導体層をMBEで形成する技術について説明したが、その他の成膜方法を用いても、Nをn型ドーパントとしてZnO系半導体層にドープすることは可能であろう。その他の成膜方法として、例えば、パルスレーザ堆積(PLD)、有機金属気相エピタキシ(MOVPE)、有機金属化学気相堆積(MOCVD)等が挙げられる。   In addition, although the technique which forms a ZnO type | system | group semiconductor layer by MBE was demonstrated, even if it uses other film-forming methods, it will be possible to dope a ZnO type | system | group semiconductor layer by using N as an n-type dopant. Other film forming methods include, for example, pulse laser deposition (PLD), metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), and the like.

なお、ZnO系半導体に対するn型ドーパントとしてNを用いる技術は、発光素子以外にも、ZnO系半導体層を含む種々の製品(例えば、ZnO系トランジスタや、透明導電膜、圧電素子、熱電素子、紫外線センサ等)に用いることができよう。   The technique using N as an n-type dopant for a ZnO-based semiconductor is not limited to a light-emitting element, but includes various products including a ZnO-based semiconductor layer (for example, ZnO-based transistors, transparent conductive films, piezoelectric elements, thermoelectric elements, ultraviolet rays). It can be used for sensors and the like.

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 真空チャンバ
2 Znソースガン
3 Mgソースガン
4 Gaソースガン
5 Oソースガン
6 Nソースガン
7 基板ホルダ
8 基板
9 (RHEED用)ガン
10 (RHEED用)スクリーン
21 サファイア基板
22 MgOバッファ層
23 ZnOバッファ層
24 NドープZnO層
31 ZnO基板
32 ZnOバッファ層
33 NドープZnO層
41 ZnO基板
42 ZnOバッファ層
43 Nドープn型MgZnO層
44 活性層
45 Nドープp型MgZnO層
46 p側透光性電極
47 p側ボンディング用パッド電極
48 n側電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum chamber 2 Zn source gun 3 Mg source gun 4 Ga source gun 5 O source gun 6 N source gun 7 Substrate holder 8 Substrate 9 (for RHEED) Gun 10 (for RHEED) Screen 21 Sapphire substrate 22 MgO buffer layer 23 ZnO buffer Layer 24 N-doped ZnO layer 31 ZnO substrate 32 ZnO buffer layer 33 N-doped ZnO layer 41 ZnO substrate 42 ZnO buffer layer 43 N-doped n-type MgZnO layer 44 active layer 45 N-doped p-type MgZnO layer 46 p-side translucent electrode 47 p-side bonding pad electrode 48 n-side electrode

Claims (9)

基板を準備する工程と、
前記基板上方に、Zn、O、及びNを供給し、Nをドープすることにより、Nをドープしない場合に比べてn型キャリア濃度が増したn型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程と
前記n型伝導性を示すZnO系半導体層上方に、Zn、O、及びp型ドーパントを供給して、p型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程と
を有するZnO系半導体装置の製造方法。
Preparing a substrate;
By supplying Zn, O, and N over the substrate and doping N, a ZnO-based semiconductor layer having n-type conductivity with an n-type carrier concentration increased as compared with the case where N is not doped is formed. Process ,
Forming a ZnO-based semiconductor layer exhibiting p-type conductivity by supplying Zn, O and a p-type dopant above the ZnO-based semiconductor layer exhibiting n-type conductivity. A method for manufacturing a semiconductor device.
基板を準備する工程と、Preparing a substrate;
前記基板上方に、Zn、O、及びp型ドーパントを供給して、p型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程と、Supplying Zn, O, and a p-type dopant above the substrate to form a ZnO-based semiconductor layer exhibiting p-type conductivity;
前記p型伝導性を示すZnO系半導体層上方に、Zn、O、及びNを供給し、Nをドープすることにより、Nをドープしない場合に比べてn型キャリア濃度が増したn型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程とBy supplying Zn, O, and N above the ZnO-based semiconductor layer exhibiting p-type conductivity and doping N, the n-type conductivity is increased as compared with the case where N is not doped. Forming a ZnO-based semiconductor layer showing
を有するZnO系半導体装置の製造方法。Of manufacturing a ZnO-based semiconductor device.
前記n型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程は、II/VIフラックス比を0.9以上として、分子線エピタキシにより、Znビーム、Oラジカルビーム、Nラジカルビームを照射して、ZnO層を形成し、前記ZnO層の成長中または成膜後に、800℃以上の熱処理を行う請求項1または2に記載のZnO系半導体装置の製造方法。 The step of forming the ZnO-based semiconductor layer exhibiting the n-type conductivity is performed by irradiating a Zn beam, an O radical beam, and an N radical beam by molecular beam epitaxy with an II / VI flux ratio of 0.9 or more. 3. The method of manufacturing a ZnO-based semiconductor device according to claim 1 , wherein a layer is formed and a heat treatment at 800 ° C. or more is performed during the growth or after the formation of the ZnO layer . 前記p型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程は、成長温度800℃未満で、II/VIフラックス比を0.9未満として、分子線エピタキシにより、Znビーム、Oラジカルビーム、Nラジカルビームを照射して、p型ZnO層を形成する請求項1〜3のいずれか1項に記載のZnO系半導体装置の製造方法。 The step of forming the ZnO-based semiconductor layer exhibiting p-type conductivity includes a growth temperature of less than 800 ° C., an II / VI flux ratio of less than 0.9, and molecular beam epitaxy to form a Zn beam, an O radical beam, and an N radical. The method for manufacturing a ZnO-based semiconductor device according to claim 1 , wherein a p-type ZnO layer is formed by irradiation with a beam. 前記n型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程、または、前記p型伝導性を示すZnO系半導体層を形成する工程において、バンドギャップを変化させるために、更に、Mg、S、Se、Te、Cd、Beの少なくとも1つを供給する請求項1〜4のいずれか1項に記載のZnO系半導体装置の製造方法。In order to change the band gap in the step of forming the ZnO-based semiconductor layer exhibiting n-type conductivity or the step of forming the ZnO-based semiconductor layer exhibiting p-type conductivity, Mg, S, Se The manufacturing method of the ZnO-type semiconductor device of any one of Claims 1-4 which supplies at least 1 of Te, Cd, and Be. 少なくともZn及びOを含むZnO系半導体層であって、Nがドープされることにより、Nをドープしない場合に比べてn型キャリア濃度が増したn型伝導性を示すZnO系半導体層と、
前記n型伝導性を示すZnO系半導体層上方に形成され、p型ドーパントがドープされてp型伝導性を示すZnO系半導体層と
を有するZnO系半導体装置。
A ZnO-based semiconductor layer containing at least Zn and O, and a ZnO-based semiconductor layer exhibiting n-type conductivity in which an n-type carrier concentration is increased by doping N as compared with a case where N is not doped ;
A ZnO-based semiconductor device formed above the ZnO-based semiconductor layer exhibiting n-type conductivity and doped with a p-type dopant and having a ZnO-based semiconductor layer exhibiting p-type conductivity .
前記n型伝導性を示すZnO系半導体層は、N濃度が1×1019cm−3以上である請求項6に記載のZnO系半導体装置。 The ZnO-based semiconductor device according to claim 6, wherein the ZnO-based semiconductor layer exhibiting n-type conductivity has an N concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more. 前記n型伝導性を示すZnO系半導体層は、n型キャリア濃度が1×1016cm−3以上である請求項6に記載のZnO系半導体装置。 The ZnO-based semiconductor device according to claim 6, wherein the ZnO-based semiconductor layer exhibiting n-type conductivity has an n-type carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 or more. 前記n型伝導性を示すZnO系半導体層は、Nがドープされることにより、Nをドープしない場合に比べて格子定数が長くなっている請求項6に記載のZnO系半導体装置。
The ZnO-based semiconductor device according to claim 6, wherein the ZnO-based semiconductor layer exhibiting n-type conductivity has a longer lattice constant when doped with N than when not doped with N.
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