JP5612521B2 - ZnO-based semiconductor film manufacturing method and ZnO-based semiconductor light emitting device manufacturing method - Google Patents

ZnO-based semiconductor film manufacturing method and ZnO-based semiconductor light emitting device manufacturing method Download PDF

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Description

本発明は、ZnO系半導体膜製造方法、及びZnO系半導体発光素子製造方法に関する。   The present invention relates to a ZnO-based semiconductor film manufacturing method and a ZnO-based semiconductor light emitting device manufacturing method.

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(例えば、GaN:24meV、ZnSe:18meV)に比べて大きく、室温で励起子発光過程を利用した高効率な紫外発光素子への利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するため、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光素子を実現できる可能性がある。   Zinc oxide (ZnO) is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of 3.37 eV at room temperature, and the exciton binding energy is 60 meV compared to other semiconductors (for example, GaN: 24 meV, ZnSe: 18 meV). It is expected to be used for a high-efficiency ultraviolet light-emitting device that uses an exciton emission process at room temperature. In addition, since the raw material is inexpensive and has a feature that there is little adverse effect on the environment and the human body, there is a possibility that a light-emitting element with high efficiency and low power consumption and excellent environmental performance may be realized.

ZnOを用いた発光素子(例えば、特許文献1参照)の構造は、例えば、基板上方にn型ZnO系半導体層、ZnO系半導体発光層、及びp型ZnO系半導体層を順に積層し、n型半導体層表面または(導電性基板を用いる場合)基板裏面上にn側電極を形成し、p型半導体層の表面にp側電極を形成した構造である。基板は特に限定されないが、格子ミスマッチの少ないZnO系半導体基板がもっとも望ましい。   The structure of a light-emitting element using ZnO (see, for example, Patent Document 1) includes, for example, an n-type ZnO-based semiconductor layer, a ZnO-based semiconductor light-emitting layer, and a p-type ZnO-based semiconductor layer sequentially stacked above a substrate. In this structure, an n-side electrode is formed on the surface of the semiconductor layer or the back surface of the substrate (when a conductive substrate is used), and a p-side electrode is formed on the surface of the p-type semiconductor layer. The substrate is not particularly limited, but a ZnO-based semiconductor substrate with few lattice mismatches is most desirable.

p型ZnO系半導体層を得る方法としては、主に、ZnO系半導体中へのV族元素のドープが有効とされ、その中でも、N原子のドープが効果的かつ毒性が少ないので、積極的に試みられている。しかし、Nドープによりp型ZnO系半導体層を得ることは難しい。   As a method for obtaining a p-type ZnO-based semiconductor layer, doping of a V group element into a ZnO-based semiconductor is mainly effective, and among them, doping with N atoms is effective and less toxic. Has been tried. However, it is difficult to obtain a p-type ZnO-based semiconductor layer by N doping.

国際公開第2007/018216号パンフレットInternational Publication No. 2007/018216 Pamphlet

本発明の一目的は、p型伝導性を有するNドープZnO系半導体膜の新規な製造方法、及び、p型伝導性を有するNドープZnO系半導体層を有するZnO系半導体発光素子の新規な製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a novel method for producing an N-doped ZnO-based semiconductor film having p-type conductivity, and a novel production of a ZnO-based semiconductor light-emitting device having an N-doped ZnO-based semiconductor layer having p-type conductivity. Is to provide a method.

本発明の一観点によれば、Znソースガン、Oラジカルガン、Nラジカルガンを備え、さらに、必要に応じてMgソースガンを備え、前記Nラジカルガンは、窒素を含むガスが導入された無電極放電管にラジオ周波を印加してNラジカルを含むプラズマを発生させ、前記無電極放電管の材料としてpBNまたは石英が用いられた結晶製造装置を用い、単結晶基板の表面上方に、Znビーム、Oラジカルビーム、Nラジカルビーム、及び、必要に応じてMgビームを同時照射して、NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を成長させるZnO系半導体膜製造方法であって、前記基板の法線方向から見て、前記NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜の成長表面側上方に、前記Znソースガン、前記Oラジカルガン、前記Nラジカルガン、及び、前記Mgソースガンが円周方向に並んで配置されており、前記Nラジカルガンのビーム照射方向の方位角と、前記Znソースガンのビーム照射方向の方位角とのなす角θを、90°≦θ≦270°の範囲内にするとともに、前記Nラジカルガンの前記無電極放電管に印加されるラジオ周波のパワーを、前記無電極放電管からスパッタリングされたBまたはSiが、前記NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜に取り込まれない程度に低いパワーに抑えるZnO系半導体膜製造方法が提供される。 According to one aspect of the present invention, a Zn source gun, an O radical gun, and an N radical gun are provided, and an Mg source gun is further provided as necessary. A radio frequency is applied to the electrode discharge tube to generate plasma containing N radicals, and a Zn beam is formed above the surface of the single crystal substrate using a crystal manufacturing apparatus using pBN or quartz as the material of the electrodeless discharge tube. ZnO-based semiconductor for growing an N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film by simultaneous irradiation with an O radical beam, an N radical beam, and if necessary, an Mg beam In the film manufacturing method, the Zn source gun is formed above the growth surface side of the N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film as viewed from the normal direction of the substrate. , O la The Calgan, the N radical gun, and the Mg source gun are arranged side by side in the circumferential direction, and the azimuth angle in the beam irradiation direction of the N radical gun and the azimuth angle in the beam irradiation direction of the Zn source gun the angle theta c of, as well as in the range of 90 ° ≦ θ c ≦ 270 ° , the radio frequency applied to the electrodeless discharge tube power of the N radical gun sputtered from the electrodeless discharge tube In addition, a ZnO-based semiconductor film manufacturing method is provided in which B or Si is suppressed to a low power so that it is not taken into the N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film.

Nラジカルガンのビーム照射方向の方位角と、Znソースガンのビーム照射方向の方位角とのなす角θを、90°≦θ≦270°の範囲内にすることにより、Nラジカルガンの無電極放電管に印加されるラジオ周波のパワーが、無電極放電管からスパッタリングされたBまたはSiがNドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜に取り込まれない程度に低いパワーに抑えられていても、NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜中のN濃度を高めやすい。 By making the angle θ c formed by the azimuth angle in the beam irradiation direction of the N radical gun and the azimuth angle in the beam irradiation direction of the Zn source gun into a range of 90 ° ≦ θ c ≦ 270 °, The radio frequency power applied to the electrodeless discharge tube is such that B or Si sputtered from the electrodeless discharge tube is taken into the N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film. Even if the power is suppressed to a low level, it is easy to increase the N concentration in the N - doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film.

図1は、MBE装置の全体構造例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the overall structure of an MBE apparatus. 図2Aは、ソースガンの概略構造例を示す断面図であり、図2Bは、Kセルタイプのクヌーセンセルの例を示す概略断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view illustrating a schematic structure example of a source gun, and FIG. 2B is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a K-cell type Knudsen cell. 図3は、ラジカルガンの概略構造例を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic structure example of a radical gun. 図4A及び図4Bは、それぞれ、例示によるMBE装置における、結晶成長基板と、各ポートに設置されたガンとの配置関係を示す概略平面図及び概略断面図である。4A and 4B are a schematic plan view and a schematic cross-sectional view showing the positional relationship between a crystal growth substrate and a gun installed in each port in an MBE apparatus according to an example, respectively. 図5Aは、予備的実験その1におけるNラジカルガンへの印加RFパワーと膜中N濃度との関係を示すグラフであり、図5Bは、予備的実験その2におけるフラックス比と膜中N濃度との関係を示すグラフである。FIG. 5A is a graph showing the relationship between the RF power applied to the N radical gun and the N concentration in the film in the preliminary experiment 1, and FIG. 5B shows the flux ratio and the N concentration in the film in the preliminary experiment 2. It is a graph which shows the relationship. 図6Aは、第1実験における配置角度θと膜中N濃度との関係を示すグラフであり、図6B及び図6Cは、それぞれ、第1実験の配置角度θが45°のサンプルと、180°のサンプルのAFM像である。FIG. 6A is a graph showing the relationship between the arrangement angle θ c and the N concentration in the film in the first experiment, and FIGS. 6B and 6C respectively show a sample with an arrangement angle θ c of 45 ° in the first experiment, and It is an AFM image of a 180 ° sample. 図7Aは、第2実験における配置角度θと膜中N濃度との関係を示すグラフであり、図7B及び図7Cは、それぞれ、第2実験の配置角度θが45°のサンプルと、180°のサンプルのAFM像である。FIG. 7A is a graph showing the relationship between the arrangement angle θ c and the N concentration in the film in the second experiment, and FIGS. 7B and 7C show a sample in which the arrangement angle θ c of the second experiment is 45 °, It is an AFM image of a 180 ° sample. 図8は、第3実験におけるZnビームフラックス強度と膜中N濃度との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the Zn beam flux intensity and the N concentration in the film in the third experiment. 図9は、第4実験(及び第5、第6実験)のサンプル構造を示す概略断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a sample structure of the fourth experiment (and the fifth and sixth experiments). 図10は、第4〜第6実験におけるI−V特性及び発光状態(発光の有無とELスペクトル)をまとめて示す。FIG. 10 collectively shows IV characteristics and light emission states (presence / absence of light emission and EL spectrum) in the fourth to sixth experiments. 図11は、第4〜第6実験におけるAFM像をまとめて示す。FIG. 11 collectively shows AFM images in the fourth to sixth experiments. 図12は、Nラジカルガンで形成されるプラズマの発光スペクトルである。FIG. 12 is an emission spectrum of plasma formed by an N radical gun. 図13は、ダイオードの一般的なI−V特性を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing a general IV characteristic of a diode.

まず、ZnO系化合物半導体膜を成長させる結晶製造装置として、分子線エピタキシー(MBE)装置について説明する。なお、ZnO系半導体は、少なくともZnとOとを含む。   First, a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus will be described as a crystal manufacturing apparatus for growing a ZnO-based compound semiconductor film. Note that the ZnO-based semiconductor contains at least Zn and O.

図1は、MBE装置の全体構造を示す概略断面図である。真空容器1内に、Znソースガン2、Mgソースガン3、Oラジカルガン4、Nラジカルガン5が備えられている。以下、ソースガンまたはラジカルガンを、単にガンと呼ぶこともある。ガン2〜5は、それぞれ、真空容器1の有するポートに設置される。各ガンの配置関係については、図4A及び図4Bを参照して後述する。図1に示すガン2〜5の配置関係は、概略的断面構造を示すための便宜的なものである。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the overall structure of the MBE apparatus. In the vacuum vessel 1, a Zn source gun 2, an Mg source gun 3, an O radical gun 4, and an N radical gun 5 are provided. Hereinafter, the source gun or radical gun may be simply referred to as cancer. The guns 2 to 5 are each installed in a port of the vacuum vessel 1. The arrangement relationship of each gun will be described later with reference to FIGS. 4A and 4B. The arrangement relationship of the guns 2 to 5 shown in FIG. 1 is convenient for showing a schematic cross-sectional structure.

Znソースガン2及びMgソースガン3は、それぞれ、Zn及びMg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ビームを出射する。   Each of the Zn source gun 2 and the Mg source gun 3 includes a Knudsen cell that accommodates a solid source of Zn and Mg, and emits a Zn beam and an Mg beam, respectively.

Oラジカルガン4及びNラジカルガン5は、それぞれ、例えば13.56MHzのラジオ周波(RF)が印加される無電極放電管を含み、RFパワーをかけた無電極放電管内で酸素ガス及び窒素ガスをラジカル化して、Oラジカルビーム及びNラジカルビームを出射する。   Each of the O radical gun 4 and the N radical gun 5 includes an electrodeless discharge tube to which, for example, a radio frequency (RF) of 13.56 MHz is applied, and oxygen gas and nitrogen gas are supplied in the electrodeless discharge tube to which RF power is applied. Radicalized to emit O radical beam and N radical beam.

酸素ボンベからマスフローコントローラ4aを介して、酸素ガスがOラジカルガン4に供給される。窒素ボンベからマスフローコントローラ5aを介して、窒素ガスがNラジカルガン5に供給される。   Oxygen gas is supplied from the oxygen cylinder to the O radical gun 4 via the mass flow controller 4a. Nitrogen gas is supplied to the N radical gun 5 from the nitrogen cylinder via the mass flow controller 5a.

真空チャンバ1内に、ヒータを含むステージ6が配置され、ステージ6が、結晶成長基板7を保持する。ステージ6の下面上に基板7が配置され、基板7の下方にガン2〜5が配置されている。各ガン2〜5から出射されたビームが、基板7の下側表面上に、斜めに入射する。基板7の表面上に、所望のビームを供給することにより、所望のZnO系半導体膜を成長させることができる。   A stage 6 including a heater is disposed in the vacuum chamber 1, and the stage 6 holds the crystal growth substrate 7. A substrate 7 is disposed on the lower surface of the stage 6, and guns 2 to 5 are disposed below the substrate 7. The beams emitted from the guns 2 to 5 are incident obliquely on the lower surface of the substrate 7. By supplying a desired beam on the surface of the substrate 7, a desired ZnO-based semiconductor film can be grown.

本MBE装置は、反射高速電子回折(RHEED)用のガン8、RHEED像を映すスクリーン9も備える。RHEED像から、成長した結晶膜の表面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 MBE apparatus also includes a gun 8 for reflection high-energy electron diffraction (RHEED) and a screen 9 for projecting a RHEED image. From the RHEED image, the surface flatness of the grown crystal film 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.

ZnOにMgを添加してMgZnOとすることにより、バンドギャップを広げることができる。ただし、ZnOはウルツ鉱構造で、MgOは岩塩構造であるため、Mg組成が高すぎると相分離を起こしてしまう。MgZnOのMg組成をxと明示したMgZn1−xOにおいて、Mg組成xは、ウルツ鉱構造を保つため0.6以下とするのが好ましい。なお、Mg組成x=0も含めることにより、MgZn1−xOという表記に、Mgの添加されていないZnOも含める。 By adding Mg to ZnO to form MgZnO, the band gap can be widened. However, since ZnO has a wurtzite structure and MgO has a rock salt structure, if the Mg composition is too high, phase separation occurs. In Mg x Zn 1-x O in which the Mg composition of MgZnO is specified as x , the Mg composition x is preferably 0.6 or less in order to maintain the wurtzite structure. In addition, by including Mg composition x = 0, ZnO to which Mg is not added is also included in the notation Mg x Zn 1-x O.

ZnO系半導体のn型伝導性は、n型不純物をドープしなくても得ることができるが、n型キャリア濃度を高めるために、Ga等のn型不純物をドープすることもできる。必要に応じて、真空容器1の空いているポートに、Ga等のソースガンを設置することができる。   The n-type conductivity of the ZnO-based semiconductor can be obtained without doping an n-type impurity, but an n-type impurity such as Ga can also be doped in order to increase the n-type carrier concentration. If necessary, a source gun such as Ga can be installed in a vacant port of the vacuum vessel 1.

ZnO系半導体のp型伝導性を得るために、例えばNをドープすることができる。ただし、以下の予備的実験で説明するように、Nドープp型ZnO系半導体膜の作製は難しい。   In order to obtain the p-type conductivity of the ZnO-based semiconductor, for example, N can be doped. However, as will be described in the following preliminary experiment, it is difficult to produce an N-doped p-type ZnO-based semiconductor film.

図2Aは、ソースガンの概略構造を示す断面図である。ソースガンの構造は、Znソースガン2とMgラジカルガン3とで同様である。   FIG. 2A is a cross-sectional view showing a schematic structure of the source gun. The structure of the source gun is the same between the Zn source gun 2 and the Mg radical gun 3.

ケース21内に、クヌーセンセル22、及びフィラメントヒーター23が配置されている。ここで例示するMBE装置では、Znソースガン2及びMgソースガン3のクヌーセンセル22として、図2Aに示すようなSUMOセルタイプのクヌーセンセル22Sを用いている。Znソースガン2及びMgソースガン3のクヌーセンセル22として、図2Bに示すような、Kセルタイプのクヌーセンセル22Kを用いてもよい。   A Knudsen cell 22 and a filament heater 23 are disposed in the case 21. In the MBE apparatus exemplified here, as the Knudsen cell 22 of the Zn source gun 2 and the Mg source gun 3, a SUMO cell type Knudsen cell 22S as shown in FIG. 2A is used. As the Knudsen cell 22 of the Zn source gun 2 and the Mg source gun 3, a K cell type Knudsen cell 22K as shown in FIG. 2B may be used.

クヌーセンセル22の外側に、クヌーセンセル22の上部と下部とを取り囲むようにフィラメントヒーター23が配置されている。クヌーセンセル22内に、固体ソース24が収められている。図2Aは、Znソースガン2を例示し、固体ソース24として亜鉛粒(純度7N)を示す。Mgソースガン3の固体ソース24として、例えば、純度6Nのマグネシウム粒を用いることができる。図2Bに示すような、Kセルタイプのクヌーセンセル22Kを用いる場合は、ペレット状の亜鉛やマグネシウムを充填して使用する。   A filament heater 23 is disposed outside the Knudsen cell 22 so as to surround the upper and lower portions of the Knudsen cell 22. A solid source 24 is contained in the Knudsen cell 22. FIG. 2A illustrates the Zn source gun 2 and shows zinc particles (purity 7N) as the solid source 24. As the solid source 24 of the Mg source gun 3, for example, magnesium grains having a purity of 6N can be used. When a K-cell type Knudsen cell 22K as shown in FIG. 2B is used, it is used by being filled with pellets of zinc or magnesium.

フィラメントヒーター23を通電加熱することにより、クヌーセンセル22の温度を上げ、固体ソース24を蒸発させる。蒸発した固体ソース24が、クヌーセンセル22の先端開口部からビームとして出射される。ケース21のビーム出射側の縁部と、クヌーセンセル22との間に、スペーサー25が配置されている。MBE装置固定用フランジ26により、ソースガンが、真空容器のポートに取り付けられる。   By heating the filament heater 23 by energization, the temperature of the Knudsen cell 22 is raised and the solid source 24 is evaporated. The evaporated solid source 24 is emitted as a beam from the tip opening of the Knudsen cell 22. A spacer 25 is arranged between the edge of the case 21 on the beam emission side and the Knudsen cell 22. The MBE device fixing flange 26 attaches the source gun to the vacuum vessel port.

図3は、ラジカルガンの概略構造を示す断面図である。ラジカルガンの構造は、Oラジカルガン4とNラジカルガン5とで同様である。   FIG. 3 is a sectional view showing a schematic structure of the radical gun. The structure of the radical gun is the same for the O radical gun 4 and the N radical gun 5.

ケース31内に、無電極放電管32及びRFコイル33が配置されている。無電極放電管32は、例えば、パイロリティック・ボロン・ナイトライド(pBN)や石英により形成される。ここで例示するMBE装置では、Oラジカルガン4の無電極放電管材料として石英を用い、Nラジカルガン5の無電極放電管材料としてpBNを用いている。酸素はpBNを酸化してしまうので、Oラジカルガン4の無電極放電管材料としては石英の方が好ましい。Nラジカルガン5の無電極放電管材料として、石英を用いてもよい。   An electrodeless discharge tube 32 and an RF coil 33 are arranged in the case 31. The electrodeless discharge tube 32 is made of, for example, pyrolytic boron nitride (pBN) or quartz. In the MBE apparatus exemplified here, quartz is used as the electrodeless discharge tube material of the O radical gun 4, and pBN is used as the electrodeless discharge tube material of the N radical gun 5. Since oxygen oxidizes pBN, quartz is preferable as the electrodeless discharge tube material of the O radical gun 4. Quartz may be used as the electrodeless discharge tube material of the N radical gun 5.

無電極放電管32に、接続部34を介して、ガス供給管35が接続されている。ガス経路を、矢印36で示す。無電極放電管32の外側に巻かれたRFコイル33により、例えば13.56MHzのRFパワーが印加されることにより、無電極放電管32内にプラズマが形成され、生成されたプラズマが、無電極放電管32の先端開口部からビームとして出射される。図3に示す例では、無電極放電管32の開口部は1穴だが、穴の個数や大きさは適宜変更することができる。MBE装置固定用フランジ37により、ラジカルガンが、真空容器のポートに取り付けられる。   A gas supply tube 35 is connected to the electrodeless discharge tube 32 via a connection portion 34. The gas path is indicated by arrows 36. By applying RF power of, for example, 13.56 MHz by the RF coil 33 wound outside the electrodeless discharge tube 32, plasma is formed in the electrodeless discharge tube 32, and the generated plasma is transferred to the electrodeless electrode. The light is emitted from the tip opening of the discharge tube 32 as a beam. In the example shown in FIG. 3, the opening of the electrodeless discharge tube 32 is one hole, but the number and size of the holes can be changed as appropriate. The radical gun is attached to the port of the vacuum vessel by the MBE device fixing flange 37.

Oラジカルガン4の無電極放電管32には、例えば純度6Nの酸素ガスが供給され、生成されるプラズマには、活性種として主に、酸素原子ラジカルが含まれる。   The electrodeless discharge tube 32 of the O radical gun 4 is supplied with, for example, oxygen gas having a purity of 6N, and the generated plasma mainly contains oxygen atom radicals as active species.

Nラジカルガン5の無電極放電管32には、例えば純度7Nの窒素ガスが供給され、生成されるプラズマには、活性種として主に、窒素原子ラジカル、窒素分子ラジカル、窒素原子イオン、及び窒素分子イオンが含まれる。図12に、Nラジカルガン5で形成されるプラズマの発光スペクトルを示す。窒素原子ラジカルの照射により、ZnO系半導体のOサイトをN原子で置換して、p型伝導性のZnO系半導体を得ることができる。   The electrodeless discharge tube 32 of the N radical gun 5 is supplied with, for example, nitrogen gas having a purity of 7N. The generated plasma mainly includes nitrogen atom radicals, nitrogen molecule radicals, nitrogen atom ions, and nitrogen as active species. Molecular ions are included. FIG. 12 shows an emission spectrum of plasma formed by the N radical gun 5. By irradiation with a nitrogen atom radical, the O site of the ZnO-based semiconductor can be replaced with an N atom, whereby a p-type conductive ZnO-based semiconductor can be obtained.

Nラジカルガン5から出射される活性種のうち、イオンなどは成長する膜にダメージを与え欠陥を誘発する。ケース31のビーム出射側先端部に取り付けられた対向電極38により、対向電極38間を通過するビームに電場を印加し、イオンの出射方向を曲げることにより、成長膜にイオンを照射されにくくすることができる。   Of the active species emitted from the N radical gun 5, ions or the like damage the growing film and induce defects. By applying an electric field to the beam passing between the counter electrodes 38 by the counter electrode 38 attached to the tip of the beam output side of the case 31 and bending the ion emission direction, it is difficult to irradiate the growth film with ions. Can do.

図4Aは、結晶成長基板と、真空容器の各ポートに設置されたガンとの配置関係を示す概略平面図である。基板7の法線方向上方から見た平面図を示す。ポートと、そのポートに設置されたガンとを同一の参照符号で示す。   FIG. 4A is a schematic plan view showing a positional relationship between the crystal growth substrate and guns installed at each port of the vacuum vessel. The top view seen from the normal line direction upper direction of the board | substrate 7 is shown. A port and a gun installed in the port are indicated by the same reference numeral.

ここで例示しているMBE装置の真空容器は、8つのポートP1〜P8を備える。ポートP1〜P8は、基板7を中心とする円周方向に並んで配置されている。ビームが基板7の下面上に照射されるように、各ポートに、ガンP1〜P8を設置することができる。   The vacuum vessel of the MBE apparatus illustrated here includes eight ports P1 to P8. The ports P <b> 1 to P <b> 8 are arranged side by side in the circumferential direction around the substrate 7. Guns P <b> 1 to P <b> 8 can be installed at each port so that the beam is irradiated onto the lower surface of the substrate 7.

ビーム照射方向の方位角により、各ガンの位置が表される。以下、ビーム照射方向の方位角θを、単に方位角、または配置角度と呼ぶこととする。ガンP1の方位角を、方位角の基準(θ=0°)とする。ガンP2〜P8は、それぞれ、方位角θが45°、90°、135°、180°、225°、270°、及び315°となる位置に配置されている。 The position of each gun is represented by the azimuth angle in the beam irradiation direction. Hereinafter, the azimuth angle theta c of the beam irradiation direction, simply referred to as a azimuth or arrangement angles. The azimuth angle of the gun P1 is taken as the azimuth angle reference (θ c = 0 °). Cancer P2~P8, respectively, the azimuth angle theta c is 45 °, 90 °, 135 ° , 180 °, 225 °, are arranged in 270 °, and 315 ° and a position.

以下に説明する予備的実験、及び、第1〜第6実験では、Nラジカルガン5は、ポートP1(θ=0°)に設置した。Znソースガン2は、ポートP2(θ=45°)、ポートP3(θ=90°)、ポートP4(θ=135°)、または、ポートP5(θ=180°)に設置した。Mgソースガン3は、ポートP6(θ=225°)に、Oラジカルガン4は、ポートP8(θ=315°)に設置した。 In the preliminary experiments and the first to sixth experiments described below, the N radical gun 5 was installed at the port P1 (θ c = 0 °). The Zn source gun 2 was installed at the port P2 (θ c = 45 °), the port P3 (θ c = 90 °), the port P4 (θ c = 135 °), or the port P5 (θ c = 180 °). . The Mg source gun 3 was installed at the port P6 (θ c = 225 °), and the O radical gun 4 was installed at the port P8 (θ c = 315 °).

以下に説明するように、予備的実験では、NラジカルビームとZnビームの、ビーム照射方向の方位角同士がなす角(配置角度)θを45°とした。これは、従来、本願発明者らがNドープZnO系半導体膜を成膜する際に用いていた配置角度設定である。 As will be described below, in a preliminary experiment, an angle (arrangement angle) θ c formed by azimuth angles of the N radical beam and the Zn beam in the beam irradiation direction was set to 45 °. This is an arrangement angle setting conventionally used when the inventors of the present application form an N-doped ZnO-based semiconductor film.

第1〜第6実験では、Nラジカルビームに対するZnビームの配置角度θと、NドープZnO系半導体膜中のN濃度との関係等について調べた。 In the first to sixth experiments, the relationship between the arrangement angle θ c of the Zn beam with respect to the N radical beam and the N concentration in the N-doped ZnO-based semiconductor film was investigated.

図4Bは、結晶成長基板と、各ポートに設置されたガンとの配置関係を示す概略断面図である。ガンP1/Nラジカルガン5(θ=0°)と、ガンP5/Znソースガン2(θ=180°)とが示されている。基板7の法線方向に対して、ビーム照射方向の極角θが定義される。ここで例示しているMBE装置では、ガンP1〜P8は、ビーム照射方向の極角θが25°となるように設置されている。 FIG. 4B is a schematic cross-sectional view showing the positional relationship between the crystal growth substrate and guns installed at each port. Gun P1 / N radical gun 5 (θ c = 0 °) and gun P5 / Zn source gun 2 (θ c = 180 °) are shown. A polar angle θ i in the beam irradiation direction is defined with respect to the normal direction of the substrate 7. In the MBE apparatus illustrated here, the guns P1 to P8 are installed so that the polar angle θ i in the beam irradiation direction is 25 °.

次に、MgZn1−xO(0≦x≦0.6)結晶の成長におけるVI/II比について説明する。Znビームのフラックス強度をJZnと表し、Mgビームのフラックス強度をJMgと表し、Oラジカルビームのフラックス強度をJと表す。 Next, the VI / II ratio in the growth of Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) crystal will be described. The flux intensity of Zn beam expressed as J Zn, the flux intensity of the Mg beam expressed as J Mg, representing the flux intensity of O radical beam and J O.

MgZn1−xO(0≦x≦0.6)結晶のO終端面への、Zn及びMgそれぞれの付着しやすさを示す係数(Znの付着係数、Mgの付着係数)をKZn、KMgとする。MgZn1−xO(0≦x≦0.6)結晶の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。 A coefficient (Zn adhesion coefficient, Mg adhesion coefficient) indicating the ease of adhesion of Zn and Mg to the O terminal surface of the Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) crystal is expressed as K Zn. , K Mg . A coefficient indicating the ease of O adhesion to the Zn termination surface of Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) crystal (O adhesion coefficient) is defined as K 2 O.

Znの付着係数KZnとフラックス強度JZnとの積KZn・JZn、Mgの付着係数KMgとフラックス強度JMgとの積KMg・JMg、及びOの付着係数Kとフラックス強度Jとの積K・J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、Mg原子、及びO原子の個数に対応する。 Zn adhesion coefficient K Zn and flux strength J Zn product K Zn · J Zn , Mg adhesion coefficient K Mg and flux strength J Mg product K Mg · J Mg , and O adhesion coefficient K O and flux strength product K O · J O with J O, respectively, Zn atoms adhering per unit time per unit area of the substrate, corresponding to the Mg atom, and the number of O atoms.

Zn・JZnとKMg・JMgの和に対するK・Jの比(VI/II比)であるK・J/(KZn・JZn+KMg・JMg)を、フラックス比と定義する。フラックス比が1より大きい場合をVI族リッチ条件(あるいはOリッチ条件)、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、フラックス比が1より小さい場合をII族リッチ条件と呼ぶ。なお、KZn・JZnをZnビームフラックス量、KMg・JMgをMgビームフラックス量、K・JをOラジカルビームフラックス量と定義する。 K Zn · J Zn and K to the sum of Mg · J Mg is the ratio of K O · J O (VI / II ratio) K O · J O / a (K Zn · J Zn + K Mg · J Mg), flux Define ratio. A case where the flux ratio is larger than 1 is called a VI group rich condition (or O rich condition), a case where the flux ratio is equal to 1 is called a stoichiometric condition, and a case where the flux ratio is smaller than 1 is called a group II rich condition. K Zn · J Zn is defined as the Zn beam flux amount, K Mg · J Mg is defined as the Mg beam flux amount, and K O · J O is defined as the O radical beam flux amount.

Zn及びJMgは膜厚モニター等を用いて得られた値を適用する事ができる。また、成長温度(基板表面温度)が850℃以下の場合、Znの付着係数KZn及びMgの付着係数KMgは1と置ける。 For JZn and JMg , values obtained using a film thickness monitor or the like can be applied. When the growth temperature (substrate surface temperature) is 850 ° C. or lower, the Zn adhesion coefficient K Zn and the Mg adhesion coefficient K Mg can be set to 1.

・Jに関しては、KZn・JZnの分かっている条件(850℃以下のKZn=1とおける条件)で例えばZnO膜を実際に成長し、成長速度Gを求める。ZnO成長膜の成長速度Gは下式(1)によって求める事ができるため、得られた成長速度GとKZn・JZnを式に代入する事で、設定したOラジカルガンの条件(O流量、RFパワー)などにおけるOラジカルビームフラックス量K・Jを導出する事ができる。
G = [(KZn・JZn)−1+(K・J)−1]−1・・・(1)
次に、予備的実験について説明する。予備的実験では、MBEで成長させたNドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)膜中のN濃度について、Nラジカルガンに印加するRFパワーとN濃度との関係を調べた実験(予備的実験その1)と、フラックス比とN濃度との関係を調べた実験(予備的実験その2)とを行った。N濃度は、2次イオン質量分析(SIMS)で測定した。
With respect to K 2 O · J 2 O , for example, a ZnO film is actually grown under the known condition of K 2 Zn · J Zn (condition of K Zn = 1 at 850 ° C. or lower), and the growth rate G is obtained. Since the growth rate G of the ZnO growth film can be obtained by the following equation (1), by substituting the obtained growth rate G and K Zn · J Zn into the equation, the condition of the set O radical gun (O 2 The amount of O radical beam flux K O · J O at a flow rate, RF power, etc. can be derived.
G = [(K Zn · J Zn ) −1 + (K O · J O ) −1 ] −1 (1)
Next, a preliminary experiment will be described. In a preliminary experiment, regarding the N concentration in an N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) film grown by MBE, the relationship between the RF power applied to the N radical gun and the N concentration is examined. The experiment (preliminary experiment 1) investigated and the experiment (preliminary experiment 2) which investigated the relationship between a flux ratio and N concentration were conducted. N concentration was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).

予備的実験その1では、以下のような条件の下、Nラジカルガンへ印加するRFパワーを変化させて、複数のサンプルを作製した。Nラジカルガンへの印加RFパワーを上げて、無電極放電管内のプラズマ密度を増加させることにより、Nラジカルビーム量を増やすことができる。以下の条件は、フラックス比(VI/II比)がほぼ1であり、ほぼストイキオメトリ条件である。   In Preliminary Experiment No. 1, a plurality of samples were prepared by changing the RF power applied to the N radical gun under the following conditions. The amount of N radical beam can be increased by increasing the RF power applied to the N radical gun and increasing the plasma density in the electrodeless discharge tube. In the following conditions, the flux ratio (VI / II ratio) is approximately 1, which is almost stoichiometric conditions.

・基板:Zn極性面(+c面)ZnO単結晶基板
・基板温度:700℃
・Oラジカルガンへの酸素ガス供給流量:2sccm
・Oラジカルガンへの印加RFパワー:300W
・Oラジカルビームフラックス量(K・J):1.1×1015atoms/(cms)
・Znビームフラックス強度(JZn):9×1014atoms/(cms)
・Mgビームフラックス強度(JMg):2×1014atoms/(cms)
・Nラジカルガンへの窒素ガス供給流量:2sccm
・Nラジカルガンに対するZnソースガンの配置角度(方位角)θ:45°
図5Aは、Nラジカルガンへの印加RFパワーと膜中N濃度との関係を示すグラフである。併せて膜中B濃度も示す。左側の縦軸がN濃度を示し、右側の縦軸がB濃度を示す。N濃度を丸のプロットで、B濃度を三角のプロットで示す。
-Substrate: Zn polar plane (+ c plane) ZnO single crystal substrate-Substrate temperature: 700 ° C
・ Oxygen gas supply flow rate to O radical gun: 2 sccm
・ Applied RF power to O radical gun: 300W
O radical beam flux amount (K O · J O ): 1.1 × 10 15 atoms / (cm 2 s)
Zn beam flux intensity (J Zn ): 9 × 10 14 atoms / (cm 2 s)
Mg beam flux intensity (J Mg ): 2 × 10 14 atoms / (cm 2 s)
・ Nitrogen gas supply flow rate to N radical gun: 2 sccm
Arrangement angle (azimuth angle) of the Zn source gun with respect to the N radical gun θ c : 45 °
FIG. 5A is a graph showing the relationship between the RF power applied to the N radical gun and the N concentration in the film. The B concentration in the film is also shown. The left vertical axis shows the N concentration, and the right vertical axis shows the B concentration. N concentration is shown as a circle plot, and B concentration is shown as a triangle plot.

Nラジカルガンへの印加RFパワーは、50W〜300Wの範囲で変化させた。RFパワーの増加とともに膜中N濃度は1018cm−3オーダーから1020cm−3オーダー後半まで増加していることが分かる。 The RF power applied to the N radical gun was varied in the range of 50W to 300W. It can be seen that the N concentration in the film increases from the order of 10 18 cm −3 to the latter half of the order of 10 20 cm −3 as the RF power increases.

ただし、Nラジカルガンに用いられているpBN製の無電極放電管は、印加RFパワーが高いと内部がスパッタリングされてしまう。これに起因して、NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)膜中にBが混入してしまい、結晶性が悪化する。 However, the electrodeless discharge tube made of pBN used for the N radical gun is sputtered when the applied RF power is high. As a result, B is mixed in the N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) film, and the crystallinity is deteriorated.

この実験のサンプルでは、Nラジカルガンへの印加RFパワーが130W以上で、膜中にBが検出された。例えばRFパワー200Wでは、B濃度が1017cm−3オーダーに達している。130Wより低いRFパワー(例えば80W)では、B濃度がSIMSの検出下限界(6×1015cm−3)以下であり、膜中にBが取り込まれていなかった。なお、Oラジカルガンにおいては、例えば300WのRFパワーが印加されているが、石英製無電極放電管材料のスパッタリング(膜中へのSiの混入)は、特に問題になっていない。 In the sample of this experiment, the RF power applied to the N radical gun was 130 W or more, and B was detected in the film. For example, at an RF power of 200 W, the B concentration reaches the order of 10 17 cm −3 . At RF power lower than 130 W (for example, 80 W), the B concentration was below the SIMS detection limit (6 × 10 15 cm −3 ), and B was not incorporated into the film. In the O radical gun, for example, 300 W of RF power is applied, but sputtering of the quartz electrodeless discharge tube material (mixing of Si into the film) is not particularly problematic.

予備的実験その2では、以下のような条件の下、Znビームフラックス強度を変えることによりフラックス比(VI/II比)を変化させて、複数のサンプルを作製した。   In Preliminary Experiment 2, a plurality of samples were prepared by changing the flux ratio (VI / II ratio) by changing the Zn beam flux intensity under the following conditions.

・基板:Zn極性面(+c面)ZnO単結晶基板
・基板温度:700℃
・Oラジカルビームフラックス量(K・J):1.1×1015atoms/(cms)
・Mgビームフラックス強度(JMg):2×1014atoms/(cms)
・Nラジカルガンへの窒素ガス供給流量:2sccm
・Nラジカルガンへの印加RFパワー:80W
・Nラジカルガンに対するZnソースガンの配置角度(方位角)θ:45°
図5Bは、フラックス比と膜中N濃度との関係を示すグラフである。Znビームフラックス強度を、6.9×1014atoms/(cms)〜2.3×1015atoms/(cms)の範囲で変化させて、フラックス比を1.24〜0.44の範囲で変化させた。Znビームフラックス強度の増加(フラックス比の減少)とともに膜中N濃度は1018cm−3オーダーから1020cm−3オーダーまで増加していることが分かる。1020cm−3以上のN濃度とするためには、Znビームフラックスが1.4×1015atoms/(cms)以上で、フラックス比0.69以下のII族リッチ条件が必要となっている。なお、Nラジカルガンへの印加RFパワーは80Wと低く、無電極放電管のスパッタによるBの取り込みが抑制される条件である。
-Substrate: Zn polar plane (+ c plane) ZnO single crystal substrate-Substrate temperature: 700 ° C
O radical beam flux amount (K O · J O ): 1.1 × 10 15 atoms / (cm 2 s)
Mg beam flux intensity (J Mg ): 2 × 10 14 atoms / (cm 2 s)
・ Nitrogen gas supply flow rate to N radical gun: 2 sccm
・ Applied RF power to N radical gun: 80W
Arrangement angle (azimuth angle) of the Zn source gun with respect to the N radical gun θ c : 45 °
FIG. 5B is a graph showing the relationship between the flux ratio and the N concentration in the film. The flux ratio is changed from 1.24 to 0.44 by changing the Zn beam flux intensity in the range of 6.9 × 10 14 atoms / (cm 2 s) to 2.3 × 10 15 atoms / (cm 2 s). The range was changed. It can be seen that the N concentration in the film increases from the order of 10 18 cm −3 to the order of 10 20 cm −3 as the Zn beam flux intensity increases (decrease in the flux ratio). In order to obtain an N concentration of 10 20 cm −3 or more, a II group rich condition with a Zn beam flux of 1.4 × 10 15 atoms / (cm 2 s) or more and a flux ratio of 0.69 or less is required. ing. The RF power applied to the N radical gun is as low as 80 W, which is a condition that suppresses the incorporation of B by sputtering of the electrodeless discharge tube.

予備的実験その1の結果からわかるように、NラジカルガンのRFパワーを上げプラズマ密度を上げることにより、膜中N濃度を増加させることができる。ただし、この手法では、RFパワーが高くなることに起因して、無電極放電管材料がスパッタされ、成長膜中に取り込まれてしまう。   As can be seen from the result of the preliminary experiment 1, the N concentration in the film can be increased by increasing the RF power of the N radical gun and increasing the plasma density. However, in this method, the electrodeless discharge tube material is sputtered and taken into the growth film due to the increase in RF power.

無電極放電管材料に起因する不純物Bは、ZnO系半導体中でドナーとして働き、p型キャリアを補償してしまうので、p型ZnO系半導体を得るという観点からは好ましくない。   Impurity B resulting from the electrodeless discharge tube material acts as a donor in the ZnO-based semiconductor and compensates for p-type carriers, which is not preferable from the viewpoint of obtaining a p-type ZnO-based semiconductor.

また。スパッタ粒子は、結晶成長表面において、Znなど構成元素の表面マイグレーションを阻害し、ピット形成の原因となる。得られる膜を発光素子のp型層として使用する場合、この様なピットはリーク電流の原因となり、発光強度を低下させてしまう。   Also. Sputtered particles inhibit the surface migration of constituent elements such as Zn on the crystal growth surface and cause pit formation. When the obtained film is used as a p-type layer of a light-emitting element, such pits cause a leakage current and reduce the light emission intensity.

一方、予備的実験その2の結果からわかるように、フラックス比を充分にII族リッチ条件とすることにより、膜中N濃度を増加させることができる。この手法では、Nラジカルガンへの印加RFパワーがある程度低い状態でもN濃度を高められ、無電極放電管材料のスパッタリングを抑制できる。ただし、II族リッチ条件では、そもそも供給される酸素ラジカルが不足するため、成長されるNドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)内に酸素欠損が多数発生しやすい。この酸素欠損は、結晶中でドナーとして働き、この場合もまたp型キャリアを補償してしまう。 On the other hand, as can be seen from the result of the preliminary experiment No. 2, the N concentration in the film can be increased by sufficiently setting the flux ratio to the group II rich condition. In this method, the N concentration can be increased even when the RF power applied to the N radical gun is low to some extent, and sputtering of the electrodeless discharge tube material can be suppressed. However, under the II group-rich condition, oxygen radicals to be supplied are insufficient in the first place, so that many oxygen vacancies are likely to be generated in the grown N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6). This oxygen deficiency acts as a donor in the crystal and again compensates for p-type carriers.

良好なp型伝導性を得るために、Nラジカルガンへの印加RFパワーが抑制され無電極放電管のスパッタリングを抑制できるとともに、過度にII族リッチとならないフラックス比により酸素欠損を抑制できるような、NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜の製造技術が望まれる。 In order to obtain good p-type conductivity, the RF power applied to the N radical gun can be suppressed, sputtering of the electrodeless discharge tube can be suppressed, and oxygen vacancies can be suppressed by a flux ratio that does not become excessively Group II rich. Therefore, a technique for producing an N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film is desired.

次に、このようなNドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜製造技術について検討するために行った第1〜第6実験について説明する。なお、第1〜第6実験の説明では、NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)膜中のN濃度を、単にN濃度と呼び、Nラジカルガンへの印加RFパワーを、単にRFパワーと呼ぶことがある。 Next, first to sixth experiments conducted for examining such a N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film manufacturing technique will be described. In the description of the first to sixth experiments, the N concentration in the N - doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) film is simply referred to as the N concentration, and RF applied to the N radical gun. The power is sometimes simply referred to as RF power.

第1〜第3実験では、NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単膜サンプルを作製した。第1〜第3実験で作製した単膜サンプルに対しては、SIMSによる膜中不純物濃度の確認、及び、原子間力顕微鏡(AFM)による表面性の確認を行った。 In the first to third experiments, an N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single film sample was produced. For the single film samples prepared in the first to third experiments, the impurity concentration in the film was confirmed by SIMS, and the surface property was confirmed by an atomic force microscope (AFM).

第4〜第6実験では、p型半導体層としてNドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)膜を含む発光素子を作製した。第4〜第6実験で作製したデバイスサンプルに対しては、AFMによる表面性の確認、I−V特性の測定、および発光状態の確認を行った。 In the fourth to sixth experiments, a light emitting device including an N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) film as a p-type semiconductor layer was manufactured. For the device samples prepared in the fourth to sixth experiments, the surface property was confirmed by AFM, the IV characteristics were measured, and the light emission state was confirmed.

AFMによる観察結果からは、ピットの有無を確認した。図13を参照して、ダイオードの一般的なI−V特性について説明する。図13の実線で示す特性は理想的なダイオード特性と言え、順バイアス特性、逆バイアス特性ともにリーク電流が無い。破線で示す特性は、逆バイアス特性においては耐電圧が低く、順バイアス特性においても閾値電圧よりも低い電圧から微小電流が流れ始めており、リーク電流の有る特性と言える。点線で示す特性は、整流性が全くなく短絡を示す。発光状態に関しては、エレクトロルミネッセンス(EL)スペクトルの測定を行った。   The presence or absence of pits was confirmed from the observation results by AFM. A general IV characteristic of the diode will be described with reference to FIG. The characteristic indicated by the solid line in FIG. 13 is an ideal diode characteristic, and there is no leakage current in both the forward bias characteristic and the reverse bias characteristic. The characteristic indicated by the broken line has a low withstand voltage in the reverse bias characteristic, and in the forward bias characteristic, a minute current starts to flow from a voltage lower than the threshold voltage, and can be said to have a leak current. The characteristic indicated by the dotted line has no rectification and shows a short circuit. Regarding the light emission state, an electroluminescence (EL) spectrum was measured.

第1実験について説明する。第1実験では、高RFパワー条件における、N濃度の、NラジカルガンとZnソースガンとの配置角度(方位角)依存性について調べた。   The first experiment will be described. In the first experiment, the dependence of the N concentration on the arrangement angle (azimuth angle) between the N radical gun and the Zn source gun under high RF power conditions was examined.

まず、MBE装置内で、+c面ZnO単結晶基板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分行った。 First, in the MBE apparatus, the + c plane ZnO single crystal substrate 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.

続いて、基板温度を350℃とし、ZnO基板上に、Znビーム及びOラジカルビームを同時照射して、ZnOバッファー層を成長した。続いて、ZnOバッファー層の結晶性を向上させるため、基板温度を800℃に上げて、20分のアニールを行った。ZnOバッファー層の厚さは30nm程度とした。   Subsequently, the substrate temperature was set to 350 ° C., and a ZnO buffer layer was grown by simultaneously irradiating a Zn beam and an O radical beam on the ZnO substrate. Subsequently, in order to improve the crystallinity of the ZnO buffer layer, the substrate temperature was raised to 800 ° C. and annealing was performed for 20 minutes. The thickness of the ZnO buffer layer was about 30 nm.

続いて、基板温度を700℃とし、ZnOバッファー層上に、Znビーム、Mgビーム、Oラジカルビーム、及びNラジカルビームを同時照射して、NドープMgZn1−xO(x=0.25)層を成長した。NドープMgZn1−xO(x=0.25)層成長におけるビーム照射条件は以下のようなものである。 Subsequently, the substrate temperature is set to 700 ° C., and the ZnO buffer layer is simultaneously irradiated with a Zn beam, an Mg beam, an O radical beam, and an N radical beam, so that N-doped Mg x Zn 1-x O (x = 0. 25) Growing layer. The beam irradiation conditions in N-doped Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer growth are as follows.

Znビームの照射は、固体ソースとして純度7NのZnを用い、フラックス強度を9×1014atoms/(cms)とした。 In the irradiation of the Zn beam, 7N purity Zn was used as a solid source, and the flux intensity was set to 9 × 10 14 atoms / (cm 2 s).

Mgビームの照射は、固体ソースとして純度6NのMgを用い、フラックス強度を2×1014atoms/(cms)とした。 The Mg beam was irradiated with Mg having a purity of 6N as a solid source and a flux intensity of 2 × 10 14 atoms / (cm 2 s).

Oラジカルビームの照射は、純度6Nの純酸素ガスを2sccmで無電極放電管(石英製)に導入し、RFパワー300Wでプラズマ化して行った。この条件は、Oラジカルビームフラックス量としては1.1×1015atoms/(cms)に相当する。 The O radical beam was irradiated by introducing pure oxygen gas having a purity of 6N into an electrodeless discharge tube (made of quartz) at 2 sccm, and converting it to plasma with an RF power of 300 W. This condition corresponds to 1.1 × 10 15 atoms / (cm 2 s) as the amount of O radical beam flux.

Nラジカルビームの照射は、純度7Nの純窒素ガスを0.5sccmで無電極放電管(pBN製)に導入し、RFパワー200Wの高RFパワー条件でプラズマ化して行った。   The irradiation of the N radical beam was performed by introducing pure nitrogen gas with a purity of 7N into an electrodeless discharge tube (manufactured by pBN) at 0.5 sccm and converting it into plasma under a high RF power condition of RF power 200W.

以上の条件は、フラックス比(VI/II比)がほぼ1であり、ほぼストイキオメトリ条件である。NドープMgZn1−xO(x=0.25)層の厚さは100nmとした。 The above conditions have a flux ratio (VI / II ratio) of approximately 1, and are almost stoichiometric conditions. The thickness of the N-doped Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer was 100 nm.

このような条件の下、Nラジカルガンに対するZnソースガンの配置角度θを、45°、90°、135°、180°と変化させ、配置角度θの異なるサンプルを作製した。以下、Nラジカルガンに対するZnソースガンの配置角度θを、単に配置角度θと呼ぶこともある。 Under such conditions, the Zn source gun arrangement angle θ c with respect to the N radical gun was changed to 45 °, 90 °, 135 °, and 180 °, and samples with different arrangement angles θ c were produced. Hereinafter, the arrangement angle θ c of the Zn source gun with respect to the N radical gun may be simply referred to as the arrangement angle θ c .

なお、図1及び図4A、図4Bを参照して説明したように、例示している結晶製造装置において、下方から各ビームが照射されるので、装置に対して(地面に関して)基板下方側に各層が積層されることになる。しかし、説明の便宜上、成膜工程の説明では、成長表面側を「上方」と呼んでいる。従ってこの見方において、各ガンは、基板に対し成長表面側上方に配置されている。   As described with reference to FIGS. 1, 4 </ b> A, and 4 </ b> B, in the illustrated crystal manufacturing apparatus, each beam is irradiated from below, so that the apparatus is below the substrate (with respect to the ground). Each layer will be laminated. However, for convenience of description, in the description of the film forming process, the growth surface side is referred to as “upward”. Therefore, in this view, each gun is disposed above the growth surface side with respect to the substrate.

図6Aは、第1実験における配置角度θと膜中N濃度との関係を示すグラフである。併せて膜中B濃度も示す。左側の縦軸がN濃度を示し、右側の縦軸がB濃度を示す。N濃度を丸のプロットで、B濃度を三角のプロットで示す。 FIG. 6A is a graph showing the relationship between the arrangement angle θ c and the N concentration in the film in the first experiment. The B concentration in the film is also shown. The left vertical axis shows the N concentration, and the right vertical axis shows the B concentration. N concentration is shown as a circle plot, and B concentration is shown as a triangle plot.

フラックス比(VI/II比)がほぼストイキオメトリ条件でも、NラジカルガンのRFパワーが200Wと高いため、1020cm−3以上の高いN濃度が得られている。N濃度は、配置角度θを変化させても大幅には変化しない。しかし、RFパワーが高いため、pBN製無電極放電管がスパッタされたと考えられ、Bも同時に配置角度θに関係なく1017cm−3オーダーでドープされている。 Even when the flux ratio (VI / II ratio) is almost stoichiometric, the RF power of the N radical gun is as high as 200 W, so that a high N concentration of 10 20 cm −3 or more is obtained. N concentration is not significantly changed even by changing the arrangement angle theta c. However, since the RF power is high, it is considered that the electrodeless discharge tube made of pBN is sputtered, and B is also doped with the order of 10 17 cm −3 regardless of the arrangement angle θ c .

図6B及び図6Cは、それぞれ、第1実験の配置角度θが45°のサンプルと、180°のサンプルのAFM像である。上側に15μm角の観察範囲のAFM像を示し、下側に1μm角の観察範囲のAFM像を示す。 FIG. 6B and FIG. 6C are AFM images of a sample with an arrangement angle θ c of 45 ° and a sample with a 180 ° of the first experiment, respectively. An AFM image with an observation range of 15 μm square is shown on the upper side, and an AFM image with an observation range of 1 μm square is shown on the lower side.

配置角度θが45°のサンプルも、180°のサンプルも、膜表面に無数のピットが発生している。これらのピットは、無電極放電管がスパッタされて発生したスパッタ粒子に起因するものと考えられる。 Sample arrangement angle theta c is 45 °, nor samples of 180 °, countless pit occurs on the membrane surface. These pits are considered to be caused by sputtered particles generated by sputtering the electrodeless discharge tube.

第2実験について説明する。第2実験では、低パワー条件におけるN濃度の配置角度依存性について調べた。   The second experiment will be described. In the second experiment, the dependence of the N concentration on the arrangement angle under low power conditions was examined.

第2実験のサンプルは、NドープMgZn1−xO(x=0.25)層を形成する際の、NラジカルガンのRFパワーを80Wの低パワーとした以外は、第1実験と同様な条件で作製した。Nラジカルガンに対するZnソースガンの配置角度θを、45°、90°、135°、180°と変化させ、配置角度θの異なるサンプルを作製した。 The sample of the second experiment is the same as that of the first experiment, except that the RF power of the N radical gun when the N-doped Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer is set to a low power of 80 W. It produced on the same conditions. Samples with different arrangement angles θ c were prepared by changing the arrangement angle θ c of the Zn source gun with respect to the N radical gun to 45 °, 90 °, 135 °, and 180 °.

図7Aは、第2実験における配置角度θと膜中N濃度との関係を示すグラフである。併せて膜中B濃度も示す。左側の縦軸がN濃度を示し、右側の縦軸がB濃度を示す。なお、配置角度θが180°〜360°での膜中N濃度を示すグラフは、配置角度θの対称性から、図7Aのグラフを180°で反転させたような形状になると考えられる。 Figure 7A is a graph showing the relationship between the arrangement angle theta c and film N concentration in the second experiment. The B concentration in the film is also shown. The left vertical axis shows the N concentration, and the right vertical axis shows the B concentration. In addition, it is thought that the graph which shows N density | concentration in a film | membrane when arrangement | positioning angle (theta) c is 180 degrees-360 degrees becomes the shape which reversed the graph of FIG. 7A at 180 degrees from the symmetry of arrangement angle (theta) c . .

NラジカルガンのRFパワーを80Wと低くしたことにより、膜中へのBのドープは、どの配置角度θにおいてもSIMS検出下限界(6×1015cm−3)以下に抑制されている。RFパワーを下げたことにより、無電極放電管内のスパッタが抑制されたと考えられる。なお、B濃度が、SIMS検出下限界(6×1015cm−3)以下に抑制されている場合に、膜中にBが取り込まれていないと判断することができる。 By reducing the RF power of the N radical gun to 80 W, the doping of B into the film is suppressed to below the SIMS detection lower limit (6 × 10 15 cm −3 ) at any arrangement angle θ c . It is considered that the sputtering in the electrodeless discharge tube was suppressed by lowering the RF power. In addition, when the B concentration is suppressed to the SIMS detection lower limit (6 × 10 15 cm −3 ) or less, it can be determined that B is not taken into the film.

一方、膜中のN濃度は、RFパワーを下げたことにより、例えば第1実験に比べて低下する。しかし、低下の度合いは、Nラジカルガンに対するZnソースガンの配置角度θにより異なり、配置角度θが0°(360°)に近いほど膜中のN濃度低下は大きく、配置角度θが180°に近いほど少ない。配置角度θが90°≦θ≦270°の範囲であれば、1020cm−3以上のN濃度が得られるといえる。 On the other hand, the N concentration in the film is reduced as compared with the first experiment, for example, by lowering the RF power. However, the degree of reduction differs by the arrangement angle theta c of Zn source gun for N radicals cancer, arrangement angle theta c is 0 ° (360 °) to about N concentration decrease in the film is large near, arrangement angle theta c is The closer to 180 °, the less. If the arrangement angle θ c is in the range of 90 ° ≦ θ c ≦ 270 °, it can be said that an N concentration of 10 20 cm −3 or more can be obtained.

このように、配置角度θを90°≦θ≦270°の範囲内とすることにより、フラックス比(VI/II比)がストイキオメトリ条件付近でも、無電極放電管のスパッタに起因するBドーピングが抑制されるような低RFパワーで、N濃度が1020cm−3以上のNドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)膜を得られることが分かった。 As described above, by setting the arrangement angle θ c within the range of 90 ° ≦ θ c ≦ 270 °, the flux ratio (VI / II ratio) is caused by sputtering of the electrodeless discharge tube even in the vicinity of the stoichiometry condition. It was found that an N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) film having an N concentration of 10 20 cm −3 or more can be obtained with such a low RF power that B doping is suppressed.

図7B及び図7Cは、それぞれ、第2実験の配置角度θが45°のサンプルと、180°のサンプルのAFM像である。上側に15μm角の観察範囲のAFM像を示し、下側に1μm角の観察範囲のAFM像を示す。 7B and 7C, respectively, the arrangement angle theta c is 45 ° samples of the second experiment, an AFM image of a sample of 180 °. An AFM image with an observation range of 15 μm square is shown on the upper side, and an AFM image with an observation range of 1 μm square is shown on the lower side.

配置角度θが45°のサンプルも、180°のサンプルも、ピットが少ない。低RFパワーによりNラジカルガンの無電極放電管のスパッタが抑制され、スパッタ粒子が低減したためと考えられる。 Sample arrangement angle theta c is 45 °, nor samples of 180 °, the pit is small. It is considered that the sputtering of the N radical gun electrodeless discharge tube was suppressed by the low RF power, and the sputtered particles were reduced.

発光ダイオード(LED)などの発光素子を作製する場合、ホールキャリア密度は1×1016cm−3以上は必要であるとされる。MgZn1−xO(0≦x≦0.6)中にアクセプタとしてドーピングされるN元素は活性化率が低く、少なくとも1×1019cm−3以上ドーピングしなければ有効なホールキャリアが得られない。ただし、Nの濃度が5×1020cm−3より多くドーピングされるとp型MgZn1−xO(0≦x≦0.6)膜中に多くの欠陥が発生してしまい、素子に電流を流した場合のリークの原因となってしまう場合もある。そのため、Nの濃度は1×1019cm−3〜5×1020cm−3の範囲が好ましい。より好適には、1×1020cm−3〜3×1020cm−3の範囲が良い。 When a light emitting element such as a light emitting diode (LED) is manufactured, the hole carrier density is required to be 1 × 10 16 cm −3 or more. N element doped as an acceptor in Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) has a low activation rate, and if it is not doped at least 1 × 10 19 cm −3 or more, effective hole carriers are not present. I can't get it. However, if the concentration of N is more than 5 × 10 20 cm −3 , many defects are generated in the p-type Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) film, and the device May cause a leak when a current is passed through. Therefore, the concentration of N is preferably in the range of 1 × 10 19 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 . The range of 1 × 10 20 cm −3 to 3 × 10 20 cm −3 is more preferable.

第3実験について説明する。第3実験では、低パワー条件における、N濃度のフラックス比依存性について調べた。   The third experiment will be described. In the third experiment, the flux ratio dependence of N concentration under low power conditions was examined.

第3実験のサンプルは、Nラジカルガンに対するZnソースガンの配置角度θを45°及び180°とし、第2実験と同様な低パワー条件で作製した。ただし、NドープMgZn1−xO(x=0.25)層を形成する際のZnビームフラックス強度(これは、KZn=1よりビームフラックス量に等しい)を、5×1014atoms/(cms)〜2×1015atoms/(cms)の範囲で変化させた。これにより、フラックス比(VI/II比)を、1.6〜0.5の範囲で変化させた。 Samples of the third experiment, the arrangement angle theta c of Zn source gun for N radicals cancer and 45 ° and 180 °, produced in the second experiment similar to the low power condition. However, the Zn beam flux intensity (which is equal to the beam flux amount from K Zn = 1) when forming the N-doped Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer is 5 × 10 14 atoms. / (Cm 2 s) to 2 × 10 15 atoms / (cm 2 s). Thereby, the flux ratio (VI / II ratio) was changed in the range of 1.6 to 0.5.

図8は、第3実験におけるZnビームフラックス強度と膜中N濃度との関係を示すグラフである。配置角度θが45°の結果を三角のプロットで示し、配置角度θが180°の結果を丸のプロットで示す。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the Zn beam flux intensity and the N concentration in the film in the third experiment. Arrangement angle theta c indicates the result of 45 ° in the plot of the triangular arrangement angle theta c indicates the result of the 180 ° in the plot of the circle.

配置角度θが45°の場合も180°の場合も、Znビームフラックス強度の増加とともに(フラックス比の減少とともに)膜中N濃度が増加し、充分にII族リッチ条件側では、どちらの場合もN濃度が1020cm−3以上となっている。 Even when the arrangement angle theta c is even 180 ° In the case of 45 °, with increasing Zn beam flux intensity increased film N concentration (decrease with the flux ratio), in the fully Group II rich conditions side, in both cases Also, the N concentration is 10 20 cm −3 or more.

ただし、配置角度θが45°の場合は、II族リッチ条件側からストイキオメトリ条件側に近づくにつれてN濃度が急激に低下しており、ストイキオメトリ条件では、1019cm−3のオーダーのN濃度となっている。 However, if the arrangement angle theta c is 45 °, N concentration as the Group II rich conditions side closer to stoichiometric conditions side is rapidly decreased, the stoichiometric conditions, the order of 10 19 cm -3 N concentration.

一方、配置角度θが180°の場合は、フラックス比が1.1以下の領域で、1020cm−3以上のN濃度が得られており、フラックス比が1より大きいVI族リッチ(Oリッチ)条件においても、N濃度が1020cm−3以上となる領域が存在している。これにより、フラックス比が1以上であるストイキオメトリ条件またはVI族リッチ(Oリッチ)条件での高濃度Nドープが可能となり、酸素欠損の抑制されたNドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)を得ることができる。 On the other hand, when the arrangement angle θ c is 180 °, an N concentration of 10 20 cm −3 or more is obtained in a region where the flux ratio is 1.1 or less, and the VI group rich (O Even under a rich condition, there is a region where the N concentration is 10 20 cm −3 or more. As a result, high-concentration N-doping is possible under stoichiometric conditions with a flux ratio of 1 or more or group VI-rich (O-rich) conditions, and N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) can be obtained.

なお、第2実験では、配置角度θが90°≦θ≦270°の範囲において、ほぼストイキオメトリ条件の下、1020cm−3以上のN濃度が得られている。これを踏まえると、第3実験で配置角度θが180°の場合に得られたフラックス比とN濃度との関係は、広く90°≦θ≦270°の範囲で同様に成り立つのではないかと考えられる。 In the second experiment, an N concentration of 10 20 cm −3 or more is obtained under almost stoichiometric conditions when the arrangement angle θ c is in the range of 90 ° ≦ θ c ≦ 270 °. Based on this, the relationship between the flux ratio and the N concentration obtained when the arrangement angle θ c is 180 ° in the third experiment does not hold in a wide range of 90 ° ≦ θ c ≦ 270 °. It is thought.

第4実験について説明する。第4実験では、シングルヘテロ接合型のZnO系半導体発光素子を作製し、p型層とするNドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)膜を、Nラジカルガンへの印加RFパワーが200Wと高く、配置角度θが45°の条件で形成した。 The fourth experiment will be described. In the fourth experiment, a single heterojunction type ZnO-based semiconductor light-emitting device was fabricated, and an N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) film as a p-type layer was applied to an N radical gun. applying RF power as high as 200 W, the arrangement angle theta c was formed under the conditions of 45 °.

図9は、第4実験(及び第5、第6実験)のサンプル構造を示す概略断面図である。まず、n型伝導性を有する+c面ZnO単結晶基板41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分行った。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a sample structure of the fourth experiment (and the fifth and sixth experiments). First, thermal annealing was performed on the + c-plane ZnO single crystal substrate 41 having n-type conductivity, and the substrate surface was cleaned. Thermal annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes under a high vacuum of 1 × 10 −9 Torr.

続いて、基板温度を350℃とし、ZnO基板41上に、Znビーム及びOラジカルビームを同時照射して、ZnOバッファー層42を成長した。続いて、ZnOバッファー層42の結晶性を向上させるため、基板温度を800℃に上げて、20分のアニールを行った。ZnOバッファー層42の厚さは30nm程度とした。   Subsequently, the substrate temperature was set to 350 ° C., and a ZnO buffer layer 42 was grown on the ZnO substrate 41 by simultaneously irradiating a Zn beam and an O radical beam. Subsequently, in order to improve the crystallinity of the ZnO buffer layer 42, the substrate temperature was raised to 800 ° C. and annealing was performed for 20 minutes. The thickness of the ZnO buffer layer 42 was about 30 nm.

次に、基板温度を900℃とし、ZnOバッファー層42上に、Znビーム及びOラジカルビームを同時照射して、n型ZnO層43を成長した。Znビームの照射は、固体ソースとして純度7NのZnを用い、フラックス強度を8×1014atoms/(cms)とした。Oラジカルビームの照射は、純度6Nの純酸素ガスを1sccmで無電極放電管に導入し、RFパワー300Wでプラズマ化して行った。この条件は、Oラジカルビーム量(K・J)としては7.5×1014atoms/(cms)に相当する。n型ZnO層43の厚さは200nmとした。 Next, the substrate temperature was set to 900 ° C., and a Zn beam and an O radical beam were simultaneously irradiated on the ZnO buffer layer 42 to grow an n-type ZnO layer 43. In the irradiation of the Zn beam, 7N purity Zn was used as a solid source, and the flux intensity was 8 × 10 14 atoms / (cm 2 s). The O radical beam was irradiated by introducing pure oxygen gas with a purity of 6N into an electrodeless discharge tube at 1 sccm and converting it to plasma with an RF power of 300 W. This condition corresponds to 7.5 × 10 14 atoms / (cm 2 s) as the amount of O radical beam (K O · J O ). The thickness of the n-type ZnO layer 43 was 200 nm.

次に、基板温度を700℃とし、n型ZnO層43上に、Znビーム及びOラジカルビームを同時照射して、ZnO活性層44を成長した。Znビームの照射は、フラックス強度を1.6×1014atoms/(cms)とした。Oラジカルビームの照射は、純酸素ガスを3sccmで無電極放電管に導入し、RFパワー300Wでプラズマ化して行った。この条件は、Oラジカルビーム量(K・J)としては1.2×1015atoms/(cms)に相当する。ZnO活性層44の厚さは10nmとした。 Next, the substrate temperature was set to 700 ° C., and a ZnO active layer 44 was grown on the n-type ZnO layer 43 by simultaneously irradiating a Zn beam and an O radical beam. In the irradiation of the Zn beam, the flux intensity was set to 1.6 × 10 14 atoms / (cm 2 s). Irradiation with the O radical beam was performed by introducing pure oxygen gas into an electrodeless discharge tube at 3 sccm and turning it into plasma with an RF power of 300 W. This condition corresponds to 1.2 × 10 15 atoms / (cm 2 s) as the amount of O radical beam (K O · J O ). The thickness of the ZnO active layer 44 was 10 nm.

続いて、基板温度700℃のまま、ZnO活性層44上に、Znビーム、Mgビーム、Oラジカルビーム、及びNラジカルビームを同時照射し、p型層として、NドープMgZn1−xO(x=0.25)層45を、厚さ40nm成長した。Znビーム、Mgビーム、Oラジカルビーム、及びNラジカルビームの照射条件は、第1実験と同様とした。Nラジカルガンへの印加RFパワーは200Wであり、Nラジカルガンに対するZnソースガンの配置角度θは45°とした。 Subsequently, the ZnO active layer 44 is simultaneously irradiated with a Zn beam, an Mg beam, an O radical beam, and an N radical beam while keeping the substrate temperature at 700 ° C., and an N-doped Mg x Zn 1-x O is formed as a p-type layer. The (x = 0.25) layer 45 was grown to a thickness of 40 nm. The irradiation conditions of the Zn beam, Mg beam, O radical beam, and N radical beam were the same as in the first experiment. Applying RF power to the N radicals cancer is 200 W, the arrangement angle theta c of Zn source gun for N radicals cancer was 45 °.

つぎに、ZnO基板41の裏面上に、厚さ10nmのチタン層を堆積し、チタン層上に、厚さ500nmのアルミニウム層を堆積して、n側電極46を形成した。また、p型層45上に、厚さ1nmのニッケル層を堆積し、ニッケル層上に厚さ10nmの金層を堆積して、p側透明電極47を形成し、さらに、p側透明電極47の一部上に、厚さ500nmの金層を堆積して、p側ボンディング電極48を作製した。この後、例えば、400℃の酸素雰囲気中で、処理時間2分の電極合金化処理を行った。このようにして、第4実験によるZnO系発光ダイオードを作製した(ただし、後述のように、第4実験による発光素子は、実際には発光を示さなかった)。   Next, a titanium layer having a thickness of 10 nm was deposited on the back surface of the ZnO substrate 41, and an aluminum layer having a thickness of 500 nm was deposited on the titanium layer to form an n-side electrode 46. Further, a nickel layer having a thickness of 1 nm is deposited on the p-type layer 45, a gold layer having a thickness of 10 nm is deposited on the nickel layer, and a p-side transparent electrode 47 is formed. A p-side bonding electrode 48 was fabricated by depositing a gold layer having a thickness of 500 nm on a part of the p-side bonding electrode 48. Thereafter, for example, an electrode alloying treatment was performed in an oxygen atmosphere at 400 ° C. for a treatment time of 2 minutes. In this manner, a ZnO-based light emitting diode according to the fourth experiment was fabricated (however, as described later, the light emitting element according to the fourth experiment did not actually emit light).

第5実験について説明する。第5実験では、シングルヘテロ接合型のZnO系半導体発光素子を作製し、p型層とするNドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)膜を、Nラジカルガンへの印加RFパワーが80Wと低く、配置角度θが45°の条件で形成した。 The fifth experiment will be described. In the fifth experiment, a single heterojunction type ZnO-based semiconductor light-emitting device was fabricated, and an N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) film as a p-type layer was applied to an N radical gun. The applied RF power was as low as 80 W, and the arrangement angle θ c was 45 °.

第5実験の発光素子は、NドープMgZn1−xO(x=0.25)層45を、Nラジカルガンへの印加RFパワーを80Wとしたこと以外は、第4実験の発光素子と同様な条件で作製した。 The light emitting device of the fifth experiment is the same as the light emitting device of the fourth experiment except that the N-doped Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer 45 and the RF power applied to the N radical gun are set to 80 W. It was produced under the same conditions.

第6実験について説明する。第6実験では、シングルヘテロ接合型のZnO系半導体発光素子を作製し、p型層とするNドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)膜を、Nラジカルガンへの印加RFパワーが80Wと低く、配置角度θが180°の条件で形成した。 The sixth experiment will be described. In the sixth experiment, a single heterojunction type ZnO-based semiconductor light-emitting device was fabricated, and an N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) film serving as a p-type layer was applied to an N radical gun. The applied RF power was as low as 80 W, and the arrangement angle θ c was 180 °.

第6実験の発光素子は、NドープMgZn1−xO(x=0.25)層45を、Nラジカルガンへの印加RFパワーを80Wとし、Nラジカルガンに対するZnソースガンの配置角度θを180°としたこと以外は、第4実験の発光素子と同様な条件で作製した。 In the light emitting device of the sixth experiment, the N-doped Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer 45, the RF power applied to the N radical gun is 80 W, and the arrangement angle of the Zn source gun with respect to the N radical gun It was fabricated under the same conditions as the light-emitting element of the fourth experiment except that θc was 180 °.

図10及び図11に、第4〜第6実験で得られた発光素子の特性をまとめる。図10には、I−V特性及び発光状態(発光の有無とELスペクトル)を示し、図11には、AFM像を示す。   10 and 11 summarize the characteristics of the light-emitting elements obtained in the fourth to sixth experiments. FIG. 10 shows the IV characteristics and the light emission state (the presence or absence of light emission and the EL spectrum), and FIG. 11 shows an AFM image.

I−V特性及び発光状態は、以下のようなものである。第4実験のサンプルは、電流のリークが激しいI−V特性を示し、発光は示さなかった。第5及び第6実験のサンプルは、ダイオードとしてのI−V特性を示し、発光を示した。   The IV characteristics and light emission state are as follows. The sample of the fourth experiment showed an IV characteristic with a severe current leakage, and did not emit light. Samples of the fifth and sixth experiments showed IV characteristics as diodes and emitted light.

第5実験のサンプルは、発光を確認できたものの、紫外発光のピークが見られず、波長580nm付近をピークとするブロードなスペクトルの白色発光を示した。第6実験のサンプルは、波長380nmをピークとする紫外発光が見られるとともに、波長580nm付近をピークとするブロードなスペクトルの白色発光も示した。   Although the sample of the fifth experiment was confirmed to emit light, no ultraviolet light emission peak was observed, and white light emission of a broad spectrum having a peak near the wavelength of 580 nm was shown. The sample of the sixth experiment showed ultraviolet light emission having a peak at a wavelength of 380 nm, and also showed white light emission with a broad spectrum having a peak at around a wavelength of 580 nm.

AFM観察結果は、以下のようなものである。第4実験のサンプルは、小さなピットが多数見られる。このピットは、NドープMgZn1−xO(x=0.25)層成長時にNラジカルガンから発生したスパッタ粒子に起因していると考えられ、このピットを介してリーク電流が流れているものと思われる。一方、第5及び第6実験のサンプルは、ピットが非常に少ない。NラジカルガンのRFパワーを下げた効果と思われる。 The AFM observation results are as follows. The sample of the fourth experiment has many small pits. This pit is considered to be caused by sputtered particles generated from the N radical gun during the growth of the N-doped Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer, and a leak current flows through this pit. It seems that there is. On the other hand, the samples of the fifth and sixth experiments have very few pits. This seems to be the effect of lowering the RF power of the N radical gun.

第5実験及び第6実験のサンプルは、発光を示し、NドープMgZn1−xO(x=0.25)層がp型層となっていることが確認された。しかし、第5実験のサンプルのI−V特性は、電流が流れにくく、p型層の抵抗が高いことを示している。これは、p型層の膜中N濃度が低いためと考えられる。第5実験のサンプルのp型層は、Nラジカルガンに対するZnソースガンの配置角度θが45°の条件で形成されている。これに起因して、第2実験で説明したように、p型層の膜中N濃度が低かったものと考えられる。 The samples of the fifth experiment and the sixth experiment showed light emission, and it was confirmed that the N-doped Mg x Zn 1-x O (x = 0.25) layer was a p-type layer. However, the IV characteristic of the sample of the fifth experiment shows that the current hardly flows and the resistance of the p-type layer is high. This is presumably because the N concentration in the film of the p-type layer is low. P-type layer of the sample in the fifth experiment, the arrangement angle theta c of Zn source gun is formed under conditions of 45 ° with respect to N radicals cancer. As a result, as described in the second experiment, it is considered that the N concentration in the p-type layer was low.

一方、第6実験のサンプルは、第5実験のサンプルに比べて、p型層に電流が流れやすくなっている。第6実験のサンプルのp型層は、配置角度θが180°の条件で形成されており、第2実験で説明したように、p型層の膜中N濃度が1020cm−3オーダーまで高くなっていると考えられる。さらに、Nラジカルガンへの印加RFパワーが充分低いことにより、Bのドープやピット形成が抑制され、また、フラックス比をほぼストイキオメトリ条件とすることにより、酸素欠損が低減されていると考えられる。 On the other hand, in the sample of the sixth experiment, the current flows through the p-type layer more easily than the sample of the fifth experiment. The p-type layer of the sample of the sixth experiment is formed under the condition that the arrangement angle θ c is 180 °, and as described in the second experiment, the N concentration in the film of the p-type layer is on the order of 10 20 cm −3. It is thought that it is getting higher. Furthermore, the RF power applied to the N radical gun is sufficiently low, so that B doping and pit formation are suppressed, and the oxygen vacancies are reduced by making the flux ratio almost stoichiometric. It is done.

以上説明した第1〜第6実験より、NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜の成長時に、Nラジカルガンの無電極放電管のスパッタリングを抑制するような低いRFパワーであっても、Nラジカルガンのビーム照射方向の方位角とZnソースガンのビーム照射方向の方位角とのなす角(配置角度)θを90°≦θ≦270°の範囲内とすることにより、膜中N濃度を例えば1×1020cm−3以上に高めることができることがわかった。 From the first to sixth experiments described above, the sputtering of the N radical gun electrodeless discharge tube is suppressed during the growth of the N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film. Even at a low RF power, the angle (arrangement angle) θ c formed by the azimuth angle in the beam irradiation direction of the N radical gun and the azimuth angle in the beam irradiation direction of the Zn source gun is 90 ° ≦ θ c ≦ 270 °. It was found that the N concentration in the film can be increased to, for example, 1 × 10 20 cm −3 or more by setting the value within the range.

また、配置角度θを90°≦θ≦270°の範囲内とすることにより、フラックス比が1以上(ストイキオメトリ条件またはOリッチ条件)でも、膜中N濃度を例えば1×1020cm−3以上に高めることができることがわかった。 Further, by setting the arrangement angle θ c within the range of 90 ° ≦ θ c ≦ 270 °, even if the flux ratio is 1 or more (stoichiometry condition or O-rich condition), the N concentration in the film is, for example, 1 × 10 20. It turned out that it can raise to cm <-3 > or more.

なお、上記実験では、NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜の成長温度を700℃としたが、成長温度が700℃近傍であれば、同様な傾向が得られると考えられる。NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜の成長温度は、例えば、600℃〜800℃の範囲とすることができるであろう。 In the above experiment, the growth temperature of the N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film was set to 700 ° C., but if the growth temperature is around 700 ° C., the same tendency Can be obtained. The growth temperature of the N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film could be in the range of 600 ° C. to 800 ° C., for example.

なお、上記実験では、Mgを添加したNドープMgZnO単結晶膜を成長させたが、Mgを添加しないNドープZnO単結晶膜の成長についても、同様な傾向が得られると考えられる。Mgは、必要に応じて添加することができる。   In the above experiment, an N-doped MgZnO single crystal film to which Mg was added was grown, but it is considered that the same tendency can be obtained for the growth of an N-doped ZnO single crystal film to which no Mg is added. Mg can be added as needed.

なお、上記実験では、Nラジカルガンに窒素ガスを導入してプラズマ化し、Nラジカルを得たが、Nラジカル源は、窒素ガスに限定されないと思われる。窒素原子を含む化合物として、例えば、NO、NO、NO、N、N等の窒素酸化物を、1種あるいは複数種組み合わせて用いることもできるであろう。 In the above experiment, nitrogen gas was introduced into an N radical gun to generate plasma, and N radicals were obtained. However, it seems that the N radical source is not limited to nitrogen gas. As the compound containing a nitrogen atom, for example, nitrogen oxides such as N 2 O, NO, NO 2 , N 2 O 3 , and N 2 O 4 may be used alone or in combination.

なお、上記実験では、Nラジカルガンの無電極放電管として、pBN製のものを用いたが、石英製のものを用いることもできる。石英製無電極放電管を用いる場合も、RFパワーが高すぎると、無電極放電管内部がスパッタされて、スパッタ粒子によるピット形成と、膜中へのSiドープによるアクセプタの補償が生じてしまう。   In the above experiment, an electrode made of pBN was used as the electrodeless discharge tube of the N radical gun, but a product made of quartz can also be used. Even when a quartz electrodeless discharge tube is used, if the RF power is too high, the inside of the electrodeless discharge tube is sputtered, resulting in pit formation by sputtered particles and compensation of acceptors by Si doping in the film.

Nラジカルガンに石英製無電極放電管を用いる場合は、無電極放電管のスパッタリングに起因するSiが膜中へ取り込まれない程度に、Nラジカルガンへの印加RFパワーを抑制することが好ましい。なお、Si濃度がSIMS検出下限界(5×1016cm−3)以下に抑制されている場合に、膜中にSiが取り込まれていないと判断することができる。 When a quartz electrodeless discharge tube is used for the N radical gun, it is preferable to suppress the RF power applied to the N radical gun to such an extent that Si resulting from sputtering of the electrodeless discharge tube is not taken into the film. When the Si concentration is suppressed to the SIMS detection lower limit (5 × 10 16 cm −3 ) or less, it can be determined that Si is not taken into the film.

なお、Nラジカルガンの無電極放電管がスパッタされる印加RFパワーの下限は、結晶製造装置によって変わり得る。Nラジカルガンの無電極放電管がスパッタされない程度(Nラジカルガンの無電極放電管のスパッタリングに起因する不純物が膜中に取り込まれない程度)のRFパワーは、実験的に求めることができる。   Note that the lower limit of the applied RF power at which the electrodeless discharge tube of the N radical gun is sputtered can vary depending on the crystal manufacturing apparatus. The RF power to the extent that the electrodeless discharge tube of the N radical gun is not sputtered (to the extent that impurities due to sputtering of the electrodeless discharge tube of the N radical gun are not taken into the film) can be obtained experimentally.

なお、ZnO系半導体発光素子の作製に用いられる基板には、酸化亜鉛(ZnO)基板、サファイア(Al)基板、炭化珪素(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板、MgZn1−xO基板(0<x≦0.6)などがある。結晶性の良いZnO系半導体層を得るためには、格子不整合の小さい基板ほどよく、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ないように、ZnOに比べてバンドギャップが大きなMgZn1−xO基板(0<x≦0.6)を用いるのも好ましい。 Note that a substrate used for manufacturing a ZnO-based semiconductor light-emitting device includes a zinc oxide (ZnO) substrate, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, a gallium nitride (GaN) substrate, and Mg x Zn 1. -x O board (0 <x ≦ 0.6), and the like. In order to obtain a ZnO-based semiconductor layer with good crystallinity, a substrate having a smaller lattice mismatch is better, and a ZnO substrate is particularly preferable. Further, in the case of manufacturing a light emitting element, an Mg x Zn 1-x O substrate (0 <x ≦ 0.6) having a larger band gap than ZnO is used so that the substrate does not absorb the emitted light from the active layer. It is also preferable to use it.

ZnO基板やMgZn1−xO基板(0<x≦0.6)などのZnO系半導体基板は、+c面、−c面、a面、m面など種々の面を用いて、その上にZnO系化合物半導体層を成長させることができる。さらに、m方向やa方向などにオフ角をつけた種々の基板を用いることもできる。 A ZnO-based semiconductor substrate such as a ZnO substrate or a Mg x Zn 1-x O substrate (0 <x ≦ 0.6) uses various surfaces such as a + c plane, a −c plane, an a plane, and an m plane. A ZnO-based compound semiconductor layer can be grown. Further, various substrates having off angles in the m direction, the a direction, and the like can be used.

なお、ZnO系半導体発光素子のn型ZnO系半導体層として、上記実験ではアンドープのものを形成したが、GaドープあるいはAlドープのZnO層またはMgZnO層でも良いし、ZnO層及びMgZnO層の積層構造でも良い。p型ZnO系半導体層として、上記実験ではNドープMgZnO層を形成したが、NドープZnO層でも良いし、両者の積層構造でも良い。   The n-type ZnO-based semiconductor layer of the ZnO-based semiconductor light-emitting element is an undoped layer formed in the above experiment, but may be a Ga-doped or Al-doped ZnO layer or MgZnO layer, or a laminated structure of a ZnO layer and an MgZnO layer. But it ’s okay. In the above experiment, an N-doped MgZnO layer was formed as the p-type ZnO-based semiconductor layer, but it may be an N-doped ZnO layer or a stacked structure of both.

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 真空容器
2 Znソースガン
3 Mgソースガン
4 Oラジカルガン
5 Nラジカルガン
6 ステージ
7 基板
8 RHEED用ガン
9 スクリーン
21 ケース
22 クヌーセンセル
22S SUMOセル
22K Kセル
23 フィラメントヒーター
24 固体ソース
25 スペーサー
26 MBE装置固定用フランジ
31 ケース
32 無電極放電管
33 RFコイル
34 接続部
35 ガス供給管
36 MBE装置固定用フランジ
37 対向電極
P1〜P8 ポート、または、ポートに設置されたソースガン/ラジカルガン
41 ZnO基板
42 ZnOバッファー層
43 n型ZnO層
44 ZnO活性層
45 NドープMgZn1−xO層
46 n側電極
47 p側透明電極
48 p側ボンディング電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum vessel 2 Zn source gun 3 Mg source gun 4 O radical gun 5 N radical gun 6 Stage 7 Substrate 8 RHEED gun 9 Screen 21 Case 22 Knudsen cell 22S SUMO cell 22K K cell 23 Filament heater 24 Solid source 25 Spacer 26 MBE Device fixing flange 31 Case 32 Electrodeless discharge tube 33 RF coil 34 Connection portion 35 Gas supply tube 36 MBE device fixing flange 37 Counter electrode P1 to P8 Port or source gun / radical gun 41 installed at the port ZnO substrate 42 ZnO buffer layer 43 n-type ZnO layer 44 ZnO active layer 45 N-doped Mg x Zn 1-x O layer 46 n-side electrode 47 p-side transparent electrode 48 p-side bonding electrode

Claims (4)

Znソースガン、Oラジカルガン、Nラジカルガンを備え、さらに、必要に応じてMgソースガンを備え、前記Nラジカルガンは、窒素を含むガスが導入された無電極放電管にラジオ周波を印加してNラジカルを含むプラズマを発生させ、前記無電極放電管の材料としてpBNまたは石英が用いられた結晶製造装置を用い、単結晶基板の表面上方に、Znビーム、Oラジカルビーム、Nラジカルビーム、及び、必要に応じてMgビームを同時照射して、NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を成長させるZnO系半導体膜製造方法であって、
前記基板の法線方向から見て、前記NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜の成長表面側上方に、前記Znソースガン、前記Oラジカルガン、前記Nラジカルガン、及び、前記Mgソースガンが円周方向に並んで配置されており、前記Nラジカルガンのビーム照射方向の方位角と、前記Znソースガンのビーム照射方向の方位角とのなす角θを、90°≦θ≦270°の範囲内にするとともに、前記Nラジカルガンの前記無電極放電管に印加されるラジオ周波のパワーを、前記無電極放電管からスパッタリングされたBまたはSiが、前記NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜に取り込まれない程度に低いパワーに抑えるZnO系半導体膜製造方法。
A Zn source gun, an O radical gun, and an N radical gun are provided, and an Mg source gun is provided as necessary. The N radical gun applies a radio frequency to an electrodeless discharge tube into which a gas containing nitrogen is introduced. A plasma containing N radicals is generated, and a crystal manufacturing apparatus using pBN or quartz as a material for the electrodeless discharge tube is used. Above the surface of the single crystal substrate, a Zn beam, an O radical beam, an N radical beam, And a ZnO-based semiconductor film manufacturing method of growing an N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film by simultaneously irradiating with a Mg beam as necessary,
When viewed from the normal direction of the substrate, the Zn source gun, the O radical gun, the upper side of the growth surface side of the N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film, An N radical gun and the Mg source gun are arranged side by side in the circumferential direction, and an angle formed by an azimuth angle in the beam irradiation direction of the N radical gun and an azimuth angle in the beam irradiation direction of the Zn source gun θ c is set in the range of 90 ° ≦ θ c ≦ 270 °, and the radio frequency power applied to the electrodeless discharge tube of the N radical gun is set to B or B sputtered from the electrodeless discharge tube. A method for producing a ZnO-based semiconductor film, wherein Si is suppressed to a low power so that Si is not taken into the N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film.
フラックス比がストイキオメトリ条件またはOリッチ条件となるように、前記Znビーム、前記Oラジカルビーム、及び、必要に応じて前記Mgビームを照射する請求項1に記載のZnO系半導体膜製造方法。   2. The method for producing a ZnO-based semiconductor film according to claim 1, wherein the Zn beam, the O radical beam, and, if necessary, the Mg beam are irradiated so that a flux ratio becomes a stoichiometric condition or an O-rich condition. 前記NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜中のN濃度が1×1020cm−3以上となるように、前記Nラジカルビームが照射される請求項1または2に記載のZnO系半導体膜製造方法。 The N radical beam is irradiated so that an N concentration in the N - doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film is 1 × 10 20 cm −3 or more. 3. The method for producing a ZnO-based semiconductor film according to 1 or 2. 単結晶基板の表面上方に、n型ZnO系半導体層を形成する工程と、
前記n型ZnO系半導体層の表面上方に、p型ZnO系半導体層を形成する工程と
を有し、
前記p型ZnO系半導体層を形成する工程は、
Znソースガン、Oラジカルガン、Nラジカルガンを備え、さらに、必要に応じてMgソースガンを備え、前記Nラジカルガンは、窒素を含むガスが導入された無電極放電管にラジオ周波を印加してNラジカルを含むプラズマを発生させ、前記無電極放電管の材料としてpBNまたは石英が用いられた結晶製造装置を用い、前記n型ZnO系半導体層の表面上方に、Znビーム、Oラジカルビーム、Nラジカルビーム、及び、必要に応じてMgビームを同時照射して、NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を成長させ、
前記基板の法線方向から見て、前記NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜の成長表面側上方に、前記Znソースガン、前記Oラジカルガン、前記Nラジカルガン、及び、前記Mgソースガンが円周方向に並んで配置されており、前記Nラジカルガンのビーム照射方向の方位角と、前記Znソースガンのビーム照射方向の方位角とのなす角θを、90°≦θ≦270°の範囲内にするとともに、前記Nラジカルガンの前記無電極放電管に印加されるラジオ周波のパワーを、前記無電極放電管からスパッタリングされたBまたはSiが、前記NドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜に取り込まれない程度に低いパワーに抑える、ZnO系半導体発光素子製造方法。
Forming an n-type ZnO-based semiconductor layer above the surface of the single crystal substrate;
Forming a p-type ZnO-based semiconductor layer above the surface of the n-type ZnO-based semiconductor layer,
The step of forming the p-type ZnO-based semiconductor layer includes:
A Zn source gun, an O radical gun, and an N radical gun are provided, and an Mg source gun is provided as necessary. The N radical gun applies a radio frequency to an electrodeless discharge tube into which a gas containing nitrogen is introduced. Using a crystal manufacturing apparatus in which pBN or quartz is used as a material for the electrodeless discharge tube, a Zn beam, an O radical beam, By simultaneously irradiating an N radical beam and, if necessary, an Mg beam, an N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film is grown,
When viewed from the normal direction of the substrate, the Zn source gun, the O radical gun, the upper side of the growth surface side of the N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film, An N radical gun and the Mg source gun are arranged side by side in the circumferential direction, and an angle formed by an azimuth angle in the beam irradiation direction of the N radical gun and an azimuth angle in the beam irradiation direction of the Zn source gun θ c is set in the range of 90 ° ≦ θ c ≦ 270 °, and the radio frequency power applied to the electrodeless discharge tube of the N radical gun is set to B or B sputtered from the electrodeless discharge tube. A method for producing a ZnO-based semiconductor light-emitting device, wherein Si is suppressed to a low power so that Si is not taken into the N-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film.
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