JP6092586B2 - ZnO-based semiconductor layer and manufacturing method thereof, and manufacturing method of ZnO-based semiconductor light-emitting element - Google Patents

ZnO-based semiconductor layer and manufacturing method thereof, and manufacturing method of ZnO-based semiconductor light-emitting element Download PDF

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Description

本発明は、ZnO系半導体層とその製造方法、及びZnO系半導体発光素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a ZnO-based semiconductor layer and a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing a ZnO-based semiconductor light-emitting element.

酸化亜鉛(ZnO)は、室温で3.37eVのバンドギャップエネルギーを持つ直接遷移型の半導体で、励起子の束縛エネルギーが60meVと他の半導体に比べて比較的大きい。また、原材料が安価で有るとともに、環境や人体への影響が少ないという特徴を有する。このため、ZnOを用いた高効率・低消費電力で環境性に優れた発光素子の実現が期待されている。   Zinc oxide (ZnO) is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of 3.37 eV at room temperature, and the exciton binding energy is 60 meV, which is relatively large compared to other semiconductors. In addition, the raw material is inexpensive and has little influence on the environment and the human body. For this reason, realization of a light-emitting element excellent in environmental performance with high efficiency and low power consumption using ZnO is expected.

ZnO系酸化物半導体は、強いイオン性に起因する自己補償効果のために、p型の導電型制御が困難である。 そこで、現在、実用的な性能を有するp型のZnO系酸化物半導体を得るため、分子線エピタキシー(MBE)、レーザー分子線エピタキシー、有機金属化学気相堆積(MOCVD)、リモートプラズマMOCVD、スパッタリングなど、様々な手法により、ZnO系半導体発光素子の開発が進められている。   A ZnO-based oxide semiconductor is difficult to control the p-type conductivity because of a self-compensation effect due to strong ionicity. Therefore, in order to obtain a p-type ZnO-based oxide semiconductor having practical performance, molecular beam epitaxy (MBE), laser molecular beam epitaxy, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), remote plasma MOCVD, sputtering, etc. Development of ZnO-based semiconductor light-emitting elements has been promoted by various methods.

現在までに、アクセプタ不純物として、N、P、As、SbなどのVA族元素、Li、Na、KなどのIA族元素や、Cu、Ag、AuなどのIB族元素が研究されているが、まだキャリア濃度が低く、再現性や安定性なども含め、十分な品質が得られていないのが現状である(ドーパントとしてCuを用いる技術については、例えば、特許文献1〜3及び非特文献1参照)。   To date, as acceptor impurities, VA group elements such as N, P, As, and Sb, IA group elements such as Li, Na, and K, and IB group elements such as Cu, Ag, and Au have been studied. The current situation is that the carrier concentration is still low and sufficient quality including reproducibility and stability has not been obtained (see, for example, Patent Documents 1 to 3 and Non-patent Document 1 for techniques using Cu as a dopant). ).

特開2004−221132号公報JP 2004-221132 A 特開2009−256142号公報JP 2009-256142 A 特開2009−21540号公報JP 2009-21540 A SEMICONDUCTOR SCIENCE AND TECHNOLOGY,23,(2008),095004.SEMICONDUCTOR SCIENCE AND TECHNOLOGY, 23, (2008), 095004.

本発明の一目的は、ZnO系半導体にCuをドープする新規な技術を提供することである。   An object of the present invention is to provide a novel technique of doping a ZnO-based semiconductor with Cu.

本発明の他の目的は、ZnO系半導体にIB族元素をドープする新規な技術を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a novel technique for doping a ZnO-based semiconductor with a group IB element.

本発明の一観点によれば、(a)ストイキオメトリ条件あるいはII族リッチ条件であ り、かつ、VI/IIフラックス比が0.5以上の条件、更に250℃以上350℃以下 の温度で、下地層上方に、Znの供給期間及びMgの供給期間の少なくとも一方が、Oの 供給期間の前後に延長されてOの供給期間を含むように、Zn、O、及び必要に応じてMgを供給して、厚さ10nm以下のMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を形成する工程と、(b)前記MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜上にCuのみ、Cuの1原子層以下の厚みとなる量で供給する工程とを有し、前記工程(a)と前記工程(b)とを、交互に繰り返して、CuがドープされたMgZn1−xO(0≦x≦0.6)層を形成するZnO系半導体層の製造方法が提供される。
According to one aspect of the present invention, (a) Ri stoichiometric conditions or Group II rich conditions der, and, VI / II flux ratio is 0.5 or more conditions, a further 250 ° C. or higher 350 ° C. temperature below Zn, O, and, if necessary, Mg are added above the underlayer so that at least one of the Zn supply period and the Mg supply period is extended before and after the O supply period to include the O supply period. Supplying a step of forming a Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film having a thickness of 10 nm or less ; and (b) the Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦). 0.6) supplying only Cu on the single crystal film in an amount that provides a thickness of one atomic layer or less of Cu , and repeating the steps (a) and (b) alternately Te, to form a Mg x Zn 1-x O ( 0 ≦ x ≦ 0.6) layer Cu doped Method for producing a ZnO-based semiconductor layer is provided.

MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を形成する工程と、Cuを供給する工程とを交互に繰り返してCuドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)層を形成することにより、CuドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)層の平坦性等を高めることができる。 The step of forming a Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film and the step of supplying Cu are alternately repeated to obtain Cu-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ By forming the 0.6) layer, the flatness of the Cu-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) layer can be enhanced.

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実験のCuドープZnO層成長におけるZnセル、Oセル、及びCuセルのシャッターシーケンスである。FIG. 2 is a shutter sequence of Zn cells, O cells, and Cu cells in the growth of the Cu-doped ZnO layer in the first experiment. 図3A及び図3Bは、それぞれ、第1実験による第1試料のRHEED像及びAFM像である。3A and 3B are an RHEED image and an AFM image of the first sample according to the first experiment, respectively. 図4は、第1実験による第1試料のSIMSデプスプロファイルである。FIG. 4 is a SIMS depth profile of the first sample according to the first experiment. 図5A及び図5Bは、それぞれ、第1実験による第2試料のRHEED像及びAFM像である。5A and 5B are an RHEED image and an AFM image of the second sample according to the first experiment, respectively. 図6は、第2実験のCuドープZnO層成長におけるZnセル、Oセル、及びCuセルのシャッターシーケンスである。FIG. 6 is a shutter sequence of the Zn cell, O cell, and Cu cell in the Cu-doped ZnO layer growth in the second experiment. 図7Aは、第2実験による試料のSIMSデプスプロファイルであり、図7Bは、第2実験による試料のCu濃度とCuセル温度との関係を示すグラフである。FIG. 7A is a SIMS depth profile of a sample according to the second experiment, and FIG. 7B is a graph showing a relationship between the Cu concentration of the sample according to the second experiment and the Cu cell temperature. 図8は、第3実験による試料のRHEED像である。FIG. 8 is an RHEED image of the sample according to the third experiment. 図9は、第4実験による試料のRHEED像及びAFM像である。FIG. 9 shows an RHEED image and an AFM image of the sample according to the fourth experiment. 図10は、第4実験による試料の表面粗さの成長温度依存性を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the growth temperature dependence of the surface roughness of the sample according to the fourth experiment. 図11は、第4実験による試料のSIMSデプスプロファイルである。FIG. 11 is a SIMS depth profile of the sample according to the fourth experiment. 図12は、第1実施例によるZnO系半導体発光素子の概略断面図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the first embodiment. 図13A及び図13Bは、それぞれ、比較例及び第1実施例によるZnO系半導体発光素子のRHEED像である。13A and 13B are RHEED images of ZnO-based semiconductor light emitting devices according to the comparative example and the first example, respectively. 図14A及び図14Bは、それぞれ、比較例及び第1実施例によるZnO系半導体発光素子のI−V特性である。14A and 14B are IV characteristics of ZnO-based semiconductor light emitting devices according to the comparative example and the first example, respectively. 図15は、第1実施例によるZnO系半導体発光素子のELスペクトルである。FIG. 15 is an EL spectrum of the ZnO based semiconductor light emitting device according to the first example. 図16Aは、第2実施例によるZnO系半導体発光素子の概略断面図であり、図16Bは、変形例の活性層構造を示す概略断面図である。FIG. 16A is a schematic cross-sectional view of a ZnO-based semiconductor light emitting device according to a second embodiment, and FIG. 16B is a schematic cross-sectional view showing a modified active layer structure. 図17は、第2実施例のCuドープMgZnO層成長におけるZnセル、Mgセル、Oセル、及びCuセルのシャッターシーケンスである。FIG. 17 is a shutter sequence of the Zn cell, Mg cell, O cell, and Cu cell in the Cu-doped MgZnO layer growth of the second embodiment. 図18は、第3実施例によるZnO系半導体発光素子の概略断面図である。FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the third embodiment. 図19Aは、XPS分析に用いたサンプルを示す概略的な断面図であり、図19Bは、CuドープZnO層34の[11−20]方向から見たRHEED像である。FIG. 19A is a schematic cross-sectional view showing a sample used for XPS analysis, and FIG. 19B is a RHEED image of the Cu-doped ZnO layer 34 viewed from the [11-20] direction. 図20A及び図20Bは、それぞれ第1実験の第1試料のCuドープZnO層、及び、交互成長サンプルのCuドープZnO層34のCu2p3/2軌道のXPS分析結果を示すグラフである。20A and 20B are graphs showing the XPS analysis results of the Cu2p3 / 2 orbit of the Cu-doped ZnO layer of the first sample of the first experiment and the Cu-doped ZnO layer 34 of the alternately grown sample, respectively. 図21Aは、表面スパッタクリーニングの前後におけるCuドープZnO層34のCu2p3/2軌道のXPSスペクトルを示すグラフであり、図21Bは、表面スパッタクリーニング後のCuドープZnO層34のCu2p3/2軌道のXPSスペクトルの波形解析結果を示すグラフである。21A is a graph showing the XPS spectrum of the Cu2p3 / 2 orbit of the Cu-doped ZnO layer 34 before and after the surface sputter cleaning, and FIG. 21B is the XPS of the Cu2p3 / 2 orbit of the Cu-doped ZnO layer 34 after the surface sputter cleaning. It is a graph which shows the waveform analysis result of a spectrum.

まず、ZnO系半導体層等の成長に用いられる結晶製造装置について説明する。結晶製造方法として、以下に説明する実験、実施例、及び比較例では、分子線エピタキシー(MBE)を用いる。ここで、ZnO系半導体は、少なくともZnとOとを含む。   First, a crystal manufacturing apparatus used for growing a ZnO-based semiconductor layer or the like will be described. As a crystal manufacturing method, molecular beam epitaxy (MBE) is used in the experiments, examples, and comparative examples described below. Here, the ZnO-based semiconductor includes at least Zn and O.

図1は、MBE装置の例を示す概略断面図である。真空チャンバー101内に、Znソースガン102、Oソースガン103、Mgソースガン104、Cuソースガン105、及びGaソースガン106が備えられている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an MBE apparatus. In the vacuum chamber 101, a Zn source gun 102, an O source gun 103, an Mg source gun 104, a Cu source gun 105, and a Ga source gun 106 are provided.

Znソースガン102、Mgソースガン104、Cuソースガン105、及びGaソースガン106は、それぞれ、Zn(7N)、Mg(6N)、Cu(9N)、及びGa(7N)の固体ソースを収容するクヌーセンセルを含み、それぞれセルを加熱することにより、Znビーム、Mgビーム、Cuビーム、及びGaビームを出射する。   The Zn source gun 102, Mg source gun 104, Cu source gun 105, and Ga source gun 106 contain solid sources of Zn (7N), Mg (6N), Cu (9N), and Ga (7N), respectively. A Zn beam, a Mg beam, a Cu beam, and a Ga beam are emitted by heating each cell including a Knudsen cell.

Oソースガン103は、ラジオ周波数(例えば13.56MHz)を用いる無電極放電管を含む。Oソースガン103は、無電極放電管内でOガス(6N)をプラズマ化して、Oラジカルビームを出射する。放電管材料としては、アルミナもしくは高純度石英を使用することができる。 The O source gun 103 includes an electrodeless discharge tube using a radio frequency (for example, 13.56 MHz). The O source gun 103 converts O 2 gas (6N) into plasma in an electrodeless discharge tube and emits an O radical beam. As the discharge tube material, alumina or high-purity quartz can be used.

真空チャンバー101内に、基板ヒーターを含むステージ107が配置され、ステージ107が、基板108を保持する。各ソースガン102〜106は、それぞれセルシャッターを備え、セルシャッターの開閉により、基板108上に各ビームが照射される状態と照射されない状態とが切り替えられる。基板108上に、所望のタイミングで所望のビームを供給することにより、所望の組成のZnO系化合物半導体層を成長させることができる。   A stage 107 including a substrate heater is disposed in the vacuum chamber 101, and the stage 107 holds the substrate 108. Each of the source guns 102 to 106 includes a cell shutter, and a state where each beam is irradiated on the substrate 108 and a state where it is not irradiated are switched by opening and closing the cell shutter. A ZnO-based compound semiconductor layer having a desired composition can be grown on the substrate 108 by supplying a desired beam at a desired timing.

ZnOにMgを添加することにより、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(六方晶)で、MgOは岩塩構造(立方晶)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。ここで、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, the band gap can be widened. However, since ZnO has a wurtzite structure (hexagonal crystal) and MgO has a rock salt structure (cubic crystal), phase separation occurs when the Mg composition is too high. 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. Here, 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型導電性は、不純物をドープしなくても得ることができる。n型導電性を高めるために、例えばGa等をドープすることができる。   The n-type conductivity of the ZnO-based semiconductor can be obtained without doping impurities. In order to increase the n-type conductivity, for example, Ga or the like can be doped.

ZnO系半導体のp型導電性は、p型不純物のドープにより得ることができる。以下の考察では、p型不純物としてIB族元素、例えばCuを用いる技術について検討する。   The p-type conductivity of the ZnO-based semiconductor can be obtained by doping with a p-type impurity. In the following discussion, a technique using a group IB element such as Cu as the p-type impurity will be examined.

真空チャンバー101内に、水晶振動子を用いた膜厚計109が備えられている。膜厚計109で測定される付着速度から、固体ソースからのZnビーム等のフラックス強度(例えばFZnと表す)が求められる。 A film thickness meter 109 using a crystal resonator is provided in the vacuum chamber 101. From deposition rate measured by a film thickness meter 109, flux strength, such as Zn beam from a solid source (e.g. expressed as F Zn) is obtained.

真空チャンバー101に、反射高速電子回折(RHEED)用のガン110、及び、RHEED像を映すスクリーン111が取り付けられている。RHEED像から、基板108上に形成された結晶層の表面平坦性や成長モードを評価できる。   A gun 110 for reflection high-energy electron diffraction (RHEED) and a screen 111 for projecting a RHEED image are attached to the vacuum chamber 101. From the RHEED image, the surface flatness and growth mode of the crystal layer formed on the substrate 108 can be evaluated.

結晶が2次元成長し表面が平坦なエピタキシャル成長(単結晶成長)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エピタキシャル成長(単結晶成長)の場合は、RHEED像はスポットパターンを示す。多結晶成長の場合は、RHEED像がリングパターンとなる。   When the crystal grows two-dimensionally and the surface is epitaxially grown (single crystal growth), the RHEED image shows a streak pattern. When the crystal grows three-dimensionally and the surface is not flat (single crystal growth), RHEED The image shows a spot pattern. In the case of polycrystalline growth, the RHEED image becomes a ring pattern.

次に、MgZn1−xO(0≦x≦0.6)結晶成長におけるVI/IIフラックス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。金属材料であるZnあるいはMgのビームは、原子、または複数個の原子を含むクラスターのZnあるいはMgを含み、原子及びクラスターのいずれも結晶成長に有効である。ガス材料であるOのビームは、原子ラジカルや中性分子を含むが、ここでは、結晶成長に有効な原子ラジカルのフラックス強度を考える。 Next, the VI / II flux ratio in Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) crystal growth 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. A beam of Zn or Mg, which is a metal material, contains atoms or clusters of Zn or Mg containing a plurality of atoms, and both atoms and clusters are effective for crystal growth. The O beam, which is a gas material, contains atomic radicals and neutral molecules. Here, the flux intensity of atomic radicals effective for crystal growth is considered.

結晶へのZnの付着しやすさを示す付着係数をkZnとし、Mgの付着しやすさを示す付着係数をkMgとし、Oの付着しやすさを示す付着係数をkとする。Znの付着係数kZnとフラックス強度JZnとの積kZnZn、Mgの付着係数kMgとフラックス強度JMgとの積kMgMg、及び、Oの付着係数kとフラックス強度Jとの積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、Mg原子、及びO原子の個数に対応する。 The adhesion coefficient indicating the ease of adhesion of Zn to the crystal is denoted by k Zn , the adhesion coefficient indicating the ease of adhesion of Mg is denoted by k Mg, and the adhesion coefficient indicating the ease of adhesion of O is denoted by k 2 O. 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 J product k O J O of 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.

ZnZnとkMgMgの和に対するkの比であるk/(kZnZn+kMgMg)を、VI/IIフラックス比と定義する。VI/IIフラックス比が1より小さい場合をII族リッチ条件(Mgを含まない場合は単にZnリッチ条件)と呼び、VI/IIフラックス比が1に等しい場合をストイキオメトリ条件と呼び、VI/II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)と呼ぶ。 k Zn J Zn and k Mg to the sum of J Mg is the ratio of k O J O k O J O / a (k Zn J Zn + k Mg J Mg), defined as VI / II flux ratio. A case where the VI / II flux ratio is smaller than 1 is referred to as a group II rich condition (or a Zn rich condition when Mg is not included), and a case where the VI / II flux ratio is equal to 1 is referred to as a stoichiometric condition. A case where the II flux ratio is larger than 1 is called a VI group rich condition (or an O rich condition).

なお、+c面(Zn面)での結晶成長においては、基板表面温度850℃以下であれば、付着係数kZn、kMg、及びkを1と見なすことができ、VI/IIフラックス比をJ/(JZn+JMg)と表せる。 In the crystal growth on the + c plane (Zn plane), if the substrate surface temperature is 850 ° C. or lower, the adhesion coefficients k Zn , k Mg , and k 2 O can be regarded as 1, and the VI / II flux ratio is It can be expressed as J O / (J Zn + J Mg ).

VI/IIフラックス比は、具体的には例えば以下のような手順で算出することができる。ZnOの成長を例として説明する。Znフラックスは、水晶振動子を用いた膜厚モニタによる、室温でのZnの蒸着速度FZn(nm/s)として測定される。Znフラックスの単位は、FZn(nm/s)からJZn(atoms/cms)に換算される。 Specifically, the VI / II flux ratio can be calculated by the following procedure, for example. The growth of ZnO will be described as an example. The Zn flux is measured as a Zn deposition rate F Zn (nm / s) at room temperature by a film thickness monitor using a crystal resonator. The unit of Zn flux is converted from F Zn (nm / s) to J Zn (atoms / cm 2 s).

一方、Oラジカルフラックスは、以下のように求められる。Oラジカルビーム照射条件一定(例えば、O流量2sccm/RFパワー300W)の下で、Znフラックスを変化させてZnOを成長し、ZnOの成長速度のZnフラックス依存性を実験的に求める。その結果を、ZnO成長速度GZnOの近似式:GZnO=[(kZnZn−1+(k−1−1を用いてフィッティングすることにより、その条件でのOラジカルフラックスJが算出される。このようにして得られたZnフラックスJZn及びOラジカルフラックスJから、VI/IIフラックス比を算出することができる。 On the other hand, O radical flux is calculated | required as follows. ZnO is grown by changing the Zn flux under constant O radical beam irradiation conditions (for example, O 2 flow rate 2 sccm / RF power 300 W), and the Zn flux dependence of the ZnO growth rate is experimentally determined. By fitting the result using an approximate expression of ZnO growth rate G ZnO : G ZnO = [(k Zn J Zn ) -1 + (k O J O ) -1 ] -1 , radical flux J O is calculated. Thus from Zn flux J Zn and O radical flux J O obtained, it is possible to calculate the VI / II flux ratio.

次に、第1実験について説明する。まず、試料の作製方法について説明する。Zn面ZnO(0001)基板に900℃で30分サーマルクリーニングを施した後、基板温度を300℃まで下げた。その後、成長温度300℃で、ZnフラックスFZnを0.12nm/s(JZn=7.9×1014atoms/cms)とし、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)として、厚さ30nmのZnOバッファー層を成長させた。そして、バッファー層の結晶性及び表面平坦性の改善のため、900℃で10分アニールを行った。 Next, the first experiment will be described. First, a method for manufacturing a sample is described. The Zn surface ZnO (0001) substrate was subjected to thermal cleaning at 900 ° C. for 30 minutes, and then the substrate temperature was lowered to 300 ° C. Thereafter, at a growth temperature of 300 ° C., the Zn flux F Zn is set to 0.12 nm / s (J Zn = 7.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), the O radical beam irradiation conditions are set to RF power 300 W, O 2 flow rate 2 A ZnO buffer layer having a thickness of 30 nm was grown at 0.0 sccm (J 2 O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s). Then, annealing was performed at 900 ° C. for 10 minutes in order to improve the crystallinity and surface flatness of the buffer layer.

ZnOバッファー層上に、成長温度900℃で、ZnフラックスFZnを0.12nm/s(JZn=7.9×1014atoms/cms)とし、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)として、厚さ100nmのアンドープZnO層を成長させた。 On the ZnO buffer layer, the growth temperature is 900 ° C., the Zn flux F Zn is 0.12 nm / s (J Zn = 7.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), and the O radical beam irradiation condition is RF power 300 W, An undoped ZnO layer having a thickness of 100 nm was grown at an O 2 flow rate of 2.0 sccm (J O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s).

アンドープZnO層上に、Zn、O、及びCuを供給して、厚さ400nmのCuドープZnO層を成長させた。CuドープZnO層の成長温度を700℃とした第1試料と、成長温度を300℃とした第2試料とを作製した。   Zn, O, and Cu were supplied on the undoped ZnO layer to grow a 400 nm thick Cu-doped ZnO layer. A first sample in which the growth temperature of the Cu-doped ZnO layer was 700 ° C. and a second sample in which the growth temperature was 300 ° C. were produced.

図2は、第1実験のCuドープZnO層成長におけるZnセル、Oセル、及びCuセルのシャッターシーケンスである。第1実験では、Znセル、Oセル、及びCuセルのシャッターの開閉タイミングが同時である。つまり、Zn、O、及びCuを同時に供給して、CuドープZnO層を成長させる。   FIG. 2 is a shutter sequence of Zn cells, O cells, and Cu cells in the growth of the Cu-doped ZnO layer in the first experiment. In the first experiment, the shutter timings of the Zn cell, O cell, and Cu cell are simultaneously opened. That is, Zn, O, and Cu are supplied simultaneously to grow a Cu-doped ZnO layer.

CuドープZnO層成長時のZn、O、及びCuの照射条件は、第1試料及び第2試料で共通であり、以下のようなものである。ZnフラックスFZnは0.12nm/s(JZn=7.9×1014atoms/cms)とし、Oラジカルビーム照射条件はRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)とし、Cuセル温度TCuは950℃(FCu=0.0025nm/s)とした。 Irradiation conditions of Zn, O, and Cu during the growth of the Cu-doped ZnO layer are common to the first sample and the second sample, and are as follows. Zn flux F Zn is set to 0.12 nm / s (J Zn = 7.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), O radical beam irradiation conditions are RF power 300 W, O 2 flow rate 2.0 sccm (J O = 8. 1 × 10 14 atoms / cm 2 s), and the Cu cell temperature T Cu was 950 ° C. (F Cu = 0.0025 nm / s).

次に、第1試料(成長温度700℃)の分析結果について説明する。   Next, the analysis result of the first sample (growth temperature 700 ° C.) will be described.

図3Aは、第1試料のCuドープZnO層の[11−20]方向から見たRHEED像である。RHEED像は、スポット+リングパターンを示しており、3次元成長が生じており、また、単結晶膜ではなく多結晶膜が得られていることがわかる。   FIG. 3A is an RHEED image of the Cu-doped ZnO layer of the first sample viewed from the [11-20] direction. The RHEED image shows a spot + ring pattern, and three-dimensional growth occurs, and it can be seen that a polycrystalline film is obtained instead of a single crystal film.

図3Bは、第1試料のCuドープZnO層表面の原子間力顕微鏡(AFM)像(観察範囲5μm□)である。AFM像からも、膜が平坦ではなく、激しい凹凸を有していることがわかる。AFM像から得られた2乗平均平方根粗さ(RMS)は、131.2nmと非常に大きい。   FIG. 3B is an atomic force microscope (AFM) image (observation range: 5 μm □) of the surface of the Cu-doped ZnO layer of the first sample. It can be seen from the AFM image that the film is not flat and has severe irregularities. The root mean square roughness (RMS) obtained from the AFM image is as large as 131.2 nm.

図4は、第1試料の2次イオン質量分析(SIMS)のデプスプロファイルである。成長させたCuドープZnO層の膜厚は400nmである。しかし、Cu濃度は、深さ200nm程度までは1021cm−3程度でだいたいは均一であるものの、深さ200nm程度から深さ400nm程度にかけて、1021cm−3程度から1018cm−3程度まで減少してしまっている。このように、Cuが深さ方向に均一にドープされていないことがわかる。 FIG. 4 is a depth profile of secondary ion mass spectrometry (SIMS) of the first sample. The thickness of the grown Cu-doped ZnO layer is 400 nm. However, the Cu concentration is about 10 21 cm −3 up to a depth of about 200 nm and is almost uniform, but about 10 21 cm −3 to about 10 18 cm −3 from a depth of about 200 nm to a depth of about 400 nm. It has decreased to. Thus, it can be seen that Cu is not uniformly doped in the depth direction.

次に、第2試料(成長温度300℃)の分析結果について説明する。   Next, the analysis result of the second sample (growth temperature 300 ° C.) will be described.

図5Aは、第2試料のCuドープZnO層の[11−20]方向から見たRHEED像である。成長温度300℃の第2試料も、成長温度700℃の第1試料と同様に、RHEED像がスポット+リングパターンを示し、3次元成長が生じ、単結晶膜が得られず多結晶膜となっていることがわかる。   FIG. 5A is a RHEED image of the Cu-doped ZnO layer of the second sample viewed from the [11-20] direction. Similarly to the first sample at a growth temperature of 700 ° C., the second sample having a growth temperature of 300 ° C. shows a spot + ring pattern in the RHEED image, resulting in three-dimensional growth, and a single crystal film cannot be obtained and becomes a polycrystalline film. You can see that

図5Bは、第2試料のCuドープZnO層表面のAFM像(観察範囲5μm□)である。第2試料のRMSも、第1試料に比べれば小さいが、39.9nmと大きく、第2試料も凹凸の大きな膜となっている。   FIG. 5B is an AFM image (observation range: 5 μm □) of the surface of the Cu-doped ZnO layer of the second sample. The RMS of the second sample is also small compared to the first sample, but is as large as 39.9 nm, and the second sample is also a film with large irregularities.

以上説明した第1実験では、Zn、O、及びCuを同時に供給したことによって、活性なOラジカルと、Cuとの反応が促進され、ZnサイトをCuが置換するよりも、CuOが別の結晶相として形成されたことで、ZnOの成長阻害が起こり、多結晶化が起こったと考えられる。   In the first experiment described above, the reaction between the active O radical and Cu is promoted by simultaneously supplying Zn, O, and Cu, and CuO is a different crystal than the Zn site is replaced by Cu. It is considered that the growth of ZnO occurred due to the formation as a phase, and polycrystallization occurred.

Cuが自然酸化される場合を考えると、以下の化学式(1)、(2)のように、まず酸化第一銅(CuO)が形成され、さらに酸化が進むと酸化第二銅(CuO)が形成される。 Considering the case where Cu is naturally oxidized, cuprous oxide (Cu 2 O) is first formed as shown in the following chemical formulas (1) and (2), and further cupric oxide (CuO) as oxidation proceeds. ) Is formed.

一方、以下の化学式(3)のように、1050℃以上において、酸化第二銅(CuO)は熱分解し、酸化第一銅(CuO)へと変化する。 On the other hand, as shown in the following chemical formula (3), at 1050 ° C. or higher, cupric oxide (CuO) is thermally decomposed and changed to cuprous oxide (Cu 2 O).

Zn、Oラジカル、及びCuを同時に照射して、CuドープZnO層を成長させる場合を考えると、Cuが活性なOラジカルと容易に反応することに起因して、CuO(II)が形成されやすくなる、すなわち、2価のCu2+の形成が支配的になると考えられる。また、成長温度も分解温度以下であるため、2価のCu2+は1価のCuになり難く、ZnO中でアクセプタとして働かないCuが支配的になると考えられる。 Considering the case where a Cu-doped ZnO layer is grown by simultaneously irradiating Zn, O radicals and Cu, CuO (II) is likely to be formed due to the fact that Cu easily reacts with active O radicals. That is, it is considered that the formation of divalent Cu 2+ becomes dominant. In addition, since the growth temperature is lower than the decomposition temperature, divalent Cu 2+ is unlikely to become monovalent Cu + , and it is considered that Cu that does not act as an acceptor in ZnO becomes dominant.

第1実験の結果に対する考察より、2価のCu2+よりも1価のCuが生じやすく、CuがZnサイトを置換しやすいようなCuドープZnO層の形成方法があれば、2次元成長やp型導電性が得られやすいと考えられる。 From consideration of the results of the first experiment, if there is a method for forming a Cu-doped ZnO layer in which monovalent Cu + is more likely to be produced than divalent Cu 2+ and Cu is easy to replace the Zn site, two-dimensional growth or It is considered that p-type conductivity is easily obtained.

次に、第2実験について説明する。まず、試料の作製方法について説明する。まず、第1実験と同様な条件で、Zn面ZnO(0001)基板上へのZnOバッファー層の形成、バッファー層のアニール、及び、バッファー層上へのアンドープZnO層の形成までを行った。その後、アンドープZnO層上に、Zn及びOと、Cuとを別々のタイミングで供給して、CuドープZnO層を成長させた。CuドープZnO層の成長温度は300℃とした。   Next, the second experiment will be described. First, a method for manufacturing a sample is described. First, under the same conditions as in the first experiment, formation of a ZnO buffer layer on a Zn-faced ZnO (0001) substrate, annealing of the buffer layer, and formation of an undoped ZnO layer on the buffer layer were performed. Thereafter, Zn and O and Cu were supplied at different timings on the undoped ZnO layer to grow a Cu-doped ZnO layer. The growth temperature of the Cu-doped ZnO layer was 300 ° C.

図6は、第2実験のCuドープZnO層成長におけるZnセル、Oセル、及びCuセルのシャッターシーケンスである。第2実験では、概略的に言うと、Znセルシャッター及びOセルシャッターを開き、Cuセルシャッターを閉じるZnO成長工程と、Znセルシャッター及びOセルシャッターを閉じ、Cuセルシャッターを開くCu付着工程とが交互に繰り返される。   FIG. 6 is a shutter sequence of the Zn cell, O cell, and Cu cell in the Cu-doped ZnO layer growth in the second experiment. In the second experiment, roughly speaking, a ZnO growth process in which a Zn cell shutter and an O cell shutter are opened and a Cu cell shutter is closed, and a Cu deposition process in which the Zn cell shutter and the O cell shutter are closed and a Cu cell shutter is opened. Are repeated alternately.

ZnO単結晶膜を成長させるZnO成長工程と、ZnO単結晶膜上にCuを付着させるCu付着工程とを別々に設けることにより、Oセルシャッターの開期間と、Cuセルシャッターの開期間とが重ならないようにしている。つまり、OラジカルとCuとが同時に供給されないようにしている。   By separately providing a ZnO growth process for growing a ZnO single crystal film and a Cu deposition process for depositing Cu on the ZnO single crystal film, the open period of the O cell shutter and the open period of the Cu cell shutter overlap. I try not to be. That is, the O radical and Cu are not supplied simultaneously.

ZnO成長工程は、より詳しく説明すると、Oセルシャッターの開期間の前後に、Znセルシャッターの開期間を延長するようにしている。つまり、Znセルシャッターの開期間が、Oセルシャッターの開期間を含むようにしている。このようにして、Cu付着工程の前後で、ZnO単結晶膜表面をZnで覆うようにすることにより(Oの露出を抑制するようにすることにより)、OラジカルとCuとの直接の反応を抑制している。   More specifically, the ZnO growth step extends the open period of the Zn cell shutter before and after the open period of the O cell shutter. That is, the open period of the Zn cell shutter includes the open period of the O cell shutter. In this way, by directly covering the surface of the ZnO single crystal film with Zn before and after the Cu deposition step (by suppressing the exposure of O), the direct reaction between the O radical and Cu can be achieved. Suppressed.

本実験の設定では、Oセルシャッターの1回当りの開期間を20秒とし、Oセルシャッターの開期間の前後にZnセルシャッターの開期間が1秒ずつ延びるようにし、つまりZnセルシャッターの1回当りの開期間を22秒とした。ZnセルシャッターとOセルシャッターとが共に開状態である20秒間が、1回当たりのZnO成長時間となる。Cuセルシャッターの1回当りの開期間は、10秒とした。   In the setting of this experiment, the open period of each O cell shutter is 20 seconds, and the open period of the Zn cell shutter is extended by 1 second before and after the open period of the O cell shutter. The opening period per turn was 22 seconds. 20 seconds in which both the Zn cell shutter and the O cell shutter are open is the ZnO growth time per time. The opening period per time of the Cu cell shutter was 10 seconds.

ZnO成長工程とCu付着工程とを1セットとした工程を、120セット繰返す成長を実施して、厚さ400nmのCuドープZnOエピ膜を得た。ZnO成長工程でのZnフラックスFZnは0.12nm/s(JZn=7.9×1014atoms/cms)とし、Oラジカルビーム照射条件はRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)とした。VI/IIフラックス比は1.0であり、ストイキオメトリ条件である。 A 400-nm-thick Cu-doped ZnO epitaxial film was obtained by carrying out growth by repeating 120 steps of a process in which the ZnO growth step and the Cu deposition step were one set. The Zn flux F Zn in the ZnO growth process is 0.12 nm / s (J Zn = 7.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), the O radical beam irradiation conditions are RF power 300 W, O 2 flow rate 2.0 sccm ( J O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s). The VI / II flux ratio is 1.0, which is a stoichiometric condition.

Cu付着工程でのCuセル温度TCuを、860℃〜970℃まで変化させることにより、複数の試料を作製した。 A plurality of samples were prepared by changing the Cu cell temperature T Cu in the Cu adhesion step from 860 ° C. to 970 ° C.

次に、第2実験で得られた試料の分析結果について説明する。   Next, the analysis result of the sample obtained in the second experiment will be described.

図7Aは、CuドープZnO層中のCu濃度のSIMSデプスプロファイルである。Cuセル温度TCu925℃の試料の結果を示す。成長させたCuドープZnO層の膜厚400nm程度の深さまで、ほぼ均一にCuがドープされていることがわかる。 FIG. 7A is a SIMS depth profile of Cu concentration in the Cu-doped ZnO layer. The result of a sample having a Cu cell temperature T Cu of 925 ° C. is shown. It can be seen that Cu is almost uniformly doped to a depth of about 400 nm of the grown Cu-doped ZnO layer.

図7Bは、CuドープZnO層中のCu濃度と、Cuセル温度TCuとの関係を示すグラフである。各試料のCu濃度はSIMSにより求めた。CuドープZnO層中のCu濃度は、1019cm−3のオーダーから1021cm−3のオーダーまで変化しており、Cuセル温度を高くすることにより増加させられることがわかった。なお、図7A及び図7Bに結果を示した実験では、Zn面ZnO基板を用いたが、O面ZnO基板でも同様な結果が得られた。 FIG. 7B is a graph showing the relationship between the Cu concentration in the Cu-doped ZnO layer and the Cu cell temperature TCu . The Cu concentration of each sample was determined by SIMS. The Cu concentration in the Cu-doped ZnO layer changed from the order of 10 19 cm −3 to the order of 10 21 cm −3 , and was found to be increased by increasing the Cu cell temperature. 7A and 7B, a Zn-face ZnO substrate was used, but similar results were obtained with an O-face ZnO substrate.

次に、第3実験について説明する。第2実験と同様に、ZnO成長工程とCu付着工程とを交互に繰り返してCuドープZnO層を成長させた。第3実験では、ZnO成長工程におけるVI/IIフラックス比を変化させることにより、複数の試料を作製した。   Next, the third experiment will be described. Similar to the second experiment, a Cu-doped ZnO layer was grown by alternately repeating the ZnO growth step and the Cu deposition step. In the third experiment, a plurality of samples were prepared by changing the VI / II flux ratio in the ZnO growth process.

具体的には、Oラジカルビームの照射条件を、RFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)と一定とし、ZnフラックスFZnを、0.03nm/s〜0.25nm/s(JZn=2.0×1014atoms/cms〜1.6×1015atoms/cms)の範囲で変化させることにより、VI/IIフラックス比(O/Zn比)を、4.1〜0.49の範囲で変化させた。 Specifically, the irradiation condition of the O radical beam is constant at an RF power of 300 W, an O 2 flow rate of 2.0 sccm (J O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s), and the Zn flux F Zn is set to 0 By changing in the range of 0.03 nm / s to 0.25 nm / s (J Zn = 2.0 × 10 14 atoms / cm 2 s to 1.6 × 10 15 atoms / cm 2 s), the VI / II flux The ratio (O / Zn ratio) was changed in the range of 4.1 to 0.49.

Cu付着工程でのCuセル温度TCuは、925℃(FCu=0.0015nm/s)とした。各試料において、1回当りのZnO成長膜厚が約3.3nmと等しくなるように、ZnO成長時間を43秒〜11秒の範囲で変化させた。より詳しくは、ZnフラックスFZnが0.03nm/s、0.07nm/s、0.12nm/s、0.15nm/s、0.19nm/s、及び0.25nm/sの時、それぞれ、ZnO成長時間を43秒、28秒、20秒、18秒、16秒、11秒とした。その他の条件は、第2実験と同様である。 The Cu cell temperature T Cu in the Cu adhesion process was set to 925 ° C. (F Cu = 0.0015 nm / s). In each sample, the ZnO growth time was changed in the range of 43 to 11 seconds so that the ZnO growth film thickness per time became equal to about 3.3 nm. More specifically, when the Zn flux F Zn is 0.03 nm / s, 0.07 nm / s, 0.12 nm / s, 0.15 nm / s, 0.19 nm / s, and 0.25 nm / s, respectively. The ZnO growth time was 43 seconds, 28 seconds, 20 seconds, 18 seconds, 16 seconds, and 11 seconds. Other conditions are the same as in the second experiment.

図8は、第3実験で得られた各試料のCuドープZnO層の[11−20]方向から見たRHEED像である。RHEED像は、ZnフラックスFZnが左方から右方へ大きくなるように、つまり、V/IIフラックス比が左方から右方に小さくなるように並べられている。ZnフラックスFZn=0.12nm/sのときが、ストイキオメトリ条件である。 FIG. 8 is a RHEED image of the Cu-doped ZnO layer of each sample obtained in the third experiment as seen from the [11-20] direction. The RHEED images are arranged so that the Zn flux F Zn increases from the left to the right, that is, the V / II flux ratio decreases from the left to the right. The stoichiometry condition is when Zn flux F Zn = 0.12 nm / s.

ZnフラックスがFZn=0.12nm/s〜0.19nm/s(JZn=7.9×1014〜1.3×1015atoms/cms)の、ストイキオメトリ条件からZnリッチ条件では、成長温度300℃と低いにもかかわらず、RHEED像はストリークとなり、2次元成長した表面平坦性の高い単結晶膜が形成されていることがわかる。 From Zn stoichiometry condition to Zn rich condition with Zn flux of F Zn = 0.12 nm / s to 0.19 nm / s (J Zn = 7.9 × 10 14 to 1.3 × 10 15 atoms / cm 2 s) Then, it can be seen that although the growth temperature is as low as 300 ° C., the RHEED image becomes a streak and a two-dimensionally grown single crystal film with high surface flatness is formed.

なお、ZnフラックスFZnをさらに0.25nm/s(JZn=1.6×1015atoms/cms)まで増やすと、RHEED像はリングパターンとなった。これは、過剰なZnにより、成長阻害が起こっているものと考えられる。 In addition, when Zn flux FZn was further increased to 0.25 nm / s ( JZn = 1.6 * 10 < 15 > atoms / cm < 2 > s), the RHEED image became a ring pattern. This is thought to be due to growth inhibition caused by excess Zn.

逆に、Znフラックスがストイキオメトリ条件よりも少なくなる条件、すなわちOリッチ条件になると、RHEED像はスポットパターンとなり、3次元成長となることがわかった。   Conversely, it was found that when the Zn flux becomes less than the stoichiometry condition, that is, the O-rich condition, the RHEED image becomes a spot pattern and is three-dimensionally grown.

第3実験より、平坦性が高く結晶性の良いCuドープZnO単結晶膜を得るためには、ZnO成長工程を、ストイキオメトリ条件からZnリッチ条件(VI/IIフラックス比が1以下)で実施するのが望ましいことがわかった。   From the third experiment, in order to obtain a Cu-doped ZnO single crystal film with high flatness and good crystallinity, the ZnO growth process is carried out under stoichiometric conditions to Zn-rich conditions (VI / II flux ratio is 1 or less). I found it desirable.

Oリッチ条件(VI/IIフラックス比が1より大)では、O終端面で結晶成長が進んだと考えられる。O終端ZnO上のCuの表面マイグレーションの低下、あるいは、Cu付着工程後のZnO成長工程において、Zn不足によりCuとOラジカルとが反応し、O終端されたCuOなどにより、Znの表面マイグレーションが十分でなくなるため、3次元成長になったものと考えられる。   Under the O-rich condition (VI / II flux ratio is greater than 1), it is considered that crystal growth has progressed on the O termination surface. Cu surface migration on O-terminated ZnO is reduced or Cu and O radicals react due to Zn deficiency in the ZnO growth step after the Cu deposition step, and the surface migration of Zn is sufficient due to O-terminated CuO and the like. It is thought that it became three-dimensional growth.

一方、ストイキオメトリ条件からZnリッチ条件では、Zn終端面で結晶成長が進んだと考えられる。Cu上のZnの表面マイグレーションあるいはZn終端ZnO上のCuの表面マイグレーションが促進されて、300℃程度の低温にもかかわらず、2次元成長が可能となったものと考えられる。   On the other hand, from the stoichiometry condition to the Zn-rich condition, it is considered that crystal growth has progressed on the Zn termination surface. It is considered that the surface migration of Zn on Cu or the surface migration of Cu on Zn-terminated ZnO was promoted to enable two-dimensional growth despite a low temperature of about 300 ° C.

ストイキオメトリ条件(VI/IIフラックス比が1)でも2次元成長が得られているが、Zn終端面での成長をより確実にする観点からは、Znリッチ条件(VI/IIフラックス比が1より小)での成長がより望ましいと考えられる。   Although two-dimensional growth is obtained even under stoichiometric conditions (VI / II flux ratio is 1), from the viewpoint of making growth on the Zn termination surface more reliable, Zn-rich conditions (VI / II flux ratio is 1). Smaller) is considered more desirable.

なお、上述のように、Znリッチになりすぎると多結晶が得られる傾向が見られた(ZnフラックスFZn=0.25nm/sで、V/IIフラックス比=0.49の試料は多結晶となった)。これを考慮すると、V/IIフラックス比を例えば0.5以上とすることが、さらに望ましいといえる。 Note that, as described above, there was a tendency that a polycrystal was obtained when the Zn was too rich (Zn flux F Zn = 0.25 nm / s, and a sample with a V / II flux ratio = 0.49 was polycrystalline. ) Considering this, it can be said that it is more desirable to set the V / II flux ratio to, for example, 0.5 or more.

なお、ZnO成長工程の1回当りに成長させるZnO単結晶膜厚は、10nm以下が望ましいであろう。成長温度が非常に低く、表面マイグレーションが起こりにくいため、1回当りの成長膜厚が厚くなりすぎると、3次元成長が生じて、結晶性が悪化する可能性がある。   It should be noted that the ZnO single crystal film thickness to be grown per one ZnO growth step is desirably 10 nm or less. Since the growth temperature is very low and surface migration is unlikely to occur, if the growth film thickness per time becomes too thick, three-dimensional growth may occur and the crystallinity may deteriorate.

また、Cu付着工程における1回当りのCu付着厚みは、Cuの1原子層以下が望ましいであろう。例えば、第2実験におけるCuセル温度TCuが925℃(Cu濃度1.5×1020cm−3)の試料においては、膜厚とCu濃度から算出される1回当りのCu付着厚みは、1/20原子層となっている(すなわち、ZnO表面上のCuの被覆率は5%程度)。 In addition, it is desirable that the Cu deposition thickness per time in the Cu deposition process is 1 atomic layer or less of Cu. For example, in a sample having a Cu cell temperature T Cu of 925 ° C. (Cu concentration 1.5 × 10 20 cm −3 ) in the second experiment, the Cu deposition thickness per time calculated from the film thickness and the Cu concentration is It is a 1/20 atomic layer (that is, the coverage of Cu on the ZnO surface is about 5%).

1回当りのCu付着厚みが厚すぎると、未酸化のCuによりn型化導電膜となったり、結晶性が悪化したりする可能性がある。Cu濃度としては、1×1019cm−3〜5×1020cm−3が望ましい。Cu濃度は、Cuのセル温度で制御する以外に、ZnO成長時間、Cu付着時間などにより(ZnO成長時間とCu付着時間の割合により)、制御可能である。 If the Cu adhesion thickness per one time is too thick, there is a possibility that the non-oxidized Cu becomes an n-type conductive film or the crystallinity deteriorates. The Cu concentration is preferably 1 × 10 19 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 . The Cu concentration can be controlled by ZnO growth time, Cu deposition time, etc. (by the ratio of ZnO growth time and Cu deposition time) in addition to controlling by the Cu cell temperature.

次に、第4実験について説明する。第2実験及び第3実験と同様に、ZnO成長工程とCu付着工程とを交互に繰り返してCuドープZnO層を成長させた。第4実験では、成長温度を300℃〜900℃の範囲で変化させることにより、複数の試料を作製した。Cuセル温度TCuは925℃(FCu=0.0015nm/s)とした。その他の条件は、第2実験と同様である。 Next, the fourth experiment will be described. Similar to the second and third experiments, the Cu-doped ZnO layer was grown by alternately repeating the ZnO growth step and the Cu deposition step. In the fourth experiment, a plurality of samples were produced by changing the growth temperature in the range of 300 ° C to 900 ° C. The Cu cell temperature T Cu was set to 925 ° C. (F Cu = 0.0015 nm / s). Other conditions are the same as in the second experiment.

図9は、第4実験で得られた各試料のCuドープZnO層の[11−20]方向から見たRHEED像、及び、AFM像(観察範囲5μm□)である。RHEED像及びAFM像は、成長温度Tgが左方から右方に高くなるように並べられている。   FIG. 9 is an RHEED image and an AFM image (observation range: 5 μm □) of the Cu-doped ZnO layer of each sample obtained in the fourth experiment as seen from the [11-20] direction. The RHEED image and the AFM image are arranged so that the growth temperature Tg increases from the left to the right.

成長温度250℃及び300℃では、RHEED像がストリークパターンを示し、成長温度350℃では、RHEED像がストリーク+スポットパターンを示しており、成長温度250℃〜350℃において、単結晶成長が起こっていることがわかる。   At growth temperatures of 250 ° C. and 300 ° C., the RHEED image shows a streak pattern, at a growth temperature of 350 ° C., the RHEED image shows a streak + spot pattern, and single crystal growth occurs at a growth temperature of 250 ° C. to 350 ° C. I understand that.

成長温度が400℃以上に高くなると、RHEED像がスポットパターンからリングパターンになることがわかる。例えば、1つの理由としては、成長温度が高くなるほどCuの熱酸化が促進されてCuOが形成され、すなわち、CuがZnOの格子位置(Znサイト)に置換されずにCuOなど銅酸化物が別の結晶相として形成されることにより、3次元成長が生じ、やがて単結晶膜が得られず多結晶な膜となってしまうからと考えられる。   It can be seen that when the growth temperature is higher than 400 ° C., the RHEED image changes from a spot pattern to a ring pattern. For example, one reason is that the higher the growth temperature, the more the thermal oxidation of Cu is promoted and CuO is formed. That is, Cu is not replaced by the lattice position (Zn site) of ZnO, and CuO or other copper oxides are separated. This is probably because three-dimensional growth occurs due to the formation of the crystalline phase, and a single-crystal film cannot be obtained and becomes a polycrystalline film.

さらに、700℃以上に成長温度が上がると、RHEED像がスポットパターンからストリーク+スポットパターンへと変化する。成長温度が上がってCuの付着係数が低下する、あるいはZnO中へのCuの取り込み効率が低下することにより、ZnO膜中のCu濃度が低下して、成長モードが2次元成長へと変化すると考えられる。しかし、付着したCuが成長表面に押し出されて、単斜晶系のCuOとして形成され、AFM像で突起物として観察されていると考えられる。   Furthermore, when the growth temperature rises to 700 ° C. or higher, the RHEED image changes from a spot pattern to a streak + spot pattern. It is thought that the growth mode changes to two-dimensional growth due to a decrease in Cu concentration in the ZnO film due to a decrease in Cu adhesion coefficient due to an increase in growth temperature or a decrease in Cu incorporation efficiency into ZnO. It is done. However, it is considered that the adhered Cu is pushed out to the growth surface to form monoclinic CuO, and is observed as a projection in the AFM image.

図10は、CuドープZnO層の表面粗さ(RMS)の成長温度依存性を示すグラフである。成長温度が250℃〜350℃において、RMSが1nm以下で、平坦性の高いCuドープZnO層が得られていることがわかる。   FIG. 10 is a graph showing the growth temperature dependence of the surface roughness (RMS) of the Cu-doped ZnO layer. It can be seen that a Cu-doped ZnO layer having a high flatness with an RMS of 1 nm or less at a growth temperature of 250 ° C. to 350 ° C. is obtained.

図11は、成長温度300℃、500℃、700℃、及び900℃で成長したCuドープZnO層中のCu濃度のSIMSデプスプロファイルである。   FIG. 11 shows SIMS depth profiles of Cu concentration in Cu-doped ZnO layers grown at growth temperatures of 300 ° C., 500 ° C., 700 ° C., and 900 ° C.

成長温度300℃の試料のCu濃度は、界面で急峻に立ち上がり、エピ層中においてほぼ一定で均一性が高い。成長温度が高くなるに従い、Cu濃度が界面から徐々に増加するようになり(Cu濃度の立ち上がりが緩やかになり)、エピ層中のCu濃度が不均一になっていることがわかる。   The Cu concentration of the sample with the growth temperature of 300 ° C. rises steeply at the interface, and is almost constant and highly uniform in the epilayer. It can be seen that as the growth temperature increases, the Cu concentration gradually increases from the interface (Cu concentration rises gradually), and the Cu concentration in the epi layer becomes non-uniform.

さらに、成長温度900℃では、表面Cu濃度が高くなっており、これは、表面析出物の影響と考えられる。このような成長温度依存性は、成長温度によるCuの付着係数の差や、Cuの熱酸化反応に起因しているものと考えられる。   Furthermore, at a growth temperature of 900 ° C., the surface Cu concentration is high, which is considered to be an influence of surface precipitates. Such growth temperature dependency is considered to be caused by a difference in the adhesion coefficient of Cu depending on the growth temperature or a thermal oxidation reaction of Cu.

第4実験より、成長温度としては、350℃以下が望ましいことがわかった。なお、好ましい成長温度の下限は明確ではないが、おそらく、200℃程度までは良好な成長が可能であろう。   From the fourth experiment, it was found that the growth temperature is preferably 350 ° C. or lower. Although the lower limit of the preferred growth temperature is not clear, it is likely that good growth is possible up to about 200 ° C.

以上、第2実験〜第4実験で説明したように、ZnO成長工程とCu付着工程とを交互に繰り返す成長方法により、平坦性が高く結晶性の良好なCuドープZnO層が得られることがわかった。次に、このような成長方法で得られるCuドープZnO層をp型半導体層に用いて、ZnO系半導体発光素子を形成する実施例について説明する。   As described above, as described in the second experiment to the fourth experiment, it is understood that a Cu-doped ZnO layer having high flatness and good crystallinity can be obtained by the growth method in which the ZnO growth process and the Cu adhesion process are alternately repeated. It was. Next, an example in which a ZnO-based semiconductor light-emitting element is formed using a Cu-doped ZnO layer obtained by such a growth method as a p-type semiconductor layer will be described.

まず、ホモ構造のZnO系半導体発光素子を形成する第1実施例について説明する。   First, a first embodiment for forming a homostructure ZnO-based semiconductor light emitting device will be described.

図12は、第1実施例によるZnO系半導体発光素子の概略断面図である。Zn面ZnO基板1上に、成長温度300℃で、ZnフラックスFZnを0.15nm/s(JZn=9.9×1014atoms/cms)とし、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)として、厚さ30nmのZnOバッファー層2を成長させた。そして、バッファー層の結晶性及び表面平坦性の改善のため、900℃で10分アニールを行った。 FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the first embodiment. On the Zn surface ZnO substrate 1, the growth temperature is 300 ° C., the Zn flux F Zn is 0.15 nm / s (J Zn = 9.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), and the O radical beam irradiation condition is RF power. The ZnO buffer layer 2 having a thickness of 30 nm was grown at 300 W and an O 2 flow rate of 2.0 sccm (J 2 O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s). Then, annealing was performed at 900 ° C. for 10 minutes in order to improve the crystallinity and surface flatness of the buffer layer.

ZnOバッファー層2上に、成長温度900℃で、Zn、O及びGaを同時に供給して、厚さ150nmのn型ZnO層3を成長した。ZnフラックスFZnは0.15nm/s(JZn=9.9×1014atoms/cms)とし、Oラジカルビーム照射条件はRFパワー250W、O流量1.0sccm(J=4.0×1014atoms/cms)とし、Gaのセル温度は460℃とした。n型ZnO層3のGa濃度は、1.5×1018cm−3である。 On the ZnO buffer layer 2, Zn, O and Ga were simultaneously supplied at a growth temperature of 900 ° C. to grow an n-type ZnO layer 3 having a thickness of 150 nm. Zn flux F Zn is set to 0.15 nm / s (J Zn = 9.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), O radical beam irradiation conditions are RF power 250 W, O 2 flow rate 1.0 sccm (J O = 4. 0 × 10 14 atoms / cm 2 s) and the Ga cell temperature was 460 ° C. The Ga concentration of the n-type ZnO layer 3 is 1.5 × 10 18 cm −3 .

n型ZnO層3上に、成長温度900℃で、ZnフラックスFZnを0.03nm/s(JZn=2.0×1014atoms/cms)とし、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)として、厚さ15nmのアンドープZnO活性層4を成長させた。 On the n-type ZnO layer 3, the growth temperature is 900 ° C., the Zn flux F Zn is 0.03 nm / s (J Zn = 2.0 × 10 14 atoms / cm 2 s), and the O radical beam irradiation condition is RF power. The undoped ZnO active layer 4 having a thickness of 15 nm was grown at 300 W and an O 2 flow rate of 2.0 sccm (J O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s).

その後、基板温度を300℃まで下げ、アンドープZnO活性層4上に、p型層として、CuドープZnO層5を成長させた。1回当たりのZnO成長工程におけるZnO成長時間を20秒とし、1回当たりのCu付着工程におけるCu供給期間を10秒とした。ZnO成長工程とCu付着工程とを1セットとした工程を120セット繰返して、厚さ400nmのCuドープZnO層5を成長させた。   Thereafter, the substrate temperature was lowered to 300 ° C., and a Cu-doped ZnO layer 5 was grown on the undoped ZnO active layer 4 as a p-type layer. The ZnO growth time in one ZnO growth step was 20 seconds, and the Cu supply period in one Cu deposition step was 10 seconds. The process of setting the ZnO growth process and the Cu deposition process as one set was repeated 120 times to grow a Cu-doped ZnO layer 5 having a thickness of 400 nm.

ZnO成長工程は、ZnフラックスFZnを0.15mnm/s(JZn=9.9×1014atoms/cms)とし、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccm(J=8.1×1014atoms/cms)とした。V/IIフラックス比は0.82で、Znリッチ条件である。Cu付着工程は、CuフラックスFCuを0.0015nm/sとした。 ZnO growth step, the Zn flux F Zn and 0.15mnm / s (J Zn = 9.9 × 10 14 atoms / cm 2 s), O radical beam irradiation conditions of RF power 300 W, O 2 flow rate 2.0 sccm ( J O = 8.1 × 10 14 atoms / cm 2 s). The V / II flux ratio is 0.82, which is a Zn-rich condition. In the Cu adhesion step, the Cu flux F Cu was set to 0.0015 nm / s.

その後、ZnO基板1の裏面にn側電極6nを形成し、CuドープZnO層5上にp側電極6pを形成し、p側電極6p上にボンディング電極7を形成した。n側電極6nは、厚さ10nmのTi層上に厚さ500nmのAu層を積層して形成した。p側電極6pは、大きさ300μm□で厚さ1nmのNi層上に、厚さ10nmのAu層を積層して形成し、ボンディング電極7は、大きさ100μm□で厚さ500nmのAu層で形成した。このようにして、第1実施例による発光素子を作製した。   Thereafter, the n-side electrode 6n was formed on the back surface of the ZnO substrate 1, the p-side electrode 6p was formed on the Cu-doped ZnO layer 5, and the bonding electrode 7 was formed on the p-side electrode 6p. The n-side electrode 6n was formed by laminating a 500 nm thick Au layer on a 10 nm thick Ti layer. The p-side electrode 6p is formed by laminating an Au layer having a thickness of 10 nm on a Ni layer having a size of 300 μm □ and a thickness of 1 nm, and the bonding electrode 7 is an Au layer having a size of 100 μm □ and a thickness of 500 nm. Formed. Thus, the light emitting device according to the first example was manufactured.

次に、比較例によるZnO系半導体発光素子について説明する(なお、図15を参照して後述するように、比較例の発光素子は、実際には発光しなかった)。比較例では、第1実施例におけるp型層5の替わりに、第1実験と同様に、Zn、O、及びCuを同時に供給して、CuドープZnO層5を形成した。その他の工程は、第1実施例と同様である。   Next, a ZnO-based semiconductor light emitting device according to a comparative example will be described (note that the light emitting device of the comparative example did not actually emit light as will be described later with reference to FIG. 15). In the comparative example, instead of the p-type layer 5 in the first example, Zn, O, and Cu were supplied simultaneously to form the Cu-doped ZnO layer 5 as in the first experiment. Other steps are the same as those in the first embodiment.

比較例のCuドープZnO層5は、成長温度を300℃とし、ZnフラックスFZnを0.15m/sとし、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccmとし、CuフラックスFCuを0.0015nm/sとして、厚さ400nm成長させた。 The Cu-doped ZnO layer 5 of the comparative example has a growth temperature of 300 ° C., a Zn flux F Zn of 0.15 m / s, an O radical beam irradiation condition of RF power 300 W, an O 2 flow rate of 2.0 sccm, and a Cu flux F Cu was grown to a thickness of 400 nm at 0.0015 nm / s.

次に、第1実施例及び比較例のZnO系半導体発光素子の特性について説明する。   Next, the characteristics of the ZnO-based semiconductor light emitting devices of the first example and the comparative example will be described.

図13A及び図13Bは、それぞれ、比較例及び第1実施例によるZnO系半導体発光素子のCuドープZnO層5の、[11−20]方向から見たRHEED像である。比較例のCuドープZnO層5では、RHEED像がリングパターンを示しているのに対し、第1実施例のCuドープZnO層5では、RHEED像がストリークパターンを示している。第1実施例のCuドープZnO層5は、成長温度が300℃と低いにもかかわらず、2次元成長でエピタキシャル成長していることがわかる。   13A and 13B are RHEED images of the Cu-doped ZnO layer 5 of the ZnO-based semiconductor light emitting device according to the comparative example and the first example, respectively, as viewed from the [11-20] direction. In the Cu-doped ZnO layer 5 of the comparative example, the RHEED image shows a ring pattern, whereas in the Cu-doped ZnO layer 5 of the first example, the RHEED image shows a streak pattern. It can be seen that the Cu-doped ZnO layer 5 of the first example is epitaxially grown by two-dimensional growth even though the growth temperature is as low as 300 ° C.

図14A及び図14Bは、それぞれ、比較例及び第1実施例によるZnO系半導体発光素子のI−V特性である。比較例の発光素子は、リークの多いショットキー特性となってしまっている。一方、第1実施例の発光素子は、ダイオード特性を示している。実施例では、活性なOラジカルの供給工程と、Cuの供給工程とが分離されているため、Cuの酸化が促進されずに1価のCuの形でZnサイトを置換できたことにより、p型のCuドープZnO層が形成されて、ダイオード特性が得られたと考えられる。 14A and 14B are IV characteristics of ZnO-based semiconductor light emitting devices according to the comparative example and the first example, respectively. The light emitting element of the comparative example has Schottky characteristics with a lot of leakage. On the other hand, the light emitting device of the first example exhibits diode characteristics. In the example, since the active O radical supply step and the Cu supply step are separated, the Zn site could be replaced in the form of monovalent Cu + without promoting the oxidation of Cu. It is considered that the p-type Cu-doped ZnO layer was formed and the diode characteristics were obtained.

比較例のCuドープZnO層では、Cuの酸化が促進されCuOが形成されていると推測される。2価のCu2+ではp型化が起こらないので、ショットキー特性となったと考えられる。さらに、結晶性が悪いために、リークの多い特性となったと考えられる。 In the Cu-doped ZnO layer of the comparative example, it is presumed that CuO is promoted and CuO is formed. Since divalent Cu 2+ does not cause p-type formation , Schottky characteristics are considered. Further, it is considered that the characteristics with many leaks are caused by the poor crystallinity.

図15は、第1実施例によるZnO系半導体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。ホモ構造のため自己吸収により短波長側が吸収されているものの、390nmの紫外発光が観測された。一方、比較例の発光素子では、発光が確認できなかった。   FIG. 15 is an electroluminescence (EL) spectrum of the ZnO based semiconductor light emitting device according to the first example. Although the short wavelength side was absorbed by self-absorption due to the homostructure, ultraviolet emission at 390 nm was observed. On the other hand, light emission could not be confirmed in the light emitting device of the comparative example.

なお、上述の第2実験〜第4実験、及び第1実施例では、ZnOにCuをドープしたが、MgZnOにCuをドープする場合でも、MgZnO成長工程とCu付着工程とを交互に繰り返す方法により、2次元成長し平坦性が高く、p型導電性を示すCuドープMgZnO単結晶膜を得ることができると考えられる。   In the second to fourth experiments and the first embodiment, ZnO is doped with Cu. However, even when MgZnO is doped with Cu, the MgZnO growth process and the Cu deposition process are alternately repeated. It is considered that a Cu-doped MgZnO single crystal film that is two-dimensionally grown and has high flatness and exhibits p-type conductivity can be obtained.

CuドープZnOに関して考察したVI/IIフラックス比(第3実験)や、成長温度(第4実験)や、1回あたりの成膜厚さ等の条件は、CuドープMgZnOについても同様に有効と考えられる。p型のCuドープMgZnOを用いることにより、下記の第2、第3実施例のように、ダブルヘテロ構造の発光素子を形成することができる。   Conditions such as the VI / II flux ratio (third experiment), the growth temperature (fourth experiment), and the film thickness per time considered for Cu-doped ZnO are considered to be effective for Cu-doped MgZnO as well. It is done. By using p-type Cu-doped MgZnO, a light emitting element having a double hetero structure can be formed as in the following second and third embodiments.

次に、ダブルへテロ構造のZnO系半導体発光素子を形成する第2実施例及び第3実施例について説明する。   Next, a second embodiment and a third embodiment for forming a ZnO-based semiconductor light emitting element having a double hetero structure will be described.

図16Aは、第2実施例によるZnO系半導体発光素子の概略断面図である。n型導電性を持つZn面ZnO(000)基板11上に、Zn及びOを同時に供給して、例えば厚さ30nmのZnOバッファー層12を成長させる(例えば、成長温度:300℃、ZnフラックスFZn:0.15nm/s、Oラジカルビーム照射条件:RFパワー300W/O流量2.0sccm)。そして、バッファー層の結晶性及び表面平坦性の改善のため、900℃で10分アニールを行う。 FIG. 16A is a schematic cross-sectional view of a ZnO-based semiconductor light-emitting device according to the second embodiment. On the Zn-faced ZnO (000) substrate 11 having n-type conductivity, Zn and O are simultaneously supplied to grow, for example, a ZnO buffer layer 12 having a thickness of 30 nm (for example, growth temperature: 300 ° C., Zn flux F Zn : 0.15 nm / s, O radical beam irradiation condition: RF power 300 W / O 2 flow rate 2.0 sccm). Then, annealing is performed at 900 ° C. for 10 minutes in order to improve the crystallinity and surface flatness of the buffer layer.

ZnOバッファー層12上に、Zn、O及びGaを同時に供給して、例えば厚さ150nmのGaドープn型ZnO層13を成長させる(例えば、成長温度:900℃、ZnフラックスFZn:0.15nm/s、Oラジカルビーム照射条件:RFパワー250W/O流量1.0sccm、Gaセル温度:460℃、n型ZnO層13のGa濃度:1.5×1018cm−3)。 On the ZnO buffer layer 12, Zn, O and Ga are simultaneously supplied to grow, for example, a Ga-doped n-type ZnO layer 13 having a thickness of 150 nm (for example, growth temperature: 900 ° C., Zn flux F Zn : 0.15 nm). / S, O radical beam irradiation conditions: RF power 250 W / O 2 flow rate 1.0 sccm, Ga cell temperature: 460 ° C., Ga concentration of n-type ZnO layer 13: 1.5 × 10 18 cm −3 ).

n型ZnO層13上に、Zn、Mg、及びOを同時に供給して、例えば厚さ30nmのn型MgZnO層14を成長させる(例えば、成長温度:900℃、ZnフラックスFZn:0.1nm/s、MgフラックスFMg:0.025nm/s、Oラジカルビーム照射条件:RFパワー300W/O流量2sccm、n型MgZnO層14のMg組成:0.3)。 Zn, Mg, and O are simultaneously supplied on the n-type ZnO layer 13 to grow, for example, an n-type MgZnO layer 14 having a thickness of 30 nm (for example, growth temperature: 900 ° C., Zn flux F Zn : 0.1 nm). / s, Mg flux F Mg : 0.025 nm / s, O radical beam irradiation conditions: RF power 300 W / O 2 flow rate 2 sccm, Mg composition of n-type MgZnO layer 14: 0.3).

n型MgZnO層14上に、Zn及びOを同時に供給して、例えば厚さ10nmのZnO活性層15を成長させる(例えば、成長温度:900℃、ZnフラックスFZn:0.1nm/s、Oラジカルビーム照射条件:RFパワー300W/O流量2.0sccm)
なお、図16Bに示すように、活性層15として、単層のZnO層の替わりに、MgZnO障壁層15bとZnO井戸層15wとが交互に積層された量子井戸構造を採用することもできる。
Zn and O are simultaneously supplied on the n-type MgZnO layer 14 to grow, for example, a ZnO active layer 15 having a thickness of 10 nm (for example, growth temperature: 900 ° C., Zn flux F Zn : 0.1 nm / s, O Radical beam irradiation conditions: RF power 300 W / O 2 flow rate 2.0 sccm)
As shown in FIG. 16B, the active layer 15 may employ a quantum well structure in which MgZnO barrier layers 15b and ZnO well layers 15w are alternately stacked instead of a single ZnO layer.

その後、基板温度を例えば300℃まで下げ、活性層15上に、MgZnO成長工程とCu付着工程とを交互に繰り返して、p型層として、CuドープMgZnO層16を成長させる。   Thereafter, the substrate temperature is lowered to, for example, 300 ° C., and the MgZnO growth step and the Cu deposition step are alternately repeated on the active layer 15 to grow the Cu-doped MgZnO layer 16 as a p-type layer.

例えば、1回当たりのMgZnO成長工程でのMgZnO成長時間を20秒とし(ZnフラックスFZn:0.15m/s、MgフラックスFMg:0.03nm/s、Oラジカルビーム照射条件:RFパワー300W/O流量2.0sccm)、1回当たりのCu付着工程におけるCu供給期間を10秒とする(CuフラックスFCu:0.0015nm/s)。ZnO成長工程とCu付着工程とを1セットとした工程を、例えば60セット繰返して、厚さ200nmのp型CuドープMgZnO層16(Mg組成:0.3)を成長させる。 For example, the MgZnO growth time in the MgZnO growth process per one is 20 seconds (Zn flux F Zn: 0.15m / s, Mg flux F Mg: 0.03nm / s, O radical beam irradiation conditions: RF power 300W / O 2 flow rate is 2.0 sccm), and the Cu supply period in one Cu deposition step is 10 seconds (Cu flux F Cu : 0.0015 nm / s). A process in which the ZnO growth step and the Cu deposition step are set as one set is repeated, for example, 60 sets to grow a p-type Cu-doped MgZnO layer 16 (Mg composition: 0.3) having a thickness of 200 nm.

その後、ZnO基板11の裏面にn側電極17nを形成し、CuドープMgZnO層16上にp側電極17pを形成し、p側電極17p上にボンディング電極18を形成する。例えば、n側電極17nは、厚さ10nmのTi層上に厚さ500nmのAu層を積層して形成し、p側電極17pは、大きさ300μm□で厚さ1nmのNi層上に、厚さ10nmのAu層を積層して形成し、ボンディング電極18は、大きさ100μm□で厚さ500nmのAu層で形成する。このようにして、第2実施例による発光素子が作製される。   Thereafter, the n-side electrode 17n is formed on the back surface of the ZnO substrate 11, the p-side electrode 17p is formed on the Cu-doped MgZnO layer 16, and the bonding electrode 18 is formed on the p-side electrode 17p. For example, the n-side electrode 17n is formed by stacking an Au layer having a thickness of 500 nm on a Ti layer having a thickness of 10 nm, and the p-side electrode 17p is formed on a Ni layer having a size of 300 μm □ and a thickness of 1 nm. An Au layer having a thickness of 10 nm is formed by laminating, and the bonding electrode 18 is formed by an Au layer having a size of 100 μm □ and a thickness of 500 nm. In this way, the light emitting device according to the second embodiment is manufactured.

なお、導電性基板11として、上述の例ではZnO基板を用いたが、その他、MgZnO基板、GaN基板、SiC基板、Ga基板などを用いることもできる。 In addition, although the ZnO substrate was used as the conductive substrate 11 in the above example, an MgZnO substrate, a GaN substrate, a SiC substrate, a Ga 2 O 3 substrate, or the like can also be used.

図17は、第2実施例のCuドープMgZnO層成長におけるZnセル、Mgセル、Oセル、及びCuセルのシャッターシーケンスの一例である。Znセルシャッター、Mgセルシャッター、及びOセルシャッターを開き、Cuセルシャッターを閉じるMgZnO成長工程と、Znセルシャッター、Mgセルシャッター、及びOセルシャッターを閉じ、Cuセルシャッターを開くCu付着工程とが交互に繰り返されている。   FIG. 17 is an example of a shutter sequence of the Zn cell, Mg cell, O cell, and Cu cell in the Cu-doped MgZnO layer growth of the second embodiment. A ZnZn shutter, a Mg cell shutter, and an O cell shutter are opened and the Cu cell shutter is closed, and a MgZnO growth process, and a Zn cell shutter, the Mg cell shutter, and the O cell shutter are closed, and the Cu cell shutter is opened. It is repeated alternately.

この例では、MgZnO成長工程におけるZnセルシャッターの開期間が、Mgセルシャッターの開期間及びOセルシャッターの開期間を含むように設定されている。ZnとともにMgが供給される場合、OラジカルとCuとの反応を抑制するという観点からは、Znセルシャッターの開期間及びMgセルシャッターの開期間の少なくとも一方が、Oセルシャッターの開期間を含むようにすればよいであろう。なお、MgZnOのMg組成の制御性を高める観点からは、Znセルシャッターの開期間がMgセルシャッター及びOセルシャッターの開期間を含むようにする方がよいように思われる。   In this example, the open period of the Zn cell shutter in the MgZnO growth step is set to include the open period of the Mg cell shutter and the open period of the O cell shutter. When Mg is supplied together with Zn, from the viewpoint of suppressing the reaction between the O radical and Cu, at least one of the open period of the Zn cell shutter and the open period of the Mg cell shutter includes the open period of the O cell shutter. This should be done. From the viewpoint of improving the controllability of Mg composition of MgZnO, it seems better that the open period of the Zn cell shutter includes the open periods of the Mg cell shutter and the O cell shutter.

図18は、第3実施例によるZnO系半導体発光素子の概略断面図である。第2実施例では、基板として導電性基板を用いた。第3実施例では、基板として絶縁性基板を用いる。   FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of a ZnO-based semiconductor light emitting device according to the third embodiment. In the second embodiment, a conductive substrate is used as the substrate. In the third embodiment, an insulating substrate is used as the substrate.

絶縁性基板であるc面サファイア基板21上に、Mg及びOを同時に供給して、例えば厚さ約10nmのMgOバッファー層22を成長させる(例えば、成長温度:650℃、MgフラックスFMg:0.05nm/s、Oラジカルビーム照射条件:RFパワー300W/O流量2sccm)。 On the c-plane sapphire substrate 21 which is an insulating substrate, Mg and O are simultaneously supplied to grow, for example, a MgO buffer layer 22 having a thickness of about 10 nm (for example, growth temperature: 650 ° C., Mg flux F Mg : 0). .05 nm / s, O radical beam irradiation conditions: RF power 300 W / O 2 flow rate 2 sccm).

MgOバッファー層22は、その上に成長するZnO系半導体層を、Zn面を表面として成長させるような極性制御層として働く。なお、このような極性制御層について、例えば、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。   The MgO buffer layer 22 functions as a polarity control layer for growing a ZnO-based semiconductor layer grown thereon with the Zn surface as a surface. Such a polarity control layer is described in, for example, “Best Mode for Carrying Out the Invention” in JP-A-2005-97410.

MgOバッファー層22上に、Zn及びOを同時に供給して、例えば厚さ30nmのZnOバッファー層23を成長させる(例えば、成長温度:300℃、ZnフラックスFZn:0.15nm/s、Oラジカルビーム照射条件:RFパワー300W/O流量2.0sccm)。そして、バッファー層の結晶性及び表面平坦性の改善のため、900℃で30分アニールを行う。このZnO膜はZn極性面(+c)で成長している。 Zn and O are simultaneously supplied on the MgO buffer layer 22 to grow, for example, a ZnO buffer layer 23 having a thickness of 30 nm (for example, growth temperature: 300 ° C., Zn flux F Zn : 0.15 nm / s, O radical) Beam irradiation conditions: RF power 300 W / O 2 flow rate 2.0 sccm). Then, annealing is performed at 900 ° C. for 30 minutes in order to improve the crystallinity and surface flatness of the buffer layer. This ZnO film is grown on the Zn polar face (+ c).

ZnOバッファー層23上に、Zn、O及びGaを同時に供給して、例えば厚さ約1.5μmのGaドープn型ZnO層24を成長させる(例えば、成長温度:900℃、ZnフラックスFZn:0.05nm/s、Oラジカルビーム照射条件:RFパワー300W/O流量2sccm)。 On the ZnO buffer layer 23, Zn, O, and Ga are simultaneously supplied to grow, for example, a Ga-doped n-type ZnO layer 24 having a thickness of about 1.5 μm (for example, growth temperature: 900 ° C., Zn flux F Zn : 0.05 nm / s, O radical beam irradiation conditions: RF power 300 W / O 2 flow rate 2 sccm).

Gaドープn型ZnO層24上に、Zn、Mg、及びOを同時に供給して、例えば厚さ30nmのn型MgZnO層25を成長させる(例えば、成長温度:900℃、ZnフラックスFZn:0.1nm/s、MgフラックスFMg:0.025nm/s、Oラジカルビーム照射条件:RFパワー300W/O流量2sccm、n型MgZnO層25のMg組成:0.3)。 On the Ga-doped n-type ZnO layer 24, Zn, Mg, and O are simultaneously supplied to grow, for example, an n-type MgZnO layer 25 having a thickness of 30 nm (for example, growth temperature: 900 ° C., Zn flux F Zn : 0). 0.1 nm / s, Mg flux F Mg : 0.025 nm / s, O radical beam irradiation conditions: RF power 300 W / O 2 flow rate 2 sccm, Mg composition of n-type MgZnO layer 25: 0.3).

n型MgZnO層25上に、第2実施例の活性層15と同様にして、ZnO活性層26を成長させる。なお、第2実施例の活性層15について説明したのと同様に、活性層26は、単層のZnO層の替わりに、量子井戸構造を採用することもできる。   A ZnO active layer 26 is grown on the n-type MgZnO layer 25 in the same manner as the active layer 15 of the second embodiment. As described for the active layer 15 of the second embodiment, the active layer 26 can adopt a quantum well structure instead of a single ZnO layer.

その後、基板温度を例えば300℃まで下げ、活性層26上に、第2実施例のCuドープMgZnO層16と同様にして、p型層として、CuドープMgZnO層27を成長させる。   Thereafter, the substrate temperature is lowered to 300 ° C., for example, and a Cu-doped MgZnO layer 27 is grown on the active layer 26 as a p-type layer in the same manner as the Cu-doped MgZnO layer 16 of the second embodiment.

第3実施例の基板21は絶縁性基板のため、基板裏面側にn側電極を取れない。そこで、n側電極形成領域を、CuドープMgZnO層27の上面から、n型ZnO層24が露出するまでエッチングし、露出したn型ZnO層24上にn側電極28nを形成する。CuドープMgZnO層27上にp側電極28pを形成し、p側電極28p上にボンディング電極29を形成する。   Since the substrate 21 of the third embodiment is an insulating substrate, the n-side electrode cannot be provided on the back side of the substrate. Therefore, the n-side electrode formation region is etched from the upper surface of the Cu-doped MgZnO layer 27 until the n-type ZnO layer 24 is exposed, and the n-side electrode 28n is formed on the exposed n-type ZnO layer 24. A p-side electrode 28p is formed on the Cu-doped MgZnO layer 27, and a bonding electrode 29 is formed on the p-side electrode 28p.

例えば、n側電極28nは、厚さ10nmのTi層上に厚さ500nmのAu層を積層して形成し、p側電極28pは、厚さ0.5nmのNi層上に厚さ10nmのAu層を積層して形成し、ボンディング電極29は、厚さ500nmのAu層で形成する。このようにして、第3実施例による発光素子が作製される。   For example, the n-side electrode 28n is formed by laminating a 500 nm thick Au layer on a 10 nm thick Ti layer, and the p side electrode 28p is formed by a 10 nm thick Au layer on a 0.5 nm thick Ni layer. The bonding electrodes 29 are formed of an Au layer having a thickness of 500 nm. In this way, the light emitting device according to the third embodiment is manufactured.

以上、第2実験〜第4実験、第1実施例〜第3実施例で説明したように、MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を形成する工程(上記説明におけるZnO成長工程またはMgZnO成長工程)と、MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜上にCuを供給する工程(上記説明におけるCu付着工程)とを交互に繰返すことにより、p型導電性を示すCuドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶エピタキシャル成長膜を得ることができる。 As described above in the second experiment to the fourth experiment and the first to third examples, the step of forming the Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film (described above) ZnO growth step or MgZnO growth step in the description) and a step of supplying Cu onto the Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film (Cu attachment step in the above description) alternately. By repeating, a Cu-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal epitaxial growth film exhibiting p-type conductivity can be obtained.

なお、以上、p型ドーパントとしてCuを用いる例について考察したが、上述の方法は、複数の価数を形成しうるAgなど他のIB族元素をp型ドーパントとして利用する方法としても、有効である可能性がある。つまり、Oの照射期間を有するMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜の形成工程と、IB族元素を付着させる工程とを分離することにより、アクセプタとして働く+1価のIB族元素を生じやすくできる可能性がある。 In addition, although the example which uses Cu as a p-type dopant was considered above, the above-mentioned method is effective also as a method of utilizing other IB group elements, such as Ag which can form a several valence, as a p-type dopant. There is a possibility. In other words, by separating the step of forming the Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film having the O irradiation period and the step of attaching the group IB element, it acts as an acceptor + 1 There is a possibility that a valent group IB element can be easily generated.

なお、酸素源として、以上の説明ではOラジカルを用いたが、オゾンやHO、アルコールなどの極性酸化剤など酸化力の強い他のガスを用いることも可能であると考えられる。 As the oxygen source, the O radical is used in the above description, but it is considered possible to use another gas having a strong oxidizing power such as a polar oxidizing agent such as ozone, H 2 O, or alcohol.

本願発明者らは、ZnO成長工程とCu付着工程とを交互に繰返して成長させたCuドープZnO層におけるCuの電子状態をX線光電子分光(X-ray Photoelectron Spectroscopy ;XPS)により調べた。   The inventors of the present application investigated the electronic state of Cu in a Cu-doped ZnO layer grown by alternately repeating a ZnO growth step and a Cu deposition step by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

図19Aは、XPS分析に用いたサンプル(交互成長サンプル)を示す概略的な断面図である。本図を参照し、交互成長サンプルの作製方法について説明する。   FIG. 19A is a schematic cross-sectional view showing a sample (alternate growth sample) used for XPS analysis. With reference to this figure, the production method of an alternating growth sample is demonstrated.

Zn面ZnO(0001)基板31上に成長温度300℃で、ZnフラックスFZnを0.16nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccm、成長時間を5分とし、厚さ40nmのZnOバッファー層32を成長させた。ZnOバッファー層32の結晶性及び表面平坦性の改善のため、900℃で30分間のアニールを行った。 On Zn surface ZnO (0001) substrate 31, growth temperature is 300 ° C., Zn flux F Zn is 0.16 nm / s, O radical beam irradiation condition is RF power 300 W, O 2 flow rate 2.0 sccm, and growth time is 5 minutes. A ZnO buffer layer 32 having a thickness of 40 nm was grown. In order to improve the crystallinity and surface flatness of the ZnO buffer layer 32, annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes.

ZnOバッファー層32上に、成長温度を900℃、ZnフラックスFZnを0.16nm/s、Oラジカルビーム照射条件をRFパワー300W、O流量2.0sccm、成長時間を15分として、厚さ120nmのアンドープZnO層33を成長させた。 On the ZnO buffer layer 32, the growth temperature is 900 ° C., the Zn flux F Zn is 0.16 nm / s, the O radical beam irradiation conditions are RF power 300 W, the O 2 flow rate 2.0 sccm, and the growth time is 15 minutes. A 120 nm undoped ZnO layer 33 was grown.

基板温度を300℃まで下げ、アンドープZnO層33上に、p型のCuドープZnO層34を成長させた。   The substrate temperature was lowered to 300 ° C., and a p-type Cu-doped ZnO layer 34 was grown on the undoped ZnO layer 33.

CuドープZnO層34を成長させるに当たっては、図6に示すシャッターシーケンスと同様のシーケンスで、Zn及びOと、Cuとを別々のタイミングで供給した。なお、XPS分析に用いた交互成長サンプルの作製においては、GaをOと等しいタイミングで供給した。CuドープZnO層34においては、CuとGaが共ドープされている。   In growing the Cu-doped ZnO layer 34, Zn, O, and Cu were supplied at different timings in the same sequence as the shutter sequence shown in FIG. In the production of the alternately grown sample used for XPS analysis, Ga was supplied at the same timing as O. In the Cu-doped ZnO layer 34, Cu and Ga are co-doped.

ZnO成長工程におけるZnフラックスFZnは0.16nm/s、Oラジカルビーム照射条件はRFパワー300W、O流量2.0sccm、Gaのセル温度TGaは515℃とした。Cu付着工程におけるCuのセル温度TCuは930℃とし、CuフラックスFCuを0.0015nm/sとした。 In the ZnO growth step, Zn flux F Zn was 0.16 nm / s, O radical beam irradiation conditions were RF power 300 W, O 2 flow rate 2.0 sccm, and Ga cell temperature T Ga was 515 ° C. The Cu cell temperature T Cu in the Cu adhesion step was 930 ° C., and the Cu flux F Cu was 0.0015 nm / s.

Oセルシャッター及びGaセルシャッターの1回当たりの開期間を16秒とし、Oセルシャッター及びGaセルシャッターの開期間の前後にZnセルシャッターの開期間を1秒ずつ延長した。Znセルシャッターの1回当たりの開期間は18秒である。Cuセルシャッターの1回当たりの開期間は50秒とした。   The open period of each of the O cell shutter and the Ga cell shutter was 16 seconds, and the open period of the Zn cell shutter was extended by 1 second before and after the open period of the O cell shutter and the Ga cell shutter. The open period per time of the Zn cell shutter is 18 seconds. The opening period per time of the Cu cell shutter was 50 seconds.

ZnO成長工程とCu付着工程を交互に30回ずつ繰返し、厚さ100nmのCuドープZnO層34を得た。   The ZnO growth step and the Cu deposition step were repeated 30 times alternately to obtain a Cu-doped ZnO layer 34 having a thickness of 100 nm.

図19Bは、CuドープZnO層34の[11−20]方向から見たRHEED像である。RHEED像はストリークパターンを示している。CuドープZnO層34は、2次元成長した、表面平坦性の高い単結晶層であることがわかる。   FIG. 19B is an RHEED image of the Cu-doped ZnO layer 34 viewed from the [11-20] direction. The RHEED image shows a streak pattern. It can be seen that the Cu-doped ZnO layer 34 is a single crystal layer that is two-dimensionally grown and has high surface flatness.

図20A及び図20Bは、それぞれ第1実験の第1試料のCuドープZnO層、及び、交互成長サンプルのCuドープZnO層34のCu2p3/2軌道のXPS分析結果を示すグラフである。横軸は光電子のエネルギー(結合エネルギー)を単位「eV」で示し、縦軸は強度(単位時間当たりに観測された光電子の個数)を任意単位で示す。XPSスペクトルと、その波形解析結果(Cu1〜Cu5で示す曲線)を記載した。曲線Cu1は、Cu、CuO等におけるCuの電子状態(0価のCuまたは1価のCu)に由来する成分(ピーク)を示す。曲線Cu2はCuO等、また、曲線Cu3はCu(OH)やCuCO等におけるCuの電子状態(2価のCu2+)に由来する成分を表す。曲線Cu4及び曲線Cu5は、それぞれ結合状態の異なるCu2+のシェイクアップピーク(サテライトピーク)を示す曲線である。なお、ZnO層中においては、Cuの周囲には多数のOが存在する。このためCuは、0価の金属Cu以外の状態で存在していると考えられる。したがって、曲線Cu1は、Cuのピークを示す曲線であるといえる。 20A and 20B are graphs showing the XPS analysis results of the Cu2p3 / 2 orbit of the Cu-doped ZnO layer of the first sample of the first experiment and the Cu-doped ZnO layer 34 of the alternately grown sample, respectively. The horizontal axis indicates the photoelectron energy (binding energy) in the unit “eV”, and the vertical axis indicates the intensity (the number of photoelectrons observed per unit time) in arbitrary units. The XPS spectrum and the waveform analysis results (curves indicated by Cu1 to Cu5) are described. A curve Cu1 indicates a component (peak) derived from an electronic state of Cu (zero-valent Cu or monovalent Cu + ) in Cu, Cu 2 O, or the like. Curve Cu2 represents CuO or the like, and curve Cu3 represents a component derived from the electronic state of Cu (divalent Cu 2+ ) in Cu (OH) 2 or CuCO 3 or the like. A curve Cu4 and a curve Cu5 are curves that show a shake-up peak (satellite peak) of Cu 2+ having a different bonding state. In the ZnO layer, there are many Os around Cu. For this reason, Cu is considered to exist in a state other than the zero-valent metal Cu. Therefore, it can be said that the curve Cu1 is a curve showing a peak of Cu + .

なお、XPS分析においては、測定装置にアルバック・ファイ株式会社製の走査型X線光電子分光分析装置 PHI Quantera II、X線源に単色化Al(1486.6eV)を用い、検出領域を100μmΦ、検出深さを約8nm(取出角90°)とした。   In XPS analysis, a scanning X-ray photoelectron spectroscopic analyzer PHI Quantera II manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. is used as the measurement device, and monochromated Al (1486.6 eV) is used as the X-ray source, the detection area is 100 μmΦ, The depth was about 8 nm (extraction angle 90 °).

図20Aを参照する。Zn、O、及びCuを同時に供給して成長させた第1実験、第1試料のCuドープZnO層においては、932.55eVにピークをもつ曲線Cu1で示される成分(Cu)のほか、その高エネルギー側に933.65eV及び934.65eVにピークをもつ曲線Cu2及び曲線Cu3で示される成分(Cu2+)がショルダーとして観測される。また941.15eV及び943.65eVにピークをもつ曲線Cu4及び曲線Cu5で示されるCu2+のシェイクアップピークが明確に観測される。すなわち、1価のCuと2価のCu2+が混在している。 Reference is made to FIG. 20A. In the first experiment in which Zn, O, and Cu were simultaneously supplied and grown, in the Cu-doped ZnO layer of the first sample, in addition to the component (Cu + ) indicated by the curve Cu1 having a peak at 932.55 eV, A component (Cu 2+ ) indicated by a curve Cu 2 and a curve Cu 3 having peaks at 933.65 eV and 934.65 eV on the high energy side is observed as a shoulder. The shake up peak of Cu 2+ represented by the curve Cu4 and curves Cu5 with peaks at 941.15eV and 943.65eV are clearly observed. That is, monovalent Cu + and divalent Cu 2+ are mixed.

図20Bを参照する。Zn及びOと、Cuとを別々のタイミングで供給して成長させた交互成長サンプルのCuドープZnO層34においては、Cu2+のシェイクアップピークは観測されず、932.73eVにピークをもつ曲線Cu1で示される成分以外の成分はほとんど認められない。曲線Cu2〜Cu5の強度比(Int%)と面積比(Area%)は、ともに0.00%である。すなわち、交互成長サンプルのCuドープZnO層34においては、Cuは、ほぼ1価のCuとしてのみ存在していることがわかる。 Reference is made to FIG. 20B. In the Cu-doped ZnO layer 34 of the alternately grown sample grown by supplying Zn and O and Cu at different timings, no Cu 2+ shake-up peak is observed, and a curve Cu 1 having a peak at 932.73 eV Ingredients other than those indicated by are hardly recognized. The intensity ratio (Int%) and the area ratio (Area%) of the curves Cu2 to Cu5 are both 0.00%. That is, it can be seen that in the Cu-doped ZnO layer 34 of the alternately grown sample, Cu exists only as almost monovalent Cu + .

次に、本願発明者らは、交互成長サンプルのCuドープZnO層34表面にスパッタクリーニングを施した。   Next, the present inventors performed sputter cleaning on the surface of the Cu-doped ZnO layer 34 of the alternately grown sample.

図21Aは、表面スパッタクリーニングの前後におけるCuドープZnO層34のCu2p3/2軌道のXPSスペクトルを示すグラフである。グラフの両軸の意味するところは、図20A及び図20Bにおけるそれらと等しい。曲線aは、スパッタクリーニング前(CuドープZnO層34の成長直後の最表面)のスペクトルを示し、曲線bは、スパッタクリーニング後のそれを示す。曲線aは、図20BのXPSスペクトルを示す曲線と同一である。スパッタクリーニングの前後を問わず、Cu2+のシェイクアップピークは観測されない。 FIG. 21A is a graph showing the XPS spectrum of the Cu2p3 / 2 orbit of the Cu-doped ZnO layer 34 before and after the surface sputter cleaning. The meanings of both axes of the graph are the same as those in FIGS. 20A and 20B. Curve a shows the spectrum before sputter cleaning (the outermost surface immediately after the growth of the Cu-doped ZnO layer 34), and curve b shows that after sputter cleaning. Curve a is the same as the curve showing the XPS spectrum of FIG. 20B. A Cu 2+ shake-up peak is not observed before and after the sputter cleaning.

図21Bは、表面スパッタクリーニング後のCuドープZnO層34のCu2p3/2軌道のXPSスペクトル(曲線b)の波形解析結果を示すグラフである。グラフの両軸及び曲線Cu1〜Cu5の意味するところは、図20A及び図20Bにおけるそれらと等しい。   FIG. 21B is a graph showing the waveform analysis result of the XPS spectrum (curve b) of the Cu2p3 / 2 orbit of the Cu-doped ZnO layer 34 after the surface sputter cleaning. The meanings of both axes of the graph and the curves Cu1 to Cu5 are the same as those in FIGS. 20A and 20B.

932.55eVにピークをもつ曲線Cu1で示される成分以外の成分はほとんど認められない。すなわち、波形解析によっても、CuドープZnO層34の内部において、Cuは、ほぼ1価のCuとしてのみ存在していることがわかる。 Components other than the component shown by the curve Cu1 having a peak at 932.55 eV are hardly recognized. That is, it can be seen from the waveform analysis that Cu exists only as monovalent Cu + in the Cu-doped ZnO layer 34.

このように、Zn及びOと、Cuとを別々のタイミングで供給して成長させたCuドープZnO層34においては、その表面だけでなく内部においても、Cuは、ほぼ1価のCuとしてのみ存在していることが確認された。 In this way, in the Cu-doped ZnO layer 34 grown by supplying Zn and O and Cu at different timings, Cu is not only in the surface but also in the inside, and Cu is only as substantially monovalent Cu +. It was confirmed that it existed.

CuドープZnO層34のCu原子の2p3/2内殻電子の励起ピークエネルギーは、932.73eV(スパッタクリーニング前)、及び、932.55eV(スパッタクリーニング後)であった(曲線Cu1で示される成分のピークエネルギー、図20B及び図21B参照)。また、たとえば940eV〜945eVの範囲にシェイクアップピーク(曲線Cu4及び曲線Cu5で示されるCu2+のシェイクアップピーク)は存在しなかった。実施例による方法によれば、CuドープZnO層に限らず、一般にCuドープMgZn1−xO(0≦x≦0.6)層であって、XPSによるCu原子の2p3/2内殻電子の励起ピークエネルギーが932.1eV〜932.9eVの範囲に存在し、940eV〜945eVの範囲にシェイクアップピークが存在しないZnO系半導体層を得ることができるであろう。 The excitation peak energies of 2p3 / 2 core electrons of Cu atoms in the Cu-doped ZnO layer 34 were 932.73 eV (before sputter cleaning) and 932.55 eV (after sputter cleaning) (components indicated by the curve Cu1). Peak energy, see FIGS. 20B and 21B). For example, there was no shake-up peak (a shake-up peak of Cu 2+ indicated by the curves Cu4 and Cu5) in the range of 940 eV to 945 eV. According to the method according to the embodiment, not only the Cu-doped ZnO layer, but generally a Cu-doped Mg x Zn 1-x O (0 ≦ x ≦ 0.6) layer, which is a 2p3 / 2 inner shell of Cu atoms by XPS. It will be possible to obtain a ZnO-based semiconductor layer having an electron excitation peak energy in the range of 932.1 eV to 932.9 eV and no shake-up peak in the range of 940 eV to 945 eV.

実施例の方法で得られるZnO系半導体層は、例えば、短波長(紫外〜青)の発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)に利用でき、また、これらの応用製品(各種インジケーター、LEDディスプレイ等、CV/DVD用光源)に利用できる。また、白色LEDやその応用製品(照明器具、各種インジケーター、ディスプレイ、各種表示器のバックライト等)に利用できる。また、紫外センサに利用できる。   The ZnO-based semiconductor layer obtained by the method of the embodiment can be used for, for example, a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) with a short wavelength (ultraviolet to blue), and these application products (various indicators, LED display) Etc., and can be used for CV / DVD light sources). Moreover, it can utilize for white LED and its application products (a lighting fixture, various indicators, a display, the backlight of various displays, etc.). Moreover, it can utilize for an ultraviolet sensor.

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.

101 真空チャンバー
102 Znソースガン
103 Oソースガン
104 Mgソースガン
105 Cuソースガン
106 Gaソースガン
107 ステージ
108 基板
109 膜厚計
110 RHEED用ガン
111 スクリーン
1 ZnO基板
2 ZnOバッファー層
3 n型ZnO層
4 アンドープZnO活性層
5 p型CuドープZnO層
6n n側電極
6p p側電極
7 ボンディング電極
11 ZnO基板
12 ZnOバッファー層
13 n型ZnO層
14 n型MgZnO層
15 活性層
16 p型CuドープMgZnO層
17n n側電極
17p p側電極
18 ボンディング電極
21 サファイア基板
22 MgOバッファー層
23 ZnOバッファー層
24 n型ZnO層
25 n型MgZnO層
26 活性層
27 p型CuドープMgZnO層
28n n側電極
28p p側電極
29 ボンディング電極
31 ZnO基板
32 ZnOバッファー層
33 アンドープZnO層
34 CuドープZnO層
101 Vacuum chamber 102 Zn source gun 103 O source gun 104 Mg source gun 105 Cu source gun 106 Ga source gun 107 Stage 108 Substrate 109 Thickness meter 110 RHEED gun 111 Screen 1 ZnO substrate 2 ZnO buffer layer 3 n-type ZnO layer 4 Undoped ZnO active layer 5 p-type Cu-doped ZnO layer 6n n-side electrode 6p p-side electrode 7 bonding electrode 11 ZnO substrate 12 ZnO buffer layer 13 n-type ZnO layer 14 n-type MgZnO layer 15 active layer 16 p-type Cu-doped MgZnO layer 17n n-side electrode 17p p-side electrode 18 bonding electrode 21 sapphire substrate 22 MgO buffer layer 23 ZnO buffer layer 24 n-type ZnO layer 25 n-type MgZnO layer 26 active layer 27 p-type Cu-doped MgZnO layer 28n n-side electrode 2 p p-side electrode 29 bonding electrode 31 ZnO substrate 32 ZnO buffer layer 33 an undoped ZnO layer 34 Cu doped ZnO layer

Claims (2)

(a)ストイキオメトリ条件あるいはII族リッチ条件であり、かつ、VI/IIフラ ックス比が0.5以上の条件、更に250℃以上350℃以下の温度で、下地層上方に、 Znの供給期間及びMgの供給期間の少なくとも一方が、Oの供給期間の前後に延長され てOの供給期間を含むように、Zn、O、及び必要に応じてMgを供給して、厚さ10n m以下のMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を形成する工程と、
(b)前記MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜上にCuのみ、Cuの1 原子層以下の厚みとなる量で供給する工程とを有し、
前記工程(a)と前記工程(b)とを、交互に繰り返して、CuがドープされたMgZn1−xO(0≦x≦0.6)層を形成するZnO系半導体層の製造方法。
  (A)Stoichiometry conditions or Group II rich conditions, and VI / II hula At a temperature of 250 ° C or higher and 350 ° C or lower.Above the underlayer, At least one of the Zn supply period and the Mg supply period is extended before and after the O supply period. To include the O supply period.Zn, O, and Mg as needed,10n thickness m or lessMgxZn1-xForming an O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film;
  (B) MgxZn1-xCu on O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal filmonlyThe1 of Cu In an amount that makes the thickness below the atomic layerAnd supplying a process,
  Mg in which Cu is doped by repeating the steps (a) and (b) alternately.xZn1-xA method for producing a ZnO-based semiconductor layer for forming an O (0 ≦ x ≦ 0.6) layer.
基板上方に、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、
(a)ストイキオメトリ条件あるいはII族リッチ条件であり、かつ、VI/IIフラ ックス比が0.5以上の条件、更に250℃以上350℃以下の温度で、下地層上方に、 Znの供給期間及びMgの供給期間の少なくとも一方が、Oの供給期間の前後に延長され てOの供給期間を含むように、Zn、O、及び必要に応じてMgを供給して、厚さ10n m以下のMgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜を形成する工程と、
(b)前記MgZn1−xO(0≦x≦0.6)単結晶膜上にCuのみ、Cuの1 原子層以下の厚みとなる量で供給する工程とを有し、
前記工程(a)と前記工程(b)とを、交互に繰り返して、CuがドープされたMgZn1−xO(0≦x≦0.6)層を形成する、
ZnO系半導体発光素子の製造方法。
  Forming an n-type ZnO-based semiconductor layer above the substrate;
  Forming a p-type ZnO-based semiconductor layer above the n-type ZnO-based semiconductor layer;
Have
  The step of forming the p-type ZnO-based semiconductor layer includes:
  (A)Stoichiometry conditions or Group II rich conditions, and VI / II hula At a temperature of 250 ° C or higher and 350 ° C or lower.Above the underlayer, At least one of the Zn supply period and the Mg supply period is extended before and after the O supply period. To include the O supply period.Zn, O, and Mg as needed,10n thickness m or lessMgxZn1-xForming an O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal film;
  (B) MgxZn1-xCu on O (0 ≦ x ≦ 0.6) single crystal filmonlyThe1 of Cu In an amount that makes the thickness below the atomic layerAnd supplying a process,
  Mg in which Cu is doped by repeating the steps (a) and (b) alternately.xZn1-xForming an O (0 ≦ x ≦ 0.6) layer;
A method for manufacturing a ZnO-based semiconductor light emitting device.
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