KR20070115968A - 산화 아연계 화합물 반도체 소자 - Google Patents

산화 아연계 화합물 반도체 소자 Download PDF

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Abstract

ZnO계 화합물 반도체층의 헤테로 접합을 가지는 적층부를 형성하여 반도체 소자를 형성해도 구동 전압의 상승을 일으키지 않으며, 또한 결정성을 양호하게 하여 소자 특성이 뛰어난 산화 아연계 화합물 반도체 소자를 제공한다. A면(11-2O) 또는 M면(1O-1O)을 메인 면으로 하는 MgxZn1 - xO(O
Figure 112007067192703-PCT00027
x
Figure 112007067192703-PCT00028
O.5) 로 이루어진 기판(1)의 메인 면상에, 메인 면과 평행한 면이 {11-2O}면 또는 {10-10}면이고, 또한 메인 면과 수직인 면이 {0001}면에 배향하여 ZnO계 화합물 반도체 단결정층(2 ~ 6)이 에피텍셜 성장되어 있다.

Description

산화 아연계 화합물 반도체 소자{ZINC OXIDE-BASED COMPOUND SEMICONDUCTOR ELEMENT}
본 발명은 ZnO나 MgZnO계(Mg와 Zn의 혼정(混晶) 비율이 변할 수 있다는 것을 의미함. 이하 동일) 화합물 등의 산화 아연계(이하, ZnO계라고도 함) 반도체를 이용한 발광 다이오드(LED)나 레이저 다이오드 등의 발광 소자, HEMT 등의 트랜지스터 소자 등, ZnO계 화합물 반도체 소자에 관한 것이다. 보다 상세하게는 ZnO와 MgZnO계 화합물 등을 헤테로(hetero) 접합으로 적층하여 반도체 소자를 형성하고, 그 적층 방향으로 전압(전계)이 인가되는 것과 같은 경우에도, 피에조(piezo) 전계의 발생에 기인하는 구동 전압의 상승 등, 인가하는 전압으로의 영향을 억제할 수 있는 ZnO계 화합물 반도체 소자에 관한 것이다.
최근, 질화물 반도체를 이용한 청색계 발광 다이오드(LED)나 레이저 다이오드 등의 질화물 반도체 발광 소자가 실용화되고 있다. 한편, ZnO계 화합물은 GaN계 화합물(Ga의 일부 또는 전부가 다른 Ⅲ족 원소와 치환한 화합물을 의미함. 이하 동일)보다 단파장역에서의 발광 특성이 뛰어나다. 구체적으로, 홀과 전자가 고체내에서 결합한 ZnO의 여기자(勵起子)의 속박 에너지가 60meV 로 크고, 실온에서도 안정하게 존재한다(GaN은 24meV). 또한, GaN계 화합물에서는 In를 더하여 InGaN계 화합 물(In와 Ga의 혼정 비율이 여러 가지 변할 수 있는 화합물을 의미함. 이하 동일)로 하면 고효율로 발광하지만, In이 적어지게 될수록 효율이 떨어진다. InGaN계 화합물인 경우, In의 조성 변조에 의해 부분적으로 퍼텐셜이 작은 곳이 생기고, 여기에 캐리어가 포획되기 때문에 결정 결함에 둔감하게 된다고 알려져 있다. 한편, In이 적어지게 되면 조성이 균일화되고, 특히 캐리어가 포획되기 쉬운 부분이 없어지므로, 결정 결함이 보이기 쉬워지게 되기 때문이라고 생각되고 있다. ZnO계 화합물에서는 단파장화해도 이와 같은 문제는 일어나지 않으며, 파장이 짧아지게 될수록 InGaN계 화합물은 불리하게 된다. 물론, 한층 더 단파장화로 GaN 이나, AlGaN계 화합물(Al과 Ga의 혼정 비율이 여러 가지 변할 수 있는 화합물을 의미함. 이하 동일)을 이용해도 마찬가지로 불리하게 된다.
이와 같은 ZnO계 화합물을 이용한 발광 소자로서는 예를 들어 도 7에 나타나는 바와 같은 구조의 것이 알려져 있다(예를 들어 특허 문헌 1 참조). 즉, 도 7에 있어서, 사파이어 기판(31)상에, ZnO로 이루어진 버퍼층(32), n형의 ZnO로 이루어진 n형 컨택트층(33)이 형성되고, 그 위에 MgZnO계 화합물로 이루어진 n형 클래드층(34), CdZnO계 화합물로 이루어진 활성층(35), MgZnO계 화합물로 이루어진 p형 클래드층(36)으로 발광층 형성부(38)가 적층되고, 또한 ZnO로 이루어진 p형 컨택트층(37)이 적층되고, 반도체 적층부의 일부를 에칭하여 n형 컨택트층(33)을 노출시키고, 그 표면에 n측 전극(39), p형 컨택트층(37)의 표면에 p측 전극(40)이 설치됨으로써 형성되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특개 2002-94114호 공보
특허 문헌 2 : WO01/73170A1
상술한 바와 같이 ZnO계 화합물층을 적층하는 경우, 일반적으로는 기판으로서 사파이어 기판이 이용되고, 그 C면을 메인 면으로 하여 c축 배향하도록 ZnO계 화합물 반도체층이 적층된다. 그러나, 본 발명자들은 이와 같이 C면을 메인 면으로 하는 기판을 이용하여 c축 배향시켜 기판 재료와 다른 ZnO이나 MgZnO계 화합물과 같은 헤테로 접합을 가지는 반도체 적층부를 형성하고, 상술한 바와 같은 발광 소자 등의 소자를 형성하면, 후술하는 바와 같이 순방향의 인가 전압이 상승하여, 불필요한 줄 열(joule heat)이 발생하여 소자 수명을 짧게 한다고 하는 문제가 있다는 것을 찾아내었다.
한편, 결정성의 향상을 도모하기 위해, 사파이어 기판의 A면을 메인 면으로 하여 그 표면에 [11-20]축을 배향시켜 산화 아연층을 성장하는 것도 알려져 있다(예를 들어 특허 문헌 2 참조). 그러나, 사파이어 기판과 ZnO은 격자 정합(格子 整合)하고 있지 않기 때문에, 이와 같은 배향으로 하면, c축 방향으로 전위(轉位)가 많이 들어가서, 좋은 결정을 얻을 수 없다.
본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 단파장의 발광에 GaN계 화합물보다 유리한 ZnO계 화합물 반도체를 이용하면서, ZnO계 화합물 반도체층의 헤테로 접합을 가지는 적층부를 형성하여 반도체 소자를 형성해도, 구동 전압의 상승을 일으키지 않고, 또한 결정성을 양호하게 하여 소자 특성이 뛰어난 산화 아연계 화합물 반도체 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 특히 460㎚ 이하와 같은 단파장역에서 양호한 효율로 발광시킬 수 있는 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 ZnO계 화합물 반도체층을 적층하여 발광 소자 등을 형성하면, 구동 전압이 상승하여 불필요한 줄 열이 발생하여 소자의 수명을 저하시키는 현상이 있다는 것을 발견하고, 그 원인에 대하여 주의 깊게 검토를 거듭하여 검토한 결과, ZnO계 화합물이 압전체이므로, 사파이어 기판과 ZnO층, ZnO층과 MgZnO계 화합물층의 적층 등과 같이 헤테로 접합이 형성되어 있으면, 그 기판과 ZnO계 화합물층 사이 또는 적층되는 양 반도체층 사이에서 격자 정수의 차에 기초하는 왜곡이 발생하고, 그 왜곡에 기초하여 피에조 전계(응력에 의해 발생하는 전계)가 발생하는 것에 원인이 있다는 것을 찾아내었다. 즉, 이 피에조 전계는 캐리어와 관계에서, 새로 가해진 퍼텐셜 장벽으로 되고, 다이오드 등의 빌트인(built-in) 전압을 상승시킴으로써 구동 전압이 상승하는 것이다.
보다 상세하게, 피에조 전계는 압전 효과를 가지는 결정에 응력이 가해지면 도 6(a) 및 (b)에 나타나는 바와 같이 압축력의 경우와 끌어당김(引張)력의 경우에서 그 발생하는 전하의 +와 -가 반대로 된다. 한편, ZnO와 같은 6방정계의 결정에서는 c축 방향으로 대칭성이 없고, c축 방향(C면과 수직인 면)은 전하의 편향으로 구별되는 2개의 방향이 존재하는 무극성면으로 된다. 이 때문에, 상술한 응력에 의한 전하는 결정의 C면의 양면에 +와 -의 전하가 발생하고, A면 및 M면은 비극성면으로 되어 전하가 발생하지 않거나, 매우 작아진다. 이 때문에, C면상에 적층된 ZnO층(33)과 MgZnO층(34)에서는 도 5(c)에 나타나는 바와 같이 압축 왜곡이 발생하는 MgZnO층(34)의 ZnO층(33)측에 +의 전하가, 반대측에 그와 역인 전하가 발생하여 빌트인 전압을 상승시켜, 후술하는 도 3의 C로 나타나는 바와 같이, 구동 전압을 상승시키는 원인이라는 것을 찾아내었다.
그리고, 본 발명자들은 이 응력에 의해 전하가 발생하는 면을 소자에 인가하는 전계의 방향과 평행하게 되도록(피에조 전계가 소자에 인가하는 전계와 수직으로 되도록), ZnO계 화합물 반도체층을 적층함으로써, 피에조 전계로 인한 문제를 해결할 수 있고, 또 기판에 ZnO계 화합물 기판을 이용함으로써, ZnO계 화합물 사이에서 격자 정수의 차는 사파이어와 ZnO계 화합물과의 차만큼 크지 않기 때문에, 면내에서 c축도 배향하여 매우 결정성이 뛰어난 단결정층을 얻을 수 있다는 것을 알아내었다.
여기에 산화 아연(ZnO)계 화합물 반도체는 Zn을 포함하는 산화물을 의미하고, 구체적인 예로서는 ZnO 이외, IIA족 원소와 Zn, IIB족 원소와 Zn, 또는 IIA족 원소 및 IIB족 원소와 Zn 각각의 산화물을 포함하는 것을 의미한다.
본 발명에 의한 산화 아연계 화합물 반도체 소자는 A면(11-20) 또는 M면(10-10)을 메인 면으로 하는 MgxZn1 - xO(0
Figure 112007067192703-PCT00001
x
Figure 112007067192703-PCT00002
0.5) 로 이루어진 기판과, 상기 MgxZn1 - xO 로 이루어진 기판의 상기 메인 면상에, 상기 메인 면과 평행한 면이 {11-20}면 또는 {10-10}면이고, 또 상기 메인 면과 수직인 면이 {0001}면에 배향하여 에피텍셜 성장된 ZnO계 화합물 반도체 단결정층으로 이루어져 있다.
여기에 (11-20), (10-10), {11-20}, {10-10}은 엄밀하게는 각각,
[식 1]
Figure 112007067192703-PCT00003
을 나타내지만, 편의적으로 상기와 같이 약기한다. 또, 예를 들어 {11-20}면은 결정이 가지는 대칭성에 의해 (11-20)면과 등가인 면도 포함하는 총칭인 것을 나타내고 있다.
구체적인 예로서는, 상기 기판상에 에피텍셜 성장되는 ZnO계 화합물 반도체 단결정층이 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드의 발광층을 형성하도록 헤테로 접합을 포함하는 반도체 적층부로서 적층되고, 산화 아연계 화합물 반도체 발광 소자를 구성함으로써, 구동 전압이 낮고 불필요한 줄 열의 발생을 억제하여 소자 특성이 뛰어난 반도체 발광 소자가 얻어진다. 또, 트랜지스터 소자를 구성하도록 적층하면, 헤테로 접합에 수반하는 응력이 작용해도, 그 응력에 의해 발생하는 피에조 전계는 게이트 전압의 인가 방향과는 다른 방향이어서, 트랜지스터 특성에 영향을 주는 일은 없으며, 또 매우 결정성이 뛰어나기 때문에, 리크 전류가 작고 내압이 뛰어난 고속의 트랜지스터가 얻어진다.
또한, 상기 반도체 적층부가 MgyZn1 - yO(0
Figure 112007067192703-PCT00004
y
Figure 112007067192703-PCT00005
0.3) 반도체층의 적층 구조로 이루어지고, 활성층을 상기 활성층의 밴드갭보다 큰 밴드갭의 반도체층에 의해 협지(挾持)함으로써 형성되는 발광층 형성부를 가지고, 상기 활성층을 사이에 두는 양측으로부터 구동 전압이 인가됨으로써 460㎚ 이하의 단파장역에서 발광하도록 형성됨으로써, 특히 GaN계 화합물로 단파장역의 발광 소자를 형성하려면, 결정 결함이 많아져서 발광 특성이 저하하지만, 본 발명에서는 이와 같은 문제가 없으며 낮은 구동 전압으로 내부 양자 효율이 뛰어난 단파장의 반도체 발광 소자가 얻어진다.
본 발명에 의하면, A면(11-20) 또는 M면(10-10)을 메인 면으로 하는 MgxZn1 -xO(0
Figure 112007067192703-PCT00006
x
Figure 112007067192703-PCT00007
0.5) 로 이루어진 기판 표면에, ZnO계 화합물 반도체층이 에피텍셜 성장되어 있다. 이 때문에, 기판상에 메인 면과 평행한 면이 {11-20}면 또는 {10-10}면에 배향하여 적층되는 동시에, 기판이 적층되는 ZnO계 화합물과 동종인 화합물이기 때문에, 격자 부정합을 완화하는 구배(勾配)층이나 버퍼층 등을 개재시키지 않아도, 메인 면과 수직인 면도 {0001}면에 배향(면내의 c축에 관해서도 배향)한 완전한 단결정층으로서 성장한다. 그러나, 결정의 C면은 반도체층을 적층하는 면내에는 나타나지 않고, 적층면과 직각인 방향에 나타난다. 그 결과, 기판과 적층되는 반도체층과의 사이, 또는 적층되는 반도체층 사이에서 Mg 등의 혼정비의 상위에 의한 헤테로 접합에 의해 층 사이에 응력이 생겨서 피에조 전계가 발생해도, 반도체 소자로서 일반적으로 인가되는 반도체 적층부와 수직 방향으로 인가되는 전계와 직각 방향의 전계로 되고, 소자로서의 인가 전압에 아무런 영향을 미치지 않는다. 그 결과, 예를 들어 ZnO계 화합물 반도체층을 헤테로 접합으로 적층하여 발광 소자를 형성하는 경우에, 구동 전압을 상승시키는 문제는 생기지 않는다. 이 때문에, 소자 특성의 열화나 소자 수명의 저하도 발생하지 않는다.
도 1은 본 발명에 의한 ZnO계 화합물 반도체 소자의 일 실시 형태인 LED의 단면 설명도이다.
도 2는 본 발명의 반도체 소자에 이용하는 기판의 A면 및 M면을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타내는 구조의 LED의 V-I 특성 (A)를 종래의 C면을 메인 면으로 하여 ZnO계 화합물층을 적층한 LED의 V-I 특성 (C)와 대비하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의해 형성한 LD 구성의 일례를 나타내는 단면 설명도이다.
도 5는 본 발명에 의해 형성한 트랜지스터의 구성예의 단면 설명도이다.
도 6은 압전 결정체에 응력이 작용한 경우 전하의 발생을 설명하는 도면이다.
도 7은 종래의 ZnO계 화합물 반도체를 이용한 LED의 구조예를 나타내는 도면이다.
<부호의 설명>
1 기판
2 n형 버퍼층
3 n형층
4 활성층
5 p형층
6 p형 컨택트층
7 발광층 형성부
8 반도체 적층부
9 n측 전극
10 p측 전극
다음으로, 도면을 참조하면서 본 발명의 산화 아연계(ZnO계) 화합물 반도체 소자에 대하여 설명을 한다. 본 발명에 의한 ZnO계 화합물 반도체 소자는 도 1에 그 일 실시 형태인 발광 다이오드(LED)의 단면 설명도가 나타내는 바와 같이, A면(11-20) 또는 M면(10-10)을 메인 면으로 하는 MgxZn1 - xO(0
Figure 112007067192703-PCT00008
x
Figure 112007067192703-PCT00009
0.5) 로 이루어지는 기판(1)의 메인 면상에, 메인 면과 평행한 면이 {11-20}면 또는 {10-10}면이고, 또 상기 메인 면과 수직인 면이 {0001}면에 배향하여 ZnO계 화합물 반도체 단결정층(이하, 간단히 ZnO계 화합물 반도체층이라고 함)(2 ~ 6)이 에피텍셜 성장되어 있다.
기판(1)은 MgxZn1 - xO(예를 들어 x=0 인 ZnO) 로 이루어지고, 메인 면이 A면 또는 M면으로 되도록 연마되어 있다. 상술한 바와 같이, 메인 면을 A면 또는 M면으로 함으로써, 헤테로 접합에 수반하는 응력이 반도체층에 작용해도, 그 피에조 전계의 영향이 소자의 구동 전압에 미치지 않기 때문이다. ZnO계 화합물, 예를 들어 MgxZn1-xO 는 결정 구조의 개념도가 도 2에 사시도와 평면도로 나타나는 바와 같이, 6방정 구조이고, A면 및 M면은 각각 도 2에 나타나는 바와 같은 면이고, 모두 C면 과 직교하는 면이다. 이 A면 또는 M면이 반도체층의 성장면으로 되도록 기판(1)은 형성되어 있다. 한편, 그 C면은 메인 면과 수직 방향(c축은 메인 면내)에 있으나, 기판과 성장하는 반도체층은 동종의 ZnO계 화합물이기 때문에 C면(c축)도 배향하여 성장한다. 이 기판(1)은 x=O 인 ZnO이어도 되고, Mg가 50at% 이하의 비율로 혼정된 MgZnO계 화합물이어도 된다. Mg가 50at% 를 넘으면, MgO는 NaCl형 결정이기 때문에, 6방정계의 ZnO계 화합물과 정합하지 않기 때문에 바람직하지 않다.
이 MgxZn1 - xO 기판은 수열(水熱) 합성법에 의해 형성된 잉곳(ingot)을 웨이퍼로 잘라 냄으로써 형성된다. 그 잘라 낼때에, 상술한 바와 같이 메인 면이 A면 또는 M면으로 되도록 잘라 내진다. 또한, 기판(1)의 Mg의 혼정 비율이 0 이어도, 그 위에 성장하는 ZnO계 화합물의 결정성(c축 배향성)에는 거의 영향이 없지만, 발광시키는 광의 파장(활성층의 조성)에 의해, 그 파장의 광보다 밴드갭이 큰 재료로 하는 것이 발광한 광이 기판(1)에 의해 흡수되지 않기 때문에 바람직하다.
반도체 적층부(8)는 도 1에 나타난 예에서는 n형 ZnO로 이루어지고, 예를 들어 10㎚ 정도 두께의 버퍼층(2)과 발광층 형성부(7)와 p형 ZnO로 이루어지고, 10 ~ 30㎚ 정도 두께의 컨택트층(6)으로 구성되어 있다. 그러나, 간단한 구조예로 나타낸 것으로, 이 적층 구조로 한정되는 것은 아니다.
발광층 형성부(7)는 도 1에 나타나는 예에서는 활성층(4)을 이 보다 밴드갭이 큰 MgyZn1 - yO(0
Figure 112007067192703-PCT00010
y
Figure 112007067192703-PCT00011
0.3, 예를 들어 y=0.1) 로 이루어진 n형층(3) 및 p형층(5)으로 샌드위치하는 더블 헤테로 구조로 형성되어 있다. 활성층(4)은 도시되어 있지 않으나, 예를 들어 하층측으로부터 n형 MgzZn1 - zO(0
Figure 112007067192703-PCT00012
z
Figure 112007067192703-PCT00013
0.15, 예를 들어 z=0.05) 로 이루어지고, 0 ~ 15㎚ 정도 두께의 n형 가이드층과, 6 ~ 15㎚ 정도 두께의 Mg0.1Zn0.9O층 및 1 ~ 5㎚ 정도 두께의 ZnO층을 교대로 6주기 적층한 적층부와, p형 MgzZn1- zO 로 이루어지고, O ~ 15㎚ 정도 두께의 p형 가이드층의 적층 구조로 형성된 다중 양자 우물(MQW) 구조로 형성되고, 예를 들어 365㎚ 정도 파장의 광을 발광하도록 형성되어 있다. 그러나, 발광층 형성부(7)의 구조는 이 예로 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 활성층(4)이 단일 양자 우물(SQW) 구조이어도, 벌크 구조이어도 되고, 또 더블 헤테로 접합 구조가 아니라, 싱글 헤테로 접합의 pn 구조이어도 된다. 또한, n형층(3)이나 p형층(5)도 장벽층과 컨택트층의 적층 구조로 하거나, 또 헤테로 접합의 층 사이에 구배층을 설치하거나, 나아가서는 기판측에 반사층을 형성할 수도 있다.
그리고, 기판(1)의 이면을 연마하여 기판(1)의 두께를 100㎛ 정도로 한 후에, 그 이면에 Ti, Al을 적층하여 신터(sinter)함으로써 n측 전극(9)을 형성하고, 또 p형 컨택트층(6)의 표면에 리프트 오프법에 의해, Ni/Au 의 적층 구조로 p측 전극(10)을 형성하여 웨이퍼로부터 칩화함으로써, 도 1에 나타나는 구조의 발광 소자 칩이 형성되어 있다. 또한, n측 전극(9)은 기판(1)의 이면에 형성하지 않고, 적층된 반도체 적층부(8)의 일부를 에칭하여 노출하는 n형층(3)의 표면에 형성할 수도 있다.
이 발광 다이오드를 제조하려면, 우선 예를 들어 수열 합성법으로 만들어진 ZnO의 잉곳을 A면(11-20) 또는 M면(10-10)으로 잘아 내어 CMP(chemical mechanical polish) 연마함으로써 웨이퍼를 만든다. 그리고, ZnO계 화합물의 성장에는 RF 플라즈마로 산소 가스의 반응 활성을 향상시킨 산소 라디칼을 만들어 내는 라디칼원(源)을 구비한 MBE 장치를 이용한다. 동일한 라디칼원을 p형 ZnO의 도펀트(dopant)인 질소를 위해 준비한다. Zn원, Mg원, Ga원(n형 도펀트)은 각각 순도 6N(99.9999%) 이상의 금속 Zn, 금속 Mg 등을 이용하여 쿠누센셀(증발원)로부터 공급한다. MBE 챔버의 주위에는 액체 질소가 흐르는 슈라우드를 준비하여 벽면이 셀이나 기판 히터로부터의 열 방사로 따뜻해지지 않도록 해 둔다. 그렇게 함으로써, 챔버내를 1×10-9Torr 정도의 고진공으로 유지할 수 있다.
이와 같은 MBE 장치내에, CMP 연마된 상술한 ZnO로 이루어진 웨이퍼를 도입한 후, 700℃ 정도에서 서멀 클리닝한 후, 기판 온도를 600℃ 정도로 내려 n형 버퍼층(2)을 성장하고, 또 상술한 구성의 각 반도체층을 순차적으로 성장함으로써 반도체 적층부(8)를 형성한다. 그리고, 상술한 바와 같이 기판(1)을 얇게 하여 표면측의 p형 컨택트층(6)상에 리프트 오프법에 의해 진공 증착법 등을 이용하여, Ni/Au 적층 구조의 p측 전극(10)을, 기판(1)의 이면에 Ti/Al 을 적층하여 600℃, 1분 정도의 신터를 행함으로써 오믹성을 확보한 n측 전극(9)을 형성한다. 그 후, 다이싱 등에 의해 웨이퍼로부터 칩화한다.
이와 같이 형성한 LED의 V-I 특성을 도 3에 나타낸다. 즉, 도 3은 횡축이 순방향 전압 V(단위 V), 종축이 순방향 전류 I(단위 A)로 양쪽의 관계를 나타낸 것으 로, A로 나타나 있는 V-I 특성이 본원 발명의 A면을 메인 면으로 한 기판에, 메인 면과 평행한 면이 {11-20}면이고, 또 상기 메인 면과 수직인 면이 {0001}면에 배향하여 성장한 ZnO계 화합물 반도체층에 의해 형성한 LED이고, C로 나타나는 VI 특성이 종래의 C면을 메인 면으로 하여 c축 배향으로 형성한 LED이다. 도 3으로부터 분명하게 알 수 있는 바와 같이 본원 발명에 의하면, 동작 전류가 20㎃ 정도의 LED로, 수 V 정도의 구동 전압의 저하를 완수할 수 있다.
상술한 예는 LED의 예이지만, 레이저 다이오드(LD)에서도 동양(同樣)으로 헤테로 접합의 반도체 적층부가 형성되고, 그 적층부와 수직 방향으로 구동 전압이 인가되기 때문에, A면 또는 M면을 메인 면으로 하는 MgxZn1 - xO(0
Figure 112007067192703-PCT00014
x
Figure 112007067192703-PCT00015
0.5, 예를 들어 x=0) 로 이루어진 기판(1)을 이용하여, 메인 면과 평행한 면이 {11-20}면 또는 {10-10}면에 배향하여 성장시키는 동시에, 메인 면과 수직인 면도 {0001}면에 배향시켜 성장함으로써, 낮은 구동 전압으로 문턱값 전류가 작은 고특성의 반도체 레이저가 얻어진다. 도 4에 이와 같은 반도체 레이저의 구조예를 나타낸다.
도 4에 있어서, 기판(1) 및 버퍼층(2)은 도 1에 나타나는 예와 동일하다. 이 예에서는 n형층(3)이 ZnO로 이루어지는 n형 컨택트층(3a), MgyZn1 - yO(0
Figure 112007067192703-PCT00016
y
Figure 112007067192703-PCT00017
0.3, 예를 들어 y=0.2) 로 이루어진 장벽층(클래드층)(3b)으로 구성되고, 활성층(4)은 상술한 예와 동양이지만, n형 MgzZn1 - zO(예를 들어 z=0.05) 로 이루어진 n형 가이드층(4a)과 Mg0 .1Zn0 .9O/ZnO 의 적층부(4b), p형 MgzZn1 - zO 로 이루어진 p형 가이드 층(4c)이 도면상에도 나타나 있고, p형층(5)이 동일한 MgyZn1 - yO(0
Figure 112007067192703-PCT00018
y
Figure 112007067192703-PCT00019
0.3) 로 이루어진 제1 층(5a) 및 제2 층(5b)으로 분할되고, 그 사이에 스트라이프 그루브(11a)가 형성된 i 또는 n형의 MgaZn1 -aO(0<a
Figure 112007067192703-PCT00020
0.3, 예를 들어 a=0.15) 로 이루어진 전류 협착층(11)이 삽입되는 구조로 형성되고, 이들에 의해 발광층 형성부(7)가 구성되어 있다. 그리고, 그 표면에는 p형 ZnO로 이루어진 p형 컨택트층(6)이 적층됨으로써, 버퍼층(2)으로부터 컨택트층(6)까지 반도체 적층부(8)가 형성되어 있다. 그리고, 컨택트층(6)상에 p측 전극(10)이 상술과 동양인 재료로 형성되어 있으나, 이 경우는 적층면의 표면측으로부터 광을 취출하지 않기 때문에, 거의 전면에 형성되고, 반도체 적층부(8)의 일부가 에칭에 의해 제거되어 노출하는 n형 컨택트층(3a)에 n측 전극(9)이 형성되어 있다. 이 n측 전극(9)은 도 1에 나타나는 예와 동양으로, 기판(1)의 이면에 형성할 수도 있다.
이와 같은 LD에서도, 헤테로 접합에 의한 응력에 기인하여 피에조 전계가 발생하지만, A면 또는 M면을 메인 면으로 한 기판(1)에 반도체층을 적층하고 있기 때문에, LD의 구동 전압에 대하여 거의 영향을 주지 않고, 반도체층의 결정성도 뛰어나며, 문턱 전류값이 작은 매우 고성능인 LD가 얻어진다.
도 5는 상술한 A면(11-20) 또는 M면(10-10)을 메인 면으로 하는 ZnO 기판(1)의 메인 면상에, 메인 면과 평행한 면이 {11-20}면 또는 {10-10}면이고, 또한 상기 메인 면과 수직인 면이 {0001}면에 배향하여 성장된 ZnO계 화합물 반도체층에 의해, 트랜지스터를 구성한 단면 설명도이다. 이 예에서는 언도핑의 ZnO층(23)을 4㎛ 정도, n형 MgZnO계 화합물 전자 주행층(24)을 10㎚ 정도, 언도핑의 MgZnO계 화합물층(25)을 5㎚ 정도 차례로 성장하고, 게이트 길이로 하는 1.5㎛ 정도의 폭을 남겨서 언도핑의 MgZnO계 화합물층(25)을 에칭 제거하여 전자 주행층(24)을 노출시킨다. 그리고, 에칭에 의해 노출한 전자 주행층(24)상에 소스 전극(26)과 드레인 전극(27)을, 예를 들어 Ti 막과 Al 막으로 형성하고, 언도핑의 MgZnO계 화합물층(25)의 표면에, 예를 들어 Pt 막과 Au 막의 적층에 의해 게이트 전극(28)을 형성함으로써, 트랜지스터를 구성하고 있다. 이와 같은 A면 또는 M면을 메인 면으로 하는 MgxZn1-xO(0
Figure 112007067192703-PCT00021
x
Figure 112007067192703-PCT00022
0.5) 로 이루어지는 기판(1)의 메인 면상에, ZnO계 화합물 반도체층을 성장함으로써, 헤테로 접합에 수반하는 응력이 작용해도, 그 응력에 의해 발생하는 피에조 전계는 게이트 전압의 인가 방향과는 다른 방향이며, 트랜지스터 특성에 영향을 미치는 일은 없고, 또한 a축 방향뿐만 아니라, c축 방향에도 배향되고 있기 때문에, 매우 결정성이 뛰어나서 리크 전류가 작고, 내압이 뛰어난 고속의 트랜지스터(HEMT)가 얻어진다.
산화 아연계 화합물 반도체를 이용한 LED나 레이저 다이오드 등의 발광 소자, HEMT 등의 트랜지스터 소자 등의 특성을 향상시킬 수 있고, 이러한 반도체 소자를 이용하는 각종의 전자 기기에 이용할 수 있다.

Claims (4)

  1. A면(11-20) 또는 M면(10-10)을 메인 면으로 하는 MgxZn1 - xO(0
    Figure 112007067192703-PCT00023
    x
    Figure 112007067192703-PCT00024
    0.5) 로 이루어지는 기판과,
    상기 MgxZn1 - xO로 이루어지는 기판의 상기 메인 면상에, 상기 메인 면과 평행한 면이 {11-20}면 또는 {10-10}면이고, 또한 상기 메인 면과 수직인 면이 {0001}면에 배향하여 에피텍셜 성장된 ZnO계 화합물 반도체 단결정층으로 이루어지는 산화 아연계 화합물 반도체 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판상에 에피텍셜 성장되는 ZnO계 화합물 반도체 단결정층이 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드의 발광층을 형성하도록 헤테로(hetero) 접합을 포함하는 반도체 적층부로서 적층되고, 산화 아연계 화합물 반도체 발광 소자를 구성하는 산화 아연계 화합물 반도체 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 반도체 적층부가 MgyZn1 - yO(0
    Figure 112007067192703-PCT00025
    y
    Figure 112007067192703-PCT00026
    0.3) 반도체층의 적층 구조로 이루어지고, 활성층을 상기 활성층의 밴드갭보다 큰 밴드갭의 반도체층에 의해 협지(挾持)함으로써 형성되는 발광층 형성부를 가지고, 상기 활성층을 사이에 두는 양측으 로부터 구동 전압이 인가됨으로써 460㎚ 이하의 단파장역으로 발광하도록 형성되어 이루어지는 산화 아연계 화합물 반도체 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단결정의 완충층상에 성장되는 질화물 반도체가 트랜지스터를 형성하도록 적층되어 이루어지는 산화 아연계 화합물 반도체 소자.
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