JP2002305324A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
半導体発光素子の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ＩｎxＧａyＡｌzＮ系の半導体発光素子におい
て、ＺｎＯバッファ層とＧａＮ層とのａ軸方向の格子定
数の差をより小さくすることにより、格子欠陥の少ない
ＧａＮ層を得る。 【解決手段】導電性Ｓｉ基板２の上に比抵抗の小さなＺ
ｎＯバッファ層３を成長させ、ＺｎＯバッファ層３の上
に順次ｎ型ＧａＮ層４、ｎ型ＡｌＧａＮ層５、ＩｎＧａ
Ｎ層（発光層）６、ｐ型ＡｌＧａＮ層７、ｐ型ＧａＮ層
８を成長させることにより、ダブルへテロ接合構造の半
導体発光素子１を形成する。上記ＺｎＯバッファ層のｃ
定数は、スパッタ装置のパラメータを調整することによ
り、５.２０７０Å以上、好ましくは５.２１Å〜５.２
８Åとしている。
て、ＺｎＯバッファ層とＧａＮ層とのａ軸方向の格子定
数の差をより小さくすることにより、格子欠陥の少ない
ＧａＮ層を得る。 【解決手段】導電性Ｓｉ基板２の上に比抵抗の小さなＺ
ｎＯバッファ層３を成長させ、ＺｎＯバッファ層３の上
に順次ｎ型ＧａＮ層４、ｎ型ＡｌＧａＮ層５、ＩｎＧａ
Ｎ層（発光層）６、ｐ型ＡｌＧａＮ層７、ｐ型ＧａＮ層
８を成長させることにより、ダブルへテロ接合構造の半
導体発光素子１を形成する。上記ＺｎＯバッファ層のｃ
定数は、スパッタ装置のパラメータを調整することによ
り、５.２０７０Å以上、好ましくは５.２１Å〜５.２
８Åとしている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子及
びその製造方法、並びにＺｎＯ膜の形成方法に関する。
特に、III−Ｖ族化合物のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡ
ｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等を用いた半導体発光素子とその
製造方法に関する。また、Ｓｉ基板やガラス基板等の基
板上に成膜されるＺｎＯ膜の形成方法に関する。
びその製造方法、並びにＺｎＯ膜の形成方法に関する。
特に、III−Ｖ族化合物のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡ
ｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等を用いた半導体発光素子とその
製造方法に関する。また、Ｓｉ基板やガラス基板等の基
板上に成膜されるＺｎＯ膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】青色光ないし紫外線を発生する発光ダイ
オード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等の半
導体発光素子の材料としては、一般式ＩｎxＧａyＡｌz
Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｚ≦１）で表わされるIII−Ｖ族化合物半導体
が知られている。この化合物半導体は、直接遷移型であ
ることから発光効率が高く、また、Ｉｎ濃度によって発
光波長を制御できることから、発光素子用材料として注
目されている。
オード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等の半
導体発光素子の材料としては、一般式ＩｎxＧａyＡｌz
Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｚ≦１）で表わされるIII−Ｖ族化合物半導体
が知られている。この化合物半導体は、直接遷移型であ
ることから発光効率が高く、また、Ｉｎ濃度によって発
光波長を制御できることから、発光素子用材料として注
目されている。
【０００３】このＩｎxＧａyＡｌzＮは大型の単結晶を
作製することが困難であるため、その結晶膜の製作にあ
たっては、異なる材料の基板上に成長させる、いわゆる
ヘテロエピタキシャル成長法が用いられており、一般に
はＣ面サファイア基板の上で成長させられる。しかし、
Ｃ面サファイア基板は高価であり、そのうえ大きな格子
不整合があり（例えば、ＧａＮとの格子不整合は１６.
１％にもなる）、成長した結晶中には転移密度１０8／
ｃｍ2〜１０11／ｃｍ2という多数の結晶欠陥が生じてし
まい、結晶性に優れた良質の結晶膜を得ることができな
いという問題があった。
作製することが困難であるため、その結晶膜の製作にあ
たっては、異なる材料の基板上に成長させる、いわゆる
ヘテロエピタキシャル成長法が用いられており、一般に
はＣ面サファイア基板の上で成長させられる。しかし、
Ｃ面サファイア基板は高価であり、そのうえ大きな格子
不整合があり（例えば、ＧａＮとの格子不整合は１６.
１％にもなる）、成長した結晶中には転移密度１０8／
ｃｍ2〜１０11／ｃｍ2という多数の結晶欠陥が生じてし
まい、結晶性に優れた良質の結晶膜を得ることができな
いという問題があった。
【０００４】そこで、Ｃ面サファイア基板上にＩｎxＧ
ａyＡｌzＮを成長させる際の格子不整合を小さくし、欠
陥の少ない結晶を得るため、Ｃ面サファイア基板の上に
多結晶又は非晶質のＡｌＮバッファ層や低温成長ＧａＮ
バッファ層を設ける方法が提案されている。この方法に
よれば、Ｃ面サファイア基板とバッファ層の間の格子不
整合が小さくなると共にバッファ層とＩｎxＧａyＡｌz
Ｎの格子不整合も小さくなるので、欠陥の少ない結晶膜
を得ることができる。しかし、この方法では、高価なＣ
面サファイア基板に加え、構造が複雑になることから一
層コスト高になるという問題があった。
ａyＡｌzＮを成長させる際の格子不整合を小さくし、欠
陥の少ない結晶を得るため、Ｃ面サファイア基板の上に
多結晶又は非晶質のＡｌＮバッファ層や低温成長ＧａＮ
バッファ層を設ける方法が提案されている。この方法に
よれば、Ｃ面サファイア基板とバッファ層の間の格子不
整合が小さくなると共にバッファ層とＩｎxＧａyＡｌz
Ｎの格子不整合も小さくなるので、欠陥の少ない結晶膜
を得ることができる。しかし、この方法では、高価なＣ
面サファイア基板に加え、構造が複雑になることから一
層コスト高になるという問題があった。
【０００５】また、基板としてＳｉＣ基板も検討されて
おり、ＳｉＣ基板では格子不整合が小さい（例えば、Ｇ
ａＮとの格子不整合は３.５％である）。しかし、Ｓｉ
Ｃ基板は、Ｃ面サファイア基板と比較してもかなり高価
につく（Ｃ面サファイア基板の価格の１０倍程度）とい
う欠点があった。
おり、ＳｉＣ基板では格子不整合が小さい（例えば、Ｇ
ａＮとの格子不整合は３.５％である）。しかし、Ｓｉ
Ｃ基板は、Ｃ面サファイア基板と比較してもかなり高価
につく（Ｃ面サファイア基板の価格の１０倍程度）とい
う欠点があった。
【０００６】そこで、安価なＳｉ基板やガラス基板を用
いて半導体発光素子を製作することが従来より望まれて
いる。そのためには、Ｓｉ基板やガラス基板の上にＺｎ
Ｏバッファ層を成長させ、ＺｎＯバッファ層の上にＧａ
Ｎ層を設け、発光のためのＩｎxＧａyＡｌzＮ系半導体
層をＧａＮ層の上に（あるいは、ＧａＮ層を含むＩｎx
ＧａyＡｌzＮ系半導体層を）構成することが考えられ
る。これは、次の表１に示すように、ＺｎＯ単結晶のａ
軸方向の格子定数（以下、ａ定数という）とｃ軸方向の
格子定数（以下、ｃ定数という）がいずれもＧａＮのａ
定数とｃ定数に近いため、格子欠陥の少ないＧａＮ層が
できると考えられるからである。なお、ＺｎＯ結晶は六
方晶系の結晶であって、ｃ軸方向がＳｉ基板又はガラス
基板の表面と垂直な方向を向き、ａ軸方向がＳｉ基板又
はガラス基板と平行な方向を向いて成長する。
いて半導体発光素子を製作することが従来より望まれて
いる。そのためには、Ｓｉ基板やガラス基板の上にＺｎ
Ｏバッファ層を成長させ、ＺｎＯバッファ層の上にＧａ
Ｎ層を設け、発光のためのＩｎxＧａyＡｌzＮ系半導体
層をＧａＮ層の上に（あるいは、ＧａＮ層を含むＩｎx
ＧａyＡｌzＮ系半導体層を）構成することが考えられ
る。これは、次の表１に示すように、ＺｎＯ単結晶のａ
軸方向の格子定数（以下、ａ定数という）とｃ軸方向の
格子定数（以下、ｃ定数という）がいずれもＧａＮのａ
定数とｃ定数に近いため、格子欠陥の少ないＧａＮ層が
できると考えられるからである。なお、ＺｎＯ結晶は六
方晶系の結晶であって、ｃ軸方向がＳｉ基板又はガラス
基板の表面と垂直な方向を向き、ａ軸方向がＳｉ基板又
はガラス基板と平行な方向を向いて成長する。
【０００７】
【表１】 Ｓｉ基板の上にＺｎＯバッファ層を設けたものでは、Ｃ
面サファイア基板に比較すると、基板コストは１０分の
１程度に抑えることができ、コストを安価にすることが
できる。また、Ｃ面サファイア基板は絶縁材料であるの
に対し、Ｓｉ基板は導電性を持たせることができるの
で、ｐ側電極とｎ側電極を発光素子の上面と下面に設け
ることができ、素子構造を簡単にすることができるとい
う利点もある。
面サファイア基板に比較すると、基板コストは１０分の
１程度に抑えることができ、コストを安価にすることが
できる。また、Ｃ面サファイア基板は絶縁材料であるの
に対し、Ｓｉ基板は導電性を持たせることができるの
で、ｐ側電極とｎ側電極を発光素子の上面と下面に設け
ることができ、素子構造を簡単にすることができるとい
う利点もある。
【０００８】しかし、ＧａＮとＣ面サファイア基板やＳ
ｉＣ基板との組み合わせにおける格子不整合に比べて小
さいものの、上記の表１からも分かるように、Ｓｉ基板
の上に形成されたＺｎＯバッファ層でも、ＧａＮ層との
間にはａ定数で２％の格子不整合が存在し、格子不整合
による欠陥が問題となる。
ｉＣ基板との組み合わせにおける格子不整合に比べて小
さいものの、上記の表１からも分かるように、Ｓｉ基板
の上に形成されたＺｎＯバッファ層でも、ＧａＮ層との
間にはａ定数で２％の格子不整合が存在し、格子不整合
による欠陥が問題となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の技術的
問題点を解決するためになされたものであり、その目的
とするところは、ＩｎxＧａyＡｌzＮ系の半導体発光素
子において、ＺｎＯバッファ層とＧａＮ層とのａ軸方向
の格子定数の差をより小さくすることにより、格子欠陥
の少ないＧａＮ層を提供することにある。また、ＺｎＯ
膜のａ軸方向の格子定数を制御するための方法を提供す
ることにある。
問題点を解決するためになされたものであり、その目的
とするところは、ＩｎxＧａyＡｌzＮ系の半導体発光素
子において、ＺｎＯバッファ層とＧａＮ層とのａ軸方向
の格子定数の差をより小さくすることにより、格子欠陥
の少ないＧａＮ層を提供することにある。また、ＺｎＯ
膜のａ軸方向の格子定数を制御するための方法を提供す
ることにある。
【００１０】
【発明の開示】Ｓｉ基板やガラス基板等の基板上に成膜
されるＺｎＯ膜のａ軸方向の格子定数は、基板の格子定
数の影響もあり、直接に制御することは困難であると考
えられていたが、本発明のＺｎＯ膜の形成方法では、Ｚ
ｎＯ膜のｃ軸方向の格子定数によりＺｎＯ膜のａ軸方向
の格子定数を制御することができる。ここで、ＺｎＯ膜
のｃ軸方向の格子定数は、ＺｎＯ膜を成膜するための成
膜時の管理パラメータによって制御することができる。
されるＺｎＯ膜のａ軸方向の格子定数は、基板の格子定
数の影響もあり、直接に制御することは困難であると考
えられていたが、本発明のＺｎＯ膜の形成方法では、Ｚ
ｎＯ膜のｃ軸方向の格子定数によりＺｎＯ膜のａ軸方向
の格子定数を制御することができる。ここで、ＺｎＯ膜
のｃ軸方向の格子定数は、ＺｎＯ膜を成膜するための成
膜時の管理パラメータによって制御することができる。
【００１１】この方法は、ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただ
し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ
≦１）で表わされる化合物半導体を用いた半導体発光素
子の製造方法に適用することができる。すなわち、Ｓｉ
基板またはガラス基板上にｃ軸方向の格子定数が５．２
１Å〜５．２８Åであるとともにａ軸方向の格子定数が
３．２４Å〜３．１７ÅであるＺｎＯバッファ層を多結
晶で形成し、ＺｎＯバッファ層上に形成される化合物半
導体のａ軸方向の格子定数が、ＺｎＯ単結晶のａ軸方向
の格子定数よりも小さい場合には、ＺｎＯバッファ層の
ｃ軸方向の格子定数をＺｎＯ単結晶のｃ軸方向の格子定
数よりも大きくなるように調整することができる。逆
に、ＺｎＯバッファ層上に形成される化合物半導体のａ
軸方向の格子定数が、ＺｎＯ単結晶のａ軸方向の格子定
数よりも大きい場合には、ＺｎＯバッファ層のｃ軸方向
の格子定数をＺｎＯ単結晶のｃ軸方向の格子定数よりも
小さくなるように調整することができる。こうしてＺｎ
Ｏバッファ層のａ軸方向の格子定数と化合物半導体のａ
軸方向の格子定数の値を近づけることができるので、Ｚ
ｎＯバッファ層の上に結晶性の良好な化合物半導体を結
晶成長させることができる。
し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ
≦１）で表わされる化合物半導体を用いた半導体発光素
子の製造方法に適用することができる。すなわち、Ｓｉ
基板またはガラス基板上にｃ軸方向の格子定数が５．２
１Å〜５．２８Åであるとともにａ軸方向の格子定数が
３．２４Å〜３．１７ÅであるＺｎＯバッファ層を多結
晶で形成し、ＺｎＯバッファ層上に形成される化合物半
導体のａ軸方向の格子定数が、ＺｎＯ単結晶のａ軸方向
の格子定数よりも小さい場合には、ＺｎＯバッファ層の
ｃ軸方向の格子定数をＺｎＯ単結晶のｃ軸方向の格子定
数よりも大きくなるように調整することができる。逆
に、ＺｎＯバッファ層上に形成される化合物半導体のａ
軸方向の格子定数が、ＺｎＯ単結晶のａ軸方向の格子定
数よりも大きい場合には、ＺｎＯバッファ層のｃ軸方向
の格子定数をＺｎＯ単結晶のｃ軸方向の格子定数よりも
小さくなるように調整することができる。こうしてＺｎ
Ｏバッファ層のａ軸方向の格子定数と化合物半導体のａ
軸方向の格子定数の値を近づけることができるので、Ｚ
ｎＯバッファ層の上に結晶性の良好な化合物半導体を結
晶成長させることができる。
【００１２】より具体的な用途としては、ＩｎxＧａyＡ
ｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ
≦１、０≦ｚ≦１）で表わされる化合物半導体を用いた
半導体発光素子において、Ｓｉ基板またはガラス基板上
にｃ軸方向の格子定数が５.２１Å〜５．２８Åである
とともにａ軸方向の格子定数が３．２４Å〜３．１７Å
であるＺｎＯバッファ層を多結晶で形成し、ＺｎＯバッ
ファ層の上にＧａＮ層を形成することを挙げることがで
きる。
ｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ
≦１、０≦ｚ≦１）で表わされる化合物半導体を用いた
半導体発光素子において、Ｓｉ基板またはガラス基板上
にｃ軸方向の格子定数が５.２１Å〜５．２８Åである
とともにａ軸方向の格子定数が３．２４Å〜３．１７Å
であるＺｎＯバッファ層を多結晶で形成し、ＺｎＯバッ
ファ層の上にＧａＮ層を形成することを挙げることがで
きる。
【００１３】ＺｎＯバッファ層のｃ軸方向の格子定数を
５.２１Å〜５．２８Åにすれば、そのａ軸方向の格子
定数を３．２４Å〜３．１７Åにすることができ、Ｚｎ
Ｏバッファ層のａ軸方向の格子定数をＺｎＯ単結晶のａ
軸方向の格子定数よりも小さくすることができる。よっ
て、ＺｎＯバッファ層のａ軸方向の格子定数とＧａＮ層
の格子定数との差を従来よりも小さくでき、ＺｎＯバッ
ファ層とＧａＮ層との格子不整合を小さくすることがで
きる。
５.２１Å〜５．２８Åにすれば、そのａ軸方向の格子
定数を３．２４Å〜３．１７Åにすることができ、Ｚｎ
Ｏバッファ層のａ軸方向の格子定数をＺｎＯ単結晶のａ
軸方向の格子定数よりも小さくすることができる。よっ
て、ＺｎＯバッファ層のａ軸方向の格子定数とＧａＮ層
の格子定数との差を従来よりも小さくでき、ＺｎＯバッ
ファ層とＧａＮ層との格子不整合を小さくすることがで
きる。
【００１４】特に、ＺｎＯバッファ層のｃ軸方向の格子
定数を５.２１Å〜５.２８Åとすれば、そのａ軸方向の
格子定数を３.２４Å〜３.１７Åにすることができ、Ｇ
ａＮ層の格子定数に更に近づけることができる。
定数を５.２１Å〜５.２８Åとすれば、そのａ軸方向の
格子定数を３.２４Å〜３.１７Åにすることができ、Ｇ
ａＮ層の格子定数に更に近づけることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態による
ダブルへテロ接合構造の半導体発光素子１であって、Ｉ
ｎＧａＮ層６を発光層とする発光ダイオードや面発光型
レーザーダイオード等を表わしている。この半導体発光
素子１は、導電性Ｓｉ基板２の上に比抵抗の小さなＺｎ
Ｏバッファ層３を成長させ、ＺｎＯバッファ層３の上に
順次ｎ型ＧａＮ層４、ｎ型ＡｌＧａＮ層５、ＩｎＧａＮ
層（発光層）６、ｐ型ＡｌＧａＮ層７、ｐ型ＧａＮ層８
を成長させたものであり、ｎ型ＧａＮ層４、ｎ型ＡｌＧ
ａＮ層５、ＩｎＧａＮ層（発光層）６、ｐ型ＡｌＧａＮ
層７及びｐ型ＧａＮ層８によってダブルへテロ接合構造
が構成されている。さらに、Ｓｉ基板２の下面全面には
ｎ側電極９が設けられ、ｐ型ＧａＮ層８の上面には部分
的にｐ側電極１０が形成されている。しかして、ｐ側電
極１０とｎ側電極９の間に電圧を印加すると、ｐ側電極
１０からＩｎＧａＮ層６に電流が注入されて発光し、Ｉ
ｎＧａＮ層６から出た光はｐ型ＧａＮ層８の上面のｐ側
電極１０が設けられていない領域から外部へ出射され
る。
ダブルへテロ接合構造の半導体発光素子１であって、Ｉ
ｎＧａＮ層６を発光層とする発光ダイオードや面発光型
レーザーダイオード等を表わしている。この半導体発光
素子１は、導電性Ｓｉ基板２の上に比抵抗の小さなＺｎ
Ｏバッファ層３を成長させ、ＺｎＯバッファ層３の上に
順次ｎ型ＧａＮ層４、ｎ型ＡｌＧａＮ層５、ＩｎＧａＮ
層（発光層）６、ｐ型ＡｌＧａＮ層７、ｐ型ＧａＮ層８
を成長させたものであり、ｎ型ＧａＮ層４、ｎ型ＡｌＧ
ａＮ層５、ＩｎＧａＮ層（発光層）６、ｐ型ＡｌＧａＮ
層７及びｐ型ＧａＮ層８によってダブルへテロ接合構造
が構成されている。さらに、Ｓｉ基板２の下面全面には
ｎ側電極９が設けられ、ｐ型ＧａＮ層８の上面には部分
的にｐ側電極１０が形成されている。しかして、ｐ側電
極１０とｎ側電極９の間に電圧を印加すると、ｐ側電極
１０からＩｎＧａＮ層６に電流が注入されて発光し、Ｉ
ｎＧａＮ層６から出た光はｐ型ＧａＮ層８の上面のｐ側
電極１０が設けられていない領域から外部へ出射され
る。
【００１６】このような半導体発光素子１においては、
従来例でも説明したように、Ｓｉ基板２の上に形成され
ているＺｎＯバッファ層３とｎ型ＧａＮ層４との格子不
整合をできるだけ小さくすることが重要となる。そのた
め、本発明の実施形態においては、以下に説明するよう
にしてＺｎＯバッファ層３を形成している。
従来例でも説明したように、Ｓｉ基板２の上に形成され
ているＺｎＯバッファ層３とｎ型ＧａＮ層４との格子不
整合をできるだけ小さくすることが重要となる。そのた
め、本発明の実施形態においては、以下に説明するよう
にしてＺｎＯバッファ層３を形成している。
【００１７】ＺｎＯバッファ層３は、蒸着法、ＣＶＤ、
イオンプレーティングなどのうち、特にスパッタ法によ
りＳｉ基板２上に成長される。ＺｎＯバッファ層３を成
膜するためのスパッタ装置１１にあっては、図２に示す
ように、チャンバ１２内に陰極１３と陽極１４が設けら
れており、陰極１３上にはターゲット１５としてＺｎ又
はＺｎＯが置かれ、Ｓｉ基板２は陽極１４上に置かれて
いる。また、チャンバ１２にはＡｒガスを導入するため
のパイプ１６とＯ2ガスを導入するためのパイプ１７と
排気ダクト１８が設けられており、ＡｒガスとＯ2ガス
の流量は流量調整弁１９，２０によって調整できる。ま
た、スパッタ装置１１は基板加熱温度Ｔｃを一定に保つ
ための温度制御装置（図示せず）を備えている。
イオンプレーティングなどのうち、特にスパッタ法によ
りＳｉ基板２上に成長される。ＺｎＯバッファ層３を成
膜するためのスパッタ装置１１にあっては、図２に示す
ように、チャンバ１２内に陰極１３と陽極１４が設けら
れており、陰極１３上にはターゲット１５としてＺｎ又
はＺｎＯが置かれ、Ｓｉ基板２は陽極１４上に置かれて
いる。また、チャンバ１２にはＡｒガスを導入するため
のパイプ１６とＯ2ガスを導入するためのパイプ１７と
排気ダクト１８が設けられており、ＡｒガスとＯ2ガス
の流量は流量調整弁１９，２０によって調整できる。ま
た、スパッタ装置１１は基板加熱温度Ｔｃを一定に保つ
ための温度制御装置（図示せず）を備えている。
【００１８】しかして、ＡｒガスとＯ2ガスをチャンバ
１２内に一定流量で導入する一方、排気ダクトからチャ
ンバ１２内のガスを排出してチャンバ１２内を一定の気
圧に保つ。そして、Ｓｉ基板２を一定温度に保ちなが
ら、陽極１４と陰極１３間に高周波電圧を印加すると、
両電極１３，１４間でプラズマが発生し、プラズマのイ
オン２１がターゲットに衝突してＺｎ又はＺｎＯ２２を
弾き出す。ターゲットから弾き出されたＺｎＯ、あるい
はターゲットから弾き出されたＺｎがＯ2ガスと反応す
ることによって生成されたＺｎＯは、Ｓｉ基板２の表面
に堆積して多結晶成長し、ＺｎＯバッファ層３となる。
１２内に一定流量で導入する一方、排気ダクトからチャ
ンバ１２内のガスを排出してチャンバ１２内を一定の気
圧に保つ。そして、Ｓｉ基板２を一定温度に保ちなが
ら、陽極１４と陰極１３間に高周波電圧を印加すると、
両電極１３，１４間でプラズマが発生し、プラズマのイ
オン２１がターゲットに衝突してＺｎ又はＺｎＯ２２を
弾き出す。ターゲットから弾き出されたＺｎＯ、あるい
はターゲットから弾き出されたＺｎがＯ2ガスと反応す
ることによって生成されたＺｎＯは、Ｓｉ基板２の表面
に堆積して多結晶成長し、ＺｎＯバッファ層３となる。
【００１９】図３は上記のようにしてＳｉ基板２の表面
にＺｎＯバッファ層３を形成した場合の、Ａｒガス流量
Ｓ（Ａｒ）とＯ2ガス流量Ｓ（Ｏ2）の比Ｓ（Ｏ2）／
［Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）］に対するＺｎＯバッファ層
３のｃ定数の変化を表わしている。なお、図３中の流量
Ｓtはトータル流量Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）を示してい
る。また、図４はＳｉ基板２の上に形成されたＺｎＯバ
ッファ層３のｃ定数とａ定数の関係を表わしている。
にＺｎＯバッファ層３を形成した場合の、Ａｒガス流量
Ｓ（Ａｒ）とＯ2ガス流量Ｓ（Ｏ2）の比Ｓ（Ｏ2）／
［Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）］に対するＺｎＯバッファ層
３のｃ定数の変化を表わしている。なお、図３中の流量
Ｓtはトータル流量Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）を示してい
る。また、図４はＳｉ基板２の上に形成されたＺｎＯバ
ッファ層３のｃ定数とａ定数の関係を表わしている。
【００２０】単結晶ＺｎＯのａ定数は３.２４９８２
Å、ｃ定数は５.２０６６１Å（単結晶ＺｎＯの格子定
数は図４で三角で示している；表１参照）、ＧａＮ層４
のａ定数は３.１８６０Å（ＧａＮの格子定数は図４で
四角で示している；表１参照）であるから、ＺｎＯバッ
ファ層３のａ定数を、単結晶ＺｎＯよりもＧａＮ層４の
ａ定数に近づけるためには、図４によれば、ＺｎＯバッ
ファ層３のｃ定数を５.２０７０Å以上にすればよいこ
とが分かる。特に、ＺｎＯバッファ層３のａ定数を、Ｇ
ａＮ層４のａ定数近傍の値である３.１７Å〜３.２４Å
とするためには、ＺｎＯバッファ層３のｃ定数は５.２
１Å〜５.２８Åにすればよい。なかでも、ＺｎＯバッ
ファ層３のｃ定数を約５.２６Å程度にすれば、ＺｎＯ
バッファ層３のａ定数をＧａＮ層４のａ定数とほぼ等し
くすることができる。
Å、ｃ定数は５.２０６６１Å（単結晶ＺｎＯの格子定
数は図４で三角で示している；表１参照）、ＧａＮ層４
のａ定数は３.１８６０Å（ＧａＮの格子定数は図４で
四角で示している；表１参照）であるから、ＺｎＯバッ
ファ層３のａ定数を、単結晶ＺｎＯよりもＧａＮ層４の
ａ定数に近づけるためには、図４によれば、ＺｎＯバッ
ファ層３のｃ定数を５.２０７０Å以上にすればよいこ
とが分かる。特に、ＺｎＯバッファ層３のａ定数を、Ｇ
ａＮ層４のａ定数近傍の値である３.１７Å〜３.２４Å
とするためには、ＺｎＯバッファ層３のｃ定数は５.２
１Å〜５.２８Åにすればよい。なかでも、ＺｎＯバッ
ファ層３のｃ定数を約５.２６Å程度にすれば、ＺｎＯ
バッファ層３のａ定数をＧａＮ層４のａ定数とほぼ等し
くすることができる。
【００２１】ついで、図３のデータからは、ＺｎＯバッ
ファ層３のｃ定数を上記のような所望値にするために
は、ガス流量Ｓｔ＝Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）、ガス流量
比Ｓ（Ｏ2）／［Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）］及び基板加熱
温度Ｔcをコントロールすればよいことが分かる。例え
ば、図３のデータを得るのに用いたスパッタ装置１１で
は、例えばガス流量Ｓｔ＝Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）＝３
０sccm、基板加熱温度Ｔc＝４００℃とすれば、ガス流
量比Ｓ（Ｏ2）／［Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）］を約５０％
とすることによってＺｎＯバッファ層３のｃ定数を約
５.２６２Åとすることができ、それに対応してそのａ
定数を、ＧａＮ層４のａ定数である３.１８６０Åの近
傍とすることができる。
ファ層３のｃ定数を上記のような所望値にするために
は、ガス流量Ｓｔ＝Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）、ガス流量
比Ｓ（Ｏ2）／［Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）］及び基板加熱
温度Ｔcをコントロールすればよいことが分かる。例え
ば、図３のデータを得るのに用いたスパッタ装置１１で
は、例えばガス流量Ｓｔ＝Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）＝３
０sccm、基板加熱温度Ｔc＝４００℃とすれば、ガス流
量比Ｓ（Ｏ2）／［Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ2）］を約５０％
とすることによってＺｎＯバッファ層３のｃ定数を約
５.２６２Åとすることができ、それに対応してそのａ
定数を、ＧａＮ層４のａ定数である３.１８６０Åの近
傍とすることができる。
【００２２】ＺｎＯバッファ層３のｃ定数と成膜装置の
各管理パラメータ値との関係は、装置の種類によって変
化するが、ＺｎＯバッファ層３のｃ定数とａ定数との関
係は不偏的であるので、ＺｎＯバッファ層３のｃ定数が
所望値となるように成膜装置のパラメータ値を適切に設
定すれば、ＺｎＯバッファ層３のａ定数をＧａＮ層４の
ａ定数に近づけることができる。
各管理パラメータ値との関係は、装置の種類によって変
化するが、ＺｎＯバッファ層３のｃ定数とａ定数との関
係は不偏的であるので、ＺｎＯバッファ層３のｃ定数が
所望値となるように成膜装置のパラメータ値を適切に設
定すれば、ＺｎＯバッファ層３のａ定数をＧａＮ層４の
ａ定数に近づけることができる。
【００２３】（第２の実施形態）本発明は図１に示した
ようなＩｎＧａＮ層６によるダブルへテロ接合構造の半
導体発光素子以外にも適用することができる。例えば、
図５に示す半導体発光素子３１のように、Ｓｉ基板３２
の上にＺｎＯバッファ層３３、ｎ型ＧａＮ層３４及びｐ
型ＧａＮ層３５を積層し、Ｓｉ基板３２の下面にｎ側電
極３６を形成するとともにｐ側ＧａＮ層３５の上にｐ側
電極３７を設けたものでもよい。また、図示しないが、
ガラス基板の上にＺｎＯバッファ層、低温成長ＧａＮバ
ッファ層、ｎ型ＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層を積んだ構造
の発光素子でもよい。
ようなＩｎＧａＮ層６によるダブルへテロ接合構造の半
導体発光素子以外にも適用することができる。例えば、
図５に示す半導体発光素子３１のように、Ｓｉ基板３２
の上にＺｎＯバッファ層３３、ｎ型ＧａＮ層３４及びｐ
型ＧａＮ層３５を積層し、Ｓｉ基板３２の下面にｎ側電
極３６を形成するとともにｐ側ＧａＮ層３５の上にｐ側
電極３７を設けたものでもよい。また、図示しないが、
ガラス基板の上にＺｎＯバッファ層、低温成長ＧａＮバ
ッファ層、ｎ型ＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層を積んだ構造
の発光素子でもよい。
【００２４】（第３の実施形態）さらには、図６に示す
ように、Ｓｉ基板４２の上にＺｎＯバッファ層４３を形
成し、ｎ型ＧａＮクラッド層４４、ｐ型ＧａＮ活性層４
５、ｐ型ＧａＮクラッド層４６を積層し、ｐ側ＧａＮク
ラッド層４６の上面の中央部を除く領域にＳｉＯ2膜４
７を形成し、ＳｉＯ2膜４７の上からｐ型ＧａＮクラッ
ド層４６の上にｐ側電極４８を設け、Ｓｉ基板４２の下
面にｎ側電極４９を設けた、レーザーダイオードや端面
出射型の発光ダイオードなどの半導体発光素子４１でも
よい。
ように、Ｓｉ基板４２の上にＺｎＯバッファ層４３を形
成し、ｎ型ＧａＮクラッド層４４、ｐ型ＧａＮ活性層４
５、ｐ型ＧａＮクラッド層４６を積層し、ｐ側ＧａＮク
ラッド層４６の上面の中央部を除く領域にＳｉＯ2膜４
７を形成し、ＳｉＯ2膜４７の上からｐ型ＧａＮクラッ
ド層４６の上にｐ側電極４８を設け、Ｓｉ基板４２の下
面にｎ側電極４９を設けた、レーザーダイオードや端面
出射型の発光ダイオードなどの半導体発光素子４１でも
よい。
【００２５】（第４の実施形態）以上の実施形態は、Ｚ
ｎＯ膜上にＧａＮを形成したものであるが、本発明はＺ
ｎＯ膜の上にＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ
等を直接成膜する場合にも適用することができる。例え
ば、図７に示すＩｎXＧａ1-XＮの組成とそのａ定数との
関係から、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎのａ定数は約３.２６Åで
あるから、ＺｎＯ膜のａ定数をＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎのａ定
数に近づけるには、図４のグラフによれば、ＺｎＯ膜の
ｃ定数を５.１５５Å〜５.２０５Åにすればよいことが
分かる。 （第５の実施形態）また、図８に示すＡｌXＧａ1-XＮの
組成とそのａ定数との関係から、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎのａ
定数は約３.１７６Åであるから、ＺｎＯ膜のａ定数を
Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎのａ定数に近づけるには、図４のグラ
フによれば、ＺｎＯ膜のｃ定数を５.２７Å〜５.２８Å
にすればよいことが分かる。 （第６の実施形態）同様に、図９に示すＩｎXＡｌYＧａ
ZＮ（ただし、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）の組成とそのａ定数と
の関係から、Ｉｎ0.2Ａｌ0.2Ｇａ0.6Ｎのａ定数は約３.
２４５Åであるから、ＺｎＯ膜のａ定数をＩｎ0.2Ａｌ
0.2Ｇａ0.6Ｎのａ定数に近づけるには、図４のグラフに
よれば、ＺｎＯ膜のｃ定数を５.１９Å〜５.２２Åにす
ればよいことが分かる。なお、ここではＸ＝０.２、Ｙ
＝０.２、Ｚ＝０.６の場合を例にとって説明したが、他
の値の場合でも、図４及び図９のグラフから、最適なＺ
ｎＯのｃ軸長が導かれるので、その値となるように制御
すればよい。
ｎＯ膜上にＧａＮを形成したものであるが、本発明はＺ
ｎＯ膜の上にＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ
等を直接成膜する場合にも適用することができる。例え
ば、図７に示すＩｎXＧａ1-XＮの組成とそのａ定数との
関係から、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎのａ定数は約３.２６Åで
あるから、ＺｎＯ膜のａ定数をＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎのａ定
数に近づけるには、図４のグラフによれば、ＺｎＯ膜の
ｃ定数を５.１５５Å〜５.２０５Åにすればよいことが
分かる。 （第５の実施形態）また、図８に示すＡｌXＧａ1-XＮの
組成とそのａ定数との関係から、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎのａ
定数は約３.１７６Åであるから、ＺｎＯ膜のａ定数を
Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎのａ定数に近づけるには、図４のグラ
フによれば、ＺｎＯ膜のｃ定数を５.２７Å〜５.２８Å
にすればよいことが分かる。 （第６の実施形態）同様に、図９に示すＩｎXＡｌYＧａ
ZＮ（ただし、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）の組成とそのａ定数と
の関係から、Ｉｎ0.2Ａｌ0.2Ｇａ0.6Ｎのａ定数は約３.
２４５Åであるから、ＺｎＯ膜のａ定数をＩｎ0.2Ａｌ
0.2Ｇａ0.6Ｎのａ定数に近づけるには、図４のグラフに
よれば、ＺｎＯ膜のｃ定数を５.１９Å〜５.２２Åにす
ればよいことが分かる。なお、ここではＸ＝０.２、Ｙ
＝０.２、Ｚ＝０.６の場合を例にとって説明したが、他
の値の場合でも、図４及び図９のグラフから、最適なＺ
ｎＯのｃ軸長が導かれるので、その値となるように制御
すればよい。
【図１】本発明の一実施形態による半導体発光素子の構
造を示す断面図である。
造を示す断面図である。
【図２】スパッタ装置によりＳｉ基板上にＺｎＯバッフ
ァ層を成膜するようすを示す概略図である。
ァ層を成膜するようすを示す概略図である。
【図３】Ｓｉ基板の表面に形成されたＺｎＯバッファ層
のｃ定数とガス流量比Ｓ（Ｏ2）／［Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ
（Ｏ2）］の関係を表わした図である。
のｃ定数とガス流量比Ｓ（Ｏ2）／［Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ
（Ｏ2）］の関係を表わした図である。
【図４】Ｓｉ基板の上に形成されたＺｎＯバッファ層の
ｃ定数とａ定数の関係を表わす図である。
ｃ定数とａ定数の関係を表わす図である。
【図５】本発明の別な実施形態による半導体発光素子の
構造を示す斜視図である。
構造を示す斜視図である。
【図６】本発明のさらに別な実施形態による半導体発光
素子の構造を示す斜視図である。
素子の構造を示す斜視図である。
【図７】ＩｎXＧａ1-XＮの組成とそのａ定数との関係を
示す図である。
示す図である。
【図８】ＡｌXＧａ1-XＮの組成とそのａ定数との関係を
示す図である。
示す図である。
【図９】ＩｎXＡｌYＧａZＮの組成とそのａ定数との関
係を示す図である。
係を示す図である。
２ Ｓｉ基板 ３ ＺｎＯバッファ層 ４ ＧａＮ層 １１ スパッタ装置
Claims (2)
- 【請求項１】 ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋
ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表わ
される化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法
であって、 Ｓｉ基板またはガラス基板上にＺｎＯバッファ層を多結
晶で形成するときに、 ＺｎＯバッファ層上に形成される化合物半導体のａ軸方
向の格子定数が、ＺｎＯ単結晶のａ軸方向の格子定数よ
りも小さい場合には、ＺｎＯバッファ層のｃ軸方向の格
子定数をＺｎＯ単結晶のｃ軸方向の格子定数よりも大き
くなるように、ガス流量Ｓｔ＝Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ
（Ｏ2）、ガス流量比Ｓ（Ｏ2）／［Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ
2）］及び基板加熱温度Ｔcをコントロールして調整し、 ＺｎＯバッファ層上に形成される化合物半導体のａ軸方
向の格子定数が、ＺｎＯ単結晶のａ軸方向の格子定数よ
りも大きい場合には、ＺｎＯバッファ層のｃ軸方向の格
子定数をＺｎＯ単結晶のｃ軸方向の格子定数よりも小さ
くなるように、ガス流量Ｓｔ＝Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ
（Ｏ2）、ガス流量比Ｓ（Ｏ2）／［Ｓ（Ａｒ）＋Ｓ（Ｏ
2）］及び基板加熱温度Ｔcをコントロールして調整する
ことにより、ＺｎＯバッファ層のａ軸方向の格子定数と
ＺｎＯバッファ層の上に形成される化合物半導体のａ軸
方向の格子定数の値を近づけることを特徴とする半導体
発光素子の製造方法。 - 【請求項２】 前記ＺｎＯバッファ層のａ軸方向の格子
定数を、前記ＺｎＯバッファ層の上に形成される化合物
半導体のａ軸方向の格子定数に近づけたときの前記Ｚｎ
Ｏバッファ層のａ軸方向の格子定数の範囲が、３．２４
Å〜３．１７Åであることを特徴とする半導体発光素子
の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002027162A JP3760869B2 (ja) | 2002-02-04 | 2002-02-04 | 半導体発光素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002027162A JP3760869B2 (ja) | 2002-02-04 | 2002-02-04 | 半導体発光素子の製造方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20512598A Division JP3522114B2 (ja) | 1998-07-21 | 1998-07-21 | 半導体発光素子及びその製造方法、並びにＺｎＯ膜の形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002305324A true JP2002305324A (ja) | 2002-10-18 |
| JP3760869B2 JP3760869B2 (ja) | 2006-03-29 |
Family
ID=19192395
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002027162A Expired - Fee Related JP3760869B2 (ja) | 2002-02-04 | 2002-02-04 | 半導体発光素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3760869B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007258599A (ja) * | 2006-03-24 | 2007-10-04 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体素子及び半導体素子の製造方法 |
| CN101976800A (zh) * | 2010-10-09 | 2011-02-16 | 吉林大学 | ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器及其制备方法 |
| CN102263369A (zh) * | 2010-10-09 | 2011-11-30 | 吉林大学 | p-ZnO和n-GaN组合的ZnO基端发射激光器及制备方法 |
| CN102263370A (zh) * | 2010-10-09 | 2011-11-30 | 吉林大学 | p-ZnO和n-GaN组合的多层端发射激光器及制备方法 |
-
2002
- 2002-02-04 JP JP2002027162A patent/JP3760869B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN102263370A (zh) * | 2010-10-09 | 2011-11-30 | 吉林大学 | p-ZnO和n-GaN组合的多层端发射激光器及制备方法 |
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|---|---|
| JP3760869B2 (ja) | 2006-03-29 |
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