JP2004207721A - 弾性表面波フィルタ - Google Patents
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Abstract
【課題】P型の2−6族化合物半導体膜を得、紫外領域の発光素子を実現する。
【解決手段】高純度ZnOターゲットをスパッタリング法によりサファイア基板上にエピタキシャル成長させ高抵抗のZnO膜を得、さらにAsをイオン注入法でドーピング、または、ドーパントを混ぜたターゲットを用いて成長させる低抵抗のP型2−6族化合物半導体膜を得る。N型ZnOとしてはAlをドープしたものを用いてPN接合を形成し発光素子を得る。
【選択図】図7
【解決手段】高純度ZnOターゲットをスパッタリング法によりサファイア基板上にエピタキシャル成長させ高抵抗のZnO膜を得、さらにAsをイオン注入法でドーピング、または、ドーパントを混ぜたターゲットを用いて成長させる低抵抗のP型2−6族化合物半導体膜を得る。N型ZnOとしてはAlをドープしたものを用いてPN接合を形成し発光素子を得る。
【選択図】図7
Description
本発明は、ZnO系II-VI族化合物半導体を主体とするp型半導体膜の製造方法及びそれを用いた発光素子に関する。
II-VI族化合物半導体であるZnOは紫外線領域で発光する発光素子材料として注目されており、直接遷移型であることから発光効率が高い。
発光ダイオードや半導体レーザー等の発光素子は、基板の上にp型半導体層とn型半導体層とからなるPN接合を形成したものであるから、発光素子を製作するためには、p型半導体層とn型半導体層とを基板上に成長させる必要がある。
基板の上に一方の導電型の半導体層をエピタキシャル成長させ、その上に導電型の異なる半導体層をエピタキシャル成長させるためには、その界面に格子不整合が生じず、しかも連続工程で結晶成長させられることが望ましい。
従って、発光素子を製作する際には、同一半導体材料を用いて導電型の異なる半導体層を積層することが望ましい。
基板の上に一方の導電型の半導体層をエピタキシャル成長させ、その上に導電型の異なる半導体層をエピタキシャル成長させるためには、その界面に格子不整合が生じず、しかも連続工程で結晶成長させられることが望ましい。
従って、発光素子を製作する際には、同一半導体材料を用いて導電型の異なる半導体層を積層することが望ましい。
しかしながら、従来のZnO系II-VI族化合物半導体では、導電型がn型の単結晶や薄膜しかできず、しかも、比抵抗の小さなものしか作製することができなかった。
そのため、比抵抗の大きなZnO単結晶や薄膜を必要とする場合には、ZnO単結晶や薄膜に補償アクセプタとしてLi、Cu、Agなどをドープすることによって高抵抗化していたが、この場合もやはりn型のものしかできず、不純物をドープしてもp型のZnO薄膜を得ることはできなかった。よって、II-VI族化合物半導体を用いてPN接合を得ようとすれば、II-VI族化合物半導体と別な種類の半導体との組み合わせとなり、格子不整合が起こり易かった。
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、化合物半導体を主成分とする半導体層に不純物をドープした新規なp型半導体膜の製造方法とその半導体膜を用いた発光素子を提供することにある。
本発明にかかるp型半導体膜の製造方法は、MgXZn1-XO(0≦x≦1)またはCdXZn1-XO(0≦x≦1)を含み、p型不純物が導入されたII−VI族化合物半導体膜を基板上に設ける工程と、前記不純物が導入された半導体膜を熱処理することにより、前記p型不純物を活性化させる工程とを包含することを特徴としている。
実験によれば、MgXZn1-XOまたはCdXZn1-XOを含むII-VI族化合物半導体を主成分とする半導体層に、p型不純物をドープした後、この半導体膜を熱処理することにより、II-VI族化合物半導体からなるp型半導体層を得られることが分かった。
ここで、前記II−VI族化合物半導体膜を基板上に設ける工程としては、p型不純物を含むMgXZn1-XO(0≦x≦1)またはCdXZn1-XO(0≦x≦1)からなるターゲットをスパッタリングする工程を包含するものであってもよく、MgXZn1-XO(0≦x≦1)またはCdXZn1-XO(0≦x≦1)からなるターゲットをスパッタリングし、そのII−VI族化合物半導体膜にp型不純物を導入する工程を包含するものであってもよい。さらに、後者の場合には、p型不純物をイオン注入によりII−VI族化合物半導体膜に導入することができる。
また、前記p型不純物としては、As、N、P、Sb、Biからなる群から選ばれるいずれか1つを用いることができる。
また、前記p型不純物を活性化させるための熱処理としては、前記半導体膜を450℃以上の温度で熱処理することが望ましい。
また、単結晶作製後もしくは半導体層成膜後、不純物をドープしてp型半導体層を得る前の半導体層は、比抵抗が106Ω・cm以上のものを用いることが望ましい。このような高抵抗の半導体層では、ZnO層中の酸素欠陥が少なく、このような比抵抗の大きい膜はドーピングして低抵抗化しやすい。このためには、純度99.999%(5N)以上、望ましくは99.9995%以上のZnO系材料を用いて十分な酸素雰囲気でZnO系膜を作製することが好ましい。
また、前記p型不純物を導入する工程においては、1017atoms/cm3以上のp型不純物を前記半導体膜に導入することが望ましい。
しかして、本発明によれば、発光素子を製作するにあたっては、p型のII-VI族化合物半導体薄膜とn型のII-VI族化合物半導体薄膜とを組み合わせることが可能になる。特に、II-VI族化合物半導体としてZnOを用いることによって紫外線領域に発光波長を有する発光素子を製作することが可能になる。典型的なものとしては、本発明にかかるp型半導体膜の製造方法により製造されたMgXZn1-XO(0≦x≦1)またはCdXZn1-XO(0≦x≦1)を含み、p型不純物が導入されたII−VI族化合物半導体膜と、MgXZn1-XO(0≦x≦1)またはCdXZn1-XO(0≦x≦1)を含み、n型不純物が導入されたII−VI族化合物半導体膜とを有する発光素子を製作することができる。
本発明によれば、導電型がp型のII-VI族化合物半導体薄膜を得ることができる。
そして、発光素子を製作するにあたっては、p型のII-VI族化合物半導体薄膜とn型のII-VI族化合物半導体薄膜とを組み合わせることが可能になる。
特に、II-VI族化合物半導体としてZnOを用いることによって紫外線領域に発光波長を有する発光素子を製作することが可能になる。
特に、II-VI族化合物半導体としてZnOを用いることによって紫外線領域に発光波長を有する発光素子を製作することが可能になる。
純度99.9999%(6N)のZnターゲットを用いてスパッタ法によりc面サファイア基板の上にZnOをエピタキシャル成長させ、図1(a)に示すようにc面サファイア基板1上に膜厚1μmのZnO単結晶薄膜2を得た。このZnO薄膜2の比抵抗ρは、108Ω・cmであった。ついで、図1(b)に示すように、このZnO薄膜2に75As+イオンを加速電圧40kVにて注入した。このドーピング後のZnO薄膜2の比抵抗は107Ω・cmであった。この後、ZnO薄膜2を形成されたc面サファイア基板1を460℃の温度で2時間アニールを行った。その結果、比抵抗を10Ω・cmまで下げることができた。また、成膜後、比抵抗が106Ω・cmあったZnO薄膜にイオン注入し、アニールした場合でも、比抵抗を20Ω・cmまで下げることができた。
このようにしてc面サファイア基板1上に形成されたZnO薄膜2内のSIMSによるAsイオン濃度のプロファイルを図2に示す。図2によれば、表面から0.02μm内に1021atoms/cm3のイオンが注入されており、0.02〜0.2μmの間には1021〜4×1017atoms/cm3のイオンが注入されていることが分かる。また、0.2μmより深い領域には、3×1017atoms/cm3のイオンが注入されていることが分かった。
このようにしてc面サファイア基板1上に形成されたZnO薄膜2内のSIMSによるAsイオン濃度のプロファイルを図2に示す。図2によれば、表面から0.02μm内に1021atoms/cm3のイオンが注入されており、0.02〜0.2μmの間には1021〜4×1017atoms/cm3のイオンが注入されていることが分かる。また、0.2μmより深い領域には、3×1017atoms/cm3のイオンが注入されていることが分かった。
次に、AsドープのZnO薄膜2の導電型をCV特性を測定することによって判定した。このCV特性とは、図3に示すように、測定対象物(ZnO薄膜2)の表面に円形電極3と環状電極4とを形成し、この円形電極3と環状電極4との間の電圧Vgsと両電極間の静電容量値Chとの関係を測定したものである。測定対象物の導電型がp型である場合には、横軸に電極間電圧Vgs、縦軸に静電容量値ChをとったCV特性は右下がりの特性となり、n型である場合には、CV特性は右上がりの特性となるので、このCV特性を求めることによって測定対象物の導電型を判定できる。
図4は上記のようにして得たAsドープZnO薄膜2のCV特性を示す図であって横軸に電極間電圧Vgs、縦軸に静電容量値Chをとっている。図4から明らかなように、このZnO薄膜2は右下がりのCV特性を示しているので、p型であると判定した。
同様にして、比抵抗ρ=106〜108Ω・cmのZnO薄膜2を400℃で、1時間アニールした場合、比抵抗は30〜50Ω・cm程度であったが、ZnO薄膜2のCV特性は右下がりとなり、p型と判定された。また、純度99.999%(5N)のZnターゲットを用いてZnO薄膜2を成膜した場合も同じであった。99.999%(5N)〜99.9999%(6N)の純度のZnOのセラミックターゲットを用いた場合も同様の結果がえられた。
ここでは、イオン注入の例を示したが、As、P、Sb、Biのいずれかを数%混ぜたターゲットを用いて成膜しても同じ結果が得られた。そのときドーピング剤を除いたターゲットの純度は、99.999%以上であった。
次に、窒素(N)をp型不純物として用いた半導体膜の製造について説明する。比抵抗が108Ω・cmのZnO薄膜に14N+を加速電圧35kVで2分間、40kVで1分間イオン注入し、その後ZnO薄膜を460℃で2時間熱処理した。イオン注入のプロファイルを図5に示す。ごく表面(深さ0〜0.01μmの領域)では1020atoms/cm3の窒素が注入されていることが分かる。また、深さ0.02〜0.25μmの領域では1019atoms/cm3の窒素が注入され、深さ0.7〜1.1μmの領域では1018atoms/cm3の窒素が注入されていることが分かる。
このZnO薄膜のCV特性を図6に示す。図3を用いて説明したように、CV特性が右下がりになっているので、ZnO薄膜がp型の導電型を有していることが分かる。このZnO薄膜の比抵抗は7Ω・cmであった。窒素をZnO膜に注入後、480℃の温度で2時間活性化を行なったZnO薄膜は、3Ω・cmの比抵抗を有していた。
なお、上記実験例は1つの例示に過ぎず、AsやNのイオン注入量を増やせば、比抵抗を1Ω・cmくらいまで低下させることも可能である。また、P、Sb、Biをp型不純物として用いても、p型のZnO薄膜を形成することが可能である。
(発光素子)図7は本発明の一実施形態による発光素子11を示す断面図である。この発光素子にあっては、c面サファイア基板1の上に金属薄膜12を形成し、その上にZnO薄膜2をエピタキシャル成長させ、このZnO薄膜2にAsをドーピングしてp型ZnO薄膜2を形成した後、さらにその上にZnO薄膜5をエピタキシャル成長させ、このZnO薄膜5にAlをドーピングしてn型ZnO薄膜5を形成している。そして、n型ZnO薄膜5の上と金属薄膜12の上面にそれぞれ上部電極13と下部電極14を形成している。p型ZnO薄膜5としては、上述したAs、N、P、Sb、Biのいずれかがドープされたp型ZnO膜を用いることができる。また、n型ZnO薄膜としてはAlがドープされたn型ZnO膜等、公知のものを用いることができる。
この発光素子11において、上部電極13と下部電極14の間に電圧を印加すると、p型ZnO薄膜2とn型ZnO薄膜5との間で発生した光は、n型ZnO薄膜5から外部へ出射される。
また、図8は本発明の別な実施形態による発光素子21を示す断面図である。この発光素子21にあっては、c面サファイア基板1の上にZnO薄膜2をエピタキシャル成長させ、このZnO薄膜2にAsをドーピングしてp型ZnO薄膜2を形成した後、さらにその上にZnO薄膜5をエピタキシャル成長させ、このZnO薄膜5にAlをドーピングしてn型ZnO薄膜5を形成している。そして、p型ZnO薄膜2の一部をn型ZnO薄膜5から露出させ、n型ZnO薄膜5の上面とp型ZnO薄膜2の上面にそれぞれ上部電極22と下部電極23を形成している。
この発光素子21において、上部電極22と下部電極23の間に電圧を印加すると、p型ZnO薄膜2とn型ZnO薄膜5との間で発生した光は、n型ZnO薄膜5から外部へ出射される。
図8では、n型ZnO/p型ZnO/サファイアの構造を示したが、p型ZnO/n型ZnO/サファイアの構造でもよい。また、c面サファイア基板1とZnO薄膜2との間にZnO薄膜2の結晶性を向上させるために不純物が添加されたZnOバッファ膜を設けてもよい。
1 c面サファイア基板
2 AsをドープされたZnO薄膜
5 AlをドープされたZnO薄膜
11、21 発光素子
2 AsをドープされたZnO薄膜
5 AlをドープされたZnO薄膜
11、21 発光素子
Claims (10)
- MgXZn1-XO(0≦x≦1)またはCdXZn1-XO(0≦x≦1)を含み、p型不純物が導入されたII−VI族化合物半導体膜を基板上に設ける工程と、
前記不純物が導入された半導体膜を熱処理することにより、前記p型不純物を活性化させる工程と、を包含するp型半導体膜の製造方法。 - 前記半導体膜を設ける工程は、p型不純物を含むMgXZn1-XO(0≦x≦1)またはCdXZn1-XO(0≦x≦1)からなるターゲットをスパッタリングすることにより、前記II−VI族化合物半導体膜を基板上に設ける工程を包含する請求項1に記載のp型半導体膜の製造方法。
- 前記半導体膜を設ける工程は、MgXZn1-XO(0≦x≦1)またはCdXZn1-XO(0≦x≦1)からなるターゲットをスパッタリングすることにより、前記II−VI族化合物半導体膜を基板上に設ける工程と、前記II−VI族化合物半導体膜にp型不純物を導入する工程とを包含する請求項1に記載のp型半導体膜の製造方法。
- 前記p型不純物をイオン注入により前記II−VI族化合物半導体膜に導入する請求項3に記載のp型半導体膜の製造方法。
- 前記p型不純物がAs、N、P、Sb、Biからなる群から選ばれる1つである請求項1〜4に記載のp型半導体膜の製造方法。
- 前記半導体膜が450℃以上の温度で熱処理される請求項1〜5に記載のp型半導体膜の製造方法。
- 前記p型不純物を導入する工程前の前記半導体膜が106Ω・cm以上の比抵抗を有する請求項1〜6に記載のp型半導体膜の製造方法。
- 前記p型不純物を導入する工程前の前記半導体膜が99.999%以上の純度を有する請求項1、3〜7に記載のp型半導体膜の製造方法。
- p型不純物を導入する工程において、1017atoms/cm3以上の前記p型不純物が前記半導体膜に導入される請求項1〜8に記載のp型半導体膜の製造方法。
- 請求項1〜9のいずれかに記載のp型半導体膜の製造方法により製造されたMgXZn1-XO(0≦x≦1)またはCdXZn1-XO(0≦x≦1)を含み、p型不純物が導入されたII−VI族化合物半導体膜と、MgXZn1-XO(0≦x≦1)またはCdXZn1-XO(0≦x≦1)を含み、n型不純物が導入されたII−VI族化合物半導体膜とを有する発光素子。
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EP2105955A1 (fr) * | 2008-03-27 | 2009-09-30 | Commissariat à l'Energie Atomique | Procédé de préparation de ZnO ou de ZnMgO dope de type P. |
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JP5229919B2 (ja) * | 2007-05-23 | 2013-07-03 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 酸化物透明導電膜を用いた光電変換素子及び光検出素子 |
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2003
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