JP2007073672A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ドナー不純物のドーピングによって低抵抗化したn形ZnOバルク単結晶基板10上に、p形層11として窒素をドープしたZnO系化合物からなる半導体薄膜を形成してpn接合させている。n形ZnOバルク単結晶基板10の亜鉛原子を含む面にp形層11を形成するのが望ましい。
【選択図】 図1
Description
ZnO単結晶基板を用いた半導体発光素子は、例えば次の特許文献1,2,3などに開示されており、またサファイヤ基板上ではあるが、窒素(N)を導入したZnO結晶の製造方法及びZnO系LEDの製造方法が特許文献4に開示されている。
そして、図10に示す例では、n形ZnO薄膜上に第二電極(n形オーミック電極)104を形成しており、図11に示す例では、ZnOバルク単結晶基板100の裏面側に第二電極(n形オーミック電極)104を形成している。
この発明はこのような背景に鑑みてなされたものであり、n形ZnOバルク単結晶基板上に高品質なZnOのp形層を確実に形成し、量産性に優れ、充分な発光出力が得られ、安価で環境性にも優れた半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
それによって、上記n形ZnOバルク単結晶基板の抵抗率を0.5Ω・cm以下にするのが望ましい。
上記亜鉛原子を含む面は、n形ZnOバルク単結晶のc(0001)面(Zn面)、m(10−10)面、a(11−20)面のうちのいずれかであればよい。
その場合、上記n形ZnOバルク単結晶基板の面方位が、上記c(0001)面、m(10−10)面、a(11−20)面のうちのいずれかに対して、±1度以内にあっても結晶性の良い成膜が可能である。
上記p形層において、ドープされた窒素濃度が原子個数で2×1017/cm3〜1×1021/cm3であるとよい。
このように、この発明による半導体発光素子は、上記n形ZnOバルク単結晶基板上に、上記p形層を直接形成することができる。
また、上記n形ZnOバルク単結晶基板とp形層との間に、導電性を制御するためのn形導電制御層を形成するとなおよい。
上記p形層を形成する過程において、上記窒素と酸素の分圧比を1対0.5〜5にするとよい。
この発明による半導体発光素子の製造方法によれば、その半導体発光素子を効率よく製造することができる。
〔半導体発光素子の実施形態〕
図1はこの発明による半導体発光素子の一実施形態を示す模式的な断面図である。
この半導体発光素子1は、ドナー不純物のドーピングによって低抵抗化したn形ZnOバルク単結晶基板10上に、p形層11として窒素をドープしたZnO系化合物からなる半導体薄膜(p形窒素ドープZnO膜)が形成され、接合面(界面)15でpn接合されている。このp形層11は、n形ZnOバルク単結晶基板10上に、その格子情報に則って結晶成長するエピタキシャル成長で直接形成される。
そして、そのp形層11上に第一電極12としてp形オーミック電極を、n形ZnOバルク単結晶基板10の裏面に第二電極13としてn形オーミック電極をそれぞ形成している。
これにより、直列抵抗分の増加を抑えることができるため、pn接合および発光についての特性を大幅に向上させることができた。
しかし、n形ZnOバルク単結晶基板10の面方位がc(0001)面、m(10−10)面、a(11−20)面に対して、それぞれ±1度以内にあれば、テラスと呼ばれる平らな部分が広くほとんど凹凸のない場合だけでなく、ステップを含む面が現れても、この程度の角度までは結晶性の良い成膜が可能である。
このようにすることによって、n形ZnOバルク単結晶基板10上に直接高品質なZnO系半導体薄膜によるp形層11を確実に形成することができる。
しかし、pn接合の特性をさらに良いものにするために、n形ZnOバルク単結晶基板10とp形層11との間に、導電性を制御するためのn形導電制御層を設けることも有効である。
これまでバッファ層を必要とした理由に界面不純物がZnO単結晶基板上に存在する場合があり、それにともなう結晶欠陥や転位の厚さ方向への成長をバッファ層にて制御させる必要があった。しかし、この発明により、n形ZnOバルク単結晶基板上にp形層を形成するための前処理として、n形ZnOバルク単結晶基板10に平坦化のための熱処理を行う工程と、減圧容器内にて高真空中でn形ZnOバルク単結晶基板表面をクリーニングするための熱処理を行う工程と、窒素雰囲気中においてプラズマ処理を施し、n形ZnOバルク単結晶基板表の平坦化とクリーニングを行う工程とを行うことによって、バッファ層を不要とし、かつ、窒素雰囲気中でのプラズマ処理においては、p形層11における窒素リッチ層11aを形成することができた。
図5に、この発明による半導体発光素子の製造方法に使用するZnO薄膜成長装置の一例として、プラズマアシスト付きの反応性蒸着法を用いた結晶成長装置(以下、「反応性蒸着装置」という)を示す。
反応性蒸着装置は、減圧容器であるベルジャ20と、酸素と窒素を導入するための図示しない気体供給装置と、ベルジャ20内を真空状態にするための真空ポンプを含む。このベルジャ20の壁面を貫通して、酸素と窒素を導入するための気体供給口21と、真空ポンプによって排気するための排気口22が設けられている。
ベルジャ20内は、図示しない真空ポンプにより薄膜形成時には真空状態に保たれる。ベルジャ20内での薄膜成長や真空度等については、図示しない制御パネルによって適宜制御される。また、プラズマ発生用コイル40に対しても同様に制御パネルによって出力等を適宜制御される。
まず、図示していないアニール用電気炉にn形ZnOバルク単結晶基板を入れて800〜1000℃にて2H(時間)加熱し、表面の平坦化処理を行う。この熱処理の温度が800℃より低いと平坦化が十分なされず、1000℃を超えるとZnやO原子が抜けて欠陥が発生してしまう。
プラズマ出力が100Wより小さいかまたは処理時間が5分より短いと処理の効果が減少してしまう。また、プラズマ出力が300Wより大きいかまたは処理時間が30分より長いと基板にダメージを与えてしまう。
プラズマ出力は50〜250Wの間で行う。プラズマ出力が50Wより低いと成膜できず、また250Wより高いと成膜レートが高くなりすぎて結晶性が著しく悪くなる。
このようにして、n形ZnOバルク単結晶基板10上へのp形層11の形成を、減圧容器であるベルジャ20内で固体金属元素源であるルツボ30から高純度の亜鉛を蒸発させ、その亜鉛に酸素と窒素とをn形ZnOバルク単結晶基板10上または蒸発した亜鉛がその基板10に達するまでの過程で反応させることによって行う。
図7は、I−V(電流−電圧)特性を示す線図である。室温15〜20℃で測定した結果、良好な整流特性を得た。
図8は、フォトルミネッセンス(PL)スペクトルを示す線図である。横軸は光子エネルギー(eV)であり、1.24/eV(μm)が発光波長である。縦軸は発光強度(a.u.)である。a.u.は任意単位であり、発光強度の相対的な大きさを示す。測定条件は、堀場製作所製のPhotoluminor−Uを使用し、温度:4K、スリット幅:0.1mm、露光時間:600msec、励起光源:He−Cdレーザ(325nm、20mW)で測定した。
測定条件は、浜松フォトニクス社製のPHOTONIC MULTI−CHANNEL ANALYZERを使用し、温度:15〜20℃、露光時間:30sec、印加電圧:35Vで測定した。
11:p形層(p形窒素ドープZnO膜) 11a:窒素リッチ層
12:第一電極(p形オーミック電極) 13:第二電極(n形オーミック電極)
15:接合面(pn接合面/界面) 20:ベルジャ(減圧容器)
21:気体供給口 22:排気口 23:基板マスク 24:支持部材
25:基板加熱用のヒータ 26:温度センサ 30:ルツボ
31:ルツボ加熱用のヒータ 32:温度センサ 33:シャッタ
35,36:電極端子 40:プラズマ発生用コイル
Claims (16)
- ドナー不純物のドーピングによって低抵抗化したn形ZnOバルク単結晶基板上に、p形層として窒素をドープしたZnO系化合物からなる半導体薄膜が形成されてpn接合されていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1に記載の半導体発光素子において、
前記n形ZnOバルク単結晶基板が、Al、Fe、Ga、B、Inのいずれかあるいはそれらの組み合わせでによるドナー不純物を、原子の個数で1.0×1017/cm3以上ドーピングさせて低抵抗化されていることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項1又は2に記載の半導体発光素子において、
前記n形ZnOバルク単結晶基板は、抵抗率が0.5Ω・cm以下であることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、
前記n形ZnOバルク単結晶基板の前記p形層が形成される面は、亜鉛原子を含む面であることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項4に記載の半導体発光素子において、
前記亜鉛原子を含む面は、c(0001)面、m(10−10)面、a(11−20)面のうちのいずれかであることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項5に記載の半導体発光素子において、
前記n形ZnOバルク単結晶基板の面方位が、前記c(0001)面、m(10−10)面、a(11−20)面のうちのいずれかに対して、±1度以内にあることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、
前記p形層には、前記n形ZnOバルク単結晶基板との接合面の近傍に窒素リッチ層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項7に記載の半導体発光素子において、
前記p形層において、ドープされた窒素濃度が原子の個数で2×1017/cm3〜1×1021/cm3であることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記n形ZnOバルク単結晶基板上に、前記p形層が直接形成されている請求項1乃至8のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記n形ZnOバルク単結晶基板と前記p形層との間に、導電性を制御するためのn形導電制御層が形成された請求項1乃至8のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の半導体発光素子を製造する半導体発光素子の製造方法であって、
前記n形ZnOバルク単結晶基板上への前記p形層の形成を、減圧容器内で固体金属元素源から高純度の亜鉛を蒸発させ、その蒸発した亜鉛に酸素と窒素とを前記n形ZnOバルク単結晶基板上または該蒸発した亜鉛が該基板に達するまでの過程で反応させることによって行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項11に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記p形層を形成するための前処理として、前記n形ZnOバルク単結晶基板に平坦化のための熱処理を行う工程と、前記減圧容器内にて高真空中で前記n形ZnOバルク単結晶基板表面をクリーニングするための熱処理を行う工程と、窒素雰囲気中においてプラズマ処理を施し、前記n形ZnOバルク単結晶基板表面の平坦化とクリーニングを行う工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項11又は12に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記p形層を形成するの過程において、前記窒素と酸素の分圧比を1対0.5〜5とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記p形層の形成を、プラズマアシスト付きの反応性蒸着法によって行う請求項11乃至13のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記p形層の形成を、有機金属気相成長(MOCVD)法によって行う請求項11乃至13のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記p形層の形成を、金属亜鉛元素源を用いる分子線エピタキシー成長(MBE)法によって行う請求項11乃至13のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
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