JP3760869B2

JP3760869B2 - Manufacturing method of semiconductor light emitting device

Info

Publication number: JP3760869B2
Application number: JP2002027162A
Authority: JP
Inventors: 道雄門田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2018-07-21
Also published as: JP2002305324A

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、ＧａＡｌＮ、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ＩｎxＧａyＡｌzＮ（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。
【０００４】
そこで、Ｃ面サファイア基板上にＩｎxＧａyＡｌzＮ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ＩｎxＧａyＡｌzＮ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、ＧａＮとの格子不整合は３.５％である）。しかし、ＳｉＣ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ＺｎＯバッファ層を成長させ、ＺｎＯバッファ層の上にＧａＮ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ＩｎxＧａyＡｌzＮ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。
【０００８】
しかし、ＧａＮとＣ面サファイア基板やＳｉＣ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。
【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、ＺｎＯ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５．２１Å〜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ＺｎＯ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、ＺｎＯ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、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、ＺｎＯ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、ＧａＮ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、ＩｎＧａＮ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ＺｎＯ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ＡｌＧａＮ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、ＩｎＧａＮ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。
【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。
【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。
【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。
【００２０】
単結晶ＺｎＯのａ定数は３.２４９８２Å、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、ＧａＮ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５.２１Å〜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）＝３０sccm、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。
【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。
【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４５、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４７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、ＺｎＯ膜上にＧａＮを形成したものであるが、本発明はＺｎＯ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Ｉｎ_XＧａ_1-XＮの組成とそのａ定数との関係から、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎのａ定数は約３.２６Åであるから、ＺｎＯ膜のａ定数をＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ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Ａｌ_XＧａ_1-XＮの組成とそのａ定数との関係から、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎのａ定数は約３.１７６Åであるから、ＺｎＯ膜のａ定数をＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ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ＩｎXＡｌYＧａZＮ（ただし、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）の組成とそのａ定数との関係から、Ｉｎ_0.2Ａｌ_0.2Ｇａ_0.6Ｎのａ定数は約３.２４５Åであるから、ＺｎＯ膜のａ定数をＩｎ_0.2Ａｌ_0.2Ｇａ_0.6Ｎ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ＺｎＯ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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図７】ＩｎXＧａ1-XＮの組成とそのａ定数との関係を示す図である。
【図８】ＡｌXＧａ1-XＮの組成とそのａ定数との関係を示す図である。
【図９】ＩｎXＡｌYＧａZＮの組成とそのａ定数との関係を示す図である。
【符号の説明】
２Ｓｉ基板
３ＺｎＯバッファ層
４ＧａＮ層
１１スパッタ装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device, a method for manufacturing the same, and a method for forming a ZnO film. In particular, the present invention relates to a semiconductor light emitting device using a III-V group compound such as GaN, InGaN, GaAlN, InGaAlN, and the like, and a method for manufacturing the same. The present invention also relates to a method for forming a ZnO film formed on a substrate such as a Si substrate or a glass substrate.
[0002]
[Prior art]
As a material of a semiconductor light emitting element such as a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) that generates blue light or ultraviolet light, a general formula InxGayAlzN (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, A group III-V compound semiconductor represented by 0 ≦ z ≦ 1) is known. Since this compound semiconductor is a direct transition type, its luminous efficiency is high, and its emission wavelength can be controlled by the In concentration.
[0003]
Since it is difficult to produce a large single crystal with this InxGayAlzN, a so-called heteroepitaxial growth method in which the crystal film is grown on a substrate of a different material is used. Grown on. However, the C-plane sapphire substrate is expensive and has a large lattice mismatch (for example, the lattice mismatch with GaN is as much as 16.1%), and a transition density of 10 ⁸ / cm ² is present in the grown crystal. A large number of crystal defects of ˜10 ¹¹ / cm ² occurred, and there was a problem that a high-quality crystal film excellent in crystallinity could not be obtained.
[0004]
Therefore, in order to reduce the lattice mismatch when growing InxGayAlzN on the C-plane sapphire substrate and obtain a crystal with few defects, a polycrystalline or amorphous AlN buffer layer or low-temperature grown GaN on the C-plane sapphire substrate. A method of providing a buffer layer has been proposed. According to this method, since the lattice mismatch between the C-plane sapphire substrate and the buffer layer is reduced and the lattice mismatch between the buffer layer and InxGayAlzN is also reduced, a crystal film with few defects can be obtained. However, this method has a problem that the cost is further increased because the structure is complicated in addition to the expensive C-plane sapphire substrate.
[0005]
An SiC substrate has also been examined as a substrate, and the lattice mismatch is small in the SiC substrate (for example, the lattice mismatch with GaN is 3.5%). However, the SiC substrate has a drawback that it is considerably more expensive than the C-plane sapphire substrate (about 10 times the price of the C-plane sapphire substrate).
[0006]
Therefore, it has been conventionally desired to manufacture a semiconductor light emitting device using an inexpensive Si substrate or glass substrate. For this purpose, a ZnO buffer layer is grown on a Si substrate or a glass substrate, a GaN layer is provided on the ZnO buffer layer, and an InxGayAlzN-based semiconductor layer for light emission is formed on the GaN layer (or a GaN layer is formed). It is conceivable to form an InxGayAlzN-based semiconductor layer. As shown in Table 1 below, both the lattice constant in the a-axis direction (hereinafter referred to as a constant) and the lattice constant in the c-axis direction (hereinafter referred to as c constant) of the ZnO single crystal are both a constant of GaN. This is because it is considered that a GaN layer with few lattice defects can be formed. The ZnO crystal is a hexagonal crystal, and grows with the c-axis direction facing the direction perpendicular to the surface of the Si substrate or glass substrate and the a-axis direction facing the direction parallel to the Si substrate or glass substrate. .
[0007]
[Table 1]

In the case where the ZnO buffer layer is provided on the Si substrate, the substrate cost can be reduced to about 1/10 compared to the C-plane sapphire substrate, and the cost can be reduced. Further, since the C-plane sapphire substrate is an insulating material, the Si substrate can be made conductive, so that the p-side electrode and the n-side electrode can be provided on the upper surface and the lower surface of the light emitting element, and the element structure There is also an advantage that can be simplified.
[0008]
However, although it is smaller than the lattice mismatch in the combination of GaN and a C-plane sapphire substrate or SiC substrate, as can be seen from Table 1 above, the ZnO buffer layer formed on the Si substrate can be Between them, there is a lattice mismatch of 2% with a constant, and defects due to the lattice mismatch become a problem.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above-described technical problems, and an object of the present invention is to provide a lattice constant in the a-axis direction between a ZnO buffer layer and a GaN layer in an InxGayAlzN-based semiconductor light emitting device. It is to provide a GaN layer with few lattice defects by making the difference smaller. Another object of the present invention is to provide a method for controlling the lattice constant of the ZnO film in the a-axis direction.
[0010]
DISCLOSURE OF THE INVENTION
Although the lattice constant in the a-axis direction of the ZnO film formed on a substrate such as a Si substrate or a glass substrate was also affected by the lattice constant of the substrate, it was considered difficult to control directly. In the ZnO film forming method of the present invention, the lattice constant in the a-axis direction of the ZnO film can be controlled by the lattice constant in the c-axis direction of the ZnO film. Here, the lattice constant in the c-axis direction of the ZnO film can be controlled by a management parameter during film formation for forming the ZnO film.
[0011]
This method can be applied to a method for manufacturing a semiconductor light emitting device using a compound semiconductor represented by InxGayAlzN (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1). . That is, a ZnO buffer layer having a lattice constant in the c-axis direction of 5.21 to 5.28 and a lattice constant in the a-axis direction of 3.24 to 3.17 is formed on a Si substrate or a glass substrate as a polycrystal. When the lattice constant in the a-axis direction of the compound semiconductor formed on the ZnO buffer layer is smaller than the lattice constant in the a-axis direction of the ZnO single crystal, the lattice constant in the c-axis direction of the ZnO buffer layer is changed to ZnO. It can be adjusted to be larger than the lattice constant in the c-axis direction of the single crystal. Conversely, when the lattice constant in the a-axis direction of the compound semiconductor formed on the ZnO buffer layer is larger than the lattice constant in the a-axis direction of the ZnO single crystal, the lattice constant in the c-axis direction of the ZnO buffer layer is It can be adjusted to be smaller than the lattice constant in the c-axis direction of the ZnO single crystal. Thus, the value of the lattice constant in the a-axis direction of the ZnO buffer layer can be made closer to the value of the lattice constant in the a-axis direction of the compound semiconductor, so that a compound semiconductor with good crystallinity can be grown on the ZnO buffer layer. .
[0012]
As a more specific application, in a semiconductor light emitting device using a compound semiconductor represented by InxGayAlzN (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1), A ZnO buffer layer having a lattice constant in the c-axis direction of 5.21? To 5.28? And a lattice constant in the a-axis direction of 3.24? To 3.17? Forming a GaN layer on the substrate.
[0013]
If the lattice constant in the c-axis direction of the ZnO buffer layer is set to 5.21 to 5.28 cm, the lattice constant in the a-axis direction can be set to 3.24 to 3.17. Can be made smaller than the lattice constant of the ZnO single crystal in the a-axis direction. Therefore, the difference between the lattice constant of the ZnO buffer layer in the a-axis direction and the lattice constant of the GaN layer can be made smaller than before, and the lattice mismatch between the ZnO buffer layer and the GaN layer can be reduced.
[0014]
In particular, if the lattice constant in the c-axis direction of the ZnO buffer layer is 5.21 to 5.28 その, the lattice constant in the a-axis direction can be 3.24 to 3.17. Can be even closer.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a semiconductor light emitting device 1 having a double heterojunction structure according to an embodiment of the present invention, and represents a light emitting diode, a surface emitting laser diode or the like having an InGaN layer 6 as a light emitting layer. In this semiconductor light emitting device 1, a ZnO buffer layer 3 having a small specific resistance is grown on a conductive Si substrate 2, and an n-type GaN layer 4, an n-type AlGaN layer 5, an InGaN layer ( A light emitting layer) 6, a p-type AlGaN layer 7, and a p-type GaN layer 8, and an n-type GaN layer 4, an n-type AlGaN layer 5, an InGaN layer (light-emitting layer) 6, a p-type AlGaN layer 7, and The p-type GaN layer 8 forms a double heterojunction structure. Further, an n-side electrode 9 is provided on the entire lower surface of the Si substrate 2, and a p-side electrode 10 is partially formed on the upper surface of the p-type GaN layer 8. Thus, when a voltage is applied between the p-side electrode 10 and the n-side electrode 9, a current is injected from the p-side electrode 10 into the InGaN layer 6 to emit light, and the light emitted from the InGaN layer 6 is emitted from the p-type GaN layer 8. The p-side electrode 10 on the top surface is emitted from the region where it is not provided.
[0016]
In such a semiconductor light emitting device 1, it is important to minimize the lattice mismatch between the ZnO buffer layer 3 formed on the Si substrate 2 and the n-type GaN layer 4 as described in the conventional example. It becomes. Therefore, in the embodiment of the present invention, the ZnO buffer layer 3 is formed as described below.
[0017]
The ZnO buffer layer 3 is grown on the Si substrate 2 by a sputtering method among vapor deposition, CVD, ion plating and the like. In the sputtering apparatus 11 for forming the ZnO buffer layer 3, as shown in FIG. 2, a cathode 13 and an anode 14 are provided in a chamber 12. ZnO is placed, and the Si substrate 2 is placed on the anode 14. The chamber 12 is provided with a pipe 16 for introducing Ar gas, a pipe 17 for introducing O ₂ gas, and an exhaust duct 18, and the flow rates of Ar gas and O ₂ gas are controlled by a flow

rate adjusting valve

19, 20 can be adjusted. Further, the sputtering apparatus 11 includes a temperature control device (not shown) for keeping the substrate heating temperature Tc constant.
[0018]
Thus, while Ar gas and O ₂ gas are introduced into the chamber 12 at a constant flow rate, the gas in the chamber 12 is discharged from the exhaust duct to keep the chamber 12 at a constant pressure. When a high-frequency voltage is applied between the anode 14 and the cathode 13 while keeping the Si substrate 2 at a constant temperature, plasma is generated between the

electrodes

13 and 14, and plasma ions 21 collide with the target to cause Zn or ZnO22. Play out. ZnO ejected from the target or ZnO produced by reaction of Zn ejected from the target with O ₂ gas is deposited on the surface of the Si substrate 2 and grows in a polycrystalline manner to become the ZnO buffer layer 3.
[0019]
FIG. 3 shows the ratio S (O ₂ ) / [of the Ar gas flow rate S (Ar) to the O ₂ gas flow rate S (O ₂ ) when the ZnO buffer layer 3 is formed on the surface of the Si substrate 2 as described above. It represents a change in the c constant of the ZnO buffer layer 3 with respect to S (Ar) + S (O ₂ )]. The flow rate St in FIG. 3 indicates the total flow rate S (Ar) + S (O ₂ ). FIG. 4 shows the relationship between the c constant and the a constant of the ZnO buffer layer 3 formed on the Si substrate 2.
[0020]
The single crystal ZnO has an a constant of 3.24982Å, the c constant is 5.20661Å (the lattice constant of the single crystal ZnO is indicated by a triangle in FIG. 4; see Table 1), and the a constant of the GaN layer 4 is 3.1860Å ( Since the lattice constant of GaN is indicated by a square in FIG. 4 (see Table 1), in order to make the a constant of the ZnO buffer layer 3 closer to the a constant of the GaN layer 4 than the single crystal ZnO, FIG. According to the above, it is understood that the c constant of the ZnO buffer layer 3 may be set to 5.2070２０ or more. In particular, in order to set the a constant of the ZnO buffer layer 3 to 3.17Å to 3.24Å which is a value in the vicinity of the a constant of the GaN layer 4, the c constant of the ZnO buffer layer 3 is 5.21Å to 5.28Å. You can do it. In particular, if the c constant of the ZnO buffer layer 3 is set to about 5.26Å, the a constant of the ZnO buffer layer 3 can be made substantially equal to the a constant of the GaN layer 4.
[0021]
Next, from the data of FIG. 3, in order to set the c constant of the ZnO buffer layer 3 to the desired value as described above, the gas flow rate St = S (Ar) + S (O ₂ ), the gas flow rate ratio S (O _2). ) / [S (Ar) + S (O ₂ )] and the substrate heating temperature Tc can be controlled. For example, in the sputtering apparatus 11 used to obtain the data of FIG. 3, for example, if the gas flow rate St = S (Ar) + S (O ₂ ) = 30 sccm and the substrate heating temperature Tc = 400 ° C., the gas flow rate ratio S ( By setting O ₂ ) / [S (Ar) + S (O ₂ )] to about 50%, the c constant of the ZnO buffer layer 3 can be set to about 5.262Å, and the corresponding a constant is It can be in the vicinity of 3.1860 ３ which is the a constant of the GaN layer 4.
[0022]
Although the relationship between the c constant of the ZnO buffer layer 3 and each control parameter value of the film forming apparatus varies depending on the type of the apparatus, the relationship between the c constant of the ZnO buffer layer 3 and the a constant is unbiased. If the parameter value of the film forming apparatus is appropriately set so that the c constant of the buffer layer 3 becomes a desired value, the a constant of the ZnO buffer layer 3 can be brought close to the a constant of the GaN layer 4.
[0023]
(Second Embodiment) The present invention can be applied to a semiconductor light emitting device having a double heterojunction structure with an InGaN layer 6 as shown in FIG. For example, a ZnO buffer layer 33, an n-type GaN layer 34, and a p-type GaN layer 35 are stacked on a Si substrate 32 as in the semiconductor light emitting device 31 shown in FIG. The p-side electrode 37 may be provided on the p-side GaN layer 35. Although not shown, a light emitting device having a structure in which a ZnO buffer layer, a low temperature growth GaN buffer layer, an n-type GaN layer, and a p-type GaN layer are stacked on a glass substrate may be used.
[0024]
(Third Embodiment) Further, as shown in FIG. 6, a ZnO buffer layer 43 is formed on a Si substrate 42, and an n-type GaN cladding layer 44, a p-type GaN active layer 45, and a p-type GaN cladding layer. 46, a SiO ₂ film 47 is formed in a region excluding the central portion of the upper surface of the p-side GaN cladding layer 46, and a p-side electrode 48 is provided on the p-type GaN cladding layer 46 from above the SiO ₂ film 47. Alternatively, a semiconductor light emitting element 41 such as a laser diode or an edge emitting type light emitting diode having an n-side electrode 49 provided on the lower surface of the Si substrate 42 may be used.
[0025]
(Fourth Embodiment) In the above embodiment, GaN is formed on a ZnO film. However, the present invention is also applied to the case where InGaN, InAlGaN, AlGaN or the like is directly formed on a ZnO film. be able to. For example, from the relationship between the composition of In _X Ga ₁ -XN and its a constant shown in FIG. 7, the a constant of In _0.2 Ga _0.8 N is about 3.26Å, so the a constant of the ZnO film is set to In _0.2 Ga According to the graph of FIG. 4, it can be seen that the c constant of the ZnO film should be set to 5.155 to 5.205 in order to approach the a constant of _0.8 N.
(Fifth Embodiment) Since the a constant of Al _0.2 Ga _0.8 N is about 3.176 from the relationship between the composition of Al _X Ga _1-X N and its a constant shown in FIG. According to the graph of FIG. 4, it can be seen that the c constant of the ZnO film should be set to 5.27 to 5.28 には in order to make the a constant of Al close to that of Al _0.2 Ga _0.8 N.
(Sixth Embodiment) Similarly, from the relationship between the composition of InXAlYGaZN (where X + Y + Z = 1) shown in FIG. 9 and its a constant, the a constant of In _0.2 Al _0.2 Ga _0.6 N is about 3.245Å. Therefore, in order to make the a constant of the ZnO film close to the a constant of In _0.2 Al _0.2 Ga _0.6 N, according to the graph of FIG. 4, the c constant of the ZnO film may be set to 5.19 to 5.22 mm. I understand. Here, the case of X = 0.2, Y = 0.2, and Z = 0.6 has been described as an example. However, even in the case of other values, the optimum ZnO concentration can be determined from the graphs of FIGS. Since the c-axis length is derived, it may be controlled so as to be the value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing that a ZnO buffer layer is formed on a Si substrate by a sputtering apparatus.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a c constant of a ZnO buffer layer formed on the surface of a Si substrate and a gas flow rate ratio S (O ₂ ) / [S (Ar) + S (O ₂ )].
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between c constant and a constant of a ZnO buffer layer formed on a Si substrate.
FIG. 5 is a perspective view illustrating a structure of a semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view illustrating a structure of a semiconductor light emitting device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the composition of In X Ga 1 -XN and its a constant.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the composition of AlXGa1-XN and its a constant.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the composition of InXAlYGaZN and its a constant.
[Explanation of symbols]
2 Si substrate 3 ZnO buffer layer 4 GaN layer 11 Sputtering device

Claims

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（Ｏ₂）］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（Ｏ₂）］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。A method of manufacturing a semiconductor light emitting device using a compound semiconductor represented by InxGayAlzN (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1),
When a ZnO buffer layer is formed on a Si substrate or a glass substrate as a polycrystal, the lattice constant in the a-axis direction of the compound semiconductor formed on the ZnO buffer layer is larger than the lattice constant in the a-axis direction of the ZnO single crystal. When it is small, the gas flow rate St = S (Ar) + S (O ₂ ), the gas flow rate ratio so that the lattice constant in the c-axis direction of the ZnO buffer layer is larger than the lattice constant in the c-axis direction of the ZnO single crystal. S (O ₂ ) / [S (Ar) + S (O ₂ )] and the substrate heating temperature Tc are controlled and adjusted,
When the lattice constant in the a-axis direction of the compound semiconductor formed on the ZnO buffer layer is larger than the lattice constant in the a-axis direction of the ZnO single crystal, the lattice constant in the c-axis direction of the ZnO buffer layer is changed to the ZnO single crystal. Gas flow rate St = S (Ar) + S (O ₂ ), gas flow rate ratio S (O ₂ ) / [S (Ar) + S (O ₂ )] and the substrate so as to be smaller than the lattice constant in the c-axis direction of By controlling and adjusting the heating temperature Tc,
A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, wherein the value of the lattice constant in the a-axis direction of the ZnO buffer layer is made closer to the value of the lattice constant in the a-axis direction of the compound semiconductor formed on the ZnO buffer layer.

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ＺｎＯバッファ層のａ軸方向の格子定数の範囲が、３．２４Å〜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。Range of lattice constant in the a-axis direction of the ZnO buffer layer when the lattice constant in the a-axis direction of the ZnO buffer layer is brought close to the lattice constant in the a-axis direction of the compound semiconductor formed on the ZnO buffer layer The manufacturing method of the semiconductor light emitting element characterized by the above-mentioned.