JP5281371B2 - Zinc oxide-based semiconductor growth method and semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化亜鉛系半導体の成長方法及び半導体素子の製造方法に関し、特に、MOCVD法による酸化亜鉛系半導体層の成長方法及びこれを用いた半導体発光素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for growing a zinc oxide based semiconductor and a method for manufacturing a semiconductor element, and more particularly to a method for growing a zinc oxide based semiconductor layer by MOCVD and a method for manufacturing a semiconductor light emitting element using the same.
酸化亜鉛(ZnO)は、室温で3.37eVのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型の半導体で、青ないし紫外領域の光素子用の材料として期待されている。特に、励起子の束縛エネルギーが60meV、また屈折率n=2.0と半導体発光素子に極めて適した物性を有している。また、発光素子、受光素子に限らず、表面弾性波(SAW)デバイス、圧電素子等にも広く応用が可能である。さらに、原材料が安価であるとともに、環境や人体に無害であるという特徴を有している。 Zinc oxide (ZnO) is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of 3.37 eV at room temperature, and is expected as a material for optical elements in the blue or ultraviolet region. In particular, the exciton binding energy is 60 meV and the refractive index n = 2.0, which is very suitable for a semiconductor light emitting device. Further, the present invention can be widely applied not only to light emitting elements and light receiving elements but also to surface acoustic wave (SAW) devices, piezoelectric elements, and the like. In addition, the raw material is inexpensive and harmless to the environment and the human body.
一般に、酸化亜鉛系化合物半導体の結晶成長方法として、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相堆積)法や、MBE(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシ)法などが利用されている。MBE法は、超高真空下での結晶成長法であり、装置が高価で生産性が低いなどの問題がある。これに対し、MOCVD法は、装置が比較的安価であるとともに、大面積成長や多数枚同時成長が可能で、スループットが高く、量産性やコスト面においても優れているという利点を有している。 In general, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, and the like are used as crystal growth methods for zinc oxide compound semiconductors. The MBE method is a crystal growth method under an ultra-high vacuum, and has problems such as expensive equipment and low productivity. On the other hand, the MOCVD method has the advantages that the apparatus is relatively inexpensive, allows large area growth and simultaneous growth of a large number of sheets, has high throughput, and is excellent in mass productivity and cost. .
MOCVD法によりサファイア(Al2O3)などの異材質基板上に酸化亜鉛(ZnO)あるいは酸化亜鉛系半導体を結晶成長させる方法については種々の報告がなされているが、ZnO結晶はc軸配向性が強く、成長の際に転位や欠陥が発生しやすく、欠陥を多く含んだ結晶や多結晶などになってしまう。その結果、残留キャリア密度や不純物濃度の増加を招く要因となるという問題があった。半導体素子、特に、動作電流密度の大きい半導体発光素子の高性能化、高信頼度化を図るには、結晶欠陥の少ないかつ平坦な高品質結晶の成長方法の開発が極めて重要である。 Various reports have been made on the method of crystal growth of zinc oxide (ZnO) or a zinc oxide based semiconductor on a dissimilar material substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ) by MOCVD. However, dislocations and defects are likely to occur during growth, resulting in crystals or polycrystals containing many defects. As a result, there has been a problem that it becomes a factor causing an increase in residual carrier density and impurity concentration. In order to achieve high performance and high reliability of semiconductor elements, particularly semiconductor light emitting elements having a large operating current density, it is extremely important to develop a method for growing a flat high quality crystal with few crystal defects.
MOCVD法によるZnO系結晶の成長方法には、アルキル金属材料を用いる方法と、ジケトン系材料などの液体ソースを用いる方法(以下、液体ソースMOCVD法という。)とがある。液体ソースMOCVD法は、高い蒸気圧の材料を溶媒に溶かした液体材料を霧化および/あるいは気化してリアクターに供給し、結晶を成長する方法である。このような液体ソースCVD法を用いた成長方法については、例えば、材料としてβジケトン化合物及び酸素(O2)を用い、サファイア基板上に酸化亜鉛を結晶成長させたものがある。ところが、ジケトン系材料を用い、特にA面サファイアあるいはC面サファイア基板上へ結晶成長を行うと、針状結晶やナノコラム状結晶になりやすい。そこで、R面サファイア基板を用いて結晶成長を行い、平坦性の改善が図られている(例えば、特許文献1及び特許文献2)が、十分な改善には至っていない。
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上に、平坦性及び結晶性に優れた高品質な酸化亜鉛系半導体、特に酸化亜鉛(ZnO)単結晶の成長方法を提供することにある。また、平坦で結晶性に優れた半導体層を有し、高性能、高信頼かつ量産性に優れた半導体素子、特に、発光効率及び量産性に優れた高性能な半導体発光素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to grow a high-quality zinc oxide-based semiconductor excellent in flatness and crystallinity on a substrate, particularly a zinc oxide (ZnO) single crystal. It is to provide a method. In addition, to provide a semiconductor element having a flat and excellent crystallinity and having high performance, high reliability, and mass productivity, in particular, a high performance semiconductor light emitting element excellent in luminous efficiency and mass productivity. is there.
本発明は、MOCVD法により基板上に酸化亜鉛系半導体層を結晶成長する方法であって、
亜鉛を含むケトン化合物有機金属材料の材料溶液を気化させた材料ガスと極性酸化ガス及び無極性酸化ガスの混合ガスとを上記基板に供給する工程、を有し、
上記混合ガスにおける上記極性酸化ガス及び上記無極性酸化ガスの混合比率は1対4ないし4対1の範囲内であることを特徴としている。
The present invention is a method for crystal growth of a zinc oxide based semiconductor layer on a substrate by MOCVD,
Supplying a material gas obtained by vaporizing a material solution of a ketone compound organometallic material containing zinc and a mixed gas of a polar oxidizing gas and a nonpolar oxidizing gas to the substrate,
The mixing ratio of the polar oxidizing gas and the nonpolar oxidizing gas in the mixed gas is in the range of 1: 4 to 4: 1.
また、本発明は、MOCVD法により基板上に酸化亜鉛系半導体層を積層して半導体発光素子を製造する方法であって、
亜鉛を含むケトン化合物有機金属材料の材料溶液を気化させた材料ガスと極性酸化ガス及び無極性酸化ガスの混合ガスとを上記基板に供給しつつ、少なくとも第1導電型の半導体層及び上記第1導電型と反対極性の第2導電型の半導体層を順次成長する工程を有し、
上記混合ガスにおける上記極性酸化ガス及び上記無極性酸化ガスの混合比率は1対4ないし4対1の範囲内であることを特徴としている。
Further, the present invention is a method for manufacturing a semiconductor light emitting device by laminating a zinc oxide based semiconductor layer on a substrate by MOCVD method,
While supplying a material gas obtained by vaporizing a material solution of a ketone compound organometallic material containing zinc and a mixed gas of a polar oxidizing gas and a nonpolar oxidizing gas to the substrate, at least the first conductivity type semiconductor layer and the first And sequentially growing a second conductivity type semiconductor layer having a polarity opposite to the conductivity type,
The mixing ratio of the polar oxidizing gas and the nonpolar oxidizing gas in the mixed gas is in the range of 1: 4 to 4: 1.
上記した本発明の1つの特徴として、上記極性酸化ガスは、水蒸気(H2O)、オゾン、メチルアルコール及びエチルアルコールのいずれか1を含み、上記無極性酸化ガスは酸素(O2)ガス、亜酸化窒素(N2O)及び二酸化炭素(CO2)のいずれか1を含んでいる。 As one feature of the present invention described above, the polar oxidizing gas includes any one of water vapor (H 2 O), ozone, methyl alcohol, and ethyl alcohol, and the nonpolar oxidizing gas is oxygen (O 2 ) gas, Any one of nitrous oxide (N 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) is contained.
以下においては、液体材料を用いたMOCVD法(以下、液体ソースMOCVD法という。)により基板上に単結晶性及び平坦性に優れた酸化亜鉛(ZnO)系半導体結晶層を成長する方法について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a method for growing a zinc oxide (ZnO) -based semiconductor crystal layer having excellent single crystallinity and flatness on a substrate by MOCVD using a liquid material (hereinafter referred to as liquid source MOCVD) will be described. Details will be described with reference to FIG.
本発明は、液体ソースMOCVD法において、c軸配向した良質かつ平坦なZnO系半導体結晶層を基板上に成長するために、完全に気化した比較的分子量の大きな材料溶液ガスの溶質分子内部に存在するZn原子を確実に酸化し、あるいは、Zn周辺の結合を切断し、かつ溶媒成分および溶質の側鎖(官能基)を確実に酸化分解することが重要との見地から検討を行った。その結果、酸素源として、酸素(O2)ガス(無極性酸化剤)及び水蒸気(H2O)(極性酸化剤)の2種類の酸素ソースを一定比率で混合することによって平坦性に優れた高品質なZnO系半導体単結晶を成長する方法を見出した。 In the liquid source MOCVD method, the present invention exists inside a solute molecule of a material gas which is completely vaporized and has a relatively large molecular weight in order to grow a high-quality and flat ZnO-based semiconductor crystal layer having a c-axis orientation on a substrate. It was examined from the viewpoint that it is important to reliably oxidize Zn atoms to be broken, or to break bonds around Zn, and to oxidatively decompose the solvent components and solute side chains (functional groups). As a result, as an oxygen source, two types of oxygen sources, oxygen (O 2 ) gas (non-polar oxidant) and water vapor (H 2 O) (polar oxidant), were mixed at a constant ratio, and the flatness was excellent. A method for growing a high-quality ZnO-based semiconductor single crystal has been found.
また、当該成長方法により形成された半導体素子として半導体発光素子(LED:Light Emitting Diode)を例に説明する。 Further, a semiconductor light emitting element (LED: Light Emitting Diode) will be described as an example of the semiconductor element formed by the growth method.
尚、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な構成要素あるいは部分には同一の参照符を付している。 In the drawings described below, substantially the same or equivalent components or parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、結晶成長に用いた液体ソースMOCVD装置100の構成を模式的に示している。
[材料溶液及び材料溶液の供給]
亜鉛材料(II族材料)として溶質及び溶媒からなり、ケトン化合物の有機金属材料を含む材料溶液116を用いた。具体的には、溶質として有機金属材料であるβジケトン系金属錯体であるビス(6−エチル−2、2−ジメチル−3、5−デカンジオナト)亜鉛(以下、Zn(EDMDD)2という。)を用いた。また、溶媒としてエチルシクロヘキサン(以下、ECHという。)を用いた。なお、材料溶液116の濃度は0.2mol/Lとした。
FIG. 1 schematically shows a configuration of a liquid source MOCVD apparatus 100 used for crystal growth.
[Supply of material solution and material solution]
A material solution 116 made of a solute and a solvent and containing an organic metal material of a ketone compound was used as a zinc material (group II material). Specifically, bis (6-ethyl-2,2-dimethyl-3,5-decanedionato) zinc (hereinafter referred to as Zn (EDMDD) 2 ) which is a β-diketone metal complex which is an organometallic material as a solute. Using. Further, ethylcyclohexane (hereinafter referred to as ECH) was used as a solvent. The concentration of the material solution 116 was 0.2 mol / L.
なお、他のβジケトン系材料として、例えば、以下のものを用いることもできる。 As other β-diketone materials, for example, the following can be used.
Mt(THD)n:ここで、THDはテトラメチルヘプタンジオナトであり、Mt(金属)は、例えば、Ba、Pb 、Sr、La、Znである。 Mt (THD) n: Here, THD is tetramethylheptanedionate, and Mt (metal) is, for example, Ba, Pb, Sr, La, Zn.
Mt(METHD)n:ここで、METHDはメトキシエトキシテトラメチルヘプタンジオナトであり、Mt(金属)は、例えば、Ba、Pb 、Sr、Ru、Zrである。 Mt (METHD) n: Here, METHD is methoxyethoxytetramethylheptanedionate, and Mt (metal) is, for example, Ba, Pb, Sr, Ru, Zr.
Mt(OD)n:ここで、ODはオクタジオナトであり、Mt(金属)は、例えば、Zn、Ruである。 Mt (OD) n: Here, OD is octadionato, and Mt (metal) is, for example, Zn or Ru.
Mt(EDMDD)n:ここで、EDMDDはエチルジメチルデカンジオナトであり、Mt(金属)は、例えば、Cu、Zn、Mg、La、Pr、Nd、Tm、Dy、Er、Ho、Tb、Yb、Gaである。 Mt (EDMDD) n: Here, EMDDD is ethyldimethyldecanedionate, and Mt (metal) is, for example, Cu, Zn, Mg, La, Pr, Nd, Tm, Dy, Er, Ho, Tb, Yb. , Ga.
さらに、Zn(DPM)2(ここで、DPM:ジピバロイルメタナト)をはじめとする固体材料も使用可能である。また、上記以外の材料も可能であるが、溶媒と反応せず、分離、沈殿しない溶媒との組み合わせは考慮する必要がある。しかしながら、装置の配管の目詰まり、メンテナンス等を考慮した場合、液体の有機金属材料が好ましい。 Furthermore, solid materials such as Zn (DPM) 2 (here, DPM: dipivaloylmethanato) can also be used. In addition, materials other than those described above are possible, but a combination with a solvent that does not react with the solvent and does not separate or precipitate must be considered. However, in view of clogging of equipment piping, maintenance, etc., a liquid organometallic material is preferred.
上記したように、材料溶液の溶媒にはエチルシクロヘキサン(ECH)を用いた。ECHは、無極性環状飽和炭化水素系の溶媒で溶質のZn(EDMDD)2とは室温で相互反応しない。またECHの蒸気圧は、20℃で約1.3kPaと比較的高く、上記した材料溶液の霧化・気化を安定させる点で適している。同様な溶媒として、酢酸ブチル、i−ブチルアルコール、トルエンなどが適している。また、さらに蒸気圧の高い材料としては、テトラヒドロフラン(THF)、ヘキサンなどがあり、適宜選択することができる。 As described above, ethylcyclohexane (ECH) was used as the solvent for the material solution. ECH is a nonpolar cyclic saturated hydrocarbon solvent and does not interact with solute Zn (EDMDD) 2 at room temperature. Further, the vapor pressure of ECH is relatively high at about 1.3 kPa at 20 ° C., which is suitable in terms of stabilizing the above-described atomization / vaporization of the material solution. As a similar solvent, butyl acetate, i-butyl alcohol, toluene and the like are suitable. Further, materials having higher vapor pressure include tetrahydrofuran (THF), hexane, and the like, which can be appropriately selected.
材料溶液116は、材料溶液容器117に格納されている。材料溶液圧送ガスとしてヘリウム(He)ガスを用い、材料溶液容器117を200kPaに加圧し、その圧力で液体流量調節装置118aに圧送した。液体流量調節装置118aによって材料溶液116の流量を0.1sccmに調整し、送液管119を通して霧化ノズル108へ供給した。 The material solution 116 is stored in the material solution container 117. Helium (He) gas was used as the material solution pressure feeding gas, the material solution container 117 was pressurized to 200 kPa, and the pressure was fed to the liquid flow rate adjusting device 118a. The flow rate of the material solution 116 was adjusted to 0.1 sccm by the liquid flow rate adjusting device 118 a and supplied to the atomizing nozzle 108 through the liquid feeding tube 119.
Heガスは液体への溶解度が低いという利点があり、圧送圧力を高くしても減圧時に気泡を発生しにくい。但し、窒素ガス(N2)、アルゴンガス(Ar)などでも、送圧が400kPa以下ならば、材料溶液に溶解する量はわずかであり、液体流量調節装置後の減圧下でも材料溶液中で気泡を発することは無いので問題無い。
[材料溶液の霧化]
霧化支援ガスとして窒素(N2)ガスを用いた。霧化支援ガスは、霧化ノズル108に供給する前に気体流量調節装置105aにて流量を調整し、霧化支援ガス送気管106を通じて霧化支援ガス加熱器107へ送り、適切な温度まで加熱した後、霧化ノズル108へ供給した。すなわち、霧化支援ガスは、気体流量調節装置105aを通過後、断熱膨張によりガス温度が低下するため、霧化支援ガス加熱器107で加熱する。また、材料溶液の霧化の際に気化熱で気化器内ガス温度が低下し、気化促進を妨げるので、霧化支援ガスの加熱は気化効率を向上させる上で効果的である。具体的には、気体流量調節装置105aで霧化支援ガス(N2ガス)の流量が1.5SLMであるように調整した。また、霧化支援ガス加熱器107により霧化支援ガスを250℃に加熱し、霧化ノズル108へ供給した。
He gas has an advantage of low solubility in a liquid, and even when the pumping pressure is increased, bubbles are not easily generated during decompression. However, even with nitrogen gas (N 2 ), argon gas (Ar), etc., if the feed pressure is 400 kPa or less, the amount dissolved in the material solution is small, and bubbles are generated in the material solution even under reduced pressure after the liquid flow control device. There is no problem because there is no issue.
[Atomization of material solution]
Nitrogen (N 2 ) gas was used as the atomization assist gas. Before the atomization support gas is supplied to the atomization nozzle 108, the flow rate is adjusted by the gas flow rate adjusting device 105 a, and the atomization support gas is sent to the atomization support gas heater 107 through the atomization support gas supply pipe 106 and heated to an appropriate temperature. After that, it was supplied to the atomization nozzle 108. That is, the atomization assisting gas is heated by the atomization assisting gas heater 107 because the gas temperature decreases due to adiabatic expansion after passing through the gas flow rate adjusting device 105a. Moreover, since the gas temperature in the vaporizer is lowered by the heat of vaporization when the material solution is atomized and the vaporization is prevented from being accelerated, the heating of the atomization support gas is effective in improving the vaporization efficiency. Specifically, the gas flow rate adjusting device 105a was adjusted so that the flow rate of the atomization support gas (N 2 gas) was 1.5 SLM. Further, the atomization support gas heater 107 heated the atomization support gas to 250 ° C. and supplied it to the atomization nozzle 108.
なお、霧化支援ガスは、窒素(N2)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、水素(H2)などの化学的に不活性なガスであれば良く、これらを二つ以上混合したガスでも良い。また、後述する材料ガス(酸化ソース)は、無極性酸化ソース(例えば、酸素(O2))と、極性酸化ソース(例えば、水蒸気(H2O))を、一定比率で混合したものが良く、それぞれ二つ以上混合しても良い。 The atomization assisting gas may be a chemically inert gas such as nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), hydrogen (H 2 ), and a mixture of two or more thereof. Gas may be used. A material gas (oxidation source) described later is preferably a mixture of a nonpolar oxidation source (for example, oxygen (O 2 )) and a polar oxidation source (for example, water vapor (H 2 O)) at a constant ratio. Two or more of each may be mixed.
材料溶液は、霧化ノズル108で微粒子液滴(ミスト)にした。使用した霧化ノズルは、圧送されてきた材料溶液と加熱された霧化支援ガスが霧化ノズル108の先端で合流するように構成されている。従って、材料溶液は、(激しく渦流化した)霧化支援ガスの働きにより、細かく均一な液滴(ミスト)の霧になり、気化器109内に噴霧される。 The material solution was made into fine particle droplets (mist) by the atomizing nozzle 108. The used atomizing nozzle is configured such that the material solution that has been fed and the atomization assisting gas that has been heated merge at the tip of the atomizing nozzle 108. Therefore, the material solution is atomized into fine and uniform droplets (mist) by the action of the atomization assisting gas (violently swirled) and sprayed into the vaporizer 109.
本実施例で用いた霧化ノズル108は、液体流量0.05〜1.00ml/min、液体粘性10cP(センチポアズ)以下、霧化支援ガス容積15000〜20000ml/min、2次側圧力(気化器圧力)〜20kPa、にて液体粒径60μm以下のミストを発生する性能を有している。 The atomization nozzle 108 used in this example has a liquid flow rate of 0.05 to 1.00 ml / min, a liquid viscosity of 10 cP (centipoise) or less, an atomization assist gas volume of 15000 to 20000 ml / min, and a secondary pressure (vaporizer). It has the capability of generating mist having a liquid particle size of 60 μm or less at a pressure of 20 kPa.
例えば、2次側圧力が0.1kPaなら霧化支援ガスは15〜20ml/min(標準状態)、1kPaなら支援ガスは150〜200ml/min(標準状態)、10kPaなら霧化支援ガスは1500〜2000ml/min(標準状態)必要となる。また、霧化後の液体粒径は、液体流量、液体粘度、霧化支援ガス流量、2次圧、温度等で変わるが、上記条件が一定なら粒径も一定になる。 For example, if the secondary pressure is 0.1 kPa, the atomization support gas is 15 to 20 ml / min (standard state). If 1 kPa, the support gas is 150 to 200 ml / min (standard state). 2000 ml / min (standard state) is required. The liquid particle size after atomization varies depending on the liquid flow rate, liquid viscosity, atomization assist gas flow rate, secondary pressure, temperature, and the like. If the above conditions are constant, the particle size is also constant.
このように、本実施例で用いた霧化ノズル108は、中心部から材料溶液が吐出され、その外周部から霧化支援ガスが噴出し、ミスト化する構造である。この構造により霧化ノズル先端部は、常に洗浄され溶質成分が析出、堆積することはない。なお、逆の場合は材料溶液が霧化ノズル先端部に溜まりを作り溶質成分が析出、堆積する場合がある。
[溶媒・溶質の気化及び気化器]
霧化ノズル108から噴霧された材料溶液ミストは、加熱した気化器109内でミスト表面から蒸気圧の高い溶媒が優先的に蒸発し、材料溶質成分が濃縮された更に粒径の小さいミスト(以後、溶質ミストという。)になる。更に、微粒子化した溶質ミスト表面から有機金属材料成分が蒸発し、ミストは消滅して材料溶液は全てガス化する。以上の過程を経て霧化支援ガスとガス化した材料溶液(材料溶液ガス)は、反応容器120へ供給される。なお、気化器109から反応容器120までの区間も気化した材料溶液が再凝集しないように加熱した。
As described above, the atomization nozzle 108 used in the present example has a structure in which the material solution is discharged from the central portion, and the atomization assisting gas is ejected from the outer peripheral portion to be misted. With this structure, the tip of the atomizing nozzle is always cleaned and no solute component is deposited or deposited. In the opposite case, the material solution may accumulate at the tip of the atomizing nozzle and the solute component may be deposited and deposited.
[Solvent / solute vaporization and vaporizer]
The material solution mist sprayed from the atomizing nozzle 108 is a mist having a smaller particle diameter (hereinafter referred to as a mist component) in which the solvent having a high vapor pressure is preferentially evaporated from the surface of the mist in the heated vaporizer 109 and the material solute components are concentrated. , Called solute mist). Furthermore, the organometallic material component evaporates from the surface of the finely divided solute mist, the mist disappears, and all the material solution is gasified. The atomization support gas and the gasified material solution (material solution gas) are supplied to the reaction vessel 120 through the above process. The section from the vaporizer 109 to the reaction vessel 120 was also heated so that the vaporized material solution did not re-aggregate.
ここで、材料溶液ミスト粒径を小さく均一にすることで、溶媒蒸発面積が広くなり速く溶媒が蒸発する、また蒸発時間(気化器内の距離)を一定化させることができる。また溶媒蒸発後の溶質蒸発についても同様である。 Here, by making the material solution mist particle size small and uniform, the solvent evaporation area is widened, the solvent is quickly evaporated, and the evaporation time (distance in the vaporizer) can be made constant. The same applies to solute evaporation after solvent evaporation.
具体的には、本実施例で用いた気化器109は直径10cm、長さ65cmのサイズで、内部気化用ヒーターを設置し接ガス面積を広く取るためにフィンを備え、外部には保温用のヒーターを備えた構造とした。また、接ガス部の温度を300℃で、噴出し部温度250℃に設定した。なお、材料溶液の気化温度は200℃以上であることが好ましい。
[材料ガス]
材料ガス(VI族ガス)として、酸素(O2)ガス(無極性酸化ソース、又は無極性酸化ガス)及び水蒸気(H2O)(極性酸化ソース、又は極性酸化ガス)を用いた。酸素(O2)ガスは、気体流量調節装置105dにて流量を調整した後、材料ガス配管103、材料ガス送気管110を通じて材料ガス加熱器111へ送気した。酸素ガスは、気体流量調整装置105dの後段で断熱膨張して冷却される、また気化器109から供給されるガスと同温にする必要があるので材料ガス加熱器111で加熱した。
Specifically, the vaporizer 109 used in this example has a diameter of 10 cm and a length of 65 cm, is provided with an internal vaporization heater and has fins for widening the gas contact area, and externally used for heat insulation. The structure was equipped with a heater. Moreover, the temperature of the gas contact part was set to 300 ° C., and the jet part temperature was set to 250 ° C. In addition, it is preferable that the vaporization temperature of a material solution is 200 degreeC or more.
[Material gas]
As the material gas (Group VI gas), oxygen (O 2 ) gas (nonpolar oxidation source or nonpolar oxidation gas) and water vapor (H 2 O) (polar oxidation source or polar oxidation gas) were used. Oxygen (O 2 ) gas was supplied to the material gas heater 111 through the material gas pipe 103 and the material gas supply pipe 110 after the flow rate was adjusted by the gas flow rate adjusting device 105 d. The oxygen gas is adiabatically expanded and cooled at the subsequent stage of the gas flow rate adjusting device 105d, and is heated by the material gas heater 111 because it is necessary to have the same temperature as the gas supplied from the vaporizer 109.
もう一つの材料ガスである水蒸気(H2O)は、水(超純水)130が容れられた水容器131を水容器側面加熱器132および水容器底面加熱器133にて加熱し、加熱水蒸気状態とし、高温用気体流量調整装置135にて流量を調整した後、水蒸気配管136を通じて気化ガス導入管129へ送気した。なお、水蒸気蒸気圧が、水蒸気用配管内圧(反応容器圧力)及び高温用気体流量調整装置135の動作差圧の和以上となるように水を過熱した。さらに、水蒸気は酸素同様、流量調整装置135の後段で断熱膨張して冷却されるため、高温用気体流量調整装置135および水蒸気配管136を加熱した。加熱した酸素および水蒸気は、反応容器120の手前で霧化支援ガスおよび材料溶液ガスと合流させ、導入管129を通じて反応容器120へ供給した。 Water vapor (H 2 O), which is another material gas, heats a water container 131 containing water (ultra-pure water) 130 with a water container side heater 132 and a water container bottom heater 133 to produce heated steam. After adjusting the flow rate with the high-temperature gas flow rate adjusting device 135, the gas was fed to the vaporized gas introduction tube 129 through the water vapor pipe 136. The water was overheated so that the water vapor pressure was equal to or higher than the sum of the internal pressure of the water vapor pipe (reaction vessel pressure) and the operation differential pressure of the high-temperature gas flow rate adjusting device 135. Further, since the water vapor is adiabatically expanded and cooled at the subsequent stage of the flow rate adjusting device 135 like oxygen, the high-temperature gas flow rate adjusting device 135 and the water vapor pipe 136 were heated. The heated oxygen and water vapor were combined with the atomization support gas and the material solution gas before the reaction vessel 120 and supplied to the reaction vessel 120 through the introduction pipe 129.
上記したように、本実施例では、ZnO結晶を成長したので、材料ガスには、酸素ガス(無極性酸化ソース)と、水蒸気(極性酸化ソース)を用いた。また流量は気体流量調整装置にて各々調整し、水蒸気(H2O)と酸素ガスの混合比を2対3(H2O:O2=2:3)で、合計流量を0.5SLMとした。ガス加熱器の噴出し温度は、気化器より送気されてくる霧化支援ガス、材料溶液ガスと同じ250℃とした。 As described above, in this example, since the ZnO crystal was grown, oxygen gas (nonpolar oxidation source) and water vapor (polar oxidation source) were used as the material gas. The flow rate is adjusted by a gas flow rate adjusting device, the mixing ratio of water vapor (H 2 O) and oxygen gas is 2 to 3 (H 2 O: O 2 = 2: 3), and the total flow rate is 0.5 SLM. did. The ejection temperature of the gas heater was set to 250 ° C., which is the same as that of the atomization support gas and material solution gas fed from the vaporizer.
なお、ZnO結晶成長用材料ガスについては、極性酸化ソースでは、水蒸気(H2O)に換えて、オゾン、メチルアルコール、エチルアルコールなどの低級アルコールを用いてもよい。また、無極性酸化ソースでは、酸素(O2)に換えて、亜酸化窒素(N2O)、二酸化炭素(CO2)などでも良い。また、これらの混合物を用いてもよい。
上記したように、材料ガスを気化器109の後段より合流する構成とすることで、材料ガス流量を増減した場合でも、気化器109を流れるガス流量及び温度を一定に保つことができる。また、材料ガスと同時に窒素ガスなどの不活性ガスを供給しても良い。
As for the ZnO crystal growth material gas, in a polar oxidation source, lower alcohol such as ozone, methyl alcohol, or ethyl alcohol may be used instead of water vapor (H 2 O). In the case of a nonpolar oxidation source, nitrous oxide (N 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), or the like may be used instead of oxygen (O 2 ). Moreover, you may use these mixtures.
As described above, by adopting a configuration in which the material gas is merged from the subsequent stage of the vaporizer 109, the gas flow rate and temperature flowing through the vaporizer 109 can be kept constant even when the material gas flow rate is increased or decreased. Moreover, you may supply inert gas, such as nitrogen gas, simultaneously with material gas.
なお、反応容器に流れ込むガス流量を一定にしたい場合は、下記の流量を流せばよい。 In addition, what is necessary is just to flow the following flow volume, when you want to make constant the gas flow volume which flows into reaction container.
不活性ガス流量
=反応容器に流れ込むガス流量―(霧化支援ガス流量+材料溶液ガス流量+材料ガス流量)
また、反応容器に流れ込むガス流量を増減したい場合は、見合うだけの不活性ガスを供給すれば良い。
[ZnO結晶の成長]
結晶成長用基板10として、コランダム構造を有するα−サファイア単結晶(Al2O3)を用いた。本実施例においては、サファイアA面({11−20}面)を結晶成長面として当該サファイアA面上にZnO結晶層11を成長した。以下においては、サファイアA面({11−20}面)を主面(結晶成長面)とする基板をA面サファイア基板と称する。なお、ここで、ミラー指数{ }は等価な面の代表値を示している。
Inert gas flow rate = Gas flow rate flowing into the reaction vessel-(Atomization support gas flow rate + Material solution gas flow rate + Material gas flow rate)
Further, when it is desired to increase or decrease the flow rate of gas flowing into the reaction vessel, it is sufficient to supply an inert gas that is commensurate.
[Growth of ZnO crystal]
As the substrate 10 for crystal growth, α-sapphire single crystal (Al 2 O 3 ) having a corundum structure was used. In this example, the ZnO crystal layer 11 was grown on the sapphire A plane with the sapphire A plane ({11-20} plane) as the crystal growth plane. Hereinafter, a substrate having a sapphire A plane ({11-20} plane) as a main surface (crystal growth plane) is referred to as an A-plane sapphire substrate. Here, the Miller index {} indicates a representative value of an equivalent surface.
サセプタ121にA面サファイア基板10をセットし、気体流量調整装置105dより酸素ガス(流量0.5SLM)を反応容器120に供給した。供給したガスの温度が250℃になるように材料ガス加熱器111の温度を調整し、更に反応容器120の後段の圧力調整装置124にて反応容器120内の圧力が10kPaとなるように調整した。その後、基板加熱器122により基板10を900℃に加熱し、10分間の熱処理を施した。なお、このとき、材料溶液ガス導入弁126を閉じ、排気弁127を開いて、気体流量調整装置105aより窒素ガス(流量1.5SLM)を流しておき、成長時のガス総量を確保し、安定化した。 The A-plane sapphire substrate 10 was set on the susceptor 121, and oxygen gas (flow rate 0.5 SLM) was supplied to the reaction vessel 120 from the gas flow rate adjusting device 105d. The temperature of the material gas heater 111 was adjusted so that the temperature of the supplied gas was 250 ° C., and further the pressure in the reaction vessel 120 was adjusted to 10 kPa by the pressure adjusting device 124 at the rear stage of the reaction vessel 120. . Thereafter, the substrate 10 was heated to 900 ° C. by the substrate heater 122 and subjected to a heat treatment for 10 minutes. At this time, the material solution gas introduction valve 126 is closed, the exhaust valve 127 is opened, and nitrogen gas (flow rate: 1.5 SLM) is allowed to flow from the gas flow rate adjusting device 105a to ensure the total amount of gas during growth and to stabilize Turned into.
次に、基板温度を降下させ保持し、成長温度(Tg)を500℃としてZnO結晶層11の成長を行った。霧化支援ガスとして気体流量調整装置105aより窒素ガスを1.5SLM、材料溶液として0.2mol/LのZn(EDMDD)2/ECH溶液を液体流量調整装置118aより0.1sccm供給して霧化・気化し材料溶液ガスを反応容器120へ供給した。なお、霧化支援ガスの噴出し温度を250℃、気化器109の噴出し温度を250℃とした。更に、材料ガスとしての酸素の流量を変更し、高温用気体流量調整装置135より供給する水蒸気との合計流量が0.5SLM(H2O:O2=2:3)となるよう調整した。120分間の結晶成長を行い、A面サファイア基板10上に厚さ1.0μmの二次元成長したZnO単結晶を得た(成長速度Rg=0.5μm/hr)。 Next, the substrate temperature was lowered and held, and the growth temperature (Tg) was set to 500 ° C. to grow the ZnO crystal layer 11. Atomization support gas is atomized by supplying 1.5 SLM of nitrogen gas from the gas flow controller 105a and 0.1 sccm of 0.2 mol / L Zn (EDMDD) 2 / ECH solution as the material solution from the liquid flow controller 118a The vaporized material solution gas was supplied to the reaction vessel 120. The spraying temperature of the atomization assisting gas was 250 ° C., and the spraying temperature of the vaporizer 109 was 250 ° C. Furthermore, the flow rate of oxygen as the material gas was changed, and the total flow rate with water vapor supplied from the high-temperature gas flow rate adjustment device 135 was adjusted to 0.5 SLM (H 2 O: O 2 = 2: 3). Crystal growth was performed for 120 minutes to obtain a ZnO single crystal that was two-dimensionally grown with a thickness of 1.0 μm on the A-plane sapphire substrate 10 (growth rate Rg = 0.5 μm / hr).
なお、霧化支援ガスに材料ガスである酸素ガス等を混合して導入しても良い。材料溶液である有機金属化合物材料および有機溶媒は、酸素により酸化され低分子化またはクラッキングを起す場合があり、予め材料溶液のガスと混合することで、基板上でZn元素と酸素源との反応を容易にする場合があるからである。なお、クラッキングとは、酸化反応による低分子化とは別に、酸素分子もしくは原子が溶媒分子に衝突し、溶媒分子の結合の一部を切断することである。 In addition, oxygen gas etc. which are material gas may be mixed and introduced into atomization assistance gas. The organometallic compound material and the organic solvent, which are material solutions, may be oxidized by oxygen to cause low molecular weight or cracking. By mixing with the gas of the material solution in advance, the reaction between the Zn element and the oxygen source on the substrate It is because it may make it easy. In addition, cracking is to separate oxygen molecules or atoms from collision with solvent molecules and break some of the bonds of the solvent molecules apart from the reduction of molecular weight by oxidation reaction.
本実施例では、基板にA面サファイア基板を用いたが、これに限定されるものではない。基板面上にc軸配向したZnO結晶の場合では、該基板面が60°、120°、180°の回転対称位置に格子整合点が存在するような結晶基板であればよい。また、a軸あるいはm軸配向したZnO結晶の場合では、180°の回転対称位置に格子整合点が存在するような結晶基板であればよい。例えば、R面サファイア、C面サファイア、ZnO、SiC(炭化珪素)などの結晶基板を用いることができる。 In this embodiment, an A-plane sapphire substrate is used as the substrate, but the present invention is not limited to this. In the case of a ZnO crystal having c-axis orientation on the substrate surface, the crystal substrate may be such that the substrate surface has lattice matching points at rotationally symmetric positions of 60 °, 120 °, and 180 °. Further, in the case of an a-axis or m-axis oriented ZnO crystal, any crystal substrate in which a lattice matching point exists at a rotationally symmetric position of 180 ° may be used. For example, a crystal substrate such as R-plane sapphire, C-plane sapphire, ZnO, or SiC (silicon carbide) can be used.
また、酸化亜鉛(ZnO)を成長する場合を例に説明したが、酸化亜鉛系半導体(混晶)を成長する場合についても、上記した成長方法を適用することができる。すなわち、材料溶液116について詳細に説明したように、種々の有機金属材料(ケトン系材料)を用いることもできる。具体的には、当該有機金属材料は、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、あるいは希土類金属などを含む材料であってもよい。例えば、Mg混晶系の酸化物半導体(MgxZn(1−x)O )を成長する場合には、例えば、Mg(EDMDD)2をECH溶液に溶解したものを用いることができる。
[成長層の結晶性]
図2及び図3は、それぞれ、上記方法により、成長温度(Tg)を500℃とし、水蒸気と酸素ガスの混合比(H2O:O2)を2:3として成長したZnO結晶の表面の微分干渉顕微鏡像及び表面SEM像(倍率2万倍)を示している。これらの結果から、上記工程により成長したZnO結晶の表面には凹凸やピットは見られず、微視的にも極めて平坦な鏡面であることが確認された。
Further, the case of growing zinc oxide (ZnO) has been described as an example, but the above growth method can also be applied to the case of growing a zinc oxide based semiconductor (mixed crystal). That is, as described in detail for the material solution 116, various organometallic materials (ketone materials) can also be used. Specifically, the organometallic material may be a material containing gallium (Ga), magnesium (Mg), aluminum (Al), copper (Cu), or a rare earth metal. For example, when growing a Mg mixed crystal type oxide semiconductor (Mg x Zn (1-x) 2 O 3), for example, Mg (EDMDD) 2 dissolved in an ECH solution can be used.
[Growth layer crystallinity]
FIGS. 2 and 3 show the surface of the ZnO crystal grown by the above method with a growth temperature (Tg) of 500 ° C. and a mixing ratio of water vapor and oxygen gas (H 2 O: O 2 ) of 2: 3. A differential interference microscope image and a surface SEM image (magnification 20,000 times) are shown. From these results, it was confirmed that the surface of the ZnO crystal grown by the above process had no irregularities or pits and was a very flat mirror surface microscopically.
また、図4は、二次イオン質量分析(SIMS)の分析結果を示す図である。成長したZnO結晶中の炭素(C)、水素(H)及び窒素(N)の濃度が分析限界以下であることが確認された。材料溶液ガスの熱分解や酸化分解が良好に行われない場合には、材料溶液ガス中の官能基の一部が結晶膜中に取り込まれることがあるが、本実施例によれば、このような炭化物や水素等の不純物が取り込まれることなく、高品質な結晶が得られていることが確認された。 Moreover, FIG. 4 is a figure which shows the analysis result of secondary ion mass spectrometry (SIMS). It was confirmed that the concentrations of carbon (C), hydrogen (H) and nitrogen (N) in the grown ZnO crystal were below the analysis limit. When the thermal decomposition or oxidative decomposition of the material solution gas is not performed well, a part of the functional group in the material solution gas may be taken into the crystal film. It was confirmed that high quality crystals were obtained without taking in impurities such as carbides and hydrogen.
また、図5は、ZnO成長層のX線回折(0002)2θ−ωロッキングカーブを示す図である。かかる測定結果から当該ZnO成長層は、c軸配向した単結晶であることが確認された。
[無極性酸素源(O2)と極性酸素源(H2O)を用いる効果]
無極性酸化ソースである酸素と極性酸化ソースである水蒸気を用いることによって、平坦かつ高品質な単結晶を成長することができる理由は、以下のように考えられる。
FIG. 5 is a diagram showing an X-ray diffraction (0002) 2θ-ω rocking curve of the ZnO growth layer. From these measurement results, it was confirmed that the ZnO growth layer was a c-axis oriented single crystal.
[Effects of using nonpolar oxygen source (O 2 ) and polar oxygen source (H 2 O)]
The reason why a flat and high-quality single crystal can be grown by using oxygen which is a nonpolar oxidation source and water vapor which is a polar oxidation source is considered as follows.
(A)まず、気化器109により(完全に)気化された材料溶液ガス(溶媒ガス及び溶質ガス)は、加熱された酸素及び水蒸気と、気化ガス導入管129において合流され、反応容器120内に導かれ、基板10上へ供給される。 (A) First, the material solution gas (solvent gas and solute gas) vaporized (completely) by the vaporizer 109 is merged with the heated oxygen and water vapor in the vaporized gas introduction pipe 129, and enters the reaction vessel 120. It is guided and supplied onto the substrate 10.
(B)基板加熱器122により加熱された基板10上の空間において、材料溶液ガスは熱分解によって結合の一部が切断され、例えば、CH2、CH3、H2、Cなどが生成される。 (B) In the space on the substrate 10 heated by the substrate heater 122, a part of the bond of the material solution gas is cut by thermal decomposition, and, for example, CH 2 , CH 3 , H 2 , C, etc. are generated. .
(C)切断された溶質成分と残りの官能基は酸素によって順次酸化され、例えば、CO2、CO、H2Oなどになり、排気される。一方、極性酸素源である水は、基板上へ吸着し、熱分解および酸素により酸化分解したZn材料を基板上へ結合する。 (C) The cleaved solute component and the remaining functional groups are sequentially oxidized by oxygen to become, for example, CO 2 , CO, H 2 O, etc., and exhausted. On the other hand, water which is a polar oxygen source is adsorbed on the substrate, and bonds the Zn material thermally decomposed and oxidized and decomposed by oxygen onto the substrate.
(D)水分子は極性があるため、基板上への吸着力が強い。反応が始まったZn材料を基板上に吸着させる力が強い。従って、酸素のみで酸化反応を行う場合に比べて、基板上への成長確率が向上する。 (D) Since water molecules are polar, the adsorptive power on the substrate is strong. Strong force to adsorb Zn material that has started to react on the substrate. Therefore, the probability of growth on the substrate is improved as compared with the case where the oxidation reaction is performed using only oxygen.
(E)以上のように、酸素による材料(特に、官能基)の酸化と水によるZnの基板への吸着が同時に進行することで、結晶膜中に炭化物や水素が混入せず、良質な平面結晶が得られる。 (E) As described above, oxidation of materials (especially functional groups) with oxygen and adsorption of Zn onto the substrate by water proceed simultaneously, so that carbide and hydrogen are not mixed in the crystal film, and a high-quality plane is obtained. Crystals are obtained.
上記したように、官能基の多く結合した(分子量の大きな)材料(ガス)を酸化分解し、結晶を成長するには、無極性酸素源と極性酸素源の2種類の酸素源を適した比率で混合して酸化分解、酸化反応を行うことが効果的である。すなわち、無極性酸素源により、材料溶液ガスの官能基を酸化分解して分子量を小さくし、極性酸素源が基板吸着効率を向上し、金属原子、例えば、Zn原子を基板上に吸着させ、成長反応を進めることが重要である。周辺に残っている溶媒成分についても、周囲に多く存在している無極性酸素源によって酸化されるため、炭素はCO2、CO、水素はH2Oなどのガスとなって排気され、成長膜中に混入する不純物量を大きく低減することができる。 As described above, a suitable ratio of two types of oxygen sources, a non-polar oxygen source and a polar oxygen source, is used to oxidize and decompose a material (gas) having many functional groups (high molecular weight) and grow a crystal. It is effective to carry out oxidative decomposition and oxidation reaction by mixing with the above. That is, the molecular weight is reduced by oxidative decomposition of the functional group of the material solution gas with a nonpolar oxygen source, the polar oxygen source improves the substrate adsorption efficiency, and metal atoms, for example, Zn atoms are adsorbed on the substrate for growth. It is important to proceed with the reaction. Since the solvent component remaining in the periphery is also oxidized by a non-polar oxygen source that is present in a large amount in the periphery, carbon is exhausted as a gas such as CO 2 , CO, and hydrogen is H 2 O. The amount of impurities mixed in can be greatly reduced.
酸素と水蒸気の混合比率には適切な範囲が存在する。上述したように、水蒸気がなければ基板への表面吸着率が減少し、また、酸素ガスがなければ溶質材料の(すなわち、官能基の)酸化分解反応が停滞するため、良好な結晶成長は実現できない。 There is an appropriate range for the mixing ratio of oxygen and water vapor. As described above, the surface adsorption rate to the substrate decreases without water vapor, and the oxidative decomposition reaction of the solute material (that is, the functional group) stagnates without oxygen gas. Can not.
図6は、酸素と水蒸気の混合比率に対する、成長した結晶の表面状態(走査型電子顕微鏡像)を示す。かかる実験結果から、平坦な結晶を得るには、極性酸化ガス(H2O)及び無極性酸化ガス(O2)の混合比が1:4ないし4:1の範囲(H2O:O2=1:4〜4:1)がよいことが確認された。また、当該混合比は、1:2ないし2:1の範囲(H2O:O2=1:2〜2:1)が好ましく、さらには、2:3ないし3:2の範囲(H2O:O2=2:3〜3:2)がより好ましい。
[成長温度]
本実施例においては、基板の成長温度(反応温度)を低くすることによって、基板上の空間における材料の過剰な熱分解を抑制し、成長層への不純物の取り込みを抑制している。また、基板への吸着能力の高い極性酸素源である水(H2O)を酸素ガスとともに用いている。なお、溶質ガスの分解にはある程度の温度が必要であるが、高温では、極性酸素源である水(H2O)の基板への吸着能力は低下する。従って、結晶の成長温度(基板温度)(Tg)には適切な温度範囲があり、Tg=400℃〜600℃である。
FIG. 6 shows the surface state (scanning electron microscope image) of the grown crystal with respect to the mixing ratio of oxygen and water vapor. From these experimental results, in order to obtain flat crystals, the mixing ratio of polar oxidizing gas (H 2 O) and nonpolar oxidizing gas (O 2 ) is in the range of 1: 4 to 4: 1 (H 2 O: O 2 = 1: 4 to 4: 1) was confirmed to be good. The mixing ratio is preferably in the range of 1: 2 to 2: 1 (H 2 O: O 2 = 1: 2 to 2: 1), and more preferably in the range of 2: 3 to 3: 2 (H 2 O: O 2 = 2: 3 to 3: 2) is more preferable.
[Growth temperature]
In this embodiment, by lowering the growth temperature (reaction temperature) of the substrate, excessive thermal decomposition of the material in the space on the substrate is suppressed, and incorporation of impurities into the growth layer is suppressed. Further, water (H 2 O), which is a polar oxygen source having a high adsorption ability to the substrate, is used together with oxygen gas. Although the decomposition of the solute gas requires a certain temperature, at a high temperature, the adsorption capacity of the board of the water is a polar oxygen source (H 2 O) is reduced. Therefore, the crystal growth temperature (substrate temperature) (Tg) has an appropriate temperature range, and Tg = 400 ° C. to 600 ° C.
上記したように、本実施例においては、低温成長によって、溶質(ケトン化合物)の熱分解、酸化分解を調整して基板上への材料供給を最適化している。さらに、酸素源として無極性酸素源(O2)と極性酸素源(H2O)とを最適な比率で混合し、無極性酸素源によって溶媒成分や溶質の官能基の酸化分解を促進し、極性酸素源によって基板吸着効率を向上している。かかる成長方法により、平坦で不純物を取り込まない高品質な平面(二次元)成長ZnO単結晶膜が得られる。 As described above, in this embodiment, the material supply onto the substrate is optimized by adjusting the thermal decomposition and oxidative decomposition of the solute (ketone compound) by low temperature growth. Furthermore, as an oxygen source, a nonpolar oxygen source (O 2 ) and a polar oxygen source (H 2 O) are mixed at an optimum ratio, and the nonpolar oxygen source promotes oxidative decomposition of solvent components and solute functional groups, The substrate adsorption efficiency is improved by the polar oxygen source. By this growth method, a high-quality planar (two-dimensional) growth ZnO single crystal film that is flat and does not take in impurities can be obtained.
上記した結晶成長方法は、種々の半導体電子デバイスの素子動作層、LED(Light Emitting Diode)やLD(Laser Diode)等の動作層(発光動作層)、並びに半導体発光素子を製造する場合に適用することができる。 The above-described crystal growth method is applied when manufacturing element operation layers of various semiconductor electronic devices, operation layers (light emitting operation layers) such as LEDs (Light Emitting Diodes) and LDs (Laser Diodes), and semiconductor light emitting elements. be able to.
なお、本明細書において、動作層又は素子動作層とは、半導体素子がその機能を果たすために含まれるべき半導体で構成される層を指すこととする。例えば、単純なトランジスタであればn型半導体、p型半導体及びn型半導体(またはp型半導体、n型半導体及びp型半導体)のpn接合によって構成される構造層を含む。なお、p型半導体層、発光層及びn型半導体層(または、p型半導体層及びn型半導体層)から構成され、注入されたキャリアの再結合によって発光動作をなす半導体層を、特に、発光動作層という。 Note that in this specification, an operation layer or an element operation layer refers to a layer formed of a semiconductor to be included in order for a semiconductor element to perform its function. For example, a simple transistor includes a structural layer formed by a pn junction of an n-type semiconductor, a p-type semiconductor, and an n-type semiconductor (or a p-type semiconductor, an n-type semiconductor, and a p-type semiconductor). Note that a semiconductor layer that includes a p-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and an n-type semiconductor layer (or a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer) and emits light by recombination of injected carriers, particularly, emits light. The operation layer
図7は、上記工程により結晶成長を行って製造した半導体発光素子(LED)200の素子上面図及び断面図である。図7は、上記工程により結晶成長を行ったLED動作層付き基板をブレーキングにより個片化した後の半導体発光素子200を図示している。なお、図7の上段は半導体発光素子200の上面図、下段は当該上面図に示したA−A線における断面図である。 FIG. 7 is an element top view and a cross-sectional view of a semiconductor light emitting element (LED) 200 manufactured by performing crystal growth according to the above-described process. FIG. 7 illustrates the semiconductor light emitting device 200 after the substrate with the LED operation layer on which crystal growth has been performed by the above process is separated by breaking. 7 is a top view of the semiconductor light emitting device 200, and the bottom is a cross-sectional view taken along line AA shown in the top view.
図7に示すように、半導体発光素子200は、基板10上に酸化亜鉛緩衝層201、n型酸化亜鉛系半導体層(以下、単に、n型半導体層という。)202、p型酸化亜鉛系半導体層(以下、単に、p型半導体層という。)203を積層した構造を有している。p型半導体層203の上には、p側透光性電極204が配され、p型透光性電極204上にはp側パッド電極205が形成されている。また、基板10の下面にはn側電極206及びn側電極接合部207が形成されている。 As shown in FIG. 7, a semiconductor light emitting device 200 includes a zinc oxide buffer layer 201, an n-type zinc oxide semiconductor layer (hereinafter simply referred to as an n-type semiconductor layer) 202, and a p-type zinc oxide semiconductor on a substrate 10. A layer (hereinafter simply referred to as a p-type semiconductor layer) 203 is stacked. A p-side translucent electrode 204 is disposed on the p-type semiconductor layer 203, and a p-side pad electrode 205 is formed on the p-type translucent electrode 204. An n-side electrode 206 and an n-side electrode joint 207 are formed on the lower surface of the substrate 10.
基板10としては、酸化亜鉛(ZnO)系半導体、シリコン、SiC等の基板を用いることができる。また、サファイアなどの絶縁性基板を用いることもできる。図8は、絶縁性基板10を用いた場合の半導体発光素子200の上面図(上段)及び当該上面図に示したA−A線における断面図(下段)である。より具体的には、半導体発光素子200は、基板10上に酸化亜鉛緩衝層201、n型半導体層202、発光層208、p型半導体層203を積層した構造を有している。また、n型半導体層202の一部が露出するようにp型半導体層203及び発光層208の一部が除去されている。当該露出したn型半導体層202の上には、n側電極206及びn側電極接合部207が形成されている。また、p型半導体層203の上には、p側透光性電極204が配され、p型透光性電極204上にはp側パッド電極205が形成されている。 As the substrate 10, a substrate made of zinc oxide (ZnO) based semiconductor, silicon, SiC, or the like can be used. An insulating substrate such as sapphire can also be used. FIG. 8 is a top view (upper stage) of the semiconductor light emitting element 200 when the insulating substrate 10 is used, and a cross-sectional view (lower stage) along the line AA shown in the top view. More specifically, the semiconductor light emitting device 200 has a structure in which a zinc oxide buffer layer 201, an n-type semiconductor layer 202, a light emitting layer 208, and a p-type semiconductor layer 203 are stacked on the substrate 10. Further, the p-type semiconductor layer 203 and the light emitting layer 208 are partially removed so that a part of the n-type semiconductor layer 202 is exposed. On the exposed n-type semiconductor layer 202, an n-side electrode 206 and an n-side electrode junction 207 are formed. A p-side translucent electrode 204 is disposed on the p-type semiconductor layer 203, and a p-side pad electrode 205 is formed on the p-type translucent electrode 204.
n型半導体層202及びp型半導体層203は、n型及びp型の不純物をそれぞれ添加した、例えば、酸化亜鉛を結晶成長させた層である。ZnO系半導体は、アンドープであってもn型であるが、成長温度を変更してn型半導体中の残留キャリア密度を調整してn型特性を変更することもできる。また、ドーパントを用いる場合には、例えば、n型不純物としてGaを用いる場合、Ga(EDMDD)3をECHに溶解したドーパント溶液を追加して結晶成長を行えばよい。 The n-type semiconductor layer 202 and the p-type semiconductor layer 203 are layers to which, for example, zinc oxide is crystal-grown, to which n-type and p-type impurities are added, respectively. A ZnO-based semiconductor is n-type even if it is undoped, but the n-type characteristics can also be changed by changing the growth temperature to adjust the residual carrier density in the n-type semiconductor. Moreover, when using a dopant, for example, when using Ga as an n-type impurity, a dopant solution in which Ga (EDMDD) 3 is dissolved in ECH may be added to perform crystal growth.
また、p型不純物として、例えば、窒素をドーピングする場合、ドーパントガスとして、アンモニア(NH3)ガスを供給すればよい。 For example, when doping nitrogen as the p-type impurity, ammonia (NH 3 ) gas may be supplied as the dopant gas.
さらに、いわゆるバンドギャップエンジニアリングにより、半導体層のバンドギャップを調整することもできる。例えば、Mg混晶系の酸化物半導体を上記半導体層として用いる場合には、Mgの材料溶液として、例えば、Mg(EDMDD)2をECH溶液に溶解したものを用いることができる。なお、各種混晶材料を事前に適量混合した混合溶液を用いることもできる。 Furthermore, the band gap of the semiconductor layer can be adjusted by so-called band gap engineering. For example, when an Mg mixed crystal oxide semiconductor is used as the semiconductor layer, for example, a Mg material solution in which Mg (EDMDD) 2 is dissolved in an ECH solution can be used. A mixed solution in which various mixed crystal materials are mixed in appropriate amounts in advance can also be used.
本発明の液体ソースMOCVD法により、結晶性に優れたn型半導体層202及びp型半導体層203を形成することができる。 By the liquid source MOCVD method of the present invention, the n-type semiconductor layer 202 and the p-type semiconductor layer 203 with excellent crystallinity can be formed.
p側透光性電極204、p側パッド電極205、n側電極206及びn側電極接合部207の形成工程、並びにブレーキングによる素子への分割(個片化)は周知の一般的な方法により行うことができる。 The formation process of the p-side translucent electrode 204, the p-side pad electrode 205, the n-side electrode 206, and the n-side electrode bonding portion 207, and the division (dividing into pieces) by breaking are performed by a known general method. It can be carried out.
なお、上記した液体材料及び材料ガス、並びに成長方法を用いて半導体層を成長し、半導体発光素子を製造する場合、緩衝層201を設けなくてもよい。また、n型半導体層202及びp型半導体層203の間に発光層を形成してもよい。また、当該発光層は量子井戸構造からなるものであってもよい。 Note that the buffer layer 201 is not necessarily provided when a semiconductor layer is grown by using the above-described liquid material, material gas, and growth method to manufacture a semiconductor light emitting element. Further, a light emitting layer may be formed between the n-type semiconductor layer 202 and the p-type semiconductor layer 203. The light emitting layer may have a quantum well structure.
従って、本発明の液体ソースMOCVD法によれば、平坦で結晶性に優れた半導体層を形成することができ、リーク電流や電流集中が抑制された発光効率が高く、高出力の高性能半導体発光素子を提供することができる。また、素子寿命にも優れている。さらに、半導体プロセスにおいても高い精度が得られるとともに、劈開やブレーキング等における製造歩留まりも高く、量産性に優れている。 Therefore, according to the liquid source MOCVD method of the present invention, it is possible to form a flat semiconductor layer having excellent crystallinity, high emission efficiency with suppressed leakage current and current concentration, and high output and high performance semiconductor light emission. An element can be provided. Moreover, it is excellent also in element lifetime. Furthermore, high accuracy is obtained also in the semiconductor process, and the manufacturing yield in cleavage, braking, etc. is high, and the mass productivity is excellent.
10 基板
107 霧化支援ガス加熱器
108 霧化ノズル
109 気化器
110 材料ガス送気管
111 材料ガス加熱器
116 材料溶液
200 半導体発光素子
201 緩衝層
202 n型半導体層
203 p型半導体層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 107 Atomization assistance gas heater 108 Atomization nozzle 109 Vaporizer 110 Material gas air supply tube 111 Material gas heater 116 Material solution 200 Semiconductor light emitting element 201 Buffer layer 202 N-type semiconductor layer 203 p-type semiconductor layer
Claims (9)
亜鉛を含むケトン化合物有機金属材料の材料溶液を気化させた材料ガスと極性酸化ガス及び無極性酸化ガスの混合ガスとを前記基板に供給する工程、を有し、
前記混合ガスにおける前記極性酸化ガス及び前記無極性酸化ガスの混合比率は1対4ないし4対1の範囲内であることを特徴とする方法。 A method for crystal growth of a zinc oxide based semiconductor layer on a substrate by MOCVD,
Supplying a material gas obtained by vaporizing a material solution of a ketone compound organometallic material containing zinc and a mixed gas of a polar oxidizing gas and a nonpolar oxidizing gas to the substrate,
The mixing ratio of the polar oxidizing gas and the nonpolar oxidizing gas in the mixed gas is in the range of 1 to 4 to 4 to 1.
亜鉛を含むケトン化合物有機金属材料の材料溶液を気化させた材料ガスと極性酸化ガス及び無極性酸化ガスの混合ガスとを前記基板に供給しつつ、少なくとも第1導電型の半導体層及び前記第1導電型と反対極性の第2導電型の半導体層を順次成長する工程を有し、
前記混合ガスにおける前記極性酸化ガス及び前記無極性酸化ガスの混合比率は1対4ないし4対1の範囲内であることを特徴とする方法。 A method of manufacturing a semiconductor light emitting device by stacking a zinc oxide based semiconductor layer on a substrate by MOCVD,
While supplying a material gas obtained by vaporizing a material solution of a ketone compound organometallic material containing zinc and a mixed gas of a polar oxidizing gas and a nonpolar oxidizing gas to the substrate, at least the first conductivity type semiconductor layer and the first And sequentially growing a second conductivity type semiconductor layer having a polarity opposite to the conductivity type,
The mixing ratio of the polar oxidizing gas and the nonpolar oxidizing gas in the mixed gas is in the range of 1 to 4 to 4 to 1.
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