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JP5823304B2 - Method for producing p-type ZnO, ZnO electroluminescent semiconductor element - Google Patents
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Method for producing p-type ZnO, ZnO electroluminescent semiconductor element Download PDF

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Description

本発明は、p型ZnOの作製方法、並びにZnO半導体膜に関し、青色から紫外線に渡る波長の光に関わる発光素子をZnOで実現することが可能なp型ZnOの作製方法、並びにZnO半導体膜に関する。   The present invention relates to a method for producing p-type ZnO and a ZnO semiconductor film, and more particularly to a method for producing p-type ZnO capable of realizing a light emitting element related to light having a wavelength ranging from blue to ultraviolet light with ZnO, and a ZnO semiconductor film. .

青色から紫外線域の発光素子の材料としては、従来ではInGaN、GaNをはじめとする化合物半導体で構成される。このような化合物半導体を得るためには、高価な結晶成長装置が必要であり、添加物の多くがレアマテリアルであることから高価である。このため、InGaN、GaNに替わる材料として、これらに近いバンドギャップを有するZnOを利用したエレクトロルミネッセンス(EL)素子の研究開発が盛んに行われている。このZnOは、地球上に豊富で安価な資源である。また、このZnOは、単結晶ウェハーが得られ、更には、ガラス基板上にも1軸結晶配向した膜を形成できるなど、合成が容易であるという利点を有する。   Conventionally, the material of the light emitting element in the blue to ultraviolet region is composed of compound semiconductors such as InGaN and GaN. In order to obtain such a compound semiconductor, an expensive crystal growth apparatus is required, and since many of the additives are rare materials, they are expensive. For this reason, research and development of electroluminescence (EL) elements using ZnO having a band gap close to these as materials replacing InGaN and GaN have been actively conducted. This ZnO is an abundant and inexpensive resource on the earth. In addition, this ZnO has an advantage that it can be easily synthesized, for example, a single crystal wafer can be obtained, and a film having a uniaxial crystal orientation can be formed on a glass substrate.

このようなEL素子の作製のためには、pn接合の形成が不可欠である。n型ZnOは、n型半導体であり、アルミニウムなどのIII族元素やハロゲン元素をドープすることで容易に作製することができる。   In order to manufacture such an EL element, formation of a pn junction is indispensable. N-type ZnO is an n-type semiconductor and can be easily manufactured by doping a group III element such as aluminum or a halogen element.

しかしながら、p型半導体であるp型ZnOは、従来より製造が困難であるものとされている。また特許文献1には、p型ZnOである窒素ドープZnOが開示されているが、窒素は脱離しやすいため、安定性が不十分である。安定なp型ZnOの作製手法は確立していないのが現状であった。   However, p-type ZnO, which is a p-type semiconductor, has been conventionally difficult to manufacture. Patent Document 1 discloses nitrogen-doped ZnO, which is p-type ZnO, but is insufficient in stability because nitrogen is easily desorbed. The present condition is that the preparation method of stable p-type ZnO has not been established.

特開2005−217035号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-217035

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、従来より作製が困難とされていたp型ZnOの作製方法を新たに提供するものであり、またかかるp型ZnOの作製方法によって作製されたZnO半導体膜を提供するものである。   Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to newly provide a method for producing p-type ZnO, which has been conventionally difficult to produce. In addition, the present invention provides a ZnO semiconductor film manufactured by such a method for manufacturing p-type ZnO.

本発明を適用したp型ZnOの作製方法は、n型ZnO基板で構成したn層と、上記n型ZnO基板に窒素をp型ドーパントとしてインプラントした擬似p層とを形成し、順方向バイアス電圧を印加することにより上記n層及び上記擬似p層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか1以上の上記擬似p層にインプラントした窒素のドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の窒素のドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させ、上記擬似p層中の窒素のドーパント分布を固定させて当該擬似p層をp型ZnOとして構成することを特徴とする。   A p-type ZnO manufacturing method to which the present invention is applied includes forming an n-layer composed of an n-type ZnO substrate and a pseudo p-layer in which nitrogen is implanted as a p-type dopant in the n-type ZnO substrate, and a forward bias voltage. To generate a diffusion current in the n layer and the pseudo p layer, and based on Joule heat generated by the generated diffusion current, a dopant distribution of nitrogen implanted in any one or more of the pseudo p layers In addition to repeating the change, the forward bias voltage causes an inversion distribution in the conduction band and valence band in the active layer, and near-field light is generated based on the nitrogen dopant distribution after the change, Reduces the diffusion current by causing electrons in the conduction band forming the population inversion to be induced and emitted in multiple steps based on a non-adiabatic process. Allowed to lower the Joule heat, characterized in that it constituted by fixing the dopant distribution of nitrogen in the pseudo p layer in the pseudo p layer as a p-type ZnO.

このとき、上記順方向バイアス電圧の印加時において、少なくとも上記擬似p層に対して外部から紫外帯域〜青色帯域における何れかの波長の誘導光を照射するようにしてもよい。   At this time, at the time of applying the forward bias voltage, at least the pseudo p layer may be irradiated with guide light having any wavelength in the ultraviolet band to the blue band from the outside.

上述した構成からなる本発明によれば、インプラントされている窒素の多くがアクセプターとして機能すべき結晶内の位置に固定されていないため、p層として安定的に機能しない擬似p層において順方向バイアス電圧を印加することで、ジュール熱が発生することによる擬似p層の流動性を増加させる。そして、擬似p層内におけるn層近傍のドーパントの分布がランダムに変化し、ある特有のドーパント分布が形成された場合に近接場光が発生する。そして、当該近接場光が発生した領域においては、誘導放出により発光が生じる。このような近接場光の発生による発光が生じる領域においては、流動性が低下して加工が停止し、ドーパントの分布が固定されることとなる。そして、このドーパントが固定された状態においては、順方向バイアス電圧を印加した際において発光が生じるものであることから、いわゆるpn接合としての機能を発揮することとなる。つまり擬似p層内におけるn層近傍のドーパントがアクセプターとして機能すべき結晶内の位置に移動し、固定されたことを意味する。   According to the present invention having the above-described configuration, since most of the implanted nitrogen is not fixed at a position in the crystal that should function as an acceptor, a forward bias is applied in a pseudo-p layer that does not function stably as a p-layer. By applying a voltage, the fluidity of the pseudo p layer due to the generation of Joule heat is increased. Then, the near-field light is generated when the distribution of the dopant in the vicinity of the n layer in the pseudo p layer randomly changes and a certain specific dopant distribution is formed. And in the area | region where the said near field light generate | occur | produced, light emission arises by stimulated emission. In a region where light emission due to the generation of such near-field light occurs, the fluidity is lowered, the processing is stopped, and the dopant distribution is fixed. In a state where this dopant is fixed, light emission occurs when a forward bias voltage is applied, so that it functions as a so-called pn junction. That is, it means that the dopant in the vicinity of the n layer in the pseudo p layer has moved to a position in the crystal that should function as an acceptor and is fixed.

擬似p層12は、当初からZnOで構成されているが、その擬似p層12内におけるドーパントとしての窒素が、アクセプターとして機能すべき結晶内の位置に移動した場合、ZnOは、p型半導体として機能することとなる。   Although the pseudo p layer 12 is composed of ZnO from the beginning, when nitrogen as a dopant in the pseudo p layer 12 moves to a position in the crystal that should function as an acceptor, ZnO becomes a p-type semiconductor. Will function.

特に本発明では、擬似p層内におけるn層近傍をジュール熱に基づいて一度流動させた後に、p型半導体としての機能が発揮しえる状態へドーパントを移動させて固化させている。これにより、拡散されて固定後のドーパントは、ZnO中においてp型半導体としての機能を発揮しえる状態で安定的に固定されるものである。このため、擬似p層を、本来的なp型半導体としての機能を発揮するp層に変化させることが可能となる。即ち、本発明によれば、p型ZnOを安定的に製造することが可能となる。   In particular, in the present invention, the vicinity of the n layer in the pseudo p layer is made to flow once based on Joule heat, and then the dopant is moved and solidified to a state where the function as a p-type semiconductor can be exhibited. Thereby, the diffused and fixed dopant is stably fixed in a state capable of exhibiting a function as a p-type semiconductor in ZnO. For this reason, it becomes possible to change the pseudo p layer into a p layer that exhibits the function as an original p-type semiconductor. That is, according to the present invention, it is possible to stably produce p-type ZnO.

本発明を適用したp型ZnOの作製装置の構成図である。It is a block diagram of the preparation apparatus of p-type ZnO to which this invention is applied. n層と、擬似p層のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure of n layer and pseudo p layer. ドーパントの分布変化が生じた後の例を示す図である。It is a figure which shows the example after the distribution change of a dopant arises. 非断熱過程を原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで示した図である。It is the figure which showed the non-adiabatic process with the model which replaced the coupling | bonding of atoms with the spring. (a)は、電子密度の差異に基づく反転分布が擬似p層内におけるn層近傍に形成された例を、また(b)は、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて放出させることによる発光させる例を示す図である。(A) is an example in which an inversion distribution based on the difference in electron density is formed in the vicinity of the n layer in the pseudo-p layer, and (b) is based on a non-adiabatic process of electrons in the conduction band by near-field light. It is a figure which shows the example made to light-emit by making it discharge | release. この入射される光の波長に応じて図6に示すような、中間に位置する振動順位が形成されることになる。Depending on the wavelength of the incident light, an intermediate vibration order as shown in FIG. 6 is formed. 微細領域Aとほぼ同一分布の微細領域Bが形成される例を示す図である。It is a figure which shows the example in which the micro area | region B of substantially the same distribution as the micro area | region A is formed.

以下、本発明を適用したp型ZnOの作製方法について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, a method for producing p-type ZnO to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明を適用したp型ZnOの作製装置10の構成図である。この作製装置10は、pn接合体1と、このpn接合体1に対して電圧を印加するための電源41とを備えている。   FIG. 1 is a configuration diagram of a p-type ZnO manufacturing apparatus 10 to which the present invention is applied. The manufacturing apparatus 10 includes a pn junction 1 and a power supply 41 for applying a voltage to the pn junction 1.

pn接合体1は、ZnOからなり、n層11と、擬似p層12とを有している。n層11は、n型ZnO基板で構成したn型半導体である。このn層11は、n型ZnO基板に対してアルミニウムなどのIII族元素やハロゲン元素をドープすることで得られるものである。   The pn junction 1 is made of ZnO and includes an n layer 11 and a pseudo p layer 12. The n layer 11 is an n-type semiconductor composed of an n-type ZnO substrate. The n layer 11 is obtained by doping a group III element such as aluminum or a halogen element with respect to an n-type ZnO substrate.

擬似p層12は、n型ZnO基板に窒素をp型ドーパントとして高密度、高エネルギーでインプラントしたものである。この擬似p層12は、例えば700KeV、表面から500nm付近においてそのドーピング密度は1019程度とされていてもよい。ちなみにドーパントとしての窒素は、安定性に欠けるため、擬似p層12は、いわゆるp型半導体としての振る舞いを安定的に起こさない場合が多い。つまり、この擬似p層12中におけるドーパントとしての窒素は、その多くがアクセプターとして機能すべき結晶内の位置に固定されていない。但し、あくまでp型ドーパントとして窒素を添加していることから擬似的なp層としての擬似p層12として定義する。 The pseudo p layer 12 is an n-type ZnO substrate implanted with nitrogen as a p-type dopant with high density and high energy. The pseudo p layer 12 may have a doping density of about 10 19 in the vicinity of, for example, 700 KeV and 500 nm from the surface. Incidentally, since nitrogen as a dopant lacks stability, the pseudo p layer 12 often does not stably act as a so-called p-type semiconductor. That is, most of the nitrogen as a dopant in the pseudo p layer 12 is not fixed at a position in the crystal that should function as an acceptor. However, since nitrogen is added as a p-type dopant, it is defined as a pseudo p layer 12 as a pseudo p layer.

本発明を適用したp型ZnOの作製方法では、かかるpn接合体1における擬似p層12のZnO中のドーパントのとしての窒素のドーパント分布を変化させる。ここでいうドーパント分布の変化は、例えば、当初インプラントされた窒素の位置を変化させるもの、或いはそのインプラントされた窒素を拡散させるもの等、アニーリングにより生じるあらゆる現象を含む概念である。   In the method for producing p-type ZnO to which the present invention is applied, the dopant distribution of nitrogen as a dopant in ZnO of the pseudo p layer 12 in the pn junction 1 is changed. The change in the dopant distribution here is a concept including all phenomena caused by annealing, such as a change in the position of initially implanted nitrogen or a diffusion of the implanted nitrogen.

擬似p層12中において、窒素からなるドーパント14がインプラントされている。しかし、このドーパントの分布は不安定なものであり、いわゆるp型半導体としての機能を発揮することができないものとなっている。   In the pseudo p layer 12, a dopant 14 made of nitrogen is implanted. However, this dopant distribution is unstable and cannot function as a so-called p-type semiconductor.

実際にはpn接合体1に対して順方向バイアス電圧を印加する。その結果、以下のメカニズムに基づいて、本発明所期のp型ZnOを作製することが可能となる。   Actually, a forward bias voltage is applied to the pn junction 1. As a result, it is possible to produce the p-type ZnO according to the present invention based on the following mechanism.

図2は、n層11と、擬似p層12のエネルギーバンド図を示している。順方向バイアス電圧が負荷されると、擬似p層12中の正孔がn層11側へと移動し、n層11中の電子が擬似p層12側へと移動していく。その結果、互いの電子と正孔が打ち消しあうことで拡散電流が流れる。そして、順方向バイアス電圧が高い場合にこの電子の移動に伴うジュール熱が発生する。このジュール熱の特に大きな発生部位は、大きな電位差を生じるn層11と擬似p層12との界面を中心にしたものであるが、少なくとも擬似p層12中におけるn層11近傍においても、大きな電位差が生じる。この順方向バイアス電圧をより高くしていくことにより、擬似p層12内におけるn層11近傍においてアバランシェ降伏を起こし、一気に電流が流れていくことになる。その結果、ジュール熱による発熱が、かかるアバランシェ降伏により促進されることになる。   FIG. 2 shows an energy band diagram of the n layer 11 and the pseudo p layer 12. When a forward bias voltage is applied, holes in the pseudo p layer 12 move to the n layer 11 side, and electrons in the n layer 11 move to the pseudo p layer 12 side. As a result, a diffusion current flows by mutual cancellation of electrons and holes. When the forward bias voltage is high, Joule heat is generated due to the movement of the electrons. The particularly large generation site of the Joule heat is centered on the interface between the n layer 11 and the pseudo p layer 12 that generates a large potential difference. However, at least in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12, the potential difference is large. Occurs. By increasing this forward bias voltage, an avalanche breakdown occurs in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12, and current flows at once. As a result, heat generation due to Joule heat is promoted by such avalanche breakdown.

このジュール熱が発生する結果、擬似p層12内の特にn層11近傍において流動性が増加し、そのドーパント14の分布が変化することになる。上述した順方向バイアス電圧を負荷し続けることにより、かかるドーパント14の分布変化が継続して生じることになる。   As a result of the generation of the Joule heat, the fluidity increases in the pseudo p layer 12, particularly in the vicinity of the n layer 11, and the distribution of the dopant 14 changes. By continuing to apply the forward bias voltage described above, the distribution change of the dopant 14 continuously occurs.

図3は、このドーパント14の分布変化が生じた後の例である。ジュール熱が発生することにより、擬似p層12内の特にn層11近傍において流動性が増加する結果、擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントの分布がランダムに変化することになる。かかる表面形状やドーパントの分布の変化が繰り返して起こる結果、例えば、微細領域Aにおいてある特有のドーパント分布が形成される。この微細領域Aにおける特有のドーパント分布は、入射された光に基づいて近接場光が発生する上でより適した分布である。この特有のドーパント分布を形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴う擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。   FIG. 3 shows an example after the distribution change of the dopant 14 occurs. The generation of Joule heat increases the fluidity in the pseudo p layer 12, particularly in the vicinity of the n layer 11. As a result, the distribution of the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 changes randomly. As a result of repeated changes in the surface shape and dopant distribution, for example, a specific dopant distribution is formed in the fine region A. The specific dopant distribution in the fine region A is a distribution that is more suitable for generating near-field light based on incident light. The conditions for forming this specific dopant distribution are not established, and as a result of random changes of the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 due to the generation of Joule heat, it occurs by chance under a certain probability. Is formed.

このような、微細領域Aにおける特有のドーパント分布が形成されたときに、上述した順方向バイアス電圧を更に負荷し続けると、当該特有のドーパント分布において近接場光が発生する。ここでいう近接場光は、仮想的な電磁場の意味も含まれていることから、仮想的な電磁場が形成されていることが近接場光の発生を意味するものとして解される。この近接場光の発生は、特に誘導光が無い状態の下であっても、順方向電流注入時には注入された電荷の自然放出およびそれを元とした誘導放出によって発生することになる。この近接場光が発生することにより以下に説明する非断熱過程が生じる。ちなみに、この近接場光の発生位置は、特有のドーパント分布が生じた箇所で発生するが、それ以外の箇所においても当然に発生する場合がある。   When such a specific dopant distribution in the fine region A is formed, if the above-described forward bias voltage is further loaded, near-field light is generated in the specific dopant distribution. The near-field light here includes the meaning of a virtual electromagnetic field, and therefore the formation of a virtual electromagnetic field is understood as meaning the generation of near-field light. The generation of the near-field light is generated by spontaneous emission of the injected charge and stimulated emission based on it when the forward current is injected, even in the absence of the induced light. Generation of this near-field light causes a non-adiabatic process described below. Incidentally, the generation position of the near-field light is generated at a place where the specific dopant distribution is generated, but may naturally occur at other places.

この非断熱過程とは、図4に示すように、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで考えることができる。一般に伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは空間的には一様な電場とみなせる。その結果、図4(a)に示すように、バネで隣り合う電子は同振幅、同位相で振動させられる。ZnOの原子核は重いため、この電子の振動には追従できず、伝搬光では分子振動は極めて起こりにくい。このように伝搬光では、分子振動が電子の励起過程に関わることを無視することができるため、この過程を断熱過程という。   This non-adiabatic process can be considered by a model in which the bonds between atoms are replaced by springs as shown in FIG. In general, the wavelength of propagating light is much larger than the size of the molecule, so it can be regarded as a spatially uniform electric field at the molecular level. As a result, as shown in FIG. 4A, adjacent electrons are vibrated with the same amplitude and the same phase by the spring. Since the atomic nucleus of ZnO is heavy, it cannot follow the vibrations of the electrons, and molecular vibrations are extremely difficult to occur in the propagating light. In this way, in propagation light, it can be ignored that molecular vibrations are involved in the excitation process of electrons, so this process is called adiabatic process.

一方、近接場光の空間的な電場勾配は非常に急峻に低下する。このため近接場光では隣り合う電子に異なる振動を与えることになり、図4(b)に示すように、この異なる電子の振動により重い原子核も振動させられる。近接場光が分子振動を起こすことは、エネルギーが分子振動の形態を取ることに相当するため、近接場光では、振動準位を介した励起過程(非断熱過程)が可能となる。このように原子核の振動準位を介した励起過程は、通常の光学応答である断熱過程に対し、原子核が応答し動くため、非断熱過程という。   On the other hand, the spatial electric field gradient of near-field light drops very steeply. For this reason, near-field light gives different vibrations to adjacent electrons, and as shown in FIG. 4B, the heavy nuclei are also vibrated by the vibrations of the different electrons. The occurrence of molecular vibration in the near-field light corresponds to energy taking the form of molecular vibration. Therefore, in the near-field light, an excitation process (non-adiabatic process) via the vibration level is possible. In this way, the excitation process via the vibration level of the nucleus is called a non-adiabatic process because the nucleus moves in response to the adiabatic process, which is a normal optical response.

また、上述した順方向バイアス電圧を印加させ続けることにより、伝導帯における電子密度n1が、下位準位にある正孔密度n2と比較して圧倒的に高くなる。その結果、伝導帯と下位準位との間で、図5(a)に示すように、かかる電子密度の差異に基づく反転分布が擬似p層12内におけるn層11近傍に形成される。次に、この形成された反転分布により、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させることができる。この電子が非断熱過程に基づいて振動準位に遷移できたのは、その箇所において近接場光が発生していたため実現できたものである。この近接場光は、ジュール熱による流動によってある確率の下で生じたドーパントの変化によって生じたものである。振動準位に遷移した電子は、この近接場光によって仮想的に生じた仮想場(ドレストフォトン−フォノン準位)を廻り、その後振動準位から伝導帯へと戻ることになる。この伝導帯に戻った電子は、拡散電流によるジュール熱に寄与する。 Further, by continuing to apply the forward bias voltage described above, the electron density n 1 in the conduction band is overwhelmingly higher than the hole density n 2 in the lower level. As a result, an inversion distribution based on the difference in electron density is formed in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 between the conduction band and the lower level, as shown in FIG. Next, due to this inversion distribution, electrons in the conduction band are virtually transitioned to a vibration level located in the middle of the band gap based on a non-adiabatic process by near-field light. Can be made. The fact that the electrons were able to transit to the vibration level based on the non-adiabatic process was realized because near-field light was generated at that location. This near-field light is generated by a change in dopant that occurs with a certain probability due to the flow due to Joule heat. The electrons that have transitioned to the vibration level travel around the virtual field (dressed photon-phonon level) virtually generated by the near-field light, and then return from the vibration level to the conduction band. The electrons returning to the conduction band contribute to Joule heat due to the diffusion current.

このように近接場光が単に発生した段階では、伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることを繰り返すこととなる。伝導帯に戻った電子は、ジュール熱に寄与することとなり、ジュール熱は下がることなく、擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントの分布変化が継続して生じることになる。   Thus, at the stage where the near-field light is simply generated, the electrons in the conduction band are virtually transitioned to the vibration level and returned to the conduction band again. The electrons returning to the conduction band contribute to Joule heat, and the Joule heat does not decrease, and the distribution change of the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 continues.

またジュール熱によるドーパントの分布変化が生じた結果、更に近接場光の発生態様が変化した場合には、ある確率の下で図5(b)に示すように、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させてそこから電子を放出させることによる発光させる。また、かかる近接場光に基づいて伝導帯中の電子を複数段階で誘導放出させることにより発光させる。   As a result of the change in the distribution of the dopant due to Joule heat, when the generation mode of the near-field light further changes, as shown in FIG. Based on a non-adiabatic process by light, light is emitted by virtually transitioning to a vibration level located in the middle of the band gap and emitting electrons therefrom. Further, light is emitted by stimulated emission of electrons in the conduction band in a plurality of steps based on such near-field light.

その結果、このpn接合体1から係る電子の放出による発光を実現することが可能となる。当該特有のドーパント分布においては引き続き近接場光が発生するため、非断熱過程を生じさせることが可能となる。この非断熱過程による誘導放出においては、振動準位を介し電子を放出させる。このとき、バンドギャップ幅に相当する吸収端波長よりも長波長である光でも伝導帯中の電子を多段階で遷移させて放出させることができ、その結果、伝導体中の電子を減少させることが可能となる。   As a result, it is possible to realize light emission by emitting electrons from the pn junction 1. In the specific dopant distribution, near-field light continues to be generated, so that a non-adiabatic process can be generated. In stimulated emission by this non-adiabatic process, electrons are emitted through vibration levels. At this time, even in the light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength corresponding to the band gap width, electrons in the conduction band can be emitted in a multi-step transition, and as a result, electrons in the conductor are reduced. Is possible.

このような非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、伝導帯における電子密度n1が減少する。その結果、かかる近接場光が発生する特有のドーパント分布が形成された領域については、n層13へと移動する電子の量は減少することになり、拡散電流が低下する。そして、当該特有のドーパント分布が形成された領域についてはジュール熱が低下することになる。即ち、誘導放出は、電子や正孔のエネルギーを奪うものとなり、擬似p層12内におけるn層11近傍の流動性が低下する。その結果、擬似p層12内におけるn層11近傍については、ドーパントの分布の変化が抑制されることになる。かかるドーパント分布はそのまま変化することなく固定されることになる。 The multistage stimulated emission caused by such a non-adiabatic process causes the electron density n 1 in the conduction band to decrease. As a result, the amount of electrons moving to the n layer 13 is reduced in the region where the peculiar dopant distribution in which such near-field light is generated is formed, and the diffusion current is reduced. And the Joule heat falls about the area | region in which the said specific dopant distribution was formed. That is, stimulated emission takes away energy of electrons and holes, and the fluidity in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 decreases. As a result, the change in dopant distribution is suppressed in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12. Such a dopant distribution is fixed without change.

また、図5(b)に示すように発光が生じた場合、その発光に基づいて、特有のドーパント分布による近接場光が発生しやすくなる。その発生した近接場光により、さらに各部における非断熱過程が生じやすくなり、特有のドーパント分布の固定化並びに発光が促進されることとなる。   Further, when light emission occurs as shown in FIG. 5B, near-field light due to a specific dopant distribution is likely to be generated based on the light emission. The generated near-field light further tends to cause a non-adiabatic process in each part, and the fixation of the specific dopant distribution and the light emission are promoted.

また、上述の如き順方向バイアス電圧を印加し続けることにより、上述したメカニズムが継続的に生じる。   Moreover, the mechanism described above is continuously generated by continuing to apply the forward bias voltage as described above.

微細領域Aは、そのまま近接場光が発生し続けて、上述した非断熱過程による誘導放出が継続して生じる結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。また、微細領域A以外の箇所は、近接場光が発生しないため冷却されることなく、そのままジュール熱が発生することにより、この擬似p層12内におけるn層11近傍の流動性が増加する結果、擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントの分布がランダムに変化する。このランダムなドーパント分布の変化の結果、図6に示すように、微細領域Aとほぼ同一分布の微細領域Bが形成される場合もある。この微細領域Bにおける特有のドーパント分布は、微細領域Aと同様に、近接場光が発生する上でより適した分布である。この特有のドーパント分布を形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴う擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。   In the fine region A, the near-field light continues to be generated as it is, and the stimulated emission by the non-adiabatic process described above is continuously generated. As a result, the temperature is lowered, and the fine region A continues to be fixed in this state. In addition, since the near-field light is not generated in the portions other than the fine region A, the fluidity in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 is increased by generating Joule heat as it is without being cooled. The dopant distribution in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 changes randomly. As a result of this random change in dopant distribution, as shown in FIG. 6, a fine region B having the same distribution as the fine region A may be formed. Similar to the fine region A, the specific dopant distribution in the fine region B is a more suitable distribution for generating near-field light. The conditions for forming this specific dopant distribution are not established, and as a result of random changes of the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 due to the generation of Joule heat, it occurs by chance under a certain probability. Is formed.

このような、微細領域Bにおける特有のドーパント分布が形成されたときに、上述した順方向バイアス電圧を更に負荷し続けると、当該特有のドーパント分布において近接場光が発生する。この近接場光の発生は、特に誘導光が無い状態の下であっても、順方向電流注入時には注入された電荷の自然放出およびそれを元とした誘導放出によって発生することになる。この近接場光が発生することにより、この微細領域Bにおいても同様な非断熱過程が生じる。   When such a specific dopant distribution in the fine region B is formed, if the forward bias voltage described above is further applied, near-field light is generated in the specific dopant distribution. The generation of the near-field light is generated by spontaneous emission of the injected charge and stimulated emission based on it when the forward current is injected, even in the absence of the induced light. The generation of the near-field light causes a similar non-adiabatic process in the fine region B.

微細領域Bについても、非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、拡散電流が低下する。そして、当該特有のドーパント分布が形成された微細領域Bについてはジュール熱が低下することになり、流動性が低下する。その結果、微細領域Bについても、擬似p層12内におけるn層11近傍については、ドーパントの分布の変化が抑制されることになる。かかるドーパント分布はそのまま変化することなく固定されることになる。   Also in the fine region B, the diffusion current is reduced due to multistage stimulated emission due to the non-adiabatic process. And about the micro area | region B in which the said specific dopant distribution was formed, Joule heat will fall and fluidity | liquidity will fall. As a result, also in the fine region B, the change in the dopant distribution is suppressed in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12. Such a dopant distribution is fixed without change.

かかる処理が繰り返し実行されると、理想的には、順方向バイアス電圧が印加された場合に近接場光が好適に発生する微細領域A、Bと同一のドーパント分布が数多く作り出されることとなる。ドーパント分布の変化が抑制され、流動性の向上による加工が停止することとなる。その結果、発光効率を飛躍的に向上させることが可能となる。   When such processing is repeatedly executed, ideally, many dopant distributions identical to those in the fine regions A and B in which near-field light is suitably generated when a forward bias voltage is applied are created. The change in the dopant distribution is suppressed, and the processing by improving the fluidity is stopped. As a result, the luminous efficiency can be dramatically improved.

このように本発明では、インプラントされている窒素の多くがアクセプターとして機能すべき結晶内の位置に固定されていないため、p層として安定的に機能しない擬似p層12において順方向バイアス電圧を印加することで、ジュール熱が発生することによる擬似p層12の流動性を増加させる。そして、擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントの分布がランダムに変化し、ある特有のドーパント分布が形成された場合に近接場光が発生する。そして、当該近接場光が発生した領域においては、誘導放出により発光が生じる。このような近接場光の発生による発光が生じる領域においては、流動性が低下して加工が停止し、ドーパントの分布が固定されることとなる。   Thus, in the present invention, since most of the implanted nitrogen is not fixed at a position in the crystal that should function as an acceptor, a forward bias voltage is applied in the pseudo-p layer 12 that does not function stably as a p-layer. As a result, the fluidity of the pseudo p-layer 12 due to the generation of Joule heat is increased. Then, the near-field light is generated when the distribution of the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 randomly changes and a specific dopant distribution is formed. And in the area | region where the said near field light generate | occur | produced, light emission arises by stimulated emission. In a region where light emission due to the generation of such near-field light occurs, the fluidity is lowered, the processing is stopped, and the dopant distribution is fixed.

そして、このドーパントが固定された状態においては、順方向バイアス電圧を印加した際において発光が生じるものであることから、いわゆるpn接合としての機能を発揮することとなる。つまり擬似p層12内におけるn層11近傍のドーパントがアクセプターとして機能すべき結晶内の位置に移動し、固定されたことを意味する。   In a state where this dopant is fixed, light emission occurs when a forward bias voltage is applied, so that it functions as a so-called pn junction. That is, it means that the dopant in the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12 has moved and fixed to a position in the crystal that should function as an acceptor.

擬似p層12は、当初からZnOで構成されているが、その擬似p層12内におけるドーパントとしての窒素が、アクセプターとして機能すべき結晶内の位置に移動した場合、ZnOは、p型半導体として機能することとなる。このため、擬似p層12内における近接場光が好適に発生する微細領域A、Bは、いわゆるp型のZnOに変化したものといえる。   Although the pseudo p layer 12 is composed of ZnO from the beginning, when nitrogen as a dopant in the pseudo p layer 12 moves to a position in the crystal that should function as an acceptor, ZnO becomes a p-type semiconductor. Will function. Therefore, it can be said that the fine regions A and B in which the near-field light is suitably generated in the pseudo p layer 12 are changed to so-called p-type ZnO.

特に本発明では、擬似p層12内におけるn層11近傍をジュール熱に基づいて一度流動させた後に、p型半導体としての機能が発揮しえる状態へドーパントを移動させて固化させている。これにより、拡散されて固定後のドーパントは、ZnO中においてp型半導体としての機能を発揮しえる状態で安定的に固定されるものである。このため、擬似p層12を、本来的なp型半導体としての機能を発揮するp層に変化させることが可能となる。即ち、本発明によれば、p型ZnOを安定的に製造することが可能となる。   In particular, in the present invention, the n layer 11 and the vicinity thereof in the pseudo p layer 12 are once flowed based on Joule heat, and then the dopant is moved and solidified to a state where the function as a p-type semiconductor can be exhibited. Thereby, the diffused and fixed dopant is stably fixed in a state capable of exhibiting a function as a p-type semiconductor in ZnO. For this reason, it becomes possible to change the pseudo p layer 12 into a p layer that exhibits the function as an original p-type semiconductor. That is, according to the present invention, it is possible to stably produce p-type ZnO.

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。実際に順方向バイアス電圧を印加する際において、更に誘導光を、少なくとも擬似p層12内におけるn層11近傍に対して入射させるようにしてもよい。その結果、この入射される光の波長に応じて図6に示すような、中間に位置する振動順位が形成されることになる。電子は、この中間に位置する振動順位へ一度遷移した後に、誘導放出により下位準位へと遷移するが、実際に発光波長は、かかる中間に位置する振動順位と基底順位との間のバンドギャップ差に依存する。そして、この中間に位置する振動順位は、外部から照射される誘導光の波長に大きく依存することとなる。   The present invention is not limited to the embodiment described above. When the forward bias voltage is actually applied, the guide light may be incident on at least the vicinity of the n layer 11 in the pseudo p layer 12. As a result, an intermediate vibration rank is formed as shown in FIG. 6 according to the wavelength of the incident light. The electrons make a transition to the vibration order located in the middle and then make a transition to the lower level by stimulated emission, but the emission wavelength is actually the band gap between the vibration order located in the middle and the base order. Depends on the difference. The vibration order located in the middle greatly depends on the wavelength of the guide light emitted from the outside.

図7は、得られたpn接合体1について実際の出力光のスペクトル分布を示している。この例では、407nmの波長からなる誘導光を照射している。その結果、出力光のスペクトル分布は、図7に示すように390nmを中心としたピークを有するものとなっている。即ち出力光のスペクトル分布は、入射される誘導光と波長と非常に近いものとなっている。このため、出力光の波長は、入射される誘導光の波長に基づくものであるといえる。   FIG. 7 shows the actual spectral distribution of output light for the obtained pn junction 1. In this example, guide light having a wavelength of 407 nm is irradiated. As a result, the spectral distribution of the output light has a peak centered at 390 nm as shown in FIG. That is, the spectral distribution of the output light is very close to the incident guide light and wavelength. For this reason, it can be said that the wavelength of the output light is based on the wavelength of the incident guide light.

この誘導光として紫外帯域から青色帯域における何れかの波長の光を照射するようにしてもよい。これにより、得られる得られたpn接合体1は、紫外帯域から青色帯域における波長の光を出射するデバイスとして構成することが可能となる。   You may make it irradiate the light of any wavelength in an ultraviolet band to a blue band as this guide light. Thereby, the obtained pn junction body 1 obtained can be configured as a device that emits light having a wavelength in the ultraviolet band to the blue band.

また、本発明は得られたpn接合体1におけるp層に相当するp型ZnOを切り出して使用するようにしてもよいし、またかかるp型ZnOをp層としたZnOエレクトロルミネッセンス半導体素子として使用するようにしてもよいことは勿論である。   Further, in the present invention, p-type ZnO corresponding to the p layer in the obtained pn junction 1 may be cut out and used, or used as a ZnO electroluminescent semiconductor element using such p-type ZnO as a p layer. Of course, you may make it do.

1 pn接合体
10 p型ZnOの作製装置
11 n層
12 擬似p層
14 ドーパント
41 電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 pn junction body 10 Preparation apparatus of p-type ZnO 11 N layer 12 Pseudo p layer 14 Dopant 41 Power supply

Claims (2)

n型ZnO基板で構成したn層と、上記n型ZnO基板に窒素をp型ドーパントとしてインプラントした擬似p層とを形成し、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記n層及び上記擬似p層に拡散電流を発生させ、
上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか1以上の上記擬似p層にインプラントした窒素のドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
上記変化後の窒素のドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させ、上記擬似p層中の窒素のドーパント分布を固定させて当該擬似p層をp型ZnOとして構成すること
を特徴とするp型ZnOの作製方法。
forming an n layer composed of an n-type ZnO substrate and a pseudo-p layer in which nitrogen is implanted as a p-type dopant in the n-type ZnO substrate;
A diffusion current is generated in the n layer and the pseudo p layer by applying a forward bias voltage;
Based on the Joule heat generated by the generated diffusion current, repeatedly changing the dopant distribution of nitrogen implanted in any one or more of the pseudo-p layers, and the conduction band in the active layer by the forward bias voltage Causing an inversion distribution in the valence band,
In the place where the near-field light is generated based on the nitrogen dopant distribution after the change, by causing the electrons in the conduction band forming the inversion distribution to be stimulated emission in multiple stages based on a non-adiabatic process, A method for producing p-type ZnO, characterized in that the diffusion current is reduced to lower the Joule heat, the dopant distribution of nitrogen in the pseudo-p layer is fixed, and the pseudo-p layer is configured as p-type ZnO .
上記順方向バイアス電圧の印加時において、少なくとも上記擬似p層に対して外部から紫外帯域〜青色帯域における何れかの波長の誘導光を照射すること
を特徴とする請求項1記載のp型ZnOの作製方法。
2. The p-type ZnO according to claim 1, wherein at the time of applying the forward bias voltage, at least the pseudo-p layer is irradiated with guide light having any wavelength in the ultraviolet band to the blue band from the outside. Manufacturing method.
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