专利名称：氧化锌系化合物半导体元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用ZnO和MgZnO系(意味着Mg与Zn的混晶比率 能够改变，以下相同)化合物等氧化锌系(以下，也称为ZnO系)半 导体的发光二极管(LED)和激光二极管等发光元件、HEMT等晶体 管元件等、ZnO系化合物半导体元件。更详细地说，涉及即使在利用 异质结将ZnO与MgZnO系化合物等叠层而形成半导体元件、并在该 叠层方向上施加电压(电场)的情况下，也能够抑制由于产生压电电 场而引起的驱动电压的上升等对施加的电压的影响的ZnO系化合物 半导体元件。
背景技术：
近年来，使用氮化物半导体的蓝色系发光二极管(LED)和激光 二极管等氮化物半导体发光元件已实用化。另一方面，ZnO系化合物 在短波长区域中的发光特性比GaN系化合物(意味着Ga的一部分或 全部置换成其它的III族元素的化合物，以下相同)优异。具体地说， 空穴和电子在固体内结合的ZnO的激子的束缚能大到60meV，即使在 室温下也稳定地存在(GaN为24meV)。进一步，GaN系化合物当加 入In而形成InGaN系化合物(意味着In与Ga的混晶比率能够发生各 种改变的化合物，以下相同)时，会高效率地发光，但是In越少效率 越下降。在InGaN系化合物的情况下，由于In的组成异常，在局部会 产生电位小的地方，载流子在那里会被捕获，因此可以说对结晶缺陷 不敏感。另一方面，认为当In变少时，组成均匀化，尤其是容易捕 获载流子的部分消失，因此容易看到结晶缺陷。ZnO系化合物即使短 波长化也不会发生这样的问题，波长越短InGaN系化合物越不利。当 然，在进一步的短波长化中，即使使用GaN本身、AlGaN系化合物(意 味着Al与Ga的混晶比率能够发生各种改变的化合物，以下相同)也 同样是不利的。
作为使用这样的ZnO系化合物的发光元件，已知有例如如图7所 示的结构的发光元件(例如参照专利文献1)。艮卩，在图7中，在蓝 宝石基板31上，形成有由ZnO构成的缓冲层32、和由n型ZnO构成 的n型接触层33，在其上，利用由MgZnO系化合物构成的n型包覆 层34、由CdZnO系化合物构成的活性层35、和由MgZnO系化合物 构成的p型包覆层36，叠层发光层形成部38，进一步叠层由ZnO构 成的p型接触层37，对半导体叠层部的一部分进行蚀刻，使n型接触 层33露出，在其表面上设置n侧电极39，在p型接触层37的表面上 设置p侧电极40，由此形成该发光元件。专利文献l:特开2002-94114号公报专利文献2:WO01/73170Al发明内容如上所述，在叠层ZnO系化合物层的情况下，通常使用蓝宝石基 板作为基板，以将它的C面作为主面并进行c轴取向的方式叠层ZnO 系化合物半导体层。但是，本发明人发现，当这样使用以C面作为主 面的基板，进行c轴取向而形成具有与基板材料不同的ZnO和MgZnO 系化合物那样的异质结的半导体叠层部，从而形成上述那样的发光元 件等元件时，如后所述，存在顺方向的施加电压上升，产生多余的焦 耳热，使元件寿命縮短的问题。另一方面，还已知为了提高结晶性，将蓝宝石基板的A面作为 主面并在其表面使[11-20]轴取向而生长氧化锌层(例如参照专利文 献2)。但是，因为蓝宝石基板与ZnO晶格不匹配，所以当这样取向 时，在c轴方向，位错多，不能得到良好的结晶。本发明为了解决这样的问题而做出，其目的是提供一种即使使用 在短波长的发光中比GaN系化合物有利的ZnO系化合物半导体，并 形成具有ZnO系化合物半导体层的异质结的叠层部从而形成半导体 元件，也不会引起驱动电压的上升，而且使结晶性良好、元件特性优 异的氧化锌系化合物半导体元件。本发明的另一个目的在于提供一种特别是在460nm以下那样的短波长区域能够高效率地发光的半导体发光元件。
本发明人发现，当叠层ZnO系化合物半导体层而形成发光元件等时，存在驱动电压上升，产生多余的焦耳热，使元件寿命减少的现象，对于其原因反复进行深入研究，研究的结果发现原因在于，ZnO系化 合物是压电体，当以蓝宝石基板与ZnO层、ZnO层与MgZnO系化合 物层的叠层等方式形成异质结时，在该基板与ZnO系化合物层之间或 叠层的两半导体层之间发生由晶格常数的差引起的变形，基于该变形， 产生压电电场(由应力产生的电场)。即，该压电电场，对于载流子 来说，成为新增加的势垒，使二极管等的内部(built-in)电压上升， 由此，驱动电压上升。详细地说，压电电场中，当向具有压电效果的结晶施加应力时， 如图6 (a)和(b)所示，在压縮力的情况下和拉伸力的情况下，其 产生的电荷的+和-相反。另一方面，在ZnO那样的六方晶系的结晶中， 在c轴方向上没有对称性，c轴方向(与C面垂直的面)成为存在用 电荷偏差区别的2个方向的无极性面。因此，由上述应力产生的电荷 在结晶的C面的两面上产生+和-的电荷，A面和M面成为非极性面， 不产生电荷，或者电荷非常小。因此，发现在C面上叠层的ZnO层 33和MgZnO层34中，如图5 (c)所示，在发生压缩变形的MgZnO 层34的ZnO层33侧产生+的电荷，在相反侧产生相反的电荷，使内 部电压上升，是如后述的图3的C所示使驱动电压上升的原因。本发明人发现通过以使由于该应力而产生电荷的面与向元件施 加的电场的方向平行的方式(以压电电场与向元件施加的电场垂直的 方式)，叠层ZnO系化合物半导体层，能够解决由压电电场引起的问 题，而且，通过使用ZnO系化合物基板作为基板，因为ZnO系化合 物间的晶格常数的差没有蓝宝石与ZnO系化合物的差那样大，所以能 够得到在面内c轴也取向、结晶性非常优异的单晶层。在此，氧化锌(ZnO)系化合物半导体是指含有Zn的氧化物，作 为具体的例子，除了ZnO以外，还包括IIA族元素与Zn的氧化物、 IIB族元素与Zn的氧化物、或者IIA族元素和IIB族元素与Zn的氧化 物。本发明的氧化锌系化合物半导体元件包括由以A面(11-20) 或M面(10-10)作为主面的MgxZni.xO (0《x《0.5)构成的基板；和在该由MgxZni_xO构成的基板的上述主面上，与该主面平行的面在 {11-20}面或{10-10}面上取向、并且与上述主面垂直的面在{0001}面 上取向而外延生长的ZnO系化合物半导体单晶层。在此，(11-20) 、 (10-10) 、 {11-20}、 {10-10}，严格地说， 分别指(ii5o) 、 (ioio) 、 {ii5o}、 {ioio}但是为方便起见，如上述那样进行简记。另夕卜，例如{11-20}面表示由 于结晶具有的对称性，也包括与(11-20)面等价的面的总称。作为具体的例子，在上述基板上外延生长的ZnO系化合物半导体 单晶层，以形成发光二极管或激光二极管的发光层的方式，叠层为包 含异质结的半导体叠层部，构成氧化锌系化合物半导体发光元件，由 此，可得到驱动电压低、抑制多余的焦耳热的产生从而元件特性优异 的半导体发光元件。另外，如果以构成晶体管元件的方式进行叠层， 则即使与异质结相伴的应力起作用，由该应力产生的压电电场的方向 与栅极电压的施加方向不同，不会对晶体管特性造成影响，另外，结 晶性非常优异，因此，能够得到漏电流小、耐压优异的高速的晶体管。另外，上述半导体叠层部被形成为具有由MgyZni.yO (0《y《 0.3)半导体层的叠层结构构成的、通过利用带隙比活性层的带隙大的 半导体层夹持该活性层而形成的发光层形成部，通过从夹着上述活性 层的两侧施加驱动电压，在460nm以下的短波长区域发光。由此，特 别是在用GaN系化合物形成短波长区域的发光元件的情况下，结晶缺 陷变多，发光特性下降，但是在本发明中没有这样的问题，能够在低 的驱动电压下得到内部量子效率优异的短波长的半导体发光元件。根据本发明，在由以A面(11-20)或M面(10-10)作为主面 的MgxZnLxO (0《x《0.5)构成的基板表面上，外延生长ZnO系化合 物半导体层。因此，在基板上，与主面平行的面在{11-20}面或{10_10} 面上取向而进行叠层，并且基板与叠层的ZnO系化合物是同类的化合 物，因此，即使不插入设置用于缓和晶格不匹配的梯度层或缓冲层等， 也会生长为与主面垂直的面也在{0001}面上取向(面内的c轴也取向) 的完全的单晶层。而且，结晶的C面不出现在叠层半导体层的面内， 而出现在与叠层面成直角的方向上。结果，即使在基板与叠层的半导 体层之间、或者在叠层的半导体层间，由于因Mg等的混晶比不同而 产生的异质结，在层间产生应力从而产生压电电场，作为半导体元件, 形成与通常施加的向与半导体叠层部垂直的方向施加的电场成直角方 向的电场，对作为元件的施加电压没有任何影响。结果，例如当利用异质结将ZnO系化合物半导体层叠层而形成发光元件时，不会产生使 驱动电压上升的问题。因此，也不会发生元件特性的劣化和元件寿命 的降低。
图l是作为本发明的ZnO系化合物半导体元件的一个实施方式的LED的截面说明图。图2是表示用于本发明的半导体元件的基板的A面和M面的图。 图3是表示将图1所示的结构的LED的V-I特性(A)与以往的将C面作为主面而叠层ZnO系化合物层的LED的V-I特性(C)进行对比的图。图4是表示根据本发明形成的LD的结构的一个例子的截面说明图。图5是根据本发明形成的晶体管的结构例的截面说明图。图6是说明对压电晶体作用应力时的电荷的产生的图。图7是表示使用以往的ZnO系化合物半导体的LED的结构例的图。符号说明1 基板2 n型缓冲层3 n型层4 活性层5 p型层6 p型接触层7 发光层形成部8 半导体叠层部 9 n侧电极10 p侧电极
具体实施方式
接着，参照附图，对本发明的氧化锌系(ZnO系)化合物半导体 元件进行说明。本发明的ZnO系化合物半导体元件，如图1中作为它 的一个实施方式的发光二极管(LED)的截面说明图所示，在由以A 面(11-20)或M面(10-10)作为主面的MgxZn"O (0《x《0.5)构 成的基板1的主面上，与主面平行的面在{11-20}面或{10-10}面上取 向、并且与上述主面垂直的面在《0001)面上取向而外延生长有ZnO系 化合物半导体单晶层(以下，仅称为ZnO系化合物半导体层)2 6。基板1由MgxZni.xO (例如x=0的ZnO)构成，进行研磨，使得 主面成为A面或M面。这是因为通过如上所述使主面为A面或M 面，即使与异质结相伴的应力作用于半导体层，它的压电电场的影响 也不会及于元件的驱动电压。ZnO系化合物、例如MgxZni.xO的结晶 结构的概念图为如图2中的立体图和平面图所示的六方晶结构，A面 和M面分别为如图2所示的面，均为与C面正交的面。以该A面或 M面成为半导体层的生长面的方式形成基板l。另一方面，该C面位 于与主面垂直的方向(c轴在主面内)，但是因为基板与生长的半导 体层是同种的ZnO系化合物，所以C面(c轴)也取向生长。该基板 1可以是x^的ZnO，也可以是将Mg以50at。/。以下的比例混晶而形成 的MgZnO系化合物。当Mg超过50atM时，因为MgO为NaCl型结晶， 所以与六方晶系的ZnO系化合物不匹配，因此不优选。该MgxZn^O基板通过将由水热合成法形成的锭(ingot)切割成 晶片而形成。在该切割时，如上所述，以主面成为A面或M面的方 式进行切割。此外，即使基板1的Mg的混晶比率为0，对于在其上 生长的ZnO系化合物的结晶性(c轴取向性)也几乎没有影响，但是 根据发出的光的波长(活性层的组成)，成为带隙比该波长的光大的 材料，发出的光不会被基板l吸收，因此优选。半导体叠层部8，在图l所示的例子中，由n型ZnO构成的例如 厚度10nm左右的缓冲层2、发光层形成部7、和p型ZnO构成的厚度 10 30nm左右的接触层6构成。但是，虽然用简单的结构例表示，但 并不限定于该叠层结构。发光层形成部7，在图1所示的例子中，形成为将活性层4夹在 由带隙比它大的MgyZn!.yO (0《y《0.3，例如yi.l)构成的n型层3 和p型层5之间的双异质结结构。虽然未图示，但是活性层4被形成 为多量子阱(MQW)结构，该多量子阱结构例如被形成为从下层侧起， 由n型MgzZn,.zO (0《z《0.15，例如2=0.05)构成的厚度0 15nm左 右的n型引导层、将厚度6 15nm左右的Mg(uZn。.90层和厚度1 5nm 左右的ZnO层交替地叠层6周期而形成的叠层部、以及由p型 MgzZni.zO构成的厚度0 15nm左右的p型引导层的叠层结构，例如 以发出365nm左右的波长的光的方式形成。但是，发光层形成部7的 结构并不限定于该例子，例如活性层4可以是单量子阱(SQW)结构， 也可以是体积(bulk)结构，另外，也可以不是双异质结结构，而是 单异质结的pn结构。另夕卜，也能够将n型层3和p型层5也形成为势 垒层与接触层的叠层结构，另外，也能够在异质结的层间设置梯度层， 进而在基板侧形成反射层。在对基板1的背面进行研磨以使基板1的厚度为100pm左右之 后，在该背面上叠层Ti、 Al并进行烧结，由此形成n侧电极9，进一 步，在p型接触层6的表面，通过剥离法、利用Ni/Au的叠层结构形 成p侧电极10，通过从晶片进行芯片化，形成图1所示的结构的发光 元件芯片。此外，n侧电极9也能够不形成在基板1的背面上，而形 成在通过对已叠层的半导体叠层部8的一部分进行蚀刻而露出的n型 层3的表面上。为了制造该发光二极管，首先，例如在A面(11-20)或M面 (10-10)对由水热合成法制作出的ZnO锭进行切割并进行CMP (chemical mechanical polish:化学机械研磨)研磨，由此制作出晶片。 在ZnO系化合物的生长中，使用包括自由基源的MBE装置，该自由 基源利用RF等离子体产生将氧气的反应活性提高后的氧自由基。为 了得到作为p型ZnO的掺杂剂的氮，准备相同的自由基源。Zn源、 Mg源、Ga源(n型掺杂剂)分别使用纯度6N (99.9999%)以上的金 属Zn、金属Mg等，从克努森池(蒸发源)供给。在MBE腔室的周围，准备用于流动液氮的套筒(shroud)，使得壁面不会被来自克努森池或基板加热器的热放射加热。通过这样做，能够将腔室内保持为lxl(^Torr左右的高真空。在这样的MBE装置内，导入由CMP研磨后的上述的ZnO构成的 晶片后，在70(TC左右进行热清洁后，使基板温度下降到60(TC左右， 生长n型缓冲层2，进一步，依次生长上述构成的各半导体层，由此 形成半导体叠层部8。如上所述，使基板1变薄，在表面侧的p型接 触层6上通过剥离法使用真空蒸镀法等，形成Ni/Au叠层结构的p侧 电极10，在基板1的背面叠层Ti/Al，在60(TC下进行1分钟左右的烧 结，由此形成确保了欧姆性的n侧电极9。此后，通过切割等从晶片 进行芯片化。这样形成的LED的V-1特性如图3所示。即，图3中，横轴为顺 方向电压V (单位V)，纵轴为顺方向电流I (单位A)，表示两者的 关系，由A表示的V-I特性是本申请发明的在以A面作为主面的基板 上，利用与主面平行的面在{11-20}面上取向、并且与上述主面垂直的 面在{0001}面上取向而生长的ZnO系化合物半导体层形成的LED,由 C表示的V-I特性是以往的将C面作为主面并且c轴取向而形成的 LED。从图3可看出，根据本申请发明，在工作电流20mA左右的LED 中，能够使驱动电压降低几V左右。上述的例子是LED的例子，但是即使是激光二极管(LD)，同 样形成异质结的半导体叠层部，并在与该叠层部垂直的方向上施加驱 动电压，因此，通过使用由以A面或M面作为主面的MgxZni.xO (0 《x《0.5，例如x=0)构成的基板1，与主面平行的面在{11-20}面或 {10-10}面上取向、并且与主面垂直的面在{0001}面上取向而进行生 长，能够在低驱动电压下得到阈值电流小的高特性的半导体激光器。 将这样的半导体激光器的结构例示于图4。在图4中，基板1和缓冲层2与图l所示的例子相同。在该例子 中，n型层3由n型接触层3a和势垒层(包覆层)3b构成，该n型接 触层3a由ZnO构成，该势垒层(包覆层)3b由MgyZni-yO (0《y《 0.3，例如y4.2)构成，活性层4与上述的例子同样，但在图上表示 出了由n型MgzZni.zO (例如z=0.05)构成的n型引导层4a、 Mg(uZn。.90/ZnO的叠层部4b、和由p型MgzZni.zO构成的p型引导层 4c， p型层5被分割成由相同的MgyZni.yO (0《y《0.3)构成的第一层 5a和第二层5b，形成为在它们之间插入有形成有条形槽lla的由i型 或n型的MgaZni.aO (0<a《0.3，例如a=0.15)构成的电流狭窄层11 的结构，由n型层3、活性层4和p型层5构成发光层形成部7。在其 表面上叠层有由p型ZnO构成的p型接触层6，由此，利用从缓冲层 2直到接触层6，形成半导体叠层部8。在接触层6上，利用与上述同 样的材料形成有p侧电极10,但在该情况下，不从叠层面的表面侧取 出光，因此，p侧电极10在大致整个面上形成，在半导体叠层部8的 一部分通过蚀刻被除去而露出的n型接触层3a上形成有n侧电极9。 该n侧电极9，与图1所示的例子同样，也能够形成在基板1的背面 上。即使在这样的LD中，由于因异质结引起的应力，产生压电电场， 但是因为在以A面或M面作为主面的基板1上叠层有半导体层，所 以对LD的驱动电压几乎没有影响，半导体层的结晶性也优异，能够 得到阈值电流值小的非常高性能的LD。图5是在上述的以A面(11-20)或M面(10-10)作为主面的 ZnO基板1的主面上，利用与主面平行的面在{11_20}面或{10-10}面 上取向、并且与上述主面垂直的面在(0001)面上取向而生长的ZnO系 化合物半导体层，构成晶体管的截面说明图。在该例子中，依次生长 4pm左右的未惨杂的ZnO层23、 10nm左右的n型MgZnO系化合物 电子渡越层24、和5nm左右的未掺杂的MgZnO系化合物层25，留下 作为栅极长度的1.5|am左右的宽度而将未掺杂的MgZnO系化合物层 25蚀刻除去，使电子渡越层24露出。在通过蚀刻而露出的电子渡越 层24上，例如用Ti膜和Al膜形成源电极26和漏电极27，在未掺杂 的MgZnO系化合物层25的表面上，例如通过Pt膜与Au膜的叠层形 成栅电极28，由此构成晶体管。通过在这样的由以A面或M面作为 主面的MgxZn^0 (0《x《0.5)构成的基板1的主面上，生长ZnO系 化合物半导体层，即使与异质结相伴的应力起作用，由该应力产生的 压电电场的方向与栅极电压的施加方向不同，不会对晶体管特性造成 影响，而且因为不仅在a轴方向上取向、也在c轴方向上取向，所以 能够得到结晶性非常优异、漏电流小、耐压优异的高速晶体管(HEMT)。产业上的可利用性本发明能够提高使用氧化锌系化合物半导体的LED和激光二极 管等发光元件、HEMT等晶体管元件等的特性，能够用于利用这些半 导体元件的各种电子设备。
权利要求
1. 一种氧化锌系化合物半导体元件，其特征在于，包括由以A面(11-20)或M面(10-10)作为主面的MgxZni-xO (0 《x《0.5)构成的基板；和在该由MgxZni.xO构成的基板的所述主面 上，与该主面平行的面在{11_20}面或{10-10}面上取向、并且与所述 主面垂直的面在(OOOU面上取向而外延生长的ZnO系化合物半导体单晶层。
2. 根据权利要求1所述的氧化锌系化合物半导体元件，其特征在于在所述基板上外延生长的ZnO系化合物半导体单晶层，以形成发 光二极管或激光二极管的发光层的方式，叠层为包含异质结的半导体 叠层部，构成氧化锌系化合物半导体发光元件。
3. 根据权利要求2所述的氧化锌系化合物半导体元件，其特征在于所述半导体叠层部被形成为具有由MgyZni.yO (0《y《0.3)半 导体层的叠层结构构成的、通过利用带隙比活性层的带隙大的半导体 层夹持该活性层而形成的发光层形成部，通过从夹着所述活性层的两 侧施加驱动电压，在460nm以下的短波长区域发光。
4. 根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其特征在于 在所述单晶的缓冲层上生长的氮化物半导体以形成晶体管的方式叠层而成。
全文摘要
本发明提供一种即使形成具有ZnO系化合物半导体层的异质结的叠层部从而形成半导体元件，也不会引起驱动电压的上升，而且使结晶性良好、元件特性优异的氧化锌系化合物半导体元件。在由以A面(11-20)或M面(10-10)作为主面的Mg<sub>x</sub>Zn<sub>1-x</sub>O(0≤x≤0.5)构成的基板(1)的主面上，与主面平行的面在{11-20}面或{10-10}面上取向、并且与主面垂直的面在{0001}面上取向而外延生长ZnO系化合物半导体单晶层(2～6)。
文档编号H01S5/327GK101147268SQ20068000952
公开日2008年3月19日 申请日期2006年3月23日 优先权日2005年3月24日
发明者中原健, 田村谦太郎 申请人:罗姆股份有限公司