JP2013115277A - Hetero-junction light-emitting element manufacturing method - Google Patents
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Abstract
【課題】長い時間と多大な電力を要する後工程が不要であり、かつ窒化物半導体のpn接合界面が大気開放されても発光素子を製造可能な方法を提供する。
【解決手段】p型窒化物半導体層上に、主成分元素として亜鉛と酸素、ならびに副成分元素としてアルミニウム、ガリウム、およびインジウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、組成物または混合物を用いて、スパッタリング法または真空蒸着法により、n型酸化亜鉛層を製膜する工程を有するヘテロ接合型発光素子の製造方法とする。
【選択図】図4Provided is a method capable of manufacturing a light emitting element even if a pn junction interface of a nitride semiconductor is open to the atmosphere without a post process requiring a long time and a large amount of power.
A composition or a mixture containing zinc and oxygen as main component elements and at least one selected from the group consisting of aluminum, gallium, and indium as subcomponent elements is used on a p-type nitride semiconductor layer. Thus, a method of manufacturing a heterojunction light-emitting element including a step of forming an n-type zinc oxide layer by a sputtering method or a vacuum evaporation method is provided.
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、ヘテロ接合型発光素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a heterojunction light-emitting element.
従来より、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウム(AlN)等の窒化物系化合物半導体は、伝導帯の最小点と価電子帯の最大点とが互いに近い波数位置にある直接遷移型の化合物半導体であり、かつ広いエネルギーギャップを持つために、短波長光源や耐環境デバイスとして脚光を浴びている。GaNは約3.4eVの広いエネルギーギャップを持っており、青色から紫外領域にわたる光を発する発光素子として利用できる。近年、窒化ガリウムを主成分とする青色発光ダイオード(LED)が実用化され、蛍光体を使って青色を黄色に波長変換し、青色と黄色の発光により100lm/Wを超える超高効率な白色LEDが普及しはじめ、主に照明器具や液晶ディスプレイ(LCD)のバックライトとして利用されている。 Conventionally, nitride-based compound semiconductors such as gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), and aluminum nitride (AlN) directly have the minimum point of the conduction band and the maximum point of the valence band at close wave positions. Since it is a transition type compound semiconductor and has a wide energy gap, it is attracting attention as a short wavelength light source and an environmental resistant device. GaN has a wide energy gap of about 3.4 eV and can be used as a light emitting element that emits light ranging from blue to ultraviolet. In recent years, blue light-emitting diodes (LEDs) mainly composed of gallium nitride have been put into practical use, and the wavelength of blue is converted to yellow using phosphors, and ultra-high efficiency white LEDs exceeding 100 lm / W by blue and yellow light emission. Has started to spread, and is mainly used as a backlight for lighting equipment and liquid crystal displays (LCD).
窒化ガリウム系LEDの利点として、寿命が白色電球や白色有機ELに比べて非常に長い点と3〜6V程度の非常に低い電圧で発光させられる点が挙げられる。従来の代表的な面実装型の窒化ガリウム系LEDの構造および作製方法について以下に説明する。 Advantages of the gallium nitride LED include that it has a very long life compared to white light bulbs and white organic EL, and can emit light at a very low voltage of about 3 to 6V. The structure and manufacturing method of a conventional typical surface mount type gallium nitride LED will be described below.
従来の窒化ガリウム系LEDは、バッファ層が形成された半導体基板上に、n型窒化ガリウム半導体層とp型窒化ガリウム半導体層がpn接合された発光層を有している(特許文献1)。半導体基板にはサファイア、スピネル、SiC、Si、ZnO等の材料が用いられ、結晶性の良い窒化ガリウムを形成する場合には、特にサファイア基板が用いられる。バッファ層はGaN層、AlN層等である。窒化ガリウム半導体は、不純物をドープしない状態でn型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のn型窒化ガリウム半導体層を形成する場合は、n型ドーパントとしてSi、Ge、Se、Te、C等が適宜導入されている。一方、p型窒化ガリウム半導体層には、p型ドーパンドであるZn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等がドープされている。窒化ガリウム系化合物半導体は、p型ドーパントをドープしただけではp型化しにくいため、p型ドーパント導入後に、炉による加熱、低速電子線照射やプラズマ照射等によりp型化させる場合がある。エッチングなどによりp型半導体およびn型半導体の露出面を形成した後、半導体層上にスパッタリング法や真空蒸着法などを用いて所望の形状の各電極を形成している。 A conventional gallium nitride LED has a light emitting layer in which an n-type gallium nitride semiconductor layer and a p-type gallium nitride semiconductor layer are pn-junction on a semiconductor substrate on which a buffer layer is formed (Patent Document 1). A material such as sapphire, spinel, SiC, Si, or ZnO is used for the semiconductor substrate, and a sapphire substrate is particularly used when forming gallium nitride with good crystallinity. The buffer layer is a GaN layer, an AlN layer, or the like. The gallium nitride semiconductor exhibits n-type conductivity without being doped with impurities. When forming a desired n-type gallium nitride semiconductor layer, for example, to improve luminous efficiency, Si, Ge, Se, Te, C, or the like is appropriately introduced as an n-type dopant. On the other hand, the p-type gallium nitride semiconductor layer is doped with p-type dopants such as Zn, Mg, Be, Ca, Sr, and Ba. Since a gallium nitride compound semiconductor is difficult to be converted into a p-type simply by doping with a p-type dopant, it may be converted into a p-type by heating in a furnace, low-energy electron beam irradiation, plasma irradiation, or the like after introduction of the p-type dopant. After the exposed surfaces of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor are formed by etching or the like, each electrode having a desired shape is formed on the semiconductor layer by using a sputtering method, a vacuum evaporation method, or the like.
n型窒化ガリウム半導体層とp型窒化ガリウム半導体層の製造には、一般的に有機金属気相成長法(以下、MOVPE法という)が用いられている。MOVPE法では、成長炉に、水素等のキャリアガスを用いて、Gaを含む原料と窒素を含む原料を供給する。Gaを含む原料としてトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)を用い、窒素を含む原料としてアンモニア(NH3)を用いることが多い。成長炉内で、トリメチルガリウムを分解して得られるGaとアンモニアを分解して得られる窒素とがサファイア単結晶基板上に付着して、GaNの結晶膜が成長する。 A metal organic vapor phase epitaxy method (hereinafter referred to as MOVPE method) is generally used to manufacture the n-type gallium nitride semiconductor layer and the p-type gallium nitride semiconductor layer. In the MOVPE method, a raw material containing Ga and a raw material containing nitrogen are supplied to a growth furnace using a carrier gas such as hydrogen. In many cases, trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ) is used as a raw material containing Ga, and ammonia (NH 3 ) is used as a raw material containing nitrogen. In the growth furnace, Ga obtained by decomposing trimethylgallium and nitrogen obtained by decomposing ammonia adhere to the sapphire single crystal substrate, and a GaN crystal film grows.
p型窒化ガリウム半導体層を形成する場合には、上記に加え、p型ドーパント元素を含む化合物を、キャリアガスを用いて有機金属気流としてさらに供給する。p型ドーパント元素を含む化合物としては、典型的には、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム等が用いられる。 In the case of forming the p-type gallium nitride semiconductor layer, in addition to the above, a compound containing a p-type dopant element is further supplied as an organometallic gas stream using a carrier gas. As the compound containing a p-type dopant element, bis (cyclopentadienyl) magnesium or the like is typically used.
ここで、有機金属気流を成長炉に流し込む配管、成長炉から有機金属気流を排出・除去するための配管、および成長炉の内部表面にMgが付着して残存してしまう。このような残存Mgは、Siドープのn型窒化ガリウム半導体層を形成する際に雰囲気内に脱離し、n型層中に取り込まれてキャリア補償を起こしてしまう。 Here, Mg adheres and remains on the piping for flowing the organic metal flow into the growth furnace, the piping for discharging and removing the organic metal flow from the growth furnace, and the inner surface of the growth furnace. Such residual Mg is desorbed into the atmosphere when the Si-doped n-type gallium nitride semiconductor layer is formed, and is taken into the n-type layer to cause carrier compensation.
さらに、窒化物系化合物半導体は、pn接合する前にp層界面あるいはn層界面を大気開放してしまうと、接合界面の状態が変化し、発光量が著しく低下することや発光波長が長波長側にシフトすることが知られている。そのため、装置にサファイア基板をセット後、接合面を大気開放することなく、n型窒化ガリウム半導体層とp型窒化ガリウム半導体層を作製する必要がある。また、製膜室をn型とp型の2つに分割することは、設備面積の拡大や設備投資額が単純に2倍になるという課題があるため、同一製膜室内で作製するのが現実的である。残留Mgによるn型窒化ガリウム半導体層のキャリア補償を抑制し、設備投資費の増大や設備面積の拡大を抑えるために、p型窒化ガリウム半導体層よりもn型窒化ガリウム半導体層を先に製膜する方法が一般的である。この方法では、次のバッチを投入する前に、配管や成長炉に付着した残存Mgを除去するための加熱真空引きする後工程を伴う。このバッチ間の加熱真空引き後工程は、製造により多くの時間を要するとともに、非常に多くの電力消費を伴うものであり、この点が課題となる。 Furthermore, when nitride-based compound semiconductors are exposed to the p-layer interface or n-layer interface before the pn junction, the state of the junction interface changes, resulting in a significant decrease in the amount of emitted light and a longer emission wavelength. It is known to shift to the side. Therefore, after setting the sapphire substrate in the apparatus, it is necessary to produce an n-type gallium nitride semiconductor layer and a p-type gallium nitride semiconductor layer without opening the bonding surface to the atmosphere. In addition, dividing the film forming chamber into two types, n-type and p-type, has the problem that the equipment area is enlarged and the amount of capital investment is simply doubled. Realistic. In order to suppress carrier compensation of the n-type gallium nitride semiconductor layer due to residual Mg, and to suppress an increase in capital investment cost and an expansion of the equipment area, the n-type gallium nitride semiconductor layer is formed before the p-type gallium nitride semiconductor layer. The method to do is common. This method involves a post-process for heating and evacuating to remove residual Mg adhering to the piping and the growth furnace before the next batch is charged. This post-heating vacuum evacuation process between batches requires a lot of time for production and involves a great amount of power consumption, which is a problem.
これらの課題に対して、LEDメーカーは基板サイズを2インチから6インチに拡大し、さらに成長炉を大きくして1バッチで複数枚の基板を設置するといった工夫を行っている。しかし、依然として製造に費やす時間と電力は大きく、窒化ガリウム系LEDの需要は伸びる一方で、製造時間と電力消費の大幅な削減が強く求められている。 In response to these problems, LED manufacturers have devised methods such as increasing the substrate size from 2 inches to 6 inches and further increasing the growth furnace to install a plurality of substrates in one batch. However, the time and power consumed for manufacturing are still large, and while the demand for gallium nitride-based LEDs increases, there is a strong demand for significant reduction in manufacturing time and power consumption.
上記従来技術の問題点に鑑み、本発明は、長い時間と多大な電力を要する後工程が不要であり、かつ窒化物半導体のpn接合界面が大気開放されても発光素子を製造可能な方法を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems of the prior art, the present invention eliminates the need for a post-process that requires a long time and a large amount of power, and allows a light-emitting element to be manufactured even when the pn junction interface of a nitride semiconductor is opened to the atmosphere. The purpose is to provide.
本発明は、p型窒化物半導体層上に、主成分元素として亜鉛と酸素、ならびに副成分元素としてアルミニウム、ガリウム、およびインジウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、組成物または混合物を用いて、スパッタリング法または真空蒸着法により、n型酸化亜鉛層を製膜する工程を有するヘテロ接合型発光素子の製造方法である。 The present invention uses a composition or mixture containing, on a p-type nitride semiconductor layer, zinc and oxygen as main component elements and at least one selected from the group consisting of aluminum, gallium and indium as subcomponent elements. And a method of manufacturing a heterojunction light-emitting element including a step of forming an n-type zinc oxide layer by a sputtering method or a vacuum evaporation method.
本発明の製造方法によれば、窒化物半導体のpn接合界面が大気開放されても発光素子を製造することができ、従来の窒化ガリウム系LEDの製造において必須であった、残存Mgを除去するための加熱真空引き後工程を省略でき、製造に要する時間と電力消費を大幅に削減することができる。 According to the manufacturing method of the present invention, a light emitting device can be manufactured even when the pn junction interface of a nitride semiconductor is opened to the atmosphere, and residual Mg, which is essential in manufacturing a conventional gallium nitride LED, is removed. Therefore, it is possible to omit the post-heating vacuum evacuation process, and to significantly reduce the time and power consumption required for manufacturing.
以下に本発明の一つの実施の形態および実施例について説明するが、当然ながら本発明はこれらの形式に限定されるものでなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することができる。 One embodiment and example of the present invention will be described below, but the present invention is naturally not limited to these forms, and can be appropriately modified and implemented without departing from the technical scope of the present invention. can do.
本発明の一つの実施の形態は、p型窒化物半導体層上に、主成分元素として亜鉛と酸素、ならびに副成分元素としてアルミニウム、ガリウム、およびインジウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、組成物または混合物を用いて、スパッタリング法または真空蒸着法により、n型酸化亜鉛層を製膜する工程を有するヘテロ接合型発光素子の製造方法である。 One embodiment of the present invention includes, on the p-type nitride semiconductor layer, at least one selected from the group consisting of zinc and oxygen as main component elements and aluminum, gallium, and indium as subcomponent elements, This is a method for manufacturing a heterojunction light-emitting element, which includes a step of forming an n-type zinc oxide layer by sputtering or vacuum vapor deposition using a composition or a mixture.
当該実施の形態の好ましい一態様では、前記p型窒化物半導体層が、有機金属気相成長法で製膜されたものである。 In a preferred aspect of the embodiment, the p-type nitride semiconductor layer is formed by metal organic vapor phase epitaxy.
当該実施の形態の好ましい一態様では、前記p型窒化物半導体層が、p型窒化ガリウム層である。 In a preferred aspect of the embodiment, the p-type nitride semiconductor layer is a p-type gallium nitride layer.
当該実施の形態の好ましい一態様では、前記n型酸化亜鉛層の製膜が、高周波マグネトロンスパッタリング法または電子ビーム蒸着法により行われる。 In a preferred aspect of the embodiment, the n-type zinc oxide layer is formed by a high-frequency magnetron sputtering method or an electron beam evaporation method.
当該実施の形態の好ましい一態様では、前記副成分元素の量が、亜鉛に対して0.03at%以上3.0at%以下である。 In a preferred aspect of the embodiment, the amount of the subcomponent element is 0.03 at% or more and 3.0 at% or less with respect to zinc.
当該実施の形態の好ましい一態様は、酸化亜鉛と酸化ガリウムおよび/または酸化リンとが共存する非酸化性雰囲気下で、前記n型酸化亜鉛層を熱処理する工程をさらに有する。このとき、前記熱処理の温度が700℃〜1000℃の範囲であることが好ましい。 One preferable aspect of the embodiment further includes a step of heat-treating the n-type zinc oxide layer in a non-oxidizing atmosphere in which zinc oxide and gallium oxide and / or phosphorus oxide coexist. At this time, it is preferable that the temperature of the said heat processing is the range of 700 to 1000 degreeC.
(実施の形態1)
まず、p型窒化物半導体層を用意する。図1は、本実施の形態で用いられるp型窒化物半導体層を有する基板を示し、サファイア基板1上にバッファ層としてi−GaN層2が形成され、さらにその上にp−GaN層3が形成されている。サファイア基板1は約5mm角であり、i−GaN層2の厚さは1.70μm、p−GaN層3の厚さは1.85μmであるが、寸法はこれらに限られない。
(Embodiment 1)
First, a p-type nitride semiconductor layer is prepared. FIG. 1 shows a substrate having a p-type nitride semiconductor layer used in this embodiment. An i-GaN layer 2 is formed on the sapphire substrate 1 as a buffer layer, and a p-GaN layer 3 is further formed thereon. Is formed. The sapphire substrate 1 is about 5 mm square, the thickness of the i-GaN layer 2 is 1.70 μm, and the thickness of the p-GaN layer 3 is 1.85 μm, but the dimensions are not limited thereto.
基板は、サファイア基板に限らず、石英基板、シリコン基板、窒化ガリウム基板、酸化亜鉛単結晶基板、SiC基板、スピネル基板等を用いることができる。 The substrate is not limited to a sapphire substrate, and a quartz substrate, a silicon substrate, a gallium nitride substrate, a zinc oxide single crystal substrate, a SiC substrate, a spinel substrate, or the like can be used.
バッファ層は、GaN層に限らず、AlN層等であってよい。またバッファ層を省略して基板上に直接p型窒化物半導体層を形成してもよい。 The buffer layer is not limited to the GaN layer but may be an AlN layer or the like. Alternatively, the p-type nitride semiconductor layer may be formed directly on the substrate without the buffer layer.
p型層の窒化物半導体には、GaNを用いたが、窒化物半導体としては、例えば、アルミニウム、ガリウム、およびインジウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属の窒化物を用いることができ、発光特性の観点からGaNが好ましい。 For the nitride semiconductor of the p-type layer, GaN is used. As the nitride semiconductor, for example, a nitride of at least one metal selected from the group consisting of aluminum, gallium, and indium can be used. GaN is preferred from the viewpoint of light emission characteristics.
p−GaN層にはp型ドーパントがドープされている。p型ドーパントとしては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等が挙げられ、実用性の観点から好ましくはMgである。 The p-GaN layer is doped with a p-type dopant. Examples of the p-type dopant include Zn, Mg, Be, Ca, Sr, Ba and the like, and Mg is preferable from the viewpoint of practicality.
p型窒化物半導体層は、公知方法に従って作製することができ、好適には、MOVPE法により製造される。 The p-type nitride semiconductor layer can be produced according to a known method, and is preferably produced by the MOVPE method.
次に、p−GaN層3上にスパッタリング法により、図2に示すようにn型酸化亜鉛層4を製膜する。n型酸化亜鉛層4は、主成分元素として亜鉛と酸素、ならびに副成分元素としてアルミニウム、ガリウム、およびインジウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む組成物より形成されている。 Next, an n-type zinc oxide layer 4 is formed on the p-GaN layer 3 by sputtering as shown in FIG. The n-type zinc oxide layer 4 is formed of a composition including at least one selected from the group consisting of zinc and oxygen as main component elements and aluminum, gallium, and indium as subcomponent elements.
スパッタリング方法としては、n型酸化亜鉛層が形成される限りその種類には特に制限はないが、好適には、高周波マグネトロンスパッタリング法である。 The sputtering method is not particularly limited as long as the n-type zinc oxide layer is formed, but a high-frequency magnetron sputtering method is preferable.
スパッタリングターゲットには、n型酸化亜鉛層4の組成物に対応して、主成分元素として亜鉛と酸素、ならびに副成分元素としてアルミニウム、ガリウム、およびインジウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、組成物または混合物を用いる。 Corresponding to the composition of the n-type zinc oxide layer 4, the sputtering target contains at least one selected from the group consisting of zinc and oxygen as main component elements and aluminum, gallium, and indium as subcomponent elements, A composition or mixture is used.
組成物または混合物が主成分として亜鉛を含むとは、亜鉛が陽イオン成分元素中の80%以上、より望ましくは90%以上である事をさし、組成物または混合物が主成分として酸素を含むとは、酸素が陰イオン成分元素中の80%以上、より望ましくは90%以上である事をさす。 The composition or mixture containing zinc as a main component means that zinc is 80% or more, more desirably 90% or more of the cation component element, and the composition or mixture contains oxygen as a main component. The term “oxygen” means that oxygen is 80% or more, more preferably 90% or more of the anion component element.
n型酸化亜鉛層4の組成物には、アルミニウム、ガリウム、およびインジウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の副成分元素(第1の副成分元素)が必須である。酸化亜鉛が第1の副成分元素を含むことにより、酸化亜鉛の緑色発光が抑制され、紫外域発光が改善される。また第1の副成分が存在することにより、酸化亜鉛の電気抵抗率が低下し、顕著なn型導電性を示す。これは、酸化亜鉛の2価の亜鉛のサイトの一部が3価のアルミニウム、ガリウム、インジウムにより置換される事によって、伝導体直下の禁制帯中にドナーレベルが形成されるためと考えられる。 In the composition of the n-type zinc oxide layer 4, at least one subcomponent element (first subcomponent element) selected from the group consisting of aluminum, gallium, and indium is essential. When zinc oxide contains the first subcomponent element, the green emission of zinc oxide is suppressed, and the ultraviolet emission is improved. In addition, the presence of the first subcomponent reduces the electrical resistivity of zinc oxide and exhibits remarkable n-type conductivity. This is presumably because a part of the divalent zinc site of zinc oxide is replaced with trivalent aluminum, gallium, and indium, whereby a donor level is formed in the forbidden band directly under the conductor.
これに対応して、ターゲットに用いる組成物または混合物は、第1の副成分元素として、アルミニウム、ガリウム、およびインジウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む。 Correspondingly, the composition or mixture used for the target contains at least one selected from the group consisting of aluminum, gallium, and indium as the first subcomponent element.
なお、これらの3種類の第1の副成分元素の中で、亜鉛を最も置換しやすいのはガリウムであり、アルミニウムやインジウムは置換しにくい。従って、酸化亜鉛の輝度向上効果が最も現れやすいのはガリウムであり、特性面からはガリウムが最も望ましい。一方、コスト面からは、アルミニウムが最も安価であり、ガリウムやインジウムは、アルミニウムに比べて希少で高価である。よってコスト面ではアルミニウムが最も望ましい。ガリウムやアルミニウムに比較すると、インジウムを用いる事は、メリットが少ない。 Of these three types of first subcomponent elements, gallium is the easiest to replace zinc, and aluminum and indium are not easily replaced. Accordingly, gallium is most likely to exhibit the brightness enhancement effect of zinc oxide, and gallium is most desirable in terms of characteristics. On the other hand, aluminum is the cheapest in terms of cost, and gallium and indium are rare and expensive compared to aluminum. Therefore, aluminum is most desirable in terms of cost. Compared to gallium and aluminum, using indium has less merit.
第1の副成分の量(アルミニウムとガリウムとインジウムの合計量)は、望ましくは、亜鉛に対して0.03at%以上3.0at%以下である。第1の副成分の量が、亜鉛に対して0.03at%以上3.0at%以下が望ましいのは、0.03at%未満では副成分による酸化亜鉛の輝度向上効果が顕著ではなく、3.0at%を超えて用いても、得られるn型酸化亜鉛層のさらなる輝度向上が認められず、無駄となるためである。しかし0.03at%未満でも、3.0at%を超えても、用いないよりは輝度は高い。 The amount of the first subcomponent (the total amount of aluminum, gallium, and indium) is desirably 0.03 at% or more and 3.0 at% or less with respect to zinc. The amount of the first subcomponent is desirably 0.03 at% or more and 3.0 at% or less with respect to zinc. If the amount is less than 0.03 at%, the luminance enhancement effect of zinc oxide by the subcomponent is not remarkable. This is because even if the amount exceeds 0 at%, the brightness of the obtained n-type zinc oxide layer is not further improved and is wasted. However, even if it is less than 0.03 at% or more than 3.0 at%, the luminance is higher than when not used.
また、n型酸化亜鉛層4がリンを第2の副成分として含有する場合には、輝度が高くなる。これは、リンの添加によって、アルミニウム、ガリウム、インジウムのZnサイトへの置換が促進される傾向が認められることから、アルミニウム、ガリウム、インジウムがZnのサイトを置換する事によって生じる電気的中性のくずれを、リンが陰イオンとしてZnOの酸素サイトに置換する事により防ぎ、結果として、アルミニウム、ガリウム、インジウムの置換を促進し、紫外発光輝度が向上するためと考えられる。そこで、ターゲットに用いる組成物または混合物は、第2の副成分元素としてリンをさらに含んでいてもよい。リンの望ましい量も亜鉛に対して0.03at%以上3.0at%以下であり、この範囲が望ましい理由も第1の副成分元素と同様である。 Further, when the n-type zinc oxide layer 4 contains phosphorus as the second subcomponent, the luminance is increased. This is because the addition of phosphorus tends to promote the replacement of aluminum, gallium, and indium with Zn sites, so the electrical neutrality that occurs when aluminum, gallium, and indium replace the Zn sites. It is considered that the breakage is prevented by substituting phosphorus with an oxygen site of ZnO as an anion, and as a result, the substitution of aluminum, gallium, and indium is promoted, and the ultraviolet emission luminance is improved. Therefore, the composition or mixture used for the target may further contain phosphorus as the second subcomponent element. The desirable amount of phosphorus is 0.03 at% or more and 3.0 at% or less with respect to zinc, and the reason why this range is desirable is the same as that of the first subcomponent element.
また、n型酸化亜鉛層4は、亜鉛、酸素、第1の副成分、第2の副成分以外の成分を含んでいても発光を示し得る。例えば、酸化マグネシウムは、酸化亜鉛に少量固溶し、そのバンドギャップを大きくする(すなわち、発光波長を短波長側にシフトさせる)効果があるが、この酸化亜鉛−酸化マグネシウム固溶系に対しても、上述の副成分を用いる事によって、緑色発光を抑制し、紫外発光強度を改善する効果がある。よって、n型酸化亜鉛層4は、亜鉛の一部に代えてマグネシウムを含んでいてもよい。したがって、ターゲットに用いる組成物または混合物は、亜鉛の一部に代えてマグネシウムを含んでいてもよく、このとき、亜鉛とマグネシウムを合わせた陽イオン成分が、主成分となる。 Further, the n-type zinc oxide layer 4 can emit light even if it contains a component other than zinc, oxygen, the first subcomponent, and the second subcomponent. For example, magnesium oxide dissolves in a small amount in zinc oxide and has the effect of increasing its band gap (that is, shifting the emission wavelength to the short wavelength side), but this zinc oxide-magnesium oxide solid solution system is also effective. By using the above-mentioned subcomponent, there is an effect of suppressing the green light emission and improving the ultraviolet light emission intensity. Therefore, the n-type zinc oxide layer 4 may contain magnesium instead of a part of zinc. Therefore, the composition or mixture used for the target may contain magnesium instead of a part of zinc, and at this time, a cation component combining zinc and magnesium is the main component.
ターゲットが混合物である場合には、目的とするn型酸化亜鉛層4が得られる限り、混合される化合物の種類については特に制限はなく、例えば、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム等の酸化物を用いることができる。 When the target is a mixture, as long as the target n-type zinc oxide layer 4 is obtained, there is no particular limitation on the type of compound to be mixed. For example, zinc oxide, aluminum oxide, gallium oxide, indium oxide, etc. These oxides can be used.
ターゲットが組成物であった場合には、亜鉛源として、酸化亜鉛、水酸化亜鉛、炭酸亜鉛等を、第1の副成分元素源として、それぞれの金属元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩等を用いて、これらの混合物を焼成することによってターゲットの組成物を作製することができる。 When the target is a composition, zinc oxide, zinc hydroxide, zinc carbonate or the like is used as a zinc source, and oxides, hydroxides or carbonates of the respective metal elements are used as the first subcomponent element source. The composition of the target can be produced by firing these mixtures using the above.
リンを用いる場合には、リン源として、リン化合物を用いることができ、例えば、酸化リン、あるいは、より安全な化合物としてリン酸水素二アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム等を用いることができる。 When phosphorus is used, a phosphorus compound can be used as the phosphorus source. For example, phosphorus oxide, diammonium hydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate, or the like can be used as a safer compound.
ハンドリングのしやすさから、ターゲットが混合物であった場合には、圧縮成形体とすることが好ましく、ターゲットが組成物であった場合には、焼結体とすることが好ましい。 In view of ease of handling, when the target is a mixture, it is preferably a compression molded body, and when the target is a composition, it is preferably a sintered body.
スパッタリング条件は、酸化亜鉛をスパッタリングにより製膜する際の公知の条件を採用することができる。 As the sputtering conditions, known conditions for forming a zinc oxide film by sputtering can be employed.
p−GaN層3上にn型酸化亜鉛層4をスパッタリング法により形成することにより、図2に示すヘテロ接合型発光素子10が得られる。図2では、p−GaN層3の一部の上に厚さ360〜380nmのn型酸化亜鉛層4が製膜されており、発光素子10はL字型構造を有している。発光素子10の構造はL字型構造に限られず、また、p−GaN層3の全面上にn型酸化亜鉛層4を製膜してもよい。なお、n型酸化亜鉛層4の厚さは、移動度やキャリア密度に対応してキャリアバランスに整合するものであればよく、上記に限られない。 By forming the n-type zinc oxide layer 4 on the p-GaN layer 3 by a sputtering method, the heterojunction light-emitting element 10 shown in FIG. 2 is obtained. In FIG. 2, an n-type zinc oxide layer 4 having a thickness of 360 to 380 nm is formed on a part of the p-GaN layer 3, and the light emitting element 10 has an L-shaped structure. The structure of the light emitting element 10 is not limited to the L-shaped structure, and the n-type zinc oxide layer 4 may be formed on the entire surface of the p-GaN layer 3. Note that the thickness of the n-type zinc oxide layer 4 is not limited to the above as long as it matches the carrier balance corresponding to the mobility and carrier density.
本実施の形態では、スパッタリング法により、n型酸化亜鉛層4を製膜したが、真空蒸着によっても製膜することができる。真空蒸着方法としては、n型酸化亜鉛層が製膜される限りその種類には特に制限はないが、好適には、電子ビーム蒸着法である。蒸着材料には、スパッタリングターゲットと同じ組成物および混合物を用いることができる。 In the present embodiment, the n-type zinc oxide layer 4 is formed by sputtering, but it can also be formed by vacuum deposition. The vacuum deposition method is not particularly limited as long as the n-type zinc oxide layer is formed, but is preferably an electron beam deposition method. As the vapor deposition material, the same composition and mixture as the sputtering target can be used.
このように本発明では、n型半導体層として、n型窒化物半導体層に代えてn型酸化亜鉛層を形成する。n型酸化亜鉛層が大気開放した後のp型窒化物半導体層上に形成されても、発光素子は良好な発光特性を発揮する。したがって、本発明では、p型窒化物半導体層とn型酸化亜鉛層をそれぞれ別個の装置内で形成することができ、これにより、従来技術で必要であった長い時間と多大な電力を要する後工程が不要となる。また、上述のように、n型酸化亜鉛層にMgが混入されていても発光素子としての特性を発揮できることから、後工程を行うことなく、同じ装置内でp型窒化物半導体層とn型酸化亜鉛層の製造を続けることも可能である。p型窒化物半導体層とn型酸化亜鉛層をそれぞれ別個の装置内で形成する場合には、既存のスパッタリング装置および真空蒸着装置を用いることができ、これらの装置は量産用に大型化が既になされていることから、発光素子の量産化も非常に容易であり、生産性に非常に優れる。また、n型窒化物半導体層に代えてn型酸化亜鉛層を形成するため、レアメタルの使用量を大幅に低減することもでき、原料入手の安定性およびコスト面でも有利である。 Thus, in the present invention, an n-type zinc oxide layer is formed as an n-type semiconductor layer in place of the n-type nitride semiconductor layer. Even if the n-type zinc oxide layer is formed on the p-type nitride semiconductor layer after being opened to the atmosphere, the light-emitting element exhibits good light-emitting characteristics. Therefore, according to the present invention, the p-type nitride semiconductor layer and the n-type zinc oxide layer can be formed in separate devices, respectively, thereby requiring a long time and a great amount of power required in the prior art. A process becomes unnecessary. In addition, as described above, even if Mg is mixed in the n-type zinc oxide layer, the characteristics as a light-emitting element can be exhibited. Therefore, the p-type nitride semiconductor layer and the n-type can be formed in the same device without performing a post-process. It is also possible to continue production of the zinc oxide layer. In the case where the p-type nitride semiconductor layer and the n-type zinc oxide layer are formed in separate apparatuses, existing sputtering apparatuses and vacuum deposition apparatuses can be used, and these apparatuses have already been enlarged for mass production. Therefore, mass production of the light emitting element is very easy and the productivity is very excellent. In addition, since the n-type zinc oxide layer is formed instead of the n-type nitride semiconductor layer, the amount of rare metal used can be greatly reduced, which is advantageous in terms of the stability and cost of obtaining raw materials.
本発明においては、n型酸化亜鉛層の紫外発光輝度をより向上させるために、酸化亜鉛と酸化ガリウムおよび/または酸化リンとが共存する非酸化性雰囲気下で、前記n型酸化亜鉛層を熱処理する工程を行ってもよい。(以降、酸化亜鉛と酸化ガリウムおよび/または酸化リンを共存物と呼ぶことがある。) In the present invention, in order to further improve the ultraviolet emission luminance of the n-type zinc oxide layer, the n-type zinc oxide layer is heat-treated in a non-oxidizing atmosphere in which zinc oxide and gallium oxide and / or phosphorus oxide coexist. You may perform the process to do. (Hereinafter, zinc oxide and gallium oxide and / or phosphorus oxide may be referred to as coexisting substances.)
これらの共存下での熱処理によってn型酸化亜鉛層の紫外発光輝度が向上する理由は必ずしも明らかではないが、
(1)組成物からのZnOの昇華・蒸発を抑制する
(2)組成物のZnOからの酸素の脱離を抑制する
(3)組成物からのP2O5の昇華・蒸発を抑制する
(4)系中の残留酸素の組成物への影響を低減する
などの効果が考えられる。ここで、酸化ガリウムは高価であり、酸化リンは吸湿性が高いので、酸化亜鉛を主成分として、これに少量混合して用いる事が望ましい。輝度の観点からは、酸化亜鉛と酸化ガリウムと酸化リンとを用いることが好ましい。
The reason why the ultraviolet emission luminance of the n-type zinc oxide layer is improved by the heat treatment in the presence of these is not necessarily clear,
(1) Suppressing sublimation / evaporation of ZnO from the composition (2) Suppressing desorption of oxygen from ZnO of the composition (3) Suppressing sublimation / evaporation of P 2 O 5 from the composition ( 4) The effect of reducing the influence of residual oxygen in the system on the composition is conceivable. Here, since gallium oxide is expensive and phosphorus oxide has high hygroscopicity, it is desirable to use zinc oxide as a main component and mix it with a small amount. From the viewpoint of luminance, it is preferable to use zinc oxide, gallium oxide, and phosphorus oxide.
次にこれらの共存物の形態としては、粉末でも焼結体でも、どのような形態でも効果は認められるが、上記(1)〜(4)より推測できるように、その表面積が大きい事が望ましく、通常は粉末、もしくはこれを固めた成形体として用いるのが良い。 Next, as the form of these coexisting substances, the effect is recognized in any form, whether it is a powder or a sintered body, but it is desirable that the surface area be large as can be estimated from the above (1) to (4). Usually, it is good to use as a powder or a molded body obtained by hardening the powder.
熱処理を周囲が開放された状態で行うと、蒸発や昇華は、より生じやすくなる。よって、熱処理は、密閉空間(例えば、気密性のある、加熱容器、加熱チャンバー、加熱炉等)内において行うことが最も効果的である。 When the heat treatment is performed in a state where the surroundings are open, evaporation and sublimation are more likely to occur. Therefore, it is most effective to perform the heat treatment in a sealed space (for example, an airtight heating container, heating chamber, heating furnace, etc.).
次に熱処理時の非酸化性雰囲気下とは、酸素を多く含む酸化性のある大気中ではなく、窒素ガスやアルゴンガス、ヘリウムガス等の中性の雰囲気下または還元性雰囲気下で熱処理する事を指し、通常は安価な窒素ガス中で熱処理すれば良い。非酸化性雰囲気(特に窒素ガス)に含まれる残留酸素濃度としては100ppm以下が良く、より望ましくは10ppm以下、さらに望ましくは1ppm以下が良い。 Next, the non-oxidizing atmosphere at the time of heat treatment refers to heat treatment in a neutral or reducing atmosphere such as nitrogen gas, argon gas or helium gas, not in an oxygen-containing oxidizing atmosphere. Usually, heat treatment may be performed in an inexpensive nitrogen gas. The residual oxygen concentration contained in the non-oxidizing atmosphere (particularly nitrogen gas) is preferably 100 ppm or less, more preferably 10 ppm or less, and even more preferably 1 ppm or less.
さらに、非酸化性雰囲気の酸素分圧を低下させるために、窒素ガス等の中性の雰囲気に水素ガスを混合して、還元性雰囲気にするのが好ましい。還元性雰囲気下でn型酸化亜鉛層を熱処理すると、より発光強度を改善する事が出来る。 Furthermore, in order to reduce the oxygen partial pressure of the non-oxidizing atmosphere, it is preferable to mix hydrogen gas with a neutral atmosphere such as nitrogen gas to form a reducing atmosphere. When the n-type zinc oxide layer is heat-treated in a reducing atmosphere, the emission intensity can be further improved.
水素ガスは、窒素ガス等の中性雰囲気ガス中に残存する微量酸素の濃度を、さらに低減させるために混合する。ここで、水素ガス混合による酸素濃度の低減の度合いは、水素ガスの濃度が極端に少なくない限り、温度のみに依存するので、濃度に限定はない。しかしながら、水素ガスが大気中にもれた場合、その濃度が4体積%を超えると爆発する危険性があるため、4体積%未満とする事が望ましい。一方、水素濃度の下限は、窒素ガス等の中性雰囲気ガス中に残存する酸素量は通常僅かであるので、0.1体積%程度でも良いはずであるが、現実には、熱処理に使用する雰囲気炉内部の素材等に吸着した酸素や、炉にわずかな漏れがあって、外部から酸素が混入する場合の事を考えると、爆発限界の範囲内で、高いほうが良い。従って、好ましい酸素濃度は4体積%未満で出来るだけ高い方が良く、現実的には、0.5体積%以上4体積%未満が良い。 Hydrogen gas is mixed in order to further reduce the concentration of trace oxygen remaining in a neutral atmosphere gas such as nitrogen gas. Here, the degree of reduction of the oxygen concentration due to the mixing of hydrogen gas depends only on the temperature as long as the concentration of hydrogen gas is not extremely small, so the concentration is not limited. However, if hydrogen gas leaks into the atmosphere, if its concentration exceeds 4% by volume, there is a risk of explosion, so it is desirable to make it less than 4% by volume. On the other hand, the lower limit of the hydrogen concentration may be about 0.1% by volume since the amount of oxygen remaining in a neutral atmosphere gas such as nitrogen gas is usually small, but in reality it is used for heat treatment. Considering the case where oxygen adsorbed on the material inside the atmosphere furnace or the case where there is a slight leak in the furnace and oxygen enters from the outside, it is better to be higher within the explosion limit range. Therefore, the preferable oxygen concentration is preferably as high as possible at less than 4% by volume, and in reality, it is preferably 0.5% by volume or more and less than 4% by volume.
具体的な熱処理方法として、図3では、密閉可能な加熱容器5中にドライ窒素7下で共存物6を加え、その上に発光素子10を置いて、n型酸化亜鉛層の近傍に共存物6を置いて熱処理している。これ以外にも、発光素子10のn型酸化亜鉛層上に共存物6を置いて熱処理してもよく、共存物6の粉末中にn型酸化亜鉛層を埋設して熱処理してもよい。 As a specific heat treatment method, in FIG. 3, a coexisting substance 6 is added under a dry nitrogen 7 in a heatable container 5 that can be sealed, and a light emitting element 10 is placed thereon, and the coexisting substance is in the vicinity of the n-type zinc oxide layer. 6 is heat-treated. In addition to this, the coexisting material 6 may be placed on the n-type zinc oxide layer of the light emitting element 10 and heat-treated, or the n-type zinc oxide layer may be embedded in the coexisting material 6 powder and heat-treated.
なお、本発明では、熱処理により酸化亜鉛、酸化ガリウム、または酸化リンに変換される化合物を使用して、熱処理中にn型酸化亜鉛層と共存物が共存する形態であってもよい。 In the present invention, a compound that is converted into zinc oxide, gallium oxide, or phosphorus oxide by heat treatment may be used so that the n-type zinc oxide layer and coexisting substances coexist during heat treatment.
熱処理温度については、通常、700℃〜1000℃である。これは、熱処理温度がこの範囲外であると、その効果が顕著でなくなるためである。熱処理温度は、好ましくは775℃〜950℃である。 About heat processing temperature, it is 700 to 1000 degreeC normally. This is because the effect is not significant when the heat treatment temperature is outside this range. The heat treatment temperature is preferably 775 ° C to 950 ° C.
熱処理時間については、設定温度において局所的な原子配列の乱れが熱平衡状態に達する時間であればよく、数分程度で十分である。炉の大きさに応じて、炉内全体が均一な温度になるまでに要する時間が異なるため、生産性に応じて適宜決定すればよい。 As for the heat treatment time, it is sufficient that the local disorder of the atomic arrangement reaches the thermal equilibrium state at the set temperature, and a few minutes is sufficient. Depending on the size of the furnace, the time required for the entire furnace to reach a uniform temperature varies, so it may be determined appropriately according to the productivity.
熱処理によるpn接合界面近傍での熱的なキャリアの拡散や、L字型デバイスの場合には剥き出しとなっているp型窒化物半導体層表面の汚染や変質が懸念されるが、本発明では、n型酸化亜鉛層あるいは熱処理で用いる共存物の主成分Znはp型ドーパントであるMgと同じ価電子数の元素であり、熱拡散してp−GaN層に取り込まれても、キャリア補償は起こらない。 Although there is a concern about thermal carrier diffusion near the pn junction interface due to heat treatment and contamination or alteration of the surface of the p-type nitride semiconductor layer that is exposed in the case of an L-shaped device, The main component Zn of the coexistent used in the n-type zinc oxide layer or heat treatment is an element having the same valence number as Mg as the p-type dopant, and carrier compensation does not occur even if it is thermally diffused and incorporated into the p-GaN layer. Absent.
また、熱処理は、少なくとも2回行うことで、発光素子の輝度をより向上させることができる。700℃〜1000℃の範囲において複数回熱処理を行う場合には、1回目を1000℃に近い950℃付近の温度で行い、2回目以降を1回目よりも低い775℃付近で熱処理することが好ましい。このとき1回目と2回目の熱処理の間で一度室温付近まで戻すとよい。これは、加熱・冷却を繰り返すことで製膜後の原子配列の乱れや格子欠損などが徐々に緩和されるためである。一般的に、加熱・冷却の工程を繰り返し行う場合、各処理工程の温度を、拡散長の長い高温から拡散長の短い低温へ下げていくほうが好ましい。 Further, the luminance of the light-emitting element can be further improved by performing the heat treatment at least twice. When heat treatment is performed a plurality of times in the range of 700 ° C. to 1000 ° C., the first time is preferably performed at a temperature near 950 ° C. close to 1000 ° C., and the second and subsequent heat treatments are preferably performed near 775 ° C. lower than the first time. . At this time, the temperature may be returned to around room temperature once between the first heat treatment and the second heat treatment. This is because the disorder of the atomic arrangement and the lattice defect after the film formation are gradually alleviated by repeating the heating and cooling. In general, when the heating and cooling steps are repeated, it is preferable to lower the temperature of each processing step from a high temperature having a long diffusion length to a low temperature having a short diffusion length.
図4は、得られた発光素子10に対し、p−GaN層3上にNi、Auをこの順番で蒸着して、1550μm×800μm×300nm(Ni:100nm、Au:200nm)の陽極8を形成し、n型酸化亜鉛層4上にAlを蒸着して1550μm×500μm×300nmの陰極9を形成したものである(電極間距離710μm)。陽極8の材料は、Ni/Auに限らず、Pt/Pdであってよい。陰極9の材料はAlに限らず、Taであってもよい。また各電極の寸法と電極間距離は上記に限られない。これら電極間に通電することによって、ヘテロ接合型発光素子を発光させることができ、当該発光素子は高い発光輝度を有する。 In FIG. 4, Ni and Au are vapor-deposited in this order on the p-GaN layer 3 with respect to the obtained light emitting element 10 to form an anode 8 of 1550 μm × 800 μm × 300 nm (Ni: 100 nm, Au: 200 nm). Then, Al was vapor-deposited on the n-type zinc oxide layer 4 to form a cathode 9 of 1550 μm × 500 μm × 300 nm (distance between electrodes 710 μm). The material of the anode 8 is not limited to Ni / Au, and may be Pt / Pd. The material of the cathode 9 is not limited to Al but may be Ta. Moreover, the dimension of each electrode and the distance between electrodes are not restricted above. By energizing between these electrodes, the heterojunction light-emitting element can emit light, and the light-emitting element has high emission luminance.
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は、当該実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to the said Example.
(スパッタリングターゲットの組成の検討)
純度5NのZnO粉末(高純度化学製、粒径0.6μm)、純度3NのGa2O3粉末(高純度化学製、粒径0.5μm)および試薬特級の(NH4)2HPO4(関東化学製)を、種々の比でボールミルを用いて混合し、ドライ窒素気流中775℃で熱処理を行ってスパッタリングターゲット用粉末を調製した。1回の調合量は100gとした。以降、Zn、GaおよびPを含む混合粉末をZGP粉末と呼ぶ。
(Examination of sputtering target composition)
5N purity ZnO powder (product of high purity chemical, particle size 0.6 μm), 3N purity Ga 2 O 3 powder (product of high purity chemical, particle size 0.5 μm) and reagent-grade (NH 4 ) 2 HPO 4 ( Kanto Chemical Co., Ltd.) were mixed at various ratios using a ball mill and heat-treated at 775 ° C. in a dry nitrogen stream to prepare a sputtering target powder. One preparation amount was 100 g. Hereinafter, the mixed powder containing Zn, Ga, and P is referred to as ZGP powder.
このZGP粉末をラバープレスにより成形した。成形体の形状は、直径12mm、厚さ1mmの円盤状とした。このZGP粉末の成形体について、近紫外線用の絶対PL量子収率測定装置(浜松ホトニクス製C9920−02G)を用いて、励起波長350nmにてPLスペクトル測定を行った。Zn/Ga/Pの元素比が100:1:1と100:1:3の場合の測定結果を図5に示す。いずれのリン元素比のZGP粉末も385nmにPLピークを有するものの、リン元素比1が最も強いPLを観測した。スペクトルより計測される量子収率は、元素比100:1:1のものが10.6%、元素比100:1:3のものが5.4%という結果であった。これらの結果に基づき、次の実験において、元素比Zn/Ga/Pが100:1:1のZGP粉末をスパッタリングターゲットに使用することにした。 This ZGP powder was molded by a rubber press. The shape of the molded body was a disk shape having a diameter of 12 mm and a thickness of 1 mm. The ZGP powder compact was subjected to PL spectrum measurement at an excitation wavelength of 350 nm using an absolute PL quantum yield measuring apparatus for near ultraviolet rays (C9920-02G manufactured by Hamamatsu Photonics). FIG. 5 shows the measurement results when the element ratio of Zn / Ga / P is 100: 1: 1 and 100: 1: 3. Although ZGP powder having any phosphorus element ratio has a PL peak at 385 nm, PL having the strongest phosphorus element ratio of 1 was observed. The quantum yield measured from the spectrum was 10.6% for an element ratio of 100: 1: 1 and 5.4% for an element ratio of 100: 1: 3. Based on these results, in the next experiment, ZGP powder having an element ratio of Zn / Ga / P of 100: 1: 1 was used for the sputtering target.
(ヘテロ接合型発光素子の作製とEL発光評価)
n型酸化亜鉛のキャリア数密度や移動度などの電気特性について、従来法によるエピタキシャル成長での電気特性を期待できないことから、キャリアバランスを考慮し、Mgドープのp型窒化ガリウムとして、Mgドープ量が通常の窒化ガリウム系LEDよりも1桁小さい1E+18cm-3程度のものを用いることとした。そこで、市販のTechnologies and Devices International, Inc.製の2”C面サファイア基板p−GaN:Mg 2μm(11VS1599−2)をフルウチ化学から購入した。メーカー提示のデータによると、Mg活性化処理していない状態でMgドープ量は2E+18cm-3である。購入した基板の各種膜厚をSEM(日立ハイテクノロジー製S−4200)により測定したところ、サファイア基板上にi−GaN層を1.70μm、その上にp−GaN層を1.85μm積層した構造になっていた。
(Preparation of heterojunction light-emitting element and EL light emission evaluation)
Regarding electrical characteristics such as carrier number density and mobility of n-type zinc oxide, it is not possible to expect electrical characteristics in the epitaxial growth by the conventional method. Therefore, considering the carrier balance, Mg-doped p-type gallium nitride has an Mg doping amount of It was decided to use about 1E + 18 cm −3 which is one digit smaller than a normal gallium nitride LED. Therefore, commercially available Technologies and Devices International, Inc. 2 "C-plane sapphire substrate p-GaN: Mg 2 μm (11VS1599-2) manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd. According to the data provided by the manufacturer, the Mg doping amount is 2E + 18 cm −3 without being activated by Mg. When the various thicknesses of the purchased substrate were measured with SEM (S-4200 manufactured by Hitachi High-Technology), the i-GaN layer was 1.70 μm on the sapphire substrate, and the p-GaN layer was 1.85 μm on top. The structure was
次に、RTA(Rapid Thermal Annealing)焼成炉(ULVAC製SSA−P610CP)を用い、ドライ窒素雰囲気中、設定温度750℃にて、設定温度まで30秒で昇温し、10分間保持した後、100℃まで放冷する方法でMg活性化熱処理を行った。 Next, using an RTA (Rapid Thermal Annealing) firing furnace (ULVAC SSA-P610CP), in a dry nitrogen atmosphere, at a set temperature of 750 ° C., the temperature was raised to the set temperature in 30 seconds, and held for 10 minutes. Mg activation heat treatment was performed by a method of allowing to cool to ° C.
次に、高周波マグネトロンスパッタリング装置(ANELVA製SPF−312H)により、元素比Zn/Ga/Pが100:1:1のZGP粉末を直径12mm、厚さ1mmの円盤状に成形したものをターゲットに用いて、前記Mg活性化処理を行ったp型窒化ガリウム基板上に、メタルマスクを使ってn型酸化亜鉛を部分製膜した。製膜条件は、出力100W、基板温度Tsub=300℃、圧力1Pa、アルゴン流量15sccm、酸素流量1.5sccmに設定した。 Next, using a high-frequency magnetron sputtering apparatus (SPF-312H manufactured by ANELVA), a ZGP powder having an element ratio Zn / Ga / P of 100: 1: 1 formed into a disk shape having a diameter of 12 mm and a thickness of 1 mm is used as a target. Then, an n-type zinc oxide was partially formed on the p-type gallium nitride substrate subjected to the Mg activation treatment using a metal mask. The film forming conditions were set to an output of 100 W, a substrate temperature Tsub = 300 ° C., a pressure of 1 Pa, an argon flow rate of 15 sccm, and an oxygen flow rate of 1.5 sccm.
次に、純度5NのZnO粉末(高純度化学製、粒径0.6μm)、純度3NのGa2O3粉末(高純度化学製、粒径0.5μm)および試薬特級の(NH4)2HPO4(関東化学製)をZn/Ga/P元素比100:1:1と100:1:3となるようにボールミル混合したZGP粉末を2種類、坩堝焼成用に準備した。 Next, ZnO powder having a purity of 5N (manufactured by high purity chemical, particle size 0.6 μm), Ga 2 O 3 powder having a purity of 3N (manufactured by high purity chemical, particle size 0.5 μm), and reagent-grade (NH 4 ) 2 Two types of ZGP powder obtained by ball mill mixing HPO 4 (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) with Zn / Ga / P element ratios of 100: 1: 1 and 100: 1: 3 were prepared for crucible firing.
準備した坩堝焼成用のZGP粉末18gと上記n型酸化亜鉛を部分製膜した試料を、図3に示す位置関係で坩堝内に配置した。アルミナ製坩堝の直径は、30mmであった。また、粉末の厚みは1mmで、敷き詰めた粉末から蓋までの高さは5mmであった。 A sample in which 18 g of the prepared ZGP powder for firing the crucible and the n-type zinc oxide was partially formed was placed in the crucible in the positional relationship shown in FIG. The diameter of the alumina crucible was 30 mm. The thickness of the powder was 1 mm, and the height from the spread powder to the lid was 5 mm.
このとき、n型酸化亜鉛層がZGP粉末と直接触れることがないように注意した。設置後、坩堝に上から蓋をしてドライ窒素気流を流しながら、1回目950℃、2回目775℃で焼成を行った(1回目と2回目の間は、一旦、室温まで温度を戻した)。坩堝焼成用ZGP粉末としてリン元素比だけを変えた2種類と、1回目の焼成で取り出したものと2回目の焼成まで行ってから取り出しものの2種類の、合計4種類の試作を行った。試料番号と元素比および焼成条件は以下の通りである。 At this time, care was taken so that the n-type zinc oxide layer was not in direct contact with the ZGP powder. After the installation, the crucible was covered from above and a dry nitrogen stream was passed, and the first firing was performed at 950 ° C. and the second 775 ° C. (the temperature was once returned to room temperature between the first and second rounds). ). A total of four types of prototypes were made: two types of ZGP powders for the crucible firing, with only the phosphorus element ratio being changed, one taken out in the first firing and two taken out after the second firing. Sample numbers, element ratios and firing conditions are as follows.
参考としてZGP粉末をスパッタリングターゲットとして、石英基板上に高周波マグネトロンスパッタリング法により製膜したn型酸化亜鉛膜の坩堝焼成前の電子顕微鏡写真を図6に示す。 For reference, an electron micrograph of an n-type zinc oxide film formed on a quartz substrate by a high-frequency magnetron sputtering method using a ZGP powder as a sputtering target before firing in a crucible is shown in FIG.
また、実施例と同様の方法でサファイア+i−GaN基板上に製膜したn型酸化亜鉛膜の坩堝焼成後の電子顕微鏡写真を図7に示す。 Moreover, the electron micrograph after the crucible baking of the n-type zinc oxide film | membrane formed on the sapphire + i-GaN board | substrate with the method similar to an Example is shown in FIG.
坩堝焼成前のn型酸化亜鉛層は、粒状に結晶成長しているのがわかる。一方、坩堝焼成後のn型酸化亜鉛層は、焼成前に観測された粒成長はなくなり、坩堝950℃焼成前後でn型酸化亜鉛層の厚みが1割程度減少し、緻密な膜に変質しているのがわかる。 It can be seen that the n-type zinc oxide layer before firing the crucible is grown in a granular form. On the other hand, the n-type zinc oxide layer after firing the crucible loses the grain growth observed before firing, the thickness of the n-type zinc oxide layer is reduced by about 10% before and after firing at the crucible 950 ° C., and changes into a dense film. I can see that
次に、試作した4種の発光素子に対し、EB蒸着機(ANELVA製EVC−500A)によりメタルマスクを用いて電子ビーム蒸着法により電極形成を行った。陰極Alの厚みは3000Å、陽極の厚みはNiが1000Å、Auが2000Åとした。 Next, electrodes were formed by electron beam evaporation using a metal mask with an EB vapor deposition machine (ANELVA-made EVC-500A) for the four types of light-emitting elements that were prototyped. The thickness of the cathode Al was 3000 mm, and the thickness of the anode was 1000 mm for Ni and 2000 mm for Au.
今回のELスペクトル測定は、図4に示すL字型構造の電極側と反対のサファイア基板側にファイバーを配置したので、電極による遮光は特に問題にはならない点を明記しておく。 In the EL spectrum measurement this time, since the fiber is arranged on the sapphire substrate side opposite to the electrode side of the L-shaped structure shown in FIG. 4, light shielding by the electrode is not particularly problematic.
作製した4種の発光素子について、素子に流れる電流量を23mAに固定した場合のELスペクトルの測定結果を図8に示す。リン元素比1のものも、リン元素比3のものも、ともに2回焼成によりELスペクトル強度が増大しているのがわかる。この理由として、以下のような焼成メカニズムが想定される。酸化亜鉛と酸化ガリウムの融解温度はともに1800℃以上であり、リン酸水素二アンモニウムの分解温度が100℃以下であることから、950℃で気相を介して、n型酸化亜鉛層に影響を及ぼすのはリン化合物のみである。1回目の焼成950℃によりV族であるリンが微量だけ膜中に取り込まれ、酸化亜鉛結晶中に不規則に並んだIII族ガリウム原子を安定した原子配列に補正する役目を果たし、1回目950℃よりも低い775℃で2回目の焼成を行うことで、1回目950℃焼成で取り込まれたリンが膜中から離脱し、n型酸化亜鉛からするとキャリア補償の原因となるV族リンが減り、EL特性が向上すると考えられる。 FIG. 8 shows the measurement results of the EL spectrum when the amount of current flowing through the four light-emitting elements manufactured is fixed at 23 mA. It can be seen that the EL spectrum intensity is increased by firing twice for both the phosphorus element ratio of 1 and the phosphorus element ratio of 3. As the reason, the following firing mechanism is assumed. Since the melting temperature of both zinc oxide and gallium oxide is 1800 ° C or higher, and the decomposition temperature of diammonium hydrogen phosphate is 100 ° C or lower, it affects the n-type zinc oxide layer via the gas phase at 950 ° C. It affects only phosphorus compounds. By the first firing at 950 ° C., only a small amount of group V phosphorus is incorporated into the film, and the group III gallium atoms irregularly arranged in the zinc oxide crystal serve to correct the stable atomic arrangement. By performing the second firing at 775 ° C., which is lower than ℃, phosphorus taken in by the first firing at 950 ° C. is released from the film, and when using n-type zinc oxide, the group V phosphorus that causes carrier compensation is reduced. The EL characteristics are considered to be improved.
本発明によれば、ヘテロ接合型発光素子を生産性良く量産することが可能であり、本発明により得られるヘテロ接合型発光素子は、液晶テレビやパソコンの液晶モニターのバックライトとしてだけでなく、照明器具や、自発光型の小型画像表示装置としても非常に有用である。 According to the present invention, it is possible to mass-produce heterojunction light-emitting elements with high productivity. The heterojunction light-emitting elements obtained by the present invention are not only used as backlights for liquid crystal monitors of liquid crystal televisions and personal computers, It is also very useful as a lighting fixture or a self-luminous small image display device.
1 サファイア基板
2 i−GaN層
3 p−GaN層
4 n型酸化亜鉛層
5 加熱容器
6 共存物
7 ドライ窒素
8 陽極
9 陰極
10 ヘテロ接合型発光素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sapphire substrate 2 i-GaN layer 3 p-GaN layer 4 n-type zinc oxide layer 5 Heating vessel 6 Coexistence 7 Dry nitrogen 8 Anode 9 Cathode 10 Heterojunction type light emitting element
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011260952A JP2013115277A (en) | 2011-11-29 | 2011-11-29 | Hetero-junction light-emitting element manufacturing method |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2011260952A JP2013115277A (en) | 2011-11-29 | 2011-11-29 | Hetero-junction light-emitting element manufacturing method |
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| JP2013115277A true JP2013115277A (en) | 2013-06-10 |
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ID=48710540
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| JP2011260952A Pending JP2013115277A (en) | 2011-11-29 | 2011-11-29 | Hetero-junction light-emitting element manufacturing method |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2013115277A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108950521A (en) * | 2018-06-06 | 2018-12-07 | 湖北大学 | Red phosphorus-ZnO heterojunction film preparation method of rapid photocatalytic sterilization |
-
2011
- 2011-11-29 JP JP2011260952A patent/JP2013115277A/en active Pending
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