專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于發(fā)出紫外光或藍(lán)色光、白色光的半導(dǎo)體 發(fā)光元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅(ZnO)是具有約3.4eV頻帶隙能量的直接遷移型 半導(dǎo)體，由于其激子束縛能極高，可高達(dá)60meV，因此可實(shí)現(xiàn) 高效率且消耗電力較少的發(fā)光裝置。而且，由于具有原材料廉 價、對人體及環(huán)境無害等特征，因此可作為廉價且環(huán)境性也優(yōu) 良的發(fā)光裝置。但是，Z n 0容易產(chǎn)生缺氧或晶格間位置的鋅原子等的缺欠， 因此一般認(rèn)為較難形成p形導(dǎo)電層，但是為了通過使用氮(N) 作為受主雜質(zhì)來實(shí)現(xiàn)p形化，從而使用ZnO系半導(dǎo)體制作高效率 的發(fā)光元件，正在進(jìn)行多項研究。使用了 Z n 0單晶基板的半導(dǎo)體發(fā)光元件例如在以下專利文 獻(xiàn)l、 2、 3等中已公開，另外，在專利文獻(xiàn)4中公開了雖然是在 青玉基板上但導(dǎo)入了氮(N)的ZnO結(jié)晶的制造方法及ZnO系 LED的制造方法。專利文獻(xiàn)l:日本特開2004-247411號/^凈艮 專利文獻(xiàn)2:曰本特開2004-247681號7^沖艮 專利文獻(xiàn)3:曰本凈爭開2004—296821號7>才艮 專利文獻(xiàn)4:日本特開2004-221352號公4艮 但是，如在專利文獻(xiàn)4中所見到的那樣，在ZnO以外的結(jié)晶 基板上成長起來的氧化鋅(ZnO)系結(jié)晶(ZnO薄膜)，會因晶 格常數(shù)與熱膨脹系數(shù)之差而產(chǎn)生缺陷、晶格應(yīng)變，從而不能得到優(yōu)質(zhì)的、結(jié)晶性良好的薄膜。因此，嘗試了在異質(zhì)基板上形成ZnO的緩沖層，再在該緩沖層上形成ZnO薄膜，但結(jié)晶性不 夠好。另一方面，ZnO大塊單晶基板近年來已制造出了結(jié)晶性優(yōu) 良的品種，但是，對于上述專利文獻(xiàn)1 3中所見到那樣的利用 ZnO單晶基板的半導(dǎo)體發(fā)光元件，都是在該ZnO單晶基板上形 成以改善結(jié)晶性為目的的ZnO緩沖層，再在該緩沖層上形成p 形層。圖IO及圖ll是表示這樣的以往提出的半導(dǎo)體發(fā)光元件的 例子的剖面示意圖。這兩個例子都是為了改善結(jié)晶性而在ZnO 大塊單晶基板IOO上形成n形ZnO薄膜的緩沖層101,再在該緩 沖層上形成滲雜有氮的p形ZnO薄膜102作為p形層而進(jìn)行pn結(jié) 合，在該p形ZnO薄膜102上形成有第一電極(p形電阻性電極)103。另外，在圖10所示的例子中，在n形ZnO薄膜上形成有第 二電極(n形電阻性電極)104,在圖ll所示的例子中，在ZnO 大塊單晶基板IOO的背面?zhèn)刃纬捎械诙姌O(n形電阻性電極)104。但是，即便如此，仍難以形成p形ZnO薄膜，基本上沒有報 告過發(fā)光成功的事例。另外，也沒有成功地在n形ZnO大塊單 晶基板上直接形成p形薄膜的例子的報告。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是鑒于這樣的背景而作成的，其目的在于，提供一 種在n形ZnO大塊單晶基板上可靠地形成高品質(zhì)的ZnO的p形 層，批量生產(chǎn)性優(yōu)良，可獲得充分的發(fā)光輸出，廉價且環(huán)境性 優(yōu)良的半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的特征在于，在通過滲雜施主雜質(zhì)而低電阻化了的n形ZnO大塊單晶基板 上，形成由滲雜了氮的ZnO系化合物構(gòu)成的半導(dǎo)體薄膜作為p 形層而進(jìn)行pn結(jié)合。上述n形ZnO大塊單晶基板可以按l.O x 10"/cm3以上的原 子個數(shù)滲雜施主雜質(zhì)來進(jìn)行低電阻化，該施主雜質(zhì)為A1、 Fe、 Ga、 B、 In中的4壬一種或它們的組合。優(yōu)選是，通過上述方法使上述n形ZnO大塊單晶基板的電 阻率為0.5Q cm以下。在這些半導(dǎo)體發(fā)光元件中，優(yōu)選是在上述n形ZnO大塊單 晶基板的在熱力學(xué)上穩(wěn)定包含鋅原子的面上形成p形層。上述包含鋅原子的面只要是n形ZnO大塊單晶的c ( 0001 ) 面(Zn面)、m ( 10-10)面、a ( 11—20)面中的任一面即可。此時，即使上述n形ZnO大塊單晶基板的面方位相對于上 述c ( 0001 )面(Zn面)、m ( 10—10 )面、a ( 11—20 )面中的 任一面在± l度以內(nèi)也可以形成結(jié)晶性良好的膜。在這些半導(dǎo)體發(fā)光元件中，若在上述p形層的與上述n形 ZnO大塊單晶基板的接合面附近形成富氮層，則即使不在n形 ZnO大塊單晶基板上夾設(shè)緩沖層也能更可靠地形成p形層。在上述p形層中，優(yōu)選是，滲雜的氮濃度以原子數(shù)計為l.O x 1017/cm3 l x 1021/cm3。這樣，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件可在上述n形ZnO大塊單 晶基板上直接形成上述p形層。另外，若在上述n形ZnO大塊單晶基板與p形層之間形成用 于控制導(dǎo)電性的n形導(dǎo)電控制層則更好。發(fā)光元件，其特征在于，通過在減壓容器內(nèi)使高純度的鋅從固體金屬元素源中蒸發(fā)，在上述n形ZnO大塊單晶基板上或在該 蒸發(fā)的鋅到達(dá)該基板的過程中使該蒸發(fā)的鋅與氧和氮發(fā)生反 應(yīng)，由此在上述n形ZnO大塊單晶基板上形成上述p形層。為了形成上述p形層而要進(jìn)行的前處理優(yōu)選包括對上述n 形ZnO大塊單晶基板進(jìn)行用于使其平坦化的熱處理的工序；在 上述減壓容器內(nèi)在高真空環(huán)境中進(jìn)行用于清潔上述n形ZnO大 塊單晶基板表面的熱處理的工序；在氮環(huán)境中實(shí)施等離子處理， 對上述n形ZnO大塊單晶基板表面進(jìn)行平坦化與清潔的工序。在形成上述p形層的過程中，優(yōu)選是，使上述氮與氧的分 壓比為1比0.5 5?？赏ㄟ^帶等離子輔助的反應(yīng)性蒸鍍法在上述n形ZnO大塊 單晶基板上形成p形層?；蛘?，也可通過有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉 積(MOCVD)法，或使用金屬鋅元素源的分子束外延成長 (MBE)法來形成該p形層。因?yàn)楸景l(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件直接在n形ZnO大塊單晶基 板上可靠地形成高品質(zhì)的ZnO的p形層而進(jìn)行pn結(jié)合，因此， 可獲得充分的發(fā)光輸出，并且批量生產(chǎn)性優(yōu)良，廉價且環(huán)境性 也優(yōu)良。采用本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法可高效率地制造 該半導(dǎo)體發(fā)光元件。


圖l是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的一實(shí)施方式的剖面 示意圖。圖2是表示n形ZnO大塊單晶的包含鋅原子的面的說明圖。 的剖面示意圖。圖4是表示用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)所分析出的p形層 ll中氮濃度與距表面深度的關(guān)系的線圖。圖5是表示在本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造中所使用的 ZnO薄膜成長裝置的結(jié)構(gòu)例子的立體示意圖。圖6是表示圖5中的該n形ZnO大塊單晶基板設(shè)置部的放大 剖視圖。圖7是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的I-V特性的測定例 子的線圖。圖8是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光激發(fā)光(PL)光 譜的線圖。圖9是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光波長-發(fā)光強(qiáng) 度的光譜線圖。圖IO是表示以往提出的半導(dǎo)體發(fā)光元件的一個例子的剖 面示意圖。圖ll是表示以往提出的半導(dǎo)體發(fā)光元件的另 一例子的剖 面示意圖。附圖標(biāo)記的說明l:半導(dǎo)體發(fā)光元件 10:n形ZnO大塊單晶基板 ll:p形層(p形滲氮ZnO膜) lla:富氮層 12:第一電極(p形電阻性電極) 13:第二電極(n形電阻性電極) 15:接合面(pn接合面/界面)20:罩(減壓容器) 21:氣體供給口22:排氣口23:基板掩膜 24:支承構(gòu)件 25:基板加熱用的加熱器26:溫度傳感器 30:蚶鍋 31:坩鍋加熱用的加熱器32:濕度傳感器 33:遮擋件 35、 36:電極端子 40:產(chǎn)生等離子用的線圏具體實(shí)施方式
以下對用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方式進(jìn)行說明。 半導(dǎo)體發(fā)光元件的實(shí)施方式圖l是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的一 實(shí)施方式的剖面 示意圖。該半導(dǎo)體發(fā)光元件l在通過滲雜施主雜質(zhì)而低電阻化了的n形ZnO大塊單晶基板10上，形成由滲雜了氮的ZnO系化合物 構(gòu)成的半導(dǎo)體薄膜(p形滲氮ZnO膜)作為p形層ll,在接合面 (界面)15處進(jìn)行pn結(jié)合。該p形層ll是通過在n形ZnO大塊單 晶基板IO上依照其晶格信息結(jié)晶成長的外延生長而直接形成的。然后，分別在該p形層ll上形成p形電阻性電極作為第一電 極12,在n形ZnO大塊單晶基板10的背面形成n形電阻性電極作 為第二電極13。n形ZnO大塊單晶基板10在培養(yǎng)ZnO單晶時，以1.0 x 10"/cm3的原子個數(shù)滲雜由Al、 Fe、 Ga、 B、 In中的任一種或 它們的組合而構(gòu)成的施主雜質(zhì)，由此使基凈反的電阻率為Q.5Q cm以下。這樣一來，由于可抑制串聯(lián)電阻值的增加，因而可大幅提 高pn接合及發(fā)光的相關(guān)特性。另外，ZnO大塊單晶基板的c ( 0001 )面的鋅面(Zn面)、 m ( 10-10)面及a ( 11-20)面的表面能級密度小于c ( 0001 ) 面的氧面(O面)，ZnO單晶的包含鋅原子的面、即c(OOOl) 面、m ( 10-10)面及a ( 11-20)面在熱力學(xué)上較穩(wěn)定，著眼 于上述兩點(diǎn)而在它們中的任一面上形成由滲雜了氮的ZnO薄膜 所構(gòu)成的p形層ll。圖2示意性地表示ZnO單晶的這些包含鋅原子的面。圖2(a)、 ( b)、 ( c)分另'J以施力口凍牛線的方式表示c ( 0001 )面(Zn 面)、m ( 10-10)面及a ( 11-20)面。但是，若n形ZnO大塊單晶基板10的面方位相對于c( 0001 ) 面、m ( 10-10)面、a ( 11-20)面分別在± l度以內(nèi)，則不僅 在被稱為平臺的平坦部分寬廣、且?guī)缀鯚o凹凸的情況下能形成 結(jié)晶性良好的膜，即使出現(xiàn)包含臺階的面，若只是此種程度的 角度則仍能形成結(jié)晶性良好的膜。剖面示意圖。本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件l'也是基本與圖1 所示的上述半導(dǎo)體發(fā)光元件相同的結(jié)構(gòu)，但是，在由直接形成 于n形ZnO大塊單晶基板10上的滲雜了氮的ZnQ系半導(dǎo)體薄膜 所構(gòu)成的p形層11的、靠n形Z n O大塊單晶基板10的 一 側(cè)形成有 富氮層lla。圖4是表示利用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)所分析出的p形 層ll中氮濃度與距表面深度的關(guān)系的線圖。由滲雜了氮的ZnO 系半導(dǎo)體薄膜所構(gòu)成的p形層ll的厚度約為0.3jim，從其與n形 ZnO大塊單晶基板10的界面起形成有約0.05iim的富氮層lla。這樣一來，可直接在n形ZnO大塊單晶基板10上可靠地形 成高品質(zhì)的由Z n 0系半導(dǎo)體薄膜所構(gòu)成的p形層11 。但是，為了進(jìn)一步提高pn接合的特性，在n形ZnO大塊單 晶基板IO與p形層ll之間設(shè)置用于控制導(dǎo)電性的n形導(dǎo)電控制 層也是有效的。半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法的實(shí)施方式截至目前為止，需要緩沖層的理由在于，在ZnO大塊單晶 基板上有時會存在界面雜質(zhì)，因而需要利用緩沖層控制伴隨該 界面雜質(zhì)而產(chǎn)生的結(jié)晶缺陷以及位錯在厚度方向上的成長。但 是，使用本發(fā)明，由于進(jìn)行下述工序作為用于在n形ZnO大塊單晶基板10上形成p形層的前處理，因此，不需要緩沖層，并 且可在氮環(huán)境中的等離子處理中形成p形層ll的富氮層lla。上 述前處理包括對n形ZnO大塊單晶基板10進(jìn)行用于使其平坦 化的熱處理的工序；在減壓容器內(nèi)在高真空環(huán)境中進(jìn)行用于清 潔n形ZnO大塊單晶基板表面的熱處理的工序；在氮環(huán)境中實(shí) 施等離子處理，對n形Z n 0大塊單晶基板表面進(jìn)行平坦化與清 潔的工序。富氮層的形成除了后述實(shí)施例的氮等離子的處理之外，也 可以在氮環(huán)境中進(jìn)行熱處理(熱擴(kuò)散法)，或進(jìn)行使雜質(zhì)離子化、 再照射離子束而將離子打入(離子注入法)的氮化處理。使?jié)B 雜的氮濃度以原子個數(shù)計為2 x 1017/cm3 ~ 1 x 102Vcm3的范 圍。若為2x 1()i /cms以下，則p形層的電阻變高而發(fā)光效率變 差。若超過l x 1021/cm3，則結(jié)晶性變差。實(shí)施例作為本發(fā)明半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法中所使用的Z n 0薄 膜成長裝置的一個例子，圖5示出了使用帶有等離子輔助的反 應(yīng)性蒸鍍法的結(jié)晶成長裝置(以下，稱為"反應(yīng)性蒸鍍裝置，，)。反應(yīng)性蒸鍍裝置包括作為減壓容器的罩(bell jar) 20、用 于導(dǎo)入氧和氮的未圖示的氣體供給裝置、用于使罩20內(nèi)為真空 狀態(tài)的真空泵。并設(shè)有貫通該罩20壁面的用于導(dǎo)入氧和氮的氣 體供給口 21和貫通該罩20壁面的用于通過真空泵排氣的排氣 口 22。在該罩20內(nèi)，用于保持作為薄膜成長基底的n形ZnO大塊 單晶基板的專用基板掩模23,被支承在大致水平的網(wǎng)狀的支承 構(gòu)件24上。在基板掩模23上安裝有用于加熱基板的加熱器25, 在該加熱器25上設(shè)有用于確認(rèn)加熱溫度的溫度傳感器26。在罩內(nèi)的基板掩模23的下方設(shè)有用于供給鋅(Zn)的坩鍋30，該坩鍋30具有用于通過加熱而使鋅蒸發(fā)的加熱器31,和用 于確認(rèn)加熱溫度的溫度傳感器32,并且在該坩鍋30與基板掩模 23之間具有可轉(zhuǎn)動的遮擋件(shutter ) 33。 35、 36為用于對 加熱器3l供電的電極端子，坩鍋30與遮擋件33之間還具有等離 子產(chǎn)生用線圏40。如圖6放大所示那樣，在基板掩模2 3上形成有設(shè)有臺階部 23b的多個窗孔23a,通過將n形ZnO大塊單晶基板IO的外周部 卡定在臺階部23b上而將該基板10配置于該各窗孔23a中。在形成薄膜時，用未圖示的真空泵將罩20內(nèi)保持為真空狀 態(tài)。罩20內(nèi)的薄膜成長、真空度等，通過未圖示的控制面板來 適當(dāng)控制。另外，等離子產(chǎn)生用線圈40的輸出等同樣也通過控 制面板來適當(dāng)控制。以下，對在n形ZnO大塊單晶基板上形成ZnO薄膜的工序進(jìn) 行詳細(xì)說明。首先，將n形ZnO大塊單晶基板放入未圖示的退火用電爐 后，在800 ~ 100CTC加熱2H (小時)，進(jìn)4亍表面平坦化處理。 若該熱處理溫度^氐于80(TC則平坦化不充分，若超過100(TC則 Zn、 O原子脫落而產(chǎn)生缺陷。接著，在反應(yīng)性蒸鍍裝置的圖5所示的罩20內(nèi)的基板掩模 2 3的規(guī)定位置處，如圖6所示那樣以鋅面為表面的方式設(shè)置n形 ZnO大塊單晶基板lO。然后，將尺寸為2 5mm、純度為 99.9999%以上的金屬鋅定量填入坩鍋30內(nèi)。若用小于該純度的 金屬鋅，則雜質(zhì)濃度變大，使電特性和結(jié)晶性變差，因此不能 使用。然后，由未圖示的真空泵從排氣口 22將該反應(yīng)性蒸鍍裝置 的罩20內(nèi)抽成(1.0~ 2.0) x 10^Pa左右的真空狀態(tài)。若真空 度低，則會使形成的膜中的雜質(zhì)含有率高。在確認(rèn)了真空狀態(tài)后，接通基板加熱用加熱器25的電源，在500 ~ 70(TC力口熱0.5 1H(小時)，進(jìn)行用于清潔n形ZnO大塊單晶基板10的表面的熱 處理。若此時的溫度低于50(TC或熱處理時間少于0.5H,則會 導(dǎo)致清潔不充分，若溫度高于70(TC或熱處理時間多于1H,則 鋅(Zn)、氧(0)的原子會脫落而增加缺陷。然后，從氣體供給口 21導(dǎo)入氮?dú)?，在?0的內(nèi)壓為0.8x 10^Pa的狀態(tài)下，對等離子產(chǎn)生用線圏40施加RF電壓，起動等 離子產(chǎn)生用線圈40而產(chǎn)生等離子。導(dǎo)入的氮?dú)馐褂肎3等級以上 的壓縮氣體(純度99.99%以上)。若低于該等級，則會導(dǎo)致雜 質(zhì)濃度大，使電特性、結(jié)晶性變差，因此無法使用。罩20的內(nèi)壓0.8 x 10-iPa是在本次實(shí)施例中產(chǎn)生等離子所 必要的壓力。在100~ 300W之間的等離子輸出下對n形ZnO大 塊單晶基板10的表面進(jìn)行平坦化處理及清潔5 ~ 30分鐘，對形 成p形層時的富氮層的形成進(jìn)行準(zhǔn)備。若等離子輸出小于100W或處理時間少于5分鐘，則處理效 果減少。另外，若等離子輸出大于300W或處理時間多于30分 鐘，則會對基板造成損傷。清潔完成后，將加熱器25加熱n形ZnO大塊單晶基板10的 溫度調(diào)整為成膜時溫度。成膜溫度在300 65(TC之間進(jìn)行。若 成膜溫度低于300。C,則結(jié)晶性會顯著變差，若超過650。C,則 無法成膜。調(diào)整溫度后，接通坩鍋加熱用加熱器31的電源。坩 鍋30的加熱溫度在300 ~ 650°C之間進(jìn)行。若加熱溫度低于 30(TC則不能使鋅(Zn)蒸發(fā)，另外若在高于65CTC的條件下， 成膜速率會過高，從而使結(jié)晶性顯著變差。接著，導(dǎo)入作為另一種原料的氧氣，對等離子產(chǎn)生用線圏 40施加RF電壓，起動等離子產(chǎn)生用線圏40,使其產(chǎn)生等離子。 導(dǎo)入的氧氣使用G3等級以上的壓縮氣體(純度99.99°/。以上)。若低于該等級，則會導(dǎo)致雜質(zhì)濃度大，從而使電特性、結(jié)晶性 變差，因此無法4吏用。等離子輸出在50 ~ 250W之間進(jìn)行。若等離子輸出低于 50W則無法成膜，另外，若高于250W，則成膜速率過高，從 而使結(jié)晶性顯著變差。此時，將作為滲雜材料的氮(壓縮氣體)混入至氧氣中而 進(jìn)行滲雜。氧與氮以質(zhì)量流量來控制流量，將罩20的內(nèi)壓調(diào)整 為6.0x 101 8.0 x 1()4Pa。設(shè)為該壓力是成膜速度高、且結(jié)晶 性良好、滲雜也可順利進(jìn)行的條件，若低于6.0 x lQ-iPa,則由 于氧與氮變少，因此不能高效率地合成氧化鋅(ZnO )，從而無 法良好地成膜，或者滲雜量少而未呈現(xiàn)出p形特性。另外，在 大于8.0 x 10^Pa時，原料鋅(Zn)會被氧化而使反應(yīng)無法進(jìn)展。將氧與氮以分壓計算，設(shè)氮氧=1: 0.5~5，然后打開坩 鍋30上的遮擋件33,開始成膜。設(shè)為上述分壓比的理由在于， 若氮氧之比大于此值則結(jié)晶性變差，反之若小于此值，則載流 子濃度變低，致4吏p形層的電阻變高。成膜時間設(shè)為30~120 分鐘之間，膜厚設(shè)為0.2~ 2.0imi。成膜時間是為了獲得該膜厚 所必要的時間。這樣，通過在作為減壓容器的罩20內(nèi)使高純度的鋅從作為 固體金屬元素源的坩鍋3 0中蒸發(fā)，使該鋅在n形Z n 0大塊單晶 基板10上或在所蒸發(fā)的鋅到達(dá)該基板10的過程中與氧和氮發(fā) 生反應(yīng)，由此將p形層ll形成于n形ZnO大塊單晶基板10上。成膜時間結(jié)束后，關(guān)閉遮擋件33,停止加熱坩鍋30及n形 ZnO大塊單晶基板lO,關(guān)閉等離子電源，且停止導(dǎo)入氧氣與氮 氣。在n形ZnO大塊單晶基板IO及坩鍋30的溫度下降后取出樣 品(在n形ZnO大塊單晶基板10上形成了p形層ll的樣品)。將進(jìn)行了成膜的樣品安裝在電極制作專用的掩膜上，利用真空蒸鍍裝置制作圖l與圖3所示的第一電極12及第二電極13。 在n形ZnO大塊單晶基板10的背面，用鋁(Al )形成0.2~ 0.5iim 厚的膜作為第二電極(n形電阻性電極)13。設(shè)為該厚度的理 由在于，該厚度是用于得到電阻性接觸的充分厚度，并且還可 充分獲得電極強(qiáng)度。在由滲雜了氮的ZnO薄膜所構(gòu)成的p形層ll上，用鎳(Ni) 形成0.008tim厚的膜、再用金(Au)形成0.2~ 0.3pim厚的膜作 為第一電極(p形電阻性電極)。為了使其具有密接性而先對Ni 進(jìn)行成膜，然后為了獲得充分的電阻耦接與作為電極的強(qiáng)度而 對Au進(jìn)行成膜。設(shè)電極尺寸為1 x lmm2。圖7是表示I-V (電流-電壓)特性的線圖。在15 2(TC的 室溫下進(jìn)行了測定，結(jié)果獲得了良好的整流特性。圖8是表示光激發(fā)光(PL)光譜的線圖。橫軸為光子能量 (eV), 1.24/eV(iim)為發(fā)光波長?？v軸為發(fā)光強(qiáng)度(a.u.)。 a.u.為任意單位，表示發(fā)光強(qiáng)度的相對大小。測定條件為使 用堀場制作所制的Photoluminor-U，在溫度4K、狹縫寬度 O.lmm、曝光時間600msec 、激發(fā)光源He-Cd激光器 (325證、20mW)下進(jìn)行測定。由該圖8可知，在光子能量3.359eV及3.331eV處觀測到尖 銳的峰值。在3.359eV處的峰值可認(rèn)為是由于D。X(中性施主束 縛激子發(fā)光)而產(chǎn)生的，是表示n形導(dǎo)電性的峰值，因?yàn)榻Y(jié)晶 性良好，所以呈現(xiàn)尖銳的峰值。在3.331eV處的尖銳峰值為來 自氮的峰值，是由p形導(dǎo)電性而產(chǎn)生的。圖9是表示電流在圖3所示的半導(dǎo)體發(fā)光元件l，的第 一 電極 12與第二電極13之間流通時的發(fā)光波長(nm )與發(fā)光強(qiáng)度 (a.u.)之間的關(guān)系的EL光譜。測定條件為^使用濱松光子學(xué)公司(Hamamatsu Photonics ) 制的PHOTONIC MULTI-CHANNEL ANALYZER,在溫度 15~20°C、曝光時間30sec、施加電壓35V下進(jìn)行測定。上述實(shí)施例詳細(xì)說明了通過帶有等離子輔助的反應(yīng)性蒸鍍 法在n形ZnO大塊單晶基板上形成p形層的情況的例子。但是， 并不限定于此，也可通過出于與上述帶有等離子輔助的反應(yīng)性 蒸鍍法相同觀點(diǎn)的、調(diào)整及改善了前處理、成膜方法及各種參 數(shù)的有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法，或使用金屬鋅元 素源的分子束外延成長(MBE)法在上述n形ZnO大塊單晶基 板上形成p形層。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明提供一種通過在n形ZnO大塊單晶基板上可靠地形 成高品質(zhì)的ZnO的p形層而批量生產(chǎn)性優(yōu)良、可獲得充分的發(fā)光 輸出、廉價且環(huán)境性也優(yōu)良的半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法。 該半導(dǎo)體發(fā)光元件可利用于發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光元件、及 使用這些的各種顯示裝置、打印機(jī)、普通照明、汽車用燈及信 號機(jī)等廣泛用途中。另外，還可活用于細(xì)菌及農(nóng)作物的培育控 制等生物科技領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，在通過滲雜施主雜質(zhì)而低電阻化了的n形ZnO大塊單晶基板上，形成由滲雜了氮的ZnO系化合物構(gòu)成的半導(dǎo)體薄膜作為p形層而進(jìn)行pn接合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于， 上述n形ZnO大塊單晶基板以1.0 x 1017/cm3以上的原子個數(shù)滲 雜施主雜質(zhì)而進(jìn)行低電阻化，該施主雜質(zhì)為A1、 Fe、 Ga、 B、 In中的任一種或它們的組合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，上 述n形ZnO大塊單晶基板的電阻率為0.5Q cm以下。
4. 述n形Z n 0大塊單晶基板的形成上述p形層的面為包含鋅原子的面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，包含上 述鋅原子的面為c ( 0001 )面、m ( 10-10)面、a ( 11-20)面中的任 一 面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，上述n 形ZnO大塊單晶基板的面方位相對于上述c ( 0001 )面、m(10-10 )面、a ( 11-20 )面中的任一面在± l度以內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，在 上述p形層上，在與上述n形ZnO大塊單晶基板的接合面的附近 形成有富氮層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，以 原子個數(shù)計，上述p形層中滲雜的氮濃度為2x 1017/cm3~ 1 x 1021/cm3。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，在 上述n形ZnO大塊單晶基板上直接形成上述p形層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，在上述n形Z n O大塊單晶基板與上述p形層之間形成有用于控制 導(dǎo)電性的n形導(dǎo)電控制層。
11. 一種半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，該半導(dǎo)體發(fā)光元件 在通過滲雜施主雜質(zhì)而低電阻化了的n形ZnO大塊單晶基板 上，形成由滲雜了氮的ZnO系化合物構(gòu)成的半導(dǎo)體薄膜作為p 形層，從而構(gòu)成pn接合，其特征在于，通過在減壓容器內(nèi)使高純度的鋅從固體金屬元素源中蒸 發(fā)，在上述n形ZnO大塊單晶基板上或在該蒸發(fā)的鋅到達(dá)該基 板的過程中使該蒸發(fā)的鋅與氧和氮發(fā)生反應(yīng)，由此在上述n形 ZnO大塊單晶基板上形成上述p形層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法， 其中，為了形成上述p形層而要進(jìn)行的前處理包括對上述n形 ZnO大塊單晶基^反進(jìn)行用于使其平坦化的熱處理的工序；在上 述減壓容器內(nèi)在高真空環(huán)境中進(jìn)行用于清潔上述n形ZnO大塊 單晶基板表面的熱處理的工序；在氮環(huán)境中實(shí)施等離子處理， 對上述n形ZnO大塊單晶基板表面進(jìn)行平坦化與清潔的工序。法，其中，在形成上述p形層的過程中，使上述氮與氧的分壓 比為1比0.5 ~ 5。法，其中，通過帶有等離子輔助的反應(yīng)性蒸鍍法形成上述p形 層。法，其中，通過有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法形成上 述p形層。法，其中，通過使用金屬鋅元素源的分子束外延成長(MBE )法形成上述P形層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法，該半導(dǎo)體發(fā)光元件在通過滲雜施主雜質(zhì)而低電阻化了的n形ZnO大塊單晶基板(10)上，形成由滲雜了氮的ZnO系化合物構(gòu)成的半導(dǎo)體薄膜作為p形層(11)而進(jìn)行pn接合，優(yōu)選是在n形ZnO大塊單晶基板(10)的包含鋅原子的面上形成p形層(11)。
文檔編號H01L21/365GK101258617SQ20068003261
公開日2008年9月3日 申請日期2006年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月6日
發(fā)明者中川玲, 新倉郁生, 柏葉安兵衛(wèi) 申請人:西鐵城東北株式會社;國立大學(xué)法人巖手大學(xué)