半導体素子
【課題】ドナー元素を含む半導体層を備えた半導体素子を形成する場合に、このドナー元素が上層に拡散することを抑制することができる半導体素子を提供する。
【解決手段】ＺｎＯ基板上にＧａドープＭｇＺｎＯ層、アンドープＭｇＺｎＯ層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層、アンドープ活性層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層と積層した積層体でＧａの拡散を分析した。アンドープＭｇＺｎＯ層の次の窒素ドープＭｇＺｎＯ層で、拡散してきたＧａの濃度が表面側になるにつれて、急激に減少しており、この窒素ドープＭｇＺｎＯ層の上層にＧａは拡散していない。このように、ドナー元素を含む同一組成のドナー含有半導体層の一部に、アクセプタ元素を含み前記ドナー含有半導体層と同一組成のアクセプタ含有半導体層を形成することで、ドナー元素の拡散を防止できる。
【解決手段】ＺｎＯ基板上にＧａドープＭｇＺｎＯ層、アンドープＭｇＺｎＯ層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層、アンドープ活性層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層と積層した積層体でＧａの拡散を分析した。アンドープＭｇＺｎＯ層の次の窒素ドープＭｇＺｎＯ層で、拡散してきたＧａの濃度が表面側になるにつれて、急激に減少しており、この窒素ドープＭｇＺｎＯ層の上層にＧａは拡散していない。このように、ドナー元素を含む同一組成のドナー含有半導体層の一部に、アクセプタ元素を含み前記ドナー含有半導体層と同一組成のアクセプタ含有半導体層を形成することで、ドナー元素の拡散を防止できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドナー元素を含むドナー含有半導体層を備えた半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＺｎＯ系半導体は、照明やバックライト等用の光源として使用される紫外ＬＥＤ、高速電子デバイス、表面弾性波デバイス等への応用が期待されている。ＺｎＯ系半導体はその多機能性、発光ポテンシャルの大きさなどが注目されていながら、なかなか半導体デバイス材料として成長しなかった。その最大の難点は、アクセプタードーピングが困難で、Ｐ型ＺｎＯを得ることができなかったことにある。
【０００３】
しかし、近年、非特許文献１や非特許文献２に見られるように、技術の進歩により、Ｐ型ＺｎＯを得ることができるようになり、発光も確認されるようになってきた。ただし、これらの成果は、ＺｎＯの有用性を示した上で貴重であるが、ＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＣＡＭ）という複合酸化物絶縁基板を用いている。ＳＣＡＭ基板は研究所レベルでしか作製されていない特殊な基板であり、かつ絶縁性の基板を使っていること、雲母のように薄膜が積み重なったような構造をしているため、チップ化の際のダイシングが困難なこと、という難点があり、このままでは産業に適した形態ではない。
【０００４】
そこで、発明者らは、産業に適した形態でのＺｎＯ系半導体で構成されたＬＥＤ等のデバイスの形成を目指し、ＺｎＯ基板を使っての研究、開発を進めた。その成果の一部はすでに特開２００７−３２９３５３、特願２００７−０２７１８２号等に開示している。このように、ＺｎＯ系基板上のＺｎＯ系薄膜の成長という方法が産業的に行われる環境が整ってきた。
【非特許文献１】A.Tsukazaki et al.,JJAP 44(2005)L643
【非特許文献２】A.Tsukazaki et al Nature Material 4(2005)42
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、ｐｎ接合等デバイスの基本となる構造に用いられるｎ型ＺｎＯ薄膜を作製するために、ドナードープを行い、ドナードープ層上にアンドープＺｎＯ層等を積層したときに重要な問題点が見つかった。ドナードープ層よりも後に結晶成長させたアンドープＺｎＯ層等の上層にドナー元素が拡散しており、ドナー元素が表面偏析をする物質であることがわかった。表面偏析をする物質は、その母体材料に対するサーファクタントと呼ばれることがある。
【０００６】
図３は、ＺｎＯ基板上にアンドープＭｇＺｎＯ層、ガリウムドープＭｇＺｎＯ層、アンドープＭｇＺｎＯ層と順に積層した積層体をＳＩＭＳ分析（２次イオン質量分析）した。横軸は深さ（μｍ）、左側縦軸は対数目盛りであり、Ｇａ濃度（ｃｍ−３）を、右側縦軸は対数目盛りであり、２次イオンイオン強度（ｃｐｓ：Counts Per Second）を示す。図３の上側横軸に沿って記載されている矢印部分が、各層の領域を表わしており、各層におけるガリウム濃度（ｃｍ−３）がわかる。ここで、「ＭｇＺｎＯ：Ｇａ」は、Ｇａ（ガリウム）がドープされたＭｇＺｎＯを表わす。Ｚｎの２次イオン強度は、各層ではそれほど変化がなく、Ｚｎ成分はほぼ一定していることがわかる。
【０００７】
一方、Ｇａ濃度については、ガリウムドープＭｇＺｎＯ層の下側（深い方）に行くにしたがって、急激に減少しており、下層のアンドープＭｇＺｎＯ層でのＧａ濃度には変化はない。一方、ガリウムドープＭｇＺｎＯ層の上側（浅い方）に行くにしたがって、増加しており、上層のアンドープＭｇＺｎＯ層の界面付近で最大となり、その後アンドープＭｇＺｎＯ層の上側にかけて、Ｇａ濃度は直線状に減少している。
【０００８】
図３に示されるＤの曲線は、不純物をドープした半導体層の上下両側にアンドープ層を形成した場合における不純物の通常の拡散状態を示すものである。通常の拡散では、曲線Ｄのように、不純物をドープした半導体層内部では不純物濃度は一定を保ち、不純物をドープした半導体上側のアンドープ層にも、下側のアンドープ層にも同様に拡がり、両側の拡がり部分の曲線は、直線状になることはない。
【０００９】
したがって、ＺｎＯ系半導体における不純物Ｇａの振る舞いは、通常の拡散ではなく、表面偏析を促進するサーファクタントの一種である可能性が高い。サーファクタントについては、共立出版株式会社 中嶋一雄編「エピタキシャル成長のメカニズム」に詳しい。サーファクタントとして、Ｇｅ半導体中におけるガリウム、ＩｎＡｓ半導体中におけるＳｂ等が知られており、以上に述べたように、ドナードープによる特異な拡散形態という問題点は知られているが、特異な現象として物理的な興味として研究されているのみで、サーファクタントであるドナー元素の拡散を抑制する方法は今まで提案されていない。
【００１０】
また、表面偏析は、温度に依存して激しくなるから、成長温度を下げれば解決するが、成長温度を下げると、結晶性が悪くなったり、表面が荒れたりする問題が発生することがあるので、成長温度を変化させずに、ドナー元素の上層への拡散を防ぐ必要がある。
【００１１】
一方、図３の曲線Ｄに示されるように、ドナー元素がドープされたドナー半導体層が存在すると、このドナー元素が表面偏析物質でなくても、通常、ドナー半導体層に接する層にドナー元素が拡散していく作用があるので、特に、ドナー半導体層の上層に形成される活性層等に、ドナー元素が拡散するのを防止することが必要である。
【００１２】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、ドナー元素を含む半導体層を備えた半導体素子を形成する場合に、このドナー元素が上層に拡散することを抑制することができる半導体素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ドナー元素を含み同一組成で構成されたドナー含有半導体層を備え、前記ドナー含有半導体層の一部に、アクセプタ元素を含むアクセプタ含有半導体層が形成されていることを特徴とする半導体素子である。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、前記ドナー元素はIII族、前記アクセプタ元素はＶ族又はＩ族に属することを特徴とする請求項１記載の半導体素子である。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、ＺｎＯ系材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の半導体素子である。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、前記ドナー含有半導体層はＭｇＸＺｎ１−ＸＯで構成され、０≦Ｘ＜０．５であることを特徴とする請求項３記載の半導体素子である。
【００１７】
また、請求項５記載の発明は、前記ドナー含有半導体層は、ＺｎＯ基板上に形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子である。
【００１８】
また、請求項６記載の発明は、前記ドナー含有半導体層は電子供給層として機能し、前記ドナー含有半導体層より上側に発光層が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子である。
【００１９】
また、請求項７記載の発明は、前記ドナー含有半導体層は電子流入層として機能し、前記ドナー含有半導体層が受光領域の一部を構成していることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子である。
【００２０】
また、請求項８記載の発明は、キャリア濃度を電界により制御する制御電極によって制御されるチャネル領域は、前記ドナー含有半導体層と同一の組成で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ドナー元素を含む同一の結晶組成で構成されるドナー含有半導体層の一部に、アクセプタ元素を含んだアクセプタ含有半導体層が形成されているので、このアクセプタ含有半導体層によって、ドナー含有半導体層におけるドナー元素の拡散が抑制される。これは、特に表面偏析作用を有する物質の上層への拡散を防止する場合に効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の半導体素子構造におけるガリウム（Ｇａ）、窒素（Ｎ）を示す。半導体素子は、特にＺｎＯ系半導体により構成した。
【００２３】
ここで、ＺｎＯ系半導体、ＺｎＯ系薄膜等におけるＺｎＯ系とは、ＺｎＯをベースとした混晶材料であり、Ｚｎの一部をIIＡ族もしくはIIＢ族で置き換えたもの、Ｏの一部をVIＢ族で置き換えたもの、またはその両方の組み合わせを含むものである。
【００２４】
図１は、ＳＩＭＳ（Secondary Ionization Mass Spectrometer：２次イオン質量分析装置）による分析の結果を示すが、この分析に用いたサンプルは、図１の上側横軸に沿って記載したように、ＺｎＯ基板上にＧａドープＭｇＺｎＯ層、アンドープＭｇＺｎＯ層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層、アンドープ活性層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層と積層した積層体である。すなわち、下側からＺｎＯ基板／ＧａドープＭｇＺｎＯ層／アンドープＭｇＺｎＯ層／窒素ドープＭｇＺｎＯ層／活性層／窒素ドープＭｇＺｎＯ層の積層体となっている。
【００２５】
一方、図２は、図１と比較するために、図１の構成において、活性層とアンドープＭｇＺｎＯ層との間に形成された窒素ドープＭｇＺｎＯ層を取り除いて構成した場合を示す。下側からＺｎＯ基板／ＧａドープＭｇＺｎＯ層／アンドープＭｇＺｎＯ層／活性層／窒素ドープＭｇＺｎＯ層の積層構造となっており、このサンプルをＳＩＭＳ分析を行った。図１、２ともに、活性層は、アンドープＺｎＯとアンドープＭｇＺｎＯとを交互に数周期積層した多重量子井戸構造としており、ｐ型半導体とｎ型半導体でアンドープ活性層を挟んだ構造となっている。
【００２６】
図１、２ともに、左側縦軸は対数目盛で、Ｇａ又はＮ濃度（ｃｍ−３）を表わす。また、右側縦軸も対数目盛でＺｎの２次イオン強度（ｃｐｓ）を表わす。一方、横軸は、深さ（μｍ）を表わし、最上層の窒素ドープＭｇＺｎＯ層の表面からの距離となっている。
【００２７】
図１と図２とを比較すると、図２では、ＺｎＯ基板上に形成されたＧａドープＭｇＺｎＯ層から上層のアンドープＭｇＺｎＯ層、アンドープ活性層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層の一部の深さにまでＧａが拡散していることがわかる。この各層への拡散の度合いを示す特性曲線は図のＡに示されるように直線状となる。
【００２８】
他方、図１では、アンドープＭｇＺｎＯ層の次の窒素ドープＭｇＺｎＯ層で、拡散してきたＧａの濃度が表面側になるにつれて、急激に減少しており、この窒素ドープＭｇＺｎＯ層の上層であるアンドープ活性層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層（ｐ型クラッド層に相当）にＧａは拡散していない。このように、サーファクタントであるドナー元素が含有された同一組成比率のドナー含有半導体層の一部にアクセプタ含有半導体層を形成しておくと、このアクセプタ含有半導体層により前記ドナー元素の拡散が防止される。
【００２９】
ここで、ドナー含有又はアクセプタ含有とは、ドナー元素やアクセプタ元素を意図的に添加しなくても、半導体層に含まれてしまう場合を含む意味である。したがって、ドナー含有半導体層には、不純物Ｇａを意図的に添加したＧａドープＭｇＺｎＯ層だけではなく、Ｇａの拡散により意図せずにＧａが含まれることになったアンドープＭｇＺｎＯ層等も上記ドナー含有半導体層に相当するものである。さらに、図２で言えば、アンドープ活性層もドナー含有半導体層に該当する。アクセプタ含有半導体層には、図１でアンドープ活性層とアンドープＭｇＺｎＯ層との間に形成された窒素ドープＭｇＺｎＯ層が相当する。
【００３０】
また、本発明で、同一の結晶組成比率のドナー含有半導体層の一部に、ドナー含有半導体層と同一の結晶組成比率でアクセプタ元素を含むアクセプタ含有半導体層を形成した構造としては、 図１に示したように、ドナー含有半導体層の最上部に設けても良いが、図４に示すように、ドナー含有半導体層の中間部に設けるようにしても良い。図４（ａ）では、ＺｎＯ基板１上に、ｎ型ＭｇＸＺｎＯ層２、ＭｇＹＺｎＯ層３、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＭｇＺＺｎＯ層６が積層されている。ここで、ＭｇＹＺｎＯ層３は、アンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａとアクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃとで構成されており、ＭｇＹＺｎＯ層３の中間部分に、アクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃが１層形成されている。
【００３１】
一方、図４（ｂ）では、アンドープＭｇＹＺｎＯ層３の中間部分にアクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃが複数層形成された構造を示す。図にも示されているように、アクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃは、アンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａが、別のアンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａと接触する部分がないように、挟み込まれている。このように、アクセプタ含有半導体層は、ドナー含有半導体層の中間部に１層又は複数層（３層以上でも良い）設けることができる。
【００３２】
図４は、発光ダイオードの構成例を示したもので、半導体層の具体例を示すと、ｎ型ＭｇＸＺｎＯ層２のドナー元素はＧａで、組成割合Ｘ＝０．１５、膜厚は１００ｎｍ〜３００ｎｍ、ＭｇＹＺｎＯ層３の組成割合Ｙ＝０．１５で、アクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃのアクセプタ元素は窒素、組成割合ＹはアンドープＭｇＹＺｎＯ層３と同様０．１５、膜厚４０ｎｍで構成される。図４（ａ）の場合、アクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃにより上下に分割されたアンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａの下側の膜厚は１０ｎｍ〜１００ｎｍ、上側の膜厚は１０ｎｍ程度に形成される。
【００３３】
一方、ＭＱＷ活性層５は、井戸層に膜厚２ｎｍのアンドープＺｎＯを、障壁層に膜厚５ｎｍのＭｇ０．１ＺｎＯを用い、これを交互に数周期積層した多重量子井戸構造に形成している。ｐ型ＭｇＺＺｎＯ層６は、窒素がドープされ、膜厚１００ｎｍ〜５００ｎｍで組成Ｚが０．１〜０．３となるように形成される。ここで、ｎ型ＭｇＸＺｎＯ層２、アンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａがドナー含有半導体層に該当する。また、ＭＱＷ活性層５にｐ型ＭｇＺＺｎＯ層６から正孔が、アンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａから電子が供給され、ＭＱＷ活性層５において再結合が行われ発光するため、ドナー含有半導体層であるアンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａは電子供給層として機能する。
【００３４】
他方、上記の構成をフォトダイオードに適用した例が図５である。図５は、図４（ｂ）とほぼ構造がおなじであるが、ＭＱＷ活性層５がアンドープＭｇＷＺｎＯ層１５に変わっているだけであり、その他の層の組成や膜厚は、図４（ｂ）と同じである。すなわち、図５の１１〜１３、１３ａ、１３ｃ、１６を図４の１〜３、３ａ、３ｃ、６に置き換えれば良い。図５では、ＺｎＯ基板１１上にｎ型ＭｇＸＺｎＯ層１２、ＭｇＹＺｎＯ層１３、アンドープＭｇＷＺｎＯ層１５、ｐ型ＭｇＺＺｎＯ層１６が積層されている。また、ＭｇＹＺｎＯ層１３は、アンドープＭｇＹＺｎＯ層１３ａとアクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層１３ｃとで構成され、ＭｇＹＺｎＯ層３の中間部分に、アクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層１３ｃが複数形成されている。
【００３５】
アンドープＭｇＷＺｎＯ層１５の組成Ｗは、０≦Ｗ＜１であり、アンドープＺｎＯ又はアンドープＭｇＺｎＯのいずれかの半導体層となる。アンドープＭｇＷＺｎＯ層１５の膜厚は１００ｎｍ〜１００００ｎｍの範囲で形成される。ここで、ｎ型ＭｇＸＺｎＯ層１２、アンドープＭｇＹＺｎＯ層１３ａがドナー含有半導体層に該当する。また、光が照射されると、アンドープＭｇＷＺｎＯ層１５からｐ型ＭｇＺＺｎＯ層１６に正孔が、アンドープＭｇＹＺｎＯ層１３ａに電子が流入するため、ドナー含有半導体層であるアンドープＭｇＹＺｎＯ層１３ａは電子流入層として機能する。
【００３６】
また、図４、５のｎ型ＭｇＸＺｎＯ層２、１２のＭｇ組成Ｘは、０≦Ｘ＜０．５とすることが望ましい。ドナー含有半導体層でもあるｎ型ＭｇＸＺｎＯ層２、１２は、均一なＭｇＺｎＯ混晶とすることが好ましいが、現在、均一なＭｇＺｎＯ混晶を作製できるＭｇ組成比率は５０％未満であるために、０≦Ｘ＜０．５としており、より確実に均一なＭｇＺｎＯ混晶を作製するには、Ｍｇ組成比率は３０％以下とすることが望ましい。
【００３７】
なお、ＺｎＯ系半導体層におけるＧａの表面偏析は、温度に依存して激しくなるから、基板温度を下げれば解決するが、既出願の特願２００７−２７１８２や特願２００７−２０６９９８に示したように、基板温度を下げると、表面が荒れたり、意図しない不純物汚染が発生したりといった別の問題が発生することもわかっており、単純に基板温度を下げることはデバイス作製に適しているとは言えない。
【００３８】
以下に、図１や図４に示す積層構造を有するＺｎＯ系半導体素子の製造方法を説明する。まず、ＺｎＯ基板をロードロック室に入れ、水分除去のために１×１０−５〜１×１０−６Ｔｏｒｒ程度の真空環境で２００℃、３０分程度加熱する。１×１０−９Ｔｏｒｒ程度の真空を持つ搬送チャンバーを経由して、液体窒素で冷やされた壁面を持つ成長室に基板を導入し、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）を用いてＺｎＯ系薄膜を成長させる。
【００３９】
Ｚｎは７Ｎの高純度ＺｎをｐＢＮ製の坩堝に入れたクヌーセンセルを用い、２６０〜２８０℃程度に加熱して昇華させることにより、Ｚｎ分子線として供給する。ワイドギャップ材料として必要なＭｇＺｎＯを作製するためのＭｇは、IIA族元素であるが、６Ｎの高純度Ｍｇを用い、同様の構造のセルから３００℃〜４００℃に加熱して昇華させ、Ｍｇ分子線として供給する。ドナー元素であるガリウムは７Ｎの高純度Ｇａを用い、同様の構造のセルから４００℃〜７００℃に加熱して昇華させ、Ｇａ分子線として供給する。
【００４０】
酸素は６ＮのＯ２ガスを用い、電解研磨内面を持つＳＵＳ管を通じて円筒の一部に小さいオリフィスを開けた放電管を備えたＲＦラジカルセルに０．１ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍ程度で供給、１００〜３００Ｗ程度のＲＦ高周波を印加してプラズマを発生させ、反応活性を上げたＯラジカルの状態にして酸素源として供給する。プラズマは重要で、Ｏ２生ガスを入れてもＺｎＯ系薄膜は形成されない。
【００４１】
基板は一般的な抵抗加熱であればＳｉＣコートしたカーボンヒータを使う。Ｗ（タングステン）などでできた金属系のヒータは酸化してしまい使えない。他にもランプ加熱、レーザー加熱などで温める方法もあるが、酸化に強ければどの方法でもかまわない。
【００４２】
７５０℃以上に加熱し、約３０分、１×１０−９Ｔｏｒｒ程度の真空中で加熱した後、ラジカルセルとＺｎセルのシャッターを開けてＺｎＯ薄膜成長を開始する。この時、どういった種類の膜を形成するかに関わらず、上述したように平坦膜を得るためには、特願２００７−２７１８２にも開示したように、基板温度の観点からは７５０℃以上が必要である。
【００４３】
ＭｇはＺｎセルと同じ構造のセルから供給され、セル温度によってＭｇ供給量を変え、Ｍｇ組成を調節する。Ｍｇ組成は、元々の亜鉛／酸素の供給比に依存するため、成長条件によって同じ組成を得るためのＭｇ供給量は違う。本実施例では、Ｍｇセルの温度２５０℃〜４００℃、Ｍｇ供給量１×１０−９Ｔｏｒｒ〜１×１０−７Ｔｏｒｒの範囲で組成が０％〜５０％の変調ができる。
【００４４】
アクセプタ元素に窒素を用いる場合は、酸素と同様のプラズマセルを用い、例えば、ＮＯガスを０．１〜１ｓｃｃｍで供給、ＲＦを１００〜５００Ｗで供給するが、チャンバーの大きさ、ラジカルセルの大きさで上記条件は変わる。ＮＯガスを使用する場合は、ＮＯガスだけ供給しても窒素ドープのＭｇＺｎＯを作製することが可能である。
【００４５】
以上のようにして、ＺｎＯ基板上に、アンドープＭｇＺｎＯ、ガリウムドープＭｇＺｎＯ、窒素ドープＭｇＺｎＯを作製することができるので、図１や図４の積層構造を形成することができる。
【００４６】
アンドープＭｇＺｎＯ、ガリウムドープＭｇＺｎＯ、窒素ドープＭｇＺｎＯを作製できるので、これらを用いてトランジスタを構成したのが図６〜図１１であり、特に図１１はトレンチ型トランジスタを示す。
【００４７】
図６は、有機物電極とＺｎＯ系基板とその上に形成されたＭｇＸＺｎＯ（０≦Ｘ＜１）、ＭｇＹＺｎＯ（０＜Ｙ＜１）の薄膜積層構造（Ｘ＜Ｙ）を１組備えたＨＥＭＴの基本的構造例を示す。２１はＭｇＺＺｎＯ（０≦Ｚ＜１）基板、２２はアンドープＭｇＸＺｎＯ（０≦Ｘ＜１）層、２３はＭｇＹＺｎＯ（０＜Ｙ＜１）層を示す。ここで、Ｘ＜Ｙと、上側のＭｇＺｎＯの方がＭｇ組成比率を高くしている。これは、２次元電子ガスの発生が行われるようにするためである。
【００４８】
２４は有機物電極であり、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳで構成され、ゲート電極として作用する。また、２６はソース電極、２７はドレイン電極であり、いずれもＩｎＺｎ／Ｔｉ／Ａｌの金属多層膜で形成され、２５は金属層であり、Ａｕで構成される。２８は層間絶縁膜であり、ＳｉＯ２で構成される。また、ＭｇＹＺｎＯ層２３は、その一部はＩｎ拡散が行われたドナードープ部２３ａと、Ｇａがドープされたドナードープ層２３ｄ、窒素がドープされたアクセプタドープ層２３ｃ、残りのアンドープ層２３ｅで構成されている。２３ａ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅは、いずれもＭｇＹＺｎＯで構成されているもので、不純物の添加による違いのみである。
【００４９】
２ＤＥＧは、２次元電子ガス領域（電子蓄積層）を示し、アンドープＭｇＸＺｎＯ層２２とドナードープ層２３ｄの界面と図の点線で挟まれた領域を示している。ここで、ソース電極２６と直下のドナードープ部２３ａとでソース電極部を、ドレイン電極２７と直下のドナードープ部２３ａとでドレイン電極部を、有機物電極２４と金属層２５とでゲート電極部を構成している。
【００５０】
ドナー含有半導体層であるドナードープ層２３ｄは、２ＤＥＧに電子を供給するために、ガリウムドープが行なわれているが、他方、上方に存在するゲート電極部の有機物電極２４に電子が供給されるとリークが発生する。しかし、前述したように、サーファクタントであるＧａは、上層に拡散するので、アンドープ層２３ｅにＧａが拡散してしまうと有機物電極２４に電子が供給されることになるので、これを阻止するためにアクセプタドープ層２３ｃをドナードープ層２３ｄの上層に設けてＧａの拡散を防止することにより、電子の供給をブロックしている。
【００５１】
ここで、ソース電極２６、ドレイン電極２７のいずれも、ＩｎＺｎ／Ｔｉ／Ａｌの他に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｐｄ／Ａｕの金属多層膜で構成することもできる。また、金属層２５についても、Ａｕの他に、Ａｌ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ等で形成することができる。層間絶縁膜２８についても、ＳｉＯ２の他に、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３等で構成することができる。ドナードープ部２３ａについては、Ｉｎ拡散の他に、Ｇａ拡散、III族元素のイオンインプランテーション等を用いることができる。以下、図７〜図１０まで、ＨＥＭＴの変形された構造の実施例を示すが、上記構成材料等の事項は、同様に適用される。
【００５２】
ところで、有機物電極２４直下のＭｇＹＺｎＯ層２３の厚みは、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／ＭｇＺｎＯのショットキー接触に起因する空乏層幅よりも厚くするとノーマリーオンとなり、薄くするとノーマリーオフにすることができる。なお、ノーマリーとは、ゲート電圧が０Ｖの状態においてと言う意味である。空乏層の幅は、直下のＭｇＹＺｎＯ層のドナー濃度ＮＤによっておよそ決まる。
【００５３】
また、図６〜図１０に記載されたＳはソース端子、Ｇはゲート端子、Ｄはドレイン端子を表わす。ソース端子Ｓはソース電極２６と、ドレイン端子Ｄはドレイン電極２７と、ゲート端子Ｇはゲート電極２５と接続されている。そして、ノーマリーオフの場合は、ゲート端子Ｇに正の電圧が印加されると、有機物電極２４の直下に反転分布領域が生まれ、反転分布領域内のチャネル領域を介してソース−ドレイン間が導通する。この反転分布領域が、２ＤＥＧで示される電子蓄積領域にまで達すると、電子蓄積領域がチャネル領域として作用することで、電子蓄積領域に存在する２次元電子ガスの効果により、高速のゲート制御動作が行える。
【００５４】
図７は、ゲート電極となる有機物電極２４直下のＭｇＹＺｎＯ層の膜厚を薄くしたリセスゲート構造を示す。この構造では有機物電極２４直下部分の２次元電子ガスのキャリア濃度を薄くし、一方、抵抗を小さくすることが必要なソース電極部直下及びドレイン電極部直下の２次元電子ガスのキャリア濃度を濃くすることができ、電極の目的に応じた設計ができる。
【００５５】
トランジスタでは、ソース−ゲート間抵抗が高いと、ゲート電圧を高く設定しないと所望のドレイン−ソース間電流が得られなくなる。したがって、ソース−ゲート間抵抗を低くすることがトランジスタでは重要である。そこで、図８のように、ソース電極部とゲート電極部の間の距離を縮めた構造として、ソース−ゲート間抵抗を低くするように構成することもできる。
【００５６】
図９は耐圧を上げる構造としたものである。耐圧を上げる構造として用いられるフィールドプレート構造を使用した。層間絶縁膜２８の一部にソース電極部と接続した電極２６ａを配置し、この電極２６ａとフィールドプレート４０とを接続し、フィールドプレート４０でゲート電極部の上部全体を覆うように層間絶縁膜２８上に形成し、ドレイン側の電場をシールドして、ゲート電極部、有機物電極２４の端部分の破壊を防ぐ。
【００５７】
図１０では、ソース電極２６直下のドナードープ部２３ｂの長さを長くして、導電性のＭｇＺＺｎＯ（０≦Ｚ＜１）基板２１に電気的に接続するように構成している。このように、フィールドプレート構造を表面と裏面の両側で形成し、更に耐圧を上げる構造をとることができる。なお、ＭｇＺＺｎＯ基板４１は、導電性の基板とするために、例えばアンドープもしくはＧａドープのＺｎＯ基板を用いる。
【００５８】
一方、図６〜図９に記載されているＭｇＺＺｎＯ基板２１は、絶縁性の基板であり、例えば、ＮｉやＣｒ等の遷移金属をドープをしたＺｎＯ基板で構成される。また、上記図６〜図１０までの実施例の構造を目的に応じて適宜組み合わせた構造としても良い。
【００５９】
次に、図１１は、トレンチ型トランジスタ構造を示す。３１はＭｇＺＺｎＯ（０≦Ｚ＜１）基板、３２はＭｇＸＺｎＯ（０≦Ｘ＜１）層を示す。ＭｇＸＺｎＯ層３２は、ｎ型層３２ａ、ｐ型層３２ｂ、アクセプタドープ層３２ｃから構成されている。ｎ型層３２ａは、ＭｇＸＺｎＯにＧａをドープした半導体層であり、ガリウムドープ濃度は一定でなくてもよいが、一定でない場合には、ＭｇＺＺｎＯ基板３１との接触面側の濃度が濃くなるように濃度変化が付けられている。
【００６０】
図に示されるように、ゲート電極３４は、ＭｇＸＺｎＯ層３２を所定の深さまで掘り込んだトレンチ部分に形成されている。このトレンチ部分の深さ方向を見ると、ｎ型層３２ａ、ｐ型層３２ｂ、ｎ型層３２ａと並んでおり、ＮＰＮ型のトランジスタとなっている。
【００６１】
ここで、前述したように、Ｇａは表面偏析するため、ＧａはＭｇＸＺｎＯ層３２の上部に移動するが、上層のＮＰＮ構造のチャネル領域へ余分なＧａが供給されないようにするために、アクセプタドープ層３２ｃが形成されている。アクセプタドープ層３２ｃのアクセプタ元素には、例えば窒素が用いられる。３４はゲート電極、３６はソース電極、３７はドレイン電極であり、３８は層間絶縁膜である。Ｓはソース端子、Ｇはゲート端子、Ｄはドレイン端子を表わす。
【００６２】
ＮＰＮ型では、ゲート電極３４に電圧が印加されると、ゲート電極３４と対向したｐ型層３２ｂ壁面に反転分布領域が生まれ、反転分布領域内のチャネル領域を介してソース−ドレイン間が導通する。
【００６３】
図１１（ａ）の方では、アクセプタドープ層３２ｃをトレンチ部分にかかるように上側に設けているため、ソース−ドレイン間に電流が流れるためには、ｐ型層３２ｂのチャネル領域とアクセプタドープ層３２ｃのチャネル領域を電子が通過する必要がある。一方、図１１（ｂ）の方では、アクセプタドープ層３２ｃをトレンチ部分にかからないように下側に設けているため、ｐ型層３２ｂのチャネル領域のみを電子が通過すれば電流が流れるので、オンしやすくなるが、チャネル領域に余分なＧａが供給されやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の半導体素子におけるドナー元素の拡散状態を示す図である。
【図２】従来の半導体素子におけるドナー元素の拡散状態を示す図である。
【図３】ガリウムの拡散特性を示す図である。
【図４】本発明のＺｎＯ系半導体素子を発光ダイオードに適用した例である。
【図５】本発明のＺｎＯ系半導体素子をフォトダイオードに適用した例である。
【図６】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【図７】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【図８】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【図９】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【図１０】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【図１１】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【符号の説明】
【００６５】
１ ＺｎＯ基板
２ ｎ型ＭｇＸＺｎＯ層
３ ＭｇＹＺｎＯ層
５ ＭＱＷ活性層
６ ｐ型ＭｇＺＺｎＯ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドナー元素を含むドナー含有半導体層を備えた半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＺｎＯ系半導体は、照明やバックライト等用の光源として使用される紫外ＬＥＤ、高速電子デバイス、表面弾性波デバイス等への応用が期待されている。ＺｎＯ系半導体はその多機能性、発光ポテンシャルの大きさなどが注目されていながら、なかなか半導体デバイス材料として成長しなかった。その最大の難点は、アクセプタードーピングが困難で、Ｐ型ＺｎＯを得ることができなかったことにある。
【０００３】
しかし、近年、非特許文献１や非特許文献２に見られるように、技術の進歩により、Ｐ型ＺｎＯを得ることができるようになり、発光も確認されるようになってきた。ただし、これらの成果は、ＺｎＯの有用性を示した上で貴重であるが、ＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＣＡＭ）という複合酸化物絶縁基板を用いている。ＳＣＡＭ基板は研究所レベルでしか作製されていない特殊な基板であり、かつ絶縁性の基板を使っていること、雲母のように薄膜が積み重なったような構造をしているため、チップ化の際のダイシングが困難なこと、という難点があり、このままでは産業に適した形態ではない。
【０００４】
そこで、発明者らは、産業に適した形態でのＺｎＯ系半導体で構成されたＬＥＤ等のデバイスの形成を目指し、ＺｎＯ基板を使っての研究、開発を進めた。その成果の一部はすでに特開２００７−３２９３５３、特願２００７−０２７１８２号等に開示している。このように、ＺｎＯ系基板上のＺｎＯ系薄膜の成長という方法が産業的に行われる環境が整ってきた。
【非特許文献１】A.Tsukazaki et al.,JJAP 44(2005)L643
【非特許文献２】A.Tsukazaki et al Nature Material 4(2005)42
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、ｐｎ接合等デバイスの基本となる構造に用いられるｎ型ＺｎＯ薄膜を作製するために、ドナードープを行い、ドナードープ層上にアンドープＺｎＯ層等を積層したときに重要な問題点が見つかった。ドナードープ層よりも後に結晶成長させたアンドープＺｎＯ層等の上層にドナー元素が拡散しており、ドナー元素が表面偏析をする物質であることがわかった。表面偏析をする物質は、その母体材料に対するサーファクタントと呼ばれることがある。
【０００６】
図３は、ＺｎＯ基板上にアンドープＭｇＺｎＯ層、ガリウムドープＭｇＺｎＯ層、アンドープＭｇＺｎＯ層と順に積層した積層体をＳＩＭＳ分析（２次イオン質量分析）した。横軸は深さ（μｍ）、左側縦軸は対数目盛りであり、Ｇａ濃度（ｃｍ−３）を、右側縦軸は対数目盛りであり、２次イオンイオン強度（ｃｐｓ：Counts Per Second）を示す。図３の上側横軸に沿って記載されている矢印部分が、各層の領域を表わしており、各層におけるガリウム濃度（ｃｍ−３）がわかる。ここで、「ＭｇＺｎＯ：Ｇａ」は、Ｇａ（ガリウム）がドープされたＭｇＺｎＯを表わす。Ｚｎの２次イオン強度は、各層ではそれほど変化がなく、Ｚｎ成分はほぼ一定していることがわかる。
【０００７】
一方、Ｇａ濃度については、ガリウムドープＭｇＺｎＯ層の下側（深い方）に行くにしたがって、急激に減少しており、下層のアンドープＭｇＺｎＯ層でのＧａ濃度には変化はない。一方、ガリウムドープＭｇＺｎＯ層の上側（浅い方）に行くにしたがって、増加しており、上層のアンドープＭｇＺｎＯ層の界面付近で最大となり、その後アンドープＭｇＺｎＯ層の上側にかけて、Ｇａ濃度は直線状に減少している。
【０００８】
図３に示されるＤの曲線は、不純物をドープした半導体層の上下両側にアンドープ層を形成した場合における不純物の通常の拡散状態を示すものである。通常の拡散では、曲線Ｄのように、不純物をドープした半導体層内部では不純物濃度は一定を保ち、不純物をドープした半導体上側のアンドープ層にも、下側のアンドープ層にも同様に拡がり、両側の拡がり部分の曲線は、直線状になることはない。
【０００９】
したがって、ＺｎＯ系半導体における不純物Ｇａの振る舞いは、通常の拡散ではなく、表面偏析を促進するサーファクタントの一種である可能性が高い。サーファクタントについては、共立出版株式会社 中嶋一雄編「エピタキシャル成長のメカニズム」に詳しい。サーファクタントとして、Ｇｅ半導体中におけるガリウム、ＩｎＡｓ半導体中におけるＳｂ等が知られており、以上に述べたように、ドナードープによる特異な拡散形態という問題点は知られているが、特異な現象として物理的な興味として研究されているのみで、サーファクタントであるドナー元素の拡散を抑制する方法は今まで提案されていない。
【００１０】
また、表面偏析は、温度に依存して激しくなるから、成長温度を下げれば解決するが、成長温度を下げると、結晶性が悪くなったり、表面が荒れたりする問題が発生することがあるので、成長温度を変化させずに、ドナー元素の上層への拡散を防ぐ必要がある。
【００１１】
一方、図３の曲線Ｄに示されるように、ドナー元素がドープされたドナー半導体層が存在すると、このドナー元素が表面偏析物質でなくても、通常、ドナー半導体層に接する層にドナー元素が拡散していく作用があるので、特に、ドナー半導体層の上層に形成される活性層等に、ドナー元素が拡散するのを防止することが必要である。
【００１２】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、ドナー元素を含む半導体層を備えた半導体素子を形成する場合に、このドナー元素が上層に拡散することを抑制することができる半導体素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ドナー元素を含み同一組成で構成されたドナー含有半導体層を備え、前記ドナー含有半導体層の一部に、アクセプタ元素を含むアクセプタ含有半導体層が形成されていることを特徴とする半導体素子である。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、前記ドナー元素はIII族、前記アクセプタ元素はＶ族又はＩ族に属することを特徴とする請求項１記載の半導体素子である。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、ＺｎＯ系材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の半導体素子である。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、前記ドナー含有半導体層はＭｇＸＺｎ１−ＸＯで構成され、０≦Ｘ＜０．５であることを特徴とする請求項３記載の半導体素子である。
【００１７】
また、請求項５記載の発明は、前記ドナー含有半導体層は、ＺｎＯ基板上に形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子である。
【００１８】
また、請求項６記載の発明は、前記ドナー含有半導体層は電子供給層として機能し、前記ドナー含有半導体層より上側に発光層が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子である。
【００１９】
また、請求項７記載の発明は、前記ドナー含有半導体層は電子流入層として機能し、前記ドナー含有半導体層が受光領域の一部を構成していることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子である。
【００２０】
また、請求項８記載の発明は、キャリア濃度を電界により制御する制御電極によって制御されるチャネル領域は、前記ドナー含有半導体層と同一の組成で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ドナー元素を含む同一の結晶組成で構成されるドナー含有半導体層の一部に、アクセプタ元素を含んだアクセプタ含有半導体層が形成されているので、このアクセプタ含有半導体層によって、ドナー含有半導体層におけるドナー元素の拡散が抑制される。これは、特に表面偏析作用を有する物質の上層への拡散を防止する場合に効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の半導体素子構造におけるガリウム（Ｇａ）、窒素（Ｎ）を示す。半導体素子は、特にＺｎＯ系半導体により構成した。
【００２３】
ここで、ＺｎＯ系半導体、ＺｎＯ系薄膜等におけるＺｎＯ系とは、ＺｎＯをベースとした混晶材料であり、Ｚｎの一部をIIＡ族もしくはIIＢ族で置き換えたもの、Ｏの一部をVIＢ族で置き換えたもの、またはその両方の組み合わせを含むものである。
【００２４】
図１は、ＳＩＭＳ（Secondary Ionization Mass Spectrometer：２次イオン質量分析装置）による分析の結果を示すが、この分析に用いたサンプルは、図１の上側横軸に沿って記載したように、ＺｎＯ基板上にＧａドープＭｇＺｎＯ層、アンドープＭｇＺｎＯ層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層、アンドープ活性層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層と積層した積層体である。すなわち、下側からＺｎＯ基板／ＧａドープＭｇＺｎＯ層／アンドープＭｇＺｎＯ層／窒素ドープＭｇＺｎＯ層／活性層／窒素ドープＭｇＺｎＯ層の積層体となっている。
【００２５】
一方、図２は、図１と比較するために、図１の構成において、活性層とアンドープＭｇＺｎＯ層との間に形成された窒素ドープＭｇＺｎＯ層を取り除いて構成した場合を示す。下側からＺｎＯ基板／ＧａドープＭｇＺｎＯ層／アンドープＭｇＺｎＯ層／活性層／窒素ドープＭｇＺｎＯ層の積層構造となっており、このサンプルをＳＩＭＳ分析を行った。図１、２ともに、活性層は、アンドープＺｎＯとアンドープＭｇＺｎＯとを交互に数周期積層した多重量子井戸構造としており、ｐ型半導体とｎ型半導体でアンドープ活性層を挟んだ構造となっている。
【００２６】
図１、２ともに、左側縦軸は対数目盛で、Ｇａ又はＮ濃度（ｃｍ−３）を表わす。また、右側縦軸も対数目盛でＺｎの２次イオン強度（ｃｐｓ）を表わす。一方、横軸は、深さ（μｍ）を表わし、最上層の窒素ドープＭｇＺｎＯ層の表面からの距離となっている。
【００２７】
図１と図２とを比較すると、図２では、ＺｎＯ基板上に形成されたＧａドープＭｇＺｎＯ層から上層のアンドープＭｇＺｎＯ層、アンドープ活性層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層の一部の深さにまでＧａが拡散していることがわかる。この各層への拡散の度合いを示す特性曲線は図のＡに示されるように直線状となる。
【００２８】
他方、図１では、アンドープＭｇＺｎＯ層の次の窒素ドープＭｇＺｎＯ層で、拡散してきたＧａの濃度が表面側になるにつれて、急激に減少しており、この窒素ドープＭｇＺｎＯ層の上層であるアンドープ活性層、窒素ドープＭｇＺｎＯ層（ｐ型クラッド層に相当）にＧａは拡散していない。このように、サーファクタントであるドナー元素が含有された同一組成比率のドナー含有半導体層の一部にアクセプタ含有半導体層を形成しておくと、このアクセプタ含有半導体層により前記ドナー元素の拡散が防止される。
【００２９】
ここで、ドナー含有又はアクセプタ含有とは、ドナー元素やアクセプタ元素を意図的に添加しなくても、半導体層に含まれてしまう場合を含む意味である。したがって、ドナー含有半導体層には、不純物Ｇａを意図的に添加したＧａドープＭｇＺｎＯ層だけではなく、Ｇａの拡散により意図せずにＧａが含まれることになったアンドープＭｇＺｎＯ層等も上記ドナー含有半導体層に相当するものである。さらに、図２で言えば、アンドープ活性層もドナー含有半導体層に該当する。アクセプタ含有半導体層には、図１でアンドープ活性層とアンドープＭｇＺｎＯ層との間に形成された窒素ドープＭｇＺｎＯ層が相当する。
【００３０】
また、本発明で、同一の結晶組成比率のドナー含有半導体層の一部に、ドナー含有半導体層と同一の結晶組成比率でアクセプタ元素を含むアクセプタ含有半導体層を形成した構造としては、 図１に示したように、ドナー含有半導体層の最上部に設けても良いが、図４に示すように、ドナー含有半導体層の中間部に設けるようにしても良い。図４（ａ）では、ＺｎＯ基板１上に、ｎ型ＭｇＸＺｎＯ層２、ＭｇＹＺｎＯ層３、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＭｇＺＺｎＯ層６が積層されている。ここで、ＭｇＹＺｎＯ層３は、アンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａとアクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃとで構成されており、ＭｇＹＺｎＯ層３の中間部分に、アクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃが１層形成されている。
【００３１】
一方、図４（ｂ）では、アンドープＭｇＹＺｎＯ層３の中間部分にアクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃが複数層形成された構造を示す。図にも示されているように、アクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃは、アンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａが、別のアンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａと接触する部分がないように、挟み込まれている。このように、アクセプタ含有半導体層は、ドナー含有半導体層の中間部に１層又は複数層（３層以上でも良い）設けることができる。
【００３２】
図４は、発光ダイオードの構成例を示したもので、半導体層の具体例を示すと、ｎ型ＭｇＸＺｎＯ層２のドナー元素はＧａで、組成割合Ｘ＝０．１５、膜厚は１００ｎｍ〜３００ｎｍ、ＭｇＹＺｎＯ層３の組成割合Ｙ＝０．１５で、アクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃのアクセプタ元素は窒素、組成割合ＹはアンドープＭｇＹＺｎＯ層３と同様０．１５、膜厚４０ｎｍで構成される。図４（ａ）の場合、アクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層３ｃにより上下に分割されたアンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａの下側の膜厚は１０ｎｍ〜１００ｎｍ、上側の膜厚は１０ｎｍ程度に形成される。
【００３３】
一方、ＭＱＷ活性層５は、井戸層に膜厚２ｎｍのアンドープＺｎＯを、障壁層に膜厚５ｎｍのＭｇ０．１ＺｎＯを用い、これを交互に数周期積層した多重量子井戸構造に形成している。ｐ型ＭｇＺＺｎＯ層６は、窒素がドープされ、膜厚１００ｎｍ〜５００ｎｍで組成Ｚが０．１〜０．３となるように形成される。ここで、ｎ型ＭｇＸＺｎＯ層２、アンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａがドナー含有半導体層に該当する。また、ＭＱＷ活性層５にｐ型ＭｇＺＺｎＯ層６から正孔が、アンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａから電子が供給され、ＭＱＷ活性層５において再結合が行われ発光するため、ドナー含有半導体層であるアンドープＭｇＹＺｎＯ層３ａは電子供給層として機能する。
【００３４】
他方、上記の構成をフォトダイオードに適用した例が図５である。図５は、図４（ｂ）とほぼ構造がおなじであるが、ＭＱＷ活性層５がアンドープＭｇＷＺｎＯ層１５に変わっているだけであり、その他の層の組成や膜厚は、図４（ｂ）と同じである。すなわち、図５の１１〜１３、１３ａ、１３ｃ、１６を図４の１〜３、３ａ、３ｃ、６に置き換えれば良い。図５では、ＺｎＯ基板１１上にｎ型ＭｇＸＺｎＯ層１２、ＭｇＹＺｎＯ層１３、アンドープＭｇＷＺｎＯ層１５、ｐ型ＭｇＺＺｎＯ層１６が積層されている。また、ＭｇＹＺｎＯ層１３は、アンドープＭｇＹＺｎＯ層１３ａとアクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層１３ｃとで構成され、ＭｇＹＺｎＯ層３の中間部分に、アクセプタ含有ＭｇＹＺｎＯ層１３ｃが複数形成されている。
【００３５】
アンドープＭｇＷＺｎＯ層１５の組成Ｗは、０≦Ｗ＜１であり、アンドープＺｎＯ又はアンドープＭｇＺｎＯのいずれかの半導体層となる。アンドープＭｇＷＺｎＯ層１５の膜厚は１００ｎｍ〜１００００ｎｍの範囲で形成される。ここで、ｎ型ＭｇＸＺｎＯ層１２、アンドープＭｇＹＺｎＯ層１３ａがドナー含有半導体層に該当する。また、光が照射されると、アンドープＭｇＷＺｎＯ層１５からｐ型ＭｇＺＺｎＯ層１６に正孔が、アンドープＭｇＹＺｎＯ層１３ａに電子が流入するため、ドナー含有半導体層であるアンドープＭｇＹＺｎＯ層１３ａは電子流入層として機能する。
【００３６】
また、図４、５のｎ型ＭｇＸＺｎＯ層２、１２のＭｇ組成Ｘは、０≦Ｘ＜０．５とすることが望ましい。ドナー含有半導体層でもあるｎ型ＭｇＸＺｎＯ層２、１２は、均一なＭｇＺｎＯ混晶とすることが好ましいが、現在、均一なＭｇＺｎＯ混晶を作製できるＭｇ組成比率は５０％未満であるために、０≦Ｘ＜０．５としており、より確実に均一なＭｇＺｎＯ混晶を作製するには、Ｍｇ組成比率は３０％以下とすることが望ましい。
【００３７】
なお、ＺｎＯ系半導体層におけるＧａの表面偏析は、温度に依存して激しくなるから、基板温度を下げれば解決するが、既出願の特願２００７−２７１８２や特願２００７−２０６９９８に示したように、基板温度を下げると、表面が荒れたり、意図しない不純物汚染が発生したりといった別の問題が発生することもわかっており、単純に基板温度を下げることはデバイス作製に適しているとは言えない。
【００３８】
以下に、図１や図４に示す積層構造を有するＺｎＯ系半導体素子の製造方法を説明する。まず、ＺｎＯ基板をロードロック室に入れ、水分除去のために１×１０−５〜１×１０−６Ｔｏｒｒ程度の真空環境で２００℃、３０分程度加熱する。１×１０−９Ｔｏｒｒ程度の真空を持つ搬送チャンバーを経由して、液体窒素で冷やされた壁面を持つ成長室に基板を導入し、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）を用いてＺｎＯ系薄膜を成長させる。
【００３９】
Ｚｎは７Ｎの高純度ＺｎをｐＢＮ製の坩堝に入れたクヌーセンセルを用い、２６０〜２８０℃程度に加熱して昇華させることにより、Ｚｎ分子線として供給する。ワイドギャップ材料として必要なＭｇＺｎＯを作製するためのＭｇは、IIA族元素であるが、６Ｎの高純度Ｍｇを用い、同様の構造のセルから３００℃〜４００℃に加熱して昇華させ、Ｍｇ分子線として供給する。ドナー元素であるガリウムは７Ｎの高純度Ｇａを用い、同様の構造のセルから４００℃〜７００℃に加熱して昇華させ、Ｇａ分子線として供給する。
【００４０】
酸素は６ＮのＯ２ガスを用い、電解研磨内面を持つＳＵＳ管を通じて円筒の一部に小さいオリフィスを開けた放電管を備えたＲＦラジカルセルに０．１ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍ程度で供給、１００〜３００Ｗ程度のＲＦ高周波を印加してプラズマを発生させ、反応活性を上げたＯラジカルの状態にして酸素源として供給する。プラズマは重要で、Ｏ２生ガスを入れてもＺｎＯ系薄膜は形成されない。
【００４１】
基板は一般的な抵抗加熱であればＳｉＣコートしたカーボンヒータを使う。Ｗ（タングステン）などでできた金属系のヒータは酸化してしまい使えない。他にもランプ加熱、レーザー加熱などで温める方法もあるが、酸化に強ければどの方法でもかまわない。
【００４２】
７５０℃以上に加熱し、約３０分、１×１０−９Ｔｏｒｒ程度の真空中で加熱した後、ラジカルセルとＺｎセルのシャッターを開けてＺｎＯ薄膜成長を開始する。この時、どういった種類の膜を形成するかに関わらず、上述したように平坦膜を得るためには、特願２００７−２７１８２にも開示したように、基板温度の観点からは７５０℃以上が必要である。
【００４３】
ＭｇはＺｎセルと同じ構造のセルから供給され、セル温度によってＭｇ供給量を変え、Ｍｇ組成を調節する。Ｍｇ組成は、元々の亜鉛／酸素の供給比に依存するため、成長条件によって同じ組成を得るためのＭｇ供給量は違う。本実施例では、Ｍｇセルの温度２５０℃〜４００℃、Ｍｇ供給量１×１０−９Ｔｏｒｒ〜１×１０−７Ｔｏｒｒの範囲で組成が０％〜５０％の変調ができる。
【００４４】
アクセプタ元素に窒素を用いる場合は、酸素と同様のプラズマセルを用い、例えば、ＮＯガスを０．１〜１ｓｃｃｍで供給、ＲＦを１００〜５００Ｗで供給するが、チャンバーの大きさ、ラジカルセルの大きさで上記条件は変わる。ＮＯガスを使用する場合は、ＮＯガスだけ供給しても窒素ドープのＭｇＺｎＯを作製することが可能である。
【００４５】
以上のようにして、ＺｎＯ基板上に、アンドープＭｇＺｎＯ、ガリウムドープＭｇＺｎＯ、窒素ドープＭｇＺｎＯを作製することができるので、図１や図４の積層構造を形成することができる。
【００４６】
アンドープＭｇＺｎＯ、ガリウムドープＭｇＺｎＯ、窒素ドープＭｇＺｎＯを作製できるので、これらを用いてトランジスタを構成したのが図６〜図１１であり、特に図１１はトレンチ型トランジスタを示す。
【００４７】
図６は、有機物電極とＺｎＯ系基板とその上に形成されたＭｇＸＺｎＯ（０≦Ｘ＜１）、ＭｇＹＺｎＯ（０＜Ｙ＜１）の薄膜積層構造（Ｘ＜Ｙ）を１組備えたＨＥＭＴの基本的構造例を示す。２１はＭｇＺＺｎＯ（０≦Ｚ＜１）基板、２２はアンドープＭｇＸＺｎＯ（０≦Ｘ＜１）層、２３はＭｇＹＺｎＯ（０＜Ｙ＜１）層を示す。ここで、Ｘ＜Ｙと、上側のＭｇＺｎＯの方がＭｇ組成比率を高くしている。これは、２次元電子ガスの発生が行われるようにするためである。
【００４８】
２４は有機物電極であり、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳで構成され、ゲート電極として作用する。また、２６はソース電極、２７はドレイン電極であり、いずれもＩｎＺｎ／Ｔｉ／Ａｌの金属多層膜で形成され、２５は金属層であり、Ａｕで構成される。２８は層間絶縁膜であり、ＳｉＯ２で構成される。また、ＭｇＹＺｎＯ層２３は、その一部はＩｎ拡散が行われたドナードープ部２３ａと、Ｇａがドープされたドナードープ層２３ｄ、窒素がドープされたアクセプタドープ層２３ｃ、残りのアンドープ層２３ｅで構成されている。２３ａ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅは、いずれもＭｇＹＺｎＯで構成されているもので、不純物の添加による違いのみである。
【００４９】
２ＤＥＧは、２次元電子ガス領域（電子蓄積層）を示し、アンドープＭｇＸＺｎＯ層２２とドナードープ層２３ｄの界面と図の点線で挟まれた領域を示している。ここで、ソース電極２６と直下のドナードープ部２３ａとでソース電極部を、ドレイン電極２７と直下のドナードープ部２３ａとでドレイン電極部を、有機物電極２４と金属層２５とでゲート電極部を構成している。
【００５０】
ドナー含有半導体層であるドナードープ層２３ｄは、２ＤＥＧに電子を供給するために、ガリウムドープが行なわれているが、他方、上方に存在するゲート電極部の有機物電極２４に電子が供給されるとリークが発生する。しかし、前述したように、サーファクタントであるＧａは、上層に拡散するので、アンドープ層２３ｅにＧａが拡散してしまうと有機物電極２４に電子が供給されることになるので、これを阻止するためにアクセプタドープ層２３ｃをドナードープ層２３ｄの上層に設けてＧａの拡散を防止することにより、電子の供給をブロックしている。
【００５１】
ここで、ソース電極２６、ドレイン電極２７のいずれも、ＩｎＺｎ／Ｔｉ／Ａｌの他に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｐｄ／Ａｕの金属多層膜で構成することもできる。また、金属層２５についても、Ａｕの他に、Ａｌ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ等で形成することができる。層間絶縁膜２８についても、ＳｉＯ２の他に、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３等で構成することができる。ドナードープ部２３ａについては、Ｉｎ拡散の他に、Ｇａ拡散、III族元素のイオンインプランテーション等を用いることができる。以下、図７〜図１０まで、ＨＥＭＴの変形された構造の実施例を示すが、上記構成材料等の事項は、同様に適用される。
【００５２】
ところで、有機物電極２４直下のＭｇＹＺｎＯ層２３の厚みは、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／ＭｇＺｎＯのショットキー接触に起因する空乏層幅よりも厚くするとノーマリーオンとなり、薄くするとノーマリーオフにすることができる。なお、ノーマリーとは、ゲート電圧が０Ｖの状態においてと言う意味である。空乏層の幅は、直下のＭｇＹＺｎＯ層のドナー濃度ＮＤによっておよそ決まる。
【００５３】
また、図６〜図１０に記載されたＳはソース端子、Ｇはゲート端子、Ｄはドレイン端子を表わす。ソース端子Ｓはソース電極２６と、ドレイン端子Ｄはドレイン電極２７と、ゲート端子Ｇはゲート電極２５と接続されている。そして、ノーマリーオフの場合は、ゲート端子Ｇに正の電圧が印加されると、有機物電極２４の直下に反転分布領域が生まれ、反転分布領域内のチャネル領域を介してソース−ドレイン間が導通する。この反転分布領域が、２ＤＥＧで示される電子蓄積領域にまで達すると、電子蓄積領域がチャネル領域として作用することで、電子蓄積領域に存在する２次元電子ガスの効果により、高速のゲート制御動作が行える。
【００５４】
図７は、ゲート電極となる有機物電極２４直下のＭｇＹＺｎＯ層の膜厚を薄くしたリセスゲート構造を示す。この構造では有機物電極２４直下部分の２次元電子ガスのキャリア濃度を薄くし、一方、抵抗を小さくすることが必要なソース電極部直下及びドレイン電極部直下の２次元電子ガスのキャリア濃度を濃くすることができ、電極の目的に応じた設計ができる。
【００５５】
トランジスタでは、ソース−ゲート間抵抗が高いと、ゲート電圧を高く設定しないと所望のドレイン−ソース間電流が得られなくなる。したがって、ソース−ゲート間抵抗を低くすることがトランジスタでは重要である。そこで、図８のように、ソース電極部とゲート電極部の間の距離を縮めた構造として、ソース−ゲート間抵抗を低くするように構成することもできる。
【００５６】
図９は耐圧を上げる構造としたものである。耐圧を上げる構造として用いられるフィールドプレート構造を使用した。層間絶縁膜２８の一部にソース電極部と接続した電極２６ａを配置し、この電極２６ａとフィールドプレート４０とを接続し、フィールドプレート４０でゲート電極部の上部全体を覆うように層間絶縁膜２８上に形成し、ドレイン側の電場をシールドして、ゲート電極部、有機物電極２４の端部分の破壊を防ぐ。
【００５７】
図１０では、ソース電極２６直下のドナードープ部２３ｂの長さを長くして、導電性のＭｇＺＺｎＯ（０≦Ｚ＜１）基板２１に電気的に接続するように構成している。このように、フィールドプレート構造を表面と裏面の両側で形成し、更に耐圧を上げる構造をとることができる。なお、ＭｇＺＺｎＯ基板４１は、導電性の基板とするために、例えばアンドープもしくはＧａドープのＺｎＯ基板を用いる。
【００５８】
一方、図６〜図９に記載されているＭｇＺＺｎＯ基板２１は、絶縁性の基板であり、例えば、ＮｉやＣｒ等の遷移金属をドープをしたＺｎＯ基板で構成される。また、上記図６〜図１０までの実施例の構造を目的に応じて適宜組み合わせた構造としても良い。
【００５９】
次に、図１１は、トレンチ型トランジスタ構造を示す。３１はＭｇＺＺｎＯ（０≦Ｚ＜１）基板、３２はＭｇＸＺｎＯ（０≦Ｘ＜１）層を示す。ＭｇＸＺｎＯ層３２は、ｎ型層３２ａ、ｐ型層３２ｂ、アクセプタドープ層３２ｃから構成されている。ｎ型層３２ａは、ＭｇＸＺｎＯにＧａをドープした半導体層であり、ガリウムドープ濃度は一定でなくてもよいが、一定でない場合には、ＭｇＺＺｎＯ基板３１との接触面側の濃度が濃くなるように濃度変化が付けられている。
【００６０】
図に示されるように、ゲート電極３４は、ＭｇＸＺｎＯ層３２を所定の深さまで掘り込んだトレンチ部分に形成されている。このトレンチ部分の深さ方向を見ると、ｎ型層３２ａ、ｐ型層３２ｂ、ｎ型層３２ａと並んでおり、ＮＰＮ型のトランジスタとなっている。
【００６１】
ここで、前述したように、Ｇａは表面偏析するため、ＧａはＭｇＸＺｎＯ層３２の上部に移動するが、上層のＮＰＮ構造のチャネル領域へ余分なＧａが供給されないようにするために、アクセプタドープ層３２ｃが形成されている。アクセプタドープ層３２ｃのアクセプタ元素には、例えば窒素が用いられる。３４はゲート電極、３６はソース電極、３７はドレイン電極であり、３８は層間絶縁膜である。Ｓはソース端子、Ｇはゲート端子、Ｄはドレイン端子を表わす。
【００６２】
ＮＰＮ型では、ゲート電極３４に電圧が印加されると、ゲート電極３４と対向したｐ型層３２ｂ壁面に反転分布領域が生まれ、反転分布領域内のチャネル領域を介してソース−ドレイン間が導通する。
【００６３】
図１１（ａ）の方では、アクセプタドープ層３２ｃをトレンチ部分にかかるように上側に設けているため、ソース−ドレイン間に電流が流れるためには、ｐ型層３２ｂのチャネル領域とアクセプタドープ層３２ｃのチャネル領域を電子が通過する必要がある。一方、図１１（ｂ）の方では、アクセプタドープ層３２ｃをトレンチ部分にかからないように下側に設けているため、ｐ型層３２ｂのチャネル領域のみを電子が通過すれば電流が流れるので、オンしやすくなるが、チャネル領域に余分なＧａが供給されやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の半導体素子におけるドナー元素の拡散状態を示す図である。
【図２】従来の半導体素子におけるドナー元素の拡散状態を示す図である。
【図３】ガリウムの拡散特性を示す図である。
【図４】本発明のＺｎＯ系半導体素子を発光ダイオードに適用した例である。
【図５】本発明のＺｎＯ系半導体素子をフォトダイオードに適用した例である。
【図６】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【図７】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【図８】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【図９】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【図１０】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【図１１】本発明のＺｎＯ系半導体素子をトランジスタに適用した例である。
【符号の説明】
【００６５】
１ ＺｎＯ基板
２ ｎ型ＭｇＸＺｎＯ層
３ ＭｇＹＺｎＯ層
５ ＭＱＷ活性層
６ ｐ型ＭｇＺＺｎＯ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドナー元素を含み同一組成で構成されたドナー含有半導体層を備え、前記ドナー含有半導体層の一部に、アクセプタ元素を含むアクセプタ含有半導体層が形成されていることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記ドナー元素はIII族、前記アクセプタ元素はＶ族又はＩ族に属することを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
半導体層がＺｎＯ系材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記ドナー含有半導体層はＭｇＸＺｎ１−ＸＯで構成され、０≦Ｘ＜０．５であることを特徴とする請求項３記載の半導体素子。
【請求項５】
前記ドナー含有半導体層は、ＺｎＯ基板上に形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記ドナー含有半導体層は電子供給層として機能し、前記ドナー含有半導体層より上側に発光層が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記ドナー含有半導体層は電子流入層として機能し、前記ドナー含有半導体層が受光領域の一部を構成していることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項８】
キャリア濃度を電界により制御する制御電極によって制御されるチャネル領域は、前記ドナー含有半導体層と同一の組成で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１】
ドナー元素を含み同一組成で構成されたドナー含有半導体層を備え、前記ドナー含有半導体層の一部に、アクセプタ元素を含むアクセプタ含有半導体層が形成されていることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記ドナー元素はIII族、前記アクセプタ元素はＶ族又はＩ族に属することを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
半導体層がＺｎＯ系材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記ドナー含有半導体層はＭｇＸＺｎ１−ＸＯで構成され、０≦Ｘ＜０．５であることを特徴とする請求項３記載の半導体素子。
【請求項５】
前記ドナー含有半導体層は、ＺｎＯ基板上に形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記ドナー含有半導体層は電子供給層として機能し、前記ドナー含有半導体層より上側に発光層が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記ドナー含有半導体層は電子流入層として機能し、前記ドナー含有半導体層が受光領域の一部を構成していることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項８】
キャリア濃度を電界により制御する制御電極によって制御されるチャネル領域は、前記ドナー含有半導体層と同一の組成で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２６６９３８（Ｐ２００９−２６６９３８Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１２５２３（Ｐ２００８−１１２５２３）
【出願日】平成２０年４月２３日（２００８．４．２３）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２３日（２００８．４．２３）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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