酸化物半導体素子およびその製造方法
【課題】良好なｐｎ接合を容易に形成することが可能なＺｎＯ系の酸化物半導体素子を提供する。
【解決手段】この酸化物半導体素子では、ＺｎＯからなるｎ型の単結晶基板１の上面に、ＺｎＯからなるｐ型の多結晶薄膜２が形成されている。また、ｎ型の単結晶基板１の下面には、Ａｌからなる電極８が形成されており、ｐ型の多結晶薄膜２の上面には、Ａｕからなる電極９が形成されている。
【解決手段】この酸化物半導体素子では、ＺｎＯからなるｎ型の単結晶基板１の上面に、ＺｎＯからなるｐ型の多結晶薄膜２が形成されている。また、ｎ型の単結晶基板１の下面には、Ａｌからなる電極８が形成されており、ｐ型の多結晶薄膜２の上面には、Ａｕからなる電極９が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸化物半導体素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの亜鉛酸化物を含む酸化物半導体（ＺｎＯ系酸化物半導体）は、可視光に対して透明で、バンドギャップが３ｅＶより大きいなどの特徴を有し、透明センサ、短波長発光素子および薄膜トランジスタなどの半導体素子への応用が期待されている。しかしながら、ＺｎＯ系酸化物半導体は、一般にｎ型を示しやすく、ｐ型化するのが困難であった。
【０００３】
これに対して、近年、ＺｎＯ系酸化物半導体をｐ型化する方法およびｐｎ接合の形成方法が開示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００４】
下記特許文献１では、サファイア基板上にエピタキシャル成長させたＺｎＯからなる単結晶薄膜に対して、ＡｓやＮのイオン注入を行い、その後、アニール処理を行っている。これにより、下記特許文献１では、ＺｎＯからなる単結晶薄膜のｐ型化を行っている。
【０００５】
また、下記特許文献２では、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させたＺｎＯからなる単結晶薄膜をアニール処理することにより、ＺｎＯからなる単結晶薄膜中にＡｓを拡散させ、ＺｎＯからなる単結晶薄膜のｐ型化を行っている。
【０００６】
また、下記特許文献３では、ｎ型のＺｎＯからなる単結晶基板の表面にｐ型ドーパントとなる拡散源を蒸着した後、熱処理を行っている。これにより、下記特許文献３では、ｎ型の単結晶基板の表面にｐ型ドーパントを拡散させて、ｎ型のＺｎＯからなる単結晶基板の表面にｐ型領域を形成し、ｐｎ接合を形成している。
【特許文献１】特開２００２−１６０８８号公報
【特許文献２】特表２００３−５３３００６号公報
【特許文献３】特開２００１−１４４３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１では、イオン注入によってＺｎＯからなる単結晶薄膜中に結晶欠陥が生じやすい。また、上記特許文献２および３では、ＺｎＯからなる単結晶薄膜および単結晶基板中へのｐ型ドーパントの拡散量が少ない。さらに、これらの単結晶ＺｎＯに対して、結晶欠陥の回復、ドーパントの活性化および拡散量の増大などのために高温での熱処理を行うと、ｐｎ接合の勾配が緩慢になるという課題があった。その結果、良好なｐｎ接合を有するＺｎＯ系酸化物半導体素子を容易に製造できないという問題点があった。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、良好なｐｎ接合を容易に形成することが可能なＺｎＯ系酸化物半導体素子を提供することである。
【０００９】
この発明のもう１つの目的は、良好なｐｎ接合を容易に形成することが可能なＺｎＯ系酸化物半導体素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による酸化物半導体素子は、亜鉛酸化物を含むｎ型の単結晶基板と、単結晶基板上に形成された亜鉛酸化物を含むｐ型の非単結晶薄膜とを備える。なお、本発明における「亜鉛酸化物」とは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の他に、例えば、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ＜１）、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ＜１）など、２族（ＩＩａ）元素や１２族（ＩＩｂ）元素を含むＺｎＯ系酸化物半導体を意味する広い概念である。また、本発明において「非単結晶薄膜」とは、例えば、多結晶薄膜、微結晶薄膜および非晶質薄膜を含む広い概念である。
【００１１】
この第１の局面による酸化物半導体素子では、ＺｎとＯとの結合が弱いＺｎＯ系の非単結晶薄膜中ではｐ型ドーパントとなる不純物元素が拡散しやすい。これにより、容易に、ＺｎＯ系の非単結晶薄膜をｐ型化することができる。また、ＺｎとＯとの結合が強固なＺｎＯ系のｎ型の単結晶基板中では、ｐ型ドーパントは拡散しにくく、ＺｎＯ系の単結晶基板とＺｎＯ系の非単結晶薄膜との界面ではｐ型ドーパントの拡散が妨げられる。これにより、上記界面において、容易に、ｎ型領域とｐ型領域との接合距離が短く、急峻なｐｎ接合を形成することができる。これらの結果、良好なｐｎ接合を容易に形成することが可能なＺｎＯ系の酸化物半導体素子を得ることができる。
【００１２】
上記第１の局面による酸化物半導体素子において、好ましくは、単結晶基板と非単結晶薄膜との間に亜鉛酸化物を含む単結晶薄膜を有する。このように構成すれば、単結晶基板と非単結晶薄膜との間に挿入されるＺｎＯ系の単結晶薄膜の特性に応じてＺｎＯ系の酸化物半導体素子の電気特性を容易に制御することができる。
【００１３】
また、この発明の第２の局面による酸化物半導体素子の製造方法は、亜鉛酸化物を含むｎ型の単結晶基板上に亜鉛酸化物を含む非単結晶薄膜を形成する工程と、非単結晶薄膜にｐ型ドーパントを導入することにより非単結晶薄膜をｐ型化する工程とを備える。
【００１４】
この第２の局面による酸化物半導体素子の形成方法では、ＺｎとＯとの結合が弱いＺｎＯ系の非単結晶薄膜中ではｐ型ドーパントとなる不純物元素が拡散しやすい。これにより、容易に、ＺｎＯ系の非単結晶薄膜をｐ型化することができる。また、ＺｎとＯとの結合が強固なＺｎＯ系のｎ型の単結晶基板中では、ｐ型ドーパントは拡散しにくく、ＺｎＯ系の単結晶基板とＺｎＯ系の非単結晶薄膜との界面ではｐ型ドーパントの拡散が妨げられる。これにより、上記界面において、容易に、ｎ型領域とｐ型領域との接合距離が短く、急峻なｐｎ接合を形成することができる。これらの結果、良好なｐｎ接合を容易に形成することが可能なＺｎＯ系の酸化物半導体素子を製造することができる。
【００１５】
上記第２の局面による酸化物半導体素子の製造方法において、好ましくは、非単結晶薄膜をｐ型化する工程は、非単結晶薄膜上にｐ型ドーパントを含む拡散源を形成する工程と、拡散源が形成された非単結晶薄膜を熱処理する工程とを含む。また、上記第２の局面による酸化物半導体素子の製造方法において、好ましくは、非単結晶薄膜をｐ型化する工程は、非単結晶薄膜にｐ型ドーパントを含むプラズマを照射する工程を含む。このように構成すれば、簡易な装置および製造プロセスによりＺｎＯ系の非単結晶薄膜中にｐ型ドーパントを拡散させることができる。また、ＺｎＯ系の非単結晶薄膜の大面積化にも対応が可能であり、製造コストの低減も可能である。さらに、ＺｎＯ系の非単結晶薄膜にｐ型ドーパントを含むプラズマを照射することにより、ＺｎＯ系の非単結晶薄膜をｐ型化することができるので、ＺｎＯ系のｐ型の非単結晶薄膜の表面には、ドーピング後の残渣が残らず、また、拡散源をエッチングする工程も不要となる。これにより、歩留まりが改善し、製造コストの低減もできる。
【００１６】
上記第２の局面による酸化物半導体素子の製造方法において、好ましくは、非単結晶薄膜を形成する工程は、単結晶基板上に亜鉛酸化物を含む単結晶薄膜を形成する工程と、単結晶薄膜上に非単結晶薄膜を形成する工程とを含む。このように構成すれば、ｎ型の単結晶基板とｐ型の非単結晶薄膜との間にＺｎＯ系の単結晶薄膜を形成することができる。これにより、単結晶基板と非単結晶薄膜との間に挿入されるＺｎＯ系の単結晶薄膜の特性に応じてＺｎＯ系の酸化物半導体素子の電気特性を容易に制御することができる。
【００１７】
なお、本発明における「亜鉛酸化物を含むｎ型の単結晶基板」とは、例えば、サファイア基板上にエピタキシャル成長されたＺｎＯ系のｎ型の単結晶薄膜を有する基板も含む広い概念である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１による酸化物半導体素子の構造を説明するための断面図である。図１を参照して、以下に、本発明の実施例１による酸化物半導体素子の構造について説明する。
【００２０】
まず、本発明の実施例１による酸化物半導体素子では、図１に示すように、約５００μｍ〜約８００μｍの厚さを有し、酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなるｎ型の単結晶基板１の上面に、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの膜厚を有し、ＺｎＯからなるｐ型の多結晶薄膜２が形成されている。ｎ型の単結晶基板１には、Ａｌが約３×１０１９／ｃｍ３含まれており、ｐ型の多結晶薄膜２には、約１×１０２０／ｃｍ３〜約１×１０２１／ｃｍ３のＢｉが含まれている。ここで、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、本発明の「亜鉛酸化物」の一例であり、多結晶薄膜２は、本発明の「非単結晶薄膜」の一例である。また、Ｂｉは、本発明の「ｐ型ドーパント」の一例である。
【００２１】
また、ｎ型の単結晶基板１の下面には、約１００ｎｍの膜厚を有し、Ａｌからなる電極８が形成されている。また、ｐ型の多結晶薄膜２の上面には、約１００ｎｍの膜厚を有し、Ａｕからなる電極９が形成されている。このようにして、本発明の実施例１による酸化物半導体素子が構成されている。
【００２２】
図２〜図４は、本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスを説明するための断面図である。図２〜図４を参照して、以下に、本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスについて説明する。
【００２３】
まず、図２に示すように、Ａｌを含むＺｎＯからなるｎ型の単結晶基板１の上面に、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの膜厚を有し、ＺｎＯからなる多結晶薄膜２ｐをスパッタ法により形成した。ここで、多結晶薄膜２ｐは、本発明の「非単結晶薄膜」の一例である。スパッタ条件としては、約９９．９９％の純度のＺｎターゲットを使用するとともに、約９９．９９％の純度のＯ２と約９９．９９％の純度のＮ２とを約２：１の割合で混合したガスをスパッタガスとして使用した。また、スパッタ時の圧力は、約０．５Ｐａとし、ＺｎＯからなるｎ型の単結晶基板１は約３９０℃に加熱した。
【００２４】
次に、図３に示すように、多結晶薄膜２ｐの上面に、約３００ｎｍの膜厚を有し、Ｂｉからなる拡散源層３を均一に形成した。拡散源層３は、約９９．９９％の純度のＢｉを真空蒸着することにより形成した。なお、拡散源層３は、本発明の「拡散源」の一例である。
【００２５】
さらに、図４に示すように、多結晶薄膜２ｐおよび拡散源層３が形成された単結晶基板１を外部ヒータ５などを用いて熱処理した。熱処理は、ｎ型の単結晶基板１をＡｒ雰囲気中でＢｉの融点（約２７１℃）以上の約５００℃、約１時間加熱することにより行った。これにより、拡散源層３からＢｉを多結晶薄膜２ｐ中に拡散させることにより、ｐ型の多結晶薄膜２を形成した。
【００２６】
さらに、上記した熱処理の後、約１５ｗｔ％の硝酸水溶液などを用いるウエットエッチングなどにより拡散源層３を除去した後、図１に示すように、単結晶基板１の下面と多結晶薄膜２の上面とに、それぞれ約１００ｎｍの膜厚を有する電極８および９を形成した。電極８は、約９９．９９％の純度のＡｌを真空蒸着することにより、また、電極９は、約９９．９９％の純度のＡｕを真空蒸着することにより、それぞれ、形成することができる。このようにして、本発明の実施例１による酸化物半導体素子が形成される。
【００２７】
図５は、本発明の実施例１による酸化物半導体素子のｐ型の多結晶薄膜２中のＢｉの濃度分布を示すグラフである。なお、測定は、拡散源層３を除去した後、その表面に電極９が形成されていない領域のｐ型の多結晶薄膜２に対してＳＩＭＳを用いて行った。縦軸はＢｉの濃度を、横軸はｐ型の多結晶薄膜２の表面からｎ型の単結晶基板１方向への深さをそれぞれ示している。図５に示すように、このサンプルでは、Ｂｉの濃度分布より、ｐ型の多結晶薄膜２の表面から約０．２６μｍの深さに多結晶薄膜２と単結晶基板１との界面が存在している。また、ｐ型の多結晶薄膜２中には、約１×１０２０／ｃｍ３〜約１×１０２１／ｃｍ３の濃度のＢｉが分布しているとともに、ｎ型の単結晶基板１中には、ほとんどＢｉが拡散していない。
【００２８】
図６は、本発明の実施例１による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。また、図６には、比較例１として、多結晶薄膜２ｐのｐ型化処理を行なわずに形成した以外は、実施例１と同様の構成の半導体素子の特性を合わせて示す。即ち、この比較例１では、多結晶薄膜２ｐを形成した後、拡散源層の形成や熱処理工程を行っていない。
【００２９】
図６より、比較例１では、約１０Ｖの電圧におけるｐ型の多結晶薄膜２からｎ型の単結晶基板１に向かって電流を流す順方向電流と、その逆方向に電流を流す逆方向電流との比（整流比）は１桁以下であるのに対して、実施例１では、約３桁の整流比が得られていることがわかる。
【００３０】
これらの結果より、これより、本発明の実施例１では、ＺｎＯ系酸化物半導体のｐ型化を容易に行うことができるとともに、ｎ型領域とｐ型領域との接合距離が短く、急峻なｐｎ接合が形成されていることがわかった。
【００３１】
次に、ＺｎＯ薄膜をｐ型化する際の熱処理温度の影響について評価を行った。図７は、熱処理温度の影響を評価するために用いたサンプルの構造を説明するための断面図である。図７に示すように、サンプルには、ガラス基板１１上に約２００ｎｍの膜厚を有するＺｎＯからなる多結晶薄膜１２が形成されており、多結晶薄膜１２上には、一対のＡｕからなる電極１８および１９が形成されている。多結晶薄膜１２は、熱処理温度を約３００℃〜約６００℃とする以外は、実施例１の多結晶薄膜２の形成プロセスと同様のプロセスにより、形成および熱処理を行った。この熱処理の後、実施例１と同様に、ウエットエッチングにより拡散源層３は除去され、多結晶薄膜１２の上面には、Ａｕからなる電極１８および１９を形成した。
【００３２】
そして、これらのサンプルに対して、ホール効果を測定することにより、多結晶薄膜１２中のキャリア密度、ホール移動度および電気特性の評価を行った。なお、比較のために、拡散源層３の形成を行わず、さらに上記熱処理も行なっていないＺｎＯからなる多結晶薄膜についても同様に評価を行った。結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
表１に示すように、熱処理を行っていないサンプルＮｏ．５および熱処理温度が約３００℃のサンプルＮｏ．４では、ホール移動度の測定ができなかったことから、これらのサンプルの多結晶薄膜１２中には、Ｂｉは実質的に拡散していないと考えられる。これに対して、約４００℃〜約６００℃の温度で熱処理されたサンプルＮｏ．１〜３では、それぞれ、ホール移動度が測定され、ｐ型の電気特性を有していることがわかった。
【００３５】
本発明の実施例１では、亜鉛酸化物を含むｐ型の非単結晶薄膜として、多結晶の薄膜２ｐおよび２を用いたので、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法やパルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法などのエピタキシャル膜成長を行うための成膜装置を用いて膜形成を行う必要はない。さらに、熱処理を行うだけで上記ｐ型ドーパントを非単結晶の薄膜中に拡散させることができるので、簡易な装置および製造プロセスによりｐ型の非単結晶の薄膜を得ることができる。その結果、ｎ型の単結晶基板１の大面積化にも対応が可能であり、製造コストの低減も可能である。
【００３６】
なお、ＺｎＯ系の酸化物半導体のｐ型ドーパントとしては、Ｃｕ、Ａｇなどの１１族（Ｉｂ）元素や、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ、ＳｂおよびＢｉなどの１５族（Ｖｂ）元素を用いることができ、特に、Ｂｉが好ましい。また、ＺｎＯ系の酸化物半導体中に、１５族（Ｖｂ）元素と１３族（ＩＩＩｂ）元素とを同時に、または、１５族（Ｖｂ）元素とＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋなどの１族（Ｉａ）元素とを同時に添加してもｐ型化することができる。
【００３７】
また、ＺｎＯ系の酸化物半導体では、ｎ型ドーパントとして、Ａｌ、Ｇａなどの１３族（ＩＩＩｂ）元素、および、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅなどの１７族（ＶＩＩｂ）元素を用いることができる。
【００３８】
（実施例２）
この実施例２では、ｐ型ドーパントの多結晶薄膜２への拡散を、上記実施例１における熱処理を行う代わりに、プラズマドーピングにより行う方法について説明する。
【００３９】
図８は、本発明の実施例２による酸化物半導体素子の製造プロセスの一工程を説明するための断面図である。図１、図２および図８を参照して、以下に、本発明の実施例２による酸化物半導体素子の製造プロセスについて説明する。なお、実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスと同様の構成については、同じ番号を付し、説明を省略する。
【００４０】
まず、本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスと同様に、図２に示すように、ｎ型の単結晶基板１の上面に、ＺｎＯからなる多結晶薄膜２ｐを形成した。
【００４１】
次に、図８に示すように、多結晶薄膜２ｐが形成されたｎ型の単結晶ＺｎＯ基板１に対して、ビスムチン（ＢｉＨ３）、ＮＯｘおよびアルシン（ＡｓＨ３）などのｐ型ドーパントを含むガスとＡｒなどの不活性ガスとの混合ガスのプラズマ１５を照射した。このプラズマは、ＲＦ電力１６などにより発生することができる。このとき、直流電源１７によりアースに対して約２００Ｖの電圧を印加した金属製の網１８をｎ型の単結晶基板１の周囲に配置した。これにより、多結晶薄膜２ｐへのイオンダメージを低減することができる。
【００４２】
最後に、上記プラズマ１５の照射によるドーピング処理の後、図１に示すように、ｎ型の単結晶基板１の下面とｐ型の多結晶薄膜２の上面に、それぞれ、電極８および９を形成する。このようにして、本発明の実施例２による酸化物半導体素子を形成した。
【００４３】
図９は、本発明の実施例２による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。図９より、実施例２による酸化物半導体素子においても、比較例１よりも大きな２桁の整流比が得られていることがわかる。なお、実施例１と比較して、整流比が小さくなっており、多結晶薄膜２ｐへのイオンダメージの影響と考えられる。
【００４４】
これらの結果より、これより、本発明の実施例２のプラズマドーピングによっても、ＺｎＯ系酸化物半導体のｐ型化を容易に行うことができるとともに、ｎ型領域とｐ型領域との接合距離が短く、急峻なｐｎ接合が形成されていることがわかった。
【００４５】
（実施例３）
この実施例３では、上記実施例１および２と異なり、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の多結晶薄膜２との間に、ｐ型のＺｎＯからなる単結晶薄膜を有する酸化物半導体素子について説明する。
【００４６】
図１０は本発明の実施例３による酸化物半導体素子の構造を説明するための断面図である。図１０を参照して、以下に、本発明の実施例３による酸化物半導体素子の構造について説明する。なお、実施例１による酸化物半導体素子と同様の構成については同じ番号を付し、説明を省略する。
【００４７】
本発明の実施例３による酸化物半導体素子では、図１０に示すように、ｎ型のＺｎＯからなる単結晶基板１とｐ型のＺｎＯからなる多結晶薄膜２との間に、約５０ｎｍ〜約７０ｎｍの膜厚を有し、ＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されている以外は、実施例１と同様の構造を有している。単結晶薄膜４には、約１×１０１７／ｃｍ３〜約１×１０１８／ｃｍ３のＢｉが含まれている。
【００４８】
また、単結晶薄膜４は、ＭＢＥ法を用いて形成した。また、Ｚｎの蒸発と同時に供給するＯ２は、プラズマ化装置により原子状に分解して供給するとともに、イオン除去装置により、単結晶基板１へのイオンダメージを低減するようにした。
【００４９】
図１１は、本発明の実施例３による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。また、図１１には、比較例２として、多結晶薄膜２ｐのｐ型化処理を行なわずに形成した以外は、実施例３と同様の構成の半導体素子の特性を合わせて示す。即ち、この比較例２では、多結晶薄膜２ｐを形成した後、拡散源層の形成や熱処理工程を行っていない。
【００５０】
図１１より、実施例３による酸化物半導体素子において、比較例２の素子では整流比が１桁以下であるのに対して、約４桁の整流比が得られていることがわかる。
【００５１】
このように、本発明の実施例３では、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の多単結晶薄膜２との間にｐ型のＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されているので、接合界面の欠陥準位を低減することができる。その結果、整流比を向上させることができ、また、本酸化物半導体素子を発光素子として用いる場合には、発光効率を向上させることができる。
【００５２】
（実施例４）
この実施例４では、上記実施例３と異なり、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の多結晶薄膜２との間にＭｇを含有するＺｎＯ系の単結晶薄膜を有する酸化物半導体素子について説明する。
【００５３】
図１２は本発明の実施例４による酸化物半導体素子の構造を説明するための断面図である。図１２を参照して、以下に、本発明の実施例４による酸化物半導体素子の構造について説明する。なお、実施例１による酸化物半導体素子と同様の構成については同じ番号を付し、説明を省略する。
【００５４】
本発明の実施例４による酸化物半導体素子では、図１２に示すように、ｎ型のＺｎＯからなる単結晶基板１とｐ型のＺｎＯからなる多結晶薄膜２との間に、約５０ｎｍ〜約７０ｎｍの膜厚を有し、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ｘ＝約０．１５）からなるｉ型のＺｎＯ系の単結晶薄膜１４が形成されている以外は、実施例１と同様の構造を有している。なお、ＺｎＯ系の単結晶薄膜１４中には、ｐ型を示す不純物は存在していなかった。
【００５５】
また、単結晶薄膜１４は、ＭＢＥ法を用いて形成した。ＭｇとＺｎとの単結晶基板１への到達量は、各元素の蒸発源に付属のシャッターにより制御した。また、Ｚｎの蒸発と同時に供給するＯ２は、プラズマ化装置により原子状に分解して供給するとともに、イオン除去装置により、単結晶基板１へのイオンダメージを低減するようにした。
【００５６】
図１３は、本発明の実施例４による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。また、図１３には、比較例３として、多結晶薄膜２ｐのｐ型化処理を行なわずに形成した以外は、実施例４と同様の構成の半導体素子の特性を合わせて示す。即ち、この比較例３では、多結晶薄膜２ｐを形成した後、拡散源層の形成や熱処理工程を行っていない。
【００５７】
図１３より、実施例４による酸化物半導体素子において、比較例３の素子では整流比が約２桁であるのに対して、約５桁の整流比が得られていることがわかる。
【００５８】
このように、本発明の実施例４では、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の非単結晶薄膜２との間に、ＺｎＯ薄膜よりもバンドギャップが大きいＭｇを含有するＺｎＯ系の単結晶薄膜１４が形成されている。これにより、接合界面でのキャリアの結合を効率的に行うことができるので、整流比を向上させることができる。また、本酸化物半導体素子を発光素子として用いる場合には、発光効率を向上させることができ、ＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されている実施例３と比較すると、半導体素子の耐温度特性が向上するので、より高温でも安定して動作することができる。さらに、発光素子として動作する場合には、より短波長の発光を実現することができる。
【００５９】
本発明の実施例４では、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の非単結晶薄膜２との間に、ｉ型のＺｎＯ系の単結晶薄膜１４が形成されているので、ｎ型の単結晶基板とｐ型の非単結晶薄膜との間の拡散電位の勾配が小さくなる。これにより、半導体素子の動作電圧を大きくすることができる。また、この酸化物半導体素子を発光素子として動作させる場合、ｉ型単結晶薄膜のバンドギャップ内には不要な準位が少ないので、発光する光の純度を向上させることができる。
【００６０】
なお、今回開示された実施例は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６１】
たとえば、上記実施例では、亜鉛酸化物を含むｐ型の非単結晶薄膜として、ＺｎＯからなる多結晶薄膜２を用いていたが、本発明はこれに限らず、他の微結晶または非晶質のＺｎＯ系薄膜を用いることができる。
【００６２】
また、上記実施例では、ｐ型ドーパントとして、Ｂｉを用いていたが、本発明はこれに限らず、上記した他の元素を用いることができる。
【００６３】
また、上記実施例では、いずれも、多結晶薄膜２は、スパッタ法により形成されていたが、本発明はこれに限らず、他のＭＢＥ法、ＰＬＤ法およびＣＶＤ法により形成することができる。
【００６４】
また、上記実施例では、拡散源層３は、Ｂｉの真空蒸着により形成されていたが、本発明はこれに限らず、他のスパッタ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法およびＣＶＤ法により形成することができる。また、例えば、Ｏ２やＮ２の雰囲気中でＢｉターゲットをスパッタすることにより、Ｂｉ酸化物あるいはＢｉ窒化物からなる拡散源層３を形成することができる。なお、拡散源層３がＢｉ酸化物を含む場合には、熱処理の温度は、その融点（約８２４℃）以上で行うことが好ましい。
【００６５】
また、上記実施例では、ウエットエッチングにより拡散源層３を除去していたが、本発明はこれに限らず、リアクティブエッチングなどのドライエッチングを用いることができる。また、例えば、拡散源層３がＢｉ酸化物から構成されている場合には、ウエットエッチングのエッチャントとして、硝酸水溶液以外に、フッ酸水溶液などを用いることができる。
【００６６】
また、上記実施例３では、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の多単結晶薄膜２との間にｐ型のＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されていたが、本発明はこれに限らず、ｎ型またはｉ型のＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されていてもよい。
【００６７】
また、上記実施例４では、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の多単結晶薄膜２との間にｉ型のＺｎＯ系の単結晶薄膜１４が形成されていたが、本発明はこれに限らず、ｐ型またはｎ型のＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されていてもよい。
【００６８】
また、上記実施例４では、ＺｎＯ系の単結晶薄膜１４はＭｇを含有するＺｎＯ系の単結晶薄膜であったが、本発明はこれに限らず、他の２族（ＩＩａ）元素やＣｄなどの１２族（ＩＩｂ）元素を含むＺｎＯ系の単結晶薄でもよい。この場合、ＺｎＯ薄膜と比較して、バンドギャップが狭いＣｄ含有ＺｎＯなどでは、半導体素子の動作電圧が小さくなり、低消費電力型の素子とすることができる。また、発光素子として用いる場合には、より長波長の発光を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施例１による酸化物半導体素子の構造を説明するための断面図である。
【図２】本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスの第１工程を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスの第２工程を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスの第３工程を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施例１による酸化物半導体素子のｐ型の多結晶薄膜２中のＢｉの濃度分布を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例１による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。
【図７】熱処理温度の影響を評価するために用いたサンプルの構造を説明するための断面図である。
【図８】本発明の実施例２による酸化物半導体素子の製造プロセスの一工程を説明するための断面図である。
【図９】本発明の実施例２による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。
【図１０】本発明の実施例３による酸化物半導体素子の製造プロセスの一工程を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の実施例３による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。
【図１２】本発明の実施例４による酸化物半導体素子の製造プロセスの一工程を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の実施例４による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 単結晶基板
２ 多結晶薄膜
８、９ 電極
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸化物半導体素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの亜鉛酸化物を含む酸化物半導体（ＺｎＯ系酸化物半導体）は、可視光に対して透明で、バンドギャップが３ｅＶより大きいなどの特徴を有し、透明センサ、短波長発光素子および薄膜トランジスタなどの半導体素子への応用が期待されている。しかしながら、ＺｎＯ系酸化物半導体は、一般にｎ型を示しやすく、ｐ型化するのが困難であった。
【０００３】
これに対して、近年、ＺｎＯ系酸化物半導体をｐ型化する方法およびｐｎ接合の形成方法が開示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００４】
下記特許文献１では、サファイア基板上にエピタキシャル成長させたＺｎＯからなる単結晶薄膜に対して、ＡｓやＮのイオン注入を行い、その後、アニール処理を行っている。これにより、下記特許文献１では、ＺｎＯからなる単結晶薄膜のｐ型化を行っている。
【０００５】
また、下記特許文献２では、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させたＺｎＯからなる単結晶薄膜をアニール処理することにより、ＺｎＯからなる単結晶薄膜中にＡｓを拡散させ、ＺｎＯからなる単結晶薄膜のｐ型化を行っている。
【０００６】
また、下記特許文献３では、ｎ型のＺｎＯからなる単結晶基板の表面にｐ型ドーパントとなる拡散源を蒸着した後、熱処理を行っている。これにより、下記特許文献３では、ｎ型の単結晶基板の表面にｐ型ドーパントを拡散させて、ｎ型のＺｎＯからなる単結晶基板の表面にｐ型領域を形成し、ｐｎ接合を形成している。
【特許文献１】特開２００２−１６０８８号公報
【特許文献２】特表２００３−５３３００６号公報
【特許文献３】特開２００１−１４４３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１では、イオン注入によってＺｎＯからなる単結晶薄膜中に結晶欠陥が生じやすい。また、上記特許文献２および３では、ＺｎＯからなる単結晶薄膜および単結晶基板中へのｐ型ドーパントの拡散量が少ない。さらに、これらの単結晶ＺｎＯに対して、結晶欠陥の回復、ドーパントの活性化および拡散量の増大などのために高温での熱処理を行うと、ｐｎ接合の勾配が緩慢になるという課題があった。その結果、良好なｐｎ接合を有するＺｎＯ系酸化物半導体素子を容易に製造できないという問題点があった。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、良好なｐｎ接合を容易に形成することが可能なＺｎＯ系酸化物半導体素子を提供することである。
【０００９】
この発明のもう１つの目的は、良好なｐｎ接合を容易に形成することが可能なＺｎＯ系酸化物半導体素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による酸化物半導体素子は、亜鉛酸化物を含むｎ型の単結晶基板と、単結晶基板上に形成された亜鉛酸化物を含むｐ型の非単結晶薄膜とを備える。なお、本発明における「亜鉛酸化物」とは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の他に、例えば、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ＜１）、ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ（０＜ｘ＜１）など、２族（ＩＩａ）元素や１２族（ＩＩｂ）元素を含むＺｎＯ系酸化物半導体を意味する広い概念である。また、本発明において「非単結晶薄膜」とは、例えば、多結晶薄膜、微結晶薄膜および非晶質薄膜を含む広い概念である。
【００１１】
この第１の局面による酸化物半導体素子では、ＺｎとＯとの結合が弱いＺｎＯ系の非単結晶薄膜中ではｐ型ドーパントとなる不純物元素が拡散しやすい。これにより、容易に、ＺｎＯ系の非単結晶薄膜をｐ型化することができる。また、ＺｎとＯとの結合が強固なＺｎＯ系のｎ型の単結晶基板中では、ｐ型ドーパントは拡散しにくく、ＺｎＯ系の単結晶基板とＺｎＯ系の非単結晶薄膜との界面ではｐ型ドーパントの拡散が妨げられる。これにより、上記界面において、容易に、ｎ型領域とｐ型領域との接合距離が短く、急峻なｐｎ接合を形成することができる。これらの結果、良好なｐｎ接合を容易に形成することが可能なＺｎＯ系の酸化物半導体素子を得ることができる。
【００１２】
上記第１の局面による酸化物半導体素子において、好ましくは、単結晶基板と非単結晶薄膜との間に亜鉛酸化物を含む単結晶薄膜を有する。このように構成すれば、単結晶基板と非単結晶薄膜との間に挿入されるＺｎＯ系の単結晶薄膜の特性に応じてＺｎＯ系の酸化物半導体素子の電気特性を容易に制御することができる。
【００１３】
また、この発明の第２の局面による酸化物半導体素子の製造方法は、亜鉛酸化物を含むｎ型の単結晶基板上に亜鉛酸化物を含む非単結晶薄膜を形成する工程と、非単結晶薄膜にｐ型ドーパントを導入することにより非単結晶薄膜をｐ型化する工程とを備える。
【００１４】
この第２の局面による酸化物半導体素子の形成方法では、ＺｎとＯとの結合が弱いＺｎＯ系の非単結晶薄膜中ではｐ型ドーパントとなる不純物元素が拡散しやすい。これにより、容易に、ＺｎＯ系の非単結晶薄膜をｐ型化することができる。また、ＺｎとＯとの結合が強固なＺｎＯ系のｎ型の単結晶基板中では、ｐ型ドーパントは拡散しにくく、ＺｎＯ系の単結晶基板とＺｎＯ系の非単結晶薄膜との界面ではｐ型ドーパントの拡散が妨げられる。これにより、上記界面において、容易に、ｎ型領域とｐ型領域との接合距離が短く、急峻なｐｎ接合を形成することができる。これらの結果、良好なｐｎ接合を容易に形成することが可能なＺｎＯ系の酸化物半導体素子を製造することができる。
【００１５】
上記第２の局面による酸化物半導体素子の製造方法において、好ましくは、非単結晶薄膜をｐ型化する工程は、非単結晶薄膜上にｐ型ドーパントを含む拡散源を形成する工程と、拡散源が形成された非単結晶薄膜を熱処理する工程とを含む。また、上記第２の局面による酸化物半導体素子の製造方法において、好ましくは、非単結晶薄膜をｐ型化する工程は、非単結晶薄膜にｐ型ドーパントを含むプラズマを照射する工程を含む。このように構成すれば、簡易な装置および製造プロセスによりＺｎＯ系の非単結晶薄膜中にｐ型ドーパントを拡散させることができる。また、ＺｎＯ系の非単結晶薄膜の大面積化にも対応が可能であり、製造コストの低減も可能である。さらに、ＺｎＯ系の非単結晶薄膜にｐ型ドーパントを含むプラズマを照射することにより、ＺｎＯ系の非単結晶薄膜をｐ型化することができるので、ＺｎＯ系のｐ型の非単結晶薄膜の表面には、ドーピング後の残渣が残らず、また、拡散源をエッチングする工程も不要となる。これにより、歩留まりが改善し、製造コストの低減もできる。
【００１６】
上記第２の局面による酸化物半導体素子の製造方法において、好ましくは、非単結晶薄膜を形成する工程は、単結晶基板上に亜鉛酸化物を含む単結晶薄膜を形成する工程と、単結晶薄膜上に非単結晶薄膜を形成する工程とを含む。このように構成すれば、ｎ型の単結晶基板とｐ型の非単結晶薄膜との間にＺｎＯ系の単結晶薄膜を形成することができる。これにより、単結晶基板と非単結晶薄膜との間に挿入されるＺｎＯ系の単結晶薄膜の特性に応じてＺｎＯ系の酸化物半導体素子の電気特性を容易に制御することができる。
【００１７】
なお、本発明における「亜鉛酸化物を含むｎ型の単結晶基板」とは、例えば、サファイア基板上にエピタキシャル成長されたＺｎＯ系のｎ型の単結晶薄膜を有する基板も含む広い概念である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１による酸化物半導体素子の構造を説明するための断面図である。図１を参照して、以下に、本発明の実施例１による酸化物半導体素子の構造について説明する。
【００２０】
まず、本発明の実施例１による酸化物半導体素子では、図１に示すように、約５００μｍ〜約８００μｍの厚さを有し、酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなるｎ型の単結晶基板１の上面に、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの膜厚を有し、ＺｎＯからなるｐ型の多結晶薄膜２が形成されている。ｎ型の単結晶基板１には、Ａｌが約３×１０１９／ｃｍ３含まれており、ｐ型の多結晶薄膜２には、約１×１０２０／ｃｍ３〜約１×１０２１／ｃｍ３のＢｉが含まれている。ここで、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、本発明の「亜鉛酸化物」の一例であり、多結晶薄膜２は、本発明の「非単結晶薄膜」の一例である。また、Ｂｉは、本発明の「ｐ型ドーパント」の一例である。
【００２１】
また、ｎ型の単結晶基板１の下面には、約１００ｎｍの膜厚を有し、Ａｌからなる電極８が形成されている。また、ｐ型の多結晶薄膜２の上面には、約１００ｎｍの膜厚を有し、Ａｕからなる電極９が形成されている。このようにして、本発明の実施例１による酸化物半導体素子が構成されている。
【００２２】
図２〜図４は、本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスを説明するための断面図である。図２〜図４を参照して、以下に、本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスについて説明する。
【００２３】
まず、図２に示すように、Ａｌを含むＺｎＯからなるｎ型の単結晶基板１の上面に、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの膜厚を有し、ＺｎＯからなる多結晶薄膜２ｐをスパッタ法により形成した。ここで、多結晶薄膜２ｐは、本発明の「非単結晶薄膜」の一例である。スパッタ条件としては、約９９．９９％の純度のＺｎターゲットを使用するとともに、約９９．９９％の純度のＯ２と約９９．９９％の純度のＮ２とを約２：１の割合で混合したガスをスパッタガスとして使用した。また、スパッタ時の圧力は、約０．５Ｐａとし、ＺｎＯからなるｎ型の単結晶基板１は約３９０℃に加熱した。
【００２４】
次に、図３に示すように、多結晶薄膜２ｐの上面に、約３００ｎｍの膜厚を有し、Ｂｉからなる拡散源層３を均一に形成した。拡散源層３は、約９９．９９％の純度のＢｉを真空蒸着することにより形成した。なお、拡散源層３は、本発明の「拡散源」の一例である。
【００２５】
さらに、図４に示すように、多結晶薄膜２ｐおよび拡散源層３が形成された単結晶基板１を外部ヒータ５などを用いて熱処理した。熱処理は、ｎ型の単結晶基板１をＡｒ雰囲気中でＢｉの融点（約２７１℃）以上の約５００℃、約１時間加熱することにより行った。これにより、拡散源層３からＢｉを多結晶薄膜２ｐ中に拡散させることにより、ｐ型の多結晶薄膜２を形成した。
【００２６】
さらに、上記した熱処理の後、約１５ｗｔ％の硝酸水溶液などを用いるウエットエッチングなどにより拡散源層３を除去した後、図１に示すように、単結晶基板１の下面と多結晶薄膜２の上面とに、それぞれ約１００ｎｍの膜厚を有する電極８および９を形成した。電極８は、約９９．９９％の純度のＡｌを真空蒸着することにより、また、電極９は、約９９．９９％の純度のＡｕを真空蒸着することにより、それぞれ、形成することができる。このようにして、本発明の実施例１による酸化物半導体素子が形成される。
【００２７】
図５は、本発明の実施例１による酸化物半導体素子のｐ型の多結晶薄膜２中のＢｉの濃度分布を示すグラフである。なお、測定は、拡散源層３を除去した後、その表面に電極９が形成されていない領域のｐ型の多結晶薄膜２に対してＳＩＭＳを用いて行った。縦軸はＢｉの濃度を、横軸はｐ型の多結晶薄膜２の表面からｎ型の単結晶基板１方向への深さをそれぞれ示している。図５に示すように、このサンプルでは、Ｂｉの濃度分布より、ｐ型の多結晶薄膜２の表面から約０．２６μｍの深さに多結晶薄膜２と単結晶基板１との界面が存在している。また、ｐ型の多結晶薄膜２中には、約１×１０２０／ｃｍ３〜約１×１０２１／ｃｍ３の濃度のＢｉが分布しているとともに、ｎ型の単結晶基板１中には、ほとんどＢｉが拡散していない。
【００２８】
図６は、本発明の実施例１による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。また、図６には、比較例１として、多結晶薄膜２ｐのｐ型化処理を行なわずに形成した以外は、実施例１と同様の構成の半導体素子の特性を合わせて示す。即ち、この比較例１では、多結晶薄膜２ｐを形成した後、拡散源層の形成や熱処理工程を行っていない。
【００２９】
図６より、比較例１では、約１０Ｖの電圧におけるｐ型の多結晶薄膜２からｎ型の単結晶基板１に向かって電流を流す順方向電流と、その逆方向に電流を流す逆方向電流との比（整流比）は１桁以下であるのに対して、実施例１では、約３桁の整流比が得られていることがわかる。
【００３０】
これらの結果より、これより、本発明の実施例１では、ＺｎＯ系酸化物半導体のｐ型化を容易に行うことができるとともに、ｎ型領域とｐ型領域との接合距離が短く、急峻なｐｎ接合が形成されていることがわかった。
【００３１】
次に、ＺｎＯ薄膜をｐ型化する際の熱処理温度の影響について評価を行った。図７は、熱処理温度の影響を評価するために用いたサンプルの構造を説明するための断面図である。図７に示すように、サンプルには、ガラス基板１１上に約２００ｎｍの膜厚を有するＺｎＯからなる多結晶薄膜１２が形成されており、多結晶薄膜１２上には、一対のＡｕからなる電極１８および１９が形成されている。多結晶薄膜１２は、熱処理温度を約３００℃〜約６００℃とする以外は、実施例１の多結晶薄膜２の形成プロセスと同様のプロセスにより、形成および熱処理を行った。この熱処理の後、実施例１と同様に、ウエットエッチングにより拡散源層３は除去され、多結晶薄膜１２の上面には、Ａｕからなる電極１８および１９を形成した。
【００３２】
そして、これらのサンプルに対して、ホール効果を測定することにより、多結晶薄膜１２中のキャリア密度、ホール移動度および電気特性の評価を行った。なお、比較のために、拡散源層３の形成を行わず、さらに上記熱処理も行なっていないＺｎＯからなる多結晶薄膜についても同様に評価を行った。結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
表１に示すように、熱処理を行っていないサンプルＮｏ．５および熱処理温度が約３００℃のサンプルＮｏ．４では、ホール移動度の測定ができなかったことから、これらのサンプルの多結晶薄膜１２中には、Ｂｉは実質的に拡散していないと考えられる。これに対して、約４００℃〜約６００℃の温度で熱処理されたサンプルＮｏ．１〜３では、それぞれ、ホール移動度が測定され、ｐ型の電気特性を有していることがわかった。
【００３５】
本発明の実施例１では、亜鉛酸化物を含むｐ型の非単結晶薄膜として、多結晶の薄膜２ｐおよび２を用いたので、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法やパルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法などのエピタキシャル膜成長を行うための成膜装置を用いて膜形成を行う必要はない。さらに、熱処理を行うだけで上記ｐ型ドーパントを非単結晶の薄膜中に拡散させることができるので、簡易な装置および製造プロセスによりｐ型の非単結晶の薄膜を得ることができる。その結果、ｎ型の単結晶基板１の大面積化にも対応が可能であり、製造コストの低減も可能である。
【００３６】
なお、ＺｎＯ系の酸化物半導体のｐ型ドーパントとしては、Ｃｕ、Ａｇなどの１１族（Ｉｂ）元素や、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ、ＳｂおよびＢｉなどの１５族（Ｖｂ）元素を用いることができ、特に、Ｂｉが好ましい。また、ＺｎＯ系の酸化物半導体中に、１５族（Ｖｂ）元素と１３族（ＩＩＩｂ）元素とを同時に、または、１５族（Ｖｂ）元素とＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋなどの１族（Ｉａ）元素とを同時に添加してもｐ型化することができる。
【００３７】
また、ＺｎＯ系の酸化物半導体では、ｎ型ドーパントとして、Ａｌ、Ｇａなどの１３族（ＩＩＩｂ）元素、および、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅなどの１７族（ＶＩＩｂ）元素を用いることができる。
【００３８】
（実施例２）
この実施例２では、ｐ型ドーパントの多結晶薄膜２への拡散を、上記実施例１における熱処理を行う代わりに、プラズマドーピングにより行う方法について説明する。
【００３９】
図８は、本発明の実施例２による酸化物半導体素子の製造プロセスの一工程を説明するための断面図である。図１、図２および図８を参照して、以下に、本発明の実施例２による酸化物半導体素子の製造プロセスについて説明する。なお、実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスと同様の構成については、同じ番号を付し、説明を省略する。
【００４０】
まず、本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスと同様に、図２に示すように、ｎ型の単結晶基板１の上面に、ＺｎＯからなる多結晶薄膜２ｐを形成した。
【００４１】
次に、図８に示すように、多結晶薄膜２ｐが形成されたｎ型の単結晶ＺｎＯ基板１に対して、ビスムチン（ＢｉＨ３）、ＮＯｘおよびアルシン（ＡｓＨ３）などのｐ型ドーパントを含むガスとＡｒなどの不活性ガスとの混合ガスのプラズマ１５を照射した。このプラズマは、ＲＦ電力１６などにより発生することができる。このとき、直流電源１７によりアースに対して約２００Ｖの電圧を印加した金属製の網１８をｎ型の単結晶基板１の周囲に配置した。これにより、多結晶薄膜２ｐへのイオンダメージを低減することができる。
【００４２】
最後に、上記プラズマ１５の照射によるドーピング処理の後、図１に示すように、ｎ型の単結晶基板１の下面とｐ型の多結晶薄膜２の上面に、それぞれ、電極８および９を形成する。このようにして、本発明の実施例２による酸化物半導体素子を形成した。
【００４３】
図９は、本発明の実施例２による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。図９より、実施例２による酸化物半導体素子においても、比較例１よりも大きな２桁の整流比が得られていることがわかる。なお、実施例１と比較して、整流比が小さくなっており、多結晶薄膜２ｐへのイオンダメージの影響と考えられる。
【００４４】
これらの結果より、これより、本発明の実施例２のプラズマドーピングによっても、ＺｎＯ系酸化物半導体のｐ型化を容易に行うことができるとともに、ｎ型領域とｐ型領域との接合距離が短く、急峻なｐｎ接合が形成されていることがわかった。
【００４５】
（実施例３）
この実施例３では、上記実施例１および２と異なり、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の多結晶薄膜２との間に、ｐ型のＺｎＯからなる単結晶薄膜を有する酸化物半導体素子について説明する。
【００４６】
図１０は本発明の実施例３による酸化物半導体素子の構造を説明するための断面図である。図１０を参照して、以下に、本発明の実施例３による酸化物半導体素子の構造について説明する。なお、実施例１による酸化物半導体素子と同様の構成については同じ番号を付し、説明を省略する。
【００４７】
本発明の実施例３による酸化物半導体素子では、図１０に示すように、ｎ型のＺｎＯからなる単結晶基板１とｐ型のＺｎＯからなる多結晶薄膜２との間に、約５０ｎｍ〜約７０ｎｍの膜厚を有し、ＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されている以外は、実施例１と同様の構造を有している。単結晶薄膜４には、約１×１０１７／ｃｍ３〜約１×１０１８／ｃｍ３のＢｉが含まれている。
【００４８】
また、単結晶薄膜４は、ＭＢＥ法を用いて形成した。また、Ｚｎの蒸発と同時に供給するＯ２は、プラズマ化装置により原子状に分解して供給するとともに、イオン除去装置により、単結晶基板１へのイオンダメージを低減するようにした。
【００４９】
図１１は、本発明の実施例３による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。また、図１１には、比較例２として、多結晶薄膜２ｐのｐ型化処理を行なわずに形成した以外は、実施例３と同様の構成の半導体素子の特性を合わせて示す。即ち、この比較例２では、多結晶薄膜２ｐを形成した後、拡散源層の形成や熱処理工程を行っていない。
【００５０】
図１１より、実施例３による酸化物半導体素子において、比較例２の素子では整流比が１桁以下であるのに対して、約４桁の整流比が得られていることがわかる。
【００５１】
このように、本発明の実施例３では、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の多単結晶薄膜２との間にｐ型のＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されているので、接合界面の欠陥準位を低減することができる。その結果、整流比を向上させることができ、また、本酸化物半導体素子を発光素子として用いる場合には、発光効率を向上させることができる。
【００５２】
（実施例４）
この実施例４では、上記実施例３と異なり、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の多結晶薄膜２との間にＭｇを含有するＺｎＯ系の単結晶薄膜を有する酸化物半導体素子について説明する。
【００５３】
図１２は本発明の実施例４による酸化物半導体素子の構造を説明するための断面図である。図１２を参照して、以下に、本発明の実施例４による酸化物半導体素子の構造について説明する。なお、実施例１による酸化物半導体素子と同様の構成については同じ番号を付し、説明を省略する。
【００５４】
本発明の実施例４による酸化物半導体素子では、図１２に示すように、ｎ型のＺｎＯからなる単結晶基板１とｐ型のＺｎＯからなる多結晶薄膜２との間に、約５０ｎｍ〜約７０ｎｍの膜厚を有し、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ｘ＝約０．１５）からなるｉ型のＺｎＯ系の単結晶薄膜１４が形成されている以外は、実施例１と同様の構造を有している。なお、ＺｎＯ系の単結晶薄膜１４中には、ｐ型を示す不純物は存在していなかった。
【００５５】
また、単結晶薄膜１４は、ＭＢＥ法を用いて形成した。ＭｇとＺｎとの単結晶基板１への到達量は、各元素の蒸発源に付属のシャッターにより制御した。また、Ｚｎの蒸発と同時に供給するＯ２は、プラズマ化装置により原子状に分解して供給するとともに、イオン除去装置により、単結晶基板１へのイオンダメージを低減するようにした。
【００５６】
図１３は、本発明の実施例４による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。また、図１３には、比較例３として、多結晶薄膜２ｐのｐ型化処理を行なわずに形成した以外は、実施例４と同様の構成の半導体素子の特性を合わせて示す。即ち、この比較例３では、多結晶薄膜２ｐを形成した後、拡散源層の形成や熱処理工程を行っていない。
【００５７】
図１３より、実施例４による酸化物半導体素子において、比較例３の素子では整流比が約２桁であるのに対して、約５桁の整流比が得られていることがわかる。
【００５８】
このように、本発明の実施例４では、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の非単結晶薄膜２との間に、ＺｎＯ薄膜よりもバンドギャップが大きいＭｇを含有するＺｎＯ系の単結晶薄膜１４が形成されている。これにより、接合界面でのキャリアの結合を効率的に行うことができるので、整流比を向上させることができる。また、本酸化物半導体素子を発光素子として用いる場合には、発光効率を向上させることができ、ＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されている実施例３と比較すると、半導体素子の耐温度特性が向上するので、より高温でも安定して動作することができる。さらに、発光素子として動作する場合には、より短波長の発光を実現することができる。
【００５９】
本発明の実施例４では、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の非単結晶薄膜２との間に、ｉ型のＺｎＯ系の単結晶薄膜１４が形成されているので、ｎ型の単結晶基板とｐ型の非単結晶薄膜との間の拡散電位の勾配が小さくなる。これにより、半導体素子の動作電圧を大きくすることができる。また、この酸化物半導体素子を発光素子として動作させる場合、ｉ型単結晶薄膜のバンドギャップ内には不要な準位が少ないので、発光する光の純度を向上させることができる。
【００６０】
なお、今回開示された実施例は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６１】
たとえば、上記実施例では、亜鉛酸化物を含むｐ型の非単結晶薄膜として、ＺｎＯからなる多結晶薄膜２を用いていたが、本発明はこれに限らず、他の微結晶または非晶質のＺｎＯ系薄膜を用いることができる。
【００６２】
また、上記実施例では、ｐ型ドーパントとして、Ｂｉを用いていたが、本発明はこれに限らず、上記した他の元素を用いることができる。
【００６３】
また、上記実施例では、いずれも、多結晶薄膜２は、スパッタ法により形成されていたが、本発明はこれに限らず、他のＭＢＥ法、ＰＬＤ法およびＣＶＤ法により形成することができる。
【００６４】
また、上記実施例では、拡散源層３は、Ｂｉの真空蒸着により形成されていたが、本発明はこれに限らず、他のスパッタ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法およびＣＶＤ法により形成することができる。また、例えば、Ｏ２やＮ２の雰囲気中でＢｉターゲットをスパッタすることにより、Ｂｉ酸化物あるいはＢｉ窒化物からなる拡散源層３を形成することができる。なお、拡散源層３がＢｉ酸化物を含む場合には、熱処理の温度は、その融点（約８２４℃）以上で行うことが好ましい。
【００６５】
また、上記実施例では、ウエットエッチングにより拡散源層３を除去していたが、本発明はこれに限らず、リアクティブエッチングなどのドライエッチングを用いることができる。また、例えば、拡散源層３がＢｉ酸化物から構成されている場合には、ウエットエッチングのエッチャントとして、硝酸水溶液以外に、フッ酸水溶液などを用いることができる。
【００６６】
また、上記実施例３では、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の多単結晶薄膜２との間にｐ型のＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されていたが、本発明はこれに限らず、ｎ型またはｉ型のＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されていてもよい。
【００６７】
また、上記実施例４では、ｎ型の単結晶基板１とｐ型の多単結晶薄膜２との間にｉ型のＺｎＯ系の単結晶薄膜１４が形成されていたが、本発明はこれに限らず、ｐ型またはｎ型のＺｎＯからなる単結晶薄膜４が形成されていてもよい。
【００６８】
また、上記実施例４では、ＺｎＯ系の単結晶薄膜１４はＭｇを含有するＺｎＯ系の単結晶薄膜であったが、本発明はこれに限らず、他の２族（ＩＩａ）元素やＣｄなどの１２族（ＩＩｂ）元素を含むＺｎＯ系の単結晶薄でもよい。この場合、ＺｎＯ薄膜と比較して、バンドギャップが狭いＣｄ含有ＺｎＯなどでは、半導体素子の動作電圧が小さくなり、低消費電力型の素子とすることができる。また、発光素子として用いる場合には、より長波長の発光を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施例１による酸化物半導体素子の構造を説明するための断面図である。
【図２】本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスの第１工程を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスの第２工程を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施例１による酸化物半導体素子の製造プロセスの第３工程を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施例１による酸化物半導体素子のｐ型の多結晶薄膜２中のＢｉの濃度分布を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例１による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。
【図７】熱処理温度の影響を評価するために用いたサンプルの構造を説明するための断面図である。
【図８】本発明の実施例２による酸化物半導体素子の製造プロセスの一工程を説明するための断面図である。
【図９】本発明の実施例２による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。
【図１０】本発明の実施例３による酸化物半導体素子の製造プロセスの一工程を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の実施例３による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。
【図１２】本発明の実施例４による酸化物半導体素子の製造プロセスの一工程を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の実施例４による酸化物半導体素子の電気特性を評価した特性図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 単結晶基板
２ 多結晶薄膜
８、９ 電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
亜鉛酸化物を含むｎ型の単結晶基板と、
前記単結晶基板上に形成された亜鉛酸化物を含むｐ型の非単結晶薄膜とを備える、酸化物半導体素子。
【請求項２】
前記単結晶基板と前記非単結晶薄膜との間に亜鉛酸化物を含む単結晶薄膜を有する、請求項１に記載の酸化物半導体素子。
【請求項３】
亜鉛酸化物を含むｎ型の単結晶基板上に亜鉛酸化物を含む非単結晶薄膜を形成する工程と、
前記非単結晶薄膜にｐ型ドーパントを導入することにより前記非単結晶薄膜をｐ型化する工程とを備える、酸化物半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記非単結晶薄膜をｐ型化する工程は、
前記非単結晶薄膜上に前記ｐ型ドーパントを含む拡散源を形成する工程と、
前記拡散源が形成された前記非単結晶薄膜を熱処理する工程とを含む、請求項３に記載の酸化物半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記非単結晶薄膜をｐ型化する工程は、
前記非単結晶薄膜に前記ｐ型ドーパントを含むプラズマを照射する工程を含む、請求項３に記載の酸化物半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記非単結晶薄膜を形成する工程は、
前記単結晶基板上に亜鉛酸化物を含む単結晶薄膜を形成する工程と、
前記単結晶薄膜上に前記非単結晶薄膜を形成する工程とを含む、請求項３〜５のいずれかに記載の酸化物半導体素子の製造方法。
【請求項１】
亜鉛酸化物を含むｎ型の単結晶基板と、
前記単結晶基板上に形成された亜鉛酸化物を含むｐ型の非単結晶薄膜とを備える、酸化物半導体素子。
【請求項２】
前記単結晶基板と前記非単結晶薄膜との間に亜鉛酸化物を含む単結晶薄膜を有する、請求項１に記載の酸化物半導体素子。
【請求項３】
亜鉛酸化物を含むｎ型の単結晶基板上に亜鉛酸化物を含む非単結晶薄膜を形成する工程と、
前記非単結晶薄膜にｐ型ドーパントを導入することにより前記非単結晶薄膜をｐ型化する工程とを備える、酸化物半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記非単結晶薄膜をｐ型化する工程は、
前記非単結晶薄膜上に前記ｐ型ドーパントを含む拡散源を形成する工程と、
前記拡散源が形成された前記非単結晶薄膜を熱処理する工程とを含む、請求項３に記載の酸化物半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記非単結晶薄膜をｐ型化する工程は、
前記非単結晶薄膜に前記ｐ型ドーパントを含むプラズマを照射する工程を含む、請求項３に記載の酸化物半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記非単結晶薄膜を形成する工程は、
前記単結晶基板上に亜鉛酸化物を含む単結晶薄膜を形成する工程と、
前記単結晶薄膜上に前記非単結晶薄膜を形成する工程とを含む、請求項３〜５のいずれかに記載の酸化物半導体素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−２６６４２８（Ｐ２００７−２６６４２８Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９１２８３（Ｐ２００６−９１２８３）
【出願日】平成１８年３月２９日（２００６．３．２９）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２９日（２００６．３．２９）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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