高電子移動度ＺｎＯデバイス
【課題】 本発明は、ＨＥＭＴ構造に適した“大きなバンドギャップの半導体／小さなバンドギャップの半導体／基板”構造で、２次元電子ガス層をチャンネル層として利用する構造の高電子移動度ＺｎＯデバイスを提供することを課題とする。
【解決手段】 Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層及びＺｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎ１−ｘＭｇｘＯ（０．１５≦ｘ≦０．４５）層のヘテロ接合を有し、Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層の２次元電子ガス層をチャンネル層とすることを特徴とする高電子移動度ＺｎＯデバイスである。
【解決手段】 Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層及びＺｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎ１−ｘＭｇｘＯ（０．１５≦ｘ≦０．４５）層のヘテロ接合を有し、Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層の２次元電子ガス層をチャンネル層とすることを特徴とする高電子移動度ＺｎＯデバイスである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電子移動度ＺｎＯデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉやＧａＡｓ等に代表される従来の半導体に比べて、禁制帯幅の広いワイドギャップ半導体は高出力・高周波デバイスや短波長の光電子デバイスの材料として有用である。
【０００３】
高周波用途や高出力用制御用デバイスとしてＳｉデバイスの物理的限界を超えるデバイス開発の要求がある。そこでＳｉＣ、ＧａＮ及びダイヤモンド等のワイドギャップ半導体が高耐電圧、高温動作、高速動作可能である特長を生かしたデバイス材料として注目を集めている。ＺｎＯはワイドギャップ半導体の中でも、ヘテロ構造が利用可能、大きなバンドオフセットが利用可能、バルク基板が利用可能、飽和電子速度が他のワイドギャップ半導体に比べ大きい等の電子デバイスとしての大きな利点を有し、広い分野での利用が期待される。
【０００４】
ワイドギャップ半導体は、高周波・高出力電子デバイスとして移動体通信の基地局増幅器、ミリ波レーダー、家電製品、ハイブリッド・電気自動車等での使用が検討されている。ＺｎＯはその高性能な特性と安価で簡便なデバイスプロセスという特長を生かすことにより、他のワイドギャップ半導体と同様な用途やさらに広い範囲での応用展開が期待できる。
【０００５】
ＺｎＯはII-VI族半導体として、III-Ｖ族半導体のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓやＡｌＧａＮ／ＧａＮと同様にヘテロ構造を利用したＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）構造の電界効果トランジスタとして期待できる。さらに、ＺｎＯの大きな電気分極効果を利用することにより、チャンネル層の電子の強い閉じ込めが期待される。電気分極効果を積極的に利用するためには、ＺｎＯの（０００１）面の利用が必須である。
【０００６】
ＺｎＯは図５に示すように、Ｚｎ極性面及びＯ極性面を有する。ＺｎＯのエピタキシャル成長用基板としては、サファイアが広く用いられているが、サファイア基板を用いると通常Ｏ極性面のＺｎＯが成長することが知られている。
ＨＥＭＴは通常、“大きなバンドギャップの半導体／小さなバンドギャップの半導体／基板”により構成されているが、Ｏ極性面ＺｎＯ（０００１）面を用いた場合その構造では２次元電子ガスを形成しない。
なお、ＨＥＭＴ構造には不適な“小さなバンドギャップの半導体／大きなバンドギャップの半導体／基板”による２次元電子ガスの形成が報告されているがＨＥＭＴとしては十分なものではない。
【非特許文献１】ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌｕｍｅ８７，８ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００５ ｐ.１１２１０６〜１１２１０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ＨＥＭＴ構造に適した「大きなバンドギャップの半導体／小さなバンドギャップの半導体／基板」構造で、２次元電子ガス層をチャンネル層として利用する構造の高電子移動度ＺｎＯデバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層及びＺｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎ１−ｘＭｇｘＯ（０．１５≦ｘ≦０．４５）層のヘテロ接合を有し、Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層の２次元電子ガス層をチャンネル層とすることを特徴とする高電子移動度ＺｎＯデバイスである。
【０００９】
また上記高電子移動度ＺｎＯデバイスは、電界効果トランジスタであることを特徴とする高電子移動度ＺｎＯデバイスである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ＨＥＭＴ構造に適した構造を利用しながら、２次元電子ガス層をチャンネル層として利用できる高電子移動度ＺｎＯデバイスが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図1は、Ｚｎ極性面のＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造による２次元電子ガス形成の模式図である。そして、その作製方法は次のとおりである。成長法は酸素ラジカルを用いたＭＢＥ法である。基板としてサファイアc面基板を用い、ＭｇＯバッファ層（１０ｎｍ程度）、アンドープＺｎＯ層（１μｍ程度）を順次成長させる。このときアンドープＺｎＯはＺｎ極性（０００１）面が成長面となる。
その上にＺｎ極性面のＭｇ組成が５％〜４５％の範囲のアンドープＺｎＭｇＯ層（３０ｎｍ程度）を成長させてＺｎＯデバイスとする。
【００１２】
図２は、ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造によるＭｇ組成に対する移動度の推移を示す図である。図２から分かるように、ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造における、ＺｎＭｇＯ中のＭｇ組成が０〜２０％の範囲で移動度が急上昇し、これ以降Ｍｇ組成が４５％まで高い移動度が得られている。そしてＭｇ組成が１５〜４５％の範囲では、図３に示すとおりＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造界面に高濃度の２次元電子ガスが形成されていることが分った。
【００１３】
図４は、図１の高電子移動度ＺｎＯデバイスのアンドープＺｎＭｇＯ層上にゲート、ソース、及びドレイン電極を形成して、ヘテロ接合電界効果トランジスタとしたものである。
図４の高電子移動度ＺｎＯデバイスでは、アンドープＺｎＯ層の成長のためサファイアc面基板及びＭｇＯバッファ層を採用したが、Ｚｎ極性ＺｎＯバルク基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板等上に直接Ｚｎ極性ＺｎＯ層を成長してもよい。
また本発明の要旨を逸脱しない限り、Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層及びＺｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎ１−ｘＭｇｘＯ（０．１５≦ｘ≦０．４５）層の上下に他の半導体層を介在させてもよい。
【００１４】
以上、本発明を実施するための最良の形態を説明したが、本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。
本発明におけるＺｎＯ及びＺｎ１−ｘＭｇｘＯとしては、ＺｎＯ単体及びＺｎ１−ｘＭｇｘＯ単体のみならず、ＺｎＯ及びＺｎ１−ｘＭｇｘＯのバンド構造を大きく変えない程度に他のII族元素（Ｂｅ、Ｃｄ等）、VI族元素（Ｓ、Ｓｅ等）を含んだＺｎＯ及びＺｎ１−ｘＭｇｘＯを主体とするものでもよい。なお本発明において、アンドープＺｎＯ層、アンドープＺｎ１−ｘＭｇｘＯ層とは、ＺｎＯ層、Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯ層に電導型不純物が含まれていないことを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】Ｚｎ極性面を用いたＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造による２次元電子ガス形成の模式図である。
【図２】ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造によるＭｇ組成に対する移動度の推移を示す図である。
【図３】ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ界面に形成された２次元電子ガスのプロファイルを示す図である。
【図４】Ｚｎ極性ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタの模式図である。
【図５】ＺｎＯ（０００１）面における、Ｚｎ極性面及びＯ極性面の模式図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電子移動度ＺｎＯデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉやＧａＡｓ等に代表される従来の半導体に比べて、禁制帯幅の広いワイドギャップ半導体は高出力・高周波デバイスや短波長の光電子デバイスの材料として有用である。
【０００３】
高周波用途や高出力用制御用デバイスとしてＳｉデバイスの物理的限界を超えるデバイス開発の要求がある。そこでＳｉＣ、ＧａＮ及びダイヤモンド等のワイドギャップ半導体が高耐電圧、高温動作、高速動作可能である特長を生かしたデバイス材料として注目を集めている。ＺｎＯはワイドギャップ半導体の中でも、ヘテロ構造が利用可能、大きなバンドオフセットが利用可能、バルク基板が利用可能、飽和電子速度が他のワイドギャップ半導体に比べ大きい等の電子デバイスとしての大きな利点を有し、広い分野での利用が期待される。
【０００４】
ワイドギャップ半導体は、高周波・高出力電子デバイスとして移動体通信の基地局増幅器、ミリ波レーダー、家電製品、ハイブリッド・電気自動車等での使用が検討されている。ＺｎＯはその高性能な特性と安価で簡便なデバイスプロセスという特長を生かすことにより、他のワイドギャップ半導体と同様な用途やさらに広い範囲での応用展開が期待できる。
【０００５】
ＺｎＯはII-VI族半導体として、III-Ｖ族半導体のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓやＡｌＧａＮ／ＧａＮと同様にヘテロ構造を利用したＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）構造の電界効果トランジスタとして期待できる。さらに、ＺｎＯの大きな電気分極効果を利用することにより、チャンネル層の電子の強い閉じ込めが期待される。電気分極効果を積極的に利用するためには、ＺｎＯの（０００１）面の利用が必須である。
【０００６】
ＺｎＯは図５に示すように、Ｚｎ極性面及びＯ極性面を有する。ＺｎＯのエピタキシャル成長用基板としては、サファイアが広く用いられているが、サファイア基板を用いると通常Ｏ極性面のＺｎＯが成長することが知られている。
ＨＥＭＴは通常、“大きなバンドギャップの半導体／小さなバンドギャップの半導体／基板”により構成されているが、Ｏ極性面ＺｎＯ（０００１）面を用いた場合その構造では２次元電子ガスを形成しない。
なお、ＨＥＭＴ構造には不適な“小さなバンドギャップの半導体／大きなバンドギャップの半導体／基板”による２次元電子ガスの形成が報告されているがＨＥＭＴとしては十分なものではない。
【非特許文献１】ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌｕｍｅ８７，８ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００５ ｐ.１１２１０６〜１１２１０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ＨＥＭＴ構造に適した「大きなバンドギャップの半導体／小さなバンドギャップの半導体／基板」構造で、２次元電子ガス層をチャンネル層として利用する構造の高電子移動度ＺｎＯデバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層及びＺｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎ１−ｘＭｇｘＯ（０．１５≦ｘ≦０．４５）層のヘテロ接合を有し、Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層の２次元電子ガス層をチャンネル層とすることを特徴とする高電子移動度ＺｎＯデバイスである。
【０００９】
また上記高電子移動度ＺｎＯデバイスは、電界効果トランジスタであることを特徴とする高電子移動度ＺｎＯデバイスである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ＨＥＭＴ構造に適した構造を利用しながら、２次元電子ガス層をチャンネル層として利用できる高電子移動度ＺｎＯデバイスが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図1は、Ｚｎ極性面のＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造による２次元電子ガス形成の模式図である。そして、その作製方法は次のとおりである。成長法は酸素ラジカルを用いたＭＢＥ法である。基板としてサファイアc面基板を用い、ＭｇＯバッファ層（１０ｎｍ程度）、アンドープＺｎＯ層（１μｍ程度）を順次成長させる。このときアンドープＺｎＯはＺｎ極性（０００１）面が成長面となる。
その上にＺｎ極性面のＭｇ組成が５％〜４５％の範囲のアンドープＺｎＭｇＯ層（３０ｎｍ程度）を成長させてＺｎＯデバイスとする。
【００１２】
図２は、ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造によるＭｇ組成に対する移動度の推移を示す図である。図２から分かるように、ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造における、ＺｎＭｇＯ中のＭｇ組成が０〜２０％の範囲で移動度が急上昇し、これ以降Ｍｇ組成が４５％まで高い移動度が得られている。そしてＭｇ組成が１５〜４５％の範囲では、図３に示すとおりＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造界面に高濃度の２次元電子ガスが形成されていることが分った。
【００１３】
図４は、図１の高電子移動度ＺｎＯデバイスのアンドープＺｎＭｇＯ層上にゲート、ソース、及びドレイン電極を形成して、ヘテロ接合電界効果トランジスタとしたものである。
図４の高電子移動度ＺｎＯデバイスでは、アンドープＺｎＯ層の成長のためサファイアc面基板及びＭｇＯバッファ層を採用したが、Ｚｎ極性ＺｎＯバルク基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板等上に直接Ｚｎ極性ＺｎＯ層を成長してもよい。
また本発明の要旨を逸脱しない限り、Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層及びＺｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎ１−ｘＭｇｘＯ（０．１５≦ｘ≦０．４５）層の上下に他の半導体層を介在させてもよい。
【００１４】
以上、本発明を実施するための最良の形態を説明したが、本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。
本発明におけるＺｎＯ及びＺｎ１−ｘＭｇｘＯとしては、ＺｎＯ単体及びＺｎ１−ｘＭｇｘＯ単体のみならず、ＺｎＯ及びＺｎ１−ｘＭｇｘＯのバンド構造を大きく変えない程度に他のII族元素（Ｂｅ、Ｃｄ等）、VI族元素（Ｓ、Ｓｅ等）を含んだＺｎＯ及びＺｎ１−ｘＭｇｘＯを主体とするものでもよい。なお本発明において、アンドープＺｎＯ層、アンドープＺｎ１−ｘＭｇｘＯ層とは、ＺｎＯ層、Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯ層に電導型不純物が含まれていないことを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】Ｚｎ極性面を用いたＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造による２次元電子ガス形成の模式図である。
【図２】ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造によるＭｇ組成に対する移動度の推移を示す図である。
【図３】ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ界面に形成された２次元電子ガスのプロファイルを示す図である。
【図４】Ｚｎ極性ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯへテロ構造を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタの模式図である。
【図５】ＺｎＯ（０００１）面における、Ｚｎ極性面及びＯ極性面の模式図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層及びＺｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎ１−ｘＭｇｘＯ（０．１５≦ｘ≦０．４５）層のヘテロ接合を有し、Ｚｎ極性（０００１）面を有するＺｎＯ層の２次元電子ガス層をチャンネル層とすることを特徴とする高電子移動度ＺｎＯデバイス。
【請求項２】
上記高電子移動度ＺｎＯデバイスは、電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の高電子移動度ＺｎＯデバイス。
【請求項１】
Ｚｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎＯ層及びＺｎ極性（０００１）面を有するアンドープＺｎ１−ｘＭｇｘＯ（０．１５≦ｘ≦０．４５）層のヘテロ接合を有し、Ｚｎ極性（０００１）面を有するＺｎＯ層の２次元電子ガス層をチャンネル層とすることを特徴とする高電子移動度ＺｎＯデバイス。
【請求項２】
上記高電子移動度ＺｎＯデバイスは、電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の高電子移動度ＺｎＯデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２１８８０１（Ｐ２００８−２１８８０１Ａ）
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５５６８６（Ｐ２００７−５５６８６）
【出願日】平成１９年３月６日（２００７．３．６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年９月２７日 「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，巻８９」に発表
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月６日（２００７．３．６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年９月２７日 「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，巻８９」に発表
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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