ＩＩＩ族酸化物半導体を含む半導体素子
【課題】 禁制帯幅の制御が可能な六方晶構造を有するIII族酸化物半導体を見出し、これを含む半導体素子、光電変換素子、紫外線検出素子、酸化物発光素子、発光素子を提供することにある。
【解決手段】 Ａ２Ｏ３なる構成を有するIII族酸化物を含む半導体素子において、薄膜技術を用いてＡの元素がＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つを固溶させた混晶半導体薄膜を有するようにした。バルクでの熱力学的固溶限界域を超えた組成での固溶体薄膜、熱力学的に不安定な六方晶構造を有する混晶薄膜を得ることが出来る。
【解決手段】 Ａ２Ｏ３なる構成を有するIII族酸化物を含む半導体素子において、薄膜技術を用いてＡの元素がＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つを固溶させた混晶半導体薄膜を有するようにした。バルクでの熱力学的固溶限界域を超えた組成での固溶体薄膜、熱力学的に不安定な六方晶構造を有する混晶薄膜を得ることが出来る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電変換素子、紫外線検出素子、発光ダイオード、半導体レーザ、電界効果型トランジスタなどを含む半導体素子を作製するためのIII族酸化物半導体構成材料ならびに半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より高付加価値な半導体デバイスを製造する目的で禁制帯幅の大きい半導体の結晶成長及びデバイス製造技術が急速に発展している。中でもIII族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ）を用いた可視−紫外域発光素子、パワートランジスタ、高移動度デバイスなどが既に実用段階に入っている。一方、例えば特許文献１、特許文献２に示されているようにII族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ）を用いた青色発光素子、透明トランジスタも近年急速に研究開発され脚光をあびている。
これらの半導体の大きな特徴としては、Ｓｉ、Ｃ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ系材料の立方晶構造と異なり六方晶構造を有していることがあげられる。半導体素子製造にはヘテロエピタキシャル接合が必須であるが、これら六方晶構造の半導体とのエピタキシャル接合可能材料は、絶縁物としては、特許文献３、特許文献４に示されているようにＡｌ２Ｏ３、ＬｉＧａＯ２、ＳｃＭｇＡｌＯ４、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２、ＮａＧａＯ２、ＮａＡｌＯ２、ＫＧａＯ２、ＫＡｌＯ２など、半導体としては、Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ、Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ、６Ｈ−ＳｉＣなど挙げられ、近年急速に研究開発が為されている。
一方、III族酸化物は、イオン性がIII族窒化物とII族酸化物の間と考えられる。そのため、III族窒化物より結合のイオン性が高いため、構造の乱れに起因した電子や正孔の輸送特性の劣化が小さく、II族酸化物より結合のイオン性が低いため、電荷補償によるキャリア制御の困難が少なく、III族窒化物とII族酸化物の短所を補った新しい半導体材料として期待できる。
現在までに実用化されている代表的なIII族酸化物としては、Ｓｎ添加により縮退させたＩｎ２Ｏ３：Ｓｎ（ＩＴＯ）が挙げられ、フラットパネルディスプレイ・光電変換素子・青色発光ダイオードの透明電極等として幅広く用いられているが、透明電極以外でIII族酸化物をワイドギャップ半導体として用いた半導体素子は現在のところない。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０７４４１号公報
【特許文献２】特開２０００−１５０９００号公報
【特許文献３】特開２００３−８１６９２号公報
【特許文献４】特開２０００−２７７５３４号公報
【非特許文献１】Ｓｗａｎｓｏｎ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔｌ．Ｂｕｒ．Ｓｔａｎｄ．（Ｕ．Ｓ．），Ｃｉｒｃ．５３９，５（１９５５），２６．（ＪＣＰＤＳ：０６−０４１６）
【非特許文献２】Ｗｅｌｔｏｎ−Ｈｏｌｚｅｒ，Ｊ．，ＭｃＣａｒｔｈｙ，Ｇ．，Ｎｏｒｔｈ Ｄａｋｏｔａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆａｒｇｏ，Ｎｏｒｔｈ Ｄａｋｏｔａ，ＵＳＡ．，ＩＣＤＤ Ｇｒａｎｔ−ｉｎ−Ａｉｄ，（１９８９）（ＪＣＰＤＳ：４１−１１０３）
【非特許文献３】Ｗｅｌｔｏｎ−Ｈｏｌｚｅｒ，Ｊ．，ＭｃＣａｒｔｈｙ，Ｇ．，Ｎｏｒｔｈ Ｄａｋｏｔａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆａｒｇｏ，Ｎｏｒｔｈ Ｄａｋｏｔａ，ＵＳＡ．，ＩＣＤＤ Ｇｒａｎｔ−ｉｎ−Ａｉｄ，（１９８９）（ＪＣＰＤＳ：４２−１４６８）
【非特許文献４】Ｓｈａｎｎｏｎ，Ｐｒｅｗｉｔｔ．，Ｊ．Ｉｎｏｒｇ. Ｎｕｃｌ． Ｃｈｅｍ．，３０，１３８９，（１９６８）（ＪＣＰＤＳ：２１−０３３３）
【非特許文献５】Ｄ．Ｄ．Ｅｄｗａｒｄｓ，Ｐ．Ｅ．Ｆｏｌｋｉｎｓ，Ｔ．Ｏ．Ｍａｓｏ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．８０（１９９７）２５３．
【非特許文献６】Ｇ．Ｐａｔｚｋｅ ａｎｄ Ｍ．Ｂｉｎｎｅｗｉｅｓ，Ｓｏｌ．Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉ．２（２０００）６８９．
【非特許文献７】Ｒ．Ｊ．Ｃａｖａ，Ｊ．Ｍ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ，Ｊ．Ｋｗｏ，Ｇ．Ａ． Ｔｈｏｍａｓ，Ｒ．Ｂ．ｖａｎ Ｄｏｖｅｒ，Ｓ．Ａ．Ｃａｒｔｅｒ，Ｊ．Ｊ．Ｋｒａｊｅｗｓｋｉ，Ｗ．Ｆ．Ｐｅｃｋ，Ｊｒ．，Ｊ．Ｈ．Ｍａｒｓｈａｌｌ，ａｎｄ Ｄ．Ｈ．Ｒａｐｋｉｎｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（１９９４）２０７１．
【非特許文献８】Ｔ．Ｍｉｎａｍｉ，Ｓ．Ｔａｋａｔａ，ａｎｄ Ｔ．Ｋａｋｕｍｕ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ １４（１９９６）１６８９．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記に述べたIII族酸化物を半導体素子として用いるには、以下のような課題が存在する。
（１）III族酸化物としてのＩｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３はそれぞれ非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３に示されるようにビックスバイト構造（立方晶）、β−Ｇａ２Ｏ３構造（単斜晶）、コランダム構造（六方晶）とそれぞれ結晶構造が異なる。そのため、Ｉｎ２−２ｘ−２ｙＧａ２ｘＡｌ２ｙＯ３系III族酸化物は完全固溶系材料ではなく、混晶領域が非常に限られていた。例えば非特許文献１、非特許文献２に示されているＩｎ２Ｏ３及びＧａ２Ｏ３の熱力学的安定相図を図１に示す。結晶構造はそれぞれ立方晶及び単斜晶であるが、それぞれの固溶限界は１０００℃においてＧａ２Ｏ３モル分率約５％以下、約５７％以上であり、約５％より大きく約５７％未満では、立方晶と単斜晶の相分離が起こることが報告されている。
（２）III族酸化物は、現在半導体素子として用いられているIV族半導体（Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣなど）およびIII−V族半導体（ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）の立方晶構造、III族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ）およびII族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ）の六方晶構造と結晶構造あるいは格子定数が大きく異なる。そのため、前記IV族、III−V族、III族窒化物、II族酸化物半導体薄膜素子で用いられている基板の上にIII族酸化物のエピタキシャル薄膜及びエピタキシャル成長した半導体素子を作製することが出来なかった。また、同様の理由で前記IV族、III−V族、III族窒化物、II族酸化物半導体薄膜とヘテロエピタキシャル接合させた半導体素子を作製することが出来なかった。
（３）Ｉｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３の禁制帯幅はそれぞれ３．６ｅＶ、４．８ｅＶ、約９ｅＶと紫外域から極紫外域領域に及ぶが、（１）で述べたように混晶領域が非常に限られていたため、禁制帯幅を制御する観点からのIII族酸化物混晶半導体及びそれを用いたヘテロ接合を有する半導体素子は今までなかった。また、六方晶構造を有するIII族窒化物あるいはII族酸化物混晶を用いて大きな禁制帯幅差を有するヘテロ接合素子を作製することは困難である。具体的には、例えばＡｌＮ（禁制帯幅：６．２ｅＶ）はＧａＮ（禁制帯幅：３．４ｅＶ）よりも格段に大きい禁制帯幅を有するが、ＡｌＮモル分率増大に伴い結晶性が劣悪となる。また、Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯにおいては、固溶限はＭｇＯモル分率約３３％（禁制帯幅：３．９ｅＶ）であり、それ以上では結晶構造の異なる立方晶構造と六方晶構造の相分離が生じる。そのため、これらの半導体を用いた半導体素子を作製する際には、禁制帯幅の大きい半導体層作製が困難であるという問題が素子を実現する上で障害となる。
ここで、半導体素子は一般に半導体の機能を備えた受光素子、発光素子、電子素子を含む。
本発明は、上記問題点に鑑み、禁制帯幅制御が可能なIII族酸化物半導体あるいは上記III族窒化物半導体あるいはII族酸化物半導体とエピタキシャル成長が可能な結晶構造を有するIII族酸化物半導体を見つけ、これを用いてIII族酸化物半導体を含む半導体素子、光電変換素子、紫外線検出素子、発光素子、電界効果型トランジスタを含む半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するため、
１．半導体素子は、Ａが任意の元素記号を表す時、Ａ２Ｏ３なる構成を有すると共に、Ａの元素がＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つよりなるIII族酸化物半導体を含み、前記Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つの元素の組成比を変化させることによって半導体薄膜の禁制帯幅を変調する作用を用いるものとする。
２． III族酸化物を含む半導体素子は、熱力学的に準安定な六方晶構造あるいは歪んだ六方晶構造のIII族酸化物薄膜を有する。熱力学的に準安定な構造を広い組成領域で安定に形成するため、パルスレーザー堆積法、スパッタ法、真空蒸着法、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法など非平衡プロセスである薄膜製造法を用いて、準安定構造と面内の格子不整合率の小さい基板あるいは薄膜の上にIII族酸化物薄膜を形成することが好ましい。
３．Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つの元素の組成比を変化させることによって禁制帯幅を制御できるIII族酸化物半導体薄膜をカルコパイライト系太陽電池の窓層として用いて光電変換素子を構成する。
４．紫外領域の光に対し光感度を有するIII族酸化物を光検知材料として光検知素子を構成する。ここでいう光検知素子は、一対の電極と該電極間に挟まれた光検知材料層を有し、光検知材料層に前記III族酸化物薄膜を用いた素子、一対の電極と該電極間に挟まれたｐ型とｎ型の半導体層を有し、すくなくとも一つの半導体層に前記III族酸化物薄膜を用いた素子である。
５．Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つの元素の組成比を変化させることによって禁制帯幅を制御できるIII族酸化物半導体薄膜を発光素子のクラッド層として用いて発光素子を構成する。ここでいう発光素子は、基板上に少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を含み、前記活性層より禁制帯幅の大きいクラッド層としてIII族酸化物半導体薄膜を用いた素子である。ここでいう活性層はIII族窒化物半導体あるいはII族酸化物半導体薄膜などが含まれるが、これらに限定されない。
６．電界効果型トランジスタの活性層としてIII族酸化物半導体を用いる。
７．Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つの元素の組成比を変化させることによって禁制帯幅および格子定数を制御できる六方晶構造III族酸化物薄膜を活性層あるいは障壁層として用いて半導体素子を構成する。ここでいう半導体素子は、活性層として用いる半導体薄膜と障壁層として用いる絶縁体あるいは半導体薄膜界面に発生する二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスの流れを制御することを特徴とし、活性層あるいは障壁層の少なくとも一つに六方晶構造III族酸化物薄膜を用い、Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つの元素の組成比を変化させることによって活性層／障壁層間の禁制帯幅のオフセット量および薄膜内の歪み量を厳密に制御することが出来る。
【０００６】
具体的には、以下のようになる。
（１）半導体素子は、Ａを任意の元素記号としたとき、Ａ２Ｏ３なる構成を有すると共に、Ａの元素がＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つよりなるIII族酸化物半導体を含み、Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢから選べられる少なくとも二つの元素の組成量を変化させることによって禁制帯幅を変調させたIII族酸化物半導体薄膜を有していることを特徴とする。
（２）上記（１）記載の半導体素子は、六方晶構造あるいは歪を有した六方晶構造のIII族酸化物半導体を有していることを特徴とする。
（３）光電変換素子は、基板側から順に第一の電極層、ｐ型半導体層、窓層及び第二の電極層を含み、前記第二の電極層側から入射する光によって光起電力を発生させる光電変換素子であって、前記窓層を上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を有していることを特徴とする。
（４）上記（３）記載の光電変換素子は、ｐ型半導体層を、Ｃｕ及びＡｇから選べられる少なくとも一つの元素と、Ｉｎ及びＧａから選べられる少なくとも一つの元素と、Ｓｅ及びＳから選べれる少なくとも一つの元素とを含むｐ型の化合物半導体、またはＣｄＴｅとしたことを特徴とする光電変換素子。
（５）紫外線検出素子は、一対の電極と該電極間に挟まれた光検知材料層とを有する光検出素子であって、前記光検出層を、上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜としたことを特徴とする。
（６）紫外線検出素子は、基板上に少なくともｐ型とｎ型の半導体層を有する紫外線検出素子であって、前記半導体層の少なくとも一つの半導体層を、上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜としたことを特徴とする。
（７）上記（６）記載の紫外線検出素子は、半導体層として上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜とＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢから選べられる少なくとも一つの元素とＮを含むIII族窒化物半導体又はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄから選べられる少なくとも一つの元素とＯを含むII族酸化物半導体であることを特徴とする紫外線検出素子。
（８）発光素子は、基板上に少なくともn型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を含む発光素子であって、前記活性層より禁制帯幅の大きいクラッド層として、上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を含むことを特徴とする発光素子。
（９）上記（８）記載の発光素子は、前記活性層をＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢから選べられる少なくとも一つの元素とＮを含むIII族窒化物半導体又はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄから選べられる少なくとも一つの元素とＯを含むII族酸化物半導体のいずれか１つとしたことを特徴とする発光素子。
（１０）薄膜電界効果型トランジスタの活性層を上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜とすることを特徴とする薄膜電界効果型トランジスタ。
（１１）半導体素子は、基板上に少なくとも活性層と障壁層を含み、両者界面に発生する二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスの流れを制御する半導体素子であって、活性層あるいは障壁層の少なくとも一つに上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を含むことを特徴とする半導体素子。
（１２）上記（１１）記載の半導体素子は、活性層あるいは障壁層の少なくとも一つに前記III族窒化物半導体又はII族酸化物半導体薄膜を用いることを特徴とする半導体素子。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のIII族酸化物半導体（Ｉｎ２−２ｘ−２ｙ−２ｚＧａ２ｘＡｌ２ｙＢ２ｚＯ３）薄膜は、Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢから選ばれる少なくとも二つの元素の組成量を変化させることにより、格子定数制御および禁制帯幅制御が可能な禁制帯幅の大きい半導体である上、酸化亜鉛系II族酸化物半導体及びIII族窒化物半導体の面内格子定数に対して極めて格子不整合率の小さい六方晶構造酸化物薄膜結晶を得ることが出来る。
本発明のIII族酸化物半導体をカルコパイライト系太陽電池の窓層として用い、上記組成量を変化させることにより、光吸収層に用いたカルコパイライト構造化合物との伝導帯オフセットの調整が出来、高効率なカルコパイライト系薄膜太陽電池を得ることが出来る。
また、酸化亜鉛系II族酸化物半導体あるいはIII族窒化物半導体とへテロエピタキシャル成長を行う際、上記組成量変化によりこれらウルツ鉱型結晶の特徴である圧電分極電界あるいは自発分極電界の制御および界面での伝導帯および価電子帯のオフセット量の調整が可能であるため、内部量子効率の高い発光素子あるいは高移動度電子素子を得ることが出来る。
また、本発明のIII族酸化物半導体に、意図的にＳｎ、Ｇｅ、Ｓｉなどの不純物を添加させることにより紫外域透明導電膜としての機能を付与することが容易に出来る。したがって、III族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ）あるいはII族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ）を活性層として用いた可視−紫外域発光素子においてｎ側オーミック電極あるいはｐ側オーミック電極を透明電極として用いることにより光取り出し効率の優れた発光素子を得ることも出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【実施例１】
【０００９】
本発明のIII族酸化物半導体材料の一例としてＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３（０≦ｘ≦０．５）からなる薄膜を、パルスレーザー堆積法によって作製した実施形態について示す。レーザーはＫｒＦエキシマレーザー（波長：２４８ｎｍ）を用い、原料ターゲットとしてＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３（ｘ＝０、０．１０、０．２３、０．３２、０．４０、０．５０）焼結体ターゲットを用いた。基板としては（１１１）ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を用い、基板温度は６５０℃、酸素分圧は３０ｍＴｏｒｒにおいて製膜した。薄膜のＧａ２Ｏ３モル分率はｘ線マイクロアナライザーを用い、異相の有無、固溶・非固溶の判断、結晶構造・格子定数はｘ線回折法を用い決定した。
【００１０】
図２に本発明の実施例であるＹＳＺ基板上に設けたＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜のｘ線回折パターン（横軸：２θ（回折角度）（°：ｄｅｇｒｅｅ）、縦軸：ＸＲＤ（ｘ線回折）強度の自然対数（ＬＯＧ ＸＲＤ強度）、モル分率（ｘ）を０、０．１０、０．２３、０．３２、０．４０、０．５０とした特性）、図３にＹＳＺ基板、Ｉｎ２Ｏ３薄膜、ＩｎＧａＯ３薄膜の｛２２０｝、｛４４０｝、｛１０―１１｝回折面のφスキャン測定パターン（横軸：φ（°：ｄｅｇｒｅｅ）、縦軸：ＸＲＤ強度の自然対数（ＬＯＧ ＸＲＤ強度））、 図４及び図５に図２より得られた薄膜の面間方向の軸長ｄ（Å）およびロッキングカーブの半値幅Δω（°：ｄｅｇｒｅｅ）（結晶のモザイクネスの度合いを表し、値の小さい方がモザイクネスが少ない）を示す。
図４（ａ）は縦軸が立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面間隔（ｄ（２２２）（Å））および六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面間隔（ｄ（０００４）（Å））、横軸がＧａ２Ｏ３モル分率（ｘ）を表す。図４（ｂ）は縦軸が立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（２２２）（°：ｄｅｇｒｅｅ））および六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（０００４）（°：ｄｅｇｒｅｅ））、横軸がＧａ２Ｏ３モル分率（ｘ）を表す。図５はＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜のＧａ２Ｏ３モル分率（ｘ）、立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面間隔（ｄ（２２２）（Å））、六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面間隔（ｄ（０００４）（Å））、立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（２２２）（°：ｄｅｇｒｅｅ））、六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（０００４）（°：ｄｅｇｒｅｅ））の値を示す表である。
Ｇａ２Ｏ３モル分率０％以上２３％未満では、図２に示されるように立方晶構造に起因した（ｌｌｌ）（ｌ＝２，４）回折ピークのみが観察され、図３のＩｎ２Ｏ３薄膜の｛４４０｝回折面のφスキャン測定パターンで見られるように、ＹＳＺ基板と同様に面内は３回対称であり、面間方向に（１１１）配向した立方晶構造であることが分かる。尚、Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜（ｘ＝０．１）においてもφスキャン測定により面内は３回対称で面間方向に（１１１）配向した立方晶構造であることを確認した。また、図４及び図５よりモル分率増加にともなう軸長ｄ（２２２）の減少及びモザイクネスの増加がみられた。一方、Ｇａ２Ｏ３モル分率２３％より大きく５０％以下では図２より六方晶構造に起因する（０００ｌ）（ｌ＝２，４，６，８，１０．１２）回折ピークのみが観察され、図３のＩｎＧａＯ３薄膜の｛１０―１１｝回折面のφスキャン測定パターンで見られるように面内は６回対称であり、面間方向に（０００１）配向した六方晶構造あるいは歪みを有した六方晶構造であることが分かる。ここで、ＩｎＧａＯ３薄膜の結晶面の指数付けは非特許文献４を参考にした。尚、Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜（ｘ＝０．３２、０．４０）においてもφスキャン測定により面内は６回対称であり、面間方向は（０００１）配向した六方晶構造であることを確認した。また、図４及び図５よりモル分率増加にともなう軸長ｄ（０００４）の減少及びモザイクネスの増加がみられた。Ｇａ２Ｏ３モル分率増加に伴う両軸長（ｄ（２２２）、ｄ（０００４））の減少及びモザイクネスの増加は、ＧａがＩｎサイトに置換し固溶した際、Ｇａ３＋のイオン半径がＩｎ３＋のものより小さいため、より単位格子が小さくなっていることと、それによる基板との格子ミスマッチの増大が主な原因と考えられる。一方、Ｇａ２Ｏ３モル分率２３％では、立方晶及び六方晶構造に起因した回折ピークが同時に見られていることから、立方晶固溶体と六方晶固溶体の共晶領域であることが分かる。但し、いずれの相も（ｌｌｌ）（ｌ＝２，４）及び（０００ｌ）（ｌ＝２，４，６，８，１０，１２）の回折ピークしか見られないことから、面間方向はエピタキシャル成長していることが分かる。
【００１１】
一方、Ｉｎ２Ｏ３及びＧａ２Ｏ３の熱力学的安定相は、非特許文献５及び非特許文献６に記載されているが、図１に示されているようにそれぞれ立方晶（ビックスバイト構造）を示すのは１０００℃においてＧａ２Ｏ３モル分率０％以上約５％以下のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３、単斜晶（β−Ｇａ２Ｏ３構造）を示すのは１０００℃においてＧａ２Ｏ３モル分率約５７％以上１００％以下のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３である。
しかしながら、本実施例では、熱固溶限界を超えてＧａ２Ｏ３モル分率０％以上２３％未満のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜で立方晶構造を示し、安定に固溶すること、バルクでは存在し得ない熱力学的に不安定な六方晶構造が、Ｇａ２Ｏ３モル分率２３％より大きく５０％以下のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜で安定に存在し、固溶することが分かった。この現象は以下のように説明することが出来る。
パルスレーザー堆積法は、固体物質を真空中で高エネルギーのプラズマ状態に励起し、基板に凝結、堆積する製膜手法である。励起された原料固体成分は基板の表面構造（結晶構造）を感じると同時に基板で瞬時に凝結され、基板温度で熱力学的平衡状態に落ち着くまでに結晶を形成する。そのため、熱力学的には許されない組成、構造を持つ薄膜を作製することが出来る。すなわち、準安定状態の薄膜結晶を作製することが出来る。
【実施例２】
【００１２】
本発明のIII族酸化物半導体材料と六方晶構造を有する薄膜の積層構造の一例として（０００１）ＺｎＯ薄膜上にＩｎＧａＯ３薄膜を、パルスレーザー堆積法によって作製した実施形態について示す。レーザーはＫｒＦエキシマレーザー（波長：２４８ｎｍ）を用い、原料ターゲットとしてＺｎＯ及びＩｎＧａＯ３焼結体ターゲットを用いた。基板としては（０００１）Ａｌ２Ｏ３を用い、ＺｎＯ薄膜は基板温度は７００℃、酸素分圧は１ｘ１０−５Ｔｏｒｒにおいて１μｍ厚製膜し、ＩｎＧａＯ３薄膜は基板温度は７３０℃、酸素分圧は３０ｍＴｏｒｒにおいて１μｍ厚製膜した。薄膜の異相の有無、固溶・非固溶の判断、結晶構造・格子定数はｘ線回折法を用い決定した。
【００１３】
図６に本発明の実施例である（０００１）Ａｌ２Ｏ３基板上に設けたＩｎＧａＯ３／ＺｎＯ積層薄膜のｘ線回折パターン（横軸：２θ（回折角度）（°：ｄｅｇｒｅｅ）、縦軸：ＸＲＤ（ｘ線回折）強度の自然対数（ＬＯＧ ＸＲＤ強度））を示す。
ＺｎＯ薄膜は、六方晶構造に起因する（０００ｌ）（ｌ＝２，４）回折ピークのみが観察され、ＩｎＧａＯ３薄膜は、六方晶構造に起因する（０００ｌ）（ｌ＝２，４，６，８，１０．１２）回折ピークのみが観察され、ＩｎＧａＯ３薄膜がＺｎＯ薄膜上に面間方向に（０００１）配向した六方晶構造あるいは歪みを有した六方晶構造で成長していることが分かる。ここで、ＩｎＧａＯ３薄膜の結晶面の指数付けは非特許文献４を参考にした。
【００１４】
Ｉｎ２Ｏ３及びＧａ２Ｏ３の熱力学的安定相は、非特許文献５及び非特許文献６に記載されているが、図１に示されているようにそれぞれ立方晶（ビックスバイト構造）を示すのは１０００℃においてＧａ２Ｏ３モル分率０％以上約５％以下のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３、単斜晶（β−Ｇａ２Ｏ３構造）を示すのは１０００℃においてＧａ２Ｏ３モル分率約５７％以上１００％以下のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３である。
しかしながら、本実施例では、Ｇａ２Ｏ３モル分率５０％においてバルクでは存在し得ない熱力学的に不安定な六方晶構造がＺｎＯ薄膜上に安定に存在し、固溶することが分かった。この現象は以下のように説明することが出来る。
パルスレーザー堆積法は、固体物質を真空中で高エネルギーのプラズマ状態に励起し、基板に凝結、堆積する製膜手法である。励起された原料固体成分は基板の表面構造（結晶構造）を感じると同時に基板で瞬時に凝結され、基板温度で熱力学的平衡状態に落ち着くまでに結晶を形成する。そのため、熱力学的には許されない組成、構造を持つ薄膜を作製することが出来る。すなわち、準安定状態の薄膜結晶を作製することが出来る。
【００１５】
本発明の実施例１および実施例２においては、製膜手法としてパルスレーザー堆積法を用いたが、上述の理由によりこの現象は非平衡性プロセスである一般の薄膜成長法（スパッタ法、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法など）でも作製可能である。また成長温度の減少・成長速度の増加など成長条件の非平衡性を増すことによっても、より熱力学的には許されない組成範囲において準安定構造を有する薄膜結晶を作製することが可能である。
また、本発明では基板として（１１１）ＹＳＺ基板あるいは（０００１）ＺｎＯ／（０００１）Ａｌ２Ｏ３を選択したが、上記と同様の理由で立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３の面内の格子定数あるいは六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３の面内の格子定数に近い他の基板または薄膜上、あるいは面方位の異なる基板または薄膜上に成長させることにより、固溶限界領域を増加させることが可能である。下地の基板あるいは薄膜材料としては、IV族半導体（Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣなど）、III−V族半導体（ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）、III族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮなど）、II族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯなど）、ペロブスカイト型酸化物（ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＮｄＧａＯ３、ＬａＡｌＯ３など）、その他の酸化物（Ａｌ２Ｏ３、SｒＯ、ＢａＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＳｃＭｇＡｌＯ４、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２、ＮａＧａＯ２、ＮａＡｌＯ２、ＫＧａＯ２、ＫＡｌＯ２）などが考えられる。
【００１６】
また、六方晶構造を有するIII族酸化物に限って言えば、ｘ線回折測定によりIII族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ）あるいはII族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ）の面内格子定数と近似しており、図４の結果よりIII族イオンの組成比により単位格子体積しいては面内の格子定数を制御することが可能であることが示されている。したがって、上記III族窒化物半導体あるいは上記II族酸化物半導体と六方晶構造を有するIII族酸化物をヘテロエピタキシャル成長させた半導体素子を作製する際、上記III族酸化物あるいは上記III族窒化物のIII族イオンの組成比あるいは上記II族酸化物のII族イオンの組成比を変化させることにより、III族酸化物あるいはIII族窒化物あるいはII族酸化物薄膜の格子歪を精密に制御することが可能である。そのため、これら薄膜結晶の特徴である圧電分極電界あるいは自発分極電界を制御することが可能である。よって、図７に示すような、上記半導体とのへテロ接合を作製し、その界面に上記電界により誘起され、発生した二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスを特徴とした半導体電子素子を得ることが出来る。
【００１７】
図７は本発明の実施例に示す高移動度電子素子構造を示す図である。図７は基板（１）上に活性層の高品質化を促進する緩衝層（２）、無添加半導体活性層（３）、無添加半導体障壁層（４）、不純物添加半導体障壁層（５）、ソース電極（６）、ドレイン電極（７）、ゲート電極（８）が設けられている。活性層（３）あるいは障壁層（４）の少なくとも一つに本発明のIII族酸化物半導体を用い、無添加半導体活性層（３）と無添加半導体障壁層（４）界面に上記二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスが形成される。
活性層（３）としてIII族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ）あるいはII族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ）あるいは本発明のIII族酸化物半導体（Ｉｎ２−２ｘ−２ｙ−２ｚＧａ２ｘＡｌ２ｙＢ２ｚＯ３）、障壁層（４）として活性層より禁制帯幅の大きいIII族窒化物半導体あるいはII族酸化物半導体あるいは本発明のIII族酸化物半導体（Ｉｎ２−２ｘ−２ｙ−２ｚＧａ２ｘＡｌ２ｙＢ２ｚＯ３）を用いることが出来る。
【実施例３】
【００１８】
本実施例３では、実施例１で作製したＹＳＺ基板上に設けたＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の光学特性及び電気特性を調べた。室温における禁制帯幅は紫外・可視域の透過スペクトル測定により、室温における電気特性はホール測定法により決定した。
図８に各薄膜の透過スペクトルを示す。図８は縦軸が透過率（％）、横軸が波長（ｎｍ）であり、ＹＳＺ基板の透過率で規格化した。図８中のそれぞれの記号はモル分率（ｘ）が０、０．１０、０．２３、０．３２、０．４０、０．５０に対応する。図９はＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における透過率を示す表である。
いずれの薄膜も可視領域において透明であり、Ｇａ２Ｏ３モル分率増加に伴い吸収端が短波長側に変化している。図１０はＧａ２Ｏ３モル分率に対するＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における光学的バンドギャップの変化を示す図である。図１０は縦軸が禁制帯幅（ｅＶ）、横軸がＧａ２Ｏ３モル分率（ｘ）を表す。禁制帯幅は、Ｇａ２Ｏ３モル分率がｘ＝０、０．１０、０．２３、０．３２、０．４０、０．５０と増加するに伴い３．７３、３．７９、３．９４、４．１１、４．１９、４．３７ｅＶと増加していることが分かる。
これらの値は、非特許文献７及び非特許文献８で報告されているバルク多結晶及び薄膜試料の禁制帯幅、ＩｎＧａＯ３：３．３ｅＶ程度およびＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３（０≦ｘ≦０．５）薄膜：約３．７５（ｘ＝０）から３．４ｅＶ（ｘ＝０．５）と連続的に変化、と大きく異なっていることが分かる。この現象は基板として格子整合しやすいＹＳＺ基板を用いると同時に薄膜作製条件を最適化することにより欠陥の少ない高品質な薄膜作製に成功した結果、材料本来の物性があらわれたものと考えられる。
図１１にＹＳＺ基板上Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における電気特性、図１２に比抵抗、キャリア濃度、移動度の表を示す。意図的にドーピングを施していない本薄膜はいずれもｎ型の半導体であり、Ｇａ２Ｏ３モル分率増加に伴いキャリア濃度の減少、抵抗率の増加が見られる。また、移動度は共晶が見られたｘ＝０．２３近傍では８．７ｃｍ２／Ｖｓ程度と低いが、一般にＧａ２Ｏ３モル分率増加に伴い減少している。この現象は以下のように説明することが出来る。
【００１９】
一般にＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜のキャリアの起源としては、酸素欠損あるいは格子間陽イオン（Ｉｎ３＋あるいはＧａ３＋）などのドナー型点欠陥と考えられている。ＧａはＩｎに比べ酸素との結合性が高いため、上述のドナー型点欠陥が減少し、キャリア濃度が減少したものと思われる。また、キャリア濃度減少に伴い、キャリアの散乱起源として点欠陥以外の粒界による散乱が支配的になる。Ｇａ２Ｏ３モル分率の大きいＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜は、基板との格子ミスマッチ増大によりモザイクネスが大きい（マクロな欠陥、例えば転位・粒界等が多い）ことが図４のＸＲＤのロッキングカーブ半値幅の結果より示唆されている。そのため、Ｇａ２Ｏ３モル分率増大に伴い、移動度が減少し、キャリア濃度減少の効果も併せて、抵抗率が増大したものと思われる。
しかし、Ｇａ２Ｏ３モル分率の大きいＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜はモザイクネスが大きいにもかかわらず、その移動度は一般の酸化物薄膜の中でも比較的大きい（〜３０ｃｍ２／Ｖｓ）。この結果より、欠陥の低減対策を施した成長プロセスを導入することにより、薄膜の高品質化を図り、更なる高移動度化の実現が可能である。
薄膜の高品質化手法としては、前述したより薄膜材料と格子・熱膨張係数ミスマッチの少ない基板の選択、薄膜材料の成長に適した緩衝層の挿入、III族窒化物半導体等の成長で施されている２段階成長法あるいは低温緩衝層の挿入などが挙げられる。
【００２０】
上記の結果より、本発明のIII族酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、およびボロンＢから選ばれる少なくとも二つの元素の組成量を変化させることにより禁制帯幅、しいては価電子帯及び伝導体のエネルギー位置の制御が可能な禁制帯幅の大きい半導体であることが分かる。
よって、図１３−１５に示すように本発明のIII族酸化物半導体をカルコパイライト系太陽電池の窓層として用い、ＩｎとＧａの組成比を変えることにより光吸収層であるＣｕＩｎ１−ｘＧａｘＳｅ２との伝導帯オフセット量を調整した高効率太陽電池、III族酸化物半導体を二つの電極ではさみこんだ構造の紫外線検出素子、III族酸化物半導体をクラッド層として用いた発光素子を得ることが出来る。
図１３は本発明のIII族酸化物半導体をカルコパイライト系太陽電池の窓層として用いたカルコパイライト系太陽電池の断面図である。基板（２１）上に金属薄膜（２２）、カルコパイライト系光吸収層（２３）、本発明のｎ型III族酸化物半導体窓層（２４）、透明導電膜（２５）、櫛形電極（２６）より構成される。
【００２１】
図１４は本発明のIII族酸化物半導体を光検出層として用いた光検出素子の断面図である。図１４（ａ）は基板（３１）上に透明導電膜（３２）、本発明の無添加III族酸化物半導体光検出層（３３）、紫外線透過電極膜（３４）より構成される。光検出層は図１４（ｂ）に示すように複数の層からなっていても良い。図１４（ｂ）においては、ガラス基板（３１）上に透明導電膜（３２）、ｐ型半導体（３５）、ｎ型半導体（３６）、紫外線透過電極膜（３４）が順次設けられている。尚、図１４（ｂ）においては、ｐ型半導体（３５）、ｎ型半導体（３６）がこの順に設けられているが、ｐ型半導体（３５）、ｎ型半導体（４６）の順序が逆に設けられていても良い。
図１５（ａ）（ｂ）は本発明のIII族酸化物半導体をクラッド層として用いた発光ダイオード素子の断面図である。 図１５（ａ）は基板（４１）上にクラッド層（４２）、発光層（４３）を複数接合させた多重量子井戸構造より構成されている。図１５（ｂ）は電流注入型の発光ダイオード素子であり、基板（４１）上にｎ側オーミック電極（４４）、ｎ型コンタクト層（４５）、ｎ型クラッド層（４６）、発光層（４７）、ｐ型クラッド層（４８）、ｐ型コンタクト層（４９）、ｐ型オーミック電極（５０）から構成される。コンタクト層、クラッド層の少なくとも一つに本発明のIII族酸化物半導体を用い、発光層及びクラッド層の組成を変化させることにより伝導帯及び価電子帯オフセットを制御し、電子・正孔の閉じ込め確率および発光波長を制御することが出来る。尚、図１５（ｂ）の発光層として図１５（ａ）に記した多重量子井戸構造を用いても良い。
【００２２】
本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、上記実施例のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３に限定されるものではなく、III族酸化物半導体（Ｉｎ２−２ｘ−２ｙ―２ｚＧａ２ｘＡｌ２ｙＢ２ｚＯ３）での適用が可能であり、本発明の範囲から排除するものではない。
また、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】Ｇａ２Ｏ３ −Ｉｎ２Ｏ３系の熱力学的安定相図である。
【図２】本発明の実施例に示すＹＳＺ基板上に設けたＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜のｘ線回折パターンを示す図である。
【図３】本発明の実施例に示すＹＳＺ基板、Ｉｎ２Ｏ３薄膜、ＩｎＧａＯ３薄膜の｛２２０｝、｛４４０｝、｛１０―１１｝回折面のφスキャン測定パターンを示す図である。
【図４】本発明の実施例に示すＹＳＺ基板上Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（ａ）面間方向の軸長（立方晶構造に対しては（２２２）面（白丸）、六方晶構造に対しては（０００４）面（黒菱形））及び（ｂ）ロッキングカーブ半値幅（立方晶構造に対しては（２２２）面（白丸）、六方晶構造に対しては（０００４）面（黒菱形））を示す図である。
【図５】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜のＧａ２Ｏ３モル分率（ｘ）、立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面間隔（ｄ（２２２）（Å））、六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面間隔（ｄ（０００４）（Å））、立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（２２２）（°：ｄｅｇｒｅｅ））、六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（０００４）（°：ｄｅｇｒｅｅ））を示す表である。
【図６】本発明の実施例に示すＡｌ２Ｏ３基板上ＩｎＧａＯ３／ＺｎＯ薄膜のｘ線回折パターンを示す図である。
【図７】本発明の実施例に示す高移動度電子素子構造を示す図である。
【図８】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における透過スペクトルを示す図である。
【図９】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における透過率を示す表である。
【図１０】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における光学的禁制帯幅を示す図である。
【図１１】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における電気特性を示す図である。
【図１２】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における比抵抗、キャリア濃度、移動度を示す表である。
【図１３】図１３：本発明の実施例に示す光電変換素子構造を示す図である。
【図１４】図１４：本発明の実施例に示す光検出素子構造を示す図である。
【図１５】図１５：本発明の実施例に示す発光素子構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１、２１、３１、４１ 基板
２ 緩衝層
３ 無添加半導体活性層
４ 無添加半導体障壁層
５ 不純物添加半導体障壁層
６ ソース電極
７ ドレイン電極
８ ゲート電極
２２ 金属薄膜
２３ カルコパイライト系光吸収層
２４ ｎ型III族酸化物半導体窓層
２５、３２ 透明導電膜
２６ 櫛形電極
３３ 無添加III族酸化物半導体光検出層
３４ 紫外線透過電極膜
３５ ｐ型半導体
３６ ｎ型半導体
４２ クラッド層
４３、４７ 発光層
４４ ｎ側オーミック電極
４５ ｎ型コンタクト層
４６ ｎ型クラッド層
４８ ｐ型クラッド層
４９ ｐ型コンタクト層
５０ ｐ型オーミック電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電変換素子、紫外線検出素子、発光ダイオード、半導体レーザ、電界効果型トランジスタなどを含む半導体素子を作製するためのIII族酸化物半導体構成材料ならびに半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より高付加価値な半導体デバイスを製造する目的で禁制帯幅の大きい半導体の結晶成長及びデバイス製造技術が急速に発展している。中でもIII族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ）を用いた可視−紫外域発光素子、パワートランジスタ、高移動度デバイスなどが既に実用段階に入っている。一方、例えば特許文献１、特許文献２に示されているようにII族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ）を用いた青色発光素子、透明トランジスタも近年急速に研究開発され脚光をあびている。
これらの半導体の大きな特徴としては、Ｓｉ、Ｃ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ系材料の立方晶構造と異なり六方晶構造を有していることがあげられる。半導体素子製造にはヘテロエピタキシャル接合が必須であるが、これら六方晶構造の半導体とのエピタキシャル接合可能材料は、絶縁物としては、特許文献３、特許文献４に示されているようにＡｌ２Ｏ３、ＬｉＧａＯ２、ＳｃＭｇＡｌＯ４、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２、ＮａＧａＯ２、ＮａＡｌＯ２、ＫＧａＯ２、ＫＡｌＯ２など、半導体としては、Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ、Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ、６Ｈ−ＳｉＣなど挙げられ、近年急速に研究開発が為されている。
一方、III族酸化物は、イオン性がIII族窒化物とII族酸化物の間と考えられる。そのため、III族窒化物より結合のイオン性が高いため、構造の乱れに起因した電子や正孔の輸送特性の劣化が小さく、II族酸化物より結合のイオン性が低いため、電荷補償によるキャリア制御の困難が少なく、III族窒化物とII族酸化物の短所を補った新しい半導体材料として期待できる。
現在までに実用化されている代表的なIII族酸化物としては、Ｓｎ添加により縮退させたＩｎ２Ｏ３：Ｓｎ（ＩＴＯ）が挙げられ、フラットパネルディスプレイ・光電変換素子・青色発光ダイオードの透明電極等として幅広く用いられているが、透明電極以外でIII族酸化物をワイドギャップ半導体として用いた半導体素子は現在のところない。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０７４４１号公報
【特許文献２】特開２０００−１５０９００号公報
【特許文献３】特開２００３−８１６９２号公報
【特許文献４】特開２０００−２７７５３４号公報
【非特許文献１】Ｓｗａｎｓｏｎ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔｌ．Ｂｕｒ．Ｓｔａｎｄ．（Ｕ．Ｓ．），Ｃｉｒｃ．５３９，５（１９５５），２６．（ＪＣＰＤＳ：０６−０４１６）
【非特許文献２】Ｗｅｌｔｏｎ−Ｈｏｌｚｅｒ，Ｊ．，ＭｃＣａｒｔｈｙ，Ｇ．，Ｎｏｒｔｈ Ｄａｋｏｔａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆａｒｇｏ，Ｎｏｒｔｈ Ｄａｋｏｔａ，ＵＳＡ．，ＩＣＤＤ Ｇｒａｎｔ−ｉｎ−Ａｉｄ，（１９８９）（ＪＣＰＤＳ：４１−１１０３）
【非特許文献３】Ｗｅｌｔｏｎ−Ｈｏｌｚｅｒ，Ｊ．，ＭｃＣａｒｔｈｙ，Ｇ．，Ｎｏｒｔｈ Ｄａｋｏｔａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆａｒｇｏ，Ｎｏｒｔｈ Ｄａｋｏｔａ，ＵＳＡ．，ＩＣＤＤ Ｇｒａｎｔ−ｉｎ−Ａｉｄ，（１９８９）（ＪＣＰＤＳ：４２−１４６８）
【非特許文献４】Ｓｈａｎｎｏｎ，Ｐｒｅｗｉｔｔ．，Ｊ．Ｉｎｏｒｇ. Ｎｕｃｌ． Ｃｈｅｍ．，３０，１３８９，（１９６８）（ＪＣＰＤＳ：２１−０３３３）
【非特許文献５】Ｄ．Ｄ．Ｅｄｗａｒｄｓ，Ｐ．Ｅ．Ｆｏｌｋｉｎｓ，Ｔ．Ｏ．Ｍａｓｏ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．８０（１９９７）２５３．
【非特許文献６】Ｇ．Ｐａｔｚｋｅ ａｎｄ Ｍ．Ｂｉｎｎｅｗｉｅｓ，Ｓｏｌ．Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉ．２（２０００）６８９．
【非特許文献７】Ｒ．Ｊ．Ｃａｖａ，Ｊ．Ｍ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ，Ｊ．Ｋｗｏ，Ｇ．Ａ． Ｔｈｏｍａｓ，Ｒ．Ｂ．ｖａｎ Ｄｏｖｅｒ，Ｓ．Ａ．Ｃａｒｔｅｒ，Ｊ．Ｊ．Ｋｒａｊｅｗｓｋｉ，Ｗ．Ｆ．Ｐｅｃｋ，Ｊｒ．，Ｊ．Ｈ．Ｍａｒｓｈａｌｌ，ａｎｄ Ｄ．Ｈ．Ｒａｐｋｉｎｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（１９９４）２０７１．
【非特許文献８】Ｔ．Ｍｉｎａｍｉ，Ｓ．Ｔａｋａｔａ，ａｎｄ Ｔ．Ｋａｋｕｍｕ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ １４（１９９６）１６８９．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記に述べたIII族酸化物を半導体素子として用いるには、以下のような課題が存在する。
（１）III族酸化物としてのＩｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３はそれぞれ非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３に示されるようにビックスバイト構造（立方晶）、β−Ｇａ２Ｏ３構造（単斜晶）、コランダム構造（六方晶）とそれぞれ結晶構造が異なる。そのため、Ｉｎ２−２ｘ−２ｙＧａ２ｘＡｌ２ｙＯ３系III族酸化物は完全固溶系材料ではなく、混晶領域が非常に限られていた。例えば非特許文献１、非特許文献２に示されているＩｎ２Ｏ３及びＧａ２Ｏ３の熱力学的安定相図を図１に示す。結晶構造はそれぞれ立方晶及び単斜晶であるが、それぞれの固溶限界は１０００℃においてＧａ２Ｏ３モル分率約５％以下、約５７％以上であり、約５％より大きく約５７％未満では、立方晶と単斜晶の相分離が起こることが報告されている。
（２）III族酸化物は、現在半導体素子として用いられているIV族半導体（Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣなど）およびIII−V族半導体（ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）の立方晶構造、III族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ）およびII族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ）の六方晶構造と結晶構造あるいは格子定数が大きく異なる。そのため、前記IV族、III−V族、III族窒化物、II族酸化物半導体薄膜素子で用いられている基板の上にIII族酸化物のエピタキシャル薄膜及びエピタキシャル成長した半導体素子を作製することが出来なかった。また、同様の理由で前記IV族、III−V族、III族窒化物、II族酸化物半導体薄膜とヘテロエピタキシャル接合させた半導体素子を作製することが出来なかった。
（３）Ｉｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３の禁制帯幅はそれぞれ３．６ｅＶ、４．８ｅＶ、約９ｅＶと紫外域から極紫外域領域に及ぶが、（１）で述べたように混晶領域が非常に限られていたため、禁制帯幅を制御する観点からのIII族酸化物混晶半導体及びそれを用いたヘテロ接合を有する半導体素子は今までなかった。また、六方晶構造を有するIII族窒化物あるいはII族酸化物混晶を用いて大きな禁制帯幅差を有するヘテロ接合素子を作製することは困難である。具体的には、例えばＡｌＮ（禁制帯幅：６．２ｅＶ）はＧａＮ（禁制帯幅：３．４ｅＶ）よりも格段に大きい禁制帯幅を有するが、ＡｌＮモル分率増大に伴い結晶性が劣悪となる。また、Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯにおいては、固溶限はＭｇＯモル分率約３３％（禁制帯幅：３．９ｅＶ）であり、それ以上では結晶構造の異なる立方晶構造と六方晶構造の相分離が生じる。そのため、これらの半導体を用いた半導体素子を作製する際には、禁制帯幅の大きい半導体層作製が困難であるという問題が素子を実現する上で障害となる。
ここで、半導体素子は一般に半導体の機能を備えた受光素子、発光素子、電子素子を含む。
本発明は、上記問題点に鑑み、禁制帯幅制御が可能なIII族酸化物半導体あるいは上記III族窒化物半導体あるいはII族酸化物半導体とエピタキシャル成長が可能な結晶構造を有するIII族酸化物半導体を見つけ、これを用いてIII族酸化物半導体を含む半導体素子、光電変換素子、紫外線検出素子、発光素子、電界効果型トランジスタを含む半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するため、
１．半導体素子は、Ａが任意の元素記号を表す時、Ａ２Ｏ３なる構成を有すると共に、Ａの元素がＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つよりなるIII族酸化物半導体を含み、前記Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つの元素の組成比を変化させることによって半導体薄膜の禁制帯幅を変調する作用を用いるものとする。
２． III族酸化物を含む半導体素子は、熱力学的に準安定な六方晶構造あるいは歪んだ六方晶構造のIII族酸化物薄膜を有する。熱力学的に準安定な構造を広い組成領域で安定に形成するため、パルスレーザー堆積法、スパッタ法、真空蒸着法、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法など非平衡プロセスである薄膜製造法を用いて、準安定構造と面内の格子不整合率の小さい基板あるいは薄膜の上にIII族酸化物薄膜を形成することが好ましい。
３．Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つの元素の組成比を変化させることによって禁制帯幅を制御できるIII族酸化物半導体薄膜をカルコパイライト系太陽電池の窓層として用いて光電変換素子を構成する。
４．紫外領域の光に対し光感度を有するIII族酸化物を光検知材料として光検知素子を構成する。ここでいう光検知素子は、一対の電極と該電極間に挟まれた光検知材料層を有し、光検知材料層に前記III族酸化物薄膜を用いた素子、一対の電極と該電極間に挟まれたｐ型とｎ型の半導体層を有し、すくなくとも一つの半導体層に前記III族酸化物薄膜を用いた素子である。
５．Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つの元素の組成比を変化させることによって禁制帯幅を制御できるIII族酸化物半導体薄膜を発光素子のクラッド層として用いて発光素子を構成する。ここでいう発光素子は、基板上に少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を含み、前記活性層より禁制帯幅の大きいクラッド層としてIII族酸化物半導体薄膜を用いた素子である。ここでいう活性層はIII族窒化物半導体あるいはII族酸化物半導体薄膜などが含まれるが、これらに限定されない。
６．電界効果型トランジスタの活性層としてIII族酸化物半導体を用いる。
７．Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つの元素の組成比を変化させることによって禁制帯幅および格子定数を制御できる六方晶構造III族酸化物薄膜を活性層あるいは障壁層として用いて半導体素子を構成する。ここでいう半導体素子は、活性層として用いる半導体薄膜と障壁層として用いる絶縁体あるいは半導体薄膜界面に発生する二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスの流れを制御することを特徴とし、活性層あるいは障壁層の少なくとも一つに六方晶構造III族酸化物薄膜を用い、Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つの元素の組成比を変化させることによって活性層／障壁層間の禁制帯幅のオフセット量および薄膜内の歪み量を厳密に制御することが出来る。
【０００６】
具体的には、以下のようになる。
（１）半導体素子は、Ａを任意の元素記号としたとき、Ａ２Ｏ３なる構成を有すると共に、Ａの元素がＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢの少なくとも二つよりなるIII族酸化物半導体を含み、Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢから選べられる少なくとも二つの元素の組成量を変化させることによって禁制帯幅を変調させたIII族酸化物半導体薄膜を有していることを特徴とする。
（２）上記（１）記載の半導体素子は、六方晶構造あるいは歪を有した六方晶構造のIII族酸化物半導体を有していることを特徴とする。
（３）光電変換素子は、基板側から順に第一の電極層、ｐ型半導体層、窓層及び第二の電極層を含み、前記第二の電極層側から入射する光によって光起電力を発生させる光電変換素子であって、前記窓層を上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を有していることを特徴とする。
（４）上記（３）記載の光電変換素子は、ｐ型半導体層を、Ｃｕ及びＡｇから選べられる少なくとも一つの元素と、Ｉｎ及びＧａから選べられる少なくとも一つの元素と、Ｓｅ及びＳから選べれる少なくとも一つの元素とを含むｐ型の化合物半導体、またはＣｄＴｅとしたことを特徴とする光電変換素子。
（５）紫外線検出素子は、一対の電極と該電極間に挟まれた光検知材料層とを有する光検出素子であって、前記光検出層を、上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜としたことを特徴とする。
（６）紫外線検出素子は、基板上に少なくともｐ型とｎ型の半導体層を有する紫外線検出素子であって、前記半導体層の少なくとも一つの半導体層を、上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜としたことを特徴とする。
（７）上記（６）記載の紫外線検出素子は、半導体層として上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜とＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢから選べられる少なくとも一つの元素とＮを含むIII族窒化物半導体又はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄから選べられる少なくとも一つの元素とＯを含むII族酸化物半導体であることを特徴とする紫外線検出素子。
（８）発光素子は、基板上に少なくともn型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を含む発光素子であって、前記活性層より禁制帯幅の大きいクラッド層として、上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を含むことを特徴とする発光素子。
（９）上記（８）記載の発光素子は、前記活性層をＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢから選べられる少なくとも一つの元素とＮを含むIII族窒化物半導体又はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄから選べられる少なくとも一つの元素とＯを含むII族酸化物半導体のいずれか１つとしたことを特徴とする発光素子。
（１０）薄膜電界効果型トランジスタの活性層を上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜とすることを特徴とする薄膜電界効果型トランジスタ。
（１１）半導体素子は、基板上に少なくとも活性層と障壁層を含み、両者界面に発生する二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスの流れを制御する半導体素子であって、活性層あるいは障壁層の少なくとも一つに上記（１）又は（２）のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を含むことを特徴とする半導体素子。
（１２）上記（１１）記載の半導体素子は、活性層あるいは障壁層の少なくとも一つに前記III族窒化物半導体又はII族酸化物半導体薄膜を用いることを特徴とする半導体素子。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のIII族酸化物半導体（Ｉｎ２−２ｘ−２ｙ−２ｚＧａ２ｘＡｌ２ｙＢ２ｚＯ３）薄膜は、Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンＢから選ばれる少なくとも二つの元素の組成量を変化させることにより、格子定数制御および禁制帯幅制御が可能な禁制帯幅の大きい半導体である上、酸化亜鉛系II族酸化物半導体及びIII族窒化物半導体の面内格子定数に対して極めて格子不整合率の小さい六方晶構造酸化物薄膜結晶を得ることが出来る。
本発明のIII族酸化物半導体をカルコパイライト系太陽電池の窓層として用い、上記組成量を変化させることにより、光吸収層に用いたカルコパイライト構造化合物との伝導帯オフセットの調整が出来、高効率なカルコパイライト系薄膜太陽電池を得ることが出来る。
また、酸化亜鉛系II族酸化物半導体あるいはIII族窒化物半導体とへテロエピタキシャル成長を行う際、上記組成量変化によりこれらウルツ鉱型結晶の特徴である圧電分極電界あるいは自発分極電界の制御および界面での伝導帯および価電子帯のオフセット量の調整が可能であるため、内部量子効率の高い発光素子あるいは高移動度電子素子を得ることが出来る。
また、本発明のIII族酸化物半導体に、意図的にＳｎ、Ｇｅ、Ｓｉなどの不純物を添加させることにより紫外域透明導電膜としての機能を付与することが容易に出来る。したがって、III族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ）あるいはII族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ）を活性層として用いた可視−紫外域発光素子においてｎ側オーミック電極あるいはｐ側オーミック電極を透明電極として用いることにより光取り出し効率の優れた発光素子を得ることも出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【実施例１】
【０００９】
本発明のIII族酸化物半導体材料の一例としてＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３（０≦ｘ≦０．５）からなる薄膜を、パルスレーザー堆積法によって作製した実施形態について示す。レーザーはＫｒＦエキシマレーザー（波長：２４８ｎｍ）を用い、原料ターゲットとしてＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３（ｘ＝０、０．１０、０．２３、０．３２、０．４０、０．５０）焼結体ターゲットを用いた。基板としては（１１１）ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を用い、基板温度は６５０℃、酸素分圧は３０ｍＴｏｒｒにおいて製膜した。薄膜のＧａ２Ｏ３モル分率はｘ線マイクロアナライザーを用い、異相の有無、固溶・非固溶の判断、結晶構造・格子定数はｘ線回折法を用い決定した。
【００１０】
図２に本発明の実施例であるＹＳＺ基板上に設けたＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜のｘ線回折パターン（横軸：２θ（回折角度）（°：ｄｅｇｒｅｅ）、縦軸：ＸＲＤ（ｘ線回折）強度の自然対数（ＬＯＧ ＸＲＤ強度）、モル分率（ｘ）を０、０．１０、０．２３、０．３２、０．４０、０．５０とした特性）、図３にＹＳＺ基板、Ｉｎ２Ｏ３薄膜、ＩｎＧａＯ３薄膜の｛２２０｝、｛４４０｝、｛１０―１１｝回折面のφスキャン測定パターン（横軸：φ（°：ｄｅｇｒｅｅ）、縦軸：ＸＲＤ強度の自然対数（ＬＯＧ ＸＲＤ強度））、 図４及び図５に図２より得られた薄膜の面間方向の軸長ｄ（Å）およびロッキングカーブの半値幅Δω（°：ｄｅｇｒｅｅ）（結晶のモザイクネスの度合いを表し、値の小さい方がモザイクネスが少ない）を示す。
図４（ａ）は縦軸が立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面間隔（ｄ（２２２）（Å））および六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面間隔（ｄ（０００４）（Å））、横軸がＧａ２Ｏ３モル分率（ｘ）を表す。図４（ｂ）は縦軸が立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（２２２）（°：ｄｅｇｒｅｅ））および六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（０００４）（°：ｄｅｇｒｅｅ））、横軸がＧａ２Ｏ３モル分率（ｘ）を表す。図５はＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜のＧａ２Ｏ３モル分率（ｘ）、立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面間隔（ｄ（２２２）（Å））、六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面間隔（ｄ（０００４）（Å））、立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（２２２）（°：ｄｅｇｒｅｅ））、六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（０００４）（°：ｄｅｇｒｅｅ））の値を示す表である。
Ｇａ２Ｏ３モル分率０％以上２３％未満では、図２に示されるように立方晶構造に起因した（ｌｌｌ）（ｌ＝２，４）回折ピークのみが観察され、図３のＩｎ２Ｏ３薄膜の｛４４０｝回折面のφスキャン測定パターンで見られるように、ＹＳＺ基板と同様に面内は３回対称であり、面間方向に（１１１）配向した立方晶構造であることが分かる。尚、Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜（ｘ＝０．１）においてもφスキャン測定により面内は３回対称で面間方向に（１１１）配向した立方晶構造であることを確認した。また、図４及び図５よりモル分率増加にともなう軸長ｄ（２２２）の減少及びモザイクネスの増加がみられた。一方、Ｇａ２Ｏ３モル分率２３％より大きく５０％以下では図２より六方晶構造に起因する（０００ｌ）（ｌ＝２，４，６，８，１０．１２）回折ピークのみが観察され、図３のＩｎＧａＯ３薄膜の｛１０―１１｝回折面のφスキャン測定パターンで見られるように面内は６回対称であり、面間方向に（０００１）配向した六方晶構造あるいは歪みを有した六方晶構造であることが分かる。ここで、ＩｎＧａＯ３薄膜の結晶面の指数付けは非特許文献４を参考にした。尚、Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜（ｘ＝０．３２、０．４０）においてもφスキャン測定により面内は６回対称であり、面間方向は（０００１）配向した六方晶構造であることを確認した。また、図４及び図５よりモル分率増加にともなう軸長ｄ（０００４）の減少及びモザイクネスの増加がみられた。Ｇａ２Ｏ３モル分率増加に伴う両軸長（ｄ（２２２）、ｄ（０００４））の減少及びモザイクネスの増加は、ＧａがＩｎサイトに置換し固溶した際、Ｇａ３＋のイオン半径がＩｎ３＋のものより小さいため、より単位格子が小さくなっていることと、それによる基板との格子ミスマッチの増大が主な原因と考えられる。一方、Ｇａ２Ｏ３モル分率２３％では、立方晶及び六方晶構造に起因した回折ピークが同時に見られていることから、立方晶固溶体と六方晶固溶体の共晶領域であることが分かる。但し、いずれの相も（ｌｌｌ）（ｌ＝２，４）及び（０００ｌ）（ｌ＝２，４，６，８，１０，１２）の回折ピークしか見られないことから、面間方向はエピタキシャル成長していることが分かる。
【００１１】
一方、Ｉｎ２Ｏ３及びＧａ２Ｏ３の熱力学的安定相は、非特許文献５及び非特許文献６に記載されているが、図１に示されているようにそれぞれ立方晶（ビックスバイト構造）を示すのは１０００℃においてＧａ２Ｏ３モル分率０％以上約５％以下のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３、単斜晶（β−Ｇａ２Ｏ３構造）を示すのは１０００℃においてＧａ２Ｏ３モル分率約５７％以上１００％以下のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３である。
しかしながら、本実施例では、熱固溶限界を超えてＧａ２Ｏ３モル分率０％以上２３％未満のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜で立方晶構造を示し、安定に固溶すること、バルクでは存在し得ない熱力学的に不安定な六方晶構造が、Ｇａ２Ｏ３モル分率２３％より大きく５０％以下のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜で安定に存在し、固溶することが分かった。この現象は以下のように説明することが出来る。
パルスレーザー堆積法は、固体物質を真空中で高エネルギーのプラズマ状態に励起し、基板に凝結、堆積する製膜手法である。励起された原料固体成分は基板の表面構造（結晶構造）を感じると同時に基板で瞬時に凝結され、基板温度で熱力学的平衡状態に落ち着くまでに結晶を形成する。そのため、熱力学的には許されない組成、構造を持つ薄膜を作製することが出来る。すなわち、準安定状態の薄膜結晶を作製することが出来る。
【実施例２】
【００１２】
本発明のIII族酸化物半導体材料と六方晶構造を有する薄膜の積層構造の一例として（０００１）ＺｎＯ薄膜上にＩｎＧａＯ３薄膜を、パルスレーザー堆積法によって作製した実施形態について示す。レーザーはＫｒＦエキシマレーザー（波長：２４８ｎｍ）を用い、原料ターゲットとしてＺｎＯ及びＩｎＧａＯ３焼結体ターゲットを用いた。基板としては（０００１）Ａｌ２Ｏ３を用い、ＺｎＯ薄膜は基板温度は７００℃、酸素分圧は１ｘ１０−５Ｔｏｒｒにおいて１μｍ厚製膜し、ＩｎＧａＯ３薄膜は基板温度は７３０℃、酸素分圧は３０ｍＴｏｒｒにおいて１μｍ厚製膜した。薄膜の異相の有無、固溶・非固溶の判断、結晶構造・格子定数はｘ線回折法を用い決定した。
【００１３】
図６に本発明の実施例である（０００１）Ａｌ２Ｏ３基板上に設けたＩｎＧａＯ３／ＺｎＯ積層薄膜のｘ線回折パターン（横軸：２θ（回折角度）（°：ｄｅｇｒｅｅ）、縦軸：ＸＲＤ（ｘ線回折）強度の自然対数（ＬＯＧ ＸＲＤ強度））を示す。
ＺｎＯ薄膜は、六方晶構造に起因する（０００ｌ）（ｌ＝２，４）回折ピークのみが観察され、ＩｎＧａＯ３薄膜は、六方晶構造に起因する（０００ｌ）（ｌ＝２，４，６，８，１０．１２）回折ピークのみが観察され、ＩｎＧａＯ３薄膜がＺｎＯ薄膜上に面間方向に（０００１）配向した六方晶構造あるいは歪みを有した六方晶構造で成長していることが分かる。ここで、ＩｎＧａＯ３薄膜の結晶面の指数付けは非特許文献４を参考にした。
【００１４】
Ｉｎ２Ｏ３及びＧａ２Ｏ３の熱力学的安定相は、非特許文献５及び非特許文献６に記載されているが、図１に示されているようにそれぞれ立方晶（ビックスバイト構造）を示すのは１０００℃においてＧａ２Ｏ３モル分率０％以上約５％以下のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３、単斜晶（β−Ｇａ２Ｏ３構造）を示すのは１０００℃においてＧａ２Ｏ３モル分率約５７％以上１００％以下のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３である。
しかしながら、本実施例では、Ｇａ２Ｏ３モル分率５０％においてバルクでは存在し得ない熱力学的に不安定な六方晶構造がＺｎＯ薄膜上に安定に存在し、固溶することが分かった。この現象は以下のように説明することが出来る。
パルスレーザー堆積法は、固体物質を真空中で高エネルギーのプラズマ状態に励起し、基板に凝結、堆積する製膜手法である。励起された原料固体成分は基板の表面構造（結晶構造）を感じると同時に基板で瞬時に凝結され、基板温度で熱力学的平衡状態に落ち着くまでに結晶を形成する。そのため、熱力学的には許されない組成、構造を持つ薄膜を作製することが出来る。すなわち、準安定状態の薄膜結晶を作製することが出来る。
【００１５】
本発明の実施例１および実施例２においては、製膜手法としてパルスレーザー堆積法を用いたが、上述の理由によりこの現象は非平衡性プロセスである一般の薄膜成長法（スパッタ法、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法など）でも作製可能である。また成長温度の減少・成長速度の増加など成長条件の非平衡性を増すことによっても、より熱力学的には許されない組成範囲において準安定構造を有する薄膜結晶を作製することが可能である。
また、本発明では基板として（１１１）ＹＳＺ基板あるいは（０００１）ＺｎＯ／（０００１）Ａｌ２Ｏ３を選択したが、上記と同様の理由で立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３の面内の格子定数あるいは六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３の面内の格子定数に近い他の基板または薄膜上、あるいは面方位の異なる基板または薄膜上に成長させることにより、固溶限界領域を増加させることが可能である。下地の基板あるいは薄膜材料としては、IV族半導体（Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣなど）、III−V族半導体（ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）、III族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮなど）、II族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯなど）、ペロブスカイト型酸化物（ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＮｄＧａＯ３、ＬａＡｌＯ３など）、その他の酸化物（Ａｌ２Ｏ３、SｒＯ、ＢａＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＳｃＭｇＡｌＯ４、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２、ＮａＧａＯ２、ＮａＡｌＯ２、ＫＧａＯ２、ＫＡｌＯ２）などが考えられる。
【００１６】
また、六方晶構造を有するIII族酸化物に限って言えば、ｘ線回折測定によりIII族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ）あるいはII族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ）の面内格子定数と近似しており、図４の結果よりIII族イオンの組成比により単位格子体積しいては面内の格子定数を制御することが可能であることが示されている。したがって、上記III族窒化物半導体あるいは上記II族酸化物半導体と六方晶構造を有するIII族酸化物をヘテロエピタキシャル成長させた半導体素子を作製する際、上記III族酸化物あるいは上記III族窒化物のIII族イオンの組成比あるいは上記II族酸化物のII族イオンの組成比を変化させることにより、III族酸化物あるいはIII族窒化物あるいはII族酸化物薄膜の格子歪を精密に制御することが可能である。そのため、これら薄膜結晶の特徴である圧電分極電界あるいは自発分極電界を制御することが可能である。よって、図７に示すような、上記半導体とのへテロ接合を作製し、その界面に上記電界により誘起され、発生した二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスを特徴とした半導体電子素子を得ることが出来る。
【００１７】
図７は本発明の実施例に示す高移動度電子素子構造を示す図である。図７は基板（１）上に活性層の高品質化を促進する緩衝層（２）、無添加半導体活性層（３）、無添加半導体障壁層（４）、不純物添加半導体障壁層（５）、ソース電極（６）、ドレイン電極（７）、ゲート電極（８）が設けられている。活性層（３）あるいは障壁層（４）の少なくとも一つに本発明のIII族酸化物半導体を用い、無添加半導体活性層（３）と無添加半導体障壁層（４）界面に上記二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスが形成される。
活性層（３）としてIII族窒化物半導体（Ｉｎ１−ｘ−ｙ−ｚＧａｘＡｌｙＢｚＮ）あるいはII族酸化物半導体（Ｚｎ１−ｘ−ｙＭｇｘＣｄｙＯ）あるいは本発明のIII族酸化物半導体（Ｉｎ２−２ｘ−２ｙ−２ｚＧａ２ｘＡｌ２ｙＢ２ｚＯ３）、障壁層（４）として活性層より禁制帯幅の大きいIII族窒化物半導体あるいはII族酸化物半導体あるいは本発明のIII族酸化物半導体（Ｉｎ２−２ｘ−２ｙ−２ｚＧａ２ｘＡｌ２ｙＢ２ｚＯ３）を用いることが出来る。
【実施例３】
【００１８】
本実施例３では、実施例１で作製したＹＳＺ基板上に設けたＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の光学特性及び電気特性を調べた。室温における禁制帯幅は紫外・可視域の透過スペクトル測定により、室温における電気特性はホール測定法により決定した。
図８に各薄膜の透過スペクトルを示す。図８は縦軸が透過率（％）、横軸が波長（ｎｍ）であり、ＹＳＺ基板の透過率で規格化した。図８中のそれぞれの記号はモル分率（ｘ）が０、０．１０、０．２３、０．３２、０．４０、０．５０に対応する。図９はＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における透過率を示す表である。
いずれの薄膜も可視領域において透明であり、Ｇａ２Ｏ３モル分率増加に伴い吸収端が短波長側に変化している。図１０はＧａ２Ｏ３モル分率に対するＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における光学的バンドギャップの変化を示す図である。図１０は縦軸が禁制帯幅（ｅＶ）、横軸がＧａ２Ｏ３モル分率（ｘ）を表す。禁制帯幅は、Ｇａ２Ｏ３モル分率がｘ＝０、０．１０、０．２３、０．３２、０．４０、０．５０と増加するに伴い３．７３、３．７９、３．９４、４．１１、４．１９、４．３７ｅＶと増加していることが分かる。
これらの値は、非特許文献７及び非特許文献８で報告されているバルク多結晶及び薄膜試料の禁制帯幅、ＩｎＧａＯ３：３．３ｅＶ程度およびＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３（０≦ｘ≦０．５）薄膜：約３．７５（ｘ＝０）から３．４ｅＶ（ｘ＝０．５）と連続的に変化、と大きく異なっていることが分かる。この現象は基板として格子整合しやすいＹＳＺ基板を用いると同時に薄膜作製条件を最適化することにより欠陥の少ない高品質な薄膜作製に成功した結果、材料本来の物性があらわれたものと考えられる。
図１１にＹＳＺ基板上Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における電気特性、図１２に比抵抗、キャリア濃度、移動度の表を示す。意図的にドーピングを施していない本薄膜はいずれもｎ型の半導体であり、Ｇａ２Ｏ３モル分率増加に伴いキャリア濃度の減少、抵抗率の増加が見られる。また、移動度は共晶が見られたｘ＝０．２３近傍では８．７ｃｍ２／Ｖｓ程度と低いが、一般にＧａ２Ｏ３モル分率増加に伴い減少している。この現象は以下のように説明することが出来る。
【００１９】
一般にＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜のキャリアの起源としては、酸素欠損あるいは格子間陽イオン（Ｉｎ３＋あるいはＧａ３＋）などのドナー型点欠陥と考えられている。ＧａはＩｎに比べ酸素との結合性が高いため、上述のドナー型点欠陥が減少し、キャリア濃度が減少したものと思われる。また、キャリア濃度減少に伴い、キャリアの散乱起源として点欠陥以外の粒界による散乱が支配的になる。Ｇａ２Ｏ３モル分率の大きいＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜は、基板との格子ミスマッチ増大によりモザイクネスが大きい（マクロな欠陥、例えば転位・粒界等が多い）ことが図４のＸＲＤのロッキングカーブ半値幅の結果より示唆されている。そのため、Ｇａ２Ｏ３モル分率増大に伴い、移動度が減少し、キャリア濃度減少の効果も併せて、抵抗率が増大したものと思われる。
しかし、Ｇａ２Ｏ３モル分率の大きいＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜はモザイクネスが大きいにもかかわらず、その移動度は一般の酸化物薄膜の中でも比較的大きい（〜３０ｃｍ２／Ｖｓ）。この結果より、欠陥の低減対策を施した成長プロセスを導入することにより、薄膜の高品質化を図り、更なる高移動度化の実現が可能である。
薄膜の高品質化手法としては、前述したより薄膜材料と格子・熱膨張係数ミスマッチの少ない基板の選択、薄膜材料の成長に適した緩衝層の挿入、III族窒化物半導体等の成長で施されている２段階成長法あるいは低温緩衝層の挿入などが挙げられる。
【００２０】
上記の結果より、本発明のIII族酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、およびボロンＢから選ばれる少なくとも二つの元素の組成量を変化させることにより禁制帯幅、しいては価電子帯及び伝導体のエネルギー位置の制御が可能な禁制帯幅の大きい半導体であることが分かる。
よって、図１３−１５に示すように本発明のIII族酸化物半導体をカルコパイライト系太陽電池の窓層として用い、ＩｎとＧａの組成比を変えることにより光吸収層であるＣｕＩｎ１−ｘＧａｘＳｅ２との伝導帯オフセット量を調整した高効率太陽電池、III族酸化物半導体を二つの電極ではさみこんだ構造の紫外線検出素子、III族酸化物半導体をクラッド層として用いた発光素子を得ることが出来る。
図１３は本発明のIII族酸化物半導体をカルコパイライト系太陽電池の窓層として用いたカルコパイライト系太陽電池の断面図である。基板（２１）上に金属薄膜（２２）、カルコパイライト系光吸収層（２３）、本発明のｎ型III族酸化物半導体窓層（２４）、透明導電膜（２５）、櫛形電極（２６）より構成される。
【００２１】
図１４は本発明のIII族酸化物半導体を光検出層として用いた光検出素子の断面図である。図１４（ａ）は基板（３１）上に透明導電膜（３２）、本発明の無添加III族酸化物半導体光検出層（３３）、紫外線透過電極膜（３４）より構成される。光検出層は図１４（ｂ）に示すように複数の層からなっていても良い。図１４（ｂ）においては、ガラス基板（３１）上に透明導電膜（３２）、ｐ型半導体（３５）、ｎ型半導体（３６）、紫外線透過電極膜（３４）が順次設けられている。尚、図１４（ｂ）においては、ｐ型半導体（３５）、ｎ型半導体（３６）がこの順に設けられているが、ｐ型半導体（３５）、ｎ型半導体（４６）の順序が逆に設けられていても良い。
図１５（ａ）（ｂ）は本発明のIII族酸化物半導体をクラッド層として用いた発光ダイオード素子の断面図である。 図１５（ａ）は基板（４１）上にクラッド層（４２）、発光層（４３）を複数接合させた多重量子井戸構造より構成されている。図１５（ｂ）は電流注入型の発光ダイオード素子であり、基板（４１）上にｎ側オーミック電極（４４）、ｎ型コンタクト層（４５）、ｎ型クラッド層（４６）、発光層（４７）、ｐ型クラッド層（４８）、ｐ型コンタクト層（４９）、ｐ型オーミック電極（５０）から構成される。コンタクト層、クラッド層の少なくとも一つに本発明のIII族酸化物半導体を用い、発光層及びクラッド層の組成を変化させることにより伝導帯及び価電子帯オフセットを制御し、電子・正孔の閉じ込め確率および発光波長を制御することが出来る。尚、図１５（ｂ）の発光層として図１５（ａ）に記した多重量子井戸構造を用いても良い。
【００２２】
本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、上記実施例のＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３に限定されるものではなく、III族酸化物半導体（Ｉｎ２−２ｘ−２ｙ―２ｚＧａ２ｘＡｌ２ｙＢ２ｚＯ３）での適用が可能であり、本発明の範囲から排除するものではない。
また、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】Ｇａ２Ｏ３ −Ｉｎ２Ｏ３系の熱力学的安定相図である。
【図２】本発明の実施例に示すＹＳＺ基板上に設けたＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜のｘ線回折パターンを示す図である。
【図３】本発明の実施例に示すＹＳＺ基板、Ｉｎ２Ｏ３薄膜、ＩｎＧａＯ３薄膜の｛２２０｝、｛４４０｝、｛１０―１１｝回折面のφスキャン測定パターンを示す図である。
【図４】本発明の実施例に示すＹＳＺ基板上Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（ａ）面間方向の軸長（立方晶構造に対しては（２２２）面（白丸）、六方晶構造に対しては（０００４）面（黒菱形））及び（ｂ）ロッキングカーブ半値幅（立方晶構造に対しては（２２２）面（白丸）、六方晶構造に対しては（０００４）面（黒菱形））を示す図である。
【図５】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜のＧａ２Ｏ３モル分率（ｘ）、立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面間隔（ｄ（２２２）（Å））、六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面間隔（ｄ（０００４）（Å））、立方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（２２２）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（２２２）（°：ｄｅｇｒｅｅ））、六方晶構造Ｉｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の（０００４）面のロッキングカーブ半値幅（Δω（０００４）（°：ｄｅｇｒｅｅ））を示す表である。
【図６】本発明の実施例に示すＡｌ２Ｏ３基板上ＩｎＧａＯ３／ＺｎＯ薄膜のｘ線回折パターンを示す図である。
【図７】本発明の実施例に示す高移動度電子素子構造を示す図である。
【図８】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における透過スペクトルを示す図である。
【図９】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における透過率を示す表である。
【図１０】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における光学的禁制帯幅を示す図である。
【図１１】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における電気特性を示す図である。
【図１２】本発明の実施例に示すＩｎ２−２ｘＧａ２ｘＯ３薄膜の室温における比抵抗、キャリア濃度、移動度を示す表である。
【図１３】図１３：本発明の実施例に示す光電変換素子構造を示す図である。
【図１４】図１４：本発明の実施例に示す光検出素子構造を示す図である。
【図１５】図１５：本発明の実施例に示す発光素子構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１、２１、３１、４１ 基板
２ 緩衝層
３ 無添加半導体活性層
４ 無添加半導体障壁層
５ 不純物添加半導体障壁層
６ ソース電極
７ ドレイン電極
８ ゲート電極
２２ 金属薄膜
２３ カルコパイライト系光吸収層
２４ ｎ型III族酸化物半導体窓層
２５、３２ 透明導電膜
２６ 櫛形電極
３３ 無添加III族酸化物半導体光検出層
３４ 紫外線透過電極膜
３５ ｐ型半導体
３６ ｎ型半導体
４２ クラッド層
４３、４７ 発光層
４４ ｎ側オーミック電極
４５ ｎ型コンタクト層
４６ ｎ型クラッド層
４８ ｐ型クラッド層
４９ ｐ型コンタクト層
５０ ｐ型オーミック電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａを任意の元素記号としたとき、Ａ２Ｏ３なる構成を有すると共にＡの元素がＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、およびボロンBの少なくとも二つより成るIII族酸化物半導体を含み、禁制帯幅を変調するようにＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、およびボロンBから選ばれる少なくとも二つの元素の組成量を変化させることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
請求項１記載のIII族酸化物を含む半導体素子において、六方晶構造あるいは歪を有した六方晶構造を有することを特徴とするIII族酸化物半導体を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項３】
基板側から順に第一の電極層、ｐ型半導体層、層Ａ及び第二の電極層を含み、前記第二の電極層側から入射する光によって光起電力を発生させる光電変換素子であって、前記Ａを請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体としたことを特徴とする光電変換素子。
【請求項４】
請求項３記載の光電変換素子において、前記ｐ型半導体層をＣｕおよびＡｇから選べられる少なくとも一つの元素と、Ｉｎ及びＧａから選べられる少なくとも一つの元素と、Ｓｅ及びＳから選ばれる少なくとも一つの元素とを含むｐ型の化合物半導体又はＣｄＴｅとしたことを特徴とする光電変換素子。
【請求項５】
請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体を一対の電極で挟み込んだことを特徴とする紫外線検出素子。
【請求項６】
基板上に少なくともｐ型とｎ型の半導体層を有した紫外線検出素子において、少なくとも一つの半導体層に請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体を含むことを特徴とする紫外線検出素子。
【請求項７】
請求項６記載の紫外線検出素子において、半導体層として請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜とＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンBから選べられる少なくとも一つの元素とＮを含むIII族窒化物半導体又はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄから選べられる少なくとも一つの元素とＯを含むII族酸化物半導体を用いることを特徴とする紫外線検出素子。
【請求項８】
基板上に少なくともn型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を含む半導体発光素子において、前記活性層より禁制帯幅の大きいクラッド層として請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を用いることを特徴とする発光素子。
【請求項９】
請求項８記載の発光素子において、前記活性層をＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンBから選べられる少なくとも一つの元素とＮを含むIII族窒化物半導体又はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄから選べられる少なくとも一つの元素とＯを含むII族酸化物半導体のいずれか１つとしたことを特徴とする発光素子。
【請求項１０】
請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を電界効果型トランジスタの活性層とする薄膜電界効果型トランジスタ。
【請求項１１】
基板上に少なくとも活性層と障壁層を含み、両者界面に発生する二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスの流れを制御する半導体素子であって、活性層あるいは障壁層の少なくとも一つに請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項１２】
請求項１１記載の半導体素子において、活性層あるいは障壁層の少なくとも一つにＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンBから選べられる少なくとも一つの元素とＮを含むIII族窒化物半導体又はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄから選べられる少なくとも一つの元素とＯを含むII族酸化物半導体薄膜を用いることを特徴とする半導体素子。
【請求項１】
Ａを任意の元素記号としたとき、Ａ２Ｏ３なる構成を有すると共にＡの元素がＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、およびボロンBの少なくとも二つより成るIII族酸化物半導体を含み、禁制帯幅を変調するようにＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、およびボロンBから選ばれる少なくとも二つの元素の組成量を変化させることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
請求項１記載のIII族酸化物を含む半導体素子において、六方晶構造あるいは歪を有した六方晶構造を有することを特徴とするIII族酸化物半導体を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項３】
基板側から順に第一の電極層、ｐ型半導体層、層Ａ及び第二の電極層を含み、前記第二の電極層側から入射する光によって光起電力を発生させる光電変換素子であって、前記Ａを請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体としたことを特徴とする光電変換素子。
【請求項４】
請求項３記載の光電変換素子において、前記ｐ型半導体層をＣｕおよびＡｇから選べられる少なくとも一つの元素と、Ｉｎ及びＧａから選べられる少なくとも一つの元素と、Ｓｅ及びＳから選ばれる少なくとも一つの元素とを含むｐ型の化合物半導体又はＣｄＴｅとしたことを特徴とする光電変換素子。
【請求項５】
請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体を一対の電極で挟み込んだことを特徴とする紫外線検出素子。
【請求項６】
基板上に少なくともｐ型とｎ型の半導体層を有した紫外線検出素子において、少なくとも一つの半導体層に請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体を含むことを特徴とする紫外線検出素子。
【請求項７】
請求項６記載の紫外線検出素子において、半導体層として請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜とＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンBから選べられる少なくとも一つの元素とＮを含むIII族窒化物半導体又はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄから選べられる少なくとも一つの元素とＯを含むII族酸化物半導体を用いることを特徴とする紫外線検出素子。
【請求項８】
基板上に少なくともn型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を含む半導体発光素子において、前記活性層より禁制帯幅の大きいクラッド層として請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を用いることを特徴とする発光素子。
【請求項９】
請求項８記載の発光素子において、前記活性層をＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンBから選べられる少なくとも一つの元素とＮを含むIII族窒化物半導体又はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄから選べられる少なくとも一つの元素とＯを含むII族酸化物半導体のいずれか１つとしたことを特徴とする発光素子。
【請求項１０】
請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を電界効果型トランジスタの活性層とする薄膜電界効果型トランジスタ。
【請求項１１】
基板上に少なくとも活性層と障壁層を含み、両者界面に発生する二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスの流れを制御する半導体素子であって、活性層あるいは障壁層の少なくとも一つに請求項１又は２のいずれか１項記載のIII族酸化物半導体薄膜を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項１２】
請求項１１記載の半導体素子において、活性層あるいは障壁層の少なくとも一つにＩｎ、Ｇａ、アルミニウムＡｌ、ボロンBから選べられる少なくとも一つの元素とＮを含むIII族窒化物半導体又はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄから選べられる少なくとも一つの元素とＯを含むII族酸化物半導体薄膜を用いることを特徴とする半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【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１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−３０５９７５（Ｐ２００７−３０５９７５Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０１３５３（Ｐ２００７−１０１３５３）
【出願日】平成１９年４月９日（２００７．４．９）
【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１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月９日（２００７．４．９）
【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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