ＺｎＯ系半導体素子
【課題】積層側の主面がＣ面を有するＭｇＺｎＯ基板上に平坦なＺｎＯ系半導体層を成長させることができるＺｎＯ系半導体素子を提供する。
【解決手段】主面がＣ面を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板を用い、前記主面の法線を基板結晶軸のｍ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸となす角Φｍを、０＜Φｍ≦３となるように形成した主面上に、ＺｎＯ系半導体層２〜５がエピタキシャル成長されている。そして、ＺｎＯ系半導体層５上にはｐ電極８が、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１の下側にはｎ電極９が形成されている。このようにして、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１の表面に、ｍ軸方向に並ぶ規則的なステップを形成することで、ステップバンチングと呼ばれる現象を防ぎ、基板１上に積層される半導体層の膜の平坦性を向上させることができる。
【解決手段】主面がＣ面を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板を用い、前記主面の法線を基板結晶軸のｍ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸となす角Φｍを、０＜Φｍ≦３となるように形成した主面上に、ＺｎＯ系半導体層２〜５がエピタキシャル成長されている。そして、ＺｎＯ系半導体層５上にはｐ電極８が、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１の下側にはｎ電極９が形成されている。このようにして、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１の表面に、ｍ軸方向に並ぶ規則的なステップを形成することで、ステップバンチングと呼ばれる現象を防ぎ、基板１上に積層される半導体層の膜の平坦性を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＺｎＯやＭｇＺｎＯ等のＺｎＯ系半導体を用いたＺｎＯ系半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ、ＧａＰＮなどの窒素を含む窒化物半導体よりも多機能性に優れた材料としてＺｎＯ系半導体が注目されている。
【０００３】
ＺｎＯ系半導体は、ワイドギャップ半導体の１つであり、励起子結合エネルギーが格段に大きく、室温でも安定して存在でき、単色性に優れた光子の放出が可能であること等から、照明やバックライト等の光源として用いられる紫外ＬＥＤ、高速電子デバイス、表面弾性波デバイス等で実用化が行われている。
【０００４】
しかし、ＺｎＯ系半導体は、酸素空孔や格子間亜鉛原子による欠陥等が生じることが知られており、この結晶欠陥より、結晶中に寄与しない電子が発生してしまうので、ＺｎＯ系半導体は、通常ｎ型を示すことになり、ｐ型とするには残留する電子の濃度を低減することが必要となるため、ＺｎＯ系半導体層により半導体素子を構成するには、アクセプタードーピングが困難で、再現性良くｐ型ＺｎＯを形成することが困難であった。
【０００５】
しかし、近年、再現性良くｐ型ＺｎＯを得ることができ、発光も確認されるようになってきており、その技術が開示されている。例えば、非特許文献１に示されるようにｐ型ＺｎＯを得ることができるが、ＺｎＯ系半導体を用いた半導体素子を得るためには、成長用の基板としてＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＣＡＭ）基板を用い、ＳＣＡＭ基板のＣ面上に−Ｃ面ＺｎＯが成長するようにしている。−Ｃ面とはＯ（酸素）極性面とも呼ばれ、ＺｎＯ結晶が有しているウルツァイトという結晶構造では、ｃ軸方向に対称性がなく、ｃ軸には＋ｃと−ｃの２つの独立した方向があり、＋ｃではＺｎが結晶の最上面に位置するためにＺｎ極性と、−ｃではＯが結晶の最上面に位置するためにＯ極性とも言われる。
【０００６】
この−Ｃ面ＺｎＯが成長するのは、ＺｎＯ結晶成長用基板として広く用いられているサファイア基板でも同様である。−Ｃ面ＺｎＯ系半導体の結晶成長では、発明者らによる非特許文献２にも示されているように、ｐ型ドーパントである窒素のドーピング効率は成長温度に強く依存し、窒素ドーピングを行うためには基板温度を下げる必要があるが、基板温度を下げると結晶性が低下し、アクセプタを補償するキャリア補償センターが形成されて、窒素が活性化しないので、ｐ型ＺｎＯ系半導体層の形成そのものが非常に難しくなる。
【０００７】
そこで、非特許文献１に示されるように、窒素ドーピング効率の温度依存性を利用し、４００℃と１０００℃との間の成長温度を行き来する温度変調により高キャリア濃度のｐ型ＺｎＯ系半導体層を形成する方法もあるが、絶え間ない加熱と冷却によって膨張・収縮を繰り返すために製造装置への負担が大きく、製造装置が大がかりになり、メンテナンス周期が短くなるといった問題があった。さらに、加熱源としてレーザを使用するため、大きい面積の加熱には不向きで、デバイス製造コストを下げるための多数枚成長も行いにくい。
【０００８】
これを解決する手段として、＋Ｃ面ＺｎＯ系半導体層を成長させて高キャリア濃度のｐ型ＺｎＯ系半導体を形成することを我々は既に提案している（特許文献１参照）。該特許公報は、＋Ｃ面ＺｎＯであれば、窒素ドーピングの基板温度依存性がないという我々の発見に基づいている。これは、サファイア基板のＣ面に下地層である＋Ｃ面ＧａＮ膜を成長させて＋ｃ軸配向とし、この＋ｃ軸配向ＧａＮ膜上に極性を引き継がせて＋ｃ軸配向のＺｎＯ系半導体層を形成することで、窒素ドープの非成長温度依存性を見出した。このため、基板温度を下げることなく窒素ドープができ、その結果、キャリア補償センターの形成を防ぎ、高キャリア濃度のｐ型ＺｎＯ系半導体を製造することができるものである。
【特許文献１】特開平２００４−３０４１６６号公報
【非特許文献１】Nature Material vol.4 (2005) p.42
【非特許文献２】Journal of Crystal Growth 237−239 (2002)503
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記従来技術のように、成長用基板の＋Ｃ面ＧａＮを用いて＋ｃ軸配向のＺｎＯ系半導体層を形成することによって、高キャリア濃度のｐ型ＺｎＯ系半導体を形成することができるのであるが、この方法は、＋Ｃ面ＧａＮの表面の酸化を抑えることが特徴となっているので、酸化物であるＺｎＯでは再現確保が難しい。一方、成長用基板として＋Ｃ面ＺｎＯ基板を使うことができるが、＋Ｃ面ＺｎＯ基板は−Ｃ面ＺｎＯ基板よりも熱的に不安定で平坦面が失われやすく、この上に結晶成長を行うと、ステップバンチングと呼ばれる現象が発生し、平坦部分の幅が一様ではなく、まちまちの面になりやすい。
【００１０】
図２３（ａ）は成長用基板の−Ｃ面を、図２３（ｂ）は成長用基板の＋Ｃ面を大気中１０００℃でアニール処理した後、表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）用い、５μｍ四方の視野でスキャンした像である。図２３（ａ）の結晶は綺麗な表面になっているのに対して、図２３（ｂ）はステップバンチングが生じるとともに、このステップ幅やステップエッジが乱れており、表面状態が悪い。例えば、図２３（ｂ）の表面上にＺｎＯ系化合物のエピタキシャル成長を行えば、図２４に示すような凹凸が散在する膜となってしまい、平坦性が極端に悪くなる。
【００１１】
このように、成長用基板の＋Ｃ面上では、平坦な膜を成長させることが困難であり、最終的に素子の量子効果の低減やスイッチング速度にも影響を与えるという問題があった。
【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、積層側の主面がＣ面を有するＭｇＺｎＯ基板上に平坦なＺｎＯ系半導体層を成長させることができるＺｎＯ系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、主面がＣ面を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板において、前記主面の法線を基板結晶軸のｍ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦｍ度の角度を形成し、前記Φｍは０＜Φｍ≦３の条件を満たすものであって、前記主面にＺｎＯ系半導体層を形成したことを特徴とするＺｎＯ系半導体素子である。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は前記Φｍについて、前記０＜Φｍ≦３の条件を０．１≦Φｍ≦１．５の条件にしたことを特徴とする請求項１記載のＺｎＯ系半導体素子である。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、前記Ｃ面は＋Ｃ面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ＺｎＯ系半導体素子である。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、前記主面の法線を基板結晶軸のａ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦａ度の角度を形成し、前記Φａは
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（Φｍ／１８０））≦１１０
の条件を満たしていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体素子である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のＺｎＯ系半導体素子によれば、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板の主面の法線を基板結晶軸のｍ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦｍ度の角度を形成し、そのΦｍの角度を０＜Φｍ≦３の範囲とすることにより、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の積層側表面に、ｍ軸方向に並ぶ規則的なステップを形成することができるので、ステップバンチングと呼ばれる現象を防ぎ、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に積層される各ＺｎＯ系半導体層の膜の平坦性を向上させることができる。
【００１８】
また、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の主面の法線を基板結晶軸のａ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦａ度の角度を形成する場合には、そのΦａを７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（Φｍ／１８０））≦１１０の範囲にすることにより、ＭｇＺｎＯ基板の成長面のステップがｍ軸方向に並ぶ形とすることができるので、主面上に成長させたＺｎＯ系半導体の膜の平坦性を良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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は本発明によるＺｎＯ系半導体素子の断面構造を示す。
【００２０】
図１は、本発明のＺｎＯ系半導体素子の一実施形態である発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面構造を示し、＋Ｃ面（０００１）を有する主面の法線がｃ軸から傾斜した面を基板主面とするＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、以下同じ）基板１上に、ＺｎＯ系半導体層２〜５がエピタキシャル成長されている。ここで、２はｎ型層、３は活性層、４はｐ型層、５はｐ型コンタクト層を表わす。そして、ｐ型コンタクト層５上にはｐ電極８が、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１の下側にはｎ電極９が形成されている。ＺｎＯ系半導体層は、ＺｎＯ又はＺｎＯを含む化合物から構成されるものであり、したがって、上記ＺｎＯ系半導体素子は、電極８、９を除いて、すべてＺｎＯ又はＺｎＯを含む化合物により構成される。
【００２１】
ところで、上記ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ等のＺｎＯ系化合物における結晶構造の概念図を図２に示す。ＺｎＯ系化合物は、ＧａＮと同様、ウルツァイトと呼ばれる六方晶構造を有する。Ｃ面やａ軸という表現は、いわゆるミラー指数により表すことができ、例えば、Ｃ面は（０００１）面と表される。図２において斜線を付した面がＡ面（１１−２０）であり、Ｍ面（１０−１０）は六方晶構造の柱面を示す。例えば｛１１−２０｝面や｛１０−１０｝面は、結晶のもつ対称性により、（１１−２０）面や（１０−１０）面と等価な面も含む総称であることを示している。また、ａ軸はＡ面の垂直方向を、ｍ軸はＭ面の垂直方向を、ｃ軸はＣ面の垂直方向を示す。
【００２２】
結晶成長の基板となるＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１は、ｘ＝０のＺｎＯでもよいし、Ｍｇが混晶されたＭｇＺｎＯ基板でもよい。Ｍｇが５０ｗｔ％を超えると、ＭｇＯはＮａＣｌ型結晶であるため、六方晶系のＺｎＯ系化合物と整合しにくく相分離を起こしやすいので好ましくない。
【００２３】
また、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１は、図３に示されるように、＋Ｃ面を有する基板主面の法線がｃ軸から傾斜しており、少なくともｃ軸からｍ軸方向に傾斜させた法線を持つ基板主面となるように研磨されている。図３は、基板主面の法線Ｚが、基板結晶軸のｃ軸から角度Φ傾斜し、かつ法線Ｚを基板結晶軸のｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系におけるｃ軸ｍ軸平面に射影（投影）した射影（投影）軸がｍ軸の方へ角度Φｍ、ｃ軸ａ軸平面に射影した射影軸がａ軸の方へ角度Φａ傾斜している場合を示す。
【００２４】
図３のように、基板主面法線Ｚが傾斜している状態を、さらにわかりやすく、ｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系と法線Ｚとの関係について表わしたものが、図４（ａ）である。図３とは基板主面法線Ｚの傾斜する方向が変わっているだけであり、Φ、Φｍ、Φａの意味するところは図３と同じであり、基板主面法線Ｚをｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系におけるｃ軸ｍ軸平面に射影した射影軸Ａ、ｃ軸ａ軸平面に射影した射影軸Ｂが表わされている。
【００２５】
ここで、基板主面の法線をｃ軸からｍ軸方向に傾斜させている理由について説明する。図５（ａ）に示されるのは、＋Ｃ面を有する基板主面の法線Ｚがａ軸方向にも、ｍ軸方向にも傾斜しておらず、＋ｃ軸と一致する場合の模式図である。基板１の主面の鉛直方向となる法線Ｚが＋ｃ軸方向と一致している場合であり、各ａ軸、ｍ軸、ｃ軸は直交している。
【００２６】
しかし、バルク結晶は、その結晶がもつ劈開面を使用しないかぎり、図５（ａ）のようにウエハ主面の法線方向がｃ軸方向と一致することがなく、Ｃ面ジャスト基板にこだわると生産性も悪くなる。現実には、ウエハ主面の法線Ｚはｃ軸から傾き、オフ角を有する。例えば、図５（ｂ）に示されるように、主面の法線Ｚがｃ軸ｍ軸平面内に存在し、かつ法線Ｚがｃ軸からｍ軸方向にのみθ度傾斜しているとすると、基板１の表面部分（例えばＴ１領域）の拡大図である図５（ｃ）に表されるように、平坦な面であるテラス面１ａと、法線Ｚが傾斜したことにより生じる段差部分に等間隔で規則性のあるステップ面１ｂとが生じる。
【００２７】
ここで、テラス面１ａがＣ面（０００１）となり、ステップ面１ｂはＭ面（１０−１０）に相当する。図のように、形成された各ステップ面１ｂは、ｍ軸方向にテラス面１ａの幅を保ちながら、規則的に並ぶことになる。すなわち、テラス面１ａと垂直なｃ軸と基板主面の法線Ｚとはθ度のオフ角を形成する。
【００２８】
図５（ｃ）の状態は、図４で言えば、θＳ＝９０度の場合に相当する。なお、図４のステップエッジは、ステップ面１ｂによる段差部分をａ軸ｍ軸平面に投影したものである。このように、ステップ面をＭ面相当面となるようにすれば、主面上に結晶成長させたＺｎＯ系半導体層においては平坦な膜とすることができる。主面上にはステップ面１ｂによって段差部分が発生するが、この段差部分に飛来した原子は、テラス面１ａとステップ面１ｂの２面との結合になるので、テラス面１ａに飛来した場合よりも原子は強く結合ができ、飛来原子を安定的にトラップすることができる。
【００２９】
表面拡散過程で飛来原子がテラス内を拡散するが、結合力の強い段差部分や、この段差部分で形成されるキンク位置（図２０参照）にトラップされて結晶に組み込まれることによって結晶成長が進む沿面成長により安定的な成長が行われる。このように、基板主面法線が少なくともｍ軸方向に傾斜した基板上に、ＺｎＯ系半導体層を積層させると、ＺｎＯ系半導体層はこのステップ面１ｂを中心に結晶成長が起こり、平坦な膜を形成することができる。
【００３０】
ところで、図５（ｂ）で傾斜角度θを大きくしすぎると、ステップ面１ｂの段差が大きくなりすぎて、平坦に結晶成長しなくなる。図９、１０は、ｍ軸方向への傾斜角度によって、成長膜の平坦性が変わることを示すものである。図９は、上記傾斜角度θを１．５度として、このオフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の主面上にＺｎＯ系半導体を成長させたものである。一方、図１０は、オフ角θを３．５度として、このオフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の主面上にＺｎＯ系半導体を成長させたものである。図９、１０ともに、結晶成長後に、ＡＦＭを用いて、１μｍ四方の視野でスキャンした画像である。具体的にはＺｎＯ基板上にアンドープＺｎＯ膜を形成して、アンドープＺｎＯ膜表面をスキャンした。
【００３１】
図９の方は、ステップの幅が揃った状態で、綺麗な膜が生成されているが、図１０の方は、凹凸が散在しており、平坦性が失われている。以上のことより、オフ角θについては、０度を越える範囲で、かつ３度以下（０＜θ≦３）するのが望ましい。したがって、図４の傾斜角Φｍについても同様のことが言えるので、０度を越える範囲で、かつ３度以下（０＜Φｍ≦３）が好ましい。
【００３２】
次に、上記オフ角θを、さらに、細かく設定して、上記同様、ＺｎＯ基板上にアンドープＺｎＯ膜を形成して、アンドープＺｎＯ膜表面をＡＦＭで観察したものが、図１１〜図１３である。図１１はＺｎＯ基板主面のオフ角θが０．１度の場合、図１２はＺｎＯ基板主面のオフ角θが０．５度の場合、図１３はＺｎＯ基板主面のオフ角θが１．５度の場合を示す。図１１〜図１３ともに、ＺｎＯ基板上にアンドープＺｎＯ膜を基板温度８７０℃で結晶成長させ、ＡＦＭでアンドープＺｎＯ膜表面を撮影したものであり、（ａ）は２０μｍ四方の視野で、（ｂ）は１μｍの視野で撮影した画像を表わす。
【００３３】
これらの画像より、オフ角θが０．１度〜１．５度の範囲では、アンドープＺｎＯ膜表面はステップの幅が揃った状態で、平坦な膜が形成されている。ただ、図１１に示すように、オフ角θが０．１度程度になると、ステップ幅が綺麗にならず、乱れつつある。これは、アンドープＺｎＯ膜の１分子層ステップが保てなくなりつつあるためと考えられる。
【００３４】
次に、図１１〜図１３で調べたアンドープＺｎＯ膜について、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行った結果のスペクトル分布を図１４に示す。ＰＬ測定は、絶対温度１２Ｋ（ケルビン）、回折格子の刻線本数は２４００本／ｍｍで行った。図１４の横軸は発光エネルギー（単位：ｅＶ）を、縦軸はＰＬ強度を示し、ＰＬ測定のときに通常用いられる任意単位（対数スケール）で表す。また、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のスペクトル分布の発光エネルギー３．３５ｅＶ〜３．４０ｅＶまでの範囲を拡大した図を示す。図１４（ａ）、（ｂ）に示されるＸ１はオフ角θが０．１度の場合、Ｘ２はオフ角θが０．５度の場合、Ｘ３はオフ角θが１．５度の場合を示している。また、Ｓはオフ角θが０．５度で、ＺｎＯ基板上に形成されるアンドープＺｎＯ膜の成長温度が８００℃の場合を示す。図１４からわかるように、オフ角θが０．１度〜１．５度の範囲では、オフ角の角度の違いによる効果の相違は見られない。
【００３５】
図１５は、図１１〜図１３及び図１４で用いた同様のアンドープＺｎＯ膜について、ＺｎＯ基板主面法線のオフ角θが０．１度、０．５度、１．５度の角度毎に室温でＰＬ測定を行い図１４のようなスペクトル分布を算出し、そのスペクトルの発光波長３４０ｎｍ〜４４０ｎｍまでを積分した積分値を求めて表示した。また、スペクトル分布には、バンド端発光と深い準位発光とが現われるが、そのときのバンド端発光ピークと深い準位発光ピークの比を求めて図１５に表示した。図１５の横軸は、オフ角θを表わし、左側縦軸は室温におけるＰＬ積分強度（Integrated intensity at RT）を表わす任意単位であり、右側縦軸はバンド端発光ピークと深い準位発光ピークの比（Band/Deep peak int ratio）を表わす。
【００３６】
また、黒丸で示されるＹ２はオフ角θが０．１度、０．５度、１．５度の各角度におけるアンドープＺｎＯ膜のＰＬ積分強度を、白三角（▽）で示されるＹ１は各角度におけるバンド端発光ピークと深い準位発光ピークの比を表す。この図からもわかるようにオフ角θが０．１度の場合は、ＰＬ積分強度もバンド端発光ピークと深い準位発光ピークの比もやや低くなっているが、その他のオフ角については特に効果の相違が見られるものではない。
【００３７】
したがって、オフ角θについて、さらに望ましくは、０．１度≦θ≦１．５度とするのが良い。よって、図４の傾斜角Φｍについても同様のことが言えるので、さらに望ましくは、０．１度≦Φｍ≦１．５度が良い。
【００３８】
以上のように、主面の法線Ｚがｃ軸ｍ軸平面内に存在し、かつ法線Ｚがｃ軸からｍ軸方向にのみ傾斜させ、その傾斜角度を前述のような範囲にすることが望ましいのであるが、より実際的には、ｍ軸方向のみ傾斜させて切り出す場合に限定することは困難で、生産技術としては、ａ軸への傾きも許容し、その許容度を設定することが必要となる。例えば、図４に示されるように、基板主面の法線Ｚが、基板結晶軸のｃ軸から角度Φ傾斜し、かつ法線Ｚを基板結晶軸のｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系におけるｃ軸ｍ軸平面に射影した射影軸がｍ軸の方へ角度Φｍ、ｃ軸ａ軸平面に射影した射影軸がａ軸の方へ角度Φａ傾斜するように主面を作製するようにしても良い。ただし、この場合、ステップ面のステップエッジとｍ軸方向とのなす角θＳについては、一定の範囲内にする必要があることが、発明者らにより実験的に確認された。
【００３９】
ｍ軸方向にステップエッジが規則的に並んでいる状態になることが、平坦な膜を作製する上で必要なことであり、ステップエッジの間隔やステップエッジのラインが乱れると、前述した沿面成長が行われなくなるので、平坦な膜が作製できなくなる。
【００４０】
図４のように、基板主面の法線Ｚがｍ軸方向及びａ軸方向に傾斜している主面は、図６（ａ）のように表される。座標軸の設定等は、図５と同じである。図６（ａ）のように基板結晶軸であるｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系のａ軸ｍ軸平面に基板主面法線Ｚを投影した投影軸の方向をＬ方向として表す。基板１の表面部分（例えばＴ２領域）の拡大図を図６（ｂ）に示す。平坦な面であるテラス面１ｃと、傾斜させることにより生じる段差部分にステップ面１ｄが生じる。ここで、テラス面がＣ面（０００１）となるが、図５の場合とは異なり、図６（ａ）より、法線Ｚはテラス面と垂直なｃ軸から角度Φ傾斜していることになる。
【００４１】
基板主面の法線方向は、ｍ軸方向だけでなく、ａ軸方向にも傾斜しているために、ステップ面が斜めに出て、ステップ面は、Ｌ方向に並ぶことになる。この状態は、図４に示されるようにＬ方向へのステップエッジ配列となって現われるが、Ｍ面が熱的、化学的に安定面であるため、ａ軸方向の傾斜角度Φａによっては、斜めステップが綺麗には保たれず、ステップ面１ｄに凹凸ができ、ステップエッジの配列に乱れが生じて、主面上に平坦な膜を形成できなくなり、図６（ｂ）のようになる。
【００４２】
上記Ｍ面が熱的、化学的に安定であるということは、発明者らが見出したものであるが、その根拠となるデータを図１６〜図１９に示す。図１６は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面をＡＦＭを用い、５μｍ四方の範囲でスキャンした画像であり、図１７〜図１９は、１μｍ四方の範囲でスキャンした画像である。なお、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板としてはＺｎＯ基板を用いた。
【００４３】
図１６（ａ）は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の露出したＡ面を大気中１１００℃で２時間アニール処理した後、図１６（ｂ）は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の露出したＭ面を大気中１１００℃で２時間アニール処理した後の状態を示す。図１６（ｂ）では、綺麗な表面になっているのに対して、図１６（ａ）では、ステップバンチングが生じるとともに、このステップ幅やステップエッジが乱れており、表面状態が悪い。このことから、Ｍ面が熱的に安定な面であるとわかる。
【００４４】
一方、図１７（ａ）には、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板における主面のｃ軸がａ軸方向及びｍ軸方向に傾き、Ｍ面が綺麗に現われない図６（ｂ）のような表面状態を示す。この表面を５％濃度の塩酸で３０秒間エッチングを行った後の状態を図１７（ｂ）に示す。塩酸によるエッチングにより、図１７（ｂ）に表された六角形の領域で示すように、Ｍ面以外の面が除去されて、Ｍ面が特に現われてくることがわかる。また、図１８（ａ）は、図１７（ａ）とはａ軸方向への傾斜角度が異なるＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面を表し、この表面を５％濃度の塩酸で３０秒間エッチングを行った後の状態を図１８（ｂ）に示す。図１３（ｂ）に表された六角形の領域で示すように、Ｍ面以外の面が除去されて、Ｍ面が特に現われてくることがわかる。
【００４５】
他方、図１９（ａ）は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板における主面の法線Ｚがｍ軸方向のみに傾斜した表面、図５（ｂ）、（ｃ）のような表面状態を示す。Ｍ面のステップエッジがｍ軸と垂直になって配列されていることが示されており、この表面を５％濃度の塩酸で３０秒間エッチングを行った後の状態を図１９（ｂ）に示す。図１９（ｂ）から、エッチングした後でも、表面状態にほとんど変化がないことがわかる。以上の図１７〜図１９までのデータから、Ｍ面は化学的に安定な面であることが理解できる。
【００４６】
上記のように、主面の法線Ｚが、少なくともｃ軸からｍ軸方向に傾斜角度（オフ角）を有し、ａ軸方向にも一定のオフ角を有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の表面を表すのが、図７である。ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の表面をＡＦＭにより撮影した。図７（ａ）は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の主面における法線Ｚがｃ軸からｍ軸方向のみに傾斜しており、ａ軸方向への傾斜がない状態を示す。図７（ｂ）〜（ｄ）については、ｍ軸方向の傾斜に加えて、ａ軸方向への傾斜を有している場合を示し、そのａ軸方向への傾斜角度が段々と大きくなっていった場合の表面状態を示す。
【００４７】
図７（ａ）は、ｍ軸方向にのみ０．３度傾斜させた表面状態を表しているが、非常に綺麗な表面状態を示しており、ステップエッジが、規則的に並んで現われている。例えば、図７（ａ）のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上にＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長させた例を図８に示す。図８（ａ）は、エピタキシャル成長後の表面をＡＦＭを用い、３μｍ四方の範囲でスキャンした像であり、図８（ｂ）は１μｍ四方の範囲でスキャンした像である。表面状態は、非常に綺麗であり、凹凸の散在は見られない。
【００４８】
しかし、ａ軸方向のオフ角が混じってくると、ステップエッジに凹凸が現われ、ステップ幅も乱れてくるので、これが膜形成に悪影響を及ぼす。
【００４９】
図２１に、成長面（主面）におけるＣ面が、ｍ軸方向のオフ角に加えて、ａ軸方向のオフ角を有する場合に、ステップエッジやステップ幅がどのように変化するかを示す。図４で説明したｍ軸方向のオフ角Φｍを０．４度に固定して、ａ軸方向のオフ角Φａを大きくなるように変化させて比較した。これは、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の切り出し面を変えることにより実現させた。ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の切り出し面を変える場合には、結晶ブールの位置をＸＲＤ（Ｘ線回折装置）で方位を指定すると精度良くカットできる。
【００５０】
ａ軸方向のオフ角Φａを大きくなるように変化させると、ステップエッジとｍ軸方向のなす角θＳも大きくなる方向に変化するので、図１６には、θＳの角度を記載した。図２１（ａ）は、θＳ＝８５度の場合であるが、ステップエッジもステップ幅も乱れていない。図２１（ｂ）は、θＳ＝７８度の場合であるが、やや乱れがあるものの、ステップエッジやステップ幅を確認することができる。図２１（ｃ）は、θＳ＝６５度の場合であるが、乱れが酷くなっており、ステップエッジやステップ幅を確認することができない。図２１（ｃ）の表面状態の上にＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長させれば、図２４のような膜が形成されてしまう。この図２１（ｃ）の場合は、ａ軸方向への傾きΦａに換算すると０．１５度に相当する。以上のデータにより、７０度≦θＳ≦９０度の範囲が望ましいことがわかる。
【００５１】
ところで、θＳについては、主面の法線Ｚがａ軸方向にΦａ度傾斜している場合だけでなく、図４（ａ）において−ａ軸方向に傾斜している場合も対称性により等価なので考慮する必要がある。この傾斜角度を−Φａとし、ステップ面による段差部分をａ軸ｍ軸平面に投影すると、図４（ｃ）のように表される。ここで、ｍ軸とステップエッジとのなす角θｉの条件についても、上記７０度≦θｉ≦９０度が成立する。θＳ＝１８０度−θｉの関係が成立するので、θＳの最大値としては、１８０度−７０度＝１１０度となり、最終的に７０度≦θＳ≦１１０度の範囲が、平坦な膜を成長させることができる条件となる。
【００５２】
平坦な膜を作製する上で、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上の成長面におけるｃ軸のａ軸方向への傾きは、７０度≦θＳ≦９０度を満足する範囲とすることが、望ましいことがわかった。次に、角度の単位をラジアン（ｒａｄ）として、図４に基づき、θＳをΦｍ、Φａを用いて表すと以下のようになる。図４より、角度αは
α＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎΦａ／ｔａｎΦｍ） と表され、
θＳ＝（π／２）−α＝（π／２）−ａｒｃｔａｎ（ｔａｎΦａ／ｔａｎΦｍ）となる。
ここで、θＳをラジアンから度（ｄｅｇ）に変換すると
θＳ＝９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎΦａ／ｔａｎΦｍ）となるので、
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎΦａ／ｔａｎΦｍ）｝≦１１０ と表せる。ここで、良く知られているように、ｔａｎは、正接(tangent)を表し、ａｒｃｔａｎは逆正接(arctangent)を表す。なお、θＳ＝９０度の場合が、ａ軸方向への傾きがなく、ｍ軸方向にのみ傾いている場合である。また、Φｍ、Φａの角度の単位をラジアンでなく、Φｍ度、Φａ度とした場合には、上記不等式は、次のように表わされる。
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（πΦｍ／１８０））｝≦１１０
【００５３】
以上説明したように、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１の積層側の表面の傾斜を作製して、図１に示すＺｎＯ系半導体素子を製造する方法を次に述べる。
【００５４】
まず、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１については、例えば水熱合成法で作られたＺｎＯのインゴットを、前述のように、主面の法線方向が基板結晶軸のｃ軸から少なくともｍ軸方向に傾斜するように、またａ軸方向のオフ角を有する場合はオフ角が一定の範囲になるように、すなわち、図４のΦｍが０度を越えて３度以下の範囲で、かつ、ａ軸方向に傾斜をつける場合には、図４のθＳが７０度以上で１１０度以下の範囲となるように切り出して、ＣＭＰ（chemical mechanical polish）研磨することによりウエハを作る。
【００５５】
なお、基板１のＭｇの混晶比率が０でも、その上に成長するＺｎＯ系半導体の結晶性には殆ど影響ないが、発光させる光の波長（活性層の組成）よりバンドギャップの大きい材料にすることにより、発光した光が基板１により吸収されないため好ましい。
【００５６】
そして、ＺｎＯ系化合物の成長には、ＲＦプラズマで酸素ガスの反応活性を上げた酸素ラジカルを作り出すラジカル源を備えたＭＢＥ装置を用いる。同じラジカル源をｐ型ＺｎＯのドーパントである窒素のために用意する。Ｚｎ源、Ｍｇ源、Ｇａ源（ｎ型ドーパント）は、それぞれ純度６Ｎ（９９．９９９９％）以上の金属Ｚｎ、金属Ｍｇなどを使用して、クヌーセンセル（蒸発源）から供給する。ＭＢＥチャンバの周りには液体窒素が流れるシュラウドを用意し、壁面がセルや基板ヒータからの熱放射で暖まらないようにしておく。そうすることにより、チャンバ内を１×１０−９Ｔｏｒｒ程度の高真空に保つことができる。
【００５７】
このようなＭＢＥ装置内に、ＣＭＰ研磨された前述のＺｎＯからなるウエハ（基板１）を導入後、７００℃〜９００℃程度でサーマルクリーニングをした後、基板温度を８００℃程度に変化させ、ＺｎＯ系半導体層２〜５を順次成長する。
【００５８】
ここで、ｐ型ＺｎＯ系半導体５は、例えば１０〜３０ｎｍ程度の膜厚のｐ型ＺｎＯコンタクト層５で構成されている。活性層周辺部は、活性層３をそれよりバンドギャップの大きいＭｇｙＺｎ１−ｙＯ（０≦ｙ≦０．３５、例えばｙ＝０．２５）からなるｎ型層２およびｐ型層４とでサンドイッチするダブルへテロ構造に形成されている。活性層３は、図示されていないが、例えば下層側からｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ（０≦ｚ≦０．３５、例えばｚ＝０．２）からなり、０〜１５ｎｍ程度の厚さのｎ型ガイド層と、６〜１５ｎｍ程度厚のＭｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層および１〜３ｎｍ程度厚のＺｎＯ層を交互に６周期積層した積層部と、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏからなり、０〜１５ｎｍ程度の厚さのｐ型ガイド層との積層構造に形成された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造に形成され、例えば３６５ｎｍ程度の波長の光を発光するように形成されている。しかし、発光層形成部６の構造は、この例に限定されるものではなく、例えば活性層３が単一量子井戸（ＳＱＷ）構造でも、バルク構造でもよく、また、ダブルへテロ接合構造ではなくて、シングルへテロ接合のｐｎ構造でもよい。さらに、ｎ型層２やｐ型層４も障壁層とコンタクト層との積層構造にしたり、また、ヘテロ接合の層間に勾配層を設けたり、さらには基板側に反射層を形成したりすることもできる。
【００５９】
そして、基板１の裏面を研磨して基板１の厚さを１００μｍ程度にした後に、その裏面に蒸着法やスパッタ等により、Ｔｉ、Ａｌを積層して６００℃、１分程度のシンターすることによりオーミック性を確保したｎ電極９を形成し、さらに、ｐ型コンタクト層５の表面にリフトオフ法により、蒸着法やスパッタ等によりＮｉ／Ａｕの積層構造でｐ電極８を形成し、ダイシングなどウエハからチップ化することにより、図１に示される構造の発光素子チップが形成されている。なお、ｎ側電極９は、基板１の裏面に形成しないで、積層された半導体積層部７の一部をエッチングして露出するｎ型層２の表面に形成することもできる。なお、これらは、簡単な構造例で示したもので、この積層構造に限定されるものではない。
【００６０】
前述の例は、ＬＥＤの例であったが、レーザダイオード（ＬＤ）でも、同様に、成長用基板としてのＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の成長面側におけるＣ面の角度を上述した範囲内で傾斜させておくことで、その上に積層される各ＺｎＯ系半導体層については、平坦性を維持することができ、量子効果の高い半導体レーザを作製することができる。
【００６１】
図２２は、上述したように図４のΦｍが０度を越えて３度以下の範囲で、かつ、ａ軸方向に傾斜をつける場合には、図４のθＳが７０度以上で１１０度以下の範囲となるように形成されたＺｎＯ基板２１の主面上に、ＺｎＯ系半導体層が成長されることにより、トランジスタを構成した断面構造図である。この例では、アンドープのＺｎＯ層２３を４μｍ程度、ｎ型ＭｇＺｎＯ系電子走行層２４を１０ｎｍ程度、アンドープのＭｇＺｎＯ系層２５を５ｎｍ程度、順次成長し、ゲート長とする１．５μｍ程度の幅を残してアンドープのＭｇＺｎＯ系層２５をエッチング除去して電子走行層２４を露出させる。そして、エッチングにより露出した電子走行層２４上にソース電極２６とドレイン電極２７を、例えばＴｉ膜とＡｌ膜とで形成し、アンドープのＭｇＺｎＯ系層２５の表面に、例えばＰｔ膜とＡｕ膜との積層によりゲート電極２８を形成することにより、トランジスタを構成している。
【００６２】
上記のように構成された素子では、ＺｎＯ基板１上に形成される各半導体層において、膜の平坦性が向上しているので、高スイッチング速度のトランジスタ（ＨＥＭＴ）が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明のＺｎＯ系半導体素子における断面構造の一例を示す図である。
【図２】ＺｎＯ系化合物の結晶構造の模式図である。
【図３】基板主面法線と基板結晶軸であるｃ軸、ｍ軸、ａ軸との関係を示す図である。
【図４】ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板主面法線の傾斜状態及びステップエッジとｍ軸との関係示す図である。
【図５】基板主面法線がｍ軸方向にのみオフ角を有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面を示す図である。
【図６】基板主面法線がｍ軸方向及びａ軸方向にオフ角を有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面を示す図である。
【図７】基板主面法線のｍ軸方向及びａ軸方向に対するオフ角によりＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面状態が変化する様子を示す図である。
【図８】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図９】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図１０】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図１１】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角０．１度有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図１２】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角０．５度有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図１３】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角１．５度有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図１４】基板主面法線とｍ軸との間のオフ角毎におけるＺｎＯ膜のＰＬスペクトル分布を示す図である。
【図１５】基板主面法線とｍ軸との間のオフ角毎におけるＺｎＯ膜のＰＬ積分強度及びバンド端発光ピーク／深い準位発光ピークとの関係を示す図である。
【図１６】Ａ面とＭ面との比較により、Ｍ面の熱的安定性を示す図である。
【図１７】Ｍ面の化学的安定性を示す図である。
【図１８】Ｍ面の化学的安定性を示す図である。
【図１９】Ｍ面の化学的安定性を示す図である。
【図２０】結晶成長過程におけるウエハ上のキンク位置を示す図である。
【図２１】基板主面法線のａ軸方向のオフ角が異なるＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面状態を示す図である。
【図２２】本発明により形成したトランジスタの断面構造の一例を示す図である。
【図２３】成長用基板の−Ｃ面上と＋Ｃ面上に成膜した場合の各表面を示す図である。
【図２４】図２３（ｂ）の表面にさらに半導体層を積層した表面を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ ＭｇｘＺｎＯ基板
２ ｎ型層
３ 活性層
４ ｐ型層
５ ｐ型コンタクト層
８ ｐ電極
９ ｎ電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＺｎＯやＭｇＺｎＯ等のＺｎＯ系半導体を用いたＺｎＯ系半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ、ＧａＰＮなどの窒素を含む窒化物半導体よりも多機能性に優れた材料としてＺｎＯ系半導体が注目されている。
【０００３】
ＺｎＯ系半導体は、ワイドギャップ半導体の１つであり、励起子結合エネルギーが格段に大きく、室温でも安定して存在でき、単色性に優れた光子の放出が可能であること等から、照明やバックライト等の光源として用いられる紫外ＬＥＤ、高速電子デバイス、表面弾性波デバイス等で実用化が行われている。
【０００４】
しかし、ＺｎＯ系半導体は、酸素空孔や格子間亜鉛原子による欠陥等が生じることが知られており、この結晶欠陥より、結晶中に寄与しない電子が発生してしまうので、ＺｎＯ系半導体は、通常ｎ型を示すことになり、ｐ型とするには残留する電子の濃度を低減することが必要となるため、ＺｎＯ系半導体層により半導体素子を構成するには、アクセプタードーピングが困難で、再現性良くｐ型ＺｎＯを形成することが困難であった。
【０００５】
しかし、近年、再現性良くｐ型ＺｎＯを得ることができ、発光も確認されるようになってきており、その技術が開示されている。例えば、非特許文献１に示されるようにｐ型ＺｎＯを得ることができるが、ＺｎＯ系半導体を用いた半導体素子を得るためには、成長用の基板としてＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＣＡＭ）基板を用い、ＳＣＡＭ基板のＣ面上に−Ｃ面ＺｎＯが成長するようにしている。−Ｃ面とはＯ（酸素）極性面とも呼ばれ、ＺｎＯ結晶が有しているウルツァイトという結晶構造では、ｃ軸方向に対称性がなく、ｃ軸には＋ｃと−ｃの２つの独立した方向があり、＋ｃではＺｎが結晶の最上面に位置するためにＺｎ極性と、−ｃではＯが結晶の最上面に位置するためにＯ極性とも言われる。
【０００６】
この−Ｃ面ＺｎＯが成長するのは、ＺｎＯ結晶成長用基板として広く用いられているサファイア基板でも同様である。−Ｃ面ＺｎＯ系半導体の結晶成長では、発明者らによる非特許文献２にも示されているように、ｐ型ドーパントである窒素のドーピング効率は成長温度に強く依存し、窒素ドーピングを行うためには基板温度を下げる必要があるが、基板温度を下げると結晶性が低下し、アクセプタを補償するキャリア補償センターが形成されて、窒素が活性化しないので、ｐ型ＺｎＯ系半導体層の形成そのものが非常に難しくなる。
【０００７】
そこで、非特許文献１に示されるように、窒素ドーピング効率の温度依存性を利用し、４００℃と１０００℃との間の成長温度を行き来する温度変調により高キャリア濃度のｐ型ＺｎＯ系半導体層を形成する方法もあるが、絶え間ない加熱と冷却によって膨張・収縮を繰り返すために製造装置への負担が大きく、製造装置が大がかりになり、メンテナンス周期が短くなるといった問題があった。さらに、加熱源としてレーザを使用するため、大きい面積の加熱には不向きで、デバイス製造コストを下げるための多数枚成長も行いにくい。
【０００８】
これを解決する手段として、＋Ｃ面ＺｎＯ系半導体層を成長させて高キャリア濃度のｐ型ＺｎＯ系半導体を形成することを我々は既に提案している（特許文献１参照）。該特許公報は、＋Ｃ面ＺｎＯであれば、窒素ドーピングの基板温度依存性がないという我々の発見に基づいている。これは、サファイア基板のＣ面に下地層である＋Ｃ面ＧａＮ膜を成長させて＋ｃ軸配向とし、この＋ｃ軸配向ＧａＮ膜上に極性を引き継がせて＋ｃ軸配向のＺｎＯ系半導体層を形成することで、窒素ドープの非成長温度依存性を見出した。このため、基板温度を下げることなく窒素ドープができ、その結果、キャリア補償センターの形成を防ぎ、高キャリア濃度のｐ型ＺｎＯ系半導体を製造することができるものである。
【特許文献１】特開平２００４−３０４１６６号公報
【非特許文献１】Nature Material vol.4 (2005) p.42
【非特許文献２】Journal of Crystal Growth 237−239 (2002)503
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記従来技術のように、成長用基板の＋Ｃ面ＧａＮを用いて＋ｃ軸配向のＺｎＯ系半導体層を形成することによって、高キャリア濃度のｐ型ＺｎＯ系半導体を形成することができるのであるが、この方法は、＋Ｃ面ＧａＮの表面の酸化を抑えることが特徴となっているので、酸化物であるＺｎＯでは再現確保が難しい。一方、成長用基板として＋Ｃ面ＺｎＯ基板を使うことができるが、＋Ｃ面ＺｎＯ基板は−Ｃ面ＺｎＯ基板よりも熱的に不安定で平坦面が失われやすく、この上に結晶成長を行うと、ステップバンチングと呼ばれる現象が発生し、平坦部分の幅が一様ではなく、まちまちの面になりやすい。
【００１０】
図２３（ａ）は成長用基板の−Ｃ面を、図２３（ｂ）は成長用基板の＋Ｃ面を大気中１０００℃でアニール処理した後、表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）用い、５μｍ四方の視野でスキャンした像である。図２３（ａ）の結晶は綺麗な表面になっているのに対して、図２３（ｂ）はステップバンチングが生じるとともに、このステップ幅やステップエッジが乱れており、表面状態が悪い。例えば、図２３（ｂ）の表面上にＺｎＯ系化合物のエピタキシャル成長を行えば、図２４に示すような凹凸が散在する膜となってしまい、平坦性が極端に悪くなる。
【００１１】
このように、成長用基板の＋Ｃ面上では、平坦な膜を成長させることが困難であり、最終的に素子の量子効果の低減やスイッチング速度にも影響を与えるという問題があった。
【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、積層側の主面がＣ面を有するＭｇＺｎＯ基板上に平坦なＺｎＯ系半導体層を成長させることができるＺｎＯ系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、主面がＣ面を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板において、前記主面の法線を基板結晶軸のｍ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦｍ度の角度を形成し、前記Φｍは０＜Φｍ≦３の条件を満たすものであって、前記主面にＺｎＯ系半導体層を形成したことを特徴とするＺｎＯ系半導体素子である。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は前記Φｍについて、前記０＜Φｍ≦３の条件を０．１≦Φｍ≦１．５の条件にしたことを特徴とする請求項１記載のＺｎＯ系半導体素子である。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、前記Ｃ面は＋Ｃ面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ＺｎＯ系半導体素子である。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、前記主面の法線を基板結晶軸のａ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦａ度の角度を形成し、前記Φａは
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（Φｍ／１８０））≦１１０
の条件を満たしていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体素子である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のＺｎＯ系半導体素子によれば、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板の主面の法線を基板結晶軸のｍ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦｍ度の角度を形成し、そのΦｍの角度を０＜Φｍ≦３の範囲とすることにより、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の積層側表面に、ｍ軸方向に並ぶ規則的なステップを形成することができるので、ステップバンチングと呼ばれる現象を防ぎ、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に積層される各ＺｎＯ系半導体層の膜の平坦性を向上させることができる。
【００１８】
また、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の主面の法線を基板結晶軸のａ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦａ度の角度を形成する場合には、そのΦａを７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（Φｍ／１８０））≦１１０の範囲にすることにより、ＭｇＺｎＯ基板の成長面のステップがｍ軸方向に並ぶ形とすることができるので、主面上に成長させたＺｎＯ系半導体の膜の平坦性を良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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は本発明によるＺｎＯ系半導体素子の断面構造を示す。
【００２０】
図１は、本発明のＺｎＯ系半導体素子の一実施形態である発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面構造を示し、＋Ｃ面（０００１）を有する主面の法線がｃ軸から傾斜した面を基板主面とするＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、以下同じ）基板１上に、ＺｎＯ系半導体層２〜５がエピタキシャル成長されている。ここで、２はｎ型層、３は活性層、４はｐ型層、５はｐ型コンタクト層を表わす。そして、ｐ型コンタクト層５上にはｐ電極８が、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１の下側にはｎ電極９が形成されている。ＺｎＯ系半導体層は、ＺｎＯ又はＺｎＯを含む化合物から構成されるものであり、したがって、上記ＺｎＯ系半導体素子は、電極８、９を除いて、すべてＺｎＯ又はＺｎＯを含む化合物により構成される。
【００２１】
ところで、上記ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ等のＺｎＯ系化合物における結晶構造の概念図を図２に示す。ＺｎＯ系化合物は、ＧａＮと同様、ウルツァイトと呼ばれる六方晶構造を有する。Ｃ面やａ軸という表現は、いわゆるミラー指数により表すことができ、例えば、Ｃ面は（０００１）面と表される。図２において斜線を付した面がＡ面（１１−２０）であり、Ｍ面（１０−１０）は六方晶構造の柱面を示す。例えば｛１１−２０｝面や｛１０−１０｝面は、結晶のもつ対称性により、（１１−２０）面や（１０−１０）面と等価な面も含む総称であることを示している。また、ａ軸はＡ面の垂直方向を、ｍ軸はＭ面の垂直方向を、ｃ軸はＣ面の垂直方向を示す。
【００２２】
結晶成長の基板となるＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１は、ｘ＝０のＺｎＯでもよいし、Ｍｇが混晶されたＭｇＺｎＯ基板でもよい。Ｍｇが５０ｗｔ％を超えると、ＭｇＯはＮａＣｌ型結晶であるため、六方晶系のＺｎＯ系化合物と整合しにくく相分離を起こしやすいので好ましくない。
【００２３】
また、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１は、図３に示されるように、＋Ｃ面を有する基板主面の法線がｃ軸から傾斜しており、少なくともｃ軸からｍ軸方向に傾斜させた法線を持つ基板主面となるように研磨されている。図３は、基板主面の法線Ｚが、基板結晶軸のｃ軸から角度Φ傾斜し、かつ法線Ｚを基板結晶軸のｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系におけるｃ軸ｍ軸平面に射影（投影）した射影（投影）軸がｍ軸の方へ角度Φｍ、ｃ軸ａ軸平面に射影した射影軸がａ軸の方へ角度Φａ傾斜している場合を示す。
【００２４】
図３のように、基板主面法線Ｚが傾斜している状態を、さらにわかりやすく、ｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系と法線Ｚとの関係について表わしたものが、図４（ａ）である。図３とは基板主面法線Ｚの傾斜する方向が変わっているだけであり、Φ、Φｍ、Φａの意味するところは図３と同じであり、基板主面法線Ｚをｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系におけるｃ軸ｍ軸平面に射影した射影軸Ａ、ｃ軸ａ軸平面に射影した射影軸Ｂが表わされている。
【００２５】
ここで、基板主面の法線をｃ軸からｍ軸方向に傾斜させている理由について説明する。図５（ａ）に示されるのは、＋Ｃ面を有する基板主面の法線Ｚがａ軸方向にも、ｍ軸方向にも傾斜しておらず、＋ｃ軸と一致する場合の模式図である。基板１の主面の鉛直方向となる法線Ｚが＋ｃ軸方向と一致している場合であり、各ａ軸、ｍ軸、ｃ軸は直交している。
【００２６】
しかし、バルク結晶は、その結晶がもつ劈開面を使用しないかぎり、図５（ａ）のようにウエハ主面の法線方向がｃ軸方向と一致することがなく、Ｃ面ジャスト基板にこだわると生産性も悪くなる。現実には、ウエハ主面の法線Ｚはｃ軸から傾き、オフ角を有する。例えば、図５（ｂ）に示されるように、主面の法線Ｚがｃ軸ｍ軸平面内に存在し、かつ法線Ｚがｃ軸からｍ軸方向にのみθ度傾斜しているとすると、基板１の表面部分（例えばＴ１領域）の拡大図である図５（ｃ）に表されるように、平坦な面であるテラス面１ａと、法線Ｚが傾斜したことにより生じる段差部分に等間隔で規則性のあるステップ面１ｂとが生じる。
【００２７】
ここで、テラス面１ａがＣ面（０００１）となり、ステップ面１ｂはＭ面（１０−１０）に相当する。図のように、形成された各ステップ面１ｂは、ｍ軸方向にテラス面１ａの幅を保ちながら、規則的に並ぶことになる。すなわち、テラス面１ａと垂直なｃ軸と基板主面の法線Ｚとはθ度のオフ角を形成する。
【００２８】
図５（ｃ）の状態は、図４で言えば、θＳ＝９０度の場合に相当する。なお、図４のステップエッジは、ステップ面１ｂによる段差部分をａ軸ｍ軸平面に投影したものである。このように、ステップ面をＭ面相当面となるようにすれば、主面上に結晶成長させたＺｎＯ系半導体層においては平坦な膜とすることができる。主面上にはステップ面１ｂによって段差部分が発生するが、この段差部分に飛来した原子は、テラス面１ａとステップ面１ｂの２面との結合になるので、テラス面１ａに飛来した場合よりも原子は強く結合ができ、飛来原子を安定的にトラップすることができる。
【００２９】
表面拡散過程で飛来原子がテラス内を拡散するが、結合力の強い段差部分や、この段差部分で形成されるキンク位置（図２０参照）にトラップされて結晶に組み込まれることによって結晶成長が進む沿面成長により安定的な成長が行われる。このように、基板主面法線が少なくともｍ軸方向に傾斜した基板上に、ＺｎＯ系半導体層を積層させると、ＺｎＯ系半導体層はこのステップ面１ｂを中心に結晶成長が起こり、平坦な膜を形成することができる。
【００３０】
ところで、図５（ｂ）で傾斜角度θを大きくしすぎると、ステップ面１ｂの段差が大きくなりすぎて、平坦に結晶成長しなくなる。図９、１０は、ｍ軸方向への傾斜角度によって、成長膜の平坦性が変わることを示すものである。図９は、上記傾斜角度θを１．５度として、このオフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の主面上にＺｎＯ系半導体を成長させたものである。一方、図１０は、オフ角θを３．５度として、このオフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の主面上にＺｎＯ系半導体を成長させたものである。図９、１０ともに、結晶成長後に、ＡＦＭを用いて、１μｍ四方の視野でスキャンした画像である。具体的にはＺｎＯ基板上にアンドープＺｎＯ膜を形成して、アンドープＺｎＯ膜表面をスキャンした。
【００３１】
図９の方は、ステップの幅が揃った状態で、綺麗な膜が生成されているが、図１０の方は、凹凸が散在しており、平坦性が失われている。以上のことより、オフ角θについては、０度を越える範囲で、かつ３度以下（０＜θ≦３）するのが望ましい。したがって、図４の傾斜角Φｍについても同様のことが言えるので、０度を越える範囲で、かつ３度以下（０＜Φｍ≦３）が好ましい。
【００３２】
次に、上記オフ角θを、さらに、細かく設定して、上記同様、ＺｎＯ基板上にアンドープＺｎＯ膜を形成して、アンドープＺｎＯ膜表面をＡＦＭで観察したものが、図１１〜図１３である。図１１はＺｎＯ基板主面のオフ角θが０．１度の場合、図１２はＺｎＯ基板主面のオフ角θが０．５度の場合、図１３はＺｎＯ基板主面のオフ角θが１．５度の場合を示す。図１１〜図１３ともに、ＺｎＯ基板上にアンドープＺｎＯ膜を基板温度８７０℃で結晶成長させ、ＡＦＭでアンドープＺｎＯ膜表面を撮影したものであり、（ａ）は２０μｍ四方の視野で、（ｂ）は１μｍの視野で撮影した画像を表わす。
【００３３】
これらの画像より、オフ角θが０．１度〜１．５度の範囲では、アンドープＺｎＯ膜表面はステップの幅が揃った状態で、平坦な膜が形成されている。ただ、図１１に示すように、オフ角θが０．１度程度になると、ステップ幅が綺麗にならず、乱れつつある。これは、アンドープＺｎＯ膜の１分子層ステップが保てなくなりつつあるためと考えられる。
【００３４】
次に、図１１〜図１３で調べたアンドープＺｎＯ膜について、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行った結果のスペクトル分布を図１４に示す。ＰＬ測定は、絶対温度１２Ｋ（ケルビン）、回折格子の刻線本数は２４００本／ｍｍで行った。図１４の横軸は発光エネルギー（単位：ｅＶ）を、縦軸はＰＬ強度を示し、ＰＬ測定のときに通常用いられる任意単位（対数スケール）で表す。また、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のスペクトル分布の発光エネルギー３．３５ｅＶ〜３．４０ｅＶまでの範囲を拡大した図を示す。図１４（ａ）、（ｂ）に示されるＸ１はオフ角θが０．１度の場合、Ｘ２はオフ角θが０．５度の場合、Ｘ３はオフ角θが１．５度の場合を示している。また、Ｓはオフ角θが０．５度で、ＺｎＯ基板上に形成されるアンドープＺｎＯ膜の成長温度が８００℃の場合を示す。図１４からわかるように、オフ角θが０．１度〜１．５度の範囲では、オフ角の角度の違いによる効果の相違は見られない。
【００３５】
図１５は、図１１〜図１３及び図１４で用いた同様のアンドープＺｎＯ膜について、ＺｎＯ基板主面法線のオフ角θが０．１度、０．５度、１．５度の角度毎に室温でＰＬ測定を行い図１４のようなスペクトル分布を算出し、そのスペクトルの発光波長３４０ｎｍ〜４４０ｎｍまでを積分した積分値を求めて表示した。また、スペクトル分布には、バンド端発光と深い準位発光とが現われるが、そのときのバンド端発光ピークと深い準位発光ピークの比を求めて図１５に表示した。図１５の横軸は、オフ角θを表わし、左側縦軸は室温におけるＰＬ積分強度（Integrated intensity at RT）を表わす任意単位であり、右側縦軸はバンド端発光ピークと深い準位発光ピークの比（Band/Deep peak int ratio）を表わす。
【００３６】
また、黒丸で示されるＹ２はオフ角θが０．１度、０．５度、１．５度の各角度におけるアンドープＺｎＯ膜のＰＬ積分強度を、白三角（▽）で示されるＹ１は各角度におけるバンド端発光ピークと深い準位発光ピークの比を表す。この図からもわかるようにオフ角θが０．１度の場合は、ＰＬ積分強度もバンド端発光ピークと深い準位発光ピークの比もやや低くなっているが、その他のオフ角については特に効果の相違が見られるものではない。
【００３７】
したがって、オフ角θについて、さらに望ましくは、０．１度≦θ≦１．５度とするのが良い。よって、図４の傾斜角Φｍについても同様のことが言えるので、さらに望ましくは、０．１度≦Φｍ≦１．５度が良い。
【００３８】
以上のように、主面の法線Ｚがｃ軸ｍ軸平面内に存在し、かつ法線Ｚがｃ軸からｍ軸方向にのみ傾斜させ、その傾斜角度を前述のような範囲にすることが望ましいのであるが、より実際的には、ｍ軸方向のみ傾斜させて切り出す場合に限定することは困難で、生産技術としては、ａ軸への傾きも許容し、その許容度を設定することが必要となる。例えば、図４に示されるように、基板主面の法線Ｚが、基板結晶軸のｃ軸から角度Φ傾斜し、かつ法線Ｚを基板結晶軸のｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系におけるｃ軸ｍ軸平面に射影した射影軸がｍ軸の方へ角度Φｍ、ｃ軸ａ軸平面に射影した射影軸がａ軸の方へ角度Φａ傾斜するように主面を作製するようにしても良い。ただし、この場合、ステップ面のステップエッジとｍ軸方向とのなす角θＳについては、一定の範囲内にする必要があることが、発明者らにより実験的に確認された。
【００３９】
ｍ軸方向にステップエッジが規則的に並んでいる状態になることが、平坦な膜を作製する上で必要なことであり、ステップエッジの間隔やステップエッジのラインが乱れると、前述した沿面成長が行われなくなるので、平坦な膜が作製できなくなる。
【００４０】
図４のように、基板主面の法線Ｚがｍ軸方向及びａ軸方向に傾斜している主面は、図６（ａ）のように表される。座標軸の設定等は、図５と同じである。図６（ａ）のように基板結晶軸であるｃ軸ｍ軸ａ軸の直交座標系のａ軸ｍ軸平面に基板主面法線Ｚを投影した投影軸の方向をＬ方向として表す。基板１の表面部分（例えばＴ２領域）の拡大図を図６（ｂ）に示す。平坦な面であるテラス面１ｃと、傾斜させることにより生じる段差部分にステップ面１ｄが生じる。ここで、テラス面がＣ面（０００１）となるが、図５の場合とは異なり、図６（ａ）より、法線Ｚはテラス面と垂直なｃ軸から角度Φ傾斜していることになる。
【００４１】
基板主面の法線方向は、ｍ軸方向だけでなく、ａ軸方向にも傾斜しているために、ステップ面が斜めに出て、ステップ面は、Ｌ方向に並ぶことになる。この状態は、図４に示されるようにＬ方向へのステップエッジ配列となって現われるが、Ｍ面が熱的、化学的に安定面であるため、ａ軸方向の傾斜角度Φａによっては、斜めステップが綺麗には保たれず、ステップ面１ｄに凹凸ができ、ステップエッジの配列に乱れが生じて、主面上に平坦な膜を形成できなくなり、図６（ｂ）のようになる。
【００４２】
上記Ｍ面が熱的、化学的に安定であるということは、発明者らが見出したものであるが、その根拠となるデータを図１６〜図１９に示す。図１６は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面をＡＦＭを用い、５μｍ四方の範囲でスキャンした画像であり、図１７〜図１９は、１μｍ四方の範囲でスキャンした画像である。なお、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板としてはＺｎＯ基板を用いた。
【００４３】
図１６（ａ）は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の露出したＡ面を大気中１１００℃で２時間アニール処理した後、図１６（ｂ）は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の露出したＭ面を大気中１１００℃で２時間アニール処理した後の状態を示す。図１６（ｂ）では、綺麗な表面になっているのに対して、図１６（ａ）では、ステップバンチングが生じるとともに、このステップ幅やステップエッジが乱れており、表面状態が悪い。このことから、Ｍ面が熱的に安定な面であるとわかる。
【００４４】
一方、図１７（ａ）には、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板における主面のｃ軸がａ軸方向及びｍ軸方向に傾き、Ｍ面が綺麗に現われない図６（ｂ）のような表面状態を示す。この表面を５％濃度の塩酸で３０秒間エッチングを行った後の状態を図１７（ｂ）に示す。塩酸によるエッチングにより、図１７（ｂ）に表された六角形の領域で示すように、Ｍ面以外の面が除去されて、Ｍ面が特に現われてくることがわかる。また、図１８（ａ）は、図１７（ａ）とはａ軸方向への傾斜角度が異なるＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面を表し、この表面を５％濃度の塩酸で３０秒間エッチングを行った後の状態を図１８（ｂ）に示す。図１３（ｂ）に表された六角形の領域で示すように、Ｍ面以外の面が除去されて、Ｍ面が特に現われてくることがわかる。
【００４５】
他方、図１９（ａ）は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板における主面の法線Ｚがｍ軸方向のみに傾斜した表面、図５（ｂ）、（ｃ）のような表面状態を示す。Ｍ面のステップエッジがｍ軸と垂直になって配列されていることが示されており、この表面を５％濃度の塩酸で３０秒間エッチングを行った後の状態を図１９（ｂ）に示す。図１９（ｂ）から、エッチングした後でも、表面状態にほとんど変化がないことがわかる。以上の図１７〜図１９までのデータから、Ｍ面は化学的に安定な面であることが理解できる。
【００４６】
上記のように、主面の法線Ｚが、少なくともｃ軸からｍ軸方向に傾斜角度（オフ角）を有し、ａ軸方向にも一定のオフ角を有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の表面を表すのが、図７である。ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の表面をＡＦＭにより撮影した。図７（ａ）は、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の主面における法線Ｚがｃ軸からｍ軸方向のみに傾斜しており、ａ軸方向への傾斜がない状態を示す。図７（ｂ）〜（ｄ）については、ｍ軸方向の傾斜に加えて、ａ軸方向への傾斜を有している場合を示し、そのａ軸方向への傾斜角度が段々と大きくなっていった場合の表面状態を示す。
【００４７】
図７（ａ）は、ｍ軸方向にのみ０．３度傾斜させた表面状態を表しているが、非常に綺麗な表面状態を示しており、ステップエッジが、規則的に並んで現われている。例えば、図７（ａ）のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上にＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長させた例を図８に示す。図８（ａ）は、エピタキシャル成長後の表面をＡＦＭを用い、３μｍ四方の範囲でスキャンした像であり、図８（ｂ）は１μｍ四方の範囲でスキャンした像である。表面状態は、非常に綺麗であり、凹凸の散在は見られない。
【００４８】
しかし、ａ軸方向のオフ角が混じってくると、ステップエッジに凹凸が現われ、ステップ幅も乱れてくるので、これが膜形成に悪影響を及ぼす。
【００４９】
図２１に、成長面（主面）におけるＣ面が、ｍ軸方向のオフ角に加えて、ａ軸方向のオフ角を有する場合に、ステップエッジやステップ幅がどのように変化するかを示す。図４で説明したｍ軸方向のオフ角Φｍを０．４度に固定して、ａ軸方向のオフ角Φａを大きくなるように変化させて比較した。これは、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の切り出し面を変えることにより実現させた。ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の切り出し面を変える場合には、結晶ブールの位置をＸＲＤ（Ｘ線回折装置）で方位を指定すると精度良くカットできる。
【００５０】
ａ軸方向のオフ角Φａを大きくなるように変化させると、ステップエッジとｍ軸方向のなす角θＳも大きくなる方向に変化するので、図１６には、θＳの角度を記載した。図２１（ａ）は、θＳ＝８５度の場合であるが、ステップエッジもステップ幅も乱れていない。図２１（ｂ）は、θＳ＝７８度の場合であるが、やや乱れがあるものの、ステップエッジやステップ幅を確認することができる。図２１（ｃ）は、θＳ＝６５度の場合であるが、乱れが酷くなっており、ステップエッジやステップ幅を確認することができない。図２１（ｃ）の表面状態の上にＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長させれば、図２４のような膜が形成されてしまう。この図２１（ｃ）の場合は、ａ軸方向への傾きΦａに換算すると０．１５度に相当する。以上のデータにより、７０度≦θＳ≦９０度の範囲が望ましいことがわかる。
【００５１】
ところで、θＳについては、主面の法線Ｚがａ軸方向にΦａ度傾斜している場合だけでなく、図４（ａ）において−ａ軸方向に傾斜している場合も対称性により等価なので考慮する必要がある。この傾斜角度を−Φａとし、ステップ面による段差部分をａ軸ｍ軸平面に投影すると、図４（ｃ）のように表される。ここで、ｍ軸とステップエッジとのなす角θｉの条件についても、上記７０度≦θｉ≦９０度が成立する。θＳ＝１８０度−θｉの関係が成立するので、θＳの最大値としては、１８０度−７０度＝１１０度となり、最終的に７０度≦θＳ≦１１０度の範囲が、平坦な膜を成長させることができる条件となる。
【００５２】
平坦な膜を作製する上で、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上の成長面におけるｃ軸のａ軸方向への傾きは、７０度≦θＳ≦９０度を満足する範囲とすることが、望ましいことがわかった。次に、角度の単位をラジアン（ｒａｄ）として、図４に基づき、θＳをΦｍ、Φａを用いて表すと以下のようになる。図４より、角度αは
α＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎΦａ／ｔａｎΦｍ） と表され、
θＳ＝（π／２）−α＝（π／２）−ａｒｃｔａｎ（ｔａｎΦａ／ｔａｎΦｍ）となる。
ここで、θＳをラジアンから度（ｄｅｇ）に変換すると
θＳ＝９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎΦａ／ｔａｎΦｍ）となるので、
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎΦａ／ｔａｎΦｍ）｝≦１１０ と表せる。ここで、良く知られているように、ｔａｎは、正接(tangent)を表し、ａｒｃｔａｎは逆正接(arctangent)を表す。なお、θＳ＝９０度の場合が、ａ軸方向への傾きがなく、ｍ軸方向にのみ傾いている場合である。また、Φｍ、Φａの角度の単位をラジアンでなく、Φｍ度、Φａ度とした場合には、上記不等式は、次のように表わされる。
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（πΦｍ／１８０））｝≦１１０
【００５３】
以上説明したように、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１の積層側の表面の傾斜を作製して、図１に示すＺｎＯ系半導体素子を製造する方法を次に述べる。
【００５４】
まず、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板１については、例えば水熱合成法で作られたＺｎＯのインゴットを、前述のように、主面の法線方向が基板結晶軸のｃ軸から少なくともｍ軸方向に傾斜するように、またａ軸方向のオフ角を有する場合はオフ角が一定の範囲になるように、すなわち、図４のΦｍが０度を越えて３度以下の範囲で、かつ、ａ軸方向に傾斜をつける場合には、図４のθＳが７０度以上で１１０度以下の範囲となるように切り出して、ＣＭＰ（chemical mechanical polish）研磨することによりウエハを作る。
【００５５】
なお、基板１のＭｇの混晶比率が０でも、その上に成長するＺｎＯ系半導体の結晶性には殆ど影響ないが、発光させる光の波長（活性層の組成）よりバンドギャップの大きい材料にすることにより、発光した光が基板１により吸収されないため好ましい。
【００５６】
そして、ＺｎＯ系化合物の成長には、ＲＦプラズマで酸素ガスの反応活性を上げた酸素ラジカルを作り出すラジカル源を備えたＭＢＥ装置を用いる。同じラジカル源をｐ型ＺｎＯのドーパントである窒素のために用意する。Ｚｎ源、Ｍｇ源、Ｇａ源（ｎ型ドーパント）は、それぞれ純度６Ｎ（９９．９９９９％）以上の金属Ｚｎ、金属Ｍｇなどを使用して、クヌーセンセル（蒸発源）から供給する。ＭＢＥチャンバの周りには液体窒素が流れるシュラウドを用意し、壁面がセルや基板ヒータからの熱放射で暖まらないようにしておく。そうすることにより、チャンバ内を１×１０−９Ｔｏｒｒ程度の高真空に保つことができる。
【００５７】
このようなＭＢＥ装置内に、ＣＭＰ研磨された前述のＺｎＯからなるウエハ（基板１）を導入後、７００℃〜９００℃程度でサーマルクリーニングをした後、基板温度を８００℃程度に変化させ、ＺｎＯ系半導体層２〜５を順次成長する。
【００５８】
ここで、ｐ型ＺｎＯ系半導体５は、例えば１０〜３０ｎｍ程度の膜厚のｐ型ＺｎＯコンタクト層５で構成されている。活性層周辺部は、活性層３をそれよりバンドギャップの大きいＭｇｙＺｎ１−ｙＯ（０≦ｙ≦０．３５、例えばｙ＝０．２５）からなるｎ型層２およびｐ型層４とでサンドイッチするダブルへテロ構造に形成されている。活性層３は、図示されていないが、例えば下層側からｎ型ＭｇｚＺｎ１−ｚＯ（０≦ｚ≦０．３５、例えばｚ＝０．２）からなり、０〜１５ｎｍ程度の厚さのｎ型ガイド層と、６〜１５ｎｍ程度厚のＭｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層および１〜３ｎｍ程度厚のＺｎＯ層を交互に６周期積層した積層部と、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏからなり、０〜１５ｎｍ程度の厚さのｐ型ガイド層との積層構造に形成された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造に形成され、例えば３６５ｎｍ程度の波長の光を発光するように形成されている。しかし、発光層形成部６の構造は、この例に限定されるものではなく、例えば活性層３が単一量子井戸（ＳＱＷ）構造でも、バルク構造でもよく、また、ダブルへテロ接合構造ではなくて、シングルへテロ接合のｐｎ構造でもよい。さらに、ｎ型層２やｐ型層４も障壁層とコンタクト層との積層構造にしたり、また、ヘテロ接合の層間に勾配層を設けたり、さらには基板側に反射層を形成したりすることもできる。
【００５９】
そして、基板１の裏面を研磨して基板１の厚さを１００μｍ程度にした後に、その裏面に蒸着法やスパッタ等により、Ｔｉ、Ａｌを積層して６００℃、１分程度のシンターすることによりオーミック性を確保したｎ電極９を形成し、さらに、ｐ型コンタクト層５の表面にリフトオフ法により、蒸着法やスパッタ等によりＮｉ／Ａｕの積層構造でｐ電極８を形成し、ダイシングなどウエハからチップ化することにより、図１に示される構造の発光素子チップが形成されている。なお、ｎ側電極９は、基板１の裏面に形成しないで、積層された半導体積層部７の一部をエッチングして露出するｎ型層２の表面に形成することもできる。なお、これらは、簡単な構造例で示したもので、この積層構造に限定されるものではない。
【００６０】
前述の例は、ＬＥＤの例であったが、レーザダイオード（ＬＤ）でも、同様に、成長用基板としてのＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板の成長面側におけるＣ面の角度を上述した範囲内で傾斜させておくことで、その上に積層される各ＺｎＯ系半導体層については、平坦性を維持することができ、量子効果の高い半導体レーザを作製することができる。
【００６１】
図２２は、上述したように図４のΦｍが０度を越えて３度以下の範囲で、かつ、ａ軸方向に傾斜をつける場合には、図４のθＳが７０度以上で１１０度以下の範囲となるように形成されたＺｎＯ基板２１の主面上に、ＺｎＯ系半導体層が成長されることにより、トランジスタを構成した断面構造図である。この例では、アンドープのＺｎＯ層２３を４μｍ程度、ｎ型ＭｇＺｎＯ系電子走行層２４を１０ｎｍ程度、アンドープのＭｇＺｎＯ系層２５を５ｎｍ程度、順次成長し、ゲート長とする１．５μｍ程度の幅を残してアンドープのＭｇＺｎＯ系層２５をエッチング除去して電子走行層２４を露出させる。そして、エッチングにより露出した電子走行層２４上にソース電極２６とドレイン電極２７を、例えばＴｉ膜とＡｌ膜とで形成し、アンドープのＭｇＺｎＯ系層２５の表面に、例えばＰｔ膜とＡｕ膜との積層によりゲート電極２８を形成することにより、トランジスタを構成している。
【００６２】
上記のように構成された素子では、ＺｎＯ基板１上に形成される各半導体層において、膜の平坦性が向上しているので、高スイッチング速度のトランジスタ（ＨＥＭＴ）が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明のＺｎＯ系半導体素子における断面構造の一例を示す図である。
【図２】ＺｎＯ系化合物の結晶構造の模式図である。
【図３】基板主面法線と基板結晶軸であるｃ軸、ｍ軸、ａ軸との関係を示す図である。
【図４】ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板主面法線の傾斜状態及びステップエッジとｍ軸との関係示す図である。
【図５】基板主面法線がｍ軸方向にのみオフ角を有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面を示す図である。
【図６】基板主面法線がｍ軸方向及びａ軸方向にオフ角を有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面を示す図である。
【図７】基板主面法線のｍ軸方向及びａ軸方向に対するオフ角によりＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面状態が変化する様子を示す図である。
【図８】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図９】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図１０】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図１１】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角０．１度有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図１２】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角０．５度有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図１３】基板主面法線がｍ軸方向にオフ角１．５度有する場合のＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板上に成膜した表面を示す図である。
【図１４】基板主面法線とｍ軸との間のオフ角毎におけるＺｎＯ膜のＰＬスペクトル分布を示す図である。
【図１５】基板主面法線とｍ軸との間のオフ角毎におけるＺｎＯ膜のＰＬ積分強度及びバンド端発光ピーク／深い準位発光ピークとの関係を示す図である。
【図１６】Ａ面とＭ面との比較により、Ｍ面の熱的安定性を示す図である。
【図１７】Ｍ面の化学的安定性を示す図である。
【図１８】Ｍ面の化学的安定性を示す図である。
【図１９】Ｍ面の化学的安定性を示す図である。
【図２０】結晶成長過程におけるウエハ上のキンク位置を示す図である。
【図２１】基板主面法線のａ軸方向のオフ角が異なるＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板表面状態を示す図である。
【図２２】本発明により形成したトランジスタの断面構造の一例を示す図である。
【図２３】成長用基板の−Ｃ面上と＋Ｃ面上に成膜した場合の各表面を示す図である。
【図２４】図２３（ｂ）の表面にさらに半導体層を積層した表面を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ ＭｇｘＺｎＯ基板
２ ｎ型層
３ 活性層
４ ｐ型層
５ ｐ型コンタクト層
８ ｐ電極
９ ｎ電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面がＣ面を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板において、前記主面の法線を基板結晶軸のｍ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦｍ度の角度を形成し、前記Φｍは
０＜Φｍ≦３の条件を満たすものであって、前記主面にＺｎＯ系半導体層を形成したことを特徴とするＺｎＯ系半導体素子。
【請求項２】
前記Φｍについて、前記０＜Φｍ≦３の条件を０．１≦Φｍ≦１．５の条件にしたことを特徴とする請求項１記載のＺｎＯ系半導体素子。
【請求項３】
前記Ｃ面は＋Ｃ面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ＺｎＯ系半導体素子。
【請求項４】
前記主面の法線を基板結晶軸のａ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦａ度の角度を形成し、前記Φａは
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（Φｍ／１８０））≦１１０
の条件を満たしていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体素子。
【請求項１】
主面がＣ面を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板において、前記主面の法線を基板結晶軸のｍ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦｍ度の角度を形成し、前記Φｍは
０＜Φｍ≦３の条件を満たすものであって、前記主面にＺｎＯ系半導体層を形成したことを特徴とするＺｎＯ系半導体素子。
【請求項２】
前記Φｍについて、前記０＜Φｍ≦３の条件を０．１≦Φｍ≦１．５の条件にしたことを特徴とする請求項１記載のＺｎＯ系半導体素子。
【請求項３】
前記Ｃ面は＋Ｃ面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ＺｎＯ系半導体素子。
【請求項４】
前記主面の法線を基板結晶軸のａ軸ｃ軸平面に射影した射影軸がｃ軸とΦａ度の角度を形成し、前記Φａは
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（Φｍ／１８０））≦１１０
の条件を満たしていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１４】
【図１５】
【図２０】
【図２２】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１４】
【図１５】
【図２０】
【図２２】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２００９−１３０１３３（Ｐ２００９−１３０１３３Ａ）
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０３５４２（Ｐ２００７−３０３５４２）
【出願日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【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６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【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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