ＺｎＯ系半導体素子
【課題】ＺｎＯ系半導体からなるアクセプタドープ層を含む積層体を形成する場合に、アクセプタ元素の濃度を低下させずに、アクセプタドープ層又はアクセプタドープ層以降の層の平坦性が悪くなるのを抑制することができるＺｎＯ系半導体素子を提供する。
【解決手段】ＺｎＯ基板１上にｎ型ＭｇＺＺｎＯ層２、アンドープＭｇＺｎＯ層３、ＭＱＷ活性層４、アンドープＭｇＸＺｎＯ層５、アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ層６が順に積層されている。アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ（０≦Ｙ＜１）層６は、アクセプタ元素を少なくとも１種類含んでおり、この層に接してアンドープＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ＜１）層５が形成されている。このため、アクセプタドープ層にアクセプタ元素を十分取り込むことができるとともに、アクセプタドープ層の表面平坦性は良くなる。
【解決手段】ＺｎＯ基板１上にｎ型ＭｇＺＺｎＯ層２、アンドープＭｇＺｎＯ層３、ＭＱＷ活性層４、アンドープＭｇＸＺｎＯ層５、アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ層６が順に積層されている。アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ（０≦Ｙ＜１）層６は、アクセプタ元素を少なくとも１種類含んでおり、この層に接してアンドープＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ＜１）層５が形成されている。このため、アクセプタドープ層にアクセプタ元素を十分取り込むことができるとともに、アクセプタドープ層の表面平坦性は良くなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＺｎＯ又はＭｇＺｎＯで構成されたアクセプタドープ層を積層構造に含むＺｎＯ系半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＺｎＯ系半導体は、照明やバックライト等用の光源として使用される紫外ＬＥＤ、高速電子デバイス、表面弾性波デバイス等への応用が期待されている。ＺｎＯ系半導体はその多機能性、発光ポテンシャルの大きさなどが注目されていながら、なかなか半導体デバイス材料として成長しなかった。その最大の難点は、アクセプタドーピングが困難で、Ｐ型ＺｎＯを得ることができなかったことにある。
【０００３】
しかし、近年、非特許文献１や非特許文献２に見られるように、技術の進歩により、Ｐ型ＺｎＯを得ることができるようになり、発光も確認されるようになってきた。ｐ型ＺｎＯを得るためのアクセプタとして窒素を用いることが提案されているが、K.Nakahara et al.,Journal of Crystal Growth 237-239(2002)p.503 に示されているように、アクセプタとして窒素をドーピングする場合は、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（自己補償効果）、ｐ型ＺｎＯ層の形成そのものが非常に難しくなる。
【０００４】
そこで、非特許文献２に示されるように、成長の主面を−Ｃ面とし、窒素ドーピング効率の温度依存性を利用して、４００℃と１０００℃との間の成長温度を行き来する反復温度変調法（Repeated Temperature Modulation：ＲＴＭ）により高キャリア濃度のｐ型ＺｎＯ層を形成する方法がある。
【０００５】
しかし、上記の方法では、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。また、低温度部分がドープ量を決定するため、温度を正確に制御する必要があるが、４００℃と１０００℃を短時間に正確に制御するのは難しく、再現性・安定性が悪い。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。ＲＴＭが必要なのは、ＺｎＯ基板の−Ｃ面を結晶成長に用いると、低温度にしなければ窒素が入らないためであり、−Ｃ面成長に特有のものである。
【０００６】
一方、成長用基板としてＺｎＯ基板の＋Ｃ面を使用すると窒素が入り易くなることは、例えば、非特許文献３に示されるように、既に知られている。そこで、我々は＋Ｃ面ＺｎＯ基板上にＺｎＯ系薄膜を＋Ｃ面成長させる研究を行った結果、ＺｎＯ薄膜ではなく、ＭｇＺｎＯ薄膜の方がｐ型化しやすいこと、ＲＴＭを使用せずに、一定温度の成長でもｐ型化が可能であることを見出しており、既に出願した特願２００７−２５１４８２号等に詳く説明している。
【非特許文献１】A.Tsukazaki et al.,JJAP 44(2005)L643
【非特許文献２】A.Tsukazaki et al Nture Material 4(2005)42
【非特許文献３】M.Sumiya et al.,Applied Surface Science 223(2004)p.206
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記のような手法を用いた場合でも、まだ、問題が残されている。それは、半導体素子の積層構造を作製する場合に発生する。ＺｎＯ系薄膜を積層する場合は、薄膜の平坦性が重要になる。薄膜の平坦性が良くないとキャリアが薄膜中を移動するときの抵抗になったり、積層構造の上層になるほど、表面荒れが大きくなり、その表面荒れのためにエッチング深さの均一性が取れなかったり、表面荒れによる異方的な結晶面の成長が起こったり、といった問題が発生しやすく、半導体デバイスとしての所望の機能を発揮させるのが困難になりやすい。そのため、通常は薄膜表面はできるだけ平坦なことが望まれる。
【０００８】
平坦なＺｎＯ系薄膜を積層するためには、既出願特願２００８−５９８７や特願２００７−２７１８２に示したように、７５０℃以上の成長温度が必要であり、ＭｇＺｎＯになると、更に高温でなければ平坦な膜を形成することができない。一方、ＺｎＯ系薄膜を＋Ｃ面成長させると窒素は入り易くなるが、成長温度依存性がなくなるわけではなく、高温になるほど、窒素は入り難くなる。
【０００９】
ＺｎＯ系薄膜のｎ型層の場合は、高温で結晶成長させても、ｎ型不純物のドープや膜の平坦性に問題が発生しない。ところが、アクセプタドープ層を作製するときには、アクセプタ元素のドープ濃度を高めるために、上記のように成長温度を下げることが必要である。しかし、成長温度を下げると、膜の表面荒れが発生する。このため、ＺｎＯ系薄膜を積層する場合、ｎ型層作製後にアクセプタドープ層を積層するとアクセプタドープ層に表面荒れが発生し、一方、アクセプタドープ層を作製後にｎ型層を積層するとｎ型層にアクセプタドープ層の荒れが伝搬して表面平坦性が悪くなり、半導体デバイスとしての所望の機能を発揮できないという問題があった。
【００１０】
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、ＺｎＯ系半導体からなるアクセプタドープ層を含む積層体を形成する場合に、アクセプタ元素の濃度を低下させずに、アクセプタドープ層又はアクセプタドープ層以降の層の平坦性が悪くなるのを抑制することができる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】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上にＺｎＯ系半導体を結晶成長より積層して形成されるＺｎＯ系半導体素子であって、ＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０≦Ｙ＜１）層で構成されアクセプタ元素を少なくとも１種類含むアクセプタドープ層を含み、前記アクセプタドープ層に接してアンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ＜１）層が形成されていることを特徴とするＺｎＯ系半導体素子である。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、基板上にＺｎＯ系半導体を結晶成長より積層して形成されるＺｎＯ系半導体素子であって、ＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０≦Ｙ＜１）層で構成されアクセプタ元素を少なくとも１種類含むアクセプタドープ層と、ドナー元素を少なくとも１種類は含むｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ（０≦Ｚ＜１）層とを含み、前記アンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層は、前記アクセプタドープ層とｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層の間に位置するとともに、この２つの層のいずれか１方に接して形成されていることを特徴とするＺｎＯ系半導体素子である。
【００１３】
また、請求項３記載の発明は、前記アクセプタドープ層の方が基板に近い側に形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。
【００１４】
また、請求項４記載の発明は、前記アンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層のＭｇ組成Ｘは、０＜Ｘ≦０．５の範囲であ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。
【００１５】
また、請求項５記載の発明は、前記アクセプタドープ層のアクセプタ元素の少なくとも１つは、窒素であることを特徴とする請求項１〜請求項４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６記載の発明は、前記ｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層のドナー元素の少なくとも１つは、III族元素であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体素子である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＺｎＯ系半導体からなるアクセプタドープ層を含む積層体を形成する場合に、アクセプタドープ層に接してアンドープ又はドナードープＭｇＺｎＯ層を形成している。また、積層体にアクセプタドープ層とｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層と含んでいる場合には、アンドープ又はドナードープＭｇＺｎＯ層は、アクセプタドープ層とｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層の間に位置するとともに、この２つの層のいずれか１方に接して形成されている。したがって、ＭｇＺｎＯ層の下地効果により、アクセプタドープ層のアクセプタ元素濃度を低下させずに、アクセプタドープ層又はアクセプタドープ層以降の層の平坦性の悪化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明のＺｎＯ系半導体素子の積層構造の一例を示す。
【００１９】
成長用基板としてのＺｎＯ基板１上にｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ（０≦Ｚ＜１）層２、アンドープＭｇＺｎＯ層３、ＭＱＷ活性層４、アンドープＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ＜１）層５、アクセプタドープＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０＜Ｙ＜１）層６が順に積層されている。ここで、ｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層２、アンドープＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層５、アクセプタドープＭｇＹＺｎ１−ＹＯ層６等の表記を簡単にするために、各々、ｎ型ＭｇＺＺｎＯ層２、アンドープＭｇＸＺｎＯ層５、アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ層６と記載する。以下、他の表記についても同様とする。
【００２０】
また、ＺｎＯ系半導体又はＺｎＯ系薄膜というのは、ＺｎＯ又はＺｎＯを含む化合物から構成されるものであり、具体例としては、ＺｎＯの他、IIＡ族元素とＺｎ、IIＢ族元素とＺｎ、またはIIＡ族元素およびIIＢ族元素とＺｎのそれぞれの酸化物を含むものを意味する。
【００２１】
ＭＱＷ活性層４は、例えば、障壁層Ｍｇ０．１５ＺｎＯと井戸層ＺｎＯを交互に積層した多重量子井戸構造に形成されている。アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ層６は、アクセプタ元素を少なくとも１種類ドーピングされている。アクセプタ元素としては、窒素、燐、砒素、リチウム、銅等が用いられる。ｎ型ＭｇＺＺｎＯ層２に添加されるドナー元素には、III族元素のうちから、少なくとも１種類が選択される。したがって、２種類以上ドーピングしても良く、ドナー元素としては、Ｂ（ホウ素）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）等がある。
【００２２】
また、アンドープＭｇＸＺｎＯ層５は、請求の範囲に記載したアンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ＜１）層に相当するもので、ドナードープＭｇＸＺｎＯ層としても良い。この場合のドナー元素については、ｎ型ＭｇＺＺｎＯ層２の場合と同様に選択することができる。また、アンドープＭｇＸＺｎＯ層５については、上記のように、Ｍｇ組成が０＜Ｘの範囲であり、Ｍｇが必ず含まれたＭｇＺｎＯで構成されている。一方、Ｍｇ組成の上限については、０＜Ｘ≦０．５とすることが望ましい。これは、現在、均一なＭｇＺｎＯ混晶を作製できるＭｇ組成比率は５０％以下であるためで、より確実に均一なＭｇＺｎＯ混晶を作製するには、Ｍｇ組成比率は３０％以下とすることがさらに好ましい。
【００２３】
ここで、ＺｎＯ（酸化亜鉛）又はＭｇＺｎＯ（酸化マグネシウム亜鉛）にドナー元素をドープした場合には、通常、ｎ型になるが、アクセプタ元素をドープした場合は、ドープ量にもよるが、自己補償効果等によりアクセプタ元素が必ずしも活性化せず、ｐ型半導体にならない場合があるので、アクセプタドープ層とは、ｐ型半導体及びｉ型半導体（真性半導体）を含むものである。
【００２４】
図１の構造で特徴的な点は、アクセプタドープ層を作製するときに、アンドープＭｇＺｎＯ層を下地に用いていることである。このように、ＺｎＯ系半導体を積層する場合に、ｎ型層からアクセプタドープ層までの間にアンドープＭｇＺｎＯ層を挿入することにより、アクセプタドープ層にアクセプタ元素を多く取り込むことができるとともに、アクセプタドープ層の表面荒れを防止することができる。
【００２５】
以下、上記作用効果について説明する。まず、背景技術のところで述べたように、ＺｎＯ基板の＋Ｃ面を用い、ＺｎＯ系薄膜を＋Ｃ面成長させるとアクセプタ元素は入り易くなるが、成長温度依存性がなくなるわけではなく、高温になるほど、アクセプタ元素は入り難くなる。
【００２６】
図５は、結晶成長温度（基板温度）とＺｎＯ薄膜中の窒素濃度との関係を示す。これは、ＺｎＯ基板の＋Ｃ面上に、アクセプタ元素の一種である窒素をドーピングしながら、ＺｎＯ薄膜を成長させた結果である。縦軸は窒素をドープしたときにＺｎＯ薄膜に取り込まれる窒素濃度（ｃｍ−３）を示し、横軸は成長温度（基板温度：単位℃）を示す。図３に示すように、ＺｎＯ系薄膜では、＋Ｃ面を用いてもアクセプタ元素の一種である窒素濃度に温度依存性があり、ドープされる窒素濃度は低温度ほど上昇する。したがって、十分窒素を取り込んで、ＺｎＯ系薄膜をｐ型化するには、基板温度を下げれば良いのであるが、基板温度を下げた場合には、以下のような表面平坦性の問題が発生する。
【００２７】
ＺｎＯ薄膜を形成する場合の表面平坦性と成長温度との関係については、既出願の特願２００８−５９８７に詳しいのであるが、要点を再度説明する。基板温度（成長温度）を変化させて、ＭｇＺｎＯ基板上にＺｎＯ薄膜を結晶成長させ、基板温度毎のＺｎＯの表面の平坦性を数値として表し、それらをグラフにしたものが図７である。図７の縦軸Ｒａ（単位はｎｍ）は、膜表面の算術平均粗さを表す。算術平均粗さＲａとは、粗さ曲線から求められる。
【００２８】
粗さ曲線は、例えば、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）測定等により観察された膜表面の凹凸を、所定のサンプリングポイントで測定し、凹凸の大きさをこれらの凹凸の平均値とともに示したものである。そして、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｌだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計して、平均した値のことである。算術平均粗さＲａ＝（１／ｌ）×∫｜ｆ（ｘ）｜ｄｘ（積分区間は０〜ｌまで）と表される。このようにすることで、１つの傷が測定値に及ぼす影響が非常に小さくなり、安定した結果が得られる。なお、算術平均粗さＲａ等の表面粗さのパラメータは、ＪＩＳ規格で規定されているものであり、これらを用いている。
【００２９】
以上のように算出された算術平均粗さＲａを縦軸にし、基板温度を横軸にして表示したのが図７である。図７の黒三角（▲）は、基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸（●）は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。図７からもわかるように、基板温度が７５０℃を境にして基板温度が高くなれば、急激に表面の平坦性が向上していることがわかる。
【００３０】
図８は、図７と同じ測定データから、膜表面の二乗平均粗さＲＭＳを求めたものである。二乗平均粗さＲＭＳは、粗さ曲線の平均線から測定曲線までの偏差の二乗を合計し、平均した値の平方根を表す。算術平均粗さＲａを算出する際の基準長さｌを用いて、
ＲＭＳ＝｛（１／ｌ）×∫（ｆ（ｘ））２ｄｘ｝１／２（積分区間は０〜ｌまで）となる。
【００３１】
図８は縦軸に二乗平均粗さＲＭＳを、横軸に基板温度を示したものである。ここで、黒三角（▲）は、基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸（●）は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。基板温度については、図７と同様、７５０℃を境にして基板温度が高くなれば、急激に表面の平坦性が向上していることがわかる。
【００３２】
したがって、ＺｎＯ系材料層上にＺｎＯ系薄膜を成長させる場合は、基板温度を７５０℃以上にしてエピタキシャル成長させれば、平坦性の良い膜が得られ、積層構造の最上層においても平坦な膜が得られる。
【００３３】
しかし、図５のように、＋Ｃ面成長であっても、窒素ドープ量は成長温度に依存しており、窒素ドープ量を十分に得る場合には、ＺｎＯ系薄膜の成長温度を７５０℃未満にしなければならないことになるが、図７、８より７５０℃未満では表面平坦性が極端に悪くなる。加えて、ＭｇＺｎＯのステップフロー成長温度は、ＺｎＯよりも高温である。
【００３４】
図６は、ＭｇＺｎＯのステップフロー成長温度が高くなることを示しており、図６（ａ）は、ＺｎＯ基板上に成長させたＺｎＯ薄膜表面をＡＦＭを用い、２μｍ四方の範囲でスキャンした画像、図６（ｂ）は、ＺｎＯ基板上に成長させたＭｇＺｎＯ薄膜表面をＡＦＭを用い、２μｍ四方の範囲でスキャンした画像である。
【００３５】
図６（ａ）のＺｎＯ薄膜は、成長温度７９０℃、図６（ｂ）のＭｇＺｎＯ薄膜の成長温度８８０℃である。ＭｇＺｎＯ薄膜では成長温度８８０℃程度で表面平坦性が保たれているが、ＺｎＯ薄膜では７９０℃でも表面平坦性は維持されている。このように、ＭｇＺｎＯ薄膜の方がＺｎＯ薄膜よりも高温での成長が必要であり、窒素ドープ濃度を高めるために成長温度を低温にした場合、ＭｇＺｎＯ薄膜の表面平坦性に与える影響はより大きいと考えられる。
【００３６】
既出願の特願２００７−２２１１９８でも説明したが、ＺｎＯ系半導体において、表面荒れは意図しない不純物ドープの原因になり、ｐ型化の障害になる。不純物のうち、特に、Ｓｉについては、Ｏ２をプラズマ化して活性酸素をつくるラジカルセル内の放電管の構成元素であり、最も多く混入する。Ｓｉは取り込まれると、ドナーとして働くので、Ｓｉ混入濃度が高くなると、ｐ型化が困難になる。したがって、膜表面を平坦化しておくことは重要である。
【００３７】
そこで、図１のように、アクセプタドープ層を作製するときに、アンドープ又はドナードープＭｇＺｎＯ層を下地に用いることで、アクセプタドープ層の表面平坦性を改善する。アクセプタドープ層を作製するときにＭｇＺｎＯ層を下地に用いた場合と用いなかった場合との効果の違いを示すのが図２である。図２（ａ）は、ＺｎＯ基板４１上に、ＧａドープＭｇＺｎＯ層４２、アンドープＭｇＺｎＯ層４３、積層体４４、アンドープＺｎＯ層４５、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６と順に形成した。ＧａドープＭｇＺｎＯ層４２〜アンドープＺｎＯ層４５までは、成長温度９００℃で成長させ、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６は、窒素濃度を高めるために低温の成長温度８３０℃で成長させた。
【００３８】
一方、図２（ｂ）は、ＺｎＯ基板４１上に、ＧａドープＭｇＺｎＯ層４２、アンドープＭｇＺｎＯ層４３、積層体４４、アンドープＭｇＺｎＯ層５０、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６と順に形成した。ＧａドープＭｇＺｎＯ層４２〜アンドープＭｇＺｎＯ層５０までは、成長温度９００℃で成長させ、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６は、窒素濃度を高めるために低温の成長温度８３０℃で成長させた。
【００３９】
積層体４４は、超格子層であり、アンドープＺｎＯとアンドープＭｇＺｎＯとを交互に１０周期積層した積層体で構成している。また、ＧａドープＭｇＺｎＯ層４２がｎ型ＭｇＺＺｎＯ層に、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６がアクセプタドープ層（ＭｇＹＺｎＯ層）に、アンドープＭｇＺｎＯ層５０がアンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎＯ層に該当する。
【００４０】
図２の（ａ）と（ｂ）では、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６の下地にアンドープＺｎＯ層４５を用いているか、アンドープＭｇＺｎＯ層５０を用いているかの違いだけで、他の層構造や成長温度等も同じである。これらの最上層の表面状態の比較を示すのが図３である。図３（ａ）が図２（ａ）の最上層の窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６の表面を、図３（ｂ）が図２（ｂ）の最上層の窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６の表面を示す。これらは、ＡＦＭ測定でスキャンされた画像である。図３（ｂ）の方が、荒れがなく綺麗な表面となっており、図２（ｂ）で窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６の下地にアンドープＭｇＺｎＯ層５０を用いたことによる効果であると考えられる。
【００４１】
次に、図１の構造のＺｎＯ系半導体素子の製造方法を説明する。＋Ｃ面ＺｎＯ基板１をｐＨ３以下の酸性溶液でウエットエッチングし、研磨ダメージ層を除去する。ロードロック室を介して、５×１０−７パスカル程度のバックグランド真空を有するＭＢＥ装置にＺｎＯ基板１を導入する。サーモグラフィで温度計測しながら、ＺｎＯ基板１を７００℃〜１０００℃で加熱し、大気中で付着したＨ２Ｏ、炭化水素系有機物を昇華させる（サーマルクリーニング）。
【００４２】
成長温度９００℃で、ｎ型ＭｇＺＺｎＯ層２としてＧａドープＭｇＺｎＯ層を用い、ＧａドープＭｇＺｎＯ層／アンドープＭｇＺｎＯ層／ＭＱＷ活性層を成長させる。ＭＱＷ活性層４は、例えば、井戸層ＺｎＯを膜厚１．５ｎｍ、障壁層Ｍｇ０．１５ＺｎＯを膜厚６ｎｍで５周期程度繰り返して形成する。このとき、ＭＱＷ活性層４にＺｎＯ層が含まれていても良いが、ＭＱＷ活性層４の最終層がＺｎＯ層となる場合には、図１のように、ＭＱＷ活性層４上に例えばアンドープＭｇＸＺｎＯ層５としてアンドープＭｇ０．０５ＺｎＯ層を成長温度９００℃で形成する。次に、成長温度を８５０℃に下げ、ＮＯ（一酸化窒素）ガスをプラズマクラッキングして導入し、アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ層６として窒素ドープＭｇ０．１５ＺｎＯを成長させる。
【００４３】
以上のように、アクセプタドープ層の下地にアンドープＭｇＺｎＯ層を用いると、アクセプタドープ層形成時に、成長温度を下げても表面平坦性を良くできるので、アクセプタ元素を十分取り込むことができる。このことを応用すれば、上述した発光素子の場合以外の素子、例えば、ＭＯＳ型やＭＩＳ型のＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）やＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）等にも適用できる。
【００４４】
例えば、トレンチタイプのＭＯＳＦＥＴを作製する場合には、ｐ型層をチャネル層とするＮＰＮ構造のものもある。ＮＰＮ構造を製造する場合には、ｐ型層からｎ型層へ成長過程が移行する際、基板温度を上昇させるが、このときにｐ型ＺｎＯがｐ型層の最終層であると、ｐ型ＺｎＯは、高温度で欠陥が生じやすいため、ｐ型ＺｎＯが表面荒れを起こし、さらに、その上に形成されるｎ型層にも表面荒れが伝搬して表面平坦性が悪化する。この場合も、ｐ型層の上層をアンドープＭｇＺｎＯ又はドナードープＭｇＺｎＯを形成しておくことにより、その後のｎ型層を表面荒れなく形成することができる。
【００４５】
ＭＯＳ型のトランジスタには、ＮＰＮ構造が用いられるが、その層構造のみを示したのが図４（ａ）である。ＺｎＯ基板２１上にｎ型ＭｇＺｎＯ層２２、アクセプタドープＺｎＯ層２３、アンドープＭｇＺｎＯ層２４、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５が形成されている。アクセプタドープＭｇＺｎＯ層２３がｐ型層になり、ＮＰＮ構造を形成する。ドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層に相当するｎ型ＭｇＺｎＯ層２２を下地としてアクセプタドープ層に相当するアクセプタドープＭｇＺｎＯ層２３が形成されているので、アクセプタ元素のドープ量を確保できるとともに、アクセプタドープＭｇＺｎＯ層２３の表面平坦性は良くなる。仮に、アクセプタドープＭｇＺｎＯ層２３の表面平坦性が悪くなったとしても、アンドープＭｇＺｎＯ層２４を下地としてｎ型ＭｇＺｎＯ層２５が作製されているので、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５にまで、表面荒れは伝搬しない。
【００４６】
図４（ｂ）は、アクセプタドープ層が２層形成されている場合の積層構造例を示す。ＺｎＯ基板３１上にアクセプタドープＺｎＯ層３２、アンドープＭｇＺｎＯ層３３、ｎ型ＺｎＯ層３４、アクセプタドープＺｎＯ層３５、アンドープＭｇＺｎＯ層３６、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３７が形成されている。アクセプタドープＭｇＺｎＯ層３２、３５の各上層には、各々アンドープＭｇＺｎＯ層３３、３６（アンドープＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層に相当）が形成されており、アクセプタドープ層の表面荒れが上層に伝搬しないようになっている。
【００４７】
このように、アクセプタドープ層を作製するまでの層やアクセプタドープ層よりも後の層にアンドープＭｇＺｎＯ層又はドナードープＭｇＺｎＯ層を用いることによって、アクセプタドープ層やこれよりも上層の平坦性の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のＺｎＯ系半導体素子の積層構造の一例を示す図である。
【図２】アクセプタドープ層の下地にＭｇＺｎＯとＺｎＯを用いた場合の積層構造の違いを示す図である。
【図３】図２の各積層構造に対応したアクセプタドープ層表面の状態を示す図である。
【図４】本発明のＺｎＯ系半導体素子の積層構造の他の例を示す図である。
【図５】窒素濃度の成長温度依存性を示す図である。
【図６】平坦なＭｇＺｎＯとＺｎＯを作製する場合の成長温度の違いを示す図である。
【図７】ＺｎＯ系薄膜表面の算術平均粗さと基板温度との関係を示す図である。
【図８】ＺｎＯ系薄膜表面の二乗平均粗さと基板温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ ＺｎＯ基板
２ ｎ型ＭｇＺＺｎＯ層
３ アンドープＭｇＺｎＯ層
４ ＭＱＷ活性層
５ アンドープＭｇＸＺｎＯ層
６ アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＺｎＯ又はＭｇＺｎＯで構成されたアクセプタドープ層を積層構造に含むＺｎＯ系半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＺｎＯ系半導体は、照明やバックライト等用の光源として使用される紫外ＬＥＤ、高速電子デバイス、表面弾性波デバイス等への応用が期待されている。ＺｎＯ系半導体はその多機能性、発光ポテンシャルの大きさなどが注目されていながら、なかなか半導体デバイス材料として成長しなかった。その最大の難点は、アクセプタドーピングが困難で、Ｐ型ＺｎＯを得ることができなかったことにある。
【０００３】
しかし、近年、非特許文献１や非特許文献２に見られるように、技術の進歩により、Ｐ型ＺｎＯを得ることができるようになり、発光も確認されるようになってきた。ｐ型ＺｎＯを得るためのアクセプタとして窒素を用いることが提案されているが、K.Nakahara et al.,Journal of Crystal Growth 237-239(2002)p.503 に示されているように、アクセプタとして窒素をドーピングする場合は、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（自己補償効果）、ｐ型ＺｎＯ層の形成そのものが非常に難しくなる。
【０００４】
そこで、非特許文献２に示されるように、成長の主面を−Ｃ面とし、窒素ドーピング効率の温度依存性を利用して、４００℃と１０００℃との間の成長温度を行き来する反復温度変調法（Repeated Temperature Modulation：ＲＴＭ）により高キャリア濃度のｐ型ＺｎＯ層を形成する方法がある。
【０００５】
しかし、上記の方法では、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。また、低温度部分がドープ量を決定するため、温度を正確に制御する必要があるが、４００℃と１０００℃を短時間に正確に制御するのは難しく、再現性・安定性が悪い。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。ＲＴＭが必要なのは、ＺｎＯ基板の−Ｃ面を結晶成長に用いると、低温度にしなければ窒素が入らないためであり、−Ｃ面成長に特有のものである。
【０００６】
一方、成長用基板としてＺｎＯ基板の＋Ｃ面を使用すると窒素が入り易くなることは、例えば、非特許文献３に示されるように、既に知られている。そこで、我々は＋Ｃ面ＺｎＯ基板上にＺｎＯ系薄膜を＋Ｃ面成長させる研究を行った結果、ＺｎＯ薄膜ではなく、ＭｇＺｎＯ薄膜の方がｐ型化しやすいこと、ＲＴＭを使用せずに、一定温度の成長でもｐ型化が可能であることを見出しており、既に出願した特願２００７−２５１４８２号等に詳く説明している。
【非特許文献１】A.Tsukazaki et al.,JJAP 44(2005)L643
【非特許文献２】A.Tsukazaki et al Nture Material 4(2005)42
【非特許文献３】M.Sumiya et al.,Applied Surface Science 223(2004)p.206
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記のような手法を用いた場合でも、まだ、問題が残されている。それは、半導体素子の積層構造を作製する場合に発生する。ＺｎＯ系薄膜を積層する場合は、薄膜の平坦性が重要になる。薄膜の平坦性が良くないとキャリアが薄膜中を移動するときの抵抗になったり、積層構造の上層になるほど、表面荒れが大きくなり、その表面荒れのためにエッチング深さの均一性が取れなかったり、表面荒れによる異方的な結晶面の成長が起こったり、といった問題が発生しやすく、半導体デバイスとしての所望の機能を発揮させるのが困難になりやすい。そのため、通常は薄膜表面はできるだけ平坦なことが望まれる。
【０００８】
平坦なＺｎＯ系薄膜を積層するためには、既出願特願２００８−５９８７や特願２００７−２７１８２に示したように、７５０℃以上の成長温度が必要であり、ＭｇＺｎＯになると、更に高温でなければ平坦な膜を形成することができない。一方、ＺｎＯ系薄膜を＋Ｃ面成長させると窒素は入り易くなるが、成長温度依存性がなくなるわけではなく、高温になるほど、窒素は入り難くなる。
【０００９】
ＺｎＯ系薄膜のｎ型層の場合は、高温で結晶成長させても、ｎ型不純物のドープや膜の平坦性に問題が発生しない。ところが、アクセプタドープ層を作製するときには、アクセプタ元素のドープ濃度を高めるために、上記のように成長温度を下げることが必要である。しかし、成長温度を下げると、膜の表面荒れが発生する。このため、ＺｎＯ系薄膜を積層する場合、ｎ型層作製後にアクセプタドープ層を積層するとアクセプタドープ層に表面荒れが発生し、一方、アクセプタドープ層を作製後にｎ型層を積層するとｎ型層にアクセプタドープ層の荒れが伝搬して表面平坦性が悪くなり、半導体デバイスとしての所望の機能を発揮できないという問題があった。
【００１０】
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、ＺｎＯ系半導体からなるアクセプタドープ層を含む積層体を形成する場合に、アクセプタ元素の濃度を低下させずに、アクセプタドープ層又はアクセプタドープ層以降の層の平坦性が悪くなるのを抑制することができる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】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上にＺｎＯ系半導体を結晶成長より積層して形成されるＺｎＯ系半導体素子であって、ＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０≦Ｙ＜１）層で構成されアクセプタ元素を少なくとも１種類含むアクセプタドープ層を含み、前記アクセプタドープ層に接してアンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ＜１）層が形成されていることを特徴とするＺｎＯ系半導体素子である。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、基板上にＺｎＯ系半導体を結晶成長より積層して形成されるＺｎＯ系半導体素子であって、ＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０≦Ｙ＜１）層で構成されアクセプタ元素を少なくとも１種類含むアクセプタドープ層と、ドナー元素を少なくとも１種類は含むｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ（０≦Ｚ＜１）層とを含み、前記アンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層は、前記アクセプタドープ層とｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層の間に位置するとともに、この２つの層のいずれか１方に接して形成されていることを特徴とするＺｎＯ系半導体素子である。
【００１３】
また、請求項３記載の発明は、前記アクセプタドープ層の方が基板に近い側に形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。
【００１４】
また、請求項４記載の発明は、前記アンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層のＭｇ組成Ｘは、０＜Ｘ≦０．５の範囲であ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。
【００１５】
また、請求項５記載の発明は、前記アクセプタドープ層のアクセプタ元素の少なくとも１つは、窒素であることを特徴とする請求項１〜請求項４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６記載の発明は、前記ｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層のドナー元素の少なくとも１つは、III族元素であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体素子である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＺｎＯ系半導体からなるアクセプタドープ層を含む積層体を形成する場合に、アクセプタドープ層に接してアンドープ又はドナードープＭｇＺｎＯ層を形成している。また、積層体にアクセプタドープ層とｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層と含んでいる場合には、アンドープ又はドナードープＭｇＺｎＯ層は、アクセプタドープ層とｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層の間に位置するとともに、この２つの層のいずれか１方に接して形成されている。したがって、ＭｇＺｎＯ層の下地効果により、アクセプタドープ層のアクセプタ元素濃度を低下させずに、アクセプタドープ層又はアクセプタドープ層以降の層の平坦性の悪化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明のＺｎＯ系半導体素子の積層構造の一例を示す。
【００１９】
成長用基板としてのＺｎＯ基板１上にｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ（０≦Ｚ＜１）層２、アンドープＭｇＺｎＯ層３、ＭＱＷ活性層４、アンドープＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ＜１）層５、アクセプタドープＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０＜Ｙ＜１）層６が順に積層されている。ここで、ｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層２、アンドープＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層５、アクセプタドープＭｇＹＺｎ１−ＹＯ層６等の表記を簡単にするために、各々、ｎ型ＭｇＺＺｎＯ層２、アンドープＭｇＸＺｎＯ層５、アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ層６と記載する。以下、他の表記についても同様とする。
【００２０】
また、ＺｎＯ系半導体又はＺｎＯ系薄膜というのは、ＺｎＯ又はＺｎＯを含む化合物から構成されるものであり、具体例としては、ＺｎＯの他、IIＡ族元素とＺｎ、IIＢ族元素とＺｎ、またはIIＡ族元素およびIIＢ族元素とＺｎのそれぞれの酸化物を含むものを意味する。
【００２１】
ＭＱＷ活性層４は、例えば、障壁層Ｍｇ０．１５ＺｎＯと井戸層ＺｎＯを交互に積層した多重量子井戸構造に形成されている。アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ層６は、アクセプタ元素を少なくとも１種類ドーピングされている。アクセプタ元素としては、窒素、燐、砒素、リチウム、銅等が用いられる。ｎ型ＭｇＺＺｎＯ層２に添加されるドナー元素には、III族元素のうちから、少なくとも１種類が選択される。したがって、２種類以上ドーピングしても良く、ドナー元素としては、Ｂ（ホウ素）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）等がある。
【００２２】
また、アンドープＭｇＸＺｎＯ層５は、請求の範囲に記載したアンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ＜１）層に相当するもので、ドナードープＭｇＸＺｎＯ層としても良い。この場合のドナー元素については、ｎ型ＭｇＺＺｎＯ層２の場合と同様に選択することができる。また、アンドープＭｇＸＺｎＯ層５については、上記のように、Ｍｇ組成が０＜Ｘの範囲であり、Ｍｇが必ず含まれたＭｇＺｎＯで構成されている。一方、Ｍｇ組成の上限については、０＜Ｘ≦０．５とすることが望ましい。これは、現在、均一なＭｇＺｎＯ混晶を作製できるＭｇ組成比率は５０％以下であるためで、より確実に均一なＭｇＺｎＯ混晶を作製するには、Ｍｇ組成比率は３０％以下とすることがさらに好ましい。
【００２３】
ここで、ＺｎＯ（酸化亜鉛）又はＭｇＺｎＯ（酸化マグネシウム亜鉛）にドナー元素をドープした場合には、通常、ｎ型になるが、アクセプタ元素をドープした場合は、ドープ量にもよるが、自己補償効果等によりアクセプタ元素が必ずしも活性化せず、ｐ型半導体にならない場合があるので、アクセプタドープ層とは、ｐ型半導体及びｉ型半導体（真性半導体）を含むものである。
【００２４】
図１の構造で特徴的な点は、アクセプタドープ層を作製するときに、アンドープＭｇＺｎＯ層を下地に用いていることである。このように、ＺｎＯ系半導体を積層する場合に、ｎ型層からアクセプタドープ層までの間にアンドープＭｇＺｎＯ層を挿入することにより、アクセプタドープ層にアクセプタ元素を多く取り込むことができるとともに、アクセプタドープ層の表面荒れを防止することができる。
【００２５】
以下、上記作用効果について説明する。まず、背景技術のところで述べたように、ＺｎＯ基板の＋Ｃ面を用い、ＺｎＯ系薄膜を＋Ｃ面成長させるとアクセプタ元素は入り易くなるが、成長温度依存性がなくなるわけではなく、高温になるほど、アクセプタ元素は入り難くなる。
【００２６】
図５は、結晶成長温度（基板温度）とＺｎＯ薄膜中の窒素濃度との関係を示す。これは、ＺｎＯ基板の＋Ｃ面上に、アクセプタ元素の一種である窒素をドーピングしながら、ＺｎＯ薄膜を成長させた結果である。縦軸は窒素をドープしたときにＺｎＯ薄膜に取り込まれる窒素濃度（ｃｍ−３）を示し、横軸は成長温度（基板温度：単位℃）を示す。図３に示すように、ＺｎＯ系薄膜では、＋Ｃ面を用いてもアクセプタ元素の一種である窒素濃度に温度依存性があり、ドープされる窒素濃度は低温度ほど上昇する。したがって、十分窒素を取り込んで、ＺｎＯ系薄膜をｐ型化するには、基板温度を下げれば良いのであるが、基板温度を下げた場合には、以下のような表面平坦性の問題が発生する。
【００２７】
ＺｎＯ薄膜を形成する場合の表面平坦性と成長温度との関係については、既出願の特願２００８−５９８７に詳しいのであるが、要点を再度説明する。基板温度（成長温度）を変化させて、ＭｇＺｎＯ基板上にＺｎＯ薄膜を結晶成長させ、基板温度毎のＺｎＯの表面の平坦性を数値として表し、それらをグラフにしたものが図７である。図７の縦軸Ｒａ（単位はｎｍ）は、膜表面の算術平均粗さを表す。算術平均粗さＲａとは、粗さ曲線から求められる。
【００２８】
粗さ曲線は、例えば、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）測定等により観察された膜表面の凹凸を、所定のサンプリングポイントで測定し、凹凸の大きさをこれらの凹凸の平均値とともに示したものである。そして、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｌだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計して、平均した値のことである。算術平均粗さＲａ＝（１／ｌ）×∫｜ｆ（ｘ）｜ｄｘ（積分区間は０〜ｌまで）と表される。このようにすることで、１つの傷が測定値に及ぼす影響が非常に小さくなり、安定した結果が得られる。なお、算術平均粗さＲａ等の表面粗さのパラメータは、ＪＩＳ規格で規定されているものであり、これらを用いている。
【００２９】
以上のように算出された算術平均粗さＲａを縦軸にし、基板温度を横軸にして表示したのが図７である。図７の黒三角（▲）は、基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸（●）は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。図７からもわかるように、基板温度が７５０℃を境にして基板温度が高くなれば、急激に表面の平坦性が向上していることがわかる。
【００３０】
図８は、図７と同じ測定データから、膜表面の二乗平均粗さＲＭＳを求めたものである。二乗平均粗さＲＭＳは、粗さ曲線の平均線から測定曲線までの偏差の二乗を合計し、平均した値の平方根を表す。算術平均粗さＲａを算出する際の基準長さｌを用いて、
ＲＭＳ＝｛（１／ｌ）×∫（ｆ（ｘ））２ｄｘ｝１／２（積分区間は０〜ｌまで）となる。
【００３１】
図８は縦軸に二乗平均粗さＲＭＳを、横軸に基板温度を示したものである。ここで、黒三角（▲）は、基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸（●）は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。基板温度については、図７と同様、７５０℃を境にして基板温度が高くなれば、急激に表面の平坦性が向上していることがわかる。
【００３２】
したがって、ＺｎＯ系材料層上にＺｎＯ系薄膜を成長させる場合は、基板温度を７５０℃以上にしてエピタキシャル成長させれば、平坦性の良い膜が得られ、積層構造の最上層においても平坦な膜が得られる。
【００３３】
しかし、図５のように、＋Ｃ面成長であっても、窒素ドープ量は成長温度に依存しており、窒素ドープ量を十分に得る場合には、ＺｎＯ系薄膜の成長温度を７５０℃未満にしなければならないことになるが、図７、８より７５０℃未満では表面平坦性が極端に悪くなる。加えて、ＭｇＺｎＯのステップフロー成長温度は、ＺｎＯよりも高温である。
【００３４】
図６は、ＭｇＺｎＯのステップフロー成長温度が高くなることを示しており、図６（ａ）は、ＺｎＯ基板上に成長させたＺｎＯ薄膜表面をＡＦＭを用い、２μｍ四方の範囲でスキャンした画像、図６（ｂ）は、ＺｎＯ基板上に成長させたＭｇＺｎＯ薄膜表面をＡＦＭを用い、２μｍ四方の範囲でスキャンした画像である。
【００３５】
図６（ａ）のＺｎＯ薄膜は、成長温度７９０℃、図６（ｂ）のＭｇＺｎＯ薄膜の成長温度８８０℃である。ＭｇＺｎＯ薄膜では成長温度８８０℃程度で表面平坦性が保たれているが、ＺｎＯ薄膜では７９０℃でも表面平坦性は維持されている。このように、ＭｇＺｎＯ薄膜の方がＺｎＯ薄膜よりも高温での成長が必要であり、窒素ドープ濃度を高めるために成長温度を低温にした場合、ＭｇＺｎＯ薄膜の表面平坦性に与える影響はより大きいと考えられる。
【００３６】
既出願の特願２００７−２２１１９８でも説明したが、ＺｎＯ系半導体において、表面荒れは意図しない不純物ドープの原因になり、ｐ型化の障害になる。不純物のうち、特に、Ｓｉについては、Ｏ２をプラズマ化して活性酸素をつくるラジカルセル内の放電管の構成元素であり、最も多く混入する。Ｓｉは取り込まれると、ドナーとして働くので、Ｓｉ混入濃度が高くなると、ｐ型化が困難になる。したがって、膜表面を平坦化しておくことは重要である。
【００３７】
そこで、図１のように、アクセプタドープ層を作製するときに、アンドープ又はドナードープＭｇＺｎＯ層を下地に用いることで、アクセプタドープ層の表面平坦性を改善する。アクセプタドープ層を作製するときにＭｇＺｎＯ層を下地に用いた場合と用いなかった場合との効果の違いを示すのが図２である。図２（ａ）は、ＺｎＯ基板４１上に、ＧａドープＭｇＺｎＯ層４２、アンドープＭｇＺｎＯ層４３、積層体４４、アンドープＺｎＯ層４５、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６と順に形成した。ＧａドープＭｇＺｎＯ層４２〜アンドープＺｎＯ層４５までは、成長温度９００℃で成長させ、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６は、窒素濃度を高めるために低温の成長温度８３０℃で成長させた。
【００３８】
一方、図２（ｂ）は、ＺｎＯ基板４１上に、ＧａドープＭｇＺｎＯ層４２、アンドープＭｇＺｎＯ層４３、積層体４４、アンドープＭｇＺｎＯ層５０、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６と順に形成した。ＧａドープＭｇＺｎＯ層４２〜アンドープＭｇＺｎＯ層５０までは、成長温度９００℃で成長させ、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６は、窒素濃度を高めるために低温の成長温度８３０℃で成長させた。
【００３９】
積層体４４は、超格子層であり、アンドープＺｎＯとアンドープＭｇＺｎＯとを交互に１０周期積層した積層体で構成している。また、ＧａドープＭｇＺｎＯ層４２がｎ型ＭｇＺＺｎＯ層に、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６がアクセプタドープ層（ＭｇＹＺｎＯ層）に、アンドープＭｇＺｎＯ層５０がアンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎＯ層に該当する。
【００４０】
図２の（ａ）と（ｂ）では、窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６の下地にアンドープＺｎＯ層４５を用いているか、アンドープＭｇＺｎＯ層５０を用いているかの違いだけで、他の層構造や成長温度等も同じである。これらの最上層の表面状態の比較を示すのが図３である。図３（ａ）が図２（ａ）の最上層の窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６の表面を、図３（ｂ）が図２（ｂ）の最上層の窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６の表面を示す。これらは、ＡＦＭ測定でスキャンされた画像である。図３（ｂ）の方が、荒れがなく綺麗な表面となっており、図２（ｂ）で窒素ドープＭｇＺｎＯ層４６の下地にアンドープＭｇＺｎＯ層５０を用いたことによる効果であると考えられる。
【００４１】
次に、図１の構造のＺｎＯ系半導体素子の製造方法を説明する。＋Ｃ面ＺｎＯ基板１をｐＨ３以下の酸性溶液でウエットエッチングし、研磨ダメージ層を除去する。ロードロック室を介して、５×１０−７パスカル程度のバックグランド真空を有するＭＢＥ装置にＺｎＯ基板１を導入する。サーモグラフィで温度計測しながら、ＺｎＯ基板１を７００℃〜１０００℃で加熱し、大気中で付着したＨ２Ｏ、炭化水素系有機物を昇華させる（サーマルクリーニング）。
【００４２】
成長温度９００℃で、ｎ型ＭｇＺＺｎＯ層２としてＧａドープＭｇＺｎＯ層を用い、ＧａドープＭｇＺｎＯ層／アンドープＭｇＺｎＯ層／ＭＱＷ活性層を成長させる。ＭＱＷ活性層４は、例えば、井戸層ＺｎＯを膜厚１．５ｎｍ、障壁層Ｍｇ０．１５ＺｎＯを膜厚６ｎｍで５周期程度繰り返して形成する。このとき、ＭＱＷ活性層４にＺｎＯ層が含まれていても良いが、ＭＱＷ活性層４の最終層がＺｎＯ層となる場合には、図１のように、ＭＱＷ活性層４上に例えばアンドープＭｇＸＺｎＯ層５としてアンドープＭｇ０．０５ＺｎＯ層を成長温度９００℃で形成する。次に、成長温度を８５０℃に下げ、ＮＯ（一酸化窒素）ガスをプラズマクラッキングして導入し、アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ層６として窒素ドープＭｇ０．１５ＺｎＯを成長させる。
【００４３】
以上のように、アクセプタドープ層の下地にアンドープＭｇＺｎＯ層を用いると、アクセプタドープ層形成時に、成長温度を下げても表面平坦性を良くできるので、アクセプタ元素を十分取り込むことができる。このことを応用すれば、上述した発光素子の場合以外の素子、例えば、ＭＯＳ型やＭＩＳ型のＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）やＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）等にも適用できる。
【００４４】
例えば、トレンチタイプのＭＯＳＦＥＴを作製する場合には、ｐ型層をチャネル層とするＮＰＮ構造のものもある。ＮＰＮ構造を製造する場合には、ｐ型層からｎ型層へ成長過程が移行する際、基板温度を上昇させるが、このときにｐ型ＺｎＯがｐ型層の最終層であると、ｐ型ＺｎＯは、高温度で欠陥が生じやすいため、ｐ型ＺｎＯが表面荒れを起こし、さらに、その上に形成されるｎ型層にも表面荒れが伝搬して表面平坦性が悪化する。この場合も、ｐ型層の上層をアンドープＭｇＺｎＯ又はドナードープＭｇＺｎＯを形成しておくことにより、その後のｎ型層を表面荒れなく形成することができる。
【００４５】
ＭＯＳ型のトランジスタには、ＮＰＮ構造が用いられるが、その層構造のみを示したのが図４（ａ）である。ＺｎＯ基板２１上にｎ型ＭｇＺｎＯ層２２、アクセプタドープＺｎＯ層２３、アンドープＭｇＺｎＯ層２４、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５が形成されている。アクセプタドープＭｇＺｎＯ層２３がｐ型層になり、ＮＰＮ構造を形成する。ドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層に相当するｎ型ＭｇＺｎＯ層２２を下地としてアクセプタドープ層に相当するアクセプタドープＭｇＺｎＯ層２３が形成されているので、アクセプタ元素のドープ量を確保できるとともに、アクセプタドープＭｇＺｎＯ層２３の表面平坦性は良くなる。仮に、アクセプタドープＭｇＺｎＯ層２３の表面平坦性が悪くなったとしても、アンドープＭｇＺｎＯ層２４を下地としてｎ型ＭｇＺｎＯ層２５が作製されているので、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５にまで、表面荒れは伝搬しない。
【００４６】
図４（ｂ）は、アクセプタドープ層が２層形成されている場合の積層構造例を示す。ＺｎＯ基板３１上にアクセプタドープＺｎＯ層３２、アンドープＭｇＺｎＯ層３３、ｎ型ＺｎＯ層３４、アクセプタドープＺｎＯ層３５、アンドープＭｇＺｎＯ層３６、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３７が形成されている。アクセプタドープＭｇＺｎＯ層３２、３５の各上層には、各々アンドープＭｇＺｎＯ層３３、３６（アンドープＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層に相当）が形成されており、アクセプタドープ層の表面荒れが上層に伝搬しないようになっている。
【００４７】
このように、アクセプタドープ層を作製するまでの層やアクセプタドープ層よりも後の層にアンドープＭｇＺｎＯ層又はドナードープＭｇＺｎＯ層を用いることによって、アクセプタドープ層やこれよりも上層の平坦性の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のＺｎＯ系半導体素子の積層構造の一例を示す図である。
【図２】アクセプタドープ層の下地にＭｇＺｎＯとＺｎＯを用いた場合の積層構造の違いを示す図である。
【図３】図２の各積層構造に対応したアクセプタドープ層表面の状態を示す図である。
【図４】本発明のＺｎＯ系半導体素子の積層構造の他の例を示す図である。
【図５】窒素濃度の成長温度依存性を示す図である。
【図６】平坦なＭｇＺｎＯとＺｎＯを作製する場合の成長温度の違いを示す図である。
【図７】ＺｎＯ系薄膜表面の算術平均粗さと基板温度との関係を示す図である。
【図８】ＺｎＯ系薄膜表面の二乗平均粗さと基板温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ ＺｎＯ基板
２ ｎ型ＭｇＺＺｎＯ層
３ アンドープＭｇＺｎＯ層
４ ＭＱＷ活性層
５ アンドープＭｇＸＺｎＯ層
６ アクセプタドープＭｇＹＺｎＯ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＺｎＯ系半導体を結晶成長より積層して形成されるＺｎＯ系半導体素子であって、
ＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０≦Ｙ＜１）層で構成されアクセプタ元素を少なくとも１種類含むアクセプタドープ層を含み、前記アクセプタドープ層に接してアンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ＜１）層が形成されていることを特徴とするＺｎＯ系半導体素子。
【請求項２】
基板上にＺｎＯ系半導体を結晶成長より積層して形成されるＺｎＯ系半導体素子であって、
ＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０≦Ｙ＜１）層で構成されアクセプタ元素を少なくとも１種類含むアクセプタドープ層と、ドナー元素を少なくとも１種類は含むｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ（０≦Ｚ＜１）層とを含み、前記アンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層は、前記アクセプタドープ層とｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層の間に位置するとともに、この２つの層のいずれか１方に接して形成されていることを特徴とするＺｎＯ系半導体素子。
【請求項３】
前記アクセプタドープ層の方が基板に近い側に形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】
前記アンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層のＭｇ組成Ｘは、０＜Ｘ≦０．５の範囲であ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５】
前記アクセプタドープ層のアクセプタ元素の少なくとも１つは、窒素であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体素子。
【請求項６】
前記ｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層のドナー元素の少なくとも１つは、III族元素であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体素子。
【請求項１】
基板上にＺｎＯ系半導体を結晶成長より積層して形成されるＺｎＯ系半導体素子であって、
ＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０≦Ｙ＜１）層で構成されアクセプタ元素を少なくとも１種類含むアクセプタドープ層を含み、前記アクセプタドープ層に接してアンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ（０＜Ｘ＜１）層が形成されていることを特徴とするＺｎＯ系半導体素子。
【請求項２】
基板上にＺｎＯ系半導体を結晶成長より積層して形成されるＺｎＯ系半導体素子であって、
ＭｇＹＺｎ１−ＹＯ（０≦Ｙ＜１）層で構成されアクセプタ元素を少なくとも１種類含むアクセプタドープ層と、ドナー元素を少なくとも１種類は含むｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ（０≦Ｚ＜１）層とを含み、前記アンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層は、前記アクセプタドープ層とｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層の間に位置するとともに、この２つの層のいずれか１方に接して形成されていることを特徴とするＺｎＯ系半導体素子。
【請求項３】
前記アクセプタドープ層の方が基板に近い側に形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】
前記アンドープ又はドナードープされたＭｇＸＺｎ１−ＸＯ層のＭｇ組成Ｘは、０＜Ｘ≦０．５の範囲であ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５】
前記アクセプタドープ層のアクセプタ元素の少なくとも１つは、窒素であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体素子。
【請求項６】
前記ｎ型ＭｇＺＺｎ１−ＺＯ層のドナー元素の少なくとも１つは、III族元素であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のＺｎＯ系半導体素子。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図３】
【図６】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図３】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２１２１３９（Ｐ２００９−２１２１３９Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５０９０６（Ｐ２００８−５０９０６）
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【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９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【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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