[发明专利]ZnO系半导体元件

说明书

技术领域

本发明涉及采用ZnO、MgZnO等ZnO系半导体的ZnO系半导体元件。

背景技术

近年来，作为具有多功能性优良的材料，与GaN、AlGaN、InGaN、InGaAlN、GaPN等含有氮元素的氮化合物半导体相比，ZnO系半导体备受瞩目。

ZnO系半导体是宽带隙半导体的一种，激子束缚能非常大，即使在室温下也能够稳定地存在，能够放射单色性优良的光子。因此，ZnO系半导体在作为照明、背光灯等光源使用的紫外线LED、高速电子器件、表面弹性波器件等方面实现实用化。

但是，公知的是在ZnO系半导体中产生因氧空位及间隙锌原子导致的缺陷等，由于该晶体缺陷，导致产生无助于结晶过程的电子。由此，ZnO系半导体通常表示n型，因此，为了使ZnO系半导体表示p型，必须降低残留的电子浓度，导致受主掺杂变得困难。这样，当由ZnO系半导体层构成半导体元件时，难以再现性良好地形成p型ZnO。

但是，近年来公开有能够再现性良好地得到p型ZnO，并且可确认发光的技术。例如非专利文献1所示，虽然能够得到p型ZnO，但是，为了得到采用了ZnO系半导体的半导体元件，作为生长用基板需要采用ScAlMgO₄(SCAM)基板，在SCAM基板的C面上生长-C面ZnO。所谓-C面，也被称为O(氧)极性面，在ZnO晶体所具有的纤锌矿类的晶体结构中，在c轴方向上无对称性，在C轴上具有+C和-C两个独立的方向，由于在+C内Zn位于晶体的最上面，因此被称为Zn极性，由于在-C内O在晶体的最上面，因此也被称为O极性。

该-C面ZnO也同样生长在作为ZnO晶体生长用基板被广泛应用的蓝宝石基板。如在发明者所发表的非专利文献2中所述那样，在-C面ZnO系半导体的晶体生长中，作为p型掺杂剂的氮的掺杂效率密切依赖于生长温度，为了进行氮掺杂而必须使基板温度下降。但是，如果降低基板温度，则结晶性下降，形成补偿受主的载流子补偿中心，氮不被活化，因此使p型ZnO系半导体层的形成本身变得非常困难。

于是，如非专利文献1所示，也有利用氮掺杂效率的温度依赖性，通过在400℃和1000℃之间来回调整生长温度，以形成高载流子浓度的p型ZnO系半导体层的方法。但是，存在如下问题：由于不断地加热、冷却而反复膨胀、收缩，因此对于制造装置加大负担，使得制造装置变大，维修周期变短。另外，作为加热源，由于使用激光，因此不合适大面积的加热，并且为了降低装置制造成本而采取的多片生长难以进行。

作为解决这种问题的方法，本申请发明人已提出使+C面ZnO系半导体层生长以形成高载流子浓度的p型ZnO系半导体的方法(参照专利文献1)。该专利公报基于发明人如下的发现而作出的，即若是+C面ZnO，则不存在氮掺杂的基板温度依赖性。这是通过使作为基底层的+C面GaN膜在蓝宝石基板的C面生长后进行+c轴取取向，并把极性交接给该+c轴取取向GaN膜上，形成+c轴取取向的ZnO系半导体层，由此，发现了氮掺杂的生长温度非依赖性。因此，不使基板温度下降，就能够进行氮掺杂，其结果，能够防止载流子补偿中心的形成，能够制造高载流子浓度的p型ZnO系半导体。

专利文献1：日本特开平2004-304166号公报

非专利文献1：Nature Materials vol.4(2005)p.42

非专利文献2：Journal of Crystal Growth 237-239(2002)503

如上述现有技术那样，通过采用生长用基板的+C面GaN形成+c轴取向的ZnO系半导体层，能够形成高载流子浓度的p型ZnO系半导体。但是，该方法的特征在于抑制+C面GaN表面的氧化，因此，在作为氧化物的ZnO中难以确保再现。另一方面，作为生长用基板可以使用+C面ZnO基板，但是，+C面ZnO基板与-C面ZnO基板相比热稳定性差，容易失去平坦面。因此，如果在+C面ZnO基板上进行晶体生长，则发生台阶积累(ステツプバンチング)的现象，使平坦部分的宽度不一样，容易成为各式各样的面。

图23(a)和图23(b)分别表示将生长用基板的-C面和生长用基板的+C面在大气中以1000℃退火处理后，用AFM(原子力显微镜)以5μm见方的视野扫描表面的图像。相对于图23(a)的晶体形成为平整的表面，图23(b)产生了台阶积累，并且，该台阶宽度、台阶边缘杂乱，表面状态差。例如，如果在图23(b)表面上进行ZnO系化合物的外延生长，则形成如图24所示的凹凸分散的膜，使平坦性变得极差。

这样，在生长用基板+C面上难以使平坦的膜生长，最终导致存在元件的量子效应降低、切换速度也受影响的问题。