專利名稱：ZnO系半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用ZnO、MgZnO等ZnO系半導(dǎo)體的ZnO系半導(dǎo)體元件。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，作為具有多功能性優(yōu)良的材料，與GaN、AlGaN、InGaN、InGaAlN.GaPN等含 有氮元素的氮化合物半導(dǎo)體相比，ZnO系半導(dǎo)體備受矚目。ZnO系半導(dǎo)體是寬帶隙半導(dǎo)體的一種，激子束縛能非常大，即使在室溫下也能夠穩(wěn) 定地存在，能夠放射單色性優(yōu)良的光子。因此，ZnO系半導(dǎo)體在作為照明、背光燈等光源使 用的紫外線LED、高速電子器件、表面彈性波器件等方面實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。但是，公知的是在ZnO系半導(dǎo)體中產(chǎn)生因氧空位及間隙鋅原子導(dǎo)致的缺陷等，由 于該晶體缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)生無(wú)助于結(jié)晶過(guò)程的電子。由此，ZnO系半導(dǎo)體通常表示n型，因此， 為了使ZnO系半導(dǎo)體表示p型，必須降低殘留的電子濃度，導(dǎo)致受主摻雜變得困難。這樣， 當(dāng)由ZnO系半導(dǎo)體層構(gòu)成半導(dǎo)體元件時(shí)，難以再現(xiàn)性良好地形成p型ZnO。但是，近年來(lái)公開有能夠再現(xiàn)性良好地得到p型ZnO，并且可確認(rèn)發(fā)光的技術(shù)。例 如非專利文獻(xiàn)1所示，雖然能夠得到P型ZnO，但是，為了得到采用了 ZnO系半導(dǎo)體的半導(dǎo) 體元件，作為生長(zhǎng)用基板需要采用ScAlMg04(SCAM)基板，在SCAM基板的C面上生長(zhǎng)-C面 ZnO。所謂_C面，也被稱為0(氧)極性面，在ZnO晶體所具有的纖鋅礦類的晶體結(jié)構(gòu)中，在 c軸方向上無(wú)對(duì)稱性，在C軸上具有+C和-C兩個(gè)獨(dú)立的方向，由于在+C內(nèi)Zn位于晶體的 最上面，因此被稱為Zn極性，由于在-C內(nèi)0在晶體的最上面，因此也被稱為0極性。該-C面ZnO也同樣生長(zhǎng)在作為ZnO晶體生長(zhǎng)用基板被廣泛應(yīng)用的藍(lán)寶石基板。 如在發(fā)明者所發(fā)表的非專利文獻(xiàn)2中所述那樣，在-C面ZnO系半導(dǎo)體的晶體生長(zhǎng)中，作為 P型摻雜劑的氮的摻雜效率密切依賴于生長(zhǎng)溫度，為了進(jìn)行氮摻雜而必須使基板溫度下降。 但是，如果降低基板溫度，則結(jié)晶性下降，形成補(bǔ)償受主的載流子補(bǔ)償中心，氮不被活化，因 此使p型ZnO系半導(dǎo)體層的形成本身變得非常困難。于是，如非專利文獻(xiàn)1所示，也有利用氮摻雜效率的溫度依賴性，通過(guò)在400°C和 1000°C之間來(lái)回調(diào)整生長(zhǎng)溫度，以形成高載流子濃度的p型ZnO系半導(dǎo)體層的方法。但是， 存在如下問(wèn)題由于不斷地加熱、冷卻而反復(fù)膨脹、收縮，因此對(duì)于制造裝置加大負(fù)擔(dān)，使得 制造裝置變大，維修周期變短。另外，作為加熱源，由于使用激光，因此不合適大面積的加 熱，并且為了降低裝置制造成本而采取的多片生長(zhǎng)難以進(jìn)行。作為解決這種問(wèn)題的方法，本申請(qǐng)發(fā)明人已提出使+C面ZnO系半導(dǎo)體層生長(zhǎng)以形 成高載流子濃度的P型ZnO系半導(dǎo)體的方法(參照專利文獻(xiàn)1)。該專利公報(bào)基于發(fā)明人如 下的發(fā)現(xiàn)而作出的，即若是+C面ZnO，則不存在氮摻雜的基板溫度依賴性。這是通過(guò)使作為 基底層的+C面GaN膜在藍(lán)寶石基板的C面生長(zhǎng)后進(jìn)行+c軸取取向，并把極性交接給該+c 軸取取向GaN膜上，形成+c軸取取向的ZnO系半導(dǎo)體層，由此，發(fā)現(xiàn)了氮摻雜的生長(zhǎng)溫度非 依賴性。因此，不使基板溫度下降，就能夠進(jìn)行氮摻雜，其結(jié)果，能夠防止載流子補(bǔ)償中心的 形成，能夠制造高載流子濃度的P型ZnO系半導(dǎo)體。
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專利文獻(xiàn)1 日本特開平2004-304166號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)1 :Nature Materials vol. 4 (2005)p. 42非專利文獻(xiàn)2 Journal of Crystal Growth 237-239(2002)503如上述現(xiàn)有技術(shù)那樣，通過(guò)采用生長(zhǎng)用基板的+C面GaN形成+c軸取向的ZnO系 半導(dǎo)體層，能夠形成高載流子濃度的P型ZnO系半導(dǎo)體。但是，該方法的特征在于抑制+C 面GaN表面的氧化，因此，在作為氧化物的ZnO中難以確保再現(xiàn)。另一方面，作為生長(zhǎng)用基 板可以使用+C面ZnO基板，但是，+C面ZnO基板與-C面ZnO基板相比熱穩(wěn)定性差，容易失 去平坦面。因此，如果在+C面ZnO基板上進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，則發(fā)生臺(tái)階積累八> 千W )的現(xiàn)象，使平坦部分的寬度不一樣，容易成為各式各樣的面。圖23 (a)和圖23(b)分別表示將生長(zhǎng)用基板的_C面和生長(zhǎng)用基板的+C面在大氣 中以1000°C退火處理后，用AFM(原子力顯微鏡)以5 ym見方的視野掃描表面的圖像。相 對(duì)于圖23(a)的晶體形成為平整的表面，圖23(b)產(chǎn)生了臺(tái)階積累，并且，該臺(tái)階寬度、臺(tái)階 邊緣雜亂，表面狀態(tài)差。例如，如果在圖23(b)表面上進(jìn)行ZnO系化合物的外延生長(zhǎng)，則形 成如圖24所示的凹凸分散的膜，使平坦性變得極差。這樣，在生長(zhǎng)用基板+C面上難以使平坦的膜生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致存在元件的量子效應(yīng) 降低、切換速度也受影響的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決所述問(wèn)題而開發(fā)的，其目的在于提供一種ZnO系半導(dǎo)體元件，能 夠在層疊側(cè)主面具有C面的Mg ZnO基板上使平坦的ZnO系半導(dǎo)體層生長(zhǎng)。為實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明第一方面提供一種ZnO系半導(dǎo)體元件，其特征在于，在主 面具有C面的MgxZni_x0(0<X< 1)的基板上，將所述主面的法線向基板晶軸的m軸c軸平 面投影的投影軸與c軸形成度的角度，所述叱滿足0 < < 3的條件；在所述主面 形成有ZnO系半導(dǎo)體層。另外，本發(fā)明第二方面在第一方面的基礎(chǔ)上提供ZnO系半導(dǎo)體元件，其特征在于， 對(duì)于所述，將所述0 < < 3的條件變更為0. 1 < < 1. 5的條件。另外，本發(fā)明第三方面在第一方面或第二方面的基礎(chǔ)上提供ZnO系半導(dǎo)體元件， 其特征在于，所述c面由+C面構(gòu)成。另外，本發(fā)明第四方面在第一方面至第三方面中的任一方面的基礎(chǔ)上提供ZnO系 半導(dǎo)體元件，其特征在于，將所述主面的法線向基板晶軸的a軸c軸平面投影的投影軸與c 軸形成。3度的角度，所述滿足以下條件70 ≤{90-(180/3i)arctan(tan(3i 0a/180)/tan(0m/180))≤ 110。另外，本發(fā)明第五方面提供一種ZnO系半導(dǎo)體元件，其特征在于，在主面具有C面 的MgxZni_x0(0<X< 1)的基板上，所述主面的法線從c軸僅向m軸方向傾斜，該傾斜角超 過(guò)0度且在3度以下的范圍內(nèi)；在所述主面形成有ZnO系半導(dǎo)體層。另外，本發(fā)明第六方面在第五方面的基礎(chǔ)上提供ZnO系半導(dǎo)體元件，其特征在于， 所述傾斜角在0. 1度以上且1. 5度以下的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的ZnO系半導(dǎo)體元件，將MgxZni_x0(0 ≤ x < 1)基板的主面的法線向 基板晶軸的m軸c軸平面投影的投影軸與c軸形成度的角度，將該角度設(shè)定在0< Offl^3的范圍內(nèi)，由此，能夠在MgxZni_x0基板的層疊側(cè)表面形成沿m軸方向規(guī)則地排列 的臺(tái)階。因此，能夠防止臺(tái)階積累現(xiàn)象，并且提高層疊在MgxZni_x0基板上的各ZnO系半導(dǎo)體 層的膜的平坦性。另外，在將MgxZni_x0基板的主面的法線向基板晶軸的a軸c軸平面投影 的投影軸與c軸形成^度的角度的情況下，將該叭設(shè)定在70彡{QO-dSO/^i) arctan (tan (31 0a/180)/tan (0m/180)) ( 110 的范圍內(nèi)，由此，Mg ZnO 基板的生長(zhǎng)面的臺(tái) 階能夠沿m軸方向排列，因此，能夠使在主面上生長(zhǎng)的ZnO系半導(dǎo)體膜的平坦性良好。


圖1是表示本發(fā)明的ZnO系半導(dǎo)體元件的剖面結(jié)構(gòu)的一例的圖；圖2是ZnO系化合物的晶體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是表示基板主面法線與基板晶軸的c軸、m軸、a軸之間的關(guān)系圖；圖4(a) (c)是表示MgxZni_x0基板主面法線的傾斜狀態(tài)以及臺(tái)階邊緣與m軸之 間的關(guān)系的圖；圖5 (a) (c)是表示基板主面法線僅在m軸方向具有偏角時(shí)的MgxZni_x0基板表 面的圖；圖6 (a)、(b)是表示基板主面法線在m軸方向及a軸方向具有偏角時(shí)的MgxZni_x0 基板表面的圖；圖7 (a) (d)是表示MgxZni_x0基板表面狀態(tài)根據(jù)基板主面法線相對(duì)于m軸方向 及a軸方向的偏角變化的情況圖；圖8(a)、(b)是表示在基板主面法線在m軸方向具有偏角的MgxZni_x0基板上成膜 的表面的圖；圖9是表示在基板主面法線在m軸方向具有偏角的MgxZni_x0基板上成膜的表面的 圖；圖10是表示在基板主面法線在m軸方向具有偏角的MgxZni_x0基板上成膜的表面 的圖；圖ll(a)、(b)是表示在基板主面法線在m軸方向具有0. 1度偏角時(shí)的MgxZni_x0基 板上成膜的表面的圖；圖12(a)、(b)是表示在基板主面法線在m軸方向具有0.5度偏角時(shí)的MgxZni_x0基 板上成膜的表面的圖；圖13(a)、(b)是表示在基板主面法線在m軸方向具有1. 5度偏角時(shí)的MgxZni_x0基 板上成膜的表面的圖；圖14(a)、(b)是表示基板主面法線和m軸之間的每一個(gè)偏角的ZnO膜的PL光譜 分布的圖；圖15是表示基板主面法線和m軸之間的每一個(gè)偏角的ZnO膜的PL積分強(qiáng)度及頻 帶端發(fā)光峰值與深能級(jí)發(fā)光峰值之間關(guān)系的圖；圖16 (a)、(b)是根據(jù)A面和M面的比較來(lái)表示M面的熱穩(wěn)定性的圖；
圖17 (a)、(b)是表示M面的化學(xué)穩(wěn)定性的圖； 圖18 (a)、(b)是表示M面的化學(xué)穩(wěn)定性的圖19 (a)、(b)是表示M面的化學(xué)穩(wěn)定性的圖；圖20是表示晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的晶片上的扭曲位置的圖；圖21(a) (c)是表示基板主面法線相對(duì)于a軸方向的偏角不一樣的MgxZni_x0基 板表面狀態(tài)的圖；圖22是表示根據(jù)本發(fā)明形成的晶體管的剖面結(jié)構(gòu)的一例的圖；圖23(a)、(b)是表示在生長(zhǎng)用基板的_C面上和+C面上成膜時(shí)的各表面的圖；圖24是表示在圖23(b)的表面上進(jìn)一步層疊有半導(dǎo)體的表面的圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明l、MgxZnO 基板2、n 型層3、有源層4、p 型層5、p型接觸層8、p 電極9、n 電極
具體實(shí)施例方式下面，參照

本發(fā)明的一實(shí)施方式。圖1表示本發(fā)明的ZnO系半導(dǎo)體元件 的剖面結(jié)構(gòu)。圖1表示本發(fā)明的ZnO系半導(dǎo)體元件的一實(shí)施方式即發(fā)光二極管(LED)的剖面 結(jié)構(gòu)。在以具有+C面(0001)的主面的法線從c軸傾斜的面為基板主面的Mgxzni_x0(0彡X < 1，優(yōu)選0彡x彡0.5，以下相同)基板1上，外延生長(zhǎng)有ZnO系半導(dǎo)體層2 5。在此，2 表示n型層，3表示有源層，4表示p型層，5表示p型接觸層。另外，在p型接觸層5上形成 有P電極8，在MgxZni_x0基板1的下側(cè)形成有n電極9。ZnO系半導(dǎo)體層由ZnO或含有ZnO 的化合物構(gòu)成，在上述ZnO系半導(dǎo)體元件中，除了電極8，9之外，全部由ZnO或含有ZnO的 化合物構(gòu)成。圖2是表示上述MgxZni_x0等ZnO系化合物的晶體結(jié)構(gòu)的概念圖。ZnO系化合物與 GaN同樣，具有稱為纖鋅礦的六方晶結(jié)構(gòu)。C面及a軸可以通過(guò)所謂米勒指數(shù)來(lái)表示，例如C 面表示為(0001)面。在圖2中帶有斜線的面為A面(11-20)，M面(10-10)表示六方晶結(jié) 構(gòu)的柱面。根據(jù)晶體所具有的對(duì)稱性，例如{11-20}面、{10-10}面為包括與(11-20)面、 (10-10)面等效的面的總稱。另外，a軸表示A面的垂直方向，m軸表示M面的垂直方向，c 軸表示C面的垂直方向。成為晶體生長(zhǎng)的基板的MgxZni_x0基板1既可以是x = 0的ZnO基板，也可以是混 合有Mg晶體的MgZnO基板。如果Mg超過(guò)50wt %，則由于MgO是NaCl型晶體，因此，難以與 六方晶系的ZnO系化合物匹配，容易引起相分離，因此不理想。另外，如圖3所示，對(duì)MgxZni_x0基板1研磨以形成具有+C面的基板主面的法線從 c軸傾斜，并且至少具有從c軸向m軸方向傾斜的法線的基板主面。圖3表示基板主面的法 線Z從基板晶軸的c軸傾斜①度，且使法線Z向基板晶軸的c軸m軸a軸正交坐標(biāo)系中的 c軸m軸平面投射(投影)的投射(投影)軸向m軸方向傾斜度、向(軸3軸平面投影
6的投影軸向a軸方向傾斜。a度的情況。在圖4(a)中通過(guò)c軸m軸a軸的正交坐標(biāo)系與法線Z的關(guān)系更加易懂地表示了 如圖3所示的基板主面法線Z傾斜的狀態(tài)。與圖3相比，僅改變了基板主面法線Z傾斜的 方向，①、①m、①a的意義與圖3相同。在圖4(a)中表示有使基板主面法線Z向c軸m軸a 軸正交坐標(biāo)系中的c軸m軸平面投影的投影軸A以及向c軸a軸平面投影的投影軸B。在此，對(duì)使基板主面的法線從c軸向m軸方向傾斜的理由進(jìn)行說(shuō)明。圖5(a)是表 示具有+C面的基板主面的法線Z既不向a軸方向傾斜，也不向m軸方向傾斜，而與+c軸一 致的情況的示意圖，即表示成為基板1的主面的垂直方向的法線Z與+c軸方向一致的情 況，并且各a軸、m軸、c軸互為正交。但是，塊體晶體只要不使用其晶體具有的解理面，則如圖5(a)所示，晶片主面的 法線方向不與c軸方向相一致，若拘泥于形成C面基板(C面7 Y 7卜基板)，則生產(chǎn)效率也 下降?，F(xiàn)實(shí)中，晶片主面的法線Z從c軸傾斜而具有偏角。例如圖5(b)所示，主面法線Z 存在于c軸m軸平面內(nèi)，且法線Z從c軸僅向m軸方向傾斜0度。該情況下，如基板1的 表面部分(例如T1區(qū)域)的放大圖即圖5(c)所示，產(chǎn)生平坦面即平臺(tái)面la和臺(tái)階面lb， 其中臺(tái)階面lb由于法線傾斜而產(chǎn)生的階梯部分以等間隔規(guī)則性地排列。在此，平臺(tái)面la成為C面(0001)，臺(tái)階面lb相當(dāng)于M面(10-10)。如圖所示，所 形成的各臺(tái)階面lb在m軸方向上保持平臺(tái)面la的寬度且規(guī)則地排列。即，與平臺(tái)面la垂 直的c軸和基板主面的法線Z形成0度的偏角。按圖4而言，圖5(c)的狀態(tài)相當(dāng)于9 s = 90度的情況。另夕卜，圖4的臺(tái)階邊緣是 將臺(tái)階面lb的階梯部分向a軸m軸平面的投影而得到的。這樣，如果使臺(tái)階面lb成為M 面相當(dāng)面，則能夠在主面上晶體生長(zhǎng)的ZnO系半導(dǎo)體層上形成平坦的膜。雖然在主面上因 臺(tái)階面lb而產(chǎn)生階梯部分，但是，由于躍遷到該階梯部分的原子成為平臺(tái)面la和臺(tái)階面lb 這兩面的結(jié)合，因此，與躍遷到平臺(tái)面la的情況相比，原子能夠更強(qiáng)地結(jié)合，從而能夠穩(wěn)定 地俘獲躍遷原子。在表面擴(kuò)散過(guò)程中飛來(lái)原子在平臺(tái)內(nèi)擴(kuò)散，但是，通過(guò)在結(jié)合力強(qiáng)的階梯部分及 形成在該階梯部分的扭曲位置(參照?qǐng)D20)被俘獲且進(jìn)入晶體，由此，利用進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的 沿表面生長(zhǎng)而進(jìn)行穩(wěn)定的生長(zhǎng)。這樣，如果在基板主面法線至少向m軸方向傾斜的基板上 層疊ZnO系半導(dǎo)體層，則能夠使ZnO系半導(dǎo)體層以臺(tái)階面lb為中心進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，形成平 坦的膜。但是，在圖5(b)中，如果傾斜角e過(guò)大，則臺(tái)階面lb的階梯變得過(guò)大，不能平坦 地進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。圖9和圖10表示隨著向m軸方向的傾斜角不同而生長(zhǎng)膜的平坦性發(fā)生 變化的情況。圖9是將上述傾斜角0設(shè)為1. 5度，在具有該偏角的MgxZni_x0基板的主面 上使ZnO系半導(dǎo)體生長(zhǎng)的圖。另一方面，圖10是將偏角0設(shè)為3. 5度，在具有該偏角的 MgxZni_x0基板的主面上使ZnO系半導(dǎo)體生長(zhǎng)的圖。圖9和圖10都是在晶體生長(zhǎng)之后使用 AFM以1 y m見方的視野掃描的圖像。具體而言，在ZnO基板上形成非摻雜ZnO膜，掃描了非 摻雜ZnO膜表面。在圖9中以使臺(tái)階寬度一致的狀態(tài)生成有平整的膜，但是，在圖10中凹凸分 散，失去了平坦性?；谏鲜鍪聦?shí)，將偏角e優(yōu)選在超過(guò)o度的范圍內(nèi)設(shè)為3度以下(o < e <3)。因此，可以說(shuō)圖4的傾斜角也是同樣的，因此，將傾斜角①m優(yōu)選在超過(guò)0度的范圍設(shè)為3度以下(0 < 彡3)。接著，進(jìn)一步細(xì)致地設(shè)定上述偏角0，并且與上述同樣，在ZnO基板上形成非摻雜 ZnO膜，用AFM觀察非摻雜ZnO膜表面的情況表示在圖11 圖13。圖11表示ZnO基板主 面的偏角0為0. 1度的情況，圖12表示ZnO基板主面的偏角0為0.5度情況，圖13表示 ZnO基板主面的偏角0為1.5度的情況。圖11 圖13都是在ZnO基板上使非摻雜ZnO膜 以基板溫度870°C晶體生長(zhǎng)，并用AFM拍攝非摻雜ZnO膜表面的照片，其中(a)照片表示以 20 ym見方的視野拍攝的圖像，(b)照片表示以lym的視野拍攝的圖像。根據(jù)這些圖像可知，在偏角e位于0. 1 1.5度范圍內(nèi)的情況下，在非摻雜ZnO 膜表面以臺(tái)階寬度一致的狀態(tài)形成有平坦的膜。但是，如圖11所示，當(dāng)偏角e為o.i度左 右時(shí)，臺(tái)階寬度不平整而雜亂。這可以認(rèn)為是不能確保非摻雜ZnO膜的一個(gè)分子層臺(tái)階而 導(dǎo)致的。下面，圖14表示對(duì)于在圖11 圖13中調(diào)查的非摻雜ZnO膜進(jìn)行光致發(fā)光(PL) 測(cè)定的結(jié)果的光譜分布。PL測(cè)定是在絕對(duì)溫度12K (開)、衍射光柵的刻線密度2400條/mm 的條件下進(jìn)行的。圖14的橫軸表示發(fā)光能量(單位eV)，縱軸表示PL強(qiáng)度，單位采用PL 測(cè)定時(shí)通常使用的任意單位(對(duì)數(shù)刻度)。另外，圖14(b)表示將圖14(a)的光譜分布的發(fā) 光能量3. 35eV 3. 40eV范圍放大的圖。如圖14(a)、(b)所示，XI表示偏角0為0. 1度 的情況，X2表示偏角0為0.5度的情況，X3為偏角0為1.5度的情況。另外，S表示以偏 角e為0.5度形成于ZnO基板上的非摻雜ZnO膜的生長(zhǎng)溫度為800°C的情況。從圖14可 以看出，在偏角e為0.1 1.5度的范圍內(nèi)，未看出因偏角的不同而造成的效果的各異。圖15表示在室溫下對(duì)應(yīng)于ZnO基板主面法線的偏角0為0. 1度、0. 5度、1. 5度 的每個(gè)角度對(duì)于在圖11 圖13及圖14中采用的同樣的非摻雜ZnO膜進(jìn)行的PL測(cè)定，并 計(jì)算出圖14那樣的光譜分布，且將該光譜在發(fā)光波長(zhǎng)340nm 440nm范圍內(nèi)進(jìn)行積分而求 出的積分值。另外，在光譜分布中出現(xiàn)頻帶端發(fā)光和深能級(jí)發(fā)光，將此時(shí)的頻帶端發(fā)光峰值 與深能級(jí)發(fā)光峰值之比計(jì)算并示于圖15。圖15的橫軸表示偏角e，左側(cè)縱軸是表示室溫 下的PL積分強(qiáng)度(lntegratedintensity at RT)的任意單位，右側(cè)縱軸表示頻帶端發(fā)光峰 值與深能級(jí)發(fā)光峰值之比(Band/De印peak int ratio)。另外，用黑圓點(diǎn)表示的Y2是對(duì)應(yīng)于偏角0為0. 1度、0.5度、1.5度的各角度的非 摻雜ZnO膜的PL積分強(qiáng)度，用白三角(▽)表示的Y1為表示各角度下的頻帶端發(fā)光峰值 與深能級(jí)發(fā)光峰值之比。從該圖也可以看出，當(dāng)偏角9為0.1度時(shí)，PL積分強(qiáng)度、頻帶端 發(fā)光峰值與深能級(jí)發(fā)光峰值之比也稍微降低，但是，對(duì)于除此之外的偏角而言，未特別看到 效果的各異。因此，將偏角e更優(yōu)選設(shè)定在0. 1度彡e彡1.5度。因此，對(duì)于圖4的傾斜角叱 而言也是同樣的，傾斜角①^更優(yōu)選在化丨度彡①1.5度。如上所述，優(yōu)選使主面的法線Z位于c軸m軸平面內(nèi)，使法線Z從c軸僅向m軸方 向傾斜，并且將該傾斜角處在上述范圍內(nèi)。但是，實(shí)際上，難以限定于僅向m軸方向傾斜并 切出的情況，作為生產(chǎn)技術(shù)，也允許向a軸的傾斜，需要設(shè)定其容許度。例如，如圖4所示， 可以將主面制作成基板主面的法線Z從基板晶軸的c軸傾斜①角，并且將法線Z向基板晶 軸的c軸m軸a軸正交坐標(biāo)系的c軸m軸平面投影的投影軸向m軸傾斜角、向c軸a軸 平面投影的投影軸向a軸傾斜角。但是，在該情況下，發(fā)明者通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)了有必要將臺(tái)階面的臺(tái)階邊緣和m軸方向所構(gòu)成的角es設(shè)定在一定范圍內(nèi)。從制作平坦膜的角度考慮，有必要將臺(tái)階邊緣沿m軸方向規(guī)則地排列，如果臺(tái)階 邊緣的間隔、臺(tái)階邊緣的線雜亂，由于不能進(jìn)行前述的沿表面生長(zhǎng)，因此不能制作平坦膜。如圖4所示那樣基板主面的法線Z向m軸方向及a軸方向傾斜的主面如圖6(a) 所示表示。坐標(biāo)軸的設(shè)定等與圖5相同。如圖6(a)所示，將基板主面法線Z向基板晶軸即 c軸m軸a軸的正交坐標(biāo)系中的a軸m軸平面投影的投影軸的方向被表示為L(zhǎng)方向。將基 板1的表面部分(例T2區(qū)域)放大表示于圖6(b)。如圖6(b)所示，產(chǎn)生平坦面即平臺(tái)面 lc和形成在因傾斜而產(chǎn)生的階梯部分的臺(tái)階面。在此，平臺(tái)面為C面(0001)，與圖5的情 況不同，由圖6(a)可知，法線Z從與平臺(tái)面垂直的c軸傾斜①角。由于基板主面的法線方向不僅向m軸方向傾斜，還向a軸方向傾斜，因此，臺(tái)階面 傾斜地出現(xiàn)，臺(tái)階面沿L方向排列。該狀態(tài)如圖4所示，表現(xiàn)為臺(tái)階邊緣沿L方向排列，但 是，由于M面為熱穩(wěn)定面、化學(xué)穩(wěn)定面，因此，傾斜臺(tái)階不能根據(jù)a軸方向的傾斜角。a而保 持為平整，如圖6(b)所示，在臺(tái)階面Id上產(chǎn)生凹凸，臺(tái)階邊緣的排列雜亂，在主面上不能形 成平坦的膜。上述M面具有熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性是發(fā)明者發(fā)現(xiàn)的，成為其依據(jù)的數(shù)據(jù)如圖 16 圖19所示。圖16是將MgxZni_x0基板表面利用AFM在5 P m見方的范圍內(nèi)掃描的圖像， 圖17 圖19是在lym見方的范圍內(nèi)掃描的圖像。另夕卜，作為MgxZni_x0基板采用了 ZnO基 板。圖16(a)表示將MgxZni_x0基板的露出的A面在1100°C、大氣中進(jìn)行2小時(shí)退火處 理后的狀態(tài)，圖16 (b)表示將MgxZni_x0基板的露出的M面在1100°C、大氣中進(jìn)行2小時(shí)退火 處理后的狀態(tài)。在圖16(b)中形成了平整的表面，與此相反，在圖16(a)中產(chǎn)生臺(tái)階積累， 并且，該臺(tái)階的寬度及臺(tái)階邊緣雜亂，表面狀態(tài)差。由此可知，M面為熱穩(wěn)定面。另一方面，圖17(a)表示MgxZni_x0基板的主面c軸向a軸方向及m軸方向傾斜，不 能使M面平整地出現(xiàn)的如圖6(b)所示的表面狀態(tài)。圖17(b)表示將該表面用5%濃度的 鹽酸進(jìn)行30秒蝕刻后的狀態(tài)。通過(guò)鹽酸蝕刻，如圖17(b)表示的六邊形區(qū)域所示，除M面 以外的面被去除，使M面突出地顯現(xiàn)。另外，圖18(a)表示向a軸方向的傾斜角與圖17(a) 不同的MgxZni_x0基板表面，圖18 (b)表示將該表面用5%濃度的鹽酸進(jìn)行30秒蝕刻后的狀 態(tài)。如圖13(b)表示的六邊形區(qū)域所示，除M面以外的面被去除，使M面突出地顯現(xiàn)。另一方面，圖19(a)表示MgxZni_x0基板中的主面法線Z僅向m軸方向傾斜的表面， 表示圖5(b)和(c)所示的表面狀態(tài)。圖19(a)表示M面的臺(tái)階邊緣和m軸垂直地排列。圖 19(b)表示將該表面用5%濃度的鹽酸進(jìn)行30秒蝕刻后的狀態(tài)。由圖19(b)可以看出，即 使進(jìn)行蝕刻之后，表面狀態(tài)幾乎沒(méi)有變化。由以上的圖17 圖19的數(shù)據(jù)能夠理解M面為 化學(xué)穩(wěn)定面。如上所述，圖7表示主面法線Z至少具有從c軸向m軸方向的傾斜角(偏角)、且 在a軸方向上也具有一定的偏角的MgxZni_x0基板的表面。使用AFM拍攝了 MgxZni_x0基板 的表面。圖7 (a)表示MgxZni_x0基板的主面的法線Z從c軸僅向m軸方向傾斜，而向a軸方 向沒(méi)有傾斜的狀態(tài)。在圖7(b) (d)中表示除了向m軸方向傾斜之外，還向a軸方向傾斜 的情況，表示其向a軸方向的傾斜角逐漸變大時(shí)的表面狀態(tài)。圖7(a)表示僅向m軸方向傾斜0. 3度的表面狀態(tài)，表示非常平整的表面狀態(tài)，臺(tái)
9階邊緣顯現(xiàn)為規(guī)則地排列。例如，圖8表示在圖7(a)的MgxZrvxO基板上使ZnO系半導(dǎo)體層 外延生長(zhǎng)的例。圖8(a)為使用AFM在3μπι見方范圍內(nèi)掃描外延生長(zhǎng)后的表面的圖像，圖 8(b)為在Iym見方的范圍內(nèi)掃描的圖像。表面狀態(tài)非常平整，未看到凹凸分散。但是，如果混有a軸方向的偏角，在臺(tái)階邊緣顯現(xiàn)凹凸，臺(tái)階寬度也雜亂，因此，對(duì) 膜形成產(chǎn)生惡劣影響。圖21表示在生長(zhǎng)面(主面)中的C面除了 m軸方向的偏角之外還具有a軸方向的 偏角的情況下，臺(tái)階邊緣、臺(tái)階寬度以怎樣的方式變化。將在圖4中說(shuō)明的m軸方向的偏角 Φω固定為0.4度，使a軸方向的偏角以變大的方式變化并進(jìn)行了比較。這可通過(guò)改變 MgxZrvxO基板的切出面而實(shí)現(xiàn)。在改變MgxZrvxO基板的切出面的情況下，如果利用XRD (X 射線衍射裝置)指定方位，則能夠精度優(yōu)良地切割梨晶(結(jié)晶^一 > )的位置。如果將a軸方向的偏角改變?yōu)楦?，則臺(tái)階邊緣和m軸方向構(gòu)成的角θ s也按 照變大的方向變化，因此，在圖16記載了 03的角度。圖21 (a)表示了 Qs = 85度的情況， 可見臺(tái)階邊緣和臺(tái)階寬度都不雜亂。圖21(b)表示了 es = 78度的情況，可見盡管稍微雜 亂，但是能夠確認(rèn)臺(tái)階邊緣及臺(tái)階寬度。図21(c)表示了 es = 65度的情況，可見極度雜 亂，不能確認(rèn)臺(tái)階邊緣及臺(tái)階寬度。如果在圖21 (c)的表面狀態(tài)上使ZnO系半導(dǎo)體層外延生 長(zhǎng)，則導(dǎo)致形成如圖24所示的膜。如果將該圖21(c)的情況換算為向a軸方向傾斜的Φ3， 則相當(dāng)于Θ.15度。由以上數(shù)據(jù)可知，優(yōu)選70度< es<90度的范圍。但是，在考慮θ s時(shí)，不僅要考慮主面的法線Z向a軸方向傾斜度的情況，并且， 根據(jù)對(duì)稱性，由于在圖4(a)中向_a軸方向傾斜的情況也等效，因此也要考慮該情況。如果 將該傾斜角設(shè)定為，并將臺(tái)階面的臺(tái)階部分向a軸m軸投影，則表示為圖4(c)。在此，對(duì) 于m軸和臺(tái)階邊緣所構(gòu)成的角Qi的條件，上述70度<度也成立。由于es=iso 度-Qi的關(guān)系成立，因此，θ s的最大值為180度-70度=110度，最終，70度<
度的范圍成為能夠使平坦的膜生長(zhǎng)的條件。從制作平坦膜的方面考慮，可知優(yōu)選將MgxZrvxO基板上的生長(zhǎng)面中的c軸向a軸 方向的傾斜度設(shè)定在70度< es<90度的范圍。下面，角度單位為弧度(rad)，根據(jù)圖4， 如果使用Φω、Φ3表示θ s，則如下所示。根據(jù)圖4，角度α表示為α = arctan(tanOa/tanOm),θ s = (Ji /2)-α = (Ji/2)—arctan (tanOa/tanOm)。在此，如果將θ s由弧度變換為度(deg)，則成為θ s = 90-(180/3i)arctan(tancl5a/tan0m)，因此，表示為70 ^ {90- (180/ π ) arctan (tanΦa/tanΦm)} ( 110。在此，眾所周知，tan 表示正 切(tangent)，arctan表示反正切(arctangent)。另外，θ s = 90度的情況表示不向a軸 方向傾斜，而僅向m軸方向傾斜。另外，如果Φω、Φ3度的單位不是弧度，而是設(shè)定為Φω度、 Oa度，則上述不等式表示如下。70 ^ {90-(180/π) arctan (tan (π Φ3/180)/tan ( π 0m/180))}彡 110下面，敘述如上述所述那樣制作MgxZrvxO基板1的層疊側(cè)表面的傾斜，制造圖1所 示的ZnO系半導(dǎo)體元件的方法。首先，關(guān)于MgxZrvxO基板1，將例如通過(guò)水熱合成法制作的ZnO坯料，如前所述地 進(jìn)行切割，以使主面的法線方向從基板晶軸的c軸至少向m軸方向傾斜，另外，在具有a軸方向的偏角的情況下，偏角在一定的范圍內(nèi)。即，在圖4的Φω在超過(guò)0度且3度以下范圍 內(nèi)并且向a軸方向傾斜的情況下，以圖4的θ s在70度以上且110度以下的范圍的方式切 出，并通過(guò) CMP (chemical mechanicalpolish)研磨制作晶片。另外，即使基板1的Mg的混晶率為0，對(duì)于在其上面生長(zhǎng)的ZnO系半導(dǎo)體的結(jié)晶 性，也幾乎不產(chǎn)生影響，但是，通過(guò)采用帶隙大于發(fā)出光的光波長(zhǎng)(有源層的組成)的材料， 發(fā)出的光不會(huì)被基板1吸收，因此是優(yōu)選的。另外，對(duì)于ZnO系化合物的生長(zhǎng)，采用具有自由基源(，夕力 >源)的MBE裝置，該 自由基源通過(guò)RF等離子體制作出提高了氧氣的反應(yīng)活性的氧自由基(酸素，^力 > )。為 了 P型ZnO的摻雜劑即氮而準(zhǔn)備相同的自由基源。另外，Zn源、Mg源、Ga源(η型摻雜劑) 分別使用純度6Ν(99. 9999%)以上的金屬Zn、金屬M(fèi)g等，且由怒森池(蒸發(fā)源)供給。預(yù) 先準(zhǔn)備在MBE腔室的周圍使液體氮流動(dòng)的管套(H ” F),以使壁面不會(huì)因來(lái)自電池及 基板加熱器的熱輻射而受熱。由此，能夠?qū)⑶皇覂?nèi)保持1Χ10_9Τοπ·左右的高真空。在這種MBE裝置內(nèi)導(dǎo)入CMP研磨后的由上述ZnO構(gòu)成的晶片(基板1)后，在700 900°C左右下進(jìn)行熱清洗，然后使基板溫度變化為800°C左右，依次生長(zhǎng)ZnO系半導(dǎo)體層2 5。在此，ρ型ZnO系半導(dǎo)體5例如由10 30nm左右膜厚的ρ型ZnO接觸層5構(gòu) 成。有源層周邊部由帶隙大于有源層3的MgyZni_y0(0 ^y ^0. 35、例如y = 0. 25)構(gòu)成 的η型層2及ρ型層4夾著有源層3而形成為雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。有源層3未被圖示，但構(gòu)成為 具有層疊結(jié)構(gòu)的多重量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)，該層疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成為例如從下層側(cè)依次層疊由η型 MgzZrvzO(C)彡ζ彡0. 35、例如ζ = 0. 2)構(gòu)成且0 15nm左右厚度的η型引導(dǎo)層、將6 15nm左右厚度的MgaiZna9O層及1 3nm左右厚度的ZnO層交替地層疊6周期的層疊部、 由ρ型MgaZna9O構(gòu)成且0 15nm左右厚度的ρ型引導(dǎo)層，該有源層3例如發(fā)出365nm左 右波長(zhǎng)的光。但是，有源層的結(jié)構(gòu)不限于該實(shí)例，有源層3也可以是例如單量子阱(SQW)結(jié) 構(gòu)、塊體結(jié)構(gòu)，另外，也可以不是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，而可以是單異質(zhì)結(jié)的Pn結(jié)構(gòu)。另外，η型層 2及P型層4也可以制成阻擋層和接觸層的層疊結(jié)構(gòu)，另外，也可以在異質(zhì)結(jié)的層間設(shè)置梯 度層，進(jìn)而在基板側(cè)形成反射層。接著，對(duì)基板1的背面進(jìn)行研磨使基板1的厚度達(dá)到100 μ m左右之后，利用蒸鍍 法、濺射法等在其背面層疊Ti、Al，并在600°C進(jìn)行1分鐘左右的燒結(jié)，由此能夠形成確保歐 姆性的η電極9。而且，利用蒸鍍法、濺射法等，在ρ型接觸層5的表面，以M/Au的層疊結(jié) 構(gòu)形成P電極8，通過(guò)切割等從晶片進(jìn)行芯片化處理，形成有圖1所示結(jié)構(gòu)的發(fā)光元件芯片。 另外，η側(cè)電極9也可以不形成在基板1的背面，而形成在對(duì)層疊的半導(dǎo)體層疊部7的一部 分進(jìn)行蝕刻而露出的η型層2的表面。以上表示的是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)例，并不局限于該層疊結(jié) 構(gòu)。盡管上述的實(shí)例是以LED為例，但是，對(duì)于激光二極管(LD)，也同樣通過(guò)在上述范 圍內(nèi)使作為生長(zhǎng)用基板的MgxZrvxO基板的生長(zhǎng)面?zhèn)鹊腃面的角度傾斜，能夠維持在其上層 疊的各ZnO系半導(dǎo)體層的平坦性，能夠制作量子效應(yīng)高的半導(dǎo)體。圖22是通過(guò)在ZnO基板21的主面上生長(zhǎng)ZnO系半導(dǎo)體層而構(gòu)成晶體管的剖面結(jié) 構(gòu)圖，其中，ZnO基板21的主面形成為，如上所述，在圖4的①^立于超過(guò)0度且3度以下的 范圍并且具有朝向a軸方向的傾斜的情況下，使圖4的θ s在70度以上且110度以下的范
11圍。在該例中，依次使非摻雜的ZnO層23生長(zhǎng)4 μ m左右，使η型MgZnO系電子移動(dòng)層(電 子走行層)24生長(zhǎng)IOnm左右，使非摻雜的MgZnO系層25生長(zhǎng)5nm左右，保留作為柵極長(zhǎng)度 的1. 5 μ m左右的寬度以蝕刻除去非摻雜的MgZnO層25，從而使電子移動(dòng)層24露出。然后， 在通過(guò)蝕刻而露出的電子移動(dòng)層24上，例如由Ti膜和Al膜形成源極電極26和漏極電極 27，在非摻雜的MgZnO系層25的表面，通過(guò)層疊例如Pt膜和Au膜而形成柵極電極28，由 此，構(gòu)成晶體管。 在如上所述那樣構(gòu)成的元件中，由于在形成于ZnO基板1上的各半導(dǎo)體層中提高 了膜的平坦性，因此能夠得到高切換速度的晶體管(HEMT)。
權(quán)利要求
一種ZnO系半導(dǎo)體元件，其特征在于，在主面具有C面的MgxZn1-xO、0≤x＜1的基板上，將所述主面的法線向基板晶軸的m軸c軸平面投影的投影軸與c軸形成Φm度的角度，所述Φm滿足0＜Φm≤3的條件；在所述主面形成有ZnO系半導(dǎo)體層。
2.如權(quán)利要求1所述的ZnO系半導(dǎo)體元件，其特征在于，對(duì)于所述Φω，將所述0 < Φω ≤ 3的條件變更為0. 1 ≤Φω ≤1. 5的條件。
3.如權(quán)利要求1或2所述的ZnO系半導(dǎo)體元件，其特征在于， 所述C面由+C面構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的ZnO系半導(dǎo)體元件，其特征在于，將所述主面的法線向基板晶軸的a軸c軸平面投影的投影軸與c軸形成度的角度， 所述滿足以下條件70 ≤ {90- (180/ π ) arctan (tan ( π Φa/180) /tan (0m/180)) ≤ 110。
5.一種ZnO系半導(dǎo)體元件，其特征在于，在主面具有C面的MgxZni_x0、0≤x≤1的基板上，所述主面的法線從c軸僅向m軸方向傾斜，該傾斜角超過(guò)0度且在3度以下的范圍內(nèi)； 在所述主面形成有ZnO系半導(dǎo)體層。
6.如權(quán)利要求5所述的ZnO系半導(dǎo)體元件，其特征在于， 所述傾斜角在0. 1度以上且1. 5度以下的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種ZnO系半導(dǎo)體元件，能夠在層疊側(cè)主面具有C面的MgZnO基板上生長(zhǎng)平坦的ZnO系半導(dǎo)體層。該ZnO系半導(dǎo)體元件采用主面具有C面的MgxZn1-xO(0≤x＜1)基板，并在以使所述主面的法線向基板晶軸的m軸c軸平面投影的投影軸與c軸所形成的Φm角滿足0＜Φm≤3的方式形成的主面上，使ZnO系半導(dǎo)體層(2～5)外延生長(zhǎng)。然后，在ZnO系半導(dǎo)體層(5)上形成p電極(8)，在MgxZn1-xO基板(1)的下側(cè)形成n電極(9)。這樣，通過(guò)在MgxZn1-xO基板(1)的表面形成沿m軸方向規(guī)則地排列的臺(tái)階，能夠防止臺(tái)階積累現(xiàn)象，并且提高層疊在基板(1)上的半導(dǎo)體層的膜的平坦性。
文檔編號(hào)H01L33/16GK101889347SQ200880119750
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2008年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月22日
發(fā)明者中原健, 塚崎敦, 大友明, 川崎雅司 申請(qǐng)人:羅姆股份有限公司