(57)【要約】【課題】半導体デバイスとして問題なく動作させるために、少なくとも機能的な働きを行うＺｎＯ系半導体層にアルカリ金属が達するのを防止することができるＺｎＯ系基板及びＺｎＯ系半導体素子を提供する。【解決手段】  ＺｎＯ系基板中に存在するアルカリ金属の濃度が１×１０１４ｃｍ−３以下に形成されているので、このＺｎＯ系基板上に結晶成長されるＺｎＯ系半導体に対してアルカリ金属の偏析を防止することができる。また、基板中のリチウム濃度が１×１０１４ｃｍ−３を越えるＺｎＯ系基板であっても、その上に形成するＺｎＯ膜の膜厚を５０ｎｍ以上にすることで、このＺｎＯ膜よりも後に形成されるＺｎＯ系半導体層へのアルカリ金属の偏析を防止することができる。【選択図】        図１
2011046580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板中に存在するアルカリ金属の濃度が１×１０１４ｃｍ−３以下であることを特徴とするＺｎＯ系基板。
【請求項２】
前記アルカリ金属は、リチウムであることを特徴とする請求項１記載のＺｎＯ系基板。
【請求項３】
前記結晶成長を行う側の主面は＋Ｃ面であ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系基板。
【請求項４】
前記結晶成長を行う側の主面はＣ面を有し、前記主面の法線を基板結晶軸のｍ軸ｃ軸平面に投影した投影軸が、ｍ軸方向に３度以内の範囲で傾斜し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系基板。
【請求項５】
前記主面の法線を基板結晶軸のａ軸ｃ軸平面に投影した投影軸がａ軸方向にΦａ度、前記主面の法線を前記主面におけるｍ軸ｃ軸平面に投影した投影軸がｍ軸方向にΦｍ度傾斜し、前記Φａは
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（πΦｍ／１８０））｝≦１１０
を満たす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系基板。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかのＺｎＯ系基板上にＺｎＯ系半導体が結晶成長されていることを特徴とするＺｎＯ系半導体素子。
【請求項７】
前記ＺｎＯ系半導体はＺｎＯ膜とＭｇＺｎＯ膜とで構成されていることを特徴とする請求項６記載のＺｎＯ系半導体素子。
【請求項８】
前記ＭｇＺｎＯ膜のＭｇ組成が３５％以下であることを特徴とする請求項７記載のＺｎＯ系半導体素子。
【請求項９】
基板中のリチウム濃度が１×１０１４ｃｍ−３を越えるＺｎＯ系基板上に、膜厚５０ｎｍ以上のＺｎＯ膜が少なくとも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１０】
前記ＺｎＯ膜よりも後に形成されるＺｎＯ系半導体層でリチウム濃度が１×１０１４ｃｍ−３以下になっていることを特徴とする請求項９記載のＺｎＯ系半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＺｎＯ系薄膜等の結晶成長に適したＺｎＯ系基板及びこれを用いた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、アクセプター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。また、非特許文献３には、単結晶ＺｎＯを用いると電界効果移動度が２５０ｃｍ２／Ｖ・Ｓに達すると記載されており、非特許文献４には、アルモファスＺｎＯで電界効果移動度が７ｃｍ２／Ｖ・Ｓ（アモルファスＳｉは１ｃｍ２／Ｖ・Ｓ以下）に達するとの報告等もあって、ＺｎＯは電子デバイス材料としても有用であることがわかってきた。
【０００４】
また、ＺｎＯにはコストメリットもある。水熱合成法という水晶で量産実績のある方法でＺｎＯが生産され、既に販売されている。これは産業と言う観点からはとても大きな優位点である。このため、ＺｎＯはＳｉ並みのコストになることが予想される。
【０００５】
これとは対照的に、同じワイドギャップ半導体であるＳｉＣもＧａＮも基板自体は販売されているが、産業の面からは難点が多い。どちらもガスを材料源とした気相成長法を用いるため、Ｓｉ・ＧａＡｓ・サファイアで実績のある液相成長法と比較すると、材料効率が悪い（未反応生成物が大量にできる）、成長速度が遅い、大きい塊もしくは面積の広い板ができない、といった根本的に克服できない弱点を持っている。
【０００６】
したがって、コストが非常に高くなるか、大面積ができないといった産業面から見て致命的な弱点を有している。こういう問題が無いに均しいＺｎＯはＺｎＯ基板を使うことで半導体デバイス作製に不可欠なエピタキシャル成長も容易にでき、半導体として飛躍する可能性を十分に持っている。
【０００７】
このように物性的、産業的に非常に有望なＺｎＯであるが、ＺｎＯ系基板に唯一と言ってよい難点がある。アルカリ金属（Ｉ族元素のうち、水素を除くもの）を不純物として含んでしまうことにある。温度を上げると、ＺｎＯは融液にならず昇華してしまうため、通常、ＬｉＯＨ（水酸化リチウム）とＫＯＨ（水酸化カリウム）の溶液に溶かして液相成長を行う。このために溶液を構成するアルカリ金属が入ってしまう。アルカリ金属を含むＩ族元素は他のＩ族元素を排除するのが難しい元素であり、これらを選択的に除去するのは殆ど不可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】A.Tsukazaki et al.,Jpn.J.Appl.Phys. Vol.44(2005)L643
【非特許文献２】A.Tsukazaki et al.,Nature Material 4(2005)42
【非特許文献３】日経エレクトロニクス2007-8/27号p.52
【非特許文献４】J.Nishii et al.,Jpn. J.Appl. Phys. Vol.42 (2003) pp.L347-L349
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、液相成長させたＺｎＯ系基板を用いて、ＺｎＯ系基板上にＺｎＯ系薄膜をＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置等で結晶成長させた場合に、以下のような問題が発生する。
【００１０】
図５は、ＺｎＯ基板／ＭｇＺｎＯ膜／ＺｎＯ膜の積層構造で、ＺｎＯ基板にリチウムが１×１０１４ｃｍ−３を越える、１×１０１４ｃｍ−３台半ばの濃度で存在するように形成した。また、各層のリチウム（Ｌｉ）濃度、Ｍｇ及びＺｎの２次イオン強度を二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy：SIMS)で測定した。標準試料によってＬｉは定量測定されている。図５の左側縦軸がＬｉ濃度（ｃｍ−３）、右側縦軸がＭｇ又はＺｎの二次イオン強度（ｃｐｓ）を示し、横軸が深さ（μｍ）を示す。図の中央のＭｇの二次イオン強度が高くなっている領域がＭｇＺｎＯ膜を示し、その右側がＺｎＯ基板、左側がＺｎＯ膜である。
【００１１】
これは、我々が初めて見出したことであるが、ＬｉはＭｇＺｎＯ膜に偏析する。図５のＬｉの濃度が高くなっている領域を見ればわかるように、ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯの積層があるときは特にＭｇＺｎＯ膜中に留まろうとする。図５でＺｎＯ膜が積層された途端にＬｉがバックグランドレベルに下がっていることからもわかる。
【００１２】
また、図４（ａ）に示すように、ＺｎＯ基板１１上に、Ｇａ（ガリウム）ドープのｎ型ＭｇＺｎＯ層１２、アンドープＺｎＯ層１４、窒素ドープのｐ型ＭｇＺｎＯ層１５を積層し、ＭｇＺｎＯ／ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯというＺｎＯをｐ型とｎ型のＺｎＯ系半導体層で挟み込んだダブルへテロ接合を作製し、ＺｎＯ基板１１にリチウムが１×１０１４ｃｍ−３を越える、１×１０１４ｃｍ−３台半ばの濃度で存在するように形成した。
【００１３】
図５と同様、各層のリチウム（Ｌｉ）濃度、Ｍｇ及びＺｎの２次イオン強度を二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy：SIMS)で測定した。測定結果が図４（ｂ）に示されている。縦軸、横軸の意味は、図５と同じである。図４（ｂ）からわかるように、ｎ型ＭｇＺｎＯ層１２にＬｉは偏析しており、アンドープＺｎＯ層１４にも存在している。また、アンドープＺｎＯ層１４を突き抜けて、上層のｐ型ＭｇＺｎＯ層１５中に再びＬｉが偏析している。これらのことから、Ｌｉは非常にＭｇＺｎＯに混入しやすいことがわかる。
【００１４】
例えば、発光素子の場合、ＭｇＺｎＯ／ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯという、ワイドギャップでナローギャップを挟むダブルヘテロ接合が基本的に用いられ、トランジスタ等の電子デバイスでも、ＭｇＺｎＯ層は、何らかの形で用いることが必要となってくる。
【００１５】
これらのデバイスを作製した場合には、ＭｇＺｎＯ層にアルカリ金属の一種である不純物Ｌｉが偏析するだけではなく、活性層やチャネル領域に不純物Ｌｉが混入することにもなり、デバイスの性能を変動させたり、劣化させることにつながる。そこで、少なくともＬｉ等のアルカリ金属が機能的な働きを行うＺｎＯ系半導体層にまで達することがないようにしなければならないが、その具体的な構成については、今までわかっていなかった。
【００１６】
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、半導体デバイスとして問題なく動作させるために、少なくとも機能的な働きを行うＺｎＯ系半導体層にアルカリ金属が達するのを防止することができるＺｎＯ系基板及び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】
【００１７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板中に存在するアルカリ金属の濃度が１×１０１４ｃｍ−３以下であることを特徴とするＺｎＯ系基板である。
【００１８】
また、請求項２記載の発明は、前記アルカリ金属は、リチウムであることを特徴とする請求項１記載のＺｎＯ系基板である。
【００１９】
また、請求項３記載の発明は、前記結晶成長を行う側の主面は＋Ｃ面であ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系基板である。
【００２０】
また、請求項４記載の発明は、前記結晶成長を行う側の主面はＣ面を有し、前記主面の法線を基板結晶軸のｍ軸ｃ軸平面に投影した投影軸が、ｍ軸方向に３度以内の範囲で傾斜し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系基板である。
【００２１】
また、請求項５記載の発明は、前記主面の法線を基板結晶軸のａ軸ｃ軸平面に投影した投影軸がａ軸方向にΦａ度、前記主面の法線を前記主面におけるｍ軸ｃ軸平面に投影した投影軸がｍ軸方向にΦｍ度傾斜し、前記Φａは
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（πΦｍ／１８０））｝≦１１０
を満たす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系基板である。
【００２２】
また、請求項６記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれかのＺｎＯ系基板上にＺｎＯ系半導体が結晶成長されていることを特徴とするＺｎＯ系半導体素子である。
【００２３】
また、請求項７記載の発明は、前記ＺｎＯ系半導体はＺｎＯ膜とＭｇＺｎＯ膜とで構成されていることを特徴とする請求項６記載のＺｎＯ系半導体素子である。
【００２４】
また、請求項８記載の発明は、前記ＭｇＺｎＯ膜のＭｇ組成が３５％以下であることを特徴とする請求項７記載のＺｎＯ系半導体素子である。
【００２５】
また、請求項９記載の発明は、基板中のリチウム濃度が１×１０１４ｃｍ−３を越えるＺｎＯ系基板上に、膜厚５０ｎｍ以上のＺｎＯ膜が少なくとも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。
【００２６】
また、請求項１０記載の発明は、前記ＺｎＯ膜よりも後に形成されるＺｎＯ系半導体層でリチウム濃度が１×１０１４ｃｍ−３以下になっていることを特徴とする請求項９記載のＺｎＯ系半導体素子である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のＺｎＯ系基板は、基板中に存在するアルカリ金属の濃度が１×１０１４ｃｍ−３以下に形成されているので、ＺｎＯ系基板上に結晶成長されるＺｎＯ系半導体に対してアルカリ金属の偏析を防止することができる。また、基板中のリチウム濃度が１×１０１４ｃｍ−３を越えるＺｎＯ系基板であっても、その上に形成するＺｎＯ膜の膜厚を５０ｎｍ以上にすることで、このＺｎＯ膜よりも後に形成されるＺｎＯ系半導体層へのアルカリ金属の偏析を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】Ｌｉが含まれたＺｎＯ基板上にＭｇＺｎＯ層とＺｎＯ層を含む積層体を形成し、SIMSで測定した結果を示す図である。
【図２】Ｌｉが含まれたＺｎＯ基板上にＺｎＯ層を形成し、SIMSで測定した結果を示す図である。
【図３】Ｌｉが含まれたＺｎＯ基板上に、（ａ）に示す積層体を形成し、SIMSで測定した結果を示す図である。
【図４】Ｌｉが含まれたＺｎＯ基板上に、（ａ）に示す積層体を形成し、SIMSで測定した結果を示す図である。
【図５】Ｌｉが含まれたＺｎＯ基板上にＭｇＺｎＯ層とＺｎＯ層を含む積層体を形成し、SIMSで測定した結果を示す図である。
【図６】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７】ＺｎＯ基板表面の法線の傾斜状態及びステップエッジとｍ軸との関係を示す図である。
【図８】基板主面法線Ｚがｍ軸方向にのみオフ角を有する場合のＺｎO基板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。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明では、ＭｇＸＺｎ１−ＸＯ基板（０≦Ｘ＜１）を用い、この基板上に結晶成長されるＭｇＺｎＯ膜にＬｉ等のアルカリ金属の偏析を防止するために、ＭｇＸＺｎ１−ＸＯ基板中のアルカリ金属元素の濃度が所定濃度以下であれば、良いことを我々は見出した。上記ＭｇＸＺｎ１−ＸＯ基板（０≦Ｘ＜１）のうち、Ｘ＝０のＺｎＯ基板を用い、ＺｎＯ基板中にアルカリ金属元素の一種であるＬｉが含まれるように、液相成長させた。
【００３０】
そして、このＺｎＯ基板上に、ＭｇＺｎＯ層とＺｎＯ層を含むＺｎＯ系半導体をＭＢＥ等で結晶成長させて考察を行った。結晶成長させるＭｇＹＺｎ１−ＹＯ層については、Ｍｇの組成比率を３５％以下（Ｙ≦０．３５）とした。これは、Ｍｇの組成比率が３５％を超えると、Ｍｇが析出して、均一組成でなくなることもよくあるからである。ここで、ＺｎＯ系半導体とは、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。また、アルカリ金属とは、I族元素のうち、Ｈ（水素）を除くものであり、具体的には、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒのうち、いずれかの元素を表すものとする。
【００３１】
図１は、図４（ａ）と同様、ＺｎＯ基板１１、ｎ型ＭｇＺｎＯ層１２、アンドープＺｎＯ層１４、ｐ型ＭｇＺｎＯ層１５の積層構造で、ＺｎＯ基板１１にリチウムが１×１０１４ｃｍ−３以下、１×１０１３ｃｍ−３台半ばの濃度で存在するように形成した。また、各層のリチウム（Ｌｉ）濃度、Ｍｇ（マグネシウム）及びＺｎ（亜鉛）の２次イオン強度を二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy：SIMS)で測定した。標準試料によってＬｉは定量測定されている。図１の左側縦軸がＬｉ濃度（ｃｍ−３）、右側縦軸がＭｇ又はＺｎの二次イオン強度（ｃｐｓ）を示し、横軸が深さ（μｍ）を示す。図の中央のＭｇの二次イオン強度が高くなっている領域がｎ型ＭｇＺｎＯ層１２を示し、その右側がＺｎＯ基板１１、左側がアンドープＺｎＯ層１４、ｐ型ＭｇＺｎＯ層１５である。図４（ｂ）と比較すればわかるように、ｎ型ＭｇＺｎＯ層１２にはＬｉの偏析が発生していない。そもそも、図１のＬｉに関するSIMSデータがポツンポツンと、極めてわずかしか飛び出していないことからわかるように、Ｌｉはほとんど存在していない。
【００３２】
また、図２は、ＺｎＯ基板上に形成したＺｎＯ層でのＬｉの偏析状態を示す。ＺｎＯ基板にリチウムが１×１０１４ｃｍ−３以下、１×１０１３ｃｍ−３台半ばの濃度で存在するように形成し、SIMSで測定した。ＺｎＯ基板／ＺｎＯ層の境界がわかるように、不純物ＡｌもＺｎＯ基板に含まれるようにした。縦軸、横軸の意味は、図１と同様である。Ａｌ濃度が高くなっている領域がＺｎＯ基板であり、低くなっている領域がＺｎＯ層である。図２からわかるように、ＺｎＯ基板中のリチウム濃度が、１×１０１４ｃｍ−３以下の場合、ＺｎＯ層中でも、リチウムの偏析は見られない。この場合もＬｉは、ほとんど検出限界以下である。
【００３３】
以上、図４（ｂ）と比較すればわかるように、１×１０１３ｃｍ−３台、すなわち１×１０１４ｃｍ−３以下のリチウム濃度になるように、ＺｎＯ系基板を形成しておけば、その上に形成されるＭｇＺｎＯやＺｎＯ等のＺｎＯ系半導体層にＬｉの偏析が発生しないことがわかる。
【００３４】
他方図３は、ＺｎＯ系基板中のアルカリ金属濃度の規定をするのではなく、ＺｎＯ系基板中のアルカリ金属濃度が１×１０１４ｃｍ−３を越える濃度となっていても、ＺｎＯ系基板上に形成される活性層やチャネル層を構成するＭｇＺｎＯ中やＺｎＯ中にアルカリ金属が析出しないようにする構造を考える。
【００３５】
図３は、図３（ａ）のように、ＺｎＯ基板１１、ガリウムドープのｎ型ＭｇＺｎＯ層１２、アンドープＭｇＺｎＯ層１３、アンドープＺｎＯ層１４、窒素ドープのｐ型ＭｇＺｎＯ層１５の積層構造で、ＺｎＯ基板１１にリチウムが１×１０１４ｃｍ−３を越える、１×１０１４ｃｍ−３台半ばの濃度で存在するように形成した。また、各層のリチウム（Ｌｉ）濃度、Ｍｇ及びＺｎの２次イオン強度を二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy：SIMS)で測定した。標準試料によってＬｉは定量測定されている。図３の左側縦軸がＬｉ濃度（ｃｍ−３）、右側縦軸がＭｇ又はＺｎの二次イオン強度（ｃｐｓ）を示し、横軸が深さ（μｍ）を示す。図の中央のＭｇの二次イオン強度が高くなっている領域がｎ型ＭｇＺｎＯ層１２とアンドープＭｇＺｎＯ層１３を示し、その右側がＺｎＯ基板１１、左側がアンドープＺｎＯ層１４、ｐ型ＭｇＺｎＯ層１５である。
【００３６】
この図では、アンドープＺｎＯ層１４及びｐ型ＭｇＺｎＯ層１５には、リチウムの偏析が見られない。ここでは、アンドープＺｎＯ層１４の膜厚を２００ｎｍにしている。一方、上述の図４の構造では、アンドープＺｎＯ層１４の膜厚を５０ｎｍにしている。ｎ型であれ、ｐ型であれ、ＭｇＺｎＯ層にはリチウムの偏析は非常に起きやすいことは前述のようにわかっているので、図３でアンドープＺｎＯ層１４から上層でリチウムの偏析が発生しなかったのは、アンドープＺｎＯ層１４の膜厚が厚かったからだといえる。したがって、ＺｎＯ系基板中にＬｉ等が含まれていても、積層途中の半導体層にＺｎＯ層を用い、この膜厚を大きくしておくことで、このＺｎＯ層よりも後に形成されるＭｇＺｎＯ膜やＺｎＯ膜等のＺｎＯ系半導体層にリチウムが混入することを防止できる。リチウムがＺｎＯ層よりも上層に混入するのを防止するためには、ＺｎＯ層の厚みは、少なくとも５０ｎｍ以上必要であると考えられる。
【００３７】
以上の結果を総合すると、ＺｎＯ系基板中のアルカリ金属濃度が１×１０１４ｃｍ−３を越える濃度となっていても、ＺｎＯ系基板よりも後に結晶成長させるＺｎＯ膜の厚みを５０ｎｍ以上にし、さらに、ＺｎＯ膜よりも後に結晶成長させるＭｇＺｎＯやＺｎＯ等のＺｎＯ系半導体層に存在するアルカリ金属濃度を１×１０１４ｃｍ−３以下にすれば、機能的な働きを行う活性層やチャネル層へのアルカリ金属の到達を防止することができる。また、膜厚５０ｎｍ以上のＺｎＯ膜よりも後に結晶成長させるＺｎＯ系半導体層中のアルカリ金属濃度が１×１０１４ｃｍ−３が１×１０１４ｃｍ−３を越える濃度となった場合でも、再度膜厚５０ｎｍ以上のＺｎＯ膜を設けてアルカリ金属の混入を防止することも可能である。
【００３８】
次に、ＺｎＯ系基板の品質の条件を結晶構造から考えることとし、Ｌｉ等のアルカリ金属の混入濃度が、１×１０１４ｃｍ−３未満のＺｎＯ系基板で、かつ、平坦性の良い薄膜を形成することができる高品質な基板を得ることを考える。
【００３９】
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。ＺｎＯ系材料層上にＺｎＯ系薄膜を成長させる場合には、通常Ｃ面（０００１）面が行われるが、Ｃ面ジャスト基板を用いた場合、図８（ａ）のようにウエハ主面の法線方向Ｚがｃ軸方向と一致する。しかし、Ｃ面ジャストＺｎＯ基板上にＺｎＯ系薄膜を成長させても、膜の平坦性が良くならないことが知られている。加えて、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、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。また、ＺｎＯ系化合物は、ウルツァイト構造を有するため、Ｃ面には＋Ｃ面（＋ｃ軸方向の面）と−Ｃ面とが存在し、＋Ｃ面（０００１）の方が、化学的に強い等の特性を有している。
【００４０】
そこで、ＺｎＯ基板１（ウエハ）の主面の法線方向をｃ軸方向と一致させずに、ウエハ主面のｃ軸から法線方向Ｚが傾き、オフ角を有するようにする。図８（ｂ）に示されるように、基板主面の法線Ｚが、例えばｃ軸からｍ軸方向にのみθ度傾斜していると、基板１の表面部分（例えばＴ１領域）の拡大図である図８（ｃ）に表されるように、平坦な面であるテラス面１ａと、傾斜させる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。
【００４１】
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。図８（ｃ）に示すように、テラス面１ａと垂直なｃ軸は、Ｚ軸からθ度傾斜していることになる。また、ステップ面１ｂのステップエッジとなるステップライン１ｅは、ｍ軸方向と垂直の関係を保ちながら、テラス面１ａの幅を取りながら並行に並ぶようになる。
【００４２】
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。
【００４３】
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、基板主面の法線が少なくとも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。
【００４４】
ところで、ｍ軸方向にステップライン１ｅが規則的に並んでおり、ｍ軸方向とステップライン１ｅが垂直の関係になっていることが、平坦な膜を作製する上で必要なことであり、ステップライン１ｅの間隔やラインが乱れると、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。
【００４５】
一方、図８（ｂ）で傾斜角度（オフ角）θを大きくしすぎると、ステップ面１ｂのステップ高さｔが大きくなりすぎることがあり、平坦に結晶成長しなくなるので、ｍ軸方向のオフ角を一定の角度に制限する必要がある。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、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（例えばＺ＝０）の主面上にＺｎＯ系半導体を成長させたものである。
【００４６】
一方、図１０は、傾斜角度θを３．５度として、このオフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板（例えばＺ＝０）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四方の範囲でスキャンした画像である。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、０度を越える範囲で、かつ３度以下（０＜θ≦３）とするのが望ましい。したがって、図７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）が最適である。
【００４７】
以上のように、基板主面の法線方向Ｚをｃ軸からｍ軸方向にのみ傾斜させ、その傾斜角度を０度を越える範囲で、かつ３度以下とすることが、最も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６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軸平面に投影した投影軸がｍ軸の方へ角度Φｍ、ｃ軸ａ軸平面に投影した投影軸がａ軸の方へ角度Φａ傾斜している場合を考える。
【００４８】
図６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７（ａ）である。図６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６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軸平面に投影した投影軸Ａ、ｃ軸ａ軸平面に投影した投影軸Ｂが表わされている。
【００４９】
また、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。このとき、図８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８の場合とは異なり、図７（ａ）のように、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。
【００５０】
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７（ａ）及び（ｂ）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る。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り、既出願の特願２００６−１６０２７３に詳しく説明した。
【００５１】
図１１に、成長面（主面）における法線Ｚ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７（ａ）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。
【００５２】
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１１には、θＳの角度を記載した。図１１（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１１（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１１（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１１（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、前述した沿面成長が行われなくなるので、平坦な膜が形成できない。この図１１（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。
【００５３】
このように、斜めステップが綺麗には保たれず、ステップ面に凹凸ができ、ステップエッジの配列に乱れが生じる角度としては、θＳ＝７０度となり、例えばΦｍ＝０．５度とすれば、これをａ軸方向への傾きΦａに換算すると０．１度に相当する。
【００５４】
ところで、θＳについては、主面法線Ｚの投影軸Ｂがａ軸方向にΦａ度傾斜している場合だけでなく、図７（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ｍ軸ａ軸平面に投影すると、図７（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。
【００５５】
次に、角度の単位をラジアン（ｒａｄ）として、図７に基づき、θＳをΦｍ、Φａを用いて表すと以下のようになる。図７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
【００５６】
以上のようにして、ＺｎＯ系基板の化学的に強い＋Ｃ面を用いるとともに、この＋Ｃ面におけるｃ軸と基板主面法線とのオフ角が上記の関係を有するように、基板主面を形成するようにすれば、平坦な薄膜を積層することができる。また、この基板は、アルカリ金属濃度を１×１０１４ｃｍ−３以下としており、ＺｎＯ系薄膜を積層した場合には、適切なデバイスを作製することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１    ＺｎＯ系基板
１１  ＺｎＯ基板
１２  ｎ型ＭｇＺｎＯ層
１３  アンドープＭｇＺｎＯ層
１４  アンドープＺｎＯ層
１５  ｐ型ＭｇＺｎＯ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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