(57)【要約】【課題】Ｓｉ単結晶基板上に適当なバッファ層を介してイオン結晶をエピタキシャル成長させた薄膜素子及びその製造方法を提供すること。【解決手段】Ｓｉ単結晶基板１上にまずＺｎＳ層２をエピタキシャル成長させ、その上にイオン結晶の薄膜（ｎ−ＧａＮ層３とＧａＮ層４とｐ−ＧａＮ層５）を形成する。このＺｎＳ薄膜は結晶性の良い配向膜で表面平坦性も良く、ＺｎＳを一旦Ｓｉ単結晶基板上にエピタキシャル成長させることができれば、続けてイオン結晶薄膜をエピタキシャル成長し易い。したがって、ＺｎＳをバッファ層とすることでＳｉと格子定数に差があるイオン結晶もＳｉ単結晶基板上に格子欠陥の少ないエピタキシャル薄膜を容易に形成することが可能となり、それを利用した薄膜デバイスの特性を向上させることができる。【選択図】　　　　　図１
2004006562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層からなるバッファ層と、該硫化亜鉛層上にエピタキシャル成長により形成されたイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする薄膜素子。
【請求項２】
シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層からなるバッファ層と、該硫化亜鉛層上にエピタキシャル成長により形成された２種類以上のイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする薄膜素子。
【請求項３】
シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層と酸化亜鉛層とからなるバッファ層と、該バッファ層上にエピタキシャル成長により形成されたイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする薄膜素子。
【請求項４】
前記化合物の薄膜が、２種類以上のイオン結合性を有する化合物の薄膜を積層形成された薄膜であることを特徴とする請求項３に記載の薄膜素子。
【請求項５】
シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層とチタン酸ストロンチウム層とからなるバッファ層と、該バッファ層上にエピタキシャル成長により形成されたイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする薄膜素子。
【請求項６】
前記化合物の薄膜が、２種類以上のイオン結合性を有する化合物の薄膜を積層形成された薄膜であることを特徴とする請求項５に記載の薄膜素子。
【請求項７】
シリコン単結晶基板上に順次エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層と白金族層とからなるバッファ層と、該バッファ層上にエピタキシャル成長により形成されたイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする薄膜素子。
【請求項８】
シリコン単結晶基板上に順次エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層、酸化亜鉛層及び白金族層とからなるバッファ層と、該バッファ層上にエピタキシャル成長により形成されたイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする薄膜素子。
【請求項９】
白金族の金属が、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金のいずれかまたはこれらの合金であり、その単層膜もしくは複数層の薄膜を成膜したことを特徴とする請求項７又は８に記載の薄膜素子。
【請求項１０】
前記化合物の薄膜が、２種類以上のイオン結合性を有する化合物の薄膜を積層形成された薄膜であることを特徴とする請求項７，８又は９に記載の薄膜素子。
【請求項１１】
前記化合物の薄膜として金属窒化物薄膜を用いることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の薄膜素子。
【請求項１２】
前記化合物の薄膜として金属酸化物薄膜を用いることを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載の薄膜素子。
【請求項１３】
前記化合物の薄膜として金属硫化物薄膜を用いることを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載の薄膜素子。
【請求項１４】
減圧下において、シリコン単結晶基板に分子状の硫化亜鉛を供給することにより前記基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させ、その上にイオン結合性を有する化合物の薄膜をエピタキシャル成長させたことを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項１５】
減圧下において、シリコン単結晶基板に分子状の硫化亜鉛を供給することにより前記基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させ、その上に２種類以上のイオン結合性を有する化合物の薄膜を順次エピタキシャル成長させたことを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項１６】
シリコン単結晶基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させ、その上に酸化亜鉛をエピタキシャル成長させ、さらにその上にイオン結合性を有する化合物の薄膜をエピタキシャル成長させたことを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項１７】
シリコン単結晶基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させ、その上にチタン酸ストロンチウムをエピタキシャル成長させ、さらにその上にイオン結合性を有する化合物の薄膜をエピタキシャル成長させたことを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項１８】
シリコン単結晶基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させ、その上に白金族をエピタキシャル成長させ、さらにその上にイオン結合性を有する化合物の薄膜をエピタキシャル成長させたことを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項１９】
減圧下において、シリコン単結晶基板に分子状の硫化亜鉛を供給することにより前記基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１６，１７又は１８に記載の薄膜素子の製造方法。
【請求項２０】
前記化合物の薄膜として金属窒化物薄膜を用いることを特徴とする請求項１４乃至１９いずれかに記載の薄膜素子の製造方法。
【請求項２１】
前記化合物の薄膜として金属酸化物薄膜を用いることを特徴とする請求項１４乃至１９いずれかに記載の薄膜素子の製造方法。
【請求項２２】
前記化合物の薄膜として金属硫化物薄膜を用いることを特徴とする請求項１４乃至１９いずれかに記載の薄膜素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン結合性を有する化合物（以下、イオン結晶ともいう）を備えた薄膜素子及びその製造方法に関し、より詳細には、イオン結晶薄膜を機能膜として利用する高輝度発光素子（半導体レーザー）、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、薄膜コンデンサ、その他の電子デバイス薄膜素子及び製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ薄膜を用いた高輝度発光素子や、ＡｌＮ／ＧａＮ薄膜を用いたＭＩＳＦＥＴやＡｌＧａＮ／ＧａＮ薄膜を用いたＨＥＭＴなど、窒化物薄膜を用いた素子は数多く提案され実現されている。その他、酸化物、フッ化物、硫化物などのイオン結合性結晶にはさまざまな機能を持った材料があり、それらをＳｉ半導体と組み合わせることにより、イオン結合性結晶薄膜を機能膜として高機能な電子デバイスを形成ことが可能である。
【０００３】
これまでに提案されている電子デバイスのうち、上述したものは、イオン結合性結晶薄膜を結晶欠陥の少ない高品質エピタキシャル薄膜とすることで、デバイスの特性は向上する。しかしながら、それらのエピタキシャル薄膜を形成するのは容易ではなく、さまざまな試みがなされている。
【０００４】
ＧａＮ系の場合、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ；有機金属気相成長法）や、ガスソースＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｉａｌ　Ｍｅｔｈｏｄ；分子線エピタキシャル法）の手段で形成する報告（応用物理　第６８巻　７９０ページ　１９９９年）や、ＳｉＣ基板の上に減圧式有機金属気相成長法により形成する報告（応用物理　第６８巻　７９８ページ　１９９９年）などがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイア基板やＳｉＣ基板は高価であるため、Ｓｉ基板上に形成することが望ましい。ところが、Ｓｉ単結晶基板の上に直接イオン結合性の薄膜をエピタキシャル成長させるのは困難である。その理由としては、シリコンは共有結合性の結晶であり、Ｓｉと数％格子定数が違う材料は、基板にコヒーレント（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ）に成長せず、格子欠陥が入ってしまうということが考えられる。この格子欠陥はキャリアの移動度を下げたり、発光層の発光効率や薄膜素子の寿命を悪くしてしまう。
【０００６】
Ｓｉ単結晶基板上に薄膜を形成する方法として、バッファ層を介する方法がある。よく用いられるのは、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２のようなＳｉより酸化されやすい金属の酸化物を形成し、非晶質のＳｉＯ２の生成を防ぐ方法である。しかし、Ｓｉ表面が酸化してしまうことは避けられず、ＳｉＯ２上に形成されたバッファ層の膜質はあまり良くないという問題がある。また、ＴｉＮやＴａＮを用いたバッファ層もＳｉＮｘを形成するので良くないという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような状態に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、Ｓｉ単結晶基板の上に適当なバッファ層を介してイオン結晶をエピタキシャル成長させた薄膜素子及びその製造法方を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層からなるバッファ層と、該硫化亜鉛層上にエピタキシャル成長により形成されたイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層からなるバッファ層と、該硫化亜鉛層上にエピタキシャル成長により形成された２種類以上のイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層と酸化亜鉛層とからなるバッファ層と、該バッファ層上にエピタキシャル成長により形成されたイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この発明は、イオン結晶の薄膜が、硫化亜鉛よりも酸化亜鉛と格子定数が近い場合や、酸化物の場合や、六方晶の結晶対称性を持つ場合に有効である。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記化合物の薄膜が、２種類以上のイオン結合性を有する化合物の薄膜を積層形成された薄膜であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層とチタン酸ストロンチウム層とからなるバッファ層と、該バッファ層上にエピタキシャル成長により形成されたイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この発明は、イオン結晶の薄膜が、硫化亜鉛よりもチタン酸ストロンチウムと格子定数が近い場合や、酸化物の場合や、立方晶の結晶対称性を持つ場合に有効である。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記化合物の薄膜が、２種類以上のイオン結合性を有する化合物の薄膜を積層形成された薄膜であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明は、シリコン単結晶基板上に順次エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層と白金族層とからなるバッファ層と、該バッファ層上にエピタキシャル成長により形成されたイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項８に記載の発明は、シリコン単結晶基板上に順次エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層、酸化亜鉛層及び白金族層とからなるバッファ層と、該バッファ層上にエピタキシャル成長により形成されたイオン結合性を有する化合物の薄膜を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載の発明において、白金族の金属が、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金のいずれかまたはこれらの合金であり、その単層膜もしくは複数層の薄膜を成膜したことを特徴とする。
【００１９】
この請求項７，８，９に記載の発明は、イオン結晶の薄膜が硫化亜鉛層と反応物を形成しやすく、薄膜の成長において該硫化亜鉛層と該イオン結晶層の界面において反応物を生じるためにエピタキシャル成長し難い場合に有効である。
【００２０】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項７，８又は９に記載の発明において、前記化合物の薄膜が、２種類以上のイオン結合性を有する化合物の薄膜を積層形成された薄膜であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０いずれかに記載の発明において、前記化合物の薄膜として金属窒化物薄膜を用いることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至１１いずれかに記載の発明において、前記化合物の薄膜として金属酸化物薄膜を用いることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１乃至１１いずれかに記載の発明において、前記化合物の薄膜として金属硫化物薄膜を用いることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１４に記載の発明は、減圧下において、シリコン単結晶基板に分子状の硫化亜鉛を供給することにより前記基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させ、その上にイオン結合性を有する化合物の薄膜をエピタキシャル成長させたことを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１５に記載の発明は、減圧下において、シリコン単結晶基板に分子状の硫化亜鉛を供給することにより前記基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させ、その上に２種類以上のイオン結合性を有する化合物の薄膜を順次エピタキシャル成長させたことを特徴とする。
【００２６】
また、請求項１６に記載の発明は、シリコン単結晶基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させ、その上に酸化亜鉛をエピタキシャル成長させ、さらにその上にイオン結合性を有する化合物の薄膜をエピタキシャル成長させたことを特徴とする。
【００２７】
また、請求項１７に記載の発明は、シリコン単結晶基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させ、その上にチタン酸ストロンチウムをエピタキシャル成長させ、さらにその上にイオン結合性を有する化合物の薄膜をエピタキシャル成長させたことを特徴とする。
【００２８】
また、請求項１８に記載の発明は、シリコン単結晶基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させ、その上に白金族をエピタキシャル成長させ、さらにその上にイオン結合性を有する化合物の薄膜をエピタキシャル成長させたことを特徴とする。
【００２９】
また、請求項１９に記載の発明は、請求項１６，１７又は１８に記載の発明において、減圧下において、シリコン単結晶基板に分子状の硫化亜鉛を供給することにより前記基板上に硫化亜鉛をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【００３０】
また、請求項２０に記載の発明は、請求項１４乃至１９いずれかに記載の発明において、前記化合物の薄膜として金属窒化物薄膜を用いることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項２１に記載の発明は、請求項１４乃至１９いずれかに記載の発明において、前記化合物の薄膜として金属酸化物薄膜を用いることを特徴とする。
【００３２】
また、請求項２２に記載の発明は、請求項１４乃至１９いずれかに記載の発明において、前記化合物の薄膜として金属硫化物薄膜を用いることを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１は、本発明により形成したＧａＮ発光ダイオード素子の構成を示す図で、図中符号１はＳｉ（１１１）単結晶基板で、２は単結晶基板１上に形成されたＷ−ＺｎＳ層（２０ｎｍ；Ｗはウルツ鉱構造のＺｎＳであることを示す）、３はＷ−ＺｎＳ層２上に形成されたｎ−ＧａＮ層３（１００ｎｍ）、４はｎ−ＧａＮ層上に形成され、発光層として機能するＧａＮ層（１００ｎｍ）、５はＧａＮ層４の上に形成されたｐ−ＧａＮ層（１００ｎｍ）、６はｐ−ＧａＮ層５上に形成された上部電極、７はｎ−ＧａＮ層３上に形成された下部電極を示している。
【００３４】
Ｓｉ（１１１）単結晶基板をＨＦ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　Ｆｌｕｏｒｉｄｅ；弗化水素）で自然酸化膜を除去し水洗のあとに成膜室に入れ、１０分程度で真空にひいた。基板温度７５０℃にてＺｎＳをＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法にて約２０ｎｍ形成した。ｎ型のＧａＮ層３を１００ｎｍ形成するにはＳｉをドープした。中間にキャリアドープしないＧａＮ層を１００ｎｍ形成した。ｐ型のＧａＮ層５を１００ｎｍ形成するにはＭｇをドープした。
【００３５】
本発明では、バッファ層にＳｉと格子定数の非常に近いＺｎＳを用いる。すなわち、Ｓｉ単結晶基板上にまずＺｎＳ層２をエピタキシャル成長させ、その上に目的とするイオン結晶の積層薄膜（ｎ−ＧａＮ層３とＧａＮ層４とｐ−ＧａＮ層５）を形成して電子デバイスを作成した。
【００３６】
ＺｎＳ層２は、六方晶のウルツ鉱構造ではａ軸が３．８２０オングストロームで、Ｓｉ（１１１）単結晶基板１を六方晶と見立てた場合のａ軸長３．８４０Åに対し、僅か０．５％だけ小さく結晶系も一致し整合性が良い。Ｓｉの硫化物ＳｉＳ２の生成ギブズエネルギー（ΔＧ＝−２０６．５ｋＪ／ｍｏｌ）は、Ｚｎの硫化物ＺｎＳの生成ギブズエネルギー（ウルツ鉱の場合ΔＧ＝−１８８．２８ｋＪ／ｍｏｌ）よりわずかに絶対値が大きいが、ＰＬＤ法を用いた非平衡の成膜ではＳｉ界面にＳｉＳ２を形成せずにｃ軸配向ＺｎＳがエピタキシャル成長することが成膜実験によって判明した。このＺｎＳ薄膜は結晶性の良い配向膜で表面平坦性も良い。
【００３７】
図２は、透過型電子線顕微鏡観察によるＺｎＳ薄膜の断面構造を示す図である。つまり、本発明で形成したＺｎＳ／Ｓｉ（１１１）薄膜の断面ＴＥＭ像を示す図である。Ｓｉ基板に対しＺｎＳの結晶が整合して成長している。その界面の非晶質部分は３〜５ｎｍ程度見えているが、ＺｎＳはきれいなエピタキシャル成長していることから、非晶質部分はＺｎＳ薄膜の成長過程で形成されたものであると考えられ、ＺｎＳ成長の初期にはＳｉＳ２層がほとんど形成されていないと考えられる。
【００３８】
図３（ａ），（ｂ）は、ＺｎＳバッファ層のＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；Ｘ線回折）測定結果を示す図で、図３（ａ）は２Θ−ωスキャン測定結果を示し、図３（ｂ）はＷ−ＺｎＳ（１０５）のＰｈｉ（Φ）スキャン測定結果を示す図で、六方晶のウルツ鉱構造ＺｎＳがＳｉ（１１１）単結晶基板１にエピタキシャル成長していることを示している。Ｗ−ＺｎＳ層の（００４）ピークのｒｏｃｋｉｎｇ　ｃｕｒｖｅ半値幅は、０．２８ｄｅｇ．と結晶性が良い。
【００３９】
図４は、ＺｎＳ／Ｓｉ（１１１）薄膜のＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；原子間力顕微鏡）像を示す図である。表面の平坦性はＲＭＳ（ｒｏｏｔ　ｍｅａｎ　ｓｑｕａｒｅ）が数ｎｍと非常に平坦である。本発明では実際に高い結晶性で非常に平坦なＺｎＳバッファ層を形成することに特徴がある。
【００４０】
さらに、ＺｎＳを一旦Ｓｉ単結晶基板上にエピタキシャル成長させることができれば、続けてイオン結晶薄膜をエピタキシャル成長し易くなる。
【００４１】
例えば、ＧａＮの場合、ＧａＮは六方晶でａ軸が３．１６０オングストロームとＳｉに比べ約１８％も小さくＳｉ上にはエピタキシャル成長が困難だが、約１７％格子不整合のあるＺｎＳ上にはエピタキシャル成長が可能である。ＺｎＳの極性度（イオン結合性を示す指標）は０．７５と大きく、ＧａＮの極性度も０．６と大きい。極性度の高いもの同士の界面は長周期構造で格子整合をすることが可能でエピタキシャルに接合し易い。その現象はドメインマッチングまたはハイヤーオーダーエピタキシーと呼ばれる（酸化物エレクトロニクス調査報告書ＩＩ　日本電子工業振興会編（１９９７）１３５ページ〜１４１ページを参照）。Ｓｉは１００％共有結合性（極性度は０％）であるため、ハイヤーオーダーエピタキシーは起こし難い。
【００４２】
図５は、ハイヤーオーダーエピタキシーの概念図を示す図で、格子定数が３：２の組合せを示している。
【００４３】
従って、ＺｎＳをバッファ層とすることでＳｉと格子定数に差があるイオン結合性結晶もＳｉ単結晶基板上に格子欠陥の少ないエピタキシャル薄膜を容易に形成することが可能となり、それを利用した薄膜デバイスの特性を向上させることができる。
【００４４】
図３（ａ）は、Ｓｉ（２２２）とＷ−ＺｎＳ（００４）のピークを示しており、両者の格子定数はほとんど等しいため重なってピークが得られる。それぞれＫα１、Ｋα２ピークを有するので合計４つのピークに分解している。ＺｎＳはその他の方位は観測されておらず、ｃ軸配向していることが分かる。図３（ｂ）は、６回対称の回折線であることからＳｉ（２２０）と面内で同方向にエピタキシャル成長していることが分かる。図６に形成したＧａＮ発光ダイオード素子の発光スペクトルを示す。紫外発光を確認した。知られているように、Ｉｎをドープすると青色発光するので、本発明においても、ＧａＮにＩｎをドープすることによって、青色発光を得ることが可能である。
【００４５】
なお、上述した実施例では、イオン結晶薄膜を機能膜として利用する高輝度発光素子について説明したが、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、薄膜コンデンサ、各種センサ、光スイッチ薄膜素子、強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ）、磁気抵抗効果を利用したメモリ（ＭＲＡＭ）、超伝導応用素子、その他の電子デバイス薄膜素子に適用することも可能である。
【００４６】
これまでにもＺｎＳをバッファとして利用することが提案されていた。例えば、特開平３−１６０７３５号公報、特開平３−１６０７３６号公報、特開平３−１８７１８９号公報である。しかし、これらの公報にはＺｎＳの結晶性や膜質について明確に示したデータは無い。
【００４７】
従来ＺｎＳ薄膜は、主にＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタ法などで作成されてきた。ＺｎＳ薄膜を結晶性良く成長させることを困難にしていたのは硫黄が高い蒸気圧を有するため、比較的低い基板温度でなければ硫黄の欠損した薄膜しか得られないとされてきたからである。従って、これまで薄膜形成温度は２００℃から４００℃の範囲で行われてきた。しかし、低い基板温度では構成原子が十分なマイグレーション起こすことができずに、ＺｎＳの結晶性を悪くしていた。
【００４８】
本発明では、ＺｎＳ薄膜の製造方法に特徴がある。ＺｎＳの分子の蒸気圧は硫黄や亜鉛原子よりもかなり低く、８００℃でも数ｍＴｏｒｒ程度である。そこで基板温度６００℃〜８００℃程度の高温で基板に分子状のＺｎＳを供給した。具体的にはＰＬＤ法を用いた。ＰＬＤ法で用いるエキシマレーザーは波長の短い光であり、ＫｒＦの場合２４８ｎｍであり、約２ｅＶの高いエネルギーを持つ。短波長、高密度の光をＺｎＳの焼結体（ターゲット）にパルス状に照射することにより、ＺｎＳターゲット表面から硫黄原子、亜鉛原子、ＺｎＳ分子など高いエネルギーを持ったさまざまな粒子が蒸発し、基板表面に到達する。到達した粒子のうちＺｎＳ分子は高い運動エネルギーと高い基板温度による熱エネルギーによって基板表面でマイグレーションを起こし適当な格子位置でＺｎＳが結晶化する。余分な硫黄原子や亜鉛原子は高い蒸気圧のため基板から再蒸発し、基板上には化学量論比通りの単結晶的なＺｎＳ薄膜が形成される。
【００４９】
本発明では、以上示してきたように高品質なＺｎＳを形成することに成功した。高品質なＺｎＳ薄膜を形成するのはＰＬＤ法に限らず、基板に分子状のＺｎＳを供給させることができれば可能である。例えば、従来のＭＢＥ法、真空蒸着法、スパッタ法などは原子状の硫黄と亜鉛を、またはＭＯＣＶＤ法では亜鉛を含む有機化合物と硫化水素を基板上に供給する。
【００５０】
そこで、基板表面に光照射したり、イオンビームを照射するなどしてＺｎＳ分子を効率よく生成し、基板上にＺｎＳ分子を供給することができれば、これらの方法でも高品質なＺｎＳ薄膜が形成できると考えられる。このように形成させた高品質なＺｎＳバッファ層上であれば、引き続きイオン結晶をエピタキシャル成長させ、高品質なイオン結晶薄膜が得られ、それを利用したデバイスは特性を向上することができることから、本発明には進歩性があると考えられる。
【００５１】
ＺｎＳをＳｉ基板のバッファ層として用いる利点には、ＺｎＳの結晶構造が六方晶のウルツ鉱構造（Ｗ−ＺｎＳ）と立方晶のセン亜鉛構造（ＺＢ−ＺｎＳ、ＺＢはＺｉｎｃｂｌｅｎｄｅ構造を示す）の２形態をとることも挙げられる。Ｓｉ（１１１）基板上にウルツ鉱構造のＺｎＳを、Ｓｉ（１００）基板上にはセン亜鉛構造のＺｎＳを作り分けることが可能である。よって、六方晶の対称性を持つイオン結晶を形成する場合はＳｉ（１１１）基板を用い、立方晶の対称性を持つイオン結晶を形成する場合にはＳｉ（１００）基板を用い、ＺｎＳバッファ層を形成すると、容易にその上に各イオン結晶を形成することが可能である。また、ＳｉデバイスにおいてはショットキーバリアダイオードはＳｉ（１１１）基板を、集積回路などではＳｉ（１００）基板を一般には使用しており、Ｓｉデバイスと機能性薄膜の複合デバイスを形成する際にＺｎＳはどちらの基板に対しても良いバッファ層となり得る。
【００５２】
シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層と、該硫化亜鉛層上にエピタキシャル成長により形成された酸化亜鉛層（これをあわせてＺｎＯ／ＺｎＳバッファ層と呼ぶことにする）を基板として用いることは、イオン結晶を成長させるためには有効であり、高い膜質のイオン結晶薄膜を得る良い手段である。本発明で提案するＺｎＯ／ＺｎＳバッファ層の製造方法は、従来にない良質のＺｎＯ／ＺｎＳバッファ層を提供する方法である。その上に結晶性良くイオン結晶をエピタキシャル成長させることが可能であり、特性の向上した薄膜素子を提供する手段である。本発明は、イオン結晶の薄膜が、硫化亜鉛よりも酸化亜鉛と格子定数が近い場合や、酸化物の場合に有効である。また、六方晶の結晶対称性を持つ場合には、Ｓｉ（１１１）基板上を用いることにより特に有効な手段となる。
【００５３】
ＺｎＯもＺｎＳと同じ結晶構造を有するが、ａ軸の格子定数が１５％小さい。その大きな格子不整合のためＺｎＯを形成するときに界面の結晶性が不安定になる可能性がある。また、ＺｎＯの生成ギブズエネルギー（ΔＧ＝−３１８．３２ｋＪ／ｍｏｌ）は、ＺｎＳのそれ（ウルツ鉱の場合ΔＧ＝−１８８．２８ｋＪ／ｍｏｌ）よりも絶対値が大きいため、酸化雰囲気においてＺｎＳバッファ層表面が酸化され、ＺｎＳバッファ層の結晶性が損なわれる可能性がある。
【００５４】
これを避ける方法に金属酸化物薄膜を形成する初期段階では、成膜室に酸素を導入せず、金属酸化物層が数原子層以上形成されてから酸素を導入する方法を提案する。金属酸化物薄膜がＺｎＯの場合にはＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜を形成することができる。
【００５５】
ＺｎＳ薄膜上にＺｎＯ薄膜をエピタキシャル成長させる試みは、既に静岡大学のＡ．Ｍｉｙａｋｅらにより論文が２編公表されている。彼らのＺｎＯ／ＺｎＳ薄膜製造方法の概略を述べる。
【００５６】
第１の論文は、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　２１４／２１５（２０００）に掲載されている。まず、Ｓｉ（１１１）基板を酸洗浄し、ＺｎＳ薄膜を基板温度２００℃にて約５０ｎｍ、真空蒸着法で形成ＺｎＯ薄膜を基板温度４００℃〜６００℃にて真空蒸着法で形成する。成膜後に大気中８００℃〜１０００℃にて１時間熱処理を行いＺｎＯ薄膜の結晶性を高める。大気中１０００℃の熱処理を行った試料の結晶性は、ＺｎＯのＸＲＤ（０００２）ピークのｒｏｃｋｉｎｇ　ｃｕｒｖｅ半値幅が０．２７６ｄｅｇ．であったと報じている。
【００５７】
第２の論文は、Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　（３９　２０００）に掲載されている。まず、Ｓｉ（１１１）基板を酸洗浄し、ＺｎＳ薄膜を基板温度２００℃にてＥＢ蒸着法で形成し、大気中８００℃で１５時間熱処理することでＺｎＳの表面を酸化してＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜を得る。ＺｎＯ薄膜のＸＲＤ（０００２）ピークのｒｏｃｋｉｎｇ　ｃｕｒｖｅ半値幅は、０．２５５ｄｅｇ．と結晶性の高いＺｎＯ薄膜が形成されると論じている。いずれの方法においても、１）ＺｎＳの形成は基板温度２００℃の蒸着法にて形成、２）大気中８００℃以上の熱処理、が必要条件となっている。
【００５８】
そこで本出願人の一人は追試した。その結果、ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜を上述したＰＬＤ法で形成し、大気中９００℃で２時間熱処理したＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜は、平坦性が悪くＳＥＭ観察を行うとＺｎＳ薄膜内部に多数穴があることが判明した。
【００５９】
図７は、追試実験により得られたＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜の断面ＳＥＭ像を示す図である。よってこの成膜方法では結晶性が良くかつ平坦性の良いＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜を得ることはできない。
【００６０】
図８は、本発明により得られたＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜の断面ＴＥＭ像を示す図で、本発明で提案するＺｎＯ薄膜を形成する初期段階では成膜室に酸素を導入せず、ＺｎＯ層が数原子層以上形成されてから酸素を導入する方法により形成したＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜の断面ＴＥＭ像を示している。ＺｎＯ薄膜が高い結晶性で成長していることが分かる。
【００６１】
図９は、本発明によって得られたＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜のＡＦＭ表面形状観察像を示す図である。ＲＭＳは１０ｎｍ以下であり、平坦性の良いＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜が得られていることが分かる。
【００６２】
静岡大学の論文において、ＺｎＳがＺｎＯのバッファになるのは「構造が似ているから」とあり、イオン結合性の高さを問題にしていないので「イオン結合性の高いＺｎＳをバッファにすることでイオン結晶をドメインマッチングさせエピ成長を容易にさせる」という発想をその論文からは直ちに導くことはできない。また、ＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ構造自身がイオン結晶薄膜のバッファとして適当であることも論文では指摘されておらず、いままで報告されていない新構造である。
【００６３】
本発明により得られたＺｎＯ／ＺｎＳバッファ層の膜質の良いもう一つの理由のが、図８の断面ＴＥＭ像を観察することで分かった。ＺｎＳ上にＺｎＯを成長させる場合、ドメインマッチングの関係でエピタキシャル成長し易くなるだけでなく、ＺｎＳの表面の一部が酸化し、それを微小な結晶核としてＺｎＯが成長していることが、ＺｎＯ層の結晶性をさらに高めていると考えられる。
【００６４】
［実施例２］
図１０は、本発明により形成した薄膜コンデンサ素子の構成を示す図で、図中符号１１はｎ型Ｓｉ（１１１）基板、１２はｎ型Ｓｉ（１１１）基板１１上に形成されたＡｌドープＷ−ＺｎＳ層（１５ｎｍ）、１３はＡｌドープＷ−ＺｎＳ層１２上に形成されたＡｌドープＷ−ＺｎＯ層（４００ｎｍ）、１４はＡｌドープＷ−ＺｎＯ層１３上に形成されたＳｒＴｉＯ３層（１９０ｎｍ）、１５はＳｒＴｉＯ３層１４上に形成された上部電極（２００ｎｍ）を示している。
【００６５】
つまり、ｎ型Ｓｉ（１１１）単結晶基板１１を用い、ウルツ鉱構造ＺｎＳ層１２を１５ｎｍ形成し、その上にＺｎＯ層１３を４００ｎｍ形成し、続いてＳｒＴｉＯ３の誘電体層１４を形成し、続いてＰｔの上部電極１５を形成した。下部電極はＳｉ基板１１としている。
【００６６】
ＳｒＴｉＯ３や他のペロブスカイト型酸化物のように白金族と格子定数の近いイオン結晶をエピタキシャル成長させる場合、その下地層にＰｔなどの白金族を挿入し、イオン結晶の結晶性を高めることができる。この実施例２も、ＳＴＯ層の下にＰｔ層を１０ｎｍ程度挿入することでＳＴＯの結晶性を高めることができる。白金族はＺｎＯに比べてＳＴＯに格子定数がより近い。また、白金族はｆｃｃ構造を有し、下地層の結晶の対称性により白金族が（１００）配向や（１１１）配向その他に配向する性質を利用するからである。
【００６７】
このような構成を有する薄膜コンデンサ素子は、以下のように製造される。まず、ｎ型の低抵抗Ｓｉ（１１１）単結晶基板をＨＦで自然酸化膜を除去し、水洗のあとに成膜室に入れ、１０分程度で真空にひいた。基板温度７５０℃にてＡｌを１％ドープしたＺｎＳをＰＬＤ法にて約１５ｎｍ形成した。次に、Ａｌを１％ドープしたＺｎＯをＰＬＤ法にて約４００ｎｍ形成した。ＺｎＯ形成の初期段階では酸素を導入せず真空中で成膜を行い、数ｎｍＺｎＯを形成した後から酸素を５×１０−４Ｔｏｒｒ導入した。次に、ＳｒＴｉＯ３を約１９０ｎｍの厚さにＰＬＤ法で形成した。最後にスパッタ法でＰｔのφ０．５ｍｍの面積を有する上部電極層を約２００ｎｍ形成した。ＺｎＳもＺｎＯもＡｌをドープして導電性を持たしてあるのでＳｉ基板自身を下部電極とするコンデンサが形成された。
【００６８】
図１１は、本発明により形成されたＺｎＯ／ＺｎＳバッファ層のＸＲＤ２θ−ωスキャン測定結果及びＺｎＯ（０００２）ピークのｒｏｃｋｉｎｇ　ｃｕｒｖｅを示す図である。Ｓｉ基板の（２２２）、（４４４）ピークおよびＺｎＯ薄膜の（０００２）、（０００４）ピークが見られる。ＺｎＳ薄膜のピークはＳｉ基板のピークに重なるために見えていない。図中に挿入された図は、ＺｎＯ（０００２）ピークのｒｏｃｋｉｎｇカーブを示す。その半値幅は０．２５ｄｅｇ．とたいへん狭く、ＺｎＯがエピタキシャル成長していることを示している。
【００６９】
図１２は、本発明により形成されたＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ（１１１）薄膜のＸＲＤ　Ｐｈｉ（φ）スキャン測定結果を示す図である。上段の図は六回対称を表していることから六方晶のウルツ鉱構造ＺｎＳの（１０５）ピークがＳｉ（４０４）と面内で同方向にエピタキシャル成長していることを示す。下段の図は同じく六方晶のウルツ鉱構造ＺｎＯの（１０５）ピークがＺｎＳと同様にＳｉ（４０４）と面内で同方向にエピタキシャル成長していることを示す。
【００７０】
図１３は、本発明により形成されたコンデンサの±５Ｖのｈｙｓｔｅｒｙｓｉｓ　ｃｕｒｖｅ測定結果を示す図で、駆動電圧に対する分極の様子を示している。このことからＳｒＴｉＯ３層は約３００と高い比誘電率を示すことが分かった。
【００７１】
シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層と、該硫化亜鉛層上にエピタキシャル成長により形成されたＳｒＴｉＯ３（略してＳＴＯと呼ぶ）層（これをあわせてＳＴＯ／ＺｎＳバッファ層と呼ぶことにする）を基板として用いることは有効であり、高い膜質のイオン結晶薄膜を成長させる良い手段である。本発明で提案するＳＴＯ／ＺｎＳバッファ層の上に結晶性良くイオン結晶をエピタキシャル成長させることが可能であり、特性の向上した薄膜素子を提供する手段である。この発明は、イオン結晶の薄膜が、硫化亜鉛よりもＳＴＯと格子定数が近い場合や、酸化物の場合に有効である。また、立方晶の結晶対称性を持つ場合にはＳｉ（１００）基板上を用いることにより特に有効な手段となる。
【００７２】
［実施例３］
図１４は、本発明により形成した薄膜コンデンサ素子の構成を示す図で、図中符号２１はｎ型Ｓｉ（１００）基板、２２はｎ型Ｓｉ（１００）基板２１上に形成されたＡｌドープＺＢ−ＺｎＳ層（４０ｎｍ）、２３はＡｌドープＺＢ−ＺｎＳ層２２上に形成されたＳｒＴｉＯ３層（４５０ｎｍ）、２４はＳｒＴｉＯ３層２３上に形成された上部電極（２００ｎｍ）を示している。
【００７３】
つまり、ｎ型Ｓｉ（１００）単結晶基板２１を用い、セン亜鉛鉱構造ＺｎＳ層２２を３０ｎｍ形成し、その上にＳｒＴｉＯ３の誘電体層２３を形成し、続いてＰｔの上部電極２４を形成した。下部電極はＳｉ基板２１としている。
【００７４】
このような構成を有する薄膜コンデンサ素子は、以下のように製造される。まず、ｎ型のＳｉ低抵抗（１００）単結晶基板をＨＦで自然酸化膜を除去し、水洗のあとに成膜室に入れ、１０分程度で真空にひいた。基板温度７００℃にてＡｌを１％ドープしたＺｎＳをＰＬＤ法にて約４０ｎｍ形成した。次に、ＳｒＴｉＯ３をＰＬＤ法にて約４５０ｎｍ形成した。ＳｒＴｉＯ３形成の初期段階では酸素を導入せず真空中で成膜を行い、数ｎｍのＳｒＴｉＯ３を形成した後から酸素を５×１０−４Ｔｏｒｒ導入した。最後に、スパッタ法でＰｔのφ０．５ｍｍの面積を有する上部電極層を約２００ｎｍ形成した。ＺｎＳはＡｌをドープして導電性を持たしてあるのでＳｉ基板自身を下部電極とするコンデンサが形成された。
【００７５】
図１５は、本発明により形成されたＳＴＯ／ＺｎＳバッファ層のＸＲＤ　Ｐｈｉ（φ）スキャン測定結果を示す図である。上段の図は４回対称を表していることから立方晶のセン亜鉛鉱構造ＺｎＳがＳｉと面内で同方向にエピタキシャル成長しており、その上に立方晶のＳＴＯが４５度回転してエピタキシャル成長していることを示す。
【００７６】
図１６（ａ），（ｂ）は、ＳＴＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜の断面ＴＥＭ像を示す図である。図１６（ａ）はＺｎＳ／Ｓｉ界面を、図１６（ｂ）はＳＴＯ／ＺｎＳ界面を示している。ともに良好な界面である。
【００７７】
図１７は、本発明により形成されたＳＴＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ（１１１）薄膜のＡＦＭ表面形状像を示す図である。ＲＭＳ＝１．８ｎｍの大変平坦な膜が得られている。よってＳＴＯ／ＺｎＳ薄膜はコンデンサ素子の構造として良いだけでなく、バッファ層構造としても良好であることが示された。
【００７８】
イオン結晶の薄膜が硫化亜鉛層と反応物を形成しやすく、薄膜の成長において硫化亜鉛層とイオン結晶層の界面において反応物を生じるためにエピタキシャル成長し難い場合がある。その場合、シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された硫化亜鉛層と、該硫化亜鉛層上にエピタキシャル成長により形成された白金族層（これをあわせて白金族／ＺｎＳバッファ層と呼ぶことにする）を基板として用いることは、イオン結晶を成長させるのに有効で、高い膜質のイオン結晶薄膜を得る良い手段である。本発明で提案する白金族／ＺｎＳバッファ層の上に結晶性良くイオン結晶をエピタキシャル成長させることが可能であり、特性の向上した薄膜素子を提供する手段である。
【００７９】
この発明は、イオン結晶の薄膜が、硫化亜鉛よりも白金族と格子定数が近い場合に有効である。また、立方晶の結晶対称性を持つ場合にはＳｉ（１００）基板を用いＺＢ−ＺｎＳを形成して（１００）配向の白金族を形成することができ、六方晶の結晶対称性を持つ場合にはＳｉ（１１１）基板を用い、Ｗ−ＺｎＳを形成して（１１１）配向の白金族を形成し、イオン結晶薄膜を引き続きエピタキシャル成長させることができる有効な手段である。
【００８０】
Ｓｉ基板上に形成したＺｎＳバッファ層上に形成する白金族は、具体的にはロジウム、イリジウム、パラジウム、白金が適する。それらの金属は白金族に属する貴金属でみな硫化されにくく安定な界面を形成すると考えられる。また、それらの金属は面心立方格子の構造をとり、格子定数は、それぞれ０．３８０３１ｎｍ、０．３８３９ｎｍ、０．３８９０ｎｍ、０．３９２３ｎｍである。それらの格子定数は、ＳｉやＺｎＳの格子定数の√２分の１（それぞれ０．３８４０ｎｍと０．３８２５ｎｍ）にたいへん近く、ＳｉとＺｎＳとそれら白金族の格子定数のマッチングは大変良い。
【００８１】
よって、Ｓｉ基板上に形成したＺｎＳバッファ層上にそれら白金族の層をエピタキシャル成長させることができる。その直上にイオン結晶薄膜を形成すれば、下地の界面は安定する。また、代表的なペロブスカイト型酸化物は約０．３９ｎｍの格子定数を持つ。それに対してもそれら白金族の格子定数は良いマッチングを示すので、エピタキシャル酸化物薄膜を製造することができる。
【００８２】
［実施例４］
図１８は、本発明により形成したＢＳＴＯ／Ｐｔ／ＺｎＳコンデンサ素子の構成を示す図で、図中符号３１はｎ型Ｓｉ（１００）基板、３２はｎ型Ｓｉ（１００）基板３１上に形成されたＡｌドープＺＢ−ＺｎＳ層（２００ｎｍ）、３３はＡｌドープＺＢ−ＺｎＳ層３２上に形成されたＰｔ層（２０ｎｍ）、３４はＰｔ層３３上に形成された（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３層（３００ｎｍ）、３５は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３層３４上に形成された上部電極（２００ｎｍ）を示している。
【００８３】
つまり、ｎ型Ｓｉ（１００）単結晶基板３１を用い、セン亜鉛鉱構造ＺｎＳ層３２を２００ｎｍ形成し、その上にＰｔ層３３を２０ｎｍ形成し、続いて（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３の誘電体層３４を形成し、続いてＰｔの上部電極３５を形成した。下部電極はＳｉ基板３１としている。
【００８４】
このような構成を有する薄膜コンデンサ素子は、以下のように製造される。まず、ｎ型のＳｉ（１００）単結晶基板をＨＦで自然酸化膜を除去し、水洗のあとに成膜室に入れ、１０分程度で真空にひいた。基板温度７５０℃にてＡｌを１％ドープしたＺｎＳをＰＬＤ法にて約２００ｎｍ形成した。次に、Ｐｔをスパッタ法で基板温度４００℃で１０ｎｍ形成し、基板温度を５００℃に上げてさらに１０ｎｍ形成し、引き続きスパッタ法で（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３を３００ｎｍ形成した。最後に、スパッタ法でＰｔのφ０．５ｍｍの面積を有する上部電極層を約２００ｎｍ形成した。ＺｎＳはＡｌをドープして導電性を持たしてあるのでＳｉ基板自身を下部電極とするコンデンサが形成された。
【００８５】
図１９は、本発明により形成されたＰｔ／ＺｎＳバッファ層のＸＲＤ　Ｐｈｉ（φ）スキャン測定結果を示す図である。この図は４回対称を表していることから立方晶のＰｔが立方晶のセン亜鉛鉱構造ＺｎＳにエピタキシャル成長していることを示す。
【００８６】
図２０は、本発明により形成されたＢＳＴＯ／Ｐｔ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜のＸＲＤ−ｉｎ−ｐｌａｎｅ測定結果を示す図である。２θの小さい方からＺｎＳ（２００）、ＢＳＴＯ（２００）、Ｐｔ（２００）のピークを示す。ＢＳＴＯとＰｔのｒｏｃｋｉｎｇ　ｃｕｒｖｅの半値幅が、約２ｄｅｇ．程度とやや広いのは成膜条件の最適化がなされていないためである。これらの測定結果によりＢＳＴＯ／Ｐｔ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜はそれぞれエピタキシャル成長していることが確認され、コンデンサが形成された。
【００８７】
さらに、他の薄膜素子として、例えば（Ｊ．　Ｚ．　Ｓｕｎ，　Ｗ．　Ｊ．　Ｇａｌｌａｇｈｅｒ，　Ｐ．　Ｒ．　Ｄｕｎｃｏｍｂｅ，　Ｌ．．Ｋｒｕｓｉｎ−Ｅｌｂａｕｍ，　Ｒ．　Ａ．　Ａｌｔｍａｎ，　Ａ．　Ｇｕｐｔａ，　Ｙｕ　Ｌｕ，　Ｇ．　Ｑ．　Ｇｏｎｇ　ａｎｄ　Ｇａｎｇ　Ｘｉａｏ，　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．　６９，　３２６６　（１９９６））に記載の（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３／ＳｒＴｉＯ３／（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３構造を用い磁気センサを形成することができる。Ｓｉ基板上にＺｎＳバッファ層またはＺｎＯ／ＺｎＳ、ＳＴＯ／ＺｎＳ、Ｐｔ／ＺｎＳ構造のバッファ層をエピタキシャルに形成し、その上にエピタキシャル成長により、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３を順次形成して磁気センサを形成できる。
【００８８】
また、Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ　Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．６，　６８７（１９８７）に記載の電気光学効果を有する酸化物材料（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を用いて光スイッチ薄膜素子を形成することができる。Ｓｉ基板上に、ＺｎＳバッファ層または、ＺｎＯ／ＺｎＳ、ＳＴＯ／ＺｎＳ、Ｐｔ／ＺｎＳ構造のバッファ層をエピタキシャルに形成し、その上に、エピタキシャル成長によりＴａ２Ｏ５および（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を順次形成し、光スイッチ薄膜素子を形成できる。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長により形成されたＺｎＳバッファ層またはＺｎＯ／ＺｎＳ、ＳＴＯ／ＺｎＳ、Ｐｔ／ＺｎＳ構造のバッファ層を介することでＳｉ基板上にイオン結合性結晶をエピタキシャル成長させた薄膜素子を形成することが容易となり、特性向上も見込まれる。とくにイオン結合性結晶としてＧａＮを形成した場合、従来の形成方法よりも安価にＧａＮを用いた薄膜素子が製造できる。
【００９０】
また、ＺｎＳバッファ層単独でなくＺｎＯ／ＺｎＳ、ＳＴＯ／ＺｎＳ、Ｐｔ／ＺｎＳ構造のバッファ層を用いることにより、ＺｎＳ層の表面からＺｎやＳやＺｎＳの蒸発を抑えることができるので、引き続くイオン結晶の成長時にそれらの不純物混入を防いだり、薄膜製造装置に対する汚染も防いだりする働きもする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により形成したＧａＮ発光ダイオード素子の構成を示す図である。
【図２】透過型電子線顕微鏡観察によるＺｎＳ薄膜の断面構造を示す図である。
【図３】ＺｎＳバッファ層のＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；Ｘ線回折）測定結果を示す図で、（ａ）は２Θ−ωスキャン測定結果を示し、（ｂ）はＷ−ＺｎＳ（１０５）のＰｈｉ（Φ）スキャン測定結果を示す図である。
【図４】ＺｎＳ／Ｓｉ（１１１）薄膜のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像を示す図である。
【図５】ハイヤーオーダーエピタキシーの概念図を示す図である。
【図６】本発明で形成したＧａＮ発光ダイオード素子の発光スペクトルを示す図である。
【図７】追試実験により得られたＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜の断面ＳＥＭ像を示す図である。
【図８】本発明により得られたＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜の断面ＴＥＭ像を示す図である。
【図９】本発明によって得られたＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜のＡＦＭ表面形状観察像を示す図である。
【図１０】本発明により形成した薄膜コンデンサ素子の構成を示す図である。
【図１１】本発明により形成されたＺｎＯ／ＺｎＳバッファ層のＸＲＤ２θ−ωスキャン測定結果及びＺｎＯ（０００２）ピークのｒｏｃｋｉｎｇ　ｃｕｒｖｅを示す図である。
【図１２】本発明により形成されたＺｎＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ（１１１）薄膜のＸＲＤ　Ｐｈｉ（φ）スキャン測定結果を示す図である。
【図１３】本発明により形成されたコンデンサの±５Ｖのｈｙｓｔｅｒｙｓｉｓ　ｃｕｒｖｅ測定結果を示す図である。
【図１４】本発明により形成した薄膜コンデンサ素子の構成を示す図である。
【図１５】本発明により形成されたＳＴＯ／ＺｎＳバッファ層のＸＲＤ　Ｐｈｉ（φ）スキャン測定結果を示す図である。
【図１６】ＳＴＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜の断面ＴＥＭ像を示す図で、（ａ）はＺｎＳ／Ｓｉ界面を、（ｂ）はＳＴＯ／ＺｎＳ界面を示す図である。
【図１７】本発明により形成されたＳＴＯ／ＺｎＳ／Ｓｉ（１１１）薄膜のＡＦＭ表面形状像を示す図である。
【図１８】本発明により形成したＢＳＴＯ／Ｐｔ／ＺｎＳコンデンサ素子の構成を示す図である。
【図１９】本発明により形成されたＰｔ／ＺｎＳバッファ層のＸＲＤ　Ｐｈｉ（φ）スキャン測定結果を示す図である。
【図２０】本発明により形成されたＢＳＴＯ／Ｐｔ／ＺｎＳ／Ｓｉ薄膜のＸＲＤ−ｉｎ−ｐｌａｎｅ測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１　Ｓｉ（１１１）単結晶基板
２　Ｗ−ＺｎＳ層
３　ｎ−ＧａＮ層３（１００ｎｍ）
４　ＧａＮ層（１００ｎｍ）
５　ｐ−ＧａＮ層（１００ｎｍ）
６　上部電極
７　下部電極
１１　ｎ型Ｓｉ（１１１）基板
１２　ＡｌドープＷ−ＺｎＳ層（１５ｎｍ）
１３　ＡｌドープＷ−ＺｎＯ層（４００ｎｍ）
１４　ＳｒＴｉＯ３層（１９０ｎｍ）
１５　上部電極（２００ｎｍ）
２１　ｎ型Ｓｉ（１００）基板
２２　ＡｌドープＺＢ−ＺｎＳ層（３０ｎｍ）
２３　ＳｒＴｉＯ３層（４５０ｎｍ）
２４　上部電極（２００ｎｍ）
３１　ｎ型Ｓｉ（１００）基板
３２　ＡｌドープＺＢ−ＺｎＳ層（２００ｎｍ）
３３　Ｐｔ層（２０ｎｍ）
３４　（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３層（３００ｎｍ）
３５　上部電極（２００ｎｍ）
【図１】
2004006562.tif 000003
【図２】
2004006562.tif 000004
【図３】
2004006562.tif 000005
【図４】
2004006562.tif 000006
【図５】
2004006562.tif 000007
【図６】
2004006562.tif 000008
【図７】
2004006562.tif 000009
【図８】
2004006562.tif 000010
【図９】
2004006562.tif 000011
【図１０】
2004006562.tif 000012
【図１１】
2004006562.tif 000013
【図１２】
2004006562.tif 000014
【図１３】
2004006562.tif 000015
【図１４】
2004006562.tif 000016
【図１５】
2004006562.tif 000017
【図１６】
2004006562.tif 000018
【図１７】
2004006562.tif 000019
【図１８】
2004006562.tif 000020
【図１９】
2004006562.tif 000021
【図２０】
2004006562.tif 000022