(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型不純物を含むＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）からなり、原子間力顕微鏡による観測において、観測される六角形状のピットの密度が５×１０6個／ｃｍ2以下、又は底部に複数の微結晶の突起が形成された凹部が観測されない、の少なくともいずれかを満たす主面を備えることを特徴とするＺｎＯ系薄膜。
【請求項２】
ｐ型不純物を含むＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）からなり、原子間力顕微鏡による観測において、観測される六角形状のピットの密度が５×１０6個／ｃｍ2以下、又は底部に複数の微結晶の突起が形成された凹部が観測されない、の少なくともいずれかを満たす主面を有するＺｎＯ系薄膜と、
ＭｇyＺｎ1-yＯ（０≦ｙ＜１）からなり、前記ＺｎＯ系薄膜に接する基板主面を有する基板
とを備え、前記基板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半導体素子。
【請求項３】
前記基板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、前記基板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φｍ度傾斜し、前記φａ及び前記φｍが、
７０≦９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ｛ｔａｎ（πφａ／１８０）／ｔａｎ（πφｍ／１８０）｝≦１１０
の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＺｎＯ系の半導体素子に係り、特にアクセプタドーピングが行われるＺｎＯ系薄膜及び半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）系の半導体は、励起子結合エネルギーが大きく、室温でも安定して存在でき、単色性に優れた光子の放出が可能であるため、照明やバックライト等の光源として用いられる発光ダイオード（ＬＥＤ）、高速電子デバイス、或いは表面弾性波デバイス等への応用が進められている。しかし、ＭｇＺｎＯを含むＺｎＯ系半導体をｐ型半導体として利用する場合に、ＺｎＯ系半導体へのアクセプタドーピングが困難であり、ｐ型のＺｎＯ系半導体を得ることが難しいという問題があった。技術の進歩により、ｐ型のＺｎＯ系半導体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が、これらではＳｃＡｌＭｇＯ4という特殊な基板を使用する等の制約がある（例えば、非特許文献１、２参照。）。そのため、ＺｎＯ基板上に形成されたｐ型のＺｎＯ系半導体膜を実現することが産業上望まれている。
【非特許文献１】ツカザキ（A.Tsukazaki）、他  著、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス、第４４巻 (Japanese Journal of Applied Physics vol.44) 」、２００５年、ｐ．６４３
【非特許文献２】ツカザキ（A.Tsukazaki）、他  著、「ネイチャー・マテリアル、４巻 (Nature Material 4) 」、２００５年、ｐ．４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＺｎＯ系半導体は非常にドナーを形成しやすい物質であり、価電子帯が深いため、ＺｎＯ系半導体の価電子帯に正孔（ホール）を生成することによって結晶が不安定になり、正孔を補償するドナーが形成されやすい。つまり、いわゆる自己補償効果が、ＺｎＯ系半導体への窒素（Ｎ）等のアクセプタドーピングを困難にする原因となっている。自己補償効果はアクセプタドープによる点欠陥により誘発されることが多いが、ＺｎＯ膜では他の原因によっても自己補償効果が生じる。即ち、製造工程等でＺｎＯ膜に混入するシリコン（Ｓｉ）等の不純物によっても自己補償効果が生じる。例えば、表面が荒れたＺｎＯ膜中への意図しないＳｉのドーピングが生じて、その結果、ＺｎＯ膜へのアクセプタドーピングが困難になる。
【０００４】
上記問題点を鑑み、本発明は、意図しない不純物のドーピングが抑制されたＺｎＯ系薄膜及び半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、ｐ型不純物を含むＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）からなり、原子間力顕微鏡による観測において、観測される六角形状のピットの密度が５×１０6個／ｃｍ2以下、又は底部に複数の微結晶の突起が形成された凹部が観測されない、の少なくともいずれかを満たす主面を備えるＺｎＯ系薄膜が提供される。
【０００６】
本発明の他の態様によれば、（イ）ｐ型不純物を含むＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）からなり、原子間力顕微鏡による観測において、観測される六角形状のピットの密度が５×１０6個／ｃｍ2以下、又は底部に複数の微結晶の突起が形成された凹部が観測されない、の少なくともいずれかを満たす主面を有するＺｎＯ系薄膜と、（ロ）ＭｇyＺｎ1-yＯ（０≦ｙ＜１）からなり、ＺｎＯ系薄膜に接する基板主面を有する基板とを備え、基板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半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、意図しない不純物のドーピングが抑制されたＺｎＯ系薄膜及び半導体素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【０００９】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１０】
本発明の実施の形態に係る半導体素子は、図１に示すように、ｐ型不純物を含むＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）からなる半導体層２を備え、半導体層２は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって半導体層２の主面２１を観測した場合において、観測される六角形状のピットの密度が５×１０6個／ｃｍ2以下、又は底部に複数の微結晶の突起が形成された凹部が観測されない、の少なくともいずれかを満たすＺｎＯ系薄膜である。
【００１１】
半導体層２に含まれるｐ型不純物は半導体層２にアクセプタドーピングされた不純物であり、例えば窒素（Ｎ）、銅（Ｃｕ）、リン（Ｐ）等が採用可能である。半導体層２は、基板１の基板主面１１上に配置される。基板１は、例えばＭｇyＺｎ1-yＯ（０≦ｙ＜１）等が採用可能である。基板１及び半導体層２の結晶構造は六方晶系であり、基板主面１１はｃ面とする。そのため、基板主面１１上にＭｇxＺｎ1-xＯを成長して形成される半導体層２の主面２１はｃ面となる。
【００１２】
既に説明したように、ＺｎＯ系半導体膜では自己補償効果が強い。そのため、アクセプタドープにより半導体層２をｐ型半導体にするためには、意図しないアクセプタドーピングによって自己補償効果を誘発するドナーが半導体層２にドープされないように半導体素子を形成する必要がある。例えば、ＺｎＯ膜を形成するために分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を使用した場合に、以下に説明するように、ドナーとなる不純物のＺｎＯ膜への意図しないアクセプタドーピングが発生する場合がある。
【００１３】
現在、ＭｇxＺｎ1-xＯ膜を含むＺｎＯ系半導体膜を高純度に形成するために、ＭＢＥ法を採用するのが一般的である。ＭＢＥ法は、原料として元素材料を使用するため、化合物材料を使用する有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法に比べて、原料の時点での純度を上げることができる。
【００１４】
ＭＢＥ法に使用される薄膜形成装置の例を図２に示す。図２（ａ）に示す薄膜形成装置１０は、基板１を配置するホルダー１１０、形成する薄膜の原料を供給するセル１２０、セル１３０及びセル１４０を備える。図２（ａ）に示した例では、セル１２０から亜鉛（Ｚｎ）、セル１４０からガリウム（Ｇａ）が供給される。セル１３０はラジカル発生器であり、ＺｎＯ膜やＧａＮ膜等のように気体元素を含む化合物の結晶成長にＭＢＥ法を適用する場合に使用される。ラジカル発生器は、通常ＰＢＮ（pyrolytic boron nitiride）や石英からなる放電管１３１の外側周囲を高周波コイル１３２が取り巻いた構造であり、高周波コイル１３２は高周波電源（不図示）に接続している。図２（ａ）に示した例では、セル１３０内部に供給された酸素（Ｏ2）に高周波コイル１３２によって高周波電圧（電界）が印加されてプラズマが発生し、ラジカル粒子（Ｏ*）がセル１３０から供給される。図２（ｂ）は、石英の放電管１３１の例である。
【００１５】
プラズマは化学活性を上げる方法として好ましいが、プラズマ粒子が周囲の薄膜形成装置の部材に衝突し、その部材の構成元素をたたき出すというスパッタリング現象が生じる。このスパッタリング現象によって、基板１上に形成される薄膜への意図しないドーピングが生じる可能性が高くなる。ＺｎＯ膜等の酸化物を基板１上に成長させる場合、原料ガスが酸素であるため、酸化で劣化するＰＢＮではなく、石英が放電管１３１として使用される。石英が使用されるのは、石英以上に純度が高い絶縁材料がないからである。しかし、放電管１３１として使用される石英から、石英に不純物として自然に含まれるＳｉ、アルミニウム（Ａｌ）、ボロン（Ｂ）等がスパッタリング現象によってたたき出され、基板１上に成長する薄膜中にこれらがドープされる可能性が生じる。
【００１６】
図３（ａ）に、窒素（Ｎ）が半導体層２にアクセプタドーピングされた半導体素子のＳｉ及び窒素の濃度と、ＭｇＯの二次イオン強度の例を示す。ここで図３（ａ）の特性を示す半導体素子を「サンプルＡ」とする。図３（ｂ）は、サンプルＡの主面２１の状態を示す。比較のため、主面２１が図４（ｂ）で示す状態の半導体素子（以下において、「サンプルＢ」という。）のＳｉ及び窒素の濃度と、ＭｇＯの二次イオン強度の例を図４（ａ）に示す。図３（ｂ）及び図４（ｂ）は、原子間力顕微鏡によって観測した場合の、２０平方μｍの範囲で主面２１の状態を示した図である。なお、Ｓｉ濃度は二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法により測定される（以下において同様）。
【００１７】
図３（ａ）と図４（ａ）とを比較すると、サンプルＡよりサンプルＢの方がＳｉ濃度は高いことが明らかである。濃度の測定下限が１×１０17原子／ｃｍ3程度であるため、図３（ａ）に示すようにサンプルＡでは半導体層２の主面２１付近にのみＳｉが存在する。ただし、ＳＩＭＳは最表面測定を苦手とする測定であるため、最表面のＳｉ測定値は真の値ではない場合もある。図４（ａ）に示すようにサンプルＢでは半導体層２の深さ方向の中間付近までＳｉが存在している。また、窒素濃度は図３（ａ）の方が高いことを示している。
【００１８】
ここで、図３（ｂ）と図４（ｂ）とを比較すると明らかなように、サンプルＡの主面２１は平坦であるのに対して、サンプルＢの主面２１は荒れている。サンプルＡの主面２１上にはピット２０１が数個発生しているにすぎないが、サンプルＢの主面２１上には凹部２０２が複数形成されている。図４（ｂ）に示した凹部２０２のＩ−Ｉ方向の断面図を図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）に示すように、凹部２０２の底部に複数の微結晶２０３が形成されている。つまり、サンプルＢの主面２１では、平坦な部分が複数の縞状のアイランドになっており、アイランドの間に細かい微結晶の集合の凹部２０２が存在するのが特徴である。一方、サンプルＡの主面２１では平坦な部分が縞状になっているが、微結晶の集合は存在しない。
【００１９】
主面の状態が図３に示す膜と図４に示す膜をＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）構造でＣＶ測定すると、図３に示す状態の膜でのドナー濃度（ＮD）とアクセプタ濃度（ＮA）との濃度差「ＮD−ＮA」の値が１×１０16原子／ｃｍ3程度であるのに対し、図４に示す状態の膜での濃度差「ＮD−ＮA」の値は５×１０17原子／ｃｍ3程度であった。したがって、ボロン（Ｂ）、Ａｌ、Ｇａ等のIII族元素に比べると活性化率が低いとはいえ、Ｓｉが半導体層中のドナーを増加するように作用していることは明らかである。なお、ＣＶ測定は、図５に示すように、ＺｎＯ膜１０１、ＭｇＺｎＯ膜１０２及びＳＯＧ（Spin on Glass）膜１０３をこの順に積層し、ＳＯＧ膜１０３上に配置された円柱状の電極１０５と、電極１０５の周囲に間隔を設けて配置された電極１０４間について行った。電極１０４及び電極１０５はＡｌとチタン（Ｔｉ）を積層した構造等が採用可能であり、電極１０５の直径Ｗは例えば１００μｍである。
【００２０】
上記のように、図３に示したサンプルＡと図４に示したサンプルＢとの比較から、主面２１の状態が荒れている場合に半導体層２に意図せずにドーピングされるＳｉが増え、アクセプタドーピングされる窒素が少なくなることがわかる。したがって、半導体層２中へのＳｉ等の不純物の意図しないドーピングを抑制する上で、主面２１の表面状態は平坦であるほど好ましい。つまり、半導体層２の主面２１の状態が図３（ｂ）に示したような状態の場合は、半導体層２への意図しないＳｉのドーピングが抑制され、窒素等のｐ型不純物をアクセプタドーピングすることにより半導体層２を容易にｐ型半導体にすることができる。一方、半導体層２の主面２１の状態が図４（ｂ）に示したような状態の場合は、半導体層２への意図しないＳｉのドーピングが増大し、窒素等のｐ型不純物をアクセプタドーピングすることよって半導体層２をｐ型半導体にすることが困難になる。
【００２１】
図６は、図４（ｂ）を拡大した主面２１の状態を示す。図６に示すように、２０平方μｍの範囲に１９個のピット２０１が存在する。つまり、ピット密度が４．７５×１０6個／ｃｍ2である。この場合、ピット２０１の密度が５×１０6個／ｃｍ2以下という条件はぎりぎりでクリアするが、底部に複数の微結晶２０３の突起が形成された凹部２０２が観測されないという条件をクリアできない。
【００２２】
図７は、主面２１に多数のピット２０１が存在する場合の例を示す。図７（ａ）は、半導体素子のＳｉ及び窒素の濃度とＭｇＯの二次イオン強度を示し、図７（ｂ）は、２０平方μｍの範囲を原子間力顕微鏡によって観測した場合の主面２１の状態を示した図である。図７（ｃ）は、図７（ｂ）の一部の拡大して１平方μｍの範囲で主面２１の状態を示した図である。
【００２３】
図８は、主面２１の状態が半導体層２への意図しないＳｉのドーピングを抑制できる限界であるサンプル（以下において「サンプルＣ」という。）の例を示す。図８（ａ）は半導体素子のＳｉ及び窒素の濃度とＭｇＯの二次イオン強度を示す。図８（ｂ）は２０平方μｍの範囲を原子間力顕微鏡によって観測した場合の主面２１の状態を示した図であり、図８（ｃ）は、図８（ｂ）の一部の拡大して１平方μｍの範囲で主面２１の状態を示した図である。図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように、サンプルＣの主面２１の平坦部分は、サンプルＢと同様に凹部で区切られた縞状になっているが、図６に示したような大きなピットはあまり存在しない。
【００２４】
図９に、図８に示した半導体層２中にＳｉがドープされていないサンプルＣと、図６に示した半導体層２中に意図せずにＳｉがドープされたサンプルＢとの比較を示す。図９（ａ）は５平方μｍの範囲でサンプルＣの主面２１の状態を示した図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）を拡大して２平方μｍの範囲でサンプルＣの主面２１の状態を示した図である。図９（ｃ）は５平方μｍの範囲でサンプルＢの主面２１の状態を示した図であり、図９（ｄ）は図９（ｃ）を拡大して２平方μｍの範囲でサンプルＢの主面２１の状態を示した図である。図９（ｂ）と図９（ｄ）との比較から、サンプルＢは縞状のアイランドの平坦部分の間に微結晶の集まりの凹部２０２が形成されているのに対し、サンプルＣの平坦部分は縞状のアイランドとなっているが、微結晶の集まりは存在しない。
【００２５】
なお、図８に示したサンプルＣは、図３に示したサンプルＡと比較すると、Ｓｉ濃度が高く、半導体層２への意図しないＳｉのドーピングを抑制するという観点からは、量産する場合に最も好ましいものではない。サンプルＣの主面２１の状態は、あくまで半導体層２への意図しないＳｉのドーピングを抑制できる限界であり、主面２１の状態としてはサンプルＡがより好ましい。
【００２６】
図１０に、ピット２０１の拡大図を示す。図１０では、見やすくするために希塩酸で少しエッチングしてある。図１０はピット２０１の断面を５万倍程度に拡大した図であり、内挿された図はピット２０１の上面を１万倍に拡大した図である。図１０に示すように、ピット２０１は上面から見ると六角形状であり、ピット２０１が結晶面で構成されていることは明らかである。又、断面は漏斗状であり、ピット２０１の窪みが深くなるほど、上面からみた形状は大きくなる。
【００２７】
以上に説明したように、半導体層２への意図しないＳｉのドーピングを抑制するためには、半導体層２の主面２１を原子間力顕微鏡によって観測した場合において、観測されるピット２０１の密度が５×１０6個／ｃｍ2以下であること、若しくは底部に複数の微結晶２０３の突起が形成された凹部２０２が観測されないこと、の少なくともいずれの条件を満たしていることが必要である。
【００２８】
図１１に、半導体層２の界面Ｓｉ濃度と膜中Ｓｉ濃度との関係を示す。図１１に示すように界面Ｓｉ濃度と膜中Ｓｉ濃度は比例しており、界面に存在するＳｉは膜中に拡散することがわかる。したがって、半導体層２にＳｉがドープされることは避けなければならない。なお、Ｓｉ濃度の測定下限は１×１０17原子／ｃｍ3程度であり、それ以下の図１１に示した測定値の信頼性はない。
【００２９】
次に、基板１について説明する。基板１として、ＭｇyＺｎ1-yＯ（０≦ｙ＜１）等のＺｎＯ系化合物が採用可能である。ＺｎＯ系化合物は、窒化ガリウム（ＧａＮ）と同様に、ウルツァイトと呼ばれる図１２に示す六方晶構造を有する。図１２は、六方晶構造のユニットセルを示す模式図である。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。図１２において斜線を付した面がａ面（１１−２０）であり、ｍ面（１０−１０）は六方晶構造の柱面を示す。例えば｛１１−２０｝面や｛１０−１０｝面は、結晶のもつ対称性により、（１１−２０）面や（１０−１０）面と等価な面も含む総称であることを示している。また、ａ軸はａ面の垂直方向を、ｍ軸はｍ面の垂直方向を、ｃ軸はｃ面の垂直方向を示す。
【００３０】
結晶成長の基板となるＭｇyＺｎ1-yＯからなる基板１は、ｙ＝０のＺｎＯ基板でもよいし、Ｍｇが混晶されたＭｇＺｎＯ基板でもよい。ただし、ＭｇＯはＮａＣｌ型結晶であるため、ＭｇＺｎＯ基板のＭｇが５０ｗｔ％を超えると六方晶系のＺｎＯ系化合物と整合しにくく相分離を起こしやすいので好ましくない。
【００３１】
また、基板１は、図１３に示すように、基板主面１１が少なくともｍ軸方向に傾斜させた面となるように研磨される。図１３は、基板１の基板主面１１の面法線方向と、基板１の基板結晶軸方向のｃ軸方向、ｍ軸方向及びａ軸方向との関係を示すものである。基板主面１１の面法線方向とｃ軸方向とのなす角度をφとし、基板主面１１の面法線を基板結晶軸のｍ軸とｃ軸とで定義されるｍ軸ｃ軸平面に投影した投影軸とｃ軸方向とのなす角度（以下において、「面法線のｍ軸方向への傾斜角成分」という。）をφｍ度、基板主面１１の面法線を基板結晶軸のａ軸とｃ軸とで定義されるａ軸ｃ軸平面に投影した投影軸とｃ軸方向とのなす角度（以下において、「面法線のａ軸方向への傾斜角成分」という。）をφａ度とする。
【００３２】
ここで、基板主面１１の面法線をｍ軸方向に傾斜させている理由について説明する。図１５（ａ）に示されるのは、基板主面１１の面法線がａ軸にも、ｍ軸にも傾斜していない基板の模式図である。つまり、基板主面１１の面法線方向がｃ軸方向と一致している場合である。
【００３３】
しかし、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、図１５（ａ）のように基板主面１１の面法線方向がｃ軸方向と一致することがなく、基板主面がｃ面ジャストの基板にこだわると生産性も悪くなる。現実には、基板主面１１の面法線方向はｃ軸から傾き、オフ角を有する。例えば、図１５（ｂ）に示すように、基板主面１１の面法線方向が、ｃ軸からｍ軸方向にのみθ度傾斜していると、基板主面１１（例えばＴ１領域）の拡大図である図１５（ｃ）に表されるように、平坦な面であるテラス面１ａと、面法線をｃ軸に対して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。
【００３４】
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１５（ｃ）に示すように、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。すなわち、図１５（ｄ）に示すように、テラス面１ａは、基板主面１１に対して傾斜し、その傾斜角は傾斜角度θである。
【００３５】
図１５（ｃ）に示した状態は、図１３、１４で言えば、θｓ＝９０°の場合に相当する。なお、図３、４に示した「ステップエッジ」は、ステップ面１ｂによる段差部分をｍ軸とａ軸とで定義されるｍ軸ａ軸平面に投影したものである。基板主面１１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。
【００３６】
つまり、表面拡散過程で飛来原子がテラス面１ａ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１１の面法線が少なくとも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。このように、ステップ面１ｂをｍ面に相当する面となるようにすれば、基板主面１１上に結晶成長させたＺｎＯ系半導体である半導体層２を、主面２１が平坦な膜とすることができる。
【００３７】
ところで、図１５（ｂ）に定義した傾斜角度θを大きくしすぎると、基板主面１１上にＺｎＯ系半導体層が平坦に結晶成長しなくなる。図１６は、ｍ軸方向への傾斜角度θによって、基板主面１１上の半導体膜の平坦性が変化することを示すものである。図１６（ａ）は、傾斜角度θが１．５°のＭｇyＺｎ1-yＯからなる基板１の基板主面１１上に成長させたＺｎＯ系の半導体層２の主面２１の状態を示す。図１６（ｂ）は、傾斜角度θが３．５°のＭｇyＺｎ1-yＯからなる基板１の基板主面１１上に成長させたＺｎＯ系の半導体層２の主面２１の状態を示す。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は共に、結晶成長後に原子間力顕微鏡を用いて、分解能１μｍで主面２１をスキャンした画像である。図１６（ａ）に示した主面２１は、ステップの幅が揃った状態で平坦に形成されているが、図１６（ｂ）に示した主面２１は、表面に凹凸が散在しており、平坦性が失われている。以上より、図１３に示した傾斜角成分φｍ度は、０°を越える範囲で、かつ３°以下（０°＜φｍ≦３°）が好ましい。
【００３８】
上記のように、基板主面１１をｍ軸方向にのみ傾斜させ、その傾斜角成分φｍ度を、０°を越える範囲で、かつ３°以下とすることが好ましいが、実際には、ｍ軸方向にのみ傾斜させて基板をインゴットから切り出すことは困難で、生産技術としては、ａ軸方向への傾きも許容し、その許容度を設定することが必要となる。例えば、図１３に示すように、ｃ軸に対して基板主面１１の面法線方向が、ｍ軸方向の傾斜角成分φｍ度、ａ軸方向の傾斜角成分φａ度を有するようにしても良い。つまり、ｍ軸方向にφｍ度、ａ軸方向にφａ度だけ傾斜するように基板主面１１を作製するようにしても良い。
【００３９】
ただし、ステップ面１ｂのステップエッジとｍ軸方向とのなす角θｓが一定の範囲内である必要がある。つまり、ｍ軸方向にステップエッジが規則的に並んでいる状態が、主面２１が平坦な半導体層２を成長させる上で必要であり、ステップエッジの間隔やステップエッジのラインが乱れると、前述した沿面成長が行われなくなるので、主面２１が平坦な半導体層２を形成できない。以下に、角θｓの取り得る範囲について説明する。
【００４０】
図１３に示すように基板主面１１の面法線がｍ軸方向及びａ軸方向に傾斜している場合は、図１７（ａ）のように表される。図１７（ａ）に示すように、基板主面１１の面法線をｍ軸ａ軸平面に投影した投影軸の延伸する方向をＬ方向とし、基板主面１１の一部（例えばＴ２領域）の拡大図を図１７（ｂ）に示す。平坦な面であるテラス面１ｃと、基板主面１１をｃ面に対して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１ｃがｃ面（０００１）となるが、テラス面１ｃは、基板主面１１と平行ではなく、傾斜する面となっており、テラス面１ｃと垂直なｃ軸は、図１３を引用すると、基板主面１１の面法線からφ度傾斜していることになる。
【００４１】
基板主面１１が、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１ｄが斜めに形成され、ステップ面１ｄは、図１７（ｂ）に示すようにＬ方向に並ぶことになる。この状態は、図１３及び図１４に示したようにｍ軸方向へのステップエッジ配列となって現われる。ｍ面は熱的、化学的に安定面であるため、ａ軸方向の傾斜角成分φａ度の大きさによっては、斜めステップが綺麗には保たれず、図１７（ｂ）に示すように、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、主面が平坦な膜を基板主面１１上に形成できなくなる。
【００４２】
図１８に、基板主面１１（成長面）が、ｍ軸方向のオフ角（傾斜角成分φｍ）に加えて、ａ軸方向のオフ角（傾斜角成分φａ）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１３で説明したｍ軸方向の傾斜角成分φｍ度を０．４°に固定して、ａ軸方向の傾斜角成分φａ度を変化させて比較した。傾斜角成分φａ度の変化は、ＭｇyＺｎ1-yＯからなる基板１の切り出し面を変えることにより実現させた。
【００４３】
ａ軸方向の傾斜角成分φａ度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１８には、θｓの角度を記載した。図１８（ａ）は、θｓ＝８５°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１８（ｂ）は、θｓ＝７８°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１８（ｃ）は、θｓ＝６５°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。表面状態が図１８（ｃ）のようである基板主面１１上にＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長させると、表面の平坦性が悪いＺｎＯ系半導体層が形成されてしまう。この図１８（ｃ）の場合は、ａ軸方向の傾斜角成分φａに換算すると０．１５°に相当する。以上のデータにより、主面２１の平坦性よく半導体層２を基板主面１１上に成長させるためには、７０°≦θｓ≦９０°の範囲が好ましいことがわかる。
【００４４】
ところで、θｓについては、基板主面１１の面法線が＋ａ軸方向に傾斜角成分φａ度だけ傾斜している場合だけでなく、図１３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。この傾斜角成分を−φａ度とし、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１４（ｂ）のように表される。ここで、ｍ軸方向とステップエッジとのなす角θｉの条件についても、角θｓと同様に７０°≦θｉ≦９０°が成立する。θｓ＝１８０°−θｉの関係が成立するので、θｓの最大値としては、１８０°−７０°＝１１０°となり、最終的に７０°≦θｓ≦１１０°の範囲が、基板主面１１上に主面２１が平坦な半導体層２を成長させることができる条件となる。
【００４５】
図１３に示す、基板主面１１の面法線をｍ軸ａ軸平面に投影した投影軸とｃ軸方向とのなす角αは、以下の式（１）で表される：
α＝（１８０／π）ａｒｃｔａｎ｛ｔａｎ（πφａ／１８０）／ｔａｎ（πφｍ／１８０）｝  ・・・（１）
ここで、角α、傾斜角成分φｍ及び傾斜角成分φａの単位は度（ｄｅｇ）であり、ｔａｎは正接（tangent）、ａｒｃｔａｎは逆正接（arctangent）をそれぞれ表す。図１３に基づき、単位を度（ｄｅｇ）とする角θｓを傾斜角成分φｍ及び傾斜角成分φａを用いて表すと、以下の式（２）のようになる：
θｓ＝９０−α
＝９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ｛ｔａｎ（πφａ／１８０）／ｔａｎ（πφｍ／１８０）｝・・・（２）
式（２）から、基板主面１１上に主面２１が平坦な半導体層２を形成するための角θｓの好ましい範囲として、以下の式（３）が得られる：
７０≦９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ｛ｔａｎ（πφａ／１８０）／ｔａｎ（πφｍ／１８０）｝≦１１０  ・・・（３）
θｓ＝９０°の場合が、基板主面１１の面法線の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。
【００４６】
既に説明したように、半導体層２への意図しないアクセプタドーピングを抑制するために半導体層２の主面２１の平坦性を維持するためには、０°＜φｍ≦３°であることが好ましい。したがって、傾斜角成分φｍ度を決める式（３）から、好ましい傾斜角成分φａ度の範囲が計算できる。
【００４７】
以下に、図２に示した薄膜形成装置によって図１に示した半導体素子の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。なお、以下の説明における基板１は、上記の説明のように、基板主面１１の面法線をａ軸ｃ軸平面に投影した投影軸とｃ軸方向とのなす角度（傾斜角成分φａ度）が０．１°以下、かつ基板主面１１の面法線をｍ軸ｃ軸平面に投影した投影軸とｃ軸方向とのなす角度（傾斜角成分φｍ度）が３°以下であるＺｎＯ系基板であることが好ましい。あるいは、基板１が傾斜角成分φａ度及び傾斜角成分φｍ度が式（３）の条件を満足する基板であることが好ましい。
【００４８】
（イ）＋ｃ面を主面とする、例えばＺｎＯからなる基板１を塩酸でエッチングし、純水洗浄した後、ドライ窒素で乾燥させる。
【００４９】
（ロ）図２に示すように、ホルダー１１０にセットされた基板１をロードロックからＭＢＥ法に使用する薄膜形成装置に入れる。
【００５０】
（ハ）１×１０-7Ｐａ程度の真空中で、９００℃、３０分の条件で基板１を加熱する。
【００５１】
（ニ）基板温度を９００℃まで下げ、ＮＯガス、Ｏ2ガスをセル１２０に供給してプラズマを発生させ、予め所望の組成になるように調整したＭｇ、Ｚｎと共に供給して基板１上にＭｇxＺｎ1-xＯからなる半導体層２を成長させる。その後、半導体層２に窒素等のアクセプタドーピングがなされる。
【００５２】
半導体層２の製造条件で重要なのは基板温度である。既に説明したように、図３に示したサンプルＡのように半導体層２の主面２１が平坦であれば、スパッタリング現象で放電管１３１からたたき出されたＳｉ等は半導体層２にドープされない。六方晶系の＋ｃ面で窒素が入りやすいことから、＋ｃ面はカチオン（カソード的なイオン）を排除する機構（例えば、＋に分極電荷が存在しているなど）があると推定される。よって、基板温度は７５０℃以上が必要であり、ＭｇxＺｎ1-xＯではこの下限温度が上昇する傾向があるが、基板温度８００℃であれば、Ｍｇの組成が２０％程度までのＭｇxＺｎ1-xＯからなる半導体層２において主面２１の平坦性を維持できる。基板温度を主面２１の平坦性を維持できる温度に任意に設定できることは勿論である。
【００５３】
なお、温度は、例えば基板１裏面にＴｉ／Ｐｔをつけてパイロメータで測定するか、サーモビュアーで測定可能である。先に示した温度は、パイロメータの場合はε＝０．１８、サーモビュアーの場合はε＝０．７１で測定した値である。サーモビュアーを使用する場合は、薄膜成長装置に配慮が必要である。即ち、薄膜成長装置に通常用いられるガラスや石英のビューポートでは測定波長の８〜１４μｍ波長域が透過されないため、フッ化バリウム（ＢａＦ2）結晶を窓材とするビューポートが使用される。この装置であれば、ビューポートを長波長赤外が透過でき、また、ＺｎＯはこの波長領域で透過率が低いため、基板１の背後にある物体の放射温度を測定する危険が少なく、基板温度の測定に好ましい。上記のパイロメータ或いはサーモビュアー以外の方法により測定された基板温度（ヒータの熱電対等を使用）は、基板自体の温度を測定しているとはいえず、基板温度の測定には適さない。
【００５４】
以上に説明したように、本発明は半導体層２への意図しないＳｉ等のドーピングを抑制するための半導体素子の条件を示したものであり、図１に示した半導体素子では、原子間力顕微鏡によって半導体層２の主面２１を観測した場合において、観測される六角形状のピット２０１の密度が５×１０6個／ｃｍ2以下、又は底部に複数の微結晶２０３の突起が形成された凹部２０２が観測されない。更に、基板主面１１のａ軸方向及びｍ軸方向への傾きが、基板主面１１上に成長される半導体層２の主面２１が平坦になる条件を満足するような基板１が使用される。その結果、上記の条件を満足する半導体素子では、半導体層２への意図しない不純物のドーピングを抑制することができる。そのため、半導体層２への窒素等のアクセプタドーピングが容易になり、ＭｇxＺｎ1-xＯからなる半導体層２をｐ型半導体層にすることができる。
【００５５】
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す模式図である。
【図２】薄膜形成装置の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体素子の特性を示す図であり、図３（ａ）は不純物濃度を示すグラフであり、図３（ｂ）は主面の状態を示す図である。
【図４】比較例の半導体素子の特性を示す図であり、図４（ａ）は不純物濃度を示すグラフであり、図４（ｂ）は主面の状態を示す図であり、図４（ｃ）は図４（ｂ）の断面図である。
【図５】ＣＶ測定を説明するための模式図であり、図５（ａ）は測定対象サンプルの上面図であり、図５（ｂ）は測定対象サンプルの側面図である。
【図６】図４（ｂ）を拡大した図である。
【図７】ピットが多数発生した半導体素子の特性を示す図であり、図７（ａ）は不純物濃度を示すグラフであり、図７（ｂ）は主面の状態を示す図であり、図７（ｃ）は図７（ｂ）を拡大した図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る半導体素子の他の特性を示す図であり、図８（ａ）は不純物濃度を示すグラフであり、図８（ｂ）は主面の状態を示す図であり、図８（ｃ）は図８（ｂ）を拡大した図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る半導体素子と比較例の主面の状態を示す図であり、図９（ａ）は図８のサンプルの主面の状態を示した図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）を拡大した図であり、図９（ｃ）は図６のサンプルの主面の状態を示した図であり、図９（ｄ）は図９（ｃ）を拡大した図である。
【図１０】ピットを説明するための図である。
【図１１】界面Ｓｉ濃度と膜中Ｓｉ濃度との関係を示すグラフである。
【図１２】六方晶構造を説明するための模式図である。
【図１３】ＺｎＯ系基板のｃ面に対する傾斜を説明するための模式図である。
【図１４】ステップエッジとｍ軸との関係を示す模式図であり、図１４（ａ）は面法線が＋ａ軸方向に傾斜する場合、図１４（ｂ）は面法線が−ａ軸方向に傾斜する場合を示す。
【図１５】基板主面の面法線の傾斜を説明するための模式図であり、図１５（ａ）は面法線が傾斜しない場合、図１５（ｂ）は面法線がｍ軸方向にのみ傾斜する場合、図１５（ｃ）は図１５（ｂ）における主面の状態を示し、図１５（ｄ）は基板主面とｃ面との関係を示す。
【図１６】ｃ面に対して傾斜した基板上に形成される半導体膜の主面の状態を示す図であり、図１６（ａ）は傾斜角度が１．５°の場合、図１６（ｂ）は傾斜角度が３．５°の場合を示す。
【図１７】基板主面の面法線の傾斜を説明するための模式図であり、図１７（ａ）は面法線がｍ軸方向及びａ軸方向に傾斜する場合、図１７（ｂ）は図１７（ａ）における主面の状態を示す。
【図１８】基板主面の面法線のａ軸方向のオフ角が異なる基板の基板主面の状態を、ステップエッジとｍ軸方向とのなす角θｓを変えて示す図であり、図１８（ａ）は角θｓが８５°の場合、図１８（ｂ）は角θｓが７８°の場合、図１８（ｃ）は角θｓが６５°の場合を示す。
【符号の説明】
【００５７】
１…基板
２…半導体層
１０…薄膜形成装置
１１…基板主面
２１…主面
１１０…ホルダー
１２０…セル
１３０…セル
１３１…放電管
１３２…高周波コイル
１４０…セル
２０１…ピット
２０２…凹部
２０３…微結晶
【図１２】
0005229715.tif 000002
【図１３】
0005229715.tif 000003
【図１４】
0005229715.tif 000004
【図１５】
0005229715.tif 000005
【図１７】
0005229715.tif 000006
【図１】
0005229715.tif 000007
【図２】
0005229715.tif 000008
【図３】
0005229715.tif 000009
【図４】
0005229715.tif 000010
【図５】
0005229715.tif 000011
【図６】
0005229715.tif 000012
【図７】
0005229715.tif 000013
【図８】
0005229715.tif 000014
【図９】
0005229715.tif 000015
【図１０】
0005229715.tif 000016
【図１１】
0005229715.tif 000017
【図１６】
0005229715.tif 000018
【図１８】
0005229715.tif 000019