(57)【要約】【課題】  ＺｎＯ系化合物半導体層のヘテロ接合を有する積層部を形成して半導体素子を形成しても、ｐ形ドーピングを確保しつつ駆動電圧の上昇を引き起こさず、しかも結晶性を良好にして素子特性の優れた酸化亜鉛系化合物半導体素子を提供する。【解決手段】  Ａ面｛１１−２０｝またはＭ面｛１０−１０｝が−ｃ軸方向に傾斜した面を主面とするＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）からなる基板１の主面上に、ＺｎＯ系化合物半導体層２〜６がエピタキシャル成長されている。【選択図】        図１
2007088271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ面｛１１−２０｝またはＭ面｛１０−１０｝が−ｃ軸方向に傾斜した面を主面とするＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜1）からなる基板と、該ＭｇxＺｎ1-xＯからなる基板の前記主面上にエピタキシャル成長されたＺｎＯ系化合物半導体層とからなる酸化亜鉛系化合物半導体素子。
【請求項２】
前記基板上にエピタキシャル成長されるＺｎＯ系化合物半導体層が、発光ダイオードまたはレーザダイオードの発光層を形成するようにヘテロ接合を含む半導体積層部として積層され、酸化亜鉛系化合物半導体発光素子を構成する請求項１記載の酸化亜鉛系化合物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＺｎＯやＭｇＺｎＯ系（ＭｇとＺｎとの混晶比率が変り得ることを意味する、以下同じ）化合物などの酸化亜鉛系（以下、ＺｎＯ系ともいう）半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子、ＨＥＭＴなどのトランジスタ素子など、ＺｎＯ系化合物半導体素子に関する。さらに詳しくは、ｐ形のＺｎＯとＭｇＺｎＯ系化合物などをヘテロ接合で積層して半導体素子を形成し、その積層方向に電圧（電界）が印加されるような場合でも、ピエゾ電界の発生に起因する駆動電圧の上昇など、印加する電圧への影響を抑制しながら、高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系化合物半導体層を形成することで、内部量子効率の高いＺｎＯ系化合物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体を用いた青色系発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などの窒化物半導体発光素子が実用化されている。一方、ＺｎＯ系化合物はＧａＮ系化合物（ＧａＮの他、Ｇａの一部または全部が他のIII族元素と置換した化合物を意味する、以下同じ）よりも短波長域での発光特性が優れている。具体的には、ホールと電子が固体内で結合したＺｎＯの励起子の束縛エネルギーが６０ｍｅＶと大きく、室温でも安定に存在する（ＧａＮは２４ｍｅＶ）ことに起因している。このようにＺｎＯ系化合物は、ＧａＮにかわる青色、紫外領域の発光素子や受光素子などとして期待されているが、ＺｎＯ系化合物は酸素空孔や格子間亜鉛原子による欠陥などが生じることが知られており、この結晶欠陥により、結晶中に寄与しない電子が発生してしまいＺｎＯ系化合物は通常ｎ形を示すことになり、ｐ形とするには残留する電子の濃度を低減することが必要となる。
【０００３】
具体的にＺｎＯ系化合物を用いた半導体素子を得るためには、一般的には基板として主面をＣ面とするサファイア基板が用いられているが、サファイア基板上でのＺｎＯ系化合物半導体層の結晶成長は通常−ｃ軸（酸素面）方向に起こる。しかしながら、−ｃ軸方向での結晶成長により形成されたＺｎＯ系化合物半導体層は、ｐ形ドーパントである窒素のドーピング効果は強く温度に依存し、窒素ドーピングするためには基板温度を下げる必要があるが、基板温度を下げると結晶性が低下し、アクセプタを補償するセンターが導入され、結局窒素は活性化せず十分な高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系化合物半導体層を形成できない（たとえば非特許文献１参照）。また、温度依存性を利用し、４００℃と１０００℃の間の温度を行き来する温度変調という方法により高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系化合物半導体層を形成する方法もある（非特許文献２参照）が、絶え間ない加熱・冷却による膨張-収縮を繰り返すため、装置への負担が大きくなると共に装置が大がかりになり、また、メンテナンス周期が短くなる。
【０００４】
一方、本発明者は、他の方法により高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系化合物半導体層を形成する方法を検討した結果、主面がＣ面で＋ｃ軸配向したＺｎＯ基板（Ｚｎ面）やサファイア基板上に＋ｃ軸配向した下地層であるＧａＮ膜を形成した上に、同方向に配向、すなわち＋ｃ軸配向したＺｎＯ系化合物半導体層を積層することで基板や下地層であるＧａＮ層とＺｎＯ系化合物半導体層とのｃ軸配向を揃え、良質の結晶性を確保し、高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系化合物半導体層を形成し得ることを見出し、このことが既に開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平２００４−３０４１６６
【非特許文献１】Journal of Crystal Growth 237-239 （2002）503
【非特許文献２】Nature Material vol.4 （2005） p.42
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のように、ＺｎＯ系化合物半導体層を積層する場合、Ｃ面を主面とし＋ｃ軸配向したＺｎＯ基板上などに、同じ方向の＋ｃ軸配向するようにＺｎＯ系化合物半導体層が積層されることが高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系化合物層を容易に形成でき、高効率の半導体素子が得られる点で好ましい。
【０００６】
しかし、このようにＣ面を主面とする基板を用いて、＋ｃ軸配向させてＺｎＯやＭｇＺｎＯ系化合物のようなヘテロ接合を有する半導体積層部を形成し、発光素子などを形成しようとすると、後述するように順方向の印加電圧が上昇して、余計なジュール熱が発生し、素子寿命を短くするという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、短波長の発光にＧａＮ系化合物よりも有利なＺｎＯ系化合物半導体を用いながら、ＺｎＯ系化合物半導体層のヘテロ接合を有する積層部を形成して半導体素子を形成しても、ｐ形ドーピング効率を上げながら駆動電圧の上昇を引き起こさず、しかも結晶性を良好にして素子特性の優れた酸化亜鉛系化合物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】
【０００８】
本発明者は、Ｃ面を主面とする基板を用い、＋ｃ軸配向させてＺｎＯ系化合物半導体層を積層して発光素子などを形成すると、駆動電圧が上昇する原因について鋭意検討を重ね検討した結果、ＺｎＯ系化合物が圧電体であるため、ヘテロ接合が形成されていると、積層される半導体層、たとえば、ＺｎＯ層とＭｇＺｎＯ系化合物層間、またはＭｇＺｎＯ系化合物同士でもＭｇの混晶比率が異なると、同種の半導体といえども格子定数が若干異なり、基板と半導体層または半導体層間で応力が発生し、その応力に基づいてピエゾ電界が発生することに原因があることを見出した。すなわち、このピエゾ電界は、キャリアにとって、新たに加えられたポテンシャル障壁になり、ダイオードなどのビルトイン（built-in）電圧を上昇させることにより、駆動電圧が上昇するものである。
【０００９】
詳述すると、ピエゾ電界は、圧電効果を有する結晶に応力が加わると図６（ａ）および（ｂ）に示されるように、圧縮力の場合と引張り力の場合とでその発生する電荷の＋と−とが逆になる。一方、ＺｎＯのような六方晶系の結晶では、ｃ軸方向に対称性がなく、ｃ軸方向（Ｃ面と垂直な面）は電荷の偏りで区別される２つの方向が存在する極性面となる。そのため、前述の応力による電荷は結晶のＣ面の両面に＋と−の電荷が生じ、Ａ面およびＭ面は非極性面となって電荷が発生しないか、非常に小さくなる。そのため、Ｃ面上に積層されたＺｎＯ層３３とＭｇＺｎＯ層３４とでは、図６（ｃ）に示されるように、圧縮歪みの発生するＭｇＺｎＯ層３４のＺｎＯ層３３側に＋の電荷が、反対側にその逆の電荷が発生してビルトイン電圧を上昇させ、駆動電圧を上昇させる原因であることを見出した。
【００１０】
そして、本発明者らは、この応力により電荷が発生する面を素子に印加する電界の方向と平行になるように（ピエゾ電界が素子に印加する電界と垂直になるように）、ＺｎＯ系化合物半導体層を積層することにより、ピエゾ電界による問題を解決することができることを見出した。
【００１１】
一方、前述のようにピエゾ電界が素子に印加する電界と完全に垂直になるようにした場合、確かにピエゾ電界の問題は解決できるが、基板上に積層されるＺｎＯ系化合物半導体層が＋ｃ軸配向せず、それが原因で高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系化合物半導体層が得られない場合がある。そこで本発明者は、さらにその原因を鋭意検討した結果、ピエゾ電界が素子に印加する電界と完全に垂直になるような面、すなわちＡ面またはＭ面を主面とするＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）基板などを作製しようとしても、主面が完全にフラットな面として作製できない場合があり、基板表面に段差が生じることで、段差部分に生じた面（ステップ面）の向きにより、ｐ形ドーパントである窒素のドーピング効率が異なることがその原因であることを見出した。
【００１２】
そして、本発明者は、段差に生じた面の向きを一定方向、すなわち、ｐ形ドーパントである窒素の取り込み量が多い面が露出するように一定方向に傾斜した基板を用いることで、ｐ形ＺｎＯ系化合物半導体層の窒素ドーピングの問題を解決することができることを見出した。
【００１３】
そこで、本発明による酸化亜鉛系化合物半導体素子は、Ａ面｛１１−２０｝またはＭ面｛１０−１０｝が−ｃ軸方向に傾斜した面を主面とするＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０.５）からなる基板と、該ＭｇxＺｎ1-xＯからなる基板の前記主面上にエピタキシャル成長されたＺｎＯ系化合物半導体層とからなっている。
【００１４】
ここに酸化亜鉛（ＺｎＯ）系化合物半導体とは、Ｚｎを含む酸化物を意味し、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、（１１−２０）、（１０−１０）、｛１１−２０｝、｛１０−１０｝は、厳密にはそれぞれ、
【００１５】
【数１】
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【００１６】
を指すが、便宜的に上記のように略記する。また、たとえば｛１１−２０｝面は、結晶のもつ対称性により、（１１−２０）面と等価な面も含む総称であることを示している。
【００１７】
具体例としては、前記基板上にエピタキシャル成長されるＺｎＯ系化合物半導体単結晶層が、発光ダイオードまたはレーザダイオードの発光層を形成するようにヘテロ接合を含む半導体積層部として積層され、酸化亜鉛系化合物半導体発光素子を構成することにより、駆動電圧が低く、余計なジュール熱の発生を抑制しつつ、十分に高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系化合物半導体層を形成でき、素子特性の優れた半導体発光素子が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、Ａ面｛１１−２０｝またはＭ面｛１０−１０｝が−ｃ軸方向に傾斜した面を主面とするＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）としていることで、基板上の主面のステップ面以外の面（テラス面）がＡ面｛１１−２０｝またはＭ面｛１０−１０｝となり、ステップ面が＋ｃ軸配向したＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）が露出する＋Ｃ面となる。そのため、その上に成長されるＺｎＯ系化合物層が、テラス面と平行な面が{１１−２０}面または{１０−１０}面に配向して積層されると共に、ステップ面と平行な面も＋Ｃ面に配向（面内の＋ｃ軸方向に関しても配向）した完全な単結晶層として成長する。
【００１９】
しかも、＋Ｃ面はステップ面に現れるにすぎず、ＺｎＯ系化合物半導体層を積層する面内にはわずかにしか現れない。その結果、基板と積層される半導体層との間、または積層される半導体層間でＭｇなどの混晶比の相違によるヘテロ接合により層間に応力が生じてピエゾ電界が発生しても、半導体素子として一般に印加される半導体積層部と垂直方向に印加される電界とほとんど直角方向の電界となり、素子としての印加電圧にほとんど影響を及ぼさない。その結果、たとえばＺｎＯ系化合物半導体層をヘテロ接合で積層して発光素子を形成する場合に、格子不整合を緩和する勾配層やバッファ層などを介在させなくても、駆動電圧を上昇させるような問題は生じない。
【００２０】
さらに、僅かに主面のステップ面として現れた＋Ｃ面には、＋ｃ軸方向に配向したＭｇＺｎＯ系結晶が現れることになる。そして、このステップ部分を中心に結晶成長が起こるため、＋ｃ軸配向したＺｎＯ系化合物層がステップ部分を中心として形成されることになり、ｐ形ドーパントの窒素の取り込みが増え、＋ｃ軸配向した高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系化合物半導体層を容易に形成できる。そのため、駆動電圧の上昇や素子寿命の低下も生じないばかりでなく、高効率の半導体素子を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
つぎに、図面を参照しながら本発明の酸化亜鉛系（ＺｎＯ系）化合物半導体素子について説明をする。本発明によるＺｎＯ系化合物半導体素子は、図１にその一実施形態である発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面説明図が示されるように、Ａ面（１１−２０）またはＭ面（１０−１０）が−ｃ軸方向に傾斜した面を主面とするＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０.５、以下同じ）からなる基板１の主面上に、ＺｎＯ系化合物半導体層２〜６がエピタキシャル成長されている。
【００２２】
基板１は、図２（ｂ）に示されるように、ＭｇxＺｎ1-xＯ（たとえばｘ＝０のＺｎＯ）からなり、主面がＡ面またはＭ面から−ｃ軸方向に傾斜した面となるように研磨されている。傾斜角θは０.１〜１０°程度、より好ましくは０.３〜５°程度である。
【００２３】
ここで、主面をＡ面またはＭ面が−ｃ軸方向に傾斜した面とする理由について詳細に説明する。図２（ａ）に示されるのは、主面をＡ面またはＭ面とし傾斜していない基板の模式図である。このような基板を用いると前述のように、ピエゾ電界の問題を解決することができ、駆動電圧の上昇を防ぐことができる。
【００２４】
しかし、本発明者は、図２（ａ）に示されるようなＡ面またはＭ面を主面としてフラットな表面を有するＭｇxＺｎ1-xＯからなる基板を形成しようとしても、実際には、完全なフラットな表面が形成することができず、図２（ｃ）に示されるように、表面上の段差により生じるステップ面１ｂとその他の面であるテラス面１ａが生じ、このステップ面を＋ｃ軸配向となるようにすることにより、ｐ形層のキャリア濃度も向上させ得ることを見出した。
【００２５】
より具体的には、図２（ｂ）の基板表面部分の拡大図が図２（ｃ）に示されるように、Ａ面またはＭ面を傾斜（ａ軸、ｍ軸を傾斜）させることで、主面上にはテラス面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が形成される。また、傾斜方向を−ｃ軸方向とすることにより、ステップ面１ｂは常に＋ｃ軸配向したＭｇxＺｎ1-xＯ（＋Ｃ面）が露出することになる。このように傾斜した基板上に、ＺｎＯ系化合物半導体層を積層させると、適当な温度範囲では、ＺｎＯ系化合物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、ステップ面１ｂとなる＋Ｃ面では、本発明者が特許文献１で既に開示しているようにｐ形ドーパントである窒素の取り込み量が大幅に増加し、ｍ軸またはａ軸配向した高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系半導体層を成長できることを見出したのである。
【００２６】
なお、ＺｎＯ系化合物、たとえばＭｇxＺｎ1-xＯは、結晶構造の概念図が図３に斜視図で示されるような六方晶構造であり、Ａ面（１１−２０）およびＭ面（１０−１０）はそれぞれ図３に示されるような面であり、いずれもＣ面と直交する面である。この基板１は、ｘ＝０のＺｎＯでもよいし、Ｍｇが混晶されたＭｇＺｎＯ系化合物でもよい。Ｍｇが５０ａｔ％を超えると、ＭｇＯはＮａＣｌ型結晶であるため、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。
【００２７】
このＭｇxＺｎ1-xＯ基板は、水熱合成法により形成されたインゴットをウェハに切り出して形成される。その切り出しの際に、前述のように、主面がＡ面またはＭ面を−ｃ軸方向に傾斜する面になるように切り出される。なお、基板１のＭｇの混晶比率が０でも、その上に成長するＺｎＯ系化合物の結晶性（ｃ軸配向性）には殆ど影響ないが、発光させる光の波長（活性層の組成）により、その波長の光よりバンドギャップの大きい材料にすることが、発光した光が基板１により吸収されないため好ましい。
【００２８】
半導体積層部８は、図１に示される例では、ｎ形ＺｎＯからなり、たとえば１０ｎｍ程度の厚さのバッファ層２と発光層形成部７と、ｐ形ＺｎＯからなり、たとえば１０〜３０ｎｍ程度の厚さのコンタクト層６とで構成されている。しかし、簡単な構造例で示したもので、この積層構造に限定されるものではない。
【００２９】
発光層形成部７は、図１に示される例では、活性層４をそれよりバンドギャップの大きいＭｇyＺｎ1-yＯ（０≦ｙ≦０.３、たとえばｙ＝０.１）からなるｎ形層３およびｐ形層５とでサンドイッチするダブルへテロ構造に形成されている。活性層４は、図示されていないが、たとえば下層側からｎ形ＭｇzＺｎ1-zＯ（０≦ｚ≦０.１５、たとえばｚ＝０.０５）からなり、０〜１５ｎｍ程度の厚さのｎ形ガイド層と、６〜１５ｎｍ程度厚のＭｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ層および３〜５ｎｍ程度厚のＺｎＯ層を交互に６周期積層した積層部と、ｐ形ＭｇzＺｎ1-zＯからなり、０〜１５ｎｍ程度の厚さのｐ形ガイド層との積層構造に形成された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造に形成され、たとえば３６５ｎｍ程度の波長の光を発光するように形成されている。しかし、発光層形成部７の構造は、この例に限定されるものではなく、たとえば活性層４が単一量子井戸（ＳＱＷ）構造でも、バルク構造でもよく、また、ダブルヘテロ接合構造でなくて、シングルヘテロ接合のｐｎ構造でもよい。さらに、ｎ形層３やｐ形層５も障壁層とコンタクト層との積層構造にしたり、また、ヘテロ接合の層間に勾配層を設けたり、さらには基板側に反射層を形成したりすることもできる。
【００３０】
そして、基板１の裏面を研磨して基板１の厚さを１００μｍ程度にした後に、その裏面にＴｉ、Ａｌを積層してシンターすることによりｎ側電極９を形成し、さらに、ｐ形コンタクト層６の表面にリフトオフ法により、Ｎｉ／Ａｕの積層構造でｐ側電極１０を形成し、ウェハからチップ化することにより、図１に示される構造の発光素子チップが形成されている。なお、ｎ側電極９は、基板１の裏面に形成しないで、積層された半導体積層部８の一部をエッチングして露出するｎ形層３の表面に形成することもできる。
【００３１】
この発光ダイオードを製造するには、まず、たとえば水熱合成法で作られたＺｎＯのインゴットをＡ面（１１−２０）またはＭ面（１０−１０）を−ｃ軸方向へ０.１〜１０°程度傾斜した面で切り出してＣＭＰ（chemical mechanical polish）研磨することによりウェハを作る。そして、ＺｎＯ系化合物の成長には、ＲＦプラズマで酸素ガスの反応活性を上げた酸素ラジカルを作り出すラジカル源を備えたＭＢＥ装置を用いる。同じラジカル源をｐ形ＺｎＯのドーパントである窒素のために用意する。Ｚｎ源、Ｍｇ源、Ｇａ源（ｎ形ドーパント）は、それぞれ純度６Ｎ（９９.９９９９％）以上の金属Ｚｎ、金属Ｍｇなどを使用して、クヌーセンセル（蒸発源）から供給する。ＭＢＥチャンバの周りには液体窒素が流れるシュラウドを用意し、壁面がセルや基板ヒータからの熱放射で暖まらないようにしておく。そうすることにより、チャンバ内を１×１０-9Ｔｏｒｒ程度の高真空に保つことができる。
【００３２】
このようなＭＢＥ装置内に、ＣＭＰ研磨された前述のＺｎＯからなるウェハを導入後、７００℃程度でサーマルクリーニングをした後、基板温度を６００℃程度に下げ、ｎ形バッファ層２を成長し、さらに、前述の構成の各半導体層を順次成長することにより半導体積層部８を形成する。そして、前述のように、基板１を薄くして表面側のｐ形コンタクト層6上にリフトオフ法により真空蒸着法などを用いて、Ｎｉ／Ａｕ積層構造のｐ側電極１０を、基板１の裏面にＴｉ／Ａｌを積層して６００℃、１分程度のシンターを行うことにより、オーミック性を確保したｎ側電極９を形成する。その後、ダイシングなどによりウェハからチップ化する。
【００３３】
前述の例は、ＬＥＤの例であったが、レーザダイオード（ＬＤ）でも、同様にヘテロ接合の半導体積層部が形成され、その積層部と垂直方向に駆動電圧が印加されるため、Ａ面またはＭ面が−ｃ軸方向に傾斜した面を主面とするＭｇxＺｎ1-xＯ（たとえばｘ＝０）からなる基板１を用いることで、高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系化合物半導体層を成長させることができ、低い駆動電圧で、かつ、しきい値電流の小さい高特性の半導体レーザが得られる。図４にそのような半導体レーザの構造例を示す。
【００３４】
図４において、基板１およびバッファ層２は図１に示される例と同じである。この例ではｎ形層３がＺｎＯからなるｎ形コンタクト層３ａ、ＭｇyＺｎ1-yＯ（０≦ｙ≦０.３、たとえばｙ＝０.２）からなる障壁層（クラッド層）３ｂとで構成され、活性層４は、前述の例と同様であるが、ｎ形ＭｇzＺｎ1-zＯ（たとえばｚ＝０.０５）からなるｎ形ガイド層４ａとＭｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ／ＺｎＯの積層部４ｂ、ｐ形ＭｇzＺｎ1-zＯからなるｐ形ガイド層４ｃとの積層構造で構成され、ｐ形層５が同じＭｇyＺｎ1-yＯ（０≦ｙ≦０.３）からなる第１層５ａおよび第２層５ｂに分割され、その間にストライプ溝１１ａが形成されたｉまたはｎ形のＭｇａＺｎ1-ａＯ（０＜ａ≦０.３、たとえばａ＝０.１５）からなる電流狭窄層１１が挿入される構造に形成され、これらにより発光層形成部７が構成されている。そして、その表面には、ｐ形ＺｎＯからなるｐ形コンタクト層６が積層されることにより、バッファ層２からコンタクト層６までで半導体積層部８が形成されている。そして、コンタクト層６上にｐ側電極１０が前述と同様の材料により形成されているが、この場合は積層面の表面側から光を取り出さないため、ほぼ全面に形成され、半導体積層部８の一部がエッチングにより除去されて露出するｎ形コンタクト層３ａにｎ側電極９が形成されている。このｎ側電極９は、図１に示される例と同様に、基板１の裏面に形成することもできる。
【００３５】
このようなＬＤでも、ヘテロ接合による応力に起因して、ピエゾ電界が発生するが、Ａ面またはＭ面が−ｃ軸方向に傾斜した面を主面とする基板１に半導体層を積層しているため、ＬＤの駆動電圧に対して、殆ど影響を与えることなく、また、高キャリア濃度のｐ形ＺｎＯ系化合物半導体層が形成されるため、しきい電流値の小さい非常に高性能なＬＤが得られる。
【００３６】
図５は、基板１の裏面にｎ側電極９を設けた例で、この例では、リッジ構造の半導体レーザの例である。図５において、ｐ形第１層５ａまでの積層構造は図４に示される例と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。その上に、図示しないエッチングストップ層を介して、ｐ形第１層５ａと同じ組成のｐ形第２層５ｂ、ｐ形ＺｎＯからなるｐ形コンタクト層６が積層されることにより、バッファ層２からコンタクト層６までで半導体積層部８が形成されている。
【００３７】
その後、図示しないＳｉＯ2などのマスクを形成して半導体積層部８をウェットエッチングなどによりコンタクト層６およびｐ形第２層５ｂをエッチングしてメサ形状にする。その後、マスクをそのままにして、たとえばＺｒＯ2からなる絶縁層１２を、たとえばスパッタ法などにより成膜し、その後マスクを除去することにより、メサ形状の上面以外の側壁部およびメサ形状の底面に絶縁層１２が形成する。そして、たとえばＮｉ／Ａｕなどを真空蒸着などにより全面に設け、パターニングすることにより、ストライプ状メサ領域の近傍のみにｐ側コンタクト電極１３を形成する。その後、たとえばリフトオフ法により、ＮｉとＡｕとの積層構造でｐ側パッド電極１０を、チップ周辺部を除いたほぼ全面に形成する。その後、基板１の裏面を研磨して、基板１の厚さを１００μｍ程度にし、ＴｉおよびＡｌ膜を真空蒸着法などにより成膜してシンターさせることにより、Ｔｉ-Ａｌ合金などからなるｎ側電極９を形成する。その後、劈開などによりチップ化するのは前述の例と同じである。なお、電極材料や、ＬＤを構成する半導体の積層構造も前述の例に限定されず、種々の積層構造に形成することもできる。
【００３８】
図６は、前述のＡ面｛１１−２０｝またはＭ面｛１０−１０｝が−ｃ軸方向に傾斜した面を主面とするＺｎＯ基板１の主面上に、ＺｎＯ系化合物半導体層が成長されることにより、トランジスタを構成した断面説明図である。この例では、アンドープのＺｎＯ層２３を４μｍ程度、ｎ形ＭｇＺｎＯ系化合物電子走行層２４を１０ｎｍ程度、アンドープのＭｇＺｎＯ系化合物層２５を５ｎｍ程度、順次成長し、ゲート長とする１.５μｍ程度の幅を残してアンドープのＭｇＺｎＯ系化合物層２５をエッチング除去して電子走行層２４を露出させる。そして、エッチングにより露出した電子走行層２４上にソース電極２６とドレイン電極２７を、たとえばＴｉ膜とＡｌ膜とで形成し、アンドープのＭｇＺｎＯ系化合物層２５の表面に、たとえばＰｔ膜とＡｕ膜との積層によりゲート電極２８を形成することにより、トランジスタを構成している。このようなＡ面またはＭ面が−ｃ軸方向に傾斜した面を主面とするＭｇxＺｎ1-xＯからなる基板１の主面上に、ＺｎＯ系化合物半導体層を成長することにより、ヘテロ接合に伴う応力が働いても、その応力により発生するピエゾ電界はゲート電圧の印加方向とは異なる方向であり、トランジスタ特性に影響を与えることはなく、しかも基板のステップ面に＋Ｃ面が露出しているため、その上部に積層されるＺｎＯ系化合物半導体層も、＋ｃ軸方向にも配向されているため、非常に結晶性に優れ、リーク電流が小さく、耐圧の優れた高速のトランジスタ（ＨＥＭＴ）が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるＺｎＯ系化合物半導体素子の一実施形態であるＬＥＤの断面説明図である。
【図２】本発明の半導体素子に用いる基板の詳細な説明図である。
【図３】ＺｎＯ結晶構造を説明するための図である。
【図４】本発明により形成したＬＤの構成の一例を示す断面説明図である。
【図５】本発明により形成したＬＤの他の構成例を示す断面説明図である。
【図６】本発明により形成したトランジスタの構成の一例を示す断面説明図である。
【図７】圧電結晶体に応力が働いた場合の電荷の発生を説明する図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    基板
２    ｎ形バッファ層
３    ｎ形層
４    活性層
５    ｐ形層
６    ｐ形コンタクト層
７    発光層形成部
８    半導体積層部
９    ｎ側電極
１０    ｐ側電極
【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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【手続補正書】
【提出日】平成18年9月21日(2006.9.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
詳述すると、ピエゾ電界は、圧電効果を有する結晶に応力が加わると図７（ａ）および（ｂ）に示されるように、圧縮力の場合と引張り力の場合とでその発生する電荷の＋と−とが逆になる。一方、ＺｎＯのような六方晶系の結晶では、ｃ軸方向に対称性がなく、ｃ軸方向（Ｃ面と垂直な面）は電荷の偏りで区別される２つの方向が存在する極性面となる。そのため、前述の応力による電荷は結晶のＣ面の両面に＋と−の電荷が生じ、Ａ面およびＭ面は非極性面となって電荷が発生しないか、非常に小さくなる。そのため、Ｃ面上に積層されたＺｎＯ層３３とＭｇＺｎＯ層３４とでは、図７（ｃ）に示されるように、圧縮歪みの発生するＭｇＺｎＯ層３４のＺｎＯ層３３側に＋の電荷が、反対側にその逆の電荷が発生してビルトイン電圧を上昇させ、駆動電圧を上昇させる原因であることを見出した。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
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