(57)【要約】【課題】自己補償効果を緩和し、ドナー不純物の混入を抑制して、ｐ型化を行いやすくしたＺｎＯ系半導体素子を提供する。  【解決手段】    ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板の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、また、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、角度Φａは、７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（πΦｍ／１８０））≦１１０を満たし、かつ、Φｍ≧１を満たすように形成されているので、この主面上に形成されるＺｎＯ系半導体層は、ドナー不純物の混入が抑制され、自己補償効果が緩和されるのでｐ型化しやすくなり、所望のＺｎＯ系半導体素子を作製できる。【選択図】        図１
2009065050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面がＣ面を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板において、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、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は
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（πΦｍ／１８０））｝≦１１０を満たし、
かつ、Φｍ≧１を満たすものであって、前記主面上にＺｎＯ系半導体層を形成したことを特徴とするＺｎＯ系半導体素子。
【請求項２】
前記Ｃ面は＋Ｃ面で構成されていることを特徴とする請求項１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やＭｇＺｎＯ等のＺｎＯ系半導体を用いたＺｎＯ系半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明、バックライト等用の光源として使われる紫外ＬＥＤや高速電子デバイス、表面弾性波デバイス等に酸化物の一種であるＺｎＯ系半導体素子を用いることが研究されている。ＺｎＯ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、アクセプタドーピングが困難で、ｐ型ＺｎＯを得ることができなかったためである。しかし、近年、非特許文献１や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り、非常に研究が盛んである。
【０００３】
ｐ型ＺｎＯを得るためのアクセプタとして窒素を用いることが提案されているが、K.Nakahara et al.,Journal of Crystal Growth 237-239(2002)p.503  に示されているように、アクセプタとして窒素をドーピングする場合は、窒素のドーピング効率は成長温度に強く依存し、窒素ドーピングを行う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キャリア補償センターが形成されて、窒素が活性化しないので（自己補償効果）、ｐ型ＺｎＯ系半導体層の形成そのものが非常に難しくなる。
【０００４】
そこで、非特許文献２に示されるように、成長の主面を−Ｃ面とし、窒素ドーピング効率の温度依存性を利用して、４００℃と１０００℃との間の成長温度を行き来する温度変調により高キャリア濃度のｐ型ＺｎＯ系半導体層を形成する方法がある。
【特許文献１】特開平７−１４７６５号公報
【非特許文献１】A.Tsukazaki et al., JJAP 44 (2005) L643
【非特許文献２】A.Tsukazaki et al Nature Material 4 (2005) 42
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の方法では、絶え間ない加熱と冷却によって膨張・収縮を繰り返すために製造装置への負担が大きく、製造装置が大がかりになり、メンテナンス周期が短くなるといった問題があった。また、低温度部分がドープ量を決定するため、温度を正確に制御する必要があるが、４００℃と１０００℃を短時間に正確に制御するのは難しく、再現性・安定性が悪い。さらに、加熱源としてレーザを使用するため、大きい面積の加熱には不向きで、デバイス製造コストを下げるための多数枚成長も行いにくい。
【０００６】
また、ＺｎＯ薄膜を作製する場合に気体元素である酸素を供給する際、あるいはｐ型ＺｎＯを得るために気体元素である窒素をドーピングする際に、気体元素を供給する装置としてラジカル発生器が用いられている。
【０００７】
ラジカル発生器（ラジカルセル）は、中空の放電管と放電管の外側周囲に巻き回された高周波コイル等で構成されており、高周波コイルに高周波電圧を印加することで放電管内部に導かれた気体をプラズマ化して放出する機器である（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
ところが、プラズマ粒子は高エネルギー粒子であるため、プラズマ粒子によってスパッタ現象が発生し、放電管内壁が常にスパッタリングされるので、放電管を構成する原子が叩きだされて、プラズマ粒子に混じる。
【０００９】
ＺｎＯ系薄膜のような酸化物の場合、ガス成分が酸素であるため、ラジカルセル内の放電管は、ｐＢＮのような酸化でぼろぼろになる材料ではなく、石英がよく使われる。石英を使うのは、今までのところ、これ以上に純度が高い絶縁材料が容易に手に入らないからである。しかしながら、この石英でさえも、上記プラズマ粒子のスパッタリングにより、構成元素のＳｉ、Ａｌ、Ｂ等が飛散する。
【００１０】
特に石英を構成する元素であるＳｉの飛散量が多く、原料ガスと同時に放電管の放出孔から、成長用基板表面へ直接供給され、ＺｎＯ系薄膜に取り込まれてしまう。ＳｉがＺｎＯ中に入るとＺｎサイトを占めるであろうことが容易に考察でき、ドナーとして作用するため、ｐ型化が一層困難となる。
【００１１】
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、自己補償効果を緩和し、ドナー不純物の混入を抑制して、ｐ型化を行いやすくした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】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、主面がＣ面を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板において、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、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は
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（πΦｍ／１８０））｝≦１１０を満たし、
かつ、Φｍ≧１を満たすものであって、前記主面上にＺｎＯ系半導体層を形成したことを特徴とするＺｎＯ系半導体素子である。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、前記Ｃ面は＋Ｃ面で構成されていることを特徴とする請求項１記載のＺｎＯ系半導体素子である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のＺｎＯ系半導体素子によれば、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板の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、また、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、角度Φａは、
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（πΦｍ／１８０））≦１１０を満たし、かつ、Φｍ≧１を満たすように形成されているので、この主面上に結晶成長したＺｎＯ系半導体層は、平坦性を保って、ドナー不純物の混入を抑制し、自己補償効果を緩和してアクセプタ不純物を活性化させることができるので、所望のＺｎＯ系半導体素子を容易に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
まず、ＺｎＯ系薄膜の表面平坦性が良ければ、ラジカルセル等を使ってＺｎＯ系薄膜を結晶成長させても、Ｓｉ等の意図しない不純物は排除できることを見出ており、既出願の特願２００７−２２１１９８で説明している。この説明のうち、表面平坦性によってＳｉ等の不純物の混入に相違があることを示すのが、図１１、１２である。ここで、ＺｎＯ系薄膜又はＺｎＯ系半導体層におけるＺｎＯ系とは、ＺｎＯをベースとした混晶材料であり、Ｚｎの一部をIIＡ族もしくはIIＢ族で置き換えたもの、Ｏの一部をVIＢ族で置き換えたもの、またはその両方の組み合わせを含むものである。
【００１６】
特に、Ｓｉについては、ラジカルセル内の放電管の構成元素であり、最も多く混入するので、Ｓｉを例にとって説明している。図１１、１２にＭｇＸＺｎ１−ＸＯ薄膜（０≦Ｘ＜１）の表面平坦性とＳｉの混入濃度との関連性を示す。この関連性を見るために、図１０のように、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板上に窒素ドープのｐ型ＭｇＺｎＯ層２をラジカルセルを有するＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置によってエピタキシャル成長させて調べた。なお、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板として、ｘ＝０のＺｎＯ基板１を用いた。図１１、１２に内挿された画像は、このときのｐ型ＭｇＺｎＯ層２の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用い、２０μｍ四方の範囲でスキャンしたものである。また、ＭｇＺｎＯ層２中のシリコン濃度、窒素濃度を二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy：SIMS)で測定した。
【００１７】
図１１、１２ともに、左側縦軸がＳｉ濃度又はＮ濃度、右側縦軸がＭｇＯ二次イオン強度を示し、グラフの中に内挿されている画像が、ＭｇＺｎＯ層２表面の状態を表す。また、ＭｇＯ二次イオン強度が出現している領域がＭｇＺｎＯ層２を、ＭｇＯ２次イオン強度が０近くまで落ちている領域がＺｎＯ基板である。
【００１８】
グラフに内挿されている画像を見ればわかるように、ＭｇＺｎＯ薄膜の表面平坦性が良いのは、図１１の方であり、表面平坦性の悪い（表面の荒れた）図１２の方が薄膜中のＳｉ混入濃度が高くなっていることがわかる。
【００１９】
ところで、ＺｎＯ基板１上に形成されたＺｎＯ系薄膜の平坦性は、ＺｎＯ基板１の結晶成長側表面の法線方向と基板結晶軸の一つであるｃ軸とのオフ角に依存することを、以下に説明する。
【００２０】
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４（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。
【００２１】
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４（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４（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。
【００２２】
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４（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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
すなわち、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。
【００２６】
図２（ａ）、（ｂ）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２（ａ）は、傾斜角度θを１．５度として、このオフ角を有するＺｎＯ基板の主面上に窒素ドープＭｇＺｎＯ薄膜を図１０のように成長させたものである。一方、図２（ｂ）は、傾斜角度θを０．５度として、このオフ角を有するＺｎＯ基板の主面上に窒素ドープＭｇＺｎＯ薄膜を図１０のように成長させたものである。図２（ａ）、（ｂ）ともに、結晶成長後に、ＡＦＭを用いて、２μｍ四方の範囲でスキャンした画像である。図２（ａ）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２（ｂ）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、窒素ドーピングをしている場合に、膜の平坦性を得るには、傾斜角度θは１度以上とするのが望ましい。したがって、図６の傾斜角Φｍについても同様のことが言えるので、１度≦Φｍ  が望ましい。
【００２７】
図２に示すように、低ＯＦＦ角よりも高ＯＦＦ角の方が窒素ドープＭｇＺｎＯ薄膜の表面平坦性が保たれやすい。次に、図３に、ＺｎＯ基板主面における法線とｃ軸とのオフ角と、ＺｎＯ基板主面上に形成された窒素ドープＭｇＺｎＯ薄膜における窒素ドープ濃度及びＳｉ（シリコン）やＢ（ホウ素）の混入濃度との関連性を示す。この関連性を見るために、図１０のように、ＺｎＯ基板１上に窒素ドープのｐ型ＭｇＺｎＯ層２をラジカルセルを有するＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置によってエピタキシャル成長させて調べた。また、ＭｇＺｎＯ層２中のシリコン濃度、ホウ素濃度、窒素濃度を二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy：SIMS)で測定した。
【００２８】
図３は、左側縦軸が窒素（Ｎ）濃度又はＳｉ濃度又はＢ濃度、右側縦軸がＭｇＯ二次イオン強度を示し、横軸が深さ又は膜厚（単位：オングストローム（Å））を示す。また、ＭｇＯ二次イオン強度が出現している領域がＭｇＺｎＯ層を、ＭｇＯ二次イオン強度が０近くまで落ちている領域がＺｎＯ基板を表わしている。また、Ｎ、Ｓｉ、Ｂの各濃度曲線とＭｇＯ二次イオン強度曲線は、各々２本描かれているが、これは、図２（ａ）、（ｂ）に対応して、ＺｎＯ基板主面における法線とｃ軸とのオフ角θを、１．５度の場合と０．５度の場合とで比較したものである。
【００２９】
２種類のＢ（ホウ素）濃度曲線のうち、白三角（△）のデータで表わされた曲線が傾斜角度（オフ角）θが１．５度の場合（図２（ａ）に対応）、黒三角（▲）のデータで表わされた曲線が傾斜角度θが０．５度の場合を、２種類のＳｉ（シリコン）濃度曲線のうち、白丸（○）のデータで表わされた曲線が傾斜角度θが１．５度の場合、黒丸（●）のデータで表わされた曲線が傾斜角度θが０．５度の場合を、２種類のＮ（窒素）濃度曲線のうち、二点鎖線で表わされた曲線が傾斜角度θが１．５度の場合、実線で表わされた曲線が傾斜角度θが０．５度の場合を、２種類のＭｇＯ（酸化マグネシウム）の濃度曲線のうち、点線で表わされた曲線が傾斜角度θが１．５度の場合、一点鎖線で表わされた曲線が傾斜角度θが０．５度の場合を示す。
【００３０】
図３からわかるように、低ＯＦＦ角（θ＝０．５度）よりも高ＯＦＦ角（θ＝１．５度）のほうが、窒素ドープ量の変化がほとんどなく、また、Ｓｉ、Ｂ等のドナー不純物の混入濃度が低下している。Ｓｉ、Ｂ等のドナー不純物の混入濃度が低下しているのは、前述したように、膜の平坦性が良い方が、ドナー不純物の混入を防ぐことができるためである。一方、窒素ドープ量にほとんど変化がない点については、以下のように考察できる。
【００３１】
図１に示すのは、オフ角を有するＺｎＯ基板の主面上に窒素ドープＭｇＺｎＯ薄膜を図１０のように成長させ、図１０のＺｎＯ系積層体を１２Ｋ（ケルビン）に冷やし、Ｈｅ−Ｃｄレーザで励起したフォトルミネッセンス（ＰＬ）の結果である。横軸は光子エネルギー（ｅＶ）を、縦軸は、ＰＬ測定のときに通常用いられる任意単位（対数スケール）を表す。また、窒素ドープ量は、２×１０２０ｃｍ−３とし、ＺｎＯ基板主面のオフ角を０．３度、０．５度、０．７度、１．０度、１．５度と５段階に変えて、その都度上記ＺｎＯ系積層体のフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行った。図１中の左側に記載されている数字は、このオフ角の角度を表わす。
【００３２】
アクセプタをドープすると、通常良く見られるドナー・アクセプタペア発光（Donor Acceptor Pair：DAP）がはっきりと観測できる。図８は、ＤＡＰ発光の作用を示す模式図であるが、ＤＡＰ発光の位置というのは、以下のように決まる。
【００３３】
ＤＡＰ発光のエネルギーをＥＤＡＰ、最低励起エネルギーをＥＧ、ドナー準位をＥＤ、アクセプタ準位をＥＡ、ドナーとアクセプタとの距離をｒＤＡ、真空誘電率ε０、比誘電率εｒ、電子の電荷をｅ、プランク定数をｈ、ＬＯ（Longitudinal Optical）フォノンの振動数をωＬＯとすると、
ＥＤＡＰ＝ＥＧ−ＥＤ−ＥＡ＋（ｅ２／４πε０εｒｒＤＡ）−（ｍｈωＬＯ／２π）
となる。ここで、ｍは０以上の整数である。
ＤＡＰの発光ピーク位置というのは、上記式のように決定されるので、通常はドナー、アクセプタの種類、およびその濃度が決まれば、決定されるものである。
【００３４】
ところが、ＤＡＰ発光ピーク位置が高ＯＦＦ角にしたがって低エネルギー側にシフトする（これを「深い」とも表現する）。図１中に記載されたエネルギーの数値は、ＤＡＰ発光位置を示す。ＺｎＯ基板主面のオフ角が０．３度のとき、ＤＡＰ発光は３．２３７ｅＶであり、オフ角が０．５、０．７、１．０度と変化していくと、ＤＡＰ発光は３．２２５、３．２１１、３．２０８ｅＶと深い方へ変化していく。
【００３５】
ＤＡＰが深いとｐ型化に有利なことはＺｎＳｅで知られており、ＤＡＰ発光は深く出る方が良い。これはアクセプタをドープした時、かならずそれを補償するドナーが形成されるが（自己補償効果）、II−VI族はIII−Ｖ族に比べてその効果が強いため、この補償ドナーが浅い準位をもっていると電子を供給し、アクセプタが放出したホールと再結合してしまう。補償ドナーが深いと電子放出確率が減るため、ホールはより見えやすくなる。図１では、ＤＡＰ発光はオフ角が１度から１．５度に変化したときは、それまでのオフ角変化に基づくＤＡＰ発光位置のシフトよりも大きく動いて深くなっている。したがって、これは１度以上の高ＯＦＦ角が自己補償効果を緩和し、ｐ型化に有利なことを示している。
【００３６】
上述した様々な測定で用いた図１０のＺｎＯ系積層体は、以下のように作製した。＋Ｃ面で構成されｍ軸方向にオフ角を有するＺｎＯ基板の主面を塩酸でエッチングし、純水洗浄を行った後、ドライ窒素で乾燥させる。次に、ホルダーに基板をセットし、ロードロックを通じてＭＢＥに入れる。９００℃、３０分間１×１０−７Ｐａ程度の真空中で加熱する。その後、基板温度を８００℃まで下げ、ＮＯガス、Ｏ２ガスをプラズマ管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と共に供給して窒素ドープＭｇＺｎＯを作製する。窒素ドープ量が５×１０１８ｃｍ−３程度のとき、ＺｎＯ上にＳｉＯ２を形成したＭＯＳタイプのＣＶ測定により、過剰アクセプタ濃度＝ＮＡ（アクセプタ濃度）−ＮＤ（ドナー濃度）は、オフ角０．５度では１×１０１６ｃｍ−３、オフ角１．５度では６〜７×１０１６ｃｍ−３であり、高ＯＦＦ角のほうが過剰アクセプタ濃度が大きかった。
【００３７】
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１度以上とすることが、自己補償効果を緩和し、かつドナー不純物の混入を防止する点から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５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。
【００３８】
図５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６（ａ）である。図５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５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。
【００３９】
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４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４の場合とは異なり、図６（ａ）より、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。
【００４０】
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６（ａ）及び（ｂ）に示されるように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。
【００４１】
図７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６（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（０≦ｘ＜１）基板の切り出し面を変えることにより実現させた。
【００４２】
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７には、θＳの角度を記載した。図７（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７（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７（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７（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７（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。
【００４３】
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。
【００４４】
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６（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６（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。
【００４５】
次に、角度の単位をラジアン（ｒａｄ）として、図６に基づき、θＳをΦｍ、Φａを用いて表すと以下のようになる。図６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。
【００４６】
７０≦｛９０−（１８０／π）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（πΦａ／１８０）／ｔａｎ（πΦｍ／１８０））｝≦１１０
次に、上記オフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（０≦ｘ＜１）基板上に、ＺｎＯ系半導体層を積層したＺｎＯ系半導体素子として紫外ＬＥＤの例を図９に示す。結晶成長面をＺｎＯ基板１２の＋Ｃ面を有する主面とし、この主面の法線方向がｃ軸からｍ軸方向に少し傾斜するように形成し、ＺｎＯ基板１２上に、アンドープＺｎＯ層１３、窒素ドープのｐ型ＭｇＺｎＯ層１４を順に結晶成長させた後、ｐ電極１５とｎ電極１１とを形成した。ｐ電極１５は図示されているように、Ａｕ（金）１５２とＮｉ（ニッケル）１５１との多層金属膜で構成し、ｎ電極１１はＩｎ（インジウム）で構成した。窒素ドープＭｇＺｎＯ層１４が、本発明のＺｎＯ系薄膜であり、成長温度を８００℃程度として、表面平坦性を良くなるようにした。もちろん、デバイス構造としては、これだけではなく、図９のＺｎＯ系積層体の部分を、ＭｇＺｎＯ基板／アンドープＺｎＯ層／窒素ドープＭｇＺｎＯ層としたり、活性層を別途設け、この活性層をＭｇＺｎＯとＺｎＯを交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１０の構造でＺｎＯ基板主面のｍ軸方向へのオフ角を変化させてＰＬ測定を行った結果を示す図である。
【図２】基板主面が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３】ドナー不純物混入濃度とＺｎＯ基板主面のｍ軸方向のオフ角との関係を示す図である。
【図４】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５】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６】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７】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。
【図８】ＤＡＰ発光の作用を示す模式図である。
【図９】オフ角を有するＭｇｘＺｎ１−ｘＯ基板を用いて構成したＺｎＯ系半導体素子の一例を示す図である。
【図１０】ＺｎＯ系薄膜を形成する場合の基本的構造を示す図である。
【図１１】窒素ドープＭｇＺｎＯ薄膜の表面平坦性とＳｉの混入濃度との関連性を示す図である。
【図１２】窒素ドープＭｇＺｎＯ薄膜の表面平坦性とＳｉの混入濃度との関連性を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１    ＺｎＯ基板
２    ｐ型ＭｇＺｎＯ層
【図１】
2009065050.tif 000003
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図２】
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【図７】
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【図１１】
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【図１２】
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