[发明专利]ZnO系半导体元件

说明书

技术领域

本发明涉及使用有ZnO、MgZnO等ZnO系半导体的ZnO系半导体元件。

背景技术

近年来，作为与GaN、AlGaN、InGaN、InGaAlN、GaPN等含有氮元素的氮化物半导体相比、多功能性更为优良的材料，ZnO系半导体备受瞩目。

ZnO系半导体是宽隙半导体之一，由于激子结合能量非常大，在室温下也可稳定存在，可以放射单色性优良的光子等，因而在作为照明、背光灯等光源使用的紫外LED、高速电子器件、表面弹性波器件等方面可进行实用化。

但是，公知的是ZnO系半导体存在因氧空穴及填隙锌原子引起的缺陷等，自该结晶缺陷产生无助于结晶过程的电子，因此，ZnO系半导体通常呈现n型，要形成p型则必须降低残留的电子的浓度，故而在由ZnO系半导体层构成半导体元件时，受主掺杂困难，且难以再现性优良地形成p型ZnO。

但是，近年来公开有可以再现性优良地得到p型ZnO且还可确认发光的技术。例如非专利文献1所示，虽然可得到p型ZnO，但为了得到使用有ZnO系半导体的半导体元件，作为生长用的基板使用ScAlMgO₄(SCAM)基板，在SCMA基板的C面上使-C面ZnO生长。所谓-C面也被称为O(氧)极性面，在ZnO晶体所具有的、称之为纤锌矿的晶体结构中，在c轴方向上无对称性，在c轴上具有+c和-c两个独立的方向，由于在+c内Zn位于晶体的最上面，因而也被称为Zn极性，由于在-c内O位于晶体的最上面，因而也被称为O极性。

该-C面ZnO生长在广泛用作为ZnO结晶生长用基板的蓝宝石基板中也同样地进行。在-C面ZnO系半导体的结晶生长中，如发明者们的非专利文献2所述，虽然作为P型掺杂剂的氮的掺杂效率密切依靠生长温度，为了进行氮掺杂而必须使基板温度下降，但是由于基板温度一下降，结晶性也降低，形成对受主进行补偿的载流子补偿中心，使氮非活性化，因而使p型ZnO系半导体层的形成本身变得非常困难。

因此，具有如下的方法，即，如非专利文献1所示地，利用氮掺杂效率的温度依存性，通过在400℃～1000℃的生长温度来回进行温度调节，形成高载流子浓度的p型ZnO系半导体层，但是存在有如下的问题，即，由于不间断地加热、冷却而反复膨胀、收缩，故而增加了对制造装置的负担，使得制造装置变得庞大，维修周期变短。另外，由于作为热源使用激光，所以不适宜大面积地加热，为了降低设备制造成本而使用的多片生长也难以进行。

作为解决该问题的方法，本案发明人已经提出有使+C面ZnO系半导体层生长而形成高载流子浓度的p型ZnO系半导体的方法(参照专利文献1)。该专利公报基于发明人如下的发现而作出的，即，若为+C面ZnO，则不存在氮掺杂的基板温度依存性。这是通过使作为基底层的+C面GaN膜在蓝宝石基板的C面生长后进行+c轴取向，在该+c轴取向GaN膜上承袭极性后形成+c轴取向的ZnO系半导体层，发现了氮掺杂的非生长温度依存性。因此，不用降低基板温度就可进行氮掺杂，其结果是，可防止载流子补偿中心的形成，可制造高载流子浓度的p型ZnO系半导体。

专利文献1：(日本)特开平2004-304166号公报

非专利文献1：Nature Material vol.4(2005)p.42

非专利文献2：Journal of Crystal Growth 237-239(2002)503

但是，虽然如上述现有技术那样，通过使用生长用基板的+C面GaN形成+c轴取向的ZnO系半导体层，可以形成高载流子浓度的p型ZnO系半导体，但由于该方法的特征在于抑制+C面GaN表面的氧化，因而在作为氧化物的ZnO中难以确保再现。另一方面，作为生长用基板可以使用+C面ZnO基板，但+C面ZnO基板比-C面ZnO基板更加热不稳定且更易失去平坦面，若在其上进行结晶生长，则发生被称为台阶会聚的现象，使平坦部分的宽度不一样，易于成为各式各样的面。

图18(a)是在大气环境中以100℃对生长用基板的-C面进行了退火处理后，使用AFM(原子力显微镜)以分辨率5μm对其表面进行扫描得到的图像。图18(b)是在大气环境中以100℃对生长用基板的+C面进行了退火处理后，使用AFM(原子力显微镜)以分辨率5μm对其表面进行扫描的图像。图18(a)的晶体形成整齐的表面，而图18(b)产生了台阶会聚，且该台阶宽度及台阶边缘杂乱，表面形态差。例如，若在图18(b)的表面上进行ZnO系化合物的外延生长，则形成如图19所示的凹凸分散的膜，使平坦性变得极差。