JP2001168392A - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ｐ型ＺｎＯ系単結晶層に対して良好なオーミ
ック電極を有する半導体素子を形成する。 【解決手段】 ｐ型ＺｎＯ系単結晶層１０７と、それに
接触し、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄおよびこれらの合金の
群から選択された少なくとも１種を含む第１金属層１０
８ａと、その上に形成され、第１金属層１０８ａとは異
なる金属、又はそれらの合金を含む第２金属層１０８ｂ
とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＺｎＯ系の半導体
素子に関し、より詳細には、ｐ形ＺｎＯ系単結晶に対し
て低抵抗なオーミック接触が得られる電極構造を含む半
導体素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の一種である
ＺｎＯ結晶は、発光素子や受光素子などの光半導体素子
への応用が期待されている。ＺｎＯ結晶は、広いバンド
ギャップを有する半導体であるため（Ｅｇ＝３．４ｅ
Ｖ）、バンドギャップに対応した発光波長は３６０ｎｍ
から４００ｎｍの紫外光となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＺｎＯは、
単極性と呼ばれる性質を有している。ＺｎＯを用いてｎ
型半導体（ｎ−ＺｎＯ）を実現することは比較的容易で
あるが、ｐ型半導体（ｐ−ＺｎＯ）を実現することは難
しかった。

【０００４】従って、ＺｎＯを用いてｐ−ｎ接合を形成
することが難しく、ＺｎＯ系の半導体素子、特にｐ−ｎ
接合を有する光半導体素子を実現することは困難であっ
た。

【０００５】最近、ＺｎＯ中にｐ型不純物である窒素
（Ｎ）とｎ型不純物であるガリウム（Ｇａ）を共ドープ
（ｃｏ−ｄｏｐｅ）する技術を用いることにより、ｐ型
ＺｎＯ結晶が得られた旨の報告がなされている。より具
体的には、パルスレーザーデポジション法により、Ｚｎ
Ｏ中にｐ型不純物である窒素（Ｎ）とｎ型不純物である
ガリウム（Ｇａ）を共ドープ（ｃｏ−ｄｏｐｅ）しつ
つ、ｐ型ＺｎＯ単結晶を成長する方法が用いられてい
る。

【０００６】ところで、ｎ型ＺｎＯ結晶に対するオーミ
ック電極としては、一般的にはＡｌが用いられている
が、前述のような事情から、ｐ型ＺｎＯ結晶に適したオ
ーミック電極に関する知見がなかった。

【０００７】本発明は、ｐ型ＺｎＯ系結晶に適したオー
ミック電極構造を有する半導体素子及びその製造方法を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、ｐ型ＺｎＯ系単結晶層と、前記ｐ型ＺｎＯ系単結晶
層に接触し、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄおよびこれらの合
金の群から選択された少なくとも１種を含む第１金属層
と、前記第１金属層の上に形成され、前記第１金属層と
は異なる金属、又はそれらの合金を含む第２金属層とを
含む半導体素子が提供される。

【０００９】本発明の他の観点によれば、表面が露出さ
れたｐ型ＺｎＯ系単結晶層を準備する工程と、前記ｐ型
ＺｎＯ系単結晶層の表面上に、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ
およびこれらの合金の群から選択された少なくとも１種
を含む第１金属層を形成する工程と、前記第１金属層の
上に、前記第１金属層とは異なる金属、又はそれらの合
金を含む第２金属層と形成する工程とを含む半導体素子
の製造方法が提供される。

【００１０】本発明の他の観点によれば、基板と、前記
基板上に形成されたＺｎＯ系バッファ層と、前記ＺｎＯ
系バッファ層上に形成された第１導電型又は第２導電型
ＺｎＯ系単結晶層のいずれかを含む第１半導体層と、前
記第１導電型又は第２導電型ＺｎＯ系単結晶層上に形成
され、前記第１導電型又は第２導電型ＺｎＯ系単結晶層
と逆の導電型を有する第２半導体層とを含み、前記第１
半導体層又は前記第２半導体層のうちｐ型の半導体層に
接触し、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄおよびこれらの合金の
群から選択された少なくとも１種を含む第１金属層と、
前記第１金属層の上に形成され、前記第１金属層とは異
なる金属、又はそれらの合金を含む第２金属層とを含む
半導体素子が提供される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本明細書において用いる、
ｐ型ＺｎＯ系単結晶との用語は、ｐ型ＺｎＯ単結晶のみ
ではなく、例えば、ＺｎＯとＺｎＴｅとの超格子構造の
ように、ＺｎＯを主要成分として含み、ＺｎＯと同様の
広いバンドギャップを有する半導体単結晶層をも含むも
のとする。

【００１２】また、本明細書中において定義される「低
温成長ＺｎＯの成長温度」とは、例えば２００℃から６
００℃程度の、一般的にＺｎＯ単結晶を成長するための
結晶成長の温度よりも１００℃から４００℃程度低い温
度である。「高温成長単結晶ＺｎＯ層の成長温度」と
は、一般的にＺｎＯ単結晶を成長する際に適した成長温
度であり、上記の「低温成長ＺｎＯの成長温度」よりも
高く、かつ、８００℃よりも低い温度であり、例えば６
５０℃である。

【００１３】発明者は、まず、ｐ型ＺｎＯ半導体結晶用
の電極についての検討を行った。

【００１４】金属（電極）と半導体とを接合させた際
に、半導体側からみたバリア高さｅＶｄは、ｅＶｄ＝φ
ｍ−φｓで表される。ここで、Ｖｄは半導体層の拡散電
位、φｍは金属（電極）の仕事関数、φｓは半導体の仕
事関数である。

【００１５】ｐ型半導体と金属とを接触させた場合に、
良好なオーミック接合が得られる条件は、φｍ＞φｓ
（ｐ）で表される。

【００１６】ところで、ｐ型ＺｎＯ半導体結晶の仕事関
数φｓ（ｐ）は、６．２５ｅＶ程度（真性半導体を仮定
すると）と大きい。尚、ｐ型不純物のドープ量を１０¹⁸
ｃｍ ^-3と仮定すると、仕事関数φｓ７．９ｅＶ程度とな
る。従って、ｐ型ＺｎＯ系単結晶用のオーミック電極材
料としては、仕事関数（φｍ）の比較的大きい金属を選
択するのが、金属−半導体間のコンタクト抵抗を低減す
るという観点からも望ましいと考えられる。

【００１７】ｐ型ＺｎＯ系単結晶用のオーミック電極材
料として具体的には、Ｎｉ（φｍ＝５．１５）、Ｇｅ
（φｍ＝５．０）、Ｓｅ（φｍ＝５．９）、Ｒｈ（φｍ
＝４．９８）、Ｔｅ（φｍ＝４．９５）、Ｒｅ（φｍ＝
４．９６）、Ｉｒ（φｍ＝５．２７）、Ｐｔ（φｍ＝
５．６５）、Ａｕ（φｍ＝５．１）、Ｃ（φｍ＝５．
０）、Ｐｄ（φｍ＝５．１２）などの材料は、仕事関数
が比較的大きいため望ましいと考えられる。

【００１８】尚、本明細書において、「仕事関数が５．
０ｅＶ近傍である」との記載は、例えば、仕事関数が、
４．５から６．０までの範囲内であり、好ましくは、仕
事関数が４．９から５．２までの範囲内であることを意
味する。

【００１９】発明者による理論的考察及び実験結果によ
れば、特にＮｉ（１層目：ｐ型ＺｎＯ結晶と直接接触す
る金属）／Ａｕ（２層目：１層目の金属上に堆積される
金属）の積層構造が好ましい。

【００２０】Ｔｉ／Ａｕの積層構造に熱処理を行った構
造の他に、Ｒｈ／Ａｕ、Ｐｔ／Ｒｈ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｐｔ
／Ａｕ、Ｎｉ／Ｒｈ、Ｎｉ／Ｐｔ、Ｎｉ／Ｐｄ、Ｎｉ／
Ｉｒ、Ｉｒ／Ａｕ、Ｉｒ／Ｒｈ、Ｉｒ／Ｐｄの積層構造
に熱処理を行ったものなどが有望であることがわかっ
た。

【００２１】以上の知見に基づき、ｐ型ＺｎＯ系単結晶
に対するオーミック電極として上記のような電極構造を
有する半導体素子について以下に説明する。

【００２２】本発明の第１の実施の形態による半導体素
子について図面を参照して説明する。

【００２３】図１に、半導体素子を構成するＺｎＯ系結
晶構造を成長するための成長装置の一例として、ラジカ
ルソース分子線エピタキシー（ＲＳ−ＭＢＥ）法を用い
た結晶成長装置（以下「ＲＳ−ＭＢＥ装置」という。）
の構造を示す。

【００２４】ＲＳ−ＭＢＥ装置Ａは、結晶成長が行われ
るチャンバ１と、チャンバ１を超高真空状態に保つ真空
ポンプＰとを含む。

【００２５】チャンバ１は、Ｚｎを蒸発させるためのＺ
ｎ用ポート１１と、Ｇａを蒸発させるためのＧａ用ポー
ト２１と、Ｏラジカルを照射するためのＯラジカルポー
ト３１と、Ｎラジカルを照射するためのＮラジカルポー
ト４１とを含む。

【００２６】Ｚｎ用ポート１１は、Ｚｎ（純度７Ｎ）原
料１５を収容するとともに加熱・蒸発させるクヌーセン
セル（Ｋｎｕｄｓｅｎ ｃｅｌｌ：以下Ｋセルと呼
ぶ。）１７とシャッターＳ₁とを備えている。

【００２７】Ｇａ用ポート２１は、Ｇａ原料２５を収容
するとともに加熱、蒸発させるＫセル２７とシャッタＳ
₂とを備えるＯラジカルポート３１は、無電極放電管内
に原料ガスである酸素ガスを導入し、高周波（１３.５
６ＭＨｚ）を用いて生成したＯラジカルを、ＭＢＥチャ
ンバ１内に噴出する。Ｏラジカルのビームに対してオリ
フィス３３とシャッタＳ₃とが設けられている。

【００２８】Ｎラジカルポート４１は、無電極放電管内
に原料ガスである窒素ガスを導入し、高周波（１３.５
６ＭＨｚ）を用いて生成したＮラジカルをＭＢＥチャン
バ１内に噴出する。Ｎラジカルのビームに対してシャッ
ターＳ₄が設けられている。

【００２９】ラジカルポート３１、４１の構造は、外側
シールド管内に設けられている放電管の外側に誘導コイ
ルが巻かれている構造である。

【００３０】チャンバ１内には、結晶成長の下地となる
サファイヤ基板Ｓを保持する基板ホルダー３と、基板ホ
ルダー３を加熱するためのヒータ３ａとが設けられてい
る。

【００３１】サファイヤ基板Ｓの温度はヒーターに設置
された熱電対５によって間接的に測定可能である。基板
ホルダー３の位置は、ベローズを用いたマニュピュレー
タ７によって移動可能である。

【００３２】チャンバ１は、成長した結晶層をモニタリ
ングするために設けられた反射電子線回折装置（ＲＨＥ
ＥＤ装置）のガン５１とＲＨＥＥＤ装置のスクリーン５
５とを含む。ＲＨＥＥＤ装置のガン５１とＲＨＥＥＤ装
置のスクリーン５５とを用いて、ＭＢＥ装置Ａ内での結
晶成長の様子（成長量、成長した結晶層の質）をモニタ
リングしながら成長を行うことができる。

【００３３】結晶成長の温度、結晶成長膜の厚さ、チャ
ンバ内の真空度等は、制御装置Ｃによって適宜制御され
る。

【００３４】以下に、サファイヤ基板Ｓ上に、ＺｎＯを
成長する工程について、詳細に説明する。

【００３５】結晶成長はＲＳ−ＭＢＥ法によりシャッタ
ーＳ₁からＳ₄までを適宜開閉することにより行う。

【００３６】ラジカルソースを発生させる方法として
は、ＲＦを用いたＲＦ−ＭＢＥ法が用いられる。１３．
５６ＭＨｚの高周波を用いて、無電極放電管内に原料ガ
スであるＯ₂を導入することによりＯラジカルを生成す
る。Ｏラジカルを高真空状態のＭＢＥチャンバ１内に吹
き出させることにより、Ｏラジカルビームとなる。Ｏラ
ジカルビームとＫセルからのＺｎビームとをサファイヤ
基板Ｓ上に同時に照射することにより、ＺｎＯ薄膜の成
長を行う。

【００３７】図２は、本実施の形態による半導体素子の
構造を示す断面図である。

【００３８】以下に、図２に示される半導体素子を形成
するための工程について説明する。

【００３９】１）表面処理： （０００１）面を有する
サファイヤ基板Ｓ表面を、１１０℃に加熱したＨ₃Ｐ
Ｏ₄：Ｈ₂ＳＯ₄＝１：３の溶液中で６０分ウェットエッ
チングした。

【００４０】上記の表面処理を行った後、サファイヤ基
板Ｓを基板ホルダー３（図１）に装着した。

【００４１】基板温度６００℃、酸素の流量を２ｓｃｃ
ｍ、ＲＦパワーを１５０Ｗの条件下で、ＭＢＥ装置中に
おいて１時間酸素プラズマによる表面処理を行った。Ｍ
ＢＥ装置内においてサファイヤ基板Ｓの表面を処理する
ことにより、サファイヤ基板Ｓ表面が清浄化される。

【００４２】２）低温成長ＺｎＯバッファ層成長： 上
記の基板表面処理の後、まずバッファ層１０１を成長す
る。通常の単結晶ＺｎＯ基板の成長条件と異なり低温か
つＺｎリッチの条件下での成長を行う（低温成長ＺｎＯ
層）。Ｚｎのビーム量は、４．０×１０^-7Ｔｏｒｒであ
る。

【００４３】酸素ビームの供給源としてＯのＲＦプラズ
マソースを用いる。Ｏラジカルポート２１に純酸素（純
度６Ｎ）ガスを導入し、高周波発振源を用いてラジカル
化する。

【００４４】ガスソースである酸素の流量は、チャンバ
内の酸素の分圧として流量２．０ｓｃｃｍにおいて５×
１０^-5Ｔｏｒｒ、ＲＦパワーは３００Ｗである。成長温
度は５００℃で行った。尚、成長は、２００℃から６０
０℃の間で行うのが好ましい。

【００４５】ＺｎＯバッファ層１０１の厚みは、１０ｎ
ｍとした。尚、厚さは、１０から１００ｎｍの範囲が好
ましい。

【００４６】ここで、上記の圧力の値は、基板ホルダー
位置（成長位置）に取り付けたヌードイオンゲージの指
示値を示したものである。

【００４７】３）平坦化処理： 低温成長ＺｎＯバッフ
ァ層１０１を成長した後、ＺｎＯバッファ層１０１の表
面の平坦化処理を行った。平坦化処理としては単結晶を
成長させるような高温、例えば６００℃において１０分
間の熱処理を行った。尚、熱処理時間は、２分間から６
０分間までの間の時間から選択される。

【００４８】低い成長温度で成長を終えた低温成長Ｚｎ
Ｏバッファ層１０１は粒界を有する単結晶で、各グレイ
ンが同じ異方性を示すようにエピタキシャル成長してい
ると考えられる。主にそのグレイン間の粒界に起因して
凹凸が観察される。低温成長ＺｎＯバッファ層１０１に
上記の熱処理を施すことで、各グレインの単結晶が固相
成長してグレインサイズが大型化して表面を平坦化する
ものと考えられる。

【００４９】特にＺｎリッチの条件で成長させた場合に
は、酸素リッチの条件で成長させた場合に比べて当初の
表面凹凸が小さいので、平坦化処理により優れた平坦表
面が得られやすい。優れた平面表面を有する低温成長Ｚ
ｎＯバッファ層の上に高温でＺｎＯ層を成長すると、良
好な結晶性の単結晶ＺｎＯ層が得られやすい。

【００５０】低温成長ＺｎＯバッファ層１０１は、成長
したまま（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）の状態ではグレインサイ
ズが小さく粒界が観察されるため、（ＡｔｏｍｉｃＦｏ
ｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＦＭ）観察では多結晶
のようにも見える。しかしながら、Ｘ線回折やＲＨＥＥ
Ｄ法による解析を行うと単結晶の特性を示す。

【００５１】この現象は、ＧａＮやＺｎＯでの成長にお
いて観察される。低温成長ＺｎＯバッファ層１０１を高
温熱処理することにより、粒界等に起因する凹凸が固相
成長の場合と同様に成長し、表面が平坦化するものと考
えられる。平坦でないＺｎＯ表面上に単結晶ＺｎＯを成
長しようとしても、経験上、その結晶性は良くならな
い。

【００５２】４）アンドープＺｎＯ単結晶層の成長：
次いで平坦化した低温成長ＺｎＯバッファ層１０１上
に、アンドープのＺｎＯの単結晶（高温成長ＺｎＯ単結
晶層）１０３を成長した。厚さは１μｍである。

【００５３】成長条件として、基板温度は、６００℃で
ある。Ｋセルの温度は３２０℃である。この場合のＺｎ
の蒸発速度は、１．６オングストローム／秒である。

【００５４】酸素の流量は、２．０ｓｃｃｍである。こ
の場合、酸素の分圧は５×１０^-5Ｔｏｒｒである。ＲＦ
パワーは３００Ｗである。

【００５５】尚、高温成長ＺｎＯ単結晶層１０３の成長
条件としては、６００℃から８００℃の間の温度で、１
μｍ程度成長する。

【００５６】低温成長ＺｎＯバッファ層１０１を設け、
かつ、その表面の平坦化処理を行った後に、その上に高
い成長温度で高温成長アンドープのＺｎＯ単結晶層１０
３を成長することにより、アンドープのＺｎＯ単結晶層
１０３の結晶性が向上した。

【００５７】ＺｎＯ結晶中に多くの結晶欠陥が導入され
ると、不純物を導入しない状態においても、強いｎ型の
導電性を示す。上記の結晶成長法を用いて成長した高温
成長アンドープＺｎＯ単結晶層１０３は、結晶欠陥が非
常に少ない。従来の結晶成長方法によって成長したＺｎ
Ｏ単結晶では困難であったｐ型の導電性を示すＺｎＯを
実現することも可能となる。非発光センターを形成する
ような結晶欠陥が大幅に低減されるため、発光効率も非
常に高くなったものと考えられる。

【００５８】５）ｐ型ＺｎＯ単結晶層の成長： 次に、
ｐ型ＺｎＯ単結晶層１０７を成長した。

【００５９】ｐ型ＺｎＯ単結晶層１０７の成長条件は、
上記のアンドープＺｎＯ単結晶層１０３の成長条件とほ
ぼ同様である。

【００６０】但し、結晶成長は５５０℃で行った。尚、
成長温度としては、５００℃から７００℃の範囲が好ま
しい。

【００６１】ドーパントとして、通常はｎ型ＺｎＯ用の
ドーパントであるＧａに加えて、Ｎを用いた。ＧａのＫ
セル温度は、６００℃である。ＺｎＯ結晶の成長中に、
Ｎプラズマをチャンバ内に導入してＮをドーピングし
た。Ｎプラズマを発生させる際のＮ₂ガスの流量は０．
１ｓｃｃｍ、ＲＦパワー３００Ｗである。膜厚は１μｍ
である。

【００６２】成長したｐ型ＺｎＯ単結晶１０７に関して
ホール測定による評価を行った。実際にｐ型の導電性を
示すことが確認された。抵抗率は１．７８Ωｃｍであ
る。ｐ型不純物濃度は、５．４７×１０¹⁷ｃｍ^-3であ
る。

【００６３】結晶成長条件を最適化することにより、よ
り高い不純物濃度、例えば１０¹⁹ｃｍ^-3程度の不純物濃
度のｐ型ＺｎＯ単結晶層が得られるものと期待される。

【００６４】６）オーミック電極の形成： 次いで、ｐ
型ＺｎＯ単結晶層１０７の上に、電極を形成する工程に
ついて説明する。

【００６５】まず、ｐＺｎＯ単結晶層１０７まで成長し
た後に、サファイヤ基板ＳをＭＢＥチャンバ１（図１）
から取り出す。蒸着用のマスクパターンを形成した後、
サファイヤ基板Ｓを蒸着装置内に取り付ける。

【００６６】蒸着装置内において、ｐ型ＺｎＯ単結晶の
上に、第１金属層１０８ａとしてＮｉを７０Åの厚さで
蒸着する。次いで、第２金属層１０８ｂとしてＡｕを３
５００Å形成する。所定距離だけ離れた位置に複数のＮ
ｉ／Ａｕ電極１０８が形成される。

【００６７】蒸着装置内からＮｉ／Ａｕ電極１０８が形
成された基板を取り出し、窒素雰囲気内において基板を
ランプ加熱により熱処理を施した。加熱温度は５００
℃、加熱時間は２０秒である。

【００６８】なお、上記の電極材料として単独の材料、
例えばＡｕのみを用いることも可能である。

【００６９】熱処理を行う場合、加熱条件は、２００℃
から６００℃の範囲で行うことができる。３００℃から
５００℃の範囲が好適である。熱処理は、窒素
（Ｎ₂）、アルゴン（Ａｒ）、などの不活性ガスの雰囲
気下で行うことが望ましい。

【００７０】尚、ＺｎＯを結晶材料としているため、大
気中や酸素ガス雰囲気下など、酸素ガスの存在下におい
て熱処理を行うことも可能である。酸素ガスの存在下に
おいて熱処理すれば、ＺｎＯ結晶からの酸素の解離が防
止できる。

【００７１】熱処理を行う場合の加熱時間は、１秒から
１０分までの間である。実用的には、１秒から３分間、
好ましくは１分以内であることが好ましい。

【００７２】図３に、上記の工程により形成されたｐ型
ＺｎＯ結晶層１０７上に形成されたＮｉ／Ａｕ電極１０
８の電気的特性を測定器１０９（図２）を用いて評価し
た結果を示す。

【００７３】サファイヤ基板のサイズは、１０ｍｍ×１
２ｍｍ程度である。このサファイヤ基板上に、５ｍｍピ
ッチで縦方向及び横方向に整列した複数のＮｉ／Ａｕ電
極１０８（図２）を形成した。

【００７４】各電極のサイズは、φ０．１ｍｍである。
これらの電極のうち、一対の電極を用いて電極間の電流
―電圧特性を評価した。図３は、この時に得られた電流
―電圧特性を示す。結果としてほぼリニアなオーミック
特性が得られた。

【００７５】またこの時に実測されたコンタクト抵抗の
値は、約３．３ｋΩ程度である。求められたコンタクト
抵抗率は、約１×１０^-2Ωｃｍ²である。

【００７６】上述のように、ｐ型ＺｎＯ単結晶層１０７
の成長条件を最適化することによりｐ型不純物濃度を高
くすれば、ｐ型ＺｎＯ単結晶層１０７のシート抵抗がさ
らに低くなる。加えて、ｐ型ＺｎＯ単結晶層１０７とＮ
ｉ／Ａｕ電極１０８との間のコンタクト抵抗が一層低減
される。

【００７７】上記の本発明の第１の実施の形態による半
導体素子においては、ｐ型ＺｎＯ単結晶用のオーミック
電極としてＮｉ／Ａｕの２層の積層構造を用いたが、電
極形成後の熱処理によって、Ｎｉ／Ａｕの電極構造は渾
然一体の合金膜を形成していても良く、積層構造が維持
されていても良い。渾然一体となった合金膜とは、ｐ型
ＺｎＯ系単結晶や熱処理時の雰囲気ガスと反応して、こ
れらを一部構成要素に含む合金膜を含んでいても良い。
例えば、積層構造が、何らかの要因（例えば熱処理時に
加えられた熱エネルギー）によって一方拡散又は相互拡
散し、積層構造としての秩序性を失っている場合も含ま
れる。

【００７８】また、上述のように、ｐ型ＺｎＯ単結晶上
のオーミック電極材料としては、Ｒｈ／Ａｕ、Ｐｔ／Ｒ
ｈ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｒｈ、Ｎｉ／Ｐ
ｔ、Ｎｉ／Ｐｄ、Ｎｉ／Ｉｒ、Ｉｒ／Ａｕ、Ｉｒ／Ｒ
ｈ、Ｉｒ／Ｐｄの積層構造に熱処理を行ったものなども
用いることができる。

【００７９】また、上記の第１領域の電極材料中に、次
に挙げる金属材料をドープすることもできる。例えば、
ＩＩＩ族化合物、Ｖ族化合物であるＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉ
ｎ、Ｙ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａなどが
挙げられる。

【００８０】上記のような電極を用いた構造も、本発明
の範囲に入るものとする。

【００８１】さらに、反射率の高い金属材料として、Ａ
ｇやＡｌを用いることもできる。

【００８２】ｐ型ＺｎＯ系単結晶用のオーミック電極
は、ｐ型ＺｎＯ系単結晶層の上に、例えばＮｉ／Ａｕ等
の電極が接触していれば良い。

【００８３】オーミック電極の形態が、例えば、層状、
島状、合金など、いずれの形態を有していても良い。特
に、熱処理後には、オーミック電極は、島状や合金のよ
うな形態になっている場合が多い。実際には、各電極材
料の膜厚自体も正確には定義しにくくなる。

【００８４】量産性等も考慮に入れると、発明者が行っ
た実験の範囲内において最も好適なプロセス条件は、Ｎ
ｉを２００Å程度蒸着し、その後にＡｕを３０００Å程
度蒸着し、その後に熱処理を行った場合である。

【００８５】必要に応じて、熱処理前又は熱処理後に、
ボンディングパッド用の金属材料としてＴｉ又はＷ等の
金属材料を介してＡｕなどの金属材料を形成する構造を
用いることもできる。

【００８６】熱処理前に上記の金属材料（Ｔｉ／Ａｕ又
はＷ／Ａｕ）を堆積した場合には、その後に行われる熱
処理により、ボンディングパッド用の金属材料とオーミ
ック電極材料とが相互に拡散し、さらに複雑な合金を形
成することも考えられる。

【００８７】本明細書においては、ｐ型ＺｎＯ系単結晶
に接する材料（例えば上記の実施の形態におけるＮｉ）
を第１金属層と称し、その上に形成される金属材料を第
２金属層と称する。

【００８８】第１金属層は、それを構成する金属材料が
ｐ型ＺｎＯ系単結晶層と直接接触している。従って、オ
ーミック電極を形成する場合において、第１金属層がオ
ーミック特性等に最も重要な役割を果たす。

【００８９】但し、上述のように、第１層目の金属材料
は、実際には層状の形態を有するものに限られない。例
えば、蒸着機中において第１層目の金属材料を蒸着する
場合に、その予定される膜厚が薄い場合には、必ずしも
金属材料が、ＺｎＯ表面の全面にわたって層状に堆積す
るわけではない。むしろ、金属材料がアイランド状に形
成される場合が多い。

【００９０】第一層目の金属材料の厚みは薄いことが重
要で、仕事関数の大きな金属材料と高いホールキャリア
密度のｐ型−ＺｎＯ層とを接触させて、トンネル的な働
きでオーミック接触が形成されるものと推定している。

【００９１】第１金属層として薄い金属材料を用いる場
合には、実用上、第１金属層の上に、ある程度の厚みを
持った第２金属層が必要となる。第２金属層を形成する
金属材料がオーミック特性に与える影響は、第１金属層
を形成する金属材料に比べて大きくはない。但し、実際
上、上述の金属材料を用いることが好ましい。

【００９２】尚、ｐ型ＺｎＯ単結晶上に、上記の第１金
属層を形成する金属材料と上記の第２金属層を形成する
金属材料との合金（Ｎｉ−Ａｕ合金など）を、例えばス
パッタリング法により堆積する方法も有効である。

【００９３】上述の実施例では、ＺｎＯ系単結晶を成長
している途中で、ＧａとＮとの共ドープする方法によ
り、ｐ型ＺｎＯ系単結晶を形成した。

【００９４】その他、以下に説明する方法を用いて、ｐ
型ＺｎＯ単結晶とほぼ同等の特性を有するｐ型ＺｎＯ系
単結晶を形成することができる。

【００９５】ｐ型ＺｎＯ系単結晶の成長に用いた結晶成
長装置は、上記のＲＳ−ＭＢＥ装置（図１）と同様の装
置である。但し、図１におけるＧａ用ポート２１中にＧ
ａの代わりにＴｅを入れる。Ｔｅの純度は６Ｎである。
ＲＳ−ＭＢＥ装置は、原料Ｔｅ（２５）を収容するとと
もにＴｅを加熱蒸発させるＫセル２７とシャッタＳ₂を
備えている。ＭＢＥ装置内に取り付けられたＲＨＥＥＤ
ガン５１とＲＨＥＥＤスクリーン５５とを用いて、ＭＢ
Ｅ装置Ａ内での結晶成長の様子（成長量、成長した結晶
層の質）をモニタリングしながら成長を行うことができ
る。

【００９６】結晶成長の温度、結晶成長膜の厚さ、チャ
ンバ内の真空度等は、制御装置Ｃによって適宜制御され
る。

【００９７】以下に、ＺｎＯ基板上に、ｐ型ＺｎＯ系単
結晶層を成長する工程について説明する。

【００９８】結晶成長は全てＭＢＥ法により行う。

【００９９】Ｚｎのビーム量は、１.０×１０^-7Ｔｏｒ
ｒであり、Ｔｅのビーム量は５．０×１０^-7Ｔｏｒｒで
ある。

【０１００】酸素ビームの供給源としては、ＯのＲＦプ
ラズマソースが用いられる。Ｏラジカルポート３１に純
酸素（純度６Ｎ）ガスを導入し、高周波発振源を用いて
ラジカル化する。

【０１０１】窒素ビームの供給源としては、ＮのＲＦプ
ラズマソースが用いられる。Ｎラジカルポート４１に純
窒素（純度６Ｎ）ガスを導入し、高周波発振源を用いて
ラジカル化する。

【０１０２】ガスソースである酸素、窒素のポート３
１，４１内の圧力は、各々、酸素（流量２ｓｃｃｍ）が
５×１０^-5Ｔｏｒｒ、窒素（流量０.０３ｓｃｃｍ）が
２×１０^-6Ｔｏｒｒである。成長温度は６００℃であ
る。

【０１０３】ここで、上記の圧力の値は、基板ホルダー
位置（成長位置）に取り付けたヌードイオンゲージの指
示値を示したものである。

【０１０４】また、上記のガスソースの流量としては、
ｓｃｃｍの単位を用いたが、これは、周知のように２５
℃、１気圧での流量を示したものである。

【０１０５】図４は、ＺｎＯ結晶を成長するための２通
りの成長プロセス（（ａ）及び（ｂ））を、シャッタＳ
₁からＳ₄の開閉シーケンスにより示したものである。

【０１０６】図４（ａ）は、２通りの成長プロセスのう
ちの、第１の成長プロセスを示すものである。時間ｔ₁
に、ＺｎのシャッターＳ₁とＯのシャッターＳ₃とを開
く。Ｚｎ元素とＯ元素とが基板１００表面上に飛来し、
ＺｎＯ結晶層が成長する。Ｚｎ供給量、Ｏ供給量等の成
長パラメータを制御することによりＺｎＯ結晶が分子層
単位で成長する。

【０１０７】なお、本明細書で１分子層とは、Ｚｎの１
原子層とＯの１原子層とで構成される結晶単位を意味す
る。１０分子層の結晶が成長するまでシャッターＳ₁、
Ｓ₃を開く。

【０１０８】時間ｔ₂においてＯのシャッターＳ₃を閉じ
て、時間ｔ₃までの間、Ｚｎのみを供給する。Ｚｎ供給
の結果、アンドープのＺｎＯ層１０１ａ最表面にＺｎの
終端面が形成される。過剰のＺｎを脱離するために、ｔ
₃からｔ₄までの間、全てのシャッターを閉じる。時間ｔ
₄において、ＴｅのシャッターＳ₂とＮのシャッターＳ ₄
を開にして、Ｚｎの終端面上にＴｅとＮとを供給する。
Ｚｎ終端面とＴｅ、Ｎが結合することにより、Ｎがドー
ピングされたＺｎＴｅ層が１分子層成長する。

【０１０９】尚、時刻ｔ₄で、ＺｎＴｅ層のＲＨＥＥＤ
パターンは、（２×１）でありＴｅリッチの状態を示
す。

【０１１０】ｔ₅からｔ₆までの間、全てのシャッターを
閉じ、余分の原子を脱離、排気する。その後、再びＺｎ
のシャッターＳ₁を開け、ＺｎＴｅの終端面の修正を行
う。Ｔｅリッチになっている表面を、Ｚｎリッチの表面
に変える。これにより、表面のモホロジー及び極性の改
善を行う。

【０１１１】次に、ＯのシャッターＳ₃を開にして
（ｔ₇）、再び、ＺｎＯを成長する。この状態は、時刻
ｔ₁の状態と同等である。以上の工程を３０回繰り返
す。

【０１１２】以上の工程を経ることにより、ｐ型ＺｎＯ
系単結晶を成長することができる。

【０１１３】図４（ｂ）には、第二の成長プロセスを示
す。成長プロセスの概略を以下に示す。

【０１１４】ＺｎのシャッターＳ₁を開き、基板上にＺ
ｎ元素を継続的に供給した状態にする。 時間ｔ₂でＯ
のシャッターＳ₃を開き、Ｏ元素を供給して積極的には
不純物ドーピングされていないＺｎＯを成長する。

【０１１５】次いで、時間ｔ₂でＯのシャッターＳ₃を閉
じてＯ元素の供給を停止した後、時間ｔ₄でＴｅのシャ
ッターＳ₂とＮのシャッターＳ₄を開き、Ｔｅ元素とＮ元
素とを供給してＮがドーピングされたＺｎＴｅ層を成長
する。

【０１１６】時間ｔ₅からｔ₆までの間、シャッターＳ₃
とＳ₄を閉じ、ＺｎＴｅの終端面の修正を行う。

【０１１７】次に、ＯのシャッターＳ₃を開にして
（ｔ₇）、再び、ＺｎＯを成長する。この状態は、時刻
ｔ₁の状態と同等である。以上の工程を３０回繰り返
す。

【０１１８】尚、ＺｎＯバッファ層１０１を設ける場合
には、予め基板１００上にＺｎとＯとを供給し、所望厚
のＺｎＯ層を成長した後、上記のプロセスを行う。

【０１１９】以上の２工程のいずれかを経た後に形成さ
れるｐ型ＺｎＯ系単結晶層は、ＺｎＯが１０分子層に対
してＺｎＴｅが１分子層の割合で積層されたものであ
る。積層された超格子層のバンドギャップはＺｎＯとほ
ぼ同じである。ＺｎＴｅは、Ｎを不純物としてドーピン
グすることでｐ型の導電性を示す。ＮドープのＺｎＴｅ
層からのＮの不純物拡散およびホールの移動は、ＺｎＯ
層のうち１０分子層にわたって生じる。

【０１２０】このようにして成長したＺｎＯ/ＺｎＴｅ
超格子層は、全体としてｐ型の導電層としての性質を示
す。

【０１２１】ＺｎＴｅの厚さは１分子層にとどめた。臨
界膜厚以下の厚さであり、成長層中で発生する歪を小さ
く抑えることができる。成長層の表面モホロジーを良好
にすることができる。

【０１２２】ＺｎＴｅへのＮの流量を、上記の成長条件
において０.０５ｃｃｍ以下にすると、ＺｎＴｅ中への
Ｎのドーピング量は、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下に抑えられ
る。

【０１２３】好ましくは、拡散等によりＺｎＯにドーピ
ングされているＮ濃度は、ＺｎＴｅにドーピングされて
いるＮのドーピング濃度よりも低く抑えられる。

【０１２４】上記のｐ型ＺｎＯ系単結晶層の製造技術及
びｐ型系ＺｎＯ単結晶に対するオーミック電極の形成技
術を用いて、ｐ−ｎ接合を有するダイオードを作成する
ことができる。

【０１２５】ＺｎＯ系単結晶を用いてｐ−ｎ接合を有す
るダイオードを形成するために、上述の工程１）から工
程６）までのうち、工程４）の高温成長ノンドープＺｎ
Ｏ単結晶層を成長する工程と、５）のｐ型ＺｎＯ単結晶
層を形成する工程との間に、ｎ型ＺｎＯ単結晶層を形成
する工程を行う。高温成長ノンドープＺｎＯ単結晶層の
代わりにｎ型ＺｎＯ単結晶を成長しても良い。Ｇａポー
ト２１を用いてＺｎＯ単結晶の成長中に、ｎ型不純物の
ドーパントとして用いられるＧａをドーピングする。

【０１２６】形成されたｎ型ＺｎＯ単結晶層は、厚さ１
μｍである。Ｇａのドープ量は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3であ
る。

【０１２７】ｎ型ＺｎＯ単結晶層上に、ｐ型ＺｎＯ単結
晶層を形成する。

【０１２８】結晶成長終了後、液相エッチング法又は気
相エッチング法により、ｐ型ＺｎＯ単結晶層をエッチン
グして、ｎ型ＺｎＯ単結晶層の表面を露出する。

【０１２９】露出されたｎ型ＺｎＯ単結晶層の表面上
に、例えばＡｌなどの材料を用いて第１電極を形成す
る。

【０１３０】その後に上述の６）の工程と同様の工程に
より、例えば、Ｎｉ／Ａｕなどの材料を用いて第２電極
を形成する。

【０１３１】上記の工程により、ＺｎＯ単結晶を用いた
ｐ−ｎ接合ダイオードが形成される。

【０１３２】上記構造において、第１電極に対し第２電
極にプラスの電圧を印加すると、ｐ−ｎ接合に順方向電
流が流れる。ｐ型ＺｎＯ単結晶層中に注入された少数キ
ャリア（電子）とｐ型ＺｎＯ単結晶層中の多数キャリア
（正孔）とが発光性再結合する。電子と正孔との再結合
の際に、ほぼ禁制帯のエネルギーギャップに等しいエネ
ルギーを有する光が発生する。すなわち、電気的エネル
ギーを光のエネルギーに変換する。

【０１３３】上記のｐ−ｎ接合ダイオード構造を用いて
光半導体素子を作る。

【０１３４】本発明の第２の実施の形態による半導体素
子（光半導体素子）について説明する。

【０１３５】図５に、ｐ型ＺｎＯ単結晶層とｎ型ＺｎＯ
単結晶層とのｐ−ｎ接合を用いたＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ
Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）の断面構造を示す。

【０１３６】図５に示すＬＥＤは、サファイヤ基板３０
１と、その上に低温成長された厚さ１０ｎｍのノンドー
プの低温成長ＺｎＯバッファ層３０５と、その上に成長
された厚さ１μｍの高温成長ノンドープＺｎＯ単結晶層
３０７と、その上に成長された厚さ１μｍのｎ型（Ｇａ
ドープ：１×１０¹⁸ｃｍ^-3）高温成長ＺｎＯ単結晶層３
１１と、その上に形成された厚さ１００ｎｍのＮとＧａ
とを共ドープした上述のｐ型のＺｎＯ系単結晶層３１５
とを含む。

【０１３７】ｎ型ＺｎＯ単結晶層３１１は、Ａｌからな
る第１電極３２１とコンタクトされている。

【０１３８】尚、ｎ型ＺｎＯ層を形成するためには、Ｇ
ａの代わりにＡｌなどの他の３族元素をドーピングして
も良い。

【０１３９】共ドープ（Ｎ、Ｇａ）により形成されたｐ
型ＺｎＯ系単結晶層３１５は島状に加工されている。

【０１４０】島状に加工されたｐ型ＺｎＯ単結晶層３１
５は、例えばＳｉ₃Ｎ₄からなる絶縁膜３１８により被覆
される。ｐ型ＺｎＯ単結晶層３１５の上部表面には、例
えば略円形の開口が絶縁膜３１８を貫通して形成され
る。

【０１４１】ｐ型ＺｎＯ単結晶層３１５の上面周辺部上
に、リング状の第２電極３２５（第１金属層３２５ａ
（Ｎｉ）と第２金属層３２５ｂ（Ａｕ））が形成され
る。リング状の第２電極は、その下面の少なくとも一部
がｐ型ＺｎＯ層３１５の上部表面の周辺部と接触する。
リング状の第２電極２３５の径方向外方の部分は、絶縁
膜３１８上に乗り上げた構造となっている。

【０１４２】上記の構造において、第１電極３２１に対
し第２電極３２５（３２５ａ、３２５ｂ）にプラスの電
圧を印加すると、ｐ−ｎ接合に順方向電流が流れる。ｐ
型ＺｎＯ単結晶層３１５中に注入された少数キャリア
（電子）とｐ型ＺｎＯ単結晶層３１５中の多数キャリア
（正孔）とが発光性の再結合をする。電子と正孔との再
結合の際に、ＺｎＯの禁制帯のエネルギーギャップに等
しいエネルギーを有する光が開口３２７から出射する。
出射光の波長は約３７０ｎｍである。

【０１４３】図６は、本発明の第２の実施の形態による
半導体素子の第１の変形例を示す断面図である。

【０１４４】図６（ａ）は、ＺｎＯ/ＮドープのＺｎＴ
ｅからなる超格子をｐ型半導体として用い、Ｇａドープ
のＺｎＯをｎ型半導体として用いたｐ―ｎ接合ダイオー
ドを含むＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉ
ｏｄｅ）の構造を示す断面図である。

【０１４５】図６（ｂ）は、ＺｎＯ／ＺｎＴｅからなる
超格子構造を示す断面図である。

【０１４６】図６（ａ）に示すように、ＬＥＤは、サフ
ァイヤ基板３０１と、その上に低温成長された厚さ１０
ｎｍのノンドープのＺｎＯバッファ層３０５と、その上
に成長された厚さ１μｍの高温成長ノンドープＺｎＯ単
結晶層３０７と、その上に成長され厚さ１μｍのｎ型
（Ｇａドープ：１×１０¹⁸ｃｍ^-3）ＺｎＯ層３１１と、
その上に形成された３０層のＺｎＯとＺｎＴｅ（Ｎ）と
が交互に積層された超格子層３１６（総厚として約１０
０ｎｍ）とを含む。

【０１４７】図６（ｂ）に示すように、共ドープｐ型Ｚ
ｎＯ単結晶３１５（図５）の代わりに、ｐ型ＺｎＯ系単
結晶層として超格子層が用いられる。ｎ型ＺｎＯ層３１
１上にアンドープのＺｎＯ層とＮドープのＺｎＴｅ層と
の超格子層３１６が用いられている。

【０１４８】超格子層３１６は、ＺｎＯ層３３１ａ、３
３１ｂ、・・・３３１ｚと、ＺｎＴｅ層３３３ａ、３３
３ｂ、・・・、３３３ｚとの交互積層で形成される。Ｚ
ｎＯ層３３１ａ、３３１ｂ、・・・３３１Ｚの各々は、
たとえば１０分子層であり、ＺｎＴｅ層３３３ａ、３３
３ｂ、・・・３３３ｚの各々は、たとえば１分子層であ
る。

【０１４９】超格子層３１６の総厚は、たとえば１００
ｎｍ程度である。ＺｎＯが１０分子層に対してＺｎＴｅ
が１分子層の割合で積層される。積層された超格子層の
バンドギャップはＺｎＯとほぼ同じである。ＺｎＴｅ
は、Ｎを不純物としてドーピングすることでｐ型の導電
性を示す。Ｎの不純物拡散およびホールの移動がＮドー
プのＺｎＴｅ層からＺｎＯ層へＺｎＯ層１０分子層にわ
たって生じる。

【０１５０】ｐ型の導電性を示すＺｎＯ/ＺｎＴｅ超格
子層の上に、上記第１の実施の形態によるｐ型ＺｎＯ単
結晶用オーミック電極と同様の方法により、例えば、Ｎ
ｉ／Ａｕからなる電極を形成することにより、ｐ型Ｚｎ
Ｏ/ＺｎＴｅ超格子層に対してオーミック接合を得るこ
とができる。

【０１５１】ｎ型ＺｎＯ層３１１（図６（ａ））は、第
１電極３２１（Ａｌ）とコンタクトされている。

【０１５２】ｎ型ＺｎＯ層を形成するためには、Ｇａの
代わりにＡｌなどの他の３族元素をドーピングしても良
い。

【０１５３】超格子層３１６は島状に加工されている。
島状に加工された超格子層３１６は、例えばＳｉＮから
なる絶縁膜３１８によりその外側部が被覆される。絶縁
膜３１８のうち超格子層３１６の上部表面には、例えば
略円形の開口が形成される。島状に加工された超格子層
３１６のうち少なくともその側面は、絶縁膜３１８によ
り被覆保護される。

【０１５４】超格子層３１６の周辺部には、開口を有す
る例えばリング状の第２電極３２５（３２５ａ、３２５
ｂ）が形成される。リング状の第２電極は、その内周側
の下面が超格子層３１６の上部表面の周辺部と接触す
る。第２電極のうちその外周部は、絶縁膜３１８上に乗
り上げた構造となっている。

【０１５５】上記構造において、第１電極３２１に対し
第２電極３２５にプラスの電圧を印加すると、ｐ−ｎ接
合に順方向電流が流れる。ｐ型の超格子層３１６中に注
入された少数キャリア（電子）とｐ型の超格子層３１６
中の多数キャリア（正孔）とが発光性再結合する。電子
と正孔との再結合の際に、ほぼ禁制帯のエネルギーギャ
ップに等しいエネルギーを有する光が前記開口から発す
る。すなわち、電気的エネルギーを光のエネルギーに変
換する。

【０１５６】図７に第２の実施の形態による半導体装置
（ＬＥＤ）の第２の変形例を示す。

【０１５７】図７に示すＬＥＤは、サファイヤ基板４０
１と、その上に低温成長された厚さ１０ｎｍのノンドー
プの低温成長ＺｎＯバッファ層４０５と、その上に成長
された厚さ１μｍの高温成長ノンドープＺｎＯ単結晶層
４０７と、その上に成長された厚さ１μｍのｎ型（Ｇａ
ドープ：１×１０¹⁸ｃｍ^-3）高温成長ＺｎＯ単結晶層４
１１と、その上に形成された厚さ１００ｎｍのＮとＧａ
とを共ドープしたｐ型ＺｎＯ系単結晶層４１５とを含
む。

【０１５８】ｎ型ＺｎＯ単結晶層４１１は、Ａｌからな
る第１電極４２１とコンタクトされている。

【０１５９】尚、ｎ型ＺｎＯ層を形成するためには、Ｇ
ａの代わりにＡｌなどの他の３族元素をドーピングして
も良い。

【０１６０】共ドープ（Ｎ、Ｇａ）により形成されたｐ
型ＺｎＯ系単結晶層４１５は、島状に加工されている。

【０１６１】島状に加工されたｐ型ＺｎＯ系単結晶層４
１５は、例えばＳｉ₃Ｎ₄からなる絶縁膜４１８により被
覆される。ｐ型ＺｎＯ単結晶層４１５の上部表面には、
例えば略円形の開口が絶縁膜４１８を貫通して形成され
る。

【０１６２】ｐ型ＺｎＯ系単結晶層４１５の表面上に、
第２電極４２５（第１金属層４２５ａ、例えばＮｉ、第
２金属層４２５ｂ、例えばＡｕ）が形成される。第２電
極４２５は、その下面の少なくとも一部がｐ型ＺｎＯ系
単結晶層４１５の表面と接触する。リング状に形成され
た第２電極４２５（４２５ａ、４２５ｂ）の径方向外方
の部分は、絶縁膜４１８上に乗り上げた構造となってい
る。第２電極４２５（４２５ａ、４２５ｂ）は、例え
ば、Ｎｉ／Ａｕの電極構造を有している。

【０１６３】第２電極４２５（４２５ａ、４２５ｂ）の
上には、上記第２電極４２５（４２５ａ、４２５ｂ）に
形成されている開口をも覆うように反射電極４２７が形
成されている。反射電極４２７は、例えばＡｌ又はＡｇ
のような反射率の高い金属材料により形成されている。

【０１６４】上記の構造において、第１電極４２１に対
し第２電極４２５（４２５ａ、４２５ｂ）にプラスの電
圧を印加すると、ｐ−ｎ接合に順方向電流が流れる。ｐ
型ＺｎＯ系単結晶層４１５中に注入された少数キャリア
（電子）とｐ型ＺｎＯ系単結晶層４１５中の多数キャリ
ア（正孔）とが発光性の再結合をする。電子と正孔との
再結合の際に、ほぼ禁制帯のエネルギーギャップに等し
いエネルギーを有する光が発生する。すなわち、電気的
エネルギーを光のエネルギーに変換する。

【０１６５】発生した光は、サファイヤ基板４０１を透
過する。サファイヤ基板４０１と逆側に出射される光
は、反射電極４２７により反射されて、最終的にサファ
イヤ基板４０１を透過する。サファイヤ基板４０１を透
過する光の波長は、約３７０ｎｍである。

【０１６６】図８に、上記第２の実施の形態による半導
体装置（ＬＥＤ）の第３の変形例を示す。

【０１６７】図８に示すＬＥＤは、フリップチップタイ
プのＬＥＤである。

【０１６８】このフリップチップタイプのＬＥＤは、図
５に示すＬＥＤの構造と同様の構造を有している。

【０１６９】より詳細には、サファイヤ基板３０１と、
その上に低温成長された厚さ１０ｎｍのノンドープの低
温成長ＺｎＯバッファ層３０５と、その上に成長された
厚さ１μｍの高温成長ノンドープＺｎＯ単結晶層３０７
と、その上に成長された厚さ１μｍのｎ型（Ｇａドー
プ：１×１０¹⁸ｃｍ^-3）高温成長ＺｎＯ単結晶層３１１
と、その上に形成された厚さ１００ｎｍのＮとＧａとを
共ドープした上述のｐ型ＺｎＯ系単結晶層３１５とを含
む。

【０１７０】ｎ型ＺｎＯ単結晶層３１１は、Ａｌからな
る第１電極３２１とコンタクトされている。

【０１７１】共ドープ（Ｎ、Ｇａ）により形成されたｐ
型ＺｎＯ系単結晶層３１５は島状に加工されている。

【０１７２】ｐ型ＺｎＯ系単結晶層３１５の一部領域上
に、第２電極３２５（３２５ａ、３２５ｂ）が形成され
る。第２電極３２５（３２５ａ、３２５ｂ）は、例え
ば、Ｎｉ／Ａｕの電極構造を有している。サファイヤ基
板３０１の裏面に、例えばＡｌやＡｇなどの反射率の高
い金属材料よりなる反射電極３３１が形成されている。

【０１７３】上記の構造を有するＬＥＤのサファイヤ基
板３０１の裏面（反射電極３３１が形成されている側）
を上にして、別途用意されているガラス基板３４１上に
搭載する。

【０１７４】より詳細には、ガラス基板３４１上の所定
の領域に、例えばＴｉ／Ａｕにより形成された第１及び
第２の配線パターン３４５ａ、３４５ｂが形成されてい
る。

【０１７５】第１の配線パターン３４５ａは、バンプ３
４７を介して第１電極３１１と電気的に接続されてい
る。

【０１７６】第２の配線パターン３４５ｂは、第２電極
３２５（３２５ａ、３２５ｂ）と直接電気的に接続され
ている。

【０１７７】上記の構造において、第１電極３２１に対
し第２電極３２５（３２５ａ、３２５ｂ）にプラスの電
圧が印加されるように第１及び第２の配線パターン３４
５ａ、３４５ｂ間に電圧を印加すると、ｐ−ｎ接合に順
方向電流が流れる。ｐ型ＺｎＯ系単結晶層３１５中に注
入された少数キャリア（電子）とｐ型ＺｎＯ系単結晶層
３１５中の多数キャリア（正孔）とが発光性の再結合を
する。電子と正孔との再結合の際に、ＺｎＯの禁制帯の
エネルギーギャップに等しいエネルギーを有する光が出
射し、ガラス基板３４１を透過する。ガラス基板３４１
と逆側に出射される光は、反射電極３３１により反射さ
れて、最終的にガラス基板３４１を透過する。ガラス基
板３４１を透過する光の波長は、約３７０ｎｍである。

【０１７８】尚、上記の本実施の形態においては、ｐ型
ＺｎＯ系単結晶層とｎ型ＺｎＯ単結晶層とのｐ−ｎ接合
を利用した半導体素子の例としてＬＥＤについて説明し
たが、ｐ型ＺｎＯ系単結晶層とｎ型ＺｎＯ単結晶層とを
組み合わせてレーザー素子を形成することも可能であ
る。その他、ｐ型ＺｎＯ単結晶層と組み合わせて、ＦＥ
Ｔやバイポーラトランジスタ等の電子デバイスや、他の
光デバイス及びこれらを組み合わせた半導体装置を製造
することも可能であることは言うまでもない。

【０１７９】以上、実施の形態に沿って本発明を説明し
たが、本発明はこれらに制限されるものではない。結晶
成長の条件その他のプロセスパラメータも種々選択する
ことができる。その他、種々の変更、改良、組み合わせ
等が可能なことは当業者には自明あろう。

【０１８０】

【発明の効果】ｐ型ＺｎＯ系単結晶層に対して良好なオ
ーミック電極を有する半導体素子を形成することができ
る。

【０１８１】半導体素子を形成した場合に、動作電圧を
下げることができ、低消費電力化が可能となる。オーミ
ック電極に起因する寄生抵抗を低減できるため、半導体
素子における発熱の影響を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態による半導体素子
に含まれる結晶構造を成長するためのＭＢＥ装置の概略
を示す断面図である。

【図２】 本発明の第１の実施の形態による半導体素子
の構造を示す断面図である。

【図３】 本発明の第１の実施の形態による半導体素子
の電流−電圧特性を示す図である。

【図４】 本発明の第１の実施の形態の第１変形例によ
る半導体素子に含まれる結晶構造を成長するためのシャ
ッターのシーケンス方法を示すタイミングチャートであ
る。

【図５】 本発明の第２の実施の形態による半導体素子
であり、上記第１の実施の形態による半導体素子をＬＥ
Ｄに適用した構造を示す断面図である。

【図６】 本発明の第２の実施の形態による半導体素子
の第１変形例による結晶構造の断面図である。図６
（ａ）は全体の構造を示す断面図である。図６（ｂ）は
超格子層の構造を示す断面図である。

【図７】 本発明の第２の実施の形態の第２変形例によ
る半導体素子をＬＥＤに適用した構造を示す断面図であ
る。

【図８】 本発明の第２の実施の形態の第３変形例によ
る半導体素子をＬＥＤに適用した構造を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

Ａ ＲＳ−ＭＢＥ装置 Ｃ 制御装置 Ｐ 真空ポンプ Ｓ 基板 １ チャンバ ３ 基板ホルダー ３ａ ヒータ ５ 熱電対 ７ マニピュレータ １１ Ｚｎ用ポート １５ Ｚｎ原料 １７ クヌーセンセル ２１ Ｏラジカルポート ３１ Ｎラジカルポート １００ ＺｎＯ基板 １０１ ＺｎＯバッファ層（低温成長ＺｎＯバッファ
層） １０３ ＺｎＯ単結晶層（高温成長ＺｎＯ単結晶層） １０５ ｎ型ＺｎＯ系単結晶層 １０７ ｐ型ＺｎＯ系単結晶層 １０８ 電極 １０８ａ 第１金属層 １０８ｂ 第２金属層 ３０１ サファイヤ基板 ３０５ ＺｎＯバッファ層（低温成長ＺｎＯバッファ
層） ３０７ アンドープＺｎＯ単結晶層（高温成長ＺｎＯ単
結晶層） ３１１ ｎ型ＺｎＯ単結晶層（高温成長ＺｎＯ単結晶
層） ３１５ ｐ型ＺｎＯ系単結晶層（高温成長ＺｎＯ単結晶
層） ３１８ 絶縁膜 ３２１ 第１電極 ３２５ 第２電極

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１月１９日（２０００．１．１
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図７】

【図６】

【図８】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 弘之 神奈川県横浜市青葉区荏田西１−３−１ スタンレー電気株式会社技術研究所内 (72)発明者 森川 謙一 神奈川県横浜市青葉区荏田西１−３−１ スタンレー電気株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 4M104 AA06 BB02 BB04 BB05 BB06 BB07 BB09 BB39 CC01 DD34 DD37 DD79 DD80 FF13 GG04 GG05 HH15 5F041 AA21 CA05 CA41 CA46 CA55 CA57 CA66 CA83 CA92 CA98 5F103 AA01 AA04 BB07 BB08 DD28 DD30 HH04 KK03 KK10 LL02 PP12 PP13 RR05

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型ＺｎＯ系単結晶層と、 前記ｐ型ＺｎＯ系単結晶層に接触し、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐ
   ｔ、Ｐｄおよびこれらの合金の群から選択された少なく
   とも１種を含む第１金属層と、 前記第１金属層の上に形成され、前記第１金属層とは異
   なる金属、又はそれらの合金を含む第２金属層とを含む
   半導体素子。
2. 【請求項２】 ｐ型ＺｎＯ系単結晶層と、 前記ｐ型ＺｎＯ系単結晶層に接触し、仕事関数が５．０
   ｅＶ近傍の金属を含む第１金属層と、 前記第１金属層の上に形成され、仕事関数が５．０ｅＶ
   近傍であり、前記第１金属層を形成する金属とは異なる
   金属の１種又はこれらの金属を含む合金からなる第２金
   属層と、 前記第２の金属層の上に形成され、その仕事関数が前記
   第１金属層の仕事関数よりも低い金属からなる表面金属
   層とを含む半導体素子。
3. 【請求項３】 前記表面金属層は、前記第２金属層より
   も高い反射率を有する請求項２記載の半導体素子。
4. 【請求項４】 前記表面金属層は、Ａｇ又はＡｇを含む
   合金、若しくはＡｌ又はＡｌを含む合金を含む請求項２
   記載の半導体素子。
5. 【請求項５】 前記仕事関数が５．０ｅＶ近傍の金属
   は、 Ｎｉ、Ａｕ、Ｃ、Ｐｄのうちから選択される元素又はこ
   れらの元素を含む化合物又は合金を含む請求項２から４
   までのいずれかに記載の半導体素子。
6. 【請求項６】 前記第１金属層は、厚さが５０ｎｍ以下
   の層状又は高さが５０ｎｍ以下の島状の領域である請求
   項１から５までのいずれかに記載の半導体素子。
7. 【請求項７】 前記第１金属層がＮｉであり、前記第２
   金属層がＡｕである請求項１から６までのいずれかに記
   載の半導体素子。
8. 【請求項８】 前記第１金属層と前記第２金属層とが固
   融状態である請求項１から７までのいずれかに記載の半
   導体素子。
9. 【請求項９】 前記ｐ型ＺｎＯ系単結晶は、ＺｎＯ層と
   ＺｎＴｅ層とが交互に積層された積層構造であって、少
   なくとも前記ＺｎＴｅ層にはＮがドーピングされている
   請求項１から８までのいずれかに記載の半導体素子。
10. 【請求項１０】 前記ｐ型ＺｎＯ系単結晶は、ｐ型不純
    物とｎ型不純物とが共ドーピングされている請求項１か
    ら８までのいずれかに記載の半導体素子。
11. 【請求項１１】 前記ｐ型不純物はＮであり、前記ｎ型
    不純物はＧａである請求項１０記載の半導体素子。
12. 【請求項１２】 表面が露出されたｐ型ＺｎＯ系単結晶
    層を準備する工程と、 前記ｐ型ＺｎＯ系単結晶層の表面上に、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐ
    ｔ、Ｐｄおよびこれらの合金の群から選択された少なく
    とも１種を含む第１金属層を形成する工程と、 前記第１金属層の上に、前記第１金属層とは異なる金
    属、又はそれらの合金を含む第２金属層とを形成する工
    程とを含む半導体素子の製造方法。
13. 【請求項１３】 表面が露出されたｐ型ＺｎＯ系単結晶
    層を準備する工程と、 前記ｐ型ＺｎＯ系単結晶層の表面上に、仕事関数が５．
    ０ｅＶ近傍の金属を含む第１金属層を形成する工程と、 前記第１金属層の上に、仕事関数が５．０ｅＶ近傍であ
    り、仕事関数が前記第１金属層の仕事関数よりも低い金
    属であって前記第１金属層を形成する金属とは異なる金
    属又はこれらの金属を含む合金からなる第２金属層を形
    成する工程とを含む半導体素子の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記第１及び第２金属層を形成する工
    程の後に、熱処理を行う工程を含む請求項１２又は１３
    に記載の半導体素子の製造方法。
15. 【請求項１５】 基板と、 前記基板上に形成されたＺｎＯ系バッファ層と、 前記ＺｎＯ系バッファ層上に形成された第１導電型又は
    第２導電型ＺｎＯ系単結晶層を含む第１半導体層と、 前記第１導電型又は第２導電型ＺｎＯ系単結晶層上に形
    成され、前記第１導電型又は第２導電型ＺｎＯ系単結晶
    層と逆の導電型を有する第２半導体層と、 前記第１半導体層又は前記第２半導体層のうちｐ型の半
    導体層に接触し、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄおよびこれら
    の合金の群から選択された少なくとも１種を含む第１金
    属層と、前記第１金属層の上に形成され、前記第１金属
    層とは異なる金属、又はそれらの合金を含む第２金属層
    とを含む半導体素子。
16. 【請求項１６】 基板と、 前記基板上に形成されたＺｎＯ系バッファ層と、 前記ＺｎＯ系バッファ層上に形成された第１導電型又は
    第２導電型ＺｎＯ系単結晶層のいずれかを含む第１半導
    体層と、 前記第１導電型又は第２導電型ＺｎＯ系単結晶層上に形
    成され、前記第１導電型又は第２導電型ＺｎＯ系単結晶
    層と逆の導電型を有する第２半導体層とを含み、 前記第１半導体層又は前記第２半導体層のうちｐ型の半
    導体層に接触し、仕事関数が５．０ｅＶ近傍の金属を含
    む第１金属層と、 前記第１金属層の上に形成され、仕事関数が５．０ｅＶ
    近傍であり、前記第１金属層を形成する金属とは異なる
    金属又はこれらの金属を含む合金の一種からなる第２金
    属層と、 前記第２の金属層の上に形成され、仕事関数が前記第１
    金属層の仕事関数よりも低い金属からなる表面金属層と
    を含む半導体素子。
17. 【請求項１７】 基板と、 前記基板上に形成されたＺｎＯ系バッファ層と、 前記ＺｎＯ系バッファ層上に形成されたｎ型ＺｎＯ系単
    結晶層と、 前記ｎ型ＺｎＯ系単結晶層上に形成されたｐ型ＺｎＯ系
    単結晶層と、 前記ｎ型ＺｎＯ系単結晶層に接触する第１電極と、 前記ｐ型ＺｎＯ系単結晶層に接触し、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐ
    ｔ、Ｐｄおよびこれらの合金の群から選択された少なく
    とも１種を含む第１金属層と、前記第１金属層の上に形
    成され、前記第１金属層とは異なる金属、又はそれらの
    合金を含む第２金属層とを含む第２電極と、 前記第１電極および又は前記第２電極に形成された開口
    とを含む光半導体素子。
18. 【請求項１８】 基板と、 前記基板上に形成されたＺｎＯ系バッファ層と、 前記ＺｎＯ系バッファ層上に形成されたｎ型ＺｎＯ系単
    結晶層と、 前記ｎ型ＺｎＯ系単結晶層上に形成されたｐ型ＺｎＯ系
    単結晶層と、 前記ｎ型ＺｎＯ系単結晶層に接触する第１電極と、 前記ｐ型ＺｎＯ系単結晶層に接触し、仕事関数が５．０
    ｅＶ近傍の金属を含む第１金属層と、前記第１金属層の
    上に形成され、仕事関数が５．０ｅＶ近傍であり、前記
    第１金属層を形成する金属とは異なる金属又はこれらの
    金属を含む合金からなる第２金属層と、前記第２の金属
    層の上に形成され、仕事関数が前記第１金属層の仕事関
    数よりも低い金属からなる表面金属層とを含む第２電極
    と、 前記第１電極及び前記第２電極に形成された開口とを含
    む光半導体素子。
19. 【請求項１９】 前記基板は透明基板であり、 前記開口上に、前記開口から出射される光を前記基板側
    へ反射する反射電極が設けられている請求項１７又は１
    ８に記載の光半導体素子。
20. 【請求項２０】 さらに、前記基板の裏面側には、前記
    基板に向けて進む光を反射する反射部が設けられるとと
    もに、前記基板の表面側には、前記第１電極、前記第２
    電極とそれぞれ電気的に接触する第１配線部、第２配線
    部が形成された第２の透明基板が配置されている請求項
    １７又は１８に記載の光半導体素子。