JP2003081692A - 酸化物絶縁体材料およびその形成方法並びに半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化亜鉛系半導体またはIII族窒化物半導体
と相互にエピタキシャル成長出来、ワイドギャップ半導
体層の極性および格子整合の度合を精密に制御可能な酸
化物絶縁体材料およびその形成方法を提供する。 【解決手段】 酸化物絶縁体材料は、ＡＢＯ_２なる構成
を有すると共に、上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの
少なくとも１つを含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇ
ａの少なくとも１つを含み、且つ、上記Ａの元素と上記
Ｂの元素との和が３つ以上である。上記酸化物絶縁体材
料で基板を形成した場合、酸化亜鉛系半導体およびIII
族窒化物半導体の面内格子定数に一致する基板を得るこ
とが出来、同種基板を用いた場合と同様の高品質な薄膜
結晶を得ることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイス作
製における基板および障壁層となる酸化物絶縁体材料と
その形成方法並びに半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高付加価値な半導体デバイス
を製造する目的で、ワイドギャップ半導体の結晶成長お
よびデバイス技術が急速に発展している。中でもIII族
窒化物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた青
色発光素子やパワートランジスタ、高移動度デバイスな
どが既に実用段階に入っている。また、酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）は、実用的なキャリア移動度と導電率制御性を有す
る透明導電性酸化物であり、従来から透明導電膜として
利用されてきた他、最近では我々が発明した透明トラン
ジスタ（特開２０００−１５０９００号公報）によって
液晶等の表示デバイスの高性能化に寄与することが期待
されている。

【０００３】ＺｎＯは紫外領域に相当するバンドギャッ
プ（約３．２ｅＶ）を有する直接遷移型半導体であり、
励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、室温
においても励起子発光が観察されるため、これを利用す
れば現在実用化されているＧａＮやＺｎＳeよりも高効
率・低消費電力な発光デバイスを実現出来る。これらの
ワイドギャップ半導体は、バルク単結晶基板の作製が困
難であるため、デバイス作製時の基板としては主に異種
基板が用いられている。サファイア基板を用いた場合、
ＧａＮやＺｎＯ薄膜との間には約１８％の格子不整合が
存在するため、結晶粒界や配向のゆらぎが顕著となる。
このため、III族窒化物半導体では表面窒化およびＡｌ
Ｎバッファ層を成長した後、高温で結晶成長が行われ
る。

【０００４】また、我々はＲＡＢＯ_４やＲＡＯ_３（Ｂ
Ｏ）_ｎなる構造を有する酸化物絶縁体支持基板がこれら
ワイドギャップ半導体と格子不整合が極めて小さいこと
を見いだし、結晶性および特性に優れた半導体デバイス
を発明した（特開２０００−２７７５３４号公報参
照）。

【０００５】また、III族窒化物半導体のエピタキシャ
ル基板としては、６Ｈ−ＳｉＣやＬｉＧａＯ_２、ＬｉＡ
ｌＯ_２などが用いられている。

【０００６】支持基板の選択と同様に、電子デバイスの
作製においてはこれらワイドギャップ半導体のバンドギ
ャップエンジニアリングが不可欠である。例えばＧａＮ
の場合には、ＡｌＮおよびＩｎＮとの混晶半導体によっ
て、相互にエピタキシャル成長可能で且つ制御されたバ
ンドギャップを有する半導体層を得ることが出来る。以
下、III族窒化物半導体とはＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮお
よびこれらの混晶を指すものとする。

【０００７】一方、ＺｎＯもＭｇＯおよびＣdＯとの混
晶半導体によって、相互にエピタキシャル成長可能で且
つ制御されたバンドギャップを有する半導体層を得るこ
とが出来る。

【０００８】以下、酸化亜鉛系半導体とは、ＺｎＯのみ
ならずＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯあるいはＣｄ_１−ｘＺｎ_ｘＯ
で表される混晶を含めるものとする。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記に述べた異種基板
およびバッファ層を介しての半導体結晶成長において
は、以下のような問題が存在する。

【００１０】（１） ワイドギャップ半導体との格子不
整合を約３%以下に低減出来るものの、同種基板を用い
た場合と同様の高品質な薄膜結晶を得ることは困難であ
る。

【００１１】（２） ＺｎＯ、ＧａＮなどのウルツ鉱型
結晶構造を有する半導体は極性結晶であり、自発分極や
格子歪に起因した圧電分極による内部電界が存在する。
種々の電子デバイスを作製する上でこれら内部電界を制
御することが切望されているが、上記従来例で述べた基
板では、成長面方位および格子歪を任意に制御すること
は出来ない。

【００１２】また、バンドギャップエンジニアリングに
関しても、上記従来例の混晶を用いて大きなバンドギャ
ップ差を有するヘテロ接合を作製することは困難である
という問題がある。具体的には、例えばＡｌＮ（バンド
ギャップ；６．２ｅＶ）はＧａＮ（バンドギャップ；
３．４ｅＶ）よりも格段に大きいバンドギャップを有す
るが、Ａｌ組成比の増大に伴って結晶性が劣悪となる。
また、Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯにおいては、固溶限は約３３
％（バンドギャップ；３．９ｅＶ）であり、それ以上で
は結晶構造の異なるＭｇＯに相分離を生じる。これらワ
イドギャップ半導体を用いてサブバンド間遷移を利用し
た量子カスケードレーザなどを作製する際には、サブバ
ンド間のエネルギー差が発振波長を決めるため、ワイド
ギャップ障壁層の作製が困難であるという問題は広帯域
動作の上記デバイスを実現する上で障害となる。

【００１３】本発明は、以上の課題に鑑み、ウルツ鉱構
造半導体である酸化亜鉛系半導体、または、III族窒化
物半導体と相互にエピタキシャル成長出来、上記ワイド
ギャップ半導体層の極性および格子整合の度合を精密に
制御可能な酸化物絶縁体材料より成る基板、障壁層材料
およびその形成方法を提供する。

【００１４】また、当該酸化物絶縁体材料を基板あるい
は障壁層に用いることにより、上記ワイドギャップ半導
体の特長を従来以上に発揮出来るデバイス、つまり半導
体素子を提供する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の酸化物絶縁体材料は、ＡＢＯ_２なる構成を
有すると共に、上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少
なくとも１つを含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａ
の少なくとも１つを含み、且つ、上記Ａの元素と上記Ｂ
の元素との和が３つ以上であることを特徴とする。

【００１６】上記本発明の酸化物絶縁体材料によれば、
歪んだウルツ鉱型の結晶構造を有し、同じくウルツ鉱型
ワイドギャップ半導体である酸化亜鉛系およびIII族窒
化物半導体をエピタキシャル成長出来る。且つ、Ａの元
素およびＢの元素の組成比を適切に選択することによ
り、結晶構造を保ったまま面内平均格子定数を厳密に制
御することが出来る。これにより、酸化亜鉛系半導体お
よびIII族窒化物半導体の面内格子定数に一致する基板
を得ることが出来、同種基板を用いた場合と同様の高品
質な薄膜結晶を得ることが出来る。

【００１７】また、本発明の酸化物絶縁体材料は極性結
晶であるため、基板として使用する際に結晶成長主面を
適宜選択すれば、上記ワイドギャップ半導体の極性を制
御することが可能である。また、Ａの元素およびＢの元
素の組成比を適宜選択することにより、エピタキシャル
成長する半導体層の格子歪を精密に制御することが可能
となる。

【００１８】更に、本発明の酸化物絶縁体材料を薄膜と
して上記ワイドギャップ半導体上にエピタキシャル成長
する際にも、酸化物絶縁体薄膜自身の格子歪を制御して
半導体層界面にかかる分極電界を制御することが出来
る。これにより、上記ワイドギャップ半導体内に発生す
る分極電界を制御することが出来、電子デバイス内にお
ける電荷制御を容易に行うことが出来る。

【００１９】特に好ましくは、上記ＡＢＯ_２は、Ｌｉ
_１−ｘＮａ_ｘＡｌＯ_２、Ｌｉ_１−ｘＮａ_ｘＧａＯ_２、Ｌ
ｉＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２およびＮａＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ
_２（０＜ｘ，ｙ＜１）のいずれか１つである。この場合
は、酸化物絶縁体の形成が容易であり、且つ、組成制御
によって±５％の格子歪を制御出来る。

【００２０】また、本発明の酸化物絶縁体材料の形成方
法は、レーザ分子線エピタキシー法を用いた酸化物絶縁
体材料の形成方法であって、ＬｉＧａＯ_２、ＬｉＡｌＯ
_２、ＮａＧａＯ_２、ＮａＡｌＯ_２、ＫＧａＯ_２およびＫ
ＡｌＯ_２の中から選択された２つ以上の原料ターゲット
を任意の比率でレーザアブレーションすることにより、
Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ
_２（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）薄膜を形成することを特徴と
する。

【００２１】上記構成の酸化物絶縁体材料の形成方法に
よれば、本発明の酸化物絶縁体材料を所望の組成で薄膜
化しエピタキシャル成長させることが出来る。

【００２２】特に、上記複数の原料ターゲットに対する
レーザアブレーションの周期を、上記酸化物結晶の単位
分子層成長周期よりも短くする。すなわち、上記複数の
原料ターゲットにレーザアブレーションを繰り返し、そ
のレーザアブレーションのパルス数を、上記酸化物絶縁
体材料の単位分子層厚を構成するためのパルス数以下に
する。これにより、構成元素が単位分子層内に均一に採
り込まれて、薄膜内において均一な組成が実現される。

【００２３】本発明の酸化物絶縁体材料を用いた第１の
半導体素子は、ＡＢＯ_２なる構成を有すると共に、上記
Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含
み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つ
を含む酸化物絶縁体支持基板と、上記酸化物絶縁体支持
基板の表面上に形成され、酸化亜鉛系より成る１層以上
の半導体層とを備えたことを特徴とする。

【００２４】このような構成を含む酸化亜鉛系半導体素
子によれば、本発明の酸化物絶縁体材料の特徴を生かし
て、酸化物絶縁体支持基板に対して格子不整合が極めて
少ない高品質薄膜結晶の半導体層を得れることや、ある
いは成長表面の選択および格子歪の導入で分極電界の大
きさと方向を制御することが容易となる。

【００２５】また、上記酸化物絶縁体支持基板の材料と
半導体層の材料とが同じ酸化物であるので、親和性が良
く、高品質な薄膜結晶が得られる。

【００２６】また、本発明の酸化物絶縁体材料を用いた
第２の半導体素子は、ＡＢＯ_２なる構成を有すると共
に、上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１
つを含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくと
も１つを含み、且つ、ＬｉＧａＯ_２およびＬｉＡｌＯ_２
を除く酸化物絶縁体支持基板と、上記酸化物絶縁体支持
基板の表面上に形成され、III族窒化物より成る１層以
上の半導体層とを備えたことを特徴とする。

【００２７】このような構成を含むIII族窒化物半導体
素子によれば、上記酸化物絶縁体支持基板は従来の例え
ばＬｉＧａＯ_２基板やＬｉＡｌＯ_２基板を用いた場合に
比べて格子整合の度合に柔軟性を有するため、酸化亜鉛
系半導体素子の場合と同じく高品質薄膜結晶成長や分極
電界制御がより容易となる。

【００２８】特に、本発明の第１，第２の半導体素子の
構成を用いて分極電界を制御すれば、電界効果による２
次元ガスの生成が容易となる。

【００２９】上記電界効果によって２次元正孔ガスを生
成するためには、以下のような構成が好ましい。

【００３０】（１） 上記酸化物絶縁体支持基板の表面
が（００１）面であり、上記酸化物絶縁体支持基板の
（００１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸
化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より大き
く、上記（００１）面上に形成された上記半導体層の成
長方向が［０００１］方向であって、上記酸化物絶縁体
支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元正孔ガス
を生ぜしめる。そして、上記半導体層の上記酸化物絶縁
体支持基板側の表面内に引張り歪みが加えられているこ
とがより好ましい。

【００３１】（２） 上記酸化物絶縁体支持基板の表面
が（００−１）面であり、上記酸化物絶縁体支持基板の
（００−１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記
酸化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より小さ
く、上記（００−１）面上に形成された上記半導体層の
成長方向が［０００−１］方向であって、上記酸化物絶
縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元正孔
ガスを生ぜしめる。そして、上記半導体層の上記酸化物
絶縁体支持基板側の表面内に圧縮歪みが加えられている
ことがより好ましい。

【００３２】（３） 上記酸化物絶縁体支持基板の表面
が（００−１）面であり、上記酸化物絶縁体支持基板の
（００−１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記
酸化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より大き
く、上記（００−１）面上に形成された上記半導体層の
成長方向が［０００−１］方向であって、上記酸化物絶
縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元電子
ガスを生ぜしめる。そして、上記半導体層の上記酸化物
絶縁体支持基板側の表面内に引張り歪みが加えられてい
ることがより好ましい。

【００３３】（４） 上記酸化物絶縁体支持基板の表面
が（００１）面であり、上記酸化物絶縁体支持基板の
（００１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸
化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より小さ
く、上記（００１）面上に形成された上記半導体層の成
長方向が［０００１］方向であって、上記酸化物絶縁体
支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元電子ガス
を生ぜしめる。そして、上記半導体層の上記酸化物絶縁
体支持基板側の表面内に圧縮歪みが加えられていること
がより好ましい。

【００３４】また、本発明の酸化物絶縁体材料を用いた
第３の半導体素子は、酸化亜鉛系より成る半導体層と、
上記半導体層の表面上にエピタキシャル成長形成され、
ＡＢＯ_２なる構成を有する酸化物絶縁体薄膜とを備え、
上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを
含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１
つを含むことを特徴とする。

【００３５】このような構成を含む酸化亜鉛系半導体素
子によれば、本発明の酸化物絶縁体材料の特徴を生かし
て、酸化物絶縁体薄膜に対して格子不整合が極めて少な
い高品質薄膜結晶の半導体層を得れることや、あるいは
成長表面の選択および格子歪の導入で分極電界の大きさ
と方向を制御することが容易となる。

【００３６】また、上記酸化物絶縁体薄膜の材料と半導
体層の材料とが同じ酸化物であるので、親和性が良く、
高品質な薄膜結晶が得られる。

【００３７】また、本発明の酸化物絶縁体材料を用いた
第４の半導体素子は、III族窒化物より成る半導体層
と、上記半導体層の表面上にエピタキシャル成長形成さ
れ、ＡＢＯ_２なる構成を有する酸化物絶縁体薄膜とを備
え、上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１
つを含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくと
も１つを含み、且つ、ＬｉＧａＯ_２およびＬｉＡｌＯ_２
を除くことを特徴とする。

【００３８】このような構成を含むIII族窒化物系半導
体素子によれば、上記酸化物絶縁体薄膜は、III族窒化
物より成る半導体層に対する格子整合の度合に柔軟性を
有するから、酸化亜鉛系半導体素子の場合と同じく高品
質薄膜結晶成長や分極電界制御がより容易となる。

【００３９】特に、本発明の第３，第４の半導体素子の
構成を用いて分極電界を制御すれば、電界効果による２
次元ガスの生成が容易となる。

【００４０】（１） 上記半導体層の表面が（０００−
１）面であり、上記酸化物絶縁体薄膜の（０００−１）
面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体
薄膜側の表面の面内格子定数より大きく、上記（０００
−１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方
向が［００−１］方向であって、上記酸化物絶縁体薄膜
に接する上記半導体層の界面に２次元正孔ガスを生ぜし
める。そして、上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側
の表面内に圧縮歪みが加えられていることがより好まし
い。

【００４１】（２） 上記半導体層の表面が（０００
１）面であり、上記酸化物絶縁体薄膜の（０００１）面
の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄
膜側の表面の面内格子定数より小さく、上記（０００
１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方向
が［００１］方向であって、上記酸化物絶縁体薄膜に接
する上記半導体層の界面にに２次元正孔ガスを生ぜしめ
る。そして、上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側の
表面内に引張り歪みが加えられていることがより好まし
い。

【００４２】（３） 上記半導体層の表面が（０００
１）面であり、上記酸化物絶縁体薄膜の（０００１）面
の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄
膜側の表面の面内格子定数より大きく、上記（０００
１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方向
が［００１］方向であって、上記酸化物絶縁体薄膜に接
する上記半導体層の界面に２次元電子ガスを生ぜしめ
る。そして、上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側の
表面内に圧縮歪みが加えられていることがより好まし
い。

【００４３】（４） 上記半導体層の表面が（０００−
１）面であり、上記酸化物絶縁体薄膜の（０００−１）
面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体
薄膜側の表面の面内格子定数より小さく、上記（０００
−１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方
向が［００−１］方向であって、上記酸化物絶縁体薄膜
に接する上記半導体層の界面に２次元電子ガスを生ぜし
める。そして、上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側
の表面内に引張り歪みが加えられていることがより好ま
しい。

【００４４】上記構成により、極性結晶である半導体お
よび絶縁体の分極電界の方向と大きさを制御することが
出来、所望の導電型のキャリア制御が容易となる。

【００４５】本発明の酸化物絶縁体材料を用いた第１〜
第４の半導体素子の応用は、電界効果による２次元正孔
ガスを用いた発光素子に関するものである。

【００４６】すなわち、一実施例の半導体素子は、上記
半導体層に接する第１，第２の電極と、上記酸化物絶縁
体支持基板に接するゲート電極とを備え、上記第１の電
極を上記ゲート電極に対して負電圧にバイアスすること
により、上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体
層の界面に高移動度な２次元正孔ガスを生ぜしめ、上記
第２の電極から注入した電子と結合させて発光を得るこ
とを特徴とする。

【００４７】あるいは、一実施例の半導体素子は、上記
半導体層に接する第１，第２の電極と、上記酸化物絶縁
体薄膜に接するゲート電極とを備え、上記第１の電極を
上記ゲート電極に対して負電圧にバイアスすることによ
り、上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面
に高移動度な２次元正孔ガスを生ぜしめ、上記第２の電
極から注入した電子と結合させて発光を得ることを特徴
とする。

【００４８】反転層によるキャリア生成は、ＺｎＯなど
のように産業利用上付加価値の高い光学特性を有してい
るにもかかわらず、両伝導型を作製することが困難な半
導体材料に極めて有効であり、本発明の酸化物絶縁体材
料を用いれば、電界効果によって高移動度の正孔キャリ
アを容易に生成することが出来る。

【００４９】このような半導体発光素子である半導体素
子においては、発光効率を向上させるために半導体層が
光またはキャリアの閉じ込め機構を有する多層構造より
成ることが好ましく、また上記半導体層が、井戸層およ
び障壁層から成る量子井戸構造であることがより好まし
い。

【００５０】更に、上記半導体素子の表面に発光を反射
する１対の光共振器を設け、上記光共振器内において共
振増幅された誘導放出光が上記光共振器の一方の光共振
器面面から取り出される構造とすることにより、半導体
レーザを作製出来る。

【００５１】特に、ＺｎＯの高い励起子結合エネルギー
を利用した紫外発光レーザは、III族窒化物を用いた半
導体レーザよりも低消費電力で動作し、本発明の酸化物
絶縁体材料を用いた電界効果によるｐ型層形成によって
容易に実現される。

【００５２】本発明の酸化物絶縁体材料を用いた第１〜
第４の半導体素子のもう一つの応用は、電界効果による
２次元電子ガスを用いたトランジスタに関する。

【００５３】すなわち、一実施例の半導体素子は、上記
半導体層に接するソース電極，ドレイン電極と、上記酸
化物絶縁体支持基板に接するゲート電極とを備え、上記
ゲート電極と上記ソース電極との間にバイアス電圧を印
加することにより、上記酸化物絶縁体支持基板に接する
上記半導体層の界面に形成された高移動度な２次元ガス
の流れを制御して電界効果型のトランジスタ動作を得る
ことを特徴とする。

【００５４】あるいは、一実施例の半導体素子は、上記
半導体層に接するソース，ドレイン電極と、上記酸化物
絶縁体薄膜に接するゲート電極とを備え、上記ゲート電
極と上記ソース電極との間にバイアス電圧を印加するこ
とにより、上記酸化物絶縁体薄膜に接する半導体層の界
面に形成された高移動度な２次元ガスの流れを制御して
電界効果型のトランジスタ動作を得ることを特徴とす
る。

【００５５】電界効果トランジスタである上記実施例の
半導体素子においては、半導体−絶縁体構造をエピタキ
シャル成長によって形成しているため、欠陥等に起因す
る界面準位を生じにくく、清浄な接合界面が得られる。

【００５６】特に、本発明の酸化物絶縁体材料をゲート
絶縁層に適用した場合、半導体層の内部電界を電子の蓄
積が生じ易いように制御出来るため、キャリア密度と移
動度が飛躍的に向上し、高速スイッチング動作可能な半
導体素子を製造することが出来る。

【００５７】また、上記ゲート電極に印加するゲート電
圧を低くすることが出来るので、半導体素子の低消費電
力化に寄与する。

【００５８】特に、上記ワイドギャップ半導体を用いた
トランジスタは可視光に対して透明であるため、開口率
の高いディスプレイデバイスを高速に動作させることが
出来る。

【００５９】本発明の酸化物絶縁体材料を用いた第５の
半導体素子は、酸化亜鉛系半導体より成る半導体井戸層
と、ＡＢＯ_２なる構成を有すると共に、上記Ａの元素が
Ｌｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含み、且つ、上
記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つを含む酸化物
絶縁体とによりヘテロ超格子構造が構成されていると共
に、上記半導体井戸層に対して上記酸化物絶縁体を障壁
層として用いていることを特徴とする。

【００６０】また、本発明の酸化物絶縁体材料を用いた
第６の半導体素子は、III族窒化物半導体より成る半導
体井戸層と、ＡＢＯ_２なる構成を有すると共に、上記Ａ
の元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含み、
且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つを含
み、且つ、ＬｉＧａＯ_２およびＬｉＡｌＯ_２を除く酸化
物絶縁体とによりヘテロ超格子構造が構成されていると
共に、上記半導体井戸層に対して上記酸化物絶縁体を障
壁層として用いていることを特徴とする。

【００６１】また、本発明の酸化物絶縁体材料を用いた
第４，第５の半導体素子の応用は、サブバンド間光学遷
移を利用した光学素子に関するものである。

【００６２】すなわち、一実施例の半導体素子は、２つ
の上記ヘテロ超格子構造と、２つの上記ヘテロ超格子構
造によって挟まれた量子井戸構造とから成る発光層を備
え、一方の上記ヘテロ超格子構造内に形成されたミニバ
ンドから上記発光層内の第２サブバンドへキャリアを注
入し、上記キャリアが上記発光層内の第１サブバンドへ
緩和することによって発光を得る。

【００６３】あるいは、一実施例の半導体素子は、２つ
の上記ヘテロ超格子構造と、２つの上記ヘテロ超格子構
造によって挟まれた量子井戸構造とから成る受光層を備
え、一方の上記ヘテロ超格子構造内に形成されたミニバ
ンドから上記受光層内の第１サブバンドへキャリアを注
入し、上記キャリアが上記受光層内で光吸収によりの第
２サブバンドへ励起されることによって光電流を誘起す
る。

【００６４】上記実施例の半導体素子によれば、このよ
うなサブバンド間遷移光学素子は、サブバンド間でのキ
ャリア緩和時間が超高速であることと、量子井戸構造に
より発振波長や検出波長を広範囲に制御することが可能
であるため注目されているが、とりわけ産業的需要が大
きい可視光〜近赤外の波長を実現するためには、バンド
ギャップの大きな障壁層を用いた超格子構造が必要であ
り、本発明の酸化物絶縁体材料を用いることで実現が容
易となる。

【００６５】特に、量子カスケードレーザにおいては、
量子井戸構造が多重量子井戸構造であることが好まし
く、更に量子井戸構造が不純物ドーピングによって価電
子制御されていることがより好ましい。

【００６６】一実施例の半導体素子は、上記量子井戸構
造の井戸層のみに不純物ドーピングされている。

【００６７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づき具体的に説明する。

【００６８】（実施形態１）本発明の酸化物絶縁体材料
としての一例としてのＬｉ_１−ｘＮａ_ｘＡｌＯ_２、Ｌｉ
_１−ｘＮａ_ｘＧａＯ_２、ＬｉＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２およ
びＮａＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２（０＜ｘ，ｙ＜１）から成
る薄膜を、レーザ分子線エピタキシー法によって作製し
た実施形態について示す。

【００６９】図１は本実施形態１において用いたコンビ
ナトリアルレーザ分子線エピタキシー装置の概略構成図
である。

【００７０】上記コンビナトリアルレーザ分子線エピタ
キシー装置では、超高真空に排気可能な成長室１の上部
に基板ホルダ２が配置され、基板ホルダ２に基板３が固
定されている。上記基板ホルダ２上部に配置された基板
加熱ヒータ４により基板ホルダ２の裏面が加熱され、そ
の熱伝導により基板３が加熱される。その基板ホルダ２
直下には適当な距離を置いてターゲットテーブル５が配
置されていて、ターゲットテーブル５上には原料ターゲ
ット６が複数配置出来る。

【００７１】上記原料ターゲット６の表面は、成長室１
の側面に設けられたビューポート７を通じ照射されるパ
ルスレーザ光８によりレーザアブレーションされ、瞬時
に蒸発した原料ターゲット６の原料が基板３上に堆積す
ることにより薄膜が成長する。

【００７２】上記ターゲットテーブル５は回転機構を有
し、パルスレーザ光８の照射シーケンスに同期して回転
を制御することにより、異なるターゲット原料を薄膜上
に積層することが可能となる。

【００７３】更に、上記基板３とターゲット６との間に
は図中左右方向に移動可能なマスクプレート９が設置さ
れ、基板３の所定領域を可動マスクによって覆うことが
出来る。上記マスクプレート９をパルスレーザ光８の照
射シーケンスおよびターゲットテーブル５の回転に同期
させてスライドさせることにより、複数のターゲットを
用いて組成を連続的に変化させた薄膜合成が可能とな
る。

【００７４】また、上記成長室１には複数のガスを導入
出来るようガス導入管１０が複数（図１では１本のみ図
示している）設けられている。なお、参照番号１０００
で指示しているのは、プルーム（放出粒子群）である。

【００７５】本実施形態１においては、上記のコンビナ
トリアル手法により、２種の原料ターゲット６を用いて
各々の原料ターゲット６の中間組成を有する酸化物絶縁
体薄膜を１枚の基板３上に集積化した。

【００７６】図２に、２種の原料ターゲット６の組み合
わせと作製された薄膜組成を示す。

【００７７】本実施形態１においては、基板３としてＺ
ｎＯ単結晶基板を用い、そのＺｎＯ単結晶基板の（００
０１）面上において、酸化物絶縁体薄膜を１μｍ成長さ
せた。

【００７８】また、レーザアブレーションを行うパルス
レーザ装置として、ＫｒＦエキシマレーザ装置（波長：
２４８ｎｍ，周波数：１０Ｈｚ，出力：０．９ｍＪ／ｃ
ｍ^２）を用いると共に、基板加熱ヒータ４として、半導
体レーザ（波長：８０４ｎｍ）を用いた。この半導体レ
ーザによるレーザアブレーションの周期は５０パルスで
ある。また、上記半導体レーザは、基板ホルダ２の裏面
でのスポット径および照射位置を制御して、基板温度が
６００℃になるように基板全体を均一に加熱する。

【００７９】本明細書では上記レーザアブレーションの
周期を、酸化物絶縁体材料の単位分子層厚の成長に要す
るパルス数と定義する。

【００８０】また、薄膜成長中には酸素ガスを分圧１×
１０^−４Ｔｏｒｒとなるよう導入した。作製された組成
傾斜を有する酸化物絶縁体薄膜は、Ｘ線マイクロアナラ
イザによって薄膜中のＮａあるいはＧａ組成を決定し
た。また、一括Ｘ線回折装置を用い、組成傾斜に沿って
連続的に異相の有無および格子定数を決定した。

【００８１】Ｘ線マイクロアナライザの分析結果によ
り、酸化物絶縁体薄膜の素子長さ方向の両端の組成は用
いた２種の原料ターゲット組成に一致し、その間の組成
は連続且つ線型に変化していることがわかった。

【００８２】また、一括Ｘ線回折の評価結果より異相ピ
ークは確認されず、全組成領域において均一固溶してい
ることがわかった。

【００８３】図３（ａ），図３（ｂ）および図４
（ａ），図４（ｂ）に、一括Ｘ線回折によるａ軸，ｂ軸
およびｃ軸長の組成依存性を示す。これより、図５
（ａ），図５（ｂ）で表される平均酸素−酸素間距離を
求めた結果を図６（ａ），図６（ｂ）に示す。この平均
酸素−酸素間距離とウルツ鉱半導体結晶のａ軸長のずれ
が格子不整合となる。

【００８４】図６の結果によれば、ＺｎＯに対しては、
全組成範囲で−４．１〜＋４．７％の格子不整合を制御
出来、特にＬｉ_０．６Ｎa_０．４ＡｌＯ_２およびＬｉ
_{０．３ ５}Ｎa_０．６５ＧａＯ_２なる組成においてＺｎＯ
との格子不整合が極めて少ないことがわかった。

【００８５】また、ＧａＮに対しては、全組成範囲で−
２．４〜＋６．６％の格子不整合を制御出来、特におよ
びＬｉ_０．３２Ｎａ_０．６８ＡｌＯ_２およびＬｉ_０．１
Ｎａ _０．９ＧａＯ_２なる組成においてＧａＮとの格子不
整合が極めて少ないことがわかった。

【００８６】上記の結果より、本発明の酸化物絶縁体材
料は、以下の効果（１）〜（３）を奏することがわか
る。

【００８７】（１） 酸化亜鉛系半導体およびIII族窒
化物半導体の面内格子定数に対して極めて格子不整合が
小さい酸化物絶縁体結晶を得ることが出来、高い結晶性
を有する半導体／絶縁体ヘテロ接合を得ることが出来
る。

【００８８】（２） ヘテロエピタキシャル成長により
酸化亜鉛系半導体およびIII族窒化物半導体の格子歪を
精密に制御することが可能であり、これらウルツ鉱型結
晶の特性である圧電分極電界を制御することが可能であ
る。

【００８９】（３） 本発明の酸化物絶縁体結晶自身も
極性結晶であるため、酸化亜鉛系およびIII族窒化物半
導体の自発分極を制御することが可能である。

【００９０】また、上記のような組成制御と全律固溶
は、準安定状態の結晶を作製出来る結晶成長法によって
実現される。特に、ターゲットと成長した膜の組成ずれ
が少ないパルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法が適しており、
中でもパスルレーザ堆積を高真空チャンバ内で行うレー
ザ分子線エピタキシー法が適している。

【００９１】本実施形態１においては、本発明の酸化物
絶縁体材料を薄膜として形成する方法を示したが、ＣＺ
（チョクラルスキー）法などによって作製されたバルク
単結晶を基板として用いても、本実施形態１で示した効
果を得ることが出来る。

【００９２】また、上記原料ターゲット６としては、例
えばＬｉＧａＯ_２、ＬｉＡｌＯ_２、ＮａＧａＯ_２、Ｎａ
ＡｌＯ_２、ＫＧａＯ_２およびＫＡｌＯ_２等がある。これ
らの原料ターゲットの中から選択された２つ以上の原料
ターゲットを任意の比率でレーザアブレーションするこ
とにより、Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧ
ａ_ｚＯ_２（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）薄膜を形成してもよ
い。

【００９３】（実施形態２）本実施形態２では、本発明
の酸化物絶縁体材料を基板および絶縁障壁層として用
い、電界効果による反転ｐ型ＺｎＯ層を形成して半導体
素子の一例としての半導体発光素子を作製した。

【００９４】図７（ａ）〜（ｄ）のそれぞれに、上記半
導体発光素子の素子構造の一例を示す。

【００９５】図７（ａ）の半導体発光素子は、本発明の
酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．２Ｇa
_０．８Ｏ_２からなる酸化物絶縁体支持基板１１の（００
１）面上に、ＺｎＯ発光層１２が［０００１］方向に１
０００Åエピタキシャル成長されている。上記酸化物絶
縁体支持基板１１の（００１）面の面内格子定数は、Ｚ
ｎＯ発光層１２の酸化物絶縁体支持基板１１側の表面の
面内格子定数より大きい。このため、格子緩和していな
いＺｎＯの面内には引張り歪が加えられている。すなわ
ち、ＺｎＯ発光層１２の酸化物絶縁体支持基板１１側の
表面内には引張り歪が加えられている。

【００９６】また、上記酸化物絶縁体支持基板１１はＺ
ｎＯ発光層１２を成長後に研磨によって薄層化され、酸
化物絶縁体支持基板１１の図中下面にはゲート電極１３
を設けている。また、上記ＺｎＯ発光層１２の図中上面
および側面に接触するように、第１，第２のオーミック
電極１４，１５を設けている。

【００９７】図７（ｂ）の半導体発光素子は、本発明の
酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．８Ｇａ
_０．２Ｏ_２からなる酸化物絶縁体支持基板２１の（００
−１）面上に、ＺｎＯ発光層２２が［０００−１］方向
に１０００Åエピタキシャル成長されている。上記酸化
物絶縁体支持基板２１の（００−１）面の面内格子定数
は、ＺｎＯ発光層２２の酸化物絶縁体支持基板２１側の
表面の面内格子定数より小さい。このため、格子緩和し
ていないＺｎＯの面内には圧縮歪が加えられている。す
なわち、ＺｎＯ発光層２２の酸化物絶縁体支持基板２１
側の表面内には圧縮歪が加えられている。

【００９８】また、上記酸化物絶縁体支持基板２１はＺ
ｎＯ発光層２２を成長後に研磨によって薄層化され、酸
化物絶縁体支持基板２１の図中下面にはゲート電極２３
を設けている。また、上記ＺｎＯ発光層２２の図中上面
および側面に接触するように、第１，第２のオーミック
電極２４，２５を設けている。

【００９９】図７（ｃ）の半導体発光素子は、本発明の
酸化物絶縁体材料の一例としてのＬｉ_０．６Ｎａ_０．４
ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支持基板３１の（００−
１）面上に、格子緩和したＺｎＯ発光層３２が［０００
−１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されてい
る。そして、更にそのＺｎＯ発光層３２上には、本発明
の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．２Ｇａ
_０．８Ｏ_２からなる酸化物絶縁体薄膜３６が［００−
１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。
この酸化物絶縁体薄膜３６のＺｎＯ発光層３２側の表面
の面内格子定数は、ＺｎＯ発光層３２の酸化物絶縁体薄
膜３６側の表面の面内格子定数より大きい。このため、
酸化物絶縁体薄膜３６のＺｎＯ発光層３２側の表面内に
は圧縮歪が加えられている。

【０１００】また、上記酸化物絶縁体薄膜３６の図中上
面にはゲート電極３３を設けると共に、酸化物絶縁体薄
膜３６とＺｎＯ発光層３２との間には第１，第２のオー
ミック電極３４，３５を設けている。この第１，第２の
オーミック電極３４，３５は、ＺｎＯ発光層３２に接触
し、酸化物絶縁体薄膜３６で被覆されている。尚、上記
酸化物絶縁体支持基板３１とＺｎＯ発光層３２との格子
不整合が極めて小さいので、ＺｎＯ発光層３２の酸化物
絶縁体支持基板３１側の表面内に格子歪は加わらない。

【０１０１】図７（ｄ）の半導体発光素子は、本発明の
酸化物絶縁体材料の一例としてのＬｉ_０．６Ｎａ_０．４
ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支持基板４１の（００
１）面上に、格子緩和したＺｎＯ発光層４２が［０００
１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。
そして、更に本発明の酸化物絶縁体材料の一例としての
ＮａＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ｏ_２からなる酸化物絶縁体薄
膜４６が［００１］方向に１０００Åエピタキシャル成
長されている。この酸化物絶縁体薄膜４６のＺｎＯ発光
層４２側の表面の面内格子定数は、ＺｎＯ発光層４２の
酸化物絶縁体薄膜４６側の表面の面内格子定数より小さ
い。このため、酸化物絶縁体薄膜４６のＺｎＯ発光層４
２側の表面内には引張り歪が加えられている。

【０１０２】また、上記酸化物絶縁体薄膜４６の図中上
面にはゲート電極４３を設けると共に、酸化物絶縁体薄
膜４６とＺｎＯ発光層４２との間には第１，第２のオー
ミック電極４４，４５を設けている。この第１，第２の
オーミック電極４４，４５は、ＺｎＯ発光層４２に接触
し、酸化物絶縁体薄膜４６で被覆されている。尚、上記
酸化物絶縁体支持基板４１とＺｎＯ発光層４２との格子
不整合が極めて小さいので、ＺｎＯ発光層４２の酸化物
絶縁体支持基板３１側の表面内に格子歪は加わらない。

【０１０３】図７（ａ）〜（ｄ）には、酸化物絶縁体支
持基板１１，…、ＺｎＯ発光層１２，…および酸化物絶
縁体薄膜１６，…の各々における自発分極Ｐｓｐ、およ
び、格子歪による圧電分極Ｐｐｅが示している。これら
分極電界を考慮すると、図７（ａ）および図７（ｂ）の
構造においては、酸化物絶縁体支持基板１１，２１と接
するＺｎＯ発光層１２，２２の界面に正孔が誘起され易
いことが分る。また、図７（ｃ）および図７（ｄ）の構
造においては、酸化物絶縁体薄膜３６，４６と接するＺ
ｎＯ発光層３２，４２の界面に正孔が誘起され易いこと
が分る。

【０１０４】図７（ａ）〜図７（ｄ）の各々の素子構造
においては、上記第１の電極１４，…をゲート電極１
３，…に対して負電圧にバイアスすることによって、前
述した正孔誘起界面に反転層が形成され、高移動度な２
次元正孔ガスが生じる。上記第２の電極１５から電子を
注入したところ、図８に示す励起子による発光スペクト
ルが得られた。このように、本発明の酸化物絶縁体材料
を基板あるいは絶縁障壁層として用いると、極性結晶で
あるＺｎＯの分極電界を制御することが出来、反転ｐ型
層の形成が容易となる。

【０１０５】本実施形態２においては、酸化物絶縁体支
持基板あるいは薄膜とＺｎＯ層との格子不整合によって
応力歪を与え圧電分極電界を制御したが、これらの応力
歪は機械的あるいは人為的に与えても良い。すなわち、
本実施形態２の発光素子を実装するステム接合面を湾曲
させるなどの方法によって応力歪を与えても、本発明と
同等の効果が得られる。

【０１０６】また、本実施形態２においては、単層のＺ
ｎＯ層を発光層として用いたが、光またはキャリアの閉
じ込め機構を有する多層構造の発光層を用いてもよい。
また半導体層が、井戸層および障壁層から成る量子井戸
構造であってもよい。このような構成は、ＺｎＯより広
いバンドギャップを有するＭｇＺｎＯ混晶半導体を用い
ることで容易に実現され、発光効率が向上するので好ま
しい。

【０１０７】また、本実施形態２の半導体発光素子は、
自然放出光を放射する発光ダイオードであるが、ＺｎＯ
層の側面あるいは上下面に発光を反射する１対の光共振
器を設け、共振増幅された誘導放出光を光共振器の一方
の光共振面から放射する半導体レーザ構造であってもよ
い。

【０１０８】また、本発明の酸化物絶縁体材料は、ＡＢ
Ｏ_２なる構成を有すると共に、上記Ａの元素がＬｉ、Ｎ
ａおよびＫの少なくとも１つを含み、且つ、上記Ｂの元
素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つを含めばよい。上記Ａ
ＢＯ_２としては、例えばＬｉ _１−ｘＮａ_ｘＡｌＯ_２、Ｌ
ｉ_１−ｘＮａ_ｘＧａＯ_２、ＬｉＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２お
よびＮａＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２（０＜ｘ，ｙ＜１）など
がある。

【０１０９】（実施形態３）本実施形態３では、本発明
の酸化物絶縁体材料を基板および絶縁障壁層として用
い、電界効果による蓄積ｎ型ＺｎＯ層を形成して電界効
果トランジスタを作製した。

【０１１０】図９（ａ）〜図９（ｄ）のそれぞれに、上
記電界効果トランジスタの素子構造の一例を示す。

【０１１１】図９（ａ）の電界効果トランジスタは、本
発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．２
Ｇａ_０．８Ｏ_２からなる酸化物絶縁体支持基板５１の
（００−１）面上に、ＺｎＯチャネル層５２が［０００
−１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されてい
る。この酸化物絶縁体支持基板５１の（００−１）面の
面内格子定数は、ＺｎＯチャネル層５２の酸化物絶縁体
支持基板５１側の表面の面内格子定数より大きくなって
いる。このため、格子緩和していないＺｎＯの面内には
引張り歪が加えられている。すなわち、ＺｎＯチャネル
層５２の酸化物絶縁体支持基板５１側の表面内には引張
り歪が加えられている。

【０１１２】また、上記酸化物絶縁体支持基板５１はＺ
ｎＯチャネル層５２を成長後に研磨によって薄層化さ
れ、酸化物絶縁体支持基板５１の図中下面にはゲート電
極５３を設けている。また、上記ＺｎＯチャネル層５２
の図中上面および側面に接触するように、ソース電極５
４およびドレイン電極５５を設けている。

【０１１３】図９（ｂ）の電荷効果トランジスタは、本
発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．２
Ｇａ_０．８Ｏ_２からなる酸化物絶縁体支持基板６１の
（００１）面上に、ＺｎＯチャネル層６２が［０００
１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。
この酸化物絶縁体支持基板６１の（００１）面の面内格
子定数は、ＺｎＯチャネル層６２の酸化物絶縁体支持基
板６１側の表面の面内格子定数より小さい。このため、
格子緩和していないＺｎＯの面内には圧縮歪が加えられ
ている。すなわち、ＺｎＯチャネル層６２の酸化物絶縁
体支持基板６１側の表面内には圧縮歪が加えられてい
る。

【０１１４】また、上記酸化物絶縁体支持基板６１はＺ
ｎＯチャネル層６２を成長後に研磨によって薄層化さ
れ、酸化物絶縁体支持基板６１の図中下面にはゲート電
極６３を設けている。また、上記ＺｎＯチャネル６２の
図中上面および側面に接触するように、ソース電極６４
およびドレイン電極６５を設けている。

【０１１５】図９（ｃ）の電荷効果トランジスタは、本
発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＬｉ_０．６Ｎａ
_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支持基板７１の
（００１）面上に、格子緩和したＺｎＯチャネル層７２
が［０００１］方向に１０００Åエピタキシャル成長さ
れている。更に、そのＺｎＯチャネル層７２上には、本
発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．２
Ｇａ_０．８Ｏ_２からなる酸化物絶縁体薄膜７６が［００
１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。
この酸化物絶縁体薄膜７６のＺｎＯチャネル層７２側の
表面の表面内格子定数は、ＺｎＯチャネル層７２の酸化
物絶縁体薄膜７６側の表面の面内格子定数より大きい。
このため、酸化物絶縁体薄膜７６のＺｎＯチャネル層７
２側の表面内には圧縮歪が加えられている。

【０１１６】また、上記酸化物絶縁薄膜７６の上面には
ゲート電極７３を設けると共に、酸化物絶縁体支持基板
７１とＺｎＯチャネル層７２との間にはソース電極７４
およびドレイン電極７５を設けている。上記ソース電極
７４およびドレイン電極７５は、ＺｎＯチャネル層７２
に接触し、酸化物絶縁体薄膜７６で被覆されている。
尚、Ｌｉ_０．６Ｎa_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁
体支持基板７１とＺｎＯチャネル層７２との格子不整合
は極めて小さいので、ＺｎＯチャネル層７２の酸化物絶
縁体支持基板７１側の表面に格子歪は加わらない。

【０１１７】図９（ｄ）の電界効果トランジスタは、本
発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＬｉ_０．６Ｎａ
_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支持基板８１の
（００−１）面上に、格子緩和したＺｎＯチャネル層８
２が［０００−１］方向に１０００Åエピタキシャル成
長されている。更に、そのＺｎＯチャネル層８２上に
は、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ
_０．８Ｇa_０．２Ｏ_２からなる酸化物絶縁体薄膜８６が
［００−１］方向に１０００Åエピタキシャル成長され
ている。この酸化物絶縁体薄膜８６のＺｎＯチャネル層
８２側の表面の面内格子定数は、ＺｎＯチャネル層８２
の酸化物絶縁体薄膜８６側の表面の面内格子定数より小
さい。このため、酸化物絶縁体薄膜８６のＺｎＯチャネ
ル層８２側の表面内には引張り歪が加えられている。

【０１１８】また、上記酸化物絶縁薄膜８６の上面には
ゲート電極８３を設けると共に、酸化物絶縁体支持基板
８１とＺｎＯチャネル層８２との間にはソース電極８４
およびドレイン電極８５を設けている。上記ソース電極
８４およびドレイン電極８５は、ＺｎＯチャネル層８２
に接触し、酸化物絶縁体薄膜８６で被覆されている。
尚、Ｌｉ_０．６Ｎa_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁
体支持基板８１とＺｎＯチャネル層８２との格子不整合
は極めて小さいので、ＺｎＯチャネル層８２の酸化物絶
縁体支持基板８１側の表面に格子歪は加わらない。

【０１１９】図９（ａ）〜（ｄ）には、酸化物絶縁体支
持基板５１，…、ＺｎＯチャネル層５２，…および酸化
物絶縁体薄膜５６，…の各々の自発分極Ｐｓｐ、およ
び、格子歪による圧電分極Ｐｐｅを示している。これら
分極電界を考慮すると、図９（ａ）および図９（ｂ）の
構造においては、酸化物絶縁体支持基板５１，６１と接
するＺｎＯチャネル層５２，６２の界面に電子が誘起さ
れ易いことが分る。また、図９（ｃ）および図９（ｄ）
の構造においては、酸化物絶縁体薄膜７６，８６と接す
るＺｎＯチャネル層７２，８２の界面に電子が誘起され
易いことが分る。

【０１２０】図９（ａ）〜図９（ｄ）における各々の素
子構造においては、上記ソース電極５４，…をゲート電
極５，…に対して正電圧にバイアスすることによって前
述した電子誘起界面に蓄積層が形成され、高移動度な２
次元電子ガスが生じる。上記ソース電極５５，…とドレ
イン電極５６，…の間に電圧を印加したところ、図１０
に示すトランジスタ特性が得られた。このように、本発
明の酸化物絶縁体材料を基板あるいは絶縁障壁層として
用いると、極性結晶であるＺｎＯの分極電界を制御する
ことが出来、蓄積Ｎ型層の形成が容易となる。

【０１２１】本実施形態３の電界効果トランジスタは所
謂ディープディプリーション型であるが、、実施形態２
と同様の構成を用いてＺｎＯチャネル層５２，…の界面
に反転ｐ型層を形成し、２次元正孔ガスをキャリアとし
て用いるエンハンスメント型の電界効果トランジスタ構
成としても、本発明の効果が損なわれることはない。

【０１２２】また、本実施形態においても実施形態２と
同様に、圧電分極電界を制御するための応力歪は機械的
あるいは人為的に与えてもよい。

【０１２３】（実施形態４）本実施形態では、本発明の
酸化物絶縁体材料を基板および障壁層として用い、Ｚｎ
Ｏ量子井戸層とのヘテロ超格子構造を形成して発振波長
１．５５μｍの量子カスケードレーザを作製した。

【０１２４】図１１（ａ），図１１（ｂ）に、本発明の
実施の一形態の量子カスケードレーザの概略構成図を示
す。

【０１２５】上記量子カスケードレーザでは、図１１
（ａ）に示すように、酸化物絶縁体材料の一例としての
Ｌｉ_０．６Ｎａ_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支
持基板１００上に、第１クラッド層１０１、発光層とし
ての活性領域１０２、および第２クラッド層１０３が順
次積層されている。上記酸化物絶縁体支持基板１００の
図中下面にはオーミック電極１０４が形成されていると
共に、第２クラッド層１０３の図中上面にはおよび１０
５が形成されている。また、上記第１，第２クラッド層
１０１，１０３は、Ｇａを３×１０^１７ｃｍ^−３ドープ
したＭｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ（バンドギャップ３．７ｅ
Ｖ）を用いて形成されている。

【０１２６】上記活性領域１０２は、図１１（ｂ）に示
すように、ＺｎＯ／Ｌｉ_０．６Ｎa _０．４ＡｌＯ_２から
なる第１のヘテロ超格子層１１０、ＺｎＯ／Ｌｉ_０．６
Ｎａ _０．４ＡｌＯ_２からなる量子井戸活性層１１１、お
よびＺｎＯ／Ｌｉ_０．６Ｎａ _０．４ＡｌＯ_２からなる第
２のヘテロ超格子層１１２で構成されている。

【０１２７】図１２は、上記量子カスケードレーザの動
作を説明するための概略図である。

【０１２８】上記量子井戸活性層１１１におけるＺｎＯ
井戸層の幅は、図１２に示すように、量子井戸層内に形
成される第２サブバンドから第１サブバンドへの遷移エ
ネルギーが１．５５μｍに相当するエネルギー（０．８
ｅＶ）を満たすよう選択した。

【０１２９】上記第１のヘテロ超格子層１１０における
ＺｎＯ井戸層の幅は、量子カスケードレーザに所定の電
界を印加した時に、超格子構造内において形成されるミ
ニバンドから量子井戸層内の第２サブバンドへ電子が共
鳴トンネリングするよう選択した。同様に、第２のヘテ
ロ超格子層１１２におけるＺｎＯ井戸層の幅は、量子カ
スケードレーザに所定の電界を印加した時に、量子井戸
活性層１１１内の第１サブバンドからヘテロ超格子層１
１２のミニバンドへ電子が共鳴トンネリングするよう選
択した。

【０１３０】上記の積層構造を導波路長が５００μｍと
なるように加工し、加工後の積層構造の端面に共振器ミ
ラーを形成して、オーミック電極１０４，１０５間に電
流を流したところ、波長１．５５μｍの誘導放出光が得
られた。

【０１３１】本実施形態４の量子カスケードレーザは、
井戸層材料にＧａＮなどのIII族窒化物半導体を用いて
も実現することが可能であるが、サブバンド間遷移の緩
和時間はＺｎＯの方が短かいため、超高速動作させるた
めにはＺｎＯ井戸層を用いることが好ましい。

【０１３２】また、発振波長が、光通信において重要な
紫外〜遠赤外波長に対応するサブバンド間遷移を得るた
めには、量子井戸活性層１２０の障壁層は井戸層である
ＺｎＯに比して十分なバンドギャップを有する必要があ
り、ＭｇＺｎＯ障壁層ではこの要求を満たすことが出来
ない。しかし、本発明の酸化物絶縁体材料を障壁層に用
いると、ＺｎＯ井戸層に対する格子不整合が極めて小さ
くなり、且つ、所望のバンドギャップを有する障壁層を
形成することが出来る。

【０１３３】従って、本実施形態４で示したように、産
業利用上の需要が大きい波長帯の超高速光学素子、例え
ば９６０ｎｍや１μｍ等の超高速光学素子を高品質且つ
容易に作製することが出来る。言うまでもないが、本発
明の酸化物絶縁体材料を用いた半導体素子の波長帯が９
６０ｎｍや１μｍに限定されない。

【０１３４】また、本発明の酸化物絶縁体材料による障
壁層とＺｎＯ井戸層とのヘテロ超格子構造は、本実施形
態の量子カスケードレーザのみならず、受光素子や光−
光スイッチなどへ適用することが可能である。

【０１３５】本実施形態４では、上記第１，第２のヘテ
ロ超格子層１１０，１１２で挟まれた量子井戸活性層１
１１なる積層構造は２周期以上繰り返して積層されてい
なかったが、１，第２のヘテロ超格子層で挟まれた量子
井戸活性層なる積層構造は２周期以上繰り返して積層さ
れていてもよい。

【０１３６】

【発明の効果】本発明の酸化物絶縁体材料によると、ウ
ルツ鉱型ワイドギャップ半導体である酸化亜鉛系および
III族窒化物半導体に対して格子不整合が極めて小さい
基板や薄膜を得ることが出来、高品質な薄膜結晶を得る
ことが出来る。

【０１３７】また、極性面や格子歪を制御して上記半導
体内に発生する分極電界を制御することが出来、電子デ
バイス内における電荷制御を容易に行うことが出来る。

【０１３８】本発明の酸化物絶縁体材料の形成方法によ
ると、上記酸化物絶縁体材料を所望の組成で薄膜化し酸
化亜鉛系およびIII族窒化物半導体と相互にエピタキシ
ャル成長させることが出来る。

【０１３９】本発明の酸化物絶縁体材料を用いた半導体
素子によると、電界効果による２次元ガスの生成が容易
となる。このことにより、反転層によるp型層が容易に
形成出来、単極性半導体であるＺｎＯを用いてキャリア
注入による高効率な紫外発光素子を作製することが出来
る。

【０１４０】また、電界効果トランジスタに適用するこ
とで、半導体の内部電界を電子の蓄積が生じ易いように
制御出来るため、低消費電力で高速スイッチング動作可
能なトランジスタを製造することが出来る。また、ウル
ツ鉱型ワイドギャップ半導体井戸層に対しエネルギー障
壁の格段に高いヘテロ超格子構造を実現出来るため、産
業上需要の高い波長帯でのサブバンド間遷移光学素子を
作製することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１はコンビナトリアルレーザ分子線エピタ
キシー装置の概略構成図である。

【図２】 図２は原料ターゲットと薄膜組成との関係を
に示す表である。

【図３】 図３は実施形態１において作製したコンビナ
トリアル薄膜におけるａ軸，ｂ軸およびｃ軸長の組成依
存性を示すグラフである。

【図４】 図４は実施形態１において作製したコンビナ
トリアル薄膜におけるａ軸，ｂ軸およびｃ軸長の組成依
存性を示すグラフである。

【図５】 図５は本発明の酸化物絶縁体材料の結晶構造
を示す模式図である。

【図６】 図６は本発明の酸化物絶縁体結晶の平均酸素
-酸素間距離を示すグラフである。

【図７】 図７は実施形態２の半導体発光素子の素子構
造概略図である。

【図８】 図８は実施形態２の半導体発光素子の発光ス
ペクトルを示すグラフである。

【図９】 図９は実施形態３の電界効果トランジスタの
素子構造概略図である。

【図１０】 図１０は実施形態３の電界効果トランジス
タの素子特性を示すグラフである。

【図１１】 図１１は実施形態４の量子カスケードレー
ザの構造概略図である。

【図１２】 図１２は実施形態４の量子カスケードレー
ザの動作を説明するための図である

【符号の説明】 １１，２１，３１，４１ 酸化物絶縁体支持基板 １２，２２，３２，４２ ＺｎＯ発光層 ３６，４６，７６，８６ 酸化物絶縁体薄膜 ５１，６１，７１，８１ 酸化物絶縁体支持基板 ５２，６２，７２，８２ ＺｎＯチャネル層 １００ 酸化物絶縁体支持基板 １０１ 第１クラッド層 １０２ 活性領域 １０３ 第２クラッド層 １１０ 第１ヘテロ超格子層 １１１ 量子井戸活性層 １１２ 第２ヘテロ超格子層 １０００ プルーム（放出粒子群）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 29/78 ６２６Ｃ (72)発明者 大久保 勇男 東京都町田市南成瀬６丁目17−１ (72)発明者 齊藤 肇 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BC01 BC60 DA03 EC07 5F041 AA03 CA05 CA40 CA41 CA62 5F052 DA10 DB07 GC10 KA01 5F073 AA74 CA22 CA24 CB05 5F110 AA01 CC01 CC07 DD01 FF01 FF21 GG01 GG17 GG25 GG41

Claims (34)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＡＢＯ_２なる構成を有すると共に、上記
   Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含
   み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つ
   を含み、且つ、上記Ａの元素と上記Ｂの元素との和が３
   つ以上であることを特徴とする酸化物絶縁体材料。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の酸化物絶縁体材料にお
   いて、 上記ＡＢＯ_２は、Ｌｉ_１−ｘＮａ_ｘＡｌＯ_２、Ｌｉ
   _１−ｘＮａ_ｘＧａＯ_２、ＬｉＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２およ
   びＮａＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２（０＜ｘ，ｙ＜１）のいず
   れか１つであることを特徴とする酸化物絶縁体材料。
3. 【請求項３】 レーザ分子線エピタキシー法を用いた酸
   化物絶縁体材料の形成方法であって、 ＬｉＧａＯ_２、ＬｉＡｌＯ_２、ＮａＧａＯ_２、ＮａＡｌ
   Ｏ_２、ＫＧａＯ_２およびＫＡｌＯ_２の中から選択された
   ２つ以上の原料ターゲットを任意の比率でレーザアブレ
   ーションすることにより、Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ
   _ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）薄膜を
   形成することを特徴とする酸化物絶縁体材料の形成方
   法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の酸化物絶縁体材料の形
   成方法において、 上記複数の原料ターゲットにレーザアブレーションを繰
   り返し、そのレーザアブレーションのパルス数は、上記
   酸化物絶縁体材料の単位分子層厚を構成するためのパル
   ス数以下であることを特徴とする酸化物絶縁体材料の形
   成方法。
5. 【請求項５】 ＡＢＯ_２なる構成を有すると共に、上記
   Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含
   み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つ
   を含む酸化物絶縁体支持基板と、 上記酸化物絶縁体支持基板の表面上に形成され、酸化亜
   鉛系より成る１層以上の半導体層とを備えたことを特徴
   とする半導体素子。
6. 【請求項６】 ＡＢＯ_２なる構成を有すると共に、上記
   Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含
   み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つ
   を含み、且つ、ＬｉＧａＯ_２およびＬｉＡｌＯ_２を除く
   酸化物絶縁体支持基板と、 上記酸化物絶縁体支持基板の表面上に形成され、III族
   窒化物より成る１層以上の半導体層とを備えたことを特
   徴とする半導体素子。
7. 【請求項７】 請求項５または６に記載の半導体素子に
   おいて、 上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００１）面であ
   り、 上記酸化物絶縁体支持基板の（００１）面の面内格子定
   数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表
   面の面内格子定数より大きく、 上記（００１）面上に形成された上記半導体層の成長方
   向が［０００１］方向であって、 上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面
   に２次元正孔ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体
   素子。
8. 【請求項８】 請求項５または６に記載の半導体素子に
   おいて、 上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００−１）面であ
   り、 上記酸化物絶縁体支持基板の（００−１）面の面内格子
   定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の
   表面の面内格子定数より小さく、 上記（００−１）面上に形成された上記半導体層の成長
   方向が［０００−１］方向であって、 上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面
   に２次元正孔ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体
   素子。
9. 【請求項９】 請求項５または６に記載の半導体素子に
   おいて、 上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００−１）面であ
   り、 上記酸化物絶縁体支持基板の（００−１）面の面内格子
   定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の
   表面の面内格子定数より大きく、 上記（００−１）面上に形成された上記半導体層の成長
   方向が［０００−１］方向であって、 上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面
   に２次元電子ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体
   素子。
10. 【請求項１０】 請求項５または６に記載の半導体素子
    において、 上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００１）面であ
    り、 上記酸化物絶縁体支持基板の（００１）面の面内格子定
    数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表
    面の面内格子定数より小さく、 上記（００１）面上に形成された上記半導体層の成長方
    向が［０００１］方向であって、 上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面
    に２次元電子ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体
    素子。
11. 【請求項１１】 請求項７または９に記載の半導体素子
    において、 上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面内に
    引張り歪みが加えられていることを特徴とする半導体素
    子。
12. 【請求項１２】 請求項８または１０に記載の半導体素
    子において、 上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面内に
    圧縮歪みが加えられていることを特徴とする半導体素
    子。
13. 【請求項１３】 酸化亜鉛系より成る半導体層と、 上記半導体層の表面上にエピタキシャル成長形成され、
    ＡＢＯ_２なる構成を有する酸化物絶縁体薄膜とを備え、 上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを
    含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１
    つを含むことを特徴とする半導体素子。
14. 【請求項１４】 III族窒化物より成る半導体層と、 上記半導体層の表面上にエピタキシャル成長形成され、
    ＡＢＯ_２なる構成を有する酸化物絶縁体薄膜とを備え、 上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを
    含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１
    つを含み、且つ、ＬｉＧａＯ_２およびＬｉＡｌＯ_２を除
    くことを特徴とする半導体素子。
15. 【請求項１５】 請求項１３または１４に記載の半導体
    素子において、 上記半導体層の表面が（０００−１）面であり、 上記酸化物絶縁体薄膜の（０００−１）面の面内格子定
    数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の
    面内格子定数より大きく、 上記（０００−１）面上に形成された上記酸化物絶縁体
    薄膜の成長方向が［００−１］方向であって、上記酸化
    物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に２次元正孔
    ガスを生ぜし めることを特徴とする半導体素子。
16. 【請求項１６】 請求項１３または１４に記載の半導体
    素子において、 上記半導体層の表面が（０００１）面であり、 上記酸化物絶縁体薄膜の（０００１）面の面内格子定数
    が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の面
    内格子定数より小さく、 上記（０００１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄
    膜の成長方向が［００１］方向であって、 上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面にに
    ２次元正孔ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体素
    子。
17. 【請求項１７】 請求項１３または１４に記載の半導体
    素子において、 上記半導体層の表面が（０００１）面であり、 上記酸化物絶縁体薄膜の（０００１）面の面内格子定数
    が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の面
    内格子定数より大きく、 上記（０００１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄
    膜の成長方向が［００１］方向であって、 上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に２
    次元電子ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体素
    子。
18. 【請求項１８】 請求項１３または１４に記載の半導体
    素子において、 上記半導体層の表面が（０００−１）面であり、 上記酸化物絶縁体薄膜の（０００−１）面の面内格子定
    数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の
    面内格子定数より小さく、 上記（０００−１）面上に形成された上記酸化物絶縁体
    薄膜の成長方向が［００−１］方向であって、 上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に２
    次元電子ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体素
    子。
19. 【請求項１９】 請求項１５または１７に記載の半導体
    素子において、 上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側の表面内に圧縮
    歪みが加えられていることを特徴とする半導体素子。
20. 【請求項２０】 請求項１６または１８に記載の半導体
    素子において、 上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側の表面内に引張
    り歪みが加えられていることを特徴とする半導体素子。
21. 【請求項２１】 請求項７、８、１１および１２のいず
    れか１つに記載の半導体素子において、 上記半導体層に接する第１，第２の電極と、 上記酸化物絶縁体支持基板に接するゲート電極とを備
    え、 上記第１の電極を上記ゲート電極に対して負電圧にバイ
    アスすることにより、上記酸化物絶縁体支持基板に接す
    る上記半導体層の界面に高移動度な２次元正孔ガスを生
    ぜしめ、上記第２の電極から注入した電子と結合させて
    発光を得ることを特徴とする半導体素子。
22. 【請求項２２】 請求項１５、１６、１９および２０の
    いずれか１つに記載の半導体素子において、 上記半導体層に接する第１，第２の電極と、 上記酸化物絶縁体薄膜に接するゲート電極とを備え、 上記第１の電極を上記ゲート電極に対して負電圧にバイ
    アスすることにより、 上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に高
    移動度な２次元正孔ガスを生ぜしめ、上記第２の電極か
    ら注入した電子と結合させて発光を得ることを特徴とす
    る半導体素子。
23. 【請求項２３】 請求項２１または２２に記載の半導体
    素子において、 上記半導体層が、光またはキャリアの閉じ込め機構を有
    する多層構造より成ることを特徴とする半導体素子。
24. 【請求項２４】 請求項２１乃至２３のいずれか１つに
    記載の半導体素子において、 上記半導体層が、井戸層および障壁層から成る量子井戸
    構造を含むことを特徴とする半導体素子。
25. 【請求項２５】 請求項２１乃至２４のいずれか１つに
    記載の半導体素子において、 上記半導体素子の表面には発光を反射する１対の光共振
    器が設けられ、上記光共振器内において共振増幅された
    誘導放出光が上記光共振器の一方の光共振器面面から取
    り出されることを特徴とする半導体素子。
26. 【請求項２６】 請求項７乃至１２のいずれか１つに記
    載の半導体素子において、 上記半導体層に接するソース電極，ドレイン電極と、 上記酸化物絶縁体支持基板に接するゲート電極とを備
    え、 上記ゲート電極と上記ソース電極との間にバイアス電圧
    を印加することにより、上記酸化物絶縁体支持基板に接
    する上記半導体層の界面に形成された高移動度な２次元
    ガスの流れを制御して電界効果型のトランジスタ動作を
    得ることを特徴とする半導体素子。
27. 【請求項２７】 請求項１５乃至２０のいずれか１つに
    記載の半導体素子において、 上記半導体層に接するソース，ドレイン電極と、 上記酸化物絶縁体薄膜に接するゲート電極とを備え、 上記ゲート電極と上記ソース電極との間にバイアス電圧
    を印加することにより、上記酸化物絶縁体薄膜に接する
    半導体層の界面に形成された高移動度な２次元ガスの流
    れを制御して電界効果型のトランジスタ動作を得ること
    を特徴とする半導体素子。
28. 【請求項２８】 酸化亜鉛系半導体より成る半導体井戸
    層と、 ＡＢＯ_２なる構成を有すると共に、上記Ａの元素がＬ
    ｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含み、且つ、上記
    Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つを含む酸化物絶
    縁体と によりヘテロ超格子構造が構成されていると共に、上記
    半導体井戸層に対して上記酸化物絶縁体を障壁層として
    用いていることを特徴とする半導体素子。
29. 【請求項２９】 III族窒化物半導体より成る半導体井
    戸層と、ＡＢＯ_２なる構成を有すると共に、上記Ａの元
    素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含み、且
    つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つを含
    み、且つ、ＬｉＧａＯ_２およびＬｉＡｌＯ_２を除く酸化
    物絶縁体とによりヘテロ超格子構造が構成されていると
    共に、上記半導体井戸層に対して上記酸化物絶縁体を障
    壁層に用いていることを特徴とする半導体素子。
30. 【請求項３０】 請求項２８または２９に記載の半導体
    素子において、 ２つの上記ヘテロ超格子構造と、２つの上記ヘテロ超格
    子構造によって挟まれた量子井戸構造とから成る発光層
    を備え、 一方の上記ヘテロ超格子構造内に形成されたミニバンド
    から上記発光層内の第２サブバンドへキャリアを注入
    し、上記キャリアが上記発光層内の第１サブバンドへ緩
    和することによって発光を得ることを特徴とする半導体
    素子。
31. 【請求項３１】 請求項２８または２９に記載の半導体
    素子において、 ２つの上記ヘテロ超格子構造と、２つの上記ヘテロ超格
    子構造によって挟まれた量子井戸構造とから成る受光層
    を備え、 一方の上記ヘテロ超格子構造内に形成されたミニバンド
    から上記受光層内の第１サブバンドへキャリアを注入
    し、上記キャリアが上記受光層内で光吸収によりの第２
    サブバンドへ励起されることによって光電流を誘起する
    ことを特徴とする半導体素子。
32. 【請求項３２】 請求項３０または３１に記載の半導体
    素子において、 上記量子井戸構造が多重量子井戸構造であることを特徴
    とする半導体素子。
33. 【請求項３３】 請求項３０乃至３２のいずれか１つに
    記載の半導体素子において、 上記量子井戸構造が不純物ドーピングによって価電子制
    御されていることを特徴とする半導体素子。
34. 【請求項３４】 請求項３３に記載の半導体素子におい
    て、 上記量子井戸構造の井戸層のみに不純物ドーピングされ
    ていることを特徴とする半導体素子。