JP2003104792A - 半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法および半導体素子 - Google Patents
半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法および半導体素子Info
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- JP2003104792A JP2003104792A JP2001302247A JP2001302247A JP2003104792A JP 2003104792 A JP2003104792 A JP 2003104792A JP 2001302247 A JP2001302247 A JP 2001302247A JP 2001302247 A JP2001302247 A JP 2001302247A JP 2003104792 A JP2003104792 A JP 2003104792A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＬＭＢＥ法による半導体薄膜結晶成長におい
て、ドーピング濃度制御方法を広範囲かつ精密に行うこ
とが出来る半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法、
および、キャリア密度が精密に制御された半導体素子を
提供する。 【解決手段】 ドナー不純物であるＧａをＧａ２Ｏ３の
形で添加したＺｎＯ焼結体と、ノンドープＺｎＯ単結晶
とをエキシマレーザ光８でレーザアブレーションして、
半導体基板３上に半導体薄膜結晶を成長させる。これに
より、そのＺｎＯ焼結体のみをアブレーションした場合
よりも少ないドーピング濃度を制御することが出来き
る。
て、ドーピング濃度制御方法を広範囲かつ精密に行うこ
とが出来る半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法、
および、キャリア密度が精密に制御された半導体素子を
提供する。 【解決手段】 ドナー不純物であるＧａをＧａ２Ｏ３の
形で添加したＺｎＯ焼結体と、ノンドープＺｎＯ単結晶
とをエキシマレーザ光８でレーザアブレーションして、
半導体基板３上に半導体薄膜結晶を成長させる。これに
より、そのＺｎＯ焼結体のみをアブレーションした場合
よりも少ないドーピング濃度を制御することが出来き
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体薄膜結晶のド
ーピング濃度制御方法および半導体素子に関する。
ーピング濃度制御方法および半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】バンドギャップがおよそ３ｅＶかそれ以
上である直接遷移型半導体は、青色から紫外発光の素子
を実現出来る材料として期待されている。このような材
料にはIII−V族化合物半導体であるＧａＮ（窒化ガリウ
ム）や、II−VI族化合物半導体であるＺｎＳｅ（セレン
化亜鉛）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などがある。そのなかで
もＺｎＯは、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ＺｎＳ
ｅよりも高効率・低消費電力な発光デバイスを実現出来
る可能性がある。
上である直接遷移型半導体は、青色から紫外発光の素子
を実現出来る材料として期待されている。このような材
料にはIII−V族化合物半導体であるＧａＮ（窒化ガリウ
ム）や、II−VI族化合物半導体であるＺｎＳｅ（セレン
化亜鉛）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などがある。そのなかで
もＺｎＯは、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ＺｎＳ
ｅよりも高効率・低消費電力な発光デバイスを実現出来
る可能性がある。
【０００３】上記ＧａＮ、ＺｎＳｅおよびＺｎＯなどの
半導体における結晶成長の手法には、ＣＶＤ（化学気相
堆積）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法などがある
が、酸化物薄膜成長では、母体原料のターゲットを短波
長パルスレーザでレーザアブレーションし、放出される
フラグメントを基板上に堆積させるＰＬＤ（パルスレー
ザ堆積）法が広く用いられ、特に上記ＺｎＯの結晶成長
においてはＰＬＤを高真空チャンバ内で行うＬＭＢＥ
（レーザ分子線エピタキシー）法が適している。
半導体における結晶成長の手法には、ＣＶＤ（化学気相
堆積）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法などがある
が、酸化物薄膜成長では、母体原料のターゲットを短波
長パルスレーザでレーザアブレーションし、放出される
フラグメントを基板上に堆積させるＰＬＤ（パルスレー
ザ堆積）法が広く用いられ、特に上記ＺｎＯの結晶成長
においてはＰＬＤを高真空チャンバ内で行うＬＭＢＥ
（レーザ分子線エピタキシー）法が適している。
【０００４】ＬＭＢＥ法による半導体結晶成長において
半導体結晶の電気伝導を制御するには、ドーパント不純
物元素あるいは不純物元素を含有する化合物を母体原料
に添加して焼結ターゲットを作製し、その焼結ターゲッ
トをレーザアブレーションしてドーピングする手法が簡
便である。また、ＰＬＤ法やＬＭＢＥ法では、ターゲッ
トと成長した膜の組成ずれが少ないため、ドーパント不
純物元素の添加量を制御することによりドーピング濃度
を精密に制御出来る点で、セルを用いたＭＢＥ法による
ドーピング手法よりも優れている。
半導体結晶の電気伝導を制御するには、ドーパント不純
物元素あるいは不純物元素を含有する化合物を母体原料
に添加して焼結ターゲットを作製し、その焼結ターゲッ
トをレーザアブレーションしてドーピングする手法が簡
便である。また、ＰＬＤ法やＬＭＢＥ法では、ターゲッ
トと成長した膜の組成ずれが少ないため、ドーパント不
純物元素の添加量を制御することによりドーピング濃度
を精密に制御出来る点で、セルを用いたＭＢＥ法による
ドーピング手法よりも優れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ＬＭＢＥ
法では、焼結ターゲットへの不純物添加は０．１ａｔ％
〜０．５ａｔ％が制御の限界であり、これより少量の不
純物を精密に添加することは困難である。０．１ａｔ％
〜０．５ａｔ％はドーピング濃度にして１×１０ １９ｃ
ｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３に相当し、このドーピン
グ濃度は結晶性、導電率あるいは光透過率などの要請か
ら決定される通常の半導体のドーピング濃度より１桁以
上大きいという問題があった。
法では、焼結ターゲットへの不純物添加は０．１ａｔ％
〜０．５ａｔ％が制御の限界であり、これより少量の不
純物を精密に添加することは困難である。０．１ａｔ％
〜０．５ａｔ％はドーピング濃度にして１×１０ １９ｃ
ｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３に相当し、このドーピン
グ濃度は結晶性、導電率あるいは光透過率などの要請か
ら決定される通常の半導体のドーピング濃度より１桁以
上大きいという問題があった。
【０００６】また、上記焼結ターゲットの作製工程にお
いて、原料の粉砕や焼成時に不純物が混入しやすい。特
に焼成時のルツボには安価なアルミナ製が用いられるこ
とが多く、焼成時の過程でＡｌおよびＡｌ化合物が成長
結晶内に混入する。ＡｌおよびＡｌ化合物はＺｎＯなど
のII−VI族化合物半導体ではドナー不純物となるため、
ドーピング濃度の制御が不安定となる。
いて、原料の粉砕や焼成時に不純物が混入しやすい。特
に焼成時のルツボには安価なアルミナ製が用いられるこ
とが多く、焼成時の過程でＡｌおよびＡｌ化合物が成長
結晶内に混入する。ＡｌおよびＡｌ化合物はＺｎＯなど
のII−VI族化合物半導体ではドナー不純物となるため、
ドーピング濃度の制御が不安定となる。
【０００７】更に、種々のデバイス作製工程においては
組成比およびドーピング濃度を変化させた積層構造を形
成する必要があり、構造が複雑になるのに伴って不純物
添加量の異なる多数の焼結ターゲットを準備する必要が
ある。
組成比およびドーピング濃度を変化させた積層構造を形
成する必要があり、構造が複雑になるのに伴って不純物
添加量の異なる多数の焼結ターゲットを準備する必要が
ある。
【０００８】そこで、本発明の目的は、ＬＭＢＥ法によ
る半導体薄膜結晶成長において、ドーピング濃度制御方
法を広範囲かつ精密に行うことが出来る半導体薄膜結晶
のドーピング濃度制御方法、および、キャリア密度が精
密に制御された半導体素子を提供することにある。
る半導体薄膜結晶成長において、ドーピング濃度制御方
法を広範囲かつ精密に行うことが出来る半導体薄膜結晶
のドーピング濃度制御方法、および、キャリア密度が精
密に制御された半導体素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法
は、レーザ分子線エピタキシー法で結晶を成長させる半
導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法であって、上記
半導体薄膜結晶に不純物ドーピングを行う際、不純物元
素または不純物元素を含む化合物と母体とを含有した不
純物添加母体半導体原料と、上記母体のみからなる母体
半導体原料とを所定の比率でレーザアブレーションする
ことを特徴としている。
め、本発明の半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法
は、レーザ分子線エピタキシー法で結晶を成長させる半
導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法であって、上記
半導体薄膜結晶に不純物ドーピングを行う際、不純物元
素または不純物元素を含む化合物と母体とを含有した不
純物添加母体半導体原料と、上記母体のみからなる母体
半導体原料とを所定の比率でレーザアブレーションする
ことを特徴としている。
【００１０】上記構成の半導体薄膜結晶のドーピング濃
度制御方法によれば、上記不純物添加母体半導体原料と
上記母体半導体原料とをレーザアブレーションすること
により、ドーパントの希釈効果が生じる。従って、上記
不純物添加母体半導体原料に行うレーザアブレーション
と、母体半導体原料に行うレーザアブレーションとの比
率を調節することにより、不純物添加母体半導体原料の
みをアブレーションした場合よりも少ないドーピング濃
度を制御することが出来るので、ドーピング濃度制御を
広範囲かつ精密に行うことが出来る。
度制御方法によれば、上記不純物添加母体半導体原料と
上記母体半導体原料とをレーザアブレーションすること
により、ドーパントの希釈効果が生じる。従って、上記
不純物添加母体半導体原料に行うレーザアブレーション
と、母体半導体原料に行うレーザアブレーションとの比
率を調節することにより、不純物添加母体半導体原料の
みをアブレーションした場合よりも少ないドーピング濃
度を制御することが出来るので、ドーピング濃度制御を
広範囲かつ精密に行うことが出来る。
【００１１】また、上記半導体薄膜結晶内への意図しな
い混入不純物に対しても希釈効果が生じるので、ドーピ
ング濃度の制御が不安定になるのを阻止することが出来
る。
い混入不純物に対しても希釈効果が生じるので、ドーピ
ング濃度の制御が不安定になるのを阻止することが出来
る。
【００１２】また、上記不純物添加母体半導体原料と母
体半導体原料とを所定の比率でレーザアブレーションす
ることにより、ドーピング濃度を制御することが出来る
ので、不純物添加量の異なる多数の焼結ターゲットを準
備しなくてもよく、組成比およびドーピング濃度を変化
させた積層構造を形成することが出来る。
体半導体原料とを所定の比率でレーザアブレーションす
ることにより、ドーピング濃度を制御することが出来る
ので、不純物添加量の異なる多数の焼結ターゲットを準
備しなくてもよく、組成比およびドーピング濃度を変化
させた積層構造を形成することが出来る。
【００１３】このように、上記半導体薄膜結晶のドーピ
ング濃度制御方法は、最小限のターゲット数でドーピン
グ濃度制御を広範囲かつ精密に行うことが出来る。
ング濃度制御方法は、最小限のターゲット数でドーピン
グ濃度制御を広範囲かつ精密に行うことが出来る。
【００１４】一実施形態の半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法は、上記不純物添加母体半導体原料と上記
母体半導体原料とをそれぞれ異なるパルスレーザ励起源
によってレーザアブレーションする。
濃度制御方法は、上記不純物添加母体半導体原料と上記
母体半導体原料とをそれぞれ異なるパルスレーザ励起源
によってレーザアブレーションする。
【００１５】上記実施形態の半導体薄膜結晶のドーピン
グ濃度制御方法によれば、例えば、上記不純物添加母体
半導体原料と上記母体半導体原料とを１つのパルスレー
ザ励起源で交互にレーザアブレーションするには、不純
物添加母体半導体原料，母体半導体原料をレーザアブレ
ーション位置に移動させる駆動機構を要するが、不純物
添加母体半導体原料と母体半導体原料とをそれぞれ異な
るパルスレーザ励起源によってレーザアブレーションす
ることにより、交互にレーザアブレーションするために
ターゲット（不純物添加母体半導体原料，母体半導体原
料）を駆動する時間を省くことが出来て、成膜時間のロ
スが少なくなる。つまり、上記半導体薄膜結晶を短時間
で成長させることが出来る。その結果、上記半導体薄膜
結晶の成長表面から堆積物が再蒸発するのを防ぎ、ドー
ピング濃度や構成元素組成のずれを生じにくい。
グ濃度制御方法によれば、例えば、上記不純物添加母体
半導体原料と上記母体半導体原料とを１つのパルスレー
ザ励起源で交互にレーザアブレーションするには、不純
物添加母体半導体原料，母体半導体原料をレーザアブレ
ーション位置に移動させる駆動機構を要するが、不純物
添加母体半導体原料と母体半導体原料とをそれぞれ異な
るパルスレーザ励起源によってレーザアブレーションす
ることにより、交互にレーザアブレーションするために
ターゲット（不純物添加母体半導体原料，母体半導体原
料）を駆動する時間を省くことが出来て、成膜時間のロ
スが少なくなる。つまり、上記半導体薄膜結晶を短時間
で成長させることが出来る。その結果、上記半導体薄膜
結晶の成長表面から堆積物が再蒸発するのを防ぎ、ドー
ピング濃度や構成元素組成のずれを生じにくい。
【００１６】また、上記実施形態の半導体薄膜結晶のド
ーピング濃度制御方法は、不純物添加母体半導体原料と
母体半導体原料とをそれぞれ異なるパルスレーザ励起源
によって同時にレーザアブレーションしてもよい。
ーピング濃度制御方法は、不純物添加母体半導体原料と
母体半導体原料とをそれぞれ異なるパルスレーザ励起源
によって同時にレーザアブレーションしてもよい。
【００１７】一実施形態の半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法は、上記半導体薄膜結晶の単位分子層厚を
複数の周期のレーザアブレーションで得ていて、その各
周期において上記不純物添加母体半導体原料と上記母体
半導体原料とを所定の比率でレーザアブレーションす
る。
濃度制御方法は、上記半導体薄膜結晶の単位分子層厚を
複数の周期のレーザアブレーションで得ていて、その各
周期において上記不純物添加母体半導体原料と上記母体
半導体原料とを所定の比率でレーザアブレーションす
る。
【００１８】上記実施形態の半導体薄膜結晶のドーピン
グ濃度制御方法によれば、上記半導体薄膜結晶の単位分
子層厚を得るための複数の周期のそれぞれにおいて、不
純物添加母体半導体原料と母体半導体原料とを所定の比
率でレーザアブレーションすることにより、不純物が単
位分子層内に採り込まれて、半導体薄膜結晶内において
均一な不純物ドーピングが実現される。
グ濃度制御方法によれば、上記半導体薄膜結晶の単位分
子層厚を得るための複数の周期のそれぞれにおいて、不
純物添加母体半導体原料と母体半導体原料とを所定の比
率でレーザアブレーションすることにより、不純物が単
位分子層内に採り込まれて、半導体薄膜結晶内において
均一な不純物ドーピングが実現される。
【００１９】一実施形態の半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法は、上記母体がＺｎＯである。
濃度制御方法は、上記母体がＺｎＯである。
【００２０】上記実施形態の半導体薄膜結晶のドーピン
グ濃度制御方法によれば、ＬＭＢＥ法による結晶成長が
適している酸化物半導体、特にＺｎＯに対して効果的で
ある。従って、上記母体がＺｎＯであるから、ドーピン
グ濃度を精密且つ確実に制御することが出来る。
グ濃度制御方法によれば、ＬＭＢＥ法による結晶成長が
適している酸化物半導体、特にＺｎＯに対して効果的で
ある。従って、上記母体がＺｎＯであるから、ドーピン
グ濃度を精密且つ確実に制御することが出来る。
【００２１】一実施形態の半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法は、上記不純物ドーピングがドナー・アク
セプタ同時ドーピング法である。
濃度制御方法は、上記不純物ドーピングがドナー・アク
セプタ同時ドーピング法である。
【００２２】上記実施形態の半導体薄膜結晶のドーピン
グ濃度制御方法によれば、例えばＺｎＯなどのワイドギ
ャップ化合物半導体に関して、低抵抗ｐ型半導体を得る
ために考案されたドナー・アクセプタ同時ドーピング法
においては、ドナー・アクセプタドーピング濃度の厳密
制御と特殊な配位が要求されるが、本発明はドーピング
濃度制御方法に優れた効果を発揮するので、高活性化率
で低抵抗なｐ型半導体を得ることが出来る。
グ濃度制御方法によれば、例えばＺｎＯなどのワイドギ
ャップ化合物半導体に関して、低抵抗ｐ型半導体を得る
ために考案されたドナー・アクセプタ同時ドーピング法
においては、ドナー・アクセプタドーピング濃度の厳密
制御と特殊な配位が要求されるが、本発明はドーピング
濃度制御方法に優れた効果を発揮するので、高活性化率
で低抵抗なｐ型半導体を得ることが出来る。
【００２３】一実施形態の半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法は、上記不純物添加母体半導体原料のレー
ザアブレーションと、上記母体半導体原料のレーザアブ
レーションとを交互に行う。
濃度制御方法は、上記不純物添加母体半導体原料のレー
ザアブレーションと、上記母体半導体原料のレーザアブ
レーションとを交互に行う。
【００２４】上記実施形態の半導体薄膜結晶のドーピン
グ濃度制御方法によれば、上記不純物添加母体半導体原
料のレーザアブレーションと、上記母体半導体原料のレ
ーザアブレーションとを交互に行うから、ドーパントの
希釈効果をより高めることができる。
グ濃度制御方法によれば、上記不純物添加母体半導体原
料のレーザアブレーションと、上記母体半導体原料のレ
ーザアブレーションとを交互に行うから、ドーパントの
希釈効果をより高めることができる。
【００２５】また、本発明の半導体素子は、キャリア密
度が１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範
囲で制御されている酸化亜鉛系半導体層を備えている。
度が１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範
囲で制御されている酸化亜鉛系半導体層を備えている。
【００２６】上記構成の半導体素子は、上記キャリア密
度が１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３の広範囲にお
いて精密に制御されている酸化亜鉛系半導体層を備えて
いるので、ＬＭＢＥ法による結晶成長が適している酸化
物半導体、例えば特にＺｎＯを材料とする室温励起子発
光素子や透明薄膜トランジスタなどに応用して、室温励
起子発光素子や透明薄膜トランジスタを実現することが
出来る。
度が１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３の広範囲にお
いて精密に制御されている酸化亜鉛系半導体層を備えて
いるので、ＬＭＢＥ法による結晶成長が適している酸化
物半導体、例えば特にＺｎＯを材料とする室温励起子発
光素子や透明薄膜トランジスタなどに応用して、室温励
起子発光素子や透明薄膜トランジスタを実現することが
出来る。
【００２７】一実施形態の半導体素子は、上記酸化亜鉛
系半導体層はＺｎＯからなっている。
系半導体層はＺｎＯからなっている。
【００２８】一実施形態の半導体素子は、上記酸化亜鉛
系半導体層はＺｎＭｇＯまたはＺｎＣｄＯの混晶からな
っている。
系半導体層はＺｎＭｇＯまたはＺｎＣｄＯの混晶からな
っている。
【００２９】一実施形態の半導体素子は、上記半導体薄
膜結晶のドーピング濃度制御方法を用いて上記キャリア
密度が得られている。
膜結晶のドーピング濃度制御方法を用いて上記キャリア
密度が得られている。
【００３０】上記実施形態の半導体素子によれば、上記
半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法を用いること
により、上記キャリア密度を確実に得ることができる。
半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法を用いること
により、上記キャリア密度を確実に得ることができる。
【００３１】
【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。
に基づき具体的に説明する。
【００３２】（実施形態１）実施形態１として、ｎ型Ｚ
ｎＯ薄膜の作製に本発明を適用した例を示す。
ｎＯ薄膜の作製に本発明を適用した例を示す。
【００３３】図１は本実施形態１において用いたレーザ
分子線エピタキシ装置の概略構成図である。
分子線エピタキシ装置の概略構成図である。
【００３４】上記ＬＭＢＥ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の
上方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を複数配置出来る。
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の
上方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を複数配置出来る。
【００３５】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を通して照射される
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。
の側面に設けられたビューポート７を通して照射される
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。
【００３６】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。
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。
【００３７】また、上記成長室１には、Ｏ２ガスを成長
室１内に供給するためのＯ２ガス導入管１０Ａを設ける
と共に、Ｎ２ガスをＮ２ラジカル源９に供給するための
Ｎ２ガス導入管１０Ｂを設けている。そのＮ２ラジカル
源９によって活性化された原子状ビームを基板３に照射
することも可能である。なお、参照番号１１で指示して
いるのは、プルーム（放出粒子群）である。
室１内に供給するためのＯ２ガス導入管１０Ａを設ける
と共に、Ｎ２ガスをＮ２ラジカル源９に供給するための
Ｎ２ガス導入管１０Ｂを設けている。そのＮ２ラジカル
源９によって活性化された原子状ビームを基板３に照射
することも可能である。なお、参照番号１１で指示して
いるのは、プルーム（放出粒子群）である。
【００３８】上記構成のＬＭＢＥ装置を用いたＺｎＯ結
晶成長においては、基板としてＺｎＯ単結晶基板やサフ
ァイア基板などを用いることが出来るが、本実施形態１
においては、ＳｃＭｇＡｌＯ４単結晶基板を用いた。こ
のとき、ＺｎＯ結晶成長を行うための面として、ＺｎＯ
とa軸方向の格子不整合が極めて小さい（０.０９％）Ｓ
ｃＭｇＡｌＯ４単結晶基板の（０００１）面を用いた。
晶成長においては、基板としてＺｎＯ単結晶基板やサフ
ァイア基板などを用いることが出来るが、本実施形態１
においては、ＳｃＭｇＡｌＯ４単結晶基板を用いた。こ
のとき、ＺｎＯ結晶成長を行うための面として、ＺｎＯ
とa軸方向の格子不整合が極めて小さい（０.０９％）Ｓ
ｃＭｇＡｌＯ４単結晶基板の（０００１）面を用いた。
【００３９】また、基板加熱はヒーターとしてＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を用い、基板ホルダー
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３の全体を均一に加熱した。そして、結晶成長中には
酸素ガスを、Ｏ２ガス導入管１０Ａより圧力１×１０
−５Ｔｏｒｒとなるように成長室１内に導入した。
ＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を用い、基板ホルダー
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３の全体を均一に加熱した。そして、結晶成長中には
酸素ガスを、Ｏ２ガス導入管１０Ａより圧力１×１０
−５Ｔｏｒｒとなるように成長室１内に導入した。
【００４０】また、本実施形態１においては、不純物添
加母体半導体原料の一例としてのＺｎＯ焼結体（純度９
９．９９％）を原料ターゲットとして用いると共に、母
体半導体原料の一例としてのノンドープＺｎＯ単結晶
（純度９９．９９９９％）を原料ターゲットとして用い
た。そのＺｎＯ焼結体はドナー不純物であるＧａをＧａ
２Ｏ３の形で０．５ａｔ％添加されたものである。この
場合、上記ＺｎＯ焼結体は、不純物元素の一例としての
Ｇａを含む化合物の一例としてのＧａ２Ｏ３と、母体の
一例としてのＺｎＯとを含有している。また、ノンドー
プＺｎＯ単結晶（純度９９．９９９９％）は水熱合成法
により作製された市販のものである。以下、上記ＺｎＯ
焼結体を焼結体ターゲットと称し、ノンドープＺｎＯ単
結晶を単結晶ターゲットと称して、ＺｎＯ焼結体とノン
ドープＺｎＯ単結晶とを区別する。
加母体半導体原料の一例としてのＺｎＯ焼結体（純度９
９．９９％）を原料ターゲットとして用いると共に、母
体半導体原料の一例としてのノンドープＺｎＯ単結晶
（純度９９．９９９９％）を原料ターゲットとして用い
た。そのＺｎＯ焼結体はドナー不純物であるＧａをＧａ
２Ｏ３の形で０．５ａｔ％添加されたものである。この
場合、上記ＺｎＯ焼結体は、不純物元素の一例としての
Ｇａを含む化合物の一例としてのＧａ２Ｏ３と、母体の
一例としてのＺｎＯとを含有している。また、ノンドー
プＺｎＯ単結晶（純度９９．９９９９％）は水熱合成法
により作製された市販のものである。以下、上記ＺｎＯ
焼結体を焼結体ターゲットと称し、ノンドープＺｎＯ単
結晶を単結晶ターゲットと称して、ＺｎＯ焼結体とノン
ドープＺｎＯ単結晶とを区別する。
【００４１】上記レーザアブレーションを行うパルスレ
ーザにはＫｒＦエキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ，周
波数：１０Ｈｚ，出力０．９ｍＪ／ｃｍ２）を用いた。
本実施形態１では、回転機構によるターゲットテーブル
５の駆動周期とＫｒＦエキシマレーザのパルス照射周期
を外部制御装置（図示しない）によって同期させ、焼結
体ターゲットおよび単結晶ターゲットを交互にレーザア
ブレーションした。
ーザにはＫｒＦエキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ，周
波数：１０Ｈｚ，出力０．９ｍＪ／ｃｍ２）を用いた。
本実施形態１では、回転機構によるターゲットテーブル
５の駆動周期とＫｒＦエキシマレーザのパルス照射周期
を外部制御装置（図示しない）によって同期させ、焼結
体ターゲットおよび単結晶ターゲットを交互にレーザア
ブレーションした。
【００４２】図２（ａ），（ｂ）に、本実施形態１の原
料供給シーケンスの一例を示す。
料供給シーケンスの一例を示す。
【００４３】まず、図２（ａ）に示すように、上記単結
晶ターゲットに対してレーザアブレーションを４９パル
ス行う。その後、上記ターゲットテーブル５を回転駆動
させて、単結晶ターゲットをレーザ照射位置（アブレー
ションポイント）から離し、焼結体ターゲットをレーザ
照射位置に位置させる。そして、図２（ｂ）に示すよう
に、上記焼結体ターゲットに対してレーザアブレーショ
ンを１パルス行う。このように、本実施形態１では、レ
ーザアブレーションの１シーケンスにおいて、単結晶タ
ーゲットに対するレーザアブレーションのパルス数は４
９パルスであり、焼結体ターゲットに対するレーザアブ
レーションのパルス数は１パルスである。
晶ターゲットに対してレーザアブレーションを４９パル
ス行う。その後、上記ターゲットテーブル５を回転駆動
させて、単結晶ターゲットをレーザ照射位置（アブレー
ションポイント）から離し、焼結体ターゲットをレーザ
照射位置に位置させる。そして、図２（ｂ）に示すよう
に、上記焼結体ターゲットに対してレーザアブレーショ
ンを１パルス行う。このように、本実施形態１では、レ
ーザアブレーションの１シーケンスにおいて、単結晶タ
ーゲットに対するレーザアブレーションのパルス数は４
９パルスであり、焼結体ターゲットに対するレーザアブ
レーションのパルス数は１パルスである。
【００４４】図３に、アブレーション比と、ＳＩＭＳ
（２次イオン質量分析）によって測定したＧａドーピン
グ濃度との関係を示す。ここで、上記アブレーション比
を、焼結体ターゲットのアブレーションパルス数を基準
とした単結晶ターゲットのアブレーションパルス数で定
義する。そして、図３中の破線は、焼結体ターゲットの
みを連続的にアブレーションして得られる半導体結晶に
おけるＧａ濃度である。図３中の実線は、単結晶ターゲ
ットと焼結体ターゲットとを交互にレーザアブレーショ
ンして得られる半導体結晶におけるＧａ濃度である。図
３の破線，実線から分るように、本発明の交互レーザア
ブレーションによって、更に少ないＧａ濃度範囲まで制
御が可能である。
（２次イオン質量分析）によって測定したＧａドーピン
グ濃度との関係を示す。ここで、上記アブレーション比
を、焼結体ターゲットのアブレーションパルス数を基準
とした単結晶ターゲットのアブレーションパルス数で定
義する。そして、図３中の破線は、焼結体ターゲットの
みを連続的にアブレーションして得られる半導体結晶に
おけるＧａ濃度である。図３中の実線は、単結晶ターゲ
ットと焼結体ターゲットとを交互にレーザアブレーショ
ンして得られる半導体結晶におけるＧａ濃度である。図
３の破線，実線から分るように、本発明の交互レーザア
ブレーションによって、更に少ないＧａ濃度範囲まで制
御が可能である。
【００４５】図４（ａ）は、上記焼結体ターゲットと単
結晶ターゲットを１：２０の比率で交互にレーザアブレ
ーションして得た試料（Ｇａドーピング濃度=２×１０
１９ｃｍ−３）について、ＳＩＭＳで測定したＧａ濃度
（実線で示す）およびＡｌ濃度（点線で示す）のデプス
プロファイルである。ここで、Ａｌはターゲットの製作
工程で混入した意図しない不純物である。また、図４
（ｂ）には比較例として、連続アブレーションによって
同じＧａドーピング濃度を実現した試料のＳＩＭＳ測定
結果についても示した。図４（ｂ）においても、試料の
Ｇａ濃度を実線で示し、試料のＡｌ濃度を点線で示して
いる。図４（ａ）と図４（ｂ）とを比較すると、交互ア
ブレーションの比率に対応してＡｌ不純物濃度が減少し
ている。すなわち、本発明の交互アブレーションにおい
ては、意図しない不純物を希釈する効果があることがわ
かる。このように、意図しない不純物を希釈することが
できるので、ドーピング濃度の制御が不安定になるのを
阻止することが出来る。
結晶ターゲットを１：２０の比率で交互にレーザアブレ
ーションして得た試料（Ｇａドーピング濃度=２×１０
１９ｃｍ−３）について、ＳＩＭＳで測定したＧａ濃度
（実線で示す）およびＡｌ濃度（点線で示す）のデプス
プロファイルである。ここで、Ａｌはターゲットの製作
工程で混入した意図しない不純物である。また、図４
（ｂ）には比較例として、連続アブレーションによって
同じＧａドーピング濃度を実現した試料のＳＩＭＳ測定
結果についても示した。図４（ｂ）においても、試料の
Ｇａ濃度を実線で示し、試料のＡｌ濃度を点線で示して
いる。図４（ａ）と図４（ｂ）とを比較すると、交互ア
ブレーションの比率に対応してＡｌ不純物濃度が減少し
ている。すなわち、本発明の交互アブレーションにおい
ては、意図しない不純物を希釈する効果があることがわ
かる。このように、意図しない不純物を希釈することが
できるので、ドーピング濃度の制御が不安定になるのを
阻止することが出来る。
【００４６】本実施形態１のＺｎＯ堆積速度は、ＫｒＦ
エキシマレーザ１パルス当り０．１Åであった。ＺｎＯ
のユニットセル高さは約５Åであるので、アブレーショ
ン比が４９以下であれば、ＺｎＯ単位分子層中にはＧａ
ドナーが必ず含まれる。すなわち、１分子層が成長する
アブレーションの周期内にドーパント不純物添加ターゲ
ットを１度以上アブレーションするようにアブレーショ
ン比を設定すれば、薄膜内で均一なドーピングが実現さ
れるので好ましい。
エキシマレーザ１パルス当り０．１Åであった。ＺｎＯ
のユニットセル高さは約５Åであるので、アブレーショ
ン比が４９以下であれば、ＺｎＯ単位分子層中にはＧａ
ドナーが必ず含まれる。すなわち、１分子層が成長する
アブレーションの周期内にドーパント不純物添加ターゲ
ットを１度以上アブレーションするようにアブレーショ
ン比を設定すれば、薄膜内で均一なドーピングが実現さ
れるので好ましい。
【００４７】また、Ｇａ２Ｏ３とＺｎＯと含有するＺｎ
Ｏ焼結体を原料ターゲットとして用いていたが、そのＺ
ｎＯ焼結体を原料ターゲットとして用いる代わりに、Ｇ
ａ２Ｏ３からなるＧａ２Ｏ３焼結体を原料ターゲットと
して用いてもよい。
Ｏ焼結体を原料ターゲットとして用いていたが、そのＺ
ｎＯ焼結体を原料ターゲットとして用いる代わりに、Ｇ
ａ２Ｏ３からなるＧａ２Ｏ３焼結体を原料ターゲットと
して用いてもよい。
【００４８】（実施形態２）本実施形態２においては、
ターゲットテーブル５を固定し、焼結体ターゲットと単
結晶ターゲットとをそれぞれ異なるＫｒＦエキシマレー
ザによってレーザアブレーションした。このとき、上記
焼結体ターゲットおよび単結晶ターゲットの配置とアブ
レーションポイントは、基板面内で膜厚分布やＧａドー
ピング濃度分布を生じないように近接させた。
ターゲットテーブル５を固定し、焼結体ターゲットと単
結晶ターゲットとをそれぞれ異なるＫｒＦエキシマレー
ザによってレーザアブレーションした。このとき、上記
焼結体ターゲットおよび単結晶ターゲットの配置とアブ
レーションポイントは、基板面内で膜厚分布やＧａドー
ピング濃度分布を生じないように近接させた。
【００４９】図５（ａ），（ｂ）に、本実施形態２の原
料供給シーケンスの一例を示す。
料供給シーケンスの一例を示す。
【００５０】まず、図５（ａ）に示すように、上記単結
晶ターゲットに対してレーザアブレーションを４９パル
ス行う。そして、そのＫｒＦエキシマレーザとは別のＫ
ｒＦエキシマレーザを用いて、図５（ｂ）に示すよう
に、焼結体ターゲットに対してレーザアブレーションを
１パルス行う。
晶ターゲットに対してレーザアブレーションを４９パル
ス行う。そして、そのＫｒＦエキシマレーザとは別のＫ
ｒＦエキシマレーザを用いて、図５（ｂ）に示すよう
に、焼結体ターゲットに対してレーザアブレーションを
１パルス行う。
【００５１】このように、上記焼結体ターゲットと単結
晶ターゲットとをそれぞれ異なるＫｒＦエキシマレーザ
によってレーザアブレーションすることにより、ターゲ
ットテーブル５の回転駆動が不要となる。その結果、上
記実施形態１に比べて単位シーケンス当りの成膜に寄与
しない時間が短縮された。その他の条件は上記実施形態
１と同様である。なお、本実施形態２のレーザアブレー
ションの１シーケンスにおいても、単結晶ターゲットに
おけるレーザアブレーションのパルス数は４９パルスで
あり、焼結体ターゲットにおけるレーザアブレーション
のパルス数は１パルスである。
晶ターゲットとをそれぞれ異なるＫｒＦエキシマレーザ
によってレーザアブレーションすることにより、ターゲ
ットテーブル５の回転駆動が不要となる。その結果、上
記実施形態１に比べて単位シーケンス当りの成膜に寄与
しない時間が短縮された。その他の条件は上記実施形態
１と同様である。なお、本実施形態２のレーザアブレー
ションの１シーケンスにおいても、単結晶ターゲットに
おけるレーザアブレーションのパルス数は４９パルスで
あり、焼結体ターゲットにおけるレーザアブレーション
のパルス数は１パルスである。
【００５２】図６に、本実施形態２によって作製したＺ
ｎＯ薄膜について、アブレーション比と、ＳＩＭＳ測定
によるＧａドーピング濃度との関係を示す。なお、図６
中の実線は、本実施形態２のＺｎＯ薄膜における上記関
係を示し、図６中の破線は、図３に示した上記実施形態
１において交互アブレーションにより作製したＺｎＯ薄
膜における上記関係を示す。
ｎＯ薄膜について、アブレーション比と、ＳＩＭＳ測定
によるＧａドーピング濃度との関係を示す。なお、図６
中の実線は、本実施形態２のＺｎＯ薄膜における上記関
係を示し、図６中の破線は、図３に示した上記実施形態
１において交互アブレーションにより作製したＺｎＯ薄
膜における上記関係を示す。
【００５３】図６から分るように、本実施形態２のＺｎ
Ｏ薄膜においてアブレーション比とＧａドーピング濃度
とは厳密に反比例の関係にある。上記実施形態１の交互
アブレーションではターゲットテーブル５を回転駆動す
る間にＺｎＯの再蒸発が起こりＧａが濃縮されていると
考えられるが、本実施形態２ではターゲットテーブル５
の回転駆動が不要なので、堆積物（ＺｎＯ）の再蒸発が
起こらずアブレーション比とＧａドーピング濃度との変
化率が一意に対応したものと考えられる。すなわち、本
実施形態２においては上記実施形態１の交互アブレーシ
ョンに比べＧａドーピング濃度をより精密に制御するこ
とが出来る。
Ｏ薄膜においてアブレーション比とＧａドーピング濃度
とは厳密に反比例の関係にある。上記実施形態１の交互
アブレーションではターゲットテーブル５を回転駆動す
る間にＺｎＯの再蒸発が起こりＧａが濃縮されていると
考えられるが、本実施形態２ではターゲットテーブル５
の回転駆動が不要なので、堆積物（ＺｎＯ）の再蒸発が
起こらずアブレーション比とＧａドーピング濃度との変
化率が一意に対応したものと考えられる。すなわち、本
実施形態２においては上記実施形態１の交互アブレーシ
ョンに比べＧａドーピング濃度をより精密に制御するこ
とが出来る。
【００５４】なお、本実施形態２に、実施形態１のター
ゲットテーブル５の回転駆動を適用して、膜厚およびＧ
ａドーピング濃度分布を更に均一化することもできる。
この場合においても、上記第１実施形態の交互アブレー
ションに比べて駆動時間が短縮されるならば、本実施形
態２の効果は損われない。
ゲットテーブル５の回転駆動を適用して、膜厚およびＧ
ａドーピング濃度分布を更に均一化することもできる。
この場合においても、上記第１実施形態の交互アブレー
ションに比べて駆動時間が短縮されるならば、本実施形
態２の効果は損われない。
【００５５】（実施形態３）本実施形態３においては、
ドナー・アクセプタ同時ドーピング法を用いたp型ＺｎＯ
薄膜の作製に本発明を適用した例を示す。
ドナー・アクセプタ同時ドーピング法を用いたp型ＺｎＯ
薄膜の作製に本発明を適用した例を示す。
【００５６】アクセプタ不純物となる窒素（Ｎ）は、ラ
ジカル源９によってＮ２ガスをプラズマ化して生成され
た活性窒素の状態で基板３に供給される。このとき、窒
素ガスの分圧は３×１０−５Ｔｏｒｒとした。そして、
アブレーション比によってＧａ濃度を変化させ、成長温
度によってN濃度を変化させて、ｐ型ＺｎＯとなるドナ
ー・アクセプタ同時ドーピング条件を調べた。Ｎ２分圧
およびラジカルの条件は全て一定とした。その他の条件
は実施形態２と同様である。
ジカル源９によってＮ２ガスをプラズマ化して生成され
た活性窒素の状態で基板３に供給される。このとき、窒
素ガスの分圧は３×１０−５Ｔｏｒｒとした。そして、
アブレーション比によってＧａ濃度を変化させ、成長温
度によってN濃度を変化させて、ｐ型ＺｎＯとなるドナ
ー・アクセプタ同時ドーピング条件を調べた。Ｎ２分圧
およびラジカルの条件は全て一定とした。その他の条件
は実施形態２と同様である。
【００５７】図７に、ｐ型伝導を示したＺｎＯ薄膜につ
いて膜中のＧａドーピング濃度とＮドーピング濃度との
関係を示す。また、図７には、比較例として、Ｇａ２Ｏ
３添加量を調整して作製した種々の焼結体ターゲットの
みを連続アブレーションし、ｐ型伝導を実現した場合の
結果についてもプロットした。その比較例の結果は図７
中の点線で示されている。
いて膜中のＧａドーピング濃度とＮドーピング濃度との
関係を示す。また、図７には、比較例として、Ｇａ２Ｏ
３添加量を調整して作製した種々の焼結体ターゲットの
みを連続アブレーションし、ｐ型伝導を実現した場合の
結果についてもプロットした。その比較例の結果は図７
中の点線で示されている。
【００５８】本実施形態３では、焼結体ターゲットと単
結晶ターゲットとを同時にレーザアブレーションする。
これにより、全てのＧａドーピング濃度範囲においてＮ
ドーピング濃度がＧａドーピング濃度の２倍となる条件
でｐ型伝導が実現された。これに対して、上記比較例に
おける焼結体ターゲットの連続アブレーションのみで
は、Ｎドーピング濃度がＧａドーピング濃度の２倍以上
でｐ型伝導となり、Ｎドーピング濃度とＧａドーピング
濃度との濃度比についても一定ではなくばらつきが見ら
れる。
結晶ターゲットとを同時にレーザアブレーションする。
これにより、全てのＧａドーピング濃度範囲においてＮ
ドーピング濃度がＧａドーピング濃度の２倍となる条件
でｐ型伝導が実現された。これに対して、上記比較例に
おける焼結体ターゲットの連続アブレーションのみで
は、Ｎドーピング濃度がＧａドーピング濃度の２倍以上
でｐ型伝導となり、Ｎドーピング濃度とＧａドーピング
濃度との濃度比についても一定ではなくばらつきが見ら
れる。
【００５９】本実施形態３においては、焼結体ターゲッ
トに含まれるＡｌ不純物濃度が希釈される効果を有する
ため、ドナー濃度はＧａ濃度にほぼ等しくなる。従っ
て、アブレーション比によってＧａドーピング濃度を制
御すると共に、Ｇａの濃度に対して２倍の濃度でNを添
加すれば、ドナー・アクセプタ同時ドーピングによるp
型化が容易に実現される。これに対して、比較例ではＡ
ｌ不純物濃度の希釈効果を有しないため、ドナー濃度は
Ｇａ濃度とＡｌ濃度との和に等しくなる。従って、Ｇａ
ドーピング濃度の２倍以上Ｎを添加する必要があり、本
実施形態３のドナー・アクセプタ同時ドーピング条件か
らずれを生じたと考えられる。更に、Ａｌ不純物濃度は
焼結体ターゲット毎に異なるため、p型伝導となるドー
ピング濃度比が本実施形態３に比べてばらつきを生じた
と考えられる。
トに含まれるＡｌ不純物濃度が希釈される効果を有する
ため、ドナー濃度はＧａ濃度にほぼ等しくなる。従っ
て、アブレーション比によってＧａドーピング濃度を制
御すると共に、Ｇａの濃度に対して２倍の濃度でNを添
加すれば、ドナー・アクセプタ同時ドーピングによるp
型化が容易に実現される。これに対して、比較例ではＡ
ｌ不純物濃度の希釈効果を有しないため、ドナー濃度は
Ｇａ濃度とＡｌ濃度との和に等しくなる。従って、Ｇａ
ドーピング濃度の２倍以上Ｎを添加する必要があり、本
実施形態３のドナー・アクセプタ同時ドーピング条件か
らずれを生じたと考えられる。更に、Ａｌ不純物濃度は
焼結体ターゲット毎に異なるため、p型伝導となるドー
ピング濃度比が本実施形態３に比べてばらつきを生じた
と考えられる。
【００６０】このような、意図しない不純物によるドナ
ー濃度のずれは、ドナー・アクセプタ同時ドーピングの
ように厳密な濃度制御が必要な場合には著しい障害とな
る。一方、本発明における半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法においては、意図しない不純物の希釈効果
によってドナー濃度がＧａ濃度に等しくなるため、Ｎ濃
度制御も容易となり、広い濃度範囲で安定したｐ型Ｚｎ
Ｏの作製を行うことが出来る。
ー濃度のずれは、ドナー・アクセプタ同時ドーピングの
ように厳密な濃度制御が必要な場合には著しい障害とな
る。一方、本発明における半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法においては、意図しない不純物の希釈効果
によってドナー濃度がＧａ濃度に等しくなるため、Ｎ濃
度制御も容易となり、広い濃度範囲で安定したｐ型Ｚｎ
Ｏの作製を行うことが出来る。
【００６１】図８に、本発明の実施の一形態の酸化亜鉛
系半導体素子である酸化亜鉛系半導体ｐｎ接合素子１４
の概略断面図を示す。
系半導体素子である酸化亜鉛系半導体ｐｎ接合素子１４
の概略断面図を示す。
【００６２】上記酸化亜鉛系半導体ｐｎ接合素子１４
は、酸化亜鉛系半導体層の一例としてのＧａドープｎ型
ＺｎＯ層１２と、酸化亜鉛系半導体層の一例としての、
Ｇａドープｎ型ＺｎＯ層１２上に形成されたＧａ，Ｎ同
時ドープp型ＺｎＯ層１３とを備えている。上記Ｇａド
ープｎ型ＺｎＯ層１２は実施形態２の方法で作製される
一方、Ｇａ，Ｎ同時ドープp型ＺｎＯ層１３は本実施形
態３のドナー・アクセプタ同時ドーピング法で作製され
る。
は、酸化亜鉛系半導体層の一例としてのＧａドープｎ型
ＺｎＯ層１２と、酸化亜鉛系半導体層の一例としての、
Ｇａドープｎ型ＺｎＯ層１２上に形成されたＧａ，Ｎ同
時ドープp型ＺｎＯ層１３とを備えている。上記Ｇａド
ープｎ型ＺｎＯ層１２は実施形態２の方法で作製される
一方、Ｇａ，Ｎ同時ドープp型ＺｎＯ層１３は本実施形
態３のドナー・アクセプタ同時ドーピング法で作製され
る。
【００６３】キャリア密度は、Ｇａドープn型ＺｎＯ層
１２が１×１０１８ｃｍ−３、Ｇａ，Ｎ同時ドープｐ型
ＺｎＯ層１３が５×１０１８ｃｍ−３である。
１２が１×１０１８ｃｍ−３、Ｇａ，Ｎ同時ドープｐ型
ＺｎＯ層１３が５×１０１８ｃｍ−３である。
【００６４】図９に、ＺｎＯを用いて作製された酸化亜
鉛系半導体ｐｎ接合素子１４の電流電圧特性を示し、図
１０に、上記酸化亜鉛系半導体ｐｎ接合素子１４の発光
スペクトルを示す。なお、図９および図１０において、
比較例として、ＺｎＯを用いて単一ターゲットの連続ア
ブレーションによって作製した半導体ｐｎ接合素子（ｎ
型ＺｎＯ層キャリア密度=２×１０２０ｃｍ−３、Ｇ
ａ，Ｎ同時ドープｐ型ＺｎＯ層キャリア密度=１×１０
１９ｃｍ−３）の特性も点線で示している。
鉛系半導体ｐｎ接合素子１４の電流電圧特性を示し、図
１０に、上記酸化亜鉛系半導体ｐｎ接合素子１４の発光
スペクトルを示す。なお、図９および図１０において、
比較例として、ＺｎＯを用いて単一ターゲットの連続ア
ブレーションによって作製した半導体ｐｎ接合素子（ｎ
型ＺｎＯ層キャリア密度=２×１０２０ｃｍ−３、Ｇ
ａ，Ｎ同時ドープｐ型ＺｎＯ層キャリア密度=１×１０
１９ｃｍ−３）の特性も点線で示している。
【００６５】上記比較例では、低いドーピング濃度の制
御が出来ないためにＺｎＯの結晶性劣化とｐｎ界面に多
数存在する欠陥によって良好な整流性が得られていな
い。また、上記比較例では、発光スペクトル強度も弱
く、欠陥準位によるブロードな発光となっている。一
方、上記酸化亜鉛系半導体ｐｎ接合素子１４の作製時に
おいて、各層のドーピング濃度を低く制御出来ると共
に、結晶性が良好なＧａドープｎ型ＺｎＯ層１２におい
てキャリアが再結合するようドーピング濃度を制御出来
たので、より良好な整流性が得られた。また、上記酸化
亜鉛系半導体ｐｎ接合素子１４は発光スペクトル強度も
強く、励起子発光によるピークが確認された。
御が出来ないためにＺｎＯの結晶性劣化とｐｎ界面に多
数存在する欠陥によって良好な整流性が得られていな
い。また、上記比較例では、発光スペクトル強度も弱
く、欠陥準位によるブロードな発光となっている。一
方、上記酸化亜鉛系半導体ｐｎ接合素子１４の作製時に
おいて、各層のドーピング濃度を低く制御出来ると共
に、結晶性が良好なＧａドープｎ型ＺｎＯ層１２におい
てキャリアが再結合するようドーピング濃度を制御出来
たので、より良好な整流性が得られた。また、上記酸化
亜鉛系半導体ｐｎ接合素子１４は発光スペクトル強度も
強く、励起子発光によるピークが確認された。
【００６６】このように、上記酸化亜鉛系半導体ｐｎ接
合素子１４はドーピング濃度が制御されて良好な整流性
を得ているので、半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御
方法を用いて形成したＺｎＯ層を用いることにより、Ｌ
ＭＢＥ法による結晶成長が適している酸化物半導体、例
えば特にＺｎＯに期待される室温励起子発光素子や、透
明薄膜トランジスタなどを得ることが出来る。
合素子１４はドーピング濃度が制御されて良好な整流性
を得ているので、半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御
方法を用いて形成したＺｎＯ層を用いることにより、Ｌ
ＭＢＥ法による結晶成長が適している酸化物半導体、例
えば特にＺｎＯに期待される室温励起子発光素子や、透
明薄膜トランジスタなどを得ることが出来る。
【００６７】本実施形態３では、Ｎアクセプタ源として
Ｎ２を用いたが、他にＮ２ＯがスやＮＯ２ガスを用いて
も、高活性化率で低抵抗なp型半導体を得ることが出来
る。
Ｎ２を用いたが、他にＮ２ＯがスやＮＯ２ガスを用いて
も、高活性化率で低抵抗なp型半導体を得ることが出来
る。
【００６８】また、本発明の半導体薄膜結晶のドーピン
グ濃度制御方法を用いて、ＺｎＯ層の代わりに例えばＺ
ｎＭｇＯやＺｎＣｄＯなどの混晶を形成しても、本実施
形態３の効果と同様の効果を奏する。すなわち、酸化亜
鉛系半導体ｐｎ接合素子は、ＺｎＭｇＯやＺｎＣｄＯな
どの混晶からなる層を有してもよい。
グ濃度制御方法を用いて、ＺｎＯ層の代わりに例えばＺ
ｎＭｇＯやＺｎＣｄＯなどの混晶を形成しても、本実施
形態３の効果と同様の効果を奏する。すなわち、酸化亜
鉛系半導体ｐｎ接合素子は、ＺｎＭｇＯやＺｎＣｄＯな
どの混晶からなる層を有してもよい。
【００６９】本発明に係る実施形態は、上記実施形態１
〜３に限定されるものではない。
〜３に限定されるものではない。
【００７０】ＬＭＢＥ法におけるアブレーション原料
は、固体結晶であればターゲットとして用いることが出
来、また、本発明の実施形態で示した焼結体のみならず
半導体ウエハなども用いることが出来る。
は、固体結晶であればターゲットとして用いることが出
来、また、本発明の実施形態で示した焼結体のみならず
半導体ウエハなども用いることが出来る。
【００７１】基板加熱源についても、Ｎｄ：ＹＡＧレー
ザ以外に半導体レーザやランプヒーターなどを用いても
よい。
ザ以外に半導体レーザやランプヒーターなどを用いても
よい。
【００７２】また、パルスレーザ励起源についても、Ｋ
ｒＦエキシマレーザのみならず例えばＮｄ：ＹＡＧレー
ザの高調波を用いても、本発明の効果が損われるもので
はない。
ｒＦエキシマレーザのみならず例えばＮｄ：ＹＡＧレー
ザの高調波を用いても、本発明の効果が損われるもので
はない。
【００７３】上記実施の形態１〜３では、本発明の半導
体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法を用いてＺｎＯ層
を形成していたが、本発明の半導体薄膜結晶のドーピン
グ濃度制御方法を用いて形成される半導体薄膜結晶がＺ
ｎＯに限定されないのは言うまでもない。
体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法を用いてＺｎＯ層
を形成していたが、本発明の半導体薄膜結晶のドーピン
グ濃度制御方法を用いて形成される半導体薄膜結晶がＺ
ｎＯに限定されないのは言うまでもない。
【００７４】
【発明の効果】以上より明らかなように、本発明の半導
体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法は、不純物元素ま
たは不純物元素を含む化合物と母体とを含有した不純物
添加母体半導体原料と、上記母体のみからなる母体半導
体原料とを所定の比率でレーザアブレーションするか
ら、ドーパントの希釈効果が生じて、不純物添加母体半
導体原料のみをアブレーションした場合よりも少ないド
ーピング濃度を制御することが出来き、ドーピング濃度
制御方法を広範囲かつ精密に行うことが出来る。
体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法は、不純物元素ま
たは不純物元素を含む化合物と母体とを含有した不純物
添加母体半導体原料と、上記母体のみからなる母体半導
体原料とを所定の比率でレーザアブレーションするか
ら、ドーパントの希釈効果が生じて、不純物添加母体半
導体原料のみをアブレーションした場合よりも少ないド
ーピング濃度を制御することが出来き、ドーピング濃度
制御方法を広範囲かつ精密に行うことが出来る。
【００７５】また、上記レーザアブレーションで形成す
る半導体薄膜結晶内への意図しない混入不純物に対して
も希釈効果が生じるので、ドーピング濃度の制御が不安
定になるのを阻止することが出来る。
る半導体薄膜結晶内への意図しない混入不純物に対して
も希釈効果が生じるので、ドーピング濃度の制御が不安
定になるのを阻止することが出来る。
【００７６】また、上記不純物添加母体半導体原料と母
体半導体原料とを所定の比率でレーザアブレーションす
ることにより、ドーピング濃度を制御することが出来る
ので、不純物添加量の異なる多数の焼結ターゲットを準
備しなくてもよく、組成比およびドーピング濃度を変化
させた積層構造を形成することが出来る。
体半導体原料とを所定の比率でレーザアブレーションす
ることにより、ドーピング濃度を制御することが出来る
ので、不純物添加量の異なる多数の焼結ターゲットを準
備しなくてもよく、組成比およびドーピング濃度を変化
させた積層構造を形成することが出来る。
【００７７】一実施形態の半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法は、上記不純物添加母体半導体原料と母体
半導体原料とをそれぞれ異なるパルスレーザ励起源によ
ってアブレーションするから、成膜時間のロスが少なく
なり、半導体薄膜結晶の成長表面からの堆積物の再蒸発
が阻止されて、ドーピング濃度や構成元素組成のずれが
生じるの防ぐことが出来る。
濃度制御方法は、上記不純物添加母体半導体原料と母体
半導体原料とをそれぞれ異なるパルスレーザ励起源によ
ってアブレーションするから、成膜時間のロスが少なく
なり、半導体薄膜結晶の成長表面からの堆積物の再蒸発
が阻止されて、ドーピング濃度や構成元素組成のずれが
生じるの防ぐことが出来る。
【００７８】一実施形態の半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法は、上記半導体薄膜結晶の単位分子層厚を
複数の周期のレーザアブレーションで得ていて、その各
周期において上記不純物添加母体半導体原料と上記母体
半導体原料とを所定の比率でレーザアブレーションする
から、不純物が単位分子層内に採り込まれて、半導体薄
膜結晶内において均一な不純物ドーピングを行うことが
出来る。
濃度制御方法は、上記半導体薄膜結晶の単位分子層厚を
複数の周期のレーザアブレーションで得ていて、その各
周期において上記不純物添加母体半導体原料と上記母体
半導体原料とを所定の比率でレーザアブレーションする
から、不純物が単位分子層内に採り込まれて、半導体薄
膜結晶内において均一な不純物ドーピングを行うことが
出来る。
【００７９】一実施形態の半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法は、上記母体がＺｎＯであるから、ドーピ
ング濃度を精密且つ確実に制御することが出来る。
濃度制御方法は、上記母体がＺｎＯであるから、ドーピ
ング濃度を精密且つ確実に制御することが出来る。
【００８０】一実施形態の半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法は、上記不純物ドーピングがドナー・アク
セプタ同時ドーピング法であるので、高活性化率で低抵
抗なp型半導体を得ることが出来る。
濃度制御方法は、上記不純物ドーピングがドナー・アク
セプタ同時ドーピング法であるので、高活性化率で低抵
抗なp型半導体を得ることが出来る。
【００８１】一実施形態の半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法は、上記不純物添加母体半導体原料のレー
ザアブレーションと、上記母体半導体原料のレーザアブ
レーションとを交互に行うから、ドーパントの希釈効果
をより高めることができる。
濃度制御方法は、上記不純物添加母体半導体原料のレー
ザアブレーションと、上記母体半導体原料のレーザアブ
レーションとを交互に行うから、ドーパントの希釈効果
をより高めることができる。
【００８２】また、本発明の半導体素子は、キャリア密
度が１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範
囲で制御されている酸化亜鉛系半導体層を備えているの
で、ＬＭＢＥ法による結晶成長が適している酸化物半導
体、例えば特にＺｎＯを材料とする室温励起子発光素子
や透明薄膜トランジスタなどに応用して、室温励起子発
光素子や透明薄膜トランジスタを実現することが出来
る。
度が１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範
囲で制御されている酸化亜鉛系半導体層を備えているの
で、ＬＭＢＥ法による結晶成長が適している酸化物半導
体、例えば特にＺｎＯを材料とする室温励起子発光素子
や透明薄膜トランジスタなどに応用して、室温励起子発
光素子や透明薄膜トランジスタを実現することが出来
る。
【００８３】一実施形態の半導体素子は、上記半導体薄
膜結晶のドーピング濃度制御方法を用いて酸化亜鉛系半
導体層のキャリア密度が得られているので、その酸化亜
鉛系半導体層において１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０
２０ｃｍ−３の範囲のキャリア密度を確実に得ることが
できる。
膜結晶のドーピング濃度制御方法を用いて酸化亜鉛系半
導体層のキャリア密度が得られているので、その酸化亜
鉛系半導体層において１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０
２０ｃｍ−３の範囲のキャリア密度を確実に得ることが
できる。
【図１】 本発明の実施形態１の半導体薄膜結晶のドー
ピング濃度制御方法に使用するレーザ分子線エピタキシ
ー装置の概略構成図である。
ピング濃度制御方法に使用する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】 上記実施形態１における原料供給シーケンス
を示す図である。
を示す図である。
【図３】 上記実施形態１におけるアブレーション比と
Ｇａドーピング濃度との関係を示す図である。
Ｇａドーピング濃度との関係を示す図である。
【図４】 上記実施形態１においてＳＩＭＳにより測定
したＧａおよびＡｌ濃度のデプスプロファイルを示す図
である。
したＧａおよびＡｌ濃度のデプスプロファイルを示す図
である。
【図５】 本発明の実施形態２における原料供給シーケ
ンスを示す図である。
ンスを示す図である。
【図６】 上記実施形態２におけるアブレーション比と
Ｇａドーピング濃度との関係を示す図である。
Ｇａドーピング濃度との関係を示す図である。
【図７】 本発明の実施形態３においてp型伝導のＺｎ
Ｏ薄膜のＧａドーピング濃度とNドーピング濃度との関
係を示す図である。
Ｏ薄膜のＧａドーピング濃度とNドーピング濃度との関
係を示す図である。
【図８】 本発明の実施形態３における酸化亜鉛系半導
体ｐｎ接合素子の構造断面図である。
体ｐｎ接合素子の構造断面図である。
【図９】 上記酸化亜鉛系半導体ｐｎ接合素子の電流電
圧特性を示す図である。
圧特性を示す図である。
【図１０】 上記酸化亜鉛系半導体ｐｎ接合素子の発光
スペクトルを示す図である。
スペクトルを示す図である。
１ 成長室
２ 基板ホルダー
３ 基板
４ ヒーター（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）
５ ターゲットテーブル
６ 原料ターゲット
７ ビューポート
８ パルスレーザ光（エキシマレーザ光）
９ Ｎ２ラジカル源
１０Ａ Ｏ２ガス導入管
１０Ｂ Ｎ２ガス導入管
１１ プルーム（放出粒子群）
１２ Ｇａドープｎ型ＺｎＯ層
１３ Ｇａ，Ｎ同時ドープｐ型ＺｎＯ層
１４ 酸化亜鉛系半導体ｐｎ接合素子
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(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 BB07 DA03 EB02 ED06
HA02 SB09
4K029 AA04 BA49 BB09 BC07 BD01
CA01 DB20
5F041 AA31 CA41 CA49 CA57 CA67
5F103 AA10 BB05 BB22 DD30 HH03
HH04 HH08 KK10 LL02 RR05
Claims (10)
- 【請求項１】 レーザ分子線エピタキシー法で結晶を成
長させる半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法であ
って、 上記半導体薄膜結晶に不純物ドーピングを行う際、不純
物元素または不純物元素を含む化合物と母体とを含有し
た不純物添加母体半導体原料と、上記母体のみからなる
母体半導体原料とを所定の比率でレーザアブレーション
することを特徴とする半導体薄膜結晶のドーピング濃度
制御方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の半導体薄膜結晶のドー
ピング濃度制御方法において、 上記不純物添加母体半導体原料と上記母体半導体原料と
をそれぞれ異なるパルスレーザ励起源によってレーザア
ブレーションすることを特徴とする半導体薄膜結晶のド
ーピング濃度制御方法。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の半導体薄膜結
晶のドーピング濃度制御方法において、 上記半導体薄膜結晶の単位分子層厚を複数の周期のレー
ザアブレーションで得ていて、その各周期において上記
不純物添加母体半導体原料と上記母体半導体原料とを所
定の比率でレーザアブレーションすることを特徴とする
半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法。 - 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の
半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法において、 上記母体がＺｎＯであることを特徴とする半導体薄膜結
晶のドーピング濃度制御方法方法。 - 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の
半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法において、 上記不純物ドーピングがドナー・アクセプタ同時ドーピ
ング法であることを特徴とする半導体薄膜結晶のドーピ
ング濃度制御方法。 - 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の
半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法において、 上記不純物添加母体半導体原料のレーザアブレーション
と、上記母体半導体原料のレーザアブレーションとを交
互に行うことを特徴とする半導体薄膜結晶のドーピング
濃度制御方法。 - 【請求項７】 キャリア密度が１×１０１７ｃｍ−３〜
１×１０２０ｃｍ− ３の範囲で制御されている酸化亜鉛
系半導体層を備えたことを特徴とする半導体素子。 - 【請求項８】 請求項７に記載の半導体素子において、 上記酸化亜鉛系半導体層はＺｎＯからなっていることを
特徴とする半導体素子。 - 【請求項９】 請求項７に記載の半導体素子において、 上記酸化亜鉛系半導体層はＺｎＭｇＯまたはＺｎＣｄＯ
の混晶からなっていることを特徴とする半導体素子。 - 【請求項１０】 請求項７乃至９のいずれか１つに記載
の半導体素子において、 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体薄膜結晶
のドーピング濃度制御方法を用いて上記キャリア密度が
得られていることを特徴とする半導体素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001302247A JP2003104792A (ja) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | 半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法および半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001302247A JP2003104792A (ja) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | 半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法および半導体素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003104792A true JP2003104792A (ja) | 2003-04-09 |
Family
ID=19122516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001302247A Pending JP2003104792A (ja) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | 半導体薄膜結晶のドーピング濃度制御方法および半導体素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003104792A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005076341A1 (ja) * | 2004-02-06 | 2005-08-18 | Tohoku University | 薄膜及びｐ型酸化亜鉛薄膜製造方法と半導体デバイス |
| WO2008050479A1 (fr) * | 2006-10-25 | 2008-05-02 | Stanley Electric Co., Ltd. | Couche de zno et dispositif électroluminescent à semi-conducteur |
| JP2009167095A (ja) * | 2003-09-30 | 2009-07-30 | Nippon Mining & Metals Co Ltd | 高純度酸化亜鉛粉末、高純度酸化亜鉛ターゲット及び高純度酸化亜鉛薄膜 |
| JP2010116621A (ja) * | 2008-11-14 | 2010-05-27 | Stanley Electric Co Ltd | ＺｎＯ系半導体層とその製造方法、ＺｎＯ系半導体発光素子、及びＺｎＯ系半導体素子 |
| JP2015057518A (ja) * | 2007-04-27 | 2015-03-26 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ | 窒素ガスを用いた亜鉛ターゲットの反応性スパッタにより形成される薄膜半導体材料 |
| CN106400114A (zh) * | 2016-09-09 | 2017-02-15 | 昆明理工大学 | 一种非极化择优取向ZnO基多晶薄片的制备方法 |
-
2001
- 2001-09-28 JP JP2001302247A patent/JP2003104792A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009167095A (ja) * | 2003-09-30 | 2009-07-30 | Nippon Mining & Metals Co Ltd | 高純度酸化亜鉛粉末、高純度酸化亜鉛ターゲット及び高純度酸化亜鉛薄膜 |
| JP2013256443A (ja) * | 2003-09-30 | 2013-12-26 | Jx Nippon Mining & Metals Corp | 高純度酸化亜鉛粉末及びその製造方法並びに高純度酸化亜鉛ターゲット及び高純度酸化亜鉛薄膜 |
| WO2005076341A1 (ja) * | 2004-02-06 | 2005-08-18 | Tohoku University | 薄膜及びｐ型酸化亜鉛薄膜製造方法と半導体デバイス |
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| US7728347B2 (en) | 2006-10-25 | 2010-06-01 | Stanley Electric Co., Ltd. | ZnO layer and semiconductor light emitting device |
| JP2015057518A (ja) * | 2007-04-27 | 2015-03-26 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ | 窒素ガスを用いた亜鉛ターゲットの反応性スパッタにより形成される薄膜半導体材料 |
| JP2010116621A (ja) * | 2008-11-14 | 2010-05-27 | Stanley Electric Co Ltd | ＺｎＯ系半導体層とその製造方法、ＺｎＯ系半導体発光素子、及びＺｎＯ系半導体素子 |
| CN106400114A (zh) * | 2016-09-09 | 2017-02-15 | 昆明理工大学 | 一种非极化择优取向ZnO基多晶薄片的制备方法 |
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