JP2003282602A - 結晶成長用基板およびＺｎＯ系化合物半導体デバイス - Google Patents
結晶成長用基板およびＺｎＯ系化合物半導体デバイスInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＺｎＯ系化合物半導体の単結晶中には結晶欠
陥が生じやすい。 【解決手段】 ａ軸方向に階段状に連なった複数の（０
００１）面を有する六方晶結晶構造の化合物単結晶層上
に、六方晶結晶構造のＺｎＯ系化合物半導体単結晶をそ
のａ軸方向に傾斜させて成長させる。
陥が生じやすい。 【解決手段】 ａ軸方向に階段状に連なった複数の（０
００１）面を有する六方晶結晶構造の化合物単結晶層上
に、六方晶結晶構造のＺｎＯ系化合物半導体単結晶をそ
のａ軸方向に傾斜させて成長させる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化亜鉛系（Ｚｎ
Ｏ系）化合物半導体結晶を成長させるのに好適な結晶成
長用基板、ＺｎＯ系化合物半導体デバイス、およびＺｎ
Ｏ系化合物半導体結晶の製造方法に関する。
Ｏ系）化合物半導体結晶を成長させるのに好適な結晶成
長用基板、ＺｎＯ系化合物半導体デバイス、およびＺｎ
Ｏ系化合物半導体結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＺｎＯ等のＺｎＯ系化合物半導体はワイ
ドギャップ半導体の１つであり、その励起子結合エネル
ギーは６０ｍｅＶ程度と大きい。このＺｎＯ系化合物半
導体を活性層材料として用いて発光素子を構成すること
により、窒化ガリウム系（ＧａＮ系）化合物半導体を活
性層材料として用いた発光素子よりも発光効率の高い素
子を得ることが理論上可能である。
ドギャップ半導体の１つであり、その励起子結合エネル
ギーは６０ｍｅＶ程度と大きい。このＺｎＯ系化合物半
導体を活性層材料として用いて発光素子を構成すること
により、窒化ガリウム系（ＧａＮ系）化合物半導体を活
性層材料として用いた発光素子よりも発光効率の高い素
子を得ることが理論上可能である。
【０００３】このため、ＺｎＯ系化合物半導体は、青色
発光素子または紫外発光素子での活性層の材料等として
期待されている。ＺｎＯ系化合物半導体を発光素子の活
性層材料として利用するためには、まず、この化合物半
導体の単結晶層を得ることが必要となる。
発光素子または紫外発光素子での活性層の材料等として
期待されている。ＺｎＯ系化合物半導体を発光素子の活
性層材料として利用するためには、まず、この化合物半
導体の単結晶層を得ることが必要となる。
【０００４】ＺｎＯ系化合物半導体の単結晶層は、例え
ばＭＢＥ（分子線エピタキシ）法やレーザアブレーショ
ン蒸着法によって、ａ面サファイア基板上もしくはｃ面
サファイア基板上に直接またはテンプレート層を介して
形成される。
ばＭＢＥ（分子線エピタキシ）法やレーザアブレーショ
ン蒸着法によって、ａ面サファイア基板上もしくはｃ面
サファイア基板上に直接またはテンプレート層を介して
形成される。
【０００５】ＺｎＯ系化合物半導体の結晶構造は六方晶
系の１つであるウルツ鉱型であり、ａ面サファイア基板
上あるいはｃ面サファイア基板上での結晶成長は、通
常、−ｃ軸（酸素（Ｏ）面）方向に起こる。テンプレー
ト層として例えばガリウム（Ｇａ）面ＧａＮ膜を用いた
場合には、ＺｎＯ系化合物半導体をその＋ｃ軸（亜鉛
（Ｚｎ）面）方向に結晶成長させることも可能である。
また、Ｚｎ面ＺｎＯ基板上においても、＋ｃ軸方向に結
晶成長させることができる。
系の１つであるウルツ鉱型であり、ａ面サファイア基板
上あるいはｃ面サファイア基板上での結晶成長は、通
常、−ｃ軸（酸素（Ｏ）面）方向に起こる。テンプレー
ト層として例えばガリウム（Ｇａ）面ＧａＮ膜を用いた
場合には、ＺｎＯ系化合物半導体をその＋ｃ軸（亜鉛
（Ｚｎ）面）方向に結晶成長させることも可能である。
また、Ｚｎ面ＺｎＯ基板上においても、＋ｃ軸方向に結
晶成長させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ＺｎＯ系化合物半導体
を例えば発光素子の活性層として用いるためには、結晶
欠陥の少ない単結晶層を得ることが望まれる。しかしな
がら、ＺｎＯ系化合物半導体の単結晶中には結晶欠陥が
生じやすい。
を例えば発光素子の活性層として用いるためには、結晶
欠陥の少ない単結晶層を得ることが望まれる。しかしな
がら、ＺｎＯ系化合物半導体の単結晶中には結晶欠陥が
生じやすい。
【０００７】本発明の目的は、結晶性の良好なＺｎＯ系
化合物半導体結晶を得ることが容易な、ＺｎＯ系化合物
半導体結晶用の結晶成長用基板を提供することである。
本発明の他の目的は、ＺｎＯ系化合物半導体単結晶層を
備え、この単結晶層の結晶性が良好なものを得やすいＺ
ｎＯ系化合物半導体デバイスを提供することである。
化合物半導体結晶を得ることが容易な、ＺｎＯ系化合物
半導体結晶用の結晶成長用基板を提供することである。
本発明の他の目的は、ＺｎＯ系化合物半導体単結晶層を
備え、この単結晶層の結晶性が良好なものを得やすいＺ
ｎＯ系化合物半導体デバイスを提供することである。
【０００８】本発明の更に他の目的は、結晶性の良好な
ＺｎＯ系化合物半導体結晶を得ることが容易なＺｎＯ系
化合物半導体結晶の製造方法を提供することである。
ＺｎＯ系化合物半導体結晶を得ることが容易なＺｎＯ系
化合物半導体結晶の製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、ａ軸方向に階段状に連なった複数の（０００１）面
を表面に有する六方晶結晶構造の化合物単結晶層を備
え、該化合物単結晶層上に、ａ軸方向に傾斜した六方晶
結晶構造のＺｎＯ系化合物半導体が成長される結晶成長
用基板が提供される。
ば、ａ軸方向に階段状に連なった複数の（０００１）面
を表面に有する六方晶結晶構造の化合物単結晶層を備
え、該化合物単結晶層上に、ａ軸方向に傾斜した六方晶
結晶構造のＺｎＯ系化合物半導体が成長される結晶成長
用基板が提供される。
【００１０】本発明の他の観点によれば、ａ軸方向に階
段状に連なった複数の（０００１）面を表面に有する六
方晶結晶構造の化合物単結晶層を備えた結晶成長用基板
と、前記化合物単結晶層上に形成され、ａ軸方向に傾斜
した六方晶結晶構造のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層と
を備えたＺｎＯ系化合物半導体デバイスが提供される。
段状に連なった複数の（０００１）面を表面に有する六
方晶結晶構造の化合物単結晶層を備えた結晶成長用基板
と、前記化合物単結晶層上に形成され、ａ軸方向に傾斜
した六方晶結晶構造のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層と
を備えたＺｎＯ系化合物半導体デバイスが提供される。
【００１１】本発明の更に他の観点によれば、（Ａ）ａ
軸方向に階段状に連なった複数の（０００１）面を表面
に有する六方晶結晶構造の化合物単結晶層を備えた結晶
成長用基板を準備する工程と、（Ｂ）前記複数の（００
０１）面上に、ａ軸方向に傾斜した六方晶結晶構造のＺ
ｎＯ系化合物半導体単結晶を成長させる工程とを含むＺ
ｎＯ系化合物半導体結晶の製造方法が提供される。
軸方向に階段状に連なった複数の（０００１）面を表面
に有する六方晶結晶構造の化合物単結晶層を備えた結晶
成長用基板を準備する工程と、（Ｂ）前記複数の（００
０１）面上に、ａ軸方向に傾斜した六方晶結晶構造のＺ
ｎＯ系化合物半導体単結晶を成長させる工程とを含むＺ
ｎＯ系化合物半導体結晶の製造方法が提供される。
【００１２】本件発明者らの知見によれば、ＺｎＯ系化
合物半導体単結晶の結晶性を向上させるうえからは、Ｚ
ｎＯ系化合物半導体をその＋ｃ軸（Ｚｎ面）方向に成長
させることが好ましい。
合物半導体単結晶の結晶性を向上させるうえからは、Ｚ
ｎＯ系化合物半導体をその＋ｃ軸（Ｚｎ面）方向に成長
させることが好ましい。
【００１３】上述の結晶成長用基板を用いることによ
り、上記化合物単結晶層上に、ＺｎＯ系化合物半導体を
＋ｃ軸（Ｚｎ面）方向に結晶成長させることができ、か
つ、結晶性の良好なＺｎＯ系化合物半導体単結晶を得る
ことができる。
り、上記化合物単結晶層上に、ＺｎＯ系化合物半導体を
＋ｃ軸（Ｚｎ面）方向に結晶成長させることができ、か
つ、結晶性の良好なＺｎＯ系化合物半導体単結晶を得る
ことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は、実施例によるＺｎＯ系化
合物半導体結晶用の結晶成長用基板１０を概略的に示
す。図示の結晶成長用基板１０は、六方晶結晶構造を有
する単結晶サファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）基板２（以下、
単に「サファイア基板２」という。）と、このサファイ
ア基板２の一表面上に形成された単結晶窒化ガリウム層
５（以下、単に「ＧａＮ層５」という。）とを有する。
合物半導体結晶用の結晶成長用基板１０を概略的に示
す。図示の結晶成長用基板１０は、六方晶結晶構造を有
する単結晶サファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）基板２（以下、
単に「サファイア基板２」という。）と、このサファイ
ア基板２の一表面上に形成された単結晶窒化ガリウム層
５（以下、単に「ＧａＮ層５」という。）とを有する。
【００１５】単結晶窒化ガリウムの結晶構造は六方晶系
の１つであるウルツ鉱型であり、ＧａＮ層５はテンプレ
ート層として機能する。図２（Ａ）は、図１に示した結
晶成長用基板１０の一部を拡大して示す分解斜視図であ
る。
の１つであるウルツ鉱型であり、ＧａＮ層５はテンプレ
ート層として機能する。図２（Ａ）は、図１に示した結
晶成長用基板１０の一部を拡大して示す分解斜視図であ
る。
【００１６】図２（Ｂ）に示す座標系Ｃ１は、図２
（Ａ）に示したＧａＮ層５での結晶軸（ａ軸、ｃ軸、お
よびｍ軸）の方向を示し、図２（Ｃ）に示す座標系Ｃ２
は、図２（Ａ）に示したサファイア基板２での結晶軸
（ａ軸、ｃ軸、およびｍ軸）の方向を示す。
（Ａ）に示したＧａＮ層５での結晶軸（ａ軸、ｃ軸、お
よびｍ軸）の方向を示し、図２（Ｃ）に示す座標系Ｃ２
は、図２（Ａ）に示したサファイア基板２での結晶軸
（ａ軸、ｃ軸、およびｍ軸）の方向を示す。
【００１７】座標系Ｃ１およびＣ２のいずれにおいて
も、ミラー指数［０００１］で示されるｃ軸、ミラー指
数［１−１００］で示されるｍ軸、および、ミラー指数
［１１−２０］で示されるａ軸は、互いに直行する。
も、ミラー指数［０００１］で示されるｃ軸、ミラー指
数［１−１００］で示されるｍ軸、および、ミラー指数
［１１−２０］で示されるａ軸は、互いに直行する。
【００１８】なお、ミラー指数を表記する場合、負の値
については数字の上に「バア(bar)」を付すのが本来の
表記法であるが、本明細書および図面においては、左側
にマイナス記号「−」を付して、その右側の数値が負で
あることを表すものとする。
については数字の上に「バア(bar)」を付すのが本来の
表記法であるが、本明細書および図面においては、左側
にマイナス記号「−」を付して、その右側の数値が負で
あることを表すものとする。
【００１９】図２（Ａ）に示すＧａＮ層５の結晶構造
は、サファイア基板２と同じ六方晶構造であり、そのｃ
軸はサファイア基板２でのｃ軸と同一方向に延在し、ま
た、そのａ軸方向はサファイア基板２でのｍ軸方向と同
じ方向である。
は、サファイア基板２と同じ六方晶構造であり、そのｃ
軸はサファイア基板２でのｃ軸と同一方向に延在し、ま
た、そのａ軸方向はサファイア基板２でのｍ軸方向と同
じ方向である。
【００２０】このＧａＮ層５は、サファイア基板２上に
おいて＋ｃ面（Ｇａ面）方向にエピタキシャル成長して
おり、ａ軸方向（ＧａＮ層５でのａ軸方向）に階段状に
連なった多数の（０００１）面５ａ（以下、個々の（０
００１）面５ａを「第１テラス５ａ」という。）を有す
る。
おいて＋ｃ面（Ｇａ面）方向にエピタキシャル成長して
おり、ａ軸方向（ＧａＮ層５でのａ軸方向）に階段状に
連なった多数の（０００１）面５ａ（以下、個々の（０
００１）面５ａを「第１テラス５ａ」という。）を有す
る。
【００２１】１つの第１テラス５ａと、この第１テラス
５ａに隣接する他の第１テラス５ａとの段差は、概ね１
分子ステップまたは２分子ステップとすることが好まし
い。１分子分ステップは１分子のＧａＮの大きさに相当
し、ほぼ０．２６ｎｍである。２分子分ステップは２分
子のＧａＮの大きさに相当し、ほぼ０．５２ｎｍであ
る。
５ａに隣接する他の第１テラス５ａとの段差は、概ね１
分子ステップまたは２分子ステップとすることが好まし
い。１分子分ステップは１分子のＧａＮの大きさに相当
し、ほぼ０．２６ｎｍである。２分子分ステップは２分
子のＧａＮの大きさに相当し、ほぼ０．５２ｎｍであ
る。
【００２２】このようなＧａＮ層５は、例えば有機金属
気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシ（ＭＢ
Ｅ）法、気相エピタキシ（ＶＰＥ）法等によって形成さ
れる。また、下段の第１テラス５ａから上段の第１テラ
ス５ａにかけての傾斜角は、概ね０．５°以下となるよ
うに、好適には０．１〜０．３°の範囲内となるよう
に、選定される。
気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシ（ＭＢ
Ｅ）法、気相エピタキシ（ＶＰＥ）法等によって形成さ
れる。また、下段の第１テラス５ａから上段の第１テラ
ス５ａにかけての傾斜角は、概ね０．５°以下となるよ
うに、好適には０．１〜０．３°の範囲内となるよう
に、選定される。
【００２３】このとき、個々の第１ステップ５ａでのＧ
ａＮ層５の膜厚は、概ね１〜４μｍの範囲内で選定する
ことが好ましい。上記の膜厚が１μｍ未満では、サファ
イア基板２との格子不整合の影響が大きく、ＧａＮ層５
の結晶性が悪くなりやすい。一方、上記の膜厚を４μｍ
より厚くすると、製造コストが高くなる。
ａＮ層５の膜厚は、概ね１〜４μｍの範囲内で選定する
ことが好ましい。上記の膜厚が１μｍ未満では、サファ
イア基板２との格子不整合の影響が大きく、ＧａＮ層５
の結晶性が悪くなりやすい。一方、上記の膜厚を４μｍ
より厚くすると、製造コストが高くなる。
【００２４】結晶成長用基板１０は、サファイア基板２
とＧａＮ層５という格子不整合材料によって形成される
ので、ＧａＮ層５での上記の傾斜角が上述の範囲から外
れると、ＧａＮ層５の表面モフォロジーが悪化しやす
い。ＧａＮ層５の表面モフォロジーが悪化すると、その
上に形成されるＺｎＯ系化合物半導体単結晶層の表面モ
フォロジーも悪化する傾向がある。ＧａＮ層５での上記
の傾斜角が０．５°を超えると、その上に形成されるＺ
ｎＯ系化合物半導体単結晶層での結晶性向上の効果が薄
れる。
とＧａＮ層５という格子不整合材料によって形成される
ので、ＧａＮ層５での上記の傾斜角が上述の範囲から外
れると、ＧａＮ層５の表面モフォロジーが悪化しやす
い。ＧａＮ層５の表面モフォロジーが悪化すると、その
上に形成されるＺｎＯ系化合物半導体単結晶層の表面モ
フォロジーも悪化する傾向がある。ＧａＮ層５での上記
の傾斜角が０．５°を超えると、その上に形成されるＺ
ｎＯ系化合物半導体単結晶層での結晶性向上の効果が薄
れる。
【００２５】ＧａＮ層５での上記の傾斜角は、その下地
であるサファイア基板２の表面形状を選定することによ
って調整可能である。このサファイア基板２は、そのｍ
軸方向に階段状に連なった多数の（０００１）面２ａ
（以下、個々の（０００１）面２ａを「第２テラス２
ａ」という。）を有する。
であるサファイア基板２の表面形状を選定することによ
って調整可能である。このサファイア基板２は、そのｍ
軸方向に階段状に連なった多数の（０００１）面２ａ
（以下、個々の（０００１）面２ａを「第２テラス２
ａ」という。）を有する。
【００２６】１つの第２テラス２ａと、この第２テラス
２ａに隣接する他の第２テラス２ａとの段差は、概ね１
分子ステップまたは２分子ステップとすることが好まし
い。１分子分ステップは１分子のα−Ａｌ2Ｏ3の大きさ
に相当し、ほぼ０．２２ｎｍである。２分子分ステップ
は２分子のα−Ａｌ2Ｏ3の大きさに相当し、ほぼ０．４
４ｎｍである。
２ａに隣接する他の第２テラス２ａとの段差は、概ね１
分子ステップまたは２分子ステップとすることが好まし
い。１分子分ステップは１分子のα−Ａｌ2Ｏ3の大きさ
に相当し、ほぼ０．２２ｎｍである。２分子分ステップ
は２分子のα−Ａｌ2Ｏ3の大きさに相当し、ほぼ０．４
４ｎｍである。
【００２７】下段の第２テラス２ａから上段の第２テラ
ス２ａにかけての傾斜角は、ＧａＮ層５での前述の傾斜
角が所定の値となるように選定される。ＧａＮ層５での
前述の傾斜角を例えば０．１〜０．３°とする場合に
は、下段の第２テラス２ａから上段の第２テラス２ａに
かけての傾斜角を、その上に形成しようとするＧａＮ層
５での前述の傾斜角とほぼ同じ値にすることが好まし
い。
ス２ａにかけての傾斜角は、ＧａＮ層５での前述の傾斜
角が所定の値となるように選定される。ＧａＮ層５での
前述の傾斜角を例えば０．１〜０．３°とする場合に
は、下段の第２テラス２ａから上段の第２テラス２ａに
かけての傾斜角を、その上に形成しようとするＧａＮ層
５での前述の傾斜角とほぼ同じ値にすることが好まし
い。
【００２８】サファイア基板２での上記の傾斜角とＧａ
Ｎ層５での前述の傾斜角とが上述の関係から外れると、
格子不整合の影響により、所望のＧａＮ層５を得ること
が困難になる。
Ｎ層５での前述の傾斜角とが上述の関係から外れると、
格子不整合の影響により、所望のＧａＮ層５を得ること
が困難になる。
【００２９】上述の第２ステップ２ａを有するサファイ
ア基板２は、例えば、平坦な（０００１）面を有するサ
ファイア基板に、研磨、エッチング、酸素雰囲気中での
アニール等の処理を施すことによって作製することがで
きる。
ア基板２は、例えば、平坦な（０００１）面を有するサ
ファイア基板に、研磨、エッチング、酸素雰囲気中での
アニール等の処理を施すことによって作製することがで
きる。
【００３０】エッチングによってサファイア基板２を作
製する場合には、例えば、リン酸（Ｈ3ＰＯ4）と硫酸
（Ｈ2ＳＯ4）との混液（Ｈ3ＰＯ4：Ｈ2ＳＯ4＝１：３）
をエッチャントとして用いることができる。この場合の
エッチング条件は、例えば１１０℃、３０分とすること
ができる。
製する場合には、例えば、リン酸（Ｈ3ＰＯ4）と硫酸
（Ｈ2ＳＯ4）との混液（Ｈ3ＰＯ4：Ｈ2ＳＯ4＝１：３）
をエッチャントとして用いることができる。この場合の
エッチング条件は、例えば１１０℃、３０分とすること
ができる。
【００３１】酸素雰囲気中でのアニールによってサファ
イア基板２を作製する場合には、アニール条件を、例え
ば１０００℃、１時間とすることができる。なお、サフ
ァイア基板２やＧａＮ層５の結晶構造、および、上述の
各傾斜角は、例えばＸ線回折装置を用いて確認すること
ができる。
イア基板２を作製する場合には、アニール条件を、例え
ば１０００℃、１時間とすることができる。なお、サフ
ァイア基板２やＧａＮ層５の結晶構造、および、上述の
各傾斜角は、例えばＸ線回折装置を用いて確認すること
ができる。
【００３２】上述した構成を有する結晶成長用基板１０
は、特に、ＺｎＯ系化合物半導体結晶を成長させるため
の基板として好適である。ＧａＮ層５をテンプレート層
として利用してその上にＺｎＯ系化合物半導体結晶を成
長させることにより、結晶性の良好なＺｎＯ系化合物半
導体単結晶層を得ることが可能である。結晶性の良好な
ＺｎＯ系化合物半導体単結晶層を備えたＺｎＯ系化合物
半導体デバイスを得ることが可能である。
は、特に、ＺｎＯ系化合物半導体結晶を成長させるため
の基板として好適である。ＧａＮ層５をテンプレート層
として利用してその上にＺｎＯ系化合物半導体結晶を成
長させることにより、結晶性の良好なＺｎＯ系化合物半
導体単結晶層を得ることが可能である。結晶性の良好な
ＺｎＯ系化合物半導体単結晶層を備えたＺｎＯ系化合物
半導体デバイスを得ることが可能である。
【００３３】図３（Ａ）は、実施例によるＺｎＯ系化合
物半導体デバイス２０を模式的に示す分解斜視図であ
る。同図に示した構成部材のうち、図２（Ａ）に示した
構成部材と共通するものには図２（Ａ）で用いた参照符
号と同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
物半導体デバイス２０を模式的に示す分解斜視図であ
る。同図に示した構成部材のうち、図２（Ａ）に示した
構成部材と共通するものには図２（Ａ）で用いた参照符
号と同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
【００３４】図３（Ｂ）に示す座標系Ｃ３は、図３
（Ａ）に示すＺｎＯ系化合物半導体単結晶層１５での結
晶軸（ａ軸、ｃ軸、およびｍ軸）の方向を示す。同図に
おいてミラー指数［０００１］で示されるｃ軸、ミラー
指数［１−１００］で示されるｍ軸、および、ミラー指
数［１１−２０］で示されるａ軸は、互いに直交する。
（Ａ）に示すＺｎＯ系化合物半導体単結晶層１５での結
晶軸（ａ軸、ｃ軸、およびｍ軸）の方向を示す。同図に
おいてミラー指数［０００１］で示されるｃ軸、ミラー
指数［１−１００］で示されるｍ軸、および、ミラー指
数［１１−２０］で示されるａ軸は、互いに直交する。
【００３５】図３（Ａ）に示すように、ＺｎＯ系化合物
半導体デバイス２０は、上述した結晶成長用基板１０
と、この結晶成長用基板１０を構成しているＧａＮ層５
上に形成されたＺｎＯ系化合物半導体単結晶層１５（以
下、「ＺｎＯ系単結晶層１５」と略記する。）とを有す
る。必要に応じて、ＧａＮ層５とＺｎＯ系単結晶層１５
との間に、ＺｎＯ系化合物半導体によって形成された膜
厚１０〜４０ｎｍ程度のバッファ層を設けることができ
る。
半導体デバイス２０は、上述した結晶成長用基板１０
と、この結晶成長用基板１０を構成しているＧａＮ層５
上に形成されたＺｎＯ系化合物半導体単結晶層１５（以
下、「ＺｎＯ系単結晶層１５」と略記する。）とを有す
る。必要に応じて、ＧａＮ層５とＺｎＯ系単結晶層１５
との間に、ＺｎＯ系化合物半導体によって形成された膜
厚１０〜４０ｎｍ程度のバッファ層を設けることができ
る。
【００３６】ＺｎＯ系単結晶層１５でのｍ軸およびａ軸
は、テンプレート層であるＧａＮ層５でのｍ軸およびａ
軸に各々平行であり、そのｃ軸はＧａＮ層５でのｃ軸に
平行である。
は、テンプレート層であるＧａＮ層５でのｍ軸およびａ
軸に各々平行であり、そのｃ軸はＧａＮ層５でのｃ軸に
平行である。
【００３７】このＺｎＯ系単結晶層１５は、ＧａＮ層５
上に＋ｃ面（Ｚｎ面）で成長しており、ａ軸方向（Ｚｎ
Ｏ系単結晶層１５でのａ軸方向）に階段状に連なった多
数の（０００１）面１５ａ（以下、個々の（０００１）
面１５ａを「第３テラス１５ａ」という。）を有する。
上に＋ｃ面（Ｚｎ面）で成長しており、ａ軸方向（Ｚｎ
Ｏ系単結晶層１５でのａ軸方向）に階段状に連なった多
数の（０００１）面１５ａ（以下、個々の（０００１）
面１５ａを「第３テラス１５ａ」という。）を有する。
【００３８】１つの第３テラス１５ａと、この第３テラ
ス１５ａに隣接する他の第３テラス１５ａとの段差は、
概ね１分子ステップまたは２分子ステップとすることが
好ましい。１分子分ステップは１分子のＺｎＯの大きさ
に相当し、ほぼ０．２６ｎｍである。２分子分ステップ
は２分子のＺｎＯの大きさに相当し、ほぼ０．５２ｎｍ
である。
ス１５ａに隣接する他の第３テラス１５ａとの段差は、
概ね１分子ステップまたは２分子ステップとすることが
好ましい。１分子分ステップは１分子のＺｎＯの大きさ
に相当し、ほぼ０．２６ｎｍである。２分子分ステップ
は２分子のＺｎＯの大きさに相当し、ほぼ０．５２ｎｍ
である。
【００３９】下段の第３テラス１５ａから上段の第３テ
ラス１５ａにかけての傾斜角は、概ね０．５°以下とな
るように、好適には０．１〜０．３°の範囲内となるよ
うに、選定される。この傾斜角は、その下地であるＧａ
Ｎ層５での前述の傾斜角を選定することによって、調整
可能である。なお、ＺｎＯ系単結晶層の結晶構造、およ
び上記の傾斜角は、例えばＸ線回折装置を用いて確認す
ることができる。
ラス１５ａにかけての傾斜角は、概ね０．５°以下とな
るように、好適には０．１〜０．３°の範囲内となるよ
うに、選定される。この傾斜角は、その下地であるＧａ
Ｎ層５での前述の傾斜角を選定することによって、調整
可能である。なお、ＺｎＯ系単結晶層の結晶構造、およ
び上記の傾斜角は、例えばＸ線回折装置を用いて確認す
ることができる。
【００４０】上述のようにしてＧａＮ層５上にＺｎＯ系
化合物半導体を結晶成長させることにより、結晶性の良
好なＺｎＯ系単結晶層１５を得ることができる。結晶性
の良好なＺｎＯ系単結晶層１５を備えたＺｎＯ系化合物
半導体デバイス２０を得ることができる。
化合物半導体を結晶成長させることにより、結晶性の良
好なＺｎＯ系単結晶層１５を得ることができる。結晶性
の良好なＺｎＯ系単結晶層１５を備えたＺｎＯ系化合物
半導体デバイス２０を得ることができる。
【００４１】以下、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法によ
って酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶層を形成する場合を例に
とり、結晶成長用基板１０を用いたＺｎＯ系単結晶層１
５の製造方法、ひいてはＺｎＯ系化合物半導体デバイス
２０の製造方法について説明する。
って酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶層を形成する場合を例に
とり、結晶成長用基板１０を用いたＺｎＯ系単結晶層１
５の製造方法、ひいてはＺｎＯ系化合物半導体デバイス
２０の製造方法について説明する。
【００４２】まず、上述の結晶成長用基板１０を用意
し、ＧａＮ層５をメタンクロライド系洗浄剤（例えば
（株）トクヤマ製のメタクレン）やアセトン等の有機溶
剤で洗浄することによって脱脂する。
し、ＧａＮ層５をメタンクロライド系洗浄剤（例えば
（株）トクヤマ製のメタクレン）やアセトン等の有機溶
剤で洗浄することによって脱脂する。
【００４３】この結晶成長用基板１０をＭＢＥ装置にお
ける成長室内の基板ホルダに装着し、成長室内を例えば
１×１０-7Ｐａ以下にまで減圧する。ＧａＮ層５に原子
状水素を照射しながら概ね７００℃程度で３０分間程度
熱処理を施し、ＧａＮ層５の表面を清浄化する。
ける成長室内の基板ホルダに装着し、成長室内を例えば
１×１０-7Ｐａ以下にまで減圧する。ＧａＮ層５に原子
状水素を照射しながら概ね７００℃程度で３０分間程度
熱処理を施し、ＧａＮ層５の表面を清浄化する。
【００４４】次いで、基板温度を概ね５００℃以下（例
えば３５０℃）にまで下げ、この状態でＧａＮ層５に亜
鉛（Ｚｎ）ビーム（亜鉛の分子線）および酸素（Ｏ）ラ
ジカルビーム（酸素ラジカルの分子線）を照射して、膜
厚が１０〜４０ｎｍ程度の酸化亜鉛（ＺｎＯ）バッファ
層を形成する。
えば３５０℃）にまで下げ、この状態でＧａＮ層５に亜
鉛（Ｚｎ）ビーム（亜鉛の分子線）および酸素（Ｏ）ラ
ジカルビーム（酸素ラジカルの分子線）を照射して、膜
厚が１０〜４０ｎｍ程度の酸化亜鉛（ＺｎＯ）バッファ
層を形成する。
【００４５】ＺｎビームおよびＯラジカルビームの照射
を一旦中止し、ＺｎＯバッファ層表面の平坦性を改善す
る。この平坦性の改善は、例えば基板温度を７００℃程
度にまで上げて数分間熱処理を施すことによって行うこ
とができる。
を一旦中止し、ＺｎＯバッファ層表面の平坦性を改善す
る。この平坦性の改善は、例えば基板温度を７００℃程
度にまで上げて数分間熱処理を施すことによって行うこ
とができる。
【００４６】基板温度をＺｎＯ結晶の成長温度、例えば
６５０℃程度にしてから、ＺｎＯバッファ層にＺｎビー
ムおよびＯラジカルビームを同時に照射し、ＺｎＯバッ
ファ層上においてＺｎＯ結晶をその＋ｃ面（亜鉛（Ｚ
ｎ）面）方向に成長させる。結晶性の良好なＺｎＯ単結
晶層、ひいては、結晶性の良好なＺｎＯ単結晶層を備え
たＺｎＯ系化合物半導体デバイスを得ることができる。
６５０℃程度にしてから、ＺｎＯバッファ層にＺｎビー
ムおよびＯラジカルビームを同時に照射し、ＺｎＯバッ
ファ層上においてＺｎＯ結晶をその＋ｃ面（亜鉛（Ｚ
ｎ）面）方向に成長させる。結晶性の良好なＺｎＯ単結
晶層、ひいては、結晶性の良好なＺｎＯ単結晶層を備え
たＺｎＯ系化合物半導体デバイスを得ることができる。
【００４７】なお、ＧａＮ層５の表面が酸化されてい
る、すなわち、ＧａＮ層５がＧａ2Ｏ3膜によって覆われ
ていると、このＧａ2Ｏ3膜上においては、ＺｎＯ結晶が
その−ｃ面（酸素（Ｏ）面）方向に成長する。ＺｎＯ結
晶を＋ｃ面（Ｚｎ面）方向に成長させるうえからは、上
述のように低温でＺｎＯバッファ層を形成し、これによ
ってＧａＮ層５表面の酸化を抑制することが好ましい。
る、すなわち、ＧａＮ層５がＧａ2Ｏ3膜によって覆われ
ていると、このＧａ2Ｏ3膜上においては、ＺｎＯ結晶が
その−ｃ面（酸素（Ｏ）面）方向に成長する。ＺｎＯ結
晶を＋ｃ面（Ｚｎ面）方向に成長させるうえからは、上
述のように低温でＺｎＯバッファ層を形成し、これによ
ってＧａＮ層５表面の酸化を抑制することが好ましい。
【００４８】上述した方法に従って、結晶性が互いに異
なる３種類のＺｎＯ単結晶層（以下、これらのＺｎＯ単
結晶層を第１〜第３のＺｎＯ単結晶層という。）をそれ
ぞれ別個の結晶成長用基板上にＲＦ−ＭＢＥ（高周波プ
ラズマアシスト分子線エピタキシ）装置を用いて形成し
た。
なる３種類のＺｎＯ単結晶層（以下、これらのＺｎＯ単
結晶層を第１〜第３のＺｎＯ単結晶層という。）をそれ
ぞれ別個の結晶成長用基板上にＲＦ−ＭＢＥ（高周波プ
ラズマアシスト分子線エピタキシ）装置を用いて形成し
た。
【００４９】また、比較のため、ｃ面に傾斜がないこと
をＸ線回折で確認したｃ面サファイア基板上にＧａＮ層
（第１テラスは有していない。）が形成されている結晶
成長用基板を用いて、ＺｎＯ単結晶層（以下、「第１の
比較例によるＺｎＯ単結晶層」という。）を形成した。
さらに、他の比較のため、ｍ軸方向に０．２°の傾斜角
の下に連なった多数の第１テラスを有するｃ面サファイ
ア基板上にＧａＮ層が形成されている結晶成長用基板を
用いて、ＺｎＯ単結晶層（以下、「第２の比較例による
ＺｎＯ単結晶層」という。）を形成した。
をＸ線回折で確認したｃ面サファイア基板上にＧａＮ層
（第１テラスは有していない。）が形成されている結晶
成長用基板を用いて、ＺｎＯ単結晶層（以下、「第１の
比較例によるＺｎＯ単結晶層」という。）を形成した。
さらに、他の比較のため、ｍ軸方向に０．２°の傾斜角
の下に連なった多数の第１テラスを有するｃ面サファイ
ア基板上にＧａＮ層が形成されている結晶成長用基板を
用いて、ＺｎＯ単結晶層（以下、「第２の比較例による
ＺｎＯ単結晶層」という。）を形成した。
【００５０】表１は、第１〜第３のＺｎＯ単結晶層およ
び第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層を形成する
際に用いた結晶成長用基板での第１および第２テラスそ
れぞれの配列方向、隣り合う第１または第２テラス同士
の段差、および下段の第１または第２テラスから上段の
第１または第２テラスにかけての傾斜角、ならびにＧａ
Ｎ層の膜厚を示す。
び第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層を形成する
際に用いた結晶成長用基板での第１および第２テラスそ
れぞれの配列方向、隣り合う第１または第２テラス同士
の段差、および下段の第１または第２テラスから上段の
第１または第２テラスにかけての傾斜角、ならびにＧａ
Ｎ層の膜厚を示す。
【００５１】表２は、第１〜第３のＺｎＯ単結晶層およ
び第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層を形成する
際の成長条件、ならびに、これらのＺｎＯ単結晶層それ
ぞれでの第３テラスの配列方向、隣り合う第３テラス同
士の段差、下段の第３テラスから上段の第３テラスにか
けての傾斜角、およびＺｎＯ単結晶層の膜厚を示す。こ
れらのＺｎＯ単結晶層は、いずれも、ＺｎＯ結晶をその
＋ｃ軸（Ｚｎ面）方向に成長させたものである。
び第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層を形成する
際の成長条件、ならびに、これらのＺｎＯ単結晶層それ
ぞれでの第３テラスの配列方向、隣り合う第３テラス同
士の段差、下段の第３テラスから上段の第３テラスにか
けての傾斜角、およびＺｎＯ単結晶層の膜厚を示す。こ
れらのＺｎＯ単結晶層は、いずれも、ＺｎＯ結晶をその
＋ｃ軸（Ｚｎ面）方向に成長させたものである。
【００５２】
【表１】
【００５３】
【表２】
【００５４】図４は、第１〜第３のＺｎＯ単結晶層およ
び第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層についての
成長速度を示す。同図の横軸は、各ＺｎＯ単結晶層を得
るにあたって用いた結晶成長用基板での第２テラスの傾
斜角、ひいては第１テラスの傾斜角を示し、縦軸は成長
速度である。
び第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層についての
成長速度を示す。同図の横軸は、各ＺｎＯ単結晶層を得
るにあたって用いた結晶成長用基板での第２テラスの傾
斜角、ひいては第１テラスの傾斜角を示し、縦軸は成長
速度である。
【００５５】同図中のプロットＰ１が第１のＺｎＯ単結
晶層の成長速度を示し、プロットＰ２が第２のＺｎＯ単
結晶層の成長速度を示し、プロットＰ３が第３のＺｎＯ
単結晶層の成長速度を示す。第１の比較例によるＺｎＯ
単結晶層の成長速度は同図中にプロットＰ５で示され、
第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層の成長速度は同図中
にプロットＰ６で示されている。
晶層の成長速度を示し、プロットＰ２が第２のＺｎＯ単
結晶層の成長速度を示し、プロットＰ３が第３のＺｎＯ
単結晶層の成長速度を示す。第１の比較例によるＺｎＯ
単結晶層の成長速度は同図中にプロットＰ５で示され、
第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層の成長速度は同図中
にプロットＰ６で示されている。
【００５６】第１の比較例によるＺｎＯ単結晶層と他の
ＺｎＯ単結晶層との比較から明らかなように、結晶成長
用基板に第１および第２テラスを形成すると、これらの
テラスを形成しない場合に比べて、ＺｎＯ単結晶層の成
長速度が遅くなる。ＺｎＯ単結晶層の成長速度には、第
１および第２テラスの傾斜角が大きくなるほど遅くなる
傾向が認められる。
ＺｎＯ単結晶層との比較から明らかなように、結晶成長
用基板に第１および第２テラスを形成すると、これらの
テラスを形成しない場合に比べて、ＺｎＯ単結晶層の成
長速度が遅くなる。ＺｎＯ単結晶層の成長速度には、第
１および第２テラスの傾斜角が大きくなるほど遅くなる
傾向が認められる。
【００５７】また、第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層
と第２のＺｎＯ単結晶層との比較から明らかなように、
結晶成長用基板に第１および第２テラスを形成する場
合、これらのテラスをｍ軸方向に連ならせるよりもａ軸
方向に連ならせた方が、ＺｎＯ単結晶層の成長速度が遅
くなる。
と第２のＺｎＯ単結晶層との比較から明らかなように、
結晶成長用基板に第１および第２テラスを形成する場
合、これらのテラスをｍ軸方向に連ならせるよりもａ軸
方向に連ならせた方が、ＺｎＯ単結晶層の成長速度が遅
くなる。
【００５８】ＺｎＯ単結晶層の成長速度の相違が何に起
因するものであるのかを調べるために、まず、各ＺｎＯ
単結晶層の表面性状を高エネルギー反射電子回折（refl
ection high energy electron diffraction； 以下、
「ＲＨＥＥＤ」と略記する。）によって評価した。
因するものであるのかを調べるために、まず、各ＺｎＯ
単結晶層の表面性状を高エネルギー反射電子回折（refl
ection high energy electron diffraction； 以下、
「ＲＨＥＥＤ」と略記する。）によって評価した。
【００５９】図５（Ａ）は第１のＺｎＯ単結晶層につい
ての、図５（Ｂ）は第２のＺｎＯ単結晶層についてのＲ
ＨＥＥＤによる回折パターンを示す。図６（Ａ）は第１
の比較例によるＺｎＯ単結晶層についての、図６（Ｂ）
は第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＲＨＥ
ＥＤによる回折パターンを示す。
ての、図５（Ｂ）は第２のＺｎＯ単結晶層についてのＲ
ＨＥＥＤによる回折パターンを示す。図６（Ａ）は第１
の比較例によるＺｎＯ単結晶層についての、図６（Ｂ）
は第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＲＨＥ
ＥＤによる回折パターンを示す。
【００６０】図５〜図６に示したいずれの回折パターン
も、加速電圧２０ｋＶの電子線を用いて得たものであ
る。図５（Ｂ）に示したように、第２のＺｎＯ単結晶層
からはきれいなストリーク状の回折パターンが得られ
た。このことから、第２のＺｎＯ単結晶層の表面には原
子層ステップがあるものと考えられる。他のＺｎＯ単結
晶層の表面は、スポット状の回折パターンが得られてい
ることから、なだらかな凹凸表面であるか、または荒れ
た表面であるものと考えられる。
も、加速電圧２０ｋＶの電子線を用いて得たものであ
る。図５（Ｂ）に示したように、第２のＺｎＯ単結晶層
からはきれいなストリーク状の回折パターンが得られ
た。このことから、第２のＺｎＯ単結晶層の表面には原
子層ステップがあるものと考えられる。他のＺｎＯ単結
晶層の表面は、スポット状の回折パターンが得られてい
ることから、なだらかな凹凸表面であるか、または荒れ
た表面であるものと考えられる。
【００６１】各ＺｎＯ単結晶層の表面性状を確認するた
めに、これらのＺｎＯ単結晶層の表面を原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）により観察した。図７（Ａ）は第１のＺｎＯ
単結晶層についての、図７（Ｂ）は第２のＺｎＯ単結晶
層についてのＡＦＭ写真を示す。
めに、これらのＺｎＯ単結晶層の表面を原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）により観察した。図７（Ａ）は第１のＺｎＯ
単結晶層についての、図７（Ｂ）は第２のＺｎＯ単結晶
層についてのＡＦＭ写真を示す。
【００６２】図８（Ａ）は第１の比較例によるＺｎＯ単
結晶層についての、図８（Ｂ）は第２の比較例によるＺ
ｎＯ単結晶層についてのＡＦＭ写真を示す。図７〜図８
に示したいずれの写真も、画像部分は、ＺｎＯ単結晶層
表面での１×１μｍの大きさの領域を示す。各図中の白
抜きの矢印とその先に示された「ａ−ａｘｉｓ」という
文字は、ＺｎＯ単結晶のａ軸方向を示す。図８（Ｂ）中
の白抜きの矢印とその先に示された「ｍ−ａｘｉｓ」と
いう文字は、ＺｎＯ単結晶のｍ軸方向を示す。
結晶層についての、図８（Ｂ）は第２の比較例によるＺ
ｎＯ単結晶層についてのＡＦＭ写真を示す。図７〜図８
に示したいずれの写真も、画像部分は、ＺｎＯ単結晶層
表面での１×１μｍの大きさの領域を示す。各図中の白
抜きの矢印とその先に示された「ａ−ａｘｉｓ」という
文字は、ＺｎＯ単結晶のａ軸方向を示す。図８（Ｂ）中
の白抜きの矢印とその先に示された「ｍ−ａｘｉｓ」と
いう文字は、ＺｎＯ単結晶のｍ軸方向を示す。
【００６３】図７（Ａ）〜図７（Ｂ）と図８（Ａ）〜図
８（Ｂ）との対比から明らかなように、第１〜第２のＺ
ｎＯ単結晶層では個々のＺｎＯ結晶が（０００１）面
（ｃ面）内で２次元的に大きく成長してグレインサイズ
が大きいのに対し、第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単
結晶層ではｃ面内での個々のＺｎＯ結晶の成長が少な
く、グレインサイズも小さい。
８（Ｂ）との対比から明らかなように、第１〜第２のＺ
ｎＯ単結晶層では個々のＺｎＯ結晶が（０００１）面
（ｃ面）内で２次元的に大きく成長してグレインサイズ
が大きいのに対し、第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単
結晶層ではｃ面内での個々のＺｎＯ結晶の成長が少な
く、グレインサイズも小さい。
【００６４】図４に示したＺｎＯ単結晶層の成長速度の
相違は、個々のＺｎＯ結晶のｃ面内での成長の多寡を大
きく反映しているものと考えられる。また、第１のＺｎ
Ｏ単結晶層と第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層との比
較から明らかなように、同じ成長速度であっても、結晶
成長用基板にａ軸方向に連なる多数の第１ステップを形
成した場合には、ｍ軸方向に連なる多数の第１ステップ
を形成した場合に比べてＺｎＯ結晶がｃ面内で大きく成
長し、グレインサイズが大きくなる。
相違は、個々のＺｎＯ結晶のｃ面内での成長の多寡を大
きく反映しているものと考えられる。また、第１のＺｎ
Ｏ単結晶層と第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層との比
較から明らかなように、同じ成長速度であっても、結晶
成長用基板にａ軸方向に連なる多数の第１ステップを形
成した場合には、ｍ軸方向に連なる多数の第１ステップ
を形成した場合に比べてＺｎＯ結晶がｃ面内で大きく成
長し、グレインサイズが大きくなる。
【００６５】これら第１〜第２のＺｎＯ単結晶層および
第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層について、フ
ォトルミネッセンス法（以下、「ＰＬ法」と略記す
る。）およびＸ線回折法（以下、「ＸＲＤ法」と略記す
る。）によって、その結晶性を評価した。
第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層について、フ
ォトルミネッセンス法（以下、「ＰＬ法」と略記す
る。）およびＸ線回折法（以下、「ＸＲＤ法」と略記す
る。）によって、その結晶性を評価した。
【００６６】図９は、第１〜第２のＺｎＯ単結晶層およ
び第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層についての
ＰＬ法によるフォトルミネッセンス（以下、「ＰＬ」と
略記する。）強度の測定結果を示す。
び第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層についての
ＰＬ法によるフォトルミネッセンス（以下、「ＰＬ」と
略記する。）強度の測定結果を示す。
【００６７】同図中の実線Ｌ１が第１のＺｎＯ単結晶層
についてのＰＬ強度の測定結果を示し、実線Ｌ２が第２
のＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ強度の測定結果を示
す。第１の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ
強度の測定結果は同図中に実線Ｌ５で示され、第２の比
較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ強度の測定結
果は同図中に実線Ｌ６で示されている。
についてのＰＬ強度の測定結果を示し、実線Ｌ２が第２
のＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ強度の測定結果を示
す。第１の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ
強度の測定結果は同図中に実線Ｌ５で示され、第２の比
較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ強度の測定結
果は同図中に実線Ｌ６で示されている。
【００６８】いずれのＰＬ強度も、Ｈｅ−Ｃｄ+ レーザ
で発振したレーザ光（波長３２５ｎｍ、出力０．１ｍ
Ｗ）を測定光として用い、４．２Ｋの測定温度下で得た
ものである。
で発振したレーザ光（波長３２５ｎｍ、出力０．１ｍ
Ｗ）を測定光として用い、４．２Ｋの測定温度下で得た
ものである。
【００６９】図９に示したように、第１〜第２のＺｎＯ
単結晶層から得られたスペクトルでは、約３．３７ｅＶ
のエネルギーを有する束縛励起子発光の強度が強く、し
かも、この束縛励起子発光が支配的となっている。これ
らのＺｎＯ単結晶層では、非発光センターが少ない。
単結晶層から得られたスペクトルでは、約３．３７ｅＶ
のエネルギーを有する束縛励起子発光の強度が強く、し
かも、この束縛励起子発光が支配的となっている。これ
らのＺｎＯ単結晶層では、非発光センターが少ない。
【００７０】これに対し、第１〜第２の比較例によるＺ
ｎＯ単結晶層から得られたスペクトルでは、３．２５ｅ
Ｖ程度のエネルギーを有するブロードな発光が支配的と
なっている。この発光は、結晶欠陥に起因するものであ
ると考えられる。
ｎＯ単結晶層から得られたスペクトルでは、３．２５ｅ
Ｖ程度のエネルギーを有するブロードな発光が支配的と
なっている。この発光は、結晶欠陥に起因するものであ
ると考えられる。
【００７１】ＰＬ法による測定結果から、第１〜第２の
ＺｎＯ単結晶層は、いずれも、第１〜第２の比較例によ
るＺｎＯ単結晶層に比べて結晶性の良好なＺｎＯ単結晶
によって形成されていることが判る。
ＺｎＯ単結晶層は、いずれも、第１〜第２の比較例によ
るＺｎＯ単結晶層に比べて結晶性の良好なＺｎＯ単結晶
によって形成されていることが判る。
【００７２】図１０は、第１〜第２のＺｎＯ単結晶層お
よび第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層について
のＸＲＤによる測定結果を示す。同図の横軸は、各Ｚｎ
Ｏ単結晶層を得るにあたって用いた結晶成長用基板（サ
ファイア基板２）での第２テラスの傾斜角を示し、縦軸
はＸ線ロッキングカーブ（以下、「ＸＲＣ」と略記す
る。）の半値幅を示す。
よび第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単結晶層について
のＸＲＤによる測定結果を示す。同図の横軸は、各Ｚｎ
Ｏ単結晶層を得るにあたって用いた結晶成長用基板（サ
ファイア基板２）での第２テラスの傾斜角を示し、縦軸
はＸ線ロッキングカーブ（以下、「ＸＲＣ」と略記す
る。）の半値幅を示す。
【００７３】同図中のプロットＰ１１が第１のＺｎＯ単
結晶層についての測定結果を示し、プロットＰ１２が第
２のＺｎＯ単結晶層につての測定結果を示す。第１の比
較例によるＺｎＯ単結晶層についての測定結果は同図中
にプロットＰ１５で示され、第２の比較例によるＺｎＯ
単結晶層についての測定結果は同図中にプロットＰ１６
で示されている。
結晶層についての測定結果を示し、プロットＰ１２が第
２のＺｎＯ単結晶層につての測定結果を示す。第１の比
較例によるＺｎＯ単結晶層についての測定結果は同図中
にプロットＰ１５で示され、第２の比較例によるＺｎＯ
単結晶層についての測定結果は同図中にプロットＰ１６
で示されている。
【００７４】図１０に示したように、第１〜第２のＺｎ
Ｏ単結晶層では、ＸＲＣの半値幅が８arcmin以下と小さ
い。これに対して、第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単
結晶層では、ＸＲＣの半値幅が２６arcminを超える。
Ｏ単結晶層では、ＸＲＣの半値幅が８arcmin以下と小さ
い。これに対して、第１〜第２の比較例によるＺｎＯ単
結晶層では、ＸＲＣの半値幅が２６arcminを超える。
【００７５】この測定結果から、第１〜第２のＺｎＯ単
結晶層は、いずれも、第１〜第２の比較例によるＺｎＯ
単結晶層に比べて非常に高い結晶性を有していることが
判る。
結晶層は、いずれも、第１〜第２の比較例によるＺｎＯ
単結晶層に比べて非常に高い結晶性を有していることが
判る。
【００７６】このように、ａ軸方向に連なった多数の第
１テラスを有するＧａＮ層上においてＺｎＯ結晶をその
＋ｃ軸（Ｚｎ面）方向に成長させることにより、結晶性
の良好なＺｎＯ単結晶層を得ることができる。
１テラスを有するＧａＮ層上においてＺｎＯ結晶をその
＋ｃ軸（Ｚｎ面）方向に成長させることにより、結晶性
の良好なＺｎＯ単結晶層を得ることができる。
【００７７】これらの測定ないし評価結果は、＋ｃ軸
（Ｚｎ面）方向に成長させたＺｎＯ単結晶層の結晶性を
向上させるうえからは、ＺｎＯ結晶をｃ面内で十分に成
長させることが重要であることを示唆する。＋ｃ軸（Ｚ
ｎ面）方向に成長するＺｎＯ結晶では、ａ軸方向での成
長速度がｍ軸方向での成長速度よりも速い。テンプレー
ト層であるＧａＮ層に、ａ軸方向に連なる多数のテラス
を形成することにより、その上に成長するＺｎＯ結晶が
ａ軸方向へステップフローしやすくなる。その結果とし
て、ＺｎＯ結晶が２次元方向にも十分に成長し、結晶性
が向上するものと考えられる。
（Ｚｎ面）方向に成長させたＺｎＯ単結晶層の結晶性を
向上させるうえからは、ＺｎＯ結晶をｃ面内で十分に成
長させることが重要であることを示唆する。＋ｃ軸（Ｚ
ｎ面）方向に成長するＺｎＯ結晶では、ａ軸方向での成
長速度がｍ軸方向での成長速度よりも速い。テンプレー
ト層であるＧａＮ層に、ａ軸方向に連なる多数のテラス
を形成することにより、その上に成長するＺｎＯ結晶が
ａ軸方向へステップフローしやすくなる。その結果とし
て、ＺｎＯ結晶が２次元方向にも十分に成長し、結晶性
が向上するものと考えられる。
【００７８】なお、第３のＺｎＯ単結晶層についても、
その成長速度から、第１〜第２のＺｎＯ単結晶層と同様
に、ＺｎＯ結晶が（０００１）面（ｃ面）内で２次元的
に大きく成長しているものと考えられる。
その成長速度から、第１〜第２のＺｎＯ単結晶層と同様
に、ＺｎＯ結晶が（０００１）面（ｃ面）内で２次元的
に大きく成長しているものと考えられる。
【００７９】以上は、図１〜図２に示した結晶成長用基
板１０上にＺｎＯ単結晶を成長させた例であるが、結晶
成長用基板１０に代えて例えばＺｎＯ単結晶からなる結
晶成長用基板を用いても、その上に結晶性の良好なＺｎ
Ｏ単結晶を成長させることができる。
板１０上にＺｎＯ単結晶を成長させた例であるが、結晶
成長用基板１０に代えて例えばＺｎＯ単結晶からなる結
晶成長用基板を用いても、その上に結晶性の良好なＺｎ
Ｏ単結晶を成長させることができる。
【００８０】この場合には、六方晶系のウルツ鉱型結晶
構造を有するＺｎＯ単結晶からなる結晶成長用基板（以
下、「ＺｎＯ単結晶基板」という。）を用いることが好
ましい。そして、このＺｎＯ単結晶基板には、例えば図
２に示した第１テラス５ａのように、ａ軸方向に階段状
に連なった複数の（０００１）面（以下、個々の（００
０１）面を「第４テラス」という。）を形成することが
好ましい。第４テラスは、形状的には図２に示した第１
テラス５ａと同様であるので、ここではその図示を省略
する。
構造を有するＺｎＯ単結晶からなる結晶成長用基板（以
下、「ＺｎＯ単結晶基板」という。）を用いることが好
ましい。そして、このＺｎＯ単結晶基板には、例えば図
２に示した第１テラス５ａのように、ａ軸方向に階段状
に連なった複数の（０００１）面（以下、個々の（００
０１）面を「第４テラス」という。）を形成することが
好ましい。第４テラスは、形状的には図２に示した第１
テラス５ａと同様であるので、ここではその図示を省略
する。
【００８１】１つの第４テラスと、この第４テラスに隣
接する他の第４テラスとの段差は、概ね１分子ステップ
または２分子ステップとすることが好ましい。１分子分
ステップは１分子のＺｎＯの大きさに相当し、ほぼ０．
２６ｎｍである。２分子分ステップは２分子のＺｎＯの
大きさに相当し、ほぼ０．５２ｎｍである。
接する他の第４テラスとの段差は、概ね１分子ステップ
または２分子ステップとすることが好ましい。１分子分
ステップは１分子のＺｎＯの大きさに相当し、ほぼ０．
２６ｎｍである。２分子分ステップは２分子のＺｎＯの
大きさに相当し、ほぼ０．５２ｎｍである。
【００８２】また、下段の第４テラスから面から上段の
第４テラスにかけての傾斜角は、概ね０．１〜２．０°
の範囲内で選定することが好ましく、０．１〜１．０°
の範囲内で選定することが更に好ましい。
第４テラスにかけての傾斜角は、概ね０．１〜２．０°
の範囲内で選定することが好ましく、０．１〜１．０°
の範囲内で選定することが更に好ましい。
【００８３】この傾斜角が０．１°未満では、上記複数
の第４テラスを形成したとしても、それらの上に結晶性
の良好なＺｎＯ単結晶を成長させにくくなる。一方、上
記の傾斜角が２．０°を超えると、ＺｎＯ単結晶の成長
に先立って一般に行われるサーマルクリーニング（熱処
理）によってＺｎＯ単結晶基板の表面モフォロジーが悪
化して、その上に結晶性の良好なＺｎＯ単結晶を成長さ
せにくくなる。上記の傾斜角は、特に、０．２〜１．０
°の範囲内で選定することが好ましい。
の第４テラスを形成したとしても、それらの上に結晶性
の良好なＺｎＯ単結晶を成長させにくくなる。一方、上
記の傾斜角が２．０°を超えると、ＺｎＯ単結晶の成長
に先立って一般に行われるサーマルクリーニング（熱処
理）によってＺｎＯ単結晶基板の表面モフォロジーが悪
化して、その上に結晶性の良好なＺｎＯ単結晶を成長さ
せにくくなる。上記の傾斜角は、特に、０．２〜１．０
°の範囲内で選定することが好ましい。
【００８４】複数の第４テラスを有する上述のＺｎＯ単
結晶基板は、例えば、平坦な（０００１）面を有するＺ
ｎＯ単結晶基板に研磨、酸素雰囲気中でのアニール等の
処理を施すことによって作製することができる。
結晶基板は、例えば、平坦な（０００１）面を有するＺ
ｎＯ単結晶基板に研磨、酸素雰囲気中でのアニール等の
処理を施すことによって作製することができる。
【００８５】酸素雰囲気中でのアニールによってＺｎＯ
単結晶基板に複数の第４テラスを形成する場合、そのア
ニール条件は、例えば１０００℃、１時間とすることが
できる。
単結晶基板に複数の第４テラスを形成する場合、そのア
ニール条件は、例えば１０００℃、１時間とすることが
できる。
【００８６】なお、ＺｎＯ単結晶基板の結晶構造、およ
び上述の傾斜角は、例えばＸ線回折装置を用いて確認す
ることができる。上記の傾斜角を０．５°としたＺｎＯ
単結晶基板を用意し、このＺｎＯ単結晶基板における複
数の第４テラス上に、前述した第１または第２のＺｎＯ
単結晶層を形成する場合と同様にして、ＺｎＯ単結晶層
（以下、「第４のＺｎＯ単結晶層」という。）を形成し
た。
び上述の傾斜角は、例えばＸ線回折装置を用いて確認す
ることができる。上記の傾斜角を０．５°としたＺｎＯ
単結晶基板を用意し、このＺｎＯ単結晶基板における複
数の第４テラス上に、前述した第１または第２のＺｎＯ
単結晶層を形成する場合と同様にして、ＺｎＯ単結晶層
（以下、「第４のＺｎＯ単結晶層」という。）を形成し
た。
【００８７】比較のため、ｃ面（（０００１）面）に傾
斜がないことをＸ線回折で確認したＺｎＯ単結晶基板を
用意し、このＺｎＯ単結晶基板のｃ面上にも、同様にし
てＺｎＯ単結晶層（以下、「第３の比較例によるＺｎＯ
単結晶層」という。）を成長させた。
斜がないことをＸ線回折で確認したＺｎＯ単結晶基板を
用意し、このＺｎＯ単結晶基板のｃ面上にも、同様にし
てＺｎＯ単結晶層（以下、「第３の比較例によるＺｎＯ
単結晶層」という。）を成長させた。
【００８８】これら第４のＺｎＯ単結晶層および第３の
比較例によるＺｎＯ単結晶層について、前述した第１ま
たは第２のＺｎＯ単結晶層について行ったＲＨＥＥＤと
同条件でＲＨＥＥＤによる回折パターンを調べ、また、
その表面のＡＦＭ写真を撮影した。さらに、前述した第
１または第２のＺｎＯ単結晶層について行ったＰＬ強度
の測定と同条件でＰＬ強度を測定した。
比較例によるＺｎＯ単結晶層について、前述した第１ま
たは第２のＺｎＯ単結晶層について行ったＲＨＥＥＤと
同条件でＲＨＥＥＤによる回折パターンを調べ、また、
その表面のＡＦＭ写真を撮影した。さらに、前述した第
１または第２のＺｎＯ単結晶層について行ったＰＬ強度
の測定と同条件でＰＬ強度を測定した。
【００８９】図１１（Ａ）は第４のＺｎＯ単結晶層につ
いての、図１１（Ｂ）は第３の比較例によるＺｎＯ単結
晶層についてのＲＨＥＥＤによる回折パターンを示す。
図１２（Ａ）は第４のＺｎＯ単結晶層についての、図１
２（Ｂ）は第３の比較例によるＺｎＯ単結晶層について
のＡＦＭ写真を示す。これらの図に示したいずれの写真
も、画像部分は、ＺｎＯ単結晶層表面での１×１μｍの
大きさの領域を示す。
いての、図１１（Ｂ）は第３の比較例によるＺｎＯ単結
晶層についてのＲＨＥＥＤによる回折パターンを示す。
図１２（Ａ）は第４のＺｎＯ単結晶層についての、図１
２（Ｂ）は第３の比較例によるＺｎＯ単結晶層について
のＡＦＭ写真を示す。これらの図に示したいずれの写真
も、画像部分は、ＺｎＯ単結晶層表面での１×１μｍの
大きさの領域を示す。
【００９０】図１３は、第４のＺｎＯ単結晶層および第
３の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ強度の
測定結果を示す。図中の実線Ｌ１０が第４のＺｎＯ単結
晶層についてのＰＬ強度の測定結果を示し、実線Ｌ１１
が第３の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ強
度の測定結果を示す。
３の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ強度の
測定結果を示す。図中の実線Ｌ１０が第４のＺｎＯ単結
晶層についてのＰＬ強度の測定結果を示し、実線Ｌ１１
が第３の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ強
度の測定結果を示す。
【００９１】これら図１１〜図１３から明らかなよう
に、ＺｎＯ単結晶基板上にＺｎＯ単結晶を成長させる場
合でも、ａ軸方向に連なった複数の第４テラスをＺｎＯ
単結晶基板に予め形成しておくことにより、結晶性が良
好なＺｎＯ結晶からなる第４のＺｎＯ単結晶層を成長さ
せることができる。
に、ＺｎＯ単結晶基板上にＺｎＯ単結晶を成長させる場
合でも、ａ軸方向に連なった複数の第４テラスをＺｎＯ
単結晶基板に予め形成しておくことにより、結晶性が良
好なＺｎＯ結晶からなる第４のＺｎＯ単結晶層を成長さ
せることができる。
【００９２】結晶性が良好なＺｎＯ系化合物半導体単結
晶層に対しては、ドーピング効率を容易に高めることが
できる。ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の
III属元素をドープすることにより、ｎ型のＺｎＯ系化
合物半導体単結晶層を得ることができる。また、窒素
（Ｎ）、ナトリウム（Ｎａ）等をドープすることによ
り、ｐ型のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層を得ることが
できる。窒素とガリウムとをコ・ドーピングしても、ｐ
型のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層を得ることができ
る。
晶層に対しては、ドーピング効率を容易に高めることが
できる。ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の
III属元素をドープすることにより、ｎ型のＺｎＯ系化
合物半導体単結晶層を得ることができる。また、窒素
（Ｎ）、ナトリウム（Ｎａ）等をドープすることによ
り、ｐ型のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層を得ることが
できる。窒素とガリウムとをコ・ドーピングしても、ｐ
型のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層を得ることができ
る。
【００９３】例えば、ｎ型のＺｎＯ系化合物半導体単結
晶層とｐ型のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層とを所望形
状、所望箇所に形成することによって、発光素子等とし
て機能するＺｎＯ系化合物半導体デバイスを得ることが
できる。
晶層とｐ型のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層とを所望形
状、所望箇所に形成することによって、発光素子等とし
て機能するＺｎＯ系化合物半導体デバイスを得ることが
できる。
【００９４】次に、他の実施例によるＺｎＯ系化合物半
導体デバイスについて説明する。図１４は、実施例によ
るＺｎＯ系化合物半導体デバイス５０（以下、「半導体
デバイス５０」と略記する。）を概略的に示す。同時に
示した構成要素のうち、図２に示した構成要素と共通す
るものについては図２で用いた参照符号と同じ参照符号
を付してその説明を省略する。
導体デバイスについて説明する。図１４は、実施例によ
るＺｎＯ系化合物半導体デバイス５０（以下、「半導体
デバイス５０」と略記する。）を概略的に示す。同時に
示した構成要素のうち、図２に示した構成要素と共通す
るものについては図２で用いた参照符号と同じ参照符号
を付してその説明を省略する。
【００９５】図示の半導体デバイス５０では、ＺｎＯ系
化合物半導体単結晶層の製造方法についての説明の中で
述べたバッファ層３０がＧａＮ層５上に形成され、その
上にｎ型ＺｎＯ単結晶層３２とｐ型ＺｎＯ単結晶層３４
とがこの順番で積層される。
化合物半導体単結晶層の製造方法についての説明の中で
述べたバッファ層３０がＧａＮ層５上に形成され、その
上にｎ型ＺｎＯ単結晶層３２とｐ型ＺｎＯ単結晶層３４
とがこの順番で積層される。
【００９６】バッファ層３０は、前述のようにＺｎＯ系
化合物半導体、例えばＺｎＯによって形成される。ｎ型
ＺｎＯ単結晶層３２は、例えばガリウム（Ｇａ）やアル
ミニウム（Ａｌ）等のIII 族元素が１０18ｃｍ-3程度ド
ープされた膜厚０．５〜２μｍ程度のＺｎＯ単結晶層で
ある。このｎ型ＺｎＯ単結晶層３２の表層が一部除去さ
れ、これによって露出した表面の一領域上に、中央部に
貫通孔を有する電気的絶縁膜３６が例えば窒化ケイ素に
よって形成されると共に、当該貫通孔を埋めるようにし
て第１電極３８が形成される。
化合物半導体、例えばＺｎＯによって形成される。ｎ型
ＺｎＯ単結晶層３２は、例えばガリウム（Ｇａ）やアル
ミニウム（Ａｌ）等のIII 族元素が１０18ｃｍ-3程度ド
ープされた膜厚０．５〜２μｍ程度のＺｎＯ単結晶層で
ある。このｎ型ＺｎＯ単結晶層３２の表層が一部除去さ
れ、これによって露出した表面の一領域上に、中央部に
貫通孔を有する電気的絶縁膜３６が例えば窒化ケイ素に
よって形成されると共に、当該貫通孔を埋めるようにし
て第１電極３８が形成される。
【００９７】ｎ型ＺｎＯ単結晶層３２と第１電極３８と
をオーミックコンタクトさせるうえからは、例えばイン
ジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）等によって第１
電極３８を形成することが好ましい。
をオーミックコンタクトさせるうえからは、例えばイン
ジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）等によって第１
電極３８を形成することが好ましい。
【００９８】膜厚が０．１〜１μｍ程度のｐ型ＺｎＯ単
結晶層３４をｎ型ＺｎＯ単結晶層３２上に例えば円板状
に設けて、ｐｎ接合を形成する。ｐ型ＺｎＯ単結晶層３
４の縁部および外周部は、例えば前述した電気的絶縁膜
３８によって、平面視上、環状に覆われる。
結晶層３４をｎ型ＺｎＯ単結晶層３２上に例えば円板状
に設けて、ｐｎ接合を形成する。ｐ型ＺｎＯ単結晶層３
４の縁部および外周部は、例えば前述した電気的絶縁膜
３８によって、平面視上、環状に覆われる。
【００９９】例えば環状を呈する第２電極４０が、ｐ型
ＺｎＯ単結晶層３４の露出面の内周部から電気的絶縁膜
３８上にかけて形成される。ｐ型ＺｎＯ単結晶層３４と
第２電極４０とをオーミックコンタクトさせるうえから
は、例えばニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金
（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）等の金属
や、これらの金属の２種以上からなる合金、あるいは、
これらの金属の薄膜を２種以上積層した積層膜等によっ
て第２電極４０を形成することが好ましい。
ＺｎＯ単結晶層３４の露出面の内周部から電気的絶縁膜
３８上にかけて形成される。ｐ型ＺｎＯ単結晶層３４と
第２電極４０とをオーミックコンタクトさせるうえから
は、例えばニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金
（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）等の金属
や、これらの金属の２種以上からなる合金、あるいは、
これらの金属の薄膜を２種以上積層した積層膜等によっ
て第２電極４０を形成することが好ましい。
【０１００】このように構成された半導体デバイス５０
では、第１電極３８に対して正の電圧を第２電極４０に
印加することにより、上記のｐｎ接合に順方向電流を流
すことができ、ｐ型ＺｎＯ単結晶層３４に注入された電
子と当該ｐ型ＺｎＯ単結晶層３４中の正孔との再結合に
よって、禁制帯のエネルギーギャップにほぼ等しいエネ
ルギーを有する発光をｐ型ＺｎＯ単結晶層３４の上面か
ら得ることが可能であろう。すなわち、発光ダイオード
として機能させることが可能であろう。
では、第１電極３８に対して正の電圧を第２電極４０に
印加することにより、上記のｐｎ接合に順方向電流を流
すことができ、ｐ型ＺｎＯ単結晶層３４に注入された電
子と当該ｐ型ＺｎＯ単結晶層３４中の正孔との再結合に
よって、禁制帯のエネルギーギャップにほぼ等しいエネ
ルギーを有する発光をｐ型ＺｎＯ単結晶層３４の上面か
ら得ることが可能であろう。すなわち、発光ダイオード
として機能させることが可能であろう。
【０１０１】以上、実施例による結晶成長用基板、Ｚｎ
Ｏ系化合物半導体結晶の製造方法、およびＺｎＯ系化合
物半導体デバイスについて説明したが、本発明はこれら
の実施例に限定されるものではない。
Ｏ系化合物半導体結晶の製造方法、およびＺｎＯ系化合
物半導体デバイスについて説明したが、本発明はこれら
の実施例に限定されるものではない。
【０１０２】例えば、結晶成長用基板にテンプレート層
を設ける場合、このテンプレート層は、ＧａＮ単結晶に
よって形成する他に、六方晶結晶構造を有する他の化合
物の単結晶、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸
化亜鉛（ＺｎＯ）、炭化ケイ素（６Ｈ−ＳｉＣ，４Ｈ−
ＳｉＣ、２Ｈ−ＳｉＣ）等の単結晶によって形成するこ
ともできる。
を設ける場合、このテンプレート層は、ＧａＮ単結晶に
よって形成する他に、六方晶結晶構造を有する他の化合
物の単結晶、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸
化亜鉛（ＺｎＯ）、炭化ケイ素（６Ｈ−ＳｉＣ，４Ｈ−
ＳｉＣ、２Ｈ−ＳｉＣ）等の単結晶によって形成するこ
ともできる。
【０１０３】これらの単結晶によって形成されたテンプ
レート層にも、ａ軸方向に階段状に連なった複数の（０
００１）面（テラス）を形成する。その上に結晶性の良
好なＺｎＯ単結晶を成長させるうえからは、テンプレー
ト層に設けた複数のテラスの傾斜角、すなわち、下段の
テラスから上段のテラスにかけての傾斜角を、０．１〜
０．５°の範囲内で選定することが好ましい。
レート層にも、ａ軸方向に階段状に連なった複数の（０
００１）面（テラス）を形成する。その上に結晶性の良
好なＺｎＯ単結晶を成長させるうえからは、テンプレー
ト層に設けた複数のテラスの傾斜角、すなわち、下段の
テラスから上段のテラスにかけての傾斜角を、０．１〜
０．５°の範囲内で選定することが好ましい。
【０１０４】テンプレート層の材料としては、特に、六
方晶系のウルツ鉱型結晶構造を有するＧａＮ、ＡｌＮ、
ＺｎＯ、および６Ｈ−ＳｉＣの単結晶が好適である。テ
ンプレート層の下地となる基板としては、ｍ軸方向に階
段状に連なった複数の（０００１）面（ｃ面；以下、
「テラス」という。）を有する単結晶サファイア基板
（例えば図２に示したサファイア基板２）の他に、ａ軸
方向に階段状に連なった複数の（０００１）面（ｃ面；
以下、「テラス」という。）を有する単結晶６Ｈ−Ｓｉ
Ｃ基板や、ｃ軸方向に階段状に連なった複数の（１１−
２０）面（ａ面；以下、「テラス」という。）を有する
単結晶サファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）基板等を用いること
もできる。
方晶系のウルツ鉱型結晶構造を有するＧａＮ、ＡｌＮ、
ＺｎＯ、および６Ｈ−ＳｉＣの単結晶が好適である。テ
ンプレート層の下地となる基板としては、ｍ軸方向に階
段状に連なった複数の（０００１）面（ｃ面；以下、
「テラス」という。）を有する単結晶サファイア基板
（例えば図２に示したサファイア基板２）の他に、ａ軸
方向に階段状に連なった複数の（０００１）面（ｃ面；
以下、「テラス」という。）を有する単結晶６Ｈ−Ｓｉ
Ｃ基板や、ｃ軸方向に階段状に連なった複数の（１１−
２０）面（ａ面；以下、「テラス」という。）を有する
単結晶サファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）基板等を用いること
もできる。
【０１０５】いずれの基板を用いる場合でも、これらの
基板における下段のテラスから上段のテラスにかけての
傾斜角は、その上に形成されるテンプレート層でのテラ
スの傾斜角が０．１〜０．５°の範囲内となるように、
概ね０．１〜０．５°の範囲内で選定することが好まし
い。テンプレート層の下地となる基板におけるテラス
は、研磨、エッチング、酸素雰囲気中でのアニール等の
方法によって形成することができる。
基板における下段のテラスから上段のテラスにかけての
傾斜角は、その上に形成されるテンプレート層でのテラ
スの傾斜角が０．１〜０．５°の範囲内となるように、
概ね０．１〜０．５°の範囲内で選定することが好まし
い。テンプレート層の下地となる基板におけるテラス
は、研磨、エッチング、酸素雰囲気中でのアニール等の
方法によって形成することができる。
【０１０６】テンプレート層を設けずに結晶成長用基板
を単層構造にする場合、この結晶成長用基板は、前述し
たＺｎＯ単結晶以外に、六方晶系のウルツ鉱型結晶構造
を有するＧａＮ、ＡｌＮ、６Ｈ−ＳｉＣ等の単結晶によ
って形成することができる。
を単層構造にする場合、この結晶成長用基板は、前述し
たＺｎＯ単結晶以外に、六方晶系のウルツ鉱型結晶構造
を有するＧａＮ、ＡｌＮ、６Ｈ−ＳｉＣ等の単結晶によ
って形成することができる。
【０１０７】この場合でも、結晶成長用基板（単結晶基
板）には、ａ軸方向に階段状に連なった複数の（０００
１）面（テラス）を形成し、これらのテラス上にＺｎＯ
単結晶を成長させることが好ましい。下段のテラスから
上段のテラスにかけての傾斜角は、０．１〜２．０°の
範囲内で選定することが好ましく、０．２〜１．０°の
範囲内で選定することが更に好ましい。
板）には、ａ軸方向に階段状に連なった複数の（０００
１）面（テラス）を形成し、これらのテラス上にＺｎＯ
単結晶を成長させることが好ましい。下段のテラスから
上段のテラスにかけての傾斜角は、０．１〜２．０°の
範囲内で選定することが好ましく、０．２〜１．０°の
範囲内で選定することが更に好ましい。
【０１０８】テンプレート層を設ける場合および設けな
い場合のいずれにおいても、その上にＺｎＯ単結晶が成
長するテラス同士の間の段差は、１分子ステップまたは
２分子ステップとすることが好ましく、できるだけ１分
子ステップとすることが好ましい。
い場合のいずれにおいても、その上にＺｎＯ単結晶が成
長するテラス同士の間の段差は、１分子ステップまたは
２分子ステップとすることが好ましく、できるだけ１分
子ステップとすることが好ましい。
【０１０９】その上にＺｎＯ単結晶が成長する個々のテ
ラスの幅（傾斜角方向の平面視上の幅）は、テンプレー
ト層においては概ね３０〜１５０ｎｍ程度、テンプレー
ト層を設けない単結晶基板においては概ね７．５〜１５
０ｎｍ程度の範囲内とすることが好ましい。
ラスの幅（傾斜角方向の平面視上の幅）は、テンプレー
ト層においては概ね３０〜１５０ｎｍ程度、テンプレー
ト層を設けない単結晶基板においては概ね７．５〜１５
０ｎｍ程度の範囲内とすることが好ましい。
【０１１０】なお、結晶軸のミラー指数はその結晶の結
晶構造に応じて変化する。例えば「ａ軸」という同じ名
称の結晶軸であっても、結晶構造が異なれば、異なるミ
ラー指数によって表される。
晶構造に応じて変化する。例えば「ａ軸」という同じ名
称の結晶軸であっても、結晶構造が異なれば、異なるミ
ラー指数によって表される。
【０１１１】ｎ型のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層とｐ
型のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層とを用いれば、発光
ダイオードやレーザ発振器等の発光素子、電界効果トラ
ンジスタやバイポーラトランジスタ等の回路素子、ある
いは受光素子等、種々の半導体デバイスを構成すること
が可能である。
型のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層とを用いれば、発光
ダイオードやレーザ発振器等の発光素子、電界効果トラ
ンジスタやバイポーラトランジスタ等の回路素子、ある
いは受光素子等、種々の半導体デバイスを構成すること
が可能である。
【０１１２】その他、種々の変更、改良、組み合わせ等
が可能であることは、当業者に自明であろう。
が可能であることは、当業者に自明であろう。
【０１１３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
結晶性の良好なＺｎＯ系化合物単結晶層を得ることが容
易になる。ＺｎＯ系化合物単結晶層を用いた半導体デバ
イスの性能を向上させやすくなる。
結晶性の良好なＺｎＯ系化合物単結晶層を得ることが容
易になる。ＺｎＯ系化合物単結晶層を用いた半導体デバ
イスの性能を向上させやすくなる。
【図１】実施例による結晶成長用基板を概略的に示す側
面図である。
面図である。
【図２】図２（Ａ）は、図１に示した結晶成長用基板の
一部を拡大して示す分解斜視図であり、図２（Ｂ）は、
図２（Ａ）に示したＧａＮ層での結晶軸（ａ軸、ｃ軸、
およびｍ軸）の方向に対応した座標系を示す図であり、
図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示したサファイア基板での
結晶軸（ａ軸、ｃ軸、およびｍ軸）の方向に対応した座
標系を示す図である。
一部を拡大して示す分解斜視図であり、図２（Ｂ）は、
図２（Ａ）に示したＧａＮ層での結晶軸（ａ軸、ｃ軸、
およびｍ軸）の方向に対応した座標系を示す図であり、
図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示したサファイア基板での
結晶軸（ａ軸、ｃ軸、およびｍ軸）の方向に対応した座
標系を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は、実施例による半導体単結晶層付
き基板を模式的に示す分解斜視図であり、図３（Ｂ）
は、図３（Ａ）に示したＺｎＯ系化合物半導体単結晶層
での結晶軸（ａ軸、ｃ軸、およびｍ軸）の方向に対応し
た座標系を示す図である。
き基板を模式的に示す分解斜視図であり、図３（Ｂ）
は、図３（Ａ）に示したＺｎＯ系化合物半導体単結晶層
での結晶軸（ａ軸、ｃ軸、およびｍ軸）の方向に対応し
た座標系を示す図である。
【図４】第１〜第３のＺｎＯ単結晶層および第１〜第２
の比較例によるＺｎＯ単結晶層それぞれの成長速度を示
すグラフである。
の比較例によるＺｎＯ単結晶層それぞれの成長速度を示
すグラフである。
【図５】図５（Ａ）は、第１のＺｎＯ単結晶層について
のＲＨＥＥＤ法による回折パターンを示す図であり、図
５（Ｂ）は、第２のＺｎＯ単結晶層についてのＲＨＥＥ
Ｄ法による回折パターンを示す図である。
のＲＨＥＥＤ法による回折パターンを示す図であり、図
５（Ｂ）は、第２のＺｎＯ単結晶層についてのＲＨＥＥ
Ｄ法による回折パターンを示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、第１の比較例によるＺｎＯ単結
晶層についてのＲＨＥＥＤ法による回折パターンを示す
図であり、図６（Ｂ）は、第２の比較例によるＺｎＯ単
結晶層についてのＲＨＥＥＤ法による回折パターンを示
す図である。
晶層についてのＲＨＥＥＤ法による回折パターンを示す
図であり、図６（Ｂ）は、第２の比較例によるＺｎＯ単
結晶層についてのＲＨＥＥＤ法による回折パターンを示
す図である。
【図７】図７（Ａ）は、第１のＺｎＯ単結晶層について
のＡＦＭ写真であり、図７（Ｂ）は、第２のＺｎＯ単結
晶層についてのＡＦＭ写真である。
のＡＦＭ写真であり、図７（Ｂ）は、第２のＺｎＯ単結
晶層についてのＡＦＭ写真である。
【図８】図８（Ａ）は、第１の比較例によるＺｎＯ単結
晶層についてのＡＦＭ写真であり、図８（Ｂ）は第２の
比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＡＦＭ写真であ
る。
晶層についてのＡＦＭ写真であり、図８（Ｂ）は第２の
比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＡＦＭ写真であ
る。
【図９】第１〜第２のＺｎＯ単結晶層および第１〜第２
の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ法による
ＰＬ強度の測定結果を示すグラフである。
の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ法による
ＰＬ強度の測定結果を示すグラフである。
【図１０】第１〜第２のＺｎＯ単結晶層および第１〜第
２の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＸＲＤによ
る測定結果を示すグラフである。
２の比較例によるＺｎＯ単結晶層についてのＸＲＤによ
る測定結果を示すグラフである。
【図１１】図１１（Ａ）は、第４のＺｎＯ単結晶層につ
いてのＲＨＥＥＤ法による回折パターンを示す図であ
り、図１１（Ｂ）は、第３の比較例によるＺｎＯ単結晶
層についてのＲＨＥＥＤ法による回折パターンを示す図
である。
いてのＲＨＥＥＤ法による回折パターンを示す図であ
り、図１１（Ｂ）は、第３の比較例によるＺｎＯ単結晶
層についてのＲＨＥＥＤ法による回折パターンを示す図
である。
【図１２】図１２（Ａ）は、第４のＺｎＯ単結晶層につ
いてのＡＦＭ写真であり、図１２（Ｂ）は、第３の比較
例によるＺｎＯ単結晶層についてのＡＦＭ写真である。
いてのＡＦＭ写真であり、図１２（Ｂ）は、第３の比較
例によるＺｎＯ単結晶層についてのＡＦＭ写真である。
【図１３】第４のＺｎＯ単結晶層および第３の比較例に
よるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ法によるＰＬ強度の
測定結果を示すグラフである。
よるＺｎＯ単結晶層についてのＰＬ法によるＰＬ強度の
測定結果を示すグラフである。
【図１４】他の実施例によるＺｎＯ系化合物半導体デバ
イスを概略的に示す断面図である。
イスを概略的に示す断面図である。
２…単結晶サファイア基板、 ２ａ…第２テラス、 ５
…ＧａＮ層、 ５ａ…第１テラス、 １０…結晶成長用
基板、 １５…ＺｎＯ系化合物半導体単結晶層、 １５
ａ…第３テラス、 ２０、５０…ＺｎＯ系化合物半導体
デバイス、 ３２…ｎ型ＺｎＯ単結晶層、 ３４…ｐ型
ＺｎＯ単結晶層。
…ＧａＮ層、 ５ａ…第１テラス、 １０…結晶成長用
基板、 １５…ＺｎＯ系化合物半導体単結晶層、 １５
ａ…第３テラス、 ２０、５０…ＺｎＯ系化合物半導体
デバイス、 ３２…ｎ型ＺｎＯ単結晶層、 ３４…ｐ型
ＺｎＯ単結晶層。
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フロントページの続き
Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BB07 DA05 ED04 ED05
ED06 HA06 SC08
5F041 CA02 CA23 CA40 CA41 CA46
CA66
5F045 AA05 AB22 AD07 AD10 AE03
AF04 BB12 CA11 CB01 CB02
Claims (9)
- 【請求項１】 ａ軸方向に階段状に連なった複数の（０
００１）面を表面に有する六方晶結晶構造の化合物単結
晶層を備え、該化合物単結晶層上に、ａ軸方向に傾斜し
た六方晶結晶構造のＺｎＯ系化合物半導体が成長される
結晶成長用基板。 - 【請求項２】 前記化合物単結晶層が、窒化ガリウム、
窒化アルミニウム、酸化亜鉛、または炭化ケイ素によっ
て形成される請求項１に記載の結晶成長用基板。 - 【請求項３】 前記化合物単結晶層が、窒化ガリウム、
窒化アルミニウム、酸化亜鉛、２Ｈ型炭化ケイ素、４Ｈ
型炭化ケイ素、または６Ｈ型炭化ケイ素からなり、該化
合物単結晶層が単結晶サファイア基板上または単結晶炭
化ケイ素基板上に形成されている請求項１または請求項
２に記載の結晶成長用基板。 - 【請求項４】 前記複数の（０００１）面が０．１〜
０．５°の傾斜角の下に階段状に連なる請求項３に記載
の結晶成長用基板。 - 【請求項５】 前記化合物単結晶層からなる単層構造を
有し、該化合物単結晶層が窒化ガリウム、窒化アルミニ
ウム、酸化亜鉛、または６Ｈ型炭化ケイ素によって形成
されると共に、前記複数の（０００１）面が０．１〜
２．０°の傾斜角の下に階段状に連なる請求項１または
請求項２に記載の結晶成長用基板。 - 【請求項６】 ａ軸方向に階段状に連なった複数の（０
００１）面を表面に有する六方晶結晶構造の化合物単結
晶層を備えた結晶成長用基板と、 前記化合物単結晶層上に形成され、ａ軸方向に傾斜した
六方晶結晶構造のＺｎＯ系化合物半導体単結晶層とを備
えたＺｎＯ系化合物半導体デバイス。 - 【請求項７】 前記結晶成長用基板と前記ＺｎＯ系化合
物半導体単結晶層との間に、亜鉛（Ｚｎ）面方向に成長
した酸化亜鉛バッファ層を有する請求項６に記載のＺｎ
Ｏ系化合物半導体デバイス。 - 【請求項８】 （Ａ）ａ軸方向に階段状に連なった複数
の（０００１）面を表面に有する六方晶結晶構造の化合
物単結晶層を備えた結晶成長用基板を準備する工程と、
（Ｂ）前記複数の（０００１）面上に、ａ軸方向に傾斜
した六方晶結晶構造のＺｎＯ系化合物半導体単結晶を成
長させる工程とを含むＺｎＯ系化合物半導体結晶の製造
方法。 - 【請求項９】 前記結晶成長用基板として、(i) 前記化
合物単結晶層が基板上に形成され、前記複数の（０００
１）面が０．１〜０．５°の傾斜角の下に階段状に連な
った結晶成長用基板、または、(ii)前記化合物単結晶層
からなる単層構造を有し、前記複数の（０００１）面が
０．１〜２．０°の傾斜角の下に階段状に連なった結晶
成長用基板を準備する請求項８に記載のＺｎＯ系化合物
半導体結晶の製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002086247A JP3749498B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 結晶成長用基板およびＺｎＯ系化合物半導体デバイス |
| EP02021740.2A EP1349203B1 (en) | 2002-03-26 | 2002-09-25 | ZnO-containing compound semiconductor device |
| US10/260,779 US6673478B2 (en) | 2002-03-26 | 2002-09-27 | Crystal-growth substrate and a ZnO-containing compound semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002086247A JP3749498B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 結晶成長用基板およびＺｎＯ系化合物半導体デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003282602A true JP2003282602A (ja) | 2003-10-03 |
| JP3749498B2 JP3749498B2 (ja) | 2006-03-01 |
Family
ID=27800441
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002086247A Expired - Fee Related JP3749498B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 結晶成長用基板およびＺｎＯ系化合物半導体デバイス |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6673478B2 (ja) |
| EP (1) | EP1349203B1 (ja) |
| JP (1) | JP3749498B2 (ja) |
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