JP2011046580A - ZnO-BASED SUBSTRATE AND ZnO-BASED SEMICONDUCTOR ELEMENT - Google Patents

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Takeshi Nakahara
健 中原
Masashi Kawasaki
雅司 川崎
Akira Otomo
明 大友
Atsushi Tsukasaki
敦 塚崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ZnO-based substrate preventing an alkali metal from reaching a ZnO-based semiconductor layer at least functionally working to act as a semiconductor device without problem and a ZnO-based semiconductor element. <P>SOLUTION: The segregation of the alkali metal to the ZnO-based semiconductor crystal-grown on the ZnO-based substrate is prevented because the ZnO-based substrate is formed such that the concentration of the alkali metal in the ZnO-based substrate is ≤1×10<SP>14</SP>cm<SP>-3</SP>. Even when the concentration of lithium is above 1×10<SP>14</SP>cm<SP>-3</SP>in a ZnO-based substrate, the segregation of the alkali metal to the ZnO-based semiconductor layer formed after the formation of a ZnO film is prevented by forming the ZnO film having thickness of ≥50 nm on the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、ZnO系薄膜等の結晶成長に適したZnO系基板及びこれを用いたZnO系半導体素子に関する。   The present invention relates to a ZnO-based substrate suitable for crystal growth of a ZnO-based thin film or the like, and a ZnO-based semiconductor element using the same.

ZnO系半導体は、照明やバックライト等用の光源として使用される紫外LED、高速電子デバイス、表面弾性波デバイス等への応用が期待されている。ZnO系半導体はその多機能性、発光ポテンシャルの大きさなどが注目されていながら、なかなか半導体デバイス材料として成長しなかった。その最大の難点は、アクセプタードーピングが困難で、P型ZnOを得ることができなかったことにある。   ZnO-based semiconductors are expected to be applied to ultraviolet LEDs, high-speed electronic devices, surface acoustic wave devices and the like that are used as light sources for illumination, backlights, and the like. Although ZnO-based semiconductors have attracted attention for their multifunctionality, light emission potential, and the like, they have hardly grown as semiconductor device materials. The biggest difficulty is that acceptor doping is difficult and P-type ZnO cannot be obtained.

しかし、近年、非特許文献1や非特許文献2に見られるように、技術の進歩により、P型ZnOを得ることができるようになり、発光も確認されるようになってきた。また、非特許文献3には、単結晶ZnOを用いると電界効果移動度が250cm/V・Sに達すると記載されており、非特許文献4には、アルモファスZnOで電界効果移動度が7cm/V・S(アモルファスSiは1cm/V・S以下)に達するとの報告等もあって、ZnOは電子デバイス材料としても有用であることがわかってきた。 However, as seen in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, in recent years, P-type ZnO can be obtained due to technological advances, and light emission has been confirmed. Non-Patent Document 3 describes that when single crystal ZnO is used, the field-effect mobility reaches 250 cm 2 / V · S, and Non-Patent Document 4 describes that the field-effect mobility is 7 cm with Almorphus ZnO. It has been found that ZnO is also useful as an electronic device material, with reports that it reaches 2 / V · S (amorphous Si reaches 1 cm 2 / V · S or less).

また、ZnOにはコストメリットもある。水熱合成法という水晶で量産実績のある方法でZnOが生産され、既に販売されている。これは産業と言う観点からはとても大きな優位点である。このため、ZnOはSi並みのコストになることが予想される。   ZnO also has a cost advantage. ZnO is already produced and sold by the method of mass production with quartz called hydrothermal synthesis method. This is a huge advantage from an industrial point of view. For this reason, ZnO is expected to cost as much as Si.

これとは対照的に、同じワイドギャップ半導体であるSiCもGaNも基板自体は販売されているが、産業の面からは難点が多い。どちらもガスを材料源とした気相成長法を用いるため、Si・GaAs・サファイアで実績のある液相成長法と比較すると、材料効率が悪い(未反応生成物が大量にできる)、成長速度が遅い、大きい塊もしくは面積の広い板ができない、といった根本的に克服できない弱点を持っている。   In contrast, SiC and GaN, which are the same wide-gap semiconductors, are sold as substrates, but there are many problems from an industrial standpoint. Both use vapor phase growth methods that use gas as the material source, so compared to the liquid phase growth method that has been proven for Si, GaAs, and sapphire, the material efficiency is poor (unreacted products can be produced in large quantities), and the growth rate It has weaknesses that can not be overcome fundamentally, such as being slow, large lumps or large area boards are not possible.

したがって、コストが非常に高くなるか、大面積ができないといった産業面から見て致命的な弱点を有している。こういう問題が無いに均しいZnOはZnO基板を使うことで半導体デバイス作製に不可欠なエピタキシャル成長も容易にでき、半導体として飛躍する可能性を十分に持っている。   Therefore, it has a fatal weak point from the industrial aspect that the cost becomes very high or a large area cannot be obtained. Although there is no such a problem, uniform ZnO can easily perform epitaxial growth indispensable for manufacturing a semiconductor device by using a ZnO substrate, and has a sufficient potential to leap as a semiconductor.

このように物性的、産業的に非常に有望なZnOであるが、ZnO系基板に唯一と言ってよい難点がある。アルカリ金属(I族元素のうち、水素を除くもの)を不純物として含んでしまうことにある。温度を上げると、ZnOは融液にならず昇華してしまうため、通常、LiOH(水酸化リチウム)とKOH(水酸化カリウム)の溶液に溶かして液相成長を行う。このために溶液を構成するアルカリ金属が入ってしまう。アルカリ金属を含むI族元素は他のI族元素を排除するのが難しい元素であり、これらを選択的に除去するのは殆ど不可能である。   As described above, ZnO is very promising from the physical and industrial viewpoints, but the ZnO-based substrate has a unique difficulty. An alkali metal (group I element excluding hydrogen) is included as an impurity. When the temperature is raised, ZnO does not become a melt and sublimates. Therefore, it is usually dissolved in a solution of LiOH (lithium hydroxide) and KOH (potassium hydroxide) to perform liquid phase growth. For this reason, the alkali metal which comprises a solution will enter. Group I elements including alkali metals are elements that are difficult to exclude other Group I elements, and it is almost impossible to selectively remove them.

A.Tsukazaki et al.,Jpn.J.Appl.Phys. Vol.44(2005)L643A. Tsukazaki et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 44 (2005) L643 A.Tsukazaki et al.,Nature Material 4(2005)42A. Tsukazaki et al., Nature Material 4 (2005) 42 日経エレクトロニクス2007-8/27号p.52Nikkei Electronics 2007-8 / 27 p.52 J.Nishii et al.,Jpn. J.Appl. Phys. Vol.42 (2003) pp.L347-L349J. Nishii et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) pp.L347-L349

上記のように、液相成長させたZnO系基板を用いて、ZnO系基板上にZnO系薄膜をMBE(Molecular Beam Epitaxy)装置等で結晶成長させた場合に、以下のような問題が発生する。   As described above, the following problem occurs when a ZnO-based thin film is grown on a ZnO-based substrate using an MBE (Molecular Beam Epitaxy) apparatus or the like using a liquid-phase-grown ZnO-based substrate. .

図5は、ZnO基板/MgZnO膜/ZnO膜の積層構造で、ZnO基板にリチウムが1×1014cm−3を越える、1×1014cm−3台半ばの濃度で存在するように形成した。また、各層のリチウム(Li)濃度、Mg及びZnの2次イオン強度を二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy:SIMS)で測定した。標準試料によってLiは定量測定されている。図5の左側縦軸がLi濃度(cm−3)、右側縦軸がMg又はZnの二次イオン強度(cps)を示し、横軸が深さ(μm)を示す。図の中央のMgの二次イオン強度が高くなっている領域がMgZnO膜を示し、その右側がZnO基板、左側がZnO膜である。 Figure 5 is a stacked structure of the ZnO substrate / MgZnO layer / ZnO film, lithium ZnO substrate exceeds 1 × 10 14 cm -3, it is formed so as to present at a concentration of mid 1 × 10 14 cm -3 units . Further, the lithium (Li) concentration of each layer and the secondary ion intensity of Mg and Zn were measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). Li is quantitatively measured by a standard sample. The left vertical axis in FIG. 5 indicates the Li concentration (cm −3 ), the right vertical axis indicates the secondary ion intensity (cps) of Mg or Zn, and the horizontal axis indicates the depth (μm). In the center of the figure, the region where the secondary ion intensity of Mg is high shows the MgZnO film, the right side is the ZnO substrate, and the left side is the ZnO film.

これは、我々が初めて見出したことであるが、LiはMgZnO膜に偏析する。図5のLiの濃度が高くなっている領域を見ればわかるように、ZnO/MgZnOの積層があるときは特にMgZnO膜中に留まろうとする。図5でZnO膜が積層された途端にLiがバックグランドレベルに下がっていることからもわかる。   This is the first time we have found that Li segregates in the MgZnO film. As can be seen from the region where the Li concentration is high in FIG. 5, when there is a ZnO / MgZnO stack, it tends to stay in the MgZnO film. It can be seen from FIG. 5 that Li is lowered to the background level as soon as the ZnO film is laminated.

また、図4(a)に示すように、ZnO基板11上に、Ga(ガリウム)ドープのn型MgZnO層12、アンドープZnO層14、窒素ドープのp型MgZnO層15を積層し、MgZnO/ZnO/MgZnOというZnOをp型とn型のZnO系半導体層で挟み込んだダブルへテロ接合を作製し、ZnO基板11にリチウムが1×1014cm−3を越える、1×1014cm−3台半ばの濃度で存在するように形成した。 4A, a Ga (gallium) -doped n-type MgZnO layer 12, an undoped ZnO layer 14, and a nitrogen-doped p-type MgZnO layer 15 are stacked on a ZnO substrate 11, and MgZnO / ZnO. / a ZnO as MgZnO a double sandwiched by ZnO-based semiconductor layer of p-type and n-type to form a heterojunction, lithium exceeds 1 × 10 14 cm -3 in the ZnO substrate 11, 1 × 10 14 cm -3 units It was formed to exist at a mid concentration.

図5と同様、各層のリチウム(Li)濃度、Mg及びZnの2次イオン強度を二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy:SIMS)で測定した。測定結果が図4(b)に示されている。縦軸、横軸の意味は、図5と同じである。図4(b)からわかるように、n型MgZnO層12にLiは偏析しており、アンドープZnO層14にも存在している。また、アンドープZnO層14を突き抜けて、上層のp型MgZnO層15中に再びLiが偏析している。これらのことから、Liは非常にMgZnOに混入しやすいことがわかる。   As in FIG. 5, the lithium (Li) concentration of each layer and the secondary ion intensity of Mg and Zn were measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The measurement results are shown in FIG. The meanings of the vertical and horizontal axes are the same as those in FIG. As can be seen from FIG. 4B, Li is segregated in the n-type MgZnO layer 12 and is also present in the undoped ZnO layer 14. Further, Li is segregated again in the upper p-type MgZnO layer 15 through the undoped ZnO layer 14. From these facts, it can be seen that Li is very easily mixed into MgZnO.

例えば、発光素子の場合、MgZnO/ZnO/MgZnOという、ワイドギャップでナローギャップを挟むダブルヘテロ接合が基本的に用いられ、トランジスタ等の電子デバイスでも、MgZnO層は、何らかの形で用いることが必要となってくる。   For example, in the case of a light emitting element, a MgZnO / ZnO / MgZnO double heterojunction with a narrow gap sandwiched between wide gaps is basically used, and an MgZnO layer needs to be used in some form even in electronic devices such as transistors. It becomes.

これらのデバイスを作製した場合には、MgZnO層にアルカリ金属の一種である不純物Liが偏析するだけではなく、活性層やチャネル領域に不純物Liが混入することにもなり、デバイスの性能を変動させたり、劣化させることにつながる。そこで、少なくともLi等のアルカリ金属が機能的な働きを行うZnO系半導体層にまで達することがないようにしなければならないが、その具体的な構成については、今までわかっていなかった。   When these devices are manufactured, not only the impurity Li, which is a kind of alkali metal, is segregated in the MgZnO layer, but also the impurity Li is mixed into the active layer and the channel region, thereby changing the performance of the device. Or lead to deterioration. Therefore, it is necessary to prevent at least the alkali metal such as Li from reaching the ZnO-based semiconductor layer in which the functional function is performed, but the specific configuration has not been known so far.

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、半導体デバイスとして問題なく動作させるために、少なくとも機能的な働きを行うZnO系半導体層にアルカリ金属が達するのを防止することができるZnO系基板及びZnO系半導体素子を提供することを目的としている。   The present invention was devised to solve the above-described problems, and prevents alkali metal from reaching a ZnO-based semiconductor layer that performs at least a functional function in order to operate without problems as a semiconductor device. An object of the present invention is to provide a ZnO-based substrate and a ZnO-based semiconductor element that can be used.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、基板中に存在するアルカリ金属の濃度が1×1014cm−3以下であることを特徴とするZnO系基板である。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a ZnO-based substrate characterized in that the concentration of alkali metal present in the substrate is 1 × 10 14 cm −3 or less.

また、請求項2記載の発明は、前記アルカリ金属は、リチウムであることを特徴とする請求項1記載のZnO系基板である。   The invention according to claim 2 is the ZnO-based substrate according to claim 1, wherein the alkali metal is lithium.

また、請求項3記載の発明は、前記結晶成長を行う側の主面は+C面であることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のZnO系基板である。   The invention according to claim 3 is the ZnO-based substrate according to claim 1, wherein the main surface on the crystal growth side is a + C plane.

また、請求項4記載の発明は、前記結晶成長を行う側の主面はC面を有し、前記主面の法線を基板結晶軸のm軸c軸平面に投影した投影軸が、m軸方向に3度以内の範囲で傾斜していることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のZnO系基板である。   According to a fourth aspect of the present invention, the principal surface on the crystal growth side has a C plane, and the projection axis obtained by projecting the normal of the principal surface onto the m-axis / c-axis plane of the substrate crystal axis is m 3. The ZnO-based substrate according to claim 1, wherein the substrate is inclined within a range of 3 degrees or less in the axial direction.

また、請求項5記載の発明は、前記主面の法線を基板結晶軸のa軸c軸平面に投影した投影軸がa軸方向にΦ度、前記主面の法線を前記主面におけるm軸c軸平面に投影した投影軸がm軸方向にΦ度傾斜し、前記Φ
70≦{90−(180/π)arctan(tan(πΦ/180)/tan(πΦ/180))}≦110
を満たすことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のZnO系基板である。
In the invention according to claim 5, the projection axis obtained by projecting the normal line of the main surface onto the a-axis c-axis plane of the substrate crystal axis is Φ a degrees in the a-axis direction, and the normal line of the main surface is the main surface. The projection axis projected on the m-axis c-axis plane in FIG. 5 is tilted by Φ m degrees in the m-axis direction, and the Φ a is 70 ≦ {90− (180 / π) arctan (tan (πΦ a / 180) / tan (πΦ m / 180))} ≦ 110
The ZnO-based substrate according to claim 1, wherein the ZnO-based substrate is satisfied.

また、請求項6記載の発明は、請求項1〜請求項5のいずれかのZnO系基板上にZnO系半導体が結晶成長されていることを特徴とするZnO系半導体素子である。   A sixth aspect of the present invention is a ZnO-based semiconductor element characterized in that a ZnO-based semiconductor is crystal-grown on the ZnO-based substrate of any one of the first to fifth aspects.

また、請求項7記載の発明は、前記ZnO系半導体はZnO膜とMgZnO膜とで構成されていることを特徴とする請求項6記載のZnO系半導体素子である。   The invention according to claim 7 is the ZnO-based semiconductor element according to claim 6, wherein the ZnO-based semiconductor is composed of a ZnO film and an MgZnO film.

また、請求項8記載の発明は、前記MgZnO膜のMg組成が35%以下であることを特徴とする請求項7記載のZnO系半導体素子である。   The invention according to claim 8 is the ZnO-based semiconductor element according to claim 7, wherein the Mg composition of the MgZnO film is 35% or less.

また、請求項9記載の発明は、基板中のリチウム濃度が1×1014cm−3を越えるZnO系基板上に、膜厚50nm以上のZnO膜が少なくとも形成されていることを特徴とするZnO系半導体素子である。 The invention according to claim 9 is characterized in that at least a ZnO film having a thickness of 50 nm or more is formed on a ZnO-based substrate having a lithium concentration in the substrate exceeding 1 × 10 14 cm −3. A semiconductor-based semiconductor device.

また、請求項10記載の発明は、前記ZnO膜よりも後に形成されるZnO系半導体層でリチウム濃度が1×1014cm−3以下になっていることを特徴とする請求項9記載のZnO系半導体素子である。 The invention according to claim 10 is characterized in that the ZnO-based semiconductor layer formed after the ZnO film has a lithium concentration of 1 × 10 14 cm −3 or less. A semiconductor-based semiconductor device.

本発明のZnO系基板は、基板中に存在するアルカリ金属の濃度が1×1014cm−3以下に形成されているので、ZnO系基板上に結晶成長されるZnO系半導体に対してアルカリ金属の偏析を防止することができる。また、基板中のリチウム濃度が1×1014cm−3を越えるZnO系基板であっても、その上に形成するZnO膜の膜厚を50nm以上にすることで、このZnO膜よりも後に形成されるZnO系半導体層へのアルカリ金属の偏析を防止することができる。 In the ZnO-based substrate of the present invention, the concentration of the alkali metal present in the substrate is 1 × 10 14 cm −3 or less, so that the alkali metal with respect to the ZnO-based semiconductor that is crystal-grown on the ZnO-based substrate. Segregation can be prevented. Further, even if the ZnO-based substrate has a lithium concentration in the substrate exceeding 1 × 10 14 cm −3 , the ZnO film formed on the ZnO film is formed after the ZnO film by setting the film thickness of the ZnO film to 50 nm or more. Segregation of alkali metal to the ZnO-based semiconductor layer can be prevented.

Liが含まれたZnO基板上にMgZnO層とZnO層を含む積層体を形成し、SIMSで測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having formed the laminated body containing a MgZnO layer and a ZnO layer on the ZnO board | substrate containing Li, and measuring by SIMS. Liが含まれたZnO基板上にZnO層を形成し、SIMSで測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having formed the ZnO layer on the ZnO board | substrate containing Li, and measuring by SIMS. Liが含まれたZnO基板上に、(a)に示す積層体を形成し、SIMSで測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having formed the laminated body shown to (a) on the ZnO board | substrate containing Li, and measuring by SIMS. Liが含まれたZnO基板上に、(a)に示す積層体を形成し、SIMSで測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having formed the laminated body shown to (a) on the ZnO board | substrate containing Li, and measuring by SIMS. Liが含まれたZnO基板上にMgZnO層とZnO層を含む積層体を形成し、SIMSで測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having formed the laminated body containing a MgZnO layer and a ZnO layer on the ZnO board | substrate containing Li, and measuring by SIMS. 基板主面法線と基板結晶軸であるc軸、m軸、a軸との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a substrate main surface normal line, and the c-axis, m-axis, and a-axis which are a substrate crystal axis. ZnO基板表面の法線の傾斜状態及びステップエッジとm軸との関係を示す図である。It is a figure which shows the inclination state of the normal line of a ZnO substrate surface, and the relationship between a step edge and an m-axis. 基板主面法線Zがm軸方向にのみオフ角を有する場合のZnO基板表面を示す図である。It is a figure which shows the ZnO board | substrate surface in case the board | substrate principal surface normal line Z has an off angle only in the m-axis direction. 基板主面法線がm軸方向にオフ角を有するMgZn1−xO基板上に成膜した表面を示す図である。Substrate principal surface normal is a diagram showing the Mg x Zn 1-x O deposition surface on a substrate having an off-angle in the m-axis direction. 基板主面法線がm軸方向にオフ角を有するMgZn1−xO基板上に成膜した表面を示す図である。Substrate principal surface normal is a diagram showing the Mg x Zn 1-x O deposition surface on a substrate having an off-angle in the m-axis direction. 基板主面法線のa軸方向のオフ角が異なるMgZn1−xO基板表面状態を示す図である。Off-angle in the a-axis direction of the substrate main surface normal is a diagram showing a different Mg x Zn 1-x O substrate surface condition.

本発明では、MgZn1−XO基板(0≦X<1)を用い、この基板上に結晶成長されるMgZnO膜にLi等のアルカリ金属の偏析を防止するために、MgZn1−XO基板中のアルカリ金属元素の濃度が所定濃度以下であれば、良いことを我々は見出した。上記MgZn1−XO基板(0≦X<1)のうち、X=0のZnO基板を用い、ZnO基板中にアルカリ金属元素の一種であるLiが含まれるように、液相成長させた。 In the present invention, using a Mg X Zn 1-X O board (0 ≦ X <1), in order to prevent segregation of the alkali metal such as Li in MgZnO layer is grown on the substrate, Mg X Zn 1 We have found that it is good if the concentration of the alkali metal element in the -XO substrate is not more than a predetermined concentration. Among the Mg X Zn 1-X O substrates (0 ≦ X <1), a ZnO substrate with X = 0 is used, and liquid phase growth is performed so that Li, which is a kind of alkali metal element, is contained in the ZnO substrate. It was.

そして、このZnO基板上に、MgZnO層とZnO層を含むZnO系半導体をMBE等で結晶成長させて考察を行った。結晶成長させるMgZn1−YO層については、Mgの組成比率を35%以下(Y≦0.35)とした。これは、Mgの組成比率が35%を超えると、Mgが析出して、均一組成でなくなることもよくあるからである。ここで、ZnO系半導体とは、ZnO又はZnOを含む化合物から構成されるものであり、具体例としては、ZnOの他、IIA族元素とZn、IIB族元素とZn、またはIIA族元素およびIIB族元素とZnのそれぞれの酸化物を含むものを意味する。また、アルカリ金属とは、I族元素のうち、H(水素)を除くものであり、具体的には、Li、Na、K、Rb、Cs、Frのうち、いずれかの元素を表すものとする。 Then, on this ZnO substrate, a ZnO-based semiconductor including an MgZnO layer and a ZnO layer was crystal-grown by MBE or the like and examined. For the Mg Y Zn 1-Y O layer for crystal growth, the Mg composition ratio was set to 35% or less (Y ≦ 0.35). This is because when the Mg composition ratio exceeds 35%, Mg is often precipitated, resulting in a non-uniform composition. Here, the ZnO-based semiconductor is composed of ZnO or a compound containing ZnO. Specific examples include ZnO, IIA group element and Zn, IIB group element and Zn, or IIA group element and IIB. It means the one containing each oxide of group element and Zn. Further, the alkali metal is a group I element excluding H (hydrogen), and specifically represents any element of Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr. To do.

図1は、図4(a)と同様、ZnO基板11、n型MgZnO層12、アンドープZnO層14、p型MgZnO層15の積層構造で、ZnO基板11にリチウムが1×1014cm−3以下、1×1013cm−3台半ばの濃度で存在するように形成した。また、各層のリチウム(Li)濃度、Mg(マグネシウム)及びZn(亜鉛)の2次イオン強度を二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy:SIMS)で測定した。標準試料によってLiは定量測定されている。図1の左側縦軸がLi濃度(cm−3)、右側縦軸がMg又はZnの二次イオン強度(cps)を示し、横軸が深さ(μm)を示す。図の中央のMgの二次イオン強度が高くなっている領域がn型MgZnO層12を示し、その右側がZnO基板11、左側がアンドープZnO層14、p型MgZnO層15である。図4(b)と比較すればわかるように、n型MgZnO層12にはLiの偏析が発生していない。そもそも、図1のLiに関するSIMSデータがポツンポツンと、極めてわずかしか飛び出していないことからわかるように、Liはほとんど存在していない。 FIG. 1 shows a stacked structure of a ZnO substrate 11, an n-type MgZnO layer 12, an undoped ZnO layer 14, and a p-type MgZnO layer 15, as in FIG. 4A, and lithium is 1 × 10 14 cm −3 on the ZnO substrate 11. Hereinafter, it was formed so as to exist at a concentration of about 1 × 10 13 cm −3 units. Further, the lithium (Li) concentration of each layer, and the secondary ion intensity of Mg (magnesium) and Zn (zinc) were measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). Li is quantitatively measured by a standard sample. In FIG. 1, the left vertical axis represents the Li concentration (cm −3 ), the right vertical axis represents the secondary ion intensity (cps) of Mg or Zn, and the horizontal axis represents the depth (μm). In the center of the figure, the region where the secondary ion intensity of Mg is high shows the n-type MgZnO layer 12, the right side is the ZnO substrate 11, the left side is the undoped ZnO layer 14, and the p-type MgZnO layer 15. As can be seen from comparison with FIG. 4B, no Li segregation occurs in the n-type MgZnO layer 12. In the first place, as can be seen from the fact that SIMS data related to Li in FIG.

また、図2は、ZnO基板上に形成したZnO層でのLiの偏析状態を示す。ZnO基板にリチウムが1×1014cm−3以下、1×1013cm−3台半ばの濃度で存在するように形成し、SIMSで測定した。ZnO基板/ZnO層の境界がわかるように、不純物AlもZnO基板に含まれるようにした。縦軸、横軸の意味は、図1と同様である。Al濃度が高くなっている領域がZnO基板であり、低くなっている領域がZnO層である。図2からわかるように、ZnO基板中のリチウム濃度が、1×1014cm−3以下の場合、ZnO層中でも、リチウムの偏析は見られない。この場合もLiは、ほとんど検出限界以下である。 FIG. 2 shows the segregation state of Li in the ZnO layer formed on the ZnO substrate. Lithium was formed on a ZnO substrate so as to be present at a concentration of 1 × 10 14 cm −3 or less and about 1 × 10 13 cm −3 and measured by SIMS. Impurity Al is also included in the ZnO substrate so that the boundary of the ZnO substrate / ZnO layer can be seen. The meanings of the vertical and horizontal axes are the same as in FIG. The region where the Al concentration is high is the ZnO substrate, and the region where the Al concentration is low is the ZnO layer. As can be seen from FIG. 2, when the lithium concentration in the ZnO substrate is 1 × 10 14 cm −3 or less, no segregation of lithium is observed even in the ZnO layer. In this case as well, Li is almost below the detection limit.

以上、図4(b)と比較すればわかるように、1×1013cm−3台、すなわち1×1014cm−3以下のリチウム濃度になるように、ZnO系基板を形成しておけば、その上に形成されるMgZnOやZnO等のZnO系半導体層にLiの偏析が発生しないことがわかる。 As can be seen from a comparison with FIG. 4B, if the ZnO-based substrate is formed so as to have a lithium concentration of 1 × 10 13 cm −3 , that is, 1 × 10 14 cm −3 or less. It can be seen that no segregation of Li occurs in the ZnO-based semiconductor layer such as MgZnO or ZnO formed thereon.

他方図3は、ZnO系基板中のアルカリ金属濃度の規定をするのではなく、ZnO系基板中のアルカリ金属濃度が1×1014cm−3を越える濃度となっていても、ZnO系基板上に形成される活性層やチャネル層を構成するMgZnO中やZnO中にアルカリ金属が析出しないようにする構造を考える。 On the other hand, FIG. 3 does not define the alkali metal concentration in the ZnO-based substrate, but on the ZnO-based substrate even if the alkali metal concentration in the ZnO-based substrate exceeds 1 × 10 14 cm −3. Let us consider a structure that prevents alkali metal from being deposited in MgZnO or ZnO constituting the active layer and channel layer formed on the substrate.

図3は、図3(a)のように、ZnO基板11、ガリウムドープのn型MgZnO層12、アンドープMgZnO層13、アンドープZnO層14、窒素ドープのp型MgZnO層15の積層構造で、ZnO基板11にリチウムが1×1014cm−3を越える、1×1014cm−3台半ばの濃度で存在するように形成した。また、各層のリチウム(Li)濃度、Mg及びZnの2次イオン強度を二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy:SIMS)で測定した。標準試料によってLiは定量測定されている。図3の左側縦軸がLi濃度(cm−3)、右側縦軸がMg又はZnの二次イオン強度(cps)を示し、横軸が深さ(μm)を示す。図の中央のMgの二次イオン強度が高くなっている領域がn型MgZnO層12とアンドープMgZnO層13を示し、その右側がZnO基板11、左側がアンドープZnO層14、p型MgZnO層15である。 3 shows a stacked structure of a ZnO substrate 11, a gallium-doped n-type MgZnO layer 12, an undoped MgZnO layer 13, an undoped ZnO layer 14, and a nitrogen-doped p-type MgZnO layer 15, as shown in FIG. lithium substrate 11 exceeds 1 × 10 14 cm -3, it is formed so as to present at a concentration of mid 1 × 10 14 cm -3 units. Further, the lithium (Li) concentration of each layer and the secondary ion intensity of Mg and Zn were measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). Li is quantitatively measured by a standard sample. In FIG. 3, the left vertical axis represents the Li concentration (cm −3 ), the right vertical axis represents the secondary ion intensity (cps) of Mg or Zn, and the horizontal axis represents the depth (μm). In the center of the figure, the region where the secondary ion intensity of Mg is high shows the n-type MgZnO layer 12 and the undoped MgZnO layer 13, the right side is the ZnO substrate 11, the left side is the undoped ZnO layer 14, and the p-type MgZnO layer 15. is there.

この図では、アンドープZnO層14及びp型MgZnO層15には、リチウムの偏析が見られない。ここでは、アンドープZnO層14の膜厚を200nmにしている。一方、上述の図4の構造では、アンドープZnO層14の膜厚を50nmにしている。n型であれ、p型であれ、MgZnO層にはリチウムの偏析は非常に起きやすいことは前述のようにわかっているので、図3でアンドープZnO層14から上層でリチウムの偏析が発生しなかったのは、アンドープZnO層14の膜厚が厚かったからだといえる。したがって、ZnO系基板中にLi等が含まれていても、積層途中の半導体層にZnO層を用い、この膜厚を大きくしておくことで、このZnO層よりも後に形成されるMgZnO膜やZnO膜等のZnO系半導体層にリチウムが混入することを防止できる。リチウムがZnO層よりも上層に混入するのを防止するためには、ZnO層の厚みは、少なくとも50nm以上必要であると考えられる。   In this figure, no segregation of lithium is observed in the undoped ZnO layer 14 and the p-type MgZnO layer 15. Here, the thickness of the undoped ZnO layer 14 is set to 200 nm. On the other hand, in the structure of FIG. 4 described above, the thickness of the undoped ZnO layer 14 is 50 nm. As described above, it is known that lithium segregation is very likely to occur in the MgZnO layer, whether it is n-type or p-type, so that no lithium segregation occurs from the undoped ZnO layer 14 to the upper layer in FIG. This is because the thickness of the undoped ZnO layer 14 was large. Therefore, even if Li or the like is contained in the ZnO-based substrate, an MgZnO film formed after the ZnO layer can be formed by using a ZnO layer for the semiconductor layer in the middle of the lamination and increasing the film thickness. It is possible to prevent lithium from entering a ZnO-based semiconductor layer such as a ZnO film. In order to prevent lithium from entering the upper layer than the ZnO layer, it is considered that the thickness of the ZnO layer needs to be at least 50 nm or more.

以上の結果を総合すると、ZnO系基板中のアルカリ金属濃度が1×1014cm−3を越える濃度となっていても、ZnO系基板よりも後に結晶成長させるZnO膜の厚みを50nm以上にし、さらに、ZnO膜よりも後に結晶成長させるMgZnOやZnO等のZnO系半導体層に存在するアルカリ金属濃度を1×1014cm−3以下にすれば、機能的な働きを行う活性層やチャネル層へのアルカリ金属の到達を防止することができる。また、膜厚50nm以上のZnO膜よりも後に結晶成長させるZnO系半導体層中のアルカリ金属濃度が1×1014cm−3が1×1014cm−3を越える濃度となった場合でも、再度膜厚50nm以上のZnO膜を設けてアルカリ金属の混入を防止することも可能である。 Summing up the above results, even when the alkali metal concentration in the ZnO-based substrate exceeds 1 × 10 14 cm −3 , the thickness of the ZnO film for crystal growth after the ZnO-based substrate is set to 50 nm or more, Furthermore, if the alkali metal concentration present in a ZnO-based semiconductor layer such as MgZnO or ZnO that is crystal-grown after the ZnO film is 1 × 10 14 cm −3 or less, the active layer or the channel layer that performs a functional function can be obtained. It is possible to prevent the alkali metal from reaching. Further, even if the alkali metal concentration of ZnO-based semiconductor layer to be grown later than the thickness 50nm or more ZnO film is 1 × 10 14 cm -3 is as density exceeding 1 × 10 14 cm -3, again A ZnO film having a thickness of 50 nm or more can be provided to prevent alkali metal from being mixed.

次に、ZnO系基板の品質の条件を結晶構造から考えることとし、Li等のアルカリ金属の混入濃度が、1×1014cm−3未満のZnO系基板で、かつ、平坦性の良い薄膜を形成することができる高品質な基板を得ることを考える。 Next, the quality condition of the ZnO-based substrate is considered from the crystal structure, and a thin film with good flatness is obtained with a ZnO-based substrate having an alkali metal contamination concentration such as Li of less than 1 × 10 14 cm −3. Consider obtaining a high-quality substrate that can be formed.

ZnO系化合物はGaNと同様、ウルツァイトと呼ばれる六方晶構造を有する。C面やa軸という表現は、いわゆるミラー指数により表すことができ、例えば、C面は(0001)面と表される。ZnO系材料層上にZnO系薄膜を成長させる場合には、通常C面(0001)面が行われるが、C面ジャスト基板を用いた場合、図8(a)のようにウエハ主面の法線方向Zがc軸方向と一致する。しかし、C面ジャストZnO基板上にZnO系薄膜を成長させても、膜の平坦性が良くならないことが知られている。加えて、バルク結晶は、その結晶がもつ劈開面を使用しないかぎり、ウエハ主面の法線方向がc軸方向と一致することがなく、C面ジャスト基板にこだわると生産性も悪くなる。また、ZnO系化合物は、ウルツァイト構造を有するため、C面には+C面(+c軸方向の面)と−C面とが存在し、+C面(0001)の方が、化学的に強い等の特性を有している。   The ZnO-based compound has a hexagonal crystal structure called wurzeite like GaN. Expressions such as the C plane and the a-axis can be expressed by a so-called Miller index. For example, the C plane is expressed as a (0001) plane. When a ZnO-based thin film is grown on a ZnO-based material layer, a C-plane (0001) plane is usually performed. However, when a C-plane just substrate is used, the method of the wafer main surface as shown in FIG. The line direction Z coincides with the c-axis direction. However, it is known that even when a ZnO-based thin film is grown on a C-plane just ZnO substrate, the flatness of the film is not improved. In addition, unless the cleavage plane of the bulk crystal is used, the normal direction of the main surface of the wafer does not coincide with the c-axis direction, and if the C-plane just substrate is used, the productivity becomes worse. Further, since the ZnO-based compound has a wurtzite structure, there are a + C plane (+ c axis direction plane) and a −C plane on the C plane, and the + C plane (0001) is chemically stronger. It has characteristics.

そこで、ZnO基板1(ウエハ)の主面の法線方向をc軸方向と一致させずに、ウエハ主面のc軸から法線方向Zが傾き、オフ角を有するようにする。図8(b)に示されるように、基板主面の法線Zが、例えばc軸からm軸方向にのみθ度傾斜していると、基板1の表面部分(例えばT1領域)の拡大図である図8(c)に表されるように、平坦な面であるテラス面1aと、傾斜させることにより生じる段差部分に等間隔で規則性のあるステップ面1bとが生じる。   Therefore, the normal direction Z of the main surface of the ZnO substrate 1 (wafer) does not coincide with the c-axis direction, and the normal direction Z is inclined from the c-axis of the wafer main surface so as to have an off angle. As shown in FIG. 8B, when the normal line Z of the substrate main surface is inclined by θ degrees only in the m-axis direction from the c-axis, for example, an enlarged view of the surface portion (for example, T1 region) of the substrate 1 As shown in FIG. 8C, a terrace surface 1a which is a flat surface and step surfaces 1b having regularity at regular intervals are formed in the stepped portions generated by the inclination.

ここで、テラス面1aがC面(0001)となり、ステップ面1bはM面(10−10)に相当する。図のように、形成された各ステップ面1bは、m軸方向にテラス面1aの幅を保ちながら、規則的に並ぶことになる。図8(c)に示すように、テラス面1aと垂直なc軸は、Z軸からθ度傾斜していることになる。また、ステップ面1bのステップエッジとなるステップライン1eは、m軸方向と垂直の関係を保ちながら、テラス面1aの幅を取りながら並行に並ぶようになる。   Here, the terrace surface 1a becomes the C surface (0001), and the step surface 1b corresponds to the M surface (10-10). As shown in the figure, the formed step surfaces 1b are regularly arranged while maintaining the width of the terrace surface 1a in the m-axis direction. As shown in FIG. 8C, the c-axis perpendicular to the terrace surface 1a is inclined by θ degrees from the Z-axis. Further, the step lines 1e serving as the step edges of the step surface 1b are arranged in parallel while taking the width of the terrace surface 1a while maintaining a relationship perpendicular to the m-axis direction.

このように、ステップ面をM面相当面となるようにすれば、主面上に結晶成長させたZnO系半導体層においては平坦な膜とすることができる。主面上にはステップ面1bによって段差部分が発生するが、この段差部分に飛来した原子は、テラス面1aとステップ面1bの2面との結合になるので、テラス面1aに飛来した場合よりも原子は強く結合ができ、飛来原子を安定的にトラップすることができる。   Thus, if the step surface is an M-plane equivalent surface, the ZnO-based semiconductor layer crystal-grown on the main surface can be a flat film. On the main surface, a stepped portion is generated by the step surface 1b. Since the atoms flying to the stepped portion are coupled to the two surfaces of the terrace surface 1a and the step surface 1b, the step surface 1b is more than the case of flying to the terrace surface 1a. However, atoms can bond strongly and trap incoming atoms stably.

表面拡散過程で飛来原子がテラス内を拡散するが、結合力の強い段差部分や、この段差部分で形成されるキンク位置にトラップされて結晶に組み込まれることによって結晶成長が進む沿面成長により安定的な成長が行われる。このように、基板主面の法線が少なくともm軸方向に傾斜した基板上に、ZnO系半導体層を積層させると、ZnO系半導体層はこのステップ面1bを中心に結晶成長が起こり、平坦な膜を形成することができる。   Flying atoms diffuse in the terrace during the surface diffusion process, but stable by creeping growth where crystal growth proceeds by trapping at the stepped portion with strong bonding force and the kink position formed by this stepped portion and incorporating it into the crystal Growth takes place. As described above, when a ZnO-based semiconductor layer is stacked on a substrate whose normal to the main surface of the substrate is inclined at least in the m-axis direction, the ZnO-based semiconductor layer has a crystal growth centered on the step surface 1b and is flat. A film can be formed.

ところで、m軸方向にステップライン1eが規則的に並んでおり、m軸方向とステップライン1eが垂直の関係になっていることが、平坦な膜を作製する上で必要なことであり、ステップライン1eの間隔やラインが乱れると、前述した沿面成長が行われなくなるので、平坦な膜が作製できなくなる。   By the way, the step lines 1e are regularly arranged in the m-axis direction, and the m-axis direction and the step line 1e are perpendicular to each other, which is necessary for producing a flat film. If the distance between the lines 1e and the line are disturbed, the above-described creeping growth is not performed, and a flat film cannot be produced.

一方、図8(b)で傾斜角度(オフ角)θを大きくしすぎると、ステップ面1bのステップ高さtが大きくなりすぎることがあり、平坦に結晶成長しなくなるので、m軸方向のオフ角を一定の角度に制限する必要がある。図9、10は、m軸方向への傾斜角度によって、成長膜の平坦性が変わることを示すものである。図9は、傾斜角度θを1.5度として、このオフ角を有するMgZn1−xO基板(例えばZ=0)の主面上にZnO系半導体を成長させたものである。 On the other hand, if the inclination angle (off angle) θ is too large in FIG. 8B, the step height t of the step surface 1b may become too large, and the crystal does not grow flat. It is necessary to limit the angle to a certain angle. 9 and 10 show that the flatness of the growth film changes depending on the inclination angle in the m-axis direction. FIG. 9 shows an example in which a ZnO-based semiconductor is grown on the main surface of a Mg x Zn 1-x O substrate (for example, Z = 0) having an off-angle with an inclination angle θ of 1.5 degrees.

一方、図10は、傾斜角度θを3.5度として、このオフ角を有するMgZn1−xO基板(例えばZ=0)の主面上にZnO系半導体を成長させたものである。図9、10ともに、結晶成長後に、AFMを用いて、1μm四方の範囲でスキャンした画像である。図9の方は、ステップの幅が揃った状態で、綺麗な膜が生成されているが、図10の方は、凹凸が散在しており、平坦性が失われている。以上のことより、0度を越える範囲で、かつ3度以下(0<θ≦3)とするのが望ましい。したがって、図7の傾斜角Φについても同様のことが言えるので、0度を越える範囲で、かつ3度以下(0<Φ≦3)が最適である。 On the other hand, FIG. 10 shows a case where a ZnO-based semiconductor is grown on the main surface of a Mg x Zn 1-x O substrate (for example, Z = 0) having an off angle of 3.5 degrees. . 9 and 10 are images scanned in a 1 μm square range using AFM after crystal growth. In the case of FIG. 9, a beautiful film is generated with the steps having the same width, whereas in FIG. 10, the unevenness is scattered and the flatness is lost. From the above, it is desirable that the angle be in the range exceeding 0 degree and 3 degrees or less (0 <θ ≦ 3). Accordingly, the same can be said for the inclination angle Φ m in FIG. 7, and therefore, it is optimal that the angle exceeds 0 degrees and is 3 degrees or less (0 <Φ m ≦ 3).

以上のように、基板主面の法線方向Zをc軸からm軸方向にのみ傾斜させ、その傾斜角度を0度を越える範囲で、かつ3度以下とすることが、最も望ましいのであるが、より実際的には、m軸方向のみ傾斜させて切り出す場合に限定することは困難で、生産技術としては、a軸への傾きも許容し、その許容度を設定することが必要となる。例えば、図6に示されるように、基板主面の法線Zが、基板結晶軸のc軸から角度Φ傾斜し、かつ法線Zを基板結晶軸のc軸m軸a軸の直交座標系におけるc軸m軸平面に投影した投影軸がm軸の方へ角度Φ、c軸a軸平面に投影した投影軸がa軸の方へ角度Φ傾斜している場合を考える。 As described above, it is most desirable that the normal direction Z of the main surface of the substrate is inclined only from the c-axis to the m-axis direction, and the inclination angle is in the range exceeding 0 degree and not more than 3 degrees. More practically, it is difficult to limit to the case of cutting by inclining only in the m-axis direction, and as a production technique, it is necessary to allow inclination to the a-axis and set the tolerance. For example, as shown in FIG. 6, the normal Z of the substrate principal surface is inclined by an angle Φ from the c-axis of the substrate crystal axis, and the normal Z is an orthogonal coordinate system of the c-axis, the m-axis, and the a-axis Let us consider a case in which the projection axis projected onto the c-axis m-axis plane is inclined by an angle Φ m toward the m-axis, and the projection axis projected onto the c-axis a-axis plane is inclined by an angle Φ a toward the a-axis.

図6のように、基板主面法線Zが傾斜している状態を、さらにわかりやすく、c軸m軸a軸の直交座標系と法線Zとの関係について表わしたものが、図7(a)である。図6とは基板主面法線Zの傾斜する方向が変わっているだけであり、Φ、Φ、Φの意味するところは図6と同じであり、基板主面法線Zをc軸m軸a軸の直交座標系におけるc軸m軸平面に投影した投影軸A、c軸a軸平面に投影した投影軸Bが表わされている。 As shown in FIG. 6, the state in which the substrate main surface normal Z is inclined is more easily understood, and the relationship between the orthogonal coordinate system of the c-axis, m-axis, and a-axis and the normal Z is shown in FIG. a). 6 differs from FIG. 6 only in the direction in which the substrate main surface normal Z is inclined. The meanings of Φ, Φ m , and Φ a are the same as those in FIG. The projection axis A projected onto the c-axis m-axis plane and the projection axis B projected onto the c-axis a-axis plane in the m-axis a-axis orthogonal coordinate system are shown.

また、基板結晶軸であるc軸m軸a軸の直交座標系のa軸m軸平面に基板主面法線Zを投影した投影軸の方向をL方向として表す。このとき、図8に示す平坦な面であるテラス面1cと、傾斜させることにより生じる段差部分にステップ面1dが生じる。ここで、テラス面がC面(0001)となるが、図8の場合とは異なり、図7(a)のように、法線Zはテラス面と垂直なc軸から角度Φ傾斜していることになる。   Also, the direction of the projection axis obtained by projecting the substrate principal surface normal Z onto the a-axis m-axis plane of the orthogonal coordinate system of the c-axis m-axis a-axis which is the substrate crystal axis is represented as the L direction. At this time, a step surface 1d is formed on the terrace surface 1c, which is a flat surface shown in FIG. Here, the terrace surface is the C plane (0001), but unlike the case of FIG. 8, the normal line Z is inclined by an angle Φ from the c-axis perpendicular to the terrace surface, as shown in FIG. 7A. It will be.

基板主面の法線方向は、m軸方向だけでなく、a軸方向にも傾斜しているために、ステップ面が斜めに出て、ステップ面は、L方向に並ぶことになる。この状態は、図7(a)及び(b)に示されるようにL方向へのステップエッジ配列となって現われるが、M面が熱的、化学的に安定面であるため、a軸方向の傾斜角度Φによっては、斜めステップが綺麗には保たれず、ステップ面1dに凹凸ができ、ステップエッジの配列に乱れが生じて、主面上に平坦な膜を形成できなくなる。上記M面が熱的、化学的に安定であるということは、発明者らが見出したものであり、既出願の特願2006−160273に詳しく説明した。 Since the normal direction of the substrate main surface is inclined not only in the m-axis direction but also in the a-axis direction, the step surface comes out obliquely and the step surface is aligned in the L direction. This state appears as a step edge arrangement in the L direction as shown in FIGS. 7A and 7B, but since the M plane is a thermally and chemically stable plane, the tilt angle [Phi a, the diagonal steps are not kept in clean, can uneven step surfaces 1d, it is disturbed to a sequence of step edges, it is no longer possible to create the flat film on the main surface. The inventors have found that the M-plane is thermally and chemically stable and has been described in detail in Japanese Patent Application No. 2006-160273.

図11に、成長面(主面)における法線Zが、m軸方向のオフ角に加えて、a軸方向のオフ角を有する場合に、ステップエッジやステップ幅がどのように変化するかを示す。図7(a)で説明したm軸方向のオフ角Φを0.4度に固定して、a軸方向のオフ角Φを大きくなるように変化させて比較した。これは、MgZn1−xO基板の切り出し面を変えることにより実現させた。 FIG. 11 shows how the step edge and the step width change when the normal line Z on the growth surface (main surface) has an off-angle in the a-axis direction in addition to the off-angle in the m-axis direction. Show. Figure 7 m-axis direction of the off angle [Phi m described in (a) was fixed to 0.4 degrees, and compared varied so as to increase the off-angle [Phi a in the a-axis direction. This was realized by changing the cut surface of the Mg x Zn 1-x O substrate.

a軸方向のオフ角Φを大きくなるように変化させると、ステップエッジとm軸方向のなす角θも大きくなる方向に変化するので、図11には、θの角度を記載した。図11(a)は、θ=85度の場合であるが、ステップエッジもステップ幅も乱れていない。図11(b)は、θ=78度の場合であるが、やや乱れがあるものの、ステップエッジやステップ幅を確認することができる。図11(c)は、θ=65度の場合であるが、乱れが酷くなっており、ステップエッジやステップ幅を確認することができない。図11(c)の表面状態の上にZnO系半導体層をエピタキシャル成長させれば、前述した沿面成長が行われなくなるので、平坦な膜が形成できない。この図11(c)の場合は、a軸方向への傾きΦに換算すると0.15度に相当する。以上のデータにより、70度≦θ≦90度の範囲が望ましいことがわかる。 When the off-angle Φa in the a- axis direction is changed so as to increase, the angle θ S formed between the step edge and the m-axis direction also changes in the increasing direction, and FIG. 11 shows the angle of θ S. FIG. 11A shows the case of θ S = 85 degrees, but the step edge and the step width are not disturbed. FIG. 11B shows the case of θ S = 78 degrees, but the step edge and step width can be confirmed although there is some disturbance. FIG. 11C shows the case of θ S = 65 degrees, but the disturbance is severe and the step edge and step width cannot be confirmed. If the ZnO-based semiconductor layer is epitaxially grown on the surface state of FIG. 11C, the above-described creeping growth is not performed, and thus a flat film cannot be formed. In the case of FIG. 11C, this corresponds to 0.15 degrees when converted to the inclination Φa in the a- axis direction. From the above data, it can be seen that a range of 70 degrees ≦ θ S ≦ 90 degrees is desirable.

このように、斜めステップが綺麗には保たれず、ステップ面に凹凸ができ、ステップエッジの配列に乱れが生じる角度としては、θ=70度となり、例えばΦ=0.5度とすれば、これをa軸方向への傾きΦに換算すると0.1度に相当する。 In this way, the oblique step is not kept clean, the step surface is uneven, and the angle at which the step edge arrangement is disturbed is θ S = 70 °, for example, Φ m = 0.5 °. If, which correspond to 0.1 degrees in terms of inclination [Phi a in the a-axis direction.

ところで、θについては、主面法線Zの投影軸Bがa軸方向にΦ度傾斜している場合だけでなく、図7(a)において−a軸方向に傾斜している場合も対称性により等価なので考慮する必要がある。この傾斜角度を−Φとし、ステップ面による段差部分をm軸a軸平面に投影すると、図7(c)のように表される。ここで、m軸とステップエッジとのなす角θの条件についても、上記70度≦θ≦90度が成立する。θ=180度−θの関係が成立するので、θの最大値としては、180度−70度=110度となり、最終的に70度≦θ≦110度の範囲が、平坦な膜を成長させることができる条件となる。 Incidentally, for the theta S, not only when the projection axis B of the main surface normals Z is [Phi a degree inclination in the a-axis direction, even if you are inclined in -a axis direction in FIGS. 7 (a) Since it is equivalent due to symmetry, it must be considered. And the inclination angle and - [Phi] a, when projecting the stepped portion by the step surfaces the m-axis a-axis plane is expressed as in FIG. 7 (c). Here, the condition of the angle θ i formed by the m-axis and the step edge also satisfies the above-mentioned 70 degrees ≦ θ i ≦ 90 degrees. Since the relationship θ S = 180 degrees−θ i is established, the maximum value of θ S is 180 degrees−70 degrees = 110 degrees, and finally the range of 70 degrees ≦ θ S ≦ 110 degrees is flat. This is a condition that allows the film to grow.

次に、角度の単位をラジアン(rad)として、図7に基づき、θをΦ、Φを用いて表すと以下のようになる。図7より、角度αは
α=arctan(tanΦ/tanΦ) と表され、
θ=(π/2)−α=(π/2)−arctan(tanΦ/tanΦ)となる。
ここで、θをラジアンから度(deg)に変換すると
θ=90−(180/π)arctan(tanΦ/tanΦ)となるので、
70≦{90−(180/π)arctan(tanΦ/tanΦ)}≦110 と表せる。ここで、良く知られているように、tanは、正接(tangent)を表し、arctanは逆正接(arctangent)を表す。なお、θ=90度の場合が、a軸方向への傾きがなく、m軸方向にのみ傾いている場合である。また、Φ、Φの角度の単位をラジアンでなく、Φ度、Φ度とした場合には、上記不等式は、次のように表わされる。
70≦{90−(180/π)arctan(tan(πΦ/180)/tan(πΦ/180))}≦110
Next, the angle unit is expressed in radians (rad), and θ S is expressed using Φ m and Φ a based on FIG. 7 as follows. From FIG. 7, the angle α is expressed as α = arctan (tanΦ a / tanΦ m ),
θ S = (π / 2) −α = (π / 2) −arctan (tanΦ a / tanΦ m ).
Here, since θ S is converted from radians to degrees (deg), θ S = 90− (180 / π) arctan (tanΦ a / tanΦ m ),
70 ≦ {90− (180 / π) arctan (tanΦ a / tanΦ m )} ≦ 110 Here, as is well known, tan represents a tangent and arctan represents an arctangent. Note that θ S = 90 degrees is a case where there is no inclination in the a-axis direction and only in the m-axis direction. Further, when the units of the angles of Φ m and Φ a are not radians but Φ m degrees and Φ a degrees, the above inequality is expressed as follows.
70 ≦ {90− (180 / π) arctan (tan (πΦ a / 180) / tan (πΦ m / 180))} ≦ 110

以上のようにして、ZnO系基板の化学的に強い+C面を用いるとともに、この+C面におけるc軸と基板主面法線とのオフ角が上記の関係を有するように、基板主面を形成するようにすれば、平坦な薄膜を積層することができる。また、この基板は、アルカリ金属濃度を1×1014cm−3以下としており、ZnO系薄膜を積層した場合には、適切なデバイスを作製することができる。
As described above, the substrate main surface is formed so that the chemically strong + C plane of the ZnO-based substrate is used and the off-angle between the c-axis and the substrate main surface normal in the + C plane has the above relationship. By doing so, a flat thin film can be laminated. In addition, this substrate has an alkali metal concentration of 1 × 10 14 cm −3 or less, and when a ZnO-based thin film is laminated, an appropriate device can be produced.

1 ZnO系基板
11 ZnO基板
12 n型MgZnO層
13 アンドープMgZnO層
14 アンドープZnO層
15 p型MgZnO
1 ZnO-based substrate 11 ZnO substrate 12 n-type MgZnO layer 13 undoped MgZnO layer 14 undoped ZnO layer 15 p-type MgZnO

Claims (10)

基板中に存在するアルカリ金属の濃度が1×1014cm−3以下であることを特徴とするZnO系基板。 A ZnO-based substrate, wherein the concentration of an alkali metal present in the substrate is 1 × 10 14 cm −3 or less. 前記アルカリ金属は、リチウムであることを特徴とする請求項1記載のZnO系基板。   The ZnO-based substrate according to claim 1, wherein the alkali metal is lithium. 前記結晶成長を行う側の主面は+C面であることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のZnO系基板。   3. The ZnO-based substrate according to claim 1, wherein the main surface on which crystal growth is performed is a + C plane. 4. 前記結晶成長を行う側の主面はC面を有し、前記主面の法線を基板結晶軸のm軸c軸平面に投影した投影軸が、m軸方向に3度以内の範囲で傾斜していることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のZnO系基板。   The principal surface on the crystal growth side has a C-plane, and the projection axis obtained by projecting the normal of the principal surface onto the m-axis c-axis plane of the substrate crystal axis is tilted within 3 degrees in the m-axis direction. 3. The ZnO-based substrate according to claim 1, wherein the ZnO-based substrate is formed. 前記主面の法線を基板結晶軸のa軸c軸平面に投影した投影軸がa軸方向にΦ度、前記主面の法線を前記主面におけるm軸c軸平面に投影した投影軸がm軸方向にΦ度傾斜し、前記Φ
70≦{90−(180/π)arctan(tan(πΦ/180)/tan(πΦ/180))}≦110
を満たすことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のZnO系基板。
A projection axis obtained by projecting the normal of the main surface onto the a-axis c-axis plane of the substrate crystal axis is Φ a degrees in the a-axis direction, and a projection of the normal of the main surface projected onto the m-axis c-axis plane of the main surface The axis is tilted by Φ m degrees in the m-axis direction, and the Φ a is 70 ≦ {90− (180 / π) arctan (tan (πΦ a / 180) / tan (πΦ m / 180))} ≦ 110
The ZnO-based substrate according to claim 1, wherein the ZnO-based substrate is satisfied.
請求項1〜請求項5のいずれかのZnO系基板上にZnO系半導体が結晶成長されていることを特徴とするZnO系半導体素子。   A ZnO-based semiconductor element, wherein a ZnO-based semiconductor is crystal-grown on the ZnO-based substrate according to any one of claims 1 to 5. 前記ZnO系半導体はZnO膜とMgZnO膜とで構成されていることを特徴とする請求項6記載のZnO系半導体素子。   The ZnO-based semiconductor element according to claim 6, wherein the ZnO-based semiconductor is composed of a ZnO film and an MgZnO film. 前記MgZnO膜のMg組成が35%以下であることを特徴とする請求項7記載のZnO系半導体素子。   8. The ZnO-based semiconductor device according to claim 7, wherein the Mg composition of the MgZnO film is 35% or less. 基板中のリチウム濃度が1×1014cm−3を越えるZnO系基板上に、膜厚50nm以上のZnO膜が少なくとも形成されていることを特徴とするZnO系半導体素子。 A ZnO-based semiconductor element, wherein at least a ZnO film having a thickness of 50 nm or more is formed on a ZnO-based substrate having a lithium concentration in the substrate exceeding 1 × 10 14 cm −3 . 前記ZnO膜よりも後に形成されるZnO系半導体層でリチウム濃度が1×1014cm−3以下になっていることを特徴とする請求項9記載のZnO系半導体素子。 10. The ZnO-based semiconductor device according to claim 9, wherein the ZnO-based semiconductor layer formed after the ZnO film has a lithium concentration of 1 × 10 14 cm −3 or less.
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CN113684539A (en) * 2016-12-27 2021-11-23 住友化学株式会社 Method for producing group III nitride laminate, method for inspecting group III nitride laminate, and group III nitride laminate

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