WO2003107428A1 - 半導体デバイス及び該半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

半導体デバイス及び該半導体デバイスの製造方法 Download PDF

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伊藤　吉博
門田　道雄
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株式会社 村田製作所
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    • H01S5/327—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIBVI compounds, e.g. ZnCdSe-laser

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device using zinc oxide as a semiconductor material and a method for manufacturing the semiconductor device.
  • Zinc oxide (ZnO) a kind of I I-VI group compound semiconductor, can change the band gap energy by mixing with 1 ⁇ 1010 ⁇ 0 etc.
  • a multi-layer structure is possible, and the binding energy of excitons is very large, so it is expected to be applied to light-emitting devices. Also, since it is transparent in the visible region, it can be used to drive liquid crystal displays. Application to membrane transistors is expected.
  • ZnO has a wurtzite-type crystal structure (hexagonal), and as shown in Fig. 9, has no center of symmetry in the c-axis direction (vertical direction), Have.
  • ZnO has three bonds bound to the Zn atom 51 facing downward and three bonds bound to the oxygen atom 52
  • the zinc polarity (+ c polarity) facing upward and the three bonds bound to the Zn atom 51 face upward and bound to the oxygen atom 52, as shown in Fig. 9 (b).
  • the three connectors have an oxygen polarity (1c polarity) facing downward.
  • the polarity indicates the direction of the connector, and is not a surface termination element.
  • PMB E. Pulsma-assisted molecular-beam epitaxy
  • first conventional technology APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 80 No. 8 pp.1358-1360
  • a GaN having a Ga polarity is formed on a sapphire substrate, and a ZnO thin film having a zinc polarity or an oxygen polarity is formed on the GaN by controlling the film forming conditions. It is also reported that it can do this (APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 77 No. 22 pp.3571-3573 (2000); hereinafter, referred to as "second conventional technology").
  • a technique capable of defining the polarity of a piezoelectric film such as ZnO formed on a substrate has already been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-144328; 3 conventional technologies).
  • the third conventional technique it is possible to form a piezoelectric film (ZnO film) having a + surface (zinc polarity) or one surface (oxygen polarity) depending on the type of the substrate.
  • the polarity of the piezoelectric film such as ZnO formed on the substrate is controlled by changing the film forming conditions.
  • the ZnO thin film formed on the sapphire substrate is formed by a coaxial direct impact ion scattering spectroscopy (Coaxial Impulse Collision Ion on Ion Scattering). Spectroscopy (CAICISS) has confirmed that it has oxygen polarity. However, since such hexagonal thin films have substantially hexagonal crystal grains remaining and the surface shape becomes uneven, the desired surface smoothness is obtained. It is impossible to obtain a ZnO thin film.
  • CAICISS Coaxial Impulse Collision Ion on Ion Scattering
  • the surface shape of the ZnO thin film formed by the first prior art lacks smoothness, when a semiconductor device is manufactured using the ZnO thin film, a current flows through a grain boundary. In addition, electric field concentration occurs at the protruding portion of the crystal grain, which may cause device operation to become unstable or to be destroyed.
  • the polarity of the ZnO thin film can be controlled by changing the film forming conditions, whereby the ZnO thin film has zinc polarity or oxygen polarity on G aN.
  • a ZnO thin film can be formed, since the substrate temperature rises when ZnO is formed on GaN, Ga, a constituent element of GaN, is transferred to the ZnO thin film. There is a risk of spreading.
  • the device characteristics of the semiconductor device may vary.
  • the third prior art discloses the formation of a piezoelectric film having zinc polarity or oxygen polarity, but does not disclose any influence of the polarity on the surface shape or electrical characteristics of the thin film.
  • the substrate material is different from the piezoelectric film material, as in the second conventional technique, there is a possibility that crystallinity may be degraded due to lattice mismatch, and the desired good electrical characteristics with excellent reliability can be obtained. There is a problem that cannot be obtained.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and includes a ZnO thin film having excellent surface smoothness to provide a semiconductor device having excellent crystallinity and excellent electric characteristics, and a semiconductor device.
  • the purpose of the present invention is to provide a method for manufacturing a disk. Disclosure of the invention The present inventors have conducted intensive studies to obtain a ⁇ thin film having a good surface smoothness, and as a result, by forming a ⁇ thin film on a zinc polar surface of a single crystal substrate containing zinc oxide as a main component, We have found that a semiconductor device having excellent surface smoothness and crystallinity and good electrical characteristics can be obtained.
  • the present invention has been made based on such knowledge, and the semiconductor device according to the present invention is characterized in that the zinc polar surface of a single crystal substrate mainly composed of zinc oxide having a zinc polar surface and an oxygen polar surface is provided. At least one thin film mainly composed of zinc oxide is formed thereon. Thereby, a thin film having excellent surface smoothness and crystallinity can be formed. Further, the present inventors examined the polarity of the thin film and found that the thin film had zinc polarity.
  • the semiconductor device of the present invention is characterized in that the thin film has zinc polarity. That is, it can be seen that the ⁇ -based thin film formed on the zinc-polar surface of the ⁇ substrate has zinc polarity.
  • the semiconductor device of the present invention is characterized in that the thin film comprises a multilayer film, and the multilayer film forms a light emitting layer or a switching part.
  • the thin film is composed of a multilayer film, and the multilayer film constitutes a light emitting layer, the light emitting layer is excellent in surface smoothness and crystallinity, and has excellent electric characteristics. You can get the device.
  • the thin film is composed of a multilayer film, and the multilayer film constitutes a switching portion, so that a change in conductivity can be suppressed even when the active layer is irradiated with light. Further, a semiconductor device such as a TFT which can prevent deterioration of the characteristics of the switching element can be easily obtained.
  • a semiconductor device such as a light emitting element or a thin film transistor having good electric characteristics can be easily obtained. it can.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes determining whether the surface of the single crystal substrate containing zinc oxide as a main component is a zinc polar surface or an oxygen polar surface, One or more thin films are formed on the zinc polar surface, and the thin film has zinc polarity.
  • a desired ⁇ -based thin film can be easily and reliably formed on the zinc polar surface of the zinc oxide substrate.
  • the surface of the ⁇ substrate is a zinc polar surface or an oxygen polar surface, and at least one or more thin films containing ⁇ as a main component are formed on the zinc polar surface; Said Since the thin film has zinc polarity, a ZnO-based thin film can be easily formed on the zinc polar surface.
  • the semiconductor device of the present invention is characterized in that a sputtering apparatus provided with a plasma generation chamber and a film formation chamber is provided, and a sputtering process is performed using the sputtering apparatus to form the thin film.
  • a semiconductor device having desired electrical characteristics can be obtained at low cost by forming a film by sputtering, and the plasma generation chamber and the film formation chamber are separated. In addition, it is possible to prevent the semiconductor device from being damaged by plasma as much as possible.
  • the sputtering process is performed by any method selected from an electron cyclotron resonance plasma sputtering method, an inductively coupled plasma sputtering method, a helicon wave excited plasma sputtering method, an ion beam sputtering method, or a cluster beam sputtering method.
  • the thin film is formed by a method selected from a molecular beam epitaxy method, a metal organic chemical vapor deposition method, a laser molecular beam epitaxy method, and a laser ablation method.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of one embodiment (first embodiment) of a semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the polarity characteristics of Z ⁇ ⁇ .
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a surface shape of a ZnO thin film formed on a zinc polar surface of a ZnO substrate.
  • FIG. 4 is a diagram showing the polarity characteristics of the ZnO thin film formed on the zinc-polar surface of the Zn0 substrate.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic sectional view of a third embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 7 shows a surface shape of a ZnO thin film formed on a zinc polar surface of a ZnO substrate. It is a micrograph.
  • FIG. 8 is a micrograph showing the surface shape of the ZnO thin film formed on the oxygen-polar surface of the ZnO substrate.
  • FIG. 9 is a view showing a crystal structure of ZnO. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a light emitting diode (hereinafter, referred to as "LEDJ") as one embodiment (first embodiment) of a semiconductor device according to the present invention.
  • Reference numeral 1 denotes a single-crystal substrate mainly composed of conductive ZnO having an n-type conductivity type (hereinafter referred to as a “ ⁇ substrate”).
  • the ⁇ substrate 1 has a zinc polar surface 1 a and an oxygen polar surface 1 b- And
  • a light emitting layer 2 is formed on a zinc polar surface 1a of a ZnO substrate 1, and a surface of the light emitting layer 2 is formed of indium tin oxide (hereinafter referred to as ⁇ ).
  • ⁇ indium tin oxide
  • a transparent electrode 3 having a thickness of about 150 nm is formed, and a Ni film, an AI film, and an Au film are sequentially laminated at approximately the center of the surface of the transparent electrode 3 to a total thickness of about 300 nm.
  • the p-side electrode 4 is formed.
  • an n-side electrode 5 having a total thickness of about 300 nm in which a Ti film and an Au film are sequentially laminated is formed.
  • the light emitting layer 2 is specifically composed of a multilayer film in which an n-type contact layer 6, a ⁇ -type cladding layer 7, an active layer 8, a p-type cladding layer 9, and a p-type contact layer 10 are sequentially laminated.
  • the active layer 8 is sandwiched between the n-type cladding layer 7 and the p-type cladding layer 9, and the n-type cladding layer 7 is connected to the n-side electrode 5 via the n-type contact layer 6 and the ZnO substrate 1.
  • the p-type cladding layer 9 is connected to the transparent electrode 3 via the p-type contact layer 10.
  • the active layer 8 is formed of Cd x Zn 1 -x0 (x is 0 ⁇ ⁇ ⁇ 1, for example, 0.1) having a thickness of about 200 nm in which CdO and ZnO are mixed crystals.
  • the active layer 8 emits light by recombination of electrons, which are ⁇ -type carriers, and holes, which are ⁇ -type carriers, and the wavelength of the emitted light is determined by the band gap energy.
  • the bandgap energy is larger than that of the active layer 8, for example, MgO and ZnO.
  • Y is 0 ⁇ y ⁇ 1, for example, 0.2
  • the thickness of the n-type cladding layer 7 is about 2000 nm
  • the thickness of the p-type cladding layer 9 is The thickness is about 600 nm.
  • the n-type contact layer 6 and the p-type contact layer 10 are both formed of ZnO with a thickness of about 200 nm.
  • a ZnO single crystal is prepared by the SCVT (Seeded Chemical Vapor Transport) method, etc. Make it and check its polarity.
  • Methods of discriminating the polarity of a compound semiconductor having piezoelectricity such as ZnO include coaxial direct impact ion scattering spectroscopy (CAICI SS) (APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 72 (1998) p824), convergent electron diffraction. (CBED) method (APPLIED PHYSICS LETTERSVo 1.69 (1996) p337), nonlinear dielectric microscopy (SNDM) method (Symposium on Advanced Technology, Piezoelectric Materials and Elastic Wave Devices j (February 2000) pp. 23-30 In this embodiment, the polarity of the ZnO substrate is confirmed by the SNDM (Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy) method.
  • the SNDM detects an intensity signal that reflects the polarity of the ZnO substrate 1 when a potential is applied while scanning the probe tip on the ZnO substrate 1.
  • the intensity signal is displaced to the plus side or one side as compared with the case where the applied potential is “0”.
  • the intensity when the applied potential is “0” is used as the reference signal
  • the intensity signal when the potential is applied while scanning the probe tip on the ZnO substrate 1 is used as the polarity signal.
  • the polarity of the ZnO substrate can be determined based on whether the polarity signal is displaced to the + side or one side with respect to the reference signal.
  • the polarity of the signal when the polarity signal is displaced to one side with respect to the reference signal, the polarity of the signal is positive (zinc polarity), and when the polarity signal is displaced to the + side with respect to the reference signal. It shows unipolarity (oxygen polarity).
  • 2 (a) and 2 (b) are diagrams showing the polarity characteristics of the ZnO substrate 1, wherein the horizontal axis indicates the scanning length (jWm) and the vertical axis indicates the intensity (a.U .; arbitrary unit).
  • the arrow X direction indicates the polarity signal of the ZnO substrate 1
  • the arrow X 'direction indicates the reference signal when no potential is applied.
  • the polar surface of the Zn0 substrate 1 is a zinc polar surface
  • FIG. 2 (b) As shown in (5), when the polarity signal is displaced to the + side compared to the reference signal, it can be determined that the polar surface of the ZnO substrate 1 is an oxygen polar surface.
  • an electron cyclotron resonance (hereinafter, referred to as “ECRj”) sputtering apparatus is used to place the ZnO substrate 1 on the zinc-polarized surface 1 a of the ZnO substrate 1. Laminate nO thin film.
  • an ECR sputtering apparatus divided into a plasma generation chamber and a film formation chamber was prepared, and the ZnO substrate 1 was set at a predetermined position in the film formation chamber so that the zinc polar surface 1a was on the upper surface. Is heated to a temperature of 300-800 ° C. Next, a reactive gas such as oxygen and a plasma generation gas such as argon are supplied to the plasma generation chamber, and a microwave discharge is performed at a frequency (2.45 GHz) at which the cyclotron resonates. Generates plasma.
  • n-type contact layer 6 made of ZnO is formed on the surface of the O substrate 1.
  • n-type cladding layer 7 made of MgyZnl-yO (0 ⁇ y ⁇ 1) is obtained.
  • reactive sputtering is performed in the same manner, and an active layer 8 composed of Cd XZn 1 - ⁇ (0 ⁇ x ⁇ 1) and a p-type cladding layer 9 composed of Mg yZn 1 -yO (0 ⁇ y ⁇ 1) are sequentially performed. And a p-type contact layer 10 made of ZnO.
  • the thickness of each thin film is set to a desired thickness by controlling the reaction time.
  • a Ti film and an Au film are sequentially formed on the surface of the oxygen polar surface 1 b of the ZnO substrate 1 by a vacuum evaporation method to form an n-side electrode 5, and then the vacuum evaporation method Then, an ITO film is formed on the surface of the p-type contact layer 10 to form a transparent electrode 3, and then Ni, A and Au are sequentially laminated by a lift-off method to form a p-side electrode 4.
  • the light-emitting layer 2 composed of a ZnO-based multilayer film is formed on the zinc polar surface 1a of the ZnO substrate 1, thereby providing excellent surface smoothness.
  • the surface of the n-type cladding layer 7 has a smooth terrace 11 and a linear step 1 as shown in FIG. 3 (enlarged view of part A in FIG. 1).
  • a thin film having excellent surface smoothness can be obtained without leaving crystal grains and uneven portions on the surface.
  • the thin film having excellent smoothness as shown in FIG. 3 is not only the n-type cladding layer 7 but also the n-type contact layer 6, the active layer 8, the p-type cladding layer 9, and the p-type contact layer 10. But it can be obtained as well.
  • the Z ⁇ -based thin film has excellent surface smoothness as described above, current does not flow through the crystal grain boundary, and no electric field concentration occurs on the surface of the ZnO film. It is possible to obtain an LED with high electron mobility and high crystallinity and excellent electrical characteristics without scattering when moving.
  • the ZnO-based thin film is formed by a sputtering process using an ECR sputtering apparatus, so that there is no need to provide a separate expensive apparatus and the cost is reduced.
  • a thin film can be formed.
  • the plasma generation chamber and the film formation chamber are separated from each other, it is possible to obtain a high quality thin film while minimizing the possibility that the ⁇ thin film receives plasma damage.
  • the polarity of the ⁇ thin film formed on the surface of the ⁇ substrate 1 was further examined using SNDM.
  • the sensitivity of the SNDM in the depth direction is determined by the tip radius of the probe tip and the permittivity of the sample ⁇ .
  • the depth is about the same as the tip radius of the probe tip. Since only the thickness is sensitive, by making the tip radius smaller than the film thickness, it is possible to determine the polarity of the ⁇ thin film regardless of the polarity of the underlying ⁇ substrate 1.
  • Fig. 4 shows the polar characteristics of the ⁇ thin film.
  • the horizontal axis shows the scanning length ( ⁇ m) and the vertical axis shows the intensity (a.).
  • the direction of the arrow X indicates the polarity signal of the Z ⁇ substrate 1, and the direction of the arrow X 'indicates the reference signal when no potential is applied.
  • the polarity signal is displaced to one side as compared with the reference signal, and it is understood that the ZnO thin film has zinc polarity.
  • the ZnO-based thin film formed on the zinc-polar surface of the ZnO substrate 1 has zinc polarity.
  • the light emitting layer 2 has a double hetero structure in which the active layer 8 is sandwiched between the p-type cladding layer 9 and the n-type cladding layer ⁇ .
  • One insulating layer-semiconductor layer) structure or a single hetero structure may be used.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of a laser diode (hereinafter, referred to as “LDJ”) as a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
  • LDJ laser diode
  • a light emitting layer 14 is formed on a zinc polar surface 13 a of a conductive ZnO substrate 13, and a Ni film, an AI film, and an Au film are formed on the surface of the light emitting layer 14.
  • a p-side electrode 15 having a total film thickness of about 300 nm.
  • an n-side electrode 16 having a total thickness of about 300 nm in which a Ti film and an Au film are sequentially laminated is formed.
  • the light emitting layer 14 includes an n-type contact layer 17, an n-type cladding layer 18, an n-type light guiding layer 19, an active layer 20, a p-type light guiding layer 21, and a p-type cladding layer 22.
  • the current limiting layer 23 and the p-type contact layer 24 are formed of a multilayer film sequentially laminated.
  • the active layer 20 is sandwiched between the n-type cladding layer 18 and the p-type cladding layer 22 via the n-type guide layer 19 and the p-type guide layer 21, respectively.
  • the n-type cladding layer 18 is connected to the n-side electrode 16 via the n-type contact layer 17 and the ZnO substrate 13, and the p-type cladding layer 22 connects the current limiting layer 23 and the p-type contact layer 24. Via And is connected to the P-side electrode 15.
  • the active layer 20 is composed of a barrier layer composed of Mg y Zn 1—yO (y is 0 ⁇ y ⁇ 1, for example, 0.1) and Cd XZ n 1—XO (x is 0 ⁇ It has a multiple quantum well structure in which x ⁇ 1 and, for example, 0.1) force, and two to five layers each of which is formed alternately by 3 nm.
  • the refractive index of the active layer 20 is larger than that of the n-type cladding layer 18 and the p-type cladding layer 22, light can be confined in the active layer 20.
  • the active layer 20 is a thin film, sufficient light is emitted.
  • the active layer 20 and the n-type cladding layer 18 and the p-type cladding are formed so as to constitute a part of the optical waveguide.
  • An n-type light guide layer 19 and a p-type light guide layer 21 having an intermediate refractive index between the cladding layers 18 and 22 and the active layer 20 are interposed between the layer 22 and the active layer 20.
  • an n-type contact layer 17 of about 1500 nm in thickness made of ZnO is formed on the zinc polar surface 13 a of ZnO3 ⁇ 43 ⁇ 4 13, and M gy is formed on the surface of the n-type contact layer 17.
  • An approximately 2000 nm-thick n-type cladding layer 18 made of Zn 1 -y O (y is 0 ⁇ y ⁇ 1, for example, 0 ⁇ 2) is formed.
  • An n-type optical guide layer 19 made of Z ⁇ and having a thickness of about 40 nm is formed on the surface of the substrate.
  • an active layer 20 having the above-mentioned multi-well structure is laminated, and on the surface of the active layer 20, Mg y Zn 1 ⁇ yO (y is 0 ⁇ y ⁇ 1
  • a p-type light guide layer 21 having a thickness of about 40 nm made of 0.2) is formed, and Mg y Zn 1—yO (y is 0 ⁇ y For ⁇ 1, a p-type cladding layer 22 of, for example, 0.2) with a thickness of about 2000 nm is formed.
  • the surface of the p-type cladding layer 22 has a ⁇ Mg y Z n 1 -y O (y is 0 ⁇ y ⁇ 1, for example, 0.2) force that allows a current to flow only in the oscillation region.
  • a 400 nm current limiting layer 23 is formed in a predetermined shape so as to have a groove 23a, and then a p-type contact layer having a T-shaped cross section is formed on the surface of the p-type cladding layer 22 so as to cover the current limiting layer 23. 24 are formed.
  • the LD is also manufactured by a method and procedure substantially similar to those of the first embodiment.
  • an ECR sputtering apparatus is prepared, and the ZnO substrate 13 is set at a predetermined position in the film forming chamber so that the zinc polar surface 13a is the upper surface. Heat to ° C.
  • a reactive gas such as oxygen and a plasma generation gas such as argon are supplied to the plasma generation chamber.
  • a microwave discharge is performed to generate plasma in the plasma generation chamber, and the target material (ZnO) is sputtered.
  • a layer 17 is formed.
  • reactive sputtering is sequentially performed while appropriately changing the target material to a desired material, and the n-type contact layer 17, the n-type cladding layer 18, the n-type light guide layer 19, the active layer 20, p A light guide layer 21, a p-type clad layer 22, and a current limiting layer 23 are sequentially formed.
  • the formed ZnO substrate 13 is once taken out of the ECR sputtering apparatus, a photoresist is applied to the surface of the current limiting layer 23, and a known photolithography technique is used.
  • the resist film is patterned and subjected to an etching treatment with an alkaline solution such as NaOH to form the current limiting layer 23 into a predetermined shape.
  • the ZnO substrate 13 is returned to a predetermined position in the ECR sputtering apparatus again, and reactive sputtering is performed to form a p-type contact layer 24 having a T-shaped cross section and Z ⁇ .
  • a Ti film and an Au film are sequentially formed on the surface of the oxygen-polar surface 13 b of the ZnO substrate 13 by a vacuum evaporation method to form an n-side electrode 16.
  • Ni, A, and Au are sequentially laminated on the surface of the p-type contact layer 24 by a vacuum evaporation method to form a p-side electrode 15.
  • the light emitting layer 14 made of a ZnO-based multi-thin film is formed on the zinc polar surface 13 a of the ZnO substrate 13. Therefore, a ZnO-based thin film having a smooth terrace and linear steps can be obtained.
  • a ZnO-based thin film is formed by sputtering using an ECR sputtering apparatus, so that an expensive apparatus is separately required. There is no need to provide it, and thin films can be formed at low cost.
  • the plasma generation chamber and the deposition chamber are separated, so that the ZnO thin film is prevented from being damaged by plasma as much as possible, and a good quality thin film is formed. Can be obtained.
  • FIG. 6 is a schematic sectional view of a thin film transistor (hereinafter, referred to as “TFT”) as a third embodiment of the semiconductor device according to the present invention, wherein the TFT has an insulating Zn An O substrate 25, a gate electrode 26 having a thickness of 50 nm formed at a substantially central portion on the ZnO substrate 25, and a film formed on the ZnO substrate 25 so as to cover the gate electrode 26.
  • TFT thin film transistor
  • a switching unit is configured by components other than the ZnO substrate 25, that is, the gate electrode 26, the gate insulating layer 27, the active layer 28, the channel protective layer 29, the source electrode 30, and the drain electrode 31. These switching parts are formed on the zinc polar surface 25a of the ZnO substrate 25.
  • the gate electrode 26, the source electrode 30, and the drain electrode 31 have low resistance by doping Ga into ZnO, and the gate insulating layer 27 and the channel protective layer 29 have Ni. The resistance is increased by doping Z ⁇ .
  • the active layer 28 is formed of a non-doped ZnO thin film, but the oxygen concentration in the thin film is adjusted by controlling the oxygen partial pressure at the time of forming the thin film, thereby having n-type conductivity. Is formed.
  • the TFT can be easily manufactured by using the ECR sputtering and the photolithography technology, similarly to the first and second embodiments.
  • the polarity is discriminated, and then, using an ECR sputtering apparatus, first, reactive sputtering is performed using ZnO doped with Ga as a target material, and the ZnO substrate 25 A ZnO film (ZnO: Ga) is formed on the polar surface 25a. Then, after that, the Z ⁇ substrate 25 is taken out of the ECR sputtering apparatus, and a photoresist is applied on the Z ⁇ film. Then, a resist film is patterned by a known photolithography technique.
  • the gate electrode 26 is formed by performing an etching process using an alkaline solution such as the above.
  • a gate insulating layer 27 is formed on the Z ⁇ substrate 25 so as to cover the gate electrode, and then non-doped ZnO is
  • the active layer 28 is formed by performing reactive sputtering while controlling the oxygen partial pressure as a target substance.
  • a photoresist is applied to the ZnO film as described above, then the resist film is patterned by one photolithography technique, and then a lithography treatment with an alkaline solution such as NaOH is performed. Then, a channel protective layer 29 is formed.
  • the active layer is made of amorphous silicon (a-Si) as in the conventional case, the light becomes radiated to a-Si and becomes conductive, so that the characteristics of the switching element deteriorate.
  • the active layer 28 is formed of a ZnO thin film having a band gap of about 3.3 eV and transmitting visible light. Even when the layer 28 is irradiated with light, the change in conductivity can be suppressed, and the deterioration of the characteristics of the switching element can be prevented.
  • the incident light amount to the photoelectric conversion element is increased or the light emission is increased.
  • the amount of light emitted from the layer can be increased, and the aperture ratio can be increased.
  • the Z ⁇ -based thin film is formed by the ECR sputtering method.
  • the inductively coupled plasma (ICP) sputtering method the helicon wave excited plasma (HWP) sputtering method, the ion beam sputtering method, or A cluster beam sputtering method or the like may be used, and a thin film forming method other than the sputtering method, such as a molecular beam epitaxy (MBE) method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a laser molecular beam epitaxy (laser MBE ), Or a laser abrasion method or the like may be used to form the ZnO-based thin film.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • laser MBE laser molecular beam epitaxy
  • a laser abrasion method or the like may be used to form the ZnO-based thin film.
  • an ECR sputtering apparatus divided into a plasma generation chamber and a film formation chamber was prepared, a ZnO substrate was disposed at a predetermined position in the film formation chamber, and the substrate temperature was heated to 620 ° C.
  • 2 Osccm of Ar gas as a sputtering gas and 1 Osccm of 02 gas as a reaction gas are supplied to the plasma generation chamber, and micro-discharge is performed to generate plasma, and a high-frequency electric field of 15 OW is applied to the sputter target.
  • a reactive sputtering process was performed to form a ZnO thin film on each of a zinc polar surface and an oxygen polar surface on the ZnO substrate, thereby producing test pieces of Examples and Comparative Examples.
  • the present inventors observed the surface shape of the ZnO thin film with an atomic force microscope.
  • FIG. 7 shows the ZnO thin film of the example
  • FIG. 2 shows a ZnO thin film formed in FIG.
  • the ⁇ thin film of the comparative example is in an island shape and has a crystal grain boundary.
  • the surface shape of the ⁇ thin film of the example can be obtained as a thin film having a smooth terrace and substantially linear steps.
  • the present inventors calculated the root mean square roughness RMS of the ⁇ thin film and evaluated the surface roughness.
  • the ⁇ thin film of the comparative example had a root mean square surface roughness RMS of 20.4 nm
  • the Z ⁇ thin film of the embodiment had a root mean square surface roughness RMS of 1.4 nm and Zn It was found that the surface smoothness of the O substrate was significantly improved by forming the ZnO thin film on the zinc polar surface as compared with the case of forming the ZnO thin film on the oxygen polar surface.
  • the present inventors performed Hall measurement and calculated electron mobility.
  • the mobility is increased because electrons are not scattered by crystal defects when the electrons move.
  • the crystal defects are present, the electrons are scattered when the electrons move, so that the mobility is increased. Becomes smaller.
  • the present inventors have formed an electrode by sequentially laminating a Ti film and an Au film on each ZnO thin film of the example and the comparative example by a vacuum evaporation method, and performing a hole measurement to reduce the electron mobility. It was measured. As a result, the mobility of the electron was 2 cm 2 ZV ⁇ sec in the comparative example, while the mobility was large at 30 cm2 / V-sec in the example, and therefore, the example was more crystalline than the comparative example. It was confirmed that the electrical characteristics were good. Industrial applicability
  • the electronic component according to the present invention is used as a component of a video device, and is particularly suitable for being used as a light-emitting element of an optical pickup used in a video device.

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Abstract

　表面平滑性に優れたＺｎＯ薄膜を有し、結晶性に優れ、良好な電気特性を有する半導体デバイスを得るため、ＺｎＯ基板１の亜鉛極性面１ａ上にＺｎＯを主成分とするＺｎＯ系薄膜（ｎ形コンタクト層６、ｎ形クラッド層７、活性層８、ｐ形クラッド層９、ｐ形コンタクト層１０）をＥＣＲスパッタ法等で順次成膜し、真空蒸着法等によりｐ形コンタクト層１０の表面に透明電極３及びｐ側電極４を形成し、また、ＺｎＯ基板１の酸素極性面１ｂ上にｎ側電極５を形成する。

Description

明 細 書 半導体デ/、'ィス及ぴ該半導体デ/ ィスの製造方法 技術分野
本発明は半導体デバイス及び該半導体デバイスの製造方法に関し、 より詳しくは半導体 材料として酸化亜鉛を使用した半導体デバイス及び該半導体デバイスの製造方法に関する。 背景技術
I I-VI 族化合物半導体の一種である酸化亜鉛 （Z n O) は、 1\1 0ゃ0<^ 0等との混晶 化によってバンドギャップエネルギを変化させることができ、 量子井戸等の多層構造が可 能であり、 さらには励起子の結合エネルギが非常に大きいことから、 発光素子への応用が 期待されており、 また、 可視領域で透明であることから液晶ディスプレイ駆動用の透明薄 膜トランジスタへの応用が期待されている。
ところで、 Z n Oはウルッ鉱型の結晶構造 （六方晶） を有しており、 第 9図に示すよう に、 c軸方向 （上下方向） に対称中心を有さず、 分子構造上極性を有している。
すなわち、 Z nOは、 第 9図 （a) に示すように、 Z n原子 51に結合している 3本の 結合子が下方を向き、 酸素原子 52に結合している 3本の結合子が上方を向いている亜鉛 極性 （+c極性） と、 第 9図 （b) に示すように、 Z n原子 51に結合している 3本の結 合子が上方を向き、 酸素原子 52に結合している 3本の結合子が下方を向いている酸素極 性 （一 c極性） とを有している。
ここで、上記極性とは、上記結合子の向きを示しており、表面終端元素のことではない。 そして、 従来より、 PMB E . (plasma - assisted molecular- beam epitaxy；
プラズマアシスト分子線ェピタキシ） 法により、 サファイア基板上に酸素極性を有する Z η θ薄膜を成膜することのできることが既に報告されている （APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 80 No. 8 pp.1358 - 1360 (2002) ；以下、 「第 1の従来技術」 という）。
また、 サファイア基板上に G a極性を有する G a Nを成膜し、 成膜条件を制御すること によリ前記 G a N上に亜鉛極性又は酸素極性を有する Z n O薄膜を成膜することのできる ことも報告されている （APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 77 No. 22 pp.3571 - 3573 (2000) ； 以下、 「第 2の従来技術」 という）。
また、 その他の従来技術として、 基板上に形成される Z nO等の圧電膜の極性を規定す ることのできる技術が既に提案されている （特開 2001 - 1 44328号公報；以下、 「第 3の従来技術」 という）。 該第 3の従来技術では、 基板の種類に応じて +面 （亜鉛極性） 又は一面 （酸素極性） を 有する圧電膜 （Z n O膜） の形成が可能であり、 また、 基板加熱温度等の成膜条件を変え ることにより、 基板上に形成される Z n O等の圧電膜の極性を制御している。
しかしな力《ら、上記第 1の従来技術では、サファイア基板上に形成される Z n O薄膜は、 同軸型直衝突ィォン散乱分光法（Coax i a l I mpact Co l I i s i on I on Scatter i ng Spectroscopy； C A I C I S S ) により酸素極性を有することが確認されているが、 斯かる Z n O薄膜に は略六角形状の結晶粒が残留し、 表面形状が凹凸状となるため、 所望の表面平滑性を有す る Z n O薄膜を得ることができない。
すなわち、 第 1の従来技術で形成された Z n O薄膜の表面形状は平滑性に欠けるため、 該 Z n O薄膜を使用して半導体デバイスを製造した場合、 結晶粒界を介して電流が流れた リ、 結晶粒の凸部分で電界集中が生じ、 このためデバイス動作が不安定化したり破壊する 虞がある。
また、 第 2の従来技術によれば、 成膜条件を変えることにより、 Z n O薄膜の極性を制 御することができ、 これによリ、 G a N上に亜鉛極性又は酸素極性を有する Z n O薄膜を 形成することができるが、 G a N上に Z n Oを成膜する際に基板温度が昇温するため、 G a Nの構成元素である G aが Z n O薄膜へ拡散する虞がある。
そして、 G aは Z n Oに対しドナーとして作用するため、 G aが Z n O薄膜中に拡散す ると Z η θが低抵抗化する。
しかも、 前記拡散を制御することは困難であるため、 半導体デバイスのデバイス特性に バラツキの生じる虞がある。
さらに、 上記第 2の従来技術は、 G a Nと Z η θとで格子不整合が存在するため、 斯か る格子不整合を緩和すべく格子欠陥が導入され、 その結果 Z n O薄膜の結晶性が劣化し電 気特性の悪化を招来する。
また、 上記第 3の従来技術は、 亜鉛極性又は酸素極性を有する圧電膜の形成については 開示されているが、 極性が薄膜の表面形状や電気特性に及ぼす影響については何ら開示さ れておらず、 しかも基板材料が圧電膜材料とが異なるため、 第 2の従来技術と同様、 格子 不整合に起因した結晶性の悪化を招来する虞があリ、 信頼性に優れた所望の良好な電気特 性を得ることができないという問題点がある。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、 表面平滑性に優れた Z n O薄膜 を具備することにより、 結晶性に優れ、 良好な電気特性を有する半導体デバイス、 及び半 導体デ /、'ィスの製造方法を提供することを目的とする。 発明の開示 本発明者らは、 表面平滑性が良好な Ζ η Ο薄膜を得るべき鋭意研究した結果、 酸化亜鉛 を主成分とする単結晶基板の亜鉛極性面上に Ζ η Ο薄膜を形成することにより、 表面平滑 性や結晶性に優れ、 良好な電気的特性を有する半導体デバイスを得ることができるという 知見を得た。
本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、 本発明に係る半導体デバイス は、 亜鉛極性面と酸素極性面とを有する酸化亜鉛を主成分とする単結晶基板の前記亜鉛極 性面上に酸化亜鉛を主成分とする少なくとも 1層以上の薄膜が形成されていることを特徴 としている。 これにより、 表面平滑性及び結晶性に優れた薄膜を形成することができる。 また、 本発明者らは、 前記薄膜の極性を調べたところ、 亜鉛極性を有することが判明し た。
したがって、 事発明の半導体デバイスは、 前記薄膜は亜鉛極性を有していることを特徴 としている。 すなわち、 Ζ η Ο基板の亜鉛極性面上に形成された Ζ η Ο系薄膜は亜鉛極性 を有していることが分かる。
また、 本発明の半導体デバイスは、 前記薄膜は多層膜からなり、 該多層膜は発光層、 又 はスイッチング部を形成していることを特徴としている。
具体的には、 前記薄膜は多層膜からなり、 該多層膜は発光層を構成しているので、 発光 層は表面平滑性及び結晶性に優れ、 良好な電気特性を有する L E Dや L D等の発光デバィ スを得ることができる。
また、 前記薄膜は多層膜からなり、 該多層膜はスイッチング部を構成することにより、 活性層に光が照射された場合であっても導電性が変化するのを抑制することができ、 これ によリスイツチング素子の特性劣化を防止することのできる T F T等の半導体デ/ スを 容易に得ることができる。
上記半導体デバイスによれば、 表面平滑性や結晶性に優れた Ζ η θ系の多層膜を具備し ているので、 良好な電気特性を有する発光素子や薄膜トランジスタ等の半導体デバイスを 容易に得ることができる。
また、 本発明に係る半導体デバイスの製造方法は、 酸化亜鉛を主成分とする単結晶基板 の表面が亜鉛極性面又は酸素極性面のいずれであるかを判別し、 酸化亜鉛を主成分とする 少なくとも 1層以上の薄膜を前記亜鉛極性面上に形成することを特徴とし、 また前記薄膜 は亜鉛極性を有していることを特徴としている。
上記製造方法によれば、 酸化亜鉛基板の亜鉛極性面上に容易且つ確実に所望の Ζ η Ο系 薄膜を形成することができる。
すなわち、 Ζ η Ο基板の表面が亜鉛極性面又は酸素極性面のいずれであるかを判別し、 Ζ η Οを主成分とする少なくとも 1層以上の薄膜を前記亜鉛極性面上に形成し、 また前記 薄膜は亜鉛極性を有しているので、 亜鉛極性面上には Z n O系薄膜を容易に形成すること ができる。
また、 本発明の半導体デバイスは、 プラズマ生成室と成膜室とを備えたスパッタリング 装置を設け、 該スパッタリング装置を使用してスパッタリング処理を施し、 前記薄膜を形 成することを特徴としている。
上記製造方法によれば、 スパッタリング処理して成膜することにより、 所望の電気的特 性を有する半導体デバイスを安価に得ることができ、 しかもプラズマ生成室と成膜室とを 区分しているので、 半導体デ / イスがプラズマダメージを受けるのを極力回避することが できる。
また、 前記スパッタリング処理は、 電子サイクロトロン共鳴プラズマスパッタ法、 誘導 結合形プラズマスパッタ法、 ヘリコン波励起プラズマスパッタ法、 イオンビームスパッタ 法、 又はクラスタビームスパッタ法の中から選択されたいずれかの方法で行うのが好まし く、 或いは前記薄膜は、 分子線ェピタキシ法、 有機金属化学気相法、 レーザ分子線ェピタ キシ法、 又はレーザアブレ一シヨン法の中から選択されたいずれかの方法で行うのも好ま しい。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明に係る半導体デバイスの一実施の形態 （第 1の実施の形態） の模式断 面図である。
第 2図は、 Z η θの極性特性を示す図である。
第 3図は、 Z n O基板の亜鉛極性面上に形成された Z n O薄膜の表面形状を模式的に示 した断面図である。
第 4図は、 Z n 0基板の亜鉛極性面上に形成された Z n O薄膜の極性特性を示す図であ る。
第 5図は、 本発明に係る半導体デバイスの第 2の実施の形態を模式断面図である。 第 6図は、 本発明に係る半導体デバイスの第 3の実施の形態を模式断面図である 第 7図は、 Z n O基板の亜鉛極性面に形成された Z n O薄膜の表面形状を示す顕微鏡写 真である。
第 8図は、 Z n O基板の酸素極性面に形成された Z n O薄膜の表面形状を示す顕微鏡写 真である。
第 9図は、 Z n Oの結晶構造を示す図である。 発明を実施する為の最良の形態 次に、 本発明の実施の形態を図面に基づいて詳説する。
第 1図は本発明に係る半導体デバイスの一実施の形態 （第 1の実施の形態） としての発 光ダイオード （Light EnHtting Diode ；以下、 「LEDJ という） の模式断面図である。 同図において、 1は n形導電形を有する導電性の ZnOを主成分とする単結晶基板 （以 下、 ΓΖηΟ基板」 という）であって、該 ΖηΟ基板 1は亜鉛極性面 1 aと酸素極性面 1 b- とを有している。
そして、 該 L E Dでは、 Z n O基板 1の亜鉛極性面 1 a上に発光層 2が形成され、 該発 光層 2の表面には酸化インジウムスズ （Indium Tin Oxide；以下、 Γιτο」 という） から なる膜厚約 1 50 nmの透明電極 3が形成され、 さらに該透明電極 3の表面略中央部には N i膜、 A I膜、 及び A u膜が順次積層された膜厚総計約 300 n mの p側電極 4が形成 されている。
また、 Z n O基板 1の酸素極性面 1 b上には T i膜及び A u膜が順次積層された膜厚総 計約 300 n mの n側電極 5が形成されている。
上記発光層 2は、 具体的には、 n形コンタクト層 6、 π形クラッド層 7、 活性層 8、 p 形クラッド層 9、 及び p形コンタク卜層 1 0が順次積層された多層膜で構成されている。 すなわち、 活性層 8は、 n形クラッド層 7及び p形クラッド層 9に挟持され、 また、 n形 クラッド層 7は n形コンタク卜層 6及び ZnO基板 1を介して n側電極 5に接続され、 p 形クラッド層 9は p形コンタクト層 1 0を介して透明電極 3に接続されている。
活性層 8は、 CdOと ZnOとを混晶させた膜厚約 200 nmの Cd x Zn 1 -x0(x は、 0≤χ< 1で、 例えば 0. 1 ) で形成されている。
尚、 該活性層 8は、 η形のキャリアである電子と ρ形のキャリアである正孔との再結合に より発光し、 発光する光の波長は/ ンドギヤップエネルギにより決定される。
また、 η形クラッド層 7及び ρ形クラッド層 9は、 キャリアを活性層 8内に有効に閉じ 込める必要があることから、前記活性層 8よりバンドギヤップェネルギが大きく、例えば、 MgOと ZnOとを混晶させた Mg y Zn 1—yO (yは、 0≤y<1で、例えば 0. 2) からなリ、 n形クラッド層 7の膜厚は約 2000 n m、 p形クラッド層 9の膜厚は約 60 0 nmに形成されている。
また、 n形コンタクト層 6及び p形コンタクト層 1 0は、 共に膜厚約 200 nmの Z n Oで形成されている。
次に、 上記 LEDの製造方法を説明する。
まず、 SCVT (Seeded Chemical Vapor Transport) 法等で Z n O単結晶を作製し、 Z n O単結晶を結晶軸の c軸方向に垂直な面に切出して鏡面研磨を施し、 Z n O基板を作製 してその極性を確認する。 Z n Oのように圧電性を有する化合物半導体の極性を判別する方法としては、 同軸型直 衝突イオン散乱分光（C A I C I SS)法 （APPLIED PHYSICS LETTERS Vol.72 (1998) p824)、 収束電子線回折（C BED)法 （APPLIED PHYSICS LETTERSVo 1.69 (1996) p337)、 非線型誘 電率顕微鏡（SN DM)法（先端技術シンポジウム「圧電材料と弾性波デバイス j (2000年 2 月） pp. 23-30) 等が知られているが、本実施の形態では SN DM (Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy) 法で Z n O基板の極性を確認している。
すなわち、 SNDMは、 ZnO基板 1上でプローブ探針を走査させながら電位を印加す ると Z n O基板 1の極性を反映した強度信号を検出する。
一方、 印加電位が「0」 のときは電位が印加されていないため、 極性を反映した強度信 号は検出されない。
つまり、 SNDM法では、 ZnO基板 1上に電位を印加すると、 印加電位が「0」 の場 合に比べ、 強度信号が +側又は一側に変位することとなる。
したがって、 SNDM法では、 印加電位が「0」 のときの強度を基準信号とし、 ZnO基 板 1上でプローブ探針を走査させながら電位を印加したときの強度信号を極性信号とする ことにより、 極性信号が基準信号に対して +側に変位するか一側に変位するかで Z n O基 板の極性を判別することができる。
尚、 本実施の形態では、 SNDMの構成上、 極性信号が基準信号に対し一側に変位した ときは +極性 （亜鉛極性） を示し、 極性信号が基準信号に対し +側に変位したときは一極 性 （酸素極性） を示すようになつている。
第 2図（a) (b) は ZnO基板 1の極性特性を示す図であって、横軸は走査長（jWm)、 縦軸は強度 （a.U. ；任意単位） を示している。
また、 第 2図中、 矢印 X方向が ZnO基板 1の極性信号を示し、 矢印 X' 方向は電位を 印加しなかった場合の基準信号を示している。
そして、 第 2図 （a) に示すように、 極性信号が基準信号に比べて一側に変位した場合 は Z n 0基板 1の極性面は亜鉛極性面であリ、 第 2図 （ b ) に示すように、 極性信号が基 準信号に比べて +側に変位した場合は Z n O基板 1の極性面は酸素極性面であると判別す ることができる。
次に、上述の如く Z n O基板 1の極性を判別した後、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance ；以下、 「ECRj という） スパッタ装置を使用し、 ZnO基板 1の 亜鉛極性面 1 a上に Z n O薄膜を積層する。
すなわち、 プラズマ生成室と成膜室とに区分された ECRスパッタ装置を準備し、 亜鉛 極性面 1 aが上面となるように ZnO基板 1を成膜室の所定位置にセッティングし、 Zn O基板 1を温度 300-800°Cに加熱する。 次いで、酸素等の反応性ガス及びアルゴン等のプラズマ生成用ガスをプラズマ生成室に 供給すると共に、 サイクロトロンが共鳴する周波数 （2. 45GH z) でマイクロ波放電 を行い、 これによリプラズマ生成室でプラズマを生成する。
そしてこの後、 スパッタターゲッ卜に高周波電力 （例えば、 1 50W) を印加し、 ブラ ズマ生成室で生成されたプラズマを使用してターゲット物質 （ZnO) をスパッタリング し、 反応性スパッタリングによリ Z n O基板 1の表面に Z n Oからなる n形コンタクト層 6を形成する。
次に、 MgOと Z ηθとを所望の混合比にて焼結したターゲットを使用して反応性スパ ッタリングを行い、 Mg y Zn l—yO (0≤y < 1 ) からなる n形クラッド層 7を形成 する。
以下、同様にして反応性スパッタリングを施し、順次 Cd X Z n 1 -χθ (0≤x<1 ) からなる活性層 8、 Mg yZn 1 -yO (0≤y < 1 ) からなる p形クラッド層 9、 Z n Oからなる p形コンタク卜層 1 0を形成する。
尚、 各薄膜の膜厚は反応時間を制御することにより所望膜厚に設定される。
次に、 真空蒸着法によリ Z n O基板 1の酸素極性面 1 bの表面に T i膜及び A u膜を順 次成膜して n側電極 5を形成し、 次いで、 真空蒸着法により p形コンタクト層 1 0の表面 に I TO膜を成膜して透明電極 3を形成し、 その後、 リフトオフ法により N i、 Aし A uを順次積層して p側電極 4を形成する。
このように本第 1の実施の形態では、 Z n O基板 1の亜鉛極性面 1 a上に ZnO系の多 層膜からなる発光層 2を形成しており、 これにより、 表面平滑性に優れた ZnO系薄膜が 順次積層され、 その結果、 n型クラッド層 7の表面は、 第 3図 （第 1図の A部拡大図） に 示すように、 平滑なテラス 1 1と直線状のステップ 1 2を有する表面平滑性に優れた薄膜 となリ、 したがって表面に結晶粒や凹凸部が残存することもなく、 表面平滑性に優れた Z ηθ薄膜を得ることができる。
尚、 第 3図に示すような平滑性に優れた薄膜は、 n型クラッド層 7のみではなく、 n型 コンタクト層 6、 活性層 8、 p型クラッド層 9、 及び p型コンタク卜層 1 0でも同様に得 ることができる。
そして、 このように前記 Z ηθ系薄膜が表面平滑性に優れているため、 結晶粒界を介し て電流が流れたリ、 Z n O膜の表面で電界集中が生じることもなく、 したがって電子が移 動する際に散乱を生じることもなく、 電子の移動度も大きく結晶性に優れた電気特性の良 好な L E Dを得ることができる。
また、 上記第 1の実施の形態では、 ECRスパッタ装置を使用し、 スパッタリング処理 によリ Z n O系薄膜を形成しているので、 別途に高価な装置を設ける必要もなく、 安価に 薄膜形成を行うことができる。
しかも、 プラズマ生成室と成膜室とが区分されているので、 ΖηΟ薄膜がプラズマダメ ージを受けるのを極力回避して良質の薄膜を得ることができる。
また、 本実施の形態では、 更に SNDMを使用し Ζ ηθ基板 1の表面に形成された Ζη Ο薄膜の極性を調べた。
すなわち、 S N DMの深さ方向の感度はプローブ探針の針先半径と試料である Ζ η Οの 誘電率によって決定されるが、 ΖηΟの場合、 プローブ探針の針先半径と同程度の深さに のみ感度があるため、 前記針先半径を膜厚より小さくすることにより、 下地である ΖηΟ 基板 1の極性とは無関係に Ζ η Ο薄膜の極性を判別することができる。
第 4図は ΖηΟ薄膜の極性特性を示す図であって、第 2図 （a) (b) と同様、横軸は走 査長 （〃m)、縦軸は強度（a. ） を示し、矢印 X方向が Z ηθ基板 1の極性信号を示し、 矢印 X' 方向は電位を印加しなかった場合の基準信号を示している。
そして、 この第 4図から明らかなように、 極性信号が基準信号に比べて一側に変位して おり、 Zn O薄膜は亜鉛極性を有していることが分かる。
すなわち、 Z n O基板 1の亜鉛極性面上に形成された Z n O系薄膜は亜鉛極性を有してい ることとなる。
尚、 本実施の形態では、 発光層 2として、 p型クラッド層 9と n型クラッド層 Ίで活性 層 8を挟持させたダブルへテロ構造を使用しているが、 p n接合構造、 M I S (メタル一 絶縁層一半導体層） 構造、 或いはシングルヘテロ構造等を使用してもよい。
第 5図は本発明に係る半導体デバイスの第 2の実施の形態としてのレーザーダイォード (Laser Diode ；以下、 「LDJ という） の模式断面図である。
すなわち、 該 LDは、 導電性を有する ZnO基板 1 3の亜鉛極性面 1 3 a上に発光層 1 4が形成され、 該発光層 14の表面には N i膜、 A I膜、 及び A u膜が順次積層された膜 厚総計約 300 n mの p側電極 1 5が形成されている。
また、 Z n O基板 1 3の酸素極性面 1 3 b上には T i膜及び A u膜が順次積層された膜厚 総計約 300 nmの n側電極 1 6が形成されている。
上記発光層 1 4は、 具体的には、 n形コンタクト層 1 7、 n形クラッド層 1 8、 n形光 ガイド層 1 9、 活性層 20、 p形光ガイド層 21、 p形クラッド層 22、 電流制限層 23 及び p形コンタクト層 24が順次積層された多層膜で構成されている。
すなわち、 活性層 20は、 n形ガイド層 1 9及び p形ガイド層 21を介して夫々 n形ク ラッド層 1 8及び p形クラッド層 22に挟持されている。
また、 n形クラッド層 1 8は n形コンタクト層 1 7及び ZnO基板 1 3を介して n側電 極 1 6と接続され、 p形クラッド層 22は電流制限層 23及び p形コンタクト層 24を介 して P側電極 1 5に接続されている。
活性層 20は、 具体的には、 Mg y Zn 1—yO ( yは、 0≤y<1で、例えば、 0. 1 ) からなるバリア層と Cd X Z n 1— X O (xは、 0≤x<1で、 例えば、 0. 1 ) 力、 らなるゥエル層とをそれぞれ 3 n mづっ交互に 2〜 5層積層した多重量子井戸構造とされ ている。
そして、 活性層 20の屈折率が n形クラッド層 1 8及び p形クラッド層 22よリ大きい 場合は、 活性層 20に光を閉じ込めることができるが、 活性層 20が薄膜であるため充分 に光を閉じ込めることができないときは、 活性層 20からの光の漏出を防止する必要があ リ、 このため光導波路の一部を構成するように活性層 20と n形クラッド層 1 8及び p形 クラッド層 22との間には該クラッド層 1 8、 22と活性層 20との間の中間の屈折率を 有する n形光ガイド層 1 9及び p形光ガイド層 21が介装されている。
そして、 ZnO¾¾1 3の亜鉛極性面 1 3 a上には ZnOからなる膜厚約 1 500 nm の n形コンタク卜層 1 7が形成され、 また、 該 n形コンタクト層 1 7の表面には M g y Z n 1 -y O (yは、 0≤y<1で、 例えば 0· 2) からなる膜厚約 2000 n mの n形ク ラッド層 1 8が形成され、 さらに、 該 n形クラッド層 1 8の表面には Z ηθからなる膜厚 約 40 n mの n形光ガイド層 1 9が形成されている。
そして、 n形光ガイド層 1 9の表面には上記多重井戸型構造の活性層 20が積層され、 該活性層 20の表面には Mg y Zn 1— yO ( yは、 0≤y<1で、 例えば 0. 2) から なる膜厚約 40 n mの p形光ガイド層 21が形成され、 さらに該 p形光ガイド層 21の表 面には Mg y Zn 1—yO ( yは、 0≤y<1で、 例えば 0. 2) からなる膜厚約 200 0 nmの p形クラッド層 22が形成されている。
さらに、 p形クラッド層 22の表面には発振領域にのみ電流を流すベ <Mg y Z n 1 - y O ( yは、 0≤ y < 1で、 例えば 0. 2 ) 力、らなる膜厚 400 n mの電流制限層 23が 溝部 23 aを有するように所定形状に形成され、 次いで、 p形クラッド層 22の表面には 電流制限層 23を覆うように断面 T字状に p形コンタク卜層 24が形成されている。 そして、 上記 LDも、 第 1の実施の形態と略同様の方法'手順で製造される。
すなわち、 まず、 SCVT法等で ZnO単結晶を作製し、 ヱ00単結晶を結晶軸の(；軸 方向に垂直な面に切出して鏡面研磨を施し、 ZnO基板を作製し、 その極性を SN DMで 確認する。
次いで、 第 1の実施の形態と同様、 ECRスパッタ装置を準備し、 亜鉛極性面 1 3 aが 上面となるように ZnO基板 13を成膜室の所定位置にセッティングし、 ΖπΟ¾¾1を 温度 300~800°Cに加熱する。
次いで、 酸素等の反応性ガス及びアルゴン等のプラズマ生成用ガスをプラズマ生成室に 供給すると共に、 マイクロ波放電を行って、 プラズマ生成室でプラズマを生成し、 ターゲ ット物質 （ZnO) をスパッタリングして反応性スパッタリングにより、 ZnO基板 1 3 の表面に Z ηθからなる n形コンタク卜層 1 7を形成する。
以下同様にして、 ターゲット物質を適宜所望物質に変更しながら順次反応性スパッタリ ングを施し、 n形コンタクト層 1 7、 n形クラッド層 1 8、 n形光ガイド層 1 9、 活性層 20、 p形光ガイド層 21、 p形クラッド層 22、 電流制限層 23を順次成膜する。 そして、 電流制限層 23を形成した後、 成膜された ZnO基板 1 3を ECRスパッタ装 置から一旦取り出し、 前記電流制限層 23の表面にフォトレジストを塗布し、 周知のフォ 卜リソグラフィ一技術によってレジスト膜をパターン化し、 N a O Hなどのアル力リ溶液 でエッチング処理を施し、 電流制限層 23を所定形状に形成する。
次いで、 前記 ZnO基板 1 3を再び ECRスパッタ装置の所定位置に戻し、 反応性スパ ッタリングを行い、 断面 T字状の Z ηθからなる p形コンタクト層 24を成膜する。 そしてこの後、 第 1の実施の形態と同様、 真空蒸着法により Z nO基板 1 3の酸素極性 面 1 3 bの表面に T i膜及び A u膜を順次成膜して n側電極 1 6を形成し、 次いで、 真空 蒸着法により p形コンタク卜層 24の表面に N i、 Aし A uを順次積層して p側電極 1 5を形成する。
このように本第 2の実施の形態も、 第 1の実施の形態と同様、 ZnO基板 1 3の亜鉛極 性面 1 3 a上に ZnO系多薄膜からなる発光層 1 4を形成しているので、 平滑なテラスと 直線状のステツプを有する Z n O系薄膜を得ることができる。
そして、 このように表面平滑性に優れているため、 結晶粒界を介して電流が流れたり、 Z n O膜の表面で電解集中が生じることもなく、 したがって電子が移動する際に散乱を生 じることもなく、 電子の移動度も大きく結晶性が良好となって電気特性の良好な L Dを得 ることができる。
さらに、 上記第 2の実施の形態でも、 第 1の実施の形態と同様、 ECRスパッタ装置を 使用してスパッタリング処理によリ Z n O系薄膜を形成しているので、 別途に高価な装置 を設ける必要もなく、 安価に薄膜形成を行うことができ、 また、 プラズマ生成室と成膜室 とが区分されているので、 Z n O薄膜がプラズマダメージを受けるのを極力回避して良質 の薄膜を得ることができる。
第 6図は本発明に係る半導体デバイスの第 3の実施の形態としての薄膜トランジスタ (Thin Film Transistor；以下、 「TFT」 という） の模式断面図であって、 該 T FTは、 絶縁性の Z n O基板 25と、 該 Z n O基板 25上の略中央部に形成された膜厚 50 n mの ゲ一ト電極 26と、 該ゲート電極 26を覆うように Zn O基板 25上に形成された膜厚 2 00 nmのゲート絶縁層 27と、 該ゲート絶縁層 27上に形成された膜厚 50 nmの活性 層 28と、 該活性層 28の略中央部に形成された膜厚約 200 n mのチャネル保護層 29 と、 該チャネル保護層 29の一部を覆うように形成された膜厚約 200 nmのソース電極 30及びドレイン電極 31とから構成されている。
そして、上記 T FTでは、 ZnO基板 25以外の構成要素、すなわち、ゲート電極 26、 ゲ一ト絶縁層 27、 活性層 28、 チャネル保護層 29、 ソース電極 30及びドレイン電極 31とでスイッチング部を構成し、 これらスイッチング部は ZnO基板 25の亜鉛極性面 25 a上に形成されている。
そして、 ゲート電極 26、 ソース電極 30、 及びドレイン電極 31は、 G aを Z nOに ドープすることにより低抵抗化されておリ、 またゲー卜絶縁層 27及びチャネル保護層 2 9は N iを Z ηθにドープすることによリ高抵抗化されている。
また、 活性層 28は、 ノンドープの ZnO薄膜で形成されているが、 薄膜形成の際の酸 素分圧を制御することにより薄膜中の酸素濃度を調整し、 これにより n形伝導を有するよ うに形成されている。
そして、 上記 T FTも、 上記第 1及び第 2の実施の形態と略同様、 ECRスパッタリン グ及びフォトリソグラフィー技術を使用して容易に製造することができる。
すなわち、 ZnO基板を作製した後、 極性を判別し、 その後、 ECRスパッタ装置を使 用し、 まず、 Gaをド一プした ZnOをターゲット物質として反応性スパッタリングを行 い、 ZnO基板 25の亜铅極性面 25 a上に ZnO膜 （ZnO : Ga) を形成する。 そして、 この後、 該 Z ηθ基板 25を ECRスパッタ装置から取り出し、 フォトレジス トを前記 Z ηθ膜上に塗布した後、 周知のフォトリソグラフィ一技術によりレジスト膜を パターン化し、 この後、 N a OHなどのアルカリ溶液によりエッチング処理を施し、 ゲー ト電極 26を形成する。
次に、 N iをドープした Z ηθをターゲット物質として反応性スパッタリングを行い、 Z ηθ基板 25上にゲート電極を覆うようにしてゲート絶縁層 27を形成し、 次いで、 ノ ンドープの Z n Oをターゲッ卜物質として酸素分圧を制御しながら反応性スパッタリング を行い、 活性層 28を形成する。
次いで、 N iをドープした Z n Oをターゲット物質として反応性スパッタリングを ί亍っ て Ζ ηθ膜 （ZnO :
N i膜） を形成した後、 上述と同様、 該 ZnO膜にフォトレジストを塗布した後、 フォト リソグラフィ一技術によりレジスト膜をパターン化し、 この後 N a OHなどのアルカリ溶 液によリエツチング処理を施し、 チャネル保護層 29を形成する。
そしてこの後、 G aをドープした ZnOをターゲット物質として反応性スパッタリング を行い、 さらに、 上述と同様、 該 ZnO： G a膜にフォトレジストを塗布した後、 フォト リソグラフィー技術によりレジスト膜をパターン化し、 この後、 N aOHなどのアルカリ 溶液によリエツチング処理を施してソース電極 30及びドレイン電極 31を形成する。 このように本第 3の実施の形態では、 T FTが Z ηθ系の多層膜で形成されているので、 活性層 28に光が当たった場合でも導電性の変化を抑制することができる。
すなわち、 従来のように活性層がアモルファスシリコン （a— S i ) で形成されている 場合は a— S iに光が照射されると導電性を有するようになるため、 スイッチング素子の 特性が劣化する虞があつたのに対し、 本第 3の実施の形態では、 活性層 28が、 バンドギ ヤップが約 3.3 eVと可視光に対して透過性を有する ZnO薄膜で形成されているので、 ,活性層 28に光が照射された場合であっても導電性が変化するのを抑制することができ、 スィツチング素子の特性劣化を防止することができる。
し力、も、 本丁 F Tを光電変換素子又は第 1の実施の形態で示した L E Dの上部に一体的 に形成することによリ、 光電変換素子への入射光量を増大させたリ又は発光層からの発光 量を増大させることができ、 開口率を上げることができる。
尚、 本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
上記実施の形態では Z ηθ系薄膜の形成を、 ECRスパッタ法で行っているが、 誘導結 合形プラズマ （I CP) スパッタ法、 ヘリコン波励起プラズマ （HWP) スパッタ法、 ィ オンビームスパッタ法、 又はクラスタビームスパッタ法等を使用してもよく、 また、 スパ ッタリング法以外の薄膜形成方法、 例えば分子線ェピタキシ （MBE) 法、 有機金属化学 気相 （MOCVD) 法、 レーザ分子線ェピタキシ （レーザ MB E) 法、 又はレーザアブレ ーション法等を使用して Z n O系薄膜を形成するようにしてもよい。
次に、 本発明の実施例を具体的に説明する。
本発明者らは、 ECRスパッタ装置を使用し、 ZnO基板の亜鉛極性面にZ nO薄膜を 形成し、実施例の試験片を作製し、また、 zno基板の酸素極性面にzno薄膜を形成し、 比較例の試験片を作製した。
すなわち、まず、プラズマ生成室と成膜室とに区分された ECRスパッタ装置を準備し、 Z n O基板を成膜室の所定位置に配設すると共に、 基板温度を 620°Cに加熱した。 そして、スパッタガスとして 2 Osccmの A rガス、反応ガスとして 1 Osccmの 02ガスを 夫々プラズマ生成室に供給してマイクロ放電してプラズマを発生させ、 スパッタターゲッ 卜に 1 5 OWの高周波電界を印加し、 反応性スパッタリング処理を行い、 ZnO基板上の 亜鉛極性面又は酸素極性面に夫々 Z n O薄膜を形成し、 実施例及び比較例の試験片を作製 した。
次に、 本発明者らは、 ZnO薄膜の表面形状を原子間顕微鏡で観察した。
第 7図は実施例の Z n O薄膜を示し、 第 8図は比較例である Z n O基板の酸素極性面上 に形成された Z n O薄膜を示している。
この第 8図から明らかなように、 比較例の Ζ η Ο薄膜は島状になっており結晶粒界が存 在していることが分かる。
これに対して第 7図に示すように実施例の Ζ η Ο薄膜の表面形状は平滑なテラスと略直 線状のステツプを有する薄膜が得られることが確認された。
すなわち、 Ζ ηΟ基板の亜鉛極性面に形成された ΖηΟ薄膜は、 Ζ η Ο基板の酸素極性 面に形成された Ζ η Ο薄膜に比べて表面平滑性が大幅に優れていることが分かった。 次に、 本発明者らは、 ΖηΟ薄膜の自乗平均面粗さ RMSを算出し、 表面ラフネスを評 価した。
その結果、 比較例の ΖηΟ薄膜は自乗平均面粗さ RMSが 20. 4 nmであったのに対 し、 実施例の Z ηθ薄膜は自乗平均面粗さ RMSが 1. 4nmであり、 Z n O基板では亜 鉛極性面上に Z n O薄膜を形成することにより、 酸素極性面上に Z n O薄膜を形成した場 合に比べ表面平滑性が大幅に向上することが分かった。
次に、 本発明者らは、 ホール測定を行い、 電子の移動度を算出した。
すなわち、 結晶性が良好であると電子が移動する際に結晶欠陥による散乱をうけないた め移動度が大きくなるのに対し、 結晶欠陥が存在すると電子が移動する際に散乱をうける ため移動度が小さくなる。
したがって、 電子の移動度を算出することによリ結晶性の良好性や電気特性を評価する ことができる。
そこで、 本発明者らは、 実施例及び比較例の各 ZnO薄膜上に真空蒸着法で T i膜及び A u膜を順次積層して電極を形成し、 ホール測定を行って電子の移動度を測定した。 その結果、 電子の移動度は比較例では 2 cm 2 ZV■ secであったのに対し、 実施例は 30 cm2/V - sec と移動度が大きく、 したがって実施例は比較例に比べて結晶性に優 れ、 電気特性が良好であることが確認された。 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明にかかる電子部品は映像機器の部品として使用され、 特に映像機 器で使用される光ピックアツプの発光素子として使用されるのに適している。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 亜鉛極性面と酸素極性面とを有する酸化亜鉛を主成分とする単結晶基板の前記亜鉛極 性面上に酸化亜鉛を主成分とする少なくとも 1層以上の薄膜が形成されていることを 特徴とする半導体デバイス。
2. 前記薄膜は亜鉛極性を有していることを特徴とする請求項 1記載の半導体デバイス。
3. 前記薄膜は多層膜からなり、 該多層膜は発光層を形成していることを特徴とする請求 項 1又は請求項 2記載の半導体デバイス。
4. 前記薄膜は多層膜からなり、 該多層膜はスイッチング部を形成していることを特徴と する請求項 1又は請求項 2記載の半導体デバイス。
5. 酸化亜鉛を主成分とする単結晶基板の表面が亜鉛極性面又は酸素極性面のいずれであ るかを判別し、 酸化亜鉛を主成分とする少なくとも 1層以上の薄膜を前記亜鉛極性面 上に形成することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
6. 前記薄膜は亜鉛極性を有していることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
7 . プラズマ生成室と成膜室とを備えたスパッタリング装置を設け、 該スパッタリング装 置を使用してスパッタリング処理を施し、 前記薄膜を形成することを特徴とする請求 項 5又は請求項 6記載の半導体デバイスの製造方法。
8 . 前記スパッタリング処理は、 電子サイクロトロン共鳴プラズマスパッタ法、 誘導結合 形プラズマスパッタ法、 ヘリコン波励起プラズマスパッタ法、 イオンビームスパッタ 法、 又はクラスタビームスパッタ法の中から選択されたいずれかの方法で行うことを 特徴とする請求項 7記載の半導体デノくィスの製造方法。
9 . 前記薄膜は、分子線ェピタキシ法、有機金属化学気相法、 レーザ分子線ェピタキシ法、 又はレーザアブレーション法の中から選択されたいずれかの方法で行うことを特徴と する請求項 5又は請求項 6記載の半導体デバイスの製造方法。
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