JP4510342B2 - 酸化物絶縁体材料およびその形成方法並びに半導体素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス作製における基板および障壁層となる酸化物絶縁体材料とその形成方法並びに半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高付加価値な半導体デバイスを製造する目的で、ワイドギャップ半導体の結晶成長およびデバイス技術が急速に発展している。中でもIII族窒化物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた青色発光素子やパワートランジスタ、高移動度デバイスなどが既に実用段階に入っている。また、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、実用的なキャリア移動度と導電率制御性を有する透明導電性酸化物であり、従来から透明導電膜として利用されてきた他、最近では我々が発明した透明トランジスタ（特開２０００−１５０９００号公報）によって液晶等の表示デバイスの高性能化に寄与することが期待されている。
【０００３】
ＺｎＯは紫外領域に相当するバンドギャップ（約３．２ｅＶ）を有する直接遷移型半導体であり、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、室温においても励起子発光が観察されるため、これを利用すれば現在実用化されているＧａＮやＺｎＳeよりも高効率・低消費電力な発光デバイスを実現出来る。これらのワイドギャップ半導体は、バルク単結晶基板の作製が困難であるため、デバイス作製時の基板としては主に異種基板が用いられている。サファイア基板を用いた場合、ＧａＮやＺｎＯ薄膜との間には約１８％の格子不整合が存在するため、結晶粒界や配向のゆらぎが顕著となる。このため、III族窒化物半導体では表面窒化およびＡｌＮバッファ層を成長した後、高温で結晶成長が行われる。
【０００４】
また、我々はＲＡＢＯ_４やＲＡＯ_３（ＢＯ）_ｎなる構造を有する酸化物絶縁体支持基板がこれらワイドギャップ半導体と格子不整合が極めて小さいことを見いだし、結晶性および特性に優れた半導体デバイスを発明した（特開２０００−２７７５３４号公報参照）。
【０００５】
また、III族窒化物半導体のエピタキシャル基板としては、６Ｈ−ＳｉＣやＬｉＧａＯ_２、ＬｉＡｌＯ_２などが用いられている。
【０００６】
支持基板の選択と同様に、電子デバイスの作製においてはこれらワイドギャップ半導体のバンドギャップエンジニアリングが不可欠である。例えばＧａＮの場合には、ＡｌＮおよびＩｎＮとの混晶半導体によって、相互にエピタキシャル成長可能で且つ制御されたバンドギャップを有する半導体層を得ることが出来る。以下、III族窒化物半導体とはＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶を指すものとする。
【０００７】
一方、ＺｎＯもＭｇＯおよびＣdＯとの混晶半導体によって、相互にエピタキシャル成長可能で且つ制御されたバンドギャップを有する半導体層を得ることが出来る。
【０００８】
以下、酸化亜鉛系半導体とは、ＺｎＯのみならずＭｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯあるいはＣｄ_１−ｘＺｎ_ｘＯで表される混晶を含めるものとする。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記に述べた異種基板およびバッファ層を介しての半導体結晶成長においては、以下のような問題が存在する。
【００１０】
（１） ワイドギャップ半導体との格子不整合を約３%以下に低減出来るものの、同種基板を用いた場合と同様の高品質な薄膜結晶を得ることは困難である。
【００１１】
（２） ＺｎＯ、ＧａＮなどのウルツ鉱型結晶構造を有する半導体は極性結晶であり、自発分極や格子歪に起因した圧電分極による内部電界が存在する。種々の電子デバイスを作製する上でこれら内部電界を制御することが切望されているが、上記従来例で述べた基板では、成長面方位および格子歪を任意に制御することは出来ない。
【００１２】
また、バンドギャップエンジニアリングに関しても、上記従来例の混晶を用いて大きなバンドギャップ差を有するヘテロ接合を作製することは困難であるという問題がある。具体的には、例えばＡｌＮ（バンドギャップ；６．２ｅＶ）はＧａＮ（バンドギャップ；３．４ｅＶ）よりも格段に大きいバンドギャップを有するが、Ａｌ組成比の増大に伴って結晶性が劣悪となる。また、Ｍｇ_１−ｘＺｎ_ｘＯにおいては、固溶限は約３３％（バンドギャップ；３．９ｅＶ）であり、それ以上では結晶構造の異なるＭｇＯに相分離を生じる。これらワイドギャップ半導体を用いてサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザなどを作製する際には、サブバンド間のエネルギー差が発振波長を決めるため、ワイドギャップ障壁層の作製が困難であるという問題は広帯域動作の上記デバイスを実現する上で障害となる。
【００１３】
本発明は、以上の課題に鑑み、ウルツ鉱構造半導体である酸化亜鉛系半導体、または、III族窒化物半導体と相互にエピタキシャル成長出来、上記ワイドギャップ半導体層の極性および格子整合の度合を精密に制御可能な酸化物絶縁体材料より成る基板、障壁層材料およびその形成方法を提供する。
【００１４】
また、当該酸化物絶縁体材料を基板あるいは障壁層に用いることにより、上記ワイドギャップ半導体の特長を従来以上に発揮出来るデバイス、つまり半導体素子を提供する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の酸化物絶縁体材料は、ＡＢＯ_２なる構成でウルツ鉱型の結晶構造を有すると共に、上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つを含み、且つ、上記Ａの元素と上記Ｂの元素との和が３つ以上であり、上記ＡＢＯ _２ は、Ｌｉ _１−ｘ Ｎａ _ｘ ＡｌＯ _２ 、Ｌｉ _１−ｘ Ｎａ _ｘ ＧａＯ _２ 、ＬｉＡｌ _１−ｙ Ｇａ _ｙ Ｏ _２ およびＮａＡｌ _１−ｙ Ｇａ _ｙ Ｏ _２ （０＜ｘ，ｙ＜１）のいずれか１つで、ＺｎＯに対し、−４．１〜＋４．７％の格子不整合する組成範囲を持つことを特徴とする。
【００１６】
上記本発明の酸化物絶縁体材料によれば、歪んだウルツ鉱型の結晶構造を有し、同じくウルツ鉱型ワイドギャップ半導体である酸化亜鉛系およびIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長出来る。且つ、Ａの元素およびＢの元素の組成比を適切に選択することにより、結晶構造を保ったまま面内平均格子定数を厳密に制御することが出来る。これにより、酸化亜鉛系半導体およびIII族窒化物半導体の面内格子定数に一致する基板を得ることが出来、同種基板を用いた場合と同様の高品質な薄膜結晶を得ることが出来る。
【００１７】
また、本発明の酸化物絶縁体材料は極性結晶であるため、基板として使用する際に結晶成長主面を適宜選択すれば、上記ワイドギャップ半導体の極性を制御することが可能である。また、Ａの元素およびＢの元素の組成比を適宜選択することにより、エピタキシャル成長する半導体層の格子歪を精密に制御することが可能となる。
【００１８】
更に、本発明の酸化物絶縁体材料を薄膜として上記ワイドギャップ半導体上にエピタキシャル成長する際にも、酸化物絶縁体薄膜自身の格子歪を制御して半導体層界面にかかる分極電界を制御することが出来る。これにより、上記ワイドギャップ半導体内に発生する分極電界を制御することが出来、電子デバイス内における電荷制御を容易に行うことが出来る。
【００１９】
特に好ましくは、上記ＡＢＯ_２は、Ｌｉ_１−ｘＮａ_ｘＡｌＯ_２、Ｌｉ_１−ｘＮａ_ｘＧａＯ_２、ＬｉＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２およびＮａＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２（０＜ｘ，ｙ＜１）のいずれか１つである。この場合は、酸化物絶縁体の形成が容易であり、且つ、組成制御によって±５％の格子歪を制御出来る。
また、本発明の第２の酸化物絶縁体材料は、ＡＢＯ _２ なる構成でウルツ鉱型の結晶構造を有すると共に、上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つを含み、且つ、上記Ａの元素と上記Ｂの元素との和が３つ以上であり、上記ＡＢＯ _２ は、Ｌｉ _１−ｘ Ｎａ _ｘ ＡｌＯ _２ 、Ｌｉ _１−ｘ Ｎａ _ｘ ＧａＯ _２ 、ＬｉＡｌ _１−ｙ Ｇａ _ｙ Ｏ _２ およびＮａＡｌ _１−ｙ Ｇａ _ｙ Ｏ _２ （０＜ｘ，ｙ＜１）のいずれか１つで、ＧａＮに対し、―２．４〜＋６．６％の格子不整合する組成範囲を持つことを特徴とする。
上記本発明の酸化物絶縁体材料によれば、歪んだウルツ鉱型の結晶構造を有し、同じくウルツ鉱型ワイドギャップ半導体である酸化亜鉛系およびIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長出来る。且つ、Ａの元素およびＢの元素の組成比を適切に選択することにより、結晶構造を保ったまま面内平均格子定数を厳密に制御することが出来る。これにより、酸化亜鉛系半導体およびIII族窒化物半導体の面内格子定数に一致する基板を得ることが出来、同種基板を用いた場合と同様の高品質な薄膜結晶を得ることが出来る。
また、本発明の酸化物絶縁体材料は極性結晶であるため、基板として使用する際に結晶成長主面を適宜選択すれば、上記ワイドギャップ半導体の極性を制御することが可能である。また、Ａの元素およびＢの元素の組成比を適宜選択することにより、エピタキシャル成長する半導体層の格子歪を精密に制御することが可能となる。
更に、本発明の酸化物絶縁体材料を薄膜として上記ワイドギャップ半導体上にエピタキシャル成長する際にも、酸化物絶縁体薄膜自身の格子歪を制御して半導体層界面にかかる分極電界を制御することが出来る。これにより、上記ワイドギャップ半導体内に発生する分極電界を制御することが出来、電子デバイス内における電荷制御を容易に行うことが出来る。
特に好ましくは、上記ＡＢＯ _２ は、Ｌｉ _１−ｘ Ｎａ _ｘ ＡｌＯ _２ 、Ｌｉ _１−ｘ Ｎａ _ｘ ＧａＯ _２ 、ＬｉＡｌ _１−ｙ Ｇａ _ｙ Ｏ _２ およびＮａＡｌ _１−ｙ Ｇａ _ｙ Ｏ _２ （０＜ｘ，ｙ＜１）のいずれか１つである。この場合は、酸化物絶縁体の形成が容易であり、且つ、組成制御によって±５％の格子歪を制御出来る。
【００２０】
また、本発明の酸化物絶縁体材料の形成方法は、レーザ分子線エピタキシー法を用いて本発明の第１または第２の酸化物絶縁体材料を形成するための酸化物絶縁体材料の形成方法であって、ＬｉＧａＯ_２、ＬｉＡｌＯ_２、ＮａＧａＯ_２、ＮａＡｌＯ_２、ＫＧａＯ_２およびＫＡｌＯ_２の中から選択された２つ以上の原料ターゲットを任意の比率でレーザアブレーションすることにより、Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）薄膜を形成することを特徴とする。
【００２１】
上記構成の酸化物絶縁体材料の形成方法によれば、本発明の酸化物絶縁体材料を所望の組成で薄膜化しエピタキシャル成長させることが出来る。
【００２２】
特に、上記複数の原料ターゲットに対するレーザアブレーションの周期を、上記酸化物結晶の単位分子層成長周期よりも短くする。すなわち、上記複数の原料ターゲットにレーザアブレーションを繰り返し、そのレーザアブレーションのパルス数を、上記酸化物絶縁体材料の単位分子層厚を構成するためのパルス数以下にする。これにより、構成元素が単位分子層内に均一に採り込まれて、薄膜内において均一な組成が実現される。
【００２３】
本発明の第１の半導体素子は、本発明の第１の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体支持基板と、上記酸化物絶縁体支持基板の表面上に形成され、酸化亜鉛系より成る１層以上の半導体層とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
このような構成を含む酸化亜鉛系半導体素子によれば、本発明の酸化物絶縁体材料の特徴を生かして、酸化物絶縁体支持基板に対して格子不整合が極めて少ない高品質薄膜結晶の半導体層を得れることや、あるいは成長表面の選択および格子歪の導入で分極電界の大きさと方向を制御することが容易となる。
【００２５】
また、上記酸化物絶縁体支持基板の材料と半導体層の材料とが同じ酸化物であるので、親和性が良く、高品質な薄膜結晶が得られる。
【００２６】
また、本発明の第２の半導体素子は、本発明の第２の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体支持基板と、上記酸化物絶縁体支持基板の表面上に形成され、III族窒化物より成る１層以上の半導体層とを備えたことを特徴とする。
【００２７】
このような構成を含むIII族窒化物半導体素子によれば、上記酸化物絶縁体支持基板は従来の例えばＬｉＧａＯ_２基板やＬｉＡｌＯ_２基板を用いた場合に比べて格子整合の度合に柔軟性を有するため、酸化亜鉛系半導体素子の場合と同じく高品質薄膜結晶成長や分極電界制御がより容易となる。
【００２８】
特に、本発明の第１，第２の半導体素子の構成を用いて分極電界を制御すれば、電界効果による２次元ガスの生成が容易となる。
【００２９】
上記電界効果によって２次元正孔ガスを生成するためには、以下のような構成が好ましい。
【００３０】
（１） 上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００１）面であり、上記酸化物絶縁体支持基板の（００１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より大きく、上記（００１）面上に形成された上記半導体層の成長方向が［０００１］方向であって、上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元正孔ガスを生ぜしめる。そして、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面内に引張り歪みが加えられていることがより好ましい。
【００３１】
（２） 上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００−１）面であり、上記酸化物絶縁体支持基板の（００−１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より小さく、上記（００−１）面上に形成された上記半導体層の成長方向が［０００−１］方向であって、上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元正孔ガスを生ぜしめる。そして、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面内に圧縮歪みが加えられていることがより好ましい。
【００３２】
（３） 上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００−１）面であり、上記酸化物絶縁体支持基板の（００−１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より大きく、上記（００−１）面上に形成された上記半導体層の成長方向が［０００−１］方向であって、上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元電子ガスを生ぜしめる。そして、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面内に引張り歪みが加えられていることがより好ましい。
【００３３】
（４） 上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００１）面であり、上記酸化物絶縁体支持基板の（００１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より小さく、上記（００１）面上に形成された上記半導体層の成長方向が［０００１］方向であって、上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元電子ガスを生ぜしめる。そして、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面内に圧縮歪みが加えられていることがより好ましい。
【００３４】
また、本発明の第３の半導体素子は、酸化亜鉛系より成る半導体層と、上記半導体層の表面上にエピタキシャル成長形成され、本発明の第１の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体薄膜とを備えたことを特徴とする。
【００３５】
このような構成を含む酸化亜鉛系半導体素子によれば、本発明の酸化物絶縁体材料の特徴を生かして、酸化物絶縁体薄膜に対して格子不整合が極めて少ない高品質薄膜結晶の半導体層を得れることや、あるいは成長表面の選択および格子歪の導入で分極電界の大きさと方向を制御することが容易となる。
【００３６】
また、上記酸化物絶縁体薄膜の材料と半導体層の材料とが同じ酸化物であるので、親和性が良く、高品質な薄膜結晶が得られる。
【００３７】
また、本発明の第４の半導体素子は、III族窒化物より成る半導体層と、上記半導体層の表面上にエピタキシャル成長形成され、本発明の第２の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体薄膜とを備えたことを特徴とする。
【００３８】
このような構成を含むIII族窒化物系半導体素子によれば、上記酸化物絶縁体薄膜は、III族窒化物より成る半導体層に対する格子整合の度合に柔軟性を有するから、酸化亜鉛系半導体素子の場合と同じく高品質薄膜結晶成長や分極電界制御がより容易となる。
【００３９】
特に、本発明の第３，第４の半導体素子の構成を用いて分極電界を制御すれば、電界効果による２次元ガスの生成が容易となる。
【００４０】
（１） 上記半導体層の表面が（０００−１）面であり、上記酸化物絶縁体薄膜の（０００−１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の面内格子定数より大きく、上記（０００−１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方向が［００−１］方向であって、上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に２次元正孔ガスを生ぜしめる。そして、上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側の表面内に圧縮歪みが加えられていることがより好ましい。
【００４１】
（２） 上記半導体層の表面が（０００１）面であり、上記酸化物絶縁体薄膜の（０００１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の面内格子定数より小さく、上記（０００１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方向が［００１］方向であって、上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に２次元正孔ガスを生ぜしめる。
そして、上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側の表面内に引張り歪みが加えられていることがより好ましい。
【００４２】
（３） 上記半導体層の表面が（０００１）面であり、上記酸化物絶縁体薄膜の（０００１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の面内格子定数より大きく、上記（０００１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方向が［００１］方向であって、上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に２次元電子ガスを生ぜしめる。そして、上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側の表面内に圧縮歪みが加えられていることがより好ましい。
【００４３】
（４） 上記半導体層の表面が（０００−１）面であり、上記酸化物絶縁体薄膜の（０００−１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の面内格子定数より小さく、上記（０００−１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方向が［００−１］方向であって、上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に２次元電子ガスを生ぜしめる。そして、上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側の表面内に引張り歪みが加えられていることがより好ましい。
【００４４】
上記構成により、極性結晶である半導体および絶縁体の分極電界の方向と大きさを制御することが出来、所望の導電型のキャリア制御が容易となる。
【００４５】
本発明の酸化物絶縁体材料を用いた第１〜第４の半導体素子の応用は、電界効果による２次元正孔ガスを用いた発光素子に関するものである。
【００４６】
すなわち、一実施例の半導体素子は、上記半導体層に接する第１，第２の電極と、上記酸化物絶縁体支持基板に接するゲート電極とを備え、上記第１の電極を上記ゲート電極に対して負電圧にバイアスすることにより、上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に高移動度な２次元正孔ガスを生ぜしめ、上記第２の電極から注入した電子と結合させて発光を得ることを特徴とする。
【００４７】
あるいは、一実施例の半導体素子は、上記半導体層に接する第１，第２の電極と、上記酸化物絶縁体薄膜に接するゲート電極とを備え、上記第１の電極を上記ゲート電極に対して負電圧にバイアスすることにより、上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に高移動度な２次元正孔ガスを生ぜしめ、上記第２の電極から注入した電子と結合させて発光を得ることを特徴とする。
【００４８】
反転層によるキャリア生成は、ＺｎＯなどのように産業利用上付加価値の高い光学特性を有しているにもかかわらず、両伝導型を作製することが困難な半導体材料に極めて有効であり、本発明の酸化物絶縁体材料を用いれば、電界効果によって高移動度の正孔キャリアを容易に生成することが出来る。
【００４９】
このような半導体発光素子である半導体素子においては、発光効率を向上させるために半導体層が光またはキャリアの閉じ込め機構を有する多層構造より成ることが好ましく、また上記半導体層が、井戸層および障壁層から成る量子井戸構造であることがより好ましい。
【００５０】
更に、上記半導体素子の表面に発光を反射する１対の光共振器を設け、上記光共振器内において共振増幅された誘導放出光が上記光共振器の一方の光共振器面面から取り出される構造とすることにより、半導体レーザを作製出来る。
【００５１】
特に、ＺｎＯの高い励起子結合エネルギーを利用した紫外発光レーザは、III族窒化物を用いた半導体レーザよりも低消費電力で動作し、本発明の酸化物絶縁体材料を用いた電界効果によるｐ型層形成によって容易に実現される。
【００５２】
本発明の酸化物絶縁体材料を用いた第１〜第４の半導体素子のもう一つの応用は、電界効果による２次元電子ガスを用いたトランジスタに関する。
【００５３】
すなわち、一実施例の半導体素子は、上記半導体層に接するソース電極，ドレイン電極と、上記酸化物絶縁体支持基板に接するゲート電極とを備え、上記ゲート電極と上記ソース電極との間にバイアス電圧を印加することにより、上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に形成された高移動度な２次元ガスの流れを制御して電界効果型のトランジスタ動作を得ることを特徴とする。
【００５４】
あるいは、一実施例の半導体素子は、上記半導体層に接するソース，ドレイン電極と、上記酸化物絶縁体薄膜に接するゲート電極とを備え、上記ゲート電極と上記ソース電極との間にバイアス電圧を印加することにより、上記酸化物絶縁体薄膜に接する半導体層の界面に形成された高移動度な２次元ガスの流れを制御して電界効果型のトランジスタ動作を得ることを特徴とする。
【００５５】
電界効果トランジスタである上記実施例の半導体素子においては、半導体−絶縁体構造をエピタキシャル成長によって形成しているため、欠陥等に起因する界面準位を生じにくく、清浄な接合界面が得られる。
【００５６】
特に、本発明の酸化物絶縁体材料をゲート絶縁層に適用した場合、半導体層の内部電界を電子の蓄積が生じ易いように制御出来るため、キャリア密度と移動度が飛躍的に向上し、高速スイッチング動作可能な半導体素子を製造することが出来る。
【００５７】
また、上記ゲート電極に印加するゲート電圧を低くすることが出来るので、半導体素子の低消費電力化に寄与する。
【００５８】
特に、上記ワイドギャップ半導体を用いたトランジスタは可視光に対して透明であるため、開口率の高いディスプレイデバイスを高速に動作させることが出来る。
【００５９】
本発明の第５の半導体素子は、酸化亜鉛系半導体より成る半導体井戸層と、本発明の第１の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体とによりヘテロ超格子構造が構成されていると共に、上記半導体井戸層に対して上記酸化物絶縁体を障壁層として用いていることを特徴とする。
【００６０】
また、本発明の第６の半導体素子は、III族窒化物半導体より成る半導体井戸層と、本発明の第２の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体とによりヘテロ超格子構造が構成されていると共に、上記半導体井戸層に対して上記酸化物絶縁体を障壁層として用いていることを特徴とする。
【００６１】
また、本発明の酸化物絶縁体材料を用いた第４，第５の半導体素子の応用は、サブバンド間光学遷移を利用した光学素子に関するものである。
【００６２】
すなわち、一実施例の半導体素子は、２つの上記ヘテロ超格子構造と、２つの上記ヘテロ超格子構造によって挟まれた量子井戸構造とから成る発光層を備え、一方の上記ヘテロ超格子構造内に形成されたミニバンドから上記発光層内の第２サブバンドへキャリアを注入し、上記キャリアが上記発光層内の第１サブバンドへ緩和することによって発光を得る。
【００６３】
あるいは、一実施例の半導体素子は、２つの上記ヘテロ超格子構造と、２つの上記ヘテロ超格子構造によって挟まれた量子井戸構造とから成る受光層を備え、一方の上記ヘテロ超格子構造内に形成されたミニバンドから上記受光層内の第１サブバンドへキャリアを注入し、上記キャリアが上記受光層内で光吸収によりの第２サブバンドへ励起されることによって光電流を誘起する。
【００６４】
上記実施例の半導体素子によれば、このようなサブバンド間遷移光学素子は、サブバンド間でのキャリア緩和時間が超高速であることと、量子井戸構造により発振波長や検出波長を広範囲に制御することが可能であるため注目されているが、とりわけ産業的需要が大きい可視光〜近赤外の波長を実現するためには、バンドギャップの大きな障壁層を用いた超格子構造が必要であり、本発明の酸化物絶縁体材料を用いることで実現が容易となる。
【００６５】
特に、量子カスケードレーザにおいては、量子井戸構造が多重量子井戸構造であることが好ましく、更に量子井戸構造が不純物ドーピングによって価電子制御されていることがより好ましい。
【００６６】
一実施例の半導体素子は、上記量子井戸構造の井戸層のみに不純物ドーピングされている。
【００６７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【００６８】
（実施形態１）
本発明の酸化物絶縁体材料としての一例としてのＬｉ_１−ｘＮａ_ｘＡｌＯ_２、Ｌｉ_１−ｘＮａ_ｘＧａＯ_２、ＬｉＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２およびＮａＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２（０＜ｘ，ｙ＜１）から成る薄膜を、レーザ分子線エピタキシー法によって作製した実施形態について示す。
【００６９】
図１は本実施形態１において用いたコンビナトリアルレーザ分子線エピタキシー装置の概略構成図である。
【００７０】
上記コンビナトリアルレーザ分子線エピタキシー装置では、超高真空に排気可能な成長室１の上部に基板ホルダ２が配置され、基板ホルダ２に基板３が固定されている。上記基板ホルダ２上部に配置された基板加熱ヒータ４により基板ホルダ２の裏面が加熱され、その熱伝導により基板３が加熱される。その基板ホルダ２直下には適当な距離を置いてターゲットテーブル５が配置されていて、ターゲットテーブル５上には原料ターゲット６が複数配置出来る。
【００７１】
上記原料ターゲット６の表面は、成長室１の側面に設けられたビューポート７を通じ照射されるパルスレーザ光８によりレーザアブレーションされ、瞬時に蒸発した原料ターゲット６の原料が基板３上に堆積することにより薄膜が成長する。
【００７２】
上記ターゲットテーブル５は回転機構を有し、パルスレーザ光８の照射シーケンスに同期して回転を制御することにより、異なるターゲット原料を薄膜上に積層することが可能となる。
【００７３】
更に、上記基板３とターゲット６との間には図中左右方向に移動可能なマスクプレート９が設置され、基板３の所定領域を可動マスクによって覆うことが出来る。上記マスクプレート９をパルスレーザ光８の照射シーケンスおよびターゲットテーブル５の回転に同期させてスライドさせることにより、複数のターゲットを用いて組成を連続的に変化させた薄膜合成が可能となる。
【００７４】
また、上記成長室１には複数のガスを導入出来るようガス導入管１０が複数（図１では１本のみ図示している）設けられている。なお、参照番号１０００で指示しているのは、プルーム（放出粒子群）である。
【００７５】
本実施形態１においては、上記のコンビナトリアル手法により、２種の原料ターゲット６を用いて各々の原料ターゲット６の中間組成を有する酸化物絶縁体薄膜を１枚の基板３上に集積化した。
【００７６】
図２に、２種の原料ターゲット６の組み合わせと作製された薄膜組成を示す。
【００７７】
本実施形態１においては、基板３としてＺｎＯ単結晶基板を用い、そのＺｎＯ単結晶基板の（０００１）面上において、酸化物絶縁体薄膜を１μｍ成長させた。
【００７８】
また、レーザアブレーションを行うパルスレーザ装置として、ＫｒＦエキシマレーザ装置（波長：２４８ｎｍ，周波数：１０Ｈｚ，出力：０．９ｍＪ／ｃｍ^２）を用いると共に、基板加熱ヒータ４として、半導体レーザ（波長：８０４ｎｍ）を用いた。この半導体レーザによるレーザアブレーションの周期は５０パルスである。また、上記半導体レーザは、基板ホルダ２の裏面でのスポット径および照射位置を制御して、基板温度が６００℃になるように基板全体を均一に加熱する。
【００７９】
本明細書では上記レーザアブレーションの周期を、酸化物絶縁体材料の単位分子層厚の成長に要するパルス数と定義する。
【００８０】
また、薄膜成長中には酸素ガスを分圧１×１０^−４Ｔｏｒｒとなるよう導入した。作製された組成傾斜を有する酸化物絶縁体薄膜は、Ｘ線マイクロアナライザによって薄膜中のＮａあるいはＧａ組成を決定した。また、一括Ｘ線回折装置を用い、組成傾斜に沿って連続的に異相の有無および格子定数を決定した。
【００８１】
Ｘ線マイクロアナライザの分析結果により、酸化物絶縁体薄膜の素子長さ方向の両端の組成は用いた２種の原料ターゲット組成に一致し、その間の組成は連続且つ線型に変化していることがわかった。
【００８２】
また、一括Ｘ線回折の評価結果より異相ピークは確認されず、全組成領域において均一固溶していることがわかった。
【００８３】
図３（ａ），図３（ｂ）および図４（ａ），図４（ｂ）に、一括Ｘ線回折によるａ軸，ｂ軸およびｃ軸長の組成依存性を示す。これより、図５（ａ），図５（ｂ）で表される平均酸素−酸素間距離を求めた結果を図６（ａ），図６（ｂ）に示す。この平均酸素−酸素間距離とウルツ鉱半導体結晶のａ軸長のずれが格子不整合となる。
【００８４】
図６の結果によれば、ＺｎＯに対しては、全組成範囲で−４．１〜＋４．７％の格子不整合を制御出来、特にＬｉ_０．６Ｎa_０．４ＡｌＯ_２およびＬｉ_０．３５Ｎa_０．６５ＧａＯ_２なる組成においてＺｎＯとの格子不整合が極めて少ないことがわかった。
【００８５】
また、ＧａＮに対しては、全組成範囲で−２．４〜＋６．６％の格子不整合を制御出来、特におよびＬｉ_０．３２Ｎａ_０．６８ＡｌＯ_２およびＬｉ_０．１Ｎａ_０．９ＧａＯ_２なる組成においてＧａＮとの格子不整合が極めて少ないことがわかった。
【００８６】
上記の結果より、本発明の酸化物絶縁体材料は、以下の効果（１）〜（３）を奏することがわかる。
【００８７】
（１） 酸化亜鉛系半導体およびIII族窒化物半導体の面内格子定数に対して極めて格子不整合が小さい酸化物絶縁体結晶を得ることが出来、高い結晶性を有する半導体／絶縁体ヘテロ接合を得ることが出来る。
【００８８】
（２） ヘテロエピタキシャル成長により酸化亜鉛系半導体およびIII族窒化物半導体の格子歪を精密に制御することが可能であり、これらウルツ鉱型結晶の特性である圧電分極電界を制御することが可能である。
【００８９】
（３） 本発明の酸化物絶縁体結晶自身も極性結晶であるため、酸化亜鉛系およびIII族窒化物半導体の自発分極を制御することが可能である。
【００９０】
また、上記のような組成制御と全律固溶は、準安定状態の結晶を作製出来る結晶成長法によって実現される。特に、ターゲットと成長した膜の組成ずれが少ないパルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法が適しており、中でもパスルレーザ堆積を高真空チャンバ内で行うレーザ分子線エピタキシー法が適している。
【００９１】
本実施形態１においては、本発明の酸化物絶縁体材料を薄膜として形成する方法を示したが、ＣＺ（チョクラルスキー）法などによって作製されたバルク単結晶を基板として用いても、本実施形態１で示した効果を得ることが出来る。
【００９２】
また、上記原料ターゲット６としては、例えばＬｉＧａＯ_２、ＬｉＡｌＯ_２、ＮａＧａＯ_２、ＮａＡｌＯ_２、ＫＧａＯ_２およびＫＡｌＯ_２等がある。これらの原料ターゲットの中から選択された２つ以上の原料ターゲットを任意の比率でレーザアブレーションすることにより、Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）薄膜を形成してもよい。
【００９３】
（実施形態２）
本実施形態２では、本発明の酸化物絶縁体材料を基板および絶縁障壁層として用い、電界効果による反転ｐ型ＺｎＯ層を形成して半導体素子の一例としての半導体発光素子を作製した。
【００９４】
図７（ａ）〜（ｄ）のそれぞれに、上記半導体発光素子の素子構造の一例を示す。
【００９５】
図７（ａ）の半導体発光素子は、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．２Ｇa_０．８Ｏ_２からなる酸化物絶縁体支持基板１１の（００１）面上に、ＺｎＯ発光層１２が［０００１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。上記酸化物絶縁体支持基板１１の（００１）面の面内格子定数は、ＺｎＯ発光層１２の酸化物絶縁体支持基板１１側の表面の面内格子定数より大きい。このため、格子緩和していないＺｎＯの面内には引張り歪が加えられている。すなわち、ＺｎＯ発光層１２の酸化物絶縁体支持基板１１側の表面内には引張り歪が加えられている。
【００９６】
また、上記酸化物絶縁体支持基板１１はＺｎＯ発光層１２を成長後に研磨によって薄層化され、酸化物絶縁体支持基板１１の図中下面にはゲート電極１３を設けている。また、上記ＺｎＯ発光層１２の図中上面および側面に接触するように、第１，第２のオーミック電極１４，１５を設けている。
【００９７】
図７（ｂ）の半導体発光素子は、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ｏ_２からなる酸化物絶縁体支持基板２１の（００−１）面上に、ＺｎＯ発光層２２が［０００−１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。上記酸化物絶縁体支持基板２１の（００−１）面の面内格子定数は、ＺｎＯ発光層２２の酸化物絶縁体支持基板２１側の表面の面内格子定数より小さい。このため、格子緩和していないＺｎＯの面内には圧縮歪が加えられている。すなわち、ＺｎＯ発光層２２の酸化物絶縁体支持基板２１側の表面内には圧縮歪が加えられている。
【００９８】
また、上記酸化物絶縁体支持基板２１はＺｎＯ発光層２２を成長後に研磨によって薄層化され、酸化物絶縁体支持基板２１の図中下面にはゲート電極２３を設けている。また、上記ＺｎＯ発光層２２の図中上面および側面に接触するように、第１，第２のオーミック電極２４，２５を設けている。
【００９９】
図７（ｃ）の半導体発光素子は、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＬｉ_０．６Ｎａ_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支持基板３１の（００−１）面上に、格子緩和したＺｎＯ発光層３２が［０００−１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。そして、更にそのＺｎＯ発光層３２上には、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｏ_２からなる酸化物絶縁体薄膜３６が［００−１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。この酸化物絶縁体薄膜３６のＺｎＯ発光層３２側の表面の面内格子定数は、ＺｎＯ発光層３２の酸化物絶縁体薄膜３６側の表面の面内格子定数より大きい。このため、酸化物絶縁体薄膜３６のＺｎＯ発光層３２側の表面内には圧縮歪が加えられている。
【０１００】
また、上記酸化物絶縁体薄膜３６の図中上面にはゲート電極３３を設けると共に、酸化物絶縁体薄膜３６とＺｎＯ発光層３２との間には第１，第２のオーミック電極３４，３５を設けている。この第１，第２のオーミック電極３４，３５は、ＺｎＯ発光層３２に接触し、酸化物絶縁体薄膜３６で被覆されている。尚、上記酸化物絶縁体支持基板３１とＺｎＯ発光層３２との格子不整合が極めて小さいので、ＺｎＯ発光層３２の酸化物絶縁体支持基板３１側の表面内に格子歪は加わらない。
【０１０１】
図７（ｄ）の半導体発光素子は、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＬｉ_０．６Ｎａ_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支持基板４１の（００１）面上に、格子緩和したＺｎＯ発光層４２が［０００１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。そして、更に本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ｏ_２からなる酸化物絶縁体薄膜４６が［００１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。この酸化物絶縁体薄膜４６のＺｎＯ発光層４２側の表面の面内格子定数は、ＺｎＯ発光層４２の酸化物絶縁体薄膜４６側の表面の面内格子定数より小さい。このため、酸化物絶縁体薄膜４６のＺｎＯ発光層４２側の表面内には引張り歪が加えられている。
【０１０２】
また、上記酸化物絶縁体薄膜４６の図中上面にはゲート電極４３を設けると共に、酸化物絶縁体薄膜４６とＺｎＯ発光層４２との間には第１，第２のオーミック電極４４，４５を設けている。この第１，第２のオーミック電極４４，４５は、ＺｎＯ発光層４２に接触し、酸化物絶縁体薄膜４６で被覆されている。尚、上記酸化物絶縁体支持基板４１とＺｎＯ発光層４２との格子不整合が極めて小さいので、ＺｎＯ発光層４２の酸化物絶縁体支持基板３１側の表面内に格子歪は加わらない。
【０１０３】
図７（ａ）〜（ｄ）には、酸化物絶縁体支持基板１１，…、ＺｎＯ発光層１２，…および酸化物絶縁体薄膜１６，…の各々における自発分極Ｐｓｐ、および、格子歪による圧電分極Ｐｐｅが示している。これら分極電界を考慮すると、図７（ａ）および図７（ｂ）の構造においては、酸化物絶縁体支持基板１１，２１と接するＺｎＯ発光層１２，２２の界面に正孔が誘起され易いことが分る。また、図７（ｃ）および図７（ｄ）の構造においては、酸化物絶縁体薄膜３６，４６と接するＺｎＯ発光層３２，４２の界面に正孔が誘起され易いことが分る。
【０１０４】
図７（ａ）〜図７（ｄ）の各々の素子構造においては、上記第１の電極１４，…をゲート電極１３，…に対して負電圧にバイアスすることによって、前述した正孔誘起界面に反転層が形成され、高移動度な２次元正孔ガスが生じる。上記第２の電極１５から電子を注入したところ、図８に示す励起子による発光スペクトルが得られた。このように、本発明の酸化物絶縁体材料を基板あるいは絶縁障壁層として用いると、極性結晶であるＺｎＯの分極電界を制御することが出来、反転ｐ型層の形成が容易となる。
【０１０５】
本実施形態２においては、酸化物絶縁体支持基板あるいは薄膜とＺｎＯ層との格子不整合によって応力歪を与え圧電分極電界を制御したが、これらの応力歪は機械的あるいは人為的に与えても良い。すなわち、本実施形態２の発光素子を実装するステム接合面を湾曲させるなどの方法によって応力歪を与えても、本発明と同等の効果が得られる。
【０１０６】
また、本実施形態２においては、単層のＺｎＯ層を発光層として用いたが、光またはキャリアの閉じ込め機構を有する多層構造の発光層を用いてもよい。また半導体層が、井戸層および障壁層から成る量子井戸構造であってもよい。このような構成は、ＺｎＯより広いバンドギャップを有するＭｇＺｎＯ混晶半導体を用いることで容易に実現され、発光効率が向上するので好ましい。
【０１０７】
また、本実施形態２の半導体発光素子は、自然放出光を放射する発光ダイオードであるが、ＺｎＯ層の側面あるいは上下面に発光を反射する１対の光共振器を設け、共振増幅された誘導放出光を光共振器の一方の光共振面から放射する半導体レーザ構造であってもよい。
【０１０８】
また、本発明の酸化物絶縁体材料は、ＡＢＯ_２なる構成を有すると共に、上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つを含めばよい。上記ＡＢＯ_２としては、例えばＬｉ_１−ｘＮａ_ｘＡｌＯ_２、Ｌｉ_１−ｘＮａ_ｘＧａＯ_２、ＬｉＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２およびＮａＡｌ_１−ｙＧａ_ｙＯ_２（０＜ｘ，ｙ＜１）などがある。
【０１０９】
（実施形態３）
本実施形態３では、本発明の酸化物絶縁体材料を基板および絶縁障壁層として用い、電界効果による蓄積ｎ型ＺｎＯ層を形成して電界効果トランジスタを作製した。
【０１１０】
図９（ａ）〜図９（ｄ）のそれぞれに、上記電界効果トランジスタの素子構造の一例を示す。
【０１１１】
図９（ａ）の電界効果トランジスタは、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｏ_２からなる酸化物絶縁体支持基板５１の（００−１）面上に、ＺｎＯチャネル層５２が［０００−１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。この酸化物絶縁体支持基板５１の（００−１）面の面内格子定数は、ＺｎＯチャネル層５２の酸化物絶縁体支持基板５１側の表面の面内格子定数より大きくなっている。このため、格子緩和していないＺｎＯの面内には引張り歪が加えられている。すなわち、ＺｎＯチャネル層５２の酸化物絶縁体支持基板５１側の表面内には引張り歪が加えられている。
【０１１２】
また、上記酸化物絶縁体支持基板５１はＺｎＯチャネル層５２を成長後に研磨によって薄層化され、酸化物絶縁体支持基板５１の図中下面にはゲート電極５３を設けている。また、上記ＺｎＯチャネル層５２の図中上面および側面に接触するように、ソース電極５４およびドレイン電極５５を設けている。
【０１１３】
図９（ｂ）の電荷効果トランジスタは、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｏ_２からなる酸化物絶縁体支持基板６１の（００１）面上に、ＺｎＯチャネル層６２が［０００１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。この酸化物絶縁体支持基板６１の（００１）面の面内格子定数は、ＺｎＯチャネル層６２の酸化物絶縁体支持基板６１側の表面の面内格子定数より小さい。このため、格子緩和していないＺｎＯの面内には圧縮歪が加えられている。すなわち、ＺｎＯチャネル層６２の酸化物絶縁体支持基板６１側の表面内には圧縮歪が加えられている。
【０１１４】
また、上記酸化物絶縁体支持基板６１はＺｎＯチャネル層６２を成長後に研磨によって薄層化され、酸化物絶縁体支持基板６１の図中下面にはゲート電極６３を設けている。また、上記ＺｎＯチャネル６２の図中上面および側面に接触するように、ソース電極６４およびドレイン電極６５を設けている。
【０１１５】
図９（ｃ）の電荷効果トランジスタは、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＬｉ_０．６Ｎａ_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支持基板７１の（００１）面上に、格子緩和したＺｎＯチャネル層７２が［０００１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。更に、そのＺｎＯチャネル層７２上には、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｏ_２からなる酸化物絶縁体薄膜７６が［００１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。この酸化物絶縁体薄膜７６のＺｎＯチャネル層７２側の表面の表面内格子定数は、ＺｎＯチャネル層７２の酸化物絶縁体薄膜７６側の表面の面内格子定数より大きい。このため、酸化物絶縁体薄膜７６のＺｎＯチャネル層７２側の表面内には圧縮歪が加えられている。
【０１１６】
また、上記酸化物絶縁薄膜７６の上面にはゲート電極７３を設けると共に、酸化物絶縁体支持基板７１とＺｎＯチャネル層７２との間にはソース電極７４およびドレイン電極７５を設けている。上記ソース電極７４およびドレイン電極７５は、ＺｎＯチャネル層７２に接触し、酸化物絶縁体薄膜７６で被覆されている。尚、Ｌｉ_０．６Ｎa_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支持基板７１とＺｎＯチャネル層７２との格子不整合は極めて小さいので、ＺｎＯチャネル層７２の酸化物絶縁体支持基板７１側の表面に格子歪は加わらない。
【０１１７】
図９（ｄ）の電界効果トランジスタは、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＬｉ_０．６Ｎａ_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支持基板８１の（００−１）面上に、格子緩和したＺｎＯチャネル層８２が［０００−１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。更に、そのＺｎＯチャネル層８２上には、本発明の酸化物絶縁体材料の一例としてのＮａＡｌ_０．８Ｇa_０．２Ｏ_２からなる酸化物絶縁体薄膜８６が［００−１］方向に１０００Åエピタキシャル成長されている。この酸化物絶縁体薄膜８６のＺｎＯチャネル層８２側の表面の面内格子定数は、ＺｎＯチャネル層８２の酸化物絶縁体薄膜８６側の表面の面内格子定数より小さい。このため、酸化物絶縁体薄膜８６のＺｎＯチャネル層８２側の表面内には引張り歪が加えられている。
【０１１８】
また、上記酸化物絶縁薄膜８６の上面にはゲート電極８３を設けると共に、酸化物絶縁体支持基板８１とＺｎＯチャネル層８２との間にはソース電極８４およびドレイン電極８５を設けている。上記ソース電極８４およびドレイン電極８５は、ＺｎＯチャネル層８２に接触し、酸化物絶縁体薄膜８６で被覆されている。尚、Ｌｉ_０．６Ｎa_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支持基板８１とＺｎＯチャネル層８２との格子不整合は極めて小さいので、ＺｎＯチャネル層８２の酸化物絶縁体支持基板８１側の表面に格子歪は加わらない。
【０１１９】
図９（ａ）〜（ｄ）には、酸化物絶縁体支持基板５１，…、ＺｎＯチャネル層５２，…および酸化物絶縁体薄膜５６，…の各々の自発分極Ｐｓｐ、および、格子歪による圧電分極Ｐｐｅを示している。これら分極電界を考慮すると、図９（ａ）および図９（ｂ）の構造においては、酸化物絶縁体支持基板５１，６１と接するＺｎＯチャネル層５２，６２の界面に電子が誘起され易いことが分る。また、図９（ｃ）および図９（ｄ）の構造においては、酸化物絶縁体薄膜７６，８６と接するＺｎＯチャネル層７２，８２の界面に電子が誘起され易いことが分る。
【０１２０】
図９（ａ）〜図９（ｄ）における各々の素子構造においては、上記ソース電極５４，…をゲート電極５，…に対して正電圧にバイアスすることによって前述した電子誘起界面に蓄積層が形成され、高移動度な２次元電子ガスが生じる。上記ソース電極５５，…とドレイン電極５６，…の間に電圧を印加したところ、図１０に示すトランジスタ特性が得られた。このように、本発明の酸化物絶縁体材料を基板あるいは絶縁障壁層として用いると、極性結晶であるＺｎＯの分極電界を制御することが出来、蓄積Ｎ型層の形成が容易となる。
【０１２１】
本実施形態３の電界効果トランジスタは所謂ディープディプリーション型であるが、、実施形態２と同様の構成を用いてＺｎＯチャネル層５２，…の界面に反転ｐ型層を形成し、２次元正孔ガスをキャリアとして用いるエンハンスメント型の電界効果トランジスタ構成としても、本発明の効果が損なわれることはない。
【０１２２】
また、本実施形態においても実施形態２と同様に、圧電分極電界を制御するための応力歪は機械的あるいは人為的に与えてもよい。
【０１２３】
（実施形態４）
本実施形態では、本発明の酸化物絶縁体材料を基板および障壁層として用い、ＺｎＯ量子井戸層とのヘテロ超格子構造を形成して発振波長１．５５μｍの量子カスケードレーザを作製した。
【０１２４】
図１１（ａ），図１１（ｂ）に、本発明の実施の一形態の量子カスケードレーザの概略構成図を示す。
【０１２５】
上記量子カスケードレーザでは、図１１（ａ）に示すように、酸化物絶縁体材料の一例としてのＬｉ_０．６Ｎａ_０．４ＡｌＯ_２からなる酸化物絶縁体支持基板１００上に、第１クラッド層１０１、発光層としての活性領域１０２、および第２クラッド層１０３が順次積層されている。上記酸化物絶縁体支持基板１００の図中下面にはオーミック電極１０４が形成されていると共に、第２クラッド層１０３の図中上面にはおよび１０５が形成されている。また、上記第１，第２クラッド層１０１，１０３は、Ｇａを３×１０^１７ｃｍ^−３ドープしたＭｇ_０．２Ｚｎ_０．８Ｏ（バンドギャップ３．７ｅＶ）を用いて形成されている。
【０１２６】
上記活性領域１０２は、図１１（ｂ）に示すように、ＺｎＯ／Ｌｉ_０．６Ｎa_０．４ＡｌＯ_２からなる第１のヘテロ超格子層１１０、ＺｎＯ／Ｌｉ_０．６Ｎａ_０．４ＡｌＯ_２からなる量子井戸活性層１１１、およびＺｎＯ／Ｌｉ_０．６Ｎａ_０．４ＡｌＯ_２からなる第２のヘテロ超格子層１１２で構成されている。
【０１２７】
図１２は、上記量子カスケードレーザの動作を説明するための概略図である。
【０１２８】
上記量子井戸活性層１１１におけるＺｎＯ井戸層の幅は、図１２に示すように、量子井戸層内に形成される第２サブバンドから第１サブバンドへの遷移エネルギーが１．５５μｍに相当するエネルギー（０．８ｅＶ）を満たすよう選択した。
【０１２９】
上記第１のヘテロ超格子層１１０におけるＺｎＯ井戸層の幅は、量子カスケードレーザに所定の電界を印加した時に、超格子構造内において形成されるミニバンドから量子井戸層内の第２サブバンドへ電子が共鳴トンネリングするよう選択した。同様に、第２のヘテロ超格子層１１２におけるＺｎＯ井戸層の幅は、量子カスケードレーザに所定の電界を印加した時に、量子井戸活性層１１１内の第１サブバンドからヘテロ超格子層１１２のミニバンドへ電子が共鳴トンネリングするよう選択した。
【０１３０】
上記の積層構造を導波路長が５００μｍとなるように加工し、加工後の積層構造の端面に共振器ミラーを形成して、オーミック電極１０４，１０５間に電流を流したところ、波長１．５５μｍの誘導放出光が得られた。
【０１３１】
本実施形態４の量子カスケードレーザは、井戸層材料にＧａＮなどのIII族窒化物半導体を用いても実現することが可能であるが、サブバンド間遷移の緩和時間はＺｎＯの方が短かいため、超高速動作させるためにはＺｎＯ井戸層を用いることが好ましい。
【０１３２】
また、発振波長が、光通信において重要な紫外〜遠赤外波長に対応するサブバンド間遷移を得るためには、量子井戸活性層１２０の障壁層は井戸層であるＺｎＯに比して十分なバンドギャップを有する必要があり、ＭｇＺｎＯ障壁層ではこの要求を満たすことが出来ない。しかし、本発明の酸化物絶縁体材料を障壁層に用いると、ＺｎＯ井戸層に対する格子不整合が極めて小さくなり、且つ、所望のバンドギャップを有する障壁層を形成することが出来る。
【０１３３】
従って、本実施形態４で示したように、産業利用上の需要が大きい波長帯の超高速光学素子、例えば９６０ｎｍや１μｍ等の超高速光学素子を高品質且つ容易に作製することが出来る。言うまでもないが、本発明の酸化物絶縁体材料を用いた半導体素子の波長帯が９６０ｎｍや１μｍに限定されない。
【０１３４】
また、本発明の酸化物絶縁体材料による障壁層とＺｎＯ井戸層とのヘテロ超格子構造は、本実施形態の量子カスケードレーザのみならず、受光素子や光−光スイッチなどへ適用することが可能である。
【０１３５】
本実施形態４では、上記第１，第２のヘテロ超格子層１１０，１１２で挟まれた量子井戸活性層１１１なる積層構造は２周期以上繰り返して積層されていなかったが、１，第２のヘテロ超格子層で挟まれた量子井戸活性層なる積層構造は２周期以上繰り返して積層されていてもよい。
【０１３６】
【発明の効果】
本発明の酸化物絶縁体材料によると、ウルツ鉱型ワイドギャップ半導体である酸化亜鉛系およびIII族窒化物半導体に対して格子不整合が極めて小さい基板や薄膜を得ることが出来、高品質な薄膜結晶を得ることが出来る。
【０１３７】
また、極性面や格子歪を制御して上記半導体内に発生する分極電界を制御することが出来、電子デバイス内における電荷制御を容易に行うことが出来る。
【０１３８】
本発明の酸化物絶縁体材料の形成方法によると、上記酸化物絶縁体材料を所望の組成で薄膜化し酸化亜鉛系およびIII族窒化物半導体と相互にエピタキシャル成長させることが出来る。
【０１３９】
本発明の酸化物絶縁体材料を用いた半導体素子によると、電界効果による２次元ガスの生成が容易となる。このことにより、反転層によるp型層が容易に形成出来、単極性半導体であるＺｎＯを用いてキャリア注入による高効率な紫外発光素子を作製することが出来る。
【０１４０】
また、電界効果トランジスタに適用することで、半導体の内部電界を電子の蓄積が生じ易いように制御出来るため、低消費電力で高速スイッチング動作可能なトランジスタを製造することが出来る。また、ウルツ鉱型ワイドギャップ半導体井戸層に対しエネルギー障壁の格段に高いヘテロ超格子構造を実現出来るため、産業上需要の高い波長帯でのサブバンド間遷移光学素子を作製することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はコンビナトリアルレーザ分子線エピタキシー装置の概略構成図である。
【図２】 図２は原料ターゲットと薄膜組成との関係をに示す表である。
【図３】 図３は実施形態１において作製したコンビナトリアル薄膜におけるａ軸，ｂ軸およびｃ軸長の組成依存性を示すグラフである。
【図４】 図４は実施形態１において作製したコンビナトリアル薄膜におけるａ軸，ｂ軸およびｃ軸長の組成依存性を示すグラフである。
【図５】 図５は本発明の酸化物絶縁体材料の結晶構造を示す模式図である。
【図６】 図６は本発明の酸化物絶縁体結晶の平均酸素-酸素間距離を示すグラフである。
【図７】 図７は実施形態２の半導体発光素子の素子構造概略図である。
【図８】 図８は実施形態２の半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。
【図９】 図９は実施形態３の電界効果トランジスタの素子構造概略図である。
【図１０】 図１０は実施形態３の電界効果トランジスタの素子特性を示すグラフである。
【図１１】 図１１は実施形態４の量子カスケードレーザの構造概略図である。
【図１２】 図１２は実施形態４の量子カスケードレーザの動作を説明するための図である
【符号の説明】
１１，２１，３１，４１ 酸化物絶縁体支持基板
１２，２２，３２，４２ ＺｎＯ発光層
３６，４６，７６，８６ 酸化物絶縁体薄膜
５１，６１，７１，８１ 酸化物絶縁体支持基板
５２，６２，７２，８２ ＺｎＯチャネル層
１００ 酸化物絶縁体支持基板
１０１ 第１クラッド層
１０２ 活性領域
１０３ 第２クラッド層
１１０ 第１ヘテロ超格子層
１１１ 量子井戸活性層
１１２ 第２ヘテロ超格子層
１０００ プルーム（放出粒子群）

Claims (34)

1. ＡＢＯ_２なる構成でウルツ鉱型の結晶構造を有すると共に、上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つを含み、且つ、上記Ａの元素と上記Ｂの元素との和が３つ以上であり、
   上記ＡＢＯ _２ は、Ｌｉ _１−ｘ Ｎａ _ｘ ＡｌＯ _２ 、Ｌｉ _１−ｘ Ｎａ _ｘ ＧａＯ _２ 、ＬｉＡｌ _１−ｙ Ｇａ _ｙ Ｏ _２ およびＮａＡｌ _１−ｙ Ｇａ _ｙ Ｏ _２ （０＜ｘ，ｙ＜１）のいずれか１つで、ＺｎＯに対し、−４．１〜＋４．７％の格子不整合する組成範囲を持つことを特徴とする酸化物絶縁体材料。
2. ＡＢＯ_２なる構成でウルツ鉱型の結晶構造を有すると共に、上記Ａの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくとも１つを含み、且つ、上記Ｂの元素がＡｌ、Ｇａの少なくとも１つを含み、且つ、上記Ａの元素と上記Ｂの元素との和が３つ以上であり、
   上記ＡＢＯ _２ は、Ｌｉ _１−ｘ Ｎａ _ｘ ＡｌＯ _２ 、Ｌｉ _１−ｘ Ｎａ _ｘ ＧａＯ _２ 、ＬｉＡｌ _１−ｙ Ｇａ _ｙ Ｏ _２ およびＮａＡｌ _１−ｙ Ｇａ _ｙ Ｏ _２ （０＜ｘ，ｙ＜１）のいずれか１つで、ＧａＮに対し、―２．４〜＋６．６％の格子不整合する組成範囲を持つことを特徴とする酸化物絶縁体材料。
3. レーザ分子線エピタキシー法を用いて請求項１または２に記載の酸化物絶縁体材料を形成するための酸化物絶縁体材料の形成方法であって、
   ＬｉＧａＯ_２、ＬｉＡｌＯ_２、ＮａＧａＯ_２、ＮａＡｌＯ_２、ＫＧａＯ_２およびＫＡｌＯ_２の中から選択された２つ以上の原料ターゲットを任意の比率でレーザアブレーションすることにより、Ｌｉ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎａ_ｘＫ_ｙＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＯ_２（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）薄膜を形成することを特徴とする酸化物絶縁体材料の形成方法。
4. 請求項３に記載の酸化物絶縁体材料の形成方法において、
   上記複数の原料ターゲットにレーザアブレーションを繰り返し、そのレーザアブレーションのパルス数は、上記酸化物絶縁体材料の単位分子層厚を構成するためのパルス数以下であることを特徴とする酸化物絶縁体材料の形成方法。
5. 請求項１に記載の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体支持基板と、
   上記酸化物絶縁体支持基板の表面上に形成され、酸化亜鉛系より成る１層以上の半導体層とを備えたことを特徴とする半導体素子。
6. 請求項２に記載の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体支持基板と、
   上記酸化物絶縁体支持基板の表面上に形成され、III族窒化物より成る１層以上の半導体層とを備えたことを特徴とする半導体素子。
7. 請求項５または６に記載の半導体素子において、
   上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００１）面であり、
   上記酸化物絶縁体支持基板の（００１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より大きく、
   上記（００１）面上に形成された上記半導体層の成長方向が［０００１］方向であって、
   上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元正孔ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体素子。
8. 請求項５または６に記載の半導体素子において、
   上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００−１）面であり、
   上記酸化物絶縁体支持基板の（００−１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より小さく、
   上記（００−１）面上に形成された上記半導体層の成長方向が［０００−１］方向であって、
   上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元正孔ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体素子。
9. 請求項５または６に記載の半導体素子において、
   上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００−１）面であり、
   上記酸化物絶縁体支持基板の（００−１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より大きく、
   上記（００−１）面上に形成された上記半導体層の成長方向が［０００−１］方向であって、
   上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元電子ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体素子。
10. 請求項５または６に記載の半導体素子において、
    上記酸化物絶縁体支持基板の表面が（００１）面であり、
    上記酸化物絶縁体支持基板の（００１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面の面内格子定数より小さく、
    上記（００１）面上に形成された上記半導体層の成長方向が［０００１］方向であって、
    上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に２次元電子ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体素子。
11. 請求項７または９に記載の半導体素子において、
    上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面内に引張り歪みが加えられていることを特徴とする半導体素子。
12. 請求項８または１０に記載の半導体素子において、
    上記半導体層の上記酸化物絶縁体支持基板側の表面内に圧縮歪みが加えられていることを特徴とする半導体素子。
13. 酸化亜鉛系より成る半導体層と、
    上記半導体層の表面上にエピタキシャル成長形成され、請求項１に記載の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体薄膜とを備えたことを特徴とする半導体素子。
14. III族窒化物より成る半導体層と、
    上記半導体層の表面上にエピタキシャル成長形成され、請求項２に記載の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体薄膜とを備えたことを特徴とする半導体素子。
15. 請求項１３または１４に記載の半導体素子において、
    上記半導体層の表面が（０００−１）面であり、
    上記酸化物絶縁体薄膜の（０００−１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の面内格子定数より大きく、
    上記（０００−１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方向が［００−１］方向であって、
    上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に２次元正孔ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体素子。
16. 請求項１３または１４に記載の半導体素子において、
    上記半導体層の表面が（０００１）面であり、
    上記酸化物絶縁体薄膜の（０００１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の面内格子定数より小さく、
    上記（０００１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方向が［００１］方向であって、
    上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に２次元正孔ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体素子。
17. 請求項１３または１４に記載の半導体素子において、
    上記半導体層の表面が（０００１）面であり、
    上記酸化物絶縁体薄膜の（０００１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の面内格子定数より大きく、
    上記（０００１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方向が［００１］方向であって、
    上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に２次元電子ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体素子。
18. 請求項１３または１４に記載の半導体素子において、
    上記半導体層の表面が（０００−１）面であり、
    上記酸化物絶縁体薄膜の（０００−１）面の面内格子定数が、上記半導体層の上記酸化物絶縁体薄膜側の表面の面内格子定数より小さく、
    上記（０００−１）面上に形成された上記酸化物絶縁体薄膜の成長方向が［００−１］方向であって、
    上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に２次元電子ガスを生ぜしめることを特徴とする半導体素子。
19. 請求項１５または１７に記載の半導体素子において、
    上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側の表面内に圧縮歪みが加えられていることを特徴とする半導体素子。
20. 請求項１６または１８に記載の半導体素子において、
    上記酸化物絶縁体薄膜の上記半導体層側の表面内に引張り歪みが加えられていることを特徴とする半導体素子。
21. 請求項７、８、１１および１２のいずれか１つに記載の半導体素子において、
    上記半導体層に接する第１，第２の電極と、
    上記酸化物絶縁体支持基板に接するゲート電極とを備え、
    上記第１の電極を上記ゲート電極に対して負電圧にバイアスすることにより、上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に高移動度な２次元正孔ガスを生ぜしめ、上記第２の電極から注入した電子と結合させて発光を得ることを特徴とする半導体素子。
22. 請求項１５、１６、１９および２０のいずれか１つに記載の半導体素子において、
    上記半導体層に接する第１，第２の電極と、
    上記酸化物絶縁体薄膜に接するゲート電極とを備え、
    上記第１の電極を上記ゲート電極に対して負電圧にバイアスすることにより、上記酸化物絶縁体薄膜に接する上記半導体層の界面に高移動度な２次元正孔ガスを生ぜしめ、上記第２の電極から注入した電子と結合させて発光を得ることを特徴とする半導体素子。
23. 請求項２１または２２に記載の半導体素子において、
    上記半導体層が、光またはキャリアの閉じ込め機構を有する多層構造より成ることを特徴とする半導体素子。
24. 請求項２１乃至２３のいずれか１つに記載の半導体素子において、
    上記半導体層が、井戸層および障壁層から成る量子井戸構造を含むことを特徴とする半導体素子。
25. 請求項２１乃至２４のいずれか１つに記載の半導体素子において、
    上記半導体素子の表面には発光を反射する１対の光共振器が設けられ、上記光共振器内において共振増幅された誘導放出光が上記光共振器の一方の光共振器面面から取り出されることを特徴とする半導体素子。
26. 請求項７乃至１２のいずれか１つに記載の半導体素子において、
    上記半導体層に接するソース電極，ドレイン電極と、
    上記酸化物絶縁体支持基板に接するゲート電極とを備え、
    上記ゲート電極と上記ソース電極との間にバイアス電圧を印加することにより、上記酸化物絶縁体支持基板に接する上記半導体層の界面に形成された高移動度な２次元ガスの流れを制御して電界効果型のトランジスタ動作を得ることを特徴とする半導体素子。
27. 請求項１５乃至２０のいずれか１つに記載の半導体素子において、
    上記半導体層に接するソース，ドレイン電極と、
    上記酸化物絶縁体薄膜に接するゲート電極とを備え、
    上記ゲート電極と上記ソース電極との間にバイアス電圧を印加することにより、上記酸化物絶縁体薄膜に接する半導体層の界面に形成された高移動度な２次元ガスの流れを制御して電界効果型のトランジスタ動作を得ることを特徴とする半導体素子。
28. 酸化亜鉛系半導体より成る半導体井戸層と、
    請求項１に記載の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体と
    によりヘテロ超格子構造が構成されていると共に、上記半導体井戸層に対して上記酸化物絶縁体を障壁層として用いていることを特徴とする半導体素子。
29. III族窒化物半導体より成る半導体井戸層と、
    請求項２に記載の酸化物絶縁体材料からなる酸化物絶縁体と
    によりヘテロ超格子構造が構成されていると共に、上記半導体井戸層に対して上記酸化物絶縁体を障壁層に用いていることを特徴とする半導体素子。
30. 請求項２８または２９に記載の半導体素子において、
    ２つの上記ヘテロ超格子構造と、２つの上記ヘテロ超格子構造によって挟まれた量子井戸構造とから成る発光層を備え、
    一方の上記ヘテロ超格子構造内に形成されたミニバンドから上記発光層内の第２サブバンドへキャリアを注入し、上記キャリアが上記発光層内の第１サブバンドへ緩和することによって発光を得ることを特徴とする半導体素子。
31. 請求項２８または２９に記載の半導体素子において、
    ２つの上記ヘテロ超格子構造と、２つの上記ヘテロ超格子構造によって挟まれた量子井戸構造とから成る受光層を備え、
    一方の上記ヘテロ超格子構造内に形成されたミニバンドから上記受光層内の第１サブバンドへキャリアを注入し、上記キャリアが上記受光層内で光吸収によりの第２サブバンドへ励起されることによって光電流を誘起することを特徴とする半導体素子。
32. 請求項３０または３１に記載の半導体素子において、
    上記量子井戸構造が多重量子井戸構造であることを特徴とする半導体素子。
33. 請求項３０乃至３２のいずれか１つに記載の半導体素子において、
    上記量子井戸構造が不純物ドーピングによって価電子制御されていることを特徴とする半導体素子。
34. 請求項３３に記載の半導体素子において、
    上記量子井戸構造の井戸層のみに不純物ドーピングされていることを特徴とする半導体素子。

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