JP2003046081A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する利用分野】本発明は半導体素子に関す
る。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to semiconductor devices.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、様々な機能を有する電子デバ
イスにおいては、Siに代表されるIV族半導体やGaA
sなどのIII−V族化合物半導体が多く用いられてきた。
特に最近では、産業利用上更に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。このよう
な半導体材料には、6H−SiC、ZnSe、GaNな
どがあり、いずれもバンドギャップが3eVを超え、耐
電圧性や短波長発光などの特長を有するデバイスが実用
化されつつある。2. Description of the Related Art Conventionally, in electronic devices having various functions, IV group semiconductors represented by Si and GaA
III-V group compound semiconductors such as s have been widely used.
Particularly in recent years, crystal growth of wide-gap semiconductors and device technology have been rapidly developed for the purpose of manufacturing semiconductor devices of higher added value for industrial use. Such semiconductor materials include 6H—SiC, ZnSe, GaN, etc., and any of them has a band gap exceeding 3 eV, and devices having characteristics such as withstand voltage and short wavelength light emission are being put to practical use.
【0003】一方、酸化物材料は、誘電性、磁性、超伝
導性など従来の半導体材料では実現出来ない多くの機能
を持ち、また半導体材料としても既存材料の特質を補っ
て余りある可能性を有している。酸化物材料の中でも酸
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、最近では本発明者らが
発明した透明トランジスタ(特開2000−15090
0号公報参照)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。On the other hand, an oxide material has many functions that cannot be realized by conventional semiconductor materials such as dielectric properties, magnetism, and superconductivity, and there is a possibility that the characteristics of existing materials may be supplemented as a semiconductor material. Have Among the oxide materials, zinc oxide (ZnO) is a transparent conductive oxide having practical carrier mobility and conductivity controllability, and has been conventionally used as a transparent conductive film, and recently, the present inventor. The transparent transistor invented by K. et al.
It is expected that this will contribute to higher performance of display devices such as liquid crystals.
【0004】また、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。ZnO is a direct transition type semiconductor having a bandgap (about 3.2 eV) corresponding to the ultraviolet region, its exciton binding energy is as high as 60 meV, and exciton emission is observed even at room temperature. By using this, a light emitting device with higher efficiency and lower power consumption than GaN or ZnSe currently in practical use can be realized.
【0005】ZnOは従来p型の導電型制御が困難とさ
れてきたが、山本らによって発明された同時ドーピング
法により低抵抗p−ZnOを得る技術が特開2001−
48698において開示されている。Conventionally, it has been difficult to control the p-type conductivity of ZnO, but a technique for obtaining low resistance p-ZnO by the co-doping method invented by Yamamoto et al.
48698.
【0006】また、Xin-Li GuoらはN2Oプラズマを用
いてアクセプタドーピングしたp−ZnOを適用しZn
Oホモ接合発光ダイオードを作製している(Jpn.J.App
l.Phys. Vol.40(2001)pp.L177)。Xin-Li Guo et al. Applied p-ZnO doped with acceptor using N 2 O plasma to obtain Zn.
O homojunction light emitting diode is being manufactured (Jpn.J.App
l.Phys. Vol.40 (2001) pp.L177).
【0007】ところで、ZnOデバイスの製造において
は、ガラス基板あるいはサファイア基板が一般的に用い
られてきた。しかし、ガラス基板は非結晶性基板である
ことおよび成膜温度の制限によって、平坦かつ高品質な
単結晶薄膜を得ることは出来ない。また、サファイア基
板を用いた場合においても、ZnO薄膜との間には約1
8%の格子不整合が存在するため結晶粒界や配向のゆら
ぎが存在し、高品質な単結晶薄膜を得ることは困難であ
った。By the way, in manufacturing ZnO devices, a glass substrate or a sapphire substrate has been generally used. However, since the glass substrate is an amorphous substrate and the film forming temperature is limited, it is not possible to obtain a flat and high quality single crystal thin film. Further, even when the sapphire substrate is used, the gap between the ZnO thin film and the ZnO thin film is about 1
Since there is a lattice mismatch of 8%, there are crystal grain boundaries and orientation fluctuations, and it has been difficult to obtain a high-quality single crystal thin film.
【0008】従来より、そのようなZnO薄膜の結晶性
を改善した半導体素子としては、特開2000−277
534号公報に開示されたものがある。この特開200
0−277534号公報の半導体素子は、格子不整合が
極めて小さい基板上にZnOおよびGaNなどのワイド
ギャップ半導体が形成されており、結晶性および特性に
優れた半導体デバイスである。Conventionally, as a semiconductor device in which the crystallinity of such a ZnO thin film is improved, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-277 has been known.
There is one disclosed in Japanese Patent No. 534. This JP-A-200
The semiconductor device of 0-277534 is a semiconductor device having excellent crystallinity and characteristics in which wide-gap semiconductors such as ZnO and GaN are formed on a substrate having a very small lattice mismatch.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の半導
体素子の一例である電界効果トランジスタやpn接合発
光素子などでは、その結晶性のみならず、キャリアの生
成および輸送に関与する接合界面の品質が重要となって
いる。しかしながら、その接合界面の品質が十分に改善
されていないため、本来ZnOが有する性能を十分発揮
することが出来ないという問題があった。By the way, in the field effect transistor and the pn junction light emitting element which are examples of the conventional semiconductor element, not only the crystallinity but also the quality of the junction interface involved in the generation and transport of carriers is considered. Has become important. However, since the quality of the bonding interface has not been sufficiently improved, there has been a problem that the performance originally possessed by ZnO cannot be fully exhibited.
【0010】また、発光素子に関しては、上記の従来例
で示されたp型ZnOおよび発光ダイオードの特性は、
移動度、導電率制御、更には製造工程における再現性な
どにおいて産業利用上実用的なレベルにあるとはいい難
い。Regarding the light emitting device, the characteristics of the p-type ZnO and the light emitting diode shown in the above conventional example are as follows.
It is hard to say that the mobility, conductivity control, and reproducibility in the manufacturing process are at a practical level for industrial use.
【0011】そこで、本発明の課題は、半導体層の性能
を十分に発揮することができる半導体素子を提供するこ
とにある。Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor element capable of sufficiently exhibiting the performance of the semiconductor layer.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の半導体素子は、エピタキシャル成長で形成
された酸化亜鉛系または窒化物系半導体層と、上記半導
体層上にエピタキシャル成長で形成され、上記半導体層
より広いバンドギャップを有する酸化物障壁層とから成
る積層構造を備え、上記半導体層と上記酸化物障壁層と
の間に電圧を印加することによって、上記酸化物障壁層
に接する上記半導体層の界面に高移動度のキャリアガス
を生ぜしめることを特徴としている。In order to solve the above-mentioned problems, a semiconductor device of the present invention comprises a zinc oxide-based or nitride-based semiconductor layer formed by epitaxial growth and an epitaxial growth formed on the semiconductor layer. The semiconductor layer includes a stacked structure including an oxide barrier layer having a band gap wider than that of the semiconductor layer, and the semiconductor layer is in contact with the oxide barrier layer by applying a voltage between the semiconductor layer and the oxide barrier layer. It is characterized by generating a high mobility carrier gas at the interface of.
【0013】上記構成の半導体素子によれば、上記酸化
物障壁層に接する上記半導体層の界面をエピタキシャル
成長で形成しているから、欠陥等に起因する界面準位を
生じにくく、半導体層と酸化物障壁層との界面が清浄に
なる。従って、上記酸化物障壁層に接する半導体層の界
面に、高濃度、高移動度のキャリアガスを生ぜしめるこ
とが出来て、半導体層が有する性能を十分に発揮するこ
とが出来る。According to the semiconductor device having the above structure, since the interface of the semiconductor layer in contact with the oxide barrier layer is formed by epitaxial growth, it is difficult to generate an interface state due to a defect or the like, and the semiconductor layer and the oxide are prevented. The interface with the barrier layer becomes clean. Therefore, a carrier gas having a high concentration and a high mobility can be generated at the interface of the semiconductor layer in contact with the oxide barrier layer, and the performance of the semiconductor layer can be sufficiently exhibited.
【0014】また、上記半導層の特質を十分に生かせる
ので、付加価値を高めることが出来る。Further, since the characteristics of the semiconductor layer can be fully utilized, the added value can be increased.
【0015】一実施形態の半導体素子は、上記半導体層
が、ZnO、MgXZn1−XOおよびCdXZn
1−XOのうちの少なくとも1つの酸化物より成ってい
る酸化亜鉛系半導体層である。In the semiconductor device of one embodiment, the semiconductor layer is made of ZnO, Mg X Zn 1-X O and Cd X Zn.
It is a zinc oxide based semiconductor layer made of at least one oxide of 1-X 2 O.
【0016】一実施形態の半導体素子は、上記半導体層
が、GaN、AlXGa1−XN、InXGa1−XN
およびAlXIn1−XNのうちの少なくとも1つの窒
化物より成っている窒化物系半導体層である。In the semiconductor device of one embodiment, the semiconductor layer is GaN, Al X Ga 1-X N, In X Ga 1-X N.
And a nitride-based semiconductor layer made of a nitride of at least one of Al X In 1-X N.
【0017】一実施形態の半導体素子は、上記半導体層
と上記酸化物障壁層との界面における格子不整合率が5
%以下である。The semiconductor device of one embodiment has a lattice mismatch ratio of 5 at the interface between the semiconductor layer and the oxide barrier layer.
% Or less.
【0018】上記実施形態の半導体素子によれば、上記
半導体層と上記酸化物障壁層との界面における格子不整
合率が5%以下であるから、清浄な界面を有する積層構
造を作製することが出来る。According to the semiconductor element of the above embodiment, the lattice mismatch rate at the interface between the semiconductor layer and the oxide barrier layer is 5% or less, so that a laminated structure having a clean interface can be manufactured. I can.
【0019】一実施形態の半導体素子は、上記酸化物障
壁層がLiGaO2を含んでいる。In the semiconductor device of one embodiment, the oxide barrier layer contains LiGaO 2 .
【0020】一実施形態の半導体素子は、上記酸化物障
壁層が、
RABO4またはRAO3(BO)n
R:ScおよびInの中から選択した少なくとも1つ
A:Al、FeおよびGaの中から選択した少なくとも
1つ
B:Mg、Mn、Fe、Co、Cu、ZnおよびCdの
中から選択した少なくとも1つ
で示される構造の絶縁体を含んでいる。In the semiconductor device according to one embodiment, the oxide barrier layer has at least one selected from RABO 4 or RAO 3 (BO) n R: Sc and In: A: Al, Fe and Ga. At least one selected: B: An insulator having a structure represented by at least one selected from Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, and Cd is included.
【0021】上記実施形態の半導体素子によれば、上記
半導体層を例えばZnOで構成した場合、上記酸化物障
壁層が、上記RABO4または上記RAO3(BO)n
で示される構造の絶縁体を含んでいるから、半導体層と
酸化物障壁層との格子不整合率を3%以下にすることが
出来る。According to the semiconductor element of the above embodiment, when the semiconductor layer is made of ZnO, for example, the oxide barrier layer is RABO 4 or RAO 3 (BO) n.
Since it includes the insulator having the structure represented by, the lattice mismatch ratio between the semiconductor layer and the oxide barrier layer can be 3% or less.
【0022】一実施形態の半導体素子は、上記RABO
4は、ScAlMgO4、ScGaMgO4、ScAl
MnO4、ScGaCoO4、ScAlCoO4、Sc
GaZnO4およびScAlZnO4の中から選択した
1つであり、上記RAO3(BO)nは、ScGaO3
(ZnO)nおよびScAlO3(ZnO)nの中から選
択した1つである。The semiconductor device of one embodiment is the RABO described above.
4 is ScAlMgO 4 , ScGaMgO 4 , ScAl
MnO 4 , ScGaCoO 4 , ScAlCoO 4 , Sc
It is one selected from GaZnO 4 and ScAlZnO 4 , and RAO 3 (BO) n is ScGaO 3
It is one selected from (ZnO) n and ScAlO 3 (ZnO) n .
【0023】上記実施形態の半導体素子によれば、上記
半導体層を例えばZnOで構成した場合、上記RABO
4が、ScAlMgO4、ScGaMgO4、ScAl
MnO4、ScGaCoO4、ScAlCoO4、Sc
GaZnO4およびScAlZnO4の中から選択した
1つであり、上記RAO3(BO)nが、ScGaO 3
(ZnO)nおよびScAlO3(ZnO)nの中から選
択した1つであるから、半導体層と酸化物障壁層との格
子不整合率を1%以下にすることが出来る。According to the semiconductor device of the above embodiment,
When the semiconductor layer is made of ZnO, for example, the above RABO
FourBut ScAlMgOFour, ScGaMgOFour, ScAl
MnOFour, ScGaCoOFour, ScAlCoOFour, Sc
GaZnOFourAnd ScAlZnOFourSelected from
One and above RAOThree(BO)nBut ScGaO Three
(ZnO)nAnd ScAlOThree(ZnO)nSelect from
Since it is one selected, the case of the semiconductor layer and the oxide barrier layer
The child mismatch rate can be reduced to 1% or less.
【0024】一実施形態の半導体素子は、上記酸化物障
壁層は、ZnO、MgXZn1−XOおよびCdXZn
1−XOのいずれか1つより成る半導体層である。In the semiconductor device of one embodiment, the oxide barrier layer is made of ZnO, Mg X Zn 1-X O and Cd X Zn.
It is a semiconductor layer made of any one of 1-X 2 O.
【0025】また、本発明の半導体素子は、エピタキシ
ャル成長で形成された酸化物半導体チャネル層と、上記
酸化物半導体チャネル層上に形成された酸化物ゲート絶
縁層と、上記酸化物ゲート絶縁層上に形成されたゲート
電極と、上記酸化物半導体チャネル層上に形成されたソ
ース電極と、上記酸化物半導体チャネル層上に形成され
たドレイン電極とを備え、上記酸化物ゲート絶縁層に接
する上記酸化物半導体チャネル層の界面に生じた高移動
度な2次元キャリア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している。Further, the semiconductor device of the present invention comprises: an oxide semiconductor channel layer formed by epitaxial growth; an oxide gate insulating layer formed on the oxide semiconductor channel layer; and an oxide gate insulating layer formed on the oxide gate insulating layer. The oxide having a formed gate electrode, a source electrode formed on the oxide semiconductor channel layer, and a drain electrode formed on the oxide semiconductor channel layer, the oxide being in contact with the oxide gate insulating layer It is characterized in that a field effect type transistor operation is obtained by controlling the flow of a high mobility two-dimensional carrier gas generated at the interface of the semiconductor channel layer.
【0026】上記構成の半導体素子によれば、上記酸化
物ゲート絶縁層に接する上記酸化物半導体チャネル層の
界面をエピタキシャル成長で形成しているから、欠陥等
に起因する界面準位を生じにくく、酸化物半導体チャネ
ル層と酸化物ゲート絶縁層との界面が清浄になる。従っ
て、上記酸化物ゲート絶縁層に接する酸化物半導体チャ
ネル層の界面に、高濃度、高移動度のキャリアガスを生
ぜしめることが出来て、酸化物半導体チャネル層が有す
る性能を十分に発揮することが出来る。According to the semiconductor device having the above structure, since the interface of the oxide semiconductor channel layer in contact with the oxide gate insulating layer is formed by epitaxial growth, it is difficult to generate an interface level due to a defect or the like, and oxidation is caused. The interface between the semiconductor channel layer and the oxide gate insulating layer is cleaned. Therefore, a carrier gas with high concentration and high mobility can be generated at the interface of the oxide semiconductor channel layer which is in contact with the oxide gate insulating layer and the performance of the oxide semiconductor channel layer can be sufficiently exhibited. Can be done.
【0027】また、上記酸化物半導体チャネル層の特質
を十分に生かせるので、付加価値を高めることが出来
る。Further, since the characteristics of the oxide semiconductor channel layer can be fully utilized, the added value can be increased.
【0028】また、上記半導体素子を、例えば電界効果
トランジスタ等の半導体スイッチング素子に適用した場
合、電界効果によって酸化物半導体チャネル層の界面に
生じる2次元的なキャリアガスの移動度を飛躍的に向上
させることが出来て、高速スイッチング動作を可能にす
ることが出来る。When the above semiconductor device is applied to a semiconductor switching device such as a field effect transistor, the mobility of the two-dimensional carrier gas generated at the interface of the oxide semiconductor channel layer due to the field effect is dramatically improved. It is possible to enable high-speed switching operation.
【0029】また、欠陥準位を低減した清浄な界面を形
成出来るから、印加するゲート電圧を低くすることが出
来て、消費電力を低減することができる。Further, since a clean interface with reduced defect levels can be formed, the applied gate voltage can be lowered and power consumption can be reduced.
【0030】また、本発明の半導体素子は、エピタキシ
ャル成長で形成された半絶縁性の酸化物半導体チャネル
層と、上記酸化物半導体チャネル層上に形成され、不純
物がドープされて上記酸化物半導体チャネル層より大き
いバンドギャップを有する酸化物半導体障壁層と、上記
酸化物半導体障壁層上に形成され、上記酸化物半導体障
壁層とショットキー接触するゲート電極と、上記酸化物
半導体障壁層上に形成され、上記酸化物半導体障壁層と
オーミック接触するソース電極と、上記酸化物半導体障
壁層上に形成され、上記酸化物半導体障壁層とオーミッ
ク接触するドレイン電極とを備え、上記酸化物半導体障
壁層に接する上記酸化物半導体チャネル層の界面に生じ
た高移動度な2次元キャリア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してい
る。In the semiconductor device of the present invention, the semi-insulating oxide semiconductor channel layer formed by epitaxial growth and the oxide semiconductor channel layer formed on the oxide semiconductor channel layer and doped with impurities. An oxide semiconductor barrier layer having a larger bandgap, a gate electrode formed on the oxide semiconductor barrier layer, in Schottky contact with the oxide semiconductor barrier layer, and formed on the oxide semiconductor barrier layer, A source electrode in ohmic contact with the oxide semiconductor barrier layer; and a drain electrode formed on the oxide semiconductor barrier layer in ohmic contact with the oxide semiconductor barrier layer, and in contact with the oxide semiconductor barrier layer. By controlling the flow of a highly mobile two-dimensional carrier gas generated at the interface of the oxide semiconductor channel layer, a field effect transistor It is characterized by obtaining a data operation.
【0031】上記構成の半導体素子によれば、上記酸化
物半導体障壁層に接する上記酸化物半導体チャネル層の
界面をエピタキシャル成長で形成しているから、欠陥等
に起因する界面準位を生じにくく、酸化物半導体チャネ
ル層と酸化物半導体障壁層との界面が清浄になる。従っ
て、上記酸化物半導体障壁層に接する酸化物半導体チャ
ネル層の界面に、高濃度、高移動度のキャリアガスを生
ぜしめることが出来て、酸化物半導体チャネル層が有す
る性能を十分に発揮することが出来る。According to the semiconductor device having the above structure, since the interface of the oxide semiconductor channel layer that is in contact with the oxide semiconductor barrier layer is formed by epitaxial growth, it is difficult to generate an interface state due to a defect or the like, and oxidation is caused. The interface between the object semiconductor channel layer and the oxide semiconductor barrier layer is cleaned. Therefore, a high concentration and high mobility carrier gas can be generated at the interface of the oxide semiconductor channel layer in contact with the oxide semiconductor barrier layer, and the performance of the oxide semiconductor channel layer can be sufficiently exhibited. Can be done.
【0032】また、上記酸化物半導体チャネル層の特質
を十分に生かせるので、付加価値を高めることが出来
る。Further, since the characteristics of the oxide semiconductor channel layer can be fully utilized, the added value can be increased.
【0033】また、上記半導体素子を、例えば電界効果
トランジスタ等の半導体スイッチング素子に適用した場
合、電界効果によって酸化物半導体チャネル層の界面に
生じる2次元的なキャリアガスの移動度を飛躍的に向上
させることが出来きて、高速スイッチング動作を可能に
することが出来る。When the above semiconductor device is applied to a semiconductor switching device such as a field effect transistor, the mobility of the two-dimensional carrier gas generated at the interface of the oxide semiconductor channel layer due to the field effect is dramatically improved. The high speed switching operation can be performed.
【0034】また、欠陥準位を低減した清浄な界面を形
成出来るから、印加するゲート電圧を低くすることが出
来て、消費電力を低減することができる。Further, since a clean interface with a reduced defect level can be formed, the applied gate voltage can be lowered and power consumption can be reduced.
【0035】また、本発明の半導体素子は、エピタキシ
ャル成長で形成された半絶縁性の酸化物半導体チャネル
層と、上記酸化物半導体チャネル層上に形成され、不純
物がドープされて上記酸化物半導体チャネル層より大き
いバンドギャップを有する酸化物半導体障壁層と、上記
酸化物半導体障壁層上に形成された酸化物ゲート絶縁層
と、上記酸化物ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極
と、上記酸化物半導体障壁層上に形成されたソース電極
と、上記酸化物半導体障壁層上に形成されたドレイン電
極とを備え、上記酸化物半導体障壁層に接する上記酸化
物半導体チャネル層の界面に生じた高移動度な2次元キ
ャリア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している。In the semiconductor device of the present invention, the semi-insulating oxide semiconductor channel layer formed by epitaxial growth and the oxide semiconductor channel layer formed on the oxide semiconductor channel layer and doped with impurities are used. An oxide semiconductor barrier layer having a larger band gap, an oxide gate insulating layer formed on the oxide semiconductor barrier layer, a gate electrode formed on the oxide gate insulating layer, and the oxide semiconductor A high mobility generated at an interface of the oxide semiconductor channel layer, which includes a source electrode formed on the barrier layer and a drain electrode formed on the oxide semiconductor barrier layer, and is in contact with the oxide semiconductor barrier layer. It is characterized in that a field effect type transistor operation is obtained by controlling the flow of the two-dimensional carrier gas.
【0036】上記構成の半導体素子によれば、上記酸化
物半導体障壁層に接する上記酸化物半導体チャネル層の
界面をエピタキシャル成長で形成しているから、欠陥等
に起因する界面準位を生じにくく、酸化物半導体チャネ
ル層と酸化物半導体障壁層との界面が清浄になる。従っ
て、上記酸化物半導体障壁層に接する酸化物半導体チャ
ネル層の界面に、高濃度、高移動度のキャリアガスを生
ぜしめることが出来て、酸化物半導体チャネル層が有す
る性能を十分に発揮することが出来る。According to the semiconductor device having the above structure, since the interface of the oxide semiconductor channel layer in contact with the oxide semiconductor barrier layer is formed by epitaxial growth, it is difficult to generate an interface level due to a defect or the like, and oxidation is caused. The interface between the object semiconductor channel layer and the oxide semiconductor barrier layer is cleaned. Therefore, a high concentration and high mobility carrier gas can be generated at the interface of the oxide semiconductor channel layer in contact with the oxide semiconductor barrier layer, and the performance of the oxide semiconductor channel layer can be sufficiently exhibited. Can be done.
【0037】また、上記酸化物半導体チャネル層の特質
を十分に生かせるので、付加価値を高めることが出来
る。Further, since the characteristics of the oxide semiconductor channel layer can be fully utilized, the added value can be increased.
【0038】また、上記半導体素子を、例えば電界効果
トランジスタ等の半導体スイッチング素子に適用した場
合、電界効果によって酸化物半導体チャネル層の界面に
生じる2次元的なキャリアガスの移動度を飛躍的に向上
させることが出来て、高速スイッチング動作を可能にす
ることが出来る。When the above semiconductor device is applied to a semiconductor switching device such as a field effect transistor, the mobility of the two-dimensional carrier gas generated at the interface of the oxide semiconductor channel layer due to the field effect is dramatically improved. It is possible to enable high-speed switching operation.
【0039】また、欠陥準位を低減した清浄な界面を形
成出来るから、印加するゲート電圧を低くすることが出
来て、消費電力を低減することができる。Further, since a clean interface with reduced defect levels can be formed, the applied gate voltage can be lowered and power consumption can be reduced.
【0040】一実施形態の半導体素子は、上記酸化物半
導体チャネル層が、ZnO、MgXZn1−XOおよび
CdXZn1−XOのうちの少なくとも1つの酸化物半
導体より成っている。The semiconductor device of one embodiment, the oxide semiconductor channel layer, ZnO, is composed of at least one oxide semiconductor of Mg X Zn 1-X O and Cd X Zn 1-X O.
【0041】上記実施形態の半導体素子は、例えば、開
口率の高いディスプレイデバイスに使用した場合、上記
酸化物半導体チャネル層が、ZnO、MgxZn1−X
OおよびCdxZn1−XOのうちの少なくとも1つの
酸化物半導体より成っているから、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。When the semiconductor element of the above embodiment is used for a display device having a high aperture ratio, for example, the oxide semiconductor channel layer has ZnO, Mg x Zn 1-X.
O and Cd x Zn 1-X from O consists of at least one oxide semiconductor of a high aperture ratio display device can be operated at high speed.
【0042】一実施形態の半導体素子は、上記酸化物半
導体チャネル層および上記酸化物半導体障壁層が、Zn
O、MgXZn1−XOおよびCdXZn1−XOのう
ちの少なくとも1つの酸化物半導体より成っている。In the semiconductor device of one embodiment, the oxide semiconductor channel layer and the oxide semiconductor barrier layer are made of Zn.
It is composed of at least one oxide semiconductor of O, Mg X Zn 1-X O, and Cd X Zn 1-X O.
【0043】上記実施形態の半導体素子は、例えば、開
口率の高いディスプレイデバイスに使用した場合、上記
酸化物半導体チャネル層および上記酸化物半導体障壁層
が、ZnO、MgXZn1−XOおよびCdXZn
1−XOのうちの少なくとも1つの酸化物半導体より成
っているから、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。The semiconductor device of the above embodiment, for example, when used in high aperture ratio display device, the oxide semiconductor channel layer and the oxide semiconductor barrier layer, ZnO, Mg X Zn 1- X O and Cd X Zn
Since it is made of at least one oxide semiconductor of 1-X 2 O, a display device having a high aperture ratio can be operated at high speed.
【0044】一実施形態の半導体素子は、上記酸化物半
導体チャネル層、上記酸化物半導体障壁層および上記酸
化物ゲート絶縁層が、ZnO、MgXZn1−XOおよ
びCdXZn1−XOのうちの少なくとも1つの酸化物
半導体より成っている。In the semiconductor device of one embodiment, the oxide semiconductor channel layer, the oxide semiconductor barrier layer, and the oxide gate insulating layer are ZnO, Mg X Zn 1-X O, and Cd X Zn 1-X O. Of at least one of the oxide semiconductors.
【0045】上記実施形態の半導体素子は、例えば、開
口率の高いディスプレイデバイスに使用した場合、上記
酸化物半導体チャネル層、上記酸化物半導体障壁層およ
び上記酸化物ゲート絶縁層が、ZnO、MgXZn
1−XOおよびCdXZn1−XOのうちの少なくとも
1つの酸化物半導体より成っているから、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。When the semiconductor device of the above embodiment is used for a display device having a high aperture ratio, for example, the oxide semiconductor channel layer, the oxide semiconductor barrier layer, and the oxide gate insulating layer are made of ZnO, Mg X. Zn
Since it is made of at least one oxide semiconductor of 1-X O and Cd X Zn 1-X O, a display device having a high aperture ratio can be operated at high speed.
【0046】また、本発明の半導体素子は、エピタキシ
ャル成長で形成された酸化物半導体発光層と、上記酸化
物半導体発光層上に形成された酸化物ゲート絶縁層と、
上記酸化物ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極と、
上記酸化物半導体発光層上に形成された第1,第2電極
とを備え、上記酸化物ゲート絶縁層に接する上記酸化物
半導体発光層の界面が反転状態となるように、上記ゲー
ト電極および上記第1電極に電圧印加し、且つ、上記酸
化物ゲート絶縁層に接する上記酸化物半導体発光層の界
面が蓄積状態となるように、上記ゲート電極および上記
第2電極に電圧印加することにより、上記酸化物半導体
発光層中の発光領域に電子および正孔ガスを注入して発
光を得ることを特徴としている。The semiconductor device of the present invention further comprises an oxide semiconductor light emitting layer formed by epitaxial growth, an oxide gate insulating layer formed on the oxide semiconductor light emitting layer,
A gate electrode formed on the oxide gate insulating layer,
A first electrode and a second electrode formed on the oxide semiconductor light emitting layer, wherein the interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer is in an inverted state. By applying a voltage to the first electrode and applying a voltage to the gate electrode and the second electrode such that the interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer is in an accumulated state, It is characterized in that electrons and hole gases are injected into a light emitting region in the oxide semiconductor light emitting layer to obtain light emission.
【0047】上記構成の半導体素子によれば、上記酸化
物ゲート絶縁層に接する上記酸化物半導体発光層の界面
をエピタキシャル成長で形成しているから、欠陥等に起
因する界面準位を生じにくく、酸化物半導体発光層と酸
化物ゲート絶縁層との界面が清浄なる。従って、上記酸
化物半導体発光層が有する性能を十分に発揮することが
出来る。According to the semiconductor device having the above structure, since the interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer is formed by epitaxial growth, it is difficult to generate an interface level due to a defect or the like, and oxidation is caused. The interface between the semiconductor light emitting layer and the oxide gate insulating layer is cleaned. Therefore, the performance of the oxide semiconductor light emitting layer can be sufficiently exhibited.
【0048】また、上記酸化物半導体発光層の特質を十
分に生かせるので、付加価値を高めることが出来る。Further, since the characteristics of the above oxide semiconductor light emitting layer can be fully utilized, the added value can be increased.
【0049】また、上記半導体素子を、例えば発光ダイ
オードやレーザダイオード等の半導体発光素子に適用し
た場合、酸化物ゲート絶縁層に接する酸化物半導体発光
層の界面に電界効果で反転状態を形成し、酸化物半導体
発光層と伝導型の異なる高移動度キャリアを高密度に生
成することが出来る。When the semiconductor element is applied to a semiconductor light emitting element such as a light emitting diode or a laser diode, an inversion state is formed by an electric field effect at the interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer, High mobility carriers having different conductivity types from those of the oxide semiconductor light emitting layer can be generated at high density.
【0050】また、そのような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る。In addition, the carrier generation by such an inversion layer is a semiconductor in which both conductivity types are difficult to produce even though it has optical characteristics such as ZnO having a high added value for industrial use. It is extremely effective for materials.
【0051】また、本発明の半導体素子は、酸化物ゲー
ト絶縁層と、上記酸化物ゲート絶縁層上にエピタキシャ
ル成長で形成された酸化物半導体発光層と、上記酸化物
ゲート絶縁層において上記酸化物半導体発光層と反対側
の表面下に形成されたゲート電極と、上記酸化物半導体
発光層上に形成された第1電極と、上記酸化物ゲート絶
縁層上に形成され、上記酸化物半導体発光層の側面に隣
接する第2電極とを備え、上記酸化物ゲート絶縁層に接
する上記酸化物半導体発光層の界面が反転状態となるよ
うに、上記ゲート電極および上記第1電極に電圧印加す
ることによって、上記酸化物半導体発光層と反対の導電
型のキャリアガスを生成し、上記第1電極と上記第2電
極の間に電圧印加することによって、上記酸化物半導体
発光層中の発光領域に電子および正孔を注入して発光を
得ることを特徴としている。Further, the semiconductor device of the present invention includes an oxide gate insulating layer, an oxide semiconductor light emitting layer formed by epitaxial growth on the oxide gate insulating layer, and the oxide semiconductor in the oxide gate insulating layer. A gate electrode formed under the surface opposite to the light emitting layer, a first electrode formed on the oxide semiconductor light emitting layer, and a first electrode formed on the oxide gate insulating layer, A second electrode adjacent to a side surface, and by applying a voltage to the gate electrode and the first electrode so that an interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer is in an inverted state, By generating a carrier gas having a conductivity type opposite to that of the oxide semiconductor light emitting layer and applying a voltage between the first electrode and the second electrode, a light emitting region in the oxide semiconductor light emitting layer is generated. By injecting electrons and holes is characterized by obtaining light emission in.
【0052】上記構成の半導体素子によれば、上記酸化
物ゲート絶縁層に接する上記酸化物半導体発光層の界面
をエピタキシャル成長で形成しているから、欠陥等に起
因する界面準位を生じにくく、酸化物ゲート絶縁層と酸
化物半導体発光層との界面が清浄になる。従って、上記
酸化物半導体発光層が有する性能を十分に発揮すること
が出来る。According to the semiconductor device having the above structure, since the interface of the oxide semiconductor light emitting layer that is in contact with the oxide gate insulating layer is formed by epitaxial growth, it is difficult to generate an interface state due to a defect or the like, and the oxide is not oxidized. The interface between the object gate insulating layer and the oxide semiconductor light emitting layer is cleaned. Therefore, the performance of the oxide semiconductor light emitting layer can be sufficiently exhibited.
【0053】また、上記酸化物半導体発光層の特質を十
分に生かせるので、付加価値を高めることが出来る。Further, since the characteristics of the oxide semiconductor light emitting layer can be fully utilized, the added value can be increased.
【0054】また、上記半導体素子を、例えば発光ダイ
オードやレーザダイオード等の半導体発光素子に適用し
た場合、酸化物ゲート絶縁層に接する酸化物半導体発光
層の界面に電界効果で反転状態を形成し、酸化物半導体
発光層と伝導型の異なる高移動度キャリアを高密度に生
成することが出来る。When the semiconductor element is applied to a semiconductor light emitting element such as a light emitting diode or a laser diode, an inversion state is formed by an electric field effect at the interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer, High mobility carriers having different conductivity types from those of the oxide semiconductor light emitting layer can be generated at high density.
【0055】また、そのような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る。Further, the carrier generation by such an inversion layer is a semiconductor in which it is difficult to produce a dual conductivity type, although it has optical characteristics such as ZnO having a high added value for industrial use. It is extremely effective for materials.
【0056】また、本発明の半導体素子は、エピタキシ
ャル成長で形成された酸化物半導体発光層と、上記酸化
物半導体発光層上に形成された酸化物ゲート絶縁層と、
上記酸化物ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極と、
上記酸化物半導体発光層において上記酸化物ゲート絶縁
層と反対側の表面下に形成された第1電極と、上記酸化
物半導体発光層において上記酸化物ゲート絶縁層と反対
側の表面下に形成され、上記第1電極よりも大きな面積
を有する第2電極とを備え、上記酸化物ゲート絶縁層に
接する上記酸化物半導体発光層の界面が反転状態となる
ように、上記ゲート電極および上記第1電極に電圧印加
することによって、上記酸化物半導体発光層と反対の導
電型のキャリアガスを生成し、上記第1電極と上記第2
電極の間に電圧印加することによって、上記酸化物半導
体発光層中の発光領域に電子および正孔を注入して発光
を得ることを特徴としている。Further, the semiconductor device of the present invention comprises an oxide semiconductor light emitting layer formed by epitaxial growth, an oxide gate insulating layer formed on the oxide semiconductor light emitting layer,
A gate electrode formed on the oxide gate insulating layer,
A first electrode formed under the surface of the oxide semiconductor light emitting layer opposite to the oxide gate insulating layer; and a first electrode formed under the surface of the oxide semiconductor light emitting layer opposite the oxide gate insulating layer. A second electrode having an area larger than that of the first electrode, and the gate electrode and the first electrode so that an interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer is in an inverted state. By applying a voltage to the substrate, a carrier gas having a conductivity type opposite to that of the oxide semiconductor light emitting layer is generated, and the first electrode and the second electrode are formed.
By applying a voltage between the electrodes, electrons and holes are injected into a light emitting region in the oxide semiconductor light emitting layer to obtain light emission.
【0057】上記構成の半導体素子によれば、上記酸化
物ゲート絶縁層に接する上記酸化物半導体発光層の界面
をエピタキシャル成長で形成しているから、欠陥等に起
因する界面準位を生じにくく、酸化物半導体発光層と酸
化物ゲート絶縁層との界面が清浄になる。従って、上記
酸化物半導体発光層が有する性能を十分に発揮すること
が出来る。According to the semiconductor device having the above structure, the interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer is formed by epitaxial growth. The interface between the semiconductor light emitting layer and the oxide gate insulating layer is cleaned. Therefore, the performance of the oxide semiconductor light emitting layer can be sufficiently exhibited.
【0058】また、上記酸化物半導体発光層の特質を十
分に生かせるので、付加価値を高めることが出来る。Further, since the characteristics of the oxide semiconductor light emitting layer can be fully utilized, the added value can be increased.
【0059】また、上記半導体素子を、例えば発光ダイ
オードやレーザダイオード等の半導体発光素子に適用し
た場合、酸化物ゲート絶縁層に接する酸化物半導体発光
層の界面に電界効果で反転状態を形成し、酸化物半導体
発光層と伝導型の異なる高移動度キャリアを高密度に生
成することが出来る。When the above semiconductor device is applied to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode or a laser diode, an inversion state is formed by an electric field effect at the interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer, High mobility carriers having different conductivity types from those of the oxide semiconductor light emitting layer can be generated at high density.
【0060】また、そのような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る。In addition, the carrier generation by such an inversion layer is a semiconductor in which both conductivity types are difficult to be manufactured, although it has optical characteristics such as ZnO having a high added value for industrial use. It is extremely effective for materials.
【0061】一実施形態の半導体素子は、上記第1電極
は円板形状であり、上記第1電極を取り囲むように上記
第2電極が形成されていて、上記第2電極の面積は上記
第1電極の面積の10倍以上である。In the semiconductor device of one embodiment, the first electrode has a disk shape, the second electrode is formed so as to surround the first electrode, and the area of the second electrode is the first electrode. It is 10 times or more the area of the electrode.
【0062】一実施形態の半導体素子は、面発光型であ
って、上記第1電極は、上記酸化物半導体発光層から発
せられた光を反射する多層構造を有し、上記第1電極お
よび上記酸化物ゲート絶縁層は上記酸化物半導体発光層
より屈折率が低く、上記ゲート電極が上記酸化物半導体
発光層からの発光に対して透過性を有して、上記酸化物
半導体発光層から発せられた光を、上記第1電極と上記
酸化物ゲート絶縁層との間において共振増幅して上記ゲ
ート電極から放出する。The semiconductor device of one embodiment is a surface-emitting type, and the first electrode has a multi-layer structure for reflecting the light emitted from the oxide semiconductor light-emitting layer, and the first electrode and the The oxide gate insulating layer has a lower refractive index than the oxide semiconductor light emitting layer, the gate electrode is transparent to light emitted from the oxide semiconductor light emitting layer, and is emitted from the oxide semiconductor light emitting layer. The emitted light is resonantly amplified between the first electrode and the oxide gate insulating layer and emitted from the gate electrode.
【0063】一実施形態の半導体素子は、面発光型であ
って、上記酸化物半導体発光層の上記第1電極近傍の領
域に、上記酸化物半導体発光層の光を反射する導電性の
多層構造が設けられ、上記第1電極および上記酸化物ゲ
ート絶縁層は上記酸化物半導体発光層より屈折率が低
く、上記ゲート電極が上記酸化物半導体発光層からの発
光に対して透過性を有して、上記酸化物半導体発光層か
ら発せられた光を、上記第1電極と上記酸化物ゲート絶
縁層との間において共振増幅して上記ゲート電極から放
出する。The semiconductor device of one embodiment is a surface-emitting type, and is a conductive multi-layer structure that reflects light of the oxide semiconductor light emitting layer in a region of the oxide semiconductor light emitting layer near the first electrode. The first electrode and the oxide gate insulating layer have a lower refractive index than the oxide semiconductor light emitting layer, and the gate electrode is transparent to light emitted from the oxide semiconductor light emitting layer. The light emitted from the oxide semiconductor light emitting layer is resonantly amplified between the first electrode and the oxide gate insulating layer and emitted from the gate electrode.
【0064】一実施形態の半導体素子は、端面発光型で
あって、上記酸化物半導体発光層の側面に平行な一対の
共振器面を設けると共に、上記共振器面に上記酸化物半
導体発光層からの発光に対する反射膜を隣接させて、上
記酸化物半導体発光層から発せられた光を上記共振器面
で共振増幅して上記反射膜の少なくとも一方から放出す
る。The semiconductor device of one embodiment is of an edge emission type and has a pair of resonator faces parallel to the side surfaces of the oxide semiconductor light emitting layer, and the resonator face is formed from the oxide semiconductor light emitting layer. The light emitted from the oxide semiconductor light emitting layer is resonance-amplified on the resonator surface and emitted from at least one of the reflection films by adjoining a reflection film for the emission of light.
【0065】一実施形態の半導体素子は、上記酸化物半
導体発光層が、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している。The semiconductor device of one embodiment is characterized in that the oxide semiconductor light emitting layer has a multilayer structure having a light or carrier confinement mechanism.
【0066】一実施形態の半導体素子は、上記酸化物半
導体発光層の多層構造が、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している。The semiconductor device of one embodiment is characterized in that the multilayer structure of the oxide semiconductor light emitting layer includes a quantum well structure including a well layer and a barrier layer.
【0067】一実施形態の半導体素子は、上記酸化物半
導体発光層が、ZnO、MgXZn 1−XOおよびCd
XZn1−XOのいずれか1つの酸化物半導体層より成
っている。The semiconductor device of one embodiment is the above oxide semi-conductor.
The conductor light emitting layer is ZnO, MgXZn 1-XO and Cd
XZn1-XO oxide semiconductor layer
ing.
【0068】一実施形態の半導体素子は、LiGaO2
からなる絶縁性基板を備えている。The semiconductor device of one embodiment is LiGaO 2
It is provided with an insulating substrate.
【0069】一実施形態の半導体素子は、
RABO4またはRAO3(BO)n
R:ScおよびInの中から選択した少なくとも1つ
A:Al、FeおよびGaの中から選択した少なくとも
1つ
B:Mg、Mn、Fe、Co、Cu、ZnおよびCdの
中から選択した少なくとも1つ
で示される構造の絶縁体化合物である絶縁性基板を備え
ている。The semiconductor device of one embodiment has at least one selected from RABO 4 or RAO 3 (BO) n R: Sc and In A: at least one selected from Al, Fe and Ga B: It has an insulating substrate which is an insulating compound having a structure represented by at least one selected from Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn and Cd.
【0070】一実施形態の半導体素子は、上記絶縁体化
合物の構造を示す上記RABO4は、ScAlMg
O4、ScGaMgO4、ScAlMnO4、ScGa
CoO4、ScAlCoO4、ScGaZnO4および
ScAlZnO4の中から選択した1つであり、上記絶
縁体化合物の構造を示す上記RAO3(BO)nは、S
cGaO3(ZnO)nおよびScAlO3(ZnO)n
の中から選択した1つである。In the semiconductor device of one embodiment, the RABO 4 showing the structure of the insulator compound is ScAlMg.
O 4 , ScGaMgO 4 , ScAlMnO 4 , ScGa
It is one selected from CoO 4 , ScAlCoO 4 , ScGaZnO 4, and ScAlZnO 4 , and RAO 3 (BO) n , which represents the structure of the insulator compound, is S
cGaO 3 (ZnO) n and ScAlO 3 (ZnO) n
It is one selected from.
【0071】[0071]
【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体素子を図示
の実施の形態により詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The semiconductor device of the present invention will be described in detail below with reference to the embodiments shown in the drawings.
【0072】(実施形態1)図1に、本発明の実施形態
1の光学素子の模式断面図を示す。この半導体素子は、
エピタキシャル成長で形成された半導体層11と、この
半導体層11上にエピタキシャル成長で形成された酸化
物障壁層12とを備えている。上記酸化物障壁層12の
バンドギャップは、半導体層11のバンドギャップに比
べて広くなっている。また、上記半導体素子は、半導体
層11の図中下面に接するオーミック電極14と、酸化
物障壁層12の図中上面に接するゲート電極13とを備
えている。(Embodiment 1) FIG. 1 shows a schematic sectional view of an optical element according to Embodiment 1 of the present invention. This semiconductor element
The semiconductor layer 11 formed by epitaxial growth and the oxide barrier layer 12 formed by epitaxial growth on the semiconductor layer 11 are provided. The band gap of the oxide barrier layer 12 is wider than that of the semiconductor layer 11. Further, the semiconductor element includes an ohmic electrode 14 in contact with the lower surface of the semiconductor layer 11 in the drawing and a gate electrode 13 in contact with the upper surface of the oxide barrier layer 12 in the drawing.
【0073】上記構成の半導体素子において、オーミッ
ク電極14およびゲート電極13を介して電圧を半導体
層11および酸化物障壁層12に印加した場合、電界効
果によって、酸化物障壁層12に接する半導体層11の
界面には、図3(a),(b)、図4(a),(b)お
よび図5(a),(b)に示すような状態が形成され
る。なお、図3(a)、図4(a)および図5(a)は
p型半導体の場合を示し、図3(b)、図4(b)およ
び図5(b)はn型半導体の場合を示す。In the semiconductor device having the above structure, when a voltage is applied to the semiconductor layer 11 and the oxide barrier layer 12 via the ohmic electrode 14 and the gate electrode 13, the semiconductor layer 11 in contact with the oxide barrier layer 12 is caused by the electric field effect. 3A, 3B, 4A, 4B and 5A, 5B are formed at the interface of FIG. 3 (a), 4 (a) and 5 (a) show the case of a p-type semiconductor, and FIGS. 3 (b), 4 (b) and 5 (b) show an n-type semiconductor. Indicate the case.
【0074】図3(a),(b)に示すように、正電圧
を印加すると、半導体層11の界面には半導体層11の
多数キャリアが蓄積する。As shown in FIGS. 3A and 3B, when a positive voltage is applied, majority carriers of the semiconductor layer 11 accumulate at the interface of the semiconductor layer 11.
【0075】図4(a),(b)に示すように、負電圧
を印加すると、半導体層11の界面には空乏層が形成さ
れる。As shown in FIGS. 4A and 4B, when a negative voltage is applied, a depletion layer is formed at the interface of the semiconductor layer 11.
【0076】図5(a),(b)に示すように、大きな
負電圧を印加すると、半導体層11の界面には、半導体
層11の少数キャリアによる反転層が形成される。As shown in FIGS. 5A and 5B, when a large negative voltage is applied, an inversion layer due to minority carriers of the semiconductor layer 11 is formed at the interface of the semiconductor layer 11.
【0077】なお、ここではオーミック電極14を半導
体層11と同じ極性の電位とした場合を正電圧と定義
し、上記蓄積状態による多数キャリア、および、反転状
態による少数キャリアをいずれもキャリアガスと呼んで
いる。Here, the case where the ohmic electrode 14 has the same polarity as that of the semiconductor layer 11 is defined as a positive voltage, and the majority carrier in the accumulated state and the minority carrier in the inverted state are both called carrier gas. I'm out.
【0078】このような電界効果によって生成されたキ
ャリアガスは散乱の影響を受けにくく、移動度が飛躍的
に向上する。The carrier gas generated by such an electric field effect is hardly affected by scattering, and the mobility is dramatically improved.
【0079】次に、上記半導体素子の各層の構成材料に
ついて説明する。Next, the constituent material of each layer of the semiconductor element will be described.
【0080】上記のような高移動度のキャリアガスを生
成するためには、キャリアを捕獲するような欠陥などに
起因する界面準位を極力減少させる必要がある。そのた
めには半導体層11と酸化物障壁層12について積層面
内の格子不整合が極力小さい組み合わせを選択し、且
つ、半導体層11の界面がエピタキシャル成長によって
形成されることが重要である。In order to generate a carrier gas having high mobility as described above, it is necessary to reduce the interface state caused by defects such as carrier trapping as much as possible. For that purpose, it is important to select a combination of the semiconductor layer 11 and the oxide barrier layer 12 in which the lattice mismatch in the stacking plane is as small as possible, and to form the interface of the semiconductor layer 11 by epitaxial growth.
【0081】図2に、上記半導体層11として用いられ
る半導体材料の一例と格子定数を示す。なお、上記半導
体層11の半導体体材料として適用可能な半導体材料は
これに限定されるものではない。上記半導体層11にZ
nOあるいはGaNを用いた場合、酸化物障壁層12と
しては、5.6eVのバンドギャップを有し格子不整合
が3%以下のウルツ鉱型結晶構造であるLiGaO2を
用いることが出来る。特にZnOは、酸化物半導体であ
るので、酸化物障壁層12と親和性が高く好ましい。FIG. 2 shows an example of a semiconductor material used as the semiconductor layer 11 and a lattice constant. The semiconductor material applicable as the semiconductor material of the semiconductor layer 11 is not limited to this. Z is added to the semiconductor layer 11.
When nO or GaN is used, LiGaO 2 having a wurtzite crystal structure with a band gap of 5.6 eV and a lattice mismatch of 3% or less can be used as the oxide barrier layer 12. Since ZnO is an oxide semiconductor, it has a high affinity with the oxide barrier layer 12, and is particularly preferable.
【0082】また、上記酸化物障壁層12としては、R
ABO4またはRAO3(BO)nなる構造を有する酸
化物結晶を用いることが出来る。図6および図7に、上
記RABO4またはRAO3(BO)nなる構造を有す
る酸化物結晶の格子定数とイオン半径の関係図を示す。
図6および図7から判るように、元素RはSc、Inよ
りなる群から選択し、且つ元素AはAl、Fe、Gaよ
りなる群から選択し、且つ元素BはMg、Mn、Fe、
Co、Cu、Zn、Cdよりなる群から選択することに
よって、ZnOとの格子不整合率を3%以下とすること
が出来る。すなわち、上記酸化物障壁層12が、
RABO4またはRAO3(BO)n
R:ScおよびInの中から選択した少なくとも1つ
A:Al、FeおよびGaの中から選択した少なくとも
1つ
B:Mg、Mn、Fe、Co、Cu、ZnおよびCdの
中から選択した少なくとも1つ
で示される構造の絶縁体であると、酸化物障壁層12と
ZnOとの格子不整合率を3%以下とすることが出来
る。Further, as the oxide barrier layer 12, R
An oxide crystal having a structure of ABO 4 or RAO 3 (BO) n can be used. FIG. 6 and FIG. 7 show the relationship between the lattice constant and the ionic radius of the oxide crystal having the structure of RABO 4 or RAO 3 (BO) n .
As can be seen from FIGS. 6 and 7, the element R is selected from the group consisting of Sc and In, the element A is selected from the group consisting of Al, Fe, and Ga, and the element B is Mg, Mn, Fe, and
By selecting from the group consisting of Co, Cu, Zn, and Cd, the lattice mismatch rate with ZnO can be 3% or less. That is, the oxide barrier layer 12 includes at least one selected from RABO 4 or RAO 3 (BO) n R: Sc and In, at least one selected from Al, Fe, and Ga, and B: Mg. The lattice mismatching ratio between the oxide barrier layer 12 and ZnO is 3% or less when the insulator has a structure represented by at least one selected from the group consisting of Al, Mn, Fe, Co, Cu, Zn and Cd. You can
【0083】なお好ましくは、上記RABO4は、Sc
AlMgO4、ScGaMgO4、ScAlMnO4、
ScGaCoO4、ScAlCoO4、ScGaZnO
4およびScAlZnO4の中から選択した1つであ
り、上記RAO3(BO)nは、ScGaO3(Zn
O)nおよびScAlO3(ZnO)nの中から選択した
1つである。この場合、上記酸化物障壁層12とZnO
との格子不整合率を1%以下とすることが出来る。More preferably, the RABO 4 is Sc
AlMgO 4 , ScGaMgO 4 , ScAlMnO 4 ,
ScGaCoO 4 , ScAlCoO 4 , ScGaZnO
4 and ScAlZnO 4 , one of the above RAO 3 (BO) n is ScGaO 3 (Zn).
It is one selected from O) n and ScAlO 3 (ZnO) n . In this case, the oxide barrier layer 12 and ZnO
The lattice mismatch rate with
【0084】また、ZnOよりもバンドギャップの大き
い例えばMgXZn1−XOを用いて半導体層11を形
成しても、ポテンシャル障壁を形成することが出来る。
そして、この場合にも、上記酸化物障壁層12とMgX
Zn1−XOとの格子不整合率を1%以下とすることが
出来る。Also, the potential barrier can be formed by forming the semiconductor layer 11 using, for example, Mg X Zn 1-X O having a band gap larger than ZnO.
Also in this case, the oxide barrier layer 12 and the Mg X
The lattice mismatch rate with Zn 1-X O can be set to 1% or less.
【0085】なお、上述のような組み合せは上記に限定
されるものではなく、ZnOよりもバンドギャップの小
さいCdXZn1−XOを用いて半導体層11を形成し
た場合には、ZnOを酸化物障壁層12として用いるこ
とが出来る。つまり、上記酸化物障壁層12をZnOで
形成することが出来る。The combination as described above is not limited to the above, and when Cd X Zn 1-X O having a smaller band gap than ZnO is used to form the semiconductor layer 11, ZnO is oxidized. It can be used as the material barrier layer 12. That is, the oxide barrier layer 12 can be formed of ZnO.
【0086】また、上記半導体層11に、ZnOと同じ
結晶構造を有し格子定数の近いGaN、AlXGa
1−XN、InXGa1−XN、AlXIn1−XNな
どの窒化物半導体を用いてもよい。この場合でも、その
窒化物半導体に対して格子不整合が5%以下となるよう
な酸化物障壁層を選択することによって、酸化物障壁層
に接する窒化物半導体層の界面に、高濃度、高移動度の
キャリアガスを生ぜしめることが出来る。The semiconductor layer 11 has the same crystal structure as ZnO and has a close lattice constant, such as GaN and Al X Ga.
1-X N, In X Ga 1-X N, may be a nitride semiconductor such as Al X In 1-X N. Even in this case, by selecting an oxide barrier layer having a lattice mismatch of 5% or less with respect to the nitride semiconductor, a high concentration and a high concentration can be obtained at the interface of the nitride semiconductor layer in contact with the oxide barrier layer. A carrier gas with mobility can be generated.
【0087】次に、本発明の半導体素子の素子構造とキ
ャリアガス生成領域について述べる。Next, the device structure and carrier gas generation region of the semiconductor device of the present invention will be described.
【0088】図8(a),(b),(c)に、上記半導
体素子の素子構造の変形例を示す。実際の素子製造にお
いては、積層構造は絶縁性の支持基板20,30,40
上に形成される。上記支持基板20としては、酸化物障
壁層22,32と同じ酸化物絶縁体結晶を用いることに
よって、より結晶性に優れた酸化物半導体層21,3
1,41を成長させることが出来て、積層界面における
清浄性が向上するので好ましい。FIGS. 8A, 8B and 8C show modified examples of the element structure of the semiconductor element. In actual device manufacturing, the laminated structure has insulating support substrates 20, 30, 40.
Formed on. By using the same oxide insulator crystal as the oxide barrier layers 22 and 32 as the support substrate 20, the oxide semiconductor layers 21 and 3 having higher crystallinity are used.
1, 41 can be grown, and the cleanliness at the laminated interface is improved, which is preferable.
【0089】図8(a)に示す素子構造では、酸化物半
導体層21上に酸化物障壁層22を形成すると共に、酸
化物半導体層21上において、酸化物障壁層22と所望
の隙間をあけてオーミック電極24を形成している。ま
た、上記酸化物障壁層22上にはゲート電極23を形成
して、オーミック電極24とゲート電極23とを平行に
している。このような構造においては、キャリアガス領
域25は酸化物障壁層22の直下に形成される。つま
り、上記酸化物障壁層22に接する酸化物半導体層21
の界面にキャリアガス領域25が形成される。In the device structure shown in FIG. 8A, the oxide barrier layer 22 is formed on the oxide semiconductor layer 21, and the oxide barrier layer 22 and a desired gap are formed on the oxide semiconductor layer 21. To form the ohmic electrode 24. A gate electrode 23 is formed on the oxide barrier layer 22 so that the ohmic electrode 24 and the gate electrode 23 are parallel to each other. In such a structure, the carrier gas region 25 is formed immediately below the oxide barrier layer 22. That is, the oxide semiconductor layer 21 in contact with the oxide barrier layer 22.
A carrier gas region 25 is formed at the interface.
【0090】図8(b)に示す素子構造では、酸化物障
壁層32をドット状円型とし、これを囲むようにオーミ
ック電極34を形成している。より詳しくは、上記酸化
物半導体層31上に、ドット円板形状の酸化物障壁層3
2を形成すると共に、酸化物半導体層31上において、
酸化物障壁層32を取り囲むようにオーミック電極34
を形成している。その酸化物障壁層32上に、ドット円
板形状のゲート電極33を形成している。このような構
造においては、キャリアガス領域35は酸化物障壁層3
2の直下に円状に形成される。つまり、上記酸化物障壁
層32に接する酸化物半導体層31の界面に円状のキャ
リアガス領域35が形成される。この場合、上記キャリ
アガス領域35のキャリアガス濃度が均一となるので好
ましい。In the device structure shown in FIG. 8B, the oxide barrier layer 32 has a dot-shaped circular shape, and the ohmic electrode 34 is formed so as to surround it. More specifically, the dot disk-shaped oxide barrier layer 3 is formed on the oxide semiconductor layer 31.
2 is formed, and on the oxide semiconductor layer 31,
The ohmic electrode 34 surrounds the oxide barrier layer 32.
Is formed. On the oxide barrier layer 32, a dot disk-shaped gate electrode 33 is formed. In such a structure, the carrier gas region 35 has the oxide barrier layer 3
A circular shape is formed immediately below 2. That is, a circular carrier gas region 35 is formed at the interface of the oxide semiconductor layer 31 in contact with the oxide barrier layer 32. In this case, the carrier gas concentration in the carrier gas region 35 becomes uniform, which is preferable.
【0091】図8(c)に示す素子構造では、支持基板
40は、酸化物障壁層を兼用するものであり、支持基板
を薄く切削研磨することにより得られる。このような構
造においては、キャリアガス領域45を全面に形成する
ことが出来るため好ましい。なお、図8(c)におい
て、43はゲート電極であり、44はオーミック電極で
ある。In the device structure shown in FIG. 8C, the supporting substrate 40 also serves as an oxide barrier layer, and is obtained by thinly cutting and polishing the supporting substrate. In such a structure, the carrier gas region 45 can be formed on the entire surface, which is preferable. In FIG. 8C, 43 is a gate electrode and 44 is an ohmic electrode.
【0092】上記支持基板20,30,40は、LiG
aO2からなる絶縁性基板であっても良い。The supporting substrates 20, 30, 40 are made of LiG.
It may be an insulating substrate made of aO 2 .
【0093】また、上記支持基板20,30,40は、
RABO4またはRAO3(BO)n
R:ScおよびInの中から選択した少なくとも1つ
A:Al、FeおよびGaの中から選択した少なくとも
1つ
B:Mg、Mn、Fe、Co、Cu、ZnおよびCdの
中から選択した少なくとも1つ
で示される構造の絶縁体化合物である絶縁性基板であっ
ても良い。この場合、上記酸化物半導体層21,31,
41との格子不整合率を低くすることが可能となる。Further, the supporting substrate 20, 30, 40 is at least one selected from RABO 4 or RAO 3 (BO) n R: Sc and In and at least one selected from A: Al, Fe and Ga. One B: An insulating substrate that is an insulator compound having a structure represented by at least one selected from Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, and Cd may be used. In this case, the oxide semiconductor layers 21, 31,
It is possible to reduce the lattice mismatch rate with 41.
【0094】上記酸化物半導体層21,31,41との
格子不整合率をより低くする観点上、絶縁体化合物の構
造を示すRABO4は、ScAlMgO4、ScGaM
gO 4、ScAlMnO4、ScGaCoO4、ScA
lCoO4、ScGaZnO 4およびScAlZnO4
の中から選択した1つであるのが好ましく、また、上記
絶縁体化合物の構造を示すRAO3(BO)nは、Sc
GaO3(ZnO)nおよびScAlO3(ZnO)nの
中から選択した1つであることが好ましい。With the oxide semiconductor layers 21, 31, 41
From the viewpoint of lowering the lattice mismatch rate, the structure of the insulator compound is
RABO showing structureFourIs ScAlMgOFour, ScGaM
gO Four, ScAlMnOFour, ScGaCoOFour, ScA
lCoOFour, ScGaZnO FourAnd ScAlZnOFour
It is preferable that it is one selected from
RAO showing structure of insulator compoundThree(BO)nIs Sc
GaOThree(ZnO)nAnd ScAlOThree(ZnO)nof
It is preferably one selected from the above.
【0095】次に、本発明の半導体素子の製造方法につ
いて述べる。Next, a method of manufacturing the semiconductor device of the present invention will be described.
【0096】上述したような清浄な界面を得るには、支
持基板上への半導体層の成長および酸化物障壁層の成長
が連続して行われることが好ましい。In order to obtain a clean interface as described above, it is preferable that the growth of the semiconductor layer and the growth of the oxide barrier layer on the supporting substrate are continuously performed.
【0097】本発明の半導体素子のような酸化物を含む
薄膜の結晶成長手法としては、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、特にZnOの結晶成長においてはパスルレー
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(以下、レーザMBEと言う)法が適している。A pulse laser deposition (PLD) method in which the composition difference between the target and the grown film is small is suitable as a crystal growth method for a thin film containing an oxide such as the semiconductor element of the present invention, and particularly ZnO crystal growth. In this case, a laser molecular beam epitaxy (hereinafter referred to as laser MBE) method in which pulse laser deposition is performed in a high vacuum chamber is suitable.
【0098】また、半導体層に窒化物系半導体を用いる
場合においても、有機化学気相堆積(MOCVD)法で
は酸化物の成長が困難であるのに対し、レーザMBE法
では酸化物、窒化物いずれも成長可能であるため、連続
成長によって清浄な界面を得ることが出来る。Further, even when a nitride-based semiconductor is used for the semiconductor layer, it is difficult to grow an oxide by the organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, whereas it is difficult to grow an oxide or a nitride by the laser MBE method. Since it is also possible to grow, a clean interface can be obtained by continuous growth.
【0099】(実施形態2)図9に、本発明の実施形態
2の半導体素子としてのMIS(金属−絶縁体−半導
体)型電界効果トランジスタの模式断面図を示す。(Embodiment 2) FIG. 9 is a schematic sectional view of a MIS (metal-insulator-semiconductor) type field effect transistor as a semiconductor element according to Embodiment 2 of the present invention.
【0100】上記MIS型電界効果トランジスタは、図
9に示すように、絶縁性基板50上にエピタキシャル成
長で形成された酸化物半導体チャネル層51と、この酸
化物半導体チャネル層51上にエピタキシャル成長で形
成された酸化物ゲート絶縁層52と、この酸化物ゲート
絶縁層52上に形成されたゲート電極53と、絶縁性基
板50上に形成され、酸化物半導体チャネル層51で覆
われたソース電極54,ドレイン電極55とを備えてい
る。As shown in FIG. 9, the MIS field effect transistor is formed by an oxide semiconductor channel layer 51 formed on the insulating substrate 50 by epitaxial growth, and an epitaxial growth on the oxide semiconductor channel layer 51. Oxide gate insulating layer 52, gate electrode 53 formed on the oxide gate insulating layer 52, source electrode 54 formed on the insulating substrate 50 and covered with the oxide semiconductor channel layer 51, and drain And an electrode 55.
【0101】上記構成のMIS型電界効果トランジスタ
は、ゲート電極53とソース電極54の間に電圧を印加
し、ソース電極54とドレイン電極55間の電流を制御
するものである。この電流は、酸化物ゲート絶縁層52
に接する酸化物半導体チャネル層51の界面に生成され
た高移動度のキャリアガスによって生じている。上記M
IS型電界効果トランジスタは実用上ノーマリーオフで
用いられることが多く、酸化物半導体チャネル層51の
試料としては不純物をドープしていない半絶縁性の試
料、または、不純物をわずかにドープした半絶縁性の試
料を用いることが好ましい。この場合には、ゲート電極
53への引加電圧が正負いずれであっても、酸化物ゲー
ト絶縁層52に接する酸化物半導体チャネル層51の界
面には蓄積または反転によってキャリアが生成する。The MIS field effect transistor having the above structure controls the current between the source electrode 54 and the drain electrode 55 by applying a voltage between the gate electrode 53 and the source electrode 54. This current is generated by the oxide gate insulating layer 52.
Is generated by the high-mobility carrier gas generated at the interface of the oxide semiconductor channel layer 51 in contact with. M above
The IS field effect transistor is often used in a normally-off state in practice, and the sample of the oxide semiconductor channel layer 51 is a semi-insulating sample not doped with impurities or a semi-insulating sample slightly doped with impurities. It is preferable to use a sex sample. In this case, regardless of whether the applied voltage to the gate electrode 53 is positive or negative, carriers are generated at the interface of the oxide semiconductor channel layer 51 in contact with the oxide gate insulating layer 52 by accumulation or inversion.
【0102】また、上記酸化物半導体チャネル層51に
不純物をドープして低抵抗とし、ソース電極54および
ドレイン電極55と接する領域にのみ反対の導電型の不
純物を添加してもよい。この場合はゲート電極53への
引加電圧を負とし、反転によって界面にキャリアが生ず
ることによってトランジスタ動作が実現される。Further, the oxide semiconductor channel layer 51 may be doped with an impurity so as to have a low resistance, and an impurity of opposite conductivity type may be added only to a region in contact with the source electrode 54 and the drain electrode 55. In this case, the applied voltage to the gate electrode 53 is made negative, and carriers are generated at the interface due to inversion, so that the transistor operation is realized.
【0103】図10に、上記MIS型電界効果トランジ
スタの変形例の模式断面図を示す。FIG. 10 shows a schematic sectional view of a modification of the MIS field effect transistor.
【0104】図10に示すMIS型電界効果トランジス
タは、絶縁性基板60上にエピタキシャル成長で形成さ
れた酸化物半導体チャネル層61と、この酸化物半導体
チャネル層61上にエピタキシャル成長で形成された酸
化物ゲート絶縁層62と、この酸化物ゲート絶縁層62
上に形成されたゲート電極63と、酸化物半導体チャネ
ル層61上に形成され、酸化物ゲート絶縁層62に隣接
するソース電極64,ドレイン電極65とを備えてい
る。The MIS field effect transistor shown in FIG. 10 has an oxide semiconductor channel layer 61 formed on an insulating substrate 60 by epitaxial growth, and an oxide gate formed on the oxide semiconductor channel layer 61 by epitaxial growth. Insulating layer 62 and this oxide gate insulating layer 62
The gate electrode 63 is formed on the oxide semiconductor channel layer 61, and the source electrode 64 and the drain electrode 65 are formed on the oxide semiconductor channel layer 61 and are adjacent to the oxide gate insulating layer 62.
【0105】上記構成のMIS型電界効果トランジスタ
は、ゲート電極63とソース電極64の間に電圧を印加
し、酸化物ゲート絶縁層62に接する酸化物半導体チャ
ネル層61の界面に高移動度のキャリアガスを生成す
る。このキャリアガスの生成によりソース電極64とド
レイン電極65間に電流が生じ、この電流をMIS型電
界効果トランジスタが制御している。上記MIS型電界
効果トランジスタは、図9のMIS型電界効果トランジ
スタと同様に、実用上ノーマリーオフで用いられること
が多く、酸化物半導体チャネル層61の試料としては不
純物をドープしていない半絶縁性の試料、または、不純
物をわずかにドープした半絶縁性の試料を用いることが
好ましい。この場合には、ゲート電極53への引加電圧
が正負いずれであっても、酸化物ゲート絶縁層62に接
する酸化物半導体チャネル層61の界面には蓄積または
反転によってキャリアが生成する。In the MIS field effect transistor having the above structure, a voltage is applied between the gate electrode 63 and the source electrode 64, and carriers of high mobility are formed at the interface of the oxide semiconductor channel layer 61 in contact with the oxide gate insulating layer 62. Produces gas. A current is generated between the source electrode 64 and the drain electrode 65 by the generation of the carrier gas, and the MIS field effect transistor controls this current. Similar to the MIS field effect transistor of FIG. 9, the MIS field effect transistor is often used in a normally-off state in practice, and as a sample of the oxide semiconductor channel layer 61, a semi-insulating layer not doped with impurities is used. It is preferable to use a conductive sample or a semi-insulating sample slightly doped with impurities. In this case, regardless of whether the applied voltage to the gate electrode 53 is positive or negative, carriers are generated by accumulation or inversion at the interface of the oxide semiconductor channel layer 61 in contact with the oxide gate insulating layer 62.
【0106】また、上記酸化物半導体チャネル層61に
不純物をドープして低抵抗とし、ソース電極64および
ドレイン電極65と接する領域にのみ反対の導電型の不
純物を添加してもよい。この場合は、ゲート電極63へ
の引加電圧を負とし、反転によって界面にキャリアが生
ずることによってトランジスタ動作が実現される。Further, the oxide semiconductor channel layer 61 may be doped with an impurity to have a low resistance, and an impurity of opposite conductivity type may be added only to a region in contact with the source electrode 64 and the drain electrode 65. In this case, the applied voltage to the gate electrode 63 is made negative and carriers are generated at the interface due to the inversion, so that the transistor operation is realized.
【0107】(実施形態3)図11に、本発明の実施形
態3の半導体素子としての高移動度トランジスタの模式
断面図を示す。(Embodiment 3) FIG. 11 shows a schematic cross-sectional view of a high mobility transistor as a semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention.
【0108】上記高移動度トランジスタは、絶縁性基板
70上にエピタキシャル成長で形成され、不純物がドー
プされていない半絶縁性の酸化物半導体チャネル層71
と、この酸化物半導体チャネル層71上にエピタキシャ
ル成長で形成された酸化物半導体障壁層72と、この酸
化物半導体障壁層72上に形成されたゲート電極73、
ソース電極74およびドレイン電極75とを備えてい
る。The high-mobility transistor is formed on the insulating substrate 70 by epitaxial growth and is a semi-insulating oxide semiconductor channel layer 71 which is not doped with impurities.
An oxide semiconductor barrier layer 72 formed by epitaxial growth on the oxide semiconductor channel layer 71, a gate electrode 73 formed on the oxide semiconductor barrier layer 72,
A source electrode 74 and a drain electrode 75 are provided.
【0109】上記酸化物半導体チャネル層71は、不純
物がドープされていない半絶縁性の酸化物半導体、例え
ばノンドープZnOなどを用いて形成されている。ま
た、上記酸化物半導体障壁層72は、不純物をドープし
た酸化物半導体、例えばGaドープn型MgXZn
1−XOなどを用いて形成されている。そして、上記酸
化物半導体障壁層72のバンドギャップは、酸化物半導
体チャネル層71のバンドギャップより大きくなってい
る。The oxide semiconductor channel layer 71 is formed by using a semi-insulating oxide semiconductor which is not doped with impurities, such as non-doped ZnO. The oxide semiconductor barrier layer 72 is formed of an impurity-doped oxide semiconductor, for example, Ga-doped n-type Mg X Zn.
It is formed using 1-X 2 O or the like. The band gap of the oxide semiconductor barrier layer 72 is larger than the band gap of the oxide semiconductor channel layer 71.
【0110】上記酸化物半導体障壁層72上に設けられ
たゲート電極73はショットキー特性を有する。すなわ
ち、上記ゲート電極73は、酸化物半導体障壁層72と
ショットキー接触している。そして、上記ゲート電極7
3は、電圧引加によって直下の酸化物半導体障壁層32
および酸化物半導体チャネル層71に空乏層を生ぜしめ
て高移動度キャリアガスの流れを制御することが出来
る。このようなショットキー型のゲート電極73は、例
えばGaドープn型MgZnO障壁層に対してはAu、
Pt、Pd、Ni、Wなどを用いて形成することが出来
る。また、上記酸化物半導体障壁層72がp型であれ
ば、ショットキー型のゲート電極材料としてはAlが好
ましい。The gate electrode 73 provided on the oxide semiconductor barrier layer 72 has Schottky characteristics. That is, the gate electrode 73 is in Schottky contact with the oxide semiconductor barrier layer 72. Then, the gate electrode 7
3 is an oxide semiconductor barrier layer 32 immediately below under voltage application.
Further, a depletion layer is generated in the oxide semiconductor channel layer 71 to control the flow of high mobility carrier gas. Such a Schottky type gate electrode 73 is Au for a Ga-doped n-type MgZnO barrier layer,
It can be formed using Pt, Pd, Ni, W or the like. If the oxide semiconductor barrier layer 72 is p-type, Al is preferable as the Schottky type gate electrode material.
【0111】また、上記酸化物半導体障壁層72上に設
けられたソース電極74,ドレイン電極75はオーミッ
ク特性を有している。つまり、上記ソース電極74およ
びドレイン電極75は、酸化物半導体障壁層72とオー
ミック接触している。The source electrode 74 and the drain electrode 75 provided on the oxide semiconductor barrier layer 72 have ohmic characteristics. That is, the source electrode 74 and the drain electrode 75 are in ohmic contact with the oxide semiconductor barrier layer 72.
【0112】上記構成の高移動度トランジスタによれ
ば、キャリアが伝導するチャネルが、イオン化不純物が
存在する領域から分離されているから、そのキャリアは
不純物散乱による影響を受けにくい。従って、上記実施
形態2に示した電界効果型トランジスタよりもキャリア
移動度が飛躍的に向上して、より高速なスイッチング動
作が可能となる。According to the high-mobility transistor having the above structure, since the channel through which carriers are carried is separated from the region where ionized impurities are present, the carriers are not easily affected by impurity scattering. Therefore, the carrier mobility is dramatically improved as compared with the field effect transistor shown in the second embodiment, and a faster switching operation becomes possible.
【0113】ところで、ZnOを用いて形成された透明
トランジスタは、Siを用いて形成されたトランジスタ
に比べ液晶などのディスプレイデバイスに用いた場合開
口率が向上し視野角を大きくすることが出来る。このよ
うな透明トランジスタに、本発明の高移動度トランジス
タを適用することにより、更に高精細なディスプレイ装
置を製造することが出来る。By the way, the transparent transistor formed by using ZnO has a higher aperture ratio and a wider viewing angle when used in a display device such as a liquid crystal than a transistor formed by using Si. By applying the high-mobility transistor of the present invention to such a transparent transistor, it is possible to manufacture a display device with higher definition.
【0114】(実施形態4)図12に、本発明の実施形
態4の半導体素子としての高移動度トランジスタの模式
断面図を示す。この高移動度トランジスタは、上記実施
形態3の高移動度トランジスタの変形例である。(Embodiment 4) FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a high mobility transistor as a semiconductor device according to Embodiment 4 of the present invention. This high mobility transistor is a modification of the high mobility transistor of the third embodiment.
【0115】本実施形態4の高移動度トランジスタは、
絶縁性基板80上にエピタキシャル成長で形成された第
1の酸化物半導体障壁層82Aと、この第1の酸化物半
導体障壁層82A上にエピタキシャル成長で形成された
半絶縁性の酸化物半導体チャネル層81と、この酸化物
半導体チャネル層81上にエピタキシャル成長で形成さ
れ第2の酸化物半導体障壁層82Bと、この第2の酸化
物半導体障壁層82B上に半導体コンタクト層86を介
して形成された酸化物ゲート絶縁層87とを備えてい
る。また、上記高移動度トランジスタは、酸化物ゲート
絶縁層87上に形成されたゲート電極83と、半導体コ
ンタクト層86上に形成され、酸化物ゲート絶縁層87
の側方に位置するソース電極84,ドレイン電極85と
を備えている。このソース電極84,ドレイン電極85
は、酸化物ゲート絶縁層87と分離されている。つま
り、上記酸化物ゲート絶縁層87は、ソース電極84,
ドレイン電極85に対して所定の間隔を有している。The high mobility transistor of the fourth embodiment is
A first oxide semiconductor barrier layer 82A formed by epitaxial growth on the insulating substrate 80, and a semi-insulating oxide semiconductor channel layer 81 formed by epitaxial growth on the first oxide semiconductor barrier layer 82A. A second oxide semiconductor barrier layer 82B formed by epitaxial growth on the oxide semiconductor channel layer 81, and an oxide gate formed on the second oxide semiconductor barrier layer 82B via a semiconductor contact layer 86. And an insulating layer 87. The high mobility transistor is formed on the gate electrode 83 formed on the oxide gate insulating layer 87 and the semiconductor contact layer 86, and the high mobility transistor is formed on the oxide gate insulating layer 87.
And a source electrode 84 and a drain electrode 85 located laterally of the. The source electrode 84 and the drain electrode 85
Are separated from the oxide gate insulating layer 87. That is, the oxide gate insulating layer 87 includes the source electrode 84,
It has a predetermined distance from the drain electrode 85.
【0116】上記酸化物半導体チャネル層81は、不純
物がドープされていない半絶縁性の酸化物半導体、例え
ばノンドープZnOなどを用いることが出来る。For the oxide semiconductor channel layer 81, a semi-insulating oxide semiconductor not doped with impurities, such as non-doped ZnO, can be used.
【0117】上記第1,第2の酸化物半導体障壁層82
A,82Bは、不純物がドープされて酸化物半導体チャ
ネル層81より大きいバンドギャップを有する酸化物半
導体、例えばMgXZn1−XOなどを用いて形成され
ている。また、上記酸化物半導体チャネル層81に接す
る第2の酸化物半導体障壁層82Bの界面には、キャリ
アの散乱を防ぐ観点上、不純物がドープされていないこ
とが好ましい。The above first and second oxide semiconductor barrier layers 82
A, 82B, an impurity is formed using an oxide semiconductor having a band gap greater than the oxide semiconductor channel layer 81 is doped, for example, and Mg X Zn 1-X O. Further, it is preferable that the interface of the second oxide semiconductor barrier layer 82B in contact with the oxide semiconductor channel layer 81 is not doped with impurities from the viewpoint of preventing carrier scattering.
【0118】上記半導体コンタクト層86は、第2の酸
化物半導体障壁層82Bに対してソース電極84,ドレ
イン電極85を低抵抗に接触させるためのもので、第1
の酸化物半導体障壁層82Aと同じ伝導型の半導体で形
成されている。また、上記コンタクト層86は第1,第
2の酸化物半導体障壁層82A,82Bよりバンドギャ
ップが小さいことが好ましい。そして、上記酸化物ゲー
ト絶縁層87は、上記実施形態2における酸化物ゲート
絶縁層52,62と同じ材料を用いて形成することが出
来る。The semiconductor contact layer 86 is used to bring the source electrode 84 and the drain electrode 85 into contact with the second oxide semiconductor barrier layer 82B with low resistance.
The oxide semiconductor barrier layer 82A is formed of the same conductive type semiconductor. The contact layer 86 preferably has a smaller bandgap than the first and second oxide semiconductor barrier layers 82A and 82B. The oxide gate insulating layer 87 can be formed by using the same material as the oxide gate insulating layers 52 and 62 in the second embodiment.
【0119】上記構成の高移動度トランジスタは、第2
の酸化物半導体障壁層82Bに接する酸化物半導体チャ
ネル層81の界面に生じた高移動度な2次元キャリアガ
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
ている。このとき、上記酸化物半導体チャネル層81に
おける高移動度キャリアガスの流れを制御するのに半導
体−絶縁体−金属構造、つまりMIS構造を用いている
から、上記実施形態3に比べて絶縁耐圧が高くなってい
る。The high-mobility transistor having the above structure is
The field effect transistor operation is obtained by controlling the flow of the high-mobility two-dimensional carrier gas generated at the interface of the oxide semiconductor channel layer 81 in contact with the oxide semiconductor barrier layer 82B. At this time, since the semiconductor-insulator-metal structure, that is, the MIS structure is used to control the flow of the high mobility carrier gas in the oxide semiconductor channel layer 81, the withstand voltage is higher than that in the third embodiment. It's getting higher.
【0120】また、上記第1,第2の酸化物半導体障壁
層82A,82Bで酸化物半導体チャネル層81を狭ん
でいるから、高移動度キャリアガスの閉じ込めが第3の
実施形態に比べて良好である。更に、上記酸化物半導体
チャネル層81はノンドープ酸化物半導体であるから、
酸化物半導体チャネル層81の結晶性が良好となり、よ
り清浄な積層界面を得ることが出来る。すなわち、上記
酸化物半導体チャネル層81と第2の酸化物半導体障壁
層82Bとの界面をより清浄にすることが出来る。Further, since the oxide semiconductor channel layer 81 is narrowed by the first and second oxide semiconductor barrier layers 82A and 82B, the high mobility carrier gas is better confined as compared with the third embodiment. Is. Furthermore, since the oxide semiconductor channel layer 81 is a non-doped oxide semiconductor,
The crystallinity of the oxide semiconductor channel layer 81 is improved, and a cleaner stacked interface can be obtained. That is, the interface between the oxide semiconductor channel layer 81 and the second oxide semiconductor barrier layer 82B can be cleaned more.
【0121】また、バンドギャップの小さい半導体コン
タクト層86によって、伝導帯のバンド不連続を大きく
とれるため、ノーマリオフ条件であるしきい値電圧制御
が容易となる。Further, since the semiconductor contact layer 86 having a small band gap can make a large band discontinuity in the conduction band, it becomes easy to control the threshold voltage which is a normally-off condition.
【0122】(実施形態5)図13に、本発明の実施形
態5の半導体素子としての発光ダイオードの模式断面図
を示す。(Embodiment 5) FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a light emitting diode as a semiconductor element according to Embodiment 5 of the present invention.
【0123】上記発光ダイオードは、絶縁性基板90上
にエピタキシャル成長で形成された酸化物半導体発光層
91と、この酸化物半導体発光層91上にエピタキシャ
ル成長で形成された酸化物ゲート絶縁層92と、この酸
化物ゲート絶縁層92上に形成されたゲート電極93
と、酸化物半導体発光層91上に形成された第1,第2
電極としての第1,第2のオーミック電極94,95と
を備えている。この第1,第2のオーミック電極94,
95は、酸化物ゲート絶縁層92で覆われている。The light emitting diode described above includes an oxide semiconductor light emitting layer 91 formed on the insulating substrate 90 by epitaxial growth, an oxide gate insulating layer 92 formed on the oxide semiconductor light emitting layer 91 by epitaxial growth, and Gate electrode 93 formed on oxide gate insulating layer 92
And the first and second layers formed on the oxide semiconductor light emitting layer 91.
It is provided with first and second ohmic electrodes 94 and 95 as electrodes. The first and second ohmic electrodes 94,
95 is covered with an oxide gate insulating layer 92.
【0124】上記構成の発光ダイオードによれば、ゲー
ト電極93および第1のオーミック電極94は、酸化物
ゲート絶縁層92に接する酸化物半導体発光層91の界
面が反転状態となるように電圧印加され、且つ、ゲート
電極93および第2のオーミック電極95は、酸化物ゲ
ート絶縁層92に接する酸化物半導体発光層91の界面
が蓄積状態となるように電圧印加される。具体的には、
上記酸化物半導体発光層91がn型である場合、上記ゲ
ート電極93を基準にして第1のオーミック電極94に
正電圧を印加して、酸化物ゲート絶縁層92に接する酸
化物半導体発光層91の界面を反転状態にする。これと
共に、上記ゲート電極93を基準にして第2のオーミッ
ク電極95に負電圧を印加して、酸化物ゲート絶縁層9
2に接する酸化物半導体発光層91の界面を蓄積状態に
する。According to the light emitting diode having the above structure, the voltage is applied to the gate electrode 93 and the first ohmic electrode 94 so that the interface of the oxide semiconductor light emitting layer 91 in contact with the oxide gate insulating layer 92 is in the inverted state. A voltage is applied to the gate electrode 93 and the second ohmic electrode 95 so that the interface of the oxide semiconductor light emitting layer 91 in contact with the oxide gate insulating layer 92 is in an accumulated state. In particular,
When the oxide semiconductor light emitting layer 91 is an n-type, a positive voltage is applied to the first ohmic electrode 94 based on the gate electrode 93 to contact the oxide gate insulating layer 92. Invert the interface of. At the same time, a negative voltage is applied to the second ohmic electrode 95 based on the gate electrode 93, and the oxide gate insulating layer 9 is formed.
The interface of the oxide semiconductor light emitting layer 91 which is in contact with 2 is put into an accumulation state.
【0125】例えば、上記酸化物半導体発光層91をノ
ンドープZnOで形成していた場合、電界効果によっ
て、蓄積状態の電極間には電子が、反転状態の電極間に
は正孔が生じて、ゲート電極93直下の酸化物半導体発
光層91の発光領域において、電子と正孔が再結合する
ことによって波長約380nmの紫外発光が得られる。For example, when the oxide semiconductor light emitting layer 91 is formed of non-doped ZnO, electrons are generated between the electrodes in the accumulation state and holes are generated between the electrodes in the inversion state due to the electric field effect, so that the gate is formed. In the light emitting region of the oxide semiconductor light emitting layer 91 immediately below the electrode 93, the electrons and the holes are recombined to obtain ultraviolet light emission having a wavelength of about 380 nm.
【0126】このような電界効果による反転層キャリア
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、単極
性半導体においても電子・正孔再結合による高効率な発
光を得ることが出来る。The generation of the inversion layer carrier by the electric field effect as described above is a semiconductor in which both conductivity types are difficult to be manufactured although it has optical characteristics such as ZnO having a high added value for industrial use. It is extremely effective as a material, and highly efficient light emission due to electron-hole recombination can be obtained even in a unipolar semiconductor.
【0127】なお、図13では、酸化物半導体発光層9
1をn型ZnOで形成し、p型反転層を形成するための
バイアス回路を示したが、酸化物半導体発光層91をp
型半導体で形成した場合は、第1,第2のオーミック電
極94,95に対する印加電圧の極性を反転させること
により、本実施形態5と同様の効果が得られる。In FIG. 13, the oxide semiconductor light emitting layer 9 is used.
1 is formed of n-type ZnO and a bias circuit for forming a p-type inversion layer is shown.
When it is formed of the type semiconductor, the same effect as that of the fifth embodiment can be obtained by reversing the polarities of the applied voltages to the first and second ohmic electrodes 94 and 95.
【0128】(実施形態6)図14に、本発明の実施形
態6の半導体素子としての発光ダイオードの模式断面図
を示す。(Embodiment 6) FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a light emitting diode as a semiconductor element according to Embodiment 6 of the present invention.
【0129】上記発光ダイオードは、酸化物ゲート絶縁
層102と、この酸化物ゲート絶縁層102上にエピタ
キシャル成長で形成された酸化物半導体発光層101と
を備えている。上記酸化物ゲート絶縁層102において
は、酸化物半導体発光層101と反対側の表面下にゲー
ト電極103を設けている。また、上記酸化物半導体発
光層101上には第1電極としての第1のオーミック電
極104を形成している。そして、上記酸化物ゲート絶
縁層102上において、酸化物半導体発光層101の側
面に隣接する第2電極としての第2のオーミック電極1
05を形成している。The light emitting diode includes an oxide gate insulating layer 102 and an oxide semiconductor light emitting layer 101 formed on the oxide gate insulating layer 102 by epitaxial growth. In the oxide gate insulating layer 102, the gate electrode 103 is provided below the surface opposite to the oxide semiconductor light emitting layer 101. Further, a first ohmic electrode 104 as a first electrode is formed on the oxide semiconductor light emitting layer 101. Then, on the oxide gate insulating layer 102, the second ohmic electrode 1 as a second electrode adjacent to the side surface of the oxide semiconductor light emitting layer 101.
Forming 05.
【0130】上記酸化物ゲート絶縁層102は、絶縁性
基板を研磨などで薄層化することによって得られる。The oxide gate insulating layer 102 is obtained by thinning the insulating substrate by polishing or the like.
【0131】上記構成の発光ダイオードは、電界効果に
よって生じた反転層からの正孔キャリアを、酸化物半導
体発光層101の側面に隣接する第2のオーミック電極
105によって直接制御するようになっているので、上
記実施形態5の発光ダイオードに比べて低消費電力で動
作する。In the light emitting diode having the above structure, the hole carriers generated by the electric field effect from the inversion layer are directly controlled by the second ohmic electrode 105 adjacent to the side surface of the oxide semiconductor light emitting layer 101. Therefore, it operates with lower power consumption than the light emitting diode of the fifth embodiment.
【0132】また、本実施形態6の発光ダイオードにお
いては、発光領域は反転層上に広がった空乏層となり、
この領域に反転層からの正孔および酸化物半導体発光層
101の多数キャリアである電子が注入される。従っ
て、発光特性を制御するために、酸化物半導体発光層1
01は不純物がドープされた低抵抗半導体で形成するこ
とが出来る。Further, in the light emitting diode of the sixth embodiment, the light emitting region is a depletion layer spreading on the inversion layer,
Holes and electrons, which are majority carriers of the oxide semiconductor light emitting layer 101, are injected into this region from the inversion layer. Therefore, in order to control the emission characteristics, the oxide semiconductor light emitting layer 1
01 can be formed of a low resistance semiconductor doped with impurities.
【0133】なお、図14では、上記酸化物半導体発光
層101をn型ZnOで形成し、p型反転層を形成するた
めのバイアス回路を示したが、酸化物半導体発光層10
1をp型半導体で形成した場合は、第1,第2のオーミ
ック電極104,105に対する印加電圧の極性を反転
させることにより、本実施形態6と同様の効果が得られ
る。Although FIG. 14 shows a bias circuit for forming the p-type inversion layer by forming the oxide semiconductor light-emitting layer 101 with n-type ZnO, the oxide semiconductor light-emitting layer 10 is shown.
When 1 is formed of a p-type semiconductor, the same effect as that of the sixth embodiment can be obtained by reversing the polarities of the applied voltages to the first and second ohmic electrodes 104 and 105.
【0134】(実施形態7)図15この発光ダイオード
は、上記実施形態5の発光ダイオードを構造変形したも
のである。(Embodiment 7) FIG. 15 This light emitting diode is a structural modification of the light emitting diode of the fifth embodiment.
【0135】本実施形態7の発光ダイオードは、エピタ
キシャル成長で形成された酸化物半導体発光層111
と、この酸化物半導体発光層111上に形成された酸化
物ゲート絶縁層112とを備えている。また、上記酸化
物ゲート絶縁層112上にはゲート電極113を形成し
ている。そして、上記酸化物半導体発光層111におい
ては、酸化物ゲート絶縁層112と反対側の表面下に第
1,第2電極114,115を設けている。上記第2電
極115は、第1電極114より大きな面積を有して円
板形状の第1電極114を取り囲んでいる。上記第2電
極115には第1電極114と同心円の穴が形成され
て、その穴に第1電極114が収容されている。The light emitting diode of the seventh embodiment has the oxide semiconductor light emitting layer 111 formed by epitaxial growth.
And an oxide gate insulating layer 112 formed on the oxide semiconductor light emitting layer 111. A gate electrode 113 is formed on the oxide gate insulating layer 112. Then, in the oxide semiconductor light emitting layer 111, the first and second electrodes 114 and 115 are provided below the surface opposite to the oxide gate insulating layer 112. The second electrode 115 has a larger area than the first electrode 114 and surrounds the disc-shaped first electrode 114. A hole that is concentric with the first electrode 114 is formed in the second electrode 115, and the first electrode 114 is accommodated in the hole.
【0136】上記構成の発光ダイオードでは、酸化物ゲ
ート絶縁層112に接する酸化物半導体発光層111の
界面が反転状態となるように、ゲート電極113および
第1電極114に電圧を印加する。このとき、上記酸化
物半導体発光層111がn型である場合、第1電極11
4に負電圧、第2電極115に正電圧をそれぞれ印加す
る。上記酸化物半導体発光層111が高抵抗である場
合、接触面積が広く且つ逆バイアスされた第2電極11
5は比較的低い電圧で降伏し、第1電極114と第2電
極115の間には、反転層を通じて電流が流れ、キャリ
ア再結合による発光が得られる。In the light emitting diode having the above structure, a voltage is applied to the gate electrode 113 and the first electrode 114 so that the interface of the oxide semiconductor light emitting layer 111 in contact with the oxide gate insulating layer 112 is in an inverted state. At this time, when the oxide semiconductor light emitting layer 111 is an n-type, the first electrode 11
4, and a positive voltage is applied to the second electrode 115. When the oxide semiconductor light emitting layer 111 has a high resistance, the second electrode 11 has a large contact area and is reverse-biased.
5 breaks down at a relatively low voltage, a current flows between the first electrode 114 and the second electrode 115 through the inversion layer, and light emission due to carrier recombination is obtained.
【0137】本実施形態の構造において、第2電極11
5が低い電圧で降伏するためには、第1電極114の面
積に対する第2電極115の面積の比が10以上である
ことが好ましい。すなわち、上記第2電極115の面積
が第1電極114の面積の10倍以上であることが好ま
しい。In the structure of this embodiment, the second electrode 11
In order for 5 to break down at a low voltage, the ratio of the area of the second electrode 115 to the area of the first electrode 114 is preferably 10 or more. That is, the area of the second electrode 115 is preferably 10 times or more the area of the first electrode 114.
【0138】なお、図15では、酸化物半導体発光層1
11をn型ZnOで形成し、p型反転層を形成するための
バイアス回路を示したが、酸化物半導体発光層111を
p型半導体で形成した場合は、第1,第2電極114,
115に対する印加電圧の極性を反転させることによ
り、本実施形態7と同様の効果が得られる。In FIG. 15, the oxide semiconductor light emitting layer 1 is used.
11 shows n-type ZnO and a bias circuit for forming a p-type inversion layer.
When formed of a p-type semiconductor, the first and second electrodes 114,
By reversing the polarity of the voltage applied to 115, the same effect as in the seventh embodiment can be obtained.
【0139】(実施形態8)図16に、本発明の実施形
態8の半導体素子としての面発光レーザの模式断面図を
示す。(Embodiment 8) FIG. 16 shows a schematic sectional view of a surface emitting laser as a semiconductor device according to Embodiment 8 of the present invention.
【0140】上記面発光レーザは、酸化物ゲート絶縁層
202と、この酸化物ゲート絶縁層202上に形成され
た酸化物半導体発光層201とを備えている。上記酸化
物ゲート絶縁層202は、絶縁性基板を研磨などで薄層
化することによって形成している。The surface emitting laser includes an oxide gate insulating layer 202 and an oxide semiconductor light emitting layer 201 formed on the oxide gate insulating layer 202. The oxide gate insulating layer 202 is formed by thinning an insulating substrate by polishing or the like.
【0141】上記酸化物ゲート絶縁層202上において
は、酸化物半導体発光層201の側面に隣接する第2電
極としての第2のオーミック電極205を形成してい
る。また、上記酸化物ゲート絶縁層202において酸化
物半導体発光層201と反対側の表面下に、ゲート電極
203を設けている。このゲート電極203は透光性を
有するよう薄く形成されている。On the oxide gate insulating layer 202, a second ohmic electrode 205 is formed as a second electrode adjacent to the side surface of the oxide semiconductor light emitting layer 201. A gate electrode 203 is provided below the surface of the oxide gate insulating layer 202 opposite to the oxide semiconductor light emitting layer 201. The gate electrode 203 is formed thin so as to have a light-transmitting property.
【0142】また、上記酸化物半導体発光層201上に
は、第1電極としての第1のオーミック電極204を形
成している。この第1のオーミック電極204は、紫外
光に対して高い反射率を有する導電性の多層膜となって
いる。A first ohmic electrode 204 as a first electrode is formed on the oxide semiconductor light emitting layer 201. The first ohmic electrode 204 is a conductive multilayer film having a high reflectance for ultraviolet light.
【0143】上記構成の面発光レーザは、酸化物半導体
発光層201の膜厚が制御されていて、第1のオーミッ
ク電極204と酸化物ゲート絶縁層202の間で共振増
幅するものである。例えば、上記酸化物半導体発光層2
01をZnOで形成し、酸化物ゲート絶縁層202をS
cAlMgO4で形成した場合には、ScAlMgO 4
の方がZnOよりも低屈折率となるので、上記の光共振
器構造が実現される。The surface emitting laser having the above structure is an oxide semiconductor.
The thickness of the light emitting layer 201 is controlled, and the first ohmic layer
Resonance between the electrode 204 and the oxide gate insulating layer 202.
It is wide. For example, the above oxide semiconductor light emitting layer 2
01 is made of ZnO, and the oxide gate insulating layer 202 is made of S
cAlMgOFourIf it is formed by, ScAlMgO Four
Has a lower refractive index than ZnO.
The vessel structure is realized.
【0144】また、上記第1のオーミック電極204を
多層反射膜とする代りに、第1のオーミック電極と接す
る半導体発光層201の領域を、発光を反射する導電性
の多層構造としても本実施形態8と同様の効果が得ら
れ、ZnOおよび適宜組成制御されたMgXZn1−X
O、CdXZn1−XOなどの混晶を用いることによっ
て実現可能である。Further, instead of using the first ohmic electrode 204 as a multilayer reflective film, the region of the semiconductor light emitting layer 201 which is in contact with the first ohmic electrode may be formed as a conductive multilayer structure for reflecting light emission. 8 has the same effect as that of ZnO and Mg X Zn 1-X whose composition is appropriately controlled.
O, it can be achieved by using a mixed crystal, such as Cd X Zn 1-X O.
【0145】なお、図16では、酸化物半導体発光層2
01をn型ZnOで形成し、p型反転層を形成するための
バイアス回路を示したが、酸化物半導体発光層201を
p型半導体で形成した場合は、第1,第2のオーミック
電極204,205に対する印加電圧の極性を反転させ
ることにより、本実施形態8と同様の効果が得られる。In FIG. 16, the oxide semiconductor light emitting layer 2 is used.
No. 01 is formed of n-type ZnO, and the bias circuit for forming the p-type inversion layer is shown.
When the p-type semiconductor is used, the same effect as that of the eighth embodiment can be obtained by reversing the polarities of the applied voltages to the first and second ohmic electrodes 204 and 205.
【0146】(実施形態9)図17に、本発明の実施形
態9の半導体素子としての端面発光レーザ(ファブリペ
ロー・レーザ)の模式断面図を示す。図17において、
図14に示した実施形態6の発光ダイオードの構成部と
同一構成部には、図14における構成部と同一の参照番
号を付して説明を省略する。(Embodiment 9) FIG. 17 shows a schematic sectional view of an edge emitting laser (Fabry-Perot laser) as a semiconductor element of Embodiment 9 of the present invention. In FIG.
The same components as those of the light emitting diode of the sixth embodiment shown in FIG. 14 are designated by the same reference numerals as those of the components in FIG.
【0147】上記実施形態9の端面発光レーザでは、酸
化物半導体発光層101の側面に平行な一対の共振器面
を設けられていると共に、実施形態8の面発光レーザと
同様に酸化物半導体発光層101からの発光に対する反
射膜306をその共振器面に隣接させている。上記共振
器面間の距離は、酸化物半導体発光層101から発せら
れた光が反射膜306の間で共振増幅されるように制御
されている。The edge emitting laser of the ninth embodiment is provided with a pair of cavity faces parallel to the side faces of the oxide semiconductor light emitting layer 101, and the surface emitting laser of the eighth embodiment emits oxide semiconductor light. A reflection film 306 for light emitted from the layer 101 is adjacent to the cavity surface. The distance between the resonator planes is controlled so that the light emitted from the oxide semiconductor light emitting layer 101 is resonantly amplified between the reflection films 306.
【0148】上記端面発光レーザの構造においては、酸
化物半導体発光層101の発光領域に、光またはキャリ
アの閉じ込め機構を有する多層構造を作りつけることに
より、低しきい値電流でレーザ発振を得ることが出来
る。In the structure of the above edge emitting laser, laser oscillation can be obtained with a low threshold current by forming a multilayer structure having a light or carrier confinement mechanism in the light emitting region of the oxide semiconductor light emitting layer 101. Can be done.
【0149】また、上記多層構造が井戸層および障壁層
から成る量子井戸構造を含むようにすることにより、光
学利得の増大、偏波選択性および消費電力の更なる低減
が可能である。このような発光領域の多層構造は、Zn
Oおよび適宜組成制御されたMgXZn1−XO、Cd
XZn1−XOなどの混晶を用いることによって実現出
来る。Further, by making the above-mentioned multi-layered structure include a quantum well structure composed of well layers and barrier layers, it is possible to increase the optical gain, further reduce the polarization selectivity and the power consumption. The multilayer structure of such a light emitting region is
O and Mg X Zn 1-X O, Cd whose composition is controlled appropriately
It can be realized by using a mixed crystal such as X Zn 1-X O.
【0150】また、上記反射膜306は、片側を発振光
に対して高反射、他方を低反射と非対称にしても良い。Further, the reflection film 306 may be asymmetrical, that is, one side is highly reflective to the oscillated light and the other is low reflective.
【0151】また、本実施形態9の端面発光レーザの構
造は、実施形態5の発光ダイオードの構造にも適用可能
である。すなわち、ゲート電極103および第1,第2
のオーミック電極104,105をストライプ状に形成
し、ストライプ方向に垂直な一対の平行共振器面を酸化
物半導体発光層101の側面に設けるための反射膜を形
成すればよい。The structure of the edge emitting laser of the ninth embodiment can be applied to the structure of the light emitting diode of the fifth embodiment. That is, the gate electrode 103 and the first and second
The ohmic electrodes 104 and 105 may be formed in a stripe shape, and a reflective film may be formed to provide a pair of parallel resonator surfaces perpendicular to the stripe direction on the side surface of the oxide semiconductor light emitting layer 101.
【0152】[0152]
【発明の効果】以上より明らかなように発明の半導体素
子によれば、半導体−絶縁体構造あるいはバンドギャッ
プ障壁を有する半導体ヘテロ接合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。従っ
て、高濃度、高移動度のキャリアガスを生ぜしめること
が出来、酸化物半導体や窒化物半導体の特質を生かして
付加価値を高めることが出来る。As is apparent from the above, according to the semiconductor device of the present invention, since the semiconductor-insulator structure or the semiconductor heterojunction structure having the band gap barrier is formed by epitaxial growth, the interface quasi-state caused by defects or the like is formed. Is less likely to occur and a clean joint interface can be obtained. Therefore, a carrier gas having a high concentration and a high mobility can be generated, and the added value can be increased by utilizing the characteristics of the oxide semiconductor and the nitride semiconductor.
【0153】特に、本発明の半導体素子を電界効果トラ
ンジスタ等の半導体スイッチング素子に適用した場合、
電界効果によって当該界面に生じる2次元的なキャリア
ガスの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。In particular, when the semiconductor device of the present invention is applied to a semiconductor switching device such as a field effect transistor,
The mobility of the two-dimensional carrier gas generated at the interface is dramatically improved by the electric field effect, and a semiconductor element capable of high-speed switching operation can be manufactured.
【0154】また、欠陥準位を低減した清浄な界面を形
成出来るから、印加するゲート電圧を低くすることが出
来て、半導体素子の低消費電力化に寄与する。Further, since a clean interface with reduced defect levels can be formed, the applied gate voltage can be lowered, which contributes to lower power consumption of the semiconductor element.
【0155】特に、ZnOなどの透明酸化物半導体に適
用することによって、これを用いた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。In particular, when applied to a transparent oxide semiconductor such as ZnO, a display device having a high aperture ratio using the same can be operated at high speed.
【0156】また、本発明の半導体素子を発光ダイオー
ドやレーザダイオード等の半導体発光素子に適用した場
合、電界効果によって当該界面に反転状態を形成し、半
導体層と伝導型の異なる高移動度キャリアを高密度に生
成することが出来る。このような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る。When the semiconductor device of the present invention is applied to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode or a laser diode, an inversion state is formed at the interface due to an electric field effect, and high mobility carriers having a conductivity type different from that of the semiconductor layer are formed. It can be generated at high density. Such carrier generation by the inversion layer is extremely effective for a semiconductor material in which it is difficult to produce a dual-conductivity type, although it has optical characteristics such as ZnO having high added value for industrial use. is there.
【0157】上記のようなポテンシャル障壁を有する積
層構造は、半導体層と格子不整合の極めて小さい障壁層
材料を選択することによって実現出来る。特に当該界面
における格子不整合が5%以下であれば、清浄な界面を
有する積層構造を作製出来る。The laminated structure having the potential barrier as described above can be realized by selecting a barrier layer material having an extremely small lattice mismatch with the semiconductor layer. In particular, if the lattice mismatch at the interface is 5% or less, a laminated structure having a clean interface can be manufactured.
【0158】特に、ZnOについては、このような障壁
層材料として相性の良い酸化物を用いることが出来るた
め、極めて欠陥の少ない界面を有する積層構造を作製す
ること出来る。Particularly for ZnO, since an oxide having a good compatibility can be used as such a barrier layer material, a laminated structure having an interface with extremely few defects can be produced.
【図1】 図1は本発明の実施形態1の半導体素子の模
式断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】 図2は上記実施形態1の半導体素子の半導体
材料の一例とその格子定数とを示す表である。FIG. 2 is a table showing an example of a semiconductor material of the semiconductor device of the first embodiment and its lattice constant.
【図3】 図3(a),(b)は上記実施形態1の半導
体素子における電界印加時の界面状態を説明するための
図である。3 (a) and 3 (b) are views for explaining an interface state when an electric field is applied in the semiconductor device of the first embodiment.
【図4】 図4(a),(b)は上記実施形態1の半導
体素子における電界印加時の界面状態を説明するための
図である。4 (a) and 4 (b) are views for explaining an interface state when an electric field is applied in the semiconductor device of the first embodiment.
【図5】 図5(a),(b)は上記実施形態1の半導
体素子における電界印加時の界面状態を説明するための
図である。5 (a) and 5 (b) are views for explaining an interface state when an electric field is applied in the semiconductor device of the first embodiment.
【図6】 図6は本発明におけるRABO4型酸化物障
壁層材料の格子定数とイオン半径の関係図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the lattice constant and the ionic radius of the RABO 4 type oxide barrier layer material according to the present invention.
【図7】 図7は本発明におけるRAO3(BO)n型
酸化物障壁層材料の格子定数とイオン半径の関係図であ
る。FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the lattice constant and the ionic radius of the RAO 3 (BO) n- type oxide barrier layer material according to the present invention.
【図8】 図8(a),(b)は上記実施形態1の半導
体素子の変形例の上面図および模式断面図であり、図8
(c)は上記実施形態1の半導体素子の変形例の模式断
面図である。8A and 8B are a top view and a schematic cross-sectional view of a modified example of the semiconductor device according to the first embodiment.
(C) is a schematic cross-sectional view of a modified example of the semiconductor device of the first embodiment.
【図9】 図9は本発明の実施形態2の半導体素子とし
ての電界効果トランジスタの模式断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a field effect transistor as a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図10】 図10は上記電界トランジスタの変形例の
模式断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a modified example of the electric field transistor.
【図11】 図11は本発明の実施形態3の半導体素子
としての高移動度トランジスタの模式断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a high mobility transistor as a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
【図12】 図12は本発明の実施形態4の半導体素子
としての高移動度トランジスタの模式断面図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a high mobility transistor as a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
【図13】 図13は本発明の実施形態5の半導体素子
としての発光ダイオードの模式断面図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a light emitting diode as a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図14】 図14は本発明の実施形態6の半導体素子
としての発光ダイオードの概略構成図である。FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a light emitting diode as a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention.
【図15】 図15は本発明の実施形態7の半導体素子
としてのリング電極型の発光ダイオードの下面図および
模式断面図である。FIG. 15 is a bottom view and a schematic cross-sectional view of a ring electrode type light emitting diode as a semiconductor element according to a seventh embodiment of the present invention.
【図16】 図16は本発明の実施形態8の半導体素子
としての面発光レーザの概略構成図である。FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a surface emitting laser as a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention.
【図17】 図17は本発明の実施形態9の半導体素子
ファブリペローレーザの概略構成図である。FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device Fabry-Perot laser according to a ninth embodiment of the present invention.
11 半導体層 12 酸化物障壁層 13 ゲート電極 14 オーミック電極 20,30,40 支持基板 21,31,41 酸化物半導体層 22,32,42 酸化物障壁層 23,33,43 ゲート電極 24,34,44 オーミック電極 25,35,45 キャリアガス領域 50,60,70,80,90 支持基板 51,61 半導体チャネル層 52,62 酸化物ゲート絶縁層 53,63 ゲート電極 54,64 ソース電極 55,65 ドレイン電極 71,81 酸化物半導体チャネル層 72 酸化物半導体障壁層 73,83 ゲート電極 74,84 ソース電極 75,85 ドレイン電極 82A 第1の酸化物半導体障壁層 82B 第2の酸化物半導体障壁層 87 酸化物ゲート絶縁層 91,101,111,201 酸化物半導体発光層 92,102,112,202 酸化物ゲート絶縁層 93,103,113,203 ゲート電極 94,104,204 第1のオーミック電極 95,105,205 第2のオーミック電極 114 第1電極 115 第2電極 11 Semiconductor layer 12 Oxide barrier layer 13 Gate electrode 14 Ohmic electrode 20, 30, 40 support substrate 21, 31, 41 Oxide semiconductor layer 22, 32, 42 Oxide barrier layer 23, 33, 43 Gate electrode 24, 34, 44 Ohmic electrodes 25,35,45 Carrier gas area 50, 60, 70, 80, 90 Support substrate 51, 61 semiconductor channel layer 52,62 Oxide gate insulating layer 53,63 Gate electrode 54,64 Source electrode 55,65 drain electrode 71,81 Oxide semiconductor channel layer 72 Oxide semiconductor barrier layer 73,83 Gate electrode 74,84 Source electrode 75,85 drain electrode 82A First oxide semiconductor barrier layer 82B Second oxide semiconductor barrier layer 87 Oxide gate insulating layer 91, 101, 111, 201 Oxide semiconductor light emitting layer 92,102,112,202 Oxide gate insulating layer 93, 103, 113, 203 Gate electrode 94, 104, 204 First ohmic electrode 95, 105, 205 second ohmic electrode 114 first electrode 115 Second electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 33/00 H01L 29/78 617T H01S 5/183 29/80 H 5/327 (72)発明者 齊藤 肇 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Fターム(参考) 5F041 AA21 AA24 CA08 CA12 CA41 5F073 AA89 AB17 CA22 EA14 EA23 5F102 GB01 GC01 GD01 GD10 GL01 GM01 GM08 GQ01 GQ03 GT01 GT02 GT03 HC01 5F110 AA01 AA30 BB01 CC02 CC04 DD01 FF01 FF05 FF27 GG01 GG06 GG42 5F140 AA01 BA06 BA09 BA10 BA16 BC12 BD13 BE09 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 33/00 H01L 29/78 617T H01S 5/183 29/80 H 5/327 (72) Inventor Hajime Saito 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Prefecture F-terms within Sharp Co., Ltd. (reference) 5F041 AA21 AA24 CA08 CA12 CA41 5F073 AA89 AB17 CA22 EA14 EA23 5F102 GB01 GC01 GD01 GD10 GL01 GM01 GM08 GQ01 GQ03 GT01 GT110 A01A01 A01 BB01 CC02 CC04 DD01 FF01 FF05 FF27 GG01 GG06 GG42 5F140 AA01 BA06 BA09 BA10 BA16 BC12 BD13 BE09
Claims (27)
鉛系または窒化物系半導体層と、上記半導体層上にエピ
タキシャル成長で形成され、上記半導体層より広いバン
ドギャップを有する酸化物障壁層とから成る積層構造を
備え、 上記半導体層と上記酸化物障壁層との間に電圧を印加す
ることによって、上記酸化物障壁層に接する上記半導体
層の界面に高移動度のキャリアガスを生ぜしめることを
特徴とする半導体素子。1. A laminated structure comprising a zinc oxide-based or nitride-based semiconductor layer formed by epitaxial growth and an oxide barrier layer formed by epitaxial growth on the semiconductor layer and having a bandgap wider than that of the semiconductor layer. A semiconductor characterized in that a high mobility carrier gas is generated at an interface of the semiconductor layer in contact with the oxide barrier layer by applying a voltage between the semiconductor layer and the oxide barrier layer. element.
dxZn1−XOのうちの少なくとも1つの酸化物より
成っている酸化亜鉛系半導体層であることを特徴とする
半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is ZnO, Mg x Zn 1-X O and C.
a semiconductor element which is a d x Zn 1-X at least one zinc oxide-based semiconductor layer is composed of an oxide of one of the O.
Ga1−XNおよびAlXIn1−XNのうちの少なく
とも1つの窒化物より成っている窒化物系半導体層であ
ることを特徴とする半導体素子。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is GaN, Al X Ga 1-X N, In X.
A semiconductor device comprising a nitride-based semiconductor layer made of at least one nitride of Ga 1-X N and Al X In 1-X N.
半導体素子において、 上記半導体層と上記酸化物障壁層との界面における格子
不整合率が5%以下であることを特徴とする半導体素
子。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a lattice mismatch ratio at an interface between the semiconductor layer and the oxide barrier layer is 5% or less. Semiconductor device.
半導体素子において、 上記酸化物障壁層がLiGaO2を含んでいることを特
徴とする半導体素子。5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide barrier layer contains LiGaO 2 .
半導体素子において、 上記酸化物障壁層が、 RABO4またはRAO3(BO)n R:ScおよびInの中から選択した少なくとも1つ A:Al、FeおよびGaの中から選択した少なくとも
1つ B:Mg、Mn、Fe、Co、Cu、ZnおよびCdの
中から選択した少なくとも1つ で示される構造の絶縁体を含んでいることを特徴とする
半導体素子。6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide barrier layer is at least one selected from RABO 4 or RAO 3 (BO) n R: Sc and In. A: at least one selected from Al, Fe and Ga, B: containing an insulator having a structure represented by at least one selected from Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn and Cd. A semiconductor device characterized by the above.
4、ScAlMnO4、ScGaCoO4、ScAlC
oO4、ScGaZnO4およびScAlZnO4の中
から選択した1つであり、 上記RAO3(BO)nは、ScGaO3(ZnO)nお
よびScAlO3(ZnO)nの中から選択した1つで
あることを特徴とする半導体素子。7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the RABO 4 is ScAlMgO 4 or ScGaMgO.
4 , ScAlMnO 4 , ScGaCoO 4 , ScAlC
It is one selected from oO 4 , ScGaZnO 4 and ScAlZnO 4 , and the above RAO 3 (BO) n is one selected from ScGaO 3 (ZnO) n and ScAlO 3 (ZnO) n. A semiconductor element characterized by.
半導体素子において、 上記酸化物障壁層は、ZnO、MgXZn1−XOおよ
びCdXZn1−XOのいずれか1つより成る半導体層
であることを特徴とする半導体素子。8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide barrier layer is any one of ZnO, Mg X Zn 1-X O and Cd X Zn 1-X O. A semiconductor element comprising a semiconductor layer composed of two layers.
半導体チャネル層と、 上記酸化物半導体チャネル層上に形成された酸化物ゲー
ト絶縁層と、 上記酸化物ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極と、 上記酸化物半導体チャネル層上に形成されたソース電極
と、 上記酸化物半導体チャネル層上に形成されたドレイン電
極とを備え、 上記酸化物ゲート絶縁層に接する上記酸化物半導体チャ
ネル層の界面に生じた高移動度な2次元キャリアガスの
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。9. An oxide semiconductor channel layer formed by epitaxial growth, an oxide gate insulating layer formed on the oxide semiconductor channel layer, a gate electrode formed on the oxide gate insulating layer, A source electrode formed on the oxide semiconductor channel layer and a drain electrode formed on the oxide semiconductor channel layer, and formed at an interface of the oxide semiconductor channel layer in contact with the oxide gate insulating layer. A semiconductor device characterized in that a field effect type transistor operation is obtained by controlling the flow of a high mobility two-dimensional carrier gas.
縁性の酸化物半導体チャネル層と、 上記酸化物半導体チャネル層上に形成され、不純物がド
ープされて上記酸化物半導体チャネル層より大きいバン
ドギャップを有する酸化物半導体障壁層と、 上記酸化物半導体障壁層上に形成され、上記酸化物半導
体障壁層とショットキー接触するゲート電極と、 上記酸化物半導体障壁層上に形成され、上記酸化物半導
体障壁層とオーミック接触するソース電極と、 上記酸化物半導体障壁層上に形成され、上記酸化物半導
体障壁層とオーミック接触するドレイン電極とを備え、 上記酸化物半導体障壁層に接する上記酸化物半導体チャ
ネル層の界面に生じた高移動度な2次元キャリアガスの
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。10. A semi-insulating oxide semiconductor channel layer formed by epitaxial growth, and an oxide formed on the oxide semiconductor channel layer, which is doped with impurities and has a bandgap larger than that of the oxide semiconductor channel layer. Oxide semiconductor barrier layer, a gate electrode formed on the oxide semiconductor barrier layer and in Schottky contact with the oxide semiconductor barrier layer, and an oxide semiconductor barrier layer formed on the oxide semiconductor barrier layer. An interface of the oxide semiconductor channel layer in contact with the oxide semiconductor barrier layer, the source electrode in ohmic contact, and the drain electrode formed on the oxide semiconductor barrier layer in ohmic contact with the oxide semiconductor barrier layer The field-effect transistor operation is controlled by controlling the flow of the high mobility two-dimensional carrier gas generated in Semiconductor element to be.
縁性の酸化物半導体チャネル層と、 上記酸化物半導体チャネル層上に形成され、不純物がド
ープされて上記酸化物半導体チャネル層より大きいバン
ドギャップを有する酸化物半導体障壁層と、 上記酸化物半導体障壁層上に形成された酸化物ゲート絶
縁層と、 上記酸化物ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極と、 上記酸化物半導体障壁層上に形成されたソース電極と、 上記酸化物半導体障壁層上に形成されたドレイン電極と
を備え、 上記酸化物半導体障壁層に接する上記酸化物半導体チャ
ネル層の界面に生じた高移動度な2次元キャリアガスの
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。11. A semi-insulating oxide semiconductor channel layer formed by epitaxial growth, and an oxide formed on the oxide semiconductor channel layer, which is doped with impurities and has a bandgap larger than that of the oxide semiconductor channel layer. A semiconductor semiconductor barrier layer, an oxide gate insulating layer formed on the oxide semiconductor barrier layer, a gate electrode formed on the oxide gate insulating layer, and an oxide semiconductor barrier layer formed on the oxide semiconductor barrier layer. A high-mobility two-dimensional carrier gas flow generated at an interface of the oxide semiconductor channel layer, which includes a source electrode and a drain electrode formed on the oxide semiconductor barrier layer, and which is in contact with the oxide semiconductor barrier layer. Is controlled to obtain a field effect transistor operation.
て、 上記酸化物半導体チャネル層が、ZnO、MgXZn
1−XOおよびCdXZn1−XOのうちの少なくとも
1つの酸化物半導体より成ることを特徴とする半導体素
子。12. The semiconductor device according to claim 9, wherein the oxide semiconductor channel layer is ZnO, Mg X Zn.
1-X O and Cd X Zn 1-X semiconductor device characterized by comprising at least one oxide semiconductor of O.
て、 上記酸化物半導体チャネル層および上記酸化物半導体障
壁層が、ZnO、Mg XZn1−XOおよびCdXZn
1−XOのうちの少なくとも1つの酸化物半導体より成
ることを特徴とする半導体素子。13. The semiconductor device according to claim 10.
hand, The oxide semiconductor channel layer and the oxide semiconductor barrier
The wall layer is ZnO, Mg XZn1-XO and CdXZn
1-XAt least one oxide semiconductor of O
A semiconductor device characterized by the above.
て、 上記酸化物半導体チャネル層、上記酸化物半導体障壁層
および上記酸化物ゲート絶縁層が、ZnO、MgXZn
1−XOおよびCdXZn1−XOのうちの少なくとも
1つの酸化物半導体より成ることを特徴とする半導体素
子。14. The semiconductor device according to claim 11, wherein the oxide semiconductor channel layer, the oxide semiconductor barrier layer, and the oxide gate insulating layer are ZnO, Mg X Zn.
1-X O and Cd X Zn 1-X semiconductor device characterized by comprising at least one oxide semiconductor of O.
物半導体発光層と、 上記酸化物半導体発光層上に形成された酸化物ゲート絶
縁層と、 上記酸化物ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極と、 上記酸化物半導体発光層上に形成された第1,第2電極
とを備え、 上記酸化物ゲート絶縁層に接する上記酸化物半導体発光
層の界面が反転状態となるように、上記ゲート電極およ
び上記第1電極に電圧印加し、且つ、上記酸化物ゲート
絶縁層に接する上記酸化物半導体発光層の界面が蓄積状
態となるように、上記ゲート電極および上記第2電極に
電圧印加することにより、上記酸化物半導体発光層中の
発光領域に電子および正孔ガスを注入して発光を得るこ
とを特徴とする半導体素子。15. An oxide semiconductor light emitting layer formed by epitaxial growth, an oxide gate insulating layer formed on the oxide semiconductor light emitting layer, and a gate electrode formed on the oxide gate insulating layer. A first electrode and a second electrode formed on the oxide semiconductor light emitting layer, wherein the interface between the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer is in an inverted state. By applying a voltage to the first electrode and applying a voltage to the gate electrode and the second electrode such that the interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer is in an accumulated state, A semiconductor device characterized in that light is obtained by injecting an electron and hole gas into a light emitting region in an oxide semiconductor light emitting layer.
された酸化物半導体発光層と、 上記酸化物ゲート絶縁層において上記酸化物半導体発光
層と反対側の表面下に形成されたゲート電極と、 上記酸化物半導体発光層上に形成された第1電極と、 上記酸化物ゲート絶縁層上に形成され、上記酸化物半導
体発光層の側面に隣接する第2電極とを備え、 上記酸化物ゲート絶縁層に接する上記酸化物半導体発光
層の界面が反転状態となるように、上記ゲート電極およ
び上記第1電極に電圧印加することによって、上記酸化
物半導体発光層と反対の導電型のキャリアガスを生成
し、 上記第1電極と上記第2電極の間に電圧印加することに
よって、上記酸化物半導体発光層中の発光領域に電子お
よび正孔を注入して発光を得ることを特徴とする半導体
素子。16. An oxide gate insulating layer, an oxide semiconductor light emitting layer formed by epitaxial growth on the oxide gate insulating layer, and a surface of the oxide gate insulating layer opposite to the oxide semiconductor light emitting layer. A gate electrode formed below, a first electrode formed on the oxide semiconductor light emitting layer, and a second electrode formed on the oxide gate insulating layer and adjacent to a side surface of the oxide semiconductor light emitting layer. And applying a voltage to the gate electrode and the first electrode so that the interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer is in an inverted state. Electrons and holes are injected into the light emitting region in the oxide semiconductor light emitting layer by generating a carrier gas of opposite conductivity type and applying a voltage between the first electrode and the second electrode. A semiconductor device characterized by being turned on and emitting light.
物半導体発光層と、 上記酸化物半導体発光層上に形成された酸化物ゲート絶
縁層と、 上記酸化物ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極と、 上記酸化物半導体発光層において上記酸化物ゲート絶縁
層と反対側の表面下に形成された第1電極と、 上記酸化物半導体発光層において上記酸化物ゲート絶縁
層と反対側の表面下に形成され、上記第1電極よりも大
きな面積を有する第2電極とを備え、 上記酸化物ゲート絶縁層に接する上記酸化物半導体発光
層の界面が反転状態となるように、上記ゲート電極およ
び上記第1電極に電圧印加することによって、上記酸化
物半導体発光層と反対の導電型のキャリアガスを生成
し、 上記第1電極と上記第2電極の間に電圧印加することに
よって、上記酸化物半導体発光層中の発光領域に電子お
よび正孔を注入して発光を得ることを特徴とする半導体
素子。17. An oxide semiconductor light emitting layer formed by epitaxial growth, an oxide gate insulating layer formed on the oxide semiconductor light emitting layer, a gate electrode formed on the oxide gate insulating layer, A first electrode formed under the surface of the oxide semiconductor light emitting layer opposite to the oxide gate insulating layer; and a first electrode formed under the surface of the oxide semiconductor light emitting layer opposite the oxide gate insulating layer. A second electrode having an area larger than that of the first electrode, and the gate electrode and the first electrode so that an interface of the oxide semiconductor light emitting layer in contact with the oxide gate insulating layer is in an inverted state. To generate a carrier gas having a conductivity type opposite to that of the oxide semiconductor light emitting layer, and applying a voltage between the first electrode and the second electrode, A semiconductor device, wherein electrons and holes are injected into a light emitting region in the oxide semiconductor light emitting layer to obtain light emission.
て、 上記第1電極は円板形状であり、上記第1電極を取り囲
むように上記第2電極が形成されていて、 上記第2電極の面積は上記第1電極の面積の10倍以上
であることを特徴とする半導体素子。18. The semiconductor device according to claim 17, wherein the first electrode has a disc shape, the second electrode is formed so as to surround the first electrode, and the area of the second electrode is large. Is 10 times or more the area of the first electrode.
記載の半導体素子において、 上記第1電極は、上記酸化物半導体発光層から発せられ
た光を反射する多層構造を有し、 上記第1電極および上記酸化物ゲート絶縁層は上記酸化
物半導体発光層より屈折率が低く、 上記ゲート電極が上記酸化物半導体発光層からの発光に
対して透過性を有して、 上記酸化物半導体発光層から発せられた光を、上記第1
電極と上記酸化物ゲート絶縁層との間において共振増幅
して上記ゲート電極から放出することを特徴とする面発
光型の半導体素子。19. The semiconductor element according to claim 16, wherein the first electrode has a multi-layer structure that reflects light emitted from the oxide semiconductor light emitting layer, 1 electrode and the oxide gate insulating layer have a lower refractive index than the oxide semiconductor light emitting layer, the gate electrode is transparent to the light emitted from the oxide semiconductor light emitting layer, the oxide semiconductor light emitting The light emitted from the layer is transmitted to the first
A surface-emitting type semiconductor device characterized in that resonance amplification is performed between an electrode and the oxide gate insulating layer, and the resonant amplification is performed from the gate electrode.
記載の半導体素子において、 上記酸化物半導体発光層の上記第1電極近傍の領域に、
上記酸化物半導体発光層の光を反射する導電性の多層構
造が設けられ、 上記第1電極および上記酸化物ゲート絶縁層は上記酸化
物半導体発光層より屈折率が低く、 上記ゲート電極が上記酸化物半導体発光層からの発光に
対して透過性を有して、 上記酸化物半導体発光層から発せられた光を、上記第1
電極と上記酸化物ゲート絶縁層との間において共振増幅
して上記ゲート電極から放出することを特徴とする面発
光型の半導体素子。20. The semiconductor element according to claim 16, wherein a region of the oxide semiconductor light emitting layer in the vicinity of the first electrode comprises:
A conductive multilayer structure that reflects light of the oxide semiconductor light emitting layer is provided, the first electrode and the oxide gate insulating layer have a lower refractive index than the oxide semiconductor light emitting layer, and the gate electrode is oxidized. The light emitted from the oxide semiconductor light-emitting layer and transmitting the light emitted from the first semiconductor light-emitting layer.
A surface-emitting type semiconductor device characterized in that resonance amplification is performed between an electrode and the oxide gate insulating layer, and the resonant amplification is performed from the gate electrode.
記載の半導体素子において、 上記酸化物半導体発光層の側面に平行な一対の共振器面
を設けると共に、上記共振器面に上記酸化物半導体発光
層からの発光に対する反射膜を隣接させて、 上記酸化物半導体発光層から発せられた光を上記共振器
面で共振増幅して上記反射膜の少なくとも一方から放出
することを特徴とする端面発光型の半導体素子。21. The semiconductor device according to claim 15, wherein a pair of resonator faces parallel to side surfaces of the oxide semiconductor light emitting layer are provided, and the oxide face is formed on the resonator faces. An end face characterized in that a reflection film for light emitted from the semiconductor light emitting layer is adjacently arranged, and light emitted from the oxide semiconductor light emitting layer is resonantly amplified by the resonator surface and emitted from at least one of the reflection films. Light emitting semiconductor device.
記載の半導体素子において、 上記酸化物半導体発光層が、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。22. The semiconductor device according to claim 15, wherein the oxide semiconductor light emitting layer has a multilayer structure having a light or carrier confinement mechanism.
て、 上記酸化物半導体発光層の多層構造が、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。23. The semiconductor device according to claim 22, wherein the multilayer structure of the oxide semiconductor light emitting layer includes a quantum well structure including a well layer and a barrier layer.
記載の半導体素子において、 上記酸化物半導体発光層が、ZnO、MgXZn1−X
OおよびCdXZn1 −XOのいずれか1つの酸化物半
導体層より成ることを特徴とする半導体素子。24. The semiconductor device according to claim 15, wherein the oxide semiconductor light emitting layer is ZnO, Mg X Zn 1-X.
O and Cd X Zn 1 -X any one of an oxide semiconductor semiconductor device characterized by consisting of layers of O.
載の半導体素子において、 LiGaO2からなる絶縁性基板を備えていることを特
徴とする半導体素子。25. The semiconductor element according to claim 1, further comprising an insulating substrate made of LiGaO 2 .
載の半導体素子において、 RABO4またはRAO3(BO)n R:ScおよびInの中から選択した少なくとも1つ A:Al、FeおよびGaの中から選択した少なくとも
1つ B:Mg、Mn、Fe、Co、Cu、ZnおよびCdの
中から選択した少なくとも1つ で示される構造の絶縁体化合物である絶縁性基板を備え
ていることを特徴とする半導体素子。26. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least one selected from RABO 4 or RAO 3 (BO) n R: Sc and In, A: Al, Fe and At least one selected from Ga B: An insulating substrate that is an insulator compound having a structure represented by at least one selected from Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, and Cd. A semiconductor element characterized by.
て、 上記絶縁体化合物の構造を示す上記RABO4は、Sc
AlMgO4、ScGaMgO4、ScAlMnO4、
ScGaCoO4、ScAlCoO4、ScGaZnO
4およびScAlZnO4の中から選択した1つであ
り、 上記絶縁体化合物の構造を示す上記RAO3(BO)n
は、ScGaO3(ZnO)nおよびScAlO3(Z
nO)nの中から選択した1つであることを特徴とする
半導体素子。27. The semiconductor device according to claim 26, wherein the RABO 4 showing the structure of the insulator compound is Sc.
AlMgO 4 , ScGaMgO 4 , ScAlMnO 4 ,
ScGaCoO 4 , ScAlCoO 4 , ScGaZnO
4 and ScAlZnO 4 selected from the group consisting of RAO 3 (BO) n and the structure of the insulator compound.
Is ScGaO 3 (ZnO) n and ScAlO 3 (Z
nO) A semiconductor device characterized by being one selected from n .
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