CN105008597B - Ga2O3系单晶基板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种Ga₂O₃系单晶基板及其制造方法，该Ga₂O₃系单晶基板包括既抑制晶体质量的下降又具有高电阻之Ga₂O₃系单晶。根据本发明的一个实施方式，上述制造方法包括：将Fe添加至Ga₂O₃系原料中，培育含有比从上述Ga₂O₃系原料混入之施主杂质的浓度高的上述Fe之Ga₂O₃系单晶(5)；以及从Ga₂O₃系单晶(5)切出Ga₂O₃系单晶基板。

Description

Ga2O3系单晶基板及其制造方法

技术领域

本发明涉及Ga₂O₃系单晶基板及其制造方法。

背景技术

以往，作为提高Ga₂O₃(三氧化二镓)单晶的电阻率之方法，已知一种掺杂镁(Mg)、铍(Be)或锌(Zn)之方法(例如，参照专利文献1)。在专利文献1中，叙述一种技术，其使用FZ法(Floating zone method)，在培育Ga₂O₃单晶时添加0.01mol％或0.05mol％之 Mg，由此，可使Ga₂O₃单晶高电阻化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-102235号公报

发明内容

发明要解决的问题

作为Ga₂O₃单晶的原料来使用之Ga₂O₃粉末，广泛使用其纯度为 99.999质量％以下者。虽然要制造更高纯度之Ga₂O₃粉末在技术上亦可行，但从成本来看并不切实际。纯度为99.999质量％以下之Ga₂O₃粉末含有微量残留杂质Si(施主杂质)，使用该Ga₂O₃粉末所培育之 Ga₂O₃单晶显示n型导电性。从Ga₂O₃粉末混入之硅(Si)浓度，在 Ga₂O₃单晶中具有分布性，例如，以纯度为99.999质量％之Ga₂O₃粉末作为原料所培育之Ga₂O₃单晶，其最高浓度部分的浓度约为 5×10¹⁷cm^-3左右。

因此，为了制作高电阻Ga₂O₃基板，至少必须将5×10¹⁷cm^-3以上的量之受主杂质(acceptor impurity)掺杂于Ga₂O₃单晶。当Ga₂O₃单晶的原料使用更廉价的低纯度Ga₂O₃粉末时，就必须掺杂更高浓度的受主杂质。

一般而言，在尝试掺杂高浓度的杂质于单晶时有下列问题：目标浓度的杂质的掺杂是困难的，由于掺杂而导致单晶的晶体质量下降等。

因此，本发明之目的之一在于提供一种Ga₂O₃系单晶基板及其制造方法，该Ga₂O₃系单晶基板是由既抑制晶体质量的下降又高电阻化之Ga₂O₃系单晶所构成。

用于解决问题的方案

为了达成上述目的，本发明之一方式提供下述[1]～[5]之Ga₂O₃系单晶基板之制造方法。

[1]一种Ga₂O₃系单晶基板之制造方法，其包括：将Fe添加至 Ga₂O₃系原料中，培育含有比从上述Ga₂O₃系原料混入之施主杂质(donor impurity)的浓度高的上述Fe之Ga₂O₃系单晶之步骤；以及从上述Ga₂O₃系单晶切出Ga₂O₃系单晶基板之步骤。

[2]如上述[1]所述之Ga₂O₃系单晶基板之制造方法，其中，上述Ga₂O₃系原料的纯度为99.999质量％，培育含有浓度为5×10¹⁷cm^-3以上的上述Fe之Ga₂O₃系单晶。

[3]如上述[1]所述之Ga₂O₃系单晶基板之制造方法，其中，上述Ga₂O₃系原料的纯度为99.99质量％，培育含有浓度为5×10¹⁸cm^-3以上的上述Fe之Ga₂O₃系单晶。

[4]如上述[1]～[3]中任一项所述之Ga₂O₃系单晶基板之制造方法，其中，上述施主杂质为Si。

[5]如上述[1]～[3]中任一项所述之Ga₂O₃系单晶基板之制造方法，其中，上述Ga₂O₃系单晶基板的主面具有包含直径为10mm以上的正圆的大小与形状。

另外，为了达成上述目的，本发明之另一方式提供下述[6]～[8] 之Ga₂O₃系单晶基板。

[6]一种Ga₂O₃系单晶基板，其由含有施主杂质和Fe之Ga₂O₃系单晶所构成，上述Fe的浓度比上述施主杂质的浓度高。

[7]如上述[6]所述之Ga₂O₃系单晶基板，其中，上述施主杂质为Si。

[8]如上述[6]或[7]所述之Ga₂O₃系单晶基板，其具有包含直径为10mm以上的正圆的大小与形状的主面。

发明效果

根据本发明，可提供一种Ga₂O₃系单晶基板及其制造方法，该 Ga₂O₃系单晶基板是由既抑制晶体质量的下降又高电阻化之Ga₂O₃系单晶所构成。

附图说明

图1是表示实施方式之红外线加热单晶制造装置。

具体实施方式

〔实施方式〕

(Ga₂O₃系单晶基板)

本实施方式之Ga₂O₃系单晶基板是由含有Si等施主杂质和作为受主杂质的Fe之Ga₂O₃系单晶所构成，并且Fe的浓度比施主杂质的浓度高。因此，本实施方式之Ga₂O₃系单晶基板具有较高的电阻。

优选Ga₂O₃系单晶基板的主面具有包含直径为10mm以上之正圆的大小与形状。该Ga₂O₃系单晶基板的大小适于基板的量产。作为典型的例子，如边长为10mm以上之正方形、直径为10mm以上之正圆、短边的长度为10mm以上之长方形、短径为10mm以上之椭圆。

(Ga₂O₃系单晶基板之制造)

本实施方式之Ga₂O₃系单晶基板是从已掺杂了作为受主杂质的Fe之Ga₂O₃系单晶切出。

本实施方式之Ga₂O₃系单晶是Ga₂O₃单晶或添加有铝(Al)、铟 (In)等元素之Ga₂O₃单晶。例如，亦可是作为添加有Al及In之Ga₂O₃单晶的(Ga_xAl_yIn_(1-x-y))₂O₃(0＜x≤1、0≤y≤1、0＜x+y≤1) 单晶。添加Al时，带隙(band gap)变宽，添加In时则带隙变窄。

通过使用Fe作为受主杂质，既可抑制晶体质量的下降，又可掺杂足够量的受主而培育出高电阻之Ga₂O₃系单晶。

Ga₂O₃系单晶之培育方法不限于特定方法，例如，可使用FZ法 (Floating Zonemethod，悬浮区熔法)、EFG法(Edge-defined Film-fed Growth method，限边馈膜生长法)、CZ法(Czochralski method，直拉法)等。由于既可抑制晶体质量的下降又可培育出高电阻的Ga₂O₃系单晶之效果一般认为是Fe对于Ga₂O₃系单晶的高固溶限(solid solubilitylimit)、高蒸气压所致，因而Ga₂O₃系单晶的培育方法不受限定。

使用纯度为99.999质量％的Ga₂O₃系原料来培育Ga₂O₃系单晶时，以所培育的晶体中的Fe的浓度成为5×10¹⁷cm^-3以上之方式，添加Fe至Ga₂O₃系原料。为此，例如，添加0.001mol％以上的Fe。由此，所培育的Ga₂O₃系单晶中的Fe的浓度变得比从Ga₂O₃系原料混入的 Si的浓度更高，而该Si则作为施主杂质发挥作用。

使用纯度为99.99质量％的Ga₂O₃系原料来培育Ga₂O₃系单晶时，以所培育的晶体中的Fe的浓度成为5×10¹⁸cm^-3以上之方式，添加Fe 至Ga₂O₃系原料。为此，例如，添加0.01mol％以上的Fe。由此，所培育的Ga₂O₃系单晶中的Fe的浓度变得比从Ga₂O₃系原料混入的Si 的浓度更高，而该Si则作为施主杂质发挥作用。

在此，例如，当Ga₂O₃系单晶为Ga₂O₃单晶时，Ga₂O₃系原料为 Ga₂O₃粉末。另外，当Ga₂O₃系单晶为(Ga_xAl_yIn_(1-x-y))₂O₃(0＜x ≤1、0≤y≤1、0＜x+y≤1)单晶时，Ga₂O₃系原料则为Ga₂O₃粉末、 Al₂O₃粉末以及In₂O₃粉末之混合粉末。

另外，本实施方式之Ga₂O₃系单晶例如为β-Ga₂O₃系单晶，但亦可为α-Ga₂O₃系单晶等具有其它构造之Ga₂O₃系单晶。同样地，Ga₂O₃系单晶基板例如为β-Ga₂O₃系单晶基板，但亦可为α-Ga₂O₃系单晶基板等具有其它构造之Ga₂O₃系单晶基板。

以下，作为Ga₂O₃系单晶基板之制造方法之一例，来说明使用 FZ法之方法。

图1表示实施方式之红外线加热单晶制造装置。该红外线加热单晶制造装置10是利用FZ法来培育Ga₂O₃系单晶5，并且具有：石英管11；晶种夹头12，其保持由Ga₂O₃系单晶所构成之晶种2；下部旋转轴13，其将旋转传递至晶种夹头12，并可上下移动；材料夹头14，其保持由Ga₂O₃系多晶所构成之多晶材料3；上部旋转轴15，其将旋转传递至材料夹头14，并可上下移动；以及椭圆镜17，其容纳卤素灯16，并将卤素灯16发出的光集中至多晶材料3的规定部位。

石英管11容纳有：晶种夹头12、下部旋转轴13、材料夹头14、上部旋转轴15、晶种2、多晶材料3以及Ga₂O₃系单晶5。石英管11 被供应氧气与作为惰性气体的氮气之混合气体，并能够密闭。

在调整上部旋转轴15的上下位置使晶种2的上端与多晶材料3 的下端接触之状态下，将卤素灯16发出的光集中于该接触部分，加热该接触部分并使其熔解。然后，一边使晶种2与多晶材料3两者或其中一者适当地旋转，一边使加热部分朝多晶材料3的向上方向移动，从而可培育出继承了晶种2的晶体信息之Ga₂O₃系单晶5。

图1是表示Ga₂O₃系单晶5之培育中途之状态，被加热而熔融的熔融部4的上侧为多晶材料3，下侧则为Ga₂O₃系单晶5。

继而，说明使用红外线加热单晶制造装置10来培育作为Ga₂O₃系单晶5之Ga₂O₃单晶之具体步骤。

首先，分别准备由β-Ga₂O₃单晶所构成之晶种2与由含有Fe之β-Ga₂O₃多晶所构成之多晶材料3，该含有Fe之β-Ga₂O₃多晶是向纯度为99.999质量％的Ga₂O₃粉末中添加Fe而制作的。此外，作为添加至Ga₂O₃粉末中之Fe的原料，可使用纯Fe或氧化Fe。

继而，在石英管11中使晶种2与多晶材料3接触，加热该接触部位，并在晶种2与多晶材料3之接触部分使两者熔融。使熔解后的多晶材料3与晶种2一起晶化，从而在晶种2上生成作为含有Fe的Ga₂O₃系单晶5之Ga₂O₃单晶。

在此，作为Ga₂O₃系单晶5之Ga₂O₃单晶被培育成如下大小：可切出Ga₂O₃单晶基板，而该Ga₂O₃单晶基板具有包含直径为10mm以上的正圆的大小与形状的主面。

继而，对该Ga₂O₃单晶施以切断等加工，从而获得高电阻的 Ga₂O₃单晶基板。

在将Fe的添加浓度设为0.01mol％以及0.05mol％之任一情况下， Ga₂O₃单晶均不会产生裂痕，并可获得具有边长为10mm以上的正方形的主面之Ga₂O₃系单晶基板。

所获得之Ga₂O₃单晶的Fe浓度，当将Fe的添加浓度设为 0.01mol％时约为5×10¹⁸cm^-3，而当将Fe的添加浓度设为0.05mol％时则约为1.5×10¹⁹cm^-3。此外，添加了0.05mol％的Fe之Ga₂O₃单晶基板的电阻率为2×10¹²Ωcm左右。

以下，作为本实施方式之比较例，揭示以Fe以外之元素作为受主杂质而掺杂至Ga₂O₃单晶时之实验结果。除了掺杂之受主杂质以外，其它实验条件与上述掺杂Fe之实验相同。

在添加0.05mol％的Mg来培育Ga₂O₃单晶时，所培育的晶体易有裂痕，而无法切出具有边长为10mm以上的正方形的主面之Ga₂O₃单晶基板。一般认为这是由Mg对于Ga₂O₃单晶的固溶限比Fe低所造成。

因此，虽然添加0.01mol％的Mg来培育Ga₂O₃单晶时，可以抑制裂痕的产生，并可切出适于量产的大小的基板，但是未显示出高电阻性。基板中的Mg的浓度约为2～5×10¹⁷cm^-3左右，在高浓度区域中低于5×10¹⁷cm^-3左右的Si浓度。由此可知，为了不产生裂痕地掺杂Mg来使Ga₂O₃单晶高电阻化，必须使用Si浓度更低之纯度为 99.9999％以上的高价Ga₂O₃粉末。

另外，由于要掺杂Zn至Ga₂O₃单晶，因而在向Ga₂O₃粉末中添加了0.05mol％的Zn时，在为了制作棒状多晶材料而进行的烧制中， Zn会蒸发，所培育的Ga₂O₃单晶未显示出高电阻性。利用二次离子质谱法(secondary ion mass spectroscopy，SIMS)来分析所培育的Ga₂O₃单晶中的Zn浓度，结果为检测下限以下(1×10¹⁷cm^-3以下)。由此可知，掺杂高蒸气压的Zn是困难的。

(实施方式之效果)

根据上述实施方式，通过使用Fe作为受主杂质，可培育出既抑制晶体质量的下降又高电阻化的Ga₂O₃系单晶，因而可廉价地获得适于量产的大小之Ga₂O₃系单晶基板。

高电阻的Ga₂O₃系单晶基板例如可用于Ga₂O₃系晶体管之制造，因此，通过使用本实施方式之Ga₂O₃系单晶基板，Ga₂O₃系晶体管之量产变为可能。与作为下一代之功率器件材料而已进行开发之GaN 系晶体管、SiC系晶体管相比，Ga₂O₃系晶体管可期待其发挥低损失且高耐压之特性，因此，如果将Ga₂O₃系晶体管量产，可期待会有世界规模之较大的节能效果。

以上说明了本发明之实施方式，但是本发明不限于上述实施方式，可在未脱离发明主旨的范围内进行各种变形来实施。

例如，在上述实施方式中，举出了Si作为Ga₂O₃系单晶所含有的施主杂质之例子，但是该施主杂质不限于Si，亦可为与Si等价之 IV族元素。因为通过Si等价之IV族元素与Ga₂O₃系单晶的Ga原子进行置换，可生成一个电子，所以Si等价之IV族元素和Si同样地作为施主杂质发挥作用。此时，亦与施主杂质为Si时同样，可发挥上述实施方式之效果。

另外，上述所记载的实施方式并非限定权利要求书之发明。另外，应当注意实施方式中所说明之特征的组合未必全部是用于解决发明之问题的方案所必须的。

工业上的可利用性

提供一种Ga₂O₃系单晶基板及其制造方法，该Ga₂O₃系单晶基板是由既抑制晶体质量的下降又高电阻化之Ga₂O₃系单晶所构成。

附图标记说明

2…晶种、3…多晶材料、5…Ga₂O₃系单晶。

Claims (6)

1.一种Ga₂O₃系单晶基板的制造方法，包括：

为了提高上述Ga₂O₃系单晶基板的电阻值而将Fe添加至Ga₂O₃系原料中，培育含有比从上述Ga₂O₃系原料混入的施主杂质的浓度高的上述Fe的Ga₂O₃系单晶的步骤；以及

从上述Ga₂O₃系单晶切出Ga₂O₃系单晶基板的步骤，

上述施主杂质为Si，上述Fe的添加浓度为0.001mol％以上且0.05mol％以下。

2.如权利要求1所述的Ga₂O₃系单晶基板的制造方法，其中，

上述Ga₂O₃系原料的纯度为99.999质量％，

培育含有浓度为5×10¹⁷cm^-3以上的上述Fe的Ga₂O₃系单晶。

3.如权利要求1所述的Ga₂O₃系单晶基板的制造方法，其中，

上述Ga₂O₃系原料的纯度为99.99质量％，

培育含有浓度为5×10¹⁸cm^-3以上的上述Fe的Ga₂O₃系单晶。

4.如权利要求1～3中任一项所述的Ga₂O₃系单晶基板的制造方法，其中，

上述Ga₂O₃系单晶基板的主面具有包含直径为10mm以上的正圆的大小与形状。

5.一种Ga₂O₃系单晶基板，由含有施主杂质和Fe的Ga₂O₃系单晶所构成，上述Fe的浓度比上述施主杂质的浓度高，上述Ga₂O₃系单晶基板被上述Fe提高了电阻值，其中，

上述施主杂质为Si，上述Fe的添加浓度为0.001mol％以上且0.05mol％以下。

6.如权利要求5所述的Ga₂O₃系单晶基板，

其具有包含直径为10mm以上的正圆的大小与形状的主面。