DE102021109368A1 - Galliumoxid-basierter halbleiter und herstellungsverfahren desselben - Google Patents

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Abstract

Zur Bereitstellung eines Galliumoxid-basierten Halbleiters, dessen Bandlücke ausreichend verringert ist, und eines Herstellungsverfahrens desselben. Ein Galliumoxid-basierter Halbleiter wird bereitgestellt, welcher einen Mischkristall mit einer Zusammensetzung aufweist, welche durch (Ga(1-x)Fex)2yO3dargestellt ist, wobei 0,10 ≤ x ≤ 0,40 und 0,8 ≤ y ≤ 1,2 ist, wobei der Mischkristall eine Beta-Galliumoxid-Struktur aufweist. Ebenso wird ein Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters bereitgestellt, welches das Abscheiden eines Mischkristalls, welcher die Zusammensetzung aufweist, welche durch (Ga(1-x)Fex)2yO3dargestellt ist, wobei 0,10 ≤ x ≤ 0,40 und 0,8 ≤ y ≤ 1,2 ist, auf einer Substrat-Oberfläche durch ein Abscheidungsverfahren mittels gepulstem Laser umfasst, wobei die Temperatur des Substrats als T (°C) bezeichnet wird, x und T dem Zusammenhang, welcher durch 500x + 800 ≤ T < 1000 dargestellt ist, genügen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Galliumoxid-basierten Halbleiter und ein Herstellungsverfahren desselben. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Galliumoxid-basierten Halbleiter, dessen Bandlücke verringert bzw. reduziert ist, und ein Herstellungsverfahren desselben.
  • HINTERGRUND
  • Ein Leistungshalbleiter („semiconductor power device“) ist in verschiedenen elektrischen Geräten bzw. Ausstattungen, wie Haushaltsgeräten, Automobilen, Schienenfahrzeugen (elektrischen Zügen) und industriellen Geräten bzw. Ausstattungen montiert, und wird als eine Vorrichtung zur Steuerung der Spannung und/oder des Stromes verwendet. Zum Zeitpunkt der Steuerung der Spannung und/oder des Stromes fließt Elektrizität durch den Leistungshalbleiter. Bei dieser Gelegenheit wird, wenn der elektrische Widerstand des Leistungshalbleiters groß ist, ein Verlust von elektrischer Energie verursacht. Zum Beispiel verringert sich die Strecke, welche ein elektrisches Fahrzeug mit einer einzigen Aufladung bzw. Ladung fahren kann, im Falle eines elektrischen Fahrzeuges, wenn ein Verlust von elektrischer Energie aufgrund von Energieumwandlung durch den Leistungshalbleiter auftritt. Dementsprechend ist es für den Leistungshalbleiter wichtig, den elektrischen Widerstand zu verringern und den Verlust von elektrischer Energie zu reduzieren.
  • Als das Material für den vorstehend beschriebenen Leistungshalbleiter wurden bisher Siliziumcarbid und/oder Galliumnitrid entwickelt und in praktischer Anwendung bzw. Verwendung eingesetzt. In den letzten Jahren, zieht Galliumoxid die Aufmerksamkeit auf sich als ein Leistungshalbleiter-Material, welches sogar einen geringeren Verlust im Vergleich zu den vorstehenden Materialien erfährt.
  • Das Galliumoxid umfasst Phasen, welche fünf Typen von Kristallstrukturen α, β, γ, δ und ε aufweisen. Von diesen ist die stabilste Phase eine Phase, welche eine Kristallstruktur vom β-Typ, d.h., β-Ga2O3-Phase, aufweist. Die β-Ga2O3-Phase weist eine einzigartige, monokline Beta-Galliumoxid-Struktur (nachstehend, manchmal einfach als „Beta-Galliumoxid-Struktur“ bezeichnet) auf.
  • Als der Galliumoxid-basierte Leistungshalbleiter, welcher eine Beta-Galliumoxid-Struktur aufweist, ist in Nicht-Patentliteratur 1 zum Beispiel einen Galliumoxid-basierten Halbleiter, welcher eine Zusammensetzung von (Ga(1-x)Fex)2O3 aufweist, offenbart. Außerdem offenbart Nicht-Patentliteratur 1 die Bildung des Galliumoxid-basierten Halbleiters auf einem Substrat bei 750 °C unter Verwendung eines Abscheidungsverfahrens mittels gepulstem Laser bzw. Laserstrahlverdampfungsverfahren.
  • STAND DER TECHNIK
  • NICHT-PATENTDOKUMENT
  • [Nicht-Patentdokument 1] Yuanqi Huang, et al, „High-insulating β-Ga2O3 thin films by doping with a valence controllable Fe element", Applied Physics, A (2018) 124:611.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • TECHNISCHES PROBLEM
  • Das Material für einen Leistungshalbleiter wird grundlegend dafür benötigt, um eine große bzw. breite Bandlücke bzw. Bandgap zu haben. Der Galliumoxid-basierte Halbleiter weist eine breite Bandlücke auf, aber abhängig vom Typ des Leistungshalbleiters ist dessen Anwendbarkeit manchmal schwierig, da die Bandlücke zu weit bzw. breit ist. Dementsprechend ist in manchen Fällen beabsichtigt, die Bandlücke des Galliumoxid-basierten Halbleiters zu verringern.
  • Das teilweise Ersetzen von Gallium im Galliumoxid durch Eisen ist dafür bekannt, dass es bewirkt, die Bandlücke des Galliumoxid-basierten Halbleiters zu verringern. Wenn das Ersetzungsverhältnis bzw. Substitutionsverhältnis mit Eisen hoch ist, kann jedoch die Beta-Galliumoxid-Struktur kaum beibehalten werden. Wenn die Beta-Gallium-Struktur im Galliumoxid-basierten Halbleiter beschädigt wird, werden die elektrische Leitfähigkeit, die Nennstehspannung, Stabilität und Herstellungsausbeute einer Vorrichtung, welche den Galliumoxid-basierten Halbleiter verwendet, beeinträchtigt bzw. verschlechtert. Aus diesem Grund kann, wie im Galliumoxid-basierten Halbleiter, welcher im Nicht-Patentdokument 1 beschrieben wird, lediglich eine kleine Menge an Eisen als ein Dotierungsmittel zum Galliumoxid zugegeben werden, und die Bandlücke kann nicht ausreichend verringert bzw. reduziert werden.
  • Ausgehend davon haben die vorliegenden Erfinder ein Problem gefunden, dass ein Galliumoxid-basierter Halbleiter, dessen Bandlücke ausreichend verringert bzw. reduziert ist, und ein Herstellungsverfahren desselben gewünscht werden.
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das vorstehende Problem zu lösen. Insbesondere ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Galliumoxid-basierten Halbleiter, dessen Bandlücke ausreichend verringert ist, und ein Herstellungsverfahren desselben bereitzustellen.
  • LÖSUNG DES PROBLEMS
  • Die vorliegenden Erfinder haben viele intensive Studien durchgeführt, um das vorstehende Ziel zu erreichen und realisierten den Galliumoxid-basierten Halbleiter der vorliegenden Erfindung und ein Herstellungsverfahren desselben. Der Galliumoxid-basierte Halbleiter der vorliegenden Erfindung und ein Herstellungsverfahren desselben umfassen die nachstehenden Ausführungsformen.
    • <1> Ein Galliumoxid-basierter Halbleiter, umfassend einen gemischten Kristall bzw. Mischkristall, welcher eine Zusammensetzung aufweist, welche durch (Ga(1-x)Fex)2yO3, wobei 0,10 ≤ x ≤ 0,40 und 0,8 ≤ y ≤ 1,2 dargestellt ist, und wobei der Mischkristall eine Beta-Galliumoxid-Struktur aufweist.
    • <2> Der Galliumoxid-basierte Halbleiter gemäß Punkt <1>, wobei die halbe Breite bzw. Halbwertsbreite eines von der Beta-Galliumoxid-Struktur abgeleiteten Röntgenbeugungsreflexes bzw. -signals bzw. -peaks 1° oder weniger ist.
    • <3> Der Galliumoxid-basierte Halbleiter gemäß Punkt <1> oder <2>, wobei x 0,10 ≤ x ≤ 0,30 ist.
    • <4> Der Galliumoxid-basierte Halbleiter gemäß einem der Punkte <1> bis <3>, wobei y 1,0 ist.
    • <5> Ein Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters gemäß Punkt <1>, umfassend:
      • Abscheiden bzw. Ablagern eines Mischkristalls, welcher eine Zusammensetzung aufweist, welche durch (Ga(1-x)Fex)2yO3 dargestellt ist, wobei 0,10 ≤ x ≤ 0,40 und 0,8 ≤ y ≤ 1,2 ist, auf einer Substrat-Oberfläche durch ein Abscheidungsverfahren mittels gepulstem Laser bzw. ein Laserverdampfungsverfahren, und
      • wobei die Temperatur des Substrats als T (°C) bezeichnet wird, x und T dem Zusammenhang, welcher durch 500x + 800 ≤ T < 1000 dargestellt ist, genügen.
    • <6> Das Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters gemäß Punkt <5>, wobei x und T dem Zusammenhang, welcher durch 500x + 800 ≤ T ≤ 950 dargestellt ist, genügen.
    • <7> Das Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters gemäß Punkt <5> oder <6>, wobei der Laser, welcher im Abscheidungsverfahren mittels gepulstem Laser bzw. im Laserverdampfungsverfahren verwendet wurde, ein gepulster Ultraviolett-Laser ist.
    • <8> Das Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters gemäß einem der Punkte <5> bis <7>, wobei x 0,10 ≤ x ≤ 0,30 ist.
    • <9> Das Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters gemäß einem der Punkte <5> bis <8>, wobei y 1,0 ist.
  • VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Mischkristall bei einer vorbestimmten Substrat-Temperatur unter Verwendung eines Abscheidungsverfahrens mittels gepulstem Laser bzw. eines Laserverdampfungsverfahren abgeschieden bzw. abgelegt bzw. abgelagert, sodass, selbst wenn Gallium durch eine relativ große Menge an Eisen ersetzt wird, ein die Beta-Galliumoxid-Struktur beibehaltender Galliumoxid-basierter Halbleiter, dessen Bandlücke ausreichend reduziert bzw. verringert ist, und ein Herstellungsverfahren desselben bereitgestellt werden kann.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein erklärendes Diagramm, welches das im Herstellungsverfahren des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung verwendete Abscheidungsverfahren mittels gepulstem Laser bzw. Laserverdampfungsverfahren schematisch darstellt.
    • 2 ist ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung des Mischkristalls im Galliumoxid-basierten Halbleiter, der Substrat-Temperatur, und der Kristallinität darstellt.
    • 3 ist ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Vergleichsbeispiels 1 darstellt.
    • 4 ist ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Vergleichsbeispiels 2 darstellt.
    • 5 ist ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Beispiels 1 darstellt.
    • 6 ist ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Beispiels 2 darstellt.
    • 7 ist ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Beispiels 3 darstellt.
    • 8 ist ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Vergleichsbeispiels 3 darstellt.
    • 9 ist ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung des Mischkristalls im Galliumoxid-basierten Halbleiter und der Bandlücke darstellt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die Ausführungsformen des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung und ein Herstellungsverfahren desselben werden nachstehend im Detail beschrieben. Man beachte, dass die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen den Galliumoxid-basierten Halbleiter der vorliegenden Erfindung und das Herstellungsverfahren desselben nicht beschränken.
  • Im Abscheidungsverfahren mittels gepulstem Laser bzw. im Laserverdampfungsverfahren, wurde es herkömmlich als vorteilhaft erachtet, einen Gegenstand durch Einstellen der Substrat-Temperatur auf 500 bis 750 °C abzuscheiden bzw. abzulagern bzw. abzulegen. Selbst in dem vorstehend beschriebenen Bereich der Substrat-Temperatur, wenn die Substrat-Temperatur 600 °C oder mehr erreicht, wird die Desorption von auf dem Substrat abgeschiedenen Atomen gefördert bzw. unterstützt, und im Gegenzug fällt bzw. sinkt die Abscheidungsrate bzw. Ablagerungsrate schnell. Dementsprechend wurde es als vorteilhafter erachtet, eine Sache durch Einstellen der Substrat-Temperatur auf einen geringeren bzw. niedrigeren Temperaturbereich von 500 bis 600 °C abzulegen.
  • Im Falle des Abscheidens bzw. der Ablagerung von Galliumoxid (Ga2O3), wenn der Kristall in einem niedrigeren Temperaturbereich von 500 bis 600 °C abgeschieden wird, ist es jedoch schwer, die Bildung einer metastabilen Phase (α-Ga2O3), welche eine Korund-Struktur aufweist, zu unterdrücken, folglich kann eine stabilste Phase (β-Ga2O3), welche eine Beta-Galliumoxid-Struktur aufweist, kaum erhalten werden. Deshalb wird im Fall des Abscheidens von Galliumoxid (β-Ga2O3), welches eine Beta-Galliumoxid-Struktur aufweist, der Kristall in einem hohen Temperaturbereich von 650 bis 750 °C abgeschieden.
  • Andererseits ist die Bandlücke des Eisenoxids (Fe2O3) klein bzw. gering im Vergleich zu Galliumoxid (Ga2O3). Dies weist darauf hin, dass die Bandlücke eines Galliumoxid-basierten Halbleiters verringert bzw. reduziert werden kann, wenn Galliumoxid (Ga2O3) und Eisenoxid (Fe2O3) gemischt und kristallisiert werden, d.h., wenn ein Teil des Galliums im Galliumoxid durch Eisen ersetzt wird und ein Mischkristall damit gebildet wird.
  • In dem Fall des Abscheidens eines Mischkristalls, in welchem ein Teil des Galliums im Galliumoxid durch Eisen ersetzt ist, werden Galliumoxid (Ga2O3) und Eisenoxid (Fe2O3) als Targets bzw. Ziele verwendet. Die stabilste Phase von Galliumoxid (Ga2O3) weist eine monokline Beta-Galliumoxid-Struktur auf, und die stabilste Phase von Eisenoxid (Fe2O3) weist eine dreieckige bzw. trigonale Korund-Struktur auf. Dementsprechend wird Galliumoxid (Ga2O3) von Besorgnis begleitet, dass, selbst wenn es in einem hohen Temperaturbereich von 650 bis 750 °C abgeschieden wird, es für den Mischkristall unmöglich sein kann eine Beta-Galliumoxid-Struktur aufgrund des Eisenoxids (Fe2O3) zu erhalten. Es besteht außerdem die Besorgnis hinsichtlich der Trennung bzw. Abtrennung bzw. Segregation von Eisen im Mischkristall.
  • Die vorliegenden Erfinder haben jedoch herausgefunden, dass in der Praxis, wenn das Ersetzungsverhältnis bzw. Substitutionsverhältnis mit Eisen (das Mischungsverhältnis des Target-Eisenoxids (Fe2O3)) innerhalb eines vorbestimmten Bereiches ist, eine Phase, welche eine Beta-Galliumoxid-Struktur aufweist, durch Erhöhen in einem hohen Temperaturbereich bzw. Hochtemperaturbereich, welcher 650 bis 750 °C übersteigt, abgeschieden werden kann, die Substrat-Temperatur proportional zum Ersetzungsverhältnis mit Eisen steigt.
  • Die Anforderungen an die Bestandteile des Galliumoxid-basierten Halbleiters gemäß der vorliegenden Erfindung, basierend auf der vorstehenden Erkenntnis bzw. Feststellung, und ein Herstellungsverfahren desselben werden nachstehend beschrieben.
  • «Galliumoxid-basierter Halbleiter»
  • Zuerst werden die Anforderungen an die Bestandteile des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • <Zusammensetzung des Mischkristalls>
  • Der Galliumoxid-basierte Halbleiter der vorliegenden Erfindung umfasst einen Mischkristall, welcher durch (Ga(1-x)Fex)2yO3 dargestellt ist. In diesem Mischkristall ist ein Teil des Galliums im Galliumoxid (Ga2O3) durch Eisen ersetzt, um eine feste Lösung bzw. einen Mischkristall von Eisen im Galliumoxid (Ga2O3) zu bilden.
  • Das Ersetzungsverhältnis bzw. Substitutionsverhältnis mit Eisen wird durch x dargestellt und genügt 0,1 ≤ x ≤ 0,4. Wenn x 0,1 oder mehr ist, kann die Bandlücke um eine gewünschte Menge relativ zu Galliumoxid (Ga2O3) verringert werden. Hinsichtlich dieses Punktes ist x vorzugsweise 0,15 oder mehr, bevorzugter 0,20 oder mehr. Die gewünschte Verringerungsmenge ist von 1 bis 2 eV.
  • Andererseits kann, wenn x 0,40 oder weniger ist, eine Phase erhalten werden, welche eine Beta-Galliumoxid-Struktur aufweist. Hinsichtlich dieses Punktes ist x vorzugsweise 0,35 oder weniger, bevorzugter 0,30 oder weniger.
  • Der Galliumoxid-basierte Halbleiter der vorliegenden Erfindung umfasst einen Mischkristall, welcher eine Zusammensetzung aufweist, welche typischerweise durch (Ga(1-x)Fex)2yO3 (y = 1,0), d.h., (Ga(1-x)Fex)2O3, dargestellt ist, aber der Mischkristall kann ein Mischkristall sein, welcher eine Zusammensetzung außerhalb von y = 1,0, innerhalb des Bereiches von 0,8 ≤ y ≤ 1,2 aufweist. Im Galliumoxid-Halbleiter der vorliegenden Offenbarung weisen alle Mischkristalle idealerweise eine Zusammensetzung auf, welche durch (Ga(1-x)Fex)2O3 dargestellt ist. Ein Mischkristall, dessen Zusammensetzung nicht (Ga(1-x)Fex)2O3 ist, kann jedoch teilweise enthalten sein. Hinsichtlich dieses Punktes kann y 0,85 oder mehr, 0,90 oder mehr, oder 0,95 oder mehr sein, und kann 1,15 oder weniger, 1,10 oder weniger, oder 1,05 oder weniger sein.
  • Der Galliumoxid-basierte Halbleiter der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Mischkristallen Spurenelemente, etc., enthalten. Die Spurenelemente umfassen typischerweise Dotiermittel.
  • Das Dotiermittel vom n-Typ umfasst Zinn (Sn), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Vanadium (V), Niob (Nb), Tantal (Ta), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Germanium (Ge), Mangan (Mn), Arsen (As), Antimon (Sb), Bismuth (Bi), Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), und Iod (I), etc.
    Einige von diesen können auch in Kombination verwendet werden.
  • Das Dotiermittel vom p-Typ umfasst Magnesium (Mg), Wasserstoff (H), Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Cäsium (Cs), Francium (Fr), Beryllium (Be), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba), Radium (Ra), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Palladium (Pd), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Zink (Zn), Cadmium (Cd), Quecksilber (Hg), Thallium (Tl), Stickstoff (N), Phosphor (P), etc. Einige von diesen können auch in Kombination verwendet werden.
  • Außer den vorstehend beschriebenen Spurenelementen kann der Galliumoxid-basierte Halbleiter unvermeidbare Verunreinigungen enthalten. Die unvermeidbare Verunreinigung gibt eine Verunreinigung an, welche unvermeidbar enthalten ist, oder einen deutlichen Anstieg in den Herstellungskosten verursacht, um dessen Einschluss bzw. Inklusion bzw. Enthaltensein zu vermeiden, wie Verunreinigungen, welche in Rohstoffen des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung enthalten sind, oder Verunreinigungen, welche während des Herstellungsverfahrens reingemischt wurden. Die Verunreinigungen, etc., welche während des Herstellungsverfahrens reingemischt wurden, umfassen eine Substanz, welche im Ausmaß eingesetzt wurde, dass im Wesentlichen kein Einfluss auf die Eigenschaften des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Zweckdienlichkeit der Herstellung bewirkt werden.
  • Das Verfahren zur Analyse bzw. Auswertung der Zusammensetzung des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung ist nicht besonders beschränkt. Insbesondere kann die Zusammensetzung eines Mischkristalls im Galliumoxid-basierten Halbleiter der vorliegenden Erfindung analysiert werden, unter Verwendung zum Beispiel eines Elektronenstrahl-Mikroanalysators („electron probe micro analyzer“, EPMA). Dies ermöglicht eine Auswertung bzw. Analyse des Ersetzungsverhältnisses bzw. Substitutionsverhältnisses x einer bzw. mit einer Komponente, insbesondere mit Eisen, eines Mischkristalls.
  • <Kristallstruktur des Mischkristalls>
  • Der Mischkristall im Galliumoxid-basierten Halbleiter der vorliegenden Erfindung weist eine Beta-Galliumoxid-Struktur auf. Dies ermöglicht, die elektrische Leitfähigkeit, die Nennstehspannung („withstand voltage“) und die Stabilität desselben zu verbessern. Die Beta-Galliumoxid-Struktur des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung entspricht der Kristallstruktur, welche die stabilste Phase (β-Ga2O3) von Galliumoxid aufweist.
  • Die Beta-Galliumoxid-Struktur kann zum Beispiel durch Analysieren des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung mittels Röntgenbeugung bzw. Röntgendiffraktometrie bestätigt werden. Die halbe Breite bzw. Halbwertsbreite eines von der Beta-Galliumoxid-Struktur abgeleiteten Röntgenbeugungsreflexes des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise 1° oder weniger. In diesem Fall ist die Menge an Kristallgitter-Defekten der Beta-Galliumoxid-Struktur im Galliumoxid-basierten Halbleiter der vorliegenden Erfindung verringert bzw. reduziert, und die elektrische Leitfähigkeit, Nennstehspannung und Stabilität desselben sind weiter verbessert. Hinsichtlich dieses Punktes ist die halbe Breite bzw. Halbwertsbreite des Röntgenbeugungsreflexes vorzugsweise 0,8° oder weniger, 0,6° oder weniger, 0,4° oder weniger, oder 0,2° oder weniger. Andererseits besteht kein praktisches Problem, obwohl sich die Menge der Kristallgitter-Defekte der Beta-Galliumoxid-Struktur verringert, wenn die Halbwertsbreite des Röntgenbeugungsreflexes kleiner ist, selbst wenn die Menge der Kristallgitter-Defekte nicht Null ist. Hinsichtlich dieses Punktes kann die Halbwertsbreite des Röntgenbeugungsreflexes 0,1° oder mehr sein.
  • <<Herstellungsverfahren>>
  • Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung umfasst einen Schritt des Abscheidens bzw. Ablagerns. Der Schritt des Abscheidens wird nachstehend beschrieben.
  • <Abscheidungsschritt>
  • Ein Mischkristall, welcher eine Zusammensetzung aufweist, welche durch (Ga(1-x)Fex)2yO3 dargestellt ist, wobei 0,10 ≤ x ≤ 0,40 und 0,8 ≤ y ≤ 1,2 ist, wird auf einer Substrat-Oberfläche durch ein Abscheidungsverfahren mittels gepulstem Laser abgelegt, um den Galliumoxid-basierten Halbleiter der vorliegenden Erfindung zu erhalten. Dies wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • 1 ist ein erklärendes Diagramm, welches das in dem Herstellungsverfahren des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung verwendete Abscheidungsverfahren mittels gepulstem Laser schematisch darstellt.
  • Das Herstellungsverfahren des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung verwendet zum Beispiel einen Abscheidungsapparat 100 mit gepulstem Laser, welcher in 1 dargestellt ist. Der Abscheidungsapparat 100 umfasst eine Vakuumkammer 10. Mit der Vakuumkammer 10 sind eine Atmosphärengas-Einlassvorrichtung 12 und eine Vakuum-Evakuierungsvorrichtung 14 verbunden.
  • Im Inneren der Vakuumkammer 10 sind ein Target 20, ein Substrat 30, und ein Laser-Einlass 40 angeordnet. Das Target 20 und das Substrat 30 sind einander zugewandt. Auf der Oberfläche des Substrats 30, welche nicht dem Target 20 zugewandt ist, ist eine Substrat-Erwärmungsvorrichtung 32 angeordnet. Ein von einem gepulsten Laser-Oszillator (nicht gezeigt) emittierter gepulster Laser 42 wird in das Innere der Vakuumkammer 10 durch den Laser-Einlass 40 eingeführt.
  • Im Herstellungsverfahren des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung wird das Target 20 mit dem gepulsten Laser 42, welcher durch den Laser-Einlass 40 eingeführt wird, bestrahlt, um einen Teil des Targets 20 zu verdampfen oder zu sublimieren (Ablation bzw. Abtragung). Zusätzlich wird das Substrat 30 durch die Substrat-Erwärmungsvorrichtung 32 erwärmt. Anschließend scheidet sich eine verdampfte oder sublimierte (Ablation) Substanz auf der Oberfläche des Substrats 30 ab. Diese Abscheidung bzw. Ablagerung ist der Galliumoxid-basierte Halbleiter 50.
  • Solange ein Galliumoxid-basierter Halbleiter erhalten wird, welcher einen Mischkristall umfasst, welcher eine Zusammensetzung aufweist, welche durch (Ga(1-x)Fex)2yO3 dargestellt ist, wobei 0,10 ≤ x ≤ 0,40 und 0,8 ≤ y ≤ 1,2 ist, ist das Target 20 nicht besonders beschränkt. Typischerweise wird eine verdichtete und gesinterte Masse bzw. Körper eines gemischten Pulvers eines Galliumoxid (Ga2O3)-Pulvers und eines Eisenoxid (Fe2O3)-Pulvers verwendet. Das Galliumoxid (Ga2O3)-Pulver und das Eisenoxid (Fe2O3)-Pulver werden derart vermengt bzw. gemischt, dass das Ersetzungsverhältnis bzw. Substitutionsverhältnis x mit Eisen des Mischkristalls im Galliumoxid-basierten Halbleiter ein gewünschter Wert wird.
  • Der Typ des gepulsten Lasers 42 ist nicht besonders beschränkt. Hinsichtlich des Grundes, dass eine hohe Leistung bzw. Output erhalten wird, ist ein gepulster Ultraviolett-Laser bevorzugt. Als der Laser-Oszillator kann ein Inertgas-Excimer-Laser-Osziallator, ein Halogengas-Laser-Oszillator, etc. verwendet werden. Typischerweise kann ein Argongas-Excimer-Laser-Oszillator, ein Argon-Fluor-Excimer-Laser-Oszillator, etc. verwendet werden.
  • Wenn das Target 20 mit dem gepulsten Laser 42 bestrahlt wird, werden Gallium-Atome, Eisen-Atome und Sauerstoff-Atome vom Galliumoxid (Ga2O3) und Eisenoxid (Fe2O3) im Target 20 in die Vakuumkammer 10 freigesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird vorzugsweise ein Sauerstoff-Gas von der Atmosphärengas-Einführungsvorrichtung 12 in die Vakuumkammer 10 zugeführt, sodass Gallium-Atome und Eisen-Atome zuverlässig oxidiert und abgeschieden werden können.
  • Als das Substrat 30 kann ein Substrat, welches die Abscheidung von Galliumoxid (β-Ga2O3) ermöglicht, welches eine Beta-Galliumoxid-Struktur aufweist, verwendet werden. Ein derartiges Substrat umfasst zum Beispiel β-Ga2O3, (0001)-Ebene α-Al2O3, und c-Ebene Saphir, etc. Hinsichtlich der Beständigkeit zwischen Kristallstruktur des Substrats und der Kristallstruktur des Films ist ein β-Ga2O3 bevorzugt. Hinsichtlich der Unterscheidung zwischen der Information des Substrats und der Information des Films zum Zeitpunkt der Prüfung bzw. Untersuchung der Zusammensetzung und Kristallstruktur des Filmes nach der Abscheidung ist ein (0001)-Ebene α-Al2O3-Substrat bevorzugt.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird das Substrat 30 während der Abscheidung erwärmt. Wenn die Substrat-Temperatur T 600 °C oder mehr ist, kann ein kristalliner Galliumoxid-basierter Halbleiter abgelagert bzw. abgelegt werden. Andererseits kann, wenn die Substrat-Temperatur T 1000 °C oder weniger ist, die Desorption von vielen Bestandselementen des Galliumoxid-basierten Halbleiters unterdrückt werden, sodass eine deutliche Verringerung der Abscheidungsrate verhindert werden kann. Ferner weist, wenn der Zusammenhang zwischen dem Ersetzungsverhältnis bzw. Substitutionsverhältnis x zu bzw. mit Eisen und die Substrat-Temperatur T 0,10 ≤ x ≤ 0,40 und 500x + 800 ≤ T < 1000 genügt, der Mischkristall im abgelagerten Galliumoxid-basierten Halbleiter eine Beta-Galliumoxid-Struktur auf. Ferner wird, wenn der Zusammenhang zwischen dem Ersetzungsverhältnis x mit Eisen und der Substrat-Temperatur T 0,10 ≤ x ≤ 0,30 und 500x + 800 ≤ T ≤ 950 genügt, zum Zeitpunkt der Analyse des abgeschiedenen Galliumoxid-basierten Halbleiters durch Röntgenbeugung die Halbwertsbreite eines von der Beta-Galliumoxid-Struktur abgeleiteten Reflexes von 1° oder weniger gefunden. Das heißt, eine Beta-Galliumoxid-Struktur mit weniger Kristallgitter-Defekten kann erhalten werden. Hinsichtlich dieses Punktes kann T in der vorstehenden Formel (500x + 800) oder mehr genügen und kann 930 oder weniger, 900 oder weniger, 870 oder weniger, oder 850 oder weniger sein.
  • <Abwandlung bzw. Modifizierung>
  • Außer den vorstehend beschriebenen, können im Galliumoxid-basierten Halbleiter der vorliegenden Erfindung und im Herstellungsverfahren desselben verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs der in den Ansprüchen ausgeführten Inhalte gemacht werden. Wie vorstehend beschrieben wird der Galliumoxid-basierte Halbleiter der vorliegenden Erfindung auf einem Substrat abgeschieden. Der Galliumoxid-basierte Halbleiter der vorliegenden Erfindung kann im Zustand, in welchem er noch auf dem Substrat ist, verwendet werden, oder kann verwendet werden, nachdem des Substrats entfernt wurde. Im Fall der Verwendung des Galliumoxid-basierten Halbleiters nach dem Entfernen des Substrats, wird ein Substrat-Entfernungsschritt bzw. ein Schritt der Entfernung des Substrats zum Herstellungsverfahren des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung hinzugefügt. Als das Verfahren zum Entfernen des Substrats kann ein bekanntes Verfahren zum Beispiel Polieren oder Läppen angewandt werden.
  • BEISPIELE
  • Der Galliumoxid-basierte Halbleiter der vorliegenden Erfindung und das Herstellungsverfahren desselben werden insbesondere nachstehend durch Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben. Man beachte, dass der Galliumoxid-basierte Halbleiter der vorliegenden Erfindung und das Herstellungsverfahren desselben nicht auf die in den nachstehenden Beispielen verwendeten bzw. angewandten Bedingungen beschränkt sind.
  • «Herstellung der Probe»
  • Unter Verwendung der Abscheidungsvorrichtung 100 mit gepulstem Laser, welche in 1 dargestellt ist, wurden die Proben der Beispiele 1 bis 6 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 7 gemäß der nachstehenden Vorgehensweise hergestellt.
  • <Herstellung der Probe des Beispiels 1>
  • Ein Target 20 und ein Substrat 30 wurden in die Vakuumkammer 10 gestellt, und das Innere der Vakuumkammer 10 wurde mittels einer Vakuum-Evakuierungsvorrichtung 14 vakuumiert. Ein Sauerstoffgas wurde dem Inneren der Vakuumkammer 10 von einer Atmosphärengas-Einführungsvorrichtung 12 zugeführt. Die Strömungsrate des Sauerstoffgases war 0,6 sccm, und der Druck im Inneren der Vakuumkammer 10 war 0,8 Pa.
  • Das Substrat 30 wurde auf 850 °C (Substrat-Temperatur T ist 850 °C) unter Verwendung einer Substrat-Erwärmungsvorrichtung 32 erwärmt. Das Target 20 wurde mit einem gepulsten Laser 42 bestrahlt, und ein Galliumoxid-basierter Halbleiter 50 wurde auf dem erwärmten Substrat 30 abgeschieden.
  • Als für das Substrat 30 wurde α-Al2O3 verwendet und die Abscheidungsebene war (0001). Ein gepulster Ultraviolett-Laser wurde als der gepulste Laser 42 verwendet, und ein Argon-Fluor-Excimer-Laser-Oszillator wurde als der gepulste Laser-Oszillator verwendet. Ein verdichteter und gesinterter Körper eines gemischten Pulvers eines Galliumoxid (Ga2O3)-Pulvers und eines Eisenoxid (Fe2O3)-Pulvers wurde als das Target 20 verwendet. Das Galliumoxid (Ga2O3)-Pulver und das Eisenoxid (Fe2O3)-Pulver wurden derart vermengt bzw. gemischt, dass das Ersetzungsverhältnis x mit bzw. zu Eisen 0,10 wurde.
  • <Herstellung der Probe des Beispiels 2>
  • Die Probe des Beispiels 2 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 900 °C war und das Ersetzungsverhältnis bzw. Substitutionsverhältnis x mit Eisen 0,20 war.
  • < Herstellung der Probe des Beispiels 3>
  • Die Probe des Beispiels 3 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 950 °C war und das Ersetzungsverhältnis bzw. Substitutionsverhältnis x mit Eisen 0,30 war.
  • < Herstellung der Probe des Beispiels 4>
  • Die Probe des Beispiels 4 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 900 °C war.
  • <Herstellung der Probe des Beispiels 5>
  • Die Probe des Beispiels 5 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 950 °C war.
  • <Herstellung der Probe des Beispiels 6>
  • Die Probe des Beispiels 6 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 950 °C war.
  • < Herstellung der Probe des Vergleichsbeispiels 1>
  • Die Probe des Vergleichsbeispiels 1 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 750 °C war.
  • < Herstellung der Probe des Vergleichsbeispiels 2>
  • Die Probe des Vergleichsbeispiels 2 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 850 °C war.
  • <Herstellung der Probe des Vergleichsbeispiels 3>
  • Die Probe des Vergleichsbeispiels 3 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 950 °C war und das Ersetzungsverhältnis bzw. Substitutionsverhältnis x mit Eisen 0,40 war.
  • < Herstellung der Probe des Vergleichsbeispiels 4>
  • Die Probe des Vergleichsbeispiels 4 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 800 °C war.
  • < Herstellung der Probe des Vergleichsbeispiels 5>
  • Die Probe des Vergleichsbeispiels 5 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 650 °C war.
  • < Herstellung der Probe des Vergleichsbeispiels 6>
  • Die Probe des Vergleichsbeispiels 6 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 800 °C war.
  • <Herstellung der Probe des Vergleichsbeispiels 7>
  • Die Probe des Vergleichsbeispiels 7 wurde auf dieselbe Weise wie in Vergleichsbeispiel 3 hergestellt, außer, dass die Substrat-Temperatur T 900 °C war.
  • <<Auswertung>>
  • Bezüglich jeder Probe wurde eine Röntgenbeugungsanalyse durchgeführt. Zusätzlich wurde, bezüglich der Proben der Beispiele 1 bis 3 und des Vergleichsbeispiels 3, die Bandlücke ausgewertet (gemessen). Die Bandlücke wurde durch Messung der LichtTransmission ausgewertet. Insbesondere wurde die Probe mit Licht, welches sich in der Energie unterscheidet, bestrahlt, und die Transmission des Lichtes wurde gemessen. Da nur das Licht, welches eine kleinere Energie als die Bandlücke aufweist, die Probe passiert (transmittiert), wurde die Bandlücke basierend auf der Energieabhängigkeit der Transmission bestimmt.
  • 2 zeigt die Ergebnisse. In 2 sind Proben, in welchen aufgrund der Röntgenbeugungsanalyse ein Reflex einer Beta-Galliumoxid-Struktur auftrat und die halbe Breite bzw. Halbwertsbreite des Signals bzw. Peaks bzw. Reflexes 1° oder weniger war, durch eine kreisförmige Markierung als ein Beispiel mit guter Kristallinität gekennzeichnet, und Proben, in welchen eine Beta-Galliumoxid-Struktur nicht auftrat, sind durch eine kreuzförmige Markierung als Vergleichsbeispiel mit geringer Kristallinität gekennzeichnet. Ferner sind die in der Nicht-Patentliteratur 1 beschriebenen Ergebnisse durch eine quadratische Markierung als herkömmliche Beispiele gekennzeichnet.
  • Außerdem ist 3 ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Vergleichsbeispiels 1 zeigt. 4 ist ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Vergleichsbeispiels 2 zeigt. 5 ist ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Beispiels 1 zeigt. 6 ist ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Beispiels 2 zeigt. 7 ist ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Beispiels 3 zeigt. 8 ist ein Diagramm, welches das Röntgenbeugungsmuster der Probe des Vergleichsbeispiels 3 zeigt. 9 ist ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung des gemischten Kristalls im Galliumoxid-basierten Halbleiter und der Bandlücke zeigt.
  • Wie aus den 3 bis 9 ersichtlich, konnte bestätigt werden, dass Galliumoxid-basierte Halbleiter der Proben der Beispiele 1 bis 6, welche 500x + 800 ≤ T < 1000 genügen, eine gewünschte Beta-Galliumoxid-Struktur aufweisen. Ebenso konnte aus 3 und 10 bestätigt werden, dass in einem Galliumoxid-basierten Halbleiter mit einer Beta-Galliumoxid-Struktur, wenn das Ersetzungsverhältnis bzw. Substitutionsverhältnis x mit Eisen von 0,1 bis 0,4 ist, die Bandlücke ausreichend verringert ist.
  • Diese Ergebnisse konnten die Wirkungen des Galliumoxid-basierten Halbleiters der vorliegenden Erfindung und des Herstellungsverfahrens desselben bestätigen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vakuumkammer
    12
    Atmosphärengas-Einlassvorrichtung
    14
    Vakuum-Evakuierungsvorrichtung
    20
    Target
    30
    Substrat
    40
    Laser-Einlass
    50
    Galliumoxid-basierter Halbleiter
    100
    Abscheidungsvorrichtung mittels gepulstem Laser
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Yuanqi Huang, et al, „High-insulating β-Ga2O3 thin films by doping with a valence controllable Fe element“, Applied Physics, A (2018) [0006]

Claims (9)

  1. Galliumoxid-basierter Halbleiter, umfassend einen Mischkristall, welcher eine Zusammensetzung aufweist, welche durch (Ga(1-x)Fex)2yO3 dargestellt ist, wobei 0,10 ≤ x ≤ 0,40 und 0,8 ≤ y ≤ 1,2 ist, und wobei der Mischkristall eine Beta-Galliumoxid-Struktur aufweist.
  2. Galliumoxid-basierter Halbleiter nach Anspruch 1, wobei die halbe Breite eines von der Beta-Galliumoxid-Struktur abgeleiteten Röntgenbeugungsreflexes 1° oder weniger ist.
  3. Galliumoxid-basierter Halbleiter nach Anspruch 1 oder 2, wobei x 0,10 ≤ x ≤ 0,30 ist.
  4. Galliumoxid-basierter Halbleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei y 1,0 ist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Gallimoxid-basierten Halbleiters nach Anspruch 1, umfassend: Abscheiden eines Mischkristalls, welcher eine Zusammensetzung aufweist, welche durch (Ga(1-x)Fex)2yO3 dargestellt ist, wobei 0,10 ≤ x ≤ 0,40 und 0,8 ≤ y ≤ 1,2 ist, auf einer Substrat-Oberfläche durch ein Abscheidungsverfahren mittels gepulstem Laser, und wobei die Temperatur des Substrats als T (°C) bezeichnet wird, x und T dem Zusammenhang, welcher durch 500x + 800 ≤ T < 1000 dargestellt ist, genügen.
  6. Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters nach Anspruch 5, wobei x und T dem Zusammenhang, welcher durch 500x + 800 ≤ T ≤ 950 dargestellt ist, genügen.
  7. Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Laser, welcher im Abscheidungsverfahren mittels gepulstem Laser verwendet wird, ein gepulster Ultraviolett-Laser ist.
  8. Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei x 0,10 ≤ x ≤ 0,30 ist.
  9. Verfahren zur Herstellung des Galliumoxid-basierten Halbleiters nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei y 1,0 ist.
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