JP2016013933A - アンドープ半絶縁Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶に生じるクラックを抑制し、結晶性に優れたアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板及びその製造方法の提供。
【解決手段】ＥＦＧ法等により成長させたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶から切り出されたアンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を準備する基板準備ステップと、前記単結晶基板に酸素を含む雰囲気中でアニール処理を施して前記単結晶基板の抵抗率を１〜２．０６×１０^５Ω・ｃｍにする抵抗率制御ステップと、を含むアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、アンドープ半絶縁Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板及びその製造方法に関する。

半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板として特許第５３８２５８９号（特許文献１）に記載されているものがある。この半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、Ｍｇ、ＢｅまたはＺｎ等のII族元素のドープにより半絶縁化されたものである。

特許第５３８２５８９号

しかし、上記した半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板によれば、Ｍｇ、ＢｅまたはＺｎ等のII族元素を含んでいることから、結晶育成のときに、結晶にクラックが生じ、所望のサイズの結晶が得られなかったり、結晶性が悪くなることがある。

そこで、本発明は、結晶に生じるクラックを抑制し、結晶性に優れたアンドープ半絶縁Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板及びその製造方法を提供することに目的を有する。

本発明の一態様は、上記の目的を達成するために、下記の［１］〜［４］のアンドープ半絶縁Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を提供する。

［１］抵抗率が１Ω・ｃｍ以上のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［２］抵抗率が２．０６×１０^５Ω・ｃｍ以下の上記［１］に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［３］抵抗率が２．２８×１０^４Ω・ｃｍ以下の上記［１］に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板。
［４］面方位が（０１０）又は（−２０１）である上記［１］〜［３］のいずれか１項に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

ここで、アンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶とは、意図的にドーパントがドープされていない（Un-Intentionally Doped）β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶をいう。アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を作製するためのアンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶は、一般的には、所定の純度を有するＧａ_２Ｏ_３粉末を原料に用いて育成、製造される。この原料は、Ｓｉを不可避的に含有する。その結果、アンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶は、最大で数〜数十ｐｐｍ程度の濃度のＳｉを含有する。このβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶から基板を切り出し、この基板をＮ_２雰囲気でアニールして活性化すると、不可避的に混入しているＳｉがドナーとなって抵抗率が約１０^−１Ω・ｃｍとなるが、この基板を酸素雰囲気中でアニールすることにより抵抗率が上昇し、アンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板となる。

また、本発明の一態様は、上記の目的を達成するため、上記した［１］〜［４］のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板に加えて、下記の［５］〜［１０］のアンドープ半絶縁Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法を提供する。

［５］アンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶から切り出されたアンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を準備する基板準備ステップと、前記単結晶基板に酸素を含む雰囲気中でアニール処理を施して前記単結晶基板の抵抗率を１Ω・ｃｍ以上にする抵抗率制御ステップと、を含むアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

［６］前記抵抗率制御ステップは、前記単結晶基板の抵抗率を２．０６×１０^５Ω・ｃｍ以下にする上記［５］に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

［７］前記抵抗率制御ステップは、前記酸素を含む雰囲気としてＯ_２雰囲気において実施される上記［５］あるいは［６］に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

［８］アンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を準備する単結晶準備ステップと、前記単結晶に酸素を含む雰囲気中でアニール処理を施して前記単結晶の抵抗率を１Ω・ｃｍ以上にする抵抗率制御ステップと、前記抵抗率を制御された単結晶からアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出す基板切り出しステップと、を含むアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
［９］前記抵抗率制御ステップは、前記単結晶の抵抗率を２．０６×１０^５Ω・ｃｍ以下にする上記［８］に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
［１０］前記抵抗率制御ステップは、前記酸素を含む雰囲気としてＯ_２雰囲気において実施される上記［８］あるいは［９］に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

本発明によれば、結晶に生じるクラックを抑制し、結晶性に優れたアンドープ半絶縁Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板及びその製造方法を提供することができる。

図１は、実施の形態に係るＥＦＧ結晶製造装置の一部の垂直断面図である。 図２は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長中の様子を表す斜視図である。 図３は、アンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の抵抗率を測定するためのＩ−Ｖ測定装置に用いられる電極であって、（ａ）は前記基板、主電極、対向電極等を示す垂直断面図であり、（ｂ）は前記電極を示す平面図である。 図４は、Ｉ−Ｖ測定装置によって得られた、面方位が（０１０）である、アンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の電圧（Ｖ）対電流値（Ａ）の関係を示すグラフである。 図５は、Ｉ−Ｖ測定装置によって得られた、面方位が（−２０１）であるアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の電圧（Ｖ）対電流値（Ａ）の関係を示すグラフである。

〔実施の形態〕
本実施の形態においては、種結晶を用いて、不可避的なＳｉを含有する平板状のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶（つまり、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶）をｂ軸もしくはｃ軸方向に成長させる。これにより、ｂ軸もしくはｃ軸方向に垂直な方向の結晶品質のばらつきが小さいβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を得ることができる。

（β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長）
以下に、平板状のアンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させる方法の一例として、ＥＦＧ（Edge-defined film-fed growth）法を用いる場合の方法について説明する。なお、本実施の形態の平板状のアンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法はＥＦＧ法に限られず、他の成長方法、例えば、マイクロＰＤ（pulling-down）法等の引き下げ法を用いてもよい。また、ブリッジマン法にＥＦＧ法のダイのようなスリットを有するダイを適用し、平板状のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を育成してもよい。

図１は、本実施の形態に係るＥＦＧ結晶製造装置の一部の垂直断面図である。このＥＦＧ結晶製造装置１０は、不可避的なＳｉを含有するＧａ_２Ｏ_３系融液１２を受容するルツボ１３と、このルツボ１３内に設置されたスリット１４ａを有するダイ１４と、スリット１４ａの開口部１４ｂを含むダイ１４の上部を露出させるようにルツボ１３の上面を閉塞する蓋１５と、β−Ｇａ_２Ｏ_３系種結晶（以下、「種結晶」という）２０を保持する種結晶保持具２１と、種結晶保持具２１を昇降可能に支持するシャフト２２とを有する。

ルツボ１３は、不可避的なＳｉを含有するＧａ_２Ｏ_３系粉末を溶解させて得られたＧａ_２Ｏ_３系融液１２を収容する。ルツボ１３は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２を収容しうる耐熱性を有するイリジウム等の材料からなる。

ダイ１４は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２を毛細管現象により上昇させるためのスリット１４ａを有する。

蓋１５は、ルツボ１３から高温のＧａ_２Ｏ_３系融液１２が蒸発することを防止し、さらにスリット１４ａの上面以外の部分にＧａ_２Ｏ_３系融液１２の蒸気が付着することを防ぐ。

種結晶２０を下降させて、スリット１４ａの開口部１４ｂまで上昇したＧａ_２Ｏ_３系融液１２に接触させ、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２と接触した種結晶２０を引き上げることにより、平板状の不可避的なＳｉを含有するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５を成長させる。β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の結晶方位は種結晶２０の結晶方位と等しく、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の結晶方位を制御するためには、例えば、種結晶２０の底面の面方位及び水平面内の角度を調整する。

図２は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長中の様子を表す斜視図である。図２中の面２６は、スリット１４ａのスリット方向と平行なβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の主面である。成長させたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５を切り出してβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を形成する。この場合は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の所望の主面の面方位にβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の面２６の面方位を一致させる。例えば、（−２０１）面を主面とするβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を形成する場合は、面２６の面方位を（−２０１）とする。一方、（０１０）面を主面とするβ−Ｇａ_２Ｏ_３系基板を形成する場合は、面２６の面方位を（０１０）とする。また、成長させた不可避的なＳｉを含有するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５は、新たな不可避的なＳｉを含有するβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させるための種結晶として用いることができる。図１、２に示される結晶成長方向は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５のｂ軸に平行な方向（ｂ軸方向）である。

以下に、本実施の形態のアンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の育成条件の一例について述べる。

例えば、アンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の育成は、窒素雰囲気下で行われる。

図１、２に示される例では、水平断面の大きさがＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５とほぼ同じ大きさの種結晶２０を用いている。この場合、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の幅を広げる肩広げ工程を行わないため、肩広げ工程において発生しやすい双晶化を抑えることができる。

なお、この場合、種結晶２０は通常の結晶育成に用いられる種結晶よりも大きく、熱衝撃に弱いため、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２に接触させる前の種結晶２０のダイ１４からの高さは、ある程度低いことが好ましく、例えば、１０ｍｍである。また、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２に接触させるまでの種結晶２０の降下速度は、ある程度低いことが好ましく、例えば、１ｍｍ／ｍｉｎである。

種結晶２０をＧａ_２Ｏ_３系融液１２に接触させた後の引き上げるまでの待機時間は、温度をより安定させて熱衝撃を防ぐために、ある程度長いことが好ましく、例えば、１０ｍｉｎである。

ルツボ１３中の原料を溶かすときの昇温速度は、ルツボ１３周辺の温度が急上昇して種結晶２０に熱衝撃が加わることを防ぐために、ある程度低いことが好ましく、例えば、１１時間掛けて原料を溶かす。

アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５を切り出すことにより得られたアンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、前述したＮ_２雰囲気のアニールを経ると、約１０^−１Ω・ｃｍの抵抗率を有する。次に、このアンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板に酸素アニールを施す。酸素アニールを施されることにより製造されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の抵抗率は、２．２８×１０^４Ω・ｃｍ以下、あるいは２．０６×１０^５Ωｃｍ以下の半絶縁基板となる。

アンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からアンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を作製するときは、切断、スライス、研削、研磨、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）の通常の工程を経て作製される。このとき、基板サイズは、１×１．５ｃｍ、厚さが０．０５ｃｍである。

前述した酸素アニールの処理条件は、５０ｍｌ／分の酸素流量とし、９時間かけて室温から１４５０℃に上昇し、この温度に６時間保持し、１２時間かけて室温に降温する。

このアニール処理後に、基板の表面及び裏面をそれぞれ０．００７５ｃｍ研磨し、ＣＭＰ処理を施す。

このようにして作製されたアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の抵抗率を算出した。この抵抗率の算出は、下記の表１に示したサンプル（Ａ）及び（Ｂ）の厚み、主電極の直径から求めた主電極の面積、図３〜図５を用いて以下に説明する、Ｉ−Ｖ測定装置の測定結果から算出される抵抗に基づいて行われる。
ここで、サンプル（Ａ）は、（０１０）面を主面とするアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系基板であり、サンプル（Ｂ）は、（−２０１）面を主面とするアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系基板である。

図３（ａ）、（ｂ）は、Ｉ−Ｖ測定装置で用いられる電極を示す。この電極は、（０１０）面を主面とするサンプル（Ａ）１００あるいは、（−２０１）面を主面とするサンプル（Ｂ）１００の主面上にＡｇペーストを施して形成された主電極１０１と、主電極１０１と同心円状に形成されたガード電極１０２（ガード電極１０２は省略しても良い）と、サンプル（Ａ）１００あるいはサンプル（Ｂ）１００の裏面にＡｇペーストを施して形成された対向電極１０３を有する。

図４、図５は、図３の主電極１０１と対向電極１０３（図４及び図５の測定結果は、ガード電極１０２を省略した構造によって得た）の間に電圧（Ｖ）を印加して（正の電圧は対向電極１０３側）測定した電流値（Ａ）の関係を示す。

図４、図５において、電圧（Ｖ）をｘ軸とし、電流値（Ａ）をｙ軸とすると、図４では、ｙ＝１．７２×１０^−４・ｘの一次比例式となり、図５では、ｙ＝１．９１×１０^−５・ｘの一次比例式となる。

図４において、一次比例式の比例定数である１．７２×１０^−４の逆数から、表１のサンプル（Ａ）の抵抗（５．８１×１０^３Ω）を算出した。また、図５において、一次比例式の比例定数である１．９１×１０^−５の逆数から、表１のサンプル（Ｂ）の抵抗（５．２４×１０^４Ω）を算出した。

前述したように、サンプル（Ａ）及び（Ｂ）の厚み（０．０５ｃｍ）と、主電極１０１の直径（０．５ｃｍ）から算出した主電極１０１の面積、及び図４及び図５から求めたサンプル（Ａ）の抵抗（５．８１×１０^３Ω）、及びサンプル（Ｂ）の抵抗（５．２４×１０^４Ω）とに基づき、表１のサンプル（Ａ）及び（Ｂ）の抵抗率（２．２８×１０^４Ω・ｃｍ及び２．０６×１０^５Ω・ｃｍ）を算出した。また、表１の導電率（Ω^−１・ｃｍ^−１）は、抵抗率（Ω・ｃｍ）の逆数である。

上記した酸素アニールの処理温度は、１０００℃以上であれば、半絶縁の効果が得られることを確認した。

この酸素アニールの処理条件を制御することにより、アンドープ半絶縁Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、１〜２．２８×１０^４Ω・ｃｍ、あるいは１〜２．０６×１０^５Ω・ｃｍの抵抗率になるように制御された。

（実施の形態の効果）
本発明のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板及びその製造方法によれば、抵抗率が１Ωｃｍ以上、２．０６×１０^５Ω・ｃｍ以下のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板が得られる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、以上の実施の形態において、酸素アニールの雰囲気は、Ｏ_２雰囲気、あるいはＯ_２と他のガスとの混合雰囲気であっても良いし、Ｈ_２Ｏガス等のように酸素含有ガスであっても良い。また、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶は、アンドープＧａ_２Ｏ_３単結晶、あるいはＧａの一部がＡｌあるいはＩｎ等で置換された単結晶であってもよい。酸素アニールは、アンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶に施して半絶縁単結晶とし、この半絶縁単結晶から半絶縁単結晶基板を切り出しても良く、また、アンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からアンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出し、この基板に酸素アニール処理を施して半絶縁基板にしても良い。

また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１０…ＥＦＧ結晶製造装置、 ２０…種結晶、 ２５…β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶
１００…アンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板のサンプル（Ａ）あるいはサンプル（Ｂ） １０１…主電極 １０２…ガード電極 １０３…対向電極

Claims (10)

1. 抵抗率が１Ω・ｃｍ以上のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板。
2. 抵抗率が２．０６×１０^５Ω・ｃｍ以下の請求項１に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板。
3. 抵抗率が２．２８×１０^４Ω・ｃｍ以下の請求項１に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板。
4. 面方位が（０１０）又は（−２０１）である請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板。
5. アンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶から切り出されたアンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を準備する基板準備ステップと、前記単結晶基板に酸素を含む雰囲気中でアニール処理を施して前記単結晶基板の抵抗率を１Ω・ｃｍ以上にする抵抗率制御ステップと、を含むアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
6. 前記抵抗率制御ステップは、前記単結晶基板の抵抗率を２．０６×１０^５Ω・ｃｍ以下にする請求項５に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
7. 前記抵抗率制御ステップは、前記酸素を含む雰囲気としてＯ_２雰囲気において実施される請求項５あるいは６に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
8. アンドープβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を準備する単結晶準備ステップと、前記単結晶に酸素を含む雰囲気中でアニール処理を施して前記単結晶の抵抗率を１Ω・ｃｍ以上にする抵抗率制御ステップと、前記抵抗率を制御された単結晶からアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出す基板切り出しステップと、を含むアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
9. 前記抵抗率制御ステップは、前記単結晶の抵抗率を２．０６×１０^５Ω・ｃｍ以下にする請求項８に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
10. 前記抵抗率制御ステップは、前記酸素を含む雰囲気としてＯ_２雰囲気において実施される請求項８あるいは９に記載のアンドープ半絶縁β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

Images