JP2016183107A - Crystal laminate structure, and production method thereof - Google Patents
Crystal laminate structure, and production method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016183107A JP2016183107A JP2016143092A JP2016143092A JP2016183107A JP 2016183107 A JP2016183107 A JP 2016183107A JP 2016143092 A JP2016143092 A JP 2016143092A JP 2016143092 A JP2016143092 A JP 2016143092A JP 2016183107 A JP2016183107 A JP 2016183107A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- crystal
- crystal film
- film
- single crystal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、結晶積層構造体、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a crystal multilayer structure and a method for manufacturing the same.
従来、β−Ga2O3単結晶膜の成長方法として、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法やPLD(Pulsed Laser Deposition)法が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。また、ゾル−ゲル法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、ミストCVD法による成長方法も知られている。
Conventionally, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method and PLD (Pulsed Laser Deposition) method are known as methods for growing a β-Ga 2 O 3 single crystal film (see, for example,
しかしながら、MBE法では高真空チャンバー内で結晶成長を行うため、β−Ga2O3単結晶膜の大口径化が困難である。また、一般的に成長温度を上げると高品質な膜が得られるが、原料ガスの再蒸発が増加するため十分な成膜速度が得られず、大量生産には向かない。 However, since the MBE method performs crystal growth in a high vacuum chamber, it is difficult to increase the diameter of the β-Ga 2 O 3 single crystal film. In general, when the growth temperature is raised, a high-quality film can be obtained. However, since the re-evaporation of the source gas increases, a sufficient film formation rate cannot be obtained, which is not suitable for mass production.
また、PLD法に関しては、ソース(基板への原料供給源)が点源であり、ソース直上とそれ以外の場所で成長レートが異なるために、膜厚の面内分布が不均一になりやすく、面積の大きい膜の成長に向かない。また、成膜レートが低く、厚膜の成長には長い時間を要するため、大量生産には向かない。 In addition, regarding the PLD method, the source (raw material supply source to the substrate) is a point source, and the growth rate is different between the source and other locations, so the in-plane distribution of film thickness tends to be non-uniform, Not suitable for growth of large area films. In addition, since the film formation rate is low and it takes a long time to grow a thick film, it is not suitable for mass production.
ゾル−ゲル法、MOCVD法、ミストCVD法に関しては、大口径化は比較的容易だが、使用原料に含まれている不純物がエピタキシャル成長中にβ−Ga2O3単結晶膜に取り込まれてしまうため、高純度な単結晶膜を得ることが困難である。 As for the sol-gel method, MOCVD method, and mist CVD method, it is relatively easy to increase the diameter, but impurities contained in the used raw material are taken into the β-Ga 2 O 3 single crystal film during the epitaxial growth. It is difficult to obtain a high-purity single crystal film.
そのため、本発明の目的の1つは、高品質かつ大口径のβ−Ga2O3系単結晶膜を効率的に成長させることのできるβ−Ga2O3系単結晶膜の成長方法により成長したβ−Ga2O3系単結晶膜を有する結晶積層構造体、及びその製造方法を提供することにある。 Therefore, one of the objects of the present invention is to provide a β-Ga 2 O 3 single crystal film growth method capable of efficiently growing a high-quality and large-diameter β-Ga 2 O 3 single crystal film. An object of the present invention is to provide a crystal laminated structure having a grown β-Ga 2 O 3 -based single crystal film and a method for producing the same.
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記[1]及び[2]の結晶積層構造体を提供する。 In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention provides a crystal multilayer structure according to [1] and [2] below.
[1]Ga2O3系基板と、前記Ga2O3系基板の主面上に設けられたClを含むβ−Ga2O3系単結晶膜とを含み、前記β−Ga2O3系単結晶膜は、その厚さ方向に1×1016〜5×1016(atoms/cm3)の前記Clを含む部分を有する結晶積層構造体。 [1] A Ga 2 O 3 based substrate and a β-Ga 2 O 3 based single crystal film containing Cl provided on the main surface of the Ga 2 O 3 based substrate, and the β-Ga 2 O 3 The system single crystal film is a crystal multilayer structure having a portion containing the Cl in the thickness direction of 1 × 10 16 to 5 × 10 16 (atoms / cm 3 ).
[2]前記β−Ga2O3系単結晶膜は、1×1013〜1×1020/cm3の範囲でIV族元素によるキャリア濃度が制御可能である前記[1]に記載の結晶積層構造体。 [2] The crystal according to [1], wherein the β-Ga 2 O 3 single crystal film is capable of controlling a carrier concentration by a group IV element in a range of 1 × 10 13 to 1 × 10 20 / cm 3. Laminated structure.
また、本発明の他の態様は、上記目的を達成するために、下記[3]及び[4]の結晶積層構造体の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, another aspect of the present invention provides a method for producing a crystal laminated structure according to the following [3] and [4].
[3]前記[1]に記載の結晶積層構造体をHVPE法によって製造する製造方法であって、前記Ga2O3系基板を反応チャンバー内の結晶成長領域に配置する工程と、塩化ガリウム系ガス及び酸素含有ガスを前記反応チャンバー内の結晶成長領域へ供給して前記β−Ga2O3系単結晶膜を900℃以上で前記Ga2O3系基板上に成長させる工程と、を含む結晶積層構造体の製造方法。 [3] A manufacturing method for manufacturing the crystal multilayer structure according to [1] by an HVPE method, the step of disposing the Ga 2 O 3 based substrate in a crystal growth region in a reaction chamber; Supplying a gas and an oxygen-containing gas to a crystal growth region in the reaction chamber to grow the β-Ga 2 O 3 single crystal film on the Ga 2 O 3 substrate at 900 ° C. or higher. Manufacturing method of crystal laminated structure.
[4]前記塩化ガリウム系ガス及び酸素含有ガスに加えてIV族元素のドーパントを添加するための塩化物系ガスを前記反応チャンバー内の結晶成長領域へ供給して、前記β−Ga2O3系単結晶膜のキャリア濃度を1×1013〜1×1020/cm3の範囲にする工程と、を更に含む前記[3]に記載の結晶積層構造体の製造方法。 [4] A chloride-based gas for adding a dopant of a group IV element in addition to the gallium chloride-based gas and the oxygen-containing gas is supplied to the crystal growth region in the reaction chamber, and the β-Ga 2 O 3 The method for producing a crystal multilayer structure according to [3], further including a step of setting the carrier concentration of the system single crystal film to a range of 1 × 10 13 to 1 × 10 20 / cm 3 .
本発明によれば、高品質かつ大口径のβ−Ga2O3系単結晶膜を効率的に成長させることのできるβ−Ga2O3系単結晶膜の成長方法、及びその成長方法により成長した結晶積層構造体、及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a β-Ga 2 O 3 single crystal film growth method capable of efficiently growing a high-quality and large-diameter β-Ga 2 O 3 single crystal film, and a growth method thereof A grown crystal multilayer structure and a method for manufacturing the same can be provided.
〔実施の形態〕
(結晶積層構造体の構成)
図1は、実施の形態に係る結晶積層構造体1の垂直断面図である。結晶積層構造体1は、Ga2O3系基板10と、Ga2O3系基板10の主面11上にエピタキシャル結晶成長により形成されたβ−Ga2O3系単結晶膜12を有する。
Embodiment
(Configuration of crystal laminated structure)
FIG. 1 is a vertical sectional view of a
Ga2O3系基板10は、β型の結晶構造を有するGa2O3系単結晶からなる基板である。ここで、Ga2O3系単結晶とは、Ga2O3単結晶、又は、Al、In等の元素が添加されたGa2O3単結晶をいう。例えば、Al及びInが添加されたGa2O3単結晶である(GaxAlyIn(1−x−y))2O3(0<x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)単結晶であってもよい。Alを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Inを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。また、Ga2O3系基板10は、Si等の導電型不純物を含んでもよい。
The Ga 2 O 3 based
Ga2O3系基板10の主面11の面方位は、例えば、(010)、(−201)、(001)、又は(101)である。
The plane orientation of the
Ga2O3系基板10は、例えば、FZ(Floating Zone)法やEFG(Edge Defined Film Fed Growth)法等の融液成長法により育成したGa2O3系単結晶のバルク結晶を
スライスし、表面を研磨することにより形成される。
The Ga 2 O 3 based
β−Ga2O3系単結晶膜12は、Ga2O3系基板10と同様に、β型の結晶構造を有するGa2O3系単結晶からなる。また、β−Ga2O3系単結晶膜12は、Si等の導電型不純物を含んでもよい。
The β-Ga 2 O 3
(気相成長装置の構造)
以下に、本実施の形態に係るβ−Ga2O3系単結晶膜12の成長に用いる気相成長装置の構造の一例について説明する。
(Structure of vapor phase growth equipment)
Below, an example of the structure of the vapor phase growth apparatus used for the growth of the β-Ga 2 O 3 based
図2は、実施の形態に係る気相成長装置2の垂直断面図である。気相成長装置2は、HVPE(Halide Vapor Phase Epitaxy)法用の気相成長装置であり、第1のガス導入ポート21、第2のガス導入ポート22、第3のガス導入ポート23、及び排気ポート24を有する反応チャンバー20と、反応チャンバー20の周囲に設置され、反応チャンバー20内の所定の領域を加熱する第1の加熱手段26及び第2の加熱手段27を有する。
FIG. 2 is a vertical sectional view of the vapor
HVPE法は、PLD法等と比較して、成膜レートが高い。また、膜厚の面内分布の均一性が高く、大口径の膜を成長させることができる。このため、結晶の大量生産に適している。 The HVPE method has a higher film formation rate than the PLD method or the like. In addition, the uniformity of the in-plane distribution of film thickness is high, and a large-diameter film can be grown. For this reason, it is suitable for mass production of crystals.
反応チャンバー20は、Ga原料が収容された反応容器25が配置され、ガリウムの原料ガスが生成される原料反応領域R1と、Ga2O3系基板10が配置され、β−Ga2O3系単結晶膜12の成長が行われる結晶成長領域R2を有する。反応チャンバー20は、例えば、石英ガラスからなる。
The
ここで、反応容器25は、例えば、石英ガラスであり、反応容器25に収容されるGa原料は金属ガリウムである。
Here, the
第1の加熱手段26と第2の加熱手段27は、反応チャンバー20の原料反応領域R1と結晶成長領域R2をそれぞれ加熱することができる。第1の加熱手段26及び第2の加熱手段27は、例えば、抵抗加熱式や輻射加熱式の加熱装置である。
The
第1のガス導入ポート21は、Cl2ガス又はHClガスであるCl含有ガスを不活性ガスであるキャリアガス(N2ガス、Arガス又はHeガス)を用いて反応チャンバー20の原料反応領域R1内に導入するためのポートである。第2のガス導入ポート22は、酸素の原料ガスであるO2ガスやH2Oガス等の酸素含有ガス及びβ−Ga2O3系単結晶膜12にSi等のドーパントを添加するための塩化物系ガス(例えば、四塩化ケイ素等)を不活性ガスであるキャリアガス(N2ガス、Arガス又はHeガス)を用いて反応チャンバー20の結晶成長領域R2へ導入するためのポートである。第3のガス導入ポート23は、不活性ガスであるキャリアガス(N2ガス、Arガス又はHeガス)を反応チャ
ンバー20の結晶成長領域R2へ導入するためのポートである。
The first
(β−Ga2O3系単結晶膜の成長)
以下に、本実施の形態に係るβ−Ga2O3系単結晶膜12の成長工程の一例について説明する。
(Growth of β-Ga 2 O 3 single crystal film)
Hereinafter, an example of the growth process of the β-Ga 2 O 3
まず、第1の加熱手段26を用いて反応チャンバー20の原料反応領域R1を加熱し、原料反応領域R1の雰囲気温度を所定の温度に保つ。
First, the raw material reaction region R1 of the
次に、第1のガス導入ポート21からCl含有ガスをキャリアガスを用いて導入し、原料反応領域R1において、上記の雰囲気温度下で反応容器25内の金属ガリウムとCl含有ガスを反応させ、塩化ガリウム系ガスを生成する。
Next, a Cl-containing gas is introduced from the first
このとき、上記の原料反応領域R1内の雰囲気温度は、反応容器25内の金属ガリウムとCl含有ガスの反応により生成される塩化ガリウム系ガスのうち、GaClガスの分圧が最も高くなるような温度であることが好ましい。ここで、塩化ガリウム系ガスには、GaClガス、GaCl2ガス、GaCl3ガス、(GaCl3)2ガス等が含まれる。
At this time, the atmospheric temperature in the raw material reaction region R1 is such that the partial pressure of the GaCl gas is the highest among the gallium chloride-based gases generated by the reaction between the metal gallium in the
GaClガスは、塩化ガリウム系ガスに含まれるガスのうち、Ga2O3結晶の成長駆動力を最も高い温度まで保つことのできるガスである。高純度、高品質のGa2O3結晶を得るためには、高い成長温度での成長が有効であるため、高温において成長駆動力の高いGaClガスの分圧が高い塩化ガリウム系ガスを生成することが、β−Ga2O3系単結晶膜12の成長のために好ましい。
GaCl gas is a gas that can maintain the growth driving force of Ga 2 O 3 crystals up to the highest temperature among the gases contained in the gallium chloride-based gas. In order to obtain a high-purity and high-quality Ga 2 O 3 crystal, growth at a high growth temperature is effective. Therefore, a gallium chloride-based gas having a high partial pressure of GaCl gas having a high growth driving force is generated at a high temperature. Is preferable for the growth of the β-Ga 2 O 3 -based
図3は、熱平衡計算により得られた、塩化ガリウム系ガスがGaClガスのみからなる場合と、GaCl3ガスのみからなる場合のそれぞれの場合におけるGa2O3結晶の成長駆動力と成長温度との関係を表すグラフである。計算条件は、キャリアガスとして例えばN2等の不活性ガスを用い、炉内圧力を1atm、GaClガス及びGaCl3ガスの供給分圧を1×10−3atm、O2/GaCl分圧比を10とした。 FIG. 3 shows the relationship between the growth driving force and the growth temperature of the Ga 2 O 3 crystal in each of the cases where the gallium chloride-based gas is composed only of GaCl gas and the case where it is composed only of GaCl 3 gas. It is a graph showing a relationship. As calculation conditions, for example, an inert gas such as N 2 is used as a carrier gas, the furnace pressure is 1 atm, the supply partial pressure of GaCl gas and GaCl 3 gas is 1 × 10 −3 atm, and the O 2 / GaCl partial pressure ratio is 10 It was.
図3の横軸はGa2O3結晶の成長温度(℃)を示し、縦軸は結晶成長駆動力(atm)を表す。結晶成長駆動力の値が大きいほど、効率的にGa2O3結晶が成長する。 The horizontal axis in FIG. 3 represents the growth temperature (° C.) of the Ga 2 O 3 crystal, and the vertical axis represents the crystal growth driving force (atm). The larger the value of the crystal growth driving force, the more efficiently the Ga 2 O 3 crystal grows.
図3は、Gaの原料ガスとしてGaClガスを用いる場合の方が、GaCl3ガスを用いる場合よりも、成長駆動力が保たれる温度の上限が高いことを示している。 FIG. 3 shows that the upper limit of the temperature at which the growth driving force can be maintained is higher when GaCl gas is used as the Ga source gas than when GaCl 3 gas is used.
なお、β−Ga2O3系単結晶膜12を成長させる際の雰囲気に水素が含まれていると、β−Ga2O3系単結晶膜12の表面の平坦性及び結晶成長駆動力が低下するため、水素を含まないCl2ガスをCl含有ガスとして用いることが好ましい。
Incidentally, β-Ga 2 when O 3 system contains a hydrogen atmosphere for growing the
図4は、熱平衡計算により得られた、GaとCl2の反応から得られるGaClガス、GaCl2ガス、GaCl3ガス、及び(GaCl3)2ガスの平衡分圧と反応時の雰囲
気温度との関係を表すグラフである。その他の計算条件は、キャリアガスとして例えばN2等の不活性ガスを用い、炉内圧力を1atm、Cl2ガスの供給分圧を3×10−3atmとした。
FIG. 4 shows the equilibrium partial pressure of GaCl gas, GaCl 2 gas, GaCl 3 gas, and (GaCl 3 ) 2 gas obtained from the reaction of Ga and Cl 2 and the ambient temperature at the time of reaction obtained by thermal equilibrium calculation. It is a graph showing a relationship. Other calculation conditions were such that an inert gas such as N 2 was used as the carrier gas, the furnace pressure was 1 atm, and the supply partial pressure of Cl 2 gas was 3 × 10 −3 atm.
図4の横軸は雰囲気温度(℃)を示し、縦軸は平衡分圧(atm)を表す。平衡分圧が高いほど、ガスが多く生成されていることを示す。 The horizontal axis in FIG. 4 represents the ambient temperature (° C.), and the vertical axis represents the equilibrium partial pressure (atm). The higher the equilibrium partial pressure, the more gas is generated.
図4は、およそ300℃以上の雰囲気温度下で金属ガリウムとCl含有ガスを反応させることにより、Ga2O3結晶の成長駆動力を特に高めることのできるGaClガスの平衡分圧が高くなること、すなわち塩化ガリウム系ガスのうちのGaClガスの分圧比が高くなることを示している。このことから、第1の加熱手段26により原料反応領域R1の雰囲気温度を300℃以上に保持した状態で反応容器25内の金属ガリウムとCl含有ガスを反応させることが好ましいといえる。
FIG. 4 shows that the reaction partial pressure of GaCl gas, which can particularly enhance the growth driving force of Ga 2 O 3 crystal, is increased by reacting metal gallium with a Cl-containing gas at an atmospheric temperature of about 300 ° C. or higher. That is, the partial pressure ratio of GaCl gas in the gallium chloride-based gas is increased. From this, it can be said that it is preferable to react the metal gallium in the
また、例えば、850℃の雰囲気温度下では、GaClガスの分圧比が圧倒的に高くなる(GaClガスの平衡分圧がGaCl2ガスより4桁大きく、GaCl3ガスより8桁大きい)ため、GaClガス以外のガスはGa2O3結晶の成長にほとんど寄与しない。 Further, for example, under an atmospheric temperature of 850 ° C., the GaCl gas partial pressure ratio is overwhelmingly high (the equilibrium partial pressure of GaCl gas is 4 orders of magnitude higher than GaCl 2 gas and 8 orders of magnitude higher than GaCl 3 gas). A gas other than the gas hardly contributes to the growth of the Ga 2 O 3 crystal.
なお、第1の加熱手段26の寿命や、石英ガラス等からなる反応チャンバー20の耐熱性を考慮して、原料反応領域R1の雰囲気温度を1000℃以下に保持した状態で反応容器25内の金属ガリウムとCl含有ガスを反応させることが好ましい。
In consideration of the lifetime of the first heating means 26 and the heat resistance of the
次に、結晶成長領域R2において、原料反応領域R1で生成された塩化ガリウム系ガスと、第2のガス導入ポート22から導入された酸素含有ガスとを混合させ、その混合ガスにGa2O3系基板10を曝し、Ga2O3系基板10上にβ−Ga2O3系単結晶膜12をエピタキシャル成長させる。このとき、反応チャンバー20を収容する炉内の結晶成長領域R2における圧力を、例えば、1atmに保つ。
Next, in the crystal growth region R2, the gallium chloride-based gas generated in the raw material reaction region R1 and the oxygen-containing gas introduced from the second
ここで、Si、Al等の添加元素を含むβ−Ga2O3系単結晶膜12を形成する場合には、ガス導入ポート22より、添加元素の原料ガス(例えば、四塩化ケイ素(SiCl4)等の塩化物系ガス)も塩化ガリウム系ガス及び酸素含有ガスに併せて結晶成長領域R2に導入する。
Here, when the β-Ga 2 O 3
なお、β−Ga2O3系単結晶膜12を成長させる際の雰囲気に水素が含まれていると、β−Ga2O3系単結晶膜12の表面の平坦性及び結晶成長駆動力が低下するため、酸素含有ガスとして水素を含まないO2ガスを用いることが好ましい。
Incidentally, β-Ga 2 when O 3 system contains a hydrogen atmosphere for growing the
図5は、熱平衡計算により得られた、Ga2O3結晶成長の雰囲気温度が1000℃であるときの、GaClの平衡分圧とO2/GaCl供給分圧比との関係を示すグラフである。ここで、O2ガスの供給分圧のGaClガスの供給分圧に対する比をO2/GaCl供給分圧比と呼ぶ。本計算においては、GaClガスの供給分圧の値を1×10−3atmに固定し、キャリアガスとして例えばN2等の不活性ガスを用いて炉内圧力を1atmとし、O2ガスの供給分圧の値を変化させた。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the equilibrium partial pressure of GaCl and the O 2 / GaCl supply partial pressure ratio when the ambient temperature of Ga 2 O 3 crystal growth is 1000 ° C., obtained by thermal equilibrium calculation. Here, the ratio of the O 2 gas supply partial pressure to the GaCl gas supply partial pressure is referred to as an O 2 / GaCl supply partial pressure ratio. In this calculation, the supply partial pressure value of the GaCl gas is fixed to 1 × 10 −3 atm, the in-furnace pressure is set to 1 atm using an inert gas such as N 2 as the carrier gas, and the O 2 gas is supplied. The value of partial pressure was changed.
図5の横軸はO2/GaCl供給分圧比を示し、縦軸はGaClガスの平衡分圧(atm)を表す。GaClガスの供給分圧が小さいほど、Ga2O3結晶の成長にGaClガスが消費されていること、すなわち、効率的にGa2O3結晶が成長していることを示す。 The horizontal axis in FIG. 5 represents the O 2 / GaCl supply partial pressure ratio, and the vertical axis represents the equilibrium partial pressure (atm) of GaCl gas. The smaller the supply partial pressure of GaCl gas, the more GaCl gas is consumed for the growth of Ga 2 O 3 crystal, that is, the Ga 2 O 3 crystal is efficiently grown.
図5は、O2/GaCl供給分圧比が0.5以上になるとGaClガスの平衡分圧が急激に低下することを示している。 FIG. 5 shows that the equilibrium partial pressure of GaCl gas rapidly decreases when the O 2 / GaCl supply partial pressure ratio is 0.5 or more.
このため、β−Ga2O3系単結晶膜12を効率的に成長させるためには、結晶成長領域R2におけるO2ガスの供給分圧のGaClガスの供給分圧に対する比が0.5以上である状態でβ−Ga2O3系単結晶膜12を成長させることが好ましい。
For this reason, in order to efficiently grow the β-Ga 2 O 3 -based
図6は、主面の面方位が(010)であるβ−Ga2O3基板の主面上にGa2O3単結晶膜をエピタキシャル成長させた結晶積層構造体の、2θ−ωスキャンにより得られたX線回折スペクトルを表すグラフである。成長条件は、炉内圧力を1atm、キャリアガスをN2ガス、GaCl供給分圧を5×10−4atm、O2/GaCl供給分圧比を5とした。 FIG. 6 is obtained by a 2θ-ω scan of a crystal stacked structure in which a Ga 2 O 3 single crystal film is epitaxially grown on a main surface of a β-Ga 2 O 3 substrate having a (010) plane orientation of the main surface. It is a graph showing the acquired X-ray-diffraction spectrum. The growth conditions were such that the furnace pressure was 1 atm, the carrier gas was N 2 gas, the GaCl supply partial pressure was 5 × 10 −4 atm, and the O 2 / GaCl supply partial pressure ratio was 5.
図6の横軸はX線の入射方位と反射方位のなす角2θ(degree)を表し、縦軸はX線の回折強度(任意単位)を表す。 The horizontal axis of FIG. 6 represents the angle 2θ (degree) formed by the X-ray incident azimuth and reflection azimuth, and the vertical axis represents the X-ray diffraction intensity (arbitrary unit).
図6は、β−Ga2O3基板(β−Ga2O3結晶膜なし)のスペクトル、及び800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、及び1050℃でそれぞれβ−Ga2O3結晶膜をエピタキシャル成長させた結晶積層構造体のスペクトルを示す。これらの結晶積層構造体のβ−Ga2O3結晶膜の厚さは、およそ300〜1000nmである。
6, β-Ga 2 O 3 spectrum of the
図6によれば、800、850℃の成長温度でβ−Ga2O3結晶膜を成長させた結晶積層構造体のスペクトルにおいて見られる、非配向グレインの存在に起因する(−313)面、(−204)面、及び(−712)面又は(512)面の回折ピークが、900℃以上の成長温度でβ−Ga2O3結晶膜を成長させた結晶積層構造体のスペクトルにおいて消滅する。このことは、900℃以上の成長温度でGa2O3単結晶膜を成長させることにより、β−Ga2O3単結晶膜が得られることを示している。 According to FIG. 6, the (−313) plane due to the presence of non-oriented grains, as seen in the spectrum of the crystal stack structure in which the β-Ga 2 O 3 crystal film is grown at growth temperatures of 800 and 850 ° C. The (−204) plane and the (−712) plane or (512) plane diffraction peaks disappear in the spectrum of the crystal stack structure in which the β-Ga 2 O 3 crystal film is grown at a growth temperature of 900 ° C. or higher. . This indicates that a β-Ga 2 O 3 single crystal film can be obtained by growing a Ga 2 O 3 single crystal film at a growth temperature of 900 ° C. or higher.
なお、β−Ga2O3基板の主面の面方位が(−201)、(001)、又は(101)である場合にも、900℃以上の成長温度でβ−Ga2O3結晶膜を成長させることにより、β−Ga2O3単結晶膜が得られる。また、Ga2O3基板の代わりに他のGa2O3系基板を用いた場合であっても、Ga2O3結晶膜の代わりに他のGa2O3系結晶膜を形成した場合であっても、上記の評価結果と同様の評価結果が得られる。すなわち、Ga2O3系基板10の主面の面方位が(010)、(−201)、(001)、又は(101)である場合、900℃以上の成長温度でβ−Ga2O3系単結晶膜12を成長させることにより、β−Ga2O3系単結晶膜12が得られる。
Even when the plane orientation of the main surface of the β-Ga 2 O 3 substrate is (−201), (001), or (101), the β-Ga 2 O 3 crystal film is grown at a growth temperature of 900 ° C. or higher. Is grown, a β-Ga 2 O 3 single crystal film is obtained. Further, even in the case of using the other Ga 2 O 3 system board in place of Ga 2 O 3 substrate, in the case of forming the other Ga 2 O 3 based crystal film in place of Ga 2 O 3 crystal film Even if it exists, the evaluation result similar to said evaluation result is obtained. That is, when the plane orientation of the main surface of the Ga 2 O 3 based
図7は、主面の面方位が(−201)であるβ−Ga2O3基板の主面上にβ−Ga2O3単結晶膜をエピタキシャル成長させた結晶積層構造体の、2θ−ωスキャンにより得られたX線回折スペクトルを表すグラフである。このβ−Ga2O3単結晶膜の成長条件は、炉内圧力を1atm、キャリアガスをN2ガス、GaCl供給分圧を5×10−4atm、O2/GaCl供給分圧比を5とし、成長温度を1000℃とした。 FIG. 7 shows a 2θ-ω of a crystal stacked structure in which a β-Ga 2 O 3 single crystal film is epitaxially grown on the main surface of a β-Ga 2 O 3 substrate having a main surface orientation of (−201). It is a graph showing the X-ray-diffraction spectrum obtained by the scan. The growth conditions of this β-Ga 2 O 3 single crystal film are as follows: the furnace pressure is 1 atm, the carrier gas is N 2 gas, the GaCl supply partial pressure is 5 × 10 −4 atm, and the O 2 / GaCl supply partial pressure ratio is 5. The growth temperature was 1000 ° C.
図7は、主面の面方位が(−201)であるβ−Ga2O3基板(β−Ga2O3結晶膜なし)のスペクトル、及びそのβ−Ga2O3基板上に1000℃でβ−Ga2O3結晶膜をエピタキシャル成長させた結晶積層構造体のスペクトルを示す。この結晶積層構造体のβ−Ga2O3結晶膜の厚さは、およそ300nmである。 FIG. 7 shows a spectrum of a β-Ga 2 O 3 substrate (without a β-Ga 2 O 3 crystal film) whose plane orientation of the main surface is (−201), and 1000 ° C. on the β-Ga 2 O 3 substrate. 2 shows a spectrum of a crystal stacked structure obtained by epitaxially growing a β-Ga 2 O 3 crystal film. The thickness of the β-Ga 2 O 3 crystal film of this crystal laminated structure is approximately 300 nm.
図8は、主面の面方位が(001)であるβ−Ga2O3基板の主面上にGa2O3単結晶膜をエピタキシャル成長させた結晶積層構造体の、2θ−ωスキャンにより得られたX線回折スペクトルを表すグラフである。このβ−Ga2O3単結晶膜の成長条件は、炉内圧力を1atm、キャリアガスをN2ガス、GaCl供給分圧を5×10−4atm、O2/GaCl供給分圧比を5とし、成長温度を1000℃とした。 FIG. 8 is obtained by 2θ-ω scanning of a crystal stacked structure in which a Ga 2 O 3 single crystal film is epitaxially grown on the main surface of a β-Ga 2 O 3 substrate having a (001) main surface orientation. It is a graph showing the acquired X-ray-diffraction spectrum. The growth conditions of this β-Ga 2 O 3 single crystal film are as follows: the furnace pressure is 1 atm, the carrier gas is N 2 gas, the GaCl supply partial pressure is 5 × 10 −4 atm, and the O 2 / GaCl supply partial pressure ratio is 5. The growth temperature was 1000 ° C.
図8は、主面の面方位が(001)であるβ−Ga2O3基板(β−Ga2O3結晶膜なし)のスペクトル、及びそのβ−Ga2O3基板上に1000℃でβ−Ga2O3結晶膜をエピタキシャル成長させた結晶積層構造体のスペクトルを示す。この結晶積層構造体のβ−Ga2O3結晶膜の厚さは、およそ6μmである。 FIG. 8 shows a spectrum of a β-Ga 2 O 3 substrate (no β-Ga 2 O 3 crystal film) whose surface orientation is (001) and 1000 ° C. on the β-Ga 2 O 3 substrate. 2 shows a spectrum of a crystal stacked structure obtained by epitaxially growing a β-Ga 2 O 3 crystal film. The thickness of the β-Ga 2 O 3 crystal film of this crystal laminated structure is approximately 6 μm.
図9は、主面の面方位が(101)であるβ−Ga2O3基板の主面上にGa2O3単結晶膜をエピタキシャル成長させた結晶積層構造体の、2θ−ωスキャンにより得られたX線回折スペクトルを表すグラフである。このβ−Ga2O3単結晶膜の成長条件は、炉内圧力を1atm、キャリアガスをN2ガス、GaCl供給分圧を5×10−4atm、O2/GaCl供給分圧比を5とし、成長温度を1000℃とした。 FIG. 9 is obtained by a 2θ-ω scan of a crystal laminated structure in which a Ga 2 O 3 single crystal film is epitaxially grown on the main surface of a β-Ga 2 O 3 substrate whose main surface has a plane orientation of (101). It is a graph showing the acquired X-ray-diffraction spectrum. The growth conditions of this β-Ga 2 O 3 single crystal film are as follows: the furnace pressure is 1 atm, the carrier gas is N 2 gas, the GaCl supply partial pressure is 5 × 10 −4 atm, and the O 2 / GaCl supply partial pressure ratio is 5. The growth temperature was 1000 ° C.
図9は、主面の面方位が(101)であるβ−Ga2O3基板(β−Ga2O3結晶膜なし)のスペクトル、及びそのβ−Ga2O3基板上に1000℃でβ−Ga2O3結晶膜をエピタキシャル成長させた結晶積層構造体のスペクトルを示す。この結晶積層構造体のβ−Ga2O3結晶膜の厚さは、およそ4μmである。 FIG. 9 shows a spectrum of a β-Ga 2 O 3 substrate (without a β-Ga 2 O 3 crystal film) whose plane orientation is (101), and 1000 ° C. on the β-Ga 2 O 3 substrate. 2 shows a spectrum of a crystal stacked structure obtained by epitaxially growing a β-Ga 2 O 3 crystal film. The thickness of the β-Ga 2 O 3 crystal film of this crystal laminated structure is approximately 4 μm.
図7、8、9の横軸はX線の入射方位と反射方位のなす角2θ(degree)を表し、縦軸はX線の回折強度(任意単位)を表す。 7, 8, and 9, the horizontal axis represents the angle 2θ (degree) formed by the X-ray incident azimuth and the reflection azimuth, and the vertical axis represents the X-ray diffraction intensity (arbitrary unit).
図7、8、9によれば、1000℃の成長温度でβ−Ga2O3結晶膜を成長させた結晶積層構造体のスペクトルの回折ピークが、β−Ga2O3基板のスペクトルの回折ピークと一致している。この結果は、主面の面方位が(−201)、(001)、又は(101)であるβ−Ga2O3基板の主面上に1000℃の成長温度でβ−Ga2O3結晶膜を成長させることにより、β−Ga2O3単結晶膜が得られることを示している。 According to FIGS. 7, 8, and 9, the diffraction peak of the spectrum of the crystal stacked structure obtained by growing the β-Ga 2 O 3 crystal film at the growth temperature of 1000 ° C. is the diffraction of the spectrum of the β-Ga 2 O 3 substrate. It is consistent with the peak. This result shows that a β-Ga 2 O 3 crystal is grown at a growth temperature of 1000 ° C. on the main surface of a β-Ga 2 O 3 substrate having a plane orientation of (−201), (001), or (101). It shows that a β-Ga 2 O 3 single crystal film can be obtained by growing the film.
図10(a)、(b)は、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定した、結晶積層構造体中の不純物濃度を表すグラフである。 FIGS. 10A and 10B are graphs showing the impurity concentration in the crystal multilayer structure measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
図10(a)、(b)の横軸は結晶積層構造体のβ−Ga2O3単結晶膜の主面13からの深さ(μm)を表し、縦軸は各不純物の濃度(atoms/cm3)を表す。ここで、結晶積層構造体のβ−Ga2O3基板とβ−Ga2O3単結晶膜の界面の深さは、およそ0.3μmである。また、図10(a)、(b)の右側の水平な矢印は、各不純物元素の濃度の測定可能な下限値を表す。
10A and 10B, the horizontal axis represents the depth (μm) from the
本測定に用いた結晶積層構造体のβ−Ga2O3単結晶膜は、主面の面方位が(010)であるβ−Ga2O3基板の主面上に1000℃の成長温度で成長させた膜である。 The β-Ga 2 O 3 single crystal film of the crystal laminated structure used in this measurement has a growth temperature of 1000 ° C. on the main surface of the β-Ga 2 O 3 substrate whose main surface has a (010) plane orientation. It is a grown film.
図10(a)は、C、Sn、Siの結晶積層構造体中の濃度を表し、図10(b)は、H、Clの結晶積層構造体中の濃度を表す。図10(a)、(b)によれば、いずれの不純物元素も、β−Ga2O3単結晶膜中の濃度が測定可能な下限値に近く、Ga2O3基板中の濃度とほぼ変わらない。このことは、β−Ga2O3単結晶膜が純度の高い膜であることを示している。 FIG. 10A shows the concentration of C, Sn, and Si in the crystal stacked structure, and FIG. 10B shows the concentration of H and Cl in the crystal stacked structure. According to FIGS. 10A and 10B, both impurity elements are close to the measurable lower limit of the concentration in the β-Ga 2 O 3 single crystal film, and almost the same as the concentration in the Ga 2 O 3 substrate. does not change. This indicates that the β-Ga 2 O 3 single crystal film is a highly pure film.
なお、β−Ga2O3基板の主面の面方位が(−201)、(101)、又は(001)である場合にも同様の評価結果が得られる。また、β−Ga2O3基板の代わりに他のGa2O3系基板を用いた場合であっても、β−Ga2O3単結晶膜の代わりに他のGa2O3系単結晶膜を形成した場合であっても、上記の評価結果と同様の評価結果が得られる。 Similar evaluation results are obtained when the plane orientation of the main surface of the β-Ga 2 O 3 substrate is (−201), (101), or (001). Further, even in the case of using the other Ga 2 O 3 system board in place of the β-Ga 2 O 3 substrate, β-Ga 2 O 3 other Ga 2 O 3 system single crystal in place of the single crystal film Even when a film is formed, an evaluation result similar to the above evaluation result is obtained.
図10(b)によれば、β−Ga2O3単結晶膜中におよそ5×1016(atoms/cm3)以下のClが含まれている。これは、Ga2O3単結晶膜がCl含有ガスを用いるHVPE法により形成されることに起因する。通常、HVPE法以外の方法によりGa2O3単結晶膜を形成する場合には、Cl含有ガスを用いないため、Ga2O3単結晶膜中にClが含まれることはなく、少なくとも、1×1016(atoms/cm3)以上のClが含まれることはない。 According to FIG. 10B, the β-Ga 2 O 3 single crystal film contains approximately 5 × 10 16 (atoms / cm 3 ) or less of Cl. This is because the Ga 2 O 3 single crystal film is formed by the HVPE method using a Cl-containing gas. Normally, when a Ga 2 O 3 single crystal film is formed by a method other than the HVPE method, since a Cl-containing gas is not used, Cl is not contained in the Ga 2 O 3 single crystal film. × 10 16 (atoms / cm 3 ) does not contain more Cl.
図11(a)は、主面の面方位が(001)であるβ−Ga2O3基板上にβ−Ga2O3結晶膜をエピタキシャル成長させた結晶積層構造体における、深さ方向のキャリア濃度のプロファイルを表すグラフである。 FIG. 11A shows a carrier in the depth direction in a crystal stacked structure in which a β-Ga 2 O 3 crystal film is epitaxially grown on a β-Ga 2 O 3 substrate whose main surface has a plane orientation of (001). It is a graph showing the profile of a density | concentration.
図11(a)の横軸はβ−Ga2O3結晶膜の表面からの深さ(μm)を表し、縦軸はキャリア濃度、すなわち正味のドナー濃度であるドナー濃度Ndとアクセプタ濃度Naの差(cm−3)を表す。また、図中の点で描かれた曲線は、β−Ga2O3の比誘電率を10、β−Ga2O3へPtを接触させたときのビルトインポテンシャルを1.5Vとしたときのドナー濃度と空乏層厚との関係を表す理論曲線である。 In FIG. 11A, the horizontal axis represents the depth (μm) from the surface of the β-Ga 2 O 3 crystal film, and the vertical axis represents the carrier concentration, that is, the donor concentration N d and the acceptor concentration N which are net donor concentrations. It represents the difference a (cm -3). Also, drawn curve in terms of in the figure, when the built-in potential when the relative dielectric constant of the β-Ga 2 O 3 10, contacting the Pt to β-Ga 2 O 3 and 1.5V It is a theoretical curve showing the relationship between donor concentration and depletion layer thickness.
図11(a)に示されるデータを測定するために用いた手順を以下に示す。まず、主面の面方位が(001)であり、Snをドープしたn型のβ−Ga2O3基板上に、HVPE法により、アンドープのβ−Ga2O3結晶膜をおよそ15μmの厚さにエピタキシャル成長させた。ここで、アンドープとは、意図したドーピングが行われていないことを意味し、意図しない不純物の混入を否定するものではない。 The procedure used to measure the data shown in FIG. 11 (a) is shown below. First, an undoped β-Ga 2 O 3 crystal film having a thickness of about 15 μm is formed on an n-type β-Ga 2 O 3 substrate doped with Sn and having a plane orientation of (001) by HVPE. Then, it was epitaxially grown. Here, undoped means that the intended doping is not performed, and does not deny the entry of unintended impurities.
β−Ga2O3基板は、厚さが600μmの、10mmの正方形の基板であり、キャリア濃度はおよそ6×1018cm−3であった。β−Ga2O3単結晶膜の成長条件は、炉内圧力を1atm、キャリアガスをN2ガス、GaCl供給分圧を5×10−4atm、O2/GaCl供給分圧比を5とし、成長温度を1000℃とした。 The β-Ga 2 O 3 substrate was a 10 mm square substrate having a thickness of 600 μm, and the carrier concentration was approximately 6 × 10 18 cm −3 . The growth conditions of the β-Ga 2 O 3 single crystal film are as follows: furnace pressure is 1 atm, carrier gas is N 2 gas, GaCl supply partial pressure is 5 × 10 −4 atm, O 2 / GaCl supply partial pressure ratio is 5, The growth temperature was 1000 ° C.
次に、表面平坦化のため、アンドープのβ−Ga2O3結晶膜の表面をCMPによって3μm研磨した。 Next, the surface of the undoped β-Ga 2 O 3 crystal film was polished by 3 μm by CMP for planarizing the surface.
次に、β−Ga2O3結晶膜上にショットキー電極、β−Ga2O3基板上にオーミック電極を形成し、バイアス電圧を+0〜−10Vの範囲で変化させてC−V測定を行った。そして、C−V測定の結果から深さ方向のキャリア濃度のプロファイルを算出した。 Next, a Schottky electrode is formed on the β-Ga 2 O 3 crystal film and an ohmic electrode is formed on the β-Ga 2 O 3 substrate, and the CV measurement is performed by changing the bias voltage in the range of +0 to −10V. went. And the profile of the carrier concentration of the depth direction was computed from the result of CV measurement.
ここで、ショットキー電極は、厚さ15nmのPt膜、厚さ5nmのTi膜、厚さ250nmのAu膜がこの順序で積層された積層構造を有する、直径800μmの円形の電極である。また、オーミック電極は、厚さ50nmのTi膜、厚さ300nmのAu膜がこの順序で積層された積層構造を有する、一辺が10mmの正方形の電極である。 Here, the Schottky electrode is a circular electrode having a diameter of 800 μm and having a laminated structure in which a Pt film having a thickness of 15 nm, a Ti film having a thickness of 5 nm, and an Au film having a thickness of 250 nm are laminated in this order. The ohmic electrode is a square electrode with a side of 10 mm having a laminated structure in which a Ti film having a thickness of 50 nm and an Au film having a thickness of 300 nm are laminated in this order.
図11(a)においては、β−Ga2O3結晶膜の厚さに等しい12μmよりも浅い深さの領域には測定点が存在せず、すべての測定点の横軸座標が12μmとなっている。これは、バイアス電圧が+0〜−10Vの範囲でβ−Ga2O3結晶膜の全領域が空乏化していることを示している。 In FIG. 11A, no measurement point exists in a region having a depth shallower than 12 μm, which is equal to the thickness of the β-Ga 2 O 3 crystal film, and the horizontal coordinate of all measurement points is 12 μm. ing. This indicates that the entire region of the β-Ga 2 O 3 crystal film is depleted when the bias voltage is in the range of +0 to −10V.
このため、当然ながら、バイアス電圧が0のときにも、β−Ga2O3結晶膜の全領域が空乏化している。理論曲線によると、空乏層厚が12μmであるときのドナー濃度がおよそ1×1013cm−3であることから、β−Ga2O3結晶膜の残留キャリア濃度が1×1013cm−3以下と、非常に低い値であることが推定される。 For this reason, of course, even when the bias voltage is 0, the entire region of the β-Ga 2 O 3 crystal film is depleted. According to the theoretical curve, since the donor concentration when the depletion layer thickness is 12 μm is approximately 1 × 10 13 cm −3 , the residual carrier concentration of the β-Ga 2 O 3 crystal film is 1 × 10 13 cm −3. It is estimated that this is a very low value as follows.
β−Ga2O3結晶膜の残留キャリア濃度が1×1013cm−3以下であるため、例えば、IV族元素をドーピングすることにより、β−Ga2O3結晶膜のキャリア濃度を1×1013〜1×1020cm−3の範囲で制御することができる。 Since the residual carrier concentration of the β-Ga 2 O 3 crystal film is 1 × 10 13 cm −3 or less, for example, by doping a group IV element, the carrier concentration of the β-Ga 2 O 3 crystal film is 1 × It can control in the range of 10 < 13 > -1 * 10 < 20 > cm < -3 >.
図11(b)は、上記の結晶積層構造体の耐電圧特性を表すグラフである。 FIG. 11B is a graph showing the withstand voltage characteristics of the crystal multilayer structure.
図11(b)の横軸は印加電圧(V)を表し、縦軸は電流密度(A/cm2)を表す。
また、図中の点で描かれた直線は、測定下限値を表す。
In FIG. 11B, the horizontal axis represents applied voltage (V), and the vertical axis represents current density (A / cm 2 ).
Moreover, the straight line drawn by the point in a figure represents a measurement lower limit.
図11(b)に示されるデータを測定するために用いた手順を以下に示す。まず、上記のβ−Ga2O3基板とβ−Ga2O3結晶膜からなる結晶積層構造体を用意した。 The procedure used to measure the data shown in FIG. 11 (b) is shown below. First, a crystal laminated structure composed of the β-Ga 2 O 3 substrate and a β-Ga 2 O 3 crystal film was prepared.
次に、β−Ga2O3結晶膜上にショットキー電極、β−Ga2O3基板上にオーミック電極を形成し、1000Vの電圧を印加して電流密度を測定した。 Next, a Schottky electrode was formed on the β-Ga 2 O 3 crystal film and an ohmic electrode was formed on the β-Ga 2 O 3 substrate, and a voltage of 1000 V was applied to measure the current density.
ここで、ショットキー電極は、厚さ15nmのPt膜、厚さ5nmのTi膜、厚さ250nmのAu膜がこの順序で積層された積層構造を有する、直径200μmの円形の電極である。また、オーミック電極は、厚さ50nmのTi膜、厚さ300nmのAu膜がこの順序で積層された積層構造を有する、一辺が10mmの正方形の電極である。 Here, the Schottky electrode is a circular electrode having a diameter of 200 μm having a laminated structure in which a Pt film having a thickness of 15 nm, a Ti film having a thickness of 5 nm, and an Au film having a thickness of 250 nm are laminated in this order. The ohmic electrode is a square electrode with a side of 10 mm having a laminated structure in which a Ti film having a thickness of 50 nm and an Au film having a thickness of 300 nm are laminated in this order.
図11(b)は、1000Vの電圧が印加されても、結晶積層構造体におけるリーク電流が1×10−5A/cm2程度と非常に小さく、また、絶縁破壊が生じないことを示している。この結果は、β−Ga2O3結晶膜が結晶欠陥の少ない高品質な結晶膜であり、また、ドナー濃度が低いことによるものと考えられる。 FIG. 11B shows that even when a voltage of 1000 V is applied, the leakage current in the crystal laminated structure is as small as about 1 × 10 −5 A / cm 2 and no dielectric breakdown occurs. Yes. This result is considered to be because the β-Ga 2 O 3 crystal film is a high-quality crystal film with few crystal defects and the donor concentration is low.
図12は、主面の面方位が(010)であるβ−Ga2O3基板上にβ−Ga2O3結
晶膜をエピタキシャル成長させた結晶積層構造体における、深さ方向のキャリア濃度のプロファイルを表すグラフである。
FIG. 12 shows a profile of carrier concentration in the depth direction in a crystal stacked structure in which a β-Ga 2 O 3 crystal film is epitaxially grown on a β-Ga 2 O 3 substrate having a (010) principal plane orientation. It is a graph showing.
図12の横軸はβ−Ga2O3結晶膜の表面からの深さ(μm)を表し、縦軸はキャリア濃度、すなわち正味のドナー濃度であるドナー濃度Ndとアクセプタ濃度Naの差(cm−3)を表す。また、図中の点で描かれた曲線は、β−Ga2O3の比誘電率を10、β−Ga2O3へPtを接触させたときのビルトインポテンシャルを1.5Vとしたときのドナー濃度と空乏層厚との関係を表す理論曲線である。 The horizontal axis of FIG. 12 represents the depth ([mu] m) from the surface of the β-Ga 2 O 3 crystal film, and the vertical axis the carrier concentration, i.e., the difference between the donor concentration N d and the acceptor concentration N a is the donor concentration of the net (Cm <-3> ) is represented. Also, drawn curve in terms of in the figure, when the built-in potential when the relative dielectric constant of the β-Ga 2 O 3 10, contacting the Pt to β-Ga 2 O 3 and 1.5V It is a theoretical curve showing the relationship between donor concentration and depletion layer thickness.
図12に示されるデータを測定するために用いた手順を以下に示す。まず、主面の面方位が(010)であり、Snをドープしたn型のβ−Ga2O3基板上に、HVPE法により、アンドープのβ−Ga2O3結晶膜をおよそ0.9μmの厚さにエピタキシャル成長させた。 The procedure used to measure the data shown in FIG. 12 is shown below. First, the surface orientation of the main surface is (010), and an undoped β-Ga 2 O 3 crystal film is formed on the Sn-doped n-type β-Ga 2 O 3 substrate by an HVPE method to approximately 0.9 μm. Epitaxially grown to a thickness of.
β−Ga2O3基板は、厚さが600μmの、一辺が10mmの正方形の基板であり、キャリア濃度はおよそ6×1018cm−3であった。β−Ga2O3単結晶膜の成長条件は、炉内圧力を1atm、キャリアガスをN2ガス、GaCl供給分圧を5×10−4atm、O2/GaCl供給分圧比を5とし、成長温度を1000℃とした。 The β-Ga 2 O 3 substrate was a square substrate having a thickness of 600 μm and a side of 10 mm, and the carrier concentration was approximately 6 × 10 18 cm −3 . The growth conditions of the β-Ga 2 O 3 single crystal film are as follows: furnace pressure is 1 atm, carrier gas is N 2 gas, GaCl supply partial pressure is 5 × 10 −4 atm, O 2 / GaCl supply partial pressure ratio is 5, The growth temperature was 1000 ° C.
次に、アンドープのβ−Ga2O3結晶膜上にショットキー電極、β−Ga2O3基板上にオーミック電極を形成し、バイアス電圧を+0〜−10Vの範囲で変化させてC−V測定を行った。そして、C−V測定の結果から深さ方向のキャリア濃度のプロファイルを算出した。 Next, a Schottky electrode is formed on the undoped β-Ga 2 O 3 crystal film, an ohmic electrode is formed on the β-Ga 2 O 3 substrate, and the bias voltage is changed in the range of +0 to −10 V to obtain CV Measurements were made. And the profile of the carrier concentration of the depth direction was computed from the result of CV measurement.
ここで、ショットキー電極は、厚さ15nmのPt膜、厚さ5nmのTi膜、厚さ250nmのAu膜がこの順序で積層された積層構造を有する、直径400μmの円形の電極である。また、オーミック電極は、厚さ50nmのTi膜、厚さ300nmのAu膜がこの順序で積層された積層構造を有する、一辺が10mmの正方形の電極である。 Here, the Schottky electrode is a circular electrode having a diameter of 400 μm having a stacked structure in which a Pt film having a thickness of 15 nm, a Ti film having a thickness of 5 nm, and an Au film having a thickness of 250 nm are stacked in this order. The ohmic electrode is a square electrode with a side of 10 mm having a laminated structure in which a Ti film having a thickness of 50 nm and an Au film having a thickness of 300 nm are laminated in this order.
図12においては、バイアス電圧が0のときの測定点の横軸座標が0.85μmである(0.85μmよりも深い領域の測定点は、バイアス電圧が−10Vに近いときの測定点)。理論曲線によると、空乏層厚が0.85μmであるときのドナー濃度がおよそ2.3×1015cm−3であることから、β−Ga2O3結晶膜の残留キャリア濃度が3×1015cm−3以下と、非常に低い値であることが推定される。 In FIG. 12, the horizontal coordinate of the measurement point when the bias voltage is 0 is 0.85 μm (the measurement point in the region deeper than 0.85 μm is the measurement point when the bias voltage is close to −10 V). According to the theoretical curve, since the donor concentration when the depletion layer thickness is 0.85 μm is approximately 2.3 × 10 15 cm −3 , the residual carrier concentration of the β-Ga 2 O 3 crystal film is 3 × 10 6. It is estimated that it is a very low value of 15 cm −3 or less.
(実施の形態の効果)
上記実施の形態によれば、HVPE法を用いて、ガリウムの原料ガスの生成条件や、β−Ga2O3系単結晶膜の成長条件を制御することにより、高品質かつ大口径のβ−Ga2O3系単結晶膜を効率的に成長させることができる。また、β−Ga2O3系単結晶膜が結晶品質に優れるため、β−Ga2O3系単結晶膜上に品質のよい結晶膜を成長させることができる。このため、本実施の形態に係るβ−Ga2O3系単結晶膜を含む結晶積層構造体を高品質な半導体装置の製造に用いることができる。
(Effect of embodiment)
According to the embodiment, by using the HVPE method, the production condition of the gallium source gas and the growth condition of the β-Ga 2 O 3 based single crystal film are controlled, so that a high-quality and large-diameter β- A Ga 2 O 3 based single crystal film can be efficiently grown. In addition, since the β-Ga 2 O 3 single crystal film is excellent in crystal quality, a high-quality crystal film can be grown on the β-Ga 2 O 3 single crystal film. For this reason, the crystal laminated structure including the β-Ga 2 O 3 -based single crystal film according to this embodiment can be used for manufacturing a high-quality semiconductor device.
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。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
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。 The embodiments described above do not limit the invention according to the claims. In addition, it should be noted that not all the combinations of features described in the embodiments are essential to the means for solving the problems of the invention.
1…結晶積層構造体、10…Ga2O3系基板、11…主面、12…β−Ga2O3系単結晶膜 1 ... crystal laminated structure, 10 ... Ga 2 O 3 based substrate, 11 ... main surface, 12 ... β-Ga 2 O 3 single crystal film
Claims (4)
前記Ga2O3系基板の主面上に設けられたClを含むβ−Ga2O3系単結晶膜と、
を含み、
前記β−Ga2O3系単結晶膜は、その厚さ方向に1×1016〜5×1016(atoms/cm3)の前記Clを含む部分を有する結晶積層構造体。 A Ga 2 O 3 based substrate;
A β-Ga 2 O 3 based single crystal film containing Cl provided on the main surface of the Ga 2 O 3 based substrate;
Including
The β-Ga 2 O 3 based single crystal film is a crystal laminated structure having a portion containing 1 × 10 16 to 5 × 10 16 (atoms / cm 3 ) of Cl in the thickness direction.
前記Ga2O3系基板を反応チャンバー内の結晶成長領域に配置する工程と、
塩化ガリウム系ガス及び酸素含有ガスを前記反応チャンバー内の結晶成長領域へ供給して前記β−Ga2O3系単結晶膜を900℃以上で前記Ga2O3系基板上に成長させる工程と、
を含む結晶積層構造体の製造方法。 A manufacturing method for manufacturing the crystal multilayer structure according to claim 1 by an HVPE method,
Disposing the Ga 2 O 3 based substrate in a crystal growth region in a reaction chamber;
Supplying a gallium chloride-based gas and an oxygen-containing gas to a crystal growth region in the reaction chamber to grow the β-Ga 2 O 3 -based single crystal film on the Ga 2 O 3 -based substrate at 900 ° C. or higher; ,
The manufacturing method of the crystal laminated structure containing this.
を更に含む請求項3に記載の結晶積層構造体の製造方法。 Supplying a chloride gas for adding a dopant of a group IV element in addition to the gallium chloride gas and oxygen-containing gas to a crystal growth region in the reaction chamber, the β-Ga 2 O 3 single crystal The step of bringing the carrier concentration of the film into the range of 1 × 10 13 to 1 × 10 20 / cm 3 ;
The manufacturing method of the crystal laminated structure of Claim 3 which further contains these.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013203198 | 2013-09-30 | ||
JP2013203198 | 2013-09-30 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014088589A Division JP5984069B2 (en) | 2013-09-30 | 2014-04-22 | Method for growing β-Ga2O3 single crystal film and crystal laminated structure |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019175654A Division JP6875708B2 (en) | 2013-09-30 | 2019-09-26 | Crystallized structure and method for manufacturing it |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016183107A true JP2016183107A (en) | 2016-10-20 |
JP6601738B2 JP6601738B2 (en) | 2019-11-06 |
Family
ID=57242483
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016143092A Active JP6601738B2 (en) | 2013-09-30 | 2016-07-21 | Crystal laminated structure and manufacturing method thereof |
JP2019175654A Active JP6875708B2 (en) | 2013-09-30 | 2019-09-26 | Crystallized structure and method for manufacturing it |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019175654A Active JP6875708B2 (en) | 2013-09-30 | 2019-09-26 | Crystallized structure and method for manufacturing it |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (2) | JP6601738B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113614292A (en) * | 2019-03-28 | 2021-11-05 | 日本碍子株式会社 | Semiconductor film |
CN114908418A (en) * | 2022-04-29 | 2022-08-16 | 杭州富加镓业科技有限公司 | Method for preparing homoepitaxial gallium oxide film on conductive gallium oxide substrate and HVPE equipment |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2024025233A (en) * | 2022-08-10 | 2024-02-26 | 株式会社ノベルクリスタルテクノロジー | Growth method of β-Ga2O3 single crystal film |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013035845A1 (en) * | 2011-09-08 | 2013-03-14 | 株式会社タムラ製作所 | Ga2o3 semiconductor element |
WO2013035842A1 (en) * | 2011-09-08 | 2013-03-14 | 株式会社タムラ製作所 | Ga2O3 SEMICONDUCTOR ELEMENT |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005235961A (en) * | 2004-02-18 | 2005-09-02 | Univ Waseda | Method for controlling conductivity of gallium oxide series monocrystal |
EP2754738B1 (en) * | 2011-09-08 | 2021-07-07 | Tamura Corporation | Schottky-barrier diode |
-
2016
- 2016-07-21 JP JP2016143092A patent/JP6601738B2/en active Active
-
2019
- 2019-09-26 JP JP2019175654A patent/JP6875708B2/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013035845A1 (en) * | 2011-09-08 | 2013-03-14 | 株式会社タムラ製作所 | Ga2o3 semiconductor element |
WO2013035842A1 (en) * | 2011-09-08 | 2013-03-14 | 株式会社タムラ製作所 | Ga2O3 SEMICONDUCTOR ELEMENT |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
TAKAYOSHI OSHIMA: "Surface morphology of homoepitaxial β-Ga2O3 thin films grown by molecular beam epitaxy", THIN SOLID FILMS, vol. 516, JPN6018024536, 2008, pages 5768 - 5771, XP022688390, ISSN: 0003826755, DOI: 10.1016/j.tsf.2007.10.045 * |
森悦雄: "Ga2O3の気相エピタキシャル成長", 東京大学工学部総合試験所年報, vol. 第35巻, JPN7015002172, 1976, JP, pages 155 - 161, ISSN: 0003826754 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113614292A (en) * | 2019-03-28 | 2021-11-05 | 日本碍子株式会社 | Semiconductor film |
CN114908418A (en) * | 2022-04-29 | 2022-08-16 | 杭州富加镓业科技有限公司 | Method for preparing homoepitaxial gallium oxide film on conductive gallium oxide substrate and HVPE equipment |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2020073425A (en) | 2020-05-14 |
JP6601738B2 (en) | 2019-11-06 |
JP6875708B2 (en) | 2021-05-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20210404086A1 (en) | Method for growing beta-ga2o3-based single crystal film, and crystalline layered structure | |
US11047067B2 (en) | Crystal laminate structure | |
Gogova et al. | Homo-and heteroepitaxial growth of Sn-doped β-Ga 2 O 3 layers by MOVPE | |
US10199512B2 (en) | High voltage withstand Ga2O3-based single crystal schottky barrier diode | |
JP6875708B2 (en) | Crystallized structure and method for manufacturing it | |
WO2011135744A1 (en) | Gan substrate and light-emitting device | |
EP3396030A1 (en) | Semiconductor substrate, and epitaxial wafer and method for producing same | |
CN106471163B (en) | Semiconductor substrate, epitaxial wafer and manufacturing method thereof | |
KR20210125551A (en) | GaN crystals and substrates |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170413 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20170413 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20180327 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180703 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180801 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190129 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190322 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20190322 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20190325 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190827 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190926 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6601738 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |