JP2017118090A - 積層構造体および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置に有用な積層構造体ならびに半導体特性およびショットキー特性に優れた半導体装置を提供する。【解決手段】第１の金属層と、第１の金属層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の金属層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の金属層が、周期律表第４族または第１１族の金属を含み、第２の金属層が周期律表第４族または第１１族の金属を含む。【選択図】なし
Description
本発明は、半導体装置に有用な積層構造体および前記積層構造体からなる半導体装置に関する。
酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）は、室温において４．８−５．３ｅＶという広いバンドギャップを持ち、可視光及び紫外光をほとんど吸収しない透明半導体である。そのため、特に、深紫外線領域で動作する光・電子デバイスや透明エレクトロニクスにおいて使用するための有望な材料であり、近年においては、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）を基にした、光検知器、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びトランジスタの開発が行われている（非特許文献１参照）。
また、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）には、α、β、γ、σ、εの５つの結晶構造が存在し、一般的に最も安定な構造は、β−Ｇａ２Ｏ３である。しかしながら、β−Ｇａ２Ｏ３はβガリア構造であるので、一般に電子材料等で利用する結晶系とは異なり、半導体装置への利用は必ずしも好適ではない。また、β−Ｇａ２Ｏ３薄膜の成長は高い基板温度や高い真空度を必要とするので、製造コストも増大するといった問題もある。また、非特許文献２にも記載されているように、β−Ｇａ２Ｏ３では、高濃度（例えば１×１０１９／ｃｍ３以上）のドーパント（Ｓｉ）でさえも、イオン注入後、８００℃〜１１００℃の高温にてアニール処理を施さなければドナーとして使えなかった。
一方、α−Ｇａ２Ｏ３は、既に汎用に販売されているサファイア基板と同じ結晶構造を有するため、光・電子デバイスへの利用には好適であり、さらに、β−Ｇａ２Ｏ３よりも広いバンドギャップをもつため、パワーデバイスに特に有用であり、そのため、α−Ｇａ２Ｏ３を半導体として用いた半導体装置が待ち望まれている状況である。
一方、α−Ｇａ２Ｏ３は、既に汎用に販売されているサファイア基板と同じ結晶構造を有するため、光・電子デバイスへの利用には好適であり、さらに、β−Ｇａ２Ｏ３よりも広いバンドギャップをもつため、パワーデバイスに特に有用であり、そのため、α−Ｇａ２Ｏ３を半導体として用いた半導体装置が待ち望まれている状況である。
特許文献１および２には、β−Ｇａ２Ｏ３を半導体として用い、これに適合したオーミック特性が得られる電極として、Ｔｉ層およびＡｕ層からなる２層、Ｔｉ層、Ａｌ層およびＡｕ層からなる３層、またはＴｉ層、Ａｌ層、Ｎｉ層およびＡｕ層からなる４層を用いた半導体装置が記載されている。
また、特許文献３には、β−Ｇａ２Ｏ３を半導体として用い、これに適合したショットキー特性が得られる電極として、Ａｕ、Ｐｔ、あるいはＮｉおよびＡｕの積層体のいずれかを用いた半導体装置が記載されている。
しかしながら、特許文献１〜３の記載の電極を、α−Ｇａ２Ｏ３を半導体として用いた半導体装置に適用した場合、ショットキー電極やオーミック電極として機能しなかったり、電極が膜につかなかったり、半導体特性が損なわれたりするなどの問題があった。
また、特許文献３には、β−Ｇａ２Ｏ３を半導体として用い、これに適合したショットキー特性が得られる電極として、Ａｕ、Ｐｔ、あるいはＮｉおよびＡｕの積層体のいずれかを用いた半導体装置が記載されている。
しかしながら、特許文献１〜３の記載の電極を、α−Ｇａ２Ｏ３を半導体として用いた半導体装置に適用した場合、ショットキー電極やオーミック電極として機能しなかったり、電極が膜につかなかったり、半導体特性が損なわれたりするなどの問題があった。
Jun Liang Zhao et al, "UV and Visible Electroluminescence From a Sn:Ga2O3/n+-Si Heterojunction by Metal‐Organic Chemical Vapor Depostion", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 58, NO.5 MAY 2011
Kohei Sasaki et al, "Si‐Ion Implantation Doping in β‐Ga2O3 and Its Application to Fabrication of Low‐Resistance Ohmic Contacts", Applied Physics Express 6 (2013) 086502
本発明は、半導体装置に有用な積層構造体ならびに半導体特性およびショットキー特性に優れた半導体装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、第１の金属層と、第１の金属層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の金属層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の金属層が、周期律表第４族または第１１族の金属を含み、第２の金属層が周期律表第４族または第１１族の金属を含む積層構造体が、半導体装置に有用であることを見出し、このような積層構造体を半導体装置に用いた場合、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体の半導体特性を損なうことなく、ショットキー特性にも優れていることを知見し、このような積層構造体が、上記した従来の問題を一挙に解決できるものであることを見出した。
また、本発明者らは、上記知見を得た後、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。
また、本発明者らは、上記知見を得た後、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明は、以下の発明に関する。
［１］ 第１の金属層と、第１の金属層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の金属層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の金属層が、周期律表第４族または第１１族の金属を含み、第２の金属層が周期律表第４族または第１１族の金属を含むことを特徴とする積層構造体。
［２］ 前記結晶性酸化物半導体がガリウムまたはインジウムを含む前記［１］記載の積層構造体。
［３］ 前記結晶性酸化物半導体がガリウムを含む前記［１］または［２］に記載の積層構造体。
［４］ 前記結晶性酸化物半導体が、α−Ｇａ２Ｏ３である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の積層構造体。
［５］ 第１の金属層が、Ｔｉまたは／およびＡｕを含む前記［１］〜［４］のいずれかに記載の積層構造体。
［６］ 第１の金属層が、さらに周期律表第１０族の金属を含む前記［１］〜［５］のいずれかに記載の積層構造体。
［７］ 周期律表第１０族の金属がＰｔである前記［６］記載の積層構造体。
［８］ 第２の金属層が、Ｔｉまたは／およびＡｕを含む前記［１］〜［７］のいずれかに記載の積層構造体。
［９］ 前記［１］〜［８］のいずれかに記載の積層構造体を含む半導体装置。
［１０］ ダイオードである前記［９］記載の半導体装置。
［１１］ ショットキーバリアダイオードである前記［９］または［１０］に記載の半導体装置。
［１２］ パワーデバイスである前記［９］〜［１１］のいずれかに記載の半導体装置。
［１３］ 第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の導電層が、周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、電極を構成しており、第２の導電層が、導電性金属酸化物または周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、オーミック電極を構成していることを特徴とする積層構造体。
［１４］ 第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、第１の導電層が、電極を構成しており、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第２の導電層が、導電性金属酸化物または周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、オーミック電極を構成していることを特徴とする積層構造体。
［１５］ 第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の導電層が、金属または導電性金属酸化物を含み、電極を構成しており、第２の導電層が、導電性金属酸化物を含み、オーミック電極を構成していることを特徴とする積層構造体。
［１６］ 前記［１３］〜［１５］のいずれかに記載の積層構造体を含む半導体装置。
［１７］ ダイオードである前記［１６］記載の半導体装置。
［１８］ ショットキーバリアダイオードである前記［１６］または［１７］に記載の半導体装置。
［１９］ パワーデバイスである前記［１６］〜［１８］のいずれかに記載の半導体装置。
［２０］ 前記［９］〜［１２］および前記［１６］〜［１９］のいずれかに記載の半導体装置を少なくとも備えるシステム。
［１］ 第１の金属層と、第１の金属層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の金属層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の金属層が、周期律表第４族または第１１族の金属を含み、第２の金属層が周期律表第４族または第１１族の金属を含むことを特徴とする積層構造体。
［２］ 前記結晶性酸化物半導体がガリウムまたはインジウムを含む前記［１］記載の積層構造体。
［３］ 前記結晶性酸化物半導体がガリウムを含む前記［１］または［２］に記載の積層構造体。
［４］ 前記結晶性酸化物半導体が、α−Ｇａ２Ｏ３である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の積層構造体。
［５］ 第１の金属層が、Ｔｉまたは／およびＡｕを含む前記［１］〜［４］のいずれかに記載の積層構造体。
［６］ 第１の金属層が、さらに周期律表第１０族の金属を含む前記［１］〜［５］のいずれかに記載の積層構造体。
［７］ 周期律表第１０族の金属がＰｔである前記［６］記載の積層構造体。
［８］ 第２の金属層が、Ｔｉまたは／およびＡｕを含む前記［１］〜［７］のいずれかに記載の積層構造体。
［９］ 前記［１］〜［８］のいずれかに記載の積層構造体を含む半導体装置。
［１０］ ダイオードである前記［９］記載の半導体装置。
［１１］ ショットキーバリアダイオードである前記［９］または［１０］に記載の半導体装置。
［１２］ パワーデバイスである前記［９］〜［１１］のいずれかに記載の半導体装置。
［１３］ 第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の導電層が、周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、電極を構成しており、第２の導電層が、導電性金属酸化物または周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、オーミック電極を構成していることを特徴とする積層構造体。
［１４］ 第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、第１の導電層が、電極を構成しており、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第２の導電層が、導電性金属酸化物または周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、オーミック電極を構成していることを特徴とする積層構造体。
［１５］ 第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の導電層が、金属または導電性金属酸化物を含み、電極を構成しており、第２の導電層が、導電性金属酸化物を含み、オーミック電極を構成していることを特徴とする積層構造体。
［１６］ 前記［１３］〜［１５］のいずれかに記載の積層構造体を含む半導体装置。
［１７］ ダイオードである前記［１６］記載の半導体装置。
［１８］ ショットキーバリアダイオードである前記［１６］または［１７］に記載の半導体装置。
［１９］ パワーデバイスである前記［１６］〜［１８］のいずれかに記載の半導体装置。
［２０］ 前記［９］〜［１２］および前記［１６］〜［１９］のいずれかに記載の半導体装置を少なくとも備えるシステム。
本発明の積層構造体は、半導体装置に有用であり、本発明の半導体装置は、半導体特性およびショットキー特性に優れている。
本発明の結晶性積層構造体は、第１の金属層と、第１の金属層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の金属層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の金属層が、周期律表第４族または第１１族の金属を含み、第２の金属層が周期律表第４族または第１１族の金属を含むことを特長とする。
前記半導体層は、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含んでいれば特に限定されない。前記半導体層（以下、「結晶性酸化物半導体膜」ともいう）は、ＩｎＡｌＧａＯ系半導体を主成分とするのが好ましく、ガリウムまたはインジウムを少なくとも含むのがより好ましく、ガリウムを少なくとも含むのが最も好ましい。なお、「主成分」とは、例えば結晶性酸化物半導体がα−Ｇａ２Ｏ３である場合、膜中の金属元素中のガリウムの原子比が０．５以上の割合でα−Ｇａ２Ｏ３が含まれていればそれでよい。本発明においては、前記膜中の金属元素中のガリウムの原子比が０．７以上であることが好ましく、０．８以上であるのがより好ましい。また、結晶性酸化物半導体膜の厚さは、特に限定されず、１μｍ以下であってもよいし、１μｍ以上であってもよい。なお、前記結晶性酸化物半導体膜は、通常、単結晶であるが、多結晶であってもよい。
前記結晶性酸化物半導体膜は、ドーパントが含まれているのが好ましい。前記ドーパントは、特に限定されず、公知のものであってよい。前記ドーパントとしては、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブ等のｎ型ドーパント、またはｐ型ドーパントなどが挙げられる。本発明においては、前記ドーパントが、Ｓｎであるのが好ましい。Ｓｎの含有量は、前記結晶性酸化物半導体膜の組成中、０．００００１原子％以上であるのが好ましく、０．００００１原子％〜２０原子％であるのがより好ましく、０．００００１原子％〜１０原子％であるのが最も好ましい。
前記結晶性酸化物半導体膜は、例えば、原料溶液を霧化または液滴化し（霧化・液滴化工程）、得られたミストまたは液滴をキャリアガスでもって基体上まで搬送し（搬送工程）、ついで、成膜室内で前記ミストまたは液滴を熱反応させることによって、基体上に結晶性酸化物半導体を主成分として含む結晶性酸化物半導体膜を積層する（成膜工程）ことにより好適に得られる。
（霧化・液滴化工程）
霧化・液滴化工程は、前記原料溶液を霧化または液滴化する。前記原料溶液の霧化手段または液滴化手段は、前記原料溶液を霧化または液滴化できさえすれば特に限定されず、公知の手段であってよいが、本発明においては、超音波を用いる霧化手段または液滴化手段が好ましい。超音波を用いて得られたミストまたは液滴は、初速度がゼロであり、空中に浮遊するので好ましく、例えば、スプレーのように吹き付けるのではなく、空間に浮遊してガスとして搬送することが可能なミストであるので衝突エネルギーによる損傷がないため、非常に好適である。液滴サイズは、特に限定されず、数ｍｍ程度の液滴であってもよいが、好ましくは５０μｍ以下であり、より好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。
霧化・液滴化工程は、前記原料溶液を霧化または液滴化する。前記原料溶液の霧化手段または液滴化手段は、前記原料溶液を霧化または液滴化できさえすれば特に限定されず、公知の手段であってよいが、本発明においては、超音波を用いる霧化手段または液滴化手段が好ましい。超音波を用いて得られたミストまたは液滴は、初速度がゼロであり、空中に浮遊するので好ましく、例えば、スプレーのように吹き付けるのではなく、空間に浮遊してガスとして搬送することが可能なミストであるので衝突エネルギーによる損傷がないため、非常に好適である。液滴サイズは、特に限定されず、数ｍｍ程度の液滴であってもよいが、好ましくは５０μｍ以下であり、より好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。
（原料溶液）
前記原料溶液は、霧化または液滴化が可能な材料を含んでおり、重水素を含有していれば特に限定されず、無機材料であっても、有機材料であってもよいが、本発明においては、金属または金属化合物であるのが好ましく、ガリウム、鉄、インジウム、アルミニウム、バナジウム、チタン、クロム、ロジウム、ニッケル、コバルト、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、シリコン、イットリウム、ストロンチウムおよびバリウムから選ばれる１種または２種以上の金属を含むのがより好ましい。
前記原料溶液は、霧化または液滴化が可能な材料を含んでおり、重水素を含有していれば特に限定されず、無機材料であっても、有機材料であってもよいが、本発明においては、金属または金属化合物であるのが好ましく、ガリウム、鉄、インジウム、アルミニウム、バナジウム、チタン、クロム、ロジウム、ニッケル、コバルト、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、シリコン、イットリウム、ストロンチウムおよびバリウムから選ばれる１種または２種以上の金属を含むのがより好ましい。
本発明においては、前記原料溶液として、前記金属を錯体または塩の形態で有機溶媒または水に溶解または分散させたものを好適に用いることができる。錯体の形態としては、例えば、アセチルアセトナート錯体、カルボニル錯体、アンミン錯体、ヒドリド錯体などが挙げられる。塩の形態としては、例えば、有機金属塩（例えば金属酢酸塩、金属シュウ酸塩、金属クエン酸塩等）、硫化金属塩、硝化金属塩、リン酸化金属塩、ハロゲン化金属塩（例えば塩化金属塩、臭化金属塩、ヨウ化金属塩等）などが挙げられる。
また、前記原料溶液には、ハロゲン化水素酸や酸化剤等の添加剤を混合するのが好ましい。前記ハロゲン化水素酸としては、例えば、臭化水素酸、塩酸、ヨウ化水素酸などが挙げられるが、中でも、より良質な膜が得られるとの理由から、臭化水素酸またはヨウ化水素酸が好ましい。前記酸化剤としては、例えば、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、過酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ２）、過酸化バリウム（ＢａＯ２）、過酸化ベンゾイル（Ｃ６Ｈ５ＣＯ）２Ｏ２等の過酸化物、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）、過塩素酸、硝酸、オゾン水、過酢酸やニトロベンゼン等の有機過酸化物などが挙げられる。
前記原料溶液には、ドーパントが含まれていてもよい。原料溶液にドーパントを含ませることで、ドーピングを良好に行うことができる。前記ドーパントは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。前記ドーパントとしては、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブ等のｎ型ドーパント、またはｐ型ドーパントなどが挙げられる。ドーパントの濃度は、通常、約１×１０１６／ｃｍ３〜１×１０２２／ｃｍ３であってもよいし、また、ドーパントの濃度を例えば約１×１０１７／ｃｍ３以下の低濃度にしてもよい。また、さらに、本発明によれば、ドーパントを約１×１０２０／ｃｍ３以上の高濃度で含有させてもよい。
原料溶液の溶媒は、特に限定されず、水等の無機溶媒であってもよいし、アルコール等の有機溶媒であってもよいし、無機溶媒と有機溶媒との混合溶媒であってもよい。本発明においては、前記溶媒が水を含むのが好ましく、水または水とアルコールとの混合溶媒であるのがより好ましい。
（搬送工程）
搬送工程では、キャリアガスでもって前記ミストまたは前記液滴を成膜室内に搬送する。前記キャリアガスとしては、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、窒素やアルゴン等の不活性ガス、または水素ガスやフォーミングガス等の還元ガスなどが好適な例として挙げられる。また、キャリアガスの種類は１種類であってよいが、２種類以上であってもよく、流量を下げた希釈ガス（例えば１０倍希釈ガス等）などを、第２のキャリアガスとしてさらに用いてもよい。また、キャリアガスの供給箇所も１箇所だけでなく、２箇所以上あってもよい。キャリアガスの流量は、特に限定されないが、０．０１〜２０Ｌ／分であるのが好ましく、１〜１０Ｌ／分であるのがより好ましい。希釈ガスの場合には、希釈ガスの流量が、０．００１〜２Ｌ／分であるのが好ましく、０．１〜１Ｌ／分であるのがより好ましい。
搬送工程では、キャリアガスでもって前記ミストまたは前記液滴を成膜室内に搬送する。前記キャリアガスとしては、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、窒素やアルゴン等の不活性ガス、または水素ガスやフォーミングガス等の還元ガスなどが好適な例として挙げられる。また、キャリアガスの種類は１種類であってよいが、２種類以上であってもよく、流量を下げた希釈ガス（例えば１０倍希釈ガス等）などを、第２のキャリアガスとしてさらに用いてもよい。また、キャリアガスの供給箇所も１箇所だけでなく、２箇所以上あってもよい。キャリアガスの流量は、特に限定されないが、０．０１〜２０Ｌ／分であるのが好ましく、１〜１０Ｌ／分であるのがより好ましい。希釈ガスの場合には、希釈ガスの流量が、０．００１〜２Ｌ／分であるのが好ましく、０．１〜１Ｌ／分であるのがより好ましい。
（成膜工程）
成膜工程では、成膜室内で前記ミストまたは液滴を熱反応させることによって、基体上に、結晶性酸化物半導体膜を成膜する。熱反応は、熱でもって前記ミストまたは液滴が反応すればそれでよく、反応条件等も本発明の目的を阻害しない限り特に限定されない。本工程においては、前記熱反応を、通常、溶媒の蒸発温度以上の温度で行うが、高すぎない温度（例えば１０００℃）以下が好ましく、６５０℃以下がより好ましく、３００℃〜６５０℃が最も好ましい。また、熱反応は、本発明の目的を阻害しない限り、真空下、非酸素雰囲気下、還元ガス雰囲気下および酸素雰囲気下のいずれの雰囲気下で行われてもよいが、非酸素雰囲気下または酸素雰囲気下で行われるのが好ましい。また、大気圧下、加圧下および減圧下のいずれの条件下で行われてもよいが、本発明においては、大気圧下で行われるのが好ましい。なお、膜厚は、成膜時間を調整することにより、設定することができる。
成膜工程では、成膜室内で前記ミストまたは液滴を熱反応させることによって、基体上に、結晶性酸化物半導体膜を成膜する。熱反応は、熱でもって前記ミストまたは液滴が反応すればそれでよく、反応条件等も本発明の目的を阻害しない限り特に限定されない。本工程においては、前記熱反応を、通常、溶媒の蒸発温度以上の温度で行うが、高すぎない温度（例えば１０００℃）以下が好ましく、６５０℃以下がより好ましく、３００℃〜６５０℃が最も好ましい。また、熱反応は、本発明の目的を阻害しない限り、真空下、非酸素雰囲気下、還元ガス雰囲気下および酸素雰囲気下のいずれの雰囲気下で行われてもよいが、非酸素雰囲気下または酸素雰囲気下で行われるのが好ましい。また、大気圧下、加圧下および減圧下のいずれの条件下で行われてもよいが、本発明においては、大気圧下で行われるのが好ましい。なお、膜厚は、成膜時間を調整することにより、設定することができる。
（基体）
前記基体は、前記結晶性酸化物半導体膜を支持できるものであれば特に限定されない。前記基体の材料も、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、公知の基体であってよく、有機化合物であってもよいし、無機化合物であってもよい。前記基体の形状としては、どのような形状のものであってもよく、あらゆる形状に対して有効であり、例えば、平板や円板等の板状、繊維状、棒状、円柱状、角柱状、筒状、螺旋状、球状、リング状などが挙げられるが、本発明においては、基板が好ましい。基板の厚さは、本発明においては特に限定されない。
前記基体は、前記結晶性酸化物半導体膜を支持できるものであれば特に限定されない。前記基体の材料も、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、公知の基体であってよく、有機化合物であってもよいし、無機化合物であってもよい。前記基体の形状としては、どのような形状のものであってもよく、あらゆる形状に対して有効であり、例えば、平板や円板等の板状、繊維状、棒状、円柱状、角柱状、筒状、螺旋状、球状、リング状などが挙げられるが、本発明においては、基板が好ましい。基板の厚さは、本発明においては特に限定されない。
前記基板は、板状であって、前記結晶性酸化物半導体膜の支持体となるものであれば特に限定されない。絶縁体基板であってもよいし、半導体基板であってもよいし、金属基板や導電性基板であってもよいが、前記基板が、絶縁体基板であるのが好ましく、また、表面に金属膜を有する基板であるのも好ましい。なお、前記金属膜は多層膜が好ましい。前記基板としては、例えば、コランダム構造を有する基板材料を主成分として含む下地基板、またはβ−ガリア構造を有する基板材料を主成分として含む下地基板、六方晶構造を有する基板材料を主成分として含む下地基板などが挙げられる。ここで、「主成分」とは、前記特定の結晶構造を有する基板材料が、原子比で、基板材料の全成分に対し、好ましくは５０％以上、より好ましくは７０％以上、更に好ましくは９０％以上含まれることを意味し、１００％であってもよい。
基板材料は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知のものであってよい。前記のコランダム構造を有する基板材料としては、例えば、α−Ａｌ２Ｏ３（サファイア基板）またはα−Ｇａ２Ｏ３が好適に挙げられ、ａ面サファイア基板、ｍ面サファイア基板、ｒ面サファイア基板、ｃ面サファイア基板や、α型酸化ガリウム基板（ａ面、ｍ面またはｒ面）などがより好適な例として挙げられる。β−ガリア構造を有する基板材料を主成分とする下地基板としては、例えばβ−Ｇａ２Ｏ３基板、又はＧａ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３とを含みＡｌ２Ｏ３が０ｗｔ％より多くかつ６０ｗｔ％以下である混晶体基板などが挙げられる。また、六方晶構造を有する基板材料を主成分とする下地基板としては、例えば、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＮ基板などが挙げられる。基板材料に用いられる金属としては、特に限定されないが、第１の金属層または第２の金属層に用いられる金属が好ましい。
本発明においては、前記基体が、表面の一部または全部に、金属またはコランダム構造を有するのが好ましい。また、基体がコランダム構造を有する場合には、コランダム構造を有する基板材料を主成分とする下地基板であるのがより好ましく、サファイア基板またはα型酸化ガリウム基板であるのが最も好ましい。また、前記基体は、アルミニウムを含んでいてもよく、この場合、コランダム構造を有するアルミニウム含有基板材料を主成分とする下地基板であるのが好ましく、サファイア基板（好ましくはｃ面サファイア基板、ａ面サファイア基板、ｍ面サファイア基板、ｒ面サファイア基板）であるのがより好ましい。また、前記基体は、酸化物を含むのも好ましく、前記酸化物としては、例えば、ＹＳＺ基板、ＭｇＡｌ２Ｏ４基板、ＺｎＯ基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板、Ａｌ２Ｏ３基板、石英基板、ガラス基板、β型酸化ガリウム基板、チタン酸バリウム基板、チタン酸ストロンチウム基板、酸化コバルト基板、酸化銅基板、酸化クロム基板、酸化鉄基板、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２基板、タンタル酸カリウム基板、アルミン酸ランタン基板、ランタンストロンチウムアルミネート基板、ランタンストロンチウムガレート基板、ニオブ酸リチウム基板、タンタル酸リチウム基板、アルミニウムタンタル酸ランタンストロンチウム、酸化マンガン基板、ネオジウムガレード基板、酸化ニッケル基板、スカンジウムマグネシウムアルミネート基板、酸化ストロンチウム、チタン酸ストロンチウム基板、酸化スズ基板、酸化テルル基板、酸化チタン基板、ＹＡＧ基板、イットリウム・アルミネート基板、リチウム・アルミネート基板、リチウム・ガレート基板、ＬＡＳＴ基板、ネオジムガレート基板、イットリウム・オルトバナデイト基板などが挙げられる。
本発明においては、前記成膜工程の後、アニール処理を行ってもよい。アニールの処理温度は、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、通常、３００℃〜６５０℃であり、好ましくは３５０℃〜５５０℃である。また、アニールの処理時間は、通常、１分間〜４８時間であり、好ましくは１０分間〜２４時間であり、より好ましくは３０分間〜１２時間である。なお、アニール処理は、本発明の目的を阻害しない限り、どのような雰囲気下で行われてもよいが、好ましくは非酸素雰囲気下であり、より好ましくは窒素雰囲気下である。
また、本発明においては、前記基体上に、直接、結晶性酸化物半導体膜を設けてもよいし、バッファ層（緩衝層）や応力緩和層等の他の層を介して結晶性酸化物半導体膜を設けてもよい。各層の形成手段は、特に限定されず、公知の手段であってよいが、本発明においては、ミストＣＶＤ法が好ましい。
本発明においては、前記結晶性酸化物半導体膜を、前記基体等から剥離する等の公知の手段を用いた後に、半導体層として積層構造体に用いてもよいし、そのまま半導体層として積層構造体に用いてもよい。
本発明の積層構造体は、第１の金属層と、第１の金属層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の金属層とを少なくとも備える。
第１の金属層は、周期律表第４族または第１１族の金属を含んでいれば特に限定されないが、周期律表第４族の金属を含んでいるのが好ましく、周期律表第４族および第１１族の金属を含んでいるのがより好ましい。このような好ましい金属を含ませることで、密着性が良好であり、半導体特性（例えば、耐久性、絶縁破壊電圧、耐圧、オン抵抗、安定性など）もより良好なものとすることができる。周期律表第４族の金属としては、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などが挙げられるが、中でもＴｉが好ましい。周期律表第１１族の金属としては、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などが挙げられるが、中でもＡｕが好ましい。また、第１の金属層は、さらに他の金属を含んでいてもよく、他の金属としては、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、好適には例えば、周期律表第１０族の金属（Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ）などが挙げられ、より好適にはＰｔが挙げられる。
また、第１の金属層は単層であってもよいし、２以上の金属膜を含んでいてもよい。また、第１の金属層を構成する金属は、合金であってもよい。金属層の積層手段としては、特に限定されず、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などの公知の手段などが挙げられる。本発明においては、第１の金属層が、Ｔｉまたは／およびＡｕを含むのが好ましく、ＴｉおよびＡｕを含むのがより好ましく、さらに、Ｐｔを含むのが最も好ましい。このような好ましい金属を用いることで、コランダム構造を有する半導体の半導体特性（例えば、耐久性、絶縁破壊電圧、耐圧、オン抵抗、安定性など）をより良好なものとすることができ、シャットキー特性も良好に発揮することができる。
また、第１の金属層は単層であってもよいし、２以上の金属膜を含んでいてもよい。また、第１の金属層を構成する金属は、合金であってもよい。金属層の積層手段としては、特に限定されず、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などの公知の手段などが挙げられる。本発明においては、第１の金属層が、Ｔｉまたは／およびＡｕを含むのが好ましく、ＴｉおよびＡｕを含むのがより好ましく、さらに、Ｐｔを含むのが最も好ましい。このような好ましい金属を用いることで、コランダム構造を有する半導体の半導体特性（例えば、耐久性、絶縁破壊電圧、耐圧、オン抵抗、安定性など）をより良好なものとすることができ、シャットキー特性も良好に発揮することができる。
第２の金属層は、周期律表第４族または第１１族の金属を含んでいれば特に限定されない。第２の金属層に用いられる周期律表第４族または第１１族の金属は、第１の金属層と同様であってよい。また、第２の金属層もさらに他の金属を含んでいてもよい。また、第２の金属層は単層であってもよいし、２以上の金属層を含んでいてもよい。また、第２の金属層を構成する金属は、合金であってもよい。金属層の積層手段としては、特に限定されず、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などの公知の手段などが挙げられる。本発明においては、第２の金属層が、Ｔｉまたは／およびＡｕを含むのが好ましく、ＴｉおよびＡｕを含むのがより好ましい。
また、本発明においては、第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の導電層が、周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、電極（ショットキー電極、ショットキー特性を有するゲート電極等）を構成しており、第２の導電層が、導電性金属酸化物または周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、オーミック電極を構成しているのも好ましい。コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含む半導体を用いる場合、導電性金属酸化物または周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含む第２の導電層をオーミック電極とすることにより、オーミック特性を良好に発揮することができ、第１の導電層のショットキー特性をより良好にすることができる。このような好ましい積層構造体も本発明に含まれる。なお、各構成等については前記したものと同様である。
前記導電性金属酸化物としては、例えば、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウム（ＩＺＯ）等の金属酸化物が挙げられる。本発明においては、前記導電性金属酸化物によるオーミック電極の形成を、前記したミストＣＶＤ法により行ってもよいが、例えば、真空蒸着法またはスパッタリング法などの公知の手段により行うこともできる。
また、本発明においては、第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、第１の導電層が、電極（ショットキー電極、ショットキー特性を有するゲート電極等）を構成しており、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第２の導電層が、導電性金属酸化物または周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、オーミック電極を構成していることも好ましい。このような好ましい積層構造体も本発明に含まれる。なお、各構成等については、前記したものと同様である。
また、本発明においては、第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の導電層が、金属または導電性金属酸化物を含み、電極（ショットキー電極、ショットキー特性を有するゲート電極等）を構成しており、第２の導電層が、導電性金属酸化物を含み、オーミック電極を構成しているのも好ましい。コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含む半導体を用いる場合、前記導電性金属酸化物を含む第２の導電層をオーミック電極とすることにより、オーミック特性を良好に発揮することができ、第１の導電層のショットキー特性をより良好にすることができる。このような好ましい積層構造体も本発明に含まれる。なお、各構成等については、前記したものと同様である。
前記積層構造体は、様々な半導体装置に有用であり、とりわけ、パワーデバイスに有用である。本発明においては、前記積層構造体を、前記基体等から剥離する等の公知の手段を用いた後に、半導体装置等に用いてもよいし、そのまま積層構造体として、公知の手段を用いて半導体装置等に用いてもよい。
前記半導体装置としては、例えば、半導体レーザ、ダイオードまたはトランジスタなどが挙げられるが、中でもダイオードが好ましく、ショットキーバリアダイオードがより好ましい。また、ＭＥＳＦＥＴも好ましい。
（ＳＢＤ）
図１は、本発明に係るショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の好適な一例を示している。図１のＳＢＤは、ｎ−型半導体層１０１ａ、ｎ＋型半導体層１０１ｂ、ショットキー電極１０５ａおよびオーミック電極１０５ｂを備えている。
ショットキー電極およびオーミック電極の形成は、例えば、真空蒸着法またはスパッタリング法などの公知の手段により行うことができる。より具体的に例えば、ショットキー電極を形成する場合、第１の金属層を積層させ、第１の金属層に対して、フォトリソグラフィの手法を利用したパターニングを施すことにより行うことができる。
本発明においては、ショットキー電極１０５ａとして第１の金属層を用い、オーミック電極１０５ｂとして、第２の金属層を用いるのが好ましい。
図１は、本発明に係るショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の好適な一例を示している。図１のＳＢＤは、ｎ−型半導体層１０１ａ、ｎ＋型半導体層１０１ｂ、ショットキー電極１０５ａおよびオーミック電極１０５ｂを備えている。
ショットキー電極およびオーミック電極の形成は、例えば、真空蒸着法またはスパッタリング法などの公知の手段により行うことができる。より具体的に例えば、ショットキー電極を形成する場合、第１の金属層を積層させ、第１の金属層に対して、フォトリソグラフィの手法を利用したパターニングを施すことにより行うことができる。
本発明においては、ショットキー電極１０５ａとして第１の金属層を用い、オーミック電極１０５ｂとして、第２の金属層を用いるのが好ましい。
図３は、本発明に用いられる好ましい第１の金属層の一例を示している。第１の金属層５０ａは、Ａｕ層５１、Ｔｉ層５２およびＰｔ層５３からなる。各層の金属膜の膜厚は特に限定されないが、Ａｕ層は、０．１ｎｍ〜１０μｍが好ましく、５ｎｍ〜２００ｎｍがより好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍが最も好ましい。周期律表第４族の金属（例えばＴｉ等）層は１ｎｍ〜５００μｍが好ましく、１ｎｍ〜１００μｍがより好ましく、５ｎｍ〜２０ｎｍもしくは１μｍ〜１００μｍが最も好ましい。周期律表第１０族の金属（例えばＰｔ等）層は、例えば、１ｎｍ〜１０μｍが好ましい。なお、周期律表第１１族の金属として、Ａｇを用いる場合には、Ａｇ膜の膜厚が、５μｍ〜１００μｍが好ましく、１０μｍ〜８０μｍがより好ましく、２０μｍ〜６０μｍが最も好ましい。なお、周期律表第１１族の金属として、Ｃｕを用いる場合には、Ｃｕ膜の膜厚が、１ｎｍ〜５００μｍが好ましく、１ｎｍ〜〜１００μｍがより好ましく、０．５μｍ〜５μｍが最も好ましい。
図４は、本発明に用いられる好ましい第２の金属層の一例を示している。第２の金属層５０ｂは、Ｔｉ層５４およびＡｕ層５５からなる。各層の金属膜の膜厚は特に限定されないが、Ｔｉ層５４の場合は、１ｎｍ〜５００μｍが好ましく、１ｎｍ〜１００μｍがより好ましく、５ｎｍ〜２０ｎｍもしくは１μｍ〜１００μｍが最も好ましい。Ａｕ層５５の場合は、０．１ｎｍ〜１０μｍが好ましく、５ｎｍ〜２００ｎｍがより好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍが最も好ましい。
図１のＳＢＤに逆バイアスが印加された場合には、空乏層（図示せず）がｎ型半導体層１０１ａの中に広がるため、高耐圧のＳＢＤとなる。また、順バイアスが印加された場合には、オーミック電極１０５ｂからショットキー電極１０５ａへ電子が流れる。このようにして前記積層構造体を用いたＳＢＤは、高耐圧・大電流用に優れており、ショットキー特性も良好で、スイッチング速度も速く、耐圧性・信頼性にも優れている。
図２は、本発明に係るショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の好適な他の一例を示している。図２のＳＢＤは、図１のＳＢＤの構成に加え、さらに絶縁体層１０４を備えている。より具体的には、ｎ−型半導体層１０１ａ、ｎ＋型半導体層１０１ｂ、ショットキー電極１０５ａ、オーミック電極１０５ｂおよび絶縁体層１０４を備えている。
絶縁体層１０４の材料としては、例えば、ＧａＯ、ＡｌＧａＯ、ＩｎＡｌＧａＯ、ＡｌＩｎＺｎＧａＯ４、ＡｌＮ、Ｈｆ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＧｄＯ、ＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４などが挙げられるが、本発明においては、コランダム構造を有するものであるのが好ましい。コランダム構造を有する絶縁体を絶縁体層に用いることで、界面における半導体特性の機能を良好に発現させることができる。絶縁体層１０４は、ｎ−型半導体層１０１とショットキー電極１０５ａとの間に設けられている。絶縁体層の形成は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法などの公知の手段により行うことができる。
その他の構成等については、上記図１のＳＢＤの場合と同様である。
図２のＳＢＤは、図１のＳＢＤに比べ、さらに絶縁特性に優れており、より高い電流制御性を有する。
その他の構成等については、上記図１のＳＢＤの場合と同様である。
図２のＳＢＤは、図１のＳＢＤに比べ、さらに絶縁特性に優れており、より高い電流制御性を有する。
（ＭＥＳＦＥＴ）
図１１は、本発明に用いられる金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）の一例を示している。図１１のＭＥＳＦＥＴは、ｎ−型半導体層１１１ａ、ｎ＋型半導体層１１１ｂ、緩衝層（バッファ層）１１８、半絶縁体層１１４、ゲート電極１１５ａ、ソース電極１１５ｂおよびドレイン電極１１５ｃを備えている。
図１１は、本発明に用いられる金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）の一例を示している。図１１のＭＥＳＦＥＴは、ｎ−型半導体層１１１ａ、ｎ＋型半導体層１１１ｂ、緩衝層（バッファ層）１１８、半絶縁体層１１４、ゲート電極１１５ａ、ソース電極１１５ｂおよびドレイン電極１１５ｃを備えている。
前記ゲート電極は、ショットキー特性を有するのが好ましく、本発明においては、このようなゲート電極に前記積層構造体の第１の金属層を好適に用いることができる。また、前記ドレイン電極は、オーミック特性を有するのが好ましく、本発明のオーミック電極を、前記ドレイン電極として好適に用いることができる。
図１１のＭＥＳＦＥＴでは、ゲート電極下に良好な空乏層が形成されるので、ドレイン電極からソース電極に流れる電流を効率よく制御することができる。
前記半導体装置は、半導体システムなどのシステムに好適に用いられる。前記半導体システムは、前記半導体装置が用いられていれば特に限定されず、公知の半導体システムであってよい。前記半導体装置を半導体システムに用いることにより、半導体システムに前記半導体装置の半導体特性や電極特性等を活用することができる。前記半導体システムとしては、例えば、前記半導体装置と、前記半導体装置に電源電圧を供給する電圧レギュレータと、前記電圧レギュレータを制御するチップで構成されたコントローラを備えた半導体システムなどが挙げられる。なお、前記電圧レギュレータや前記コントローラは、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、公知のものであってもよく、前記半導体装置とともに半導体システムに公知の手段を用いて好適に適用することができる。
（実施例１）
１．ｎ＋型半導体層の形成
１−１．成膜装置
図５を用いて、本実施例で用いたミストＣＶＤ装置１を説明する。ミストＣＶＤ装置１は、キャリアガスを供給するキャリアガス源２ａと、キャリアガス源２ａから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁３ａと、キャリアガス（希釈）を供給するキャリアガス（希釈）源２ｂと、キャリアガス（希釈）源２ｂから送り出されるキャリアガス（希釈）の流量を調節するための流量調節弁３ｂと、原料溶液４ａが収容されるミスト発生源４と、水５ａが入れられる容器５と、容器５の底面に取り付けられた超音波振動子６と、成膜室７と、ミスト発生源４から成膜室７までをつなぐ供給管９と、成膜室７内に設置されたホットプレート８と、熱反応後のミスト、液滴および排気ガスを排出する排気口１１とを備えている。なお、ホットプレート８上には、基板１０が設置されている。
１．ｎ＋型半導体層の形成
１−１．成膜装置
図５を用いて、本実施例で用いたミストＣＶＤ装置１を説明する。ミストＣＶＤ装置１は、キャリアガスを供給するキャリアガス源２ａと、キャリアガス源２ａから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁３ａと、キャリアガス（希釈）を供給するキャリアガス（希釈）源２ｂと、キャリアガス（希釈）源２ｂから送り出されるキャリアガス（希釈）の流量を調節するための流量調節弁３ｂと、原料溶液４ａが収容されるミスト発生源４と、水５ａが入れられる容器５と、容器５の底面に取り付けられた超音波振動子６と、成膜室７と、ミスト発生源４から成膜室７までをつなぐ供給管９と、成膜室７内に設置されたホットプレート８と、熱反応後のミスト、液滴および排気ガスを排出する排気口１１とを備えている。なお、ホットプレート８上には、基板１０が設置されている。
１−２．原料溶液の作製
０．１Ｍ臭化ガリウム水溶液に臭化スズを混合し、ガリウムに対するスズの原子比が１：０．０８となるように水溶液を調整し、この際、臭化重水素酸を体積比で１０％を含有させ、これを原料溶液とした。
０．１Ｍ臭化ガリウム水溶液に臭化スズを混合し、ガリウムに対するスズの原子比が１：０．０８となるように水溶液を調整し、この際、臭化重水素酸を体積比で１０％を含有させ、これを原料溶液とした。
１−３．成膜準備
上記１−２．で得られた原料溶液４ａをミスト発生源４内に収容した。次に、基板１０として、サファイア基板をホットプレート８上に設置し、ホットプレート８を作動させて成膜室７内の温度を４７０℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁３ａ、３ｂを開いて、キャリアガス源であるキャリアガス供給手段２ａ、２ｂからキャリアガスを成膜室７内に供給し、成膜室７の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を５．０Ｌ／分に、キャリアガス（希釈）の流量を０．５Ｌ／分にそれぞれ調節した。なお、キャリアガスとして窒素を用いた。
上記１−２．で得られた原料溶液４ａをミスト発生源４内に収容した。次に、基板１０として、サファイア基板をホットプレート８上に設置し、ホットプレート８を作動させて成膜室７内の温度を４７０℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁３ａ、３ｂを開いて、キャリアガス源であるキャリアガス供給手段２ａ、２ｂからキャリアガスを成膜室７内に供給し、成膜室７の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を５．０Ｌ／分に、キャリアガス（希釈）の流量を０．５Ｌ／分にそれぞれ調節した。なお、キャリアガスとして窒素を用いた。
１−４．結晶性酸化物半導体膜の形成
次に、超音波振動子６を２．４ＭＨｚで振動させ、その振動を、水５ａを通じて原料溶液４ａに伝播させることによって、原料溶液４ａを霧化させてミスト４ｂを生成させた。このミスト４ｂが、キャリアガスによって、供給管９内を通って、成膜室７内に導入され、大気圧下、４７０℃にて、成膜室７内でミストが熱反応して、基板１０上に膜が形成された。なお、膜厚は７．５μｍであり、成膜時間は１８０分間であった。
次に、超音波振動子６を２．４ＭＨｚで振動させ、その振動を、水５ａを通じて原料溶液４ａに伝播させることによって、原料溶液４ａを霧化させてミスト４ｂを生成させた。このミスト４ｂが、キャリアガスによって、供給管９内を通って、成膜室７内に導入され、大気圧下、４７０℃にて、成膜室７内でミストが熱反応して、基板１０上に膜が形成された。なお、膜厚は７．５μｍであり、成膜時間は１８０分間であった。
１−５．評価
ＸＲＤ回折装置を用いて、上記１−４．にて得られた膜の相の同定を行ったところ、得られた膜はα−Ｇａ２Ｏ３であった。
ＸＲＤ回折装置を用いて、上記１−４．にて得られた膜の相の同定を行ったところ、得られた膜はα−Ｇａ２Ｏ３であった。
２．ｎ−型半導体層の形成
２−１．成膜装置
図６を用いて、実施例で用いたミストＣＶＤ装置１９を説明する。ミストＣＶＤ装置１９は、基板２０を載置するサセプタ２１と、キャリアガスを供給するキャリアガス供給手段２２ａと、キャリアガス供給手段２２ａから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁２３ａと、キャリアガス（希釈）を供給するキャリアガス（希釈）供給手段２２ｂと、キャリアガス（希釈）供給手段２２ｂから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁２３ｂと、原料溶液２４ａが収容されるミスト発生源２４と、水２５ａが入れられる容器２５と、容器２５の底面に取り付けられた超音波振動子２６と、内径４０ｍｍの石英管からなる供給管２７と、供給管２７の周辺部に設置されたヒーター２８とを備えている。サセプタ２１は、石英からなり、基板２０を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室となる供給管２７とサセプタ２１をどちらも石英で作製することにより、基板２０上に形成される膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。
２−１．成膜装置
図６を用いて、実施例で用いたミストＣＶＤ装置１９を説明する。ミストＣＶＤ装置１９は、基板２０を載置するサセプタ２１と、キャリアガスを供給するキャリアガス供給手段２２ａと、キャリアガス供給手段２２ａから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁２３ａと、キャリアガス（希釈）を供給するキャリアガス（希釈）供給手段２２ｂと、キャリアガス（希釈）供給手段２２ｂから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁２３ｂと、原料溶液２４ａが収容されるミスト発生源２４と、水２５ａが入れられる容器２５と、容器２５の底面に取り付けられた超音波振動子２６と、内径４０ｍｍの石英管からなる供給管２７と、供給管２７の周辺部に設置されたヒーター２８とを備えている。サセプタ２１は、石英からなり、基板２０を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室となる供給管２７とサセプタ２１をどちらも石英で作製することにより、基板２０上に形成される膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。
２−２．原料溶液の作製
０．１Ｍ臭化ガリウム水溶液に臭化重水素酸を体積比で２０％を含有させ、これを原料溶液とした。
０．１Ｍ臭化ガリウム水溶液に臭化重水素酸を体積比で２０％を含有させ、これを原料溶液とした。
２−３．成膜準備
上記１−２．で得られた原料溶液２４ａをミスト発生源２４内に収容した。次に、基板２０として、サファイア基板から剥離したｎ＋型半導体膜をサセプタ２１上に設置し、ヒーター２８を作動させて成膜室２７内の温度を５１０℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁２３ａ、２３ｂを開いて、キャリアガス源であるキャリアガス供給手段２２ａ、２２ｂからキャリアガスを成膜室２７内に供給し、成膜室２７の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を５Ｌ／分に、キャリアガス（希釈）の流量を０．５Ｌ／分にそれぞれ調節した。なお、キャリアガスとして酸素を用いた。
上記１−２．で得られた原料溶液２４ａをミスト発生源２４内に収容した。次に、基板２０として、サファイア基板から剥離したｎ＋型半導体膜をサセプタ２１上に設置し、ヒーター２８を作動させて成膜室２７内の温度を５１０℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁２３ａ、２３ｂを開いて、キャリアガス源であるキャリアガス供給手段２２ａ、２２ｂからキャリアガスを成膜室２７内に供給し、成膜室２７の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を５Ｌ／分に、キャリアガス（希釈）の流量を０．５Ｌ／分にそれぞれ調節した。なお、キャリアガスとして酸素を用いた。
２−４．半導体膜形成
次に、超音波振動子２６を２．４ＭＨｚで振動させ、その振動を、水２５ａを通じて原料溶液２４ａに伝播させることによって、原料溶液２４ａを霧化させてミストを生成した。このミストが、キャリアガスによって成膜室２７内に導入され、大気圧下、５１０℃にて、成膜室２７内でミストが反応して、基板２０上に半導体膜が形成された。なお、膜厚は３．６μｍであり、成膜時間は１２０分間であった。
次に、超音波振動子２６を２．４ＭＨｚで振動させ、その振動を、水２５ａを通じて原料溶液２４ａに伝播させることによって、原料溶液２４ａを霧化させてミストを生成した。このミストが、キャリアガスによって成膜室２７内に導入され、大気圧下、５１０℃にて、成膜室２７内でミストが反応して、基板２０上に半導体膜が形成された。なお、膜厚は３．６μｍであり、成膜時間は１２０分間であった。
２−５．評価
ＸＲＤ回折装置を用いて、上記２−４．にて得られた膜の相の同定を行ったところ、得られた膜はα−Ｇａ２Ｏ３であった。
ＸＲＤ回折装置を用いて、上記２−４．にて得られた膜の相の同定を行ったところ、得られた膜はα−Ｇａ２Ｏ３であった。
３．第１の金属層（ショットキー電極）の形成
図３に示されるように、ｎ−型半導体層上に、Ｐｔ層、Ｔｉ層およびＡｕ層をそれぞれ電子ビーム蒸着にて積層した。なお、Ｐｔ層の厚さは１０ｎｍであり、Ｔｉ層の厚さは４ｎｍであり、Ａｕ層の厚さは１７５ｎｍであった。
図３に示されるように、ｎ−型半導体層上に、Ｐｔ層、Ｔｉ層およびＡｕ層をそれぞれ電子ビーム蒸着にて積層した。なお、Ｐｔ層の厚さは１０ｎｍであり、Ｔｉ層の厚さは４ｎｍであり、Ａｕ層の厚さは１７５ｎｍであった。
４．第２の金属層（オーミック電極）の形成
図４に示されるように、ｎ＋型半導体層上に、Ｔｉ層およびＡｕ層をそれぞれ電子ビーム蒸着にて積層した。なお、Ｔｉ層の厚さは３５ｎｍであり、Ａｕ層の厚さは１７５ｎｍであった。
図４に示されるように、ｎ＋型半導体層上に、Ｔｉ層およびＡｕ層をそれぞれ電子ビーム蒸着にて積層した。なお、Ｔｉ層の厚さは３５ｎｍであり、Ａｕ層の厚さは１７５ｎｍであった。
５．ＩＶ測定
以上のようにして得られた積層構造体につき、ＩＶ測定を実施例した。結果を図７に示す。また、耐圧を調べたところ、８６１Ｖであった。これらの結果から、実施例１の積層構造体が半導体特性およびショットキー特性に優れていることがわかる。
以上のようにして得られた積層構造体につき、ＩＶ測定を実施例した。結果を図７に示す。また、耐圧を調べたところ、８６１Ｖであった。これらの結果から、実施例１の積層構造体が半導体特性およびショットキー特性に優れていることがわかる。
（実施例２）
ｎ＋型半導体層の形成において、成膜温度を５２５℃とし、成膜時間を２０分間としたこと以外は、実施例１と同様にして積層構造体を得た。なお、ｎ＋型半導体層の厚さは、０．５μｍであった。得られた積層構造体につき、ＩＶ測定を実施した。結果を図８に示す。また、オン抵抗（微分抵抗）を調べたところ、０．１１ｍΩｃｍ２であった。
ｎ＋型半導体層の形成において、成膜温度を５２５℃とし、成膜時間を２０分間としたこと以外は、実施例１と同様にして積層構造体を得た。なお、ｎ＋型半導体層の厚さは、０．５μｍであった。得られた積層構造体につき、ＩＶ測定を実施した。結果を図８に示す。また、オン抵抗（微分抵抗）を調べたところ、０．１１ｍΩｃｍ２であった。
（実施例３）
（１）ｎ−型半導体層の形成の際に、原料溶液の臭化重水素酸を体積比で１５％を含有させたこと、および成膜時間を８時間としたこと、（２）ｎ＋型半導体層の形成の際に、成膜温度を５００℃としたこと、および成膜時間を１１０分としたこと、ならびに（３）第１の金属層（ショットキー電極）の形成の際に、ｎ−型半導体層上に、Ｔｉ層およびＡｕ層をそれぞれ電子ビーム蒸着にて積層したこと以外は、実施例１と同様にして積層構造体を得た。得られた積層構造体につき、ＩＶ測定を実施例した。結果を図９に示す。図９からも明らかなとおり、良好な半導体特性およびショットキー特性を示していることがわかる。
（１）ｎ−型半導体層の形成の際に、原料溶液の臭化重水素酸を体積比で１５％を含有させたこと、および成膜時間を８時間としたこと、（２）ｎ＋型半導体層の形成の際に、成膜温度を５００℃としたこと、および成膜時間を１１０分としたこと、ならびに（３）第１の金属層（ショットキー電極）の形成の際に、ｎ−型半導体層上に、Ｔｉ層およびＡｕ層をそれぞれ電子ビーム蒸着にて積層したこと以外は、実施例１と同様にして積層構造体を得た。得られた積層構造体につき、ＩＶ測定を実施例した。結果を図９に示す。図９からも明らかなとおり、良好な半導体特性およびショットキー特性を示していることがわかる。
（比較例）
参考までに、ショットキー電極にＰｔを用いた場合のＩＶ測定結果を図１０に示す。図１０からも明らかなとおり、半導体特性やショットキー特性が大幅に損なわれることがわかる。
参考までに、ショットキー電極にＰｔを用いた場合のＩＶ測定結果を図１０に示す。図１０からも明らかなとおり、半導体特性やショットキー特性が大幅に損なわれることがわかる。
以上のとおり、本発明の積層構造体は、半導体特性およびショットキー特性に優れていることがわかる。
（実施例４）
第２の金属層（オーミック電極）に代えて、ミストＣＶＤ法を用いて、ＩＴＯ膜をオーミック電極として形成した。より具体的には、錫（Ｓｎ）を１モル％添加した臭化インジウム（ＩｎＢｒ３）０．０２５ｍｏｌ／Ｌの水溶液を調整し、これを原料溶液としたこと、成膜温度を５００℃としたこと以外は、実施例３の半導体層を形成する場合と同様にしてオーミック電極を形成し、この積層構造体につき、実施例１等と同様に半導体特性および電極特性を調べたところ、他の実施例品と同様、半導体特性および電極特性に優れていることがわかった。
第２の金属層（オーミック電極）に代えて、ミストＣＶＤ法を用いて、ＩＴＯ膜をオーミック電極として形成した。より具体的には、錫（Ｓｎ）を１モル％添加した臭化インジウム（ＩｎＢｒ３）０．０２５ｍｏｌ／Ｌの水溶液を調整し、これを原料溶液としたこと、成膜温度を５００℃としたこと以外は、実施例３の半導体層を形成する場合と同様にしてオーミック電極を形成し、この積層構造体につき、実施例１等と同様に半導体特性および電極特性を調べたところ、他の実施例品と同様、半導体特性および電極特性に優れていることがわかった。
本発明の積層構造体は、半導体（例えば化合物半導体電子デバイス等）、電子部品・電気機器部品、光学・電子写真関連装置、工業部材などあらゆる分野に用いることができるが、半導体特性に優れているため、特に、半導体装置に有用である。
１ ミストＣＶＤ装置
２ａ キャリアガス源
２ｂ キャリアガス（希釈）源
３ａ 流量調節弁
３ｂ 流量調節弁
４ ミスト発生源
４ａ 原料溶液
４ｂ ミスト
５ 容器
５ａ 水
６ 超音波振動子
７ 成膜室
８ ホットプレート
９ 供給管
１０ 基板
１１ 排気口
１９ ミストＣＶＤ装置
２０ 基板
２１ サセプタ
２２ａ キャリアガス供給手段
２２ｂ キャリアガス（希釈）供給手段
２３ａ 流量調節弁
２３ｂ 流量調節弁
２４ ミスト発生源
２４ａ 原料溶液
２５ 容器
２５ａ 水
２６ 超音波振動子
２７ 供給管
２８ ヒーター
２９ 排気口
５０ａ 第１の金属層
５０ｂ 第２の金属層
５１ Ａｕ層
５２ Ｔｉ層
５３ Ｐｔ層
５４ Ｔｉ層
５５ Ａｕ層
１０１ａ ｎ−型半導体層
１０１ｂ ｎ＋型半導体層
１０４ 絶縁体層
１０５ａ ショットキー電極
１０５ｂ オーミック電極
１１１ａ ｎ−型半導体層
１１１ｂ ｎ＋型半導体層
１１４ 半絶縁体層
１１５ａ ゲート電極
１１５ｂ ソース電極
１１５ｃ ドレイン電極
１１８ 緩衝層
２ａ キャリアガス源
２ｂ キャリアガス（希釈）源
３ａ 流量調節弁
３ｂ 流量調節弁
４ ミスト発生源
４ａ 原料溶液
４ｂ ミスト
５ 容器
５ａ 水
６ 超音波振動子
７ 成膜室
８ ホットプレート
９ 供給管
１０ 基板
１１ 排気口
１９ ミストＣＶＤ装置
２０ 基板
２１ サセプタ
２２ａ キャリアガス供給手段
２２ｂ キャリアガス（希釈）供給手段
２３ａ 流量調節弁
２３ｂ 流量調節弁
２４ ミスト発生源
２４ａ 原料溶液
２５ 容器
２５ａ 水
２６ 超音波振動子
２７ 供給管
２８ ヒーター
２９ 排気口
５０ａ 第１の金属層
５０ｂ 第２の金属層
５１ Ａｕ層
５２ Ｔｉ層
５３ Ｐｔ層
５４ Ｔｉ層
５５ Ａｕ層
１０１ａ ｎ−型半導体層
１０１ｂ ｎ＋型半導体層
１０４ 絶縁体層
１０５ａ ショットキー電極
１０５ｂ オーミック電極
１１１ａ ｎ−型半導体層
１１１ｂ ｎ＋型半導体層
１１４ 半絶縁体層
１１５ａ ゲート電極
１１５ｂ ソース電極
１１５ｃ ドレイン電極
１１８ 緩衝層
Claims (20)
- 第１の金属層と、第１の金属層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の金属層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の金属層が、周期律表第４族または第１１族の金属を含み、第２の金属層が周期律表第４族または第１１族の金属を含むことを特徴とする積層構造体。
- 前記結晶性酸化物半導体がガリウムまたはインジウムを含む請求項１記載の積層構造体。
- 前記結晶性酸化物半導体がガリウムを含む請求項１または２に記載の積層構造体。
- 前記結晶性酸化物半導体が、α−Ｇａ２Ｏ３である請求項１〜３のいずれかに記載の積層構造体。
- 第１の金属層が、Ｔｉまたは／およびＡｕを含む請求項１〜４のいずれかに記載の積層構造体。
- 第１の金属層が、さらに周期律表第１０族の金属を含む請求項１〜５のいずれかに記載の積層構造体。
- 周期律表第１０族の金属がＰｔである請求項６記載の積層構造体。
- 第２の金属層が、Ｔｉまたは／およびＡｕを含む請求項１〜７のいずれかに記載の積層構造体。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の積層構造体を含む半導体装置。
- ダイオードである請求項９記載の半導体装置。
- ショットキーバリアダイオードである請求項９または１０に記載の半導体装置。
- パワーデバイスである請求項９〜１１のいずれかに記載の半導体装置。
- 第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の導電層が、周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、電極を構成しており、第２の導電層が、導電性金属酸化物または周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、オーミック電極を構成していることを特徴とする積層構造体。
- 第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、第１の導電層が、電極を構成しており、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第２の導電層が、導電性金属酸化物または周期律表第４族もしくは第１１族の金属を含み、オーミック電極を構成していることを特徴とする積層構造体。
- 第１の導電層と、第１の導電層上に直接または他の層を介して積層されている半導体層と、前記半導体層上に直接または他の層を介して積層されている第２の導電層とを少なくとも備える積層構造体であって、前記半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、第１の導電層が、金属または導電性金属酸化物を含み、電極を構成しており、第２の導電層が、導電性金属酸化物を含み、オーミック電極を構成していることを特徴とする積層構造体。
- 請求項１３〜１５のいずれかに記載の積層構造体を含む半導体装置。
- ダイオードである請求項１６記載の半導体装置。
- ショットキーバリアダイオードである請求項１６または１７に記載の半導体装置。
- パワーデバイスである請求項１６〜１８のいずれかに記載の半導体装置。
- 請求項９〜１２および請求項１６〜１９のいずれかに記載の半導体装置を少なくとも備えるシステム。
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| WO2019155768A1 (ja) * | 2018-02-09 | 2019-08-15 | 三菱電機株式会社 | 電力用半導体装置 |
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-
2016
- 2016-04-28 JP JP2016091294A patent/JP2017118090A/ja active Pending
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| US11990521B2 (en) | 2018-09-27 | 2024-05-21 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Laminate, semiconductor device, and method for manufacturing laminate |
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