JP2020073424A - α−Ga2O3単結晶、その製造装置、および、それを用いた半導体素子 - Google Patents
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Abstract
Description
塩素濃度は、1×1018cm−3以下であってもよい。
4価の価数を有する元素をさらに含有してもよい。
本発明によるハライド気相成長法によりα−Ga2O3を製造する製造装置は、反応炉と、前記反応炉を加熱するヒータとを備え、前記反応炉において、ガリウムのハロゲン化物と酸素原料とを反応させ、基板上にα−Ga2O3を成長し、これにより上記課題を解決する。
前記反応炉は、ガリウム原料供給源と、酸素原料供給源と、ガス排出部と、前記基板を設置する基板ホルダとをさらに備え、前記ガリウム原料供給源は、内部にガリウム金属が設置されるようになっており、前記ガリウム原料供給源は、ハロゲンガスまたはハロゲン化水素ガスが前記ガリウム原料供給源に供給され、前記ガリウム原料供給源内にて前記ガリウム金属から前記ガリウムのハロゲン化物を生成し、前記ガリウムのハロゲン化物を前記反応炉に供給するよう制御され、前記酸素原料供給源は、O2、H2OおよびN2Oからなる群から少なくとも1つ選択されるガスを前記酸素原料として前記反応炉に供給するよう制御されてもよい。
前記ヒータは、前記反応炉内が250℃以上650℃未満の温度範囲となるよう制御されてもよい。
前記ガス排出部は、前記反応炉内の前記ガリウムのハロゲン化物の分圧が0.05kPa以上10kPa以下であり、前記酸素原料の分圧が0.25kPa以上50kPa以下となるよう制御されてもよい。
前記ガリウム原料供給源は、前記反応炉内の温度が成膜温度に到達してから、かつ、成膜中にのみ、前記ハロゲンガスまたはハロゲン化水素ガスを前記ガリウムガス供給源に供給し、前記ガリウムのハロゲン化物を前記反応炉に供給するよう制御され、前記酸素原料供給源は、前記反応炉の昇温から降温までの間、前記酸素原料を前記反応炉に供給するよう制御されてもよい。
本発明による半導体素子は、上述のα−Ga2O3単結晶を備え、これにより上記課題を解決する。
前記半導体素子は、発光素子、ダイオード、紫外線検出素子、および、トランジスタからなる群から選択されてもよい。
実施の形態1では、本発明のα−Ga2O3単結晶およびその製造方法について詳述する。
図2は、本発明のα−Ga2O3単結晶を製造するフローチャートを示す図である。
2GaCl(g)+(3/2)O2(g)→Ga2O3(s)+Cl2(g)
2GaCl(g)+3H2O(g)→Ga2O3(s)+2HCl(g)+2H2(g)
2GaCl3(g)+(3/2)O2(g)→Ga2O3(s)+3Cl2(g)
2GaCl3(g)+3H2O(g)→Ga2O3(s)+6HCl(g)
ステップS220:ステップS210の成長するステップに続いて、基板を除去する。
実施の形態2では、本発明のα−Ga2O3単結晶を用いた半導体素子について詳述する。
実施例1では、図1の気相成長装置100を用いた、本発明によるハライド気相成長法(HVPE)により(0001)面(c面)サファイア基板上にα−Ga2O3単結晶を製造した(図2のステップS210)。
比較例2では、成長温度を650℃にした以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。ω−2θスキャンX線回折測定により、このようにして得られた膜を同定した。結果を図7に示す。
比較例2では、成長温度を250℃にした以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。
実施例4では、基板にR(10−12)面サファイア基板を用いた以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。ω−2θスキャンX線回折測定およびX線極点図測定を行い、膜を同定した。
実施例5では、基板にM(10−10)面サファイア基板を用いた以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。ω−2θスキャンX線回折測定およびX線極点図測定を行い、膜を同定した。
実施例6では、基板にA(11−20)面サファイア基板を用いた以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。ω−2θスキャンX線回折測定およびX線極点図測定を行い、膜を同定した。
実施例7では、基板にc面10度オフサファイア基板を用いた以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。ω−2θスキャンX線回折測定およびX線極点図測定を行い、膜を同定した。
図7は、比較例2で得られた膜のω−2θスキャンX線回折パターンを示す図である。
実施例8では、図1の気相成長装置100を用いた、本発明によるハライド気相成長法(HVPE)により、α−Ga2O3単結晶自立基板を製造した。実施例8では、Gaのハロゲン化物(GaCl/GaCl3)の分圧およびO2の分圧を、それぞれ、0.5kPaおよび2.0kPaに維持し、成長時間を5時間(300分)にした以外は、実施例1と同様であった。
実施例9では、図1の気相成長装置100を用いた、本発明によるハライド気相成長法(HVPE)により、複数のα−Ga2O3単結晶自立基板を製造した。実施例9では、基板に実施例8で得た厚さ400μm、10cm2以上の面積を有するα−Ga2O3単結晶自立基板を用い、成長時間を30時間(1800分)にした以外は、実施例8と同様であった。
110 反応炉
120 ヒータ
130 ガリウム原料供給源
140 酸素原料供給源
150 ガス排出部
160 基板ホルダ
170 ガリウム金属
300 発光素子
310、410、510 α−Ga2O3単結晶
320 発光層
330 n電極
340 p電極
370 ワイヤボンディング
380 リード
401、540 サファイア基板
400 トランジスタ
420 ソース
430 ドレイン
440 チャネル
450 絶縁膜
460 ゲート電極
470a、470b n+領域
480a、480b 電極
500、500’ 紫外線検出素子
520 ショットキー電極
530 オーミック電極
Claims (10)
- カーボン濃度は、5×1018cm−3以下であり、波長300nm以上の光に対する吸収係数は、200cm−1以下である、α−Ga2O3単結晶。
- 塩素濃度は、1×1018cm−3以下である、請求項1に記載のα−Ga2O3単結晶。
- 4価の価数を有する元素をさらに含有する、請求項1または2に記載のα−Ga2O3単結晶。
- ハライド気相成長法によりα−Ga2O3を製造する製造装置であって、
反応炉と、
前記反応炉を加熱するヒータと
を備え、
前記反応炉において、ガリウムのハロゲン化物と酸素原料とを反応させ、基板上にα−Ga2O3を成長する、製造装置。 - 前記反応炉は、ガリウム原料供給源と、酸素原料供給源と、ガス排出部と、前記基板を設置する基板ホルダとをさらに備え、
前記ガリウム原料供給源は、内部にガリウム金属が設置されるようになっており、
前記ガリウム原料供給源は、ハロゲンガスまたはハロゲン化水素ガスが前記ガリウム原料供給源に供給され、前記ガリウム原料供給源内にて前記ガリウム金属から前記ガリウムのハロゲン化物を生成し、前記ガリウムのハロゲン化物を前記反応炉に供給するよう制御され、
前記酸素原料供給源は、O2、H2OおよびN2Oからなる群から少なくとも1つ選択されるガスを前記酸素原料として前記反応炉に供給するよう制御される、請求項4に記載の製造装置。 - 前記ヒータは、前記反応炉内が250℃以上650℃未満の温度範囲となるよう制御される、請求項5に記載の製造装置。
- 前記ガス排出部は、前記反応炉内の前記ガリウムのハロゲン化物の分圧が0.05kPa以上10kPa以下であり、前記酸素原料の分圧が0.25kPa以上50kPa以下となるよう制御される、請求項5または6に記載の製造装置。
- 前記ガリウム原料供給源は、前記反応炉内の温度が成膜温度に到達してから、かつ、成膜中にのみ、前記ハロゲンガスまたはハロゲン化水素ガスを前記ガリウムガス供給源に供給し、前記ガリウムのハロゲン化物を前記反応炉に供給するよう制御され、
前記酸素原料供給源は、前記反応炉の昇温から降温までの間、前記酸素原料を前記反応炉に供給するよう制御される、請求項5〜7のいずれかに記載の製造装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載のα−Ga2O3単結晶を備えた半導体素子。
- 前記半導体素子は、発光素子、ダイオード、紫外線検出素子、および、トランジスタからなる群から選択される、請求項9に記載の半導体素子。
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