JP2021172552A - Crystal film - Google Patents

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祐一 大島
Yuichi Oshima
克明 河原
Katsuaki Kawahara
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National Institute for Materials Science
Flosfia Inc
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National Institute for Materials Science
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Abstract

To provide a high-quality crystal film useful for a semiconductor device or the like and having impurities such as Si reduced.SOLUTION: In a production method of a crystal film for forming a crystal film on a substrate by crystal growth from a raw material, the raw material contains GaCl3 and a rugged part composed of concavities or protrusions is formed directly or with another layer in-between on the substrate for crystal growth. A crystal film is then formed on the rugged part under the crystal growth condition of a partial pressure of the raw material of 1 kPa or higher. The crystal film contains gallium-containing crystalline metal oxide as its main component and has an Si content of 2×1015 cm-3 or less.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、半導体装置に有用な結晶膜に関する。 The present invention relates to a crystal film useful for semiconductor devices.

高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、バンドギャップの大きな酸化ガリウム(Ga)を用いた半導体装置が注目されており、インバータなどの電力用半導体装置への適用が期待されている。また、広いバンドギャップからLEDやセンサー等の受発光装置としての幅広い応用も期待されている。特に、酸化ガリウムの中でもコランダム構造を有するα―Ga等は、非特許文献1によると、インジウムやアルミニウムをそれぞれ、あるいは組み合わせて混晶することによりバンドギャップ制御することが可能であり、InAlGaO系半導体として極めて魅力的な材料系統を構成している。ここでInAlGaO系半導体とはInAlGa(0≦X≦2、0≦Y≦2、0≦Z≦2、X+Y+Z=1.5〜2.5)を示し(特許文献9等)、酸化ガリウムを内包する同一材料系統として俯瞰することができる。 As a next-generation switching element capable of achieving high withstand voltage, low loss, and high heat resistance, semiconductor devices using gallium oxide (Ga 2 O 3 ) having a large bandgap are attracting attention, and are used for power semiconductor devices such as inverters. Expected to be applied. Further, it is expected to be widely applied as a light receiving / receiving device such as an LED or a sensor due to a wide band gap. In particular, among gallium oxide, α-Ga 2 O 3 and the like having a corundum structure can be bandgap controlled by mixing indium and aluminum, respectively, or in combination, according to Non-Patent Document 1. It constitutes an extremely attractive material system as an InAlGaO-based semiconductor. Here InAlGaO based semiconductor and the In X Al Y Ga Z O 3 (0 ≦ X ≦ 2,0 ≦ Y ≦ 2,0 ≦ Z ≦ 2, X + Y + Z = 1.5~2.5) indicates (Patent Document 9 Etc.), it can be overlooked as the same material system containing gallium oxide.

しかしながら、酸化ガリウムは、最安定相がβガリア構造であるので、特殊な成膜法を用いなければ、準安定相であるコランダム構造の結晶膜を成膜することが困難である。また、コランダム構造を有するα―Gaは準安定相であり、融液成長によるバルク基板が利用できない。そのため、現状はα―Gaと同じ結晶構造を有するサファイアを基板として用いている。しかし、α―Gaとサファイアとは格子不整合度が大きいため、サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長されるα―Gaの結晶膜は、転位密度が高くなる傾向がある。また、コランダム構造の結晶膜に限らず、成膜レートや結晶品質の向上、クラックや異常成長の抑制、ツイン抑制、反りによる基板の割れ等においてもまだまだ課題が数多く存在している。このような状況下、現在、コランダム構造を有する結晶性半導体の成膜について、いくつか検討がなされている。 However, since the most stable phase of gallium oxide has a β-Galia structure, it is difficult to form a crystal film having a corundum structure, which is a metastable phase, unless a special film forming method is used. Further, α-Ga 2 O 3 having a corundum structure is a metastable phase, and a bulk substrate due to melt growth cannot be used. Therefore, at present, sapphire having the same crystal structure as α-Ga 2 O 3 is used as a substrate. However, since α-Ga 2 O 3 and sapphire have a large lattice mismatch , the crystal film of α-Ga 2 O 3 heteroepitaxially grown on the sapphire substrate tends to have a high dislocation density. In addition to the crystal film having a corundum structure, there are still many problems in improving the film formation rate and crystal quality, suppressing cracks and abnormal growth, suppressing twins, and cracking the substrate due to warpage. Under such circumstances, some studies are currently being conducted on the film formation of crystalline semiconductors having a corundum structure.

特許文献1には、ガリウム又はインジウムの臭化物又はヨウ化物を用いて、ミストCVD法により、酸化物結晶薄膜を製造する方法が記載されている。特許文献2〜4には、コランダム型結晶構造を有する下地基板上に、コランダム型結晶構造を有する半導体層と、コランダム型結晶構造を有する絶縁膜とが積層された多層構造体が記載されている。また、特許文献5〜7のように、ELO基板やボイド形成を用いて、ミストCVDによる成膜も検討されている。しかしながら、いずれの方法も成膜レートにおいてまだまだ満足のいくものではなく、成膜レートに優れた成膜方法が待ち望まれていた。
特許文献8には、少なくとも、ガリウム原料と酸素原料とを用いて、ハライド気相成長法(HVPE法)により、コランダム構造を有する酸化ガリウムを成膜することが記載されている。しかしながら、α―Gaは準安定相であるので、β―Gaのように成膜することが困難であり、工業的にはまだまだ多くの課題があった。また、特許文献10および11には、PSS基板を用いて、ELO結晶成長を行い、表面積は9μm以上であり、転位密度が5×10cm−2の結晶膜を得ることが記載されている。しかしながら、パワーデバイスとして酸化ガリウムの性能を存分に発揮するには、転位密度だけでなく、さらにSi等の不純物を低減すること、すなわち、Siの含有量を1×1016cm−3以下とすることなどが必要であり、このような不純物の無い結晶膜を容易に製造できる方法が待ち望まれている。
なお、特許文献1〜11はいずれも本出願人らによる特許または特許出願に関する公報であり、現在も検討が進められている。
Patent Document 1 describes a method for producing an oxide crystal thin film by a mist CVD method using a bromide or iodide of gallium or indium. Patent Documents 2 to 4 describe a multilayer structure in which a semiconductor layer having a corundum-type crystal structure and an insulating film having a corundum-type crystal structure are laminated on a base substrate having a corundum-type crystal structure. .. Further, as in Patent Documents 5 to 7, film formation by mist CVD using an ELO substrate or void formation is also being studied. However, none of these methods is still satisfactory in terms of film formation rate, and a film formation method having an excellent film formation rate has been desired.
Patent Document 8 describes that at least a gallium oxide raw material and an oxygen raw material are used to form a gallium oxide having a corundum structure by a halide vapor deposition method (HVPE method). However, since α-Ga 2 O 3 is a metastable phase, it is difficult to form a film like β-Ga 2 O 3 , and there are still many problems in the industry. Further, Patent Documents 10 and 11 describe that ELO crystal growth is carried out using a PSS substrate to obtain a crystal film having a surface area of 9 μm 2 or more and a dislocation density of 5 × 10 6 cm- 2. There is. However, in order to fully demonstrate the performance of gallium oxide as a power device, not only the dislocation density but also impurities such as Si should be reduced, that is, the Si content should be 1 × 10 16 cm -3 or less. It is necessary to do so, and a method capable of easily producing such an impurity-free crystal film is desired.
All of Patent Documents 1 to 11 are publications relating to patents or patent applications by the applicants, and are still under study.

特許第5397794号Patent No. 5397794 特許第5343224号Patent No. 5343224 特許第5397795号Patent No. 5397795 特開2014−72533号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-72533 特開2016−100592号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-100592 特開2016−98166号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-98166 特開2016−100593号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-100593 特開2016−155714号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-155714 国際公開第2014/050793号公報International Publication No. 2014/050793 米国公開第2019/0057865号公報US Publication No. 2019/0057865 特開2019−034883号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-034883

金子健太郎、「コランダム構造酸化ガリウム系混晶薄膜の成長と物性」、京都大学博士論文、平成25年3月Kentaro Kaneko, "Growth and Physical Properties of Corundum Structure Gallium Oxide Mixed Crystal Thin Film", Doctoral Dissertation, Kyoto University, March 2013

本発明は、半導体装置等に有用な高品質な結晶膜を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a high-quality crystal film useful for semiconductor devices and the like.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、GaClを用いて分圧1kPa以上でGaを形成すると、Siの含有量が2×1015cm−3以下である結晶膜が容易に得られることを知見し、このような結晶膜が上記した従来の問題を一挙に解決し得ることを見出した。 As a result of diligent studies to achieve the above object, the present inventors have formed Ga 2 O 3 at a partial pressure of 1 kPa or more using GaCl 3 , and the Si content is 2 × 10 15 cm -3 or less. We have found that a crystal film can be easily obtained, and found that such a crystal film can solve the above-mentioned conventional problems at once.

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。 In addition, after obtaining the above findings, the present inventors have further studied and completed the present invention.

すなわち、本発明は、以下の発明に関する。
[1] ガリウムを含む結晶性金属酸化物を主成分として含む結晶膜であって、Siの含有量が2×1015cm−3以下であることを特徴とする結晶膜。
[2] 前記結晶性金属酸化物がコランダム構造を有する、前記[1]に記載の結晶膜。
[3] Cの含有量が5×1016cm−3以下である前記[1]または[2]に記載の結晶膜。
[4] 膜厚が10μm以上である前記[1]〜[3]のいずれかに記載の結晶膜。
[5] 膜厚が25μm以上である前記[1]〜[4]のいずれかに記載の結晶膜。
[6] 表面積が10cm以上である前記[1]〜[5]のいずれかに記載の結晶膜。
[7] 前記結晶膜が半導体膜である、前記[1]〜[6]のいずれかに記載の結晶膜。
[8] 結晶膜を含む半導体装置であって、前記結晶膜が前記[1]〜[7]のいずれかに記載の結晶膜であることを特徴とする半導体装置。
[9] パワーデバイスである、前記[8]記載の半導体装置。
[10] 半導体装置を備える半導体システムであって、前記半導体装置が、前記[8]または[9]に記載の半導体装置であることを特徴とする半導体システム。
That is, the present invention relates to the following invention.
[1] A crystal film containing a crystalline metal oxide containing gallium as a main component, wherein the Si content is 2 × 10 15 cm -3 or less.
[2] The crystal film according to the above [1], wherein the crystalline metal oxide has a corundum structure.
[3] The crystal film according to the above [1] or [2], wherein the C content is 5 × 10 16 cm -3 or less.
[4] The crystal film according to any one of the above [1] to [3], which has a film thickness of 10 μm or more.
[5] The crystal film according to any one of the above [1] to [4], which has a film thickness of 25 μm or more.
[6] The crystal film according to any one of the above [1] to [5], which has a surface area of 10 cm 2 or more.
[7] The crystal film according to any one of [1] to [6] above, wherein the crystal film is a semiconductor film.
[8] A semiconductor device including a crystal film, wherein the crystal film is the crystal film according to any one of the above [1] to [7].
[9] The semiconductor device according to the above [8], which is a power device.
[10] A semiconductor system including a semiconductor device, wherein the semiconductor device is the semiconductor device according to the above [8] or [9].

本発明の結晶膜は、半導体装置等に有用な高品質な結晶膜である。 The crystal film of the present invention is a high-quality crystal film useful for semiconductor devices and the like.

本発明において好適に用いられるハライド気相成長(HVPE)装置を説明する図である。It is a figure explaining the halide vapor deposition (HVPE) apparatus preferably used in this invention. 本発明において好適に用いられる基板の表面上に形成された凹凸部の表面を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the surface of the concavo-convex portion formed on the surface of the substrate which is preferably used in this invention. 本発明において好適に用いられる基板の表面上に形成された凹凸部の表面を模式的に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows typically the surface of the concavo-convex portion formed on the surface of the substrate which is preferably used in this invention. 本発明において好適に用いられる基板の表面上に形成された凹凸部の一態様を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one aspect of the concavo-convex portion formed on the surface of the substrate which is preferably used in this invention. 実施例における結晶膜の写真を示す図である。It is a figure which shows the photograph of the crystal film in an Example. 比較例におけるSEM観察結果を示す図である。It is a figure which shows the SEM observation result in the comparative example. 比較例におけるSEM観察結果を示す図である。It is a figure which shows the SEM observation result in the comparative example. 実施例におけるSEM観察結果を示す図である。It is a figure which shows the SEM observation result in an Example. 電源システムの好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a preferable example of a power-source system. システム装置の好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a preferable example of a system apparatus. 電源装置の電源回路図の好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a preferable example of the power supply circuit diagram of a power supply device.

本発明の結晶膜は、ガリウムを含む結晶性金属酸化物を主成分として含む結晶膜であって、Siの含有量が2×1015cm−3以下であることを特長とする。前記Siの含有量は、SIMSによって測定される値である。本発明においては、前記結晶性金属酸化物がコランダム構造を有するのが好ましい。また、本発明においては、Cの含有量が5×1016cm−3以下であるのが好ましい。前記Cの含有量は、SIMSによって測定される値である。本発明においては、前記結晶膜の膜厚が10μm以上であるのが好ましく、25μm以上であるのがより好ましい。また、前記結晶膜の表面積は、10cm以上であるのが好ましく、20cm以上であるのがより好ましい。また、本発明においては、前記結晶膜が半導体膜であるのが好ましい。 The crystal film of the present invention is a crystal film containing a crystalline metal oxide containing gallium as a main component, and is characterized by having a Si content of 2 × 10 15 cm -3 or less. The Si content is a value measured by SIMS. In the present invention, it is preferable that the crystalline metal oxide has a corundum structure. Further, in the present invention, the C content is preferably 5 × 10 16 cm -3 or less. The C content is a value measured by SIMS. In the present invention, the film thickness of the crystal film is preferably 10 μm or more, and more preferably 25 μm or more. The surface area of the crystal film is preferably 10 cm 2 or more, and more preferably 20 cm 2 or more. Further, in the present invention, it is preferable that the crystal film is a semiconductor film.

上記した好ましい結晶膜は、原料から結晶成長により基板上にガリウムを含む結晶性金属酸化物を主成分として含む結晶膜を形成する結晶膜の製造方法において、前記原料がGaClを含み、前記の結晶成長を、前記原料の分圧1kPa以上の結晶成長条件にて行うことにより容易に得ることができる。以下、前記結晶膜の好ましい製造方法について説明する。 The above-mentioned preferable crystal film is a method for producing a crystal film containing a crystalline metal oxide containing gallium as a main component on a substrate by crystal growth from the raw material, wherein the raw material contains GaCl 3 and is described above. It can be easily obtained by carrying out crystal growth under the crystal growth conditions of the raw material having a partial pressure of 1 kPa or more. Hereinafter, a preferable method for producing the crystal film will be described.

本発明においては、前記の結晶成長を、HVPE法により行うのが好ましい。また、本発明においては、前記の結晶成長を、成膜速度90μm/時間以上の結晶成長条件にて行うのも好ましく、成膜速度100μm/時間以上の結晶成長条件にて行うのがより好ましい。本発明においては、例えば、前記結晶成長を、HVPE法により行う場合、原料ガス(GaClガスやその前駆体ガス等)の分圧を1kPa以上、酸素含有原料ガスの分圧を1.25kPa以上とするのが好ましい。また、本発明においては、前記の結晶成長を、酸素含有雰囲気下で行うのが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the crystal growth is carried out by the HVPE method. Further, in the present invention, it is preferable to carry out the above-mentioned crystal growth under a crystal growth condition of a film formation rate of 90 μm / hour or more, and more preferably to carry out the crystal growth under a crystal growth condition of a film formation rate of 100 μm / hour or more. In the present invention, for example, when the crystal growth is carried out by the HVPE method, the partial pressure of the raw material gas (GaCl 3 gas, its precursor gas, etc.) is 1 kPa or more, and the partial pressure of the oxygen-containing raw material gas is 1.25 kPa or more. Is preferable. Further, in the present invention, it is preferable to carry out the above-mentioned crystal growth in an oxygen-containing atmosphere.

(基板)
前記基板は、通常、結晶基板である。前記結晶基板は、結晶物を主成分として含む基板であれば、特に限定されず、公知の基板であってよい。絶縁体基板であってもよいし、導電性基板であってもよいし、半導体基板であってもよい。単結晶基板であってもよいし、多結晶基板であってもよい。前記結晶基板としては、例えば、コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板、またはβ−ガリア構造を有する結晶物を主成分として含む基板、六方晶構造を有する結晶物を主成分として含む基板などが挙げられる。なお、前記「主成分」とは、基板中の組成比で、前記結晶物を50%以上含むものをいい、好ましくは70%以上含むものであり、より好ましくは90%以上含むものである。
(substrate)
The substrate is usually a crystalline substrate. The crystal substrate is not particularly limited as long as it is a substrate containing a crystal as a main component, and may be a known substrate. It may be an insulator substrate, a conductive substrate, or a semiconductor substrate. It may be a single crystal substrate or a polycrystalline substrate. Examples of the crystal substrate include a substrate containing a crystal having a corundum structure as a main component, a substrate containing a crystal having a β-Galia structure as a main component, and a substrate containing a crystal having a hexagonal structure as a main component. And so on. The "main component" refers to a composition ratio in the substrate containing 50% or more of the crystals, preferably 70% or more, and more preferably 90% or more.

コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板としては、例えば、サファイア基板、α型酸化ガリウム基板などが挙げられる。前記β−ガリア構造を有する結晶物を主成分として含む基板としては、例えば、β−Ga基板、またはβ−GaとAlとを含む混晶体基板などが挙げられる。なお、β−GaとAlとを含む混晶体基板としては、例えば、Alが原子比で0%より多くかつ60%以下含まれる混晶体基板などが好適な例として挙げられる。また、前記六方晶構造を有する基板としては、例えば、SiC基板、ZnO基板、GaN基板などが挙げられる。その他の結晶基板の例示としては、例えば、Si基板などが挙げられる。 Examples of the substrate containing a crystal having a corundum structure as a main component include a sapphire substrate and an α-type gallium oxide substrate. Examples of the substrate containing the crystal having a β-gallia structure as a main component include a β-Ga 2 O 3 substrate or a mixed crystal substrate containing β-Ga 2 O 3 and Al 2 O 3. .. As the mixed crystal substrate containing β-Ga 2 O 3 and Al 2 O 3 , for example, a mixed crystal substrate containing Al 2 O 3 in an atomic ratio of more than 0% and 60% or less is preferable. Is listed as. Examples of the substrate having the hexagonal structure include a SiC substrate, a ZnO substrate, and a GaN substrate. Examples of other crystal substrates include Si substrates.

本発明においては、前記結晶基板が、サファイア基板であるのが好ましい。前記サファイア基板としては、例えば、c面サファイア基板、m面サファイア基板、a面サファイア基板などが挙げられる。また、前記サファイア基板はオフ角を有していてもよい。前記オフ角は、特に限定されないが、好ましくは0°〜15°である。なお、前記結晶基板の厚さは、特に限定されないが、好ましくは、50〜2000μmであり、より好ましくは200〜800μmである。 In the present invention, the crystal substrate is preferably a sapphire substrate. Examples of the sapphire substrate include a c-plane sapphire substrate, an m-plane sapphire substrate, and an a-plane sapphire substrate. Further, the sapphire substrate may have an off angle. The off angle is not particularly limited, but is preferably 0 ° to 15 °. The thickness of the crystal substrate is not particularly limited, but is preferably 50 to 2000 μm, and more preferably 200 to 800 μm.

本発明においては、前記基板上に、直接または他の層を介して、凹部または凸部からなる凹凸部を形成し、ついで、該凹凸部上に前記結晶膜を形成することにより行うのが好ましい。前記凹凸部は、凹部または凸部からなるものであれば特に限定されず、凹部からなる凹凸部であってもよいし、凸部からなる凹凸部であってもよい。また、前記凹凸部は、規則的な凹部または凸部から形成されていてもよいし、不規則な凹部または凸部から形成されていてもよい。本発明においては、前記凹凸部が周期的に形成されているのが好ましく、周期的かつ規則的にパターン化されているのがより好ましい。前記凹凸部の形状としては、特に限定されず、例えば、ストライプ状、ドット状、メッシュ状またはランダム状などが挙げられるが、本発明においては、ドット状またはストライプ状が好ましい。また、凹凸部が周期的かつ規則的にパターン化されている場合には、前記凹凸部のパターン形状が、三角形、四角形(例えば正方形、長方形若しくは台形等)、五角形若しくは六角形等の多角形状、円状、楕円状などの形状であるのが好ましい。なお、ドット状に凹凸部を形成する場合には、ドットの格子形状を、例えば正方格子、斜方格子、三角格子、六角格子などの格子形状にするのが好ましく、三角格子の格子形状にするのがより好ましい。前記凹凸部の凹部または凸部の断面形状としては、特に限定されないが、例えば、コの字型、U字型、逆U字型、波型、または三角形、四角形(例えば正方形、長方形若しくは台形等)、五角形若しくは六角形などの多角形等が挙げられる。 In the present invention, it is preferable to form a concavo-convex portion composed of concave or convex portions on the substrate directly or via another layer, and then form the crystal film on the concavo-convex portion. .. The concavo-convex portion is not particularly limited as long as it is composed of a concave portion or a convex portion, and may be a concavo-convex portion composed of a concave portion or a concavo-convex portion composed of a convex portion. Further, the uneven portion may be formed from a regular concave portion or a convex portion, or may be formed from an irregular concave portion or a convex portion. In the present invention, it is preferable that the uneven portion is formed periodically, and it is more preferable that the uneven portion is periodically and regularly patterned. The shape of the uneven portion is not particularly limited, and examples thereof include a striped shape, a dot shape, a mesh shape, and a random shape. In the present invention, the dot shape or the striped shape is preferable. When the uneven portion is patterned periodically and regularly, the pattern shape of the uneven portion is a polygonal shape such as a triangle, a quadrangle (for example, a square, a rectangle or a trapezoid), a pentagon or a hexagon. The shape is preferably circular or elliptical. When forming the uneven portion in a dot shape, the lattice shape of the dots is preferably a lattice shape such as a square lattice, an orthorhombic lattice, a triangular lattice, or a hexagonal lattice, and the lattice shape of the triangular lattice is used. Is more preferable. The cross-sectional shape of the concave or convex portion of the uneven portion is not particularly limited, and is, for example, U-shaped, U-shaped, inverted U-shaped, corrugated, or triangular, quadrangular (for example, square, rectangular, trapezoidal, etc.). ), Polygons such as pentagons and hexagons, etc.

前記凸部の構成材料は、特に限定されず、公知の材料であってよい。絶縁体材料であってもよいし、導電体材料であってもよいし、半導体材料であってもよい。また、前記構成材料は、非晶であってもよいし、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。前記凸部の構成材料としては、例えば、Si、Ge、Ti、Zr、Hf、Ta、Sn等の酸化物、窒化物または炭化物、カーボン、ダイヤモンド、金属、これらの混合物などが挙げられる。より具体的には、SiO、SiNまたは多結晶シリコンを主成分として含むSi含有化合物、前記結晶性酸化物の結晶成長温度よりも高い融点を有する金属(例えば、白金、金、銀、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウムなどの貴金属等)などが挙げられる。なお、前記構成材料の含有量は、凸部中、組成比で、50%以上が好ましく、70%以上がより好ましく、90%以上が最も好ましい。 The constituent material of the convex portion is not particularly limited and may be a known material. It may be an insulator material, a conductor material, or a semiconductor material. Further, the constituent material may be amorphous, single crystal, or polycrystalline. Examples of the constituent material of the convex portion include oxides such as Si, Ge, Ti, Zr, Hf, Ta, Sn, nitrides or carbides, carbon, diamond, metal, and a mixture thereof. More specifically, a Si-containing compound containing SiO 2 , SiN or polycrystalline silicon as a main component, a metal having a melting point higher than the crystal growth temperature of the crystalline oxide (for example, platinum, gold, silver, palladium, etc.) Precious metals such as rhodium, iridium, and ruthenium) and the like. The content of the constituent material is preferably 50% or more, more preferably 70% or more, and most preferably 90% or more in the convex portion in terms of composition ratio.

前記凸部の形成手段としては、公知の手段であってよく、例えば、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、レーザーパターニング、その後のエッチング(例えばドライエッチングまたはウェットエッチング等)などの公知のパターニング加工手段などが挙げられる。本発明においては、前記凸部がストライプ状またはドット状であるのが好ましく、ドット状であるのがより好ましい。また、本発明においては、前記結晶基板が、PSS(Patterned Sapphire Substrate)基板であるのも好ましい。前記PSS基板のパターン形状は、特に限定されず、公知のパターン形状であってよい。前記パターン形状としては、例えば、円錐形、釣鐘形、ドーム形、半球形、正方形または三角形のピラミッド形等が挙げられるが、本発明においては、前記パターン形状が、円錐形であるのが好ましい。また、前記パターン形状のピッチ間隔も、特に限定されないが、本発明においては、5μm以下であるのが好ましく、1μm〜3μmであるのがより好ましい。
また、本発明においては、前記凸部の形成を、前記結晶基板上にマスク層を形成することにより行うのが好ましい。マスク層は、例えば、真空蒸着法、CVD法またはスパッタリング法等の公知の成膜手段によってマスク層の構成材料を成膜した後、上記した公知のパターグ加工手段によって加工することにより好適に形成することができる。前記マスク層の構成材料としては、前記凸部の構成材料として例示した材料等が挙げられる。本発明においては、前記マスク層を用いて結晶膜を製造する場合、前記多結晶を少なくとも前記マスク層上に形成するのが、より厚膜且つより大面積の前記結晶性酸化物層を得ることができるので、好ましい。
The means for forming the convex portion may be a known means, for example, a known patterning processing means such as photolithography, electron beam lithography, laser patterning, and subsequent etching (for example, dry etching or wet etching). Can be mentioned. In the present invention, the convex portion is preferably striped or dot-shaped, and more preferably dot-shaped. Further, in the present invention, it is also preferable that the crystal substrate is a PSS (Patterned Sapphire Substate) substrate. The pattern shape of the PSS substrate is not particularly limited and may be a known pattern shape. Examples of the pattern shape include a cone shape, a bell shape, a dome shape, a hemispherical shape, a square or triangular pyramid shape, and the like, but in the present invention, the pattern shape is preferably a cone shape. The pitch interval of the pattern shape is also not particularly limited, but in the present invention, it is preferably 5 μm or less, and more preferably 1 μm to 3 μm.
Further, in the present invention, it is preferable to form the convex portion by forming a mask layer on the crystal substrate. The mask layer is suitably formed by forming a film of a constituent material of the mask layer by a known film forming means such as a vacuum vapor deposition method, a CVD method or a sputtering method, and then processing the mask layer by a known patterning means described above. be able to. Examples of the constituent material of the mask layer include materials exemplified as the constituent material of the convex portion. In the present invention, when a crystal film is produced using the mask layer, forming the polycrystal on at least the mask layer provides a thicker film and a larger area of the crystalline oxide layer. It is preferable because it can be used.

前記凹部は、特に限定されないが、上記凸部の構成材料と同様のものであってもよいし、基板であってもよい。本発明においては、前記凹部が、基板の表面上に設けられた空隙層であるのが好ましい。前記凹部の形成手段としては、前記凸部の形成手段と同様の手段を用いることができる。前記空隙層は、公知の溝加工手段により、基板に溝を設けることで、前記基板の表面上に形成することができる。本発明においては、前記空隙層を、例えば、スパッタリングによりマスク層を設けた後、ついで、フォトリソグラフィー等の公知のパターンニング加工手段を用いてパターニング加工することにより、好適に形成することができる。空隙層の溝幅、溝深さ、テラス幅等は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、適宜に設定することができる。 The concave portion is not particularly limited, but may be the same as the constituent material of the convex portion, or may be a substrate. In the present invention, it is preferable that the recess is a void layer provided on the surface of the substrate. As the means for forming the concave portion, the same means as the means for forming the convex portion can be used. The void layer can be formed on the surface of the substrate by providing a groove on the substrate by a known groove processing means. In the present invention, the void layer can be suitably formed by, for example, providing a mask layer by sputtering and then patterning using a known patterning processing means such as photolithography. The groove width, groove depth, terrace width, etc. of the void layer are not particularly limited and can be appropriately set as long as the object of the present invention is not impaired.

以下、本発明において好適に用いられる結晶基板の好ましい態様を、図面を用いて説明する。
図2は、本発明における結晶基板の結晶成長面上に設けられた凹凸部の一態様を示す。図2の凹凸部は、結晶基板1と、マスク層4とから構成されている。図3は、天頂方向から見た図2に示す凹凸部の表面を示している。図2および図3からわかるように、マスク層4は、結晶基板1の結晶成長面上に形成されており、ドット状に穴が空いている。マスク層4のドットの穴からは結晶基板1が露出しており、ドット状の凹部2bが三角格子状に形成されている。なお、前記ドットの円は、それぞれ一定の周期aの間隔ごとに設けられている。周期aは、特に限定されないが、本発明においては、1μm〜1mmであるのが好ましく、5μm〜300μmであるのがより好ましい。ここで、周期aは、隣接するドットの円の端部同士の間の距離をいう。なお、マスク層4は、マスク層4の構成材料を成膜した後、フォトリソグラフィー等の公知の手段を用いて所定形状に加工することにより形成することができる。また、マスク層4の構成材料としては、例えば、Si、Ge、Ti、Zr、Hf、Ta、Sn、Al等の酸化物、窒化物または炭化物、カーボン、ダイヤモンド、金属、またはこれらの混合物等が挙げられる。また、マスク層4の成膜手段は、特に限定されず、公知の手段であってよい。前記マスク層4の成膜手段としては、例えば、真空蒸着法、CVD法またはスパッタリング法等が挙げられる。
Hereinafter, preferred embodiments of the crystal substrate preferably used in the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 shows one aspect of the uneven portion provided on the crystal growth surface of the crystal substrate in the present invention. The uneven portion of FIG. 2 is composed of the crystal substrate 1 and the mask layer 4. FIG. 3 shows the surface of the uneven portion shown in FIG. 2 as viewed from the zenith direction. As can be seen from FIGS. 2 and 3, the mask layer 4 is formed on the crystal growth surface of the crystal substrate 1 and has holes in a dot shape. The crystal substrate 1 is exposed from the dot holes of the mask layer 4, and the dot-shaped recesses 2b are formed in a triangular lattice shape. The circles of the dots are provided at regular intervals a. The period a is not particularly limited, but in the present invention, it is preferably 1 μm to 1 mm, and more preferably 5 μm to 300 μm. Here, the period a refers to the distance between the ends of circles of adjacent dots. The mask layer 4 can be formed by forming a film of the constituent material of the mask layer 4 and then processing it into a predetermined shape using a known means such as photolithography. Examples of the constituent material of the mask layer 4 include oxides such as Si, Ge, Ti, Zr, Hf, Ta, Sn, and Al, nitrides or carbides, carbon, diamond, metal, or a mixture thereof. Can be mentioned. Further, the film forming means of the mask layer 4 is not particularly limited, and may be a known means. Examples of the film forming means for the mask layer 4 include a vacuum vapor deposition method, a CVD method, a sputtering method, and the like.

図4は、本発明における結晶基板の結晶成長面上に設けられた凹凸部の一態様を示す。図4凹凸部は、結晶基板1と、マスク層4とから構成されている。マスク層は、結晶基板1の結晶成長面上にストライプ状に形成されており、マスク層4によって、凹部(溝)2bがストライプ状に形成されている。なお、マスク層4は、フォトリソグラフィー等の公知の手段を用いて形成することができる。また、マスク層4の構成材料としては、例えば、Si、Ge、Ti、Zr、Hf、Ta、Sn、Al等の酸化物、窒化物または炭化物、カーボン、ダイヤモンド、金属、またはこれらの混合物等が挙げられる。 FIG. 4 shows an aspect of the uneven portion provided on the crystal growth surface of the crystal substrate in the present invention. FIG. 4 The uneven portion is composed of the crystal substrate 1 and the mask layer 4. The mask layer is formed in stripes on the crystal growth surface of the crystal substrate 1, and the recesses (grooves) 2b are formed in stripes by the mask layer 4. The mask layer 4 can be formed by using a known means such as photolithography. Examples of the constituent material of the mask layer 4 include oxides such as Si, Ge, Ti, Zr, Hf, Ta, Sn, and Al, nitrides or carbides, carbon, diamond, metal, or a mixture thereof. Can be mentioned.

凹凸部の凸部(マスク層)の幅および高さ、凹部の幅および深さ、間隔などは特に限定されないが、本発明においては、前記凸部(マスク層)の幅が約1μm〜約1mmであるのが好ましく、約5μm〜約300μmであるのがより好ましく、約10μm〜約100μmであるのが最も好ましい。また、本発明においては、前記凸部(マスク層)の高さが、約1nm〜約10μmであるのが好ましく、約5nm〜約1μmであるのがより好ましく、約10nm〜約100nmであるのが最も好ましい。また、本発明においては、前記凹部の幅が、約1μm〜約300μmであるのが好ましく、約3μm〜約100μmであるのがより好ましく、約5μm〜約50μmであるのが最も好ましい。また、本発明においては、前記凹部の深さが、約1nm〜約1mmであるのが好ましく、約10nm〜約300μmであるのがより好ましく、約20nm〜約100μmであるのが最も好ましい。前記凹凸部をこれら好ましいものとすることにより、より優れた前記結晶膜をより容易に得ることができる。なお、前記凹凸部は前記結晶基板上に直接形成されていてもよいし、他の層を介して設けられていてもよい。 The width and height of the convex portion (mask layer) of the uneven portion, the width and depth of the concave portion, the interval, and the like are not particularly limited, but in the present invention, the width of the convex portion (mask layer) is about 1 μm to about 1 mm. It is preferably about 5 μm to about 300 μm, more preferably about 10 μm to about 100 μm. Further, in the present invention, the height of the convex portion (mask layer) is preferably about 1 nm to about 10 μm, more preferably about 5 nm to about 1 μm, and more preferably about 10 nm to about 100 nm. Is the most preferable. Further, in the present invention, the width of the recess is preferably about 1 μm to about 300 μm, more preferably about 3 μm to about 100 μm, and most preferably about 5 μm to about 50 μm. Further, in the present invention, the depth of the recess is preferably about 1 nm to about 1 mm, more preferably about 10 nm to about 300 μm, and most preferably about 20 nm to about 100 μm. By making the uneven portion such a preferable one, a better crystal film can be obtained more easily. The uneven portion may be formed directly on the crystal substrate, or may be provided via another layer.

前記結晶成長手段は、特に限定されず、公知の手段であってよい。前記結晶成長手段としては、例えば、CVD法、MOCVD法、MOVPE法、ミストCVD法、ミスト・エピタキシー法、MBE法、HVPE法、パルス成長法、ALD法またはスパッタリング法等が挙げられる。本発明においては、前記結晶成長手段が、ミストCVD法、ミスト・エピタキシー法またはHVPE法であるのが好ましく、HVPE法であるのがより好ましい。 The crystal growth means is not particularly limited and may be a known means. Examples of the crystal growth means include a CVD method, a MOCVD method, a MOVPE method, a mist CVD method, a mist epitaxy method, an MBE method, an HVPE method, a pulse growth method, an ALD method, a sputtering method and the like. In the present invention, the crystal growth means is preferably a mist CVD method, a mist epitaxy method or an HVPE method, and more preferably an HVPE method.

以下、前記結晶成長手段として、HVPE法を用いて前記結晶膜を形成する場合を例として、本発明をより詳細に説明する。前記HVPE法は、具体的には、例えば、ガリウムを含む金属源をガス化して所望によりHClガスと反応させてGaClガスとし、ついで、GaClガスと、酸素含有原料ガスとを反応室内の前記結晶基板に供給して成膜する際に、反応性ガスを前記結晶基板上に供給し、前記成膜を前記反応性ガスの流通下で行うのが好ましい。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by taking as an example the case where the crystal film is formed by using the HVPE method as the crystal growth means. Specifically, in the HVPE method, for example, a metal source containing gallium is gasified and, if desired, reacted with HCl gas to obtain GaCl 3 gas, and then GaCl 3 gas and an oxygen-containing raw material gas are combined in a reaction chamber. When supplying to the crystal substrate to form a film, it is preferable to supply the reactive gas onto the crystal substrate and perform the film formation under the flow of the reactive gas.

(金属源)
前記金属源は、ガリウムを含んでおり、ガス化が可能なものであれば、特に限定されず、金属単体であってもよいし、金属化合物であってもよい。本発明においては、前記金属源が、ガリウム単体であるのが最も好ましい。また、前記金属源は、気体であってもよいし、液体であってもよいし、固体であってもよいが、本発明においては、前記金属源が液体であるのが好ましい。
(Metal source)
The metal source is not particularly limited as long as it contains gallium and can be gasified, and may be a simple substance of a metal or a metal compound. In the present invention, it is most preferable that the metal source is gallium alone. Further, the metal source may be a gas, a liquid, or a solid, but in the present invention, the metal source is preferably a liquid.

前記ガス化の手段は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知の手段であってよい。本発明においては、前記ガス化の手段が、前記金属源をハロゲン化することにより行われるのが好ましい。前記ハロゲン化に用いるハロゲン化剤は、前記金属源をハロゲン化できさえすれば、特に限定されず、公知のハロゲン化剤であってよい。前記ハロゲン化剤としては、例えば、ハロゲンまたはハロゲン化水素等が挙げられる。前記ハロゲンとしては、例えば、フッ素、塩素、臭素、またはヨウ素等が挙げられる。また、ハロゲン化水素としては、例えば、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素等が挙げられる。本発明においては、前記ハロゲン化に、ハロゲン化水素を用いるのが好ましく、塩化水素を用いるのがより好ましい。本発明においては、前記ガス化を、前記金属源に、ハロゲン化剤として、ハロゲンまたはハロゲン化水素を供給して、前記金属源とハロゲンまたはハロゲン化水素とをハロゲン化金属の気化温度以上で反応させて金属ハロゲン化物ガスとすることにより行うのが好ましい。前記ハロゲン化反応温度は、特に限定されないが、本発明においては、例えば、前記金属源がガリウムであり、前記ハロゲン化剤が、HClである場合には、900℃以下が好ましく、700℃以下がより好ましく、400℃〜700℃であるのが最も好ましい。前記金属ハロゲン化物ガスは、前記金属源のガリウムのハロゲン化物を含むガスであれば、特に限定されない。前記金属ハロゲン化物ガスとしては、例えば、ガリウムのハロゲン化物(フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物など)等が挙げられる。 The gasification means is not particularly limited and may be a known means as long as the object of the present invention is not impaired. In the present invention, the gasification means is preferably carried out by halogenating the metal source. The halogenating agent used for the halogenation is not particularly limited as long as the metal source can be halogenated, and may be a known halogenating agent. Examples of the halogenating agent include halogens and hydrogen halides. Examples of the halogen include fluorine, chlorine, bromine, iodine and the like. Examples of hydrogen halide include hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, hydrogen iodide and the like. In the present invention, hydrogen halide is preferably used for the halogenation, and hydrogen chloride is more preferably used. In the present invention, the gasification is carried out by supplying halogen or hydrogen halide as a halogenating agent to the metal source and reacting the metal source with halogen or hydrogen halide at a temperature equal to or higher than the vaporization temperature of the metal halide. It is preferable to carry out the process by forming a metal halogenated gas. The halogenation reaction temperature is not particularly limited, but in the present invention, for example, when the metal source is gallium and the halogenating agent is HCl, the halogenation reaction temperature is preferably 900 ° C. or lower, preferably 700 ° C. or lower. More preferably, it is most preferably 400 ° C. to 700 ° C. The metal halide gas is not particularly limited as long as it is a gas containing a halide of gallium as the metal source. Examples of the metal halide gas include halides of gallium (fluoride, chloride, bromide, iodide, etc.).

本発明においては、ガリウムを含む金属源をガス化してGaClガスとした後、GaClガスと、前記酸素含有原料ガスとを、前記反応室内の基板上に供給する。なお、本発明においては、ガリウムを含む金属源をガス化したものがGaClガスであってもよいし、例えば、GaClガスを基板上に供給する前に例えばHClガスと反応させてGaClガスとして基板上に供給してもよい。また、本発明においては、反応性ガスを前記基板上に供給するのが好ましい。前記結晶膜の形成温度は、特に限定されないが、本発明においては、例えば、前記金属源がガリウムであり、前記ハロゲン化剤が、HClである場合には、900℃以下が好ましく、700℃以下がより好ましく、400℃〜700℃であるのが最も好ましい。前記酸素含有原料ガスとしては、例えば、Oガス、COガス、NOガス、NOガス、NOガス、HOガスまたはOガスから選ばれる1種または2種以上のガスである。本発明においては、前記酸素含有原料ガスが、O、HOおよびNOからなる群から選ばれる1種または2種以上のガスであるのが好ましく、Oを含むのがより好ましい。前記反応性ガスは、通常、金属ハロゲン化物ガスおよび酸素含有原料ガスとは異なる反応性のガスであり、不活性ガスは含まれない。前記反応性ガスとしては、特に限定されないが、例えば、エッチングガス等が挙げられる。前記エッチングガスは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知のエッチングガスであってよい。本発明においては、前記反応性ガスが、ハロゲンガス(例えば、フッ素ガス、塩素ガス、臭素ガスまたはヨウ素ガス等)、ハロゲン化水素ガス(例えば、フッ酸ガス、塩酸ガス、臭化水素ガスまたはヨウ化水素ガス等)、水素ガスまたはこれら2種以上の混合ガス等であるのが好ましく、ハロゲン化水素ガスを含むのが好ましく、塩化水素を含むのが最も好ましい。なお、前記金属ハロゲン化物ガス、前記酸素含有原料ガス、前記反応性ガスは、キャリアガスを含んでいてもよい。前記キャリアガスとしては、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガス等が挙げられる。また、前記金属ハロゲン化物ガスの分圧は特に限定されないが、本発明においては、通常、分圧1kPa以上である。前記酸素含有原料ガスの分圧は、特に限定されないが、本発明においては、前記金属ハロゲン化物ガスの分圧の0.5倍〜100倍であるのが好ましく、1倍〜20倍であるのがより好ましい。前記反応性ガスの分圧も、特に限定されないが、本発明においては、前記金属ハロゲン化物ガスの分圧の0.1倍〜5倍であるのが好ましく、0.2倍〜3倍であるのがより好ましい。 In the present invention, the metal source containing gallium is gasified to obtain GaCl 3 gas, and then the GaCl 3 gas and the oxygen-containing raw material gas are supplied onto the substrate in the reaction chamber. In the present invention, the metal source containing gallium to those gasified may be a GaCl 3 gas, for example, the GaCl gas e.g. reacted with HCl gas before feeding onto the substrate GaCl 3 gas May be supplied on the substrate. Further, in the present invention, it is preferable to supply the reactive gas onto the substrate. The formation temperature of the crystal film is not particularly limited, but in the present invention, for example, when the metal source is gallium and the halogenating agent is HCl, the temperature is preferably 900 ° C. or lower, preferably 700 ° C. or lower. Is more preferable, and the temperature is most preferably 400 ° C. to 700 ° C. The oxygen-containing raw material gas may be, for example, one or more gases selected from O 2 gas, CO 2 gas, NO gas, NO 2 gas, N 2 O gas, H 2 O gas or O 3 gas. be. In the present invention, the oxygen-containing feed gas, O 2, H and even preferably one or more kinds of gas selected from 2 O and N 2 O consisting of the group, and more preferably comprises an O 2 .. The reactive gas is usually a reactive gas different from the metal halide gas and the oxygen-containing raw material gas, and does not include an inert gas. The reactive gas is not particularly limited, and examples thereof include an etching gas and the like. The etching gas is not particularly limited and may be a known etching gas as long as the object of the present invention is not impaired. In the present invention, the reactive gas is a halogen gas (for example, fluorine gas, chlorine gas, bromine gas, iodine gas, etc.), hydrogen halide gas (for example, hydrofluoric acid gas, hydrochloric acid gas, hydrogen bromide gas, or hydrogen bromide gas). (Hydrogen gas, etc.), hydrogen gas, or a mixed gas of two or more of these, and the like, preferably containing hydrogen halide gas, and most preferably containing hydrogen chloride. The metal halide gas, the oxygen-containing raw material gas, and the reactive gas may contain a carrier gas. Examples of the carrier gas include an inert gas such as nitrogen and argon. The partial pressure of the metal halide gas is not particularly limited, but in the present invention, the partial pressure is usually 1 kPa or more. The partial pressure of the oxygen-containing raw material gas is not particularly limited, but in the present invention, it is preferably 0.5 to 100 times the partial pressure of the metal halide gas, and 1 to 20 times the partial pressure. Is more preferable. The partial pressure of the reactive gas is also not particularly limited, but in the present invention, it is preferably 0.1 to 5 times, preferably 0.2 to 3 times, the partial pressure of the metal halide gas. Is more preferable.

本発明においては、さらに、ドーパント含有原料ガスを前記基板に供給するのも好ましい。前記ドーパント含有原料ガスは、ドーパントを含んでいれば、特に限定されない。前記ドーパントも、特に限定されないが、本発明においては、前記ドーパントが、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびスズから選ばれる1種または2種以上の元素を含むのが好ましく、ゲルマニウム、ケイ素、またはスズを含むのがより好ましく、ゲルマニウムを含むのが最も好ましい。このようにドーパント含有原料ガスを用いることにより、得られる膜の導電率を容易に制御することができる。前記ドーパント含有原料ガスは、前記ドーパントを化合物(例えば、ハロゲン化物、酸化物等)の形態で有するのが好ましく、ハロゲン化物の形態で有するのがより好ましい。前記ドーパント含有原料ガスの分圧は、特に限定されないが、本発明においては、前記金属含有原料ガスの分圧の1×10−7倍〜0.1倍であるのが好ましく、2.5×10−6倍〜7.5×10−2倍であるのがより好ましい。なお、本発明においては、前記ドーパント含有原料ガスを、前記反応性ガスとともに前記基板上に供給するのが好ましい。 In the present invention, it is also preferable to supply the dopant-containing raw material gas to the substrate. The dopant-containing raw material gas is not particularly limited as long as it contains a dopant. The dopant is also not particularly limited, but in the present invention, the dopant preferably contains one or more elements selected from germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, niobium and tin, preferably germanium. It is more preferably containing silicon or tin, and most preferably it contains germanium. By using the dopant-containing raw material gas in this way, the conductivity of the obtained film can be easily controlled. The dopant-containing raw material gas preferably has the dopant in the form of a compound (for example, a halide, an oxide, etc.), and more preferably in the form of a halide. The partial pressure of the dopant-containing raw material gas is not particularly limited, but in the present invention, it is preferably 1 × 10 -7 times to 0.1 times the partial pressure of the metal-containing raw material gas, and is 2.5 ×. and more preferably 10 -6 times to 7.5 × 10 -2 times. In the present invention, it is preferable to supply the dopant-containing raw material gas together with the reactive gas onto the substrate.

(結晶膜)
前記結晶膜は、ガリウムを含む結晶性金属酸化物を主成分として含む結晶膜であって、Siの含有量が2×1015cm−3以下であることを特長とする。本発明においては、前記結晶膜が、前記結晶性金属酸化物の単結晶を主成分として含むのが好ましい。また、本発明においては、前記結晶性酸化物が半導体であってもよい。本発明においては、前記結晶性金属酸化物が、Gaまたはその混晶であるのが最も好ましい。前記結晶性金属酸化物の結晶構造は、特に限定されない。前記結晶性酸化物の結晶構造としては、例えば、コランダム構造、β―ガリア構造、六方晶構造(例えば、ε型構造等)、直方晶構造(例えばκ型構造等)、立方晶構造、または正方晶構造等が挙げられる。本発明においては、前記結晶性酸化物が、コランダム構造、β―ガリア構造または六方晶(例えば、ε型構造等)を有するのが好ましく、コランダム構造を有するのがより好ましい。なお、「主成分」とは、前記結晶性酸化物が、原子比で、前記結晶膜の全成分に対し、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%であってもよいことを意味する。前記結晶膜の厚さは、特に限定されないが、10μm以上であるのが好ましく、25μm以上であるのがより好ましく、50μm以上であるのが最も好ましい。前記結晶膜の表面積は、特に限定されないが、10cm以上であるのが好ましく、20cm以上であるのがより好ましい。
(Crystal film)
The crystal film is a crystal film containing a crystalline metal oxide containing gallium as a main component, and is characterized by having a Si content of 2 × 10 15 cm -3 or less. In the present invention, it is preferable that the crystal film contains a single crystal of the crystalline metal oxide as a main component. Further, in the present invention, the crystalline oxide may be a semiconductor. In the present invention, it is most preferable that the crystalline metal oxide is Ga 2 O 3 or a mixed crystal thereof. The crystal structure of the crystalline metal oxide is not particularly limited. The crystal structure of the crystalline oxide includes, for example, a corundum structure, a β-gallia structure, a hexagonal structure (for example, ε-type structure, etc.), a rectangular structure (for example, a κ-type structure, etc.), a cubic structure, or a tetragonal structure. A crystal structure and the like can be mentioned. In the present invention, the crystalline oxide preferably has a corundum structure, a β-Galia structure or a hexagonal crystal (for example, an ε-type structure), and more preferably has a corundum structure. The "main component" contains the crystalline oxide in an atomic ratio of preferably 50% or more, more preferably 70% or more, still more preferably 90% or more with respect to all the components of the crystal film. It means that it may be 100%. The thickness of the crystal film is not particularly limited, but is preferably 10 μm or more, more preferably 25 μm or more, and most preferably 50 μm or more. The surface area of the crystal film is not particularly limited , but is preferably 10 cm 2 or more, and more preferably 20 cm 2 or more.

前記結晶膜には、ドーパントが含まれていてもよい。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く、n型ドーパントであってもよいし、p型ドーパントであってもよい。前記n型ドーパントとしては、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、ニオブまたはこれらの2種以上の元素等が挙げられる。前記p型ドーパントとしては、例えば、Mg、H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Ca、Sr、Ba、Ra、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Ti、Pb、N、Pまたはこれらの2種以上の元素等が挙げられる。前記ドーパントの含有量も、特に限定されないが、前記結晶膜中、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。 The crystal film may contain a dopant. The dopant is not particularly limited and may be a known one, and may be an n-type dopant or a p-type dopant. Examples of the n-type dopant include tin, germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, niobium, two or more elements thereof, and the like. Examples of the p-type dopant include Mg, H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Ca, Sr, Ba, Ra, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Cu, Ag and Au. , Zn, Cd, Hg, Ti, Pb, N, P or two or more of these elements. The content of the dopant is also not particularly limited, but is preferably 0.00001 atomic% or more, more preferably 0.00001 atomic% to 20 atomic%, and 0.00001 atomic% in the crystal film. Most preferably, it is 10 atomic%.

前記結晶膜は、特に、半導体装置に好適に用いることができ、とりわけ、パワーデバイスに有用である。前記結晶膜を用いて形成される半導体装置としては、MISやHEMT、MOS等のトランジスタやTFT、半導体‐金属接合を利用したショットキーバリアダイオード、他のP層と組み合わせたPN又はPINダイオード、受発光素子が挙げられる。本発明においては、前記結晶膜を前記基板とともにそのまま半導体装置等に用いてもよいし、前記基板等から剥離する等の公知の手段を用いた後に、半導体装置等に適用してもよい。 The crystal film can be particularly preferably used for semiconductor devices, and is particularly useful for power devices. Semiconductor devices formed using the crystal film include transistors and TFTs such as MIS, HEMT, and MOS, Schottky barrier diodes using semiconductor-metal junctions, PN or PIN diodes combined with other P layers, and receivers. A light emitting element can be mentioned. In the present invention, the crystal film may be used as it is in a semiconductor device or the like together with the substrate, or may be applied to a semiconductor device or the like after using a known means such as peeling from the substrate or the like.

前記半導体装置は、上記した事項に加え、さらに公知の手段を用いて、パワーモジュール、インバータまたはコンバータとして好適に用いられ、これら半導体装置も本発明に含まれる。また、前記半導体装置は、さらには、例えば電源装置を用いた半導体システム等に好適に用いられる。前記電源装置は、公知の手段を用いて、配線パターン等に接続するなどすることにより、前記半導体装置からまたは前記半導体装置として作製することができる。図9に電源システムの例を示す。図9は、複数の前記電源装置と制御回路を用いて電源システムを構成している。前記電源システムは、図10に示すように、電子回路と組み合わせてシステム装置に用いることができる。なお、電源装置の電源回路図の一例を図11に示す。図11は、パワー回路と制御回路からなる電源装置の電源回路を示しており、インバータ(MOSFET:A〜Dで構成)によりDC電圧を高周波でスイッチングしACへ変換後、トランスで絶縁及び変圧を実施し、整流MOSFET(A〜B’)で整流後、DCL(平滑用コイルL1,L2)とコンデンサにて平滑し、直流電圧を出力する。この時に電圧比較器で出力電圧を基準電圧と比較し、所望の出力電圧となるようPWM制御回路でインバータ及び整流MOSFETを制御する。 In addition to the above items, the semiconductor device is suitably used as a power module, an inverter or a converter by using known means, and these semiconductor devices are also included in the present invention. Further, the semiconductor device is further preferably used for, for example, a semiconductor system using a power supply device. The power supply device can be manufactured from the semiconductor device or as the semiconductor device by connecting to a wiring pattern or the like using a known means. FIG. 9 shows an example of a power supply system. In FIG. 9, a power supply system is configured by using the plurality of power supply devices and control circuits. As shown in FIG. 10, the power supply system can be used in a system device in combination with an electronic circuit. An example of the power supply circuit diagram of the power supply device is shown in FIG. FIG. 11 shows a power supply circuit of a power supply device including a power circuit and a control circuit. A DC voltage is switched at a high frequency by an inverter (MOSFET: composed of A to D), converted to AC, and then insulated and transformed by a transformer. This is performed, rectified by a rectifying MOSFET (A to B'), smoothed by a DCL (smoothing coils L1 and L2) and a capacitor, and a DC voltage is output. At this time, the output voltage is compared with the reference voltage by the voltage comparator, and the inverter and the rectifying MOSFET are controlled by the PWM control circuit so as to obtain the desired output voltage.

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
1.ELOマスクの形成
基板として、表面にα―Ga層が形成されたサファイア基板(c面、オフ角0.25°)を用いて、基板上にスパッタリング法を用いてSiOからなるマスク層を形成し、ついで、フォトリソグラフィー法を用いて、形成したマスク層を所定形状のマスクに加工した。具体的には、開口部(ドット)(直径:5μm)が、周期(隣接するドットの端部どうしの間の距離)5μmで三角格子状に基板上に配列するようにマスク層を加工した。
(Example 1)
1. 1. Formation of ELO mask A sapphire substrate (c-plane, off-angle 0.25 °) having an α-Ga 2 O 3 layer formed on its surface is used as a substrate, and a mask made of SiO 2 is used on the substrate by a sputtering method. A layer was formed, and then the formed mask layer was processed into a mask having a predetermined shape by using a photolithography method. Specifically, the mask layer was processed so that the openings (dots) (diameter: 5 μm) were arranged on the substrate in a triangular lattice pattern with a period (distance between the ends of adjacent dots) of 5 μm.

2.結晶膜の形成
2−1.HVPE装置
図1を用いて、本実施例で用いたハライド気相成長(HVPE)装置50を説明する。HVPE装置50は、反応室51と、金属源57を加熱するヒータ52aおよび基板ホルダ56に固定されている基板を加熱するヒータ52bとを備え、さらに、反応室51内に、酸素含有原料ガス供給管55bと、反応性ガス供給管54bと、基板を設置する基板ホルダ56とを備えている。そして、反応性ガス供給管54b内には、金属含有原料ガス(金属ハロゲン化物ガス)供給管53bが備えられており、二重管構造を形成している。なお、酸素含有原料ガス供給管55bは、酸素含有原料ガス供給源55aと接続されており、酸素含有原料ガス供給源55aから酸素含有原料ガス供給管55bを介して、酸素含有原料ガスが基板ホルダ56に固定されている基板に供給可能なように、酸素含有原料ガスの流路を構成している。また、反応性ガス供給管54bは、反応性ガス供給源54aと接続されており、反応性ガス供給源54aから反応性ガス供給管54bを介して、反応性ガスが基板ホルダ56に固定されている基板に供給可能なように、反応性ガスの流路を構成している。金属含有原料ガス供給管53bは、ハロゲン含有原料ガス供給源53aと接続されており、ハロゲン含有原料ガスが金属源に供給されて金属含有原料ガスとなり金属含有原料ガスが基板ホルダ56に固定されている基板に供給される。反応室51には、使用済みのガスを排気するガス排出部59が設けられており、さらに、反応室51の内壁には、反応物が析出するのを防ぐ保護シート58が備え付けられている。
2. Formation of crystal film 2-1. HVPE device The halide vapor deposition (HVPE) device 50 used in this embodiment will be described with reference to FIG. The HVPE apparatus 50 includes a reaction chamber 51, a heater 52a for heating the metal source 57, and a heater 52b for heating the substrate fixed to the substrate holder 56, and further supplies an oxygen-containing raw material gas into the reaction chamber 51. It includes a pipe 55b, a reactive gas supply pipe 54b, and a board holder 56 on which a board is installed. A metal-containing raw material gas (metal halide gas) supply pipe 53b is provided in the reactive gas supply pipe 54b to form a double pipe structure. The oxygen-containing raw material gas supply pipe 55b is connected to the oxygen-containing raw material gas supply source 55a, and the oxygen-containing raw material gas is transferred from the oxygen-containing raw material gas supply source 55a via the oxygen-containing raw material gas supply pipe 55b to the substrate holder. The flow path of the oxygen-containing raw material gas is configured so that it can be supplied to the substrate fixed to 56. Further, the reactive gas supply pipe 54b is connected to the reactive gas supply source 54a, and the reactive gas is fixed to the substrate holder 56 from the reactive gas supply source 54a via the reactive gas supply pipe 54b. The flow path of the reactive gas is configured so that it can be supplied to the substrate. The metal-containing raw material gas supply pipe 53b is connected to the halogen-containing raw material gas supply source 53a, and the halogen-containing raw material gas is supplied to the metal source to become the metal-containing raw material gas, and the metal-containing raw material gas is fixed to the substrate holder 56. It is supplied to the substrate. The reaction chamber 51 is provided with a gas discharge unit 59 for exhausting used gas, and further, a protective sheet 58 for preventing precipitation of reactants is provided on the inner wall of the reaction chamber 51.

2−2.成膜準備
金属含有原料ガス供給管53b内部にガリウム(Ga)金属源57(純度99.99999%以上)を配置し、反応室51内の基板ホルダ56上に、基板として、上記1.で得られたマスク層付きのサファイア基板を設置した。その後、ヒータ52aおよび52bを作動させて反応室51内の温度を570℃(Ga金属源付近)および520℃(基板ホルダ付近)にまで昇温させた。
2-2. Preparation for film formation A gallium (Ga) metal source 57 (purity 99.99999% or more) is arranged inside the metal-containing raw material gas supply pipe 53b, and the above 1. The sapphire substrate with the mask layer obtained in the above was installed. After that, the heaters 52a and 52b were operated to raise the temperature in the reaction chamber 51 to 570 ° C (near the Ga metal source) and 520 ° C (near the substrate holder).

2−3.成膜
金属原料含有ガス供給管53b内部に配置したガリウム(Ga)金属57に、ハロゲン含有原料ガス供給源53aから、塩化水素(HCl)ガス(純度99.999%以上)を供給した。Ga金属と塩化水素(HCl)ガスとの化学反応によって、塩化ガリウム(GaCl/GaCl)を生成した。得られた塩化ガリウム(GaCl/GaCl)と、酸素含有原料ガス供給源55aから供給されるOガス(純度99.99995%以上)を、反応性ガス供給管54bを通して、前記基板上に供給した。そして、HClガスの流通下で、塩化ガリウム(GaCl/GaCl)およびOガスを基板上で大気圧下、520℃にて反応させ、基板上に成膜した。ここで、ハロゲン含有原料ガス供給源53aから供給されるHClガスの流量を1kPa、反応性ガス供給源54aから供給されるHClガスの流量を1kPa、酸素含有原料ガス供給源55aから供給されるOガスの流量を2.5kPaに、それぞれ維持した。
2-3. Hydrogen chloride (HCl) gas (purity 99.999% or more) was supplied from the halogen-containing raw material gas supply source 53a to the gallium (Ga) metal 57 arranged inside the film-forming metal raw material-containing gas supply pipe 53b. Gallium chloride (GaCl / GaCl 3 ) was produced by a chemical reaction between a Ga metal and hydrogen chloride (HCl) gas. The obtained gallium chloride (GaCl / GaCl 3 ) and O 2 gas (purity 99.99995% or more) supplied from the oxygen-containing raw material gas supply source 55a are supplied onto the substrate through the reactive gas supply pipe 54b. bottom. Then, under the flow of HCl gas, gallium chloride (GaCl / GaCl 3 ) and O 2 gas were reacted on the substrate at atmospheric pressure at 520 ° C. to form a film on the substrate. Here, the flow rate of the HCl gas supplied from the halogen-containing raw material gas supply source 53a is 1 kPa, the flow rate of the HCl gas supplied from the reactive gas supply source 54a is 1 kPa, and the flow rate of the HCl gas supplied from the oxygen-containing raw material gas supply source 55a is O. The flow rates of the two gases were maintained at 2.5 kPa, respectively.

2−4.評価
上記2−3.にて得られた結晶膜につき、SEM観察を行った。結果を図8に示す。また、得られた結晶膜の写真を図5に示す。また、得られた結晶膜につき、SIMS測定を実施した。測定結果を表1に示す。表1から明らかなとおり、実施例品は比較例品に比べSi等の含有量が検出限界値以下であった。
2-4. Evaluation 2-3. The crystal film obtained in 1) was observed by SEM. The results are shown in FIG. A photograph of the obtained crystal film is shown in FIG. In addition, SIMS measurement was performed on the obtained crystal film. The measurement results are shown in Table 1. As is clear from Table 1, the content of Si and the like in the example product was lower than the detection limit value as compared with the comparative example product.

Figure 2021172552
Figure 2021172552

(比較例1)
表2に示す条件としたこと以外は、実施例1と同様にして結晶膜を作製した。得られた結晶膜につき、SEM観察を行った。結果を図6に示す。
(Comparative Example 1)
A crystal film was prepared in the same manner as in Example 1 except that the conditions shown in Table 2 were met. The obtained crystal film was observed by SEM. The results are shown in FIG.

(比較例2)
表2に示す条件としたこと以外は、実施例1と同様にして結晶膜を作製した。得られた結晶膜につき、SEM観察を行った。結果を図7に示す。
(Comparative Example 2)
A crystal film was prepared in the same manner as in Example 1 except that the conditions shown in Table 2 were met. The obtained crystal film was observed by SEM. The results are shown in FIG.

Figure 2021172552
Figure 2021172552

本発明の結晶膜は、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、特に、半導体装置等に有用である。 The crystal film of the present invention can be used in all fields such as semiconductors (for example, compound semiconductor electronic devices, etc.), electronic parts / electrical equipment parts, optical / electrophotographic-related devices, industrial parts, etc., but is particularly useful for semiconductor devices and the like. Is.

a 周期
1 基板(結晶基板)
1a 基板の表面
2b 凹部
4 マスク層
50 ハライド気相成長(HVPE)装置
51 反応室
52a ヒータ
52b ヒータ
53a ハロゲン含有原料ガス供給源
53b 金属含有原料ガス(金属ハロゲン化物ガス)供給管
54a 反応性ガス供給源
54b 反応性ガス供給管
55a 酸素含有原料ガス供給源
55b 酸素含有原料ガス供給管
56 基板ホルダ
57 金属源
58 保護シート
59 ガス排出部
a period 1 substrate (crystal substrate)
1a Substrate surface 2b Recess 4 Mask layer 50 Halide vapor growth (HVPE) device 51 Reaction chamber 52a Heater 52b Heater 53a Halogen-containing raw material gas supply source 53b Metal-containing raw material gas (metal halide gas) supply pipe 54a Reactive gas supply Source 54b Reactive gas supply pipe 55a Oxygen-containing raw material gas supply source 55b Oxygen-containing raw material gas supply pipe 56 Substrate holder 57 Metal source 58 Protective sheet 59 Gas discharge part

Claims (10)

ガリウムを含む結晶性金属酸化物を主成分として含む結晶膜であって、Siの含有量が2×1015cm−3以下であることを特徴とする結晶膜。 A crystal film containing a crystalline metal oxide containing gallium as a main component, wherein the Si content is 2 × 10 15 cm -3 or less. 前記結晶性金属酸化物がコランダム構造を有する、請求項1に記載の結晶膜。 The crystal film according to claim 1, wherein the crystalline metal oxide has a corundum structure. Cの含有量が5×1016cm−3以下である請求項1または2に記載の結晶膜。 The crystal film according to claim 1 or 2, wherein the C content is 5 × 10 16 cm -3 or less. 膜厚が10μm以上である請求項1〜3のいずれかに記載の結晶膜。 The crystal film according to any one of claims 1 to 3, wherein the film thickness is 10 μm or more. 膜厚が25μm以上である請求項1〜4のいずれかに記載の結晶膜。 The crystal film according to any one of claims 1 to 4, wherein the film thickness is 25 μm or more. 表面積が10cm以上である請求項1〜5のいずれかに記載の結晶膜。 The crystal film according to any one of claims 1 to 5, which has a surface area of 10 cm 2 or more. 前記結晶膜が半導体膜である、請求項1〜6のいずれかに記載の結晶膜。 The crystal film according to any one of claims 1 to 6, wherein the crystal film is a semiconductor film. 結晶膜を含む半導体装置であって、前記結晶膜が請求項1〜7のいずれかに記載の結晶膜であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device including a crystal film, wherein the crystal film is the crystal film according to any one of claims 1 to 7. パワーデバイスである、請求項8記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8, which is a power device. 半導体装置を備える半導体システムであって、前記半導体装置が、請求項8または9に記載の半導体装置であることを特徴とする半導体システム。 A semiconductor system including a semiconductor device, wherein the semiconductor device is the semiconductor device according to claim 8 or 9.
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