JP2024005112A - 結晶膜 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置等に有用な高品質な結晶膜を提供する。【解決手段】結晶膜は、ガリウムを含有する結晶性酸化物半導体を含み、クロム（Ｃｒ）および鉄（Ｆｅ）のうち少なくとも一方の濃度は、１×１０１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下であり、主面の少なくとも一方が鏡面であるか、及び／又は、膜幅８ｍｍにおける膜厚の分布が±１０％未満である。【選択図】なし

Description

本発明は、半導体装置に有用な結晶膜に関する。

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_２Ｏ_３）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_２Ｏ_３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Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_ＺＯ_３（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。

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_２Ｏ_３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_２Ｏ_３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_２Ｏ_３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_２Ｏ_３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。

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_２Ｏ_３は準安定相であるので、β－Ｇａ_２Ｏ_３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^２以上であり、転位密度が５×１０^６ｃｍ^－２の結晶膜を得ることが記載されている。
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。

特許第５３９７７９４号 特許第５３４３２２４号 特許第５３９７７９５号 特開２０１４－７２５３３号公報 特開２０１６－１００５９２号公報 特開２０１６－９８１６６号公報 特開２０１６－１００５９３号公報 特開２０１６－１５５７１４号公報 国際公開第２０１４／０５０７９３号 公報 米国公開第２０１９／００５７８６５号公報 特開２０１９－０３４８８３号公報

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

ところで、結晶膜には、種々の不純物が含まれるが、不純物の中でもＣｒ及びＦｅは、結晶膜が半導体装置に用いられたときのデバイス特性への悪影響が特に顕著であり、その濃度が低減させることが特に望まれている。しかし、Ｃｒ及びＦｅは、不純物として結晶膜に混入しやすく、その濃度を低減させることは容易ではない。

また、上記デバイス特性を向上させるには、Ｃｒ及びＦｅの濃度を低減させるだけでなく、結晶膜の表面の平滑性及び／又は結晶膜の膜厚均一性を高めることも必要である。

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。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、ＨＶＰＥ法において、特定の成膜条件と特定構成のサセプタを組み合わせることによって、結晶膜中のＣｒ及びＦｅの少なくとも一方の濃度が低減され、かつ結晶膜の品質が向上することを見出し、本発明の完成に到った。

すなわち、本発明は、以下の発明に関する。
［１］ガリウムを含有する結晶性酸化物半導体を含む結晶膜であって、
クロム（Ｃｒ）および鉄（Ｆｅ）のうち少なくとも一方の濃度は、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であり、
主面の少なくとも一方が鏡面であるか、及び／又は、膜幅８ｍｍにおける膜厚の分布が±１０％未満である、結晶膜。
［２］前記結晶性酸化物半導体は、コランダム構造を有する、［１］に記載の結晶膜。
［３］ゲルマニウム（Ｇｅ）およびスズ（Ｓｎ）のうち少なくとも一方の濃度は、１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である、［１］又は［２］に記載の結晶膜。
［４］リン（Ｐ）濃度は、１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である、［１］～［３］の何れか１つに記載の結晶膜。
［５］ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）およびマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくとも１つの濃度は、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である、［１］～［４］の何れか１つに記載の結晶膜。
［６］フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）およびヨウ素（Ｉ）のうち少なくとも１つの濃度は、１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である、［１］～［５］の何れか１つに記載の結晶膜。
［７］フッ素（Ｆ）濃度は、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満である、［６］に記載の結晶膜。
［８］ヨウ素（Ｉ）濃度は、１×１０^１４（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満である、［６］又は［７］に記載の結晶膜。
［９］水素（Ｈ）濃度は、２×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である、［１］～［８］の何れか１つに記載の結晶膜。
［１０］周期表第１４族の元素から選ばれる少なくとも１つの元素の濃度は、１×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上である、［１］～［９］の何れか１つに記載の結晶膜。
［１１］前記［１］～［１０］の何れか１つに記載の結晶膜と電極とを少なくとも備える半導体装置。
［１２］前記［１１］に記載の半導体装置を用いた電力変換装置。
［１３］前記［１１］に記載の半導体装置を用いた制御システム。

本発明の結晶膜は、半導体装置に用いられたときのデバイス特性に悪影響を与えやすいＣｒ及び／又はＦｅの不純物濃度が低く、かつ結晶膜の表面の平滑性及び／又は結晶膜の膜厚均一性が優れている。このため、本発明の結晶膜では、Ｃｒ及び／又はＦｅ不純物が、ドーピングや材料物性、素子特性に悪影響を与えることが抑制され、半導体装置等に有用な高品質な結晶膜として利用可能である。

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。 図１のＨＶＰＥ装置の変形例を示す図である。 本発明の実施態様に係るショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施態様に係る高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施態様に係る金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施態様に係る接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施態様に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施態様に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施態様に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施態様に係るジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施態様に係るジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施態様に係る金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。

１．結晶膜
本発明の結晶膜は、ガリウムを含有する結晶性酸化物半導体を含む結晶膜であって、クロム（Ｃｒ）および鉄（Ｆｅ）のうち少なくとも一方の濃度は、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であり、主面の少なくとも一方が鏡面であるか、及び／又は、膜幅８ｍｍにおける膜厚の分布が±１０％未満である。本発明において、各種元素の濃度は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）によって測定される値である。

前記結晶性酸化物半導体は、ガリウムを含有しており、その他の金属を含んでもよい。その他の金属としては、例えば、アルミニウム、インジウム、バナジウム、チタン、ロジウム、ニッケル、コバルトおよびイリジウム等から選ばれる１種または２種以上が挙げられる。本発明においては、前記結晶性酸化物半導体が、酸化ガリウムまたはその混晶であるのが好ましい。

前記結晶膜は、前記結晶性酸化物半導体を主成分として含むことが好ましい。本発明において、「主成分」とは、例えば、 前記結晶性酸化物半導体が、Ｇａ_２Ｏ_３である場合、前記結晶膜中の全ての金属元素中におけるガリウムの原子比が０．５以上の割合で前記結晶膜中にＧａ_２Ｏ_３が含まれることを意味する。本開示においては、前記結晶膜中の全ての金属元素中におけるガリウムの原子比が０．７以上であるのが好ましく、０．９以上であるのがより好ましい。

前記結晶性酸化物半導体の結晶構造は、特に限定されないが、本発明においては、コランダム構造またはβガリア構造であるのが好ましく、コランダム構造であるのがより好ましく、前記結晶膜が、コランダム構造を有する結晶成長膜であるのが最も好ましい。

本発明においては、前記基板として、コランダム構造を含む基板を用いて、前記成膜を行うことにより、コランダム構造を有する結晶成長膜を得ることができる。前記結晶性酸化物半導体は、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよいが、本発明においては、単結晶であるのが好ましい。

前記結晶膜の膜厚は、０．１μｍ以上が好ましい。この厚さは、例えば、０．１～１００μｍであり、具体的には例えば、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、５、１０、２５、１００μｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

前記結晶膜は、主面の少なくとも一方が鏡面であるか、及び／又は、膜幅８ｍｍにおける膜厚の分布が±１０％未満である。この場合に、結晶膜が、半導体装置等に有用な高品質な結晶膜となるからである。結晶膜は、主面の両方が鏡面であることが好ましい。また、膜幅８ｍｍにおける膜厚の分布は、±α％未満であることが好ましく、αは、例えば、０．１～１０であり、具体的には例えば、０．１、０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。なお、ここでいう「鏡面」とは、表面の凹凸の差が可視光の波長以下である面のことをいう。より具体的には、表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以下、好ましくは０．０１μｍ以下、より好ましくは０．００５μｍ以下であることをいう。

本発明の結晶膜は、ＣｒとＦｅの少なくとも一方の濃度が基準値よりも低いことが必須であり、その他の不純物元素の濃度が基準値よりも低いことが好ましい。その他の不純物元素としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、リン（Ｐ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、水素（Ｈ）などが挙げられ、不純物元素ごとに許容可能な濃度が設定される。

ＣｒおよびＦｅの濃度は、それぞれ、例えば、０．０１～１［×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、具体的には例えば、０．０１、０．０５、０．１、０．５、１［×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内又は何れか以下であってもよい。ＣｒおよびＦｅの少なくとも一方の濃度を低くすることによって、結晶膜の品質向上が可能であり、両方の濃度を低くすることによって、結晶膜のさらなる品質向上が可能である。本発明においては、ＣｒおよびＦｅの濃度が、いずれも１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であるのが好ましい。

ＧｅおよびＳｎのうち少なくとも一方の濃度は、１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることが好ましい。ＧｅおよびＳｎの濃度は、それぞれ、例えば、０．０１～１［×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、具体的には例えば、０．０１、０．０５、０．１、０．５、１［×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内又は何れか以下であってもよい。この場合、結晶膜のさらなる品質向上が可能である。なお、本発明においては、ＧｅおよびＳｎの一方（例えばＧｅ）がドーパントとして用いられている場合、他方（例えばＳｎ）の濃度を１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下とすることにより、ドーピングによる電気特性の制御性を向上することができる。

Ｐの濃度は、１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることが好ましい。Ｐの濃度は、例えば、０．０１～１［×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、具体的には例えば、０．０１、０．０５、０．１、０．５、１［×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内又は何れか以下であってもよい。この場合、結晶膜のさらなる品質向上が可能である。

Ｎａ、Ｋ、Ｃａ及びＭｇのうち少なくとも１つの濃度は、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることが好ましい。Ｎａ、Ｋ、Ｃａ及びＭｇの濃度は、それぞれ、例えば、０．００１～１［×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、具体的には例えば、０．００１、０．００５、０．０１、０．０５、０．１、０．５、１［×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内又は何れか以下であってもよい。この場合、結晶膜のさらなる品質向上が可能である。

Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉのうち少なくとも１つの濃度は、１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることが好ましい。Ｆの濃度は、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満であることが好ましい。Ｉの濃度は、１×１０^１４（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満であることが好ましい。Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒ，及びＩの濃度は、それぞれ、例えば、０．００００１～１０［×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、具体的には例えば、０．００００１、０．００００５、０．０００１、０．０００５、０．０００９、０．００１、０．００５、０．００９、０．０１、０．０５、０．１、０．５、１［×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内又は何れか以下若しくは未満であってもよい。この場合、結晶膜のさらなる品質向上が可能である。

Ｈの濃度は、２×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることが好ましい。Ｈの濃度は、例えば、０．０１～２［×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、具体的には例えば、０．０１、０．０５、０．１、０．５、１、１．５、２［×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内又は何れか以下であってもよい。この場合、結晶膜のさらなる品質向上が可能である。

ドーパント元素である周期表第１４族の元素から選ばれる少なくとも１つの元素の濃度は、１×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上であることが好ましい。周期表第１４族の元素としては、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、フレロビウム（Ｆｌ）が挙げられる。これらの少なくとも１つの濃度は、例えば１～１００［×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、具体的には例えば、１、５、１０、５０、１００［×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）］であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内又は何れか以上であってもよい。この場合、結晶膜の導電性が十分に高められる。

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。

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。

２．結晶膜の製造方法
上記結晶膜は、ＨＶＰＥ法で製造可能である。以下に示す特定の成膜条件と特定構成のサセプタを組み合わせることによって、上述の高品質な結晶膜が製造可能である。成膜条件としては、結晶膜の成長速度や、各ガス（ＧａＣｌ，Ｂ－ＨＣｌ，Ｏ_２）の流量などが挙げられる。

一方、上記結晶膜は、ガリウムを含む金属源をガス化して金属含有原料ガスとし、ついで、前記金属含有原料ガスと、酸素含有原料ガスと、反応性ガスとを反応室内の基板上に供給することにより、ガリウムを含有する結晶性酸化物半導体を含む結晶膜を成膜する結晶膜の製造方法であって、前記結晶膜は、成長速度が１０μｍ／ｈ以下となるように成膜される、方法によって製造することが好ましい。

このような方法で、結晶膜を製造することによって、結晶膜に含まれる不純物濃度を著しく低減することができる。従来、ＨＶＰＥ法による成膜方法では、製造効率化のために結晶膜の成長速度を高めるための研究が多くなされており、２０～９０μｍ／ｈで結晶膜が成長するように成膜条件を設定することが一般的であったが、本発明者は、このような速度での成膜では、各種元素の不純物濃度が高くなってしまうことに気がついた。そして、成長速度が１０μｍ／ｈ以下となるように成膜条件を設定して成膜を行ったところで、驚くべきことに、結晶中の各種元素の不純物濃度が著しく低減されることを見出し、本発明の完成に到った。

以下、上記方法について詳細に説明する。

（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。

（金属含有原料ガス）
金属含有原料ガスを得るための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含有原料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。この温度は、具体的には例えば、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。前記金属含有原料ガスは、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。前記金属含有原料ガスとしては、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。また、前記金属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、通常、分圧１ｋＰａ以上である。

（酸素含有原料ガス）
前記酸素含有原料ガスは、酸素原子を含有するガスであり、例えば、Ｏ_２ガス、ＣＯ_２ガス、ＮＯガス、ＮＯ_２ガス、Ｎ_２Ｏガス、Ｈ_２ＯガスまたはＯ_３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_２、Ｈ_２ＯおよびＮ_２Ｏ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_２を含むのがより好ましい。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、前記金属含有原料ガスの分圧の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。

（反応性ガス）
前記反応性ガスは、通常、金属含有原料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。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。

（キャリアガス）
前記金属含有原料ガス、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。前記反応性ガスの分圧は、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。

（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。

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_２Ｏ_３基板、またはβ－Ｇａ_２Ｏ_３とＡｌ_２Ｏ_３とを含む混晶体基板などが挙げられる。なお、β－Ｇａ_２Ｏ_３とＡｌ_２Ｏ_３とを含む混晶体基板としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３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。

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。

（ドーパント含有原料ガス）
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してもよい。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、周期表第１４族の元素を含むことが好ましく、ゲルマニウムを含むことがより好ましい。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。

（結晶膜の形成温度）
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。この温度は、具体的には例えば、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

（成長速度）
結晶膜の成長速度は、１０μｍ／ｈ以下であることが好ましい。このような低速で結晶膜を成長させることによって、結晶膜中でのＣｒやＦｅなどの不純物濃度を低減することが可能になる。この成長速度は、例えば、１～１０μｍ／ｈであり、具体的には例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０μｍ／ｈであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

結晶膜の成長速度は、各ガスの流量や、成膜装置の構成を変更することによって、変更可能である。

金属含有原料ガスの流量は、１～３０ｓｃｃｍが好ましく、反応性ガスの流量は、０．５～１５ｓｃｃｍが好ましい。このような流量の場合に、結晶膜の成長速度が低くなりやすいからである。金属含有原料ガスの流量は、具体的には例えば、１、５、１０、１５、２０、２５、３０ｓｃｃｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。反応性ガスの流量は、具体的には例えば、０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５ｓｃｃｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

酸素含有原料ガスの流量は、１０～２００ｓｃｃｍが好ましい。この流量は、具体的には例えば、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００ｓｃｃｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

３．ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置５０
図１を用いて、本発明の結晶膜の製造方法で利用可能な、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置５０の一例について説明する。図１に示す装置構成は、例示であり、本発明の結晶膜の製造方法は、別の構成の装置を用いて実施してもよい。

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とを備える。

反応室５１内には、酸素含有原料ガス供給管５５ｂと、反応性ガス供給管５４ｂと、金属含有原料ガス供給管５３ｂと、基板を設置する基板ホルダ５６が設けられている。基板ホルダ５６は、反応室５１と連結された軸６０によって回転可能に支持されている。結晶膜を形成する基板は、基板ホルダ５６の基板固定面５６ａに固定される。基板固定面５６ａは、鉛直面である。基板固定面５６ａは、軸６０に対して垂直方向に向いており、基板ホルダ５６が軸６０を中心に回転しても、基板固定面５６ａの向きが変化しない。なお、結晶膜の成長は、基板ホルダ５６を回転させながら行われてもよい。

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。

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、反応性ガス供給管５４ｂ内に配置されており、二重管構造を形成している。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５７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。

図１の装置では、基板固定面５６ａが鉛直面となっているために、基板固定面５６ａが水平面である場合に比べて、結晶が堆積されにくく、結晶膜の成長速度が低くなる。

基板ホルダ５６は、図２に示すように配置してもよい。図２の装置５０では、金属含有原料ガス供給管５３ｂと基板ホルダ５６の間の距離が、図１に比べて長くなっている。この距離が長くなるほど、金属含有原料ガスと反応性ガスが、基板に到達する前に反応する量が多くなり、結晶膜の成長速度が低くなる。

４．半導体装置、電力変換装置、制御システム
前記結晶膜は半導体装置、特に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、ＭＩＳＦＥＴやＨＥＭＴ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、ＪＢＳ、他のＰ層と組み合わせたＰＮ又はＰＩＮダイオード、受発光素子などが挙げられる。本発明の実施態様においては、前記結晶膜を、所望により前記結晶基板と剥離等して、半導体装置に用いることができる。

また、前記半導体装置は、電極が半導体層の片面側に形成された横型の素子（横型デバイス）と、半導体層の表裏両面側にそれぞれ電極を有する縦型の素子（縦型デバイス）のいずれにも好適に用いられるが、本発明の実施態様においては、中でも、縦型デバイスに用いることが好ましい。前記半導体装置の好適な例としては、例えば、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、ジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または発光ダイオード（ＬＥＤ）などが挙げられる。

以下、本発明の結晶膜をｎ型半導体層（ｎ＋型半導体やｎ－半導体層等）に適用した場合の前記半導体装置の好適な例を、図面を用いて説明するが、本発明は、これらの例に限定されるものではない。

図３は、本発明の実施態様に係るショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の一例を示している。図３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材料は、公知の電極材料であってもよく、前記電極材料としては、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、ＮｄもしくはＡｇ等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化レニウム、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）等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェン又はポリピロ－ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物並びに積層体などが挙げられる。

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、前記金属のうち２種類の第１の金属と第２の金属とを用いてショットキー電極を形成する場合、第１の金属からなる層と第２の金属からなる層を積層させ、第１の金属からなる層および第２の金属からなる層に対して、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。

図３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へ電流が流れる。このようにして前記半導体構造を用いたＳＢＤは、高耐圧・大電流用に優れており、スイッチング速度も速く、耐圧性・信頼性にも優れている。

（ＨＥＭＴ）
図４は、本発明の実施態様に係る高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の一例を示している。図４のＨＥＭＴは、バンドギャップの広いｎ型半導体層１２１ａ、バンドギャップの狭いｎ型半導体層１２１ｂ、ｎ＋型半導体層１２１ｃ、半絶縁体層１２４、緩衝層１２８、ゲート電極１２５ａ、ソース電極１２５ｂおよびドレイン電極１２５ｃを備えている。

（ＭＯＳＦＥＴ）
本発明の半導体装置がＭＯＳＦＥＴである場合の一例を図５に示す。図５のＭＯＳＦＥＴは、トレンチ型のＭＯＳＦＥＴであり、ｎ－型半導体層１３１ａ、ｎ＋型半導体層１３１ｂ及び１３１ｃ、ｐ型半導体層１３２、ゲート絶縁膜１３４、ゲート電極１３５ａ、ソース電極１３５ｂおよびドレイン電極１３５ｃを備えている。

（ＪＦＥＴ）
図６は、ｎ－型半導体層１４１ａ、第１のｎ＋型半導体層１４１ｂ、第２のｎ＋型半導体層１４１ｃ、ゲート電極１４５ａ、ソース電極１４５ｂおよびドレイン電極１４５ｃを備えている接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）の好適な一例を示す。

（ＩＧＢＴ）
図７は、ｎ型半導体層１５１、ｎ－型半導体層１５１ａ、ｎ＋型半導体層１５１ｂ、ｐ型半導体層１５２、ゲート絶縁膜１５４、ゲート電極１５５ａ、エミッタ電極１５５ｂおよびコレクタ電極１５５ｃを備えている絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の好適な一例を示す。

（ＬＥＤ）
本発明の半導体装置が発光ダイオード（ＬＥＤ）である場合の一例を図８に示す。図８の半導体発光素子は、第２の電極１６５ｂ上にｎ型半導体層１６１を備えており、ｎ型半導体層１６１上には、発光層１６３が積層されている。そして、発光層１６３上には、ｐ型半導体層１６２が積層されている。ｐ型半導体層１６２上には、発光層１６３が発生する光を透過する透光性電極１６７を備えており、透光性電極１６７上には、第１の電極１６５ａが積層されている。なお、図８の半導体発光素子は、電極部分を除いて保護層で覆われていてもよい。

透光性電極の材料としては、インジウム（Ｉｎ）またはチタン（Ｔｉ）を含む酸化物の導電性材料などが挙げられる。より具体的には、例えば、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、Ｇａ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＣｅＯ_２またはこれらの２以上の混晶またはこれらにドーピングされたものなどが挙げられる。これらの材料を、スパッタリング等の公知の手段で設けることによって、透光性電極を形成できる。また、透光性電極を形成した後に、透光性電極の透明化を目的とした熱アニールを施してもよい。

図８の半導体発光素子によれば、第１の電極１６５ａを正極、第２の電極１６５ｂを負極とし、両者を介してｐ型半導体層１６２、発光層１６３およびｎ型半導体層１６１に電流を流すことで、発光層１６３が発光するようになっている。

第１の電極１６５ａ及び第２の電極１６５ｂの材料としては、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、ＮｄもしくはＡｇ等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化レニウム、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）等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェン又はポリピロ－ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物などが挙げられる。電極の製膜法は特に限定されることはなく、印刷方式、スプレー法、コ－ティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレ－ティング法等の物理的方式、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等の化学的方式、などの中から前記材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って前記基板上に形成することができる。

なお、発光素子の別の態様を図９に示す。図９の発光素子では、基板１６９上にｎ型半導体層１６１が積層されており、ｐ型半導体層１６２、発光層１６３およびｎ型半導体層１６１の一部を切り欠くことによって露出したｎ型半導体層１６１の半導体層露出面上の一部に第２の電極１６５ｂが積層されている。

図１０は、本発明の好適な実施態様の一つであるジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）を示す。図１０のＪＢＳは、ｎ－型半導体層１０１ａ、ｎ＋型半導体層１０１ｂ、ｐ型半導体層１０２、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。本発明の実施態様においては、ｐ型半導体層１０２が一定間隔ごとに設けられているのが好ましく、前記ショットキー電極１０５ａの両端とｎ－型半導体層１０１ａとの間に、前記ｐ型半導体層１０２がそれぞれ設けられているのがより好ましい。このような好ましい態様により、熱安定性および密着性により優れ、リーク電流がより軽減され、さらに、より耐圧等の半導体特性に優れるようにＪＢＳが構成されている。

図１０の半導体装置の各層の形成手段は、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。例えば、真空蒸着法やＣＶＤ法、スパッタ法、各種コーティング技術等により成膜した後、フォトリソグラフィー法によりパターニングする手段、または印刷技術などを用いて直接パターニングを行う手段などが挙げられる。

図１１は、本発明の好適な実施態様の一つであるジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）を示す。図１１の半導体装置は、図１０の半導体装置とは、バリア電極の外周辺部にp型半導体層１２３が多数配置されたガードリングが設けられている点において異なる。このように構成することによって、より耐圧等の半導体特性に優れた半導体装置を得ることができる。

前記ガードリングには、バリアハイトの高い材料が用いられても良い。前記ガードリングに用いられる材料としては、例えば、バリアハイトが１ｅＶ以上の導電性材料などが挙げられ、前記電極材料と同じものであってもよい。また、ガードリングの形状としては、特に限定されず、例えば、ロの字形状、円状、コ字形状、Ｌ字形状または帯状などが挙げられる。ガードリングの本数も特に限定されないが、好ましくは３本以上、より好ましくは６本以上である。

（ＭＯＳＦＥＴ）
図１２は、ｎ－型半導体層１３１ａ、第１のｎ＋型半導体層１３１ｂ、第２のｎ＋型半導体層１３１ｃ、ｐ型半導体層１３２、ｐ＋型半導体層１３２ａ、ゲート絶縁膜１３４、ゲート電極１３５ａ、ソース電極１３５ｂおよびドレイン電極１３５ｃを備えている金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の好適な一例を示す。なお、ｐ＋型半導体層１３２ａは、ｐ型半導体層であってもよく、ｐ型半導体層１３２と同じであってもよい。なお、ｐ型半導体は、ｎ型半導体と同じ材料であって、ｐ型ドーパントを含むものであってもよいし、異なるｐ型半導体であってもよい。

上述した本発明の結晶膜もしくは半導体装置は、上記した機能を発揮させるべく、インバータやコンバータなどの電力変換装置に適用することができる。より具体的には、インバータやコンバータに内蔵されるダイオードや、スイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等として適用することができる。図１３は、本発明の実施態様に係る半導体装置を用いた制御システムの一例を示すブロック構成図、図１４は同制御システムの回路図であり、特に電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）への搭載に適した制御システムである。

図１３に示すように、制御システム５００はバッテリー（電源）５０１、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４、モータ（駆動対象）５０５、駆動制御部５０６を有し、これらは電気自動車に搭載されてなる。バッテリー５０１は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池からなり、給電ステーションでの充電あるいは減速時の回生エネルギーなどにより電力を貯蔵するとともに、電気自動車の走行系や電装系の動作に必要となる直流電圧を出力することができる。昇圧コンバータ５０２は例えばチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であり、バッテリー５０１から供給される例えば２００Ｖの直流電圧を、チョッパ回路のスイッチング動作により例えば６５０Ｖに昇圧して、モータなどの走行系に出力することができる。降圧コンバータ５０３も同様にチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であるが、バッテリー５０１から供給される例えば２００Ｖの直流電圧を、例えば１２Ｖ程度に降圧することで、パワーウインドーやパワーステアリング、あるいは車載の電気機器などを含む電装系に出力することができる。

インバータ５０４は、昇圧コンバータ５０２から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ５０５に出力する。モータ５０５は電気自動車の走行系を構成する三相交流モータであり、インバータ５０４から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しないトランスミッション等を介して電気自動車の車輪に伝達する。

一方、図示しない各種センサを用いて、走行中の電気自動車から車輪の回転数やトルク、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル量）などの実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部５０６に入力される。また同時に、インバータ５０４の出力電圧値も駆動制御部５０６に入力される。駆動制御部５０６はＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算部やメモリなどのデータ保存部を備えたコントローラの機能を有するもので、入力された計測信号を用いて制御信号を生成してインバータ５０４にフィードバック信号として出力することで、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ５０４がモータ５０５に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、電気自動車の運転制御を正確に実行させることができ、電気自動車の安全・快適な動作が実現する。なお、駆動制御部５０６からのフィードバック信号を昇圧コンバータ５０２に与えることで、インバータ５０４への出力電圧を制御することも可能である。

図１４は、図１３における降圧コンバータ５０３を除いた回路構成、すなわちモータ５０５を駆動するための構成のみを示した回路構成である。同図に示されるように、本発明の半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとして昇圧コンバータ５０２およびインバータ５０４に採用されることでスイッチング制御に供される。昇圧コンバータ５０２においてはチョッパ回路に組み込まれてチョッパ制御を行い、またインバータ５０４においてはＩＧＢＴを含むスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、バッテリー５０１の出力にインダクタ（コイルなど）を介在させることで電流の安定化を図り、またバッテリー５０１、昇圧コンバータ５０２、インバータ５０４のそれぞれの間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。

また、図１４中に点線で示すように、駆動制御部５０６内にはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）からなる演算部５０７と不揮発性メモリからなる記憶部５０８が設けられている。駆動制御部５０６に入力された信号は演算部５０７に与えられ、必要な演算を行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部５０８は、演算部５０７による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部５０７に適宜出力する。演算部５０７や記憶部５０８は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。

図１３や図１４に示されるように、制御システム５００においては、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４のスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。これらの半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ_２Ｏ_３）をその材料として用いることでスイッチング特性が大幅に向上する。さらに、本発明に係る半導体装置等を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム５００の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは任意の二つ以上の組合せ、あるいは駆動制御部５０６も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。
なお、上述の制御システム５００は本発明の半導体装置を電気自動車の制御システムに適用できるだけではなく、直流電源からの電力を昇圧・降圧したり、直流から交流へ電力変換するといったあらゆる用途の制御システムに適用することが可能である。また、バッテリーとして太陽電池などの電源を用いることも可能である。

図１５は、本発明の実施態様に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図、図１６は同制御システムの回路図であり、交流電源からの電力で動作するインフラ機器や家電機器等への搭載に適した制御システムである。

図１５に示すように、制御システム６００は、外部の例えば三相交流電源（電源）６０１から供給される電力を入力するもので、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２、インバータ６０４、モータ（駆動対象）６０５、駆動制御部６０６を有し、これらは様々な機器（後述する）に搭載することができる。三相交流電源６０１は、例えば電力会社の発電施設（火力発電所、水力発電所、地熱発電所、原子力発電所など）であり、その出力は変電所を介して降圧されながら交流電圧として供給される。また、例えば自家発電機等の形態でビル内や近隣施設内に設置されて電力ケーブルで供給される。ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２は交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換装置であり、三相交流電源６０１から供給される１００Ｖや２００Ｖの交流電圧を所定の直流電圧に変換する。具体的には、電圧変換により３．３Ｖや５Ｖ、あるいは１２Ｖといった、一般的に用いられる所望の直流電圧に変換される。駆動対象がモータである場合には１２Ｖへの変換が行われる。なお、三相交流電源に代えて単相交流電源を採用することも可能であり、その場合にはＡＣ／ＤＣコンバータを単相入力のものとすれば同様のシステム構成とすることができる。

インバータ６０４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ６０５に出力する。モータ６０４は、制御対象によりその形態が異なるが、制御対象が電車の場合には車輪を、工場設備の場合にはポンプや各種動力源を、家電機器の場合にはコンプレッサなどを駆動するための三相交流モータであり、インバータ６０４から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しない駆動対象に伝達する。

なお、例えば家電機器においてはＡＣ／ＤＣコンバータ６０２から出力される直流電圧をそのまま供給することが可能な駆動対象も多く（例えばパソコン、ＬＥＤ照明機器、映像機器、音響機器など）、その場合には制御システム６００にインバータ６０４は不要となり、図１５中に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２から駆動対象に直流電圧を供給する。この場合、例えばパソコンなどには３．３Ｖの直流電圧が、ＬＥＤ照明機器などには５Ｖの直流電圧が供給される。

一方、図示しない各種センサを用いて、駆動対象の回転数やトルク、あるいは駆動対象の周辺環境の温度や流量などといった実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部６０６に入力される。また同時に、インバータ６０４の出力電圧値も駆動制御部６０６に入力される。これらの計測信号をもとに、駆動制御部６０６はインバータ６０４にフィードバック信号を与え、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ６０４がモータ６０５に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、駆動対象の運転制御を正確に実行させることができ、駆動対象の安定した動作が実現する。また、上述のように、駆動対象が直流電圧で駆動可能な場合には、インバータへのフィードバックに代えてＡＣ／ＤＣコンバータ６０２をフィードバック制御することも可能である。

図１６は、図１５の回路構成の例を示したものである。同図に示されるように、本発明の半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとしてＡＣ／ＤＣコンバータ６０２およびインバータ６０４に採用されることでスイッチング制御に供される。ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２は、例えばショットキーバリアダイオードをブリッジ状に回路構成したものが用いられ、入力電圧の負電圧分を正電圧に変換整流することで直流変換を行う。またインバータ６０４においてはＩＧＢＴにおけるスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、三相交流電源６０１とＡＣ／ＤＣコンバータ６０２との間にインダクタ（コイルなど）を介在させることで電流の安定化を図り、またＡＣ／ＤＣコンバータ６０２とインバータ６０４の間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。

また、図１６中に点線で示すように、駆動制御部６０６内にはＣＰＵからなる演算部６０７と不揮発性メモリからなる記憶部６０８が設けられている。駆動制御部６０６に入力された信号は演算部６０７に与えられ、必要な演算を行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部６０８は、演算部６０７による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部６０７に適宜出力する。演算部６０７や記憶部６０８は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。

このような制御システム６００においても、図１３や図１４に示した制御システム５００と同様に、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２やインバータ６０４の整流動作やスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。これら半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ_２Ｏ_３）をその材料として用いることでスイッチング特性が向上する。さらに、本発明に係る半導体膜や半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム６００の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２、インバータ６０４のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは組合せ、あるいは駆動制御部６０６も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。

なお、図１５および図１６では駆動対象としてモータ６０５を例示したが、駆動対象は必ずしも機械的に動作するものに限られず、交流電圧を必要とする多くの機器を対象とすることができる。制御システム６００においては、交流電源から電力を入力して駆動対象を駆動する限りにおいては適用が可能であり、インフラ機器（例えばビルや工場等の電力設備、通信設備、交通管制機器、上下水処理設備、システム機器、省力機器、電車など）や家電機器（例えば、冷蔵庫、洗濯機、パソコン、ＬＥＤ照明機器、映像機器、音響機器など）といった機器を対象とした駆動制御のために搭載することができる。

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。

１．結晶膜の形成
（実施例１）
図１に示すＨＶＰＥ装置５０を用いて、以下の条件で、結晶膜を形成した。

・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、２インチのｃ面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５００℃にまで昇温させた。

・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）金属源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_３）を生成した。得られた塩化ガリウム（ＧａＣｌ／ＧａＣｌ_３）と、酸素含有原料ガス供給源５５ａから供給されるＯ_２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。なお、ドーパント含有原料ガスとして、四塩化ゲルマニウムガス（バブリング蒸気）を用いて、ＨＣｌガスと同様に前記基板上に供給した。そして、ＨＣｌガスおよびＧｅＣｌ_４ガスの流通下で、塩化ガリウム（ＧａＣｌ／ＧａＣｌ_３）およびＯ_２ガスを基板上で大気圧下、５００℃にて反応させて、基板上に成膜した。なお、成膜時間は７分であった。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１０ｓｃｃｍ、反応性ガス供給源５４ａから供給されるＨＣｌガスの流量を５ｓｃｃｍ、四塩化ゲルマニウムガスの流量を１０ｓｃｃｍ、酸素含有原料ガス供給源５５ａから供給されるＯ_２ガスの流量を１００ｓｃｃｍに、それぞれ維持した。

得られた結晶膜の厚さは、０．８４μｍであり、成長速度は、７．２３μｍ／ｈであった。

（実施例２）
ドーパント含有原料ガスを供給しない以外は、実施例１と同様に結晶膜を形成した。得られた結晶膜の厚さは、０．８４μｍであり、成長速度は、７．２３μｍ／ｈであった。

（比較例１）
反応性ガス供給源５４ａから供給されるＨＣｌガスの流量を２５．０ｓｃｃｍとし、成膜時間を９分とした以外は、実施例２と同様に結晶膜を形成した。得られた結晶膜の厚さは、３．０９μｍであり、成長速度は、２０．６４μｍ／ｈであった。

２．不純物濃度の測定
実施例・比較例の結晶膜についてＳＩＭＳ測定を実施し、各種元素の不純物濃度を測定した。その結果を表１に示す。表１～表２中の数値の単位は、何れもａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である

表１に示すように、実施例１～２の何れにおいても、ＣｒとＦｅの両方の濃度が、比較例１よりも低かった。また、実施例１～２の結晶膜は、何れも鏡面であった。

また、実施例１～２について、Ｃｒ及びＦｅ以外の種々の元素について、不純物濃度を測定した。その結果を表２に示す。表２に示すように、実施例１～２の結晶膜は、Ｃｒ及びＦｅ以外の元素の不純物濃度も低かった。

３．膜厚の分布の測定
実施例１の結晶膜について、基板中央と、基板中央から水平方向に±４ｍｍ離れた点の３点において、結晶膜の厚さを測定し、以下の式に基づいて、膜幅８ｍｍにおける膜厚分布（±％）を算出したところ、１．８９％であった。
膜厚分布（±％）＝（最大値－最小値）／（最大値＋最小値）×１００

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。

５０ ：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
５６ａ ：基板固定面
５７ ：金属源
５８ ：保護シート
５９ ：ガス排出部
６０ ：軸
１０１ａ ｎ－型半導体層
１０１ｂ ｎ＋型半導体層
１０２ ｐ型半導体層
１０５ａ ショットキー電極
１０５ｂ オーミック電極
１２１ａ バンドギャップの広いｎ型半導体層
１２１ｂ バンドギャップの狭いｎ型半導体層
１２１ｃ ｎ＋型半導体層
１２３ ｐ型半導体層
１２４ 半絶縁体層
１２５ａ ゲート電極
１２５ｂ ソース電極
１２５ｃ ドレイン電極
１２８ 緩衝層
１３１ａ ｎ－型半導体層
１３１ｂ 第１のｎ＋型半導体層
１３１ｃ 第２のｎ＋型半導体層
１３２ ｐ型半導体層
１３２ａ ｐ＋型半導体層
１３４ ゲート絶縁膜
１３５ａ ゲート電極
１３５ｂ ソース電極
１３５ｃ ドレイン電極
１４１ａ ｎ－型半導体層
１４１ｂ 第１のｎ＋型半導体層
１４１ｃ 第２のｎ＋型半導体層
１４５ａ ゲート電極
１４５ｂ ソース電極
１４５ｃ ドレイン電極
１５１ ｎ型半導体層
１５１ａ ｎ－型半導体層
１５１ｂ ｎ＋型半導体層
１５２ ｐ型半導体層
１５４ ゲート絶縁膜
１５５ａ ゲート電極
１５５ｂ エミッタ電極
１５５ｃ コレクタ電極
１６１ ｎ型半導体層
１６２ ｐ型半導体層
１６３ 発光層
１６５ａ 第１の電極
１６５ｂ 第２の電極
１６７ 透光性電極
１６９ 基板
５００ 制御システム
５０１ バッテリー（電源）
５０２ 昇圧コンバータ
５０３ 降圧コンバータ
５０４ インバータ
５０５ モータ（駆動対象）
５０６ 駆動制御部
５０７ 演算部
５０８ 記憶部
６００ 制御システム
６０１ 三相交流電源（電源）
６０２ ＡＣ／ＤＣコンバータ
６０４ インバータ
６０５ モータ（駆動対象）
６０６ 駆動制御部
６０７ 演算部
６０８ 記憶部

Claims (13)

1. ガリウムを含有する結晶性酸化物半導体を含む結晶膜であって、
   クロム（Ｃｒ）および鉄（Ｆｅ）のうち少なくとも一方の濃度は、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であり、
   主面の少なくとも一方が鏡面であるか、及び／又は、膜幅８ｍｍにおける膜厚の分布が±１０％未満である、結晶膜。
2. 前記結晶性酸化物半導体は、コランダム構造を有する、請求項１に記載の結晶膜。
3. ゲルマニウム（Ｇｅ）およびスズ（Ｓｎ）のうち少なくとも一方の濃度は、１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である、請求項１または２に記載の結晶膜。
4. リン（Ｐ）濃度は、１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である、請求項１または２に記載の結晶膜。
5. ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）およびマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくとも１つの濃度は、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である、請求項１または２に記載の結晶膜。
6. フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）およびヨウ素（Ｉ）のうち少なくとも１つの濃度は、１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である、請求項１または２に記載の結晶膜。
7. フッ素（Ｆ）濃度は、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満である、請求項６に記載の結晶膜。
8. ヨウ素（Ｉ）濃度は、１×１０^１４（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）未満である、請求項６に記載の結晶膜。
9. 水素（Ｈ）濃度は、２×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である、請求項１または２に記載の結晶膜。
10. 周期表第１４族の元素から選ばれる少なくとも１つの元素の濃度は、１×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上である、請求項１または２に記載の結晶膜。
11. 請求項１または２に記載の結晶膜と電極とを少なくとも備える半導体装置。
12. 請求項１１に記載の半導体装置を用いた電力変換装置。
13. 請求項１１に記載の半導体装置を用いた制御システム。