JP5536920B1 - Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶品質の低下を抑えつつ高抵抗化されたＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】一実施の形態において、Ｇａ_２Ｏ_３系原料にＦｅを添加し、前記Ｇａ_２Ｏ_３系原料から混入したドナー不純物よりも高い濃度の前記Ｆｅを含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶５を育成する工程と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶５からＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出す工程と、を含む、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板、及びその製造方法に関する。

従来、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶の抵抗率を上げる方法として、Ｍｇ、Ｂｅ、又はＺｎをドーピングする方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、ＦＺ（フローティングゾーン）法を用いてＧａ_２Ｏ_３単結晶を育成する際にＭｇを０．０１ｍｏｌ％又は０．０５ｍｏｌ％添加することにより、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を高抵抗化できることが述べられている。

特開２０１１−１０２２３５号公報

Ｇａ_２Ｏ_３単結晶の原料として用いられるＧａ_２Ｏ_３粉末は、純度９９．９９９質量％以下のものが広く使用されている。さらに純度の高いＧａ_２Ｏ_３粉末を製造することも技術的には可能ではあるが、コストの面から現実的ではない。純度９９．９９９質量％以下のＧａ_２Ｏ_３粉末は、残留不純物として微量のＳｉ（ドナー不純物）を含有しており、このＧａ_２Ｏ_３粉末を用いて育成されたＧａ_２Ｏ_３単結晶はｎ型導電性を示す。Ｇａ_２Ｏ_３粉末から混入したＳｉの濃度はＧａ_２Ｏ_３単結晶中で分布を持っており、例えば、純度９９．９９９質量％のＧａ_２Ｏ_３粉末を原料として育成したＧａ_２Ｏ_３単結晶の最も高濃度な部分の濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３程度である。

そのため、高抵抗Ｇａ_２Ｏ_３基板を作製するためには、最低でも５×１０^１７ｃｍ^−３以上の量のアクセプタ不純物をＧａ_２Ｏ_３単結晶にドープする必要がある。より安価な低純度Ｇａ_２Ｏ_３粉末をＧａ_２Ｏ_３単結晶の原料に用いる場合は、さらに高濃度のアクセプタ不純物をドープする必要がある。

一般に、単結晶に高濃度の不純物のドープを試みる場合の問題として、目的とする濃度の不純物のドープが困難であることや、ドープにより単結晶の結晶品質が低下すること等がある。

したがって、本発明の目的の１つは、結晶品質の低下を抑えつつ高抵抗化されたＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板、及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［５］のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法を提供する。

［１］Ｇａ_２Ｏ_３系原料にＦｅを添加し、前記Ｇａ_２Ｏ_３系原料から混入したドナー不純物よりも高い濃度の前記Ｆｅを含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶を育成する工程と、前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出す工程と、を含み、前記ドナー不純物は、Ｓｉであり、前記Ｆｅは、添加濃度が０．０５ｍｏｌ％以下とする、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

［２］前記Ｇａ_２Ｏ_３系原料の純度が純度９９．９９９質量％であり、５×１０^１７ｃｍ^−３以上の濃度の前記Ｆｅを含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶を育成する、前記［１］に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

［３］前記Ｇａ_２Ｏ_３系原料の純度が純度９９．９９質量％であり、５×１０^１８ｃｍ^−３以上の濃度の前記Ｆｅを含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶を育成する、前記［１］に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

［４］前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の主面が、直径が１０ｍｍ以上の真円を含む大きさと形状を有する、前記［１］〜［３］のいずれか１項に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。

また、本発明の他の一態様は、上記目的を達成するために、下記［５］及び［６］のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を提供する。

[５] ドナー不純物及びＦｅを含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなり、前記ドナー不純物の濃度よりも前記Ｆｅの濃度の方が高い、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板であって、前記ドナー不純物は、Ｓｉであり、前記Ｆｅは、添加物濃度が０．０５ｍｏｌ％以下とするＧａ _２ Ｏ _３ 系単結晶基板。

［６］直径が１０ｍｍ以上の真円を含む大きさと形状の主面を有する、前記［５］に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

本発明によれば、結晶品質の低下を抑えつつ高抵抗化されたＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板、及びその製造方法を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る赤外線加熱単結晶製造装置を表す。

〔実施の形態〕
（Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板）
本実施の形態のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、Ｓｉ等のドナー不純物及びアクセプタ不純物としてのＦｅを含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなり、ドナー不純物の濃度よりもＦｅの濃度の方が高い。このため、本実施の形態のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板は高い電気抵抗を有する。

Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の主面は、直径が１０ｍｍ以上の真円を含む大きさと形状を有することが好ましい。このＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の大きさは、基板の量産に適したものである。典型的な例としては、一辺の長さが１０ｍｍ以上の正方形、直径が１０ｍｍ以上の真円、短辺の長さが１０ｍｍ以上の長方形、短径が１０ｍｍ以上の楕円である。

（Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造）
本実施の形態のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、アクセプタ不純物としてＦｅをドープされたＧａ_２Ｏ_３系単結晶から切り出される。

本実施の形態のＧａ_２Ｏ_３系単結晶は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶、又は、Ａｌ、Ｉｎ等の元素が添加されたＧａ_２Ｏ_３単結晶である。例えば、Ａｌ及びＩｎが添加されたＧａ_２Ｏ_３単結晶である（Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）単結晶であってもよい。Ａｌを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Ｉｎを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。

アクセプタ不純物としてＦｅを用いることにより、結晶品質の低下を抑えつつ、十分な量のアクセプタをドープし、高抵抗のＧａ_２Ｏ_３系単結晶を育成することができる。

Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の育成方法は特定の方法に限定されず、例えば、ＦＺ法、ＥＦＧ（Edge-defined Film-fed Growth）法、ＣＺ（Czochralski）法等が用いられる。Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の育成方法が限定されないのは、結晶品質の低下を抑えつつ高抵抗のＧａ_２Ｏ_３系単結晶を育成することができるという効果が、ＦｅのＧａ_２Ｏ_３系単結晶への固溶限の高さや、蒸気圧の高さに起因することによると考えられる。

純度９９．９９９質量％のＧａ_２Ｏ_３系原料を用いてＧａ_２Ｏ_３系単結晶を育成する場合は、育成された結晶中のＦｅの濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３以上となるように、Ｇａ_２Ｏ_３系原料にＦｅを添加する。このためには、例えば、Ｆｅを０．００１ｍｏｌ％以上添加する。これにより、育成されたＧａ_２Ｏ_３系単結晶におけるＦｅの濃度がドナー不純物として働くＧａ_２Ｏ_３系原料から混入したＳｉの濃度よりも高くなる。

純度９９．９９質量％のＧａ_２Ｏ_３系原料を用いてＧａ_２Ｏ_３系単結晶を育成する場合は、育成された結晶中のＦｅの濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３以上となるように、Ｇａ_２Ｏ_３系原料にＦｅを添加する。このためには、例えば、Ｆｅを０．０１ｍｏｌ％以上添加する。これにより、育成されたＧａ_２Ｏ_３系単結晶におけるＦｅの濃度がドナー不純物として働くＧａ_２Ｏ_３系原料から混入したＳｉの濃度よりも高くなる。

ここで、Ｇａ_２Ｏ_３系原料は、例えば、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶がＧａ_２Ｏ_３単結晶である場合はＧａ_２Ｏ_３粉末である。また、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶が（Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）単結晶である場合はＧａ_２Ｏ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、及びＩｎ_２Ｏ_３粉末の混合粉末である。

また、本実施の形態のＧａ_２Ｏ_３系単結晶は、例えば、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶であるが、α−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶等の他の構造を有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶であってもよい。同様に、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、例えば、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板であるが、α−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板等の他の構造を有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板であってもよい。

以下に、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法の一例として、ＦＺ法を用いる方法について説明する。

図１は、実施の形態に係る赤外線加熱単結晶製造装置を表す。この赤外線加熱単結晶製造装置１０は、ＦＺ法によりＧａ_２Ｏ_３系単結晶５を育成するものであり、石英管１１と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる種結晶２を保持するシードチャック１２と、シードチャック１２に回転を伝え、上下に移動可能な下部回転軸１３と、Ｇａ_２Ｏ_３系多結晶からなる多結晶素材３を保持する素材チャック１４と、素材チャック１４に回転を伝え、上下に移動可能な上部回転軸１５と、ハロゲンランプ１６を収容し、ハロゲンランプ１６の発する光を多結晶素材３の所定部位に集光する楕円鏡１７と、を有する。

石英管１１には、シードチャック１２、下部回転軸１３、素材チャック１４、上部回転軸１５、種結晶２、多結晶素材３、及びＧａ_２Ｏ_３系単結晶５が収容される。石英管１１は、酸素ガスと不活性ガスとしての窒素ガスとの混合ガスを供給されて密閉できるようになっている。

上部回転軸１５の上下位置を調節して種結晶２の上端と多結晶素材３の下端を接触させた状態で、ハロゲンランプ１６の発する光をその接触部に集光させ、加熱し、溶解させる。そして、種結晶２と多結晶素材３の両方又は一方を適宜回転させながら、加熱部分を多結晶素材３の上方向に移動させ、種結晶２の結晶情報を引き継いだＧａ_２Ｏ_３系単結晶５を育成することができる。

図１は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶５の育成途中の状態を表しており、加熱されて溶融した溶融部４の上側が多結晶素材３であり、下側がＧａ_２Ｏ_３系単結晶５である。

次に、赤外線加熱単結晶製造装置１０を用いてＧａ_２Ｏ_３系単結晶５としてのＧａ_２Ｏ_３単結晶を育成する具体的な工程を説明する。

まず、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなる種結晶２と、純度９９．９９９質量％のＧａ_２Ｏ_３粉末へＦｅを添加して作製された、Ｆｅを含むβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶からなる多結晶素材３とを別個に準備する。なお、Ｇａ_２Ｏ_３粉末へ添加されるＦｅの原料としては、純粋なＦｅや、酸化Ｆｅを用いることができる。

次に、石英管１１中で種結晶２と多結晶素材３とを接触させてその部位を加熱し、種結晶２と多結晶素材３との接触部分で両者を溶融させる。溶解した多結晶素材３を種結晶２とともに結晶化させると、種結晶２上にＦｅを含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶５としてのＧａ_２Ｏ_３単結晶が生成される。

ここで、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶５としてのＧａ_２Ｏ_３単結晶は、直径が１０ｍｍ以上の真円を含む大きさと形状の主面を有するＧａ_２Ｏ_３単結晶基板を切り出すことができる大きさに育成される。

次に、このＧａ_２Ｏ_３単結晶に切断等の加工を施すことにより、高抵抗のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板が得られる。

Ｆｅの添加濃度を０．０１ｍｏｌ％とした場合、及び０．０５ｍｏｌ％とした場合のいずれの場合も、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶にクラックは発生せず、一辺の長さが１０ｍｍ以上の正方形の主面を有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を得ることができた。

得られたＧａ_２Ｏ_３単結晶のＦｅ濃度は、Ｆｅの添加濃度を０．０１ｍｏｌ％としたものがおよそ５×１０^１８ｃｍ^−３であり、Ｆｅの添加濃度を０．０５ｍｏｌ％としたものがおよそ１．５×１０^１９ｃｍ^−３であった。なお、Ｆｅを０．０５ｍｏｌ％添加したＧａ_２Ｏ_３単結晶基板の抵抗率は、２×１０^１２Ωｃｍ程度であった。

以下に、本実施の形態の比較例として、Ｆｅ以外の元素をアクセプタ不純物としてＧａ_２Ｏ_３単結晶にドープした場合の実験結果を示す。ドープするアクセプタ不純物以外の実験条件は、上記のＦｅをドープした実験と同じである。

Ｍｇを０．０５ｍｏｌ％添加してＧａ_２Ｏ_３単結晶を育成したところ、育成した結晶にクラックが入りやすく、一辺の長さが１０ｍｍ以上の正方形の主面を有するＧａ_２Ｏ_３単結晶基板を切り出すことができなかった。これは、ＭｇのＧａ_２Ｏ_３単結晶への固溶限がＦｅと比較して低いことによるものと考えられる。

そこで、Ｍｇを０．０１ｍｏｌ％添加してＧａ_２Ｏ_３単結晶を育成したところ、クラックの発生を抑え、量産に適した大きさの基板を切り出すことができたが、高抵抗性を示さなかった。基板中のＭｇの濃度は２〜５×１０^１７ｃｍ^−３程度であり、高濃度領域において５×１０^１７ｃｍ^−３程度であるＳｉ濃度を下回っていた。このことから、クラックを発生させずにＭｇをドープしてＧａ_２Ｏ_３単結晶を高抵抗化するためには、Ｓｉ濃度がより低い純度９９．９９９９％以上の高価なＧａ_２Ｏ_３粉末を用いなければならないことがわかった。

また、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶にＺｎをドープするため、Ｇａ_２Ｏ_３粉末に０．０５ｍｏｌ％のＺｎを添加したところ、棒状の多結晶素材を作製するための焼成においてＺｎが蒸発してしまい、育成したＧａ_２Ｏ_３単結晶は高抵抗性を示さなかった。育成したＧａ_２Ｏ_３単結晶中のＺｎ濃度をＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により分析したところ、検出下限以下（１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であった。このことから、蒸気圧の高いＺｎをドープすることは困難であることがわかった。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、アクセプタ不純物としてＦｅを用いることにより、結晶品質の低下を抑えつつ高抵抗化されたＧａ_２Ｏ_３系単結晶を育成し、そこから量産に適した大きさのＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を安価に得ることができる。

高抵抗のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、例えば、Ｇａ_２Ｏ_３系トランジスタの製造に用いることができるため、本実施の形態のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を用いることにより、Ｇａ_２Ｏ_３系トランジスタの量産が可能になる。Ｇａ_２Ｏ_３系トランジスタは、次世代のパワーデバイス材料として開発が進められているＧａＮ系トランジスタやＳｉＣ系トランジスタよりも低損失かつ高耐圧という特性を発揮することが期待できるため、Ｇａ_２Ｏ_３系トランジスタが量産されれば、世界規模での大きな省エネルギー効果が期待される。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

２…種結晶、 ３…多結晶素材、 ５…Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶

Claims (6)

1. Ｇａ_２Ｏ_３系原料にＦｅを添加し、前記Ｇａ_２Ｏ_３系原料から混入したドナー不純物よりも高い濃度の前記Ｆｅを含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶を育成する工程と、
   前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を切り出す工程と、
   を含み、
   前記ドナー不純物は、Ｓｉであり、
   前記Ｆｅは、添加濃度が０．０５ｍｏｌ％以下とする、
   Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
2. 前記Ｇａ_２Ｏ_３系原料の純度が純度９９．９９９質量％であり、
   ５×１０^１７ｃｍ^−３以上の濃度の前記Ｆｅを含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶を育成する、
   請求項１に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
3. 前記Ｇａ_２Ｏ_３系原料の純度が純度９９．９９質量％であり、
   ５×１０^１８ｃｍ^−３以上の濃度の前記Ｆｅを含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶を育成する、
   請求項１に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
4. 前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の主面が、直径が１０ｍｍ以上の真円を含む大きさと形状を有する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造方法。
5. ドナー不純物及びＦｅを含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなり、
   前記ドナー不純物の濃度よりも前記Ｆｅの濃度の方が高い、
   Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板であって、
   前記ドナー不純物は、Ｓｉであり、
   前記Ｆｅは、添加物濃度が０．０５ｍｏｌ％以下とする
   Ｇａ _２ Ｏ _３ 系単結晶基板。
6. 直径が１０ｍｍ以上の真円を含む大きさと形状の主面を有する、
   請求項５に記載のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

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