JP6422159B2 - α−Ga2O3単結晶、α−Ga2O3の製造方法、および、それを用いた半導体素子 - Google Patents
α−Ga2O3単結晶、α−Ga2O3の製造方法、および、それを用いた半導体素子 Download PDFInfo
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Description
水素濃度は、5×1018cm−3以下であってもよい。
アルミニウム濃度は、4×1016cm−3以下であってもよい。
塩素濃度は、1×1018cm−3以下であってもよい。
波長300nm以上の光に対する吸収係数は、500cm−1以下であってもよい。
10cm2以上の面積を有し、200μm以上30mm以下の厚さを有してもよい。
4価の価数を有する元素をさらに含有してもよい。
前記4価の価数を有する元素は、Si、Hf、Ge、Sn、TiおよびZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であってもよい。
前記4価の価数を有する元素の濃度は、1×1015cm−3以上1×1019cm−3以下であってもよい。
ハライド気相成長法により製造されてもよい。
本発明によるα−Ga2O3を製造する方法は、ハライド気相成長法により基板上にα−Ga2O3を成長するステップを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記α−Ga2O3は、単結晶であってもよい。
前記成長するステップは、250℃より高く650℃未満の温度範囲の成長温度で行ってもよい。
前記成長するステップは、350℃以上600℃以下の温度範囲の成長温度で行ってもよい。
前記成長するステップは、少なくとも、ガリウム原料と酸素原料とを用い、前記ガリウム原料は、少なくともGaのハロゲン化物を含み、前記酸素原料は、O2、H2OおよびN2Oからなる群から少なくとも1つ選択されてもよい。
前記Gaのハロゲン化物は、GaClおよび/またはGaCl3を含んでもよい。
前記成長するステップは、4価の価数を有する元素を含有する原料をさらに用いてもよい。
前記4価の価数を有する元素は、Si、Hf、Ge、Sn、TiおよびZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であってもよい。
前記成長するステップにおいて、ガリウム原料の分圧は、0.05kPa以上10kPa以下の範囲であり、酸素原料の分圧は、0.25kPa以上50kPa以下の範囲であってもよい。
前記成長するステップにおいて、前記α−Ga2O3の成長速度は、5μm/時間以上1mm/時間の範囲であってもよい。
前記基板は、サファイア基板であってもよい。
前記サファイア基板は、(0001)、(10−10)、(11−20)、(10−12)、および、これらの傾斜基板からなる群から選択されてもよい。
前記成長するステップに続いて、前記基板を除去するステップをさらに包含してもよい。
前記成長するステップに続いて、前記α−Ga2O3をスライスするステップをさらに包含してもよい。
本発明の半導体素子は、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 (24)
- カーボン濃度は、5×1018cm−3以下であり、水素濃度は、5×10 18 cm −3 以下である、α−Ga2O3単結晶。
- アルミニウム濃度は、4×1016cm−3以下である、請求項1に記載のα−Ga2O3単結晶。
- 塩素濃度は、1×1018cm−3以下である、請求項1または2のいずれかに記載のα−Ga2O3単結晶。
- 波長300nm以上の光に対する吸収係数は、500cm−1以下である、請求項1〜3のいずれかに記載のα−Ga2O3単結晶。
- 10cm2以上の面積を有し、200μm以上30mm以下の厚さを有する、請求項1〜4のいずれかに記載の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1〜5のいずれかに記載のα−Ga2O3単結晶。
- 前記4価の価数を有する元素は、Si、Hf、Ge、Sn、TiおよびZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素である、請求項6に記載のα−Ga2O3単結晶。
- 前記4価の価数を有する元素の濃度は、1×1015cm−3以上1×1019cm−3以下である、請求項6または7のいずれかに記載のα−Ga2O3単結晶。
- α−Ga2O3を製造する方法であって、
ハライド気相成長法により基板上にα−Ga2O3を成長するステップ
を包含する、方法。 - 前記α−Ga2O3は、単結晶である、請求項9に記載の方法。
- 前記成長するステップは、250℃より高く650℃未満の温度範囲の成長温度で行う、請求項9または10のいずれかに記載の方法。
- 前記成長するステップは、350℃以上600℃以下の温度範囲の成長温度で行う、請求項11に記載の方法。
- 前記成長するステップは、少なくとも、ガリウム原料と酸素原料とを用い、
前記ガリウム原料は、少なくともGaのハロゲン化物を含み、
前記酸素原料は、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、請求項9〜12のいずれかに記載の方法。 - 前記Gaのハロゲン化物は、GaClおよび/またはGaCl3を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記成長するステップは、4価の価数を有する元素を含有する原料をさらに用いる、請求項13または14のいずれかに記載の方法。
- 前記4価の価数を有する元素は、Si、Hf、Ge、Sn、TiおよびZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素である、請求項15に記載の方法。
- 前記成長するステップにおいて、ガリウム原料の分圧は、0.05kPa以上10kPa以下の範囲であり、酸素原料の分圧は、0.25kPa以上50kPa以下の範囲である、請求項13〜16のいずれかに記載の方法。
- 前記成長するステップにおいて、前記α−Ga2O3の成長速度は、5μm/時間以上1mm/時間以下の範囲である、請求項9〜17のいずれかに記載の方法。
- 前記基板は、サファイア基板である、請求項9〜18のいずれかに記載の方法。
- 前記サファイア基板は、(0001)、(10−10)、(11−20)、(10−12)、および、これらの傾斜基板からなる群から選択される、請求項19に記載の方法。
- 前記成長するステップに続いて、前記基板を除去するステップをさらに包含する、請求項9〜20のいずれかに記載の方法。
- 前記成長するステップに続いて、前記α−Ga2O3をスライスするステップをさらに包含する、請求項9〜21のいずれかに記載の方法。
- 請求項1〜8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23に記載の半導体素子。
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