JP6478020B2 - SUBSTRATE FOR CRYSTAL GROWING, CRYSTALLINE LAMINATED STRUCTURE, METHOD FOR PRODUCING THEM, AND EPITAXIAL GROWTH METHOD - Google Patents

SUBSTRATE FOR CRYSTAL GROWING, CRYSTALLINE LAMINATED STRUCTURE, METHOD FOR PRODUCING THEM, AND EPITAXIAL GROWTH METHOD Download PDF

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本発明は、半導体装置の製造に有用な結晶成長用基板、結晶性積層構造体およびそれらの製造方法ならびにエピタキシャル成長方法に関する。   The present invention relates to a crystal growth substrate, a crystalline multilayer structure, a manufacturing method thereof, and an epitaxial growth method useful for manufacturing a semiconductor device.

従来、異種基板上に結晶成長させる際に、クラックや格子欠陥が生じる問題がある。この問題に対し、基板と膜の格子定数や熱膨張係数を整合させること等が検討されている。また、不整合が生じる場合には、ELOのような成膜手法等も検討されている。   Conventionally, there is a problem that cracks and lattice defects occur when crystals are grown on different substrates. In order to solve this problem, matching the lattice constant and the thermal expansion coefficient of the substrate and the film has been studied. In addition, when mismatching occurs, a film forming method such as ELO has been studied.

特許文献1には、異種基板上にバッファ層を形成し、前記バッファ層上に酸化亜鉛系半導体層を結晶成長させる方法が記載されている。特許文献2には、ナノドットのマスクを異種基板上に形成して、ついで、単結晶半導体材料層を形成することが記載されている。非特許文献1には、サファイア上に、GaNのナノカラムを介して、GaNを結晶成長させる手法が記載されている。非特許文献2には、周期的なSiN中間層を用いて、Si(111)上にGaNを結晶成長させて、ピット等の欠陥を減少させる手法が記載されている。   Patent Document 1 describes a method in which a buffer layer is formed on a different substrate, and a zinc oxide based semiconductor layer is crystal-grown on the buffer layer. Patent Document 2 describes that a nanodot mask is formed on a heterogeneous substrate, and then a single crystal semiconductor material layer is formed. Non-Patent Document 1 describes a technique for crystal growth of GaN on sapphire via a GaN nanocolumn. Non-Patent Document 2 describes a method of reducing defects such as pits by growing GaN on Si (111) using a periodic SiN intermediate layer.

しかしながら、いずれの技術も、成膜速度が悪かったり、基板にクラック、転位、反り等が生じたり、また、エピタキシャル膜に転位やクラック等が生じたりして、高品質なエピタキシャル膜を得ることが困難であり、基板の大口径化やエピタキシャル膜の厚膜化においても、支障が生じていた。   However, in any technique, the film formation speed is bad, cracks, dislocations, warpage, etc. occur in the substrate, or dislocations, cracks, etc. occur in the epitaxial film, and a high quality epitaxial film can be obtained. This is difficult, and there has been a problem in increasing the diameter of the substrate and increasing the thickness of the epitaxial film.

特開2010−232623号公報JP 2010-232623 A 特表2010−516599号公報Special table 2010-516599 gazette

Kazuhide Kusakabe., et al., “Overgrowth of GaN layer on GaN nano-columns by RF-molecular beam epitaxy”, Journal of Crystal Growth 237-239 (2002) 988-992Kazuhide Kusakabe., Et al., “Overgrowth of GaN layer on GaN nano-columns by RF-molecular beam epitaxy”, Journal of Crystal Growth 237-239 (2002) 988-992 K. Y. Zang., et al.,”Defect reduction by periodic SiNx interlayers in gallium nitride grown on Si (111)”, Journal of Applied Physics 101, 093502 (2007)K. Y. Zang., Et al., “Defect reduction by periodic SiNx containings in gallium nitride grown on Si (111)”, Journal of Applied Physics 101, 093502 (2007)

本発明は、異種基板上でも、工業的有利にエピタキシャル層を形成できる結晶成長用基板およびエピタキシャル成長方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a crystal growth substrate and an epitaxial growth method capable of forming an epitaxial layer industrially advantageously even on different types of substrates.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、結晶成長用基板上に、凸部または凹部からなる凹凸部を、前記結晶基板の熱膨張係数が高い結晶軸方向に垂直となる方向に形成すると、驚くべきことに、エピタキシャル成長の成長速度が飛躍的に向上することを知見し、上記した従来の問題を一挙に解決できることを見出した。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have a concavo-convex portion formed of a convex portion or a concave portion on a crystal growth substrate that is perpendicular to the crystal axis direction where the thermal expansion coefficient of the crystal substrate is high. Surprisingly, it has been found that the growth rate of epitaxial growth is dramatically improved when formed in the direction, and it has been found that the conventional problems described above can be solved 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 knowledge, 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] 結晶基板の結晶成長面上に、直接または他の層を介して、凸部または凹部からなる凹凸部が形成されている結晶成長用基板であって、前記結晶基板が、結晶成長方向に垂直または略垂直な第1および第2の結晶軸を有しており、第1の結晶軸方向の熱膨張係数が第2の結晶軸方向の熱膨張係数よりも大きく、前記結晶成長面の一部または全部に、第1の結晶軸に対して垂直または略垂直な方向に前記凹凸部が形成されていることを特徴とする結晶成長用基板。
[2] 凹凸部が、周期的に形成されている前記[1]記載の結晶成長用基板。
[3] 凹凸部が、ストライプ状、ドット状、メッシュ状またはランダム状である前記[1]または[2]に記載の結晶成長用基板。
[4] 凹部が、結晶基板の結晶成長面上に設けられた空隙層である前記[1]〜[3]のいずれかに記載の結晶成長用基板。
[5] 第1および第2の結晶軸方向の熱膨張係数差が、結晶成長温度において、0.5×10−6−1以上である前記[1]〜[4]のいずれかに記載の結晶成長用基板。
[6] 前記[1]〜[5]のいずれかに記載の結晶成長用基板の結晶成長面上に、エピタキシャル膜が形成されていることを特徴とする結晶性積層構造体。
[7] エピタキシャル膜がコランダム構造を有する前記[6]記載の結晶性積層構造体。
[8] エピタキシャル膜が酸化物半導体を主成分として含む前記[6]または[7]に記載の結晶性積層構造体。
[9] 酸化物半導体が、少なくともガリウムを含む前記[8]記載の結晶性積層構造体。
[10] 結晶基板が、サファイア基板である前記[1]〜[9]のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
[11] 結晶基板の結晶成長面上に、直接または他の層を介して、凸部または凹部からなる凹凸部を形成する結晶成長用基板を製造する方法であって、
前記凹凸部の形成を、結晶成長方向に垂直または略垂直な第1および第2の結晶軸を有しており、さらに、第1の結晶軸方向の熱膨張係数が第2の結晶軸方向の熱膨張係数よりも大きい結晶基板の結晶成長面の一部または全部に、第1の結晶軸に対して垂直または略垂直な方向に前記凹凸部を形成することを特徴とする結晶成長用基板の製造方法。
[12] 結晶基板の結晶成長面上に、直接または他の層を介して、凸部または凹部からなる凹凸部を形成して結晶成長用基板を製造し、ついで、エピタキシャル膜を成膜して結晶性積層構造体を製造する方法であって、
前記凹凸部の形成を、結晶成長方向に垂直または略垂直な第1および第2の結晶軸を有しており、さらに、第1の結晶軸方向の熱膨張係数が第2の結晶軸方向の熱膨張係数よりも大きい結晶基板の結晶成長面の一部または全部に、第1の結晶軸に対して垂直または略垂直な方向に前記凹凸部を形成することにより行うことを特徴とする製造方法。
[13] 前記[1]〜[5]のいずれかに記載の結晶成長用基板を用いることを特徴とするエピタキシャル成長方法。
[14] 前記[6]〜[10]のいずれかに記載の結晶性積層構造体からなる半導体装置。
That is, the present invention relates to the following inventions.
[1] A crystal growth substrate in which a concavo-convex portion including a convex portion or a concave portion is formed on a crystal growth surface of a crystal substrate directly or via another layer, wherein the crystal substrate has a crystal growth direction. First and second crystal axes perpendicular to or substantially perpendicular to the first crystal axis, the thermal expansion coefficient in the first crystal axis direction being larger than the thermal expansion coefficient in the second crystal axis direction, A substrate for crystal growth, wherein the concavo-convex portion is formed in part or all in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the first crystal axis.
[2] The crystal growth substrate according to [1], wherein the uneven portions are periodically formed.
[3] The crystal growth substrate according to [1] or [2], wherein the uneven portion is in a stripe shape, a dot shape, a mesh shape, or a random shape.
[4] The crystal growth substrate according to any one of [1] to [3], wherein the concave portion is a void layer provided on the crystal growth surface of the crystal substrate.
[5] The thermal expansion coefficient difference in the first and second crystal axis directions is 0.5 × 10 −6 K −1 or more at the crystal growth temperature, and any one of [1] to [4] Substrate for crystal growth.
[6] A crystalline stacked structure, wherein an epitaxial film is formed on the crystal growth surface of the crystal growth substrate according to any one of [1] to [5].
[7] The crystalline laminated structure according to [6], wherein the epitaxial film has a corundum structure.
[8] The crystalline multilayer structure according to [6] or [7], wherein the epitaxial film includes an oxide semiconductor as a main component.
[9] The crystalline multilayer structure according to [8], wherein the oxide semiconductor contains at least gallium.
[10] The crystalline multilayer structure according to any one of [1] to [9], wherein the crystal substrate is a sapphire substrate.
[11] A method for producing a crystal growth substrate in which a concavo-convex portion consisting of a convex portion or a concave portion is formed on a crystal growth surface of a crystal substrate directly or via another layer,
The formation of the concavo-convex portion has first and second crystal axes perpendicular or substantially perpendicular to the crystal growth direction, and the thermal expansion coefficient in the first crystal axis direction is the second crystal axis direction. In the crystal growth substrate, the concavo-convex portion is formed in a part of or all of the crystal growth surface of the crystal substrate having a thermal expansion coefficient larger than the first crystal axis in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the first crystal axis. Production method.
[12] A crystal growth substrate is manufactured by forming an uneven portion including a convex portion or a concave portion on the crystal growth surface of the crystal substrate directly or via another layer, and then an epitaxial film is formed. A method for producing a crystalline laminated structure, comprising:
The formation of the concavo-convex portion has first and second crystal axes perpendicular or substantially perpendicular to the crystal growth direction, and the thermal expansion coefficient in the first crystal axis direction is the second crystal axis direction. A manufacturing method characterized by forming the concavo-convex portion in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the first crystal axis on part or all of a crystal growth surface of a crystal substrate having a thermal expansion coefficient larger than that. .
[13] An epitaxial growth method using the crystal growth substrate according to any one of [1] to [5].
[14] A semiconductor device comprising the crystalline multilayer structure according to any one of [6] to [10].

本発明によれば、エピタキシャル結晶成長の成膜速度が向上し、工業的有利にエピタキシャル層を形成することができる。   According to the present invention, the deposition rate of epitaxial crystal growth is improved, and an epitaxial layer can be formed industrially advantageously.

本発明に用いられる結晶基板を模式的に示す。1 schematically shows a crystal substrate used in the present invention. 本発明における結晶成長用基板の好適な一態様を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the suitable one aspect | mode of the board | substrate for crystal growth in this invention. 本発明における結晶成長用基板の好適な別の一態様を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another suitable one aspect | mode of the board | substrate for crystal growth in this invention. 本発明における結晶成長用基板の好適な別の一態様を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another suitable one aspect | mode of the board | substrate for crystal growth in this invention. 本発明における結晶成長用基板の好適な別の一態様を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another suitable one aspect | mode of the board | substrate for crystal growth in this invention. 実施例で用いたミスト・エピタキシー装置の構成図である。It is a block diagram of the mist epitaxy apparatus used in the Example. 実施例における光学顕微鏡による断面像を示す。The cross-sectional image by the optical microscope in an Example is shown. 比較例における光学顕微鏡による断面像を示す。The cross-sectional image by the optical microscope in a comparative example is shown.

本発明の結晶成長用基板は、結晶基板の結晶成長面上に凸部または凹部からなる凹凸部が形成されている結晶成長用基板であって、前記結晶基板が、結晶成長方向に垂直または略垂直な第1および第2の結晶軸を有しており、第1の結晶軸方向の熱膨張係数が第2の結晶軸方向の熱膨張係数よりも大きく、前記結晶成長面の一部または全部に、第1の結晶軸に対して垂直または略垂直な方向に前記凹凸部が形成されていることを特徴とする。   The crystal growth substrate of the present invention is a crystal growth substrate in which a concavo-convex portion including a convex portion or a concave portion is formed on a crystal growth surface of the crystal substrate, and the crystal substrate is perpendicular or substantially perpendicular to the crystal growth direction. The first and second crystal axes are perpendicular to each other, and the thermal expansion coefficient in the first crystal axis direction is larger than the thermal expansion coefficient in the second crystal axis direction, and part or all of the crystal growth surface Further, the uneven portion is formed in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the first crystal axis.

<結晶成長用基板>
「結晶成長用基板」は、エピタキシャル膜を支持できるものであって、少なくとも、前記結晶成長面の一部または全部に、第1の結晶軸に対して垂直または略垂直な方向に凸部または凹部からなる凹凸部が形成されていれば特に限定されない。なお、前記「結晶成長面」は、結晶成長用基板の主面であり、エピタキシャル膜を成膜する面をいう。
<Crystal growth substrate>
The “crystal growth substrate” is capable of supporting an epitaxial film, and at least a part or all of the crystal growth surface has a protrusion or a recess in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the first crystal axis. If the uneven | corrugated | grooved part which consists of is formed, it will not specifically limit. The “crystal growth surface” is a main surface of the crystal growth substrate and refers to a surface on which an epitaxial film is formed.

<結晶基板>
前記結晶基板は、前記結晶成長方向に垂直または略垂直な第1および第2の結晶軸を有しており、第1の結晶軸方向の熱膨張係数が第2の結晶軸方向の熱膨張係数よりも大きければ特に限定されない。公知の基板であってよく、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。「結晶成長方向」とは、前記結晶基板の表面の特定の点を基準点としたときに、その基準点からエピタキシャル膜の表面に到達する距離が最短となるベクトル方向のことをいう。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。
<Crystal substrate>
The crystal substrate has first and second crystal axes perpendicular or substantially perpendicular to the crystal growth direction, and the thermal expansion coefficient in the first crystal axis direction is the thermal expansion coefficient in the second crystal axis direction. If it is larger than, it will not specifically limit. The substrate may be a known substrate, an insulator substrate, a conductive substrate, or a semiconductor substrate. “Crystal growth direction” refers to a vector direction in which the distance from the reference point to the surface of the epitaxial film is the shortest when a specific point on the surface of the crystal substrate is used as a reference point. Examples of the crystal substrate include a substrate containing a crystalline material having a corundum structure as a main component, a substrate containing a crystal material having a β-gallia structure as a main component, and a substrate having a hexagonal crystal structure. The “main component” means a composition ratio in the substrate that includes 50% or more of the crystalline material, preferably 70% or more, and more preferably 90% or more.

前記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0wt%より多くかつ60wt%以下であ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。 Examples of the substrate containing the crystalline material having the corundum structure as a main component include a sapphire substrate and an α-type gallium oxide substrate. Examples of the substrate containing a 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. . In addition, as a mixed crystal substrate containing β-Ga 2 O 3 and Al 2 O 3 , for example, a mixed crystal substrate in which Al 2 O 3 is more than 0 wt% and not more than 60 wt% can be cited as a suitable example. . Examples of the substrate having the hexagonal crystal structure include a SiC substrate, a ZnO substrate, and a GaN substrate. Examples of other crystal substrates include, for example, Si substrates. In the present invention, the crystal substrate is preferably a sapphire substrate. The sapphire substrate may have an off angle. The off angle is not particularly limited, but is preferably 0 ° to 15 °.

前記結晶基板は、前記結晶成長方向に垂直または略垂直な第1および第2の結晶軸を有している。ここで、「垂直または略垂直」は、前記結晶成長方向に垂直な軸に対して、好ましくは約±20度の範囲内であり、より好ましくは約±10度の範囲内であり、最も好ましくは約±5度の範囲内である。   The crystal substrate has first and second crystal axes that are perpendicular or substantially perpendicular to the crystal growth direction. Here, “vertical or substantially perpendicular” is preferably within a range of about ± 20 degrees, more preferably within a range of about ± 10 degrees, and most preferably with respect to an axis perpendicular to the crystal growth direction. Is in the range of about ± 5 degrees.

図1は、本発明に用いられる結晶基板を模式的に示す。図1の結晶基板は、結晶成長面1と、X軸、Y軸およびZ軸にそれぞれ異なる結晶軸とを少なくとも有しており、Y軸の矢印方向が結晶成長方向となっている。また、X軸方向の熱膨張係数は、Z軸方向の熱膨張係数よりも大きい。そのため、X軸が第1の結晶軸であり、Z軸が第2の結晶軸である。第1の結晶軸方向の熱膨張係数は、第2の結晶軸方向の熱膨張係数よりも大きければ特に限定されない。本発明においては、第1の結晶軸と第2の結晶軸との熱膨張係数差が、0.5×10−6−1以上であるのが好ましく、0.8×10−6−1以上であるのがより好ましく、1.0×10−6−1以上であるのが最も好ましい。 FIG. 1 schematically shows a crystal substrate used in the present invention. The crystal substrate of FIG. 1 has at least a crystal growth surface 1 and crystal axes different from each other in the X, Y, and Z axes, and the arrow direction of the Y axis is the crystal growth direction. Further, the thermal expansion coefficient in the X-axis direction is larger than the thermal expansion coefficient in the Z-axis direction. Therefore, the X axis is the first crystal axis, and the Z axis is the second crystal axis. The thermal expansion coefficient in the first crystal axis direction is not particularly limited as long as it is larger than the thermal expansion coefficient in the second crystal axis direction. In the present invention, the difference in thermal expansion coefficient between the first crystal axis and the second crystal axis is preferably 0.5 × 10 −6 K −1 or more, and 0.8 × 10 −6 K −. It is more preferably 1 or more, and most preferably 1.0 × 10 −6 K −1 or more.

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。   The thickness of the crystal substrate is not particularly limited, but is preferably 50 to 2000 μm, more preferably 200 to 800 μm.

<凹凸部>
前記凹凸部は、凸部または凹部からなるものであれば特に限定されず、凸部からなる凹凸部であってもよいし、凹部からなる凹凸部であってもよいし、凸部と凹部とからなる凹凸部であってもよい。また、前記凹凸部は、規則的な凸部または凹部から形成されていてもよいし、不規則な凸部または凹部から形成されていてもよい。本発明においては、複数の凹凸部が周期的に形成されているのが好ましい。前記凹凸部の形状としては、特に限定されず、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、ストライプ状またはドット状が好ましい。なお、ドットの表面形状としては、例えば三角形、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、楕円状などが挙げられる。前記凹凸部の凹部または凸部の形状としては、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等の多角形等が挙げられる。
<Uneven portion>
The concavo-convex portion is not particularly limited as long as it is composed of a convex portion or a concave portion, and may be a concavo-convex portion composed of a convex portion, a concavo-convex portion composed of a concave portion, or a convex portion and a concave portion. The uneven | corrugated | grooved part which consists of may be sufficient. Moreover, the said uneven | corrugated | grooved part may be formed from the regular convex part or a recessed part, and may be formed from the irregular convex part or recessed part. In the present invention, it is preferable that the plurality of uneven portions be formed periodically. The shape of the concavo-convex portion is not particularly limited and may be a stripe shape, a dot shape, a mesh shape or a random shape. In the present invention, a stripe shape or a dot shape is preferable. Examples of the surface shape of the dot include a triangle, a quadrangle (for example, a square, a rectangle, or a trapezoid), a polygon such as a pentagon or a hexagon, a circle, and an ellipse. The shape of the concave portion or convex portion of the concavo-convex portion is not particularly limited. For example, a U-shape, U-shape, inverted U-shape, wave shape, triangle, quadrangle (eg, square, rectangle, trapezoid, etc.) And polygons such as pentagons and hexagons.

前記凸部の構成材料としては、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が、縦方向の結晶成長を阻害可能な材料が好ましい。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、カービン、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、SiO2、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、前記結晶性半導体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. An insulator material, a conductor material, or a semiconductor material may be used, but a material capable of inhibiting crystal growth in the vertical direction is preferable. 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, and Sn, nitrides or carbides, carbine, diamond, metal, and mixtures thereof. More specifically, a Si-containing compound containing SiO2, SiN or polycrystalline silicon as a main component, a metal having a melting point higher than the crystal growth temperature of the crystalline semiconductor (for example, platinum, gold, silver, palladium, rhodium, Noble metals such as iridium and ruthenium). The content of the constituent material is preferably 50% or more, more preferably 70% or more, and most preferably 90% or more in terms of the composition ratio in the convex portion.

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、ストライプ状であるのがより好ましい。   As the means for forming the convex portions, known means may be used, for example, known patterning 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 in a stripe shape or a dot shape, and more preferably in a stripe shape.

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よいし、結晶基板であってもよい。本発明においては、前記凹部が、ドット状であるのが好ましく、前記シリコン含有化合物からなるマスク層にドット状の凹部が設けてあるのがより好ましい。前記凹部の形成手段としては、前記の凸部の形成手段と同様の手段を用いることができる。また、前記凹部が結晶基板の結晶成長面上に設けられた空隙層であるのも好ましい。前記空隙層は、公知の溝加工手段により、結晶基板に溝を設けることで、前記結晶基板の結晶成長面上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。また、空隙層には、空気が含まれていてもよいし、不活性ガス等が含まれていてもよい。   Although the said recessed part is not specifically limited, The same thing as the constituent material of the said convex part may be sufficient, and a crystal substrate may be sufficient. In this invention, it is preferable that the said recessed part is dot shape, and it is more preferable that the dot-shaped recessed part is provided in the mask layer which consists of the said silicon containing compound. As the means for forming the concave portion, the same means as the means for forming the convex portion can be used. It is also preferable that the recess is a void layer provided on the crystal growth surface of the crystal substrate. The void layer can be formed on the crystal growth surface of the crystal substrate by providing a groove in the crystal substrate by a known groove processing means. The groove width, groove depth, terrace width, and the like of the void layer are not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired, and can be appropriately set. Further, the void layer may contain air or may contain an inert gas or the like.

本発明においては、前記凹凸部を、前記結晶成長面の一部または全部に、第1の結晶軸に対して垂直または略垂直な方向に形成する。ここで、「垂直または略垂直」は、第1の結晶軸方向に垂直な軸に対して、好ましくは約±20度の範囲内であり、より好ましくは約±10度の範囲内であり、最も好ましくは約±5度の範囲内である。   In the present invention, the concavo-convex portion is formed in a part or all of the crystal growth surface in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the first crystal axis. Here, “perpendicular or substantially perpendicular” is preferably within a range of about ± 20 degrees with respect to an axis perpendicular to the first crystal axis direction, and more preferably within a range of about ± 10 degrees. Most preferably within the range of about ± 5 degrees.

図2は、本発明における結晶成長用基板の好適な一態様を示す。図2の結晶成長用基板11は、結晶基板10および凸部2を備えている。結晶基板10は、結晶成長面1と、X軸、Y軸およびZ軸にそれぞれ異なる結晶軸とを少なくとも有しており、Y軸の矢印方向が結晶成長方向となっている。また、X軸方向の熱膨張係数は、Z軸方向の熱膨張係数よりも大きい。そのため、X軸が第1の結晶軸であり、Z軸が第2の結晶軸である。また、結晶基板10の結晶成長面1には、凸部2が設けられており、第1の結晶軸に対して垂直な方向を向いて凸部2がストライプ状に形成されている。   FIG. 2 shows a preferred embodiment of the crystal growth substrate in the present invention. The crystal growth substrate 11 of FIG. 2 includes a crystal substrate 10 and a convex portion 2. The crystal substrate 10 has at least a crystal growth surface 1 and crystal axes different from the X axis, the Y axis, and the Z axis, and the arrow direction of the Y axis is the crystal growth direction. Further, the thermal expansion coefficient in the X-axis direction is larger than the thermal expansion coefficient in the Z-axis direction. Therefore, the X axis is the first crystal axis, and the Z axis is the second crystal axis. Further, the crystal growth surface 1 of the crystal substrate 10 is provided with a convex portion 2, and the convex portion 2 is formed in a stripe shape in a direction perpendicular to the first crystal axis.

図3は、本発明における結晶成長用基板の好適な別の一態様を示す。図3の結晶成長用基板11は、図2と同様に、結晶基板10および凸部2を備えている。結晶基板10は、結晶成長面1と、X軸、Y軸およびZ軸にそれぞれ異なる結晶軸とを少なくとも有しており、Y軸の矢印方向が結晶成長方向となっている。また、X軸方向の熱膨張係数は、Z軸方向の熱膨張係数よりも大きい。そのため、X軸が第1の結晶軸であり、Z軸が第2の結晶軸である。また、結晶基板10の結晶成長面1には、凸部2が設けられており、第1の結晶軸に対して垂直な方向を向いて凸部2がドット状に形成されている。   FIG. 3 shows another preferred embodiment of the crystal growth substrate in the present invention. The crystal growth substrate 11 of FIG. 3 includes the crystal substrate 10 and the convex portion 2 as in FIG. The crystal substrate 10 has at least a crystal growth surface 1 and crystal axes different from the X axis, the Y axis, and the Z axis, and the arrow direction of the Y axis is the crystal growth direction. Further, the thermal expansion coefficient in the X-axis direction is larger than the thermal expansion coefficient in the Z-axis direction. Therefore, the X axis is the first crystal axis, and the Z axis is the second crystal axis. Further, the crystal growth surface 1 of the crystal substrate 10 is provided with a convex portion 2, and the convex portion 2 is formed in a dot shape so as to face a direction perpendicular to the first crystal axis.

図4は、本発明における結晶成長用基板の好適な別の一態様を示す。図4の結晶成長用基板11は、結晶基板10およびマスク層5を備えている。結晶基板10は、結晶成長面1と、X軸、Y軸およびZ軸にそれぞれ異なる結晶軸とを少なくとも有しており、Y軸の矢印方向が結晶成長方向となっている。また、X軸方向の熱膨張係数は、Z軸方向の熱膨張係数よりも大きい。そのため、X軸が第1の結晶軸であり、Z軸が第2の結晶軸である。マスク層5には、第1の結晶軸に垂直な方向に凹部3が形成されている。凹部3は、マスク層5にドット状の穴が空けられたことにより形成され、前記穴からは結晶基板10が露出している。また、マスク層5は、縦方向の結晶成長を阻害可能な層であれば特に限定されない。マスク層5の構成材料としては、例えば、SiO等のシリコン含有化合物などの公知の材料等が挙げられ、フォトリソグラフィー等の公知の手段を用いてマスク層5を形成することができる。 FIG. 4 shows another preferred embodiment of the crystal growth substrate in the present invention. The crystal growth substrate 11 of FIG. 4 includes a crystal substrate 10 and a mask layer 5. The crystal substrate 10 has at least a crystal growth surface 1 and crystal axes different from the X axis, the Y axis, and the Z axis, and the arrow direction of the Y axis is the crystal growth direction. Further, the thermal expansion coefficient in the X-axis direction is larger than the thermal expansion coefficient in the Z-axis direction. Therefore, the X axis is the first crystal axis, and the Z axis is the second crystal axis. The mask layer 5 has a recess 3 formed in a direction perpendicular to the first crystal axis. The recess 3 is formed by forming a dot-like hole in the mask layer 5, and the crystal substrate 10 is exposed from the hole. The mask layer 5 is not particularly limited as long as it is a layer that can inhibit the crystal growth in the vertical direction. Examples of the constituent material of the mask layer 5 include known materials such as a silicon-containing compound such as SiO 2 , and the mask layer 5 can be formed using a known means such as photolithography.

図5は、本発明における結晶成長用基板の好適な別の一態様を示す。図5の結晶成長用基板11は、結晶基板10に凹部3を備えている。結晶基板10は、結晶成長面1と、X軸、Y軸およびZ軸にそれぞれ異なる結晶軸とを少なくとも有しており、Y軸の矢印方向が結晶成長方向となっている。また、X軸方向の熱膨張係数は、Z軸方向の熱膨張係数よりも大きい。そのため、X軸が第1の結晶軸であり、Z軸が第2の結晶軸である。また、結晶基板10の結晶成長面1には、凹部3として溝が設けられており、第1の結晶軸に対して垂直な方向を向いて凹部3がストライプ状に形成されている。なお、前記凹部3の形成は、公知の溝加工手段を用いて行うことができる。   FIG. 5 shows another preferred embodiment of the crystal growth substrate in the present invention. The crystal growth substrate 11 of FIG. 5 includes a recess 3 in the crystal substrate 10. The crystal substrate 10 has at least a crystal growth surface 1 and crystal axes different from the X axis, the Y axis, and the Z axis, and the arrow direction of the Y axis is the crystal growth direction. Further, the thermal expansion coefficient in the X-axis direction is larger than the thermal expansion coefficient in the Z-axis direction. Therefore, the X axis is the first crystal axis, and the Z axis is the second crystal axis. In addition, a groove is provided as a recess 3 in the crystal growth surface 1 of the crystal substrate 10, and the recess 3 is formed in a stripe shape in a direction perpendicular to the first crystal axis. In addition, formation of the said recessed part 3 can be performed using a well-known groove processing means.

「熱膨張係数」は、JISR1618に準拠して測定される値をいう。ここで、本発明において好適なサファイア基板の例を挙げると、例えば、前記結晶基板がa面サファイア基板である場合には、c軸を第1の結晶軸とし、m軸を第2の結晶軸とすることが最も好ましくなる。   “Thermal expansion coefficient” refers to a value measured according to JIS R1618. Here, as an example of a sapphire substrate suitable for the present invention, for example, when the crystal substrate is an a-plane sapphire substrate, the c-axis is the first crystal axis and the m-axis is the second crystal axis. Is most preferable.

また、本発明においては、前記結晶基板上にバッファ層や応力緩和層等の他の層を設けもよく、このように、他の層を設ける場合には、他の層上でも他の層下でも前記凹凸部を形成してもよいが、好ましくは、他の層上に、前記凹凸部を形成する。   In the present invention, other layers such as a buffer layer and a stress relaxation layer may be provided on the crystal substrate. Thus, when providing other layers, the other layers may be provided on the other layers. However, although the said uneven part may be formed, Preferably, the said uneven part is formed on another layer.

前記結晶成長用基板は、エピタキシャル結晶成長用の基板として好適に用いられる。前記結晶成長用基板を用いて、前記結晶成長用基板の結晶成長面上に、エピタキシャル結晶成長によりエピタキシャル膜を形成して結晶性積層構造体を製造することができ、このようにして得られた結晶性積層構造体も本発明に含まれる。   The crystal growth substrate is preferably used as a substrate for epitaxial crystal growth. Using the crystal growth substrate, an epitaxial film can be formed by epitaxial crystal growth on the crystal growth surface of the crystal growth substrate to produce a crystalline laminated structure, thus obtained. Crystalline laminated structures are also included in the present invention.

前記結晶性積層構造体は、前記結晶成長用基板の結晶成長面上に、エピタキシャル結晶成長により形成されたエピタキシャル膜が形成されていれば特に限定されない。   The crystalline stacked structure is not particularly limited as long as an epitaxial film formed by epitaxial crystal growth is formed on the crystal growth surface of the crystal growth substrate.

「結晶性積層構造体」とは、一層以上の結晶層を含む構造体であり、結晶層以外の層(例:アモルファス層)を含んでいてもよい。また、結晶層は、単結晶層であることが好ましいが、多結晶層であってもよい。   The “crystalline stacked structure” is a structure including one or more crystal layers, and may include a layer other than the crystal layer (eg, an amorphous layer). The crystal layer is preferably a single crystal layer, but may be a polycrystalline layer.

前記エピタキシャル膜は、結晶成長した膜であれば特に限定されないが、本発明においては、前記エピタキシャル膜がコランダム構造を有するのが好ましい。また、前記エピタキシャル膜は、結晶性半導体膜であるのが好ましい。前記結晶性半導体膜の主成分である半導体としては、例えば、Si、SiGe、SiCなどのシリコン系半導体、GaAs、GaN、GaPなどのガリウム系半導体、InP、InAsなどのインジウム系半導体などが挙げられる。本発明においては、前記半導体が、ガリウム(Ga)またはケイ素(Si)を含む半導体であるのが好ましく、酸化物半導体であるのがより好ましく、少なくともガリウムを含むのが最も好ましい。   The epitaxial film is not particularly limited as long as it is a crystal-grown film, but in the present invention, the epitaxial film preferably has a corundum structure. The epitaxial film is preferably a crystalline semiconductor film. Examples of the semiconductor that is a main component of the crystalline semiconductor film include silicon-based semiconductors such as Si, SiGe, and SiC, gallium-based semiconductors such as GaAs, GaN, and GaP, and indium-based semiconductors such as InP and InAs. . In the present invention, the semiconductor is preferably a semiconductor containing gallium (Ga) or silicon (Si), more preferably an oxide semiconductor, and most preferably at least gallium.

前記エピタキシャル結晶成長手段は、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もよい。前記エピタキシャル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法またはパルス成長法などが挙げられる。本発明においては、前記エピタキシャル結晶成長手段が、ミストCVD法またはミスト・エピタキシー法であるのが好ましい。   The epitaxial crystal growth means is not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired, and may be a known means. Examples of the epitaxial crystal growth means include CVD, MOCVD, MOVPE, mist CVD, mist / epitaxy, MBE, HVPE, and pulse growth. In the present invention, the epitaxial crystal growth means is preferably a mist CVD method or a mist epitaxy method.

以下、本発明の好適な例として、ミストCVD法を用いて、前記エピタキシャル膜として結晶性酸化物薄膜を前記結晶成長用基板上に成膜した例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, as a preferred example of the present invention, the present invention will be described in more detail with reference to an example in which a crystalline oxide thin film is formed on the crystal growth substrate as the epitaxial film using a mist CVD method. .

前記結晶性酸化物薄膜は、結晶性酸化物半導体薄膜であるのが好ましく、前記結晶性酸化物半導体薄膜はアニール処理後であってもよく、これにより、結晶性薄膜とオーミック電極との間にオーミック電極が合金化・混晶化した金属酸化膜が形成されていてもよい。なお、前記オーミック電極としては、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、金(Au)、クロム(Cr)、タングステン(W)及びバナジウム(V)並びに白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)及びコバルト(Co)などが挙げられる。   The crystalline oxide thin film is preferably a crystalline oxide semiconductor thin film, and the crystalline oxide semiconductor thin film may be subjected to an annealing treatment, so that the crystalline thin film is interposed between the crystalline thin film and the ohmic electrode. A metal oxide film in which the ohmic electrode is alloyed / mixed may be formed. Examples of the ohmic electrode include aluminum (Al), titanium (Ti), nickel (Ni), gold (Au), chromium (Cr), tungsten (W) and vanadium (V), and platinum (Pt), Examples include palladium (Pd), gold (Au) chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), and cobalt (Co).

前記結晶性酸化物薄膜は、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い。前記ドーパントとしては、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブ等のn型ドーパント、またはp型ドーパントなどが挙げられる。本発明においては、前記ドーパントが、GeまたはSiであるのが好ましい。前記GeまたはSiの含有量は、前記結晶性酸化物薄膜の組成中、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 crystalline oxide thin film may contain a dopant. The dopant is not particularly limited and may be a known one. Examples of the dopant include n-type dopants such as tin, germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium or niobium, or p-type dopants. In the present invention, the dopant is preferably Ge or Si. The Ge or Si content is preferably 0.00001 atomic% or more, more preferably 0.00001 atomic% to 20 atomic% in the composition of the crystalline oxide thin film, and 0.00001. Most preferably, it is from atomic percent to 10 atomic percent.

また、前記結晶性酸化物薄膜は、炭素を実質的に含有していない。「炭素を実質的に含有していない」とは、具体的には、炭素の含有量が、前記結晶性酸化物薄膜の組成中、0.1原子%以下であることをいい、好ましくは0.01原子%以下であり、より好ましくは0.001原子%以下である。   Further, the crystalline oxide thin film does not substantially contain carbon. “Substantially free of carbon” specifically means that the carbon content is 0.1 atomic% or less in the composition of the crystalline oxide thin film, preferably 0. 0.01 atomic percent or less, more preferably 0.001 atomic percent or less.

また、前記結晶性酸化物薄膜は、半値幅が50arcsec以下であるのが好ましく、40arcsec以下であるのがより好ましい。前記半値幅は、X線測定(アウト・オブ・プレーン(Out−of−plane)測定)の半値幅である。   Further, the crystalline oxide thin film preferably has a half width of 50 arcsec or less, and more preferably 40 arcsec or less. The half width is the half width of X-ray measurement (out-of-plane measurement).

<結晶性酸化物薄膜>
前記結晶性酸化物薄膜は、コランダム構造を有する結晶性酸化物、またはβ−ガリア構造を有する結晶性酸化物を主成分として含んでいるのが好ましく、前記結晶性酸化物がα−Gaまたはβ−Gaを主成分として含んでいるのがより好ましい。「主成分」とは、結晶性酸化物がα−Gaである場合、前記薄膜の金属元素中のガリウムの原子比が0.5以上の割合でα−Gaが含まれていればそれでよい。本発明においては、前記薄膜中の金属元素中のガリウムの原子比が0.7以上であることが好ましく、0.8以上であるのがより好ましい。また、結晶性酸化物半導体薄膜の厚さは、特に限定されず、1μm以下であってもよいし、1μm以上であってもよいが、本発明においては、3μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、10μm以上であることが最も好ましい。なお、前記結晶性酸化物薄膜は、通常、単結晶であるが、多結晶であってもよい。
<Crystalline oxide thin film>
The crystalline oxide thin film preferably contains a crystalline oxide having a corundum structure or a crystalline oxide having a β-gallia structure as a main component, and the crystalline oxide is α-Ga 2 O. More preferably, 3 or β-Ga 2 O 3 is contained as a main component. The "main component", when crystalline oxide is α-Ga 2 O 3, the atomic ratio of gallium in a metal element of the thin film contains α-Ga 2 O 3 at a ratio of more than 0.5 If so, that's fine. In the present invention, the atomic ratio of gallium in the metal element in the thin film is preferably 0.7 or more, and more preferably 0.8 or more. The thickness of the crystalline oxide semiconductor thin film is not particularly limited, and may be 1 μm or less or 1 μm or more. In the present invention, it is preferably 3 μm or more, and 5 μm. More preferably, it is more preferably 10 μm or more. The crystalline oxide thin film is usually a single crystal, but may be polycrystalline.

前記結晶性酸化物薄膜は、前記結晶基板上に直接形成されてもよいし、別の層を介して形成されてもよい。別の層としては、別の組成のコランダム構造結晶薄膜、コランダム構造以外の結晶薄膜、又はアモルファス薄膜などが挙げられる。構造としては、単層構造であってもよく、複数層構造であってもよい。また、同一の層内に2相以上の結晶相が混じっていてもよい。複数層構造の場合、結晶性酸化物薄膜は、例えば、絶縁性薄膜と導電性薄膜が積層されて構成されるが、本発明においては、これに限定されるものではない。なお、絶縁性薄膜と導電性薄膜とが積層されて複数層構造が構成される場合、絶縁性薄膜と導電性薄膜の組成は、同じであっても互いに異なっていてもよい。絶縁性薄膜と導電性薄膜の厚さの比は、特に限定されないが、例えば、(導電性薄膜の厚さ)/(絶縁性薄膜の厚さ)の比が0.001〜100であるのが好ましく、0.1〜5がさらに好ましい。このさらに好ましい比は、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、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、3、4、5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。   The crystalline oxide thin film may be formed directly on the crystal substrate or may be formed via another layer. As another layer, a corundum structure crystal thin film having a different composition, a crystal thin film other than the corundum structure, an amorphous thin film, or the like can be given. The structure may be a single layer structure or a multi-layer structure. Two or more crystal phases may be mixed in the same layer. In the case of a multi-layer structure, the crystalline oxide thin film is configured by, for example, laminating an insulating thin film and a conductive thin film, but is not limited to this in the present invention. In addition, when an insulating thin film and an electroconductive thin film are laminated | stacked and a multiple layer structure is comprised, the composition of an insulating thin film and an electroconductive thin film may be the same, or may mutually differ. The ratio of the thickness of the insulating thin film to the conductive thin film is not particularly limited. For example, the ratio of (thickness of the conductive thin film) / (thickness of the insulating thin film) is 0.001 to 100. Preferably, 0.1-5 is more preferable. This more preferable ratio is specifically, for example, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2, 3, 4, 5 and illustrated here It may be within a range between any two of the numerical values.

導電性薄膜は、本発明の目的を阻害しない範囲において、導電性を付与すべく不純物でドーピングされていてもよい。絶縁性薄膜は、通常、不純物のドーピングが不要であるが、導電性が現れない程度にドーピングされていてもよい。   The conductive thin film may be doped with an impurity so as to impart conductivity to the extent that the object of the present invention is not impaired. The insulating thin film normally does not require impurity doping, but may be doped to such an extent that conductivity does not appear.

前記結晶性積層構造体は、原料溶液を微粒子化して生成される原料微粒子をキャリアガスによって成膜室に供給して前記成膜室内に配置された前記下地基板上に前記結晶性酸化物薄膜を形成することで製造される。本発明においては、ドーピング処理を、前記原料溶液に異常粒抑制剤を含めて行うのが好ましい。前記原料溶液に異常粒抑制剤を含めてドーピング処理を行うことで、効率よく、工業的有利に表面粗さが0.1μm以下の結晶性酸化物薄膜を備える結晶性積層構造体を製造することができる。ドーピング量は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、原料溶液中、体積比で、0.01〜10%であるのが好ましく、0.1〜5%であるのがより好ましい。また、本発明においては、ノンドープも好ましい。   The crystalline laminated structure is formed by supplying raw material fine particles generated by atomizing a raw material solution to a film forming chamber by a carrier gas, and placing the crystalline oxide thin film on the base substrate disposed in the film forming chamber. Manufactured by forming. In the present invention, the doping treatment is preferably performed by including an abnormal grain inhibitor in the raw material solution. By manufacturing the raw material solution with an abnormal grain inhibitor and performing a doping treatment, a crystalline laminated structure having a crystalline oxide thin film having a surface roughness of 0.1 μm or less is produced industrially advantageously. Can do. The doping amount is not particularly limited as long as it does not hinder the object of the present invention, but is preferably 0.01 to 10%, more preferably 0.1 to 5% by volume in the raw material solution. . In the present invention, non-doping is also preferable.

異常粒抑制剤は、成膜過程で副生する粒子の発生を抑制する効果を有するものをいい、結晶性酸化物薄膜の表面粗さを0.1μm以下とすることができれば特に限定されないが、本発明においては、Br、I、FおよびClから選択される少なくとも1種からなる異常粒抑制剤であるのが好ましい。安定的に膜形成をするために異常粒抑制剤として、BrやIを薄膜中に導入すると異常粒成長による表面粗さの悪化を抑制することができる。異常粒抑制剤の添加量は、異常粒を抑制できれば特に限定されないが、原料溶液中、体積比で50%以下であることが好ましく、30%以下であることがより好ましく、1〜20%の範囲内であることが最も好ましい。このような好ましい範囲で異常粒抑制剤を使用することにより、異常粒抑制剤として機能させることができるので、結晶性酸化物薄膜の異常粒の成長を抑制して表面を平滑にすることができる。   The abnormal grain inhibitor refers to those having an effect of suppressing generation of particles by-produced during the film formation process, and is not particularly limited as long as the surface roughness of the crystalline oxide thin film can be 0.1 μm or less. In the present invention, the abnormal grain inhibitor is preferably composed of at least one selected from Br, I, F and Cl. When Br or I is introduced into the thin film as an abnormal grain inhibitor for stable film formation, deterioration of the surface roughness due to abnormal grain growth can be suppressed. The amount of the abnormal grain inhibitor added is not particularly limited as long as abnormal grains can be suppressed, but in the raw material solution, the volume ratio is preferably 50% or less, more preferably 30% or less, and 1 to 20%. Most preferably within the range. By using the abnormal grain inhibitor in such a preferable range, it can function as an abnormal grain inhibitor, and thus the growth of abnormal grains of the crystalline oxide thin film can be suppressed and the surface can be smoothed. .

結晶性酸化物薄膜の形成方法は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、例えば、ガリウム化合物及び所望によりインジウム化合物、アルミニウム化合物又は鉄化合物を結晶性酸化物薄膜の組成に合わせて組み合わせた原料化合物を酸化反応させることによって形成可能である。これによって、下地基板上に、下地基板側から結晶性酸化物半導体薄膜を結晶成長させることができる。ガリウム化合物としては、ガリウム金属を出発材料として成膜直前にガリウム化合物に変化させたものであってもよい。ガリウム化合物としては、ガリウムの有機金属錯体(例:アセチルアセトナート錯体)やハロゲン化物(フッ化物、塩化物、臭化物、又はヨウ化物)などが挙げられるが、本発明においては、ハロゲン化物(フッ化物、塩化物、臭化物、又はヨウ化物)を用いることが好ましい。   The method for forming the crystalline oxide thin film is not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired. For example, a gallium compound and, if desired, an indium compound, an aluminum compound, or an iron compound are matched to the composition of the crystalline oxide thin film. It can be formed by subjecting the combined raw material compounds to an oxidation reaction. Thus, the crystalline oxide semiconductor thin film can be grown on the base substrate from the base substrate side. The gallium compound may be a gallium compound that is changed to a gallium compound immediately before film formation using gallium metal as a starting material. Examples of gallium compounds include gallium organometallic complexes (eg, acetylacetonate complexes) and halides (fluorides, chlorides, bromides, or iodides). In the present invention, halides (fluorides) are used. , Chloride, bromide, or iodide).

結晶性酸化物薄膜の成膜温度は、特に限定されないが、800℃以下が好ましく、700℃以下がより好ましい。また、前記成膜を、本発明の目的を阻害しない限り、真空下、非酸素雰囲気下、還元ガス雰囲気下および酸素雰囲気下のいずれの雰囲気下で行われてもよく、また、常圧下、大気圧下、加圧下および減圧下のいずれの条件下で行われてもよいが、本発明においては、常圧下または大気圧下で行われるのが好ましい。なお、膜厚は成膜時間を調整することにより、設定することができる。   The film formation temperature of the crystalline oxide thin film is not particularly limited, but is preferably 800 ° C. or lower, and more preferably 700 ° C. or lower. Further, the film formation may be performed under vacuum, non-oxygen atmosphere, reducing gas atmosphere, or oxygen atmosphere, as long as the object of the present invention is not impaired. The reaction may be performed under any conditions of atmospheric pressure, increased pressure, and reduced pressure, but in the present invention, it is preferably performed under normal pressure or atmospheric pressure. The film thickness can be set by adjusting the film formation time.

また、キャリアガスの種類としては、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、窒素やアルゴン等の不活性ガス、または水素ガスやフォーミングガス等の還元ガスなどが好適な例として挙げられる。また、キャリアガスの種類は1種類であってよいが、2種類以上であってもよく、キャリアガス濃度を変化させた希釈ガス(例えば10倍希釈ガス等)などを、第2のキャリアガスとしてさらに用いてもよい。また、キャリアガスの供給箇所も1箇所だけでなく、2箇所以上あってもよい。キャリアガスの流量は、特に限定されないが、0.01〜20L/分であるのが好ましく、1〜10L/分であるのがより好ましい。   Further, the type of carrier gas is not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired. For example, an inert gas such as oxygen, ozone, nitrogen or argon, or a reducing gas such as hydrogen gas or forming gas is preferable. An example. Further, the type of carrier gas may be one type, but may be two or more types, and a diluent gas (for example, a 10-fold diluted gas) whose carrier gas concentration is changed is used as the second carrier gas. Further, it may be used. Further, the supply location of the carrier gas is not limited to one location but may be two or more locations. The flow rate of the carrier gas is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 20 L / min, and more preferably 1 to 10 L / min.

より具体的には、結晶性酸化物薄膜は、原料化合物が溶解した原料溶液から生成されたミスト状の原料微粒子を成膜室に供給して、前記成膜室内で前記原料化合物を反応させることによって形成することができる。原料溶液の溶媒は、特に限定されないが、水、過酸化水素水または有機溶媒であることが好ましい。本発明においては、通常、ドーパント原料の存在下で、上記原料化合物を酸化反応させる。なお、ドーパント原料は、好ましくは、原料溶液に含められて、原料化合物と共に微粒子化される。   More specifically, the crystalline oxide thin film is formed by supplying mist-like raw material fine particles generated from a raw material solution in which the raw material compound is dissolved to the film forming chamber and reacting the raw material compound in the film forming chamber. Can be formed. The solvent of the raw material solution is not particularly limited, but is preferably water, hydrogen peroxide solution or an organic solvent. In the present invention, the raw material compound is usually subjected to an oxidation reaction in the presence of a dopant raw material. The dopant raw material is preferably included in the raw material solution and atomized together with the raw material compound.

ドーパント原料としては、ドーピングされる金属単体又は化合物(例:ハロゲン化物、酸化物)などが挙げられる。   Examples of the dopant material include a simple metal or a compound to be doped (eg, halide, oxide).

本発明によれば、前記結晶性酸化物薄膜の結晶性を向上させるだけでなく、膜厚の限界値を伸ばすこともできる。なお、本発明においては、成膜後、アニール処理を行ってもよい。   According to the present invention, not only the crystallinity of the crystalline oxide thin film can be improved, but also the limit value of the film thickness can be extended. In the present invention, annealing may be performed after film formation.

また、本発明においては、前記結晶性酸化物薄膜上に、直接または別の層を介して、酸化物半導体層または/および窒化物半導体層(例えばGaN系半導体層等)を備えていてもよい。   In the present invention, an oxide semiconductor layer and / or a nitride semiconductor layer (for example, a GaN-based semiconductor layer) may be provided directly or via another layer on the crystalline oxide thin film. .

前記結晶性積層構造体は半導体装置に有用である。前記結晶性積層構造体を用いて形成される半導体装置としては、MIS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、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、前記結晶性積層構造体をそのまま又は前記結晶基板と前記結晶性酸化物薄膜とを剥離等して、半導体装置に用いることができる。
本発明においては、前記結晶性積層構造体の結晶性酸化物薄膜上に、直接または別の層を介して、ショットキー電極を備え、前記結晶性積層構造体の下地基板上に、直接または別の層を介して、オーミック電極を備える半導体装置が好ましく、前記結晶性酸化物薄膜の半導体特性により、半導体装置そのものの信頼性を向上させることができる。
前記ショットキー電極やオーミック電極は、公知のものであってよく、公知の手段を用いて、これらを前記結晶性積層構造体に備えることができる。なお、別の層を介する場合の別の層としては、公知の半導体層、絶縁体層、導体層などが挙げられ、これらの層は、公知のものであってよく、本発明においては、公知の手段でもって、これらの層を積層することができる。
The crystalline laminated structure is useful for a semiconductor device. Semiconductor devices formed using the crystalline stacked structure include transistors and TFTs such as MIS and HEMT, Schottky barrier diodes using semiconductor-metal junctions, PN or PIN diodes combined with other P layers, A light emitting / receiving element may be mentioned. In the present invention, the crystalline laminated structure can be used in a semiconductor device as it is or after the crystal substrate and the crystalline oxide thin film are peeled off.
In the present invention, a Schottky electrode is provided directly or via another layer on the crystalline oxide thin film of the crystalline multilayer structure, and directly or separately on the base substrate of the crystalline multilayer structure. A semiconductor device provided with an ohmic electrode is preferable through the layer, and the reliability of the semiconductor device itself can be improved by the semiconductor characteristics of the crystalline oxide thin film.
The Schottky electrode and the ohmic electrode may be known ones, and these can be provided in the crystalline laminated structure using a known means. In addition, as another layer in the case of passing through another layer, a well-known semiconductor layer, an insulator layer, a conductor layer, etc. are mentioned, These layers may be a well-known thing, In this invention, it is well-known. By these means, these layers can be laminated.

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。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited thereto.

1.ミスト・エピタキシー装置
まず、図6を用いて、本実施例で用いたミスト・エピタキシー装置19を説明する。ミスト・エピタキシー装置19は、下地基板等の被成膜試料20を載置する試料台21と、キャリアガスを供給するキャリアガス源22と、キャリアガス源22から送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁23と、原料溶液24aが収容されるミスト発生源24と、水25aが入れられる容器25と、容器25の底面に取り付けられた超音波振動子26と、内径40mmの石英管からなる成膜室27と、成膜室27の周辺部に設置されたヒータ28を備えている。試料台21は、石英からなり、被成膜試料20を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室27と試料台21をどちらも石英で作製することにより、被成膜試料20上に形成される薄膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。
1. Mist / Epitaxial Device First, the mist / epitaxy device 19 used in this embodiment will be described with reference to FIG. The mist / epitaxy device 19 adjusts the flow rate of the carrier gas sent from the carrier stage 22, the carrier gas source 22 for supplying the carrier gas, and the sample stage 21 on which the deposition target sample 20 such as the base substrate is placed. A flow rate adjusting valve 23, a mist generating source 24 in which a raw material solution 24a is stored, a container 25 in which water 25a is placed, an ultrasonic transducer 26 attached to the bottom surface of the container 25, and a quartz tube having an inner diameter of 40 mm. And a heater 28 installed in the periphery of the film forming chamber 27. The sample stage 21 is made of quartz, and the surface on which the deposition target sample 20 is placed is inclined from the horizontal plane. Both the film formation chamber 27 and the sample stage 21 are made of quartz, so that impurities derived from the apparatus are prevented from being mixed into the thin film formed on the film formation target sample 20.

2.結晶成長用基板の作製
<実施例1>
結晶基板としてa面サファイア基板を用いた。結晶成長面をa面、第1の結晶軸をc軸、第2の結晶軸をm軸とし、SOGをスピンコーターで塗布し、フォトリソグラフィー法を用いて、c軸に垂直となるように、a面サファイア基板上に、SiOのストライプを形成した。なお、サファイア基板の熱膨張係数は、c軸に平行な熱膨張係数が、c軸に垂直な熱膨張係数より高く、例えば40〜400℃のc軸に平行な熱膨張係数は7.7×10−6/Kであり、c軸に垂直な熱膨張係数は7.0×10−6/Kである。
2. Production of substrate for crystal growth <Example 1>
An a-plane sapphire substrate was used as the crystal substrate. The crystal growth surface is a-plane, the first crystal axis is c-axis, the second crystal axis is m-axis, SOG is applied with a spin coater, and is perpendicular to the c-axis by photolithography. A stripe of SiO 2 was formed on the a-plane sapphire substrate. The thermal expansion coefficient of the sapphire substrate is higher in thermal expansion coefficient parallel to the c-axis than the thermal expansion coefficient perpendicular to the c-axis. For example, the thermal expansion coefficient parallel to the c-axis at 40 to 400 ° C. is 7.7 × 10 −6 / K, and the thermal expansion coefficient perpendicular to the c-axis is 7.0 × 10 −6 / K.

<比較例1>
結晶基板としてc面サファイア基板を用いた。結晶成長面をc面、第1の結晶軸をa軸、第2の結晶軸をm軸とし、SOGをスピンコーターで塗布し、焼成後、フォトリソグラフィー法を用いて、a軸に垂直となるように、c面サファイア基板上に、SiOのストライプを形成した。
<Comparative Example 1>
A c-plane sapphire substrate was used as the crystal substrate. The crystal growth surface is the c-plane, the first crystal axis is the a-axis, the second crystal axis is the m-axis, SOG is applied by a spin coater, and after firing, becomes perpendicular to the a-axis using a photolithography method. Thus, a stripe of SiO 2 was formed on the c-plane sapphire substrate.

<比較例2>
結晶成長用基板として、c面サファイア基板を用いた。
<Comparative example 2>
A c-plane sapphire substrate was used as the crystal growth substrate.

3.原料溶液の作製
臭化ガリウム0.1mol/Lの水溶液を調整し、この際、さらに48%臭化水素酸溶液を体積比で10%となるように含有させ、これを原料溶液とした。
3. Preparation of Raw Material Solution An aqueous solution of gallium bromide 0.1 mol / L was prepared. At this time, a 48% hydrobromic acid solution was further added so as to be 10% by volume, and this was used as a raw material solution.

4.成膜準備
上記3.で得られた原料溶液24aをミスト発生源24内に収容した。次に、被成膜試料20として、1辺が10mmの正方形の結晶成長用基板を試料台21上に設置させ、ヒータ28を作動させて成膜室27内の温度を580℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁23を開いてキャリアガス源22からキャリアガスを成膜室27内に供給し、成膜室27の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を5L/minに調節した。なお、キャリアガスとして酸素を用いた。
4). Preparation of film formation The raw material solution 24a obtained in the above was accommodated in the mist generating source 24. Next, a square crystal growth substrate having a side of 10 mm is placed on the sample stage 21 as the film formation sample 20, and the heater 28 is operated to raise the temperature in the film formation chamber 27 to 580 ° C. I let you. Next, the flow rate adjusting valve 23 is opened to supply the carrier gas from the carrier gas source 22 into the film forming chamber 27, and the atmosphere in the film forming chamber 27 is sufficiently replaced with the carrier gas. Adjusted to min. Note that oxygen was used as a carrier gas.

5.単層膜形成
次に、超音波振動子26を2.4MHzで振動させ、その振動を、水25aを通じて原料溶液24aに伝播させることによって、原料溶液24aを微粒子化させて原料微粒子を生成した。この原料微粒子が、キャリアガスによって成膜室27内に導入され、580℃にて、成膜室27内で反応して、被成膜試料20上に薄膜を形成した。なお、成膜時間は6時間であった。
5. Next, the ultrasonic vibrator 26 was vibrated at 2.4 MHz, and the vibration was propagated to the raw material solution 24a through the water 25a, whereby the raw material solution 24a was made fine to produce raw material fine particles. The raw material fine particles were introduced into the film forming chamber 27 by the carrier gas, and reacted in the film forming chamber 27 at 580 ° C. to form a thin film on the film forming sample 20. The film formation time was 6 hours.

6.評価
上記5.にて得られたα−Ga薄膜の相の同定をした。同定は、薄膜用XRD回折装置を用いて、15度から95度の角度で2θ/ωスキャンを行うことによって行った。測定は、CuKα線を用いて行った。その結果、実施例1および比較例1〜2のいずれの膜もα−Gaであった。
6). Evaluation 5. The phase of the α-Ga 2 O 3 thin film obtained in (1) was identified. Identification was performed by performing 2θ / ω scanning at an angle of 15 to 95 degrees using an XRD diffractometer for thin films. The measurement was performed using CuKα rays. As a result, both the films of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were α-Ga 2 O 3 .

また、実施例1および比較例1〜2の膜につき、膜厚から成膜レートを算出した。結果を表1に示す。   Moreover, the film-forming rate was computed from the film thickness about the film | membrane of Example 1 and Comparative Examples 1-2. The results are shown in Table 1.

実施例1のエピタキシャル膜につき光学顕微鏡を用いて断面を調べた。結果を図7に示す。また、比較例1のエピタキシャル膜についても光学顕微鏡を用いて断面を調べた。結果を図8に示す。図8から明らかなように、ほとんどの領域で横方向においてあまり成長していないことがわかる。   The cross section of the epitaxial film of Example 1 was examined using an optical microscope. The results are shown in FIG. The cross section of the epitaxial film of Comparative Example 1 was also examined using an optical microscope. The results are shown in FIG. As is apparent from FIG. 8, it can be seen that in most regions, there is not much growth in the lateral direction.

<製造例>
a面サファイア基板にテラス幅約3μm、溝幅約5μm、溝深さ約3μmで、周期的なストライプ状の溝構造を作製して、これを凹部とする。サファイア基板を用いて、実施例1と同様にして、成膜した。得られた膜の相については、X線回折により、膜がコランダム構造を有するα−Ga膜であることが確認できた。半値幅は、83arcsecであった。
<Production example>
A periodic stripe-like groove structure having a terrace width of about 3 μm, a groove width of about 5 μm, and a groove depth of about 3 μm is formed on an a-plane sapphire substrate, and this is used as a recess. Using a sapphire substrate, a film was formed in the same manner as in Example 1. The phase of the film obtained by X-ray diffraction, films were confirmed to be α-Ga 2 O 3 film having a corundum structure. The half width was 83 arcsec.

本発明の結晶成長用基板は、結晶性積層構造体の製造に有用であり、前記結晶性積層構造体は、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、半導体装置に有用である。   The crystal growth substrate of the present invention is useful for the production of a crystalline multilayer structure, and the crystalline multilayer structure is a semiconductor (for example, a compound semiconductor electronic device), an electronic component / electric equipment component, an optical / electrophotography. Although it can be used in various fields such as related devices and industrial members, it is particularly useful for semiconductor devices.

1 結晶成長面
2 凸部
3 凹部
5 マスク層
10 結晶基板
11 結晶成長用基板
19 ミスト・エピタキシー装置
20 被成膜試料
21 試料台
22 キャリアガス源
23 流量調節弁
24 ミスト発生源
24a 原料溶液
25 容器
25a 水
26 超音波振動子
27 成膜室
28 ヒータ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crystal growth surface 2 Convex part 3 Concave part 5 Mask layer 10 Crystal substrate 11 Substrate for crystal growth 19 Mist / epitaxy apparatus 20 Film formation sample 21 Sample stage 22 Carrier gas source 23 Flow control valve 24 Mist generation source 24a Raw material solution 25 Container 25a Water 26 Ultrasonic vibrator 27 Deposition chamber 28 Heater

Claims (9)

結晶基板の結晶成長面上に、直接または他の層を介して、凸部または凹部からなる凹凸部を形成して結晶成長用基板を製造し、ついで、エピタキシャル膜を成膜して結晶性積層構造体を製造する方法であって、前記凹凸部の形成を、結晶成長方向に垂直または略垂直な第1および第2の結晶軸を有しており、さらに、第1の結晶軸方向の熱膨張係数が第2の結晶軸方向の熱膨張係数よりも大きい結晶基板の結晶成長面の一部または全部に、第1の結晶軸に対して垂直または略垂直な方向に、前記凹凸部として、複数の凹凸部を周期的に形成することにより行い、前記エピタキシャル膜の成膜を、前記結晶成長用基板の結晶成長面上に、前記エピタキシャル膜としてコランダム構造を有するエピタキシャル膜を形成することにより行うことを特徴とする製造方法。 On the crystal growth surface of the crystal substrate, a concavo-convex portion consisting of a convex portion or a concave portion is formed directly or via another layer to manufacture a crystal growth substrate, and then an epitaxial film is formed to form a crystalline laminate In the method for manufacturing a structure, the formation of the concavo-convex portion has first and second crystal axes perpendicular or substantially perpendicular to the crystal growth direction, and further heat in the first crystal axis direction. As the concavo-convex portion in a direction perpendicular to or substantially perpendicular to the first crystal axis on a part or all of the crystal growth surface of the crystal substrate having an expansion coefficient larger than the thermal expansion coefficient in the second crystal axis direction , There row by forming a plurality of uneven portions periodically, the deposition of the epitaxial layer, on the crystal growth surface of said crystal growth substrate, by forming an epitaxial film having a corundum structure as said epitaxial layer especially the line Ukoto Manufacturing method to. 凹凸部が、ストライプ状である請求項1記載の結晶性積層構造体の製造方法Uneven portion, the manufacturing method according to claim 1 Symbol placement crystalline layered structure in a striped shape. 第1および第2の結晶軸方向の熱膨張係数差が、結晶成長温度において、0.5×10−6−1以上である請求項1または2に記載の結晶性積層構造体の製造方法Thermal expansion coefficient difference between the first and second crystal axis direction, the crystal growth temperature, method for producing a crystalline layered structure according to claim 1 or 2 is 0.5 × 10 -6 K -1 or higher . 結晶基板の結晶成長面上に、直接または他の層を介して、凸部または凹部からなる凹凸部が形成されている結晶成長用基板であって、前記結晶基板が、結晶成長方向に垂直または略垂直な第1および第2の結晶軸を有しており、第1の結晶軸方向の熱膨張係数が第2の結晶軸方向の熱膨張係数よりも大きく、前記結晶成長面の一部または全部に、第1の結晶軸に対して垂直または略垂直な方向に、前記凹凸部が形成されている結晶成長用基板の結晶成長面上に、エピタキシャル膜が形成されている結晶性積層構造体であって、エピタキシャル膜の結晶成長方向が、第1の結晶軸および第2の結晶軸に垂直または略垂直であり、且つ、エピタキシャル膜がコランダム構造を有することを特徴とする結晶性積層構造体 A crystal growth substrate in which a concavo-convex portion including a convex portion or a concave portion is formed directly or via another layer on a crystal growth surface of the crystal substrate, wherein the crystal substrate is perpendicular to the crystal growth direction or The first and second crystal axes are substantially perpendicular, and the thermal expansion coefficient in the first crystal axis direction is larger than the thermal expansion coefficient in the second crystal axis direction, and a part of the crystal growth surface or Crystalline laminated structure in which an epitaxial film is formed on the crystal growth surface of the substrate for crystal growth in which the concavo-convex part is formed in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the first crystal axis A crystalline laminated structure characterized in that the crystal growth direction of the epitaxial film is perpendicular or substantially perpendicular to the first crystal axis and the second crystal axis, and the epitaxial film has a corundum structure. . エピタキシャル膜の膜厚が10μm以上である請求項記載の結晶性積層構造体。 The crystalline multilayer structure according to claim 4 , wherein the epitaxial film has a thickness of 10 μm or more . エピタキシャル膜が酸化物半導体を主成分として含む請求項またはに記載の結晶性積層構造体。 The crystalline multilayer structure according to claim 4 or 5 , wherein the epitaxial film contains an oxide semiconductor as a main component. 酸化物半導体が、少なくともガリウムを含む請求項記載の結晶性積層構造体。 The crystalline stacked structure according to claim 6 , wherein the oxide semiconductor contains at least gallium. 結晶基板が、サファイア基板である請求項のいずれかに記載の結晶性積層構造体。 The crystalline multilayer structure according to any one of claims 4 to 7 , wherein the crystal substrate is a sapphire substrate. 請求項のいずれかに記載の結晶性積層構造体を用いてなる半導体装置。
The semiconductor device using a crystalline layered structure according to any one of claims 4-8.
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