JP7014355B2 - 積層構造体および半導体装置 - Google Patents
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Description
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。
[1] ε型の酸化物半導体結晶を主成分とする第1の半導体膜と、第1の半導体膜の主成分とは異なる組成のε型の酸化物半導体結晶を主成分とする第2の半導体膜とが積層されていることを特徴とする積層構造体。
[2] 第1の半導体膜の主成分がガリウム、インジウム、アルミニウムまたはこれらの混晶を含む前記[1]記載の積層構造体。
[3] 第1の半導体膜の主成分がガリウムを含む前記[1]または[2]に記載の積層構造体。
[4] 第1の半導体膜の主成分がε-Ga2O3またはその混晶を含む前記[1]~[3]のいずれかに記載の積層構造体。
[5] 第2の半導体膜の主成分がガリウムを含む前記[1]~[4]のいずれかに記載の積層構造体。
[6] 第2の半導体膜の主成分がε-Ga2O3またはその混晶を含む前記[1]~[5]のいずれかに記載の積層構造体。
[7] 第2の半導体膜の主成分がアルミニウムを含む前記[1]~[6]のいずれかに記載の積層構造体。
[8] ヘテロ接合を有する半導体構造であって、前記[1]~[7]のいずれかに記載の積層構造体を含むことを特徴とする半導体構造。
[9] 電極と半導体層とを少なくとも含む半導体装置であって、前記半導体層に、前記[1]~[7]のいずれかに記載の積層構造体または前記[8]記載の半導体構造が用いられていることを特徴とする半導体装置。
[10]パワーデバイスである前記[9]記載の半導体装置。
[11] 高周波デバイスである前記[9]または[10]に記載の半導体装置。
[12] HEMTまたはHBTである前記[9]~[11]のいずれかに記載の半導体装置。
[13] 半導体装置を備える半導体システムであって、前記半導体装置が、前記[9]~[12]のいずれかに記載の半導体装置である半導体システム。
前記結晶基板としては、特に限定されないが、主面の全部または一部にコランダム型の結晶構造を有している基板、ε型の結晶構造を有している基板、六方晶の結晶構造を有している基板、β型の結晶構造を有している基板などが好適な例として挙げられ、このような好適な基板が、結晶成長面側の主面の全部または一部に前記結晶構造を有している基板であるのが好ましく、結晶成長面側の主面の全部に前記結晶構造を有している基板であるのがより好ましい。また、前記結晶基板は、オフ角を有してしてもよい。前記結晶基板の基板形状は、板状であって、前記半導体膜の支持体となるものであれば特に限定されない。絶縁体基板であってもよいし、半導体基板であってもよいし、導電性基板であってもよい。前記基板の形状は、特に限定されず、略円形状(例えば、円形、楕円形など)であってもよいし、多角形状(例えば、3角形、正方形、長方形、5角形、6角形、7角形、8角形、9角形など)であってもよく、様々な形状を好適に用いることができる。本発明においては、前記基板の形状を好ましい形状にすることにより、基板上に形成される膜の形状を設定することができる。また、本発明においては、大面積の基板を用いることもでき、このような大面積の基板を用いることによって、前記半導体膜の面積を大きくすることができる。前記結晶基板の基板材料は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知のものであってよい。例えば、α―Al2O3、GaN、SiC、β-Ga2O3などが挙げられる。本発明においては、前記結晶基板が、コランダム型の結晶構造を有している基板であるのが、第1の半導体膜および第2の半導体膜をより良好に成膜することができるため、好ましい。
霧化・液滴化工程は、前記原料溶液を霧化または液滴化する。前記原料溶液の霧化手段または液滴化手段は、前記原料溶液を霧化または液滴化できさえすれば特に限定されず、公知の手段であってよいが、本発明においては、超音波を用いる霧化手段または液滴化手段が好ましい。超音波を用いて得られたミストまたは液滴は、初速度がゼロであり、空中に浮遊するので好ましく、例えば、スプレーのように吹き付けるのではなく、空間に浮遊してガスとして搬送することが可能なミストであるので衝突エネルギーによる損傷がないため、非常に好適である。液滴サイズは、特に限定されず、数mm程度の液滴であってもよいが、好ましくは50μm以下であり、より好ましくは0.1~10μmである。
前記原料溶液は、ミストCVDにより、前記半導体膜が得られる溶液であれば特に限定されない。前記原料溶液としては、例えば、金属の有機金属錯体(例えばアセチルアセトナート錯体等)やハロゲン化物(例えばフッ化物、塩化物、臭化物またはヨウ化物等)の水溶液などが挙げられる。前記金属としては、例えば、ガリウム、インジウム、アルミニウム等が挙げられる。本発明においては、前記金属が、ガリウム、インジウムまたはアルミニウムを少なくとも含むのが好ましく、ガリウムを少なくとも含むのがより好ましい。原料溶液中の金属の含有量は、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されないが、好ましくは、0.001モル%~50モル%であり、より好ましくは0.01モル%~50モル%である。
搬送工程では、キャリアガスでもって前記ミストまたは前記液滴を成膜室内に搬送する。前記キャリアガスは、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、流量を下げた希釈ガス(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。希釈ガスの場合には、希釈ガスの流量が、0.001~5L/分であるのが好ましく、0.1~5L/分であるのがより好ましい。
成膜工程では、成膜室内で前記ミストまたは液滴を熱反応させることによって、基体上に、半導体膜を成膜する。熱反応は、熱でもって前記ミストまたは液滴が反応すればそれでよく、化学反応であってもよいし、物理反応であってもよい。その他の反応であってもよい。反応条件等も本発明の目的を阻害しない限り特に限定されない。本工程においては、前記熱反応を、通常、溶媒の蒸発温度以上の温度で行うが、高すぎない温度(例えば1000℃)以下が好ましく、200℃~500℃がより好ましく、250℃~450℃が最も好ましい。また、熱反応は、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、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、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。
図2は、本発明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2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。
図3は、本発明に係るヘテロバイポーラ・トランジスタ(HBT)の一例を示している。図3のHBTは、エミッタ層221、ベース層222、コレクタ層223、サブコレクタ層224、基板229、コレクタ電極225a、ベース電極225bおよびエミッタ電極225cを備えている。前記積層構造体は、エミッタ層221およびベース層222、またはベース層222およびコレクタ層223に用いることができる。このようにして用いることにより、高温高周波特性により優れ、さらに、高温高耐圧等の半導体特性により優れた半導体装置を実現することができる。
1.成膜装置
図1を用いて、本実施例で用いたミストCVD装置を説明する。ミストCVD装置19は、基板20を載置するサセプタ21と、キャリアガスを供給するキャリアガス供給手段22aと、キャリアガス供給手段22a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23aと、キャリアガス(希釈)を供給するキャリアガス(希釈)供給手段22bと、キャリアガス(希釈)供給手段22b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23b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の石英管からなる供給管27と、供給管27の周辺部に設置されたヒーター28とを備えている。サセプタ21は、石英からなり、基板20を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室となる供給管27とサセプタ21をどちらも石英で作製することにより、基板20上に形成される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。
臭化ガリウム水溶液0.1mol/Lと臭化アルミニウム水溶液0.1mol/Lとを混合し、これを原料溶液24aとした。
上記2.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、基板20として、サファイア基板をサセプタ21上に設置し、ヒーター28を作動させて成膜室27内の温度を550℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁23a、23bを開いて、キャリアガス源であるキャリアガス供給手段22a、22b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5.0L/minに、キャリアガス(希釈)の流量を0.5L/minにそれぞれ調節した。なお、キャリアガスとして酸素を用いた。
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、大気圧下、550℃にて、供給管27内でミストが反応して、基板20上に半導体膜が形成された。この形成された半導体膜を第2の半導体膜とした。なお、成膜時間は10分間であった。
臭化アルミニウム水溶液を原料溶液に用いなかったこと、および成膜温度を350℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、半導体膜を第1の半導体膜として得た。
上記で得られた半導体膜について、X線回折装置を用いて、それぞれの結晶構造を測定評価した。結果を図7に示す。図7から明らかなとおり、それぞれの半導体膜は、ε型の結晶構造を有することがわかる。なお、第2の半導体膜において、α型の結晶構造を有するα―Ga2O3が含まれていたのは、主な理由としては、成膜温度を高めに設定したためであり、ε―(AlGa)2O3単結晶を得る場合には、第1の半導体膜のように、350℃等の温度で成膜することが望まれる。
第2の半導体膜を、上記4.と同様にして形成した。また、第1の半導体膜を、原料溶液として、臭化ガリウム水溶液(0.1mol/L)と臭化インジウム水溶液(0.1mol/L)とを混合し、さらに、臭化スズをガリウムに対するスズの原子比が1:0.01となるように含有させた水溶液を用いたことおよび成膜温度を650℃としたこと以外は、上記5.と同様にして形成して、積層構造体を得た。得られたそれぞれの半導体膜につき、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて結晶構造を測定評価した。その結果、それぞれの半導体膜は、実施例1で得られたそれぞれの半導体膜と同様に、ε型の結晶構造を有していた。
20 基板
21 サセプタ
22a キャリアガス供給手段
22b キャリアガス(希釈)供給手段
23a 流量調節弁
23b 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 供給管
28 ヒーター
29 排気口
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
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
221 エミッタ層
222 ベース層
223 コレクタ層
224 サブコレクタ層
225a コレクタ電極
225b ベース電極
225c エミッタ電極
229 基板
Claims (8)
- ε-Ga 2 O 3 またはその混晶を主成分とする第1の半導体膜と、第1の半導体膜の主成分とは異なる組成のε-Ga 2 O 3 またはその混晶を主成分とする第2の半導体膜とが積層されていることを特徴とする積層構造体。
- 第2の半導体膜の主成分がアルミニウムを含む請求項1記載の積層構造体。
- ヘテロ接合を有する半導体構造であって、請求項1または2に記載の積層構造体を含むことを特徴とする半導体構造。
- 電極と半導体層とを少なくとも含む半導体装置であって、前記半導体層に、請求項1または2に記載の積層構造体または請求項3記載の半導体構造が用いられていることを特徴とする半導体装置。
- パワーデバイスである請求項4記載の半導体装置。
- 高周波デバイスである請求項4または5に記載の半導体装置。
- HEMTまたはHBTである請求項4~6のいずれかに記載の半導体装置。
- 半導体装置を備える半導体システムであって、前記半導体装置が、請求項4~7のいずれかに記載の半導体装置である半導体システム。
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