JP7176977B2 - Method for producing gallium oxide - Google Patents

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Description

本開示は、酸化ガリウムの製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for producing gallium oxide.

現在、省電力技術の開発が求められており、パワーデバイスの低損失化が期待されている。パワーデバイスは、ハイブリッド車や電気自動車に搭載されるインバーターなど、あらゆる電力変換器に搭載されている。 At present, there is a demand for the development of power-saving technology, and low-loss power devices are expected. Power devices are installed in all kinds of power converters, such as inverters installed in hybrid vehicles and electric vehicles.

低損失なパワーデバイスの実現に向けて、現状のシリコン(Si)よりも更に高耐圧・低損失なパワーデバイスの実現が期待できるSiC、GaN、酸化ガリウム等の新しいワイドギャップ半導体材料が注目され、活発に研究開発が進められている。その中でも、酸化ガリウムは、SiC、GaNと比較して更に大きなバンドギャップに代表される物性から、パワーデバイスに応用した場合、より一層の高耐圧・低損失化等の優れたデバイス特性が期待される。 In order to realize low-loss power devices, new wide-gap semiconductor materials such as SiC, GaN, and gallium oxide, which can be expected to realize power devices with higher voltage resistance and lower loss than the current silicon (Si), are attracting attention. Research and development is actively progressing. Among them, gallium oxide is expected to have excellent device characteristics such as higher breakdown voltage and lower loss when applied to power devices due to its physical properties represented by a larger bandgap than SiC and GaN. be.

車載用パワーデバイスとして用いるために、酸化ガリウム単結晶のp型化及びその特性制御が期待されており、最近では、酸化ガリウムのパワーデバイスへの応用を目的として、イオン注入法を用いて酸化ガリウム単結晶に、酸化ガリウム中でアクセプタ元素として働くことが期待されるN(窒素)をドープする方法が提案されている(非特許文献1)。 In order to use it as an automotive power device, it is expected to convert gallium oxide single crystal to p-type and to control its characteristics. A method of doping a single crystal with N (nitrogen), which is expected to act as an acceptor element in gallium oxide, has been proposed (Non-Patent Document 1).

APPLIED PHYSICS LETTERS 113(2018)102103APPLIED PHYSICS LETTERS 113 (2018) 102103

しかしながら、イオン注入法では、酸化ガリウムのp型化及びその特性制御は難しく、特に、高密度で窒素がドープされた結晶性が高い酸化ガリウムを得ることは困難であった。 However, with the ion implantation method, it is difficult to convert gallium oxide to p-type and to control its characteristics. In particular, it is difficult to obtain highly crystalline gallium oxide doped with nitrogen at a high density.

酸化ガリウム中のNのアクセプタ準位が深く、ホール伝導(p型特性)を発現するためには、高濃度のNドーピングが必要となると予想されるが、高濃度でNをドーピングすることは難しかった。また、車載用途を含めたパワーデバイス応用のためには、ドープした酸化ガリウムの高い結晶性も要求されるが、高濃度のNをドープしようとすると酸化ガリウムの結晶に欠陥や歪みが生じてしまう。 The acceptor level of N in gallium oxide is deep, and high-concentration N-doping is expected to be necessary to develop hole conduction (p-type characteristics), but high-concentration N-doping was difficult. rice field. In addition, high crystallinity of the doped gallium oxide is required for power device applications, including automotive applications, but high-concentration N doping causes defects and distortion in the gallium oxide crystal. .

そのため、高密度で窒素がドープされた結晶性が高い酸化ガリウムの製造方法が求められている。 Therefore, there is a demand for a method for producing high-density, nitrogen-doped gallium oxide with high crystallinity.

本開示の要旨は、以下のとおりである。
(1)酸化ガリウム基板上に、パルスレーザー堆積法を用いて、NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気、NOガスを含む雰囲気、またはそれらの組み合わせを含む雰囲気中で、Nがドープされた酸化ガリウムを堆積させることを含む、酸化ガリウムの製造方法。
(2)前記酸化ガリウム基板の温度を、500℃以上900℃以下とすることを含む、上記(1)に記載の酸化ガリウムの製造方法。
(3)前記NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気中で、前記Nがドープされた酸化ガリウムを堆積させることを含む、上記(1)または(2)に記載の酸化ガリウムの製造方法。
(4)7×1020/cm3以上のNを含み、X線により測定されるロッキングカーブの半値幅が1.83度以下である、酸化ガリウム。
The gist of the present disclosure is as follows.
(1) Gallium oxide doped with N in an atmosphere containing N radicals and O radicals, an atmosphere containing NO gas, or a combination thereof using a pulsed laser deposition method on a gallium oxide substrate. A method of making gallium oxide, comprising depositing
(2) The method for producing gallium oxide according to (1) above, including setting the temperature of the gallium oxide substrate to 500° C. or higher and 900° C. or lower.
(3) The method for producing gallium oxide according to (1) or (2) above, including depositing the N-doped gallium oxide in an atmosphere containing the N radicals and the O radicals.
(4) Gallium oxide containing N of 7×10 20 /cm 3 or more and having a rocking curve half-value width measured by X-ray of 1.83 degrees or less.

本開示の方法によれば、高密度でNがドープされた結晶性が高い酸化ガリウムを得ることができる。 According to the method of the present disclosure, highly crystalline gallium oxide doped with N at a high density can be obtained.

図1は、本開示の方法で用いられるPLD装置の一例の断面模式図である。FIG. 1 is a cross-sectional schematic diagram of an example of a PLD device used in the method of the present disclosure. 図2は、基板温度と実施例で作製したNドープ酸化ガリウム単結晶のロッキングカーブ半値幅との関係を表すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the substrate temperature and the rocking curve half width of the N-doped gallium oxide single crystal produced in the example. 図3は、基板温度と実施例で作製したNドープ酸化ガリウム単結晶の窒素密度との関係を表すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the substrate temperature and the nitrogen density of N-doped gallium oxide single crystals produced in Examples. 図4は、実施例1で作製したNドープ酸化ガリウムの非対称面XRDチャートである。4 is an asymmetric plane XRD chart of the N-doped gallium oxide produced in Example 1. FIG. 図5は、実施例4で作製したNドープ酸化ガリウムの非対称面XRDチャートである。5 is an asymmetric plane XRD chart of the N-doped gallium oxide produced in Example 4. FIG. 図6は、実施例4でNOガスをプラズマ化処理した際に測定したプラズマの発光スペクトルと、実施例8でNガス及びOガスの混合ガスをプラズマ化処理した際に測定したプラズマの発光スペクトルである。FIG. 6 shows the emission spectrum of the plasma measured when the NO gas was plasmatized in Example 4, and the plasma emission spectrum measured when the mixed gas of N 2 gas and O 2 gas was plasmatized in Example 8. Emission spectrum. 図7は、Nガス流量及びOガス流量の比率を変更したときのN/Oラジカルピーク強度比、及びNOガスをプラズマ化処理して得られたN/Oラジカルピーク強度比を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the N/O radical peak intensity ratio when the ratio of the N 2 gas flow rate and the O 2 gas flow rate is changed, and the N/O radical peak intensity ratio obtained by plasma treatment of NO gas. is.

本発明者は、パルスレーザー堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法を用い、Nラジカル及びOラジカル、NOガス、またはそれらの組み合わせをN源として用いることにより、従来報告されていないレベルの、高密度Nドーピング且つ高結晶性の酸化ガリウムを作製することに成功した。 The present inventors have found that by using a pulsed laser deposition (PLD) method and using N radicals and O radicals, NO gas, or a combination thereof as the N source, a level of high density not previously reported can be achieved. We succeeded in fabricating N-doped and highly crystalline gallium oxide.

本開示の方法は、酸化ガリウム基板上に、PLD法を用いて、NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気、NOガスを含む雰囲気、またはそれらの組み合わせを含む雰囲気中で、Nがドープされた酸化ガリウムを堆積させることを含む、酸化ガリウムの製造方法を対象とする。 The method of the present disclosure performs N-doped oxidation on a gallium oxide substrate using the PLD method in an atmosphere containing N radicals and O radicals, an atmosphere containing NO gas, or a combination thereof. A method of making gallium oxide is directed that includes depositing gallium.

本開示の方法で用いるPLD法は、金属酸化物薄膜の製造に従来から用いられているパルスレーザー堆積装置(PLD装置)を用いて行うことができる。図1は、本開示の方法で用いられるPLD装置の一例の断面模式図である。 The PLD method used in the method of the present disclosure can be performed using a pulsed laser deposition apparatus (PLD apparatus) conventionally used for the production of metal oxide thin films. FIG. 1 is a cross-sectional schematic diagram of an example of a PLD device used in the method of the present disclosure.

PLD法は図1のPLD装置100を用いて行われ、真空チャンバー10内に設置したターゲット20に、チャンバー外部からアブレーションレーザー光を照射することで、ターゲット20から原子(分子)を引き剥がして、ターゲット20に対向する酸化ガリウム基板30に薄膜を形成する成膜方法である。PLD法の構成の一例を下記に示す。 The PLD method is performed using the PLD apparatus 100 shown in FIG. 1. A target 20 placed in a vacuum chamber 10 is irradiated with an ablation laser beam from the outside of the chamber, thereby peeling off atoms (molecules) from the target 20. This is a film forming method for forming a thin film on a gallium oxide substrate 30 facing a target 20 . An example of the configuration of the PLD method is shown below.

ターゲット20はステージ上に設置され、酸化ガリウム基板30は、ターゲットから飛散する成膜活性種の分布を考慮して、ターゲット20から所定の距離を隔てた位置に設置される。アブレーションレーザー光は、石英窓を通して斜入射させターゲット表面で適当な強度で集光させる。 The target 20 is placed on the stage, and the gallium oxide substrate 30 is placed at a predetermined distance from the target 20 in consideration of the distribution of film-forming active species scattered from the target. Ablation laser light is obliquely incident through a quartz window and condensed at an appropriate intensity on the target surface.

用いるアブレーションレーザーとしては、ターゲットが吸収する波長のレーザーを用いることができ、例えば、波長が248nmのKrFエキシマレーザー等を用いることができる。 As the ablation laser used, a laser with a wavelength that is absorbed by the target can be used, for example, a KrF excimer laser with a wavelength of 248 nm or the like can be used.

ターゲット20としては、好ましくは酸化ガリウム単結晶または酸化ガリウムの粉末をペレット状に焼結した酸化ガリウム多結晶を用いることができ、より好ましくは高純度の酸化ガリウム単結晶または酸化ガリウム多結晶を用いることができ、さらに好ましくは高純度の酸化ガリウム単結晶を用いることができる。 As the target 20, a gallium oxide single crystal or a gallium oxide polycrystal obtained by sintering gallium oxide powder into a pellet can be preferably used, and a high-purity gallium oxide single crystal or gallium oxide polycrystal is more preferably used. More preferably, a high-purity gallium oxide single crystal can be used.

本開示の方法においては、NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気、NOガスを含む雰囲気、またはそれらの組み合わせを含む雰囲気中でPLD法により、酸化ガリウム基板30上にNドープ酸化ガリウムを成膜する。すなわち、Nドープ源として、Nラジカル及びOラジカル、NOガス、またはそれらの組み合わせを用いる。 In the method of the present disclosure, an N-doped gallium oxide film is formed on the gallium oxide substrate 30 by the PLD method in an atmosphere containing N radicals and O radicals, an atmosphere containing NO gas, or an atmosphere containing a combination thereof. . That is, N radicals and O radicals, NO gas, or combinations thereof are used as N doping sources.

NOガスを含む雰囲気は、例えば、チャンバー10内を真空引きし、次いでNOガスを導入することにより形成することができ、あるいはチャンバー内を真空引きし、Ar、He、N2等の不活性ガスを導入し、次いでNOガスを導入することにより形成することができる。 The atmosphere containing NO gas can be formed, for example, by evacuating the chamber 10 and then introducing NO gas, or by evacuating the chamber and removing an inert gas such as Ar, He, N2 , etc. can be formed by introducing and then introducing NO gas.

NOガスを含む雰囲気はまた、図1に示すPLD装置100のチャンバー10と、NOガス源(図示せず)と、チャンバー及びNOガス源に接続されたNOガス導入経路(図示せず)とを含む装置を用いて、所定の流量でNOガスをチャンバー10内に導入して形成してもよい。NOガスは、NOガス源及びNOガス導入経路から図1に示すPLD装置100のガス導入管40を通して、チャンバー内に導入され得る。 The atmosphere containing NO gas also passes through the chamber 10 of the PLD device 100 shown in FIG. The NO gas may be introduced into the chamber 10 at a predetermined flow rate using a device including a device. NO gas can be introduced into the chamber from the NO gas source and the NO gas introduction path through the gas introduction pipe 40 of the PLD device 100 shown in FIG.

NOガスを含む雰囲気中のNO分圧は、好ましくは0.013Pa以上、より好ましくは0.13Pa以上である。NO分圧が上記範囲にあることにより、より安定して高密度でNがドープされた結晶性が高い酸化ガリウムを得ることができる。NO分圧の上限は特に制限されないが、例えば13Paとしてもよい。NOガスを含む雰囲気は、好ましくは実質的にNOガスのみで構成される。 The NO partial pressure in the atmosphere containing NO gas is preferably 0.013 Pa or higher, more preferably 0.13 Pa or higher. When the NO partial pressure is within the above range, it is possible to more stably obtain gallium oxide doped with N at high density and high crystallinity. Although the upper limit of the NO partial pressure is not particularly limited, it may be 13 Pa, for example. The atmosphere containing NO gas preferably consists essentially of only NO gas.

NOガスを含む雰囲気は、目的とする酸化ガリウムの結晶性、電気特性に影響しない限り、不活性ガス等の他の成分を含んでもよい。 The atmosphere containing NO gas may contain other components such as inert gas as long as they do not affect the crystallinity and electrical properties of the target gallium oxide.

実質的にNOガスのみを含む雰囲気下でNドープ酸化ガリウムを堆積すると、β相及びγ相を含むドープ酸化ガリウムを得ることができる。 When N-doped gallium oxide is deposited in an atmosphere containing substantially only NO gas, doped gallium oxide containing β and γ phases can be obtained.

NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気の生成方法は特に限定されないが、好ましくは、原料ガスとして、NOガス、またはNガス及びOガスの混合ガスを用いて、生成することができる。NOガスとNガス及びOガスの混合ガスとを組み合わせて用いてもよい。 The method of generating the atmosphere containing N radicals and O radicals is not particularly limited, but preferably, it can be generated using NO gas or a mixed gas of N 2 gas and O 2 gas as source gas. A mixture of NO gas and a mixture of N 2 gas and O 2 gas may be used.

原料ガスとしてNOガスを用いる場合、図1に示すガス導入管40を通ってNOガスがチャンバー10の内部に導入される際に、ガス導入管40の内部で電圧を印加してプラズマ化処理することによりNラジカル及びOラジカルを生成することができる。例えば、NOガスを、1.69×10-4~1.69×10-2 Pa・m3/sの流量でガス導入管40に通す際に、出力100~200Wでプラズマ化処理して、Nラジカル及びOラジカルを生成し、チャンバー10の内部に導入することができる。 When NO gas is used as the raw material gas, when the NO gas is introduced into the chamber 10 through the gas introduction pipe 40 shown in FIG. Thus, N radicals and O radicals can be generated. For example, when NO gas is passed through the gas introduction pipe 40 at a flow rate of 1.69×10 −4 to 1.69×10 −2 Pa·m 3 /s, plasma treatment is performed at an output of 100 to 200 W, N radicals and O radicals can be generated and introduced into the chamber 10 .

NOガスをプラズマ化処理して生成したNラジカルとOラジカルとを含む雰囲気には、Nラジカル及びOラジカルに加えて、NOガスが含まれ得る。 The atmosphere containing N radicals and O radicals generated by plasmatizing NO gas may contain NO gas in addition to N radicals and O radicals.

原料ガスとしてNガス及びOガスの混合ガスを用いる場合、図1に示すガス導入管40を通ってNガス及びOガスの混合ガスがチャンバー10の内部に導入される際に、ガス導入管40の内部で電圧を印加してプラズマ化処理することによりNラジカル及びOラジカルを生成することができる。例えば、Nガス及びOガスの混合ガスを、1.69×10-4~1.69×10-2 Pa・m3/sの流量でガス導入管40に通す際に、出力100~200Wでプラズマ化処理して、Nラジカル及びOラジカルを生成し、チャンバー10の内部に導入することができる。Nガス及びOガスの流量比は、好ましくは、Nガス及びOガスの合計流量100%に対して、Nガス流量が26%以上である。Nガス及びOガスの合計流量中のNガス流量の割合が大きいほど、窒素密度が大きな酸化ガリウムを得ることができる。Nガス及びOガスの合計流量100%に対するNガス流量の上限は、好ましくは99%以下、より好ましくは90%以下、さらに好ましくは80%以下、さらにより好ましくは74%以下である。 When a mixed gas of N 2 gas and O 2 gas is used as the raw material gas, when the mixed gas of N 2 gas and O 2 gas is introduced into the chamber 10 through the gas introduction pipe 40 shown in FIG. N radicals and O radicals can be generated by applying a voltage inside the gas introduction pipe 40 for plasma treatment. For example, when a mixed gas of N 2 gas and O 2 gas is passed through the gas introduction pipe 40 at a flow rate of 1.69×10 −4 to 1.69×10 −2 Pa·m 3 /s, the output is 100 to 100. A plasma treatment is performed at 200 W to generate N radicals and O radicals, which can be introduced into the chamber 10 . The flow rate ratio of the N2 gas and the O2 gas is preferably 26% or more of the N2 gas flow rate with respect to 100% of the total flow rate of the N2 gas and the O2 gas. Gallium oxide with a higher nitrogen density can be obtained as the proportion of the N2 gas flow rate in the total flow rate of the N2 gas and the O2 gas is greater. The upper limit of the N2 gas flow rate with respect to 100% of the total flow rate of N2 gas and O2 gas is preferably 99% or less, more preferably 90% or less, still more preferably 80% or less, and still more preferably 74% or less. .

ガス及びOガスの混合ガスは、Nガス源及びOガス源(図示せず)から、Nガス源及びOガス源に接続されたNガス及びOガス導入経路(図示せず)を介して、それぞれ、所定の流量でガス導入管40内に導入して形成してもよく、またはガス導入管40内に導入する前にNガスとOガスとを所定の流量で混合して形成してもよい。または、NガスとOガスとが所定の比率で混合された混合ガス源を用いてもよい。 A mixed gas of N2 gas and O2 gas is supplied from an N2 gas source and an O2 gas source (not shown) through an N2 gas and O2 gas introduction path connected to the N2 gas source and the O2 gas source. (not shown), respectively, may be introduced into the gas introduction pipe 40 at a predetermined flow rate, or N 2 gas and O 2 gas may be formed before being introduced into the gas introduction pipe 40. It may be formed by mixing at a predetermined flow rate. Alternatively, a mixed gas source in which N 2 gas and O 2 gas are mixed at a predetermined ratio may be used.

ガス及びOガスの混合ガスをプラズマ化処理して生成したNラジカルとOラジカルとを含む雰囲気には、Nラジカル及びOラジカルに加えて、Nガス及びOガスが含まれ得る。また、そのNラジカル及びOラジカルの量は、Nガス及びOガスの合計流量に等しい流量のNOガスをプラズマ化処理して生成したNラジカル及びOラジカルのそれぞれの量に等しい。したがって、NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気でNドープ酸化ガリウムを堆積する場合、Nガス及びOガスの混合ガスの流量比を変えることで、基板の温度に依らずNドープ密度を制御しうる。 The atmosphere containing N radicals and O radicals generated by plasmatizing a mixed gas of N 2 gas and O 2 gas may contain N 2 gas and O 2 gas in addition to N radicals and O radicals. . Also, the amounts of N radicals and O radicals are equal to the respective amounts of N radicals and O radicals generated by plasmatizing NO gas at a flow rate equal to the total flow rate of N 2 gas and O 2 gas. Therefore, when N-doped gallium oxide is deposited in an atmosphere containing N radicals and O radicals, the N doping density can be controlled independently of the substrate temperature by changing the flow ratio of the mixed gas of N2 gas and O2 gas. I can.

NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気中のラジカル分圧は、好ましくは、7.06×10-5~7.73×10-5 Paである。ラジカル分圧が上記範囲にあることにより、より安定して高密度でNがドープされた結晶性が高い酸化ガリウムを得ることができる。 The radical partial pressure in the atmosphere containing N radicals and O radicals is preferably 7.06×10 -5 to 7.73×10 -5 Pa. When the radical partial pressure is within the above range, gallium oxide doped with N at a high density and high crystallinity can be obtained more stably.

NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気は、目的とする酸化ガリウムの結晶性、電気特性に影響しない限り、不活性ガス等の他の成分を含んでもよい。 The atmosphere containing N radicals and O radicals may contain other components such as inert gas as long as they do not affect the crystallinity and electrical properties of the intended gallium oxide.

NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気でNドープ酸化ガリウムを堆積すると、実質的にβ相のみを含むNドープ酸化ガリウムを得ることができる。酸化ガリウムの最も安定な結晶構造であるβ相のみを含むNドープ酸化ガリウムが得られる点で、NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気でNドープ酸化ガリウムを堆積させることが好ましい。 By depositing N-doped gallium oxide in an atmosphere containing N radicals and O radicals, N-doped gallium oxide substantially containing only the β phase can be obtained. It is preferable to deposit N-doped gallium oxide in an atmosphere containing N radicals and O radicals in that N-doped gallium oxide containing only the β phase, which is the most stable crystal structure of gallium oxide, can be obtained.

NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気でNドープ酸化ガリウムを堆積すると実質的にβ相のみを含むNドープ酸化ガリウムを得ることができる理由は、理論に束縛されるものではないが、NOガスまたはNガス及びOガスの混合ガスをプラズマ化することで高エネルギーの窒素源を注入することになり、この大きなエネルギーによって熱力学的に最も安定なβ相の形成が起きたからであると考えられる。 Without being bound by theory, the reason why N-doped gallium oxide containing substantially only the β phase can be obtained by depositing N-doped gallium oxide in an atmosphere containing N radicals and O radicals is NO gas or It is thought that this is because the high-energy nitrogen source is injected by plasmatizing the mixed gas of N 2 gas and O 2 gas, and this high energy causes the formation of the thermodynamically most stable β phase. be done.

また、NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気でNドープ酸化ガリウムを堆積すると、基板温度が高いほど酸化ガリウムのNドープ密度及び結晶性の両方が向上し、且つ基板温度によってNドープ密度及び結晶性が大きく変動しないので、より安定して、Nドープ密度が大きく結晶性に優れた酸化ガリウムを堆積することができる。基板温度によって、Nドープ密度及び結晶性の両方が安定して向上させることができる点でも、NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気でNドープ酸化ガリウムを堆積させることが好ましい。 In addition, when N-doped gallium oxide is deposited in an atmosphere containing N radicals and O radicals, both the N doping density and the crystallinity of gallium oxide improve as the substrate temperature increases, and the N doping density and the crystallinity increase depending on the substrate temperature. does not fluctuate greatly, it is possible to more stably deposit gallium oxide with a high N-doping density and excellent crystallinity. It is preferable to deposit N-doped gallium oxide in an atmosphere containing N radicals and O radicals because both the N doping density and the crystallinity can be stably improved depending on the substrate temperature.

NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気でNドープ酸化ガリウムを堆積する場合に、基板温度に対する酸化ガリウムのNドープ密度及び結晶性の両方が向上することの理由は、理論に束縛されるものではないが、NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気の有する強い酸化力によって、Nドープ酸化ガリウムの生成反応が安定化することが考えられる。 The reason why both the N-doping density and crystallinity of gallium oxide with respect to the substrate temperature are improved when depositing N-doped gallium oxide in an atmosphere containing N radicals and O radicals is not bound by theory. However, the strong oxidizing power of the atmosphere containing N radicals and O radicals is thought to stabilize the production reaction of N-doped gallium oxide.

チャンバーから排出するNOガス、並びにNラジカル及びOラジカルは、アルカリ性溶液で中和することにより処理することができる。 NO gas and N and O radicals exiting the chamber can be treated by neutralization with an alkaline solution.

酸化ガリウム基板の温度は、好ましくは500℃以上900℃以下である。基板温度を500℃以上に加熱することにより、結晶欠陥を低減し結晶性を向上することができる。基板温度を900℃以下とすることにより、成長速度を向上させ、成膜を容易に行うことができる。そのため、基板の温度が上記好ましい範囲にあることにより、より安定して高密度でNがドープされた結晶性が高い酸化ガリウムを得ることができる。 The temperature of the gallium oxide substrate is preferably 500° C. or higher and 900° C. or lower. By heating the substrate to a temperature of 500° C. or higher, crystal defects can be reduced and the crystallinity can be improved. By setting the substrate temperature to 900° C. or less, the growth rate can be improved, and film formation can be easily performed. Therefore, when the temperature of the substrate is within the above preferred range, it is possible to more stably obtain gallium oxide doped with N at a high density and with high crystallinity.

酸化ガリウム基板の温度は、任意の方法で制御することができる。例えば、基板のNドープ酸化ガリウムを堆積させる側とは反対側の面に赤外線レーザーを照射することにより、基板を所望の温度に加熱することができる。 The temperature of the gallium oxide substrate can be controlled by any method. For example, the substrate can be heated to a desired temperature by irradiating the surface of the substrate opposite to the side on which the N-doped gallium oxide is deposited with an infrared laser.

Nラジカル及びOラジカルを含まず実質的にNOガスのみで構成される雰囲気でNドープ酸化ガリウムを堆積する場合、500℃以上の範囲で基板の温度が高いほど、小さいロッキングカーブ半値幅が得られ、N濃度は若干減少する傾向があるものの依然として高い値を得ることができるが、基板の温度が900℃近くの高温になると、得られる酸化ガリウムの膜厚が減少する。したがって、Nラジカル及びOラジカルを含まず実質的にNOガスのみで構成される雰囲気でNドープ酸化ガリウムを堆積する場合、基板の温度は、より好ましくは500℃以上800℃以下、さらに好ましくは500℃以上700℃以下である。 When N-doped gallium oxide is deposited in an atmosphere that does not contain N radicals or O radicals and consists essentially of NO gas, the higher the substrate temperature in the range of 500° C. or higher, the smaller the rocking curve half width. , the N concentration tends to decrease slightly, but a high value can still be obtained. Therefore, when N-doped gallium oxide is deposited in an atmosphere that does not contain N radicals or O radicals and is substantially composed of only NO gas, the temperature of the substrate is more preferably 500° C. or higher and 800° C. or lower, and still more preferably 500° C. °C or higher and 700 °C or lower.

NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気でNドープ酸化ガリウムを堆積する場合、500~900℃の範囲で基板の温度が高いほど、高いN濃度及び小さいロッキングカーブ半値幅を有するNドープ酸化ガリウムを得ることができる。したがって、NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気でNドープ酸化ガリウムを堆積する場合、基板の温度は、より好ましくは600℃以上900℃以下、さらに好ましくは700℃以上900℃以下である。 When N-doped gallium oxide is deposited in an atmosphere containing N radicals and O radicals, the higher the substrate temperature in the range of 500 to 900° C., the higher the N-doped gallium oxide with a higher N concentration and a smaller rocking curve half-value width. be able to. Therefore, when N-doped gallium oxide is deposited in an atmosphere containing N radicals and O radicals, the substrate temperature is more preferably 600° C. or higher and 900° C. or lower, and still more preferably 700° C. or higher and 900° C. or lower.

本開示の方法で用いる酸化ガリウム基板として、任意の手法で作製したGa23単結晶基板または市販のGa23単結晶基板を用いることができる。Ga23単結晶基板は、α-Ga23単結晶、β-Ga23単結晶、または他の結晶構造を有するGa23単結晶であることができ、好ましくはβ-Ga23単結晶である。 As the gallium oxide substrate used in the method of the present disclosure, a Ga 2 O 3 single crystal substrate produced by any method or a commercially available Ga 2 O 3 single crystal substrate can be used. The Ga 2 O 3 single crystal substrate can be α-Ga 2 O 3 single crystal, β-Ga 2 O 3 single crystal, or Ga 2 O 3 single crystal with other crystal structure, preferably β- It is a Ga 2 O 3 single crystal.

本開示の方法によれば、7×1020/cm3以上のNを含み、X線により測定されるロッキングカーブの半値幅が1.83度以下である、酸化ガリウム単結晶を得ることができる。 According to the method of the present disclosure, it is possible to obtain a gallium oxide single crystal containing N of 7×10 20 /cm 3 or more and having a rocking curve half width of 1.83 degrees or less as measured by X-rays. .

得られる酸化ガリウムは、7.0×1020/cm3以上という高濃度のNがドープされる。イオン注入法でこのような高濃度のNを酸化ガリウム単結晶にドープさせることは困難である。酸化ガリウムは、好ましくは1.3×1021/cm3/cm3以上、より好ましくは1.5×1021/cm3以上のNがドープされる。Nドープ量の上限は特に制限されないが、例えば1.0×1022/cm3を上限としてもよい。 The resulting gallium oxide is doped with N at a high concentration of 7.0×10 20 /cm 3 or higher. It is difficult to dope a gallium oxide single crystal with such a high concentration of N by ion implantation. The gallium oxide is doped with N, preferably at least 1.3×10 21 /cm 3 /cm 3 , more preferably at least 1.5×10 21 /cm 3 . Although the upper limit of the N doping amount is not particularly limited, the upper limit may be, for example, 1.0×10 22 /cm 3 .

得られる酸化ガリウムはまた、X線により測定されるロッキングカーブの半値幅が1.83度以下という良好な結晶性を示す。得られる酸化ガリウムのロッキングカーブの半値幅は、好ましくは0.82度以下、より好ましくは0.25度以下、さらに好ましくは0.21度以下、さらにより好ましくは0.15度以下、さらにより好ましくは0.11度以下である。 The resulting gallium oxide also exhibits good crystallinity such that the half width of the rocking curve measured by X-rays is 1.83 degrees or less. The half width of the rocking curve of gallium oxide obtained is preferably 0.82 degrees or less, more preferably 0.25 degrees or less, still more preferably 0.21 degrees or less, even more preferably 0.15 degrees or less, and even more preferably 0.15 degrees or less. It is preferably 0.11 degrees or less.

酸化ガリウム単結晶中のN密度は、得られた酸化ガリウムを、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)で測定することにより得ることができる。 The N density in the gallium oxide single crystal can be obtained by measuring the obtained gallium oxide by secondary ion mass spectrometry (SIMS).

ロッキングカーブの半値幅は、得られた酸化ガリウムを、X線回折装置を用いて測定することにより得ることができる。 The half width of the rocking curve can be obtained by measuring the obtained gallium oxide using an X-ray diffractometer.

本開示の方法で得られる酸化ガリウムは薄膜であり、好ましくは30~300nmの厚みを有する。本開示の方法で得られる酸化ガリウムは、好ましくはp型酸化ガリウムであり、より好ましくはp型酸化ガリウム単結晶である。また、本開示の方法で得られる酸化ガリウムは、好ましくはβ相及びγ相を含み、より好ましくは実質的にβ相からなる。 Gallium oxide obtained by the method of the present disclosure is a thin film, preferably having a thickness of 30-300 nm. The gallium oxide obtained by the method of the present disclosure is preferably p-type gallium oxide, more preferably p-type gallium oxide single crystal. Also, the gallium oxide obtained by the method of the present disclosure preferably comprises β-phase and γ-phase, more preferably consists essentially of β-phase.

本開示はまた、7×1020/cm3以上のNを含み、X線により測定されるロッキングカーブの半値幅が1.83度以下である、酸化ガリウムを対象とする。 The present disclosure is also directed to gallium oxide containing N of 7×10 20 /cm 3 or more and having a rocking curve half-width measured by X-ray of 1.83 degrees or less.

本開示の酸化ガリウムの構成については、上記製造方法に関して説明した内容を適用することができる。 For the configuration of the gallium oxide of the present disclosure, the content described with respect to the above manufacturing method can be applied.

(実施例1)
図1に示すPLD装置を用い、下記の条件で、酸化ガリウム基板上にNドープ酸化ガリウムを成膜した:
レーザー:周波数10Hz、出力0.5J/cm2
チャンバー内雰囲気:原料ガスとして用いたNOガスをプラズマ化処理して生成したNラジカルとOラジカルとを含む雰囲気(チャンバー内を真空引き後に8.45×10-4 Pa・m3/sのNOガスを100Wでプラズマ化処理);
酸化ガリウム基板:縦10mm、横5mm、及び厚み0.65mmで、主面が(100)面でシリコン(Si)濃度が1×1017/cm3の市販((株)ノベルクリスタルテクノロジー製)のβ-Ga23単結晶;
基板温度:500℃;
ターゲット:主面が(100)面でシリコン(Si)濃度が1×1017/cm3の市販((株)ノベルクリスタルテクノロジー製)のβ-Ga23単結晶。
(Example 1)
Using the PLD apparatus shown in FIG. 1, an N-doped gallium oxide film was formed on a gallium oxide substrate under the following conditions:
Laser: frequency 10 Hz, output 0.5 J/cm 2 ;
Atmosphere in the chamber: Atmosphere containing N radicals and O radicals generated by plasma treatment of NO gas used as a raw material gas (8.45 × 10 -4 Pa·m 3 /s of NO after evacuating the chamber) Plasma treatment of gas at 100 W);
Gallium oxide substrate: 10 mm long, 5 mm wide, and 0.65 mm thick. β-Ga 2 O 3 single crystal;
Substrate temperature: 500°C;
Target: A commercially available β-Ga 2 O 3 single crystal (manufactured by Novel Crystal Technology Co., Ltd.) having a (100) plane and a silicon (Si) concentration of 1×10 17 /cm 3 .

(実施例2)
基板温度を700℃にしたこと以外は、実施例1と同じ条件でNドープ酸化ガリウムを成膜した。
(Example 2)
An N-doped gallium oxide film was formed under the same conditions as in Example 1, except that the substrate temperature was set to 700.degree.

(実施例3)
基板温度を900℃にしたこと以外は、実施例1と同じ条件でNドープ酸化ガリウムを成膜した。
(Example 3)
An N-doped gallium oxide film was formed under the same conditions as in Example 1, except that the substrate temperature was set to 900.degree.

(実施例4)
チャンバー内を真空引き後にプラズマ化処理を行わずに0.13PaのNOガスを導入し、チャンバー内雰囲気を0.13PaのNOガスとしたこと以外は、実施例1と同じ条件でNドープ酸化ガリウムを成膜した。
(Example 4)
N-doped gallium oxide was produced under the same conditions as in Example 1, except that 0.13 Pa of NO gas was introduced without plasma treatment after the chamber was evacuated, and the atmosphere in the chamber was changed to 0.13 Pa of NO gas. was deposited.

(実施例5)
基板温度を700℃にしたこと以外は、実施例4と同じ条件でNドープ酸化ガリウムを成膜した。
(Example 5)
An N-doped gallium oxide film was formed under the same conditions as in Example 4, except that the substrate temperature was set to 700.degree.

(実施例6)
基板温度を900℃にしたこと以外は、実施例4と同じ条件でNドープ酸化ガリウムを成膜した。
(Example 6)
An N-doped gallium oxide film was formed under the same conditions as in Example 4, except that the substrate temperature was set to 900.degree.

(実施例7)
原料ガスとしてNガス及びOガスの混合ガスを用い、チャンバー内雰囲気を、Nガス及びOガスの混合ガスをプラズマ化処理して生成したNラジカルとOラジカルとを含む雰囲気(チャンバー内を真空引き後に2.197×10-4 Pa・m3/sのNガス及び6.253×10-4 Pa・m3/sのOガスの混合ガスを100Wでプラズマ化処理)としたこと以外は、実施例1と同じ条件でNドープ酸化ガリウムを成膜した。
(Example 7)
A mixed gas of N 2 gas and O 2 gas is used as the raw material gas, and the atmosphere in the chamber is an atmosphere containing N radicals and O radicals generated by plasma processing the mixed gas of N 2 gas and O 2 gas (chamber After evacuating the inside, a mixed gas of 2.197 × 10 -4 Pa·m 3 /s N 2 gas and 6.253 × 10 -4 Pa·m 3 /s O 2 gas is plasmatized at 100 W) An N-doped gallium oxide film was formed under the same conditions as in Example 1, except for the above.

(実施例8)
原料ガスとして4.225×10-4 Pa・m3/sのNガス及び4.225×10-4 Pa・m3/sのOガスの混合ガスを用いたこと以外は、実施例7と同じ条件でNドープ酸化ガリウムを成膜した。
(Example 8)
Except that a mixed gas of 4.225×10 −4 Pa·m 3 /s N 2 gas and 4.225×10 −4 Pa·m 3 /s O 2 gas was used as the source gas. N-doped gallium oxide was deposited under the same conditions as in 7.

(実施例9)
原料ガスとして6.253×10-4 Pa・m3/sのNガス及び2.197×10-4 Pa・m3/sのOガスの混合ガスを用いたこと以外は、実施例7と同じ条件でNドープ酸化ガリウムを成膜した。
(Example 9)
Except that a mixed gas of 6.253×10 −4 Pa·m 3 /s N 2 gas and 2.197×10 −4 Pa·m 3 /s O 2 gas was used as the source gas. N-doped gallium oxide was deposited under the same conditions as in 7.

(窒素密度測定)
得られた酸化ガリウムの窒素密度及び膜厚を、SIMSで測定した。1次イオンビームをCs+イオン、1次イオンビームエネルギーを14.5keVとし、N標準試料としてEAG社の標準試料を用いた。
(Nitrogen density measurement)
The nitrogen density and film thickness of the obtained gallium oxide were measured by SIMS. The primary ion beam was Cs + ions, the primary ion beam energy was 14.5 keV, and the standard sample of EAG was used as the N standard sample.

(ロッキングカーブの半値幅測定)
得られた酸化ガリウムについて、ロッキングカーブの半値幅を測定して結晶性評価を行った。ロッキングカーブの半値幅は、X線回折装置(株式会社リガク製、SmartLab)を用い、CuKα1線(λ=1.54056Å)を照射して、測定した。
(Half width measurement of rocking curve)
The obtained gallium oxide was evaluated for crystallinity by measuring the half width of the rocking curve. The half width of the rocking curve was measured by irradiating CuKα1 rays (λ=1.54056 Å) using an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku Corporation, SmartLab).

表1に、実施例及び比較例における雰囲気及び基板温度(成膜温度)、並びに得られたNドープ酸化ガリウムの厚みを示す。 Table 1 shows the atmosphere, the substrate temperature (film formation temperature), and the thickness of the obtained N-doped gallium oxide in Examples and Comparative Examples.

Figure 0007176977000001
Figure 0007176977000001

表2及び図2に、基板温度と得られた酸化ガリウムのロッキングカーブ半値幅との関係を表す。 Table 2 and FIG. 2 show the relationship between the substrate temperature and the obtained rocking curve half width of gallium oxide.

Figure 0007176977000002
Figure 0007176977000002

表3及び図3に、基板温度と得られた酸化ガリウムの窒素密度との関係を表す。 Table 3 and FIG. 3 show the relationship between the substrate temperature and the nitrogen density of the obtained gallium oxide.

Figure 0007176977000003
Figure 0007176977000003

図4に、実施例1で作製したNドープ酸化ガリウムの非対称面XRD測定の結果を示す。NOガスをプラズマ化処理して生成したNラジカルとOラジカルとを含む雰囲気で作製したNドープ酸化ガリウムは、γ相の存在を示す2θ=30°にはほとんどピークがみられず、2θ=64°にのみ大きなピークがみられ、実質的にβ相のみが含まれる単結晶であることが分かった。 FIG. 4 shows the result of the asymmetric plane XRD measurement of the N-doped gallium oxide produced in Example 1. As shown in FIG. In the N-doped gallium oxide produced in an atmosphere containing N radicals and O radicals generated by the plasma treatment of NO gas, almost no peak was observed at 2θ = 30°, which indicates the presence of the γ phase, and 2θ = 64°. A large peak was observed only in °, and it was found to be a single crystal containing substantially only the β phase.

図5に、実施例4で作製したNドープ酸化ガリウムの非対称面XRD測定の結果を示す。NOガスのみを含む雰囲気で作製したNドープ酸化ガリウムには、2θ=30°及び2θ=63°にピークがみられ、β相及びγ相が含まれることが分かった。 FIG. 5 shows the result of the asymmetric plane XRD measurement of the N-doped gallium oxide produced in Example 4. As shown in FIG. It was found that the N-doped gallium oxide produced in an atmosphere containing only NO gas had peaks at 2θ=30° and 2θ=63°, and contained β phase and γ phase.

図6に、実施例4でNOガスをプラズマ化処理した際に測定したプラズマの発光スペクトルと、実施例8でNガス及びOガスの混合ガスをプラズマ化処理した際に測定したプラズマの発光スペクトルとを示す。発光スペクトルの測定には、マルチチャンネル分光器(オーシャンオプティクス社製、FLAME-S、200~850nmの波長帯域が測定可能なグレーティングを使用)を用いた。NOガスをプラズマ化処理した際のNラジカル及びOラジカルの発光スペクトルと、Nガス及びOガスの混合ガスをプラズマ化処理した際のNラジカル及びOラジカルの発光スペクトルとは、ほぼ同じであった。 FIG. 6 shows the emission spectrum of the plasma measured when the NO gas was plasmatized in Example 4, and the plasma emission spectrum measured when the mixed gas of N 2 gas and O 2 gas was plasmatized in Example 8. and emission spectra. A multichannel spectrometer (FLAME-S manufactured by Ocean Optics, using a grating capable of measuring a wavelength band of 200 to 850 nm) was used for the measurement of the emission spectrum. The emission spectrum of N radicals and O radicals when NO gas is plasmatized and the emission spectrum of N radicals and O radicals when a mixed gas of N 2 gas and O 2 gas is plasmatized are almost the same. there were.

図7に、実施例7~9でNガス流量及びOガス流量の比率を変更してプラズマ化処理したときの、波長616nmにおけるOラジカルの発光スペクトルの強度に対する波長747nmにけるNラジカルの発光スペクトルのN/Oラジカルピーク強度比(Nラジカルピーク強度/Oラジカルピーク強度)を示す。図7にはまた、実施例1でNOガスをプラズマ化処理したときのN/Oラジカルピーク強度比を示す。図7にはまた、参考データとして、Nガス流量を0Pa・m3/sとしOガス流量を8.45×10-4 Pa・m3/sとしてプラズマ化処理したとき、及びNガス流量を8.45×10-4 Pa・m3/sとしOガス流量を0Pa・m3/sとしてプラズマ化処理したときの、N/Oラジカルピーク強度比を示す。 FIG. 7 shows the intensity of the emission spectrum of O radicals at a wavelength of 616 nm versus the intensity of the emission spectrum of N radicals at a wavelength of 747 nm when the plasma treatment was performed by changing the ratio of the N 2 gas flow rate and the O 2 gas flow rate in Examples 7 to 9. The N/O radical peak intensity ratio (N radical peak intensity/O radical peak intensity) of the emission spectrum is shown. FIG. 7 also shows the N/O radical peak intensity ratio when the NO gas is plasmatized in Example 1. As shown in FIG. FIG. 7 also shows, as reference data, the case of plasma treatment with an N 2 gas flow rate of 0 Pa·m 3 /s and an O 2 gas flow rate of 8.45×10 −4 Pa·m 3 /s, and N 2 gas flow rate. The N/O radical peak intensity ratio is shown when the gas flow rate is set to 8.45×10 −4 Pa·m 3 /s and the O 2 gas flow rate is set to 0 Pa·m 3 /s for plasma treatment.

N/Oラジカルピーク強度比は、Nガス流量及びOガス流量の混合比に比例して変化しており、Nガス流量及びOガス流量の混合比により、プラズマ中の活性原子比を制御可能であることが示された。また、実施例1でNOガスをプラズマ化処理した際のN/Oラジカルピーク強度比と、実施例8でNガス及びOガスの混合ガスをプラズマ化処理した際のN/Oラジカルピーク強度比とは、ほぼ同じであった。 The N /O radical peak intensity ratio changes in proportion to the mixing ratio of the N2 gas flow rate and the O2 gas flow rate. was shown to be controllable. In addition, the N / O radical peak intensity ratio when NO gas is plasmatized in Example 1, and the N / O radical peak when plasmatization is performed on a mixed gas of N 2 gas and O 2 gas in Example 8 The intensity ratio was almost the same.

100 PLD装置
10 チャンバー
20 ターゲット
30 酸化ガリウム基板
40 ガス導入管
REFERENCE SIGNS LIST 100 PLD device 10 chamber 20 target 30 gallium oxide substrate 40 gas inlet pipe

Claims (5)

酸化ガリウム基板上に、パルスレーザー堆積法を用いて、NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気、NOガスを含む雰囲気、またはそれらの組み合わせを含む雰囲気中で、Nがドープされた酸化ガリウムを堆積させることを含み、
ターゲットとして酸化ガリウムを用い、かつ、
NOガスをプラズマ化処理、あるいは、N ガス及びO ガスの混合ガスをプラスマ化処理して、前記NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気を生成する、
酸化ガリウムの製造方法。
N-doped gallium oxide is deposited on a gallium oxide substrate using a pulsed laser deposition method in an atmosphere containing N radicals and O radicals, an atmosphere containing NO gas, or a combination thereof. including
using gallium oxide as a target, and
Plasma treatment of NO gas or plasma treatment of a mixed gas of N gas and O gas to generate an atmosphere containing the N radicals and O radicals ;
A method for producing gallium oxide.
前記NOガスをプラズマ化処理するとき、前記NOガスの流量を1.69×10When the NO gas is plasmatized, the flow rate of the NO gas is 1.69 × 10 -4-4 ~1.69×10~1.69 x 10 -2-2 Pa・mPa・m 3 /sにし、前記N/s, and the N 2 ガス及びOgas and O 2 ガスの混合ガスをプラスマ化処理するとき、前記NWhen the mixed gas of gases is subjected to plasma treatment, the N 2 ガス及びOgas and O 2 ガスの混合ガスの流量を1.69×10The flow rate of the mixed gas of the gas is 1.69 × 10 -4-4 ~1.69×10~1.69 x 10 -2-2 Pa・mPa・m 3 /sにする、請求項1に記載の酸化ガリウムの製造方法。/s. 前記酸化ガリウム基板の温度を、500℃以上900℃以下とすることを含む、請求項1又は2に記載の酸化ガリウムの製造方法。 3. The method for producing gallium oxide according to claim 1, comprising setting the temperature of said gallium oxide substrate to 500[deg.] C. or more and 900[deg.] C. or less. 前記NラジカルとOラジカルとを含む雰囲気中で、前記Nがドープされた酸化ガリウムを堆積させることを含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の酸化ガリウムの製造方法。 4. The method for producing gallium oxide according to claim 1, comprising depositing said N-doped gallium oxide in an atmosphere containing said N radicals and O radicals. 7×1020/cm以上のNを含み、X線により測定されるロッキングカーブの半値幅が1.83度以下である、酸化ガリウム。 Gallium oxide containing N of 7×10 20 /cm 3 or more and having a rocking curve half-value width measured by X-ray of 1.83 degrees or less.
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