JP7265624B2 - semiconductor film - Google Patents
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Description
本発明は、α-Ga2O3系半導体膜に関する。The present invention relates to an α-Ga 2 O 3 based semiconductor film.
近年、酸化ガリウム(Ga2O3)が半導体用材料として着目されている。酸化ガリウムはα、β、γ、δ及びεの5つの結晶形を有することが知られているが、この中で、準安定相であるα-Ga2O3はバンドギャップが5.3eVと非常に大きく、パワー半導体用材料として期待を集めている。In recent years, gallium oxide (Ga 2 O 3 ) has attracted attention as a semiconductor material. Gallium oxide is known to have five crystal forms of α, β, γ, δ and ε . It is very large and is expected to be used as a material for power semiconductors.
例えば、特許文献1(特開2014-72533号公報)には、コランダム型結晶構造を有する下地基板と、コランダム型結晶構造を有する半導体層と、コランダム型結晶構造を有する絶縁膜とを備えた半導体装置が開示されており、サファイア基板上に、半導体層としてα-Ga2O3膜を形成した例が記載されている。また、特許文献2(特開2016-25256号公報)には、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体を主成分として含むn型半導体層と、六方晶の結晶構造を有する無機化合物を主成分とするp型半導体層と、電極とを備えた半導体装置が開示されている。この特許文献2の実施例には、c面サファイア基板上に、n型半導体層として準安定相であるコランダム構造を有するα-Ga2O3膜を、p型半導体層として六方晶の結晶構造を有するα-Rh2O3膜を形成して、ダイオードを作製することが開示されている。For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-72533) discloses a semiconductor comprising an underlying substrate having a corundum-type crystal structure, a semiconductor layer having a corundum-type crystal structure, and an insulating film having a corundum-type crystal structure. A device is disclosed, and an example is described in which an α-Ga 2 O 3 film is formed as a semiconductor layer on a sapphire substrate. Further, in Patent Document 2 (JP 2016-25256 A), an n-type semiconductor layer containing as a main component a crystalline oxide semiconductor having a corundum structure, and an inorganic compound having a hexagonal crystal structure as a main component A semiconductor device comprising a p-type semiconductor layer and an electrode is disclosed. In the example of Patent Document 2, an α-Ga 2 O 3 film having a metastable phase corundum structure as an n-type semiconductor layer and a hexagonal crystal structure as a p-type semiconductor layer are formed on a c-plane sapphire substrate. to fabricate a diode by forming an α-Rh 2 O 3 film having
ところで、α-Ga2O3膜はコランダム型結晶構造を有するが、コランダム型結晶構造のc面は3回対称であるのに対し、c軸を回転軸として60°回転した回転ドメインが部分的に発生し、デバイス特性を悪化させてしまうという問題がある。この点、バッファ層の導入により回転ドメインの含有量が少ない膜を作製する手法が提案されている。例えば、特許文献3(特開2016-156073号公報)には、コランダム構造を有する酸化物を主成分とする第1の層と、アルミニウムを含む酸化物を主成分とする第2の層とが交互に積層された量子井戸構造が開示されており、かかる量子井戸構造が回転ドメイン及び反りを低減可能なバッファ層として有用であることが記載されている。また、特許文献4(特開2016-157878号公報)には、コランダム構造を有する酸化物半導体を主成分とし、回転ドメインの含有率が0.02体積%以下である、結晶性酸化物半導体膜が開示されており、特許文献3と同様の構成の量子井戸構造をバッファ層として用いることも記載されている。By the way, the α-Ga 2 O 3 film has a corundum-type crystal structure, and the c-plane of the corundum-type crystal structure has three-fold symmetry. However, there is a problem that it occurs at the time and degrades the device characteristics. In this respect, a technique has been proposed for fabricating a film with a low content of rotational domains by introducing a buffer layer. For example, Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2016-156073) describes a first layer mainly composed of an oxide having a corundum structure and a second layer mainly composed of an oxide containing aluminum. Alternately stacked quantum well structures are disclosed and said to be useful as buffer layers capable of reducing rotational domains and bowing. In addition, Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-157878) describes a crystalline oxide semiconductor film that is mainly composed of an oxide semiconductor having a corundum structure and has a rotation domain content of 0.02% by volume or less. is disclosed, and it is also described that a quantum well structure having a configuration similar to that of Patent Document 3 is used as a buffer layer.
しかしながら、特許文献3及び4に開示されるような従来技術では、直径5.08cm(2インチ)以上の大口径の基板を用いてα-Ga2O3膜を形成する場合、膜の中心部から外周部に至るまでの広範囲にわたって回転ドメインを実質的に含まないα-Ga2O3系半導体膜を形成することは困難であった。However, in the conventional techniques disclosed in
本発明者らは、今般、膜の中心部から外周部に至るまでの広範囲にわたって回転ドメインを実質的に含まないα-Ga2O3系半導体膜を形成することができ、それによりα-Ga2O3系半導体膜を用いて作製したデバイスの特性を均一化できるとの知見を得た。The present inventors have now been able to form an α-Ga 2 O 3 -based semiconductor film substantially free of rotational domains over a wide range from the center to the periphery of the film, thereby The inventors have found that the characteristics of a device fabricated using a 2 O 3 based semiconductor film can be made uniform.
したがって、本発明の目的は、デバイス特性を均一化可能なα-Ga2O3系半導体膜を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an α-Ga 2 O 3 -based semiconductor film capable of uniforming device characteristics.
本発明の一態様によれば、α-Ga2O3、又はα-Ga2O3系固溶体で構成されるコランダム型結晶構造を有する結晶を主相とする半導体膜であって、
前記半導体膜が直径5.08cm(2インチ)以上のサイズの円形状であり、
前記半導体膜の表面の中心点X並びに4つの外周点A、B、C及びDの各々において、前記結晶の(104)面に対してX線回折(XRD)φスキャン測定を行った場合に、主ピークのピーク強度に対する、回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度の割合が1.00%以下であり、
前記外周点A、B、C及びDが、i)前記外周点A及び前記外周点Cを結ぶ直線と、前記外周点B及び前記外周点Dを結ぶ直線とが前記中心点Xで直角に交わり、かつ、ii)前記外周点A、B、C及びDの前記半導体膜の外縁からの各最短距離が前記半導体膜の半径の1/5となるように定められる、半導体膜が提供される。According to one aspect of the present invention, a semiconductor film whose main phase is a crystal having a corundum-type crystal structure composed of α-Ga 2 O 3 or α-Ga 2 O 3 -based solid solution,
The semiconductor film has a circular shape with a diameter of 5.08 cm (2 inches) or more,
When X-ray diffraction (XRD) φ scan measurement is performed on the (104) plane of the crystal at each of the center point X and the four peripheral points A, B, C and D on the surface of the semiconductor film, The ratio of the peak intensity of the secondary peak due to the rotation domain to the peak intensity of the main peak is 1.00% or less,
i) a straight line connecting the outer peripheral points A and C and a straight line connecting the outer peripheral points B and D intersect at right angles at the center point X; and ii) a semiconductor membrane, wherein each of the shortest distances of the perimeter points A, B, C and D from the outer edge of the semiconductor membrane is defined to be ⅕ of the radius of the semiconductor membrane.
本発明の他の一態様によれば、直径5.08cm(φ2インチ)以上のサイズの円形状の支持基板と、前記支持基板上に形成された前記半導体膜とを備えた、複合材料が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a composite material comprising a circular support substrate with a diameter of 5.08 cm (φ2 inches) or more, and the semiconductor film formed on the support substrate. be done.
半導体膜
本発明による半導体膜は、コランダム型結晶構造を有する結晶を主相とするものであり、このコランダム型結晶構造はα-Ga2O3、又はα-Ga2O3系固溶体で構成される。したがって、本発明による半導体膜は、α-Ga2O3系半導体膜と称することができる。この半導体膜は直径5.08cm(2インチ)以上のサイズの円形状である。そして、半導体膜の表面の中心点X並びに4つの外周点A、B、C及びDの各々において、結晶の(104)面に対してX線回折(XRD)φスキャン測定を行った場合に、主ピークのピーク強度に対する、回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度の割合が1.00%以下である。図1に示される半導体膜10のように、外周点A、B、C及びDは、i)外周点A及び外周点Cを結ぶ直線と、外周点B及び外周点Dを結ぶ直線とが中心点Xで直角に交わり、かつ、ii)外周点A、B、C及びDの半導体膜の外縁からの各最短距離が半導体膜の半径の1/5となるように定められる。このように互いに十分に離れた5点において回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度の割合が1.00%以下であるα-Ga2O3系半導体膜は、膜の中心部から外周部に至るまでの広範囲にわたって回転ドメインを実質的に含まない(回転ドメインの含有量が極度に少ない)ものということができ、かかる半導体膜を用いて作製したデバイスの特性を均一化することができる。「デバイスの特性を均一化」とは、同じ半導体膜の異なる箇所から複数のデバイスを作製した場合であっても、それにより得られる複数のデバイス間でデバイス特性のバラつきが少ない(デバイスが均質化されている)ことを意味する。前述したように、従来技術においては、直径5.08cm(2インチ)以上の大口径の基板を用いてα-Ga2O3膜を形成する場合、膜の中心部から外周部に至るまでの広範囲にわたって回転ドメインを実質的に含まないα-Ga2O3系半導体膜を形成することは困難であったが、本発明によればかかる問題を解消して、デバイスの特性を均一化可能とする程に広範囲にわたって回転ドメインを実質的に含まないα-Ga2O3系半導体膜を提供することができる。 Semiconductor Film The semiconductor film according to the present invention has a main phase of crystals having a corundum type crystal structure, and the corundum type crystal structure is composed of α-Ga 2 O 3 or an α-Ga 2 O 3 solid solution. be. Therefore, the semiconductor film according to the present invention can be called an α-Ga 2 O 3 -based semiconductor film. The semiconductor film is circular with a size of 5.08 cm (2 inches) or more in diameter. Then, when X-ray diffraction (XRD) φ scan measurement is performed on the (104) plane of the crystal at each of the center point X and the four peripheral points A, B, C and D on the surface of the semiconductor film, The ratio of the peak intensity of the secondary peak due to the rotation domain to the peak intensity of the main peak is 1.00% or less. Like the
上述のとおり、本発明の半導体膜は、コランダム型結晶構造を有する結晶を主相とするものである。本明細書において「コランダム型結晶構造を有する結晶を主相とする」とは、コランダム型結晶構造を有する結晶が半導体膜の80重量%以上、好ましくは90重量%以上、より好ましくは95重量%以上、さらに好ましくは97重量%以上、特に好ましくは99重量%以上、最も好ましくは100重量%を占めていることを意味する。このコランダム型結晶構造はα-Ga2O3、又はα-Ga2O3系固溶体で構成される。α-Ga2O3は、三方晶系の結晶群に属し、コランダム型結晶構造をとり、そのc面は3回対称である。また、α-Ga2O3系固溶体は、α-Ga2O3に他の成分が固溶したものであり、コランダム型結晶構造が維持されている。例えば、本発明の半導体膜は、α-Ga2O3に、Cr2O3、Fe2O3、Ti2O3、V2O3、Ir2O3、Rh2O3、In2O3及びAl2O3からなる群から選択される1種以上の成分が固溶したα-Ga2O3系固溶体で構成されるものとすることができる。これらの成分はいずれもコランダム型結晶構造を有し、かつ、互いに格子定数が比較的近い。したがって、これらの成分の金属原子は固溶体中で容易にGa原子を置換する。また、これらの成分を固溶させることで半導体膜のバンドギャップ、電気特性、及び/又は格子定数を制御することが可能となる。これらの成分の固溶量は所望の特性に合わせて適宜変更することができる。As described above, the semiconductor film of the present invention has a main phase of crystals having a corundum crystal structure. In the present specification, the phrase "a crystal having a corundum-type crystal structure as the main phase" means that a crystal having a corundum-type crystal structure is 80% by weight or more, preferably 90% by weight or more, more preferably 95% by weight of the semiconductor film. More preferably 97% by weight or more, particularly preferably 99% by weight or more, and most preferably 100% by weight. This corundum type crystal structure is composed of α-Ga 2 O 3 or α-Ga 2 O 3 solid solution. α-Ga 2 O 3 belongs to the trigonal crystal group, has a corundum-type crystal structure, and its c-plane has three-fold symmetry. The α-Ga 2 O 3 -based solid solution is a solid solution of other components in α-Ga 2 O 3 and maintains a corundum-type crystal structure. For example, the semiconductor film of the present invention contains α-Ga 2 O 3 , Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Ti 2 O 3 , V 2 O 3 , Ir 2 O 3 , Rh 2 O 3 , In 2 O 3 and Al 2 O 3 . All of these components have a corundum-type crystal structure, and lattice constants are relatively close to each other. Therefore, metal atoms of these components readily replace Ga atoms in solid solution. In addition, it is possible to control the bandgap, electrical properties, and/or lattice constant of the semiconductor film by dissolving these components. The solid solution amount of these components can be appropriately changed according to the desired properties.
本発明の半導体膜は、直径5.08cm(2インチ)以上のサイズの円形状であり、10.0cm以上のサイズであってもよい。半導体膜のサイズの上限値は特に限定されないが、典型的には直径30.0cm以下、より典型的には直径20.0cm以下である。なお、本明細書において、「円形状」とは、完全な円形状である必要はなく、全体として概ね円形と認識されうる略円形状であってもよい。例えば、円形の一部が結晶方位の特定又はその他の目的のために切り欠かれた形状であってもよい。 The semiconductor films of the present invention are circular in size with a diameter of 5.08 cm (2 inches) or greater, and may have a size of 10.0 cm or greater. Although the upper limit of the size of the semiconductor film is not particularly limited, it is typically 30.0 cm or less in diameter, more typically 20.0 cm or less in diameter. In this specification, the “circular shape” does not have to be a perfect circular shape, and may be a substantially circular shape that can be recognized as a generally circular shape as a whole. For example, a circular shape may be partially notched for specifying crystal orientation or for other purposes.
本発明の半導体膜は、その表面の中心点X並びに4つの外周点A、B、C及びDの各々において、結晶の(104)面に対してX線回折(XRD)φスキャン測定を行った場合に、主ピークのピーク強度に対する、回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度の割合が1.00%以下であり、好ましくは0.50%以下、より好ましくは0.10%以下である。デバイス特性の均一化の観点から、回転ドメインは少なければ少ない方が良いため、回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度の割合の下限値は特に限定されず、理想的には0%である。 The semiconductor film of the present invention was subjected to X-ray diffraction (XRD) φ scan measurements on the (104) plane of the crystal at the central point X of the surface and each of the four peripheral points A, B, C and D. In this case, the ratio of the peak intensity of the secondary peak caused by the rotational domain to the peak intensity of the main peak is 1.00% or less, preferably 0.50% or less, and more preferably 0.10% or less. From the viewpoint of uniformity of device characteristics, the smaller the number of rotating domains, the better. Therefore, the lower limit of the peak intensity ratio of the sub-peaks caused by rotating domains is not particularly limited, and is ideally 0%.
本発明の半導体膜は、中心点Xで測定された主ピークのピーク強度に対する、回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度の割合をIX%とし、かつ、外周点A、B、C及びDで測定された主ピークのピーク強度に対する、回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度の割合の算術平均値をIM%とした場合に、|IX-IM|≦0.20の関係を満たすことが好ましく、より好ましくは|IX-IM|≦0.10、さらに好ましくは|IX-IM|≦0.05の関係を満たし、最も好ましくは|IX-IM|=0の関係を満たす。これらの関係は、半導体膜の中心部と外周部で回転ドメインの含有量の差が小さいことを意味することから、デバイス特性の均一化をより効果的に実現することができる。In the semiconductor film of the present invention, the ratio of the peak intensity of the secondary peak due to the rotating domain to the peak intensity of the main peak measured at the center point X is IX %, and the peripheral points A, B, C and D When the arithmetic mean value of the ratio of the peak intensity of the secondary peak due to the rotation domain to the peak intensity of the main peak measured in |I X -I M |≤0.10, more preferably |I X -I M |≤0.05, and most preferably |I X -I M |= 0 relationship is satisfied. These relationships mean that there is little difference in the content of rotational domains between the central portion and the outer peripheral portion of the semiconductor film, so that it is possible to more effectively achieve uniform device characteristics.
デバイス特性の均一化の観点から、本発明の半導体膜は、中心点X並びに外周点A、B、C及びDで測定された膜厚の算術平均値が2.0μm以上であるのが好ましく、より好ましくは3.0μm以上、さらに好ましくは5.0μm以上である。このように膜厚が大きいと、デバイス作製時のクラック発生によるデバイス特性の悪化を回避でき、デバイス特性の均一化をより効果的に実現することができる。従来、膜厚を大きくしようとすると回転ドメインが特に発生し易く、膜厚の増大と回転ドメインの低減の両立は困難であったところ、本発明の半導体膜によればそのような問題を伴うことなく膜厚を大きくすることができる。膜厚の上限は特に限定されず、コスト面及び要求される特性の観点から適宜調整すればよいが、例えば50μm以下、20μm以下又は10μm以下である。自立した半導体膜が必要な場合は厚い膜とすればよく、このような観点からは、例えば50μm以上、又は100μm以上であり、コスト面の制限がない限り特に上限はない。 From the viewpoint of uniformity of device characteristics, the semiconductor film of the present invention preferably has an arithmetic mean value of 2.0 μm or more of the film thickness measured at the center point X and the outer peripheral points A, B, C and D, It is more preferably 3.0 μm or more, still more preferably 5.0 μm or more. When the film thickness is large in this way, it is possible to avoid the deterioration of device characteristics due to the occurrence of cracks during device fabrication, and it is possible to more effectively realize the uniformity of device characteristics. Conventionally, when an attempt is made to increase the film thickness, rotational domains are particularly likely to occur, making it difficult to achieve both an increase in film thickness and a reduction in the number of rotational domains. The film thickness can be increased without The upper limit of the film thickness is not particularly limited, and may be adjusted as appropriate from the viewpoint of cost and required properties. If a self-supporting semiconductor film is required, a thick film may be used. From this point of view, the thickness is, for example, 50 μm or more, or 100 μm or more, and there is no particular upper limit unless there is a cost limit.
本発明の半導体膜は、中心点X並びに外周点A、B、C及びDで測定された体積抵抗率がいずれも0.10Ω・cm以下であるのが好ましく、より好ましくは0.0001~0.10Ω・cm、さらに好ましくは0.0005~0.05Ω・cm、特に好ましくは0.001~0.03Ω・cmである。このように、膜の中心部から外周部に至るまでの広範囲にわたって体積抵抗率が低いことで、デバイス特性の均一化をより効果的に実現することができる。従来、体積抵抗率を下げようとすると回転ドメインが特に発生し易く、体積抵抗率の低下と回転ドメインの低減の両立は困難であったところ、本発明の半導体膜によればそのような問題を伴うことなく体積抵抗率を低くすることができる。 The semiconductor film of the present invention preferably has a volume resistivity of 0.10 Ω cm or less, more preferably 0.0001 to 0.0001 to 0.0001 to 0.0001 to 0.0001. 0.10 Ω·cm, more preferably 0.0005 to 0.05 Ω·cm, particularly preferably 0.001 to 0.03 Ω·cm. Since the volume resistivity is low over a wide range from the central portion to the outer peripheral portion of the film, it is possible to more effectively achieve uniform device characteristics. Conventionally, when an attempt is made to lower the volume resistivity, rotation domains are particularly likely to occur, and it has been difficult to achieve both a reduction in volume resistivity and a reduction in rotation domains. volume resistivity can be lowered without
本発明の半導体膜は、中心点X並びに外周点A、B、C及びDで測定された体積抵抗率の最大値Rmaxと最小値Rminが、[(Rmax-Rmin)/Rmax]≦0.20の関係を満たすのが好ましく、より好ましくは[(Rmax-Rmin)/Rmax]≦0.10、さらに好ましくは[(Rmax-Rmin)/Rmax]≦0.05、理想的には[(Rmax-Rmin)/Rmax]=0の関係を満たす。このように、膜の中心部から外周部に至るまでの広範囲にわたって体積抵抗率のバラつきが小さいことで、デバイス特性の均一化をより効果的に実現することができる。In the semiconductor film of the present invention, the maximum value R max and the minimum value R min of volume resistivity measured at the center point X and the peripheral points A, B, C and D are [(R max −R min )/R max ]≦0.20, more preferably [(R max −R min )/R max ]≦0.10, still more preferably [(R max −R min )/R max ]≦0 .05, ideally satisfying the relationship [(R max −R min )/R max ]=0. In this way, the variation in volume resistivity is small over a wide range from the central portion to the outer peripheral portion of the film, making it possible to more effectively achieve uniform device characteristics.
本発明の半導体膜は、ドーパントとして14族元素を含むことができる。ここで、14族元素はIUPAC(国際純正・応用化学連合)が策定した周期律表による第14族元素のことであり、具体的には、炭素(C)、珪素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、錫(Sn)及び鉛(Pb)のいずれかの元素である。半導体膜におけるドーパント(14族元素)の含有量は、好ましくは1.0×1016~1.0×1021/cm3、より好ましくは1.0×1017~1.0×1019/cm3である。これらのドーパントは膜中に均質に分布し、半導体膜の表面と裏面のドーパント濃度は同程度であることが好ましい。従来、ドーパントを添加すると回転ドメインが特に発生し易く、ドーパントの添加と回転ドメインの低減の両立は困難であったところ、本発明の半導体膜によればそのような問題を伴うことなくドーパントを添加することができる。The semiconductor film of the present invention can contain a Group 14 element as a dopant. Here, the group 14 element is a group 14 element according to the periodic table formulated by IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), specifically carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge ), tin (Sn), and lead (Pb). The content of the dopant (group 14 element) in the semiconductor film is preferably 1.0×10 16 to 1.0×10 21 /cm 3 , more preferably 1.0×10 17 to 1.0×10 19 /cm 3 . cm3 . It is preferable that these dopants are homogeneously distributed in the film and that the dopant concentrations on the front surface and the back surface of the semiconductor film are approximately the same. Conventionally, when a dopant is added, rotational domains are particularly likely to occur, making it difficult to achieve both dopant addition and rotational domain reduction. However, according to the semiconductor film of the present invention, the dopant is added without such problems. can do.
本発明の半導体膜は、膜単独の自立膜の形態であってもよいし、支持基板上に形成されたものであってもよい。後者の場合、本発明の半導体膜は、直径5.08cm(2インチ)以上のサイズの円形状の支持基板上に形成されたものであるのが好ましい。すなわち、本発明の好ましい態様によれば、直径5.08cm(2インチ)以上のサイズの円形状の支持基板と、支持基板上に形成された半導体膜とを備えた、複合材料が提供される。支持基板のサイズは、半導体膜のサイズと同様、10.0cm以上のサイズであってもよく、上限値は特に限定されないが、典型的には直径30.0cm以下、より典型的には直径20.0cm以下である。 The semiconductor film of the present invention may be in the form of a self-supporting film alone, or may be formed on a supporting substrate. In the latter case, the semiconductor film of the present invention is preferably formed on a circular support substrate having a diameter of 5.08 cm (2 inches) or more. That is, according to a preferred aspect of the present invention, there is provided a composite material comprising a circular support substrate with a diameter of 5.08 cm (2 inches) or more, and a semiconductor film formed on the support substrate. . The size of the support substrate may be 10.0 cm or more, similar to the size of the semiconductor film, and the upper limit is not particularly limited. 0 cm or less.
支持基板は、コランダム構造を有し、c軸及びa軸の二軸に配向した基板(二軸配向基板)が好ましい。支持基板にコランダム構造を有する二軸配向基板を用いることで、半導体膜がヘテロエピタキシャル成長するための種結晶を兼ねることが可能となる。二軸配向基板は、多結晶やモザイク結晶(結晶方位が若干ずれた結晶の集合)であってもよいし、サファイア、Cr2O3等の単結晶であってもよい。コランダム構造を有する限り、単一の材料で構成されるものでもよいし、複数の材料の固溶体であってもよい。支持基板の主成分は、α-Cr2O3、α-Fe2O3、α-Ti2O3、α-V2O3、α-Rh2O3、及びα-Al2O3からなる群から選択される材料、又はα-Al2O3、α-Cr2O3、α-Fe2O3、α-Ti2O3、α-V2O3、及びα-Rh2O3からなる群から選択される2種以上を含む固溶体が好ましい。中でも、熱伝導性に優れ、大面積かつ高品位の基板を商業的に入手しやすい点ではサファイア(α-Al2O3単結晶)が特に好ましく、結晶欠陥低減の観点からはα-Cr2O3、又はα-Cr2O3と異種材料との固溶体が特に好ましい。The supporting substrate is preferably a substrate having a corundum structure and being biaxially oriented along the c-axis and the a-axis (biaxially oriented substrate). By using a biaxially oriented substrate having a corundum structure as the supporting substrate, it is possible to use the semiconductor film also as a seed crystal for heteroepitaxial growth. The biaxially oriented substrate may be a polycrystal, a mosaic crystal (a collection of crystals with slightly different crystal orientations), or a single crystal such as sapphire or Cr 2 O 3 . As long as it has a corundum structure, it may be composed of a single material or a solid solution of a plurality of materials. The main components of the supporting substrate are α-Cr 2 O 3 , α-Fe 2 O 3 , α-Ti 2 O 3 , α-V 2 O 3 , α-Rh 2 O 3 and α-Al 2 O 3 or α-Al 2 O 3 , α-Cr 2 O 3 , α-Fe 2 O 3 , α-Ti 2 O 3 , α- V 2 O 3 and α-Rh 2 O Solid solutions containing two or more selected from the group consisting of 3 are preferred. Among them, sapphire (α-Al 2 O 3 single crystal) is particularly preferable in terms of excellent thermal conductivity and easy commercial availability of large-area, high-quality substrates, and α-Cr 2 from the viewpoint of reducing crystal defects. Solid solutions of O 3 or α-Cr 2 O 3 with foreign materials are particularly preferred.
また、支持基板兼ヘテロエピタキシャル成長用の種結晶として、サファイア、Cr2O3等のコランダム単結晶上に、サファイアよりも大きいa軸長及び/又はc軸長を有するコランダム型結晶構造を有する材料で構成された配向層を形成した複合下地基板も用いることができる。配向層は、α-Cr2O3、α-Fe2O3、α-Ti2O3、α-V2O3、及びα-Rh2O3からなる群から選択される材料、又はα-Al2O3、α-Cr2O3、α-Fe2O3、α-Ti2O3、α-V2O3、及びα-Rh2O3からなる群から選択される2種以上を含む固溶体を含む。In addition, as a support substrate and a seed crystal for heteroepitaxial growth, on a corundum single crystal such as sapphire and Cr 2 O 3 , a material having a corundum type crystal structure having a longer a-axis length and / or c-axis length than sapphire. Composite base substrates with structured alignment layers can also be used. The alignment layer is a material selected from the group consisting of α-Cr 2 O 3 , α-Fe 2 O 3 , α-Ti 2 O 3 , α-V 2 O 3 and α-Rh 2 O 3 or α - two selected from the group consisting of Al 2 O 3 , α-Cr 2 O 3 , α-Fe 2 O 3 , α-Ti 2 O 3 , α-V 2 O 3 and α-Rh 2 O 3 Including solid solutions containing the above.
また、成膜用下地基板上に作製した半導体膜を分離し、別の支持基板に転載してもよい。別の支持基板の材質は特に限定はないが、材料物性の観点から好適なものを選択すればよい。例えば、熱伝導率の観点では、Cu等の金属基板、SiC、AlN等のセラミックス基板等が好ましい。また、25~400℃での熱膨張率が6~13ppm/Kである基板を用いるのも好ましい。このような熱膨張率を有する支持基板を用いることで、半導体膜との熱膨張差を小さくすることができ、その結果、熱応力による半導体膜中のクラック発生や膜剥がれ等を抑制できる。このような支持基板の例としては、Cu-Mo複合金属で構成される基板が挙げられる。CuとMoの複合比率は、半導体膜との熱膨張率マッチング、熱伝導率、導電率等を勘案して、適宜選択することができる。 Alternatively, the semiconductor film formed over the base substrate for film formation may be separated and transferred to another supporting substrate. The material of the other support substrate is not particularly limited, but a suitable material may be selected from the viewpoint of material properties. For example, from the viewpoint of thermal conductivity, metal substrates such as Cu, ceramic substrates such as SiC and AlN, and the like are preferable. It is also preferable to use a substrate having a coefficient of thermal expansion of 6 to 13 ppm/K at 25 to 400.degree. By using a supporting substrate having such a coefficient of thermal expansion, it is possible to reduce the difference in thermal expansion from the semiconductor film, and as a result, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the semiconductor film and film peeling due to thermal stress. An example of such a support substrate is a substrate composed of a Cu—Mo composite metal. The composite ratio of Cu and Mo can be appropriately selected in consideration of thermal expansion coefficient matching with the semiconductor film, thermal conductivity, electrical conductivity, and the like.
半導体膜の製造方法
本発明の半導体膜は、下地基板としてサファイア基板又は複合下地基板を用いて、その上(複合下地基板の場合は配向層上)にα-Ga2O3系材料を成膜することにより製造することができる。半導体層の形成手法は公知の手法が可能であるが、好ましい例としては、ミストCVD法(ミスト化学気相成長法)、HVPE法(ハライド気相成長法)、及びMBE法(分子線エピタキシー法)が挙げられ、ミストCVD法又はHVPE法が特に好ましい。膜の中心部から外周部に至るまでの広範囲にわたって回転ドメインを実質的に含まないα-Ga2O3系半導体膜は、サファイア基板を回転させながら成膜を行うか、又は複合下地基板を用いることにより実現することができる。 Method for producing a semiconductor film The semiconductor film of the present invention uses a sapphire substrate or a composite base substrate as a base substrate, and an α-Ga 2 O 3 -based material is formed thereon (in the case of a composite base substrate, on an orientation layer). It can be manufactured by A known method can be used for forming the semiconductor layer, but preferred examples include the mist CVD method (mist chemical vapor deposition method), the HVPE method (halide vapor phase epitaxy method), and the MBE method (molecular beam epitaxy method). ), and the mist CVD method or the HVPE method is particularly preferred. An α-Ga 2 O 3 -based semiconductor film that does not substantially contain a rotating domain over a wide range from the center to the outer periphery of the film is formed while rotating the sapphire substrate or using a composite underlying substrate. It can be realized by
すなわち、下地基板としてサファイア基板を用いる場合は、後述する図2に示される装置のように、基板36を面内方向に回転させながら成膜を実施する。このとき、適切な条件を設定することで、より大きな基板サイズや膜厚でも回転ドメインを含まないようにすることが可能となる。基板を回転させて遠心力を生じさせることで、基板36近傍の気流を、膜均一性をもたらすように好都合に制御することができる。
That is, when a sapphire substrate is used as the base substrate, film formation is performed while rotating the
一方、下地基板として複合下地基板を用いる場合には、必ずしも基板を回転させながら成膜を行う必要はないが、回転させてもよい。いずれにしても、適切な回転条件及び/又は成膜条件を設定することで、より大きな基板サイズ、厚い膜厚、又は低い抵抗率でも回転ドメインを含まないようにすることが可能となる。 On the other hand, when a composite underlying substrate is used as the underlying substrate, it is not always necessary to rotate the substrate while forming the film, but the substrate may be rotated. In any case, by setting appropriate rotation conditions and/or film formation conditions, it is possible to eliminate rotation domains even with a larger substrate size, thicker film thickness, or lower resistivity.
以下、特に好ましい成膜方法の一つであるミストCVD法について説明する。 The mist CVD method, which is one of the particularly preferable film forming methods, will be described below.
ミストCVD法は、原料溶液を霧化又は液滴化してミスト又は液滴を発生させ、キャリアガスを用いてミスト又は液滴を基板を備えた成膜室に搬送し、成膜室内でミスト又は液滴を熱分解及び化学反応させて基板上に膜を形成及び成長させる手法であり、真空プロセスを必要とせず、短時間で大量のサンプルを作製することができる。図2にミストCVD装置の一例を示す。図2に示されるミストCVD装置20は、キャリアガスG及び原料溶液LからミストMを発生させるミスト発生室22と、ミストMを基板36に吹き付けて熱分解及び化学反応を経て半導体膜38を形成する成膜室30とを有する。ミスト発生室22は、キャリアガスGが導入されるキャリアガス導入口24と、ミスト発生室22内に設けられる超音波振動子26と、ミスト発生室22内で発生したミストMを成膜室30に搬送するダクト28とを備えている。ミスト発生室22内には原料溶液Lが収容される。超音波振動子26は、原料溶液Lに超音波振動を与えてキャリアガスGと共にミストMを発生できるように構成される。成膜室30は、ダクト28を介して導入されるミストMを基板36に吹き付けるためのノズル32と、基板36が固定される回転ステージ34と、回転ステージ34の裏面近傍に設けられて回転ステージ34及び基板36を加熱するためのヒータ42と、キャリアガスGを排出するための排気口44とを備える。回転ステージ34はミストMを基板36に吹き付ける際に面内方向に回転可能に構成される。かかる構成により基板36を回転させながら半導体膜38を形成することによって、直径5.08cm(2インチ)以上の大口径の基板を用いて半導体膜38を形成する場合においても、膜の中心部から外周部に至るまでの広範囲にわたって回転ドメインを実質的に含まないα-Ga2O3系半導体膜を形成することができる。In the mist CVD method, a raw material solution is atomized or dropletized to generate mist or droplets, the mist or droplets are transported to a film formation chamber equipped with a substrate using a carrier gas, and the mist or droplets are generated in the film formation chamber. It is a method of thermally decomposing and chemically reacting droplets to form and grow a film on a substrate. It does not require a vacuum process and can produce a large amount of samples in a short time. FIG. 2 shows an example of a mist CVD apparatus. The
ミストCVD法に用いる原料溶液Lとしては、α-Ga2O3系半導体膜が得られる溶液であれば、限定されるものではないが、例えば、Ga及び/又はGaと固溶体を形成する金属の有機金属錯体やハロゲン化物を溶媒に溶解させたものが挙げられる。有機金属錯体の例としては、アセチルアセトナート錯体が挙げられる。また、半導体層にドーパントを加える場合には、原料溶液にドーパント成分の溶液を加えてもよい。さらに、原料溶液には塩酸等の添加剤を加えてもよい。溶媒としては水やアルコール等を使用することができる。The raw material solution L used in the mist CVD method is not limited as long as it is a solution from which an α-Ga 2 O 3 -based semiconductor film can be obtained. Examples include those obtained by dissolving an organic metal complex or a halide in a solvent. Examples of organometallic complexes include acetylacetonate complexes. Moreover, when a dopant is added to the semiconductor layer, a dopant component solution may be added to the raw material solution. Furthermore, an additive such as hydrochloric acid may be added to the raw material solution. Water, alcohol, or the like can be used as the solvent.
次に、得られた原料溶液Lを霧化又は液滴化してミストM又は液滴を発生させる。霧化又は液滴化する方法の好ましい例としては、超音波振動子26を用いて原料溶液Lを振動させる手法が挙げられる。その後、得られたミストM又は液滴を、キャリアガスGを用いて成膜室30に搬送する。キャリアガスGとしては特に限定されるものではないが、酸素、オゾン、窒素等の不活性ガス、及び水素等の還元ガスの一種又は二種以上を用いることができる。
Next, the obtained raw material solution L is atomized or dropletized to generate a mist M or droplets. A preferred example of a method of atomizing or forming droplets is a method of vibrating the raw material solution L using an
成膜室30には基板36が備えられている。成膜室30に搬送されたミストM又は液滴は、そこで熱分解及び化学反応されて、基板36上に半導体膜38を形成する。反応温度は原料溶液Lの種類に応じて異なるが、好ましくは300~800℃、より好ましくは400~700℃である。また、成膜室30内の雰囲気は、所望の半導体膜が得られる限り特に限定されるものではなく、典型的には、酸素ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気、真空雰囲気、還元雰囲気、及び大気雰囲気のいずれかから選択される。
A
このようにして得られた半導体膜は、そのままの形態又は分割して半導体素子とすることが可能である。あるいは、半導体膜を複合下地基板から剥離して膜単体の形態としてもよい。この場合、複合下地基板からの剥離を容易にするために、複合下地基板の配向層表面(成膜面)に予め剥離層を設けたものを用いてもよい。このような剥離層は、複合下地基板表面にC注入層やH注入層を設けたものが挙げられる。また、半導体膜の成膜初期にCやHを膜中に注入させ、半導体膜側に剥離層を設けてもよい。さらに、複合下地基板上に成膜された半導体膜の表面(すなわち複合下地基板とは反対側の面)に複合下地基板とは異なる支持基板(実装基板)を接着及び接合し、その後、半導体膜から複合下地基板を剥離除去することも可能である。このような支持基板(実装基板)として、25~400℃での熱膨張率が6~13ppm/Kであるもの、例えばCu-Mo複合金属で構成される基板を用いることができる。また、半導体膜と支持基板(実装基板)を接着及び接合する手法の例としては、ロウ付け、半田、固相接合等の公知の手法を挙げることができる。さらに、半導体膜と支持基板との間に、オーミック電極、ショットキー電極等の電極、又は接着層等の他の層を設けてもよい。 The semiconductor film thus obtained can be used as it is or divided into semiconductor elements. Alternatively, the semiconductor film may be peeled off from the composite underlying substrate to form a single film. In this case, in order to facilitate separation from the composite base substrate, a release layer may be provided in advance on the orientation layer surface (film formation surface) of the composite base substrate. Examples of such a peeling layer include those in which a C-implanted layer or an H-implanted layer is provided on the surface of the composite base substrate. Alternatively, C or H may be injected into the film at the initial stage of film formation of the semiconductor film, and a peeling layer may be provided on the semiconductor film side. Furthermore, a supporting substrate (mounting substrate) different from the composite underlying substrate is adhered and bonded to the surface of the semiconductor film formed on the composite underlying substrate (that is, the surface opposite to the composite underlying substrate), and then the semiconductor film is It is also possible to peel off the composite base substrate from. As such a support substrate (mounting substrate), a substrate having a coefficient of thermal expansion of 6 to 13 ppm/K at 25 to 400° C., for example, a substrate composed of a Cu—Mo composite metal can be used. Examples of methods for bonding and bonding the semiconductor film and the support substrate (mounting substrate) include known methods such as brazing, soldering, and solid phase bonding. Furthermore, an ohmic electrode, an electrode such as a Schottky electrode, or another layer such as an adhesive layer may be provided between the semiconductor film and the support substrate.
複合下地基板の製造方法
上述した複合下地基板は、(a)サファイア基板を準備し、(b)所定の配向前駆体層を作製し、(c)サファイア基板上で配向前駆体層を熱処理してその少なくともサファイア基板近くの部分を配向層に変換し、所望により(d)研削や研磨等の加工を施して配向層の表面を露出させることにより好ましく製造することができる。この配向前駆体層は熱処理により配向層となるものであり、a軸長及び/又はc軸長がサファイアより大きいコランダム型結晶構造を有する材料、あるいは後述する熱処理によってa軸長及び/又はc軸長がサファイアより大きいコランダム型結晶構造となる材料を含む。また、配向前駆体層はコランダム型結晶構造を有する材料の他に、微量成分を含んでいてもよい。このような製造方法によれば、サファイア基板を種結晶として配向層の成長を促すことができる。すなわち、サファイア基板の単結晶特有の高い結晶性と結晶配向方位が配向層に引き継がれる。 Manufacturing Method of Composite Undersubstrate The above-described composite undersubstrate is produced by (a) preparing a sapphire substrate, (b) producing a predetermined alignment precursor layer, and (c) heat-treating the alignment precursor layer on the sapphire substrate. It can be preferably manufactured by converting at least the portion near the sapphire substrate into an orientation layer, and optionally (d) processing such as grinding or polishing to expose the surface of the orientation layer. This orientation precursor layer becomes an orientation layer by heat treatment, and is made of a material having a corundum-type crystal structure with an a-axis length and/or c-axis length larger than sapphire, or a Contains materials that have a corundum-type crystal structure with a length greater than that of sapphire. In addition, the orientation precursor layer may contain trace components in addition to the material having a corundum type crystal structure. According to such a manufacturing method, the sapphire substrate can be used as a seed crystal to promote the growth of the orientation layer. That is, the orientation layer inherits the high crystallinity and crystal orientation peculiar to the single crystal of the sapphire substrate.
(a)サファイア基板の準備
下地基板を作製するには、まず、サファイア基板を準備する。用いるサファイア基板は、いずれの方位面を有するものであってもよい。すなわち、a面、c面、r面、m面を有するものであってもよく、これらの面に対して所定のオフ角を有するものであってもよい。例えばc面サファイアを用いた場合、表面に対してc軸配向しているため、その上に、容易にc軸配向させた配向層をヘテロエピタキシャル成長させることが可能となる。また、電気特性を調整するために、ドーパントを加えたサファイア基板を用いることも可能である。このようなドーパントとしては公知のものが使用可能である。(a) Preparation of Sapphire Substrate To prepare the base substrate, first, a sapphire substrate is prepared. The sapphire substrate used may have any orientation plane. That is, it may have an a-plane, a c-plane, an r-plane, and an m-plane, and may have a predetermined off angle with respect to these planes. For example, when c-plane sapphire is used, since it is c-axis oriented with respect to the surface, it is possible to easily heteroepitaxially grow a c-axis oriented layer thereon. It is also possible to use a sapphire substrate to which a dopant is added in order to adjust the electrical properties. A known dopant can be used as such a dopant.
(b)配向前駆体層の作製
a軸長及び/又はc軸長がサファイアより大きいコランダム型結晶構造を有する材料、又は熱処理によってa軸長及び/又はc軸長がサファイアより大きいコランダム型結晶構造となる材料を含む配向前駆体層を作製する。配向前駆体層を形成する方法は特に限定されず、公知の手法が採用可能である。配向前駆体層を形成する方法の例としては、AD(エアロゾルデポジション)法、ゾルゲル法、水熱法、スパッタリング法、蒸着法、各種CVD(化学気相成長)法、PLD法、CVT(化学気相輸送)法、昇華法等が挙げられる。CVD法の例としては、熱CVD法、プラズマCVD法、ミストCVD法、MO(有機金属)CVD法等が挙げられる。あるいは、配向前駆体の成形体を予め作製し、この成形体をサファイア基板上に載置する手法であってもよい。このような成形体は、配向前駆体の材料を、テープ成形又はプレス成形等の手法で成形することで作製可能である。また、配向前駆体層として予め各種CVD法や焼結等で作製した多結晶体を使用し、サファイア基板上に載置する方法も用いることができる。(b) Preparation of Oriented Precursor Layer A material having a corundum-type crystal structure with an a-axis length and/or a c-axis length larger than sapphire, or a corundum-type crystal structure with an a-axis length and/or c-axis length larger than sapphire by heat treatment. An alignment precursor layer containing a material is produced. A method for forming the alignment precursor layer is not particularly limited, and a known method can be employed. Examples of methods for forming the alignment precursor layer include AD (aerosol deposition) method, sol-gel method, hydrothermal method, sputtering method, vapor deposition method, various CVD (chemical vapor deposition) methods, PLD method, CVT (chemical vapor deposition) method, gas phase transportation) method, sublimation method, and the like. Examples of CVD methods include thermal CVD, plasma CVD, mist CVD, and MO (metal organic) CVD. Alternatively, a method may be used in which a molded body of the alignment precursor is prepared in advance and this molded body is placed on the sapphire substrate. Such a molded body can be produced by molding an alignment precursor material by a technique such as tape molding or press molding. Also, a method of using a polycrystalline body prepared in advance by various CVD methods, sintering, or the like as the orientation precursor layer and placing it on a sapphire substrate can also be used.
しかしながら、エアロゾルデポジション(AD)法、各種CVD法、又はスパッタリング法が好ましい。これらの方法を用いることで緻密な配向前駆体層を比較的短時間で形成することが可能となり、サファイア基板を種結晶としたヘテロエピタキシャル成長を生じさせることが容易になる。特に、AD法は高真空のプロセスを必要とせず、成膜速度も相対的に速いため、製造コストの面でも好ましい。スパッタリング法を用いる場合は、配向前駆体層と同材料のターゲットを用いて成膜することも可能であるが、金属ターゲットを使用し、酸素雰囲気下で成膜する反応性スパッタ法も用いることができる。予め作製した成形体をサファイア上に載置する手法も簡易な手法として好ましいが、配向前駆体層が緻密ではないため、後述する熱処理工程において緻密化するプロセスを必要とする。配向前駆体層として予め作製した多結晶体を用いる手法では、多結晶体を作製する工程と、サファイア基板上で熱処理する工程の二つが必要となる。また、多結晶体とサファイア基板の密着性を高めるため、多結晶体の表面を十分に平滑にしておく等の工夫も必要である。いずれの手法も公知の条件を用いることができるが、AD法を用いて配向前駆体層を直接形成する手法と、予め作製した成形体をサファイア基板上に載置する手法について、以下に説明する。 However, aerosol deposition (AD) methods, various CVD methods, or sputtering methods are preferred. By using these methods, it becomes possible to form a densely oriented precursor layer in a relatively short period of time, which facilitates heteroepitaxial growth using a sapphire substrate as a seed crystal. In particular, since the AD method does not require a high-vacuum process and the deposition rate is relatively high, it is preferable in terms of manufacturing cost. When the sputtering method is used, the film can be formed using a target of the same material as the alignment precursor layer, but a reactive sputtering method can also be used in which a metal target is used and the film is formed in an oxygen atmosphere. can. A method of placing a prefabricated compact on sapphire is also preferable as a simple method. However, since the orientation precursor layer is not dense, a process of densification is required in the heat treatment step described later. The method of using a prefabricated polycrystal as an orientation precursor layer requires two steps: a step of preparing the polycrystal and a step of heat-treating it on the sapphire substrate. Also, in order to improve the adhesion between the polycrystal and the sapphire substrate, it is necessary to make the surface of the polycrystal sufficiently smooth. Although known conditions can be used for any of the methods, a method of directly forming an alignment precursor layer using the AD method and a method of placing a prefabricated compact on a sapphire substrate will be described below. .
AD法は、微粒子や微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、このエアロゾルをノズルから高速噴射して基板に衝突させ、被膜を形成する技術であり、常温で緻密化された被膜を形成できるという特徴を有している。このようなAD法で用いられる成膜装置(エアロゾルデポジション(AD)装置)の一例を図3に示す。図3に示される成膜装置50は、大気圧より低い気圧の雰囲気下で原料粉末を基板上に噴射するAD法に用いられる装置として構成されている。この成膜装置50は、原料成分を含む原料粉末のエアロゾルを生成するエアロゾル生成部52と、原料粉末をサファイア基板51に噴射して原料成分を含む膜を形成する成膜部60とを備えている。エアロゾル生成部52は、原料粉末を収容し図示しないガスボンベからのキャリアガスの供給を受けてエアロゾルを生成するエアロゾル生成室53と、生成したエアロゾルを成膜部60へ供給する原料供給管54と、エアロゾル生成室53及びその中のエアロゾルに10~100Hzの振動数で振動が付与する加振器55とを備えている。成膜部60は、サファイア基板51にエアロゾルを噴射する成膜チャンバ62と、成膜チャンバ62の内部に配設されサファイア基板51を固定する基板ホルダ64と、基板ホルダ64をX軸-Y軸方向に移動するX-Yステージ63とを備えている。また、成膜部60は、先端にスリット67が形成されエアロゾルをサファイア基板51へ噴射する噴射ノズル66と、成膜チャンバ62を減圧する真空ポンプ68とを備えている。
The AD method is a technology in which fine particles and fine particle raw materials are mixed with gas to form an aerosol, and this aerosol is sprayed at high speed from a nozzle to collide with the substrate to form a coating. It has characteristics. FIG. 3 shows an example of a film forming apparatus (aerosol deposition (AD) apparatus) used in such an AD method. A
AD法は、成膜条件によって膜厚や膜質等を制御できることが知られている。例えば、AD膜の形態は、原料粉末の基板への衝突速度、原料粉末の粒径、エアロゾル中の原料粉末の凝集状態、単位時間当たりの噴射量等に影響を受けやすい。原料粉末の基板への衝突速度は、成膜チャンバ62と噴射ノズル66内の差圧や、噴射ノズルの開口面積等に影響を受ける。適切な条件を用いない場合、被膜が圧粉体となったり気孔を生じたりする場合があるので、これらのファクターを適切に制御することが必要である。
It is known that the AD method can control the film thickness, film quality, etc. by changing the film forming conditions. For example, the morphology of the AD film is susceptible to the collision speed of the raw material powder against the substrate, the particle size of the raw material powder, the aggregation state of the raw material powder in the aerosol, the injection amount per unit time, and the like. The collision speed of the raw material powder against the substrate is affected by the differential pressure between the
配向前駆体層を予め作製した成形体を用いる場合、配向前駆体の原料粉末を成形して成形体を作製することができる。例えば、プレス成形を用いる場合、配向前駆体層はプレス成形体である。プレス成形体は、配向前駆体の原料粉末を公知の手法に基づきプレス成形することで作製可能であり、例えば、原料粉末を金型に入れ、好ましくは100~400kgf/cm2、より好ましくは150~300kgf/cm2の圧力でプレスすることにより作製すればよい。また、成形方法は特に限定されず、プレス成形の他、テープ成形、鋳込み成形、押出し成形、ドクターブレード法、及びこれらの任意の組合せを用いることができる。例えば、テープ成形を用いる場合、原料粉末にバインダー、可塑剤、分散剤、分散媒等の添加物を適宜加えてスラリー化し、このスラリーをスリット状の細い吐出口を通過させることにより、シート状に吐出及び成形するのが好ましい。シート状に成形した成形体の厚さに限定はないが、ハンドリングの観点では5~500μmであるのが好ましい。また、厚い配向前駆体層が必要な場合はこのシート成形体を多数枚積み重ねて、所望の厚さとして使用すればよい。In the case of using a molded body having an orientation precursor layer formed in advance, the raw material powder of the orientation precursor can be molded to produce the molded body. For example, when press molding is used, the orientation precursor layer is a press molding. The press-formed body can be produced by press-molding the raw material powder of the orientation precursor based on a known technique. It may be produced by pressing with a pressure of up to 300 kgf/cm 2 . Further, the molding method is not particularly limited, and in addition to press molding, tape molding, cast molding, extrusion molding, doctor blade method, and any combination thereof can be used. For example, when tape molding is used, additives such as a binder, a plasticizer, a dispersant, and a dispersion medium are appropriately added to the raw material powder to form a slurry, and the slurry is passed through a thin slit-shaped discharge port to form a sheet. Dispensing and molding are preferred. Although the thickness of the sheet-shaped molding is not limited, it is preferably 5 to 500 μm from the viewpoint of handling. Further, when a thick orientation precursor layer is required, a large number of such sheet moldings may be stacked to obtain a desired thickness.
これらの成形体はその後のサファイア基板上での熱処理によりサファイア基板近くの部分が配向層となるものである。上述したように、このような手法では後述する熱処理工程において成形体を焼結させ、緻密化する必要がある。このため、成形体はコランダム型結晶構造を有する又はもたらす材料の他に、焼結助剤等の微量成分を含んでいてもよい。 These compacts are heat-treated on the sapphire substrate to form an orientation layer in the vicinity of the sapphire substrate. As described above, in such a method, it is necessary to sinter and densify the compact in the heat treatment step described below. For this reason, the compact may contain minor ingredients such as sintering aids in addition to materials having or providing a corundum-type crystal structure.
(c)サファイア基板上配向前駆体層の熱処理
配向前駆体層が形成されたサファイア基板を1000℃以上の温度で熱処理する。この熱処理により、配向前駆体層の少なくともサファイア基板近くの部分を緻密な配向層に変換することが可能となる。また、この熱処理により、配向層をヘテロエピタキシャル成長させることが可能となる。すなわち、配向層をコランダム型結晶構造を有する材料で構成することで、熱処理時にコランダム型結晶構造を有する材料がサファイア基板を種結晶として結晶成長するヘテロエピタキシャル成長が生じる。その際、結晶の再配列が起こり、サファイア基板の結晶面に倣って結晶が配列する。この結果、サファイア基板と配向層の結晶軸を揃えることができる。例えば、c面サファイア基板を用いると、サファイア基板と配向層が下地基板の表面に対していずれもc軸配向した態様とすることが可能となる。その上、この熱処理により、配向層の一部に傾斜組成領域を形成することが可能となる。すなわち、熱処理の際に、サファイア基板と配向前駆体層の界面で反応が生じ、サファイア基板中のAl成分が配向前駆体層中に拡散する及び/又は配向前駆体層中の成分がサファイア基板中に拡散して、α-Al2O3を含む固溶体で構成される傾斜組成領域が形成される。(c) Heat Treatment of Alignment Precursor Layer on Sapphire Substrate The sapphire substrate on which the alignment precursor layer is formed is heat treated at a temperature of 1000° C. or higher. This heat treatment makes it possible to convert at least a portion of the alignment precursor layer near the sapphire substrate into a dense alignment layer. This heat treatment also enables the orientation layer to grow heteroepitaxially. That is, by forming the orientation layer with a material having a corundum-type crystal structure, heteroepitaxial growth occurs in which the material having the corundum-type crystal structure grows during heat treatment using the sapphire substrate as a seed crystal. At that time, rearrangement of crystals occurs, and the crystals are arranged following the crystal plane of the sapphire substrate. As a result, the crystal axes of the sapphire substrate and the orientation layer can be aligned. For example, when a c-plane sapphire substrate is used, both the sapphire substrate and the orientation layer can be c-axis oriented with respect to the surface of the underlying substrate. Moreover, this heat treatment allows the formation of graded composition regions in a portion of the orientation layer. That is, during the heat treatment, a reaction occurs at the interface between the sapphire substrate and the alignment precursor layer, and the Al component in the sapphire substrate diffuses into the alignment precursor layer and/or the components in the alignment precursor layer diffuse into the sapphire substrate. to form a graded composition region composed of a solid solution containing α-Al 2 O 3 .
なお、各種CVD法、スパッタリング法、PLD法、CVT法、昇華法等の方法では、1000℃以上の熱処理を経ることなくサファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長を生じる場合があることが知られている。しかし、配向前駆体層はその作製時には配向していない状態、すなわち非晶質や無配向の多結晶であり、本熱処理工程時にサファイアを種結晶として結晶の再配列を生じさせることが好ましい。こうすることで、配向層表面に到達する結晶欠陥を効果的に低減することができる。この理由は定かではないが、配向層下部で生じた結晶欠陥が対消滅しやすいためではないかと考えている。 It is known that various methods such as CVD, sputtering, PLD, CVT, and sublimation may cause heteroepitaxial growth on a sapphire substrate without heat treatment at 1000° C. or higher. However, the oriented precursor layer is in a non-oriented state, that is, amorphous or non-oriented polycrystal at the time of fabrication, and it is preferable to cause crystal rearrangement using sapphire as a seed crystal during the heat treatment step. By doing so, it is possible to effectively reduce crystal defects reaching the surface of the orientation layer. Although the reason for this is not clear, it is thought that it is because the crystal defects generated in the lower portion of the orientation layer tend to annihilate.
熱処理は、コランダム型結晶構造が得られ、サファイア基板を種としたヘテロエピタキシャル成長が生じるかぎり特に限定されず、管状炉やホットプレート等、公知の熱処理炉で実施することができる。また、これらの常圧(プレスレス)での熱処理だけでなく、ホットプレスやHIP等の加圧熱処理や、常圧熱処理と加圧熱処理の組み合わせも用いることができる。熱処理条件は、配向層に用いる材料によって適宜選択することができる。例えば、熱処理の雰囲気は、大気、真空、窒素及び不活性ガス雰囲気から選択することができる。好ましい熱処理温度も配向層に用いる材料によって変わるが、例えば1000~2000℃が好ましく、1200~2000℃がさらに好ましい。熱処理温度や保持時間はヘテロエピタキシャル成長で生じる配向層の厚さやサファイア基板との拡散で形成される傾斜組成領域の厚さと関係しており、材料の種類、狙いとする配向層、傾斜組成領域の厚さ等によって適宜調整することができる。ただし、予め作製した成形体を配向前駆体層として用いる場合、熱処理中に焼結して緻密化させる必要があり、高温での常圧焼成、ホットプレス、HIP、又はそれらの組み合わせが好適である。例えば、ホットプレスを用いる場合、面圧は50kgf/cm2以上が好ましく、より好ましくは100kgf/cm2以上、特に好ましくは200kgf/cm2以上であり、上限は特に限定されない。また、焼成温度も、焼結及び緻密化並びにヘテロエピタキシャル成長が生じる限り、特に限定されないが、1000℃以上が好ましく、1200℃以上がさらに好ましく、1400℃以上がさらに好ましく、1600℃以上が特に好ましい。焼成雰囲気も大気、真空、窒素及び不活性ガス雰囲気から選択することができる。モールド等の焼成冶具は黒鉛製やアルミナ製のもの等が利用できる。The heat treatment is not particularly limited as long as a corundum type crystal structure is obtained and heteroepitaxial growth occurs with the sapphire substrate as a seed, and it can be performed in a known heat treatment furnace such as a tubular furnace and a hot plate. In addition to these normal pressure (pressless) heat treatments, pressure heat treatments such as hot pressing and HIP, and combinations of normal pressure heat treatments and pressure heat treatments can also be used. The heat treatment conditions can be appropriately selected depending on the material used for the orientation layer. For example, the heat treatment atmosphere can be selected from air, vacuum, nitrogen and inert gas atmospheres. The preferred heat treatment temperature also varies depending on the material used for the alignment layer, but is preferably 1000 to 2000°C, more preferably 1200 to 2000°C. The heat treatment temperature and holding time are related to the thickness of the oriented layer generated by heteroepitaxial growth and the thickness of the graded composition region formed by diffusion with the sapphire substrate. It can be adjusted appropriately depending on the thickness and the like. However, when a prefabricated compact is used as the orientation precursor layer, it must be sintered and densified during heat treatment, and normal pressure firing at high temperature, hot pressing, HIP, or a combination thereof is suitable. . For example, when hot pressing is used, the surface pressure is preferably 50 kgf/cm 2 or more, more preferably 100 kgf/cm 2 or more, particularly preferably 200 kgf/cm 2 or more, and the upper limit is not particularly limited. Also, the firing temperature is not particularly limited as long as sintering, densification and heteroepitaxial growth occur, but is preferably 1000° C. or higher, more preferably 1200° C. or higher, further preferably 1400° C. or higher, and particularly preferably 1600° C. or higher. The firing atmosphere can also be selected from air, vacuum, nitrogen and inert gas atmospheres. Firing jigs such as molds made of graphite or alumina can be used.
(d)配向層表面の露出
熱処理によりサファイア基板近くに形成される配向層の上には、配向前駆体層又は配向性に劣る若しくは無配向の表面層が存在又は残留しうる。この場合、配向前駆体層に由来する側の面に研削や研磨等の加工を施して配向層の表面を露出させるのが好ましい。こうすることで配向層の表面に優れた配向性を有する材料が露出することになるため、その上に効果的に半導体層をエピタキシャル成長させることができる。配向前駆体層や表面層を除去する手法は特に限定されるものではないが、例えば、研削及び研磨する手法やイオンビームミリングする手法を挙げることができる。配向層の表面の研磨は、砥粒を用いたラップ加工や化学機械研磨(CMP)により行われるのが好ましい。(d) Exposure of alignment layer surface An alignment precursor layer or a poorly oriented or non-oriented surface layer may exist or remain on the alignment layer formed near the sapphire substrate by heat treatment. In this case, it is preferable to expose the surface of the alignment layer by performing processing such as grinding or polishing on the side derived from the alignment precursor layer. By doing so, the material having excellent orientation is exposed on the surface of the orientation layer, so that the semiconductor layer can be effectively epitaxially grown thereon. A technique for removing the orientation precursor layer and the surface layer is not particularly limited, but examples thereof include a technique of grinding and polishing and a technique of ion beam milling. Polishing of the surface of the alignment layer is preferably performed by lapping using abrasive grains or chemical mechanical polishing (CMP).
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。 The invention is further illustrated by the following examples.
例1
(1)ミストCVD法によるα-Ga2O3系半導体膜の作製
(1a)原料溶液の作製
0.05mol/Lのガリウムアセチルアセトナート水溶液を調製し、この水溶液に対して1.5%の体積割合で12Nの濃塩酸を加えた。得られた混合液に塩化スズ(II)を0.001mol/Lの濃度となるように添加して原料溶液とした。 Example 1
(1) Preparation of α-Ga 2 O 3 -based semiconductor film by mist CVD method (1a) Preparation of raw material solution A 0.05 mol/L aqueous solution of gallium acetylacetonate was prepared, and 12N concentrated hydrochloric acid was added by volume. Tin (II) chloride was added to the obtained mixed solution so as to have a concentration of 0.001 mol/L to obtain a raw material solution.
(1b)成膜準備
図2に示される構成のミストCVD装置20を準備した。ミストCVD装置20の構成については前述したとおりである。ミストCVD装置20において、上記(1a)で得られた原料溶液Lをミスト発生室22内に収容した。基板36として直径5.08cm(2インチ)のc面サファイア基板を回転ステージ34にセットし、ノズル32の先端と基板36の間の距離を120mmとした。ヒータ42により、回転ステージ34の温度を480℃にまで昇温させ、温度安定化のため30分保持した。流量調節弁(図示せず)を開いてキャリアガスGとしての窒素ガスを、ミスト発生室22を経て成膜室30内に供給し、成膜室30の雰囲気をキャリアガスGで十分置換した。その後、キャリアガスGの流量を2.0L/minに調節した。(1b) Film formation preparation A
(1c)成膜
回転ステージ34を60rpmの回転数で回転させつつ、超音波振動子26を2.4MHzで振動させることよって原料溶液Lを霧化し、発生したミストMをキャリアガスGによって成膜室30内に導入した。ミストMを成膜室30内、特に基板36(具体的にはサファイア基板)の表面で反応させることによって、基板36上に半導体膜38を1時間にわたって形成した。こうして、基板36及びその上に形成された半導体膜38で構成される複合材料40を得た。(1c) Film formation The raw material solution L is atomized by vibrating the
(2)半導体膜の評価
(2a)表面EDX
得られた半導体膜38の表面に対してエネルギー分散型X線分析(EDX)による組成分析を行った結果、Ga及びOのみが検出された。このことから、半導体膜38はGa酸化物で構成されることが分かった。(2) Evaluation of semiconductor film (2a) Surface EDX
As a result of subjecting the surface of the obtained
(2b)XRD
X線回折(XRD)装置(Bruker-AXS株式会社製、D8-DISCOVER)を用い、図1に示される半導体膜の表面の中心点X、並びに外周点A、B、C及びDにおいて、コランダム型Ga酸化物膜の(104)面に対して以下の条件でφスキャンを行った。すなわち、上記各点におけるXRD測定は、2θ、ω、χ及びφを調整してα-Ga2O3の(104)面のピークが出るように軸立てを行った後、管電圧40kV、管電流40mA、コリメータ径0.5mm、アンチスキャッタリングスリット3mmで、ω=0~360°の範囲、ωステップ幅0.005°、及び計数時間0.5秒の条件で行った。検出された3つの主ピークのピークトップ値を平均し、主ピークのピーク強度とした。また、主ピークから60°ずれたωで検出される回転ドメインに起因する3つの副ピークのピークトップ値を平均し、回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度とした。(2b) XRD
Using an X-ray diffraction (XRD) device (Bruker-AXS Co., Ltd., D8-DISCOVER), the center point X on the surface of the semiconductor film shown in FIG. A φ scan was performed on the (104) plane of the Ga oxide film under the following conditions. That is, the XRD measurement at each of the above points was carried out by adjusting 2θ, ω, χ and φ and setting the axis so that the peak of the (104) plane of α-Ga 2 O 3 appeared. A current of 40 mA, a collimator diameter of 0.5 mm, an anti-scattering slit of 3 mm, a range of ω=0 to 360°, an ω step width of 0.005°, and a counting time of 0.5 seconds were used. The peak top values of the three detected main peaks were averaged to obtain the peak intensity of the main peak. Also, the peak top values of the three sub-peaks caused by the rotational domain detected at ω shifted by 60° from the main peak were averaged to obtain the peak intensity of the sub-peak caused by the rotational domain.
なお、外周点A、B、C及びDとは、i)外周点A及び外周点Cを結ぶ直線と、外周点B及び外周点Dを結ぶ直線とが中心点Xで直角に交わり、かつ、ii)外周点A、B、C及びDの半導体膜の外縁からの各最短距離が半導体膜の半径の1/5となるように定められた。中心点X、並びに外周点A、B、C及びDにおける、主ピークのピーク強度に対する、回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度の割合Ix、IA、IB、IC及びIDをそれぞれ算出した。また、IA、IB、IC及びIDの算術平均値IM及び|IX-IM|を算出した。結果は、表1に示されるとおりであった。Note that the outer peripheral points A, B, C and D are i) a straight line connecting the outer peripheral points A and C and a straight line connecting the outer peripheral points B and D intersect at right angles at the center point X, and ii) Each of the shortest distances from the outer edge of the semiconductor film to the perimeter points A, B, C and D was determined to be ⅕ of the radius of the semiconductor film. The ratios Ix, IA, IB, IC and ID of the peak intensity of the minor peaks due to the rotating domain to the peak intensity of the major peak at the central point X and the peripheral points A , B , C and D are calculated respectively. Also, the arithmetic mean values I M and |I X −I M | of I A , I B , I C and I D were calculated. The results were as shown in Table 1.
(2c)膜厚
膜厚は、断面TEM観察により評価した。TEM観察に用いる試験片は、上記(1)と同様の方法で別途作製した複合材料40に対し、図1に示される中心点X、並びに外周点A、B、C及びDの5点付近から、FIBによりサンプリングし、イオンミリングにより薄片化することで作製した。日立製透過型電子顕微鏡H-90001UHR-Iを用い、加速電圧300kVで断面観察を行い、各サンプルに対して膜厚を測定し、5サンプルの膜厚の平均値を半導体膜の厚さとした。結果は、表1に示されるとおりであった。(2c) Film thickness The film thickness was evaluated by cross-sectional TEM observation. The test piece used for TEM observation is the
(2d)体積抵抗率
抵抗率計(三菱化学製、ロレスタGP、MCP-T610型)を用いて四探針法により半導体膜38の体積抵抗率を測定した。具体的には、図1に示される中心点X、並びに外周点A、B、C及びDにおける、半導体膜38の体積抵抗率Rx、RA、RB、RC及びRDをそれぞれ測定した。また、Rx、RA、RB、RC及びRDの値のうち最大値をRmax、最小値をRminとし、(Rmax-Rmin)/Rmaxの値を算出した。結果は、表1に示されるとおりであった。(2d) Volume resistivity The volume resistivity of the
(2e)デバイス均質性
(デバイスの作製)
上記(1c)で得られた複合材料40を、中心点X、並びに外周点A、B、C及びDの各位置がほぼ中心となるように10mm角に切断して、5つの複合材料片40’を得た。図4に示されるように、複合材料片40’は基板36及び半導体膜38で構成されており、デバイスを作製する上で、基板36を下地基板72として、半導体膜38をn+層74として用いる。複合材料片40’の半導体膜38(n+層74)側の面における、端部から2mm×10mmの領域をサファイア基板(図示せず)でマスキングした後、n-層76を形成した。n-層76の形成は、上記(1a)における原料溶液の作製でドーパント(具体的には塩化スズ(II))を添加しなかったこと、及び上記(1c)において回転ステージ34を回転させずに30分間の成膜を行ったこと以外は、上記(1)と同様にして行った。n-層76の形成後、マスキングとしてのサファイア基板(図示せず)を取り外して、n+層74を露出させた。n+層74の露出領域にTi電極78(オーミック電極)を形成する一方、n-層上にPt電極80(ショットキー電極)を形成した。Ti電極78及びn-層上にPt電極80を形成した。こうして、図4に示されるような横型のショットキーバリアダイオード70を作製した。(2e) Device homogeneity (device fabrication)
The
(デバイスの評価)
ショットキーバリアダイオード70について、順方向に10Vの電圧を印加した際に流れる電流(ON電流)IONと、逆方向に10Vの電圧を印加した際に流れる電流(OFF電流)IOFFと測定し、ON電流IONに対するOFF電流IOFFの比(すなわちION/IOFF)をP値とした。このとき、中心点X、並びに外周点A、B、C及びDに対応するショットキーバリアダイオード70の各々に対してP値を測定して、それぞれPX、PA、PB、PC及びPDとした。また、それらの常用対数の値logPX、logPA、logPB、logPC及びlogPDの算術平均値をMPとしたとき、|MP-logPX|、|MP-logPA|、|MP-logPB|、|MP-logPC|及び|MP-logPD|の5つの値のうち、0.5以下となるものの個数をSとし、(S/5)×100[%]により算出された値をデバイスの均質性を表す指数とした。結果は、表1に示されるとおりであった。(device evaluation)
For the
なお、本例では、ショットキーバリアダイオード70はデバイスの均質性を簡易的に評価するために横型デバイスの形態としているが、下地基板72を除去して作製する縦型のデバイスにおいても、本例の横型デバイスと同様の傾向を示す。
In this example, the
例2
上記(1a)の原料溶液の作製において塩化スズ(II)の濃度を0.01mol/Lとしたこと、及び、上記(1c)における成膜条件を表1に示されるように変更したこと以外は、例1と同様にして半導体膜の作製及び各種評価を行った。結果は、表1に示されるとおりであった。 Example 2
Except that the concentration of tin (II) chloride was set to 0.01 mol/L in the preparation of the raw material solution in (1a) above, and that the film formation conditions in (1c) above were changed as shown in Table 1. A semiconductor film was prepared and various evaluations were performed in the same manner as in Example 1. The results were as shown in Table 1.
例3
上記(1b)及び(1c)の装置及び成膜条件を表1に示されるように変更したこと以外は、例2と同様にして半導体膜の作製及び各種評価を行った。結果は、表1に示されるとおりであった。 Example 3
A semiconductor film was produced and various evaluations were performed in the same manner as in Example 2, except that the apparatus and film formation conditions in (1b) and (1c) were changed as shown in Table 1. The results were as shown in Table 1.
例4
上記(1a)の原料溶液の作製を以下のとおり行ったこと、及び上記(1c)及び(1d)の装置及び成膜条件を表1に示されるように変更したこと以外は、例2と同様にして半導体膜の作製及び各種評価を行った。結果は、表1に示されるとおりであった。 Example 4
Same as Example 2 except that the raw material solution of (1a) was prepared as follows, and the apparatus and film formation conditions of (1c) and (1d) were changed as shown in Table 1. Then, semiconductor films were produced and various evaluations were performed. The results were as shown in Table 1.
(原料溶液の作製)
臭化ガリウム及び酸化ゲルマニウムを物質量比で100:5となるように含有する原料水溶液を調製した。この水溶液に48%臭化水素酸溶液を体積割合で10%含有させた。酸化ゲルマニウム(IV)の濃度は5.0×10-3mol/Lとした。(Preparation of raw material solution)
A raw material aqueous solution containing gallium bromide and germanium oxide at a substance amount ratio of 100:5 was prepared. This aqueous solution contained 10% by volume of a 48% hydrobromic acid solution. The concentration of germanium (IV) oxide was set to 5.0×10 −3 mol/L.
例5
上記(1b)及び(1c)の装置及び成膜条件を表1に示されるように変更したこと、及び上記(1c)の成膜において基板36として以下のようにして作製された複合下地基板を用いたこと以外は、例2と同様にして半導体膜の作製及び各種評価を行った。結果は、表1に示されるとおりであった。 example 5
The apparatus and film formation conditions of (1b) and (1c) above were changed as shown in Table 1, and a composite base substrate prepared as follows was used as the
(複合下地基板の作製)
(a)配向前駆体層の作製
市販のCr2O3粉末100重量部にTiO2粉末2.4重量部を添加して湿式混合し、得られた混合粉末をポットミルにて粉砕処理して粒径D50が0.4μmのCr2O3/TiO2混合粉末を原料粉末として得た。この原料粉末と、種基板としてのサファイア(直径5.08cm(2インチ)、厚さ0.43mm、c面、オフ角0.2°)を用いて、図3に示されるエアロゾルデポジション(AD)装置50により種基板(サファイア基板)上にAD膜を形成した。エアロゾルデポジション(AD)装置50の構成については前述したとおりである。(Preparation of composite base substrate)
(a) Preparation of Orientation Precursor Layer 2.4 parts by weight of TiO 2 powder was added to 100 parts by weight of commercial Cr 2 O 3 powder and wet-mixed, and the obtained mixed powder was pulverized in a pot mill to form grains. A Cr 2 O 3 /TiO 2 mixed powder having a diameter D50 of 0.4 μm was obtained as a raw material powder. Using this raw material powder and sapphire (diameter 5.08 cm (2 inches), thickness 0.43 mm, c-plane, off-angle 0.2°) as a seed substrate, the aerosol deposition (AD ) An AD film was formed on the seed substrate (sapphire substrate) by the
AD成膜条件は以下のとおりとした。すなわち、キャリアガスはN2とし、長辺5mm×短辺0.3mmのスリットが形成されたセラミックス製のノズルを用いた。ノズルのスキャン条件は、1mm/sのスキャン速度で、スリットの長辺に対して垂直且つ進む方向に55mm移動、スリットの長辺方向に5mm移動、スリットの長辺に対して垂直且つ戻る方向に55mm移動、スリットの長辺方向且つ初期位置とは反対方向に5mm移動、とのスキャンを繰り返し、スリットの長辺方向に初期位置から55mm移動した時点で、それまでとは逆方向にスキャンを行い、初期位置まで戻るサイクルを1サイクルとし、これを300サイクル繰り返した。室温での1サイクルの成膜において、搬送ガスの設定圧力を0.06MPa、流量を6L/min、チャンバ内圧力を100Pa以下に調整した。このようにして形成したAD膜(配向前駆体層)の厚さは約60μmであった。AD film forming conditions were as follows. That is, N2 was used as the carrier gas, and a ceramic nozzle having a slit with a long side of 5 mm and a short side of 0.3 mm was used. The nozzle scanning conditions were as follows: 1 mm/s scanning speed, 55 mm movement in the forward direction perpendicular to the long side of the slit, 5 mm movement in the long side direction of the slit, and perpendicular to the long side of the slit in the returning direction. Scanning of moving 55 mm, moving 5 mm in the long side direction of the slit and in the direction opposite to the initial position is repeated, and when the slit is moved 55 mm from the initial position in the long side direction of the slit, scanning is performed in the opposite direction. , the cycle of returning to the initial position was defined as one cycle, and this was repeated 300 cycles. In one cycle of film formation at room temperature, the set pressure of the carrier gas was adjusted to 0.06 MPa, the flow rate was adjusted to 6 L/min, and the pressure in the chamber was adjusted to 100 Pa or less. The thickness of the AD film (orientation precursor layer) thus formed was about 60 μm.
(b)配向前駆体層の熱処理
AD膜(配向前駆体層)が形成されたサファイア基板をAD装置から取り出し、窒素雰囲気中で1600℃にて4時間アニールした。(b) Heat Treatment of Alignment Precursor Layer The sapphire substrate on which the AD film (orientation precursor layer) was formed was removed from the AD apparatus and annealed at 1600° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere.
(c)結晶成長厚さの測定
上記(a)及び(b)と同様の方法で別途作製したAD膜(配向前駆体層)を準備し、板面と直交する方向で基板の中心部を通るように切断した。切断した試料に対してダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工にて断面を平滑化し、コロイダルシリカを用いた化学機械研磨(CMP)により鏡面仕上げを施した。得られた断面を走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、SU-5000)にて撮影した。研磨後の断面の反射電子像を観察すると、結晶方位の違いによるチャネリングコントラストにより、多結晶となって残留した配向前駆体層(以下、多結晶部という)と、配向層とをそれぞれ特定することができた。こうして各層の厚さを見積もった結果、配向層の膜厚は約50μm、多結晶部の膜厚は約10μmであった。(c) Measurement of crystal growth thickness Prepare an AD film (orientation precursor layer) separately prepared by the same method as (a) and (b) above, and pass through the center of the substrate in a direction perpendicular to the plate surface. cut like this. The cross section of the cut sample was smoothed by lapping using diamond abrasive grains, and mirror-finished by chemical mechanical polishing (CMP) using colloidal silica. The resulting cross section was photographed with a scanning electron microscope (SU-5000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). Observing the backscattered electron image of the cross section after polishing, it is possible to identify the orientation precursor layer remaining polycrystalline (hereinafter referred to as the polycrystalline portion) and the orientation layer, respectively, due to the channeling contrast due to the difference in crystal orientation. was made. As a result of estimating the thickness of each layer in this manner, the thickness of the orientation layer was about 50 μm, and the thickness of the polycrystalline portion was about 10 μm.
(d)研削及び研磨
得られた基板のAD膜に由来する側の面を配向層が露出するまで、#2000までの番手の砥石を用いて研削した後、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、板面をさらに平滑化した。その後、コロイダルシリカを用いた化学機械研磨(CMP)により鏡面仕上げを施し、サファイア基板上に配向層を備えた複合下地基板を得た。なお、基板のAD膜に由来する側の面を「表面」とした。研削及び研磨量は、多結晶部と配向層を合わせて約30μmであり、複合下地基板上に形成された配向層の厚さは約30μmとなった。(d) Grinding and Polishing After grinding the surface of the obtained substrate on the side derived from the AD film until the orientation layer is exposed, using a grindstone of grit up to #2000, lapping using diamond abrasive grains is performed. , further smoothed the plate surface. After that, the substrate was mirror-finished by chemical mechanical polishing (CMP) using colloidal silica to obtain a composite base substrate having an orientation layer on a sapphire substrate. The surface of the substrate on the side originating from the AD film was defined as the "surface". The amount of grinding and polishing was about 30 μm in total for the polycrystalline portion and the orientation layer, and the thickness of the orientation layer formed on the composite base substrate was about 30 μm.
例6
上記(1b)及び(1c)の装置及び成膜条件を表1に示されるように変更したこと、複合下地基板として10.0cmのものを作製して用いたこと、及びAD法での成膜範囲を110mm四方の領域に拡大したこと以外は、例5と同様にして半導体膜の作製及び各種評価を行った。結果は、表1に示されるとおりであった。 Example 6
The apparatus and film formation conditions of (1b) and (1c) above were changed as shown in Table 1, a 10.0 cm composite base substrate was prepared and used, and film formation was performed by the AD method. A semiconductor film was prepared and various evaluations were performed in the same manner as in Example 5, except that the range was expanded to a 110 mm square area. The results were as shown in Table 1.
例7及び8(比較)
上記(1c)の成膜条件を表1に示されるように変更した(例えばステージ回転数を0rpmとした)こと以外は、例1と同様にして半導体膜の作製及び各種評価を行った。結果は、表1に示されるとおりであった。 Examples 7 and 8 (comparative)
A semiconductor film was fabricated and various evaluations were performed in the same manner as in Example 1, except that the film formation conditions in (1c) above were changed as shown in Table 1 (for example, the stage rotation speed was set to 0 rpm). The results were as shown in Table 1.
例9(比較)
上記(1a)の原料溶液の作製において塩化スズ(II)の濃度を0.02mol/Lとしたこと、及び上記(1c)の成膜条件を表1に示されるように変更した(例えばステージ回転数を0rpmとした)こと以外は、例1と同様にして半導体膜の作製及び各種評価を行った。結果は、表1に示されるとおりであった。 Example 9 (Comparison)
The concentration of tin (II) chloride was set to 0.02 mol/L in the preparation of the raw material solution of (1a) above, and the film formation conditions of (1c) above were changed as shown in Table 1 (for example, stage rotation A semiconductor film was prepared and various evaluations were performed in the same manner as in Example 1, except that the rotation speed was set to 0 rpm. The results were as shown in Table 1.
Claims (8)
前記半導体膜が直径5.08cm(2インチ)以上のサイズの円形状であり、
前記半導体膜の表面の中心点X並びに4つの外周点A、B、C及びDの各々において、前記結晶の(104)面に対してX線回折(XRD)φスキャン測定を行った場合に、主ピークのピーク強度に対する、回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度の割合が1.00%以下であり、
前記外周点A、B、C及びDが、i)前記外周点A及び前記外周点Cを結ぶ直線と、前記外周点B及び前記外周点Dを結ぶ直線とが前記中心点Xで直角に交わり、かつ、ii)前記外周点A、B、C及びDの前記半導体膜の外縁からの各最短距離が前記半導体膜の半径の1/5となるように定められ、
前記中心点Xで測定された前記主ピークのピーク強度に対する、前記回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度の割合をIX%とし、かつ、前記外周点A、B、C及びDで測定された前記主ピークのピーク強度に対する、前記回転ドメインに起因する副ピークのピーク強度の割合の算術平均値をIM%とした場合に、|IX-IM|≦0.20の関係を満たす、半導体膜。 A semiconductor film whose main phase is a crystal having a corundum-type crystal structure composed of α-Ga 2 O 3 or an α-Ga 2 O 3 -based solid solution,
The semiconductor film has a circular shape with a diameter of 5.08 cm (2 inches) or more,
When X-ray diffraction (XRD) φ scan measurement is performed on the (104) plane of the crystal at each of the center point X and the four peripheral points A, B, C and D on the surface of the semiconductor film, The ratio of the peak intensity of the secondary peak due to the rotation domain to the peak intensity of the main peak is 1.00% or less,
i) a straight line connecting the outer peripheral points A and C and a straight line connecting the outer peripheral points B and D intersect at right angles at the center point X; and ii) the shortest distances of the outer perimeter points A, B, C, and D from the outer edge of the semiconductor film are determined to be ⅕ of the radius of the semiconductor film,
Let the ratio of the peak intensity of the secondary peak due to the rotation domain to the peak intensity of the main peak measured at the center point X be IX %, and be measured at the peripheral points A, B, C and D. satisfies the relationship |I X −I M |≦0.20, where I M % is the arithmetic mean value of the ratio of the peak intensity of the secondary peak due to the rotational domain to the peak intensity of the main peak. , a semiconductor film.
前記中心点X並びに前記外周点A、B、C及びDで測定された体積抵抗率の最大値RMaximum value R of volume resistivity measured at the center point X and the outer peripheral points A, B, C and D maxmax と最小値Rand minimum value R minmin が、[(Rbut [(R maxmax -R-R minmin )/R)/R maxmax ]≦0.20の関係を満たす、請求項1又は2に記載の半導体膜。] ≤ 0.20.
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