JP7274701B2 - p型酸化物半導体膜及びその形成方法 - Google Patents
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Description
[1] コランダム構造を有する金属酸化物を主成分として含むp型酸化物半導体膜であって、表面粗さが100nm以下であることを特徴とするp型酸化物半導体膜。
[2] 膜厚が50nm以上である前記[1]記載のp型酸化物半導体膜。
[3] 膜厚が100nm以上である前記[1]記載のp型酸化物半導体膜。
[4] 金属酸化物が、周期律表のdブロック金属または周期律表第13族金属を含む前記[1]~[3]のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜。
[5] 金属酸化物が、周期律表第9族金属または第13族金属を含む前記[1]~[4]のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜。
[6] 金属酸化物が、イリジウムを含む前記[1]~[5]のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜。
[7] 表面粗さが10nm以下である前記[1]~[6]のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜。
[8] 移動度が1.0cm2/V・s以上である前記[1]~[7]のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜。
[9] キャリア密度が8.0×1020/cm3以下である前記[1]~[8]のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜。
[10] p型酸化物半導体膜を形成する方法であって、p型酸化物半導体膜の形成に、金属酸化物ガスを原料として用いて、コランダム構造を有する基体上で結晶成長を行うことを特徴とするp型酸化物半導体膜の形成方法。
[11] 前記金属酸化物ガスが、周期律表第9族金属または第13族金属を含有する前記[10]記載のp型酸化物半導体膜の形成方法。
[12] 前記金属酸化物ガスが、周期律表第9族金属を含有する前記[10]または[11]に記載のp型酸化物半導体膜の形成方法。
[13] 前記金属酸化物ガスが、イリジウムを少なくとも含有する前記[10]~[12]のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜の形成方法。
[14] 前記金属酸化物ガスが、前記金属酸化物ガスの固体を加熱により昇華させて得られたものである前記[10]~[13]のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜の形成方法。
[15] 前記結晶成長を大気圧下で行う前記[10]~[14]のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜の形成方法。
[16] 1種または2種以上の半導体層と、電極とを少なくとも含む半導体装置であって、前記半導体層が前記[1]~[9]のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜を含むことを特徴とする半導体装置。
[17] 前記半導体層がn型半導体層を含み、該n型半導体層は酸化物半導体を主成分として含む前記[16]記載の半導体装置。
[18] 前記n型半導体層は、周期律表の第13族金属を含む酸化物半導体を主成分とする前記[16]または[17]に記載の半導体装置。
[19] ダイオードまたはトランジスタである前記[16]~[18]のいずれかに記載の半導体装置。
[20] SBD、MOSFET、IGBTまたはJFETである前記[16]~[19]のいずれかに記載の半導体装置。
[21] シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された埋め込み絶縁層とを有するSOI構造を含む半導体装置である前記[16]~[20]のいずれかに記載の半導体装置。
[22] パワーデバイスである前記[16]~[21]のいずれかに記載の半導体装置。
[23] パワーモジュール、インバータまたはコンバータである前記[16]~[22]のいずれかに記載の半導体装置。
[24] 半導体装置を備える半導体システムであって、前記半導体装置が、前記[16]~[23]のいずれかに記載の半導体装置である半導体システム。
昇華工程は、前記金属酸化物ガスの固体状物(例えば粉末等)を昇華させ、ガス状とすることにより、金属酸化物ガスを得る。前記金属酸化物ガスとしては、ガス状のp型酸化物半導体膜に含まれる金属の金属酸化物などが挙げられるが、前記金属酸化物の価数などは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、1価であってもよいし、2価であってもよい。3価であってもよいし、4価であってもよい。本発明においては、前記p型酸化物半導体膜がイリジウムを含む金属酸化物を主成分として含む場合には、前記金属酸化物ガスとして、IrO2ガスを用いるのが好ましい。昇華手段としては、加熱手段が挙げられる。加熱温度は特に限定されないが、好ましくは、600℃~1200℃であり、より好ましくは800℃~1000℃である。本発明においては、昇華により得られた金属酸化物ガスがキャリアガスで基体まで搬送されるのが好ましい。キャリアガスの種類としては、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、窒素やアルゴン等の不活性ガス、または水素ガスやフォーミングガス等の還元ガスなどが挙げられるが、本発明においては、キャリアガスとして酸素を用いるのが好ましい。酸素が用いられているキャリアガスとしては、例えば空気、酸素ガス、オゾンガス等が挙げられるが、とりわけ酸素ガス及び/又はオゾンガスが好ましい。また、キャリアガスの種類は1種類であってよいが、2種類以上であってもよく、キャリアガス濃度を変化させた希釈ガス(例えば10倍希釈ガス等)などを、第2のキャリアガスとしてさらに用いてもよい。また、キャリアガスの供給箇所も1箇所だけでなく、2箇所以上あってもよい。また、キャリアガスの流量は、特に限定されないが、0.01~20L/分であるのが好ましく、0.1~10L/分であるのがより好ましい。
結晶成長工程では、前記金属酸化物ガスを前記基体表面近傍で結晶成長させて、前記基体表面の一部または全部に成膜する。結晶成長温度は、昇華工程の加熱温度よりも低い温度であるのが好ましく、900℃以下がより好ましく、500℃~900℃が最も好ましい。また、結晶成長は、本発明の目的を阻害しない限り、真空下、非酸素雰囲気下、還元ガス雰囲気下および酸化雰囲気下のいずれの雰囲気下で行われてもよく、また、大気圧下、加圧下および減圧下のいずれの条件下で行われてもよいが、本発明においては、酸化雰囲気下で行われるのが好ましく、大気圧下で行われるのも好ましく、酸化雰囲気下でかつ大気圧下で行われるのがより好ましい。なお、「酸化雰囲気」は、金属酸化物の結晶又は混晶が形成できる雰囲気であれば特に限定されず、酸素または酸素含有化合物の存在下であればそれでよく、例えば、酸素を含むキャリアガスを用いたり、酸化剤を用いたりして酸化雰囲気とすること等が挙げられる。また、膜厚は、成膜時間を調整することにより、設定することができる。本発明においては、好ましくは50nm以上であり、より好ましくは100nm以上であり、最も好ましくは1.0μm以上である。膜厚の上限は特に限定されないが、好ましくは1mmであり、より好ましくは100μmである。また、本発明においては、金属酸化物ガスにp型ドーパントを含めて本工程に付し、前記のコランダム構造を有する金属酸化物をp型ドーピングしてもよい。前記p型ドーパントとしては、例えば、Mg、H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Ca、Sr、Ba、Ra、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Tl、Pb、N、P等及びこれらの2種以上の元素などが挙げられる。本発明においては、前記p型ドーパントが、周期律表の第1族金属又は第2族金属であるのが好ましく、第2族金属であるのがより好ましく、マグネシウム(Mg)であるのが最も好ましい。また、本発明においては、本工程で得られたp型酸化物半導体膜をアニール処理してもよい。
霧化・液滴化工程では、原料溶液を霧化または液滴化する。前記原料溶液の霧化手段または液滴化手段は、前記原料溶液を霧化または液滴化できさえすれば特に限定されず、公知の手段であってよいが、本発明においては、超音波を用いる霧化手段または液滴化手段が好ましい。超音波を用いて得られたミストまたは液滴は、初速度がゼロであり、空中に浮遊するので好ましく、例えば、スプレーのように吹き付けるのではなく、空間に浮遊するガスとして搬送することが可能なミストであるので衝突エネルギーによる損傷が無いため、非常に好適である。液滴サイズは、特に限定されず、数mm程度の液滴であってもよいが、好ましくは50μm以下であり、より好ましくは、100nm~10μmである。
前記原料溶液は、前記金属酸化物ガスの前駆体を含んでおり、霧化または液滴化が可能であれば特に限定されず、また、無機材料を含んでいてもよいし、有機材料を含んでいてもよい。本発明においては、前記原料溶液が、前記p型酸化物半導体膜に含まれる金属またはその化合物を含むのが好ましい。また、本発明においては、前記原料溶液として、前記p型酸化物半導体膜に含まれる金属を錯体または塩の形態で有機溶媒または水に溶解または分散させたものを好適に用いることができる。錯体の形態としては、例えば、アセチルアセトナート錯体、カルボニル錯体、アンミン錯体、ヒドリド錯体などが挙げられる。塩の形態としては、例えば、有機金属塩(例えば金属酢酸塩、金属シュウ酸塩、金属クエン酸等)、硫化金属塩、硝化金属塩、リン酸化金属塩、ハロゲン化金属塩(例えば塩化金属塩、臭化金属塩、ヨウ化金属塩等)などが挙げられる。
蒸発工程では、前記金属酸化物ガスの前駆体の液体状物(例えばミスト等)を蒸発および所望により酸化させることにより、前記金属酸化物ガスを得る。前記金属酸化物ガスとしては、上記昇華工程における金属酸化物ガスと同様であってよい。また、蒸発手段としては、例えば、加熱手段が挙げられる。蒸発手段における加熱温度は、前記昇華手段における加熱温度と同様であってよい。本発明においては、蒸発により得られた金属酸化物ガスがキャリアガスで基体まで搬送されるのが好ましい。キャリアガスの種類としては、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、窒素やアルゴン等の不活性ガス、または水素ガスやフォーミングガス等の還元ガスなどが挙げられるが、とりわけ酸素ガス及び/又はオゾンガスが好ましい。本発明においては、前記キャリアガスとして酸素ガス及び/又はオゾンガスを用いることにより、前記金属酸化物ガスの前駆体をより好適に酸化させることができる。また、キャリアガスの種類は1種類であってよいが、2種類以上であってもよく、キャリアガス濃度を変化させた希釈ガス(例えば10倍希釈ガス等)などを、第2のキャリアガスとしてさらに用いてもよい。また、キャリアガスの供給箇所も1箇所だけでなく、2箇所以上であってもよい。また、キャリアガスの流量は、特に限定されないが、0.01L/分~20L/分であるのが好ましく、0.1~10L/分であるのがより好ましい。
本発明の半導体装置が発光ダイオード(LED)である場合の一例を図12に示す。図12の半導体発光素子は、第2の電極165b上にn型半導体層161を備えており、n型半導体層161上には、発光層163が積層されている。そして、発光層163上には、p型半導体層162が積層されている。p型半導体層162上には、発光層163にて発生する光を透過する透光性電極167を備えており、透光性電極167上には、第1の電極165aが積層されている。発光層に用いられる発光体は公知のものであってもよい。なお、図12の半導体発光素子は、電極部分を除いて保護層で覆われていてもよい。
本発明の半導体装置がヘテロ接合型バイポーラトランジスタ(HBT)である場合の一例を図17に示す。図17のHBTは、npn構造及びpnp構造のいずれの構造をとることもできる。以下、npn構造について詳しく説明するが、pnp構造の場合も同様であって、npn構造のp型層をpnp構造のn型層で置換することができ、その逆も行うことができる。基板60は、半絶縁性の基体でよく、高い抵抗率(例えば105Ωcmを超える抵抗率等)を有し得る。なお、基板60はn型であってもよい。
なお、pnp HBTは、pnp HBTのp型層をnpn HBTのn型層で置換すると共に、その逆も行うことで形成できる。
半導体装置(1)は、ゲート電極と該ゲート電極の側壁に直接または他の層を介して、チャネルの形成されるチャネル層とを少なくとも備える半導体装置であって、前記チャネル層の一部または全部が、p型酸化物半導体を主成分として含むことを特長とする。前記チャネル層は、チャネルが形成されるものであれば、特に限定されず、半導体層の一部分であってもよいし、全部分であってもよい。他の半導体層にわたって形成されていてもよい。p型半導体層に前記p型酸化物半導体膜を使うことによって、イオン注入等をしなくても、例えば、SiCよりはるかに絶縁破壊電界強度が高い高電圧で低損失のn型半導体(例えば、酸化ガリウム等)の半導体特性を損うことなく半導体装置に用いることができる。
半導体装置(2)は、n型半導体層とp+型半導体層とを少なくとも備える半導体装置であって、n型半導体層が、周期律表第13族金属を含有する結晶性酸化物半導体を主成分として含み、p+型半導体層が、前記p型酸化物半導体膜を主成分として含むことを特長とする。前記p型酸化物半導体膜は、pウェル層に好適に用いることが可能である。
半導体装置(3)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、該n型半導体層上に直接または他の層を介してそれぞれ積層されている電界シールド層およびゲート電極とを少なくとも備える半導体装置であって、前記電界シールド層が、p型酸化物半導体を含み、前記ゲート電極よりも深くn型半導体層に埋め込まれていることを特長とする。このようにして電界シールド層を設けることにより、逆方向のリーク電流を低減することができる。
なお、図18の半導体装置において、第2のn+型半導体層11bとp+型半導体層16とが前記ソース電極14bを介して連設されているが、前記ソース電極14bを介さずに直接第2のn+型半導体層11bとp+型半導体層16とが連設されていてもよい。図示しないが、第2のn+型半導体層11bとp+型半導体層16とが直接連設されている場合、第2のn+型半導体層11bよりもp+型半導体層16を広くすると、ホール抜けが良くなるという効果を奏する。また、p+型半導体層16よりも第2のn+型半導体層11bを広くすると、オン抵抗を下げるという効果を奏する。
1.成膜装置
図1を用いて、本実施例で用いた成膜装置を説明する。図1の成膜装置1は、キャリアガス供給源と連結されている石英筒2と、石英筒2内に石英製の原料用設置台4とが設けられており、原料用設置台4上に原料5が載置されている。原料用設置台周辺の石英筒2の筒外にはヒーター3が円筒状に設けられており、原料5を加熱できるように構成されている。また、石英筒2の奥には石英基板台がサセプタ7として設置されており、サセプタ7が結晶成長温度内になるように設置位置が調整されている。
原料用設置台4上に、原料5としてIrO2粉末を載置し、基板6として、サファイア基板をサセプタ7上に設置した。次に、ヒーター3の温度を850℃にまで昇温し、原料用設置台4上に載置されたIrO2粉末を加熱することにより、IrO2粉末を昇華させて、ガス状の酸化イリジウムを生成した。
次に、ヒーター3の温度を850℃に保持したまま、キャリアガス供給源からキャリアガスを石英筒2内に供給し、上記2.にて生成した金属酸化物ガス(ガス状の酸化イリジウム)を、石英筒2を通して基板6に供給した。なお、キャリアガスの流量は1.0L/分であり、キャリアガスとして酸素を用いた。この金属酸化物ガスが、大気圧下で、基板6の表面近傍にて反応することにより、基板上に膜が形成された。なお、成膜時間は60分であり、膜厚は220nmであった。また、成膜時の基板温度は600℃であった。
上記3.にて得られた膜について、X線回析装置を用いて膜の同定をしたところ、得られた膜は、α-Ir2O3膜であった。なお、XRDの結果を図3に示す。また、得られたα-Ir2O3膜についてホール効果測定を行ったところ、F値が0.998であり、キャリアタイプは「p」であり、p型半導体であることがわかった。また、キャリア濃度は1.05×1022(/cm3)であり、移動度は3.12(cm2/V・s)であった。
さらに、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて膜表面を観察したところ、図4の通り、表面粗さ(Ra)が3.5nmであり、表面平滑性に非常に優れていることがわかる。なお、表面粗さ(Ra)は、原子間力顕微鏡(AFM)による90μm角の領域についての表面形状測定結果を用い、JIS B0601に基づき算出した。
1.成膜装置
図2を用いて、本比較例で用いたミストCVD装置を説明する。ミストCVD装置19は、基板20を載置するサセプタ21と、キャリアガスを供給するキャリアガス供給手段22aと、キャリアガス供給手段22aから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁23aと、キャリアガス(希釈)を供給するキャリアガス(希釈)供給手段22bと、キャリアガス(希釈)供給手段22bから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁23bと、原料溶液24aが収容されるミスト発生源24と、水25aが入れられる容器25と、容器25の底面に取り付けられた超音波振動子26と、内径40mmの石英管からなる供給管27と、供給管27の周辺部に設置されたヒーター28とを備えている。サセプタ21は、石英からなり、基板20を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室となる供給管27とサセプタ21をどちらも石英で作製することにより、基板20上に形成される膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。
塩化イリジウム(イリジウム濃度0.1mol/L)と臭化ガリウム(ガリウム濃度0.1mol/L)とを、超純水に混合し、塩酸を体積比20%となるように加えて水溶液を調整し、これを原料溶液とした。なお、塩化イリジウムと臭化ガリウムの体積比は19:1とした。
上記2.で得られた原料溶液24aミスト発生源24内に収容した。次に、基板20として、c面サファイア基板をサセプタ21上に設置し、ヒーター28の温度を750℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁23a、23bを開いて、キャリアガス源であるキャリアガス供給手段22a、22bからキャリアガスを供給管27内に供給し、供給管27内の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を1.0L/分に、キャリアガス(希釈)の流量を0.5L/分にそれぞれ調節した。なお、キャリアガスとして酸素を用いた。
次に、超音波振動子を振動させ、その振動を、水25を通じて原料溶液24aに伝播させることによって、原料溶液24aを霧化させてミストを生成させた。このミストが、キャリアガスによって、供給管27に搬送され、大気圧下、750℃にて、基板20表面近傍でミストが熱反応して基板20上に膜が形成された。なお、膜厚は280nmであった。
成膜時間を長くしたこと以外は、実施例1および比較例1とそれぞれ同様にして膜を得て、それぞれ実施例2および比較例2とした。そして、得られた膜について、SEMを用いて断面を観察した。結果を図6に示す。図6から明らかなように、実施例2で得られた膜は膜状であるのに対し、比較例2で得られた膜は、針状に成長しており、均質な膜状となっていないことがわかる。
成膜時間を2時間としたこと以外、実施例1と同様にしてp型酸化物半導体膜を得た。次に、p型酸化物半導体膜上にn-型半導体層を積層した。n-型半導体層の積層は、臭化ガリウム(ガリウム濃度0.1mol/L)を、超純水に混合し、臭化水素酸を体積比20%となるように加えて水溶液を調整し、これを原料溶液としたこと、ヒーターの温度を420℃としたこと、および成膜時間を30分間としたこと以外は、比較例1と同様にして、膜を形成することにより行われた。膜は、α-Ga2O3膜であった。
また、得られたn-型半導体層上にn+型半導体層を積層した。n+型半導体層の積層は、臭化ガリウム(ガリウム濃度0.1mol/L)を、超純水に混合し、臭化水素酸を体積比10%となるように加えて水溶液を調整し、さらに酸化ゲルマニウム1%を加えて、これを原料溶液としたこと、ヒーターの温度を390℃としたこと、および成膜時間を30分間としたこと以外は、比較例1と同様にして、膜を形成することにより行われた。
得られた積層体のn+型半導体層上にスパッタでTiを成膜し、ついでフォトリソグラフィーとエッチングを実施することにより、pnダイオードを作製した。得られたpnダイオードにつき、I-V測定を行った。結果を図19に示す。図19から明らかなように、本発明のp型酸化物半導体膜は、例えば、絶縁破壊電界強度が高い高電圧で低損失のn型半導体(例えば、酸化ガリウム等)とともに、良好なPN接合を実現できることがわかる。
1.成膜装置
図20を用いて、本実施例で用いた成膜装置を説明する。図20の成膜装置10は、キャリアガス供給源と連結されている石英筒2と、石英筒2内に石英製の原料用設置台4とが設けられており、原料用設置台4上に原料5が載置されている。原料用設置台周辺の石英筒2の筒外にはヒーター(原料側)3aおよびヒーター(基板側)3bとがそれぞれ円筒状に設けられており、原料5を加熱できるように構成されている。また、石英筒2の奥には石英基板台がサセプタ7として設置されており、サセプタ7が結晶成長温度内になるように設置位置が調整されている。
原料用設置台4上に、原料5としてIrO2粉末を載置し、基板6として、サファイア基板をサセプタ7上に設置した。次に、ヒーター(原料側)3aの温度を850℃にまで昇温し、原料用設置台4上に載置されたIrO2粉末を加熱することにより、IrO2粉末を昇華させて、ガス状の酸化イリジウムを生成した。なお、ヒーター(基板側)3bの温度は350℃にまで昇温した。
次に、ヒーター(原料側)3aの温度を850℃に、ヒーター(基板側)の温度を350℃にそれぞれ保持したまま、キャリアガス供給源からキャリアガスを石英筒2内に供給し、上記2.にて生成した金属酸化物ガス(ガス状の酸化イリジウム)を、石英筒2を通して基板6に供給した。なお、キャリアガスの流量は2.0L/分であり、キャリアガスとして酸素を用いた。この金属酸化物ガスが、大気圧下で、基板6の表面近傍にて反応することにより、基板上に膜が形成された。なお、成膜時間は90分であった。
上記3.にて得られた膜について、X線回折装置を用いて膜の同定をしたところ、得られた膜は、α-Ir2O3膜であった。なお、XRDの結果を図22に示す。さらに、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて膜表面を観察したところ、表面粗さ(Ra)が0.161nmであり、表面平滑性に非常に優れていることがわかる。なお、表面粗さ(Ra)は、原子間力顕微鏡(AFM)による90μm角の領域についての表面形状測定結果を用い、JIS B0601に基づき算出した。
ヒーター(基板側)の温度を250℃としたこと、キャリアガスの流量を4.0L/分としたこと、および成膜時間を120分としたこと以外は、実施例4と同様にして、p型酸化物半導体膜を得た。得られた膜について、X線回折装置を用いて膜の同定をしたところ、得られた膜は、α―Ir2O3膜であった。また、得られた膜は、実施例4で得られたものと同様、表面粗さ(Ra)に非常に優れた膜であった。得られたα―Ir2O3膜についてホール効果測定を行ったところ。F値が0.999であり、キャリアタイプは「p」であり、p型半導体であることがわかった。また、キャリア濃度は1.64×1021(/cm3)であり、移動度は1.63(cm2/V・s)であった。
1.成膜装置
図21を用いて、本実施例で用いた成膜装置を説明する。図21の成膜装置30は、基板20を載置するサセプタ21と、キャリアガスを供給するキャリアガス供給手段22aと、キャリアガス供給手段22aから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁23aと、キャリアガス(希釈)を供給するキャリアガス(希釈)供給手段22bと、キャリアガス(希釈)供給手段22bから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁23bと、原料溶液24aが収容されるミスト発生源24と、水25aが入れられる容器25と、容器25の底面に取り付けられた超音波振動子26と、内径40mmの石英管からなる供給管27と、供給管27の周辺部にそれぞれ設置されたヒーター(原料側)28aおよびヒーター(基板側)28bとを備えている。供給管27は、ヒーター(原料側)28aが設置された供給管(原料側)27aおよびヒーター(基板側)28bが設置された供給管(基板側)27bの2ゾーンから構成されている。サセプタ21は、石英からなり、基板20を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室となる供給管27とサセプタ21をどちらも石英で供給することにより、基板20上に形成される膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。
臭化イリジウム(イリジウム濃度0.1mol/L)を、超純水に混合し、48%臭化水素酸を加えて水溶液を調整し、これを原料溶液とした。
上記2.で得られた原料溶液24aをミスト発生源24内に収容した。次に、基板20として、c面サファイア基板をサセプタ21上に設置し、ヒーター(原料側)28aの温度を950℃に、ヒーター(基板側)の温度を350℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁23a、23bを開いて、キャリアガス源であるキャリアガス供給手段22a、22bからキャリアガスを供給管27内に供給し、供給管27内の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を1.0L/分に、キャリアガス(希釈)の流量を0.5L/分にそれぞれ調節した。なお、キャリアガスとして酸素を用いた。
次に、超音波振動子を振動させ、その振動を、水25を通じて原料溶液24aに伝播させることによって、原料溶液24aを霧化させてミストを生成させた。このミストが、キャリアガスによって、供給管27aに搬送され、ミストが蒸発・酸化されてガス状の酸化イリジウムが生成された。そして、生成された金属酸化物ガス(ガス状の酸化イリジウム)はキャリアガスによって供給管27b内の基板20まで供給され、ついで、金属酸化物ガスが大気圧下、350℃にて、基板20表面近傍で反応することにより、基板上に膜が形成された。なお、成膜時間は60分であった。
上記4.にて得られた膜について、X線回折装置を用いて膜の同定をしたところ、得られた膜は、α-Ir2O3膜であった。なお、XRDの結果を図23に示す。また、得られたα-Ir2O3膜についてホール効果測定を行ったところ、F値が1.000であり、キャリアガス「p」であり、p型半導体であることがわかった。また、キャリア濃度は1.12×1022(/cm3)であり、移動度は1.60(cm2/V・s)であった。また、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて膜表面を観察したところ、表面粗さ(Ra)が9.443nmであり、表面平滑性に優れていることがわかる。なお、表面粗さ(Ra)は、原子間力顕微鏡(AFM)による90μm角の領域についての表面形状測定結果を用い、JIS B0601に基づき算出した。
2 石英筒
3 ヒーター
4 原料設置台
5 原料
6 基板
7 サセプタ
11a 第1のn+型半導体層
11b 第2のn+型半導体層
12 n-型半導体層
13 p型半導体層
14a ゲート電極
14b ソース電極
14c ドレイン電極
15 ゲート絶縁膜
16 p+型半導体層
19 ミストCVD装置
20 基板
21 サセプタ
22a キャリアガス供給手段
22b キャリアガス(希釈)供給手段
23a 流量調節弁
23b 流量調節弁
24 ミスト発生源
24a 原料溶液
25 容器
25a 水
26 超音波振動子
27 供給管
27a 供給管(原料側)
27b 供給管(基板側)
28 ヒーター
29 排気口
40 サブコレクタ層
42 コレクタ層
44 ベース層
46 エミッタ層
48 キャップ層
52 コレクタ電極
54 ベース電極
56 エミッタ電極
60 基板
101a n-型半導体層
101b n+型半導体層
102 p型半導体層
103 金属層
104 絶縁体層
105a ショットキー電極
105b オーミック電極
121a バンドギャップの広いn型半導体層
121b バンドギャップの狭いn型半導体層
121c n+型半導体層
123 p型半導体層
125a ゲート電極
125b ソース電極
125c ドレイン電極
128 緩衝層
129 基板
131a n-型半導体層
131b 第1のn+型半導体層
131c 第2のn+型半導体層
132 p型半導体層
134 ゲート絶縁膜
135a ゲート電極
135b ソース電極
135c ドレイン電極
138 緩衝層
139 半絶縁体層
141a n-型半導体層
141b 第1のn+型半導体層
141c 第2のn+型半導体層
142 p型半導体層
145a ゲート電極
145b ソース電極
145c ドレイン電極
151 n型半導体層
151a n-型半導体層
151b n+型半導体層
152 p型半導体層
154 ゲート絶縁膜
155a ゲート電極
155b エミッタ電極
155c コレクタ電極
161 n型半導体層
162 p型半導体層
163 発光層
165a 第1の電極
165b 第2の電極
167 透光性電極
169 基板
Claims (21)
- コランダム構造を有し、イリジウムを含む金属酸化物を主成分として含むp型酸化物半導体膜であって、表面粗さが10nm以下であり、キャリア密度が1.0×10 17 /cm 3 以上であることを特徴とするp型酸化物半導体膜。
- 膜厚が50nm以上である請求項1記載のp型酸化物半導体膜。
- 膜厚が100nm以上である請求項1記載のp型酸化物半導体膜。
- 金属酸化物が、周期律表のdブロック金属または周期律表第13族金属を含む請求項1~3のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜。
- 金属酸化物が、周期律表第9族金属または第13族金属を含む請求項1~4のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜。
- 移動度が1.0cm2/V・s以上である請求項1~5のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜。
- キャリア密度が8.0×1020/cm3以下である請求項1~6のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜。
- p型酸化物半導体膜を形成する方法であって、p型酸化物半導体膜の形成に酸化イリジウムのガスを主成分として含有する金属酸化物ガスを原料として用いて、コランダム構造を有する基体上で結晶成長を行うことを特徴とするコランダム構造を有するp型酸化物半導体膜の形成方法。
- 前記金属酸化物ガスが、周期律表第9族金属または第13族金属を含有する請求項8記載のp型酸化物半導体膜の形成方法。
- 前記金属酸化物ガスが、周期律表第9族金属を含有する請求項8または9に記載のp型酸化物半導体膜の形成方法。
- 前記金属酸化物ガスが、前記金属酸化物ガスの固体を加熱により昇華させて得られたものである請求項8~10のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜の形成方法。
- 前記結晶成長を大気圧下で行う請求項8~11のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜の形成方法。
- 1種または2種以上の半導体層と、電極とを少なくとも含む半導体装置であって、前記半導体層が請求項1~7のいずれかに記載のp型酸化物半導体膜を含むことを特徴とする半導体装置。
- 前記半導体層がn型半導体層を含み、該n型半導体層は酸化物半導体を主成分として含む請求項13記載の半導体装置。
- 前記n型半導体層は、周期律表の第13族金属を含む酸化物半導体を主成分とする請求項13または14に記載の半導体装置。
- ダイオードまたはトランジスタである請求項13~15のいずれかに記載の半導体装置。
- SBD、MOSFET、IGBTまたはJFETである請求項13~16のいずれかに記載の半導体装置。
- シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された埋め込み絶縁層とを有するSOI構造を含む半導体装置である請求項13~17のいずれかに記載の半導体装置。
- パワーデバイスである請求項13~18のいずれかに記載の半導体装置。
- パワーモジュール、インバータまたはコンバータである請求項13~19のいずれかに記載の半導体装置。
- 半導体装置を備える半導体システムであって、前記半導体装置が、請求項13~20のいずれかに記載の半導体装置である半導体システム。
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