JP7344426B2 - 結晶性積層構造体 - Google Patents
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Description
特許文献3には、ガリウム又はインジウムの臭化物又はヨウ化物を用いて、ミストCVD法により、酸化物結晶薄膜を製造する方法が記載されている。特許文献4~6には、コランダム型結晶構造を有する下地基板上に、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が積層された多層構造体が記載されている。
なお、特許文献3~6はいずれも本出願人による特許または特許出願に関する公報である。
[1] 凹凸部を有する結晶基板の結晶成長面上に、直接または他の層を介して、少なくともガリウムを含み、かつコランダム構造を有する結晶性半導体を主成分として含むエピタキシャル膜が形成されている結晶性積層構造体であって、前記エピタキシャル膜がボイドを含み、表面粗さが0.1μm以下であることを特徴とする結晶性積層構造体。
[2] 前記ボイドが、周期的に形成されている前記[1]記載の結晶性積層構造体。
[3] 前記結晶性半導体が酸化物半導体である前記[1]または[2]に記載の結晶性積層構造体。
[4] 前記エピタキシャル膜が、CVD膜、MOCVD膜、MOVPE膜、ミストCVD膜、ミスト・エピタキシー膜、MBE膜、HVPE膜またはパルス成長膜である前記[1]~[3]のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
[5] 前記結晶基板が、サファイア基板である前記[1]~[4]のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
[6] 前記結晶基板上に、凹部または凸部からなる凹凸部が形成されている前記[1]~[5]のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
[7] 前記エピタキシャル膜がドーパントを含む、前記[1]~[6]のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
[8] 前記エピタキシャル膜が、Br、I、FおよびClから選択される少なくとも1種からなる異常粒抑制剤を含む、前記[1]~[7]のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
[9] 前記[1]~[8]のいずれかに記載の結晶性積層構造体を用いてなる半導体装置。
[10] 結晶基板の結晶成長面上に、直接または他の層を介して、凹部または凸部からなる凹凸部を形成し、ついで、前記凹凸部上に、少なくともガリウムを含み、かつ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エピタキシャル膜を800℃以下で成膜して結晶性積層構造体を製造する方法であって、前記成膜時に、前記エピタキシャル膜にボイドを形成し、少なくともガリウムと異常粒抑制剤とを含む原料溶液を用いてドーピング処理を行うことにより、表面粗さを0.1μm以下とすることを特徴とする結晶性積層構造体の製造方法。
[11] 前記ボイドの形成を、前記ボイドを周期的に形成することにより行う前記[10]記載の製造方法。
[12] 前記エピタキシャル膜の成膜を、CVD法、MOCVD法、MOVPE法、ミストCVD法、ミスト・エピタキシー法、MBE法、HVPE法またはパルス成長法を用いて行う前記[10]または[11]に記載の製造方法。
前記結晶基板は、結晶物を主成分として含む基板であれば特に限定されず、公知の基板であってよい。絶縁体基板であってもよいし、導電性基板であってもよいし、半導体基板であってもよい。単結晶基板であってもよいし、多結晶基板であってもよい。前記結晶基板としては、例えば、コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板、またはβ-ガリア構造を有する結晶物を主成分として含む基板、六方晶構造を有する基板などが挙げられる。なお、前記「主成分」とは、基板中の組成比で、前記結晶物を50%以上含むものをいい、好ましくは70%以上含むものであり、より好ましくは90%以上含むものである。
なお、前記結晶基板の厚さは、特に限定されないが、好ましくは、50~2000μmであり、より好ましくは200~800μmである。
前記ボイドは、前記エピタキシャル膜に含まれる空隙であれば特に限定されないが、本発明においては、複数のボイドが、周期的に形成されているのが好ましい。前記ボイドの断面形状としては、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、例えば、線状、帯状、多角形(例えば三角形、逆三角形、正方形や長方形等の四角形、菱形、台形、五角形、六角形、八角形等)、円状、楕円状、らせん状、これらの組み合わせた形状などが挙げられる。前記ボイドの断面積も特に限定されないが、好ましくは約0.01μm2以上であり、より好ましくは約0.1~100μm2である。また、本発明においては、前記ボイドの高さが、前記エピタキシャル膜の膜厚に対して、約0.01%以上であるのが好ましく、約1~60%であるのがより好ましく、約3~50%であるのが最も好ましい。
本発明においては、前記結晶基板上に、直接または他の層を介して、凹部または凸部からなる凹凸部が形成されているのが好ましい。前記凹凸部は、凸部または凹部からなるものであれば特に限定されず、凸部からなる凹凸部であってもよいし、凹部からなる凹凸部であってもよいし、凸部および凹部からなる凹凸部であってもよい。また、前記凹凸部は、規則的な凸部または凹部から形成されていてもよいし、不規則な凸部または凹部から形成されていてもよい。本発明においては、前記凹凸部が周期的に形成されているのが好ましく、周期的かつ規則的にパターン化されているのがより好ましい。前記凹凸部の形状としては、特に限定されず、例えば、ストライプ状、ドット状、メッシュ状またはランダム状などが挙げられるが、本発明においては、ストライプ状またはドット状が好ましい。なお、ドット状に凹凸部を形成する場合には、例えば正方格子、斜方格子、三角格子、六角格子などの格子位置に、周期的かつ規則的に、三角形、四角形(例えば正方形、長方形若しくは台形等)、五角形若しくは六角形等の多角形状、円状、楕円状などの凹凸部を配置することができる。前記凹凸部の凹部または凸部の断面形状としては、特に限定されないが、例えば、コの字型、U字型、逆U字型、波型、または三角形、四角形(例えば正方形、長方形若しくは台形等)、五角形若しくは六角形等の多角形等が挙げられる。
図1は、本発明に用いられる結晶基板の結晶成長面上に設けられた凹凸部の一態様を示す。図1の凹凸部は、結晶基板1と、結晶成長面1a上の凸部2aとから形成されている。凸部2aはストライプ状であり、結晶基板1の結晶成長面1a上には、ストライプ状の凸部2aが周期的に配列されている。なお、凸部2aは、SiO2等のシリコン含有化合物からなり、フォトリソグラフィー等の公知の手段を用いて形成することができる。
また、本発明においては、前記結晶基板上にバッファ層や応力緩和層等の他の層を設けもよく、他の層を設ける場合には、他の層上でも他の層下でも前記ボイドを形成してもよいが、好ましくは、他の層上に、前記ボイドを形成する。
前記結晶性酸化物薄膜は、コランダム構造を有する結晶性酸化物、またはβ-ガリア構造を有する結晶性酸化物を主成分として含んでいるのが好ましく、前記結晶性酸化物がα-Ga2O3またはβ-Ga2O3を主成分として含んでいるのがより好ましい。「主成分」とは、結晶性酸化物がα-Ga2O3である場合、前記薄膜の金属元素中のガリウムの原子比が0.5以上の割合でα-Ga2O3が含まれていればそれでよい。本発明においては、前記薄膜中の金属元素中のガリウムの原子比が0.7以上であることが好ましく、0.8以上であるのがより好ましい。また、結晶性酸化物半導体薄膜の厚さは、特に限定されず、1μm以下であってもよいし、1μm以上であってもよいが、本発明においては、3μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、10μm以上であることが最も好ましい。なお、前記結晶性酸化物薄膜は、通常、単結晶であるが、多結晶であってもよい。
前記ショットキー電極やオーミック電極は、公知のものであってよく、公知の手段を用いて、これらを前記結晶性積層構造体に備えることができる。なお、別の層を介する場合の別の層としては、公知の半導体層、絶縁体層、導体層などが挙げられ、これらの層は、公知のものであってよく、本発明においては、公知の手段でもって、これらの層を積層することができる。
まず、図9を用いて、本実施例で用いたミストCVD装置19を説明する。ミストCVD装置19は、下地基板等の被成膜試料20を載置する試料台21と、キャリアガスを供給するキャリアガス源22と、キャリアガス源22から送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁23と、原料溶液24aが収容されるミスト発生源24と、水25aが入れられる容器25と、容器25の底面に取り付けられた超音波振動子26と、内径40mmの石英管からなる成膜室27と、成膜室27の周辺部に設置されたヒータ28を備えている。試料台21は、石英からなり、被成膜試料20を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室27と試料台21をどちらも石英で作製することにより、被成膜試料20上に形成される薄膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。
<実施例1>
結晶基板として、c面サファイア基板を用いた。SOGをスピンコーターで塗布し、フォトリソグラフィー法を用いて、c面サファイア基板上に、SiO2のストライプを形成した。なお、ストライプの方向軸をa軸とした。
<比較例>
結晶基板として、表面に凹凸のないc面サファイア基板を用いた。
臭化ガリウム0.1mol/Lの水溶液を調整し、この際、さらに48%臭化水素酸溶液を体積比で10%となるように含有させ、これを原料溶液とした。
上記3.で得られた原料溶液24aをミスト発生源24内に収容した。次に、被成膜試料20として、1辺が10mmの正方形の結晶成長用基板を試料台21上に設置させ、ヒータ28を作動させて成膜室27内の温度を580℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁23を開いてキャリアガス源22からキャリアガスを成膜室27内に供給し、成膜室27の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を5L/minに調節した。なお、キャリアガスとして酸素を用いた。
次に、超音波振動子26を2.4MHzで振動させ、その振動を、水25aを通じて原料溶液24aに伝播させることによって、原料溶液24aを微粒子化させて原料微粒子を生成した。この原料微粒子が、キャリアガスによって成膜室27内に導入され、580℃にて、成膜室27内で反応して、被成膜試料20上に薄膜を形成した。なお、成膜時間は12時間であった。
上記5.にて得られたα-Ga2O3薄膜の相の同定をした。同定は、薄膜用XRD回折装置を用いて、15度から95度の角度で2θ/ωスキャンを行うことによって行った。測定は、CuKα線を用いて行った。その結果、実施例1および比較例1のいずれの膜もα-Ga2O3であった。
成膜時間を4時間としたこと以外は、実施例1と同様にして、結晶性積層構造体を得た。得られた結晶性積層構造体のエピタキシャル膜につき、TEMを用いて断面を観察した。結果を図11に示す。図11から、凸部上にボイドが形成されていることがわかる。また、凸部上の結晶はクラックが低減されていることがわかる。なお、図11のエピタキシャル膜の膜厚(約8μm)に対するボイドの高さは、1.69%および2.38%であった。また、ボイドと凸部の拡大TEM像を図12に示す。図12から、凸部表面から斜め上に向けてボイドが伸びていることがわかる。
1a 結晶成長面
2a 凸部
2b 凹部
3 エピタキシャル膜
4 マスク層
10 ボイド
19 ミストCVD装置
20 被成膜試料
21 試料台
22 キャリアガス源
23 流量調節弁
24 ミスト発生源
24a 原料溶液
25 容器
25a 水
26 超音波振動子
27 成膜室
28 ヒータ
Claims (11)
- 凹部および凸部の少なくとも一方からなる凹凸部を有する結晶基板の結晶成長面上に、直接または他の層を介して、少なくともガリウムを含み、かつコランダム構造を有する結晶性半導体を主成分として含むエピタキシャル膜が形成されている結晶性積層構造体であって、前記結晶性半導体が酸化物半導体であり、前記エピタキシャル膜中の金属元素中のガリウムの原子比が0.5以上であり、前記エピタキシャル膜がBr、I、FまたはClを含み、前記エピタキシャル膜の膜厚が3μm以上であり、前記エピタキシャル膜がボイドを含み、前記ボイドが前記凹部上または前記凸部上のいずれかに位置することを特徴とする結晶性積層構造体。
- 前記ボイドが、周期的に形成されている請求項1記載の結晶性積層構造体。
- 前記結晶基板が、サファイア基板である請求項1または2に記載の結晶性積層構造体。
- 前記エピタキシャル膜がドーパントを含む、請求項1~3のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
- 請求項1~4のいずれかに記載の結晶性積層構造体を用いてなる半導体装置。
- 前記結晶基板の結晶成長面がc面である請求項1~4のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
- 前記凸部の間隔が10nm~1μmである請求項1~4のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
- 前記凹部の間隔が10nm~1μmである請求項1~4のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
- 前記凸部がストライプ状またはドット状に周期的に配列されている請求項1~4のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
- 前記凹部がドット状に周期的に配列されている請求項1~4のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
- 前記凸部がストライプ状に周期的に配列されており、前記ストライプの方向軸がa軸である請求項1~4のいずれかに記載の結晶性積層構造体。
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