JPWO2015147101A1 - β−Ga2O3単結晶層の製造方法、β―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板、β―Ga2O3自立単結晶及びその製造方法 - Google Patents
β−Ga2O3単結晶層の製造方法、β―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板、β―Ga2O3自立単結晶及びその製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、以下の構成を有する。
(2) 前記基板がサファイア基板であることを特徴とする上記(1)に記載のβ―Ga2O3単結晶層の製造方法。
(4) 蒸着法、スパッタ法、MOCVD法、MBE法及びHVPE法のいずれか一の方法により、β―Ga2O3結晶をヘテロエピタキシャル成長させて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ga2O3結晶層を形成することを特徴とする上記(1)から(3)のいずれかに記載のβ―Ga2O3単結晶層の製造方法。
(6) 前記β―Ga2O3結晶層は、前記回転対称性を有さない面からの厚さが300nm以上100μm以下であることを特徴とする上記(5)に記載のβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板。
(7) 前記β―Ga2O3結晶層は、前記回転対称性を有さない面からの厚さが100μm超であることを特徴とする上記(5)又は(6)に記載のβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板。
(8) 前記β―Ga2O3結晶層が平面視でほぼ円形に形成された場合、その直径が2インチ以上であることを特徴とする上記(5)から(7)のいずれかに記載のβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板。
(10) 前記回転対称性を有さない面が、(0001)面に対してa軸方向に5°以上25°以下の所定の角度でサファイア基板を切断して形成されていることを特徴とする上記(9)に記載のβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板。
(11) 厚さが100μm超であり、気相成長法で製造されたことを特徴とするβ―Ga2O3自立単結晶。
(13) 上記(12)に記載のβ―Ga2O3自立単結晶の製造方法により製造された、厚さが100μm超のβ―Ga2O3自立単結晶を種結晶として結晶成長させて、厚さが1mm超のβ―Ga2O3単結晶インゴットを作製する工程と、前記β―Ga2O3自立単結晶インゴットを切断して、厚さ100μm以上の複数のβ―Ga2O3自立単結晶を作製する工程を有することを特徴とするβ―Ga2O3自立単結晶の製造方法。
(14) 上記(12)又は(13)の方法で製造されたβ―Ga2O3自立単結晶の少なくとも片面を研磨する工程を含むことを特徴とする、β―Ga2O3自立単結晶の製造方法。
(15) 原子配列に類似性を有する基板表面にエピタキシャル成長させるβ―Ga2O3結晶層を製造する方法において、前記基板表面の回転対称性を変化させることにより、異なる結晶方位を備えるβ―Ga2O3単結晶からなる領域がある場合、それぞれの結晶方位に属する領域の割合を変化させることを特徴とするβ―Ga2O3結晶層の製造方法。
(β―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板)
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態であるβ−Ga2O3単結晶層の製造方法及びβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板を説明する。
図1Aおよび図1Bは、本発明の実施形態であるβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板の一例を示す図であって、図1Aは平面図、図1Bは側面図である。
図1Aには、β―Ga2O3単結晶層11が平面視形状で6角形に描かれているが、便宜上のものであり、実際に六角形の結晶が成長されるわけではない。β―Ga2O3単結晶層の平面形状は用いるサファイア基板のそれによる。通常は円形か四角形状である。
サファイアは、α−アルミナ(α−Al2O3)の結晶体である。その結晶構造は、図3Aに示すように、近似的に(正確には菱面体晶系)に表される。ここで、a1軸、a2軸、a3軸は何れもc面に平行な軸であり、それぞれの方向をa1軸方向([2−1−10]方向)、a2軸方向([−12−10]方向)、a3軸方向([−1−120]方向)としているが、この結晶構造は3回の回転対称性を有しており、これら3つの軸のいずれも等価であるので、以下総称してa軸方向(<2−1−10>方向)という。また、(c面は、c軸に垂直である。上述する面21aは、a1軸方向にオフ角θ21aだけc面から傾斜する面(以下、「傾斜面」ともいう)を含んでよい。この面21aがc面と交差したときにできる交差線は、a1軸に垂直な[0−110]方向に延びる直線となり、この交差線を回転軸のようにして、c面からオフ角θ21aだけ回転した面に面21aは相当する。このとき、前記交差線に垂直でc面に平行なa1軸は、前記交差線に垂直で面21aに平行なa21軸と、オフ角θ21aで交わることになる。このとき、オフ方向とは、a1軸方向のことを意味することができ、3回の回転対称性を考慮すれば、a軸方向とも言える。サファイア基板21の面21aは、c面に対してa軸方向(オフ方向)に10°の角度θ21a(オフ角度)でサファイア基板21を切断又は他の方法により形成されている(図1B)。
尚、ここで、β―Ga2O3単結晶層の対応する面には、6種類ある。上述するように、c面の酸素原子配列は6回の回転対称性がある一方、β―Ga2O3単結晶の(−201)面は回転対称性がないためである。そして、c面上ではこれらの6種類の単結晶領域は、それぞれ同等の速度で成長するので、結果として1種類のβ―Ga2O3単結晶層を得ることが困難である。しかしながら、後述するように、上記オフ方向及びオフ角によって規定される上記β―Ga2O3単結晶層の対応する面の6種類は、いずれか1種類が支配的に生成及び/又は成長すると考えられ、それによってβ―Ga2O3単結晶層を容易に形成することができる。言い換えると、オフ方向及びオフ角を変えると、β―Ga2O3単結晶層の対応する6種類の面において、結晶生成及び/又は結晶成長速度がそれぞれに変化し、ある条件を満たせば、1種類の面の結晶生成及び/又は結晶成長速度が支配的になると考えられる。
オフ角度が0°より大きく5°未満の場合には、面21aは結晶学的には回転対称性を有しないと言えるが、c面の回転対称性の影響をより強く受け、工業的には回転対称性があるように機能するおそれがある。逆に、オフ角度が25°超の場合には、面21aの原子配列が成長するβ−Ga2O3の対応する面の原子配列と合わなくなったり(即ち、類似性が低い又は極めて低い又は無い)、面21aが別の高対称面に近づき、結晶学的には回転対称性を有しなくても、工業的には回転対称性があるように機能するおそれがある。
面21aの回転対称性は、オフ方向依存性があり、a軸方向がより好ましいが、m軸方向であっても、十分に低い回転対称性の面を得ることができる。
また、回転対称性のずれは、次のように表現することもできる。まず、xyz空間内に結晶を置く。z軸を着目するn回転対称軸と平行に定めると、xy平面がn回回転対称面となる。yz面内でz軸からy軸に向かって角度θだけ傾いた軸を考え、z’軸と呼ぶ。結晶をz軸の周りに360°/nの整数倍の角度φで回転させれば、結晶内の任意の原子は元の位置と完全に重なる。しかし、z’軸の周りに回転させた場合にはずれが生じる。ずれの大きさは、n=2,4,6の場合にはφ=180°のときに最大となる。そのずれは着目する原子の回転前の位置とz軸との距離に対する比率として、次のように表せる。
d180=[2(1−cos(2θ))]1/2×100 [%]
n=3の場合には、φ=120°、240°でずれが最大となり、その量は次のように表せる。
d120=3^0.5/2×[3−2cos(θ)−cos(2θ)]1/2×100 [%]
サファイアc面の上にβ−Ga2O3を成長させる場合、問題になるのはサファイアc面内の酸素原子配列(n=6)と考えられる。例えば、θ=5°のときはd180=17.4%となる。それゆえ、d180が概ね20%以上であれば、面内回転ドメインの発生を抑制し得るという意味において回転対称性が失われていると言ってよいかもしれない。もちろん、このような閾値はユニバーサルなものではなく、実際に結合に預かる原子の種類や個数、配置により大きく変わり得る。
あるオフ角度で面内回転ドメインが形成されなくなるということは、基板結晶面に成長する結晶層が、ある特定の面内配向をとるときに、界面エネルギーが他の面内配向に比べて十分に小さくなるということである。サファイアc面基板に(−201)配向のβ−Ga2O3を形成する場合、概ね5°以上の傾斜とすることで上記のエネルギー差が十分に大きくなり、面内回転ドメインが抑制されるようである。
また、その特定の配向が、他の面外配向よりも優勢になるということは、その特定の配向となった場合に界面エネルギーが他の面外配向に比べて十分小さいということである。これは上述した類似性が高いということと等価である。サファイアc面基板に(−201)配向のβ−Ga2O3を形成する場合、類似性の観点からはオフ角度がゼロの場合が最も良いと考えられる。オフ角度がゼロでない場合でも、25°程度までは他の配向に比べてエネルギー的に優勢であり、(−201)配向が維持されると考えられる。
なお、結晶層と基板面との界面エネルギーは、結晶層と基板面との結合にあずかる原子の種類と数、結合距離などに複雑に依存し、好適な傾斜角度範囲、すなわちある特定の配向の界面エネルギーが最小である角度範囲は、個別のケースで大きく変わり得る。具体的なエネルギー値の計算は容易ではないが、結局は傾斜角度と傾斜方向の関数となるので、本発明の実施に際してはそれらを制御パラメータとして用いればよい。
次に、本発明の実施形態であるβ―Ga2O3単結晶層の製造方法について説明する。図2は、本発明の実施形態であるβ―Ga2O3単結晶層の製造方法の一例を示すフローチャート図である。図2に示すように、本発明の実施形態であるβ―Ga2O3単結晶層の製造方法は、β―Ga2O3単結晶層形成工程S1を有する。
この工程では、サファイア基板を切断して、回転対称性を有さない面を形成したサファイア基板を用いて、前記面上にβ―Ga2O3単結晶層を形成する 。まず、サファイア基板に回転対称性を有さない面を形成する。具体的には、(0001)面に対して、例えば、a軸方向に5°以上25°以下の角度でサファイア基板を切断して、前記サファイア基板に回転対称性を有さない面を形成する。
(β―Ga2O3自立単結晶及びその製造方法)
図7は、本発明の実施形態であるβ―Ga2O3自立単結晶の製造方法の一例を示す工程図である。まず、a軸方向に5°以上25°以下のオフ角度を有するc面サファイア基板21を準備する。具体的には、(0001)面に対してa軸方向に5°以上25°以下の角度でサファイア基板を切断して、前記サファイア基板に回転対称性を有さない切断面を形成する。
(β―Ga2O3自立単結晶及びその製造方法)
図8は、本発明の実施形態であるβ―Ga2O3自立単結晶の製造方法の別の一例を示す工程図である。本発明の第2の実施形態であるβ―Ga2O3自立単結晶の製造方法で得られた、厚さが100μm超のβ−Ga2O3自立単結晶からなる12を種基板として用い、さらにHVPE成長を行った。所定の時間成長を行い、厚さを1mm超のβ―Ga2O3単結晶インゴット13を作製する。
(β−Ga2O3膜成長)
まず、c面サファイア基板を切断して、a軸方向に5°のオフ角度を有するように切断面を形成して、a軸方向5°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法を用いて、表2に示す成長条件で、前記切断面上にβ−Ga2O3膜(実施例1)を成長させた。
(XRD)
まず、β−Ga2O3膜(実施例1)のXRD測定を行った。図9は、β−Ga2O3膜(実施例1)のω−2θスキャンX線回折プロファイルである。図9に示すように、β−Ga2O3の(−201)およびその高次回折である(−402)、(−603)、(−804)のみが現れた。このことから、得られたβ−Ga2O3膜(実施例1)は(−201)面が基板と略平行な配向を有していることが分かった。ただし、基板であるサファイアの切断面に対してオフ角度の分だけ傾いていた。つまり、β−Ga2O3膜の(−201)面は、上記切断面に平行に成長したのではなく、サファイアc面に平行になるように成長したのである。しかし、これだけでは単結晶膜が得られたとはいえない。基板面内で回転した領域があるかもしれないし、予想外の方向に大きく傾いた領域があってもω−2θスキャンではわからないからである。
次に、極点図(pole figure)測定を行った。まず、リファレンスとして、融液成長によるβ−Ga2O3単結晶基板の(002)極点図(pole figure)測定を行った。図10は、融液成長によるβ−Ga2O3単結晶基板の(002)極点図(pole figure)である。図10に示すように、単結晶であるが(002)と(−202)の2つの回折スポットが現れた。β−Ga2O3は(−201)の法線まわりに回転対称性をもたないので、単結晶であれば回折スポットは通常1箇所しか現れない。しかし、β−Ga2O3にはブラッグ角が極めて近い回折があるので、単結晶であっても(002)回折のほかに(−202)回折が同時に現れるためである。
まず、c面サファイア基板を切断して、a軸方向に10°のオフ角度を有するように切断面を形成して、a軸方向10°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法を用いて、表3に示す成長条件で、前記切断面上にβ−Ga2O3膜(実施例2)を成長させた。
まず、c面サファイア基板を切断して、a軸方向に25°のオフ角度を有するように切断面を形成して、a軸方向に25°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、MOVPE(Metalorganic Vapor Phase Epitaxy)法を用いて、表4に示す成長条件で、前記切断面上にβ−Ga2O3膜(実施例3)を成長させた。
まず、c面サファイア基板を準備した。c面サファイア基板はオフ角度をつけていない基板である。次に、HVPE法を用いて、表2に示す成長条件で、c面上にβ−Ga2O3膜(比較例1)を成長させた。
まず、c面サファイア基板を切断して、a軸方向に2°のオフ角度を有するように切断面を形成して、a軸方向2°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、HVPE法を用いて、表2に示す成長条件で、切断面上にβ−Ga2O3膜(実施例4)を成長させた。
まず、c面サファイア基板を切断して、m軸方向に5°のオフ角度を有するように切断面を形成して、m軸方向5°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、HVPE法を用いて、表2に示す成長条件で、切断面上にβ−Ga2O3膜(実施例5)を成長させた。
まず、c面サファイア基板を切断して、m軸方向に57.6°のオフ角度を有するように切断面を形成して、m軸方向57.6°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、HVPE法を用いて、表2に示す成長条件で、切断面上にβ−Ga2O3膜(実施例6)を成長させた。
本発明に関わる第7の実施例を説明する。はじめにc面サファイア基板を準備した。ただし、a軸方向に10°のオフ角度を有するサファイア基板である。この基板の上に、実施例1と同様にしてHVPE法によりβ−Ga2O3層を成長させた。ただし、実施例1の場合よりも成長時間を長くし、厚さが500μmになるまで成長を続けた。成長後にサファイア基板を除去することにより、β−Ga2O3の自立単結晶を得ることができた。
本発明に関わる第8の実施例を説明する。実施例7で得られたβ−Ga2O3の自立単結晶を種基板として用い、さらにHVPE成長を行った。成長条件は表6の通りであり、厚さが5mmになるまで成長を続けた。
Claims (15)
- β―Ga2O3結晶がエピタキシャル成長する面との原子配列の類似性を有するが回転対称性を有さない面を備える単結晶基板を用いて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ga2O3結晶層を形成することを特徴とするβ―Ga2O3単結晶層の製造方法。
- 前記単結晶基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項1に記載のβ―Ga2O3単結晶層の製造方法。
- (0001)面に対してa軸方向に5°以上25°以下の所定の角度で前記サファイア基板を切断して、前記回転対称性を有さない面とし、当該面上にβ―Ga2O3結晶層を形成することを特徴とする請求項2に記載のβ―Ga2O3単結晶層の製造方法。
- 蒸着法、スパッタ法、MOCVD法、MBE法及びHVPE法のいずれか一の方法により、β―Ga2O3結晶をヘテロエピタキシャル成長させて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ga2O3結晶層を形成することを特徴とする請求項1に記載のβ―Ga2O3単結晶層の製造方法。
- β―Ga2O3結晶がエピタキシャル成長する面との原子配列の類似性を有するが回転対称性を有さない面を持つサファイア基板と、前記サファイア基板の前記回転対称性を有さない面上に形成されたβ―Ga2O3結晶層と、を有することを特徴とするβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板。
- 前記β―Ga2O3結晶層は、前記回転対称性を有さない面からの厚さが300nm以上100μm以下であることを特徴とする請求項5に記載のβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板。
- 前記β―Ga2O3結晶層は、前記回転対称性を有さない面からの厚さが100μm超であることを特徴とする請求項5に記載のβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板。
- 前記β―Ga2O3結晶層が平面視でほぼ円形に形成された場合、その直径が2インチ以上であることを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載のβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板。
- 前記回転対称性を有さない面は、サファイア基板の(0001)面からa軸方向に5°以上25°以下の角度で傾斜した面から形成されており、当該面上にβ―Ga2O3結晶層がそれに対応する面において成長し成膜されていることを特徴とする請求項5から8のいずれか1項に記載のβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板。
- 前記回転対称性を有さない面が、(0001)面に対してa軸方向に5°以上25°以下の所定の角度でサファイア基板を切断して形成されていることを特徴とする請求項9に記載のβ―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板。
- 厚さが100μm超であり、気相成長法で製造されたことを特徴とするβ―Ga2O3自立単結晶。
- β―Ga2O3結晶がエピタキシャル成長する面との原子配列の類似性を有するが回転対称性を有さない面を備えるサファイア基板を用いて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ga2O3結晶を100μm超の厚さに結晶成長させて、β―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板を作製する工程と、
前記β―Ga2O3単結晶層付きサファイア基板からサファイア基板を除去して、厚さが100μm超のβ―Ga2O3自立単結晶を作製する工程と、を有することを特徴とするβ―Ga2O3自立単結晶の製造方法。 - 請求項12に記載のβ―Ga2O3自立単結晶の製造方法で製造された、厚さが100μm超のβ―Ga2O3自立単結晶を種結晶として結晶成長させて、厚さが1mm超のβ―Ga2O3自立単結晶インゴットを作製する工程と、
前記β―Ga2O3自立単結晶インゴットを切断して、厚さ100μm以上の複数のβ―Ga2O3自立単結晶を作製する工程を有することを特徴とするβ―Ga2O3自立単結晶の製造方法。 - 請求項12または13の方法で製造されたβ―Ga2O3自立単結晶の少なくとも片面を研磨する工程を含むことを特徴とする、β―Ga2O3自立単結晶の製造方法。
- 原子配列に類似性を有する基板表面にエピタキシャル成長させるβ―Ga2O3結晶層を製造する方法において、前記基板表面の回転対称性を変化させることにより、異なる結晶方位を備えるβ―Ga2O3単結晶からなる領域がある場合、それぞれの結晶方位に属する領域の割合を変化させることを特徴とするβ―Ga2O3結晶層の製造方法。
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