KR102467802B1 - 산화물 반도체 막 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

양호한 p형 반도체 특성을 갖는 신규하고 또한 유용한 산화물 반도체 막과 그 제조 방법을 제공한다. 주기율표의 제 9 족 금속(로듐, 이리듐, 코발트 등) 및/또는 제 13 족 금속(인듐, 알루미늄, 갈륨 등)과 p형 도판트(마그네슘 등)를 포함하는 원료 용액을 안개화하여 미스트를 생성하고, 이어서 캐리어 가스를 이용하여, 기체의 표면 근방까지 상기 미스트를 반송한 후, 상기 미스트를 상기 기체 표면 근방에서 산소 분위기 하에서 열 반응시킴으로써, 상기 기체 상에 산화물 반도체 막을 형성한다.

Description

산화물 반도체 막 및 그 제조 방법{OXIDE SEMICONDUCTOR FILM AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은, p형 반도체로서 유용한 산화물 반도체 막 및 그 제조 방법 그리고 상기 산화물 반도체 막을 이용한 반도체 장치 및 시스템에 관한 것이다.
고 내압, 저 손실 및 고 내열을 실현할 수 있는 차세대의 스위칭 소자로서, 밴드갭이 큰 산화 갈륨(Ga2O3)을 이용한 반도체 장치가 주목받고 있으며, 인버터 등의 전력용 반도체 장치로의 적용이 기대되고 있다. 게다가, 넓은 밴드갭으로부터 LED나 센서 등의 수발광(受發光) 장치로서의 응용도 기대되고 있다. 당해 산화 갈륨은 비특허문헌 1에 따르면, 인듐이나 알루미늄을 각각, 또는 조합시켜 혼정(混晶)함으로써 밴드갭 제어하는 것이 가능하며, InAlGaO계 반도체로서 매우 매력적인 재료 계통을 구성하고 있다. 여기서 InAlGaO계 반도체란 InXAlYGaZO3(0≤Ｘ≤2, 0≤Ｙ≤2, 0≤Ｚ≤2, X+Y+Z=1.5~2.5)를 나타내며, 산화 갈륨을 내포하는 동일 재료 계통으로서 부감할 수 있다.
그리고, 근년에 있어서는, 산화 갈륨계의 p형 반도체가 검토되고 있으며, 예를 들어 특허문헌 1에는, β-Ga2O3계 결정을, MgO(p형 도판트원)를 이용하여 FZ법에 의해 형성하거나 하면, p형 도전성을 나타내는 기판을 얻을 수 있는 경우가 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, MBE법에 의해 형성한 α-(AlXGa1-X)2O3 단결정막에 p형 도판트를 이온 주입하고 p형 반도체를 형성하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 이러한 방법에서는, p형 반도체의 제작은 실현 곤란하며(비특허문헌 2), 실제로 이들 방법으로 p형 반도체의 제작에 성공했다는 보고는 이루어지지 않았다. 따라서, 실현 가능한 p형 산화물 반도체 및 그 제조 방법이 고대되고 있었다.
또한, 비특허문헌 3이나 비특허문헌 4에 기재되어 있듯이, 예를 들어 Rh2O3나 ZnRh2O4 등을 p형 반도체에 이용하는 것도 검토되고 있지만, Rh2O3는, 성막시에 특히 원료 농도가 옅어지게 되어버려, 성막에 영향을 주는 문제가 있으며, 유기 용매를 이용하여도 Rh2O3 단결정이 제작 곤란하였다. 또한, 전자 밀도가 지나치게 높은 등 문제도 있었다. 또한, ZnRh2O4는 이동도가 낮고, 밴드갭도 좁기 때문에, LED나 파워 디바이스에 이용할 수 없는 문제가 있으며, 이들은 반드시 만족스러운 것은 아니었다.
특허문헌 1: 일본공개특허공보 2005-340308호 특허문헌 2: 일본공개특허공보 2013-58637호
비특허문헌 1: 카네코 켄타로우, 「코런덤 구조 산화 갈륨계 혼정 박막의 성장과 물성」, 교토대학 박사 논문, 평성 25년 3월 비특허문헌 2: 타케모토 타츠야, EE Times Japan" 파워 반도체 산화 갈륨 "열전도율, P형...... 과제를 극복하고 실용화, [online], 2014년 2월 27일, 아이티미디어주식회사, [평성 28년 6월 21일 검색], 인터넷 〈URL: http://eetimes.jp/ee/articles/1402/27/news028_2.html〉 비특허문헌 3: F.P.KOFFYBERG et al., "optical bandgaps and electron affinities of semiconducting Rh2O3(I) and Rh2O3(Ⅲ)", J. Phys. Chem. Solids Vol.53, No.10、pp.1285-1288、1992 비특허문헌 4: 호소노 히데오, "산화물 반도체의 기능 개척", 물성 연구·전자판 Vol.3, No.1, 031211(2013년 11월·2014년 2월 합병호)
본 발명은, 양호한 p형 반도체 특성을 갖는 신규하고 또한 유용한 산화물 반도체 막과 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 주기율표의 제 9 족 금속 및/또는 제 13 족 금속과 p형 도판트를 포함하는 원료 용액을 안개화하여 미스트를 생성하고, 이어서 캐리어 가스를 이용하여, 기체(base)의 표면 근방까지 상기 미스트를 반송한 후, 상기 미스트를 상기 기체 표면 근방에서 산소 분위기 하에서 열 반응시킴으로써, 상기 기체 상에 산화물 반도체 막을 형성하면, 금속 산화물을 주 성분으로 하는 산화물 반도체 막으로서, 상기 금속 산화물이 주기율표의 제 9 족 금속 및/또는 제 13 족 금속을 포함하고, 막 중에 p형 도판트를 함유하고, p형 캐리어 밀도가 1×1015/cm3 이상이고, 이동도가 1cm2/Vs 이상인 산화물 반도체 막이 얻어지는 것을 알아내고, 이렇게 하여 얻어진 산화물 반도체 막이, 밴드갭이 큰 산화 갈륨(Ga2O3) 등을 이용한 반도체 장치에 유용한 것 등을 알아내어, 상기 종래의 과제를 일거에 해결할 수 있는 것을 알아내었다.
또한, 본 발명자들은, 상기 지견을 얻은 후, 더욱 검토를 거듭하여, 본 발명을 완성시켰다. 즉, 본 발명은 이하의 발명에 관한 것이다.
[1] 금속 산화물을 주 성분으로 하는 산화물 반도체 막으로서, 상기 금속 산화물이 주기율표의 제 9 족 금속 및/또는 제 13 족 금속을 포함하고, 막 중에 p형 도판트를 함유하며, p형 캐리어 밀도가 1×1015/cm3 이상이고, 이동도가 1cm2/Vs 이상인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 막.
[2] 상기 제 9 족 금속이 로듐, 이리듐 또는 코발트인 [1] 기재의 산화물 반도체 막.
[3] 상기 제 13 족 금속이, 인듐, 알루미늄 및 갈륨으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속인 [1] 또는 [2]에 기재된 산화물 반도체 막.
[4] 상기 p형 도판트가, 마그네슘인 [1] ~ [3]의 어느 하나에 기재된 산화물 반도체 막.
[5] 적어도 반도체층과 전극을 구비한 반도체 장치로서, [1] ~ [4]의 어느 하나에 기재된 산화물 반도체 막이 상기 반도체 층에 이용되고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
[6] p형 반도체층을 구비한 열전 변환 소자를 포함하고, 상기 p형 반도체층에 [1] ~ [4]의 어느 하나에 기재된 산화물 반도체가 이용되고 있는 [5]에 기재된 반도체 장치.
[7] n형 반도체층을 더 구비하고 있으며, 상기 n형 반도체층은, 주기율표의 제 13 족 금속을 포함하는 산화물 반도체를 주 성분으로 하는 [5] 또는 [6]에 기재된 반도체 장치.
[8] [5] ~ [7]의 어느 하나에 기재된 반도체 장치를 포함하는 시스템.
[9] 주기율표의 제 9 족 금속 및/또는 제 13 족 금속과 p형 도판트를 포함하는 원료 용액을 안개화하여 미스트를 생성하고, 이어서 캐리어 가스를 이용하여, 기체의 표면 근방까지 상기 미스트를 반송한 후, 상기 미스트를 상기 기체 표면 근방에서 산소 분위기 하에서 열 반응시킴으로써, 상기 기체 상에 산화물 반도체 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막의 제조 방법.
[10] 상기 제 9 족 금속이 로듐, 이리듐 또는 코발트인 [9] 기재의 제조 방법.
[11] 상기 제 13 족 금속이, 인듐, 알루미늄 및 갈륨으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속인 [9] 또는 [10]에 기재된 제조 방법.
[12] 상기 p형 도판트가, 마그네슘인 [9] ~ [11]의 어느 하나에 기재된 제조 방법.
본 발명의 산화물 반도체 막은, 양호한 도전성을 갖고 있으며, p형 반도체로서의 반도체 특성이 우수하다. 또한, 본 발명의 제조 방법은, 이러한 산화물 반도체 막을 공업적으로 유리하게 제조할 수 있는 것이다.
[도 1] 실시예에 있어서 이용되는 제막 장치(미스트 CVD 장치)의 개략 구성도이다.
[도 2] 실시예의 있어서의 XRD 측정 결과를 나타내는 도면이다.
[도 3] 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)의 호적한 일 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
[도 4] 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 호적한 일 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
[도 5] 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 호적한 일 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
[도 6] 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET)의 호적한 일 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
[도 7] 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 호적한 일 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
[도 8] 발광 소자(LED)의 호적한 일 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
[도 9] 발광 소자(LED)의 호적한 일 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
[도 10] 전원 시스템의 호적한 일 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
[도 11] 시스템 장치의 호적한 일 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
[도 12] 전원 장치의 전원 회로도의 호적한 일 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
[도 13] 실시예에서의 SIMS 측정 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 호적한 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 발명의 산화물 반도체 막은, 금속 산화물을 주 성분으로 하는 산화물 반도체 막으로서, 상기 금속 산화물이 주기율표의 제 9 족 금속 및/또는 제 13 족 금속을 포함하고, 막 중에 p형 도판트를 함유하고, p형 캐리어 밀도가 1×1015/cm3 이상이며, 이동도가 1cm2/Vs 이상인 것을 특징으로 한다. 「산화물 반도체 막」이란, 산화물 반도체로 이루어지는 막상의 것이면 특별히 한정되지 않고, 결정막이어도 되고, 비정막이어도 된다. 결정막인 경우도, 단결정막이어도 되고, 다결정막이어도 된다. 본 발명에 있어서는, 상기 산화물 반도체 막이 혼정인 것이 바람직하다. 「금속 산화물」은, 금속 원소와 산소를 포함하는 것을 말한다. 「주 성분」이란, 상기 금속 산화물이, 원자비로, p형 산화물 반도체의 전체 성분에 대해, 바람직하게는 50% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상 포함되는 것을 의미하고, 100%이어도 되는 것을 의미한다. 「주기율표」는, 국제 순정 응용 화학 연합(International Union of Pure and Applied Chemistry)(IUPAC)에서 정해놓은 주기율표를 의미한다. 「p형 캐리어 밀도」란, 홀 효과 측정에서 얻어지는 p형 반도체층 중의 캐리어 밀도를 말한다. 본 발명에 있어서는, 상기 p형 캐리어 밀도가, 1×1017/cm3 이상인 것이 바람직하고, 1×1018/cm3 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 이동도는, 홀 효과 측정에서 얻어지는 이동도를 말하며, 본 발명에 있어서는, 상기 이동도가 3cm2/Vs 이상인 것이 바람직하다.
상기 p형 도판트로는, 예를 들어 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, P등 및 이들 2종 이상의 원소 등을 들 수 있다. 본 발명에 있어서는, 상기 p형 도판트가, 주기율표의 제 1 족 금속 또는 제 2 족 금속인 것이 바람직하고, 제 2 족 금속인 것이 보다 바람직하며, 마그네슘(Mg)인 것이 가장 바람직하다.
상기 제 9 족 금속으로는 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 코발트(Co) 및 이들 2종 이상의 금속 등을 들 수 있고, 본 발명에 있어서는, 상기 제 9 족 금속이 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 또는 코발트(Co)인 것이 바람직하고, 로듐(Rh)인 것이 보다 바람직하다.
상기 제 13 족 금속으로는, 예를 들어 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl) 및 이들 2종 이상의 금속 등을 들 수 있다. 본 발명에 있어서는, 상기 제 13 족 금속이, 인듐(In), 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga)으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속인 것이 바람직하고, 갈륨 또는 알루미늄을 포함하는 금속인 것이 보다 바람직하다.
상기 산화물 반도체 막은, 호적하게는, 주기율표의 제 9 족 금속 및/또는 제 13 족 금속과 p형 도판트를 포함하는 원료 용액을 안개화하여 미스트를 생성하고(안개화 공정), 이어서 캐리어 가스를 이용하여, 기체의 표면 근방까지 상기 미스트를 반송한 (반송 공정) 후, 상기 미스트를 상기 기체 표면 근방에서 산소 분위기 하에서 열 반응시킴으로써, 상기 기체 상에 산화물 반도체 막을 형성하는 것(제막 공정)으로 얻을 수 있다.
(안개화 공정)
안개화 공정은, 상기 원료 용액을 안개화한다. 안개화 수단은, 원료 용액을 안개화하기만 하면 특별히 한정되지 않고, 공지의 수단이어도 되지만, 본 발명에 있어서는, 초음파를 이용하는 안개화 수단이 바람직하다. 초음파를 이용하여 얻어진 미스트는, 초기 속도가 제로이며, 공중에 부유하므로 바람직하고, 예를 들어 스프레이처럼 분사하는 것이 아니라, 공간에 부유하여 가스로서 반송하는 것이 가능한 미스트이므로 충돌 에너지에 의한 손상이 없어, 매우 호적하다. 미스트의 액적의 사이즈는, 특별히 한정되지 않고, 수 mm 정도이어도 되고, 바람직하게는 50μm 이하이며, 보다 바람직하게는 100nm ~ 10μm이다.
(원료 용액)
상기 원료 용액은, 주기율표의 제 9 족 금속 및/또는 주기율표의 제 13 족 금속과 p형 도판트를 포함하고 있다면 특별히 한정되지 않고, 무기 재료가 포함되어 있어도, 유기 재료가 포함되어 있어도 되고, 본 발명에 있어서는, 주기율표의 제 9 족 금속 및/또는 주기율표의 제 13 족 금속과 p형 도판트를 착체 또는 염의 형태로 유기 용매 또는 물에 용해 또는 분산시킨 것을 원료 용액으로서 호적하게 사용할 수 있다. 착체의 형태로는, 예를 들어 아세틸아세토네이트 착체, 카르보닐 착체, 안민 착체, 히드리드 착체 등을 들 수 있다. 염의 형태로는, 예를 들어, 유기 금속염(예를 들어 금속 초산염, 금속 옥살산염, 금속 구연산염 등), 황화 금속염, 질화 금속염, 인산화 금속염, 할로겐화 금속염(예를 들어 염화 금속염, 브롬화 금속염, 요오드화 금속염 등) 등을 들 수 있다.
상기 원료 용액의 용매는, 특별히 한정되지 않고, 물 등의 무기 용매이어도 되고, 알코올 등의 유기 용매이어도 되고, 무기 용매와 유기 용매의 혼합 용액이어도 된다. 본 발명에 있어서는, 상기 용매가 물을 포함하는 것이 바람직하고, 물과 산의 혼합 용매인 것도 바람직하다. 상기 물로는, 보다 구체적으로는, 예를 들어 순수, 초순수, 수돗물, 우물물, 광천수, 광수(鑛水), 온천수, 용수, 담수, 해수 등을 들 수 있고, 본 발명에 있어서는, 초순수가 바람직하다. 또한, 상기 산으로는, 보다 구체적으로는, 예를 들어 염산, 질산, 황산 등의 무기산, 초산, 프로피온산, 부탄산 등의 유기산 등을 들 수 있다.
(기체)
상기 기체는, 상기 산화물 반도체를 지지할 수 있으면 특별히 한정되지 않는다. 상기 기체 재료도, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 한정되지 않고, 공지의 기체이어도 되고, 유기 화합물이어도 되고, 무기 화합물이어도 된다. 상기 기체의 형상으로는, 어떤 형상의 것이어도 되고, 모든 형상에 대해서 유효하며, 예를 들어 평판이나 원판 등의 판상, 섬유상, 봉상, 원주상, 각주상, 통상, 나선상, 구상, 링상 등을 들 수 있고, 본 발명에 있어서는, 기판이 바람직하다. 기판의 두께는 본 발명에 있어서는 특별히 한정되지 않는다.
상기 기판은, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한, 특별히 한정되지 않고, 절연체 기판이어도 되고, 반도체 기판이어도 되고, 도전성 기판이어도 된다. 상기 기판으로는, 예를 들어 코런덤 구조를 갖는 기판 재료를 주 성분으로서 포함하는 하지(下地) 기판 등을 들 수 있다. 여기서, 「주 성분」이란, 상기 특정의 결정 구조를 갖는 기판 재료가, 원자비로, 기판 재료의 전체 성분에 대해서, 바람직하게는 50% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상 포함되는 것을 의미하고, 100%이어도 되는 것을 의미한다.
기판 재료는, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한, 특별히 한정되지 않고, 공지의 것이어도 된다. 상기 코런덤 구조를 갖는 기판 재료를 주 성분으로 하는 하지 기판으로는, 사파이어 기판(바람직하게는 c면 사파이어 기판)이나 α형 산화 갈륨 기판 등이 호적한 예로서 들 수 있다.
(반송 공정)
반송 공정에서는, 상기 캐리어 가스에 의해서 상기 미스트를 기체로 반송한다. 캐리어 가스의 종류로는, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 산소, 오존, 질소나 아르곤 등의 불활성 가스, 또는 수소 가스나 포밍 가스 등의 환원 가스 등을 들 수 있고, 본 발명에 있어서는, 캐리어 가스로서 산소를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 캐리어 가스의 종류는 1종류이어도 되고, 2종류 이상이어도 되며, 캐리어 가스 농도를 변화시킨 희석 가스(예를 들어 10배 희석 가스 등) 등을, 제2의 캐리어 가스로서 더 사용하여도 된다. 또한, 캐리어 가스의 공급 개소도 1개소뿐만 아니라, 2개소 이상이어도 된다. 캐리어 가스의 유량은, 특별히 한정되지 않고, 0.01~20L/분인 것이 바람직하고, 1~10L/분인 것이 보다 바람직하다. 희석 가스의 경우에는, 희석 가스의 유량이, 0.001~2L/분인 것이 바람직하고, 0.1~1L/분인 것이 보다 바람직하다.
(제막 공정)
제막 공정에서는, 상기 미스트를 상기 기체 표면 근방에서 반응시키고, 상기 기체 표면의 일부 또는 전부에 제막한다. 상기 열 반응은, 상기 미스트로부터 막이 형성되는 열 반응이면 특별히 한정되지 않고, 열로써 상기 미스트가 반응하면 그걸로 좋고, 반응 조건 등도 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 한정되지 않는다. 본 공정에 있어서는, 상기 열 반응을, 통상, 용매의 증발 온도 이상의 온도에서 행하지만, 너무 높지 않는 온도 이하가 바람직하다. 본 발명에 있어서는, 상기 열 반응을, 750℃ 이하에서 행하는 것이 바람직하고, 400℃ ~ 750℃의 온도에서 행하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 열 반응은, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한, 진공 하, 비산소 분위기 하, 환원 가스 분위기 하 및 산소 분위기 하의 어느 분위기 하에서 행해져도 되고, 또한, 대기압 하, 가압 하 및 감압 하의 어느 조건 하에서 행해져도 되지만, 본 발명에 있어서는, 산소 분위기 하에서 행해지는 것이 바람직하고, 대기압 하에서 행해지는 것도 바람직하며, 산소 분위기 하에서 또한 대기압 하에서 행해지는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 막 두께는, 제막 시간을 조정함으로써, 설정할 수 있고, 본 발명에 있어서는, 막 두께를 1μm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 기체 상에 그대로 제막해도 되지만, 상기 기체 상에, 상기 산화물 반도체 막의 조성과는 다른 조성의 반도체층(예를 들어, n형 반도체층, n＋형 반도체층, n-형 반도체층 등)이나 절연체층(반 절연체층도 포함), 버퍼층 등의 다른 층을 적층한 후, 상기 기체 상에 다른 층을 통해서 제막해도 된다. 반도체층이나 절연체층으로는, 예를 들어 상기 제 9 족 금속 및/또는 제 13 족 금속을 포함하는 반도체층이나 절연체층 등을 들 수 있다. 버퍼층으로는, 예를 들어 코런덤 구조를 포함하는 반도체층, 절연체층 또는 전도체층 등이 호적한 예로서 들어진다. 상기의 코런덤 구조를 포함하는 반도체층으로는, 예를 들어 α-Fe2O3, α-Ga2O3, α-Al2O3 등을 들 수 있다. 상기 버퍼층의 적층 수단은 특별히 한정되지 않고, 상기한 적층 수단과 마찬가지여도 된다.
상기처럼 하여 얻어지는 산화물 반도체는, p형 반도체층으로서 반도체 장치에 이용할 수 있다. 특히, 파워 디바이스에 유용하다. 또한, 반도체 장치는, 전극이 반도체층의 편면 측에 형성된 가로형의 소자(가로형 디바이스)와, 반도체층의 표리 양면 측에 각각 전극을 갖는 세로형의 소자(세로형 디바이스)로 분류할 수 있으며, 본 발명에 있어서는, 가로형 디바이스에도 세로형 디바이스에도 호적하게 사용할 수 있지만, 그 중에서도, 세로형 디바이스에 사용하는 것이 바람직하다. 상기 반도체 장치로는, 예를 들어 쇼트키 배리어 다이오드(SBD), 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(MESFET), 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT), 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 정전 유도 트랜지스터(SIT), 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET), 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 또는 발광 다이오드 등을 들 수 있다.
상기 산화물 반도체막을 p형 반도체층에 사용한 예를 도 3 ~ 9에 나타낸다. 여기서, n형 반도체는, 상기 산화물 반도체막과 같은 주 성분으로서, p형 도판트를 대신하여 n형 도판트를 포함하는 것이어도 되고, 상기 산화물 반도체막과는 주 성분 등이 다른 n형 반도체여도 된다.
도 3은, n-형 반도체층(101a), n＋형 반도체층(101b), p형 반도체층(102), 금속층(103), 절연체층(104), 쇼트키 전극(105a) 및 오믹 전극(105b)을 구비하고 있는 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)의 호적한 일 예를 나타낸다. 또, 금속층(103)은, 예를 들어 Al 등의 금속으로 이루어지고, 쇼트키 전극(105a)을 덮고 있다. 도 4는, 밴드갭이 넓은 n형 반도체층(121a), 밴드갭이 좁은 n형 반도체층(121b), n＋형 반도체층(121c), p형 반도체층(123), 게이트 전극(125a), 소스 전극(125b), 드레인 전극(125c) 및 기판(129)을 구비하고 있는 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 호적한 일 예를 나타낸다.
도 5는, n-형 반도체층(131a), 제1의 n＋형 반도체층(131b), 제2의 n＋형 반도체층(131c), p형 반도체층(132), p＋형 반도체층(132a), 게이트 절연막(134), 게이트 전극(135a), 소스 전극(135b) 및 드레인 전극(135c)을 구비하고 있는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 호적한 일 예를 나타낸다. 또한, p＋형 반도체층(132a)은, p형 반도체층이어도 되고, p형 반도체층(132)과 동일해도 된다. 도 6은, n-형 반도체층(141a), 제1의 n＋형 반도체층(141b), 제2의 n＋형 반도체층(141c), p형 반도체층(142), 게이트 전극(145a), 소스 전극(145b) 및 드레인 전극(145c)을 구비하고 있는 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET)의 호적한 일 예를 나타낸다. 도 7은, n형 반도체층(151), n-형 반도체층(151a), n＋형 반도체층(151b), p형 반도체층(152), 게이트 절연막(154), 게이트 전극(155a), 이미터 전극(155b) 및 컬렉터 전극(155c)을 구비하고 있는 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 호적한 일 예를 나타낸다.
(LED)
본 발명의 반도체 장치가 발광 다이오드(LED)인 경우의 일 예를 도 8에 나타낸다. 도 8의 반도체 발광 소자는, 제2의 전극(165b) 상에 n형 반도체층(161)을 구비하고 있으며, n형 반도체층(161) 상에는, 발광층(163)이 적층되어 있다. 그리고, 발광층(163) 상에는, p형 반도체층(162)이 적층되어 있다. p형 반도체층(162) 상에는, 발광층(163)이 발생하는 빛을 투과하는 투광성 전극(167)을 구비하고 있으며, 투광성 전극(167) 상에는, 제1의 전극(165a)이 적층되어 있다. 여기서, 도 8의 반도체 발광 소자는, 전극 부분을 제외하고 보호층으로 덮여 있어도 된다.
투광성 전극의 재료로는, 인듐(In) 또는 티탄(Ti)을 포함하는 산화물의 도전성 재료 등을 들 수 있다. 보다 구체적으로는, 예를 들어 In2O3, ZnO, SnO2, Ga2O3, TiO2, CeO2 또는 이들의 2 이상의 혼정 또는 이들에 도핑된 것 등을 들 수 있다. 이들 재료를, 스퍼터링 등의 공지의 수단으로 설치함으로써, 투광성 전극을 형성할 수 있다. 또한, 투광성 전극을 형성한 후에, 투광성 전극의 투명화를 목적으로 한 열 어닐(anneal)을 실시해도 된다.
도 8의 반도체 발광 소자에 의하면, 제1의 전극(165a)을 정극, 제2의 전극(165b)을 부극으로 하고, 양자를 통해서 p형 반도체층(162), 발광층(163) 및 n형 반도체층(161)에 전류를 흘림으로써, 발광층(163)이 발광하게 되어 있다.
제1의 전극(165a) 및 제2의 전극(165b)의 재료로는, Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, Ti, Au, Pt, V, Mn, Ni, Cu, Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd 또는 Ag 등의 금속 또는 이들의 합금, 산화 주석, 산화 아연, 산화 인듐, 산화 인듐 주석(ITO), 산화 아연 인듐(IZO) 등의 금속 산화물 도전막, 폴리아닐린, 폴리티오펜 또는 폴리피롤 등의 유기 도전성 화합물, 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다. 전극의 제막법은 특별히 한정되는 것 없이, 인쇄 방식, 스프레이법, 코팅 방식 등의 습식 방식, 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 등의 물리적 방식, CVD, 플라즈마 CVD법 등의 화학적 방식 등의 중으로부터, 상기 재료와의 적성을 고려하여 적당히 선택한 방법에 따라서 상기 기판 상에 형성할 수 있다.
또, 발광 소자의 다른 양태를 도 9에 나타낸다. 도 9의 발광 소자에서는, 기판(169) 상에 n형 반도체층(161)이 적층되어 있으며, p형 반도체층(162), 발광층(163) 및 n형 반도체층(161)의 일부를 노치한 것에 의해서 노출된 n형 반도체층(161)의 반도체층 노출면 상의 일부에 제2의 전극(165b)이 적층되어 있다.
상기 반도체 장치는, 예를 들어 전원 장치를 이용한 시스템 등에 이용된다. 상기 전원 장치는, 공지의 수단을 이용하여, 상기 반도체 장치를 배선 패턴 등에 접속하는 등으로 제작할 수 있다. 도 10에 전원 시스템의 예를 나타낸다. 도 10은, 복수의 상기 전원 장치와 제어 회로를 이용하여 전원 시스템을 구성하고 있다. 상기 전원 시스템은, 도 11에 나타낸 것처럼, 전자 회로와 조합해서 시스템 장치에 이용할 수 있다. 또, 전원 장치의 전원 회로도의 일 예를 도 12에 나타낸다. 도 12는, 파워 회로와 제어 회로로 이루어지는 전원 장치의 전원 회로를 나타내고 있으며, 인버터(MOSFET A~D로 구성)에 의해 DC전압을 고주파로 스위칭하여 AC로 변환 후, 트란스에서 절연 및 변압을 실시하고, 정류 MOSFET(A~B')에서 정류 후, DCL(평활용 코일 L1, L2)과 콘덴서에서 평활하고, 직류 전압을 출력한다. 이 때에 전압 비교기로 출력 전압을 기준 전압과 비교하고, 원하는 출력 전압이 되도록 PWM 제어 회로로 인버터 및 정류 MOSFET를 제어한다.
실시예
1. 제막 장치
도 1을 이용하여, 본 실시예에서 사용한 미스트 CVD 장치를 설명한다. 미스트 CVD 장치(1)는, 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스원(2a)과, 캐리어 가스원(2a)으로부터 송출되는 캐리어 가스의 유량을 조절하기 위한 유량 조절밸브(3a)와, 캐리어 가스(희석)를 공급하는 캐리어 가스(희석)원(2b)과, 캐리어 가스(희석)원(2b)으로부터 송출되는 캐리어 가스(희석)의 유량을 조절하기 위한 유량 조절밸브(3b)와, 전구체 용액(4a)이 수용되는 미스트 발생원(4)과, 물(5a)이 들어가는 용기(5)와, 용기(5)의 저면에 취부된 초음파 진동자(6)와, 성막실(7)과, 미스트 발생원(4)으로부터 성막실(7)까지를 잇는 공급관(9)과, 성막실(7) 내에 설치된 핫 플레이트(8)와, 열 반응 후의 미스트, 액적 및 배기 가스를 배출하는 배기구(11)를 구비하고 있다. 또, 핫 플레이트(8) 상에는, 기판(10)이 설치되어 있다.
2. 원료 용액의 제작
알루미늄 아세틸 아세토네이트 1.6g, 로듐 아세틸 아세토네이트 0.06g, 마그네슘 아세틸 아세토네이트 0.5g 및 염산 6mL을, 물 520mL와 혼합하고, 이를 원료 용액으로 했다.
3. 성막 준비
상기 2.에서 얻어진 원료 용액(4a)을 미스트 발생원(4) 내에 수용했다. 이어서, 기판(10)으로서, c면 사파이어 기판을 핫 플레이트(8) 상에 설치하고, 핫 플레이트(8)를 작동시켜 성막실(7) 내의 온도를 550℃까지 승온시켰다. 이어서, 유량 조절밸브(3a, 3b)를 열어서, 캐리어 가스원인 캐리어 가스 공급 수단(2a, 2b)으로부터 캐리어 가스를 성막실(7) 내에 공급하고, 성막실(7)의 분위기를 캐리어 가스로 충분히 치환한 후, 캐리어 가스의 유량을 2L/분으로, 캐리어 가스(희석)의 유량을 0.5L/분으로 각각 조절했다. 또, 캐리어 가스로서 산소를 이용했다.
4. 막 형성
이어서, 초음파 진동자(6)를 2.4MHz로 진동시키고, 그 진동을, 물(5a)을 통해서 원료 용액(4a)에 전파시킴으로써, 원료 용액(4a)을 안개화시켜 미스트를 생성시켰다. 이 미스트(4b)가, 캐리어 가스에 의해서, 공급관(9) 내를 지나서, 성막실(7) 내에 도입되고, 대기압 하, 550℃에서, 성막실(7) 내에서 미스트가 열 반응해서 기판(10) 상에 막이 형성되었다. 또, 제막 시간은 12시간이었다.
상기 4.에서 얻어진 막에 대해서, SIMS 분석, XPS 및 X선 회절 장치를 이용하여 막의 동정(同定)을 행한 결과, 얻어진 막은, AlRhO 막이었다. 또, XRD 측정 결과를 도 2에 나타내고, SIMS 측정 결과를 도 13에 나타낸다. 또한, 얻어진 AlRhO 막에 대해서 홀 효과 측정을 행한 결과, 캐리어 타입은 p형이고, 캐리어 밀도는 7.79×1018(/cm3)이며, 이동도는 3(cm2/V·s)이었다.
본 발명의 산화물 반도체 막은, p형 반도체로 유용하고, 반도체(예를 들어 화합물 반도체 전자 디바이스 등), 전자 부품·전기 기기 부품, 광학·전자사진 관련 장치, 공업 부재 등 모든 분야에 이용할 수 있지만, p형 반도체 특성이 우수하기 때문에, 특히 반도체 장치 등에 유용하다.
1 미스트 CVD 장치
2a 캐리어 가스원
2b 캐리어 가스(희석)원
3a 유량 조절밸브
3b 유량 조절밸브
4 미스트 발생원
4a 원료 용액
4b 미스트
5 용기
5a 물
6 초음파 진동자
7 성막실
8 핫 플레이트
9 공급관
10 기판
11 배기구
101a n-형 반도체층
101b n＋형 반도체층
102 p형 반도체층
103 금속층
104 절연체층
105a 쇼트키 전극
105b 오믹 전극
121a 밴드갭이 넓은 n형 반도체층
121b 밴드갭이 좁은 n형 반도체층
121c n＋형 반도체층
123 p형 반도체층
125a 게이트 전극
125b 소스 전극
125c 드레인 전극
128 완충층
129 기판
131a n-형 반도체층
131b 제1의 n＋형 반도체층
131c 제2의 n＋형 반도체층
132 p형 반도체층
134 게이트 절연막
135a 게이트 전극
135b 소스 전극
135c 드레인 전극
138 완충층
139 반 절연체층
141a n-형 반도체층
141b 제1의 n＋형 반도체층
141c 제2의 n＋형 반도체층
142 p형 반도체층
145a 게이트 전극
145b 소스 전극
145c 드레인 전극
151 n형 반도체층
151a n-형 반도체층
151b n＋형 반도체층
152 p형 반도체층
154 게이트 절연막
155a 게이트 전극
155b 이미터 전극
155c 컬렉터 전극
161 n형 반도체층
162 p형 반도체층
163 발광층
165a 제1의 전극
165b 제2의 전극
167 투광성 전극
169 기판

Claims (7)

  1. 금속 산화물을 주 성분으로 하는 산화물 반도체 막으로서, 상기 금속 산화물이 주기율표의 제 9 족 금속 및/또는 제 13 족 금속을 포함하고, 막 중에 p형 도판트를 함유하며, p형 캐리어 밀도가 1×1015/cm3 이상이고, 이동도가 1cm２／Vs 이상인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 막으로 이루어지는 p형 반도체층과, 주기율표 제 13 족 금속을 포함하는 산화물 반도체를 포함하는 n형 반도체층과, 전극을 적어도 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 9 족 금속이 로듐, 이리듐 또는 코발트인 반도체 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 n형 반도체층에 포함되는 제 13 족 금속이, 인듐, 알루미늄 및 갈륨으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속인 반도체 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 p형 도판트가 마그네슘인 반도체 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물이 주기율표의 제 9 족 금속 및 제 13 족 금속을 포함하는 반도체 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 산화물이, 주기율표의 제 9 족 금속의 산화물과 제 13 족 금속의 산화물의 혼정(混晶)인 반도체 장치.
  7. 제 1 항에 기재된 반도체 장치를 포함하는 시스템.
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