KR20060007366A - β-Ｇａ2Ｏ3계 단결정 성장 방법, 박막 단결정의 성장방법, Ｇａ2Ｏ3계 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

특히 크래킹이나 쌍정화 경향을 감소시키고, 결정성을 향상시킨 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법, 고품질의 박막 단결정을 형성할 수 있는 박막 단결정의 성장 방법, 적외 영역에서 발광하는 Ga2O3계 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다. 적외선 가열 단결정 제조 장치에 의해, 종결정과 다결정 소재를 서로 반대 방향으로 회전시키면서 가열하고, a축 <100> 방위, b축 <010> 방위 및 c축 <001> 방위 중에서 선택하는 하나의 방위에 β-Ga2O3 단결정을 성장시킨다. β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 박막의 성막은 PLD법에 의해 성막한다. 즉, 레이저광을 타겟에 조사하여 타겟을 구성하는 원자를 여기하고, 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 타겟으로부터 Ga 원자를 유리시키고, 유리된 Ga 원자를 챔버 중의 분위기의 래디컬과 결합시키고, β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 박막을 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 기판 상에 성장시킨다. 발광 소자는 β-Ga2O3 단결정에 n형 불순물을 첨가하여 얻게 된 n형 기판과, 이 n형 기판의 상면에 β-Ga2O3 단결정에 p형 불순물을 첨가하여 얻게 된 p형층을 접합하는 것으로 하였으므로, 그 접합부 부근에서 발광한다.
β-Ga2O3 단결정, 래디컬, 불순물, 크래킹, 챔버

Description

β-Ｇａ2Ｏ3계 단결정 성장 방법, 박막 단결정의 성장 방법, Ｇａ2Ｏ3계 발광 소자 및 그 제조 방법{β-Ｇａ2Ｏ3 SINGLE CRYSTAL GROWING METHOD, THIN-FILM SINGLE CRYSTAL GROWING METHOD, Ｇａ2Ｏ3 LIGHT-EMITTING DEVICE, AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 출원은 일본 특허 출원 제2003-46552호, 제2003-66020호 및 제2003-137916호를 기초로 하고 있고, 이 각 일본 출원의 전체 내용은 본 출원에 있어서 참조되어 도입된다.
본 발명은 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법, 박막 단결정의 성장 방법, β-Ga2O3계 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 크래킹이나 쌍정화 경향을 감소시키고, 결정성을 향상시킨 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법, 고품질의 박막 단결정을 형성할 수 있는 박막 단결정의 성장 방법 및 자외 영역에서 발광하는 Ga2O3계 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자외 영역에서의 발광 소자는 무수은 형광등의 실현, 깨끗한 환경을 제공하는 광촉매, 보다 고밀도 기록을 실현하는 신세대 DVD 등으로, 특히 큰 기대가 모아지고 있다. 이와 같은 배경으로부터 GaN계 청색 발광 소자가 실현되어 왔다.
이 GaN계 청색 발광 소자로서 특허 제2778405호 공보에는 사파이어 기판과, 사파이어 기판 상에 형성된 버퍼층과, 버퍼층 상에 형성된 n형 질화갈륨계 화합물 반도체층과 n형 클래드층과, n형 활성층과, p형 클래드층과, p형 콘택트층을 구비하는 것이 기재되어 있다. 이 종래의 GaN계 청색 발광 소자는 발광 파장 370 ㎚의 자외광을 발광한다.
그러나, 종래의 GaN계 청색 발광 소자에서는 밴드 갭의 관계에서 자외 영역의, 단파장의 빛을 발광하는 발광 소자를 더 얻는 것이 곤란하다.
그래서, β-Ga2O3 및 ZnO는 자외 영역의, 단파장의 빛을 더 발광할 가능성이 있는 것으로서 발광 소자에 사용하는 것이 검토되고 있다. 예를 들어, CZ법(Czochralski법)이나 FZ(Floating Zone Technique)법에 의해 β-Ga2O3 벌크계 단결정의 기판을 작성하는 것이 검토되고 있다. 한편, 일본 특허 공개 2002-68889호는 종래의 기판 상에 ZnO의 박막을 PLD(Palsed Laser Deposition)법에 의해 성장시키는 것을 개시한다.
도27은 종래의 β-Ga2O3 벌크계 단결정에 의해 형성한 기판(170)을 도시한다. 이와 같은 기판(170)의 재료를 제조하기 위한 종래의 단결정 성장 방법으로서, CZ법이나 FZ법이 알려져 있다(예를 들어 M. Saurat, A. Revcolevschi,「Rev. Int. HautesTemper. et Refract.」1971년 8호 p.291 참조).
CZ법은 이하와 같이 하여 행할 수 있다. 우선, 원료로서의 순도 4N의 Ga2O3 분말을 충전한 Ir 도가니를 석영관으로 덮고, 아르곤 가스에 산소 가스 1 vol.％를 혼합한 혼합 가스를 석영관에 흐르게 하면서 고주파 발진기에 의해 Ir 도가니를 가열하여 Ga2O3 분말을 용해하고, Ga2O3의 다결정 용해물을 생성한다. 계속해서, 별도로 준비한 Ga2O3 종결정을 용해한 Ga2O3에 접촉하여 1 ㎜/시, 결정 회전 수 15 rpm의 속도로 β-Ga2O3 종결정을 인상하여 β-Ga2O3 단결정의 제작을 행한다. 이 방법에 따르면, 큰 직경의 β-Ga2O3 단결정을 성장시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, FZ법은 상측의 원료, 예를 들어 β-Ga2O3 다결정의 융액을 하측의 β-Ga2O3 종결정으로 지지하면서 결정을 성장시키는 방법이다. 이 방법에 따르면, 용기를 사용하지 않으므로, 용기로부터의 오염을 방지할 수 있는 것, 용기에 의한 사용 분위기의 제한이 없는 것, 용기와 반응하기 쉬운 재료의 육성이 생기는 등의 이점이 있다.
또한, PLD법은 매우 저압의 산소 분위기 중에서 원하는 박막의 조성 재료, 예를 들어 ZnO 타겟에 레이저를 펄스적으로 조사하여 타겟을 구성하는 성분을 플라즈마나 분자 상태로 하여 기판 상까지 날리고 기판 상에 ZnO의 박막을 성장시키는 것이다. 이에 의해, 간단한 장치로 용이하게 박막을 제작할 수 있다.
그러나, 종래의 CZ법에서는 Ga2O3 융액으로부터의 융액 성분의 심한 증발이나 현저한 불안정 성장으로 인해, 결정 성장을 제어하는 것이 곤란하였다.
또한, FZ법에서는 1 ㎠ 정도의 단결정이 조건에 따라서는 얻을 수 있지만, 용융띠로부터의 심한 증발, 급준한 온도 구배로 인해, 쌍정화, 크래킹이 생겨 기판 에 필요해지는 대형화, 고품질화는 곤란하였다. 또한, 방위가 정해져 있지 않은 β-Ga2O3 단결정으로 기판(170)을 제작하는 경우, 크래킹(171)이 생기기 때문에 벽개면(100) 이외의 방위에서 절단하는 것이 매우 곤란하였다.
또한, 종래의 PLD법에 의한 박막 성장 방법에서는 원하는 박막의 조성 재료로 이루어지는 타겟으로부터 ZnO가 클러스터로서 유리되고, 그것이 그 상태에서 기판 상에 퇴적되는 일이 있었으므로, ZnO 분자가 기판 상에 요철이 되어 존재하여 표면 평탄성이 나쁜 박막이 형성될 우려가 있었다. 또한, 타겟이 레이저의 조사에 의해 열화 혹은 변질을 일으키는 일이 있으므로, 박막 단결정의 성장을 저해하는 요인이 되고 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 결정 성장의 제어가 용이하고, 대형화, 고품질화의 기판 등에 가공해도 균열이 생기기 어려운 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 고품질의 박막 단결정을 형성할 수 있는 박막 단결정의 성장 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 자외 영역의, 단파장의 빛을 더 발광하는 Ga2O3계 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 β-Ga2O3계 종결정을 준비하고, β-Ga2O3계 종결정으로부터 소정의 방위에 β-Ga2O3계 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법을 제공한다.
이 구성에 따르면, 크래킹, 쌍정화 경향이 감소되고 결정성이 높아져 가공성이 양호해진다.
본 발명은 기판을 준비하여 소정의 분위기 중에서 순금속 혹은 합금으로 이루어지는 금속 타겟에 여기 빔을 조사하고, 이에 의해 방출된 원자, 분자, 이온 등의 화학종과 상기 소정의 분위기의 원자를 결합시켜 상기 기판 상에 박막을 성장시키는 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법을 제공한다.
이 구성에 따르면, 여기 빔을 금속 타겟에 조사하면 금속 타겟을 구성하고 있는 금속 원자가 여기되어 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 금속 타겟으로부터 금속 원자, 분자, 이온 등의 화학종이 유리되고, 그 유리된 화학종이 분위기 중의 래디컬과 결합하고, 그것이 기판 상에 성장하여 기판 상에 박막이 형성된다.
본 발명은 Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 제1 층과, 상기 제1 층 상에 접촉하여 형성된 Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 p형 도전성을 나타내는 제2 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자를 제공한다.
이 구성에 따르면, n형 도전성을 나타내는 제1 층 상에 p형 도전성을 나타내는 제2 층을 형성함으로써 PN 접합의 발광 소자를 형성할 수 있으므로, Ga2O3계 단결정이 갖는 밴드 갭에 의해 자외 영역의 발광이 가능해진다.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 적외선 가열 단결정 제조 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 종결정의 정면도이다.
도3의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 단결정의 성장 과정을 도시하는 도면이다.
도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 단결정을 도시하는 도면이다.
도5는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 단결정으로 형성한 기판을 도시하는 도면이다.
도6은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 단결정의 단위 격자를 도시하는 도면이다.
도7은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 성막 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도8은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 MIS형 발광 소자의 단면을 도시하는 도면이다.
제9는 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 원자간력 현미경(AFM) 사진을 도시하는 도면이다.
도10은 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 원자간력 현미경 사진을 도시하는 도면이다.
도11은 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막 및 제7 실시 형태에 대응하는 비교예의 박막의 반사 고속 전자 회절(RHEED) 패턴의 비교도이다. (a)는 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 반사 고속 전자 회절 패턴을 도시하고, (b)는 제7 실시 형태에 대응하는 비교예의 박막의 반사 고속 전자 회절 패턴을 도시한다.
도12는 본 발명의 제8 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 원자간력 현미경 사진을 도시하는 도면이다.
도13은 본 발명의 제8 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막 및 제8 실시 형태에 대응하는 비교예의 박막의 반사 고속 전자 회절 패턴의 비교도이다. (a)는 본 발명의 제8 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 반사 고속 전자 회절 패턴을 도시하고, (b)는 제8 실시 형태에 대응하는 비교예의 박막의 반사 고속 전자 회절 패턴을 도시한다.
도14는 본 발명의 제9 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 원자간력 현미경 사진을 도시하는 도면이다.
도15는 본 발명의 제10 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 원자간력 현미경 사진을 도시하는 도면이다.
도16은 본 발명의 제10 실시 형태에 대응하는 비교예에 의한 β-Ga2O3 박막 의 주사형 전자 현미경(SEM) 사진을 도시하는 도면이다.
도17은 본 발명의 제12 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자를 도시하는 단면도이다.
도18은 본 발명의 제12 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 단결정의 산소 농도와 캐리어 농도의 관계를 나타내는 도면이다.
도19는 본 발명의 제12 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자를 제조하기 위한 성막 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도20은 본 발명의 제13 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자를 도시하는 단면도이다.
도21은 본 발명의 제14 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자를 도시하는 단면도이다.
도22는 본 발명의 제15 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자를 도시하는 단면도이다.
도23은 본 발명의 제16 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자를 도시하는 단면도이다.
도24는 본 발명의 제17 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자를 도시하는 단면도이다.
도25는 β-Al1 .4Ga0 .6O3, β-Ga2O3 및 β-GaInO3의 격자 상수율과 밴드 갭의 관계를 나타내는 도면이다.
도26은 본 발명의 제18 실시 형태에 관한 Ga2O3계 광소자를 도시하는 단면도이다.
도27은 종래의 단결정 기판을 도시하는 도면이다.
(제1 실시 형태)
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 적외선 가열 단결정 제조 장치를 도시한다. 이 적외선 가열 단결정 제조 장치(101)는 FZ법에 의해 β-Ga2O3 단결정을 제조하는 것으로, 석영관(102)과, β-Ga2O3 종결정(이하「종결정」이라 생략함)(107)을 보유 지지 및 회전하는 시드 회전부(103)와, β-Ga2O3 다결정 소재(이하「다결정 소재」라 생략함)(109)를 보유 지지 및 회전하는 소재 회전부(104)와, 다결정 소재(109)를 가열하여 용융하는 가열부(105)와, 시드 회전부(103), 소재 회전부(104) 및 가열부(105)를 제어하는 제어부(106)를 갖고 개략 구성되어 있다.
시드 회전부(103)는 종결정(107)을 보유 지지하는 시드 척(133)과, 시드 척(133)에 회전을 전하는 하부 회전축(132)과, 하부 회전축(132)을 정회전시키는 동시에, 상하 방향으로 이동시키는 하부 구동부(131)를 구비한다.
소재 회전부(104)는 다결정 소재(109)의 상단부(109a)를 보유 지지하는 소재 척(143)과, 소재 척(143)에 회전을 전하는 상부 회전축(142)과, 상부 회전축(142)을 정역회전시키는 동시에, 상하 방향으로 이동시키는 상부 구동부(141)를 구비한다.
가열부(105)는 다결정 소재(109)를 직경 방향으로부터 가열하여 용융하는 할로겐 램프(151)와, 할로겐 램프(151)를 수용하여 할로겐 램프(151)의 발광하는 빛을 다결정 소재(109)의 소정 부위로 집광하는 타원경(152)과, 할로겐 램프(151)에 전원을 공급하는 전원부(153)를 구비한다.
석영관(102)에는 하부 회전축(132), 시드 척(133), 상부 회전축(142), 소재 척(143), 다결정 소재(109), β-Ga2O3의 단결정(108) 및 종결정(107)이 수용된다. 석영관(102)은 산소 가스와 불활성 가스로서의 질소 가스와의 혼합 가스가 공급되어 밀폐할 수 있도록 되어 있다.
다음에, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 단결정 성장 방법을 도2, 도3 및 도4를 참조하여 설명한다.
(1) 종결정의 제작
도2는 종결정(107)의 정면도를 도시한다. 종결정(107)은 단면 정사각형의 각기둥 형상을 이루고, 종결정(107)의 일부가 시드 척(133)에 보유 지지된다. 종결정(107)은, 예를 들어 β-Ga2O3 단결정을 벽개면을 따라서 잘라낸 것을 사용한다. 종결정(107)은 양호한 β-Ga2O3 단결정을 성장시키기 위해, 성장 결정의 5분의 1 이 하의 직경 또는 5 ㎟ 이하의 단면적을 갖고, β-Ga2O3 단결정의 성장 시에 파손되지 않는 강도를 갖는다. 본 실시 형태에서는 단면적을 1 내지 2 ㎟로 하였다. 그 축방향은 a축 <100> 방위, b축 <010> 방위, 혹은 c축 <001> 방위이다. 또한, 여기서 직경이라 함은, 정사각형의 1변, 직사각형의 긴 변 혹은 원의 직경 등을 말한다. 또한, 축방향과 각 방위의 오차는 플러스 마이너스 10°의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
도3의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 Ga2O3 단결정의 성장 과정을 도시하고, 도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 단결정을 도시한다. 또한, 도3 및 도4에서는, 시드 척(133)은 생략하고 있다.
(2) 다결정 소재(109)의 제작
우선, 다결정 소재(109)를 이하와 같이 하여 제작해 둔다. 즉, 순도 4N의 Ga2O3의 분말의 소정량을 도시하지 않은 고무관에 충전하고, 50O ㎫에서 냉간 압축한다. 그 후, 1500 ℃에서 10 시간 소결하여 막대 형상의 다결정 소재(109)를 얻는다.
(3) β-Ga2O3 단결정(108)의 제작
다음에, 도1에 도시한 바와 같이 종결정(107)의 일부를 시드 척(133)에 보유 지지하고, 막대 형상의 다결정 소재(109)의 상단부(109a)를 소재 척(143)에 보유 지지한다. 다음에, 도3의 (a)에 도시한 바와 같이 상부 회전축(142)의 상하 위치를 조절하여 종결정(107)의 상단부(107a)와 다결정 소재(109)의 하단부(109b)를 접 촉시킨다. 또한, 할로겐 램프(151)의 빛을 종결정(107)의 상단부(107a)와 다결정 소재(109)의 하단부(109b)의 부위로 집광하도록 상부 회전축(142) 및 하부 회전축(132)의 상하 위치를 조절한다. 석영관(102)의 분위기(102a)는 질소와 산소의 혼합 기체(100 ％ 질소로부터 100 ％ 산소 사이에서 변화됨)의 전체압 1기압으로부터 2기압으로 채워지고 있다.
조작자가 도시하지 않은 전원 스위치를 온(ON)으로 하면 제어부(106)는 제어 프로그램에 따라서 각 부를 제어하고 이하와 같이 단결정 성장 제어를 행한다. 가열부(105)에 전원이 투입되면, 할로겐 램프(151)는 종결정(107)의 상단부(107a)와 다결정 소재(109)의 하단부(109b)의 부위를 가열하고, 그 가열 부위를 용해하여 용해 물방울(108c)을 형성한다. 이 때, 종결정(107)만을 회전시켜 둔다.
계속해서, 다결정 소재(109)와 종결정(107)이 충분히 융합하도록 상기 부를 반대 방향으로 회전시키면서 용해한다. 도3의 (b)에 도시한 바와 같이 적절한 β-Ga2O3 단결정의 용해물(108')이 생겼을 때에 다결정 소재(109)의 회전을 정지하고, 종결정(107)만을 회전시켜 다결정 소재(109) 및 종결정(107)을 서로 반대 방향으로 인장하여, 종결정(107)보다도 가는 대쉬 네크(108a)를 형성한다.
계속해서, 종결정(107)과 다결정 소재(109)를 20 rpm에서 서로 반대 방향으로 회전시키면서 할로겐 램프(151)로 가열하고, 또한 다결정 소재(109)를 5 ㎜/시간의 비율로 상부 회전축(142)에 의해 상방으로 인장한다. 할로겐 램프(151)에 의해 다결정 소재(109)를 가열하면 다결정 소재(109)는 용해되어 용해물(108')을 형 성하는 동시에, 그것이 냉각되면 도3의 (c)에 도시한 바와 같이 다결정 소재(109)와 동등하거나 또는 그것보다도 작은 직경의 β-Ga2O3 단결정(108)이 생성된다. 적절한 길이의 단결정을 형성한 후, 도3의 (d)에 도시한 바와 같이 생성된 β-Ga2O3 단결정(108)을 취출하기 위해 β-Ga2O3 단결정(108)의 상부(108b)를 세경화한다.
(4) 기판의 제작
도5는 β-Ga2O3 단결정(108)으로 형성한 기판을 도시한다. β-Ga2O3 단결정(108)은 b축 <010> 방위에 결정 성장시킨 경우에는 (100)면의 벽개성이 강해지므로, (100)면에 평행한 면과 수직인 면으로 절단하여 기판(160)을 제작한다. a축 <100> 방위, c축 <001> 방위에 결정 성장시킨 경우에는 (100)면, (001)의 벽개성이 약해지므로, 모든 면의 가공성이 양호해지고, 상기와 같은 절단면의 제한은 없다.
도6은 β-Ga2O3 단결정의 단위 격자를 도시한다. β-Ga2O3 단결정은 8개의 Ga 원자 및 12의 O 원자가 Ga(1), Ga(2), O(1), O(2), O(3)로서 도시된다. 도6 중 a, b, c는 각각 a축 <100> 방위, b축 <010> 방위, c축 <001> 방위를 나타낸다.
본 제1 실시 형태에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(가) 소정의 방향에 결정을 성장시키고 있으므로, 직경 1 ㎝ 이상의 큰 β-Ga2O3 단결정(108)을 얻을 수 있다.
(나) 이 β-Ga2O3 단결정(108)은 a축 <100> 방위, b축 <010> 방위, 혹은 c축 <001> 방위를 결정축으로 함으로써, 크래킹, 쌍정화 경향이 감소되어 높은 결정성 을 얻을 수 있다.
(다) 또한, 이와 같은 결정을 재현성 좋게 생성할 수 있다. 그로 인해, 반도체 등의 기판으로서의 이용 가치도 높다.
또한, 본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되지 않고, 다양한 변형 실시가 가능하다.
예를 들어, β-Ga2O3 종결정(107) 대신에 β-Ga2O3와 동일한 단사정계, 공간군이 C2/m에 속하는 β-Ga2O3의 갈륨, 인듐, 알루미늄, 주석, 게르마늄, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄, 니오브, 몰리브덴, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 규소 및 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 원소의 산화물을 포함하는 β-Ga2O3 고용체로 이루어지는 β-Ga2O3계 종결정을 이용하고 이러한 고용체로 이루어지는 β-Ga2O3계 단결정을 성장시켜도 좋다. 이에 의해, 자외로부터 청색의 파장 영역에서 발광하는 LED를 실현할 수 있다.
또한, 질소와 산소의 혼합 기체로서 전체압이 2기압 이상에서 FZ법을 행하면, 버블의 발생을 억제할 수 있고, 결정 성장 과정을 보다 안정화시킬 수 있다.
또한, 단결정(108)을 상방으로 인장할 필요가 있을 때, 하부 회전축(132)을 내려도 좋다. 또한, 할로겐 램프(151)를 이동시키는 것은 아니고, 하부 회전축(132) 및 상부 회전축(142)을 이동시켜 가열해도 좋다. 할로겐 램프(151) 대신에 가열 코일로 가열해도 좋다.
본 실시 형태는 불활성 가스로서 질소 가스를 사용하는 것으로서 설명하였지만, 본 발명은 질소 가스 대신에 아르곤을 사용해도 좋다.
또한, 종결정(107)은 단면 직사각형이라도 좋고, 각기둥 형상 대신에, 원주 형상이나 타원 기둥 형상이라도 좋다.
또한, 본 실시 형태는 FZ법에 대해 설명하였지만, EFG법(인상법인 Czochralski법을 이용한 형상 제어 결정 성장법) 등의 다른 결정 성장법을 적용해도 좋다.
(제2 실시 형태)
도7은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 성막 장치의 개략 구성을 도시한다. 이 성막 장치(201)는 PLD법에 의해 성막하는 것이고, 진공 가능한 공간부(220)를 갖는 챔버(202)와, 챔버(202) 내에 배치된 타겟(203)을 보유 지지하는 타겟대(205)와, 챔버(202)의 외부에 설치되어 타겟대(205)를 회전시키는 회전 기구(211)와, 챔버(202) 내에 배치되어 기판(206)을 보유 지지하는 동시에, 기판(206)을 1500 ℃까지 가열 가능한 히터를 내장하는 기판 보유 지지부(207)와, 챔버(202) 내에 파이프(202a)로부터 래디컬을 주입하는 래디컬 주입부(208)와, 파이프(202b)를 거쳐서 공간부(220)를 배기하고 공간부(220)를 진공으로 하는 진공 펌프(도시하지 않음)를 갖는 배기부(209)와, 챔버(202)의 외부에 설치되어 타겟(203)에 여기 빔으로서의 레이저광을 조사하는 레이저부(204)를 구비한다.
타겟(203)은 순금속 혹은 합금, 예를 들어 고순도의 Ga 혹은 Ga를 포함하는 합금으로 이루어진다.
레이저부(204)는 Nd : YAG 레이저, KrF 엑시머 레이저, ArF 엑시머 레이저 등을 레이저원으로 하여 레이저광(242)을 펄스 형상으로 조사하는 레이저 발진부(241)와, 레이저 발진부(241)로부터 출사된 레이저광(242)을 타겟(203) 상에 집광하는 렌즈(243, 244)를 구비한다.
기판(206)은 타겟(203)에 레이저광(242)이 조사되었을 때에 타겟(203)으로부터 해리된 금속 원자(233) 등의 화학종이 성막에 기여할 수 있도록 타겟(203)과 대향하고 있다.
래디컬 주입부(208)는 산소 가스, 오존을 포함하는 산소 가스, 순오존 가스, N2O 가스, NO2 가스, 산소 래디컬을 포함하는 산소 가스, 산소 래디컬, 질소 래디컬, NH3 가스, 질소 래디컬을 포함하는 NH3 가스 등 중 1 또는 2 이상의 가스, 즉 성막 시에 타겟(203)으로부터 유리된 원자와 결합하는 가스를 공간부(220)에 주입하도록 되어 있다.
다음에, 제2 실시 형태에 관한 박막 단결정의 성장 방법을 설명한다. 이 성장 방법은 박막을 성장시키는 기판(206)을 준비하는 공정과, 기판(206) 상에 박막을 성장시키는 공정으로 이루어진다. 여기서는, β-Ga2O3로 이루어지는 기판(206) 상에 β-Ga2O3로 이루어지는 박막을 형성하는 경우에 대해 설명한다.
(1) 기판(206)의 준비
우선, FZ(Floating Zone)법에 의해 β-Ga2O3 단결정을 형성한다. 즉, 석영 관 속에서 β-Ga2O3 종결정과 β-Ga2O3 다결정 소재의 접촉 부분에서 양자를 용융한다. 용해한 β-Ga2O3 다결정 소재를 β-Ga2O3 종결정과 함께 하강시키면, β-Ga2O3 종결정 상에 β-Ga2O3 단결정이 생성된다. 다음에, 이 β-Ga2O3 단결정에 의해 기판(206)을 제작한다. 또한, b축 <010> 방위에 결정 성장시킨 경우에는 (100)면의 벽개성이 강해지므로, (100)면에 평행한 면과 수직인 면으로 절단하여 기판(206)을 제작한다. a축 <100> 방위, c축 <001> 방위에 결정 성장시킨 경우에는 (100)면, (001)의 벽개성이 약해지므로, 모든 면의 가공성이 양호해져 상기와 같은 절단면의 제한은 없다.
(2) 박막의 성장
전술한 성막 장치(201)를 사용하여 기판(206) 상에 박막을 성장시킨다. 즉, 타겟(203)으로서, 예를 들어 Ga로 이루어지는 타겟(203)을 타겟대(205)에 고정한다. β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 기판(206)을 기판 보유 지지부(207)에 보유 지지한다. 배기부(209)의 진공 펌프에 의해 공간부(220) 중의 공기를 배기하여 공간부(220) 내의 진공도를, 예를 들어, 1 × 10-9 torr 정도로 하고, 그 후, 예를 들어 산소 가스를 공간부(220)에 주입하여 1 × 10-7 torr 정도로 하고, 기판 보유 지지부(207)에 의해 도시하지 않은 히터에 통전하여 기판(206)의 온도를, 예를 들어 300 ℃ 내지 1500 ℃로 가열한다. 계속해서, 산소 래디컬을 래디컬 주입부(208)에 의해 공간부(220) 내에 주입하여 1 × 10-4 내지 1 × 10-6 torr로 한다. 레이저부 (204)로부터 레이저 출력 100 ㎽, 반복 주파수 10 ㎐이고, 파장 266 ㎚인 레이저광(242)을 회전 기구(211)에 의해 회전하는 타겟(203)에 조사하면 타겟(203)을 구성하고 있는 Ga 원자가 여기되어 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 타겟(203)으로부터 방출되는 Ga 원자, Ga 이온, 여기 Ga 원자, 여기 Ga 이온 등의 화학종이 분위기 중의 산소 래디컬과 기판(206) 상에서 결합하여 β-Ga2O3 단결정이 형성된다. 그 형성된β-Ga2O3 단결정은 기판(206) 상에 성장하고, 기판(206) 상에 β-Ga2O3 박막 단결정이 형성된다. 또한, 성장한 β-Ga2O3 박막 단결정은 n형 도전성을 나타냈다. 이 도전성은 산소 결함에 따른다고 생각된다.
본 제2 실시 형태에 따르면, 타겟(203)으로부터 유리된 금속 원자, 금속 이온, 여기 금속 원자, 여기 금속 이온 등의 화학종과 분위기 중의 원자를 결합시키기 때문에, 표면 평탄성이 높고, 품질이 좋은 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 박막을 기판 상에 성장시킬 수 있다.
(제3 실시 형태)
도8은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 MIS형 발광 소자의 단면을 도시한다. 이 MIS형 발광 소자(260)는 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 기판(206)과, 이 기판(206)의 상면에 형성되는 n형 도전성을 나타내는 β-Ga2O3 박막 단결정(261)과, 이 n형의 β-Ga2O3 박막 단결정(261)의 상면에 형성되는 β-Ga2O3 박막 결정으로 이루어지는 절연층(262)과, 절연층(262)의 상면에 형성되는 금 전극(263)과, 금 전극 (263)의 상면에 부착되어 리드(268)가 접속되는 본딩(267)과, 기판(206)의 하면에 형성된 n전극(264)과, n전극(264)의 하면에 부착되어 리드(266)가 접속되는 본딩(265)을 구비한다.
절연층(262)은 산소 분위기 중에서 900 ℃ 어닐함으로써 형성한 표면에 10 내지 1000 ㎚의 산소 결함이 없는 것이다.
본 제3 실시 형태에 따르면, 발광 파장 260 ㎚ 부근의 발광 소자를 얻을 수 있다.
(제4 실시 형태)
본 발명의 제4 실시 형태에 관한 ZnO계 박막 단결정은 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(201)를 사용하여 타겟(203)으로서 Zn 혹은 Zn을 포함하는 합금으로 이루어지는 금속을 사용하여 기판(206) 상에 성장시킴으로써 얻을 수 있다.
본 제4 실시 형태에 따르면, 여기 빔을 Zn 혹은 Zn을 포함하는 합금으로 이루어지는 금속 타겟(203)에 조사하면 금속 타겟(203)을 구성하고 있는 Zn 원자 혹은 다른 원자가 여기되어 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 금속 타겟(203)으로부터 방출되는 Zn 원자, Zn 이온, 여기 Zn 원자, 여기 Zn 이온 등의 화학종이 분위기 중의 래디컬과 결합하고, 그것이 기판(206) 상에 성장하여 기판(206) 상에 Zn0계 박막 단결정이 형성된다.
또한, β-Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 기판 상에 ZnO계 박막 결정으로 이루어지는 버퍼층을 성장시키고, 그 버퍼층 상에 ZnO계 박막 단결정을 성장시켜도 좋다. 이 구성에 따르면, 버퍼층 상에 버퍼층과 같은 종류의 ZnO계의 박막 단결정을 성장시키기 때문에, 격자 부정합이 저감되어 결정성이 좋은 ZnO계의 박막 단결정을 형성할 수 있다.
(제5 실시 형태)
본 발명의 제5 실시 형태에 관한 GaN계 박막 단결정은 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(201)를 사용하여 분위기로서 질소 래디컬, NH3 가스 및 질소 래디컬을 포함하는 NH3 가스 중 1 또는 2 이상의 가스를 사용하여 기판(206) 상에 성장시킴으로써 얻을 수 있다.
본 제5 실시 형태에 따르면, 여기 빔을 Ga 혹은 Ga를 포함하는 합금으로 이루어지는 금속 타겟(203)에 조사하면 금속 타겟(203)을 구성하고 있는 Ga 원자 혹은 다른 원자가 여기되어 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 금속 타겟(203)으로부터 방출되는 Ga 원자, Ga 이온, 여기 Ga 원자, 여기 Ga 이온 등의 화학종이 분위기 중의 래디컬과 결합하고, 그것이 기판(206) 상에 성장하여 기판(206) 상에 GaN계 박막 단결정이 형성된다.
또한, β-Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 기판(206) 상에 GaN계 박막 결정으로 이루어지는 버퍼층을 성장시키고, 그 버퍼층 상에 GaN계 박막 단결정을 성장시켜도 좋다. 이 구성에 따르면, 버퍼층 상에 버퍼층과 같은 종류의 GaN계의 박막 단결정을 성장시키기 때문에, 격자 부정합이 저감되어 결정성이 좋은 GaN계의 박막 단결정을 형성할 수 있다.
(제6 실시 형태)
본 발명의 제6 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막은 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(201)를 사용하여 타겟(203)의 재료로서 Ga를 이용하고, 또한 기판(206)에 β-Ga2O3로 이루어지는 것을 이용하여 산소 래디컬을 주입하면서 기판 온도 400 ℃, 레이저 출력 100 ㎽, 반복 주파수 10 ㎐, 진공도 1 × 10-5 torr이고, 파장 266 ㎚인 레이저광(242)을 타겟(203)에 조사함으로써 얻을 수 있다.
이 레이저 발진부(241)는 Qsw Nd : YAG 레이저의 발진 파장인 1.064 ㎛를 기본파로 하고, 도시하지 않은 비선형 광학 결정을 이용하여 3배파인 355 ㎚, 4배파인 266 ㎚의 펄스 발진이 가능하게 되어 있다. 레이저광(242)의 조사 후, β-Ga2O3 기판(206) 상에 무색ㆍ투명의 β-Ga2O3 박막이 성장하였다.
도9는 제6 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 원자간력 현미경(AFM) 사진을 도시한다. 이에 따르면, β-Ga2O3 박막의 표면이 높은 평탄성을 갖고, 박막이 고품질인 것을 나타내고 있다.
본 제6 실시 형태에 따르면, 여기 빔을 Ga로 이루어지는 타겟에 조사하면 타겟으로부터 Ga 원자가 여기되어 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 타겟으로부터 Ga 원자 등의 화학종이 유리되고, 그 유리된 화학종이 분위기 중의 산소 래디컬과 결합하고, 그것이 기판 상에 성장하여 β-Ga2O3로 이루어지는 기판(206) 상에 무색ㆍ투명 한 양질의 β-Ga2O3 박막 단결정을 성장시킬 수 있었다.
(제7 실시 형태)
본 발명의 제7 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막은 기판 온도를 1000 ℃로 하는 것 외에는 제6 실시 형태와 동일 조건에 의해 얻을 수 있다.
도10은 제7 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 원자간력 현미경(AFM) 사진을 도시한다. 이에 따르면, β-Ga2O3 박막의 표면이 높은 평탄성을 갖고, 박막이 고품질인 것을 나타내고 있다.
도11의 (a)는 제7 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 반사 고속 전자 회절(RHEED)에 의한 패턴을 도시하고, (b)는 후술하는 제7 실시 형태에 대응하는 비교예에 의한 박막의 반사 고속 전자 회절에 의한 패턴을 도시한다. 도11의 (a)로부터 명백한 바와 같이 고품질의 β-Ga2O3 박막 단결정이 성장하고 있는 것을 알 수 있다.
본 제7 실시 형태에 따르면, 여기 빔을 Ga로 이루어지는 타겟에 조사하면 타겟으로부터 Ga 원자가 여기되어 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 타겟으로부터 Ga 원자 등의 화학종이 유리되고, 그 유리된 화학종이 분위기 중의 산소 래디컬과 결합하고, 그것이 기판 상에 성장하여 β-Ga2O3로 이루어지는 기판(206) 상에 무색ㆍ투명한 양질의 β-Ga2O3 박막 단결정을 성장시킬 수 있었다.
(제7 실시 형태에 대응하는 비교예)
본 비교예에 의한 β-Ga2O3 박막은 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(201)를 사용하여 타겟(203)의 재료로서 Ga2O3를 이용하고, 또한 기판(206)에 β-Ga2O3로 이루어지는 것을 이용하여 산소 래디컬 분위기 하, 기판 온도 1000 ℃, 레이저 출력 100 ㎽, 반복 주파수 10 ㎐, 진공도 1 × 10-5 torr이고, 파장 266 ㎚인 레이저광(242)을 타겟(203)에 조사함으로써 β-Ga2O3 기판(206) 상에 얻을 수 있다. 이 β-Ga2O3 박막은 투명하다.
도11의 (b)는 성장한 β-Ga2O3 박막의 반사 고속 전자 회절에 의한 패턴을 도시한다. 도11의 (b)로부터 명백한 바와 같이 양질인 β-Ga2O3 박막 단결정이 성장하고 있지 않다.
본 비교예에 따르면, Ga2O3로 이루어지는 타겟을 이용한 경우, 양호한 박막 단결정이 생기지 않았다. 이것으로부터 Ga로 이루어지는 타겟이 박막 단결정의 성장에 적합한 것을 알 수 있다. 또한, 도11로부터 알 수 있는 바와 같이, Ga로 이루어지는 타겟 외에 산소 래디컬의 존재가 β-Ga2O3로 이루어지는 기판(206) 상에 β-Ga2O3 박막 단결정을 성장시키는 데 효과적인 것을 알 수 있다.
(제8 실시 형태)
본 발명의 제8 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막은 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(201)를 사용하여 타겟(203)의 재료로서 Ga를 이용하고, 또한 기판(206)에 β-Ga2O3로 이루어지는 것을 이용하여 N2O 래디컬을 주입하면서 기판 온도 1000 ℃, 레이저 출력 100 ㎽, 반복 주파수 10 ㎐, 진공도 1 × 10-5 torr이고, 파장 266 ㎚인 레이저광(242)을 타겟(203)에 조사함으로써 얻을 수 있다.
도12는 제8 실시 형태의 β-Ga2O3 박막의 원자간력 현미경 사진을 도시한다. 이에 따르면, β-Ga2O3 박막의 표면이 높은 평탄성을 갖고, 박막이 고품질인 것을 나타내고 있다.
도13의 (a)는 제8 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 반사 고속 전자 회절에 의한 패턴을 도시하고, (b)는 후술하는 제8 실시 형태에 대응하는 비교예에 의한 박막의 반사 고속 전자 회절에 의한 패턴을 도시한다. 도13의 (a)로부터 명백한 바와 같이 고품질의 β-Ga2O3 박막 단결정이 성장하고 있는 것을 알 수 있다.
본 제8 실시 형태에 따르면, 여기 빔을 Ga로 이루어지는 타겟에 조사하면 타겟으로부터 Ga 원자가 여기되어 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 타겟으로부터 Ga 원자 등의 화학종이 유리되고, 그 유리된 화학종이 분위기 중의 N2O 래디컬과 결합하고, 그것이 기판 상에 성장하여 β-Ga2O3로 이루어지는 기판(206) 상에 무색ㆍ투명한 양질의 β-Ga2O3 박막 단결정을 성장시킬 수 있었다.
(제8 실시 형태에 대응하는 비교예)
본 비교예에 의한 β-Ga2O3 박막은 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(201)를 사용하여 타겟(203)의 재료로서 Ga2O3를 이용하고, 또한 기판(206)에 β-Ga2O3로 이루어지는 것을 이용하여 NO2 래디컬 분위기 하, 기판 온도 1000 ℃, 레이저 출력 100 ㎽, 반복 주파수 10 ㎐, 진공도 1 × 10-5 torr이고, 파장 266 ㎚인 레이저광(242)을 타겟(203)에 조사함으로써 β-Ga2O3 기판(206) 상에 얻을 수 있다. 이 β-Ga2O3 박막은 투명하다.
도13의 (b)는 상기와 같이 성장한 β-Ga2O3 박막의 반사 고속 전자 회절에 의한 패턴을 도시한다. 도13의 (b)로부터 명백한 바와 같이 양질인 β-Ga2O3 박막 단결정이 성장하고 있지 않다.
본 비교예에 따르면, Ga로 이루어지는 타겟 외에 N2O 래디컬의 존재가 β-Ga2O3로 이루어지는 기판(206) 상에 β-Ga2O3박막 단결정을 성장시키는 데 효과적인 것을 알 수 있다.
(제9 실시 형태)
본 발명의 제9 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막은 기판 온도를 400 ℃로 하는 것 외에는 제8 실시 형태와 동일 조건에 의해 얻을 수 있다.
도14는 제9 실시 형태의 β-Ga2O3 박막의 원자간력 현미경 사진을 도시한다. 이에 따르면, β-Ga2O3 박막의 표면이 높은 평탄성을 갖고, 박막이 고품질인 것을 나타내고 있다.
본 제9 실시 형태에 따르면, 여기 빔을 Ga로 이루어지는 타겟에 조사하면 타겟으로부터 Ga 원자가 여기되어 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 타겟으로부터 Ga 원자 등의 화학종이 유리되고, 그 유리된 화학종이 분위기 중의 N2O 래디컬과 결합하고, 그것이 기판 상에 성장하여 β-Ga2O3로 이루어지는 기판(206) 상에 무색ㆍ투명한 양질의 β-Ga2O3 박막 단결정을 성장시킬 수 있었다.
(제10 실시 형태)
본 발명의 제10 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막은 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(201)를 사용하여 타겟(203)의 재료로서 Ga를 이용하고, 또한 기판(206)에 β-Ga2O3로 이루어지는 것을 이용하여 산소 래디컬을 주입하면서 기판 온도 1000 ℃, 레이저 출력 100 ㎽, 반복 주파수 10 ㎐, 진공도 1 × 10-5 torr이고, 파장 355 ㎚인 레이저광(242)을 타겟(203)에 조사함으로써 얻을 수 있다.
도15는 본 발명의 제10 실시 형태에 관한 β-Ga2O3 박막의 원자간력 현미경 사진을 도시한다. 이에 따르면, β-Ga2O3 박막의 표면이 높은 평탄성을 갖고, 박막이 고품질인 것을 나타내고 있다.
본 제10 실시 형태에 따르면, 여기 빔을 Ga로 이루어지는 타겟에 조사하면 타겟으로부터 Ga 원자가 여기되어 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 타겟으로부터 Ga 원 자 등의 화학종이 유리되고, 그 유리된 화학종이 분위기 중의 산소 래디컬과 결합하고, 그것이 기판 상에 성장하여 β-Ga2O3로 이루어지는 기판(206) 상에 무색ㆍ투명한 양질의 β-Ga2O3 박막 단결정을 성장시킬 수 있었다.
(제10 실시 형태에 대응하는 비교예)
도16은 제10 실시 형태에 대응하는 비교예에 관한 β-Ga2O3 박막의 주사형 전자 현미경(SEM) 사진을 도시한다. 본 비교예에 의한 β-Ga2O3 박막은 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(201)를 사용하여 타겟(203)의 재료로서 Ga2O3를 이용하고, 또한 기판(206)에 Ga2O3로 이루어지는 것을 이용하여 산소 분위기 하, 기판 온도 1000 ℃, 레이저 출력 200 ㎽, 반복 주파수 10 ㎐, 진공도 1 × 10-5 torr이고, 파장 355 ㎚의 레이저광(242)을 타겟(203)에 조사함으로써 β-Ga2O3 기판(206) 상에 얻을 수 있다. 이 β-Ga2O3 박막은 백색이다. 이는 백색 클러스터 형상의 것이 평탄한 기판(206)에 부착한 것이고, β-Ga2O3막으로서는 거의 성장하지 않은 것을 알 수 있었다.
본 비교예에 따르면, Ga로 이루어지는 타겟 외에, 산소 래디컬의 존재가 β-Ga2O3로 이루어지는 기판(206) 상에 β-Ga2O3 박막 단결정을 성장시키는 데 효과적인 것을 알 수 있다.
또한, β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 기판 상에 β-Ga2O3 단결정 박막을 성장시키는 방법으로서, PLD법에 대해 서술해 왔지만, PLD법으로 한정되지 않고, MBE(Molecular Beam Epitaxy)법, MOCVD(Metal Organic Vapor Deposition)법 등의 물리적 기상 성장법, 열CVD(Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 CVD 등의 화학적 기상 성장법을 이용해도 좋다.
또한, 타겟은 그 성상이 금속판으로서 설명되어 왔지만, 금속제로 한정되는 것은 아니고, 금속 이외의 고체로 이루어지는 것이라도, 액상이라도 좋다. 또한, 타겟은 Ga로 이루어지는 것으로 한정되는 것은 아니고, Ga를 포함하는 합금, Zn 혹은 Zn을 포함하는 합금으로 이루어지는 금속이라도 좋다. 이에 의해 성막하고자 하는 막 종류의 선택의 자유도가 증가된다.
또한, 여기 빔으로서는 레이저광 이외에, 금속 타겟에 조사하여 금속 원자 등을 유리시킬 수 있는 것이면, 전자 빔, 이온 빔 등이라도 좋다.
또한, 레이저의 파장은 266 ㎚로 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 355 ㎚, 193 ㎚ 등 다른 파장이라도 좋다. 또한, 레이저 출력을 10 ㎽ 내지 400 ㎽로 해도 좋다.
또한, 기판 온도는 300 내지 1500 ℃라도 좋다. 이 온도 범위는 성장시키는 막을 평탄화하고, 밀하게 하기 위한 온도 범위, 즉 결정화를 향상시키는 온도 범위이기 때문이다.
또한, 챔버(202) 내의 진공도는 1 내지 1 × 10-10 torr라도 좋다. 이 진공 도의 범위에서도 β-Ga2O3계 박막 단결정을 성장시킬 수 있다.
(제11 실시 형태)
본 발명의 제11 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자는 n형 도전성을 나타내는 기판, p형 도전성을 나타내는 기판, 절연형의 기판, p형 도전성을 나타내는 박막 및 n형 도전성을 나타내는 박막 등을 형성하고, 이들을 조합함으로써 얻을 수 있다. 이하, 그들 발광 소자의 구성 요소의 제조 방법 등에 대해 설명한다.
(1) n형 도전성을 나타내는 기판의 제조 방법
기판이 n형 도전성을 나타내기 위해서는, 기판 중의 Ga가 n형 불순물로 치환되거나, 기판 중의 산소가 n형 불순물로 치환되거나, 또는β-Ga2O3 단결정 중의 산소 결함에 의해야만 한다. Ga가 n형 불순물로 치환되는 갈륨 치환형 n형 불순물로서, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ru, Rh, Ir, C, Sn, Si, Ge, Pb, Mn, As, Sb, Bi 등을 들 수 있다. 산소가 n형 불순물로 치환되는 산소 치환형 n형 불순물로서, F, Cl, Br, I 등을 들 수 있다.
n형 도전성을 나타내는 기판은 이하와 같이 제작한다. 우선, FZ(Floating Zone)법에 의해 β-Ga2O3 단결정을 형성한다. 즉, β-Ga2O3 종결정과 β-Ga2O3 다결정 소재를 별도로 준비하여 석영관 속에서 β-Ga2O3 종결정과 β-Ga2O3 다결정 소재를 접촉시켜 그 부위를 가열하고, β-Ga2O3 종결정과 β-Ga2O3 다결정 소재의 접촉 부분에서 양자를 용융한다. 용해된 βGa2O3 다결정 소재를 β-Ga2O3 종결정과 함께 결정화시키면, β-Ga2O3 종결정 상에 β-Ga2O3 단결정이 생성된다. 다음에, 이 β-Ga2O3 단결정에 절단 등의 가공을 실시함으로써 n형 도전성을 나타내는 기판이 제작된다. 또한, b축 <010> 방위에 결정 성장시킨 경우에는 (100)면의 벽개성이 강해지므로, (100)면에 평행한 면과 수직인 면으로 절단하여 기판을 제작한다. a축 <100> 방위, c축 <001> 방위에 결정 성장시킨 경우에는 (100)면, (001)면의 벽개성이 약해지므로, 모든 면의 가공성이 양호해져 상기와 같은 절단면의 제한은 없고, (001)면, (010)면, (101)면이라도 좋다.
상기한 제조 방법에 의해 기판이 n형 도전성을 나타내게 되는 것은 β-Ga2O3 단결정 중의 산소 결함에 따르기 때문이다.
(2) n형 도전성을 나타내는 기판의 도전율 제어
β-Ga2O3로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 기판의 도전율을 제어하는 방법으로는 분위기 중의 산소 분압을 바꾸거나, 성장 중에 산소 유량을 바꿈으로써 산소 결함 농도를 제어하는 방법, FZ법에 의해 n형 불순물 농도를 제어하는 방법 등을 들 수 있다. 도전율은 산소 결함 농도가 커지면 커진다. β-Ga2O3 단결정의 성장 중에 있어서의 산소 유량과 도전율의 대수와의 관계는 대략 반비례의 관계에 있다.
β-Ga2O3 단결정의 성장 시에 1 내지 2기압에서 0 내지 0.2 ㎥/시의 사이에서 산소 유량을 변화시키고 산소 농도를 변화시킴으로써 캐리어 농도를 1016 내지 1019/㎤의 사이에서 제어할 수 있다.
(3) 절연형 기판의 제조 방법
절연형 기판은 이하와 같이 제작한다. 우선, n형 도전성을 나타내는 기판의 제조 방법과 마찬가지로, 산소 결함 농도의 제어에 의해 n형 도전성을 나타내는 β-Ga2O3 단결정을 성장시킨다. 계속해서, 대기 중에서 소정의 온도(예를 들어 온도 900 ℃)의 분위기에서 소정의 기간(예를 들어 6일간) 어닐함으로써, 산소 결함을 감소시켜 Ga2O3 단결정으로 이루어지는 절연형 기판을 얻을 수 있다.
(4) p형 도전성을 나타내는 기판의 제조 방법
β-Ga2O3 단결정으로 형성되는 기판이 p형 도전성을 나타내기 위해서는 기판 중의 Ga가 p형 불순물로 치환되거나, 또는 기판 중의 산소가 p형 불순물로 치환되어야만 한다. Ga가 p형 불순물로 치환되는 갈륨 치환형 p형 불순물로서, H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, T1, Pb 등을 들 수 있다. 산소가 p형 불순물로 치환되는 산소 치환형 p형 불순물로서 N, P 등을 들 수 있다.
p형 도전성을 나타내는 기판은 이하와 같이 제작한다. 우선, FZ법에 의해 β-Ga2O3 결정을 형성한다. 원료로서, 예를 들어 MgO(p형 불순물원)를 포함하는 β-Ga2O3를 균일하게 혼합하고, 혼합물을 고무관에 넣어 500 ㎫에서 냉간 압축하여 막대 형상으로 성형한다. 막대 형상으로 형성한 것을 대기 중에 있어서 1500 ℃에서 10 시간 소결하여 Mg를 포함하는 β-Ga2O3계 다결정 소재를 얻을 수 있다. β-Ga2O3 종결정을 준비하여 성장 분위기가 전체압 1 내지 2 기압의 하, N2 및 O2 혼합 가스를 500 ml/분으로 흐르게 하면서 석영관 속에서 β-Ga2O3 종결정과 β-Ga2O3계 다결정 소재를 접촉시켜 그 부위를 가열하고, β-Ga2O3 종결정과 β-Ga2O3계 다결정 소재의 접촉 부분에서 양자를 용융한다. 용해한 β-Ga2O3계 다결정 소재를 β-Ga2O3 종결정과 함께 회전 속도 20 rpm에서 반대 방향으로 회전시키면서, 또한 5 ㎜/시의 성장 속도로 성장시키면 β-Ga2O3 종결정 상에 투명하고, Mg를 포함하는 절연성의 β-Ga2O3계 단결정이 생성된다. 이 β-Ga2O3계 단결정에 의해 기판을 제작하고, 이 기판을 산소 분위기 중에 있어서 소정의 온도(예를 들어 950 ℃)에서 소정의 기간 어닐하면 산소 결함이 감소되어 p형 도전성을 나타내는 기판을 얻을 수 있다.
(5) p형 도전성을 나타내는 기판의 도전율 제어
β-Ga2O3로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 기판의 도전율을 제어하는 방법에는 FZ법에 의해 p형 불순물 농도를 제어하는 방법을 들 수 있다.
(6) n형 도전성을 나타내는 박막의 제조 방법
n형 도전성을 나타내는 박막은 PLD법, MBE법, MOCVD법, 스퍼터법 등의 물리적 기상 성장법, 열CVD, 플라즈마 CVD 등의 화학적 기상 성장법 등에 의해 성막할 수 있다.
PLD법에 의한 성막을 설명한다. n형 도전성을 나타내기 위해서는 박막 중의 Ga가 n형 불순물로 치환되거나, 박막 중의 산소가 n형 불순물로 치환되거나, 또는 산소 결함의 존재에 의해야만 한다. Ga가 n형 불순물로 치환되는 갈륨 치환형 n형 불순물로서, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ru, Rh, Ir, C, Sn, Si, Ge, Pb, Mn, As, Sb, Bi 등을 들 수 있다. 산소가 n형 불순물로 치환되는 산소 치환형 n형 불순물로서, F, Cl, Br, I 등을 들 수 있다.
PLD법에 있어서, 갈륨 치환형 n형 불순물 및 산소 치환형 n형 불순물을 도핑하는 방법에는 하기의 방법이 있다. 즉, Ga와 n형 불순물의 합금으로 이루어지는 타겟, β-Ga2O3와 n형 불순물의 산화물과의 소결체로 이루어지는 타겟, β-Ga2O3와 n형 불순물의 산화물과의 고용체 단결정으로 이루어지는 타겟, 또는 Ga 금속으로 이루어지는 타겟 및 n형 불순물로 이루어지는 타겟을 이용하는 방법 등이 있다.
또한, PLD법에 있어서, 산소 결함에 의해 n형 도전성을 나타내는 박막은 타겟으로서 β-Ga2O3 결정(단결정, 다결정)을 이용하고, 산소 분위기 중에서 성막함으로써 제작할 수 있다.
(7) n형 도전성을 나타내는 박막의 도전율 제어
β-Ga2O3로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 박막의 도전율을 제어하는 방법에는 타겟의 n형 불순물 배합비를 제어하는 방법, 레이저의 조사 조건이나 기판의 성막 조건을 바꾸어 산소 결함 농도를 제어하는 방법 등을 들 수 있다.
PLD법에 의해 n형 불순물 농도를 제어하는 방법에는 Ga와 n형 불순물의 합금으로 이루어지는 타겟, β-Ga2O3와 n형 불순물의 산화물과의 소결체로 이루어지는 타겟, β-Ga2O3와 n형 불순물의 산화물과의 고용체 단결정으로 이루어지는 타겟을 이용하는 방법에 있어서는 Ga와 불순물의 성분비를 바꾸는 방법, 또는 Ga 금속으로 이루어지는 타겟 및 n형 불순물로 이루어지는 타겟을 이용하는 방법에 있어서는 타겟으로의 레이저의 조사 방법을 바꾸는 방법이 있다. 예를 들어, 레이저의 파장(예를 들어, 157 ㎚, 193 ㎚, 248 ㎚, 266 ㎚, 355 ㎚ 등)을 바꾸는 방법, 1 펄스당의 파워(예를 들어, 10 내지 500 ㎽)나 반복의 주파수(예를 들어, 1 내지 200 ㎐)를 바꾸는 방법 등이 있다.
PLD법에 의해 산소 결함 농도를 제어하는 방법에는 타겟으로의 레이저 조사 조건을 바꾸는 방법이 있다. 예를 들어, 레이저의 파장(예를 들어, 157 ㎚, 193 ㎚, 248 ㎚, 266 ㎚, 355 ㎚ 등)을 바꾸는 방법, 1 펄스당의 파워(예를 들어, 10 내지 500 ㎽)나 반복의 주파수(예를 들어, 1 내지 200 ㎐)를 바꾸는 방법이 있다. 혹은, 기판의 성막 조건을 바꾸는 방법, 예를 들어 기판 온도(예를 들어, 300 내지 1500 ℃)를 바꾸는 방법, 타겟과 기판의 거리(예를 들어, 20 내지 50 ㎜)를 바꾸는 방법, 성막의 진공도(예를 들어, 10-3 내지 10-7 torr)를 바꾸는 방법, 플라즈마건의 출력을 바꾸는 방법 등이 있다.
(8) p형 도전성을 나타내는 박막의 제조 방법
p형 도전성을 나타내는 박막은 PLD법, MBE법, MOCVD법, 스퍼터법 등의 물리적 기상 성장법, 열CVD, 플라즈마 CVD 등의 화학적 기상 성장법 등에 의해 성막할 수 있다.
PLD법에 의한 성막을 설명한다. p형 도전성을 나타내기 위해서는 박막 중의 Ga가 p형 불순물로 치환되거나, 또는 박막 중의 산소가 p형 불순물로 치환되거나, Ga 결함에 의해야만 한다. Ga가 p형 불순물로 치환되는 갈륨 치환형 p형 불순물로서, H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Tl, Pb 등을 들 수 있다. 산소가 p형 불순물로 치환되는 산소 치환형 p형 불순물로서, P 등을 들 수 있다.
PLD법에 의해 갈륨 치환형 p형 불순물을 도핑하는 방법 및 산소 치환형 p형 불순물을 도핑하는 방법은 박막 성장 공정에서 p형 불순물을 도핑하는 것이다. p형 불순물을 도핑하는 방법에는 하기의 방법이 있다. 즉, Ga와 p형 불순물의 합금으로 이루어지는 타겟, β-Ga2O3와 P형 불순물의 산화물과의 소결체로 이루어지는 타겟, β-Ga2O3와 P형 불순물의 산화물과의 고용체 단결정으로 이루어지는 타겟, 또는 Ga 금속으로 이루어지는 타겟 및 p형 불순물로 이루어지는 타겟을 이용하는 방법 등이 있다.
또한, Ga 결함에 의해 P형 도전성을 나타내는 박막은 타겟으로서 Ga 금속, β-Ga2O3 소결체, 혹은β-Ga2O3 결정(단결정, 다결정)을 이용하여 플라즈마건에 의해 래디컬이 된 N2O의 분위기 중에서 β-Ga2O3 결정을 성장시킴으로써 제작할 수 있다.
(9) p형 도전성을 나타내는 박막의 도전율 제어
β-Ga2O3로 이루어지는 p형 도전성을 나타내는 박막의 도전율을 제어하는 방 법에는 타겟의 p형 불순물 배합비를 제어하는 방법, 레이저의 조사 조건이나 기판의 성막 조건을 바꾸어 Ga 결함 농도를 제어하는 방법 등을 들 수 있다.
PLD법에 의해 p형 불순물 농도를 제어하는 방법에는 Ga와 p형 불순물의 합금으로 이루어지는 타겟, β-Ga2O3와 P형 불순물의 산화물과의 소결체로 이루어지는 타겟을 이용하는 방법, β-Ga2O3와 P형 불순물의 산화물과의 고용체 단결정으로 이루어지는 타겟을 이용하는 방법, Ga 금속으로 이루어지는 타겟 및 p형 불순물로 이루어지는 타겟을 이용하는 방법 등이 있다. β-Ga2O3와 P형 불순물의 산화물과의 고용체 단결정으로 이루어지는 타겟을 이용하는 방법에 있어서는, Ga와 p형 불순물의 성분비를 바꾸는 방법이 있고, Ga 금속으로 이루어지는 타겟 및 p형 불순물로 이루어지는 타겟을 이용하는 방법에 있어서는 타겟으로의 레이저의 조사 방법을 바꾸는 방법이 있다. 예를 들어, 레이저의 파장(예를 들어, 157 ㎚, 193 ㎚, 248 ㎚, 266 ㎚, 355 ㎚ 등)을 바꾸는 방법, 1 펄스당의 파워(예를 들어, 10 내지 500 ㎽)나 반복의 주파수(예를 들어, 1 내지 200 ㎐)를 바꾸는 방법 등이 있다.
PLD법에 의해 Ga 결함 농도를 제어하는 방법에는 타겟으로의 레이저 조사 조건을 바꾸는 방법이 있다. 예를 들어, 레이저의 파장(예를 들어, 157 ㎚, 193 ㎚, 248 ㎚, 266 ㎚, 355 ㎚ 등)을 바꾸는 방법, 1 펄스당의 파워(예를 들어, 10 내지 500 ㎽)나 반복의 주파수(예를 들어, 1 내지 200 ㎐)를 바꾸는 방법이 있다. 혹은, 기판의 성막 조건을 바꾸는 방법, 예를 들어 기판 온도(예를 들어, 300 내지 1500 ℃를 바꾸는 방법, 타겟과 기판의 거리(예를 들어, 20 내지 50 ㎜)를 바꾸는 방법, 성막의 진공도(예를 들어, 10-3 내지 10-7 torr)를 바꾸는 방법, 플라즈마건의 출력을 바꾸는 방법 등이 있다.
(10) 전극
전극은 p형 도전성을 나타내는 박막, 혹은 기판, 또는 n형 도전성을 나타내는 박막, 혹은 기판 상에 증착, 스퍼터 등에 의해 형성된다. 전극은 오믹 접촉을 얻을 수 있는 재료로 형성된다. 예를 들어, n형 도전성을 나타내는 박막 혹은 기판에는 Au, Al, Ti, Sn, Ge, In, Ni, Co, Pt, W, Mo, Cr, Cu, Pb 등의 금속 단체, 이들 중 적어도 2종의 합금(예를 들어, Au-Ge 합금), 이들을 2층 구조로 형성하는 것(예를 들어, Al/Ti, Au/Ni, Au/Co), 혹은 ITO가 형성된다. p형 도전성을 나타내는 박막 혹은 기판에는 Au, Al, Be, Ni, Pt, In, Sn, Cr, Ti, Zn 등의 금속 단일부재, 이들 중 적어도 2종의 합금(예를 들어, Au-Zn 합금, Au-Be 합금), 이들을 2층 구조로 형성하는 것(예를 들어, Ni/Au) 혹은 ITO가 형성된다.
본 제11 실시 형태에 따르면, n형 도전성을 나타내는 제1 층 상에 p형 도전성을 나타내는 제2 층을 형성함으로써, PN 접합의 발광 소자를 형성할 수 있으므로, Ga2O3계 단결정이 갖는 밴드 갭에 의해 자외 영역의 발광이 가능해진다.
(제12 실시 형태)
도17은 본 발명의 제12 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자의 단면을 도시한다. 이 발광 소자(301)는 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 n형 도전성을 나타내 는 n형 기판(302)과, 이 n형 기판(302)의 상면에 형성되어 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 p형 도전성을 나타내는 p형층(303)과, 이 p형층(303)의 상면에 형성되는 투명 전극(304)과, 투명 전극(304)의 일부에 형성되는 본딩 전극(306)과, n형 기판(302)의 하면의 전면에 형성되는 n전극(305)을 구비한다. 본딩 전극(306)은, 예를 들어 Pt로 형성되고, n전극(305)은, 예를 들어 Au로 형성되고, 본딩 전극(306)은 리드(308)가 본딩(309)에 의해 접속된다. 투명 전극(304)은, 예를 들어 Au/Ni에 의해 형성된다.
다음에, 이 발광 소자(301)의 제조 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도18은 산소 농도와 캐리어 농도의 관계를 나타낸다. 우선, 전술한 바와 같이 FZ법에 의해 β-Ga2O3 단결정을 형성한다. 도18에 도시한 바와 같이, β-Ga2O3 단결정의 성장 시에 산소 농도 1 내지 20 ％ 사이에서 변화시킴으로써, β-Ga2O3 단결정의 캐리어 농도를 1.4 × 1017 내지 1 × 1016/㎤ 사이에서 제어하는 것이 가능하다. 1 내지 20 ㎜/시에서 단결정화시켜 제조된 β-Ga2O3 단결정에 절단 등의 가공을 실시함으로써, n형 도전성을 나타내는 n형 기판(302)이 제작된다. 이 n형 기판(302)의 캐리어 농도는 1 × 1017/㎤, p형층(303)의 캐리어 농도는 1017/㎤이다.
도19는 본 발명의 제12 실시 형태에 관한 발광 소자를 제조하기 위한 성막 장치의 개략 구성을 도시한다. 이 성막 장치(320)는 PLD법에 의해 성막하는 것으로, 진공 가능한 공간부(360)를 갖는 챔버(321)와, 챔버(321) 내에 배치된 타겟 (323)을 보유 지지하는 타겟대(325)와, 챔버(321)의 외부에 설치되어 타겟대(325)를 회전시키는 회전 기구(330)와, 챔버(321) 내에 배치되어 n형 기판(302)을 보유 지지하는 동시에, n형 기판(302)을 1500 ℃까지 가열 가능한 히터를 내장하는 기판 보유 지지부(327)와, 챔버(321) 내에 파이프(321a)로부터 래디컬을 주입하는 래디컬 주입부(328)와, 파이프(321b)를 거쳐서 공간부(360)를 배기하여 공간부(360)를 진공으로 하는 진공 펌프(도시하지 않음)를 갖는 배기부(329)와, 챔버(321)의 외부에 설치되어 타겟(323)에 여기 빔으로서의 레이저광(342)을 조사하는 레이저부(324)를 구비한다.
타겟(323)은, 예를 들어 고순도의 Ga와 Mg를 포함하는 합금, Mg을 도핑한 β-Ga2O3 결정(단결정 혹은 다결정), Mg을 도핑한 β-Ga2O3 소결체 등을 이용한다. 합금 이외의 고체로 이루어지는 것이라도, 액상이라도 좋다.
레이저부(324)는 Nd : YAG 레이저, KrF 엑시머 레이저 또는 ArF 엑시머 레이저 등을 레이저원으로 하여 레이저광(342)을 펄스 형상으로 조사하는 레이저 발진부(341)와, 레이저 발진부(341)로부터 출사된 레이저광(342)을 타겟(323) 상에 집광하는 렌즈(343, 344)를 구비한다.
n형 기판(302)은 β-Ga2O3계 단결정으로 이루어져 타겟(323)에 레이저광(342)이 조사되었을 때에 타겟(323)으로부터 방출된 금속 원자 등의 화학종(333)을 성막할 수 있도록 타겟(323)과 대향하고 있다.
래디컬 주입부(328)는 산소 가스, 오존을 포함하는 산소 가스, 순오존 가스, N2O 가스, NO2 가스, 산소 래디컬을 포함하는 산소 가스, 산소 래디컬 등 중 1 또는 2 이상의 가스, 즉 성막 시에 타겟(323)으로부터 방출된 금속 원자 등의 화학종(333)과 결합하는 가스를 공간부(360)에 주입하도록 되어 있다.
다음에, n형 기판(302)의 표면에 β-Ga2O3로 이루어지는 P형층(303)을 형성하는 방법에 대해 설명한다. n형 기판(302) 상에 p형층(303)을 성장시키기 위해서는 전술한 성막 장치(320)를 사용한다. 즉, 타겟(323)으로서, 예를 들어 Ga와 Mg로 이루어지는 합금의 타겟(323)을 타겟대(325)에 고정한다. n형 기판(302)을 기판 보유 지지부(327)에 보유 지지한다. 배기부(329)의 진공 펌프에 의해 공간부(360) 중의 공기를 배기하여 공간부(360) 내의 진공도를, 예를 들어 1 × 10-9 torr 정도로 하고, 그 후, 예를 들어 산소 가스를 래디컬 주입부(328)에 의해 공간부(360)에 주입하여 1 × 10-7 torr 정도의 진공도로 한다. 기판 보유 지지부(327)에 설치한 히터에 통전하여 n형 기판(302)의 온도를, 예를 들어 300 내지 1500 ℃로 가열한다. 계속해서, 산소 래디컬을 래디컬 주입부(328)에 의해 공간부(360) 내에 주입하여 진공도를 1 × 10-6 내지 1 × 10-4 torr로 한다. 레이저부(324)로부터 레이저 출력 100 ㎽, 반복 주파수 10 ㎐이고, 파장 266 ㎚인 레이저광(342)을 회전 기구(330)에 의해 회전하는 타겟(323)에 조사하면 타겟(323)을 구성하고 있는 Ga 원자, Mg 원자가 여기되어 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 타겟(323)으로부터 방출되는 금속 원자, 금속 이온, 여기 금속 원자, 여기 금속 이온 등의 화학종(333)이 분 위기 중의 산소 래디컬과 기판(302) 상에서 결합하여 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 P형층(303)이 형성된다. 이 도전성은 Mg가 억셉터로서 기능하는 것에 의한 것이다.
그 후, 적절한 수단에 의해, p형층(303)의 표면에 투명 전극(304) 및 투명 전극(304)의 일부에 본딩 전극(306)을 형성하고, n형 기판(302)의 하면의 전면에 n전극(305)을 형성한다. 그 후, 리드(308)를 본딩(309)에 의해 본딩 전극(306)에 접속한다.
본 제12 실시 형태에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(가) n형 기판(302)과 p형층(303)을 접합함으로써, PN 접합의 발광 소자를 형성할 수 있으므로, β-Ga2O3계 단결정이 갖는 넓은 밴드 갭에 의해 단파장, 예를 들어 260 ㎚와 같은 단파장의 발광이 가능해진다.
(나) n형 기판(302) 및 P형층(303)은 β-Ga2O3를 주체로 구성되어 있으므로, 버퍼층을 불필요하게 하는 것이 가능해져 결정성이 높은 p형층을 형성할 수 있다.
(다) n형 기판(302)은 도전성을 갖기 때문에, 상하로부터 전극을 취출하는 수직형의 구조를 취할 수 있으므로, 층 구성, 제조 공정의 간소화를 도모할 수 있다.
(라) n형 기판(302)은 발광 영역에서 투과성이 높기 때문에, 빛의 취출 효율을 높게 할 수 있고, 260 ㎚와 같은 단파장의 자외광을 기판측으로부터도 취출할 수 있다.
(마) n형 기판(302)이나 p형층(303)에 산화물계 β-Ga2O3계 단결정을 이용하고 있으므로, 고온의 대기 중에서도 안정적으로 동작하는 발광 소자를 형성할 수 있다.
(제13 실시 형태)
도20은 본 발명의 제13 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자의 단면을 도시한다. 본 실시 형태에 관한 발광 소자(301)가 제12 실시 형태에 관한 발광 소자(301)와 다른 부분은 p형층(303)과 n형 기판(302) 사이에 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지고, n형 기판(302)과 캐리어 농도가 다른 n형 도전성을 나타내는 n형층(307)이 형성되어 있는 것이다.
다음에, n형 기판(302)의 표면에 n형층(307)을 형성하는 경우에 대해 설명한다. 이 경우, 도18에 도시하는 성막 장치(320)를 사용하여 n형층(307)을 형성한다. 이 때, 타겟(323)은, 예를 들어 고순도의 Ga와 Sn을 포함하는 합금, 또는 Sn 도프 β-Ga2O3 단결정 또는 Sn 도프 β-Ga2O3 결정 소결체로 이루어지는 것을 이용한다.
우선, 예를 들어 Ga와 Sn으로 이루어지는 합금의 타겟(323)을 타겟대(325)에 고정한다. n형 기판(302)을 기판 보유 지지부(327)에 보유 지지한다. 배기부(329)의 진공 펌프에 의해 공간부(360) 중의 공기를 배기하여 공간부(360) 내의 진공도를, 예를 들어 1 × 10-9 torr 정도로 하고, 그 후, 예를 들어 산소 가스를 래 디컬 주입부(328)에 의해 공간부(360)에 주입하여 1 × 10-7 torr 정도의 진공도로 한다. 기판 보유 지지부(327)에 설치한 히터에 통전하여 n형 기판(302)의 온도를, 예를 들어 300 내지 1500 ℃로 가열한다. 계속해서, 산소 래디컬을 래디컬 주입부(328)에 의해 공간부(360) 내에 주입하여 1 × 10-5 내지 1 × 10-4 torr 정도의 진공도로 한다. 레이저부(324)로부터 레이저 출력 100 ㎽, 반복 주파수 10 ㎐이고, , 파장 266 ㎚인 레이저광(342)을 회전 기구(330)에 의해 회전하는 타겟(323)에 조사하면 타겟(323)을 구성하고 있는 Ga 원자, Sn 원자가 여기되어 열적ㆍ광화학적 작용에 의해 타겟(323)으로부터 방출되는 금속 원자, 금속 이온, 여기 금속 원자, 여기 금속 이온 등의 화학종(333)이 분위기 중의 산소 래디컬과 n형 기판(302) 상에서 결합하여 n형층(307)이 형성된다. 이 때 n형층(307)의 캐리어 농도는 막의 성장 중에 있어서 산소 래디컬 농도를 감소하는 등의 방법에 의해, n형 기판(302)의 캐리어 농도보다도 낮아지도록 형성한다. 예를 들어, n형 기판(302)의 캐리어 농도 2 × 1018/㎤, n형층(307)의 캐리어 농도는 1017/㎤, p형층(303)의 캐리어 농도는 1016/㎤이다.
그 후, 적절한 수단에 의해, p형층(303)의 표면에 투명 전극(304)을 형성하고, 투명 전극(304)의 일부에 본딩 전극(306)을 n형 기판(302)의 하면의 전면에 n전극(305)을 형성한다. 그 후, 리드(308)를 본딩(309)에 의해 본딩 전극(306)에 접속한다.
본 제13의 실시 형태에 따르면, 하기의 효과를 얻을 수 있다.
(가) n형층(307)의 캐리어 농도를 n형 기판(302)의 캐리어 농도보다 낮게 형성함으로써 p형층(303)의 결정성이 양호해지고, 제12 실시 형태에 비해 발광 효율이 향상된다.
(나) n형층(307)과 p형층(303)을 접합함으로써 PN 접합의 발광 소자를 형성할 수 있으므로, β-Ga2O3계 단결정이 갖는 넓은 밴드 갭에 의해 단파장, 예를 들어 260 ㎚와 같은 단파장의 발광이 가능해진다.
(다) n형 기판(302) 및 n형층(307)은 β-Ga2O3를 주체로 구성되어 있으므로, 버퍼층을 불필요하게 하는 것이 가능해져 결정성이 높은 p형층(303)을 형성할 수 있다.
(라) n형 기판(302)은 도전성을 갖기 때문에, 상하로부터 전극을 취출하는 수직형의 구조를 취할 수 있으므로, 층 구성, 제조 공정의 간소화를 도모할 수 있다.
(마) n형 기판(302)은 발광 영역에서 투과성이 높기 때문에, 빛의 취출 효율을 높게 할 수 있고, 260 ㎚와 같은 단파장의 자외광을 기판측으로부터도 취출할 수 있다.
(바) n형 기판(302), n형층(307)이나 P형층(303)에 산화물계 β-Ga2O3계 단결정을 이용하고 있으므로, 고온의 대기 중에서도 안정적으로 동작하는 발광 소자를 형성할 수 있다.
(제14 실시 형태)
도21은 본 발명의 제14 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자의 단면을 도시한다. 이 발광 소자(301)는 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 p형 도전성을 나타내는 p형 기판(312)과, 이 p형 기판(312)의 상면에 형성되는 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 n형층(313)과, 이 n형층(313)의 상면에 형성되는 투명 전극(304)과, 투명 전극(304)의 일부에 형성되는 본딩 전극(306)과, p형 기판(312)의 하면의 전면에 형성되는 p전극(336)을 구비한다. 본딩 전극(306)은 리드(308)가 본딩(309)에 의해 접속된다. p전극(336)은, 예를 들어 Pt로 형성되고, 본딩 전극(306)은, 예를 들어 Au로 형성된다.
다음에, 이 발광 소자(301)의 제조 방법에 대해 설명한다. 우선, FZ법에 의해 β-Ga2O3 결정을 형성한다. 원료로서, 불순물로서의 MgO(p형 불순물원)를 포함하는 β-Ga2O3를 균일하게 혼합하고, 혼합물을 고무관에 넣어 500 ㎫에서 냉간 압축하여 막대 형상으로 성형한다. 막대 형상으로 성형한 것을 대기 중에 있어서 1500 ℃에서 10 시간 소결하여 β-Ga2O3계 다결정 소재를 얻는다. Ga2O3 종결정을 준비하여 성장 분위기가 전체압 1 내지 2 기압을 기초로 N2 및 O2 혼합 가스를 500 ml/분으로 흐르게 하면서 석영관 속에서 β-Ga2O3 종결정과 β-Ga2O3계 다결정 소재를 접촉시켜 그 부위를 가열하고, β-Ga2O3 종결정과 β-Ga2O3계 다결정 소재의 접촉 부분 에서 양자를 용융한다. 용해한 β-Ga2O3계 다결정 소재를 β-Ga2O3 종결정과 함께 회전 속도 20 rpm으로 반대 방향으로 회전시키면서, 또한 5 ㎜/시의 인하 속도로 성장시키면, β-Ga2O3 종결정 상에 투명한 β-Ga2O3계 단결정이 생성된다. 다음에, 이 β-Ga2O3계 단결정에 절단 등의 가공을 실시함으로써 기판을 제작한다. 다음에, 이 기판을 산소 분위기 중에서 950 ℃에서 어닐하면, p형 도전성을 나타내는 p형 기판(312)이 된다. 계속해서, n형층(313)을 제13 실시 형태에 나타낸 바와 같이 형성하여 본딩 전극(306), p 전극(336) 등을 형성한다.
본 제14 실시 형태의 발광 소자(301)는 p형 기판(312)과, 이 p형 기판(312)의 상면에 형성하는 n형층(313)을 접합하는 것으로 하였으므로, 본딩 전극(306)의 극성을 마이너스, p 전극(336)의 극성을 플러스로 하여 전압을 인가하면, p형 기판(312)과 n형층(313)의 접합부에 있어서, p형 기판(312) 내의 정공과 n형층(313) 내의 전자가 서로 접합부를 향하고, 그것들이 접합부 부근에서 재결합하므로, 접합부 부근이 발광한다.
본 제14 실시 형태에 따르면, 하기의 효과를 얻을 수 있다.
(가) p형 기판(312)과 n형층(313)을 접합함으로써 PN 접합의 발광 소자를 형성할 수 있으므로, β-Ga2O3계 단결정이 갖는 넓은 밴드 갭에 의해 단파장, 예를 들어 260 ㎚와 같은 단파장의 발광이 가능해진다.
(나) p형 기판(312) 및 n형층(313)은 β-Ga2O3를 주체로 구성되어 있으므로, 버퍼층을 불필요하게 하는 것이 가능해져 결정성이 높은 n형층(313)을 형성할 수 있다.
(다) p형 기판(312)은 도전성을 갖기 때문에, 상하로부터 전극을 취출하는 수직형의 구조를 취할 수 있으므로, 층 구성, 제조 공정의 간소화를 도모할 수 있다.
(라) p형 기판(312)은 발광 영역에서 투과성이 높기 때문에, 빛의 취출 효율을 높게 할 수 있고, 260 ㎚와 같은 단파장의 자외광을 기판측으로부터도 취출할 수 있다.
(마) p형 기판(312)이나 n형층(313)에 산화물계 β-Ga2O3계 단결정을 이용하고 있으므로, 고온의 대기 중에서도 안정적으로 동작하는 발광 소자를 형성할 수 있다.
(제15 실시 형태)
도22는 본 발명의 제15 실시 형태에 관한 Ga2O3계 발광 소자의 단면을 도시한다. 본 실시 형태에 관한 발광 소자(301)가 제14 실시 형태에 관한 발광 소자(301)와 다른 점은 n형층(313)과 p형 기판(312) 사이에 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 p형 도전성을 나타내는 p형층(303)이 형성되어 있는 것이다. 이 p형층(303)은 상기한 도전율 제어를 행하여 p형 기판(312)의 캐리어 농도보다도 낮게 형성되어 있다.
이 발광 소자(301)는 제14 실시 형태와 같이 하여 p형 기판(312)을 형성하 고, 그 p형 기판(312) 상에 제12 실시 형태와 같이 하여 p형층(303)을 형성하고, 그 p형층(303) 상에 제13 실시 형태와 같이 하여 n형층(313)을 형성한다.
본 제15 실시 형태에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(가) p형층(303)의 캐리어 농도를 p형 기판(312)의 캐리어 농도보다 낮게 형성하고 있으므로, 발광 효율의 저하를 방지할 수 있다.
(나) n형층(313)과 p형층(303)을 접합함으로써 PN 접합의 발광 소자를 형성할 수 있으므로, β-Ga2O3계 단결정이 갖는 넓은 밴드 갭에 의해 단파장, 예를 들어 260 ㎚와 같은 단파장의 발광이 가능해진다.
(다) p형 기판(312) 및 p형층(303)은 β-Ga2O3를 주체로 구성되어 있으므로, 버퍼층을 불필요하게 하는 것이 가능해져 결정성이 높은 n형층(313)을 형성할 수 있다.
(라) p형 기판(312)은 도전성을 갖기 때문에, 상하로부터 전극을 취출하는 수직형의 구조를 취할 수 있으므로, 층 구성, 제조 공정의 간소화를 도모할 수 있다.
(마) p형 기판(312)은 발광 영역에서 투과성이 높기 때문에, 빛의 취출 효율을 높게 할 수 있고, 260 ㎚와 같은 단파장의 자외광을 기판측으로부터도 취출할 수 있다.
(바) p형 기판(312)이나 n형층(313)에 산화물계 β-Ga2O3계 단결정을 이용하고 있으므로, 고온의 대기 중에서도 안정적으로 동작하는 발광 소자를 형성할 수 있다.
(제16 실시 형태)
도23은 본 발명의 제16 실시 형태에 관한 β-Ga2O3계 발광 소자의 단면을 도시한다. 이 발광 소자(301)는 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 절연형 기판(316)과, 이 절연형 기판(316)의 하면에 형성되는 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 n형층(317)과, 이 n형층(317)의 일부의 하면에 형성되는 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 p형 도전성을 나타내는 p형층(318)과, 이 p형층(318) 상에 형성되는 p전극(336)과, n형층(317) 상에 형성되는 n전극(337)을 구비한다. p전극(336)은, 예를 들어 Pt로 형성되고, n전극(337)은, 예를 들어 Au 등으로 형성된다. p전극(336) 및 n전극(337)은 각각 땜납 볼(363, 364)을 거쳐서 프린트 기판(365) 상의 프린트 패턴(366)과 접촉된다.
이 발광 소자(301)는 n형층(317)과 p형층(318)이 접합된 pn 접합부에서 발광하지만, 발광한 빛은 절연형 기판(316)을 투과하여 출사광(370)으로서 상방으로 출사한다.
다음에, 이 발광 소자(301)의 제조 방법에 대해 설명한다. 절연형 기판(316)은 이하와 같이 하여 얻을 수 있다. FZ법에 의해 제12 실시에 형태와 같이 하여 얻게 된 n형 도전성을 나타내는 β-Ga2O3로 이루어지는 기판을 대기 중에서 온도 950 ℃의 분위기에서 어닐함으로써 산소 결함을 감소시킬 수 있고, 절연형 기판 (316)을 얻을 수 있다. 이 절연형 기판(316) 상에 제14 실시 형태와 같이 하여 n형층(317)을 형성하고, 이 n형층(317)의 일부를 마스킹하여 제12 실시 형태와 같이 p형층(318)을 형성하고, 마스킹을 제거한 후, 이 p형층(318) 상에 p전극(336)을 n형층(317)의 일부의 위에 n전극(337)을 각각 형성한다.
본 제16 실시 형태에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(가) n형층(317)과 p형층(318)을 접합함으로써 PN 접합의 발광 소자를 형성할 수 있으므로, β-Ga2O3계 단결정이 갖는 넓은 밴드 갭에 의해 단파장, 예를 들어 260 ㎚와 같은 단파장의 발광이 가능해진다.
(나) 프린트 기판이나 리드 프레임과의 접속 방법이, 플립 칩ㆍ본딩이 가능해지므로, 발광 영역으로부터의 발열을 효율적으로 프린트 기판이나, 리드 프레임으로 릴리프할 수 있다.
(다) 절연형 기판(316) 및 n형층(317)은 β-Ga2O3를 주체로 구성되어 있으므로, 버퍼층을 불필요하게 하는 것이 가능해져 결정성이 높은 n형층(317)을 형성할 수 있다.
(라) 절연형 기판(316)은 발광 영역에서 투과성이 높기 때문에, 빛의 취출 효율을 높게 할 수 있고, 260 ㎚와 같은 단파장의 자외광을 기판측으로부터도 취출할 수 있다.
(마) 절연형 기판(316)이나 n형층(317), p형층(318)에 산화물계 β-Ga2O3계 단결정을 이용하고 있으므로, 고온의 대기 중에서도 안정적으로 동작하는 발광 소 자를 형성할 수 있다.
(제17 실시 형태)
도24는 본 발명의 제17 실시 형태에 관한 β-Ga2O3계 발광 소자의 단면을 도시한다. 이 발광 소자(301)는 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 n형 β-Ga2O3 기판(350)과, 이 n형 β-Ga2O3 기판(350) 상에 형성되는 n형 도전성을 나타내는 n형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(351)과, 이 n형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(351) 상에 형성되어 β-Ga2O3로 이루어지는 β-Ga2O3 활성층(352)과, β-Ga2O3 활성층(352)의 상부에 형성되는 P형 도전성을 나타내는 p형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(353)과, P형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(353)의 상면에 형성되는 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 P형 도전성을 나타내는 P형 β-Ga2O3 콘택트층(354)과, 이 p형 β-Ga2O3 콘택트층(354)의 상면에 형성되는 투명 전극(304)과, 투명 전극(304)의 일부의 위에 형성되는 본딩 전극(306)과, n형 β-Ga2O3 기판(350)의 하면의 전면에 형성되는 n전극(337)을 구비한다. 본딩 전극(306)은, 예를 들어 Pt로 형성되고, n전극(337)은, 예를 들어 Au로 형성된다.
이 발광 소자(301)는 본딩 전극(306)을 거쳐서 본딩(309)에 의해 리드(308)를 부착하고, 금속 페이스트(381)를 거쳐서 프린트 기판(380)에 탑재된다.
p형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(353)의 캐리어 농도는 전술한 p형 도전성을 나 타내는 박막의 도전율 제어 방법에 의해 p형 β-Ga2O3 콘택트층(354)의 캐리어 농도보다 낮게 형성한다. 또한, 마찬가지로 n형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(351)의 캐리어 농도는 n형 β-Ga2O3 기판(350)의 캐리어 농도보다 낮게 형성한다.
β-Ga2O3 활성층(352)은 n형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(351) 및 P형 β-Al1.4Ga0.6O3 클래드층(353)에 의해 샌드위치 형상으로 협지된 더블 헤테로 접합으로 되어 있고, 각 클래드층(351, 353)의 밴드 갭보다도 작은 밴드 갭을 갖는 β-Ga2O3로 형성한다.
발광광(371)은 프린트 기판(380)에 의해 반사하여 상방으로부터 출사된다.
도25는 β-Al1 .4Ga0 .6O3, β-Ga2O3 및 β-Ga2O3의 격자 상수율과 밴드 갭의 관계를 나타낸다. Al의 농도를 높이면 밴드 갭이 커지는 동시에, 격자 상수율이 작아지고, In의 농도를 높이면 밴드 갭이 작아지는 동시에, 격자 상수율이 커지는 것을 알 수 있다. β-Ga2O3에 대해서는 b축 <010> 방위 및 c축 <001> 방위에 대해 도25와 같이 도시되고, a축 <100> 방위에 대해서도 같은 경향이 나타난다.
본 제17 실시 형태에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(가) 활성층(352)을 형성하는 β-Ga2O3계 단결정이 갖는 넓은 밴드 갭에 의해 단파장, 예를 들어 260 ㎚와 같은 단파장의 발광이 가능해진다. 또한, Al을 첨가함으로써 더 단파장의 발광이 가능해진다.
(나) 더블 헤테로 접합을 갖기 때문에, 캐리어가 되는 전자와 정공이 β-Ga2O3 활성층(352)에 포획되어 재결합할 확률이 높아지므로, 발광 효율을 대폭으로 상승시킬 수 있다.
(다) n형 β-Ga2O3 기판(350) 및 각 층(351 내지 354)은 β-Ga2O3를 주체로 구성되어 있으므로, 버퍼층을 불필요하게 하는 것이 가능해져 결정성이 높은 p형층을 형성할 수 있다.
(라) n형 β-Ga2O3 기판(350)은 도전성을 갖기 때문에, 상하로부터 전극을 취출하는 수직형의 구조를 취할 수 있으므로, 층 구성, 제조 공정의 간소화를 도모할 수 있다.
(마) n형 β-Ga2O3 기판(350)은 발광 영역에서 투과성이 높기 때문에, 빛의 취출 효율을 높게 할 수 있고, 260 ㎚와 같은 단파장의 자외광을 기판측으로부터도 취출할 수 있다.
(바) n형 β-Ga2O3 기판(350) 및 각 층(351 내지 354)에 산화물계 β-Ga2O3계 단결정을 이용하고 있으므로, 고온의 대기 중에서도 안정적으로 동작하는 발광 소자를 형성할 수 있다.
(사) 발광광은 투명 전극(304)을 투과하여 상방으로 출사하는 출사광(370)으로서 외부에 사출되는 것 외에, n형 β-Ga2O3 기판(350)의 하면의 쪽을 향하는 발광광(371)은, 예를 들어 n전극(337) 혹은 금속 페이스트(381)에 의해 반사되어 상방 으로 출사되므로, 발광광(371)이 직접 외부로 출사하는 것에 비해 발광 강도가 증대된다.
또한, β-Ga2O3 활성층(352)은 β-GaInO3에 의해 형성해도 좋다. 이 때 클래드층으로서 β-Ga2O3로 형성해도 좋다. 또한 활성층(352)으로서, 발광 효율을 높일 수 있는 양자 우물 구조의 것이라도 좋다.
(제18 실시 형태)
도26은 본 발명의 제18 실시 형태에 관한 β-Ga2O3계 발광 소자의 단면을 도시한다. 이 발광 소자(301)는 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 절연형 β-Ga2O3 기판(355)과, 이 절연형 β-Ga2O3 기판(355)의 상면에 형성되는 β-Ga2O3 단결정으로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 n형 Ga2O3 콘택트층(356)과, 이 n형 β-Ga2O3 콘택트층(356)의 일부의 상면에 형성되는 n형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(351)과, 이 n형 β-Al1.4Ga0.6O3 클래드층(351) 상에 형성되어 β-Ga2O3로 이루어지는 β-Ga2O3 활성층(352)과, β-Ga2O3 활성층(352) 상에 형성되는 p형 도전성을 나타내는 p형 β-Al1.4Ga0.6O3 클래드층(353)과, p형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(353) 상에 형성되는 Ga2O3 단결정으로 이루어지는 P형 도전성을 나타내는 P형 β-Ga2O3 콘택트층(354)과, P형 β-Ga2O3 콘택트층(354)에 형성되는 투명 전극(304)과, 투명 전극(304)의 일부에 형 성되는 본딩 전극(306)과, n형 β-Ga2O3 콘택트층(356) 상에 형성되는 n전극(337)을 구비한다. 본딩 전극(306)은, 예를 들어 Pt로 형성되고, 리드(308)가 본딩(309)에 의해 접속되고, n전극(337)은, 예를 들어 Au로 형성되고, 리드(358)가 본딩(359)에 의해 접속된다. P형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(353)의 캐리어 농도를 P형 β-Ga2O3 콘택트층(354)의 캐리어 농도보다 낮게 형성하고, n형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(351)의 캐리어 농도를 n형 β-Ga2O3 콘택트층(356)의 캐리어 농도보다 낮게 형성한다. 이 발광 소자(301)는 프린트 기판(380)에 탑재된다.
β-Ga2O3 활성층(352)은, 제17 실시 형태와 마찬가지로 n형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(351) 및 P형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(353)에 의해 샌드위치 형상으로 협지된 더블 헤테로 접합으로 되어 있고, 각 클래드층(351, 353)의 밴드 갭보다도 작은 밴드 갭을 갖는 β-Ga2O3로 형성된다.
발광광(371)은 프린트 기판(380)에 의해 반사되어 상방으로부터 출사된다.
본 제18 실시 형태에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(가) 활성층(352)을 형성하는 β-Ga2O3계 단결정이 갖는 넓은 밴드 갭에 의해 단파장, 예를 들어 260 ㎚와 같은 단파장의 발광이 가능해진다. 또한, Al을 첨가함으로써 더 단파장의 발광이 가능해진다.
(나) 더블 헤테로 접합을 갖기 위해, 캐리어가 되는 전자와 정공이 β-Ga2O3 활성층(352)에 포획되어 재결합할 확률이 높아지므로, 발광 효율이 대폭으로 상승된다.
(다) 절연형 β-Ga2O3 기판(355) 및 n형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(351)은 β-Ga2O3를 주체로 구성되어 있으므로, 버퍼층을 불필요하게 하는 것이 가능해지고, 결정성이 높은 n형층을 형성할 수 있다.
(2) 절연형 β-Ga2O3 기판(355)이 발광 영역에서 투과성이 높기 때문에, 빛의 취출 효율을 높게 할 수 있다.
(마) 절연형 β-Ga2O3 기판(355)이나 각 층(351, 353, 352, 356)에 산화물계 β-Ga2O3계 단결정을 이용하고 있으므로, 고온의 대기 중에서도 안정적으로 동작하는 발광 소자를 형성할 수 있다.
(바) 발광광은 투명 전극(304)을 투과하여 상방으로 출사하는 출사광(370)으로서 외부로 사출하는 것 외에, n형 β-Ga2O3 기판(350)의 하면측을 향하는 발광광(371)은, 예를 들어 프린트 기판(380)에 의해 반사되어 상방으로 출사하므로, 발광광(371)이 직접 외부로 출사하는 것에 비해 발광 강도가 증대된다.
또한, 제12 내지 제18 실시 형태에 있어서, 발광 소자(301)에 버퍼층을 설치해도 좋다. 버퍼층은 n형 기판(302)과 p형층(303) 사이(제12 실시 형태, 도17), n형 기판(302)과 n형층(307) 사이(제13 실시 형태, 도20), p형 기판(312)과 n형층(313) 사이(제14 실시 형태, 도21), p형 기판(312)과 p형층(303) 사이(제15 실시 형태, 도22), 절연형 기판(316)과 n형층(317) 사이(제16 실시 형태, 도23), n형 β-Ga2O3형 기판(350)과 n형 β-Al1 .4Ga0 .6O3 클래드층(351) 사이(제17 실시 형태, 도24), 절연형 β-Ga2O3 기판(355)과 n형 β-Ga2O3 콘택트층(356) 사이(제18 실시 형태, 도26)에 형성한다.
또한, 여기 빔으로서는 레이저광 이외에 금속 타겟에 조사하여 금속 원자 등의 화학종을 유리시킬 수 있는 것이면, 전자 빔, 이온 빔 등이라도 좋다.
또한, β-Ga2O3는 다른 타입의 Ga2O3라도 좋다.
또한, 제12 내지 제18 실시 형태는 발광 소자에 대해 설명해 왔지만, 입사광을 전기 신호로 변환하는 포토 센서에도 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 FZ법에 의해 β-Ga2O3계 종결정으로부터 소정의 방위에 β-Ga2O3계 단결정을 성장시키고, 크래킹, 쌍정화 경향이 감소되어 결정성이 높아지고, 가공성이 양호한 β-Ga2O3계 단결정을 얻는다.
또한, β-Ga2O3계 단결정을 기판 상에 성장시키고 기판 상에 β-Ga2O3계 단결정의 박막을 형성한다.
또한, β-Ga2O3계 단결정의 박막을 조합함으로써 PN 접합의 발광 소자를 형성할 수 있으므로, Ga2O3계 단결정이 갖는 밴드 갭에 의해 자외 영역의 발광이 가능 해지고, 무수은 형광등, 깨끗한 환경을 제공하는 광촉매, 보다 고밀도 기록을 실현하는 신세대 DVD 등에 사용할 수 있다.

Claims (48)

  1. β-Ga2O3계 종결정(種結晶)을 준비하고,
    상기 β-Ga2O3계 종결정으로부터 소정의 방위에 β-Ga2O3계 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소정의 방위는 a축 <100> 방위인 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 소정의 방위는 b축 <010> 방위인 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 소정의 방위는 c축 <001> 방위인 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 β-Ga2O3계 단결정의 성장은 FZ법에 의한 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 FZ법으로 이용하는 β-Ga2O3계 다결정 원료 막대의 직경은 성장 결정의 직경과 동일하거나 그것보다도 큰 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 FZ법은 전체압이 1 내지 2 기압이고 O2와 불활성 가스의 혼합 기체의 분위기 중에서 행하는 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 β-Ga2O3계 종결정은 단결정인 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 β-Ga2O3계 종결정은 소정의 방위에 성장한 것인 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 소정의 방위는 a축 <100> 방위인 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 소정의 방위는 b축 <010> 방위인 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 소정의 방위는 c축 <001> 방위인 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 β-Ga2O3계 종결정은 성장 결정의 5분의 1 이하의 직경을 갖고, 상기 β-Ga2O3계 단결정의 성장 시에 파손되지 않는 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 β-Ga2O3계 종결정은 5 ㎟ 이하의 단면적을 갖고, 상기 β-Ga2O3계 단결정의 성장 시에 파손되지 않는 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 β-Ga2O3계 종결정은 β-Ga2O3와 동일한 단사정계, 공간군이 C2/m에 속하는 β-Ga2O3 고용체를 포함하는 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 β-Ga2O3계 성장 결정은 β-Ga2O3와 동일한 단사정계, 공간군이 C2/m에 속하는 β-Ga2O3 고용체를 포함하는 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 β-Ga2O3 고용체는 갈륨, 인듐, 알루미늄, 주석, 게르마늄, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄, 니오브, 몰리브덴, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 규소 및 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 원소의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 β-Ga2O3계 단결정 성장 방법.
  18. 기판을 준비하고,
    소정의 분위기 중에서 순금속 혹은 합금으로 이루어지는 금속 타겟에 여기 빔을 조사하고, 이에 의해 금속 타겟으로부터 방출된 원자, 분자, 이온 등의 화학종과 상기 소정의 분위기에 포함되는 원자를 결합시키고 상기 기판 상에 박막을 성장시키는 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 소정의 분위기는 주입한 래디컬을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 소정의 분위기는 진공도 1 내지 1 × 10-10 torr인 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  21. 제18항에 있어서, 상기 금속 타겟은 상기 금속 타겟을 구성하는 상기 순금속 혹은 상기 합금을 포함하는 액상인 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  22. 제18항에 있어서, 상기 여기 빔은 레이저광인 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  23. 제18항에 있어서, 상기 기판은 300 ℃ 내지 1500 ℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  24. β-Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 기판을 준비하고,
    산소 가스, 오존을 포함하는 산소 가스, 순오존 가스, N2O 가스, NO2 가스, 산소 래디컬을 포함하는 산소 가스 및 산소 래디컬 중 1 또는 2 이상의 가스로 이루어지는 분위기 중에서 Ga 혹은 Ga를 포함하는 합금으로 이루어지는 금속 타겟에 여기 빔을 조사하고, 이에 의해 금속 타겟으로부터 방출된 원자, 분자, 이온 등의 화학종과 상기 가스를 결합시켜 상기 기판 상에 β-Ga2O3계로 이루어지는 박막 단결 정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 β-Ga2O3계로 이루어지는 박막 단결정의 성장은 β-Ga2O3계의 박막 결정으로 이루어지는 버퍼층을 형성하여 상기 버퍼층 상에 성장시키는 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  26. β-Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 기판을 준비하고,
    산소 가스, 오존을 포함하는 산소 가스, 순오존 가스, N2O 가스, NO2 가스, 산소 래디컬을 포함하는 산소 가스 및 산소 래디컬 중 1 또는 2 이상의 가스로 이루어지는 분위기 중에서 Zn 혹은 Zn을 포함하는 합금으로 이루어지는 금속 타겟에 여기 빔을 조사하고, 이에 의해 금속 타겟으로부터 방출된 원자, 분자, 이온 등의 화학종과 상기 가스를 결합시켜 상기 기판 상에 ZnO계로 이루어지는 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 ZnO계로 이루어지는 박막 단결정의 성장은 ZnO계의 박막 결정으로 이루어지는 버퍼층을 형성하여 상기 버퍼층 상에 성장시키는 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  28. β-Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 기판을 준비하고,
    질소 래디컬, NH3 가스 및 질소 래디컬을 포함하는 NH3 가스 중 1 또는 2 이상의 가스로 이루어지는 분위기 중에서 Ga 혹은 Ga를 포함하는 합금으로 이루어지는 금속 타겟에 여기 빔을 조사하고, 이에 의해 금속 타겟으로부터 방출된 원자, 분자, 이온 등의 화학종과 상기 가스를 결합시켜 상기 기판 상에 GaN계로 이루어지는 박막 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 GaN계로 이루어지는 박막 단결정의 성장은 GaN계의 박막 결정으로 이루어지는 버퍼층을 형성하여 상기 버퍼층 상에 성장시키는 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  30. 제24항, 제26항 또는 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 준비는 FZ법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 단결정의 성장 방법.
  31. Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 제1 층과,
    상기 제1 층 상에 형성된 Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 p형 도전성을 나타내는 제2 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  32. 제31항에 있어서, 상기 제1 층 및 제2 층은 이들 사이에 활성층을 구비하는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  33. 제31항에 있어서, 상기 제1 층 및 제2 층은 한쪽이 기판, 다른 쪽이 상기 기판 상에 성장시키는 박막인 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  34. 제33항에 있어서, 상기 기판은 상기 박막을 성장시키는 표면이 (100)면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  35. 제33항에 있어서, 상기 기판은 상기 박막을 성장시키는 표면이 (001)면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  36. 제33항에 있어서, 상기 기판은 상기 박막을 성장시키는 표면이 (010)면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  37. 제33항에 있어서, 상기 기판은 상기 박막을 성장시키는 표면이 (101)면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  38. 제31항에 있어서, 상기 제1 층은 기판 또는 박막이고,
    상기 기판 또는 박막은 상기 Ga2O3계 단결정 중의 산소 결함에 의해 n형 도전성을 나타내는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  39. 제31항에 있어서, 상기 제1 층은 기판 또는 박막이고,
    상기 기판 또는 상기 박막에 n형 불순물을 첨가함으로써 n형 도전성을 나타내는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  40. 제31항에 있어서, 상기 제2 층은 기판 또는 박막이고,
    상기 기판 또는 박막은 상기 Ga2O3계 단결정 중의 Ga 결함에 의해 p형 도전성을 나타내는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  41. 제31항에 있어서, 상기 제2 층은 기판 또는 박막이고,
    상기 기판 또는 상기 박막에 p형 불순물을 첨가함으로써 p형 도전성을 나타내는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  42. Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 기판과,
    상기 기판 상에 형성된 Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 p형 도전성을 나타내 는 박막을 구비하는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  43. 제42항에 있어서, 상기 기판과 상기 p형 도전성을 나타내는 박막 사이에 Ga2O3계 단결정으로 이루어지고, 상기 기판과 캐리어 농도가 다른 n형 도전성을 나타내는 박막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  44. 제43항에 있어서, 상기 기판과 상기 n형 도전성을 나타내는 박막 사이에 Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 버퍼층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  45. Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 p형 도전성을 나타내는 기판과,
    상기 기판 상에 형성된 Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 박막을 구비하는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  46. 제45항에 있어서, 상기 기판과 상기 n형 도전성을 나타내는 박막 사이에 Ga2O3계 단결정으로 이루어지고, 상기 기판과 캐리어 농도가 다른 p형 도전성을 나타내는 박막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  47. 제46항에 있어서, 상기 기판과 상기 p형 도전성을 나타내는 박막 사이에 Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 버퍼층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 Ga2O3계 발광 소자.
  48. Ga2O3계 단결정으로 이루어지는 n형 도전성을 나타내는 기판을 형성하고,
    상기 기판을 어닐함으로써 절연 기판을 형성하고,
    상기 절연 기판 상에 n형 불순물을 첨가함으로써 n형 도전성을 나타내는 박막을 형성하고,
    또한 그 위에 p형 불순물을 첨가함으로써 p형 도전성을 나타내는 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
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