JP2020073424A - α-Ga2O3 SINGLE CRYSTAL AND MANUFACTURING APPARATUS OF THE SAME AND SEMICONDUCTOR DEVICE USING THE SAME - Google Patents
α-Ga2O3 SINGLE CRYSTAL AND MANUFACTURING APPARATUS OF THE SAME AND SEMICONDUCTOR DEVICE USING THE SAME Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020073424A JP2020073424A JP2019175454A JP2019175454A JP2020073424A JP 2020073424 A JP2020073424 A JP 2020073424A JP 2019175454 A JP2019175454 A JP 2019175454A JP 2019175454 A JP2019175454 A JP 2019175454A JP 2020073424 A JP2020073424 A JP 2020073424A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- single crystal
- gallium
- raw material
- halide
- reaction furnace
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 161
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 32
- QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N gallium(III) oxide Inorganic materials O=[Ga]O[Ga]=O QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 202
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 89
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 54
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 47
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 42
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 37
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 36
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 claims description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 33
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 30
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 14
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 claims description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims description 11
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims description 9
- -1 gallium halide Chemical class 0.000 claims description 8
- 229910000039 hydrogen halide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000012433 hydrogen halide Substances 0.000 claims description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 27
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 27
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 17
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 15
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 12
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 11
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 11
- XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M chlorogallium Chemical compound [Ga]Cl XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 10
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 10
- 238000000984 pole figure measurement Methods 0.000 description 10
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 8
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 7
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 5
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 5
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 5
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 4
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 239000003595 mist Substances 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 3
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 description 3
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hydrogen chloride Substances Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 238000000825 ultraviolet detection Methods 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- MROCJMGDEKINLD-UHFFFAOYSA-N dichlorosilane Chemical compound Cl[SiH2]Cl MROCJMGDEKINLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N trichlorosilane Chemical compound Cl[SiH](Cl)Cl ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005052 trichlorosilane Substances 0.000 description 2
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 2
- VXEGSRKPIUDPQT-UHFFFAOYSA-N 4-[4-(4-methoxyphenyl)piperazin-1-yl]aniline Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1N1CCN(C=2C=CC(N)=CC=2)CC1 VXEGSRKPIUDPQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004140 HfO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003902 SiCl 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010574 gas phase reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910001510 metal chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000001004 secondary ion mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005049 silicon tetrachloride Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
本発明は、α−Ga2O3単結晶、その製造装置、および、それを用いた半導体素子に関する。 The present invention relates to an α-Ga 2 O 3 single crystal, a manufacturing apparatus for the same, and a semiconductor element using the same.
酸化ガリウムは、α、β、δ、εおよびγの5つの結晶構造を有することが分かっている。そのうちβ−Ga2O3は、4.9eVと大きなバンドギャップを有すること、ドーピングによって導電性を付与できること、熱力学的に最も安定であり、融液成長による単結晶基板を製造可能であることから高耐圧・低消費電力の次世代パワー半導体材料等として大きな注目を集めている。最近、ハライド気相成長法(HVPE)により大きな成長速度で良質なβ−Ga2O3単結晶が得られることが報告されている(例えば、非特許文献1を参照。)。 It is known that gallium oxide has five crystal structures of α, β, δ, ε and γ. Among them, β-Ga 2 O 3 has a large band gap of 4.9 eV, conductivity can be imparted by doping, it is thermodynamically most stable, and a single crystal substrate can be produced by melt growth. Has received great attention as a next-generation power semiconductor material with high breakdown voltage and low power consumption. Recently, it has been reported that a high-quality β-Ga 2 O 3 single crystal can be obtained at a high growth rate by a halide vapor phase epitaxy (HVPE) (for example, see Non-Patent Document 1).
一方、α−Ga2O3のバンドギャップは約5.3eVであり、β−Ga2O3のそれより大きく、α−Ga2O3もまた有望な材料とされている。しかしながら、α−Ga2O3は準安定相であるため、融液成長による単結晶基板の製造ができない。そのため、α−Ga2O3の単結晶膜は、ミスト化学気相成長(CVD)法を用いた、異種基板上のエピタキシャル成長(ヘテロエピタキシャル成長)によって製造されている(例えば、非特許文献2〜4を参照。)。 On the other hand, the band gap of α-Ga 2 O 3 is about 5.3 eV, which is larger than that of β-Ga 2 O 3 , and α-Ga 2 O 3 is also a promising material. However, since α-Ga 2 O 3 is a metastable phase, a single crystal substrate cannot be manufactured by melt growth. Therefore, the α-Ga 2 O 3 single crystal film is manufactured by epitaxial growth (heteroepitaxial growth) on a heterogeneous substrate using a mist chemical vapor deposition (CVD) method (for example, Non-Patent Documents 2 to 4). See.).
しかし、非特許文献2〜4によれば、いずれも、原料に有機化合物を用いており、その製造温度が低温であるため、得られるα−Ga2O3は炭素(C)、水素(H)等で汚染が著しく、実用には向かない。また、非特許文献2〜4によれば、得られるα−Ga2O3には面内回転ドメインが混入しており、品質に問題がある。さらに、非特許文献2〜4によれば、ミストCVD法は、α−Ga2O3の成長速度が最大約1μm/時間と非常に遅く、製造コストがかかるだけでなく、製造中にサファイア基板からAlが拡散するという問題もある。 However, according to Non-Patent Documents 2 to 4, since an organic compound is used as a raw material and the production temperature is low, the obtained α-Ga 2 O 3 is carbon (C), hydrogen (H). It is not suitable for practical use. Further, according to Non-Patent Documents 2 to 4, the in-plane rotational domain is mixed in the obtained α-Ga 2 O 3 and there is a problem in quality. Further, according to Non-Patent Documents 2 to 4, the mist CVD method has a very slow growth rate of α-Ga 2 O 3 of about 1 μm / hour, which is not only high in manufacturing cost but also a sapphire substrate during manufacturing. There is also a problem that Al diffuses from the.
以上より、本発明の課題は、半導体素子に適用可能なα−Ga2O3単結晶、その製造装置、および、それを用いた半導体素子を提供することである。 From the above, an object of the present invention is to provide an α-Ga 2 O 3 single crystal applicable to a semiconductor element, a manufacturing apparatus for the same, and a semiconductor element using the same.
本発明によるα−Ga2O3単結晶は、カーボン濃度が5×1018cm−3以下であり、波長300nm以上の光に対する吸収係数が200cm−1以下であり、これにより上記課題を解決する。
塩素濃度は、1×1018cm−3以下であってもよい。
4価の価数を有する元素をさらに含有してもよい。
本発明によるハライド気相成長法によりα−Ga2O3を製造する製造装置は、反応炉と、前記反応炉を加熱するヒータとを備え、前記反応炉において、ガリウムのハロゲン化物と酸素原料とを反応させ、基板上にα−Ga2O3を成長し、これにより上記課題を解決する。
前記反応炉は、ガリウム原料供給源と、酸素原料供給源と、ガス排出部と、前記基板を設置する基板ホルダとをさらに備え、前記ガリウム原料供給源は、内部にガリウム金属が設置されるようになっており、前記ガリウム原料供給源は、ハロゲンガスまたはハロゲン化水素ガスが前記ガリウム原料供給源に供給され、前記ガリウム原料供給源内にて前記ガリウム金属から前記ガリウムのハロゲン化物を生成し、前記ガリウムのハロゲン化物を前記反応炉に供給するよう制御され、前記酸素原料供給源は、O2、H2OおよびN2Oからなる群から少なくとも1つ選択されるガスを前記酸素原料として前記反応炉に供給するよう制御されてもよい。
前記ヒータは、前記反応炉内が250℃以上650℃未満の温度範囲となるよう制御されてもよい。
前記ガス排出部は、前記反応炉内の前記ガリウムのハロゲン化物の分圧が0.05kPa以上10kPa以下であり、前記酸素原料の分圧が0.25kPa以上50kPa以下となるよう制御されてもよい。
前記ガリウム原料供給源は、前記反応炉内の温度が成膜温度に到達してから、かつ、成膜中にのみ、前記ハロゲンガスまたはハロゲン化水素ガスを前記ガリウムガス供給源に供給し、前記ガリウムのハロゲン化物を前記反応炉に供給するよう制御され、前記酸素原料供給源は、前記反応炉の昇温から降温までの間、前記酸素原料を前記反応炉に供給するよう制御されてもよい。
本発明による半導体素子は、上述のα−Ga2O3単結晶を備え、これにより上記課題を解決する。
前記半導体素子は、発光素子、ダイオード、紫外線検出素子、および、トランジスタからなる群から選択されてもよい。
The α-Ga 2 O 3 single crystal according to the present invention has a carbon concentration of 5 × 10 18 cm -3 or less and an absorption coefficient of 200 cm -1 or less for light having a wavelength of 300 nm or more, which solves the above problems. ..
The chlorine concentration may be 1 × 10 18 cm −3 or less.
You may further contain the element which has a tetravalent valence.
A manufacturing apparatus for manufacturing α-Ga 2 O 3 by a halide vapor deposition method according to the present invention includes a reaction furnace and a heater for heating the reaction furnace, and in the reaction furnace, a gallium halide and an oxygen raw material are supplied. Are reacted to grow α-Ga 2 O 3 on the substrate, thereby solving the above problem.
The reaction furnace further includes a gallium raw material supply source, an oxygen raw material supply source, a gas discharge unit, and a substrate holder for mounting the substrate, and the gallium raw material supply source is provided with a gallium metal inside. The gallium raw material supply source is a halogen gas or a hydrogen halide gas is supplied to the gallium raw material supply source, to generate the gallium halide from the gallium metal in the gallium raw material supply source, The reaction is controlled to supply a gallium halide to the reaction furnace, and the oxygen raw material supply source uses the gas selected from at least one selected from the group consisting of O 2 , H 2 O, and N 2 O as the oxygen raw material. It may be controlled to feed the furnace.
The heater may be controlled such that the inside of the reaction furnace has a temperature range of 250 ° C. or higher and lower than 650 ° C.
The gas discharge part may be controlled so that the partial pressure of the halide of gallium in the reaction furnace is 0.05 kPa or more and 10 kPa or less and the partial pressure of the oxygen raw material is 0.25 kPa or more and 50 kPa or less. ..
The gallium raw material supply source supplies the halogen gas or hydrogen halide gas to the gallium gas supply source only after the temperature in the reaction furnace reaches the film formation temperature, and only during film formation. The gallium halide may be controlled to be supplied to the reaction furnace, and the oxygen raw material supply source may be controlled to supply the oxygen raw material to the reaction furnace while the temperature of the reaction furnace is being raised. ..
A semiconductor device according to the present invention includes the above-mentioned α-Ga 2 O 3 single crystal, and thereby solves the above-mentioned problems.
The semiconductor element may be selected from the group consisting of a light emitting element, a diode, an ultraviolet ray detecting element, and a transistor.
本発明によるα−Ga2O3単結晶は、カーボン濃度が5×1018cm−3以下に制御されているので、不純物濃度がきわめて低く、α−Ga2O3本来の特性を発揮できる。このようなα−Ga2O3単結晶は半導体素子に好適である。本発明によるα−Ga2O3の製造装置によれば、ハライド気相成長法を用いることにより不純物濃度の低いα−Ga2O3が得られる。さらに、その成長速度は極めて速いので、厚膜あるいは基板を得ることもできる。 Since the carbon concentration of the α-Ga 2 O 3 single crystal according to the present invention is controlled to 5 × 10 18 cm −3 or less, the impurity concentration is extremely low and the original characteristics of α-Ga 2 O 3 can be exhibited. Such an α-Ga 2 O 3 single crystal is suitable for a semiconductor device. According to the apparatus for producing α-Ga 2 O 3 according to the present invention, low α-Ga 2 O 3 impurity concentration can be obtained by using halide vapor phase epitaxy. Furthermore, since its growth rate is extremely fast, a thick film or substrate can be obtained.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the same elements are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明のα−Ga2O3単結晶およびその製造方法について詳述する。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention and the manufacturing method thereof will be described in detail.
本発明のα−Ga2O3単結晶によれば、結晶中に含有されるカーボン濃度は、5×1018cm−3以下に制御される。これにより、不純物濃度がきわめて低いので、α−Ga2O3本来の特性、すなわち、大きなバンドギャップ(5.3eV)および高い光透過性を発揮するので、半導体素子、特に発光素子に適用できる。 According to the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention, the carbon concentration contained in the crystal is controlled to 5 × 10 18 cm −3 or less. Thereby, since the impurity concentration is extremely low, the original characteristics of α-Ga 2 O 3 , that is, the large band gap (5.3 eV) and the high light transmittance are exhibited, and therefore, the present invention can be applied to a semiconductor element, particularly a light emitting element.
好ましくは、本発明のα−Ga2O3単結晶によれば、結晶中に含有されるカーボン濃度は、6×1017cm−3未満に制御される。これにより、大きなバンドギャップ(5.3eV)および高い光透過性が確実に得られるので、半導体素子、特に発光素子に有利である。 Preferably, according to the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention, the carbon concentration contained in the crystal is controlled to be less than 6 × 10 17 cm −3 . This ensures a large bandgap (5.3 eV) and high light transmittance, which is advantageous for semiconductor devices, particularly light-emitting devices.
なお、下限に特に制限はないが、1×1015cm−3以上であってもよい。上述の範囲のカーボン濃度であれば、半導体素子へ適用しても、動作に支障はない。 The lower limit is not particularly limited, but may be 1 × 10 15 cm −3 or more. If the carbon concentration is within the above range, there is no problem in operation even if applied to a semiconductor element.
本発明のα−Ga2O3単結晶によれば、結晶中に含有される水素濃度は、5×1018cm−3以下に制御される。これにより、不純物濃度がきわめて低いので、α−Ga2O3本来の特性を発揮するので、半導体素子に適用できる。 According to the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention, the concentration of hydrogen contained in the crystal is controlled to be 5 × 10 18 cm −3 or less. With this, the impurity concentration is extremely low, and the original characteristics of α-Ga 2 O 3 are exhibited, so that it can be applied to a semiconductor element.
好ましくは、本発明のα−Ga2O3単結晶によれば、結晶中に含有される水素濃度は、5×1017cm−3未満に制御される。これにより、大きなバンドギャップ(5.3eV)および高い光透過性が確実に得られるので、半導体素子、特に発光素子に有利である。 Preferably, according to the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention, the hydrogen concentration contained in the crystal is controlled to be less than 5 × 10 17 cm −3 . This ensures a large bandgap (5.3 eV) and high light transmittance, which is advantageous for semiconductor devices, particularly light-emitting devices.
なお、下限に特に制限はないが、1×1016cm−3以上であってもよい。上述の範囲の水素濃度であれば、半導体素子へ適用しても、動作に支障はない。 The lower limit is not particularly limited, but may be 1 × 10 16 cm −3 or more. If the hydrogen concentration is within the above range, the operation will not be affected even if it is applied to a semiconductor element.
本発明のα−Ga2O3単結晶によれば、結晶中に含有されるアルミニウム濃度は、4×1016cm−3以下に制御される。これにより、不純物濃度がきわめて低いので、α−Ga2O3本来の特性を発揮するので、半導体素子に適用できる。 According to the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention, the concentration of aluminum contained in the crystal is controlled to 4 × 10 16 cm −3 or less. With this, the impurity concentration is extremely low, and the original characteristics of α-Ga 2 O 3 are exhibited, so that it can be applied to a semiconductor element.
好ましくは、本発明のα−Ga2O3単結晶によれば、結晶中に含有されるアルミニウム濃度は、4×1015cm−3未満に制御される。これにより、大きなバンドギャップ(5.3eV)および高い光透過性が確実に得られるので、半導体素子、特に発光素子に有利である。 Preferably, according to the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention, the aluminum concentration contained in the crystal is controlled to be less than 4 × 10 15 cm −3 . This ensures a large bandgap (5.3 eV) and high light transmittance, which is advantageous for semiconductor devices, particularly light-emitting devices.
なお、下限に特に制限はないが、1×1014cm−3以上であってもよい。上述の範囲のアルミニウム濃度であれば、半導体素子へ適用しても、動作に支障はない。 The lower limit is not particularly limited, but may be 1 × 10 14 cm −3 or more. If the aluminum concentration is within the above range, it will not affect the operation even if it is applied to a semiconductor element.
本発明のα−Ga2O3単結晶によれば、結晶中に含有される塩素濃度は、1×1018cm−3以下に制御される。これにより、不純物濃度がきわめて低いので、α−Ga2O3本来の特性を発揮するので、半導体素子に適用できる。 According to the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention, the concentration of chlorine contained in the crystal is controlled to be 1 × 10 18 cm −3 or less. With this, the impurity concentration is extremely low, and the original characteristics of α-Ga 2 O 3 are exhibited, so that it can be applied to a semiconductor element.
好ましくは、本発明のα−Ga2O3単結晶によれば、結晶中に含有される塩素濃度は、2×1017cm−3以下に制御される。これにより、大きなバンドギャップ(5.3eV)および高い光透過性が確実に得られるので、半導体素子、特に発光素子に有利である。 Preferably, according to the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention, the chlorine concentration contained in the crystal is controlled to 2 × 10 17 cm −3 or less. This ensures a large bandgap (5.3 eV) and high light transmittance, which is advantageous for semiconductor devices, particularly light-emitting devices.
なお、下限に特に制限はないが、1×1015cm−3以上であってもよい。上述の範囲の塩素濃度であれば、半導体素子へ適用しても、動作に支障はない。 The lower limit is not particularly limited, but may be 1 × 10 15 cm −3 or more. If the chlorine concentration is within the above range, it will not affect the operation even if it is applied to a semiconductor element.
当然のことながら、α−Ga2O3単結晶は、これら特定の不純物濃度をすべて満たすことが好ましいが、半導体素子用途を考慮すれば、少なくともカーボン濃度、さらには、カーボン濃度と水素濃度、さらには、カーボン濃度、水素濃度およびアルミニウム濃度を満たせばよい。後述する本発明の製造方法を採用すれば、例えば、カーボン濃度が6×1017cm−3未満であり、水素濃度が5×1017cm−3未満であり、アルミニウム濃度が4×1015cm−3未満であり、塩素濃度が1.5×1017cm−3以下であるα−Ga2O3単結晶を提供できる。 As a matter of course, it is preferable that the α-Ga 2 O 3 single crystal satisfy all of these specific impurity concentrations, but in consideration of the semiconductor device application, at least the carbon concentration, further the carbon concentration and the hydrogen concentration, and Should satisfy carbon concentration, hydrogen concentration and aluminum concentration. If the manufacturing method of the present invention described below is adopted, for example, the carbon concentration is less than 6 × 10 17 cm −3 , the hydrogen concentration is less than 5 × 10 17 cm −3 , and the aluminum concentration is 4 × 10 15 cm. An α-Ga 2 O 3 single crystal having a chlorine concentration of less than −3 and a chlorine concentration of 1.5 × 10 17 cm −3 or less can be provided.
本発明のα−Ga2O3単結晶によれば、少なくともカーボン濃度が5×1018cm−3以下に制御されるので、波長300nm以上を有する紫外および可視光等の光に対する吸収係数は500cm−1以下である。これにより、本発明のα−Ga2O3単結晶を半導体素子の中でも発光素子に適用する場合、光を効果的に透過できるので、有利である。より好ましくは、本発明のα−Ga2O3単結晶における、波長300nm以上を有する紫外および可視光等の光に対する吸収係数は200cm−1以下である。これにより、本発明のα−Ga2O3単結晶を発光素子に適用する場合、発光素子からの発光光をより効果的に取り出すことができる。 According to the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention, at least the carbon concentration is controlled to 5 × 10 18 cm −3 or less, and thus the absorption coefficient for light such as ultraviolet light and visible light having a wavelength of 300 nm or more is 500 cm. It is -1 or less. Accordingly, when the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention is applied to a light emitting element among semiconductor elements, light can be effectively transmitted, which is advantageous. More preferably, the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention has an absorption coefficient of 200 cm −1 or less for light such as ultraviolet light and visible light having a wavelength of 300 nm or more. Accordingly, when the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention is applied to a light emitting element, the emitted light from the light emitting element can be extracted more effectively.
なお、下限に特に制限はないが、1cm−1上であればよい。上述の範囲の吸収係数を有するα−Ga2O3単結晶を発光素子等の半導体素子へ適用すれば、高い発光効率を維持することができる。さらに、このようなα−Ga2O3単結晶をトランジスタ等の半導体素子へ適用すれば、大きなバンドギャップ(5.3eV)に基づいて高耐圧・低損失を可能にするパワーデバイスが提供される。 The lower limit is not particularly limited, but may be 1 cm −1 or higher. When α-Ga 2 O 3 single crystal having an absorption coefficient in the above range is applied to a semiconductor element such as a light emitting element, high luminous efficiency can be maintained. Further, when such an α-Ga 2 O 3 single crystal is applied to a semiconductor element such as a transistor, a power device that enables high breakdown voltage and low loss based on a large band gap (5.3 eV) is provided. ..
本発明のα−Ga2O3単結晶のサイズ(厚さおよび主面の面積)に制限はないが、例えば、本発明のα−Ga2O3単結晶を異種基板上に形成したものを、異種基板を除去せずに半導体素子の基板として用いる場合、好ましくは、主面の面積が10cm2以上であるサイズを有する。また、本発明のα−Ga2O3単結晶を異種基板から分離して自立基板として用いる場合、さらに厚さが200μm以上30mm以下であることが望ましい。この範囲の厚さであれば、本発明のα−Ga2O3単結晶は自立基板とすることができ、さらにスライスによって一度に複数の自立基板を製造することもできるので、取り扱いが簡便であり、実用的である。本発明のα−Ga2O3単結晶が上述のサイズを有する自立基板である場合、この上に、本発明のα−Ga2O3単結晶からなる膜(例えば、厚さ100nm〜50μm)が形成されてもよい。 Although α-Ga 2 O 3 is not limited to the size of the single crystal (the area of the thickness and the main surface) of the present invention, for example, those of the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention formed on a heterogeneous substrate When used as a substrate of a semiconductor element without removing a different type substrate, the main surface preferably has a size of 10 cm 2 or more. Further, when the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention is separated from a different type of substrate and used as a free-standing substrate, the thickness is preferably 200 μm or more and 30 mm or less. When the thickness is in this range, the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention can be used as a free-standing substrate, and a plurality of free-standing substrates can be manufactured at once by slicing, so that the handling is easy. Yes, it is practical. When the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention is a free-standing substrate having the above-mentioned size, a film made of the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention (for example, a thickness of 100 nm to 50 μm) thereon. May be formed.
本発明のα−Ga2O3単結晶は、さらに、4価の価数を有する元素をさらに含有してもよい。これにより、α−Ga2O3単結晶の抵抗率を制御することができる。詳細には、4価の価数を有する元素は、α−Ga2O3単結晶中のGaと置換し得、n型ドーパントとして機能し得る。このような4価の価数を有する元素は、Si、Hf、Ge、Sn、TiおよびZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。これらの元素はGaと容易に置換し得るので、導電率を制御しやすい。中でも、Siは、Gaと容易に置換し得るので好ましい。 The α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention may further contain an element having a tetravalent valence. This makes it possible to control the resistivity of the α-Ga 2 O 3 single crystal. Specifically, an element having a valence of 4 can substitute Ga in the α-Ga 2 O 3 single crystal and can function as an n-type dopant. Such an element having a tetravalent valence is at least one element selected from the group consisting of Si, Hf, Ge, Sn, Ti and Zr. Since these elements can be easily replaced with Ga, the conductivity can be easily controlled. Among them, Si is preferable because it can be easily replaced with Ga.
さらに好ましくは、本発明のα−Ga2O3単結晶における4価の価数を有する元素の濃度は、1×1015cm−3以上1×1019cm−3以下に制御される。この範囲であれば、本発明のα−Ga2O3単結晶の電気抵抗率が低くなり得るので、半導体素子のn型基板として機能し得る。 More preferably, the concentration of the element having a tetravalent valence in the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention is controlled to 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less. Within this range, the electrical resistivity of the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention may be low, and thus it can function as an n-type substrate of a semiconductor element.
上述してきたように、本発明のα−Ga2O3単結晶によれば、含有されるカーボン等の不純物濃度がきわめて低く制御されているので、α−Ga2O3単結晶本来の特性を優位に発揮し得る。さらに、4価の価数を有する元素を含有することにより、n型導電性を示すよう抵抗率が制御されるので、発光素子、ダイオード、紫外線検出素子およびトランジスタ等の半導体素子の半導体基板として機能し得る。このような本発明のα−Ga2O3単結晶は、例えば、ハライド気相成長法(HVPE)を採用して製造され得る。 As described above, according to the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention, since the concentration of impurities such as carbon contained being controlled very low, the α-Ga 2 O 3 single crystal original characteristics It can exert an advantage. Further, by containing an element having a tetravalent valence, the resistivity is controlled so as to show n-type conductivity, so that it functions as a semiconductor substrate of a semiconductor element such as a light emitting element, a diode, an ultraviolet ray detecting element and a transistor. You can Such an α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention can be manufactured by employing, for example, a halide vapor phase epitaxy method (HVPE).
次に、本発明のα−Ga2O3単結晶を、ハライド気相成長法(HVPE)を用いて製造する方法を図1および図2を参照して、説明する。 Next, a method for producing the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention using the halide vapor phase epitaxy (HVPE) will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図1は、本発明のハライド気相成長法(HVPE)を実施する気相成長装置を示す模式図である。
図2は、本発明のα−Ga2O3単結晶を製造するフローチャートを示す図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a vapor phase growth apparatus for carrying out the halide vapor phase growth method (HVPE) of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a flowchart for producing the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention.
本発明の気相成長装置100は、少なくとも、密閉された反応炉110と、反応炉110を加熱するヒータ120とを備える。反応炉110は、原料と反応しない任意の反応炉が適用されるが、例示的には、石英管であり得る。ヒータ120は少なくとも700℃まで加熱可能な任意のヒータが適用されるが、例示的には、抵抗加熱式のヒータであり得る。 The vapor phase growth apparatus 100 of the present invention includes at least a sealed reaction furnace 110 and a heater 120 that heats the reaction furnace 110. As the reaction furnace 110, any reaction furnace that does not react with the raw material is applied, but it may be, for example, a quartz tube. As the heater 120, any heater capable of heating up to at least 700 ° C. is applied, but by way of example, it may be a resistance heating type heater.
反応炉110は、少なくとも、ガリウム原料供給源130と、酸素原料供給源140と、ガス排出部150と、その上にα−Ga2O3を成長させる基板を設置する基板ホルダ160とを備える。ガリウム原料供給源130には内部にガリウム金属170が載置されており、ハロゲンガスまたはハロゲン化水素ガスが供給される。一方、酸素原料供給源140から、O2、H2OおよびN2Oからなる群から選択される酸素源が供給される。なお、これらは不活性ガスであるキャリアガスとともに供給されてもよい。不活性ガスは、窒素(N2)ガス、ヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、アルゴン(Ar)ガス等である。 The reaction furnace 110 includes at least a gallium raw material supply source 130, an oxygen raw material supply source 140, a gas discharge part 150, and a substrate holder 160 on which a substrate for growing α-Ga 2 O 3 is placed. A gallium metal 170 is placed inside the gallium raw material supply source 130, and a halogen gas or a hydrogen halide gas is supplied. On the other hand, from the oxygen source supply source 140, an oxygen source selected from the group consisting of O 2 , H 2 O and N 2 O is supplied. In addition, these may be supplied together with a carrier gas which is an inert gas. The inert gas is nitrogen (N 2 ) gas, helium (He) gas, neon (Ne) gas, argon (Ar) gas, or the like.
ガス排出部150は、例えば、拡散ポンプ、ロータリーポンプ等の真空ポンプに接続されていてもよく、反応炉110内の未反応のガスの排出だけでなく、反応炉110内を減圧下に制御してもよい。これにより、気相反応の抑制、成長速度分布が改善され得る。 The gas exhaust unit 150 may be connected to a vacuum pump such as a diffusion pump or a rotary pump, and controls not only the unreacted gas in the reaction furnace 110 but also the reaction furnace 110 under reduced pressure. May be. This can suppress the gas phase reaction and improve the growth rate distribution.
ステップS210:図1の気相成長装置100を用いて、ハライド気相成長法(HVPE)により、基板上に本発明のα−Ga2O3を成長する。 Step S210: Using the vapor deposition apparatus 100 of FIG. 1, the α-Ga 2 O 3 of the present invention is grown on the substrate by the halide vapor deposition method (HVPE).
ステップS210において、原料には、少なくとも、ガリウム原料と酸素原料とを用いる。ガリウム原料は、ガリウム(Ga)のハロゲン化物を含み、酸素原料は、O2、H2OおよびN2Oからなる群から少なくとも1つ選択される。ガリウムのハロゲン化物とこれらの酸素原料とは容易に反応し、酸化ガリウムを形成し得る。なお、Gaのハロゲン化物は、ガリウム金属170とハロゲンガスまたはハロゲン化水素ガスとが反応し、容易に形成される。 In step S210, at least a gallium raw material and an oxygen raw material are used as raw materials. The gallium raw material includes a halide of gallium (Ga), and the oxygen raw material is at least one selected from the group consisting of O 2 , H 2 O and N 2 O. The gallium halide and these oxygen raw materials can easily react to form gallium oxide. The Ga halide is easily formed by the reaction between the gallium metal 170 and the halogen gas or the hydrogen halide gas.
好ましくは、Gaのハロゲン化物は、GaClおよび/またはGaCl3を含む。これらのハロゲン化物は、反応性に優れており、酸化ガリウムの成長を促進し得る。 Preferably, the Ga halide comprises GaCl and / or GaCl 3 . These halides have excellent reactivity and can promote the growth of gallium oxide.
好ましくは、酸素原料は、O2および/またはH2Oである。これらの酸素原料は、例えば、GaClおよび/またはGaCl3との反応性がよく、次式のいずれかにしたがって、酸化ガリウムの成長を促進し得る。
2GaCl(g)+(3/2)O2(g)→Ga2O3(s)+Cl2(g)
2GaCl(g)+3H2O(g)→Ga2O3(s)+2HCl(g)+2H2(g)
2GaCl3(g)+(3/2)O2(g)→Ga2O3(s)+3Cl2(g)
2GaCl3(g)+3H2O(g)→Ga2O3(s)+6HCl(g)
Preferably, the oxygen source is O 2 and / or H 2 O. These oxygen sources have good reactivity with, for example, GaCl and / or GaCl 3, and can promote the growth of gallium oxide according to any of the following equations.
2GaCl (g) + (3/2) O 2 (g) → Ga 2 O 3 (s) + Cl 2 (g)
2GaCl (g) + 3H 2 O (g) → Ga 2 O 3 (s) + 2HCl (g) + 2H 2 (g)
2GaCl 3 (g) + (3/2) O 2 (g) → Ga 2 O 3 (s) + 3Cl 2 (g)
2GaCl 3 (g) + 3H 2 O (g) → Ga 2 O 3 (s) + 6HCl (g)
ステップS210において、250℃より高く650℃未満の温度範囲の成長温度でα−Ga2O3を成長する。250℃以下の成長温度では、成長速度が大きく低減するとともに、原料の表面マイグレーションの低下により結晶性が著しく低下する場合がある。650℃以上の成長温度では、安定なβ−Ga2O3が生成し、α−Ga2O3が得られない場合がある。 In step S210, α-Ga 2 O 3 is grown at a growth temperature in a temperature range higher than 250 ° C. and lower than 650 ° C. At a growth temperature of 250 ° C. or lower, the growth rate may be significantly reduced, and the crystallinity may be significantly reduced due to the reduction of the surface migration of the raw material. At a growth temperature of 650 ° C. or higher, stable β-Ga 2 O 3 may be generated and α-Ga 2 O 3 may not be obtained.
ステップS210において、好ましくは、350℃以上高く600℃以下の温度範囲の成長温度でα−Ga2O3を成長する。この温度範囲であれば、β−Ga2O3が成長することなく、α−Ga2O3を得ることができる。 In step S210, α-Ga 2 O 3 is preferably grown at a growth temperature in a temperature range of 350 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. Within this temperature range, α-Ga 2 O 3 can be obtained without β-Ga 2 O 3 growing.
なお、ドーパントとして4価の価数を有する元素を含有したα−Ga2O3を得る場合、4価の価数を有する元素を含有する原料を供給すればよい。4価の価数を有する元素を含有する原料がガスである場合には、ガリウム原料供給源から混合して流してもよいし、別途原料供給源を設けてもよい。4価の価数を有する元素を含有する原料が固体あるいは液体である場合には、ガリウム金属170のように載置してもよい。 Note that when α-Ga 2 O 3 containing an element having a tetravalent valence is obtained as a dopant, a raw material containing an element having a tetravalent valence may be supplied. When the raw material containing the element having a tetravalent valence is a gas, it may be mixed and flowed from the gallium raw material supply source, or a separate raw material supply source may be provided. When the raw material containing the element having a valence of 4 is solid or liquid, it may be placed like the gallium metal 170.
このような4価の価数を有する元素は、上述したように、Si、Hf、Ge、Sn、TiおよびZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。これらの元素はGaと容易に置換し得るので、導電率を制御しやすい。 As described above, the element having such a tetravalent valence is at least one element selected from the group consisting of Si, Hf, Ge, Sn, Ti and Zr. Since these elements can be easily replaced with Ga, the conductivity can be easily controlled.
例えば、4価の価数を有する元素がSiである場合、Siを含有する原料として、シラン(SiH4)、四塩化ケイ素(SiCl4)、トリクロロシラン(TCS)、ジクロロシラン(DCS)などを用いることができ、これらを窒素キャリアガスとともに流してもよい。あるいは、反応炉110として石英管を用いる場合、石英からSiを拡散させてもよい。 For example, when the element having a tetravalent valence is Si, as a raw material containing Si, silane (SiH 4 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), trichlorosilane (TCS), dichlorosilane (DCS), etc. It can be used and these may be flowed together with a nitrogen carrier gas. Alternatively, when a quartz tube is used as the reaction furnace 110, Si may be diffused from quartz.
ステップS210において、ガリウム原料の分圧は、0.05kPa以上10kPa以下の範囲であり、酸素原料の分圧は、0.25kPa以上50kPa以下の範囲で行われる。この範囲であれば、反応が進み、α−Ga2O3単結晶を得ることができる。詳細には、ガリウム原料の分圧が0.05kPa未満であり、酸素原料の分圧が0.25kPa未満であると、反応が進まず、α−Ga2O3が成長しない場合がある。ガリウム原料の分圧が10kPaを超え、酸素原料の分圧が50kPaを超えると、成長速度が大きすぎるため、α−Ga2O3の多結晶化、パーティクルの発生、あるいは、結晶性の低下が生じ得る。 In step S210, the partial pressure of the gallium raw material is in the range of 0.05 kPa or more and 10 kPa or less, and the partial pressure of the oxygen raw material is in the range of 0.25 kPa or more and 50 kPa or less. Within this range, the reaction proceeds and an α-Ga 2 O 3 single crystal can be obtained. Specifically, when the partial pressure of the gallium raw material is less than 0.05 kPa and the partial pressure of the oxygen raw material is less than 0.25 kPa, the reaction does not proceed and α-Ga 2 O 3 may not grow. When the partial pressure of the gallium raw material exceeds 10 kPa and the partial pressure of the oxygen raw material exceeds 50 kPa, the growth rate is too high, so that α-Ga 2 O 3 is polycrystallized, particles are generated, or the crystallinity is lowered. Can happen.
ステップS210において、好ましくは、ガリウム原料の分圧は、0.1kPa以上2.0kPa以下の範囲であり、酸素原料の分圧は、0.5kPa以上10kPa以下の範囲で行われる。この範囲であれば、反応が進み、α−Ga2O3単結晶を確実に得ることができる。 In step S210, the partial pressure of the gallium raw material is preferably in the range of 0.1 kPa or more and 2.0 kPa or less, and the partial pressure of the oxygen raw material is preferably in the range of 0.5 kPa or more and 10 kPa or less. Within this range, the reaction proceeds and an α-Ga 2 O 3 single crystal can be reliably obtained.
ステップS210において、α−Ga2O3の成長速度は、5μm/時間以上1mm/時間の範囲に制御される。α−Ga2O3の成長速度が5μm/時間未満である場合、成長速度が小さいため、反応が進まずα−Ga2O3が得られない場合がある。α−Ga2O3の成長速度が1mm/時間を超えると、成長速度が大きすぎるため、α−Ga2O3が多結晶化する場合がある。 In step S210, the growth rate of α-Ga 2 O 3 is controlled within the range of 5 μm / hour or more and 1 mm / hour. If the growth rate of the α-Ga 2 O 3 is less than 5 [mu] m / time, since the growth rate is low, the reaction may not be obtained α-Ga 2 O 3 does not proceed. When the growth rate of α-Ga 2 O 3 exceeds 1 mm / hour, the growth rate is too high, and thus α-Ga 2 O 3 may be polycrystallized.
ステップS210において、基板は、サファイア基板であり得る。サファイア基板の結晶構造は、α−Ga2O3のそれと同じコランダム型であるので、任意の面方位でα−Ga2O3を得ることができる。具体的には、サファイア基板は、(0001)、M(10−10)、A(11−20)、R(10−12)、および、これらの傾斜基板からなる群から選択される基板である。これらの基板上であれば、基板と同じ面方位を有するα−Ga2O3を確実に成長させることができる。ステップS210で得られたサファイア基板上のα−Ga2O3を、異種基板を除去せずにそのまま引き続いて半導体素子等のデバイス製造に用いることができる。さらに、α−Ga2O3自立基板を製造する場合には、後述するステップS220以降の工程により行うことができる。 In step S210, the substrate may be a sapphire substrate. The crystal structure of the sapphire substrate, alpha-Ga Since 2 is the same corundum as that of O 3, it is possible to obtain the alpha-Ga 2 O 3 in any plane orientation. Specifically, the sapphire substrate is a substrate selected from the group consisting of (0001), M (10-10), A (11-20), R (10-12), and these inclined substrates. .. On these substrates, α-Ga 2 O 3 having the same plane orientation as that of the substrate can be reliably grown. The α-Ga 2 O 3 on the sapphire substrate obtained in step S210 can be directly used as it is for manufacturing devices such as semiconductor elements without removing the foreign substrate. Furthermore, in the case of manufacturing the α-Ga 2 O 3 free-standing substrate, it can be performed by the process of step S220 and later described later.
続いて図2を参照する。
ステップS220:ステップS210の成長するステップに続いて、基板を除去する。
Continuing to refer to FIG.
Step S220: Subsequent to the growing step of step S210, the substrate is removed.
ステップS210において、例えば、α−Ga2O3の厚さが200μm以上まで成長させた場合、ステップS220において基板を除去することにより、α−Ga2O3の自立膜あるいは基板を得ることができる。上述の膜厚は、α−Ga2O3が破損することなく基板を除去できる例示的な膜厚であり、これに限らない。 In step S210, for example, when the thickness of α-Ga 2 O 3 is grown to 200 μm or more, the substrate is removed in step S220 to obtain an α-Ga 2 O 3 free-standing film or substrate. .. The above-mentioned film thickness is an example film thickness that can remove the substrate without damaging the α-Ga 2 O 3 and is not limited to this.
なお、ステップS220で得たα−Ga2O3の自立膜あるいは基板を、ステップS210の基板として用いて、再度ステップS210を行ってもよい。これにより、α−Ga2O3バルク単結晶が得られる。 The step S210 may be performed again using the α-Ga 2 O 3 free-standing film or the substrate obtained in step S220 as the substrate in step S210. Thereby, an α-Ga 2 O 3 bulk single crystal is obtained.
ステップS230:ステップS220に続いて、基板から除去されたα−Ga2O3をスライスする。 Step S230: Following step S220, the α-Ga 2 O 3 removed from the substrate is sliced.
例えば、ステップS220で得たα−Ga2O3の自立膜あるいは基板が十分に厚い場合(例えば、3mm以上)、これをマルチワイヤソー等によりスライスすることで、複数のα−Ga2O3の自立膜あるいは基板を得ることができる。なお、ステップS230は、ステップS210に続いて行ってもよい。 For example, if the self-supporting film or substrate of α-Ga 2 O 3 obtained is sufficiently thick at the step S220 (e.g., more than 3 mm), which by slicing the multi-wire saw or the like, a plurality of α-Ga 2 O 3 A free standing film or substrate can be obtained. Note that step S230 may be performed subsequent to step S210.
上述したように、本発明によるα−Ga2O3の製造方法によれば、ハライド気相成長法を用いることにより不純物濃度の低いα−Ga2O3が得られる。さらに、その成長速度は極めて速いので、厚膜あるいは基板を得ることもできる。また、上述のステップS210の条件を適宜選択することにより、単結晶または多結晶のα−Ga2O3を得ることができる。 As described above, according to the manufacturing method of α-Ga 2 O 3 according to the present invention, a low α-Ga 2 O 3 impurity concentration by using a halide vapor phase epitaxy obtained. Furthermore, since its growth rate is extremely fast, a thick film or substrate can be obtained. In addition, single-crystal or polycrystalline α-Ga 2 O 3 can be obtained by appropriately selecting the conditions of step S210 described above.
(実施の形態2)
実施の形態2では、本発明のα−Ga2O3単結晶を用いた半導体素子について詳述する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a semiconductor element using the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention will be described in detail.
上述したように本発明のα−Ga2O3単結晶は、発光素子、ダイオード、紫外線検出素子およびトランジスタからなる群から選択される半導体素子に適用される。 As described above, the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention is applied to a semiconductor element selected from the group consisting of a light emitting element, a diode, an ultraviolet detection element and a transistor.
図3は、本発明のα−Ga2O3単結晶を備えた発光素子を示す模式図である。 FIG. 3 is a schematic diagram showing a light emitting device including the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention.
発光素子300は、少なくとも、本発明のα−Ga2O3単結晶310と、α−Ga2O3単結晶310の一方の主面上に形成された発光層320と、α−Ga2O3単結晶310のもう一方の主面上に形成されたn電極330と、発光層320上に形成されたp電極340とを備える。 The light emitting device 300 includes at least the α-Ga 2 O 3 single crystal 310 of the present invention, a light emitting layer 320 formed on one main surface of the α-Ga 2 O 3 single crystal 310, and α-Ga 2 O. An n-electrode 330 formed on the other main surface of the 3 single crystal 310 and a p-electrode 340 formed on the light emitting layer 320 are provided.
α−Ga2O3単結晶310は、実施の形態1で説明した本発明のα−Ga2O3単結晶であるが、好ましくは、4価の価数を有する元素をさらに含有し、n型の導電性を示す。例えば、α−Ga2O3単結晶310は、Si、Hf、Ge、Sn、TiおよびZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含有する。α−Ga2O3単結晶310の厚さは、例えば、100μm以上1000μm以下である。 The α-Ga 2 O 3 single crystal 310 is the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention described in the first embodiment, but preferably further contains an element having a valence of 4 and n Shows the conductivity of the mold. For example, the α-Ga 2 O 3 single crystal 310 contains at least one element selected from the group consisting of Si, Hf, Ge, Sn, Ti and Zr. The thickness of the α-Ga 2 O 3 single crystal 310 is, for example, 100 μm or more and 1000 μm or less.
発光層320は、例えば、n型クラッド層、活性層、p型クラッド層およびp型コンタクト層からなり、発光させるべき所望の波長を有する半導体材料が適宜選択される。例えば、青色発光の場合、n型クラッド層としてn型GaN(4μm)を選択し、活性層としてInGaN/GaNの多重子井戸構造を選択し、p型クラッド層としてp型AlGaN(100nm)を選択し、p型コンタクト層としてp型GaN(200nm)を選択し、活性層の組成と構造とを適宜選択すればよい。 The light emitting layer 320 includes, for example, an n-type clad layer, an active layer, a p-type clad layer, and a p-type contact layer, and a semiconductor material having a desired wavelength for emitting light is appropriately selected. For example, in the case of blue light emission, n-type GaN (4 μm) is selected as the n-type cladding layer, InGaN / GaN multiple well structure is selected as the active layer, and p-type AlGaN (100 nm) is selected as the p-type cladding layer. , P-type GaN (200 nm) may be selected as the p-type contact layer, and the composition and structure of the active layer may be appropriately selected.
さらに、発光素子300は、p電極340においてワイヤボンディング370によりリード380が接続されており、外部から電流が供給されるようになっている。 Further, in the light emitting element 300, the lead 380 is connected to the p electrode 340 by the wire bonding 370, and the current is supplied from the outside.
このような発光素子300の製造方法について説明する。発光素子300は、実施の形態1で得たα−Ga2O3単結晶310上に、気相エピタキシャル成長法、液相エピタキシャル成長法、ハライド気相成長法、有機金属化学気相蒸着法(MOCVD)等の既存の成長技術を用いて、発光層320を形成し、次いで、真空蒸着、スパッタリング等の既存の電極形成技術により、n電極330およびp電極340を形成することによって製造される。 A method of manufacturing such a light emitting device 300 will be described. The light-emitting element 300 is formed on the α-Ga 2 O 3 single crystal 310 obtained in Embodiment 1 by a vapor phase epitaxial growth method, a liquid phase epitaxial growth method, a halide vapor phase growth method, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD). And the like. Then, the light emitting layer 320 is formed by using the existing growth technique such as, and then the n electrode 330 and the p electrode 340 are formed by the existing electrode forming technique such as vacuum deposition and sputtering.
本発明の発光素子300によれば、実施の形態1で詳述したように、紫外、可視光に対して透明なα−Ga2O3単結晶310を用いるので、紫外および可視光の発光光を、α−Ga2O3単結晶310を通して高効率に外部へ取り出すことができる。また、本発明の発光素子300によれば、4価の価数を有する元素の添加量を制御することにより、α−Ga2O3単結晶310の導電率を制御できるので、発光素子300の縦方向に電流を流すことができる。その結果、発光素子300の層構造および製造工程を簡略化できるので好ましい。 According to the light emitting device 300 of the present invention, as described in detail in Embodiment 1, since the α-Ga 2 O 3 single crystal 310 that is transparent to ultraviolet and visible light is used, the emitted light of ultraviolet and visible light is used. Can be taken out to the outside with high efficiency through the α-Ga 2 O 3 single crystal 310. Further, according to the light emitting element 300 of the present invention, the conductivity of the α-Ga 2 O 3 single crystal 310 can be controlled by controlling the addition amount of the element having a tetravalent valence, and thus the light emitting element 300 A current can be passed in the vertical direction. As a result, the layer structure and the manufacturing process of the light emitting device 300 can be simplified, which is preferable.
なお、本発明の発光素子は図3の構造に限らない。発光層320として、他のダブルヘテロ構造、量子井戸構造等既存の発光層を採用することができる。また、本発明のα−Ga2O3単結晶310と発光層320との間に界面制御層を設けてもよい。例えば、発光層320がAlGaNである場合に、界面制御層としてAlGaNバッファ層をα−Ga2O3単結晶310上に形成し、結晶性が高く、欠陥の少ないAlGaNを形成し、発光効率を向上させることができる。 The light emitting device of the present invention is not limited to the structure shown in FIG. As the light emitting layer 320, an existing light emitting layer such as another double hetero structure or a quantum well structure can be adopted. Further, an interface control layer may be provided between the α-Ga 2 O 3 single crystal 310 of the present invention and the light emitting layer 320. For example, when the light emitting layer 320 is AlGaN, an AlGaN buffer layer is formed as an interface control layer on the α-Ga 2 O 3 single crystal 310 to form AlGaN having high crystallinity and few defects, thereby improving the light emission efficiency. Can be improved.
図4は、本発明のα−Ga2O3単結晶を備えたトランジスタを示す模式図である。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a transistor provided with the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention.
トランジスタ400は、少なくとも、本発明のα−Ga2O3単結晶410と、α−Ga2O3単結晶410の一方の主面の一部に形成されたソース420と、ソース420と対向して形成されたドレイン430と、ソース420とドレイン430との間に形成されたチャネル440と、チャネル440上に形成された絶縁膜450と、絶縁膜450上に形成されたゲート電極460とを備える。 The transistor 400 at least faces the α-Ga 2 O 3 single crystal 410 of the present invention, the source 420 formed on a part of one main surface of the α-Ga 2 O 3 single crystal 410, and the source 420. A drain 430 formed as described above, a channel 440 formed between the source 420 and the drain 430, an insulating film 450 formed on the channel 440, and a gate electrode 460 formed on the insulating film 450. ..
α−Ga2O3単結晶410は、実施の形態1で説明した本発明のα−Ga2O3単結晶であるが、好ましくは、4価の価数を有する元素をさらに含有し、n型の導電性を示す。例えば、α−Ga2O3単結晶410は、Si、Hf、Ge、Sn、TiおよびZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含有する。α−Ga2O3単結晶410の厚さは、例えば、0.1μm以上10μm以下である。 The α-Ga 2 O 3 single crystal 410 is the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention described in the first embodiment, but preferably further contains an element having a tetravalent valence, and n Shows the conductivity of the mold. For example, the α-Ga 2 O 3 single crystal 410 contains at least one element selected from the group consisting of Si, Hf, Ge, Sn, Ti and Zr. The thickness of the α-Ga 2 O 3 single crystal 410 is, for example, 0.1 μm or more and 10 μm or less.
なお、α−Ga2O3単結晶410は、単一の単結晶体からなってもよいし、ノンドープα−Ga2O3単結晶上にドープα−Ga2O3単結晶膜からなる複数の単結晶体からなってもよい。図4に示すように、α−Ga2O3単結晶410は、サファイア基板401上の単結晶膜であってもよい。 Incidentally, α-Ga 2 O 3 single crystal 410 is comprised of a single may be made of a single crystal, doped α-Ga 2 O 3 single crystal film on a non-doped α-Ga 2 O 3 single crystal plurality May be made of a single crystal. As shown in FIG. 4, the α-Ga 2 O 3 single crystal 410 may be a single crystal film on the sapphire substrate 401.
ソース420は、α−Ga2O3単結晶410の一部に4価の価数を有する元素を高濃度に注入されたn+領域470aと、n+領域470a上に形成された電極480aとを備える。4価の価数を有する元素は、Si、Hf、Ge、Sn、TiおよびZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、その注入濃度は、1×1015cm−3以上1×1019cm−3以下の範囲であり得る。電極480aは、Al、Ti、Pt、Ru、Au、および、これらの合金からなる群から選択される金属材料である。 The source 420 includes an n + region 470a in which a part of the α-Ga 2 O 3 single crystal 410 is highly-implanted with an element having a valence of 4 and an electrode 480a formed on the n + region 470a. .. The element having a tetravalent valence is at least one element selected from the group consisting of Si, Hf, Ge, Sn, Ti and Zr, and the implantation concentration thereof is 1 × 10 15 cm −3 or more 1. × may be 10 19 cm -3 or less. The electrode 480a is a metal material selected from the group consisting of Al, Ti, Pt, Ru, Au, and alloys thereof.
ドレイン430は、α−Ga2O3単結晶410の一部に4価の価数を有する元素を高濃度に注入されたn+領域470bと、n+領域470b上に形成された電極480bとを備える。n+領域470aと同様に、4価の価数を有する元素は、Si、Hf、Ge、Sn、TiおよびZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、その注入濃度は、1×1015cm−3以上1×1019cm−3以下の範囲であり得る。電極480bは、Al、Ti、Pt、Ru、Au、および、これらの合金からなる群から選択される金属材料である。 The drain 430 includes an n + region 470b in which a part of the α-Ga 2 O 3 single crystal 410 is highly-implanted with an element having a valence of 4 and an electrode 480b formed on the n + region 470b. .. Like the n + region 470a, the element having a tetravalent valence is at least one element selected from the group consisting of Si, Hf, Ge, Sn, Ti, and Zr, and the implantation concentration thereof is 1 ×. It may be in the range of 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less. The electrode 480b is a metal material selected from the group consisting of Al, Ti, Pt, Ru, Au, and alloys thereof.
絶縁膜450は、Al2O3、SiO2、HfO2、SiN、および、SiONからなる群から選択される絶縁材料である。ゲート電極406は、Al、Ti、Pt、Ru、Au、および、これらの合金からなる群から選択される金属材料である。絶縁膜450の厚さは、例えば、例えば、1nm以上100nm以下である。 The insulating film 450 is an insulating material selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , HfO 2 , SiN, and SiON. The gate electrode 406 is a metal material selected from the group consisting of Al, Ti, Pt, Ru, Au, and alloys thereof. The thickness of the insulating film 450 is, for example, 1 nm or more and 100 nm or less.
このようなトランジスタ400の製造方法について説明する。トランジスタ400は、既存のLSI製造プロセスによって製造される。例えば、トランジスタ400は、実施の形態1で得たα−Ga2O3単結晶410上に、フォトリソグラフィ技術を用いて、イオン注入によりn+領域470aおよび470bを形成し、次いで、気相エピタキシャル成長法、液相エピタキシャル成長法、ハライド気相成長法、有機金属化学気相蒸着法(MOCVD)等の既存の成長技術を用いて、絶縁膜450を形成し、次いで、真空蒸着、スパッタリング等の既存の電極形成技術により、電極480aおよび480bならびにゲート電極460を形成することによって製造される。 A method for manufacturing such a transistor 400 will be described. The transistor 400 is manufactured by an existing LSI manufacturing process. For example, in the transistor 400, n + regions 470a and 470b are formed by ion implantation on the α-Ga 2 O 3 single crystal 410 obtained in Embodiment 1 by photolithography and then vapor phase epitaxial growth method is performed. , An insulating film 450 is formed by using an existing growth technique such as a liquid phase epitaxial growth method, a halide vapor phase growth method, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD), and then an existing electrode such as a vacuum vapor deposition and a sputtering method is formed. It is manufactured by forming the electrodes 480a and 480b and the gate electrode 460 by a forming technique.
図示しないが、n型半導体として本発明のα−Ga2O3単結晶を用いて、pn接合(ヘテロ接合であってもよい)を形成し、ダイオードを製造することができる。 Although not shown, the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention is used as an n-type semiconductor to form a pn junction (may be a heterojunction) to manufacture a diode.
図5は、本発明のα−Ga2O3単結晶を備えた紫外線検出素子を示す模式図である。 Figure 5 is a schematic view showing an ultraviolet detector element having a α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention.
図5(A)および(B)に示されるように、紫外線検出素子500、500’は、少なくとも、本発明のα−Ga2O3単結晶510と、α−Ga2O3単結晶510上に形成されたショットキー電極520と、α−Ga2O3単結晶510に形成されたオーミック電極530とを備える。詳細には、図5(A)の紫外線検出素子500によれば、ショットキー電極520は、α−Ga2O3単結晶510の一方の主面上に形成され、オーミック電極530は、α−Ga2O3単結晶510のもう一方の主面(図5では裏面)上に形成される。一方、図5(B)の紫外線検出素子500’によれば、後述するように、サファイア基板540上にα−Ga2O3単結晶510が位置するので、ショットキー電極520およびオーミック電極530は、いずれもα−Ga2O3単結晶510の同一の主面上に形成される。 As shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B), the ultraviolet ray detecting elements 500 and 500 ′ have at least the α-Ga 2 O 3 single crystal 510 of the present invention and the α-Ga 2 O 3 single crystal 510. A Schottky electrode 520 formed on the substrate and an ohmic electrode 530 formed on the α-Ga 2 O 3 single crystal 510. Specifically, according to the ultraviolet detection element 500 of FIG. 5A, the Schottky electrode 520 is formed on one main surface of the α-Ga 2 O 3 single crystal 510, and the ohmic electrode 530 is the α-. It is formed on the other main surface (back surface in FIG. 5) of the Ga 2 O 3 single crystal 510. On the other hand, according to the ultraviolet ray detection element 500 ′ of FIG. 5B, since the α-Ga 2 O 3 single crystal 510 is located on the sapphire substrate 540, the Schottky electrode 520 and the ohmic electrode 530 are , Both are formed on the same main surface of the α-Ga 2 O 3 single crystal 510.
α−Ga2O3単結晶510は、実施の形態1で説明した本発明のα−Ga2O3単結晶であるが、好ましくは、4価の価数を有する元素をさらに含有し、n型の導電性を示す。例えば、α−Ga2O3単結晶510は、Si、Hf、Ge、Sn、TiおよびZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含有する。α−Ga2O3単結晶510の厚さは、例えば、100μm以上1000μm以下である。 The α-Ga 2 O 3 single crystal 510 is the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention described in the first embodiment, but preferably further contains an element having a tetravalent valence, n Shows the conductivity of the mold. For example, the α-Ga 2 O 3 single crystal 510 contains at least one element selected from the group consisting of Si, Hf, Ge, Sn, Ti and Zr. The thickness of the α-Ga 2 O 3 single crystal 510 is, for example, 100 μm or more and 1000 μm or less.
なお、α−Ga2O3単結晶510は、図5(A)に示すように単一の単結晶体からなってもよいし、図5(B)に示すようにサファイア基板540上の単結晶膜であってもよい。ただし、サファイア基板540上の単結晶膜の場合は、オーミック電極530は、サファイア基板540の裏面ではなくα−Ga2O3単結晶510主面上のショットキー電極520の付近に形成される。 Note that the α-Ga 2 O 3 single crystal 510 may be formed of a single single crystal body as illustrated in FIG. 5A or may be a single crystal on a sapphire substrate 540 as illustrated in FIG. 5B. It may be a crystal film. However, in the case of a single crystal film on the sapphire substrate 540, the ohmic electrode 530 is formed near the Schottky electrode 520 on the main surface of the α-Ga 2 O 3 single crystal 510, not on the back surface of the sapphire substrate 540.
ショットキー電極520は、Ni、Pt、Au、および、これらの合金からなる群から選択される金属材料であってもよい。 The Schottky electrode 520 may be a metal material selected from the group consisting of Ni, Pt, Au, and alloys thereof.
オーミック電極530は、Ti、In、および、これらの合金からなる群から選択される金属材料でありうる。 The ohmic electrode 530 can be a metal material selected from the group consisting of Ti, In, and alloys thereof.
このような紫外線検出素子500の製造方法について説明する。紫外線検出素子500は、既存の大規模集積回路(LSI)製造プロセスによって製造される。例えば、紫外線検出素子500は、実施の形態1で得たα−Ga2O3単結晶510の主面および裏面にそれぞれショットキー電極520およびオーミック電極530を、真空蒸着、スパッタリング等の既存の金属膜製膜技術とフォトリソグラフィとにより形成することによって製造される。紫外線検出素子500’も、同様に、サファイア基板540上に形成されたα−Ga2O3単結晶510の主面に、ショットキー電極520およびオーミック電極530を上述の金属膜成膜技術とフォトリソグラフィとにより形成すればよい。 A method of manufacturing such an ultraviolet ray detection element 500 will be described. The ultraviolet ray detection element 500 is manufactured by an existing large-scale integrated circuit (LSI) manufacturing process. For example, the ultraviolet ray detection element 500 includes the Schottky electrode 520 and the ohmic electrode 530 on the main surface and the back surface of the α-Ga 2 O 3 single crystal 510 obtained in the first embodiment, and the existing metal such as vacuum vapor deposition and sputtering. It is manufactured by forming the film by a film forming technique and photolithography. Similarly, in the ultraviolet ray detecting element 500 ′, the Schottky electrode 520 and the ohmic electrode 530 are formed on the main surface of the α-Ga 2 O 3 single crystal 510 formed on the sapphire substrate 540 by the above-described metal film forming technique and photolithography. It may be formed by lithography.
次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 The present invention will now be described in detail with reference to specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
実施例1では、図1の気相成長装置100を用いた、本発明によるハライド気相成長法(HVPE)により(0001)面(c面)サファイア基板上にα−Ga2O3単結晶を製造した(図2のステップS210)。
[Example 1]
In Example 1, an α-Ga 2 O 3 single crystal was formed on a (0001) plane (c-plane) sapphire substrate by the halide vapor phase epitaxy method (HVPE) according to the present invention using the vapor phase growth apparatus 100 shown in FIG. 1. It was manufactured (step S210 in FIG. 2).
具体的な製造条件は次のとおりである。気相成長装置100において、反応炉110は石英管であり、内部を大気圧に維持した。反応炉110内の基板ホルダ160にはc面サファイア基板(10cm2以上の面積)を設置した。ヒータ120により反応炉110内を550℃に維持した。 The specific manufacturing conditions are as follows. In the vapor phase growth apparatus 100, the reaction furnace 110 was a quartz tube, and the inside was maintained at atmospheric pressure. A c-plane sapphire substrate (area of 10 cm 2 or more) was installed on the substrate holder 160 in the reaction furnace 110. The inside of the reaction furnace 110 was maintained at 550 ° C. by the heater 120.
ガリウム原料供給源130内部にガリウム(Ga)金属170(純度99.99999%以上)を配置し、ハロゲン化水素ガスとして塩化水素(HCl)ガス(純度99.999%以上)を供給した。これにより、Ga金属とHClとを反応させ、ガリウム原料であるGaClおよび/またはGaCl3のGaのハロゲン化物を生成した。酸素原料供給源140から酸素原料としてO2ガス(純度99.99995%以上)を供給した。これらGaのハロゲン化物およびO2ガスを、キャリアガスとしてN2ガス(純度99.9999%以上)でフローした。Gaのハロゲン化物(GaCl/GaCl3)の分圧およびO2の分圧を、それぞれ、0.25kPaおよび1.0kPaに維持した。なお、HClガスは、反応炉110内が550℃に達してから成膜中のみ導入したが、O2ガスは、昇温から降温まで導入し続けた。成膜時間は7分であった。 A gallium (Ga) metal 170 (purity of 99.99999% or more) was placed inside the gallium raw material supply source 130, and hydrogen chloride (HCl) gas (purity of 99.999% or more) was supplied as a hydrogen halide gas. As a result, Ga metal and HCl were reacted to generate Ga halide of GaCl and / or GaCl 3 as a gallium raw material. O 2 gas (purity 99.99995% or more) was supplied as an oxygen source from the oxygen source supply source 140. The Ga halide and O 2 gas were flown as N 2 gas (purity of 99.9999% or more) as a carrier gas. The Ga halide (GaCl / GaCl 3 ) partial pressure and O 2 partial pressure were maintained at 0.25 kPa and 1.0 kPa, respectively. The HCl gas was introduced only during the film formation after the temperature inside the reaction furnace 110 reached 550 ° C., but the O 2 gas was continuously introduced from the temperature increase to the temperature decrease. The film formation time was 7 minutes.
このようにして得られたc面サファイア基板上の膜の膜厚を測定し、成長速度を算出した。また、ω−2θスキャンX線回折測定を行い、得られた膜がα−Ga2O3であることを同定した。結果を図6に示す。さらに、得られた膜が単結晶であることを、α−Ga2O3の(10−12)回折を用いたX線極点図(Pole Figure)測定を行い、確認した。結果を図8(A)に示す。得られた膜の不純物濃度を、二次イオン質量分析法(SIMS)を用いて測定した。結果を表2に示す。得られた膜の光吸収スペクトルを測定した。結果を図9に示す。 The film thickness of the film thus obtained on the c-plane sapphire substrate was measured, and the growth rate was calculated. Further, ω-2θ scan X-ray diffraction measurement was performed, and it was identified that the obtained film was α-Ga 2 O 3 . Results are shown in FIG. Furthermore, it was confirmed that the obtained film was a single crystal by performing an X-ray pole figure (Pole Figure) measurement using (10-12) diffraction of α-Ga 2 O 3 . The results are shown in Fig. 8 (A). The impurity concentration of the obtained film was measured using secondary ion mass spectrometry (SIMS). The results are shown in Table 2. The light absorption spectrum of the obtained film was measured. The results are shown in Fig. 9.
[比較例2]
比較例2では、成長温度を650℃にした以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。ω−2θスキャンX線回折測定により、このようにして得られた膜を同定した。結果を図7に示す。
[Comparative example 2]
Comparative Example 2 was the same as Example 1 except that the growth temperature was 650 ° C. In the same manner as in Example 1, the film thickness was measured and the growth rate was calculated. The film thus obtained was identified by ω-2θ scan X-ray diffraction measurement. The results are shown in Fig. 7.
[比較例3]
比較例2では、成長温度を250℃にした以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。
[Comparative Example 3]
Comparative Example 2 was the same as Example 1 except that the growth temperature was 250 ° C. In the same manner as in Example 1, the film thickness was measured and the growth rate was calculated.
[実施例4]
実施例4では、基板にR(10−12)面サファイア基板を用いた以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。ω−2θスキャンX線回折測定およびX線極点図測定を行い、膜を同定した。
[Example 4]
Example 4 was the same as Example 1 except that an R (10-12) plane sapphire substrate was used as the substrate. In the same manner as in Example 1, the film thickness was measured and the growth rate was calculated. ω-2θ scan X-ray diffraction measurement and X-ray pole figure measurement were performed to identify the film.
[実施例5]
実施例5では、基板にM(10−10)面サファイア基板を用いた以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。ω−2θスキャンX線回折測定およびX線極点図測定を行い、膜を同定した。
[Example 5]
Example 5 was the same as Example 1 except that an M (10-10) plane sapphire substrate was used as the substrate. In the same manner as in Example 1, the film thickness was measured and the growth rate was calculated. ω-2θ scan X-ray diffraction measurement and X-ray pole figure measurement were performed to identify the film.
[実施例6]
実施例6では、基板にA(11−20)面サファイア基板を用いた以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。ω−2θスキャンX線回折測定およびX線極点図測定を行い、膜を同定した。
[Example 6]
Example 6 was the same as Example 1 except that an A (11-20) plane sapphire substrate was used as the substrate. In the same manner as in Example 1, the film thickness was measured and the growth rate was calculated. ω-2θ scan X-ray diffraction measurement and X-ray pole figure measurement were performed to identify the film.
[実施例7]
実施例7では、基板にc面10度オフサファイア基板を用いた以外は、実施例1と同様であった。実施例1と同様に、膜厚を測定し、成長速度を算出した。ω−2θスキャンX線回折測定およびX線極点図測定を行い、膜を同定した。
[Example 7]
Example 7 was the same as Example 1 except that a c-plane 10 ° off-sapphire substrate was used as the substrate. In the same manner as in Example 1, the film thickness was measured and the growth rate was calculated. ω-2θ scan X-ray diffraction measurement and X-ray pole figure measurement were performed to identify the film.
以上の実施例/比較例1〜7の実験条件、ならびに、膜厚および成長速度を簡単のため表1にまとめ、結果を詳述する。 The experimental conditions of the above Examples / Comparative Examples 1 to 7, the film thickness and the growth rate are summarized in Table 1 for simplicity, and the results are described in detail.
図6は、実施例1で得られた膜のω−2θスキャンX線回折パターンを示す図である。
図7は、比較例2で得られた膜のω−2θスキャンX線回折パターンを示す図である。
FIG. 6 is a view showing an ω-2θ scan X-ray diffraction pattern of the film obtained in Example 1.
FIG. 7 is a view showing an ω-2θ scan X-ray diffraction pattern of the film obtained in Comparative Example 2.
図6によれば、実施例1で得られた膜の回折パターンは、α−Ga2O3の(0006)の回折ピーク、および、その高次の回折ピークのみを示した。このことから、実施例1で得られた膜は、β−Ga2O3の混入のない、c面配向したα−Ga2O3であることが分かった。なお、実施例4〜実施例7で得られた膜もまた、それぞれのサファイア基板と同じ面方位のα−Ga2O3からの回折ピークのみが現れることを確認した。 According to FIG. 6, the diffraction pattern of the film obtained in Example 1 showed only the diffraction peak of (0006) of α-Ga 2 O 3 and its higher-order diffraction peaks. From this, it was found that the film obtained in Example 1 was c-plane oriented α-Ga 2 O 3 with no β-Ga 2 O 3 mixed therein. In addition, it was confirmed that the films obtained in Examples 4 to 7 also exhibited only diffraction peaks from α-Ga 2 O 3 having the same plane orientation as that of each sapphire substrate.
図7によれば、比較例2で得られた膜の回折パターンは、図6の実施例1のそれとは異なり、α−Ga2O3の(0006)の回折ピークがわずかに観察されたものの、β−Ga2O3を示す回折ピークを示した。このことから、比較例2で得られた膜は、微量のα−Ga2O3を含有するβ−Ga2O3多結晶であることが分かった。 According to FIG. 7, although the diffraction pattern of the film obtained in Comparative Example 2 is different from that of Example 1 in FIG. 6, a slight diffraction peak of (0006) of α-Ga 2 O 3 is observed. , Β-Ga 2 O 3 was observed. From this, it was found that the film obtained in Comparative Example 2 was a β-Ga 2 O 3 polycrystal containing a small amount of α-Ga 2 O 3 .
比較例3では、成長速度が著しく低下したため、結晶性を評価できる膜が得られなかった。成長速度の低下は、成長温度の低下に伴い、HClとGaとの反応効率が低下したことと、結晶析出反応の速度(反応速度律速)が低下したこととによる。 In Comparative Example 3, since the growth rate was remarkably reduced, a film whose crystallinity could be evaluated could not be obtained. The decrease in the growth rate is due to the decrease in the reaction efficiency between HCl and Ga and the decrease in the rate of the crystal precipitation reaction (reaction rate limiting rate) with the decrease in the growth temperature.
表1の実施例1および実施例4〜7の成長速度を参照すると、成長速度は、10μm/時間以上1mm/時間以下(具体的には、17μm/時間以上40μm/時間以下)であった。非特許文献2〜4によるミストCVD法によるα−Ga2O3の成長速度(例えば、1μm/時間)と比較すると、本発明によるハライド気相成長法を採用すれば、少なくとも数10倍以上の大きな成長速度でα−Ga2O3を製造できることが分かった。 Referring to the growth rates of Example 1 and Examples 4 to 7 in Table 1, the growth rate was 10 μm / hour or more and 1 mm / hour or less (specifically, 17 μm / hour or more and 40 μm / hour or less). Compared with the growth rate (for example, 1 μm / hour) of α-Ga 2 O 3 by the mist CVD method according to Non-Patent Documents 2 to 4, if the halide vapor phase growth method according to the present invention is adopted, it is at least several ten times or more. It was found that α-Ga 2 O 3 can be produced at a high growth rate.
以上より、本発明のハライド気相成長法(HVPE)を用いれば、250℃より高く650℃未満の温度範囲の成長温度において、任意の面を有するサファイア基板上にα−Ga2O3膜を大きな成長速度で製造できることが分かった。 From the above, when the halide vapor phase epitaxy method (HVPE) of the present invention is used, an α-Ga 2 O 3 film is formed on a sapphire substrate having an arbitrary surface at a growth temperature in a temperature range higher than 250 ° C. and lower than 650 ° C. It was found that it can be manufactured at a large growth rate.
図8は、実施例1で得られた膜のX線極点図測定の結果を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing the result of X-ray pole figure measurement of the film obtained in Example 1.
図8(A)は、実施例1で得られた膜(α−Ga2O3膜)の(10−12)回折を用いたX線極点図測定の結果を示す図である。参考のため、図8(B)に、c面サファイア基板の(10−12)回折を用いたX線極点図測定の結果をあわせて示す。 FIG. 8A is a diagram showing the result of X-ray pole figure measurement using (10-12) diffraction of the film (α-Ga 2 O 3 film) obtained in Example 1. For reference, FIG. 8B also shows the result of the X-ray pole figure measurement using (10-12) diffraction of the c-plane sapphire substrate.
図8(A)によれば、120度ずつ回転した位置に3か所のスポットを示した。この結果は、α−Ga2O3の結晶構造がc面の法線まわりに3回の回転対称性を有することに一致し、実施例1で得られたα−Ga2O3膜が、面内回転ドメイン等の異なる方位の領域を含まない単結晶であることを示す。 According to FIG. 8A, three spots are shown at positions rotated by 120 degrees. This result is consistent with the crystal structure of α-Ga 2 O 3 having three-fold rotational symmetry around the normal to the c-plane, and the α-Ga 2 O 3 film obtained in Example 1 was It shows that the single crystal does not include regions of different orientations such as in-plane rotational domains.
さらに、図8(A)に示される3か所のスポットの場所は、図8(B)の3か所のスポットと同じ場所であった。このことは、実施例1で得られたα−Ga2O3膜が、c面サファイア基板の面方位にしたがって成長したことを示す。 Further, the locations of the three spots shown in FIG. 8 (A) were the same as the locations of the three spots in FIG. 8 (B). This indicates that the α-Ga 2 O 3 film obtained in Example 1 grew according to the plane orientation of the c-plane sapphire substrate.
図示しないが、実施例4〜実施例7で得られた膜もまた、単結晶膜に期待される、サファイア基板と同様の極点図を示すことを確認した。 Although not shown, it was confirmed that the films obtained in Examples 4 to 7 also showed the pole figure similar to that of the sapphire substrate expected for the single crystal film.
以上より、本発明のハライド気相成長法(HVPE)を用いれば、250℃より高く650℃未満の温度範囲の成長温度において、任意の面を有するサファイア基板上にα−Ga2O3単結晶膜を大きな成長速度で製造できることが分かった。 As described above, when the halide vapor phase epitaxy method (HVPE) of the present invention is used, the α-Ga 2 O 3 single crystal is grown on a sapphire substrate having an arbitrary surface at a growth temperature in a temperature range higher than 250 ° C. and lower than 650 ° C. It has been found that the film can be produced at high growth rates.
表2は、実施例1で得られたα−Ga2O3膜の不純物濃度の結果を示す。 Table 2 shows the result of the impurity concentration of the α-Ga 2 O 3 film obtained in Example 1.
表2によれば、Al、CおよびHの濃度は、それぞれの元素に対する検出限界以下であることが分かった。Clの濃度は、1.5×1017cm−3であり、Siの濃度は、3.0×1016cm−3であった。参考例として示す非特許文献3に開示されるミストCVD法によって製造されたα−Ga2O3膜の各不純物濃度と比較すると、本発明によるα−Ga2O3膜によれば、とりわけ、Al、CおよびHの不純物量が、劇的に低減されていることが分かった。これは、本発明のハライド気相成長法(HVPE)によれば、C、Hによる汚染原因となる有機化合物を出発原料に用いないこと、ならびに、成長速度が非常に大きいためにサファイア基板からのAlの拡散が少ないことに起因する。 From Table 2, it was found that the concentrations of Al, C and H were below the detection limit for each element. The concentration of Cl was 1.5 × 10 17 cm −3 , and the concentration of Si was 3.0 × 10 16 cm −3 . Compared to non-patent each impurity concentration of the alpha-Ga 2 O 3 film produced by the mist CVD method disclosed in Reference 3 shown as a reference example, according to the alpha-Ga 2 O 3 film of the present invention, among others, It was found that the amounts of impurities of Al, C and H were dramatically reduced. This is because, according to the halide vapor phase epitaxy method (HVPE) of the present invention, an organic compound which causes contamination by C and H is not used as a starting material, and the growth rate is very high, so that This is due to the small diffusion of Al.
一方、Siは、反応炉110(図1)として用いた石英管からのSiの拡散によるものであるが、本発明によれば、4価の価数を有する元素としてSiを含有するα−Ga2O3膜を得たい場合、Siを含有する原料を用いることなく、成長条件を操作するだけでよいことが示唆される。 On the other hand, Si is due to the diffusion of Si from the quartz tube used as the reaction furnace 110 (FIG. 1), but according to the present invention, α-Ga containing Si as an element having a tetravalent valence. It is suggested that if one wants to obtain a 2 O 3 film, it suffices to manipulate the growth conditions without using a raw material containing Si.
図9は、実施例1で得られた膜の光吸収係数スペクトルを示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing a light absorption coefficient spectrum of the film obtained in Example 1.
図9に示されるように、実施例1で得られたα−Ga2O3膜(単結晶膜)の波長300nm以上の光に対する吸収係数は、500cm−1以下であることが分かった。詳細には、波長300nmの光に対する吸収係数は、200cm−1であった。この結果は、表2を参照して説明したように、本発明のハライド気相成長法(HVPE)によって得られたα−Ga2O3膜の不純物濃度が、極めて低いことに一致する。 As shown in FIG. 9, it was found that the α-Ga 2 O 3 film (single crystal film) obtained in Example 1 had an absorption coefficient of 500 cm −1 or less for light having a wavelength of 300 nm or more. Specifically, the absorption coefficient for light with a wavelength of 300 nm was 200 cm −1 . This result is consistent with the extremely low impurity concentration of the α-Ga 2 O 3 film obtained by the halide vapor phase epitaxy (HVPE) of the present invention, as described with reference to Table 2.
図示しないが、実施例4〜実施例7で得られた膜も同様の光吸収係数スペクトルを示し、不純物濃度が低いことを確認した。 Although not shown, the films obtained in Examples 4 to 7 also showed similar light absorption coefficient spectra, and it was confirmed that the impurity concentration was low.
以上より、本発明のハライド気相成長法(HVPE)を用いれば、カーボン濃度が5×1018cm−3以下であり、水素濃度が5×1018cm−3以下であり、アルミニウム濃度が4×1016cm−3以下であり、塩素濃度が1×1018cm−3以下であるα−Ga2O3単結晶が得られることが分かった。本発明によるα−Ga2O3単結晶は、波長300nmに対する吸収係数が小さいので、このようなα−Ga2O3単結晶を発光素子の基板に用いれば、効率的に発光光を取り出すことができる。 From the above, when the halide vapor phase epitaxy method (HVPE) of the present invention is used, the carbon concentration is 5 × 10 18 cm −3 or less, the hydrogen concentration is 5 × 10 18 cm −3 or less, and the aluminum concentration is 4 or less. It was found that an α-Ga 2 O 3 single crystal having a chlorine concentration of 1 × 10 16 cm −3 or less and a chlorine concentration of 1 × 10 18 cm −3 or less was obtained. Since the α-Ga 2 O 3 single crystal according to the present invention has a small absorption coefficient for a wavelength of 300 nm, if such an α-Ga 2 O 3 single crystal is used as a substrate of a light emitting device, emitted light can be efficiently extracted. You can
[実施例8]
実施例8では、図1の気相成長装置100を用いた、本発明によるハライド気相成長法(HVPE)により、α−Ga2O3単結晶自立基板を製造した。実施例8では、Gaのハロゲン化物(GaCl/GaCl3)の分圧およびO2の分圧を、それぞれ、0.5kPaおよび2.0kPaに維持し、成長時間を5時間(300分)にした以外は、実施例1と同様であった。
[Example 8]
In Example 8, an α-Ga 2 O 3 single crystal free-standing substrate was manufactured by the halide vapor phase epitaxy method (HVPE) according to the present invention using the vapor phase growth apparatus 100 shown in FIG. 1. In Example 8, the partial pressure of Ga halide (GaCl / GaCl 3 ) and the partial pressure of O 2 were maintained at 0.5 kPa and 2.0 kPa, respectively, and the growth time was 5 hours (300 minutes). Other than that was the same as that of Example 1.
5時間成長後、c面サファイア基板上に厚さ600μm、10cm2以上の面積を有する膜が得られた(図2のステップS210)。ω−2θスキャンX線回折測定およびX線極点図測定を行い、得られた膜がα−Ga2O3単結晶であることを確認した。また、膜の成長速度は120μm/時間であった。 After growth for 5 hours, a film having a thickness of 600 μm and an area of 10 cm 2 or more was obtained on the c-plane sapphire substrate (step S210 in FIG. 2). ω-2θ scan X-ray diffraction measurement and X-ray pole figure measurement were performed, and it was confirmed that the obtained film was an α-Ga 2 O 3 single crystal. The film growth rate was 120 μm / hour.
次いで、c面サファイア基板を除去した(図2のステップS220)。基板は、格別の装置を用いることなく、手作業により容易に除去された。基板が除去されたα−Ga2O3単結晶の両面を研磨し、厚さ400μm、10cm2以上の面積を有するα−Ga2O3単結晶自立基板を得た。 Then, the c-plane sapphire substrate was removed (step S220 in FIG. 2). The substrate was easily removed manually without the use of special equipment. Both surfaces of the α-Ga 2 O 3 single crystal from which the substrate was removed were polished to obtain an α-Ga 2 O 3 single crystal free-standing substrate having a thickness of 400 μm and an area of 10 cm 2 or more.
以上より、本発明のハライド気相成長法(HVPE)を用いれば、α−Ga2O3単結晶からなる自立基板を製造できることが分かった。 From the above, it was found that a free-standing substrate made of α-Ga 2 O 3 single crystal can be manufactured by using the halide vapor phase epitaxy method (HVPE) of the present invention.
[実施例9]
実施例9では、図1の気相成長装置100を用いた、本発明によるハライド気相成長法(HVPE)により、複数のα−Ga2O3単結晶自立基板を製造した。実施例9では、基板に実施例8で得た厚さ400μm、10cm2以上の面積を有するα−Ga2O3単結晶自立基板を用い、成長時間を30時間(1800分)にした以外は、実施例8と同様であった。
[Example 9]
In Example 9, a plurality of α-Ga 2 O 3 single crystal free-standing substrates were manufactured by the halide vapor phase epitaxy method (HVPE) according to the present invention using the vapor phase growth apparatus 100 of FIG. 1. In Example 9, an α-Ga 2 O 3 single crystal free-standing substrate having a thickness of 400 μm and an area of 10 cm 2 or more obtained in Example 8 was used as the substrate, and the growth time was 30 hours (1800 minutes). The same as in Example 8.
30時間成長後、α−Ga2O3単結晶自立基板上に厚さ3mmを有する膜が得られた(図2のステップS210)。ω−2θスキャンX線回折測定およびX線極点図測定を行い、得られた膜もまたα−Ga2O3単結晶であることを確認した。また、膜の成長速度は100μm/時間であった。 After growing for 30 hours, a film having a thickness of 3 mm was obtained on the α-Ga 2 O 3 single crystal free-standing substrate (step S210 in FIG. 2). ω-2θ scan X-ray diffraction measurement and X-ray pole figure measurement were performed, and it was confirmed that the obtained film was also an α-Ga 2 O 3 single crystal. The film growth rate was 100 μm / hour.
次いで、得られたα−Ga2O3単結晶をマルチワイヤソーで4枚にスライスした(図2のステップS220)。スライスされた各α−Ga2O3単結晶の両面を研磨し、厚さ400μmを有するα−Ga2O3単結晶自立基板を4枚得た。 Then, the obtained α-Ga 2 O 3 single crystal was sliced into four pieces with a multi-wire saw (step S220 in FIG. 2). Both sides of each sliced α-Ga 2 O 3 single crystal were polished to obtain four α-Ga 2 O 3 single crystal free-standing substrates having a thickness of 400 μm.
以上より、本発明のハライド気相成長法(HVPE)を用いれば、α−Ga2O3単結晶からなる自立基板を成長基板として用い、その上に、α−Ga2O3単結晶(バルク単結晶)を製造できることが分かった。さらに、α−Ga2O3バルク単結晶から複数のα−Ga2O3単結晶自立基板を得ることができることが分かった。 From the above, according to the halide vapor phase epitaxy method (HVPE) of the present invention, a free-standing substrate made of α-Ga 2 O 3 single crystal is used as a growth substrate, and α-Ga 2 O 3 single crystal (bulk) is used. It has been found that a single crystal) can be produced. Further, it was found that a plurality of α-Ga 2 O 3 single crystal free-standing substrates can be obtained from the α-Ga 2 O 3 bulk single crystal.
本発明の製造方法を採用すれば、不純物濃度が制御された、良質なα−Ga2O3単結晶膜、さらには成長速度が大きいので、α−Ga2O3単結晶基板が得られる。本発明のα−Ga2O3単結晶は不純物濃度がきわめて低いので、α−Ga2O3本来の特性を発揮できる。このようなα−Ga2O3単結晶は、発光素子、ダイオード、トランジスタ、紫外線検出素子等の各種半導体素子に適用され得る。また、α−Ga2O3単結晶はその大きなバンドギャップ、優れた透光性から、半導体素子の中でも発光素子や電力用用途に有効である。本発明のα−Ga2O3単結晶はコランダム構造を有するので、同じコランダム構造を有するα−Al2O3またはα−In2O3との混晶によるバンドギャップエンジニアリング、あるいは、α−Al2O3またはα−In2O3とのヘテロ構造も可能である。 By adopting the manufacturing method of the present invention, a high-quality α-Ga 2 O 3 single crystal film with controlled impurity concentration and a high growth rate can be obtained, and thus an α-Ga 2 O 3 single crystal substrate can be obtained. Since the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention has an extremely low impurity concentration, it can exhibit the original properties of α-Ga 2 O 3 . Such an α-Ga 2 O 3 single crystal can be applied to various semiconductor elements such as a light emitting element, a diode, a transistor, and an ultraviolet ray detecting element. Further, α-Ga 2 O 3 single crystal is effective for light emitting devices and power applications among semiconductor devices because of its large bandgap and excellent light-transmitting property. Since the α-Ga 2 O 3 single crystal of the present invention has a corundum structure, band gap engineering by a mixed crystal with α-Al 2 O 3 or α-In 2 O 3 having the same corundum structure, or α-Al. Heterostructures with 2 O 3 or α-In 2 O 3 are also possible.
100 気相成長装置
110 反応炉
120 ヒータ
130 ガリウム原料供給源
140 酸素原料供給源
150 ガス排出部
160 基板ホルダ
170 ガリウム金属
300 発光素子
310、410、510 α−Ga2O3単結晶
320 発光層
330 n電極
340 p電極
370 ワイヤボンディング
380 リード
401、540 サファイア基板
400 トランジスタ
420 ソース
430 ドレイン
440 チャネル
450 絶縁膜
460 ゲート電極
470a、470b n+領域
480a、480b 電極
500、500’ 紫外線検出素子
520 ショットキー電極
530 オーミック電極
100 vapor phase growth apparatus 110 reaction furnace 120 heater 130 gallium raw material supply source 140 oxygen raw material supply source 150 gas discharge part 160 substrate holder 170 gallium metal 300 light emitting device 310, 410, 510 α-Ga 2 O 3 single crystal 320 light emitting layer 330 n electrode 340 p electrode 370 wire bonding 380 lead 401, 540 sapphire substrate 400 transistor 420 source 430 drain 440 channel 450 insulating film 460 gate electrode 470a, 470b n + region 480a, 480b electrode 500, 500 'UV detector 520 Schottky electrode 530 Ohmic electrode
Claims (10)
反応炉と、
前記反応炉を加熱するヒータと
を備え、
前記反応炉において、ガリウムのハロゲン化物と酸素原料とを反応させ、基板上にα−Ga2O3を成長する、製造装置。 A manufacturing apparatus for manufacturing α-Ga 2 O 3 by a halide vapor phase growth method,
A reactor,
A heater for heating the reaction furnace,
A manufacturing apparatus in which a halide of gallium and an oxygen source are reacted in the reaction furnace to grow α-Ga 2 O 3 on a substrate.
前記ガリウム原料供給源は、内部にガリウム金属が設置されるようになっており、
前記ガリウム原料供給源は、ハロゲンガスまたはハロゲン化水素ガスが前記ガリウム原料供給源に供給され、前記ガリウム原料供給源内にて前記ガリウム金属から前記ガリウムのハロゲン化物を生成し、前記ガリウムのハロゲン化物を前記反応炉に供給するよう制御され、
前記酸素原料供給源は、O2、H2OおよびN2Oからなる群から少なくとも1つ選択されるガスを前記酸素原料として前記反応炉に供給するよう制御される、請求項4に記載の製造装置。 The reaction furnace further includes a gallium raw material supply source, an oxygen raw material supply source, a gas discharge unit, and a substrate holder for mounting the substrate,
The gallium raw material supply source, gallium metal is installed inside,
The gallium raw material supply source, halogen gas or hydrogen halide gas is supplied to the gallium raw material supply source, to generate the gallium halide from the gallium metal in the gallium raw material supply source, the gallium halide Controlled to supply to the reactor,
The oxygen source according to claim 4, wherein the oxygen source is controlled to supply a gas selected from at least one of O 2 , H 2 O and N 2 O to the reactor as the oxygen source. Manufacturing equipment.
前記酸素原料供給源は、前記反応炉の昇温から降温までの間、前記酸素原料を前記反応炉に供給するよう制御される、請求項5〜7のいずれかに記載の製造装置。 The gallium raw material supply source supplies the halogen gas or hydrogen halide gas to the gallium gas supply source only after the temperature in the reaction furnace reaches the film formation temperature, and only during film formation. Controlled to supply gallium halide to the reactor,
The said oxygen raw material supply source is a manufacturing apparatus in any one of Claims 5-7 controlled so that the said oxygen raw material may be supplied to the said reaction furnace from the temperature rising of the said reaction furnace to the temperature fall.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019175454A JP6842128B2 (en) | 2019-09-26 | 2019-09-26 | α-Ga2O3 single crystal manufacturing equipment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019175454A JP6842128B2 (en) | 2019-09-26 | 2019-09-26 | α-Ga2O3 single crystal manufacturing equipment |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018192199A Division JP6618216B2 (en) | 2018-10-11 | 2018-10-11 | α-Ga2O3 Single Crystal, α-Ga2O3 Manufacturing Method, and Semiconductor Device Using the Same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020073424A true JP2020073424A (en) | 2020-05-14 |
JP6842128B2 JP6842128B2 (en) | 2021-03-17 |
Family
ID=70609974
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019175454A Active JP6842128B2 (en) | 2019-09-26 | 2019-09-26 | α-Ga2O3 single crystal manufacturing equipment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6842128B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114059173A (en) * | 2022-01-17 | 2022-02-18 | 浙江大学杭州国际科创中心 | Device and method for preparing gallium oxide material rod |
WO2023149180A1 (en) * | 2022-02-02 | 2023-08-10 | 信越化学工業株式会社 | Crystalline oxide film, multilayer structure, semiconductor device, and method for producing crystalline oxide film |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013028480A (en) * | 2011-07-27 | 2013-02-07 | Kochi Univ Of Technology | High-crystallinity conductive alpha type gallium oxide thin film with dopant added, and method of forming the same |
JP2014234337A (en) * | 2013-06-04 | 2014-12-15 | 株式会社Flosfia | Production method for oxide crystal thin film |
JP2015091740A (en) * | 2013-09-30 | 2015-05-14 | 株式会社タムラ製作所 | GROWTH METHOD OF β-Ga2O3-BASED SINGLE CRYSTAL FILM AND CRYSTAL LAMINATE STRUCTURE |
JP2016025256A (en) * | 2014-07-22 | 2016-02-08 | 株式会社Flosfia | Semiconductor device |
JP2016098166A (en) * | 2014-11-26 | 2016-05-30 | 株式会社Flosfia | Crystal growth substrate, crystalline laminated structure, method for manufacturing them and epitaxial growth method |
-
2019
- 2019-09-26 JP JP2019175454A patent/JP6842128B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013028480A (en) * | 2011-07-27 | 2013-02-07 | Kochi Univ Of Technology | High-crystallinity conductive alpha type gallium oxide thin film with dopant added, and method of forming the same |
JP2014234337A (en) * | 2013-06-04 | 2014-12-15 | 株式会社Flosfia | Production method for oxide crystal thin film |
JP2015091740A (en) * | 2013-09-30 | 2015-05-14 | 株式会社タムラ製作所 | GROWTH METHOD OF β-Ga2O3-BASED SINGLE CRYSTAL FILM AND CRYSTAL LAMINATE STRUCTURE |
JP2016025256A (en) * | 2014-07-22 | 2016-02-08 | 株式会社Flosfia | Semiconductor device |
JP2016098166A (en) * | 2014-11-26 | 2016-05-30 | 株式会社Flosfia | Crystal growth substrate, crystalline laminated structure, method for manufacturing them and epitaxial growth method |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114059173A (en) * | 2022-01-17 | 2022-02-18 | 浙江大学杭州国际科创中心 | Device and method for preparing gallium oxide material rod |
CN114059173B (en) * | 2022-01-17 | 2022-04-01 | 浙江大学杭州国际科创中心 | Device and method for preparing gallium oxide material rod |
WO2023149180A1 (en) * | 2022-02-02 | 2023-08-10 | 信越化学工業株式会社 | Crystalline oxide film, multilayer structure, semiconductor device, and method for producing crystalline oxide film |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6842128B2 (en) | 2021-03-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6422159B2 (en) | α-Ga2O3 Single Crystal, α-Ga2O3 Manufacturing Method, and Semiconductor Device Using the Same | |
JP6436538B2 (en) | ε-Ga2O3 single crystal, ε-Ga2O3 manufacturing method, and semiconductor device using the same | |
JP5018423B2 (en) | Group III nitride semiconductor crystal substrate and semiconductor device | |
JP6835113B2 (en) | Method for manufacturing gallium nitride substrate and nitride semiconductor crystal | |
CN1148810C (en) | Gallium nitride monocrystal substrate and its manufacturing method | |
JP5818853B2 (en) | Vertical nitride semiconductor device using n-type aluminum nitride single crystal substrate | |
JP4714192B2 (en) | Gallium nitride crystal growth method, gallium nitride crystal substrate, epi-wafer manufacturing method, and epi-wafer | |
WO2011135744A1 (en) | Gan substrate and light-emitting device | |
JP2009126723A (en) | Growing method of group iii nitride semiconductor crystal, fabrication method of group iii nitride semiconductor crystal substrate, and group iii nitride semiconductor crystal substrate | |
JP6618216B2 (en) | α-Ga2O3 Single Crystal, α-Ga2O3 Manufacturing Method, and Semiconductor Device Using the Same | |
JP4631681B2 (en) | Nitride-based semiconductor substrate and semiconductor device | |
JP2009126721A (en) | Growing method of group iii nitride semiconductor crystal, fabrication method of group iii nitride semiconductor crystal substrate, and group iii nitride semiconductor crystal substrate | |
CN108987257B (en) | Growth of Ga on Si substrate by halide vapor phase epitaxy2O3Method for making thin film | |
JP2010141037A (en) | Gallium nitride based semiconductor electronic device and method of producing the same, and epitaxial substrate and method of producing the same | |
JP6842128B2 (en) | α-Ga2O3 single crystal manufacturing equipment | |
US8253162B2 (en) | GaN substrate and light-emitting device | |
JPH0513342A (en) | Semiconductur diamond | |
JP2005343704A (en) | METHOD FOR PRODUCING AlxGayIn1-x-yN CRYSTAL | |
JP5034035B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor light emitting device | |
JP4513421B2 (en) | Method for producing AlxGayIn1-xyN crystal | |
JP5110117B2 (en) | Gallium nitride crystal growth method, gallium nitride crystal substrate, epi-wafer manufacturing method, and epi-wafer | |
WO2024135744A1 (en) | GaN SUBSTRATE | |
JPH0529653A (en) | Semiconductor device | |
WO2020241760A1 (en) | Gan substrate wafer and method for manufacturing same | |
TW202434766A (en) | Gallium Nitride (GaN) Substrate |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191023 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200915 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200917 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200917 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210202 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210204 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6842128 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |