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JP7315927B2 - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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JP7315927B2 JP2020021850A JP2020021850A JP7315927B2 JP 7315927 B2 JP7315927 B2 JP 7315927B2 JP 2020021850 A JP2020021850 A JP 2020021850A JP 2020021850 A JP2020021850 A JP 2020021850A JP 7315927 B2 JP7315927 B2 JP 7315927B2
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Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置とその製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

特許文献1には、ε型Ga層上にε型(AlGa)層を積層した構造を有する半導体装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device having a structure in which an ε-type (AlGa) 2 O 3 layer is laminated on an ε-type Ga 2 O 3 layer.

特開2019-009405号公報JP 2019-009405 A

直方晶系の半導体を好適に成長させる技術が確立されていない。したがって、本明細書では、直方晶系の半導体を好適に成長させる技術を提案する。 A technique for suitably growing a cubic system semiconductor has not been established. Therefore, this specification proposes a technique for suitably growing a cubic system semiconductor.

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、ミストCVD法によって、Ga2-xFe(0<x<2)により構成された第1層上に、前記第1層とは異なる組成を有する半導体材料により構成されているとともに直方晶系の結晶構造を有する第2層を成長させる工程を有する。 A method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present specification is a method for forming a different layer from the first layer on a first layer composed of Ga 2-x Fe x O 3 (0<x<2) by a mist CVD method. growing a second layer composed of a semiconductor material having a composition and having a cubic crystal structure.

なお、ミストCVD法は、ミストを反応させて膜を成長させるCVD法(chemical vapor deposition:化学気相成長法)である。 The mist CVD method is a CVD method (chemical vapor deposition) in which mist is reacted to grow a film.

この製造方法によれば、Ga2-xFeにより構成された第1層上に、直方晶系の結晶構造を有する第2層を好適に成長させることができる。 According to this manufacturing method, the second layer having a cubic crystal structure can be suitably grown on the first layer composed of Ga 2-x Fe x O 3 .

成膜装置10の説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram of the film forming apparatus 10; 基板70と酸化ガリウム膜72の断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view of a substrate 70 and a gallium oxide film 72; 基板70と酸化ガリウム膜72を2θスキャンによってX線解析した結果を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the result of X-ray analysis of the substrate 70 and the gallium oxide film 72 by 2θ scanning; 酸化ガリウム膜72をφスキャンによってX線解析した結果を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the results of X-ray analysis of the gallium oxide film 72 by φ scanning; 比較例の酸化ガリウム膜をφスキャンによってX線解析した結果を示す図。FIG. 10 is a diagram showing the result of X-ray analysis of a gallium oxide film of a comparative example by φ scanning; 基板70(ε-GaFeO)の表面を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the surface of a substrate 70 (ε-GaFeO 3 ); 酸化ガリウム膜72(κ-Ga)の表面を示す図。FIG. 4 shows the surface of a gallium oxide film 72 (κ-Ga 2 O 3 ); 成膜装置100の説明図。Explanatory drawing of the film-forming apparatus 100. FIG. 基板70と酸化ガリウム膜72とアルミニウムガリウム酸化物膜74の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a substrate 70, a gallium oxide film 72, and an aluminum gallium oxide film 74; 実施例2の製造方法によって製造される一例の半導体装置の断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view of an example of a semiconductor device manufactured by the manufacturing method of Embodiment 2; 基板70とインジウムガリウム酸化物膜76の断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view of a substrate 70 and an indium gallium oxide film 76; 基板70とインジウムガリウム酸化物膜76と酸化ガリウム膜78の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a substrate 70, an indium gallium oxide film 76, and a gallium oxide film 78; 実施例3の製造方法によって製造される一例の半導体装置の断面図。FIG. 11 is a cross-sectional view of an example of a semiconductor device manufactured by the manufacturing method of Example 3;

本明細書に開示の技術の特徴を以下に列記する。なお、以下の特徴は、独立して有用なものであり、組み合わせて用いることも可能である。 The features of the technology disclosed in this specification are listed below. It should be noted that the following features are useful independently and can also be used in combination.

前記第1層が、ε-Ga2-xFeにより構成されていてもよい。この構成によれば、より高品質な第2層を成長させることができる。 The first layer may be composed of ε-Ga 2-x Fe x O 3 . According to this configuration, a higher quality second layer can be grown.

前記第1層が、Ga2-xFe(0.7≦x≦1.5)により構成されていてもよい。この場合、前記第1層が、GaFeOにより構成されていてもよい。これらの構成によれば、より高品質な第2層を成長させることができる。 The first layer may be composed of Ga 2-x Fe x O 3 (0.7≦x≦1.5). In this case, the first layer may be composed of GaFeO 3 . According to these configurations, a second layer of higher quality can be grown.

前記第2層が、少なくとも1μm×1μmの正方形の範囲内において、回転ドメインを有さなくてもよい。直方晶系の第2層には回転ドメインが発生し易いが、本明細書に開示の製造方法によれば回転ドメインの発生を抑制できる。 The second layer may be free of domains of rotation within at least a 1 μm×1 μm square. Rotation domains are likely to occur in the second layer of the cubic system, but the production method disclosed in the present specification can suppress the occurrence of rotation domains.

前記第2層が、InAlGa(0≦a≦2、0≦b≦2、0≦c≦2、1.5≦a+b+c≦2.5)により構成されていてもよい。 The second layer may be composed of In a Al b Gac O 3 (0≦a≦2, 0≦b≦2, 0≦c≦2, 1.5≦a+b+c≦2.5) .

前記第2層が、κ-InAlGaにより構成されていてもよい。第1層と第2層を共にκ型とすれば、これらの間の界面の格子整合性をより向上させることができる。 The second layer may be composed of κ- InaAlbGacO3 . If both the first layer and the second layer are κ-type, the lattice matching at the interface between them can be further improved.

前記第2層が、InGa(0≦a≦2、0≦c≦2、1.9≦a+c≦2.1)により構成されていてもよい。InGaは、第1層(Ga2-xFe)と特に整合し易い。 The second layer may be composed of In a Gac O 3 (0≦a≦2, 0≦c≦2, 1.9≦a+c≦2.1). In a Gac O 3 is particularly easy to match with the first layer (Ga 2-x Fe x O 3 ).

前記第2層が、前記第1層上にヘテロエピタキシャル成長されてもよい。 The second layer may be heteroepitaxially grown on the first layer.

前記第2層上に、前記第1層とは異なる組成を有する半導体材料により構成されている第3層を成長させてもよい。 A third layer of semiconductor material having a composition different from that of the first layer may be grown on the second layer.

前記第3層が、直方晶系の結晶構造を有していてもよい。 The third layer may have a cubic crystal structure.

前記第3層が、少なくとも1μm×1μmの正方形の範囲内において、回転ドメインを有さなくてもよい。 The third layer may be free of domains of rotation within at least a 1 μm×1 μm square.

前記第3層が、InAlGa(0≦u≦2、0≦v≦2、0≦w≦2、1.5≦u+v+w≦2.5)により構成されていてもよい。 The third layer may be composed of InuAlvGawO3 (0≤u≤2, 0≤v≤2 , 0≤w≤2, 1.5≤u+v + w≤2.5 ) .

前記第3層が、κ-InAlGaにより構成されていてもよい。第2層と第3層を共にκ型とすれば、これらの間の界面の格子整合性をより向上させることができる。 The third layer may be composed of κ- InuAlvGawO3 . If both the second layer and the third layer are of κ type, the lattice matching at the interface therebetween can be further improved.

前記第2層がInAlGaにより構成され、前記第3層がInAlGaにより構成されている場合、a>uであってもよい。または、b<vであってもよい。これらの構成によれば、第3層のバンドギャップを第2層のバンドギャップよりも大きくすることができる。HEMTにおいて、第3層を電子供給層とし、第2層を電子走行層として用いることができる。 When the second layer is composed of InaAlbGacO3 and the third layer is composed of InuAlvGawO3 , a > u may be satisfied . Alternatively, b<v. According to these configurations, the bandgap of the third layer can be made larger than the bandgap of the second layer. In the HEMT, the third layer can be used as an electron supply layer, and the second layer can be used as an electron transit layer.

前記第3層が、AlGa(0≦v≦2、0≦w≦2、1.9≦u+v+w≦2.1)により構成されていてもよい。この構成によれば、第3層を電子供給層として用いることができる。また、高品質な第3層をより安定的に形成することができる。 The third layer may be made of Al v Ga w O 3 (0≦v≦2, 0≦w≦2, 1.9≦u+v+w≦2.1). With this configuration, the third layer can be used as an electron supply layer. Also, a high-quality third layer can be formed more stably.

前記第3層が、ミストCVD法によって形成されてもよい。 The third layer may be formed by a mist CVD method.

前記第3層が、前記第2層上にヘテロエピタキシャル成長されてもよい。 The third layer may be heteroepitaxially grown on the second layer.

図1は、実施例1の製造方法に使用する成膜装置10を示している。成膜装置10は、ミストCVD法によって基板70上に酸化物膜を形成する装置である。成膜装置10は、基板70が配置される炉12と、炉12を加熱するヒータ14と、炉12に接続されたミスト供給装置20と、炉12に接続された排出管80を備えている。 FIG. 1 shows a film forming apparatus 10 used in the manufacturing method of Example 1. As shown in FIG. The film forming apparatus 10 is an apparatus for forming an oxide film on a substrate 70 by mist CVD. The film forming apparatus 10 includes a furnace 12 in which a substrate 70 is placed, a heater 14 for heating the furnace 12, a mist supply device 20 connected to the furnace 12, and a discharge pipe 80 connected to the furnace 12. .

炉12の具体的な構成は特に限定されない。一例ではあるが、図1に示す炉12は、上流端12aから下流端12bまで延びる管状炉である。炉12の長手方向に垂直な断面は、円形である。例えば、炉12の直径を、約40mmとすることができる。但し、炉12の断面は円形に限定されない。 A specific configuration of the furnace 12 is not particularly limited. By way of example only, the furnace 12 shown in FIG. 1 is a tubular furnace extending from an upstream end 12a to a downstream end 12b. A cross section perpendicular to the longitudinal direction of the furnace 12 is circular. For example, furnace 12 may have a diameter of about 40 mm. However, the cross section of the furnace 12 is not limited to a circular shape.

ミスト供給装置20は、炉12の上流端12aに接続されている。炉12の下流端12bには、排出管80が接続されている。ミスト供給装置20は、炉12内にミスト62を供給する。ミスト供給装置20によって炉12内に供給されたミスト62は、炉12内を下流端12bまで流れた後に、排出管80を介して炉12の外部に排出される。 A mist supply device 20 is connected to the upstream end 12 a of the furnace 12 . A discharge pipe 80 is connected to the downstream end 12 b of the furnace 12 . The mist supply device 20 supplies mist 62 into the furnace 12 . The mist 62 supplied into the furnace 12 by the mist supply device 20 is discharged to the outside of the furnace 12 through the discharge pipe 80 after flowing through the furnace 12 to the downstream end 12b.

炉12内には、基板70を支持するための基板ステージ13が設けられている。基板ステージ13は、炉12の長手方向に対して基板70が傾くように構成されている。基板ステージ13に支持された基板70は、炉12内を上流端12aから下流端12bに向かって流れるミストが基板70の表面にあたる向きで支持される。 A substrate stage 13 for supporting the substrate 70 is provided in the furnace 12 . The substrate stage 13 is configured such that the substrate 70 is tilted with respect to the longitudinal direction of the furnace 12 . The substrate 70 supported by the substrate stage 13 is supported in such a direction that mist flowing in the furnace 12 from the upstream end 12 a toward the downstream end 12 b hits the surface of the substrate 70 .

ヒータ14は、前述したように、炉12を加熱する。ヒータ14の具体的な構成は特に限定されない。一例ではあるが、図1に示すヒータ14は、電気式のヒータであって、炉12の外周壁に沿って配置されている。これにより、ヒータ14は炉12の外周壁を加熱し、それによって炉12内の基板70が加熱される。 Heater 14 heats furnace 12 as previously described. A specific configuration of the heater 14 is not particularly limited. As an example, the heater 14 shown in FIG. 1 is an electric heater and is arranged along the outer peripheral wall of the furnace 12 . As a result, the heater 14 heats the outer peripheral wall of the furnace 12 , thereby heating the substrate 70 inside the furnace 12 .

ミスト供給装置20は、ミスト発生装置22を有している。ミスト発生装置22は、水槽24、溶液貯留槽26、超音波振動子28を有している。水槽24は、上部が解放された容器であり、内部に水58を貯留している。超音波振動子28は、水槽24の底面に設置されている。超音波振動子28は、水槽24内の水58に超音波振動を加える。溶液貯留槽26は、密閉型の容器である。溶液貯留槽26は、基板70の表面にエピタキシャル成長させる膜の原料を含む溶液60を貯留している。また、溶液60中に、成長させる膜にn型またはp型のドーパントを付与するための原料(例えば、フッ化アンモニウム等)がさらに溶解していてもよい。溶液貯留槽26の底部は、水槽24内の水58に浸漬されている。溶液貯留槽26の底面は、フィルムにより構成されている。これによって、水槽24内の水58から溶液貯留槽26内の溶液60に超音波振動が伝わり易くなっている。超音波振動子28が水槽24内の水58に超音波振動を加えると、水58を介して溶液60に超音波振動が伝わる。すると、溶液60の表面が振動して、溶液60の上部の空間(すなわち、溶液貯留槽26内の空間)に溶液60のミスト62が発生する。 The mist supply device 20 has a mist generator 22 . The mist generator 22 has a water tank 24 , a solution storage tank 26 and an ultrasonic oscillator 28 . The water tank 24 is a container with an open top, and stores water 58 inside. The ultrasonic transducer 28 is installed on the bottom surface of the water tank 24 . The ultrasonic vibrator 28 applies ultrasonic vibrations to the water 58 in the water tank 24 . The solution storage tank 26 is a closed container. The solution storage tank 26 stores a solution 60 containing raw materials for a film to be epitaxially grown on the surface of the substrate 70 . In addition, raw materials (for example, ammonium fluoride, etc.) for imparting an n-type or p-type dopant to the film to be grown may be further dissolved in the solution 60 . The bottom of solution reservoir 26 is immersed in water 58 in water tank 24 . The bottom surface of the solution storage tank 26 is made of a film. This makes it easier for ultrasonic vibrations to be transmitted from the water 58 in the water tank 24 to the solution 60 in the solution storage tank 26 . When the ultrasonic vibrator 28 applies ultrasonic vibrations to the water 58 in the water tank 24 , the ultrasonic vibrations are transmitted to the solution 60 through the water 58 . Then, the surface of the solution 60 vibrates, and a mist 62 of the solution 60 is generated in the space above the solution 60 (that is, the space inside the solution storage tank 26).

ミスト供給装置20は、ミスト供給路40と、搬送ガス供給路42と、希釈ガス供給路44をさらに備えている。ミスト供給路40は、溶液貯留槽26と炉12との間を接続している。搬送ガス供給路42は、溶液貯留槽26に接続されている。希釈ガス供給路44は、ミスト供給路40に接続されている。搬送ガス供給路42は、溶液貯留槽26へ搬送ガス64を供給する。希釈ガス供給路44は、ミスト供給路40へ希釈ガス66を供給する。 The mist supply device 20 further includes a mist supply path 40 , a carrier gas supply path 42 and a dilution gas supply path 44 . A mist supply path 40 connects between the solution storage tank 26 and the furnace 12 . A carrier gas supply path 42 is connected to the solution storage tank 26 . The dilution gas supply path 44 is connected to the mist supply path 40 . A carrier gas supply line 42 supplies a carrier gas 64 to the solution storage tank 26 . The dilution gas supply path 44 supplies the dilution gas 66 to the mist supply path 40 .

次に、実施例1の製造方法について説明する。実施例1の製造方法では、基板70として、ε型ガリウム鉄酸化物(ε-GaFeO)の単結晶により構成された基板を用いる。また、溶液60として、水に塩化ガリウム(GaClまたはGaCl)が溶解した水溶液(塩化ガリウム水溶液)を用いる。また、搬送ガス64として窒素ガス(N)を用い、希釈ガス66として窒素ガスを用いる。 Next, the manufacturing method of Example 1 will be described. In the manufacturing method of Example 1, a substrate made of a single crystal of ε-type gallium iron oxide (ε-GaFeO 3 ) is used as the substrate 70 . As the solution 60, an aqueous solution (gallium chloride aqueous solution) in which gallium chloride (GaCl 3 or Ga 2 Cl 6 ) is dissolved in water is used. Nitrogen gas (N 2 ) is used as the carrier gas 64 and nitrogen gas is used as the diluent gas 66 .

図1に示すように、まず、炉12内の基板ステージ13上に基板70を設置する。次に、ヒータ14によって、基板70を加熱する。ここでは、基板70の温度を、約750℃に制御する。基板70の温度が安定したら、ミスト供給装置20を作動させる。すなわち、超音波振動子28を動作させることによって、溶液貯留槽26内に溶液60のミスト62を生成する。同時に、搬送ガス供給路42から溶液貯留槽26内に搬送ガス64を導入し、希釈ガス供給路44からミスト供給路40に希釈ガス66を導入する。搬送ガス64は、溶液貯留槽26を通って、矢印47に示すようにミスト供給路40内に流入する。このとき、溶液貯留槽26内のミスト62が、搬送ガス64と共にミスト供給路40内に流入する。また、希釈ガス66は、ミスト供給路40内でミスト62と混合される。これによって、ミスト62が希釈化される。ミスト62は、窒素ガス(すなわち、搬送ガス64と希釈ガス66)とともにミスト供給路40内を下流側に流れ、矢印48に示すようにミスト供給路40から炉12内に流入する。炉12内では、ミスト62は、窒素ガスとともに下流端12b側へ流れ、排出管80へ排出される。 As shown in FIG. 1, first, a substrate 70 is placed on the substrate stage 13 inside the furnace 12 . Next, the substrate 70 is heated by the heater 14 . Here, the temperature of the substrate 70 is controlled to approximately 750.degree. After the temperature of the substrate 70 is stabilized, the mist supply device 20 is activated. That is, by operating the ultrasonic oscillator 28, a mist 62 of the solution 60 is generated in the solution storage tank 26. FIG. At the same time, a carrier gas 64 is introduced from the carrier gas supply path 42 into the solution storage tank 26 and a dilution gas 66 is introduced from the dilution gas supply path 44 into the mist supply path 40 . Carrier gas 64 flows through solution reservoir 26 and into mist supply channel 40 as indicated by arrow 47 . At this time, the mist 62 in the solution storage tank 26 flows into the mist supply path 40 together with the carrier gas 64 . Also, the diluent gas 66 is mixed with the mist 62 in the mist supply passage 40 . The mist 62 is thereby diluted. Mist 62 flows downstream through mist supply passage 40 along with nitrogen gas (ie, carrier gas 64 and diluent gas 66 ) and enters furnace 12 through mist supply passage 40 as indicated by arrow 48 . Inside the furnace 12 , the mist 62 flows to the downstream end 12 b side together with the nitrogen gas and is discharged to the discharge pipe 80 .

炉12内を流れるミスト62の一部は、加熱された基板70の表面に付着する。すると、ミスト62(すなわち、溶液60)が、基板70上で化学反応を起こす。その結果、基板70上に酸化ガリウムが成長する。基板70が直方晶系であるε-GaFeOにより構成されているため、基板70上に直方晶系であるκ型酸化ガリウム(κ-Ga)が成長する。基板70の表面に継続的にミスト62が供給されるので、図2に示すように基板70の表面にκ-Gaによって構成された酸化ガリウム膜72が成長する。 A portion of the mist 62 flowing through the furnace 12 adheres to the surface of the heated substrate 70 . The mist 62 (that is, the solution 60 ) then undergoes chemical reactions on the substrate 70 . As a result, gallium oxide grows on the substrate 70 . Since the substrate 70 is composed of ε-GaFeO 3 of a cubic system, κ-type gallium oxide (κ-Ga 2 O 3 ) of a cubic system grows on the substrate 70 . Since the mist 62 is continuously supplied to the surface of the substrate 70, a gallium oxide film 72 composed of κ-Ga 2 O 3 grows on the surface of the substrate 70 as shown in FIG.

図3は、基板70と酸化ガリウム膜72を2θスキャンによってX線解析した結果を示している。図3に示すように、酸化ガリウム膜72からは基板70(ε-GaFeO)のピークとκ-Gaのピークのみが検出された。この結果から、酸化ガリウム膜72がκ-Gaにより構成されていることが確認された。 FIG. 3 shows the results of X-ray analysis of the substrate 70 and the gallium oxide film 72 by 2θ scanning. As shown in FIG. 3, only the peak of the substrate 70 (ε-GaFeO 3 ) and the peak of κ-Ga 2 O 3 were detected from the gallium oxide film 72 . From this result, it was confirmed that the gallium oxide film 72 was composed of κ-Ga 2 O 3 .

図4は、酸化ガリウム膜72をφスキャンによってX線解析した結果を示している。また、図5は、比較例の酸化ガリウム膜をφスキャンによってX線解析した結果を示している。比較例の酸化ガリウム膜は、窒化ガリウム基板(GaN)上にミストCVD法によって形成されたものである。比較例の酸化ガリウム膜は、κ-Gaによって構成されている。図4に示すように、実施例1の製造方法によって形成された酸化ガリウム膜72では、4つのピークが検出された。これによって、酸化ガリウム膜72が単結晶であることが確認された。これに対し、図5に示すように、比較例の酸化ガリウム膜では、12個のピークが検出された。これは、比較例の酸化ガリウム膜が3方向の回転ドメインを有していることを意味する。また、従来は、κ-Gaを形成しようとすると、ε-Ga(六方晶系)が混在する場合もあった。このように、従来は、直方晶系であるκ-Gaの単結晶の膜を形成することが困難であった。これに対し、上記の通り、実施例1の製造方法によれば、κ-Gaの単結晶の膜を形成することができる。 FIG. 4 shows the result of X-ray analysis of the gallium oxide film 72 by φ scanning. Further, FIG. 5 shows the result of X-ray analysis of the gallium oxide film of the comparative example by φ scanning. A gallium oxide film of a comparative example was formed on a gallium nitride substrate (GaN) by a mist CVD method. The gallium oxide film of the comparative example is composed of κ-Ga 2 O 3 . As shown in FIG. 4, four peaks were detected in the gallium oxide film 72 formed by the manufacturing method of Example 1. FIG. This confirms that the gallium oxide film 72 is a single crystal. On the other hand, as shown in FIG. 5, 12 peaks were detected in the gallium oxide film of the comparative example. This means that the gallium oxide film of the comparative example has domains of rotation in three directions. Conventionally, when κ-Ga 2 O 3 is formed, ε-Ga 2 O 3 (hexagonal system) is mixed in some cases. As described above, conventionally, it has been difficult to form a single crystal film of κ-Ga 2 O 3 having a rectangular system. On the other hand, as described above, according to the manufacturing method of Example 1, a single crystal film of κ-Ga 2 O 3 can be formed.

また、図6、酸化ガリウム膜72を形成する前の基板70(ε-GaFeO)の表面を示している。また、図7は、酸化ガリウム膜72(κ-Ga)の表面を示している。図6に示す基板70の表面のRMS(二乗平均平方根粗さ)は、0.14nmであった。図7に示す酸化ガリウム膜72の表面のRMSは、0.15nmであった。このように、酸化ガリウム膜72は、平坦性を保ったまま成長していることが確認された。 Also, FIG. 6 shows the surface of the substrate 70 (ε-GaFeO 3 ) before forming the gallium oxide film 72 . Also, FIG. 7 shows the surface of the gallium oxide film 72 (κ-Ga 2 O 3 ). The RMS (root mean square roughness) of the surface of the substrate 70 shown in FIG. 6 was 0.14 nm. The RMS of the surface of the gallium oxide film 72 shown in FIG. 7 was 0.15 nm. Thus, it was confirmed that the gallium oxide film 72 was grown while maintaining its flatness.

上記のように形成した酸化ガリウム膜72を用いて、半導体装置を製造することができる。例えば、酸化ガリウム膜72上に、別の膜をヘテロエピタキシャル成長させて、半導体装置を製造してもよい。このように、κ-Gaの単結晶によって構成された酸化ガリウム膜72を用いて半導体装置を製造することで、従来とは異なる特性を有する半導体装置(例えば、パワーデバイス、高周波デバイス等)を得ることができる。 A semiconductor device can be manufactured using the gallium oxide film 72 formed as described above. For example, another film may be heteroepitaxially grown on the gallium oxide film 72 to manufacture a semiconductor device. By manufacturing a semiconductor device using the gallium oxide film 72 composed of a single crystal of κ-Ga 2 O 3 in this way, a semiconductor device (for example, a power device, a high-frequency device, etc.) having characteristics different from conventional ones can be obtained. ) can be obtained.

図8は、実施例2の製造方法に使用する成膜装置100を示している。成膜装置100では、ミスト供給装置20の構成が図1の成膜装置10と異なり、その他の構成(炉12、ヒータ14、排出管80等の構成)は図1の成膜装置と等しい。図8のミスト供給装置20は、図1のミスト供給装置20と同様に、ミスト発生装置22、ミスト供給路40、搬送ガス供給路42、及び、希釈ガス供給路44を有している。さらに、図8のミスト供給装置20は、ミスト発生装置122、ミスト供給路140、搬送ガス供給路142、希釈ガス供給路144、及び、切換弁150を有している。ミスト発生装置122は、ミスト発生装置22と同様に動作する。すなわち、超音波振動子128が動作することで、水槽124内の水158を介して溶液貯留槽126に超音波振動が伝わり、溶液貯留槽126内に溶液160のミスト162が発生する。ミスト162は、搬送ガス164と共にミスト供給路140に流入する。ミスト供給路140内で、希釈ガス166によってミスト162が希釈される。ミスト162は、ミスト供給路140内を下流側へ流れる。ミスト供給路140とミスト供給路40は、下流部で合流している。切換弁150は、ミスト供給路40とミスト供給路140を開閉する。切換弁150は、ミスト供給路40から炉12にミスト62が流れる状態と、ミスト供給路140から炉12にミスト162が流れる状態とを切り換える。 FIG. 8 shows a film forming apparatus 100 used in the manufacturing method of Example 2. As shown in FIG. The film forming apparatus 100 differs from the film forming apparatus 10 in FIG. 1 in the configuration of the mist supply device 20, and the rest of the configuration (the furnace 12, the heater 14, the exhaust pipe 80, etc.) is the same as the film forming apparatus in FIG. The mist supply device 20 of FIG. 8 has a mist generator 22, a mist supply path 40, a carrier gas supply path 42, and a diluent gas supply path 44, similarly to the mist supply apparatus 20 of FIG. 8 further includes a mist generator 122, a mist supply path 140, a carrier gas supply path 142, a diluent gas supply path 144, and a switching valve 150. FIG. The mist generator 122 operates similarly to the mist generator 22 . That is, by operating the ultrasonic vibrator 128 , ultrasonic vibrations are transmitted to the solution storage tank 126 via the water 158 in the water tank 124 , and mist 162 of the solution 160 is generated in the solution storage tank 126 . Mist 162 flows into mist supply channel 140 along with carrier gas 164 . The mist 162 is diluted by the dilution gas 166 within the mist supply path 140 . The mist 162 flows downstream through the mist supply path 140 . The mist supply path 140 and the mist supply path 40 merge at the downstream portion. The switching valve 150 opens and closes the mist supply path 40 and the mist supply path 140 . The switching valve 150 switches between a state in which the mist 62 flows from the mist supply path 40 to the furnace 12 and a state in which the mist 162 flows from the mist supply path 140 to the furnace 12 .

実施例2の製造方法では、基板70として、ε型ガリウム鉄酸化物(ε-GaFeO)の単結晶により構成された基板を用いる。また、溶液60として、ガリウムアセチルアセトナート水溶液を用いる。また、溶液160として、アルミニウムアセチルアセトナート水溶液とガリウムアセチルアセトナート水溶液の混合液を用いる。また、搬送ガス64、164として窒素ガスを用い、希釈ガス66、166として窒素ガスを用いる。 In the manufacturing method of Example 2, a substrate composed of a single crystal of ε-type gallium iron oxide (ε-GaFeO 3 ) is used as the substrate 70 . Also, as the solution 60, an aqueous solution of gallium acetylacetonate is used. As the solution 160, a mixed solution of an aluminum acetylacetonate aqueous solution and a gallium acetylacetonate aqueous solution is used. Nitrogen gas is used as the carrier gases 64 and 164 and nitrogen gas is used as the diluent gases 66 and 166 .

実施例2の製造方法では、炉12内の基板ステージ13上に基板70を設置し、基板70を加熱する。次に、切換弁150によって、ミスト供給路40を開くとともにミスト供給路140を閉じた状態とする。この状態で、ミスト発生装置22を作動させ、炉12内に溶液60(ガリウムアセチルアセトナート水溶液)のミスト62を供給する。すると、実施例1と略同様にして、基板70上にκ-Gaの単結晶によって構成された酸化ガリウム膜72が成長する。 In the manufacturing method of Example 2, the substrate 70 is placed on the substrate stage 13 in the furnace 12 and the substrate 70 is heated. Next, the switching valve 150 opens the mist supply path 40 and closes the mist supply path 140 . In this state, the mist generator 22 is operated to supply the mist 62 of the solution 60 (gallium acetylacetonate aqueous solution) into the furnace 12 . Then, a gallium oxide film 72 composed of a single crystal of κ-Ga 2 O 3 is grown on the substrate 70 in substantially the same manner as in the first embodiment.

次に、切換弁150によって、ミスト供給路40を閉じるともにミスト供給路140を開いた状態とする。さらに、ミスト発生装置122を作動させて、炉12内に溶液160(アルミニウムアセチルアセトナート水溶液とガリウムアセチルアセトナート水溶液の混合液)のミスト162を供給する。すると、ミスト162(すなわち、溶液160)が、酸化ガリウム膜72上で化学反応を起こす。その結果、酸化ガリウム膜72上に、直方晶系であるκ型のアルミニウムガリウム酸化物(κ-AlGa(0≦v≦2、0≦w≦2、1.9≦v+w≦2.1))が成長する。継続的にミスト162が供給されるので、図9に示すように酸化ガリウム膜72の表面にκ-AlGaの単結晶よって構成されたアルミニウムガリウム酸化物膜74が成長する。酸化ガリウム膜72とアルミニウムガリウム酸化物膜74がともにκ型であるとともに直方晶系であるので、結晶欠陥が少ない高品質のアルミニウムガリウム酸化物膜74が形成される。特に、図7に示すように酸化ガリウム膜72の表面が平坦であるので、その上部に結晶性が高いアルミニウムガリウム酸化物膜74を成長させることができる。酸化ガリウム膜72とアルミニウムガリウム酸化物膜74の界面75は、格子整合性が高い高品質のヘテロ界面となる。 Next, the switching valve 150 closes the mist supply path 40 and opens the mist supply path 140 . Further, the mist generator 122 is operated to supply the mist 162 of the solution 160 (mixture of aluminum acetylacetonate aqueous solution and gallium acetylacetonate aqueous solution) into the furnace 12 . Then, the mist 162 (that is, the solution 160) causes a chemical reaction on the gallium oxide film 72. FIG. As a result, on the gallium oxide film 72, κ-type aluminum gallium oxide (κ-Al v Ga w O 3 (0≤v≤2, 0≤w≤2, 1.9≤v+w≤ 2.1)) grow. Since the mist 162 is continuously supplied, an aluminum gallium oxide film 74 composed of a single crystal of κ-Al v Ga w O 3 grows on the surface of the gallium oxide film 72 as shown in FIG. Since both the gallium oxide film 72 and the aluminum gallium oxide film 74 are of the κ type and of the cubic system, a high-quality aluminum gallium oxide film 74 with few crystal defects is formed. In particular, since the surface of the gallium oxide film 72 is flat as shown in FIG. 7, an aluminum gallium oxide film 74 with high crystallinity can be grown thereon. An interface 75 between the gallium oxide film 72 and the aluminum gallium oxide film 74 becomes a high-quality heterointerface with high lattice matching.

上記のように形成した酸化ガリウム膜72とアルミニウムガリウム酸化物膜74を用いて、半導体装置(例えば、パワーデバイス、高周波デバイス等)を製造することができる。界面75は格子整合性が高いヘテロ界面であるので、界面75には2次元電子ガスが生じる。したがって、2次元電子ガスを利用した半導体装置を製造してもよい。例えば、図10に示すように、ヘテロ界面75と導通するようにソース電極90とドレイン電極92を設け、アルミニウムガリウム酸化物膜74上にゲート電極94を設けることで、HEMT(high electron mobility transistor:高電子移動度トランジスタ)を製造してもよい。また、別の例では、HBT(heterjunction bipolar transistor:ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)を製造してもよい。 Using the gallium oxide film 72 and the aluminum gallium oxide film 74 formed as described above, a semiconductor device (eg, power device, high frequency device, etc.) can be manufactured. Since the interface 75 is a heterointerface with high lattice matching, a two-dimensional electron gas is generated at the interface 75 . Therefore, a semiconductor device using a two-dimensional electron gas may be manufactured. For example, as shown in FIG. 10, a source electrode 90 and a drain electrode 92 are provided so as to be electrically connected to a heterointerface 75, and a gate electrode 94 is provided on an aluminum gallium oxide film 74, thereby forming a high electron mobility transistor (HEMT). high electron mobility transistors) may be fabricated. In another example, a heterojunction bipolar transistor (HBT) may be fabricated.

実施例3の製造方法では、実施例2の製造方法と同様に、図8の成膜装置100を使用する。実施例3の製造方法では、基板70として、ε型ガリウム鉄酸化物(ε-GaFeO)の単結晶により構成された基板を用いる。また、溶液60として、塩化ガリウム水溶液と塩化インジウム水溶液の混合溶液を用いる。また、溶液160として、塩化ガリウム水溶液を用いる。また、搬送ガス64、164として窒素ガスを用い、希釈ガス66、166として窒素ガスを用いる。 In the manufacturing method of Example 3, the film forming apparatus 100 of FIG. 8 is used as in the manufacturing method of Example 2. FIG. In the manufacturing method of Example 3, a substrate made of a single crystal of ε-type gallium iron oxide (ε-GaFeO 3 ) is used as the substrate 70 . As the solution 60, a mixed solution of gallium chloride aqueous solution and indium chloride aqueous solution is used. Further, as the solution 160, an aqueous solution of gallium chloride is used. Nitrogen gas is used as the carrier gases 64 and 164 and nitrogen gas is used as the diluent gases 66 and 166 .

実施例3の製造方法では、炉12内の基板ステージ13上に基板70を設置し、基板70を加熱する。次に、切換弁150によって、ミスト供給路40を開くとともにミスト供給路140を閉じた状態とする。この状態で、ミスト発生装置22を作動させて、炉12内に溶液60(塩化ガリウム水溶液と塩化インジウム水溶液の混合溶液)のミスト62を供給する。すると、ミスト62(すなわち、溶液60)が、基板70上で化学反応を起こす。その結果、基板70上に、直方晶系であるκ型のインジウムガリウム酸化物(κ-InGa(0≦a≦2、0≦c≦2、1.9≦a+c≦2.1))が生成される。継続的にミスト62が供給されるので、図11に示すように基板70の表面にκ-InGaの単結晶よって構成されたインジウムガリウム酸化物膜76が成長する。基板70とインジウムガリウム酸化物膜76がともに直方晶系であるので、結晶欠陥が少ない高品質のインジウムガリウム酸化物膜76が形成される。 In the manufacturing method of Example 3, the substrate 70 is placed on the substrate stage 13 in the furnace 12 and the substrate 70 is heated. Next, the switching valve 150 opens the mist supply path 40 and closes the mist supply path 140 . In this state, the mist generator 22 is operated to supply the mist 62 of the solution 60 (mixed solution of gallium chloride aqueous solution and indium chloride aqueous solution) into the furnace 12 . The mist 62 (that is, the solution 60 ) then undergoes chemical reactions on the substrate 70 . As a result, κ-type indium gallium oxide (κ-In a Gac O 3 (0≤a≤2, 0≤c≤2, 1.9≤a+c≤2. 1)) is generated. Since the mist 62 is continuously supplied, an indium gallium oxide film 76 composed of a single crystal of κ-In a Gac O 3 grows on the surface of the substrate 70 as shown in FIG. Since both the substrate 70 and the indium gallium oxide film 76 are of the cubic system, a high-quality indium gallium oxide film 76 with few crystal defects is formed.

次に、切換弁150によって、ミスト供給路40を閉じるともにミスト供給路140を開いた状態とする。さらに、ミスト発生装置122を作動させて、炉12内に溶液160(塩化ガリウム水溶液)のミスト162を供給する。すると、ミスト162(すなわち、溶液160)が、インジウムガリウム酸化物膜76上で化学反応を起こす。その結果、インジウムガリウム酸化物膜76上に、直方晶系であるκ型の酸化ガリウム(κ-Ga)が生成される。継続的にミスト162が供給されるので、図12に示すようにインジウムガリウム酸化物膜76の表面にκ‐Gaの単結晶よって構成された酸化ガリウム膜78が成長する。インジウムガリウム酸化物膜76と酸化ガリウム膜78がともにκ型であるとともに直方晶系であるので、結晶欠陥が少ない高品質の酸化ガリウム膜78が形成される。インジウムガリウム酸化物膜76と酸化ガリウム膜78の界面79は、格子整合性が高い高品質のヘテロ界面となる。 Next, the switching valve 150 closes the mist supply path 40 and opens the mist supply path 140 . Further, the mist generator 122 is operated to supply the mist 162 of the solution 160 (gallium chloride aqueous solution) into the furnace 12 . The mist 162 (ie, the solution 160 ) then undergoes a chemical reaction on the indium gallium oxide film 76 . As a result, κ-type gallium oxide (κ-Ga 2 O 3 ) of a cubic system is generated on the indium gallium oxide film 76 . Since the mist 162 is continuously supplied, a gallium oxide film 78 composed of a single crystal of κ-Ga 2 O 3 grows on the surface of the indium gallium oxide film 76 as shown in FIG. Since both the indium gallium oxide film 76 and the gallium oxide film 78 are of the κ type and of the cubic system, a high-quality gallium oxide film 78 with few crystal defects is formed. An interface 79 between the indium gallium oxide film 76 and the gallium oxide film 78 becomes a high-quality heterointerface with high lattice matching.

上記のように形成したインジウムガリウム酸化物膜76と酸化ガリウム膜78を用いて、半導体装置(例えば、パワーデバイス、高周波デバイス等)を製造することができる。界面79は格子整合性が高いヘテロ界面であるので、界面79には2次元電子ガスが生じる。したがって、2次元電子ガスを利用した半導体装置を製造してもよい。例えば、図13に示すように、ヘテロ界面79と導通するようにソース電極95とドレイン電極96を設け、酸化ガリウム膜78上にゲート電極97を設けることで、HEMTを製造してもよい。また、別の例では、HBT(heterojunction bipolar transistor:ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)を製造してもよい。 Using the indium gallium oxide film 76 and the gallium oxide film 78 formed as described above, a semiconductor device (eg, power device, high frequency device, etc.) can be manufactured. Since the interface 79 is a heterointerface with high lattice matching, a two-dimensional electron gas is generated at the interface 79 . Therefore, a semiconductor device using a two-dimensional electron gas may be manufactured. For example, as shown in FIG. 13, a HEMT may be manufactured by providing a source electrode 95 and a drain electrode 96 so as to conduct with the heterointerface 79 and providing a gate electrode 97 on the gallium oxide film 78 . In another example, a HBT (heterojunction bipolar transistor) may be fabricated.

なお、上述した実施例1~3では、基板70がε-GaFeOにより構成されていた。しかしながら、基板70をGa2-xFe(0<x<2)により構成し、xの値を適宜変更することができる。xの値を変更することで、基板70とその上に形成される膜との界面に生じる応力を緩和したり、当該界面における膜の密着力を改善できる場合がある。また、上述した実施例1~3では、基板70がGa2-xFeにより構成されていたが、Ga2-xFeをバッファ層に用いてもよい。すなわち、別の材料により構成された基板の表面にバッファ層としてGa2-xFeの層を形成し、そのバッファ層上に直方晶系の半導体層を成長させてもよい。Ga2-xFeをバッファ層として用いる場合には、xの値を変更しながらGa2-xFeを超格子状に積層させてもよい。 In Examples 1 to 3 described above, the substrate 70 was made of ε-GaFeO 3 . However, the substrate 70 can be composed of Ga 2-x Fe x O 3 (0<x<2) and the value of x can be changed accordingly. By changing the value of x, it may be possible to relax the stress generated at the interface between the substrate 70 and the film formed thereon, or improve the adhesion of the film at the interface. Further, in Examples 1 to 3 described above, the substrate 70 is made of Ga 2-x Fe x O 3 , but Ga 2-x Fe x O 3 may be used for the buffer layer. That is, a layer of Ga 2-x Fe x O 3 may be formed as a buffer layer on the surface of a substrate made of another material, and a cubic system semiconductor layer may be grown on the buffer layer. When Ga 2-x Fe x O 3 is used as a buffer layer, Ga 2-x Fe x O 3 may be stacked in a superlattice shape while changing the value of x.

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。 Although the embodiments have been described in detail above, they are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or in the drawings exhibit technical usefulness either singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques exemplified in this specification or drawings simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of them has technical utility in itself.

70 :基板
72 :酸化ガリウム膜
74 :アルミニウムガリウム酸化物膜
75 :ヘテロ界面
70: substrate 72: gallium oxide film 74: aluminum gallium oxide film 75: hetero interface

Claims (2)

半導体装置の製造方法であって、
ミストCVD法によって、Ga2-xFe(0<x<2)により構成された第1層上に、前記第1層とは異なる組成を有する半導体材料により構成されているとともに直方晶系の結晶構造を有する第2層を成長させる工程を有する、
製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device,
A semiconductor material having a composition different from that of the first layer is formed on a first layer made of Ga 2-x Fe x O 3 (0<x<2) by a mist CVD method, and a cubic crystal is formed on the first layer. growing a second layer having a crystal structure of the
Production method.
半導体装置であって、
Ga2-xFe(0<x<2)により構成された第1層と、
前記第1上に配置されており、前記第1層とは異なる組成を有する半導体材料により構成されており、直方晶系の結晶構造を有する第2層、
を有する半導体装置。
A semiconductor device,
a first layer composed of Ga 2-x Fe x O 3 (0<x<2);
A second layer disposed on the first layer, made of a semiconductor material having a composition different from that of the first layer, and having a cubic crystal structure;
A semiconductor device having
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