β-Ga2O3系单晶膜的生长方法和晶体层叠结构体

本申请是分案申请，原案申请的申请号为201480053760.7，国际申请号为PCT/JP2014/074659，申请日为2014年09月18日，发明名称为“β-Ga2O3系单晶膜的生长方法和晶体层叠结构体”。

技术领域

本发明涉及β-Ga

背景技术

以往，作为β-Ga

专利文献1：特开2013-56803号公报

专利文献2：特许第4565062号公报

发明内容

然而，在MBE法中，由于在高真空腔内进行晶体生长，因此，β-Ga

另外，关于PLD法，原料来源(向基板供应原料的原料供应源)是点源，原料来源正上与其它位置之间生长率不同，因此，膜厚的面内分布不容易均匀，不适于面积较大的膜的生长。另外，成膜率低，厚膜的生长需要较长时间，因此，不适于大量生产。

关于溶胶-凝胶法、MOCVD法、喷雾CVD法，虽然大口径化是比较容易的，但使用原料所包含的杂质在外延生长中会进入β-Ga

因此，本发明的目的之一在于，提供能够高效生长出高质量且大口径的β-Ga

为了达到上述目的，本发明的一方式提供下述[1]～[8]的β-Ga

[1]一种β-Ga

[2]根据上述[1]所述的β-Ga

[3]根据上述[1]或[2]所述的β-Ga

[4]根据上述[1]或[2]所述的β-Ga

[5]根据上述[2]所述的β-Ga

[6]根据上述[1]或[2]所述的β-Ga

[7]根据上述[1]或[2]所述的β-Ga

[8]根据上述[1]或[2]所述的β-Ga

另外，为了达到上述目的，本发明的另一方式提供下述[9]～[12]的晶体层叠结构体。

[9]一种晶体层叠结构体，包含：Ga

[10]根据上述[9]所述的晶体层叠结构体，上述β-Ga

[11]根据上述[9]或[10]所述的晶体层叠结构体，上述β-Ga

[12]根据上述[11]所述的晶体层叠结构体，上述β-Ga

根据本发明，可提供能够高效生长出高质量且大口径的β-Ga

附图说明

图1是实施方式所涉及的晶体层叠结构体的垂直截面图。

图2是实施方式所涉及的气相生长装置的垂直截面图。

图3是示出通过热平衡计算得到的氯化镓系气体仅含有GaCl气体的情况和仅含有GaCl

图4是示出通过热平衡计算得到的从Ga与Cl

图5是示出通过热平衡计算得到的Ga

图6是示出在主面的面方位为(010)的Ga

图7是示出在主面的面方位为(-201)的Ga

图8是示出在主面的面方位为(001)的β-Ga

图9是示出在主面的面方位为(101)的β-Ga

图10A是示出通过二次离子质量分析法(SIMS)测定的晶体层叠结构体中的杂质浓度的坐标图。

图10B是示出通过二次离子质量分析法(SIMS)测定的晶体层叠结构体中的杂质浓度的坐标图。

图11A是示出在主面的面方位为(001)的β-Ga

图11B是示出在主面的面方位为(001)的β-Ga

图12是示出在主面的面方位为(010)的β-Ga

具体实施方式

〔实施方式〕

(晶体层叠结构体的构成)

图1是实施方式所涉及的晶体层叠结构体1的垂直截面图。晶体层叠结构体1具有：Ga

Ga

Ga

Ga

β-Ga

(气相生长装置的结构)

以下，说明本实施方式所涉及的β-Ga

图2是实施方式所涉及的气相生长装置2的垂直截面图。气相生长装置2是HVPE(Halide Vapor Phase Epitaxy：卤化物气相外延)法所用的气相生长装置，具有：反应腔20，其具有第1气体导入口21、第2气体导入口22、第3气体导入口23和排气口24；以及第1加热单元26和第2加热单元27，其设置在反应腔20的周围，对反应腔20内的规定的区域进行加热。

HVPE法与PLD法等相比，成膜率较高。另外，膜厚的面内分布的均匀性较高，能够生长出大口径的膜。因此，适于晶体的大量生产。

反应腔20具有：原料反应区域R1，其中配置容纳有Ga原料的反应容器25，生成镓的原料气体；以及晶体生长区域R2，其中配置Ga

在此，反应容器25例如是石英玻璃，反应容器25所容纳的Ga原料是金属镓。

第1加热单元26和第2加热单元27能够分别对反应腔20的原料反应区域R1和晶体生长区域R2进行加热。第1加热单元26和第2加热单元27例如是电阻加热式、辐射加热式加热装置。

第1气体导入口21是用于使用作为惰性气体的载流气体(N

(β-Ga

以下，说明本实施方式所涉及的β-Ga

首先，使用第1加热单元26对反应腔20的原料反应区域R1进行加热，使原料反应区域R1的气氛温度保持在规定的温度。

接着，使用载流气体从第1气体导入口21将含Cl气体导入，在原料反应区域R1中，在上述的气氛温度下使反应容器25内的金属镓与含Cl气体反应，生成氯化镓系气体。

此时，优选上述的原料反应区域R1内的气氛温度是使得通过反应容器25内的金属镓与含Cl气体的反应生成的氯化镓系气体之中GaCl气体的分压成为最高的温度。在此，氯化镓系气体中含有GaCl气体、GaCl

GaCl气体是氯化镓系气体所含有的气体之中能够将Ga

图3是示出通过热平衡计算得到的氯化镓系气体仅含有GaCl气体的情况和仅含有GaCl

图3的横轴表示Ga

图3示出了作为Ga的原料气体使用GaCl气体的情况与使用GaCl

此外，如果在使β-Ga

图4是示出通过热平衡计算得到的从Ga与Cl

图4的横轴表示气氛温度(℃)，纵轴表示平衡分压(atm)。示出了平衡分压越高，则气体生成得越多。

图4示出了通过在大约300℃以上的气氛温度下使金属镓与含Cl气体反应，尤其能够提高Ga

另外，例如，在850℃的气氛温度下，GaCl气体的分压比会压倒性变高(GaCl气体的平衡分压比GaCl

此外，考虑到第1加热单元26的寿命、含有石英玻璃等的反应腔20的耐热性，优选在将原料反应区域R1的气氛温度保持在1000℃以下的状态下使反应容器25内的金属镓与含Cl气体反应。

接着，在晶体生长区域R2中，将在原料反应区域R1中生成的氯化镓系气体与从第2气体导入口22导入的含氧气体混合，将Ga

在此，在形成含有Si、Al等添加元素的β-Ga

此外，如果在使β-Ga

图5是示出通过热平衡计算得到的Ga

图5的横轴表示O

图5示出了：当O

因此，为了使β-Ga

图6是示出在主面的面方位为(010)的β-Ga

图6的横轴表示X射线的入射方位与反射方位所成的角2θ(度)，纵轴表示X射线的衍射强度(任意单位)。

图6示出β-Ga

根据图6，在以800、850℃的生长温度使β-Ga

此外，在β-Ga

图7是示出在主面的面方位为(-201)的β-Ga

图7示出主面的面方位为(-201)的β-Ga

图8是示出在主面的面方位为(001)的β-Ga

图8示出主面的面方位为(001)的β-Ga

图9是示出在主面的面方位为(101)的β-Ga

图9示出主面的面方位为(101)的β-Ga

图7、8、9的横轴表示X射线的入射方位与反射方位所成的角2θ(度)，纵轴表示X射线的衍射强度(任意单位)。

根据图7、8、9，以1000℃的生长温度使β-Ga

图10A、图10B是示出通过二次离子质量分析法(SIMS)测定的晶体层叠结构体中的杂质浓度的坐标图。

图10A、图10B的横轴表示晶体层叠结构体的β-Ga

本测定所使用的晶体层叠结构体的β-Ga

图10A表示C、Sn、Si在晶体层叠结构体中的浓度，图10B表示H、Cl在晶体层叠结构体中的浓度。根据图10A、图10B，任一杂质元素在β-Ga

此外，在β-Ga

根据图10B，β-Ga

图11A是示出在主面的面方位为(001)的β-Ga

图11A的横轴表示β-Ga

以下示出用于测定图11A所示的数据的次序。首先，在主面的面方位为(001)并掺杂了Sn的n型β-Ga

β-Ga

接着，为使表面平坦化，利用CMP将无掺杂的β-Ga

接着，在β-Ga

在此，肖特基电极是具有将厚度15nm的Pt膜、厚度5nm的Ti膜、厚度250nm的Au膜按此顺序层叠而成的层叠结构的直径800μm的圆形的电极。另外，欧姆电极是具有将厚度50nm的Ti膜、厚度300nm的Au膜按此顺序层叠而成的层叠结构的一边为10mm的正方形的电极。

在图11A中，在深度比与β-Ga

因此，理所当然，在偏置电压为0时，β-Ga

由于β-Ga

图11B是示出上述的晶体层叠结构体的耐电压特性的坐标图。

图11B的横轴表示施加电压(V)，纵轴表示电流密度(A/cm

以下示出用于测定图11B所示的数据的次序。首先，准备包括上述的β-Ga

接着，在β-Ga

在此，肖特基电极是具有将厚度15nm的Pt膜、厚度5nm的Ti膜、厚度250nm的Au膜按此顺序层叠而成的层叠结构的直径200μm的圆形的电极。另外，欧姆电极是具有将厚度50nm的Ti膜、厚度300nm的Au膜按此顺序层叠而成的层叠结构的一边为10mm的正方形的电极。

图11B示出了即使施加1000V的电压，晶体层叠结构体中的漏电流也是非常小而至1×10

图12是示出在主面的面方位为(010)的β-Ga

图12的横轴表示β-Ga

以下示出用于测定图12所示的数据的次序。首先，在主面的面方位为(010)并掺杂了Sn的n型β-Ga

β-Ga

接着，在无掺杂的β-Ga

在此，肖特基电极是具有将厚度15nm的Pt膜、厚度5nm的Ti膜、厚度250nm的Au膜按此顺序层叠而成的层叠结构的直径400μm的圆形的电极。另外，欧姆电极是具有将厚度50nm的Ti膜、厚度300nm的Au膜按此顺序层叠而成的层叠结构的一边为10mm的正方形的电极。

在图12中，偏置电压为0时的测定点的横轴坐标为0.85μm(比0.85μm深的区域的测定点是偏置电压接近-10V时的测定点)。根据理论曲线，耗尽层厚度为0.85μm时的施主浓度是大约2.3×10

(实施方式的效果)

根据上述实施方式，使用HVPE法，控制镓的原料气体的生成条件及β-Ga

以上，说明了本发明的实施方式，但本发明不限于上述实施方式，能在不脱离发明的宗旨的范围内进行种种变形实施。

另外，上面所述的实施方式并不限定权利要求书所涉及的发明。另外，应当注意，实施方式中所说明的特征的组合对用于解决发明的问题的方案来说并非全都是必须的。

提供能够高效生长出高质量且大口径的β-Ga

1…晶体层叠结构体，10…Ga