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CN106574396A - Ga2O3系单晶基板 - Google Patents

Ga2O3系单晶基板 Download PDF

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CN106574396A
CN106574396A CN201580042566.3A CN201580042566A CN106574396A CN 106574396 A CN106574396 A CN 106574396A CN 201580042566 A CN201580042566 A CN 201580042566A CN 106574396 A CN106574396 A CN 106574396A
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CN
China
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face
axle
monocrystal substrate
interarea
rotary shaft
Prior art date
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Pending
Application number
CN201580042566.3A
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English (en)
Inventor
佐佐木公平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tamura Corp
Original Assignee
Tamura Corp
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Publication date
Application filed by Tamura Corp filed Critical Tamura Corp
Priority to CN201911018311.XA priority Critical patent/CN110565173A/zh
Publication of CN106574396A publication Critical patent/CN106574396A/zh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure

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Abstract

提供能实现高加工合格率的Ga2O3系单晶基板。能得到如下Ga2O3系单晶基板：在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转10～150°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm。

Description

Ga2O3系单晶基板
技术领域
本发明涉及Ga2O3系单晶基板。
背景技术
已提出以从(100)面旋转50°以上且90°以下的面为主面的β-Ga2O3系基板(例如，参照专利文献1。)。
另外，在专利文献1中，作为从该(100)面旋转50°以上且90°以下的面，举出了(010)、(001)、(-201)、(101)和(310)面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2013/035464号
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于，提供能实现高加工合格率的Ga2O3系单晶基板。
用于解决问题的方案
本发明的发明人等关于Ga2O3系单晶基板进行了锐意研究，发现若将某特定的面方位作为晶体生长用的主面，则能够达到上述目的，而完成了本发明。
即，上述目的能通过下述的[1]～[4]所记载的各发明来达到。
[1]一种Ga2O3系单晶基板，在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转10～150°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm。
[2]一种Ga2O3系单晶基板，在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转10～70°、100～150°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm，无潜伤。
[3]一种Ga2O3系单晶基板，将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm。
[4]一种Ga2O3系单晶基板，将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm，无潜伤。
发明效果
根据本发明，能得到高加工合格率的Ga2O3系单晶基板。
附图说明
图1是示出Ga2O3单晶基板的主面以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度与主面上的裂纹密度的关系的图(实施例1)。
图2是示出Ga2O3单晶基板的主面以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度与主面上的裂纹密度的关系的图(实施例1)。
图3是将以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转160°的面作为主面的Ga2O3单晶基板的主面的CMP处理后的表面光学显微镜照片(实施例1)。
图4是示出Ga2O3单晶基板的主面以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度与潜伤(研磨损伤)的关系的图(实施例1)。
图5是示出Ga2O3单晶基板的主面以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度与外延膜的生长率的关系的图(实施例2)。
图6是示出Ga2O3单晶基板的主面以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度与外延膜的生长率的关系的图(实施例2)。
图7是示出Ga2O3单晶基板的(-201)面往[010]方向的倾斜角与外延膜的生长率的关系的图(实施例2)。
图8A是示出在Ga2O3单晶基板上进行外延生长后的X射线衍射测定结果的图(实施例3)。
图8B是将图8A的(002)面附近放大示出的图(实施例3)。
图9是示出在Ga2O3单晶基板的以[010]轴为旋转轴旋转后的面上生长的外延膜表面的RHEED像的照片(实施例3)。
图10是示出在Ga2O3单晶基板的主面以[001]轴为旋转轴旋转后的面上生长的外延膜表面的RHEED像的照片(实施例3)。
图11是示出Ga2O3单晶基板的主面以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度与在各基板的主面上生长的外延膜的表面粗糙度(RMS)的关系的图(实施例4)。
图12是示出在Ga2O3单晶基板的主面以[010]轴为旋转轴旋转后的面上生长的外延膜表面的5μm见方的AFM像的照片(实施例4)。
图13是示出从在Ga2O3单晶基板的主面以[001]轴为旋转轴旋转后的面上生长的外延膜表面的5μm见方的AFM像推定的表面粗糙度(RMS)的图(实施例4)。
图14是示出从在Ga2O3单晶基板的主面以[001]轴为旋转轴旋转后的面上生长的外延膜表面的1μm见方的AFM像推定的表面粗糙度(RMS)的图(实施例4)。
图15是示出在Ga2O3单晶基板的主面以[001]轴为旋转轴旋转后的面上生长的外延膜表面的1μm见方的AFM像的照片(实施例4)。
具体实施方式
以下，举出实施例，参照附图具体说明本发明的优选实施方式。
[实施例1]
Ga2O3系单晶基板具有以下的(1)和(2)所列举的问题。
(1)Ga2O3系单晶基板在(100)面具有强解理性，当要加工Ga2O3系单晶基板时，容易发生由解理导致的剥落、裂纹。由于在基板加工时容易发生剥落、裂纹，因此得到大型的Ga2O3系单晶基板是困难的。
(2)由于(100)面具有强解理性，因此存在如下问题：(100)面越是与基板表面(主面)接近垂直，特别是当(100)面与主面所成的角度为45°以上时，在设备制造时Ga2O3系单晶基板越容易破裂。
所以，在本实施例中，为了得到不易发生裂纹、破裂的Ga2O3系单晶基板，制造了主面的面方位不同的多个Ga2O3单晶基板，评价了主面的面方位与裂纹的发生量的关系。
Ga2O3系单晶基板是由β-Ga2O3单晶等β-(GaxInyAlz)2O3单晶(0＜x≤1，0≤y＜1，0≤z＜1，x+y+z＝1)形成的基板。
(Ga2O3单晶基板的制作)
从Ga2O3单晶分别切出将以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转0～170°的面作为主面的Ga2O3单晶基板以及将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面的Ga2O3单晶基板，然后加工成10mm见方且厚度为1mm的板状。这些Ga2O3单晶基板按每一旋转角度各制作20个。以该[010]轴为旋转轴的10mm见方的Ga2O3单晶基板的一边与[010]方向平行。此外，以[010]轴为旋转轴旋转的角度是将从(100)面经由(101)面到达(001)面的方向设为正。另外，以[001]轴为旋转轴的10mm见方的Ga2O3单晶基板的一边与[001]方向平行。
接着，使用磨石的粗糙度为1000目的磨削装置，将Ga2O3单晶基板的厚度削至0.8mm左右。磨削速度为大约6μm/min左右。在该磨削后，一边喷涂由金刚石形成的磨粒一边进行削量为20μm左右的表面研磨。
最后，通过CMP(Chemical mechanical planarization：化学机械研磨)进行10μm左右的表面研磨。在CMP处理后，使用有机溶剂(丙酮、甲醇、IPA、乙醇)进行了有机清洗，实施了HF浸渍清洗、往按4:1:1混合H2SO4、H2O2及H2O而成的酸的浸渍清洗、基于超纯水的漂洗、基于氮气流的干燥。
(Ga2O3单晶基板的裂纹密度的评价)
参照图1和图2，图1示出Ga2O3单晶基板的主面以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度与CMP处理后的主面上的裂纹密度的关系，图2示出Ga2O3单晶基板的主面以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度与CMP处理后的主面上的裂纹密度的关系。图1、2所示的各旋转角度的Ga2O3单晶基板的裂纹密度分别是20个Ga2O3单晶基板的裂纹密度的平均值。
在此，以[010]轴为旋转轴的Ga2O3单晶基板的主面的裂纹密度定义为：在将Ga2O3单晶基板的主面上的与[010]方向垂直的方向的直线中的最长直线设为基准直线时，沿着与该基准直线相交的[010]方向的裂纹的条数除以该基准直线的长度得到的值。例如，在Ga2O3单晶基板为圆形的情况下，该基准直线是穿过其中心的与[010]方向垂直的方向的直线，基准直线的长度相当于圆形的Ga2O3单晶基板的直径。
另外，以[001]轴为旋转轴的Ga2O3单晶基板的主面的裂纹密度定义为：在将Ga2O3单晶基板的主面上的与[001]方向垂直的方向的直线中的最长直线设为基准直线时，沿着与该基准直线相交的[001]方向的裂纹的条数除以该基准直线的长度得到的值。例如，在Ga2O3单晶基板为圆形的情况下，该基准直线是穿过其中心的与[001]方向垂直的方向的直线，基准直线的长度相当于圆形的Ga2O3单晶基板的直径。
如图1和图2所示，将以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转10～150°的面作为主面的[010]轴旋转10～150°基板以及将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面的[001]轴旋转10～90°基板未发生裂纹。
由于20个一边与[010]方向平行的10mm见方的基板不发生裂纹，因此可以说，短边方向与[010]方向平行的10mm×200mm的长方形基板不发生裂纹。由于短边方向与[010]方向平行的10mm×200mm的长方形基板所发生的裂纹小于1条，因此可以说裂纹密度小于0.05条/cm。
同样，由于20个一边与[001]方向平行的10mm见方的基板不发生裂纹，因此可以说，短边方向与[001]方向平行的10mm×200mm的长方形基板不发生裂纹。由于短边方向与[001]方向平行的10mm×200mm的长方形基板所发生的裂纹小于1条，因此可以说裂纹密度小于0.05条/cm。
即，可以说[010]轴旋转10～150°基板和[001]轴旋转10～90°基板的裂纹密度小于0.05条/cm。
另一方面，在将以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转160～180°的面作为主面的[010]轴旋转160～180°基板中，在[010]方向发生了大量深的筋状缺陷(裂纹)。这些裂纹是在使用金刚石磨粒的研磨处理中发生的，在其后的CMP处理中没有消失。
图3是将以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转160°的面(图1的箭头III的测定点所涉及的面)作为主面的Ga2O3单晶基板的主面的CMP处理后的表面光学显微镜照片。照片中的黑色部分为由于裂纹而发生的深槽，照片中的白色部分为研磨后的表面。图3的箭头表示与[010]方向垂直的方向。
裂纹密度在[010]轴旋转160°基板中为53条/cm，在[010]轴旋转170°基板中为79条/cm。在裂纹密度为53条/cm的情况下，无裂纹的区域的与[010]方向垂直的方向的宽度为189μm左右。
然而，即使通过表面研磨后的光学显微镜和AFM(原子力显微镜)的观察，得出了基板的平坦性，有时基板也会残留有研磨损伤。这些残留研磨损伤(潜伤)通过在该潜伤上生长同质外延膜而会作为表面缺陷浮现。
为了评价有无潜伤，使用MBE进行了同质外延生长。生长温度设为750℃，生长时间设为30分钟。图4示出Ga2O3单晶基板的主面以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度与有无潜伤(研磨损伤)的关系。
从图4可知，[010]轴旋转90°基板上的同质外延膜是，半面为镜面，其余半面被缘于研磨损伤的划痕和小丘覆盖。[010]轴旋转80°基板上的同质外延膜是，整面被同样的小丘覆盖。[010]轴旋转76.3°基板上的同质外延膜是，仅极小部分为镜面，几乎整面被同样的小丘覆盖。因而可知，[010]轴旋转76.3～90°的范围是容易残留研磨损伤的面。
此外，在将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面的[001]轴旋转10～90°基板中，在整个基板范围内均未确认到由潜伤导致的表面缺陷。
因此能够理解，为了抑制表面研磨时的裂纹的发生和潜伤的发生，只要使用[010]轴旋转10～70°面、[010]轴旋转100～150°面和[001]轴旋转10～90°面即可。
上述的本实施例的评价是针对Ga2O3单晶基板进行的，但在针对Ga2O3单晶基板以外的Ga2O3系单晶基板进行评价的情况下，也能得到与上述的评价结果同样的评价结果。
从以上的说明可知，能得到如下Ga2O3系单晶基板。
一种Ga2O3系单晶基板，在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转10～150°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm。
一种Ga2O3系单晶基板，在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转10～70°、100～150°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm，无潜伤。
一种Ga2O3系单晶基板，将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm。
一种Ga2O3系单晶基板，将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm，无潜伤。
(实施例1的效果)
根据该实施例1，除了上述效果以外，还能得到如下效果。
能够在基板加工时显著抑制裂纹、潜伤、剥落，能够提高大面积Ga2O3系单晶基板的制造合格率。具体地说，通过将以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转10～150°的面或者以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面用作主面，能制造大致0.2mm宽度以上且20cm宽度以下的大型的Ga2O3系单晶基板。
[实施例2]
在Ga2O3系单晶基板的主面为(100)面的情况下，在主面上生长Ga2O3晶体膜时供给的原料容易再蒸发，因此，存在Ga2O3晶体膜的生长速度非常慢，量产性低的问题。
所以，在本实施例中，为了得到在主面上生长的Ga2O3晶体膜的生长率高的Ga2O3系单晶基板，而在主面的面方位不同的多个Ga2O3单晶基板上分别生长Ga2O3晶体膜，评价了主面的面方位与Ga2O3晶体膜的生长率的关系。
(Ga2O3单晶基板和Ga2O3晶体膜的制作)
准备了如下Ga2O3单晶基板：在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转0～150°的面作为主面的Ga2O3单晶基板；以及将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面的Ga2O3单晶基板。此外，对Ga2O3单晶基板添加有Sn，Ga2O3单晶基板为n型导电性。
对Ga2O3单晶基板的表面实施磨削研磨加工，在磨削研磨工序后，实施了CMP处理。在CMP处理后，使用有机溶剂(丙酮、甲醇、IPA、乙醇)进行有机清洗，实施HF浸渍清洗、往按4:1:1混合H2SO4、H2O2及H2O而成的酸的浸渍清洗、基于超纯水的漂洗、基于氮气流的干燥，形成为能进行外延生长的基板状态。在该基板上，使用MBE使Ga2O3晶体膜外延生长。生长温度设为750℃，生长时间设为30分钟。
(Ga2O3单晶膜的生长率的评价)
图5和图6示出Ga2O3单晶基板的主面以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转后的面上的Ga2O3晶体膜的生长率的评价结果和Ga2O3单晶基板的主面以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转后的面上的Ga2O3晶体膜的生长率的评价结果。
图5示出Ga2O3单晶基板的主面以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度(°)与Ga2O3晶体膜的生长率(nm/h)的关系。图6示出Ga2O3单晶基板的主面以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度(°)与Ga2O3晶体膜的生长率(nm/h)的关系。
在图5中，以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转10°的面即[010]轴旋转10°面的生长率为大约500nm/h，而(100)面的生长率为10nm/h以下(测定下限以下)，因此可知，通过以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转10°，能够将Ga2O3晶体膜的生长率提高到至少50倍以上。
另外，图5示出在将以[010]轴为旋转轴从(100)面按10°以上150°以下的范围旋转的面作为主面的情况下，与将(100)面作为主面的情况相比，能够格外提高Ga2O3晶体膜的生长率。
图6示出在将以[001]轴为旋转轴从(100)面按10°以上90°以下的范围旋转的面作为主面的情况下，与将(100)面作为主面的情况相比，能够格外提高Ga2O3晶体膜的生长率。
另一方面，(100)面具有强解理性，当主面与(100)面所成的角度为45°以上时，设备制造时容易发生基板破裂。因此，优选将从(100)面按小于45°旋转的面用作主面。
因此可以说，为了提高Ga2O3晶体膜的生长率且抑制设备制造时的基板破裂，只要将以[010]轴为旋转轴从(100)面按10°以上且小于45°旋转的面或者以[001]轴为旋转轴从(100)面按10°以上且小于45°旋转的面作为主面即可。
另外，通过在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面按10°以上且小于45°旋转的面或按大于135°且150°以下旋转的面或者以[001]轴为旋转轴从(100)面按10°以上且小于45°旋转的面作为主面，能够提高Ga2O3晶体膜的生长率且抑制设备制造时的基板破裂，而且能够使主面上的裂纹密度小于0.05条/cm。
此外，本次的研究是使用将[010]轴与[001]轴这两个正交的轴为旋转轴的面作为主面的基板进行的，在两个正交的轴间得到了同样的结果。因而能够容易推知，即使在这些旋转轴的中间也能得到同样的结果。也就是说，在主面是从(100)面旋转后的面的情况下，与旋转轴的方向无关，只要旋转角度为10°以上且小于45°，就能够比(100)面提高Ga2O3晶体膜的生长率，因此可以说，通过将从(100)面按10°以上且小于45°旋转的面作为主面，能够提高Ga2O3晶体膜的生长率且抑制设备制造时的基板破裂。
比较图5和图6，以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转后的面即[001]轴旋转面与以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转后的面即[010]轴旋转面相比，整体上生长率较高。例如，[010]轴旋转10°面的生长率为大约500nm/h，而[001]轴旋转10°面的生长率为大约730nm/h，是大约1.5倍。这表明，当(010)面成分出现在主面时生长率变高。因而，通过使[010]轴旋转面往[010]方向倾斜，使(010)面成分出现在主面，生长率有望上升。
图7示出从[010]轴旋转126.2°＝(-201)面往[010]方向的倾斜角(偏离角)与外延膜的生长率的关系。从图7可知，Ga2O3单晶基板随着从(-201)面往[010]方向的倾斜角变大，生长率上升，在7°的偏离角时达到饱和。
根据该结果可以说，为了提高[010]轴旋转(-201)面的生长率(原料使用效率)，使其往[010]方向带有偏离角是有效的。另外，其生长率的增加在7°时达到饱和，因此，通过倾斜7°以上，生长率就不再依赖于偏离角，能得到如下效果：能够抑制由基板偏离角偏差导致的生长率的变动，提高制造稳定性。因此，更优选偏离角为7°以上。另外，在使[010]轴旋转(-201)面以外的[010]轴旋转面往[010]方向倾斜的情况下，也能得到同样的结果。
上述的本实施例的评价是使用Ga2O3单晶基板进行的，但在使用Ga2O3单晶基板以外的Ga2O3系单晶基板进行评价的情况下，也能得到与上述的评价结果同样的评价结果。另外，即使是取代Ga2O3晶体膜而生长(GaxInyAlz)2O3晶体膜(0＜x≤1，0≤y＜1，0≤z＜1，x+y+z＝1)的情况下，也能得到同样的评价结果。
从以上的说明可知，能得到如下Ga2O3系单晶基板。
一种Ga2O3系单晶基板，具有从(100)面按10°以上且小于45°旋转的面作为生长面。
一种Ga2O3系单晶基板，具有以[010]轴为旋转轴从(100)面按10°以上且小于45°旋转的面作为生长面。
一种Ga2O3系单晶基板，在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，具有从(100)面按10°以上且小于45°旋转的面作为生长面，或者具有从(100)面按大于135°且150°以下旋转的面作为生长面。
一种Ga2O3系单晶基板，具有以[001]轴为旋转轴从(100)面按10°以上且小于45°旋转的面作为生长面。
(实施例2的效果)
根据该实施例2，除了与上述实施例1同样的效果以外，还能得到如下效果。
能够抑制所供给的原料的再蒸发，提高外延生长时的原料供给效率。而且能够抑制设备制造合格率的下降。还能够抑制设备制造时的基板破裂等。
[实施例3]
在Ga2O3系单晶基板上使Ga2O3晶体膜成膜的情况下，存在以下的(1)和(2)所列举的问题。
(1)在将(010)面、(001)面、(-201)面作为主面的Ga2O3单晶基板上生长Ga2O3晶体膜的情况下，生长速度没有问题，但Ga2O3晶体膜的面内的结晶性的分布的均匀性低，局部产生非单晶的部位。在将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转后的面作为主面的Ga2O3单晶基板上生长Ga2O3晶体膜的情况下的Ga2O3晶体膜的面内的结晶性是未知的。在非单晶的部位上制作设备的情况下，其晶粒边界成为漏电流的路径，有可能使设备的截止性能下降。
(2)在将(001)面作为主面的Ga2O3单晶基板上生长Ga2O3晶体膜的情况下，生长速度没有问题，容易得到更平坦的Ga2O3晶体膜，但(001)面是与(100)面同样具有强解理性的面，难以进行基板表面的研磨，在设备制造时有可能发生由解理导致的剥落等。
所以，在本实施例中，为了得到能够生长面内的结晶性的分布的均匀性高的Ga2O3晶体膜的Ga2O3系单晶基板，制造了主面的面方位不同的多个Ga2O3单晶基板，评价了主面的面方位与在主面上生长的Ga2O3晶体膜的质量的关系。
以下，参照图8A～图10详细说明Ga2O3单晶基板的主面的面方位与在该主面上生长的Ga2O3晶体膜的质量的关系。
(Ga2O3单晶基板和Ga2O3晶体膜的制作)
准备了：在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转0～150°的面作为主面的Ga2O3单晶基板；以及将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面的Ga2O3单晶基板。此外，对Ga2O3单晶基板添加有Sn，Ga2O3单晶基板为n型导电性。
对Ga2O3单晶基板的表面实施磨削研磨加工，在磨削研磨工序后，实施了CMP处理。在CMP处理后，使用有机溶剂(丙酮、甲醇、IPA、乙醇)进行有机清洗，实施HF浸渍清洗、往按4:1:1混合H2SO4、H2O2及H2O而成的酸的浸渍清洗、基于超纯水的漂洗、基于氮气流的干燥，形成为能进行外延生长的基板状态。在该基板上，使用MBE使Ga2O3晶体膜外延生长。生长温度设为750℃，生长时间设为30分钟。Ga2O3晶体的膜厚为大约300nm左右。
(方位与基板不同的晶体的混入抑制)
图8A表示通过XRD(X-Ray-Diffractometer：X射线衍射装置)的X射线衍射测定{(001)非对称2θ-ω扫描}得到的X射线衍射光谱。图8B是将图8A的X射线衍射光谱的(002)衍射附近放大示出的图。
图中的横轴表示X射线的入射方位与反射方位所成的角2θ(°)，图中的左侧的纵轴表示X射线的衍射强度(任意单位)。X射线衍射光谱的右侧的数值表示Ga2O3单晶基板的主面以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转的角度。
当观看图8A和图8B时，在(002)衍射的低角侧观测到来自方位与基板晶体不同的晶体的衍射峰。此外，2θ＝26°、46.5°附近的衍射峰是由来自X射线衍射装置的试料台的衍射所致的。
在[010]轴旋转50～80°面上的Ga2O3晶体膜中，确认了在(001)面上进行(-401)取向的晶体的混入。另一方面，从[010]轴旋转120～140°面上的Ga2O3晶体膜确认了在(001)面上进行(400)取向的晶体的混入。
图9示出代表性的[010]轴旋转40°、50°、70°、90°、100°、126.2°、140°、150°面上的Ga2O3晶体膜表面的RHEED(Reflective High-Energy Electron Diffraction：反射型高能电子衍射)像。
从图9可知，在XRD评价中方位与基板不同的晶体的混入被确认的[010]轴旋转50°、70°、126.2°、140°面上的Ga2O3晶体膜的RHEED像呈现出点状(spotty)的图案。认为这是由于方位与基板不同的晶体混入Ga2O3晶体膜，导致原子排列紊乱，而变为了点状的图案。
另一方面，没有方位与基板不同的晶体混入的[010]轴旋转40°、90°、100°、150°面上的Ga2O3晶体膜的RHEED像呈现出条纹(streak)图案。条纹图案表示得到了Ga2O3单晶膜。
图10示出在[001]轴旋转面上生长的Ga2O3晶体膜的表面的RHEED像。
从图10可知，在[001]轴旋转10～90°面上的Ga2O3晶体膜的表面上，所有的RHEED像均呈现出条纹图案。因而，能得到没有方位与基板不同的晶体混入的Ga2O3单晶膜。
此外，已知这些方位与基板不同的晶体的混入是由外延生长中的层错缺陷所致。
上述的本实施例的评价是使用Ga2O3单晶基板进行的，但在使用Ga2O3单晶基板以外的Ga2O3系单晶基板进行评价的情况下，也能得到与上述的评价结果同样的评价结果。另外，即使取代Ga2O3晶体膜而生长(GaxInyAlz)2O3晶体膜(0＜x≤1，0≤y＜1，0≤z＜1，x+y+z＝1)的情况下，也能得到同样的评价结果。
从以上的说明可知，能得到如下Ga2O3系单晶基板和Ga2O3系单晶膜的生长方法。
一种Ga2O3系单晶基板，在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，具有从(100)面旋转10～40°、76.3°、90°～110°、150°的面作为生长面。
一种Ga2O3系单晶基板，具有以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为生长面。
一种Ga2O3系单晶膜的生长方法，包含在Ga2O3系单晶基板的主面上使Ga2O3系晶体外延生长，形成Ga2O3系晶体膜的工序，该Ga2O3系单晶基板在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转10～40°、76.3°、90°～110°、150°的面作为主面。
一种Ga2O3系单晶膜的生长方法，包含在Ga2O3系单晶基板的主面上使Ga2O3系晶体外延生长，形成Ga2O3系晶体膜的工序，该Ga2O3系单晶基板将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面。
(实施例3的效果)
根据上述实施例3，能够在Ga2O3系单晶基板的主面上生长不包含方位与基板不同的晶体的Ga2O3系晶体膜，能够减少设备的漏电流。
[实施例4]
在Ga2O3系单晶基板上使Ga2O3晶体膜成膜的情况下，该晶体膜的表面平坦性与面方位的关系是未知的。例如，在表面粗糙的晶体膜上形成电极来制作晶体管的情况下，电极与Ga2O3晶体膜界面的电场不均匀，有可能引起设备的耐压下降。因而，晶体膜的表面平坦性越高越优选。
所以，在本实施例中，为了得到在主面上生长的Ga2O3晶体膜的平坦性高的Ga2O3系单晶基板，在主面的面方位不同的多个Ga2O3单晶基板上分别生长Ga2O3晶体膜，评价了主面的面方位与Ga2O3晶体膜的平坦性的关系。
(Ga2O3单晶基板和Ga2O3晶体膜的制作)
准备了：在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转0～150°旋转的面作为主面的Ga2O3单晶基板；以及将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面的Ga2O3单晶基板。此外，对Ga2O3单晶基板添加有Sn，Ga2O3单晶基板为n型导电性。
对Ga2O3单晶基板的基板表面实施磨削研磨加工，在磨削研磨工序后，实施了CMP处理。在CMP处理后，使用有机溶剂(丙酮、甲醇、IPA、乙醇)进行有机清洗，实施HF浸渍清洗、往按4:1:1混合H2SO4、H2O2及H2O而成的酸的浸渍清洗、基于超纯水的漂洗、基于氮气流的干燥，形成为能进行外延生长的基板状态。在该基板上，使用MBE生长Ga2O3晶体膜。生长温度设为750℃，生长时间设为30分钟。Ga2O3晶体的膜厚为大约300nm。
(Ga2O3晶体膜的平坦性)
图11是示出Ga2O3单晶基板的以[010]轴为旋转轴时从(100)面旋转的角度(°)与在各基板的主面上生长的外延膜的表面粗糙度(RMS)(nm)的关系的图。表面粗糙度(RMS)是从Ga2O3晶体膜表面的5μm见方的AFM像推定的。
从图11可知，在以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转30°、76.3°、90°～110°、150°的面上生长的Ga2O3晶体膜中，确认了表面粗糙度有显著变小的倾向。
图12示出在Ga2O3单晶基板的以[010]轴为旋转轴旋转后的面上生长的外延膜表面的5μm见方的AFM像。
从图12可知，在以[010]轴为旋转轴从(100)面旋转30°、76.3°、90°～110°、150°的面上的Ga2O3晶体膜中，观测到清晰的原子台阶，认为进行了台阶流式生长。
图13示出从在Ga2O3单晶基板的以[001]轴为旋转轴旋转后的面上生长的外延膜表面的5μm见方的AFM像推定的表面粗糙度(RMS)。
从图13可知，在以[001]轴为旋转轴旋转10～90°的面上的整个角度范围内均得到了平坦的Ga2O3晶体膜。
图14是示出从在Ga2O3单晶基板的以[001]轴为旋转轴旋转后的面上生长的外延膜表面的1μm见方的AFM像推定的表面粗糙度(RMS)。
从图14可知，在以[001]轴为旋转轴旋转10～90°的面的整个角度范围内均得到了平坦的Ga2O3晶体膜。可知在所得到的平坦的Ga2O3晶体膜之中，特别是在60°附近平坦性高。
图15示出在Ga2O3单晶基板的以[001]轴为旋转轴旋转后的面上生长的外延膜表面的1μm见方的AFM像。
从图15可知，在60°附近观测到二维生长的平坦的表面。确认了越远离60°附近，台阶聚束(Step Bunching)越大，表面越粗糙。
上述的本实施例的评价是使用Ga2O3单晶基板进行的，但在使用Ga2O3单晶基板以外的Ga2O3系单晶基板进行评价的情况下，也能得到与上述的评价结果同样的评价结果。另外，即使取代Ga2O3晶体膜而生长(GaxInyAlz)2O3晶体膜(0＜x≤1，0≤y＜1，0≤z＜1，x+y+z＝1)的情况下，也能得到同样的评价结果。
从以上的说明可知，能得到如下Ga2O3系单晶基板和Ga2O3系晶体膜的生长方法。
一种Ga2O3系单晶基板，在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，具有从(100)面旋转30°、76.3°、90°～110°、150°的面作为生长面。
一种Ga2O3系单晶基板，具有以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为生长面。
一种Ga2O3单晶膜的生长方法，包含在Ga2O3系单晶基板的主面上使β-Ga2O3系晶体外延生长，形成β-Ga2O3系晶体膜的工序，该Ga2O3系单晶基板在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转30°、76.3°、90°～110°、150°的面作为主面。
一种Ga2O3单晶膜的生长方法，包含在Ga2O3系单晶基板的主面上使β-Ga2O3系晶体外延生长，形成β-Ga2O3系晶体膜的工序，该Ga2O3系单晶基板将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面。
(实施例4的效果)
根据该实施例4，除了与上述实施例3同样的效果以外，还能得到平坦性高的Ga2O3晶体膜，能够抑制设备的耐压下降。
[其它实施例]
举出上述各实施例和图示例说明了本发明的Ga2O3系单晶基板的代表性的构成例，但如下所示的其它实施例也是可以的。
从图示例也可知，对于在Ga2O3系单晶基板上使Ga2O3系晶体膜外延生长来说，将(401)面、(201)面、(-102)面、(-101)面、(-401)面、(210)面等作为主面的Ga2O3系单晶基板均是可以的。这些Ga2O3系单晶基板也能用作用于高速生长平坦性高的Ga2O3系单晶膜的研磨裂纹密度低的Ga2O3系单晶基板。并且，在使用将这些面作为主面的Ga2O3系单晶基板上的Ga2O3系晶体膜来制作设备的情况下，不会产生非单晶部位，因此不会引起漏电流的增加，晶体膜表面的平坦性高，所以电极与Ga2O3系晶体膜界面的电场均匀，能够抑制耐压的下降。
此外，在上述的各实施例中，能够得到效果的Ga2O3系单晶基板的主面从(100)面的[010]轴旋转的角度范围即使存在以与基板面内的[010]轴正交的方向为旋转轴的角度偏差，只要该角度偏差的大小在大致±5度以内，就几乎不会受其影响。
另外，在上述的各实施例中，能够得到效果的Ga2O3系单晶基板的主面从(100)面的[001]轴旋转的角度范围即使存在以与基板面内的[001]轴正交的方向为旋转轴的角度偏差，只要该角度偏差的大小在大致±5度以内，就几乎不会受其影响。
从以上的说明可知，虽然例示了本发明所涉及的代表性的各实施例和图示例，但上述各实施例和图示例并非限定权利要求所涉及的发明。因此，应当注意，上述各实施例和图示例中所说明的特征的组合对用于解决发明问题的方案来说并非全都是必须的。
工业上的可利用性
提供能实现高加工合格率的Ga2O3系单晶基板。

Claims (4)

1.一种Ga2O3系单晶基板，其特征在于，
在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转10～150°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm。
2.一种Ga2O3系单晶基板，其特征在于，
在将以[010]轴为旋转轴从(100)面经由(101)面到达(001)面的旋转方向定义为正时，将从(100)面旋转10～70°、100～150°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm，无潜伤。
3.一种Ga2O3系单晶基板，其特征在于，
将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm。
4.一种Ga2O3系单晶基板，其特征在于，
将以[001]轴为旋转轴从(100)面旋转10～90°的面作为主面，裂纹密度小于0.05条/cm，无潜伤。
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