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JP2014177400A - Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板 - Google Patents

Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板 Download PDF

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Abstract

【課題】β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板上に形成されるＧａ含有酸化物層の高品質化を図ることができるＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板を提供する。
【解決手段】Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなり、その（０１０）面、又は（０１０）面に対して３７．５°以内の角度範囲で傾斜した面を主面とする。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板に関し、特に高品質なＧａ含有酸化物層を成長させることができるＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板に関する。
従来、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる素子基板にＧａ含有酸化物を積層した半導体素子が知られている(例えば、特許文献１参照)。
この種の半導体素子は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の主面にＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等の物理的気相成長法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等の化学的気相成長法により、ｎ型やｐ型の導電性を示す層を積層することで構成されている。
また、β−Ｇａ２Ｏ３単結品基板の主面としては、劈開性が強く、平坦な面が容易に得られる（１００）面が用いられている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２３５９６１号公報 特開２００８−１５６１４１号公報
ところで、近年の半導体素子のさらなる高性能化のため、素子基板とその上に形成されるＧａ含有酸化物エピタキシャル層、及び積層されたＧａ含有酸化物エピタキシャル層間における急峻な界面の形成、及びＧａ含有酸化物エピタキシャル層の高精度な膜厚の形成が課題となっている。
従って、本発明の目的は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板上に形成されるＧａ含有酸化物層の高品質化を図ることができるＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板を提供することにある。
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意研究し、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶の何れの結晶面を主面とするかによって、その上に形成されるＧａ含有酸化物層の品質に変化が現れることを見出し、さらに実験を繰り返すことによって本発明をなすに至った。
本発明は、この実験によって得られた知見に基づくものであり、下記のＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板を提供する。
［１］β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなり、その（０１０）面、又は（０１０）面に対して３７．５°以内の角度範囲で傾斜した面を主面とするＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板。
［２］前記主面が、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（０１０）面、又は（０１０）面から（３１０）面に至る間の面である、［１］に記載のＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板。
［３］前記主面がβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（０１０）面又は（３１０）面である、［２］に記載のＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板。
本発明によれば、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板上に形成されるＧａ含有酸化物層の高品質化を図ることができる。
図１Ａは、第１の実施の形態に係るＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａに示すＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の面方位を規定した結晶構造を示す立体図である。 図２は、結晶積層構造体の構成例を示す断面図である。 図３は、結晶積層構造体の形成に用いられるＭＢＥ装置の断面図である。 図４Ａは、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板上にＡｌを２０％含んだ（ＡｌＧａ）２Ｏ３層を１層のみエピタキシャル成長した時の、結晶積層構造体のＸ線回折測定結果を示すＸＲＤ２θ−θスペクトルである。 図４Ｂは、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶の表面の状態を示す原子間力顕微鏡像である。 図５Ａは、複数の（ＡｌＧａ）２Ｏ３層及びＧａ２Ｏ３層を交互に形成した結晶積層構造体のＴＥＭ観察像である。 図５Ｂは、この結晶積層構造体のＸＲＤ２θ−θスペクトルである。 図６Ａは、比較例として示す、（１００）面を主面として成長させたＧａ含有酸化物エピタキシャル結晶の表面の状態を示す原子間力顕微鏡像である。 図６Ｂは、比較例として示す、（００１）面を主面として成長させたＧａ含有酸化物エピタキシャル結晶の表面の状態を示す原子間力顕微鏡像である。 図７Ａは、（１００）面を主面とするβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなるＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板に、複数の（ＡＩＧａ）２Ｏ３層及びＧａ２Ｏ３層を交互に形成した結晶積層構造体のＴＥＭ観察像である。 図７Ｂは、図７Ａの結晶積層構造体のＸＲＤ２θ−θスペクトルである。 図８Ａは、第１の実施の形態の変形例に係るＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の斜視図である。 図８Ｂは、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（３１０）面を示す立体図である。 図８Ｃは、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（３１０）面が（０１０）面となす角度δを示す図である。 図９は、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の（３１０）面に形成したＧａ含有酸化物エピタキシャル結晶の表面を観察した原子間力顕微鏡像である。 図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る高電子移動トランジスタの構成例を示す断面図である。 図１１は、本発明の第３の実施の形態に係るＭＥＳＦＥＴの構成例を示す断面図である。 ]図１２は、本発明の第４の実施の形態に係るショットキーバリアダイオードの構成例を示す断面図である。
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の斜視図である。このＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１は、β−Ｇａ２Ｏ３（酸化ガリウム）系単結晶からなり、その（０１０）面を主面１０とする。
Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１は、所定の面方位を有して板状に形成されている。β−Ｇａ２Ｏ３の結晶構造の方位軸は、ａ軸＜１００＞、ｂ軸＜０１０＞、ｃ軸＜００１＞で構成され、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１は、これら３つの軸により規定される所定の面方位、すなわち、（０１０）面、（１００）面、（００１）面により板状に形成されている。このうち（０１０）面は、半導体素子を作製する場合にＧａ含有酸化物のエピタキシャル結晶成長が行なわれる主面１０であり、他の面に比較して広い面積を有するように形成されている。
図１Ｂは、図１Ａに示すＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の面方位を規定した結晶構造を示す立体図である。β−Ｇａ２Ｏ３は単斜晶であり、α＝γ＝９０°、β＝１０３．８°で、ａ軸格子定数（ａ０）＝１２．２３Å、ｂ軸格子定数（ｂ０)＝３．０４Å、ｃ軸格子定数（Ｃ０）＝５．８Ａで形成されている。
なお、このＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１は、上記のようにβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなることを基本とするが、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＡＩ、Ｉｎ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれる１種以上を添加した、Ｇａを主成分とする酸化物で構成してもよい。これらの元素を添加することにより、格子定数あるいはバンドギャップエネルギー、電気伝導特性を制御することができる。例えば、ＡｌやＩｎの元素を加えることにより、（ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ））２Ｏ３（ただし、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表わされるＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を得ることができる。Ａｌを加えた場合にはバンドギャップが広がり、Ｉｎを加えた場合にはバンドギャップが狭くなる。
（Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の製造方法）
Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１は、まず、ＦＺ（Floating Zone）法あるいはＥＦＧ（Edge Defined Film Fed Growth）法等によりバルク結晶を作製し、これを切断又は壁開等により切り出して板状に形成することにより製造される。
ＦＺ法では、例えば赤外線加熱単結晶製造装置によりバルク結晶を作製する。具体的には、まず種結晶の一端をシードチャックに保持し、棒状の多結晶素材の上端部を素材チャックに保持する。上部回転軸の上下位置を調節して種結晶の上端と多結晶素材の下端を接触させる。ハロゲンランプの光を種結晶の上端と多結晶素材の下端との部位に集光するように、上部回転軸および下部回転軸の上下位置を調節する。これらの調整をして、種結晶の上端と多結晶素材の下端の部位を加熱して、その加熱部位を溶解し、溶解滴を形成する。このとき、種結晶のみを回転させておく。ついで、多結晶素材と種結晶とが十分になじむように当該部を反対方向に回転させながら溶解し、多結晶素材および種結晶を互いに反対方向に引っ張りながら、適度の長さ及び太さの単結晶を形成することでバルク結晶を作製する。
ＥＦＧ法では、ルツボに原料となるβ−Ｇａ２Ｏ３を所定量入れ、加熱して溶解し、β−Ｇａ２Ｏ３融液とする。ルツボ内に配置されたスリットダイに形成するスリットによりβ−Ｇａ２Ｏ３融液を毛細管現象によりスリットダイ上面に上昇させ、種結晶にβ−Ｇａ２Ｏ３融液を接触させて冷却し、任意の形状の断面を有するバルク結晶を作製する。
なお、これらの製法で作製されるβ−Ｇａ２Ｏ３バルク結晶には、所望の導電型を得るための不純物を添加してもよい。
上記のように作成されたβ−Ｇａ２Ｏ３バルク結晶を、例えばワイヤーソーによって（０１０）面が主面として露出するように成形し、厚さが例えば１ｍｍで所望の形状を有する薄板状のβ−Ｇａ２Ｏ３を得る。その後、厚さが６００μｍ程度になるまで研削研磨工程を施し、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を得る。
そして、このＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１に対してメタノール、アセトン、メタノールの順序で３分間ずつの有機洗浄を行い、さらに超純水を用いた流水洗浄、１５分間のフッ酸浸漬洗浄、５分間の硫酸過水浸漬洗浄、及び超純水を用いた流水洗浄を行う。その後、８００℃において１０分間のサーマルクリーニングを行うことで、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面にＧａ含有酸化物をエピタキシャル成長させることが可能な状態となる。
（結晶積層構造体及びその形成方法)
次に、本実施の形態に係る結晶積層構造体及びその形成方法について、図２及び図３を参照して説明する。
図２は、本実施の形態に係る結晶積層構造体の構成例を示す断面図である。この結晶積層構造体２は、上記のＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面１０上に、Ｇａ含有酸化物からなるエピタキシャル結晶２０を積層して構成される。
このエピタキシャル結晶２０は、例えばＧａを含むβ−ガリア構造を有する結晶体であり、より具体的には、主としてＧａ２Ｏ３からなる結晶体、又はＧａ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３とを含みＡｌ２Ｏ３が０ｗｔ％より多くかつ６０ｗｔ％以下である混晶体であり、主としてβ−ガリア構造を有する結晶層である。また、エピタキシャル結晶２０には、その導電型を規定する不純物を添加してもよい。
Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面１０にＧａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０を形成する方法としては、例えばＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタリング法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等があるが、本実施の形態では、ＭＢＥ法を用いた薄膜成長法を採用する。ＭＢＥ法は、分子線エピタキシー法とも呼ばれ、単体あるいは化合物の固体をセルと呼ばれる蒸発源で加熱し、加熱により生成された蒸気を分子線として基板表面に供給する結晶成長方法である。
図３は、結晶積層構造体２の形成に用いられるＭＢＥ装置の断面図である。このＭＢＥ装置３は、真空槽３０と、この真空槽３０内に支持され、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を保持する基板ホルダ３１と、基板ホルダ３１に保持された加熱装置３２と、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０を構成する原子又は分子ごとに設けられた複数のセル３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ）と、複数のセル３３を加熱するためのヒータ３４（３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ）と、真空槽３０内に酸素ガスを供給するガス供給パイプ３５と、真空槽３０内の空気を排出するための真空ポンプ３６とを備えている。基板ホルダ３１は、シャフト３１０を介して図示しないモータにより回転可能に構成されている。
第１のセル３３ａには、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０の材料となるＧａが充填されている。第２のセル３３ｂには、同じくＧａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０の材料となるＡｌが充填されている。また、第３のセル３３ｃには、ドナーとしてドーピングされるＳｉあるいはＳｎ等の材料が充填されている。第４のセル３３ｄには、アクセプタとしてドーピングされるＭｇあるいはＺｎ等の材料が充填されている。第１〜第４のセル３３ａ〜３３ｄには、それぞれ図示しないシャッターが設けられており、不要の場合にはこのシャッターを閉じることができるように構成されている。
次に、結晶積層構造体２の製造手順について説明する。まず、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１をＭＢＥ装置３の基板ホルダ３１に取り付ける。次に、真空ポンプ３６を作動させ、真空槽３０内の気圧を１０−１０Ｔｏｒｒ程度まで減圧する。そして、加熱装置３２によってＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を加熱する。
Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１が所定の温度に加熱された後、ガス供給パイプ３５から真空槽３０内に、図示しない酸素発生器によって生成した酸素ガスを供給する。
真空槽３０内に酸素ガスを供給した後、エピタキシャル結晶２０をＧａ２Ｏ３からなる結晶とする場合には、基板ホルダ３１を回転させながら第１のセル３３ａの第１のヒータ３４ａを加熱し、Ｇａ蒸気の供給を開始する。また、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０をＧａ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３との混晶とする場合には、基板ホルダ３１を回転させながら、第１のセル３３ａの第１のヒータ３４ａと第２のセル３３ｂの第２のヒータ３４ｂとを加熱し、Ｇａ蒸気及びＡｌ蒸気の供給を開始する。
このＧａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０の成長条件は、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０をＧａ２Ｏ３からなる結晶とする場合には、例えば成長温度が７００℃、Ｇａの等価ビーム圧（Beam Equivalent Pressure:ＢＥＰ）が３×１０−５Ｐａ、成長時間が１時間である。また、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０をＧａ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３との混晶とする場合には、上記の成長条件のうち、Ｇａの等価ビーム圧を例えば１．５×１０−５Ｐａとし、Ａｌの等価ビーム圧を例えば５×１０−７Ｐａとすることができる。
これにより、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面１０上にＧａ含有酸化物からなるエピタキシャル結晶２０が成長し、結晶積層構造体２が得られる。
また、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０にｎ型の導電性を持たせる場合には、第３のヒータ３４ｃを加熱して第３のセル３３ｃからドナーとなるＳｉあるいはＳｎ等の材料を供給する。また、ｐ型の導電性を持たせる場合には、第４のヒータ３４ｄを加熱して第４のセル３３ｄからアクセプタとなるＭｇあるいはＺｎ等の材料を供給する。
（結晶積層構造体の解析）
図４Ａは、上記の方法によって製造されたＡｌを２０％含んだ１層のβ−（ＡｌＧａ）２Ｏ３からなるＧａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０を有する結晶積層構造体２のＸ線回折測定結果を示すＸＲＤ（Ｘ−ray diffraction）２θ−θスペクトルである。このグラフの縦軸はＸ線の散乱強度を対数で示している。このグラフに示すように、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１によるピーク１ａ、及びＧａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０によるシャープなピーク２０ａが表れている。そして、ピーク１ａとピーク２０ａの間に明瞭なフリンジが確認される。この明瞭なフリンジパターンから、急峻な界面を有する結晶積層構造が形成されていることを確認できる。
図４Ｂは、上記の方法によって製造されたＡｌを２０％含んだ１層のβ−（ＡｌＧａ）２Ｏ３からなるＧａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０の表面状態を示す原子間力顕微鏡像である。図中の矢印Ａは、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の［１００］方向を示している。この写真から、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０は、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面１０（（０１０）面）に対して垂直方向又は垂直に近い方向に成長していることが確認できる。
図５Ａは、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面１０に、エピタキシャル成長によって形成された複数の（ＡｌＧａ）２Ｏ３層２１と、複数のＧａ２Ｏ３層２２とを交互に形成した場合における結晶積層構造体２Ａの透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope:ＴＥＭ）による観察像である。このような結晶積層構造体２Ａは、ＭＢＥ装置３の第１のセル３３ａ及び第２のセル３３ｂのシャッターを開閉操作することによって（ＡｌＧａ）２Ｏ３層２１及びＧａ２Ｏ３層２２の膜厚を所定の膜厚に調整し、それぞれの層を交互に積層させることで形成することができる。
このＴＥＭ観察像に示すように、結晶積層構造体２Ａは、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１上に、６層の厚さ６ｎｍの（ＡｌＧａ）２Ｏ３層２１と、５層の厚さ４ｎｍのＧａ２Ｏ３層２１とが交互に積層されている。そして、縞状に表れた（ＡｌＧａ）２Ｏ３層２１とＧａ２Ｏ３層２２とを明瞭に観察することができ、急峻な界面を有するこれらの層が高精度な膜厚で形成されていることが分かる。
図５Ｂは、図５Ａに示した結晶積層構造体２ＡのＸ線回折測定結果を示すＸＲＤ２θ−θスペクトルのグラフである。このグラフに示すように、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１によるピーク１ａ、複数の（ＡｌＧａ）２Ｏ３層２１による複数のサテライトピーク２１ａ、及びその間の複数のフリンジ２１ｂが明瞭に表れており、Ｘ線回折測定結果からも急峻な界面を有する結晶積層構造が形成されていることが確認できる。
（比較例）
図６は、比較例として示す、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる基板の（１００）面及び（００１）面を主面として、上記と同様の製造方法によりβ−Ｇａ２Ｏ３からなるエピタキシャル結晶を成長させた場合におけるエピタキシャル結晶の表面の状態を示す原子間力顕微鏡像であり、図６Ａは（１００）面を主面とした場合、図６Ｂは（００１）面を主面とした場合の表面の状態を示す。図６Ａ及び図６Ｂに示す矢印Ｂは、基板の［０１０］方向を示している。
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、これらの比較例では、［０１０］方向に針状に成長した結晶が、主面としての（１００）面あるいは（００１）面に垂直な方向に積み重なるようにして形成されていることが分かる。これは、［１００］方向や［００１］方向に比べて、［０１０］方向への成長速度が速いために発生する現象であると考えられる。
また、（１００）面又は（００１）面を主面とした場合には、ＧａとＯ以外の元素（例えば、Ａｌ，Ｉｎ，Ｓｉ,Ｓｎ,Ｍｇ,Ｚｎ等）を加えた場合には、元素によって基板面方位と成長速度の関係に差異があるため、エピタキシャル結晶の一部にこれらの元素が偏在してしまい、均質なエピタキシャル結晶が得られないことが本発明者らによって確認されている。
図７Ａは、（１００）面を主面とするβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなるエピタキシャル成長用基板に、ＭＢＥ装置３を用いたエピタキシャル成長によって複数の（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３層（ｘ＝０．６）と、複数のＧａ２Ｏ３層とを交互に形成した場合における結晶積層構造体の透過型電子顕微鏡による観察像である。また、図７Ｂは、図７Ａに示す結晶積層構造体のＸ線回折測定結果を示すＸＲＤ２θ−θスペクトルのグラフである。
図７Ａに示すように、この結晶積層構造体では（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３層とＧａ２Ｏ３層との界面が不明瞭であり、図５Ａに示したような縞模様が観察されていない。また、図７Ｂに示すＸＲＤ２θ−θスペクトルでは、エピタキシャル成長用基板のβ−Ｇａ２Ｏ３（４００）面からの回折によるピーク１ｂが表れ、その周辺には（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３層とＧａ２Ｏ３層との結晶積層構造に由来すると考えられる複数のピーク２３ａ〜２３ｃが観測されているが、これらのピークの間隔には周期性がなく、良好な積層構造が形成できていないものと考えられる。
（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなるＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の（０１０）面を主面１０としたので、この主面１０と、その上に形成されるＧａ含有酸化物からなるエピタキシャル結晶２０との界面を急峻にすることができると共に、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０の厚みを高精度に形成することができる。また、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０の元素の取り込まれ量のムラを抑制し、均質化することができる。
（第１の実施の形態の変形例)
次に、本発明の第１の実施の形態の変形例について、図８を参照して説明する。
図８Ａは、第１の実施の形態の変形例に係るＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１Ｂの斜視図である。このＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１Ｂは、上記のＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１と同様β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなるが、その（３１０）面を主面１０Ｂとする構成が上記Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１とは異なっている。
図８Ｂは、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（３１０）面を示す立体図である。また、図８Ｃは、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（３１０）面が（０１０）面となす角度δを示す図である。これらの図に示すように、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（３１０）面は、（０１０）面に対してδ＝３７．５°傾斜した面である。
このＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１Ｂについても、上記と同様の方法によって主面１０Ｂ（（３１０）面）にＧａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０を形成し、結晶積層構造体を得ることができる。
図９は、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１Ｂの主面１０Ｂに上記の方法によってＧａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０を形成し、その表面を観察した原子間力顕微鏡像である。図中の矢印Ｃは、ｃ軸方向を示している。
この図に示すように、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０は針状成長ではなく、主面１０Ｂに交差する方向へ延びるように形成されている。
このＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１Ｂを用いた場合でも、急峻な界面を有し、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０の厚みを高精度に形成することが可能な結晶積層構造体を得ることができる。また、Ｇａ含有酸化物エピタキシャル結晶２０の元素の取り込まれ量のムラを抑制し、均質化することが可能である。すなわち、（０１０）面に対して３７．５°以内の角度範囲で傾斜した面を主面とするＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板であっても、上記第１の実施の形態について述べた効果と同様の効果を奏することができる。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について、図１０を参照して説明する。
図１０は、本実施の形態に係る半導体装置の一例としての高電子移動トランジスタ（High Electron Mobility Transistor:ＨＥＭＴ）の構成例を示す断面図である。
この高電子移動トランジスタ４は、第１の実施の形態に係る素子基板としてのＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を有し、このＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面１０上に、第１のＧａ含有酸化物層としてのｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１と、第２のＧａ含有酸化物層としてのｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２とがエピタキシャル成長により積層されている。また、ｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２上には、ゲート電極４３ｇ、ソース電極４３ｓ、及びドレイン電極４３ｄが設けられている。
ゲート電極４３ｇはｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２の表面４２ａに接触してショットキー接合を形成する。また、ソース電極４３ｓ及びドレイン電極４３ｄは、これら電極間にゲート電極４３ｇを挟んで配置され、ｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２の表面４２ａにオーミック接触して形成されている。
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶は、酸素欠陥により一般的にはｎ型の導電型を示すが、本実施の形態に係るＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１は、Ｍｇ等のII族の元素が所定量添加され、高抵抗を有するように形成されている。
ｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１は、アンドープの電子走行層であり、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面１０にエピタキシャル成長により形成されている。このｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１は、ガス供給パイプ３５から供給する酸素ガスにオゾンを例えば５重量％以上混合することによって形成することができる。
ｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２は、ＳｉあるいはＳｎ等のドナーが添加された電子供給層であり、ｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１上にエピタキシャル成長により形成されている。
ｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１とｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２とはバンドギャップが異なるので、その界面ではバンドの不連続が生じ、ｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２のドナーから発生した電子がｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１側に集まって界面近傍の領域に分布し、二次元電子ガスと呼ばれる電子層が形成される。
このように、ｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２には、ゲート電極４３ｇのショットキー接合により発生する第１の空乏層と、二次元電子ガスの形成による第２の空乏層とが発生する。ｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２は、第１の空乏層と第２の空乏層とが接する厚さに形成されている。
そして、ゲート電極４３ｇに電圧を加えることにより、第１及び第２の空乏層の厚さを変化させて二次元電子ガスの濃度を調節し、ドレイン電流を制御することが可能となる。
ｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１の厚さは、特に限定はないが、０．１ｎｍ以上に形成することが望ましい。また、ｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２の厚さは、ドーピング濃度に応じて０．１ｎｍ〜１０μｍに設定される。
(第２の実施の形態の効果)
本実施の形態によれば、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を構成するβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（０１０）面である主面１０に急峻な界面を有するｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１を高精度な層厚で形成することができ、これによりｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１とｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２との界面をも急峻にすることができる。また、ｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層４２の層厚を高精度に形成できる。従って、高性能で品質が安定した高電子移動トランジスタ４を生産することが可能となる。
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について、図１１を参照して説明する。
図１１は、本実施の形態に係る半導体装置の他の一例としての、電界効果トランジスタの一種であるＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor）の構成例を示す断面図である。
このＭＥＳＦＥＴ５は、第１の実施の形態に係る素子基板としてのＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を有し、このＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面１０（（０１０）面）上に、エピタキシャル成長により形成されたｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層５１が設けられている。また、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層５１上には、ゲート電極５２ｇ、ソース電極５２ｓ、及びドレイン電極５２ｄが設けられている。
ゲート電極５２ｇはn型β−Ｇａ２Ｏ３層５１の表面５１ａに接触してショットキー接合を形成する。また、ソース電極５２ｓ及びドレイン電極５２ｄは、これら電極間にゲート電極５２ｇを挟んで配置され、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層５１の表面５１ａにオーミック接触して形成されている。
ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層５１は、ソース電極５２ｓ及びドレイン電極５２ｄとの接触部付近においてＳｉあるいはＳｎ等の添加によりドナー濃度が高くなっている。また、ゲート電極５２ｇとの接触部付近を含むその他の領域は、ソース電極５２ｓ及びドレイン電極５２ｄとの接触部付近よりもドナー濃度が低くなっている。
本実施の形態に係るＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１は、Ｍｇ等のII族の元素が所定量添加され、高抵抗を有するように形成されている。
上記のように構成されたＭＥＳＦＥＴ５は、ゲート電極５２ｇに印加するバイアス電圧の調節によってｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層５１における空乏層の厚さを変化させ、ドレイン電流を制御することが可能である。
（第３の実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を構成するβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（０１０）面である主面１０に急峻な界面を有するｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層５１を高精度な層厚で形成することができる。従って、高性能で品質が安定したＭＥＳＦＥＴ５を生産することが可能となる。
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について、図１２を参照して説明する。
図１２は、本実施の形態に係る半導体装置の他の一例としての、ショットキーバリアダイオードの構成例を示す断面図である。
このショットキーバリアダイオード６は、第１の実施の形態に係る素子基板としてのＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を有し、このＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面１０（（０１０）面）上に、エピタキシャル成長により形成されたｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層６１が設けられている。
ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層６１上には、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層６１の表面６１ａにショットキー接触するショットキー電極６２が設けられている。また、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１のｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層６１とは反対側の面には、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１にオーミック接触するオーミック電極６３が設けられている。
また、本実施の形態に係るＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１は、酸素欠損又は不純物のドープにより、ｎ型の導電型を示すように形成されている。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層６１は、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１よりもドナー濃度が低濃度となるように形成されている。
そして、ショットキーダイオード６に対して順方向（ショットキー電極６２側が正電位）に電圧を加えると、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１からｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層６１側へ移動する電子による電流が増大する。これにより、順方向電流がショットキー電極６２からオーミック電極６３へ向かって流れる。
一方、ショットキーダイオード６に対して逆方向（ショットキー電極層２側が負電位）の電圧を加えると、ショットキーダイオード６を流れる電流はほぼゼロとなる。
（第４の実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を構成するβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（０１０）面である主面１０に急峻な界面を有するｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層６１を高精度な層厚で形成することができる。従って、高性能で品質が安定したショットキーダイオード６を生産することが可能となる。
［他の実施の形態］
以上、本発明に好適な実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々の変形、応用が可能である。
例えば、上記第１の実施の形態及びその変形例では、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（０１０）面又は（３１０）面を主面としたが、（０１０）面から（３１０）面に至る間の面を主面としてもよい。また、（０１０）面から（３１０）面方向以外の方向に３７．５°以内の角度範囲で傾斜した面を主面としてもよい。
また、上記第２の実施の形態では、（０１０）面を主面１０とするＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１上にｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１を形成したが、（３１０）面を主面１０ＢとするＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１Ｂ上にｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１を形成して高電子移動トランジスタを構成してもよい。またさらに、（０１０）面から３７．５°以内の角度範囲で傾斜した面を主面とし、この主面上にｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層４１を形成してもよい。
また、上記第３及び第４の実施の形態では、（０１０）面を主面１０とするＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１上にｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層５１、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層６１を形成したが、（０１０）面から３７．５°以内の角度範囲で傾斜した面を主面とし、この主面上にｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層５１、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層６１を形成してもよい。
また、上記第２〜第４の実施の形態では、高電子移動トランジスタ、ＭＥＳＦＥＴ、及びショットキーバリアダイオードのＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板に本発明を適用した場合について説明したが、本発明の適用対象となる半導体装置はこれらに限らない。
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板上に形成されるＧａ含有酸化物層の高品質化を図ることができるＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板を提供する。
１，１Ｂ・・・Ｇａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板、２，２Ａ・・・結晶積層構造体、３・・・ＭＢＥ装置、４・・・高電子移動トランジスタ、５・・・ＭＥＳＦＥＴ、６・・・ショットキーバリアダイオード、１０，１０Ｂ・・・主面、２０・・・エピタキシャル結晶、２０ａ・・・サテライトピーク、２１・・・（ＡｌＧａ）２Ｏ３層、２１ａ・・・サテライトピーク、２１ｂ・・・フリンジピーク、２２・・・Ｇａ２Ｏ３層、３０・・・真空槽、３１・・・基板ホルダ、３２・・・加熱装置、３３，３３ａ−３３ｄ・・・セル、３４，３４ａ−３４ｄ・・・ヒータ、３５・・・ガス供給パイプ、３６・・・真空ポンプ、４１・・・ｉ型β−Ｇａ２Ｏ３層、４２・・・ｎ型β−（ＡｌＧａ）２Ｏ３層、４２ａ・・・表面、４３ｄ・・・ドレイン電極、４３ｇ・・・ゲート電極、４３ｓ・・・ソース電極、５１・・・ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層、５２ｇ・・・ゲート電極、５２ｓ・・・ソース電極、５２ｄ・・・ドレイン電極、６１・・・ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３層、６２・・・ショットキー電極、６３・・・オーミック電極、３１０・・・シャフト

Claims (3)

  1. β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなり、その（０１０）面、又は（０１０）面に対して３７．５°以内の角度範囲で傾斜した面を主面とするＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板。
  2. 前記主面が、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（０１０）面、又は（０１０）面から（３１０）面に至る間の面である、
    請求項１に記載のＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板。
  3. 前記主面がβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の（０１０）面又は（３１０）面である、
    請求項２に記載のＧａ含有酸化物層成長用β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板。
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