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JP2022047720A - Method for growing crystal film and crystalline oxide film - Google Patents

Method for growing crystal film and crystalline oxide film Download PDF

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JP2022047720A
JP2022047720A JP2020153648A JP2020153648A JP2022047720A JP 2022047720 A JP2022047720 A JP 2022047720A JP 2020153648 A JP2020153648 A JP 2020153648A JP 2020153648 A JP2020153648 A JP 2020153648A JP 2022047720 A JP2022047720 A JP 2022047720A
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crystal
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Yuichi Oshima
克明 河原
Katsuaki Kawahara
満 沖川
Mitsuru Okikawa
孝 四戸
Takashi Shinohe
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Abstract

Figure 2022047720000001

【課題】面内回転ドメインが低減された結晶膜の成長方法、結晶性酸化物膜およびその用途の提供。
【解決手段】複数の窓4を有するマスク3を備えた基板1に原料を供給し、結晶膜を成長させる方法であって、結晶膜は、複数の面内回転ドメイン群を有しており、複数の窓4は、線状に配置されており、複数の面内回転ドメイン群のうちの1つの面内群の窓4の線状方向d1に沿った成長速度が、他の面内回転ドメイン群の線状方向に沿った成長速度と比べて大きくなるよう、基板1上にマスク3を形成し、結晶膜を成長させることを包含する、方法。結晶膜は、酸化物、窒化物および酸窒化物からなる群から選択される材料を含み、窓4の幅Dは、0.1~20μmの範囲内であり、マスク3の幅Dは、5~500μmの範囲内であり、窓4の幅Dは、マスク3Dの幅よりも小さい、方法。結晶性酸化物膜を備えた半導体素子。
【選択図】図11

Figure 2022047720000001

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for growing a crystal film having a reduced in-plane rotation domain, a crystalline oxide film and its use.
A method of supplying a raw material to a substrate 1 provided with a mask 3 having a plurality of windows 4 to grow a crystal film, wherein the crystal film has a plurality of in-plane rotation domains. The plurality of windows 4 are arranged linearly, and the growth rate along the linear direction d1 of the window 4 of one of the in-plane rotation domains of the plurality of in-plane rotation domains is the other in-plane rotation domains. A method comprising forming a mask 3 on a substrate 1 to grow a crystal film so that the growth rate is greater than the growth rate along the linear direction of the group. The crystal film comprises a material selected from the group consisting of oxides, nitrides and oxynitrides, the width D W of the window 4 is in the range 0.1-20 μm and the width D M of the mask 3 is. The method, which is in the range of 5 to 500 μm and the width D W of the window 4 is smaller than the width of the mask 3 DM . A semiconductor device provided with a crystalline oxide film.
[Selection diagram] FIG. 11

Description

本発明は、面内回転ドメインが低減された高品質な結晶膜の成長方法、結晶性酸化物膜および、それを用いた用途に関する。 The present invention relates to a method for growing a high-quality crystal film having a reduced in-plane rotation domain, a crystalline oxide film, and an application using the same.

酸化ガリウムは、α、β、δ、εおよびγの5つの結晶構造に加えて、最近ではκの結晶構造を有するものがあることが報告されている。κ-Gaは、β-Gaやα-Gaと同様に、4.9eVと大きなバンドギャップを有し、高耐圧・低消費電力の次世代パワー半導体材料として有望な材料とされている(例えば、非特許文献1を参照)。非特許文献1によれば、κ-Gaは自発分極を有するため、κ-Ga/(AlGa1-x等のヘテロ界面に高濃度の2次元電子ガスが形成できる可能性が指摘されており、それを利用した高性能なパワーデバイスの実現が期待されている。 It has recently been reported that gamma oxide has a crystal structure of κ in addition to the five crystal structures of α, β, δ, ε and γ. Similar to β-Ga 2 O 3 and α-Ga 2 O 3 , κ-Ga 2 O 3 has a large bandgap of 4.9 eV and is promising as a next-generation power semiconductor material with high withstand voltage and low power consumption. (See, for example, Non-Patent Document 1). According to Non-Patent Document 1, since κ-Ga 2 O 3 has spontaneous polarization, high-concentration two-dimensional electrons are present at a hetero interface such as κ-Ga 2 O 3 / (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 . It has been pointed out that gas can be formed, and the realization of high-performance power devices using it is expected.

κ-Gaのデバイス応用のためにはエピ成長技術を確立しなければならない。しかしながら、κ-Gaは準安定相であるため、単結晶κ-Ga基板が存在しない。そのため、もっぱら異種基板上でのヘテロエピ成長が試みられている(例えば、非特許文献2~4を参照)。しかしながら、非特許文献2~4によれば、MOCVD法、ミストCVD法、HVPE法のいずれの手法によっても、κ-Gaのエピ成長膜は(001)面内で120°ずつ回転した3種類のドメインからなり、それらのドメインがナノスケール(5-10nm)で入り混じっていることが報告されている。 Epi-growth technology must be established for device application of κ-Ga 2 O 3 . However, since κ-Ga 2 O 3 is a metastable phase, there is no single crystal κ-Ga 2 O 3 substrate. Therefore, heteroepic growth on heterogeneous substrates has been attempted exclusively (see, for example, Non-Patent Documents 2-4). However, according to Non-Patent Documents 2 to 4, the epitaxy film of κ-Ga 2 O 3 was rotated by 120 ° in the (001) plane by any of the MOCVD method, the mist CVD method, and the HVPE method. It consists of three types of domains, and it has been reported that these domains are mixed at the nanoscale (5-10 nm).

このようなドメイン混在があると、ドメイン境界が電子を散乱して、移動度を低下させたり、電流リークの原因となってパワーデバイスの耐圧を低下させたりする虞がある。したがって、このような回転ドメインのが低減され、好ましくは単一の面内配向を有する単結晶膜を実現することが望まれている。 When such a domain is mixed, the domain boundary scatters electrons, which may reduce the mobility or cause a current leak to reduce the withstand voltage of the power device. Therefore, it is desired to reduce such rotation domains and preferably realize a single crystal film having a single in-plane orientation.

Sung Beom Choら,Appl. Phys. Lett.,112,162101,2018Sung Beam Cho et al., Appl. Phys. Let. , 112, 162101, 2018 Ildiko Coraら,CrystEngComm,2017,19,1509Ildiko Cora et al., CrystEngComm, 2017, 19, 1509 Hiroyuki Nishinakaら,Jpn.J.Appl.Phys.,57,115601,2018Hiroyuki Nishinaka et al., Jpn. J. Apple. Phys. , 57,115601,2018 MasakaHigashiwakiら編集,Springer Series in Matials Science 293,Gallium Oxide,第223頁,11.3.1節Edited by Masaka Higashiwaki et al., Springer Sciences in Medicals Science 293, Gallium Oxide, pp. 223, section 11.3.1.

以上から、本発明の課題は、面内回転ドメインが低減された高品質な結晶膜の成長方法、結晶性酸化物膜および、その用途を提供することである。 From the above, it is an object of the present invention to provide a method for growing a high-quality crystal film having a reduced in-plane rotation domain, a crystalline oxide film, and an application thereof.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、特定のマスクパターンを有するELOを用いた結晶膜の成長方法を用いることによって、直方晶の結晶構造を有し、従来よりも面内回転ドメインが低減された結晶膜および/または結晶性酸化物膜の創製に成功し、得られた結晶膜および/または結晶性酸化物膜の結晶性等の品質が優れたものとなることを知見し、このような結晶膜の成長方法によれば、上記した従来の問題を一挙に解決できることを見出した。 As a result of diligent studies to achieve the above object, the present inventors have a rectangular crystal structure by using a method for growing a crystal film using ELO having a specific mask pattern, and have a surface more than the conventional one. We have succeeded in creating a crystalline film and / or a crystalline oxide film with a reduced internal rotation domain, and the obtained crystal film and / or the crystalline oxide film will be excellent in quality such as crystallinity. We have found that such a method for growing a crystal film can solve the above-mentioned conventional problems at once.

また、本発明者らは、上記知見を得た後、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。 In addition, after obtaining the above findings, the present inventors have further studied and completed the present invention.

[1] 複数の窓を有するマスクを備えた基板に原料を供給し、結晶膜を成長させる方法であって、前記結晶膜は、複数の面内回転ドメイン群を有しており、前記複数の窓は、線状に配置されており且つストライプ状の形状を有しており、前記複数の面内回転ドメイン群のうちの1つの面内回転ドメイン群の前記窓の前記線状方向に沿った成長速度が、他の面内回転ドメイン群の前記線状方向に沿った成長速度と比べて大きくなるよう、前記基板上に前記マスクを形成し、前記結晶膜を成長することを包含する、方法。
[2] 前記結晶膜は、酸化物、窒化物および酸窒化物からなる群から選択される材料を含む、前記[1]記載の方法。
[3] 前記酸化物は、κ-(AlInGa1-x-y、β-(AlInGa1-x-y、および、γ-(AlInGa1-x-y(ここで、x、yおよびzは、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満たす)からなる群から選択される、前記[2]記載の方法。
[4] 前記結晶膜の成長に、HVPE法、ミストCVD法およびMOCVD法からなる群から選択される方法を用いる、前記[1]~[3]のいずれかに記載の方法。
[5] 前記窓の幅は、0.1μm以上20μm以下の範囲内である、前記[1]~[4]のいずれかに記載の方法。
[6] 前記マスクの幅は、5μm以上500μm以下の範囲内である、前記[1]~[5]のいずれかに記載の方法。
[7] 前記窓の幅は、前記マスクの幅よりも小さい、前記[1]~[6]のいずれかに記載の方法。
[8] 複数の窓を有するマスクを備えた基板に原料を供給し、結晶膜を成長させる方法であって、前記結晶膜は、複数の面内回転ドメイン群を有しており、前記複数の窓は、線状に配置されており且つドット状の形状を有しており、前記複数の面内回転ドメイン群のうちの1つの面内回転ドメイン群の前記窓の前記線状方向に沿った成長速度が、他の面内回転ドメイン群の前記線状方向に沿った成長速度と比べて大きくなるよう、前記基板上に前記マスクを形成し、前記結晶膜を成長することを包含し、さらに、前記窓の前記線状方向における隣接する2つのドットの中心間距離をpとすると、前記窓の前記線状方向に対して垂直な方向における隣接する2つのドットの中心間距離qは、p×2/√3以上500μm以下を満たす、方法。
[9] 前記複数の窓のそれぞれの形状は、円形および/または多角形である、前記[8]記載の方法。
[10] 前記円形および/または前記多角形は、略真円および/または略正多角形であり、前記窓の前記線状方向に対して平行な方向における前記略真円および/または前記略正多角形の中心間距離をpとすると、前記窓の前記線状方向に対して垂直な方向における前記略真円および/または前記略正多角形の中心間距離qは、p×2/√3以上500μm以下を満たす、前記[9]に記載の方法。
[11] 前記略真円および/または前記略正多角形の直径は、0.1μm以上10μm以下の範囲内であり、前記窓の前記線状方向と平行な方向における前記略真円および/または前記略正多角形の中心間距離は、0.3μm以上25μm以下の範囲内である、前記[10]に記載の方法。
[12] 前記マスクは、酸化物、窒化物、酸窒化物、および金属からなる群から選択される材料を含む、前記[1]~[11]のいずれに記載の方法。
[13] 前記マスクは、アモルファス材料からなる、前記[1]~[12]のいずれかに記載の方法。
[14] 前記基板は、前記マスクと前記基板との間にバッファ層をさらに備える、前記[1]~[13]のいずれかに記載の方法。
[15] 前記バッファ層上に前記結晶膜を成長させることをさらに包含する、前記[14]に記載の方法。
[16] 前記基板上に第1のマスクとしての前記マスクを形成し、第1の結晶膜としての前記結晶膜を成長することに続いて、前記第1の結晶膜上に第2のマスクを形成し、第2の結晶膜をさらに成長することを包含し、前記第2のマスクは、線状に配置されている複数の窓を有し、前記第2のマスクは、前記第2のマスクの複数の窓と、前記第1のマスクの複数の窓とが重ならないように前記第1の結晶膜上に形成される、前記[1]~[15]のいずれかに記載の方法。
[17] 前記結晶膜は、κ-(AlInGa1-x-y(ここで、x、yおよびzは、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満たす)であり、
前記基板は、サファイア基板、GaN基板、AlN基板、6H-SiC基板および4H-SiC基板からなる群から選択される基板であり、
前記窓の前記線状方向と前記基板の[11-20]方向とのなす角は、-5°以上5°以下となるように、前記マスクを形成する、前記[1]~[16]のいずれかに記載の方法。
[18] 前記基板の面指数は、(0001)面である、前記[17]に記載の方法。
[19] 直方晶の結晶構造を有し、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムから選ばれる1種または2種以上の金属を少なくとも含有する結晶性酸化物膜であって、前記結晶性酸化物膜中の回転ドメインの含有率が30%以下であることを特徴とする結晶性酸化物膜。
[20] 前記結晶性酸化物膜の主成分は、(001)面配向したκ-(AlInGa1-x-y(ここで、x、yおよびzは、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満たす)である、前記[19]に記載の結晶性酸化物膜。
[21] 請求項19または20に記載の結晶性酸化物膜を備えた半導体素子。
[22] [11-20]軸または[10-10]軸を含む結晶構造を有する結晶基板上に設けられている半導体層と、前記半導体層の第1面側にそれぞれ配置されている第1の電極と第2の電極とを少なくとも有しており、前記半導体層において、前記第1の電極から前記第2の電極へと向かう第1の方向に電流が流れるように構成されている半導体素子であって、前記半導体層が前記結晶基板とは異なる結晶構造を有し、前記第1の方向が、前記結晶基板の[11-20]軸または[10-10]軸と平行である半導体素子。
[23] 前記結晶基板がコランダム構造を有する前記[22]記載の半導体素子。
[24] 前記半導体素子は、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、前記[21]~[23]のいずれかに記載の半導体素子。
[25] 高電子移動度トランジスタ(HEMT)である前記[23]または[24]に記載の半導体素子。
[1] A method of supplying a raw material to a substrate provided with a mask having a plurality of windows to grow a crystal film, wherein the crystal film has a plurality of in-plane rotation domains and the plurality of in-plane rotation domains. The window is linearly arranged and has a striped shape, and is along the linear direction of the window of the in-plane rotation domain group of one of the plurality of in-plane rotation domain groups. A method comprising forming the mask on the substrate and growing the crystal film such that the growth rate is higher than the growth rate along the linear direction of the other in-plane rotation domains. ..
[2] The method according to the above [1], wherein the crystal film contains a material selected from the group consisting of oxides, nitrides and oxynitrides.
[3] The oxides are κ- (Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 , β- (Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 and γ- (Al). x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 (where x, y and z satisfy 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) are selected from the group. The method according to the above [2].
[4] The method according to any one of [1] to [3] above, wherein a method selected from the group consisting of an HVPE method, a mist CVD method and a MOCVD method is used for the growth of the crystal film.
[5] The method according to any one of [1] to [4] above, wherein the width of the window is in the range of 0.1 μm or more and 20 μm or less.
[6] The method according to any one of [1] to [5] above, wherein the width of the mask is in the range of 5 μm or more and 500 μm or less.
[7] The method according to any one of [1] to [6], wherein the width of the window is smaller than the width of the mask.
[8] A method of supplying a raw material to a substrate provided with a mask having a plurality of windows to grow a crystal film, wherein the crystal film has a plurality of in-plane rotation domains and the plurality of in-plane rotation domains. The window is linearly arranged and has a dot-like shape, and is along the linear direction of the window of the in-plane rotation domain group of one of the plurality of in-plane rotation domain groups. Including forming the mask on the substrate and growing the crystal film so that the growth rate is higher than the growth rate along the linear direction of the other in-plane rotation domains, further. Assuming that the distance between the centers of two adjacent dots in the linear direction of the window is p, the distance q between the centers of the two adjacent dots in the direction perpendicular to the linear direction of the window is p. A method that satisfies × 2 / √3 or more and 500 μm or less.
[9] The method according to the above [8], wherein each of the plurality of windows has a circular shape and / or a polygonal shape.
[10] The circle and / or the polygon is a substantially perfect circle and / or a substantially regular polygon, and the substantially perfect circle and / or the substantially regular in a direction parallel to the linear direction of the window. Assuming that the center-to-center distance of the polygon is p, the center-to-center distance q of the substantially perfect circle and / or the substantially regular polygon in the direction perpendicular to the linear direction of the window is p × 2 / √3. The method according to the above [9], which satisfies the above 500 μm or less.
[11] The diameter of the substantially perfect circle and / or the substantially regular polygon is within the range of 0.1 μm or more and 10 μm or less, and the substantially perfect circle and / or the direction parallel to the linear direction of the window. The method according to [10] above, wherein the distance between the centers of the substantially regular polygon is within the range of 0.3 μm or more and 25 μm or less.
[12] The method according to any one of [1] to [11] above, wherein the mask comprises a material selected from the group consisting of oxides, nitrides, oxynitrides, and metals.
[13] The method according to any one of [1] to [12], wherein the mask is made of an amorphous material.
[14] The method according to any one of [1] to [13], wherein the substrate further includes a buffer layer between the mask and the substrate.
[15] The method according to [14], further comprising growing the crystal film on the buffer layer.
[16] The mask as the first mask is formed on the substrate, and the crystal film as the first crystal film is grown, and then the second mask is formed on the first crystal film. Including forming and further growing a second crystal film, the second mask has a plurality of windows arranged linearly, and the second mask is the second mask. The method according to any one of [1] to [15], wherein the plurality of windows of the first mask and the plurality of windows of the first mask are formed on the first crystal film so as not to overlap each other.
[17] The crystal film is κ- (Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 (where x, y and z are 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦. x + y ≦ 1),
The substrate is a substrate selected from the group consisting of a sapphire substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, a 6H-SiC substrate and a 4H-SiC substrate.
The mask is formed so that the angle formed by the linear direction of the window and the [11-20] direction of the substrate is -5 ° or more and 5 ° or less. The method described in either.
[18] The method according to the above [17], wherein the surface index of the substrate is a (0001) surface.
[19] A crystalline oxide film having a rectangular crystal structure and containing at least one or more metals selected from aluminum, gallium and indium, which is rotated in the crystalline oxide film. A crystalline oxide film characterized by a domain content of 30% or less.
[20] The main component of the crystalline oxide film is (001) plane-oriented κ- (Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 (where x, y and z are 0 ≦). The crystalline oxide film according to the above [19], which satisfies x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
[21] The semiconductor device provided with the crystalline oxide film according to claim 19 or 20.
[22] A semiconductor layer provided on a crystal substrate having a crystal structure including an [11-20] axis or a [10-10] axis, and a first arranged on the first surface side of the semiconductor layer, respectively. A semiconductor element having at least one of the above electrodes and a second electrode, and configured such that a current flows in the first direction from the first electrode to the second electrode in the semiconductor layer. A semiconductor element in which the semiconductor layer has a crystal structure different from that of the crystal substrate and the first direction is parallel to the [11-20] axis or the [10-10] axis of the crystal substrate. ..
[23] The semiconductor device according to the above [22], wherein the crystal substrate has a corundum structure.
[24] The semiconductor element according to any one of [21] to [23], wherein the semiconductor element is selected from the group consisting of a diode, an ultraviolet ray detecting element, and a transistor.
[25] The semiconductor device according to the above [23] or [24], which is a high electron mobility transistor (HEMT).

本発明の結晶膜の成長方法によれば、単一の面内回転ドメイン群のみを優先的に成長させることができる。この結果、面内回転ドメインが低減された高品質な結晶膜および/または結晶性酸化物膜を提供できる。 According to the method for growing a crystal film of the present invention, only a single in-plane rotation domain group can be preferentially grown. As a result, it is possible to provide a high-quality crystal film and / or a crystalline oxide film with a reduced in-plane rotation domain.

本発明の実施態様において結晶膜を成長するフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart which grows a crystal film in embodiment of this invention. 本発明の実施態様において結晶膜を成長するフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart which grows a crystal film in embodiment of this invention. 本発明の実施態様に係る、基板上にバッファ層およびマスクを形成する工程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the process of forming a buffer layer and a mask on a substrate which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施態様に係る結晶膜の成長方法が適用される、複数の面内回転ドメインを有する結晶膜を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the crystal film which has a plurality of in-plane rotation domains to which the method of growing a crystal film which concerns on embodiment of this invention is applied. 本発明の実施態様における、複数の面内回転ドメイン群の成長速度の違いによって得られる結晶膜の違いを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the difference in the crystal film obtained by the difference in the growth rate of a plurality of in-plane rotation domain groups in the embodiment of the present invention. 本発明の実施態様に係る成長方法における例示的なマスクを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the exemplary mask in the growth method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施態様に係る結晶膜を備えたトランジスタを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the transistor provided with the crystal film which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施態様に係る結晶膜を備えた紫外線検出素子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the ultraviolet ray detecting element provided with the crystal film which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施態様に係る結晶膜を備えた高電子移動度トランジスタ(HEMT)示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the high electron mobility transistor (HEMT) provided with the crystal film which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施態様にかかるハライド気相成長(HVPE)装置を説明する図である。It is a figure explaining the halide vapor deposition (HVPE) apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施態様における、バッファ層を介してマスクが形成されている基板を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the substrate in which the mask is formed through the buffer layer in the embodiment of this invention. 本発明の実施態様における、バッファ層を介してマスクが形成されている基板を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the substrate in which the mask is formed through the buffer layer in the embodiment of this invention. 比較例2における、バッファ層を介してマスクが形成されている基板を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the substrate in which the mask is formed through the buffer layer in the comparative example 2. 実施例1における成膜後のSEM観察結果を示す図である。It is a figure which shows the SEM observation result after the film formation in Example 1. FIG. 実施例1における成膜後の観察結果を示す図である。図15(A)がTEM像、図15(B)および図15(C)がSAED(Selected Area Electron Diffraction)パターンを示す図である。It is a figure which shows the observation result after the film formation in Example 1. FIG. 15 (A) is a TEM image, and FIGS. 15 (B) and 15 (C) are diagrams showing a SAED (Selected Area Electron Diffraction) pattern. 実施例1におけるXRD122回折φスキャンの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the XRD122 diffraction φ scan in Example 1. FIG. 実施例1におけるEBSD(Electron Back Scatter Diffraction Patterns)分析の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the EBSD (Electron Backscatter Diffraction Patterns) analysis in Example 1. FIG. 比較例1における成膜後のSEM観察結果を示す図である。It is a figure which shows the SEM observation result after the film formation in the comparative example 1. FIG. 比較例1におけるXRD122回折φスキャンの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the XRD122 diffraction φ scan in the comparative example 1. FIG. 比較例1におけるEBSD(Electron Back Scatter Diffraction Patterns)分析の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the EBSD (Electron Backscatter Diffraction Patterns) analysis in the comparative example 1. FIG. 実施例2におけるSEM観察結果を示す図である。(a)が5分後、(b)が15分後、(c)が2時間後の鳥観図を示す。It is a figure which shows the SEM observation result in Example 2. FIG. (A) shows a bird's-eye view after 5 minutes, (b) shows a bird's-eye view after 15 minutes, and (c) shows a bird's-eye view after 2 hours. 実施例2におけるXRD122回折φスキャンの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the XRD122 diffraction φ scan in Example 2. FIG. 実施例2におけるEBSD(Electron Back Scatter Diffraction Patterns)分析の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the EBSD (Electron Backscatter Diffraction Patterns) analysis in Example 2. FIG. 比較例2における成膜後のSEM観察結果を示す図である。It is a figure which shows the SEM observation result after the film formation in the comparative example 2. FIG. 比較例2におけるEBSD(Electron Back Scatter Diffraction Patterns)分析の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the EBSD (Electron Backscatter Diffraction Patterns) analysis in the comparative example 2. FIG. 比較例3におけるXRD122回折φスキャンの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the XRD122 diffraction φ scan in the comparative example 3. FIG.

本発明の実施態様における結晶膜の成長方法は、複数の窓を有するマスクを備えた基板上に原料を供給し、結晶膜を成長させる方法であって、前記結晶膜は、複数の面内回転ドメイン群を有しており、前記複数の窓は、線状に配置されており且つストライプ形状を有しており、前記複数の窓はの面内回転ドメイン群のうちの1つの面内回転ドメイン群の前記窓の前記線状方向に沿った成長速度が、他の面内回転ドメイン群の前記線状方向に沿った成長速度と比べて大きくなるよう、前記基板上に前記マスクを形成し、前記結晶膜を成長することを包含することを特長とする。また、本発明の実施態様における結晶膜の成長方法は、複数の窓を有するマスクを備えた基板に原料を供給し、結晶膜を成長させる方法であって、前記結晶膜は、複数の面内回転ドメイン群を有しており、前記複数の窓は、線状に配置されており且つドット状の形状を有しており、前記複数の面内回転ドメイン群のうちの1つの面内回転ドメイン群の前記窓の前記線状方向に沿った成長速度が、他の面内回転ドメイン群の前記線状方向に沿った成長速度と比べて大きくなるよう、前記基板上に前記マスクを形成し、前記結晶膜を成長することを包含し、さらに、前記複数の窓の前記線状方向における隣接する2つのドットの中心間距離をpとすると、前記複数の窓の前記線状方向に対して垂直な方向における隣接する2つのドットの中心間距離qは、p×2/√3以上500μm以下を満たすことを特長とする。 The method for growing a crystal film according to an embodiment of the present invention is a method in which a raw material is supplied onto a substrate provided with a mask having a plurality of windows to grow the crystal film, and the crystal film is rotated in a plurality of planes. The plurality of windows have a domain group, and the plurality of windows are arranged linearly and have a striped shape, and the plurality of windows have an in-plane rotation domain of one of the in-plane rotation domain groups. The mask was formed on the substrate so that the growth rate of the window of the group along the linear direction was higher than the growth rate of the other in-plane rotation domain group along the linear direction. It is characterized by including growing the crystal film. Further, the method for growing a crystal film in the embodiment of the present invention is a method in which a raw material is supplied to a substrate provided with a mask having a plurality of windows to grow the crystal film, and the crystal film is in-plane. It has a rotation domain group, and the plurality of windows are arranged linearly and have a dot-like shape, and one of the plurality of in-plane rotation domain groups is an in-plane rotation domain. The mask was formed on the substrate so that the growth rate of the window of the group along the linear direction was higher than the growth rate of the other in-plane rotation domain group along the linear direction. Including the growth of the crystal film, and further assuming that the distance between the centers of two adjacent dots in the linear direction of the plurality of windows is p, it is perpendicular to the linear direction of the plurality of windows. The distance q between the centers of two adjacent dots in the above direction is characterized by satisfying p × 2 / √3 or more and 500 μm or less.

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、本発明に係る複数の実施形態を組合せたり、一部の構成要素を他の実施形態に適用することももちろん可能であり、そのようなものも本発明の実施形態に属する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Of course, it is also possible to combine a plurality of embodiments according to the present invention or to apply some components to other embodiments, and such a component also belongs to the embodiment of the present invention.

図1は、本発明の実施態様において結晶膜を成長するフローチャートの一例を示す図である。ステップS110においては、基板上にバッファ層を形成する。本発明の実施態様においては、基板上に直接(バッファ層を介することなく)マスクを形成し、ついで前記結晶膜を成長してもよし、基板上にバッファ層を介してマスクを形成し、ついで前記結晶膜を成長してもよい。本発明の実施態様においては、図1のステップS110に示すように、前記基板上にバッファ層を介して前記マスクを形成し、ついで、前記バッファ層上に前記結晶膜を成長するのが好ましい。 FIG. 1 is a diagram showing an example of a flowchart for growing a crystal film in an embodiment of the present invention. In step S110, a buffer layer is formed on the substrate. In an embodiment of the invention, the mask may be formed directly on the substrate (without interposing the buffer layer) and then the crystal film may be grown, or the mask may be formed on the substrate via the buffer layer, and then. The crystal film may be grown. In an embodiment of the present invention, as shown in step S110 of FIG. 1, it is preferable to form the mask on the substrate via a buffer layer, and then grow the crystal film on the buffer layer.

(バッファ層)
前記バッファ層の構成材料は、特に限定されず、公知の材料であってよい。前記バッファ層の構成材料としては、例えば、酸化物、窒化物または酸窒化物等が挙げられる。前記酸化物としては、例えば、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、チタン(Ti)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)、ジルコニウム(Zr)、ケイ素(Si)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)から選ばれる1種または2種以上の金属を含む金属酸化物等が挙げられる。前記窒化物としては、例えば、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)およびインジウム(In)から選ばれる1種または2種以上の金属を含む窒化物等が挙げられる。前記窒化物としては、より具体的には、例えば、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウム(AlN)またはこれらの混晶等が挙げられる。前記酸窒化物としては、例えば、SiON、AlONまたはTiON等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記バッファ層が、酸化物を含むのが好ましく、酸化チタンを含むのがより好ましい。このような好ましいバッファ層を用いることにより、結晶品質に優れた直方晶の結晶構造(例えば、κ型結晶構造)を有する前記結晶膜をより良好に成長させることができる。前記バッファ層の形成方法は、特に限定されず、公知の方法であってよい。前記バッファ層の形成方法としては、例えば、真空蒸着法、CVD法またはスパッタリング法等が挙げられる。
(Buffer layer)
The constituent material of the buffer layer is not particularly limited and may be a known material. Examples of the constituent material of the buffer layer include oxides, nitrides, oxynitrides and the like. Examples of the oxide include aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), iron (Fe), chromium (Cr), vanadium (V), titanium (Ti), rhodium (Rh), and iridium ( Ir), cobalt (Co), zinc (Zn), tin (Sn), zirconium (Zr), silicon (Si), tungsten (W), tantalum (Ta), hafnium (Hf), scandium (Sc), ittrium ( Examples thereof include metal oxides containing one or more kinds of metals selected from Y). Examples of the nitride include nitrides containing one or more metals selected from aluminum (Al), gallium (Ga) and indium (In). More specifically, examples of the nitride include gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), aluminum nitride (AlN), and mixed crystals thereof. Examples of the oxynitride include SiON, AlON, TiON and the like. In the embodiment of the present invention, the buffer layer preferably contains an oxide, more preferably titanium oxide. By using such a preferable buffer layer, the crystal film having an orthorhombic crystal structure (for example, a κ type crystal structure) having excellent crystal quality can be grown more satisfactorily. The method for forming the buffer layer is not particularly limited and may be a known method. Examples of the method for forming the buffer layer include a vacuum vapor deposition method, a CVD method, a sputtering method, and the like.

ついで、ステップS120においては、ステップS110において得られた表面にバッファ層が形成されている基板上に、線状に配置されている複数の窓を有するマスクを形成し、得られた基板上に、結晶膜を形成する。 Then, in step S120, a mask having a plurality of windows arranged linearly is formed on the substrate on which the buffer layer is formed on the surface obtained in step S110, and on the obtained substrate, the mask is formed. Form a crystal film.

(基板)
前記基板は、複数の窓を有するマスクを備えているものであり、前記結晶膜の支持体となるものであれば、特に限定されない。前記基板としては、例えば、サファイア基板、GaN基板、AlN基板、6H-SiC基板および4H-SiC基板からなる群から選択される基板等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記基板が結晶基板であるのが好ましい。前記結晶基板は、結晶物を主成分として含む基板であれば、特に限定されず、公知の基板であってよい。絶縁体基板であってもよいし、導電性基板であってもよいし、半導体基板であってもよい。単結晶基板であってもよいし、多結晶基板であってもよい。前記結晶基板としては、例えば、コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板、またはβ-ガリア構造を有する結晶物を主成分として含む基板、六方晶構造を有する結晶物を主成分として含む基板などが挙げられる。本発明の実施態様においては、前記結晶基板が、[11-20]軸(a軸)または[10-10]軸(m軸)を含む結晶構造を有するのが好ましい。[11-20]軸(a軸)または[10-10]軸(m軸)を含む結晶構造としては、例えば、コランダム構造、六方晶構造(例えば、ε型構造、ウルツ鉱型構造等)等が挙げられる。なお、前記「主成分」とは、基板中の組成比で、前記結晶物を50%以上含むものをいい、好ましくは70%以上含むものであり、より好ましくは90%以上含むものである。 なお、前記基板の主面の面指数は、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、(0001)面(c面)であるのが好ましい。
(substrate)
The substrate is provided with a mask having a plurality of windows, and is not particularly limited as long as it serves as a support for the crystal film. Examples of the substrate include a substrate selected from the group consisting of a sapphire substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, a 6H-SiC substrate, and a 4H-SiC substrate. In the embodiment of the present invention, it is preferable that the substrate is a crystalline substrate. The crystal substrate is not particularly limited as long as it is a substrate containing a crystal as a main component, and may be a known substrate. It may be an insulator substrate, a conductive substrate, or a semiconductor substrate. It may be a single crystal substrate or a polycrystalline substrate. The crystal substrate includes, for example, a substrate containing a crystal having a corundum structure as a main component, a substrate containing a crystal having a β-galia structure as a main component, or a substrate containing a crystal having a hexagonal structure as a main component. And so on. In the embodiment of the present invention, it is preferable that the crystal substrate has a crystal structure including a [11-20] axis (a axis) or a [10-10] axis (m axis). Examples of the crystal structure including the [11-20] axis (a axis) or the [10-10] axis (m axis) include a corundum structure, a hexagonal structure (for example, a ε-type structure, a wurtzite-type structure, etc.) and the like. Can be mentioned. The "main component" refers to a composition ratio in the substrate containing 50% or more of the crystals, preferably 70% or more, and more preferably 90% or more. The surface index of the main surface of the substrate is not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, it is preferably the (0001) surface (c surface).

コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板としては、例えば、サファイア基板、α型酸化ガリウム基板などが挙げられる。前記β-ガリア構造を有する結晶物を主成分として含む基板としては、例えば、β-Ga基板、またはβ-GaとAlとを含む混晶体基板などが挙げられる。なお、β-GaとAlとを含む混晶体基板としては、例えば、Alが原子比で0%より多くかつ60%以下含まれる混晶体基板などが好適な例として挙げられる。また、前記六方晶構造を有する基板としては、例えば、SiC基板、ZnO基板、GaN基板またはAlN基板などが挙げられる。その他の結晶基板の例示としては、例えば、Si基板などが挙げられる。 Examples of the substrate containing a crystal having a corundum structure as a main component include a sapphire substrate and an α-type gallium oxide substrate. Examples of the substrate containing the crystal having a β-Galia structure as a main component include a β-Ga 2 O 3 substrate or a mixed crystal substrate containing β-Ga 2 O 3 and Al 2 O 3 . .. As the mixed crystal substrate containing β-Ga 2 O 3 and Al 2 O 3 , for example, a mixed crystal substrate containing Al 2 O 3 in an atomic ratio of more than 0% and 60% or less is preferable. Is mentioned as. Examples of the substrate having the hexagonal structure include a SiC substrate, a ZnO substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, and the like. Examples of other crystal substrates include Si substrates.

本発明の実施態様においては、前記結晶基板が、サファイア基板であるのが好ましい。前記サファイア基板としては、例えば、c面サファイア基板、m面サファイア基板、a面サファイア基板などが挙げられる。また、前記サファイア基板はオフ角を有していてもよい。前記オフ角は、特に限定されないが、好ましくは0°~15°である。なお、前記結晶基板の厚さは、特に限定されないが、好ましくは、50~2000μmであり、より好ましくは200~800μmである。 In the embodiment of the present invention, the crystal substrate is preferably a sapphire substrate. Examples of the sapphire substrate include a c-plane sapphire substrate, an m-plane sapphire substrate, and an a-plane sapphire substrate. Further, the sapphire substrate may have an off angle. The off angle is not particularly limited, but is preferably 0 ° to 15 °. The thickness of the crystal substrate is not particularly limited, but is preferably 50 to 2000 μm, and more preferably 200 to 800 μm.

前記マスクは、複数の窓を有しており、前記複数の窓が線状に配置されているものであれば、特に限定されない。前記マスクの構成材料も、特に限定されず、公知のものであってよい。絶縁体材料であってもよいし、導電体材料であってもよいし、半導体材料であってもよい。また、前記構成材料は、非晶であってもよいし、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。前記凸部の構成材料としては、例えば、Si、Ge、Ti、Zr、Hf、Ta、Sn、Al等の酸化物、窒化物または炭化物、カーボン、ダイヤモンド、金属、これらの混合物などが挙げられる。より具体的には、SiO、SiNまたは多結晶シリコンを主成分として含むSi含有化合物、前記結晶性酸化物半導体の結晶成長温度よりも高い融点を有する金属(例えば、白金、金、銀、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウムなどの貴金属等)などが挙げられる。本発明の実施態様においては、前記マスクの構成材料が、酸化物、窒化物または酸窒化物および金属から選択される少なくとも1種であるのが好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記マスクの構成材料が、アモルファス材料であってもよい。前記酸化物、窒化物または酸窒化物としては、例えば、Si、Ge、Ti、Zr、Hf、Ta、Sn等の酸化物、窒化物または酸窒化物等が挙げられる。また、前記金属としては、例えば、白金、金、銀、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウムなどの貴金属等が挙げられる。 The mask has a plurality of windows, and is not particularly limited as long as the plurality of windows are linearly arranged. The constituent material of the mask is also not particularly limited and may be a known material. It may be an insulator material, a conductor material, or a semiconductor material. Further, the constituent material may be amorphous, single crystal, or polycrystal. Examples of the constituent material of the convex portion include oxides such as Si, Ge, Ti, Zr, Hf, Ta, Sn, and Al, nitrides or carbides, carbon, diamond, metal, and mixtures thereof. More specifically, a Si-containing compound containing SiO 2 , SiN or polycrystalline silicon as a main component, and a metal having a melting point higher than the crystal growth temperature of the crystalline oxide semiconductor (for example, platinum, gold, silver, palladium). , Rhodium, iridium, ruthenium and other precious metals, etc.). In the embodiment of the present invention, it is preferable that the constituent material of the mask is at least one selected from oxides, nitrides or oxynitrides and metals. Further, in the embodiment of the present invention, the constituent material of the mask may be an amorphous material. Examples of the oxide, nitride or oxynitride include oxides such as Si, Ge, Ti, Zr, Hf, Ta and Sn, nitrides or oxynitrides. Examples of the metal include precious metals such as platinum, gold, silver, palladium, rhodium, iridium, and ruthenium.

また、線状に配置されている前記複数の窓の形状も、特に限定されず、ストライプ状であってもよいし、ドット状であってもよい。本発明の実施態様においては、前記複数の窓の形状がドット状である場合、通常、前記複数の窓の線状方向における隣接する2つのドットの中心間距離をpとすると、前記複数の窓の線状方向に対して垂直な方向における隣接する2つのドットの中心間距離はqは、p×2/√3以上500μm以下の条件を満たす。前記複数の窓の形状がドット状である場合には、このような寸法の配置とすることにより、単一の面内配向のドメインを優先的に成長させることができる。前記ドットの表面形状も、特に限定されず、円状であってもよいし、多角形状(例えば、三角形、四角形、五角形、六角形等)であってもよい。本発明の実施態様においては、前記複数の窓の形状が、ストライプ状であるのが、単一の面内配向を有する結晶膜をより良好且つより簡便に得ることができるので、好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記複数の窓の形状が、ドット状である場合、前記複数の窓の形状が、略真円および/または略正多角形であるのが好ましい。この場合、前記窓の線状方向に対して平行な方向における、隣接する前記略真円どうしおよび/または隣接する前記略正多角形どうしの中心間距離をpとすると、前記窓の線状方向に対して垂直な方向における、隣接する前記略真円どうしおよび/または隣接する前記略正多角形どうしの中心間距離qは、p×2/√3以上500μm以下を満たす。またさらに、本発明の実施態様においては、前記略真円および/または前記略正多角形の直径は、0.1μm以上10μm以下の範囲内であり、前記間窓の線状方向と平行な方向における前記略真円および/または前記略正多角形の中心間距離は、0.3μm以上25μm以下の範囲内であるが好ましい。図6に、複数の窓が線状に配置されているマスクの例として、マスクおよび窓の上面図を示す。図6(A)がストライプ状、図6(B)がドット状(円状)、図6(C)がドット状(三角形状)、図6(D)がドット状(四角形状)の場合を示している。 Further, the shape of the plurality of windows arranged linearly is not particularly limited, and may be striped or dot-shaped. In the embodiment of the present invention, when the shape of the plurality of windows is dot-shaped, the distance between the centers of two adjacent dots in the linear direction of the plurality of windows is usually p, and the plurality of windows are described. The distance between the centers of two adjacent dots in the direction perpendicular to the linear direction of is q, which satisfies the condition of p × 2 / √3 or more and 500 μm or less. When the shape of the plurality of windows is dot-shaped, a single in-plane oriented domain can be preferentially grown by arranging such dimensions. The surface shape of the dots is not particularly limited, and may be a circular shape or a polygonal shape (for example, a triangle, a quadrangle, a pentagon, a hexagon, etc.). In the embodiment of the present invention, it is preferable that the shape of the plurality of windows is striped because a crystal film having a single in-plane orientation can be obtained better and more easily. Further, in the embodiment of the present invention, when the shape of the plurality of windows is a dot shape, it is preferable that the shape of the plurality of windows is a substantially perfect circle and / or a substantially regular polygon. In this case, where p is the distance between the centers of the adjacent substantially perfect circles and / or the adjacent substantially regular polygons in the direction parallel to the linear direction of the window, the linear direction of the window. The distance q between the centers of the adjacent substantially perfect circles and / or the adjacent substantially regular polygons in the direction perpendicular to the center satisfies p × 2 / √3 or more and 500 μm or less. Furthermore, in the embodiment of the present invention, the diameter of the substantially perfect circle and / or the substantially regular polygon is within the range of 0.1 μm or more and 10 μm or less, and the direction parallel to the linear direction of the window. The distance between the centers of the substantially perfect circle and / or the substantially regular polygon in the above is preferably in the range of 0.3 μm or more and 25 μm or less. FIG. 6 shows a mask and a top view of the windows as an example of a mask in which a plurality of windows are arranged linearly. 6 (A) is a stripe shape, FIG. 6 (B) is a dot shape (circular shape), FIG. 6 (C) is a dot shape (triangular shape), and FIG. 6 (D) is a dot shape (square shape). Shows.

前記マスクの形成手段としては、公知の手段であってよく、例えば、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、レーザーパターニング、その後のエッチング(例えばドライエッチングまたはウェットエッチング等)などの公知のパターニング加工手段などが挙げられる。また、前記パターン形状のピッチ間隔も、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、100μm以下であるのが好ましく、0.5μm~50μmであるのがより好ましく、0.5μm~10μm」であるのが最も好ましい。 The mask forming means may be a known means, and examples thereof include known patterning processing means such as photolithography, electron beam lithography, laser patterning, and subsequent etching (for example, dry etching or wet etching). Be done. Further, the pitch interval of the pattern shape is also not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, it is preferably 100 μm or less, more preferably 0.5 μm to 50 μm, and 0.5 μm to 10 μm ”. Most preferably.

図3は、本発明の実施態様において基板上にバッファ層を介してマスクを形成する製造工程を模式的に示す図である。図3(a)は、基板1を示す。図3(a)の基板1上に、公知の方法を用いてバッファ層2を形成し、図3(b)の積層体を得る。ついで、得られた積層体(b)上に、公知の成膜方法(例えば、真空蒸着法、CVD法またはスパッタリング法)を用いてマスク層を形成した後、公知のパターニング加工方法によって加工することにより、線状に配置されているマスク3を形成して、図3(c)の積層体を得る。前記パターニング加工方法としては、例えば、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、レーザーパターニング、その後のエッチング(例えばドライエッチングまたはウェットエッチング等)などの公知のパターニング加工方法などが挙げられる。 FIG. 3 is a diagram schematically showing a manufacturing process of forming a mask on a substrate via a buffer layer in an embodiment of the present invention. FIG. 3A shows the substrate 1. The buffer layer 2 is formed on the substrate 1 of FIG. 3A by a known method to obtain the laminate of FIG. 3B. Then, a mask layer is formed on the obtained laminate (b) by a known film forming method (for example, vacuum vapor deposition method, CVD method or sputtering method), and then processed by a known patterning processing method. Therefore, the masks 3 arranged linearly are formed to obtain the laminated body of FIG. 3 (c). Examples of the patterning processing method include known patterning processing methods such as photolithography, electron beam lithography, laser patterning, and subsequent etching (for example, dry etching or wet etching).

図11は、表面にバッファ層を介してマスクが形成されている基板を模式的に示す斜視図である。図11の基板1は、表面にバッファ層2を介してストライプ状の複数の窓を有するマスク3が形成されており、前記マスクの複数の窓4は、線状に配置されている。本発明の実施態様においては、前記結晶膜として、例えば直方晶構造(例えば、κ型の結晶構造)を有する結晶膜を形成する場合、例えば前記基板としてc面サファイア基板を用いて、前記複数の窓4の線状方向d1が前記サファイア基板の[11―20]軸(a軸)方向と平行になるように前記マスクを形成することにより、前記結晶膜が有する複数の面内回転ドメイン群のうち1つの面内回転ドメイン群の前記窓の線状方向に沿った成長速度が、他の面内回転ドメイン群の前記線状方向に沿った成長速度と比べて大きくなるようにすることができる。なお、本発明の実施態様においては、前記基板が、サファイア基板、GaN基板、AlN基板、6H-SiC基板および4H-SiC基板からなる群から選択される基板である場合、前記窓4の線状方向d1と前記基板の[11-20]方向とのなす角は、-5°以上5°以下の範囲内であるのが好ましい。 FIG. 11 is a perspective view schematically showing a substrate on which a mask is formed on the surface via a buffer layer. The substrate 1 of FIG. 11 has a mask 3 having a plurality of striped windows formed on the surface thereof via a buffer layer 2, and the plurality of windows 4 of the mask are arranged linearly. In the embodiment of the present invention, when a crystal film having a rectangular structure (for example, a κ type crystal structure) is formed as the crystal film, for example, a c-plane sapphire substrate is used as the substrate, and the plurality of the crystals are used. By forming the mask so that the linear direction d1 of the window 4 is parallel to the [11-20] axis (a-axis) direction of the sapphire substrate, a plurality of in-plane rotation domains of the crystal film can be formed. The growth rate of one of the in-plane rotation domain groups along the linear direction of the window can be made higher than the growth rate of the other in-plane rotation domain group along the linear direction. .. In the embodiment of the present invention, when the substrate is a substrate selected from the group consisting of a sapphire substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, a 6H-SiC substrate and a 4H-SiC substrate, the linear shape of the window 4 is used. The angle formed by the direction d1 and the [11-20] direction of the substrate is preferably in the range of −5 ° or more and 5 ° or less.

前記窓の幅Dは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。本発明の実施態様においては、前記窓の幅が、0.1μm以上20μm以下の範囲内であるのが好ましく、1μm以上15μm以下の範囲内であるのがより好ましく、3μm以上7μm以下の範囲内であるのが最も好ましい。また、前記マスクの幅Dは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。本発明の実施態様においては、前記マスクの幅Dが、5μm以上500μm以下の範囲内であるのが好ましく、5μm以上200μm以下の範囲内であるのがより好ましく、10μm以上50μm以下の範囲内であるのが最も好ましい。なお、前記窓の幅Dは、前記マスクの幅Dよりも小さいのが好ましい。前記窓の幅および前記マスクの幅をこのような好ましい範囲内の値に設定することにより、前記結晶膜の品質をより優れたものとすることができる。 The width D W of the window is not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired. In the embodiment of the present invention, the width of the window is preferably in the range of 0.1 μm or more and 20 μm or less, more preferably in the range of 1 μm or more and 15 μm or less, and more preferably in the range of 3 μm or more and 7 μm or less. Is most preferable. Further, the width DM of the mask is not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired. In the embodiment of the present invention, the width DM of the mask is preferably in the range of 5 μm or more and 500 μm or less, more preferably in the range of 5 μm or more and 200 μm or less, and more preferably in the range of 10 μm or more and 50 μm or less. Is the most preferable. The width D W of the window is preferably smaller than the width D M of the mask. By setting the width of the window and the width of the mask to values within such a preferable range, the quality of the crystal film can be further improved.

図12は、本発明の他の実施態様における、表面にバッファ層を介してマスクが形成されている基板の模式的に示す斜視図である。図12の基板1は、表面にバッファ層2を介してドット状(円状)の複数の窓を有するマスク3が形成されており、前記マスクの複数の窓4は、線状に配置されている。本発明の実施態様においては、前記結晶膜として、例えば直方晶構造(例えば、κ型の結晶構造)を有する結晶膜を形成する場合、例えば前記基板としてc面サファイア基板を用いて、前記複数の窓4の線状方向が前記サファイア基板の[11―20]軸(a軸)方向と平行になるように前記マスクを形成することにより、前記結晶膜が有する複数の面内回転ドメイン群のうち1つの面内回転ドメイン群の前記窓の線状方向に沿った成長速度が、他の面内回転ドメイン群の前記線状方向に沿った成長速度と比べて大きくなるようにすることができる。本発明の実施態様においては、前記窓4の線状方向に対して平行な方向における中心間距離をpとすると、前記窓4の線状方向に対して垂直な方向における中心間距離qは、「p×2/√3≦q≦500μm」を満たす。また、本発明の実施態様においては、前記窓4の直径Rが0.1μm以上10μm以下の範囲内であり、前記窓4の線状方向と平行な方向における中心間距離pが、0.3μm以上25μm以下の範囲内であるのが好ましい。前記窓の幅および前記マスクの幅をこのような好ましい範囲内とすることにより、前記結晶膜の品質をより優れたものとすることができる。 FIG. 12 is a perspective view schematically showing a substrate in which a mask is formed on the surface via a buffer layer in another embodiment of the present invention. The substrate 1 of FIG. 12 has a mask 3 having a plurality of dot-shaped (circular) windows formed on the surface thereof via a buffer layer 2, and the plurality of windows 4 of the mask are arranged linearly. There is. In the embodiment of the present invention, when a crystal film having a rectangular structure (for example, a κ type crystal structure) is formed as the crystal film, for example, a c-plane sapphire substrate is used as the substrate, and the plurality of the crystals are used. By forming the mask so that the linear direction of the window 4 is parallel to the [11-20] axis (a-axis) direction of the sapphire substrate, the crystal film has a plurality of in-plane rotation domains. The growth rate of one in-plane rotation domain group along the linear direction of the window can be made higher than the growth rate of the other in-plane rotation domain group along the linear direction. In the embodiment of the present invention, where p is the center-to-center distance in the direction parallel to the linear direction of the window 4, the center-to-center distance q in the direction perpendicular to the linear direction of the window 4 is. Satisfy "p × 2 / √3 ≦ q ≦ 500 μm". Further, in the embodiment of the present invention, the diameter R of the window 4 is within the range of 0.1 μm or more and 10 μm or less, and the center-to-center distance p in the direction parallel to the linear direction of the window 4 is 0.3 μm. It is preferably within the range of 25 μm or more. By keeping the width of the window and the width of the mask within such a preferable range, the quality of the crystal film can be further improved.

(結晶膜)
前記結晶膜は、複数の面内回転ドメイン群を有しているものであれば、特に限定されない。ここで、面内回転ドメイン群とは、例えば、前記結晶膜が(001)面κ-Gaである場合、(001)面内で120°ずつ回転した3種類のドメインのことをいう。本発明の実施態様においては、前記結晶膜が、酸化物、窒化物および酸窒化物からなる群から選択される少なくとも1種を主成分として含むのが好ましい。前記酸化物としては、例えば、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、チタン(Ti)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)、ジルコニウム(Zr)、ケイ素(Si)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)から選ばれる1種または2種以上の金属を含む金属酸化物等が挙げられる。前記窒化物としては、例えば、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)およびインジウム(In)から選ばれる1種または2種以上の金属を含む窒化物等が挙げられる。前記窒化物としては、より具体的には、例えば、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウム(AlN)またはこれらの混晶等が挙げられる。前記酸窒化物としては、例えば、SiON、AlONまたはTiON等が挙げられる。
(Crystal film)
The crystal film is not particularly limited as long as it has a plurality of in-plane rotation domains. Here, the in-plane rotation domain group means, for example, three types of domains rotated by 120 ° in the (001) plane when the crystal film is the (001) plane κ-Ga 2 O 3 . .. In the embodiment of the present invention, it is preferable that the crystal film contains at least one selected from the group consisting of oxides, nitrides and oxynitrides as a main component. Examples of the oxide include aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), iron (Fe), chromium (Cr), vanadium (V), titanium (Ti), rhodium (Rh), and iridium ( Ir), cobalt (Co), zinc (Zn), tin (Sn), zirconium (Zr), silicon (Si), tungsten (W), tantalum (Ta), hafnium (Hf), scandium (Sc), ittrium ( Examples thereof include metal oxides containing one or more kinds of metals selected from Y). Examples of the nitride include nitrides containing one or more metals selected from aluminum (Al), gallium (Ga) and indium (In). More specifically, examples of the nitride include gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), aluminum nitride (AlN), and mixed crystals thereof. Examples of the oxynitride include SiON, AlON, TiON and the like.

本発明の実施態様においては、前記結晶膜が、酸化物を含むのが好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記酸化物が、κ-(AlInGa1-x-y、β-(AlInGa1-x-y、および、γ-(AlInGa1-x-y(ここで、x、yおよびzは、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満たす)からなる群から選択される少なくとも1種であるのが好ましい。前記酸化物の結晶構造は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。前記酸化物の結晶構造としては、例えば、コランダム構造、β―ガリア構造、六方晶構造(例えば、ε型構造等)、直方晶構造(例えばκ型構造等)、立方晶構造、または正方晶構造等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記酸化物の結晶構造がコランダム構造、六方晶構造または直方晶構造であるのが好ましく、直方晶構造であるのが好ましく、κ型構造であるのが最も好ましい。 In the embodiment of the present invention, it is preferable that the crystal film contains an oxide. Further, in the embodiment of the present invention, the oxide is κ- (Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 , β- (Al x In y Ga 1-x-y ) 2 O 3 , And γ- (Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 (where x, y and z satisfy 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1 ) Is preferably at least one selected from the group consisting of. The crystal structure of the oxide is not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired. The crystal structure of the oxide includes, for example, a corundum structure, a β-galia structure, a hexagonal structure (for example, ε-type structure, etc.), a rectangular crystal structure (for example, a κ-type structure, etc.), a cubic structure, or a rectangular structure. And so on. In the embodiment of the present invention, the crystal structure of the oxide is preferably a corundum structure, a hexagonal structure or a rectangular structure, preferably a rectangular structure, and most preferably a κ type structure.

前記結晶膜には、ドーパントが含まれていてもよい。前記ドーパントは、特に限定されず、公知のものであってよく、n型ドーパントであってもよいし、p型ドーパントであってもよい。前記n型ドーパントとしては、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブまたはこれらの2種以上の元素等が挙げられる。前記p型ドーパントとしては、例えば、Mg、H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Ca、Sr、Ba、Ra、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Ti、Pb、N、Pまたはこれらの2種以上の元素等が挙げられる。前記ドーパントの含有量も、特に限定されないが、第2の結晶層中、0.00001原子%以上であるのが好ましく、0.00001原子%~20原子%であるのがより好ましく、0.00001原子%~10原子%であるのが最も好ましい。 The crystal film may contain a dopant. The dopant is not particularly limited and may be a known one, and may be an n-type dopant or a p-type dopant. Examples of the n-type dopant include tin, germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, niobium, or two or more kinds of these elements. Examples of the p-type dopant include Mg, H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Ca, Sr, Ba, Ra, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Cu, Ag and Au. , Zn, Cd, Hg, Ti, Pb, N, P or two or more of these elements. The content of the dopant is also not particularly limited, but is preferably 0.00001 atomic% or more, more preferably 0.00001 atomic% to 20 atomic%, and 0.00001 in the second crystal layer. Most preferably, it is from atomic% to 10 atomic%.

(原料)
前記原料は、結晶膜の材料となる物質を含むものであれば、特に限定されず、無機材料を含んでいてもよいし、有機材料を含んでいてもよい。本発明の実施態様においては、前記原料が、金属を含むのが好ましい。前記金属としては、例えば、ガリウム(Ga)、イリジウム(Ir)、インジウム(In)、ロジウム(Rh)、アルミニウム(Al)、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、銅(Cu)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、亜鉛(Zn)、鉛(Pb)、レニウム(Re)、チタン(Ti)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)およびジルコニウム(Zr)から選ばれる1種または2種以上の金属などが挙げられる。
(material)
The raw material is not particularly limited as long as it contains a substance that is a material for the crystal film, and may contain an inorganic material or an organic material. In the embodiment of the present invention, it is preferable that the raw material contains a metal. Examples of the metal include gallium (Ga), iridium (Ir), indium (In), rhodium (Rh), aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and copper (Cu). ), Iron (Fe), Manganese (Mn), Nickel (Ni), Palladium (Pd), Cobalt (Co), Ruthenium (Ru), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo), Tungsten (W), Tantal (Ta) ), Zinc (Zn), Lead (Pb), Ruthenium (Re), Titanium (Ti), Tin (Sn), Gallium (Ga), Magnesium (Mg), Calcium (Ca) and Zirconium (Zr) 1 Seeds or two or more metals and the like.

前記結晶膜を成長させる方法は、特に限定されず、公知の方法であってよい。前記結晶膜を成長させる方法としては、例えば、HVPE法、ミストCVD法またはMOCVD法等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記結晶膜をHVPE法を用いて成長させるのが好ましい。 The method for growing the crystal film is not particularly limited and may be a known method. Examples of the method for growing the crystal film include an HVPE method, a mist CVD method, a MOCVD method, and the like. In the embodiment of the present invention, it is preferable to grow the crystal film by using the HVPE method.

以下、前記結晶膜を成長させる方法としてHVPE法を用いて、前記結晶膜としてκ-Gaを成長させる場合を例として、本発明の実施態様をより詳細に説明する。前記HVPE法は、具体的には、例えば、金属を含む金属源をガス化して金属ハロゲン化物ガスとし、ついで、前記金属ハロゲン化物ガスと、酸素含有原料ガスとを反応室内の前記結晶基板に供給して成膜するのが好ましい。また、本発明の実施態様においては、反応性ガスを前記結晶基板上に供給し、前記成膜を前記反応性ガスの流通下で行うのも好ましい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail by using the HVPE method as a method for growing the crystal film and exemplifying a case where κ-Ga 2 O 3 is grown as the crystal film. Specifically, in the HVPE method, for example, a metal source containing a metal is gasified into a metal halide gas, and then the metal halide gas and the oxygen-containing raw material gas are supplied to the crystal substrate in the reaction chamber. It is preferable to form a film. Further, in the embodiment of the present invention, it is also preferable to supply the reactive gas onto the crystal substrate and perform the film formation under the flow of the reactive gas.

(金属源)
前記金属源は、金属を含んでおり、ガス化が可能なものであれば、特に限定されず、金属単体であってもよいし、金属化合物であってもよい。前記金属としては、例えば、ガリウム、アルミニウム、インジウム、鉄、クロム、バナジウム、チタン、ロジウム、ニッケル、コバルトおよびイリジウム等から選ばれる1種または2種以上の金属等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記金属が、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選らばれる1種または2種以上の金属であるのが好ましく、ガリウムであるのがより好ましく、前記金属源が、ガリウム単体であるのが最も好ましい。また、前記金属源は、気体であってもよいし、液体であってもよいし、固体であってもよいが、本発明の実施態様においては、例えば、前記金属としてガリウムを用いる場合には、前記金属源が液体であるのが好ましい。
(Metal source)
The metal source is not particularly limited as long as it contains a metal and can be gasified, and may be a simple substance of a metal or a metal compound. Examples of the metal include one or more metals selected from gallium, aluminum, indium, iron, chromium, vanadium, titanium, rhodium, nickel, cobalt, iridium and the like. In the embodiment of the present invention, the metal is preferably one or more metals selected from gallium, aluminum and indium, more preferably gallium, and the metal source is gallium alone. Most preferably. Further, the metal source may be a gas, a liquid, or a solid, but in the embodiment of the present invention, for example, when gallium is used as the metal, the metal source may be a gas, a liquid, or a solid. , It is preferable that the metal source is a liquid.

前記ガス化の手段は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知の手段であってよい。本発明の実施態様においては、前記ガス化の手段が、前記金属源をハロゲン化することにより行われるのが好ましい。前記ハロゲン化に用いるハロゲン化剤は、前記金属源をハロゲン化できさえすれば、特に限定されず、公知のハロゲン化剤であってよい。前記ハロゲン化剤としては、例えば、ハロゲンまたはハロゲン化水素等が挙げられる。前記ハロゲンとしては、例えば、フッ素、塩素、臭素、またはヨウ素等が挙げられる。また、ハロゲン化水素としては、例えば、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記ハロゲン化に、ハロゲン化水素を用いるのが好ましく、塩化水素を用いるのがより好ましい。本発明の実施態様においては、前記ガス化を、前記金属源に、ハロゲン化剤として、ハロゲンまたはハロゲン化水素を供給して、前記金属源とハロゲンまたはハロゲン化水素とをハロゲン化金属の気化温度以上で反応させてハロゲン化金属とすることにより行うのが好ましい。前記ハロゲン化反応温度は、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、例えば、前記金属源がガリウムであり、前記ハロゲン化剤が、HClである場合には、900℃以下が好ましく、700℃以下がより好ましく、400℃~700℃であるのが最も好ましい。前記金属ハロゲン化物ガスは、前記金属源の金属のハロゲン化物を含むガスであれば、特に限定されない。前記金属ハロゲン化物ガスとしては、例えば、前記金属のハロゲン化物(フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物など)等が挙げられる。 The gasification means is not particularly limited and may be a known means as long as the object of the present invention is not impaired. In the embodiment of the present invention, it is preferable that the gasification means is carried out by halogenating the metal source. The halogenating agent used for the halogenation is not particularly limited as long as the metal source can be halogenated, and may be a known halogenating agent. Examples of the halogenating agent include halogens and hydrogen halides. Examples of the halogen include fluorine, chlorine, bromine, iodine and the like. Examples of hydrogen halide include hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, hydrogen iodide and the like. In the embodiment of the present invention, it is preferable to use hydrogen halide for the halogenation, and it is more preferable to use hydrogen chloride. In an embodiment of the present invention, the gasification is carried out by supplying a halogen or hydrogen halide as a halogenating agent to the metal source, and the metal source and the halogen or hydrogen halide are vaporized at the vaporization temperature of the metal halide. It is preferable to carry out the reaction by reacting as described above to obtain a metal halide. The halogenation reaction temperature is not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, for example, when the metal source is gallium and the halogenating agent is HCl, 900 ° C. or lower is preferable, and 700. The temperature is more preferably 40 ° C or lower, and most preferably 400 ° C to 700 ° C. The metal halide gas is not particularly limited as long as it is a gas containing a metal halide of the metal source. Examples of the metal halide gas include halides of the metal (fluoride, chloride, bromide, iodide, etc.).

本発明の実施態様においては、金属を含む金属源をガス化して金属ハロゲン化物ガスとした後、前記金属ハロゲン化物ガスと、前記酸素含有原料ガスとを、前記反応室内の基板上に供給する。また、本発明の実施態様においては、反応性ガスを前記基板上に供給する。前記結晶層の形成温度は、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、例えば、前記金属源がガリウムであり、前記ハロゲン化剤が、HClである場合には、900℃以下が好ましく、700℃以下がより好ましく、400℃~700℃であるのが最も好ましい。前記酸素含有原料ガスとしては、例えば、Oガス、COガス、NOガス、NOガス、NOガス、HOガスまたはOガスから選ばれる1種または2種以上のガスである。本発明の実施態様においては、前記酸素含有原料ガスが、O、HOおよびNOからなる群から選ばれる1種または2種以上のガスであるのが好ましく、Oを含むのがより好ましい。前記反応性ガスは、通常、金属ハロゲン化物ガスおよび酸素含有原料ガスとは異なる反応性のガスであり、不活性ガスは含まれない。前記反応性ガスとしては、特に限定されないが、例えば、エッチングガス等が挙げられる。前記エッチングガスは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知のエッチングガスであってよい。本発明の実施態様においては、前記反応性ガスが、ハロゲンガス(例えば、フッ素ガス、塩素ガス、臭素ガスまたはヨウ素ガス等)、ハロゲン化水素ガス(例えば、フッ酸ガス、塩酸ガス、臭化水素ガスまたはヨウ化水素ガス等)、水素ガスまたはこれら2種以上の混合ガス等であるのが好ましく、ハロゲン化水素ガスを含むのが好ましく、塩化水素を含むのが最も好ましい。なお、前記金属ハロゲン化物ガス、前記酸素含有原料ガス、前記反応性ガスは、キャリアガスを含んでいてもよい。前記キャリアガスとしては、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガス等が挙げられる。また、前記金属ハロゲン化物ガスの分圧は特に限定されないが、本発明の実施態様においては、0.5Pa~1kPaであるのが好ましく、5Pa~0.5kPaであるのがより好ましい。前記酸素含有原料ガスの分圧は、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、前記金属ハロゲン化物ガスの分圧の0.5倍~100倍であるのが好ましく、1倍~20倍であるのがより好ましい。前記反応性ガスの分圧も、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、前記金属ハロゲン化物ガスの分圧の0.1倍~5倍であるのが好ましく、0.2倍~3倍であるのがより好ましい。 In the embodiment of the present invention, the metal source containing a metal is gasified to obtain a metal halide gas, and then the metal halide gas and the oxygen-containing raw material gas are supplied onto the substrate in the reaction chamber. Further, in the embodiment of the present invention, the reactive gas is supplied onto the substrate. The formation temperature of the crystal layer is not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, for example, when the metal source is gallium and the halogenating agent is HCl, 900 ° C. or lower is preferable. It is more preferably 700 ° C. or lower, and most preferably 400 ° C. to 700 ° C. The oxygen-containing raw material gas may be, for example, one or more gas selected from O 2 gas, CO 2 gas, NO gas, NO 2 gas, N 2 O gas, H 2 O gas or O 3 gas. be. In the embodiment of the present invention, the oxygen-containing raw material gas is preferably one or more gas selected from the group consisting of O 2 , H 2 O and N 2 O, and preferably contains O 2 . Is more preferable. The reactive gas is usually a reactive gas different from the metal halide gas and the oxygen-containing raw material gas, and does not include the inert gas. The reactive gas is not particularly limited, and examples thereof include an etching gas and the like. The etching gas is not particularly limited and may be a known etching gas as long as the object of the present invention is not impaired. In the embodiment of the present invention, the reactive gas is a halogen gas (for example, fluorine gas, chlorine gas, bromine gas, iodine gas, etc.), hydrogen halide gas (for example, hydrofluoric acid gas, hydrochloric acid gas, hydrogen bromide, etc.). Gas or hydrogen iodide gas, etc.), hydrogen gas, or a mixed gas of two or more of these, and the like, preferably containing hydrogen halide gas, and most preferably containing hydrogen chloride. The metal halide gas, the oxygen-containing raw material gas, and the reactive gas may contain a carrier gas. Examples of the carrier gas include an inert gas such as nitrogen and argon. The partial pressure of the metal halide gas is not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, it is preferably 0.5 Pa to 1 kPa, more preferably 5 Pa to 0.5 kPa. The partial pressure of the oxygen-containing raw material gas is not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, it is preferably 0.5 to 100 times the partial pressure of the metal halide gas, and 1 to 20 times. Is more preferable. The partial pressure of the reactive gas is also not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, it is preferably 0.1 to 5 times, preferably 0.2 to 3 times the partial pressure of the metal halide gas. It is more preferable to double.

本発明の実施態様においては、さらに、ドーパント含有原料ガスを前記基板に供給するのも好ましい。前記ドーパント含有原料ガスは、ドーパントを含んでいれば、特に限定されない。前記ドーパントも、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、前記ドーパントが、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびスズから選ばれる1種または2種以上の元素を含むのが好ましく、ゲルマニウム、ケイ素、またはスズを含むのがより好ましく、ゲルマニウムを含むのが最も好ましい。このようにドーパント含有原料ガスを用いることにより、得られる膜の導電率を容易に制御することができる。前記ドーパント含有原料ガスは、前記ドーパントを化合物(例えば、ハロゲン化物、酸化物等)の形態で有するのが好ましく、ハロゲン化物の形態で有するのがより好ましい。前記ドーパント含有原料ガスの分圧は、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、前記金属含有原料ガスの分圧の1×10-7倍~0.1倍であるのが好ましく、2.5×10-6倍~7.5×10-2倍であるのがより好ましい。なお、本発明の実施態様においては、前記ドーパント含有原料ガスを、前記反応性ガスとともに前記基板上に供給するのが好ましい。 In the embodiment of the present invention, it is also preferable to supply the dopant-containing raw material gas to the substrate. The dopant-containing raw material gas is not particularly limited as long as it contains a dopant. The dopant is also not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, it is preferable that the dopant contains one or more elements selected from germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, niobium and tin. , Germanium, silicon, or tin is more preferred, and germanium is most preferred. By using the dopant-containing raw material gas in this way, the conductivity of the obtained film can be easily controlled. The dopant-containing raw material gas preferably has the dopant in the form of a compound (for example, a halide, an oxide, etc.), and more preferably in the form of a halide. The partial pressure of the dopant-containing raw material gas is not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, it is preferably 1 × 10 -7 times to 0.1 times the partial pressure of the metal-containing raw material gas. It is more preferably 5.5 × 10-6 times to 7.5 × 10 −2 times. In the embodiment of the present invention, it is preferable to supply the dopant-containing raw material gas onto the substrate together with the reactive gas.

本発明の実施態様においては、前記基板上に第1のマスクとしての前記マスクを形成し、第1の結晶膜としての前記結晶膜を成長することに続いて、ステップS130として、前記第1の結晶膜上に第2のマスクを形成し、第2の結晶膜をさらに成長することを包含するのも好ましい。このように第2の結晶膜をさらに成長させることにより、第1の結晶膜よりもさらに面内回転ドメインが低減された第2の結晶膜を得ることができる。なお、この場合、前記第2のマスクは、前記第1のマスクと同様に線状に配置されている複数の窓を有しており、前記第2のマスクの複数の窓と、前記第1のマスクの複数の窓とが重ならないように形成されるのが好ましい。 In the embodiment of the present invention, the mask as the first mask is formed on the substrate, and the crystal film as the first crystal film is grown, and then the first crystal film is formed as step S130. It is also preferable to form a second mask on the crystal film and further grow the second crystal film. By further growing the second crystal film in this way, it is possible to obtain a second crystal film having a reduced in-plane rotation domain as compared with the first crystal film. In this case, the second mask has a plurality of windows arranged linearly like the first mask, and the plurality of windows of the second mask and the first mask. It is preferable that the mask is formed so as not to overlap with a plurality of windows of the mask.

図2は、本発明の実施態様において結晶膜を成長するフローチャートの他の好適な一例を示す図である。図2に示す成長方法は、ステップS110とステップS120との間に、ステップS210として、バッファ層上に平坦膜を成長するステップを有する点で、図1に示す成長方法と異なる。前記平坦膜の材料は、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、前記結晶膜の材料と同様であるのが好ましい。また、前記平坦膜の形成方法も、前記結晶膜の形成方法と同様であってよい。 FIG. 2 is a diagram showing another suitable example of the flowchart for growing a crystal film in the embodiment of the present invention. The growth method shown in FIG. 2 is different from the growth method shown in FIG. 1 in that a step of growing a flat film on the buffer layer is provided as step S210 between steps S110 and S120. The material of the flat film is not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, it is preferable that the material is the same as the material of the crystal film. Further, the method for forming the flat film may be the same as the method for forming the crystal film.

本発明の実施態様においては、前記結晶膜が、複数の面内回転ドメイン群を有しており、前記複数の面内回転ドメイン群のうちの1つの面内回転ドメイン群の前記窓の前記線状方向に沿った成長速度が、他の面内回転ドメイン群の前記線状方向に沿った成長速度と比べて大きくなるように、前記基板上に前記マスクを形成する。このようにして、マスクを形成して前記結晶膜を成長する方法について、以下、図面を用いてより詳細に説明する。 In an embodiment of the present invention, the crystal film has a plurality of in-plane rotation domain groups, and the line of the window of the in-plane rotation domain group of one of the plurality of in-plane rotation domain groups. The mask is formed on the substrate so that the growth rate along the linear direction is higher than the growth rate along the linear direction of the other in-plane rotation domain groups. The method of forming the mask and growing the crystal film in this way will be described in more detail below with reference to the drawings.

図4は、本発明の実施態様における結晶膜の成長方法が適用される、複数の面内回転ドメインを有する結晶膜を模式的に示す表面図である。図4は、ストライプ状のマスクを有する基板上に前記結晶膜を成長させた場合の、窓310から成長した前記結晶膜がマスク上に横方向成長している様子を模式的に示している。なお、簡略化のため、窓310上に成長している前記結晶膜は図示しない。前記結晶膜は、通常、ELOを用いて成長させる場合、図4に示すように、窓310から成長して横方向成長する際に複数の面内回転ドメイン320a、320b、および320cを含む。図4においては、便宜上、複数の面内回転ドメイン320a、320bおよび320cが均等に特定の順番で成長している様子を示しているが、従来の結晶膜の成長方法によって得られる結晶膜は、通常これら3種類の面内回転ドメインがランダムな大きさと順番で分布している。 FIG. 4 is a surface view schematically showing a crystal film having a plurality of in-plane rotation domains to which the method for growing a crystal film according to the embodiment of the present invention is applied. FIG. 4 schematically shows how the crystal film grown from the window 310 grows laterally on the mask when the crystal film is grown on a substrate having a striped mask. For the sake of simplicity, the crystal film growing on the window 310 is not shown. The crystal film typically contains a plurality of in-plane rotation domains 320a, 320b, and 320c as it grows from the window 310 and grows laterally when grown using ELO, as shown in FIG. In FIG. 4, for convenience, a plurality of in-plane rotation domains 320a, 320b, and 320c are shown to grow evenly in a specific order, but the crystal film obtained by the conventional method for growing a crystal film is a crystal film. Usually, these three types of in-plane rotation domains are distributed in random size and order.

図5は、本発明の実施態様における、複数の面内回転ドメイン群の成長速度の違いによって得られる結晶膜の違いを説明するための模式図である。図5(A)は、面内回転ドメイン320bのマスクの線状方向に沿った成長速度(以下単に「成長速度」ともいう)が面内回転ドメイン320cの成長速度よりも大きく、且つ面内回転ドメイン320aの成長速度が面内回転ドメイン320bの成長速度よりも大きい場合を示す。また、図5(B)は、面内回転ドメイン320bおよび面内回転ドメイン320cの成長速度が等しく、面内回転ドメイン320aの成長速度が面内回転ドメイン320bおよび320cの成長速度よりも大きい場合を示す。図5(A)および図5(B)に示すように、複数の面内回転ドメイン群のうちの1つの面内回転ドメイン群の成長速度が他の面内回転ドメイン群の成長速度よりも大きい場合には、横方向成長部において単一の面内配向を有する結晶膜を得ることができる。これは、後述する実施例において示されるように、本発明者らが実際に実験によってはじめて得た知見である。一方、図5(C)は、面内回転ドメイン320a、320bおよび320cの成長速度が全て等しい場合を示す。図5(D)は、面内回転ドメイン320aの成長速度よりも面内回転ドメイン320bの成長速度が大きく、且つ面内回転ドメイン320bの成長速度と面内回転ドメイン320cの成長速度とが等しい場合を示す。図5(C)および図5(D)の場合には、単一の面内配向を有する結晶膜を得ることが困難となる。 FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the difference in the crystal film obtained by the difference in the growth rate of the plurality of in-plane rotation domain groups in the embodiment of the present invention. In FIG. 5A, the growth rate of the in-plane rotation domain 320b along the linear direction (hereinafter, also simply referred to as “growth rate”) is higher than the growth rate of the in-plane rotation domain 320c, and the in-plane rotation The case where the growth rate of the domain 320a is higher than the growth rate of the in-plane rotation domain 320b is shown. Further, FIG. 5B shows a case where the in-plane rotation domain 320b and the in-plane rotation domain 320c have the same growth rate, and the in-plane rotation domain 320a has a higher growth rate than the in-plane rotation domains 320b and 320c. show. As shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B), the growth rate of one in-plane rotation domain group among the plurality of in-plane rotation domain groups is higher than that of the other in-plane rotation domain groups. In some cases, it is possible to obtain a crystal film having a single in-plane orientation in the lateral growth portion. This is the finding that the present inventors actually obtained for the first time by an experiment, as shown in Examples described later. On the other hand, FIG. 5C shows a case where the growth rates of the in-plane rotation domains 320a, 320b and 320c are all equal. FIG. 5D shows a case where the growth rate of the in-plane rotation domain 320b is higher than the growth rate of the in-plane rotation domain 320a, and the growth rate of the in-plane rotation domain 320b is equal to the growth rate of the in-plane rotation domain 320c. Is shown. In the case of FIGS. 5 (C) and 5 (D), it becomes difficult to obtain a crystal film having a single in-plane orientation.

上記した本発明の実施態様にかかる成長方法によれば、例えば、直方晶の結晶構造を有し、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムから選ばれる1種または2種以上の金属を少なくとも含有する結晶膜(以下、「結晶性酸化物膜」ともいう)であって、前記結晶性酸化物膜中の回転ドメインの含有率が30%以下であることを特徴とする結晶性酸化物膜を得ることができる。また、上記した好適な成長方法によれば、前記回転ドメインの含有率が20%以下の結晶性酸化物膜を得ることができる。ここで、前記回転ドメインの含有率は、例えば、結晶膜の表面側から測定したEBSD(Electron backscattered diffraction)の結果の画像から算出することができる。本発明の実施態様においては、前記結晶性酸化物膜の主成分が、直方晶構造を有する結晶性酸化物であるのが好ましく、(001)面配向したκ-(AlInGa1-x-y(ここで、x、yおよびzは、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満たす)であるのがより好ましい。ここで、「主成分」とは、例えば、前記結晶性酸化物膜がκ-Gaを主成分として含む場合、κ-Gaが、原子比で、前記結晶膜の全成分に対し、好ましくは50%以上、より好ましくは70%以上、更に好ましくは90%以上含まれることを意味し、100%であってもよいことを意味する。 According to the growth method according to the above-described embodiment of the present invention, for example, a crystal film having a rectangular crystal structure and containing at least one or two or more metals selected from aluminum, gallium and indium (hereinafter referred to as “crystallinity”). , Also referred to as “crystalline oxide film”), wherein the crystalline oxide film is characterized in that the content of the rotational domain in the crystalline oxide film is 30% or less. Further, according to the above-mentioned suitable growth method, a crystalline oxide film having a content of the rotational domain of 20% or less can be obtained. Here, the content of the rotation domain can be calculated from, for example, an image of the result of EBSD (Electron backscattered diffraction) measured from the surface side of the crystal film. In the embodiment of the present invention, the main component of the crystalline oxide film is preferably a crystalline oxide having a rectangular structure, and (001) plane-oriented κ- (Al x In y Ga 1- ). xy ) 2 O 3 (where x, y and z satisfy 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) is more preferable. Here, the "main component" means, for example, when the crystalline oxide film contains κ-Ga 2 O 3 as a main component, κ-Ga 2 O 3 is an atomic ratio of all the components of the crystal film. On the other hand, it means that it is preferably contained in an amount of 50% or more, more preferably 70% or more, still more preferably 90% or more, and may be 100% or more.

また、前記結晶性酸化物膜は、特に、[11-20]軸(a軸)または[10-10]軸(m軸)を含む結晶構造を有する結晶基板上に設けられている半導体層と、前記半導体層の第1面側にそれぞれ配置されている第1の電極と第2の電極とを少なくとも有しており、前記半導体層において、前記第1の電極から前記第2の電極へと向かう第1の方向に電流が流れるように構成されている半導体素子であって、前記半導体層が前記結晶基板とは異なる結晶構造を有し、前記第1の方向が、前記結晶基板のa軸方向またはm軸方向と平行である半導体素子における前記半導体層として好適に用いることができ、このようにして得られた半導体素子もまた、本発明の実施態様の一つに包含される。本発明の実施態様においては、前記結晶基板が、コランダム構造を有するのが好ましい。なお、ここで、[11-20]軸(a軸)または[10-10]軸(m軸)に平行とは、完全に平行でなくてもよく、それから僅かにずれた態様であってもよい(例えば前記第1の方向とa軸またはm軸がなす角が0°よりも大きく且つ10°以下となる態様であってもよい)ことを意味している。 Further, the crystalline oxide film is particularly a semiconductor layer provided on a crystal substrate having a crystal structure including a [11-20] axis (a axis) or a [10-10] axis (m axis). It has at least a first electrode and a second electrode arranged on the first surface side of the semiconductor layer, respectively, and in the semiconductor layer, from the first electrode to the second electrode. A semiconductor element configured such that a current flows in a first direction toward which the semiconductor layer has a crystal structure different from that of the crystal substrate, and the first direction is the a-axis of the crystal substrate. It can be suitably used as the semiconductor layer in a semiconductor element parallel to the direction or the m-axis direction, and the semiconductor element thus obtained is also included in one of the embodiments of the present invention. In the embodiment of the present invention, it is preferable that the crystal substrate has a corundum structure. Here, the parallel to the [11-20] axis (a axis) or the [10-10] axis (m axis) does not have to be completely parallel, and may be slightly deviated from it. It means that it is good (for example, the angle formed by the first direction and the a-axis or the m-axis may be larger than 0 ° and 10 ° or less).

本発明の実施態様にかかる結晶膜または結晶性酸化物膜は、特に、半導体素子に好適に用いることができ、とりわけ、パワーデバイスに有用である。前記結晶膜または前記結晶性酸化物膜を用いて形成される半導体素子としては、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等が挙げられ、より具体的には、例えば、MISやHEMT、MOS等のトランジスタやTFT、半導体‐金属接合を利用したショットキーバリアダイオード、他のP層と組み合わせたPN又はPINダイオード、受発光素子が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記半導体素子が、HEMTであるのが好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記結晶膜または結晶性酸化物膜をそのまま半導体素子等に用いてもよいし、前記基板および/または前記マスクを公知の手段を用いて剥離する等して、半導体素子等に適用してもよい。 The crystalline film or crystalline oxide film according to the embodiment of the present invention can be particularly preferably used for a semiconductor device, and is particularly useful for a power device. Examples of the semiconductor element formed by using the crystal film or the crystalline oxide film include a semiconductor element selected from the group consisting of a diode, an ultraviolet ray detecting element, and a transistor, and more specifically, for example. , MIS, HEMT, MOS and other transistors and TFTs, shotkey barrier diodes using semiconductor-metal junctions, PN or PIN diodes combined with other P layers, and light emitting and receiving elements. In the embodiment of the present invention, the semiconductor device is preferably HEMT. Further, in the embodiment of the present invention, the crystal film or the crystalline oxide film may be used as it is for a semiconductor device or the like, or the substrate and / or the mask may be peeled off by a known means. , It may be applied to a semiconductor element or the like.

図7は、本発明の実施態様にかかる結晶膜または結晶性酸化物膜(以下、単に「結晶膜」ともいう)を備えたトランジスタを示す模式図である。トランジスタ900は、少なくとも本発明の実施態様にかかる結晶膜910と、結晶膜910の一方の主面の一部に形成されたソース920と、ソース920と対向して形成されたドレイン930と、ソース920とドレイン930との間に形成されたチャネル940と、チャネル940上に形成された絶縁膜950と、絶縁膜950上に形成されたゲート電極960とを備える。 FIG. 7 is a schematic view showing a transistor provided with a crystal film or a crystalline oxide film (hereinafter, also simply referred to as “crystal film”) according to the embodiment of the present invention. The transistor 900 includes a crystal film 910 according to at least an embodiment of the present invention, a source 920 formed on a part of one main surface of the crystal film 910, a drain 930 formed so as to face the source 920, and a source. It includes a channel 940 formed between the 920 and the drain 930, an insulating film 950 formed on the channel 940, and a gate electrode 960 formed on the insulating film 950.

結晶膜910は、好ましくは、本発明の実施態様に係るκ-Gaまたはその混晶を含む単結晶膜である。本発明の実施態様においては、結晶膜910がn型の導電性を示すのが好ましい。また、結晶膜の厚さは、例えば、0.1μm以上10μm以下である。 The crystal film 910 is preferably a single crystal film containing κ-Ga 2 O 3 or a mixed crystal thereof according to the embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, it is preferable that the crystal film 910 exhibits n-type conductivity. The thickness of the crystal film is, for example, 0.1 μm or more and 10 μm or less.

ソース920は、結晶膜910の一部にドーパント元素を高濃度に注入されたn+型領域970aと、n+領域970a上に形成された電極980aとを備える。前記ドーパントとしては、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブまたはこれらの2種以上の元素等のn型ドーパント等が挙げられる。また、n+型領域970aのキャリア濃度は、例えば、1×1015/cm以上1×1020/cm以下の範囲内である。なお、n+型領域970aは、注入だけでなく、例えば、公知のパターニング方法および公知の成膜方法を用いて形成してもよい。前記電極980aとしては、例えば、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等が挙げられる。 The source 920 includes an n + type region 970a in which a dopant element is injected into a part of the crystal film 910 at a high concentration, and an electrode 980a formed on the n + region 970a. Examples of the dopant include n-type dopants such as tin, germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, niobium, or two or more of these elements. The carrier concentration of the n + type region 970a is, for example, in the range of 1 × 10 15 / cm 3 or more and 1 × 10 20 / cm 3 or less. The n + type region 970a may be formed not only by injection but also by, for example, a known patterning method and a known film forming method. Examples of the electrode 980a include a metal material selected from the group consisting of Al, Ti, Pt, Ru, Au and alloys thereof.

ドレイン430は、結晶膜910の一部にドーパント元素を高濃度に注入されたn+型領域970bと、n+型領域970b上に形成された電極980bとを備える。n+型領域970aと同様に、前記ドーパンとしては、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブまたはこれらの2種以上の元素等のn型ドーパント等が挙げられる。また、n+型領域970bのキャリア濃度は、例えば、1×1015/cm以上1×1020/cm以下の範囲内である。なお、n+型領域970bは、注入だけでなく、例えば、公知のパターニング方法および公知の成膜方法を用いて形成してもよい。前記電極980bとしては、例えば、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等が挙げられる。 The drain 430 includes an n + type region 970b in which a dopant element is injected into a part of the crystal film 910 at a high concentration, and an electrode 980b formed on the n + type region 970b. Similar to the n + type region 970a, examples of the dopan include n-type dopants such as tin, germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, niobium, or two or more of these elements. The carrier concentration of the n + type region 970b is, for example, in the range of 1 × 10 15 / cm 3 or more and 1 × 10 20 / cm 3 or less. The n + type region 970b may be formed not only by injection but also by, for example, a known patterning method and a known film forming method. Examples of the electrode 980b include a metal material selected from the group consisting of Al, Ti, Pt, Ru, Au and alloys thereof.

絶縁膜950は、Al、SiO、HfO、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906としては、例えば、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950の厚さは、例えば、1nm以上100nm以下である。 The insulating film 950 is an insulating material selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , HfO 2 , SiN, and SiON. The gate electrode 906 is, for example, a metal material selected from the group consisting of Al, Ti, Pt, Ru, Au, and alloys thereof. The thickness of the insulating film 950 is, for example, 1 nm or more and 100 nm or less.

このようなトランジスタ900の製造方法について説明する。トランジスタ900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900は、実施の形態1で得たα-Ga単結晶910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970aおよび970b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950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980aおよび980b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 900 will be described. The transistor 900 is manufactured by an existing LSI manufacturing process. For example, the transistor 900 forms n + regions 970a and 970b by ion implantation on the α - Ga 2 O3 single crystal 910 obtained in the first embodiment by ion implantation, and then a vapor phase epitaxial growth method. An insulating film 950 is formed using existing growth techniques such as liquid phase epitaxial growth method, halide vapor deposition method, metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), and then existing electrodes such as vacuum deposition and sputtering. It is manufactured by forming the electrodes 980a and 980b 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実施態様にかかる結晶膜を用いて、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, a diode can be manufactured by forming a pn junction (which may be a heterojunction) using the crystal film according to the embodiment of the present invention as an n-type semiconductor.

図8は、本発明の実施態様に係る結晶膜を備えた紫外線検出素子を示す模式図である。 FIG. 8 is a schematic view showing an ultraviolet detection element provided with a crystal film according to an embodiment of the present invention.

図8(A)および(B)に示されるように、紫外線検出素子1000a、1000bは、少なくとも、本発明の結晶膜1010と、結晶膜1010上に形成されたショットキー電極1020と、結晶膜1010に形成されたオーミック電極1030とを備える。詳細には、図8(A)の紫外線検出素子1000aによれば、ショットキー電極1020は、α-Ga単結晶1010の一方の主面上に形成され、オーミック電極1030は、結晶膜1010のもう一方の主面(図8では裏面)上に形成される。一方、図8(B)の紫外線検出素子1000bによれば、後述するように、基板(例えば、サファイア基板等)1040上に結晶膜1010が位置するので、ショットキー電極1020およびオーミック電極1030は、いずれも結晶膜1010の同一の主面上に形成される。 As shown in FIGS. 8A and 8B, the ultraviolet detection elements 1000a and 1000b include at least the crystal film 1010 of the present invention, the shotkey electrode 1020 formed on the crystal film 1010, and the crystal film 1010. It is provided with an ohmic electrode 1030 formed in. Specifically, according to the ultraviolet detection element 1000a of FIG. 8A, the Schottky electrode 1020 is formed on one main surface of the α-Ga 2 O 3 single crystal 1010, and the ohmic electrode 1030 is a crystal film. It is formed on the other main surface (back surface in FIG. 8) of 1010. On the other hand, according to the ultraviolet detection element 1000b of FIG. 8B, since the crystal film 1010 is located on the substrate (for example, sapphire substrate or the like) 1040 as described later, the Schottky electrode 1020 and the ohmic electrode 1030 are Both are formed on the same main surface of the crystal film 1010.

結晶膜1010は、好ましくは、本発明の実施態様に係るκ-Gaまたはその混晶を含む単結晶膜である。本発明の実施態様においては、結晶膜910がn型の導電性を示すのが好ましい。また、結晶膜の厚さは、例えば、0.1μm以上10μm以下である。 The crystal film 1010 is preferably a single crystal film containing κ-Ga 2 O 3 or a mixed crystal thereof according to the embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, it is preferable that the crystal film 910 exhibits n-type conductivity. The thickness of the crystal film is, for example, 0.1 μm or more and 10 μm or less.

ショットキー電極1020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。オーミック電極1030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 Schottky electrode 1020 may be a metal material selected from the group consisting of Ni, Pt, Au, and alloys thereof. The ohmic electrode 1030 can be a metallic material selected from the group consisting of Ti, In, and alloys thereof.

このような紫外線検出素子1000の製造方法について説明する。紫外線検出素子1000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1000は、本発明の実施態様における結晶膜1010の主面および裏面にそれぞれショットキー電極1020およびオーミック電極1030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1000bも、同様に、基板(例えば、サファイア基板等)1040上に形成されたα-Ga単結晶1010の主面に、ショットキー電極1020およびオーミック電極1030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 for manufacturing such an ultraviolet detection element 1000 will be described. The ultraviolet detection element 1000 is manufactured by an existing large-scale integrated circuit (LSI) manufacturing process. For example, the ultraviolet detection element 1000 has a shotkey electrode 1020 and an ohmic electrode 1030 on the main surface and the back surface of the crystal film 1010 according to the embodiment of the present invention, respectively, with existing metal film forming techniques such as vacuum deposition and sputtering, and photolithography. Manufactured by forming with. Similarly, in the ultraviolet detection element 1000b, the Schottky electrode 1020 and the ohmic electrode 1030 are formed on the main surface of the α - Ga 2 O3 single crystal 1010 formed on the substrate (for example, a sapphire substrate) 1040. It may be formed by film forming technology and photolithography.

図9は、本発明に係る高電子移動度トランジスタ(HEMT)の一例を示している。図9のHEMTは、バンドギャップの広いn型半導体層121a、バンドギャップの狭いn型半導体層121b、n+型半導体層121c、半絶縁体層124、緩衝層128、ゲート電極125a、ソース電極125bおよびドレイン電極125cを備えている。 FIG. 9 shows an example of a high electron mobility transistor (HEMT) according to the present invention. The HEMT of FIG. 9 includes an n-type semiconductor layer 121a with a wide bandgap, an n-type semiconductor layer 121b with a narrow bandgap, an n + type semiconductor layer 121c, a semi-insulator layer 124, a buffer layer 128, a gate electrode 125a, a source electrode 125b and the like. A drain electrode 125c is provided.

なお、各電極の材料は、公知の電極材料であってもよく、前記電極材料としては、例えば、Al、Mo、Co、Zr、Sn、Nb、Fe、Cr、Ta、Ti、Au、Pt、V、Mn、Ni、Cu、Hf、W、Ir、Zn、In、Pd、NdもしくはAg等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化レニウム、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェン又はポリピロ-ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物並びに積層体などが挙げられる。前記電極の形成は、例えば、真空蒸着法またはスパッタリング法などの公知の手段により行うことができる。 The material of each electrode may be a known electrode material, and examples of the electrode material include Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, Ti, Au, Pt, and the like. Metals such as V, Mn, Ni, Cu, Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd or Ag or alloys thereof, tin oxide, zinc oxide, renium oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), Examples thereof include metal oxide conductive films such as indium tin oxide (IZO), organic conductive compounds such as polyaniline, polythiophene or polypyrrole, or mixtures and laminates thereof. The electrode can be formed by a known means such as a vacuum vapor deposition method or a sputtering method.

n+型半導体層は、特に限定されないが、バンドギャップの広いn型半導体層121aまたはバンドギャップの狭いn型半導体層121bの主成分と同じかまたは類似している半導体を主成分とするのが好ましい。 The n + type semiconductor layer is not particularly limited, but it is preferable that the main component is a semiconductor that is the same as or similar to the main component of the n-type semiconductor layer 121a having a wide bandgap or the n-type semiconductor layer 121b having a narrow bandgap. ..

前記結晶膜は、バンドギャップの広いn型半導体層121a、バンドギャップの狭いn型半導体層121bにそれぞれ用いることができる。このようにして用いることにより、高温高周波特性により優れ、さらに、高温高耐圧等の半導体特性により優れた半導体装置を実現することができる。 The crystal film can be used for the n-type semiconductor layer 121a having a wide bandgap and the n-type semiconductor layer 121b having a narrow bandgap, respectively. By using it in this way, it is possible to realize a semiconductor device which is superior in high temperature and high frequency characteristics and further excellent in semiconductor characteristics such as high temperature and high withstand voltage.

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
1.バッファ層およびマスクの形成
(0001)面サファイア基板上にRFスパッタリングでバッファ層としてTiO膜(厚さ2nm)を形成した。得られた酸化チタン膜上に、RFスパッタリングおよびフォトリソグラフィを用いてSiOマスクを形成した。マスクパターンは、図11に示すとおりとし、サファイアの[11-20]軸方向と複数の窓4の線状方向(図11におけるd1の方向)とが平行となるように形成した。なお、この場合図11におけるd2の方向はサファイアの[10-10]方向となる。また、窓の幅Dは5μm、マスクの幅Dは20μmとした。
(Example 1)
1. 1. Formation of buffer layer and mask (0001) A TiO x film (thickness 2 nm) was formed as a buffer layer on a (0001) plane sapphire substrate by RF sputtering. A SiO x mask was formed on the obtained titanium oxide film by using RF sputtering and photolithography. The mask pattern was as shown in FIG. 11 and was formed so that the [11-20] axial direction of the sapphire and the linear direction of the plurality of windows 4 (the direction of d1 in FIG. 11) were parallel to each other. In this case, the direction of d2 in FIG. 11 is the [10-10] direction of sapphire. The width D W of the window was 5 μm, and the width D M of the mask was 20 μm.

2.結晶膜の成長
2-1.HVPE装置
図10を用いて、本実施例で用いたハライド気相成長(HVPE)装置50を説明する。HVPE装置50は、反応室51と、金属源57を加熱するヒータ52aおよび基板ホルダ56に固定されている基板を加熱するヒータ52bとを備え、さらに、反応室51内に、酸素含有原料ガス供給管55bと、反応性ガス供給管54bと、基板を設置する基板ホルダ56とを備えている。そして、反応性ガス供給管54b内には、金属含有原料ガス供給管53bが備えられており、二重管構造を形成している。なお、酸素含有原料ガス供給管55bは、酸素含有原料ガス供給源55aと接続されており、酸素含有原料ガス供源55aから酸素含有原料ガス供給管55bを介して、酸素含有原料ガスが基板ホルダ56に固定されている基板に供給可能なように、酸素含有原料ガスの流路を構成している。また、反応性ガス供給管54bは、反応性ガスが基板ホルダ56に固定されている基板に供給可能なように、反応性ガスの流路を構成している。金属含有原料ガス供給管53bは、ハロゲン含有原料ガス供給管53aと接続されており、ハロゲン含有原料ガスが金属源に供給されて金属含有原料ガスとなり金属含有原料ガス排出部59が設けられている。
2. 2. Crystal film growth 2-1. HVPE device The halide vapor deposition (HVPE) device 50 used in this embodiment will be described with reference to FIG. The HVPE apparatus 50 includes a reaction chamber 51, a heater 52a for heating the metal source 57, and a heater 52b for heating the substrate fixed to the substrate holder 56, and further supplies oxygen-containing raw material gas into the reaction chamber 51. It includes a pipe 55b, a reactive gas supply pipe 54b, and a board holder 56 on which a board is installed. A metal-containing raw material gas supply pipe 53b is provided in the reactive gas supply pipe 54b to form a double pipe structure. The oxygen-containing raw material gas supply pipe 55b is connected to the oxygen-containing raw material gas supply source 55a, and the oxygen-containing raw material gas is a substrate holder from the oxygen-containing raw material gas source 55a via the oxygen-containing raw material gas supply pipe 55b. The flow path of the oxygen-containing raw material gas is configured so that it can be supplied to the substrate fixed to 56. Further, the reactive gas supply pipe 54b constitutes a flow path of the reactive gas so that the reactive gas can be supplied to the substrate fixed to the substrate holder 56. The metal-containing raw material gas supply pipe 53b is connected to the halogen-containing raw material gas supply pipe 53a, and the halogen-containing raw material gas is supplied to the metal source to become the metal-containing raw material gas, and the metal-containing raw material gas discharge unit 59 is provided. ..

2-2.成膜準備
金属含有原料ガス供給管53b内部にガリウム(Ga)金属源57(純度99.99999%以上)を配置し、反応室51内の基板ホルダ56上に、基板として、上記1で得られたバッファ層およびマスク付きのサファイア基板を設置した。その後、ヒータ52aおよび52bを作動させて反応室51内の温度を540℃にまで昇温させた。
2-2. Preparation for film formation A gallium (Ga) metal source 57 (purity 99.99999% or more) is placed inside the metal-containing raw material gas supply pipe 53b, and the substrate is obtained as a substrate in 1 above on the substrate holder 56 in the reaction chamber 51. A buffer layer and a sapphire substrate with a mask were installed. After that, the heaters 52a and 52b were operated to raise the temperature in the reaction chamber 51 to 540 ° C.

金属含有原料ガス供給管53b内部に配置したガリウム(Ga)金属57に、ハロゲン含有原料ガス供給源53aから、塩化水素(HCl)ガス(純度99.999%以上)を供給した。Ga金属と塩化水素(HCl)ガスとの化学反応によって、塩化ガリウム(GaCl/GaCl)を生成した。得られた塩化ガリウム(GaCl/GaCl)と、酸素含有原料ガス供給源55aから供給されるOガス(純度99.99995%以上)とを、それぞれ金属含有原料供給管53bおよび酸素含有原料ガス供給管55bを通して前記基板上まで供給した。そして、塩化ガリウム(GaCl/GaCl)およびOガスを基板上で大気圧下、540℃にて反応させて、基板上に成膜した。なお、成膜時間は25分であった。ここで、ハロゲン含有原料ガス供給源53aから供給されるHClガスの分圧を0.125kPa、酸素含有原料ガス供給源55から供給されるOガスの分圧を1.25kPaに、それぞれ維持した。得られた膜につき、薄膜用XRD回折装置を用いて、15度から95度の角度で2θ/ωスキャンを行うことによって、膜の同定を行った。測定は、CuKα線を用いて行った。その結果、得られた膜は、κ―Gaであった。なお、得られた結晶膜の鳥瞰SEM像を図14に示す。 Hydrogen chloride (HCl) gas (purity 99.999% or more) was supplied from the halogen-containing raw material gas supply source 53a to the gallium (Ga) metal 57 arranged inside the metal-containing raw material gas supply pipe 53b. Gallium chloride (GaCl / GaCl 3 ) was produced by a chemical reaction between a Ga metal and hydrogen chloride (HCl) gas. The obtained gallium chloride (GaCl / GaCl 3 ) and the O 2 gas (purity 99.99995% or more) supplied from the oxygen-containing raw material gas supply source 55a are used in the metal-containing raw material supply pipe 53b and the oxygen-containing raw material gas, respectively. It was supplied onto the substrate through the supply pipe 55b. Then, gallium chloride (GaCl / GaCl 3 ) and O 2 gas were reacted on the substrate at atmospheric pressure at 540 ° C. to form a film on the substrate. The film formation time was 25 minutes. Here, the partial pressure of the HCl gas supplied from the halogen-containing raw material gas supply source 53a was maintained at 0.125 kPa, and the partial pressure of the O2 gas supplied from the oxygen-containing raw material gas supply source 55 was maintained at 1.25 kPa. .. The obtained film was identified by performing a 2θ / ω scan at an angle of 15 to 95 degrees using an XRD diffractometer for thin films. The measurement was performed using CuKα ray. As a result, the obtained membrane was κ-Ga 2 O 3 . A bird's-eye view SEM image of the obtained crystal film is shown in FIG.

(評価)
得られた結晶膜の断面TEM像を図15(A)に、窓部および横方向成長部における[11-20]方向から観察したSAED(Selective area electron diffraction)パターンを図15(B)および(C)にそれぞれ示す。図15(A)から明らかなように、横方向成長部においては、ドメイン混在に伴う転位やドメイン境界による筋状のコントラストが見られず、きれいな結晶が得られていることが分かる。また、図15(B)の横方向成長部のSAEDパターンから明らかなように、横方向成長部において単結晶κ-Gaが得られた。また、図16に、XRDによるκ-Ga122回折のφスキャンの結果を示す。図16から明らかなように、4本のピーク強度が他の8本のピーク強度と比較して圧倒的に大きく、回転ドメインが低減された結晶膜が得られていることが分かる。また、得られた結晶膜を表面側から測定したEBSD(Electron backscattered diffraction)の結果を図17に示す。図17から明らかなように、1つの回転ドメインAが他の回転ドメインBおよびCと比較して大部分の面積を占めていることが分かる。なお、回転ドメインAは、図17に示すとおり、[010]方向がサファイア基板の[11-20]方向と垂直方向に向いているドメインである。また、横方向成長部においては、単一の面内配向を有するκ-Ga単結晶が得られていることが分かる。
(evaluation)
The cross-sectional TEM image of the obtained crystal film is shown in FIG. 15 (A), and the SAED (Selective area electron diffraction) pattern observed from the [11-20] direction in the window portion and the lateral growth portion is shown in FIGS. 15 (B) and (1). It is shown in C) respectively. As is clear from FIG. 15 (A), in the lateral growth portion, dislocations due to domain mixing and streak-like contrast due to domain boundaries are not observed, and it can be seen that clean crystals are obtained. Further, as is clear from the SAED pattern of the lateral growth portion in FIG. 15 (B), a single crystal κ-Ga 2 O 3 was obtained in the lateral growth portion. Further, FIG. 16 shows the result of φ scan of κ-Ga 2 O 3 122 diffraction by XRD. As is clear from FIG. 16, it can be seen that a crystal film in which the peak intensities of the four lines are overwhelmingly higher than those of the other eight lines and the rotational domain is reduced is obtained. Further, FIG. 17 shows the result of EBSD (Electron backscattered diffraction) in which the obtained crystal film was measured from the surface side. As is clear from FIG. 17, it can be seen that one rotation domain A occupies most of the area as compared with the other rotation domains B and C. As shown in FIG. 17, the rotation domain A is a domain in which the [010] direction is perpendicular to the [11-20] direction of the sapphire substrate. Further, it can be seen that a κ-Ga 2 O 3 single crystal having a single in-plane orientation is obtained in the lateral growth portion.

(比較例1)
基板上へのマスクの形成を、マスクパターンを図11に示すとおりとし、サファイアの[10-10]軸方向と複数の窓4の線状方向(図11におけるd1の方向)とが平行となるように形成したこと以外は、実施例1と同様にして、結晶膜の成長を行った。得られた膜につき、薄膜用XRD回折装置を用いて、15度から95度の角度で2θ/ωスキャンを行うことによって、膜の同定を行った。測定は、CuKα線を用いて行った。その結果、得られた膜は、κ―Gaであった。なお、得られた結晶膜の鳥瞰SEM像を図18に示す。また、図19に、XRDによるκ-Ga122回折のφスキャンの結果を示す。図19から明らかなように、8本の強いピークと4本の弱いピークとが観察され、複数の面内回転ドメインが存在することが分かる。また、図20にEBSDの測定結果を示す。図20から明らかなように、横方向成長部において2種類の面内回転ドメインが混在していることが分かる。
(Comparative Example 1)
The formation of the mask on the substrate is as shown in FIG. 11, and the [10-10] axial direction of the sapphire and the linear direction of the plurality of windows 4 (the direction of d1 in FIG. 11) are parallel to each other. The crystal film was grown in the same manner as in Example 1 except that it was formed as described above. The obtained film was identified by performing a 2θ / ω scan at an angle of 15 to 95 degrees using an XRD diffractometer for thin films. The measurement was performed using CuKα ray. As a result, the obtained membrane was κ-Ga 2 O 3 . A bird's-eye view SEM image of the obtained crystal film is shown in FIG. Further, FIG. 19 shows the result of φ scan of κ-Ga 2 O 3 122 diffraction by XRD. As is clear from FIG. 19, eight strong peaks and four weak peaks are observed, indicating that there are a plurality of in-plane rotation domains. Further, FIG. 20 shows the measurement result of EBSD. As is clear from FIG. 20, it can be seen that two types of in-plane rotation domains are mixed in the lateral growth portion.

(実施例2)
基板上へのマスクの形成を、マスクパターンを図12に示すとおりとし、窓の幅(直径)Dを5μm、複数の窓4における線状方向と垂直な方向d2の中心間距離qを50μm、線状方向d1と平行な方向の中心間距離pを20μmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、結晶膜の成長を行った。結晶膜の成長開始から5分後、15分後、および2時間後のそれぞれの結晶成長のようすをSEMにて観察した。結果を図21に示す。図21から明らかなように、ドットパターンのそれぞれの窓部から六角形状のκ-Gaアイランドが形成された(図21(a))。それらκ-Gaアイランドがやがてマスクの短周期方向で会合し、のこぎり状の側面を有するκ-Gaストライプが形成された(図21(b))。さらに成長を継続すると、κ-Gaストライプが会合して連続膜が形成された(c)。図22に、得られた結晶膜のXRDによるκ-Ga122回折のφスキャンの結果を示す。図22から明らかなように、4本のピーク強度が他の8本のピーク強度と比較して圧倒的に大きく、回転ドメインが低減された結晶膜が得られていることが分かる。また、得られた結晶膜を表面側から測定したEBSD(Electron backscattered diffraction)の結果を図23に示す。図23から明らかなように、1つの回転ドメインAが他の回転ドメインBおよびCと比較して大部分の面積を占めていることが分かる。なお、回転ドメインAは、図23に示すとおり、[010]方向がサファイア基板の[11-20]方向と垂直方向に向いているドメインである。また、横方向成長部においては、単一の面内配向を有するκ-Ga単結晶が得られていることが分かる。
(Example 2)
The formation of the mask on the substrate is as shown in FIG. 12, the mask pattern is as shown in FIG. 12, the window width (diameter) D W is 5 μm, and the center-to-center distance q in the direction d2 perpendicular to the linear direction in the plurality of windows 4 is 50 μm. The crystal film was grown in the same manner as in Example 1 except that the center-to-center distance p in the direction parallel to the linear direction d1 was set to 20 μm. The appearance of each crystal growth 5 minutes, 15 minutes, and 2 hours after the start of crystal growth was observed by SEM. The results are shown in FIG. As is clear from FIG. 21, hexagonal κ-Ga 2 O 3 islands were formed from each window portion of the dot pattern (FIG. 21 (a)). The κ-Ga 2 O 3 islands eventually met in the short-period direction of the mask to form a κ-Ga 2 O 3 stripe with sawtooth sides (FIG. 21 (b)). Further growth was followed by association of κ-Ga 2 O 3 stripes to form a continuous membrane (c). FIG. 22 shows the result of φ scan of κ-Ga 2 O 3 122 diffraction by XRD of the obtained crystal film. As is clear from FIG. 22, it can be seen that a crystal film in which the peak intensities of the four lines are overwhelmingly higher than those of the other eight lines and the rotational domain is reduced is obtained. Further, FIG. 23 shows the result of EBSD (Electron backscattered diffraction) in which the obtained crystal film was measured from the surface side. As is clear from FIG. 23, it can be seen that one rotation domain A occupies most of the area as compared with the other rotation domains B and C. As shown in FIG. 23, the rotation domain A is a domain in which the [010] direction is perpendicular to the [11-20] direction of the sapphire substrate. Further, it can be seen that a κ-Ga 2 O 3 single crystal having a single in-plane orientation is obtained in the lateral growth portion.

(比較例2)
基板上へのマスクの形成を、マスクパターンを図13に示す正三角格子状とし、サファイアの[11-20]軸方向と複数の窓4の線状方向(図13におけるd1の方向)とが平行となるように形成したこと以外は、実施例1と同様にして、結晶膜の成長を行った。得られた膜につき、薄膜用XRD回折装置を用いて、15度から95度の角度で2θ/ωスキャンを行うことによって、膜の同定を行った。測定は、CuKα線を用いて行った。その結果、得られた膜は、κ―Gaであった。なお、得られた結晶膜の鳥瞰SEM像を図24に示す。また、また、図25にEBSDの測定結果を示す。図25から明らかなように、横方向成長部において3種類の面内回転ドメインが混在していることが分かる。これは、ストライプ平行方向への成長速度が赤色で示したドメイン群のものが最も速くなるようにストライプが配置されてはいるものの、「中心間距離qは、p×2/√3以上」の条件が満たされておらず、赤色ドメイン群が青、緑色ドメイン群を淘汰するのに十分な横方向成長距離(d2方向)が確保されていなかったためである。
(Comparative Example 2)
The formation of the mask on the substrate is such that the mask pattern is a regular triangular grid as shown in FIG. 13, and the [11-20] axial direction of sapphire and the linear direction of the plurality of windows 4 (the direction of d1 in FIG. 13) are The crystal film was grown in the same manner as in Example 1 except that it was formed so as to be parallel. The obtained film was identified by performing a 2θ / ω scan at an angle of 15 to 95 degrees using an XRD diffractometer for thin films. The measurement was performed using CuKα ray. As a result, the obtained membrane was κ-Ga 2 O 3 . A bird's-eye view SEM image of the obtained crystal film is shown in FIG. 24. In addition, FIG. 25 shows the measurement result of EBSD. As is clear from FIG. 25, it can be seen that three types of in-plane rotation domains are mixed in the lateral growth portion. This is because the stripes are arranged so that the growth rate in the parallel direction of the stripes is the fastest in the domain group shown in red, but the "center-to-center distance q is p × 2 / √3 or more". This is because the conditions were not met and sufficient lateral growth distance (d2 direction) was not secured for the red domain group to eliminate the blue and green domain groups.

(比較例3)
サファイア基板上に実施例1と同じTiOxバッファ層を形成したのみでマスクは形成せずに結晶膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして結晶膜の成長を行った。得られた結晶膜につき、XRDによるκ-Ga122回折のφスキャン測定を行った。結果を図26示す。図26から明らかなように、12本の同程度の強度のピークが観察され、3種類の面内回転ドメインが同じ割合で混在していることが分かる。
(Comparative Example 3)
The crystal film was grown in the same manner as in Example 1 except that the same TiOx buffer layer as in Example 1 was formed on the sapphire substrate and the crystal film was formed without forming the mask. The obtained crystal film was subjected to φ-scan measurement of κ-Ga 2 O 3 122 diffraction by XRD. The results are shown in FIG. As is clear from FIG. 26, 12 peaks of similar intensity are observed, and it can be seen that the three types of in-plane rotation domains are mixed in the same ratio.

(回転ドメイン含有率の評価)
実施例1、2および比較例1~3において得られた結晶膜につき、回転ドメインの含有率をEBSDの結果を用いて行った。具体的には、回転ドメインの含有率は、得られた結晶膜の表面側から測定した結果の画像から、150μm角四方の範囲における面内回転ドメインの面積の比率を算出することにより求めた。例えば、図17の画像においては、160μm角四方の範囲における、3つの面内回転ドメインA、BおよびCの合計の面積に対する2つの面内回転ドメインBおよびCの合計の面積の比率を算出することにより、回転ドメインの含有率を求めた。結果を表1に示す。表1から明らかなように、実施例1および2において得られた結晶膜は、回転ドメインが大幅に低減されていることが分かる。
(Evaluation of rotation domain content)
For the crystal films obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, the content of the rotational domain was determined using the results of EBSD. Specifically, the content of the rotating domain was determined by calculating the ratio of the area of the in-plane rotating domain in the range of 150 μm square from the image of the result measured from the surface side of the obtained crystal film. For example, in the image of FIG. 17, the ratio of the total area of the two in-plane rotation domains B and C to the total area of the three in-plane rotation domains A, B, and C in a 160 μm square area is calculated. As a result, the content of the rotating domain was determined. The results are shown in Table 1. As is clear from Table 1, it can be seen that the crystal films obtained in Examples 1 and 2 have significantly reduced rotational domains.

Figure 2022047720000002
Figure 2022047720000002

本発明の製造方法を採用すれば、高品質な単一の面内配向を有する結晶膜、特に、(001)面配向したκ-Gaの結晶膜が得られる。このような結晶膜は、ダイオード、トランジスタ(特に、HEMT)、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、κ-Gaの結晶膜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。 By adopting the production method of the present invention, a crystal film having a single in-plane orientation of high quality, particularly a (001) plane-oriented κ-Ga 2 O 3 crystal film can be obtained. Such a crystal film can be applied to various semiconductor devices such as diodes, transistors (particularly HEMT), and ultraviolet detection devices. Further, the crystal film of κ-Ga 2 O 3 is effective for light emitting devices and electric power applications among semiconductor devices because of its large bandgap and excellent translucency.

1 基板(結晶基板)
2 バッファ層
3 マスク
4 窓
50 ハライド気相成長(HVPE)装置
51 反応室
52a ヒータ
52b ヒータ
53a ハロゲン含有原料ガス供給源
53b 金属含有原料ガス(金属ハロゲン化物ガス)供給管
54a 反応性ガス供給源
54b 反応性ガス供給管
55a 酸素含有原料ガス供給源
55b 酸素含有原料ガス供給管
56 基板ホルダ
57 金属源
59 ガス排出部
121a バンドギャップの広いn型半導体層
121b バンドギャップの狭いn型半導体層
121c n+型半導体層
124 半絶縁体層
125a ゲート電極
125b ソース電極
125c ドレイン電極
128 緩衝層
900 トランジスタ
920 ソース
930 ドレイン
940 チャネル
950 絶縁膜
960 ゲート電極
970a n+領域
970b n+領域
980a 電極
980b 電極
1000a 紫外線検出素子
1000b 紫外線検出素子
1010 結晶膜(結晶性酸化物膜)
1020 ショットキー電極
1030 オーミック電極
1040 基板(サファイア基板)
1 Substrate (crystal substrate)
2 Buffer layer 3 Mask 4 Window 50 Halide vapor phase growth (HVPE) device 51 Reaction chamber 52a Heater 52b Heater 53a Halogen-containing raw material gas supply source 53b Metal-containing raw material gas (metal halide gas) supply pipe 54a Reactive gas supply source 54b Reactive gas supply pipe 55a Oxygen-containing raw material gas supply source 55b Oxygen-containing raw material gas supply pipe 56 Substrate holder 57 Metal source 59 Gas discharge part 121a n-type semiconductor layer with wide band gap 121b n-type semiconductor layer 121c n + type with narrow band gap Semiconductor layer 124 Semi-insulator layer 125a Gate electrode 125b Source electrode 125c Drain electrode 128 Buffer layer 900 Transistor 920 Source 930 Drain 940 Channel 950 Insulation film 960 Gate electrode 970a n + region 970b n + region 980a Electrode 980b Electrode 1000a Ultraviolet detection element 1000b Ultraviolet detection Element 1010 Crystal film (crystalline oxide film)
1020 Schottky electrode 1030 Ohmic electrode 1040 substrate (sapphire substrate)

Claims (25)

複数の窓を有するマスクを備えた基板に原料を供給し、結晶膜を成長させる方法であって、前記結晶膜は、複数の面内回転ドメイン群を有しており、前記複数の窓は、線状に配置されており且つストライプ状の形状を有しており、前記複数の面内回転ドメイン群のうちの1つの面内回転ドメイン群の前記窓の前記線状方向に沿った成長速度が、他の面内回転ドメイン群の前記線状方向に沿った成長速度と比べて大きくなるよう、前記基板上に前記マスクを形成し、前記結晶膜を成長することを包含する、方法。 A method of supplying a raw material to a substrate provided with a mask having a plurality of windows to grow a crystal film, wherein the crystal film has a plurality of in-plane rotation domain groups, and the plurality of windows have a plurality of in-plane rotation domains. It is linearly arranged and has a striped shape, and the growth rate of the window of the in-plane rotation domain group of one of the plurality of in-plane rotation domain groups along the linear direction is high. A method comprising forming the mask on the substrate and growing the crystal film so as to be greater than the growth rate of the other in-plane rotation domains along the linear direction. 前記結晶膜は、酸化物、窒化物および酸窒化物からなる群から選択される材料を含む、請求項1記載の方法。 The method of claim 1, wherein the crystal film comprises a material selected from the group consisting of oxides, nitrides and oxynitrides. 前記酸化物は、κ-(AlInGa1-x-y、β-(AlInGa1-x-y、および、γ-(AlInGa1-x-y(ここで、x、yおよびzは、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満たす)からなる群から選択される、請求項2記載の方法。 The oxides are κ- (Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 , β- (Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 , and γ- (Al x In y ). Ga 1-x-y ) 2 O 3 (where x, y and z satisfy 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), claimed. Item 2. The method according to item 2. 前記結晶膜の成長に、HVPE法、ミストCVD法およびMOCVD法からなる群から選択される方法を用いる、請求項1~3のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein a method selected from the group consisting of an HVPE method, a mist CVD method and a MOCVD method is used for the growth of the crystal film. 前記窓の幅は、0.1μm以上20μm以下の範囲内である、請求項1~4のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the width of the window is in the range of 0.1 μm or more and 20 μm or less. 前記マスクの幅は、5μm以上500μm以下の範囲内である、請求項1~5のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the width of the mask is in the range of 5 μm or more and 500 μm or less. 前記窓の幅は、前記マスクの幅よりも小さい、請求項1~6のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the width of the window is smaller than the width of the mask. 複数の窓を有するマスクを備えた基板に原料を供給し、結晶膜を成長させる方法であって、前記結晶膜は、複数の面内回転ドメイン群を有しており、前記複数の窓は、線状に配置されており且つドット状の形状を有しており、前記複数の面内回転ドメイン群のうちの1つの面内回転ドメイン群の前記窓の前記線状方向に沿った成長速度が、他の面内回転ドメイン群の前記線状方向に沿った成長速度と比べて大きくなるよう、前記基板上に前記マスクを形成し、前記結晶膜を成長することを包含し、さらに、前記窓の前記線状方向における隣接する2つのドットの中心間距離をpとすると、前記窓の前記線状方向に対して垂直な方向における隣接する2つのドットの中心間距離qは、p×2/√3以上500μm以下を満たす、方法。 A method of supplying a raw material to a substrate provided with a mask having a plurality of windows to grow a crystal film, wherein the crystal film has a plurality of in-plane rotation domains, and the plurality of windows have a plurality of in-plane rotation domains. It is arranged linearly and has a dot-like shape, and the growth rate of the window of the in-plane rotation domain group of one of the plurality of in-plane rotation domain groups along the linear direction is high. The mask is formed on the substrate to grow the crystal film so as to be larger than the growth rate of the other in-plane rotation domains along the linear direction, and further, the window. Assuming that the distance between the centers of two adjacent dots in the linear direction is p, the distance q between the centers of the two adjacent dots in the direction perpendicular to the linear direction of the window is p × 2 /. A method that satisfies √3 or more and 500 μm or less. 前記複数の窓のそれぞれの形状は、円形および/または多角形である、請求項8記載の方法。 8. The method of claim 8, wherein the respective shapes of the plurality of windows are circular and / or polygonal. 前記円形および/または前記多角形は、略真円および/または略正多角形であり、前記窓の前記線状方向に対して平行な方向における前記略真円および/または前記略正多角形の中心間距離をpとすると、前記窓の前記線状方向に対して垂直な方向における前記略真円および/または前記略正多角形の中心間距離qは、p×2/√3以上500μm以下を満たす、請求項9に記載の方法。 The circle and / or the polygon is a substantially perfect circle and / or a substantially regular polygon, and is of the substantially perfect circle and / or the substantially regular polygon in a direction parallel to the linear direction of the window. Assuming that the center-to-center distance is p, the center-to-center distance q of the substantially perfect circle and / or the substantially regular polygon in the direction perpendicular to the linear direction of the window is p × 2 / √3 or more and 500 μm or less. The method according to claim 9, which satisfies the above conditions. 前記略真円および/または前記略正多角形の直径は、0.1μm以上10μm以下の範囲内であり、前記窓の前記線状方向と平行な方向における前記略真円および/または前記略正多角形の中心間距離は、0.3μm以上25μm以下の範囲内である、請求項10に記載の方法。 The diameter of the substantially perfect circle and / or the substantially regular polygon is within the range of 0.1 μm or more and 10 μm or less, and the substantially perfect circle and / or the substantially regular shape in a direction parallel to the linear direction of the window. The method according to claim 10, wherein the distance between the centers of the polygon is within the range of 0.3 μm or more and 25 μm or less. 前記マスクは、酸化物、窒化物、酸窒化物、および金属からなる群から選択される材料を含む、請求項1~11のいずれに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 11, wherein the mask comprises a material selected from the group consisting of oxides, nitrides, oxynitrides, and metals. 前記マスクは、アモルファス材料からなる、請求項1~12のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 12, wherein the mask is made of an amorphous material. 前記基板は、前記マスクと前記基板との間にバッファ層をさらに備える、請求項1~13のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 13, wherein the substrate further includes a buffer layer between the mask and the substrate. 前記バッファ層上に前記結晶膜を成長させることをさらに包含する、請求項14に記載の方法。 14. The method of claim 14, further comprising growing the crystal film on the buffer layer. 前記基板上に第1のマスクとしての前記マスクを形成し、第1の結晶膜としての前記結晶膜を成長することに続いて、前記第1の結晶膜上に第2のマスクを形成し、第2の結晶膜をさらに成長することを包含し、前記第2のマスクは、線状に配置されている複数の窓を有し、前記第2のマスクは、前記第2のマスクの複数の窓と、前記第1のマスクの複数の窓とが重ならないように前記第1の結晶膜上に形成される、請求項1~15のいずれかに記載の方法。 The mask as the first mask is formed on the substrate, the crystal film as the first crystal film is grown, and then the second mask is formed on the first crystal film. Including further growth of the second crystal film, the second mask has a plurality of windows arranged linearly, and the second mask is a plurality of the second mask. The method according to any one of claims 1 to 15, which is formed on the first crystal film so that the window and the plurality of windows of the first mask do not overlap each other. 前記結晶膜は、κ-(AlInGa1-x-y(ここで、x、yおよびzは、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満たす)であり、
前記基板は、サファイア基板、GaN基板、AlN基板、6H-SiC基板および4H-SiC基板からなる群から選択される基板であり、
前記窓の前記線状方向と前記基板の[11-20]方向とのなす角は、-5°以上5°以下となるように、前記マスクを形成する、請求項1~16のいずれかに記載の方法。
The crystal film is κ- (Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 (where x, y and z are 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). Meet) and
The substrate is a substrate selected from the group consisting of a sapphire substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, a 6H-SiC substrate and a 4H-SiC substrate.
According to any one of claims 1 to 16, the mask is formed so that the angle formed by the linear direction of the window and the [11-20] direction of the substrate is -5 ° or more and 5 ° or less. The method described.
前記基板の面指数は、(0001)面である、請求項17に記載の方法。 17. The method of claim 17, wherein the surface index of the substrate is (0001) surface. 直方晶の結晶構造を有し、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムから選ばれる1種または2種以上の金属を少なくとも含有する結晶性酸化物膜であって、前記結晶性酸化物膜中の回転ドメインの含有率が30%以下であることを特徴とする結晶性酸化物膜。 A crystalline oxide film having a rectangular crystal structure and containing at least one or more metals selected from aluminum, gallium and indium, and containing a rotational domain in the crystalline oxide film. A crystalline oxide film having a ratio of 30% or less. 前記結晶性酸化物膜の主成分は、(001)面配向したκ-(AlInGa1-x-y(ここで、x、yおよびzは、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満たす)である、請求項19に記載の結晶性酸化物膜。 The main component of the crystalline oxide film is (001) plane-oriented κ- (Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 (where x, y and z are 0 ≦ x ≦ 1). , 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). 請求項19または20に記載の結晶性酸化物膜を備えた半導体素子。 A semiconductor device comprising the crystalline oxide film according to claim 19 or 20. [11-20]軸または[10-10]軸を含む結晶構造を有する結晶基板上に設けられている半導体層と、前記半導体層の第1面側にそれぞれ配置されている第1の電極と第2の電極とを少なくとも有しており、前記半導体層において、前記第1の電極から前記第2の電極へと向かう第1の方向に電流が流れるように構成されている半導体素子であって、前記半導体層が前記結晶基板とは異なる結晶構造を有し、前記第1の方向が、前記結晶基板の[11-20]軸または[10-10]軸と平行である半導体素子。 A semiconductor layer provided on a crystal substrate having a crystal structure including an [11-20] axis or a [10-10] axis, and a first electrode arranged on the first surface side of the semiconductor layer, respectively. A semiconductor element having at least a second electrode and configured in the semiconductor layer so that a current flows in the first direction from the first electrode to the second electrode. A semiconductor element in which the semiconductor layer has a crystal structure different from that of the crystal substrate and the first direction is parallel to the [11-20] axis or the [10-10] axis of the crystal substrate. 前記結晶基板がコランダム構造を有する請求項22記載の半導体素子。 The semiconductor device according to claim 22, wherein the crystal substrate has a corundum structure. 前記半導体素子は、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、請求項21~23のいずれかに記載の半導体素子。 The semiconductor element according to any one of claims 21 to 23, wherein the semiconductor element is selected from the group consisting of a diode, an ultraviolet ray detecting element, and a transistor. 高電子移動度トランジスタ(HEMT)である請求項23または24に記載の半導体素子。

The semiconductor device according to claim 23 or 24, which is a high electron mobility transistor (HEMT).

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