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JP7053539B2 - Laminates, semiconductor films, semiconductor devices, semiconductor systems and methods for manufacturing laminates - Google Patents

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JP7053539B2 JP2019143335A JP2019143335A JP7053539B2 JP 7053539 B2 JP7053539 B2 JP 7053539B2 JP 2019143335 A JP2019143335 A JP 2019143335A JP 2019143335 A JP2019143335 A JP 2019143335A JP 7053539 B2 JP7053539 B2 JP 7053539B2
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Description

本発明は、コランダム構造を有する金属酸化物を主成分とする半導体膜、該半導体膜を有する積層体、該積層体の製造方法、前記半導体膜を含む半導体装置、該半導体装置を備える半導体システムに関する。 The present invention relates to a semiconductor film containing a metal oxide having a corundum structure as a main component, a laminate having the semiconductor film, a method for manufacturing the laminate, a semiconductor device including the semiconductor film, and a semiconductor system including the semiconductor device. ..

高耐圧、低損失及び高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、バンドギャップの大きな酸化ガリウム(α-Ga)を用いた半導体装置が注目されており、インバータなどの電力用半導体装置や、受発光素子への応用が期待されている。 As a next-generation switching element that can realize high withstand voltage, low loss, and high heat resistance, semiconductor devices using gallium oxide (α-Ga 2 O 3 ) with a large bandgap are attracting attention, and semiconductor devices for electric power such as inverters. It is also expected to be applied to light receiving and receiving elements.

霧化されたミスト状の原料を用いて、基板上に結晶成長させるミスト化学気相成長法(Mist Chemical Vapor Deposition:Mist CVD。以下、「ミストCVD法」ともいう。)が開発され、コランダム構造を有する酸化ガリウム(α-Ga)の作製が可能となってきた(特許文献1)。この方法では、ガリウムアセチルアセトナートなどのガリウム化合物を塩酸などの酸に溶解して前駆体とし、この前駆体を霧化することによって原料微粒子を生成し、この原料微粒子とキャリアガスと混合した混合気をサファイアなどコランダム構造の基板の表面に供給し、原料ミストを反応させることで基板上に単一配向した酸化ガリウム薄膜をエピタキシャル成長させている。 A mist chemical vapor deposition (Mist CVD) method, in which crystals are grown on a substrate using an atomized mist-like raw material, has been developed and has a colland structure. It has become possible to produce gallium oxide (α-Ga 2 O 3 ) having the above (Patent Document 1). In this method, a gallium compound such as gallium acetylacetonate is dissolved in an acid such as hydrochloric acid to form a precursor, and the precursor is atomized to generate raw material fine particles, which are mixed with the raw material fine particles and a carrier gas. Qi is supplied to the surface of a substrate having a corundous structure such as sapphire, and a raw material mist is reacted to grow a unidirectional gallium oxide thin film on the substrate epitaxially.

このようにして得られるα-Gaの性能を示す上で、電荷キャリアの移動度(以下、「キャリア移動度」又は「移動度」ともいう)が重要な指標の一つとなる。特許文献1には、c面サファイア基板上に形成した、Snをドーピングしたα-Ga薄膜において、1cm/Vs程度の移動度が得られたことが記載されている。また、特許文献2では、c面サファイア基板上に形成した、Geをドーピングしたα-Gaにおいて、3.26cm/Vsの移動度が得られたことが記載されている。 In showing the performance of α-Ga 2 O 3 thus obtained, the mobility of charge carriers (hereinafter, also referred to as “carrier mobility” or “mobility”) is one of the important indexes. Patent Document 1 describes that a Sn-doped α-Ga 2 O3 thin film formed on a c -plane sapphire substrate has a mobility of about 1 cm 2 / Vs. Further, Patent Document 2 describes that a mobility of 3.26 cm 2 / Vs was obtained in the Ge-doped α-Ga 2 O 3 formed on the c-plane sapphire substrate.

特開2013-028480号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-028480 特開2015-228495号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-228495

しかしながら、上記特許文献に記載のα-Gaで得られた移動度は、半導体特性としては不十分なため、高性能な半導体装置を形成することが困難であった。 However, since the mobility obtained by α-Ga 2 O 3 described in the above patent document is insufficient as a semiconductor characteristic, it has been difficult to form a high-performance semiconductor device.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電気特性に優れたコランダム構造の半導体膜、該半導体膜を含む積層体を提供すること、及び、電気特性に優れたコランダム構造の半導体膜を含む積層体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, to provide a semiconductor film having a corundum structure excellent in electrical characteristics, to provide a laminate containing the semiconductor film, and to provide a corundum structure having excellent electrical characteristics. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a laminate including a semiconductor film.

本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、結晶基板と、コランダム構造を有する金属酸化物を主成分とする半導体膜とを含む積層体であって、前記半導体膜の膜厚方向における炭素(C)濃度の平均値が1.0×1019cm-3以上、1.0×1021cm-3以下であり、かつ、前記半導体膜の膜厚方向における水素(H)濃度の平均値が前記炭素(C)濃度の平均値以下である積層体を提供する。 The present invention has been made to achieve the above object, and is a laminate including a crystal substrate and a semiconductor film containing a metal oxide having a corundum structure as a main component, and the film thickness of the semiconductor film. The average value of the carbon (C) concentration in the direction is 1.0 × 10 19 cm -3 or more, 1.0 × 10 21 cm -3 or less, and the hydrogen (H) concentration in the film thickness direction of the semiconductor film. Provided is a laminate in which the average value of is equal to or less than the average value of the carbon (C) concentration.

このような積層体によれば、優れた電気特性を有する高品質なコランダム構造の半導体膜を有するものとなる。 According to such a laminate, a semiconductor film having a high-quality corundum structure having excellent electrical characteristics can be obtained.

このとき、前記炭素(C)濃度の平均値が2.0×1019cm-3以上、5.0×1020cm-3以下である積層体とすることができる。 At this time, the laminate may have an average value of carbon (C) concentration of 2.0 × 10 19 cm -3 or more and 5.0 × 10 20 cm -3 or less.

これにより、より優れた電気特性を有するものとなる。 As a result, it has better electrical characteristics.

このとき、前記半導体膜におけるキャリア移動度が5cm/Vs以上である積層体とすることができる。また、前記半導体膜におけるキャリア密度が1.0×1016/cm以上、1.0×1021/cm以下である積層体とすることができる。 At this time, a laminate having a carrier mobility in the semiconductor film of 5 cm 2 / Vs or more can be obtained. Further, a laminated body having a carrier density of 1.0 × 10 16 / cm 3 or more and 1.0 × 10 21 / cm 3 or less in the semiconductor film can be obtained.

これにより、パワーデバイス等の半導体装置により適したものとなる。 This makes it more suitable for semiconductor devices such as power devices.

このとき、前記金属酸化物が、Ga酸化物又はAl酸化物を含むものとすることができる。 At this time, the metal oxide may contain Ga oxide or Al oxide.

これにより、さらに優れた電気特性を有するものとなる。 As a result, it has even better electrical characteristics.

このとき、前記結晶基板の主表面の面積が10cm以上である積層体とすることができる。 At this time, it is possible to form a laminated body in which the area of the main surface of the crystal substrate is 10 cm 2 or more.

これにより、大面積の半導体装置に適用可能な積層体とすることができる。 This makes it possible to obtain a laminate applicable to a large-area semiconductor device.

このとき、前記半導体膜の膜厚が1μm以上である積層体とすることができる。 At this time, the semiconductor film can be a laminated body having a film thickness of 1 μm or more.

これにより、欠陥が低減されたより高品質の半導体膜を備えた積層体とすることができる。 This makes it possible to obtain a laminate having a higher quality semiconductor film with reduced defects.

本発明は、また、コランダム構造を有する金属酸化物を主成分とする半導体膜であって、前記半導体膜の膜厚方向における炭素(C)濃度の平均値が1.0×1019cm-3以上、1.0×1021cm-3以下であり、かつ、前記半導体膜の膜厚方向における水素(H)濃度の平均値が前記炭素(C)濃度の平均値以下である半導体膜を提供する。 The present invention is also a semiconductor film containing a metal oxide having a corundum structure as a main component, and the average value of carbon (C) concentration in the film thickness direction of the semiconductor film is 1.0 × 10 19 cm -3 . As described above, the present invention provides a semiconductor film having 1.0 × 10 21 cm -3 or less and having an average value of hydrogen (H) concentration in the film thickness direction of the semiconductor film equal to or less than the average value of carbon (C) concentration. do.

このような半導体膜によれば、優れた電気特性を有する高品質なコランダム構造の半導体膜となる。 According to such a semiconductor film, a high-quality corundum-structured semiconductor film having excellent electrical characteristics can be obtained.

このとき、半導体膜と電極とを少なくとも含む半導体装置であって、前記半導体膜として、上記半導体膜を含む半導体装置とすることができる。また、上記半導体装置を備える半導体システムとすることができる。 At this time, the semiconductor device includes at least the semiconductor film and the electrodes, and the semiconductor film can be a semiconductor device including the semiconductor film. Further, it can be a semiconductor system including the above-mentioned semiconductor device.

これにより、高性能な半導体装置、半導体システムを提供することができる。 This makes it possible to provide high-performance semiconductor devices and semiconductor systems.

本発明は、また、加熱された結晶基板に、霧化した金属酸化物前駆体とキャリアガスを含む混合気を供給して、前記結晶基板上にコランダム構造を有する金属酸化物を主成分とする半導体膜を形成する積層体の製造方法であって、前記混合気が炭素源を含み、前記混合気における前記炭素源の含有量を、前記半導体膜の膜厚方向における水素(H)濃度の平均値が前記炭素(C)濃度の平均値以下となる含有量とする積層体の製造方法を提供することができる。 The present invention also supplies a mixture containing an atomized metal oxide precursor and a carrier gas to a heated crystal substrate, and contains a metal oxide having a corundum structure on the crystal substrate as a main component. A method for producing a laminate for forming a semiconductor film, wherein the air-fuel mixture contains a carbon source, and the content of the carbon source in the air-fuel mixture is the average of the hydrogen (H) concentrations in the film thickness direction of the semiconductor film. It is possible to provide a method for producing a laminate having a content whose value is equal to or less than the average value of the carbon (C) concentration.

このような積層体の製造方法によれば、優れた電気特性を有する高品質なコランダム構造の半導体膜を有する積層体を製造できる。 According to such a method for producing a laminate, it is possible to produce a laminate having a high-quality corundum-structured semiconductor film having excellent electrical characteristics.

このとき、前記炭素源は、一酸化炭素、二酸化炭素、アルコール、ケトン、カルボン酸又は有機金属錯体のいずれか1つ以上を含むこととすることができる。 At this time, the carbon source may contain any one or more of carbon monoxide, carbon dioxide, alcohol, ketone, carboxylic acid or organic metal complex.

これにより、より安定して半導体膜中に炭素を添加することができる。 This makes it possible to add carbon to the semiconductor film more stably.

このとき、前記炭素源は、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス又は炭化水素ガスのいずれか1つ以上を含むこととすることができる。 At this time, the carbon source may contain any one or more of carbon monoxide gas, carbon dioxide gas, and hydrocarbon gas.

これにより、半導体膜中への炭素の添加量をより精度高く調整することができる。 Thereby, the amount of carbon added to the semiconductor film can be adjusted with higher accuracy.

以上のように、本発明によれば、優れた電気特性を有する高品質なコランダム構造の半導体膜及び該半導体膜を有する積層体を提供できる。また、本発明によれば、優れた電気特性を有する高品質なコランダム構造の半導体膜及び該半導体膜を有する積層体を容易かつ低コストで生産できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a high-quality semiconductor film having a corundum structure having excellent electrical characteristics and a laminate having the semiconductor film. Further, according to the present invention, a semiconductor film having a high-quality corundum structure having excellent electrical characteristics and a laminate having the semiconductor film can be easily produced at low cost.

本発明に係る積層体の構造の一形態を示す図である。It is a figure which shows one form of the structure of the laminated body which concerns on this invention. 本発明に係る積層体の構造の別の形態を示す図である。It is a figure which shows another form of the structure of the laminated body which concerns on this invention. 本発明に係るショットキーバリアダイオード(SBD)の好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a suitable example of the Schottky barrier diode (SBD) which concerns on this invention. 本発明に係る高電子移動度トランジスタ(HEMT)の好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a suitable example of the high electron mobility transistor (HEMT) which concerns on this invention. 本発明に係る金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a suitable example of the metal oxide film semiconductor field effect transistor (PWM) which concerns on this invention. 本発明に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)の好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a suitable example of the insulated gate type bipolar transistor (IGBT) which concerns on this invention. 本発明に係る発光ダイオード(LED)の好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a suitable example of the light emitting diode (LED) which concerns on this invention. 本発明に係る発光ダイオード(LED)の別の好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically another suitable example of the light emitting diode (LED) which concerns on this invention. 本発明に係る電源システムの好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a preferable example of the power-source system which concerns on this invention. 本発明に係るシステム装置の好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a suitable example of the system apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る電源装置の電源回路図の好適な一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a preferable example of the power supply circuit diagram of the power supply apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る積層体の製造方法に用いるミストCVD装置の一形態を示す図である。It is a figure which shows one form of the mist CVD apparatus used in the manufacturing method of the laminated body which concerns on this invention.

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited thereto.

上述のように、電気特性に優れたコランダム構造の半導体膜、該半導体膜を含む積層体、及びその製造方法が求められていた。 As described above, there has been a demand for a semiconductor film having a corundum structure having excellent electrical characteristics, a laminate containing the semiconductor film, and a method for producing the same.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、結晶基板と、コランダム構造を有する金属酸化物を主成分とする半導体膜とを含む積層体であって、前記半導体膜の膜厚方向における炭素(C)濃度の平均値が1.0×1019cm-3以上、1.0×1021cm-3以下であり、かつ、前記半導体膜の膜厚方向における水素(H)濃度の平均値が前記炭素(C)濃度の平均値以下である積層体により、優れた電気特性を有する高品質なコランダム構造の半導体膜を有する積層体を提供できることを見出し、本発明を完成した。 As a result of diligent studies on the above problems, the present inventors have obtained a laminate including a crystal substrate and a semiconductor film containing a metal oxide having a corundum structure as a main component, in the film thickness direction of the semiconductor film. The average value of the carbon (C) concentration in the above is 1.0 × 10 19 cm -3 or more and 1.0 × 10 21 cm -3 or less, and the hydrogen (H) concentration in the film thickness direction of the semiconductor film is The present invention has been completed by finding that a laminate having an average value equal to or less than the average value of the carbon (C) concentration can provide a laminate having a high-quality semiconductor film having a corundum structure having excellent electrical characteristics.

また、本発明者らは、コランダム構造を有する金属酸化物を主成分とする半導体膜であって、前記半導体膜の膜厚方向における炭素(C)濃度の平均値が1.0×1019cm-3以上、1.0×1021cm-3以下であり、かつ、前記半導体膜の膜厚方向における水素(H)濃度の平均値が前記炭素(C)濃度の平均値以下である半導体膜により、優れた電気特性を有する高品質なコランダム構造の半導体膜を提供できることを見出し、本発明を完成した。 Further, the present inventors have a semiconductor film containing a metal oxide having a corundum structure as a main component, and the average value of the carbon (C) concentration in the film thickness direction of the semiconductor film is 1.0 × 10 19 cm. A semiconductor film having -3 or more, 1.0 × 10 21 cm -3 or less, and an average value of hydrogen (H) concentration in the film thickness direction of the semiconductor film being equal to or less than the average value of carbon (C) concentration. As a result, we have found that it is possible to provide a high-quality semiconductor film having a corundum structure with excellent electrical characteristics, and completed the present invention.

また、本発明者らは、加熱された結晶基板に、霧化した金属酸化物前駆体とキャリアガスを含む混合気を供給して、前記結晶基板上にコランダム構造を有する金属酸化物を主成分とする半導体膜を形成する積層体の製造方法であって、前記混合気が炭素源を含み、前記混合気における前記炭素源の含有量を、前記半導体膜の膜厚方向における水素(H)濃度の平均値が前記炭素(C)濃度の平均値以下となる含有量とする積層体の製造方法により、優れた電気特性を有する高品質なコランダム構造の半導体膜を有する積層体を製造できることを見出し、本発明を完成した。 Further, the present inventors supply an air-fuel mixture containing an atomized metal oxide precursor and a carrier gas to the heated crystal substrate, and the main component is a metal oxide having a corundum structure on the crystal substrate. A method for producing a laminate for forming a semiconductor film, wherein the air-fuel mixture contains a carbon source, and the content of the carbon source in the air-fuel mixture is the hydrogen (H) concentration in the film thickness direction of the semiconductor film. It has been found that a laminate having a high-quality semiconductor film having a corundum structure having excellent electrical characteristics can be produced by a method for producing a laminate having a content in which the average value of carbon (C) is equal to or less than the average value of the carbon (C) concentration. , The present invention has been completed.

以下、図面を参照して説明する。 Hereinafter, description will be given with reference to the drawings.

(半導体膜及び半導体膜を有する積層体)
図1は、本発明に係る半導体膜及び半導体膜を有する積層体の一形態を示す図である。図1の例では、積層体100は、結晶基板101と、結晶基板101上に直接形成された半導体膜102とから成る。
(Semiconductor film and laminate having semiconductor film)
FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor film according to the present invention and one form of a laminate having a semiconductor film. In the example of FIG. 1, the laminate 100 is composed of a crystal substrate 101 and a semiconductor film 102 directly formed on the crystal substrate 101.

結晶基板101は、主面の全部又は一部に結晶構造を有している基板であれば特に限定されず、例えばSi、Ge、Al、Ga、LiTaO、NiOなどが使用できる。本発明に係る積層体では、特に、結晶成長面側の主面の全部又は一部にコランダム構造を有している基板であるのが好ましく、α-Al(サファイア)又はα-Gaが好適に用いられる。また、本発明に係る積層体においては、前記主面がc面であればより電気特性を向上させることができるので好ましい。また、結晶基板101は、オフ角を有していてもよい。この場合、一般的にオフ角を0.1°~10.0°とするのが良い。ここで、オフ角とは、結晶基板の主面(表面)の法線ベクトルと低指数面の法線ベクトルとがなす角の小さい方の角度を示す。なお、本明細書では、結晶基板の主面(表面)の法線ベクトルと、SEMI M65-0306の図1に規定されている結晶面(例えば、c面、a面、m面、r面)の法線ベクトルとが為す角を比較し、最も小さい角度を有する面を低指数面という。本発明に係る積層体においては、前記結晶基板がオフ角を有する場合、c面を主面とするのが好ましい。 The crystal substrate 101 is not particularly limited as long as it has a crystal structure on all or part of the main surface, and examples thereof include Si, Ge, Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , LiTaO 3 , and NiO. Can be used. In the laminate according to the present invention, a substrate having a corundum structure on all or part of the main surface on the crystal growth surface side is particularly preferable, and α-Al 2 O 3 (sapphire) or α-Ga. 2 O 3 is preferably used. Further, in the laminated body according to the present invention, it is preferable that the main surface is the c-plane because the electrical characteristics can be further improved. Further, the crystal substrate 101 may have an off angle. In this case, it is generally better to set the off angle to 0.1 ° to 10.0 °. Here, the off angle indicates the smaller angle formed by the normal vector of the main surface (surface) of the crystal substrate and the normal vector of the low exponential surface. In this specification, the normal vector of the main surface (surface) of the crystal substrate and the crystal planes defined in FIG. 1 of SEMI M65-0306 (for example, c-plane, a-plane, m-plane, r-plane). The angle formed by the normal vector is compared, and the surface with the smallest angle is called the low exponential surface. In the laminate according to the present invention, when the crystal substrate has an off angle, it is preferable that the c-plane is the main surface.

結晶基板101の形状は、板状であって、半導体膜102の支持体となるものであれば特に限定されない。また、略円形状(例えば、円形、楕円形など)であってもよいし、多角形状(例えば、3角形、正方形、長方形、5角形、6角形、7角形、8角形、9角形など)であってもよく、様々な形状のものを用いることができる。本発明に係る積層体においては、結晶基板101の形状を所望の形状にすることにより、半導体膜102の形状を設定することができる。また、本発明に係る積層体においては、主表面の面積が10cm以上、より好ましくは20cm以上の大面積の結晶基板101を用いることもでき、このような大面積の結晶基板101を用いることによって、半導体膜102の面積を大きくすることができる。また、結晶基板101の厚さは、特に限定されないが、0.3mmから3mmのものが好適に用いることができ、0.4mmから1mmのものがより好ましい。このような範囲であれば、残留応力による反りがより小さく、結晶性がより高いものとなる。 The shape of the crystal substrate 101 is not particularly limited as long as it has a plate shape and serves as a support for the semiconductor film 102. It may also be substantially circular (eg, circular, oval, etc.) or polygonal (eg, triangle, square, rectangular, pentagon, hexagon, hexagon, octagon, nonagon, etc.). It may be present, and various shapes can be used. In the laminate according to the present invention, the shape of the semiconductor film 102 can be set by changing the shape of the crystal substrate 101 to a desired shape. Further, in the laminate according to the present invention, a large-area crystal substrate 101 having a main surface area of 10 cm 2 or more, more preferably 20 cm 2 or more can be used, and such a large-area crystal substrate 101 is used. Thereby, the area of the semiconductor film 102 can be increased. The thickness of the crystal substrate 101 is not particularly limited, but those having a thickness of 0.3 mm to 3 mm can be preferably used, and those having a thickness of 0.4 mm to 1 mm are more preferable. Within such a range, the warp due to residual stress is smaller and the crystallinity is higher.

半導体膜102は、コランダム構造を有する酸化物半導体を主成分として含み、さらに、半導体膜102の膜厚方向において、平均炭素(C)濃度(以下、単に「C濃度」という)が、1.0×1019cm-3以上、1.0×1021cm-3以下のものである。2.0×1019cm-3以上、5.0×1020cm-3以下であるのがより好ましい。このような半導体膜102とすることにより、半導体膜102に適度な歪みが生じ、キャリア移動度を向上させることが可能になる。C濃度が1.0×1019cm-3未満では移動度の改善効果が十分得られなくなり、また1.0×1021cm-3を超えると半導体の耐圧が低下する。 The semiconductor film 102 contains an oxide semiconductor having a corundum structure as a main component, and further, the average carbon (C) concentration (hereinafter, simply referred to as “C concentration”) is 1.0 in the film thickness direction of the semiconductor film 102. It is × 10 19 cm -3 or more and 1.0 × 10 21 cm -3 or less. More preferably, it is 2.0 × 10 19 cm -3 or more and 5.0 × 10 20 cm -3 or less. By using such a semiconductor film 102, the semiconductor film 102 is appropriately distorted, and the carrier mobility can be improved. If the C concentration is less than 1.0 × 10 19 cm -3 , the effect of improving mobility cannot be sufficiently obtained, and if it exceeds 1.0 × 10 21 cm -3 , the withstand voltage of the semiconductor decreases.

また、半導体膜102の膜厚方向において、平均水素(H)濃度(以下、単に「H濃度」という)はC濃度以下である。H濃度がC濃度を上回ると、結晶欠陥が増加して半導体膜の電気特性が低下する。 Further, in the film thickness direction of the semiconductor film 102, the average hydrogen (H) concentration (hereinafter, simply referred to as “H concentration”) is C concentration or less. When the H concentration exceeds the C concentration, crystal defects increase and the electrical characteristics of the semiconductor film deteriorate.

ここで、膜厚方向におけるC濃度、H濃度は、半導体膜中の元素(ここでは、CとH)について、膜厚方向(深さ方向)にSIMSにより定量分析し、膜厚方向の各元素濃度の平均値を算出することで得られる値である。 Here, the C concentration and the H concentration in the film film direction are quantitatively analyzed by SIMS in the film film direction (depth direction) for the elements (here, C and H) in the semiconductor film, and each element in the film film direction. It is a value obtained by calculating the average value of the concentration.

なお、「酸化物半導体を主成分とし」との表現においては、酸化物半導体のほかに、ドーパントや不可避的不純物等が含まれていてもよいことを意味しており、例えば、酸化物半導体が概ね50%以上含まれているものを指す。 The expression "mainly composed of an oxide semiconductor" means that a dopant, an unavoidable impurity, or the like may be contained in addition to the oxide semiconductor. For example, the oxide semiconductor may be contained. It refers to those containing approximately 50% or more.

半導体膜102における電荷キャリアの移動度は、5cm/Vs以上であるのが好ましく、10cm/Vs以上であるのがより好ましく、20cm/Vs以上であるのが最も好ましい。なお、前記移動度は、ホール効果測定にて得られる移動度をいう。 The mobility of charge carriers in the semiconductor film 102 is preferably 5 cm 2 / Vs or more, more preferably 10 cm 2 / Vs or more, and most preferably 20 cm 2 / Vs or more. The mobility is the mobility obtained by measuring the Hall effect.

さらに、本発明に係る半導体膜及び半導体膜を有する積層体においては、前記半導体膜102のキャリア密度は、1.0×1016/cm以上、5.0×1021/cm以下であることが好ましい。なお、前記キャリア密度は、ホール効果測定にて得られる半導体膜中のキャリア密度をいう。 Further, in the semiconductor film according to the present invention and the laminate having the semiconductor film, the carrier density of the semiconductor film 102 is 1.0 × 10 16 / cm 3 or more and 5.0 × 10 21 / cm 3 or less. Is preferable. The carrier density refers to the carrier density in the semiconductor film obtained by the Hall effect measurement.

また、半導体膜102の主面はc面とすることが、結晶性を向上させ、結果として電気特性をさらに向上させることができる点で好ましい。 Further, it is preferable that the main surface of the semiconductor film 102 is the c-plane in that the crystallinity can be improved and, as a result, the electrical characteristics can be further improved.

また、半導体膜102は、主成分として少なくともIn、Ga、Al、Ir、V、Fe、Cr、Tiのいずれかを含む酸化物とすることができる。主成分として、少なくともGa又はAlを含むのが、膜の電気特性の観点から最も好ましい。なお、ここでいう「主成分」について、例えば、「主成分として、Gaを少なくとも含む」という場合、金属酸化物における金属元素中のガリウムの原子比が、0.5以上の割合であることを意味する。 Further, the semiconductor film 102 can be an oxide containing at least one of In, Ga, Al, Ir, V, Fe, Cr and Ti as a main component. It is most preferable to contain at least Ga or Al as the main component from the viewpoint of the electrical characteristics of the film. Regarding the "main component" here, for example, in the case of "containing at least Ga as the main component", it means that the atomic ratio of gallium in the metal element in the metal oxide is 0.5 or more. means.

また、半導体膜102の厚さは特に限定されず、1μm以上であるのが好ましい。膜厚を1μm以上とすることで欠陥が低減され、より高品質な膜とすることができる。 The thickness of the semiconductor film 102 is not particularly limited, and is preferably 1 μm or more. By setting the film thickness to 1 μm or more, defects can be reduced and a higher quality film can be obtained.

また、本発明に係る半導体膜及び半導体膜を有する積層体においては、膜表面の光学顕微鏡による観察において、基板外周端から10mmより内側にクラックを有しないことが好ましく、基板外周端から5mmより内側にクラックを有しないことが最も好ましい。また、本発明に係る半導体膜は、単結晶であってもよいし、多結晶膜であってもよいが、単結晶膜であるのが好ましい。 Further, in the semiconductor film according to the present invention and the laminate having the semiconductor film, it is preferable that there are no cracks inside 10 mm from the outer peripheral edge of the substrate and inside 5 mm from the outer peripheral edge of the substrate when observing the film surface with an optical microscope. It is most preferable that there are no cracks in the film. Further, the semiconductor film according to the present invention may be a single crystal or a polycrystal film, but a single crystal film is preferable.

半導体膜102に含まれるドーパントは特に限定されず、公知のものであってよい。前記ドーパントとしては、例えば、Sn、Ge、Si、Ti、Zr、V、Nb、又はPb等のn型ドーパント、又はCu、Ag、Ir、Rhなどのp型ドーパントなどが挙げられる。本発明に係る半導体膜においては、前記ドーパントとして、Sn、Ge、又はSiが適用でき、Sn又はGeであるのがより好ましく、Snであるのが最も好ましい。半導体膜のドーパント含有量は、1×1016cm-3から1×1022cm-3であってよく、1×1018cm-3から5×1021cm-3であるのが好ましい。このような範囲であれば、半導体装置に適用するに十分な抵抗値が得られるとともに、エネルギーバンドの狭帯化や、縮退による物性の変化がより効果的に抑制され、より安定した電気特性を有するものとなる。 The dopant contained in the semiconductor film 102 is not particularly limited and may be a known one. Examples of the dopant include n-type dopants such as Sn, Ge, Si, Ti, Zr, V, Nb, or Pb, and p-type dopants such as Cu, Ag, Ir, and Rh. In the semiconductor film according to the present invention, Sn, Ge, or Si can be applied as the dopant, and Sn or Ge is more preferable, and Sn is most preferable. The dopant content of the semiconductor film may be from 1 × 10 16 cm -3 to 1 × 10 22 cm -3 , preferably from 1 × 10 18 cm -3 to 5 × 10 21 cm -3 . Within such a range, a resistance value sufficient for application to semiconductor devices can be obtained, and changes in physical properties due to narrowing of the energy band and degeneracy are more effectively suppressed, resulting in more stable electrical characteristics. Will have.

図1には、半導体膜102が結晶基板101上へ直接形成された例を示したが、半導体膜は、結晶基板上に形成された他の層上に形成されてもよい。図2に示す積層体200は、結晶基板201と半導体膜202との間に、応力緩和層203が設けられている。これにより、結晶基板201と半導体膜202の格子不整合を緩和し、半導体膜202の電気特性をより向上させることができる。 Although FIG. 1 shows an example in which the semiconductor film 102 is directly formed on the crystal substrate 101, the semiconductor film may be formed on another layer formed on the crystal substrate. In the laminate 200 shown in FIG. 2, a stress relaxation layer 203 is provided between the crystal substrate 201 and the semiconductor film 202. As a result, the lattice mismatch between the crystal substrate 201 and the semiconductor film 202 can be alleviated, and the electrical characteristics of the semiconductor film 202 can be further improved.

例えば、Al基板上にα-Ga膜を形成する場合、応力緩和層203として、例えば、α-Fe、α-Ga、α-Al及びこれらの混晶などが好適に用いられる。このとき、応力緩和層203の格子定数を、応力緩和層203の成長方向に向けて、結晶基板201の格子定数に近い又は同じ程度から、半導体膜202の格子定数に近い又は同程度の値へと、連続的あるいは段階的に変化させることが好ましい。即ち、応力緩和層203を(AlGa1-x(0≦x≦1)で形成し、結晶基板201側から半導体膜202側へ向かってx値を小さくしていくのが良い。 For example, when an α-Ga 2 O 3 film is formed on an Al 2 O 3 substrate, the stress relaxation layer 203 may be, for example, α-Fe 2 O 3 , α-Ga 2 O 3 , α-Al 2 O 3 and These mixed crystals and the like are preferably used. At this time, the lattice constant of the stress relaxation layer 203 is changed from a value close to or similar to the lattice constant of the crystal substrate 201 to a value close to or similar to the lattice constant of the semiconductor film 202 toward the growth direction of the stress relaxation layer 203. It is preferable to change it continuously or stepwise. That is, the stress relaxation layer 203 is formed of (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 (0 ≦ x ≦ 1), and the x value is reduced from the crystal substrate 201 side toward the semiconductor film 202 side. good.

応力緩和層203の形成方法は特に限定されず、公知の方法であってよく、半導体膜202の形成方法と同様であってもよい。なお、応力緩和層203は、ドーパントを含んでいても良いし、含んでいなくても良い。 The method for forming the stress relaxation layer 203 is not particularly limited, and may be a known method, and may be the same as the method for forming the semiconductor film 202. The stress relaxation layer 203 may or may not contain a dopant.

本発明に係る半導体膜は、低抵抗であるだけでなく、電気特性にも優れ、工業的に有用なものである。このような半導体膜は、半導体装置等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。例えば、本発明に係る半導体膜は、半導体装置のn型半導体層(n型半導体層、n型半導体層を含む)に用いられる。本発明に係る半導体装置においては、前記半導体膜を有する積層体のままで用いてもよいし、前記結晶基板等から剥離する等の公知の手段を用いて単独の膜とした後に、半導体装置等に適用してもよい。 The semiconductor film according to the present invention not only has low resistance, but also has excellent electrical characteristics and is industrially useful. Such a semiconductor film can be suitably used for semiconductor devices and the like, and is particularly useful for power devices. For example, the semiconductor film according to the present invention is used for an n-type semiconductor layer (including an n + type semiconductor layer and an n type semiconductor layer) of a semiconductor device. In the semiconductor device according to the present invention, the laminate having the semiconductor film may be used as it is, or it may be made into a single film by a known means such as peeling from the crystal substrate or the like, and then the semiconductor device or the like. May be applied to.

(半導体装置)
半導体装置は、電極が半導体膜の片面側に形成された横型の素子(横型デバイス)と、半導体膜の表裏両面側にそれぞれ電極を有する縦型の素子(縦型デバイス)に分類することができるが、本発明に係る半導体膜又は積層体の少なくとも一部は、横型デバイスにも縦型デバイスにも好適に用いることができる。特に、縦型デバイスに用いることが好ましい。
(Semiconductor device)
Semiconductor devices can be classified into horizontal elements (horizontal devices) in which electrodes are formed on one side of the semiconductor film and vertical elements (vertical devices) in which electrodes are provided on both the front and back sides of the semiconductor film. However, at least a part of the semiconductor film or laminate according to the present invention can be suitably used for both horizontal devices and vertical devices. In particular, it is preferably used for vertical devices.

前記半導体装置としては、例えば、ショットキーバリアダイオード(SBD)、金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、接合電界効果トランジスタ(JFET)、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)又は発光ダイオード(LED)などが挙げられる。 Examples of the semiconductor device include a Schottky barrier diode (SBD), a metal semiconductor field effect transistor (MESFET), a high electron mobility transistor (HEMT), a metal oxide film semiconductor field effect transistor (MOS FET), and a junction field effect transistor (junction field effect transistor). JFET), an isolated gate type bipolar transistor (IGBT), a light emitting diode (LED), and the like.

本発明に係る半導体膜を、n型半導体層(n型半導体やn型半導体層等)に適用した場合の好適な例を、図面を用いて説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。 A suitable example when the semiconductor film according to the present invention is applied to an n-type semiconductor layer (n + type semiconductor, n - type semiconductor layer, etc.) will be described with reference to the drawings. Not limited.

なお、以下に例示する半導体装置において、仕様や目的に応じて、さらに他の層(例えば絶縁体層や導体層)などが含まれていてもよいし、また、中間層、緩衝層(バッファ層)、応力緩和層などは適宜、追加、省略してもよい。 In the semiconductor device exemplified below, another layer (for example, an insulator layer or a conductor layer) may be further included depending on the specifications and purpose, and an intermediate layer and a buffer layer (buffer layer) may be included. ), The stress relaxation layer and the like may be added or omitted as appropriate.

図3には、ショットキーバリアダイオード(SBD)の一例を示す。SBD300は、相対的に低濃度のドーピングを施したn型半導体層301a、相対的に高濃度のドーピングを施したn型半導体層301b、ショットキー電極302及びオーミック電極303を備えている。 FIG. 3 shows an example of a Schottky barrier diode (SBD). The SBD 300 includes an n - type semiconductor layer 301a with a relatively low concentration of doping, an n + type semiconductor layer 301b with a relatively high concentration of doping, a Schottky electrode 302, and an ohmic electrode 303.

ショットキー電極302及びオーミック電極303の材料は、公知の電極材料であってよく、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等の金属又はこれらの合金、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、又はこれらの混合物並びに積層体などが挙げられる。 The material of the Schottky electrode 302 and the ohmic electrode 303 may be a known electrode material, and examples of the electrode material include Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, Ti, and Au. , Pt, V, Mn, Ni, Cu, Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd or Ag or other metals or alloys thereof, tin oxide, zinc oxide, renium oxide, indium oxide, indium tin oxide ( Examples thereof include metal oxide conductive films such as ITO) and indium tin oxide (IZO), organic conductive compounds such as polyaniline, polythiophene or polypyrrol, or mixtures and laminates thereof.

ショットキー電極302及びオーミック電極303の形成は、例えば、真空蒸着法又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。より具体的には、例えば、前記金属のうち2種類の第1の金属と第2の金属とを用いてショットキー電極を形成する場合、第1の金属からなる層と第2の金属からなる層を積層させ、第1の金属からなる層及び第2の金属からなる層に対して、フォトリソグラフィの手法を利用したパターニングを施すことにより形成することができる。 The Schottky electrode 302 and the ohmic electrode 303 can be formed by a known means such as a vacuum vapor deposition method or a sputtering method. More specifically, for example, when a shotkey electrode is formed by using two kinds of the first metal and the second metal among the metals, it is composed of a layer made of the first metal and a second metal. It can be formed by laminating layers and performing patterning on a layer made of a first metal and a layer made of a second metal by using a photolithography technique.

SBD300に逆バイアスが印加された場合には、空乏層(図示せず)がn型半導体層301aの中に広がるため、高耐圧のSBD300となる。また、順バイアスが印加された場合には、オーミック電極303からショットキー電極302へ電子が流れる。したがって、本発明に係るSBD300は、高耐圧・大電流用に優れており、スイッチング速度も速く、耐圧性・信頼性にも優れている。 When a reverse bias is applied to the SBD 300, the depletion layer (not shown) spreads in the n - type semiconductor layer 301a, so that the SBD 300 has a high withstand voltage. Further, when a forward bias is applied, electrons flow from the ohmic electrode 303 to the Schottky electrode 302. Therefore, the SBD 300 according to the present invention is excellent for high withstand voltage and large current, has a high switching speed, and is also excellent in withstand voltage and reliability.

図4には、高電子移動度トランジスタ(HEMT)の一例を示す。HEMT400は、バンドギャップの広いn型半導体層401、バンドギャップの狭いn型半導体層402、n+型半導体層403、半絶縁体層404、緩衝層405、ゲート電極406、ソース電極407及びドレイン電極408を備えている。 FIG. 4 shows an example of a high electron mobility transistor (HEMT). The HEMT400 includes an n-type semiconductor layer 401 with a wide bandgap, an n-type semiconductor layer 402 with a narrow bandgap, an n + type semiconductor layer 403, a semi-insulator layer 404, a buffer layer 405, a gate electrode 406, a source electrode 407, and a drain electrode 408. It is equipped with.

図5には、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の一例を示す。MOSFET500は、n型半導体層501、n型半導体層502並びに503、ゲート絶縁膜504、ゲート電極505、ソース電極506及びドレイン電極507を備えている。 FIG. 5 shows an example of a metal oxide film semiconductor field effect transistor (PWM). The MOSFET 500 includes an n - type semiconductor layer 501, an n + type semiconductor layer 502 and 503, a gate insulating film 504, a gate electrode 505, a source electrode 506, and a drain electrode 507.

図6には、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)の一例を示す。IGBT600は、n型半導体層601、n型半導体層602、n型半導体層603、p型半導体層604、ゲート絶縁膜605、ゲート電極606、エミッタ電極607及びコレクタ電極608を備えている。 FIG. 6 shows an example of an insulated gate bipolar transistor (IGBT). The IGBT 600 includes an n-type semiconductor layer 601, an n - type semiconductor layer 602, an n + type semiconductor layer 603, a p-type semiconductor layer 604, a gate insulating film 605, a gate electrode 606, an emitter electrode 607, and a collector electrode 608.

図7には、発光ダイオード(LED)の一例を示す。LED700は、第1の電極701、n型半導体層702、発光層703、p型半導体層704、透光性電極705、第2の電極706を備えている。 FIG. 7 shows an example of a light emitting diode (LED). The LED 700 includes a first electrode 701, an n-type semiconductor layer 702, a light emitting layer 703, a p-type semiconductor layer 704, a translucent electrode 705, and a second electrode 706.

透光性電極705の材料としては、In又はTiを含む酸化物の導電性材料などが挙げられる。より具体的には、例えば、In、ZnO、SnO、Ga、TiO、CeO又はこれらの2以上の混晶、又は、これらにドーピングされたものなどが挙げられる。これらの材料を、スパッタリング等の公知の手段で設けることによって、透光性電極705を形成できる。また、透光性電極705を形成した後に、透光性電極705の透明化を目的とした熱アニールを施してもよい。 Examples of the material of the translucent electrode 705 include a conductive material of an oxide containing In or Ti. More specifically, for example, In 2 O 3 , ZnO, SnO 2 , Ga 2 O 3 , TIO 2 , CeO 2 or a mixed crystal of two or more of these, or those doped with these can be mentioned. By providing these materials by a known means such as sputtering, the translucent electrode 705 can be formed. Further, after forming the translucent electrode 705, thermal annealing may be performed for the purpose of making the translucent electrode 705 transparent.

第1の電極701及び第2の電極706の材料としては、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等の金属又はこれらの合金、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、又は、これらの混合物などが挙げられる。電極の製膜法は特に限定されることはなく、印刷方式、スプレー法、コ-ティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレ-ティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式、などの中から前記材料との適性等を考慮して、適宜選択した方法に従って形成することができる。 The materials of the first electrode 701 and the second electrode 706 include, for example, Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, Ti, Au, Pt, V, Mn, Ni, Cu, and the like. Metals such as Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd or Ag or alloys thereof, tin oxide, zinc oxide, renium oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO) and the like. Examples thereof include an organic conductive compound such as a metal oxide conductive film, polyaniline, polythiophene or polypyrrole, or a mixture thereof. The film forming method of the electrode is not particularly limited, and is a wet method such as a printing method, a spray method, and a coating method, a physical method such as a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, and an ion plating method, CVD, and plasma CVD. It can be formed according to a method appropriately selected in consideration of suitability with the material from chemical methods such as a method.

また、発光ダイオード(LED)の別の態様を、図8に示す。図8の発光ダイオード(LED)800では、基板806上にn型半導体層801が積層されており、p型半導体層802、発光層803及びn型半導体層801の一部を切り欠くことによって露出したn型半導体層801の半導体層露出面上の一部に、第2の電極804bが積層されている。p型半導体層802の上部には、透光性電極805、第1の電極804aを備えている。 Further, another aspect of the light emitting diode (LED) is shown in FIG. In the light emitting diode (LED) 800 of FIG. 8, the n-type semiconductor layer 801 is laminated on the substrate 806, and is exposed by cutting out a part of the p-type semiconductor layer 802, the light emitting layer 803, and the n-type semiconductor layer 801. The second electrode 804b is laminated on a part of the exposed surface of the semiconductor layer of the n-type semiconductor layer 801. A translucent electrode 805 and a first electrode 804a are provided on the upper portion of the p-type semiconductor layer 802.

(半導体システム)
以上の半導体装置は、半導体システム、例えば、電源装置を用いたシステム等に用いられる。前記電源装置は、公知の手段を用いて、前記半導体装置を配線パターン等に接続するなどして、作製することができる。図9に、電源システムの例を示す。図9に示す例では、複数の前記電源装置と制御回路を用いて、電源システムを構成している。前記電源システムは、図10に示すように、電子回路と組み合わせてシステム装置に用いることができる。なお、電源装置の電源回路図の一例を、図11に示す。図11は、パワー回路と制御回路からなる電源装置の電源回路を示しており、この電源回路は、インバータ(MOSFET A~Dで構成)によりDC電圧を高周波でスイッチングしACへ変換後、トランスで絶縁及び変圧を実施し、整流MOSFET(A~B)で整流後、DCL(平滑用コイルL1,L2)とコンデンサにて平滑化し、直流電圧を出力する。この時に電圧比較器で出力電圧を基準電圧と比較し、所望の出力電圧となるよう、PWM制御回路でインバータ及び整流MOSFETを制御する。
(Semiconductor system)
The above semiconductor device is used for a semiconductor system, for example, a system using a power supply device. The power supply device can be manufactured by connecting the semiconductor device to a wiring pattern or the like by using a known means. FIG. 9 shows an example of a power supply system. In the example shown in FIG. 9, a power supply system is configured by using the plurality of power supply devices and control circuits. As shown in FIG. 10, the power supply system can be used in a system device in combination with an electronic circuit. An example of the power supply circuit diagram of the power supply device is shown in FIG. FIG. 11 shows a power supply circuit of a power supply device including a power circuit and a control circuit. In this power supply circuit, a DC voltage is switched at a high frequency by an inverter (composed of MOSFETs A to D), converted to AC, and then transformed into a transformer. Insulation and transformation are performed, rectified by a rectifying MOSFET (A to B), smoothed by a DCL (smoothing coils L1 and L2) and a capacitor, and a DC voltage is output. At this time, the output voltage is compared with the reference voltage by the voltage comparator, and the inverter and the rectifier MOSFET are controlled by the PWM control circuit so as to obtain the desired output voltage.

(半導体膜及び積層体の製造方法)
次に、図1を用いて説明した、本発明に係る半導体膜及び積層体の製造方法の一例について、図12に記載の製膜装置を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
(Manufacturing method of semiconductor film and laminate)
Next, an example of the method for manufacturing a semiconductor film and a laminate according to the present invention described with reference to FIG. 1 will be described with reference to the film forming apparatus shown in FIG. 12, but the present invention is limited thereto. It's not something.

本発明に係る半導体膜及び積層体の製造方法では、加熱された結晶基板に、霧化した金属酸化物前駆体とキャリアガスを含む混合気を供給して、前記結晶基板上にコランダム構造を有する金属酸化物を主成分とする半導体膜を形成する場合に、前記混合気が炭素源を含み、前記混合気における前記炭素源の含有量を、前記半導体膜の膜厚方向における水素(H)濃度の平均値が前記炭素(C)濃度の平均値以下となる含有量とする点に特徴を有している。 In the method for producing a semiconductor film and a laminate according to the present invention, a mixture containing an atomized metal oxide precursor and a carrier gas is supplied to a heated crystal substrate to have a corundum structure on the crystal substrate. When forming a semiconductor film containing a metal oxide as a main component, the air-fuel mixture contains a carbon source, and the content of the carbon source in the air-fuel mixture is the hydrogen (H) concentration in the film thickness direction of the semiconductor film. It is characterized in that the content is such that the average value of carbon (C) is equal to or less than the average value of the carbon (C) concentration.

図12に、本発明に係る半導体膜及び積層体の製造方法に用いることが可能な製膜装置の一例を示す。本発明に係る半導体膜及び積層体の製造方法の実施においては、ミストCVD装置900を用いる。霧化器902a、902b内には、原料溶液として、それぞれ、第1前駆体912a、第2前駆体912bが収納されており、公知の手段を用いて霧化(「ミスト化」とも言う)され、ミストが形成される。 FIG. 12 shows an example of a film forming apparatus that can be used in the method for producing a semiconductor film and a laminate according to the present invention. In carrying out the method for manufacturing a semiconductor film and a laminate according to the present invention, a mist CVD apparatus 900 is used. The atomizers 902a and 902b contain the first precursor 912a and the second precursor 912b as raw material solutions, respectively, and are atomized (also referred to as "mistification") by a known means. , Mist is formed.

また、ミストCVD装置900は、キャリアガス901の供給手段を備えている。キャリアガス901は、霧化器902a、902b内で形成された霧化した原料溶液(前駆体)と混合され、混合気を形成し、製膜室909へと搬送される。製膜室909に供給された混合気は、製膜室909内で熱源910により加熱された結晶基板907上で反応し、コランダム構造からなる半導体が形成される。なお、配管にはバルブ904、905等を適宜設置できる。 Further, the mist CVD apparatus 900 includes a means for supplying the carrier gas 901. The carrier gas 901 is mixed with the atomized raw material solution (precursor) formed in the atomizers 902a and 902b to form an air-fuel mixture, and is conveyed to the film forming chamber 909. The air-fuel mixture supplied to the film-forming chamber 909 reacts in the film-forming chamber 909 on the crystal substrate 907 heated by the heat source 910 to form a semiconductor having a corundum structure. In addition, valves 904, 905 and the like can be appropriately installed in the piping.

図12に示す例では、霧化器902bと製膜室909とが搬送配管906で接続され、霧化器902aからの搬送配管903が、搬送配管906の途中に合流する構造が示されているが、搬送配管903と搬送配管906が独立して製膜室909へ接続されていてもよい。また、これに限らず、第1混合気913と第2混合気923を単一のバッファタンク(図不示)に導入し、バッファタンクで混合されたミストを製膜室909へ搬送しても良い。 In the example shown in FIG. 12, a structure is shown in which the atomizer 902b and the film forming chamber 909 are connected by a transfer pipe 906, and the transfer pipe 903 from the atomizer 902a joins in the middle of the transfer pipe 906. However, the transfer pipe 903 and the transfer pipe 906 may be independently connected to the film forming chamber 909. Further, not limited to this, even if the first air-fuel mixture 913 and the second air-fuel mixture 923 are introduced into a single buffer tank (not shown in the figure) and the mist mixed in the buffer tank is conveyed to the film forming chamber 909. good.

搬送配管903、906は、前駆体の溶媒や反応器と搬送配管の取り合いにおける温度などに対して十分な安定性を有するものであれば特に限定されず、石英やポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、フッ素樹脂などといった、一般的な樹脂製の配管を広く用いることができる。 The transfer pipes 903 and 906 are not particularly limited as long as they have sufficient stability with respect to the solvent of the precursor and the temperature in the connection between the reactor and the transfer pipe, and are not particularly limited, and are quartz, polyethylene, polypropylene, vinyl chloride, and silicone. General resin pipes such as resin, urethane resin, and fluororesin can be widely used.

製膜室909の材質、構造等は特に限定されるものではなく、アルミニウムやステンレスなどの金属を用いて良いし、これらの金属の耐熱温度を超える、より高温で製膜を行う場合には石英や炭化シリコンを用いても良い。製膜室909の内部又は外部には、結晶基板907を加熱するための加熱手段910が設けられている。また、結晶基板907は、製膜室909内に設置されたサセプタ908上に載置されてよい。 The material, structure, etc. of the film-forming chamber 909 are not particularly limited, and metals such as aluminum and stainless steel may be used, and quartz is used when film-forming is performed at a higher temperature exceeding the heat-resistant temperature of these metals. Or silicon carbide may be used. A heating means 910 for heating the crystal substrate 907 is provided inside or outside the film forming chamber 909. Further, the crystal substrate 907 may be placed on the susceptor 908 installed in the film forming chamber 909.

第1前駆体912a、第2前駆体912bとしては、例えば、金属を酸に溶解した酸溶液や金属のハロゲン化物(例えばフッ化物、塩化物、臭化物又はヨウ化物等)、あるいは、水酸化物や水和物の水溶液などが挙げられる。前記金属は、金属酸化物結晶としてコランダム構造を形成可能な金属であれば限定されず、例えば、Al、Ti、V、Cr、Fe、Ga、Rh、In、Irが挙げられる。原料溶液中の金属の含有量は、特に限定されず、目的や仕様に応じて適宜設定できる。好ましくは、0.001mol/L以上、2mol/L以下であり、より好ましくは0.01mol/L以上、0.7mol/L以下である。また、第1前駆体912aと第2前駆体912bの成分は、同一でもよいし異なっていてもよい。 Examples of the first precursor 912a and the second precursor 912b include an acid solution in which a metal is dissolved in an acid, a metal halide (for example, fluoride, chloride, bromide, iodide, etc.), or a hydroxide. Examples include an aqueous solution of hydrate. The metal is not limited as long as it is a metal capable of forming a corundum structure as a metal oxide crystal, and examples thereof include Al, Ti, V, Cr, Fe, Ga, Rh, In, and Ir. The content of the metal in the raw material solution is not particularly limited and can be appropriately set according to the purpose and specifications. It is preferably 0.001 mol / L or more and 2 mol / L or less, and more preferably 0.01 mol / L or more and 0.7 mol / L or less. Further, the components of the first precursor 912a and the second precursor 912b may be the same or different.

半導体膜の導電性の調節(付与)は、不純物ドーピングにより行うことができる。この場合の不純物原料は、特に限定されない。例えば、前記金属が少なくともGaを含む場合には、Si、Ge又はSnを含む錯体や化合物が好適に使用でき、特に、ハロゲン化スズを用いるのが好ましい。これらの不純物原料を、原料溶液中の金属元素濃度に対して0.0001%~20%、より好ましくは、0.001%~10%混合させて用いることができる。 The conductivity of the semiconductor film can be adjusted (imparted) by impurity doping. The impurity raw material in this case is not particularly limited. For example, when the metal contains at least Ga, a complex or compound containing Si, Ge or Sn can be preferably used, and tin halide is particularly preferable. These impurity raw materials can be mixed with 0.0001% to 20%, more preferably 0.001% to 10% with respect to the concentration of the metal element in the raw material solution.

原料溶液の霧化は、原料溶液を霧化又は液滴化できさえすれば特に限定されず、公知の手段であってよいが、超音波を用いる霧化手段が好ましい。超音波を用いて得られたミスト又は液滴は初速度がゼロであり、空中に浮遊するので好ましく、例えば、スプレーのように吹き付けるのではなく、空間に浮遊してガスとして搬送することが可能なミストであるので、衝突エネルギーによる損傷がないため非常に好適である。液滴サイズは、特に限定されず、数mm程度以下の液滴であってもよいが、好ましくは50μm以下であり、より好ましくは0.1~10μmである。また、霧化器の数及び前駆体の種類は、結晶基板上に形成する膜の組成や積層構造に応じて増減させることができる。 The atomization of the raw material solution is not particularly limited as long as the raw material solution can be atomized or atomized, and may be a known means, but an atomizing means using ultrasonic waves is preferable. The mist or droplet obtained by using ultrasonic waves has a zero initial velocity and is preferable because it floats in the air. For example, it can float in space and be transported as a gas instead of being sprayed like a spray. Since it is a mist, it is very suitable because it is not damaged by collision energy. The droplet size is not particularly limited and may be a droplet of about several mm or less, but is preferably 50 μm or less, and more preferably 0.1 to 10 μm. Further, the number of atomizers and the type of precursor can be increased or decreased depending on the composition of the film formed on the crystal substrate and the laminated structure.

キャリアガス901は、特に限定されず、例えば、空気、酸素、オゾンの他、窒素やアルゴン等の不活性ガス、又は水素ガスやフォーミングガス等の還元ガスが好適に用いられる。キャリアガスの種類は1種類であっても、2種類以上であってもよい。キャリアガスの流量は、基板サイズや製膜室の大きさにより適宜設定すればよく、0.01~100L/分程度とすることができる。 The carrier gas 901 is not particularly limited, and for example, in addition to air, oxygen, and ozone, an inert gas such as nitrogen or argon, or a reducing gas such as hydrogen gas or forming gas is preferably used. The type of carrier gas may be one type or two or more types. The flow rate of the carrier gas may be appropriately set depending on the size of the substrate and the size of the film forming chamber, and can be about 0.01 to 100 L / min.

また、図示していないが、希釈ガスを添加して、霧化された原料とキャリアガスの割合を調節することも可能である。希釈ガスの流量は適宜設定すればよく、例えば、キャリアガスの0.1~10倍/分とすることができる。希釈ガスを、例えば、霧化器902a、902bの下流側へ供給しても良い。希釈ガスは、キャリアガスと同じものを用いても良いし、異なるものを用いても良い。 Further, although not shown, it is also possible to add a diluting gas to adjust the ratio of the atomized raw material to the carrier gas. The flow rate of the diluted gas may be appropriately set, and may be, for example, 0.1 to 10 times / min of the carrier gas. The diluted gas may be supplied to, for example, the downstream side of the atomizers 902a and 902b. As the diluting gas, the same one as the carrier gas may be used, or a different one may be used.

半導体膜を製膜する時の結晶基板の温度は、結晶基板上に形成する膜種によって適宜決定されるべきであるが、例えばα-Ga膜を形成する場合、350℃以上950℃以下とするのが良い。このような温度範囲であれば、より高い結晶品質を有する半導体膜を得ることができる。なお、膜厚は、成膜時間や前駆体の噴霧量及びキャリアガス流量を調整することにより、調節することができる。 The temperature of the crystal substrate when forming a semiconductor film should be appropriately determined depending on the film type formed on the crystal substrate. For example, when forming an α-Ga 2 O 3 film, the temperature is 350 ° C. or higher and 950 ° C. It is better to do the following. Within such a temperature range, a semiconductor film having higher crystal quality can be obtained. The film thickness can be adjusted by adjusting the film formation time, the spray amount of the precursor, and the carrier gas flow rate.

また、製膜は、大気圧下、加圧下及び減圧下のいずれの条件下で行われてもよいが、装置コストや生産性の観点から、大気圧下で行われるのが好ましい。 Further, the film formation may be performed under any conditions of atmospheric pressure, pressurization, and decompression, but it is preferably performed under atmospheric pressure from the viewpoint of equipment cost and productivity.

半導体膜と結晶基板の間に、さらに応力緩和層を形成する場合は、まず、キャリアガス901と、霧化器902aで形成した霧化した第1前駆体912aが混合された、第1混合気913を形成し、さらにキャリアガス901と、霧化器902bで形成した霧化した第2前駆体912bが混合された、第2混合気923を形成する。 When further forming a stress relaxation layer between the semiconductor film and the crystal substrate, first, a first air-fuel mixture in which the carrier gas 901 and the atomized first precursor 912a formed by the atomizer 902a are mixed. 913 is formed, and further, the carrier gas 901 and the atomized second precursor 912b formed by the atomizer 902b are mixed to form a second air-fuel mixture 923.

次いで、第1混合気913と第2混合気923を、製膜室909内でサセプタ908に載置され、加熱手段910により加熱された結晶基板907上に搬送することにより、前駆体が基板表面で反応し、第1前駆体912aの成分と第2前駆体912bの成分が混合されたコランダム構造の半導体膜が形成される。ここで、第1混合気913と第2混合気923の両方又は片方のキャリアガス流量を、所定の時間に渡り、離散的又は連続的に変化させても良い。例えば、サファイア基板とα-Gaの間に応力緩和層を形成する場合、応力緩和層を(AlGa1-x(0≦x≦1)で形成し、結晶基板側から成長方向側へ向かってx値を小さくしていくのが良い。このためには、Al源を含む第1混合気913とGa源を含む第2混合気923を製膜室909へ供給する際に、Al供給量がGa供給量より相対的に大きくなるように、それぞれの前駆体の濃度やキャリアガス流量を調節する。またこれとは別に、Al源とGa源をある割合で混合させたAl-Ga前駆体を用いた混合気で最初の製膜を行い、その後、Al濃度を相対的、段階的に減じた複数のAl-Ga前駆体を用いて積層を繰り返し、Al組成を段階的に減じた(AlGa1-xの多層膜を形成しても良い。また、この時の結晶基板の温度は、結晶基板上に形成する膜種によって適宜決定されるべきであるが、例えば、(AlGa1-x(0≦x≦1)膜を形成する場合、350℃以上950℃以下とするのが良い。このような温度範囲であれば、より高い結晶品質を有する応力緩和層を得ることができる。なお、膜厚は、成膜時間を調整することにより調節することができる。 Next, the first air-fuel mixture 913 and the second air-fuel mixture 923 are placed on the susceptor 908 in the film forming chamber 909 and transported onto the crystal substrate 907 heated by the heating means 910, whereby the precursor is transferred to the substrate surface. A semiconductor film having a corundum structure is formed in which the components of the first precursor 912a and the components of the second precursor 912b are mixed. Here, the carrier gas flow rates of both or one of the first air-fuel mixture 913 and the second air-fuel mixture 923 may be changed discretely or continuously over a predetermined time. For example, when a stress relaxation layer is formed between a sapphire substrate and α-Ga 2 O 3 , the stress relaxation layer is formed by (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 (0 ≦ x ≦ 1), and the crystal substrate is formed. It is better to reduce the x value from the side to the growth direction side. For this purpose, when the first air-fuel mixture 913 containing the Al source and the second air-fuel mixture 923 containing the Ga source are supplied to the film forming chamber 909, the Al supply amount is relatively larger than the Ga supply amount. , Adjust the concentration of each precursor and the flow rate of carrier gas. Separately from this, the first film formation was performed with an air-fuel mixture using an Al-Ga precursor in which an Al source and a Ga source were mixed at a certain ratio, and then the Al concentration was reduced in a relative and stepwise manner. The lamination may be repeated using the Al—Ga precursor of (Al x Ga 1-x ) to form a 2O 3 multilayer film in which the Al composition is gradually reduced. The temperature of the crystal substrate at this time should be appropriately determined depending on the film type formed on the crystal substrate. For example, a (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 (0 ≦ x ≦ 1) film. It is preferable that the temperature is 350 ° C. or higher and 950 ° C. or lower. Within such a temperature range, a stress relaxation layer having higher crystal quality can be obtained. The film thickness can be adjusted by adjusting the film formation time.

本発明に係る半導体膜及び積層体の製造方法では、混合気に炭素源を含有させ、混合気における炭素源の含有量を、半導体膜の膜厚方向におけるH濃度がC濃度以下となるような含有量とする。混合気に炭素源を含有させる方法としては、上記の第1前駆体912aと第2前駆体912bのいずれか又は両方に、炭素源となる炭素化合物を添加して用いるのが良い。この場合の炭素源としては、上記金属群から選ばれる金属の有機錯体や、一酸化炭素、二酸化炭素、アルコール、ケトン、カルボン酸などの炭素化合物が挙げられるが、より好ましくは上記金属のアセチルアセトン錯体を用いるのが良い。これにより、より安定して混合気へ炭素を添加することができる。炭素源の添加量は用いる炭素源により異なるが、例えば金属のアセチルアセトン錯体を用いる場合は、前駆体溶液に0.001mol/Lから0.7mol/L程度添加するのが良い。 In the method for producing a semiconductor film and a laminate according to the present invention, a carbon source is contained in the air-fuel mixture so that the content of the carbon source in the air-fuel mixture is such that the H concentration in the film thickness direction of the semiconductor film is C concentration or less. The content shall be. As a method for incorporating a carbon source into the air-fuel mixture, it is preferable to add a carbon compound as a carbon source to either or both of the above-mentioned first precursor 912a and the second precursor 912b. Examples of the carbon source in this case include an organic complex of a metal selected from the above metal group and a carbon compound such as carbon monoxide, carbon dioxide, alcohol, ketone, and carboxylic acid, but more preferably the acetylacetone complex of the above metal. Is better to use. This makes it possible to add carbon to the air-fuel mixture more stably. The amount of the carbon source added varies depending on the carbon source used, but for example, when a metal acetylacetone complex is used, it is preferable to add about 0.001 mol / L to 0.7 mol / L to the precursor solution.

炭素源は、上記のように前駆体溶液に添加して用いる方法のほか、溶質を炭素源のみとした炭素源溶液を上記と同程度の濃度に調整した後に、独立して霧化して前駆体ミストと混合して用いることができる。 As the carbon source, in addition to the method of adding to the precursor solution as described above, the carbon source solution containing only the carbon source as the solute is adjusted to the same concentration as the above, and then independently atomized to form the precursor. It can be mixed with mist and used.

以上では、炭素源を原料溶液に添加する方法について述べたが、これとは別に、炭素源を、キャリアガスもしくは希釈ガスに添加あるいは置換して用いても良い。この場合の炭素源は特に限定されないが、例えば、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス又は炭化水素ガスが好適に用いられ、より好ましくは、二酸化炭素ガスを用いるのが良い。ガス状の炭素源であれば、半導体膜中のC濃度を精度高く調整できる。この場合、二酸化炭素ガスを、キャリアガスと希釈ガスを合わせた総流量において、体積比で0.5%から90%の割合で混合するのが良く、より好ましくは10%以上65%とするのが良い。 In the above, the method of adding the carbon source to the raw material solution has been described, but separately from this, the carbon source may be added or replaced with the carrier gas or the diluted gas. The carbon source in this case is not particularly limited, but for example, carbon monoxide gas, carbon dioxide gas or hydrocarbon gas is preferably used, and more preferably carbon dioxide gas is used. If it is a gaseous carbon source, the C concentration in the semiconductor film can be adjusted with high accuracy. In this case, it is preferable to mix the carbon dioxide gas at a ratio of 0.5% to 90% by volume in the total flow rate of the carrier gas and the diluted gas, and more preferably 10% or more and 65%. Is good.

以下、実施例を挙げて本発明について詳細に説明するが、これは本発明を限定するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but this is not limited to the present invention.

(実施例1)
図12のミストCVD装置において、1台の霧化器のみを備えた装置を使用した。そして、以下の手順で酸化ガリウムの製膜を行った。まず塩化ガリウムを純水に溶解し、Ga濃度0.10mol/Lの水溶液を用意した。この水溶液に、Ga濃度に対するSnの原子比が1:0.005となるように塩化スズ(II)を添加し、さらにガリウムアセチルアセトナートを純水に対して0.01mol/L添加して、これを原料溶液とし、霧化器に充填した。
(Example 1)
In the mist CVD apparatus of FIG. 12, an apparatus equipped with only one atomizer was used. Then, a film of gallium oxide was formed by the following procedure. First, gallium chloride was dissolved in pure water to prepare an aqueous solution having a Ga concentration of 0.10 mol / L. Tin (II) chloride was added to this aqueous solution so that the atomic ratio of Sn to the Ga concentration was 1: 0.005, and 0.01 mol / L of gallium acetylacetonate was added to pure water. This was used as a raw material solution and filled in an atomizer.

次に、直径2インチ(50mm)のc面サファイア基板を、石英製サセプタに載せて石英製管状型製膜室内に設置し、ヒーターにより基板温度を450℃に保った。 Next, a c-plane sapphire substrate having a diameter of 2 inches (50 mm) was placed on a quartz susceptor and placed in a quartz tubular film-forming chamber, and the substrate temperature was maintained at 450 ° C. by a heater.

次に2.4MHzの超音波振動子で霧化器内の原料溶液を霧化した。この後、霧化器にキャリアガスの窒素を1.5L/minで、さらに希釈ガスの窒素を5.0L/minでそれぞれ導入して混合気を形成し、製膜室へ供給して大気圧下で60分間製膜を行い、膜厚1.5μmのα-Ga膜を形成した。 Next, the raw material solution in the atomizer was atomized with a 2.4 MHz ultrasonic vibrator. After that, nitrogen of the carrier gas is introduced into the atomizer at 1.5 L / min and nitrogen of the diluted gas is introduced at 5.0 L / min to form an air-fuel mixture, which is supplied to the membrane-forming chamber to atmospheric pressure. A film was formed underneath for 60 minutes to form an α-Ga 2 O 3 film having a thickness of 1.5 μm.

この後、基板を室温まで冷却してから製膜室より取り出し、Van der Pauw法(アクセント HL5500)により、キャリア濃度、抵抗率及び移動度を測定した。また、膜中のC濃度とH濃度を、SIMS(CAMECA IMS―7f)で測定した。 Then, the substrate was cooled to room temperature and then taken out from the film forming chamber, and the carrier concentration, resistivity and mobility were measured by the Van der Pauw method (accent HL5500). In addition, the C concentration and the H concentration in the membrane were measured by SIMS (CAMECA IMS-7f).

(実施例2)
図12のミストCVD装置において、1台の霧化器のみを備えた装置を使用した。そして、以下の手順で酸化ガリウムの製膜を行った。まず、塩化ガリウムを純水に溶解し、Ga濃度0.10mol/Lの水溶液を用意した。この水溶液に、Ga濃度に対するSnの原子比が1:0.005となるように塩化スズ(II)を添加して、これを原料溶液とし、霧化器に充填した。
(Example 2)
In the mist CVD apparatus of FIG. 12, an apparatus equipped with only one atomizer was used. Then, a film of gallium oxide was formed by the following procedure. First, gallium chloride was dissolved in pure water to prepare an aqueous solution having a Ga concentration of 0.10 mol / L. Tin (II) chloride was added to this aqueous solution so that the atomic ratio of Sn to the Ga concentration was 1: 0.005, and this was used as a raw material solution and filled in an atomizer.

次に、直径2インチ(50mm)のc面サファイア基板を、石英製サセプタに載せて石英製管状型製膜室内に設置し、ヒーターにより基板温度を450℃に保った。 Next, a c-plane sapphire substrate having a diameter of 2 inches (50 mm) was placed on a quartz susceptor and placed in a quartz tubular film-forming chamber, and the substrate temperature was maintained at 450 ° C. by a heater.

次に、2.4MHzの超音波振動子で霧化器内の原料溶液を霧化した。この後、霧化器にキャリアガスの窒素を1.5L/minで、さらに、希釈ガスとして二酸化炭素を5.0L/minでそれぞれ導入して混合気を形成し、製膜室へ供給して大気圧下で60分間製膜を行い、膜厚1.5μmのα-Ga膜を形成した。 Next, the raw material solution in the atomizer was atomized with a 2.4 MHz ultrasonic vibrator. After that, nitrogen as a carrier gas is introduced into the atomizer at 1.5 L / min and carbon dioxide as a diluent gas is introduced at 5.0 L / min to form an air-fuel mixture, which is supplied to the membrane-forming chamber. A film was formed under atmospheric pressure for 60 minutes to form an α-Ga 2 O 3 film having a thickness of 1.5 μm.

この後、基板を室温まで冷却してから製膜室より取り出し、実施例1と同様に、キャリア濃度、抵抗率、移動度、及び膜中のC濃度とH濃度を測定した。 After that, the substrate was cooled to room temperature and then taken out from the film forming chamber, and the carrier concentration, resistivity, mobility, and C concentration and H concentration in the film were measured in the same manner as in Example 1.

(比較例1)
図12のミストCVD装置において、1台の霧化器のみを備えた装置を使用した。そして、以下の手順で酸化ガリウムの製膜を行った。まず、塩化ガリウムを純水に溶解し、Ga濃度0.10mol/Lの水溶液を用意した。この水溶液に、Ga濃度に対するSnの原子比が1:0.005となるように塩化スズ(II)を添加して、これを原料溶液とし、霧化器に充填した。
(Comparative Example 1)
In the mist CVD apparatus of FIG. 12, an apparatus equipped with only one atomizer was used. Then, a film of gallium oxide was formed by the following procedure. First, gallium chloride was dissolved in pure water to prepare an aqueous solution having a Ga concentration of 0.10 mol / L. Tin (II) chloride was added to this aqueous solution so that the atomic ratio of Sn to the Ga concentration was 1: 0.005, and this was used as a raw material solution and filled in an atomizer.

次に、直径2インチ(50mm)のc面サファイア基板を、石英製サセプタに載せて石英製管状型製膜室内に設置し、ヒーターにより基板温度を430℃に保った。 Next, a c-plane sapphire substrate having a diameter of 2 inches (50 mm) was placed on a quartz susceptor and placed in a quartz tubular film-forming chamber, and the substrate temperature was maintained at 430 ° C. by a heater.

次に、2.4MHzの超音波振動子で霧化器内の原料溶液を霧化した。この後、霧化器にキャリアガスの窒素を1.5L/minで、さらに、希釈ガスの窒素を5.0L/minでそれぞれ導入して混合気を形成し、製膜室へ供給して大気圧下で60分間製膜を行い、膜厚1.5μmのα-Ga膜を形成した。 Next, the raw material solution in the atomizer was atomized with a 2.4 MHz ultrasonic vibrator. After that, nitrogen of the carrier gas is introduced into the atomizer at 1.5 L / min and nitrogen of the diluted gas is introduced at 5.0 L / min to form an air-fuel mixture, which is supplied to the membrane-forming chamber. A film was formed under pressure for 60 minutes to form an α-Ga 2 O 3 film having a film thickness of 1.5 μm.

この後、基板を室温まで冷却してから製膜室より取り出し、実施例1と同様に、キャリア濃度、抵抗率、移動度、及び膜中のC濃度とH濃度を測定した。 After that, the substrate was cooled to room temperature and then taken out from the film forming chamber, and the carrier concentration, resistivity, mobility, and C concentration and H concentration in the film were measured in the same manner as in Example 1.

(比較例2)
実施例1において、ガリウムアセチルアセトナートを純水に対して0.1mol/L添加して原料溶液としたこと以外は同じ条件で成膜を行い、実施例1と同じ評価を行った。
(Comparative Example 2)
In Example 1, a film was formed under the same conditions except that gallium acetylacetonate was added to pure water at 0.1 mol / L to prepare a raw material solution, and the same evaluation as in Example 1 was performed.

(比較例3)
実施例2において、希釈ガスとして二酸化炭素を1.5L/minで導入して混合気を形成したこと以外は同じ条件で成膜を行い、実施例2と同じ評価を行った。
(Comparative Example 3)
In Example 2, carbon dioxide was introduced as a diluting gas at 1.5 L / min to form an air-fuel mixture, and the film was formed under the same conditions, and the same evaluation as in Example 2 was performed.

実施例1、2及び比較例1-3において得られた半導体のキャリア密度、移動度及び抵抗率を表1に示す。実施例1,2に示されるように、本発明に係る半導体膜は、低抵抗かつ高い移動度を有する電気特性に優れたものであることが分かる。一方、混合気に炭素源を含有させなかった比較例1では、半導体膜の移動度が低かった。また、比較例2に示されるように、C濃度が本発明に係る半導体膜のC濃度と同等であったとしても、C濃度<H濃度の場合には、半導体膜の移動度が低かった。さらに、比較例3に示されるように、C濃度が本発明に係る半導体膜のC濃度より高い場合にも、半導体膜の移動度が低くなった。 Table 1 shows the carrier density, mobility and resistivity of the semiconductors obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1-3. As shown in Examples 1 and 2, it can be seen that the semiconductor film according to the present invention has low resistance and high mobility and is excellent in electrical characteristics. On the other hand, in Comparative Example 1 in which the carbon mixture was not contained in the air-fuel mixture, the mobility of the semiconductor film was low. Further, as shown in Comparative Example 2, even if the C concentration was equivalent to the C concentration of the semiconductor film according to the present invention, the mobility of the semiconductor film was low when the C concentration <H concentration. Further, as shown in Comparative Example 3, the mobility of the semiconductor film was also low when the C concentration was higher than the C concentration of the semiconductor film according to the present invention.

Figure 0007053539000001
Figure 0007053539000001

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an example, and the present invention can be anything that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and exhibits the same function and effect. Is included in the technical scope of.

100…積層体、 101…結晶基板、 102…半導体膜、
200…積層体、 201…結晶基板、 202…半導体膜、
203…応力緩和層、
300…ショットキーバリアダイオード(SBD)、 301a…n型半導体層、
301b…n型半導体層、 302…ショットキー電極、
303…オーミック電極、
400…高電子移動度トランジスタ(HEMT)、 401…n型半導体層、
402…n型半導体層、 403…n型半導体層、 404…半絶縁体層、
405…緩衝層、 406…ゲート電極、 407…ソース電極、
408…ドレイン電極、
500…金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、
501…n型半導体層、 502…n型半導体層、 503…n型半導体層、
504…ゲート絶縁膜、 505…ゲート電極、 506…ソース電極、
507…ドレイン電極、
600…絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)、
601…n型半導体層、 602…n型半導体層、 603…n型半導体層、
604…p型半導体層、 605…ゲート絶縁膜、 606…ゲート電極、
607…エミッタ電極、 608…コレクタ電極、
700…発光ダイオード(LED)、 701…第1の電極、
702…n型半導体層、 703…発光層、 704…p型半導体層、
705…透光性電極、 706…第2の電極、
800…発光ダイオード(LED)、 801…n型半導体層、
802…p型半導体層、 803…発光層、 804a…第1の電極、
804b…第2の電極、 806…基板、
900…ミストCVD装置、 901…キャリアガス、 902a…霧化器、
902b…霧化器、 903…搬送配管、 904…バルブ、
905…バルブ、 906…搬送配管、 907…結晶基板、 908…サセプタ、
909…製膜室、 910…加熱手段、 912a…第1金属酸化物前駆体、
912b…第2金属酸化物前駆体、 913…第1混合気、923…第2混合気。
100 ... Laminated body, 101 ... Crystal substrate, 102 ... Semiconductor film,
200 ... Laminate, 201 ... Crystal substrate, 202 ... Semiconductor film,
203 ... Stress relaxation layer,
300 ... Schottky barrier diode (SBD), 301a ... n - type semiconductor layer,
301b ... n + type semiconductor layer, 302 ... Schottky electrode,
303 ... Ohmic electrode,
400 ... High electron mobility transistor (HEMT), 401 ... n-type semiconductor layer,
402 ... n-type semiconductor layer, 403 ... n + type semiconductor layer, 404 ... semi-insulator layer,
405 ... Buffer layer, 406 ... Gate electrode, 407 ... Source electrode,
408 ... Drain electrode,
500 ... Metal oxide film semiconductor field effect transistor (PWM),
501 ... n - type semiconductor layer, 502 ... n + type semiconductor layer, 503 ... n + type semiconductor layer,
504 ... Gate insulating film, 505 ... Gate electrode, 506 ... Source electrode,
507 ... Drain electrode,
600 ... Insulated gate type bipolar transistor (IGBT),
601 ... n-type semiconductor layer, 602 ... n - type semiconductor layer, 603 ... n + type semiconductor layer,
604 ... p-type semiconductor layer, 605 ... gate insulating film, 606 ... gate electrode,
607 ... Emitter electrode, 608 ... Collector electrode,
700 ... Light emitting diode (LED), 701 ... First electrode,
702 ... n-type semiconductor layer, 703 ... light emitting layer, 704 ... p-type semiconductor layer,
705 ... Translucent electrode, 706 ... Second electrode,
800 ... Light emitting diode (LED), 801 ... n-type semiconductor layer,
802 ... p-type semiconductor layer, 803 ... light emitting layer, 804a ... first electrode,
804b ... second electrode, 806 ... substrate,
900 ... mist CVD device, 901 ... carrier gas, 902a ... atomizer,
902b ... atomizer, 903 ... transfer piping, 904 ... valve,
905 ... Valve, 906 ... Conveying piping, 907 ... Crystal substrate, 908 ... Suceptor,
909 ... Film forming chamber, 910 ... Heating means, 912a ... First metal oxide precursor,
912b ... Second metal oxide precursor, 913 ... First air-fuel mixture, 923 ... Second air-fuel mixture.

Claims (13)

結晶基板と、コランダム構造を有する金属酸化物を主成分とする半導体膜とを含む積層体であって、
前記半導体膜の膜厚方向における炭素(C)濃度の平均値が1.0×1019cm-3以上、1.0×1021cm-3以下であり、かつ、前記半導体膜の膜厚方向における水素(H)濃度の平均値が前記炭素(C)濃度の平均値以下であることを特徴とする積層体。
A laminate containing a crystal substrate and a semiconductor film containing a metal oxide having a corundum structure as a main component.
The average value of the carbon (C) concentration in the film thickness direction of the semiconductor film is 1.0 × 10 19 cm -3 or more, 1.0 × 10 21 cm -3 or less, and the semiconductor film film thickness direction. The laminate is characterized in that the average value of the hydrogen (H) concentration in the above is equal to or less than the average value of the carbon (C) concentration.
前記炭素(C)濃度の平均値が2.0×1019cm-3以上、5.0×1020cm-3以下であることを特徴とする請求項1に記載の積層体。 The laminate according to claim 1, wherein the average value of the carbon (C) concentration is 2.0 × 10 19 cm -3 or more and 5.0 × 10 20 cm -3 or less. 前記半導体膜におけるキャリア移動度が5cm/Vs以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の積層体。 The laminate according to claim 1 or 2, wherein the carrier mobility in the semiconductor film is 5 cm 2 / Vs or more. 前記半導体膜におけるキャリア密度が1.0×1016/cm以上、1.0×1021/cm以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の積層体。 The laminate according to any one of claims 1 to 3, wherein the carrier density in the semiconductor film is 1.0 × 10 16 / cm 3 or more and 1.0 × 10 21 / cm 3 or less. .. 前記金属酸化物が、Ga酸化物又はAl酸化物を含むものであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の積層体。 The laminate according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal oxide contains a Ga oxide or an Al oxide. 前記結晶基板の主表面の面積が10cm以上であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の積層体。 The laminate according to any one of claims 1 to 5, wherein the area of the main surface of the crystal substrate is 10 cm 2 or more. 前記半導体膜の膜厚が1μm以上であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の積層体。 The laminate according to any one of claims 1 to 6, wherein the semiconductor film has a film thickness of 1 μm or more. コランダム構造を有する金属酸化物を主成分とする半導体膜であって、
前記半導体膜の膜厚方向における炭素(C)濃度の平均値が1.0×1019cm-3以上、1.0×1021cm-3以下であり、かつ、前記半導体膜の膜厚方向における水素(H)濃度の平均値が前記炭素(C)濃度の平均値以下であることを特徴とする半導体膜。
A semiconductor film containing a metal oxide having a corundum structure as a main component.
The average value of the carbon (C) concentration in the film thickness direction of the semiconductor film is 1.0 × 10 19 cm -3 or more, 1.0 × 10 21 cm -3 or less, and the semiconductor film film thickness direction. The semiconductor film is characterized in that the average value of the hydrogen (H) concentration in the above is equal to or less than the average value of the carbon (C) concentration.
半導体膜と電極とを少なくとも含む半導体装置であって、前記半導体膜として、請求項8に記載の半導体膜を含むことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device including at least a semiconductor film and electrodes, wherein the semiconductor film includes the semiconductor film according to claim 8. 請求項9に記載の半導体装置を備えることを特徴とする半導体システム。 A semiconductor system comprising the semiconductor device according to claim 9. 加熱された結晶基板に、霧化した金属酸化物前駆体とキャリアガスを含む混合気を供給して、前記結晶基板上にコランダム構造を有する金属酸化物を主成分とする半導体膜を形成する積層体の製造方法であって、
前記混合気が炭素源を含み、
前記混合気における前記炭素源の含有量を、前記半導体膜の膜厚方向における水素(H)濃度の平均値が前記炭素(C)濃度の平均値以下となる含有量とすることを特徴とする積層体の製造方法。
A laminate containing an atomized metal oxide precursor and a carrier gas is supplied to a heated crystal substrate to form a semiconductor film containing a metal oxide having a corundum structure as a main component on the crystal substrate. It ’s a method of manufacturing the body.
The air-fuel mixture contains a carbon source and contains
The content of the carbon source in the air-fuel mixture is characterized in that the average value of the hydrogen (H) concentration in the film thickness direction of the semiconductor film is equal to or less than the average value of the carbon (C) concentration. Method for manufacturing a laminate.
前記炭素源は、一酸化炭素、二酸化炭素、アルコール、ケトン、カルボン酸又は有機金属錯体のいずれか1つ以上を含むことを特徴とする請求項11に記載の積層体の製造方法。 The method for producing a laminate according to claim 11, wherein the carbon source contains any one or more of carbon monoxide, carbon dioxide, alcohol, ketone, carboxylic acid, and an organic metal complex. 前記炭素源は、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス又は炭化水素ガスのいずれか1つ以上を含むことを特徴とする請求項11又は12に記載の積層体の製造方法。 The method for producing a laminate according to claim 11 or 12, wherein the carbon source contains any one or more of carbon monoxide gas, carbon dioxide gas, and hydrocarbon gas.
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