JP7598113B2 - Crystalline film growth method and crystalline oxide film - Google Patents
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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 with reduced in-plane rotation domains, a crystalline oxide film, and applications 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-Ga2O3は、β-Ga2O3やα-Ga2O3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-Ga2O3は自発分極を有するため、κ-Ga2O3/(AlxGa1-x)2O3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。 Gallium oxide has been reported to have five crystal structures, α, β, δ, ε and γ, as well as κ crystal structure. κ-Ga 2 O 3 , like β-Ga 2 O 3 and α-Ga 2 O 3 , has a large band gap of 4.9 eV and is considered to be a promising material for next-generation power semiconductor materials with high voltage resistance 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, it has been pointed out that a high concentration of two-dimensional electron gas can be formed at the heterointerface such as κ-Ga 2 O 3 / (Al x Ga 1-x ) 2 O 3 , and it is expected that a high-performance power device using this gas will be realized.
κ-Ga2O3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-Ga2O3は準安定相であるため、単結晶κ-Ga2O3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-Ga2O3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 the application of κ-Ga 2 O 3 to devices. However, since κ-Ga 2 O 3 is a metastable phase, there are no single-crystal κ-Ga 2 O 3 substrates. Therefore, attempts have been made mainly to grow heteroepi-growth on heterogeneous substrates (see, for example, Non-Patent Documents 2-4). However, Non-Patent Documents 2-4 report that, whether grown by MOCVD, mist CVD, or HVPE, the epi-grown film of κ-Ga 2 O 3 consists of three types of domains rotated by 120° in the (001) plane, and these domains are mixed together on 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 domains are mixed, the domain boundaries may scatter electrons, reducing mobility or causing current leakage, lowering the breakdown voltage of power devices. Therefore, it is desirable to reduce such rotational domains and realize a single crystal film that preferably has a single in-plane orientation.
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。 In view of the above, the object of the present invention is to provide a method for growing a high-quality crystal film with reduced in-plane rotation domains, a crystalline oxide film, and uses 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 intensive research to achieve the above object, the inventors have discovered that by using a crystal film growth method using ELO with a specific mask pattern, they have succeeded in creating a crystal film and/or a crystalline oxide film that has a rectangular crystal structure and has fewer in-plane rotation domains than conventional methods, and that the crystallinity and other qualities of the resulting crystal film and/or crystalline oxide film are excellent. They have also discovered that such a crystal film growth method can solve the above-mentioned conventional problems in one fell swoop.
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。 After obtaining the above findings, the inventors conducted further research 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-(AlxInyGa1-x-y)2O3、β-(AlxInyGa1-x-y)2O3、および、γ-(AlxInyGa1-x-y)2O3(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-(AlxInyGa1-x-y)2O3(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-(AlxInyGa1-x-y)2O3(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 for growing a crystalline film by supplying a raw material to a substrate provided with a mask having a plurality of windows, the crystalline film having a plurality of in-plane rotational domain groups, the plurality of windows being arranged linearly and having a striped shape, the method comprising forming the mask on the substrate and growing the crystalline film such that a growth rate along the linear direction of the window of one of the plurality of in-plane rotational domain groups is greater than a growth rate along the linear direction of the other in-plane rotational domain groups.
[2] The method according to [1] above, wherein the crystalline film comprises a material selected from the group consisting of oxides, nitrides, and oxynitrides.
[3] The method according to [ 2] above, wherein the oxide is selected from the group consisting of κ-( AlxInyGa1 -xy ) 2O3 , β- ( AlxInyGa1 - xy ) 2O3 , and γ-( AlxInyGa1 -xy ) 2O3 (wherein x, y, and z satisfy 0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦ x + y≦1).
[4] The method according to any one of [1] to [3] above, wherein a method selected from the group consisting of HVPE, mist CVD and MOCVD is used for growing the crystal film.
[5] The method according to any one of [1] to [4] above, wherein the width of the window is within the range of 0.1 μm to 20 μm.
[6] The method according to any one of [1] to [5] above, wherein the width of the mask is within the range of 5 μm to 500 μm.
[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 for growing a crystal film by supplying a raw material to a substrate provided with a mask having a plurality of windows, the crystal film having a plurality of in-plane rotational domain groups, the plurality of windows being arranged linearly and having a dot-like shape, the method including forming the mask on the substrate and growing the crystal film such that a growth rate along the linear direction of the window of one of the plurality of in-plane rotational domain groups is greater than a growth rate along the linear direction of the window of another in-plane rotational domain group, the method further including the step of: when a center-to-center distance between two adjacent dots in the linear direction of the window is p, a center-to-center distance between two adjacent dots in a direction perpendicular to the linear direction of the window satisfies p×2/√3 or more and 500 μm or less.
[9] The method according to [8], wherein each of the plurality of windows has a circular and/or polygonal shape.
[10] The method according to [9], wherein the circles and/or polygons are approximately perfect circles and/or approximately regular polygons, and when a center-to-center distance of the approximately perfect circles and/or the approximately regular polygons in a direction parallel to the linear direction of the windows is p, a center-to-center distance of the approximately perfect circles and/or the approximately regular polygons in a direction perpendicular to the linear direction of the windows satisfies p×2/√3 or more and 500 μm or less.
[11] The method according to [10], wherein a diameter of the approximately perfect circle and/or the approximately regular polygon is within a range of 0.1 μm or more and 10 μm or less, and a center-to-center distance of the approximately perfect circle and/or the approximately regular polygon in a direction parallel to the linear direction of the window is within a 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] above, wherein the mask is made of an amorphous material.
[14] The method according to any one of [1] to [13], wherein the substrate further comprises a buffer layer between the mask and the substrate.
[15] The method according to [14], further comprising growing the crystalline film on the buffer layer.
[16] The method according to any of [1] to [15], comprising forming the mask as a first mask on the substrate and growing the crystal film as a first crystal film, followed by forming a second mask on the first crystal film and further growing a second crystal film, wherein the second mask has a plurality of windows arranged linearly, and the second mask is formed on the first crystal film such that the plurality of windows of the second mask do not overlap with the plurality of windows of the first mask.
[17] The crystal film is κ-(Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 (wherein x, y, and z satisfy 0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1),
the substrate is 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 method according to any one of claims 1 to 16, wherein the mask is formed such that an angle between the linear direction of the window and a [11-20] direction of the substrate is between -5° and 5°.
[18] The method according to [17] above, 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, wherein the content of rotational domains in the crystalline oxide film is 30% or less.
[20] The crystalline oxide film according to [19], wherein a main component of the crystalline oxide film is κ-(Al x In y Ga 1-xy ) 2 O 3 (wherein x, y, and z satisfy 0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1) oriented in the (001) plane.
[21] A semiconductor device comprising the crystalline oxide film according to claim 19 or 20.
[22] A semiconductor element comprising at least a semiconductor layer provided on a crystal substrate having a crystal structure including a [11-20] axis or a [10-10] axis, and a first electrode and a second electrode each disposed on a first surface side of the semiconductor layer, wherein a current flows in the semiconductor layer in a first direction from the first electrode to the second electrode, wherein 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 [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 detection element, and a transistor.
[25] The semiconductor device according to [23] or [24] above, 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。 The crystal film growth method of the present invention allows for preferential growth of only a single group of in-plane rotation domains. As a result, it is possible to provide a high-quality crystal film and/or crystalline oxide film with reduced in-plane rotation domains.
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。 A method for growing a crystal film in an embodiment of the present invention is a method for supplying raw material onto a substrate having a mask with multiple windows and growing a crystal film, the crystal film having multiple in-plane rotational domain groups, the multiple windows being arranged linearly and having a stripe shape, and the method is characterized in that it includes forming the mask on the substrate and growing the crystal film such that the growth rate along the linear direction of the window of one of the multiple in-plane rotational domain groups is greater than the growth rate along the linear direction of the other in-plane rotational domain groups. In addition, a method for growing a crystal film in an embodiment of the present invention is a method for growing a crystal film by supplying a raw material to a substrate equipped with a mask having multiple windows, the crystal film having multiple in-plane rotational domain groups, the multiple windows being arranged linearly and having a dot-like shape, and the mask is formed on the substrate and the crystal film is grown so that the growth rate along the linear direction of the window of one of the multiple in-plane rotational domain groups is greater than the growth rate along the linear direction of the other in-plane rotational domain groups, and further characterized in that, when the center-to-center distance between two adjacent dots in the linear direction of the multiple windows is p, the center-to-center distance between two adjacent dots in a direction perpendicular to the linear direction of the multiple windows satisfies 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。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. It is of course possible to combine multiple embodiments of the present invention, or to apply some of the components to other embodiments, and such combinations also belong to the embodiments 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。 Figure 1 is a diagram showing an example of a flow chart for growing a crystal film in an embodiment of the present invention. In step S110, a buffer layer is formed on a substrate. In an embodiment of the present invention, a mask may be formed directly on the substrate (without a buffer layer) and then the crystal film may be grown, or a mask may be formed on the substrate via a buffer layer and then the crystal film may be grown. In an embodiment of the present invention, as shown in step S110 of Figure 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, and oxynitrides. Examples of the oxides include metal oxides containing one or more metals selected from aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), iron (Fe), chromium (Cr), vanadium (V), titanium (Ti), rhodium (Rh), iridium (Ir), cobalt (Co), zinc (Zn), tin (Sn), zirconium (Zr), silicon (Si), tungsten (W), tantalum (Ta), hafnium (Hf), scandium (Sc), and yttrium (Y). Examples of the nitrides include nitrides containing one or more metals selected from aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In). More specifically, examples of the nitrides include gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), aluminum nitride (AlN), and mixed crystals thereof. Examples of the oxynitride include SiON, AlON, and TiON. In an embodiment of the present invention, the buffer layer preferably contains an oxide, and more preferably contains titanium oxide. By using such a preferable buffer layer, the crystal film having a rectangular crystal structure (e.g., a κ-type crystal structure) with excellent crystal quality can be grown better. 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 deposition method, a CVD method, and a sputtering method.
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。 Next, in step S120, a mask having a number of windows arranged in a line is formed on the substrate obtained in step S110, on whose surface a buffer layer has been formed, and a crystal film is formed on the obtained substrate.
(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 not particularly limited as long as it is provided with a mask having a plurality of windows and 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 an embodiment of the present invention, the substrate is preferably a crystal 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 insulating substrate, a conductive substrate, or a semiconductor substrate. It may be a single crystal substrate or a polycrystalline substrate. Examples of the crystal substrate include a substrate containing a crystal having a corundum structure as a main component, a substrate containing a crystal having a β-gallia structure as a main component, and a substrate containing a crystal having a hexagonal structure as a main component. In an embodiment of the present invention, the crystal substrate preferably has a crystal structure including a [11-20] axis (a-axis) or a [10-10] axis (m-axis). Examples of crystal structures including a [11-20] axis (a-axis) or a [10-10] axis (m-axis) include corundum structures and hexagonal structures (e.g., ε-type structure, wurtzite-type structure, etc.). The term "main component" refers to a substrate that contains 50% or more of the crystalline matter, preferably 70% or more, and more preferably 90% or more, in terms of composition ratio in the substrate. The plane index of the main surface of the substrate is not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, it is preferably the (0001) plane (c-plane).
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-Ga2O3基板、またはβ-Ga2O3とAl2O3とを含む混晶体基板などが挙げられる。なお、β-Ga2O3とAl2O3とを含む混晶体基板としては、例えば、Al2O3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 a crystal having a β-gallium 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. A suitable example of the mixed crystal substrate containing β-Ga 2 O 3 and Al 2 O 3 is a mixed crystal substrate containing Al 2 O 3 in an atomic ratio of more than 0% and 60% or less. Examples of the substrate having a hexagonal crystal structure include a SiC substrate, a ZnO substrate, a GaN substrate, or an AlN substrate. Examples of other crystal substrates include a Si substrate.
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 an 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. 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、SiO2、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 is not particularly limited as long as it has a plurality of windows and the plurality of windows are arranged in a line. The material of the mask is not particularly limited and may be a known material. It may be an insulating material, a conductive material, or a semiconductor material. The material may be amorphous, single crystal, or polycrystalline. Examples of the material of the convex portion include oxides, nitrides, or carbides of Si, Ge, Ti, Zr, Hf, Ta, Sn, Al, carbon, diamond, metals, and mixtures thereof. More specifically, Si-containing compounds containing SiO 2 , SiN, or polycrystalline silicon as a main component, and metals having a melting point higher than the crystal growth temperature of the crystalline oxide semiconductor (e.g., noble metals such as platinum, gold, silver, palladium, rhodium, iridium, and ruthenium) may be mentioned. In an embodiment of the present invention, the material of the mask is preferably at least one selected from oxides, nitrides, oxynitrides, and metals. In an embodiment of the present invention, the material of the mask may be an amorphous material. Examples of the oxide, nitride, or oxynitride include oxides, nitrides, or oxynitrides of Si, Ge, Ti, Zr, Hf, Ta, Sn, etc. 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。 The shape of the plurality of windows arranged in a line is not particularly limited, and may be stripe-shaped or dot-shaped. In an embodiment of the present invention, when the shape of the plurality of windows is dot-shaped, the center-to-center distance between two adjacent dots in the linear direction of the plurality of windows is usually p, and the center-to-center distance between two adjacent dots in the direction perpendicular to the linear direction of the plurality of windows 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, such an arrangement of dimensions allows a domain with a single in-plane orientation to grow preferentially. The surface shape of the dot is also not particularly limited, and may be circular or polygonal (e.g., triangular, rectangular, pentagonal, hexagonal, etc.). In an embodiment of the present invention, it is preferable that the shape of the plurality of windows is stripe-shaped, because a crystal film with a single in-plane orientation can be obtained better and more easily. In an embodiment of the present invention, when the shape of the plurality of windows is dot-shaped, it is preferable that the shape of the plurality of windows is approximately a perfect circle and/or approximately a regular polygon. In this case, if the center-to-center distance between adjacent nearly perfect circles and/or adjacent nearly regular polygons in a direction parallel to the linear direction of the windows is p, the center-to-center distance q between adjacent nearly perfect circles and/or adjacent nearly regular polygons in a direction perpendicular to the linear direction of the windows satisfies p×2/√3 or more and 500 μm or less. Furthermore, in an embodiment of the present invention, it is preferable that the diameter of the nearly perfect circle and/or the nearly regular polygon is in the range of 0.1 μm to 10 μm, and the center-to-center distance between the nearly perfect circle and/or the nearly regular polygon in a direction parallel to the linear direction of the windows is in the range of 0.3 μm to 25 μm. Figure 6 shows a top view of a mask and windows as an example of a mask in which a plurality of windows are arranged linearly. Figure 6(A) shows a stripe shape, Figure 6(B) shows a dot shape (circle shape), Figure 6(C) shows a dot shape (triangle shape), and Figure 6(D) shows a dot shape (square shape).
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 may be formed by any known method, such as photolithography, electron beam lithography, laser patterning, and subsequent etching (e.g., dry etching or wet etching). The pitch of the pattern shape is 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 most preferably 0.5 μm to 10 μm.
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。 Figure 3 is a schematic diagram showing a manufacturing process for forming a mask on a substrate via a buffer layer in an embodiment of the present invention. Figure 3(a) shows a substrate 1. A buffer layer 2 is formed on the substrate 1 of Figure 3(a) using a known method to obtain a laminate of Figure 3(b). Next, a mask layer is formed on the obtained laminate (b) using a known film formation method (e.g., vacuum deposition method, CVD method or sputtering method), and then a mask 3 arranged in a line is formed by processing using a known patterning processing method to obtain a laminate of Figure 3(c). Examples of the patterning processing method include known patterning processing methods such as photolithography, electron beam lithography, laser patterning, and subsequent etching (e.g., dry etching or wet etching, etc.).
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。 Figure 11 is a perspective view showing a substrate on which a mask is formed via a buffer layer. The substrate 1 in Figure 11 has a mask 3 having a plurality of striped windows formed on its surface via a buffer layer 2, and the plurality of windows 4 of the mask are arranged linearly. In an embodiment of the present invention, when forming a crystal film having, for example, a rectangular crystal structure (for example, a κ-type crystal structure) as the crystal film, for example, a c-plane sapphire substrate is used as the substrate, and the mask is formed so that the linear direction d1 of the plurality of windows 4 is parallel to the [11-20] axis (a-axis) direction of the sapphire substrate, so that the growth rate along the linear direction of the windows of one of the plurality of in-plane rotational domain groups of the crystal film can be made larger than the growth rate along the linear direction of the other in-plane rotational domain groups. In addition, in an 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 angle between the linear direction d1 of the window 4 and the [11-20] direction of the substrate is preferably within the range of -5° to 5°.
前記窓の幅DW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DM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DM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DWは、前記マスクの幅DM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 it does not impede the object of the present invention. In an embodiment of the present invention, the width of the window is preferably in the range of 0.1 μm to 20 μm, more preferably in the range of 1 μm to 15 μm, and most preferably in the range of 3 μm to 7 μm. The width D M of the mask is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention. In an embodiment of the present invention, the width D M of the mask is preferably in the range of 5 μm to 500 μm, more preferably in the range of 5 μm to 200 μm, and most preferably in the range of 10 μm to 50 μm. 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 preferred ranges, the quality of the crystal film can be 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。 Figure 12 is a schematic perspective view of a substrate having a mask formed on its surface via a buffer layer in another embodiment of the present invention. The substrate 1 in Figure 12 has a mask 3 having a plurality of dot-shaped (circular) windows formed on its surface via a buffer layer 2, and the plurality of windows 4 of the mask are arranged linearly. In an embodiment of the present invention, when forming a crystal film having, for example, a rectangular crystal structure (for example, a κ-type crystal structure) as the crystal film, for example, a c-plane sapphire substrate is used as the substrate, and the mask is formed so that the linear direction of the plurality of windows 4 is parallel to the [11-20] axis (a-axis) direction of the sapphire substrate, so that the growth rate along the linear direction of the windows of one of the plurality of in-plane rotational domain groups of the crystal film can be made larger than the growth rate along the linear direction of the other in-plane rotational domain groups. In an embodiment of the present invention, when the center-to-center distance in a direction parallel to the linear direction of the window 4 is p, the center-to-center distance q in a direction perpendicular to the linear direction of the window 4 satisfies "p x 2/√3 ≤ q ≤ 500 μm". In addition, in an embodiment of the present invention, it is preferable that the diameter R of the window 4 is in the range of 0.1 μm to 10 μm, and the center-to-center distance p in the direction parallel to the linear direction of the window 4 is in the range of 0.3 μm to 25 μm. By setting the width of the window and the width of the mask within such a preferable range, the quality of the crystal film can be 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-Ga2O3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。
(Crystalline film)
The crystal film is not particularly limited as long as it has a plurality of in-plane rotation domain groups. Here, the in-plane rotation domain group refers to, for example, three types of domains rotated by 120° in the (001) plane when the crystal film is (001) plane κ-Ga 2 O 3. In an embodiment of the present invention, the crystal film preferably contains at least one selected from the group consisting of oxides, nitrides, and oxynitrides as a main component. Examples of the oxide include metal oxides containing one or more metals selected from aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), iron (Fe), chromium (Cr), vanadium (V), titanium (Ti), rhodium (Rh), iridium (Ir), cobalt (Co), zinc (Zn), tin (Sn), zirconium (Zr), silicon (Si), tungsten (W), tantalum (Ta), hafnium (Hf), scandium (Sc), and yttrium (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), or 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-(AlxInyGa1-x-y)2O3、β-(AlxInyGa1-x-y)2O3、および、γ-(AlxInyGa1-x-y)2O3(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 an embodiment of the present invention, the crystal film preferably contains an oxide. In addition, in an embodiment of the present invention, the oxide is preferably at least one selected from the group consisting of κ-(Al x In y Ga 1-x-y ) 2 O 3 , β-(Al x In y Ga 1-x-y ) 2 O 3 , and γ-(Al x In y Ga 1-x-y ) 2 O 3 (wherein x, y, and z satisfy 0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1). The crystal structure of the oxide is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention. Examples of the crystal structure of the oxide include a corundum structure, a β-gallia structure, a hexagonal structure (e.g., an ε-type structure), an orthorhombic structure (e.g., a κ-type structure), a cubic structure, and a tetragonal structure. In an embodiment of the present invention, the crystal structure of the oxide is preferably a corundum structure, a hexagonal structure or an orthorhombic structure, more preferably an orthorhombic 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 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, Au, Zn, Cd, Hg, Ti, Pb, N, P, or two or more of these elements. The content of the dopant in the second crystal layer is not particularly limited, but is preferably 0.00001 atomic % or more, more preferably 0.00001 atomic % to 20 atomic %, and most preferably 0.00001 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。
(Raw materials)
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 an embodiment of the present invention, it is preferable that the raw material contains a metal. Examples of the metal include one or more metals selected from gallium (Ga), iridium (Ir), indium (In), rhodium (Rh), aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), copper (Cu), iron (Fe), manganese (Mn), nickel (Ni), palladium (Pd), cobalt (Co), ruthenium (Ru), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta), zinc (Zn), lead (Pb), rhenium (Re), titanium (Ti), tin (Sn), gallium (Ga), magnesium (Mg), calcium (Ca), and zirconium (Zr).
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 the HVPE method, the mist CVD method, and the MOCVD method. In an embodiment of the present invention, it is preferable to grow the crystal film 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-Ga2O3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, the embodiment of the present invention will be described in more detail, taking as an example a case where the HVPE method is used as a method for growing the crystal film and κ-Ga 2 O 3 is grown as the crystal film. Specifically, the HVPE method is preferably carried out by gasifying a metal source containing a metal to form a metal halide gas, and then supplying the metal halide gas and an oxygen-containing source gas to the crystal substrate in a reaction chamber to form a film. In addition, in the embodiment of the present invention, it is also preferable to supply a 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 metal element 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, and iridium. In an 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 most preferably gallium element. The metal source may be gas, liquid, or solid, but in an embodiment of the present invention, for example, when gallium is used as the metal, the metal source is preferably 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 it does not impede the object of the present invention. In an embodiment of the present invention, it is preferable that the gasification means is performed by halogenating the metal source. The halogenating agent used for the halogenation is not particularly limited and may be a known halogenating agent as long as it can halogenate the metal source. Examples of the halogenating agent include halogen and hydrogen halide. Examples of the halogen include fluorine, chlorine, bromine, and iodine. Examples of the hydrogen halide include hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, and hydrogen iodide. In an embodiment of the present invention, it is preferable to use hydrogen halide for the halogenation, and more preferably hydrogen chloride. In an embodiment of the present invention, it is preferable to perform the gasification by supplying a halogen or hydrogen halide as a halogenating agent to the metal source and reacting the metal source with the halogen or hydrogen halide at a temperature equal to or higher than the vaporization temperature of the metal halide to form a metal halide. The halogenation reaction temperature is not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, for example, when the metal source is gallium and the halogenating agent is HCl, the temperature is preferably 900°C or less, more preferably 700°C or less, 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 halide of the metal source. Examples of the metal halide gas include halides of the metal (fluorides, chlorides, bromides, iodides, 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、O2ガス、CO2ガス、NOガス、NO2ガス、N2Oガス、H2OガスまたはO3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、O2、H2OおよびN2O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、O2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 an embodiment of the present invention, a metal source containing a metal is gasified to form a metal halide gas, and then the metal halide gas and the oxygen-containing source gas are supplied onto the substrate in the reaction chamber. In an embodiment of the present invention, a reactive gas is supplied onto the substrate. The temperature for forming the crystal layer is not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, for example, when the metal source is gallium and the halogenating agent is HCl, the temperature is preferably 900° C. or less, more preferably 700° C. or less, and most preferably 400° C. to 700° C. The oxygen-containing source gas is, for example, one or more gases 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. In an embodiment of the present invention, the oxygen-containing source gas is preferably one or more gases selected from the group consisting of O 2 , H 2 O, and N 2 O, and more preferably contains O 2 . The reactive gas is usually a gas having a different reactivity from the metal halide gas and the oxygen-containing source gas, and does not include an inert gas. The reactive gas is not particularly limited, but may be, for example, an etching gas. The etching gas is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention, and may be a known etching gas. In an embodiment of the present invention, the reactive gas is preferably a halogen gas (e.g., fluorine gas, chlorine gas, bromine gas, or iodine gas), a hydrogen halide gas (e.g., hydrofluoric acid gas, hydrochloric acid gas, hydrogen bromide gas, or hydrogen iodide gas), hydrogen gas, or a mixed gas of two or more of these, and preferably contains a hydrogen halide gas, and most preferably contains hydrogen chloride. The metal halide gas, the oxygen-containing source gas, and the reactive gas may contain a carrier gas. Examples of the carrier gas include an inert gas such as nitrogen or argon. The partial pressure of the metal halide gas is not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, it is preferably 0.5 Pa to 1 kPa, and more preferably 5 Pa to 0.5 kPa. The partial pressure of the oxygen-containing source gas is not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, it is preferably 0.5 to 100 times the partial pressure of the metal halide gas, and more preferably 1 to 20 times. The partial pressure of the reactive gas is also not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, it is preferably 0.1 to 5 times the partial pressure of the metal halide gas, and more preferably 0.2 to 3 times.
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 an embodiment of the present invention, it is also preferable to supply a dopant-containing source gas to the substrate. The dopant-containing source gas is not particularly limited as long as it contains a dopant. The dopant is also not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, the dopant preferably contains one or more elements selected from germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, niobium and tin, more preferably germanium, silicon or tin, and most preferably germanium. By using the dopant-containing source gas in this way, the conductivity of the resulting film can be easily controlled. The dopant-containing source gas preferably contains the dopant in the form of a compound (e.g., a halide, an oxide, etc.), more preferably in the form of a halide. The partial pressure of the dopant-containing source gas is not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, it is preferably 1×10 −7 to 0.1 times, and more preferably 2.5×10 −6 to 7.5×10 −2 times, the partial pressure of the metal-containing source gas. In addition, in an embodiment of the present invention, it is preferable to supply the dopant-containing source 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 an embodiment of the present invention, it is also preferable to form the mask as a first mask on the substrate, grow the crystal film as a first crystal film, and then, as step S130, form a second mask on the first crystal film and further grow the second crystal film. By further growing the second crystal film in this manner, a second crystal film having an in-plane rotation domain further reduced than that of the first crystal film can be obtained. In this case, the second mask has a plurality of windows arranged linearly like the first mask, and is preferably formed so that the plurality of windows of the second mask and the plurality of windows of the first mask do not overlap.
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。 Figure 2 is a diagram showing another preferred example of a flow chart for growing a crystal film in an embodiment of the present invention. The growth method shown in Figure 2 differs from the growth method shown in Figure 1 in that it includes a step S210 between steps S110 and S120, in which a flat film is grown on the buffer layer. The material of the flat film is not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, it is preferably the same as the material of the crystal film. The method of forming the flat film may also be the same as the method of 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 rotational domain groups, and the mask is formed on the substrate so that the growth rate of the window in one of the plurality of in-plane rotational domain groups along the linear direction is greater than the growth rate of the other in-plane rotational domain groups along the linear direction. The method of forming a mask and growing the crystal film in this manner 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。 Figure 4 is a surface diagram showing a crystal film having multiple in-plane rotation domains to which the crystal film growth method of the embodiment of the present invention is applied. Figure 4 shows a schematic diagram of the crystal film grown from the window 310 growing laterally on the mask when the crystal film is grown on a substrate having a striped mask. For simplicity, the crystal film growing on the window 310 is not shown. When the crystal film is grown using ELO, as shown in Figure 4, it usually contains multiple in-plane rotation domains 320a, 320b, and 320c when it grows laterally from the window 310. For convenience, Figure 4 shows the multiple in-plane rotation domains 320a, 320b, and 320c growing evenly in a specific order, but the crystal film obtained by the conventional crystal film growth method usually has these three types of in-plane rotation domains distributed in random sizes and orders.
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。 5 is a schematic diagram for explaining the difference in the crystal film obtained by the difference in the growth rate of the multiple in-plane rotational domain groups in the embodiment of the present invention. FIG. 5(A) shows the case where the growth rate of the in-plane rotational domain 320b along the linear direction of the mask (hereinafter also simply referred to as "growth rate") is greater than that of the in-plane rotational domain 320c, and the growth rate of the in-plane rotational domain 320a is greater than that of the in-plane rotational domain 320b. FIG. 5(B) shows the case where the growth rates of the in-plane rotational domain 320b and the in-plane rotational domain 320c are equal, and the growth rate of the in-plane rotational domain 320a is greater than that of the in-plane rotational domains 320b and 320c. As shown in FIG. 5(A) and FIG. 5(B), when the growth rate of one of the multiple in-plane rotational domain groups is greater than that of the other in-plane rotational domain groups, a crystal film having a single in-plane orientation in the lateral growth portion can be obtained. This is a finding that the present inventors first obtained through actual experiments, as shown in the examples described below. On the other hand, FIG. 5(C) shows a case where the growth rates of the in-plane rotational domains 320a, 320b, and 320c are all equal. FIG. 5(D) shows a case where the growth rate of the in-plane rotational domain 320b is greater than the growth rate of the in-plane rotational domain 320a, and the growth rate of the in-plane rotational domain 320b is equal to the growth rate of the in-plane rotational domain 320c. In the cases of FIG. 5(C) and FIG. 5(D), it is 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-(AlxInyGa1-x-y)2O3(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-Ga2O3を主成分として含む場合、κ-Ga2O3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 of the embodiment of the present invention described above, for example, a crystalline film (hereinafter also referred to as a "crystalline oxide film") having a rectangular crystal structure and containing at least one or more metals selected from aluminum, gallium and indium, characterized in that the content of rotation domains in the crystalline oxide film is 30% or less, can be obtained. Also, according to the preferred growth method described above, a crystalline oxide film having a content of the rotation domains of 20% or less can be obtained. Here, the content of the rotation domains can be calculated, for example, from an image of the result of EBSD (Electron Backscattered Diffraction) measured from the surface side of the crystalline film. In an embodiment of the present invention, the main component of the crystalline oxide film is preferably a crystalline oxide having a rectangular crystal structure, and more preferably κ-(Al x In y Ga 1-x-y ) 2 O 3 (wherein x, y, and z satisfy 0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1) oriented in the (001) plane. Here, the term "main component" means that, for example, when the crystalline oxide film contains κ-Ga 2 O 3 as a main component, κ-Ga 2 O 3 is preferably contained in an atomic ratio of 50% or more, more preferably 70% or more, and even more preferably 90% or more of the total components of the crystalline film, and may be 100%.
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。 In addition, the crystalline oxide film can be suitably used as the semiconductor layer in a semiconductor element having a crystal structure different from that of the crystal substrate, the semiconductor layer having at least a semiconductor layer provided on a crystal substrate having a crystal structure including an [11-20] axis (a-axis) or a [10-10] axis (m-axis), a first electrode and a second electrode respectively disposed on the first surface side of the semiconductor layer, and a current flows in the semiconductor layer in a first direction from the first electrode to the second electrode, the semiconductor layer having a crystal structure different from that of the crystal substrate, and the first direction is parallel to the a-axis direction or the m-axis direction of the crystal substrate, and the semiconductor element thus obtained is also included in one of the embodiments of the present invention. In an embodiment of the present invention, it is preferable that the crystal substrate has a corundum structure. Note that here, being parallel to the [11-20] axis (a-axis) or the [10-10] axis (m-axis) means that it does not have to be completely parallel, but may be slightly deviated from that (for example, the angle between the first direction and the a-axis or the m-axis may be greater than 0° and less than or equal to 10°).
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 suitably used in semiconductor elements, and is particularly useful in power devices. Examples of semiconductor elements formed using the crystalline film or crystalline oxide film include semiconductor elements selected from the group consisting of diodes, ultraviolet detection elements, and transistors, and more specifically, examples of such elements include transistors and TFTs such as MIS, HEMT, and MOS, Schottky barrier diodes using semiconductor-metal junctions, PN or PIN diodes combined with other P layers, and light-receiving and emitting elements. In the embodiment of the present invention, it is preferable that the semiconductor element is a HEMT. In the embodiment of the present invention, the crystalline film or crystalline oxide film may be used as it is in a semiconductor element, or the substrate and/or the mask may be peeled off using known means and then applied to the semiconductor element.
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。 Figure 7 is a schematic diagram showing a transistor including a crystal film or a crystalline oxide film (hereinafter, simply referred to as a "crystal film") according to an embodiment of the present invention. The transistor 900 includes at least a crystal film 910 according to an embodiment of the present invention, a source 920 formed on a portion of one main surface of the crystal film 910, a drain 930 formed opposite the source 920, a channel 940 formed between the source 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-Ga2O3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 including κ-Ga 2 O 3 or a mixed crystal thereof according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, the crystal film 910 preferably 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/cm3以上1×1020/cm3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 implanted at a high concentration into a part of the crystal film 910, and an electrode 980a formed on the n+ type 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 to 1×10 20 /cm 3. The n+ type region 970a may be formed not only by implantation, but also by using, for example, a known patterning method and a known film formation method. Examples of the electrode 980a include metal materials 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/cm3以上1×1020/cm3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 implanted at a high concentration into a part of the crystal film 910, and an electrode 980b formed on the n+ type region 970b. As with the n+ type region 970a, the dopant may be, for example, an n-type dopant such as tin, germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, niobium, or two or more elements thereof. The carrier concentration of the n+ type region 970b is, for example, in the range of 1×10 15 /cm 3 to 1×10 20 /cm 3. The n+ type region 970b may be formed not only by implantation, but also by using, for example, a known patterning method and a known film formation method. The electrode 980b may be, for example, a metal material selected from the group consisting of Al, Ti, Pt, Ru, Au, and alloys thereof.
絶縁膜950は、Al2O3、SiO2、HfO2、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 made of an insulating material selected from the group consisting of Al2O3 , SiO2 , HfO2 , SiN, and SiON. The gate electrode 906 is made of a metal material selected from the group consisting of Al, Ti, Pt, Ru, Au, and alloys thereof. The insulating film 950 has a thickness of, 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-Ga2O3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 is manufactured by forming n+ regions 970a and 970b by ion implantation using a photolithography technique on the α-Ga 2 O 3 single crystal 910 obtained in the first embodiment, then forming an insulating film 950 using an existing growth technique such as vapor phase epitaxial growth, liquid phase epitaxial growth, halide vapor phase growth, or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), and then forming electrodes 980a and 980b and a gate electrode 460 by an existing electrode formation technique such as vacuum deposition or sputtering.
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 pn junction (which may be a heterojunction) can be formed by using a crystal film according to an embodiment of the present invention as an n-type semiconductor to manufacture a diode.
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。 Figure 8 is a schematic diagram showing an ultraviolet detection element equipped 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-Ga2O3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 Figures 8(A) and (B), the ultraviolet detection elements 1000a and 1000b include at least the crystal film 1010 of the present invention, a Schottky electrode 1020 formed on the crystal film 1010, and an ohmic electrode 1030 formed on the crystal film 1010. In detail, according to the ultraviolet detection element 1000a of Figure 8(A), 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 formed on the other main surface (the back surface in Figure 8) of the crystal film 1010. On the other hand, according to the ultraviolet detection element 1000b of Figure 8(B), as described later, the crystal film 1010 is located on a substrate (e.g., a sapphire substrate, etc.) 1040, so that the Schottky electrode 1020 and the ohmic electrode 1030 are both 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-Ga2O3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 including κ-Ga 2 O 3 or a mixed crystal thereof according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, the crystal film 910 preferably 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 may be a metal 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-Ga2O3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 is manufactured by forming a Schottky electrode 1020 and an ohmic electrode 1030 on the main surface and back surface of the crystal film 1010 in the embodiment of the present invention by using existing metal film deposition techniques such as vacuum deposition and sputtering and photolithography. Similarly, the ultraviolet detection element 1000b may be manufactured by forming a Schottky electrode 1020 and an ohmic electrode 1030 on the main surface of an α-Ga 2 O 3 single crystal 1010 formed on a substrate (e.g., a sapphire substrate, etc.) 1040 by using the above-mentioned metal film deposition technique 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。 Figure 9 shows an example of a high electron mobility transistor (HEMT) according to the present invention. The HEMT in Figure 9 includes a wide bandgap n-type semiconductor layer 121a, a narrow bandgap n-type semiconductor layer 121b, an n+ type semiconductor layer 121c, a semi-insulator layer 124, a buffer layer 128, a gate electrode 125a, a source electrode 125b, and a drain electrode 125c.
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 metals such as Al, Mo, Co, Zr, Sn, Nb, Fe, Cr, Ta, Ti, Au, Pt, V, Mn, Ni, Cu, Hf, W, Ir, Zn, In, Pd, Nd, and Ag, or alloys thereof; metal oxide conductive films such as tin oxide, zinc oxide, rhenium oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), and indium zinc oxide (IZO); organic conductive compounds such as polyaniline, polythiophene, and polypyrrole, or mixtures and laminates thereof. The electrodes can be formed by known means such as vacuum deposition or sputtering.
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 of the n+ type semiconductor layer is the same as or similar to the main component of the wide band gap n-type semiconductor layer 121a or the narrow band gap n-type semiconductor layer 121b.
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 with a wide band gap and the n-type semiconductor layer 121b with a narrow band gap. By using it in this way, a semiconductor device can be realized that has excellent high-temperature and high-frequency characteristics and further has excellent semiconductor characteristics such as high-temperature and high-voltage resistance.
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。 The following describes examples of the present invention, but the present invention is not limited to these.
(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TiOx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SiOx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DWは5μm、マスクの幅DMは20μmとした。
Example 1
1. Formation of a buffer layer and a mask A TiO x film (thickness 2 nm) was formed as a buffer layer on a (0001) sapphire substrate by RF sputtering. A SiO x mask was formed on the obtained titanium oxide film by RF sputtering and photolithography. The mask pattern was as shown in FIG. 11, and was formed so that the [11-20] axis direction of the sapphire and the linear direction of the multiple windows 4 (the direction of d1 in FIG. 11) were parallel. In this case, the direction of d2 in FIG. 11 is the [10-10] direction of the 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. Growth of Crystal Film 2-1. HVPE Apparatus The halide vapor phase epitaxy (HVPE) apparatus 50 used in this embodiment will be described with reference to FIG. 10. The HVPE apparatus 50 includes a reaction chamber 51, a heater 52a for heating a metal source 57, and a heater 52b for heating a substrate fixed to a substrate holder 56. The reaction chamber 51 further includes an oxygen-containing source gas supply pipe 55b, a reactive gas supply pipe 54b, and a substrate holder 56 for placing a substrate. The reactive gas supply pipe 54b includes a metal-containing source gas supply pipe 53b, forming a double-pipe structure. The oxygen-containing source gas supply pipe 55b is connected to an oxygen-containing source gas supply source 55a, and forms a flow path for the oxygen-containing source gas so that the oxygen-containing source gas can be supplied from the oxygen-containing source gas supply source 55a through the oxygen-containing source gas supply pipe 55b to the substrate fixed to the substrate holder 56. The reactive gas supply pipe 54b forms a flow path for the reactive gas so that the reactive gas can be supplied to the substrate fixed to the substrate holder 56. The metal-containing source gas supply pipe 53b is connected to the halogen-containing source gas supply pipe 53a, and the halogen-containing source gas is supplied to the metal source to become a metal-containing source gas, and a metal-containing source gas exhaust part 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。
A gallium (Ga) metal source 57 (with a purity of 99.99999% or more) was placed inside the metal-containing source gas supply pipe 53b, and the sapphire substrate with the buffer layer and mask obtained in 1 above was placed as a substrate on the substrate holder 56 inside the reaction chamber 51. Thereafter, the heaters 52a and 52b were operated to raise the temperature inside 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/GaCl3)を生成した。得られた塩化ガリウム(GaCl/GaCl3)と、酸素含有原料ガス供給源55aから供給されるO2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/GaCl3)およびO2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O2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―Ga2O3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 source gas supply source 53a to the gallium (Ga) metal 57 arranged inside the metal-containing source gas supply pipe 53b. Gallium chloride (GaCl/GaCl 3 ) was generated by a chemical reaction between the Ga metal and the hydrogen chloride (HCl) gas. The obtained gallium chloride (GaCl/GaCl 3 ) and O 2 gas (purity 99.99995% or more) supplied from the oxygen-containing source gas supply source 55a were supplied to the substrate through the metal-containing source supply pipe 53b and the oxygen-containing source gas supply pipe 55b, respectively. Then, the gallium chloride (GaCl/GaCl 3 ) and the O 2 gas were reacted on the substrate at atmospheric pressure and 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 2θ/ω scanning at angles of 15 degrees to 95 degrees using a thin film XRD diffractometer. The measurement was performed using CuKα radiation. As a result, the obtained film was κ- Ga2O3 . A bird's-eye 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-Ga2O3が得られた。また、図16に、XRDによるκ-Ga2O3122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-Ga2O3単結晶が得られていることが分かる。
(evaluation)
A cross-sectional TEM image of the obtained crystal film is shown in FIG. 15(A), and selective area electron diffraction (SAED) patterns observed from the [11-20] direction in the window and lateral growth parts are shown in FIG. 15(B) and (C), respectively. As is clear from FIG. 15(A), in the lateral growth part, no streaky contrast due to dislocations or domain boundaries associated with domain mixing is observed, and it can be seen that a clean crystal is obtained. Also, as is clear from the SAED pattern of the lateral growth part in FIG. 15(B), single crystal κ-Ga 2 O 3 was obtained in the lateral growth part. Also, 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 with reduced rotation domains has been obtained, with the four peak intensities being overwhelmingly larger than the other eight peak intensities. FIG. 17 shows the results of EBSD (Electron Backscattered Diffraction) measurement of the obtained crystal film from the surface side. As is clear from FIG. 17, one rotation domain A occupies a large area compared to the other rotation domains B and C. As shown in FIG. 17, the rotation domain A is a domain whose [010] direction is perpendicular to the [11-20] direction of the sapphire substrate. In addition, 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―Ga2O3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-Ga2O3122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 crystal film was grown in the same manner as in Example 1, except that the mask was formed on the substrate in the mask pattern shown in FIG. 11, and the [10-10] axis direction of the sapphire was parallel to the linear direction of the windows 4 (the direction of d1 in FIG. 11). The obtained film was identified by performing 2θ/ω scanning at angles of 15 degrees to 95 degrees using a thin film XRD diffractometer. The measurement was performed using CuKα radiation. As a result, the obtained film was κ-Ga 2 O 3. A bird's-eye SEM image of the obtained crystal film is shown in FIG. 18. FIG. 19 shows the results of φ scanning 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, and it is understood that there are multiple in-plane rotation domains. FIG. 20 shows the results of EBSD measurement. As is clear from FIG. 20, it is found that two types of in-plane rotation domains are mixed in the laterally grown 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)DW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-Ga2O3アイランドが形成された(図21(a))。それらκ-Ga2O3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-Ga2O3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-Ga2O3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-Ga2O3122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-Ga2O3単結晶が得られていることが分かる。
Example 2
The crystal film was grown in the same manner as in Example 1, except that the mask pattern on the substrate was as shown in FIG. 12, the window width (diameter) DW was 5 μm, the center-to-center distance q in the direction d2 perpendicular to the linear direction in the multiple windows 4 was 50 μm, and the center-to-center distance p in the direction parallel to the linear direction d1 was 20 μm. The crystal growth was observed by SEM 5 minutes, 15 minutes, and 2 hours after the start of the crystal film growth. The results are shown in FIG. 21. As is clear from FIG. 21, hexagonal κ-Ga 2 O 3 islands were formed from each window of the dot pattern (FIG. 21(a)). These κ-Ga 2 O 3 islands eventually met in the short-period direction of the mask to form κ-Ga 2 O 3 stripes with sawtooth sides (FIG. 21(b)). When the growth was continued, the κ-Ga 2 O 3 stripes met to form a continuous film (c). FIG. 22 shows the results of φ scan of κ-Ga 2 O 3 122 diffraction by XRD of the obtained crystal film. As is clear from FIG. 22, the four peak intensities are overwhelmingly larger than the other eight peak intensities, and it can be seen that a crystal film with reduced rotation domains has been obtained. In addition, the results of EBSD (Electron Backscattered Diffraction) measured from the surface side of the obtained crystal film are shown in FIG. 23. As is clear from FIG. 23, it can be seen that one rotation domain A occupies the majority of the area compared to the other rotation domains B and C. Note that the rotation domain A is a domain in which the [010] direction is perpendicular to the [11-20] direction of the sapphire substrate, as shown in FIG. 23. It can also be seen that in the lateral growth portion, a κ-Ga 2 O 3 single crystal having a single in-plane orientation has been obtained.
(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―Ga2O3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 crystal film was grown in the same manner as in Example 1, except that the mask on the substrate was formed in a regular triangular lattice pattern as shown in FIG. 13, and the [11-20] axis direction of the sapphire was parallel to the linear direction of the windows 4 (the direction of d1 in FIG. 13). The obtained film was identified by performing 2θ/ω scanning at angles of 15 degrees to 95 degrees using a thin film XRD diffractometer. The measurement was performed using CuKα radiation. As a result, the obtained film was κ-Ga 2 O 3. A bird's-eye SEM image of the obtained crystal film is shown in FIG. 24. The measurement result of EBSD is also shown in FIG. 25. 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, although the stripes are arranged so that the growth rate in the direction parallel to the stripes is the fastest for the domain group shown in red, the condition "center-to-center distance q is p×2/√3 or more" is not satisfied, and a sufficient lateral growth distance (d2 direction) for the red domain group to select the blue and green domain groups is not secured.
(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-Ga2O3122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)
A 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 a mask. For the obtained crystal film, φ-scan measurement of κ-Ga 2 O 3 122 diffraction by XRD was performed. The results are shown in Figure 26. As is clear from Figure 26, 12 peaks of similar intensity were observed, and it can be seen that 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 Rotational Domain Content)
The content of rotation domains was measured for the crystal films obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 using the results of EBSD. Specifically, the content of rotation domains was calculated by calculating the ratio of the area of the in-plane rotation domains in a 150 μm square range from the image of the result of measurement from the surface side of the obtained crystal film. For example, in the image of FIG. 17, the content of rotation domains was calculated by calculating 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 range. The results are shown in Table 1. As is clear from Table 1, it can be seen that the rotation domains are significantly reduced in the crystal films obtained in Examples 1 and 2.
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-Ga2O3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-Ga2O3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 employing the manufacturing method of the present invention, a high-quality crystal film having a single in-plane orientation, particularly a κ-Ga 2 O 3 crystal film having a (001) plane orientation, can be obtained. Such a crystal film can be applied to various semiconductor elements such as diodes, transistors (particularly HEMTs), and ultraviolet detection elements. Furthermore, due to its large band gap and excellent light transmittance, the κ-Ga 2 O 3 crystal film is effective for light-emitting elements and power applications among semiconductor elements.
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 epitaxy (HVPE) apparatus 51 Reaction chamber 52a Heater 52b Heater 53a Halogen-containing source gas supply source 53b Metal-containing source gas (metal halide gas) supply pipe 54a Reactive gas supply source 54b Reactive gas supply pipe 55a Oxygen-containing source gas supply source 55b Oxygen-containing source gas supply pipe 56 Substrate holder 57 Metal source 59 Gas exhaust section 121a Wide band gap n-type semiconductor layer 121b Narrow band gap n-type semiconductor layer 121c N+ type semiconductor layer 124 Semi-insulating layer 125a Gate electrode 125b Source electrode 125c Drain electrode 128 Buffer layer 900 Transistor 920 Source 930 Drain 940 Channel 950 Insulating film 960 Gate electrode 970a N+ region 970b N+ region 980a Electrode 980b Electrode 1000a UV detection element 1000b UV detection element 1010 Crystal film (crystalline oxide film)
1020 Schottky electrode 1030 Ohmic electrode 1040 Substrate (sapphire substrate)
Claims (15)
The method according to any one of claims 1 to 14 , wherein the surface index of the substrate is a (0001) surface.
Priority Applications (1)
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