TW201435161A

TW201435161A - ＧａＯ系單晶基板及其製造方法

Info

Publication number: TW201435161A
Application number: TW103107228A
Authority: TW
Inventors: Kohei Sasaki
Original assignee: Tamura Seisakusho Kk
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2014-09-16
Also published as: US20160017512A1; CN105008597A; TW201923172A; US10633761B2; CN109056053B; TWI651442B; US10161058B2; WO2014136633A1; CN105008597B; EP2982781A1; EP2982781A4; JP2014169206A; CN109056053A; US20190062942A1; JP5536920B1

Abstract

本發明的問題在於提供一種Ga2O3系單晶基板及其製造方法，該Ga2O3系單晶基板是由一面抑制結晶品質的下降一面高電阻化之Ga2O3系單晶所構成。為了解決此問題，於一實施形態中，提供一種Ga2O3系單晶基板的製造方法，其包括：培育Ga2O3系單晶5之步驟，該步驟將Fe添加至Ga2O3系原料中，並培育含有前述Fe之Ga2O3系單晶5，該Fe的濃度比從前述Ga2O3系原料混入之施體雜質的濃度高；及，從Ga2O3系單晶5切出Ga2O3系單晶基板之步驟。

Description

Ga 2 O 3 系單晶基板及其製造方法

本發明有關Ga₂O₃系單晶基板及其製造方法。

以往，作為提高Ga₂O₃(三氧化二鎵)單晶的電阻率之方法，已知一種摻雜鎂(Mg)、鈹(Be)或鋅(Zn)之方法(例如，參照專利文獻1)。在專利文獻1中，敘述一種技術，其使用懸浮區熔法(Floating zone method，FZ法)，藉由在培育Ga₂O₃單晶時添加0.01mol%或0.05mol%之Mg，可使Ga₂O₃單晶高電阻化。

[先前技術文獻] (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2011-102235號公報

作為Ga₂O₃單晶的原料來使用之Ga₂O₃粉末，廣泛使用其純度99.999質量%以下者。雖然要製造更高純度之Ga₂O₃粉末在技術上亦可行，但從成本來看並不切實際。純度99.999質量%以下之Ga₂O₃粉末含有微量殘留雜質Si(施體雜質)，並且使用此Ga₂O₃粉末所培育之Ga₂O₃單晶顯示n型導電性。從Ga₂O₃粉末混入之矽(Si)濃度，在Ga₂O₃單晶中具有分布性，例如，以純度99.999質量%之Ga₂O₃粉末作為原料所培育之Ga₂O₃單晶，其最高濃度部分的濃度約為5×10¹⁷cm^-3。

因此，為了製作高電阻Ga₂O₃基板，至少必須將5×10¹⁷cm^-3以上的量之受體雜質(acceptor impurity)摻雜於Ga₂O₃單晶。當Ga₂O₃單晶的原料使用更廉價的低純度Ga₂O₃粉末時，就必須摻雜更高濃度的受體雜質。

一般而言，在嘗試摻雜高濃度的雜質於單晶時有下列問題：目標濃度的雜質的摻雜是困難的、及由於摻雜而導致單晶的結晶品質下降等。

因此，本發明之目的之一在於提供一種Ga₂O₃系單晶基板及其製造方法，該Ga₂O₃系單晶基板是由一面抑制結晶品質的下降一面高電阻化之Ga₂O₃系單晶所構成。

本發明之一態樣，為了達成上述目的，提供下述[1]~[5]之Ga₂O₃系單晶基板之製造方法。

[1]一種Ga₂O₃系單晶基板之製造方法，其包括：培育Ga₂O₃系單晶之步驟，該步驟將鐵(Fe)添加至Ga₂O₃系原料中，並培育含有前述Fe之Ga₂O₃系單晶，該Fe的濃度比從前述Ga₂O₃系原料混入之施體雜質(donor impurity)的濃度高；及，從前述Ga₂O₃系單晶切出Ga₂O₃系單晶基板之步驟。

[2]如前述[1]所述之Ga₂O₃系單晶基板之製造方法，其中，前述Ga₂O₃系原料的純度為99.999質量%，並且培育含有5×10¹⁷cm^-3以上濃度的前述Fe之Ga₂O₃系單晶。

[3]如前述[1]所述之Ga₂O₃系單晶基板之製造方法，其中，前述Ga₂O₃系原料的純度為99.99質量%，並且培育含有5×10¹⁸cm^-3以上濃度的前述Fe之Ga₂O₃系單晶。

[4]如前述[1]~[3]中任一項所述之Ga₂O₃系單晶基板之製造方法，其中，前述施體雜質為Si。

[5]如前述[1]~[3]中任一項所述之Ga₂O₃系單晶基板之製造方法，其中，前述Ga₂O₃系單晶基板的主面，其所具有的大小與形狀包含直徑10mm以上的真圓。

又，本發明之另一態樣，為了達成上述目的，提供下述[6]~[8]之Ga₂O₃系單晶基板。

[6]一種Ga₂O₃系單晶基板，其由含有施體雜質和Fe之Ga₂O₃系單晶所構成，前述Fe的濃度比前述施體雜質的濃度高。

[7]如前述[6]所述之Ga₂O₃系單晶基板，其中，前述施體雜質為Si。

[8]如前述[6]或[7]所述之Ga₂O₃系單晶基板，其中，其所具有的主面的大小與形狀包含直徑10mm以上的真圓。

根據本發明，可提供一種Ga₂O₃系單晶基板及其製造方法，該Ga₂O₃系單晶基板是由一面抑制結晶品質的下降一面高電阻化之Ga₂O₃系單晶所構成。

2‧‧‧晶種

3‧‧‧多晶材料

4‧‧‧熔融部

5‧‧‧Ga₂O₃系單晶

10‧‧‧紅外線加熱單晶製造裝置

11‧‧‧石英管

12‧‧‧晶種夾頭

13‧‧‧下部旋轉軸

14‧‧‧材料夾頭

15‧‧‧上部旋轉軸

16‧‧‧鹵素燈

17‧‧‧橢圓面鏡

第1圖是表示實施形態之紅外線加熱單晶製造裝置。

〔實施形態〕

(Ga₂O₃系單晶基板)

本實施形態之Ga₂O₃系單晶基板，是由含有Si等施體雜質和作為受體雜質的Fe之Ga₂O₃系單晶所構成，並且Fe的濃度比施體雜質的濃度高。因此，本實施形態之Ga₂O₃系單晶基板具有較高的電阻。

Ga₂O₃系單晶基板的主面，較佳為其所具有的大小與形狀包含直徑10mm以上之真圓。此Ga₂O₃系單晶基板的大小，適合於基板的量產。作為典型的例子，如邊長10mm以上之正方形、直徑10mm以上之真圓、短邊的長度為10mm以上之長方形、短徑10mm以上之橢圓。

(Ga₂O₃系單晶基板之製造)

本實施形態之Ga₂O₃系單晶基板，是從已摻雜了作為受體雜質的Fe之Ga₂O₃系單晶切出。

本實施形態之Ga₂O₃系單晶，是Ga₂O₃單晶或添加有鋁(Al)、銦(In)等元素之Ga₂O₃單晶。例如，亦可為添加有Al及In之Ga₂O₃單晶，亦即(Ga_xAl_yIn_(1-x-y))₂O₃(0<x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)單晶。添加Al時，能帶間隙(band gap)變寬，添加In時則能帶間隙變窄。

藉由使用Fe作為受體雜質，可一面抑制結晶品質的下降，一面摻雜充足量的受體而培育高電阻之Ga₂O₃系單晶。

Ga₂O₃系單晶之培育方法並不限於特定方法，例如，使用懸浮區熔法(Floating Zone method，FZ法)、限邊饋膜生長法(Edge-defined Film-fed Growth method，EFG法)、柴可斯基法(Czochralski method，CZ法)等。由於可一面抑制結晶品質的下降一面培育高電阻的Ga₂O₃系單晶之效果，一般認為是Fe對於Ga₂O₃系單晶的高固溶限(solid solubility limit)及高蒸氣壓所達成，故Ga₂O₃系單晶的培育方法不受限定。

使用純度99.999質量%的Ga₂O₃系原料來培育Ga₂O₃系單晶時，以所培育的結晶中的Fe的濃度成為5×10¹⁷cm^-3以上之方式，添加Fe至Ga₂O₃系原料。為此，例如，添加0.001mol%以上的Fe。藉此，於所培育的Ga₂O₃系單晶中的Fe的濃度，變得比從Ga₂O₃系原料混入的Si的濃度更高，而該Si則作為施體雜質發揮作用。

使用純度99.99質量%的Ga₂O₃系原料來培育Ga₂O₃系單晶時，以所培育的結晶中的Fe的濃度成為5×10¹⁸cm^-3以上之方式，添加Fe至Ga₂O₃系原料。為此，例如，添加0.01mol%以上的Fe。藉此，於所培育的Ga₂O₃系單晶中的Fe的濃度，變得比從Ga₂O₃系原料混入的Si的濃度更高，而該Si則作為施體雜質發揮作用。

此處，Ga₂O₃系原料，例如，當Ga₂O₃系單晶為Ga₂O₃單晶時，為Ga₂O₃粉末；又，當Ga₂O₃系單晶為(Ga_xAl_yIn_(1-x-y))₂O₃(0<x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)單晶時，則為Ga₂O₃粉末、Al₂O₃粉末、及In₂O₃粉末之混合粉末。

又，本實施形態之Ga₂O₃系單晶，例如，雖然是 β-Ga₂O₃系單晶，亦可為具有α-Ga₂O₃系單晶等其他構造之Ga₂O₃系單晶。同樣地，Ga₂O₃系單晶基板，例如，雖然是β-Ga₂O₃系單晶基板，亦可為具有α-Ga₂O₃系單晶基板等其他構造之Ga₂O₃系單晶基板。

以下，針對使用懸浮區熔法之方法，作為Ga₂O₃系單晶基板之製造方法之一例進行說明。

第1圖表示實施形態之紅外線加熱單晶製造裝置。此紅外線加熱單晶製造裝置10，是利用懸浮區熔法來培育Ga₂O₃系單晶5，並且具有：石英管11；晶種夾頭12，其保持由Ga₂O₃系單晶所構成之晶種2；下部旋轉軸13，其將旋轉傳動至晶種夾頭12，並可上下移動；材料夾頭14，其保持由Ga₂O₃系多晶所構成之多晶材料3；上部旋轉軸15，其將旋轉傳動至材料夾頭14，並可上下移動；及，橢圓面鏡17，其容納鹵素燈16，並將鹵素燈16發出的光集中至多晶材料3的特定部位。

石英管11容納有：晶種夾頭12、下部旋轉軸13、材料夾頭14、上部旋轉軸15、晶種2、多晶材料3及Ga₂O₃系單晶5。石英管11被供給氧氣與作為惰性氣體的氮氣之混合氣體，並使該石英管11密閉。

調整上部旋轉軸15的上下位置，在使晶種2的上端與多晶材料3的下端接觸之狀態下，將鹵素燈16發出的光集中於該接觸部分，加熱該接觸部分並使其熔解。然後，一邊使晶種2與多晶材料3兩者或其一適當地旋轉，一邊使加熱部分朝多晶材料3的上面方向移動，並可培育出繼承晶種2 的結晶訊息之Ga₂O₃系單晶5。

第1圖是表示Ga₂O₃系單晶5之培育中之狀態，被加熱而熔融的熔融部4的上側為多晶材料3，下側則為Ga₂O₃系單晶5。

繼而，說明使用紅外線加熱單晶製造装置10，來培育作為Ga₂O₃系單晶5之Ga₂O₃單晶之具體步驟。

首先，個別準備由β-Ga₂O₃單晶所構成之晶種2與由含有Fe之β-Ga₂O₃多晶所構成之多晶材料3，該β-Ga₂O₃多晶是添加有Fe之純度99.999質量%的Ga₂O₃粉末所製作。再者，作為添加至Ga₂O₃粉末中之Fe的原料，可使用純Fe或Fe₂O₃等。

繼而，在石英管11中使晶種2與多晶材料3接觸，加熱該接觸部位，並在晶種2與多晶材料3之接觸部分使兩者熔融。使熔解後的多晶材料3與晶種2一同結晶化，而於晶種2上產生作為Ga₂O₃系單晶5並含有Fe之Ga₂O₃單晶。

此處，作為Ga₂O₃系單晶5之Ga₂O₃單晶，被培育成使其大小可切出Ga₂O₃單晶基板，而該基板的主面所具有的大小與形狀包含直徑10mm以上的真圓。

繼而，藉由對此Ga₂O₃單晶施以切斷等加工，而獲得高電阻的Ga₂O₃單晶基板。

在將Fe的添加濃度設為0.01mol%及0.05mol%之任一情況下，Ga₂O₃單晶皆不會產生裂痕，並可獲得一種Ga₂O₃系單晶基板，其具有邊長10mm以上的正方形之主面。

所獲得之Ga₂O₃單晶的Fe濃度，當將Fe的添加濃度設為0.01mol%時約為5×10¹⁸cm^-3，而當將Fe的添加濃度設為0.05mol%時則約為1.5×10¹⁹cm^-3。再者，添加了0.05mol%的鐵之Ga₂O₃單晶基板的電阻率為2×10¹²Ωcm左右。

以下，作為本實施形態之比較例，揭示以Fe以外之元素作為受體雜質而摻雜至Ga₂O₃單晶時之實驗結果。除了摻雜之受體雜質以外，其他實驗條件與上述摻雜Fe之實驗相同。

在添加0.05mol%的Mg來培育Ga₂O₃單晶時，所培育的結晶易有裂痕，而無法切出具有邊長10mm以上的正方形的主面之Ga₂O₃單晶基板。一般認為此乃Mg對於Ga₂O₃單晶的固溶限比Fe低所造成。

於是，雖然添加0.01mol%的Mg來培育Ga₂O₃單晶時，可以抑制裂痕的產生，並可切出適合量產的大小的基板，但是未顯示有高電阻性。基板中的Mg的濃度約為2~5×10¹⁷cm^-3，並於高濃度區域中，低於5×10¹⁷cm^-3左右的Si濃度。由此可知，為了不使裂痕產生來摻雜Mg而使Ga₂O₃單晶高電阻化，不得不使用Si濃度更低之純度99.9999%以上的高價Ga₂O₃粉末。

又，因為要摻雜Zn至Ga₂O₃單晶，而在Ga₂O₃粉末中添加0.05mol%的Zn時，為了製作棒狀多晶材料而進行焙燒時，Zn會蒸發消失，所培育的Ga₂O₃單晶未顯示出高電阻性。利用二次離子質譜法(secondary ion mass spectroscopy，SIMS)來分析所培育的Ga₂O₃單晶中的Zn濃度，結果為檢測下限以下(1×10¹⁷cm^-3以下)。由此可知，摻雜高蒸氣壓的Zn 是困難的。

(實施形態之功效)

根據上述實施形態，藉由使用Fe作為受體雜質，可一面抑制品質的下降一面培育高電阻化的Ga₂O₃系單晶，因而可廉價地獲得適合量產的大小之Ga₂O₃系單晶基板。

高電阻的Ga₂O₃系單晶基板，例如，因為可用於Ga₂O₃系電晶體之製造，藉由使用本實施形態之Ga₂O₃系單晶基板，Ga₂O₃系電晶體之量產變為可能。相較於作為下一世代之功率元件材料而已進行開發之GaN系電晶體和SiC系電晶體等，因為Ga₂O₃系電晶體可期待其發揮更低損失且高耐壓之特性，如果將Ga₂O₃系電晶體量產，期待會有世界規模之大的節能效果。

以上說明本發明之實施形態，但是本發明並不限於上述實施形態，可於未跳脫發明主旨的範圍內變更各種形式實施。

例如，於上述實施形態中，舉出Si作為Ga₂O₃系單晶所含的施體雜質之例子，但是此施體雜質並不限於Si，亦可為與Si等價之IV族元素。因為藉由與Si等價之IV族元素和Ga₂O₃系單晶的Ga原子進行置換，可產生一個電子，所以與Si等價之IV族元素和Si同樣地作為施體雜質發揮作用。此時亦與施體雜質為Si時同樣，可發揮上述實施形態之效果。

又，上述實施形態並未限定申請專利範圍之發明。又，須注意於實施形態中說明之所有特徵的組合未必為解決發明之問題的必要手段。