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JP4565062B2 - Thin film single crystal growth method - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜単結晶の成長方法に関し、特に、高品質の薄膜単結晶を形成することができる薄膜単結晶の成長方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
紫外領域での発光素子は、水銀フリーの蛍光灯の実現、クリーンな環境を提供する光触媒、より高密度記録を実現する新世代DVD等で特に大きな期待が持たれている。このような背景から、GaN系青色発光素子が実現されてきたが、更なる短波長化光源が求められており、近年、基板上にZnOの薄膜を成長させる従来の薄膜成長方法として、PLD(Pulsed Laser Deposition)法が提案された(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
特許文献1記載のPLD法によれば、非常に低圧の酸素雰囲気中で、目的の薄膜の組成材料であるZnOターゲットにレーザをパルス的に照射し、ターゲットを構成する成分をプラズマや分子状態として基板上まで飛ばして基板上にZnOの薄膜を成長させる。これにより、簡単な装置で容易に薄膜を作製することができる。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−68889号公報(図3)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の薄膜成長方法では、目的の薄膜の組成材料からなるターゲットからZnOがクラスタとして遊離し、それがそのままの状態で基板上に堆積することがあったため、ZnO分子が基板上に凹凸となって存在し、表面平坦性の悪い薄膜が形成されるおそれがあった。また、ターゲットがレーザの照射によって劣化あるいは変質を起こすことがあるために、薄膜単結晶の成長を阻害する要因となっていた。
【0006】
従って、本発明の目的は、高品質の薄膜単結晶を形成することができる薄膜単結晶の成長方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、β−Ga 単結晶からなる基板を準備し、純金属あるいは合金からなる金属ターゲットに励起ビームを照射して前記金属ターゲットから前記純金属あるいは前記合金の原子、分子、又はイオンを遊離させ、遊離した前記原子、前記分子、又は前記イオンに結合するガスの雰囲気中において、前記基板上に前記原子、前記分子、又は前記イオンと前記ガスとが結合してなる単結晶の薄膜を成長させることを特徴とする薄膜単結晶の成長方法を提供する。
【0008】
この構成によれば、励起ビームを金属ターゲットに照射すると、金属ターゲットを構成している金属原子が励起され、熱的・光化学的作用により、金属ターゲットから金属原子、分子、イオン等の化学種が遊離し、その遊離した化学種が雰囲気中のラジカルと結合し、それが基板上に成長して基板上に薄膜が形成される。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る成膜装置の概略構成を示す。この成膜装置1は、PLD法によって成膜するものであり、真空可能な空間部20を有するチャンバ2と、チャンバ2内に配置されたターゲット3を保持するターゲット台5と、チャンバ2の外部に設けられ、ターゲット台5を回転させる回転機構11と、チャンバ2内に配置され、基板6を保持するとともに、基板6を1500℃まで加熱可能なヒータを内蔵する基板保持部7と、チャンバ2内にパイプ2aからラジカルを注入するラジカル注入部8と、パイプ2bを介して空間部20を排気して空間部20を真空にする真空ポンプ(図示せず)を有する排気部9と、チャンバ2の外部に設けられ、ターゲット3に励起ビームとしてのレーザ光を照射するレーザ部4とを備える。
【0010】
ターゲット3は、純金属あるいは合金、例えば、高純度のGaあるいはGaを含む合金からなる。
【0011】
レーザ部4は、Nd:YAGレーザ、KrFエキシマレーザ、ArFエキシマレーザ等をレーザ源としてレーザ光42をパルス状に照射するレーザ発振部41と、レーザ発振部41から出射されたレーザ光42をターゲット3上に集光するレンズ43,44とを備える。
【0012】
基板6は、ターゲット3にレーザ光42が照射されたときに、ターゲット3から解離した金属原子33等の化学種が成膜に寄与できるように、ターゲット3と対向している。
【0013】
ラジカル注入部8は、酸素ガス、オゾンを含む酸素ガス、純オゾンガス、N2Oガス、NO2ガス、酸素ラジカルを含む酸素ガス、酸素ラジカル、窒素ラジカル、NH3ガス、窒素ラジカルを含むNH3ガス等のうち1または2以上のガス、すなわち成膜時にターゲット3から遊離した原子と結合するガスを空間部20に注入するようになっている。
【0014】
次に、第1の実施の形態に係る薄膜単結晶の成長方法を説明する。この成長方法は、薄膜を成長させる基板6を準備する工程と、基板6上に薄膜を成長させる工程とからなる。ここでは、β−Ga23からなる基板6上にβ−Ga23からなる薄膜を形成する場合について説明する。
【0015】
(1)基板6の準備
まず、FZ(Floating Zone)法によりβ−Ga23単結晶を形成する。すなわち、石英管中でβ−Ga23種結晶とβ−Ga23多結晶素材との接触部分で両者を溶融する。溶解したβ−Ga23多結晶素材をβ−Ga23種結晶とともに下降させると、β−Ga23種結晶上にβ−Ga23単結晶が生成される。次に、このβ−Ga23単結晶により基板6を作製する。なお、b軸<010>方位に結晶成長させた場合には、(100)面の劈開性が強くなるので、(100)面に平行な面と垂直な面で切断して基板6を作製する。a軸<100>方位、c軸<001>方位に結晶成長させた場合は、(100)面、(001)の劈開性が弱くなるので、全ての面の加工性が良くなり、上記のような切断面の制限はない。
【0016】
(2)薄膜の成長
前述の成膜装置1を使用して基板6上に薄膜を成長させる。すなわち、ターゲット3として、例えば、Gaからなるターゲット3をターゲット台5に固定する。β−Ga23単結晶からなる基板6を基板保持部7に保持する。排気部9の真空ポンプにより空間部20中の空気を排気し、空間部20内の真空度を、例えば、1×10-9torr程度にし、その後、例えば酸素ガスを空間部20に注入し1×10-7torr程度にして、基板保持部7により図示しないヒータに通電し、基板6の温度を、例えば、300℃〜1500℃に加熱する。次いで、酸素ラジカルをラジカル注入部8によって空間部20内に注入して1×10-4〜1×10-6torrとする。レーザ部4からレーザ出力100mW、繰り返し周波数10Hzで、波長266nmのレーザ光42を回転機構11により回転するターゲット3に照射すると、ターゲット3を構成しているGa原子が励起され、熱的・光化学的作用により、ターゲット3から放出されるGa原子、Gaイオン、励起Ga原子、励起Gaイオン等の化学種が雰囲気中の酸素ラジカルと基板6上で結合し、β−Ga23単結晶が形成される。その形成されたβ−Ga23単結晶は、基板6上に成長して、基板6上にβ−Ga23薄膜単結晶が形成される。なお、成長したβ−Ga23薄膜単結晶は、n型導電性を示した。この導電性は、酸素欠陥によると考えられる。
【0017】
この第1の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
(イ)ターゲット3から遊離した金属原子、金属イオン、励起金属原子、励起金属イオン等の化学種と雰囲気中の原子とを結合させるため、表面平坦性が高く、品質の良いβ−Ga23単結晶からなる薄膜を基板上に成長させることができる。
【0018】
図2は、本発明の第2の実施の形態に係るMIS型発光素子の断面を示す。このMIS型発光素子60は、β−Ga23単結晶からなる基板6と、この基板6の上面に形成されるn型導電性を示すβ−Ga23薄膜単結晶61と、このn型のβ−Ga23薄膜単結晶61の上面に形成されるβ−Ga23薄膜結晶からなる絶縁層62と、絶縁層62の上面に形成される金電極63と、金電極の上面に取り付けられ、リード68が接続されるボンディング67と、基板6の下面に取り付けられ、リード66が接続されるボンディング65とを備える。
【0019】
絶縁層62は、酸素雰囲気中で900℃アニールすることにより形成した表面に10から1000nmの酸素欠陥のないものである。
【0020】
この第2の実施例に係る発光素子60によれば、発光波長260nm付近の発光素子が得られる。
【0021】
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。この第3の実施の形態では、第1の実施の形態に係る成膜装置1を使用する。ただし、ターゲット3は、ZnあるいはZnを含む合金からなる金属を使用し、基板上にZnO系薄膜単結晶を成長させる。
【0022】
この第3の実施の形態によれば、励起ビームをZnあるいはZnを含む合金からなる金属ターゲットに照射すると、金属ターゲットを構成しているがZn原子あるいは他の原子が励起され、熱的・光化学的作用により、金属ターゲットから放出されるZn原子、Znイオン、励起Zn原子、励起Znイオンなどの化学種が雰囲気中のラジカルと結合し、それが基板上に成長して基板上にZnO系薄膜単結晶が形成される。
【0023】
なお、β−Ga23系単結晶からなる基板上にZnO系薄膜結晶からなるバッファ層を成長させ、そのバッファ層の上にZnO系薄膜単結晶を成長させてもよい。この構成によれば、バッファ層の上にバッファ層と同種のZnO系の薄膜単結晶を成長させるために、格子不整合が低減され、結晶性のよいZnO系の薄膜単結晶を形成することができる。
【0024】
本発明の第4の実施の形態について説明する。この第4の実施の形態では、第1の実施の形態に係る成膜装置1を使用する。ただし、雰囲気は、窒素ラジカル、NH3ガス、および窒素ラジカルを含むNH3ガスのうち1または2以上のガスから構成し、基板上には、GaN系薄膜単結晶を成長させる。
【0025】
この第4の実施の形態によれば、励起ビームをGaあるいはGaを含む合金からなる金属ターゲットに照射すると、金属ターゲットを構成しているがGa原子あるいは他の原子が励起され、熱的・光化学的作用により、金属ターゲットから放出されるGa原子、Gaイオン、励起Ga原子、励起Gaイオンなどの化学種が雰囲気中のラジカルと結合し、それが基板上に成長して基板上にGaN系薄膜単結晶が形成される。
【0026】
なお、β−Ga23系単結晶からなる基板上にGaN系薄膜結晶からなるバッファ層を成長させ、そのバッファ層の上にGaN系薄膜単結晶を成長させてもよい。この構成によれば、バッファ層の上にバッファ層と同種の同種のGaN系の薄膜単結晶を成長させるために、格子不整合が低減され、結晶性のよいGaN系の薄膜単結晶を形成することができる。
【0027】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。この実施例は、第1の実施の形態に示す条件を具体化して基板6上に薄膜単結晶を成長させたものである。
【0028】
本発明の実施例1は、ターゲット3の材料としてGaを用い、かつ、基板6にβ−Ga23からなるものを用い、酸素ラジカルを注入しながら、基板温度400℃、レーザ出力100mW、繰り返し周波数10Hz、真空度1×10-5torrで、波長266nmのレーザ光42をターゲット3に照射したものである。
このレーザ発振部41は、Qsw Nd:YAGレーザの発振波長である1.064μmを基本波とし、図示しない非線形光学結晶を利用して3倍波である355nm、4倍波である266nmのパルス発振が可能となっている。レーザ光42の照射後、β−Ga23基板6上に無色・透明のβ−Ga23薄膜が成長した。図3は、実施例1のβ−Ga23薄膜の原子間力顕微鏡(AFM)写真を示す。
【0029】
本発明の実施例2は、実施例1における基板温度を1000℃にしたものであり、他は実施例1と同一条件である。図4は、実施例2のβ−Ga23薄膜の原子間力顕微鏡(AFM)写真を示し、図9(a)は、その反射高速電子回折(RHEED)によるパターンを示す。図9(a)より明らかなように高品質のβ−Ga23薄膜単結晶が成長していることがわかる。
【0030】
本発明の実施例3は、ターゲット3の材料としてGaを用い、かつ、基板6にβ−Ga23からなるものを用い、N2Oラジカルを照射しながら、基板温度400℃、レーザ出力100mW、繰返し周波数10Hz、真空度1×10-5torrで、波長266nmのレーザ光42をターゲット3に照射したものである。
図5は、実施例3のβ−Ga23薄膜の原子間力顕微鏡(AFM)写真を示す。
【0031】
本発明の実施例4は、実施例3における基板温度を1000℃にしたものであり、他は実施例3と同一条件である。図6は、実施例4のβ−Ga23薄膜の原子間力顕微鏡(AFM)写真を示し、図9(b)は、その反射高速電子回折(RHEED)によるパターンを示す。図9(b)より明らかなように高品質のβ−Ga23薄膜単結晶が成長していることがわかる。
【0032】
図7は、本発明の実施例5に係るβ−Ga23薄膜の原子間力顕微鏡(AFM)写真を示す。この実施例5は、ターゲット3の材料としてGaを用い、かつ、基板6にβ−Ga23からなるものを用い、酸素ラジカルを照射しながら、基板温度1000℃、レーザ出力100mW、繰返し周波数10Hz、真空度1×10-5torrで、波長355nmのレーザ光をターゲット3に照射したものである。
【0033】
図8は、比較例1に係るβ−Ga23薄膜の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を示す。この比較例1は、ターゲット3の材料としてGa23を用い、かつ、基板6にβ−Ga23からなるものを用い、酸素雰囲気下、基板温度1000℃、レーザ出力200mW、繰返し周波数10Hz、真空度1×10-5torrで、波長355nmのレーザ光42をターゲット3に照射したものである。レーザ光42の照射後、β−Ga23基板6上に白色の薄膜が成長した。これは、クラスタ状のものが基板6に付着したものであり、β−Ga23膜としては、ほとんど成長していないことがわかった。
【0034】
比較例2は、ターゲット3の材料としてGa23を用い、かつ、基板6にβ−Ga23からなるものを用い、NO2ラジカル雰囲気下、基板温度1000℃、レーザ出力100mW、繰返し周波数10Hz、真空度1×10-5torrで、波長266nmのレーザ光42をターゲット3に照射したものである。レーザ光42の照射後、β−Ga23基板6上に透明の薄膜が成長した。図9(c)は、成長したβ−Ga23薄膜の反射高速電子回折(RHEED)によるパターンを示す。図9(c)より明らかなように良質なβ−Ga23薄膜単結晶が成長していない。
【0035】
比較例3は、ターゲット3の材料としてGa23を用い、かつ、基板6にβ−Ga23からなるものを用い、酸素ラジカル雰囲気下、基板温度1000℃、レーザ出力100mW、繰返し周波数10Hz、真空度1×10-5torrで、波長266nmのレーザ光42をターゲット3に照射したものである。レーザ光42の照射後、β−Ga23基板6上に透明の薄膜が成長した。図9(d)は、成長したβ−Ga23薄膜の反射高速電子回折(RHEED)によるパターンを示す。図9(d)より明らかなように良質なβ−Ga23薄膜単結晶が成長していない。
【0036】
上記の各実施例によれば、Gaからなるターゲットを用い、N2Oラジカルあるいは酸素ラジカルの雰囲気中、β−Ga23からなる基板6上に無色・透明な良質のβ−Ga23薄膜単結晶を成長させることができた(図3から7参照。)。
【0037】
これに対し、各比較例によれば、Ga23からなるターゲットを用いた場合、良好な薄膜単結晶が生じなかった。このことから、Gaからなるターゲットが、薄膜単結晶の成長に適することがわかる。また、図9からわかるように、Gaからなるターゲットに加えて、N2Oラジカルあるいは酸素ラジカルの存在がβ−Ga23からなる基板6上にβ−Ga23薄膜単結晶を成長させる上で効果的である。
【0038】
なお、β−Ga23単結晶からなる基板上にβ−Ga23単結晶薄膜を成長させる方法として、PLD法について述べてきたが、PLD法に限定されることなく、MBE法、MOCVD法等の物理的気相成長法、熱CVD,プラズマCVD等の化学的気相成長法を用いてもよい。
【0039】
また、ターゲットは、その性状が金属板として説明してきたが、金属製に限定するものではなく、金属以外の固体からなるものであっても、液状であってもよい。また、ターゲットは、Gaからなるものに限定するものではなく、Gaを含む合金、ZnあるいはZnを含む合金からなる金属であってもよい。これにより成膜しようとする膜の種類の選択の自由度が増える。
【0040】
また、励起ビームとしては、レーザ光以外に金属ターゲットに照射して金属原子等を遊離させることができるものならば、電子ビーム、イオンビーム等でもよい。
【0041】
また、レーザの波長は、266nmに限定するものではなく、例えば、355nm、193nm等他の波長であってもよい。また、レーザ出力を10mW〜400mWとしてもよい。
【0042】
さらに基板温度300℃〜1500℃であってもよい。この温度範囲は、成長させる膜を平坦化し、密にさせるための温度範囲、すなわち、結晶化を向上させる温度範囲である。
【0043】
また、チャンバ2内の真空度は、1〜1×10-10torrであってもよい。この真空度の範囲でもβ−Ga23系薄膜単結晶を成長させることができる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、励起ビームを金属ターゲットに照射すると、金属ターゲットを構成している金属原子が励起され、熱的・光化学的作用により、金属ターゲットから金属原子などの化学種が遊離し、その遊離した化学種が雰囲気中のラジカルと結合し、それが基板上に成長して基板上に薄膜が形成されるため、高品質の薄膜単結晶を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る成膜装置の概略構成を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る薄膜装置により形成した積層体の断面図である。
【図3】本発明の実施例1におけるβ−Ga23薄膜の原子間力顕微鏡(AFM)写真である。
【図4】本発明の実施例2におけるβ−Ga23薄膜の原子間力顕微鏡(AFM)写真である。
【図5】本発明の実施例3におけるβ−Ga23薄膜の原子間力顕微鏡(AFM)写真である。
【図6】本発明の本発明の実施例4におけるβ−Ga23薄膜の原子間力顕微鏡(AFM)写真である。
【図7】本発明の実施例5におけるβ−Ga23薄膜の原子間力顕微鏡(AFM)写真である。
【図8】本発明の比較例1における成長したβ−Ga23薄膜の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
【図9】(a)〜(d)は、各ラジカルの存在下における、各薄膜のRHEEDパターンの写真である。
【符号の説明】
1 成膜装置
2 チャンバ
2a パイプ
2b パイプ
3 ターゲット
4 レーザ装置
5 ターゲット台
6 基板
7 基板保持部
8 ラジカル注入部
9 排気部
11 回転機構
20 空間部
33 解離した金属原子
41 レーザ発振部
42 レーザ光
43,44 レンズ
60 MIS型発光素子
61 薄膜単結晶
62 絶縁層
63,64 電極
65,67 ボンディング
66,68 リード
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for growing a thin film single crystal, and more particularly to a method for growing a thin film single crystal capable of forming a high-quality thin film single crystal.
[0002]
[Prior art]
Light-emitting elements in the ultraviolet region are particularly expected for the realization of mercury-free fluorescent lamps, photocatalysts that provide a clean environment, and new-generation DVDs that realize higher-density recording. Against this background, GaN-based blue light-emitting elements have been realized, but further light sources with shorter wavelengths have been demanded. In recent years, as a conventional thin film growth method for growing a ZnO thin film on a substrate, PLD ( A Pulsed Laser Deposition method has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
According to the PLD method described in Patent Document 1, a ZnO target, which is a composition material of a target thin film, is pulsedly irradiated with a laser in a very low pressure oxygen atmosphere, and components constituting the target are converted into a plasma or a molecular state. A thin film of ZnO is grown on the substrate by flying to the substrate. Thereby, a thin film can be easily produced with a simple apparatus.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-68889 A (FIG. 3)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional thin film growth method, ZnO is liberated as a cluster from the target made of the composition material of the target thin film, and it may be deposited on the substrate as it is, so that the ZnO molecules are uneven on the substrate. Therefore, a thin film with poor surface flatness may be formed. Further, since the target may be deteriorated or deteriorated by laser irradiation, it has been a factor that hinders the growth of the thin film single crystal.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for growing a thin film single crystal capable of forming a high quality thin film single crystal.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention prepares a substrate made of β-Ga 2 O 3 single crystal , and irradiates a metal target made of a pure metal or alloy with an excitation beam from the metal target to the pure metal or the metal. In an atmosphere of a gas that liberates atoms, molecules, or ions of the alloy and binds to the released atoms, molecules, or ions, the atoms, molecules, or ions and the gas are present on the substrate. Provided is a method for growing a thin film single crystal characterized by growing a single crystal thin film formed by bonding .
[0008]
According to this configuration, when a metal target is irradiated with an excitation beam, the metal atoms constituting the metal target are excited, and chemical species such as metal atoms, molecules, ions, etc. are generated from the metal target by thermal and photochemical action. The liberated chemical species bind to radicals in the atmosphere, which grows on the substrate and forms a thin film on the substrate.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a schematic configuration of a film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention. This film forming apparatus 1 forms a film by the PLD method, and includes a chamber 2 having a space 20 that can be evacuated, a target base 5 that holds a target 3 disposed in the chamber 2, and an outside of the chamber 2. , A rotation mechanism 11 that rotates the target base 5, a substrate holding unit 7 that is disposed in the chamber 2, holds the substrate 6, and includes a heater that can heat the substrate 6 to 1500 ° C., and the chamber 2. A radical injection part 8 for injecting radicals from the pipe 2a, an exhaust part 9 having a vacuum pump (not shown) for exhausting the space part 20 and evacuating the space part 20 through the pipe 2b; And a laser unit 4 that irradiates the target 3 with laser light as an excitation beam.
[0010]
The target 3 is made of a pure metal or an alloy, for example, high-purity Ga or an alloy containing Ga.
[0011]
The laser unit 4 includes a laser oscillating unit 41 that irradiates a laser beam 42 in a pulse form using an Nd: YAG laser, a KrF excimer laser, an ArF excimer laser, or the like as a laser source, and a laser beam 42 emitted from the laser oscillating unit 41 as a target. 3 and lenses 43 and 44 for condensing light.
[0012]
The substrate 6 faces the target 3 so that chemical species such as metal atoms 33 dissociated from the target 3 can contribute to film formation when the target 3 is irradiated with the laser beam 42.
[0013]
The radical injection section 8, NH 3 containing oxygen gas containing oxygen gas, ozone, pure ozone gas, N 2 O gas, NO 2 gas, oxygen gas containing oxygen radicals, oxygen radicals, nitrogen radicals, NH 3 gas, nitrogen radicals One or two or more gases among the gases, that is, a gas bonded to atoms liberated from the target 3 during film formation is injected into the space portion 20.
[0014]
Next, a method for growing a thin film single crystal according to the first embodiment will be described. This growth method includes a step of preparing a substrate 6 for growing a thin film and a step of growing a thin film on the substrate 6. Here, the case of forming a thin film made of β-Ga 2 O 3 on a substrate 6 made of β-Ga 2 O 3.
[0015]
(1) Preparation of Substrate 6 First, a β-Ga 2 O 3 single crystal is formed by FZ (Floating Zone) method. That is, both are melted in the contact portion between the β-Ga 2 O 3 seed crystal and the β-Ga 2 O 3 polycrystalline material in the quartz tube. When dissolved β-Ga 2 O 3 polycrystalline raw material is lowered together with the β-Ga 2 O 3 seed crystal, β-Ga 2 O 3 or β-Ga 2 O 3 single crystal on the crystal is generated. Next, the substrate 6 is produced from this β-Ga 2 O 3 single crystal. Note that when the crystal is grown in the b-axis <010> orientation, the cleavage of the (100) plane becomes strong, and thus the substrate 6 is manufactured by cutting along a plane perpendicular to the (100) plane. . When the crystal is grown in the a-axis <100> orientation and the c-axis <001> orientation, the cleaving properties of the (100) plane and (001) are weakened, so that the workability of all the faces is improved, as described above. There is no limit on the cut surface.
[0016]
(2) Growth of Thin Film A thin film is grown on the substrate 6 by using the film forming apparatus 1 described above. That is, for example, the target 3 made of Ga is fixed to the target base 5 as the target 3. A substrate 6 made of a β-Ga 2 O 3 single crystal is held on the substrate holder 7. The air in the space part 20 is exhausted by the vacuum pump of the exhaust part 9, and the degree of vacuum in the space part 20 is set to about 1 × 10 −9 torr, for example, and then oxygen gas is injected into the space part 20 for example. The heater (not shown) is energized by the substrate holding unit 7 at about 10 −7 torr, and the temperature of the substrate 6 is heated to 300 ° C. to 1500 ° C., for example. Next, oxygen radicals are injected into the space 20 by the radical injection part 8 to obtain 1 × 10 −4 to 1 × 10 −6 torr. When the laser beam 42 having a laser output of 100 mW, a repetition frequency of 10 Hz, and a wavelength of 266 nm is irradiated from the laser unit 4 to the rotating target 3, the Ga atoms constituting the target 3 are excited and are thermally and photochemically. By the action, chemical species such as Ga atoms, Ga ions, excited Ga atoms, and excited Ga ions emitted from the target 3 are combined with oxygen radicals in the atmosphere on the substrate 6 to form a β-Ga 2 O 3 single crystal. Is done. The formed β-Ga 2 O 3 single crystal grows on the substrate 6, and a β-Ga 2 O 3 thin film single crystal is formed on the substrate 6. The grown β-Ga 2 O 3 thin film single crystal exhibited n-type conductivity. This conductivity is thought to be due to oxygen defects.
[0017]
According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
(B) Since chemical species such as metal atoms, metal ions, excited metal atoms, and excited metal ions released from the target 3 are combined with atoms in the atmosphere, β-Ga 2 O having high surface flatness and high quality is obtained. A thin film made of three single crystals can be grown on a substrate.
[0018]
FIG. 2 shows a cross section of a MIS type light emitting device according to the second embodiment of the present invention. The MIS type light emitting device 60 includes a substrate 6 made of β-Ga 2 O 3 single crystal, a β-Ga 2 O 3 thin film single crystal 61 having n-type conductivity formed on the upper surface of the substrate 6, Insulating layer 62 made of β-Ga 2 O 3 thin film crystal formed on the upper surface of n-type β-Ga 2 O 3 thin film single crystal 61, gold electrode 63 formed on the upper surface of insulating layer 62, and gold electrode And a bonding 67 attached to the lower surface of the substrate 6 and connected to the lead 66.
[0019]
The insulating layer 62 is free from oxygen defects of 10 to 1000 nm on the surface formed by annealing at 900 ° C. in an oxygen atmosphere.
[0020]
According to the light emitting device 60 according to the second embodiment, a light emitting device having an emission wavelength near 260 nm is obtained.
[0021]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the film forming apparatus 1 according to the first embodiment is used. However, the target 3 uses Zn or a metal made of an alloy containing Zn, and grows a ZnO-based thin film single crystal on the substrate.
[0022]
According to the third embodiment, when a metal target made of Zn or an alloy containing Zn is irradiated with an excitation beam, the metal target is constituted, but Zn atoms or other atoms are excited, and thermal / photochemistry is performed. By chemical action, chemical species such as Zn atoms, Zn ions, excited Zn atoms, and excited Zn ions emitted from the metal target are combined with radicals in the atmosphere, which grow on the substrate and form a ZnO-based thin film on the substrate. A single crystal is formed.
[0023]
A buffer layer made of a ZnO-based thin film crystal may be grown on a substrate made of a β-Ga 2 O 3 -based single crystal, and a ZnO-based thin film single crystal may be grown on the buffer layer. According to this configuration, since a ZnO-based thin film single crystal of the same kind as the buffer layer is grown on the buffer layer, a lattice mismatch is reduced, and a ZnO-based thin film single crystal having good crystallinity can be formed. it can.
[0024]
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, the film forming apparatus 1 according to the first embodiment is used. However, the atmosphere is composed of one or more of nitrogen radicals, NH 3 gas, and NH 3 gas containing nitrogen radicals, and a GaN-based thin film single crystal is grown on the substrate.
[0025]
According to the fourth embodiment, when an excitation beam is irradiated onto a metal target made of Ga or an alloy containing Ga, the metal target is constituted, but Ga atoms or other atoms are excited, and thermal / photochemistry is performed. By chemical action, chemical species such as Ga atoms, Ga ions, excited Ga atoms, and excited Ga ions emitted from the metal target are combined with radicals in the atmosphere, which grow on the substrate and grow on the substrate. A single crystal is formed.
[0026]
A buffer layer made of a GaN-based thin film crystal may be grown on a substrate made of a β-Ga 2 O 3 -based single crystal, and the GaN-based thin film single crystal may be grown on the buffer layer. According to this configuration, in order to grow the same kind of GaN-based thin film single crystal of the same kind as the buffer layer on the buffer layer, lattice mismatch is reduced, and a GaN-based thin film single crystal having good crystallinity is formed. be able to.
[0027]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described. In this example, a thin film single crystal is grown on the substrate 6 by embodying the conditions shown in the first embodiment.
[0028]
In Example 1 of the present invention, Ga is used as the material of the target 3, and β-Ga 2 O 3 is used as the substrate 6. While oxygen radicals are injected, the substrate temperature is 400 ° C., the laser output is 100 mW, The target 3 is irradiated with laser light 42 having a repetition frequency of 10 Hz and a degree of vacuum of 1 × 10 −5 torr and a wavelength of 266 nm.
This laser oscillation unit 41 has a fundamental wave of 1.064 μm, which is the oscillation wavelength of a Qsw Nd: YAG laser, and uses a non-illustrated nonlinear optical crystal to pulsate 355 nm, which is a third harmonic, and 266 nm, which is a fourth harmonic. Is possible. After irradiation with the laser beam 42, a colorless and transparent β-Ga 2 O 3 thin film was grown on the β-Ga 2 O 3 substrate 6. FIG. 3 shows an atomic force microscope (AFM) photograph of the β-Ga 2 O 3 thin film of Example 1.
[0029]
In Example 2 of the present invention, the substrate temperature in Example 1 was set to 1000 ° C., and the other conditions were the same as those in Example 1. 4 shows an atomic force microscope (AFM) photograph of the β-Ga 2 O 3 thin film of Example 2, and FIG. 9A shows a pattern by reflection high-energy electron diffraction (RHEED). As is clear from FIG. 9A, it can be seen that a high-quality β-Ga 2 O 3 thin film single crystal has grown.
[0030]
In Example 3 of the present invention, Ga is used as the material of the target 3 and the substrate 6 is made of β-Ga 2 O 3 , and the substrate temperature is 400 ° C. while irradiating N 2 O radicals, and the laser output. The target 3 is irradiated with laser light 42 having a wavelength of 266 nm at 100 mW, a repetition frequency of 10 Hz, and a degree of vacuum of 1 × 10 −5 torr.
FIG. 5 shows an atomic force microscope (AFM) photograph of the β-Ga 2 O 3 thin film of Example 3.
[0031]
In Example 4 of the present invention, the substrate temperature in Example 3 was set to 1000 ° C., and the other conditions were the same as those in Example 3. 6 shows an atomic force microscope (AFM) photograph of the β-Ga 2 O 3 thin film of Example 4, and FIG. 9B shows a pattern by reflection high-energy electron diffraction (RHEED). As is apparent from FIG. 9B, it can be seen that a high-quality β-Ga 2 O 3 thin film single crystal has grown.
[0032]
FIG. 7 shows an atomic force microscope (AFM) photograph of a β-Ga 2 O 3 thin film according to Example 5 of the present invention. In Example 5, Ga is used as the material of the target 3 and the substrate 6 is made of β-Ga 2 O 3. While irradiating oxygen radicals, the substrate temperature is 1000 ° C., the laser output is 100 mW, and the repetition frequency. The target 3 is irradiated with laser light having a wavelength of 355 nm at 10 Hz and a degree of vacuum of 1 × 10 −5 torr.
[0033]
FIG. 8 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph of the β-Ga 2 O 3 thin film according to Comparative Example 1. In this comparative example 1, Ga 2 O 3 is used as the material of the target 3 and the substrate 6 is made of β-Ga 2 O 3 , the substrate temperature is 1000 ° C., the laser output is 200 mW, the repetition frequency in an oxygen atmosphere. The target 3 is irradiated with laser light 42 having a wavelength of 355 nm at 10 Hz and a degree of vacuum of 1 × 10 −5 torr. After irradiation with the laser beam 42, a white thin film grew on the β-Ga 2 O 3 substrate 6. This indicates that the cluster-like material is attached to the substrate 6, and the β-Ga 2 O 3 film hardly grows.
[0034]
In Comparative Example 2, Ga 2 O 3 is used as the material of the target 3, and the substrate 6 is made of β-Ga 2 O 3. Under a NO 2 radical atmosphere, the substrate temperature is 1000 ° C., the laser output is 100 mW, and repeated. The target 3 is irradiated with laser light 42 having a frequency of 10 Hz and a degree of vacuum of 1 × 10 −5 torr and a wavelength of 266 nm. After irradiation with the laser beam 42, a transparent thin film was grown on the β-Ga 2 O 3 substrate 6. FIG. 9C shows a pattern of the grown β-Ga 2 O 3 thin film by reflection high-energy electron diffraction (RHEED). As is clear from FIG. 9C, a high-quality β-Ga 2 O 3 thin film single crystal has not grown.
[0035]
In Comparative Example 3, Ga 2 O 3 is used as the material of the target 3 and the substrate 6 is made of β-Ga 2 O 3. Under an oxygen radical atmosphere, the substrate temperature is 1000 ° C., the laser output is 100 mW, the repetition frequency. The target 3 is irradiated with laser light 42 having a wavelength of 266 nm at 10 Hz and a degree of vacuum of 1 × 10 −5 torr. After irradiation with the laser beam 42, a transparent thin film was grown on the β-Ga 2 O 3 substrate 6. FIG. 9D shows a pattern by reflection high-energy electron diffraction (RHEED) of the grown β-Ga 2 O 3 thin film. As is apparent from FIG. 9D, a high-quality β-Ga 2 O 3 thin film single crystal has not grown.
[0036]
According to each of the above embodiments, a good quality colorless and transparent β-Ga 2 O is formed on a substrate 6 made of β-Ga 2 O 3 in a N 2 O radical or oxygen radical atmosphere using a Ga target. 3 Thin film single crystals could be grown (see FIGS. 3 to 7).
[0037]
On the other hand, according to each comparative example, when a target made of Ga 2 O 3 was used, a good thin film single crystal was not generated. This shows that the target made of Ga is suitable for the growth of a thin film single crystal. As can be seen from FIG. 9, a β-Ga 2 O 3 thin film single crystal is grown on a substrate 6 in which the presence of N 2 O radicals or oxygen radicals is made of β-Ga 2 O 3 in addition to the Ga target. It is effective in making it.
[0038]
As a method of growing a β-Ga 2 O 3 single crystal thin film on a substrate made of β-Ga 2 O 3 single crystal, it has been described PLD method, without being limited to the PLD method, MBE method, A physical vapor deposition method such as MOCVD method or a chemical vapor deposition method such as thermal CVD or plasma CVD may be used.
[0039]
The target has been described as a metal plate in terms of its properties, but is not limited to metal, and may be made of a solid other than metal or liquid. Further, the target is not limited to the one made of Ga, but may be an alloy containing Ga, a metal made of Zn or an alloy containing Zn. This increases the degree of freedom in selecting the type of film to be formed.
[0040]
In addition to the laser beam, the excitation beam may be an electron beam, an ion beam, or the like as long as it can irradiate a metal target and release metal atoms and the like.
[0041]
Further, the wavelength of the laser is not limited to 266 nm, and may be other wavelengths such as 355 nm and 193 nm. The laser output may be 10 mW to 400 mW.
[0042]
Furthermore, the substrate temperature may be 300 ° C to 1500 ° C. This temperature range is a temperature range for flattening and densely growing a film to be grown, that is, a temperature range for improving crystallization.
[0043]
The degree of vacuum in the chamber 2 may be 1 to 1 × 10 −10 torr. Even in this vacuum range, a β-Ga 2 O 3 -based thin film single crystal can be grown.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when a metal target is irradiated with an excitation beam, metal atoms constituting the metal target are excited, and a chemical species such as a metal atom is generated from the metal target by a thermal / photochemical action. Is liberated, and the liberated chemical species are combined with radicals in the atmosphere, which grow on the substrate and form a thin film on the substrate, so that a high-quality thin film single crystal can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a laminate formed by the thin film device according to the first embodiment of the invention.
3 is an atomic force microscope (AFM) photograph of a β-Ga 2 O 3 thin film in Example 1 of the present invention. FIG.
FIG. 4 is an atomic force microscope (AFM) photograph of a β-Ga 2 O 3 thin film in Example 2 of the present invention.
5 is an atomic force microscope (AFM) photograph of a β-Ga 2 O 3 thin film in Example 3 of the present invention. FIG.
FIG. 6 is an atomic force microscope (AFM) photograph of a β-Ga 2 O 3 thin film in Example 4 of the present invention.
7 is an atomic force microscope (AFM) photograph of a β-Ga 2 O 3 thin film in Example 5 of the present invention. FIG.
8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a grown β-Ga 2 O 3 thin film in Comparative Example 1 of the present invention. FIG.
FIGS. 9A to 9D are photographs of RHEED patterns of each thin film in the presence of each radical.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Film-forming apparatus 2 Chamber 2a Pipe 2b Pipe 3 Target 4 Laser apparatus 5 Target base 6 Substrate 7 Substrate holding part 8 Radical injection part 9 Exhaust part 11 Rotating mechanism 20 Space part 33 Dissociated metal atom 41 Laser oscillation part 42 Laser light 43 44 Lens 60 MIS type light emitting element 61 Thin film single crystal 62 Insulating layer 63, 64 Electrode 65, 67 Bonding 66, 68 Lead

Claims (8)

β−Ga 単結晶からなる基板を準備し、
純金属あるいは合金からなる金属ターゲットに励起ビームを照射して前記金属ターゲットから前記純金属あるいは前記合金の原子、分子、又はイオンを遊離させ、遊離した前記原子、前記分子、又は前記イオンに結合するガスの雰囲気中において、前記基板上に前記原子、前記分子、又は前記イオンと前記ガスとが結合してなる単結晶の薄膜を成長させることを特徴とする薄膜単結晶の成長方法。
preparing a substrate made of β-Ga 2 O 3 single crystal ,
A metal target made of a pure metal or alloy is irradiated with an excitation beam to release atoms, molecules or ions of the pure metal or alloy from the metal target and bind to the released atoms, molecules or ions. A method for growing a thin film single crystal, comprising growing a single crystal thin film formed by bonding the atoms, molecules, or ions and the gas on the substrate in a gas atmosphere .
前記ガスの雰囲気は、ラジカルを含むことを特徴とする請求項1記載の薄膜単結晶の成長方法。Atmosphere in the gas, the growth method of the thin-film single crystal according to claim 1, characterized in that it comprises a radical. 前記ガスの雰囲気は、真空度1〜1×10−10torrであることを特徴とする請求項1記載の薄膜単結晶の成長方法。2. The method for growing a thin film single crystal according to claim 1, wherein the gas atmosphere has a degree of vacuum of 1-1.times.10.sup.- 10 torr. 前記ガスの雰囲気は、真空度1×10−4〜1×10−6torrであることを特徴とする請求項1記載の薄膜単結晶の成長方法。2. The method for growing a thin film single crystal according to claim 1, wherein the gas atmosphere has a degree of vacuum of 1 * 10 < -4 > to 1 * 10 < -6 > torr. 前記励起ビームは、レーザ光であることを特徴とする請求項1記載の薄膜単結晶の成長方法。  2. The thin film single crystal growth method according to claim 1, wherein the excitation beam is a laser beam. 前記基板は、300℃〜1500℃に加熱することを特徴とする請求項1記載の薄膜単結晶の成長方法。  The method of growing a thin film single crystal according to claim 1, wherein the substrate is heated to 300 ° C to 1500 ° C. 前記ガスの雰囲気は、酸素ガス、オゾンを含む酸素ガス、純オゾンガス、NOガス、NOガス、酸素ラジカルを含む酸素ガス、および酸素ラジカルのうち1または2以上のガスからなり、
前記金属ターゲットは、GaあるいはGaを含む合金からなり、
前記単結晶の薄膜は、β−Ga 系からなることを特徴とする請求項1記載の薄膜単結晶の成長方法。
Atmosphere in the gas, oxygen gas containing oxygen gas, ozone, Ri Do pure ozone gas, N 2 O gas, NO 2 gas, oxygen gas containing oxygen radicals, and one or more gases of oxygen radicals,
The metal target is made of Ga or an alloy containing Ga,
The thin film of single crystal growth method of the thin-film single crystal according to claim 1, comprising the β-Ga 2 O 3 system.
β−Ga系からなる前記単結晶の薄膜は、β−Ga系の薄膜結晶からなるバッファ層を形成し、前記バッファ層上に成長させることを特徴とする請求項記載の薄膜単結晶の成長方法。 The single-crystal thin film made of beta -Ga 2 O 3 system, β-Ga 2 O 3 system buffer layer is formed of a thin film crystal according to claim 1, wherein the growing the buffer layer Growth method of thin film single crystal.
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