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JP7708348B2 - Crystalline oxide film and semiconductor device - Google Patents
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JP7708348B2 - Crystalline oxide film and semiconductor device - Google Patents

Crystalline oxide film and semiconductor device

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JP7708348B2 JP2020113137A JP2020113137A JP7708348B2 JP 7708348 B2 JP7708348 B2 JP 7708348B2 JP 2020113137 A JP2020113137 A JP 2020113137A JP 2020113137 A JP2020113137 A JP 2020113137A JP 7708348 B2 JP7708348 B2 JP 7708348B2
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本発明は、半導体装置に有用な結晶性酸化物膜および該結晶性酸化物膜を用いた半導体装置に関する。 The present invention relates to a crystalline oxide film useful for semiconductor devices and a semiconductor device using the crystalline oxide film.

従来、異種基板上に結晶成長させる際に、クラックや格子欠陥、反りが生じる問題がある。この問題に対し、基板と膜の格子定数や熱膨張係数を整合させること等が検討されている。また、不整合が生じる場合には、ELOのような成膜手法等も検討されている。 Conventionally, when growing crystals on a dissimilar substrate, problems such as cracks, lattice defects, and warping can occur. To address this problem, methods such as matching the lattice constants and thermal expansion coefficients of the substrate and film have been considered. In addition, when mismatches occur, film formation techniques such as ELO have also been considered.

特許文献1には、異種基板上にバッファ層を形成し、前記バッファ層上に酸化亜鉛系半導体層を結晶成長させる方法が記載されている。特許文献2には、ナノドットのマスクを異種基板上に形成して、ついで、単結晶半導体材料層を形成することが記載されている。非特許文献1には、サファイア上に、GaNのナノカラムを介して、GaNを結晶成長させる手法が記載されている。非特許文献2には、周期的なSiN中間層を用いて、Si(111)上にGaNを結晶成長させて、ピット等の欠陥を減少させる手法が記載されている。 Patent Document 1 describes a method of forming a buffer layer on a heterogeneous substrate and growing a zinc oxide-based semiconductor layer on the buffer layer. Patent Document 2 describes forming a nanodot mask on a heterogeneous substrate and then forming a single crystal semiconductor material layer. Non-Patent Document 1 describes a method of growing GaN crystals on sapphire via GaN nanocolumns. Non-Patent Document 2 describes a method of growing GaN crystals on Si(111) using a periodic SiN intermediate layer to reduce defects such as pits.

しかしながら、いずれの技術も、成膜速度が悪かったり、基板にクラック、転位、反り等が生じたり、また、エピタキシャル膜に転位やクラック等が生じたりして、高品質なエピタキシャル膜を得ることが困難であり、基板の大口径化やエピタキシャル膜の厚膜化においても、支障が生じていた。 However, with both technologies, the deposition speed was slow, and cracks, dislocations, warping, etc. occurred in the substrate, and dislocations and cracks occurred in the epitaxial film, making it difficult to obtain a high-quality epitaxial film. There were also obstacles to increasing the diameter of the substrate and the thickness of the epitaxial film.

また、高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、バンドギャップの大きな酸化ガリウム(Ga)を用いた半導体装置が注目されており、インバータなどの電力用半導体装置への適用が期待されている。しかも、広いバンドギャップからLEDやセンサー等の受発光装置としての応用も期待されている。当該酸化ガリウムは非特許文献1によると、インジウムやアルミニウムをそれぞれ、あるいは組み合わせて混晶することによりバンドギャップ制御することが可能であり、InAlGaO系半導体として極めて魅力的な材料系統を構成している。ここでInAlGaO系半導体とはInAlGa(0≦X≦2、0≦Y≦2、0≦Z≦2、X+Y+Z=1.5~2.5)を示し、酸化ガリウムを内包する同一材料系統として俯瞰することができる。 In addition, as a next-generation switching element capable of realizing high voltage resistance, low loss, and high heat resistance, a semiconductor device using gallium oxide (Ga 2 O 3 ) with a large band gap has been attracting attention, and it is expected to be applied to power semiconductor devices such as inverters. Moreover, due to its wide band gap, it is also expected to be applied as a light receiving and emitting device such as an LED or a sensor. According to Non-Patent Document 1, the band gap of the gallium oxide can be controlled by mixing indium and aluminum, respectively or in combination, and it constitutes an extremely attractive material system as an InAlGaO-based semiconductor. Here, the InAlGaO-based semiconductor refers to In x Al y Ga zo 3 (0≦X≦2, 0≦Y≦2, 0≦Z≦2, X+Y+Z=1.5 to 2.5), and can be viewed as the same material system containing gallium oxide.

しかしながら、酸化ガリウムは、再安定相がβガリア構造であるので、特殊な成膜法を用いなければ、コランダム構造の結晶膜を成膜することが困難であり、結晶品質等においてもまだまだ課題が数多く存在している。これに対し、現在、コランダム構造を有する結晶性半導体の成膜について、いくつか検討がなされている。
また、最近では、非特許文献4に記載されているように、コランダム構造の酸化ガリウム膜をELO成長等させることが検討されている。非特許文献4に記載されている方法によれば、良質なコランダム構造の酸化ガリウム膜を得ることは可能であるが、実際に結晶膜を調べてみると、ファセット成長する傾向があり、このファセット成長に起因する転位やクラックなどの課題もあって、半導体装置に適用するには、まだまだ満足のいくものではなかった。非特許文献5には、m面サファイア基板上にα-Ga膜を成膜することが記載されている。しかしながら、非特許文献5に記載の方法で成膜されたα-Ga膜は、結晶軸方向ごとの反りが不均等であったり、厚膜化するとクラックが生じてしまったりするなどの問題があり、大面積化や半導体装置に適用するためには十分に満足できるものではなかった。そのため、反りやクラックを抑制することができる成膜方法および反りおよびクラックが改善された結晶性酸化物膜が待ち望まれていた。
However, since the restabilized phase of gallium oxide is a β-gallium structure, it is difficult to form a crystalline film having a corundum structure unless a special film formation method is used, and many problems still remain in terms of crystal quality, etc. In response to this, several studies are currently being conducted on the formation of a crystalline semiconductor film having a corundum structure.
Recently, as described in Non-Patent Document 4, it has been considered to grow a gallium oxide film having a corundum structure by ELO or the like. According to the method described in Non-Patent Document 4, it is possible to obtain a gallium oxide film having a good corundum structure, but when the crystal film is actually examined, it has a tendency to grow facets, and there are also problems such as dislocations and cracks caused by this facet growth, so it is still not satisfactory for application to semiconductor devices. Non-Patent Document 5 describes the formation of an α-Ga 2 O 3 film on an m-plane sapphire substrate. However, the α-Ga 2 O 3 film formed by the method described in Non-Patent Document 5 has problems such as uneven warping in each crystal axis direction and cracks occurring when the film is made thick, and is not sufficiently satisfactory for application to large-area and semiconductor devices. Therefore, a film formation method capable of suppressing warping and cracking and a crystalline oxide film with improved warping and cracking have been awaited.

特開2010-232623号公報JP 2010-232623 A 特表2010-516599号公報Special Publication No. 2010-516599

Kazuhide Kusakabe., et al., “Overgrowth of GaN layer on GaN nano-columns by RF-molecular beam epitaxy”, Journal of Crystal Growth 237-239 (2002) 988-992Kazuhide Kusakabe., et al., “Overgrowth of GaN layer on GaN nano-columns by RF-molecular beam epitaxy”, Journal of Crystal Growth 237-239 (2002) 988-992 K. Y. Zang., et al.,”Defect reduction by periodic SiNx interlayers in gallium nitride grown on Si (111)”, Journal of Applied Physics 101, 093502 (2007)K. Y. Zang., et al., “Defect reduction by periodic SiNx interlayers in gallium nitride grown on Si (111)”, Journal of Applied Physics 101, 093502 (2007) 金子健太郎、「コランダム構造酸化ガリウム系混晶薄膜の成長と物性」、京都大学博士論文、平成25年3月Kentaro Kaneko, "Growth and properties of corundum-structured gallium oxide alloy thin films", Doctoral dissertation, Kyoto University, March 2013 高塚章夫、織田真也、金子健太郎、藤田静雄、人羅俊実,“ミストエピタキシー法によるα型酸化ガリウムの横方向選択成長(ELO)”,2015年第62回応用物理学会春季学術講演会, 東海大学, (2015年3月11日-14日) 13a-P18-12.Akio Takatsuka, Shinya Oda, Kentaro Kaneko, Shizuo Fujita, Toshimi Hitohara, “Selective Lateral Overgrowth (ELO) of α-type Gallium Oxide by Mist Epitaxy”, 62nd Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics, Tokai University, (March 11-14, 2015) 13a-P18-12. AKAIWA, Kazuaki, et al. Electrical Properties of Sn‐Doped α‐Ga2O3 Films on m‐Plane Sapphire Substrates Grown by Mist Chemical Vapor Deposition. physica status solidi (a), 2020, 217.3: 1900632.AKAIWA, Kazuaki, et al. Electrical Properties of Sn‐Doped α‐Ga2O3 Films on m‐Plane Sapphire Substrates Grown by Mist Chemical Vapor Deposition. physica status solidi (a), 2020, 217.3: 1900632.

本発明は、反りやクラックが抑制された結晶性酸化物膜を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a crystalline oxide film that is suppressed from warping and cracking.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、金属酸化物を含み、第1の結晶軸と第2の結晶軸とを少なくとも含む結晶性酸化物膜であって、第1の結晶軸と第2の結晶軸とを少なくとも含む結晶性酸化物膜であって、第1の結晶軸方向の線膨張係数が、第2の結晶軸方向の線膨張係数よりも小さく、主面が、第2の結晶軸方向に平行な面から少なくとも第2の結晶軸方向に傾斜した面である結晶性酸化物膜が、反りおよびクラックが低減されたものとなることを知見し、このような結晶性酸化物膜が、上記した従来の問題を一挙に解決できるものであることを見出した。
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。
As a result of intensive research to achieve the above-mentioned object, the inventors have discovered that a crystalline oxide film containing a metal oxide and including at least a first crystal axis and a second crystal axis, in which the linear expansion coefficient in the first crystal axis direction is smaller than the linear expansion coefficient in the second crystal axis direction and the main surface is a plane inclined at least in the second crystal axis direction from a plane parallel to the second crystal axis direction, has reduced warping and cracks, and have found that such a crystalline oxide film can solve the above-mentioned conventional problems in one fell swoop.
After obtaining the above findings, the inventors conducted further studies and completed the present invention.

すなわち、本発明は、以下の発明に関する。
[1] 金属酸化物を含み、第1の結晶軸と第2の結晶軸とを少なくとも含む結晶性酸化物膜であって、第1の結晶軸方向の線膨張係数が、第2の結晶軸方向の線膨張係数よりも小さく、主面が、第2の結晶軸方向に平行な面から少なくとも第2の結晶軸方向に傾斜した面であることを特徴とする結晶性酸化物膜。
[2] 前記金属酸化物がガリウムを含む請求項1記載の結晶性酸化物膜。
[3] 前記金属酸化物がコランダム構造を有する前記[1]または[2]に記載の結晶性酸化物膜。
[4] 前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、インジウム、ロジウムまたはイリジウムを含む前記[2]記載の結晶性酸化物膜。
[5] 前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、インジウムまたは/およびアルミニウムを含む前記[2]記載の結晶性酸化物膜。
[6] 膜厚が2.5μm以上である前記[1]~[5]のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
[7] ドーパントを含む前記[1]~[6]のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
[8] 第1の結晶軸方向の反り量に対する第2の結晶軸方向の反り量の比が3以下である前記[1]~[7]のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
[9] 前記傾斜の角度が、3°~25°の範囲内である前記[1]~[8]のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
[10] 前記傾斜の角度が、3°~10°の範囲内である前記[1]~[9]のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
[11] コランダム構造を有しており、主面が、m面から少なくとも第2の結晶軸方向に傾斜した面である前記[1]~[10]のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
[12] 第2の結晶軸方向がc軸方向である前記[11]記載の結晶性酸化物膜。
[13] 前記[1]~[12]のいずれかに記載の結晶性酸化物膜と電極とを少なくとも備える半導体装置。
[14] 前記[13]記載の半導体装置を用いた電力変換装置。
[15] 前記[13]記載の半導体装置を用いた制御システム。
That is, the present invention relates to the following inventions.
[1] A crystalline oxide film including a metal oxide and including at least a first crystal axis and a second crystal axis, wherein a linear expansion coefficient in the first crystal axis direction is smaller than a linear expansion coefficient in the second crystal axis direction, and a main surface is a surface inclined toward at least the second crystal axis direction from a surface parallel to the second crystal axis direction.
[2] The crystalline oxide film according to claim 1, wherein the metal oxide contains gallium.
[3] The crystalline oxide film according to [1] or [2], wherein the metal oxide has a corundum structure.
[4] The crystalline oxide film according to [2], wherein the metal oxide contains indium, rhodium or iridium in addition to gallium.
[5] The crystalline oxide film according to [2], wherein the metal oxide contains indium and/or aluminum in addition to gallium.
[6] The crystalline oxide film according to any one of [1] to [5] above, having a film thickness of 2.5 μm or more.
[7] The crystalline oxide film according to any one of [1] to [6] above, which contains a dopant.
[8] The crystalline oxide film according to any one of [1] to [7] above, wherein the ratio of the amount of warping in the second crystal axis direction to the amount of warping in the first crystal axis direction is 3 or less.
[9] The crystalline oxide film according to any one of [1] to [8] above, wherein the inclination angle is within a range of 3° to 25°.
[10] The crystalline oxide film according to any one of [1] to [9] above, wherein the inclination angle is within a range of 3° to 10°.
[11] The crystalline oxide film according to any one of [1] to [10] above, which has a corundum structure and has a main surface that is inclined from an m-plane toward at least a second crystal axis direction.
[12] The crystalline oxide film according to [11] above, wherein the second crystal axis direction is the c-axis direction.
[13] A semiconductor device comprising at least the crystalline oxide film according to any one of [1] to [12] above and an electrode.
[14] A power conversion device using the semiconductor device according to [13].
[15] A control system using the semiconductor device according to [13] above.

本発明の結晶性酸化物膜は、反りやクラックが低減されている。 The crystalline oxide film of the present invention has reduced warping and cracks.

本発明の実施態様で好適に用いられる成膜装置の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a film forming apparatus preferably used in an embodiment of the present invention. 本発明の実施態様で好適に用いられる図1とは別態様の成膜装置(ミストCVD)の概略構成図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a film forming apparatus (mist CVD) of another embodiment different from that shown in FIG. 1 that is preferably used in an embodiment of the present invention. ショットキーバリアダイオード(SBD)の好適な一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a preferred example of a Schottky barrier diode (SBD). 高電子移動度トランジスタ(HEMT)の好適な一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a preferred example of a high electron mobility transistor (HEMT). 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の好適な一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a preferred example of a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). 接合電界効果トランジスタ(JFET)の好適な一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a preferred example of a junction field effect transistor (JFET). 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)の好適な一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a preferred example of an insulated gate bipolar transistor (IGBT). 発光素子(LED)の好適な一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a preferred example of a light-emitting element (LED). 発光素子(LED)の好適な一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a preferred example of a light-emitting element (LED). ジャンクションバリアショットキーダイオード(JBS)の好適な一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a preferred example of a junction barrier Schottky diode (JBS). ジャンクションバリアショットキーダイオード(JBS)の好適な一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a preferred example of a junction barrier Schottky diode (JBS). 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の好適な一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a preferred example of a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。1 is a block diagram showing an example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing an example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。1 is a block diagram showing an example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing an example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 実施例および比較例における反りの測定結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the results of warpage measurement in Examples and Comparative Examples.

本発明の結晶性酸化物膜は、金属酸化物を含み、第1の結晶軸と第2の結晶軸とを少なくとも含む結晶性酸化物膜であって、第1の結晶軸方向の線膨張係数が、第2の結晶軸方向の線膨張係数よりも小さく、主面が、第2の結晶軸方向に平行な面から少なくとも第2の結晶軸方向に傾斜した面であることを特徴とする。前記主面は、少なくとも第2の結晶軸方向に傾斜していればそれでよく、第2の結晶軸方向に加えてさらに他の結晶軸方向(例えば、第1の結晶軸方向等)に傾斜していてもよい。なお「結晶軸」とは、結晶面や回転に対する対称性などを系統的に示すために結晶構造から導き出される座標軸のことである。なお、「線熱膨張係数」とは、JIS R 3102(1995)に従い測定される。また、「主面」とは、前記結晶性酸化物膜の最も広い面積を有する面であり、通常、前記結晶性酸化物膜の表面となる面である。本発明の実施態様においては、前記主面が、m面から少なくとも第2の結晶軸方向に傾斜した面であるのが、結晶軸方向の反りがより均一化された前記結晶性酸化物膜を得ることができるので、好ましい。この場合、第2の結晶軸方向がc軸方向であるのが好ましい。また、第2の結晶軸に平行な面から少なくとも第2の結晶軸方向に傾斜した面とは、例えば、前記結晶性酸化物膜がコランダム構造を有する場合、m面から少なくともc軸方向に傾斜した面、a面から少なくともc軸方向に傾斜した面等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記結晶性酸化物膜がコランダム構造を有し、前記結晶性酸化物膜の主面が、m面から少なくともc軸方向に傾斜した面であるのが好ましい。前記傾斜の角度は、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、前記傾斜の角度が正であっても、負であってもよい。本発明の実施態様においては、前記傾斜の角度が、3°~25°の範囲内であるのが好ましく、反りやクラックを抑制しつつより電気特性に優れた前記結晶性酸化物膜を得ることができるので、3°~10°の範囲内であるのがより好ましい。 The crystalline oxide film of the present invention is a crystalline oxide film containing a metal oxide and at least a first crystal axis and a second crystal axis, characterized in that the linear expansion coefficient in the first crystal axis direction is smaller than the linear expansion coefficient in the second crystal axis direction, and the main surface is a surface inclined from a surface parallel to the second crystal axis direction to at least the second crystal axis direction. The main surface may be inclined at least in the second crystal axis direction, and may be inclined in other crystal axis directions (e.g., the first crystal axis direction, etc.) in addition to the second crystal axis direction. Note that the "crystal axis" is a coordinate axis derived from a crystal structure to systematically show the symmetry of the crystal plane and rotation. Note that the "linear thermal expansion coefficient" is measured in accordance with JIS R 3102 (1995). The "main surface" is the surface having the widest area of the crystalline oxide film, and is usually the surface of the crystalline oxide film. In an embodiment of the present invention, it is preferable that the main surface is a surface inclined from the m-plane in at least the second crystal axis direction, since it is possible to obtain the crystalline oxide film with a more uniform warpage in the crystal axis direction. In this case, it is preferable that the second crystal axis direction is the c-axis direction. In addition, the surface inclined from a surface parallel to the second crystal axis in at least the second crystal axis direction includes, for example, a surface inclined from the m-plane in the c-axis direction or a surface inclined from the a-plane in the c-axis direction when the crystalline oxide film has a corundum structure. In an embodiment of the present invention, it is preferable that the crystalline oxide film has a corundum structure, and the main surface of the crystalline oxide film is a surface inclined from the m-plane in at least the c-axis direction. The angle of inclination 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 angle of inclination may be positive or negative. In an embodiment of the present invention, it is preferable that the angle of inclination is within the range of 3° to 25°, and more preferably within the range of 3° to 10°, since it is possible to obtain the crystalline oxide film with better electrical properties while suppressing warpage and cracks.

前記結晶性酸化物膜は、金属酸化物を含むものであれば、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、前記結晶性酸化物膜は、前記金属酸化物を主成分として含むのが好ましく、ガリウムを含有する金属酸化物を主成分とするのがより好ましく、酸化ガリウムおよびその混晶を主成分として含むのが最も好ましい。また、前記金属酸化物の結晶構造等は特に限定されない。前記金属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、前記結晶性酸化物膜がコランダム構造を有する金属酸化物を主成分として含むのが好ましい。前記金属酸化物は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、ガリウムを含有するのが好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、ガリウム以外の周期律表第4周期~第6周期の1種または2種以上の金属を含むのが好ましく、ガリウムに加えて、さらに、インジウム、ロジウムまたはイリジウムを含むのがより好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、さらに、インジウムまたは/およびアルミニウムを含有するもの好ましい。ガリウムを含む前記金属酸化物としては、例えば、α-Gaまたはその混晶などが挙げられる。このような好ましい金属酸化物を主成分として含む結晶性酸化物膜は、結晶性や放熱性がより優れたものとなり、半導体特性もさらに優れたものになり得る。なお、前記「主成分」とは、結晶性酸化物膜中の組成比で、前記金属酸化物を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。例えば、前記金属酸化物がα-Gaである場合、前記結晶性酸化物膜の金属元素中のガリウムの原子比が0.5以上の割合でα-Gaが含まれていればそれでよい。本発明の実施態様においては、前記結晶性酸化物膜の金属元素中のガリウムの原子比が0.7以上であることが好ましく、0.8以上であるのがより好ましい。なお、前記結晶性酸化物膜は、単結晶膜であってもよいし、多結晶膜であってもよい。また、前記結晶性酸化物膜は、絶縁膜、半導体膜または導電膜のいずれであってもよいが、本発明の実施態様においては、半導体膜であるのが好ましい。また、前記結晶性酸化物膜の膜厚は、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、2.5μm以上であるのが好ましく、5μm以上であるのがより好ましい。上記した好ましい本発明の実施態様によれば、このような厚膜であっても、電気特性を維持しつつ、反りおよびクラックが抑制された前記結晶性酸化物膜を得ることができる。 The crystalline oxide film is not particularly limited as long as it contains a metal oxide, as long as it does not impede the object of the present invention. In an embodiment of the present invention, the crystalline oxide film preferably contains the metal oxide as a main component, more preferably contains a metal oxide containing gallium as a main component, and most preferably contains gallium oxide and its mixed crystal as a main component. The crystal structure of the metal oxide is not particularly limited. Examples of the crystal structure of the metal 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 crystalline oxide film preferably contains a metal oxide having a corundum structure as a main component. The metal oxide is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention, but in an embodiment of the present invention, it is preferable that the metal oxide contains gallium. In an embodiment of the present invention, the metal oxide preferably contains, in addition to gallium, one or more metals from the fourth to sixth periods of the periodic table other than gallium, and more preferably contains indium, rhodium, or iridium in addition to gallium. In an embodiment of the present invention, the metal oxide preferably contains, in addition to gallium, indium and/or aluminum. Examples of the metal oxide containing gallium include α-Ga 2 O 3 or a mixed crystal thereof. A crystalline oxide film containing such a preferred metal oxide as a main component has better crystallinity and heat dissipation properties, and can have even better semiconductor properties. The "main component" refers to a crystalline oxide film containing 50% or more of the metal oxide, preferably 70% or more, and more preferably 90% or more of the metal oxide in terms of composition ratio. For example, when the metal oxide is α-Ga 2 O 3 , it is sufficient that the α-Ga 2 O 3 is contained in the crystalline oxide film at a ratio of 0.5 or more of the atomic ratio of gallium in the metal elements of the crystalline oxide film. In an embodiment of the present invention, the atomic ratio of gallium in the metal elements of the crystalline oxide film is preferably 0.7 or more, more preferably 0.8 or more. The crystalline oxide film may be a single crystal film or a polycrystalline film. The crystalline oxide film may be any of an insulating film, a semiconductor film, and a conductive film, but in an embodiment of the present invention, it is preferably a semiconductor film. The thickness of the crystalline oxide film is not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, it is preferably 2.5 μm or more, and more preferably 5 μm or more. According to the above-mentioned preferred embodiment of the present invention, even if the crystalline oxide film is such a thick film, it is possible to obtain the crystalline oxide film in which warping and cracking are suppressed while maintaining electrical properties.

前記結晶性酸化物膜は、ドーパントが含まれていてもよい。前記ドーパントは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。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、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブなどが挙げられる。ドーパントの濃度は、適宜設定されるものであってよく、具体的には例えば、約1×1016/cm~1×1022/cmであってもよいし、また、ドーパントの濃度を例えば約1×1017/cm以下の低濃度にしてもよい。また、さらに、本発明の実施態様によれば、ドーパントを約1×1020/cm以上の高濃度で含有させてもよい。 The crystalline oxide film may contain a dopant. The dopant is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention. It may be an n-type dopant or a p-type dopant. Examples of the n-type dopant include tin, germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, and niobium. The concentration of the dopant may be appropriately set, and specifically, for example, may be about 1×10 16 /cm 3 to 1×10 22 /cm 3 , or the concentration of the dopant may be a low concentration of, for example, about 1×10 17 /cm 3 or less. Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the dopant may be contained at a high concentration of about 1×10 20 /cm 3 or more.

前記結晶性酸化物膜は例えば次の好適な成膜方法により得ることができる。
すなわち、第1の結晶軸と第2の結晶軸とを少なくとも含み、第2の結晶軸方向と平行な面から少なくとも第2の結晶軸方向に傾斜した面を結晶成長面とする結晶基板を用いて、前記結晶性酸化物膜をエピタキシャル結晶成長させることにより得ることができる。
The crystalline oxide film can be obtained, for example, by the following suitable film formation method.
That is, the crystalline oxide film can be obtained by epitaxial crystal growth using a crystal substrate that includes at least a first crystal axis and a second crystal axis and has a crystal growth surface that is inclined from a plane parallel to the second crystal axis direction toward at least the second crystal axis direction.

<結晶基板>
前記結晶基板は、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。前記コランダム構造を有する結晶基板としては、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。
<Crystal Substrate>
The crystal substrate is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention, 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. The crystal substrate may be, for example, a substrate containing a crystalline material having a corundum structure as a main component. The "main component" refers to a substrate containing the crystalline material in a composition ratio of 50% or more, preferably 70% or more, and more preferably 90% or more. The crystal substrate having the corundum structure may be, for example, a sapphire substrate or an α-type gallium oxide 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、r面サファイア基板などが挙げられる。本発明の実施態様においては、前記サファイア基板が、m面から少なくともc軸方向に傾斜した面を結晶成長面とするサファイア基板またはa面から少なくともc軸方向に傾斜した面を結晶成長面とするサファイア基板であるのが好ましく、m面から少なくともc軸方向に傾斜した面を結晶成長面とするサファイア基板であるのがより好ましい。本発明の実施態様においては、前記傾斜の角度は正であっても、負であってもよい。本発明の実施態様においては、前記傾斜の角度が、3°~25°の範囲内であるのが好ましく、反りやクラックを抑制しつつより電気特性に優れた前記結晶性酸化物膜を得ることができるので、3°~10°の範囲内であるのがより好ましい。
なお、前記結晶基板の厚さは、特に限定されないが、通常、10μm~20mmであり、より好ましくは10~1000μmである。前記結晶基板の好適な形状としては、例えば、三角形、四角形(例えば長方形若しくは台形等)、五角形若しくは六角形等の多角形状、U字形状、逆U字形状、L字形状またはコの字形状等が挙げられる。
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, an a-plane sapphire substrate, and an r-plane sapphire substrate. In an embodiment of the present invention, the sapphire substrate is preferably a sapphire substrate having a crystal growth surface inclined from the m-plane in at least the c-axis direction or a sapphire substrate having a crystal growth surface inclined from the a-plane in at least the c-axis direction, and more preferably a sapphire substrate having a crystal growth surface inclined from the m-plane in at least the c-axis direction. In an embodiment of the present invention, the angle of inclination may be positive or negative. In an embodiment of the present invention, the angle of inclination is preferably within the range of 3° to 25°, and more preferably within the range of 3° to 10°, since this allows the crystalline oxide film to be obtained with excellent electrical properties while suppressing warping and cracking.
The thickness of the crystal substrate is not particularly limited, but is usually 10 μm to 20 mm, and more preferably 10 to 1000 μm. Suitable shapes of the crystal substrate include, for example, a triangle, a quadrangle (e.g., a rectangle or a trapezoid), a polygonal shape such as a pentagon or a hexagon, a U-shape, an inverted U-shape, an L-shape, or a C-shape.

なお、本発明の実施態様においては、前記結晶基板上にバッファ層や応力緩和層等の他の層を設けもよい。バッファ層としては、前記結晶基板または前記結晶性酸化物膜の結晶構造と同一の結晶構造を有する金属酸化物からなる層などが挙げられる。また、応力緩和層としては、ELOマスク層などが挙げられる。 In addition, in an embodiment of the present invention, other layers such as a buffer layer or a stress relaxation layer may be provided on the crystal substrate. An example of the buffer layer is a layer made of a metal oxide having the same crystal structure as the crystal structure of the crystal substrate or the crystalline oxide film. An example of the stress relaxation layer is an ELO mask layer.

前記エピタキシャル結晶成長の手段は、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。前記エピタキシャル結晶成長手段としては、例えば、CVD法、MOCVD法、MOVPE法、ミストCVD法、ミスト・エピタキシー法、MBE法、HVPE法、パルス成長法またはALD法などが挙げられる。本発明の実施態様においては、前記エピタキシャル結晶成長手段が、ミストCVD法またはミスト・エピタキシー法であるのが好ましい。 The epitaxial crystal growth means is not particularly limited and may be any known means as long as it does not impede the object of the present invention. Examples of the epitaxial crystal growth means include CVD, MOCVD, MOVPE, mist CVD, mist epitaxy, MBE, HVPE, pulse growth, and ALD. In an embodiment of the present invention, it is preferable that the epitaxial crystal growth means is mist CVD or mist epitaxy.

前記のミストCVD法またはミスト・エピタキシー法では、金属を含む原料溶液を霧化し(霧化工程)、液滴を浮遊させ、得られた霧化液滴をキャリアガスでもって前記結晶基板近傍まで搬送し(搬送工程)、ついで、前記霧化液滴を熱反応させること(成膜工程)により行う。 In the mist CVD or mist epitaxy method, a raw material solution containing metal is atomized (atomization process), the droplets are suspended, the resulting atomized droplets are transported to the vicinity of the crystal substrate by a carrier gas (transportation process), and then the atomized droplets are thermally reacted (film formation process).

(原料溶液)
原料溶液は、成膜原料として少なくともガリウムを含んでおり、霧化可能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。前記金属は、金属単体であっても、金属化合物であってもよく、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されない。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)、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が、本発明の実施態様においては、前記金属が、ガリウムを少なくとも含むのが好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記金属が、ガリウムに加えて周期律表第4周期~第6周期の1種または2種以上の金属を含むのが好ましく、インジウム、ロジウムまたはイリジウムを含むのがより好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記金属が、ガリウムに加えて、インジウムおよび/またはアルミニウムを含むのも好ましい。このような好ましい金属を用いることにより、半導体装置等により好適に用いることができる前記結晶性酸化物膜を成膜することができる。
(Raw material solution)
The raw material solution contains at least gallium as a film-forming raw material, and is not particularly limited as long as it can be atomized, and may contain an inorganic material or an organic material. The metal may be a simple metal or a metal compound, and is not particularly limited as long as it does not hinder the object of the present invention. 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), magnesium (Mg), calcium (Ca) and zirconium (Zr). In an embodiment of the present invention, the metal preferably contains at least gallium. In addition, in an embodiment of the present invention, the metal preferably contains one or more metals from the fourth to sixth periods of the periodic table in addition to gallium, and more preferably contains indium, rhodium or iridium. In an embodiment of the present invention, the metal preferably contains indium and/or aluminum in addition to gallium. By using such a preferable metal, the crystalline oxide film can be formed which is more suitable for use in semiconductor devices and the like.

本発明の実施態様においては、前記原料溶液として、前記金属を錯体または塩の形態で有機溶媒または水に溶解または分散させたものを好適に用いることができる。錯体の形態としては、例えば、アセチルアセトナート錯体、カルボニル錯体、アンミン錯体、ヒドリド錯体などが挙げられる。塩の形態としては、例えば、有機金属塩(例えば金属酢酸塩、金属シュウ酸塩、金属クエン酸塩等)、硫化金属塩、硝化金属塩、リン酸化金属塩、ハロゲン化金属塩(例えば塩化金属塩、臭化金属塩、ヨウ化金属塩等)などが挙げられる。 In an embodiment of the present invention, the raw material solution can be preferably prepared by dissolving or dispersing the metal in the form of a complex or salt in an organic solvent or water. Examples of the complex include acetylacetonate complexes, carbonyl complexes, ammine complexes, and hydride complexes. Examples of the salt include organic metal salts (e.g., metal acetates, metal oxalates, and metal citrates), metal sulfides, metal nitrates, metal phosphates, and metal halides (e.g., metal chlorides, metal bromides, and metal iodides).

前記原料溶液の溶媒は、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、水等の無機溶媒であってもよいし、アルコール等の有機溶媒であってもよいし、無機溶媒と有機溶媒との混合溶媒であってもよい。本発明の実施態様においては、前記溶媒が水を含むのが好ましい。 The solvent of the raw material solution is not particularly limited as long as it does not interfere with the object of the present invention, and may be an inorganic solvent such as water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent of an inorganic solvent and an organic solvent. In an embodiment of the present invention, it is preferable that the solvent contains water.

また、前記原料溶液には、ハロゲン化水素酸や酸化剤等の添加剤を混合してもよい。前記ハロゲン化水素酸としては、例えば、臭化水素酸、塩酸、ヨウ化水素酸などが挙げられる。前記酸化剤としては、例えば、過酸化水素(H)、過酸化ナトリウム(Na)、過酸化バリウム(BaO)、過酸化ベンゾイル(CCO)等の過酸化物、次亜塩素酸(HClO)、過塩素酸、硝酸、オゾン水、過酢酸やニトロベンゼン等の有機過酸化物などが挙げられる。 The raw material solution may be mixed with additives such as hydrohalic acid and oxidizing agents. Examples of the hydrohalic acid include hydrobromic acid, hydrochloric acid, and hydroiodic acid. Examples of the oxidizing agent include peroxides such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), sodium peroxide (Na 2 O 2 ), barium peroxide (BaO 2 ), and benzoyl peroxide (C 6 H 5 CO) 2 O 2 , hypochlorous acid (HClO), perchloric acid, nitric acid, ozone water, and organic peroxides such as peracetic acid and nitrobenzene.

前記原料溶液には、ドーパントが含まれていてもよい。前記ドーパントは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。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、バナジウムもしくはニオブ等のn型ドーパントまたはp型ドーパントなどが挙げられる。ドーパントの濃度は、通常、約1×1016/cm~1×1022/cmであってもよいし、また、ドーパントの濃度を例えば約1×1017/cm以下の低濃度にしてもよい。また、さらに、本発明の実施態様によれば、ドーパントを約1×1020/cm以上の高濃度で含有させてもよい。 The raw material solution may contain a dopant. The dopant is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention. Examples of the dopant include n-type dopants or p-type dopants such as tin, germanium, silicon, titanium, zirconium, vanadium, or niobium. The concentration of the dopant may usually be about 1×10 16 /cm 3 to 1×10 22 /cm 3 , or the concentration of the dopant may be a low concentration of, for example, about 1×10 17 /cm 3 or less. Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the dopant may be contained at a high concentration of about 1×10 20 /cm 3 or more.

(霧化工程)
前記霧化工程は、金属を含む原料溶液を調整し、前記原料溶液を霧化し、液滴を浮遊させ、霧化液滴を発生させる。前記金属の配合割合は、特に限定されないが、原料溶液全体に対して、0.0001mol/L~20mol/Lが好ましい。霧化手段は、前記原料溶液を霧化できさえすれば特に限定されず、公知の霧化手段であってよいが、本発明の実施態様においては、超音波振動を用いる霧化手段であるのが好ましい。本発明で用いられるミストは、空中に浮遊するものであり、例えば、スプレーのように吹き付けるのではなく、初速度がゼロで、空間に浮かびガスとして搬送することが可能なミストであるのがより好ましい。ミストの液滴サイズは、特に限定されず、数mm程度の液滴であってもよいが、好ましくは50μm以下であり、より好ましくは1~10μmである。
(Atomization process)
In the atomization step, a raw solution containing a metal is prepared, the raw solution is atomized, the droplets are suspended, and the atomized droplets are generated. The blending ratio of the metal is not particularly limited, but is preferably 0.0001 mol/L to 20 mol/L with respect to the entire raw solution. The atomization means is not particularly limited as long as it can atomize the raw solution, and may be a known atomization means, but in an embodiment of the present invention, it is preferable that it is an atomization means using ultrasonic vibration. The mist used in the present invention is one that floats in the air, and is more preferably a mist that has an initial velocity of zero and can be transported as a gas floating in space, rather than being sprayed like a spray. The droplet size of the mist is not particularly limited, and may be droplets of about several mm, but is preferably 50 μm or less, and more preferably 1 to 10 μm.

(搬送工程)
前記搬送工程では、前記キャリアガスによって前記霧化液滴を前記基体へ搬送する。キャリアガスの種類としては、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、不活性ガス(例えば窒素やアルゴン等)、または還元ガス(水素ガスやフォーミングガス等)などが好適な例として挙げられる。また、キャリアガスの種類は1種類であってよいが、2種類以上であってもよく、キャリアガス濃度を変化させた希釈ガス(例えば10倍希釈ガス等)などを、第2のキャリアガスとしてさらに用いてもよい。また、キャリアガスの供給箇所も1箇所だけでなく、2箇所以上あってもよい。キャリアガスの流量は、特に限定されないが、1LPM以下が好ましく、0.1~1LPMがより好ましい。
(Transportation process)
In the transport step, the atomized droplets are transported to the substrate by the carrier gas. The type of carrier gas is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention, and suitable examples include oxygen, ozone, inert gas (e.g., nitrogen, argon, etc.), and reducing gas (hydrogen gas, forming gas, etc.). The type of carrier gas may be one type, but may be two or more types, and a dilution gas (e.g., 10-fold dilution gas, etc.) with a changed carrier gas concentration may be further used as a second carrier gas. The supply point of the carrier gas may be not only one but also two or more. The flow rate of the carrier gas is not particularly limited, but is preferably 1 LPM or less, and more preferably 0.1 to 1 LPM.

(成膜工程)
成膜工程では、前記霧化液滴を反応させて、前記結晶基板上に成膜する。前記反応は、前記霧化液滴から膜が形成される反応であれば特に限定されないが、本発明の実施態様においては、熱反応が好ましい。前記熱反応は、熱でもって前記霧化液滴が反応すればそれでよく、反応条件等も本発明の目的を阻害しない限り特に限定されない。本工程においては、前記熱反応を、通常、原料溶液の溶媒の蒸発温度以上の温度で行うが、高すぎない温度以下が好ましく、650℃以下がより好ましい。また、熱反応は、本発明の目的を阻害しない限り、真空下、非酸素雰囲気下、還元ガス雰囲気下および酸素雰囲気下のいずれの雰囲気下で行われてもよい。また、熱反応は、大気圧下、加圧下および減圧下のいずれの条件下で行われてもよい。本発明の実施態様においては、大気圧下で行われるのが蒸発温度の計算がより簡単になり、設備等も簡素化できる等の点で好ましい。また、膜厚は成膜時間を調整することにより、設定することができる。
(Film forming process)
In the film-forming step, the atomized droplets are reacted to form a film on the crystal substrate. The reaction is not particularly limited as long as a film is formed from the atomized droplets, but in an embodiment of the present invention, a thermal reaction is preferable. The thermal reaction may be performed as long as the atomized droplets react with heat, and the reaction conditions are not particularly limited as long as the object of the present invention is not hindered. In this step, the thermal reaction is usually performed at a temperature equal to or higher than the evaporation temperature of the solvent in the raw material solution, but is preferably a temperature not too high, more preferably 650° C. or lower. In addition, the thermal reaction may be performed under any of the following atmospheres: vacuum, non-oxygen atmosphere, reducing gas atmosphere, and oxygen atmosphere, as long as the object of the present invention is not hindered. In addition, the thermal reaction may be performed under any of the following conditions: atmospheric pressure, pressurized, and reduced pressure. In an embodiment of the present invention, it is preferable to perform the reaction under atmospheric pressure because the calculation of the evaporation temperature is easier and the equipment can be simplified. The film thickness can be set by adjusting the film-forming time.

以下、図面を用いて、本発明の実施態様において好適に用いられる成膜装置19を説明する。図1の成膜装置19は、キャリアガスを供給するキャリアガス源22aと、キャリアガス源22aから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁23aと、キャリアガス(希釈)を供給するキャリアガス(希釈)源22bと、キャリアガス(希釈)源22bから送り出されるキャリアガス(希釈)の流量を調節するための流量調節弁23bと、原料溶液24aが収容されるミスト発生源24と、水25aが入れられる容器25と、容器25の底面に取り付けられた超音波振動子26と、成膜室30と、ミスト発生源24から成膜室30までをつなぐ石英製の供給管27と、成膜室30内に設置されたホットプレート(ヒーター)28とを備えている。ホットプレート28上には、基板20が設置されている。 The film forming apparatus 19 preferably used in the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The film forming apparatus 19 in FIG. 1 includes a carrier gas source 22a for supplying a carrier gas, a flow rate control valve 23a for adjusting the flow rate of the carrier gas sent from the carrier gas source 22a, a carrier gas (dilution) source 22b for supplying a carrier gas (dilution), a flow rate control valve 23b for adjusting the flow rate of the carrier gas (dilution) sent from the carrier gas (dilution) source 22b, a mist generating source 24 containing a raw material solution 24a, a container 25 for containing water 25a, an ultrasonic vibrator 26 attached to the bottom surface of the container 25, a film forming chamber 30, a quartz supply pipe 27 connecting the mist generating source 24 to the film forming chamber 30, and a hot plate (heater) 28 installed in the film forming chamber 30. A substrate 20 is installed on the hot plate 28.

そして、図1に記載のとおり、原料溶液24aをミスト発生源24内に収容する。次に、基板20を用いて、ホットプレート28上に設置し、ホットプレート28を作動させて成膜室30内の温度を昇温させる。次に、流量調節弁23(23a、23b)を開いてキャリアガス源22(22a、22b)からキャリアガスを成膜室30内に供給し、成膜室30の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量と、キャリアガス(希釈)の流量とをそれぞれ調節する。次に、超音波振動子26を振動させ、その振動を、水25aを通じて原料溶液24aに伝播させることによって、原料溶液24aを微粒子化させて霧化液滴24bを生成する。この霧化液滴24bが、キャリアガスによって成膜室30内に導入され、基板20まで搬送され、そして、大気圧下、成膜室30内で霧化液滴24bが熱反応して、基板20上に膜が形成する。 Then, as shown in FIG. 1, the raw solution 24a is contained in the mist generating source 24. Next, the substrate 20 is placed on the hot plate 28, and the hot plate 28 is operated to raise the temperature in the film formation chamber 30. Next, the flow rate control valve 23 (23a, 23b) is opened to supply carrier gas from the carrier gas source 22 (22a, 22b) into the film formation chamber 30, and after the atmosphere in the film formation chamber 30 is sufficiently replaced with the carrier gas, the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the carrier gas (dilution) are adjusted. Next, the ultrasonic vibrator 26 is vibrated, and the vibration is propagated to the raw solution 24a through the water 25a, thereby atomizing the raw solution 24a to generate the mist droplets 24b. The atomized droplets 24b are introduced into the film-forming chamber 30 by the carrier gas and transported to the substrate 20. Then, under atmospheric pressure, the atomized droplets 24b undergo a thermal reaction in the film-forming chamber 30 to form a film on the substrate 20.

また、図2に示すミストCVD装置(成膜装置)19を用いるのも好ましい。図2のミストCVD装置19は、基板20を載置するサセプタ21と、キャリアガスを供給するキャリアガス供給手段22aと、キャリアガス供給手段22aから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁23aと、キャリアガス(希釈)を供給するキャリアガス(希釈)供給手段22bと、キャリアガス(希釈)供給手段22bから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁23bと、原料溶液24aが収容されるミスト発生源24と、水25aが入れられる容器25と、容器25の底面に取り付けられた超音波振動子26と、内径40mmの石英管からなる供給管27と、供給管27の周辺部に設置されたヒーター28と、熱反応後のミスト、液滴および排気ガスを排出する排気口29とを備えている。サセプタ21は、石英からなり、基板20を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室となる供給管27とサセプタ21をどちらも石英で作製することにより、基板20上に形成される膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。このミストCVD装置19は、前記の成膜装置19と同様に扱うことができる。 It is also preferable to use a mist CVD apparatus (film forming apparatus) 19 shown in Fig. 2. The mist CVD apparatus 19 in Fig. 2 includes a susceptor 21 on which a substrate 20 is placed, a carrier gas supply means 22a for supplying a carrier gas, a flow rate control valve 23a for adjusting the flow rate of the carrier gas sent out from the carrier gas supply means 22a, a carrier gas (dilution) supply means 22b for supplying a carrier gas (dilution), a flow rate control valve 23b for adjusting the flow rate of the carrier gas sent out from the carrier gas (dilution) supply means 22b, a mist generating source 24 in which a raw material solution 24a is contained, a container 25 in which water 25a is contained, an ultrasonic vibrator 26 attached to the bottom surface of the container 25, a supply pipe 27 made of a quartz tube with an inner diameter of 40 mm, a heater 28 installed around the supply pipe 27, and an exhaust port 29 for discharging mist, droplets and exhaust gas after the thermal reaction. The susceptor 21 is made of quartz, and the surface on which the substrate 20 is placed is inclined from the horizontal plane. By making both the supply pipe 27, which serves as the film formation chamber, and the susceptor 21 out of quartz, impurities originating from the device are prevented from being mixed into the film formed on the substrate 20. This mist CVD device 19 can be used in the same way as the film formation device 19 described above.

前記の好適な成膜装置を用いれば、前記結晶基板の結晶成長面上に、より容易に前記結晶性酸化物膜を形成することができる。なお、前記結晶性酸化物膜は、通常、エピタキシャル結晶成長により形成される。 By using the suitable film formation apparatus, the crystalline oxide film can be formed more easily on the crystal growth surface of the crystal substrate. The crystalline oxide film is usually formed by epitaxial crystal growth.

上記した好適な成膜方法によれば、結晶軸方向ごとの反りの不均一性が改善された前記結晶性酸化物膜を得ることができる。より具体的には、第1の結晶軸方向の反り量に対する第2の結晶軸方向の反り量の比が3以下である前記結晶性酸化物膜を得ることができる。本発明の実施態様においては、前記反り量の比は、前記傾斜の角度を好ましい角度(例えば、6°~10°)とすることにより、2以下とすることができる。本発明の実施態様においては、前記反り量の比の下限は、0.4以上であるのが好ましい。前記反り量は、膜の両端の点を通る最短の直線と、凹または凸の頂点との最短の距離をいい、例えば、レーザを用いた形状測定装置を用いて測定することができる。また、上記した好ましい成膜方法によれば、クラックがより低減された前記結晶性酸化物膜を得ることができる。より具体的には、例えば膜厚2.5μm以上(好ましくは5μm以上)であっても、少なくとも2mm以上の面積においてクラックを実質的に含まない前記結晶性酸化物膜を得ることができる。また、本発明の実施態様においては、前記膜厚が10μm以上であっても、少なくとも2mm以上の面積においてクラックを実質的に含まない前記結晶性酸化物膜を得ることができる。 According to the above-mentioned preferred film-forming method, the crystalline oxide film can be obtained in which the non-uniformity of the warpage in each crystal axis direction is improved. More specifically, the crystalline oxide film can be obtained in which the ratio of the warpage in the second crystal axis direction to the warpage in the first crystal axis direction is 3 or less. In an embodiment of the present invention, the ratio of the warpage can be set to 2 or less by setting the inclination angle to a preferred angle (for example, 6° to 10°). In an embodiment of the present invention, the lower limit of the ratio of the warpage is preferably 0.4 or more. The warpage refers to the shortest distance between the shortest straight line passing through the points at both ends of the film and the apex of the concave or convex, and can be measured, for example, using a shape measuring device using a laser. In addition, according to the above-mentioned preferred film-forming method, the crystalline oxide film can be obtained in which cracks are further reduced. More specifically, even if the film thickness is, for example, 2.5 μm or more (preferably 5 μm or more), the crystalline oxide film can be obtained in which cracks are substantially not included in an area of at least 2 mm2 or more. In addition, in an embodiment of the present invention, even if the film thickness is 10 μm or more, the crystalline oxide film can be obtained which is substantially free of cracks over an area of at least 2 mm 2 or more.

前記結晶性酸化物膜は半導体装置、特にパワーデバイスに有用である。前記結晶性酸化物膜を用いて形成される半導体装置としては、MISやHEMT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、JBS、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、前記結晶性酸化物膜を、所望により前記結晶基板と剥離等して、半導体装置に用いることができる。 The crystalline oxide film is useful for semiconductor devices, particularly power devices. Examples of semiconductor devices formed using the crystalline oxide film include transistors such as MIS and HEMT, TFTs, Schottky barrier diodes using semiconductor-metal junctions, JBS, PN or PIN diodes combined with other P layers, and light-emitting and receiving elements. In an embodiment of the present invention, the crystalline oxide film can be peeled off from the crystalline substrate as desired and used in a semiconductor device.

また、前記半導体装置は、電極が半導体層の片面側に形成された横型の素子(横型デバイス)と、半導体層の表裏両面側にそれぞれ電極を有する縦型の素子(縦型デバイス)のいずれにも好適に用いられるが、本発明の実施態様においては、中でも、縦型デバイスに用いることが好ましい。前記半導体装置の好適な例としては、例えば、ショットキーバリアダイオード(SBD)、ジャンクションバリアショットキーダイオード(JBS)、金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、静電誘導トランジスタ(SIT)、接合電界効果トランジスタ(JFET)、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)または発光ダイオード(LED)などが挙げられる。 The semiconductor device can be suitably used as either a horizontal element (horizontal device) in which an electrode is formed on one side of the semiconductor layer, or a vertical element (vertical device) in which electrodes are formed on both sides of the semiconductor layer, but in the embodiment of the present invention, it is preferable to use it as a vertical device. Suitable examples of the semiconductor device include, for example, Schottky barrier diodes (SBD), junction barrier Schottky diodes (JBS), metal semiconductor field effect transistors (MESFET), high electron mobility transistors (HEMT), metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET), static induction transistors (SIT), junction field effect transistors (JFET), insulated gate bipolar transistors (IGBT), and light emitting diodes (LED).

以下、本発明の結晶性酸化物膜をn型半導体層(n+型半導体やn-半導体層等)に適用した場合の前記半導体装置の好適な例を、図面を用いて説明するが、本発明は、これらの例に限定されるものではない。 Below, preferred examples of the semiconductor device in which the crystalline oxide film of the present invention is applied to an n-type semiconductor layer (such as an n+ type semiconductor or an n- type semiconductor layer) will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these examples.

図3は、本発明の実施態様に係るショットキーバリアダイオード(SBD)の一例を示している。図3のSBDは、n-型半導体層101a、n+型半導体層101b、ショットキー電極105aおよびオーミック電極105bを備えている。 Figure 3 shows an example of a Schottky barrier diode (SBD) according to an embodiment of the present invention. The SBD in Figure 3 includes an n-type semiconductor layer 101a, an n+ type semiconductor layer 101b, a Schottky electrode 105a, and an ohmic electrode 105b.

ショットキー電極およびオーミック電極の材料は、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。 The materials for the Schottky electrode and the ohmic electrode may be known electrode materials, and examples of the electrode materials 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, conductive metal oxide 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.

ショットキー電極およびオーミック電極の形成は、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。より具体的に例えば、前記金属のうち2種類の第1の金属と第2の金属とを用いてショットキー電極を形成する場合、第1の金属からなる層と第2の金属からなる層を積層させ、第1の金属からなる層および第2の金属からなる層に対して、フォトリソグラフィの手法を利用したパターニングを施すことにより行うことができる。 The Schottky electrode and the ohmic electrode can be formed by known means such as vacuum deposition or sputtering. More specifically, when forming a Schottky electrode using two of the above metals, a first metal and a second metal, a layer of the first metal and a layer of the second metal are laminated, and the layer of the first metal and the layer of the second metal are patterned using a photolithography technique.

図3のSBDに逆バイアスが印加された場合には、空乏層(図示せず)がn型半導体層101aの中に広がるため、高耐圧のSBDとなる。また、順バイアスが印加された場合には、オーミック電極105bからショットキー電極105aへ電子が流れる。このようにして前記半導体構造を用いたSBDは、高耐圧・大電流用に優れており、スイッチング速度も速く、耐圧性・信頼性にも優れている。 When a reverse bias is applied to the SBD in FIG. 3, a depletion layer (not shown) spreads into the n-type semiconductor layer 101a, resulting in a high-voltage SBD. When a forward bias is applied, electrons flow from the ohmic electrode 105b to the Schottky electrode 105a. In this way, an SBD using the semiconductor structure described above is excellent for high voltage and large current applications, has a fast switching speed, and is excellent in voltage resistance and reliability.

(HEMT)
図4は、本発明の実施態様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4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。
(HEMT)
Fig. 4 shows an example of a high electron mobility transistor (HEMT) according to an embodiment of the present invention. The HEMT in Fig. 4 includes an n-type semiconductor layer 121a having a wide band gap, an n-type semiconductor layer 121b having a narrow band gap, an n+ type semiconductor layer 121c, a semi-insulating layer 124, a buffer layer 128, a gate electrode 125a, a source electrode 125b, and a drain electrode 125c.

(MOSFET)
本発明の半導体装置がMOSFETである場合の一例を図5に示す。図5のMOSFETは、トレンチ型のMOSFETであり、n-型半導体層131a、n+型半導体層131b及び131c、ゲート絶縁膜134、ゲート電極135a、ソース電極135bおよびドレイン電極135cを備えている。
(MOSFET)
An example of a case where the semiconductor device of the present invention is a MOSFET is shown in Fig. 5. The MOSFET in Fig. 5 is a trench type MOSFET, and includes an n- type semiconductor layer 131a, n+ type semiconductor layers 131b and 131c, a gate insulating film 134, a gate electrode 135a, a source electrode 135b, and a drain electrode 135c.

(JFET)
図6は、n-型半導体層141a、第1のn+型半導体層141b、第2のn+型半導体層141c、ゲート電極145a、ソース電極145bおよびドレイン電極145cを備えている接合電界効果トランジスタ(JFET)の好適な一例を示す。
(JFET)
FIG. 6 shows a preferred example of a junction field effect transistor (JFET) including an n-type semiconductor layer 141a, a first n+ type semiconductor layer 141b, a second n+ type semiconductor layer 141c, a gate electrode 145a, a source electrode 145b and a drain electrode 145c.

(IGBT)
図7は、n型半導体層151、n-型半導体層151a、n+型半導体層151b、p型半導体層152、ゲート絶縁膜154、ゲート電極155a、エミッタ電極155bおよびコレクタ電極155cを備えている絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)の好適な一例を示す。
(IGBT)
FIG. 7 shows a preferred example of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) including an n-type semiconductor layer 151, an n-type semiconductor layer 151a, an n+ type semiconductor layer 151b, a p-type semiconductor layer 152, a gate insulating film 154, a gate electrode 155a, an emitter electrode 155b, and a collector electrode 155c.

(LED)
本発明の半導体装置が発光ダイオード(LED)である場合の一例を図8に示す。図8の半導体発光素子は、第2の電極165b上にn型半導体層161を備えており、n型半導体層161上には、発光層163が積層されている。そして、発光層163上には、p型半導体層162が積層されている。p型半導体層162上には、発光層163が発生する光を透過する透光性電極167を備えており、透光性電極167上には、第1の電極165aが積層されている。なお、図8の半導体発光素子は、電極部分を除いて保護層で覆われていてもよい。
(LED)
An example of the semiconductor device of the present invention being a light emitting diode (LED) is shown in Fig. 8. The semiconductor light emitting device in Fig. 8 includes an n-type semiconductor layer 161 on a second electrode 165b, and a light emitting layer 163 is laminated on the n-type semiconductor layer 161. A p-type semiconductor layer 162 is laminated on the light emitting layer 163. A light-transmitting electrode 167 that transmits light generated by the light emitting layer 163 is provided on the p-type semiconductor layer 162, and a first electrode 165a is laminated on the light-transmitting electrode 167. The semiconductor light emitting device in Fig. 8 may be covered with a protective layer except for the electrode portion.

透光性電極の材料としては、インジウム(In)またはチタン(Ti)を含む酸化物の導電性材料などが挙げられる。より具体的には、例えば、In、ZnO、SnO、Ga、TiO、CeOまたはこれらの2以上の混晶またはこれらにドーピングされたものなどが挙げられる。これらの材料を、スパッタリング等の公知の手段で設けることによって、透光性電極を形成できる。また、透光性電極を形成した後に、透光性電極の透明化を目的とした熱アニールを施してもよい。 The material of the transparent electrode may be a conductive material of an oxide containing indium (In ) or titanium ( Ti). More specifically, for example, In2O3 , ZnO, SnO2, Ga2O3 , TiO2 , CeO2 , or a mixed crystal of two or more of these, or a doped material thereof may be used. The transparent electrode can be formed by providing these materials by a known means such as sputtering. After the transparent electrode is formed, thermal annealing may be performed to make the transparent electrode transparent.

図8の半導体発光素子によれば、第1の電極165aを正極、第2の電極165bを負極とし、両者を介してp型半導体層162、発光層163およびn型半導体層161に電流を流すことで、発光層163が発光するようになっている。 In the semiconductor light-emitting device of FIG. 8, the first electrode 165a is a positive electrode and the second electrode 165b is a negative electrode, and current is passed through the first electrode 165a to the p-type semiconductor layer 162, the light-emitting layer 163, and the n-type semiconductor layer 161, causing the light-emitting layer 163 to emit light.

第1の電極165a及び第2の電極165bの材料としては、例えば、Al、Mo、Co、Zr、Sn、Nb、Fe、Cr、Ta、Ti、Au、Pt、V、Mn、Ni、Cu、Hf、W、Ir、Zn、In、Pd、NdもしくはAg等の金属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などが挙げられる。電極の製膜法は特に限定されることはなく、印刷方式、スプレー法、コ-ティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレ-ティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式、などの中から前記材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って前記基板上に形成することができる。 Examples of materials for the first electrode 165a and the second electrode 165b 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, or Ag, or alloys thereof; metal oxide conductive films such as tin oxide, zinc oxide, rhenium oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), or indium zinc oxide (IZO); organic conductive compounds such as polyaniline, polythiophene, or polypyrrole, or mixtures thereof. The method for forming the electrode film is not particularly limited, and the electrode can be formed on the substrate according to a method appropriately selected from wet methods such as printing, spraying, and coating, physical methods such as vacuum deposition, sputtering, and ion plating, and chemical methods such as CVD and plasma CVD, taking into consideration the suitability of the material.

なお、発光素子の別の態様を図9に示す。図9の発光素子では、基板169上にn型半導体層161が積層されており、p型半導体層162、発光層163およびn型半導体層161の一部を切り欠くことによって露出したn型半導体層161の半導体層露出面上の一部に第2の電極165bが積層されている。 Another embodiment of the light-emitting element is shown in FIG. 9. In the light-emitting element of FIG. 9, an n-type semiconductor layer 161 is laminated on a substrate 169, and a second electrode 165b is laminated on a part of the semiconductor layer exposed surface of the n-type semiconductor layer 161 that is exposed by cutting out a part of the p-type semiconductor layer 162, the light-emitting layer 163, and the n-type semiconductor layer 161.

図10は、本発明の好適な実施態様の一つであるジャンクションバリアショットキーダイオード(JBS)を示す。図10の半導体装置は、半導体領域(半導体層)3と、前記半導体領域上に設けられておりかつ前記半導体領域との間にショットキーバリアを形成可能なバリア電極2と、バリア電極2と半導体領域3との間に設けられておりかつ前記半導体領域3との間にバリア電極2のショットキーバリアのバリアハイトよりも大きなバリアハイトのショットキーバリアを形成可能なバリアハイト調整層とを含んでいる。なお、バリアハイト調整層1は半導体領域3に埋め込まれている。本発明の実施態様においては、バリアハイト調整層が一定間隔ごとに設けられているのが好ましく、前記バリア電極の両端と前記半導体領域との間に、前記バリアハイト調整領域がそれぞれ設けられているのがより好ましい。このような好ましい態様により、熱安定性および密着性により優れ、リーク電流がより軽減され、さらに、より耐圧等の半導体特性に優れるようにJBSが構成されている。なお、図10の半導体装置は、半導体領域3上にオーミック電極4を備えている。 Figure 10 shows a junction barrier Schottky diode (JBS) which is one of the preferred embodiments of the present invention. The semiconductor device of Figure 10 includes a semiconductor region (semiconductor layer) 3, a barrier electrode 2 which is provided on the semiconductor region and capable of forming a Schottky barrier between the semiconductor region, and a barrier height adjustment layer which is provided between the barrier electrode 2 and the semiconductor region 3 and capable of forming a Schottky barrier with a barrier height greater than the barrier height of the Schottky barrier of the barrier electrode 2 between the semiconductor region 3. The barrier height adjustment layer 1 is embedded in the semiconductor region 3. In an embodiment of the present invention, it is preferable that the barrier height adjustment layers are provided at regular intervals, and it is more preferable that the barrier height adjustment regions are provided between both ends of the barrier electrode and the semiconductor region. With this preferred embodiment, the JBS is configured to have better thermal stability and adhesion, a greater reduction in leakage current, and better semiconductor characteristics such as voltage resistance. The semiconductor device of Figure 10 is provided with an ohmic electrode 4 on the semiconductor region 3.

図10の半導体装置の各層の形成手段は、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。例えば、真空蒸着法やCVD法、スパッタ法、各種コーティング技術等により成膜した後、フォトリソグラフィー法によりパターニングする手段、または印刷技術などを用いて直接パターニングを行う手段などが挙げられる。 The means for forming each layer of the semiconductor device in FIG. 10 is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention, and may be any known means. For example, a film may be formed by vacuum deposition, CVD, sputtering, various coating techniques, etc., and then patterned by photolithography, or directly patterned using printing techniques, etc.

図11は、本発明の好適な実施態様の一つであるジャンクションバリアショットキーダイオード(JBS)を示す。図11の半導体装置は、図10の半導体装置とは、バリア電極の外周辺部にガードリング5が設けられている点において異なる。このように構成することによって、より耐圧等の半導体特性に優れた半導体装置を得ることができる。なお、本発明の実施態様においては、ガードリング5の一部を半導体領域(半導体層)3表面にそれぞれ埋め込むことにより、耐圧をより効果的により良好なものとすることができる。またさらに、ガードリングにバリアハイトの高い金属を用いることにより、バリア電極の形成とあわせてガードリングを工業的有利に設けることができ、半導体領域にあまり影響を与えることなく、オン抵抗も悪化させずに形成することができる。 Figure 11 shows a junction barrier Schottky diode (JBS) which is one of the preferred embodiments of the present invention. The semiconductor device in Figure 11 differs from the semiconductor device in Figure 10 in that a guard ring 5 is provided on the outer periphery of the barrier electrode. This configuration makes it possible to obtain a semiconductor device with better semiconductor characteristics such as breakdown voltage. In this embodiment of the present invention, the breakdown voltage can be improved more effectively by embedding a part of the guard ring 5 in the surface of the semiconductor region (semiconductor layer) 3. Furthermore, by using a metal with a high barrier height for the guard ring, the guard ring can be provided industrially advantageously together with the formation of the barrier electrode, and can be formed without significantly affecting the semiconductor region or deteriorating the on-resistance.

前記ガードリングには、通常、バリアハイトの高い材料が用いられる。前記ガードリングに用いられる材料としては、例えば、バリアハイトが1eV以上の導電性材料などが挙げられ、前記電極材料と同じものであってもよい。また、ガードリングの形状としては、特に限定されず、例えば、ロの字形状、円状、コ字形状、L字形状または帯状などが挙げられる。ガードリングの本数も特に限定されないが、好ましくは3本以上、より好ましくは6本以上である。 The guard ring is usually made of a material with a high barrier height. Examples of materials used for the guard ring include conductive materials with a barrier height of 1 eV or more, which may be the same as the electrode material. The shape of the guard ring is not particularly limited, and examples include a square shape, a circular shape, a U-shape, an L-shape, and a strip shape. The number of guard rings is also not particularly limited, but is preferably three or more, and more preferably six or more.

(MOSFET)
図12は、n-型半導体層131a、第1のn+型半導体層131b、第2のn+型半導体層131c、p型半導体層132、p+型半導体層132a、ゲート絶縁膜134、ゲート電極135a、ソース電極135bおよびドレイン電極135cを備えている金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の好適な一例を示す。なお、p+型半導体層132aは、p型半導体層であってもよく、p型半導体層132と同じであってもよい。なお、p型半導体は、n型半導体と同じ材料であって、p型ドーパントを含むものであってもよいし、異なるp型半導体であってもよい。
(MOSFET)
12 shows a preferred example of a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) including an n-type semiconductor layer 131a, a first n+ type semiconductor layer 131b, a second n+ type semiconductor layer 131c, a p-type semiconductor layer 132, a p+ type semiconductor layer 132a, a gate insulating film 134, a gate electrode 135a, a source electrode 135b, and a drain electrode 135c. The p+ type semiconductor layer 132a may be a p-type semiconductor layer or may be the same as the p-type semiconductor layer 132. The p-type semiconductor may be made of the same material as the n-type semiconductor and may contain a p-type dopant, or may be a different p-type semiconductor.

上述した本発明の結晶性酸化物膜もしくは半導体装置は、上記した機能を発揮させるべく、インバータやコンバータなどの電力変換装置に適用することができる。より具体的には、インバータやコンバータに内蔵されるダイオードや、スイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)等として適用することができる。図13は、本発明の実施態様に係る半導体装置を用いた制御システムの一例を示すブロック構成図、図14は同制御システムの回路図であり、特に電気自動車(Electric Vehicle)への搭載に適した制御システムである。 The crystalline oxide film or semiconductor device of the present invention described above can be applied to power conversion devices such as inverters and converters to exert the above-mentioned functions. More specifically, it can be applied as a diode built into an inverter or converter, a thyristor as a switching element, a power transistor, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor), etc. FIG. 13 is a block diagram showing an example of a control system using a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a circuit diagram of the same control system, which is particularly suitable for installation in an electric vehicle.

図13に示すように、制御システム500はバッテリー(電源)501、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504、モータ(駆動対象)505、駆動制御部506を有し、これらは電気自動車に搭載されてなる。バッテリー501は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池からなり、給電ステーションでの充電あるいは減速時の回生エネルギーなどにより電力を貯蔵するとともに、電気自動車の走行系や電装系の動作に必要となる直流電圧を出力することができる。昇圧コンバータ502は例えばチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であり、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、チョッパ回路のスイッチング動作により例えば650Vに昇圧して、モータなどの走行系に出力することができる。降圧コンバータ503も同様にチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であるが、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、例えば12V程度に降圧することで、パワーウインドーやパワーステアリング、あるいは車載の電気機器などを含む電装系に出力することができる。 As shown in FIG. 13, the control system 500 has a battery (power source) 501, a boost converter 502, a step-down converter 503, an inverter 504, a motor (drive object) 505, and a drive control unit 506, which are mounted on an electric vehicle. The battery 501 is, for example, a storage battery such as a nickel-metal hydride battery or a lithium-ion battery, and can store power by charging at a power supply station or by regenerative energy during deceleration, and can output a DC voltage required for the operation of the electric vehicle's driving system and electrical system. The boost converter 502 is, for example, a voltage conversion device equipped with a chopper circuit, and can boost a DC voltage of, for example, 200 V supplied from the battery 501 to, for example, 650 V by the switching operation of the chopper circuit, and output it to the driving system such as the motor. The step-down converter 503 is also a voltage conversion device equipped with a chopper circuit, but by stepping down the DC voltage of, for example, 200 V supplied from the battery 501 to, for example, about 12 V, it can output the voltage to the electrical system, including the power windows, power steering, and on-board electrical equipment.

インバータ504は、昇圧コンバータ502から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ505に出力する。モータ505は電気自動車の走行系を構成する三相交流モータであり、インバータ504から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しないトランスミッション等を介して電気自動車の車輪に伝達する。 The inverter 504 converts the DC voltage supplied from the boost converter 502 into a three-phase AC voltage by switching operation and outputs it to the motor 505. The motor 505 is a three-phase AC motor that constitutes the driving system of the electric vehicle, and is driven to rotate by the three-phase AC voltage output from the inverter 504, and transmits the rotational driving force to the wheels of the electric vehicle via a transmission (not shown) or the like.

一方、図示しない各種センサを用いて、走行中の電気自動車から車輪の回転数やトルク、アクセルペダルの踏み込み量(アクセル量)などの実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部506に入力される。また同時に、インバータ504の出力電圧値も駆動制御部506に入力される。駆動制御部506はCPU(Central Processing Unit)などの演算部やメモリなどのデータ保存部を備えたコントローラの機能を有するもので、入力された計測信号を用いて制御信号を生成してインバータ504にフィードバック信号として出力することで、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ504がモータ505に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、電気自動車の運転制御を正確に実行させることができ、電気自動車の安全・快適な動作が実現する。なお、駆動制御部506からのフィードバック信号を昇圧コンバータ502に与えることで、インバータ504への出力電圧を制御することも可能である。 On the other hand, various sensors (not shown) are used to measure actual values such as the number of rotations of the wheels, torque, and the amount of depression of the accelerator pedal (acceleration amount) from the electric vehicle while it is running, and these measurement signals are input to the drive control unit 506. At the same time, the output voltage value of the inverter 504 is also input to the drive control unit 506. The drive control unit 506 has the function of a controller equipped with a calculation unit such as a CPU (Central Processing Unit) and a data storage unit such as a memory, and uses the input measurement signal to generate a control signal and output it as a feedback signal to the inverter 504, thereby controlling the switching operation by the switching element. As a result, the AC voltage provided by the inverter 504 to the motor 505 is instantly corrected, allowing the driving control of the electric vehicle to be accurately performed, thereby realizing safe and comfortable operation of the electric vehicle. It is also possible to control the output voltage to the inverter 504 by providing a feedback signal from the drive control unit 506 to the boost converter 502.

図14は、図13における降圧コンバータ503を除いた回路構成、すなわちモータ505を駆動するための構成のみを示した回路構成である。同図に示されるように、本発明の半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとして昇圧コンバータ502およびインバータ504に採用されることでスイッチング制御に供される。昇圧コンバータ502においてはチョッパ回路に組み込まれてチョッパ制御を行い、またインバータ504においてはIGBTを含むスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、バッテリー501の出力にインダクタ(コイルなど)を介在させることで電流の安定化を図り、またバッテリー501、昇圧コンバータ502、インバータ504のそれぞれの間にキャパシタ(電解コンデンサなど)を介在させることで電圧の安定化を図っている。 Figure 14 shows the circuit configuration of Figure 13 excluding the step-down converter 503, that is, the circuit configuration showing only the configuration for driving the motor 505. As shown in the figure, the semiconductor device of the present invention is used for switching control by being adopted as, for example, a Schottky barrier diode in the step-up converter 502 and the inverter 504. In the step-up converter 502, it is incorporated in a chopper circuit to perform chopper control, and in the inverter 504, it is incorporated in a switching circuit including an IGBT to perform switching control. In addition, the current is stabilized by interposing an inductor (such as a coil) in the output of the battery 501, and the voltage is stabilized by interposing a capacitor (such as an electrolytic capacitor) between the battery 501, the step-up converter 502, and the inverter 504.

また、図14中に点線で示すように、駆動制御部506内にはCPU(Central Processing Unit)からなる演算部507と不揮発性メモリからなる記憶部508が設けられている。駆動制御部506に入力された信号は演算部507に与えられ、必要な演算を行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部508は、演算部507による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部507に適宜出力する。演算部507や記憶部508は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。 As shown by the dotted lines in FIG. 14, the drive control unit 506 includes a calculation unit 507 consisting of a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit 508 consisting of a non-volatile memory. The signal input to the drive control unit 506 is given to the calculation unit 507, which performs the necessary calculations to generate feedback signals for each semiconductor element. The storage unit 508 also temporarily holds the results of calculations performed by the calculation unit 507, and accumulates physical constants and functions required for drive control in the form of a table and outputs them to the calculation unit 507 as appropriate. The calculation unit 507 and storage unit 508 can be configured as known in the art, and their processing capabilities can be selected as desired.

図13や図14に示されるように、制御システム500においては、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これらの半導体素子に酸化ガリウム(Ga)、特にコランダム型酸化ガリウム(α-Ga)をその材料として用いることでスイッチング特性が大幅に向上する。さらに、本発明に係る半導体装置等を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム500の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは任意の二つ以上の組合せ、あるいは駆動制御部506も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。
なお、上述の制御システム500は本発明の半導体装置を電気自動車の制御システムに適用できるだけではなく、直流電源からの電力を昇圧・降圧したり、直流から交流へ電力変換するといったあらゆる用途の制御システムに適用することが可能である。また、バッテリーとして太陽電池などの電源を用いることも可能である。
As shown in FIG. 13 and FIG. 14, in the control system 500, a diode or a switching element such as a thyristor, a power transistor, an IGBT, or a MOSFET is used for the switching operation of the boost converter 502, the buck converter 503, and the inverter 504. The switching characteristics are significantly improved by using gallium oxide (Ga 2 O 3 ), particularly corundum-type gallium oxide (α-Ga 2 O 3 ), as the material for these semiconductor elements. Furthermore, by applying the semiconductor device according to the present invention, extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 500 can be realized. That is, the boost converter 502, the buck converter 503, and the inverter 504 can each be expected to have the effect of the present invention, and the effect of the present invention can be expected in any one of them, any combination of two or more of them, or in any form including the drive control unit 506.
The above-mentioned control system 500 can be applied not only to the control system of an electric vehicle using the semiconductor device of the present invention, but also to control systems for various purposes such as stepping up/down the power from a DC power source, converting DC to AC, etc. Also, a power source such as a solar cell can be used as the battery.

図15は、本発明の実施態様に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図、図16は同制御システムの回路図であり、交流電源からの電力で動作するインフラ機器や家電機器等への搭載に適した制御システムである。 Figure 15 is a block diagram showing another example of a control system that employs a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and Figure 16 is a circuit diagram of the same control system, which is suitable for installation in infrastructure equipment and home appliances that operate on power from an AC power source.

図15に示すように、制御システム600は、外部の例えば三相交流電源(電源)601から供給される電力を入力するもので、AC/DCコンバータ602、インバータ604、モータ(駆動対象)605、駆動制御部606を有し、これらは様々な機器(後述する)に搭載することができる。三相交流電源601は、例えば電力会社の発電施設(火力発電所、水力発電所、地熱発電所、原子力発電所など)であり、その出力は変電所を介して降圧されながら交流電圧として供給される。また、例えば自家発電機等の形態でビル内や近隣施設内に設置されて電力ケーブルで供給される。AC/DCコンバータ602は交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換装置であり、三相交流電源601から供給される100Vや200Vの交流電圧を所定の直流電圧に変換する。具体的には、電圧変換により3.3Vや5V、あるいは12Vといった、一般的に用いられる所望の直流電圧に変換される。駆動対象がモータである場合には12Vへの変換が行われる。なお、三相交流電源に代えて単相交流電源を採用することも可能であり、その場合にはAC/DCコンバータを単相入力のものとすれば同様のシステム構成とすることができる。 As shown in FIG. 15, the control system 600 receives power from an external three-phase AC power source (power source) 601, and includes an AC/DC converter 602, an inverter 604, a motor (drive object) 605, and a drive control unit 606, which can be mounted on various devices (described later). The three-phase AC power source 601 is, for example, a power generation facility (thermal power plant, hydroelectric power plant, geothermal power plant, nuclear power plant, etc.) of a power company, and its output is stepped down and supplied as an AC voltage via a substation. It is also installed in a building or a nearby facility in the form of a private generator, for example, and supplied with power via a power cable. The AC/DC converter 602 is a voltage conversion device that converts AC voltage to DC voltage, and converts the AC voltage of 100V or 200V supplied from the three-phase AC power source 601 into a specified DC voltage. Specifically, the voltage is converted into a commonly used desired DC voltage, such as 3.3V, 5V, or 12V. If the drive object is a motor, conversion to 12V is performed. It is also possible to use a single-phase AC power supply instead of a three-phase AC power supply, in which case the same system configuration can be achieved by using a single-phase input AC/DC converter.

インバータ604は、AC/DCコンバータ602から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ605に出力する。モータ604は、制御対象によりその形態が異なるが、制御対象が電車の場合には車輪を、工場設備の場合にはポンプや各種動力源を、家電機器の場合にはコンプレッサなどを駆動するための三相交流モータであり、インバータ604から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しない駆動対象に伝達する。 The inverter 604 converts the DC voltage supplied from the AC/DC converter 602 into a three-phase AC voltage by switching operation and outputs it to the motor 605. The form of the motor 604 varies depending on the controlled object, but if the controlled object is a train, it is a three-phase AC motor for driving wheels, if the controlled object is a factory equipment, it is a pump or various power sources, and if the controlled object is a home appliance, it is a three-phase AC motor for driving a compressor, etc., and is driven to rotate by the three-phase AC voltage output from the inverter 604, and transmits the rotational driving force to the driven object (not shown).

なお、例えば家電機器においてはAC/DCコンバータ302から出力される直流電圧をそのまま供給することが可能な駆動対象も多く(例えばパソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など)、その場合には制御システム600にインバータ604は不要となり、図15中に示すように、AC/DCコンバータ602から駆動対象に直流電圧を供給する。この場合、例えばパソコンなどには3.3Vの直流電圧が、LED照明機器などには5Vの直流電圧が供給される。 For example, in home appliances, there are many objects to be driven that can be supplied with the DC voltage output from the AC/DC converter 302 as is (for example, personal computers, LED lighting equipment, video equipment, audio equipment, etc.), in which case the inverter 604 is not required in the control system 600, and as shown in FIG. 15, the DC voltage is supplied from the AC/DC converter 602 to the object to be driven. In this case, for example, a personal computer is supplied with a DC voltage of 3.3 V, and an LED lighting device is supplied with a DC voltage of 5 V.

一方、図示しない各種センサを用いて、駆動対象の回転数やトルク、あるいは駆動対象の周辺環境の温度や流量などといった実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部606に入力される。また同時に、インバータ604の出力電圧値も駆動制御部606に入力される。これらの計測信号をもとに、駆動制御部606はインバータ604にフィードバック信号を与え、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ604がモータ605に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、駆動対象の運転制御を正確に実行させることができ、駆動対象の安定した動作が実現する。また、上述のように、駆動対象が直流電圧で駆動可能な場合には、インバータへのフィードバックに代えてAC/DCコンバータ602をフィードバック制御することも可能である。 Meanwhile, various sensors (not shown) are used to measure actual values such as the rotation speed and torque of the driven object, or the temperature and flow rate of the surrounding environment of the driven object, and these measurement signals are input to the drive control unit 606. At the same time, the output voltage value of the inverter 604 is also input to the drive control unit 606. Based on these measurement signals, the drive control unit 606 provides a feedback signal to the inverter 604 to control the switching operation of the switching element. This allows the AC voltage provided by the inverter 604 to be instantly corrected, allowing accurate operation control of the driven object and achieving stable operation of the driven object. Also, as mentioned above, when the driven object can be driven by a DC voltage, it is also possible to feedback control the AC/DC converter 602 instead of feedback to the inverter.

図16は、図15の回路構成を示したものである。同図に示されるように、本発明の半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとしてAC/DCコンバータ602およびインバータ604に採用されることでスイッチング制御に供される。AC/DCコンバータ602は、例えばショットキーバリアダイオードをブリッジ状に回路構成したものが用いられ、入力電圧の負電圧分を正電圧に変換整流することで直流変換を行う。またインバータ604においてはIGBTにおけるスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、三相交流電源601とAC/DCコンバータ602との間にインダクタ(コイルなど)を介在させることで電流の安定化を図り、またAC/DCコンバータ602とインバータ604の間にキャパシタ(電解コンデンサなど)を介在させることで電圧の安定化を図っている。 Figure 16 shows the circuit configuration of Figure 15. As shown in the figure, the semiconductor device of the present invention is used as, for example, a Schottky barrier diode in an AC/DC converter 602 and an inverter 604 to perform switching control. The AC/DC converter 602 uses, for example, a Schottky barrier diode configured in a bridge circuit, and performs DC conversion by converting and rectifying the negative voltage of the input voltage into a positive voltage. In the inverter 604, the semiconductor device is incorporated into a switching circuit in an IGBT to perform switching control. Note that the current is stabilized by interposing an inductor (such as a coil) between the three-phase AC power source 601 and the AC/DC converter 602, and the voltage is stabilized by interposing a capacitor (such as an electrolytic capacitor) between the AC/DC converter 602 and the inverter 604.

また、図16中に点線で示すように、駆動制御部606内にはCPUからなる演算部607と不揮発性メモリからなる記憶部608が設けられている。駆動制御部606に入力された信号は演算部607に与えられ、必要な演算を行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部608は、演算部607による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部607に適宜出力する。演算部607や記憶部608は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。 As shown by the dotted line in FIG. 16, the drive control unit 606 includes a calculation unit 607 consisting of a CPU and a storage unit 608 consisting of a non-volatile memory. The signal input to the drive control unit 606 is given to the calculation unit 607, which performs the necessary calculations to generate feedback signals for each semiconductor element. The storage unit 608 also temporarily holds the results of calculations performed by the calculation unit 607, and accumulates physical constants and functions required for drive control in the form of a table and outputs them to the calculation unit 607 as appropriate. The calculation unit 607 and storage unit 608 can be configured as known in the art, and their processing capabilities can be selected as desired.

このような制御システム600においても、図13や図14に示した制御システム500と同様に、AC/DCコンバータ602やインバータ604の整流動作やスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これら半導体素子に酸化ガリウム(Ga)、特にコランダム型酸化ガリウム(α-Ga)をその材料として用いることでスイッチング特性が向上する。さらに、本発明に係る半導体膜や半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム600の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、AC/DCコンバータ602、インバータ604のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは組合せ、あるいは駆動制御部606も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。 In this control system 600, as in the control system 500 shown in FIG. 13 and FIG. 14, diodes and switching elements such as thyristors, power transistors, IGBTs, and MOSFETs are used for the rectification and switching operations of the AC/DC converter 602 and the inverter 604. The switching characteristics are improved by using gallium oxide (Ga 2 O 3 ), particularly corundum-type gallium oxide (α-Ga 2 O 3 ), as the material for these semiconductor elements. Furthermore, by applying the semiconductor film and semiconductor device according to the present invention, extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 600 can be realized. That is, the effects of the present invention can be expected for each of the AC/DC converter 602 and the inverter 604, and the effects of the present invention can be expected for any one of them, a combination of them, or a form including the drive control unit 606.

なお、図15および図16では駆動対象としてモータ605を例示したが、駆動対象は必ずしも機械的に動作するものに限られず、交流電圧を必要とする多くの機器を対象とすることができる。制御システム600においては、交流電源から電力を入力して駆動対象を駆動する限りにおいては適用が可能であり、インフラ機器(例えばビルや工場等の電力設備、通信設備、交通管制機器、上下水処理設備、システム機器、省力機器、電車など)や家電機器(例えば、冷蔵庫、洗濯機、パソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など)といった機器を対象とした駆動制御のために搭載することができる。 Note that while a motor 605 is shown as an example of a driven object in Figures 15 and 16, the driven object is not necessarily limited to mechanically operated objects, and can be many devices that require AC voltage. The control system 600 can be applied as long as it inputs power from an AC power source to drive the driven object, and can be installed for drive control of equipment such as infrastructure equipment (e.g., power equipment in buildings and factories, communication equipment, traffic control equipment, water and sewage treatment equipment, system equipment, labor-saving equipment, trains, etc.) and home appliances (e.g., refrigerators, washing machines, personal computers, LED lighting equipment, video equipment, audio equipment, etc.).

(実施例1)
1.成膜装置
本実施例では図1に示す成膜装置19を用いた。
Example 1
1. Film Forming Apparatus In this example, a film forming apparatus 19 shown in FIG.

2.原料溶液の作製
臭化ガリウム(GaBr)0.1Mの水溶液に、臭化水素酸(HBr)10体積%を加え、これを原料溶液とした。
2. Preparation of a raw material solution 10% by volume of hydrobromic acid (HBr) was added to a 0.1 M aqueous solution of gallium bromide (GaBr 3 ) to prepare a raw material solution.

3.成膜準備
上記2.で得られた原料溶液24aをミスト発生源24内に収容した。次に、基板20として、表面にバッファ層が積層され、m面からc軸方向に3°傾斜した面を主面とするサファイア基板を用いて、ホットプレート28上に設置し、ホットプレート28を作動させて基板温度を630℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁23a、23bを開いて、キャリアガス源であるキャリアガス供給手段22a、22bからキャリアガスを成膜室30内に供給し、成膜室30の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を0.6L/分に調節した。キャリアガスとして窒素を用いた。
3. Preparation for film formation The raw material solution 24a obtained in 2 above was accommodated in the mist generating source 24. Next, a sapphire substrate having a buffer layer laminated on its surface and a surface inclined 3° from the m-plane in the c-axis direction as its main surface was used as the substrate 20, which was placed on the hot plate 28, and the hot plate 28 was operated to raise the substrate temperature to 630°C. Next, the flow rate control valves 23a and 23b were opened to supply carrier gas from the carrier gas supply means 22a and 22b, which are the carrier gas sources, into the film formation chamber 30, and the atmosphere in the film formation chamber 30 was sufficiently replaced with the carrier gas, after which the flow rate of the carrier gas was adjusted to 0.6 L/min. Nitrogen was used as the carrier gas.

4.成膜
次に、超音波振動子26を2.4MHzで振動させ、その振動を、水25aを通じて原料溶液24aに伝播させることによって、原料溶液24aを霧化させてミスト(霧化液滴)24bを生成させた。このミスト24bが、キャリアガスによって、供給管27内を通って、成膜室30内に導入され、大気圧下、630℃にて、基板20上でミストが熱反応して、基板20上に成膜した。成膜時間は1時間であった。得られた膜は、X線回折装置を用いて同定したところ、α-Ga単結晶膜であった。
4. Film formation Next, the ultrasonic vibrator 26 was vibrated at 2.4 MHz, and the vibration was propagated to the raw material solution 24a through the water 25a, thereby atomizing the raw material solution 24a to generate mist (atomized droplets) 24b. This mist 24b was introduced into the film formation chamber 30 through the supply pipe 27 by the carrier gas, and the mist thermally reacted on the substrate 20 at 630°C under atmospheric pressure to form a film on the substrate 20. The film formation time was 1 hour. The obtained film was identified using an X-ray diffraction device to be an α-Ga 2 O 3 single crystal film.

(実施例2~9)
実施例2~9として、それぞれ表1に示す条件で成膜したこと以外は、実施例1と同様にして、それぞれ結晶性酸化物膜を得た。得られた膜は、X線回折装置を用いて同定したところ、いずれもα-Ga単結晶膜であった。
(Examples 2 to 9)
As Examples 2 to 9, crystalline oxide films were obtained in the same manner as in Example 1, except that the films were formed under the conditions shown in Table 1. The obtained films were identified using an X-ray diffraction device and were all α-Ga 2 O 3 single crystal films.

(比較例1~6)
比較例1~6として、それぞれ表2に示す条件で成膜したこと以外は、実施例1と同様にして、それぞれ結晶性酸化物膜を得た。得られた膜は、X線回折装置を用いて同定したところ、いずれもα-Ga単結晶膜であった。
(Comparative Examples 1 to 6)
As Comparative Examples 1 to 6, crystalline oxide films were obtained in the same manner as in Example 1, except that the films were formed under the conditions shown in Table 2. The obtained films were identified using an X-ray diffraction device and were all α-Ga 2 O 3 single crystal films.

(評価)
実施例1~9および比較例1~6にて得られた結晶性酸化物膜につき、膜厚、反りおよびクラックの有無を確認した。結果を表3に示す。なお、反りの測定は表面形状測定システムDYVOCE(神津精機株式会社製、型番:DY-3000-039)を用いて行った。また、クラック発生率は、結晶性酸化物膜を152区画に分けて、それぞれの区画ごとのクラックの有無を確認することにより算出した。なお、実施例2、実施例5、実施例8、比較例2、比較例5および比較例6の反り測定結果を図17に示す。表3および図17から明らかなように、比較例品と比べて、実施例品は結晶軸方向ごとの反りがより均一であることがわかる。なお、本実施例品は、比較例品に対して反り量の絶対値が低減されており、さらに、膜厚を大きくした場合(例えば、5μm以上、好ましくは10μm以上)であっても、少なくとも2mm以上の面積にわたってクラックを実質的に含まないものであった。
(evaluation)
The crystalline oxide films obtained in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 6 were examined for film thickness, warpage, and the presence or absence of cracks. The results are shown in Table 3. The warpage was measured using a surface profile measuring system DYVOCE (manufactured by Kohzu Seiki Co., Ltd., model number: DY-3000-039). The crack occurrence rate was calculated by dividing the crystalline oxide film into 152 sections and checking the presence or absence of cracks in each section. The warpage measurement results of Examples 2, 5, 8, Comparative Example 2, Comparative Example 5, and Comparative Example 6 are shown in FIG. 17. As is clear from Table 3 and FIG. 17, the examples have more uniform warpage in each crystal axis direction than the comparative example. The absolute value of the warpage of the examples is reduced compared to the comparative example, and even when the film thickness is increased (for example, 5 μm or more, preferably 10 μm or more), the products are substantially free of cracks over an area of at least 2 mm 2 or more.

(実施例10~12)
実施例10~12として、基板として、m面からc軸方向に20°傾斜した面を結晶成長面とするサファイア基板を用いたこと以外は、実施例1~3とそれぞれ同様にして、結晶性酸化物膜を得た。得られた膜は、X線回折装置を用いて同定したところ、いずれもα-Ga単結晶膜であった。また、得られた膜について、実施例1~9と同様にして膜厚、反りおよびクラック発生率を調べた。結果を表4に示す。表4から明らかなとおり、本実施例品はa軸方向に対するc軸方向の反り量の比が0.4以上3未満の範囲内であり、結晶軸方向ごとの反りがより均一であることがわかる。なお、本実施例品は、膜厚を大きくした場合(例えば、5μm以上、好ましくは10μm以上)であっても、少なくとも2mm以上の面積にわたってクラックを実質的に含まないものであった。
(Examples 10 to 12)
In Examples 10 to 12, crystalline oxide films were obtained in the same manner as in Examples 1 to 3, except that a sapphire substrate with a crystal growth surface inclined 20° from the m-plane toward the c-axis was used as the substrate. The obtained films were identified using an X-ray diffraction device and found to be α-Ga 2 O 3 single crystal films. The obtained films were also examined for thickness, warpage, and crack occurrence rate in the same manner as in Examples 1 to 9. The results are shown in Table 4. As is clear from Table 4, the product of this example has a ratio of the warpage in the c-axis direction to the a-axis direction in the range of 0.4 to less than 3, and it can be seen that the warpage in each crystal axis direction is more uniform. In addition, even when the film thickness of the product of this example was increased (for example, 5 μm or more, preferably 10 μm or more), it was substantially free of cracks over an area of at least 2 mm 2 or more.

(実施例13~14)
実施例13~14として、基板として、m面からc軸方向に25°傾斜した面を結晶成長面とするサファイア基板を用いたこと以外は、実施例1および2とそれぞれ同様にして、結晶性酸化物膜を得た。得られた膜は、X線回折装置を用いて同定したところ、いずれもα-Ga単結晶膜であった。また、得られた膜について、実施例1~9と同様にして膜厚、反りおよびクラック発生率を調べたた。結果を表4に示す。表4から明らかなとおり、本実施例品はa軸方向に対するc軸方向の反り量の比が0.4以上3未満の範囲内であり、結晶軸方向ごとの反りがより均一であることがわかる。なお、本実施例品は、膜厚を大きくした場合(例えば、5μm以上、好ましくは10μm以上)であっても、少なくとも2mm以上の面積にわたってクラックを実質的に含まないものであった。
(Examples 13 to 14)
In Examples 13 and 14, crystalline oxide films were obtained in the same manner as in Examples 1 and 2, except that a sapphire substrate with a crystal growth surface inclined at 25° from the m-plane toward the c-axis was used as the substrate. The obtained films were identified using an X-ray diffraction device and found to be α-Ga 2 O 3 single crystal films. The obtained films were also examined for thickness, warpage, and crack occurrence rate in the same manner as in Examples 1 to 9. The results are shown in Table 4. As is clear from Table 4, the product of this example has a ratio of the warpage in the c-axis direction to the a-axis direction in the range of 0.4 to less than 3, and it can be seen that the warpage in each crystal axis direction is more uniform. It should be noted that the product of this example was substantially free of cracks over an area of at least 2 mm 2 even when the film thickness was increased (for example, 5 μm or more, preferably 10 μm or more).

(ホール効果測定)
ドーピングを行ったこと以外は、実施例1~14と同様にして、それぞれ結晶性酸化物膜を得た。得られた膜は、X線回折装置を用いて同定したところ、いずれもα-Ga単結晶膜であった。また、得られた膜について、実施例1~9と同様にして膜厚、反りおよびクラック発生率を調べたところ、実施例1~14と同様に、膜厚を大きくしても反りおよびクラックを抑制できることがわかった。また、得られた膜に対してホール効果測定を行ったところ、いずれの実施例品も移動度が5cm/V・s以上であり、優れた電気特性を有することがわかった。また、傾斜角が3°~10°の実施例品は、傾斜角が20°および25°の実施例品と比較して、移動度において約2倍程度優れていることがわかった。この結果から、m面から少なくともc軸方向に3°~10°傾斜した面を主面とする場合には、反りおよびクラックを抑制させつつ、半導体特性をさらにより向上させることができることがわかった。
(Hall effect measurement)
A crystalline oxide film was obtained in the same manner as in Examples 1 to 14, except that doping was performed. The obtained films were identified using an X-ray diffraction device, and all were α-Ga 2 O 3 single crystal films. The obtained films were also examined for film thickness, warpage, and crack occurrence rate in the same manner as in Examples 1 to 9, and it was found that warpage and cracks could be suppressed even if the film thickness was increased, as in Examples 1 to 14. The obtained films were also subjected to Hall effect measurement, and it was found that all of the examples had a mobility of 5 cm 2 /V·s or more, and had excellent electrical properties. It was also found that the examples with an inclination angle of 3° to 10° were about twice as good in mobility as the examples with an inclination angle of 20° and 25°. From this result, it was found that when a surface inclined at least 3° to 10° toward the c-axis direction from the m-plane is used as the main surface, warpage and cracks can be suppressed while the semiconductor properties can be further improved.

本発明の結晶性酸化物膜は、半導体(例えば化合物半導体電子デバイス等)、電子部品・電気機器部品、光学・電子写真関連装置、工業部材などあらゆる分野に用いることができるが、特に、半導体装置およびその部材等に有用である。 The crystalline oxide film of the present invention can be used in a wide range of fields, including semiconductors (e.g., compound semiconductor electronic devices), electronic and electrical equipment components, optical and electrophotographic devices, and industrial materials, but is particularly useful in semiconductor devices and their components.

1 バリアハイト調整層
2 バリア電極
3 半導体領域(半導体層)
4 オーミック電極
5 ガードリング
19 ミストCVD装置(成膜装置)
20 基板
21 サセプタ
22a キャリアガス供給手段
22b キャリアガス(希釈)供給手段
23a 流量調節弁
23b 流量調節弁
24 ミスト発生源
24a 原料溶液
25 容器
25a 水
26 超音波振動子
27 供給管
28 ヒーター
29 排気口
30 成膜室
101a n-型半導体層
101b n+型半導体層
102 p型半導体層
103 半絶縁体層
104 絶縁体層
105a ショットキー電極
105b オーミック電極
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
123 p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
131a n-型半導体層
131b 第1のn+型半導体層
131c 第2のn+型半導体層
132 p型半導体層
132a p+型半導体層
134 ゲート絶縁膜
135a ゲート電極
135b ソース電極
135c ドレイン電極
141a n-型半導体層
141b 第1のn+型半導体層
141c 第2のn+型半導体層
145a ゲート電極
145b ソース電極
145c ドレイン電極
151 n型半導体層
151a n-型半導体層
151b n+型半導体層
152 p型半導体層
154 ゲート絶縁膜
155a ゲート電極
155b エミッタ電極
155c コレクタ電極
161 n型半導体層
162 p型半導体層
163 発光層
165a 第1の電極
165b 第2の電極
167 透光性電極
169 基板
500 制御システム
501 バッテリー(電源)
502 昇圧コンバータ
503 降圧コンバータ
504 インバータ
505 モータ(駆動対象)
506 駆動制御部
507 演算部
508 記憶部
600 制御システム
601 三相交流電源(電源)
602 AC/DCコンバータ
604 インバータ
605 モータ(駆動対象)
606 駆動制御部
607 演算部
608 記憶部

1 Barrier height adjustment layer 2 Barrier electrode 3 Semiconductor region (semiconductor layer)
4 Ohmic electrode 5 Guard ring 19 Mist CVD device (film formation device)
20 Substrate 21 Susceptor 22a Carrier gas supply means 22b Carrier gas (dilution) supply means 23a Flow rate control valve 23b Flow rate control valve 24 Mist source 24a Raw material solution 25 Container 25a Water 26 Ultrasonic vibrator 27 Supply pipe 28 Heater 29 Exhaust port 30 Film formation chamber 101a n-type semiconductor layer 101b n+ type semiconductor layer 102 p-type semiconductor layer 103 Semi-insulating layer 104 Insulating layer 105a Schottky electrode 105b Ohmic electrode 121a Wide band gap n-type semiconductor layer 121b Narrow band gap n-type semiconductor layer 121c n+ type semiconductor layer 123 p-type semiconductor layer 124 Semi-insulating layer 125a Gate electrode 125b Source electrode 125c Drain electrode 128 Buffer layer 131a n-type semiconductor layer 131b first n+ type semiconductor layer 131c second n+ type semiconductor layer 132 p type semiconductor layer 132a p+ type semiconductor layer 134 gate insulating film 135a gate electrode 135b source electrode 135c drain electrode 141a n- type semiconductor layer 141b first n+ type semiconductor layer 141c second n+ type semiconductor layer 145a gate electrode 145b source electrode 145c drain electrode 151 n type semiconductor layer 151a n- type semiconductor layer 151b n+ type semiconductor layer 152 p type semiconductor layer 154 gate insulating film 155a gate electrode 155b emitter electrode 155c collector electrode 161 n type semiconductor layer 162 p type semiconductor layer 163 light emitting layer 165a first electrode 165b second electrode 167 light transmitting electrode 169 substrate 500 Control System 501 Battery (power source)
502: step-up converter 503: step-down converter 504: inverter 505: motor (drive object)
506 Drive control unit 507 Calculation unit 508 Storage unit 600 Control system 601 Three-phase AC power supply (power supply)
602 AC/DC converter 604 inverter 605 motor (drive object)
606 Drive control unit 607 Calculation unit 608 Storage unit

Claims (13)

ガリウムを含む金属酸化物を含み、第1の結晶軸と第2の結晶軸とを少なくとも含む結晶性酸化物膜であって、第1の結晶軸方向の線膨張係数が、第2の結晶軸方向の線膨張係数よりも小さく、主面が、第2の結晶軸方向に平行な面から少なくとも第2の結晶軸方向に傾斜した面であり、前記傾斜の角度が、3°~25°の範囲内であることを特徴とする結晶性酸化物膜。 A crystalline oxide film comprising a metal oxide containing gallium, and including at least a first crystal axis and a second crystal axis, wherein a linear expansion coefficient in the first crystal axis direction is smaller than a linear expansion coefficient in the second crystal axis direction, and a main surface is a surface inclined at least in the second crystal axis direction from a surface parallel to the second crystal axis direction, and the angle of inclination is within a range of 3° to 25° . 前記金属酸化物がコランダム構造を有する請求項1記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to claim 1, wherein the metal oxide has a corundum structure. 前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、インジウム、ロジウムまたはイリジウムを含む請求項1または2に記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to claim 1 or 2, wherein the metal oxide contains indium, rhodium or iridium in addition to gallium. 前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、インジウムまたは/およびアルミニウムを含む請求項1または2に記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to claim 1 or 2, wherein the metal oxide contains indium and/or aluminum in addition to gallium. 膜厚が2.5μm以上である請求項1~4のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to any one of claims 1 to 4, having a film thickness of 2.5 μm or more. ドーパントを含む請求項1~5のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to any one of claims 1 to 5, which contains a dopant. 前記第1の結晶軸方向の反り量に対する第2の結晶軸方向の反り量の比が3以下である請求項1~6のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to any one of claims 1 to 6, wherein the ratio of the amount of warping in the second crystal axis direction to the amount of warping in the first crystal axis direction is 3 or less. 前記傾斜の角度が、3°~10°の範囲内である請求項1~のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。 8. The crystalline oxide film according to claim 1, wherein the inclination angle is within a range of 3° to 10°. コランダム構造を有しており、主面が、m面から少なくとも第2の結晶軸方向に傾斜した面である請求項1~のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。 9. The crystalline oxide film according to claim 1, which has a corundum structure and has a principal surface which is inclined from an m-plane in at least the second crystal axis direction. 第2の結晶軸方向がc軸方向である請求項記載の結晶性酸化物膜。 10. The crystalline oxide film according to claim 9 , wherein the second crystal axis direction is the c-axis direction. 請求項1~10のいずれかに記載の結晶性酸化物膜と電極とを少なくとも備える半導体装置。 A semiconductor device comprising at least the crystalline oxide film according to any one of claims 1 to 10 and an electrode. 請求項11記載の半導体装置を用いた電力変換装置。 A power conversion device using the semiconductor device according to claim 11 . 請求項11記載の半導体装置を用いた制御システム。 A control system using the semiconductor device according to claim 11 .
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