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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023172996
(43)【公開日】2023-12-07
(54)【発明の名称】基体および基体の製造方法
(51)【国際特許分類】
C30B 29/16 20060101AFI20231130BHJP
C30B 25/18 20060101ALI20231130BHJP
C23C 16/40 20060101ALI20231130BHJP
H01L 21/365 20060101ALI20231130BHJP
H01L 21/368 20060101ALI20231130BHJP
【ＦＩ】
C30B29/16
C30B25/18
C23C16/40
H01L21/365
H01L21/368 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022084916
(22)【出願日】2022-05-25
(71)【出願人】
【識別番号】504255685
【氏名又は名称】国立大学法人京都工芸繊維大学
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100132883
【弁理士】
【氏名又は名称】森川 泰司
(74)【代理人】
【識別番号】100174388
【弁理士】
【氏名又は名称】龍竹 史朗
(72)【発明者】
【氏名】西中 浩之
(72)【発明者】
【氏名】加藤 貴大
(72)【発明者】
【氏名】島添 和樹
【テーマコード（参考）】
4G077
4K030
5F045
5F053
【Ｆターム（参考）】
4G077AA03
4G077AB10
4G077BB05
4G077BB10
4G077DB11
4G077DB15
4G077ED06
4G077EF02
4G077HA06
4G077TA04
4G077TA07
4G077TC06
4G077TC13
4G077TH01
4K030AA03
4K030AA11
4K030AA14
4K030BA01
4K030BA07
4K030BA08
4K030BA42
4K030BA59
4K030BB12
4K030CA04
4K030CA05
4K030CA12
4K030EA03
4K030FA10
4K030GA02
4K030JA01
4K030JA05
4K030JA10
4K030LA12
5F045AA03
5F045AB40
5F045AC07
5F045AC11
5F045AC15
5F045AD08
5F045AD09
5F045AD10
5F045AD11
5F045AF04
5F045AF07
5F045AF13
5F045DA52
5F045DA61
5F045DP07
5F045EK06
5F053AA50
5F053BB60
5F053DD20
5F053FF02
5F053GG02
5F053GG10
5F053HH04
5F053HH05
(57)【要約】
【課題】高い性能と信頼性を有する半導体装置を実現することができる基体および基体の製造方法を提供する。
【解決手段】基体は、ＹＳＺ基板である基板１と、基板１上に、ビックスバイト型結晶構造を有するβ－Ｆｅ２Ｏ３結晶から形成された第１酸化物層２と、第１酸化物層２上に、ビックスバイト型結晶構造を有するδ－Ｇａ２Ｏ３結晶から形成された第２酸化物層３と、を備える。第１酸化物層２の厚さは、２．５ｎｍ以上且つ５９０．２ｎｍ以下である。
【選択図】図１
【解決手段】基体は、ＹＳＺ基板である基板１と、基板１上に、ビックスバイト型結晶構造を有するβ－Ｆｅ２Ｏ３結晶から形成された第１酸化物層２と、第１酸化物層２上に、ビックスバイト型結晶構造を有するδ－Ｇａ２Ｏ３結晶から形成された第２酸化物層３と、を備える。第１酸化物層２の厚さは、２．５ｎｍ以上且つ５９０．２ｎｍ以下である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
立方晶系の結晶構造を有する基板と、
前記基板の上方に位置し、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物結晶から形成された第１酸化物層と、
前記第１酸化物層上に、ガリウムを含み且つビックスバイト型結晶構造を有する第２酸化物結晶から形成された第２酸化物層と、を備える、
基体。
前記基板の上方に位置し、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物結晶から形成された第１酸化物層と、
前記第１酸化物層上に、ガリウムを含み且つビックスバイト型結晶構造を有する第２酸化物結晶から形成された第２酸化物層と、を備える、
基体。
【請求項2】
前記第２酸化物結晶は、δ－Ｇａ２Ｏ３である、
請求項１に記載の基体。
請求項１に記載の基体。
【請求項3】
前記第１酸化物結晶は、β－Ｆｅ２Ｏ３結晶、Ｍｎ２Ｏ３結晶、Ｙ２Ｏ３結晶、Ｐｒ２Ｏ３結晶、Ｌａ２Ｏ３結晶、Ｓｍ２Ｏ３結晶またはＧｄ２Ｏ３結晶である、
請求項１または２に記載の基体。
請求項１または２に記載の基体。
【請求項4】
前記第１酸化物層の厚さは、２．５ｎｍ以上且つ５９０．２ｎｍ以下である、
請求項１または２に記載の基体。
請求項１または２に記載の基体。
【請求項5】
前記基板と前記第１酸化物層との間に介在し、ビックスバイト型結晶構造を有する前記第１酸化物結晶とは異なる第３酸化物結晶から形成された第３酸化物層を更に備える、
請求項１または２に記載の基体。
請求項１または２に記載の基体。
【請求項6】
前記基板は、安定化ジルコニア基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板、ＭｇＡｌ２Ｏ４基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＮｉＯ基板またはＣｅＯ２基板である、
請求項１または２に記載の基体。
請求項１または２に記載の基体。
【請求項7】
前記安定化ジルコニア基板は、イットリウム安定化ジルコニア基板である、
請求項６に記載の基体。
請求項６に記載の基体。
【請求項8】
立方晶系の結晶構造を有する基板を準備する準備工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記基板の上方に、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物結晶を成長させることにより第１酸化物層を形成する第１成長工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記第１酸化物層上に、ガリウムを含み且つビックスバイト型結晶構造を有する第２酸化物結晶を成長させることにより第２酸化物層を形成する第２成長工程と、を含む。
基体の製造方法。
ミストＣＶＤ法により、前記基板の上方に、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物結晶を成長させることにより第１酸化物層を形成する第１成長工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記第１酸化物層上に、ガリウムを含み且つビックスバイト型結晶構造を有する第２酸化物結晶を成長させることにより第２酸化物層を形成する第２成長工程と、を含む。
基体の製造方法。
【請求項9】
前記第２成長工程において、成長温度は、６００℃以上且つ６５０℃以下である、
請求項８に記載の基体の製造方法。
請求項８に記載の基体の製造方法。
【請求項10】
前記第１成長工程において、成長温度は、４７５℃以上且つ５５０℃以下である、
請求項８または９に記載の基体の製造方法。
請求項８または９に記載の基体の製造方法。
【請求項11】
前記準備工程の後且つ前記第１成長工程の前に、ミストＣＶＤ法により、前記基板上に、ビックスバイト型結晶構造を有し且つ前記第１酸化物結晶とは異なる第３酸化物結晶を成長させることにより第３酸化物層を形成する第３成長工程を更に含む、
請求項８または９に記載の基体の製造方法。
請求項８または９に記載の基体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、基体および基体の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ＳｉＣのようなバンドギャップが比較的大きいいわゆるワイドギャップ半導体は、絶縁破壊電界強度、熱伝導度が比較的高いという特徴を有する。このようなワイドギャップ半導体の中でも特に、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）は、ＳｉＣよりも大きなバンドギャップを持ち、半導体材料をパワーデバイスに用いる際の性能指数であるバリガ指数が、ＳｉＣに比べて数倍大きくパワーデバイスへの適用が期待されている。これに対して、コランダム型結晶構造を有する下地基板と、コランダム型結晶構造を有する半導体層と、コランダム型結晶構造を有する絶縁膜と、を備え、下地基板、半導体層、絶縁膜が、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化鉄等或いはこれらの混晶から形成された半導体装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１４－７２４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、ワイドギャップ半導体から形成された半導体装置は、透明電極材料としてよく用いられているＩＴＯ（Indium Tin Oxide）から形成された透明電極と組み合わせた構造として、太陽電池、センサ等に適用される場合がある。一方、ＩＴＯは、ビックスバイト型結晶構造とコランダム型結晶構造とを持ち、ビックスバイト型結晶構造が最も安定している。しかしながら、特許文献１に記載された半導体装置では、コランダム型の半導体層、絶縁膜を備えるため、半導体層、絶縁膜等の上に比較的不安定なコランダム型結晶構造を有するＩＴＯを成長させざるを得ないため、その分、半導体装置の性能および信頼性が低下してしまう。
【0005】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、高い性能と信頼性を有する半導体装置を実現することができる基体および基体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る基体は、
立方晶系の結晶構造を有する基板と、
前記基板の上方に位置し、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物結晶から形成された第１酸化物層と、
前記第１酸化物層上に、ガリウムを含み且つビックスバイト型結晶構造を有する第２酸化物結晶から形成された第２酸化物層と、を備える。
立方晶系の結晶構造を有する基板と、
前記基板の上方に位置し、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物結晶から形成された第１酸化物層と、
前記第１酸化物層上に、ガリウムを含み且つビックスバイト型結晶構造を有する第２酸化物結晶から形成された第２酸化物層と、を備える。
【0007】
本発明に係る基体の製造方法は、
立方晶系の結晶構造を有する基板を準備する準備工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記基板の上方に、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物結晶を成長させることにより第１酸化物層を形成する第１成長工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記第１酸化物層上に、ガリウムを含み且つビックスバイト型結晶構造を有する第２酸化物結晶を成長させることにより第２酸化物層を形成する第２成長工程と、を含む。
立方晶系の結晶構造を有する基板を準備する準備工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記基板の上方に、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物結晶を成長させることにより第１酸化物層を形成する第１成長工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記第１酸化物層上に、ガリウムを含み且つビックスバイト型結晶構造を有する第２酸化物結晶を成長させることにより第２酸化物層を形成する第２成長工程と、を含む。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、基体が、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物結晶から形成された第１酸化物層と、第１酸化物層上に、ガリウムを含み且つビックスバイト型結晶構造を有する第２酸化物結晶から形成された第２酸化物層と、を備える。これにより、基体の第１酸化物層、第２酸化物層に、安定したビックスバイト型結晶構造を有するＩＴＯを成長させて透明電極を形成することができるので、高い性能と信頼性とを備える半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施形態に係る基体の断面図である。
【図2】実施形態に係るミストＣＶＤ装置の概略構成図である。
【図3】変形例に係る基体の断面図である。
【図4】（Ａ）は比較例１および実施例１乃至４に係る基体についてＸ線回折測定により得られたプロファイルを示す図であり、（Ｂ）は実施例１、５乃至８に係る基体についてＸ線回折測定により得られたプロファイルを示す図である。
【図5】（Ａ）は比較例２乃至４および実施例９に係る基体についてＸ線回折測定により得られたプロファイルを示す図であり、（Ｂ）は比較例５、６および実施例９乃至１１に係る基体についてＸ線回折測定により得られたプロファイルを示す図である。
【図6】実施例１０に係る基体についてＸ線回折測定により得られたプロファイルを示す図である。
【図7】実施例１０に係る基体についてφ測定法によるＸ線回折測定を行った結果を示す図である。
【図8】（Ａ）は実施例１０に係る基体の基板のＴＥＭ回折スポットを示す図であり、（Ｂ）実施例１０に係る基体の第２酸化物層のＴＥＭ回折スポットを示す図である。
【図9】比較例７、８および実施例１２乃至２２に係る基体についてＸ線回折測定により得られたプロファイルを示す図である。
【図10】比較例９乃至１２および実施例２３乃至２５に係る基体についてＸ線回折測定により得られたプロファイルを示す図である。
【図11】実施例２３に係る基体についてＸ線回折測定により得られたプロファイルを示す図である。
【図12】実施例２３に係る基体についてφ測定法によるＸ線回折測定を行った結果を示す図である。
【図13】（Ａ）は比較例１３に係る基体についてＸ線回折測定により得られたプロファイルを示す図であり、（Ｂ）は比較例１４に係る基体についてＸ線回折測定により得られたプロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態に係る基体について図面を参照しながら説明する。図１（Ａ）に示すように、本実施形態に係る基体１０は、基板１と、基板１上に形成された第１酸化物層２と、第１酸化物層上に形成された第２酸化物層３と、を備える。基板１は、立方晶系の結晶構造を有する基板である。このような基板としては、立方晶系の結晶構造で安定化した安定化ジルコニア基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板、ＭｇＡｌ２Ｏ４基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＮｉＯ基板またはＣｅＯ２基板が挙げられる。安定化ジルコニア基板としては、イットリウム安定化ジルコニア基板（ＹＳＺ基板）が挙げられる。
【0011】
第１酸化物層２は、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物結晶から形成されている。この第１酸化物結晶としては、β－Ｆｅ２Ｏ３結晶、Ｍｎ２Ｏ３結晶、Ｙ２Ｏ３結晶、Ｐｒ２Ｏ３結晶、Ｌａ２Ｏ３結晶、Ｓｍ２Ｏ３結晶、Ｇｄ２Ｏ３結晶が挙げられる。また、第１酸化物層２の厚さは、２．５ｎｍ以上且つ５９０．２ｎｍ以下であることが好ましい。第１酸化物層２がβ－Ｆｅ２Ｏ３結晶から形成されている場合、第１酸化物層２の厚さが２．５ｎｍ未満、または、５９０．２ｎｍを超えると、第１酸化物層２上に、例えばビックスバイト型結晶構造を有するδ－Ｇａ２Ｏ３結晶が成長しなくなってしまうためである。
【0012】
第２酸化物層３は、ガリウムを含み且つビックスバイト型結晶構造を有する第２酸化物結晶から形成され、δ－Ｇａ２Ｏ３結晶から形成されている。
【0013】
本実施形態に係る基体の製造方法では、ミストＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、基板１上に第１酸化物結晶を成長させることにより第１酸化物層２を形成する第１成長工程と、第１酸化物層２上に第２酸化物結晶を成長させることにより第２酸化物層３を形成する第２成長工程と、が順に行われる。ミストＣＶＤ法を用いた基体の製造では、図２に示すようなミストＣＶＤ装置が使用される。このミストＣＶＤ装置は、ガス供給源２１と流量計２３、５３と原料供給容器３１と貯水容器３３と超音波振動子３５と反応容器４１とヒータ４２とサセプタ４３とを備える。ガス供給源２１と原料供給容器３１とはガス供給管Ｐ１を介して接続されている。原料供給容器３１と反応容器４１とはガス供給管Ｐ２を介して接続されている。また、ガス供給管Ｐ２には、ガス供給管Ｐ４を介してガス供給源５１が接続されている。更に、反応容器４１には、反応容器４１内の余分なガスを排出するための排気管Ｐ３が接続されている。流量計２３、５３は、それぞれ、ガス供給管Ｐ１、Ｐ４に介挿され、管内を流れるガスの流量を検出する。原料供給容器３１には、第１酸化物層２、第２酸化物層３を形成する酸化物の前駆体原料を溶媒（例えば水、塩酸、アンモニア・メタノール溶液）に溶解させてなる原料溶液３２が貯留されている。図２では原料供給容器３１は一つのみが記載されており、第１酸化物層２と第２酸化物層３を順次形成することができるが、第１酸化物層２用と第２酸化物層３用の二つの原料供給容器３１を備えて、第１酸化物層２を形成する時と第３酸化物層４を形成する時とで切り替えて連続して形成することもできる。
【0014】
第１酸化物層２を形成する酸化物の前駆体原料としては、β－ジケトン化合物、アルコール化合物、ハロゲン化物等から選択される１種類または複数種類と鉄との化合物が挙げられ、例えば鉄（ＩＩＩ）アセチルアセトナート（Ｆｅ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）が採用される。なお、ハロゲン化物としては、塩化鉄、臭化鉄等を採用することができる。また、第２酸化物層３を形成する酸化物の前駆体原料としては、β－ジケトン化合物、アルコール化合物、ハロゲン化物等から選択される１種類または複数種類の化合物とガリウムとの化合物が挙げられ、例えばガリウム(ＩＩＩ)アセチルアセトナート（Ｇａ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）が採用される。なお、ハロゲン化物としては、塩化ガリウム、臭化ガリウム等を採用することができる。
【0015】
ガス供給源２１は、霧状の原料溶液を、反応容器４１内に送り込むための空気、窒素または酸素等のキャリアガスを原料供給容器３１へ供給する。また、ガス供給源５１は、霧状の原料溶液を希釈するための空気、窒素または酸素等の希釈用ガスをガス供給管Ｐ２へ供給する。貯水容器３３には、超音波整合用の水３４が貯められており、原料供給容器３１は、その一部が貯水容器３３に貯められた水３４に浸かった状態で貯水容器３３の内側に配置されている。貯水容器３３には、超音波振動子３５が固定されている。超音波振動子３５で発生した超音波は、貯水容器３３に貯められた整合用の水３４を介して原料供給容器３１に貯められた原料溶液３２に伝達する。
【0016】
次に、ミストＣＶＤ装置の動作について説明する。まず、超音波振動子３５が振動することにより、整合用の水３４を介して原料溶液３２に振動エネルギが伝達し、その振動エネルギにより原料溶液３２が霧状（ミスト）になる。そして、霧状になった原料溶液が、ガス供給源２１から原料供給容器３１内に供給されるキャリアガスにより、ガス供給管Ｐ２へ流出する。ガス供給管Ｐ２へ流出した霧状の原料溶液とキャリアガスとは、ガス供給源５１からガス供給管Ｐ４を通じてガス供給管Ｐ２内へ流入する希釈用ガスと混合されて反応容器４１内に送り込まれる。このとき、流量計２３を確認しながらガス供給管Ｐ１を流れるキャリアガスの流量を調節することにより、反応容器４１に送り込む原料溶液の量を調節する。反応容器４１内に送り込まれた霧状の原料溶液は、反応容器４１内でサセプタ４３に支持された基板１の表面に供給される。基板１の表面に供給された霧状の原料溶液が、ヒータ４２により加熱されると、その原料溶液中の金属化合物と水とが化学反応し、基板１の表面に金属酸化物が成長する。
【0017】
第１成長工程では、原料溶液として、鉄を含む前駆体原料を溶媒に溶解させたものを使用する。また、成長温度は、４７５℃以上且つ５５０℃以下に設定されることが好ましい。特に、第１酸化物結晶が、β－Ｆｅ２Ｏ３結晶である場合、成長温度が４７５℃を超えると、コランダム型結晶構造を有するα－Ｆｅ２Ｏ３結晶に相転移してしまう。このため、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物結晶を基板１上に成長させる観点から成長温度は４７５℃以下であることが好ましい。なお、第１酸化物層の結晶性の観点から、５２５℃以上且つ５５０℃以下がより好ましい。この第１成長工程では、ビックスバイト型結晶構造を有するβ－Ｆｅ２Ｏ３結晶を基板１上に成長させる。
【0018】
第２成長工程では、原料溶液として、Ｇａを含む前駆体原料を溶媒に溶解させたものを使用する。また、成長温度は、６００℃以上且つ６５０℃以下に設定されることが好ましい。この第２成長工程では、ビックスバイト型結晶構造を有するδ－Ｇａ２Ｏ３結晶を第１酸化物層２上に成長させる。
【0019】
以上説明したように、本実施形態に係る基体１０は、基体１０が、ビックスバイト型結晶構造を有するβ－Ｆｅ２Ｏ３結晶から形成された第１酸化物層２と、第１酸化物層２上にビックスバイト型結晶構造を有するδ－Ｇａ２Ｏ３結晶から形成された第２酸化物層３と、を備える。これにより、基体１０の第１酸化物層２、第２酸化物層３に、安定したビックスバイト型結晶構造を有するＩＴＯを成長させて透明電極を形成することができるので、高い性能と信頼性とを備える半導体装置を実現することができる。
【0020】
また、本実施形態に係る基体１０の製造方法で採用するミストＣＶＤ法は、非真空プロセスであるため、真空雰囲気を実現するための構成を設ける必要が無く、その分、装置の簡素化を図ることができる。また、ミストＣＶＤ法によれば、一般的にスパッタ法や他のＣＶＤ法に比べて、歪みやダメージの少ない薄膜が作製できる。
【0021】
以上、本発明の実施の形態に係る基体１０および基体１０の製造方法について説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されない、例えば図３に示すように、本実施形態に係る基体２０は、基板１と第１酸化物層２との間に介在し、ビックスバイト型結晶構造を有する第１酸化物層２を形成する第１酸化物結晶とは異なる第３酸化物結晶から形成された第３酸化物層４を更に備えるものであってもよい。なお、図３において図１と同様の構成は図１と同一の符号を付している。第３酸化物層４は、例えばビックスバイト型結晶構造を有するＩｎ２Ｏ３結晶から形成されている。
【0022】
本変形例に係る基体２０の製造方法は、基板１を準備する準備工程の後且つ実施の形態で説明した第１成長工程の前に、ミストＣＶＤ法により、基板１上に、ビックスバイト型結晶構造を有する前述の第３酸化物結晶を成長させることにより第３酸化物層４を形成する第３成長工程を含む。この第３成長工程では、基板１上に例えばビックスバイト型結晶構造を有するＩｎ２Ｏ３結晶を成長させることにより第３酸化物層４を形成する。そして、基体２０の製造方法では、第３成長工程の後、第３酸化物層４上に実施の形態で説明した第１酸化物層２を形成する第１成長工程、第１酸化物層２上に実施の形態で説明した第２酸化物層３を形成する第２成長工程が順に行われる。
【0023】
実施の形態では、基板１と第１酸化物層２と第２酸化物層３とを備える基体１０について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば基板１上にビックスバイト型結晶構造を有する酸化物層が１層形成されているものであってもよい。
【0024】
実施の形態において、第１酸化物層２、第２酸化物層３を製造するのに用いる方法は、ミストＣＶＤ法に限定されるものではなく、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、他のＣＶＤ法等が採用されてもよい。また、ミストＣＶＤ法において霧状の原料溶液を生成する方法として、例えば２流体スプレーノズルを用いる方法が採用されてもよい。
【実施例0025】
本発明に係る基体について、実施例および比較例に基づいて説明する。
【0026】
第１酸化物層を形成する際の成長温度、成長時間の少なくとも一方が互いに異なる比較例１および実施例１乃至８に係る基体について結晶構造を評価した結果について説明する。比較例１および実施例１乃至８に係る基体は、基板としてＹＳＺ基板を用い、基板上にＦｅ２Ｏ３結晶を成長させることにより第１酸化物層を形成する第１成長工程を行うことにより作製した。比較例１および実施例１乃至８に係る第１成長工程では、前駆体原料として、鉄（ＩＩＩ）アセチルアセトナートを採用し、前駆体原料を純水および塩酸の混合液に前駆体原料の濃度が０．０２ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて得られる原料溶液を使用した。また、前述の反応容器４１に送り込むキャリアガスの流量を３ｍｏｌ／Ｌ、希釈ガスの流量を３ｍｏｌ／Ｌとした。また、比較例１および実施例１乃至８に係る第１成長工程における成長温度（第１成長温度）および成長時間（第１酸化物層成長時間）は、それぞれ、下記表１に示すように設定した。
【0027】
【表1】
【0028】
比較例１および実施例１乃至８に係る基体について、２θ－ω測定法によるＸ線回折測定を行い、結晶構造を評価した。Ｘ線回折測定には、ＣｕＫα（波長：１．５４１８Ａ）であり出力４０ｋＶ、４０ｍＡの封入管型Ｘ線源を備えたＤ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ（Ｂｒｕｋｅｒ社製）を使用した。図４（Ａ）に示すように、実施例１乃至４に係る基体では、β－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークが観測された。一方、比較例１に係る基体では、β－Ｆｅ２Ｏ３に対応する回折ピークが観測されず、α－Ｆｅ２Ｏ３の（１０４）面に対応する回折ピークが観測された。これは、成長温度が５７５℃では、力学的に不安定なβ－Ｆｅ２Ｏ３がα－Ｆｅ２Ｏ３ に相転移してしまうことに起因すると考えられる。このことから、成長温度は、４７５℃以上且つ５５０℃以下が好ましいことが判った。また、実施例１、２では、ラウエフリンジを反映したプロファイルが観測されたことから、成長温度が５２５℃乃至５５０℃であれば第１酸化物層の結晶性が向上することが判った。
【0029】
また、図４（Ｂ）に示すように、実施例１、５乃至８に係る基体の全てについてβ－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークが観測された。特に、実施例７に係る基体では、ララウエフリンジを反映したプロファイルが比較的明瞭に観測された。このことから、第１成長工程における成長時間は、１０ｍｉｎ程度が好ましいことが判った。
【0030】
次に、第２酸化物層を形成する第２成長工程における成長温度、成長時間の少なくとも一方が互いに異なる比較例２乃至６および実施例９乃至１１に係る基体について、第２酸化物層の結晶構造を評価した結果について説明する。比較例２乃至６および実施例９乃至１１に係る基体は、基板としてＹＳＺ基板を用い、基板上にＦｅ２Ｏ３結晶を成長させることにより第１酸化物層を形成する第１成長工程を行い、その後、第１酸化物層上にＧａ２Ｏ３結晶を成長させることにより第２酸化物層を形成する第２成長工程を行うことにより作製した。比較例２乃至６および実施例９乃至１１に係る第１成長工程では、前駆体原料として、鉄（ＩＩＩ）アセチルアセトナートを採用し、前駆体原料を純水および塩酸の混合液に前駆体原料の濃度が０．０２ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて得られる原料溶液を使用した。また、前述の反応容器４１に送り込むキャリアガスの流量を３ｍｏｌ／Ｌ、希釈ガスの流量を５ｍｏｌ／Ｌとした。また、比較例２乃至４および実施例９の全てについて、第１成長工程における成長温度および成長時間を５００℃、１０ｍｉｎに設定した。また、比較例２乃至６および実施例９乃至１１に係る第２成長工程では、前駆体原料として、ガリウム鉄（ＩＩＩ）アセチルアセトナートを採用し、前駆体原料を純水および塩酸の混合液に前駆体原料の濃度が０．０５ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて得られる原料溶液を使用した。また、前述の反応容器４１に送り込むキャリアガスの流量を３ｍｏｌ／Ｌ、希釈ガスの流量を５ｍｏｌ／Ｌとした。また、比較例２乃至６および実施例９乃至１１に係る第２成長工程における成長温度（第２成長温度）および成長時間（第２酸化物層成長時間）は、それぞれ、下記表２に示すように設定した。
【0031】
【表2】
【0032】
比較例２乃至６および実施例９乃至１１に係る基体について、前述の比較例１および実施例１乃至８に係る基体について行った結晶構造の評価と同様の方法で結晶構造を評価した。図５（Ａ）に示すように、成長温度が７５０℃である比較例２に係る基体では、β－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークもδ－Ｇａ２Ｏ３に対応する回折ピークも観測されなかった。また、成長温度が５５０℃以下である比較例３、４に係る基体では、β－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークが観測されたが、δ－Ｇａ２Ｏ３に対応する回折ピークは観測されなかった。一方、成長温度が６５０℃である実施例９に係る基体では、β－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークに加えて、３３．５ｄｅｇ付近にδ－Ｇａ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークが観測された。また、図５（Ｂ）に示すように、成長温度がそれぞれ７００℃、６７５℃である比較例５、６に係る基体では、β－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークもδ－Ｇａ２Ｏ３に対応する回折ピークも観測されなかった。一方、成長温度が６５０℃、６２５℃、６００℃である実施例９乃至１１に係る基体では、いずれも、β－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークに加えて、δ－Ｇａ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークが観測された。このことから、第２成長工程における成長温度は、６００℃以上且つ６５０℃以下が好ましいことが判った。また、実施例９に係る基体のＸ線回折測定の結果では、β－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークが実施例１０、１１に係る結果に比べてブロードなプロファイルが観測された。このことから、β－Ｆｅ２Ｏ３の結晶性をなるべく維持する観点から成長温度は６２５℃程度が好ましいことが判る。更に、実施例１０に係る基体について、測定対象となる角度範囲の上限を４０度まで広げて測定を行ったところ、図６に示すように、ＹＳＺ基板の（１１１）面に対応する回折ピーク、β－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークおよびδ－Ｇａ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピーク以外の回折ピークが確認されなかった。即ち、δ－Ｇａ２Ｏ３以外のＧａ２Ｏ３結晶多形が形成されていないことが判った。
【0033】
また、実施例１０に係る基体については、φ測定法によるＸ線回折測定を行い結晶の配向特性を評価した。ここで、Ｆｅ２Ｏ３からなる第１酸化物層およびＧａ２Ｏ３からなる第２酸化物層については、それぞれ、｛４８４｝面からの反射Ｘ線強度、基板については｛２４２｝面からの反射Ｘ線強度を測定した。図７に示すように、実施例１０に係る基体の基板、第１酸化物層および第２酸化物層では、基体を３６０度回転させたときに１２０度間隔で３つの対称ピークが観測された。このことからも、第１酸化物層が、立方晶系の結晶構造を有するＦｅ２Ｏ３結晶、即ち、β－Ｆｅ２Ｏ３結晶から形成され、第２酸化物層が、立方晶系の結晶構造を有するＧａ２Ｏ３結晶、即ち、δ－Ｇａ２Ｏ３結晶から形成されていることが確認できた。更に、実施例１０に係る基体について、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ)によるＧａ２Ｏ３結晶から形成された第２酸化物層の結晶構造の解析を行った。この結晶構造の解析は、弾性散乱電子を利用する制限視野電子線回折(Selected Area Electron Diffraction：ＳＡＥＤ)法により行った。また、透過型電子顕微鏡として、ＪＥＯＬ ＪＥＭ－４０００ ＥＸ－ＩＩ（日本電子社製）を使用した。実施例１０に係る基体の基板についてＳＡＥＤ法による測定を行ったところ、図８（Ａ）に示すようなＹＳＺ基板に対応する回折スポットが観測された。また、実施例１０に係る基体の第２酸化物層についてＳＡＥＤによる測定を行ったところ、図８（Ｂ）に示すような回折スポットが観測された。ここで、図８（Ｂ）に示す回折スポットのうちＹＳＺ基板に対応する回折スポットと形状が一致する部分に基づいて、図８（Ｂ）に示す回折スポットの間隔から面指数と面間隔との組み合わせを見積もった。図８（Ｂ）に示す回折スポットの間隔から見積もった面指数と面間隔との組み合わせ、δ－Ｇａ２Ｏ３結晶の面間隔の理論値とを下記表３に示す。
【0034】
【表3】
【0035】
表３に示すように、図８（Ｂ）に示す回折スポットの間隔から見積もった面間隔とその理論値とは略一致することが判った。このことからも、第２酸化物層は、立方晶系のビックスバイト型結晶構造を有するδ－Ｇａ２Ｏ３結晶から形成されていることが確認できた。
【0036】
次に、第２酸化物層の膜厚が互いに異なる比較例７、８および実施例１２乃至２２に係る基体について、第２酸化物層の結晶構造を評価した結果について説明する。比較例７、８および実施例１２乃至２２に係る基体は、基板としてＹＳＺ基板を用い、基板上にＦｅ２Ｏ３結晶を成長させることにより第１酸化物層を形成する第１成長工程を行い、その後、第１酸化物層上にＧａ２Ｏ３結晶を成長させることにより第２酸化物層を形成する第２成長工程を行うことにより作製した。比較例７、８および実施例１２乃至２２に係る第１成長工程では、前駆体原料として、鉄（ＩＩＩ）アセチルアセトナートを採用し、前駆体原料を純水および塩酸の混合液に前駆体原料の濃度が０．０２ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて得られる原料溶液を使用した。また、前述の反応容器４１に送り込むキャリアガスの流量を３ｍｏｌ／Ｌ、希釈ガスの流量を５ｍｏｌ／Ｌとした。また、比較例７、８および実施例１２乃至２２について、第１成長工程における成長温度（第１成長温度）および第１成長工程で形成する第１酸化物層の膜厚（第１酸化物層成長膜厚）は、それぞれ、下記表４に示すように設定した。
【0037】
【表4】
【0038】
また、比較例７、８および実施例１２乃至２２に係る第２成長工程では、前駆体原料として、ガリウム鉄（ＩＩＩ）アセチルアセトナートを採用し、前駆体原料を純水および塩酸の混合液の混合液に前駆体原料の濃度が０．０５ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて得られる原料溶液を使用した。また、前述の反応容器４１に送り込むキャリアガスの流量を３ｍｏｌ／Ｌ、希釈ガスの流量を５ｍｏｌ／Ｌとした。また、比較例２乃至６および実施例９乃至１１に係る第２成長工程における成長温度および成長時間は、それぞれ、６２５℃、１０ｍｉｎに設定した。
【0039】
比較例７、８および実施例１２乃至２２に係る基体について、前述の比較例１および実施例１乃至８に係る基体について行った結晶構造の評価と同様の方法で結晶構造を評価した。図９に示すように、第１酸化物層の膜厚が２．５ｎｍ以上且つ５９０．２ｎｍ以下の範囲内である実施例１２乃至２２に係る基体では、いずれも、３３．５ｄｅｇ付近にδ－Ｇａ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークが観測された。一方、第１酸化物層の膜厚がそれぞれ８８５．３ｎｍ、０．８ｎｍである比較例７、８に係る基体では、いずれも、３３．５ｄｅｇ付近にδ－Ｇａ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークが観測されなかった。このことから、第１酸化物層の膜厚は、２．５ｎｍ以上且つ５９０．２ｎｍ以下であることが好ましいことが判った。
【0040】
次に、第３酸化物層を備えており、第２酸化物層を形成する第２成長工程における成長温度、成長時間の少なくとも一方が互いに異なる比較例９乃至１１および実施例２３乃至２５に係る基体について、第２酸化物層の結晶構造を評価した結果について説明する。比較例９乃至１１および実施例２３乃至２５に係る基体は、基板としてＹＳＺ基板を用い、基板上にＩｎ２Ｏ３結晶を成長させることにより第３酸化物層を形成する第３成長工程を行った後、Ｆｅ２Ｏ３結晶を成長させることにより第１酸化物層を形成する第１成長工程を行うことにより作製した。比較例９乃至１１および実施例２３乃至２５に係る第３成長工程では、前駆体原料として、Ｉｎアセチルアセトナートを採用し、前駆体原料を純水および塩酸の混合液に前駆体原料の濃度が０．０５ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて得られる原料溶液を使用した。また、前述の反応容器４１に送り込むキャリアガスの流量を３ｍｏｌ／Ｌ、希釈ガスの流量を５ｍｏｌ／Ｌとした。また、比較例９乃至１１および実施例２３乃至２５に係る第３成長工程における成長温度および成長時間は、５００℃、３ｍｉｎに設定した。また、比較例９乃至１１および実施例２３乃至２５に係る第１成長工程では、前駆体原料として、鉄（ＩＩＩ）アセチルアセトナートを採用し、前駆体原料を純水および塩酸の混合液に前駆体原料の濃度が０．０２ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて得られる原料溶液を使用した。また、前述の反応容器４１に送り込むキャリアガスの流量を３ｍｏｌ／Ｌ、希釈ガスの流量を３ｍｏｌ／Ｌとした。また、比較例９乃至１２および実施例２３乃至２５に係る第１成長工程における成長温度（第１成長温度）および成長時間（第１酸化物層成長時間）は、それぞれ、下記表５に示すように設定した。
【0041】
【表5】
【0042】
比較例９乃至１１および実施例２３乃至２５に係る基体について、前述の比較例１および実施例１乃至８に係る基体について行った結晶構造の評価と同様の方法で結晶構造を評価した。図１０に示すように、第１成長工程における成長温度が６５０℃である比較例９に係る基体並びに成長温度が４００℃以下である比較例１０乃至１２に係る基体では、β－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークが観測されなかった。一方、成長温度が４５０℃以上且つ５５０℃以下である実施例２３乃至２５に係る基体では、それぞれ、β－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークが観測された。このことから、Ｉｎ２Ｏ３結晶からなる第３酸化物層上に、β－Ｆｅ２Ｏ３結晶からなる第１酸化物層を形成する場合の第１成長工程における成長温度は、４５０℃以上且つ５５０℃以下が好ましいことが判った。
【0043】
次に、基板と第３酸化物層と第１酸化物層と第２酸化物層とを備える実施例２６に係る基体について結晶構造を評価した結果について説明する。実施例２６に係る基体は、基板としてＹＳＺ基板を用い、基板上にＩｎ２Ｏ３結晶を成長させることにより第３酸化物層を形成する第３成長工程を行った後、第３酸化物層上にＦｅ２Ｏ３結晶を成長させることにより第１酸化物層を形成する第１成長工程を行い、その後、第１酸化物層上にＧａ２Ｏ３結晶を成長させることにより第２酸化物層を形成する第２成長工程を行うことにより作製した。実施例２６に係る第３成長工程は、前述の比較例９乃至１１および実施例２３乃至２５に係る第３成長工程と同じ作製方法および作製条件を採用した。また、実施例２６に係る第１成長工程および第２成長工程は、実施例１０に係る第１成長工程および第２成長工程と同じ作製方法および作製条件を採用した。
【0044】
実施例２６に係る基体について、前述の比較例１および実施例１乃至８に係る基体について行った結晶構造の評価と同様の方法で結晶構造を評価した。図１１に示すように、実施例２３に係る基体では、Ｉｎ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピーク、β－Ｆｅ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークに加えて、δ－Ｇａ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークが観測された。特に、δ－Ｇａ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークの強度は、実施例１０に係るδ－Ｇａ２Ｏ３の（２２２）面に対応する回折ピークの強度よりも大きくなった。このことから、Ｉｎ２Ｏ３の結晶から形成された第３酸化物層を基板と第１酸化物層との間に介在させることにより、第３酸化物層と第１酸化物層との間での格子定数差が、基板と第１酸化物層との間での格子定数差に比べて小さくなったことが影響していると考えられる。
【0045】
また、実施例２６に係る基体について、φ測定法によるＸ線回折測定を行い結晶の配向特性を評価した。ここで、Ｆｅ２Ｏ３からなる第１酸化物層、Ｇａ２Ｏ３からなる第２酸化物層およびＩｎ２Ｏ３からなる第３酸化物層については、それぞれ、｛４８４｝面からの反射Ｘ線強度、基板については｛２４２｝面からの反射Ｘ線強度を測定した。図１２に示すように、実施例１０に係る基体の基板、第１酸化物層および第２酸化物層では、基体を３６０度回転させたときに１２０度間隔で３つの対称ピークが観測された。このことからも、第１酸化物層が、立方晶系の結晶構造を有するＦｅ２Ｏ３結晶、即ち、β－Ｆｅ２Ｏ３結晶から形成され、第２酸化物層が、立方晶系の結晶構造を有するＧａ２Ｏ３結晶、即ち、δ－Ｇａ２Ｏ３結晶から形成されていることが確認できた。
【0046】
次に、第１酸化物層を備えていない基体における第２酸化物層の結晶構造について評価した結果について説明する。比較例１３に係る基体は、基板としてＹＳＺ基板を用い、基板上にＩｎ２Ｏ３結晶を成長させることにより第３酸化物層を形成する第３成長工程を行った後、第３酸化物層上にＧａ２Ｏ３結晶を成長させることにより第２酸化物層を形成する第２成長工程を行うことにより作製した。また、比較例１４に係る基体は、基板としてＹＳＺ基板を用い、基板上にＧａ２Ｏ３結晶を成長させることにより第２酸化物層を形成する第２成長工程を行うことにより作製した。比較例１３に係る第３成長工程は、前述の比較例９乃至１１および実施例２３乃至２５に係る第３成長工程と同じ作製方法および作製条件を採用した。また、比較例１３、１４に係る第２成長工程は、実施例１０に係る第２成長工程と同じ作製方法および作製条件を採用した。
【0047】
比較例１３、１４に係る基体について、前述の比較例１および実施例１乃至８に係る基体について行った結晶構造の評価と同様の方法で結晶構造を評価した。図１３（Ａ）に示すように、Ｉｎ２Ｏ３からなる第３酸化物層上にＧａ２Ｏ３からなる第２酸化物層が形成された比較例１３に係る基体では、斜方晶系の結晶構造を有するκ－Ｇａ２Ｏ３の（００４）面に対応する回折ピークが観測されたが、δ－Ｇａ２Ｏ３に対応する回折ピークが観測されなかった。また、図１３（Ｂ）に示すように、基板上に直接Ｇａ２Ｏ３から形成された第２酸化物層が形成された基体でも、κ－Ｇａ２Ｏ３の（００４）面に対応する回折ピークが観測されたが、δ－Ｇａ２Ｏ３に対応する回折ピークが観測されなかった。このことから、β－Ｆｅ２Ｏ３から形成された第１酸化物層がδ－Ｇａ２Ｏ３から形成された第２酸化物層を形成する上で重要であることが判った。
【産業上の利用可能性】
【0048】
本発明に係る基体は、太陽電池、高周波デバイス、パワーデバイス等に好適である。
【符号の説明】
【0049】
１：基板、２：第１酸化物層、３：第２酸化物層、４：第３酸化物層、１０，２０：基体、２１，５１：ガス供給源、２３，５３：流量計、３１：原料供給容器、３２：原料溶液、３３：貯水容器、３４：水、３５：超音波振動子、４１：反応容器、４２：ヒータ、４３：サセプタ、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４：ガス供給管、Ｐ３：排気管
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
