特開 2024-25233 β－Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の成長方法

(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】P2024025233

(43)【公開日】2024-02-26

(54)【発明の名称】β－Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の成長方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/16 20060101AFI20240216BHJP

   C30B 25/18 20060101ALI20240216BHJP

   C23C 16/40 20060101ALI20240216BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20240216BHJP

【ＦＩ】

C30B29/16

C30B25/18

C23C16/40

H01L21/205

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022128500

(22)【出願日】2022-08-10

(71)【出願人】

【識別番号】515277942

【氏名又は名称】株式会社ノベルクリスタルテクノロジー

(71)【出願人】

【識別番号】504132881

【氏名又は名称】国立大学法人東京農工大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002583

【氏名又は名称】弁理士法人平田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】江間 研太郎

(72)【発明者】

【氏名】林 家弘

(72)【発明者】

【氏名】タンガラジャ アムタ

(72)【発明者】

【氏名】村上 尚

(72)【発明者】

【氏名】長野 理紗

【テーマコード（参考）】

4G077

4K030

5F045

【Ｆターム（参考）】

4G077AA03

4G077BB10

4G077DB02

4G077EA02

4G077EA04

4G077EB01

4G077ED06

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4G077TA04

4G077TA07

4G077TA08

4G077TB04

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4G077TK01

4K030AA03

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4K030JA10

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4K030LA12

5F045AA03

5F045AB40

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5F045AD11

5F045AD12

5F045AD13

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5F045AD15

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5F045AF09

5F045BB15

5F045DP04

5F045DQ06

5F045DQ08

5F045EE12

5F045EK06

(57)【要約】

【課題】粉降りの発生を抑えつつ高い成膜速度でβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜を成長させることのできる、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法を提供する。
【解決手段】一実施の形態として、ＨＶＰＥ法によるβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法であって、基板１０を原料ガスであるＧａＣｌガス及び酸素含有ガス、並びにＣｌ含有ガスに曝し、基板１０の主面１１上にβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２を成長させる工程を含み、前記Ｃｌ含有ガスが、ＨＣｌガス、Ｃｌ_２ガス、又はＨＣｌガスとＣｌ_２ガスの混合ガスである、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法を提供する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＨＶＰＥ法によるβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法であって、
基板を原料ガスであるＧａＣｌガス及び酸素含有ガス、並びにＣｌ含有ガスに曝し、前記基板の主面上にβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜を成長させる工程を含み、
前記Ｃｌ含有ガスが、ＨＣｌガス、Ｃｌ_２ガス、又はＨＣｌガスとＣｌ_２ガスの混合ガスである、
β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法。

【請求項2】

前記ＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌに対する前記Ｃｌ含有ガスの分圧の比の値であるＲが、１８７．５７×Ｐ_ＧａＣｌ以上である、
請求項１に記載のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法。

【請求項3】

前記ＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌに対する前記Ｃｌ含有ガスの分圧の比の値であるＲが、３５７．１３×Ｐ_ＧａＣｌ以上である、
請求項１に記載のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法。

【請求項4】

前記Ｒが、５６２．７×Ｐ_ＧａＣｌ以下である、
請求項２又は３に記載のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ＨＶＰＥ（Halide Vapor Phase Epitaxy）法によるβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法が知られている（特許文献１を参照）。特許文献１に記載のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法においては、Ｇａ_２Ｏ_３系基板をＧａの原料ガスとしての塩化ガリウム系ガス及び酸素の原料ガスである酸素含有ガスに曝し、Ｇａ_２Ｏ_３系基板の主面上にβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜を成長させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－９１７４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法などの、従来のＨＶＰＥ法によるβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法によれば、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成膜速度を大きくすると、成膜中に原料ガスが気相反応することによりＧａ酸化物の粉が気相中で生成されて基板に付着する粉降りと呼ばれる現象が生じる。

【0005】

粉降りが生じると、基板に付着したＧａ酸化物の粉を起点とする、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の三次元的な異常成長が生じ、エッチピットとして現れる結晶欠陥の密度が５×１０^４ｃｍ^－３以上に増加してしまう。このため、従来のＨＶＰＥ法によるβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法によれば、粉降りの発生を抑えるために、成膜速度を５μｍ／ｈ未満に抑えなければならない。

【0006】

本発明の目的は、粉降りの発生を抑えつつ高い成膜速度でβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜を成長させることのできる、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法を提供する。

【0008】

［１］ＨＶＰＥ法によるβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法であって、基板を原料ガスであるＧａＣｌガス及び酸素含有ガス、並びにＣｌ含有ガスに曝し、前記基板の主面上にβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜を成長させる工程を含み、前記Ｃｌ含有ガスが、ＨＣｌガス、Ｃｌ_２ガス、又はＨＣｌガスとＣｌ_２ガスの混合ガスである、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法。
［２］前記ＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌに対する前記Ｃｌ含有ガスの分圧の比の値であるＲが、１８７．５７×Ｐ_ＧａＣｌ以上である、上記［１］に記載のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法。
［３］前記ＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌに対する前記Ｃｌ含有ガスの分圧の比の値であるＲが、３５７．１３×Ｐ_ＧａＣｌ以上である、上記［１］に記載のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法。
［４］前記Ｒが、５６２．７×Ｐ_ＧａＣｌ以下である、上記［２］又は［３］に記載のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、粉降りの発生を抑えつつ高い成膜速度でβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜を成長させることのできる、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る結晶積層構造体の垂直断面図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態に係る気相成長装置の垂直断面図である。

【図3】図３は、ＨＣｌガスの供給量とβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の状態の関係を示す表である。

【図4】図４は、ＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌが１．３×１０^－３ａｔｍ、２．７×１０^－３ａｔｍであるときのＲ_ＨＣｌとβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成膜速度との関係を示すグラフである。

【図5】図５は、Ｒ_ＨＣｌの好ましい範囲を示すグラフである。

【図6】図６は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した、結晶積層構造体中の不純物濃度を表すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（結晶積層構造体の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る結晶積層構造体１の垂直断面図である。結晶積層構造体１は、基板１０と、基板１０の主面１１上にエピタキシャル結晶成長により形成されたβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２を有する。

【0012】

β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２は、β型の結晶構造を有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなる膜である。ここで、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶とは、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶、又は、Ａｌ、Ｉｎ等の元素が添加されたＧａ_２Ｏ_３単結晶をいう。例えば、Ａｌ及びＩｎが添加されたＧａ_２Ｏ_３単結晶である（Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１－ｘ－ｙ）}）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）単結晶であってもよい。Ａｌを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Ｉｎを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。また、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。また、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２は、Ｃｌが含まれるガスを原料ガスとして用いるＨＶＰＥ法により形成されるため、１×１０^１５ｃｍ^－３以上の濃度のＣｌを含む。

【0013】

基板１０は、サファイア基板、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板などの、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２のエピタキシャル成長の下地基板として用いることのできる基板である。基板１０は、導電型不純物を含んでいてもよい。

【0014】

（気相成長装置の構造）
以下に、本実施の形態に係るβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成長に用いる気相成長装置の構造の一例について説明する。

【0015】

図２は、本発明の実施の形態に係る気相成長装置２の垂直断面図である。気相成長装置２は、ＨＶＰＥ（Halide Vapor Phase Epitaxy）法用の気相成長装置であり、第１のガス導入ポート２１、第２のガス導入ポート２２、第３のガス導入ポート２３、及び排気ポート２４を有する反応炉２０と、反応炉２０の周囲に設置され、反応炉２０の内部を加熱する加熱手段２６を有する。

【0016】

反応炉２０は、Ｇａ原料が収容された反応容器２５が配置され、ガリウムの原料ガスが生成される原料反応領域Ｒ１と、基板１０が配置され、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成長が行われる結晶成長領域Ｒ２を有する。反応炉２０は、例えば、石英ガラスからなる。

【0017】

反応容器２５は、例えば、石英ガラスであり、反応容器２５に収容されるＧａ原料は金属ガリウムである。

【0018】

加熱手段２６は、反応炉２０の原料反応領域Ｒ１と結晶成長領域Ｒ２を加熱することができる。加熱手段２６は、例えば、抵抗加熱式や輻射加熱式の加熱装置である。

【0019】

第１のガス導入ポート２１は、Ｃｌ_２ガス又はＨＣｌガスであるＣｌ含有ガスを不活性ガスであるキャリアガス（Ｎ_２ガス、Ａｒガス又はＨｅガス）を用いて反応炉２０の原料反応領域Ｒ１内に導入するためのポートである。第２のガス導入ポート２２は、酸素の原料ガスであるＯ_２ガスやＨ_２Ｏガス等の酸素含有ガスを不活性ガスであるキャリアガス（Ｎ_２ガス、Ａｒガス又はＨｅガス）を用いて反応炉２０の結晶成長領域Ｒ２へ導入するためのポートである。第３のガス導入ポート２３は、粉降りの発生を抑えるためのＨＣｌガス、Ｃｌ_２ガス、又はＨＣｌガスとＣｌ_２ガスの混合ガスであるＣｌ含有ガス、及びβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２にＳｉ等のドーパントを添加するための塩化物系ガス（例えば、四塩化ケイ素等）を不活性ガスであるキャリアガス（Ｎ_２ガス、Ａｒガス又はＨｅガス）を用いて反応炉２０の結晶成長領域Ｒ２へ導入するためのポートである。

【0020】

（β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長）
以下に、本実施の形態に係るβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成長工程の一例について説明する。

【0021】

まず、加熱手段２６を用いて反応炉２０の原料反応領域Ｒ１の雰囲気温度を所定の温度、例えば５００～９００℃に保った状態で、第１のガス導入ポート２１からキャリアガスを用いてＣｌ含有ガスを導入し、原料反応領域Ｒ１において、上記の雰囲気温度下で反応容器２５内の金属ガリウムとＣｌ含有ガスを反応させ、ＧａＣｌガスを生成する。

【0022】

なお、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の原料ガスであるＧａＣｌガスの生成においては、水素を含まないＣｌ_２ガスをＣｌ含有ガスとして用いることが好ましい。

【0023】

また、金属ガリウムとＣｌ含有ガスの反応から、ＧａＣｌガス以外の塩化ガリウム系ガスであるＧａＣｌ_２ガス、ＧａＣｌ_３ガス、及び（ＧａＣｌ_３）_２ガスも生成されるが、これらの塩化ガリウム系ガスのうちでＧａＣｌガスの分圧が圧倒的に高くなるため、ＧａＣｌガス以外のガスはＧａ_２Ｏ_３系単結晶の成長にほとんど寄与しない。

【0024】

次に、加熱手段２６を用いて反応炉２０の結晶成長領域Ｒ２の雰囲気温度を所定の温度、例えば８００～１１００℃に保った状態で、結晶成長領域Ｒ２において、原料反応領域Ｒ１で生成されたＧａＣｌガスと、第２のガス導入ポート２２から導入された酸素含有ガスと、第３のガス導入ポート２３から導入されたＨＣｌガス等のＣｌ含有ガスとを混合させ、その混合ガスに基板１０を曝し、基板１０の主面１１上にβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２をエピタキシャル成長させる。このとき、反応炉２０を収容する炉内の結晶成長領域Ｒ２における圧力を、例えば、１ａｔｍに保つ。

【0025】

ここで、Ｓｉ等の添加元素を含むβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２を形成する場合には、原料ガスであるＧａＣｌガス、酸素含有ガス、及び粉降りの発生を抑える為のＨＣｌガス等のＣｌ含有ガスに加えて、第３のガス導入ポート２３より、添加元素の原料ガス（例えば、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）等の塩化物系ガス）も結晶成長領域Ｒ２に導入する。

【0026】

なお、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２を成長させる際は、酸素含有ガスとして水素を含まないＯ_２ガスを用いることが好ましい。

【0027】

第１のガス導入ポート２１から原料反応領域Ｒ１内に導入された、ＧａＣｌガスを生成するためのＣｌ含有ガスが、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２を成膜する工程において結晶成長領域Ｒ２へ流れ込む可能性があるが、その結晶成長領域Ｒ２へ流れ込む量は、第３のガス導入ポート２３から結晶成長領域Ｒ２に導入される、粉降りの発生を抑えるためのＣｌ含有ガスの量と比較して十分に少なく、無視できる量である。すなわち、原料反応領域Ｒ１から結晶成長領域Ｒ２へ流れ込むＧａＣｌガスを生成するためのＣｌ含有ガスは、粉降りの発生の抑制に寄与しない。

【0028】

図３は、粉降りの発生を抑制するためのＨＣｌガスの供給量とβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の状態の関係を示す表である。図３には、ＨＣｌガスの供給量が異なる条件で成膜された複数種のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の断面のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）観察画像が含まれている。図３のＳＥＭ観察画像に含まれるβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２は、いずれも基板１０としてのサファイア基板上に成膜されたβ－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜である。

【0029】

図３に含まれるＲ_ＨＣｌは、反応炉２０内のＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌに対するＨＣｌガスの分圧Ｐ_ＨＣｌの比の値である。すなわち、Ｒ_ＨＣｌ＝Ｐ_ＨＣｌ／Ｐ_ＧａＣｌである。

【0030】

ＨＶＰＥ法による成膜中に原料ガスであるＧａＣｌガスと酸素含有ガスが気相反応することによりＧａ酸化物の粉が気相中で生成されて基板に付着する現象、すなわち粉降りが発生すると、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２が三次元的に異常成長し、その断面のＳＥＭ観察画像では空隙が多く密度の低いような膜として観察される。

【0031】

図３によれば、Ｒ_ＨＣｌ＝０、すなわちβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜の際にＨＣｌガスを供給しない場合は、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２が粉降りにより異常成長している。

【0032】

また、図３によれば、ＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌが１．３×１０^－３ａｔｍであるときには、Ｒ_ＨＣｌがおよそ０．２５以上でβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の異常成長が効果的に抑えられ、Ｒ_ＨＣｌがおよそ０．５０以上でほぼ完全に抑えられることがわかる。また、ＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌが２．７×１０^－３ａｔｍであるときには、Ｒ_ＨＣｌがおよそ０．５０以上でβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の異常成長が効果的に抑えられ、Ｒ_ＨＣｌがおよそ１．０以上でほぼ完全に抑えられることがわかる。

【0033】

さらに、ＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌが５．３×１０^－３ａｔｍであるときには、Ｒ_ＨＣｌがおよそ１．０以上でβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の異常成長が効果的に抑えられ、Ｒ_ＨＣｌがおよそ２．０以上でほぼ完全に抑えられることが確認されている。

【0034】

これらの結果から、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜の際にＨＣｌガスを供給することにより、粉降りの発生によるβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の異常成長を抑えることができ、また、ＨＣｌガスの供給量を増やす、すなわちＲ_ＨＣｌを増加させることにより、より効果的に異常成長が抑えられることがわかった。ＨＣｌガスの供給により粉降りの発生が抑えられるのは、ＨＣｌガスが気相中で生成されるＧａ酸化物の粉を分解するためであると考えられる。

【0035】

また、異常成長がほぼ完全に抑えられるときのＲ_ＨＣｌの下限値を１００％としたときに、Ｒ_ＨＣｌをおよそ５０％以上とすることにより、ある程度効果的に異常成長を抑えられることがわかった。

【0036】

また、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜の際にＨＣｌガスを供給することにより、ＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌが１．３×１０^－３ａｔｍ、２．７×１０^－３ａｔｍ、５．３×１０^－３ａｔｍのいずれである場合にも、粉降りを抑えるためのβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜速度が、成膜時にＨＣｌガスを供給しない従来の方法における成膜速度（５μｍ／ｈ未満）よりも格段に大きくなることがわかった。

【0037】

なお、ＨＣｌガスの供給量とβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の状態の関係及びＨＣｌガスの供給量とβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜速度の関係は、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２がβ－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜以外のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜である場合にも同様に成り立つ。また、粉降りの発生を抑えるためにＨＣｌガスの代わりにＣｌ_２ガスを用いる場合であっても、上記のＨＣｌガスを用いる場合の結果と同様の結果が得られる。すなわち、Ｃｌ_２ガスの供給量とβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の状態の関係及びＣｌ_２ガスの供給量とβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜速度の関係は、上記のＨＣｌガスの供給量とβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の状態の関係及びＨＣｌガスの供給量とβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜速度の関係とほぼ同じになる。さらに、粉降りの発生を抑えるためにＨＣｌガスの代わりにＨＣｌガスとＣｌ_２ガスの混合ガスを用いる場合であっても同様である。ただし、ＨＣｌガスを用いる場合、Ｃｌ_２ガスやＨＣｌガスとＣｌ_２ガスの混合ガスを用いる場合よりも粉降りの発生を抑制する効果が大きくなる傾向がある。

【0038】

図４は、ＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌが１．３×１０^－３ａｔｍ、２．７×１０^－３ａｔｍであるときのＲ_ＨＣｌとβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜速度との関係を示すグラフである。

【0039】

図４は、Ｒ_ＨＣｌが大きい、すなわち成膜時のＨＣｌガスの供給量が大きいほど、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜速度が低下することを示している。すなわち、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜の際にＨＣｌガスを供給することにより、粉降りの発生によるβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の異常成長を抑えることができるが、ＨＣｌガスの供給量が大きすぎると、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜速度が小さくなってしまう。

【0040】

ＨＣｌガスの供給量の増加に伴うβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜速度の低下を抑えるためには、異常成長がほぼ完全に抑えられるときのＲ_ＨＣｌの下限値を１００％としたときに、Ｒ_ＨＣｌをおよそ１５０％以下とすることが好ましい。

【0041】

図５は、Ｒ_ＨＣｌの好ましい範囲を示すグラフである。図５の実線Ｒ_ＨＣｌ＝３５７．１３×Ｐ_ＧａＣｌは、ＧａＣｌガスの分圧Ｐ_ＧａＣｌが１．３×１０^－３ａｔｍ、２．７×１０^－３ａｔｍ、５．３×１０^－３ａｔｍであるときの、異常成長がほぼ完全に抑えられるときのＲ_ＨＣｌの下限値に基づいて引かれた近似直線である。

【0042】

図５の下側の点線Ｒ_ＨＣｌ＝１８７．５７×Ｐ_ＧａＣｌは、実線Ｒ_ＨＣｌ＝３５７．１３×Ｐ_ＧａＣｌのＲ_ＨＣｌを５０％にした直線である。また、図５の上側の点線Ｒ_ＨＣｌ＝５６２．７×Ｐ_ＧａＣｌは、実線Ｒ_ＨＣｌ＝３５７．１３×Ｐ_ＧａＣｌのＲ_ＨＣｌを１５０％にした直線である。

【0043】

このため、粉降りの発生によるβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の異常成長を抑えるためには、Ｒ_ＨＣｌが１８７．５７×Ｐ_ＧａＣｌ以上、すなわちＰ_ＧａＣｌとＲ_ＨＣｌをプロットした点が図５の点線Ｒ_ＨＣｌ＝１８７．５７×Ｐ_ＧａＣｌの線上又は上側に位置することが好ましく、Ｒ_ＨＣｌが３５７．１３×Ｐ_ＧａＣｌ以上、すなわちＰ_ＧａＣｌとＲ_ＨＣｌをプロットした点が図５の実線Ｒ_ＨＣｌ＝３５７．１３×Ｐ_ＧａＣｌの線上又は上側に位置することがより好ましい。

【0044】

また、ＨＣｌガスの供給量の増加に伴うβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜速度の低下を抑えるためには、Ｒ_ＨＣｌが５６２．７×Ｐ_ＧａＣｌ以下、すなわちＰ_ＧａＣｌとＲ_ＨＣｌをプロットした点が図５の点線Ｒ_ＨＣｌ＝５６２．７×Ｐ_ＧａＣｌの線上又は下側に位置することが好ましい。

【0045】

上述のように、粉降りの発生を抑えるためにＨＣｌガスの代わりにＣｌ_２ガスやＨＣｌガスとＣｌ_２ガスの混合ガスを用いる場合であっても、上記のＨＣｌガスを用いる場合の結果と同様の結果が得られるため、Ｐ_ＧａＣｌに対するＣｌ_２ガスの分圧Ｐ_Ｃｌ２の比の値Ｒ_Ｃｌ２やＰ_ＧａＣｌに対するＣｌ_２ガスとＣｌ_２ガスの混合ガスの分圧Ｐ_ｍｉｘの比の値Ｒ_ｍｉｘの好ましい値は、Ｒ_ＨＣｌの好ましい値と同様である。すなわち、粉降りの発生によるβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の異常成長を抑えるためには、Ｒ_Ｃｌ２やＲ_ｍｉｘが１８７．５７×Ｐ_ＧａＣｌ以上であることが好ましく、３５７．１３×Ｐ_ＧａＣｌ以上であることがより好ましい。また、Ｃｌ_２ガスやＨＣｌガスとＣｌ_２ガスの混合ガスの供給量の増加に伴うβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜速度の低下を抑えるためには、Ｒ_Ｃｌ２やＲ_ｍｉｘが５６２．７×Ｐ_ＧａＣｌ以下であることが好ましい。

【0046】

また、粉降りはβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜中に原料ガスが気相反応することにより生じる現象であるため、上記のＨＣｌガスなどのＣｌ含有ガスにより粉降りの発生を抑制する効果は、基板の材料に依らず同様に得られる。例えば、図３～５に示される結果は、基板１０としてサファイア基板を用いた実験により得られたものであるが、基板１０としてサファイア基板の代わりにβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶などの他の材料からなる基板を用いた場合であっても、同様の結果が得られる。

【0047】

図６は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した、結晶積層構造体１中の不純物濃度を表すグラフである。図６に係る結晶積層構造体１の基板１０はβ－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板であり、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２は粉降りの発生を抑えるためにＨＣｌガスを用いて成膜されたβ－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜である。

【0048】

図６の横軸は結晶積層構造体１のβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の表面１３からの深さ（μｍ）を表し、縦軸は各不純物の濃度（ｃｍ^－３）を表す。なお、結晶積層構造体１の基板１０とβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の界面の深さはおよそ１５μｍであり、図６のグラフに示される不純物の濃度は、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２中の不純物の濃度である。

【0049】

図６は、Ｈ、Ｃ、Ｃｌ、Ｎ、Ｓｉの結晶積層構造体１中の濃度を表す。図６によれば、Ｈ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉについては、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２中の濃度が測定可能な下限値に近く、Ｃｌについては、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成膜の際にＨＣｌガスを供給しない従来の成長手法と同等の濃度である。このことは、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２が純度の高い膜であることを示している。また、図６に示されるＨの濃度から、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２の成膜時に供給されるＨＣｌに由来するＨのβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２への混入がないことが確認された。また、図６に示されるＳｉの濃度から、石英からなる反応炉２０からβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２へのＳｉの混入がないことが確認された。

【0050】

図６によれば、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２中におよそ１．５×１０^１６（ｃｍ^－３）以下のＣｌが含まれている。これは、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜１２がＣｌ含有ガスを用いるＨＶＰＥ法により形成されることに起因する。通常、ＨＶＰＥ法以外の方法によりβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜を形成する場合には、Ｃｌ含有ガスを用いないため、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜中にＣｌが含まれることはなく、少なくとも、１×１０^１５ｃｍ^－３以上のＣｌが含まれることはない。

【0051】

（実施の形態の効果）
上記本発明の実施の形態によれば、β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成膜の際にＨＣｌガス、Ｃｌ_２ガス、又はＨＣｌガスとＣｌ_２ガスの混合ガスを供給することにより、粉降りの発生を抑えつつ高い成膜速度でβ－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜を成長させることができる。

【0052】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

【符号の説明】

【0053】

１…結晶積層構造体、 １０…基板、 １１…主面、 １２…β－Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶膜、 ２…気相成長装置、 ２０…反応炉、 ２１…第１のガス導入ポート、 ２２…第２のガス導入ポート、 ２３…第３のガス導入ポート、 ２４…排気ポート、 ２５…反応容器、 ２６…加熱手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】