特開 2024-31100 酸化ガリウム系半導体の製造方法

(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】P2024031100

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】酸化ガリウム系半導体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/08 20060101AFI20240229BHJP

   H01L 21/363 20060101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

C23C14/08 J

C23C14/08 A

H01L21/363

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022134426

(22)【出願日】2022-08-25

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100133835

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 努

(74)【代理人】

【識別番号】100186912

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 淳浩

(72)【発明者】

【氏名】加渡 幹尚

(72)【発明者】

【氏名】大友 明

(72)【発明者】

【氏名】相馬 拓人

(72)【発明者】

【氏名】是石 和樹

【テーマコード（参考）】

4K029

5F103

【Ｆターム（参考）】

4K029AA04

4K029BA43

4K029BA44

4K029BD01

4K029CA01

4K029CA03

4K029CA05

4K029DB05

4K029DB20

4K029DC37

4K029DC39

4K029EA01

4K029EA03

4K029EA08

5F103AA01

5F103AA02

5F103AA04

5F103AA06

5F103AA08

5F103DD30

5F103GG01

5F103HH03

5F103NN01

5F103NN04

5F103NN05

5F103RR05

(57)【要約】

【課題】従来よりも一層大きなバンドギャップを有している酸化ガリウム系半導体の製造方法を提供する。
【解決手段】本開示の製造方法は、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材上に、物理蒸着法によって、１．５ｎｍ以上、１３．０ｎｍ未満の厚さの、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成すること、及び、前記θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜上に、物理蒸着法によって、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成すること、を含む、酸化ガリウム系半導体の製造方法である。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材上に、物理蒸着法によって、１．５ｎｍ以上、１３．０ｎｍ未満の厚さの、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成すること、及び、
前記θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜上に、物理蒸着法によって、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成すること、
を含む、
酸化ガリウム系半導体の製造方法。

【請求項2】

前記θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さが、１．５ｎｍ以上、３．０ｎｍ以下である、請求項１に記載の製造方法。

【請求項3】

前記θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜を、６００℃以上、８００℃以下で形成し、前記β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を、４００℃以上、６００℃以下で形成する、請求項１又は２に記載の製造方法。

【請求項4】

前記物理蒸着法が、真空蒸着法、分子線蒸着法、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法、コンベンショナル・スパッタリング法、マグネトロン・スパッタリング法、イオンビーム・スパッタリング法、又はＥＣＲスパッタリング法である、請求項１又は２に記載の製造方法。

【請求項5】

前記分子線蒸着法が、パルスレーザー堆積法である、請求項４に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、酸化ガリウム系半導体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、省電力技術の開発が求められており、パワーデバイスの低損失化が期待されている。パワーデバイスは、ハイブリッド車や電気自動車に搭載されるインバーターなど、あらゆる電力変換器に搭載されている。

【0003】

低損失なパワーデバイスの実現に向けて、現状のシリコン（Ｓｉ）よりも更に高耐圧・低損失なパワーデバイスの実現が期待できるＳｉＣ、ＧａＮ等の新しいワイドギャップ半導体材料が注目され、活発に研究開発が進められている。その中でも、酸化ガリウムは、ＳｉＣ、ＧａＮと比較して、さらに大きなバンドギャップに代表される物性から、パワーデバイスに応用した場合、より一層の高耐圧及び低損失化等の優れたデバイス特性を得られることが期待されている。

【0004】

パワーデバイスに用いられる酸化ガリウム系半導体は、その製造が比較的難しいと考えられていたが、近年は幾つかの製造方法が提案されている。例えば、特許文献１には、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材上に、物理蒸着法によって、４００℃以下の温度で酸化ガリウム系薄膜を形成した後、基材上の薄膜を７００℃以上の温度に加熱する、酸化ガリウム系半導体の製造方法が記載されている。

【0005】

また、酸化ガリウムの性状と特性との関係のついても調査が進んでいる。例えば、非特許文献１には、β－Ｇａ_２Ｏ_３に付与された歪みと、バンドギャップとの関係について、そのシミュレーション結果が記載されている。そして、歪みと密接な関係を有する結晶構造について、非特許文献２には、β－Ｇａ_２Ｏ_３の結晶構造が記載されており、非特許文献３には、θ－Ａｌ_２Ｏ_３の結晶構造が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２２－５００４２号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Ｊｕｎｙｕ Ｌａｉ，ａ ｅｔ． ａｌ．， “Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｂ－Ｇａ２Ｏ３ ｓｏｌａｒ－ｂｌｉｎｄ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ”， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｃ， ２０２０， ８， １４７３２－１４７３９， ６ｔｈ Ａｕｇｕｓｔ ２０２０．

【非特許文献2】Ａｈｍａｎ ｅｔ． ａｌ．， Ａｃｔａ Ｃｒｙｓｔ． Ｃ５２， １３３６（１９９６）．

【非特許文献3】Ｅ． Ｈｕｓｓｏｎ ａｎｄ Ｙ． Ｒｅｐｅｌｉｎ， Ｅｕｒ． Ｊ． ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｎｏｒｇ． Ｃｈｅｍ． ３３， １２２３（１９９６）．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述したように、酸化ガリウム系半導体材料は、ＳｉＣ、ＧａＮと比較して、大きなバンドギャップを有している。そのため、酸化ガリウム系半導体は、次世代のパワーデバイス用材料として期待されているが、高耐圧化を一層向上するため、バンドギャップをさらに大きくすることが望まれている。

【0009】

本開示は、従来よりも一層大きなバンドギャップを有している酸化ガリウム系半導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】

【0010】

本開示者らは、以下の手段により、上記課題を達成することができることを見出した。
〈態様１〉
β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材上に、物理蒸着法によって、１．５ｎｍ以上、１３．０ｎｍ未満の厚さの、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成すること、及び、
前記θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜上に、物理蒸着法によって、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成すること、
を含む、
酸化ガリウム系半導体の製造方法。
〈態様２〉
前記θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さが、１．５ｎｍ以上、３．０ｎｍ以下である、態様１に記載の製造方法。
〈態様３〉
前記θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜を、６００℃以上、８００℃以下で形成し、前記β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を、４００℃以上、６００℃以下で形成する、態様１又は２に記載の製造方法。
〈態様４〉
前記物理蒸着法が、真空蒸着法、分子線蒸着法、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法、コンベンショナル・スパッタリング法、マグネトロン・スパッタリング法、イオンビーム・スパッタリング法、又はＥＣＲスパッタリング法である、態様１～３のいずれか一つに記載の製造方法。
〈態様５〉
前記分子線蒸着法が、パルスレーザー堆積法である、態様４に記載の製造方法。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、所定厚さのθ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜によって、熱的に不安定なγ－Ｇａ_２Ｏ_３の生成を抑制しつつ、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜に面内圧縮歪みを付与することができる。そして、その面内圧縮歪みが、β－Ｇａ_２Ｏ_３の電子構造を変調して、バンドギャップの拡大に寄与するため、従来よりも一層大きなバンドギャップを有している酸化ガリウム系半導体の製造方法を提供することができる。なお、面内圧縮歪みとは、β－Ｇａ_２Ｏ_３の結晶構造で、ｂ軸及びｃ軸方向の圧縮歪みを意味する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材を準備した状態を模式的に示す説明図である。

【図2】図２は、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材の表面に、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成した状態を模式的に示す説明図である。

【図3】図３は、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の表面に、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成した状態を模式的に示す説明図である。

【図4】図４は、エネルギーロスと発光強度との関係が、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さで変化することを示すグラフである。

【図5】図５は、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さとβ－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜のバンドギャップとの関係を示すグラフである。

【図6】図６は、比較例４の試料（θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さが１３．０ｎｍ）についてのＸＲＤ分析結果を示すグラフである。

【図7】図７は、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さが１．５以上、１３．０ｎｍ未満のとき、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜のε_ａとε_ｂの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本開示の酸化ガリウム系半導体の製造方法（以下、「本開示の製造方法」ということがある。）の実施形態について説明する。本開示の製造方法は、以下の実施形態に限定されず、本開示の主旨の範囲内で、種々変形して実施することができる。

【0014】

先ず、本開示の製造方法によって得られた酸化ガリウム系半導体のバンドギャップが、従来よりも一層大きくなる理由について説明する。

【0015】

従来から、酸化ガリウムのバンドギャップをさらに大きくすることが検討されてきた。例えば、非特許文献１には、β－Ｇａ_２Ｏ_３に歪みを付与すると、β－Ｇａ_２Ｏ_３のバンドギャップが拡大することを示唆するシミュレーション結果が記載されている。しかし、非特許文献１には、そのシミュレーション結果を実証することについては記載されておらず、また、歪みを付与する方法についても記載されていない。

【0016】

そこで、本開示者らは、従来よりも一層大きなバンドギャップを有している酸化ガリウム系半導体の製造方法を検討した結果、理論に拘束されないが、次の知見を得た。

【0017】

β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材上に、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成するに際し、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材の表面に、予め、所定厚さの、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成しておくとよいことを知見した。これにより、熱的に不安定なγ－Ｇａ_２Ｏ_３の生成を抑制しつつ、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成し、かつ、そのβ－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜に面内圧縮歪みを付与することができる。

【0018】

β－Ｇａ_２Ｏ_３とθ－Ａｌ_２Ｏ_３は、いずれも斜方晶を有するが、表１に示すように、θ－Ａｌ_２Ｏ_３の各格子定数は、β－Ｇａ_２Ｏ_３の各格子定数よりも、数％程度小さい。なお、表１に示した各数値に関しては、β－Ｇａ_２Ｏ_３については、非特許文献２に記載されている数値に基づいており、θ－Ａｌ_２Ｏ_３については、非特許文献３に記載されている数値に基づいている。

【0019】

【表1】

【0020】

β－Ｇａ_２Ｏ_３とθ－Ａｌ_２Ｏ_３とで、各格子定数が僅かに異なることによって、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜の形成時に、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜に面内圧縮歪みを付与することができる。θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜が厚いほど、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜と、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜との間で、結晶構造の不整合が大きくなり、その結果、面内圧縮歪みが大きくなると考えられる。そして、面内圧縮歪みが大きくなると、β－Ｇａ_２Ｏ_３の電子構造が変調して、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜のバンドギャップが拡大する。しかし、面内圧縮歪みが過剰に大きくなると、β－Ｇａ_２Ｏ_３の結晶構造を維持することが困難になり、γ－Ｇａ_２Ｏ_３を生成する。γ－Ｇａ_２Ｏ_３は熱的に不安定であるため、パワーデバイス用材料として好ましくない。このことから、面内圧縮歪みを所定範囲の大きさにするため、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さを所定の範囲にする。

【0021】

これまでの説明を、工程順に、図面を用いて説明する。図１は、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材を準備した状態を模式的に示す説明図である。図２は、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材の表面に、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成した状態を模式的に示す説明図である。図３は、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の表面に、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成した状態を模式的に示す説明図である。

【0022】

図１に示したβ－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材１０の表面に、図２に示したように、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０を形成する。このとき、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０を所定の厚さにする。そして、所定の厚さを有しているθ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の表面に、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０を形成する。このようにして得られた酸化ガリウム系半導体１００においては、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０に、面内圧縮歪みが付与されている。また、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０の形成時に、γ－Ｇａ_２Ｏ_３の生成を抑制されている。これらにより、従来よりも一層大きなバンドギャップを有している酸化ガリウム系半導体１００を得ることができる。

【0023】

これまでに述べた知見等によって完成された、本開示の製造方法の構成要件を、次に説明する。

【0024】

《製造方法》
本開示の製造方法は、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜形成工程と、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜形成工程を含む。以下、それぞれの工程について説明する。

【0025】

〈θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜形成工程〉
本開示の製造方法は、先ず、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材上に、物理蒸着法によって、１．５ｎｍ以上、１３．０ｎｍ未満の厚さの、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成する。

【0026】

本開示の製造方法では、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材を用いる。基材の面指数は（１００）が好ましいが、これに限られない。基材中には、可能な限り多くのβ－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有することが好ましく、例えば、基材全体に対して、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶の含有割合は、８０体積％以上、８５体積％以上、９０体積％以上、又は９５体積％以上であってよく、１００体積％であってよい。β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材は、任意の方法で製造したものを用いることができる。β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶の含有割合（体積％）は、基材をＸＲＦ分析して、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶のピーク強度から算出することができる。

【0027】

θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜を、物理蒸着法によって形成する。物理蒸着法の種類に特に制限はないが、例えば、真空蒸着法、分子線蒸着法、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法、コンベンショナル・スパッタリング法、マグネトロン・スパッタリング法、イオンビーム・スパッタリング法、又はＥＣＲスパッタリング法を挙げることができる。分子線蒸着法は、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法であってよい。

【0028】

θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さが、１．５ｎｍ以上、１．６ｎｍ以上、１．７ｎｍ以上、又は１．８ｎｍ以上であれば、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜上に、物理蒸着法によって、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成したときに、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜に有利に面内圧縮歪みを付与することができ、その結果、バンドギャップが拡大する。一方、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さが、１３．０ｎｍ未満、１２．０ｎｍ以下、１０．０ｎｍ以下、５．０ｎｍ以下、又は３．０ｎｍ以下であれば、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜上に、物理蒸着法によって、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成したときに、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜に過剰に面内圧縮歪みを付与されることはなく、その結果、γ－Ｇａ_２Ｏ_３の生成を抑制することができる。θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さは、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の断面をＳＥＭ観察又はＴＥＭ観察することによって測定することができる。

【0029】

θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜中には、θ－Ａｌ_２Ｏ_３以外の物質をできる限り含まないことが好ましく、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜全体に対して、θ－Ａｌ_２Ｏ_３の含有割合、８０体積％以上、８５体積％以上、９０体積％以上、又は９５体積％以上であってよく、１００体積％であってよい。θ－Ａｌ_２Ｏ_３の含有割合（体積％）は、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜をＸＲＦ分析して、θ－Ａｌ_２Ｏ_３のピーク強度から算出することができる。

【0030】

物理蒸着法としてパルスレーザー堆積法を採用する場合、ターゲットとしては、θ－Ａｌ_２Ｏ_３の焼結体、及び（０００１）面のα－Ａｌ_２Ｏ_３単結晶等を用いることができる。安定して所望の薄膜を得る観点からは、（０００１）面のα－Ａｌ_２Ｏ_３単結晶が好ましい。ターゲットにこのような材料を用いる場合には、パルスレーザー堆積法は、Ｏを含有するガス雰囲気下で行ってよい。Ｏを含有するガス雰囲気としては、例えばＯ_２又はＮＯ等を挙げることができるが、これらに限られない。これらの雰囲気でのＯ_２分圧は、例えば、１×１０^－３Ｐａ以上、５×１０^－３Ｐａ以上、又は１０×１０^－３Ｐａ以上であってよく、５００×１０^－３Ｐａ以下、１００×１０^－３Ｐａ以下、又は５０×１０^－３Ｐａ以下であってよい。

【0031】

ターゲットにθ－Ａｌ_２Ｏ_３の焼結体を用いて、パルスレーザー堆積法を適用する場合、レーザーフルエンスは、例えば、０．０１Ｊ／ｃｍ^２以上、０．０５Ｊ／ｃｍ^２以上、又は０．１０Ｊ／ｃｍ^２以上であってよく、５．０Ｊ／ｃｍ^２以下、１．０Ｊ／ｃｍ^２以下、又は０．５０Ｊ／ｃｍ^２以下であってよい。

【0032】

また、ターゲットにθ－Ａｌ_２Ｏ_３の焼結体を用いて、パルスレーザー堆積法を適用する場合、堆積時の温度は、例えば、６００℃以上、６３０℃以上、又は６５０℃以上であってよく、８００℃以下、７５０℃以下、又は７００℃以下であってよい。

【0033】

パルスレーザー堆積法を適用する場合、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さは、パルス数で調整することができる。

【0034】

〈β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜形成工程〉
上述のようにして得たθ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜上に、物理蒸着法によって、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を形成する。物理蒸着法の種類に特に制限はないが、例えば、真空蒸着法、分子線蒸着法、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法、コンベンショナル・スパッタリング法、マグネトロン・スパッタリング法、イオンビーム・スパッタリング法、又はＥＣＲスパッタリング法を挙げることができる。分子線蒸着法は、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法であってよい。

【0035】

物理蒸着法としてパルスレーザー堆積法を採用する場合、ターゲットとしては、β－Ｇａ_２Ｏ_３の焼結体、及び（１００）β－Ｇａ_２Ｏ_３の単結晶等を用いることができる。安定して所望の薄膜を得る観点からは、（１００）β－Ｇａ_２Ｏ_３の単結晶が好ましい。ターゲットにこれらを用いる場合には、パルスレーザー堆積法は、Ｏを含有するガス雰囲気下で行ってよい。Ｏを含有するガス雰囲気としては、例えばＯ_２又はＮＯ等を挙げることができるが、これらに限られない。これらの雰囲気でのＯ_２分圧は、例えば、１Ｐａ以上、５Ｐａ以上、又は１０Ｐａ以上であってよく、５００Ｐａ以下、１００Ｐａ以下、又は５０Ｐａ以下であってよい。

【0036】

ターゲットにβ－Ｇａ_２Ｏ_３をの焼結体を用いて、パルスレーザー堆積法を適用する場合、レーザーフルエンスは、例えば、０．０１Ｊ／ｃｍ^２以上、０．０５Ｊ／ｃｍ^２以上、又は０．１０Ｊ／ｃｍ^２以上であってよく、５．０Ｊ／ｃｍ^２以下、１．０Ｊ／ｃｍ^２以下、又は０．５０Ｊ／ｃｍ^２以下であってよい。

【0037】

また、ターゲットにβ－Ｇａ_２Ｏ_３の焼結体を用いて、パルスレーザー堆積法を適用する場合、堆積時の温度は、例えば、４００℃以上、４３０℃以上、又は４５０℃以上であってよく、６００℃以下、５５０℃以下、又は５００℃以下であってよい。

【0038】

パルスレーザー堆積法を適用する場合、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さは、パルス数で調整することができる。

【0039】

このようにして得られたβ－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜には、歪みが付与されている。面内の歪みは、圧縮方向に１～３％付与されており、面に垂直な歪みは、引張方向に０．５～３．５％付与されている。なお、面内の歪みとは、β－Ｇａ_２Ｏ_３の結晶構造で、ｂ軸及びｃ軸方向の歪みを意味し、面に垂直な歪みは、β－Ｇａ_２Ｏ_３の結晶構造で、ｂ軸及びｃ軸に垂直な方向の歪みを意味する。

【0040】

β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さに、特に制限はないが、酸化ガリウム系半導体に要求される高耐圧及び低損失化等の特性に適合するよう、適宜決定すればよい。β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さは、例えば、１．０ｎｍ以上、２．０ｎｍ以上、３．０ｎｍ以上、又は５．０ｎｍ以上であってよく、１００μｍ以下、５０μｍ以下、３０μｍ以下、１０μｍ以下、１μｍ以下、５００．０ｎｍ以下、３００．０ｎｍ以下、１００．０ｎｍ以下、５０．０ｎｍ以下、３０．０ｎｍ以下、２０．０ｎｍ以下、又は１０．０ｎｍ以下であってよい。β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜の厚さは、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜の断面をＳＥＭ観察又はＴＥＭ観察することによって測定することができる。

【0041】

β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜中には、β－Ｇａ_２Ｏ_３以外の物質をできる限り含まないことが好ましく、を含有β－Ｇａ_２Ｏ_３する薄膜全体に対して、β－Ｇａ_２Ｏ_３の含有割合は、８０体積％以上、８５体積％以上、９０体積％以上、又は９５体積％以上であってよく、１００体積％であってよい。β－Ｇａ_２Ｏ_３の含有割合（体積％）は、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜をＸＲＦ分析して、β－Ｇａ_２Ｏ_３のピーク強度から算出することができる。

【実施例0042】

以下、本開示の製造方法を、実施例及び比較例により、さらに具体的に説明する。なお、本開示の製造方法は、以下の実施例で用いた条件に限定されない。

【0043】

《試料の準備》
以下の要領で、実施例１～２及び比較例１～４の試料を準備した。

【0044】

〈実施例１〉
図１～３に示したように、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材１０の表面に、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０を形成し、さらに、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０を形成して、酸化ガリウム系半導体１００を得た。

【0045】

β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材１０は、株式会社ノベルクリスタルテクノロジー製のβ－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を用いた。この単結晶の面指数は（１００）であった。

【0046】

θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０及びβ－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０のいずれも、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法を用いて形成した。堆積時の雰囲気は酸素ラジカル雰囲気であり、Ｏ_２の分圧は、９．３×１０^－３Ｐａ（７×１０^－５ｔｏｒｒ）であった。また、レーザーフルエンスは、例えば、０．５Ｊ／ｃｍ^２であった。

【0047】

θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０については、（０００１）面のα－Ａｌ_２Ｏ_３の単結晶のターゲットを用い、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０については、（１００）β－Ｇａ_２Ｏ_３の単結晶のターゲットを用いた。θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０については、７００℃で堆積し、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０については、５００℃で堆積した。

【0048】

パルス数を調整して、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０については、１．５３ｎｍの厚さまで堆積し、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０については、約１０ｎｍの厚さまで堆積した。

【0049】

〈実施例２〉
θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０について、２．５２ｎｍの厚さまで堆積したことを除き、実施例１と同様に、実施例２の試料を準備した。

【0050】

〈比較例１〉
θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０を予め堆積しなかったことを除き、実施例１と同様に、比較例１の試料を準備した。

【0051】

〈比較例２〉
θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０について、０．８６ｎｍの厚さまで堆積したことを除き、実施例１と同様に、比較例２の試料を準備した。

【0052】

〈比較例３〉
θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０について、１．２５ｎｍの厚さまで堆積したことを除き、実施例１と同様に、比較例３の試料を準備した。

【0053】

〈比較例４〉
θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０について、１３．０ｎｍの厚さまで堆積したことを除き、実施例１と同様に、比較例４の試料を準備した。

【0054】

《評価方法及び評価結果》
実施例１～２及び比較例１～４の各試料について、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０のバンドギャップを測定した。バンドギャップの測定は、反射型電子エネルギー損失分光法で行い、その結果の例を図４に示す。図４は、エネルギーロスと発光強度との関係が、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さで変化することを示すグラフである。図４において、ｘ切片の値がバンドギャップを表す。このようにして求めたβ－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０のバンドギャップを、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さで整理したものが表２である。表２においては、実施例１～２及び比較例１～３について、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０のバンドギャップ等を示してある。そして、表２に基づいて、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さとβ－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０のバンドギャップとの関係を纏めたグラフを図５に示す。

【0055】

また、実施例１～２及び比較例１～４の各試料について、ＸＲＤ分析を行った。図６は、比較例４の試料（θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さが１３．０ｎｍ）についてのＸＲＤ分析結果を示すグラフである。図６には、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さが０～３．０ｎｍの試料のＸＲＤ分析結果を併記してある。なお、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さが０ｎｍであるとは、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０を形成しなかったことを意味する。

【0056】

なお、図４～図６並びに表２において、記載を簡略化するため、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜及びβ－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜を、それぞれ、単に、θ－Ａｌ_２Ｏ_３及びβ－Ｇａ_２Ｏ_３と記載している。また、図６において、「β４００」は「β－Ｇａ_２Ｏ_３の（４００）面」、「γ４００」は「γ－Ｇａ_２Ｏ_３の（４００）面」、そして、「β６００」は「β－Ｇａ_２Ｏ_３の（６００）面」を意味する。

【0057】

さらに、参考のため、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さが１．５以上、１３．０ｎｍ未満のときの、ε_ａ並びにε_ｂを調査した。図７は、その調査結果を示すグラフである。なお、ε_ａ＊及びε_ｂは、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０に付与された歪みに関し、ε_ａ＊は面に垂直な歪みであり、ε_ｂは面内の歪みであり、正の値は引張歪みを示し、負の値は圧縮歪みを示すａ^＊軸は、逆空間ベクトルを表しており、その定義式は実空間のｂ軸とｃ軸の外積成分を含み、ａ^＊軸の方向は、ｂ軸とｃ軸に垂直な方向に対応する。面に垂直な方向の歪みは、薄膜３０のＸＲＤ分析結果から算出した。ε_ｂは、薄膜３０の反射型高速電子線回折パターンの分析結果から算出した。

【0058】

【表2】

【0059】

図４から、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さが一定以上あると、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０のバンドギャップが拡大する傾向にあることを理解できる。具体的には、表２及び図５から、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さが１．５ｎｍ以上であれば、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０のバンドギャップが拡大することを理解できる。なお、図４の凡例は、θ－Ａｌ_２Ｏ_３の厚さである。

【0060】

図６から、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さが１３．０ｎｍのときに、ＸＲＤ分析で、γ－Ｇａ_２Ｏ_３のピークが僅かに認められる。このことから、θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜２０の厚さを１３．０ｎｍ未満にする必要があることを理解できる。

【0061】

さらに、図７から、β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜３０のバンドギャップが拡大しているとき、ε_ａは０％超３％以下の引張歪みであり、ε_ｂは０％超３％以下の圧縮歪みであることを確認できた。

【0062】

以上の結果から、本開示の製造方法の効果を確認できた。

【符号の説明】

【0063】

１０ β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を含有する基材
２０ θ－Ａｌ_２Ｏ_３を含有する薄膜
３０ β－Ｇａ_２Ｏ_３を含有する薄膜
１００ 酸化ガリウム系半導体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】