特表 2021-527610 サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜、その成長方法、及び使用

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2021-527610(P2021-527610A)

(43)【公表日】2021年10月14日

(54)【発明の名称】サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜、その成長方法、及び使用

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/16 20060101AFI20210917BHJP

   C30B 25/18 20060101ALI20210917BHJP

   C23C 16/40 20060101ALI20210917BHJP

   C23C 16/44 20060101ALI20210917BHJP

   H01L 21/365 20060101ALI20210917BHJP

   H01L 21/368 20060101ALI20210917BHJP

   H01L 29/872 20060101ALI20210917BHJP

   H01L 21/329 20060101ALI20210917BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/16

   C30B25/18

   C23C16/40

   C23C16/44 Z

   H01L21/365

   H01L21/368 Z

   H01L29/86 301F

   H01L29/86 301P

   H01L29/86 301D

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2020-564615(P2020-564615)

(86)(22)【出願日】2018年10月8日

(85)【翻訳文提出日】2020年11月17日

(86)【国際出願番号】CN2018109317

(87)【国際公開番号】WO2019218581

(87)【国際公開日】20191121

(31)【優先権主張番号】201810479225.8

(32)【優先日】2018年5月18日

(33)【優先権主張国】CN

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT

(71)【出願人】

【識別番号】516082763

【氏名又は名称】中国科学院蘇州納米技術与納米▲ファン▼生研究所

(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】100148633

【弁理士】

【氏名又は名称】桜田 圭

(74)【代理人】

【識別番号】100147924

【弁理士】

【氏名又は名称】美恵 英樹

(72)【発明者】

【氏名】張 暁東

(72)【発明者】

【氏名】范 亜明

(72)【発明者】

【氏名】張 宝順

【テーマコード（参考）】

4G077

4K030

5F045

5F053

【Ｆターム（参考）】

4G077AA03

4G077BB10

4G077DB08

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4G077EA05

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4G077TK01

4K030AA11

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4K030BA43

4K030BB02

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4K030CA05

4K030CA12

4K030LA15

5F045AA03

5F045AA04

5F045AA06

5F045AA08

5F045AA15

5F045AB17

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5F045AC08

5F045AC09

5F045AC11

5F045AD05

5F045AD06

5F045AD07

5F045AD08

5F045AD09

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5F045AD13

5F045AD14

5F045AE23

5F045AE25

5F045AE29

5F045AF09

5F045BB08

5F045BB12

5F045EE19

5F053AA50

5F053BB60

5F053FF01

5F053GG01

5F053HH05

5F053LL10

5F053RR03

(57)【要約】

本発明は、サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜、その成長方法、及び使用を開示する。前記サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の製造方法は、パルスエピタキシャル成長方式により、１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）ひずみ緩衝層をサファイア基板上に形成するステップと、前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層上に酸化ガリウムエピタキシャル層を形成するステップと、を含む。本発明の実施形態による成長方法によれば、α−Ｇａ_２Ｏ_３とα−Ａｌ_２Ｏ_３のエピタキシャルとにおいて温度が矛盾するという技術的な難問を解決できるとともに、α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル薄膜の欠陥の密度を効果的に低下させ、α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル薄膜材料の結晶品質を向上させることができる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の製造方法であって、
パルスエピタキシャル成長方式により、１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）ひずみ緩衝層をサファイア基板上に形成するステップと、
前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層上に酸化ガリウムエピタキシャル層を形成するステップと、を含む、
ことを特徴とする製造方法。

【請求項2】

サファイア基板を反応室内にセットし、次に、パルス方式で酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源を異なる時刻に別々反応室に導入し、前記１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層を形成するステップを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。

【請求項3】

具体的には、成長周期ごとに、まず、第１時期内に酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源のうちのいずれかを反応室に持続的に導入し、第２時期が経過すると、第３時期内に酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源のうちの別の１つを反応室に持続的に導入し、次に第４時期だけ放置するステップを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。

【請求項4】

前記第１時期、第２時期、第３時期、第４時期の時間の長さが０．１〜９９ｓである、
ことを特徴とする請求項３に記載の製造方法。

【請求項5】

前記酸素源は酸素含有物質から選ばれる、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の製造方法。

【請求項6】

前記酸素含有物質は、酸素ガス、水、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化炭素、及び一酸化炭素のうちのいずれか１種又は２種以上の組み合わせを含む、
ことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。

【請求項7】

前記ガリウム源はガリウム含有の有機化合物から選ばれる、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の製造方法。

【請求項8】

前記ガリウム源はトリメチルガリウム及び／又はトリエチルガリウムを含む、
ことを特徴とする請求項７に記載の製造方法。

【請求項9】

前記アルミニウム源はアルミニウム含有の有機化合物から選ばれる、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の製造方法。

【請求項10】

前記アルミニウム源はトリメチルアルミニウム及び／又はトリエチルガリウムを含む、
ことを特徴とする請求項９に記載の製造方法。

【請求項11】

前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層の成長圧力が１０〜７６０Ｔｏｒｒであり、成長温度が１００〜１０００℃である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。

【請求項12】

サファイア基板上に１〜９９層の前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層を順次形成するステップを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。

【請求項13】

前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層の一層の厚さが１〜１０００ｎｍである、
ことを特徴とする請求項１又は１２に記載の製造方法。

【請求項14】

少なくとも２つのα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層中のＡｌ元素の含有量が異なる、
ことを特徴とする請求項１又は１２に記載の製造方法。

【請求項15】

前記酸化ガリウムエピタキシャル層の成長圧力が１０〜７６０Ｔｏｒｒであり、成長温度が１００〜６００℃である、
ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。

【請求項16】

前記酸化ガリウムエピタキシャル層の材質がα−Ｇａ_２Ｏ_３である、
ことを特徴とする請求項１又は１５に記載の製造方法。

【請求項17】

請求項１〜１６のいずれか１項に記載の製造方法で製造されるサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【請求項18】

サファイア基板と酸化ガリウムエピタキシャル層とを含む、サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜であって、
前記サファイア基板と酸化ガリウムエピタキシャル層との間には、１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）ひずみ緩衝層がさらに形成されている、
ことを特徴とする酸化ガリウム薄膜。

【請求項19】

各α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層の厚さが１〜１０００ｎｍである、
ことを特徴とする請求項１８に記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【請求項20】

前記酸化ガリウム薄膜は１〜９９層のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層を含む、
ことを特徴とする請求項１８に記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【請求項21】

少なくとも２つのα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層のＡｌ元素の含有量が異なる、
ことを特徴とする請求項１８に記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【請求項22】

請求項１８〜２１のいずれか１項に記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の、半導体パワーデバイス又は半導体光電子デバイスの製作における使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体材料の成長方法に関し、特にサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜及びその成長方法に関し、半導体技術及び電子技術の分野に属する。

【背景技術】

【0002】

半導体材料は、情報工業化の現代社会においてかけがえのない役割を果たしており、現代の半導体産業及びマイクロエレクトロニクス産業の基礎といえる。さまざまな先進的な技術の持続的な発展に伴い、高耐圧、ハイパワー、耐放射線性などを備える高性能電子デバイス及び深紫外光電子デバイスへのニーズはますます緊急になっており、特に高耐圧及び深紫外の分野では、従来の半導体材料が使用の要件を満足できなくなる。

【0003】

極ワイドバンドギャップ酸化物半導体である酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）は、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）である第３世代半導体材料よりも、大きな禁止帯幅、高い破壊電界強度を有し、透明性及び導電性を備え、メルト法で成長可能であるため、コストがより低くなるなどの利点があることから、半導体材料及びデバイスなどの分野で研究の焦点となっている。

【0004】

Ｇａ_２Ｏ_３材料は、合計α、β、γ、δ、εという５種の既知の結晶相があり、その中でも、β−Ｇａ_２Ｏ_３（Ｅｇ＝４．７〜４．９ｅＶ）は、最も安定的な構造を有し、そして残りの４種類の酸化ガリウムと互いに変換可能である。一方、α−Ｇａ_２Ｏ_３は禁止帯幅が５．３ｅＶに達し、デバイスの耐圧性能を効果的に向上でき、またα−Ｇａ_２Ｏ_３材料の移動度もβ−Ｇａ_２Ｏ_３よりも高く、このため、デバイス性能がβ−Ｇａ_２Ｏ_３よりも優れている。さらに、α−Ｇａ_２Ｏ_３は、優れた化学的安定性、熱安定性や高い破壊電界強度などの利点を有し、深紫外線透明導電性薄膜、紫外線検出器、半導体パワーデバイス、スピントロニックデバイス、ガスセンサなどの分野では、使用が期待できる。

【0005】

現在、α−Ｇａ_２Ｏ_３材料の一般的な製造方法には、さまざまな化学気相堆積（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）、たとえば、ＭＯＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、Ｍｉｓｔ−ＣＶＤなど；分子ビームエピタキシャル（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ、ＭＢＥ）、ハライド気相エピタキシャル（ＨＶＰＥ）、原子層堆積（ＡＬＤ）などがある。

【0006】

α−Ｇａ_２Ｏ_３は、三方晶系、Ｒ−３ｃ空間群（格子定数ａ＝ｂ＝４．９８Å、ｃ＝１３．４３Å、α＝β＝９０°、γ＝１２０°、熱膨張係数α＝５．２３×１０^−６／℃）である。ｃ面サファイア（α−Ａｌ_２Ｏ_３、ａ＝ｂ＝４．７６Å、ｃ＝１３．４３Å、α＝β＝９０°、γ＝１２０°、α＝５．２２×１０^−６／℃）は、α−Ｇａ_２Ｏ_３結晶の構造と同じである、両方ともにコランダム構造であり、α−Ｇａ_２Ｏ_３ヘテロエピタキシャル向基板として好適である。現在、ミスト化学気相堆積法（Ｍｉｓｔ−ＣＶＤ）を用いてサファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板上に高品質のα−Ｇａ_２Ｏ_３を成長することができ、しかも、製造されたショットキーダイオード（ＳＢＤ）の性能がＳｉＣ ＳＢＤよりも優れた報告があった。したがって、低価なＳａｐｐｈｉｒｅ基板及びＣＶＤ成長技術を使用することによって、α−Ｇａ_２Ｏ_３材料及びデバイスを低コストで大量製造することが可能になる。

【0007】

α−Ｇａ_２Ｏ_３とα−Ａｌ_２Ｏ_３結晶との構造が同じであるものの、格子定数の差異及び熱伝導率の相違によりエピタキシャルするときに一定のミスマッチが生じ、その結果、α−Ｇａ_２Ｏ_３転位の増大、薄膜のひび割れを招き、それは、材料の使用やデバイスの発展を大幅に制限してしまう。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の主な目的は、従来技術の欠陥を解決するために、サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜、その成長方法、及び使用を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前述の発明目的を達成させるために、本発明で使用される技術案は以下を含む。

【0010】

本発明の実施形態は、
パルスエピタキシャル成長方式により、１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）ひずみ緩衝層をサファイア基板上に形成するステップと、
前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層上に酸化ガリウムエピタキシャル層を形成するステップと、を含む、サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の製造方法を提供する。

【0011】

本発明の実施形態は、また、前記の製造方法で製造されるサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜を提供する。

【0012】

本発明の実施形態は、また、サファイア基板と酸化ガリウムエピタキシャル層とを含む、サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜であって、前記サファイア基板と酸化ガリウムエピタキシャル層との間には、１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）ひずみ緩衝層がさらに形成されている酸化ガリウム薄膜を提供する。

【0013】

本発明の実施形態は、また、前記サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の、半導体パワーデバイス及び半導体光電子デバイスの製作の分野における用途を提供する。

【発明の効果】

【0014】

従来技術に比べて、本発明の実施形態による成長方法によりα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層を形成することにより、α−Ｇａ_２Ｏ_３とα−Ａｌ_２Ｏ_３エピタキシャルとにおいて温度が矛盾するという技術的な難問を解決できるとともに、α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル薄膜の欠陥の密度を効果的に低下させ、α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル薄膜材料の結晶品質を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一代表実施形態に係るサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の構造模式図である。

【図2】本発明の一代表実施形態に係るパルス式エピタキシャル成長中の酸素源とアルミニウム／ガリウム源の流量との模式図である。

【図3】本発明の一代表実施形態に係るα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層のエピタキシャル成長の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

従来技術の欠陥に対して、本発明者は、パルス式エピタキシャル方法を用いてＡｌ成分の異なるα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層構造を低温で成長させることで、α−Ｇａ_２Ｏ_３薄膜の応力を緩和させ、エピタキシャル薄膜の転位密度を低下させ、α−Ｇａ_２Ｏ_３結晶の品質を向上させることを試みた。しかしながら、一方では、Ａｌ_２Ｏ_３はＧａ_２Ｏ_３よりも結合の長さが小さく、分解温度が高いため、α−Ａｌ_２Ｏ_３のエピタキシャルにはより高温が必要である。エピタキシャル層の表面でのＡｌ原子の物理的・化学的吸着能、移動能、格子への取り込み能力や脱着温度などがα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３の結晶品質を左右する。他方では、α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャルには低温が要求され、５５０℃よりも高温になると相転移が発生し、このため、この温度よりも低い温度で高Ａｌ成分含有量のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層を成長させることが困難になる。つまり、本発明者が試みた前述の形態によれば、α−Ｇａ_２Ｏ_３とα−Ａｌ_２Ｏ_３エピタキシャルとにおいて温度が矛盾するという問題を回避できない。

【0017】

そこで、本発明者は、長期間にわたって研究して繰り返して実践したところ、パルス式エピタキシャル法によりα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３複合ひずみ緩衝構造を低温で成長させることによって従来技術の問題を解決する本発明の技術案を提案している。

【0018】

本発明の実施形態は、
パルスエピタキシャル成長方式により、１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）ひずみ緩衝層をサファイア基板上に形成するステップと、
前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層上に酸化ガリウムエピタキシャル層を形成するステップと、を含むサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の製造方法を提供する。

【0019】

さらに、前記製造方法は、サファイア基板を反応室内にセットし、次に、パルス方式で酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源を異なる時刻に別々反応室に導入し、前記１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層を形成するステップを含む。

【0020】

またさらに、前記製造方法は、具体的には、成長周期ごとに、まず、まず、第１時期内に酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源のうちのいずれかを反応室に持続的に導入し、第２時期が経過すると、第３時期内に酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源のうちの別の１つを反応室に持続的に導入し、次に第４時期だけ放置するステップを含む。

【0021】

さらに、前記第１時期、第２時期、第３時期、第４時期の時間の長さが０．１〜９９ｓである。

【0022】

さらに、前記酸素源は酸素元素を供給し得る酸素含有物質から選ばれる。

【0023】

好ましくは、前記酸素含有物質は、酸素ガス、水、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化炭素及び一酸化炭素のうちのいずれか１種又は２種以上の組み合わせを含むが、これらに制限されない。

【0024】

さらに、前記ガリウム源はガリウム含有の有機化合物から選ばれる。

【0025】

好ましくは、前記ガリウム源は、トリメチルガリウム及び／又はトリエチルガリウムを含むが、これらに制限されない。

【0026】

さらに、前記アルミニウム源はアルミニウム含有の有機化合物から選ばれる。

【0027】

好ましくは、前記アルミニウム源は、トリメチルアルミニウム及び／又はトリエチルガリウムを含むが、これらに制限されない。

【0028】

さらに、前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層の成長圧力が１０〜７６０Ｔｏｒｒであり、成長温度が１００〜１０００℃である。

【0029】

またさらに、前記製造方法は、サファイア基板上に１〜９９層の前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層を順次形成するステップを含む。

【0030】

またさらに、前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層の一層の厚さが１〜１０００ｎｍである。

【0031】

さらに、少なくとも２つのα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層中のＡｌ元素の含有量が異なる。

【0032】

さらに、前記酸化ガリウムエピタキシャル層の成長圧力が１０〜７６０Ｔｏｒｒであり、成長温度が１００〜６００℃である。

【0033】

さらに、前記酸化ガリウムエピタキシャル層の材質がα−Ｇａ_２Ｏ_３である。

【0034】

本発明の実施形態は、また、前記製造方法で製造されるサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜を提供する。

【0035】

本発明の実施形態は、また、サファイア基板と酸化ガリウムエピタキシャル層とを含む、サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜であって、前記サファイア基板と酸化ガリウムエピタキシャル層との間には１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）ひずみ緩衝層が形成されている酸化ガリウム薄膜を提供する。

【0036】

さらに、各α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層の厚さが１〜１０００ｎｍである。

【0037】

さらに、前記酸化ガリウム薄膜は、１〜９９層のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層を含む。

【0038】

さらに、少なくとも２つのα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層のＡｌ元素の含有量が異なる。

【0039】

本発明では、パルス式エピタキシャル方法でＡｌ成分の異なるα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層構造を低温で成長させることにより、α−Ｇａ_２Ｏ_３とα−Ａｌ_２Ｏ_３エピタキシャルとにおいて温度が矛盾するという技術的な難問を解決できるとともに、α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル薄膜の欠陥の密度を効果的に低下させ、α−Ｇａ_２Ｏ_３薄膜の応力を緩和させ、α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル薄膜材料の結晶品質を向上させることができる。

【0040】

本発明の実施形態は、また、前記サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の、半導体パワーデバイス又は半導体光電子デバイスの製作における用途を提供する。

【0041】

以下、実施形態及び図面を参照しながら、本発明の実施形態の技術案、その実施過程及び原理などについてさらに説明する。

【0042】

図１に示すように、本発明の一代表実施形態に係るサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の構造模式図が示されており、該酸化ガリウム薄膜は、サファイア基板と、サファイア基板上に順次設けられた複数のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層及び１つ以上のα−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル層と、を含む。

【0043】

本実施形態では、サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜は、以下のステップ１）とステップ２）とを含み得る。

【0044】

１）パルス式エピタキシャル法により、α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層をサファイア基板上に低温で成長させる。該エピタキシャル成長方法は、化学気相堆積（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）、特にＭＯＣＶＤ（金属有機化学気相堆積）などから選択されてもよく、適用できる装置には、ＣＶＤ（化学気相堆積装置）、ＬＰＣＶＤ（低圧化学気相堆積装置）、ＭＯＣＶＤ（金属有機化学気相堆積装置）、ＭＢＥ（分子ビームエピタキシャル装置）、ＬＭＢＥ（レーザー分子ビームエピタキシャル装置）、ＡＬＤ（単原子層堆積装置）、ＰＥＡＬＤ（プラズマ強化原子層堆積装置）、ＨＶＰＥ（水素化物気相エピタキシャル装置）などが含まれる。

【0045】

具体的には、図２、図３に示すように、酸素源（酸素ガスであってもよい）とガリウム／アルミニウム源（たとえばトリエチルガリウム／トリメチルガリウム）とをパルス分離方式で周期的にエピタキシャル成長させ、つまり、１つのパルス周期内（ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、ｔ_４パルス幅は、それぞれ、反応室への酸素源導入時間、断続時間、反応室へのガリウム／アルミニウム源の導入時間、断続時間という４つの変数を表し、これらは交互にしており、０．１ｓ≦ｔ_１／ｔ_２／ｔ_３／ｔ_４≦９９ｓである）において、パルスサイクル数、パルス幅（酸素源、ガリウム／アルミニウム源の反応室への導入時間に対応）、及びパルスの個数（酸素源、ガリウム／アルミニウム源の反応室への導入回数に対応）を柔軟に調整して設計することで、低温で高品質のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３薄膜材料（即ち、前記ひずみ緩衝層）を成長させる（即ち、低温で原子を最適な位置に移動させて結合を形成し、高品質の薄膜をエピタキシャルする）。

【0046】

パルス式エピタキシャルにより酸素源とガリウム／アルミニウム源とを異なる時刻に別々反応室に導入することによって、基板に至る前にＯとＡｌ／Ｇａとが接触して予備反応を行う確率を減少させ、予備反応産物の蓄積による材料の欠陥を現象させ、Ａｌ／Ｇａ原子の成長表面での横方向移動度を増加し、Ａｌ／Ｇａ−Ｏが成長面の最適な格子で反応して結合を形成するようにし、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３結合をより規則的にし、それにより、原子が結晶に結合されるときに規則的に配列され、原子レベルの滑らかな表面を形成する。

【0047】

パルス幅、間隔、周期や重畳時間などのパルス式成長プロセスのパラメータを調整することによって成長のプロセスを制御し、結晶の品質を向上させ、Ａｌ成分の異なる緩衝層を基に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）の温度及び厚さを制御することで、エピタキシャル中のひずみを調整して、応力を放出する。

【0048】

本実施形態では、酸素源は、たとえば、酸素ガス、水、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素など、Ｏ分子を発生させ得る各種の酸素含有物質から選ばれてもよい。

【0049】

本実施形態では、ガリウム源は、たとえば、トリメチルガリウムＴＥＧ、トリエチルガリウムＴＭＧなど、各種のＧａの金属有機源；Ｇａ含有のほかの物質から選ばれてもよい。

【0050】

本実施形態では、アルミニウム源は、たとえばトリメチルアルミニウムＴＥＡ、トリエチルガリウムＴＭＡなど、各種のＡｌの金属有機源；Ａｌ含有のほかの物質から選ばれてもよい。

【0051】

本実施形態では、各α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層のエピタキシャル成長時の圧力は、好ましくは、１０Ｔｏｒｒ〜７６０Ｔｏｒｒ以上に制御される。

【0052】

本実施形態では、各α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層のエピタキシャル成長温度は、好ましくは、１００℃〜１０００℃である。

【0053】

本実施形態では、各α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層のエピタキシャル成長温度は、好ましくは、１００℃〜６００℃である。

【0054】

本実施形態では、各α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層において、ｘの値の範囲は、好ましくは、０．９９≧ｘ≧０．０１である。

【0055】

本実施形態では、α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層の層数は、好ましくは、９９≧層数≧１である。

【0056】

本実施形態では、各α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層の厚さは、好ましくは、１ｎｍ≧厚さ≧１０００ｎｍである。

【0057】

本実施形態では、前述のパルス式エピタキシャルには、各時間（ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、ｔ_４）は、好ましくは、９９ｓ≧ｔ≧０．１ｓである。

【0058】

２）α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル層を成長させる。

【0059】

本実施形態では、α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル層の成長装置は、ＭＯＣＶＤ（金属有機化学気相堆積）などとしてもよく、適用できる装置には、ＣＶＤ（化学気相堆積装置）、ＬＰＣＶＤ（低圧力化学気相堆積装置）、ＭＯＣＶＤ（金属有機化学気相堆積装置）、ＭＢＥ（ＬＭＢＥ）（分子ビームエピタキシャル装置）、ＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ）（単原子層堆積装置）、ＨＶＰＥ（水素化物気相エピタキシャル装置）などが含まれる。

【0060】

本実施形態のステップ２）で使用されるエピタキシャル成長圧力は、好ましくは、１０Ｔｏｒｒ〜７６０Ｔｏｒｒ以上である。

【0061】

本実施形態では、α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル層の成長温度は、好ましくは、１００℃〜６００℃である。

【0062】

本発明の実施形態に係る方法によれば、α−Ｇａ_２Ｏ_３とα−Ａｌ_２Ｏ_３のエピタキシャルとにおいて温度が矛盾するという技術的な難問を解決できるとともに、α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル薄膜の欠陥の密度を効果的に低下させ、高品質のα−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル薄膜材料を取得できる。

【0063】

なお、上記実施形態は、本発明の技術的構想及び特徴を説明するために過ぎず、当業者が本発明の内容を理解して、それに基づいて実施できるようにすることを目的とし、本発明の特許範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に基づいて行われる同等の変化又は修飾であれば、本発明の特許範囲に含まれるものとする。

【0064】

（付記）
（付記１）
サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の製造方法であって、
パルスエピタキシャル成長方式により、１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）ひずみ緩衝層をサファイア基板上に形成するステップと、
前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層上に酸化ガリウムエピタキシャル層を形成するステップと、を含む、
ことを特徴とする製造方法。

【0065】

（付記２）
サファイア基板を反応室内にセットし、次に、パルス方式で酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源を異なる時刻に別々反応室に導入し、前記１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層を形成するステップを含む、
ことを特徴とする付記１に記載の製造方法。

【0066】

（付記３）
具体的には、成長周期ごとに、まず、第１時期内に酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源のうちのいずれかを反応室に持続的に導入し、第２時期が経過すると、第３時期内に酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源のうちの別の１つを反応室に持続的に導入し、次に第４時期だけ放置するステップを含む、
ことを特徴とする付記１に記載の製造方法。

【0067】

（付記４）
前記第１時期、第２時期、第３時期、第４時期の時間の長さが０．１〜９９ｓである、
ことを特徴とする付記３に記載の製造方法。

【0068】

（付記５）
前記酸素源は酸素含有物質から選ばれる、
ことを特徴とする付記２又は３に記載の製造方法。

【0069】

（付記６）
前記酸素含有物質は、酸素ガス、水、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化炭素、及び一酸化炭素のうちのいずれか１種又は２種以上の組み合わせを含む、
ことを特徴とする付記５に記載の製造方法。

【0070】

（付記７）
前記ガリウム源はガリウム含有の有機化合物から選ばれる、
ことを特徴とする付記２又は３に記載の製造方法。

【0071】

（付記８）
前記ガリウム源はトリメチルガリウム及び／又はトリエチルガリウムを含む、
ことを特徴とする付記７に記載の製造方法。

【0072】

（付記９）
前記アルミニウム源はアルミニウム含有の有機化合物から選ばれる、
ことを特徴とする付記２又は３に記載の製造方法。

【0073】

（付記１０）
前記アルミニウム源はトリメチルアルミニウム及び／又はトリエチルガリウムを含む、
ことを特徴とする付記９に記載の製造方法。

【0074】

（付記１１）
前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層の成長圧力が１０〜７６０Ｔｏｒｒであり、成長温度が１００〜１０００℃である、
ことを特徴とする付記１又は２に記載の製造方法。

【0075】

（付記１２）
サファイア基板上に１〜９９層の前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層を順次形成するステップを含む、
ことを特徴とする付記１に記載の製造方法。

【0076】

（付記１３）
前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層の一層の厚さが１〜１０００ｎｍである、
ことを特徴とする付記１又は１２に記載の製造方法。

【0077】

（付記１４）
少なくとも２つのα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層中のＡｌ元素の含有量が異なる、
ことを特徴とする付記１又は１２に記載の製造方法。

【0078】

（付記１５）
前記酸化ガリウムエピタキシャル層の成長圧力が１０〜７６０Ｔｏｒｒであり、成長温度が１００〜６００℃である、
ことを特徴とする付記１に記載の製造方法。

【0079】

（付記１６）
前記酸化ガリウムエピタキシャル層の材質がα−Ｇａ_２Ｏ_３である、
ことを特徴とする付記１又は１５に記載の製造方法。

【0080】

（付記１７）
付記１〜１６のいずれか１つに記載の製造方法で製造されるサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【0081】

（付記１８）
サファイア基板と酸化ガリウムエピタキシャル層とを含む、サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜であって、
前記サファイア基板と酸化ガリウムエピタキシャル層との間には、１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）ひずみ緩衝層がさらに形成されている、
ことを特徴とする酸化ガリウム薄膜。

【0082】

（付記１９）
各α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層の厚さが１〜１０００ｎｍである、
ことを特徴とする付記１８に記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【0083】

（付記２０）
前記酸化ガリウム薄膜は１〜９９層のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層を含む、
ことを特徴とする付記１８に記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【0084】

（付記２１）
少なくとも２つのα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層のＡｌ元素の含有量が異なる、
ことを特徴とする付記１８に記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【0085】

（付記２２）
付記１８〜２１のいずれか１つに記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の、半導体パワーデバイス又は半導体光電子デバイスの製作における使用。

【図1】

【図2】

【図3】

【手続補正書】

【提出日】2020年11月17日

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0027】

好ましくは、前記アルミニウム源は、トリメチルアルミニウム及び／又はトリエチルアルミニウムを含むが、これらに制限されない。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0044】

１）パルス式エピタキシャル法により、α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層をサファイア基板上に低温で成長させる。該エピタキシャル成長方法は、化学気相堆積（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）、特にＭＯＣＶＤ（金属有機化学気相堆積）などから選択されてもよく、適用できる装置には、ＣＶＤ（化学気相堆積）、ＬＰＣＶＤ（低圧化学気相堆積）、ＭＯＣＶＤ（金属有機化学気相堆積）、ＭＢＥ（分子ビームエピタキシャル）、ＬＭＢＥ（レーザー分子ビームエピタキシャル）、ＡＬＤ（単原子層堆積）、ＰＥＡＬＤ（プラズマ強化原子層堆積）、ＨＶＰＥ（水素化物気相エピタキシャル）などが含まれる。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0059】

本実施形態では、α−Ｇａ_２Ｏ_３エピタキシャル層の成長装置は、ＭＯＣＶＤ（金属有機化学気相堆積）などとしてもよく、適用できる装置には、ＣＶＤ（化学気相堆積）、ＬＰＣＶＤ（低圧力化学気相堆積）、ＭＯＣＶＤ（金属有機化学気相堆積）、ＭＢＥ（ＬＭＢＥ）（分子ビームエピタキシャル）、ＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ）（プラズマ増強原子層堆積）、ＨＶＰＥ（水素化物気相エピタキシャル）などが含まれる。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0059】

（付記１０）
前記アルミニウム源はトリメチルアルミニウム及び／又はトリエチルアルミニウムを含む、
ことを特徴とする付記９に記載の製造方法。

【手続補正5】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の製造方法であって、
パルスエピタキシャル成長方式により、１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）ひずみ緩衝層をサファイア基板上に形成するステップと、
前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層上に酸化ガリウムエピタキシャル層を形成するステップと、を含む、
ことを特徴とする製造方法。

【請求項2】

サファイア基板を反応室内にセットし、次に、パルス方式で酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源を異なる時刻に別々反応室に導入し、前記１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層を形成するステップを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。

【請求項3】

具体的には、成長周期ごとに、まず、第１時期内に酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源のうちのいずれかを反応室に持続的に導入し、第２時期が経過すると、第３時期内に酸素源、ガリウム源及び／又はアルミニウム源のうちの別の１つを反応室に持続的に導入し、次に第４時期だけ放置するステップを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。

【請求項4】

前記第１時期、第２時期、第３時期、第４時期の時間の長さが０．１〜９９ｓである、
ことを特徴とする請求項３に記載の製造方法。

【請求項5】

前記酸素源は酸素含有物質から選ばれる、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の製造方法。

【請求項6】

前記酸素含有物質は、酸素ガス、水、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化炭素、及び一酸化炭素のうちのいずれか１種又は２種以上の組み合わせを含む、
ことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。

【請求項7】

前記ガリウム源はガリウム含有の有機化合物から選ばれる、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の製造方法。

【請求項8】

前記ガリウム源はトリメチルガリウム及び／又はトリエチルガリウムを含む、
ことを特徴とする請求項７に記載の製造方法。

【請求項9】

前記アルミニウム源はアルミニウム含有の有機化合物から選ばれる、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の製造方法。

【請求項10】

前記アルミニウム源はトリメチルアルミニウム及び／又はトリエチルアルミニウムを含む、
ことを特徴とする請求項９に記載の製造方法。

【請求項11】

前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層の成長圧力が１０〜７６０Ｔｏｒｒであり、成長温度が１００〜１０００℃である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。

【請求項12】

サファイア基板上に１〜９９層の前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層を順次形成するステップを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。

【請求項13】

前記α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３ひずみ緩衝層の一層の厚さが１〜１０００ｎｍである、
ことを特徴とする請求項１又は１２に記載の製造方法。

【請求項14】

少なくとも２つのα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層中のＡｌ元素の含有量が異なる、
ことを特徴とする請求項１又は１２に記載の製造方法。

【請求項15】

前記酸化ガリウムエピタキシャル層の成長圧力が１０〜７６０Ｔｏｒｒであり、成長温度が１００〜６００℃である、
ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。

【請求項16】

前記酸化ガリウムエピタキシャル層の材質がα−Ｇａ_２Ｏ_３である、
ことを特徴とする請求項１又は１５に記載の製造方法。

【請求項17】

請求項１〜１６のいずれか１項に記載の製造方法で製造されるサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【請求項18】

サファイア基板と酸化ガリウムエピタキシャル層とを含む、サファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜であって、
前記サファイア基板と酸化ガリウムエピタキシャル層との間には、１つ以上のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０．９９≧ｘ≧０．０１）ひずみ緩衝層がさらに形成されている、
ことを特徴とする酸化ガリウム薄膜。

【請求項19】

各α−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層の厚さが１〜１０００ｎｍである、
ことを特徴とする請求項１８に記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【請求項20】

前記酸化ガリウム薄膜は１〜９９層のα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層を含む、
ことを特徴とする請求項１８に記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【請求項21】

少なくとも２つのα−（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３層のＡｌ元素の含有量が異なる、
ことを特徴とする請求項１８に記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜。

【請求項22】

請求項１８〜２１のいずれか１項に記載のサファイア基板に基づく酸化ガリウム薄膜の、半導体パワーデバイス又は半導体光電子デバイスの製作における使用。

【手続補正書】

【提出日】2021年8月19日

【手続補正1】

【補正対象書類名】手続補正書

【補正対象項目名】手続補正４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0073】

（付記１０）
前記アルミニウム源はトリメチルアルミニウム及び／又はトリエチルアルミニウムを含む、
ことを特徴とする付記９に記載の製造方法。

【国際調査報告】