β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法
【課題】ホモエピタキシャル成長法を用いて伝導特性に優れたβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を形成することができるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の製造方法を提供する。
【解決手段】分子線エピタキシー法により、Ｓｎを添加しながらβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をβ−Ｇａ２Ｏ３基板２上、又は前記β−Ｇａ２Ｏ３基板上に形成されたβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層上にホモエピタキシャル成長させ、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜を形成する工程と、第１の不活性雰囲気中で前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第１のアニール処理を施す工程とを含む方法により、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を製造する。
【解決手段】分子線エピタキシー法により、Ｓｎを添加しながらβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をβ−Ｇａ２Ｏ３基板２上、又は前記β−Ｇａ２Ｏ３基板上に形成されたβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層上にホモエピタキシャル成長させ、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜を形成する工程と、第１の不活性雰囲気中で前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第１のアニール処理を施す工程とを含む方法により、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＧａ２Ｏ３単結晶膜の形成方法として、サファイア基板上にＳｎを添加しながらβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をヘテロエピタキシャル成長させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の方法によれば、ＳｎのドーピングによりＧａ２Ｏ３単結晶膜に導電性を与えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０８３３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のＳｎを添加する方法により、Ｓｎの原料として単体のＳｎを用いてβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をホモエピタキシャル成長させる場合、０〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲内のＳｎの濃度によらずＧａ２Ｏ３単結晶膜は良好な伝導性を示さない。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、ホモエピタキシャル成長法を用いて伝導特性に優れたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜を形成することができるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造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、［１］〜［９］のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法を提供する。
【０００８】
［１］分子線エピタキシー法により、Ｓｎを添加しながらβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をβ−Ｇａ２Ｏ３基板上、又は前記β−Ｇａ２Ｏ３基板上に形成されたβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層上にホモエピタキシャル成長させ、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜を形成する工程と、第１の不活性雰囲気中で前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第１のアニール処理を施す工程と、を含むβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【０００９】
［２］前記Ｓｎの原料として単体のＳｎが用いられる、前記［１］に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１０】
［３］前記β−Ｇａ２Ｏ３結晶を酸素系ガス雰囲気中でホモエピタキシャル成長させる、前記［１］又は［２］に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１１】
［４］前記第１の不活性雰囲気は窒素雰囲気である、前記［１］〜［３］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１２】
［５］前記第１のアニール処理の温度を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、前記［１］〜［４］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１３】
［６］前記第１のアニール処理の後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第２の不活性雰囲気又は酸素雰囲気中で第２のアニール処理を施す、前記［１］〜［５］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１４】
［７］前記第２のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、前記［６］に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１５】
［８］前記第１のアニール処理の後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に酸素雰囲気中で第２のアニール処理を施し、前記第１のアニール処理の後、かつ前記第２のアニール処理の前又は後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第２の不活性雰囲気中で第３のアニール処理を施し、前記第２のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方及び前記第３のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、前記［１］〜［５］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１６】
［９］前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜中のＳｎ濃度は１×１０１５〜１×１０２１／ｃｍ３である、前記［１］〜［８］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ホモエピタキシャル成長法を用いて伝導特性に優れたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜を形成することができるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係るＭＢＥ装置の構成を概略的に示す構成図
【図２】（ａ）本実施の形態に係るβ−Ｇａ２Ｏ３基板及びＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の断面図、（ｂ）本実施の形態に係るβ−Ｇａ２Ｏ３基板、β−Ｇａ２Ｏ３系結晶層、及びＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の断面図
【図３】窒素雰囲気中でのアニール処理を施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性の変化を表すグラフ
【図４】Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性のアニール処理温度依存性を表すグラフ
【図５】Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性のアニール処理時間依存性を表すグラフ
【図６】窒素アニールと酸素アニールを連続的に施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性の変化を表すグラフ
【図７】高温の窒素アニール後、低温の酸素アニール及び窒素アニールを施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性の変化を表すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔実施の形態〕
本実施の形態によれば、ホモエピタキシャル成長法を用いて高品質なβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜を形成することができる。本発明者等は、Ｓｎを添加したβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜に不活性雰囲気中でアニール処理を施すことにより、電気伝導性を付与できることを見出した。以下、その実施の形態の一例について詳細に説明する。
【００２０】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法としては、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタリング法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法等があるが、本実施の形態では、ＭＢＥ法を用いた薄膜成長法を採用する。ＭＢＥ法は、単体あるいは化合物の固体をセルと呼ばれる蒸発源で加熱し、加熱により生成された蒸気を分子線として基板表面に供給する結晶成長方法である。
【００２１】
図１は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の形成に用いられるＭＢＥ装置の一例を示す構成図である。このＭＢＥ装置１は、真空槽１０と、この真空槽１０内に支持され、β−Ｇａ２Ｏ３基板２を保持する基板ホルダ１１と、基板ホルダ１１に保持されたβ−Ｇａ２Ｏ３基板２を加熱するための加熱装置１２と、薄膜を構成する原子又は分子ごとに設けられた複数のセル１３（１３ａ，１３ｂ）と、複数のセル１３を加熱するためのヒータ１４（１４ａ，１４ｂ）と、真空槽１０内にオゾン（Ｏ３）及び酸素（Ｏ２）を含むガス（以下、「オゾン混合酸素ガス」という）等の酸素系ガスを供給するガス供給パイプ１５と、真空槽１０内の空気を排出するための真空ポンプ１６とを備えている。基板ホルダ１１は、シャフト１１０を介して図示しないモータにより回転可能に構成されている。
【００２２】
第１のセル１３ａには、Ｇａ粉末等のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜のＧａ原料が充填されている。この粉末のＧａの純度は、６Ｎ以上であることが望ましい。第２のセル１３ｂには、ドナーとしてドーピングされるＳｎの原料としてＳｎ粉末等の単体のＳｎ材料が充填されている。
【００２３】
基板ホルダ１１には、予め作製されたβ−Ｇａ２Ｏ３基板２が取り付けられ、このβ−Ｇａ２Ｏ３基板２上にβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をＳｎを添加しつつホモエピタキシャル成長させることにより、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜を形成する。
【００２４】
このβ−Ｇａ２Ｏ３基板２は、例えば次のような手順で作製する。まず、ＥＦＧ（Edge-defined Film-fed Growth）法によって製造されたバルク状のβ−Ｇａ２Ｏ３を所望の面方位、寸法に切り出し、その表面に機械的研磨又は化学的研磨を施す。その後、メタノール、アセトン、メタノールの順で２分間ずつの有機洗浄を行い、さらに超純水を用いた流水洗浄を行う。次に、１５分間のフッ酸浸漬洗浄後、超純水を用いた流水洗浄を行い、さらに５分間の硫酸過水浸漬洗浄を行った後、再度超純水を用いた流水洗浄を行う。最後に、６００℃で１０分間のサーマルクリーニングを行う。
【００２５】
（β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法）
次に、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法について説明する。まず、上記の手順によって作製されたβ−Ｇａ２Ｏ３基板２をＭＢＥ装置１の基板ホルダ１１に取り付ける。次に、真空ポンプ１６を作動させ、真空槽１０内の気圧を１０−１０Ｔｏｒｒ程度まで減圧する。そして、加熱装置１２によってβ−Ｇａ２Ｏ３基板２を加熱する。なお、β−Ｇａ２Ｏ３基板２の加熱は、加熱装置１２の黒鉛ヒータ等の発熱源の輻射熱が基板ホルダ１１を介してβ−Ｇａ２Ｏ３基板２に熱伝導することにより行われる。
【００２６】
β−Ｇａ２Ｏ３基板２が所定の温度に加熱された後、ガス供給パイプ１５から真空槽１０内に、酸素系ガスとして、例えば、図示しないオゾン発生器によって生成したオゾン混合酸素ガスを供給する。
【００２７】
真空槽１０内にオゾン混合酸素ガス等の酸素系ガスを供給した後、真空槽１０内のガス圧が安定するのに必要な時間（例えば５分間）経過後、基板ホルダ１１を回転させながら第１のセル１３ａの第１のヒータ１４ａ及び第２のセル１３ｂの第２のヒータ１４ｂを加熱し、Ｇａ及びＳｎを蒸発させて分子線としてβ−Ｇａ２Ｏ３基板２の表面に照射する。
【００２８】
例えば、第１のセル１３ａは９００℃に加熱され、Ｇａ蒸気のビーム等価圧力(ＢＥＰ；Beam Equivalent Pressure)は１×１０−４Ｐａである。また、Ｓｎ蒸気のビーム等価圧力は、任意の濃度のＳｎをβ−Ｇａ２Ｏ３結晶に添加するため、第１のセル１３ａの温度により制御される。
【００２９】
これにより、β−Ｇａ２Ｏ３基板２の主面上にβ−Ｇａ２Ｏ３結晶がＳｎを添加されながらホモエピタキシャル成長し、ｎ型のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜が形成される。β−Ｇａ２Ｏ３結晶の成長温度は、例えば、７００℃である。
【００３０】
酸素系ガスとしてオゾン混合酸素ガスを用いる場合、オゾンガス雰囲気中でβ−Ｇａ２Ｏ３結晶を成長させることにより、酸素欠損の少ない高品質のβ−Ｇａ２Ｏ３結晶が得られる。オゾン混合酸素ガスのオゾン混合率は、例えば、５質量％である。また、オゾン混合酸素ガスのオゾン分圧は、５×１０−５Ｐａ以上であり、例えば２×１０−４Ｐａである。
【００３１】
なお、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜は、β−Ｇａ２Ｏ３基板２上にβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層を介して形成されてもよい。この場合、β−Ｇａ２Ｏ３基板２上にβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶をホモエピタキシャル成長させることによりβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層を形成し、続いてβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層上にＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を上記のＭＢＥ法により形成する。ここで、β−Ｇａ２Ｏ３系結晶とは、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶、及びＡｌ、Ｉｎ等が添加されたβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶、例えば（ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ））２Ｏ３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）単結晶をいう。
【００３２】
図２（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態に係るＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の断面図である。図２（ａ）のＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３は、β−Ｇａ２Ｏ３基板２の主面２ａ上に上記のＭＢＥ法によって形成される。図２（ｂ）のＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３は、β−Ｇａ２Ｏ３基板２の主面２ａ上に形成されたβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層４上に上記のＭＢＥ法によって形成される。Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３のＳｎ濃度は、例えば、１×１０１５〜１×１０２１／ｃｍ３であり、このＳｎ濃度は、成膜時の第１のセル１３ａの温度により制御することができる。
【００３３】
その後、不活性雰囲気中でＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３にアニール処理を施し、Ｓｎ添加量に応じた電気伝導性を付与する。ここで、不活性雰囲気は、例えば、窒素雰囲気である。また、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３に効果的に伝導性を付与するためには、アニール処理の温度が８００℃以上であることが好ましい。また、アニール処理の温度を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御することができる。
【００３４】
アニール処理は、ランプアニール装置等の熱処理用装置内で実施される。また、ＭＢＥ装置１内でアニール処理が実施されてもよい。
【００３５】
図３は、窒素雰囲気中のアニール処理を施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性の変化を表すグラフである。図３の縦軸は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）、すなわちｎ型半導体であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性の高さを相対的に表す。図３の横軸は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の単位立方センチ当たりのＳｎ濃度を表す。アニール処理は、１０００℃、３０分の条件下で実施された。
【００３６】
図３中の◇はアニール前のＮｄ−Ｎａの値を示し、●はアニール後のＮｄ−Ｎａの値を示す。図３の左側の◇及び●は、Ｓｎ濃度が２×１０１８／ｃｍ３であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第１結晶膜とする）の測定値を示す。図３の右側の◇及び●は、Ｓｎ濃度が２×１０２０／ｃｍ３であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第２結晶膜とする）の測定値を示す。
【００３７】
図３は、第１結晶膜と第２結晶膜のいずれも、窒素雰囲気中のアニール処理により電気伝導性が増加することを示している。第１結晶膜及び第２結晶膜のアニール処理前のＮｄ−Ｎａは、いずれも測定下限である１×１０１５／ｃｍ３未満であり、アニール処理後のＮｄ−Ｎａは、それぞれ１×１０１８／ｃｍ３、１×１０１９／ｃｍ３である。なお、Ｓｎ濃度が他の値であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３においても、アニール処理により電気伝導性は増加する。
【００３８】
図４は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性のアニール処理温度依存性を表すグラフである。図４の縦軸は、単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）を表す。図４の横軸は、アニール処理温度を表す。アニール処理は、窒素雰囲気中で３０分間実施された。
【００３９】
図４中の○はアニール前のＮｄ−Ｎａの値を示し、●はアニール後のＮｄ−Ｎａの値を示す。図４の左側の○及び●は、アニール処理温度が８００℃であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第３結晶膜とする）の測定値を示す。図３の右側の○及び●は、アニール処理温度が１０００℃であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第４結晶膜とする）の測定値を示す。
【００４０】
図４は、第３結晶膜よりも第４結晶膜の方が、アニール処理後の電気伝導性が高いことを示している。第３結晶膜及び第４結晶膜のアニール処理後のＮｄ−Ｎａは、それぞれ３×１０１７／ｃｍ３、５×１０１７／ｃｍ３である。第３、４結晶膜の例で示したように、アニール処理温度を高くするほど、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性が高くなる。
【００４１】
図５は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性のアニール処理時間依存性を表すグラフである。図５の縦軸は、単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）を表す。図５の横軸は、アニール処理時間を表す。アニール処理は、窒素雰囲気中で１０００℃、１５０分の条件下で実施された。
【００４２】
図５中の▲は成膜時の第２のセル１３ｂの温度が４３０℃であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第５結晶膜とする）の測定値を表す。図５中の□は成膜時の第２のセル１３ｂの温度が４６０℃であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第６結晶膜とする）の測定値を表す。図５中の●は成膜時の第２のセル１３ｂの温度が５００℃であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第７結晶膜とする）の測定値を表す。
【００４３】
図５によれば、第５〜７結晶膜のいずれも、３０分間のアニール処理によりＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性が大きく増加した後、電気伝導性の増加が止まる。すなわち、図５は、３０分以降のアニール処理はＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性にほとんど影響を与えないことを示している。
【００４４】
図６は、窒素雰囲気中のアニール処理（窒素アニール）と酸素雰囲気中のアニール処理（酸素アニール）を連続的に施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性の変化を表すグラフである。図６の縦軸は、単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）を表す。図６の横軸は、アニール処理時間を表す。窒素アニール及び酸素アニールは、それぞれ１０００℃、３０分の条件下で実施された。
【００４５】
図６によれば、窒素アニールにより電気伝導性が増加した後、酸素アニールにより電気伝導性が低下する。さらに、酸素アニールにより電気伝導性が低下した後、再度の窒素アニールにより電気伝導性が増加する。すなわち、図６は、窒素アニールと酸素アニールを連続的に実施することにより、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性を制御できることを示している。
【００４６】
図７は、１回目の窒素アニール後、酸素アニール及び窒素アニールを施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性の変化を表すグラフである。図７の縦軸は、単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）を表す。図７の横軸は、アニール処理時間を表す。まず、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３に８００℃、３０分の条件下で１回目の窒素アニールを施した後、１０００℃、３０分の条件下で２回目の窒素アニールを施し、さらに、８００℃、３０分の条件下での酸素アニール、及び８００℃、３０分の条件下での窒素アニールを数回ずつ施した。
【００４７】
図７によれば、８００℃の１回目の窒素アニールにより電気伝導性が付与された後、１０００℃の２回目の窒素アニールにより電気伝導性が増加し、８００℃の酸素アニールにより電気伝導性が少しずつ減少し、さらに８００度の窒素アニールにより電気伝導性が少しずつ増加している。すなわち、図７は、１回目の窒素アニールにより電気伝導性を付与した後、更なるアニール処理として酸素アニール及び窒素アニールの一方又は両方を実施することにより電気伝導性を細かく制御できることを示している。
【００４８】
また、本実施の形態においては、Ｓｎの原料として単体のＳｎが用いられるが、ＳｎＯ２等のＳｎ化合物を用いてもよい。
【００４９】
（実施の形態の効果）
β−Ｇａ２Ｏ３は４．８〜５．０ｅＶという大きなバンドギャップを持っており、その絶縁破壊電界強度も非常に大きいと予想される。Ｇａ２Ｏ３パワーデバイスが実現されれば、ＳｉＣやＧａＮを用いたデバイスを超える高効率パワーデバイスが実現されることとなり、我が国の将来の省エネルギー化へ大きく貢献すると期待されている。β−Ｇａ２Ｏ３を用いて高性能デバイスを作製する場合、β−Ｇａ２Ｏ３基板上にホモエピタキシャル成長させた高品質単結晶膜が非常に有用である。
【００５０】
本実施の形態によれば、ホモエピタキシャル成長法により、伝導特性に優れた高品質のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を形成することができる。さらに、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性を制御することが可能である。このため、Ｇａ２Ｏ３パワーデバイスの実現のために非常に有用である。
【００５１】
また、本実施の形態によれば、単体のＳｎを添加するＳｎの原料として用いて、伝導特性に優れた高品質のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を形成することができる。
【００５２】
また、本実施の形態のＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を酸素ガスセンサー及び窒素ガスセンサーとして用いることができる。Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を酸素ガスセンサーとして用いる場合は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を窒素雰囲気で十分にアニール処理し、電気伝導性を付与した後に、例えばＴｉ電極を２つ設ける。それを例えば８００℃以上の温度で酸素の存在しない空間（監視したい空間）で保持し、Ｔｉ電極間の電気抵抗を監視する。酸素ガスに晒されるとＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性が低下するため、Ｔｉ電極間の電気抵抗に変化が生じ、酸素ガスの混入を検知することができる。
【００５３】
窒素ガスセンサーとして用いる場合は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を酸素雰囲気で十分にアニール処理し、高抵抗化させた後に、例えばＴｉ電極を２つ設ける。それを例えば８００℃以上の温度で窒素の存在しない空間（監視したい空間）で保持し、Ｔｉ電極間の電気抵抗を監視する。窒素ガスに晒されるとＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性が上昇するため、Ｔｉ電極間の電気抵抗に変化が生じ、窒素ガスの混入を検知することができる。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、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】
【００５５】
１…ＭＢＥ装置、２…β−Ｇａ２Ｏ３基板、３…Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＧａ２Ｏ３単結晶膜の形成方法として、サファイア基板上にＳｎを添加しながらβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をヘテロエピタキシャル成長させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の方法によれば、ＳｎのドーピングによりＧａ２Ｏ３単結晶膜に導電性を与えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０８３３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のＳｎを添加する方法により、Ｓｎの原料として単体のＳｎを用いてβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をホモエピタキシャル成長させる場合、０〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲内のＳｎの濃度によらずＧａ２Ｏ３単結晶膜は良好な伝導性を示さない。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、ホモエピタキシャル成長法を用いて伝導特性に優れたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜を形成することができるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造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、［１］〜［９］のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法を提供する。
【０００８】
［１］分子線エピタキシー法により、Ｓｎを添加しながらβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をβ−Ｇａ２Ｏ３基板上、又は前記β−Ｇａ２Ｏ３基板上に形成されたβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層上にホモエピタキシャル成長させ、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜を形成する工程と、第１の不活性雰囲気中で前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第１のアニール処理を施す工程と、を含むβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【０００９】
［２］前記Ｓｎの原料として単体のＳｎが用いられる、前記［１］に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１０】
［３］前記β−Ｇａ２Ｏ３結晶を酸素系ガス雰囲気中でホモエピタキシャル成長させる、前記［１］又は［２］に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１１】
［４］前記第１の不活性雰囲気は窒素雰囲気である、前記［１］〜［３］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１２】
［５］前記第１のアニール処理の温度を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、前記［１］〜［４］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１３】
［６］前記第１のアニール処理の後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第２の不活性雰囲気又は酸素雰囲気中で第２のアニール処理を施す、前記［１］〜［５］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１４】
［７］前記第２のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、前記［６］に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１５】
［８］前記第１のアニール処理の後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に酸素雰囲気中で第２のアニール処理を施し、前記第１のアニール処理の後、かつ前記第２のアニール処理の前又は後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第２の不活性雰囲気中で第３のアニール処理を施し、前記第２のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方及び前記第３のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、前記［１］〜［５］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【００１６】
［９］前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜中のＳｎ濃度は１×１０１５〜１×１０２１／ｃｍ３である、前記［１］〜［８］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ホモエピタキシャル成長法を用いて伝導特性に優れたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜を形成することができるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係るＭＢＥ装置の構成を概略的に示す構成図
【図２】（ａ）本実施の形態に係るβ−Ｇａ２Ｏ３基板及びＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の断面図、（ｂ）本実施の形態に係るβ−Ｇａ２Ｏ３基板、β−Ｇａ２Ｏ３系結晶層、及びＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の断面図
【図３】窒素雰囲気中でのアニール処理を施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性の変化を表すグラフ
【図４】Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性のアニール処理温度依存性を表すグラフ
【図５】Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性のアニール処理時間依存性を表すグラフ
【図６】窒素アニールと酸素アニールを連続的に施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性の変化を表すグラフ
【図７】高温の窒素アニール後、低温の酸素アニール及び窒素アニールを施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性の変化を表すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔実施の形態〕
本実施の形態によれば、ホモエピタキシャル成長法を用いて高品質なβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜を形成することができる。本発明者等は、Ｓｎを添加したβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜に不活性雰囲気中でアニール処理を施すことにより、電気伝導性を付与できることを見出した。以下、その実施の形態の一例について詳細に説明する。
【００２０】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法としては、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタリング法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法等があるが、本実施の形態では、ＭＢＥ法を用いた薄膜成長法を採用する。ＭＢＥ法は、単体あるいは化合物の固体をセルと呼ばれる蒸発源で加熱し、加熱により生成された蒸気を分子線として基板表面に供給する結晶成長方法である。
【００２１】
図１は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の形成に用いられるＭＢＥ装置の一例を示す構成図である。このＭＢＥ装置１は、真空槽１０と、この真空槽１０内に支持され、β−Ｇａ２Ｏ３基板２を保持する基板ホルダ１１と、基板ホルダ１１に保持されたβ−Ｇａ２Ｏ３基板２を加熱するための加熱装置１２と、薄膜を構成する原子又は分子ごとに設けられた複数のセル１３（１３ａ，１３ｂ）と、複数のセル１３を加熱するためのヒータ１４（１４ａ，１４ｂ）と、真空槽１０内にオゾン（Ｏ３）及び酸素（Ｏ２）を含むガス（以下、「オゾン混合酸素ガス」という）等の酸素系ガスを供給するガス供給パイプ１５と、真空槽１０内の空気を排出するための真空ポンプ１６とを備えている。基板ホルダ１１は、シャフト１１０を介して図示しないモータにより回転可能に構成されている。
【００２２】
第１のセル１３ａには、Ｇａ粉末等のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜のＧａ原料が充填されている。この粉末のＧａの純度は、６Ｎ以上であることが望ましい。第２のセル１３ｂには、ドナーとしてドーピングされるＳｎの原料としてＳｎ粉末等の単体のＳｎ材料が充填されている。
【００２３】
基板ホルダ１１には、予め作製されたβ−Ｇａ２Ｏ３基板２が取り付けられ、このβ−Ｇａ２Ｏ３基板２上にβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をＳｎを添加しつつホモエピタキシャル成長させることにより、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜を形成する。
【００２４】
このβ−Ｇａ２Ｏ３基板２は、例えば次のような手順で作製する。まず、ＥＦＧ（Edge-defined Film-fed Growth）法によって製造されたバルク状のβ−Ｇａ２Ｏ３を所望の面方位、寸法に切り出し、その表面に機械的研磨又は化学的研磨を施す。その後、メタノール、アセトン、メタノールの順で２分間ずつの有機洗浄を行い、さらに超純水を用いた流水洗浄を行う。次に、１５分間のフッ酸浸漬洗浄後、超純水を用いた流水洗浄を行い、さらに５分間の硫酸過水浸漬洗浄を行った後、再度超純水を用いた流水洗浄を行う。最後に、６００℃で１０分間のサーマルクリーニングを行う。
【００２５】
（β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法）
次に、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法について説明する。まず、上記の手順によって作製されたβ−Ｇａ２Ｏ３基板２をＭＢＥ装置１の基板ホルダ１１に取り付ける。次に、真空ポンプ１６を作動させ、真空槽１０内の気圧を１０−１０Ｔｏｒｒ程度まで減圧する。そして、加熱装置１２によってβ−Ｇａ２Ｏ３基板２を加熱する。なお、β−Ｇａ２Ｏ３基板２の加熱は、加熱装置１２の黒鉛ヒータ等の発熱源の輻射熱が基板ホルダ１１を介してβ−Ｇａ２Ｏ３基板２に熱伝導することにより行われる。
【００２６】
β−Ｇａ２Ｏ３基板２が所定の温度に加熱された後、ガス供給パイプ１５から真空槽１０内に、酸素系ガスとして、例えば、図示しないオゾン発生器によって生成したオゾン混合酸素ガスを供給する。
【００２７】
真空槽１０内にオゾン混合酸素ガス等の酸素系ガスを供給した後、真空槽１０内のガス圧が安定するのに必要な時間（例えば５分間）経過後、基板ホルダ１１を回転させながら第１のセル１３ａの第１のヒータ１４ａ及び第２のセル１３ｂの第２のヒータ１４ｂを加熱し、Ｇａ及びＳｎを蒸発させて分子線としてβ−Ｇａ２Ｏ３基板２の表面に照射する。
【００２８】
例えば、第１のセル１３ａは９００℃に加熱され、Ｇａ蒸気のビーム等価圧力(ＢＥＰ；Beam Equivalent Pressure)は１×１０−４Ｐａである。また、Ｓｎ蒸気のビーム等価圧力は、任意の濃度のＳｎをβ−Ｇａ２Ｏ３結晶に添加するため、第１のセル１３ａの温度により制御される。
【００２９】
これにより、β−Ｇａ２Ｏ３基板２の主面上にβ−Ｇａ２Ｏ３結晶がＳｎを添加されながらホモエピタキシャル成長し、ｎ型のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜が形成される。β−Ｇａ２Ｏ３結晶の成長温度は、例えば、７００℃である。
【００３０】
酸素系ガスとしてオゾン混合酸素ガスを用いる場合、オゾンガス雰囲気中でβ−Ｇａ２Ｏ３結晶を成長させることにより、酸素欠損の少ない高品質のβ−Ｇａ２Ｏ３結晶が得られる。オゾン混合酸素ガスのオゾン混合率は、例えば、５質量％である。また、オゾン混合酸素ガスのオゾン分圧は、５×１０−５Ｐａ以上であり、例えば２×１０−４Ｐａである。
【００３１】
なお、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜は、β−Ｇａ２Ｏ３基板２上にβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層を介して形成されてもよい。この場合、β−Ｇａ２Ｏ３基板２上にβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶をホモエピタキシャル成長させることによりβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層を形成し、続いてβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層上にＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を上記のＭＢＥ法により形成する。ここで、β−Ｇａ２Ｏ３系結晶とは、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶、及びＡｌ、Ｉｎ等が添加されたβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶、例えば（ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ））２Ｏ３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）単結晶をいう。
【００３２】
図２（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態に係るＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の断面図である。図２（ａ）のＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３は、β−Ｇａ２Ｏ３基板２の主面２ａ上に上記のＭＢＥ法によって形成される。図２（ｂ）のＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３は、β−Ｇａ２Ｏ３基板２の主面２ａ上に形成されたβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層４上に上記のＭＢＥ法によって形成される。Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３のＳｎ濃度は、例えば、１×１０１５〜１×１０２１／ｃｍ３であり、このＳｎ濃度は、成膜時の第１のセル１３ａの温度により制御することができる。
【００３３】
その後、不活性雰囲気中でＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３にアニール処理を施し、Ｓｎ添加量に応じた電気伝導性を付与する。ここで、不活性雰囲気は、例えば、窒素雰囲気である。また、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３に効果的に伝導性を付与するためには、アニール処理の温度が８００℃以上であることが好ましい。また、アニール処理の温度を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御することができる。
【００３４】
アニール処理は、ランプアニール装置等の熱処理用装置内で実施される。また、ＭＢＥ装置１内でアニール処理が実施されてもよい。
【００３５】
図３は、窒素雰囲気中のアニール処理を施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性の変化を表すグラフである。図３の縦軸は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）、すなわちｎ型半導体であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性の高さを相対的に表す。図３の横軸は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の単位立方センチ当たりのＳｎ濃度を表す。アニール処理は、１０００℃、３０分の条件下で実施された。
【００３６】
図３中の◇はアニール前のＮｄ−Ｎａの値を示し、●はアニール後のＮｄ−Ｎａの値を示す。図３の左側の◇及び●は、Ｓｎ濃度が２×１０１８／ｃｍ３であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第１結晶膜とする）の測定値を示す。図３の右側の◇及び●は、Ｓｎ濃度が２×１０２０／ｃｍ３であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第２結晶膜とする）の測定値を示す。
【００３７】
図３は、第１結晶膜と第２結晶膜のいずれも、窒素雰囲気中のアニール処理により電気伝導性が増加することを示している。第１結晶膜及び第２結晶膜のアニール処理前のＮｄ−Ｎａは、いずれも測定下限である１×１０１５／ｃｍ３未満であり、アニール処理後のＮｄ−Ｎａは、それぞれ１×１０１８／ｃｍ３、１×１０１９／ｃｍ３である。なお、Ｓｎ濃度が他の値であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３においても、アニール処理により電気伝導性は増加する。
【００３８】
図４は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性のアニール処理温度依存性を表すグラフである。図４の縦軸は、単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）を表す。図４の横軸は、アニール処理温度を表す。アニール処理は、窒素雰囲気中で３０分間実施された。
【００３９】
図４中の○はアニール前のＮｄ−Ｎａの値を示し、●はアニール後のＮｄ−Ｎａの値を示す。図４の左側の○及び●は、アニール処理温度が８００℃であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第３結晶膜とする）の測定値を示す。図３の右側の○及び●は、アニール処理温度が１０００℃であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第４結晶膜とする）の測定値を示す。
【００４０】
図４は、第３結晶膜よりも第４結晶膜の方が、アニール処理後の電気伝導性が高いことを示している。第３結晶膜及び第４結晶膜のアニール処理後のＮｄ−Ｎａは、それぞれ３×１０１７／ｃｍ３、５×１０１７／ｃｍ３である。第３、４結晶膜の例で示したように、アニール処理温度を高くするほど、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性が高くなる。
【００４１】
図５は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性のアニール処理時間依存性を表すグラフである。図５の縦軸は、単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）を表す。図５の横軸は、アニール処理時間を表す。アニール処理は、窒素雰囲気中で１０００℃、１５０分の条件下で実施された。
【００４２】
図５中の▲は成膜時の第２のセル１３ｂの温度が４３０℃であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第５結晶膜とする）の測定値を表す。図５中の□は成膜時の第２のセル１３ｂの温度が４６０℃であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第６結晶膜とする）の測定値を表す。図５中の●は成膜時の第２のセル１３ｂの温度が５００℃であるＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３（第７結晶膜とする）の測定値を表す。
【００４３】
図５によれば、第５〜７結晶膜のいずれも、３０分間のアニール処理によりＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性が大きく増加した後、電気伝導性の増加が止まる。すなわち、図５は、３０分以降のアニール処理はＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性にほとんど影響を与えないことを示している。
【００４４】
図６は、窒素雰囲気中のアニール処理（窒素アニール）と酸素雰囲気中のアニール処理（酸素アニール）を連続的に施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性の変化を表すグラフである。図６の縦軸は、単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）を表す。図６の横軸は、アニール処理時間を表す。窒素アニール及び酸素アニールは、それぞれ１０００℃、３０分の条件下で実施された。
【００４５】
図６によれば、窒素アニールにより電気伝導性が増加した後、酸素アニールにより電気伝導性が低下する。さらに、酸素アニールにより電気伝導性が低下した後、再度の窒素アニールにより電気伝導性が増加する。すなわち、図６は、窒素アニールと酸素アニールを連続的に実施することにより、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性を制御できることを示している。
【００４６】
図７は、１回目の窒素アニール後、酸素アニール及び窒素アニールを施した場合の、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の電気伝導性の変化を表すグラフである。図７の縦軸は、単位立方センチ当たりのドナー密度とアクセプタ密度の差（Ｎｄ−Ｎａ）を表す。図７の横軸は、アニール処理時間を表す。まず、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３に８００℃、３０分の条件下で１回目の窒素アニールを施した後、１０００℃、３０分の条件下で２回目の窒素アニールを施し、さらに、８００℃、３０分の条件下での酸素アニール、及び８００℃、３０分の条件下での窒素アニールを数回ずつ施した。
【００４７】
図７によれば、８００℃の１回目の窒素アニールにより電気伝導性が付与された後、１０００℃の２回目の窒素アニールにより電気伝導性が増加し、８００℃の酸素アニールにより電気伝導性が少しずつ減少し、さらに８００度の窒素アニールにより電気伝導性が少しずつ増加している。すなわち、図７は、１回目の窒素アニールにより電気伝導性を付与した後、更なるアニール処理として酸素アニール及び窒素アニールの一方又は両方を実施することにより電気伝導性を細かく制御できることを示している。
【００４８】
また、本実施の形態においては、Ｓｎの原料として単体のＳｎが用いられるが、ＳｎＯ２等のＳｎ化合物を用いてもよい。
【００４９】
（実施の形態の効果）
β−Ｇａ２Ｏ３は４．８〜５．０ｅＶという大きなバンドギャップを持っており、その絶縁破壊電界強度も非常に大きいと予想される。Ｇａ２Ｏ３パワーデバイスが実現されれば、ＳｉＣやＧａＮを用いたデバイスを超える高効率パワーデバイスが実現されることとなり、我が国の将来の省エネルギー化へ大きく貢献すると期待されている。β−Ｇａ２Ｏ３を用いて高性能デバイスを作製する場合、β−Ｇａ２Ｏ３基板上にホモエピタキシャル成長させた高品質単結晶膜が非常に有用である。
【００５０】
本実施の形態によれば、ホモエピタキシャル成長法により、伝導特性に優れた高品質のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を形成することができる。さらに、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性を制御することが可能である。このため、Ｇａ２Ｏ３パワーデバイスの実現のために非常に有用である。
【００５１】
また、本実施の形態によれば、単体のＳｎを添加するＳｎの原料として用いて、伝導特性に優れた高品質のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を形成することができる。
【００５２】
また、本実施の形態のＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を酸素ガスセンサー及び窒素ガスセンサーとして用いることができる。Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を酸素ガスセンサーとして用いる場合は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を窒素雰囲気で十分にアニール処理し、電気伝導性を付与した後に、例えばＴｉ電極を２つ設ける。それを例えば８００℃以上の温度で酸素の存在しない空間（監視したい空間）で保持し、Ｔｉ電極間の電気抵抗を監視する。酸素ガスに晒されるとＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性が低下するため、Ｔｉ電極間の電気抵抗に変化が生じ、酸素ガスの混入を検知することができる。
【００５３】
窒素ガスセンサーとして用いる場合は、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を酸素雰囲気で十分にアニール処理し、高抵抗化させた後に、例えばＴｉ電極を２つ設ける。それを例えば８００℃以上の温度で窒素の存在しない空間（監視したい空間）で保持し、Ｔｉ電極間の電気抵抗を監視する。窒素ガスに晒されるとＳｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜の電気伝導性が上昇するため、Ｔｉ電極間の電気抵抗に変化が生じ、窒素ガスの混入を検知することができる。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、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】
【００５５】
１…ＭＢＥ装置、２…β−Ｇａ２Ｏ３基板、３…Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子線エピタキシー法により、Ｓｎを添加しながらβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をβ−Ｇａ２Ｏ３基板上、又は前記β−Ｇａ２Ｏ３基板上に形成されたβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層上にホモエピタキシャル成長させ、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜を形成する工程と、
第１の不活性雰囲気中で前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第１のアニール処理を施す工程と、
を含むβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項２】
前記Ｓｎの原料として単体のＳｎが用いられる、
請求項１に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項３】
前記β−Ｇａ２Ｏ３結晶を酸素系ガス雰囲気中でホモエピタキシャル成長させる、
請求項１又は２に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項４】
前記第１の不活性雰囲気は窒素雰囲気である、
請求項１〜３のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項５】
前記第１のアニール処理の温度を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、
請求項１〜４のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項６】
前記第１のアニール処理の後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第２の不活性雰囲気又は酸素雰囲気中で第２のアニール処理を施す、
請求項１〜５のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項７】
前記第２のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、
請求項６に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項８】
前記第１のアニール処理の後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に酸素雰囲気中で第２のアニール処理を施し、
前記第１のアニール処理の後、かつ前記第２のアニール処理の前又は後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第２の不活性雰囲気中で第３のアニール処理を施し、
前記第２のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方及び前記第３のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、
請求項１〜５のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項９】
前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜中のＳｎ濃度は１×１０１５〜１×１０２１／ｃｍ３である、
請求項１〜８のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項１】
分子線エピタキシー法により、Ｓｎを添加しながらβ−Ｇａ２Ｏ３結晶をβ−Ｇａ２Ｏ３基板上、又は前記β−Ｇａ２Ｏ３基板上に形成されたβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶層上にホモエピタキシャル成長させ、Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜を形成する工程と、
第１の不活性雰囲気中で前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第１のアニール処理を施す工程と、
を含むβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項２】
前記Ｓｎの原料として単体のＳｎが用いられる、
請求項１に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項３】
前記β−Ｇａ２Ｏ３結晶を酸素系ガス雰囲気中でホモエピタキシャル成長させる、
請求項１又は２に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項４】
前記第１の不活性雰囲気は窒素雰囲気である、
請求項１〜３のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項５】
前記第１のアニール処理の温度を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、
請求項１〜４のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項６】
前記第１のアニール処理の後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第２の不活性雰囲気又は酸素雰囲気中で第２のアニール処理を施す、
請求項１〜５のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項７】
前記第２のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、
請求項６に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項８】
前記第１のアニール処理の後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に酸素雰囲気中で第２のアニール処理を施し、
前記第１のアニール処理の後、かつ前記第２のアニール処理の前又は後、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜に第２の不活性雰囲気中で第３のアニール処理を施し、
前記第２のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方及び前記第３のアニール処理の温度及び時間の少なくとも一方を制御することにより、前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜の電気伝導性を制御する、
請求項１〜５のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【請求項９】
前記Ｓｎ添加β−Ｇａ２Ｏ３結晶膜中のＳｎ濃度は１×１０１５〜１×１０２１／ｃｍ３である、
請求項１〜８のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−５６８０３（Ｐ２０１３−５６８０３Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９６４３１（Ｐ２０１１−１９６４３１）
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発／挑戦研究（事前研究一体型）／超高耐圧酸化ガリウムパワーデバイスの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９０００５２２３）株式会社タムラ製作所 (526)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発／挑戦研究（事前研究一体型）／超高耐圧酸化ガリウムパワーデバイスの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９０００５２２３）株式会社タムラ製作所 (526)
【Ｆターム（参考）】
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