(57)【要約】 ＭＢＥ法を用いて、n型導電性を高精度に制御しつつＧａ2Ｏ3系結晶膜をＧａ2Ｏ3系結晶基板上にエピタキシャル成長させる。 ＭＢＥ法を用いて、エピタキシャル成長により導電性を有するＧａ2Ｏ3系結晶膜を形成するＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法であって、Ｇａ蒸気及びＳｎ蒸気を発生させ、分子線としてＧａ2Ｏ3系結晶基板の表面に供給してＳｎを含むＧａ2Ｏ3系単結晶膜を成長させる工程を含み、ＭＢＥ装置のセルに充填された酸化Ｓｎを加熱することにより前記Ｓｎ蒸気を発生させる、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法を提供する。
2013080972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＢＥ法を用いて、エピタキシャル成長により導電性を有するＧａ2Ｏ3系結晶膜を形成するＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法であって、
Ｇａ蒸気及びＳｎ蒸気を発生させ、分子線としてＧａ2Ｏ3系結晶基板の表面に供給してＳｎを含むＧａ2Ｏ3系単結晶膜を成長させる工程を含み、
ＭＢＥ装置のセルに充填された酸化Ｓｎを加熱することにより前記Ｓｎ蒸気を発生させる、
Ｇａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
【請求項２】
前記酸化ＳｎはＳｎＯ2であり、
前記セルの温度を６５０〜９２５℃にして前記Ｓｎ蒸気を発生させる、
請求項１に記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
【請求項３】
前記Ｇａ2Ｏ3単結晶を０．０１〜１００μｍ／ｈの成長速度でエピタキシャル成長させる、
請求項１又は２のいずれかに記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
【請求項４】
前記Ｇａ2Ｏ3系結晶膜のキャリア濃度は１×１０14〜１×１０20／ｃｍ3である、
請求項１又は２のいずれかに記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
【請求項５】
前記Ｇａ2Ｏ3系結晶膜のキャリア濃度は１×１０14〜１×１０20／ｃｍ3である、
請求項３に記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
【請求項６】
前記酸化ＳｎはＳｎＯ2であり、
前記セルの温度を４５０〜１０８０℃にして前記Ｓｎ蒸気を発生させる、  請求項１に記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
【請求項７】
前記Ｇａ2Ｏ3単結晶を０．０１〜１００μｍ／ｈの成長速度でエピタキシャル成長させる、請求項６に記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
【請求項８】
前記Ｇａ2Ｏ3単結晶を５３０〜６００℃の成長温度でエピタキシャル成長させる、請求項６に記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法として、サファイア基板等の結晶基板上に導電性のＧａ2Ｏ3結晶膜をヘテロエピタキシャル成長により形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、ＭＢＥ法を用いてＧａ2Ｏ3結晶膜を形成することや、Ｇａ2Ｏ3結晶膜に導電性を付与する導電型不純物としてＳｎを用いることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
本発明の目的は、ＭＢＥ法を用いて、n型導電性を高精度に制御しつつＧａ2Ｏ3系結晶膜をＧａ2Ｏ3系結晶基板上にエピタキシャル成長させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［３］に記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法を提供する。【０００６】
［１］ＭＢＥ法を用いて、エピタキシャル成長により導電性を有するＧａ2Ｏ3系結晶膜を形成するＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法であって、Ｇａ蒸気及びＳｎ蒸気を発生させ、分子線としてＧａ2Ｏ3系結晶基板の表面に供給してＳｎを含むＧａ2Ｏ3系単結晶膜を成長させる工程を含み、ＭＢＥ装置のセルに充填された酸化Ｓｎを加熱することにより前記Ｓｎ蒸気を発生させる、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。【０００７】
［２］前記酸化ＳｎはＳｎＯ2であり、前記セルの温度を６５０〜９２５℃にして前記Ｓｎ蒸気を発生させる、前記［１］に記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。【０００８】
［３］前記Ｇａ2Ｏ3単結晶を０．０１〜１００μｍ／ｈの成長速度でエピタキシャル成長させる、前記［１］又は［２］のいずれかに記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。【０００９】
［４］前記Ｇａ2Ｏ3系結晶膜のキャリア濃度は１×１０14〜１×１０20／ｃｍ3である、前記［１］から［３］のいずれか１つに記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
［５］前記酸化ＳｎはＳｎＯ2であり、前記セルの温度を４５０〜１０８０℃にして前記Ｓｎ蒸気を発生させる、前記［１］に記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
［６］前記Ｇａ2Ｏ3単結晶を０．０１〜１００μｍ／ｈの成長速度でエピタキシャル成長させる、前記［５］に記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
［７］前記Ｇａ2Ｏ3単結晶を５３０〜６００℃の成長温度でエピタキシャル成長させる、前記［５］に記載のＧａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ＭＢＥ法を用いて、n型導電性を高精度に制御しつつＧａ2Ｏ3系結晶膜をＧａ2Ｏ3系結晶基板上にエピタキシャル成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施の形態に係るＧａ2Ｏ3系結晶基板及びＧａ2Ｏ3系結晶膜の垂直断面図である。
【図２】図２は、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜の形成に用いられるＭＢＥ装置の構成の一例を示す。
【図３】図３は、実施例１に係るＳｎＯ2が充填された第２のセルの温度とＧａ2Ｏ3系結晶膜のキャリア濃度との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、実施例１に係るＳｎＯ2が充填された第２のセルの温度とＧａ2Ｏ3系結晶膜のキャリア濃度との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、比較例に係るＳｉが充填された第２のセルの温度とＧａ2Ｏ3系結晶膜のキャリア濃度との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、実施例２に係るＳｎＯ2が充填された第２のセルの温度とＧａ2Ｏ3系結晶膜のドナー濃度との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、実施例２に係るＳｎＯ2が充填された第２のセルの温度とＧａ2Ｏ3系結晶膜のドナー濃度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
〔実施の形態〕
本発明者等は、研究、調査の結果、Ｇａ2Ｏ3系結晶からなる基板上に導電性のＧａ2Ｏ3系結晶膜をエピタキシャル成長させる場合、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜に導電性を付与する導電型不純物の原料の種類によって、導電性が大きく影響を受け、酸化Ｓｎを用いる必要があることを見出した。
【００１３】
Ｇａ2Ｏ3系結晶膜をＧａ2Ｏ3系結晶基板上にエピタキシャル成長により形成する場合、結晶構造が大きく異なる基板上にヘテロエピタキシャル成長により形成する場合と比較して、高品質のＧａ2Ｏ3系結晶膜を得ることができる。
【００１４】
本実施の形態においては、適切な導電型不純物の原料の種類や、原料の加熱温度を選択し、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法を用いて、優れた導電性を有するＧａ2Ｏ3系結晶膜をＧａ2Ｏ3系結晶基板上にエピタキシャル成長により形成する。以下、その実施の形態の一例について詳細に説明する。
【００１５】
（Ｇａ2Ｏ3系結晶膜）
図１は、実施の形態に係るＧａ2Ｏ3系結晶基板及びＧａ2Ｏ3系結晶膜の垂直断面図である。
【００１６】
Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１は、ＭＢＥ法を用いてＧａ2Ｏ3系結晶基板２上にＧａ2Ｏ3系単結晶をエピタキシャル成長させることにより形成される。ＭＢＥ法は、単体あるいは化合物からなる原料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して、結晶をエピタキシャル成長させる結晶成長方法である。
【００１７】
Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１は、導電型不純物としてのＳｎを含むｎ型のβ−Ｇａ2Ｏ3系単結晶からなる。ここで、β−Ｇａ2Ｏ3系単結晶とは、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶、及びＡｌ等によりＧａサイトが置換されたβ−Ｇａ2Ｏ3単結晶（例えば、β−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶（０＜ｘ＜１））をいう。Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１の厚さは、例えば、１０〜１０００ｎｍ程度である。
【００１８】
Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１のキャリア濃度は、１×１０14〜１×１０20／ｃｍ3である。このキャリア濃度は、後述するＭＢＥ装置３の第２のセル１３ｂの成膜時の温度により制御することができる。第２のセル１３ｂは、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１に導電性を付与する不純物であるＳｎの原料のＳｎＯ2が充填されたセルである。
【００１９】
Ｇａ2Ｏ3系結晶基板２は、例えば、Ｍｇ等の不純物を添加することにより高抵抗化したβ−Ｇａ2Ｏ3系単結晶からなる。
【００２０】
Ｇａ2Ｏ3系結晶基板２は、例えば、次のような手順で作製される。まず、ＥＦＧ法により、不純物を添加した半絶縁性β−Ｇａ2Ｏ3単結晶インゴットを作製する。この不純物としては、例えば、Ｇａサイトを置換する場合は、Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｔｌ、又はＰｂを用いることができる。また、酸素サイトを置換する場合は、Ｎ、又はＰを用いることができる。例えば、Ｍｇを添加する場合は、原料粉末にＭｇＯ粉末を混合することにより行う。Ｇａ2Ｏ3系結晶基板２に良好な絶縁性を持たせるためには、ＭｇＯを０．０５ｍｏｌ％以上添加すればよい。また、ＦＺ法により半絶縁性β−Ｇａ2Ｏ3単結晶インゴットを作製してもよい。作製したインゴットを所望の面方位が主面となるように、例えば１ｍｍ程度の厚さにスライス加工して基板化する。そして、研削研磨工程にて３００〜６００μｍ程度の厚さに加工する。
【００２１】
（Ｇａ2Ｏ3系結晶膜の製造方法）
図２は、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜の形成に用いられるＭＢＥ装置の構成の一例を示す。このＭＢＥ装置３は、真空槽１０と、この真空槽１０内に支持され、Ｇａ2Ｏ3系結晶基板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Ｇａ2Ｏ3系結晶基板２を加熱するための加熱装置１２と、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１を構成する原子の原料が充填された複数のセル１３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）と、セル１３を加熱するためのヒータ１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）と、真空槽１０内に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Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１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Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１に添加されるＳｎの原料である酸化Ｓｎ（ＳｎＯ2又はＳｎＯ）粉末が充填されている。なお、酸化Ｓｎは粉末でなくてもよい。第３のセル１３ｃには、例えば、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１がβ−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶からなる場合のＡｌ原料が充填されている。第１のセル１３ａ、第２のセル１３ｂ、及び第３のセル１３ｃの開口部にはシャッターが設けられている。
【００２３】
まず、予め作製されたＧａ2Ｏ3系結晶基板２をＭＢＥ装置３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１×１０-8Ｐａ程度まで減圧する。そして、加熱装置１２によってＧａ2Ｏ3系結晶基板２を加熱する。なお、Ｇａ2Ｏ3系結晶基板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Ｇａ2Ｏ3系結晶基板２に熱伝導することにより行われる。
【００２４】
Ｇａ2Ｏ3系結晶基板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内に例えば酸素ラジカルのような酸素系ガスを供給する。酸素系ガスのガス分圧は、例えば、５×１０-4Ｐａである。
【００２５】
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のヒータ１４ａにより第１のセル１３ａ、第２のセル１３ｂ、及び必要であれば第３のセル１３ｃを加熱し、Ｇａ、Ｓｎ、Ａｌを蒸発させて分子線としてＧａ2Ｏ3系結晶基板２の表面に照射する。
【００２６】
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２×１０-4Ｐａである。ＳｎＯ2が充填された第２のセル１３ｂは６５０〜９２５℃に加熱され、Ｓｎ蒸気のビーム等価圧力は、第２のセル１３ｂの温度により変化する。
【００２７】
これにより、Ｇａ2Ｏ3系結晶基板２上にβ−Ｇａ2Ｏ3系単結晶がＳｎを添加されながらエピタキシャル成長し、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１が形成される。
【００２８】
ここで、β−Ｇａ2Ｏ3系単結晶の成長温度及び成長速度は、例えば、それぞれ７００℃、０．０１〜１００μｍ／ｈである。
【００２９】
Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１のキャリア濃度は１×１０14〜１×１０20／ｃｍ3であり、このキャリア濃度は第２のセル１３ｂの温度により制御される。
【００３０】
（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、ＭＢＥ法を用いて、優れた導電性を有するＧａ2Ｏ3系結晶膜をＧａ2Ｏ3系結晶基板上にエピタキシャル成長により形成することができる。形成されたＧａ2Ｏ3系結晶膜は、Ｇａ2Ｏ3系発光素子やＧａ2Ｏ3系トランジスタ等の半導体素子の構成部材として用いることができる。
【００３１】
なお、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。
【実施例】
【００３２】
（実施例１）
ＳｎＯ2粉末が充填された第２のセル１３ｂの温度と、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１のキャリア濃度との関係を、実験により求めた。【００３３】
本実施例においては、Ｍｇを０．２５ｍｏｌ％添加した高抵抗のβ−Ｇａ2Ｏ3単結晶からなる基板をＧａ2Ｏ3系結晶基板２として用いた。また、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１として、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶からなる膜を形成した。Ｇａ2Ｏ3系結晶基板の主面は（０１０）面とした。基板の面方位について特に限定されないが、Ｇａ2Ｏ3系結晶基板の主面は、(１００)面から５０°以上９０°以下の角度だけ回転させた面であることが好ましい。すなわち、Ｇａ2Ｏ3系基板において主面と（１００）面のなす角θ（０＜θ≦９０°）が５０°以上であることが好ましい。（１００）面から５０°以上９０°以下回転させた面として、例えば、（０１０）面、（００１）面、（−２０１）面、（１０１）面、及び（３１０）面が存在する。【００３４】
また、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１の成膜時における酸素系ガスのガス分圧を５×１０-4Ｐａ、第１のセル１３ａの温度を９００℃、Ｇａ蒸気のビーム等価圧力を２×１０-4Ｐａ、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶の成長温度を７００℃、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶の成長速度を０．７μｍ／ｈとした。【００３５】
そして、ＳｎＯ2が充填された第２のセル１３ｂの温度を７５０〜８５０℃の範囲で変化させて各種試料を作製し、Ｈａｌｌ測定によりキャリア濃度を測定することで、第２のセル１３ｂの温度と、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１のキャリア濃度との関係を求めた。【００３６】
図３は、上記の条件下での測定により求めた、第２のセル１３ｂの温度と、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１のキャリア濃度との関係を示すグラフである。図３の横軸はＳｎＯ2粉末を充填した第２のセル１３ｂの温度を示し、縦軸は、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１のキャリア濃度を示す。図３は、縦軸の目盛が対数で表される片対数グラフである。【００３７】
図３に示されるように、測定値は片対数グラフ上でほぼ直線を描き、第２のセル１３ｂの温度の増加に伴ってＧａ2Ｏ3系結晶膜１のキャリア濃度が増加する。【００３８】
また、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶の成長速度をｎ倍（ｎは正の実数）にした場合、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１に添加されるＳｎＯ2の濃度は１／ｎになり、キャリア濃度も１／ｎになる。そのため、図４に示されるように、成長速度が０．０１〜１００μｍ／ｈの場合の第２のセル１３ｂの温度とＧａ2Ｏ3系結晶膜１のキャリア濃度との関係を、成長速度が０．７μｍ／ｈの場合の関係から求めることができる。【００３９】
ここで、０．０１〜１００μｍ／ｈは、一般的に用いられるβ−Ｇａ2Ｏ3単結晶の成長速度である。成長速度を０．０１μｍ／ｈとする場合、例えば、Ｇａ原料が充填された第１のセル１３ａの温度を７００℃、酸素系ガス分圧を１×１０-5Ｐａとすればよい。また、成長速度を１００μｍ／ｈとする場合、例えば、第１のセル１３ａの温度を１２００℃、酸素系ガス分圧を１×１０-1Ｐａとすればよい。【００４０】
図４には、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶の成長速度が０．０１μｍ／ｈ、０．７μｍ／ｈ、１００μｍ／ｈであるときの第２のセル１３ｂの温度とＧａ2Ｏ3系結晶膜１のキャリア濃度との関係をそれぞれ示す直線が描かれている。【００４１】
図４から、成長速度が０．０１〜１００μｍ／ｈである条件下において、一般的に求められる１×１０14〜１×１０20／ｃｍ3の範囲内のキャリア濃度を得るためには、ＳｎＯ2粉末が充填された第２のセル１３ｂの温度を６５０〜９２５℃とすればよいことがわかる。【００４２】
なお、Ｓｎ原料としてＳｎＯを用いた場合も、ＳｎＯ2を用いた場合とは第２のセル１３ｂの温度範囲は異なるものの、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜のn型導電性を高精度に制御することができた。すなわち、Ｓｎ原料として酸化Ｓｎを用いることにより、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜のn型導電性を高精度に制御することができる。【００４３】
一方、Ｓｎ原料として酸化ＳｎではなくＳｎを第２のセル１３ｂに充填してＧａ2Ｏ3系結晶膜１を形成した場合、第２のセル１３ｂの温度、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶の成長速度等の条件にかかわらず、１×１０14／ｃｍ3以上のキャリア濃度は得られなかった。【００４４】
また、導電型不純物として酸化Ｓｎの代わりにＳｉを第２のセル１３ｂに充填してＧａ2Ｏ3系結晶膜１を形成した場合、原因は定かではないが、第２のセル１３ｂの温度によってＳｉ蒸気圧を制御することができず、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１中のＳｉ量の高精度制御は困難であった。図５は、実験により求めた、Ｓｉが充填された第２のセル１３ｂの温度と、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１のキャリア濃度との関係を示すグラフである。測定条件は、酸化Ｓｎを用いた場合の条件と同じである。図５に示されるように、第２のセル１３ｂの温度が同じ場合であってもＧａ2Ｏ3系結晶膜１のキャリア濃度がばらつき、導電性が得られない場合もある。また、Ｓｉの代わりに酸化Ｓｉ（ＳｉＯ、ＳｉＯ2）を用いた場合も、第２のセル１３ｂの温度によって酸化Ｓｉ蒸気圧を制御することができず、さらに、酸化Ｓｉのドープ量に依らず（数ｍｏｌ％程度までドーピングしても）Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１のｎ型導電性は得られなかった。【００４５】
（実施例２）
ＳｎＯ2粉末が充填された第２のセル１３ｂの温度と、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１のドナー濃度との関係を、実験により求めた。【００４６】
本実施例においては、Ｓｉを０．０５ｍｏｌ％添加したn型のβ−Ｇａ2Ｏ3単結晶からなる基板をＧａ2Ｏ3系結晶基板２として用いた。また、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１として、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶からなる膜を形成した。【００４７】
Ｇａ2Ｏ3系結晶基板の主面は（０１０）面とした。基板の面方位について特に限定されないが、Ｇａ2Ｏ3系結晶基板の主面は、(１００)面から５０°以上９０°以下の角度だけ回転させた面であることが好ましい。すなわち、Ｇａ2Ｏ3系基板において主面と（１００）面のなす角θ（０＜θ≦９０°）が５０°以上であることが好ましい。（１００）面から５０°以上９０°以下回転させた面として、例えば、（０１０）面、（００１）面、（−２０１）面、（１０１）面、及び（３１０）面が存在する。【００４８】
Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１の成膜時における酸素系ガスのガス分圧を５×１０-4Ｐａ、第１のセル１３ａの温度を９００℃、Ｇａ蒸気のビーム等価圧力を２×１０-4Ｐａ、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶の成長温度を５３０、５７０、６００℃、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶の成長速度を０．７μｍ／ｈとした。【００４９】
そして、ＳｎＯ2が充填された第２のセル１３ｂの温度を５８５〜８２０℃の範囲で変化させて各種試料を作製し、Ｃ−Ｖ測定によりドナー濃度を測定することで、第２のセル１３ｂの温度と、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１のドナー濃度との関係を求めた。【００５０】
図６は、上記の条件下での測定により求めた、（成長温度を５３０、５７０、６００ ℃に設定したときの）第２のセル１３ｂの温度とＧａ2Ｏ3系結晶膜１のドナー濃度との関係を示すグラフである。図６の横軸はＳｎＯ2粉末を充填した第２のセル１３ｂの温度を示し、縦軸は、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１のドナー濃度を示す。図６は、縦軸の目盛が対数で表される片対数グラフである。【００５１】
図６に示されるように、第２のセル１３ｂの温度の増加に伴ってＧａ2Ｏ3系結晶膜１のドナー濃度が増加する。ここで、成長温度を変えるとエピ膜中へ取り込まれるＳｎＯ2の量に変化が生じることがわかった。具体的には、成長温度を下げると取り込まれるＳｎＯ2の量が増える傾向（成長温度依存性）が見られた。ただし、５７０ ℃以下では成長温度依存性は小さくなる。また、成長温度を５７０ ℃以下にすると、ＳｎＯ2セル温度とドナー濃度の関係が、ＳｎＯ2の蒸気圧曲線と一致する傾きになることもわかった。なお、成長温度を５００ ℃に下げると、エピ表面が荒れてしまい結晶品質の低い膜が成長することが確認された。従って、成長温度（基板温度）を５３０ ℃から６００ ℃の間、好ましくは５３０ ℃から５７０ ℃の間に設定することにより成長中の結晶品質を保つことができる。【００５２】
また、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶の成長速度をｎ倍（ｎは正の実数）にした場合、Ｇａ2Ｏ3系結晶膜１に添加されるＳｎＯ2の濃度は１／ｎになり、ドナー濃度も１／ｎになる。そのため、図７に示されるように、成長速度が０．０１〜１００μｍ／ｈの場合の第２のセル１３ｂの温度とＧａ2Ｏ3系結晶膜１のドナー濃度との関係を、成長速度が０．７μｍ／ｈの場合の関係から求めることができる。【００５３】
ここで、０．０１〜１００μｍ／ｈは、一般的に用いられるβ−Ｇａ2Ｏ3単結晶の成長速度である。成長速度を０．０１μｍ／ｈとする場合、例えば、Ｇａ原料が充填された第１のセル１３ａの温度を７００℃、酸素系ガス分圧を１×１０-5Ｐａとすればよい。また、成長速度を１００μｍ／ｈとする場合、例えば、第１のセル１３ａの温度を１２００℃、酸素系ガス分圧を１×１０-1Ｐａとすればよい。【００５４】
図７は、β−Ｇａ2Ｏ3単結晶の成長速度（成長温度を５７０ ℃に設定）が０．０１μｍ／ｈ、０．７μｍ／ｈ、１００μｍ／ｈであるときの第２のセル１３ｂの温度とＧａ2Ｏ3系結晶膜１のドナー濃度との関係をそれぞれ示す。【００５５】
図７から、成長速度が０．０１〜１００μｍ／ｈである条件下において、一般的に求められる１×１０14〜１×１０20／ｃｍ3の範囲内のドナー濃度を得るためには、ＳｎＯ2粉末が充填された第２のセル１３ｂの温度を４５０〜１０８０℃とすればよいことがわかる。【００５６】
また、本実施例においてはＧａ2Ｏ3系結晶膜１としてβ−Ｇａ2Ｏ3単結晶を用いて実験を行ったが、Ａｌ等によりＧａサイトが置換されたβ−Ｇａ2Ｏ3単結晶を用いた場合であっても、ほぼ同様の結果が得られる。【００５７】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例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。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
ＭＢＥ法を用いて、n型導電性を高精度に制御しつつＧａ2Ｏ3系結晶膜をＧａ2Ｏ3系結晶基板上にエピタキシャル成長させることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１…Ｇａ2Ｏ3系結晶膜、２…Ｇａ2Ｏ3系結晶基板、３…ＭＢＥ装置、１３ｂ…第２のセル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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