(57)【要約】  気相成長法で、容易かつ安価なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法及びβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板、β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶板及びその製造方法を提供することを課題とする。β―Ｇａ２Ｏ３結晶がエピタキシャル成長する面との原子配列の類似性を有するが回転対称性を有さない面を備える単結晶基板を用いて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層を形成することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法を用いることによって前記課題を解決できる。また、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板及びβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶並びにそれらの製造方法を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
β―Ｇａ２Ｏ３結晶がエピタキシャル成長する面との原子配列の類似性を有するが回転対称性を有さない面を備える単結晶基板を用いて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層を形成することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法。
【請求項２】
前記単結晶基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項１に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法。
【請求項３】
（０００１）面に対してａ軸方向に５°以上２５°以下の所定の角度で前記サファイア基板を切断して、前記回転対称性を有さない面とし、当該面上にβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層を形成することを特徴とする請求項２に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法。
【請求項４】
蒸着法、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法及びＨＶＰＥ法のいずれか一の方法により、β―Ｇａ２Ｏ３結晶をヘテロエピタキシャル成長させて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層を形成することを特徴とする請求項１に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法。
【請求項５】
β―Ｇａ２Ｏ３結晶がエピタキシャル成長する面との原子配列の類似性を有するが回転対称性を有さない面を持つサファイア基板と、前記サファイア基板の前記回転対称性を有さない面上に形成されたβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層と、を有することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
【請求項６】
前記β―Ｇａ２Ｏ３結晶層は、前記回転対称性を有さない面からの厚さが３００ｎｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
【請求項７】
前記β―Ｇａ２Ｏ３結晶層は、前記回転対称性を有さない面からの厚さが１００μｍ超であることを特徴とする請求項５に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
【請求項８】
前記β―Ｇａ２Ｏ３結晶層が平面視でほぼ円形に形成された場合、その直径が２インチ以上であることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
【請求項９】
前記回転対称性を有さない面は、サファイア基板の（０００１）面からａ軸方向に５°以上２５°以下の角度で傾斜した面から形成されており、当該面上にβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層がそれに対応する面において成長し成膜されていることを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
【請求項１０】
前記回転対称性を有さない面が、（０００１）面に対してａ軸方向に５°以上２５°以下の所定の角度でサファイア基板を切断して形成されていることを特徴とする請求項９に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
【請求項１１】
厚さが１００μｍ超であり、気相成長法で製造されたことを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶。
【請求項１２】
β―Ｇａ２Ｏ３結晶がエピタキシャル成長する面との原子配列の類似性を有するが回転対称性を有さない面を備えるサファイア基板を用いて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ｇａ２Ｏ３結晶を１００μｍ超の厚さに結晶成長させて、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板を作製する工程と、
前記β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板からサファイア基板を除去して、厚さが１００μｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を作製する工程と、を有することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法で製造された、厚さが１００μｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を種結晶として結晶成長させて、厚さが１ｍｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶インゴットを作製する工程と、
前記β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶インゴットを切断して、厚さ１００μｍ以上の複数のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を作製する工程を有することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法。
【請求項１４】
請求項１２または１３の方法で製造されたβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の少なくとも片面を研磨する工程を含むことを特徴とする、β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法。
【請求項１５】
原子配列に類似性を有する基板表面にエピタキシャル成長させるβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層を製造する方法において、前記基板表面の回転対称性を変化させることにより、異なる結晶方位を備えるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる領域がある場合、それぞれの結晶方位に属する領域の割合を変化させることを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板、β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
β−Ｇａ２Ｏ３は、高耐圧・低消費電力の次世代パワー半導体材料として、近年注目を集めている材料である。β−Ｇａ２Ｏ３の結晶構造は単斜晶系に属し、β−ガリア構造と呼ばれ、空間群Ｃ２／ｍで表される。格子定数はそれぞれａ＝１．２２１４ｎｍ、ｂ＝０．３０３７１ｎｍ、ｃ＝０．５７９８１ｎｍであり、α＝β＝９０°、γ＝１０３．８°である。β−Ｇａ２Ｏ３の高性能なパワー半導体デバイスを作製するためには結晶粒界などの結晶欠陥の少ない単結晶が必須である。また、前記単結晶は、経済性を満足するだけの十分な面積を持っている必要がある。そこで、様々な結晶成長方法が試みられている。【０００３】
例えば、特許文献１は、酸化ガリウム基板及びその製造方法に関するものであり、ゾル−ゲル法による（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）２Ｏ３膜を形成して、酸化ガリウムと水素との反応を抑制して、酸化ガリウム基板の表面粗さの悪化を防ぎつつ、高い清浄度と基板表面の平坦性を実現可能な酸化ガリウム基板の製造方法と、酸化ガリウム基板が開示されている。【０００４】
特許文献２は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜付基板及びその製造方法に関するものであり、大口径のサファイア基板表面に液相エピタキシャル法によって育成されたβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を有するとされ、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子として使われる窒化ガリウムの製造に用いられる大口径のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜付基板と、この基板を安価で簡易に製造することができるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜付基板の製造方法を提供するとされている。しかしながら、明細書中に符号が付されているにも関わらず、図面が添付されていない。そして、この明細書を読む当業者が請求項に係る発明を実施できるかは不明である。【０００５】
特許文献３は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法に関するものであり、ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ  ｆｉｌｍ−ｆｅｄ  ｇｒｏｗｔｈ）法を用いたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法であって、β−Ｇａ２Ｏ３系種結晶をＧａ２Ｏ３系融液に接触させる工程と、種結晶を引き上げ、ネッキング工程を行わずにβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる工程と、を含み、すべての方向においてβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の幅が種結晶の幅の１１０％以下として、双晶化を効果的に抑えることのできるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法が開示されている。【０００６】
特許文献４は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶に関するものであり、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶において、Ｓｉ濃度を１×１０−５〜１ｍｏｌ％に変化させ、抵抗率が２．０×１０−３〜８×１０２Ωｃｍ、キャリア濃度が５．５×１０１５〜２．０×１０１９／ｃｍ３の範囲に制御するドーパントの添加濃度に応じて抵抗率を可変させて、バンドギャップがより大きく、紫外領域で発光する可能性があるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶において、所定の抵抗率及びキャリア濃度を有するβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶が開示されている。【０００７】
特許文献５は、酸化ガリウム単結晶基板及びその製造方法に関するものであり、面方位が実質的に＜１００＞方向である酸化ガリウム単結晶の（１００）面を研磨して薄型化するラッピング加工と、平滑に研磨するポリッシング加工とを行い、更に化学機械研磨することで、酸化ガリウム単結晶の（１００）面にステップとテラスとを形成して、原子レベルで平坦化された主面を有する酸化ガリウム単結晶基板を得て、原子レベルで平坦化された主面を有する酸化ガリウム単結晶基板の製造方法が開示されている。【０００８】
融液結晶成長法では、高品質な単結晶を製造可能である。具体的には、β−Ｇａ２Ｏ３系種結晶を融液に接触させて前記種結晶をゆっくり引き上げて、単結晶を成長させる。このようにして製造した高品質単結晶基板にホモエピタキシャル成長を行えばデバイス作製のための所望の単結晶膜を得ることが出来る。しかし、現状では前記単結晶基板の製造技術が十分には確立されていないこともあって高価で数量も限られ、面積も必ずしも十分でないという問題がある。また、液相エピタキシャル法では安価で大口径のサファイア基板上に単結晶膜を形成可能なものの、溶媒として用いる鉛等による汚染の問題がある。【０００９】
一方、気相成長法は、高品質な膜を短時間で成膜でき、成膜プロセスを容易かつ短時間にできるというメリットがある。また、β−Ｇａ２Ｏ３の高品質な単結晶基板上にβ−Ｇａ２Ｏ３を気相成長させる報告はある。しかし、融液結晶成長法と同様に、β−Ｇａ２Ｏ３の高品質な単結晶基板は、まだ、十分な量が流通しておらず、また高価であるので、量産工程で用いるのは適当でないという問題がある。【００１０】
そこで、安価な異種基板上にヘテロエピタキシーによりβ−Ｇａ２Ｏ３を成長させることが試みられている。例えば、サファイアｃ面とβ−Ｇａ２Ｏ３の（−２０１）面は、酸素原子の配置が同じ三角配列をとり、原子間隔のミスマッチも約６．４％と小さいため、サファイア上に（−２０１）配向のβ−Ｇａ２Ｏ３を容易に結晶成長させることが可能である（図１７参照）。また、サファイア基板は、β−Ｇａ２Ｏ３酸化物と同じ酸化物基板である。よって、サファイアはβ−Ｇａ２Ｏ３の結晶成長基板として優れる。そのため、複数の報告例がある。【００１１】
成長方法としては、ＭＢＥ等の気相成長法が用いられている。例えば、非特許文献１は、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法によるサファイアｃ面上でのβ−Ｇａ２Ｏ３膜成長の試みに関するものである。非特許文献２は、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法によるサファイアｃ面上でのβ−Ｇａ２Ｏ３膜成長の試みに関するものである。非特許文献３は、スパッタ法によるサファイアｃ面上でのβ−Ｇａ２Ｏ３膜成長の試みに関するものである。しかし、いずれの場合でもサファイアｃ面上でのβ−Ｇａ２Ｏ３膜成長は失敗に終わっている。いずれの場合も（−２０１）配向のβ−Ｇａ２Ｏ３が得られているが、面内の配向を調べてみると、６０度（以下「°」）ずつ回転した６種類の領域が発生してしまうためである。【００１２】
また、別の安価なＭｇＯ基板上でもβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を製造することはできないか試みられている。例えば、非特許文献４は、ＭＯＶＰＥ法によるＭｇＯ（１００）基板上のβ−Ｇａ２Ｏ３（１００）膜成長の試みに関するものである。基板面内で９０°ずつ回転した４種類の領域が生じ、ＭｇＯ基板上でのβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜製造は失敗に終わっている。非特許文献５は、ＭＯＶＰＥ法によるＭｇＯ（１１０）基板上のβ−Ｇａ２Ｏ３（−１０２）膜成長の試みに関するものである。しかし、基板面内で１８０°ずつ回転した２種類の領域が生じ、ＭｇＯ基板上でのβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜成長は失敗に終わっている。その他にも、下の表１に示すような基板上にも、同表に示すような方位のβ−Ｇａ２Ｏ３が、面内回転ドメインを伴って成長することが知られている。
【表１】
2015147101.tif 000003
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１４−０３１３００号公報
【特許文献２】特開２０１４−０１５３６６号公報
【特許文献３】特開２０１３−１０３８６４号公報
【特許文献４】特開２０１１−２３６１２５号公報
【特許文献５】特開２００８−１０５８８３号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｔａｋａｙｏｓｈｉ  ＯＳＨＩＭＡ，Ｔａｋｅｙａ  ＯＫＵＮＯ，ａｎｄ  Ｓｈｉｚｕｏ  ＦＵＪＩＴＡ、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４６（２００７）７２１７
【非特許文献２】Ｙｕ  Ｌｖ，Ｊｉｎ  Ｍａ，Ｗｅｉ  Ｍｉ，Ｃａｉｎａ  Ｌｕａｎ，Ｚｈｅｎ  Ｚｈｕ，Ｈｏｎｇｄｉ  Ｘｉａｏ、Ｖａｃｕｕｍ  ８６（２０１２）１８５０
【非特許文献３】Ｓｈｉｎｊｉ  Ｎａｋａｇｏｍｉ，Ｙｏｓｈｉｈｉｒｏ  Ｋｏｋｕｂｕｎ、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ  ３４９（２０１２）１２
【非特許文献４】Ｌｉｎｇｙｉ  Ｋｏｎｇ  １，Ｊｉｎ  Ｍａ，Ｃａｉｎａ  Ｌｕａｎ，Ｗｅｉ  Ｍｉ，Ｙｕ  Ｌｖ、Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ  ５２０（２０１２）４２７０
【非特許文献５】Ｗｅｉ  Ｍｉ，Ｊｉｎ  Ｍａ，Ｚｈｅｎ  Ｚｈｕ，Ｃａｉｎａ  Ｌｕａｎ，Ｙｕ  Ｌｖ，Ｈｏｎｇｄｉ  Ｘｉａｏ、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ  ３４５（２０１２）９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
気相成長法で、容易かつ安価なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板、β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶及びその製造方法を提供することを課題とする。併せて、サファイア基板上に結晶成長させられるβ―Ｇａ２Ｏ３結晶の結晶方位制御方法を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者は、上記事情を鑑みて、安価な異種基板であるサファイア上にβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層を製造することができれば、気相成長法で、容易かつ安価なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法を提供することができると考えた。しかし、サファイアｃ面とβ−Ｇａ２Ｏ３の一の結晶面は、酸素原子の配置がよく似ているため、サファイア上に（−２０１）配向のβ−Ｇａ２Ｏ３を容易に結晶成長させることが可能であるが、ｃ面サファイア基板は高回転対称性を有しており、多結晶がどうしても形成されてしまう。様々な実験を行ううちに、サファイアｃ面の酸素原子配列は６回対称面であるので、６つの方向を向いた単結晶が同時に成長して、６種類以上の単結晶グレインを有する多結晶が形成されるのではないかと考えた。そして、もしも１つの方向のみを向いた単結晶を成長させることができれば、単結晶を容易に成長させることができるのではないかとの考えに至った。つまり、非特許文献１〜５に示した例では、サファイアｃ面、ＭｇＯ（１１１）、ＭｇＯ（１００）、ＭｇＯ（１１０）、ＭｇＡｌ６Ｏ１０（１００）、ＧａＡｓ（−１１１）Ａｓは、それぞれの結晶構造自体、あるいはその面内における酸素原子配列がそれらの法線まわりにそれぞれ６、６、４、２、４、６回の回転対称性を有している。そして、それに対応してそれぞれ６、６、４、２、４、６種類の方向を向いた単結晶領域が生じていることに鑑みて、「基板表面の結晶面の回転対称性がβ−Ｇａ２Ｏ３の対応する面の対称性よりも高いと、基板面内で複数の等価なβ−Ｇａ２Ｏ３の対応する面が成り立つ結晶配置が可能になり、複数の方向を向いた単結晶領域からなるため、単結晶化が阻害されるという」基本原理に思い至った。これに基づき、基板表面の結晶面の回転対称性を低下させれば、生成する単結晶領域の向いている方向の種類の数が少なくなり、仮に、β−Ｇａ２Ｏ３と同じ又はより回転対称性の低い基板面を選べば、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層を得ることができることに想到した。また、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層だけでなく、多結晶層であっても、それに含まれる単結晶の方位（或いは、各種方位を取る単結晶の量的な割合又は分布）を制御することができることも見出した。しかしながら、結晶面における酸素原子の配置の類似性があって初めてその面でのβ−Ｇａ２Ｏ３の結晶成長が望めるので、回転対称性を低下させても、この類似性を維持することが好ましい。そこで、サファイアｃ面に対して様々な角度で切断して、類似性を維持しつつ回転対称性の無い面を探索し、この切断面上で結晶成長させたβ−Ｇａ２Ｏ３膜が単結晶層であることを見出した。【００１７】
ところで、β−Ｇａ２Ｏ３は融液成長による基板の製造が可能であり、現状、４インチまでの基板が報告されている。将来的には６インチ以上の大面積化が必要といわれている。しかし、融液成長においてさらなる大面積化を行うのは容易ではない。なぜなら、β−Ｇａ２Ｏ３の融液成長にはイリジウム等の貴金属を坩堝や成長用治具として用いる必要があり、それらが結晶の大型化に伴って指数関数的に極めて高価になってしまうからである。本発明者は、本発明の方法を用いれば、大面積化に関してそのような制限は無いことに気付いた。すなわち、本発明の方法でβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層を自立可能な程度に厚くしたうえで下地基板を除去することによって、β−Ｇａ２Ｏ３の自立基板を製造することができる。大面積の下地基板を用いれば、大面積のβ−Ｇａ２Ｏ３自立基板を作ることができる。これにより、デバイスの表裏面に電極を有する、縦型構造のデバイス作製にも応用が可能となる。これらのことを見出して、本研究を完成した。
本発明は、以下の構成を有する。【００１８】
（１）  β―Ｇａ２Ｏ３結晶がエピタキシャル成長する面との原子配列の類似性を有するが回転対称性を有さない面を備える単結晶基板を用いて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層を形成することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法。
（２）  前記基板がサファイア基板であることを特徴とする上記（１）に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法。【００１９】
（３）  （０００１）面に対してａ軸方向に５°以上２５°以下の所定の角度で前記サファイア基板を切断して、前記回転対称性を有さない面とし、当該面上にβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層を形成することを特徴とする上記（２）に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法。ここで、前記所定の角度は、５°以上が好ましく、６．５°以上が更に好ましく、８°以上が最も好ましい。類似性が減少すること又は別の回転対称性が増加する場合があるので、前記所定の角度は、２５°以下が好ましく、２０°以下が更に好ましく、１５°以下が最も好ましい。
（４）  蒸着法、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法及びＨＶＰＥ法のいずれか一の方法により、β―Ｇａ２Ｏ３結晶をヘテロエピタキシャル成長させて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層を形成することを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法。【００２０】
（５）  β―Ｇａ２Ｏ３結晶がエピタキシャル成長する面との原子配列の類似性を有するが回転対称性を有さない面を持つサファイア基板と、前記サファイア基板の前記回転対称性を有さない面上に形成されたβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層と、を有することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
（６）  前記β―Ｇａ２Ｏ３結晶層は、前記回転対称性を有さない面からの厚さが３００ｎｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする上記（５）に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
（７）  前記β―Ｇａ２Ｏ３結晶層は、前記回転対称性を有さない面からの厚さが１００μｍ超であることを特徴とする上記（５）又は（６）に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
（８）  前記β―Ｇａ２Ｏ３結晶層が平面視でほぼ円形に形成された場合、その直径が２インチ以上であることを特徴とする上記（５）から（７）のいずれかに記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。【００２１】
（９）  前記回転対称性を有さない面は、サファイア基板の（０００１）面からａ軸方向に５°以上２５°以下の角度で傾斜した面から形成されており、当該面上にβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層がそれに対応する面において成長し成膜されていることを特徴とする上記（５）から（８）のいずれかに記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
（１０）  前記回転対称性を有さない面が、（０００１）面に対してａ軸方向に５°以上２５°以下の所定の角度でサファイア基板を切断して形成されていることを特徴とする上記（９）に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
（１１）  厚さが１００μｍ超であり、気相成長法で製造されたことを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶。【００２２】
（１２）  β―Ｇａ２Ｏ３結晶がエピタキシャル成長する面との原子配列の類似性を有するが回転対称性を有さない面を備えるサファイア基板を用いて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ｇａ２Ｏ３結晶を１００μｍ超の厚さに結晶成長させて、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板を作製する工程と、前記β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板からサファイア基板を除去して、厚さが１００μｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を作製する工程と、を有することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法。
（１３）  上記（１２）に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法により製造された、厚さが１００μｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を種結晶として結晶成長させて、厚さが１ｍｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶インゴットを作製する工程と、前記β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶インゴットを切断して、厚さ１００μｍ以上の複数のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を作製する工程を有することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法。
（１４）  上記（１２）又は（１３）の方法で製造されたβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の少なくとも片面を研磨する工程を含むことを特徴とする、β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法。
（１５）  原子配列に類似性を有する基板表面にエピタキシャル成長させるβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層を製造する方法において、前記基板表面の回転対称性を変化させることにより、異なる結晶方位を備えるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる領域がある場合、それぞれの結晶方位に属する領域の割合を変化させることを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層の製造方法。【００２３】
（１６）  異種基板上にヘテロエピタキシーにより対象物質の結晶を成長させる方法において、異種基板の被成長面及び対象物質の結晶の成長する面の類似性を求める工程と、前記類似性が所定の基準以上であるかを判定する工程と、基準値以上であった場合に、前記異種基板の被成長面及び前記対象物質の結晶の成長する面の回転対称性を求める工程と、前記被成長面の回転対称性が前記成長する面の回転対称性よりも高いか否かを判定する工程と、前記被成長面の回転対称性がより高かった場合に、前記被成長面に対して所定の角度だけ傾斜した面を新たな被成長面とする工程と、を含む、対象物質の結晶の成長する面内の方位分布を制御することができる異種基板上にヘテロエピタキシーにより対象物質の結晶を成長させる方法。ここで、前記異種基板の種類は、例えばサファイアであってよく、前記対象物質の結晶はβ−Ｇａ２Ｏ３であってよい。前記被成長面は、サファイアの（０００１）面であってよく、前記対象物質の結晶の成長する面は、β−Ｇａ２Ｏ３の（−２０１）面であってよい。前記所定の角度は、５°以上であってよく、２５°以下であってもよい。また、その所定の角度の傾斜は、ａ軸方向であってよく、ｍ軸方向であってもよい。また、ａ軸方向及びｍ軸方向の中間の如何なる方向であってもよい。前記所定の角度は、前記傾斜の方向と組合せることができ、例えば、ａ軸方向に５°以上、ｍ軸方向に１０°以上、ａ軸方向に２５°以下、ｍ軸方向に２０°以下のように表現することもできる。尚、上記方法は、サファイアの（０００１）面以外の面を用いることもでき、本明細書（表１を含む）に記載したＭｇＯ等の他の種類の材料、また、本明細書（表１を含む）に記載したそれぞれの材料のそれぞれの面に対して行うことができる。また、前記新たな被成長面に対応する前記対象物質の結晶の成長する面が新たに規定されてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法は、回転対称性を有さない面を備える単結晶基板を用いて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層を形成する構成なので、気相成長法で、容易かつ安価なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法を提供することができる。これにより、大面積なβ−Ｇａ２Ｏ３エピウェハを安価で製造することができる。更に、高耐圧・低消費電力の高性能な次世代パワー半導体デバイスを作製できる。【００２５】
本発明のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成されたβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層と、を有する構成なので、高品質で安価なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層を提供することができる。これにより、大面積なβ−Ｇａ２Ｏ３エピウェハを提供でき、容易にパワー半導体に応用できる。【００２６】
本発明のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶は、厚さが１００μｍ超である構成なので、デバイス作製上必要なピンセット等での取り扱いが可能な自立基板とすることができる。この自立基板は、種々のβ−Ｇａ２Ｏ３デバイスの作製に用いることができる。例えば、マグネシウムや鉄等を添加して半絶縁性のβ−Ｇａ２Ｏ３自立基板とすれば、その上に横型デバイスを作製できる。また、例えばシリコンやスズ等を添加することで自立基板に半導体性を付与することにより、自立基板の表裏面に電極を有する、縦型構造のデバイスを作製することもできる。また、この自立基板を種結晶として単結晶インゴットを成長させこれをスライスすることにより、複数の単結晶板を効率よく作製できる。【００２７】
本発明のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法は、回転対称性を有さない面を備えるサファイア基板を用いて、前記回転対称性を有さない面上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶を１００μｍ超の厚さに結晶成長させて、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板を作製する工程と、前記β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板からサファイア基板を除去して、厚さが１００μｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を作製する工程と、を有する構成なので、自立基板として利用でき、安価なβ−Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を提供することができる。これにより、大面積なβ−Ｇａ２Ｏ３エピウェハを提供でき、容易にパワー半導体に応用できる。【００２８】
本発明の研磨β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法は、先に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法により製造された、厚さが１００μｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を種結晶として結晶成長させて、厚さが１ｍｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶インゴットを作製する工程と、前記β―Ｇａ２Ｏ３単結晶インゴットを切断して、厚さ1００μｍ以上のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を作製する工程を有する構成なので、パワー半導体の製造工程の手間とコストを大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板の一例を示す図であって、平面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板の一例を示す図であって、側面図である。
【図２】本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法の一例を示すフローチャート図である。
【図３Ａ】サファイア基板の一例を示す図であって、斜視図である。
【図３Ｂ】サファイア基板の一例を示す図であって、平面図である。
【図３Ｃ】サファイア基板の一例を示す図であって、側面図である。
【図４Ａ】切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、平面図である。
【図４Ｂ】切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、側面図である。
【図４Ｃ】切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、別の角度の側面図である。
【図５Ａ】切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、平面図である。
【図５Ｂ】切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、側面図である。
【図５Ｃ】切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、別の角度の側面図である。
【図６Ａ】切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、平面図である。
【図６Ｂ】切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、側面図である。
【図６Ｃ】切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、別の角度の側面図である。
【図７】本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法の一例を示す工程図である。
【図８】本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法の別の一例を示す工程図である。
【図９】β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例１）のω−２θスキャンＸ線回折プロファイルである。
【図１０】融液成長によるβ−Ｇａ２Ｏ３自立基板の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。
【図１１】β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例１）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。
【図１２】得られたβ−Ｇａ２Ｏ３膜（比較例１）のω−２θスキャンＸ線回折プロファイルである。
【図１３】β−Ｇａ２Ｏ３膜（比較例１）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。
【図１４】β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例４）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。
【図１５】β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例５）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。
【図１６】β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例６）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。
【図１７】β−Ｇａ２Ｏ３の結晶構造模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（本発明の第１の実施形態）
（β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板）
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態であるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法及びβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板を説明する。
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板の一例を示す図であって、図１Ａは平面図、図１Ｂは側面図である。【００３１】
図１Ｂに示すように、本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板３１は、サファイア基板２１と、サファイア基板２１上に形成されたβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１と、を有して概略構成されている。サファイア基板２１には、切断面２１ａ若しくは形成方法を限定することなく形成された面２１ａ（以下、総称して「面２１ａ」という。）が形成されており、面２１ａ上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１が成膜されている。面２１ａの各コーナー（角）に、上面視で反時計回りに、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕと名付ける。以下図３Ａから図６Ｃについても同様に名付ける。後述するように、ＰＱＲＳＴＵの面２１ａは、その法線方向の軸に対して回転対称性を有しない。【００３２】
（β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層）
図１Ａには、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１が平面視形状で６角形に描かれているが、便宜上のものであり、実際に六角形の結晶が成長されるわけではない。β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の平面形状は用いるサファイア基板のそれによる。通常は円形か四角形状である。【００３３】
β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１は、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶のみからなる。β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１の膜厚ｔは、３００ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。また、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１の径ｄは２インチ以上であることが好ましい。これらにより、大面積なβ−Ｇａ２Ｏ３エピウェハを提供でき、容易にパワー半導体に応用できる。【００３４】
β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１は、対称性の低い単斜晶系に属する結晶構造を有する（図１７参照）。この結晶は、［０１０］軸周り以外では回転対称性を有さない。面内で回転対称性をもたない基板を用いることにより、その基板上に単結晶層を形成できる。【００３５】
（サファイア基板）
サファイアは、α−アルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３）の結晶体である。その結晶構造は、図３Ａに示すように、近似的に（正確には菱面体晶系）に表される。ここで、ａ１軸、ａ２軸、ａ３軸は何れもｃ面に平行な軸であり、それぞれの方向をａ１軸方向（［２−１−１０］方向）、ａ２軸方向（［−１２−１０］方向）、ａ３軸方向（［−１−１２０］方向）としているが、この結晶構造は３回の回転対称性を有しており、これら３つの軸のいずれも等価であるので、以下総称してａ軸方向（＜２−１−１０＞方向）という。また、（ｃ面は、ｃ軸に垂直である。上述する面２１ａは、ａ１軸方向にオフ角θ２１ａだけｃ面から傾斜する面（以下、「傾斜面」ともいう）を含んでよい。この面２１ａがｃ面と交差したときにできる交差線は、ａ１軸に垂直な［０−１１０］方向に延びる直線となり、この交差線を回転軸のようにして、ｃ面からオフ角θ２１ａだけ回転した面に面２１ａは相当する。このとき、前記交差線に垂直でｃ面に平行なａ１軸は、前記交差線に垂直で面２１ａに平行なａ２１軸と、オフ角θ２１ａで交わることになる。このとき、オフ方向とは、ａ１軸方向のことを意味することができ、３回の回転対称性を考慮すれば、ａ軸方向とも言える。サファイア基板２１の面２１ａは、ｃ面に対してａ軸方向（オフ方向）に１０°の角度θ２１ａ（オフ角度）でサファイア基板２１を切断又は他の方法により形成されている（図１Ｂ）。【００３６】
しかし、オフ角度はこの１０°に限られるものではなく、ｃ面に対して、後述する種々の角度が考えられる。ここで、サファイア基板２１のｃ面に対する傾斜は、ａ１軸（即ち、ａ軸）方向以外の方向に取ることができる。例えば、ａ１軸及びａ２’軸の中間のｍ軸方向である（図３Ａ参照）。更に、ａ１軸及びｍ軸の間の任意の方向（これらを総称して「オフ方向」という）が考えられる。即ち、面２１ａは、オフ方向及びオフ角度により規定できる。例えば、ａ軸方向等を含むオフ方向に５°以上２５°以下の所定の角度（オフ角度）でサファイア基板２１を切断又は他の方法により形成することができる。【００３７】
β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１は、サファイア基板２１の面２１ａ上にエピタキシャル成長する。仮に面２１ａがｃ面であれば、β―Ｇａ２Ｏ３結晶の（−２０１）面が前記面２１ａ上において成長する。一方、面２１ａがｃ面からオフ方向にオフ角度だけ傾斜して形成されているならば、β―Ｇａ２Ｏ３結晶の対応する面が前記面２１ａ上において成長する。このβ―Ｇａ２Ｏ３結晶の対応する面は、β―Ｇａ２Ｏ３結晶の（−２０１）面から対応するオフ方向にオフ角度だけ傾斜された面である。具体的には、サファイア基板のｃ面にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層が形成された場合、そのｃ面からオフ方向にオフ角で形成された面２１ａと平行又は等価な面により形成されたβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層を切った面に相当する面（以下「対応する面」という）が、前記面２１ａ上にエピタキシャル成長される。このようにして、β―Ｇａ２Ｏ３結晶の（−２０１）面がｃ面に平行になるようにβ―Ｇａ２Ｏ３結晶がエピタキシャル成長する。
尚、ここで、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の対応する面には、６種類ある。上述するように、ｃ面の酸素原子配列は６回の回転対称性がある一方、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶の（−２０１）面は回転対称性がないためである。そして、ｃ面上ではこれらの６種類の単結晶領域は、それぞれ同等の速度で成長するので、結果として１種類のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層を得ることが困難である。しかしながら、後述するように、上記オフ方向及びオフ角によって規定される上記β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の対応する面の６種類は、いずれか１種類が支配的に生成及び／又は成長すると考えられ、それによってβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層を容易に形成することができる。言い換えると、オフ方向及びオフ角を変えると、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の対応する６種類の面において、結晶生成及び／又は結晶成長速度がそれぞれに変化し、ある条件を満たせば、１種類の面の結晶生成及び／又は結晶成長速度が支配的になると考えられる。【００３８】
再び、サファイア基板に話を戻す。上述するようなオフ方向及びオフ角の範囲内であれば、サファイア基板２１の面２１ａは、β―Ｇａ２Ｏ３結晶の対応する面と、原子配列の類似性を備えるが、β―Ｇａ２Ｏ３結晶は、［０１０］軸周り以外では回転対称性を有さないので、β―Ｇａ２Ｏ３結晶の対応する面は回転対称性を有せず、また、面２１ａも回転対称性を有しない。
オフ角度が０°より大きく５°未満の場合には、面２１ａは結晶学的には回転対称性を有しないと言えるが、ｃ面の回転対称性の影響をより強く受け、工業的には回転対称性があるように機能するおそれがある。逆に、オフ角度が２５°超の場合には、面２１ａの原子配列が成長するβ−Ｇａ２Ｏ３の対応する面の原子配列と合わなくなったり（即ち、類似性が低い又は極めて低い又は無い）、面２１ａが別の高対称面に近づき、結晶学的には回転対称性を有しなくても、工業的には回転対称性があるように機能するおそれがある。
面２１ａの回転対称性は、オフ方向依存性があり、ａ軸方向がより好ましいが、ｍ軸方向であっても、十分に低い回転対称性の面を得ることができる。【００３９】
ここで、結晶の回転対称性とは、結晶学的には次のような意味である。すなわち、結晶をある軸の周りに所定の角度だけ回転させたとき、各原子の配置が回転前の配置と厳密に一致するとき、回転対称性があるという。その回転角度が３６０°／ｎ（ｎ＝２，３，４，６）であるとき、その結晶は前記の軸の周りにｎ回の回転対称性をもつという。前記の軸のことをｎ回回転軸という。また、ｎ回回転軸を法線とする結晶面をｎ回の回転対称面という。ｎ回の回転対称面は、その面内に、ｎ個の等価な方向が３６０°／ｎの角度間隔で存在する。ｎが大きいことを回転対称性が高いと称する。
また、回転対称性のずれは、次のように表現することもできる。まず、ｘｙｚ空間内に結晶を置く。ｚ軸を着目するｎ回転対称軸と平行に定めると、ｘｙ平面がｎ回回転対称面となる。ｙｚ面内でｚ軸からｙ軸に向かって角度θだけ傾いた軸を考え、ｚ’軸と呼ぶ。結晶をｚ軸の周りに３６０°／ｎの整数倍の角度φで回転させれば、結晶内の任意の原子は元の位置と完全に重なる。しかし、ｚ’軸の周りに回転させた場合にはずれが生じる。ずれの大きさは、ｎ＝２，４，６の場合にはφ＝１８０°のときに最大となる。そのずれは着目する原子の回転前の位置とｚ軸との距離に対する比率として、次のように表せる。
ｄ１８０＝［２（１−ｃｏｓ（２θ））］１／２×１００        ［％］
ｎ＝３の場合には、φ＝１２０°、２４０°でずれが最大となり、その量は次のように表せる。
ｄ１２０＝３＾０．５／２×［３−２ｃｏｓ（θ）−ｃｏｓ（２θ）］１／２×１００        ［％］
サファイアｃ面の上にβ−Ｇａ２Ｏ３を成長させる場合、問題になるのはサファイアｃ面内の酸素原子配列（ｎ＝６）と考えられる。例えば、θ＝５°のときはｄ１８０＝１７．４％となる。それゆえ、ｄ１８０が概ね２０％以上であれば、面内回転ドメインの発生を抑制し得るという意味において回転対称性が失われていると言ってよいかもしれない。もちろん、このような閾値はユニバーサルなものではなく、実際に結合に預かる原子の種類や個数、配置により大きく変わり得る。【００４０】
さて、上記のような回転対称性を有する面から傾斜した（オフ角度を有する）傾斜面を考える。この場合、前記傾斜面の法線は、傾斜前の回転対称軸とは異なるから、この法線の周りに結晶を３６０／ｎ°だけ回転しても、各原子の位置は回転前の位置とは厳密には一致しない。すなわち、厳密な意味では元の回転対称性は失われる。ただし、傾斜が小さければ各原子のずれは小さく、回転対称性は概ね保存されると言ってよい。ｎ回の回転対称面である基板面にβ−Ｇａ２Ｏ３が回転対称性を有さない配向で成膜される場合、基板面のｎ個の等価な方向に沿って、ｎ種類の異なる面内配向を有するβ−Ｇａ２Ｏ３のドメインが同時に形成されうる。基板面がｎ回対称面から傾斜している場合、オフ角度が微小であれば元の回転対称性が概ね保存されているので、依然としてｎ種類のドメインが概ね同じ割合で現れるであろう。しかしオフ角度が０°から増大するに伴って回転対称性は失われ、特定の方向に沿ったドメインが優勢となり、ついには単一の配向になる（単結晶化）。ただし、そのためには成長層と基板との結晶構造の類似性が維持されていることが前提となる。以下、この類似性について述べる。【００４１】
異種基板上の結晶成長において、高品質な結晶層を得るためには、基板と結晶層との結晶構造の類似性が重要である。類似性というのは、さらに２つの要件に分けられる。一つは、結晶系が似通っているということである。二つ目は、その上で原子間隔が近いことである。例えば、サファイアｃ面とβ−Ｇａ２Ｏ３の（−２０１）面はいずれも三角格子状の酸素原子配列を有し、原子間距離のミスマッチも約６．４％と比較的小さい。すなわち、類似性が高い。それゆえ、サファイアｃ面上には（−２０１）配向のβ−Ｇａ２Ｏ３が容易に成長できる。しかし、上述した回転対称性のため、複数種の面内回転ドメインが生成する問題がある。即ち、上記の場合の類似性は、対象となる面が互いに相似な酸素原子配列を有するとき、β−Ｇａ２Ｏ３とサファイアの面内格子定数をそれぞれＬＧ、ＬＳとすれば、δ＝（ＬＧ−ＬＳ）／ＬＧを指標として考えることができる。δが約１０％以内、１５％以内、２０％以内等の範囲内であれば、類似性があると言えるかもしれない。例えば、β−Ｇａ２Ｏ３の面内格子定数ＬＧ＝０．２９４０ｎｍであり、サファイアの面内格子定数ＬＳ＝０．２７５２ｎｍであるとき、δ＝（ＬＧ−ＬＳ）／ＬＧ＝（０．２９４０−０．２７５２）／０．２９４０＝０．０６４（＝６．４％）であり、これらは十分に類似する。【００４２】
以上のように、回転対称性の無い基板面を用いることで、上述したように複数の種類の面内回転ドメインの形成を抑制することができる。ある程度以上のオフ角度とすることで、回転対称性が十分に失われ、好適な結果が得られる。しかし、オフ角度が大きすぎるとこの類似性が大きく失われることにより、別の面外配向のドメインが混入するなどの不具合が起こり得る。結局、サファイアｃ面に対して（−２０１）配向のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を形成する場合、オフ角度は５−２５°程度が好適と考えられる。これは、以下のように解釈することができる。
あるオフ角度で面内回転ドメインが形成されなくなるということは、基板結晶面に成長する結晶層が、ある特定の面内配向をとるときに、界面エネルギーが他の面内配向に比べて十分に小さくなるということである。サファイアｃ面基板に（−２０１）配向のβ−Ｇａ２Ｏ３を形成する場合、概ね５°以上の傾斜とすることで上記のエネルギー差が十分に大きくなり、面内回転ドメインが抑制されるようである。
また、その特定の配向が、他の面外配向よりも優勢になるということは、その特定の配向となった場合に界面エネルギーが他の面外配向に比べて十分小さいということである。これは上述した類似性が高いということと等価である。サファイアｃ面基板に（−２０１）配向のβ−Ｇａ２Ｏ３を形成する場合、類似性の観点からはオフ角度がゼロの場合が最も良いと考えられる。オフ角度がゼロでない場合でも、２５°程度までは他の配向に比べてエネルギー的に優勢であり、（−２０１）配向が維持されると考えられる。
なお、結晶層と基板面との界面エネルギーは、結晶層と基板面との結合にあずかる原子の種類と数、結合距離などに複雑に依存し、好適な傾斜角度範囲、すなわちある特定の配向の界面エネルギーが最小である角度範囲は、個別のケースで大きく変わり得る。具体的なエネルギー値の計算は容易ではないが、結局は傾斜角度と傾斜方向の関数となるので、本発明の実施に際してはそれらを制御パラメータとして用いればよい。【００４３】
（β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法）
次に、本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法について説明する。図２は、本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法の一例を示すフローチャート図である。図２に示すように、本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法は、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層形成工程Ｓ１を有する。【００４４】
（β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層形成工程Ｓ１）
この工程では、サファイア基板を切断して、回転対称性を有さない面を形成したサファイア基板を用いて、前記面上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層を形成する 。まず、サファイア基板に回転対称性を有さない面を形成する。具体的には、（０００１）面に対して、例えば、ａ軸方向に５°以上２５°以下の角度でサファイア基板を切断して、前記サファイア基板に回転対称性を有さない面を形成する。【００４５】
図３Ａから図３Ｃは、サファイア基板の一例を示す図であって、図３Ａは斜視図、図３Ｂは平面図、図３Ｃは側面図である。図３Ａに示すように、サファイア基板は、（０００１）面、（１−１０２）面、（１１−２０）ａ面を有している。図３Ｂに示すように、（０００１）面は平面視六角形状であり、その中心でａ１、ａ２、ａ３、ａ１’、ａ２’、ａ３’の各軸が交わり、（０００１）面の酸素原子配列は６回対称とされており、各軸のなす角、例えば、θａ１−ａ３’は６０°とされている。中心からａ１とａ２’の間の［１０−１０］あるいはその等価な方向（＜１０−１０＞）にｍ軸が形成されている。図３Ｃに示すように、切断面は形成されず、オフ角度θ２１ａは０°とされている。【００４６】
図４Ａから図４Ｃは、切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、図４Ａは（０００１）面を底にした場合の平面図、図４Ｂは辺ＱＲ方向から見た側面図、図４Ｃは辺ＲＳ方向から見た側面図である。図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、ｃ面サファイア基板２１を切断して、ａ１軸方向に２°のオフ角度θ２１ａを有するように面２１ａを形成して、ａ１軸方向２°オフ角度サファイア基板としたものである。ここで、ａ２１軸、ａ２２軸、ａ２３軸は、それぞれ、前記の面に沿った軸であり、Ｃ軸方向に正射影すれば、それぞれ、ａ１軸、ａ２軸、ａ３軸に重なる（図１Ｂ、図５Ｂ、図５Ｃ、図６Ｂ、図６Ｃについて同様）。図４Ａに示すように、面２１ａは略平面視六角形状であるが、面２１ａの法線の周りに結晶構造全体を回転させたとき、３６０°の回転以外は元の構造に重ならない。すなわち、面２１ａは回転対称性を有さない。【００４７】
図５Ａおよび図５Ｂは、切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、図５Ａは（０００１）面を底にした場合の平面図、図５Ｂは辺ＱＲ方向から見た側面図、図５Ｃは辺ＲＳ方向から見た側面図である。図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、ｃ面サファイア基板２１を切断して、ａ１軸方向に１０°のオフ角度θ２１ａを有するように面２１ａを形成して、ａ１軸方向１０°オフ角度サファイア基板としたものである。図４Ｂの２°オフのときと同様に、面２１ａは回転対称性を有さない。【００４８】
図６Ａから図６Ｃは、切断面を形成したサファイア基板の一例を示す図であって、図６Ａは（０００１）面を底にした場合の平面図、図６Ｂは辺ＱＲ方向から見た側面図、図６Ｃは辺ＲＳ方向から見た側面図である。図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、ｃ面サファイア基板２１を切断して、ａ１軸方向に２５°のオフ角度θ２１ａを有するように切断面２１ａを形成して、ａ１軸方向２５°オフ角度サファイア基板としたものである。図４Ｂの２°オフのときと同様に、切断面２１ａは回転対称性を有さない。【００４９】
次に、前記の面上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層を形成する。この場合、（−２０１）面がサファイアのオフ角度と同じだけ傾斜した表面を有するβ−Ｇａ２Ｏ３が成長する。具体的には、蒸着法、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法及びＨＶＰＥ法のいずれか一の方法により、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶をホモエピタキシャル成長させて、前記面上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層を形成する。成膜条件は、各成膜法に応じて、例えば、実施例に記載の条件とすることにより、単結晶層を容易に形成することができる。【００５０】
（本発明の第２の実施形態）
（β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶及びその製造方法）
図７は、本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法の一例を示す工程図である。まず、ａ軸方向に５°以上２５°以下のオフ角度を有するｃ面サファイア基板２１を準備する。具体的には、（０００１）面に対してａ軸方向に５°以上２５°以下の角度でサファイア基板を切断して、前記サファイア基板に回転対称性を有さない切断面を形成する。【００５１】
次に、切断面上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１を形成する。この場合、（−２０１）面がサファイアのオフ角度と同じだけ傾斜した表面を有するβ−Ｇａ２Ｏ３が成長する。具体的には、蒸着法、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法及びＨＶＰＥ法のいずれか一の方法により、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶をホモエピタキシャル成長させて、前記切断面上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層を形成する。所定の時間成長を行い、厚さを１００μｍ超とする。【００５２】
次に、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板からサファイア基板２１を除去する。その後、更に、片面または両面を研磨処理してもよい。以上により、デバイス作製上必要なピンセット等での取り扱いが可能な、厚さ１００μｍ超のβ−Ｇａ２Ｏ３自立単結晶からなる１２を得ることができる。これは自立基板として利用できる。【００５３】
この自立基板１２はパワー半導体の基板や半導体層に応用できる。例えば、絶縁性基板として自立基板を形成した場合には、その表面に横型構造のデバイスを作製することとなる。また、導電性を付与して自立基板を形成した場合には、自立基板の表裏面に電極を有する、縦型構造のデバイスを作製することもできる。なお、本実施形態で示した条件で結晶成長させた場合には、雰囲気ガス成分が工程過程で取り込まれ、通常、半導体性が付与される。絶縁性とするためには、取り込まれる成分を打ち消す成分を工程過程で添加する。また、この自立基板を種結晶として結晶成長させることにより、単結晶インゴットを作製でき、これをスライスすることにより、複数の自立単結晶を作製でき、製造工程の手間とコストを大幅に低減できる。【００５４】
（本発明の第３の実施形態）
（β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶及びその製造方法）
図８は、本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法の別の一例を示す工程図である。本発明の第２の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法で得られた、厚さが１００μｍ超のβ−Ｇａ２Ｏ３自立単結晶からなる１２を種基板として用い、さらにＨＶＰＥ成長を行った。所定の時間成長を行い、厚さを１ｍｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶インゴット１３を作製する。【００５５】
次に、厚さが１ｍｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶インゴット１３を切断して、厚さ１００μｍ以上のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶１４を作製する。例えば、ワイヤソーでスライスする。さらに、β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶１４を研磨して、研磨された表面を有するβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を作製してもよい。【００５６】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法は、回転対称性を有さない切断面２１ａを形成した単結晶基板を用いて、切断面２１ａ上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１を形成する構成なので、気相成長法で、容易かつ安価なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法を提供することができる。これにより、大面積なβ−Ｇａ２Ｏ３エピウェハを安価で製造することができる。更に、高耐圧・低消費電力の高性能な次世代パワー半導体デバイスを作製できる。【００５７】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法は、前記基板がサファイア基板２１である構成なので、気相成長法で、容易かつ安価なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法を提供することができる。これにより、大面積なβ−Ｇａ２Ｏ３エピウェハを安価で製造することができる。更に、高耐圧・低消費電力の高性能な次世代パワー半導体デバイスを作製できる。【００５８】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法は、（０００１）面に対してａ軸方向に５°以上２５°以下の角度でサファイア基板２１を切断して、サファイア基板２１に回転対称性を有さない面２１ａを形成する構成なので、気相成長法で、容易かつ安価なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法を提供することができる。【００５９】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法は、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法及びＨＶＰＥ法のいずれか一の方法により、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶をホモエピタキシャル成長させて、面２１ａ上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１を形成する構成なので、気相成長法で、容易かつ安価なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法を提供することができる。【００６０】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板３１は、サファイア基板２１と、サファイア基板２１上に形成されたβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１と、を有し、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶１１の厚さが３００ｎｍ以上１００μｍ以下である構成なので、高品質で安価なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層を提供することができる。これにより、大面積なβ−Ｇａ２Ｏ３エピウェハを提供でき、容易にパワー半導体に応用できる。【００６１】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板３１は、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１が径２インチ以上である構成なので、高品質で安価なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層を提供することができ、大面積なβ−Ｇａ２Ｏ３エピウェハを提供でき、容易にパワー半導体に応用できる。【００６２】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板３１においては、サファイア基板２１に、回転対称性を有さない面２１ａが形成されており、面２１ａ上に前記β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層１１が成膜されている構成なので、安価なサファイア基板上に形成した高品質なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層を提供することができる。これにより、大面積なβ−Ｇａ２Ｏ３エピウェハを提供でき、容易にパワー半導体に応用できる。【００６３】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層／サファイア基板３１は、面２１ａが、（０００１）面に対してａ１軸方向に５°以上２５°以下の角度でサファイア基板２１を切断して形成されている構成なので、安価なサファイア基板上に形成した高品質なβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層を提供することができる。【００６４】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶１２、１４は、厚さが１００μｍ超である構成なので、デバイス作製上必要なピンセット等での取り扱いが可能な自立基板として利用することができる。また、この自立基板をパワー半導体の基板や半導体層に応用できる。例えば、絶縁性基板にして用い、その表面に横型構造のデバイスを作製することができる。また、自立基板に導電性を付与することにより、自立基板の表裏面に電極を有する、縦型構造のデバイスを作製することもできる。つまり、大面積の下地基板を用いれば、大面積のβ−Ｇａ２Ｏ３自立基板を作ることができ、デバイスの表裏面に電極を有する、縦型構造のデバイス作製にも応用が可能となる。また、この自立基板を種結晶として単結晶インゴットを作製でき、これをスライスすることにより、複数の単結晶板を効率よく作製できる。【００６５】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶１２の製造方法は、回転対称性を有さない切断面を形成したサファイア基板２１を用いて、前記切断面上にβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶を１００μｍ超の厚さに結晶成長させて、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板３１を作製する工程と、前記β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板３１からサファイア基板２１を除去して、厚さが１００μｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶１２を作製する工程と、を有する構成なので、β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶１２をデバイス製造上必要なピンセット等での取り扱いが可能な自立基板として利用でき、安価なβ−Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を提供・製造することができる。本発明の方法を用いれば、大面積化に関して制限無く利用でき、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層を自立可能な程度に厚くしたうえで下地基板を除去することによって、大面積なβ−Ｇａ２Ｏ３の自立基板を製造することができる。【００６６】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶１４の製造方法は、先に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法により製造された、厚さが１００μｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶１２を種結晶として結晶成長させて、厚さが１ｍｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶インゴット１３を作製する工程と、厚さが１ｍｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶インゴット１３を切断して、厚さ１００μｍ以上のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶１４を作製する工程と、を有する構成なので、製造工程の手間とコストを大幅に低減できる。【００６７】
本発明の実施形態であるβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法は、先に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法で製造されたβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶１４の少なくとも片面を研磨する工程を含む構成なので、研磨された表面を有するβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を作製することができる。【００６８】
本発明の実施形態であるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板、β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶及びその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００６９】
（実施例１）
（β−Ｇａ２Ｏ３膜成長）
まず、ｃ面サファイア基板を切断して、ａ軸方向に５°のオフ角度を有するように切断面を形成して、ａ軸方向５°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて、表２に示す成長条件で、前記切断面上にβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例１）を成長させた。【００７０】
【表２】
2015147101.tif 000004
【００７１】
（β−Ｇａ２Ｏ３膜評価）
（ＸＲＤ）
まず、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例１）のＸＲＤ測定を行った。図９は、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例１）のω−２θスキャンＸ線回折プロファイルである。図９に示すように、β−Ｇａ２Ｏ３の（−２０１）およびその高次回折である（−４０２）、（−６０３）、（−８０４）のみが現れた。このことから、得られたβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例１）は（−２０１）面が基板と略平行な配向を有していることが分かった。ただし、基板であるサファイアの切断面に対してオフ角度の分だけ傾いていた。つまり、β−Ｇａ２Ｏ３膜の（−２０１）面は、上記切断面に平行に成長したのではなく、サファイアｃ面に平行になるように成長したのである。しかし、これだけでは単結晶膜が得られたとはいえない。基板面内で回転した領域があるかもしれないし、予想外の方向に大きく傾いた領域があってもω−２θスキャンではわからないからである。【００７２】
（極点図（Ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定）
次に、極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定を行った。まず、リファレンスとして、融液成長によるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定を行った。図１０は、融液成長によるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。図１０に示すように、単結晶であるが（００２）と（−２０２）の２つの回折スポットが現れた。β−Ｇａ２Ｏ３は（−２０１）の法線まわりに回転対称性をもたないので、単結晶であれば回折スポットは通常１箇所しか現れない。しかし、β−Ｇａ２Ｏ３にはブラッグ角が極めて近い回折があるので、単結晶であっても（００２）回折のほかに（−２０２）回折が同時に現れるためである。【００７３】
次に、得られたβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例１）の（００２）回折を狙って線ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ測定を行った。図１１は、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例１）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。図１１に示すように、図１０と全く同じパターンが現れた。以上のＸＲＤの結果と極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定の結果によって、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例１）は単結晶であると判断した。【００７４】
（実施例２）
まず、ｃ面サファイア基板を切断して、ａ軸方向に１０°のオフ角度を有するように切断面を形成して、ａ軸方向１０°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて、表３に示す成長条件で、前記切断面上にβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例２）を成長させた。【００７５】
【表３】
2015147101.tif 000005
【００７６】
まず、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例２）のＸＲＤを測定した。得られたβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例２）のω−２θスキャンＸ線回折プロファイルには、実施例１と同様にβ−Ｇａ２Ｏ３の（−２０１）およびその高次回折のみが現れた。次に、極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定を行った。β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例２）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）には、実施例１と同様に（００２）と（−２０２）の回折スポットが一組だけ現れた。以上のＸＲＤの結果と極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定の結果によって、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例２）は単結晶であると判断した。【００７７】
（実施例３）
まず、ｃ面サファイア基板を切断して、ａ軸方向に２５°のオフ角度を有するように切断面を形成して、ａ軸方向に２５°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて、表４に示す成長条件で、前記切断面上にβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例３）を成長させた。【００７８】
【表４】
2015147101.tif 000006
【００７９】
まず、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例３）のＸＲＤを測定した。得られたβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例３）のω−２θスキャンＸ線回折プロファイルには、実施例１と同様にβ−Ｇａ２Ｏ３の（−２０１）およびその高次回折のみが現れた。次に、極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定を行った。β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例２）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）には、実施例１と同様に（００２）と（−２０２）の回折スポットが一組だけ現れた。以上のＸＲＤの結果と極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定の結果によって、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例３）は単結晶であると判断した。【００８０】
（比較例１）
まず、ｃ面サファイア基板を準備した。ｃ面サファイア基板はオフ角度をつけていない基板である。次に、ＨＶＰＥ法を用いて、表２に示す成長条件で、ｃ面上にβ−Ｇａ２Ｏ３膜（比較例１）を成長させた。【００８１】
まず、β−Ｇａ２Ｏ３膜（比較例１）のＸＲＤを測定した。図１２は、得られたβ−Ｇａ２Ｏ３膜（比較例１）のω−２θスキャンＸ線回折プロファイルである。実施例１と同様にβ−Ｇａ２Ｏ３の（−２０１）およびその高次回折のみが現れた。このことから、得られたβ−Ｇａ２Ｏ３膜（比較例１）は、実施例１と同様に（−２０１）面が基板と平行な配向を有していると分かった。【００８２】
次に、極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定を行った。図１３は、β−Ｇａ２Ｏ３膜（比較例１）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。実施例１とは異なり、単結晶膜であれば１組しか現れないはずの（００２）、（−２０２）回折が６回対称の位置に現れた。このことは、このβ−Ｇａ２Ｏ３膜が膜面内で６０°ずつ回転した６種類の配向のドメインを有しており、単結晶ではないことを示している。以上の極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定の結果によって、β−Ｇａ２Ｏ３膜（比較例１）は単結晶ではないと判断した。【００８３】
（実施例４）
まず、ｃ面サファイア基板を切断して、ａ軸方向に２°のオフ角度を有するように切断面を形成して、ａ軸方向２°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、ＨＶＰＥ法を用いて、表２に示す成長条件で、切断面上にβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例４）を成長させた。【００８４】
まず、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例４）のＸＲＤを測定した。実施例１と同様にβ−Ｇａ２Ｏ３の（−２０１）およびその高次回折のみが現れた。このことから、得られたβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例４）は、実施例１と同様に（−２０１）面は基板のｃ面と平行になるような配向を有していると分かった。【００８５】
次に、極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定を行った。図１４は、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例４）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。比較例１では６組現れていた回折スポットが３組に減少し、残ったスポットの強度（図中の数字はそれぞれの回折スポットの強度を示している）も１組だけが突出しいる。このことは、実施例４で得られたβ−Ｇａ２Ｏ３膜の配向が比較例１の配向よりもかなり改善したことを示している。即ち、ある程度のオフ角を設けることにより、異なる方位の数が減少したことがわかる。しかし、依然として異なる方位のドメインが検出されていることには変わりなく、すなわち単結晶ではないことを示している。以上の極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定の結果によって、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例４）は単結晶ではないと判断した。【００８６】
（実施例５）
まず、ｃ面サファイア基板を切断して、ｍ軸方向に５°のオフ角度を有するように切断面を形成して、ｍ軸方向５°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、ＨＶＰＥ法を用いて、表２に示す成長条件で、切断面上にβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例５）を成長させた。【００８７】
まず、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例５）のＸＲＤを測定した。実施例１と同様にβ−Ｇａ２Ｏ３の（−２０１）およびその高次回折のみが現れた。このことから、得られたβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例５）は、実施例１と同様に（−２０１）面は基板のｃ面と平行になるような配向を有していると分かった。【００８８】
次に、極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定を行った。図１５は、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例５）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。同じオフ角度でもａ１軸方向のオフであった実施例１の場合とは大きく異なり、ｍ軸方向のオフ基板を用いた実施例５では依然として６回対称の位置に回折スポットが現れていた。しかしながら、３０°、２７０°、１５０°あたりに現れるスポットは薄く、この結晶配向の領域が少なくなっていると推察される。従って、図１４と同様に、ある程度のオフ角を設けることにより、異なる方位の数が減少したことがわかる。しかし、配向があまり改善しておらず、単結晶ではないことを示している。以上の極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定の結果によって、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例５）は単結晶ではないと判断した。ただし、オフ角度がゼロの場合に比べると特定の方向のピーク強度が増大しており、面内配向改善の傾向は見られる。オフ角度や成長条件の最適化により単結晶化することは充分に考えられる。【００８９】
（実施例６）
まず、ｃ面サファイア基板を切断して、ｍ軸方向に５７．６°のオフ角度を有するように切断面を形成して、ｍ軸方向５７．６°オフ角度サファイア基板を準備した。次に、ＨＶＰＥ法を用いて、表２に示す成長条件で、切断面上にβ−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例６）を成長させた。【００９０】
極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定を行った。図１６は、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例６）の（００２）極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）である。単結晶膜であれば１箇所しか現れないはずの回折スポットが比較例１に比べて少なくなっているものの、複数現れていた。よって、複数の配向の混在した膜が得られ、単結晶ではないことを示している。以上の極点図（ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）測定の結果によって、β−Ｇａ２Ｏ３膜（実施例６）は単結晶ではないと判断した。表５に、条件及び結果をまとめた。【００９１】
【表５】
2015147101.tif 000007
【００９２】
（実施例７）
本発明に関わる第７の実施例を説明する。はじめにｃ面サファイア基板を準備した。ただし、ａ軸方向に１０°のオフ角度を有するサファイア基板である。この基板の上に、実施例１と同様にしてＨＶＰＥ法によりβ−Ｇａ２Ｏ３層を成長させた。ただし、実施例１の場合よりも成長時間を長くし、厚さが５００μｍになるまで成長を続けた。成長後にサファイア基板を除去することにより、β−Ｇａ２Ｏ３の自立単結晶を得ることができた。【００９３】
（実施例８）
本発明に関わる第８の実施例を説明する。実施例７で得られたβ−Ｇａ２Ｏ３の自立単結晶を種基板として用い、さらにＨＶＰＥ成長を行った。成長条件は表６の通りであり、厚さが５ｍｍになるまで成長を続けた。【００９４】
【表６】
2015147101.tif 000008
【００９５】
成長後のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶インゴットをワイヤソーでスライスすることにより、厚さ６００μｍのウェハブランクが７枚得られた。これらの両面を研磨することにより、厚さ４００μｍのβ−Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を複数、同時に得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板、β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶及びその製造方法は、気相成長法で、容易かつ安価にβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層及びβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板を製造でき、容易かつ安価にβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を製造できる製造方法に関するものであり、大面積なβ−Ｇａ２Ｏ３エピウェハを安価で量産することができ、次世代パワー半導体デバイス産業などに利用可能性がある。
【符号の説明】
【００９７】
１１…β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層、１２…β−Ｇａ２Ｏ３自立単結晶、１３…β−Ｇａ２Ｏ３単結晶インゴット、１４…β−Ｇａ２Ｏ３自立単結晶、２１…サファイア基板（基板）、２１ａ…切断面、３１…β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
【図１Ａ】
2015147101.tif 000009
【図１Ｂ】
2015147101.tif 000010
【図３Ａ】
2015147101.tif 000011
【図３Ｂ】
2015147101.tif 000012
【図３Ｃ】
2015147101.tif 000013
【図４Ａ】
2015147101.tif 000014
【図４Ｂ】
2015147101.tif 000015
【図４Ｃ】
2015147101.tif 000016
【図５Ａ】
2015147101.tif 000017
【図５Ｂ】
2015147101.tif 000018
【図５Ｃ】
2015147101.tif 000019
【図６Ａ】
2015147101.tif 000020
【図６Ｂ】
2015147101.tif 000021
【図６Ｃ】
2015147101.tif 000022
【図９】
2015147101.tif 000023
【図１２】
2015147101.tif 000024
【図１７】
2015147101.tif 000025
【図２】
2015147101.tif 000026
【図７】
2015147101.tif 000027
【図８】
2015147101.tif 000028
【図１０】
2015147101.tif 000029
【図１１】
2015147101.tif 000030
【図１３】
2015147101.tif 000031
【図１４】
2015147101.tif 000032
【図１５】
2015147101.tif 000033
【図１６】
2015147101.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月3日(2017.2.3)
【手続補正１】
【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】
（０００１）面に対してａ軸方向に５°以上２５°以下の所定の角度で傾斜した傾斜面を備えるサファイア基板を用いて、前記傾斜面上に（−２０１）配向したβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層を形成することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法。
【請求項２】
前記サファイア基板の前記傾斜面を、（０００１）面に対してａ軸方向に５°以上２５°以下の所定の角度で切断して形成することを特徴とする請求項１に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法。
【請求項３】
蒸着法、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法及びＨＶＰＥ法のいずれか一の方法により、β―Ｇａ２Ｏ３結晶をヘテロエピタキシャル成長させて、前記傾斜面上にβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層を形成することを特徴とする請求項１に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層の製造方法。
【請求項４】
（０００１）面に対してａ軸方向に５°以上２５°以下の所定の角度で傾斜した傾斜面を持つサファイア基板と、前記サファイア基板の前記傾斜面上に形成された（−２０１）配向したβ―Ｇａ２Ｏ３結晶層と、を有することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
【請求項５】
前記β―Ｇａ２Ｏ３結晶層は、前記傾斜面からの厚さが３００ｎｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
【請求項６】
前記β―Ｇａ２Ｏ３結晶層は、前記傾斜面からの厚さが１００μｍ超であることを特徴とする請求項４に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
【請求項７】
前記β―Ｇａ２Ｏ３結晶層が平面視でほぼ円形に形成された場合、その直径が２インチ以上であることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板。
【請求項８】
（０００１）面に対してａ軸方向に５°以上２５°以下の所定の角度で傾斜した傾斜面を備えるサファイア基板を用いて、前記傾斜面上に（−２０１）配向したβ―Ｇａ２Ｏ３結晶を１００μｍ超の厚さに結晶成長させて、β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板を作製する工程と、
前記β―Ｇａ２Ｏ３単結晶層付きサファイア基板から前記サファイア基板を除去して、厚さが１００μｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を作製する工程と、を有することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法で製造された、厚さが１００μｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を種結晶として結晶成長させて、厚さが１ｍｍ超のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶インゴットを作製する工程と、
前記β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶インゴットを切断して、厚さ１００μｍ以上の複数のβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶を作製する工程を有することを特徴とするβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法。
【請求項１０】
請求項８または９の方法で製造されたβ―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の少なくとも片面を研磨する工程を含むことを特徴とする、β―Ｇａ２Ｏ３自立単結晶の製造方法。
【国際調査報告】
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