(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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３とα−Ａｌ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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
2021527610.tif 000002
【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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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（Ｇａ２Ｏ３）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】
Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３（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−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３材料の移動度もβ−Ｇａ２Ｏ３よりも高く、このため、デバイス性能がβ−Ｇａ２Ｏ３よりも優れている。さらに、α−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−Ａｌ２Ｏ３、ａ＝ｂ＝４．７６Å、ｃ＝１３．４３Å、α＝β＝９０°、γ＝１２０°、α＝５．２２×１０−６／℃）は、α−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３とα−Ａｌ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３ひずみ緩衝層を形成することにより、α−Ｇａ２Ｏ３とα−Ａｌ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３ひずみ緩衝層構造を低温で成長させることで、α−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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、Ａｌ２Ｏ３はＧａ２Ｏ３よりも結合の長さが小さく、分解温度が高いため、α−Ａｌ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３の結晶品質を左右する。他方では、α−Ｇａ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３とα−Ａｌ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３層を含む。
【００３８】
さらに、少なくとも２つのα−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３ひずみ緩衝層構造を低温で成長させることにより、α−Ｇａ２Ｏ３とα−Ａｌ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３薄膜の応力を緩和させ、α−Ｇａ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３ひずみ緩衝層及び１つ以上のα−Ｇａ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４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≦ｔ１／ｔ２／ｔ３／ｔ４≦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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）は、好ましくは、９９ｓ≧ｔ≧０．１ｓである。
【００５８】
２）α−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層を成長させる。
【００５９】
本実施形態では、α−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３とα−Ａｌ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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】
2021527610.tif 000003
【図２】
2021527610.tif 000004
【図３】
2021527610.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】令和2年11月17日(2020.11.17)
【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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３（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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３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】令和3年8月19日(2021.8.19)
【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】
2021527610.tif 000006
2021527610.tif 000007
2021527610.tif 000008
2021527610.tif 000009