(57)【要約】【課題】ＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形を作り分ける方法及び該方法により得られる高温相のＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜を提供する。【解決手段】レーザアブレーション法によりＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形を作り分ける方法であって、ＳｉＣの単結晶体又は多結晶体のターゲットにパルスレーザを照射して蒸発させ、続いて、加熱した単結晶又は結晶性薄膜基板の上に堆積させることにより成膜を行う際に、レーザパルスの周波数を変化させることにより加熱した基板の表面の実効温度を目的とする多形のヘテロエピタキシャル温度まで上昇させて低温相から高温相の任意の多形のＳｉＣエピタキシャル薄膜を作り分けることを特徴とするＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形の作製方法、及び該方法で作製した高温相のＳｉＣエピタキシャル薄膜。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形を作り分ける方法であって、真空雰囲気中でＳｉＣのターゲットにパルスレーザ光を照射してターゲットを蒸発させ、それを加熱した単結晶又は結晶性基板の上に堆積させることによりＳｉＣ薄膜を作製する際に、所定の基板温度に対してレーザ周波数を変化させることにより加熱した基板の表面の実効温度を目的とする多形のヘテロエピタキシャル温度まで上昇させて低温相から高温相の任意の多形のＳｉＣエピタキシャル薄膜を作り分けることを特徴とするＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形の作製方法。
【請求項２】
前記ＳｉＣ薄膜が、その生成温度に限定されない単一の多形からなるエピタキシャル薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
基板温度とレーザ周波数の２つのパラメータを制御してＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形を作り分けることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ターゲットが、３Ｃ、４Ｈ又は６Ｈの多形からなるＳｉＣの単結晶体若しくはこれらの多形を主成分とする多結晶体であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ターゲットに用いたＳｉＣの多形とは異なる多形のエピタキシャル薄膜を、膜の結晶とは異なる単結晶又は結晶性基板の上に堆積させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法で作製したことを特徴とする、エピタキシャル成長させた高温相のＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形を作り分ける方法及び該方法により得られるＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜に関するものであり、更に詳しくは、レーザ蒸着法により原料となるＳｉＣターゲットから種々の多形のＳｉＣエピタキシャル薄膜を単結晶又は結晶性基板の上に作製することを可能とする高温相のＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜を作製する方法及びその薄膜に関するものである。
本発明は、特に、高温半導体エレクトロニクスの基盤となるＳｉＣエピタキシャル積層薄膜を作製する際に、その多形を作り分ける方法及び該方法により作製される高温相のＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜を提供するものとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣは、従来のシリコン系半導体と比べて広いバンドギャップを持つなどの様々な優れた性質を有するために、高温や放射線等の極限環境下でも動作させることが可能な次世代半導体素子の素材として注目されている。ＳｉＣには、結晶構造の違いから、バンドギャップの値が異なる様々な多形がある。このような多形には、立方晶の３Ｃ、六方晶の２Ｈ、４Ｈ、６Ｈ等があり、これまでに１００種類以上の多形が存在することが報告されている。ＳｉＣを素子として利用するためには、基盤技術として単一の多形からなるエピタキシャル薄膜の作製技術が重要である。
【０００３】
ＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法には、例えば、化学的気相成長（ＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）法がある。これらの方法の中で、高温相の４Ｈ−，６Ｈ−ＳｉＣのエピタキシャル薄膜を作製するためには、ＣＶＤ法が用いられる。高温相のＳｉＣの生成温度は非常に高く（１８００℃以上）、現在の技術では、ヘテロエピタキシャル成長させるのに必要な温度まで基板温度を上げることが困難である。そのために、これらの薄膜は、より低い基板温度で結晶成長が可能なホモエピタキシーにより作製される。この方法では、例えば、４Ｈ−ＳｉＣのエピタキシャル薄膜を作製するためには、それと同じ多形（４Ｈ）の単結晶基板を用いる必要があり、同様に、６Ｈ−ＳｉＣの薄膜は、６Ｈ−ＳｉＣの基板上に作製される（非特許文献１）。ＳｉＣ単結晶以外の基板（サファイア、シリコン等）を使用した場合、作製した膜は、いずれも低温相の３Ｃ−ＳｉＣになる（非特許文献２）。
【０００４】
ＭＢＥ法やＰＬＤ法で作製した薄膜は、低温相の３Ｃ−ＳｉＣになることが報告されている（非特許文献３（ＭＢＥ法）、非特許文献４（ＰＬＤ法））。その主な理由として、これらの方法では、前述のＣＶＤ法と比べて、基板温度を上げることが更に困難であるということが挙げられる。最近、ＰＬＤ法を用いて高温相の６Ｈ−ＳｉＣのヘテロエピタキシャル薄膜が作製できるようになった（非特許文献５）。この方法では、ターゲットが細分化されすぎないように、そして、その結晶構造を保ったままアブレーションされるようにレーザ条件等を最適化し、更に、蒸発物質が基板表面においてターゲットの結晶構造を再構築させるように基板温度等の条件を構成することによりＳｉＣのエピタキシャル薄膜が作製される。そのために、この技術では、作製するＳｉＣ薄膜の多形と同じ多形のターゲットを使用する必要がある。更に、これまでに、ＳｉＣヘテロ接合により様々な機能を持つ素子を作製できることが理論的に示されてきた（非特許文献６）。しかし、従来の技術では、ヘテロ接合を人工的に作ることが困難であるために、このような素子は実現不可能であった。
【０００５】
【非特許文献１】
Ａ．  Ｓｕｚｕｋｉ，  Ｍ．  Ｉｋｅｄａ，  Ｈ．  Ｍａｔｓｕｎａｍｉ，  Ｔ．  Ｔａｎａｋａ：  Ｊ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．  １２２  （１９７５）  １７４１．
【非特許文献２】
Ｏ．  Ｋｏｒｄｉｎａ，  Ｌ．−Ｏ．  Ｂｊｏｒｋｅｔｕｎ，  Ａ．  Ｈｅｎｒｙ，  Ｃ．  Ｈａｌｌｉｎ，  Ｒ．  Ｃ．  Ｇｌａｓｓ，  Ｌ．  Ｈｕｌｔｍａｎ，  Ｊ．−Ｅ．  Ｓｕｎｄｇｒｅｎ，  Ｅ．  Ｊａｎｚｅｎ：  Ｊ．  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  １５４  （１９９５）  ３０３．
【非特許文献３】
Ｓ．  Ｋａｎｅｄａ，  Ｙ．  Ｓａｋａｍｏｔｏ，  Ｃ．  Ｎｉｓｈｉ，  Ｍ．  Ｋａｎａｙａ，  Ｓ．  Ｈａｎｎａｉ：  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．  ２５  （１９８６）  １３０７．
【非特許文献４】
Ｊ．  Ｓ．  Ｐｅｌｔ，  Ｍ．  Ｅ．  Ｒａｍｓｅｙ，  Ｓ．  Ｍ．  Ｄｕｒｂｉｎ：  Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ  ３７１  （２０００）  ７２．
【非特許文献５】
Ｈ．  Ｍｕｔｏ，  Ｔ．  Ｋｕｓｕｍｏｒｉ：  Ｍａｔ．  Ｓｃｉ．  Ｆｏｒｕｍ，  ３８９−３９３  （２００１）  ３７１．
【非特許文献６】
Ｆ．  Ｂｅｃｈｓｔｅｄｔ，  Ｐ．  Ｋａｃｋｅｌｌ：  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ７５  （１９９５）  ２１８０．
【０００６】
このように、従来、ＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法が種々提案され、利用されているが、これらの従来技術で作製したＳｉＣ薄膜の多形は、使用する基板の種類や結晶構造（多形）、そして、原料（ターゲット）に使用したＳｉＣの多形により決まってしまうという問題がある。そのために、ある多形のＳｉＣターゲットから単結晶又は結晶性薄膜基板の上に単一相からなる任意の多形のエピタキシャル薄膜を作り分けることはこれまで不可能であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、前記従来技術に鑑みて、ＳｉＣピタキシャル薄膜の多形を作り分けることを可能とする新しいＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、レーザ蒸着を行う際に、所定の基板温度に対してレーザ周波数を制御することにより、３Ｃ、２Ｈ、４Ｈ等の単一の多形からなるＳｉＣエピタキシャル薄膜を作り分けることに成功し、本発明を完成するに至った。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決し、単結晶基板や結晶性薄膜の上に任意の多形のＳｉＣエピタキシャル薄膜を作製する方法、及び該方法により得られるＳｉＣ薄膜を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）ＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形を作り分ける方法であって、真空雰囲気中でＳｉＣのターゲットにパルスレーザ光を照射してターゲットを蒸発させ、それを加熱した単結晶又は結晶性基板の上に堆積させることによりＳｉＣ薄膜を作製する際に、所定の基板温度に対してレーザ周波数を変化させることにより加熱した基板の表面の実効温度を目的とする多形のヘテロエピタキシャル温度まで上昇させて低温相から高温相の任意の多形のＳｉＣエピタキシャル薄膜を作り分けることを特徴とするＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形の作製方法。
（２）前記ＳｉＣ薄膜が、その生成温度に限定されない単一の多形からなるエピタキシャル薄膜であることを特徴とする前記（１）記載の方法。
（３）基板温度とレーザ周波数の２つのパラメータを制御してＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形を作り分けることを特徴とする前記（１）記載の方法。
（４）前記ターゲットが、３Ｃ、４Ｈ又は６Ｈの多形からなるＳｉＣの単結晶体若しくはこれらの多形を主成分とする多結晶体であることを特徴とする前記（１）記載の方法。
（５）ターゲットに用いたＳｉＣの多形とは異なる多形のエピタキシャル薄膜を、膜の結晶とは異なる単結晶又は結晶性基板の上に堆積させることを特徴とする前記（１）記載の方法。
（６）前記（１）から（５）のいずれかに記載のＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法で作製したことを特徴とする、エピタキシャル成長させた高温相のＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、真空容器内でＳｉＣのターゲット表面にパルス周波数を制御したレーザ光を集光、照射してターゲットをアブレーション（溶融・剥離）させ、蒸発した物質を所定の温度に加熱した単結晶基板や結晶性薄膜の上に堆積させることにより前記目標を達成したものである。ＳｉＣのヘテロエピタキシャル薄膜を作製するためには、基板温度をその生成温度付近まで上げる必要がある。その温度（エピタキシャル温度）は、多形により異なり、例えば、高温相の４Ｈ−ＳｉＣの場合、１８００℃以上になると予想される。従来の成膜方法では、このような高温まで基板温度を上げることは困難であった。本発明では、この問題を解決し、前記目的を達成するために、以下に述べる理由から、周波数を制御したパルスレーザを用いたレーザ蒸着法により成膜を行うものである。
【００１０】
レーザ蒸着法には、他の成膜方法と比較して、蒸発物質が非常に高い運動エネルギー（数ｅＶ〜１００ｅＶ）を持つという特徴がある。アブレーションにより蒸発した物質が基板表面に付着すると、その運動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換される。このために、基板の表面温度は、このエネルギーに相当する分だけ実際の基板温度よりも高くなると考えられる。パルスとパルスとの間の時間が長いと、つまりレーザ周波数が低いと一度上昇した基板表面の温度は熱の拡散により初めの基板温度に下がってしまう。しかし、レーザ周波数を上げていき、レーザパルス間の時間が熱の緩和時間より短くなると、基板の表面温度は上昇し、ある値（実効温度）で飽和する。本発明では、この実効温度を、レーザ周波数を変化させることにより大きく変えること、すなわち、レーザ周波数を制御してＰＬＤを行うことで、加熱した基板の表面の実効温度を目的とする多形のヘテロエピタキシャル温度まで上げることが可能になり、それにより、種々の多形のＳｉＣ薄膜を作製することを可能とするものである。
【００１１】
本発明では、ターゲットにＳｉＣの多結晶体あるいは単結晶体を用いるが、ターゲットに用いるＳｉＣの多形は、作製する薄膜の多形と同一である必要はなく、作製する薄膜と同一又は異なる任意の多形のＳｉＣのターゲットを用いることができる。本発明では、種々の多形のＳｉＣエピタキシャル薄膜をそれとは異なる多形のＳｉＣ単結晶基板又はその結晶性薄膜上に作製することができる。また、本発明では、ＳｉＣ以外の異種単結晶基板あるいは結晶性薄膜、例えば、サファイアやシリコン等を用いることができ、膜の結晶と同一又は異なる結晶あるいは結晶性基板を用いることが可能であり、それらの種類は特に制限されるものではない。
【００１２】
本発明では、パルスレーザ光として、好適には、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザ、エキシマレーザ等からの高出力紫外線光を用い、レーザパルスの周波数を、例えば、Ｑスイッチや機械式のシャッター等を用いて変化させて成膜を行い、基板表面の実効温度を変化させることによりＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形を作り分ける。本発明では、上記パルスレーザ光の種類及びレーザパルスの周波数制御手段は、これらに制限されるものではなく、これらと同効のものであれば同様に使用することができる。
【００１３】
レーザ蒸着法では、様々な雰囲気中で成膜できる。本発明によるＳｉＣ薄膜の多形の作り分けも、目的に応じた雰囲気、例えば、低圧ガスから超高真空中で行うことができる。高周波素子などへの応用に必要な半絶縁体のＳｉＣ薄膜を作製するためには、不純物の混入を防ぐために、高真空及び超高真空中で成膜を行う。また、ｎ型半導体化させたＳｉＣ薄膜は、ドナーをドーピングするために、例えば、低圧窒素ガス雰囲気中で作製する。
【００１４】
本発明では、エピタキシャル薄膜を作製する装置として、例えば、後記する実施例及び図１に示される、真空容器１、基板ヒータ２、基板３及びターゲット４の保持手段、パルスレーザ照射手段５、レーザパルスの周波数を制御するシャッター６、集光装置７、光導入窓８、真空排気系９を有する装置が用いられるが、これに制限されるものではなく、これらと同様の機能を有する装置であれば同様に使用することができる。本発明の方法により、エピタキシャル成長させた高温相のＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜を提供することができる。本発明において、高温相とは、１００種類以上ある多形のなかで比較的低温で合成することができる３Ｃ及び２Ｈを除いた他のすべての多形、例えば、４Ｈや６Ｈ等を意味する。
【００１５】
ＳｉＣは、バンドギャップが広いだけではなく、多形ごとに異なるギャップの値を持つ。また、それぞれの多形の結晶構造を六方晶系の表記で記述したときのｃ面（（０００１）面）の格子定数は、多形の種類によらず同じである。従って、異なる多形のＳｉＣ薄膜を多層積層させれば、格子不整合の無い理想的なヘテロ接合を作製することができる。本発明は、ＳｉＣを用いたヘテロ接合の作製を可能とするものであり、高温等の極限環境下で使用可能な新たなデバイスを作製するための基盤技術として、半導体産業の発展に大きく寄与するものと期待できる。
【００１６】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例により何ら限定されるものではない。
実施例
本実施例ではＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜の多形を作り分ける方法及び該方法を用いて得られるＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜の一実施例を図面により詳細に説明する。本実施例では、エピタキシャル薄膜を作製する装置として、図１に示す１０−９Ｐａ台まで真空引きが可能である真空容器１、基板ヒーター２、基板３、ターゲット４、パルスレーザ５、シャッター６、集光装置７、光導入窓８、真空排気系９を具備した装置を用いた。また、パルスレーザとして、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザ（第４高調波）を用いた。
【００１７】
本発明の一実施例として、６Ｈ−ＳｉＣのターゲットを用い、レーザ周波数を変化させて成膜を行い、サファイア単結晶の（０００１）面基板の上に３種類の多形（３Ｃ，２Ｈ，４Ｈ）のＳｉＣエピタキシャル薄膜を作製する例を示す。まず初めに、基板をアセトンで２回超音波洗浄し、表面に付着した有機物等による汚れを取り除いた。次に、洗浄した基板３を真空容器１の中の基板ヒーター２に固定し、真空排気系９（ターボ分子ポンプとロータリーポンプ）を用いて７．０×１０−９Ｔｏｒｒまで真空引きした。その後、基板ヒーターを３０分間１２５０℃に加熱し、基板表面をクリーニングした。
【００１８】
次に、パルスレーザ光としてＮｄ：ＹＡＧレーザ５の第４高調波（紫外線：波長２６６ｎｍ）を使用し、ターゲットに照射するレーザのパルス周波数を、シャッター６（Ｑスイッチ）により変化させた。パルスレーザ光を集光装置７（石英製凸レンズ）を用いて集光し、光導入用窓８（石英）を通してターゲット上に照射してターゲットを蒸発（アブレーション）させ、基板上に薄膜を堆積させた。ターゲット４としては、主成分が６Ｈ−ＳｉＣの焼結体を用いた。ターゲット上でのレーザエネルギー密度は１．０Ｊ／ｃｍ２  ／ｐｕｌｓｅであった。ターゲットの１カ所にレーザビームが集中し損傷するのを防ぐために、レーザ照射中はターゲットを回転させた。基板ヒーターをターゲットに対向して置き、１２５０℃に加熱した。このときの基板表面の温度は１１００℃と見積もられた。ターゲット４上にレーザ光を３６００パルス照射してサファイア（０００１）面単結晶基板３上に成膜を行った。レーザ周波数は１，２，５Ｈｚであり、従って、蒸着時間はそれぞれ６０、３０，１２分であった。
【００１９】
図２、３に、本実施例で作製したＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜（レーザ周波数：（ａ）１Ｈｚ，（ｂ）２Ｈｚ，（ｃ）５Ｈｚ）断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察結果を示す。
図２は、作製したＳｉＣ薄膜と基板との界面における高分解能（ＨＲＴＥＭ）像を示すものである。図中、界面より下の層はサファイア単結晶の（１０００）面である。サファイアの（０００１）面（界面）上にＳｉＣが結晶成長（ヘテロエピタキシャル成長）していることが分かる。観察された格子点の配列から、作製したＳｉＣエピタキシャル薄膜（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の多形は、それぞれ３Ｃ，２Ｈ、４Ｈであると同定された。
【００２０】
次に、図３は、作製したＳｉＣ薄膜断面の透過電子線回折（ＴＥＤ）パターンを示すものである。レーザ周波数１Ｈｚで作製した膜（ａ）からは、３Ｃ−ＳｉＣによる強い回折スポットの他に不純物による弱い回折スポットが現れた。また、２Ｈｚ、４Ｈｚで作製した膜からは、それぞれ２Ｈ−，４Ｈ−ＳｉＣの回折スポットの他にストリーク線が現れた。この回折スポットに重なって現れるストリーク線は、膜中に積層欠陥が含まれていることを示している。しかし、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の膜からは、それぞれ３Ｃ，２Ｈ，４Ｈの多形による回折パターン以外に、他の多形に起因する回折スポットは見られなかった。このことから、作製したＳｉＣ薄膜は、それぞれほぼ単一の多形からなることが分かった。
【００２１】
以上の結果から、本発明による方法を用いることにより、ターゲットに用いたＳｉＣの多形（６Ｈ）とは異なる多形（３Ｃ，２Ｈ，４Ｈ）のエピタキシャル薄膜を、膜の結晶とは異なる単結晶（サファイア）の基板上に作り分けが可能であることが分かった。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明は、ＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法及び該方法により作製された高温相のＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜に係るものであり、本発明により、以下のような効果が奏される。
（１）ＳｉＣエピタキシャル薄膜の多形を任意に作り分けることができる。
（２）レーザ周波数を変化させることにより基板表面の実効温度を制御することができる。
（３）ターゲットに用いたＳｉＣの多形とは異なる多形のエピタキシャル薄膜を、膜の結晶とは異なる単結晶の基板上に作り分けることができる。
（４）ヘテロ接合を簡便な方法で作製する方法を提供することができる。
（５）エピタキシャル成長させた高温相のＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜を作製し、提供することができる。
（６）異なる多形のエピタキシャル薄膜を多層積層させたヘテロ構造を作製し、提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法に用いる装置の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態により、サファイア単結晶の（０００１）面上に作製したＳｉＣエピタキシャル薄膜断面の界面部分における透過型電子顕微鏡の高分解能像である。
【図３】本発明の一実施形態により、サファイア単結晶の（０００１）面上に作製したＳｉＣエピタキシャル薄膜断面の透過型電子顕微鏡による透過電子線回折像である。
【符号の説明】
１  真空容器
２  基板ヒーター
３  基板（サファイア単結晶基板等）
４  ターゲット（６Ｈ−ＳｉＣ等）
５  パルスレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等）
６  シャッター（Ｑスイッチ等）
７  集光装置（石英製凸レンズ等）
８  光導入窓（石英等）
９  真空排気系
【図１】
2004250301.tif 000002
【図２】
2004250301.tif 000003
【図３】
2004250301.tif 000004