基板温度変化が Ga2O3 の結晶性に及ぼす影響皆見憲亮，工藤淳，高原基，合田稜平，石橋和也，角田功，高倉健一郎 (熊本高専)，中島敏之 (中央電子)，渋谷睦夫 (エコマザー)，村上克也 (日本ガスケミ) 1．はじめに酸化物半導体の Ga2O3 は，現在注目されている次世代半導体材料の一つである．Ga2O3 は 4.9 eV という広いバンドギャップを持っており，これは半導体材料では，ダイヤモンドを除いて最も大きい値である．この特徴から， Ga2O3 は主に，高出力パワーデバイスの材料や生産性の良い GaN 用の LED 基板材料として利用されている．また最近の研究では， Ga2O3 を用いた MESFET の作製に成功したという例も報告されており (1)，Ga2O3 のデバイスへの応用に対する期待は更に高まっている． Ga2O3 は 5 つの形態(α,  , δ ,ε)を持つが，その中でも相は高温で安定であることが報告されている (2)． 相を得るためには，室温での堆積後に熱処理をする手法がある．先行研究より，400℃では  相，900℃では  相を得られることが既に明らかになっている (3)．また，Ga2O3 の結晶化の手法として，成膜時に基板加熱を行う方法が考えられる．成膜時に基板温度を高くし，堆積した原子や分子の拡散長を増大させることで，結晶配向性や形成相を変化させられることが期待できる．そこで，我々は半導体デバイスへの実用化を目指し，良質なGa2O3 薄膜の形成を目的としている．現在までに報告されている Ga2O3 薄膜の成膜方法として，パルスレーザーアブレーション法(PLD 法)があるが (4)，PLD 法は実験室レベルでの小面積・少量の低速成膜に限定されるため，産業性に乏しくデバイス化への応用には不向きである．それに対し，スパッタ法は，大面積基板上に高速で安定した成膜を行うことが出来る実用的な方法として知られている．そこで本研究ではスパッタ法を用いて Ga2O3 薄膜を成膜し，成膜時の基板温度の変化が，Ga2O3 薄膜の結晶性に及ぼす効果について調査した． 2．実験方法 Ga2O3 薄膜は，室温下で RF マグネトロンスパッタ装置を用いて，Si 基板上に成膜した．比較対象として，室温にて成膜後，窒素雰囲気で 400℃，500℃の熱処理を 15 分間，行い結晶化させた試料をそれぞれ用意した．基板温度を RT～500℃とし，Ar : O2 混合雰囲気(6 : 4)で 30 分間，膜厚が約 100 nm になるように行った．試料作製後に走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて断面の観察をし，X 線回折(XRD)装置を用いて結晶性を評価した． 3．実験結果及び考察図 1 に SEM 像を示す．(a)500℃の対照試料の断面 SEM 像では，20nm から 60nm 程度の結晶粒が確認できる．また，(b)500℃で堆積した試料の断面 SEM 像では，結晶粒のようなものが確認できた．図 2 に XRD の測定結果を示す．図 2(a)において，400℃の対照試料の XRD パターンでは，  (311)， (400)及び (440)面からの回折ピークが確認できた．更に，500℃対照試料の XRD パターンでは，相及び 相に起因する回折が観察できる．よって，500℃の対照試料では， 相と  相の混相であると推察される．一方，図 2(b)において，室温で堆積した試料の XRD パターンからは，回折ピークを確認する事が出来なかった．したがって，室温成膜した試料は，非晶質であると推察される．基板加熱しながら堆積した XRD パターンでは，いずれも，30°から 40°にかけて，ブロードなピークを確認できる．このピークは，図 1(b)の 500℃で堆積した試料の断面 SEM 像で確認できた結晶粒によるものだと推察される．したがって，成膜時の基板温度を上げることで，結晶化が始まっていると考えられる．以上の結果より，基板加熱による成膜では，目的とする 相を得られなかった．よって単相を生成するには，熱処理が必要である．断面 SEM 像及び X 線回折より，雰囲気や結晶化時の圧力の違いが 相形成条件に影響しているのではないかと考えており，今後詳細な検討を進めていく． (a)対照試料500℃ Si Substrate 100nm 4．まとめ本研究では，半導体デバイスへの応用を目的として，Ga2O3 薄膜の結晶性について調査を行った．室温で成膜した Ga2O3 薄膜は非晶質であったが，基板加熱を行うことで結晶化が進んだが，目的とする相は得られなかった．しかし，室温堆積後に熱処理した場合， 相を得られた．したがって， 単相を生成するには，室温堆積後の熱処理が必要である．今後，室温堆積後の熱処理によりGa2O3 の成膜し，デバイスへの応用を目指す． (b)基板温度500℃ Si Substrate 100nm 図 1.(a)堆積後熱処理(500℃)した薄膜と， (b)500℃で堆積した Ga2O3 薄膜の断面 SEM 像 20 30 熱処理温度 500℃ (440) (400) 40 (712)/(440) (603)/(113)/(801) (400) (311) (411) (311) (400) lntensity[a.u.] (a)対象試料 RT-400℃ 50 2θ[degree] 60 70 80 (b)基板温度変化参考文献 (1) M. Higashiwaki, et. al, Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal β-Ga2O3 (010) substrates, Appl. Phys. Lett., 100, 013504 pp.1-3, (2012). (2) R. Roy, et. al., Polymorphism of Ga2O3 and the system Ga2O3-H2O, J. Am. Chem. Soc, 74, 719722, (1952). (3) M. Takahara, et. al, Improvement of the Crystalline Quality of β-Ga2O3 Films by HighTemperature Annealing, Materials Science Forum, 725, 273-276, (2012). (4) M. Orita, et. al, Preparation of highly conductive, deep ultraviolet transparent β-Ga2O3 thin film at low deposition temperatures, Thin Solid Films, 411, pp.134-139, (2002). 基板温度 lntensity[a.u.] 500℃ [問合せ先] 熊本高等専門学校高倉健一郎 TEL/FAX: 096-242-6074 E-mail: [email protected] 400℃ 300℃ 200℃ 100℃ RT 20 30 40 50 60 70 80 2θ[degree] 図 2.スパッタ法にて成膜した Ga2O3 薄膜の XRD(2θ スキャン)測定結果