JP7708348B2 - 結晶性酸化物膜および半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に有用な結晶性酸化物膜および該結晶性酸化物膜を用いた半導体装置に関する。

従来、異種基板上に結晶成長させる際に、クラックや格子欠陥、反りが生じる問題がある。この問題に対し、基板と膜の格子定数や熱膨張係数を整合させること等が検討されている。また、不整合が生じる場合には、ＥＬＯのような成膜手法等も検討されている。

特許文献１には、異種基板上にバッファ層を形成し、前記バッファ層上に酸化亜鉛系半導体層を結晶成長させる方法が記載されている。特許文献２には、ナノドットのマスクを異種基板上に形成して、ついで、単結晶半導体材料層を形成することが記載されている。非特許文献１には、サファイア上に、ＧａＮのナノカラムを介して、ＧａＮを結晶成長させる手法が記載されている。非特許文献２には、周期的なＳｉＮ中間層を用いて、Ｓｉ（１１１）上にＧａＮを結晶成長させて、ピット等の欠陥を減少させる手法が記載されている。

しかしながら、いずれの技術も、成膜速度が悪かったり、基板にクラック、転位、反り等が生じたり、また、エピタキシャル膜に転位やクラック等が生じたりして、高品質なエピタキシャル膜を得ることが困難であり、基板の大口径化やエピタキシャル膜の厚膜化においても、支障が生じていた。

また、高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、バンドギャップの大きな酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）を用いた半導体装置が注目されており、インバータなどの電力用半導体装置への適用が期待されている。しかも、広いバンドギャップからＬＥＤやセンサー等の受発光装置としての応用も期待されている。当該酸化ガリウムは非特許文献１によると、インジウムやアルミニウムをそれぞれ、あるいは組み合わせて混晶することによりバンドギャップ制御することが可能であり、ＩｎＡｌＧａＯ系半導体として極めて魅力的な材料系統を構成している。ここでＩｎＡｌＧａＯ系半導体とはＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_ＺＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、０≦Ｚ≦２、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１．５～２．５）を示し、酸化ガリウムを内包する同一材料系統として俯瞰することができる。

しかしながら、酸化ガリウムは、再安定相がβガリア構造であるので、特殊な成膜法を用いなければ、コランダム構造の結晶膜を成膜することが困難であり、結晶品質等においてもまだまだ課題が数多く存在している。これに対し、現在、コランダム構造を有する結晶性半導体の成膜について、いくつか検討がなされている。
また、最近では、非特許文献４に記載されているように、コランダム構造の酸化ガリウム膜をＥＬＯ成長等させることが検討されている。非特許文献４に記載されている方法によれば、良質なコランダム構造の酸化ガリウム膜を得ることは可能であるが、実際に結晶膜を調べてみると、ファセット成長する傾向があり、このファセット成長に起因する転位やクラックなどの課題もあって、半導体装置に適用するには、まだまだ満足のいくものではなかった。非特許文献５には、ｍ面サファイア基板上にα－Ｇａ_２Ｏ_３膜を成膜することが記載されている。しかしながら、非特許文献５に記載の方法で成膜されたα－Ｇａ_２Ｏ_３膜は、結晶軸方向ごとの反りが不均等であったり、厚膜化するとクラックが生じてしまったりするなどの問題があり、大面積化や半導体装置に適用するためには十分に満足できるものではなかった。そのため、反りやクラックを抑制することができる成膜方法および反りおよびクラックが改善された結晶性酸化物膜が待ち望まれていた。

特開２０１０－２３２６２３号公報 特表２０１０－５１６５９９号公報

Kazuhide Kusakabe., et al., "Overgrowth of GaN layer on GaN nano-columns by RF-molecular beam epitaxy", Journal of Crystal Growth 237-239 (2002) 988-992 K. Y. Zang., et al.，"Defect reduction by periodic SiNx interlayers in gallium nitride grown on Si (111)", Journal of Applied Physics 101, 093502 (2007) 金子健太郎、「コランダム構造酸化ガリウム系混晶薄膜の成長と物性」、京都大学博士論文、平成２５年３月 高塚章夫、織田真也、金子健太郎、藤田静雄、人羅俊実,"ミストエピタキシー法によるα型酸化ガリウムの横方向選択成長(ELO)"，2015年第62回応用物理学会春季学術講演会, 東海大学, (2015年3月11日－14日) 13a-P18-12. AKAIWA, Kazuaki, et al. Electrical Properties of Sn‐Doped α‐Ga2O3 Films on m‐Plane Sapphire Substrates Grown by Mist Chemical Vapor Deposition. physica status solidi (a), 2020, 217.3: 1900632.

本発明は、反りやクラックが抑制された結晶性酸化物膜を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、金属酸化物を含み、第１の結晶軸と第２の結晶軸とを少なくとも含む結晶性酸化物膜であって、第１の結晶軸と第２の結晶軸とを少なくとも含む結晶性酸化物膜であって、第１の結晶軸方向の線膨張係数が、第２の結晶軸方向の線膨張係数よりも小さく、主面が、第２の結晶軸方向に平行な面から少なくとも第２の結晶軸方向に傾斜した面である結晶性酸化物膜が、反りおよびクラックが低減されたものとなることを知見し、このような結晶性酸化物膜が、上記した従来の問題を一挙に解決できるものであることを見出した。
また、本発明者らは、上記知見を得た後、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、以下の発明に関する。
［１］ 金属酸化物を含み、第１の結晶軸と第２の結晶軸とを少なくとも含む結晶性酸化物膜であって、第１の結晶軸方向の線膨張係数が、第２の結晶軸方向の線膨張係数よりも小さく、主面が、第２の結晶軸方向に平行な面から少なくとも第２の結晶軸方向に傾斜した面であることを特徴とする結晶性酸化物膜。
［２］ 前記金属酸化物がガリウムを含む請求項１記載の結晶性酸化物膜。
［３］ 前記金属酸化物がコランダム構造を有する前記［１］または［２］に記載の結晶性酸化物膜。
［４］ 前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、インジウム、ロジウムまたはイリジウムを含む前記［２］記載の結晶性酸化物膜。
［５］ 前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、インジウムまたは／およびアルミニウムを含む前記［２］記載の結晶性酸化物膜。
［６］ 膜厚が２．５μｍ以上である前記［１］～［５］のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
［７］ ドーパントを含む前記［１］～［６］のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
［８］ 第１の結晶軸方向の反り量に対する第２の結晶軸方向の反り量の比が３以下である前記［１］～［７］のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
［９］ 前記傾斜の角度が、３°～２５°の範囲内である前記［１］～［８］のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
［１０］ 前記傾斜の角度が、３°～１０°の範囲内である前記［１］～［９］のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
［１１］ コランダム構造を有しており、主面が、ｍ面から少なくとも第２の結晶軸方向に傾斜した面である前記［１］～［１０］のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
［１２］ 第２の結晶軸方向がｃ軸方向である前記［１１］記載の結晶性酸化物膜。
［１３］ 前記［１］～［１２］のいずれかに記載の結晶性酸化物膜と電極とを少なくとも備える半導体装置。
［１４］ 前記［１３］記載の半導体装置を用いた電力変換装置。
［１５］ 前記［１３］記載の半導体装置を用いた制御システム。

本発明の結晶性酸化物膜は、反りやクラックが低減されている。

本発明の実施態様で好適に用いられる成膜装置の概略構成図である。 本発明の実施態様で好適に用いられる図１とは別態様の成膜装置（ミストＣＶＤ）の概略構成図である。 ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の好適な一例を模式的に示す図である。 高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の好適な一例を模式的に示す図である。 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の好適な一例を模式的に示す図である。 接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）の好適な一例を模式的に示す図である。 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の好適な一例を模式的に示す図である。 発光素子（ＬＥＤ）の好適な一例を模式的に示す図である。 発光素子（ＬＥＤ）の好適な一例を模式的に示す図である。 ジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）の好適な一例を模式的に示す図である。 ジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）の好適な一例を模式的に示す図である。 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の好適な一例を模式的に示す図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。 実施例および比較例における反りの測定結果を示す図である。

本発明の結晶性酸化物膜は、金属酸化物を含み、第１の結晶軸と第２の結晶軸とを少なくとも含む結晶性酸化物膜であって、第１の結晶軸方向の線膨張係数が、第２の結晶軸方向の線膨張係数よりも小さく、主面が、第２の結晶軸方向に平行な面から少なくとも第２の結晶軸方向に傾斜した面であることを特徴とする。前記主面は、少なくとも第２の結晶軸方向に傾斜していればそれでよく、第２の結晶軸方向に加えてさらに他の結晶軸方向（例えば、第１の結晶軸方向等）に傾斜していてもよい。なお「結晶軸」とは、結晶面や回転に対する対称性などを系統的に示すために結晶構造から導き出される座標軸のことである。なお、「線熱膨張係数」とは、ＪＩＳ Ｒ ３１０２（１９９５）に従い測定される。また、「主面」とは、前記結晶性酸化物膜の最も広い面積を有する面であり、通常、前記結晶性酸化物膜の表面となる面である。本発明の実施態様においては、前記主面が、ｍ面から少なくとも第２の結晶軸方向に傾斜した面であるのが、結晶軸方向の反りがより均一化された前記結晶性酸化物膜を得ることができるので、好ましい。この場合、第２の結晶軸方向がｃ軸方向であるのが好ましい。また、第２の結晶軸に平行な面から少なくとも第２の結晶軸方向に傾斜した面とは、例えば、前記結晶性酸化物膜がコランダム構造を有する場合、ｍ面から少なくともｃ軸方向に傾斜した面、ａ面から少なくともｃ軸方向に傾斜した面等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記結晶性酸化物膜がコランダム構造を有し、前記結晶性酸化物膜の主面が、ｍ面から少なくともｃ軸方向に傾斜した面であるのが好ましい。前記傾斜の角度は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。本発明の実施態様においては、前記傾斜の角度が正であっても、負であってもよい。本発明の実施態様においては、前記傾斜の角度が、３°～２５°の範囲内であるのが好ましく、反りやクラックを抑制しつつより電気特性に優れた前記結晶性酸化物膜を得ることができるので、３°～１０°の範囲内であるのがより好ましい。

前記結晶性酸化物膜は、金属酸化物を含むものであれば、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。本発明の実施態様においては、前記結晶性酸化物膜は、前記金属酸化物を主成分として含むのが好ましく、ガリウムを含有する金属酸化物を主成分とするのがより好ましく、酸化ガリウムおよびその混晶を主成分として含むのが最も好ましい。また、前記金属酸化物の結晶構造等は特に限定されない。前記金属酸化物の結晶構造としては、例えば、コランダム構造、β―ガリア構造、六方晶構造（例えば、ε型構造等）、直方晶構造（例えばκ型構造等）、立方晶構造、または正方晶構造等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記結晶性酸化物膜がコランダム構造を有する金属酸化物を主成分として含むのが好ましい。前記金属酸化物は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、ガリウムを含有するのが好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、ガリウム以外の周期律表第４周期～第６周期の１種または２種以上の金属を含むのが好ましく、ガリウムに加えて、さらに、インジウム、ロジウムまたはイリジウムを含むのがより好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、さらに、インジウムまたは／およびアルミニウムを含有するもの好ましい。ガリウムを含む前記金属酸化物としては、例えば、α－Ｇａ_２Ｏ_３またはその混晶などが挙げられる。このような好ましい金属酸化物を主成分として含む結晶性酸化物膜は、結晶性や放熱性がより優れたものとなり、半導体特性もさらに優れたものになり得る。なお、前記「主成分」とは、結晶性酸化物膜中の組成比で、前記金属酸化物を５０％以上含むものをいい、好ましくは７０％以上含むものであり、より好ましくは９０％以上含むものである。例えば、前記金属酸化物がα－Ｇａ_２Ｏ_３である場合、前記結晶性酸化物膜の金属元素中のガリウムの原子比が０．５以上の割合でα－Ｇａ_２Ｏ_３が含まれていればそれでよい。本発明の実施態様においては、前記結晶性酸化物膜の金属元素中のガリウムの原子比が０．７以上であることが好ましく、０．８以上であるのがより好ましい。なお、前記結晶性酸化物膜は、単結晶膜であってもよいし、多結晶膜であってもよい。また、前記結晶性酸化物膜は、絶縁膜、半導体膜または導電膜のいずれであってもよいが、本発明の実施態様においては、半導体膜であるのが好ましい。また、前記結晶性酸化物膜の膜厚は、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、２．５μｍ以上であるのが好ましく、５μｍ以上であるのがより好ましい。上記した好ましい本発明の実施態様によれば、このような厚膜であっても、電気特性を維持しつつ、反りおよびクラックが抑制された前記結晶性酸化物膜を得ることができる。

前記結晶性酸化物膜は、ドーパントが含まれていてもよい。前記ドーパントは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。ｎ型ドーパントであってもよいし、ｐ型ドーパントであってもよい。前記ｎ型ドーパントとしては、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムまたはニオブなどが挙げられる。ドーパントの濃度は、適宜設定されるものであってよく、具体的には例えば、約１×１０^１６／ｃｍ^３～１×１０^２２／ｃｍ^３であってもよいし、また、ドーパントの濃度を例えば約１×１０^１７／ｃｍ^３以下の低濃度にしてもよい。また、さらに、本発明の実施態様によれば、ドーパントを約１×１０^２０／ｃｍ^３以上の高濃度で含有させてもよい。

前記結晶性酸化物膜は例えば次の好適な成膜方法により得ることができる。
すなわち、第１の結晶軸と第２の結晶軸とを少なくとも含み、第２の結晶軸方向と平行な面から少なくとも第２の結晶軸方向に傾斜した面を結晶成長面とする結晶基板を用いて、前記結晶性酸化物膜をエピタキシャル結晶成長させることにより得ることができる。

＜結晶基板＞
前記結晶基板は、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、公知の基板であってよい。絶縁体基板であってもよいし、導電性基板であってもよいし、半導体基板であってもよい。単結晶基板であってもよいし、多結晶基板であってもよい。前記結晶基板としては、例えば、コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板が挙げられる。なお、前記「主成分」とは、基板中の組成比で、前記結晶物を５０％以上含むものをいい、好ましくは７０％以上含むものであり、より好ましくは９０％以上含むものである。前記コランダム構造を有する結晶基板としては、例えば、サファイア基板、α型酸化ガリウム基板などが挙げられる。

本発明の実施態様においては、前記結晶基板が、サファイア基板であるのが好ましい。前記サファイア基板としては、例えば、ｃ面サファイア基板、ｍ面サファイア基板、ａ面サファイア基板、ｒ面サファイア基板などが挙げられる。本発明の実施態様においては、前記サファイア基板が、ｍ面から少なくともｃ軸方向に傾斜した面を結晶成長面とするサファイア基板またはａ面から少なくともｃ軸方向に傾斜した面を結晶成長面とするサファイア基板であるのが好ましく、ｍ面から少なくともｃ軸方向に傾斜した面を結晶成長面とするサファイア基板であるのがより好ましい。本発明の実施態様においては、前記傾斜の角度は正であっても、負であってもよい。本発明の実施態様においては、前記傾斜の角度が、３°～２５°の範囲内であるのが好ましく、反りやクラックを抑制しつつより電気特性に優れた前記結晶性酸化物膜を得ることができるので、３°～１０°の範囲内であるのがより好ましい。
なお、前記結晶基板の厚さは、特に限定されないが、通常、１０μｍ～２０ｍｍであり、より好ましくは１０～１０００μｍである。前記結晶基板の好適な形状としては、例えば、三角形、四角形（例えば長方形若しくは台形等）、五角形若しくは六角形等の多角形状、Ｕ字形状、逆Ｕ字形状、Ｌ字形状またはコの字形状等が挙げられる。

なお、本発明の実施態様においては、前記結晶基板上にバッファ層や応力緩和層等の他の層を設けもよい。バッファ層としては、前記結晶基板または前記結晶性酸化物膜の結晶構造と同一の結晶構造を有する金属酸化物からなる層などが挙げられる。また、応力緩和層としては、ＥＬＯマスク層などが挙げられる。

前記エピタキシャル結晶成長の手段は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知の手段であってよい。前記エピタキシャル結晶成長手段としては、例えば、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法、ミストＣＶＤ法、ミスト・エピタキシー法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法、パルス成長法またはＡＬＤ法などが挙げられる。本発明の実施態様においては、前記エピタキシャル結晶成長手段が、ミストＣＶＤ法またはミスト・エピタキシー法であるのが好ましい。

前記のミストＣＶＤ法またはミスト・エピタキシー法では、金属を含む原料溶液を霧化し（霧化工程）、液滴を浮遊させ、得られた霧化液滴をキャリアガスでもって前記結晶基板近傍まで搬送し（搬送工程）、ついで、前記霧化液滴を熱反応させること（成膜工程）により行う。

（原料溶液）
原料溶液は、成膜原料として少なくともガリウムを含んでおり、霧化可能であれば特に限定されず、無機材料を含んでいてもよいし、有機材料を含んでいてもよい。前記金属は、金属単体であっても、金属化合物であってもよく、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されない。前記金属としては、例えば、ガリウム（Ｇａ）、イリジウム（Ｉｒ）、インジウム（Ｉｎ）、ロジウム（Ｒｈ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、レニウム（Ｒｅ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）およびジルコニウム（Ｚｒ）から選ばれる１種または２種以上の金属などが挙げられるが、本発明の実施態様においては、前記金属が、ガリウムを少なくとも含むのが好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記金属が、ガリウムに加えて周期律表第４周期～第６周期の１種または２種以上の金属を含むのが好ましく、インジウム、ロジウムまたはイリジウムを含むのがより好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記金属が、ガリウムに加えて、インジウムおよび／またはアルミニウムを含むのも好ましい。このような好ましい金属を用いることにより、半導体装置等により好適に用いることができる前記結晶性酸化物膜を成膜することができる。

本発明の実施態様においては、前記原料溶液として、前記金属を錯体または塩の形態で有機溶媒または水に溶解または分散させたものを好適に用いることができる。錯体の形態としては、例えば、アセチルアセトナート錯体、カルボニル錯体、アンミン錯体、ヒドリド錯体などが挙げられる。塩の形態としては、例えば、有機金属塩（例えば金属酢酸塩、金属シュウ酸塩、金属クエン酸塩等）、硫化金属塩、硝化金属塩、リン酸化金属塩、ハロゲン化金属塩（例えば塩化金属塩、臭化金属塩、ヨウ化金属塩等）などが挙げられる。

前記原料溶液の溶媒は、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、水等の無機溶媒であってもよいし、アルコール等の有機溶媒であってもよいし、無機溶媒と有機溶媒との混合溶媒であってもよい。本発明の実施態様においては、前記溶媒が水を含むのが好ましい。

また、前記原料溶液には、ハロゲン化水素酸や酸化剤等の添加剤を混合してもよい。前記ハロゲン化水素酸としては、例えば、臭化水素酸、塩酸、ヨウ化水素酸などが挙げられる。前記酸化剤としては、例えば、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、過酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ_２）、過酸化バリウム（ＢａＯ_２）、過酸化ベンゾイル（Ｃ_６Ｈ_５ＣＯ）_２Ｏ_２等の過酸化物、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）、過塩素酸、硝酸、オゾン水、過酢酸やニトロベンゼン等の有機過酸化物などが挙げられる。

前記原料溶液には、ドーパントが含まれていてもよい。前記ドーパントは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。前記ドーパントとしては、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはニオブ等のｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントなどが挙げられる。ドーパントの濃度は、通常、約１×１０^１６／ｃｍ^３～１×１０^２２／ｃｍ^３であってもよいし、また、ドーパントの濃度を例えば約１×１０^１７／ｃｍ^３以下の低濃度にしてもよい。また、さらに、本発明の実施態様によれば、ドーパントを約１×１０^２０／ｃｍ^３以上の高濃度で含有させてもよい。

（霧化工程）
前記霧化工程は、金属を含む原料溶液を調整し、前記原料溶液を霧化し、液滴を浮遊させ、霧化液滴を発生させる。前記金属の配合割合は、特に限定されないが、原料溶液全体に対して、０．０００１ｍｏｌ／Ｌ～２０ｍｏｌ／Ｌが好ましい。霧化手段は、前記原料溶液を霧化できさえすれば特に限定されず、公知の霧化手段であってよいが、本発明の実施態様においては、超音波振動を用いる霧化手段であるのが好ましい。本発明で用いられるミストは、空中に浮遊するものであり、例えば、スプレーのように吹き付けるのではなく、初速度がゼロで、空間に浮かびガスとして搬送することが可能なミストであるのがより好ましい。ミストの液滴サイズは、特に限定されず、数ｍｍ程度の液滴であってもよいが、好ましくは５０μｍ以下であり、より好ましくは１～１０μｍである。

（搬送工程）
前記搬送工程では、前記キャリアガスによって前記霧化液滴を前記基体へ搬送する。キャリアガスの種類としては、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、不活性ガス（例えば窒素やアルゴン等）、または還元ガス（水素ガスやフォーミングガス等）などが好適な例として挙げられる。また、キャリアガスの種類は１種類であってよいが、２種類以上であってもよく、キャリアガス濃度を変化させた希釈ガス（例えば１０倍希釈ガス等）などを、第２のキャリアガスとしてさらに用いてもよい。また、キャリアガスの供給箇所も１箇所だけでなく、２箇所以上あってもよい。キャリアガスの流量は、特に限定されないが、１ＬＰＭ以下が好ましく、０．１～１ＬＰＭがより好ましい。

（成膜工程）
成膜工程では、前記霧化液滴を反応させて、前記結晶基板上に成膜する。前記反応は、前記霧化液滴から膜が形成される反応であれば特に限定されないが、本発明の実施態様においては、熱反応が好ましい。前記熱反応は、熱でもって前記霧化液滴が反応すればそれでよく、反応条件等も本発明の目的を阻害しない限り特に限定されない。本工程においては、前記熱反応を、通常、原料溶液の溶媒の蒸発温度以上の温度で行うが、高すぎない温度以下が好ましく、６５０℃以下がより好ましい。また、熱反応は、本発明の目的を阻害しない限り、真空下、非酸素雰囲気下、還元ガス雰囲気下および酸素雰囲気下のいずれの雰囲気下で行われてもよい。また、熱反応は、大気圧下、加圧下および減圧下のいずれの条件下で行われてもよい。本発明の実施態様においては、大気圧下で行われるのが蒸発温度の計算がより簡単になり、設備等も簡素化できる等の点で好ましい。また、膜厚は成膜時間を調整することにより、設定することができる。

以下、図面を用いて、本発明の実施態様において好適に用いられる成膜装置１９を説明する。図１の成膜装置１９は、キャリアガスを供給するキャリアガス源２２ａと、キャリアガス源２２ａから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁２３ａと、キャリアガス（希釈）を供給するキャリアガス（希釈）源２２ｂと、キャリアガス（希釈）源２２ｂから送り出されるキャリアガス（希釈）の流量を調節するための流量調節弁２３ｂと、原料溶液２４ａが収容されるミスト発生源２４と、水２５ａが入れられる容器２５と、容器２５の底面に取り付けられた超音波振動子２６と、成膜室３０と、ミスト発生源２４から成膜室３０までをつなぐ石英製の供給管２７と、成膜室３０内に設置されたホットプレート（ヒーター）２８とを備えている。ホットプレート２８上には、基板２０が設置されている。

そして、図１に記載のとおり、原料溶液２４ａをミスト発生源２４内に収容する。次に、基板２０を用いて、ホットプレート２８上に設置し、ホットプレート２８を作動させて成膜室３０内の温度を昇温させる。次に、流量調節弁２３（２３ａ、２３ｂ）を開いてキャリアガス源２２（２２ａ、２２ｂ）からキャリアガスを成膜室３０内に供給し、成膜室３０の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量と、キャリアガス（希釈）の流量とをそれぞれ調節する。次に、超音波振動子２６を振動させ、その振動を、水２５ａを通じて原料溶液２４ａに伝播させることによって、原料溶液２４ａを微粒子化させて霧化液滴２４ｂを生成する。この霧化液滴２４ｂが、キャリアガスによって成膜室３０内に導入され、基板２０まで搬送され、そして、大気圧下、成膜室３０内で霧化液滴２４ｂが熱反応して、基板２０上に膜が形成する。

また、図２に示すミストＣＶＤ装置（成膜装置）１９を用いるのも好ましい。図２のミストＣＶＤ装置１９は、基板２０を載置するサセプタ２１と、キャリアガスを供給するキャリアガス供給手段２２ａと、キャリアガス供給手段２２ａから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁２３ａと、キャリアガス（希釈）を供給するキャリアガス（希釈）供給手段２２ｂと、キャリアガス（希釈）供給手段２２ｂから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁２３ｂと、原料溶液２４ａが収容されるミスト発生源２４と、水２５ａが入れられる容器２５と、容器２５の底面に取り付けられた超音波振動子２６と、内径４０ｍｍの石英管からなる供給管２７と、供給管２７の周辺部に設置されたヒーター２８と、熱反応後のミスト、液滴および排気ガスを排出する排気口２９とを備えている。サセプタ２１は、石英からなり、基板２０を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室となる供給管２７とサセプタ２１をどちらも石英で作製することにより、基板２０上に形成される膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。このミストＣＶＤ装置１９は、前記の成膜装置１９と同様に扱うことができる。

前記の好適な成膜装置を用いれば、前記結晶基板の結晶成長面上に、より容易に前記結晶性酸化物膜を形成することができる。なお、前記結晶性酸化物膜は、通常、エピタキシャル結晶成長により形成される。

上記した好適な成膜方法によれば、結晶軸方向ごとの反りの不均一性が改善された前記結晶性酸化物膜を得ることができる。より具体的には、第１の結晶軸方向の反り量に対する第２の結晶軸方向の反り量の比が３以下である前記結晶性酸化物膜を得ることができる。本発明の実施態様においては、前記反り量の比は、前記傾斜の角度を好ましい角度（例えば、６°～１０°）とすることにより、２以下とすることができる。本発明の実施態様においては、前記反り量の比の下限は、０．４以上であるのが好ましい。前記反り量は、膜の両端の点を通る最短の直線と、凹または凸の頂点との最短の距離をいい、例えば、レーザを用いた形状測定装置を用いて測定することができる。また、上記した好ましい成膜方法によれば、クラックがより低減された前記結晶性酸化物膜を得ることができる。より具体的には、例えば膜厚２．５μｍ以上（好ましくは５μｍ以上）であっても、少なくとも２ｍｍ^２以上の面積においてクラックを実質的に含まない前記結晶性酸化物膜を得ることができる。また、本発明の実施態様においては、前記膜厚が１０μｍ以上であっても、少なくとも２ｍｍ^２以上の面積においてクラックを実質的に含まない前記結晶性酸化物膜を得ることができる。

前記結晶性酸化物膜は半導体装置、特にパワーデバイスに有用である。前記結晶性酸化物膜を用いて形成される半導体装置としては、ＭＩＳやＨＥＭＴ等のトランジスタやＴＦＴ、半導体‐金属接合を利用したショットキーバリアダイオード、ＪＢＳ、他のＰ層と組み合わせたＰＮ又はＰＩＮダイオード、受発光素子などが挙げられる。本発明の実施態様においては、前記結晶性酸化物膜を、所望により前記結晶基板と剥離等して、半導体装置に用いることができる。

また、前記半導体装置は、電極が半導体層の片面側に形成された横型の素子（横型デバイス）と、半導体層の表裏両面側にそれぞれ電極を有する縦型の素子（縦型デバイス）のいずれにも好適に用いられるが、本発明の実施態様においては、中でも、縦型デバイスに用いることが好ましい。前記半導体装置の好適な例としては、例えば、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、ジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または発光ダイオード（ＬＥＤ）などが挙げられる。

以下、本発明の結晶性酸化物膜をｎ型半導体層（ｎ＋型半導体やｎ－半導体層等）に適用した場合の前記半導体装置の好適な例を、図面を用いて説明するが、本発明は、これらの例に限定されるものではない。

図３は、本発明の実施態様に係るショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の一例を示している。図３のＳＢＤは、ｎ－型半導体層１０１ａ、ｎ＋型半導体層１０１ｂ、ショットキー電極１０５ａおよびオーミック電極１０５ｂを備えている。

ショットキー電極およびオーミック電極の材料は、公知の電極材料であってもよく、前記電極材料としては、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、ＮｄもしくはＡｇ等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化レニウム、酸化インジウム、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウム（ＩＺＯ）等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェン又はポリピロ－ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物並びに積層体などが挙げられる。

ショットキー電極およびオーミック電極の形成は、例えば、真空蒸着法またはスパッタリング法などの公知の手段により行うことができる。より具体的に例えば、前記金属のうち２種類の第１の金属と第２の金属とを用いてショットキー電極を形成する場合、第１の金属からなる層と第２の金属からなる層を積層させ、第１の金属からなる層および第２の金属からなる層に対して、フォトリソグラフィの手法を利用したパターニングを施すことにより行うことができる。

図３のＳＢＤに逆バイアスが印加された場合には、空乏層（図示せず）がｎ型半導体層１０１ａの中に広がるため、高耐圧のＳＢＤとなる。また、順バイアスが印加された場合には、オーミック電極１０５ｂからショットキー電極１０５ａへ電子が流れる。このようにして前記半導体構造を用いたＳＢＤは、高耐圧・大電流用に優れており、スイッチング速度も速く、耐圧性・信頼性にも優れている。

（ＨＥＭＴ）
図４は、本発明の実施態様に係る高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の一例を示している。図４のＨＥＭＴは、バンドギャップの広いｎ型半導体層１２１ａ、バンドギャップの狭いｎ型半導体層１２１ｂ、ｎ＋型半導体層１２１ｃ、半絶縁体層１２４、緩衝層１２８、ゲート電極１２５ａ、ソース電極１２５ｂおよびドレイン電極１２５ｃを備えている。

（ＭＯＳＦＥＴ）
本発明の半導体装置がＭＯＳＦＥＴである場合の一例を図５に示す。図５のＭＯＳＦＥＴは、トレンチ型のＭＯＳＦＥＴであり、ｎ－型半導体層１３１ａ、ｎ＋型半導体層１３１ｂ及び１３１ｃ、ゲート絶縁膜１３４、ゲート電極１３５ａ、ソース電極１３５ｂおよびドレイン電極１３５ｃを備えている。

（ＪＦＥＴ）
図６は、ｎ－型半導体層１４１ａ、第１のｎ＋型半導体層１４１ｂ、第２のｎ＋型半導体層１４１ｃ、ゲート電極１４５ａ、ソース電極１４５ｂおよびドレイン電極１４５ｃを備えている接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）の好適な一例を示す。

（ＩＧＢＴ）
図７は、ｎ型半導体層１５１、ｎ－型半導体層１５１ａ、ｎ＋型半導体層１５１ｂ、ｐ型半導体層１５２、ゲート絶縁膜１５４、ゲート電極１５５ａ、エミッタ電極１５５ｂおよびコレクタ電極１５５ｃを備えている絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の好適な一例を示す。

（ＬＥＤ）
本発明の半導体装置が発光ダイオード（ＬＥＤ）である場合の一例を図８に示す。図８の半導体発光素子は、第２の電極１６５ｂ上にｎ型半導体層１６１を備えており、ｎ型半導体層１６１上には、発光層１６３が積層されている。そして、発光層１６３上には、ｐ型半導体層１６２が積層されている。ｐ型半導体層１６２上には、発光層１６３が発生する光を透過する透光性電極１６７を備えており、透光性電極１６７上には、第１の電極１６５ａが積層されている。なお、図８の半導体発光素子は、電極部分を除いて保護層で覆われていてもよい。

透光性電極の材料としては、インジウム（Ｉｎ）またはチタン（Ｔｉ）を含む酸化物の導電性材料などが挙げられる。より具体的には、例えば、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、Ｇａ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＣｅＯ_２またはこれらの２以上の混晶またはこれらにドーピングされたものなどが挙げられる。これらの材料を、スパッタリング等の公知の手段で設けることによって、透光性電極を形成できる。また、透光性電極を形成した後に、透光性電極の透明化を目的とした熱アニールを施してもよい。

図８の半導体発光素子によれば、第１の電極１６５ａを正極、第２の電極１６５ｂを負極とし、両者を介してｐ型半導体層１６２、発光層１６３およびｎ型半導体層１６１に電流を流すことで、発光層１６３が発光するようになっている。

第１の電極１６５ａ及び第２の電極１６５ｂの材料としては、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、ＮｄもしくはＡｇ等の金属またはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化レニウム、酸化インジウム、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウム（ＩＺＯ）等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェン又はポリピロ－ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物などが挙げられる。電極の製膜法は特に限定されることはなく、印刷方式、スプレー法、コ－ティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレ－ティング法等の物理的方式、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等の化学的方式、などの中から前記材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って前記基板上に形成することができる。

なお、発光素子の別の態様を図９に示す。図９の発光素子では、基板１６９上にｎ型半導体層１６１が積層されており、ｐ型半導体層１６２、発光層１６３およびｎ型半導体層１６１の一部を切り欠くことによって露出したｎ型半導体層１６１の半導体層露出面上の一部に第２の電極１６５ｂが積層されている。

図１０は、本発明の好適な実施態様の一つであるジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）を示す。図１０の半導体装置は、半導体領域（半導体層）３と、前記半導体領域上に設けられておりかつ前記半導体領域との間にショットキーバリアを形成可能なバリア電極２と、バリア電極２と半導体領域３との間に設けられておりかつ前記半導体領域３との間にバリア電極２のショットキーバリアのバリアハイトよりも大きなバリアハイトのショットキーバリアを形成可能なバリアハイト調整層とを含んでいる。なお、バリアハイト調整層１は半導体領域３に埋め込まれている。本発明の実施態様においては、バリアハイト調整層が一定間隔ごとに設けられているのが好ましく、前記バリア電極の両端と前記半導体領域との間に、前記バリアハイト調整領域がそれぞれ設けられているのがより好ましい。このような好ましい態様により、熱安定性および密着性により優れ、リーク電流がより軽減され、さらに、より耐圧等の半導体特性に優れるようにＪＢＳが構成されている。なお、図１０の半導体装置は、半導体領域３上にオーミック電極４を備えている。

図１０の半導体装置の各層の形成手段は、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、公知の手段であってよい。例えば、真空蒸着法やＣＶＤ法、スパッタ法、各種コーティング技術等により成膜した後、フォトリソグラフィー法によりパターニングする手段、または印刷技術などを用いて直接パターニングを行う手段などが挙げられる。

図１１は、本発明の好適な実施態様の一つであるジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）を示す。図１１の半導体装置は、図１０の半導体装置とは、バリア電極の外周辺部にガードリング５が設けられている点において異なる。このように構成することによって、より耐圧等の半導体特性に優れた半導体装置を得ることができる。なお、本発明の実施態様においては、ガードリング５の一部を半導体領域（半導体層）３表面にそれぞれ埋め込むことにより、耐圧をより効果的により良好なものとすることができる。またさらに、ガードリングにバリアハイトの高い金属を用いることにより、バリア電極の形成とあわせてガードリングを工業的有利に設けることができ、半導体領域にあまり影響を与えることなく、オン抵抗も悪化させずに形成することができる。

前記ガードリングには、通常、バリアハイトの高い材料が用いられる。前記ガードリングに用いられる材料としては、例えば、バリアハイトが１ｅＶ以上の導電性材料などが挙げられ、前記電極材料と同じものであってもよい。また、ガードリングの形状としては、特に限定されず、例えば、ロの字形状、円状、コ字形状、Ｌ字形状または帯状などが挙げられる。ガードリングの本数も特に限定されないが、好ましくは３本以上、より好ましくは６本以上である。

（ＭＯＳＦＥＴ）
図12は、ｎ－型半導体層１３１ａ、第１のｎ＋型半導体層１３１ｂ、第２のｎ＋型半導体層１３１ｃ、ｐ型半導体層１３２、ｐ＋型半導体層１３２ａ、ゲート絶縁膜１３４、ゲート電極１３５ａ、ソース電極１３５ｂおよびドレイン電極１３５ｃを備えている金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の好適な一例を示す。なお、ｐ＋型半導体層１３２ａは、ｐ型半導体層であってもよく、ｐ型半導体層１３２と同じであってもよい。なお、ｐ型半導体は、ｎ型半導体と同じ材料であって、ｐ型ドーパントを含むものであってもよいし、異なるｐ型半導体であってもよい。

上述した本発明の結晶性酸化物膜もしくは半導体装置は、上記した機能を発揮させるべく、インバータやコンバータなどの電力変換装置に適用することができる。より具体的には、インバータやコンバータに内蔵されるダイオードや、スイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等として適用することができる。図１３は、本発明の実施態様に係る半導体装置を用いた制御システムの一例を示すブロック構成図、図１４は同制御システムの回路図であり、特に電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）への搭載に適した制御システムである。

図１３に示すように、制御システム５００はバッテリー（電源）５０１、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４、モータ（駆動対象）５０５、駆動制御部５０６を有し、これらは電気自動車に搭載されてなる。バッテリー５０１は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池からなり、給電ステーションでの充電あるいは減速時の回生エネルギーなどにより電力を貯蔵するとともに、電気自動車の走行系や電装系の動作に必要となる直流電圧を出力することができる。昇圧コンバータ５０２は例えばチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であり、バッテリー５０１から供給される例えば２００Ｖの直流電圧を、チョッパ回路のスイッチング動作により例えば６５０Ｖに昇圧して、モータなどの走行系に出力することができる。降圧コンバータ５０３も同様にチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であるが、バッテリー５０１から供給される例えば２００Ｖの直流電圧を、例えば１２Ｖ程度に降圧することで、パワーウインドーやパワーステアリング、あるいは車載の電気機器などを含む電装系に出力することができる。

インバータ５０４は、昇圧コンバータ５０２から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ５０５に出力する。モータ５０５は電気自動車の走行系を構成する三相交流モータであり、インバータ５０４から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しないトランスミッション等を介して電気自動車の車輪に伝達する。

一方、図示しない各種センサを用いて、走行中の電気自動車から車輪の回転数やトルク、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル量）などの実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部５０６に入力される。また同時に、インバータ５０４の出力電圧値も駆動制御部５０６に入力される。駆動制御部５０６はＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算部やメモリなどのデータ保存部を備えたコントローラの機能を有するもので、入力された計測信号を用いて制御信号を生成してインバータ５０４にフィードバック信号として出力することで、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ５０４がモータ５０５に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、電気自動車の運転制御を正確に実行させることができ、電気自動車の安全・快適な動作が実現する。なお、駆動制御部５０６からのフィードバック信号を昇圧コンバータ５０２に与えることで、インバータ５０４への出力電圧を制御することも可能である。

図１４は、図１３における降圧コンバータ５０３を除いた回路構成、すなわちモータ５０５を駆動するための構成のみを示した回路構成である。同図に示されるように、本発明の半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとして昇圧コンバータ５０２およびインバータ５０４に採用されることでスイッチング制御に供される。昇圧コンバータ５０２においてはチョッパ回路に組み込まれてチョッパ制御を行い、またインバータ５０４においてはＩＧＢＴを含むスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、バッテリー５０１の出力にインダクタ（コイルなど）を介在させることで電流の安定化を図り、またバッテリー５０１、昇圧コンバータ５０２、インバータ５０４のそれぞれの間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。

また、図１４中に点線で示すように、駆動制御部５０６内にはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）からなる演算部５０７と不揮発性メモリからなる記憶部５０８が設けられている。駆動制御部５０６に入力された信号は演算部５０７に与えられ、必要な演算を行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部５０８は、演算部５０７による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部５０７に適宜出力する。演算部５０７や記憶部５０８は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。

図１３や図１４に示されるように、制御システム５００においては、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４のスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。これらの半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ_２Ｏ_３）をその材料として用いることでスイッチング特性が大幅に向上する。さらに、本発明に係る半導体装置等を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム５００の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは任意の二つ以上の組合せ、あるいは駆動制御部５０６も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。
なお、上述の制御システム５００は本発明の半導体装置を電気自動車の制御システムに適用できるだけではなく、直流電源からの電力を昇圧・降圧したり、直流から交流へ電力変換するといったあらゆる用途の制御システムに適用することが可能である。また、バッテリーとして太陽電池などの電源を用いることも可能である。

図１５は、本発明の実施態様に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図、図１６は同制御システムの回路図であり、交流電源からの電力で動作するインフラ機器や家電機器等への搭載に適した制御システムである。

図１５に示すように、制御システム６００は、外部の例えば三相交流電源（電源）６０１から供給される電力を入力するもので、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２、インバータ６０４、モータ（駆動対象）６０５、駆動制御部６０６を有し、これらは様々な機器（後述する）に搭載することができる。三相交流電源６０１は、例えば電力会社の発電施設（火力発電所、水力発電所、地熱発電所、原子力発電所など）であり、その出力は変電所を介して降圧されながら交流電圧として供給される。また、例えば自家発電機等の形態でビル内や近隣施設内に設置されて電力ケーブルで供給される。ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２は交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換装置であり、三相交流電源６０１から供給される１００Ｖや２００Ｖの交流電圧を所定の直流電圧に変換する。具体的には、電圧変換により３．３Ｖや５Ｖ、あるいは１２Ｖといった、一般的に用いられる所望の直流電圧に変換される。駆動対象がモータである場合には１２Ｖへの変換が行われる。なお、三相交流電源に代えて単相交流電源を採用することも可能であり、その場合にはＡＣ／ＤＣコンバータを単相入力のものとすれば同様のシステム構成とすることができる。

インバータ６０４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ６０５に出力する。モータ６０４は、制御対象によりその形態が異なるが、制御対象が電車の場合には車輪を、工場設備の場合にはポンプや各種動力源を、家電機器の場合にはコンプレッサなどを駆動するための三相交流モータであり、インバータ６０４から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しない駆動対象に伝達する。

なお、例えば家電機器においてはＡＣ／ＤＣコンバータ３０２から出力される直流電圧をそのまま供給することが可能な駆動対象も多く（例えばパソコン、ＬＥＤ照明機器、映像機器、音響機器など）、その場合には制御システム６００にインバータ６０４は不要となり、図１５中に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２から駆動対象に直流電圧を供給する。この場合、例えばパソコンなどには３．３Ｖの直流電圧が、ＬＥＤ照明機器などには５Ｖの直流電圧が供給される。

一方、図示しない各種センサを用いて、駆動対象の回転数やトルク、あるいは駆動対象の周辺環境の温度や流量などといった実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部６０６に入力される。また同時に、インバータ６０４の出力電圧値も駆動制御部６０６に入力される。これらの計測信号をもとに、駆動制御部６０６はインバータ６０４にフィードバック信号を与え、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ６０４がモータ６０５に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、駆動対象の運転制御を正確に実行させることができ、駆動対象の安定した動作が実現する。また、上述のように、駆動対象が直流電圧で駆動可能な場合には、インバータへのフィードバックに代えてＡＣ／ＤＣコンバータ６０２をフィードバック制御することも可能である。

図１６は、図１５の回路構成を示したものである。同図に示されるように、本発明の半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとしてＡＣ／ＤＣコンバータ６０２およびインバータ６０４に採用されることでスイッチング制御に供される。ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２は、例えばショットキーバリアダイオードをブリッジ状に回路構成したものが用いられ、入力電圧の負電圧分を正電圧に変換整流することで直流変換を行う。またインバータ６０４においてはＩＧＢＴにおけるスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、三相交流電源６０１とＡＣ／ＤＣコンバータ６０２との間にインダクタ（コイルなど）を介在させることで電流の安定化を図り、またＡＣ／ＤＣコンバータ６０２とインバータ６０４の間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。

また、図１６中に点線で示すように、駆動制御部６０６内にはＣＰＵからなる演算部６０７と不揮発性メモリからなる記憶部６０８が設けられている。駆動制御部６０６に入力された信号は演算部６０７に与えられ、必要な演算を行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部６０８は、演算部６０７による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部６０７に適宜出力する。演算部６０７や記憶部６０８は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。

このような制御システム６００においても、図１３や図１４に示した制御システム５００と同様に、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２やインバータ６０４の整流動作やスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。これら半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ_２Ｏ_３）をその材料として用いることでスイッチング特性が向上する。さらに、本発明に係る半導体膜や半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム６００の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２、インバータ６０４のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは組合せ、あるいは駆動制御部６０６も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。

なお、図１５および図１６では駆動対象としてモータ６０５を例示したが、駆動対象は必ずしも機械的に動作するものに限られず、交流電圧を必要とする多くの機器を対象とすることができる。制御システム６００においては、交流電源から電力を入力して駆動対象を駆動する限りにおいては適用が可能であり、インフラ機器（例えばビルや工場等の電力設備、通信設備、交通管制機器、上下水処理設備、システム機器、省力機器、電車など）や家電機器（例えば、冷蔵庫、洗濯機、パソコン、ＬＥＤ照明機器、映像機器、音響機器など）といった機器を対象とした駆動制御のために搭載することができる。

（実施例１）
１．成膜装置
本実施例では図１に示す成膜装置１９を用いた。

２．原料溶液の作製
臭化ガリウム（ＧａＢｒ_３）０．１Ｍの水溶液に、臭化水素酸（ＨＢｒ）１０体積％を加え、これを原料溶液とした。

３．成膜準備
上記２．で得られた原料溶液２４ａをミスト発生源２４内に収容した。次に、基板２０として、表面にバッファ層が積層され、ｍ面からｃ軸方向に３°傾斜した面を主面とするサファイア基板を用いて、ホットプレート２８上に設置し、ホットプレート２８を作動させて基板温度を６３０℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁２３ａ、２３ｂを開いて、キャリアガス源であるキャリアガス供給手段２２ａ、２２ｂからキャリアガスを成膜室３０内に供給し、成膜室３０の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を０．６Ｌ／分に調節した。キャリアガスとして窒素を用いた。

４．成膜
次に、超音波振動子２６を２．４ＭＨｚで振動させ、その振動を、水２５ａを通じて原料溶液２４ａに伝播させることによって、原料溶液２４ａを霧化させてミスト（霧化液滴）２４ｂを生成させた。このミスト２４ｂが、キャリアガスによって、供給管２７内を通って、成膜室３０内に導入され、大気圧下、６３０℃にて、基板２０上でミストが熱反応して、基板２０上に成膜した。成膜時間は１時間であった。得られた膜は、Ｘ線回折装置を用いて同定したところ、α－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜であった。

（実施例２～９）
実施例２～９として、それぞれ表１に示す条件で成膜したこと以外は、実施例１と同様にして、それぞれ結晶性酸化物膜を得た。得られた膜は、Ｘ線回折装置を用いて同定したところ、いずれもα－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜であった。

（比較例１～６）
比較例１～６として、それぞれ表２に示す条件で成膜したこと以外は、実施例１と同様にして、それぞれ結晶性酸化物膜を得た。得られた膜は、Ｘ線回折装置を用いて同定したところ、いずれもα－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜であった。

（評価）
実施例１～９および比較例１～６にて得られた結晶性酸化物膜につき、膜厚、反りおよびクラックの有無を確認した。結果を表３に示す。なお、反りの測定は表面形状測定システムＤＹＶＯＣＥ（神津精機株式会社製、型番：ＤＹ－３０００－０３９）を用いて行った。また、クラック発生率は、結晶性酸化物膜を１５２区画に分けて、それぞれの区画ごとのクラックの有無を確認することにより算出した。なお、実施例２、実施例５、実施例８、比較例２、比較例５および比較例６の反り測定結果を図１７に示す。表３および図１７から明らかなように、比較例品と比べて、実施例品は結晶軸方向ごとの反りがより均一であることがわかる。なお、本実施例品は、比較例品に対して反り量の絶対値が低減されており、さらに、膜厚を大きくした場合（例えば、５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上）であっても、少なくとも２ｍｍ^２以上の面積にわたってクラックを実質的に含まないものであった。

（実施例１０～１２）
実施例１０～１２として、基板として、ｍ面からｃ軸方向に２０°傾斜した面を結晶成長面とするサファイア基板を用いたこと以外は、実施例１～３とそれぞれ同様にして、結晶性酸化物膜を得た。得られた膜は、Ｘ線回折装置を用いて同定したところ、いずれもα－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜であった。また、得られた膜について、実施例１～９と同様にして膜厚、反りおよびクラック発生率を調べた。結果を表４に示す。表４から明らかなとおり、本実施例品はａ軸方向に対するｃ軸方向の反り量の比が０．４以上３未満の範囲内であり、結晶軸方向ごとの反りがより均一であることがわかる。なお、本実施例品は、膜厚を大きくした場合（例えば、５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上）であっても、少なくとも２ｍｍ^２以上の面積にわたってクラックを実質的に含まないものであった。

（実施例１３～１４）
実施例１３～１４として、基板として、ｍ面からｃ軸方向に２５°傾斜した面を結晶成長面とするサファイア基板を用いたこと以外は、実施例１および２とそれぞれ同様にして、結晶性酸化物膜を得た。得られた膜は、Ｘ線回折装置を用いて同定したところ、いずれもα－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜であった。また、得られた膜について、実施例１～９と同様にして膜厚、反りおよびクラック発生率を調べたた。結果を表４に示す。表４から明らかなとおり、本実施例品はａ軸方向に対するｃ軸方向の反り量の比が０．４以上３未満の範囲内であり、結晶軸方向ごとの反りがより均一であることがわかる。なお、本実施例品は、膜厚を大きくした場合（例えば、５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上）であっても、少なくとも２ｍｍ^２以上の面積にわたってクラックを実質的に含まないものであった。

（ホール効果測定）
ドーピングを行ったこと以外は、実施例１～１４と同様にして、それぞれ結晶性酸化物膜を得た。得られた膜は、Ｘ線回折装置を用いて同定したところ、いずれもα－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜であった。また、得られた膜について、実施例１～９と同様にして膜厚、反りおよびクラック発生率を調べたところ、実施例１～１４と同様に、膜厚を大きくしても反りおよびクラックを抑制できることがわかった。また、得られた膜に対してホール効果測定を行ったところ、いずれの実施例品も移動度が５ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上であり、優れた電気特性を有することがわかった。また、傾斜角が３°～１０°の実施例品は、傾斜角が２０°および２５°の実施例品と比較して、移動度において約２倍程度優れていることがわかった。この結果から、ｍ面から少なくともｃ軸方向に３°～１０°傾斜した面を主面とする場合には、反りおよびクラックを抑制させつつ、半導体特性をさらにより向上させることができることがわかった。

本発明の結晶性酸化物膜は、半導体（例えば化合物半導体電子デバイス等）、電子部品・電気機器部品、光学・電子写真関連装置、工業部材などあらゆる分野に用いることができるが、特に、半導体装置およびその部材等に有用である。

１ バリアハイト調整層
２ バリア電極
３ 半導体領域（半導体層）
４ オーミック電極
５ ガードリング
１９ ミストＣＶＤ装置（成膜装置）
２０ 基板
２１ サセプタ
２２ａ キャリアガス供給手段
２２ｂ キャリアガス（希釈）供給手段
２３ａ 流量調節弁
２３ｂ 流量調節弁
２４ ミスト発生源
２４ａ 原料溶液
２５ 容器
２５ａ 水
２６ 超音波振動子
２７ 供給管
２８ ヒーター
２９ 排気口
３０ 成膜室
１０１ａ ｎ－型半導体層
１０１ｂ ｎ＋型半導体層
１０２ ｐ型半導体層
１０３ 半絶縁体層
１０４ 絶縁体層
１０５ａ ショットキー電極
１０５ｂ オーミック電極
１２１ａ バンドギャップの広いｎ型半導体層
１２１ｂ バンドギャップの狭いｎ型半導体層
１２１ｃ ｎ＋型半導体層
１２３ ｐ型半導体層
１２４ 半絶縁体層
１２５ａ ゲート電極
１２５ｂ ソース電極
１２５ｃ ドレイン電極
１２８ 緩衝層
１３１ａ ｎ－型半導体層
１３１ｂ 第１のｎ＋型半導体層
１３１ｃ 第２のｎ＋型半導体層
１３２ ｐ型半導体層
１３２ａ ｐ＋型半導体層
１３４ ゲート絶縁膜
１３５ａ ゲート電極
１３５ｂ ソース電極
１３５ｃ ドレイン電極
１４１ａ ｎ－型半導体層
１４１ｂ 第１のｎ＋型半導体層
１４１ｃ 第２のｎ＋型半導体層
１４５ａ ゲート電極
１４５ｂ ソース電極
１４５ｃ ドレイン電極
１５１ ｎ型半導体層
１５１ａ ｎ－型半導体層
１５１ｂ ｎ＋型半導体層
１５２ ｐ型半導体層
１５４ ゲート絶縁膜
１５５ａ ゲート電極
１５５ｂ エミッタ電極
１５５ｃ コレクタ電極
１６１ ｎ型半導体層
１６２ ｐ型半導体層
１６３ 発光層
１６５ａ 第１の電極
１６５ｂ 第２の電極
１６７ 透光性電極
１６９ 基板
５００ 制御システム
５０１ バッテリー（電源）
５０２ 昇圧コンバータ
５０３ 降圧コンバータ
５０４ インバータ
５０５ モータ（駆動対象）
５０６ 駆動制御部
５０７ 演算部
５０８ 記憶部
６００ 制御システム
６０１ 三相交流電源（電源）
６０２ ＡＣ／ＤＣコンバータ
６０４ インバータ
６０５ モータ（駆動対象）
６０６ 駆動制御部
６０７ 演算部
６０８ 記憶部

Claims (13)

1. ガリウムを含む金属酸化物を含み、第１の結晶軸と第２の結晶軸とを少なくとも含む結晶性酸化物膜であって、第１の結晶軸方向の線膨張係数が、第２の結晶軸方向の線膨張係数よりも小さく、主面が、第２の結晶軸方向に平行な面から少なくとも第２の結晶軸方向に傾斜した面であり、前記傾斜の角度が、３°～２５°の範囲内であることを特徴とする結晶性酸化物膜。
2. 前記金属酸化物がコランダム構造を有する請求項１記載の結晶性酸化物膜。
3. 前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、インジウム、ロジウムまたはイリジウムを含む請求項１または２に記載の結晶性酸化物膜。
4. 前記金属酸化物が、ガリウムに加えて、インジウムまたは／およびアルミニウムを含む請求項１または２に記載の結晶性酸化物膜。
5. 膜厚が２．５μｍ以上である請求項１～４のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
6. ドーパントを含む請求項１～５のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
7. 前記第１の結晶軸方向の反り量に対する第２の結晶軸方向の反り量の比が３以下である請求項１～６のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
8. 前記傾斜の角度が、３°～１０°の範囲内である請求項１～７のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
9. コランダム構造を有しており、主面が、ｍ面から少なくとも第２の結晶軸方向に傾斜した面である請求項１～８のいずれかに記載の結晶性酸化物膜。
10. 第２の結晶軸方向がｃ軸方向である請求項９記載の結晶性酸化物膜。
11. 請求項１～１０のいずれかに記載の結晶性酸化物膜と電極とを少なくとも備える半導体装置。
12. 請求項１１記載の半導体装置を用いた電力変換装置。
13. 請求項１１記載の半導体装置を用いた制御システム。