JPWO2024252542A5 - - Google Patents

Description

２） 本測定
次に、ナノインデンテーション硬さを求める本測定が行われる。上記予備測定で求めた上記交差角が０°以上１０°以下である場合、上記予備測定のときと同じ向きで、Ｇａ₂Ｏ₃単結晶基板１００が上記試料ステージに固定される。上記予備測定で求めた上記交差角が１０°を超える場合、上記交差角が０°以上１０°以下となるようにＧａ₂Ｏ₃単結晶基板１００の向きが調整された上で、Ｇａ₂Ｏ₃単結晶基板１００が上記試料ステージに固定される。さらに、上記ナノインデンターに備わる光学系を用いて上記試料ステージ上のＧａ₂Ｏ₃単結晶基板１００が観察されることにより、主表面１０上の上述した５箇所の座標（Ｘ、Ｙ）の一つ（たとえば（０，０））が被測定箇所として指定される。続いて上記被測定箇所（たとえば（０，０））にバーコビッチ圧子が移動させられ、最大荷重１０ｍＮで押込み試験が行われた後、上記試料ステージよりＧａ₂Ｏ₃単結晶基板１００が取り出される。このとき上記被測定箇所には、バーコビッチ圧子の圧痕が形成されている。したがって上記圧痕に基づいて、上記の最大荷重１０ｍＮの付加時に上記バーコビッチ圧子がＧａ₂Ｏ₃単結晶基板１００と接触していた面積（ｍｍ²）が算出可能となり、かつ上記面積（ｍｍ²）で最大荷重１０ｍＮが除算されることにより、上記被測定箇所（たとえば（０，０））におけるナノインデンテーション硬さを求めることができる。

次に、上記試料配置部に配置した上記Ｇａ₂Ｏ₃分析試料に対し、次の条件によりＧＤＭＳを行うことができる。なお、Ｇａ₂Ｏ₃分析試料中の構成元素のうちＧａおよびＯ以外の元素であるＢについては、ＧａとＢとのイオン強度比を相対感度係数（ＲＳＦ）で補正することによって、半定量値を算出することができる。なお上記相対感度係数については、下記装置に付帯されたソフトウェア内蔵の値を用いることができる。
装置：グロー放電質量分析装置（商品名（品番）：ＶＧ－９０００、ＶＧ Ｅｌｅｍｅｎｔａｌ社製）
イオン源：ピン状セル（分析時は液体窒素で冷却）
放電面積：直径１０ｍｍ
放電ガス：高純度アルゴン（６Ｎグレード）
放電条件：２ｍＡ、１ｋＶ（定電流モード）
検出器：ファラデーカップおよびマルチプライヤー
質量分解能：４０００以上のｍ／Δｍ（高分解能モード）。

（第１ノズルおよび第２ノズル）
第１ノズル４１および第２ノズル４２は、特に限定されないが、たとえばｐＢＮコートカーボン、サファイアなどからなる場合がある。第１ノズル４１および第２ノズル４２は、上記穴を通じて蓋体３を貫通し、その先端を坩堝２内に位置させることにより、坩堝２の内外を連絡する。これにより第１ノズル４１は、外部より坩堝２内にＧａ₂Ｏ₃を供給するための供給路として機能することができる。第２ノズル４２は、外部より坩堝２内にｎ型ドーパントを供給するための供給路として機能することができる。第１ノズル４１および第２ノズル４２を通じてＧａ₂Ｏ₃多結晶またはｎ型ドーパントを坩堝２内のＢ₂Ｏ₃－Ｇａ₂Ｏ₃溶液５２に供給することにより、Ｂ₂Ｏ₃－Ｇａ₂Ｏ₃溶液５２中のＧａ ₂ Ｏ ₃ およびｎ型ドーパントの濃度を常に一定とすることができる。

ここで第１濃度、つまりＢ₂Ｏ₃－Ｇａ₂Ｏ₃溶液５２におけるＢ₂Ｏ₃中のＧａ₂Ｏ₃の濃度としては、２０～４０質量％であることが好ましい。Ｂ₂Ｏ₃中に溶解可能となるＧａ₂Ｏ₃の濃度は、Ｂ₂Ｏ₃の温度に依存する。したがって原材料溶融工程Ｓ１３０においてＢ₂Ｏ₃－Ｇａ₂Ｏ₃溶液５２は、１２００～１５００℃に加熱されることが好ましい。この場合、第２濃度、つまりＢ₂Ｏ₃－Ｇａ₂Ｏ₃溶液５２におけるＢ₂Ｏ₃中のｎ型ドーパントの濃度としては、従来公知のＧａ₂Ｏ₃単結晶の製造方法にて適用される濃度であればよく、たとえば２～３００質量ｐｐｍであることが好ましい。第１濃度および第２濃度の測定は、後述する分析工程にて行うＧａ₂Ｏ₃濃度およびｎ型ドーパント濃度の測定と同じ要領により行うことができる。

さらにＧａ₂Ｏ₃単結晶成長工程Ｓ１４０においては、上述したＧａ₂Ｏ₃単結晶の析出に伴い、Ｂ₂Ｏ₃－Ｇａ₂Ｏ₃溶液５２中のｎ型ドーパント濃度も低下することとなる。このため上記ｎ型ドーパント濃度調整工程においては、所定時間毎に行われる上記分析工程から得られるｎ型ドーパントの濃度に関する分析結果に応じ、上記第２濃度に対しプラスマイナス５％以内の濃度となるように、第２ノズル４２を通じて坩堝２のＢ₂Ｏ₃－Ｇａ₂Ｏ₃溶液５２にｎ型ドーパントが投入される。なお上記ｎ型ドーパント濃度調整工程において、ｎ型ドーパント濃度の上記分析結果が第２濃度に対しプラスマイナス５％以内の濃度であれば、ｎ型ドーパントは投入されない。

同一の基板で同一の箇所を３回測定して求めた３つの測定値の平均値をナノインデンテーション硬さとし、これを主表面上の所定の５箇所でそれぞれ求めた。さらに上記５箇所で求めた合計５つのナノインデンテーション硬さから、その平均値（単位は、ＧＰａ）を求めた。主表面上の所定の５箇所それぞれにおけるナノインデンテーション硬さの最大値と最小値との差分（表１において「最大最小差」と記す）も求めた。上記の所定の５箇所とは、以下の主表面上の位置をいう。すなわち上記主表面の中心から、上記中心部と上記外周部との境界までの長さをｒとし、上記中心を通り、上記主表面上の互いに直交する２軸をＸ軸およびＹ軸とし、かつ上記Ｙ軸を上記Ｇａ₂Ｏ₃単結晶のｂ軸とするとき、上記５箇所の上記Ｘ軸および上記Ｙ軸の座標（Ｘ，Ｙ）は、（０，０）、（ｒ－５，０）、（０，ｒ－５）、（－（ｒ－５），０）、および（０，－（ｒ－５））である。上記ｒ、ならびに上記座標（Ｘ、Ｙ）中のＸおよびＹの単位はｍｍである。試料ａ、試料ｂ、試料ｃ、および試料１１～試料１６の上記ｒは、４８ｍｍである。試料１７～試料１９の上記ｒは、７４ｍｍである。結果を表１に示す。

１００ 三酸化二ガリウム単結晶基板（Ｇａ₂Ｏ₃単結晶基板）、１０ 主表面、１１ 中心部、１２ 外周部、１３ 境界、２１ 電極、１ 加熱装置、２ 坩堝、３ 蓋体、４１ 第１ノズル、４２ 第２ノズル、５１ 種結晶、５２ Ｂ₂Ｏ₃－Ｇａ₂Ｏ₃溶液、８ 坩堝保持用ステージ、９ 下軸、Ｏ 中心、ｒ 主表面の中心から中心部と外周部との境界までの長さ、Ｓ１００ Ｇａ₂Ｏ₃単結晶製造工程、Ｓ１１０ 準備工程、Ｓ１２０ 原材料収容工程、Ｓ１３０ 原材料溶融工程、Ｓ１４０ Ｇａ₂Ｏ₃単結晶成長工程、Ｓ２００ Ｇａ₂Ｏ₃単結晶基板製造工程。

Claims (10)

1. 円形状の主表面を有する三酸化二ガリウム単結晶基板であって、
   前記三酸化二ガリウム単結晶基板の直径は、１００ｍｍ以上であり、
   前記三酸化二ガリウム単結晶基板の厚みは、６００μｍ以上であり、
   前記三酸化二ガリウム単結晶基板は、ホウ素を含み、
   前記ホウ素の濃度は、グロー放電質量分析において４質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下である、三酸化二ガリウム単結晶基板。
2. 前記ホウ素の濃度は、グロー放電質量分析において５質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下である、請求項１に記載の三酸化二ガリウム単結晶基板。
3. 前記主表面は、三酸化二ガリウム単結晶の（００１）面であり、
   前記主表面は、その中心を含む中心部と、前記中心部を囲む外周部とを有し、
   前記外周部は、面取り加工が施された領域であり、
   バーコビッチ圧子を用いたナノインデンテーション法に従って、最大荷重を１０ｍＮとし、かつ圧痕の一辺と、前記三酸化二ガリウム単結晶の［１００］方向を前記主表面に投影した方向との交差角が０°以上１０°以下となるように荷重を付与する条件の下で、前記主表面上の５箇所にて測定したナノインデンテーション硬さは、いずれも１４．８ＧＰａ以上２２．０ＧＰａ以下であり、
   前記主表面の前記中心から、前記中心部と前記外周部との境界までの長さをｒとし、前記中心を通り、前記主表面上の互いに直交する２軸をＸ軸およびＹ軸とし、かつ前記Ｙ軸を前記三酸化二ガリウム単結晶のｂ軸とするとき、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸で規定される前記５箇所の座標（Ｘ、Ｙ）は、（０，０）、（ｒ－５，０）、（０，ｒ－５）、（－（ｒ－５），０）、および（０，－（ｒ－５））であり、前記ｒ、ならびに前記座標（Ｘ，Ｙ）中のＸおよびＹの単位はｍｍである、請求項１または請求項２に記載の三酸化二ガリウム単結晶基板。
4. 前記三酸化二ガリウム単結晶基板は、ロジウムおよびイリジウムの両方またはいずれか一方を含み、
   前記ロジウムの濃度および前記イリジウムの濃度は、いずれもグロー放電質量分析において０．１質量ｐｐｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の三酸化二ガリウム単結晶基板。
5. Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定において２５℃にて測定される前記三酸化二ガリウム単結晶基板の比抵抗は、１．０×１０^-3Ω・ｃｍ以上２．０Ω・ｃｍ以下であり、
   Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定において２５℃にて測定される前記三酸化二ガリウム単結晶基板のキャリア濃度は、４．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．４×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であり、
   Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定において２５℃にて測定される前記三酸化二ガリウム単結晶基板の電子移動度は、０．２ｃｍ²／Ｖ・ｓ以上１５０００ｃｍ²／Ｖ・ｓ以下である、請求項１または請求項２に記載の三酸化二ガリウム単結晶基板。
6. 三酸化二ガリウム単結晶の製造方法であって、
   前記製造方法は、大気雰囲気下で実行され、かつ
   円筒状の坩堝と、前記坩堝の外周を包囲するように配置される加熱装置とを少なくとも備える単結晶成長装置を準備する工程と、
   前記坩堝の底部に前記三酸化二ガリウム単結晶からなる種結晶を収容し、かつ前記坩堝内の前記種結晶よりも上部に塊状または粉末状の三酸化二ガリウム多結晶、ｎ型ドーパント、および酸化ホウ素を収容する工程と、
   前記加熱装置で前記坩堝を加熱することにより、前記種結晶の一部を融解し、かつ前記種結晶の一部および前記三酸化二ガリウム多結晶に由来する三酸化二ガリウムが第１濃度で、前記ｎ型ドーパントが第２濃度でそれぞれ前記酸化ホウ素に溶解した溶液を得るとともに、前記溶液と前記種結晶の残部とを接触させる工程と、
   前記溶液から前記種結晶の残部上に結晶を成長させることにより三酸化二ガリウム単結晶を得る工程とを含み、
   前記坩堝は、白金からなり、
   前記三酸化二ガリウム単結晶におけるホウ素の濃度は、グロー放電質量分析において４質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下である、三酸化二ガリウム単結晶の製造方法。
7. 三酸化二ガリウム単結晶の製造方法であって、
   前記製造方法は、窒素雰囲気下で実行され、かつ
   円筒状の坩堝と、前記坩堝の外周を包囲するように配置される加熱装置とを少なくとも備える単結晶成長装置を準備する工程と、
   前記坩堝の底部に前記三酸化二ガリウム単結晶からなる種結晶を収容し、かつ前記坩堝内の前記種結晶よりも上部に塊状または粉末状の三酸化二ガリウム多結晶、ｎ型ドーパント、および酸化ホウ素を収容する工程と、
   前記加熱装置で前記坩堝を加熱することにより、前記種結晶の一部を融解し、かつ前記種結晶の一部および前記三酸化二ガリウム多結晶に由来する三酸化二ガリウムが第１濃度で、前記ｎ型ドーパントが第２濃度でそれぞれ前記酸化ホウ素に溶解した溶液を得るとともに、前記溶液と前記種結晶の残部とを接触させる工程と、
   前記溶液から前記種結晶の残部上に結晶を成長させることにより三酸化二ガリウム単結晶を得る工程とを含み、
   前記坩堝は、熱分解窒化ホウ素からなり、
   前記三酸化二ガリウム単結晶におけるホウ素の濃度は、グロー放電質量分析において４質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下である、三酸化二ガリウム単結晶の製造方法。
8. 前記単結晶成長装置は、前記坩堝内に前記三酸化二ガリウム多結晶および前記ｎ型ドーパントを投入するためのノズル、および前記坩堝を密閉するための蓋体を有し、
   前記蓋体は、前記ノズルが挿入される穴を有し、
   前記三酸化二ガリウム単結晶を得る工程は、
   前記ノズルを通じて前記蓋体により密閉された前記坩堝中の前記溶液をサンプリングすることにより、前記溶液中の前記種結晶の一部および前記三酸化二ガリウム多結晶に由来する三酸化二ガリウム、ならびに前記ｎ型ドーパントの濃度を分析する工程と、
   前記三酸化二ガリウムの濃度に関する分析結果に応じ、前記第１濃度に対しプラスマイナス５％以内の濃度となるように、前記ノズルを通じて前記坩堝中の前記溶液に前記三酸化二ガリウム多結晶を投入する工程と、
   前記ｎ型ドーパントの濃度に関する分析結果に応じ、前記第２濃度に対しプラスマイナス５％以内の濃度となるように、前記ノズルを通じて前記坩堝中の前記溶液に前記ｎ型ドーパントを投入する工程とを含む、請求項６または請求項７に記載の三酸化二ガリウム単結晶の製造方法。
9. 請求項６または請求項７に記載の三酸化二ガリウム単結晶の製造方法により得た前記三酸化二ガリウム単結晶を加工することにより、円形状の主表面を有する三酸化二ガリウム単結晶基板を得る工程を含む、三酸化二ガリウム単結晶基板の製造方法。
10. 前記主表面は、三酸化二ガリウム単結晶の（００１）面であり、
    前記主表面は、その中心を含む中心部と、前記中心部を囲む外周部とを有し、
    前記外周部は、面取り加工が施された領域であり、
    バーコビッチ圧子を用いたナノインデンテーション法に従って、最大荷重を１０ｍＮとし、かつ圧痕の一辺と、前記三酸化二ガリウム単結晶の［１００］方向を前記主表面に投影した方向との交差角が０°以上１０°以下となるように荷重を付与する条件の下で、前記主表面上の５箇所にて測定したナノインデンテーション硬さは、いずれも１４．８ＧＰａ以上２２．０ＧＰａ以下であり、
    前記主表面の前記中心から、前記中心部と前記外周部との境界までの長さをｒとし、前記中心を通り、前記主表面上の互いに直交する２軸をＸ軸およびＹ軸とし、かつ前記Ｙ軸を前記三酸化二ガリウム単結晶のｂ軸とするとき、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸で規定される前記５箇所の座標（Ｘ，Ｙ）は、（０，０）、（ｒ－５，０）、（０，ｒ－５）、（－（ｒ－５），０）、および（０，－（ｒ－５））であり、前記ｒ、ならびに前記座標（Ｘ、Ｙ）中のＸおよびＹの単位はｍｍであり、
    前記三酸化二ガリウム単結晶基板は、ロジウムおよびイリジウムの両方またはいずれか一方を含み、
    前記ロジウムの濃度および前記イリジウムの濃度は、いずれもグロー放電質量分析において０．１質量ｐｐｍ以下であり、
    Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定において２５℃にて測定される前記三酸化二ガリウム単結晶基板の比抵抗は、１．０×１０^-3Ω・ｃｍ以上２．０Ω・ｃｍ以下であり、
    Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定において２５℃にて測定される前記三酸化二ガリウム単結晶基板のキャリア濃度は、４．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．４×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であり、
    Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定において２５℃にて測定される前記三酸化二ガリウム単結晶基板の電子移動度は、０．２ｃｍ²／Ｖ・ｓ以上１５０００ｃｍ²／Ｖ・ｓ以下である、請求項２に記載の三酸化二ガリウム単結晶基板。