JP2022072611A - Crystalline oxide film, structure including the same and method for manufacturing crystalline oxide film - Google Patents

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Abstract

To provide a perovskite type oxide thin film having high conductivity and including doped rare earth metal.SOLUTION: A crystalline oxide film including an oxide obtained by doping a rare earth element in a perovskite type oxide represented by a composition formula AXBYO3 (where, A and B represent different metal elements; X is 0.95≤X≤1.05; and Y is 0.60≤Y≤1.05.) has 0.25 degree or less of a rocking curve half value width measured on a (004) plane by an X-ray diffraction method. Preferably, A in the composition formula is a group 2 element, especially Sr, and B is a group 14 element, especially, Sn.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、結晶性酸化物膜及び該結晶性酸化物膜を有する構造体に関する。また本発明は、結晶性酸化物膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a crystalline oxide film and a structure having the crystalline oxide film. The present invention also relates to a method for producing a crystalline oxide film.

ストロンチウムスズ酸化物にランタンをドープした材料は、酸化物半導体や透明導電体として有用なものである。従来、この材料からなる酸化物半導体や透明導電体は、主としてパルスレーザーデポジション(PLD)法によって形成されていた。例えば特許文献1には、Laを3原子%含むSrSnO膜を、PLD法によって、Nbを含むSrTiO基板上に堆積させることが記載されている。同文献においては、この膜を光化学電極のカソードとして用い、水素イオンを含む亜硝酸電解液、亜硫酸電解液又は炭酸電解液を原料に用いることで水素ガスを発生させている。 A material in which strontium tin oxide is doped with lanthanum is useful as an oxide semiconductor or a transparent conductor. Conventionally, oxide semiconductors and transparent conductors made of this material have been formed mainly by a pulsed laser deposition (PLD) method. For example, Patent Document 1 describes that an SrSnO 3 film containing 3 atomic% of La is deposited on an SrTiO 3 substrate containing Nb by the PLD method. In the same document, this film is used as a cathode of a photochemical electrode, and hydrogen gas is generated by using a nitrite electrolytic solution containing hydrogen ions, a sulfurous acid electrolytic solution, or a carbonic acid electrolytic solution as a raw material.

非特許文献1には、PLD法によって、LaをドープしたSrSnO薄膜をエピタキシャル成長させることが記載されている。この薄膜は、390nmから1600nmの波長領域において透明であることが、同文献には記載されている。 Non-Patent Document 1 describes that a La-doped SrSnO3 thin film is epitaxially grown by a PLD method. It is described in the same document that this thin film is transparent in the wavelength region of 390 nm to 1600 nm.

非特許文献2には、ランタンをドープしたSrSnO薄膜をPLD法によってMgO基板上に形成し、これを真空中でアニールすることで高導電性とすることが記載されている。 Non-Patent Document 2 describes that a lanthanum-doped SrSnO 3 thin film is formed on an MgO substrate by a PLD method and annealed in a vacuum to obtain high conductivity.

特開2018-24913号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-24913

Journal of Physics D: Applied Physics 48 (2015) 455106Journal of Physics D: Applied Physics 48 (2015) 455106 Appl. Phys. Lett. 116, 022103 (2020)Appl. Phys. Lett. 116, 022103 (2020)

このように、LaをドープしたSrSnOをはじめとする希土類金属をドープしたペロブスカイト型酸化物薄膜は様々な分野で有用な材料である。この薄膜の製造には上述のとおりPLD法が採用されていた。しかし、PLD法は、大面積の薄膜の製造に不向きであるという点や、成膜レートが低いという点において、工業的には見合わない方法であった。また、PLD法で形成された前記の薄膜は、その導電率を十分に高めることができなかった。
したがって本発明の課題は、希土類金属をドープしたペロブスカイト型酸化物薄膜の導電性の向上にある。
As described above, the perovskite-type oxide thin film doped with rare earth metals such as SrSnO 3 doped with La is a useful material in various fields. As described above, the PLD method was adopted for the production of this thin film. However, the PLD method is industrially unsuitable in that it is unsuitable for producing a large-area thin film and that the film formation rate is low. In addition, the thin film formed by the PLD method could not sufficiently increase its conductivity.
Therefore, an object of the present invention is to improve the conductivity of a perovskite-type oxide thin film doped with a rare earth metal.

本発明は、組成式A(式中、A及びBは互いに異なる金属元素を表し、Xは0.95≦X≦1.05であり、Yは0.60≦Y≦1.05である。)で表されるペロブスカイト型酸化物に希土類元素がドープされてなる酸化物を含む結晶性酸化物膜であって、
(004)面に対して測定されたX線回折法のロッキングカーブ半値幅が0.25度以下である結晶性酸化物膜を提供するものである。
In the present invention, the composition formula A X B YO 3 (in the formula, A and B represent different metal elements, X is 0.95 ≦ X ≦ 1.05, and Y is 0.60 ≦ Y ≦ 1. It is a crystalline oxide film containing an oxide obtained by doping a perovskite type oxide represented by (0.05) with a rare earth element.
(004) Provided is a crystalline oxide film having a half-value width of a locking curve of an X-ray diffraction method measured with respect to a plane of 0.25 degrees or less.

また本発明は、格子定数が3.800Å以上4.300Å以下であって且つ酸化物を含む基板と、該基板上に形成された結晶性酸化物膜とを有し、
前記結晶性酸化物膜の結晶が、前記基板の結晶面に揃えて配列されている、構造体であって、
前記結晶性酸化物膜は、組成式A(式中、A及びBは互いに異なる金属元素を表し、Xは0.95≦X≦1.05であり、Yは0.60≦Y≦1.05である。)で表されるペロブスカイト型酸化物に希土類元素がドープされてなる酸化物を含み、(004)面に対して測定されたX線回折法のロッキングカーブ半値幅が0.25度以下である、構造体を提供するものである。
Further, the present invention has a substrate having a lattice constant of 3.800 Å or more and 4.300 Å or less and containing an oxide, and a crystalline oxide film formed on the substrate.
A structure in which the crystals of the crystalline oxide film are arranged so as to be aligned with the crystal plane of the substrate.
The crystalline oxide film has a composition formula A X B YO 3 (in the formula, A and B represent metal elements different from each other, X is 0.95 ≦ X ≦ 1.05, and Y is 0.60. The perovskite-type oxide represented by (≦ Y ≦ 1.05) contains an oxide doped with a rare earth element, and the locking curve half-value width of the X-ray diffraction method measured with respect to the (004) plane. Provides a structure having a temperature of 0.25 degrees or less.

更に本発明は、ドーパントがドーピングされた結晶性酸化物膜を結晶性基板上に形成する結晶性酸化物膜の製造方法であって、
前記結晶性基板上に前記結晶性酸化物膜の前駆体層を形成し、
前記前駆体層上に前記ドーパントを含むドーパント含有層を形成し、次いで
前記前駆体層及びドーパント含有層を加熱して前記結晶性酸化物膜を得る、結晶性酸化物膜の製造方法を提供するものである。
Further, the present invention is a method for producing a crystalline oxide film in which a dopant-doped crystalline oxide film is formed on a crystalline substrate.
A precursor layer of the crystalline oxide film is formed on the crystalline substrate, and the precursor layer is formed.
Provided is a method for producing a crystalline oxide film, wherein a dopant-containing layer containing the dopant is formed on the precursor layer, and then the precursor layer and the dopant-containing layer are heated to obtain the crystalline oxide film. It is a thing.

本発明によれば、導電性が高く、希土類金属がドープされ、B元素欠損と酸素欠損が生じたペロブスカイト型酸化物薄膜が提供される。 According to the present invention, there is provided a perovskite-type oxide thin film having high conductivity, doped with a rare earth metal, and having element B deficiency and oxygen deficiency.

本発明に係る結晶性酸化物膜を製造するために好適に用いられる装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus preferably used for manufacturing the crystalline oxide film which concerns on this invention. 実施例1で得られた結晶性酸化物膜のX線回折測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the X-ray diffraction measurement of the crystalline oxide film obtained in Example 1. FIG.

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。本発明は結晶性酸化物膜に関するものである。本発明に係る結晶性酸化物膜(以下、単に「酸化物膜」という。)はペロブスカイト型結晶構造を有する。詳細には、本発明に係る酸化物膜は、以下の組成式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物に希土類元素がドープされてなる酸化物を含むものである。
(1)
式中、A及びBは互いに異なる金属元素を表し、Xは0.95≦X≦1.05であり、Yは0.60≦Y≦1.05である。
以下、この酸化物膜について詳細に説明する。
Hereinafter, the present invention will be described based on the preferred embodiment thereof. The present invention relates to a crystalline oxide film. The crystalline oxide film according to the present invention (hereinafter, simply referred to as “oxide film”) has a perovskite-type crystal structure. Specifically, the oxide film according to the present invention contains an oxide obtained by doping a perovskite-type oxide represented by the following composition formula (1) with a rare earth element.
A X B Y O 3 (1)
In the formula, A and B represent different metal elements, X is 0.95 ≦ X ≦ 1.05, and Y is 0.60 ≦ Y ≦ 1.05.
Hereinafter, this oxide film will be described in detail.

本発明に係る酸化物膜におけるペロブスカイト型酸化物を構成するA元素及びB元素としては、イオンサイズ及び/又は価数が異なる様々な金属イオンを用いることができる。そして、A元素とB元素との組み合わせを適切に選択することで、所望の導電性を有する酸化物膜を得ることができる。
A元素(すなわちペロブスカイト型結晶構造のAサイトに位置する元素)としては、例えば第2族元素や希土類元素を用いることができる。A元素の価数は典型的には二価であるが、これに限られない。
一方、B元素(すなわちペロブスカイト型結晶構造のBサイトに位置する元素)としては、例えば各種の遷移金属元素が挙げられる。B元素の価数は典型的には四価であるが、これに限られない。
As the elements A and B constituting the perovskite-type oxide in the oxide film according to the present invention, various metal ions having different ion sizes and / or valences can be used. Then, by appropriately selecting the combination of the element A and the element B, an oxide film having a desired conductivity can be obtained.
As the element A (that is, the element located at the A site of the perovskite type crystal structure), for example, a group 2 element or a rare earth element can be used. The valence of element A is typically, but not limited to, divalent.
On the other hand, examples of the B element (that is, the element located at the B site of the perovskite type crystal structure) include various transition metal elements. The valence of element B is typically tetravalent, but is not limited to this.

A元素としては、本発明に係る酸化物膜の導電性を向上させる観点から第2族元素を用いることが好ましく、特に好ましい元素はSrである。
一方、B元素としては、本発明に係る酸化物膜の導電性を向上させる観点から第14族元素を用いることが好ましく、特に好ましい元素はSnである。
As the element A, it is preferable to use a group 2 element from the viewpoint of improving the conductivity of the oxide film according to the present invention, and a particularly preferable element is Sr.
On the other hand, as the element B, it is preferable to use a group 14 element from the viewpoint of improving the conductivity of the oxide film according to the present invention, and a particularly preferable element is Sn.

前記の組成式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物においてA元素のモル比であるXは、上述のとおり0.95以上1.05以下であり、好ましくは0.97以上1.03以下であり、一層好ましくは0.98以上1.02以下である。ペロブスカイト型酸化物がこの範囲でA元素を含有することで、該ペロブスカイト型酸化物に適切な酸素欠損が生じ、本発明に係る酸化物膜の導電性の向上を図ることが可能となる。
一方、前記の組成式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物においてB元素のモル比であるYは、上述のとおり0.60以上1.05以下であり、好ましくは0.70以上0.95以下であり、一層好ましくは0.80以上0.90以下である。ペロブスカイト型酸化物がこの範囲でB元素を含有することで、該ペロブスカイト型酸化物に適切なB元素欠損及び酸素欠損が生じ、本発明に係る酸化物膜の導電性の向上を図ることが可能となる。
In the perovskite-type oxide represented by the composition formula (1), X, which is the molar ratio of element A, is 0.95 or more and 1.05 or less, preferably 0.97 or more and 1.03 or less as described above. It is more preferably 0.98 or more and 1.02 or less. When the perovskite-type oxide contains element A in this range, an appropriate oxygen deficiency occurs in the perovskite-type oxide, and it becomes possible to improve the conductivity of the oxide film according to the present invention.
On the other hand, in the perovskite-type oxide represented by the composition formula (1), Y, which is the molar ratio of element B, is 0.60 or more and 1.05 or less, preferably 0.70 or more and 0. It is 95 or less, more preferably 0.80 or more and 0.90 or less. When the perovskite-type oxide contains element B in this range, appropriate element B deficiency and oxygen deficiency occur in the perovskite-type oxide, and it is possible to improve the conductivity of the oxide film according to the present invention. It becomes.

前記の組成式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物には希土類元素がドープされている。希土類元素をドープすることで本発明に係る酸化物膜の導電性の向上を図ることが可能となる。理論に拘束されないが、希土類元素は、ペロブスカイト型結晶構造におけるAサイトに位置していることが、換言すればA元素の一部と置換されていることが、導電性の向上の観点から好ましい。 The perovskite-type oxide represented by the composition formula (1) is doped with a rare earth element. By doping with a rare earth element, it is possible to improve the conductivity of the oxide film according to the present invention. Although not bound by theory, it is preferable that the rare earth element is located at the A site in the perovskite type crystal structure, in other words, it is substituted with a part of the A element from the viewpoint of improving the conductivity.

前記の希土類元素としては、例えばLa、Ce、Sc、Y、Ybなどが挙げられる。これらの希土類元素は1種を単独で用いることができ、あるいは2種以上を組み合わせて用いることもできる。
前記の組成式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物における希土類元素の含有量の制御は、本発明に係る酸化物膜を製造するための前駆体層及びドーパント含有層の厚さを制御することで達成される。具体的には、前駆体層に対するドーパント含有層の厚さの割合で表して、0.04以上0.5以下とすることが好ましく、0.05以上0.2以下とすることが更に好ましく、0.1以上0.2以下とすることが一層好ましい。前駆体層に対するドーパント含有層の厚さをこの範囲に設定することで、本発明に係る酸化物膜の導電性の向上を図ることが可能となる。前駆体層及びドーパント含有層の詳細については後述する。
Examples of the rare earth element include La, Ce, Sc, Y, and Yb. One of these rare earth elements can be used alone, or two or more of them can be used in combination.
Controlling the content of rare earth elements in the perovskite-type oxide represented by the composition formula (1) controls the thickness of the precursor layer and the dopant-containing layer for producing the oxide film according to the present invention. It is achieved by that. Specifically, it is preferably 0.04 or more and 0.5 or less, and more preferably 0.05 or more and 0.2 or less in terms of the ratio of the thickness of the dopant-containing layer to the precursor layer. It is more preferably 0.1 or more and 0.2 or less. By setting the thickness of the dopant-containing layer with respect to the precursor layer in this range, it is possible to improve the conductivity of the oxide film according to the present invention. Details of the precursor layer and the dopant-containing layer will be described later.

本発明に係る酸化物膜に含まれるA元素及びB元素並びに希土類元素の量は、例えば断面TEMによって観察される断面部分をEDS測定することによって算出できる。酸素の量は、例えば酸素・窒素分析装置(株式会社日立ハイテクノロジーズ製のPS3520UVDD)によって測定できる。 The amounts of the elements A and B and the rare earth elements contained in the oxide film according to the present invention can be calculated, for example, by measuring the cross section observed by the cross section TEM by EDS measurement. The amount of oxygen can be measured by, for example, an oxygen / nitrogen analyzer (PS3520U VDD manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation).

本発明に係る酸化物膜は、前記の組成式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物に希土類元素がドープされてなる酸化物のみから構成されていてもよく、あるいは該酸化物に加えて他の酸化物を含んで構成されていてもよい。本発明に係る酸化物膜の導電性を一層高める観点からは、該酸化物膜は、前記の組成式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物に希土類元素がドープされてなる酸化物のみから構成されていることが好ましい。 The oxide film according to the present invention may be composed only of an oxide obtained by doping a perovskite-type oxide represented by the above composition formula (1) with a rare earth element, or in addition to the oxide. It may be composed of other oxides. From the viewpoint of further enhancing the conductivity of the oxide film according to the present invention, the oxide film is composed only of an oxide obtained by doping a perovskite type oxide represented by the composition formula (1) with a rare earth element. It is preferably configured.

本発明に係る酸化物膜がペロブスカイト型結晶構造を有しているか否かは、例えば粉末X線回折法や表面X線回折法などによって確認できる。 Whether or not the oxide film according to the present invention has a perovskite-type crystal structure can be confirmed by, for example, a powder X-ray diffraction method or a surface X-ray diffraction method.

本発明に係る酸化物膜は(004)面に優先配向していることが好ましい。これによって該酸化物膜の導電性が一層向上する。酸化物膜を(004)面に優先配向させるには、例えば後述する酸化物膜の好適な製造方法に従い、格子定数が所定の範囲内であり且つ(002)面に優先配向した結晶性基板上に酸化物膜を形成すればよい。 The oxide film according to the present invention is preferably preferentially oriented on the (004) plane. This further improves the conductivity of the oxide film. In order to preferentially orient the oxide film on the (004) plane, for example, according to a suitable manufacturing method for the oxide film described later, on a crystalline substrate having a lattice constant within a predetermined range and preferentially orienting on the (002) plane. An oxide film may be formed on the surface.

本発明に係る酸化物膜について本発明者が鋭意検討した結果、該酸化物膜の導電率は、X線回折法のロッキングカーブ半値幅(以下「FWHM」ともいう。)と密接に関係していることが判明した。詳細には、本発明に係る酸化物膜は、そのFWHMの値が小さくなるほど、導電率が高まることが判明した。この理由は現在のところ明確ではないが、FWHMの値が小さくなるに連れて本発明に係る酸化物膜におけるペロブスカイト型酸化物の結晶粒のサイズが大きくなり、粒界における電気抵抗が低下するためであると本発明者は考えている。この観点から、本発明に係る酸化物膜におけるFWHMの値を0.25度以下に設定し、好ましくは0.20以下、更に好ましくは0.15以下に設定する。FWHMの下限値に特に制限はなく、小さければ小さいほど好ましいが、0.05程度にFWHMの値が小さければ本発明の所期の目的は達成される。 As a result of diligent studies by the present inventor of the oxide film according to the present invention, the conductivity of the oxide film is closely related to the full width at half maximum of the locking curve of the X-ray diffraction method (hereinafter, also referred to as "FWHM"). It turned out that there was. Specifically, it was found that the smaller the FWHM value of the oxide film according to the present invention, the higher the conductivity. The reason for this is not clear at present, but as the value of FWHM decreases, the size of the crystal grains of the perovskite-type oxide in the oxide film according to the present invention increases, and the electrical resistance at the grain boundaries decreases. The present inventor thinks that. From this viewpoint, the value of FWHM in the oxide film according to the present invention is set to 0.25 degrees or less, preferably 0.20 or less, and more preferably 0.15 degrees or less. The lower limit of the FWHM is not particularly limited, and the smaller the value, the more preferable. However, if the FWHM value is as small as about 0.05, the intended object of the present invention is achieved.

FWHMの値は、本発明に係る酸化物膜を対象としたX線回折測定によって決定される。FWHMの値は、本発明に係る酸化物膜の(004)面の回折ピークに基づき決定される。(004)面の回折ピークを選定した理由は、本発明に係る酸化物膜を対象としたX線回折測定によって得られる回折ピークのうち、(004)面に由来するピークが最も高強度であることによるものである(後述する図2参照)。 The value of FWHM is determined by the X-ray diffraction measurement for the oxide film according to the present invention. The value of FWHM is determined based on the diffraction peak of the (004) plane of the oxide film according to the present invention. The reason for selecting the diffraction peak on the (004) plane is that the peak derived from the (004) plane has the highest intensity among the diffraction peaks obtained by the X-ray diffraction measurement for the oxide film according to the present invention. This is due to this (see FIG. 2 described later).

FWHMの値の具体的な測定方法は以下のとおりである。
XRD装置の解析ソフトウエアPDXL2を用いて得られた酸化物膜の(004)面の回折ピークの1/2の強度値における2θ(deg)を算出する。
The specific method for measuring the FWHM value is as follows.
2θ (deg) at the intensity value of 1/2 of the diffraction peak of the (004) plane of the oxide film obtained by using the analysis software PDXL2 of the XRD apparatus is calculated.

次に、本発明に係る酸化物膜の好適な製造方法について説明する。本製造方法は、ドーパントである希土類元素がドーピングされた結晶性酸化物膜を結晶性基板上に形成する工程を有する。詳細には、本製造方法は、以下の工程に大別される。
第1工程:結晶性基板上に結晶性酸化物膜の前駆体層を形成する工程。
第2工程:前駆体層上にドーパントである希土類元素を含むドーパント含有層を形成する工程。
第3工程:前駆体層及びドーパント含有層を加熱して、該ドーパント含有層中のドーパント、すなわち希土類元素を該前駆体層中にドーピングするか、これと同時に又はこれと別に、前駆体層中のB元素をドーパント含有層中に拡散させて結晶性酸化物を得る工程。
以下、それぞれの工程について以下に詳細に説明する。
Next, a suitable method for producing the oxide film according to the present invention will be described. The present production method includes a step of forming a crystalline oxide film doped with a rare earth element as a dopant on a crystalline substrate. In detail, the present manufacturing method is roughly classified into the following steps.
First step: A step of forming a precursor layer of a crystalline oxide film on a crystalline substrate.
Second step: A step of forming a dopant-containing layer containing a rare earth element which is a dopant on the precursor layer.
Third step: The precursor layer and the dopant-containing layer are heated to dope the dopant in the dopant-containing layer, i.e., a rare earth element, into the precursor layer, or simultaneously or separately in the precursor layer. A step of diffusing element B of No. 1 into a layer containing a dopant to obtain a crystalline oxide.
Hereinafter, each step will be described in detail below.

<第1工程>
本工程においては、まず結晶性基板を用意する。結晶性基板は、目的とする酸化物膜の結晶性を制御するために用いられる。結晶性基板は、目的とする酸化物膜を形成するための下地として機能するものを広く包含し、例えば文字どおり板状のものであってもよく、あるいは薄膜状のものであってもよい。目的とする酸化物膜がペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物を含むものであることを考慮すると、結晶性基板は立方晶の結晶構造を有するものであることが好ましく、特に格子定数が3.800Å以上4.300Å以下である立方晶の結晶構造を有するものであることが好ましい。この範囲の格子定数を有する結晶性基板を用いることで、該基板上に結晶方位の揃った酸化物膜を首尾よく形成することができる。この利点を一層顕著なものとする観点から、結晶性基板の格子定数は、3.850Å以上4.200Å以下であることが更に好ましく、3.900Å以上4.100Å以下であることが一層好ましい。
<First step>
In this step, a crystalline substrate is first prepared. The crystalline substrate is used to control the crystallinity of the target oxide film. The crystalline substrate broadly includes those that function as a base for forming a target oxide film, and may be literally a plate-like one or a thin-film one, for example. Considering that the target oxide film contains an oxide having a perovskite-type crystal structure, it is preferable that the crystalline substrate has a cubic crystal structure, and in particular, the lattice constant is 3.800 Å or more 4 It is preferably one having a cubic crystal structure of .300 Å or less. By using a crystalline substrate having a lattice constant in this range, an oxide film having a uniform crystal orientation can be successfully formed on the substrate. From the viewpoint of further enhancing this advantage, the lattice constant of the crystalline substrate is more preferably 3.850 Å or more and 4.200 Å or less, and further preferably 3.900 Å or more and 4.100 Å or less.

前記の結晶性基板は酸化物を含んで構成されていることが好ましい。酸化物としては、例えばSrTiO、MgO、KTaO、NdScO、NdGaOなどが挙げられる。これらの酸化物を含む結晶性基板は単結晶のものであることが好ましい。特に、結晶性基板の表面、すなわち目的とする酸化物膜の前駆体層が形成される面の面指数が(002)面であることが、該基板上に結晶方位の揃った酸化物膜を首尾よく形成できる点から好ましい。 The crystalline substrate is preferably configured to contain an oxide. Examples of the oxide include SrTiO 3 , MgO, KTaO 3 , NdScO 3 , NdGaO 3 , and the like. The crystalline substrate containing these oxides is preferably a single crystal. In particular, the surface index of the surface of the crystalline substrate, that is, the surface on which the precursor layer of the target oxide film is formed is the (002) surface, so that the oxide film having the same crystal orientation can be formed on the substrate. It is preferable because it can be formed successfully.

結晶性基板の表面に、目的とする酸化物膜の前駆体層を形成するには各種の薄膜形成法を採用することができる。薄膜形成法として例えばPLD法を採用することもできるが、第1工程において酸化物膜の前駆体層を形成し、第2工程においてドーパント含有層を形成することを考慮すると、薄膜形成法としてミストCVD法(ミスト化学気相成長法)を採用することが有利である。ミストCVD法においては、前駆体層を形成するための原料溶液をミスト状にした状態で、非真空下に(一般には大気圧下に)、前記の結晶性基板上に輸送する。このとき結晶性基板は加熱状態としておく。結晶性基板上に輸送されたミスト状の原料溶液は、該基板の表面で加熱されて徐々に気化し、化学反応によって目的とする前駆体が層状に生成する。 Various thin film forming methods can be adopted to form the precursor layer of the target oxide film on the surface of the crystalline substrate. For example, the PLD method can be adopted as the thin film forming method, but considering that the precursor layer of the oxide film is formed in the first step and the dopant-containing layer is formed in the second step, mist is used as the thin film forming method. It is advantageous to adopt the CVD method (mist chemical vapor deposition method). In the mist CVD method, the raw material solution for forming the precursor layer is transported onto the crystalline substrate in a mist-like state under non-vacuum (generally under atmospheric pressure). At this time, the crystalline substrate is kept in a heated state. The mist-like raw material solution transported onto the crystalline substrate is heated on the surface of the substrate and gradually vaporized, and a target precursor is formed in layers by a chemical reaction.

前駆体層を形成するための原料溶液としては、目的とする酸化物膜を構成するA元素及びB元素を含むものが用いられる。原料溶液は、A元素源及びB元素源の溶解が可能な溶媒にこれらの元素源が溶解してなるものである。溶媒としては、A元素源及びB元素源の種類に応じて適切なものが用いられ、その例としては、水及び各種の有機溶媒、例えばアルコール類、ケトン類及び芳香族類などが挙げられる。 As the raw material solution for forming the precursor layer, a solution containing elements A and B constituting the target oxide film is used. The raw material solution is obtained by dissolving these element sources in a solvent capable of dissolving the A element source and the B element source. As the solvent, an appropriate solvent is used depending on the type of the element A source and the element B source, and examples thereof include water and various organic solvents such as alcohols, ketones and aromatics.

原料溶液におけるA元素及びB元素の濃度は、ミストCVD法によって目的とする前駆体層を首尾よく形成できるように適切に調整される。一般的には、原料溶液におけるA元素及びB元素の濃度を、それぞれ独立に、好ましくは0.01モル%以上50モル%以下に設定することで満足すべき結果が得られる。 The concentrations of element A and element B in the raw material solution are appropriately adjusted by the mist CVD method so that the desired precursor layer can be successfully formed. In general, satisfactory results can be obtained by setting the concentrations of element A and element B in the raw material solution independently and preferably preferably 0.01 mol% or more and 50 mol% or less.

ミスト状の原料溶液は基板上で加熱されて化学反応する。基板の温度は、原料溶液に含まれるA元素源及びB元素源の種類に応じて適切に設定される。一般的には、基板の温度を好ましくは300℃以上900℃以下に設定することで満足すべき結果が得られる。 The mist-like raw material solution is heated on the substrate and chemically reacts. The temperature of the substrate is appropriately set according to the types of the element A source and the element B source contained in the raw material solution. In general, satisfactory results can be obtained by setting the temperature of the substrate to preferably 300 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.

このようにして結晶性基板上にA元素及びB元素を含む前駆体層が形成される。この状態での前駆体層は非晶質である。この前駆体層は、A元素及びB元素を含む酸化物から構成されている。具体的には、前駆体層は、組成式A(式中、A及びBは互いに異なる金属元素を表し、Xは0.95≦X≦1.05であり、Zは0.95≦Z≦1.05である。)で表される酸化物からなる。A元素は第2族元素であることが好ましく、特にSrであることが好ましい。一方、B元素は第14族元素であることが好ましく、特にSnであることが好ましい。したがって前駆体層は好ましくはSr及びSnを含む酸化物から構成されている。 In this way, a precursor layer containing elements A and B is formed on the crystalline substrate. The precursor layer in this state is amorphous. This precursor layer is composed of an oxide containing an element A and an element B. Specifically, the precursor layer has a composition formula A X B ZO 3 (in the formula, A and B represent metal elements different from each other, X is 0.95 ≦ X ≦ 1.05, and Z is 0. It is composed of an oxide represented by (.95 ≦ Z ≦ 1.05). The element A is preferably a group 2 element, and particularly preferably Sr. On the other hand, the element B is preferably a group 14 element, and particularly preferably Sn. Therefore, the precursor layer is preferably composed of an oxide containing Sr and Sn.

<第2工程>
本工程においては、第1工程において形成された前駆体層上にドーパント含有層を直接形成する。ドーパント含有層を形成するには各種の薄膜形成法を採用することができる。上述した前駆体層をミストCVD法によって形成することが有利であることとの関連で、ドーパント含有層もミストCVD法によって形成することが有利である。
<Second step>
In this step, the dopant-containing layer is directly formed on the precursor layer formed in the first step. Various thin film forming methods can be adopted to form the dopant-containing layer. In relation to the advantage of forming the precursor layer described above by the mist CVD method, it is advantageous to form the dopant-containing layer by the mist CVD method as well.

ドーパント含有層を形成するための原料溶液としては、目的とする酸化物膜にドーパントとして含有される元素を含むものが用いられる。原料溶液は、ドーパント元素源の溶解が可能な溶媒にドーパント元素源が溶解してなるものである。溶媒としては、ドーパント元素源の種類に応じて適切なものが用いられ、その例としては、水及び各種の有機溶媒、例えばアルコール類、ケトン類及び芳香族類などが挙げられる。 As the raw material solution for forming the dopant-containing layer, a solution containing an element contained as a dopant in the target oxide film is used. The raw material solution is formed by dissolving the dopant element source in a solvent capable of dissolving the dopant element source. As the solvent, an appropriate solvent is used depending on the type of dopant element source, and examples thereof include water and various organic solvents such as alcohols, ketones and aromatics.

原料溶液におけるドーパントの濃度は、ミストCVD法によって目的とするドーパント含有層を首尾よく形成できるように適切に調整される。一般的には、原料溶液におけるドーパントの濃度を、好ましくは0.01モル%以上10モル%以下に設定することで満足すべき結果が得られる。 The concentration of the dopant in the raw material solution is appropriately adjusted by the mist CVD method so that the desired dopant-containing layer can be successfully formed. In general, satisfactory results can be obtained by setting the concentration of the dopant in the raw material solution to preferably 0.01 mol% or more and 10 mol% or less.

ミスト状の原料溶液は、前駆体層が形成された基板上で加熱されて化学反応する。基板の温度は、原料溶液に含まれるドーパント元素源の種類に応じて適切に設定される。一般的には、基板の温度を好ましくは300℃以上900℃以下に設定することで満足すべき結果が得られる。 The mist-like raw material solution is heated and chemically reacts on the substrate on which the precursor layer is formed. The temperature of the substrate is appropriately set according to the type of dopant element source contained in the raw material solution. In general, satisfactory results can be obtained by setting the temperature of the substrate to preferably 300 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.

このようにして前駆体層上にドーパントを含むドーパント含有層が形成される。この状態でのドーパント含有層は非晶質である。このドーパント含有層は例えばドーパントを含む酸化物から構成されている。ドーパントは希土類元素であることが好ましく、特にLaであることが好ましい。 In this way, a dopant-containing layer containing a dopant is formed on the precursor layer. The dopant-containing layer in this state is amorphous. This dopant-containing layer is composed of, for example, an oxide containing a dopant. The dopant is preferably a rare earth element, and particularly preferably La.

前駆体層及びドーパント含有層は、前駆体層の厚さに対するドーパント含有層の厚さの比が好ましくは0.04以上0.5以下となるように形成されることが、目的とする酸化物膜を首尾よく得られる点から好ましい。この観点から、前駆体層の厚さに対するドーパント含有層の厚さの比は0.05以上0.2以下であることが更に好ましく、0.1以上0.2以下であることが一層好ましい。 The precursor layer and the dopant-containing layer are formed so that the ratio of the thickness of the dopant-containing layer to the thickness of the precursor layer is preferably 0.04 or more and 0.5 or less. It is preferable because the membrane can be obtained successfully. From this viewpoint, the ratio of the thickness of the dopant-containing layer to the thickness of the precursor layer is more preferably 0.05 or more and 0.2 or less, and further preferably 0.1 or more and 0.2 or less.

前駆体層の厚さに対するドーパント含有層の厚さの比は上述のとおりであることが好ましいところ、前駆体層そのものの厚さは50nm以上150nm以下であることが好ましく、ドーパント含有層そのものの厚さは1nm以上50nm以下であることが好ましい。前駆体層及びドーパント含有層のそれぞれの厚さは段差計によって測定することができる。 The ratio of the thickness of the dopant-containing layer to the thickness of the precursor layer is preferably as described above, whereas the thickness of the precursor layer itself is preferably 50 nm or more and 150 nm or less, and the thickness of the dopant-containing layer itself. The precursor is preferably 1 nm or more and 50 nm or less. The thickness of each of the precursor layer and the dopant-containing layer can be measured by a step meter.

第2工程までが完了した時点では、結晶性基板と、組成式A(式中、A及びBは互いに異なる金属元素を表し、Xは0.95≦X≦1.05であり、Zは0.95≦Z≦1.05である。)で表される酸化物からなる非晶質の前駆体層(第一の層)と、希土類元素の酸化物からなる非晶質のドーパント含有層(第二の層)とが、この順で積層されてなる多層構造体が得られる。この多層積層体は、本発明の酸化物膜を製造するための前駆構造体として工業的に有用である。 When the second step is completed, the crystalline substrate and the composition formula AX BZO 3 (in the formula, A and B represent metal elements different from each other, and X is 0.95 ≤ X ≤ 1.05). There is, Z is 0.95 ≦ Z ≦ 1.05), and an amorphous precursor layer (first layer) made of an oxide and an amorphous material made of an oxide of a rare earth element. A multilayer structure is obtained in which the dopant-containing layer (second layer) of the above is laminated in this order. This multilayer laminate is industrially useful as a precursor structure for producing the oxide film of the present invention.

<第3工程>
本工程においては、上述した多層構造体における前駆体層及びドーパント含有層を加熱する。加熱によって前駆体層の構成元素及び/又はドーパント含有層の構成元素が熱拡散するとともに結晶化が起こる。加熱温度や加熱時間を適切に調整することで、ドーパント含有層からドーパントの少なくとも一部が前駆体層の少なくとも一部に熱拡散してドーピングが行われる。あるいは、前駆体層に含まれるB元素の少なくとも一部がドーパント含有層の少なくとも一部に熱拡散する。加熱条件によっては、前駆体層とドーパント含有層との界面にB元素と希土類元素との酸化物が微量生成する場合がある。例えばB元素がSnでありドーパントがLaである場合にはLaSnが生成する場合がある。いずれの場合であっても、目的とする酸化物膜が、ペロブスカイト型結晶構造を有するように前駆体層及びドーパント含有層を加熱することが好ましい。これによって、目的とする結晶性酸化物膜が、結晶性基板上に形成されてなる構造体が得られる。
なお、B元素の少なくとも一部がドーパント含有層に拡散する際に、電荷補償のために前駆体層中に酸素欠損が発生する。
<Third step>
In this step, the precursor layer and the dopant-containing layer in the above-mentioned multilayer structure are heated. By heating, the constituent elements of the precursor layer and / or the constituent elements of the dopant-containing layer are thermally diffused and crystallization occurs. By appropriately adjusting the heating temperature and heating time, at least a part of the dopant is thermally diffused from the dopant-containing layer to at least a part of the precursor layer to perform doping. Alternatively, at least a part of the element B contained in the precursor layer is thermally diffused to at least a part of the dopant-containing layer. Depending on the heating conditions, a small amount of oxides of element B and rare earth elements may be generated at the interface between the precursor layer and the dopant-containing layer. For example, when the element B is Sn and the dopant is La, La 2 Sn 2 O 7 may be generated. In any case, it is preferable to heat the precursor layer and the dopant-containing layer so that the target oxide film has a perovskite-type crystal structure. As a result, a structure in which the target crystalline oxide film is formed on the crystalline substrate can be obtained.
When at least a part of the element B diffuses into the dopant-containing layer, oxygen deficiency occurs in the precursor layer for charge compensation.

加熱によって形成された酸化物膜はその結晶が、結晶性基板の結晶面に揃えて配列されていることが、該酸化物膜の導電性を一層高める観点から好ましい。特に、酸化物膜の(004)面が、結晶性基板の(002)面に揃えて配列されていることが、該酸化物膜の導電性を更に一層高める観点から好ましい。 It is preferable that the crystals of the oxide film formed by heating are aligned with the crystal plane of the crystalline substrate from the viewpoint of further enhancing the conductivity of the oxide film. In particular, it is preferable that the (004) plane of the oxide film is aligned with the (002) plane of the crystalline substrate from the viewpoint of further enhancing the conductivity of the oxide film.

第2工程で得られた多層構造体を用いて、目的とする酸化物膜を有する構造体を得るには、加熱を不活性ガス雰囲気下又は真空下に行う。不活性ガスとしては窒素及び希ガスを用いることができる。真空下で加熱を行う場合には系内の圧力を1.0Pa以下に設定することが好ましい。
加熱温度は900℃以上に設定することが、ドーパント含有層からのドーパントの熱拡散を首尾よく行う点、前駆体層の結晶化を首尾よく行う点、及び前駆体層の結晶化によって生じた酸化物膜のFWHMの値を上述した値とすることができる点から好ましい。この観点から、加熱温度は950℃以上、特に1000℃以上に設定することが好ましい。
加熱温度の上昇に伴い酸化物膜のFWHMの値は徐々に低下していくことを本発明者は確認している。しかし、加熱温度を過度に高めると、それまで低下していたFWHMの値が上昇に転じることも本発明者は確認している。この観点から、加熱温度の上限は1100℃以下に設定することが好ましく、更に好ましくは1075℃以下、一層好ましくは1050℃以下に設定する。
加熱時間は、加熱温度が上述した範囲内であることを条件として、2時間以上10時間以下に設定することが好ましく、更に好ましくは3時間以上7時間以下であり、一層好ましくは4時間以上6時間以下である。
In order to obtain the structure having the desired oxide film by using the multilayer structure obtained in the second step, the heating is carried out under an inert gas atmosphere or a vacuum. As the inert gas, nitrogen and a rare gas can be used. When heating under vacuum, it is preferable to set the pressure in the system to 1.0 Pa or less.
Setting the heating temperature to 900 ° C. or higher successfully diffuses the thermal diffusion of the dopant from the dopant-containing layer, successfully crystallization of the precursor layer, and oxidation caused by crystallization of the precursor layer. It is preferable because the FWHM value of the material film can be set to the above-mentioned value. From this point of view, the heating temperature is preferably set to 950 ° C. or higher, particularly 1000 ° C. or higher.
The present inventor has confirmed that the FWHM value of the oxide film gradually decreases as the heating temperature rises. However, the present inventor has also confirmed that when the heating temperature is excessively increased, the value of FWHM, which has been decreasing until then, starts to increase. From this point of view, the upper limit of the heating temperature is preferably set to 1100 ° C. or lower, more preferably 1075 ° C. or lower, and even more preferably 1050 ° C. or lower.
The heating time is preferably set to 2 hours or more and 10 hours or less, more preferably 3 hours or more and 7 hours or less, and even more preferably 4 hours or more 6 on condition that the heating temperature is within the above-mentioned range. It's less than an hour.

以上の方法によって、結晶性基板と、その基板上に形成された結晶性酸化物膜とを有する構造体が得られる。この構造体は、上述したミストCVD法によって得られることに起因して、酸化物膜における基板と当接する面と反対側の面(つまり露出面)の面積をこれまでよりも大きくすることが容易である。例えば、露出面の面積が好ましくは25mm以上、更に好ましくは50mm以上、一層好ましくは100mm以上である酸化物膜を容易に形成することが可能である。また前記結晶性酸化物膜の厚さは、90nm以上180nm以下であることが、導電性と製造性の確保の観点から好ましい。 By the above method, a structure having a crystalline substrate and a crystalline oxide film formed on the substrate can be obtained. Due to the fact that this structure is obtained by the mist CVD method described above, it is easy to increase the area of the surface of the oxide film opposite to the surface in contact with the substrate (that is, the exposed surface). Is. For example, it is possible to easily form an oxide film having an exposed surface area of preferably 25 mm 2 or more, more preferably 50 mm 2 or more, and even more preferably 100 mm 2 or more. The thickness of the crystalline oxide film is preferably 90 nm or more and 180 nm or less from the viewpoint of ensuring conductivity and manufacturability.

このようにして得られた構造体における結晶性酸化物膜は、FWHMが上述の値になるように調整されていることから、該酸化物膜はその導電性が高いものとなっている。詳細には、前記の構造体における結晶性酸化物膜は、その導電率が好ましくは5.0S/cm以上という高い値を示し、更に好ましくは100S/cm以上であり、一層好ましくは300S/cm以上である。導電率はその値が高いほど望ましいが、上限値は一般的には、7000S/cmである。 Since the crystalline oxide film in the structure thus obtained is adjusted so that the FWHM has the above-mentioned value, the oxide film has high conductivity. Specifically, the crystalline oxide film in the structure has a high conductivity of preferably 5.0 S / cm or more, more preferably 100 S / cm or more, and even more preferably 300 S / cm. That is all. The higher the value of the conductivity, the more desirable it is, but the upper limit is generally 7000 S / cm.

上述した導電率との関係で、前記の構造体における結晶性酸化物膜は、その移動度が好ましくは1.0cm/V/s以上という高い値を示し、更に好ましくは5.0cm/V/s以上であり、一層好ましくは20cm/V/s以上である。移動度はその値が高いほど望ましいが、上限値は一般的には、100cm/V/sである。
また、前記の構造体における結晶性酸化物膜は、そのキャリア密度が好ましくは1.0×1014cm-3以上という高い値を示し、更に好ましくは1.0×1019cm-3以上であり、一層好ましくは1.0×1020cm-3以上である。キャリア密度はその値が高いほど望ましいが、上限値は一般的には、1.0×1022cm-3である。
In relation to the above-mentioned conductivity, the crystalline oxide film in the above structure has a high mobility of preferably 1.0 cm 2 / V / s or more, and more preferably 5.0 cm 2 / s. It is V / s or more, more preferably 20 cm 2 / V / s or more. The higher the mobility, the more desirable it is, but the upper limit is generally 100 cm 2 / V / s.
Further, the crystalline oxide film in the above structure has a carrier density of preferably 1.0 × 10 14 cm -3 or more, more preferably 1.0 × 10 19 cm -3 or more. Yes, more preferably 1.0 × 10 20 cm -3 or more. The higher the carrier density is, the more desirable it is, but the upper limit is generally 1.0 × 10 22 cm -3 .

結晶性酸化物膜の導電率、移動度及びキャリア密度の測定方法は、後述する実施例において説明する。 Methods for measuring the conductivity, mobility and carrier density of the crystalline oxide film will be described in Examples described later.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り、「%」は「質量%」を意味する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the scope of the invention is not limited to such examples. Unless otherwise specified, "%" means "mass%".

〔実施例1〕
(1)SrSnO膜の成膜
(1-1)成膜装置
図1を用いて、本実施例で用いたミストCVD装置1を説明する。ミストCVD装置1は、キャリアガスを供給するキャリアガス源2と、キャリアガス源2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3と、原料溶液4aが収容されるミスト発生源4と、水5aが入れられる容器5と、容器5の底面に取り付けられた超音波振動子6と、成膜室7と、ミスト発生源4から成膜室7までをつなぐ供給管9と、成膜室7内に設置されたホットプレート8とを備えている。ホットプレート8上には、□15mmの単結晶SrTiO(立方晶、格子定数:3.905Å)からなる基板10が設置されている。基板10の表面は、単結晶SrTiOの(002)面が露出していた。
[Example 1]
(1) Film formation of SrSnO 3 film (1-1) Film formation device The mist CVD device 1 used in this embodiment will be described with reference to FIG. 1. The mist CVD device 1 includes a carrier gas source 2 for supplying a carrier gas, a flow rate control valve 3 for adjusting the flow rate of the carrier gas sent out from the carrier gas source 2, and a mist generation source 4 in which the raw material solution 4a is housed. A container 5 containing water 5a, an ultrasonic transducer 6 attached to the bottom surface of the container 5, a film forming chamber 7, and a supply pipe 9 connecting the mist generation source 4 to the film forming chamber 7. It is provided with a hot plate 8 installed in the membrane chamber 7. On the hot plate 8, a substrate 10 made of a single crystal SrTiO 3 (cubic crystal, lattice constant: 3.905 Å) having a diameter of □ 15 mm is installed. On the surface of the substrate 10, the (002) surface of the single crystal SrTiO 3 was exposed.

(1-2)成膜準備
Sr化合物及びSn化合物が溶媒に溶解した原料溶液4aをミスト発生源4内に収容した。次に、ホットプレート8上に設置された基板10を、該ホットプレート8を作動させて加熱した。引き続き、流量調節弁3を開いて、キャリアガス源2からキャリアガスを成膜室7に供給し、成膜室7の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した。キャリアガスとして窒素を用いた。
(1-2) Preparation for film formation The raw material solution 4a in which the Sr compound and the Sn compound were dissolved in the solvent was housed in the mist generation source 4. Next, the substrate 10 placed on the hot plate 8 was heated by operating the hot plate 8. Subsequently, the flow rate control valve 3 was opened to supply the carrier gas from the carrier gas source 2 to the film forming chamber 7, and the atmosphere of the film forming chamber 7 was sufficiently replaced with the carrier gas. Nitrogen was used as the carrier gas.

(1-3)SrSnO膜の形成
超音波振動子6を2.4MHzで振動させ、その振動を、水5aを通じて原料溶液4aに伝播させることによって、原料溶液4aを霧化させてミスト4bを生成させた。ミスト4bはキャリアガスによって輸送され、供給管9内を通り成膜室7内に導入された。大気圧下、加熱された基板10上でミストが熱反応して、基板10上にSrSnO膜が形成された。得られたSrSnO膜は非晶質であった。
(1-3) Formation of SrSnO 3 film The ultrasonic transducer 6 is vibrated at 2.4 MHz, and the vibration is propagated to the raw material solution 4a through water 5a to atomize the raw material solution 4a and mist 4b. Generated. The mist 4b was transported by the carrier gas, passed through the supply pipe 9, and was introduced into the film forming chamber 7. Under atmospheric pressure, the mist thermally reacted on the heated substrate 10 to form an SrSnO 3 film on the substrate 10. The obtained SrSnO3 film was amorphous.

(2)LaO膜の形成
La化合物が溶媒に溶解した原料溶液を用いたこと以外は、(1)と同様にして、(1-3)において得られたSrSnO膜上にLaO膜を形成した。得られたLaO膜は非晶質であった。このようにして、単結晶SrTiOからなる基板と、非晶質SrSnO膜と、非晶質LaO膜とからなる多層構造体を得た。SrSnO膜の厚さに対するLaO膜の厚さの比は以下の表1に示すとおりであった。
(2) Formation of LaO x film The LaO x film was formed on the SrSnO 3 film obtained in (1-3) in the same manner as in (1) except that the raw material solution in which the La compound was dissolved in the solvent was used. Formed. The obtained LaO x film was amorphous. In this way, a multilayer structure composed of a substrate made of single crystal SrTiO 3 , an amorphous SrSnO 3 film, and an amorphous LaO x film was obtained. The ratio of the thickness of the LaO x film to the thickness of the SrSnO 3 film was as shown in Table 1 below.

(3)加熱処理
前項(2)で得られた多層構造体を窒素雰囲気下で熱処理した。熱処理条件は、以下の表1に示すとおりであった。このようにして、単結晶SrTiOからなる基板上に結晶性酸化物膜が形成されてなる構造体を得た。この構造体における結晶性酸化物膜の露出面の面積は225mmであった。
X線回折測定の結果、この酸化物膜はペロブスカイト型結晶構造を有するSrSnOであり、酸化物膜の(004)面が、単結晶SrTiOからなる基板の(002)面と揃っていることが確認された。X線回折測定結果を図2に示す。また元素分析の結果から、この酸化物膜にはLaがドープされていることが確認された。
(3) Heat treatment The multilayer structure obtained in the previous section (2) was heat-treated under a nitrogen atmosphere. The heat treatment conditions were as shown in Table 1 below. In this way, a structure in which a crystalline oxide film was formed on a substrate made of single crystal SrTiO 3 was obtained. The area of the exposed surface of the crystalline oxide film in this structure was 225 mm 2 .
As a result of X-ray diffraction measurement, this oxide film is SrSnO 3 having a perovskite type crystal structure, and the (004) plane of the oxide film is aligned with the (002) plane of the substrate made of single crystal SrTiO 3 . Was confirmed. The X-ray diffraction measurement result is shown in FIG. From the results of elemental analysis, it was confirmed that this oxide film was doped with La.

〔実施例2ないし4〕
LaO膜の厚さ及び熱処理の温度を表1に示すとおりに変更した以外は実施例1と同様にして、単結晶SrTiOからなる基板上に結晶性酸化物膜が形成されてなる構造体を得た。X線回折測定の結果、この酸化物膜はペロブスカイト型結晶構造を有するSrSnOであり、酸化物膜の(004)面が、単結晶SrTiOからなる基板の(002)面と揃っていることが確認された。
実施例2の構造体をEDSで分析した結果、SrとLaの合計モル数に対するLaのモル数の割合は0.210であった。
[Examples 2 to 4]
A structure in which a crystalline oxide film is formed on a substrate made of single crystal SrTiO 3 in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the LaO x film and the temperature of the heat treatment are changed as shown in Table 1. Got As a result of X-ray diffraction measurement, this oxide film is SrSnO 3 having a perovskite type crystal structure, and the (004) plane of the oxide film is aligned with the (002) plane of the substrate made of single crystal SrTiO 3 . Was confirmed.
As a result of analyzing the structure of Example 2 by EDS, the ratio of the number of moles of La to the total number of moles of Sr and La was 0.210.

〔比較例1ないし3〕
LaOx膜の厚さ及び熱処理の温度を表1に示すとおりに変更した以外は実施例1と同様にして、単結晶SrTiOからなる基板上に結晶性酸化物膜が形成されてなる構造体を得た。
[Comparative Examples 1 to 3]
A structure in which a crystalline oxide film is formed on a substrate made of single crystal SrTiO 3 in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the LaOx film and the temperature of the heat treatment are changed as shown in Table 1. Obtained.

〔評価〕
実施例及び比較例で得られた構造体における結晶性酸化物膜について、上述した方法で(004)面のFWHMの値を求めた。更に、以下の方法で導電率、移動度及びキャリア密度を測定した。それらの結果を以下の表1に示す。
〔evaluation〕
For the crystalline oxide film in the structures obtained in Examples and Comparative Examples, the value of FWHM of the (004) plane was determined by the above-mentioned method. Furthermore, the conductivity, mobility and carrier density were measured by the following methods. The results are shown in Table 1 below.

〔導電率〕
ホール効果測定装置(ナノメトリクス・ジャパン株式会社製HL5500PC)を用いて、以下の式から算出した。
ρ=(πt/ln2)(V/I
ρ:体積抵抗(Ω・cm)
t:サンプル厚さ(cm)
:測定される電圧(V)
:印可される電流(A)
〔conductivity〕
It was calculated from the following formula using a Hall effect measuring device (HL5500PC manufactured by Nanometrics Japan Co., Ltd.).
ρ = ( πt / ln2 ) (VM / IS)
ρ: Volume resistance (Ω ・ cm)
t: Sample thickness (cm)
VM: Measured voltage (V)
IS : Current applied (A)

〔移動度〕
ホール効果測定装置(ナノメトリクス・ジャパン株式会社製HL5500PC)を用いて、以下の式から算出した。
μ=-RHS/ρ=-(V/(I・B))/(ρ/t)
μ:電子移動度(cm/V・s)
HS:シートホール係数(m/C)
ρ:シート抵抗(Ω/Sq.)
:測定されるホール電圧(V)
:印可される電流(A)
B:印加される磁場(T)
ρ:体積抵抗(Ω・cm)
t:サンプル厚さ(cm)
[Mobility]
It was calculated from the following formula using a Hall effect measuring device (HL5500PC manufactured by Nanometrics Japan Co., Ltd.).
μ = -R HS / ρ S =-( VH / ( IS / B)) / (ρ / t)
μ: Electron mobility (cm 2 / V · s)
RHS : Seat hole coefficient (m 2 / C)
ρ S : Sheet resistance (Ω / Sq.)
V H : Measured Hall voltage (V)
IS : Current applied (A)
B: Applied magnetic field (T)
ρ: Volume resistance (Ω ・ cm)
t: Sample thickness (cm)

〔キャリア密度〕
ホール効果測定装置(ナノメトリクス・ジャパン株式会社製HL5500PC)を用いて、以下の式から算出した。
N=(1/q・t・RHS)=I・B/(q・t・V
N:キャリア密度(cm-3
HS:シートホール係数(m/C)
:測定されるホール電圧(V)
:印可される電流(A)
B:印加される磁場(T)
t:サンプル厚さ(cm)
q:電荷(C)
[Carrier density]
It was calculated from the following formula using a Hall effect measuring device (HL5500PC manufactured by Nanometrics Japan Co., Ltd.).
N = (1 / q ・ t ・ R HS ) = IS ・ B / (q ・ t ・ V H )
N: Carrier density (cm -3 )
RHS : Seat hole coefficient (m 2 / C)
V H : Measured Hall voltage (V)
IS : Current applied (A)
B: Applied magnetic field (T)
t: Sample thickness (cm)
q: Charge (C)

Figure 2022072611000002
Figure 2022072611000002

表1に示す結果から明らかなとおり、各実施例で得られた構造体における酸化物膜は、その導電率が高く、また移動度及びキャリア密度も高いことが分かる。なお、比較例の構造体における酸化物膜は絶縁体であったことから、導電率、移動度及びキャリア密度のいずれも測定値が得られなかった。 As is clear from the results shown in Table 1, it can be seen that the oxide film in the structure obtained in each example has high conductivity, mobility and carrier density. Since the oxide film in the structure of the comparative example was an insulator, measured values of conductivity, mobility and carrier density could not be obtained.

1 ミストCVD装置
2 キャリアガス源
3 流量調節弁
4 ミスト発生源
4a 原料溶液
4b ミスト
5 容器
5a 水
6 超音波振動子
7 成膜室
8 ホットプレート
9 供給管
10 基板
1 Mist CVD device 2 Carrier gas source 3 Flow control valve 4 Mist generation source 4a Raw material solution 4b Mist 5 Container 5a Water 6 Ultrasonic oscillator 7 Film formation chamber 8 Hot plate 9 Supply pipe 10 Substrate

Claims (24)

組成式A(式中、A及びBは互いに異なる金属元素を表し、Xは0.95≦X≦1.05であり、Yは0.60≦Y≦1.05である。)で表されるペロブスカイト型酸化物に希土類元素がドープされてなる酸化物を含む結晶性酸化物膜であって、
(004)面に対して測定されたX線回折法のロッキングカーブ半値幅が0.25度以下である結晶性酸化物膜。
Composition formula A X B YO 3 (In the formula, A and B represent different metal elements, X is 0.95 ≦ X ≦ 1.05, and Y is 0.60 ≦ Y ≦ 1.05. A crystalline oxide film containing an oxide obtained by doping a perovskite-type oxide represented by) with a rare earth element.
(004) A crystalline oxide film having a half-value width of the locking curve of the X-ray diffraction method measured with respect to the plane of 0.25 degrees or less.
前記組成式におけるAが第2族元素であり、Bが第14族元素である、請求項1に記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to claim 1, wherein A is a Group 2 element and B is a Group 14 element in the composition formula. 前記組成式におけるAがSrであり、BがSnである、請求項2に記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to claim 2, wherein A is Sr and B is Sn in the composition formula. 前記希土類元素がLaである、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to any one of claims 1 to 3, wherein the rare earth element is La. 導電率が5.0S/cm以上7000S/cm以下である、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to any one of claims 1 to 4, wherein the conductivity is 5.0 S / cm or more and 7000 S / cm or less. 移動度が1.0cm/V/S以上100cm/V/S以下である、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to any one of claims 1 to 5, wherein the mobility is 1.0 cm 2 / V / S or more and 100 cm 2 / V / S or less. キャリア密度が1.0×1014cm-3以上1.0×1022cm-3以下である、請求項1ないし6のいずれか一項に記載の結晶性酸化物膜。 The crystalline oxide film according to any one of claims 1 to 6, wherein the carrier density is 1.0 × 10 14 cm -3 or more and 1.0 × 10 22 cm -3 or less. 格子定数が3.800Å以上4.300Å以下であって且つ酸化物を含む基板と、該基板上に形成された結晶性酸化物膜とを有し、
前記結晶性酸化物膜の結晶が、前記基板の結晶面に揃えて配列されている、構造体であって、
前記結晶性酸化物膜は、組成式A(式中、A及びBは互いに異なる金属元素を表し、Xは0.95≦X≦1.05であり、Yは0.60≦Y≦1.05である。)で表されるペロブスカイト型酸化物に希土類元素がドープされてなる酸化物を含み、(004)面に対して測定されたX線回折法のロッキングカーブ半値幅が0.25度以下である、構造体。
It has a substrate having a lattice constant of 3.800 Å or more and 4.300 Å or less and containing an oxide, and a crystalline oxide film formed on the substrate.
A structure in which the crystals of the crystalline oxide film are arranged so as to be aligned with the crystal plane of the substrate.
The crystalline oxide film has a composition formula A X B YO 3 (in the formula, A and B represent metal elements different from each other, X is 0.95 ≦ X ≦ 1.05, and Y is 0.60. The perovskite-type oxide represented by (≦ Y ≦ 1.05) contains an oxide doped with a rare earth element, and the locking curve half-value width of the X-ray diffraction method measured with respect to the (004) plane. A structure having a temperature of 0.25 degrees or less.
前記結晶性酸化物膜の(004)面が、前記基板の(002)面に揃えて配列されている、請求項8に記載の構造体。 The structure according to claim 8, wherein the (004) plane of the crystalline oxide film is aligned with the (002) plane of the substrate. 前記組成式におけるAが第2族元素であり、Bが第14族元素である、請求項8又は9に記載の構造体。 The structure according to claim 8 or 9, wherein A is a Group 2 element and B is a Group 14 element in the composition formula. 前記組成式におけるAがSrであり、BがSnである、請求項10に記載の構造体。 The structure according to claim 10, wherein A is Sr and B is Sn in the composition formula. 前記希土類元素がLaである、請求項8ないし11のいずれか一項に記載の構造体。 The structure according to any one of claims 8 to 11, wherein the rare earth element is La. 前記結晶性酸化物膜は、前記基板と当接する面と反対側の面の面積が25mm以上であり、
前記結晶性酸化物膜は、その厚さが90nm以上180nm以下である、請求項8ないし12のいずれか一項に記載の構造体。
The crystalline oxide film has an area of 25 mm 2 or more on the surface opposite to the surface in contact with the substrate.
The structure according to any one of claims 8 to 12, wherein the crystalline oxide film has a thickness of 90 nm or more and 180 nm or less.
ドーパントがドーピングされた結晶性酸化物膜を結晶性基板上に形成する結晶性酸化物膜の製造方法であって、
前記結晶性基板上に前記結晶性酸化物膜の前駆体層を形成し、
前記前駆体層上に前記ドーパントを含むドーパント含有層を形成し、次いで
前記前駆体層及びドーパント含有層を加熱して前記結晶性酸化物膜を得る、結晶性酸化物膜の製造方法。
A method for producing a crystalline oxide film in which a crystalline oxide film doped with a dopant is formed on a crystalline substrate.
A precursor layer of the crystalline oxide film is formed on the crystalline substrate, and the precursor layer is formed.
A method for producing a crystalline oxide film, wherein a dopant-containing layer containing the dopant is formed on the precursor layer, and then the precursor layer and the dopant-containing layer are heated to obtain the crystalline oxide film.
非晶質の前記前駆体層を形成する、請求項14に記載の製造方法。 The production method according to claim 14, wherein the amorphous precursor layer is formed. 第2族元素を含む前記前駆体層を形成する、請求項14又は15に記載の製造方法。 The production method according to claim 14 or 15, wherein the precursor layer containing a Group 2 element is formed. 第14族元素を更に含む前記前駆体層を形成する、請求項16に記載の製造方法。 The production method according to claim 16, wherein the precursor layer further containing a Group 14 element is formed. 前記結晶性酸化物膜がペロブスカイト型結晶構造を有するように加熱する、請求項14ないし17のいずれか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 14 to 17, wherein the crystalline oxide film is heated so as to have a perovskite-type crystal structure. 希土類元素を含む前記ドーパント含有層を形成する、請求項14ないし18のいずれか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 14 to 18, wherein the dopant-containing layer containing a rare earth element is formed. 前記前駆体層の厚さに対する前記ドーパント含有層の厚さの比が0.04以上0.5以下となるように、これらの層を形成する請求項14ないし19のいずれか一項に記載の製造方法。 The invention according to any one of claims 14 to 19, wherein the layer is formed so that the ratio of the thickness of the dopant-containing layer to the thickness of the precursor layer is 0.04 or more and 0.5 or less. Production method. 格子定数が3.800Å以上4.300Å以下であって且つ酸化物を含む結晶性基板と、
組成式A(式中、A及びBは互いに異なる金属元素を表し、Xは0.95≦X≦1.05であり、Zは0.95≦Z≦1.05である。)で表される酸化物からなる非晶質の第一の層と、
希土類元素の酸化物からなる非晶質の第二の層とが、この順で積層されてなる、多層構造体。
A crystalline substrate having a lattice constant of 3.800 Å or more and 4.300 Å or less and containing an oxide.
Composition formula A X B ZO 3 (In the formula, A and B represent different metal elements, X is 0.95 ≦ X ≦ 1.05, and Z is 0.95 ≦ Z ≦ 1.05. The first amorphous layer of oxides represented by.)
A multi-layer structure in which a second amorphous layer made of an oxide of a rare earth element is laminated in this order.
請求項21に記載の多層構造体を、不活性ガス雰囲気中で加熱して、第二の層に含まれる希土類元素を第一の層中に拡散させて、組成式A(式中、A及びBは互いに異なる金属元素を表し、Xは0.95≦X≦1.05であり、Yは0.60≦Y≦1.05である。)で表されるペロブスカイト型酸化物に希土類元素がドープされてなる酸化物を含む結晶性酸化物膜を形成する、構造体の製造方法。 The multilayer structure according to claim 21 is heated in an inert gas atmosphere to diffuse the rare earth elements contained in the second layer into the first layer, and the composition formula AX BYO 3 ( In the formula, A and B represent different metal elements, X is 0.95 ≦ X ≦ 1.05, and Y is 0.60 ≦ Y ≦ 1.05). A method for producing a structure, which forms a crystalline oxide film containing an oxide obtained by doping a substance with a rare earth element. 900℃以上で加熱して、第二の層に含まれる希土類元素を第一の層中に拡散させるとともに、前記結晶性酸化物膜の(004)面を、前記結晶性基板の(002)面に揃える請求項22に記載の製造方法。 By heating at 900 ° C. or higher, the rare earth element contained in the second layer is diffused into the first layer, and the (004) surface of the crystalline oxide film is changed to the (002) surface of the crystalline substrate. The manufacturing method according to claim 22. 900℃以上で加熱して、第一の層に含まれるB元素を第二の層中に拡散させるとともに、前記結晶性酸化物膜の(004)面を、前記結晶性基板の(002)面に揃える請求項23に記載の製造方法。 By heating at 900 ° C. or higher, the element B contained in the first layer is diffused into the second layer, and the (004) surface of the crystalline oxide film is changed to the (002) surface of the crystalline substrate. 23. The manufacturing method according to claim 23.
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