ＡｌＮ結晶およびその成長方法
【課題】大口径の厚いＡｌＮ結晶を安定して成長させることができるＡｌＮ結晶の成長方法を提供する。
【解決手段】本ＡｌＮ結晶の成長方法は、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面４ｍを有するＳｉＣ基板４を準備する工程と、気相法により主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を成長させる工程と、を備える。
【解決手段】本ＡｌＮ結晶の成長方法は、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面４ｍを有するＳｉＣ基板４を準備する工程と、気相法により主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を成長させる工程と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスの基板などに用いられるＡｌＮ結晶およびその成長方法に関する。さらに詳しくは、ＳｉＣ基板を用いたＡｌＮ結晶の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＮ結晶は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスを形成するための材料として非常に有用なものである。かかるＡｌＮ結晶を作製するための方法としては、昇華法などの気相法がよく用いられる。
【０００３】
気相法において、大型のＡｌＮ結晶を成長させるためには、大口径の下地基板が必要となる。このため、各種下地基板を用いて昇華法によりＡｌＮ結晶をさせることが提案されている（たとえば、特開平１０−５３４９５号公報（特許文献１）、米国特許第６０４５６１２号明細書（特許文献２）、米国特許第６２９６９５６号明細書（特許文献３）、米国特許第６７７０１３５号明細書（特許文献４）を参照）。しかし、現実には大口径のＡｌＮ基板は入手が困難であるため、下地基板には、成長させるＡｌＮ結晶を構成する元素の種類および比率が異なる異種下地基板が用いられる。かかる異種下地基板として、ＡｌＮ結晶との格子の不整合が小さいＳｉＣ基板などが好ましく用いられている。
【特許文献１】特開平１０−５３４９５号公報
【特許文献２】米国特許第６０４５６１２号明細書
【特許文献３】米国特許第６２９６９５６号明細書
【特許文献４】米国特許第６７７０１３５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、昇華法などの気相法においては、ＡｌＮ結晶の成長温度が、ＳｉＣの昇華温度付近またはそれ以上となる場合があり、ＳｉＣ基板に存在するマイクロパイプが大きく成長するなどＳｉＣ基板が劣化しやすい。このため、ＡｌＮ結晶を安定して厚く成長させることが困難となる。近年は、かかるマイクロパイプが低減されまたは存在しないＳｉＣ基板が開発されている。
【０００５】
そこで、本発明は、マイクロパイプの密度が小さいかまたはゼロであり劣化が少ないＳｉＣ基板を用いて、大口径の厚いＡｌＮ結晶を安定して成長させることができるＡｌＮ結晶の成長方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板を準備する工程と、気相法により主面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程と、を備えるＡｌＮ結晶の成長方法である。
【０００７】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の成長方法においては、主面において１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を０ｃｍ-2としかつ１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を１．０ｃｍ-2以下とすることができる。さらに、主面において１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を０ｃｍ-2としかつ１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を１．０ｃｍ-2以下とすることができる。さらに、主面において１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を０ｃｍ-2としかつ０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を１．０ｃｍ-2以下とすることができる。ここで、主面をＣ原子表面とすることができる。
【０００８】
また、本発明は、上記の成長方法により得られるＡｌＮ結晶であって、結晶主表面における貫通孔の密度が１．０ｃｍ-2以下であるＡｌＮ結晶である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、マイクロパイプの密度が小さいかまたはゼロであり劣化が少ないＳｉＣ基板を用いて、大口径の厚いＡｌＮ結晶を安定して成長させることができるＡｌＮ結晶の成長方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施形態１）
本発明にかかるＡｌＮ結晶の成長方法の一実施形態は、図１および図２を参照して、１０００μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面４ｍを有するＳｉＣ基板４を準備する工程と、気相法により主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を成長させる工程と、を備える。
【００１１】
主面４ｍにおいて１０００μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０．１ｃｍ-2以下と小さいＳｉＣ基板４の主面４ｍ上に、ＡｌＮ結晶５を成長させることにより、大口径の厚いＡｌＮ結晶を安定して成長させることができる。
【００１２】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法は、図１を参照して、１０００μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2であり１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面４ｍを有するＳｉＣ基板４を準備する工程を備える。
【００１３】
ここで、図１および図２を参照して、ＳｉＣ基板４には、結晶欠陥としてマイクロパイプ４ｍｐと呼ばれるパイプ状の孔が含まれる場合がある。かかるマイクロパイプ４ｍｐがＳｉＣ基板４の主面４ｍ上に現れている場合、その主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を成長させても、マイクロパイプ４ｍｐの直上にはＡｌＮ結晶５が成長せず孔５ｈが形成される。かかる孔５ｈのいくつかは、ＡｌＮ結晶５を厚く成長させることにより、ＡｌＮ結晶５により埋め込まれて埋め込み孔５ｈｓとなって結晶主表面５ｓに現れない。しかし、孔５ｈの他のいくつかは、ＡｌＮ結晶５を厚く成長させても、ＡｌＮ結晶５により埋め込まれることなく、ＡｌＮ結晶５のＳｉＣ基板４との界面から結晶主表面５ｓまでＡｌＮ結晶５を貫通する貫通孔５ｈｔとなって結晶主表面５ｓに現れる。
【００１４】
ＳｉＣ基板４の主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を成長させる際に、ＡｌＮ結晶５がＳｉＣ基板のマイクロパイプ４ｍｐの直上の孔５ｈを埋め込むか否か、すなわち、成長したＡｌＮ結晶５の結晶主表面５ｓに貫通孔５ｈｔが現れないか現れるかは、マイクロパイプ４ｍｐのパイプ径Ｄおよび密度、ＡｌＮ結晶５の成長厚さなどによって異なる。マイクロパイプ４ｍｐのパイプ径Ｄおよび密度が小さくなるほど、また、ＡｌＮ結晶５の成長厚さが大きくなるほど、ＡｌＮ結晶５がＳｉＣ基板４のマイクロパイプ４ｍｐの直上の孔５ｈを埋め込む確率が大きくなる。ここで、ＳｉＣ基板は六方晶系の結晶構造を有するため、マイクロパイプ４ｍｐのパイプ断面の形状は一般的に六角形となる。したがって、マイクロパイプ４ｍｐのパイプ径Ｄは互いに対向する角の間の距離の平均と定義する。
【００１５】
上記の観点から、本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において用いられるＳｉＣ基板４は、主面４ｍにおいて１０００μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０．１ｃｍ-2以下である。かかるＳｉＣ基板４の主面４ｍｐ上にＡｌＮ結晶５を１ｍｍ以上の厚さに成長させることにより、ＳｉＣ基板４のマイクロパイプ４ｍｐの直上に形成される孔５ｈをＡｌＮ結晶５で埋め込むことができ、大口径で厚さの大きいＡｌＮ結晶５を安定して成長させることが可能となる。１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプ４ｍｐが存在する主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を１ｍｍ以上の厚さに成長させても、そのマイクロパイプ４ｍｐの直上に形成される孔５ｈをＡｌＮ結晶５で埋め込むことができない。ここで、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度および１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度は、Ｘ線トポグラフィ法を用いて測定することができる。
【００１６】
また、本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法は、図２を参照して、気相法により前記主面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程を備える。
【００１７】
ここで、気相法とは、気相状態となっている原料あるいは気相状態とした原料から基板（ＳｉＣ基板）上に結晶（ＡｌＮ結晶）を成長させる方法をいい、昇華法、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法などが含まれる。ＡｌＮ結晶の成長には、簡便な製造装置を用いても高品質の結晶が得られる観点から、昇華法がよく用いられる。以下、昇華法によりＳｉＣ基板上にＡｌＮ結晶を成長させる方法について説明する。
【００１８】
本実施形態において用いられる昇華法とは、図３を参照して、ＡｌＮ原料２をを昇華させた後、ＳｉＣ基板４上に再度固化させてＡｌＮ結晶５を得る方法をいう。昇華法による結晶成長においては、たとえば、図３に示すような高周波加熱方式の縦型の昇華炉１０を用いる。この縦型の昇華炉１０における反応容器１１の中央部には、通気口１２ｃを有するＷＣ製の坩堝１２が設けられ、坩堝１２の周りに坩堝１２の内部から外部への通気を確保するようにカーボン製の加熱体１３が設けられている。坩堝１２は、坩堝本体１２ｑと坩堝蓋１２ｐにより構成されている。また、反応容器１１の外側中央部には、加熱体１３を加熱するための高周波加熱コイル１４が設けられている。さらに、反応容器１１の端部には、反応容器１１の坩堝１２の外部にＮ2ガスを流すためのＮ2ガス導入口１１ａおよびＮ2ガス排出口１１ｃと、坩堝１２の下面および上面の温度を測定するための放射温度計１５が設けられている。
【００１９】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において、ＳｉＣ基板４の主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を成長させる工程は、たとえば、図３を参照して、上記縦型の昇華炉１０を用いて、以下のように行なわれる。
【００２０】
まず、坩堝本体１２ｑの下部にＡｌＮ原料２を収納し、坩堝蓋１２ｐの内面上に、上記のＳｉＣ基板４を、その主面４ｍがＡｌＮ原料２に対向するように配置する。次に、反応容器１１内にＮ2ガスを流しながら、高周波加熱コイル１４を用いて加熱体１３を加熱することにより坩堝１２内の温度を上昇させて、坩堝１２のＡｌＮ原料２側の温度を、ＳｉＣ基板４側の温度よりも高く保持することによって、ＡｌＮ原料２からＡｌＮを昇華させて、ＳｉＣ基板４の主面４ｍ上でＡｌＮを再度固化させてＡｌＮ結晶５を成長させる。
【００２１】
ここで、ＡｌＮ結晶５の成長中は、坩堝１２のＡｌＮ原料２側の温度（以下、昇華温度ともいう。）は１６００℃〜２３００℃程度とし、坩堝１２のＳｉＣ基板４側の温度（以下、結晶成長温度ともいう）をＡｌＮ原料２側の温度（昇華温度）より１０℃〜２００℃程度低くすることにより、大口径で厚いＡｌＮ結晶５が安定して得られる。また、結晶成長中も反応容器１１内の坩堝１２の外側にＮ2ガスを、ガス分圧が１０１．３ｈＰａ〜１０１３ｈＰａ程度になるように流し続けることにより、ＡｌＮ結晶５への不純物の混入を低減することができる。
【００２２】
なお、坩堝１２内部の昇温中は、坩堝１２のＡｌＮ原料２側の温度よりもそれ以外の部分の温度を高くすることにより、坩堝１２内部の不純物を通気口１２ｃを通じて除去することができ、ＡｌＮ結晶５への不純物の混入をより低減することができる。
【００２３】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において用いられるＳｉＣ基板４は、主面４ｍにおいて１００μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が１．０ｃｍ-2以下であることが好ましい。かかるＳｉＣ基板４の主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を１ｍｍ以上の厚さに成長させることにより、ＳｉＣ基板４のマイクロパイプ４ｍｐの直上に形成される孔５ｈをＡｌＮ結晶５で埋め込むことができ、大口径で厚さの大きいＡｌＮ結晶をさらに安定して成長させることが可能となる。ここで、１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度および１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度は、Ｘ線トポグラフィ法を用いて測定することができる。
【００２４】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において用いられるＳｉＣ基板４は、主面４ｍにおいて１０μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が１．０ｃｍ-2以下であることがより好ましい。かかるＳｉＣ基板４の主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を１ｍｍ以上の厚さに成長させることにより、ＳｉＣ基板４のマイクロパイプ４ｍｐの直上に形成される孔５ｈをＡｌＮ結晶５で埋め込むことができ、大口径で厚さの大きいＡｌＮ結晶をさらに安定して成長させることが可能となる。ここで、１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度および１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度は、Ｘ線トポグラフィ法を用いて測定することができる。
【００２５】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において用いられるＳｉＣ基板４は、主面４ｍにおいて１μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が１．０ｃｍ-2以下であることがさらに好ましい。かかるＳｉＣ基板４の主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を１ｍｍ以上の厚さに成長させることにより、ＳｉＣ基板４のマイクロパイプ４ｍｐの直上に形成される孔５ｈをＡｌＮ結晶５で埋め込むことができ、大口径で厚さの大きいＡｌＮ結晶をさらに安定して成長させることが可能となる。ここで、１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度は、Ｘ線トポグラフィ法を用いて測定することができる。また、０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて測定することができる。
【００２６】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において、ＳｉＣ基板の主面はＣ原子表面であることが好ましい。ＳｉＣ基板の主面であるＣ原子表面上にＡｌＮ結晶を成長させると、ＡｌＮ結晶はＣ原子表面上に２次元的に広がって成長するため、ＳｉＣ基板の主面であるＳｉ原子表面上にＡｌＮ結晶を成長させる場合に比べて、結晶主表面が平坦になり易くなる。
【００２７】
（実施形態２）
本発明にかかるＡｌＮ結晶の一実施形態は、図２を参照して、実施形態１の成長方法により得られるＡｌＮ結晶５であって、結晶主表面５ｓにおける貫通孔５ｈｔの密度が１．０ｃｍ-2以下である。実施形態１のＡｌＮ結晶の成長方法により、ＡｌＮ結晶を１ｍｍ以上の厚さに成長させることにより、結晶主表面５ｓにおける貫通孔５ｈｔの密度が１．０ｃｍ-2以下のＡｌＮ結晶が得られる。
【００２８】
実施形態１のＡｌＮ結晶の成長方法においては、ある範囲内のパイプ径を有するマイクロパイプが存在するＳｉＣ基板上においては、それより１／１０以下のパイプ径のマイクロパイプの存在の影響をほとんど受けないでＡｌＮ結晶が成長する。このため、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板、１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板、１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2であり１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板、および１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2であり０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板のいずれの基板を用いても、結晶主表面における貫通孔の密度が１．０ｃｍ-2以下であるＡｌＮ結晶が得られる。
【００２９】
なお、ＡｌＮ結晶の成長方法は、本実施形態においては、昇華法に基づいて説明したが、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法などの他の気相法においても適用可能であることはいうまでもない。
【実施例】
【００３０】
（実施例Ａ）
１．ＳｉＣ基板の準備
市販されている多数の直径１ｉｎ（２５．４ｍｍ）×厚さ４００μｍの４Ｈ−ＳｉＣ基板（ＣＲＥＥ社製、シクスオン社製など）の中から、主面であるＳｉ原子表面において表１に示すようなパイプ径Ｄのマイクロパイプを表１に示すような密度で有する複数のＳｉＣ基板（実施例Ａ１〜Ａ８の基板、比較例ＡＲ１〜ＡＲ４）を選択した。なお、表１において、「−」は未測定であることを示す。
【００３１】
２．ＡｌＮ結晶の成長
図３を参照して、ＷＣ製の坩堝本体１２ｑの下部に、原料としてＡｌＮ焼結体（ＡｌＮ原料２）を配置した。次いで、ＷＣ製の坩堝蓋１２ｐの内面上に、上記で選択した各４Ｈ−ＳｉＣ基板４をその主表面４ｍであるＳｉ原子表面がＡｌＮ焼結体（ＡｌＮ原料２）に対向するように配置した。
【００３２】
次に、反応容器１１内にＮ2ガスを流しながら、高周波加熱コイル１４を用いて坩堝１２内の温度を上昇させた。坩堝１２内の昇温中は、坩堝１２の坩堝蓋１２ｐ側の温度をＡｌＮ原料２側の温度よりも高くして、昇温中に坩堝蓋１２ｐおよびＳｉＣ基板４のＳｉ原子表面（主面４ｍ）をエッチングにより清浄するとともに、昇温中に坩堝１２内部から放出された不純物を、通気口１２ｃを通じて除去した。
【００３３】
次に、坩堝１２のＡｌＮ原料２側の温度（昇華温度）を２１００℃、４Ｈ−ＳｉＣ基板４側の温度（結晶成長温度）を２０００℃にして、ＡｌＮ焼結体（ＡｌＮ原料２）からＡｌＮを昇華させて、坩堝１２の上部の４Ｈ−ＳｉＣ基板４のＳｉ原子表面（主面４ｍ）上で、ＡｌＮを再度固化させてＡｌＮ結晶５を成長させた。ＡｌＮ結晶５成長中も、反応容器１１内の坩堝１２の外側にＮ2ガスを流し続け、反応容器１１内の坩堝１２の外側のガス分圧が１０１．３ｈＰａ〜１０１３ｈＰａ程度になるように、Ｎ2ガス導入量とＮ2ガス排出量とを制御した。上記の結晶成長条件で１５時間ＡｌＮ結晶５を成長させた後、室温（２５℃）まで冷却して、坩堝蓋１２ｐを取り出したところ、４Ｈ−ＳｉＣ基板４のＳｉ原子表面（主面４ｍ）上に厚さが約１ｍｍのＡｌＮ結晶５が成長していた。このようにして、実施例Ａ１〜Ａ８および比較例ＡＲ１〜ＡＲ４の４Ｈ−ＳｉＣ基板の主面であるＳｉ原子表面上に厚さ約１ｍｍのＡｌＮ結晶を成長させた。
【００３４】
こうして得られた、実施例Ａ１〜Ａ８および比較例ＡＲ１〜ＡＲ４のＡｌＮ結晶の結晶主表面における貫通孔の密度を光学顕微鏡観察により算出した。結果を表１にまとめた。
【００３５】
【表１】
【００３６】
実施例Ａ１に示すように、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０．１ｃｍ-2であるＳｉ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。また、実施例Ａ２およびＡ３に示すように、１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＳｉ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。また、実施例Ａ４およびＡ５に示すように、１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＳｉ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。さらに、実施例Ａ６〜Ａ８に示すように、１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＳｉ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。こうして、直径が１ｉｎ（２５．４ｍｍ）で厚さが約１ｍｍのＡｌＮ結晶を安定して成長させることができた。
【００３７】
（実施例Ｂ）
１．ＳｉＣ基板の準備
市販されている多数の直径１ｉｎ（２５．４ｍｍ）×厚さ４００μｍの４Ｈ−ＳｉＣ基板（ＣＲＥＥ社製、シクスオン社製など）の中から、主面であるＣ原子表面において表１に示すようなパイプ径のマイクロパイプを表２に示すような密度で有する複数のＳｉＣ基板（実施例Ｂ１〜Ｂ８の基板、比較例ＢＲ１〜ＢＲ４）を選択した。なお、表２において、「−」は未測定であることを示す。
【００３８】
２．ＡｌＮ結晶の成長
ＷＣ製の坩堝蓋１２ｐの内面上に、上記で選択した各４Ｈ−ＳｉＣ基板４をその主表面４ｍであるＣ原子表面がＡｌＮ焼結体（ＡｌＮ原料２）に対向するように配置したこと以外は、実施例Ａ１と同様にして、実施例Ｂ１〜Ｂ８および比較例ＢＲ１〜ＢＲ４の４Ｈ−ＳｉＣ基板の主面であるＣ原子表面上に厚さ約１ｍｍのＡｌＮ結晶を成長させた。
【００３９】
こうして得られた、実施例Ｂ１〜Ｂ８および比較例ＢＲ１〜ＢＲ４のＡｌＮ結晶の結晶主表面における貫通孔の密度を光学顕微鏡観察により算出した。結果を表２にまとめた。
【００４０】
【表２】
【００４１】
実施例Ｂ１に示すように、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０．１ｃｍ-2であるＣ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。また、実施例Ｂ２およびＢ３に示すように、１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＣ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。また、実施例Ｂ４およびＢ５に示すように、１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＣ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。さらに、実施例Ｂ６〜Ｂ８に示すように、１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＣ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。こうして、直径が１ｉｎ（２５．４ｍｍ）で厚さが約１ｍｍのＡｌＮ結晶を安定して成長させることができた。
【００４２】
また、実施例Ａ１〜Ａ８および実施例Ｂ１〜Ｂ８のＡｌＮ結晶の主表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により観察したところ、表２に示すように、実施例Ｂ１〜Ｂ８のＡｌＮ結晶の主表面は、それぞれ実施例Ａ１〜Ａ８のＡｌＮ結晶の主表面に比べて、より平坦であった。
【００４３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明にかかる成長方法により得られたＡｌＮ結晶は、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）などの電子素子、微小電子源（エミッタ）、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視-紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷ（表面弾性波）デバイス、振動子、共振子、発振器、MEMS（Micro Electro Mechanical System）部品、圧電アクチュエータなどのデバイス用の基板として広く用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明にかかるＡｌＮ基板の成長方法において用いられるＳｉＣ基板の一実施形態を示す概略図である。ここで、（Ａ）は概略平面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）のＩＢ−ＩＢにおける概略断面図を示す。
【図２】本発明におけるＡｌＮ結晶の成長方法の一実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明におけるＡｌＮ結晶の成長方法の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
２ ＡｌＮ原料、４ ＳｉＣ基板、４ｍ 主面、４ｍｐ マイクロパイプ、５ ＡｌＮ結晶、５ｈ 孔、５ｈｓ 埋め込み孔、５ｈｔ 貫通孔、５ｓ 結晶主表面、１０ 昇華炉、１１ 反応容器、１１ａ Ｎ2ガス導入口、１１ｃ Ｎ2ガス排出口、１２ 坩堝、１２ｃ 通気口、１２ｐ 坩堝蓋、１２ｑ 坩堝本体、１３ 加熱体、１４ 高周波加熱コイル、１５ 放射温度計、Ｄ パイプ径。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスの基板などに用いられるＡｌＮ結晶およびその成長方法に関する。さらに詳しくは、ＳｉＣ基板を用いたＡｌＮ結晶の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＮ結晶は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスを形成するための材料として非常に有用なものである。かかるＡｌＮ結晶を作製するための方法としては、昇華法などの気相法がよく用いられる。
【０００３】
気相法において、大型のＡｌＮ結晶を成長させるためには、大口径の下地基板が必要となる。このため、各種下地基板を用いて昇華法によりＡｌＮ結晶をさせることが提案されている（たとえば、特開平１０−５３４９５号公報（特許文献１）、米国特許第６０４５６１２号明細書（特許文献２）、米国特許第６２９６９５６号明細書（特許文献３）、米国特許第６７７０１３５号明細書（特許文献４）を参照）。しかし、現実には大口径のＡｌＮ基板は入手が困難であるため、下地基板には、成長させるＡｌＮ結晶を構成する元素の種類および比率が異なる異種下地基板が用いられる。かかる異種下地基板として、ＡｌＮ結晶との格子の不整合が小さいＳｉＣ基板などが好ましく用いられている。
【特許文献１】特開平１０−５３４９５号公報
【特許文献２】米国特許第６０４５６１２号明細書
【特許文献３】米国特許第６２９６９５６号明細書
【特許文献４】米国特許第６７７０１３５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、昇華法などの気相法においては、ＡｌＮ結晶の成長温度が、ＳｉＣの昇華温度付近またはそれ以上となる場合があり、ＳｉＣ基板に存在するマイクロパイプが大きく成長するなどＳｉＣ基板が劣化しやすい。このため、ＡｌＮ結晶を安定して厚く成長させることが困難となる。近年は、かかるマイクロパイプが低減されまたは存在しないＳｉＣ基板が開発されている。
【０００５】
そこで、本発明は、マイクロパイプの密度が小さいかまたはゼロであり劣化が少ないＳｉＣ基板を用いて、大口径の厚いＡｌＮ結晶を安定して成長させることができるＡｌＮ結晶の成長方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板を準備する工程と、気相法により主面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程と、を備えるＡｌＮ結晶の成長方法である。
【０００７】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の成長方法においては、主面において１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を０ｃｍ-2としかつ１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を１．０ｃｍ-2以下とすることができる。さらに、主面において１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を０ｃｍ-2としかつ１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を１．０ｃｍ-2以下とすることができる。さらに、主面において１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を０ｃｍ-2としかつ０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度を１．０ｃｍ-2以下とすることができる。ここで、主面をＣ原子表面とすることができる。
【０００８】
また、本発明は、上記の成長方法により得られるＡｌＮ結晶であって、結晶主表面における貫通孔の密度が１．０ｃｍ-2以下であるＡｌＮ結晶である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、マイクロパイプの密度が小さいかまたはゼロであり劣化が少ないＳｉＣ基板を用いて、大口径の厚いＡｌＮ結晶を安定して成長させることができるＡｌＮ結晶の成長方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施形態１）
本発明にかかるＡｌＮ結晶の成長方法の一実施形態は、図１および図２を参照して、１０００μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面４ｍを有するＳｉＣ基板４を準備する工程と、気相法により主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を成長させる工程と、を備える。
【００１１】
主面４ｍにおいて１０００μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０．１ｃｍ-2以下と小さいＳｉＣ基板４の主面４ｍ上に、ＡｌＮ結晶５を成長させることにより、大口径の厚いＡｌＮ結晶を安定して成長させることができる。
【００１２】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法は、図１を参照して、１０００μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2であり１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面４ｍを有するＳｉＣ基板４を準備する工程を備える。
【００１３】
ここで、図１および図２を参照して、ＳｉＣ基板４には、結晶欠陥としてマイクロパイプ４ｍｐと呼ばれるパイプ状の孔が含まれる場合がある。かかるマイクロパイプ４ｍｐがＳｉＣ基板４の主面４ｍ上に現れている場合、その主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を成長させても、マイクロパイプ４ｍｐの直上にはＡｌＮ結晶５が成長せず孔５ｈが形成される。かかる孔５ｈのいくつかは、ＡｌＮ結晶５を厚く成長させることにより、ＡｌＮ結晶５により埋め込まれて埋め込み孔５ｈｓとなって結晶主表面５ｓに現れない。しかし、孔５ｈの他のいくつかは、ＡｌＮ結晶５を厚く成長させても、ＡｌＮ結晶５により埋め込まれることなく、ＡｌＮ結晶５のＳｉＣ基板４との界面から結晶主表面５ｓまでＡｌＮ結晶５を貫通する貫通孔５ｈｔとなって結晶主表面５ｓに現れる。
【００１４】
ＳｉＣ基板４の主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を成長させる際に、ＡｌＮ結晶５がＳｉＣ基板のマイクロパイプ４ｍｐの直上の孔５ｈを埋め込むか否か、すなわち、成長したＡｌＮ結晶５の結晶主表面５ｓに貫通孔５ｈｔが現れないか現れるかは、マイクロパイプ４ｍｐのパイプ径Ｄおよび密度、ＡｌＮ結晶５の成長厚さなどによって異なる。マイクロパイプ４ｍｐのパイプ径Ｄおよび密度が小さくなるほど、また、ＡｌＮ結晶５の成長厚さが大きくなるほど、ＡｌＮ結晶５がＳｉＣ基板４のマイクロパイプ４ｍｐの直上の孔５ｈを埋め込む確率が大きくなる。ここで、ＳｉＣ基板は六方晶系の結晶構造を有するため、マイクロパイプ４ｍｐのパイプ断面の形状は一般的に六角形となる。したがって、マイクロパイプ４ｍｐのパイプ径Ｄは互いに対向する角の間の距離の平均と定義する。
【００１５】
上記の観点から、本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において用いられるＳｉＣ基板４は、主面４ｍにおいて１０００μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０．１ｃｍ-2以下である。かかるＳｉＣ基板４の主面４ｍｐ上にＡｌＮ結晶５を１ｍｍ以上の厚さに成長させることにより、ＳｉＣ基板４のマイクロパイプ４ｍｐの直上に形成される孔５ｈをＡｌＮ結晶５で埋め込むことができ、大口径で厚さの大きいＡｌＮ結晶５を安定して成長させることが可能となる。１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプ４ｍｐが存在する主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を１ｍｍ以上の厚さに成長させても、そのマイクロパイプ４ｍｐの直上に形成される孔５ｈをＡｌＮ結晶５で埋め込むことができない。ここで、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度および１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度は、Ｘ線トポグラフィ法を用いて測定することができる。
【００１６】
また、本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法は、図２を参照して、気相法により前記主面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程を備える。
【００１７】
ここで、気相法とは、気相状態となっている原料あるいは気相状態とした原料から基板（ＳｉＣ基板）上に結晶（ＡｌＮ結晶）を成長させる方法をいい、昇華法、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法などが含まれる。ＡｌＮ結晶の成長には、簡便な製造装置を用いても高品質の結晶が得られる観点から、昇華法がよく用いられる。以下、昇華法によりＳｉＣ基板上にＡｌＮ結晶を成長させる方法について説明する。
【００１８】
本実施形態において用いられる昇華法とは、図３を参照して、ＡｌＮ原料２をを昇華させた後、ＳｉＣ基板４上に再度固化させてＡｌＮ結晶５を得る方法をいう。昇華法による結晶成長においては、たとえば、図３に示すような高周波加熱方式の縦型の昇華炉１０を用いる。この縦型の昇華炉１０における反応容器１１の中央部には、通気口１２ｃを有するＷＣ製の坩堝１２が設けられ、坩堝１２の周りに坩堝１２の内部から外部への通気を確保するようにカーボン製の加熱体１３が設けられている。坩堝１２は、坩堝本体１２ｑと坩堝蓋１２ｐにより構成されている。また、反応容器１１の外側中央部には、加熱体１３を加熱するための高周波加熱コイル１４が設けられている。さらに、反応容器１１の端部には、反応容器１１の坩堝１２の外部にＮ2ガスを流すためのＮ2ガス導入口１１ａおよびＮ2ガス排出口１１ｃと、坩堝１２の下面および上面の温度を測定するための放射温度計１５が設けられている。
【００１９】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において、ＳｉＣ基板４の主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を成長させる工程は、たとえば、図３を参照して、上記縦型の昇華炉１０を用いて、以下のように行なわれる。
【００２０】
まず、坩堝本体１２ｑの下部にＡｌＮ原料２を収納し、坩堝蓋１２ｐの内面上に、上記のＳｉＣ基板４を、その主面４ｍがＡｌＮ原料２に対向するように配置する。次に、反応容器１１内にＮ2ガスを流しながら、高周波加熱コイル１４を用いて加熱体１３を加熱することにより坩堝１２内の温度を上昇させて、坩堝１２のＡｌＮ原料２側の温度を、ＳｉＣ基板４側の温度よりも高く保持することによって、ＡｌＮ原料２からＡｌＮを昇華させて、ＳｉＣ基板４の主面４ｍ上でＡｌＮを再度固化させてＡｌＮ結晶５を成長させる。
【００２１】
ここで、ＡｌＮ結晶５の成長中は、坩堝１２のＡｌＮ原料２側の温度（以下、昇華温度ともいう。）は１６００℃〜２３００℃程度とし、坩堝１２のＳｉＣ基板４側の温度（以下、結晶成長温度ともいう）をＡｌＮ原料２側の温度（昇華温度）より１０℃〜２００℃程度低くすることにより、大口径で厚いＡｌＮ結晶５が安定して得られる。また、結晶成長中も反応容器１１内の坩堝１２の外側にＮ2ガスを、ガス分圧が１０１．３ｈＰａ〜１０１３ｈＰａ程度になるように流し続けることにより、ＡｌＮ結晶５への不純物の混入を低減することができる。
【００２２】
なお、坩堝１２内部の昇温中は、坩堝１２のＡｌＮ原料２側の温度よりもそれ以外の部分の温度を高くすることにより、坩堝１２内部の不純物を通気口１２ｃを通じて除去することができ、ＡｌＮ結晶５への不純物の混入をより低減することができる。
【００２３】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において用いられるＳｉＣ基板４は、主面４ｍにおいて１００μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が１．０ｃｍ-2以下であることが好ましい。かかるＳｉＣ基板４の主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を１ｍｍ以上の厚さに成長させることにより、ＳｉＣ基板４のマイクロパイプ４ｍｐの直上に形成される孔５ｈをＡｌＮ結晶５で埋め込むことができ、大口径で厚さの大きいＡｌＮ結晶をさらに安定して成長させることが可能となる。ここで、１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度および１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度は、Ｘ線トポグラフィ法を用いて測定することができる。
【００２４】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において用いられるＳｉＣ基板４は、主面４ｍにおいて１０μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が１．０ｃｍ-2以下であることがより好ましい。かかるＳｉＣ基板４の主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を１ｍｍ以上の厚さに成長させることにより、ＳｉＣ基板４のマイクロパイプ４ｍｐの直上に形成される孔５ｈをＡｌＮ結晶５で埋め込むことができ、大口径で厚さの大きいＡｌＮ結晶をさらに安定して成長させることが可能となる。ここで、１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度および１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度は、Ｘ線トポグラフィ法を用いて測定することができる。
【００２５】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において用いられるＳｉＣ基板４は、主面４ｍにおいて１μｍ以上のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が０ｃｍ-2でありかつ０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径Ｄを有するマイクロパイプ４ｍｐの密度が１．０ｃｍ-2以下であることがさらに好ましい。かかるＳｉＣ基板４の主面４ｍ上にＡｌＮ結晶５を１ｍｍ以上の厚さに成長させることにより、ＳｉＣ基板４のマイクロパイプ４ｍｐの直上に形成される孔５ｈをＡｌＮ結晶５で埋め込むことができ、大口径で厚さの大きいＡｌＮ結晶をさらに安定して成長させることが可能となる。ここで、１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度は、Ｘ線トポグラフィ法を用いて測定することができる。また、０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて測定することができる。
【００２６】
本実施形態のＡｌＮ結晶の成長方法において、ＳｉＣ基板の主面はＣ原子表面であることが好ましい。ＳｉＣ基板の主面であるＣ原子表面上にＡｌＮ結晶を成長させると、ＡｌＮ結晶はＣ原子表面上に２次元的に広がって成長するため、ＳｉＣ基板の主面であるＳｉ原子表面上にＡｌＮ結晶を成長させる場合に比べて、結晶主表面が平坦になり易くなる。
【００２７】
（実施形態２）
本発明にかかるＡｌＮ結晶の一実施形態は、図２を参照して、実施形態１の成長方法により得られるＡｌＮ結晶５であって、結晶主表面５ｓにおける貫通孔５ｈｔの密度が１．０ｃｍ-2以下である。実施形態１のＡｌＮ結晶の成長方法により、ＡｌＮ結晶を１ｍｍ以上の厚さに成長させることにより、結晶主表面５ｓにおける貫通孔５ｈｔの密度が１．０ｃｍ-2以下のＡｌＮ結晶が得られる。
【００２８】
実施形態１のＡｌＮ結晶の成長方法においては、ある範囲内のパイプ径を有するマイクロパイプが存在するＳｉＣ基板上においては、それより１／１０以下のパイプ径のマイクロパイプの存在の影響をほとんど受けないでＡｌＮ結晶が成長する。このため、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板、１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板、１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2であり１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板、および１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2であり０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板のいずれの基板を用いても、結晶主表面における貫通孔の密度が１．０ｃｍ-2以下であるＡｌＮ結晶が得られる。
【００２９】
なお、ＡｌＮ結晶の成長方法は、本実施形態においては、昇華法に基づいて説明したが、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法などの他の気相法においても適用可能であることはいうまでもない。
【実施例】
【００３０】
（実施例Ａ）
１．ＳｉＣ基板の準備
市販されている多数の直径１ｉｎ（２５．４ｍｍ）×厚さ４００μｍの４Ｈ−ＳｉＣ基板（ＣＲＥＥ社製、シクスオン社製など）の中から、主面であるＳｉ原子表面において表１に示すようなパイプ径Ｄのマイクロパイプを表１に示すような密度で有する複数のＳｉＣ基板（実施例Ａ１〜Ａ８の基板、比較例ＡＲ１〜ＡＲ４）を選択した。なお、表１において、「−」は未測定であることを示す。
【００３１】
２．ＡｌＮ結晶の成長
図３を参照して、ＷＣ製の坩堝本体１２ｑの下部に、原料としてＡｌＮ焼結体（ＡｌＮ原料２）を配置した。次いで、ＷＣ製の坩堝蓋１２ｐの内面上に、上記で選択した各４Ｈ−ＳｉＣ基板４をその主表面４ｍであるＳｉ原子表面がＡｌＮ焼結体（ＡｌＮ原料２）に対向するように配置した。
【００３２】
次に、反応容器１１内にＮ2ガスを流しながら、高周波加熱コイル１４を用いて坩堝１２内の温度を上昇させた。坩堝１２内の昇温中は、坩堝１２の坩堝蓋１２ｐ側の温度をＡｌＮ原料２側の温度よりも高くして、昇温中に坩堝蓋１２ｐおよびＳｉＣ基板４のＳｉ原子表面（主面４ｍ）をエッチングにより清浄するとともに、昇温中に坩堝１２内部から放出された不純物を、通気口１２ｃを通じて除去した。
【００３３】
次に、坩堝１２のＡｌＮ原料２側の温度（昇華温度）を２１００℃、４Ｈ−ＳｉＣ基板４側の温度（結晶成長温度）を２０００℃にして、ＡｌＮ焼結体（ＡｌＮ原料２）からＡｌＮを昇華させて、坩堝１２の上部の４Ｈ−ＳｉＣ基板４のＳｉ原子表面（主面４ｍ）上で、ＡｌＮを再度固化させてＡｌＮ結晶５を成長させた。ＡｌＮ結晶５成長中も、反応容器１１内の坩堝１２の外側にＮ2ガスを流し続け、反応容器１１内の坩堝１２の外側のガス分圧が１０１．３ｈＰａ〜１０１３ｈＰａ程度になるように、Ｎ2ガス導入量とＮ2ガス排出量とを制御した。上記の結晶成長条件で１５時間ＡｌＮ結晶５を成長させた後、室温（２５℃）まで冷却して、坩堝蓋１２ｐを取り出したところ、４Ｈ−ＳｉＣ基板４のＳｉ原子表面（主面４ｍ）上に厚さが約１ｍｍのＡｌＮ結晶５が成長していた。このようにして、実施例Ａ１〜Ａ８および比較例ＡＲ１〜ＡＲ４の４Ｈ−ＳｉＣ基板の主面であるＳｉ原子表面上に厚さ約１ｍｍのＡｌＮ結晶を成長させた。
【００３４】
こうして得られた、実施例Ａ１〜Ａ８および比較例ＡＲ１〜ＡＲ４のＡｌＮ結晶の結晶主表面における貫通孔の密度を光学顕微鏡観察により算出した。結果を表１にまとめた。
【００３５】
【表１】
【００３６】
実施例Ａ１に示すように、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０．１ｃｍ-2であるＳｉ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。また、実施例Ａ２およびＡ３に示すように、１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＳｉ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。また、実施例Ａ４およびＡ５に示すように、１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＳｉ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。さらに、実施例Ａ６〜Ａ８に示すように、１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＳｉ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。こうして、直径が１ｉｎ（２５．４ｍｍ）で厚さが約１ｍｍのＡｌＮ結晶を安定して成長させることができた。
【００３７】
（実施例Ｂ）
１．ＳｉＣ基板の準備
市販されている多数の直径１ｉｎ（２５．４ｍｍ）×厚さ４００μｍの４Ｈ−ＳｉＣ基板（ＣＲＥＥ社製、シクスオン社製など）の中から、主面であるＣ原子表面において表１に示すようなパイプ径のマイクロパイプを表２に示すような密度で有する複数のＳｉＣ基板（実施例Ｂ１〜Ｂ８の基板、比較例ＢＲ１〜ＢＲ４）を選択した。なお、表２において、「−」は未測定であることを示す。
【００３８】
２．ＡｌＮ結晶の成長
ＷＣ製の坩堝蓋１２ｐの内面上に、上記で選択した各４Ｈ−ＳｉＣ基板４をその主表面４ｍであるＣ原子表面がＡｌＮ焼結体（ＡｌＮ原料２）に対向するように配置したこと以外は、実施例Ａ１と同様にして、実施例Ｂ１〜Ｂ８および比較例ＢＲ１〜ＢＲ４の４Ｈ−ＳｉＣ基板の主面であるＣ原子表面上に厚さ約１ｍｍのＡｌＮ結晶を成長させた。
【００３９】
こうして得られた、実施例Ｂ１〜Ｂ８および比較例ＢＲ１〜ＢＲ４のＡｌＮ結晶の結晶主表面における貫通孔の密度を光学顕微鏡観察により算出した。結果を表２にまとめた。
【００４０】
【表２】
【００４１】
実施例Ｂ１に示すように、１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０．１ｃｍ-2であるＣ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。また、実施例Ｂ２およびＢ３に示すように、１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＣ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。また、実施例Ｂ４およびＢ５に示すように、１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＣ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。さらに、実施例Ｂ６〜Ｂ８に示すように、１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2で０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下であるＣ原子表面（主面）上に成長させたＡｌＮ結晶の結晶表面における貫通密度は０ｃｍ-2であった。こうして、直径が１ｉｎ（２５．４ｍｍ）で厚さが約１ｍｍのＡｌＮ結晶を安定して成長させることができた。
【００４２】
また、実施例Ａ１〜Ａ８および実施例Ｂ１〜Ｂ８のＡｌＮ結晶の主表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により観察したところ、表２に示すように、実施例Ｂ１〜Ｂ８のＡｌＮ結晶の主表面は、それぞれ実施例Ａ１〜Ａ８のＡｌＮ結晶の主表面に比べて、より平坦であった。
【００４３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明にかかる成長方法により得られたＡｌＮ結晶は、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）などの電子素子、微小電子源（エミッタ）、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視-紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷ（表面弾性波）デバイス、振動子、共振子、発振器、MEMS（Micro Electro Mechanical System）部品、圧電アクチュエータなどのデバイス用の基板として広く用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明にかかるＡｌＮ基板の成長方法において用いられるＳｉＣ基板の一実施形態を示す概略図である。ここで、（Ａ）は概略平面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）のＩＢ−ＩＢにおける概略断面図を示す。
【図２】本発明におけるＡｌＮ結晶の成長方法の一実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明におけるＡｌＮ結晶の成長方法の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
２ ＡｌＮ原料、４ ＳｉＣ基板、４ｍ 主面、４ｍｐ マイクロパイプ、５ ＡｌＮ結晶、５ｈ 孔、５ｈｓ 埋め込み孔、５ｈｔ 貫通孔、５ｓ 結晶主表面、１０ 昇華炉、１１ 反応容器、１１ａ Ｎ2ガス導入口、１１ｃ Ｎ2ガス排出口、１２ 坩堝、１２ｃ 通気口、１２ｐ 坩堝蓋、１２ｑ 坩堝本体、１３ 加熱体、１４ 高周波加熱コイル、１５ 放射温度計、Ｄ パイプ径。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板を準備する工程と、
気相法により前記主面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程と、を備えるＡｌＮ結晶の成長方法。
【請求項２】
前記主面において１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である請求項１に記載のＡｌＮ結晶の成長方法。
【請求項３】
前記主面において１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である請求項２に記載のＡｌＮ結晶の成長方法。
【請求項４】
前記主面において１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である請求項３に記載のＡｌＮ結晶の成長方法。
【請求項５】
前記主面がＣ原子表面である請求項１から請求項４までのいずれかに記載のＡｌＮ結晶の成長方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれかの成長方法により得られるＡｌＮ結晶であって、結晶主表面における貫通孔の密度が１．０ｃｍ-2以下であるＡｌＮ結晶。
【請求項１】
１０００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１００μｍ以上１０００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０．１ｃｍ-2以下である主面を有するＳｉＣ基板を準備する工程と、
気相法により前記主面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程と、を備えるＡｌＮ結晶の成長方法。
【請求項２】
前記主面において１００μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１０μｍ以上１００μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である請求項１に記載のＡｌＮ結晶の成長方法。
【請求項３】
前記主面において１０μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ１μｍ以上１０μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である請求項２に記載のＡｌＮ結晶の成長方法。
【請求項４】
前記主面において１μｍ以上のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が０ｃｍ-2でありかつ０．１μｍ以上１μｍ未満のパイプ径を有するマイクロパイプの密度が１．０ｃｍ-2以下である請求項３に記載のＡｌＮ結晶の成長方法。
【請求項５】
前記主面がＣ原子表面である請求項１から請求項４までのいずれかに記載のＡｌＮ結晶の成長方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれかの成長方法により得られるＡｌＮ結晶であって、結晶主表面における貫通孔の密度が１．０ｃｍ-2以下であるＡｌＮ結晶。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１３７７７７（Ｐ２００９−１３７７７７Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１３３５９（Ｐ２００７−３１３３５９）
【出願日】平成１９年１２月４日（２００７．１２．４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月４日（２００７．１２．４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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