JP2003119099A - Method of producing aluminum nitride single crystal - Google Patents

Method of producing aluminum nitride single crystal

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JP2003119099A
JP2003119099A JP2001313663A JP2001313663A JP2003119099A JP 2003119099 A JP2003119099 A JP 2003119099A JP 2001313663 A JP2001313663 A JP 2001313663A JP 2001313663 A JP2001313663 A JP 2001313663A JP 2003119099 A JP2003119099 A JP 2003119099A
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single crystal
aluminum nitride
aluminum
nitride single
nitrogen
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JP2001313663A
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Japanese (ja)
Inventor
Masayuki Wakita
昌幸 脇田
Kazuto Kamei
一人 亀井
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of producing an aluminum nitride single crystal, by which the aluminum nitride single crystal having a large diameter can be produced at a low cost. SOLUTION: In the method of producing the aluminum nitride single crystal, the aluminum nitride single crystal is grown by melting an aluminum alloy containing at least one transition metal element in an amount of 1 to 50 atom.% in total, in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen and maintaining the alloy in a molten state for a predetermined time so as to accelerate nitriding of aluminum.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外領域の光を射
出し得る半導体発光素子や高い放熱特性が望まれる半導
体デバイスのための基板材料として好ましく用いられ得
る窒化アルミニウム単結晶の製造方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing an aluminum nitride single crystal which can be preferably used as a substrate material for a semiconductor light emitting element capable of emitting light in the ultraviolet region or a semiconductor device for which high heat dissipation characteristics are desired. Is.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在では、情報技術産業の急速な成長に
伴って、日常でも取り扱われる情報量は拡大の一途をた
どっている。このような情報技術革新を支えるために
は、高密度記録容量を有する記録媒体や記録装置の開発
が不可欠であり、多方面から研究開発が進められてい
る。それらの中でも、青色半導体レーザ素子を光源に用
いた記録装置は、それ以前の装置に比べて3倍以上の記
録密度を有することができ、次世代記録装置として注目
されている。
2. Description of the Related Art At present, with the rapid growth of the information technology industry, the amount of information that can be handled on a daily basis is increasing. In order to support such information technology innovation, development of a recording medium and a recording device having a high-density recording capacity is indispensable, and research and development have been promoted from various fields. Among them, a recording device using a blue semiconductor laser element as a light source can have a recording density three times or more that of a device before that, and is attracting attention as a next-generation recording device.

【0003】しかし、高記録密度化の要望は、今後さら
に急速化していくものと推測される。その場合に、記録
密度を向上させる最も簡便な方策として、記録に用いら
れる光の波長をさらに短くすることが考えられる。その
ためには、さらに短波長の光を射出し得る半導体レーザ
素子の開発が望まれる。ここで、窒化アルミニウムは室
温において6.2eVの大きな直接遷移型バンドギャッ
プを有し、紫外領域の光を射出し得る短波長レーザ素子
のための半導体材料として好ましく用いられ得る。
However, it is presumed that the demand for higher recording density will further increase in the future. In that case, as the simplest measure for improving the recording density, it is conceivable to further shorten the wavelength of light used for recording. For that purpose, development of a semiconductor laser device capable of emitting light of a shorter wavelength is desired. Here, aluminum nitride has a large direct transition type band gap of 6.2 eV at room temperature and can be preferably used as a semiconductor material for a short wavelength laser device capable of emitting light in the ultraviolet region.

【0004】半導体レーザ素子は、CVD(化学気相堆
積)などによって単結晶基板上に高品質で多層の単結晶
薄膜を堆積させることによって形成されるのが一般的で
ある。しかし、基板と堆積薄膜の材質が互いに異なる場
合、それら両者間の結晶格子不整合に起因して堆積薄膜
中の転位密度が増大し、得られるレーザ素子の寿命の低
下をもたらす。このような問題を解決するための最も簡
便な方法は、基板および堆積薄膜に同種の材料を用いる
ことである。
A semiconductor laser device is generally formed by depositing a high quality multi-layered single crystal thin film on a single crystal substrate by CVD (chemical vapor deposition) or the like. However, when the materials of the substrate and the deposited thin film are different from each other, the dislocation density in the deposited thin film increases due to the crystal lattice mismatch between the two, and the life of the obtained laser element is shortened. The simplest method to solve such a problem is to use the same material for the substrate and the deposited thin film.

【0005】すなわち、窒化アルミニウム堆積膜を利用
して紫外線レーザ素子を形成するためには、窒化アルミ
ニウム単結晶基板を用いることが最適である。
That is, in order to form an ultraviolet laser device using an aluminum nitride deposited film, it is optimal to use an aluminum nitride single crystal substrate.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】固体の窒化アルミニウ
ムは共有結合性の強いウルツ鉱型の結晶構造を有し、強
固な化学的結合を形成している。したがって、固体の窒
化アルミニウムは高温まで非常に安定であり、常圧下で
は液相を生じることなく2400℃で分解する。このこ
とから明らかなように、窒化アルミニウムの液相からそ
の単結晶を成長させることは極めて困難である。
Solid aluminum nitride has a wurtzite-type crystal structure having a strong covalent bond and forms a strong chemical bond. Therefore, solid aluminum nitride is very stable up to high temperatures and decomposes at 2400 ° C. under normal pressure without forming a liquid phase. As is clear from this, it is extremely difficult to grow the single crystal from the liquid phase of aluminum nitride.

【0007】今日までに、窒化アルミニウム単結晶を製
造する方法としては、(1)窒素雰囲気中で窒化アルミ
ニウムを高温部で分解させて低温部で析出結晶化させる
昇華法と(2)CVDによって窒化アルミニウム膜を長
時間かけて堆積させる方法が試みられている。
[0007] To date, as a method for producing an aluminum nitride single crystal, (1) a sublimation method in which aluminum nitride is decomposed in a high temperature portion and precipitated and crystallized in a low temperature portion in a nitrogen atmosphere, and (2) nitrided by CVD Attempts have been made to deposit an aluminum film over a long period of time.

【0008】しかし昇華法(1)では、昇華析出装置な
どにおける制限から、得られる窒化アルミニウム単結晶
が微小でかつ高価であり、その結晶中に多数の窒素欠陥
も生じる。他方、CVD法(2)では、窒化アルミニウム
膜を堆積するのに長時間を要してコスト高になり、その
薄膜中に含まれる単結晶の配向性も劣っている。すなわ
ち、半導体レーザ素子の基板として満足し得る窒化アル
ミニウム単結晶は得られていないのが現状である。
However, in the sublimation method (1), the aluminum nitride single crystal obtained is minute and expensive due to the limitation in the sublimation precipitation apparatus and the like, and many nitrogen defects occur in the crystal. On the other hand, in the CVD method (2), it takes a long time to deposit the aluminum nitride film and the cost is high, and the orientation of the single crystal contained in the thin film is poor. That is, at present, a satisfactory aluminum nitride single crystal has not been obtained as a substrate for a semiconductor laser device.

【0009】ところで、常圧下におけるアルミニウム液
相に対する窒素の溶解度は極めて小さい。また、窒化ア
ルミニウム膜は緻密で強固であるので、アルミニウム液
相の表面に窒化アルミニウム膜が形成されれば、液相内
部への更なる窒化の進行が阻害される。このような状況
から、アルミニウム液相内部へ多くの窒素を連続的に供
給する手法の一つとして、アルミニウムに他元素を加え
た合金液相の利用が考えられる。
By the way, the solubility of nitrogen in the aluminum liquid phase under normal pressure is extremely small. Further, since the aluminum nitride film is dense and strong, if the aluminum nitride film is formed on the surface of the aluminum liquid phase, the progress of further nitriding inside the liquid phase is hindered. Under such circumstances, the use of the alloy liquid phase in which other elements are added to aluminum is considered as one of the methods for continuously supplying a large amount of nitrogen into the aluminum liquid phase.

【0010】特開平7−277897号公報には、アル
カリ金属またはアルカリ土類金属を添加したアルミニウ
ム合金溶湯内にゆっくりと窒素を拡散させて窒化アルミ
ニウム単結晶を合成する方法が開示されている。この公
報の教示によれば、蒸気圧の高いアルカリ金属やアルカ
リ土類金属の原子は合金溶湯表面で雰囲気中の不純物酸
素と反応して酸化物を生成して蒸発するので、そのカウ
ンタとして雰囲気中の窒素が合金溶湯内部に拡散浸透す
るということである。その結果として、常圧のもとで
は、最大で450μm径の窒化アルミニウム単結晶が合
成されたと教示されている。
Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-277897 discloses a method of synthesizing an aluminum nitride single crystal by slowly diffusing nitrogen into a molten aluminum alloy containing an alkali metal or an alkaline earth metal. According to the teaching of this publication, the atoms of alkali metal or alkaline earth metal having a high vapor pressure react with the impurity oxygen in the atmosphere on the surface of the molten alloy to form an oxide, which evaporates. This means that the nitrogen in the alloy diffuses and penetrates into the molten alloy. As a result, it is taught that under normal pressure, an aluminum nitride single crystal having a maximum diameter of 450 μm was synthesized.

【0011】しかし、その公報の発明では急激な発熱反
応を抑制するために、アルカリ金属またはアルカリ土類
金属の添加元素は最大で2重量%以下に制限されてい
る。したがって、その少量の添加元素のすべてがアルミ
ニウム合金溶湯表面から酸化蒸発してしまえば、その溶
湯内部への窒素の拡散浸透が困難になる。
However, in the invention of the publication, the additive element of alkali metal or alkaline earth metal is limited to a maximum of 2% by weight or less in order to suppress a rapid exothermic reaction. Therefore, if all of the small amount of additive elements are oxidized and evaporated from the surface of the molten aluminum alloy, it becomes difficult to diffuse and permeate nitrogen into the molten metal.

【0012】以上のような先行技術における状況に鑑
み、本発明は、アルミニウムを含む合金液相内部へ連続
的に窒素を浸透させることによって大径の窒化アルミニ
ウム単結晶を安価に製造し得る方法を提供することを目
的としている。
In view of the situation in the prior art as described above, the present invention provides a method for inexpensively producing a large-diameter aluminum nitride single crystal by continuously permeating nitrogen into an alloy liquid phase containing aluminum. It is intended to be provided.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明による窒化アルミ
ニウム単結晶の製造方法では、窒素元素を含む非酸化性
雰囲気中において、一種以上の遷移金属元素を総量で1
〜50原子%の範囲内で含むアルミニウム合金の溶融液
から、窒化アルミニウム単結晶を成長させることを特徴
としている。
In the method for producing an aluminum nitride single crystal according to the present invention, the total amount of one or more transition metal elements is 1 in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen element.
It is characterized in that an aluminum nitride single crystal is grown from a melt of an aluminum alloy contained in the range of ˜50 atomic%.

【0014】なお、そのアルミニウム合金は、一種以上
の遷移金属またはその窒化物をアルミニウムと混合する
ことによって調製してもよい。
The aluminum alloy may be prepared by mixing one or more transition metals or their nitrides with aluminum.

【0015】遷移金属としては、たとえばTi、Zr、
V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuなどが挙げら
れる。特に、Fe、MnおよびCrから選択された少な
くとも一種を含むことが好ましい。
As the transition metal, for example, Ti, Zr,
V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, etc. may be mentioned. In particular, it is preferable to contain at least one selected from Fe, Mn and Cr.

【0016】窒素元素を含む非酸化性雰囲気は、窒素ガ
スと、還元性ガスおよび/または不活性ガスを含むこと
が好ましい。この場合、窒素ガスの割合は1〜50容量
%とすることが好ましい。また、窒素元素を含む非酸化
性雰囲気として、アンモニヤを含めることができる。
The non-oxidizing atmosphere containing nitrogen element preferably contains nitrogen gas and reducing gas and / or inert gas. In this case, the proportion of nitrogen gas is preferably 1 to 50% by volume. Further, ammonia can be included as the non-oxidizing atmosphere containing the nitrogen element.

【0017】遷移金属元素を含むアルミニウム合金は、
その液相線温度より50〜200℃の範囲内で高い温度
において所定時間溶融維持されることが好ましい。な
お、この液相線温度より50〜200℃の範囲内で高い
温度において溶融維持される時間は、通常は10時間以
上であることが好ましい。
Aluminum alloys containing transition metal elements are
It is preferable to melt and maintain for a predetermined time at a temperature higher than the liquidus temperature by 50 to 200 ° C. In addition, it is preferable that the time for maintaining the melting at a temperature higher than the liquidus temperature by 50 to 200 ° C. is usually 10 hours or more.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】アルミニウム単体の液相では窒素
溶解度が非常に小さく、その液相の温度を上げても窒素
溶解度は大きくは増大しない。さらに、アルミニウムの
蒸気圧を考慮してその蒸発を抑制しようとする場合、2
000℃以下の温度で窒化させることが望まれる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Nitrogen solubility is very small in a liquid phase of aluminum alone, and even if the temperature of the liquid phase is raised, the nitrogen solubility is not significantly increased. Furthermore, when considering the vapor pressure of aluminum and trying to suppress its evaporation, 2
It is desired to perform nitriding at a temperature of 000 ° C or lower.

【0019】そこで本発明者らはまず、アルミニウムに
比べて液相における窒素溶解度が高くて高温でもその液
相が安定な遷移金属に注目し、また窒素供給源にもなり
得る遷移金属窒化物にも注目した。
Therefore, the present inventors first pay attention to a transition metal which has a higher nitrogen solubility in the liquid phase than aluminum and is stable in the liquid phase even at a high temperature, and a transition metal nitride which can also serve as a nitrogen supply source. Also paid attention.

【0020】すなわち、遷移金属元素を含むアルミニウ
ム合金の液相中ではアルミニウム単体の液相中に比べて
窒素溶解度を増大させ得ることが期待できる。また、液
相温度を2000℃近傍のような高温まで加熱しなくて
も、遷移金属元素を含むアルミニウム合金の液相線近傍
の比較的低い温度において窒化アルミニウム単結晶を形
成し得ることが期待され得る。
That is, it can be expected that the nitrogen solubility can be increased in the liquid phase of the aluminum alloy containing the transition metal element as compared with the liquid phase of simple aluminum. Further, it is expected that an aluminum nitride single crystal can be formed at a relatively low temperature near the liquidus of an aluminum alloy containing a transition metal element without heating the liquidus temperature to a high temperature such as around 2000 ° C. obtain.

【0021】アルミニウム合金に含まれる一種以上の遷
移金属元素は、総量で1〜50原子%の範囲内にあれば
よく、5〜30原子%の範囲内にあることがより好まし
い。遷移金属元素を50原子%以下とするのは、形成さ
れる窒化アルミニウム単結晶内に取り込まれる遷移金属
元素の量を抑制して結晶の質を向上させるためである。
また、得られる単結晶の大径化を図るには結晶成長温度
を比較的低くすることが望まれるが、遷移金属元素を含
むアルミニウム合金の液相線温度はその添加量の増加と
ともに高くなるので、この観点からも遷移金属元素は5
0原子%以下であることが好ましい。逆に、遷移金属元
素濃度が1原子%以上とするのは、アルミニウム合金液
相中の窒素溶解度を向上させるためである。
The total amount of one or more transition metal elements contained in the aluminum alloy may be in the range of 1 to 50 atom%, and more preferably in the range of 5 to 30 atom%. The reason why the content of the transition metal element is 50 atomic% or less is to suppress the amount of the transition metal element taken into the formed aluminum nitride single crystal and improve the crystal quality.
Further, in order to increase the diameter of the obtained single crystal, it is desired that the crystal growth temperature be relatively low, but since the liquidus temperature of the aluminum alloy containing a transition metal element increases as the amount of addition increases, From this viewpoint, the transition metal element is 5
It is preferably 0 atomic% or less. On the contrary, the transition metal element concentration of 1 atomic% or more is to improve the nitrogen solubility in the aluminum alloy liquid phase.

【0022】遷移金属の中でも特に好ましい元素はF
e、MnおよびCrである。すなわち、Fe、Mnおよ
びCrは他の遷移金属元素に比べてもアルミニウム合金
液相中の窒素溶解度をより高めることができる。また、
Fe、MnおよびCrの窒化物生成エネルギは全温度領
域で窒化アルミニウムの生成エネルギより高いのみなら
ず、他の遷移金属元素の窒化物生成エネルギに比べても
高い。
Among the transition metals, the particularly preferred element is F
e, Mn and Cr. That is, Fe, Mn, and Cr can increase the nitrogen solubility in the aluminum alloy liquid phase more than other transition metal elements. Also,
The nitride formation energies of Fe, Mn, and Cr are not only higher than the formation energies of aluminum nitride over the entire temperature range, but also higher than the nitride formation energies of other transition metal elements.

【0023】したがって、Fe、MnおよびCrを遷移
金属元素として含むアルミニウム合金液相中ではそれら
の遷移金属元素自身が窒化物を形成することがなく、そ
の合金液相中に溶解した窒素はアルミニウムに供給され
て窒化アルミニウムが形成され得る。また、これらの遷
移金属元素は、アルミニウムとともに容易に合金液相を
形成することができる。さらに、これらの遷移金属元素
の窒化物は容易に窒素を解離し得るので窒素供給源とし
ても作用させることができ、アルミニウム合金調製のた
めの添加物として好ましく用いられ得る。
Therefore, in the aluminum alloy liquid phase containing Fe, Mn and Cr as the transition metal elements, the transition metal elements themselves do not form a nitride, and the nitrogen dissolved in the alloy liquid phase is converted into aluminum. Aluminum nitride may be formed to form aluminum nitride. Further, these transition metal elements can easily form an alloy liquid phase together with aluminum. Further, since nitrides of these transition metal elements can easily dissociate nitrogen, they can also act as a nitrogen supply source, and can be preferably used as an additive for preparing an aluminum alloy.

【0024】遷移金属窒化物としては、Fe、Cr、M
nの窒化物(FexN(x=2〜4)、Cr2N、Mnx
N(x=2〜4))などを用いればよい。特にFeとM
nの窒化物は不安定で分解しやすい。高融点で分解とな
るが、バナジウム窒化物(V 2N、VN)やモリブデン
窒化物(Mo2N)なども用いることができる。
As the transition metal nitride, Fe, Cr, M
n-nitride (FexN (x = 2-4), Cr2N, Mnx
N (x = 2 to 4)) or the like may be used. Especially Fe and M
The n-nitride is unstable and easily decomposed. Does not decompose due to high melting point
However, vanadium nitride (V 2N, VN) and molybdenum
Nitride (Mo2N) and the like can also be used.

【0025】上述したように、本発明による窒化アルミ
ニウム単結晶の製造方法のメカニズムは、高い窒素溶解
度を有する遷移金属液相を介してアルミニウム合金内部
に窒素を供給するものである。
As described above, the mechanism of the method for producing an aluminum nitride single crystal according to the present invention is to supply nitrogen into the aluminum alloy through the transition metal liquid phase having high nitrogen solubility.

【0026】本発明においては、窒素元素を含む雰囲気
の制御に関しては、非酸化性であること特に酸素濃度を
低減させることが好ましい。そのため、雰囲気ガス中に
窒素単体ガスを混入するよりも、窒素と水素の混合ガス
またはアンモニヤなどを含む還元性雰囲気を用いること
が好ましい。そして露点管理などを利用して、雰囲気中
の酸素濃度をできるだけ低減させることが好ましい。
In the present invention, with respect to the control of the atmosphere containing the nitrogen element, it is preferable to be non-oxidizing, especially to reduce the oxygen concentration. Therefore, it is preferable to use a reducing atmosphere containing a mixed gas of nitrogen and hydrogen, an ammonia, or the like, rather than mixing a simple substance gas of nitrogen into the atmosphere gas. Then, it is preferable to reduce the oxygen concentration in the atmosphere as much as possible by utilizing dew point management or the like.

【0027】これは、雰囲気中に酸素が含まれる場合、
アルミニウムの酸化物(アルミナ)が生成しやすくなる
ためである。特に、遷移金属元素を含むアルミニウム合
金あるいは遷移金属およびアルミニウムの混合物を溶融
させる際に、アルミニウムの表面にアルミナが厚く形成
されると、溶融が順調に進まないという問題を生じるか
らである。
This is because when the atmosphere contains oxygen,
This is because aluminum oxide (alumina) is easily generated. This is because, particularly when an aluminum alloy containing a transition metal element or a mixture of a transition metal and aluminum is melted and the alumina is thickly formed on the surface of the aluminum, there is a problem that the melting does not proceed smoothly.

【0028】また、窒素元素を含む雰囲気中にはArな
どの不活性ガスを導入し、適宜窒素分圧を調整すること
が好ましい。アルミニウムの窒化反応は発熱反応であ
り、常圧の窒素ガス中ではアルミニウム合金溶融液の表
面において急激にその反応が進行し、アルミニウム合金
内部への窒素の供給に影響するためである。この急激な
窒化反応を抑制する別の手法としては、窒素元素を含む
雰囲気ガスをアルミニウム合金溶融液に供給を開始する
時間や供給時間を調整するなどすればよい。
Further, it is preferable to introduce an inert gas such as Ar into the atmosphere containing the nitrogen element and adjust the nitrogen partial pressure appropriately. This is because the nitriding reaction of aluminum is an exothermic reaction, and the reaction rapidly progresses on the surface of the aluminum alloy melt in nitrogen gas at normal pressure, which affects the supply of nitrogen into the aluminum alloy. As another method of suppressing this rapid nitriding reaction, the time for starting the supply of the atmosphere gas containing the nitrogen element to the aluminum alloy melt or the supply time may be adjusted.

【0029】雰囲気ガス中に窒素ガスを混入する場合、
その窒素ガスの濃度は1〜50容量%であることが好ま
しい。1容量%以上の濃度が好ましいのは、アルミニウ
ム合金液相中への窒素の供給量を確保するためである。
また、50容量%異化の濃度が好ましいのは、アルミニ
ウム合金溶融液表面の窒化反応が激しくなりすぎて窒化
アルミニウム単結晶の成長に支障を来たすのを防ぐため
である。なお、窒素ガスの濃度は2〜20容量%である
ことがより好ましい。
When nitrogen gas is mixed in the atmosphere gas,
The concentration of the nitrogen gas is preferably 1 to 50% by volume. The concentration of 1% by volume or more is preferable in order to secure the supply amount of nitrogen into the aluminum alloy liquid phase.
Further, the concentration of 50% by volume catabolism is preferable in order to prevent the nitriding reaction on the surface of the aluminum alloy melt from becoming too violent and hindering the growth of the aluminum nitride single crystal. The concentration of nitrogen gas is more preferably 2 to 20% by volume.

【0030】アルミニウム合金液相は、その合金の液相
線より50〜200℃の範囲内で高い温度まで加熱され
ることが好ましい。液相線より200℃高い温度を限度
とするのは、窒化アルミニウム単結晶の大型化のために
はその成長温度があまり高くないほうが好ましいからで
あり、アルミニウムの蒸発を抑制するためでもある。ま
た、液相線より50℃以上高い温度に加熱されるのは、
その合金の液相を十分に得るためである。また、溶融維
持する時間は、10時間以上とすることが好ましい。
The aluminum alloy liquid phase is preferably heated to a temperature higher than the liquidus of the alloy within the range of 50 to 200 ° C. The reason why the temperature higher than the liquidus line by 200 ° C. is limited is that the growth temperature of the aluminum nitride single crystal is preferably not too high in order to increase the size of the single crystal, and the evaporation of aluminum is suppressed. In addition, heating to a temperature 50 ° C or more higher than the liquidus
This is to obtain a sufficient liquid phase of the alloy. Further, the time for maintaining the melting is preferably 10 hours or more.

【0031】(実施例1)50原子%のFeを含むAl−
Fe合金の所定量が、内径20mmで長さ100mmの
アルミナ坩堝内に充填され、縦型管状炉内に挿入され
た。この管状炉には、5%の水素ガスを含むアルゴンガ
スと純度99.9999%の高純度窒素ガスとが露点制
御系を介して導入された。これらの水素含有アルゴンガ
スと高純度窒素ガスの流量は、いずれも400ml/m
inであった。合金は5℃/minの昇温速度で145
0℃まで加熱され、その温度において30時間保持され
た。その後、合金は1℃/minの降温速度で1250
℃まで徐冷された後に炉冷された。
(Example 1) Al-containing 50 atomic% Fe
A predetermined amount of Fe alloy was filled in an alumina crucible having an inner diameter of 20 mm and a length of 100 mm and inserted into a vertical tubular furnace. Argon gas containing 5% hydrogen gas and high-purity nitrogen gas having a purity of 99.9999% were introduced into this tubular furnace via a dew point control system. The flow rates of these hydrogen-containing argon gas and high-purity nitrogen gas are both 400 ml / m.
It was in. The alloy is 145 at a heating rate of 5 ° C / min
Heated to 0 ° C. and held at that temperature for 30 hours. After that, the alloy was cooled to 1250 at a cooling rate of 1250 / min.
After being gradually cooled to ℃, it was cooled in the furnace.

【0032】以上の処理がなされた合金試料内部につい
て断面観察を行ったところ、100〜200μm径の六
角板状の単結晶が観察された。この単結晶は、X線回折
測定と電子顕微鏡の回折パターンから、窒化アルミニウ
ム単結晶であることが確認された。
When a cross-section was observed inside the alloy sample that had been subjected to the above treatment, a hexagonal plate-shaped single crystal with a diameter of 100 to 200 μm was observed. This single crystal was confirmed to be an aluminum nitride single crystal from the X-ray diffraction measurement and the diffraction pattern of an electron microscope.

【0033】(実施例2)実施例2は、管状炉内に導入さ
れる窒素ガスの流量が種々に変更されたことのみ実施例
1と異なるものである。すなわち、実施例2では、管状
炉内の窒素分圧が種々に変更された。
Example 2 Example 2 is different from Example 1 only in that the flow rate of nitrogen gas introduced into the tubular furnace was variously changed. That is, in Example 2, the partial pressure of nitrogen in the tubular furnace was variously changed.

【0034】このように種々に異なる窒素分圧のもとで
処理された合金試料について、実施例1の場合と同様に
内部の断面観察を行ったところ、表1に示されているよ
うな径の窒化アルミニウム単結晶が形成されていた。な
お、表1において、実施例1の結果も試料No.1とし
て含められている。
With respect to the alloy samples thus treated under various nitrogen partial pressures, the internal cross section was observed in the same manner as in Example 1, and the diameters shown in Table 1 were obtained. Aluminum nitride single crystal was formed. In addition, in Table 1, the results of Example 1 also show the sample No. Included as 1.

【0035】[0035]

【表1】 [Table 1]

【0036】表1から明らかなように、必ずしも窒素ガ
スの流量割合が大きいほど窒化アルミニウム単結晶の径
が大きくなるとは限らないことがわかる。これは、窒素
ガス流量が大きくなり過ぎれば、合金液相表面における
窒化反応が激しくなり過ぎるからであると考えられる。
もちろん、窒素ガスの流量割合が小さすぎる場合には、
合金液相内部での窒化が十分に進行せず、窒化アルミニ
ウム単結晶の径が小さくなる。
As is clear from Table 1, the larger the flow rate of nitrogen gas, the larger the diameter of the aluminum nitride single crystal does not necessarily become. It is considered that this is because if the nitrogen gas flow rate becomes too large, the nitriding reaction on the surface of the alloy liquid phase becomes too intense.
Of course, if the flow rate of nitrogen gas is too small,
Nitriding within the alloy liquid phase does not proceed sufficiently, and the diameter of the aluminum nitride single crystal becomes small.

【0037】(実施例3)実施例3も実施例1に類似して
おり、特に言及されていない事項については実施例1と
同様である。実施例1と異なる事項として、実施例3に
おいては、合金組成が種々に変更され、それに伴って熱
処理温度も種々に変更された。なお、いずれの場合も管
状炉内には、流量50ml/minの窒素ガスと流量1
00ml/minの5%水素含有アルゴンガスが導入さ
れた。
(Embodiment 3) Embodiment 3 is also similar to Embodiment 1, and the matters not particularly mentioned are the same as those in Embodiment 1. As a matter different from Example 1, in Example 3, the alloy composition was variously changed, and accordingly, the heat treatment temperature was also variously changed. In each case, the flow rate of 50 ml / min of nitrogen gas and the flow rate of 1
Argon gas containing 5% hydrogen at 00 ml / min was introduced.

【0038】このように種々の組成の合金試料につい
て、実施例1の場合と同様に内部の断面観察を行ったと
ころ、表2に示されているような径の窒化アルミニウム
単結晶が形成されていた。
When the internal cross-sections of the alloy samples of various compositions were observed in the same manner as in Example 1, aluminum nitride single crystals having the diameters shown in Table 2 were formed. It was

【0039】[0039]

【表2】 [Table 2]

【0040】なお、以上の種々の実施例においてアルミ
ニウム合金液相の最高温度保持時間はいずれも30時間
であったが、この時間に限定されるものでないことは言
うまでもない。一般には、窒化アルミニウム単結晶を得
るには、合金液相の最高温度保持時間を約10時間程度
以上とすることが好ましい。そして、その保持時間の延
長とともに単結晶の径の増大が観察され得る。しかし、
単結晶の成長がある程度進んだ後には、最高温度保持時
間を延長してもほとんど単結晶の径の増大が観察されな
くなる。したがって、アルミニウム合金液相の最高温度
保持時間は、約10時間以上とするのが好ましく、窒化
アルミニウム単結晶の径の成長とコストおよび時間効率
との兼ね合いを考慮して設定すればよい。
In each of the above various examples, the maximum temperature holding time of the aluminum alloy liquid phase was 30 hours, but it goes without saying that it is not limited to this time. Generally, in order to obtain an aluminum nitride single crystal, it is preferable that the maximum temperature holding time of the alloy liquid phase is about 10 hours or more. Then, an increase in the diameter of the single crystal can be observed with the extension of the holding time. But,
After the growth of the single crystal has progressed to some extent, almost no increase in the diameter of the single crystal is observed even if the maximum temperature holding time is extended. Therefore, the maximum temperature holding time of the aluminum alloy liquid phase is preferably set to about 10 hours or more, and may be set in consideration of the growth of the diameter of the aluminum nitride single crystal and cost and time efficiency.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、アルミ
ニウム合金液相を利用して窒化アルミニウム単結晶を成
長させるので大型の単結晶の製造が容易になり、またそ
のアルミニウム合金は安価な遷移金属またはその窒化物
を用いて得られるのでコストの低減を図ることができ、
今後の窒化アルミニウム単結晶基板の製造に大きく寄与
することができる。
As described above, according to the present invention, since an aluminum nitride single crystal is grown by utilizing the aluminum alloy liquid phase, it becomes easy to produce a large single crystal, and the aluminum alloy is inexpensive. Since it is obtained by using a transition metal or its nitride, the cost can be reduced.
It can greatly contribute to the future production of aluminum nitride single crystal substrates.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒素元素を含む非酸化性雰囲気中におい
て、一種以上の遷移金属元素を総量で1〜50原子%の
範囲内で含むアルミニウム合金の溶融液から、窒化アル
ミニウム単結晶を成長させることを特徴とする窒化アル
ミニウム単結晶の製造方法。
1. Growing an aluminum nitride single crystal from a melt of an aluminum alloy containing one or more transition metal elements in a total amount of 1 to 50 atomic% in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen element. A method for producing an aluminum nitride single crystal, comprising:
【請求項2】 前記遷移金属はFe、MnおよびCrか
ら選択された少なくとも一種を含むことを特徴とする請
求項1に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
2. The method for producing an aluminum nitride single crystal according to claim 1, wherein the transition metal contains at least one selected from Fe, Mn, and Cr.
【請求項3】 前記窒素元素を含む非酸化性雰囲気が、
窒素ガスと、還元性ガスおよび/または不活性ガスを含
むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の窒
化アルミニウム単結晶の製造方法。
3. The non-oxidizing atmosphere containing the nitrogen element,
The method for producing an aluminum nitride single crystal according to claim 1 or 2, which contains a nitrogen gas and a reducing gas and / or an inert gas.
【請求項4】 前記アルミニウム合金はその液相線温度
より50〜200℃の範囲内で高い温度において所定時
間溶融維持されることを特徴とする請求項1から3のい
ずれかの項に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方
法。
4. The aluminum alloy according to any one of claims 1 to 3, wherein the aluminum alloy is melted and maintained for a predetermined time at a temperature higher than a liquidus temperature of the aluminum alloy within a range of 50 to 200 ° C. Manufacturing method of aluminum nitride single crystal.
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