JP2003335600A - PROCESS FOR PREPARING AlN SINGLE CRYSTAL - Google Patents

PROCESS FOR PREPARING AlN SINGLE CRYSTAL

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JP2003335600A
JP2003335600A JP2002341249A JP2002341249A JP2003335600A JP 2003335600 A JP2003335600 A JP 2003335600A JP 2002341249 A JP2002341249 A JP 2002341249A JP 2002341249 A JP2002341249 A JP 2002341249A JP 2003335600 A JP2003335600 A JP 2003335600A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To easily prepare a relatively large AlN single crystal at a low cost. <P>SOLUTION: In the process for preparing the AlN single crystal, an abc alloy melt containing at least one chosen from Cr, Mn, Fe, Co, Cu and Ni as metal a, at least one chosen from Sc, Ti, V, Y, Zr and Nb as metal b and Al as component c is prepared in a nitrogen-containing atmosphere, and the AlN single crystal is crystallized either by cooling the melt or by evaporating at least one of metal a and metal b. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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、窒化アルミニウム
(AlN)単結晶の製造方法に関する。AlN単結晶
は、青色や紫外領域の光を射出し得る化合物半導体発光
素子用基板や高熱伝導性基板として好ましく用いられ得
るものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing an aluminum nitride (AlN) single crystal. The AlN single crystal can be preferably used as a substrate for a compound semiconductor light emitting device or a substrate with high thermal conductivity that can emit light in the blue or ultraviolet region.

【0002】[0002]

【従来の技術】化合物半導体であるAlNは6.2eV
の大きなバンドギャップを有するので、AlN半導体中
にpn接合が実現されれば、紫外域の発光ダイオードや
レーザなどの新しい発光素子を作製することが可能にな
る。また、大きなバンドギャップを有するAlN半導体
は、放射線下や高温下で動作する高耐圧の電力素子への
応用が可能である。さらに、AlN半導体は、負の電子
親和力を示すことが知られており、高効率の電子放出素
子への応用も期待される。さらにまた、AlNは約30
0W/m・Kの良好な熱伝導性を有しているので、その
多結晶体については放熱性の基板としての実用化がすで
に進んでいる。最近では、青色発光素子に利用されてい
る窒化ガリウム(GaN)に対するAlNの結晶格子の
整合性が良好であることから、AlN層はGaN層との
界面におけるバッファ層として利用されており、発光素
子の輝度向上に不可欠の材料となっている。
2. Description of the Related Art AlN, which is a compound semiconductor, has 6.2 eV.
Since it has a large bandgap, if a pn junction is realized in an AlN semiconductor, a new light emitting element such as a light emitting diode or laser in the ultraviolet region can be manufactured. Further, the AlN semiconductor having a large band gap can be applied to a high breakdown voltage power element that operates under radiation or high temperature. Furthermore, AlN semiconductors are known to exhibit a negative electron affinity, and are expected to be applied to highly efficient electron-emitting devices. Furthermore, AlN is about 30
Since it has a good thermal conductivity of 0 W / m · K, its polycrystalline body has already been put into practical use as a heat-radiating substrate. Recently, the AlN layer is used as a buffer layer at the interface with the GaN layer because the AlN crystal lattice has a good matching with gallium nitride (GaN) used in blue light emitting elements. It is an indispensable material for improving the brightness of the.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上述のような優れた特
性を有するAlNを利用する際には、当然に半導体シリ
コンの場合と同様に単結晶ウエハとして使用することが
望ましい。しかし、現在ではAlN単結晶ウエハの製造
法がいまだ開発されておらず、せいぜいCVD(化学気
相堆積)やMBE(分子線エピタキシ)などの手法で異
種基板上にAlN薄膜を合成して使用しているに過ぎな
い。AlNのバルクウエハを得ることが困難であるの
は、AlNが明確な融点を示さなくて常圧下で2200
〜2450℃もの高温で分解し、単純な融液からの固化
という手法を使用できないからである。このような事情
から、単純な融液からの凝固以外の手法として、昇華法
や窒化処理などを利用する方法が検討されている。しか
しながら、それらの検討は未だ基礎研究レベルであり、
大型のAlN単結晶を得る手法が開発されていないのが
現状である。
When utilizing AlN having excellent characteristics as described above, it is naturally desirable to use it as a single crystal wafer as in the case of semiconductor silicon. However, at present, a method for producing an AlN single crystal wafer has not been developed yet, and at most, an AlN thin film is synthesized and used on a different substrate by a method such as CVD (chemical vapor deposition) or MBE (molecular beam epitaxy). It's just that. It is difficult to obtain a bulk wafer of AlN because AlN does not show a definite melting point, and the
This is because it decomposes at a temperature as high as ˜2450 ° C. and a simple technique of solidification from a melt cannot be used. Under such circumstances, a method utilizing a sublimation method, a nitriding treatment, or the like has been studied as a method other than the simple solidification from the melt. However, those studies are still at the basic research level,
At present, the method for obtaining a large AlN single crystal has not been developed.

【0004】たとえば、AlNウイスカの製法として
は、特公平3−23519号公報において、Al23
還元による手法が既に開示されている。しかしながら、
この開示されている手法では、高々直径が数μmで長さ
が100μm程度の微小なAlNウイスカしか得られ
ず、そのようなウイスカは半導体デバイス用基板として
利用することができない。また、アルカリ土類金属酸化
物をAlNの融剤として利用することによってAlN単
結晶を製造する方法も特公平5−12320号公報に開
示されているが、その溶融のための加熱温度が高温であ
りかつ水との反応性が高い酸化物を使用するので、プロ
セス上で実用化の困難が予想される。さらに、AlN単
結晶の気相成長法も特開平10−53495号公報にお
いて提案されているが、気相成長法では連続的に大型結
晶を育成することが困難である。
For example, as a method for producing AlN whiskers, Japanese Patent Publication No. 3-23519 has already disclosed a method of reducing Al 2 O 3 . However,
According to the disclosed method, only minute AlN whiskers having a diameter of at most several μm and a length of about 100 μm can be obtained, and such whiskers cannot be used as a substrate for semiconductor devices. A method for producing an AlN single crystal by using an alkaline earth metal oxide as a flux for AlN is also disclosed in Japanese Patent Publication No. 5-12320, but the heating temperature for melting is high. Since an oxide that is present and highly reactive with water is used, it is expected that practical application will be difficult in the process. Further, a vapor phase growth method of an AlN single crystal is also proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-53495, but it is difficult to grow a large crystal continuously by the vapor phase growth method.

【0005】かかる先行技術の状況に鑑み、本発明は、
比較的大きなAlN単結晶を簡易にかつ低コストで製造
し得る方法を提供することを目的としている。
In view of such a state of the art, the present invention is
It is an object of the present invention to provide a method capable of easily producing a relatively large AlN single crystal at low cost.

【0006】[0006]

【特許文献1】特公平3−23519号公報[Patent Document 1] Japanese Patent Publication No. 3-23519

【0007】[0007]

【特許文献2】特公平5−12320号公報[Patent Document 2] Japanese Patent Publication No. 5-12320

【0008】[0008]

【特許文献3】特開平10−53495号公報[Patent Document 3] Japanese Patent Laid-Open No. 10-53495

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の一つの態様によ
るAlN単結晶の製造方法においては、金属aとしてC
r、Mn、Fe、Co、Cu、およびNiから選択され
た1種以上を含み、金属bとしてSc、Ti、V、Y、
Zr、およびNbから選択された1種以上を含み、さら
に成分cとしてAlを含むabc系合金の融液を窒素含
有雰囲気下で調製し、そのabc系合金の融液を冷却す
るかまたは金属aとbの少なくともいずれかの蒸発によ
ってAlN単結晶を晶出させることを特徴としている。
In the method for producing an AlN single crystal according to one embodiment of the present invention, C is used as the metal a.
It contains at least one selected from r, Mn, Fe, Co, Cu, and Ni, and Sc, Ti, V, Y as the metal b.
A melt of an abc alloy containing at least one selected from Zr and Nb and further containing Al as a component c is prepared under a nitrogen-containing atmosphere, and the melt of the abc alloy is cooled or the metal a It is characterized in that an AlN single crystal is crystallized by evaporation of at least one of and b.

【0010】この場合に、AlN単結晶は、SiC単結
晶基板上にエピタキシャルに晶出させられてもよい。
In this case, the AlN single crystal may be epitaxially crystallized on the SiC single crystal substrate.

【0011】なお、AlN単結晶が晶出するときには、
abc系合金の融液中でAlNの過飽和状態を生じさせ
ていることが好ましい。
When the AlN single crystal is crystallized,
It is preferable that the supersaturated state of AlN is generated in the melt of the abc alloy.

【0012】また、abc系合金の融液は、金属aの粉
末の質量Ma、金属bの粉末の質量Mb、およびAl粉
末の質量Mcが0.0075≦Mb/Ma≦0.075
と0.02≦Mc/(Ma+Mb)≦0.13の関係を
満たすように配合されて窒素含有雰囲気下で溶解される
ことによって調製されることが好ましい。
Further, the melt of the abc alloy has a mass Ma of the powder of metal a, a mass Mb of the powder of metal b, and a mass Mc of the Al powder of 0.0075 ≦ Mb / Ma ≦ 0.075.
And 0.02 ≦ Mc / (Ma + Mb) ≦ 0.13 are mixed and dissolved in a nitrogen-containing atmosphere.

【0013】abc系合金の融液はあらかじめ窒素以外
の不活性雰囲気下において溶融されて凝固させられた予
備合金塊を窒素含有雰囲気下で再溶解することによって
調製されてもよく、その予備合金塊は金属aのモル濃度
Ca、金属bのモル濃度Cb、およびAlのモル濃度C
cが0.01≦Cb/Ca≦0.1と0.2≦Cc/
(Ca+Cb)≦1の関係を満たしていることが好まし
い。
The melt of the abc type alloy may be prepared by re-melting the preliminary alloy ingot previously melted and solidified in an inert atmosphere other than nitrogen in a nitrogen-containing atmosphere. Is the molar concentration Ca of metal a, the molar concentration Cb of metal b, and the molar concentration C of Al.
c is 0.01 ≦ Cb / Ca ≦ 0.1 and 0.2 ≦ Cc /
It is preferable that the relationship of (Ca + Cb) ≦ 1 is satisfied.

【0014】AlN単結晶を晶出させる際には、窒素含
有雰囲気下においてabc系合金の融液をその合金の液
相線以上で2000℃以下の温度まで加熱し、その後に
液相線と固相線との間の所定温度まで徐冷するか、また
は所定温度まで冷却してそこで所定時間だけ等温保持す
ることが好ましい。
When crystallizing an AlN single crystal, a melt of an abc type alloy is heated to a temperature not lower than 2000 ° C. above the liquidus of the alloy in a nitrogen-containing atmosphere and then solidified with the liquidus. It is preferable to gradually cool to a predetermined temperature between the phase lines or cool to a predetermined temperature and hold the same temperature for a predetermined time there.

【0015】abc系合金の融液は、金属aとbを含む
融液中に成分cとして固形のAlNを浸漬して溶解する
ことによって調製することもできる。
The melt of the abc alloy can also be prepared by immersing and dissolving solid AlN as the component c in the melt containing the metals a and b.

【0016】分割可能な坩堝の底部に設けられた種結晶
固定空間内にSiC単結晶基板を挿入固定し、その後に
その分割可能な坩堝を一体に組み立て、窒素含有雰囲気
下でabc系合金の融液をその坩堝内のSiC単結晶基
板上方に付与することによって、AlN単結晶層を形成
することもできる。
The SiC single crystal substrate is inserted and fixed in the seed crystal fixing space provided at the bottom of the divisible crucible, and then the divisible crucible is assembled integrally, and the abc alloy is melted in a nitrogen-containing atmosphere. The AlN single crystal layer can also be formed by applying the liquid above the SiC single crystal substrate in the crucible.

【0017】本発明のもう一つの態様によるAlN単結
晶の製造方法においては、固相線直下においてAlに対
して広い1次固溶限を有する金属aと、その金属aの融
液内に取り込み得るN原子の濃度を高める作用を有する
金属bと、AlN単結晶を構成する成分cとを含むab
c系合金の溶融液を窒素含有雰囲気下で調製し、そのa
bc系合金の融液を冷却するかまたは金属aとbの少な
くともいずれかの蒸発によってabc系合金をその液相
線と固相線との間にもたらしてAlN単結晶を晶出させ
ることを特徴としている。
In the method for producing an AlN single crystal according to another aspect of the present invention, a metal a having a wide primary solid solubility limit with respect to Al immediately below the solidus and a metal a incorporated into the melt. Ab containing a metal b having a function of increasing the concentration of the obtained N atoms and a component c constituting the AlN single crystal
A melt of the c-based alloy was prepared under a nitrogen-containing atmosphere, and a
cooling the melt of the bc alloy or evaporating at least one of the metals a and b to bring the abc alloy between its liquidus and solidus lines to crystallize an AlN single crystal I am trying.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】本発明者らは、AlまたはAlN
を含む種々の合金融液からのAlN結晶の生成挙動を冶
金学的に調査し、またAl−N−X(Xは各種金属元
素)の3元系状態図の計算による予測に基づき、最終的
にAlNが特定の合金融液から単結晶として得られるこ
とを見出した。まず、そのような特定の合金融液からA
lN結晶が得られる原理について、金属元素XがCuま
たはNiである場合を例として説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present inventors have found that Al or AlN
The metallurgical investigation of the formation behavior of AlN crystals from various synfinial liquids containing Al, and the final prediction based on the prediction by calculation of the ternary phase diagram of Al-N-X (X is various metallic elements) It has been found that AlN can be obtained as a single crystal from a specific synergistic liquid. First, from such a specific combined financial liquid A
The principle of obtaining an 1N crystal will be described by taking the case where the metal element X is Cu or Ni as an example.

【0019】図9と図10は、温度1800Kの断面に
おけるAl−N−CuとAl−N−Niの3元系状態図
をそれぞれ示している。これらの状態図における数値は
原子%を表している。図9と図10において、AlN+
Lで示された領域は固相のAlNと合金融液Lとの共存
領域を表し、Lで示された領域は合金融液のみが存在す
る領域を表している。これらの状態図から、AlN結晶
は合金融液Lから直接に晶出してくることがわかる。ま
た、ラインPQとRSは、それぞれCu−AlN間とN
i−AlN間のタイライン(連結線)を表している。そ
して、図11と図12は、それぞれタイラインPQとR
Sに沿ったCu−AlNとNi−AlNの擬似二元系状
態図の一部を示している。
9 and 10 are ternary phase diagrams of Al-N-Cu and Al-N-Ni in a cross section at a temperature of 1800K, respectively. The numerical values in these phase diagrams represent atomic%. 9 and 10, AlN +
The region indicated by L represents a coexisting region of solid phase AlN and the synthetic financial liquid L, and the region indicated by L represents a region in which only the synthetic financial liquid exists. From these phase diagrams, it can be seen that AlN crystals directly crystallize from the synergistic liquid L. Also, the lines PQ and RS are between Cu-AlN and N, respectively.
It represents a tie line (connection line) between i-AlN. 11 and 12 show tie lines PQ and R, respectively.
FIG. 6 shows a portion of a Cu-AlN and Ni-AlN pseudo-binary phase diagram along S. FIG.

【0020】これらの図9から図12を参照して、合金
融液からAlNが初晶として現れはじめる上限温度を表
す液相線の存在することが明確に理解される。すなわ
ち、適当な濃度のAlNを含むCu−AlNまたはNi
−AlNの合金融液をその液相線の温度より高温に保持
しておき、十分にAlNを溶解させたのちに液相線温度
以下に冷却することによって、AlNが初晶として現れ
るのである。また、AlNではなくてAlを含むCu合
金またはNi合金を溶融させておいて、雰囲気中からN
をその融液中に供給することによっても、まったく同様
な効果が得られる。ただし、その場合には、後述するよ
うにNを合金融液中に十分に取り込むための異種の金属
の添加が必要となる。なぜならば、雰囲気中のNと反応
してAlNを生成する場合、合金融液表面に緻密なAl
N膜を生成する傾向にあり、合金融液内へのNの侵入が
阻害される傾向にあるからである。
With reference to these FIGS. 9 to 12, it is clearly understood that there is a liquidus line representing the upper limit temperature at which AlN begins to appear as primary crystals from the combined financial liquid. That is, Cu-AlN or Ni containing an appropriate concentration of AlN
The AlN appears as a primary crystal by holding the combined financial liquid of AlN at a temperature higher than the liquidus temperature thereof, sufficiently dissolving the AlN and then cooling the liquid below the liquidus temperature. Further, instead of AlN, a Cu alloy or a Ni alloy containing Al is melted, and N is removed from the atmosphere.
The same effect can be obtained by supplying the molten metal to the melt. However, in that case, as described later, it is necessary to add a different kind of metal for sufficiently incorporating N into the financial liquid. This is because when AlN is generated by reacting with N in the atmosphere, the dense Al
This is because it tends to form an N film and tends to hinder the penetration of N into the synergistic liquid.

【0021】本発明者らは、Al−N−X合金融液から
のAlN晶出挙動を明らかにするために、種々の出発組
成の合金融液を種々の初期温度から種々の冷却速度で冷
却し、室温まで冷却後にその合金のミクロ組織を観察し
た。その結果、まずNとの反応を十分に促進させ得るま
でにAl原子を均質に分散させて溶解させるためには、
Cr、Mn、Fe、Co、Cu、およびNiの各金属
(金属aと称す)またはそれらの合金の融液を用いるこ
とが最適であることを見いだした。さらに窒素を合金融
液中に十分に取り込むための第4元素の添加を試みた結
果、Sc、Ti、V、Y、Zr、およびNbの各元素
(金属bと称す)を添加することによって、常圧下でも
雰囲気のNを合金融液中に十分に取り込み得ることが見
出された。
In order to clarify the AlN crystallization behavior from the Al-N-X combined financial liquid, the present inventors cooled the mixed financial liquid with various starting compositions from various initial temperatures at various cooling rates. After cooling to room temperature, the microstructure of the alloy was observed. As a result, first, in order to uniformly disperse and dissolve Al atoms until the reaction with N can be sufficiently promoted,
It has been found that it is optimum to use a melt of each metal of Cr, Mn, Fe, Co, Cu, and Ni (referred to as metal a) or an alloy thereof. Further, as a result of attempting to add the fourth element for sufficiently incorporating nitrogen into the financial liquid, by adding each element of Sc, Ti, V, Y, Zr, and Nb (referred to as metal b), It was found that even under normal pressure, the N in the atmosphere can be sufficiently incorporated into the combined financial liquid.

【0022】ここで、金属aの融液は、Al原子を十分
に均一に分散させて溶解し、AlとNとの反応を十分に
促進させるように作用すると考えられる。このことは、
金属aとAlとの2元系状態図から推定することができ
る。たとえば、図13に示されたAl−Cr状態図で
は、Crが固相線直下においてAlに対して非常に広い
一次固溶限を有しているのが特徴である。このことは、
その一次固溶限領域の上方における融液状態においても
Al原子が均質に分散して溶解していて、凝固の際にそ
のまま均質な一次固溶体を形成する傾向があることを示
している。
Here, it is considered that the melt of the metal a acts to disperse and dissolve Al atoms in a sufficiently uniform manner and to sufficiently promote the reaction between Al and N. This is
It can be estimated from the binary phase diagram of metal a and Al. For example, the Al—Cr phase diagram shown in FIG. 13 is characterized in that Cr has a very wide primary solid solubility limit with respect to Al immediately below the solidus line. This is
It is shown that even in the melted state above the primary solid solution limit region, Al atoms are homogeneously dispersed and dissolved, and there is a tendency to form a homogeneous primary solid solution as it is during solidification.

【0023】すなわち、固相線直下においてAlに対し
て非常に広い一次固溶限を有していることが、Cr−A
l合金融液においてAl原子が均質に分散した溶解状態
を生じる指標になると考えられる。そして、さらなる状
態図の提示は省略されるが、Mn、Fe、Co、Cu、
およびNiの各金属も、固相線直下においてAlに対し
て広い一次固溶限を有しているので、Al原子を均一に
分散して溶解させるための金属aとして利用することが
できる。
That is, Cr-A has a very wide primary solid solubility limit for Al immediately below the solidus.
It is considered to be an index for producing a dissolved state in which Al atoms are homogeneously dispersed in the combined financial liquid. Further, although the presentation of the further phase diagram is omitted, Mn, Fe, Co, Cu,
Since each of the metals and Ni has a wide primary solid solubility limit with respect to Al immediately below the solidus line, it can be used as the metal a for uniformly dispersing and dissolving Al atoms.

【0024】次に、Alおよび/またはAlNを溶解し
た金属aの融液中にN原子を取り込み得る濃度を高める
ように作用する金属bの選定基準としては、Nとの親和
力が重要なファクタとなり得ると考えられる。そこで、
各種金属元素の窒化物生成自由エネルギ(ΔGN:ギブ
スの窒化物生成自由エネルギ)について検討すれば、金
属aの融液中にN原子を取り込む濃度を高める効果のみ
の観点からは、絶対値が大きくかつ負のΔGNを有する
金属が好ましいと考えられる。しかし、AlのΔGN
比べてはるかに絶対値が大きくかつ負のΔGNを有する
金属は、確かに金属aの融液中にN原子を取り込む濃度
を著しく高める効果を期待し得るが、逆に、その金属の
窒化が優先してAlの窒化を阻害する作用をも生じると
考えられる。
Next, as a criterion for selecting the metal b that acts to increase the concentration at which N atoms can be incorporated into the melt of the metal a in which Al and / or AlN is dissolved, the affinity with N is an important factor. It is thought to get. Therefore,
Examining the free nitridation energy of various metal elements (ΔG N : Gibbs free nitridation energy), the absolute value is only from the viewpoint of increasing the concentration of N atoms in the melt of the metal a. Metals with large and negative ΔG N are considered preferred. However, a metal whose absolute value is much larger than ΔG N of Al and has a negative ΔG N can certainly be expected to have an effect of remarkably increasing the concentration of N atoms incorporated in the melt of the metal a. In addition, it is considered that the nitriding of the metal preferentially has an action of inhibiting the nitriding of Al.

【0025】したがって、Alおよび/またはAlNを
溶解した金属aの融液中にN原子を取り込み得る濃度を
高めるように作用する金属bとしては、AlのΔGN
同程度のΔGNを有する金属が好ましいと考えられる。
そのような金属について本発明者らが調査した結果が、
図14に示されている。
[0025] Thus, as the metal b that act to increase the concentration can incorporate N atoms in the melt of the metal a dissolved Al and / or AlN, a metal having a .DELTA.G N and comparable .DELTA.G N of Al Is considered to be preferable.
The results of the investigation conducted by the present inventors on such metals are
It is shown in FIG.

【0026】図14のグラフに示されているように、そ
こにリストされたV、Nb、Y、Sc、Ti、およびZ
rはいずれも2000℃近傍まで絶対値の大きな負のΔ
Nを示し、それらのΔGNの値はAlNの生成エネルギ
と同程度であり、Nに対して大きな親和力を有している
ことがわかる。ここで、後述の実施例からわかるよう
に、TiはAlに比べても絶対値が大きくかつ負のΔG
Nを有しているが、Ti濃度が高すぎない場合にはAl
の窒化を阻害することはない。また、ZrはAlに比べ
てかなり大きな絶対値で負のΔGNを有しているが、Z
rを金属bとして利用する場合には、Alの窒化を阻害
しないようにその濃度を限定すればよいであろう。
As shown in the graph of FIG. 14, the V, Nb, Y, Sc, Ti, and Z listed therein are listed.
r is a negative Δ with a large absolute value up to around 2000 ° C.
G N is shown, and the value of ΔG N thereof is about the same as the generation energy of AlN, and it can be seen that it has a large affinity for N. Here, as will be seen from the examples described below, Ti has a large absolute value and a negative ΔG even compared with Al.
It has N , but Al if the Ti concentration is not too high.
Does not hinder the nitriding of. Further, Zr has a negative ΔG N with a considerably larger absolute value than that of Al.
When r is used as the metal b, its concentration should be limited so as not to hinder the nitridation of Al.

【0027】最終的に、これらの金属a(Cr、Mn、
Fe、Co、Cu、Ni)、金属b(Sc、Ti、V、
Y、Zr、Nb)、およびAlまたは粉体状もしくは焼
結体状のAlNを混合して加熱することによって合金融
液を窒素含有雰囲気下で調製し、その融液を冷却するか
または金属aとbの少なくともいずれかの蒸発によって
その合金を液相線と固相線の間の状態にもたらすことに
よって、AlN単結晶が晶出し得ることが見いだされ
た。なお、AlN単結晶が晶出する際には、合金融液中
でAlNが実質的に過飽和状態になっていることが好ま
しい。
Finally, these metals a (Cr, Mn,
Fe, Co, Cu, Ni), metal b (Sc, Ti, V,
Y, Zr, Nb), and Al or AlN in powder or sintered form are mixed and heated to prepare a combined liquid under a nitrogen-containing atmosphere, and the melt is cooled or metal a It has been found that AlN single crystals can be crystallized by bringing the alloy to a state between the liquidus and solidus lines by evaporation of at least one of b and b. When the AlN single crystal is crystallized, it is preferable that AlN is substantially supersaturated in the combined financial liquid.

【0028】得られるAlN単結晶は、製造条件に依存
して針状または板状の形態を示し、大きな針状結晶では
5時間から10時間程度の晶出処理で長さが数mmに達
するものが得られた。また、本発明では、種結晶に6H
−SiC基板を使用した場合に、その基板上にエピタキ
シャルにAlN単結晶を成長させることにも成功した。
この場合には、長時間または繰り返しの結晶成長により
十分な厚さのAlN単結晶層を形成した後に、研削など
でSiC基板を除去することによって、AlN単結晶ウ
エハを得ることができる。
The obtained AlN single crystal shows a needle-shaped or plate-shaped morphology depending on the production conditions, and a large needle-shaped crystal reaches a length of several mm after crystallization treatment for about 5 to 10 hours. was gotten. Further, in the present invention, 6H is added to the seed crystal.
When using a -SiC substrate, we succeeded in epitaxially growing an AlN single crystal on the substrate.
In this case, the AlN single crystal wafer can be obtained by forming the AlN single crystal layer having a sufficient thickness by long-time or repeated crystal growth and then removing the SiC substrate by grinding or the like.

【0029】ここで、金属a、金属b、およびAlN単
結晶の構成成分となるAlまたはAlN(成分cと称
す)のそれぞれの濃度の間には好ましい組み合わせがあ
り、abc系合金の融液は、金属aの粉末の質量Ma、
金属bの粉末の質量Mb、およびAl粉末の質量Mcが
0.0075≦Mb/Ma≦0.075と0.02≦M
c/(Ma+Mb)≦0.13の関係を満たすように配
合されて窒素含有雰囲気下で溶解されることによって調
製されることが好ましい。すなわち、Mc/(Ma+M
b)が0.02より小さければ、Al量が不足して微細
なAlNしか得られず、逆に0.13より大きければ、
Al原子が合金融液中で均質に分散溶解しなくてAlN
単結晶が得られない。またMb/Maが0.0075よ
り小さければ、合金融液中のN濃度が不足して微細なA
lN結晶しか得られず、逆に0.075より大きけれ
ば、金属bが窒化物を形成するなどしてAlN単結晶の
晶出を阻害する。
Here, there is a preferable combination between the respective concentrations of metal a, metal b, and Al or AlN (referred to as component c) which is a constituent component of the AlN single crystal, and the melt of the abc alloy is , The mass Ma of the metal a powder,
The mass Mb of the powder of the metal b and the mass Mc of the Al powder are 0.0075 ≦ Mb / Ma ≦ 0.075 and 0.02 ≦ M.
It is preferably prepared by blending so as to satisfy the relationship of c / (Ma + Mb) ≦ 0.13 and dissolving in a nitrogen-containing atmosphere. That is, Mc / (Ma + M
If b) is smaller than 0.02, the amount of Al is insufficient and only fine AlN is obtained, and conversely, if it is larger than 0.13,
Al atoms do not disperse and dissolve homogeneously in the financial solution, and AlN
Single crystal cannot be obtained. If Mb / Ma is less than 0.0075, the N concentration in the synergistic liquid will be insufficient and a fine A
If only 1N crystal can be obtained, and if it is larger than 0.075, the metal b forms a nitride and hinders crystallization of the AlN single crystal.

【0030】なお、abc系合金の融液はあらかじめ窒
素以外の不活性雰囲気下において溶融されて凝固された
予備合金塊を窒素含有雰囲気下で再溶解することによっ
て調製されてもよく、その予備合金塊は金属aのモル濃
度Ca、金属bのモル濃度Cb、およびAlのモル濃度
Ccが0.01≦Cb/Ca≦0.1と0.2≦Cc/
(Ca+Cb)≦1の関係を満たしていることが好まし
い。
The melt of the abc type alloy may be prepared by remelting in a nitrogen-containing atmosphere a preliminary alloy ingot previously melted and solidified in an inert atmosphere other than nitrogen. The mass has a molar concentration Ca of metal a, a molar concentration Cb of metal b, and a molar concentration Cc of Al of 0.01 ≦ Cb / Ca ≦ 0.1 and 0.2 ≦ Cc /.
It is preferable that the relationship of (Ca + Cb) ≦ 1 is satisfied.

【0031】また、AlN単結晶の晶出に関する温度条
件についても好ましい範囲があり、まず合金をその液相
線以上2000℃以下の範囲の温度まで窒素含有雰囲気
下で加熱する必要がある。これは、金属a、金属b、お
よび成分cを含む合金の均一な融液を調製するためであ
る。その後、合金融液を液相線と固相線との間の温度で
保持すれば、雰囲気ガス中からNが融液中に取り込ま
れ、そのNがAlと次々に反応してAlN単結晶を晶出
させる。しかし、合金の固相線以下の温度では固相反応
となり、AlN単結晶の成長はほとんど見られない。ま
た、合金融液を2000℃以上まで加熱した場合には、
金属元素によっては合金融液からの蒸発が甚だしくなっ
て、安定したAlN単結晶の成長が見られず、経済的に
も好ましくない。
There is also a preferable range of temperature conditions for crystallization of AlN single crystal. First, it is necessary to heat the alloy to a temperature in the range from the liquidus line to 2000 ° C. in a nitrogen-containing atmosphere. This is to prepare a uniform melt of an alloy containing metal a, metal b, and component c. After that, if the combined financial liquid is kept at a temperature between the liquidus line and the solidus line, N is taken into the melt from the atmospheric gas and the N reacts with Al one after another to form an AlN single crystal. Crystallize. However, solid-phase reaction occurs at a temperature below the solidus of the alloy, and almost no growth of AlN single crystal is observed. In addition, when the combined financial liquid is heated to 2000 ° C or higher,
Depending on the metal element, the evaporation from the combined financial liquid becomes severe, and stable growth of the AlN single crystal is not observed, which is economically unfavorable.

【0032】以上に述べた方法において窒素含有雰囲気
中の合金融液から直接的にAlN単結晶が晶出して得ら
れるので、その晶出を長時間行うことによって大型のA
lNウイスカを得ることができる。また、得られたAl
N単結晶を取り出して、それを再度合金融液中に投入す
ることによってさらに結晶成長させ、この過程を繰り返
すことによってさらに大きな単結晶を得ることが可能で
ある。なお、本発明によるAlN単結晶の製造方法にお
いては、温度勾配下での一方向からの固化による単結晶
育成法であるブリッジマン成長法の適用も可能である。
In the above-mentioned method, since the AlN single crystal is obtained by directly crystallizing from the combined financial liquid in the nitrogen-containing atmosphere, by performing the crystallization for a long time, a large A
1N whiskers can be obtained. Also, the obtained Al
It is possible to obtain an even larger single crystal by taking out the N single crystal, and again feeding it into the combined financial liquid to grow the crystal further, and repeating this process. In the method for producing an AlN single crystal according to the present invention, the Bridgman growth method, which is a single crystal growth method by solidification from one direction under a temperature gradient, can also be applied.

【0033】ブリッジマン法は静置温度変化型と移動型
に大別できる。静置温度変化型では、下部が比較的低温
にされた温度勾配を有する炉中に下部の細くなった成長
容器を固定し、その容器を静置したままで炉全体の温度
をある速度で低下させることにより、容器下端部を過飽
和または過冷却状態にしてAlN単結晶を晶出させる。
このとき、容器下端部を先鋭化することにより、その下
端部で最初に晶出した特定方位の結晶を大型化させて単
結晶化する。他方、移動型ブリッジマン法では、温度勾
配を有する炉の中でまず容器下端が合金の液相線以上の
温度になるように保持しておき、その炉内の温度分布を
保ったままで容器を降下させることによって容器下端部
が冷却され、その下端部でAlNが過飽和となるように
するのが特徴である。
The Bridgman method can be roughly classified into a static temperature change type and a mobile type. In the static temperature change type, the thin growth container at the bottom is fixed in a furnace having a temperature gradient in which the bottom is relatively low, and the temperature of the entire furnace is lowered at a certain rate while the container is left stationary. By doing so, the lower end of the container is brought into a supersaturated or supercooled state to crystallize an AlN single crystal.
At this time, by sharpening the lower end of the container, the crystal having a specific orientation first crystallized at the lower end is increased in size to be a single crystal. On the other hand, in the moving Bridgman method, first, in a furnace having a temperature gradient, the lower end of the container is kept at a temperature equal to or higher than the liquidus of the alloy, and the container is maintained while maintaining the temperature distribution in the furnace. The characteristic is that the lower end of the container is cooled by lowering it and AlN is supersaturated at the lower end.

【0034】ブリッジマン法におけるこれらの静置温度
変化型と移動型の両者は、まったく同等な効果を有する
と考えられる。すなわち、ブリッジマン法においては、
合金融液中からAlNが初晶として晶出し、その結晶化
が始まる容器先端部の形状を尖らせておけば、特定方位
の結晶粒のみが成長し単結晶化するのである。また、こ
のときに6H−SiC基板を種結晶として容器先端部に
固定しておけば、この基板上に同じ六方晶構造を有する
AlN結晶がエピタキシャルに成長し、後でその基板を
除去すればAlN単結晶が得られる。
Both the static temperature change type and the mobile type in the Bridgman method are considered to have exactly the same effect. That is, in the Bridgman method,
If AlN is crystallized as a primary crystal from the synergistic liquid and the tip of the container where the crystallization begins is sharpened, only the crystal grains in a specific orientation grow and become a single crystal. Further, at this time, if the 6H-SiC substrate is fixed as a seed crystal to the tip of the container, an AlN crystal having the same hexagonal crystal structure grows epitaxially on this substrate, and if the substrate is removed later, the AlN crystal will grow. A single crystal is obtained.

【0035】(実施例1)図1は、実施例1において用
いられた黒鉛製容器を模式的な断面図で示している。こ
の容器1は、黒鉛坩堝1aと黒鉛製押さえ蓋1bを含ん
でいる。坩堝1aは、20mmの内径と25mmの高さ
を有していた。合金原料2として粉末のCu、Ti、お
よびAlがそれぞれ10.32g、0.408g、およ
び1.630gに秤量され、坩堝1a内に挿入された。
そして、坩堝1a上には、押さえ蓋1bが被せられた。
(Example 1) FIG. 1 is a schematic sectional view showing a graphite container used in Example 1. The container 1 includes a graphite crucible 1a and a graphite pressing lid 1b. The crucible 1a had an inner diameter of 20 mm and a height of 25 mm. As the alloy raw material 2, powders of Cu, Ti, and Al were weighed out to 10.32 g, 0.408 g, and 1.630 g, respectively, and inserted into the crucible 1a.
The pressing lid 1b was put on the crucible 1a.

【0036】図2の模式的断面図に示されているよう
に、合金原料2が挿入された黒鉛容器1は、黒鉛発熱体
3を含む密閉型均熱炉(富士電波工業社製、ハイマルチ
炉)4内に設置された。そして、密閉型均熱炉4内に常
圧で純N2ガスを流しながら、熱処理が行われた。
As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2, the graphite container 1 in which the alloy raw material 2 is inserted is a closed type soaking furnace including a graphite heating element 3 (manufactured by Fuji Denpa Kogyo KK, Hi-Multi). Furnace) 4. Then, the heat treatment was performed while flowing the pure N 2 gas into the closed soaking furnace 4 at normal pressure.

【0037】図3のヒートパターンに示されているよう
に、まず11.7℃/minの昇温速度で合金原料2を
1850℃まで加熱して溶融させ、その温度に到達後に
5hrだけ等温保持した。これは合金融液中にAlNを
十分に溶解させるための処理であり、もちろん保持時間
は5hrに限定されるものではない。すなわち、その保
持時間はより短時間でも差し支えないが、大きなAlN
単結晶を得るためには5hr以上保持することが望まし
い。なお、融解された合金原料2は、図1に示されてい
るように、坩堝1の底部で4mmの厚さを有していた。
As shown in the heat pattern of FIG. 3, first, the alloy raw material 2 was heated to 1850 ° C. at a heating rate of 11.7 ° C./min to be melted, and after reaching that temperature, isothermal holding was performed for 5 hours. did. This is a treatment for sufficiently dissolving AlN in the combined financial liquid, and of course the holding time is not limited to 5 hours. That is, the holding time may be shorter, but a large AlN
In order to obtain a single crystal, it is desirable to hold it for 5 hours or more. The melted alloy raw material 2 had a thickness of 4 mm at the bottom of the crucible 1, as shown in FIG.

【0038】ついで、図3に示されているように、1.
2℃/minの冷却速度で合金融液2を1650℃まで
冷却した。これは、冷却によって合金融液中のAlNを
過飽和状態にして、AlN単結晶を晶出し易くするため
の処理である。さらに、晶出したAlN単結晶を大型化
させるために、この過飽和状態で合金2が10hr保持
された。最後に、合金2が1.2℃/minの冷却速度
で室温(RT)まで炉冷された。室温において黒鉛坩堝
1aから凝固インゴットを取り出した後、沸硝酸水溶液
でAlN以外の金属元素が溶解された。AlNを含む溶
解残滓を濾過して分離した後に、AlN単結晶が取り出
された。
Then, as shown in FIG.
The financial liquid 2 was cooled to 1650 ° C. at a cooling rate of 2 ° C./min. This is a process for cooling the AlN in the financial liquid to a supersaturated state to easily crystallize the AlN single crystal. Furthermore, in order to increase the size of the crystallized AlN single crystal, Alloy 2 was held for 10 hours in this supersaturated state. Finally, Alloy 2 was furnace cooled to room temperature (RT) at a cooling rate of 1.2 ° C / min. After taking out the solidified ingot from the graphite crucible 1a at room temperature, metallic elements other than AlN were dissolved in a boiling nitric acid aqueous solution. After the dissolution residue containing AlN was filtered and separated, an AlN single crystal was taken out.

【0039】図4(a)の光学写真に示されているよう
に、得られたAlN単結晶は針状結晶、すなわちウイス
カであった。なお、図4(a)の写真右下に示されてい
るスケールの長さは、0.5mmを表している。そのよ
うなウイスカの大きさは、平均的には径が30μmで長
さが0.5mm程度であったが、最大では0.1mm径
で長さが2mmに達した。そのような最大級のウイスカ
をその長手方向に垂直な断面でTEM(透過型電子顕微
鏡)観察した結果が、図4(b)のTEM写真に示され
ている。このTEM写真において、AlNウイスカ中に
は転位や粒界が存在せず、結晶性の良好な単結晶が得ら
れていることがわかる。また、図4(b)に対応する図
4(c)の電子線回折図形から、このAlNウイスカは
2H構造(ウルツァイト構造)の六方晶系であって、ウ
イスカの長手方向が結晶学的<0001>方向に沿った
c軸に一致していることがわかった。
As shown in the optical photograph of FIG. 4 (a), the obtained AlN single crystal was a needle crystal, that is, a whisker. The length of the scale shown in the lower right of the photograph in FIG. 4A represents 0.5 mm. The average size of such whiskers was about 30 μm in diameter and about 0.5 mm in length, but the maximum reached 0.1 mm in diameter and 2 mm in length. The result of TEM (transmission electron microscope) observation of such a largest whisker in a cross section perpendicular to its longitudinal direction is shown in the TEM photograph of FIG. 4 (b). In this TEM photograph, it can be seen that dislocations and grain boundaries do not exist in the AlN whiskers, and a single crystal with good crystallinity is obtained. Further, from the electron diffraction pattern of FIG. 4C corresponding to FIG. 4B, this AlN whisker is a hexagonal system of 2H structure (wurtzite structure), and the longitudinal direction of the whisker is crystallographically <0001. It was found to match the c-axis along the> direction.

【0040】(実施例2)図5は、実施例2において用
いられた黒鉛製容器を模式的な断面図で示している。こ
の容器11は、黒鉛坩堝11aと黒鉛製押さえブロック
11bを含んでいる。合金原料12として粉末のCuと
Tiがそれぞれ10.33gと0.410gに秤量さ
れ、坩堝11a内に挿入された。
(Embodiment 2) FIG. 5 is a schematic sectional view showing a graphite container used in Embodiment 2. The container 11 includes a graphite crucible 11a and a graphite pressing block 11b. As alloy raw material 12, powders of Cu and Ti were weighed to 10.33 g and 0.410 g, respectively, and inserted into the crucible 11a.

【0041】次に、AlN焼結体を加工したロッド(5
mm×5mm×25mm)13がAlNの供給源として
容器11内に挿入された。このロッド13は、合金融液
12内に溶解してもその下端部が常にその融液内に浸漬
されるように、その上端が黒鉛ブロック11bで押さえ
込まれる。本実施例2においてこのように原料がセット
された容器11が実施例1の場合と同様に図2の密閉型
均熱炉に挿入され、実施例1に類似して常圧で純N2
スを流しながら次の熱処理が行われた。
Next, the rod (5) obtained by processing the AlN sintered body was used.
(mm × 5 mm × 25 mm) 13 was inserted into the container 11 as a supply source of AlN. The upper end of the rod 13 is pressed by the graphite block 11b so that the lower end of the rod 13 is always immersed in the melt even if the rod 13 is dissolved in the financial liquid 12. In the second embodiment thus raw material set containers 11 is inserted into the sealed soaking furnace in the case of a similar embodiment in FIG 1, a pure N 2 gas similar to normal pressure Example 1 The following heat treatment was performed while flowing.

【0042】図3のヒートパターンに類似して、まず1
1.7℃/minの昇温速度で合金原料12を1850
℃まで加熱して溶融させ、その温度に到達後に5hrだ
け等温保持した。これは、合金融液12中にAlNを十
分に溶解させるための処理である。なお、そのときの合
金融液12は、図5に示されているように、坩堝11b
の底部で約4mmの厚さを有していた。その後、本実施
例2における合金融液12は、実施例1の場合のように
1650℃で等温保持されることなく、1850℃から
0.7℃/minの冷却速度で室温まで連続的に徐冷さ
れた。
Similar to the heat pattern of FIG.
1850 the alloy raw material 12 at a heating rate of 1.7 ° C./min
The mixture was heated to 0 ° C. to be melted, and after reaching that temperature, it was kept isothermal for 5 hours. This is a process for sufficiently dissolving AlN in the combined financial liquid 12. The combined financial liquid 12 at that time is, as shown in FIG. 5, a crucible 11b.
Had a thickness of about 4 mm at the bottom. Thereafter, the combined financial liquid 12 in the present Example 2 is not kept isothermally at 1650 ° C. as in the case of Example 1, but is continuously cooled from 1850 ° C. to room temperature at a cooling rate of 0.7 ° C./min. Chilled

【0043】図6において、本実施例2で得られたAl
N単結晶の光学写真が示されており、それは板状結晶の
形態を有しており、その径は0.4mmに達している。
なお、図6に示されたスケールも、図4(a)の場合と
同様に0.5mmの長さを表している。
In FIG. 6, the Al obtained in Example 2 was used.
An optical picture of N single crystal is shown, which has the form of plate crystals, the diameter of which reaches 0.4 mm.
The scale shown in FIG. 6 also represents a length of 0.5 mm as in the case of FIG.

【0044】(実施例3)実施例3では、6H−SiC
を種結晶とするヘテロエピタキシャル成長を利用したA
lN単結晶の製造例について述べる。まず、図7の模式
的な斜視図に示されているように、2分割可能な縦型の
黒鉛坩堝21a、21bの下部に、種結晶たる6H−S
iC(5mmφ)単結晶基板22を固定し得るシード室
21cを設けた。この際に、比重の小さいSiC種結晶
22が合金融液上部に浮上することを防ぐために、シー
ド室21c上部の径を小さくすることが必要である。し
たがって、坩堝21a、21bは縦方向に沿って半割れ
の2分割体となっており、シード22の充填がし易くな
っている。
(Example 3) In Example 3, 6H-SiC was used.
A using heteroepitaxial growth using Al as a seed crystal
A production example of the 1N single crystal will be described. First, as shown in the schematic perspective view of FIG. 7, a seed crystal 6H-S, which is a seed crystal, is formed below the vertical graphite crucibles 21a and 21b which can be divided into two.
A seed chamber 21c capable of fixing the iC (5 mmφ) single crystal substrate 22 was provided. At this time, it is necessary to reduce the diameter of the upper part of the seed chamber 21c in order to prevent the SiC seed crystal 22 having a small specific gravity from floating above the synthetic financial liquid. Therefore, the crucibles 21a and 21b are half-divided bodies that are half-divided along the vertical direction, and the seed 22 can be easily filled.

【0045】シード22を挿入した半割れ坩堝21a、
21bを合体させて、それらを保持する黒鉛容器23内
にさらに挿入した。その後、合金原料として粉末のC
u、Ti、およびAlがそれぞれ516.5g、20.
5g、および97.3gに秤量され、黒鉛坩堝21a、
21b内に挿入された。なお、2分割可能な黒鉛坩堝2
1a、21bは、20mmの外径、3mmの肉厚、およ
び200mmの長さを有していた。そして黒鉛容器23
は、20mmの内径を有していた。
A half-cracked crucible 21a in which a seed 22 is inserted,
21b were united and further inserted into the graphite container 23 holding them. Then, powder C as an alloy raw material
u, Ti, and Al are 516.5 g and 20.
5 g and 97.3 g were weighed, and the graphite crucible 21a,
21b was inserted. It should be noted that the graphite crucible 2 which can be divided into two
1a, 21b had an outer diameter of 20 mm, a wall thickness of 3 mm, and a length of 200 mm. And the graphite container 23
Had an inner diameter of 20 mm.

【0046】図8の模式的断面図に示されているよう
に、合金原料24がセットされた黒鉛容器23は、温度
勾配(最大で10℃/cm)を有する高周波炉30内に
挿入されて治具32上に静置された。すなわち、この高
周波炉30は、N2雰囲気にされた石英管31、その管
内に設置された黒鉛治具32、および管外に配置された
誘導加熱コイル33を含んでいた。
As shown in the schematic sectional view of FIG. 8, the graphite container 23 in which the alloy raw material 24 is set is inserted into a high frequency furnace 30 having a temperature gradient (maximum 10 ° C./cm). It was placed on the jig 32. That is, this high-frequency furnace 30 included a quartz tube 31 in an N 2 atmosphere, a graphite jig 32 installed inside the tube, and an induction heating coil 33 arranged outside the tube.

【0047】高周波炉30が最高温度状態に達した時点
において、炉中央部の温度は1900℃であり、SiC
シード22の上面の位置に対応する炉端部の温度は18
50℃であった。合金原料24を十分均一に溶融させる
ために、この温度状態を2時間保持した。その後、容器
23の下端部の温度が1650℃になるまで、3℃/h
rの冷却速度で50hrかけて冷却した。さらに、その
1650℃で50hrの等温保持がされた後、高周波炉
30のコイル出力を切り、容器23は炉中で室温まで冷
却された。
At the time when the high-frequency furnace 30 reaches the maximum temperature state, the temperature in the central part of the furnace is 1900 ° C.
The temperature of the furnace end corresponding to the position of the upper surface of the seed 22 is 18
It was 50 ° C. In order to melt the alloy raw material 24 sufficiently uniformly, this temperature state was maintained for 2 hours. After that, until the temperature of the lower end of the container 23 reaches 1650 ° C., 3 ° C./h
It was cooled at a cooling rate of r for 50 hours. Further, after the isothermal holding at 1650 ° C. for 50 hours, the coil output of the high frequency furnace 30 was cut off, and the container 23 was cooled to room temperature in the furnace.

【0048】室温に冷却された黒鉛坩堝21a、21b
の下部からシード22と共にその上に成長したAlN結
晶25を取り出し、沸硝酸水溶液で溶媒金属成分を溶解
して除去した。断面ミクロ観察の結果、6H−SiC基
板22上に厚さ350μmのAlN結晶25が成長して
いることがわかった。また、X線回折やTEM観察か
ら、得られたAlN結晶はSiC単結晶基板と平行な結
晶方位関係にある単結晶であることも判明した。
Graphite crucibles 21a, 21b cooled to room temperature
The AlN crystal 25 grown on the seed 22 together with the seed 22 was taken out from the lower part of, and the solvent metal component was dissolved and removed with a boiling nitric acid aqueous solution. As a result of microscopic observation of the cross section, it was found that an AlN crystal 25 having a thickness of 350 μm was grown on the 6H—SiC substrate 22. It was also found from X-ray diffraction and TEM observation that the obtained AlN crystal was a single crystal having a crystal orientation parallel to the SiC single crystal substrate.

【0049】(実施例4)実施例4は実施例1に類似し
ているが、実施例4においては、金属aとしてCuの代
わりにNiが用いられた。すなわち、合金原料として粉
末のNi、Ti、およびAlがそれぞれ9.53g、
0.408g、1.630gに秤量され、図1の黒鉛製
容器1内に挿入された。その容器が図2の密閉型均熱炉
内に挿入され、常圧で純N2ガスを流しながら熱処理が
行われた。
Example 4 Example 4 is similar to Example 1, but in Example 4 Ni was used instead of Cu as the metal a. That is, powdered Ni, Ti, and Al as the alloy raw materials are each 9.53 g,
Weighed 0.408 g and 1.630 g, and inserted into the graphite container 1 of FIG. The container was inserted into the closed type soaking furnace shown in FIG. 2, and heat treatment was performed while flowing pure N 2 gas under normal pressure.

【0050】その熱処理のヒートパターンとしては、図
3に類似して、まず1800℃まで11.7℃/min
の昇温速度で加熱し、1800℃に到達後に5hr等温
保持された。次いで、1.2℃/minの冷却速度で1
650℃まで冷却され、その1650℃で10hr等温
保持された。その後に、1.2℃/minの冷却速度で
室温まで炉冷された。
As the heat pattern of the heat treatment, similar to FIG. 3, first, up to 1800 ° C., 11.7 ° C./min.
The temperature was raised at a heating rate of, and after reaching 1800 ° C., the temperature was kept isothermal for 5 hours. Then 1 at a cooling rate of 1.2 ° C / min
It was cooled to 650 ° C. and kept isothermally at 1650 ° C. for 10 hours. After that, the furnace was cooled to room temperature at a cooling rate of 1.2 ° C./min.

【0051】得られたAlN単結晶は図4(a)に示さ
れたものと同様な針状結晶であり、その大きさは平均的
には径50μmで長さが0.8mm程度であったが、最
大では0.2mm径で長さが3mmに達した。
The obtained AlN single crystal was a needle-like crystal similar to that shown in FIG. 4 (a), and the average size was about 50 mm in diameter and about 0.8 mm in length. However, the maximum diameter was 0.2 mm and the length reached 3 mm.

【0052】(実施例5)実施例5では、実施例1に類
似の方法でAlN単結晶の作製が試みられらた。ただ
し、実施例5では、abc系合金用原料における金属a
としてのCu粉末、金属bとしてのTi粉末、および成
分cとしてのAl粉末のそれぞれの質量濃度Ma、M
b、およびMc(mass%)がAlN単結晶の晶出挙
動に及ぼす影響について調べられた。その結果が、表1
にまとめられて示されている。
Example 5 In Example 5, an attempt was made to produce an AlN single crystal by a method similar to that of Example 1. However, in Example 5, the metal a in the abc alloy raw material was used.
Mass concentration Ma, M of Cu powder as a metal, Ti powder as a metal b, and Al powder as a component c, respectively.
The effects of b and Mc (mass%) on the crystallization behavior of AlN single crystals were investigated. The results are shown in Table 1.
Are summarized in.

【0053】[0053]

【表1】 [Table 1]

【0054】表1において、abc系合金の熱処理のヒ
ートパターンとして、窒素雰囲気中においてまず昇温速
度10℃/minで温度T1まで加熱して合金用粉末原
料を溶融させ、その温度が5時間保持された。その後
に、合金は冷却速度R(℃/min)で温度T2まで冷
却され、その温度で10時間保持された。得られたAl
N単結晶に関する評価としては、0.5mm径以上の大
きな単結晶が得られた場合を最もよい条件として◎印で
表し、0.3mm径以上の単結晶が得られた場合をよい
条件として○印で表し、そして0.3mm径未満の単結
晶しか得られなかった場合を×印で表している。
In Table 1, as a heat pattern for heat treatment of an abc alloy, the alloy powder raw material is first melted by heating to a temperature T1 at a temperature rising rate of 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere, and the temperature is maintained for 5 hours. Was done. After that, the alloy was cooled to a temperature T2 at a cooling rate R (° C./min) and kept at that temperature for 10 hours. The obtained Al
Regarding the evaluation of the N single crystal, the case where a large single crystal having a diameter of 0.5 mm or more is obtained is indicated by a double circle, and the case where a single crystal having a diameter of 0.3 mm or more is obtained is a good condition. The mark is shown, and the case where only a single crystal with a diameter of less than 0.3 mm was obtained is shown with a mark.

【0055】以上のような表1における評価結果から、
abc系合金用粉末原料において0.0075≦Mb/
Ma≦0.075と0.02≦Mc/(Ma+Mb)≦
0.13の関係を満たしていることが望ましいことがわ
かる。たとえば、粉末原料No.23と25は、0.0
075≦Mb/Ma≦0.075の関係を満たしておら
ず、評価が×になっている。また、粉末原料No.22
と26は、0.02≦Mc/(Ma+Mb)≦0.13
の関係を満たしておらず、評価が×になっている。粉末
原料No.28は、双方の濃度関係式を満たさず、評価
が×になっている。粉末原料No.1−21は、それら
のいずれもが0.0075≦Mb/Ma≦0.075と
0.02≦Mc/(Ma+Mb)≦0.13の関係を満
たしており、評価が◎または○になっている。
From the evaluation results in Table 1 as described above,
0.0075 ≦ Mb / in powder raw material for abc alloy
Ma ≦ 0.075 and 0.02 ≦ Mc / (Ma + Mb) ≦
It can be seen that it is desirable to satisfy the relationship of 0.13. For example, powder raw material No. 23 and 25 are 0.0
The relationship of 075 ≦ Mb / Ma ≦ 0.075 is not satisfied, and the evaluation is x. In addition, powder raw material No. 22
And 26 are 0.02 ≦ Mc / (Ma + Mb) ≦ 0.13
The relationship is not satisfied and the evaluation is x. Powder raw material No. No. 28 does not satisfy both concentration relational expressions, and the evaluation is x. Powder raw material No. Nos. 1-21 all satisfy the relation of 0.0075 ≦ Mb / Ma ≦ 0.075 and 0.02 ≦ Mc / (Ma + Mb) ≦ 0.13, and the evaluation is ◎ or ○. There is.

【0056】なお、◎の評価を有する粉末原料No.に
関してさらに検討すれば、0.037≦Mb/Ma≦
0.046と0.050≦Mc/(Ma+Mb)≦0.
075の関係を満たしていることがより好ましいことが
わかる。
Powder raw material No. having a rating of ⊚. Further studying, 0.037 ≦ Mb / Ma ≦
0.046 and 0.050 ≦ Mc / (Ma + Mb) ≦ 0.
It is understood that it is more preferable to satisfy the relationship of 075.

【0057】また、ここで×の評価を与えた実施例の中
で、粉末原料No.24(Tiを含まない)はTiを添
加していないため極めて微細なAlNしか生成せず単結
晶化が困難である。粉末原料No.27(Alを含まな
い)はAlを含まずAlNが晶出しない。一方、粉末原
料No.22、23、25、26および28については
×の評価を与えているものの十分な成長時間を与えるこ
とにより、大きな単結晶を得ることは実質的に可能であ
る。
Further, among the examples given the evaluation of x, the powder raw material No. No. 24 (not containing Ti) does not contain Ti, so that only very fine AlN is produced and it is difficult to form a single crystal. Powder raw material No. No. 27 (not containing Al) does not contain Al and does not crystallize AlN. On the other hand, powder raw material No. For 22, 23, 25, 26 and 28, it is substantially possible to obtain a large single crystal by giving an evaluation of x, but by giving sufficient growth time.

【0058】さらに、初期温度T1については、185
0℃以上に設定した方がそれ未満の温度に設定するより
も好ましいことがわかる。なお、表1では、高温の合金
融液中における窒素濃度は不明であるので、粉末原料状
態におけるCu、Ti、およびAlの濃度のみが考慮さ
れている。
Further, regarding the initial temperature T1, 185
It can be seen that setting the temperature to 0 ° C. or higher is preferable to setting the temperature lower than that. In addition, in Table 1, since the nitrogen concentration in the high-temperature alloying liquid is unknown, only the concentrations of Cu, Ti, and Al in the powder raw material state are considered.

【0059】(実施例6)実施例6においては、Cuペ
レットの68.07g、チタンスポンジの2.70g、
およびAlペレットの13.69gをAr雰囲気中でア
ーク溶解後凝固させることによって、予備合金塊が準備
された。このCu−Ti−Al予備合金塊が、図1の黒
鉛坩堝1a内に挿入された。そして、その予備合金塊を
含む黒鉛坩堝1aが(黒鉛製蓋1bを用いることなく)
図2の密閉型均熱炉4内に挿入され、常圧で純N2ガス
を流しながら熱処理が行われた。
(Example 6) In Example 6, 68.07 g of Cu pellets, 2.70 g of titanium sponge,
A prealloy mass was prepared by arc melting and solidifying 13.69 g of Al pellets in an Ar atmosphere. This Cu—Ti—Al prealloy lump was inserted into the graphite crucible 1a of FIG. Then, the graphite crucible 1a containing the preliminary alloy ingot (without using the graphite lid 1b)
It was inserted into the closed soaking furnace 4 of FIG. 2 and heat treatment was carried out while flowing pure N 2 gas at normal pressure.

【0060】その熱処理のヒートパターンとしては、図
15に示されているように、まず1500℃まで10℃
/minの昇温速度で加熱し、1500℃に到達後に1
0hr等温保持された。これは合金融液中にAlNを十
分に溶解させるための処理であり、もちろん保持時間は
10hrに限定されるものではない。すなわち、その保
持時間はより短時間でも差し支えないが、大きなAlN
単結晶を得るためには1500℃では10hr以上保持
することが望ましい。
As for the heat pattern of the heat treatment, as shown in FIG.
Heating at a temperature rising rate of / min, and after reaching 1500 ° C, 1
It was kept isothermal for 0 hr. This is a treatment for sufficiently dissolving AlN in the combined financial liquid, and of course the holding time is not limited to 10 hours. That is, the holding time may be shorter, but a large AlN
In order to obtain a single crystal, it is desirable to hold at 1500 ° C. for 10 hours or more.

【0061】ついで、図15に示されているように、合
金融液が1℃/minの冷却速度で室温まで冷却され
た。これは、冷却によって合金融液中のAlNを過飽和
状態にして、AlN単結晶を晶出し易くするための処理
である。その後、室温まで冷却されて凝固された合金塊
が容器1から取り出され、その断面がSEM(走査型電
子顕微鏡)によって観察された。
Then, as shown in FIG. 15, the combined financial liquid was cooled to room temperature at a cooling rate of 1 ° C./min. This is a process for cooling the AlN in the financial liquid to a supersaturated state to easily crystallize the AlN single crystal. Then, the alloy lump cooled to room temperature and solidified was taken out from the container 1, and its cross section was observed by SEM (scanning electron microscope).

【0062】図16は、そのSEM写真を示している。
この写真の右下に11個の白点で表わされたスケールは
各点間が1μmを表わし、すなわち、そのスケール全体
で10μmを表わしている。図16から分かるように、
約10μm径の六角形状断面を有するAlN単結晶が晶
出していることが確認された。なお、図16の写真中に
おける1,2,3,4の小さな数字は、放射X線による
組成分析個所を示している。
FIG. 16 shows the SEM photograph.
The scale represented by 11 white dots in the lower right of this photograph represents 1 μm between each point, that is, the scale as a whole represents 10 μm. As can be seen from FIG.
It was confirmed that an AlN single crystal having a hexagonal cross section with a diameter of about 10 μm was crystallized. The small numbers 1, 2, 3, and 4 in the photograph of FIG. 16 indicate the composition analysis points by the radiant X-rays.

【0063】(実施例7)実施例7においても、実施例
6と全く同様にして、Cu−Ti−Al予備合金塊が準
備された。しかし、実施例7においては、実施例3に類
似して、6H−SiCを種結晶とするヘテロエピタキシ
ャル成長を利用してAlN単結晶が製造された。
(Example 7) In Example 7 as well, a Cu-Ti-Al preliminary alloy ingot was prepared in exactly the same manner as in Example 6. However, in Example 7, similar to Example 3, an AlN single crystal was manufactured by utilizing heteroepitaxial growth using 6H—SiC as a seed crystal.

【0064】ただし、実施例7においては、図17に示
されているように、黒鉛坩堝41の底部に6H−SiC
種結晶42が設置され、その上に黒鉛仕切板43が挿入
された。この仕切板3は、種結晶42の上面を露出させ
る穴43aを有していた。そして、坩堝41内において
仕切板42上にCu−Ti−Al予備合金塊44が挿入
された。その後、黒鉛坩堝41が、図2の密閉型均熱炉
4内に設置され、常圧で純N2ガスを流しながら、熱処
理が行われた。
However, in Example 7, as shown in FIG. 17, 6H—SiC was formed on the bottom of the graphite crucible 41.
The seed crystal 42 was installed, and the graphite partition plate 43 was inserted on it. The partition plate 3 had a hole 43a exposing the upper surface of the seed crystal 42. Then, the Cu—Ti—Al preliminary alloy ingot 44 was inserted on the partition plate 42 in the crucible 41. After that, the graphite crucible 41 was placed in the closed soaking furnace 4 of FIG. 2, and heat treatment was performed while flowing pure N 2 gas at normal pressure.

【0065】その熱処理では、図15のヒートパターン
にしたがって10℃/minの速度で1500℃まで昇
温された。1500℃に到達後にその温度が10hr保
持され、その後に室温まで1℃/minの速度で冷却さ
れた。室温に到達後に、6H−SiC基板42とその上
に成長した結晶が黒鉛坩堝41から取り出され、その基
板面に直交する断面がTEM観察された。
In the heat treatment, the temperature was raised to 1500 ° C. at a rate of 10 ° C./min according to the heat pattern shown in FIG. After reaching 1500 ° C., the temperature was maintained for 10 hours, and then cooled to room temperature at a rate of 1 ° C./min. After reaching the room temperature, the 6H—SiC substrate 42 and the crystals grown on the 6H—SiC substrate 42 were taken out from the graphite crucible 41, and a cross section orthogonal to the substrate surface was observed by TEM.

【0066】図18は、そのTEM観察写真を示してい
る。この写真の右下に示されているスケールバーは2μ
mの長さを表わしている。このTEM観察において結晶
および方位を解析したところ、6H−SiC基板上に厚
さ約2μmのAlN単結晶が成長しており、そのc軸お
よびa軸の方向は6H−SiC基板のそれらの軸の方向
と一致していることが確認された。すなわち、6H−S
iC基板上に、AlN単結晶が液相へテロエピタキシャ
ル的に成長したことがわかる。
FIG. 18 shows the TEM observation photograph. The scale bar at the bottom right of this photo is 2μ
It represents the length of m. Analysis of the crystal and orientation in this TEM observation revealed that an AlN single crystal having a thickness of about 2 μm was grown on the 6H—SiC substrate, and the directions of the c-axis and the a-axis thereof were the same as those of the 6H—SiC substrate. It was confirmed that it was consistent with the direction. That is, 6H-S
It can be seen that the AlN single crystal was grown in liquid phase heteroepitaxially on the iC substrate.

【0067】(実施例8)実施例8では、実施例6に類
似の方法でAlN単結晶の作製が試みられらた。ただ
し、実施例8では、Ar雰囲気中でアーク溶解後凝固さ
せることによって準備されたCu−Ti−Al予備合金
塊におけるそれぞれの元素のモル濃度Ca、Cb、およ
びCc(mol%)がAlN単結晶の晶出挙動に及ぼす
影響について調べられた。その結果が、表2にまとめら
れて示されている。
Example 8 In Example 8, an attempt was made to produce an AlN single crystal by a method similar to that of Example 6. However, in Example 8, the molar concentrations Ca, Cb, and Cc (mol%) of the respective elements in the Cu—Ti—Al preliminary alloy ingot prepared by arc melting and solidification in an Ar atmosphere were AlN single crystals. The effect on the crystallization behavior of was investigated. The results are summarized in Table 2 and shown.

【0068】[0068]

【表2】 [Table 2]

【0069】表2において、abc系合金の熱処理のヒ
ートパターンとして、窒素雰囲気中においてまず昇温速
度10℃/minで1500℃または1400℃まで加
熱して予備合金を溶融させ、その温度が5時間保持され
た。その後に、合金は冷却速度1℃/minまたは15
℃/minで室温まで冷却された。得られたAlN単結
晶に関する評価としては、3次元的にAlN単結晶の晶
出が確認された場合をよい条件として○印で表し、それ
以外を悪い条件として×印で表している。
In Table 2, as a heat pattern for heat treatment of an abc alloy, a preliminary alloy is melted by heating to 1500 ° C. or 1400 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere, and the temperature is 5 hours. Retained After that, the alloy is cooled at a cooling rate of 1 ° C / min or 15
It was cooled to room temperature at ° C / min. Regarding the evaluation of the obtained AlN single crystal, the case where the crystallization of the AlN single crystal is confirmed three-dimensionally is shown as a good condition with a circle, and the other cases are shown as a bad condition with a cross.

【0070】以上のような表2における評価結果から、
予備合金において0.01≦Cb/Ca≦0.1と0.
2≦Cc/(Ca+Cb)≦1の関係を満たしているこ
とが望ましいことがわかる。たとえば、予備合金No.
40と44は、0.01≦Cb/Ca≦0.1の関係を
満たしておらず、評価が×になっている。また、予備合
金No.35−39は、0.2≦Cc/(Ca+Cb)
≦1の関係を満たしておらず、評価が×になっている。
予備合金No.41−43は、双方の濃度関係式を満た
さず、評価が×になっている。
From the evaluation results in Table 2 as described above,
In the preliminary alloy, 0.01 ≦ Cb / Ca ≦ 0.1 and 0.
It can be seen that it is desirable to satisfy the relationship of 2 ≦ Cc / (Ca + Cb) ≦ 1. For example, the preliminary alloy No.
40 and 44 do not satisfy the relationship of 0.01 ≦ Cb / Ca ≦ 0.1, and are evaluated as x. In addition, the preliminary alloy No. 35-39 is 0.2 ≦ Cc / (Ca + Cb)
The relationship of ≦ 1 is not satisfied, and the evaluation is x.
Prealloy No. Nos. 41-43 do not satisfy both concentration relational expressions, and the evaluation is x.

【0071】なお、上述の表1から導き出された好まし
い質量濃度比範囲をモル濃度比範囲に換算して、表2か
ら導き出された好ましいモル濃度比範囲と比較すれば、
それらの範囲は互いに重複している範囲に加えて互いに
かなりずれている範囲も存在する。このことは、abc
系合金融液を窒素雰囲気中で調製する際の出発原料形態
の相違によると考えられる。すなわち、混合粉末原料を
そのまま窒素雰囲気中で溶解する場合、その粉末原料が
溶融する前にAl粉末の窒化が部分的に生じると考えら
れる。他方、窒素雰囲気以外の不活性雰囲気中で粉末原
料をあらかじめ溶融後凝固させた予備合金を窒素雰囲気
中で再溶融してabc系合金融液を調製する場合、すで
にAlが予備合金内に固溶しているので、その予備合金
が再溶融するまでに窒素雰囲気中でAlの窒化が進むと
いうことがない。このように窒素雰囲気中のabc合金
融液の調製過程の相違によって、上述の原料組成の好ま
しい範囲のずれが生じると考えられる。
If the preferable mass concentration ratio range derived from Table 1 above is converted into the molar concentration ratio range and compared with the preferable molar concentration ratio range derived from Table 2,
In addition to ranges that overlap each other, there are ranges that are significantly offset from each other. This is abc
It is considered that this is due to the difference in the starting material form when preparing the combined financial liquid in a nitrogen atmosphere. That is, when the mixed powder raw material is directly melted in a nitrogen atmosphere, it is considered that nitriding of the Al powder partially occurs before the powder raw material is melted. On the other hand, when preparing the abc-based financial solution by remelting the preliminary alloy in which the powder raw material is melted and solidified in an inert atmosphere other than the nitrogen atmosphere in the nitrogen atmosphere, Al is already solid-solved in the preliminary alloy. Therefore, nitriding of Al does not proceed in a nitrogen atmosphere before the prealloy is remelted. As described above, it is considered that the above-mentioned deviation of the preferable range of the raw material composition occurs due to the difference in the preparation process of the abc compound financial liquid in the nitrogen atmosphere.

【0072】ところで、上述の実施例においては、予備
合金はAr雰囲気中のアークによる溶融凝固によって作
製されたが、窒素以外の他の雰囲気中の他の熱源による
溶融凝固によって作製されてもよいことは言うまでもな
い。たとえば、窒素以外の不活性雰囲気としてHe雰囲
気や真空を利用してもよく、熱源としては誘導加熱や電
子ビーム加熱を利用してもよい。
By the way, in the above-mentioned embodiments, the preliminary alloy was produced by melting and solidifying with an arc in an Ar atmosphere, but it may be produced by melting and solidifying with another heat source in an atmosphere other than nitrogen. Needless to say. For example, a He atmosphere or vacuum may be used as an inert atmosphere other than nitrogen, and induction heating or electron beam heating may be used as a heat source.

【0073】[0073]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、比較的
大きなAlN単結晶を簡易にかつ低コストで製造し得る
方法を提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method capable of easily producing a relatively large AlN single crystal at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明のAlN単結晶の製造方法に用いられ
得る黒鉛容器の一例を示す模式的な断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a graphite container that can be used in the method for producing an AlN single crystal of the present invention.

【図2】 本発明のAlN単結晶の製造方法に用いられ
得る密閉型均熱炉の一例を示す模式的な断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a closed soaking furnace that can be used in the method for producing an AlN single crystal of the present invention.

【図3】 本発明のAlN単結晶の製造方法における合
金熱処理のヒートパターンの一例を示す線図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a heat pattern of alloy heat treatment in the method for producing an AlN single crystal of the present invention.

【図4】 (a)は本発明によって得られたAlN単結
晶の一例を示す光学写真図であり、(b)は本発明によ
って得られたAlNウイスカの横断面を表す透過電子顕
微鏡写真図であり、そして(c)は(b)のウイスカ断
面に対応する電子線回折パターン図である。
4 (a) is an optical photograph showing an example of an AlN single crystal obtained by the present invention, and FIG. 4 (b) is a transmission electron micrograph showing a cross section of an AlN whisker obtained by the present invention. And (c) is an electron diffraction pattern diagram corresponding to the whisker cross section of (b).

【図5】 本発明のAlN単結晶の製造方法に用いられ
得る黒鉛容器の他の例を示す模式的な断面図である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another example of a graphite container that can be used in the method for producing an AlN single crystal of the present invention.

【図6】 本発明によって得られたAlN単結晶の他の
例を示す光学写真図である。
FIG. 6 is an optical photograph showing another example of the AlN single crystal obtained by the present invention.

【図7】 本発明のAlN単結晶の製造方法に用いられ
得る黒鉛容器のさらに他の例を示す模式的な斜視図であ
る。
FIG. 7 is a schematic perspective view showing still another example of a graphite container that can be used in the method for producing an AlN single crystal of the present invention.

【図8】 本発明のAlN単結晶の製造方法に用いられ
得る高周波炉の一例を示す模式的な断面図である。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a high-frequency furnace that can be used in the method for producing an AlN single crystal of the present invention.

【図9】 1800K断面におけるCu−Al−N三元
系合金の状態図である。
FIG. 9 is a phase diagram of a Cu—Al—N ternary alloy in a 1800K cross section.

【図10】 1800K断面におけるNi−Al−N三
元系合金の状態図である。
FIG. 10 is a phase diagram of a Ni—Al—N ternary alloy in a 1800K cross section.

【図11】 図9中の線P−Qに沿った断面に対応する
擬似二元系状態図である。
11 is a pseudo binary system state diagram corresponding to the cross section along the line PQ in FIG. 9. FIG.

【図12】 図10中の線R−Sに沿った断面に対応す
る擬似二元系状態図である。
12 is a pseudo binary system state diagram corresponding to the cross section along the line RS in FIG.

【図13】 Cr−Al二元系状態図である。FIG. 13 is a Cr-Al binary system phase diagram.

【図14】 Alと同程度の窒化物生成エネルギを有す
る他の金属元素に関する窒化物生成エネルギを示すグラ
フである。
FIG. 14 is a graph showing the nitride formation energies of other metal elements having the same nitride formation energies as Al.

【図15】 本発明のAlN単結晶の製造方法における
合金熱処理のヒートパターンの他の例を示す線図であ
る。
FIG. 15 is a diagram showing another example of a heat pattern of alloy heat treatment in the method for producing an AlN single crystal of the present invention.

【図16】 本発明によって得られたAlN単結晶の他
の例の断面を示す走査型電子顕微鏡写真図である。
FIG. 16 is a scanning electron micrograph showing a cross section of another example of the AlN single crystal obtained by the present invention.

【図17】 本発明のAlN単結晶の製造方法に用いら
れ得る黒鉛坩堝の他の例を示す模式的な断面図である。
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing another example of the graphite crucible that can be used in the method for producing an AlN single crystal of the present invention.

【図18】 本発明によって得られたAlN単結晶の他
の例の断面を示す透過電子顕微鏡写真図である。
FIG. 18 is a transmission electron micrograph showing a cross section of another example of the AlN single crystal obtained by the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 黒鉛容器、1a 黒鉛坩堝、1b 黒鉛製蓋、2
合金融液、3 黒鉛発熱体、4 密閉型均熱炉、11
黒鉛容器、11a 黒鉛坩堝、11b 黒鉛製押さえブ
ロック、12 合金融液、13 AlN燒結体ロッド、
21a,21b分割黒鉛坩堝、21c 結晶シード室、
22 SiC単結晶シード、23 黒鉛容器、24 合
金融液、25 AlN単結晶、30 高周波炉、31
石英管、32 黒鉛治具、33 誘導加熱コイル、41
黒鉛坩堝、42 SiC単結晶シード、43 黒鉛仕
切板、43a 穴、44 予備合金塊。
1 Graphite Container, 1a Graphite Crucible, 1b Graphite Lid, 2
Synthetic finance liquid, 3 graphite heating element, 4 closed type soaking furnace, 11
Graphite container, 11a graphite crucible, 11b graphite pressing block, 12 alloy financial liquid, 13 AlN sintered rod,
21a, 21b split graphite crucible, 21c crystal seed chamber,
22 SiC single crystal seed, 23 graphite container, 24 synthetic financial liquid, 25 AlN single crystal, 30 high frequency furnace, 31
Quartz tube, 32 graphite jig, 33 induction heating coil, 41
Graphite crucible, 42 SiC single crystal seed, 43 graphite partition plate, 43a hole, 44 preliminary alloy ingot.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 亀井 一人 大阪府大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友金属工業株式会社内 Fターム(参考) 4G077 AA03 AA04 BE13 CC04 CC05 CG01 CG06 EA02 EA06 EC08 ED06 HA02 QA12 QA38 5F053 AA03 AA25 BB14 BB24 DD20 FF04 GG01 HH01 HH04 LL01 RR20    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Kamei Kazuto             4-53 Kitahama, Chuo-ku, Osaka City, Osaka Prefecture             Sumitomo Metal Industries, Ltd. F-term (reference) 4G077 AA03 AA04 BE13 CC04 CC05                       CG01 CG06 EA02 EA06 EC08                       ED06 HA02 QA12 QA38                 5F053 AA03 AA25 BB14 BB24 DD20                       FF04 GG01 HH01 HH04 LL01                       RR20

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 金属aとしてCr、Mn、Fe、Co、
Cu、およびNiから選択された1種以上を含み、金属
bとしてSc、Ti、V、Y、Zr、およびNbから選
択された1種以上を含み、さらに成分cとしてAlを含
むabc系合金の融液を窒素含有雰囲気下で調製し、 前記abc系合金の融液を冷却するかまたは前記金属a
とbの少なくともいずれかの蒸発によってAlN単結晶
を晶出させることを特徴とするAlN単結晶の製造方
法。
1. The metal a is Cr, Mn, Fe, Co,
An abc-based alloy containing at least one selected from Cu and Ni, at least one selected from Sc, Ti, V, Y, Zr, and Nb as the metal b, and further containing Al as the component c. A melt is prepared in a nitrogen-containing atmosphere, and the melt of the abc alloy is cooled or the metal a
A method for producing an AlN single crystal, characterized in that the AlN single crystal is crystallized by evaporation of at least one of b and b.
【請求項2】 前記AlN単結晶はSiC単結晶基板上
にエピタキシャルに晶出させられることを特徴とする請
求項1に記載のAlN単結晶の製造方法。
2. The method for producing an AlN single crystal according to claim 1, wherein the AlN single crystal is epitaxially crystallized on a SiC single crystal substrate.
【請求項3】 前記AlN単結晶が晶出するときに前記
abc系合金の融液中でAlNの過飽和状態が生じてい
ることを特徴とする請求項1または2に記載のAlN単
結晶の製造方法。
3. The production of an AlN single crystal according to claim 1, wherein a supersaturated state of AlN is generated in the melt of the abc alloy when the AlN single crystal is crystallized. Method.
【請求項4】 前記abc系合金の融液は、前記金属a
の粉末の質量Ma、前記金属bの粉末の質量Mb、およ
びAl粉末の質量Mcが0.0075≦Mb/Ma≦
0.075と0.02≦Mc/(Ma+Mb)≦0.1
3の関係を満たすように配合されて窒素含有雰囲気下で
溶解されることによって調製されることを特徴とする請
求項1から3のいずれかに記載のAlN単結晶の製造方
法。
4. The melt of the abc alloy is the metal a.
Mass of the powder b, the mass Mb of the powder of the metal b, and the mass Mc of the Al powder are 0.0075 ≦ Mb / Ma ≦.
0.075 and 0.02 ≦ Mc / (Ma + Mb) ≦ 0.1
The method for producing an AlN single crystal according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the AlN single crystal is prepared by being blended so as to satisfy the relationship of 3 and dissolved in a nitrogen-containing atmosphere.
【請求項5】 前記abc系合金の融液はあらかじめ窒
素以外の不活性雰囲気下で溶解されて凝固させられた予
備合金塊を窒素含有雰囲気下で再溶解することによって
調製され、前記予備合金塊は前記金属aのモル濃度C
a、前記金属bのモル濃度Cb、およびAlのモル濃度
Ccが0.01≦Cb/Ca≦0.1と0.2≦Cc/
(Ca+Cb)≦1の関係を満たす組成を有しているこ
とを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のAl
N単結晶の製造方法。
5. The abc-based alloy melt is prepared by remelting, in a nitrogen-containing atmosphere, a preliminary alloy ingot previously melted and solidified in an inert atmosphere other than nitrogen. Is the molar concentration C of the metal a
a, the molar concentration Cb of the metal b, and the molar concentration Cc of Al are 0.01 ≦ Cb / Ca ≦ 0.1 and 0.2 ≦ Cc /
4. The Al according to any one of claims 1 to 3, which has a composition satisfying a relationship of (Ca + Cb) ≦ 1.
Method for producing N single crystal.
【請求項6】 前記窒素含有雰囲気下における前記ab
c系合金融液の調製をその合金の液相線以上で2000
℃以下の温度まで加熱することによって行い、その後に
液相線と固相線との間の所定温度まで徐冷するか、また
は所定温度まで冷却してそこで所定時間だけ等温保持さ
れることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載
のAlN単結晶の製造方法。
6. The ab under the nitrogen-containing atmosphere
The preparation of the c-type synthetic financial liquid is 2000 or more above the liquidus of the alloy.
It is performed by heating to a temperature of ℃ or less, and then gradually cooled to a predetermined temperature between the liquidus and solidus lines, or cooled to a predetermined temperature and kept isothermal for a predetermined time there The method for producing an AlN single crystal according to any one of claims 1 to 5.
【請求項7】 固相線直下においてAlに対して広い1
次固溶限を有する金属aと、前記金属aの融液内に取り
込み得るN原子の濃度を高める作用を有する金属bと、
AlN単結晶を構成する成分cとを含むabc系合金の
融液を窒素含有雰囲気下で調製し、 前記abc系合金の融液を冷却するかまたは前記金属a
とbの少なくともいずれかの蒸発によって前記合金をそ
の液相線と固相線との間にもたらしてAlN単結晶を晶
出させることを特徴とするAlN単結晶の製造方法。
7. A wide area with respect to Al immediately below the solidus line.
A metal a having a second solid solubility limit, and a metal b having an action of increasing the concentration of N atoms that can be taken into the melt of the metal a
A melt of an abc alloy containing a component c constituting an AlN single crystal is prepared in a nitrogen-containing atmosphere, and the melt of the abc alloy is cooled or the metal a
A method for producing an AlN single crystal, characterized in that the alloy is brought between a liquidus line and a solidus line of the alloy by vaporization of at least one of (1) and (2) to crystallize the AlN single crystal.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005272258A (en) * 2004-03-26 2005-10-06 Mitsubishi Chemicals Corp Method for producing metal nitride of metal of group 13 of the periodic table and method for producing semiconductor device using the same
WO2006030718A1 (en) * 2004-09-16 2006-03-23 Ngk Insulators, Ltd. METHOD FOR PRODUCING AlN SINGLE CRYSTAL AND AlN SINGLE CRYSTAL
WO2007080881A1 (en) * 2006-01-12 2007-07-19 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Method for manufacturing aluminum nitride crystal, aluminum nitride crystal, aluminum nitride crystal substrate and semiconductor device
WO2012002545A1 (en) * 2010-07-02 2012-01-05 国立大学法人静岡大学 Device for producing aluminum nitride crystal grains, method for producing aluminum nitride crystal grains, and aluminum nitride crystal grains
JP2014073951A (en) * 2012-09-11 2014-04-24 Denso Corp AlN WHISKER, RESIN COMPOSITION, FAT-AND-OIL COMPOSITION AND METHOD OF PRODUCING AlN WHISKER
KR20150114468A (en) * 2013-02-08 2015-10-12 가부시끼가이샤 도꾸야마 Aluminum nitride powder
JP2016050165A (en) * 2014-08-28 2016-04-11 国立大学法人名古屋大学 MANUFACTURING METHOD OF AlN SINGLE CRYSTAL AND AlN SINGLE CRYSTAL

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4661069B2 (en) * 2004-03-26 2011-03-30 三菱化学株式会社 Method for producing group 13 metal nitride crystal of periodic table
JP2005272258A (en) * 2004-03-26 2005-10-06 Mitsubishi Chemicals Corp Method for producing metal nitride of metal of group 13 of the periodic table and method for producing semiconductor device using the same
KR101357460B1 (en) 2004-09-16 2014-02-03 엔지케이 인슐레이터 엘티디 METHOD FOR PRODUCING AlN SINGLE CRYSTAL AND AlN SINGLE CRYSTAL
WO2006030718A1 (en) * 2004-09-16 2006-03-23 Ngk Insulators, Ltd. METHOD FOR PRODUCING AlN SINGLE CRYSTAL AND AlN SINGLE CRYSTAL
US7449064B2 (en) 2004-09-16 2008-11-11 Ngk Insulators, Ltd. Method for producing AlN single crystal and AlN single crystal
JP4780720B2 (en) * 2004-09-16 2011-09-28 日本碍子株式会社 Method for producing AlN single crystal and AlN single crystal
WO2007080881A1 (en) * 2006-01-12 2007-07-19 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Method for manufacturing aluminum nitride crystal, aluminum nitride crystal, aluminum nitride crystal substrate and semiconductor device
KR101404270B1 (en) 2006-01-12 2014-06-05 스미토모덴키고교가부시키가이샤 Method for manufacturing aluminum nitride crystal, aluminum nitride crystal, aluminum nitride crystal substrate and semiconductor device
WO2012002545A1 (en) * 2010-07-02 2012-01-05 国立大学法人静岡大学 Device for producing aluminum nitride crystal grains, method for producing aluminum nitride crystal grains, and aluminum nitride crystal grains
JP2013189319A (en) * 2010-07-02 2013-09-26 National Univ Corp Shizuoka Univ Device for producing aluminum nitride crystal grains, method for producing aluminum nitride crystal grains, and aluminum nitride crystal grains
JP2014073951A (en) * 2012-09-11 2014-04-24 Denso Corp AlN WHISKER, RESIN COMPOSITION, FAT-AND-OIL COMPOSITION AND METHOD OF PRODUCING AlN WHISKER
KR20150114468A (en) * 2013-02-08 2015-10-12 가부시끼가이샤 도꾸야마 Aluminum nitride powder
US10508035B2 (en) 2013-02-08 2019-12-17 Tokuyama Corporation Aluminum nitride powders
KR102185730B1 (en) * 2013-02-08 2020-12-02 가부시끼가이샤 도꾸야마 Aluminum nitride powder
JP2016050165A (en) * 2014-08-28 2016-04-11 国立大学法人名古屋大学 MANUFACTURING METHOD OF AlN SINGLE CRYSTAL AND AlN SINGLE CRYSTAL

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