JP2007145645A - 窒化アルミニウム単結晶の製造方法及びその製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】単結晶に欠陥が発生することを抑制でき、良質で大口径の単結晶が効率よく製造できる窒化アルミニウム単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】排気口18が設けられた加熱炉本体2と、加熱炉本体2内に配置される種子結晶11を保持するサセプタ12と、加熱炉本体2内に塩化水素ガス及び水素ガスを導入すると共に、塩化水素ガスと反応する金属Alが配置される内部反応管4と、加熱炉本体2内にアンモニアガスを導入する反応ガス導入管5と、前記加熱炉本体2内に活性窒素を導入する活性窒素導入管6とを備える。
【選択図】図1

Description

この発明は窒化アルミニウム単結晶の製造方法及びその製造装置に関し、さらに詳しくは、欠陥の少ない窒化アルミニウム単結晶を製造する技術に関するものである。
III族元素の窒化物のうち、窒化アルミニウムは熱伝導率が高く、窒化ガリウムと格子整合性が高いことから、GaN系半導体デバイス用基板の材料として期待されている。従来、この種の窒化物単結晶の製造方法としては、昇華法、フラックス法、HVPE(Hydride Vapor phase Epitaxy:ハイドライド気相エピタキシャル)法などのいくつかの方法が知られているが、なかでもHVPE法が有望視されている。HVPE法による結晶成長反応は下記に示す反応によって進行する。
Al+3HCl→AlCl+2/3H (1)
AlCl+NH→AlN+3HCl (2)
このHVPE法では一般に、内部反応管内で900℃程度の高温に保持された金属AlとHClガスを反応させて上記式(1)のように主にAlClを生成し、このAlClを、加熱炉本体内の1000℃程度に保たれた基板付近で、上記式(2)のようにNHと反応させてAlNを成長させる。この方法では、AlCl生成部及び基板の少なくとも2箇所の温度制御及びガス流量の制御を必要とする。
図2は、HVPE法により窒化物単結晶を製造する従来の加熱炉(製造装置)100を示している。この加熱炉100は、加熱炉本体101と、この加熱炉本体101を取り囲む多ゾーン炉102とを備えている。加熱炉本体101の一方側の側壁101Aには、反応ガスである塩化水素(HCl)及び水素ガスを導入する内部反応管110と、反応ガスであるアンモニア(NH)を導入する反応ガス導入管103と、キャリアガスである窒素ガス(N)を導入するキャリアガス導入管104と、が連通するように設けられている。
内部反応管110における加熱炉本体101内に位置する開放端部は、太い径に形成され、内部に原料ボート105が設けられている。この原料ボート105内には、金属Alでなる原料109が配置される。
加熱炉本体101の他方側の側壁101Bには、排気口106が設けられている。また、加熱炉本体101における、内部反応管110の開放端部と排気口106との間の位置には、種子結晶(この場合サファイア)107が貼り付けられたサセプタ108が固定されている。このサセプタは、石英などからなる板状のもので、その種子結晶107を貼り付ける面はガス流に対して水平となっており、種子結晶107の表面も水平となっている。
このような加熱炉100を用いて窒化アルミニウム単結晶を製造する手順について説明する。先ず、原料ボート105内に原料109を配置する。ついで、加熱炉本体101内を真空排気した後、内部反応管110から塩化水素ガスと水素ガスを導入し、反応ガス導入管103からアンモニア(NH)を導入し、キャリアガス導入管104から窒素ガス(N)を導入する。多ゾーン炉102を動作させて、原料ボート105内の原料109、サセプタ108、及び種子結晶107を加熱する。また、排気口106から反応ガス及びキャリアガスを排気する。この加熱により、原料ボート105内の原料109である金属Alと塩化水素が反応して塩化アルミニウムが発生し、塩化アルミニウムガスが内部反応管110の開放端部から発生した後、アンモニアガスと反応し、窒化アルミニウムが生成され、種子結晶107の表面に付着して結晶成長する。この際、種子結晶107での結晶成長の結晶化速度を制御するため、サセプタ108の温度と、原料109から発生する塩化アルミニウムガスの発生速度をそれぞれ最適化することが行われている。
また、窒化アルミニウム等の窒化物単結晶の製造方法に関する先行技術としては、以下のような特許文献1、非特許文献1及び非特許文献2に記載されたものが知られている。
特表2003−517416号公報 Noreika, A. J. et al. : J. Appl. Phys., 39, 5578(1968) Yim. W. M. et al. : J. Appl. Phys., 44, 292(1973)
従来の窒化アルミニウム単結晶の製造方法では、内部反応管110内で500〜900℃程度の高温に保持された金属Alと塩化水素ガスを反応させて主にAlClを生成し(上記式(1)参照)、加熱炉本体101内の1000℃程度に保たれた基板付近でNHと反応させてAlNを成長させている。この窒化アルミニウム単結晶の製造方法では、NHの反応効率が2%程度と低いために、原料の効率が悪いことが大きな問題となっている。
そこで、本発明の目的は、単結晶の成長速度が大きく、しかも欠陥の少ない良質な単結晶が得られる窒化アルミニウムの製造装置及び製造方法を提供することにある。
本発明の第1の特徴は、HVPE法により種子結晶上に窒化アルミニウム単結晶を成長させる窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、窒化アルミニウムを生成する反応ガス種として活性窒素を用いることを要旨とする。
ここで、活性窒素は、窒素ガスを高周波発振励起してプラズマ状態にしたものであることが好ましい。また、窒化アルミニウムを生成する反応を、雰囲気圧力が、1.33〜1333.2Paの範囲で行わせることが好ましく、更には、雰囲気圧力が1.33〜133.32Paの範囲であることがより好ましい。
本発明の第2の特徴は、窒化アルミニウム単結晶の製造装置であって、排気口が設けられた加熱炉本体と、前記加熱炉本体内に配置される種子結晶を保持するサセプタと、前記加熱炉本体内に塩素系ガス及びキャリアガスを導入すると共に、前記塩素系ガスと反応する金属Alが配置される内部反応管と、前記加熱炉本体内にアンモニアガスを導入する反応ガス導入管と、前記加熱炉本体内に活性窒素を導入する活性窒素導入管と、を備えることを要旨とする。
そして、活性窒素導入管はソレノイを備え、ソレノイドで高周波発振されて内部を流れる窒素が励起されて活性窒素を生成することが好ましい。
本発明によれば、窒化アルミニウム単結晶が効率よく製造でき、得られた窒化アルミニウム単結晶に欠陥がなく、良質で大口径の単結晶を製造できる。
以下、本発明の実施の形態に係る窒化アルミニウム単結晶の製造方法及びその製造装置について説明する。
図1は、本実施の形態に係る窒化物単結晶の製造装置としての窒化アルミニウム単結晶を製造する加熱炉1を示している。この加熱炉1は、加熱炉本体2と、この加熱炉本体2を取り囲む多ゾーン炉3とを備えている。加熱炉本体2の一方側の側壁2Aには、反応ガスである塩化水素(HCl)及び水素ガスを導入する内部反応管4と、反応ガスであるアンモニア(NH)を導入する反応ガス導入管5と、活性窒素を導入する活性窒素導入管6と、が連通するように設けられている。この活性窒素導入管6における加熱炉本体2の外側部分には、図1に示すように、高周波発振ソレノイドコイル7を取り囲むように配置している。
内部反応管4における加熱炉本体2内に位置する開放端部は、太い径に形成され、内部に原料ボート9が設けられている。この原料ボート9内には、金属Alでなる原料10が配置されるようになっている。
加熱炉本体2の他方側の側壁2Bには、排気口8が設けられている。また、加熱炉本体2における、内部反応管4の開放端部と排気口8との間の位置には、種子結晶(この場合サファイア)11が貼り付けられたサセプタ12が設けられている。このサセプタ12は、石英などからなる板状のもので、その種子結晶11を貼り付ける面はガス流に対して水平となっており、種子結晶11の表面も水平となっている。
このような加熱炉1を用いて窒化アルミニウム単結晶を製造する手順について説明する。先ず、原料ボート9内に金属Alでなる原料10を配置する。次いで、加熱炉本体2内を真空排気した後、内部反応管4から塩化水素ガスと水素ガスを導入し、反応ガス導入管5からアンモニア(NH)を導入し、活性窒素導入管6から活性窒素を導入する。このとき、高周波発振ソレノイドコイル7を作動させて窒素ガスをクラッキングして活性窒素を生成する。そして、多ゾーン炉3を動作させて、原料ボート9内の原料10、サセプタ12、及び種子結晶11を加熱する。また、排気口8から反応ガス及びキャリアガスを排気する。この加熱により、原料ボート9内の原料10である金属Alと塩化水素が反応して塩化アルミニウムが発生し、塩化アルミニウムガスが内部反応管4の開放端部から発生した後、この塩化アルミニウムガスに活性窒素とアンモニアガスとが反応し窒化アルミニウムガスが生成され、この窒化アルミニウムガスが種子結晶11の表面に付着して結晶成長する。この際、種子結晶11での結晶成長の結晶化速度を制御するため、サセプタ12の温度と、原料10から発生する塩化アルミニウムガスの発生速度をそれぞれ最適化する。
次に、上記構成の窒化アルミニウム単結晶の製造装置を用いて、以下の共通条件で窒化アルミニウム単結晶の作製を行った。
(共通条件)
AlCl発生部温度:500℃
サセプタ部温度:1000℃
金属Al充填量:10g
HCl流量:10sccm
流量:10sccm
高周波発振ソレノイドコイル条件:150W,13.56MHzのRFプラズマ装置を作動
上記の共通条件で、高周波発振ソレノイドコイル7で活性窒素が生成される活性窒素導入管6内のN流量と、NH流量を変化させてAlN単結晶作製実験を実施した。下表1、2はその結果を示す。ここで、下表1、2において、活性窒素とは高周波発振ソレノイドコイル7を作動させて活性化された窒素、不活性窒素とはソレノイドコイルを動作させずに窒素ガスそのものを導入した場合である。なお、下表2はサセプタ部温度を変化させた場合の結果を示す。
Figure 2007145645
Figure 2007145645
上記表1に示すように、不活性窒素ガスを用いた実験10、11では、AlN成長速度(μm/h)が0であり、X線ロッキングカーブ(XRC)半値幅(FWHM)は測定不可であった。
また、活性窒素を導入した場合、活性窒素の流量は少量から効果が得られ始め、NHに対して活性窒素が全量置換した場合に特に顕著なAlN成長速度を得ることができると共に、単結晶の品質が向上する効果を示した。
上記表1及び表2に示した結果から判るように、単結晶の品質を示すX線ロッキングカーブ(XRC)半値幅(FWHM)は、活性窒素の割合が増加するにつれて低下しており、結晶の品質が向上していることを示している。
また、系の圧力は、1.33〜1333.2Pa(0.01〜10Torr)の範囲で効果が得られ、特に、1.33〜133.32Pa(0.01〜1.0Torr)の範囲で顕著な効果が認められた。
さらに、活性窒素を導入したことにより、サセプタ部温度を800℃まで低下させても窒化アルミニウム単結晶が作製できると共に、高温では更なる効果があることが判明した。
このように、活性窒素を使用した加熱炉1では、反応速度の向上及び結晶性の向上が確認できる。
上述のように、本発明によれば、使用する反応ガス種に活性窒素を使用することで、HVPE法により窒化アルミニウム単結晶を製造する際に、得られる単結晶の成長速度が増加し、欠陥の発生が少なく、良質で、大口径の単結晶が効率よく製造できる。この理由は、内部反応管4で生成されたAlClが活性窒素と確実に反応されるため、未反応AlClが減少することにより結晶に欠陥が発生することを抑制できと考えられる。
また、本発明によれば、活性窒素を使用することで、さらに低温でも製作可能になることや、同じ温度でもアンモニア(NH)と比較して成長速度や品質に顕著な向上が認められる。
本発明の実施の形態に係る窒化物単結晶の製造装置を示す断面説明図である。 従来の窒化物単結晶の製造装置を示す断面説明図である。
符号の説明
1 加熱炉
2 加熱炉本体
3 多ゾーン炉
4 内部反応管
5 反応ガス導入管
6 活性窒素導入管
7 高周波発振ソレノイドコイル
8 排気口
9 原料ボート
10 原料
11 種子結晶
1 サセプタ

Claims (6)

  1. HVPE法により種子結晶上に窒化アルミニウム単結晶を成長させる窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、
    窒化アルミニウムを生成する反応ガス種として活性窒素を用い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。
  2. 前記活性窒素は、窒素ガスを高周波発振励起してプラズマ状態にしたものであることを特徴とする請求項1に記載された窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
  3. 前記窒化アルミニウムを生成する反応を、雰囲気圧力が、1.33〜1333.2Paの範囲で行わせることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
  4. 前記窒化アルミニウムを生成する反応を、雰囲気圧力が、1.33〜133.32Paの範囲で行わせることを特徴とする請求項3に記載された窒化アルミニウム単結晶の製造方法。
  5. 排気口が設けられた加熱炉本体と、
    前記加熱炉本体内に配置される種子結晶を保持するサセプタと、
    前記加熱炉本体内に塩素系ガス及びキャリアガスを導入すると共に、前記塩素系ガスと反応する金属Alが配置される内部反応管と、
    前記加熱炉本体内にアンモニアガスを導入する反応ガス導入管と、
    前記加熱炉本体内に活性窒素を導入する活性窒素導入管と、
    を備えることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
  6. 前記活性窒素導入管はソレノイドを備え、前記ソレノイドの高周波発振により内部を流れる窒素が活性窒素に励起されることを特徴とする請求項5に記載された窒化アルミニウム単結晶の製造装置。
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