JP2008013390A - ＡｌＮ結晶基板の製造方法、ＡｌＮ結晶の成長方法およびＡｌＮ結晶基板 - Google Patents

ＡｌＮ結晶基板の製造方法、ＡｌＮ結晶の成長方法およびＡｌＮ結晶基板 Download PDF

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Abstract

【課題】大型で高品質なＡｌＮ結晶基板を製造することができるＡｌＮ結晶基板の製造方法、大型で高品質なＡｌＮ結晶を成長させることができるＡｌＮ結晶の成長方法およびその成長方法により成長したＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を提供する。
【解決手段】異種基板１上に異種基板１の口径ｒに対して０．４ｒ以上の厚さにＡｌＮ結晶２を昇華法により成長させる工程と、異種基板１から２００μｍ以上離れたＡｌＮ結晶２の領域からＡｌＮ結晶基板３を形成する工程と、を含む、ＡｌＮ結晶基板３の製造方法である。また、その製造方法により製造されたＡｌＮ結晶基板３上にＡｌＮ結晶２を昇華法により成長させるＡｌＮ結晶２の成長方法とその成長方法より成長したＡｌＮ結晶２からなるＡｌＮ結晶基板３である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＡｌＮ結晶（窒化アルミニウム結晶）基板の製造方法、ＡｌＮ結晶の成長方法およびその成長方法により成長したＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板に関する。
ＡｌＮ結晶は、６．２ｅＶのエネルギバンドギャップ、約３．３ＷＫ-1ｃｍ-1の熱伝導率および高い電気抵抗を有しているため、光デバイスや電子デバイスなどの基板材料として注目されている。
このＡｌＮ結晶の成長方法としては、たとえば、昇華法によりＳｉＣ（炭化ケイ素）基板などの異種基板上に成長させる方法または昇華法により自発核成長させる方法などが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。
B.Raghothamachar et al., "X-ray characterization of bulk AlN single crystals grown by the sublimation technique", Journal of Crystal Growth, 250 (2003), pp.244-250
ＡｌＮ結晶を昇華法により異種基板上に成長させる方法においては、口径が大きい異種基板を用いることによって、大型のＡｌＮ結晶を成長させることができる。しかしながら、この方法においては、異種基板とＡｌＮ結晶との間の格子定数差や熱膨張係数差などの違いからクラックや転位密度が増加し、ＡｌＮ結晶の品質の低下、ひいてはそのＡｌＮ結晶から得られるＡｌＮ結晶基板の品質が低下するという問題があった。
また、昇華法によりＡｌＮ結晶を自発核成長させる方法によって作製されたＡｌＮ結晶は、光デバイスや電子デバイスなどの基板に適用できる程度のＡｌＮ結晶のサイズが得られないという問題もあった。
そこで、本発明の目的は、大型で高品質なＡｌＮ結晶基板を製造することができるＡｌＮ結晶基板の製造方法、大型で高品質なＡｌＮ結晶を成長させることができるＡｌＮ結晶の成長方法およびその成長方法により成長したＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を提供することにある。
本発明は、異種基板上に異種基板の口径ｒに対して０．４ｒ以上の厚さにＡｌＮ結晶を昇華法により成長させる工程と、異種基板から２００μｍ以上離れたＡｌＮ結晶の領域からＡｌＮ結晶基板を形成する工程と、を含む、ＡｌＮ結晶基板の製造方法である。
ここで、本発明のＡｌＮ結晶基板の製造方法においては、異種基板からＡｌＮ結晶の成長方向への距離が増加するにしたがってＡｌＮ結晶の転位密度が単調に減少していることが好ましい。
また、本発明のＡｌＮ結晶基板の製造方法においては、異種基板からＡｌＮ結晶の成長方向への距離をｔ（ｍｍ）とし、ｔ＝１のときのＡｌＮ結晶の転位密度をａ（／ｃｍ2）としたとき、ＡｌＮ結晶の転位密度Ｅは、ｔ≧１の範囲において、Ｅ＝ａ×ｔ-0.1の式で表わされる関数とＥ＝ａ×ｔ-3の式で表わされる関数の間の領域に存在することが好ましい。
また、本発明は、上記のいずれかのＡｌＮ結晶基板の製造方法により製造されたＡｌＮ結晶基板上にＡｌＮ結晶を昇華法により成長させるＡｌＮ結晶の成長方法である。
ここで、本発明のＡｌＮ結晶の成長方法においては、ＡｌＮ結晶基板の口径が２インチ以上であることが好ましい。
また、本発明のＡｌＮ結晶の成長方法においては、ＡｌＮ結晶基板上にＡｌＮ結晶を成長させるときの原料温度が、異種基板上にＡｌＮ結晶を成長させるときの原料温度よりも高いことが好ましい。
さらに、本発明は、上記のいずれかのＡｌＮ結晶の成長方法によって成長したＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板である。
本発明によれば、大型で高品質なＡｌＮ結晶基板を製造することができるＡｌＮ結晶基板の製造方法、大型で高品質なＡｌＮ結晶を成長させることができるＡｌＮ結晶の成長方法およびその成長方法により成長したＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
図１（ａ）〜図１（ｄ）の模式的断面図に、本発明のＡｌＮ結晶基板の製造方法の好ましい一例を示す。まず、図１（ａ）に示すように、口径がｒである異種基板１を用意する。ここで、本発明においては、異種基板１の材質はＡｌＮと材質が異なるものであれば特に限定はされないが、異種基板１の口径ｒを大きくすることができ、融点が高く、ＡｌＮ結晶と格子定数および熱膨張係数が近似している観点からはＳｉＣを用いることが好ましい。
次に、図１（ｂ）に示すように、異種基板１上に昇華法によりＡｌＮ結晶２を０．４ｒ以上の厚さに成長させる。なお、昇華法とは、固体の原料を昇華させた後に再結晶化させて固体の結晶を製造する方法である。
次いで、図１（ｃ）に示すように、異種基板１から２００μｍ以上離れたＡｌＮ結晶２の領域１０において、たとえば、２本の破線６、７の間の部分を切り出す。これにより、その切り出された部分から、図１（ｄ）に示すＡｌＮ結晶基板３が形成される。
このようにして得られたＡｌＮ結晶基板３は異種基板１の口径を大きくすることによって、口径の大きな大型のものとすることができ、さらに、転位密度が低い高品質なものとすることができる。これは、本発明者が鋭意検討した結果に見いだしたものであり、ＡｌＮ結晶基板３を高品質なものとすることができる理由は明らかではない。
ここで、本発明のＡｌＮ結晶基板の製造方法においては、異種基板１からＡｌＮ結晶２の成長方向への距離が増加するにしたがってＡｌＮ結晶２の転位密度が単調に減少していること（すなわち、異種基板１からＡｌＮ結晶２の最表面にかけてＡｌＮ結晶２の転位密度が単調に減少していること）が好ましい。この場合には、ＡｌＮ結晶基板３の転位密度がさらに低くなって、ＡｌＮ結晶基板３がより高品質となる傾向にある。
また、異種基板１からＡｌＮ結晶２の成長方向への距離をｔ（ｍｍ）としたとき、ｔの増加にしたがってＡｌＮ結晶２の転位密度が単調に減少する場合には、ｔ＝１のときの転位密度をａ（／ｃｍ2）としたとき、ＡｌＮ結晶２の転位密度Ｅは、ｔ≧１の範囲（異種基板１からＡｌＮ結晶２の成長方向への距離が１ｍｍ以上であるＡｌＮ結晶２の部分）において、Ｅ＝ａ×ｔ-0.1で示される関数とＥ＝ａ×ｔ-3で示される関数の間の領域に存在することが好ましい。すなわち、たとえば、図２に示すように、ＡｌＮ結晶２の転位密度Ｅは、Ｅ＝ａ×ｔ-0.1の式で表わされる関数１２とＥ＝ａ×ｔ-3の式で表わされる関数１３との間の領域１１（図２の斜線の領域）に存在することが好ましい。ＡｌＮ結晶２の転位密度Ｅが領域１１よりも上方の領域に存在する場合にはＡｌＮ結晶２の転位密度の減少量の低下若しくはＡｌＮ結晶２の転位密度が増加に転じ、ＡｌＮ結晶２の結晶性が不良となる傾向にある。また、ＡｌＮ結晶２の転位密度Ｅが領域１１よりも下方の領域に存在する場合にはＡｌＮ結晶２の転位密度の急激な減少によってＡｌＮ結晶２およびこのＡｌＮ結晶２から得られるＡｌＮ結晶基板の反りが大きくなる傾向にある。また、ＡｌＮ結晶２の転位密度Ｅが領域１１に存在する場合には、光デバイスや電子デバイスなどのデバイス用の基板に供することができる結晶性を有する傾向にある。なお、図２の横軸は異種基板１からＡｌＮ結晶２の成長方向への距離ｔ（ｍｍ）を示し、縦軸はＡｌＮ結晶２の転位密度Ｅ（／ｃｍ2）を示している。
続いて、図３（ａ）〜図３（ｃ）の模式的断面図に、本発明のＡｌＮ結晶の成長方法の好ましい一例を示す。ここで、まず、図３（ａ）に示すように、上記のようにして得られた本発明のＡｌＮ結晶基板３上に昇華法によりＡｌＮ結晶４を成長させる。
次に、図３（ｂ）に示すように、ＡｌＮ結晶基板３上に成長したＡｌＮ結晶４について、たとえば、２本の破線８、９の間の部分を切り出すことによって、図３（ｃ）に示すＡｌＮ結晶基板５を製造することができる。
このようにして得られたＡｌＮ結晶基板５は、大型で転位密度が低い高品質なＡｌＮ結晶基板３上に成長したＡｌＮ結晶４を切り出したものであるため、ＡｌＮ結晶基板５は、その口径が大きく大型であり、ＡｌＮ結晶基板３よりもさらに転位密度が低く高品質なものとなる。
また、本発明のＡｌＮ結晶の成長方法において、大型のＡｌＮ結晶４を成長させる観点からは、ＡｌＮ結晶基板３の口径が２インチ以上であることが好ましい。
また、本発明のＡｌＮ結晶の成長方法において、図３に示すＡｌＮ結晶基板３上にＡｌＮ結晶４を成長させるときの成長温度（原料温度）が、図１に示す異種基板１上にＡｌＮ結晶２を成長させるときの成長温度（原料温度）よりも高いことが好ましい。ＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板３は融点が高く、ＡｌＮ結晶４を高温で成長させることができることから、ＡｌＮ結晶４の成長速度を高くすることができる。したがって、この場合には、ＡｌＮ結晶４の生産性をより向上することができる傾向にある。
このような本発明のＡｌＮ結晶基板の製造方法により得られたＡｌＮ結晶基板および本発明のＡｌＮ結晶の成長方法により得られたＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板は大型で高品質にすることができることから、たとえば、光デバイス（発光ダイオード、レーザダイオードなど）、電子デバイス（整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタまたはＨＥＭＴなど）、半導体センサ（温度センサ、圧力センサ、放射センサまたは可視−紫外光検出器など）、ＳＡＷデバイス（Surface Acoustic Wave Device）、加速度センサ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）部品、圧電振動子、共振器または圧電アクチュエータなどのデバイスに好適に用いることができる。
（実施例１）
まず、図４に示す結晶成長炉の坩堝１５の上部に異種基板として円盤状のＳｉＣ基板１６を設置し、坩堝１５の下部に原料であるＡｌＮ粉末１７を収容した。ここで、ＳｉＣ基板１６の口径ｒは２インチ（５０．８ｍｍ）であって、厚さは０．５ｍｍであった。また、ＳｉＣ基板１６の裏側には種結晶保護材１８が密着するように配置して、種結晶保護材１８によってＳｉＣ基板１６の昇華を防止した。なお、図４に示す結晶成長炉は、断熱材１９と放射温度計２１ａ、２１ｂとを含んでいる。
次に、反応容器２２内に窒素ガスを流しながら、高周波加熱コイル２３を用いて坩堝１５内の温度を上昇させ、ＳｉＣ基板１６の温度を１７００℃、ＡｌＮ粉末１７の温度を１９００℃にしてＡｌＮ粉末１７を昇華させ、ＳｉＣ基板１６上で再結晶化させて、ＳｉＣ基板１６上にＡｌＮ結晶を０．４ｒ（２０．３２ｍｍ）以上の厚さに昇華法によりヘテロエピタキシャル成長させた。
なお、ＡｌＮ結晶のヘテロエピタキシャル成長中においては、反応容器２２内に窒素ガスを流し続け、反応容器２２内のガス分圧が１０ｋＰａ〜１００ｋＰａ程度になるように、窒素ガス排気量を制御した。また、ＡｌＮ結晶のヘテロエピタキシャル成長後は、これを室温（２５℃）まで冷却した。
ここで、本実施例と同一の方法および同一の条件で、別途、ＳｉＣ基板上にＡｌＮ結晶をヘテロエピタキシャル成長させ、そのＡｌＮ結晶の厚さ方向の転位密度について調査した結果、ＳｉＣ基板１６からＡｌＮ結晶の成長方向への距離ｔ（ｍｍ）が１ｍｍであるときのＡｌＮ結晶の転位密度は５．０×１０6（／ｃｍ2）であった。
なお、ＡｌＮ結晶の転位密度は、ＡｌＮ結晶の厚さ方向の異なる複数の箇所でＡｌＮ結晶をＳｉＣ基板の表面と平行な方向に切り出してＡｌＮ結晶の表面を露出させ、露出させたそれぞれの表面について２５０℃のＫＯＨとＮａＯＨとの混合融液（ＫＯＨの質量：ＮａＯＨの質量＝１：１）を用いて、３０分間、それぞれの表面のエッチングを行ない、その表面に現われたエッチピットの密度を測定する方法により求めた。そして、上記で求めたＡｌＮ結晶の転位密度を縦軸とし、その転位密度が測定されたＳｉＣ基板からの距離を横軸としてグラフを作成した。
次いで、ＳｉＣ基板１６上にヘテロエピタキシャル成長させたＡｌＮ結晶について、ＳｉＣ基板１６から２００μｍ離れた位置およびその位置からＳｉＣ基板１６がある方向とは逆方向に０．５ｍｍ離れた位置のそれぞれにおいてＳｉＣ基板１６の表面と平行にＡｌＮ結晶を切断した。そして、その表面を鏡面に研磨しエッチングを行なって、円盤状のＡｌＮ結晶基板（実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａ）を作製した。ここで、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの口径は２インチ（５０．８ｍｍ）であって、厚さは０．５ｍｍであった。
この実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａについて、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅と転位密度を評価した。その結果を表１に示す。表１に示すように、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は３５０ａｒｃｓｅｃであって、転位密度は５．２×１０6／ｃｍ2であった。
なお、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅はＸ線回折装置を用いて測定された。また、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの転位密度は、２５０℃のＫＯＨとＮａＯＨとの混合融液（ＫＯＨの質量：ＮａＯＨの質量＝１：１）を用いて、３０分間、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの表面全体のエッチングを行ない、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの表面において１００個のエッチピットをカウントし、エッチピットがカウントされた領域の面積を算出し、１００個をその面積で割ることにより求めた。
また、上記の実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの他にも、ＳｉＣ基板１６から２００μｍ＋２ｍｍ、２００μｍ＋４ｍｍ、２００μｍ＋１０ｍｍ、２００μｍ＋２０ｍｍのそれぞれの位置と、これらのそれぞれの位置からＳｉＣ基板１６がある方向とは逆方向に０．５ｍｍ離れた位置についてＳｉＣ基板１６の表面と平行にＡｌＮ結晶を切断して、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ｂ（切断位置：２００μｍ＋２ｍｍ）、第１ＡｌＮ結晶基板Ｃ（切断位置：２００μｍ＋４ｍｍ）、第１ＡｌＮ結晶基板Ｄ（切断位置：２００μｍ＋１０ｍｍ）および第１ＡｌＮ結晶基板Ｅ（切断位置：２００μｍ＋２０ｍｍ）を作製した。
これらの実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅについても、上記の実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａと同一の方法および同一の条件で（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅および転位密度を評価した。その評価結果を表１に示す。
表１に示す実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａ〜Ｅの評価結果からわかるように、実施例１で成長したＡｌＮ結晶については、ＳｉＣ基板１６からＡｌＮ結晶の成長方向への距離が増加するにしたがってＡｌＮ結晶の転位密度が減少しており、ＳｉＣ基板１６からＡｌＮ結晶の成長方向への距離をｔ（ｍｍ）とし、ｔ＝１のときのＡｌＮ結晶の転位密度をａ（／ｃｍ2）としたとき、ＡｌＮ結晶の転位密度Ｅは、ｔ≧１の範囲において、Ｅ＝ａ×ｔ-0.1の式で表わされる関数とＥ＝ａ×ｔ-3の式で表わされる関数の間の領域に存在し、この領域内において成長方向への距離の増加と共にＡｌＮ結晶の転位密度が減少していることが確認された。
また、図４に示す装置の坩堝１５の上部に上記の実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板ＡをＳｉＣ基板１６に代えて設置し、坩堝１５の下部に原料であるＡｌＮ粉末１７を収容した。ここでも、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの裏側に種結晶保護材１８が密着するように配置して、種結晶保護材１８によって実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの昇華を防止した。
そして、反応容器２２内に窒素ガスを流しながら、高周波加熱コイル２３を用いて坩堝１５内の温度を上昇させ、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの温度を２０００℃、ＡｌＮ粉末１７の温度を２３００℃にしてＡｌＮ粉末１７を昇華させ、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａ上で再結晶化させて、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａ上にＡｌＮ結晶を昇華法によりホモエピタキシャル成長させた。
ここで、ＡｌＮ結晶のホモエピタキシャル成長中においても、反応容器２２内に窒素ガスを流し続け、反応容器２２内のガス分圧が１０ｋＰａ〜１００ｋＰａＰａ程度になるように、窒素ガス排気量を制御した。また、ＡｌＮ結晶のホモエピタキシャル成長後は、これを室温（２５℃）まで冷却した。
上記のようにして得られたＡｌＮ結晶について、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａから２００μｍ離れた位置およびその位置から実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａがある方向とは逆方向に０．５ｍｍ離れた位置のそれぞれにおいて実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの表面と平行にＡｌＮ結晶を切断した。そして、その表面を鏡面に研磨しエッチングを行なって、口径が２インチで厚さが０．５ｍｍである円盤状のＡｌＮ結晶基板（実施例１の第２ＡｌＮ結晶基板Ａ）を得た。
この実施例１の第２ＡｌＮ結晶基板Ａについて、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａと同一の方法および同一の条件で、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅と転位密度を評価した。その結果を表１に示す。表１に示すように、実施例１の第２ＡｌＮ結晶基板Ａの（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は２００ａｒｃｓｅｃであって、転位密度は２×１０6／ｃｍ2であった。
また、実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの場合と同一の方法および同一の条件で、上記の実施例１の第１ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅ上にもそれぞれＡｌＮ結晶を成長させ、成長させたそれぞれのＡｌＮ結晶から実施例１の第２ＡｌＮ結晶基板Ａの場合と同様にして実施例１の第２ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅをそれぞれ作製した。
そして、実施例１の第２ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅについても、実施例１の第２ＡｌＮ結晶基板Ａの場合と同一の方法および同一の条件で（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅と転位密度を評価した。その結果を表１に示す。
Figure 2008013390
（実施例２）
まず、実施例１と同一の方法で、ＳｉＣ基板上に、ＳｉＣ基板の口径ｒ（５０．８ｍｍ）に対して０．４ｒ（２０．３２ｍｍ）以上の厚さにＡｌＮ結晶を昇華法によりヘテロエピタキシャル成長させた。ここで、実施例２においては、実施例１と条件を変更してヘテロエピタキシャル成長させた。そのＡｌＮ結晶の厚さｔが１ｍｍであるときのＡｌＮ結晶の転位密度は６．０×１０6（／ｃｍ2）であった。
次いで、ＳｉＣ基板上にヘテロエピタキシャル成長させたＡｌＮ結晶について、ＳｉＣ基板から２００μｍ離れた位置およびその位置からＳｉＣ基板がある方向とは逆方向に０．５ｍｍ離れた位置のそれぞれにおいてＳｉＣ基板の表面と平行にＡｌＮ結晶を切断した。そして、その表面を鏡面に研磨しエッチングを行なって、円盤状のＡｌＮ結晶基板（実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ａ）を作製した。ここで、実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの口径は２インチ（５０．８ｍｍ）であって、厚さは０．５ｍｍであった。
この実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ａについて、実施例１と同一の方法および同一の条件で、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅と転位密度を評価した。その結果を表２に示す。表２に示すように、実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は８３０ａｒｃｓｅｃであって、転位密度は６×１０6／ｃｍ2であった。
また、上記の実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの他にも、ＳｉＣ基板から２００μｍ＋２ｍｍ、２００μｍ＋４ｍｍ、２００μｍ＋１０ｍｍ、２００μｍ＋２０ｍｍのそれぞれの位置と、これらのそれぞれの位置からＳｉＣ基板がある方向とは逆方向に０．５ｍｍ離れた位置についてＳｉＣ基板の表面と平行にＡｌＮ結晶を切断して、実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ｂ（切断位置：２００μｍ＋２ｍｍ）、第１ＡｌＮ結晶基板Ｃ（切断位置：２００μｍ＋４ｍｍ）、第１ＡｌＮ結晶基板Ｄ（切断位置：２００μｍ＋１０ｍｍ）および第１ＡｌＮ結晶基板Ｅ（切断位置：２００μｍ＋２０ｍｍ）を作製した。
これらの実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅについても、上記の実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ａと同一の方法および同一の条件で（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅および転位密度を評価した。その評価結果を表２に示す。
表２に示す実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ａ〜Ｅの評価結果からわかるように、実施例２で成長したＡｌＮ結晶については、ＳｉＣ基板からＡｌＮ結晶の成長方向への距離をｔ（ｍｍ）とし、ｔ＝１のときのＡｌＮ結晶の転位密度をａ（／ｃｍ2）としたとき、ＡｌＮ結晶の転位密度Ｅは、ｔ≧１の範囲において、Ｅ＝ａ×ｔ-0.1の式で表わされる関数とＥ＝ａ×ｔ-3の式で表わされる関数の間の領域の上方の領域に存在し、ＡｌＮ結晶の厚さの増加に伴ってＡｌＮ結晶の転位密度が増加する傾向にあることが確認された。
また、実施例１と同一の方法および同一の条件で、実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ａ上にＡｌＮ結晶を昇華法によりホモエピタキシャル成長させた。そして、ＡｌＮ結晶のホモエピタキシャル成長後は、これを室温（２５℃）まで冷却した。
上記のようにして得られたＡｌＮ結晶について、実施例１と同一の方法および同一の条件で切り出し、その表面を鏡面に研磨しエッチングを行なって、口径が２インチで厚さが０．５ｍｍである円盤状のＡｌＮ結晶基板（実施例２の第２ＡｌＮ結晶基板Ａ）を得た。
この実施例２の第２ＡｌＮ結晶基板Ａについて、実施例１と同一の方法および同一の条件で、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅と転位密度を評価した。その結果を表２に示す。表２に示すように、実施例２の第２ＡｌＮ結晶基板Ａの（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は６００ａｒｃｓｅｃであって、転位密度は５．８×１０6／ｃｍ2であった。
また、実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの場合と同一の方法および同一の条件で、上記の実施例２の第２ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅ上にもそれぞれＡｌＮ結晶を成長させ、成長させたそれぞれのＡｌＮ結晶から実施例２の第２ＡｌＮ結晶基板Ａの場合と同様にして実施例２の第２ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅをそれぞれ作製した。
そして、実施例２の第２ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅについても、実施例２の第２ＡｌＮ結晶基板Ａの場合と同一の方法および同一の条件で（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅と転位密度を評価した。その結果を表２に示す。
Figure 2008013390
表２に示すように、実施例２の第２ＡｌＮ結晶基板Ａ〜Ｅの（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅と転位密度はそれぞれ、それぞれの下地となった実施例２の第１ＡｌＮ結晶基板Ａ〜Ｅと比べて良好な値を示して結晶性は良好になっていた。しかしながら、実施例２の第２ＡｌＮ結晶基板Ａ〜Ｅの（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅と転位密度はそれぞれ、実施例１の第２ＡｌＮ結晶基板Ａ〜Ｅよりは良好な値が得られなかった。
（実施例３）
まず、実施例１と同一の方法で、ＳｉＣ基板上に、ＳｉＣ基板の口径ｒ（５０．８ｍｍ）に対して０．４ｒ（２０．３２ｍｍ）以上の厚さにＡｌＮ結晶を昇華法によりヘテロエピタキシャル成長させた。ここで、実施例３においては、実施例１と条件を変更してヘテロエピタキシャル成長させた。そのＡｌＮ結晶の厚さｔが１ｍｍであるときのＡｌＮ結晶の転位密度は５．０×１０6（／ｃｍ2）であった。
次いで、ＳｉＣ基板上にヘテロエピタキシャル成長させたＡｌＮ結晶について、ＳｉＣ基板から２００μｍ離れた位置およびその位置からＳｉＣ基板がある方向とは逆方向に０．５ｍｍ離れた位置のそれぞれにおいてＳｉＣ基板の表面と平行にＡｌＮ結晶を切断した。そして、その表面を鏡面に研磨しエッチングを行なって、円盤状のＡｌＮ結晶基板（実施例３の第１ＡｌＮ結晶基板Ａ）を作製した。ここで、実施例３の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの口径は２インチ（５０．８ｍｍ）であって、厚さは０．５ｍｍであった。
この実施例３の第１ＡｌＮ結晶基板Ａについて、実施例１と同一の方法および同一の条件で、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅と転位密度を評価した。その結果を表３に示す。表３に示すように、実施例３の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は４００ａｒｃｓｅｃであって、転位密度は１．５×１０7／ｃｍ2であった。
また、上記の実施例３の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの他にも、ＳｉＣ基板から２００μｍ＋２ｍｍ、２００μｍ＋４ｍｍ、２００μｍ＋１０ｍｍ、２００μｍ＋２０ｍｍのそれぞれの位置と、これらのそれぞれの位置からＳｉＣ基板がある方向とは逆方向に０．５ｍｍ離れた位置についてＳｉＣ基板の表面と平行にＡｌＮ結晶を切断して、実施例３の第１ＡｌＮ結晶基板Ｂ（切断位置：２００μｍ＋２ｍｍ）、第１ＡｌＮ結晶基板Ｃ（切断位置：２００μｍ＋４ｍｍ）、第１ＡｌＮ結晶基板Ｄ（切断位置：２００μｍ＋１０ｍｍ）および第１ＡｌＮ結晶基板Ｅ（切断位置：２００μｍ＋２０ｍｍ）を作製した。
これらの実施例３の第１ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅについても、上記の実施例３の第１ＡｌＮ結晶基板Ａと同一の方法および同一の条件で（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅および転位密度を評価した。その評価結果を表３に示す。
表３に示す実施例３の第１ＡｌＮ結晶基板Ａ〜Ｅの評価結果からわかるように、実施例３で成長したＡｌＮ結晶については、ＳｉＣ基板からＡｌＮ結晶の成長方向への距離をｔ（ｍｍ）とし、ｔ＝１のときのＡｌＮ結晶の転位密度をａ（／ｃｍ2）としたとき、ＡｌＮ結晶の転位密度Ｅは、ｔ≧１の範囲において、Ｅ＝ａ×ｔ-0.1の式で表わされる関数とＥ＝ａ×ｔ-3の式で表わされる関数の間の領域の下方の領域に存在し、ＡｌＮ結晶の転位密度はＡｌＮ結晶の厚みの増加に伴って急速に減少することが確認された。また、実施例３において、ＳｉＣ基板上に成長したＡｌＮ結晶は大きな反りを有していることが確認された。
また、実施例１と同一の方法および同一の条件で、実施例３の第１ＡｌＮ結晶基板Ａ上にＡｌＮ結晶を昇華法によりホモエピタキシャル成長させた。そして、ＡｌＮ結晶のホモエピタキシャル成長後は、これを室温（２５℃）まで冷却した。
上記のようにして得られたＡｌＮ結晶について、実施例１と同一の方法および同一の条件で切り出し、その表面を鏡面に研磨しエッチングを行なって、口径が２インチで厚さが０．５ｍｍである円盤状のＡｌＮ結晶基板（実施例３の第２ＡｌＮ結晶基板Ａ）を得た。
この実施例３の第２ＡｌＮ結晶基板Ａについて、実施例１と同一の方法および同一の条件で、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅と転位密度を評価した。その結果を表３に示す。表３に示すように、実施例３の第２ＡｌＮ結晶基板Ａの（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は５５０ａｒｃｓｅｃであって、転位密度は６×１０3／ｃｍ2であった。
また、実施例３の第１ＡｌＮ結晶基板Ａの場合と同一の方法および同一の条件で、上記の実施例３の第２ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅ上にもそれぞれＡｌＮ結晶を成長させ、成長させたそれぞれのＡｌＮ結晶から実施例３の第２ＡｌＮ結晶基板Ａの場合と同様にして実施例３の第２ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅをそれぞれ作製した。
そして、実施例３の第２ＡｌＮ結晶基板Ｂ〜Ｅについても、実施例３の第２ＡｌＮ結晶基板Ａの場合と同一の方法および同一の条件で（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅と転位密度を評価した。その結果を表３に示す。
Figure 2008013390
表３に示すように、実施例３の第２ＡｌＮ結晶基板Ａ〜Ｅは、実施例１の第２ＡｌＮ結晶基板Ａ〜Ｅと比べて、転位密度は低減する傾向にあったが、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は悪くなる傾向にあった。
（比較例１）
実施例１と同一の方法および同一の条件で、ＳｉＣ基板上に、ＳｉＣ基板の口径ｒ（５０．８ｍｍ）に対して０．４ｒ（２０．３２ｍｍ）未満の厚さで１９ｍｍの厚さのＡｌＮ結晶を昇華法によりヘテロエピタキシャル成長させた。その後、ＳｉＣ基板を剥離しようとしたところ、クラックによりＡｌＮ結晶が割れてしまった。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明によれば、大型で高品質なＡｌＮ結晶基板を製造することができるＡｌＮ結晶基板の製造方法、大型で高品質なＡｌＮ結晶を成長させることができるＡｌＮ結晶の成長方法およびその成長方法により成長したＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を提供することができる。
（ａ）〜（ｄ）は、本発明のＡｌＮ結晶基板の製造方法の好ましい一例を示す模式的な断面図である。 本発明において異種基板上に成長させたＡｌＮ結晶の転位密度の分布の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明のＡｌＮ結晶の成長方法の好ましい一例を示す模式的な断面図である。 実施例１〜実施例３および比較例１で用いられた結晶成長炉の模式的な断面図である。
符号の説明
１ 異種基板、２，４ ＡｌＮ結晶、３，５ ＡｌＮ結晶基板、６，７，８，９ 破線、１０，１１ 領域、１２，１３ 関数、１５ 坩堝、１６ ＳｉＣ基板、１７ ＡｌＮ粉末、１８ 種結晶保護材、１９ 断熱材、２１ａ，２１ｂ 放射温度計、２２ 反応容器、２３ 高周波加熱コイル。

Claims (7)

  1. 異種基板上に前記異種基板の口径ｒに対して０．４ｒ以上の厚さにＡｌＮ結晶を昇華法により成長させる工程と、前記異種基板から２００μｍ以上離れた前記ＡｌＮ結晶の領域からＡｌＮ結晶基板を形成する工程と、を含む、ＡｌＮ結晶基板の製造方法。
  2. 前記異種基板から前記ＡｌＮ結晶の成長方向への距離が増加するにしたがって前記ＡｌＮ結晶の転位密度が単調に減少していることを特徴とする、請求項１に記載のＡｌＮ結晶基板の製造方法。
  3. 前記異種基板から前記ＡｌＮ結晶の成長方向への距離をｔ（ｍｍ）とし、ｔ＝１のときの前記ＡｌＮ結晶の転位密度をａ（／ｃｍ2）としたとき、前記ＡｌＮ結晶の転位密度Ｅは、ｔ≧１の範囲において、Ｅ＝ａ×ｔ-0.1の式で表わされる関数とＥ＝ａ×ｔ-3の式で表わされる関数の間の領域に存在することを特徴とする、請求項２に記載のＡｌＮ結晶基板の製造方法。
  4. 請求項１から３のいずれかに記載のＡｌＮ結晶基板の製造方法により製造されたＡｌＮ結晶基板上にＡｌＮ結晶を昇華法により成長させることを特徴とする、ＡｌＮ結晶の成長方法。
  5. 前記ＡｌＮ結晶基板の口径が２インチ以上であることを特徴とする、請求項４に記載のＡｌＮ結晶の成長方法。
  6. 前記ＡｌＮ結晶基板上に前記ＡｌＮ結晶を成長させるときの原料温度が、前記異種基板上に前記ＡｌＮ結晶を成長させるときの原料温度よりも高いことを特徴とする、請求項４または５に記載のＡｌＮ結晶の成長方法。
  7. 請求項４から６のいずれかに記載のＡｌＮ結晶の成長方法によって成長したＡｌＮ結晶からなる、ＡｌＮ結晶基板。
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