JP2009249199A

JP2009249199A - 窒化アルミニウム単結晶の製造装置

Info

Publication number: JP2009249199A
Application number: JP2008096229A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kamata; 弘之鎌田; Toshiaki Mabuchi; 利明馬淵
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2009-10-29

Abstract

【課題】エネルギー負荷を高めることなく成長速度を速めて窒化アルミニウム単結晶を作製することが可能な窒化アルミニウム単結晶の製造装置を提供すること。
【解決手段】上部に開口部を有し、内部空間３ａの底面側に原料２２を収納する反応室３と、該開口部を塞ぐサセプタ４とからなる加熱炉本体、内部空間３ａへ外部からプロセスガスを導入する第一ガス供給手段５ａ、及び内部空間３ａへ外部からキャリアガスを導入する第二ガス供給手段５ｂ、を少なくとも備え、第一ガス供給手段５ａが内部空間３ａに開口するように反応室３の側壁に設けられた第一導入部５Ａと、第二ガス供給手段５ｂが内部空間３ａに開口するように反応室３の側壁に設けられた第二導入部５Ｂとが、サセプタ４から原料２２の方向に見て順に配置されていること。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化アルミニウム単結晶の製造装置に係り、より詳しくは、窒化アルミニウム単結晶の成長速度の向上を図った窒化アルミニウム単結晶の製造装置に関する。

近年、ＩＩＩ族窒化物半導体に関与した研究開発の進展は目覚しく、青色、紫外発光デバイスが市販されるまでに至っている。ＧａＮ系ＬＥＤのデバイスは、種子基板上に有機金属気相成長法（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy,ＭＯＶＰＥ）により作製されている。

現在、種子基板としては主にサファイアが用いられているが、熱伝導率が４０Ｗｍ^−１Ｋ^−１と低く、放熱性に乏しい。また、ＧａＮ系発光材料との格子不整合が１３．８％と大きいため、ミスフィット転位の発生が避けられない。ＧａＮ系ＬＥＤはさらなる高輝度が進むと予測されるが、輝度を上げるにはより高い投入電力が必要であることから、多量の熱が発生してしまう。加えて、転位密度が低く、高結晶性であるほど輝度は上昇する。したがって、高輝度化に向けてはサファイアより熱伝導率が高く、格子不整合の小さい基板材料が求められている。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）単結晶は、熱伝導率が２９０Ｗｍ^−１Ｋ^−１と非常に高く、ＧａＮとの格子不整合が２．４％と小さいため、ＧａＮ系、特に、より格子不整合の小さいＡｌＧａＮ系半導体の基板材料として期待されている。窒化アルミニウム単結晶の作製方法は、溶液法ではフラックス法が、気相法では、ＭＯＶＰＥ、水素化物気相堆積法（Hydride Vapor Phase Epitaxy,ＨＶＰＥ）、昇華法などが挙げられる。この中でも昇華法は、一般的に成長速度が大きいため、バルク結晶の作製に対して有力な方法である。この昇華法とは、原料である窒化アルミニウムを昇華させ、それを昇華温度より低い温度域で再凝縮させ、単結晶を作製する方法である。

昇華法による窒化アルミニウム単結晶作製の作製は、例えば特許文献１〜２や、非特許文献１に示されており、原料として窒化アルミニウム粉末が用いられ、雰囲気ガスとして窒素ガスがそれぞれ用いられている。実験では、窒化アルミニウム原料を加熱して昇華させるが、雰囲気ガスとして窒素を用いていると、下記式（Ａ）に示す化学平衡の右側への移行、すなわち、窒化アルミニウムの昇華速度が抑制されるという課題がある。

窒化アルミニウム原料は通常２０００℃と極めて高温で昇華させるため、電気炉に投入する電力が非常に大きい。しかし、窒化アルミニウム原料の雰囲気ガスとして窒素を使うと、成長速度を上げるために昇華速度を増加させるには、上記の理由により昇華温度をさらに上げる必要があり、エネルギー負荷が高くなってしまう。
特開２００５−３４３７２２号公報特開２００６−１６９０２３号公報 R.Schlesser, R. Dalmau, and Z. Sitar, Journal of Crystal Growth 241(2002), pp.416-420

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、エネルギー負荷を高めることなく成長速度を速めて窒化アルミニウム単結晶を作製することが可能な窒化アルミニウム単結晶の製造装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造装置は、上部に開口部を有し、内部空間の底面側に原料を収納する反応室と、該開口部を塞ぐサセプタとからなる加熱炉本体、前記内部空間へ外部からプロセスガスを導入する第一ガス供給手段、及び前記内部空間へ外部からキャリアガスを導入する第二ガス供給手段、を少なくとも備え、前記第一ガス供給手段が前記内部空間に開口するように前記反応室の側壁に設けられた第一導入部と、前記第二ガス供給手段が前記内部空間に開口するように前記反応室の側壁に設けられた第二導入部とが、前記サセプタから前記原料の方向に見て、順に配置されていることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造装置は、請求項１において、前記第一導入部と前記第二導入部との間にあって、前記第一導入部が配された第一空間と前記第二導入部が配された第二空間とに前記内部空間を隔てるような間隙が、前記第一空間と前記第二空間とを連通する連通部を有して配されていることを特徴とする。

本発明の製造装置によれば、原料である窒化アルミニウムが昇華する部位には、キャリアガスが流入する。したがって、該原料が昇華する際にプロセスガスである窒素ガスと反応することがないため、効率よく原料の窒化アルミニウムを昇華させることが可能となる。ゆえに、エネルギー負荷を高めることなく窒化アルミニウムの結晶成長速度の向上が図れる。

以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に関わる窒化アルミニウム単結晶の製造装置９Ａの一例を模式的に示した断面図である。
本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造装置９Ａは、上部に開口部を有し、内部空間３ａの底面側に原料２２を収納する反応室３と、該開口部を塞ぐサセプタ４とからなる加熱炉本体、内部空間３ａへ外部からプロセスガスを導入する第一ガス供給手段５ａ、及び内部空間３ａへ外部からキャリアガスを導入する第二ガス供給手段５ｂ、から概略構成されている。また、第一ガス供給手段５ａが内部空間３ａに開口するように反応室３の側壁に設けられた第一導入部５Ａと、第二ガス供給手段５ｂが内部空間３ａに開口するように反応室３の側壁に設けられた第二導入部５Ｂとが、サセプタ４から原料２２の方向に見て、順に配置されている。さらに、加熱炉本体内に配された原料２２と、サセプタ４と、サセプタ４に配された種子基板１１とを加熱する加熱手段７が加熱炉本体に沿って、配されている。加熱炉本体は、支持手段２により、所定の位置に配置され、上記加熱炉本体、加熱手段７、及び支持手段２は、真空ポンプ６が設けられたチャンバー１内に配されている。

加熱炉本体３，４、温度調節手段７、支持手段２、チャンバー１、及び真空ポンプ６としては、特に限定されるものではなく、従来公知のものを用いることができる。

第一ガス供給手段５ａは、チャンバー１外から反応室３内にプロセスガスである窒素ガスを導入するものである。第一ガス供給手段５ａの導入部５Ａは、反応室３側壁にあって、第二ガス供給手段５ｂの導入部５Ｂよりもサセプタ４側に設けられている。

第二ガス供給手段５ｂは、チャンバー１外から反応室３内にキャリアガスを導入するものである。第二ガス供給手段５ｂの導入部５Ｂは、反応室３側壁にあって、原料２２近傍に設けられている。
キャリアガスとしては、窒化アルミニウムに対して不活性なガスを用い、アルゴンガスや水素ガスなどが好ましい。
このように、第二ガス供給手段５ｂの導入部５Ｂが原料２２近傍に設けられ、この導入部５Ｂから導入されたキャリアガスが原料２２表面を覆うことで、原料２２が昇華する際に、プロセスガスである窒素ガスが原料２２と反応できなくなり、効率よく、原料２２を昇華させることが可能となる。

原料２２としては、粉末状やペレット状、多結晶体を破砕した破片などの窒化アルミニウム用いることができる。

種子基板１１は、サセプタ４が原料２２と対向する面に配された炭化ケイ素やサファイア、製造するべき単結晶（化合物半導体結晶）からなる基板であり、結晶方位が既知であり、所望の結晶方位が得られるようにサセプタ４に取り付けられる。なお、サセプタ４の種子基板１１が配される面と種子基板１１の被堆積面１１ａとは水平となるように配されている。

＜第２実施形態＞
図２は、本発明の第２実施形態に係る窒化アルミニウム単結晶の製造装置９Ｂを模式的に示した断面図である。本実施形態が第１実施形態と異なる点は、隔壁８が反応室３内に設けられている点である。

隔壁８は、第一導入部５Ａと第二導入部５Ｂとの間にあって、内部空間３ａを第一導入部５Ａが配された第一空間３ｂと第二導入部５Ｂが配された第二空間３ｃとに隔てている。また隔壁８は、第一空間３ｂと第二空間３ｃとを連通する連通部８ａを有している。
隔壁８を設けることで、プロセスガスは原料２２が配された第二空間３ｃへと流入し難くなり、該プロセスガスが原料２２と接触することをより効果的に抑制することが可能となる。このような隔壁８としては、反応室３と同様な材質のもので構成することができる。また、連通部８ａの大きさは、昇華したガスが第一空間３ｂに十分に流入できる程度であれば、特に限定されるものではない。

次に、本発明の製造装置を用いた、窒化アルミニウム単結晶の製造方法を説明する。
まず、窒化アルミニウムの粉末や焼結体などの原料２２を反応室３下部にセットし、種子基板１１をサセプタ４に水平に配して加熱炉本体を密閉する。
次いで、真空ポンプ６により真空排気した後、第二ガス供給手段５ｂによりアルゴンガスや水素ガスなどのキャリアガスを加熱炉本体内に導入し、続いて第一ガス供給手段５ａにより、窒素からなるプロセスガスを加熱炉本体内に導入する。チャンバー１内圧力は例えば１０Ｔｏｒｒ以上７６０Ｔｏｒｒ以下、キャリアガス流量は、例えば５０ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下、プロセスガス流量は、例えば５０ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下である。キャリアガス流量よりもプロセスガス流量の方が大きいことが好ましい。
そして、原料２２が配された反応室３の下部（昇華部）の方が、種子基板１１が配されたサセプタ４（析出部）よりも高温となるように加熱手段７により加熱炉本体内の原料やサセプタ４、種子基板１１を加熱する。例えば昇華部の温度は、１８００℃以上２４００℃以下、析出部の温度は、１７００℃以上２３００℃以下である。昇華部の温度の方が、析出部の温度より高い方が好ましい。
加熱で昇華させて分解気化された原料２２は、窒素ガス雰囲気下で種子基板１１上に結晶成長されることで、図３に示すように、種子基板１１の被堆積面１１ａに、窒化アルミニウム単結晶１２が成長した窒化アルミニウム単結晶基板１０が得られる。その後、この窒化アルミニウム単結晶１２を所定の厚さで切り出して研磨することで、窒化アルミニウム系の発光デバイスや電子デバイスに適用することが出来る。

窒化アルミニウム単結晶の作製にあたっては、以下に示す表１の通りである。

＜実施例１＞
上記表１の条件で、図２の装置に示したように、窒化アルミニウム原料部と窒素ガス流入部とを隔壁で隔て、窒化アルミニウム原料の表面にアルゴンのキャリアガスを流すことで、窒化アルミニウム原料表面が窒素ガスと触れないようにした。窒化アルミニウムの析出は、窒化アルミニウム原料を所定時間加熱昇華し、種子基板であるＳｉＣ基板上に窒化アルミニウム単結晶を析出させた。

＜実施例２＞
キャリアガスとして水素ガスを用いたこと以外は実施例１と同様に作製し、これを実施例２とした。

＜比較例＞
キャリアガスとして窒素ガスを用いたこと以外は実施例１と同様に作製し、これを比較例とした。

実施例１〜２と比較例において、窒化アルミニウム単結晶の析出時間をそれぞれ２，４，６，８時間とし、析出前後における窒化アルミニウム原料の重量を測定した。その結果を表２、及び図４に示す。図４は、表２を図化したもので、析出時間に対する窒化アルミニウム昇華量をプロットしたものである。

表２及び図４より、実施例において窒化アルミニウム原料の重量変化量が大きかった。すなわち、実施例において原料の昇華量の増加が観察された。

次に、図４でプロットした点を結んだ曲線を最小二乗法により直線近似し、その傾きを昇華速度とした。表３に、実施例１〜２、及び比較例における昇華速度を示す。

表３より、窒化アルミニウム原料表面に窒素ガスを導入した比較例よりも、アルゴンガスや水素ガスを導入した実施例の方が、同じ昇華温度でも昇華速度が上昇することが確認できた。
以上より、キャリアガスとして窒素ガスを用いた際の昇華速度と同じ速度を、アルゴンや水素をキャリアガスとして用いることで、低い昇華温度で得ることができた。ゆえに、電力エネルギーを低減することが可能となる。

青色および紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）向け基板や、レーザーダイオード（ＬＤ）用基板、パワーデバイス用基板などの製造装置に適用することができる。

本発明の第１実施形態に関わる窒化アルミニウム単結晶の製造装置を模式的に示した断面図である。本発明の第２実施形態に関わる窒化アルミニウム単結晶の製造装置を模式的に示した断面図である。本発明の製造装置で得られる窒化アルミニウム単結晶基板を模式的に示した断面図である。実施例および比較例における昇華時間と窒化アルミニウム原料との重量変化量を示した図である。

符号の説明

１チャンバー、２支持手段、３反応室、４サセプタ、５ａ第一ガス供給手段、５ｂ第二ガス供給手段、６真空ポンプ、７加熱手段、８隔壁、９窒化アルミニウム単結晶の製造装置、１０窒化アルミニウム単結晶基板、１１種子基板、１２窒化アルミニウム単結晶、２２原料。

Claims

上部に開口部を有し、内部空間の底面側に原料を収納する反応室と、該開口部を塞ぐサセプタとからなる加熱炉本体、
前記内部空間へ外部からプロセスガスを導入する第一ガス供給手段、
及び前記内部空間へ外部からキャリアガスを導入する第二ガス供給手段、を少なくとも備え、
前記第一ガス供給手段が前記内部空間に開口するように前記反応室の側壁に設けられた第一導入部と、前記第二ガス供給手段が前記内部空間に開口するように前記反応室の側壁に設けられた第二導入部とが、前記サセプタから前記原料の方向に見て、順に配置されてい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。
前記第一導入部と前記第二導入部との間にあって、前記第一導入部が配された第一空間と前記第二導入部が配された第二空間とに前記内部空間を隔てるような間隙が、前記第一空間と前記第二空間とを連通する連通部を有して配されている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装置。