JP2018527283A - 格子整合ＡＩＧａＮ系のための（Ｓｃ，Ｙ）：ＡｌＮ単結晶 - Google Patents

格子整合ＡＩＧａＮ系のための（Ｓｃ，Ｙ）：ＡｌＮ単結晶 Download PDF

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Abstract

本発明は、１００原子％のドープ窒化アルミニウムの全量に対して０．０１原子％〜５０原子％の範囲のスカンジウム及び／又はイットリウム含量を有する、スカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造する方法であって、るつぼ中で窒素若しくは希ガス、又は窒素及び希ガスの混合物から選択されるガスの存在下でスカンジウム、イットリウム、窒化スカンジウム若しくは窒化イットリウム、又はそれらの混合物から選択されるドープ材料と、窒化アルミニウムから形成される原料とを昇華させ、窒化アルミニウム又はスカンジウム及び／若しくはイットリウムがドープされた窒化アルミニウムから選択されるシード材料上で再凝縮させることを特徴とする方法に関する。本発明はまた、対応するデバイス並びに対応する単結晶生成物及びそれらの使用にも関し、それにより窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムの層又は層のスタックに基づく新規部品のための基礎が生成される。

Description

紫外線は、水や空気を滅菌及び浄化するため、皮膚疾患における医療用途のため、植物の成長を促進させるため、固体表面の物理化学的な検討のため、並びにさらに多くのことのために、使用されている。広いバンドギャップを有する半導体［窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）］の層に基づく、ＵＶ発光体（ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）及びＵＶレーザーダイオード（ＬＤ））、センサ、並びに関連する電子部品は、ＵＶ−Ｂ及びＵＶ−Ｃ波長領域にて効率的な部品となり得るものである。この点において、層の構造欠陥と点欠陥の数を可能な限り少なくすることは重要である（転位密度ＤＤ＜１０６ｃｍ−２）。
現在のところ、先行技術において構造欠陥及び点欠陥の数が少ない層を製造するための最良の技術は、アルミニウム（Ａｌ）含量が６５％を超える窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基材上でのみ成長させることができる、疑似格子整合歪み(pseudomorphically strained）ＡｌＧａＮ層のエピタキシャル成長に基づくものである。また、Ａｌ含量がより少ない層の緩和を防ぐためには格子整合基材が必要とされている。
近紫外や可視領域のＬＥＤは、優れた外部量子効率（ＥＱＥ）を示す。一方、深紫外のＬＥＤ（ＤＵＶ）として知られている、３６５ｎｍ未満の波長を有するＡｌＧａＮ系ＵＶ ＬＥＤの外部量子効率は、１桁小さい（ｉ）。部品を製造するために、物理的気相輸送(physical vapour transport)（ＰＶＴ）及び水素化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）によって、ＡｌＧａＮ層を最初にサファイア上及び単結晶ＡｌＮ上へ成膜する。
［ＡｌＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３又はサファイア上ＡｌＮテンプレート］
現在、ＡｌＧａＮ層の製造は、主にサファイア基材及びそれらから得られるサファイア上ＡｌＮテンプレートの上で行われており、これは非常に高い欠陥密度（１ｃｍ２当たり＞１０８の転位）を生じさせる。したがって、部品の特性（耐用期間、出力密度、効率等）に関し、非常に不利である。欠陥密度が高いために、このような層は実質的に常に緩和され、すなわちもはや格子整合していない。転位密度を減少させる方法は知られている。これは、例えば、欠陥を生じさせる歪み条件を軽減する、可変の組成を有する中間層によって、又は超格子（可変の組成を有する一連の薄い周期的な層）を成膜することによって、行うことができる。これに関して、ＫｈａｎらはＭＥＭＯＣＶＤ（マイグレーション促進金属有機化学蒸着(migration-enhanced metal organic chemical vapour deposition)（ｉ、ｉｉ、ｉｉｉ、ｉｖ）によって、欠陥密度が低く改善された表面モルフォロジーを有するＡｌＮ層をサファイア上へ成膜する方法を開発した。彼らは、ＡｌＮ及びＡｌＮ／ＡｌＧａＮの層を成長させることによりｃ面サファイアＤＵＶ−ＬＥＤ上に超格子を製造する方法を使用した最初の者であった。アンモニアパルス流法(ammonia pulse flow method)及び多層成膜（ＭＬ）を使用することにより、Ｈｉｒａｙａｍａらは欠陥密度の低いＡｌＮ緩衝層をサファイア（ｖ）上で得ることに成功した。センサ電子技術（ＳＥＴ）により、２４０〜３６０ｎｍの波長を有し、２７８ｎｍ ＬＥＤにおける１１％の最大ＥＱＥ、及び＜１０８ｃｍ−２（ｖｉ，ｖｉｉ）のＭＱＷの範囲のＴＤＤ（貫通転位密度）を有する、市販のＵＶ ＬＥＤが開発された。ＵＶ Ｃｒａｆｔｏｒｙは１４．３％（ｖｉｉｉ）の高いＥＱＥを有するＤＵＶ−ＬＥＤを報告しており、Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓは波長が３３６ｎｍ（ｉｘ）である最短波長のＭＱＷ ＵＶ−ＬＤを報告している。エピタキシャル横方向過成長(epitaxial lateral overgrowth)（ＥＬＯ）は欠陥を減少させるための別の主要な方法を構成し、ここでは層成長が初期に局所的に抑制される。成長する層がその後合体すると、局所的に欠陥が減少した領域をもたらす（ｘ）。中間層の場合、＜１０６ｃｍ−２という転位密度ＤＤの目標に到達しない。ＥＬＯにおいて、加工可能な部品のサイズ及び数は合体した領域のサイズ及び数に制限される。
適切なＡｌ含量を有する自立ＡｌＧａＮ結晶ウェハは、疑似格子整合歪みＡｌＧａＮ層の製造において理想的な基材となる。いくつかのグループは厚い自立ＡｌＧａＮ層を製造した（Ｋｙｍａ、Ｒｉｃｈｔｅｒ／ＦＢＨ）。これに関して、サファイアシード又はサファイア上ＡｌＮテンプレートにＡｌＧａＮ層を成長させ、次いでシードから分離する。しかし、これは異質の基材上で成長することから、また技術的問題から、そのようにして製造されるシードウェハは現在までに一般に構造品質が不十分であり（高い転位密度、巨視的構造欠陥、クラック）、そのため高品質のＡｌＧａＮ層をそのような厚い層の上に成膜することができなかった。
［−Ｓｉ上ＡｌＮテンプレート、Ｓｉ及びＡｌＮ−ＳｉＣテンプレート上のＡｌＧａＮ］
ケイ素（Ｓｉ）（ｘｉ，ｘｉｉ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）（ｘｉｉｉ，ｘｉｖ）上で成長させたＡｌＮ系テンプレート上のＡｌＧａＮも報告されている。しかしながら、このようなテンプレートは１０８〜１０１０ｃｍ−２の高い欠陥密度、高い表面粗さを有し、様々な熱膨張係数及びテンプレートと異質の基材との格子不整合を補うために高価な成長技術を必要とする。ＳｉＣ基材は実際にはＡｌＮとの格子不整合がわずか１％と低いが、可視光に対して単に透明であり、そのことによりＵＶ ＬＥＤ範囲でそれを使用することが問題となる。
［−ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ］
疑似格子整合歪みＡｌＧａＮ層及び部品構造体の有利な製造は、現在までＡｌＮ上の昇華／再凝縮によって製造された単結晶ＡｌＮ基材上で、又はＰＶＴ−ＡｌＮ上のＨＶＰＥにより製造された厚い単結晶ＡｌＮ層上で、行われてきた（ｘｖ，ｘｖｉ）。構造品質及びひいては部品技術への適合性は、結晶性ＡｌＮウェハ上で製造された単結晶ＡｌＮ基材において最も高い（ｘｖｉｉ）。しかし、部品エンジニアリングに必要な数百ｎｍの層厚さのＡｌＧａＮ層は、疑似格子整合歪みのままであるだけで、それらのＡｌ含量が依然として５０％〜６５％を超える場合は欠陥が少ない（ｘｖｉｉｉ，ｘｉｘ）。
世界的に、多くの研究グループがＡｌＮバルク結晶及び基材の製造に携わっている。近年、多くのスピンオフグループが形成されている。最大のグループ（見積もりの従業員数２５〜４０人）は、最近日本企業のＡｓａｈｉ Ｋａｓｅｉにより買収された、Ｃｒｙｓｔａｌ−ＩＳ（ｗｗｗ．ｃｒｙｓｔａｌ−ｉｓ．ｃｏｍ）、並びにＨＥＸＡＴＥＣＨ社（ｗｗｗ．ｈｅｘａｔｅｃｈｉｎｃ．ｃｏｍ）である。両社はＵＶ−Ｃ発光ダイオードの部品製造を発展させ始めた。他のより小さいスピンオフ、例えば、ドイツ企業のＣｒｙｓｔＡｌ−Ｎ ＧｍｂＨ（ｗｗｗ．ｃｒｙｓｔａｌ−ｎ．ｃｏｍ）、並びにＮｉｔｒｉｄｅ Ｃｒｙｓｔａｌｓ社（ｗｗｗ．ｎｉｔｒｉｄｅ−ｃｒｙｓｔａｌｓ．ｃｏｍ）及びＮｉｔｒｉｄｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ社（ｗｗｗ．ｎｉｔｒｉｄｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．ｃｏｍ）などは、エピタキシ成長可能な基材の販売に携わっている。
現在まで、ＡｌＮ基材は非常に少量で不安定な品質（一回限りのものとして）においてのみ市販されてきた。政府が推進するプロジェクトの関連において、ＡｌＮ基材上の第１のＵＶ発光ダイオード、ＵＶレーザーダイオード（ｘｘ）、ＨＥＭＴ（ｘｘｉ）、ＳＡＷ（ＡｌＮ上ＳＡＷ）、及びショットキーダイオード（Ｘｉｅら、２０１１，（ｘｘｉｉ））がＣｒｙｓｔａｌ ＩＳ社及びＨＥＸＡＴＥＣＨ社により導入されてきた。材料、エピタキシ、又は部品のいずれもまだ最適化されていないので、上記研究は一般に「概念実証」という観点で理解するべきである。
［ＡｌＧａＮ／ＧａＮ］
窒化ガリウム（ＧａＮ）テンプレート（サファイア上ＡｌＮ、ＳｉＣ、又はＧａＮ単結晶上のＧａＮ層）上の疑似格子整合歪みＡｌＧａＮ層の製造は、２５％〜３０％の最大Ａｌ含量までにおいてのみ可能である。したがってＡｌ含量が３０％〜６５％である高い構造品質を有するＡｌＧａＮ層が必要とされる、波長範囲が２６０〜３２０ｎｍの発光ダイオードの内部量子効率は、より短い又はより長い波長におけるよりも大幅に低い（ｉ）。
金属有機化学気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）により成膜された、サファイア上ＧａＮ上のＡｌＧａＮ層は、２．４〜５．３×１０８ｃｍ−２又は２．７〜５．７×１０９ｃｍ−２の範囲で貫通転位又はステップ転位を含有する。欠陥密度（ＤＤ）の増加は、１５％から５０％までのＡｌＧａＮ層中Ａｌ含量の増加によって生じる（ｘｘｉｉｉ）。サファイア上ＧａＮ上の、Ａｌ含量が低いＡｌＧａＮは、完全歪みでクラックを含まずに成膜することができる。Ａｌ含量の増加と共に、ＡｌＧａＮ−ＧａＮエピ層の増大する緩和がクラックの形成を生じさせる。さらに、引張り応力及び粗さはＡｌ含量の増加と共に増加する。
ＥＬＯテンプレート上及びサファイア上の部品がＳｏｎｇら（ｘｘｉｖ）により比較された。バルク結晶からのＧａＮ基材上のＡｌＧａＮ層は、可視及びＵＶ領域で作動する高出力ＬＥＤ及びＬＤの製造に適している（ｘｘｖ，ｘｘｖｉ）。バルク−ＧａＮ基材上の窒化物ヘテロ構造のＤＤは１０４ｃｍ−２（ｘｘｖｉｉ）を超えないことを示すことが可能である。しかし、ＡｌＮ上のＡｌＧａＮ構造と比較すると、これらは発光に関して透明性が低く引張り歪み下にあり、これはより速いクラック形成につながる（ｘｘｖｉｉｉ）。ＧａＮバルク結晶が入手しづらく高価格であるので、ＨＶＰＥを使用しておよそ１０４ｃｍ−２の低い欠陥密度を有する疑似ＧａＮバルク材料が製造されてきたｘｘｉｘ。
大きいＳｉＣ及びＧａＮ基材が入手可能であるにもかかわらず、異質基材との不適合又はその結果としてテンプレート中に既にある高い転位密度に起因して、この戦略を使用して良好な部品を製造することができなかった（ＤＤ 約１０８ｃｍ−２）。
［窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）］
窒化スカンジウムアルミニウム（Ｓｃ：ＡｌＮ）材料から形成される層及びナノ構造が知られている：Ｂｏｈｎｅｎら（ｘｘｘ，ｘｘｘｉ）は、ＨＶＰＥにより窒化スカンジウム（ＳｃＮ）膜上に５原子％のＳｃを含むＳｃＡｌＮナノ結晶を成長させた；Ｌｅｉら（ｘｘｘｉｉ，ｘｘｘｉｉｉ）はＤＣプラズマ放電によりＳｃ：ＡｌＮナノ構造（およそ１．４原子％のＳｃを含む）を製造した；２．１％のＳｃを含むＡｌＮ（Ｓｃ０．０２１Ａｌ０．９７９Ｎ）は希釈磁性半導体（ＤＭＳ）として知られている。それらは室温で強磁性であり、Ａｌ空孔によって生じる。ＳｃドープはＡｌ空孔の形成エネルギーの低下を引き起こす。ケンブリッジ大学のＭｏｒａｍのグループ（ｘｘｘｉｖ）は２００６年以来ＳｃＡｌＮ薄膜の特性及び製造について検討している：
ａ）圧電応用における可能な最大のＳｃ含量（４３％まで）を有するＳｃＡｌＮ：
高い圧電係数が予測及び測定される
方法：スパッタリング
ｂ）「中程度」のＳｃ含量を有するＳｃＡｌＮ
−高い圧電係数の結果としての、ＨＥＭＴ中の高電子ガス濃度におけるエピタキシャル歪み又は格子整合ＳｃＡｌＮ／ＧａＮヘテロ構造。
−臨界層厚さは格子歪みＳｃ０．３７５Ａｌ０．６２５Ｎ／ＡｌＮの連続した層については約２ｎｍである。
−Ｓｃ０．１８Ａｌ０．２８ＮはＧａＮに格子整合している（ｘｘｘｖ，ｘｘｘｖｉ）
−Ｚａｎｇ（ｘｘｘｖｉ）及びＭｏｒａｍ（ｘｘｘｖ）らはＡｌＧａＮ（ＵＶ−ＬＥＤ、ＨＥＭＴ）に基づく部品におけるＳｃ：ＡｌＮの使用の可能性を示している。しかしＳｃ含量が低いＳｃ：ＡｌＮをＡｌＧａＮ層の基材として使用することは言及されなかった（ｘｘｘｖｉｉ，ｘｘｘｖｉｉｉ）。
ｃ）Ｓｃ含量が「低い」Ｓｃ：ＡｌＮ（およそ２原子％のＳｃ、すなわちＳｃ０．０２Ａｌ０．９８Ｎ）は、ＡｌＮ基材上に成膜された場合に歪みにより格子整合していると仮定される、すなわちＳｃ０．０２Ａｌ０．９８Ｎ／ＡｌＮの臨界層厚さは、例えば無限大であるべきである（ｖｉｉｉ，ｉｘ）。
（Ｓｃ，Ｙ）：ＡｌＮについて、すなわちナノプリズム(nanoprism)の成長について、文献では１か所の言及しか見られなかった（ｘｘｘｉｘ）。
ＳｃＮ結晶子を製造するのにＧｕらによりＰＶＴ法が使用された（ｘｌ）。
窒素原子を酸素原子の代わりに置き換える昇華法によってＡｌＮ結晶を製造する方法が知られている。この方法は抵抗の低い半導体結晶を製造するのに使用される（ＪＰ ２００７ ２６１８８ ３ Ａ）。
原料をドープすることができる昇華によってＡｌＮ単結晶を製造する方法も知られている（ＵＳ ２０１５／０２１８７２８ Ａ１）。
さらに、とりわけドープＳｉＣ単結晶の成長に適している昇華装置(sublimation assembly)も知られている。これに関して、昇華成長チャンバーにおけるドーピング材料及び原料の別々の保存及び加熱が記載されている。原則として、ドーピング元素は気相を介して長い経路にわたってシードへ誘導される（ＤＥ １０ ２００５ ０４９ ９３２ Ａ１及びＤＥ １０ ２００８ ０６３ １２９ Ａ１）。
長いＳｉＣ又はＡｌＮバルク結晶を製造する方法も知られている。シードと原料の間にかさ高い中間ブロックを置く。しかしながら、これは隔壁として機能するものではない。原料を最初にブロックの下面に成膜し、次いでシードに向いている面上で再び昇華させる。この方法で非常に長いバルク結晶を製造できる（ＤＥ １０ ２００９ ０１６ １３２ Ａ１）。
本発明の目的は、低アルミニウム含量であっても、好ましくは＜６５原子％ Ａｌであっても、低欠陥の疑似格子整合圧縮歪み窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層を製造するのに使用できる基材を提供することである。０．００１原子％〜６０原子％ Ａｌの範囲、最も好ましくは０．０１原子％〜５０原子％ Ａｌの範囲のアルミニウム含量がより好ましい。
この目的は、請求項１に記載の方法によって及び請求項２０に記載のデバイスによって、並びに請求項１０、１１、１２、１３、又は１４に記載の対応する単結晶生成物、及び請求項１５から１７に記載のそれらの使用によって、実現することができる。更に、この目的は、請求項１８に記載の部品によっても実現することができる。さらなる好ましい実施形態は、従属クレームで定義される。
換言すれば、目的は、１００原子％のドープ窒化アルミニウムの全量に対して０．０１原子％〜５０原子％の範囲のスカンジウム及び／又はイットリウム含量を有する、スカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造する方法によって実現される。この方法は、るつぼ中でガスの存在下で：
−スカンジウム、イットリウム、窒化スカンジウム若しくは窒化イットリウム、又はそれらの混合物から選択されるドープ材料と、
−窒化アルミニウムから得られる原料と
を昇華させ、窒化アルミニウム又はスカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた窒化アルミニウムから選択されるシード材料上で再凝縮させることを特徴としている。
［本発明に係る生成物］
本発明に係る方法を使用することによって、イットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムとスカンジウム及びイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムの両方、並びにスカンジウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造できる。
本発明に係る方法に従って製造される、スカンジウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムは、好ましくは少なくとも３ｍｍ×３ｍｍ×１００μｍの幾何学的寸法を有するものである。同様に、本発明に係る方法に従って製造される、イットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムは、好ましくは少なくとも３ｍｍ×３ｍｍ×１００μｍの幾何学的寸法を有するものである。また同様に、本発明に係る方法に従って製造される、スカンジウム及びイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムは、好ましくは少なくとも３ｍｍ×３ｍｍ×１００μｍの幾何学的寸法を有するものである。
上記したように、スカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた窒化アルミニウムは、１００原子％のドープ窒化アルミニウムの全量に対して０．０１原子％〜５０原子％の範囲のスカンジウム及び／又はイットリウム含量を有するものである。好ましくは、１００原子％のドープ窒化アルミニウムの全量に対してそれぞれ、０．１原子％〜２５原子％の範囲、より好ましくは０．５原子％〜１０原子％の範囲のスカンジウム及び／又はイットリウム含量が得られる。
スカンジウム及びイットリウムの両方が存在する場合、スカンジウム含量はスカンジウム及びイットリウムの全量に対して０．１％〜９９．９％の範囲とすることができる。これは、イットリウム含量の場合にも採用することができる。すなわち、イットリウム含量はスカンジウム及びイットリウムの全量に対して９９．９％〜０．１％の範囲であってもよい。
［（Ｓｃ，Ｙ）：ＡｌＮバルク結晶の成長の詳細］
主要なシステム及びプロセス制御エンジニアリングは、例えば、Ｔ．Ｐａｓｋｏｖａ及びＭ．Ｂｉｃｋｅｒｍａｎｎによる論文「Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄｇａｐ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｔｈｅ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、第２版、２Ａ巻：Ｂｕｌｋ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ−Ｂａｓｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｐ．Ｒｕｄｏｌｐｈ（編）、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌｔｄ．２０１５、ＩＳＢＮ：９７８−０−４４４６３−３０３−３、１６章、並びにＣ．Ｈａｒｔｍａｎｎ、Ａ．Ｄｉｔｔｍａｒ、Ｊ．Ｗｏｌｌｗｅｂｅｒ、Ｍ．Ｂｉｃｋｅｒｍａｎｎによる論文「Ｂｕｌｋ ＡｌＮ Ｇｒｏｗｔｈ ｂｙ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ」、Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｉ．２９（２０１４）０８４００２に記載のような、ＡｌＮ単結晶の生成のためのものに対応する。
しかしながら、（Ｓｃ，Ｙ）：ＡｌＮの生成において、下記に記載されるような本発明による変更が必要となる。
［本発明に係る方法の詳細］
（Ｓｃ，Ｙ）：ＡｌＮの生成は、ドープ材料としての、スカンジウム（Ｓｃ）、窒化スカンジウム（ＳｃＮ）、イットリウム（Ｙ）若しくは窒化イットリウム（ＹＮ）、又はこれらの物質の混合物、及び原料としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、並びにシード材料としてのＡｌＮ又は（Ｓｃ，Ｙ）：ＡｌＮ自体から出発して、昇華／再凝縮法によってるつぼ中で行われる。
使用するガス（同意語：プロセスガス）は、窒素、又は希ガスであり、好ましくはアルゴン、又は窒素及び希ガス（好ましくはアルゴン）の混合物である。したがって、好ましいガスは窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、又はそれらの混合物（Ｎ２＋Ａｒ）である。プロセスガスは、本発明に係るデバイス内部に存在する唯一のガス状成分ではなく、これは、後でこの方法を行う際により詳細に説明する。むしろ、プロセスガスに加えて、原料及びドープ材料の昇華から生じる他のガス状部分が存在する。したがって、この方法における全圧は、すべての分圧の合計、すなわちプロセスガスの圧力と原料及びドープ材料の昇華から生じるガス状部分の分圧の合計と定義される。
生成は、１５００℃〜２７００℃の温度で、Ｎ２若しくはＡｒ若しくはＮ２＋Ａｒを加えて、又はＮ２若しくはＡｒ若しくはＮ２＋Ａｒの一定の流れを使用して、１０〜１２００ｍｂａｒ、好ましくは２００〜１０００ｍｂａｒ、特に好ましくは５００〜９００ｍｂａｒのシステム圧力で行われる。「システム圧力(system pressure)」という用語は、全ガス圧力、すなわちプロセスガスの圧力と原料及びドープ材料の昇華から生じるガス状部分の分圧とを共に合わせた合計を意味すると理解するべきである。
ＡｌＮ原料は、特に酸素及び炭素不純物を除去するために、成長に使用する前に、好ましくは昇華又は焼結により精製される。成長において、原料は粉末として又は多結晶品として使用される。
ドーパントであるＳｃ又はＳｃＮ、Ｙ又はＹＮ（ドープ材料）は、さらに精製することなく使用してもよい。純金属Ｓｃ及びＹを使用する場合、窒化、すなわちｉｎ ｓｉｔｕでのＳｃＮ又はＹＮの形成は、るつぼを加熱することによって行われる。
様々な方位の、Ｓｃ、Ｙ、又はその両方が既にドープされた単結晶ＡｌＮ基材（ウェハ）又はＡｌＮウェハが、シード（シード材料）として使用される。シード又はシード基材上に凝結させひいては結晶成長させるために、原料の温度はシード又はシード基材の温度よりも高くなければならない。
特に、原料の温度は、シード材料の温度よりも１Ｋ〜３００Ｋ高い。原料の温度は、シード材料の温度よりも好ましくは５０Ｋ〜２００Ｋ、より好ましくは１００〜１５０Ｋ高い。（Ｓｃ、Ｙ）：ＡｌＮの生成におけるＡｌＮ原料の有利な温度は、１７００℃〜２７００℃の範囲である（好ましくは２１００℃〜２４００℃の範囲）。（Ｓｃ、Ｙ）：ＡｌＮの生成におけるドープ材料の有利な温度は、１９００℃〜３１００℃の範囲である（好ましくは２１００℃〜２８００℃の範囲）。シードの有利な温度は、１４００℃〜２４００℃の範囲である（好ましくは１８００℃〜２１００℃の範囲）。
さらなる有利な実施形態において、その代替的なもの又はそれを捕捉するものとして、ドープ材料の温度は、原料の温度よりも１Ｋ〜４００Ｋ高い。
ドープ材料の温度は、原料の温度よりも好ましくは５０〜３００Ｋ、より好ましくは１００〜２００Ｋ高い。
その結果、非常に有利には、温度の関係は以下の通りである：
Ｔ（シード）＜Ｔ（原料）＜Ｔ（ドープ材料）
又は
Ｔ（ドープ材料）＞＞Ｔ（ＡｌＮ−原料）＞Ｔ（シード）
これは、（Ｓｃ，Ｙ）：ＡｌＮの成長の中心である問題、すなわちＳｃ及びＹの分圧（窒化物の分圧も）がＡｌＮの上方のＡｌの分圧よりも低いという問題を克服するためである（図１）。
代替的な実施形態において、ドープ材料の温度は原料の温度と同じか又はそれよりも低い。
Ｔ（ドープ材料）≦Ｔ（ＡｌＮ−原料）＞Ｔ（シード）
この代替的な実施形態において、有利には、原料の拡散を阻害するために、（機械的）阻害、すなわち阻害手段を使用する。
好ましい実施形態において、原料及びドープ材料から離れた又は分離可能なるつぼ中に、好ましくは原料及びドープ材料から離れた若しくは分離可能な、又は原料及びドープ材料の上方に配置された若しくは配置できるるつぼ中に、シード材料を配置する又は配置することができる。特に有利な配置において、るつぼ中のシードは機械的、化学的、又は物理化学的方法で原料及びドープ材料の上方に、好ましくはるつぼの蓋の上に保持され、原料並びにドープ材料はるつぼの下方及び中間の領域に置かれ、例えば、原料は特別な方法で保持する必要がないようにるつぼの床上に置かれている。
有利な配置において、ドープ材料は原料から離れており、有利な実施形態において、原料よりも高い温度を有する又は原料よりも高い温度にあるるつぼの領域にある。言い換えれば、るつぼ中で、原料及びドープ材料は、互いに空間的に分離されている又は分離可能である又は間隔が空いている又は間隔を空けることができる。これは、ドープ材料からの比較的急速に冷却する蒸気がシード材料に到達し得ることを意味する。通常は、原料の少なくとも一部はるつぼの下方領域に置かれ、ドープ材料はその上方に配置される又は配置することができる。これは、ドープ材料が実際には原料から分離しているが、原料中に、例えばるつぼの内側に少なくとも部分的に埋め込まれている配置も包含する。特定の実施形態において、ドープ材料の少なくとも一部もるつぼの下方部分に存在し、ここで原料とドープ材料の空間的隔離は保たれる。るつぼのある領域にあるドープ材料が原料と同じ又は原料よりも低い温度である限りにおいて、阻害物、好ましくは機械的阻害物、すなわち原料の拡散を防ぐ阻害デバイスが加えられる。
代替的な有利な配置において、ドープ材料はまた、ＡｌＮ原料と混合してもよく若しくはＡｌＮ原料と共に焼結させてもよく、又はスカンジウム及び／又はイットリウムをドープしたＡｌＮの形態であってもよい。言い換えれば、るつぼ中で、原料及びドープ材料は、完全に若しくは部分的に混合される、焼結される、又はスカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた窒化アルミニウムとして既に存在している。一般に、混合が均質であるか又は不均質であるかは重要ではないが、ドープ材料及び原料は緊密に混合される（例えば高温のるつぼ床上のドープ材料）。原料（例えばＡｌＮ）又はドープ材料とシードとの温度勾配は好ましくは１〜１００Ｋ／ｃｍ；より好ましくは２〜３０Ｋ／ｃｍである。
成長するＡｌＮ結晶において、十分な／様々な／所望のＳｃ又はＹ含量を得るために、有利な成長チャンバー構造物の使用を含む、特別な実験プロトコルが必要である。以下は結果に対して決定的な影響を有する：
ａ）るつぼ中の温度範囲、特に原料とシードの間、原料とドープ材料の間の温度差、並びに原料の表面、ドープ材料の表面、及びシードの表面における温度勾配、並びにそれらと関連して、
ｂ）特にるつぼ中の温度、並びに原料及びシードに対する相対的な位置に関する、るつぼ中のドープ材料の幾何学的位置。
るつぼ中の温度並びに温度範囲は、加熱力、サセプターに対する誘導コイル及び／又は抵抗加熱器の位置、サセプターにおけるるつぼの位置、ガス流の適切なライン、並びに成長チャンバーアセンブリーの様々な部品（内部の部品及び手段を含むるつぼ、サセプター、断熱、高温計の穴など）の位置、形状、幾何学及び材料の選択の変化によって調整される。
［本発明に係るるつぼに関する詳細］
一般に、アセンブリーは、上方領域を蓋で閉じることができるるつぼと、るつぼ床及び側部の少なくとも一部（るつぼの下方領域）を囲む断熱材と、るつぼの少なくとも一部をその側部として囲む、加熱手段、好ましくは誘導コイル（適切な無線周波数発生器に接続されている）とを含む。
るつぼは、有利には、フェルト及びサセプターから成るグラファイトアセンブリーの中にある。代替的な有利なアセンブリーは、タングステン（Ｗ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、又は窒化タンタル（ＴａＮ）から形成されるサセプターと、グラファイトフェルト、多孔性の窒化物、炭化物、若しくは酸化物の高温セラミック、及び／又はタングステン若しくはタンタルの熱偏向器から形成される断熱材とを含む。加熱は好ましくはコイルによって誘導的に又は抵抗加熱器として行われる。１〜８００μｍ／ｈ、好ましくは３０〜３００μｍ／ｈの範囲の成長速度を有することが目的である。
るつぼ材料は、好ましくは、ＴａＣ、タンタル（Ｔａ）、炭化タングステン（ＷＣ）、Ｗ、ＴａＮ、又はそれらの混合物である。シード支持体もこれらの材料から調製されてもよく、るつぼに接続されていてもよい。るつぼはサセプターとしても機能し得る。
加熱手段（例えば誘導コイル又は抵抗加熱器）は、るつぼの外側に、好ましくは少なくともるつぼの下方領域に配置される、又は配置することができ、加熱手段によって生成される温度は、上記のように、１５００℃〜２７００℃の範囲内である。
本発明に係るデバイスは、本発明に従って変更されたるつぼを含む、好ましくはそのようなるつぼから成り、好ましくはるつぼの上方領域である第１の領域において、るつぼはシード材料を収容できる若しくは収容する又はシード材料を保持できる第１の手段が備えられ、好ましくはるつぼの下方領域であるるつぼの第２の領域において、原料及び／又はドープ材料を収容してもよい又は収容する少なくとも１つの第２の手段が備えられていることを特徴とする。特に、原料及びドープ材料の両方が上記で説明されるように存在する場合、これはるつぼ自体の下方（内部）領域の少なくとも１つの第２の手段であってもよい。
原料とドープ材料を空間的に分離することにより、少なくとも１つの第２の手段は、少なくとも２つの前記第２の手段を含んでいてもよく、そのうちの一方は、原料を収容するように構成され、他方は、ドープ材料を収容するように構成されている。好ましくは、ドープ材料を収容するための第２の手段とシード材料を収容するための第１の手段との平均的な分離距離は、原料を収容するための第２の手段とシード材料を収容するための第１の手段との平均的な分離距離よりも短い。この実施形態において、２つのデバイスのうちの一方は、好ましくは原料を含有する又は原料を収容するための第２の手段を構成する、るつぼ自体の下方領域であってもよい。
好ましくは、本発明に係るるつぼに加えて、本発明に係るデバイスは、第２の領域自体の高さでるつぼの外側の少なくとも一部を囲む、加熱手段（誘導コイル又は抵抗加熱器）も含む。
好ましくは、原料を収容するための第２の手段の領域の温度は、シード材料を収容するための第１の手段の領域の温度よりも１Ｋ〜３００Ｋ高い、好ましくは５０Ｋ〜２００Ｋ高い、より好ましくは１００〜１５０Ｋ高いように、加熱手段が構成されている又は構成可能である。
加熱手段の設置の代替的なものとして又は加熱手段の設置に加えて、るつぼ自体の特別なデザインによって又はシード、原料、及びドープ材料の配置（収容するためのデバイス）によって、上記の温度プロファイルが得られる。
場合により、特に原料及びドープ材料が空間的に分離されている場合、グラファイト、ＴａＮ、ＴａＣ、又はＷから形成された電気接触子を設けて加熱を補ってもよい。これらは、好ましくは、ドープ材料のレベルで又はドープ材料を収容するための第２の手段のレベルでるつぼの外側に設置される。
本発明に係るるつぼの好ましい実施形態をここで詳細に説明することにする。ここで、るつぼはすべての形態で蓋を有する（るつぼ蓋）。
例として図２．１に示すように、本発明に係る一実施形態において、シード１又はシードを収容するための第１の手段はるつぼ蓋２に固定されている。るつぼ３の下方部分は原料及びドープ材料（４、５）を収容するための第２の手段を形成する。ドープ材料５及び原料４をその中で緊密に混合することができるが、これに関して混合物が均質であるか又は不均質であるか（例えば高温のるつぼ床上のドープ材料）は重要ではない。シードと原料の表面との間隔、すなわちシードを収容するための第１の手段とドープ材料及び原料を収容するための第２の手段を形成する上方るつぼ領域の上方境界との間隔は、少なくとも１ｍｍ、好ましくは１〜５０ｍｍである。
シード１又はシード１を収容するための第１の手段が上記のようにるつぼ蓋２の上に位置している、代替的な実施形態において、原料４及びドープ材料５は、例えば図２．２ａ及び図２．２ｂで見られるように、るつぼ３の異なるゾーンに分けられている。この代替的な実施形態は、原料４を収容するための１つめの第２の手段としてるつぼ自体の下方内部領域を使用する。るつぼの上方領域、すなわちるつぼ蓋２及び本体１のさらに下に配置されるのは、ドープ材料を収容するための第２の手段である。例として、この目的のために、図２．２ａは分的拡散障壁としての開口隔壁６を示し、図２．２ｂはさらなる別の（小さい）るつぼ７を示す。このさらなる別のるつぼ７は好ましくは、別のるつぼより上であるがシード及びるつぼ蓋の下に配置され原料を覆っているが別のるつぼ７の開口部は覆っていない、開口隔壁６が補われている。好ましくは、この実施形態において、原料内にあるさらなる別のるつぼ７の位置は自由に選択できる。両方の実施形態における開口隔壁６は、機械的に拡散を防ぐことにより原料の蒸発を阻害する機能を有する。さらなる別のるつぼ７はまた、とりわけ、拡散の動的阻害又は機械的阻害により原料の蒸発をさらに阻害するように作用する。２つのるつぼのそれぞれのサイズは自由に選択できる；代替として／補足として、開口隔壁の開口のサイズも自由に選択してもよい。
さらなる別のるつぼ７の材料は、好ましくはＴａＣ、Ｔａ、ＷＣ、Ｗ、ＴａＮ、又はそれらの混合物から選択される。
場合により、好ましくはＴａＣ、ＴａＮ、Ｗ、又はグラファイトから形成された導電性接触子１３は、ドープ材料のレベルで又はドープ材料を収容するための第２の手段のレベルで（例えば開口隔壁６）るつぼ３の外側に取り付けられた、補完的加熱装置として存在する。
シードと原料又はドープ材料の表面との間隔、すなわちシードを収容するための第１の手段とドープ材料及び原料を収容するための第２の手段を形成する上方るつぼ領域の上方境界との間隔は、少なくとも１ｍｍ、好ましくは１〜５０ｍｍである。
シード又はシード１を収容するための第１の手段が上記のようにるつぼ蓋２の上に位置している、代替的な実施形態において、原料４及びドープ材料５は例として図２．３ａ〜ｄで見られるように、変更されたるつぼ１１の中にある。このるつぼ１１は上方領域１１ａ、すなわちシード１により近い領域よりも下方領域においてより厚い壁を有する。上方領域１１ａと比較してより厚いるつぼ壁１１ｂ（斜線部分）はるつぼの高さ（床から蓋の下まで測定された）の１〜９０％、好ましくは１０〜６０％にわたっており、完全に一周している。るつぼの直径と比較して（るつぼの内側の範囲）、厚い壁１１ｂはるつぼ半径の１〜９０％、好ましくは１０〜３０％にわたっている。下方領域では、厚い壁１１ｂは可変の温度ゾーンの構築を支援する働きをする。好ましくは、これはおよそ水平である、すなわちるつぼ床と平行である上部表面１１ｃ（上面１１ｃ）を有する。「およそ水平である」という用語は、るつぼ床と平行であるが±１０％の傾き、好ましくは±５％の傾きも有することを包含する。ドープ材料５を収容するための第２の手段は、厚いるつぼ壁１１ｂの上側１１ｃによって形成されているか、又は適切なデバイス、例えば、厚いるつぼ壁１１ｂの上側１１ｃ又は遮熱材９に取り付けられている開口隔壁８である。この実施形態の好ましい変形では、るつぼの内側の下方領域において、１つ又は複数の遮熱材９が配置され、これは任意選択的な形状であってもよい。これらは好ましくは管状の形状を有し、るつぼの高さの１〜９０％、好ましくは１０〜６０％にわたっている。特に好ましい変形において、遮熱材の高さはおよそ厚いるつぼ壁１１ｂの高さであり、すなわち厚いるつぼ壁の高さと遮熱材９の高さとの差は１〜１０％しかない。厚いるつぼ壁の内側において、遮熱材の中でも１つ又は複数の遮熱材９を使用する好ましい変形では、原料４を収容するための第２の手段を配置してもよい又は配置できる。これは好ましくはるつぼ１０の形態であり、下方領域にある別の内側るつぼ１０と称してもよい。この別のるつぼ１０の高さはるつぼの高さの１〜９０％、好ましくは１０〜６０％であることを理解するべきであり；好ましくは、別のるつぼ１０の高さは厚いるつぼ壁１１ｂの高さよりも低い又は遮熱材（複数可）９の高さよりも低い。同様に、るつぼの直径は、るつぼ１０がるつぼ１１の厚いるつぼ壁１１ｂの内部にあるように選択され、遮熱材（複数可）９が存在する場合は前記遮熱材の内部に位置していてもよいことを理解するべきである。
代わりに又は加えて、さらなる別のデバイス、例えば開口隔壁８が遮熱材（複数可）の上に存在していてもよく又は設置することができ、遮熱材上にはドープ材料（もまた）配置することができる。適用可能な場合、ドープ材料を収容するための第２の手段のこのさらなる別のデバイス又は部品も存在する。
場合により、変更されたるつぼ１１の各々の及び任意選択的な実施形態では、ドープ材料５のさらなる加熱のために、グラファイト接触子１３をるつぼ１１の外側に設置してもよい。これらは好ましくは、ドープ材料を収容するための第２の手段のレベルでるつぼ１１の外側に取り付けられる又は取り付け可能である。
厚いるつぼ壁１１ｂを有する変更されたるつぼの好ましい代替において、少なくとも１つのさらなるるつぼ開口部１２が好ましくはるつぼの床に設けられる。これは原料の蒸発を減少させるように作用する（冷却）。
小さいるつぼ１０、ドープ材料を収容するための第２の手段（例えば開口隔壁８）、並びに遮熱材（複数可）９の材料は、ＴａＣ、Ｔａ、ＷＣ、Ｗ、ＴａＮ、又はそれらの混合物から選択される。
るつぼ中の異なる温度ゾーンは、例えば：
−るつぼ開口１２の可変のサイズ、
−ドープ材料のさらなる加熱のための電気接触子１３
等のパラメーターの特定の選択によって、さらに設定されてもよい。
シード又はシード１を収容するための第１の手段は、上記のように、るつぼ蓋２に位置している、代替的な実施形態において、原料４及びドープ材料５は、「長いるつぼ(long crucible)」と表される変更されたるつぼ１６の中にあってもよい。これに関して、シード、ドープ材料、及び原料のための様々な温度ゾーンは、るつぼを誘導コイル内に移動させることにより上記の実施形態におけるよりも良好に調整できる。これは、シードを収容するための第１の手段、ドープ材料を収容するための第２の手段、及びドープ材料を収容するための第２の手段が、互いに十分に離れているので、原料４の入ったるつぼが例えば誘導コイル／抵抗加熱器（原料の冷却）の外側下方にあり、ドープ材料が誘導コイルの中心（最も高温のゾーン）にあり、シードが誘導コイルの外側上方（最も低温のゾーン）にあることを意味している。
ドープ材料を収容するための第２の手段は、任意選択的なデバイスによって、例えばシードを収容するための第１の手段の下であるが原料を収容するための第２の手段の上方で及び原料を収容するための第２の手段から空間的に分離されて配置されている隔壁１４又はステップ１５によって形成されていてもよい。これは図２．４ａ〜ｂに例として示される。
［−本発明に係る生成物のさらなる使用］
本発明に従って生成される単結晶のスカンジウム−又は／及びイットリウム−ドープＡｌＮ（（Ｓｃ，Ｙ）：ＡｌＮ）は、低欠陥疑似格子整合歪みＡｌＧａＮ層の疑似アイゲン(quasi-eigen)基材として使用される。疑似アイゲン基材の格子定数は、疑似アイゲン基材中のスカンジウム又は／及びイットリウム含量のレベルによって規定される。スカンジウム又は／及びイットリウム含量のレベルは疑似アイゲン基材の生成の間に設定することができ、そのため所望の格子定数及び／又はＡｌＧａＮ層の歪みに整合させることができる。疑似格子整合歪みＡｌＧａＮ層をもたらす、層厚さ及びＡｌ含量に関する制約は、純粋なＡｌＮ基材の使用と比較して、疑似アイゲン基材をエピタキシにおいて使用する場合に少なくなる。
数原子パーセントの少ない（Ｓｃ、Ｙ）含量であっても、例えばＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層に格子整合した疑似アイゲン基材を得るのに十分である。
本発明に従って生成される、スカンジウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムは、好ましくは層厚さが２ｎｍを超える、より好ましくは層厚さが１００ｎｍ〜５０μｍである、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムから形成される層、又は層のスタックを製造するための、基材（ウェハ）として使用される。
同様に、イットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムは、好ましくは層厚さが２ｎｍを超える、より好ましくは層厚さが１００ｎｍ〜５０μｍである、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムから形成される層、又は層のスタックを製造するための、基材（ウェハ）として使用される。
さらに、スカンジウム及びイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムは、好ましくは層厚さが２ｎｍを超える、より好ましくは層厚さが１００ｎｍ〜５０μｍである、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムから形成される層、又は層のスタックを製造するための、基材（ウェハ）として使用される。
「層又は層のスタック(layers or stacks of layers)」という表現は、それぞれ個々の又は複数の層を包含し、すなわち極端な例では１つの層のみが存在していてもよい。層のスタックはそれぞれ、個々の又は複数のスタックした層から成っていてもよい。
スカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウム基材を使用して生成される、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又はそれらにより生成される窒化インジウムアルミニウムガリウムから生成される層又は層のスタックは、ＵＶ−Ｂ及びＵＶ−Ｃ波長領域（２２０〜３４０ｎｍ）のための部品として使用される。
［部品］
半導体部品は、スカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウム基材上の上記の層又は層のスタックから、既知の構造化方法及びメタライゼーション法を使用し、適切な積層技術及びボンディング技術を使用して製造してもよい。好ましくは、層、層のスタック、又はそれらの一部は、部品の電気活性領域を形成する。本発明に係る部品はしたがって、スカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウム基材（疑似アイゲン基材）上にある、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムの層又は層のスタックを含む。窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムの、これらの層又は層のスタックは、「低欠陥の第１の層」としても知られ、「第１の層」と略してもよい。場合により、結晶性窒化アルミニウムから形成される少なくとも１つのさらなる層、又は窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、若しくは窒化インジウムアルミニウムガリウムの層若しくは層のスタックを含有する「（低欠陥の）第１の層」よりもアルミニウムを多く含有する（原子百分率として）窒化アルミニウムガリウムから形成される層が、この低欠陥の第１の層に付与される。個々の層又は層のスタックの物理的（特に電気的、光学的、機械的、熱的、及び音響的）特性は、層を構成する化学元素（場合により、アルミニウム、ガリウム、インジウム、窒素）、並びに特性を調整するように作用するさらなる化学元素（ドーパント、不純物）の濃度を適切に調整する又は変化させることによって、明確に調整できることが知られている。ここで、本発明は、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムから形成される層又は層のスタックを製造するのに使用できる。
本発明に係る有利な半導体部品は、上記の層のスタックから形成される部品であって、本発明によれば、疑似アイゲン基材のすぐ上に置かれる層又は疑似アイゲン基材のすぐ上に置かれる層のパック（「第１の層」）が所望の格子定数及び／又は疑似アイゲン基材への格子整合に起因する歪みを有するが、残留する格子不整合によって形成される局所的に広がった構造欠陥の密度（層表面の方向における構造欠陥の密度の程度はこの「第１の層」の層の平面における程度（貫通転位）よりも大きい）が１０３ｃｍ−２未満であるような状態である（「低欠陥の第１の層」）。層を製造するのに使用される方法が適切であるならば、第１の層の低い欠陥密度は他の層においてもより低い欠陥密度をもたらすことも知られている。低欠陥の第１の層は、疑似アイゲン基材上で製造される部品の電子ガイド層又は光ガイド層を形成する。
半導体部品の有利な配置において、上記のように、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムから形成される層又は層のスタックから成る「低欠陥の第１の層」は、疑似アイゲン基材上に直接（すなわちさらなる中間層なしで）生成される。現在までに適用された問題の解決法とは対照的に、このことは、使用される基材の構造化、多くの場合、低温で付与される「核形成層」、及び構造欠陥を減少させるのに使用される「マスキング層」又は「緩衝層」を省略できることを意味している。結晶性窒化アルミニウムから形成される非常に薄い層、又は「低欠陥の第１の層」よりもアルミニウムを多く含有する（原子百分率として）窒化アルミニウムガリウムから形成される層が、所望の特性を有する「低欠陥の第１の層」に付与される。両方の層は、他の層、層のスタック、及び／又はメタライゼーションによって接触している。そのような部品構造はＨＥＭＴとして使用できることが知られている。疑似アイゲン基材を使用し核形成層、マスキング層、及び緩衝層を省略することによって、部品の組み立ては相当に単純化される。結果として得られる貫通転位の低い密度によって、部品の特性が改善される。前記部品は、金属−極性表面上に極性を維持しながら層が生成される場合に良好に機能する。しかし、非常に薄い層が、結晶性窒化ガリウム、又は「低欠陥の第１の層」よりも少ないアルミニウムを含有する（原子百分率として）窒化アルミニウムガリウム若しくは窒化インジウムアルミニウムの層から成ることもまた有利である場合があり、なぜならこの場合、二次元電子ガスとして知られるものは、「低欠陥の第１の層」と非常に薄い層との間の境界の他方の側にあるからである（表面の極性によって決まる）。必要に応じて、先行技術において既知の「キャッピング層(capping layer)」及び／又は不動態化層として知られるものを非常に薄い層へ付与する必要がある。
半導体部品のさらなる有利な配置では、複数の交互の非常に薄い層が、構成元素の原子濃度が異なっている「低欠陥の第１の層」上に生成される。そのような交互の一連の層は、大きい機械的歪み又は構造欠陥を生じさせることなく超格子構造として層のスタックの電気伝導度を増加させることができることが知られている。他の交互の一連の層はブラッグミラーとして、例えば垂直レーザーの部品において使用できる。これらの構造も、疑似アイゲン基材上の部品の本発明のより単純な組み立てから、及び層の低い欠陥密度から恩恵を受けることが可能である。
さらなる有利な配置において、「第１の低欠陥層」の組成は、疑似アイゲン基材上に製造される部品の電子ガイド層又は光ガイド層（導電性層、ブロッキング層、又は導波層）を同時に形成するように選択され、ここで部品自体は２１０ｎｍ〜３８０ｎｍの波長領域でエレクトロルミネセンス又はレーザー光を生成及び／又は検出するように機能する（ＵＶ−ＬＥＤ、ＵＶレーザーダイオード、ＵＶセンサ）。現在の先行技術において、そのような部品、ひいては電子ガイド層又は光ガイド層も、核形成層、マスキング層、又は緩衝層の上に成膜される。疑似アイゲン基材上の「低欠陥の第１の層」の有利な製造により、これらは省略できる。
実施例を使用して本発明をここでさらに詳細に説明することにする。実施例は決して限定するものではない。
［実施例１］
＜ＴＧ／ＤＴＡ測定によるＳｃの窒化の検討＞
−Ｎ２流中、グラファイトるつぼ中のＳｃ、１６４０℃まで、加熱速度１０Ｋ／分
以下の反応によるスカンジウムの窒化：
Ｓｃ＋１／２Ｎ２−−＞ＳｃＮ
１０００℃から開始、１３７５℃で強い発熱ピークあり。
反応生成物の相の組成では純粋なＳｃＮが生成された。
［実施例２］
＜Ｓｃ：ＡｌＮのＰＶＴ（図２．１に示すようなるつぼのデザイン）＞
１重量％までのＳｃをＡｌＮ原料へ緊密に混合させる
ＴＰｙ，ｏ＝２０３０℃、ｔ＝１５時間；成長速度１８０μｍ／ｈ
ＡｌＮシード、ｈ＝５ｍｍ；上部直径３ｍｍ
その結果として、成長した六方晶が得られた：
直径７ｘ８ｍｍ；ｈ＝８ｍｍ（試料参照記号ＦＺ＿２２１、図３を参照）
結晶を切断して１つのａ面ウェハ及び４つのｃ面ウェハとした。化学機械研磨（ＣＭＰ）を使用して均一な薄層を得た（両面）。Ｓｃはウェハのすべてにおいて見られ（ＥＤＸ、ＸＲＦ）、ｃ面ウェハでは均一なＳｃ分布であった（ＥＤＸ、ＸＲＦ）。
Ｘ線蛍光解析（ＸＲＦ、ラインスキャンｃ面キャッピング層）の結果を図４に示す。ＳｃＮ濃度は０．３原子％〜０．３５原子％であった。これはＡｌＮ中のＳｃＮ又はＳｃＡｌ中の０．６５原子％〜０．７原子％ Ｓｃに相当する。
これによりＳｃ０．００７Ａｌ０．９９３Ｎが得られた。
Ｓｃ濃度のばらつきはキャッピング層の不均一性から生じる。
図５に、シードの付近におけるＸ線蛍光解析（ＸＲＦ、ラインスキャンｃ面キャッピング層）の結果を示す。
ＳｃＮ濃度は、ＡｌＮ中で０．３原子％〜０．４原子％ ＳｃＮ、又はＳｃＡｌ中で０．６原子％〜０．８原子％ Ｓｃであった。ｍ面成長させたＡｌＮにおいてＳｃ濃度の増加が見られた。これにより最大でＳｃ０．００８Ａｌ０．９９２Ｎが得られた。
図６に、ａ面ウェハにおける増加するＳｃ濃度（ＸＲＦ）は０．４原子％ＳｃＮであった；ＸＲＦの結果を示す。ＳｃＮ濃度はＡｌＮ中で０．３原子％〜０．４原子％ ＳｃＮであった。
試料ＦＺ＿２２１（成長させたまま）のキャッピング層のロッキング曲線は３３．１ ａｒｃｓｅｃであり、図７に示される（一次ビームアパーチャー２及び０．０５ｍｍ；解放検出器）。
結果は、いくつかの結晶粒の存在を示すものであった。
＜格子パラメーターの決定（ＸＲＤなど）＞：
ＳｃｘＡｌ１−ｘＮに関して、Ｍｏｒａｍ（２０１４）によるＤａを使用して以下が生成された：
Ｓｃ０．００９Ａｌ０．９９１Ｎ − これは０．９原子％ Ｓｃ又は０．４５原子％ ＳｃＮに相当する
結果は上記に示すＸＲＦ値に良く匹敵した。
［実施例３］
＜図２．２ｂに示すようなるつぼ構成を使用したＳｃ：ＡｌＮのＰＶＴ（試料ＦＺ＿２６６）＞
ＴＰｙ，ｏ＝２０３０℃；ｔ＝１５時間；ｐ＝６００ｍｂａｒ
目的は非常に良質な六方晶を得ることであった：
１つの成長の中心（ノマルスキー）、
ロッキング曲線、キャッピング層＝２１．４ａｒｃｓｅｃ（図８に示す）
＜格子定数（ＸＲＤ）＞：
ＳｃｘＡｌ１−ｘＮに関して、Ｍｏｒａｍ（２０１４）によるＤａを使用して以下が生成された：
Ｓｃ０．００９７Ａｌ０．９９０３Ｎ − これは０．９７原子％ Ｓｃ又は０．４８原子％ ＳｃＮに相当する
試料ＦＺ＿２６６のキャッピング層についてのＸＲＤラインスキャンによりおよそ０．４原子％ ＳｃＮのＳｃＮ含量を得た。
全体として、ＸＲＤ値との一致は良好であった。
［実施例４］
＜ＡｌＮへのＹ又は（Ｓｃ，Ｙ）のドープ＞
スカンジウムにおける方法と類似する方法で、ＡｌＮへのイットリウム又は（Ｓｃ，Ｙ）のドープを行った。ドープの成功は、Ｓｃでは７３ｐｍ、Ｙでは９３ｐｍという類似するイオン半径に関連する、ＳｃとＹの比較的小さい分圧差に基づいていた（図１）。
６００ｍｂａｒにおける、温度の関数としての、ＡｌＮの存在下でのＳｃ、Ｙ、及びＡｌの分圧のグラフである（ＦａｃｔＳａｇｅ）。 るつぼ蓋２を有するるつぼ３の図である。内側に原料４及びドープ材料５があり、シード１は蓋２に取り付けられている。 るつぼの異なるゾーンに分離された原料４及びドープ材料５の図である。 図２．２ａ）においては、ドープ材料５は、原料の蒸発を動的に阻害するように機能する開口隔壁６の上にある。 図２．２ｂ）においては、ドープ材料５は、シード１の下方にある小さいるつぼ７の中にある。このデザインは原料４の上にある開口隔壁６も含む。 下方領域における別のるつぼ１０、遮熱材９（るつぼ高さは遮熱材の高さを超えていてもよい）、るつぼ蓋２の上のシード１；原料の蒸発を減少させるためのさらなるるつぼ開口１２（冷却）を有する、異なる壁厚さを有するるつぼ１１、１１ａ、１１ｂの図である。 図２．３ａ）においては、ドープ材料５は、ステップ上など、すなわち表面１１ｃの上にある、るつぼの中央の高温領域にある。 図２．３ｂ）においては、ドープ材料５は、内側の遮熱材上又はるつぼ１０のすぐ上のいずれかにある、小さい開口隔壁８上にある。開口隔壁はドープ材料を収容しシード１の方向へ原料４を「指向的に」蒸発させるように機能する。 図２．３ｃ）においては、ドープ材料５は、開口隔壁（小）８の上、及びるつぼ１１の中のステップ上、すなわち表面１１ｃ上の両方にある。開口隔壁８は内側の遮熱材上又はるつぼ１０のすぐ上のいずれかにある。 図２．３ｄ）においては、ドープ材料５は、開口隔壁（小）８の上、及びるつぼ１１の中のステップ上、すなわち表面１１ｃ上の両方にある。開口隔壁８は内側の遮熱材上又はるつぼ１０のすぐ上のいずれかにあり、サセプターとるつぼ壁との間にあるグラファイト接触子１３（グラファイトなどから形成される）による、ドープ材料５のさらなる加熱装置がるつぼ１１の外側に設置されている。 長いるつぼ１６の図である。 図２．４ａ）においては、長いるつぼ１６に、ドープ材料（粉末／粒状／など）を収容するための隔壁１４が設けられ、外部接触子１３があり及びなしであり、原料４がるつぼの下方領域にある。 図２．４ｂ）においては、長いるつぼ１６に、ドープ材料（粉末／粒状／など）を収容するためのステップ１５が設けられ、外部接触子１３があり及びなしであり、原料４がるつぼの下方領域にある。 成長させたままのＳｃ：ＡｌＮ単結晶（試料ＦＺ＿２２１）の図である。 試料ＦＺ＿２２１の「成長させたままの」キャッピング層についてのＸＲＦラインスキャンの図である。 試料ＦＺ＿２２１におけるシード付近のｃ面ウェハについてのＸＲＦラインスキャンの図である。 ａ面ウェハ（ＦＺ＿２２１）についてのＸＲＦラインスキャンの図である。 Ｓｃ：ＡｌＮ−キャッピング層ＦＺ＿２２１のロッキング曲線のグラフである。一次ビームアパーチャー２及び０．０５ｍｍ、開放検出器。結果は複数の結晶粒の存在を示す。 Ｓｃ：ＡｌＮ（ＦＺ＿２６６）のキャッピング層のロッキング曲線のグラフである。半値ピーク幅は２１．４ａｒｃｓｅｃ。 キャッピング層（ＦＺ＿２６６）についてのＸＲＦラインスキャンの図である。およそ０．４原子％ ＳｃＮにおけるＳｃＮ含量。
１ − シード／シード材料
２ − るつぼ蓋
３ − るつぼ（大）
４ − 原料／ＡｌＮ原料
５ − ドープ材料
６ − 開口隔壁（大）
７ − 小るつぼ／小（内側）るつぼ（ドープ材料を収容するため）
８ − 開口隔壁（小）
９ − 遮熱材（複数可）
１０ − るつぼ（小）／原料を収容するための、下方領域にある別のるつぼ（内側）
１１ − ステップ／（異なる）壁厚さを有するるつぼ
１１ａ − 上方るつぼ領域（薄い壁を有する）
１１ｂ − 壁が厚いるつぼ領域
１１ｃ − 壁が厚いるつぼ領域の（上側）面
１２ − 開口
１３ − グラファイト接触子
１４ − 隔壁
１５ − ステップ
１６ − 長いるつぼ
＜文献＞

Claims (25)

  1. １００原子％のドープ窒化アルミニウムの全量に対して０．０１原子％〜５０原子％の範囲のスカンジウム及び／又はイットリウム含量を有する、スカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造する方法であって、
    るつぼ中で窒素若しくは希ガス、又は窒素及び希ガスの混合物から選択されるガスの存在下で、
    スカンジウム、イットリウム、窒化スカンジウム若しくは窒化イットリウム、又はそれらの混合物から選択されるドープ材料と、
    窒化アルミニウムから形成される原料と
    を昇華させ、窒化アルミニウム又はスカンジウム及び／若しくはイットリウムがドープされた窒化アルミニウムから選択されるシード材料上で再凝縮させることを特徴とする、方法。
  2. 前記ドープ材料の温度が前記原料の温度よりも１Ｋ〜４００Ｋ高いことを特徴とする、請求項１に記載のスカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造する方法。
  3. 前記ドープ材料の温度が前記原料の温度と同じであるか又は前記原料の温度よりも低いことを特徴とする、請求項１に記載のスカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造する方法。
  4. 前記原料の温度が前記シード材料の温度よりも１Ｋ〜３００Ｋ高いことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造する方法。
  5. 全ガス圧力が１０〜１２００ｍｂａｒの範囲内であり、好ましくは２００〜１０００ｍｂａｒの範囲内であり、特に好ましくは５００〜９００ｍｂａｒの範囲内であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造する方法。
  6. 加熱手段が、前記るつぼの外側に、好ましくは少なくとも前記るつぼの下方領域に配置される、又は配置することができることを特徴とし、前記加熱手段によって得られる温度が１５００℃〜２７００℃の範囲内である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造する方法。
  7. 前記原料及びドープ材料から分離された又は分離可能な前記るつぼ中に、好ましくは前記原料及びドープ材料から分離された若しくは分離可能な、又は前記原料及びドープ材料の上方に配置された若しくは配置できる前記るつぼ中に、前記シード材料を配置する又は配置することができることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造する方法。
  8. 前記るつぼ中で、前記原料及びドープ材料が、完全に若しくは部分的に混合され、焼結され、又はスカンジウム及び／若しくはイットリウムがドープされた窒化アルミニウムとして既に存在していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造する方法。
  9. 前記るつぼ中で、前記原料及びドープ材料が、互いに空間的に分離されている又は分離可能である又は間隔が空いている又は間隔を空けることができることを特徴とし、好ましくは、前記ドープ材料と前記シード材料との平均的な分離距離が、前記原料と前記シード材料との平均的な分離距離よりも短い、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造する方法。
  10. 好ましくは請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法に従って製造された、イットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウム。
  11. 好ましくは請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法に従って製造された、スカンジウム及びイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウム。
  12. 好ましくは請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法に従って製造された、少なくとも３ｍｍ×３ｍｍ×１００μｍの幾何学的寸法を有する、スカンジウムがドープされた単結晶窒化アルミニウム。
  13. 好ましくは請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法に従って製造された、少なくとも３ｍｍ×３ｍｍ×１００μｍの幾何学的寸法を有する、イットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウム。
  14. 好ましくは請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法に従って製造された、少なくとも３ｍｍ×３ｍｍ×１００μｍの幾何学的寸法を有する、スカンジウム及びイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウム。
  15. 好ましくは層厚さが２ｎｍを超える、より好ましくは層厚さが１００ｎｍ〜５０μｍである、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムから形成された層又は層のスタックを製造するための基材（ウェハ）としての、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法に従ってスカンジウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムの使用。
  16. 好ましくは層厚さが２ｎｍを超える、より好ましくは層厚さが１００ｎｍ〜５０μｍである、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムから形成された層又は層のスタックを製造するための基材（ウェハ）としての、イットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムの使用。
  17. 好ましくは層厚さが２ｎｍを超える、より好ましくは層厚さが１００ｎｍ〜５０μｍである、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムから形成された層又は層のスタックを製造するための基材（ウェハ）としての、スカンジウム及びイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムの使用。
  18. 好ましくは請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法に従って製造された、スカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウム基材上にある、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムの層又は層のスタックから成る第１の層を含む部品。
  19. 前記第１の層よりもアルミニウムを多く含有する（原子百分率として）、結晶性窒化アルミニウムから形成される少なくとも１つのさらなる層又は窒化アルミニウムガリウムから形成された層を含む、請求項１８に記載の部品。
  20. 第１の領域において、シード材料を収容できる又は収容する第１の手段を備え、第２の領域において、原料及び／又はドープ材料を収容できる又は収容する少なくとも１つの第２の手段を備えることを特徴とするるつぼを含む、特に請求項１から９のいずれか１項に記載の方法を行うため、特に、１００原子％のドープ窒化アルミニウムの全量に対して０．０１原子％〜５０原子％の範囲のスカンジウム及び／又はイットリウム含量を有する、スカンジウム及び／又はイットリウムがドープされた単結晶窒化アルミニウムを製造するための、デバイス。
  21. 原料及び／又はドープ材料を収容できる又は収容する前記少なくとも１つの第２の手段が、一方は前記原料を収容するように構成され他方は前記ドープ材料を収容するように構成されている少なくとも２つの前記第２の手段を含むことを特徴とし、好ましくは、前記ドープ材料を収容するための前記第２の手段と前記シード材料を収容するための前記第１の手段との平均的な分離距離が、前記原料を収容するための前記第２の手段と前記シード材料を収容するための前記第１の手段との平均的な分離距離よりも短い、請求項２０に記載のデバイス。
  22. 前記原料を収容するための前記第２の手段が前記るつぼの下方内部領域によって形成され、前記ドープ材料を収容するための前記第２の手段が前記原料を収容するための手段の上方かつ前記シードを収容するための手段の下方に配置される又は配置することができることを特徴とする、請求項２１に記載のデバイス。
  23. 前記るつぼの下方領域が、好ましくはおよそ水平の上面を有する、上方領域におけるよりも厚い壁を有することを特徴とする、請求項２１に記載のデバイス。
  24. 前記厚い壁の範囲にある前記るつぼの内側において、前記原料を収容するための前記第２の手段を形成する別のるつぼ、及び／又は１つ若しくは複数の遮熱材が、場合により遮熱材の上に配置される若しくは配置することができるさらなる別のデバイスと共に配置される又は配置することができることを特徴とする、請求項２１又は２３に記載のデバイス。
  25. 前記厚い壁の前記上面及び／又は前記遮熱材（複数可）上に配置された前記さらなる別のデバイスが、前記ドープ材料を収容するための前記第２の手段を形成することを特徴とする、請求項２３又は２４に記載のデバイス。
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