JP2023123390A - Method for producing ain single crystals, ain single crystals, and apparatus for producing ain single crystals - Google Patents

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Abstract

To provide: a method for producing AlN single crystals which enables less-expensive and continuous production of AlN single crystals; AlN single crystals; and an apparatus for producing AlN single crystals.SOLUTION: A method for producing AlN single crystals includes: a melt formation step for heating and melting an alloy containing Al to form a melt of the alloy; and a deposition step for depositing AlN single crystals while providing a temperature gradient to the melt by cooling a part of the melt. In the deposition step, by bringing a nitrogen-containing gas into contact with a high-temperature section of the melt and holding AlN seed crystals or a crystal growth substrate for single crystals in a low-temperature section in the melt, with nitrogen being taken into the melt in the high-temperature section, AlN single crystals are deposited on the AlN seed crystals or on the substrate in the low-temperature section, and thereby AlN single crystals continuously grow.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、AlN単結晶の製造方法、AlN単結晶、およびAlN単結晶製造装置に関する。 The present invention relates to an AlN single crystal manufacturing method, an AlN single crystal, and an AlN single crystal manufacturing apparatus.

紫外発光素子は、殺菌光源や蛍光体と組み合わせた高輝度白色光源、高密度情報記録光源、樹脂硬化光源など、幅広い用途での使用が期待される次世代光源である。この紫外発光素子は、AlGaN系窒化物半導体から成っている。 Ultraviolet light emitting elements are next-generation light sources that are expected to be used in a wide range of applications, such as sterilization light sources, high-intensity white light sources combined with phosphors, high-density information recording light sources, and resin curing light sources. This ultraviolet light emitting device is made of an AlGaN-based nitride semiconductor.

このAlGaN系窒化物半導体の基板材料の候補に、AlGaNとの格子整合性の高さから、SiC、GaN、およびAlN(窒化アルミニウム)が挙げられる。しかし、SiCやGaNは、それぞれ波長380nm、365nmよりエネルギーの高い光を吸収するため、取り出せる波長領域が制限されてしまう。一方、AlNは、AlGaNよりも広いバンドギャップを有し、SiCやGaNのような波長領域の制限がないため、基板材料として最も優れていると考えられる。しかし、AlNは、高温において高い解離圧を示すため、常圧下では融液状態にはならない。このため、シリコン単結晶のように、自身の融液からAlN単結晶を作製することは、極めて困難である。 Candidates for the substrate material of this AlGaN nitride semiconductor include SiC, GaN, and AlN (aluminum nitride) because of their high lattice match with AlGaN. However, since SiC and GaN absorb light with energy higher than wavelengths of 380 nm and 365 nm, respectively, the wavelength region that can be extracted is limited. On the other hand, AlN has a wider bandgap than AlGaN and does not have the limitation of wavelength region like SiC and GaN, so it is considered to be the most excellent substrate material. However, since AlN exhibits a high dissociation pressure at high temperatures, it does not enter a molten state under normal pressure. Therefore, it is extremely difficult to produce an AlN single crystal from its own melt like a silicon single crystal.

そこで、従来、AlN単結晶を作製するために、ハイドライド気相成長(HVPE)法や液相成長法、昇華法などの製造方法が試みられている。例えば、高圧下でIII族元素とアルカリ金属とを含む融液に基板を接触させることにより、III族窒化物結晶を成長させる方法(例えば、特許文献1参照)や、III族金属元素の融液に、窒素原子を含有するアンモニアガスを注入して、III族元素の融液内でIII族窒化物微結晶を製造する方法(例えば、特許文献2参照)が提案されている。しかし、これらのAlN単結晶の製造方法では、高圧や高温が必要となり、サイズ、品質およびコストに対して、実用化に耐えうる結晶を製造することは困難であった。 Therefore, conventionally, manufacturing methods such as a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method, a liquid phase epitaxy method, a sublimation method and the like have been tried in order to produce an AlN single crystal. For example, a method of growing a group III nitride crystal by bringing a substrate into contact with a melt containing a group III element and an alkali metal under high pressure (see, for example, Patent Document 1); In addition, a method of injecting ammonia gas containing nitrogen atoms to produce group III nitride microcrystals in a melt of a group III element has been proposed (see, for example, Patent Document 2). However, these AlN single crystal production methods require high pressure and high temperature, and it has been difficult to produce a crystal that can withstand practical use in terms of size, quality and cost.

この問題を解決するために、本発明者らは、低温、常圧下で、安価かつ良質なAlN単結晶を得る方法として、Alを含む合金の融液の表面に、窒素を含む気体を接触させることにより、融液の表面に結晶を成長させるAlN単結晶の液相成長法を開発している(例えば、特許文献3参照)。 In order to solve this problem, the present inventors brought a nitrogen-containing gas into contact with the surface of an Al-containing alloy melt as a method of obtaining an inexpensive and high-quality AlN single crystal at low temperature and normal pressure. Accordingly, a liquid phase growth method for AlN single crystals is developed to grow crystals on the surface of the melt (see, for example, Patent Document 3).

特開2004-224600号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-224600 特開平11-189498号公報JP-A-11-189498 特開2019-194133号公報JP 2019-194133 A

特許文献3に記載のAlN単結晶の液相成長法は、非常に良質なAlN単結晶を安価に製造することができるものの、融液の表面を被覆するように結晶成長が進むため、AlN単結晶が形成された液面からは窒素の供給が遮断される。そのため、成長速度に改善の余地がある。特許文献3では、融液表面から窒素を供給し続けるため、融液形成とは別に、加熱用レーザーにより局所的に加熱する態様を提案しているが、融液の表面以外の箇所でAlN単結晶を連続的に成長させることができれば、安定してAlN単結晶を連続的に成長させることができる。特に、融液形成以外の付加的な加熱なしに融液の表面から連続的に窒素を供給することが可能になれば、より低い消費エネルギーでのAlN単結晶成長を実現すると期待できる。 The liquid phase growth method for AlN single crystals described in Patent Document 3 can produce AlN single crystals of very good quality at low cost. The supply of nitrogen is cut off from the liquid surface where the crystals are formed. Therefore, there is room for improvement in the growth rate. In Patent Document 3, in order to continuously supply nitrogen from the melt surface, a mode is proposed in which local heating is performed by a heating laser separately from the melt formation. If the crystal can be grown continuously, the AlN single crystal can be grown stably and continuously. In particular, if it becomes possible to continuously supply nitrogen from the surface of the melt without any additional heating other than the formation of the melt, it can be expected to realize AlN single crystal growth with lower energy consumption.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、安価かつ連続的にAlN単結晶を製造することができるAlN単結晶の製造方法、AlN単結晶、およびAlN単結晶製造装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and provides an AlN single crystal manufacturing method, an AlN single crystal, and an AlN single crystal manufacturing apparatus capable of inexpensively and continuously manufacturing an AlN single crystal. intended to

上記目的を達成するために、本発明に係るAlN単結晶の製造方法は、Alを含む合金の融液の一部を冷却して融液に温度勾配を設ける。そして、融液の高温部では融液への窒素の取り込みを継続しつつ、融液の低温部にてAlN種結晶又は結晶成長用の基板(以下では単に成長用の基板と呼ぶ)にAlN単結晶を析出させて、AlN単結晶を連続的に成長させる。すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。 In order to achieve the above object, a method for producing an AlN single crystal according to the present invention cools a portion of an Al-containing alloy melt to provide a temperature gradient in the melt. Then, while continuing to take in nitrogen into the melt in the high-temperature part of the melt, the AlN single crystal is deposited on the AlN seed crystal or the substrate for crystal growth (hereinafter simply referred to as the growth substrate) in the low-temperature part of the melt. Crystals are precipitated to continuously grow AlN single crystals. That is, the gist and configuration of the present invention are as follows.

(1)Alを含む合金を加熱、融解して前記合金の融液を形成する融液形成工程と、前記融液の一部を冷却して前記融液に温度勾配を設けつつ、AlN単結晶を析出させる析出工程と、を含むAlN単結晶の製造方法であって、前記析出工程では、前記融液内の高温部に窒素含有ガスを接触させるとともに、前記融液内の低温部にて単結晶のAlN種結晶又は結晶成長用の基板を保持することにより、前記高温部における前記融液への窒素の取り込みを継続しながら、前記低温部で前記AlN種結晶又は前記基板に前記AlN単結晶を析出させて、前記AlN単結晶を連続的に成長させることを特徴とするAlN単結晶の製造方法。 (1) A melt forming step of heating and melting an alloy containing Al to form a melt of the alloy, cooling a part of the melt to provide a temperature gradient in the melt, and forming an AlN single crystal and a precipitation step of precipitating the AlN single crystal, wherein the precipitation step includes bringing a nitrogen-containing gas into contact with a high temperature portion in the melt, and By holding the AlN seed crystal of the crystal or the substrate for crystal growth, the AlN single crystal is grown on the AlN seed crystal or the substrate in the low temperature portion while continuing to incorporate nitrogen into the melt in the high temperature portion. is deposited to continuously grow the AlN single crystal.

(2)前記窒素含有ガスがNガスを含み、下記式(A)で表される前記AlN単結晶の形成の反応が平衡しているときの前記融液中のAlの活量をaeq .Al、前記式(A)の平衡定数をK、ボルツマン定数をk、絶対温度をTとし、析出時の前記窒素含有ガスのNの分圧をpNとすると、下記式(B)で表される前記AlN単結晶の成長の駆動力Δμの値が0となるときの温度をTとしたときに、前記高温部の温度をTよりも高くし、前記低温部の温度を前記合金の液相線の温度以上かつTよりも低くする、(1)に記載のAlN単結晶の製造方法。
2Al(l)+N(g)→2AlN(s) (A)

Figure 2023123390000002
(2) The nitrogen-containing gas contains N2 gas, and the activity of Al in the melt when the reaction for the formation of the AlN single crystal represented by the following formula (A) is in equilibrium is a eq .Al , the equilibrium constant of the above formula (A) is K, the Boltzmann constant is k, the absolute temperature is T, and the partial pressure of N2 of the nitrogen-containing gas at the time of precipitation is pN2 , then the following formula (B) is obtained. When the value of the driving force Δμ for the growth of the AlN single crystal represented becomes 0 , the temperature of the high temperature portion is set higher than T0 , and the temperature of the low temperature portion is set to the above The method for producing an AlN single crystal according to (1), wherein the temperature is equal to or higher than the liquidus temperature of the alloy and lower than T0 .
2Al(l)+ N2 (g)→2AlN(s) (A)
Figure 2023123390000002

(3)前記融液形成工程は、前記高温部をT+30K以上の温度に加熱する高温加熱工程を含む、(2)に記載のAlN単結晶の製造方法。 (3) The method for producing an AlN single crystal according to (2), wherein the melt forming step includes a high temperature heating step of heating the high temperature portion to a temperature of T 0 +30K or higher.

(4)前記融液形成工程は、前記高温加熱工程の後、前記高温部をTよりも高くかつT+30K未満の温度に加熱する低温加熱工程を含む、(3)に記載のAlN単結晶の製造方法。 (4) The AlN unit according to (3), wherein the melt forming step includes a low temperature heating step of heating the high temperature portion to a temperature higher than T 0 and lower than T 0 + 30K after the high temperature heating step. Crystal production method.

(5)前記単結晶のAlN種結晶又は前記結晶成長用の基板を保持するホルダーが冷却機構を備え、前記析出工程では、前記ホルダーを前記融液に接触させることにより前記融液に前記温度勾配を設ける、(1)~(4)のいずれかに記載のAlN単結晶の製造方法。 (5) The holder for holding the AlN seed crystal of the single crystal or the substrate for crystal growth is provided with a cooling mechanism, and in the precipitation step, the holder is brought into contact with the melt, thereby causing the temperature gradient in the melt. The method for producing an AlN single crystal according to any one of (1) to (4), wherein

(6)前記結晶成長用の基板が、サファイア単結晶上にAlN単結晶をエピタキシャル成長させたAlNテンプレート基板である、(1)~(5)のいずれかに記載のAlN単結晶の製造方法。 (6) The method for producing an AlN single crystal according to any one of (1) to (5), wherein the substrate for crystal growth is an AlN template substrate obtained by epitaxially growing an AlN single crystal on a sapphire single crystal.

(7)前記AlNテンプレート基板が、C面サファイア単結晶上にC面AlN単結晶をエピタキシャル成長させたAlNテンプレート基板であり、前記C面AlN単結晶の(10-12)面のX線ロッキングカーブの半値幅が300arcsec以下である、(6)に記載のAlN単結晶の製造方法。 (7) The AlN template substrate is an AlN template substrate in which a C-plane AlN single crystal is epitaxially grown on a C-plane sapphire single crystal, and the X-ray rocking curve of the (10-12) plane of the C-plane AlN single crystal is The method for producing an AlN single crystal according to (6), wherein the half width is 300 arcsec or less.

(8)前記Alを含む合金がNi-Al合金である、(1)~(7)のいずれかに記載のAlN単結晶の製造方法。 (8) The method for producing an AlN single crystal according to any one of (1) to (7), wherein the alloy containing Al is a Ni—Al alloy.

(9)単結晶のAlN種結晶又は結晶成長用の基板の上に形成されたAlN単結晶であって、不純物としてFe、Ni、Cu、Coのいずれか一種以上を8×1016~1×1021/cm含有するAlN単結晶。 (9) A single-crystal AlN seed crystal or an AlN single crystal formed on a substrate for crystal growth, containing 8×10 16 to 1× one or more of Fe, Ni, Cu, and Co as impurities. AlN single crystal containing 10 21 /cm 3 .

(10)単結晶のAlN種結晶又は結晶成長用の基板の上に形成されたAlN単結晶であって、不純物としてNiを8×1016~1×1021/cm含有するAlN単結晶。 (10) A single-crystal AlN seed crystal or an AlN single crystal formed on a substrate for crystal growth, the AlN single crystal containing 8×10 16 to 1×10 21 /cm 3 of Ni as an impurity.

(11)炭素濃度が2×1017cm-3以下である、(9)又は(10)に記載のAlN単結晶。 (11) The AlN single crystal according to (9) or (10), which has a carbon concentration of 2×10 17 cm −3 or less.

(12)窒素含有ガスを内部に供給可能な反応容器と、Alを含む合金の融液を保持できるるつぼと、前記融液の加熱装置と、AlN種結晶又は成長用の基板のホルダーと、を有し、前記ホルダーは、昇降機構と冷却機構とを有し、前記ホルダーを前記融液に接触させることにより前記融液と前記成長用の基板との間に温度勾配を設けることが可能な、AlN単結晶の製造装置。 (12) A reaction vessel capable of supplying a nitrogen-containing gas to the inside, a crucible capable of holding an Al-containing alloy melt, a heater for the melt, and a holder for an AlN seed crystal or a growth substrate. wherein the holder has an elevating mechanism and a cooling mechanism, and a temperature gradient can be provided between the melt and the growth substrate by bringing the holder into contact with the melt; AlN single crystal manufacturing equipment.

本発明によれば、安価かつ、連続的にAlN単結晶を製造することができるAlN単結晶の製造方法、AlN単結晶、およびAlN単結晶製造装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an AlN single crystal manufacturing method, an AlN single crystal, and an AlN single crystal manufacturing apparatus capable of continuously manufacturing an AlN single crystal at a low cost.

図1は、本発明の実施の形態のAlN単結晶の製造方法に係るAlN単結晶成長装置の概要を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an overview of an AlN single crystal growth apparatus according to an AlN single crystal manufacturing method according to an embodiment of the present invention. 図2は、Ni-Al合金の各組成でのAlN単結晶の成長の駆動力Δμと温度(T)との関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the driving force Δμ for AlN single crystal growth and the temperature (T) for each composition of Ni—Al alloy. 図3は、本発明の実施の形態のAlN単結晶の製造方法に係るAlN単結晶成長装置の全体構成の一態様を示す正面図である。FIG. 3 is a front view showing one aspect of the overall configuration of the AlN single crystal growth apparatus according to the method for producing an AlN single crystal according to the embodiment of the present invention. 図4は、本発明の実施の形態のAlN単結晶の製造方法に係るAlN単結晶成長装置の全体構成の別の態様を示す正面図である。FIG. 4 is a front view showing another aspect of the overall configuration of the AlN single crystal growth apparatus according to the method for producing an AlN single crystal according to the embodiment of the present invention. 図5は、本発明の実施の形態のAlN単結晶の製造方法に係るAlN単結晶成長装置の全体構成の別の態様を示す正面図である。FIG. 5 is a front view showing another aspect of the overall configuration of the AlN single crystal growth apparatus according to the method for producing an AlN single crystal according to the embodiment of the present invention. 図6は、実施例1~5で結晶成長用の基板として使用したAlNテンプレート基板の断面SEM像である。FIG. 6 is a cross-sectional SEM image of an AlN template substrate used as a substrate for crystal growth in Examples 1-5. 図7は、実施例1におけるAlN単結晶成長後のAlNテンプレート基板の断面SEM像である。7 is a cross-sectional SEM image of the AlN template substrate after AlN single crystal growth in Example 1. FIG. 図8は、実施例1におけるAlN単結晶成長後のAlNテンプレート基板上に成長した単結晶部分のSEM-EDXプロファイルである。8 is an SEM-EDX profile of the single crystal portion grown on the AlN template substrate after AlN single crystal growth in Example 1. FIG. 図9は、実施例2におけるAlN単結晶成長後のAlNテンプレート基板の断面SEM像である。9 is a cross-sectional SEM image of the AlN template substrate after AlN single crystal growth in Example 2. FIG. 図10は、実施例3におけるAlN単結晶成長後のAlNテンプレート基板の断面SEM像である。10 is a cross-sectional SEM image of the AlN template substrate after AlN single crystal growth in Example 3. FIG. 図11は、実施例4におけるAlN単結晶成長後のAlNテンプレート基板の断面SEM像である。11 is a cross-sectional SEM image of the AlN template substrate after AlN single crystal growth in Example 4. FIG. 図12Aは、実施例2におけるAlNテンプレート上のAlN単結晶の、N(窒素)及びNi(ニッケル)についてのSIMS測定結果である。12A is SIMS measurement results for N (nitrogen) and Ni (nickel) of the AlN single crystal on the AlN template in Example 2. FIG. 図12Bは、実施例2におけるAlNテンプレート上のAlN単結晶の、O(酸素)及びC(炭素)についてのSIMS測定結果である。12B is SIMS measurement results for O (oxygen) and C (carbon) of the AlN single crystal on the AlN template in Example 2. FIG.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書において単に「窒素」と記載する場合はNとNの両方を意味するものとする。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, when simply describing "nitrogen" in this specification, both N2 and N shall be meant.

(AlN単結晶の製造方法)
本実施形態に係るAlN単結晶の製造方法は、Alを含む合金を加熱、融解して合金の融液を形成する融液形成工程と、融液の一部を冷却して融液に温度勾配を設けつつ、AlN単結晶を析出させる析出工程と、を含む。本製造方法は、析出工程では、融液内の高温部に窒素含有ガスを接触させるとともに、融液内の低温部にて成長用の基板を保持することにより、高温部における融液への窒素の取り込みを継続しながら、低温部で成長用の基板にAlN単結晶を析出させて、AlN単結晶を連続的に成長させる。
(Method for producing AlN single crystal)
The method for producing an AlN single crystal according to the present embodiment includes a melt forming step of heating and melting an alloy containing Al to form an alloy melt, and cooling a part of the melt to form a temperature gradient in the melt. and a precipitation step of precipitating an AlN single crystal while providing In the precipitation step, the high-temperature portion of the melt is brought into contact with the nitrogen-containing gas, and the growth substrate is held at the low-temperature portion of the melt. While continuing to take in the AlN single crystal, the AlN single crystal is deposited on the substrate for growth in the low-temperature part, and the AlN single crystal is grown continuously.

各工程の詳細を説明するに先立ち、図1に概略的に図示した本発明方法に適用可能なAlN単結晶製造装置100を説明する。このAlN単結晶製造装置100のるつぼ170は、窒素含有ガス中に設置されている。るつぼ170内にはAl含む合金を補充することができ、この合金を加熱すると融液180が得られる。融液180には、成長用の基板190を保持したホルダー195を含浸させることができる。 Before describing the details of each step, an AlN single crystal manufacturing apparatus 100 applicable to the method of the present invention schematically illustrated in FIG. 1 will be described. The crucible 170 of this AlN single crystal manufacturing apparatus 100 is placed in a nitrogen-containing gas. The crucible 170 can be replenished with an Al-containing alloy, and when this alloy is heated, a melt 180 is obtained. The melt 180 can be impregnated with a holder 195 holding a substrate 190 for growth.

成長用の基板190を保持するホルダー195に二重管構造などを設けると、その内側の管には冷却ガス又は冷却液を導入可能な冷却機構の設けることができ、この冷却物質を利用して、融液180の一部を冷却することができる。こうすることで、融液180内に温度勾配を付けて高温部181と低温部182を設けることが可能である。このAlN単結晶製造装置100を用いると、融液180の高温部181には窒素含有ガスを接触させ続ける一方で、融液180の低温部182に成長用の基板190を保持したホルダー195を含浸させることができる。なお「窒素含有ガス」とは、融液180への窒素の供給源とすることができるガスであればよく、窒素ガス(Nガス)のほか、窒素原子を含むガス(例えば、アンモニアガス等)を含んでもよい。以下、図1を引き続き参照しながら、成長用の基板および各工程の詳細について順次説明する。 If the holder 195 that holds the growth substrate 190 is provided with a double-tube structure or the like, the inner tube can be provided with a cooling mechanism capable of introducing a cooling gas or a cooling liquid, and this cooling substance can be used. , a portion of the melt 180 can be cooled. By doing so, it is possible to provide a high temperature portion 181 and a low temperature portion 182 with a temperature gradient in the melt 180 . When this AlN single crystal manufacturing apparatus 100 is used, the high temperature portion 181 of the melt 180 is kept in contact with the nitrogen-containing gas, while the low temperature portion 182 of the melt 180 is impregnated with the holder 195 holding the substrate 190 for growth. can be made Note that the “nitrogen-containing gas” may be any gas that can be used as a nitrogen supply source for the melt 180, and in addition to nitrogen gas (N 2 gas), gas containing nitrogen atoms (for example, ammonia gas, etc.) ) may be included. Hereinafter, details of the substrate for growth and each step will be sequentially described while continuing to refer to FIG.

<成長用の基板>
成長用の基板190は、表面にAlN単結晶を成長させることができる基板であり、基板表面にAlN単結晶を有することが好ましい。特に、サファイア基板上にAlN単結晶をエピタキシャル成長させたAlNテンプレート基板を用いることが好ましい。成長用の基板190は、結晶成長用の基板に代えてAlN単結晶そのもの(単結晶のAlN種結晶)を用いてもよい。図1では基板の態様を図示した。
<Substrate for growth>
The growth substrate 190 is a substrate on which an AlN single crystal can be grown, and preferably has an AlN single crystal on the substrate surface. In particular, it is preferable to use an AlN template substrate obtained by epitaxially growing an AlN single crystal on a sapphire substrate. The growth substrate 190 may be an AlN single crystal itself (single crystal AlN seed crystal) instead of the crystal growth substrate. FIG. 1 illustrates the form of the substrate.

AlNテンプレート基板は、C面サファイア単結晶上にC面AlN単結晶をエピタキシャル成長させたAlNテンプレート基板を用いることが好ましく、C面AlN単結晶の(10-12)面のX線ロッキングカーブの半値幅が300arcsec以下であることが好ましい。さらに、C面サファイア単結晶上のC面AlN単結晶の膜厚は0.3μm以上1.2μm以下であることがより好ましく、C面AlN単結晶の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅が150arcsec以下であることがより好ましい。 As the AlN template substrate, it is preferable to use an AlN template substrate obtained by epitaxially growing a C-plane AlN single crystal on a C-plane sapphire single crystal. is preferably 300 arcsec or less. Furthermore, the film thickness of the C-plane AlN single crystal on the C-plane sapphire single crystal is more preferably 0.3 μm or more and 1.2 μm or less, and is half the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the C-plane AlN single crystal. More preferably, the price range is 150 arcsec or less.

C面サファイア単結晶上に成長させたC面AlN単結晶の(10-12)面のX線ロッキングカーブの半値幅が300arcsec以下であるAlNテンプレート基板を用いることにより、本発明の製造方法で作製するAlN単結晶の結晶品質を向上させることができる。また、AlNテンプレート基板を融液に浸漬させてAlNを液相成長させる際にAlNテンプレート基板の表面のAlN単結晶がエッチングにより分解及び消失することを抑制することができる。融液180に接触するAlNが多結晶である場合や、単結晶であっても、(10-12)面のX線ロッキングカーブの半値幅が300arcsecより大きい場合では分解しやすく、融液180に浸漬する際にそのAlN結晶が無くなってしまう場合がある。単結晶のAlN種結晶を用いる場合でも、同じ理由によりAlN単結晶の(10-12)面のX線ロッキングカーブの半値幅が300arcsec以下の品質であることが好ましい。 Produced by the production method of the present invention by using an AlN template substrate having an X-ray rocking curve half width of 300 arcsec or less in the (10-12) plane of a C-plane AlN single crystal grown on a C-plane sapphire single crystal. It is possible to improve the crystal quality of the AlN single crystal to be used. In addition, when the AlN template substrate is immersed in the melt to cause liquid phase growth of AlN, it is possible to suppress decomposition and disappearance of the AlN single crystal on the surface of the AlN template substrate due to etching. When the AlN in contact with the melt 180 is polycrystalline, or even when it is a single crystal, when the half-value width of the X-ray rocking curve of the (10-12) plane is greater than 300 arcsec, it is likely to decompose, and the melt 180 The AlN crystal may disappear during the immersion. Even when a single crystal AlN seed crystal is used, for the same reason, it is preferable that the half width of the X-ray rocking curve of the (10-12) plane of the AlN single crystal is 300 arcsec or less.

AlNテンプレート基板に用いるサファイア基板は、C面が0.05°以上0.55°以下のオフ角で傾斜した面であることが好ましい。サファイアの代わりC面SiC単結晶を用いることもできる。 The sapphire substrate used for the AlN template substrate preferably has a C-plane inclined at an off angle of 0.05° or more and 0.55° or less. A C-plane SiC single crystal can also be used instead of sapphire.

C面サファイア単結晶上にC面AlN単結晶をエピタキシャル成長させ、AlN単結晶の(10-12)面のX線ロッキングカーブの半値幅が300arcsec以下である、AlNテンプレート基板の製法としては、MOCVD法で成長したAlNテンプレート基板を、窒素雰囲気中で、1823K以上(例えば1873K)でアニールすることによる低転位化処理を施すことで得ることができる。 As a method for manufacturing an AlN template substrate in which a C-plane AlN single crystal is epitaxially grown on a C-plane sapphire single crystal and the half width of the X-ray rocking curve of the (10-12) plane of the AlN single crystal is 300 arcsec or less, the MOCVD method is used. can be obtained by subjecting an AlN template substrate grown in a nitrogen atmosphere to a low dislocation treatment by annealing at 1823 K or higher (for example, 1873 K).

なお、AlNの成長方法としては、原料ガスとして、トリメチルアルミニウム(TMA)とアンモニアを用いるMOCVD法とすることが好ましいが、HVPEやスパッタを用いることも可能である。 As a method for growing AlN, MOCVD using trimethylaluminum (TMA) and ammonia as raw material gases is preferable, but HVPE or sputtering can also be used.

<融液形成工程>
融液形成工程では、Alを含む合金を加熱、融解して、この合金の融液180を形成する。融液180となる合金の組成は特に限定されないが、AlとAlよりも窒化物を形成しにくい金属元素とを主成分としていることが好ましく、その合金の液相線温度は熱力学的にAlNが分解する温度よりも低いことが好ましい。Al以外の合金成分は、主成分としてFe、Ni、Cu、Co、Siのうちの少なくとも一種の元素を含むことが好ましい。これらの合金の融液180を用いることで、効率よくAlN単結晶を製造することができ、中でもNi-Al合金を用いることが最も好ましい。それらの合金の中でも、後述するAlN単結晶の成長の駆動力Δμの値がゼロをなるときの温度(T)が、1700K以上2100K以下である合金組成とすることが好ましく、1750K以上2000K以下の間にある合金組成とすることがより好ましい。Ni-Al合金ではAl組成を15mol%以上35mol%以下とすることが好ましい。なお、装置保全の観点からは、合金の融液180を構成する元素にはGaのような侵蝕性の強い元素は用いないことが好ましい。
<Melt formation process>
In the melt forming step, an alloy containing Al is heated and melted to form a melt 180 of this alloy. Although the composition of the alloy that becomes the melt 180 is not particularly limited, it is preferably composed mainly of Al and a metal element that is less likely to form a nitride than Al, and the liquidus temperature of the alloy is thermodynamically AlN is preferably lower than the temperature at which the decomposition occurs. The alloy components other than Al preferably contain at least one of Fe, Ni, Cu, Co and Si as a main component. By using the melt 180 of these alloys, an AlN single crystal can be produced efficiently, and among them, it is most preferable to use a Ni—Al alloy. Among these alloys, it is preferable to have an alloy composition in which the temperature (T 0 ) at which the value of the driving force Δμ for the growth of the AlN single crystal becomes zero, which will be described later, is 1700 K or more and 2100 K or less, and 1750 K or more and 2000 K or less. It is more preferable to have an alloy composition between The Ni—Al alloy preferably has an Al composition of 15 mol % or more and 35 mol % or less. From the viewpoint of equipment maintenance, it is preferable not to use a highly corrosive element such as Ga as an element forming the alloy melt 180 .

融液180を収納するるつぼ170の材質は、いかなるものであってもよい。るつぼ170自体や、るつぼ170の内面に窒素を含む焼結体が設けられていることが好ましい。また、窒素を含む焼結体は、AlN又はAlNよりも熱力学的に不安定な材質から作製されることが好ましい。合金の融液180を収納するるつぼ170自体や、るつぼ170の内面にAlN又はAlNよりも熱力学的に不安定な材質を用いることで、その焼結体自体を融液180への窒素(AlNの場合は窒素およびAl)の供給源とすることができる。また、るつぼ170の材質をCSZ製やBN製とすることも好ましい。るつぼ170の材質をCSZ製やBN製とする場合、結晶成長に伴い低下する融液180内のAl量の補充を行うために、AlN焼結片やAlN多結晶などのAlを含む材料の添加を別途行っても良い。 The crucible 170 containing the melt 180 may be made of any material. A sintered body containing nitrogen is preferably provided on the crucible 170 itself or on the inner surface of the crucible 170 . In addition, the sintered body containing nitrogen is preferably made of AlN or a material that is thermodynamically more unstable than AlN. By using AlN or a material more thermodynamically unstable than AlN for the crucible 170 itself containing the alloy melt 180 and the inner surface of the crucible 170 , the sintered body itself is made of nitrogen (AlN can be a source of nitrogen and Al). It is also preferable to use CSZ or BN as the material of the crucible 170 . When the crucible 170 is made of CSZ or BN, a material containing Al such as AlN sintered pieces or AlN polycrystals is added in order to replenish the amount of Al in the melt 180 that decreases with crystal growth. can be done separately.

<析出工程>
析出工程では、上記の融液形成工程の後に、融液180の一部を冷却して融液180に温度勾配を設けつつ、AlN単結晶を析出させる。そして、この析出工程では、融液180内の高温部181に窒素含有ガスを接触させるとともに、融液180内の低温部182にて成長用の基板190をホルダー195で保持する。こうすることで、高温部181における融液180への窒素の取り込みを継続しながら、低温部182で成長用の基板190にAlNを析出させて、AlN単結晶を連続的に成長させる。すなわち、合金の融液180内に溶解した窒素を合金の融液180の低温部182へ輸送し、低温部182に保持した成長用の基板190の表面上で融液180中のAlと反応させることで、AlN単結晶を連続的に成長させることができる。本発明ではこのように融液形成工程と析出工程を並列して行いながら、合金の融液180への窒素の供給及び溶解した窒素と合金中のAlとの反応によるAlNの析出の両方を同時に実現することができ、連続的にAlN単結晶を成長させることができる。その際、高温部181をAlNが熱力学的に不安定となる温度(AlNが析出せず分解する温度)範囲に維持しながら、低温部182をAlNが熱力学的に安定となる温度まで冷却することが好ましい。
<Precipitation process>
In the precipitation step, after the melt forming step, a part of the melt 180 is cooled to provide a temperature gradient in the melt 180 while precipitating the AlN single crystal. In this precipitation step, the nitrogen-containing gas is brought into contact with the high temperature portion 181 in the melt 180 and the growth substrate 190 is held by the holder 195 at the low temperature portion 182 in the melt 180 . In this way, AlN is precipitated on the growth substrate 190 in the low temperature portion 182 while nitrogen is continuously taken into the melt 180 in the high temperature portion 181, and the AlN single crystal is continuously grown. That is, nitrogen dissolved in the alloy melt 180 is transported to the low-temperature portion 182 of the alloy melt 180 and reacted with Al in the melt 180 on the surface of the growth substrate 190 held in the low-temperature portion 182. Thus, the AlN single crystal can be grown continuously. In the present invention, while performing the melt forming step and the precipitation step in parallel, both the supply of nitrogen to the alloy melt 180 and the precipitation of AlN by the reaction between the dissolved nitrogen and Al in the alloy are simultaneously performed. can be realized, and the AlN single crystal can be grown continuously. At that time, the low temperature part 182 is cooled to a temperature at which AlN is thermodynamically stable while maintaining the high temperature part 181 in a temperature range at which AlN is thermodynamically unstable (a temperature at which AlN does not precipitate and decomposes). preferably.

<AlN単結晶の成長の駆動力Δμ>
ここで、AlN単結晶の成長の駆動力Δμについて説明し、本実施形態のより好ましい態様を説明する。本発明に係るAlN単結晶の製造方法では、融液180中のAlと融液180中に供給された窒素とが反応してAlN単結晶が形成される。窒素供給源の窒素含有ガスがNガスを含む場合、このときの反応式は下記(1)式で示される。
2Al(l)+N(g)→2AlN(s) (1)
<Driving Force Δμ for Growth of AlN Single Crystal>
Here, the driving force Δμ for the growth of the AlN single crystal will be explained, and a more preferable aspect of this embodiment will be explained. In the method for producing an AlN single crystal according to the present invention, Al in the melt 180 reacts with nitrogen supplied in the melt 180 to form an AlN single crystal. When the nitrogen-containing gas of the nitrogen supply source contains N2 gas, the reaction formula at this time is shown by the following formula (1).
2Al(l)+ N2 (g)→2AlN(s) (1)

このとき、上記(1)式の反応が平衡しているときのAlNの活量をaeq .AlN、融液180中のAlの活量をaeq .Al、Nの分圧をPeq.Nとすると、上記(1)式の平衡定数Kは、下記(2)式で表される。

Figure 2023123390000003
At this time, the activity of AlN when the reaction of the above equation (1) is in equilibrium is expressed as a eq . AlN , the activity of Al in the melt 180 is a eq . Let the partial pressures of Al and N2 be P eq . Assuming that N2 , the equilibrium constant K of the above equation (1) is represented by the following equation (2).
Figure 2023123390000003

ここで、AlNはほぼ純粋な固体であるため、AlNの活量aeq .AlNは1となる。また、AlN単結晶の成長の駆動力Δμは、雰囲気中のNの分圧をPNとすると、雰囲気中のNの化学ポテンシャルと、上記(1)式が平衡しているときのNの化学ポテンシャルとの差により与えられ、下記(3)式で表される。さらに上記(2)式の平衡関係を用いれば、最終的にAlN単結晶の成長の駆動力Δμは下記(4)式で表すことができる。(3)、(4)式中のkはボルツマン定数、Tは絶対温度を表す。

Figure 2023123390000004
Here, since AlN is a substantially pure solid, the activity a eq .AlN of AlN is 1. In addition, the driving force Δμ for the growth of the AlN single crystal is the chemical potential of N 2 in the atmosphere, where PN 2 is the partial pressure of N 2 in the atmosphere, and N 2 and is expressed by the following equation (3). Furthermore, by using the equilibrium relationship of the above equation (2), the driving force Δμ for the growth of the AlN single crystal can finally be expressed by the following equation (4). In the formulas (3) and (4), k represents Boltzmann's constant and T represents absolute temperature.
Figure 2023123390000004

上記(4)式より、融液180中でのAlN単結晶の成長の駆動力Δμは、雰囲気中のN分圧PN、平衡定数K、ボルツマン定数k、絶対温度Tおよび融液180中のAlの活量aeq .Alで表されることがわかる。このことから、雰囲気中のN分圧、温度、および融液180の合金組成により、融液180中でのAlN単結晶の成長の駆動力Δμを制御することができる。AlN単結晶の成長の駆動力Δμの値がゼロをなるときの温度をTとする。このとき、融液180内の高温部181の温度(以下、T1とする)をTよりも高く、低温部182の温度(以下、T2とする)を、融液180を構成する合金の液相線の温度以上かつTよりも低くすることが好ましい。融液180の高温部181の温度T1を、Δμが負となる温度(すなわちT1>T)に保持しながらその高温部181にNガスを接触させることで、融液180へ窒素をより確実に溶解させることができる。また、合金の融液180がより高温であるほど、合金の融液へ窒素を多く溶解させることができるため、融液形成工程は、高温部181をT+30K以上の温度に加熱する高温加熱工程を含むことが好ましい。 From the above equation (4), the driving force Δμ for the growth of the AlN single crystal in the melt 180 is the N 2 partial pressure PN 2 in the atmosphere, the equilibrium constant K, the Boltzmann constant k, the absolute temperature T and in the melt 180 is represented by the Al activity a eq .Al . From this, the driving force Δμ for AlN single crystal growth in the melt 180 can be controlled by the N 2 partial pressure in the atmosphere, the temperature, and the alloy composition of the melt 180 . The temperature at which the value of the driving force Δμ for AlN single crystal growth becomes zero is defined as T 0 . At this time, the temperature of the high-temperature portion 181 (hereinafter referred to as T1) in the melt 180 is higher than T0 , and the temperature of the low-temperature portion 182 (hereinafter referred to as T2) is the liquid of the alloy forming the melt 180. It is preferably higher than the phase wire temperature and lower than T0 . The temperature T1 of the high-temperature portion 181 of the melt 180 is kept at a temperature at which Δμ becomes negative (that is, T1>T 0 ), and the high-temperature portion 181 is brought into contact with N 2 gas. You can definitely dissolve it. In addition, the higher the temperature of the alloy melt 180, the more nitrogen can be dissolved in the alloy melt. It is preferable to include steps.

例として、融液180がAlとNiとを主成分として含むNi-Al合金から得られている場合を説明する。ここで、融液180中のAlの活量aeq. Alは、温度1873KにおけるNi-Al中のAlの活量の組成依存性が、Desai PD. Thermodynamic properties of selected binary aluminum alloy systems.J Phys Chem Ref data. 1987;16:109-24.で報告されており、その組成依存性のデータを用いることができる。また、Ni-Alが正則溶体であるとして、1873K以外の温度におけるNi-Al中のAlの活量を求めることができる。雰囲気中のNの分圧PNを1barとしたとき、上記(4)式から、Ni-Al合金の各組成におけるAlN単結晶の成長の駆動力Δμと温度(T)との関係を求めることができる。そのようにして求めた各合金組成における関係を、図2に示す。なお、図2に示す各合金組成に対応する線での低温側の端点は、その合金組成における液相線の温度を示している。液相線の温度は、Adachi M, Sato A, Hamaya S, Ohtsuka M, Fukuyama H. Containerless measurements of the liquid-state density of Ni-Al alloys for use as turvine blade materials. SN Appl Sci. 2019;1:18-1-7.のデータを用いることができる。 As an example, a case where the melt 180 is obtained from a Ni—Al alloy containing Al and Ni as main components will be described. Here, the activity of Al in the melt 180 a eq. Regarding Al , composition dependence of Al activity in Ni—Al at a temperature of 1873 K was reported in Desai PD. Thermodynamic properties of selected binary aluminum alloy systems. J Phys Chem Ref data. 1987;16:109-24. and its composition-dependent data can be used. Further, assuming that Ni--Al is a regular solution, the activity of Al in Ni--Al at temperatures other than 1873K can be obtained. When the partial pressure PN 2 of N 2 in the atmosphere is 1 bar, the relationship between the driving force Δμ for AlN single crystal growth and the temperature (T) for each composition of the Ni—Al alloy is obtained from the above equation (4). be able to. FIG. 2 shows the relationship in each alloy composition obtained in this manner. In addition, the end point on the low temperature side of the line corresponding to each alloy composition shown in FIG. 2 indicates the temperature of the liquidus line in that alloy composition. Adachi M, Sato A, Hamaya S, Ohtsuka M, Fukuyama H. Containerless measurements of the liquid-state density of Ni-Al alloys for use as turvine blade materials. SN Appl Sci. 2019;1: Data from 18-1-7 can be used.

各合金組成において、AlN単結晶の成長の駆動力Δμ=0となる温度が、(1)式の反応が平衡する温度であり、Δμ>0のときAlNが析出し、Δμ<0のときAlNが分解する。図2から分かるように、各合金組成において、融液180の温度を制御することによってAlN単結晶の成長の駆動力Δμの値を調整することができ、AlNを析出させるか(Δμ>0)、AlNを分解させるか(Δμ<0)を制御することができる。例えば、融液180がNi-20mol%Alの合金組成のとき、Tの値は1832Kである。この場合、1832Kより高い温度ではΔμが負となるため、AlNは融液180中に分解する一方、1832Kより低い温度ではΔμが正となるため、AlNが析出する。窒素供給源の窒素含有ガスがNガスを含む場合、融液180の高温部181をΔμ=0となる温度よりも高い温度で保持しながら窒素含有ガスを融液に接触させることで、融液180とガスとの接触面にAlN単結晶を析出することなく窒素が合金の融液180に溶解するため、連続的に融液180中に窒素を供給することができる。別の例では、合金の融液180の組成がNi-30mol%Alの合金組成のとき、Tの値は1998Kである。融液180となる合金の組成は、Tの値が1700以上2000K以下となるような組成を選択することが好ましい。 In each alloy composition, the temperature at which the driving force for the growth of the AlN single crystal Δμ=0 is the temperature at which the reaction of the equation (1) is balanced. decomposes. As can be seen from FIG. 2, in each alloy composition, by controlling the temperature of the melt 180, the value of the driving force Δμ for AlN single crystal growth can be adjusted, and whether AlN is precipitated (Δμ>0) or not. , AlN is decomposed (Δμ<0). For example, when the melt 180 has an alloy composition of Ni-20 mol % Al, the value of T0 is 1832K. In this case, since Δμ becomes negative at temperatures higher than 1832K, AlN decomposes in the melt 180, whereas at temperatures lower than 1832K, Δμ becomes positive and AlN precipitates. When the nitrogen-containing gas of the nitrogen supply source contains N2 gas, the nitrogen-containing gas is brought into contact with the melt while maintaining the high-temperature portion 181 of the melt 180 at a temperature higher than the temperature at which Δμ=0. Since nitrogen dissolves in the alloy melt 180 without precipitating AlN single crystals on the contact surface between the liquid 180 and the gas, nitrogen can be continuously supplied into the melt 180 . In another example, the value of T 0 is 1998K when the alloy melt 180 has an alloy composition of Ni-30 mol % Al. As for the composition of the alloy that becomes the melt 180, it is preferable to select such a composition that the value of T0 is 1700 or more and 2000K or less.

融液180の低温部182をΔμ=0となる温度よりも低い温度で保持しながら、その低温部182に成長用の基板190を保持することが好ましい。こうすることで、高温部181で合金中に溶解した窒素が低温部182に保持した成長用の基板190の表面上で合金の融液180中のAlと反応し、より安定してAlN単結晶を連続的に成長させることができる。 It is preferable to hold the growth substrate 190 on the low temperature portion 182 while maintaining the low temperature portion 182 of the melt 180 at a temperature lower than the temperature at which Δμ=0. In this way, nitrogen dissolved in the alloy in the high temperature portion 181 reacts with Al in the alloy melt 180 on the surface of the substrate 190 for growth held in the low temperature portion 182, and the AlN single crystal is more stably formed. can be grown continuously.

より具体的に説明する。融液180内では温度勾配が設けられているため、高温部181(T1)ではΔμ<0となるために融液180中に窒素が供給される。この窒素供給と同時に、低温部182(T2)ではΔμ>0となるために低温部182では窒素が過飽和となる。こうして、より確実にAlN単結晶を連続的に成長させることができる。また、低温部182に保持される成長用の基板190の表面の温度は、少なくとも成長用の基板190のAlN単結晶が分解されない温度で保持することが好ましく、AlN種結晶又は結晶成長用の基板をΔμ<0となる高温の融液180に浸漬した直後において結晶成長の起点となるAlN単結晶が無くなってしまう前に、AlN単結晶の表面がΔμ>0となる低温まで低下することが好ましい。そのため高温部181をTよりも高くT+30K未満の温度に加熱することが好ましい。さらに、成長用の基板190を融液180に浸漬する前に、高温部181の温度をT+30K以上に加熱して融液180中に窒素をより多く溶解させてから、高温部181の温度をTよりも高くT+30K未満にすることで、結晶成長の起点となるAlN単結晶を保持しながら、より効率的にAlN単結晶を成長させることができる。 More specific description will be given. Since a temperature gradient is provided in the melt 180, nitrogen is supplied into the melt 180 because Δμ<0 in the high temperature portion 181 (T1). Simultaneously with this supply of nitrogen, the low temperature section 182 (T2) becomes supersaturated with nitrogen because Δμ>0. In this way, the AlN single crystal can be grown continuously more reliably. Further, the surface temperature of the growth substrate 190 held in the low-temperature part 182 is preferably maintained at a temperature at which at least the AlN single crystal of the growth substrate 190 is not decomposed. is immersed in a high-temperature melt 180 at which Δμ<0, the surface of the AlN single crystal is preferably lowered to a low temperature at which Δμ>0 before the AlN single crystal serving as the starting point for crystal growth disappears. . Therefore, it is preferable to heat the high temperature portion 181 to a temperature higher than T 0 and lower than T 0 +30K. Furthermore, before the growth substrate 190 is immersed in the melt 180, the temperature of the high-temperature portion 181 is heated to T 0 +30 K or higher to dissolve more nitrogen in the melt 180, and then the temperature of the high-temperature portion 181 increases. is higher than T 0 and less than T 0 +30K, the AlN single crystal can be grown more efficiently while retaining the AlN single crystal that serves as the starting point of crystal growth.

このように、本発明の実施形態に係るAlN単結晶の製造方法は、冷却により合金の融液180に温度勾配を設けつつ、高温部181から窒素を取り込み続けることができる。合金の種類、組成、雰囲気、N分圧などを適切に選ぶことにより、昇華法よりも低い温度で、安価にAlN単結晶を連続的に製造することができる。 Thus, the method for producing an AlN single crystal according to the embodiment of the present invention can continue to take in nitrogen from the high temperature portion 181 while providing a temperature gradient in the alloy melt 180 by cooling. By appropriately selecting the alloy type, composition, atmosphere, N2 partial pressure, etc., it is possible to continuously produce AlN single crystals at a lower temperature and lower cost than the sublimation method.

なお、析出工程においてAlN単結晶を連続的に成長させていくと、融液180中のAlが消費されるため融液180の合金組成は変化しうる。例えば、Ni-Al合金においてAl割合が減少すると、当該組成における温度Tは小さくなるため、低温部182と高温部181の温度が、Al割合が減少する前と同じ温度である場合に、低温部182においてはΔμの絶対値が減るため、よりAlNが析出し難くなり、高温部181ではΔμの絶対値が増えるため、気相から液相への窒素の供給が多くなる。そこで、融液180の温度を融液180の組成変化に追従させるように、析出工程の途中で融液180の温度を調整することが好ましい。融液180全体の加熱条件を調整してもよいし、低温部182と高温部181の温度を共に下げるようにしても良いし、低温部182の温度のみを下げるよう冷却してもよいし、高温部181の温度を部分的に上げてもよいし、これらを組み合わせて行うことも好ましい。他にも、AlN単結晶を連続的に成長させていくときの融液内の窒素の消費と、融液への窒素の供給とのバランスを補うように、高温部181における気相から液相への窒素の供給を効率よく行うために、析出工程中に気相部分のN分圧を大きくしてもよい。 In addition, if the AlN single crystal is grown continuously in the precipitation step, the Al in the melt 180 is consumed, so the alloy composition of the melt 180 may change. For example, when the Al ratio in a Ni—Al alloy decreases, the temperature T 0 in the composition decreases. Since the absolute value of Δμ decreases in the portion 182, AlN is more difficult to precipitate, and since the absolute value of Δμ increases in the high-temperature portion 181, more nitrogen is supplied from the gas phase to the liquid phase. Therefore, it is preferable to adjust the temperature of the melt 180 during the precipitation process so that the temperature of the melt 180 follows the change in the composition of the melt 180 . The heating conditions for the entire melt 180 may be adjusted, the temperatures of both the low-temperature portion 182 and the high-temperature portion 181 may be lowered, or only the temperature of the low-temperature portion 182 may be lowered. The temperature of the high-temperature portion 181 may be partially raised, or a combination thereof is also preferred. In addition, in order to compensate for the balance between the consumption of nitrogen in the melt and the supply of nitrogen to the melt when the AlN single crystal is continuously grown, the gas phase in the high temperature part 181 is changed from the liquid phase to the liquid phase. The N2 partial pressure in the gas phase portion may be increased during the deposition process in order to efficiently supply nitrogen to .

次に、本発明の実施形態に係るAlN単結晶の製造方法に適用可能な、AlN単結晶成長装置の一例について、さらに詳細を説明する。以下では、符号の下二桁が既述の構成と重複する場合、説明簡略化のため重複する説明を省略する。AlN単結晶成長装置の構成は以下で説明する構成は例示に過ぎず、限定されるものではない。 Next, an example of an AlN single crystal growth apparatus applicable to the AlN single crystal manufacturing method according to the embodiment of the present invention will be described in further detail. In the following, when the last two digits of the reference numerals are the same as those of the above-described configuration, the redundant description will be omitted for the sake of simplicity. The configuration of the AlN single crystal growth apparatus described below is merely an example, and is not limited.

<AlN単結晶成長装置>
図3を参照する。本発明に用いるAlN単結晶の製造装置は、窒素含有ガスを内部に供給可能な反応容器210と、反応容器210の内部に格納され、Alを含む合金の融液280を保持可能なるつぼ270と、るつぼ270を加熱することにより、融液280を加熱可能な加熱装置と、融液280の液面上方から液面の下方まで延在するホルダー295とを少なくとも有する。ホルダー295には、AlN種結晶又は結晶成長用の基板290が取り付けられている。ここで、ホルダー295には、昇降機構と冷却機構が設けられ、昇降機構を用いてホルダー295を融液280に接触させつつ、冷却機構を用いることにより融液280とAlN種結晶又は結晶成長用の基板290との間に温度勾配を設けることが可能となる。
<AlN Single Crystal Growth Apparatus>
Please refer to FIG. The AlN single crystal manufacturing apparatus used in the present invention includes a reaction vessel 210 capable of supplying a nitrogen-containing gas to the interior thereof, and a crucible 270 stored inside the reaction vessel 210 and capable of holding an Al-containing alloy melt 280. , a heating device capable of heating the melt 280 by heating the crucible 270, and a holder 295 extending from above the liquid surface of the melt 280 to below the liquid surface. An AlN seed crystal or a substrate 290 for crystal growth is attached to the holder 295 . Here, the holder 295 is provided with an elevating mechanism and a cooling mechanism. It becomes possible to provide a temperature gradient between the substrate 290 of the .

図3に本発明の実施形態に係るAlN単結晶成長装置の一例を示す。AlN単結晶成長装置200は、反応容器210と高周波コイル220とサセプター230と断熱材240とガス給気管250とガス排気管255とを備える。サセプター230は、内側にるつぼ270を収納し、収納したるつぼ270の側面を覆うよう、反応容器210の内部に設けられている。高周波コイル220に通電することで、サセプター230が加熱され、るつぼ270を加熱することができる。るつぼ270は、合金の融液280を保持できる材料であれば良く、AlNやCSZ(カルシア安定化ジルコニア)などが例示される。断熱材240は、サセプター230およびるつぼ270の周囲を覆うよう、反応容器210の内部に設けられている。ガス給気管250は、反応容器210の内部に雰囲気ガスを供給可能に設けられ、ガス排気管255は、反応容器210の内部の雰囲気ガスを排出可能に設けられている。 FIG. 3 shows an example of an AlN single crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention. AlN single crystal growth apparatus 200 includes reaction vessel 210 , high frequency coil 220 , susceptor 230 , heat insulator 240 , gas supply pipe 250 and gas exhaust pipe 255 . The susceptor 230 accommodates the crucible 270 inside and is provided inside the reaction vessel 210 so as to cover the side surface of the accommodated crucible 270 . By energizing the high-frequency coil 220 , the susceptor 230 is heated and the crucible 270 can be heated. The crucible 270 may be made of any material that can hold the alloy melt 280, such as AlN and CSZ (calcia stabilized zirconia). A heat insulating material 240 is provided inside the reaction vessel 210 so as to cover the susceptor 230 and the crucible 270 . The gas supply pipe 250 is provided so as to be able to supply the atmosphere gas inside the reaction vessel 210 , and the gas exhaust pipe 255 is provided so as to be able to discharge the atmosphere gas inside the reaction vessel 210 .

AlN単結晶成長装置200には、反応容器210の上部からるつぼ270の内部まで伸びる成長用の基板290のホルダー295が設けられている。ホルダー295の下端部に取り付けた成長用の基板290を昇降させることで、融液280に成長用の基板290を浸漬でき、融液280から成長用の基板290を引き上げて回収することができる。融液280の一部を冷却するため、ホルダー295が冷却機構を備えていることが好ましく、ホルダー295を二重管構造とすることも好ましい。ホルダー295の内側の管に冷却ガス又は冷却液を導入することで、ホルダー295及びその周囲の温度を低下させることができ、融液280に温度勾配を設けることができる。また、融液280の一部を冷却して融液280に温度勾配を付けるためには二重管構造以外を採用することも可能である。例えば、ホルダー295の内側に放熱性の高い材料を用いてもよいし、るつぼ270の形状および高周波コイル220や断熱材240などの配置又は出力調整により、融液280の目的とする位置に所望の温度勾配を形成するようにしてもよい。 The AlN single crystal growth apparatus 200 is provided with a holder 295 for a growth substrate 290 extending from the top of the reaction vessel 210 to the inside of the crucible 270 . By raising and lowering the growth substrate 290 attached to the lower end of the holder 295, the growth substrate 290 can be immersed in the melt 280, and the growth substrate 290 can be pulled up from the melt 280 and recovered. In order to cool part of the melt 280, the holder 295 preferably has a cooling mechanism, and the holder 295 preferably has a double-tube structure. By introducing a cooling gas or cooling liquid into the tube inside the holder 295 , the temperature of the holder 295 and its surroundings can be lowered, and a temperature gradient can be provided in the melt 280 . Moreover, in order to cool a part of the melt 280 and give a temperature gradient to the melt 280, it is possible to adopt a structure other than the double pipe structure. For example, a material with high heat dissipation may be used inside the holder 295, or the shape of the crucible 270, the placement of the high-frequency coil 220, the heat insulating material 240, or the like or output adjustment may be used to place the melt 280 at a desired position. A temperature gradient may be formed.

図3では成長用の基板290をホルダー295の側面(ホルダー軸方向と水平)に配置したため、結晶成長はホルダー295の軸方向と垂直方向である。成長用の基板290の配置は図3のように軸方向と垂直方法でなくともよく、例えばLEC法(融液封止引き上げ法)を応用して、図4で示すようにホルダー395の先端に成長用の基板390を配置して、軸方向と同じ方向に結晶成長させてもよい。また他にもVGF法(垂直温度勾配凝固法)を応用して、図5に示すように、成長用の基板490をるつぼ470の底部に配置して、るつぼ470の底部から上面方向に結晶成長させても良い。 In FIG. 3, since the growth substrate 290 is arranged on the side surface of the holder 295 (horizontal to the axial direction of the holder), the crystal growth is perpendicular to the axial direction of the holder 295 . The growth substrate 290 does not have to be arranged perpendicular to the axial direction as shown in FIG. A growth substrate 390 may be placed to allow crystal growth in the same direction as the axial direction. In addition, by applying the VGF method (vertical temperature gradient solidification method), as shown in FIG. You can let me.

<AlN単結晶>
単結晶のAlN種結晶又は結晶成長用の基板の上に形成された、本発明のAlN単結晶は、不純物としてFe、Ni、Cu、Coのいずれか一種以上を8×1016~1×1021/cm含有し、1.5×1017/cm以上含有することが好ましい。ここで、AlN単結晶に含まれる不純物の濃度とは、SIMS分析プロファイルにおいて、AlN単結晶の厚さ範囲に相当する領域の中央を中心とした厚さ半分の範囲(すなわち、AlN単結晶の厚さ方向における両端部分1/4の厚さを除いた中央部分1/2の厚さ範囲)の平均値であるものとする。これらの不純物が含まれるのは、上記の融液(Al以外の合金成分は、主成分としてFe、Ni、Cu、Coのうちの少なくとも一種の元素を含む)にこれらの元素が含まれるためである。特に、AlN単結晶には、不純物としてNiを8×1016~1×1021/cm含有することが好ましく、1.5×1017/cm以上含有することがより好ましい。
<AlN single crystal>
The AlN single crystal of the present invention formed on a single crystal AlN seed crystal or a substrate for crystal growth contains 8×10 16 to 1×10 of any one or more of Fe, Ni, Cu and Co as impurities. 21 /cm 3 and preferably 1.5×10 17 /cm 3 or more. Here, the concentration of impurities contained in the AlN single crystal refers to the half thickness range centering on the center of the region corresponding to the thickness range of the AlN single crystal in the SIMS analysis profile (that is, the thickness of the AlN single crystal 1/2 thickness range of the central portion excluding the 1/4 thickness of both end portions in the depth direction). These impurities are contained because the melt (alloy components other than Al contain at least one of Fe, Ni, Cu, and Co as a main component) contains these elements. be. In particular, the AlN single crystal preferably contains 8×10 16 to 1×10 21 /cm 3 of Ni as an impurity, more preferably 1.5×10 17 /cm 3 or more.

本発明により得られるAlN単結晶中の炭素濃度は、2×1017cm-3以下であることが好ましい。炭素濃度が2×1017cm-3以下であることで、高い透過率が得られる可能性が高いためである。 The carbon concentration in the AlN single crystal obtained by the present invention is preferably 2×10 17 cm −3 or less. This is because a carbon concentration of 2×10 17 cm −3 or less is likely to provide a high transmittance.

以下、実施例を用いて、本発明によるAlN単結晶の製造方法について詳細に説明する。 Hereinafter, the method for producing an AlN single crystal according to the present invention will be described in detail using examples.

(実施例1)
まず、AlNテンプレート基板を作製した。AlNテンプレート基板表面のAlN単結晶は、直径2インチ、厚み430μmのC面サファイア基板上(M面方向のオフ角0.11°)に、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMA)とアンモニアを用いるMOCVD法で形成した。このとき、成長温度は1613K、成長圧力は13.3mbarであり、C面サファイア基板上には、C面AlN単結晶が0.5μm成長した。さらに、前記MOCVD法でAlN単結晶成長させた後、窒素雰囲気中で1873K、4時間アニールすることにより低転位化処理を施した。作製された当該AlNテンプレート基板表面のAlN単結晶の(10-12)面のX線ロッキングカーブの半値幅を測定したところ、265arcsecであった。同様に測定したAlN単結晶の(0002)面のX線ロッキングカーブの半値幅は49arcsecであった。
(Example 1)
First, an AlN template substrate was produced. The AlN single crystal on the surface of the AlN template substrate was formed on a C-plane sapphire substrate having a diameter of 2 inches and a thickness of 430 μm (off angle in the M-plane direction of 0.11°) by MOCVD using trimethylaluminum (TMA) and ammonia as raw material gases. formed by At this time, the growth temperature was 1613 K, the growth pressure was 13.3 mbar, and a C-plane AlN single crystal was grown to a thickness of 0.5 μm on the C-plane sapphire substrate. Further, after the AlN single crystal was grown by the above-mentioned MOCVD method, it was annealed at 1873K for 4 hours in a nitrogen atmosphere to reduce dislocations. When the half width of the X-ray rocking curve of the (10-12) plane of the AlN single crystal on the surface of the prepared AlN template substrate was measured, it was 265 arcsec. The half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN single crystal measured in the same manner was 49 arcsec.

そして、図3を参照して上述したAlN単結晶成長装置と同様の構造の装置において、AlN焼結体製のるつぼにNi-20mol%Al合金を入れ、反応容器の内部を真空排気した後、ガス供給管からNガスを供給することで反応容器内をNで置換し、反応容器を1barのNガス雰囲気とした。結晶成長用の基板として、上記の0.5μmの膜厚のAlN単結晶を有するAlNテンプレート基板を用い、このテンプレート基板を、冷却機構を備えた二重管構造のホルダーの側面に配置した。次に、AlNテンプレート基板を保持した二重管からなるホルダーを融液と接触しないように保持した状態で、高周波コイルに通電してサセプターを加熱することで、るつぼと合金の融液の界面の温度が1852Kとなるまで合金の融液を加熱した。Ni-20mol%Al合金の液相線温度は1669Kである。このときの融液の高温部の上面温度は1852Kであり、Ni-20mol%Al合金のTの値は1832Kであるため、高温部の温度T1はT+20Kである。合金の融液を加熱する間、AlNテンプレート基板のAlNが分解しないようにホルダーの内側の管には冷却ガスを流し続けた。そして、ホルダーの内側の管に冷却ガスとしてArガスを10L/minの流量で内側の管に導入して冷却させながら、ホルダーを合金の融液に浸漬させ、高温部の温度T1を維持しつつホルダー周辺を低温部とするようにして7時間保持し、AlNテンプレート基板上にAlNを析出させた。その後、合金の融液からホルダーを引き出し、室温まで冷却した。 Then, in an apparatus having a structure similar to that of the AlN single crystal growth apparatus described above with reference to FIG. The inside of the reaction vessel was replaced with N 2 by supplying N 2 gas from the gas supply pipe, and the reaction vessel was set to a 1 bar N 2 gas atmosphere. As a substrate for crystal growth, the AlN template substrate having the AlN single crystal with a thickness of 0.5 μm was used, and this template substrate was placed on the side of a double-tube structure holder equipped with a cooling mechanism. Next, in a state in which a double-tube holder holding the AlN template substrate is held so as not to come into contact with the melt, a high-frequency coil is energized to heat the susceptor, thereby reducing the interface between the crucible and the alloy melt. The alloy melt was heated to a temperature of 1852K. The liquidus temperature of Ni-20mol%Al alloy is 1669K. At this time, the upper surface temperature of the high temperature portion of the melt is 1852K, and the value of T 0 of the Ni-20mol%Al alloy is 1832K, so the temperature T1 of the high temperature portion is T 0 +20K. During the heating of the alloy melt, a cooling gas was kept flowing through the tube inside the holder so as not to decompose the AlN of the AlN template substrate. Then, while cooling by introducing Ar gas as a cooling gas into the inner tube of the holder at a flow rate of 10 L / min into the inner tube, the holder is immersed in the alloy melt while maintaining the temperature T1 of the high temperature part. The periphery of the holder was kept at a low temperature portion and held for 7 hours to deposit AlN on the AlN template substrate. After that, the holder was pulled out from the alloy melt and cooled to room temperature.

AlNが析出する前のAlNテンプレート基板の断面SEM像を図6に示し、AlNが析出した後のAlNテンプレート基板の断面SEM像を図7に示す。また、析出した結晶のSEM-EDXプロファイルを図8に示す。図8のSEM-EDXプロファイル中の0.28keVおよび2.12keVに現れているピークはそれぞれ試料のコンタミの炭素およびSEM観察時のコート剤である金を表しており、成長(析出成長)した結晶由来のピークではない。図7より、サファイア上に厚さ4.2μmの膜があることが確認され、また図8よりその膜がAlN結晶であることが確認された。また、特許文献3と同様に、成長(析出成長)したAlN結晶に対し、ND、TD、RDの各方向での電子線後方散乱回折(EBSD)による逆極点図結晶方位マップ(図示せず)を確認した結果から、成長(析出成長)したAlN結晶は単結晶であることを確認した。結晶成長(析出成長)前のAlNテンプレート基板のAlN単結晶の膜厚が0.5μmであったことから、本実施例でAlN単結晶の膜が3.7μm成長していることがわかった。 A cross-sectional SEM image of the AlN template substrate before precipitation of AlN is shown in FIG. 6, and a cross-sectional SEM image of the AlN template substrate after precipitation of AlN is shown in FIG. SEM-EDX profile of the precipitated crystal is shown in FIG. The peaks appearing at 0.28 keV and 2.12 keV in the SEM-EDX profile of FIG. 8 represent the carbon contaminant of the sample and the gold coating agent during SEM observation, respectively, and the grown (precipitated) crystal It is not the origin peak. It was confirmed from FIG. 7 that there was a film with a thickness of 4.2 μm on the sapphire, and from FIG. 8 it was confirmed that the film was AlN crystal. In addition, as in Patent Document 3, an inverse pole figure crystal orientation map (not shown) by electron beam backscatter diffraction (EBSD) in each of the ND, TD, and RD directions for a grown (precipitated) AlN crystal. , it was confirmed that the grown (precipitated) AlN crystal was a single crystal. Since the film thickness of the AlN single crystal of the AlN template substrate before crystal growth (precipitation growth) was 0.5 μm, it was found that the AlN single crystal film grew to a thickness of 3.7 μm in this example.

(実施例2)
析出工程の前に予め高温で加熱する高温加熱工程を実施した以外は、実施例1と同様の条件でAlNテンプレート基板上にAlNを析出させた。高温加熱工程では、ホルダーを合金の融液に浸漬させる前に、予めるつぼと合金の融液の界面の温度が1886Kとなるように合金の融液を加熱して1時間保持した後、るつぼと合金の融液の界面の温度が1852Kとなるように冷却した。融液の高温部の上面温度は1852Kであり、高温部の温度T1はT+20Kであり、高温加熱工程の温度はT+54Kである。
(Example 2)
AlN was precipitated on the AlN template substrate under the same conditions as in Example 1, except that a high-temperature heating step of preheating at a high temperature was performed before the precipitation step. In the high-temperature heating step, before the holder is immersed in the alloy melt, the alloy melt is heated in advance so that the temperature of the interface between the crucible and the alloy melt reaches 1886 K and is held for 1 hour. The temperature of the interface of the alloy melt was cooled to 1852K. The upper surface temperature of the hot part of the melt is 1852K, the temperature T1 of the hot part is T 0 +20K, and the temperature of the high temperature heating step is T 0 +54K.

AlNが析出した後のAlNテンプレート基板の断面SEM像を図9に示す。図9より、サファイア上に8.0μmのAlN単結晶があることが確認された。成長(析出成長)前のAlNテンプレート基板のAlN単結晶の膜厚が0.5μmであったことから、本実施例でAlN単結晶の膜が7.5μm成長していることがわかった。 FIG. 9 shows a cross-sectional SEM image of the AlN template substrate after AlN has precipitated. From FIG. 9, it was confirmed that there was an 8.0 μm AlN single crystal on sapphire. Since the film thickness of the AlN single crystal of the AlN template substrate before growth (precipitation growth) was 0.5 μm, it was found that the film of the AlN single crystal grew to a thickness of 7.5 μm in this example.

実施例1より、AlNテンプレート基板上に連続的にAlN単結晶が成長することが確認された。また、実施例1と実施例2の比較により、ホルダーを合金の融液に浸漬させる前に、予めるつぼと合金の融液の界面を高温に加熱しておくことで、AlNテンプレート基板上に形成されるAlN単結晶の成長量を増大できることがわかった。 From Example 1, it was confirmed that the AlN single crystal grew continuously on the AlN template substrate. Further, by comparing Example 1 and Example 2, it was found that by heating the interface between the crucible and the alloy melt to a high temperature in advance before the holder was immersed in the alloy melt, the AlN template substrate was formed. It has been found that the amount of AlN single crystal grown can be increased.

(実施例3)
ホルダーを合金の融液に浸漬した後の保持時間を1時間としたこと以外は、実施例2と同様の条件でAlNテンプレート基板上にAlNを析出させた。その後、合金の融液からホルダーを引き出し、室温まで冷却した。
(Example 3)
AlN was deposited on the AlN template substrate under the same conditions as in Example 2, except that the holding time after the holder was immersed in the alloy melt was 1 hour. After that, the holder was pulled out from the alloy melt and cooled to room temperature.

AlNが析出した後のAlNテンプレート基板の断面SEM像を図10に示す。図10より、サファイア上に厚さ0.7μmのAlN単結晶の膜とその上に高さ0.8μmの島状のAlN単結晶があることが確認された。成長(析出成長)前のAlNテンプレート基板のAlN単結晶の膜厚が0.5μmであったことから、実施例3ではAlN単結晶の膜が0.2μm成長(析出成長)し、かつその上に島状のAlN単結晶が成長していることがわかった。 FIG. 10 shows a cross-sectional SEM image of the AlN template substrate after AlN has precipitated. From FIG. 10, it was confirmed that there was an AlN single crystal film with a thickness of 0.7 μm on the sapphire and island-shaped AlN single crystals with a height of 0.8 μm thereon. Since the film thickness of the AlN single crystal of the AlN template substrate before growth (precipitation growth) was 0.5 μm, in Example 3, the AlN single crystal film grew (precipitation growth) to 0.2 μm, and It was found that island-like AlN single crystals were grown on the substrate.

図9と図10とを比べると、ホルダーを合金の融液に浸漬させた後の保持時間を1時間としたときは表面に島状のAlN単結晶が成長(析出成長)しているが、保持時間を7時間としたときは、島状のAlN単結晶は確認されず、膜状のAlN単結晶のみが確認された。このことから、成長(析出成長)初期では島状のAlN単結晶が析出し、その後それらが合体することで膜状のAlN単結晶が析出(成長)すると考えられる。 Comparing FIGS. 9 and 10, when the holding time after immersing the holder in the alloy melt is 1 hour, island-like AlN single crystals grow (precipitation growth) on the surface. When the holding time was 7 hours, no island-shaped AlN single crystals were observed, and only film-shaped AlN single crystals were observed. From this, it is considered that island-like AlN single crystals are precipitated at the initial stage of growth (precipitation growth), and then they coalesce to precipitate (grow) film-like AlN single crystals.

(実施例4)
CSZ製(ZrO-4.5mass%CaO)のるつぼを使用した以外は、実施例1と同様にしてAlNテンプレート基板上にAlN単結晶を成長(析出成長)させた。AlNが析出した後のAlNテンプレート基板の断面SEM像を図11に示す。図11より、サファイア上に厚さ8.8μmの膜があることが確認された。単結晶成長(析出成長)前のAlNテンプレート基板のAlN単結晶の膜厚が0.5μmであったことから、本実施例でAlN単結晶の膜が8.3μm成長していることがわかった。
(Example 4)
An AlN single crystal was grown (precipitation growth) on an AlN template substrate in the same manner as in Example 1, except that a crucible made of CSZ (ZrO 2 -4.5 mass% CaO) was used. FIG. 11 shows a cross-sectional SEM image of the AlN template substrate after AlN has precipitated. From FIG. 11, it was confirmed that there was a film with a thickness of 8.8 μm on the sapphire. Since the film thickness of the AlN single crystal of the AlN template substrate before single crystal growth (precipitation growth) was 0.5 μm, it was found that the AlN single crystal film grew to 8.3 μm in this example. .

実施例4の結果においても実施例1~3と同様にAlNテンプレート基板上にAlN単結晶が成長していることが確認された。実施例1~3の結果では、るつぼ中及び雰囲気中の窒素が融液に溶解したことでAlNテンプレート基板上にAlN単結晶が析出したと考えられるが、実施例4の結果からは、気相からの窒素の供給のみでもAlN単結晶を製造できることが確認できた。 Also in the results of Example 4, it was confirmed that an AlN single crystal was grown on the AlN template substrate, as in Examples 1-3. In the results of Examples 1 to 3, it is believed that the AlN single crystal was precipitated on the AlN template substrate due to the nitrogen in the crucible and atmosphere being dissolved in the melt. It has been confirmed that an AlN single crystal can be produced only by supplying nitrogen from .

以上のようにして、本発明の実施の形態のAlN単結晶の製造方法は、Δμが負となる温度領域まで合金の融液の高温部を加熱することで連続的に、合金の種類、組成、雰囲気、N分圧を適切に選べば、昇華法よりも低い温度で、安価にAlN単結晶を製造することができる。 As described above, in the method for producing an AlN single crystal according to the embodiment of the present invention, by heating the high-temperature portion of the alloy melt to a temperature range in which Δμ is negative, the type and composition of the alloy are continuously , atmosphere, and N 2 partial pressure, AlN single crystals can be produced at a lower temperature and at a lower cost than the sublimation method.

実施例2のAlN単結晶のNi(ニッケル)についてのSIMS分析結果を図12Aに示し、O(酸素)及びC(炭素)についてのSIMS分析結果を図12Bに示す。SIMS分析は、以下の条件にて行った。Ni分析は、SIMS測定装置(CAMECA IMS-7f)を用いて、一次イオン種をO2+、一次加速電圧を8.0kVとし、検出領域を直径30μmとして分析を行った。C、O、B分析は、SIMS測定装置(CAMECA IMS-6f)を用いて、一次イオン種をCs、一次加速電圧を15.0kVとし、検出領域を直径30μmとして分析を行った。なお、AlN標準試料を用いて定量を行った。 FIG. 12A shows SIMS analysis results for Ni (nickel) of the AlN single crystal of Example 2, and SIMS analysis results for O (oxygen) and C (carbon) are shown in FIG. 12B. SIMS analysis was performed under the following conditions. Ni analysis was carried out using a SIMS measurement device (CAMECA IMS-7f) with a primary ion species of O 2+ , a primary acceleration voltage of 8.0 kV, and a detection area of 30 μm in diameter. The C, O, and B analysis was performed using a SIMS measurement device (CAMECA IMS-6f) with Cs + as the primary ion species, a primary acceleration voltage of 15.0 kV, and a detection area of 30 μm in diameter. In addition, quantification was performed using an AlN standard sample.

図12Aで示されるSIMS分析の結果から、Ni濃度が急激に下がる位置からN(二次イオン強度)が急激に下がる位置までの領域が、AlNテンプレート基板のMOCVDで成長されたAlN単結晶を示す領域であると考えられ、その領域におけるNi濃度は5×1016cm-3程度であった。一方、Ni濃度が急激に下がる位置未満の浅い領域がNi-20mol%Al合金中で結晶成長したAlN単結晶を示す領域であると考えられ、この領域におけるNi濃度の値は1.5×1017cm-3~3×1018cm-3の範囲内であり、AlN単結晶の厚さ方向における両端部分1/4の厚さを除いた中央部分1/2の厚さ範囲(以降、「AlN単結晶の厚さ中央部における厚さ半分の範囲」という)の平均値は2×1017cm-3であった。この結果から、Ni-20mol%Al合金中で結晶成長した、本発明のAlN単結晶には、不純物としてNiが多く含まれていることが確認された。 From the SIMS analysis results shown in FIG. 12A, the region from the position where the Ni concentration sharply drops to the position where the N (secondary ion intensity) drops sharply indicates an AlN single crystal grown by MOCVD on the AlN template substrate. The Ni concentration in that region was about 5×10 16 cm −3 . On the other hand, the shallow region below the position where the Ni concentration drops sharply is considered to be the region showing the AlN single crystal grown in the Ni-20 mol% Al alloy, and the Ni concentration value in this region is 1.5 × 10. It is within the range of 17 cm −3 to 3×10 18 cm −3 , and the thickness range of the center portion 1/2 excluding the thickness of both end portions 1/4 in the thickness direction of the AlN single crystal (hereinafter referred to as “ The average value of the thickness of the AlN single crystal is 2×10 17 cm −3 in the half-thickness range at the center of the thickness of the AlN single crystal. From this result, it was confirmed that the AlN single crystal of the present invention grown in a Ni-20 mol % Al alloy contained a large amount of Ni as an impurity.

また、同様に実施例4のAlN単結晶のNi(ニッケル)及びZr(ジルコニウム)についてのSIMS分析した結果、実施例4においては、Ni-20mol%Al合金中で結晶成長したAlN単結晶のNi濃度は、AlN単結晶の厚さ中央部における厚さ半分の範囲の平均値は1×1018cm-3であり、実施例2と比べてさらに多いという結果であった。Zrは検出限界以下であった。 Similarly, as a result of SIMS analysis of Ni (nickel) and Zr (zirconium) of the AlN single crystal of Example 4, in Example 4, Ni of the AlN single crystal grown in the Ni-20 mol% Al alloy The concentration was 1×10 18 cm −3 on average in the half-thickness range at the center of the thickness of the AlN single crystal, which was even higher than in Example 2. Zr was below the detection limit.

以上から、本発明の製造方法で作製されたAlN単結晶には、Alを含む合金を成すAl以外の合金成分が、不純物として多く含まれることが分かった。Niは、AlN単結晶内でのp型伝導の作用も期待できる。 From the above, it was found that the AlN single crystal produced by the production method of the present invention contains a large amount of alloy components other than Al, which form an alloy containing Al, as impurities. Ni can also be expected to act as p-type conduction in the AlN single crystal.

また、図12Aと図12Bで示されるSIMS分析の結果から、MOCVD法で製造されたAlNテンプレート基板のAlN層と考えられる領域では、酸素と炭素の濃度が共に高くなっており、MOCVD法で製造されたAlN層の炭素濃度は4×1017cm-3程度であるのに対し、Ni-20mol%Al合金中で結晶成長したAlN単結晶の炭素濃度はAlN単結晶の厚さ中央部における厚さ半分の範囲の平均値は1.3×1017cm-3であった。 Further, from the SIMS analysis results shown in FIGS. 12A and 12B, in the region considered to be the AlN layer of the AlN template substrate manufactured by the MOCVD method, both the oxygen and carbon concentrations are high. The carbon concentration of the grown AlN layer is about 4×10 17 cm −3 , whereas the carbon concentration of the AlN single crystal grown in the Ni-20 mol % Al alloy is the thickness at the center of the AlN single crystal thickness. The average value of the half range was 1.3×10 17 cm −3 .

昇華法やMOCVD法を用いて製造されるAlN単結晶では、炭素の混入によって深紫外域での透過率が低下するといわれていたところ、合金に含まれるAl以外の合金成分(例えばNi)がドーピングされている本発明のAlN単結晶では、このように結晶の透過率を低下させる炭素濃度の混入を抑制することが可能となることも分かった。 AlN single crystals produced by sublimation or MOCVD were said to have lower transmittance in the deep ultraviolet region due to the inclusion of carbon. It has also been found that, in the AlN single crystal of the present invention described above, it is possible to suppress the contamination of the carbon concentration that lowers the transmittance of the crystal.

本発明によれば、安価かつ、連続的にAlN単結晶を製造することができるAlN単結晶の製造方法、AlN単結晶、およびAlN単結晶製造装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an AlN single crystal manufacturing method, an AlN single crystal, and an AlN single crystal manufacturing apparatus capable of continuously manufacturing an AlN single crystal at a low cost.

100 AlN単結晶製造装置
170 るつぼ
180 融液
181 高温部
182 低温部
190 成長用基板
195 ホルダー
100 AlN Single Crystal Manufacturing Apparatus 170 Crucible 180 Melt 181 High Temperature Section 182 Low Temperature Section 190 Growth Substrate 195 Holder

(2)前記窒素含有ガスがNガスを含み、下記式(A)で表される前記AlN単結晶の形成の反応が平衡しているときの前記融液中のAlの活量をaeq .Al、前記式(A)の平衡定数をK、ボルツマン定数をk、絶対温度をTとし、析出時の前記窒素含有ガスのNの分圧を N2 とすると、下記式(B)で表される前記AlN単結晶の成長の駆動力Δμの値が0となるときの温度をTとしたときに、前記高温部の温度をTよりも高くし、前記低温部の温度を前記合金の液相線の温度以上かつTよりも低くする、(1)に記載のAlN単結晶の製造方法。
2Al(l)+N(g)→2AlN(s) (A)
(2) The nitrogen-containing gas contains N2 gas, and the activity of Al in the melt when the reaction for the formation of the AlN single crystal represented by the following formula (A) is in equilibrium is a eq .Al , the equilibrium constant of the formula (A) is K, the Boltzmann constant is k, the absolute temperature is T, and the partial pressure of N2 of the nitrogen-containing gas at the time of precipitation is PN2 , the following formula (B) is obtained. When the value of the driving force Δμ for the growth of the AlN single crystal represented becomes 0 , the temperature of the high temperature portion is set higher than T0 , and the temperature of the low temperature portion is set to the above The method for producing an AlN single crystal according to (1), wherein the temperature is equal to or higher than the liquidus temperature of the alloy and lower than T0 .
2Al(l)+ N2 (g)→2AlN(s) (A)

このとき、上記(1)式の反応が平衡しているときのAlNの活量をaeq .AlN、融液180中のAlの活量をaeq .Al、Nの分圧を eq N2 とすると、上記(1)式の平衡定数Kは、下記(2)式で表される。
At this time, the activity of AlN when the reaction of the above equation (1) is in equilibrium is expressed as a eq . AlN , the activity of Al in the melt 180 is a eq . Let the partial pressures of Al and N2 be P eq . Assuming that N2 , the equilibrium constant K of the above equation (1) is represented by the following equation (2).

ここで、AlNはほぼ純粋な固体であるため、AlNの活量aeq .AlNは1となる。また、AlN単結晶の成長の駆動力Δμは、雰囲気中のNの分圧を N2 とすると、雰囲気中のNの化学ポテンシャルと、上記(1)式が平衡しているときのNの化学ポテンシャルとの差により与えられ、下記(3)式で表される。さらに上記(2)式の平衡関係を用いれば、最終的にAlN単結晶の成長の駆動力Δμは下記(4)式で表すことができる。(3)、(4)式中のkはボルツマン定数、Tは絶対温度を表す。
Here, since AlN is a substantially pure solid, the activity a eq .AlN of AlN is 1. In addition, the driving force Δμ for the growth of the AlN single crystal is the chemical potential of N 2 in the atmosphere, where P N2 is the partial pressure of N 2 in the atmosphere, and N 2 and is expressed by the following formula (3). Furthermore, by using the equilibrium relationship of the above equation (2), the driving force Δμ for the growth of the AlN single crystal can finally be expressed by the following equation (4). In the formulas (3) and (4), k represents Boltzmann's constant and T represents absolute temperature.

上記(4)式より、融液180中でのAlN単結晶の成長の駆動力Δμは、雰囲気中のN分圧 N2 、平衡定数K、ボルツマン定数k、絶対温度Tおよび融液180中のAlの活量aeq .Alで表されることがわかる。このことから、雰囲気中のN分圧、温度、および融液180の合金組成により、融液180中でのAlN単結晶の成長の駆動力Δμを制御することができる。AlN単結晶の成長の駆動力Δμの値がゼロをなるときの温度をTとする。このとき、融液180内の高温部181の温度(以下、T1とする)をTよりも高く、低温部182の温度(以下、T2とする)を、融液180を構成する合金の液相線の温度以上かつTよりも低くすることが好ましい。融液180の高温部181の温度T1を、Δμが負となる温度(すなわちT1>T)に保持しながらその高温部181にNガスを接触させることで、融液180へ窒素をより確実に溶解させることができる。また、合金の融液180がより高温であるほど、合金の融液へ窒素を多く溶解させることができるため、融液形成工程は、高温部181をT+30K以上の温度に加熱する高温加熱工程を含むことが好ましい。 From the above equation (4), the driving force Δμ for the growth of the AlN single crystal in the melt 180 is the N 2 partial pressure P N2 in the atmosphere, the equilibrium constant K, the Boltzmann constant k, the absolute temperature T and in the melt 180 is represented by the Al activity a eq .Al . From this, the driving force Δμ for AlN single crystal growth in the melt 180 can be controlled by the N 2 partial pressure in the atmosphere, the temperature, and the alloy composition of the melt 180 . The temperature at which the value of the driving force Δμ for AlN single crystal growth becomes zero is defined as T 0 . At this time, the temperature of the high-temperature portion 181 (hereinafter referred to as T1) in the melt 180 is higher than T0 , and the temperature of the low-temperature portion 182 (hereinafter referred to as T2) is the liquid of the alloy forming the melt 180. It is preferably higher than the phase wire temperature and lower than T0 . The temperature T1 of the high-temperature portion 181 of the melt 180 is kept at a temperature at which Δμ becomes negative (that is, T1>T 0 ), and the high-temperature portion 181 is brought into contact with N 2 gas. You can definitely dissolve it. In addition, the higher the temperature of the alloy melt 180, the more nitrogen can be dissolved in the alloy melt. It is preferable to include steps.

例として、融液180がAlとNiとを主成分として含むNi-Al合金から得られている場合を説明する。ここで、融液180中のAlの活量aeq. Alは、温度1873KにおけるNi-Al中のAlの活量の組成依存性が、Desai PD. Thermodynamic properties of selected binary aluminum alloy systems.J Phys Chem Ref data. 1987;16:109-24.で報告されており、その組成依存性のデータを用いることができる。また、Ni-Alが正則溶体であるとして、1873K以外の温度におけるNi-Al中のAlの活量を求めることができる。雰囲気中のNの分圧 N2 を1barとしたとき、上記(4)式から、Ni-Al合金の各組成におけるAlN単結晶の成長の駆動力Δμと温度(T)との関係を求めることができる。そのようにして求めた各合金組成における関係を、図2に示す。なお、図2に示す各合金組成に対応する線での低温側の端点は、その合金組成における液相線の温度を示している。液相線の温度は、Adachi M, Sato A, Hamaya S, Ohtsuka M, Fukuyama H. Containerless measurements of the liquid-state density of Ni-Al alloys for use as turvine blade materials. SN Appl Sci. 2019;1:18-1-7.のデータを用いることができる。 As an example, a case where the melt 180 is obtained from a Ni—Al alloy containing Al and Ni as main components will be described. Here, the activity of Al in the melt 180 a eq. Regarding Al , composition dependence of Al activity in Ni—Al at a temperature of 1873 K was reported in Desai PD. Thermodynamic properties of selected binary aluminum alloy systems. J Phys Chem Ref data. 1987;16:109-24. and its composition-dependent data can be used. Further, assuming that Ni--Al is a regular solution, the activity of Al in Ni--Al at temperatures other than 1873K can be obtained. When the partial pressure P N2 of N 2 in the atmosphere is 1 bar, the relationship between the driving force Δμ for AlN single crystal growth and the temperature (T) for each composition of the Ni—Al alloy is obtained from the above equation (4). be able to. FIG. 2 shows the relationship in each alloy composition obtained in this manner. In addition, the end point on the low temperature side of the line corresponding to each alloy composition shown in FIG. 2 indicates the temperature of the liquidus line in that alloy composition. Adachi M, Sato A, Hamaya S, Ohtsuka M, Fukuyama H. Containerless measurements of the liquid-state density of Ni-Al alloys for use as turvine blade materials. SN Appl Sci. 2019;1: Data from 18-1-7 can be used.

Claims (12)

Alを含む合金を加熱、融解して前記合金の融液を形成する融液形成工程と、
前記融液の一部を冷却して前記融液に温度勾配を設けつつ、AlN単結晶を析出させる析出工程と、
を含むAlN単結晶の製造方法であって、
前記析出工程では、前記融液内の高温部に窒素含有ガスを接触させるとともに、前記融液内の低温部にて単結晶のAlN種結晶又は結晶成長用の基板を保持することにより、前記高温部における前記融液への窒素の取り込みを継続しながら、前記低温部で前記AlN種結晶又は前記基板に前記AlN単結晶を析出させて、前記AlN単結晶を連続的に成長させることを特徴とするAlN単結晶の製造方法。
a melt forming step of heating and melting an alloy containing Al to form a melt of the alloy;
a precipitation step of precipitating an AlN single crystal while cooling a part of the melt to provide a temperature gradient in the melt;
A method for producing an AlN single crystal comprising
In the precipitation step, a nitrogen-containing gas is brought into contact with a high-temperature portion in the melt, and a single-crystal AlN seed crystal or a substrate for crystal growth is held at a low-temperature portion in the melt, so that the high-temperature The AlN single crystal is precipitated on the AlN seed crystal or the substrate in the low temperature portion while continuing to take in nitrogen into the melt in the low temperature portion, thereby continuously growing the AlN single crystal. AlN single crystal manufacturing method.
前記窒素含有ガスがNガスを含み、
下記式(A)で表される前記AlN単結晶の形成の反応が平衡しているときの前記融液中のAlの活量をaeq .Al、前記式(A)の平衡定数をK、ボルツマン定数をk、絶対温度をTとし、析出時の前記窒素含有ガスのNの分圧をpNとすると、
下記式(B)で表される前記AlN単結晶の成長の駆動力Δμの値が0となるときの温度をTとしたときに、前記高温部の温度をTよりも高くし、前記低温部の温度を前記合金の液相線の温度以上かつTよりも低くする、請求項1に記載のAlN単結晶の製造方法。
2Al(l)+N(g)→2AlN(s) (A)
Figure 2023123390000005
the nitrogen-containing gas comprises N2 gas;
Al is the activity of Al in the melt when the reaction for forming the AlN single crystal represented by the following formula (A) is in equilibrium, K is the equilibrium constant of the formula (A), Let k be the Boltzmann constant, T be the absolute temperature, and pN2 be the partial pressure of N2 of the nitrogen-containing gas during precipitation,
When the value of the driving force Δμ for growth of the AlN single crystal represented by the following formula (B) is 0 , the temperature of the high temperature portion is higher than T0 , and the 2. The method for producing an AlN single crystal according to claim 1, wherein the temperature of the low temperature portion is set to a temperature equal to or higher than the liquidus temperature of the alloy and lower than T0 .
2Al(l)+ N2 (g)→2AlN(s) (A)
Figure 2023123390000005
前記融液形成工程は、前記高温部をT0+30K以上の温度に加熱する高温加熱工程を含む、請求項2に記載のAlN単結晶の製造方法。 3. The method for producing an AlN single crystal according to claim 2, wherein said melt forming step includes a high temperature heating step of heating said high temperature portion to a temperature of T0 +30K or higher. 前記融液形成工程は、前記高温加熱工程の後、前記高温部をT0よりも高くかつT0+30K未満の温度に加熱する低温加熱工程を含む、請求項3に記載のAlN単結晶の製造方法。 4. The production of the AlN single crystal according to claim 3, wherein the melt-forming step includes a low-temperature heating step of heating the high-temperature portion to a temperature higher than T0 and lower than T0 +30K after the high-temperature heating step. Method. 前記単結晶のAlN種結晶又は前記結晶成長用の基板を保持するホルダーが冷却機構を備え、
前記析出工程では、前記ホルダーを前記融液に接触させることにより前記融液に前記温度勾配を設ける、請求項1~4のいずれか1項に記載のAlN単結晶の製造方法。
a holder for holding the AlN seed crystal of the single crystal or the substrate for crystal growth has a cooling mechanism;
The method for producing an AlN single crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein in the precipitation step, the melt is provided with the temperature gradient by bringing the holder into contact with the melt.
前記結晶成長用の基板が、サファイア単結晶上にAlN単結晶をエピタキシャル成長させたAlNテンプレート基板である、請求項1~4のいずれか1項に記載のAlN単結晶の製造方法。 The method for producing an AlN single crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein the substrate for crystal growth is an AlN template substrate obtained by epitaxially growing an AlN single crystal on a sapphire single crystal. 前記AlNテンプレート基板が、C面サファイア単結晶上にC面AlN単結晶をエピタキシャル成長させたAlNテンプレート基板であり、前記C面AlN単結晶の(10-12)面のX線ロッキングカーブの半値幅が300arcsec以下である、請求項6に記載のAlN単結晶の製造方法。 The AlN template substrate is an AlN template substrate obtained by epitaxially growing a C-plane AlN single crystal on a C-plane sapphire single crystal, and the half width of the X-ray rocking curve of the (10-12) plane of the C-plane AlN single crystal is 7. The method for producing an AlN single crystal according to claim 6, wherein the time is 300 arcsec or less. 前記Alを含む合金がNi-Al合金である、請求項1に記載のAlN単結晶の製造方法。 The method for producing an AlN single crystal according to claim 1, wherein the alloy containing Al is a Ni—Al alloy. 単結晶のAlN種結晶又は結晶成長用の基板の上に形成されたAlN単結晶であって、不純物としてFe、Ni、Cu、Coのいずれか一種以上を8×1016~1×1021/cm含有するAlN単結晶。 A single-crystal AlN seed crystal or an AlN single crystal formed on a substrate for crystal growth, containing at least one of Fe, Ni, Cu, and Co as an impurity in an amount of 8×10 16 to 1×10 21 / AlN single crystal containing cm 3 . 単結晶のAlN種結晶又は結晶成長用の基板の上に形成されたAlN単結晶であって、不純物としてNiを8×1016~1×1021/cm含有する、請求項9に記載のAlN単結晶。 10. The AlN single crystal according to claim 9, which is a single crystal AlN seed crystal or an AlN single crystal formed on a substrate for crystal growth, and contains 8×10 16 to 1×10 21 /cm 3 of Ni as an impurity. AlN single crystal. 炭素濃度が2×1017cm-3以下である、請求項9又は10に記載のAlN単結晶。 11. The AlN single crystal according to claim 9, having a carbon concentration of 2×10 17 cm −3 or less. 窒素含有ガスを内部に供給可能な反応容器と、
前記反応容器の内部に格納され、Alを含む合金の融液を保持可能なるつぼと、
前記るつぼを加熱することにより、前記融液を加熱可能な加熱装置と、
前記融液の液面上方から前記液面の下方まで延在するホルダーと、を有し、
前記ホルダーには、AlN種結晶又は結晶成長用の基板が取り付けられており、
前記ホルダーには、昇降機構と冷却機構が設けられ、
前記昇降機構を用いて前記ホルダーを前記融液に接触させつつ、前記冷却機構を用いることにより前記融液と前記AlN種結晶又は前記結晶成長用の基板との間に温度勾配を設けることが可能な、
AlN単結晶の製造装置。
a reaction vessel into which a nitrogen-containing gas can be supplied;
a crucible stored inside the reaction vessel and capable of holding a melt of an alloy containing Al;
a heating device capable of heating the melt by heating the crucible;
a holder extending from above the melt surface to below the melt surface;
An AlN seed crystal or a substrate for crystal growth is attached to the holder,
The holder is provided with a lifting mechanism and a cooling mechanism,
A temperature gradient can be provided between the melt and the AlN seed crystal or the substrate for crystal growth by using the cooling mechanism while bringing the holder into contact with the melt using the elevating mechanism. Na,
AlN single crystal manufacturing equipment.
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