JP4776460B2 - Method for forming AlN single crystal film - Google Patents

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Description

本発明は、III族窒化物結晶成長用下地として用いるAlN単結晶膜をサファイア基板上に形成する技術に関する。   The present invention relates to a technique for forming an AlN single crystal film used as a base for group III nitride crystal growth on a sapphire substrate.

III族窒化物単結晶膜の成長用下地としてAlN単結晶が好適であるのは周知である。なお、下地としてAlN単結晶を用いることには、主に以下の二つの利点がある。第1は、AlNは6.2eVという広いバンドギャップ持つので、200nmという紫外領域の波長の光に対してまで透明であるという点である。第2は、Al1-x-yInxGayN(0≦x≦1、0≦y≦1)という組成式で表される物質の中で最小の格子定数をもつことから、その上にAl1-x-yInxGayN膜を形成した場合に、その引張応力を抑制することができ、クラック発生を抑制することができるという点である。 It is well known that an AlN single crystal is suitable as a substrate for growing a group III nitride single crystal film. Note that the use of an AlN single crystal as a base mainly has the following two advantages. First, since AlN has a wide band gap of 6.2 eV, it is transparent to light having a wavelength in the ultraviolet region of 200 nm. Second, since Al 1-xy In x Ga y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) has the smallest lattice constant among the substances represented by the composition formula, When a 1-xy In x Ga y N film is formed, the tensile stress can be suppressed and the occurrence of cracks can be suppressed.

III族窒化物単結晶薄膜の成長用基板としては、サファイア等の異種基材上にAlN層をヘテロエピタキシャル成長させた、いわゆるエピタキシャル基板(テンプレート基板)を用いるのが一般的である。融液成長法を用いた単結晶成長技術をAlN単結晶の作製に応用することが難しいことが、その理由である。エピタキシャル基板の場合、下地となる基材とAlNとの格子ミスマッチが大きいことから、基材上に高品質なAlN結晶層をエピタキシャル成長させるために、種々のプロセス上の工夫がなされている。   As a substrate for growing a group III nitride single crystal thin film, a so-called epitaxial substrate (template substrate) in which an AlN layer is heteroepitaxially grown on a different base material such as sapphire is generally used. This is because it is difficult to apply the single crystal growth technique using the melt growth method to the production of an AlN single crystal. In the case of an epitaxial substrate, since the lattice mismatch between the base material serving as a base and AlN is large, various processes have been devised in order to epitaxially grow a high-quality AlN crystal layer on the base material.

一方、結晶品質の優れたAlN結晶層を形成する方法として、サファイア基板を所定雰囲気下で加熱することによりAlN単結晶層を形成する方法が、すでに提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2および非特許文献1参照)。   On the other hand, as a method of forming an AlN crystal layer having excellent crystal quality, a method of forming an AlN single crystal layer by heating a sapphire substrate in a predetermined atmosphere has already been proposed (for example, Patent Document 1, Patent). Reference 2 and Non-Patent Document 1).

特開2004−137142号公報JP 2004-137142 A 特開2005−104829号公報JP 2005-104829 A 福山博之ほか,”サファイア窒化法による単結晶窒化アルミニウム薄膜の作製とその評価”第53回応用物理学関係連合講演会講演予稿集p.360Hiroyuki Fukuyama et al., "Preparation of single crystal aluminum nitride thin film by sapphire nitriding method and its evaluation" Proceedings of the 53rd Joint Conference on Applied Physics p.360

特許文献1および特許文献2には、グラファイトが設置された反応管内で単結晶サファイア基板をN2−CO混合ガス中で高温加熱することにより、該単結晶サファイア基板の上に酸窒化アルミニウム層(ALON層)およびAlN層を同時に形成する技術が開示されている。 In Patent Document 1 and Patent Document 2, a single crystal sapphire substrate is heated at a high temperature in a N 2 —CO mixed gas in a reaction tube in which graphite is installed, whereby an aluminum oxynitride layer ( A technique for simultaneously forming an (ALON layer) and an AlN layer is disclosed.

また、非特許文献1においては、グラファイト製反応管内で単結晶サファイア基板をN2−CO混合ガス中で加熱することにより、サファイア基板の上に直接にAlN層を成長させた事例が報告されている。 Non-Patent Document 1 reports a case where an AlN layer was grown directly on a sapphire substrate by heating the single crystal sapphire substrate in a N 2 —CO mixed gas in a graphite reaction tube. Yes.

しかしながら、これらの文献で開示された手法はいずれも、COガスという毒性ガスを用いる点で、プロセスの安全性の観点から好ましくない。なお、COガスを混合しない場合には、サファイア表面の窒化が激しすぎてしまい、表面平坦性が大幅に劣化することが本願の発明者によって確認されている。   However, any of the methods disclosed in these documents is not preferable from the viewpoint of process safety in that a toxic gas called CO gas is used. In addition, when CO gas is not mixed, it has been confirmed by the inventors of the present application that the sapphire surface is excessively nitrided and the surface flatness is greatly deteriorated.

また、これらの文献で開示された手法でC面サファイア上に形成されたAlN層においては、エピタキシャル膜のような一軸配向性は実現されてはいない。   Moreover, in the AlN layer formed on C-plane sapphire by the methods disclosed in these documents, the uniaxial orientation as in the epitaxial film is not realized.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、サファイア基板上にIII族窒化物結晶成長用下地として好適なAlN単結晶膜を形成する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method of forming an AlN single crystal film suitable as a base for group III nitride crystal growth on a sapphire substrate.

上記課題を解決するため、請求項1の発明は、サファイア基板上にAlN単結晶膜を形成する方法であって、サファイアに対する窒化能を有する窒素元素含有ガスと酸化性の酸素元素含有ガスとを含むガス雰囲気の下で単結晶サファイアからなる基板を1300℃以上の加熱温度で加熱することによって、前記基板の主面上にAlN単結晶膜を形成させる、ことを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, the invention of claim 1 is a method of forming an AlN single crystal film on a sapphire substrate, comprising a nitrogen element-containing gas having nitriding ability for sapphire and an oxidizing oxygen element-containing gas. An AlN single crystal film is formed on the main surface of the substrate by heating a substrate made of single crystal sapphire at a heating temperature of 1300 ° C. or higher under a gas atmosphere.

請求項2の発明は、請求項1に記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、前記窒素元素含有ガスが窒素である、ことを特徴とする。   A second aspect of the present invention is the method for forming an AlN single crystal film according to the first aspect, wherein the nitrogen element-containing gas is nitrogen.

請求項3の発明は、請求項1または請求項2に記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、前記酸素元素含有ガスを、酸化物を加熱することにより前記ガス雰囲気中に与える、ことを特徴とする。   Invention of Claim 3 is a formation method of the AlN single-crystal film | membrane of Claim 1 or Claim 2, Comprising: The said oxygen element containing gas is given in the said gas atmosphere by heating an oxide. It is characterized by.

請求項4の発明は、請求項3に記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、前記酸化物がAl酸化物である、ことを特徴とする。   A fourth aspect of the present invention is the method for forming an AlN single crystal film according to the third aspect, wherein the oxide is an Al oxide.

請求項5の発明は、請求項1または請求項2に記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、前記酸素元素含有ガスが水蒸気ガスである、ことを特徴とする。   The invention according to claim 5 is the method for forming an AlN single crystal film according to claim 1 or 2, wherein the oxygen element-containing gas is a water vapor gas.

請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、前記サファイア基板の主面がC面である、ことを特徴とする。   A sixth aspect of the present invention is the method for forming an AlN single crystal film according to any one of the first to fifth aspects, wherein the main surface of the sapphire substrate is a C plane.

請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、前記基板への加熱を、前記ガス雰囲気と前記加熱温度とに応じて定まる、前記AlN単結晶膜の形成膜厚が0.1μm以下となる時間範囲内で行う、ことを特徴とする。   A seventh aspect of the present invention is the method for forming an AlN single crystal film according to any one of the first to sixth aspects, wherein the heating of the substrate is determined according to the gas atmosphere and the heating temperature. The AlN single crystal film is formed within a time range in which the formed film thickness is 0.1 μm or less.

請求項1ないし請求項7の発明によれば、COガスのような毒性のあるガスを用いずとも、III族窒化物結晶の成長用下地として好適なAlN単結晶膜を形成することができる。   According to the first to seventh aspects of the present invention, an AlN single crystal film suitable as a substrate for growing a group III nitride crystal can be formed without using a toxic gas such as CO gas.

特に、請求項2の発明によれば、適度な窒化作用を有している窒素ガスを用いることで他のガスを用いた場合に比して窒化処理の制御性を高めることができる。   In particular, according to the invention of claim 2, by using a nitrogen gas having an appropriate nitriding action, controllability of the nitriding treatment can be improved as compared with the case of using other gases.

特に、請求項3および請求項4の発明によれば、酸化性の酸素元素含有ガスを直接に窒素元素含有ガスに混合する場合に比して、該酸素元素含有ガスの微量に添加することが可能となる。加えて、該酸素元素含有ガスの添加量を熱処理炉内の蒸気圧で規定することができる。   In particular, according to the invention of claim 3 and claim 4, it is possible to add a small amount of the oxygen element-containing gas as compared with the case where the oxidizing oxygen element-containing gas is directly mixed with the nitrogen element-containing gas. It becomes possible. In addition, the amount of the oxygen element-containing gas added can be defined by the vapor pressure in the heat treatment furnace.

特に、請求項4の発明によれば、不純物を発生させることなく、酸素元素含有ガスを添加した窒素元素ガス含有雰囲気を実現することができる。   In particular, according to the invention of claim 4, it is possible to realize a nitrogen element gas-containing atmosphere to which an oxygen element-containing gas is added without generating impurities.

特に、請求項5の発明によれば、毒性がなく、取り扱いが簡便である水蒸気ガスを用いることで、より安全に処理を行うことができるようになる。   In particular, according to the invention of claim 5, it is possible to perform the treatment more safely by using the water vapor gas which is not toxic and easy to handle.

特に、請求項6の発明によれば、AlN単結晶膜の表面平坦性の確保が行いやすくなる。   In particular, according to the invention of claim 6, it becomes easy to ensure the surface flatness of the AlN single crystal film.

特に、請求項7の発明によれば、表面平坦性の劣化や、剥離が生じることがなく、結晶品質も良好なAlN単結晶膜を形成することができる。   In particular, according to the invention of claim 7, it is possible to form an AlN single crystal film having no deterioration in surface flatness, no peeling, and good crystal quality.

<窒化処理>
本実施の形態に係るAlN単結晶膜の形成方法は、所定の処理装置の内部で、単結晶サファイア基板(以下、単にサファイア基板とも称する)を、窒素元素含有ガスを含むガス雰囲気の下で加熱することによって、該サファイア基板の表層部分と窒素元素含有ガスとの反応を生じさせ、サファイア基板上にAlN単結晶膜を生成させる方法である。すなわち、Alの酸化物であるサファイアと窒素元素含有ガスとの反応によってAlの窒化物であるAlNを生成させる、いわゆる窒化処理によってAlN単結晶膜を生成させる方法である。
<Nitriding treatment>
In the method for forming an AlN single crystal film according to the present embodiment, a single crystal sapphire substrate (hereinafter also simply referred to as a sapphire substrate) is heated in a predetermined processing apparatus under a gas atmosphere containing a nitrogen element-containing gas. In this way, a reaction between the surface layer portion of the sapphire substrate and the nitrogen element-containing gas is caused to generate an AlN single crystal film on the sapphire substrate. That is, this is a method of generating an AlN single crystal film by so-called nitriding treatment in which AlN that is an Al nitride is generated by a reaction between sapphire that is an Al oxide and a nitrogen element-containing gas.

具体的には、サファイアに対する窒化能(窒化作用)を有する窒素元素含有ガスを主成分とし、これに酸化性の酸素元素含有ガスを添加した混合ガス雰囲気の下で、サファイア基板を少なくとも1300℃以上に、好ましくは1500℃以上に加熱することで、サファイア基板の主面上に窒化物であるAlNを反応生成させる。なお、酸化性の酸素元素含有ガスには、還元性を有するCOガスは含まれない。すなわち、本実施の形態に係るAlN単結晶膜の形成方法は、毒性を有するCOガスを使用することなくAlN単結晶膜を形成する方法である。なお、以下の説明においては、酸化性の酸素元素含有ガスを単に酸素元素含有ガスと称することがあるが、係る記載は、表記の簡単のためであって、還元性の酸素元素含有ガスを含む趣旨ではない。   Specifically, the sapphire substrate is at least 1300 ° C. or higher in a mixed gas atmosphere in which a nitrogen element-containing gas having nitriding ability (nitriding action) for sapphire is a main component and an oxidizing oxygen element-containing gas is added thereto. In addition, preferably, AlN which is a nitride is formed on the main surface of the sapphire substrate by heating to 1500 ° C. or higher. Note that the oxidizing oxygen element-containing gas does not include reducing CO gas. That is, the method for forming an AlN single crystal film according to the present embodiment is a method for forming an AlN single crystal film without using toxic CO gas. In the following description, the oxidizing oxygen element-containing gas may be simply referred to as an oxygen element-containing gas. However, this description is for the sake of simplicity of description and includes a reducing oxygen element-containing gas. Not the purpose.

窒化処理において加熱処理の温度を少なくとも1300℃以上とするのは、係る温度域での加熱によってサファイア基板の窒化によるAlNの反応生成が生じるからである。また、加熱温度を1500℃以上とした場合には、形成されたAlN単結晶膜中の転位が低減するという効果も得られる。ただし、加熱温度はサファイアの融解温度以下であることが必要である。好ましくは、1700℃以下であることが望ましい。AlNの多結晶の生成が抑制されるからである。   The reason why the temperature of the heat treatment is set to at least 1300 ° C. or higher in the nitriding treatment is that the reaction in AlN occurs due to nitriding of the sapphire substrate by heating in such a temperature range. Further, when the heating temperature is set to 1500 ° C. or higher, an effect of reducing dislocations in the formed AlN single crystal film can be obtained. However, the heating temperature needs to be lower than the melting temperature of sapphire. Preferably, it is 1700 ° C. or lower. This is because the formation of AlN polycrystals is suppressed.

窒化処理を行うための雰囲気ガス中に酸素元素含有ガスの添加を行うのは、AlNの生成速度を適度に抑制して、表面平坦性が良好なAlN単結晶膜を形成させるためである。窒素元素含有ガスのみの雰囲気では、AlNの生成速度が速すぎ、AlN単結晶膜の表面形状の制御が困難となる場合があることが確認されている。なお、窒素元素含有ガスとしては、例えば、窒素ガス、アンモニアガスを用いることができる。特に、高純度の窒素ガスを用いることが好ましい。窒素ガスは適度な窒化作用を有しているので、他のガスを用いた場合に比して窒化処理の制御性が高まるからである。   The reason why the oxygen element-containing gas is added to the atmospheric gas for performing the nitriding treatment is to form an AlN single crystal film with good surface flatness by appropriately suppressing the generation rate of AlN. In an atmosphere containing only nitrogen element-containing gas, it has been confirmed that the generation rate of AlN is too high, and it may be difficult to control the surface shape of the AlN single crystal film. As the nitrogen element-containing gas, for example, nitrogen gas or ammonia gas can be used. In particular, it is preferable to use high purity nitrogen gas. This is because the nitrogen gas has an appropriate nitriding action, so that the controllability of the nitriding treatment is enhanced as compared with the case where other gases are used.

酸素元素含有ガスの添加は、窒素元素含有ガスへの水分(水蒸気ガス)添加、NOxガス添加、あるいはO2ガス添加などによって行うことができる。例えば、窒素元素含有ガスに対してそれらの添加成分を混合した混合ガスを窒化処理のための処理装置(熱処理炉)に供給することで係る添加は実現される。ただし、熱処理炉にカーボン部材を用いている場合には、O2ガスの混合はその添加量によっては該部材の劣化を引き起こす可能性が相当に高いので留意が必要である。 The oxygen element-containing gas can be added by adding moisture (water vapor gas), NO x gas, or O 2 gas to the nitrogen element-containing gas. For example, such addition is realized by supplying a mixed gas obtained by mixing these additive components to the nitrogen element-containing gas to a treatment apparatus (heat treatment furnace) for nitriding treatment. However, when a carbon member is used in the heat treatment furnace, it should be noted that mixing of O 2 gas has a high possibility of causing deterioration of the member depending on the amount of addition.

あるいは、酸素含有ガスを添加する場合には、後述するように、窒化処理に用いる熱処理炉内の、例えば、サファイア基板の近接する部分や直下や直上に酸化物結晶を載置しておくか、あるいは熱処理炉の炉体や炉材を酸化物結晶で形成しておき、サファイア基板を加熱した際に、酸化物結晶の熱分解を生じさせることで、熱処理炉内に酸素元素含有ガスを放出させるようにしてもよい。例えば、サファイア基板を内部で保持するさややるつぼなどを、酸化物結晶で形成するようにしておくのが好適な一態様である。この場合も、結果的に、熱処理炉内に酸素元素含有ガスが添加された雰囲気を実現させることができる。また、係る場合、O2ガスを直接に混合する場合に比して微量の添加を実現することができるほか、添加量を熱処理炉内の蒸気圧で規定することができるという利点もある。該酸化物結晶は、Alの酸化物であることが望ましい。加熱に際して不純物の発生が抑制できるからである。 Alternatively, in the case of adding an oxygen-containing gas, as described later, in the heat treatment furnace used for the nitriding treatment, for example, the oxide crystal is placed on the sapphire substrate in the vicinity or directly below or directly above, Alternatively, the furnace body and furnace material of the heat treatment furnace are formed of oxide crystals, and when the sapphire substrate is heated, the oxide crystals are thermally decomposed to release the oxygen element-containing gas into the heat treatment furnace. You may do it. For example, it is a preferable embodiment that a sheath crucible for holding a sapphire substrate is formed of an oxide crystal. Also in this case, as a result, an atmosphere in which the oxygen element-containing gas is added to the heat treatment furnace can be realized. Further, in such a case, a small amount of addition can be realized as compared with the case where O 2 gas is directly mixed, and there is an advantage that the addition amount can be defined by the vapor pressure in the heat treatment furnace. The oxide crystal is preferably an oxide of Al. This is because the generation of impurities during heating can be suppressed.

なお、安全性の面からは、毒性がなく、簡便に行える水分添加が最も好適である。ただし、水分ガス添加の場合でも、カーボン部材との反応の可能性があるので、必要に応じて、バリアガス(図示せず)を供給する、あるいは、基板にガスを吹き付ける等の態様によってガス流を最適化することがより望ましい。   From the viewpoint of safety, it is most preferable to add water which is not toxic and can be easily performed. However, even in the case of moisture gas addition, there is a possibility of reaction with the carbon member. Therefore, if necessary, the gas flow is controlled by supplying a barrier gas (not shown) or blowing a gas to the substrate. It is more desirable to optimize.

好ましくは、サファイア基板は主面がC面であるもの(以下、C面サファイア基板とも称する)を用いる。形成されるAlN単結晶膜の表面平坦性の確保が容易だからである。   Preferably, a sapphire substrate having a C-plane main surface (hereinafter also referred to as a C-plane sapphire substrate) is used. This is because it is easy to ensure the surface flatness of the formed AlN single crystal film.

本実施の形態に係る方法によるAlN単結晶膜の形成は、その膜厚が0.1μm以下となる範囲で行うことが望ましい。具体的には、あるガス雰囲気と前記加熱温度のもとで、膜厚が0.1μm以下となる時間範囲内でサファイア基板を加熱するようにすることが望ましい。膜厚が0.1μmを超えると、AlN単結晶膜の表面平坦性が劣化するほか、膜自体の剥離が生じうるからである。また、0.1μm以下、つまりは数十nm程度の厚みで良好な結晶品質を有するAlN単結晶膜を形成すれば、III族窒化物結晶の成長用下地として好適な膜が形成されていることになるので、それ以上の厚みのAlN単結晶膜の形成は、良好な下地の形成という目的からは必須ではない。   The formation of the AlN single crystal film by the method according to the present embodiment is desirably performed in a range where the film thickness is 0.1 μm or less. Specifically, it is desirable to heat the sapphire substrate within a time range in which the film thickness is 0.1 μm or less under a certain gas atmosphere and the heating temperature. This is because if the film thickness exceeds 0.1 μm, the surface flatness of the AlN single crystal film deteriorates and the film itself may be peeled off. In addition, if an AlN single crystal film having a good crystal quality is formed with a thickness of 0.1 μm or less, that is, about several tens of nm, a film suitable as a base for the growth of a group III nitride crystal is formed. Therefore, the formation of an AlN single crystal film having a thickness larger than that is not essential for the purpose of forming a good base.

例えば、本実施の形態に係る形成方法によれば、III族窒化物結晶の成長用下地として十分な、厚みが20nm程度で、AFMで評価する表面粗さ(ra)が1nm程度のAlN単結晶膜を、サファイア基板の主面上に形成することができる。   For example, according to the forming method according to the present embodiment, an AlN single crystal having a thickness of about 20 nm and a surface roughness (ra) evaluated by AFM of about 1 nm, which is sufficient as a base for growing a group III nitride crystal. The film can be formed on the main surface of the sapphire substrate.

<窒化処理装置の構成>
図1は、本実施の形態に係るAlN単結晶膜の形成方法に用いる窒化処理装置100を例示する図である。窒化処理装置100はいわゆる熱処理炉であり、カーボン製の炉体101の内部に酸化物製のさや102を備え、該さや102の内部に図示しない治具によって1または複数の単結晶基材1を保持可能とされてなる(図1では4つの単結晶基材1が保持されている場合を例示)。さや102の素材となる酸化物としては、アルミナやサファイアなどが好適である。AlN単結晶に対して、酸素以外の不純物となる元素が含まれないからである。あるいは、MgO、BeO、CaO、SiO2などを用いる態様であってもよい。
<Configuration of nitriding apparatus>
FIG. 1 is a diagram illustrating a nitriding apparatus 100 used in the method for forming an AlN single crystal film according to this embodiment. The nitriding apparatus 100 is a so-called heat treatment furnace, and includes an oxide sheath 102 inside a carbon furnace body 101, and one or a plurality of single crystal substrates 1 are placed inside the sheath 102 by a jig (not shown). It can be held (FIG. 1 shows an example in which four single crystal substrates 1 are held). Alumina, sapphire, or the like is preferable as the oxide used as the material of the sheath 102. This is because the AlN single crystal does not contain an element that becomes an impurity other than oxygen. Alternatively, an embodiment using MgO, BeO, CaO, SiO 2 or the like may be used.

また、窒化処理装置100では、窒素ガス供給源103から供給される窒素ガスを供給管104を通じて炉体101の内部へと供給するようになっている。なお、さや102には開口105および106が設けられており、供給管104を通じて供給される窒素ガスがさや102にも出入りするようになっている。また、炉体101には排気口107が設けられてなる。なお、炉体101の内部は、図示しない加熱手段によって加熱されるようになっている。例えば、抵抗加熱法、RF加熱法、ランプ加熱法などを用いることができる。   In the nitriding apparatus 100, nitrogen gas supplied from the nitrogen gas supply source 103 is supplied into the furnace body 101 through the supply pipe 104. The sheath 102 is provided with openings 105 and 106 so that nitrogen gas supplied through the supply pipe 104 also enters and exits the sheath 102. Further, the furnace body 101 is provided with an exhaust port 107. The interior of the furnace body 101 is heated by a heating means (not shown). For example, a resistance heating method, an RF heating method, a lamp heating method, or the like can be used.

窒素ガス供給源103から窒素ガスを供給しつつ炉体101の内部を図示しない加熱手段にて加熱することで、さや102の内部には、さや102を形成する酸化物が分解することによって酸素元素含有ガスが生成する。これにより、酸素元素含有ガスが添加された窒素ガス雰囲気が形成される。すなわち、係る雰囲気にサファイア基板10がさらされることになる。窒素ガスの供給流量、炉体101内部の圧力、酸素元素含有ガスの蒸気圧などを適宜に調整しつつ1300℃以上の加熱温度で加熱を行うことにより、サファイア基板10が主面側から窒化され、AlN単結晶膜が形成されることになる。   By heating the inside of the furnace body 101 with a heating means (not shown) while supplying nitrogen gas from the nitrogen gas supply source 103, the oxide forming the sheath 102 is decomposed inside the sheath 102, thereby the oxygen element. Containing gas is generated. Thereby, a nitrogen gas atmosphere to which the oxygen element-containing gas is added is formed. That is, the sapphire substrate 10 is exposed to such an atmosphere. The sapphire substrate 10 is nitrided from the main surface side by heating at a heating temperature of 1300 ° C. or higher while appropriately adjusting the supply flow rate of nitrogen gas, the pressure inside the furnace body 101, the vapor pressure of the oxygen element-containing gas, and the like. Thus, an AlN single crystal film is formed.

以上、説明したように、本実施の形態に係るAlN単結晶膜の形成方法によれば、COガスのような毒性のあるガスを用いずとも、III族窒化物結晶の成長用下地として好適なAlN単結晶膜を形成することができる。   As described above, according to the method of forming an AlN single crystal film according to the present embodiment, it is suitable as a growth base for a group III nitride crystal without using a toxic gas such as CO gas. An AlN single crystal film can be formed.

(実施例1)
C面サファイア基板を、図1に示すような窒化処理装置100のアルミナ製のさや1202の内部に保持し、窒素ガス供給源103より窒素ガスを供給して、1650℃の加熱温度で20時間、C面サファイア基板を加熱した。加熱後のC面サファイア基板の表面には、厚さが20nmで、表面粗さ(ra)が1nm程度のC面AlN単結晶が形成されていた。すなわち、III族窒化物結晶の成長用下地として好適なAlN単結晶膜を形成できることが確認された。
Example 1
A C-plane sapphire substrate is held inside an alumina sheath 1202 of the nitriding apparatus 100 as shown in FIG. 1, and nitrogen gas is supplied from a nitrogen gas supply source 103, and a heating temperature of 1650 ° C. for 20 hours, The C-plane sapphire substrate was heated. A C-plane AlN single crystal having a thickness of 20 nm and a surface roughness (ra) of about 1 nm was formed on the surface of the heated C-plane sapphire substrate. That is, it was confirmed that an AlN single crystal film suitable as a base for growth of a group III nitride crystal can be formed.

(比較例1)
アルミナ製のさやに代えて、SiC製のさやを用いたほかは、実施例1と同様に処理を行った。加熱後のC面サファイア基板の表面には、平均厚さ200nmで、表面粗さ(ra)が20nm程度の、結晶方位の異なる成分が混在する粒状のAlN結晶が形成されていた。
(Comparative Example 1)
The treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that a SiC sheath was used instead of the alumina sheath. On the surface of the heated C-plane sapphire substrate, a granular AlN crystal having an average thickness of 200 nm and a surface roughness (ra) of about 20 nm mixed with components having different crystal orientations was formed.

(実施例1と比較例1との対比)
実施例1とは異なり、酸化物ではないSiC製のさやを用いた比較例1においては、AlN単結晶膜が形成されなかったことから、実施例1のように酸化物製の炉材を用いることが、サファイア基板上にAlN単結晶膜を形成する上で効果があるといえる。
(Contrast between Example 1 and Comparative Example 1)
Unlike Example 1, in Comparative Example 1 using a non-oxide SiC sheath, an AlN single crystal film was not formed, and therefore an oxide furnace material was used as in Example 1. This can be said to be effective in forming the AlN single crystal film on the sapphire substrate.

AlN単結晶膜の形成方法に用いる窒化処理装置100を例示する図である。It is a figure which illustrates the nitriding apparatus 100 used for the formation method of an AlN single crystal film.

符号の説明Explanation of symbols

1 単結晶基材
10 サファイア基板
100 窒化処理装置
101 炉体
102 さや
103 窒素ガス供給源
104 供給管
105、106 (さやの)開口
107 排気口

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single crystal base material 10 Sapphire substrate 100 Nitriding processing apparatus 101 Furnace body 102 Sheath 103 Nitrogen gas supply source 104 Supply pipe 105, 106 (Sheath) opening 107 Exhaust port

Claims (7)

サファイア基板上にAlN単結晶膜を形成する方法であって、
サファイアに対する窒化能を有する窒素元素含有ガスと酸化性の酸素元素含有ガスとを含むガス雰囲気の下で単結晶サファイアからなる基板を1300℃以上の加熱温度で加熱することによって、前記基板の主面上にAlN単結晶膜を形成させる、
ことを特徴とするAlN単結晶膜の形成方法。
A method of forming an AlN single crystal film on a sapphire substrate,
By heating a substrate made of single crystal sapphire at a heating temperature of 1300 ° C. or higher under a gas atmosphere containing a nitrogen element-containing gas having nitriding ability for sapphire and an oxidizing oxygen element-containing gas, the main surface of the substrate An AlN single crystal film is formed thereon,
A method for forming an AlN single crystal film.
請求項1に記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、
前記窒素元素含有ガスが窒素である、
ことを特徴とするAlN単結晶膜の形成方法。
A method for forming an AlN single crystal film according to claim 1,
The nitrogen element-containing gas is nitrogen;
A method for forming an AlN single crystal film.
請求項1または請求項2に記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、
前記酸素元素含有ガスを、酸化物を加熱することにより前記ガス雰囲気中に与える、
ことを特徴とするAlN単結晶膜の形成方法。
A method for forming an AlN single crystal film according to claim 1 or 2,
Providing the oxygen element-containing gas in the gas atmosphere by heating an oxide;
A method for forming an AlN single crystal film.
請求項3に記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、
前記酸化物がAl酸化物である、
ことを特徴とするAlN単結晶膜の形成方法。
A method for forming an AlN single crystal film according to claim 3,
The oxide is an Al oxide;
A method for forming an AlN single crystal film.
請求項1または請求項2に記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、
前記酸素元素含有ガスが水蒸気ガスである、
ことを特徴とするAlN単結晶膜の形成方法。
A method for forming an AlN single crystal film according to claim 1 or 2,
The oxygen element-containing gas is water vapor gas;
A method for forming an AlN single crystal film.
請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、
前記サファイア基板の主面がC面である、
ことを特徴とするAlN単結晶膜の形成方法。
A method for forming an AlN single crystal film according to any one of claims 1 to 5,
The main surface of the sapphire substrate is a C-plane;
A method for forming an AlN single crystal film.
請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のAlN単結晶膜の形成方法であって、
前記基板への加熱を、前記ガス雰囲気と前記加熱温度とに応じて定まる、前記AlN単結晶膜の形成膜厚が0.1μm以下となる時間範囲内で行う、
ことを特徴とするAlN単結晶膜の形成方法。
A method for forming an AlN single crystal film according to any one of claims 1 to 6,
The heating of the substrate is performed within a time range in which the formation thickness of the AlN single crystal film is 0.1 μm or less, which is determined according to the gas atmosphere and the heating temperature.
A method for forming an AlN single crystal film.
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