JP5197283B2 - Aluminum nitride single crystal substrate, laminate, and manufacturing method thereof - Google Patents

Aluminum nitride single crystal substrate, laminate, and manufacturing method thereof Download PDF

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本発明は、新規な窒化アルミニウム単結晶基板、積層体、およびこれらの製造方法に関し、詳細には、不純物濃度が低く、光学特性に優れた窒化アルミニウム単結晶基板、該基板を備えた積層体、およびこれらの製造方法に関する。   The present invention relates to a novel aluminum nitride single crystal substrate, a laminate, and a production method thereof, and more specifically, an aluminum nitride single crystal substrate having a low impurity concentration and excellent optical characteristics, a laminate including the substrate, And a manufacturing method thereof.

窒化アルミニウム(AlN)は、その禁制帯幅が6.2eVと大きく、かつ直接遷移型の半導体であることから、AlNと同じIII族窒化物である窒化ガリウム(GaN)や窒化インジウム(InN)との混晶を含めて紫外発光素子材料として期待されている。   Aluminum nitride (AlN) has a large forbidden band of 6.2 eV and is a direct transition type semiconductor. Therefore, the same group III nitride as gallium nitride (GaN) and indium nitride (InN) is used. It is expected as an ultraviolet light-emitting device material including mixed crystals of

紫外発光素子などの半導体素子を形成するためには、n電極に電気的に接合したn形半導体層とp電極に電気的に接合したp形半導体層との間にクラッド層、活性層等を含む積層構造を形成する必要があり、発光効率の点から何れの層においても高い結晶性、すなわち、結晶の転位や点欠陥が少ないことが重要である。このような理由から、一般に上記積層構造は、自立して存在するに十分な機械的強度を有する単結晶基板(単結晶自立基板)上に形成される。   In order to form a semiconductor element such as an ultraviolet light emitting element, a cladding layer, an active layer, etc. are provided between an n-type semiconductor layer electrically bonded to the n-electrode and a p-type semiconductor layer electrically bonded to the p-electrode. It is necessary to form a laminated structure including it, and from the viewpoint of light emission efficiency, it is important that any layer has high crystallinity, that is, there are few crystal dislocations and point defects. For these reasons, the above laminated structure is generally formed on a single crystal substrate (single crystal free-standing substrate) having sufficient mechanical strength to exist independently.

上記積層構造形成用の基板としては、積層構造を形成する窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlGaInN)などのIII族窒化物単結晶との格子定数差や熱膨張係数差が小さいこと、さらには、素子の劣化を防ぐ観点から熱伝導率が高いことが要求される。そのため、窒化アルミニウムを含有する半導体素子を作製するためには、Al系III族窒化物単結晶基板を基板として上記層構造を形成するのが有利である。中でも、該基板としては、成長層の転位密度や欠陥、およびクラックを低減し、発光効率を向上させるためには、窒化アルミニウム単結晶よりなる基板であることが好ましいと考えられている。   The substrate for forming the laminated structure has a small difference in lattice constant and thermal expansion coefficient from a group III nitride single crystal such as aluminum gallium indium nitride (AlGaInN) forming the laminated structure, and further deterioration of the element. High thermal conductivity is required from the viewpoint of preventing the above. Therefore, in order to produce a semiconductor element containing aluminum nitride, it is advantageous to form the above layer structure using an Al-based group III nitride single crystal substrate as a substrate. Among them, it is considered that the substrate is preferably a substrate made of an aluminum nitride single crystal in order to reduce the dislocation density, defects, and cracks of the growth layer and improve the light emission efficiency.

現状、上記積層構造成形用のAl系III族窒化物単結晶基板(窒化アルミニウム単結晶基板)は、市販されていない。よって、通常、サファイア、シリコン(Si)、または炭化珪素(SiC)の異種の単結晶基板(ベース基板)上に、窒化アルミニウム単結晶層を形成して、それをベース基板から分離することにより、上記積層構造成形用の窒化アルミニウム単結晶基板の製造が試みられている。具体的な方法としては、気相成長法、昇華再結晶法、液相を介した成長法が適用可能である。   At present, the Al group III nitride single crystal substrate (aluminum nitride single crystal substrate) for forming the laminated structure is not commercially available. Therefore, usually by forming an aluminum nitride single crystal layer on a dissimilar single crystal substrate (base substrate) of sapphire, silicon (Si), or silicon carbide (SiC) and separating it from the base substrate, Attempts have been made to produce an aluminum nitride single crystal substrate for forming the laminated structure. As specific methods, a vapor phase growth method, a sublimation recrystallization method, and a growth method via a liquid phase are applicable.

上記積層構造成形用の窒化アルミニウム単結晶基板としては、成長層の転位密度や欠陥、およびクラックを低減し、発光効率を向上させるため、結晶性が高く、不純物が少なく、かつ、光学特性の優れたものが要求されている。   As the aluminum nitride single crystal substrate for forming the laminated structure, the crystallinity is high, the impurities are small, and the optical properties are excellent in order to reduce the dislocation density, defects and cracks of the growth layer and improve the light emission efficiency. Is required.

上記窒化アルミニウム単結晶基板として、昇華法により得られた基板が知られている(非特許文献1参照)。この非特許文献1には、不純物である酸素の濃度が非常に低い(最も低い値で2.7×1017atom/cmを示す。)高純度の窒化アルミニウム単結晶基板が記載されている。しかしながら、該窒化アルミニウム単結晶基板は、段階的に酸素の濃度が減少しているため、該基板内で酸素濃度にムラがあった。そのため、発光素子として使用するには、より均一な窒化アルミニウム単結晶基板が望まれている。また、昇華法では、原料となる窒化アルミニウムを高温下で昇華させなければならず、どうしても着色の問題が避けられないため、光学特性に劣るといった問題があった。特に、昇華法により上記積層構造成形用の窒化アルミニウム単結晶基板を製造しようとした場合、該窒化アルミニウム単結晶基板は、自立して存在するに十分な機械的強度を有する程度に厚くすると、光学特性に劣るといった問題があった。 As the aluminum nitride single crystal substrate, a substrate obtained by a sublimation method is known (see Non-Patent Document 1). This Non-Patent Document 1 describes a high-purity aluminum nitride single crystal substrate in which the concentration of oxygen as an impurity is very low (the lowest value is 2.7 × 10 17 atoms / cm 3 ). . However, the aluminum nitride single crystal substrate has an uneven oxygen concentration in the substrate because the oxygen concentration gradually decreases. Therefore, a more uniform aluminum nitride single crystal substrate is desired for use as a light emitting device. Further, in the sublimation method, aluminum nitride as a raw material has to be sublimated at a high temperature, and coloring problems cannot be avoided. In particular, when an aluminum nitride single crystal substrate for forming the above laminated structure is to be manufactured by a sublimation method, the aluminum nitride single crystal substrate is optically thick when it is thick enough to have a sufficient mechanical strength to exist independently. There was a problem that the characteristics were inferior.

一方、上記窒化アルミニウム単結晶基板の製造方法として、結晶性の良好な単結晶を速い成膜速度で得ることが可能であるという理由から、気相成長法の一種であるハイドライド気相エピタキシー (HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法が注目されている。HVPE法は、サファイア、シリコン、または炭化珪素のベース基板上に、ハロゲン化アルミニウムガスおよび窒素源ガスを供給して、該ベース基板上に窒化アルミニウム単結晶層を形成するものである(特許文献1、2参照)。このHVPE法においては、原料ガスであるハロゲン化アルミニウムガスを金属アルミニウムと接触させた後、反応域に供給することにより、得られる窒化アルミニウム単結晶の酸素不純物を低減させる方法が知られている(特許文献3参照)。   On the other hand, as a method of manufacturing the aluminum nitride single crystal substrate, a hydride vapor phase epitaxy (HVPE), which is a kind of vapor phase growth method, can be obtained because a single crystal having good crystallinity can be obtained at a high film formation rate. : Hydride Vapor Phase Epitaxy) method is attracting attention. In the HVPE method, an aluminum halide gas and a nitrogen source gas are supplied onto a sapphire, silicon, or silicon carbide base substrate to form an aluminum nitride single crystal layer on the base substrate (Patent Document 1). 2). In this HVPE method, a method of reducing oxygen impurities in an aluminum nitride single crystal to be obtained by bringing an aluminum halide gas as a source gas into contact with metal aluminum and then supplying it to the reaction zone is known ( (See Patent Document 3).

これらの方法により得られる窒化アルミニウム単結晶層(窒化アルミニウム単結晶基板)は、成長速度が速く、良好な結晶性を有するものであり、非常に利用価値が高い。しかしながら、本発明者等の検討によると、上記方法により得られる窒化アルミニウム単結晶層は、サファイア、シリコン、または炭化珪素のベース基板に由来する不純物や、その他の因子によるものと考えられるが、酸素原子、珪素原子を比較的多く含むことが分かり、改善の余地があった。しかも、ハロゲン化アルミニウムガスを金属アルミニウムと接触させた特許文献3に記載の方法においても、改善の余地があった。   The aluminum nitride single crystal layer (aluminum nitride single crystal substrate) obtained by these methods has a high growth rate, good crystallinity, and is very useful. However, according to the study by the present inventors, the aluminum nitride single crystal layer obtained by the above method is considered to be due to impurities derived from the base substrate of sapphire, silicon, or silicon carbide, and other factors. It was found that it contains a relatively large amount of atoms and silicon atoms, and there was room for improvement. Moreover, there is room for improvement in the method described in Patent Document 3 in which an aluminum halide gas is brought into contact with metal aluminum.

また、HVPE法においては、サファイア基板の表面を還元して窒化することにより、窒化アルミニウム単結晶薄膜層を有するサファイア基板を形成し、その窒化アルミニウム単結晶薄膜層上に、窒化アルミニウム単結晶の膜を成長させる方法も検討されている(特許文献4、5参照)。   In the HVPE method, the surface of the sapphire substrate is reduced and nitrided to form a sapphire substrate having an aluminum nitride single crystal thin film layer, and an aluminum nitride single crystal film is formed on the aluminum nitride single crystal thin film layer. A method of growing sapphire has also been studied (see Patent Documents 4 and 5).

Journal of Crystal Growth(2008),doi:10.1016/j.jcrysgro.2008.06032Journal of Crystal Growth (2008), doi: 10.016 / j. jcrysgro. 2008.06032 特開2006−114845号公報JP 2006-114845 A 特開2006−253462号公報JP 2006-253462 A 特開2007−42854号公報JP 2007-42854 A 特開2006−240895号公報JP 2006-240895 A 特開2006−240895号公報JP 2006-240895 A

特許文献4、および5に記載の方法によれば、サファイア基板上に、窒化アルミニウム単結晶薄膜層を介して、窒化アルミニウム単結晶層を成長させることができるため、サファイア基板由来の不純物が、窒化アルミニウム単結晶層へ移行するのを防ぐことができると考えられる。しかしながら、これらの方法でも、十分に酸素を低減することはできなかった。   According to the methods described in Patent Documents 4 and 5, since the aluminum nitride single crystal layer can be grown on the sapphire substrate via the aluminum nitride single crystal thin film layer, impurities derived from the sapphire substrate are nitrided. It is considered that the transition to the aluminum single crystal layer can be prevented. However, even with these methods, oxygen could not be reduced sufficiently.

したがって、本発明の目的は、酸素、珪素等の不純物が少なく、光学特性に優れた窒化アルミニウム単結晶基板を提供すること、および該窒化アルミニウム単結晶基板を製造する方法を提供することにある。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide an aluminum nitride single crystal substrate having few impurities such as oxygen and silicon and having excellent optical characteristics, and to provide a method for producing the aluminum nitride single crystal substrate.

本発明者等は、上記課題を解決するため、鋭意検討を行った。特に、従来のHVPE法により得られる窒化アルミニウム単結晶層(窒化アルミニウム単結晶基板)において、酸素原子等の不純物が比較的多く含まれる原因を検討した。そして、その原因が、使用するベース基板の種類、結晶性(極性)、および窒化アルミニウム単結晶層を成長させる際の条件に起因することをつきとめ、それらを改善することによって、不純物である酸素原子等の濃度が極めて低く、光学特性に優れた窒化アルミニウム単結晶基板を製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive studies. In particular, the cause of the relatively large amount of impurities such as oxygen atoms in the aluminum nitride single crystal layer (aluminum nitride single crystal substrate) obtained by the conventional HVPE method was examined. Then, the cause is determined to be due to the type of base substrate to be used, crystallinity (polarity), and conditions for growing an aluminum nitride single crystal layer, and by improving them, oxygen atoms that are impurities The present inventors have found that an aluminum nitride single crystal substrate having a very low concentration and the like and excellent optical characteristics can be produced, and the present invention has been completed.

すなわち、第一の本発明は、酸素濃度が2.5×1017atom/cm以下であり、23℃でのフォトルミネッセンス測定における発光波長が210nmのスペクトル強度(A)と360nmのスペクトル強度(B)との比(A/B)が0.50以上である窒化アルミニウム単結晶基板である。また、該窒化アルミニウム単結晶基板は、珪素濃度を5.5×1017atom/cm以下とすることもできる。 That is, according to the first aspect of the present invention, the oxygen concentration is 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, the spectral intensity (A) of the emission wavelength in photoluminescence measurement at 23 ° C. is 210 nm, and the spectral intensity of 360 nm ( B) is an aluminum nitride single crystal substrate having a ratio (A / B) of 0.50 or more. The aluminum nitride single crystal substrate can have a silicon concentration of 5.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

第二の本発明は、上記第一の本発明の窒化アルミニウム単結晶基板となる窒化アルミニウム単結晶層を有する積層体であって、酸素濃度が2.5×1017atom/cmを超え2.0×1019atom/cm以下の窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、酸素濃度が2.5×1017atom/cm以下であり、23℃でのフォトルミネッセンス測定における発光波長が210nmのスペクトル強度(A)と360nmのスペクトル強度(B)との比(A/B)が0.50以上である窒化アルミニウム単結晶層が形成されてなる積層体である。また、該積層体は、前記窒化アルミニウム単結晶層の珪素濃度を5.5×1017atom/cm以下とすることもできる。 The second aspect of the present invention is a laminate having an aluminum nitride single crystal layer to be the aluminum nitride single crystal substrate of the first aspect of the present invention, wherein the oxygen concentration exceeds 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 and 2 on a surface having a nitrogen polarity .0 × 10 19 atom / cm 3 or less of the aluminum nitride single crystal self-supporting substrate, the oxygen concentration is not more 2.5 × 10 17 atom / cm 3 or less, the photoluminescence measurement at 23 ° C. Is a laminate in which an aluminum nitride single crystal layer having a ratio (A / B) of a spectral intensity (A) having an emission wavelength of 210 nm and a spectral intensity (B) of 360 nm of 0.50 or more is formed. In the stacked body, the silicon concentration of the aluminum nitride single crystal layer may be 5.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

第三の本発明は、上記第二の本発明の積層体を製造する方法であって、
(1)酸素濃度が2.5×1017atom/cmを超え2.0×1019atom/cm以下の窒化アルミニウム単結晶自立基板を準備する工程、および
(2)前記窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度を1400℃以上1900℃以下の範囲に制御し、かつ、該窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、ハロゲン化アルミニウムガス、および窒素源ガスを供給して、窒化アルミニウム単結晶層を気相成長させて積層体を製造する工程
とを含むことを特徴とする積層体の製造方法である。
The third aspect of the present invention is a method for producing the laminate of the second aspect of the present invention,
(1) a step of preparing an aluminum nitride single crystal free-standing substrate having an oxygen concentration exceeding 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 and not more than 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 , and (2) the aluminum nitride single crystal The temperature of the free-standing substrate is controlled in the range of 1400 ° C. or more and 1900 ° C. or less, and an aluminum halide gas and a nitrogen source gas are supplied onto the surface of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate having a nitrogen polarity, and nitriding is performed. And a step of producing a laminate by vapor phase growth of an aluminum single crystal layer.

また、前記第三の本発明においては、工程(1)において、シリコン単結晶ベース基板上に第一の窒化アルミニウム単結晶層を成長させた第一の積層体から、該シリコン単結晶ベース基板を分離して得られる第一の窒化アルミニウム単結晶層を前記窒化アルミニウム単結晶自立基板として準備することが好ましい。さらに、前記第三の発明においては、工程(2)において、窒素源ガスを先に供給し、次いで、ハロゲン化アルミニウムガスを供給することにより、窒化アルミニウム単結晶層を気相成長させることが好ましい。   In the third aspect of the present invention, in the step (1), the silicon single crystal base substrate is formed from the first laminate obtained by growing the first aluminum nitride single crystal layer on the silicon single crystal base substrate. The first aluminum nitride single crystal layer obtained by separation is preferably prepared as the aluminum nitride single crystal free-standing substrate. Furthermore, in the third invention, in the step (2), it is preferable to vapor-phase grow the aluminum nitride single crystal layer by supplying the nitrogen source gas first and then supplying the aluminum halide gas. .

第四の本発明は、上記第三の発明により得られた積層体から、少なくとも前記窒化アルミニウム単結晶自立基板部分を分離する工程を含んでなる窒化アルミニウム単結晶基板の製造方法であり、こうすることにより容易に第一の発明の窒化アルミニウム単結晶基板を製造することができる。   The fourth aspect of the present invention is a method for producing an aluminum nitride single crystal substrate comprising a step of separating at least the aluminum nitride single crystal free-standing substrate portion from the laminate obtained by the third aspect of the invention. Thus, the aluminum nitride single crystal substrate of the first invention can be easily manufactured.

以上説明したように、第一から第四の本発明は、互いに関連している。この関係を図1に示す。図1は本発明の概要を示すものである。図1について説明すると、先ず、無機ベース基板11上に、第一の窒化アルミニウム単結晶層12を成長させて、第一の積層体15を製造する。次いで、第一の積層体15から無機ベース基板11を分離して得られる窒化アルミニウム単結晶層を窒化アルミニウム単結晶自立基板16として準備する。次いで、該窒化アルミニウム単結晶自立基板16の無機ベース基板11と接触していた面(窒素極性面14)上に、窒化アルミニウム単結晶層17を気相成長させて積層体18(第二の本発明)を製造する。そして、該積層体18から窒化アルミニウム単結晶自立基板を分離することにより、第一の発明である窒化アルミニウム単結晶基板19を得ることができる。   As described above, the first to fourth aspects of the present invention are related to each other. This relationship is shown in FIG. FIG. 1 shows an outline of the present invention. Referring to FIG. 1, first, a first aluminum nitride single crystal layer 12 is grown on an inorganic base substrate 11 to manufacture a first laminate 15. Next, an aluminum nitride single crystal layer obtained by separating the inorganic base substrate 11 from the first laminate 15 is prepared as an aluminum nitride single crystal free-standing substrate 16. Next, an aluminum nitride single crystal layer 17 is vapor-phase grown on the surface (nitrogen polar surface 14) of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate 16 that has been in contact with the inorganic base substrate 11, and a laminated body 18 (second book) Invention). Then, by separating the aluminum nitride single crystal free-standing substrate from the laminate 18, the aluminum nitride single crystal substrate 19 according to the first invention can be obtained.

本発明によれば、ある程度の酸素を含む窒化アルミニウム単結晶自立基板を特定の温度範囲に制御し、かつ、該窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、窒化アルミニウム単結晶層を気相成長させることにより、非常に純度が高く、かつ、深さ方向に対して、不純物のムラがない均一な窒化アルミニウム単結晶層が形成された積層体を製造することができる。また、本発明においては、窒化アルミニウム単結晶自立基板上に、さらに窒化アルミニウム単結晶層を成長させるため、1400℃以上の高温でも、クラック等の発生がなく安定して窒化アルミニウム単結晶層を成長させることができる。   According to the present invention, an aluminum nitride single crystal free-standing substrate containing a certain amount of oxygen is controlled to a specific temperature range, and an aluminum nitride single crystal layer is formed on the surface of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate having a nitrogen polarity. By performing vapor phase growth, it is possible to manufacture a laminated body in which a uniform aluminum nitride single crystal layer having very high purity and no impurity unevenness is formed in the depth direction. In the present invention, since an aluminum nitride single crystal layer is further grown on the aluminum nitride single crystal free-standing substrate, the aluminum nitride single crystal layer can be stably grown even at a high temperature of 1400 ° C. or higher without cracks. Can be made.

そして、本発明の方法により得られた積層体から、酸素を含んだ窒化アルミニウム単結晶自立基板の部分を分離することにより、酸素および珪素濃度が非常に低い、高純度の窒化アルミニウム単結晶基板を製造することができる。   Then, by separating a portion of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate containing oxygen from the laminate obtained by the method of the present invention, a high-purity aluminum nitride single crystal substrate having a very low oxygen and silicon concentration is obtained. Can be manufactured.

本発明の窒化アルミニウム単結晶基板は、不純物である酸素原子、および珪素原子の濃度を極めて低減したものであり、光学特性に優れた基板であるから、紫外発光素子用の基板として有効に利用することができる。   The aluminum nitride single crystal substrate of the present invention is a substrate with extremely reduced concentrations of oxygen atoms and silicon atoms, which are impurities, and is excellent in optical characteristics. Therefore, it is effectively used as a substrate for an ultraviolet light emitting device. be able to.

このように高純度で光学特性に優れた窒化アルミニウム単結晶基板は、従来存在しないものであり、本発明の積層体、該積層体の製造方法、窒化アルミニウム単結晶基板は、工業的利用価値が非常に高い。   Thus, there is no conventional aluminum nitride single crystal substrate having high purity and excellent optical properties, and the laminate of the present invention, the method for producing the laminate, and the aluminum nitride single crystal substrate have industrial utility value. Very expensive.

(窒化アルミニウム単結晶基板)
本発明は、酸素濃度が2.5×1017atom/cm以下であり、23℃でのフォトルミネッセンス測定における発光波長が210nmのスペクトル強度(A)と360nmのスペクトル強度(B)との比(A/B)が0.50以上である窒化アルミニウム単結晶基板である。また、本発明の窒化アルミニウム単結晶基板は、酸素濃度が深さ方向に対して変化が無いものである。本発明の窒化アルミニウム単結晶基板は、さらに、酸素濃度を2.0×1017atom/cm以下とし、上記スペクトル強度の比(A/B)を0.80以上とすることもできる。以上の通り、本発明の窒化アルミニウム単結晶基板は、酸素濃度、およびスペクトル強度比(A/B)が上記範囲を満足する非常に純度が高く、光学特性に優れたものであるため、紫外発光素子等の用途に好適に使用できる。なお、上記酸素濃度の下限は、少なければ少ないほどよいため、0atom/cmであるが、工業的な生産を考慮すると、1.0×1016atom/cmである。また、上記スペクトル強度の比(A/B)の上限値は、特に制限されるものではないが、工業的生産を考慮すると、20.00である。
(Aluminum nitride single crystal substrate)
In the present invention, the oxygen concentration is 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, and the ratio of the spectral intensity (A) having an emission wavelength of 210 nm and the spectral intensity (B) of 360 nm in photoluminescence measurement at 23 ° C. This is an aluminum nitride single crystal substrate having (A / B) of 0.50 or more. In the aluminum nitride single crystal substrate of the present invention, the oxygen concentration does not change in the depth direction. The aluminum nitride single crystal substrate of the present invention may further have an oxygen concentration of 2.0 × 10 17 atoms / cm 3 or less and a spectral intensity ratio (A / B) of 0.80 or more. As described above, the aluminum nitride single crystal substrate of the present invention has a very high purity that satisfies the above ranges for the oxygen concentration and the spectral intensity ratio (A / B), and has excellent optical characteristics. It can be suitably used for applications such as elements. Since the lower limit of the oxygen concentration is better, it is 0 atom / cm 3. However, in consideration of industrial production, it is 1.0 × 10 16 atom / cm 3 . The upper limit of the spectral intensity ratio (A / B) is not particularly limited, but is 20.00 in view of industrial production.

また、本発明の窒化アルミニウム単結晶基板は、珪素濃度が好ましくは5.5×1017atom/cm以下、さらに好ましくは5.0×1017atom/cm以下である。上記珪素濃度の下限は、少なければ少ないほどよいため、0atom/cmであるが、工業的な生産を考慮すると、1×1016atom/cmである。下記に詳述するが、本発明の方法により得られる窒化アルミニウム単結晶基板は、シリコン等の無機ベース基板を使用したり、反応器の材質として石英を使用した場合においても、珪素濃度が上記範囲に低減されたものとなる。 The aluminum nitride single crystal substrate of the present invention preferably has a silicon concentration of 5.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, more preferably 5.0 × 10 17 atoms / cm 3 or less. Since the lower limit of the silicon concentration is better, the lower limit is 0 atom / cm 3 , but it is 1 × 10 16 atom / cm 3 in consideration of industrial production. Although described in detail below, the aluminum nitride single crystal substrate obtained by the method of the present invention has a silicon concentration in the above range even when an inorganic base substrate such as silicon is used or quartz is used as the material of the reactor. Will be reduced.

また、上記窒化アルミニウム単結晶基板の厚み、および大きさは、特に制限されるものではなく、使用する用途に応じて適宜決定してやればよい。工業的な生産、および用途等を考慮すると、通常、厚みは100〜3000μm、基板の直径は10〜100mmである。   Further, the thickness and size of the aluminum nitride single crystal substrate are not particularly limited, and may be determined as appropriate according to the intended use. Considering industrial production and applications, the thickness is usually 100 to 3000 μm, and the diameter of the substrate is 10 to 100 mm.

以上のような高純度であって、優れた光学特性を示す窒化アルミニウム単結晶基板は、従来知られておらず、本発明によって初めて達成されたものである。   An aluminum nitride single crystal substrate having such a high purity and excellent optical properties has not been known so far and has been achieved for the first time by the present invention.

(積層体)
本発明の積層体は、酸素濃度が2.5×1017atom/cmを超え2.0×1019atom/cm以下の窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、酸素濃度が2.5×1017atom/cm以下であり、23℃でのフォトルミネッセンス測定における発光波長が210nmのスペクトル強度(A)と360nmのスペクトル強度(B)との比(A/B)が0.50以上である窒化アルミニウム単結晶層が形成されてなる。なお、後述するが、本発明の積層体は、上記窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、上記窒化アルミニウム単結晶層が形成されていることが重要である。
(Laminate)
The laminate of the present invention has an oxygen concentration on a surface having a nitrogen polarity of an aluminum nitride single crystal free-standing substrate having an oxygen concentration of more than 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 and not more than 2.0 × 10 19 atoms / cm 3. The ratio (A / B) of the spectral intensity (A) having a concentration of 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less and an emission wavelength of 210 nm and a spectral intensity (B) of 360 nm in photoluminescence measurement at 23 ° C. An aluminum nitride single crystal layer having a thickness of 0.50 or more is formed. As will be described later, in the laminated body of the present invention, it is important that the aluminum nitride single crystal layer is formed on the surface having the nitrogen polarity of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate.

本発明の上記窒化アルミニウム単結晶基板は、該積層体から上記窒化アルミニウム単結晶自立基板部分を分離し、得られた窒化アルミニウム単結晶層部分からなるものである。   The aluminum nitride single crystal substrate of the present invention comprises an aluminum nitride single crystal layer portion obtained by separating the aluminum nitride single crystal free-standing substrate portion from the laminate.

(積層体の窒化アルミニウム単結晶層部分)
本発明の積層体において、上記窒化アルミニウム単結晶層は、酸素濃度が2.5×1017atom/cm以下であり、好ましくは2.0×1017以下である。また、23℃のフォトルミネッセンス測定における発光波長が210nmのスペクトル強度(A)と360nmのスペクトル強度(B)との比(A/B)が0.50以上であり、好ましくは0.80以上である。なお、上記酸素濃度の下限は、少なければ少ないほどよいため、0atom/cmであるが、工業的な生産を考慮すると、1.0×1016atom/cmである。また、上記スペクトル強度の比(A/B)の上限値は、特に制限されるものではないが、工業的生産を考慮すると、20.0である。
(The aluminum nitride single crystal layer part of the laminate)
In the laminate of the present invention, the aluminum nitride single crystal layer has an oxygen concentration of 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, preferably 2.0 × 10 17 or less. In addition, the ratio (A / B) of the spectral intensity (A) having an emission wavelength of 210 nm and the spectral intensity (B) of 360 nm in photoluminescence measurement at 23 ° C. is 0.50 or more, preferably 0.80 or more. is there. Since the lower limit of the oxygen concentration is better, it is 0 atom / cm 3. However, in consideration of industrial production, it is 1.0 × 10 16 atom / cm 3 . The upper limit of the spectral intensity ratio (A / B) is not particularly limited, but is 20.0 in view of industrial production.

さらに、上記窒化アルミニウム単結晶層は、珪素濃度が好ましくは5.5×1017atom/cm以下であり、さらに好ましくは5.0×1017atom/cm以下である。上記珪素濃度の下限は、少なければ少ないほどよいため、0atom/cmであるが、工業的な生産を考慮すると、1.0×1016atom/cmである。 Further, the aluminum nitride single crystal layer preferably has a silicon concentration of 5.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, more preferably 5.0 × 10 17 atoms / cm 3 or less. The lower limit of the silicon concentration is better as it is lower, so it is 0 atom / cm 3. However, in consideration of industrial production, it is 1.0 × 10 16 atom / cm 3 .

また、窒化アルミニウム単結晶層の厚みは、所望とする上記窒化アルミニウム単結晶基板の厚みに応じて決定してやればよく、そのため、所望とする窒化アルミニウム単結晶基板以上の厚みであればよい。積層体の工業的な生産性を考慮すると厚みの上限は、通常、1000μm程度である。この窒化アルミニウム単結晶層は、下記に詳述する方法により製造することができるが、その際、この窒化アルミニウム単結晶層の最表面は、アルミニウム極性を有する面となる。   In addition, the thickness of the aluminum nitride single crystal layer may be determined according to the desired thickness of the aluminum nitride single crystal substrate, and therefore may be a thickness equal to or greater than the desired aluminum nitride single crystal substrate. Considering the industrial productivity of the laminate, the upper limit of the thickness is usually about 1000 μm. The aluminum nitride single crystal layer can be manufactured by the method described in detail below. At this time, the outermost surface of the aluminum nitride single crystal layer is a plane having aluminum polarity.

(積層体の窒化アルミニウム単結晶自立基板部分)
本発明の積層体において、上記窒化アルミニウム単結晶自立基板は、酸素濃度が2.5×1017atom/cmを超え2.0×1019atom/cm以下である。該窒化アルミニウム単結晶自立基板自体の生産性、最終的に得られる上記窒化アルミニウム単結晶基板の純度、光学特性、および結晶性等を考慮すると、酸素濃度は、好ましくは1.0×1018〜1.0×1019atom/cmである。本発明によれば、上記酸素濃度を含む窒化アルミニウム単結晶自立基板を使用したとしても、得られる窒化アルミニウム単結晶基板は、酸素濃度等の不純物が少なく、光学特性に優れたものとなる。
(The aluminum nitride single crystal free-standing substrate part of the laminate)
In the laminate of the present invention, the aluminum nitride single crystal free-standing substrate has an oxygen concentration of more than 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 and not more than 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 . Considering the productivity of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate itself, the purity, optical characteristics, crystallinity, etc. of the aluminum nitride single crystal substrate finally obtained, the oxygen concentration is preferably 1.0 × 10 18 to 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 . According to the present invention, even when an aluminum nitride single crystal self-supporting substrate containing the oxygen concentration is used, the resulting aluminum nitride single crystal substrate has few impurities such as oxygen concentration and has excellent optical characteristics.

また、上記窒化アルミニウム単結晶自立基板は、自立して存在するに十分な機械的強度を有するものであり、その厚みは、50〜1000μmであることが好ましい。上記窒化アルミニウム単結晶自立基板の厚みが上記範囲を満足することにより、窒化アルミニウム単結晶自立基板がそれ相応の強度を有するため、取り扱い易くなり、窒化アルミニウム単結晶基板の生産性を向上することができる。さらに、該窒化アルミニウム単結晶自立基板自体の製造が容易となる。また、上記窒化アルミニウム単結晶自立基板は、最終的に得られる上記窒化アルミニウム単結晶基板の純度、光学特性等を考慮すると、窒化アルミニウム単結晶のみの単層であることが好ましい。本発明においては、上記窒化アルミニウム単結晶自立基板を使用することにより、1400℃以上の温度でも安定して窒化アルミニウム単結晶層を成長させることができるため、純度が高く、光学特性に優れた窒化アルミニウム単結晶層(窒化アルミニウム単結晶基板)を安定して製造できる。   The aluminum nitride single crystal self-supporting substrate has a mechanical strength sufficient to exist independently, and its thickness is preferably 50 to 1000 μm. When the thickness of the aluminum nitride single-crystal free-standing substrate satisfies the above range, the aluminum nitride single-crystal free-standing substrate has a corresponding strength, so that it can be easily handled and the productivity of the aluminum nitride single-crystal substrate can be improved. it can. Further, the aluminum nitride single crystal free-standing substrate itself can be easily manufactured. In addition, the aluminum nitride single crystal free-standing substrate is preferably a single layer made of only an aluminum nitride single crystal in consideration of the purity, optical characteristics, etc. of the finally obtained aluminum nitride single crystal substrate. In the present invention, since the aluminum nitride single crystal layer can be stably grown even at a temperature of 1400 ° C. or higher by using the aluminum nitride single crystal free-standing substrate, the nitride is high in purity and excellent in optical characteristics. An aluminum single crystal layer (aluminum nitride single crystal substrate) can be manufactured stably.

(窒化アルミニウム単結晶層の成長面:窒素極性を有する面)
本発明の積層体においては、上記窒化アルミニウム単結晶層が、上記窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に形成されていることが重要である。先ず、窒化アルミニウム単結晶における極性(窒素極性、アルミニウム極性)について説明する。
(Growth plane of aluminum nitride single crystal layer: plane having nitrogen polarity)
In the laminate of the present invention, it is important that the aluminum nitride single crystal layer is formed on the surface of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate having a nitrogen polarity. First, the polarity (nitrogen polarity, aluminum polarity) in an aluminum nitride single crystal will be described.

窒化アルミニウム単結晶おける窒素極性とは、特開2006−253462号公報に記載されている通り、原子配列の方向性を示すものである。窒化アルミニウム単結晶は、六方晶系のウルツ鉱型構造をとる。ウルツ鉱型構造ではc軸方向に関して対象面がなく、結晶には表裏の関係が生じる。アルミニウム原子に注目した場合、アルミニウム原子から垂直上側に窒素原子を配置する結晶をアルミニウム極性という。反対に窒素原子から垂直上側にアルミニウム原子を配置する結晶を窒素極性という。そのため、窒化アルミニウム単結晶の膜において、窒素極性を有する面の反対側の面はアルミニウム極性を有する面となる。   The nitrogen polarity in the aluminum nitride single crystal indicates the orientation of the atomic arrangement as described in JP-A-2006-253462. The aluminum nitride single crystal has a hexagonal wurtzite structure. In the wurtzite structure, there is no target surface in the c-axis direction, and the crystal has a front-back relationship. When attention is paid to aluminum atoms, a crystal in which nitrogen atoms are arranged vertically above aluminum atoms is called aluminum polarity. On the other hand, a crystal in which aluminum atoms are arranged vertically above nitrogen atoms is called nitrogen polarity. Therefore, in the aluminum nitride single crystal film, the surface opposite to the surface having nitrogen polarity is a surface having aluminum polarity.

この極性は、通常、水酸化カリウム水溶液を用いたエッチング処理によって判定することができる。この判定については、Applied Physics Letter,Vol.72(1998)2480(非特許文献2)、MRS Internet Journal Nitride Semiconductor Research,Vol.7,No.4,1−6(2002)(非特許文献3)、特開2006−253462号公報(特許文献2)等に記載されている。つまり、窒化アルミニウム単結晶の膜において、窒素極性を有する面は、水酸化カリウム水溶液を用いたエッチングにより溶解し、一方、反対の面であるアルミニウム極性を有する面は、水酸化カリウム水溶液を用いてエッチング処理しても溶解することはない。そのため、本発明においては、50℃に加熱された50質量%濃度の水酸化カリウム水溶液に一方の面を5分間浸し、電子顕微鏡観察した際、該水酸化カリウム水溶液に浸す前後において、面形状が全く変化していない面を「アルミニウム極性を有する面」とし、その反対の面で、面形状が変化している面を「窒素極性を有する面」とする。   This polarity can usually be determined by an etching process using an aqueous potassium hydroxide solution. For this determination, see Applied Physics Letter, Vol. 72 (1998) 2480 (Non-Patent Document 2), MRS Internet Journal Semiconductor Research, Vol. 7, no. 4, 1-6 (2002) (Non-Patent Document 3), JP-A-2006-253462 (Patent Document 2), and the like. In other words, in the aluminum nitride single crystal film, the surface having nitrogen polarity is dissolved by etching using an aqueous potassium hydroxide solution, while the opposite surface having aluminum polarity is formed using an aqueous potassium hydroxide solution. Even if it etches, it does not melt | dissolve. Therefore, in the present invention, when one surface is immersed in a 50% strength by weight potassium hydroxide aqueous solution heated to 50 ° C. for 5 minutes and observed with an electron microscope, the surface shape is before and after the immersion in the potassium hydroxide aqueous solution. A surface that has not changed at all is referred to as “a surface having aluminum polarity”, and a surface that has the surface shape changed on the opposite surface is referred to as “a surface having nitrogen polarity”.

本発明の積層体は、窒化アルミニウム単結晶層側の表面、および窒化アルミニウム単結晶自立基板側の表面共に、アルミニウム極性を有する面となっているため、上記条件でエッチング処理したとしても、処理前後で該両表面に変化がない。そのため、積層体をエッチング処理することにより、上記窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、上記窒化アルミニウム単結晶層を形成しているかどうか確認することもできる。   In the laminate of the present invention, both the surface on the aluminum nitride single crystal layer side and the surface on the aluminum nitride single crystal free-standing substrate side are surfaces having aluminum polarity. There is no change on both surfaces. Therefore, it is also possible to confirm whether or not the aluminum nitride single crystal layer is formed on the surface having the nitrogen polarity of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate by etching the laminate.

本発明の積層体は、上記窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、上記窒化アルミニウム単結晶層が形成されているものである。下記に詳述するが、該積層体は、該面上に、特定の条件で窒化アルミニウム単結晶層を成長させることが重要である。   In the laminate of the present invention, the aluminum nitride single crystal layer is formed on the surface of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate having a nitrogen polarity. As will be described in detail below, it is important for the laminate to grow an aluminum nitride single crystal layer on the surface under specific conditions.

(積層体の製造方法)
本発明の窒化アルミニウム単結晶基板は、上記の通り、上記積層体から製造することができるが、次に、この積層体の製造方法について説明する。
(Laminate manufacturing method)
As described above, the aluminum nitride single crystal substrate of the present invention can be manufactured from the above laminated body. Next, a method for manufacturing this laminated body will be described.

本発明において、上記積層体の製造方法は、
(1)酸素濃度が2.5×1017atom/cmを超え2.0×1019atom/cm以下の窒化アルミニウム単結晶自立基板を準備する工程、および
(2)前記窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度を1400℃以上1900℃以下の範囲に制御し、かつ、該窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、ハロゲン化アルミニウムガス、および窒素源ガスを供給し、窒化アルミニウム単結晶層を気相成長させて積層体を製造する工程
とを含んでなる。
In the present invention, the method for producing the laminate is as follows:
(1) a step of preparing an aluminum nitride single crystal free-standing substrate having an oxygen concentration exceeding 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 and not more than 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 , and (2) the aluminum nitride single crystal An aluminum nitride gas and a nitrogen source gas are supplied onto the surface of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate having a nitrogen polarity, and the temperature of the free-standing substrate is controlled in the range of 1400 ° C. to 1900 ° C. And a step of producing a laminate by vapor-phase-growing a single crystal layer.

上記工程を経て得られる積層体は、非常に純度が高く、光学特性に優れた窒化アルミニウム単結晶層を有することが可能となる。   The laminate obtained through the above steps can have an aluminum nitride single crystal layer with very high purity and excellent optical characteristics.

(工程(1) 窒化アルミニウム単結晶自立基板の準備工程)
本発明において、工程(1)は、酸素濃度が2.5×1017atom/cmを超え2.0×1019atom/cm以下の窒化アルミニウム単結晶自立基板を準備する工程である。
(Process (1) Preparation process of aluminum nitride single crystal free-standing substrate)
In the present invention, the step (1) is a step of preparing an aluminum nitride single crystal free-standing substrate having an oxygen concentration exceeding 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 and not more than 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 .

工程(1)は、公知の窒化アルミニウム単結晶自立基板を製造方法する方法が採用される。例えば、昇華法、HVPE法により、サファイア、炭化珪素、またはシリコン等の無機ベース基板上に、第一の窒化アルミニウム単結晶層を成長させた第一の積層体を製造し、該第一の積層体から無機ベース基板を分離することにより得られた第一の窒化アルミニウム単結晶層を窒化アルミニウム単結晶自立基板とすることができる。   In the step (1), a known method for producing an aluminum nitride single crystal free-standing substrate is employed. For example, a first laminate in which a first aluminum nitride single crystal layer is grown on an inorganic base substrate such as sapphire, silicon carbide, or silicon is manufactured by sublimation or HVPE, and the first laminate The first aluminum nitride single crystal layer obtained by separating the inorganic base substrate from the body can be an aluminum nitride single crystal free-standing substrate.

本発明の窒化アルミニウム単結晶自立基板における上記酸素濃度の範囲は、特別なものではなく、通常の方法で得られる自立基板の範囲である。そのため、公知の方法で上記無機ベース基板上に、第一の窒化アルミニウム単結晶層を成長させることにより、酸素濃度が2.5×1017atom/cmを超え2.0×1019atom/cm以下の窒化アルミニウム単結晶自立基板を製造(準備)することができる。中でも、上記無機ベース基板上に第一の窒化アルミニウム単結晶層を成長させる方法は、第一の窒化アルミニウム単結晶層(窒化アルミニウム単結晶自立基板)の生産性、最終的に得られる窒化アルミニウム単結晶基板の純度、光学特性、および結晶性等を考慮すると、HVPE法を採用することが好ましい。以下に、HVPE法により上記窒化アルミニウム単結晶自立基板の製造方法を、図2を使用して説明する。 The range of the oxygen concentration in the aluminum nitride single crystal free-standing substrate of the present invention is not special, and is a range of a free-standing substrate obtained by a normal method. Therefore, by growing the first aluminum nitride single crystal layer on the inorganic base substrate by a known method, the oxygen concentration exceeds 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 and is 2.0 × 10 19 atoms / cm 3. An aluminum nitride single crystal self-supporting substrate of cm 3 or less can be manufactured (prepared). Above all, the method of growing the first aluminum nitride single crystal layer on the inorganic base substrate is characterized by the productivity of the first aluminum nitride single crystal layer (aluminum nitride single crystal free-standing substrate) and the finally obtained aluminum nitride single crystal layer. Considering the purity, optical characteristics, crystallinity, etc. of the crystal substrate, it is preferable to adopt the HVPE method. Below, the manufacturing method of the said aluminum nitride single crystal self-supporting board | substrate by HVPE method is demonstrated using FIG.

HVPE装置は、円筒状の石英ガラス反応管21からなる本体と、該反応管21の外部に配置される外部加熱手段22と、該反応管21の内部に配置される支持台23とを具備する。そして、反応管21の一方の端部からキャリアガスおよび原料ガス(ハロゲン化アルミニウムガスおよび窒素源ガス)を供給し、他方の端部近傍の側壁に設けられた開口部からキャリアガスおよび未反応の反応ガスを排出する構造となっている。なお、外部加熱手段22は、無機ベース基板24の加熱を目的とするものではなく、主として反応域の反応ガスの温度を所定温度に保持する目的で使用されるものであり、必ずしも必須のものではない。この外部加熱手段22としては、抵抗加熱式ヒータ、高周波加熱装置、高周波誘導加熱装置、ランプヒータなどが使用できるが、本実施例では抵抗加熱式ヒータを用いた。また、前記支持台23は、その上面に無機ベース基板24を保持できるようになっている。   The HVPE apparatus includes a main body composed of a cylindrical quartz glass reaction tube 21, an external heating means 22 disposed outside the reaction tube 21, and a support base 23 disposed inside the reaction tube 21. . Then, a carrier gas and a source gas (aluminum halide gas and a nitrogen source gas) are supplied from one end of the reaction tube 21, and the carrier gas and unreacted gas are supplied from an opening provided in the side wall near the other end. It is structured to discharge the reaction gas. The external heating means 22 is not intended to heat the inorganic base substrate 24, but is mainly used to maintain the temperature of the reaction gas in the reaction zone at a predetermined temperature, and is not necessarily essential. Absent. As the external heating means 22, a resistance heating heater, a high frequency heating device, a high frequency induction heating device, a lamp heater, or the like can be used. In this embodiment, a resistance heating heater is used. The support base 23 can hold the inorganic base substrate 24 on the upper surface thereof.

また、キャリアガスは、水素、窒素、ヘリウムまたはアルゴンの単体ガス、もしくはそれらの混合ガスが使用可能であり、あらかじめ精製器を用いて酸素、水蒸気、一酸化炭素あるいは二酸化炭素等の不純物ガス成分を除去しておくことが望ましい。   The carrier gas can be a single gas of hydrogen, nitrogen, helium, or argon, or a mixed gas thereof. Impurity gas components such as oxygen, water vapor, carbon monoxide, or carbon dioxide are previously removed using a purifier. It is desirable to remove it.

図2に示す装置における原料ガス供給側の反応管において、例えば、ノズル25からキャリアガスで希釈されたハロゲン化アルミニウムガスが供給され、ノズル25と反応管壁との間の空間を流路としてキャリアガスで希釈された窒素源ガスが供給される。ハロゲン化アルミニウムガスとしては、一塩化アルミニウムガス、三塩化アルミニウムガス等が挙げられるが、反応管に石英ガラスを使用するのであれば石英ガラスに対する腐食性が低い観点から三塩化アルミニウムガスを用いることが好ましい。一方、窒素源ガスは、取り扱い易さを考慮するとアンモニアガスが好ましい。なお、これら原料ガスは、当然のことながら極力、酸素等の不純物を低減したもの使用することが好ましい。   In the reaction tube on the source gas supply side in the apparatus shown in FIG. 2, for example, an aluminum halide gas diluted with a carrier gas is supplied from a nozzle 25, and a carrier is formed using a space between the nozzle 25 and the reaction tube wall as a flow path. Nitrogen source gas diluted with gas is supplied. Examples of the aluminum halide gas include aluminum monochloride gas and aluminum trichloride gas. If quartz glass is used for the reaction tube, aluminum trichloride gas may be used from the viewpoint of low corrosiveness to quartz glass. preferable. On the other hand, the nitrogen source gas is preferably ammonia gas in view of ease of handling. As a matter of course, it is preferable to use these source gases in which impurities such as oxygen are reduced as much as possible.

ハロゲン化アルミニウムガスの流路は、配管を通じて図示しない“ハロゲン化アルミニウムガス供給源”と接続されている。ハロゲン化アルミニウムガス供給源とは、例えば、石英ガラス製反応管内に金属アルミニウムを設置し、反応管外部に設置した抵抗加熱方式の電気炉により500℃に加熱し、そこに水素や窒素等のキャリアガスとともに塩化水素ガスを供給し、塩化水素ガスと金属アルミニウムとを反応させることにより、三塩化アルミニウムが発生し、ノズル25に供給される。このハロゲン化アルミニウムガスの発生は、特開2003−303774号公報に記載の方法を参考に実施することができる。また、このハロゲン化アルミニウムガスは、特開2007−42854号公報の方法により酸素不純物を低減させることもできる。   The flow path of the aluminum halide gas is connected to an “aluminum halide gas supply source” (not shown) through a pipe. The aluminum halide gas supply source is, for example, a metal aluminum placed in a reaction tube made of quartz glass, heated to 500 ° C. by a resistance heating type electric furnace installed outside the reaction tube, and then a carrier such as hydrogen or nitrogen By supplying hydrogen chloride gas together with the gas and reacting the hydrogen chloride gas and metal aluminum, aluminum trichloride is generated and supplied to the nozzle 25. The generation of this aluminum halide gas can be carried out with reference to the method described in JP-A No. 2003-303774. Moreover, this aluminum halide gas can also reduce oxygen impurities by the method of Unexamined-Japanese-Patent No. 2007-42854.

一方、窒素源ガス流路は、配管により流量調節手段を介して図示しない“窒素源ガス供給源”と接続していると共に、該流量調節手段より下流側の配管には流量調節手段を介してキャリアガス供給源に接続する配管が接続され、窒素源ガスをキャリアガスで所望の希釈倍率に希釈できるようになっている。   On the other hand, the nitrogen source gas flow path is connected to a “nitrogen source gas supply source” (not shown) via a flow rate adjusting means by piping, and the downstream side of the flow rate adjusting means is connected to the piping via the flow rate adjusting means. A pipe connected to the carrier gas supply source is connected so that the nitrogen source gas can be diluted with the carrier gas to a desired dilution factor.

図2に示すHVPE装置においては、支持台23としてカーボン発熱体を必要に応じて窒化ホウ素のような耐食性の良好な物質でコートした複合体ヒータを用い、支持台23上に無機ベース基板24を設置して加熱する。ヒータの端面には電極部分を有しており、当該支持台には電極を介して外部から電力を印加する(基板支持台通電用電極26を介して、支持台23を加熱し、無機ベース基板24を所定の温度に制御する。)。   In the HVPE apparatus shown in FIG. 2, a composite heater in which a carbon heating element is coated with a material having good corrosion resistance such as boron nitride as necessary is used as the support base 23, and the inorganic base substrate 24 is provided on the support base 23. Install and heat. An electrode portion is provided on the end face of the heater, and electric power is applied to the support base from the outside via the electrode (the support base 23 is heated via the substrate support base energizing electrode 26 to thereby form an inorganic base substrate. 24 is controlled to a predetermined temperature).

本発明の工程(1)において、上記のようなHVPE装置を使用した場合には、以下の条件で第一の積層体を製造することが好ましい。具体的な製造条件としては、先ず、加熱された無機ベース基板24に、ハロゲン化アルミニウムガスを接触させた後、該無機ベース基板24にハロゲン化アルミニウムガス、および窒素源ガスを接触させることが好ましい。こうすることにより第一の窒化アルミニウム単結晶層(窒化アルミニウム単結晶自立基板)の結晶性がよくなり、最終的に得られる窒化アルミニウム単結晶基板の結晶性を向上させることができる。   In the step (1) of the present invention, when the HVPE apparatus as described above is used, it is preferable to manufacture the first laminate under the following conditions. As specific manufacturing conditions, it is preferable that an aluminum halide gas is first brought into contact with the heated inorganic base substrate 24, and then an aluminum halide gas and a nitrogen source gas are brought into contact with the inorganic base substrate 24. . By doing so, the crystallinity of the first aluminum nitride single crystal layer (aluminum nitride single crystal free-standing substrate) is improved, and the crystallinity of the finally obtained aluminum nitride single crystal substrate can be improved.

また、その他の条件としては、無機ベース基板上に、窒化アルミニウムがエピタキシャル成長する条件であれば特に制限されるものではない。第一の窒化アルミニウム単結晶層を成長させる際の無機ベース基板の温度は、使用する材質の分解温度、溶融温度以下の範囲で適宜決定してやればよいが、好ましくは1050℃以上1700℃以下、より好ましくは1050℃以上1500℃以下、さらに好ましくは1100℃以上1400℃未満である。   Further, other conditions are not particularly limited as long as aluminum nitride is epitaxially grown on the inorganic base substrate. The temperature of the inorganic base substrate when the first aluminum nitride single crystal layer is grown may be appropriately determined within the range of the decomposition temperature of the material to be used and the melting temperature or lower, preferably 1050 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower. Preferably they are 1050 degreeC or more and 1500 degrees C or less, More preferably, they are 1100 degreeC or more and less than 1400 degreeC.

また、ハロゲン化アルミニウムガスと窒素源ガスの供給割合も、使用する装置に応じて適宜決定してやればよいが、ハロゲン化アルミニウムガスの分圧を1.0×10−5〜1.0×10−1atmで供給し、窒素源ガスの分圧を1.0×10−5〜1.0×10−1atmで供給することが好ましい。 Moreover, the supply ratio of the aluminum halide gas and the nitrogen source gas may be appropriately determined according to the apparatus to be used, but the partial pressure of the aluminum halide gas is 1.0 × 10 −5 to 1.0 × 10 −. was supplied at 1 atm, it is preferred to supply the partial pressure of the nitrogen source gas at 1.0 × 10 -5 ~1.0 × 10 -1 atm.

以上の条件により、所望とする厚みの第一の窒化アルミニウム単結晶層が無機ベース基板上に積層されるまで、窒化アルミニウムをエピタキシャル成長させる。また、第一の窒化アルミニウム単結晶層の厚みは、所望とする窒化アルミニウム単結晶自立基板の厚みに応じて適宜決定してやればよい。こうすることにより、第一の積層体を製造することができ、この第一の積層体から無機ベース基板を分離することにより、上記酸素濃度範囲を満足する第一の窒化アルミニウム単結晶層、すなわち、窒化アルミニウム単結晶自立基板を製造することができる。   Under the above conditions, aluminum nitride is epitaxially grown until the first aluminum nitride single crystal layer having a desired thickness is stacked on the inorganic base substrate. In addition, the thickness of the first aluminum nitride single crystal layer may be appropriately determined according to the desired thickness of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate. In this way, the first laminated body can be manufactured. By separating the inorganic base substrate from the first laminated body, the first aluminum nitride single crystal layer that satisfies the oxygen concentration range, that is, An aluminum nitride single crystal free-standing substrate can be manufactured.

本発明においては、下記に詳述する工程(2)を実施するため、窒化アルミニウム単結晶自立基板(第一の窒化アルミニウム単結晶層)の窒素極性を有する面を表面に露出させなければならない。昇華法や上記方法によるHVPE法によって第一の積層体を製造した場合、窒素極性を有する面は、第一の窒化アルミニウム単結晶層の無機ベース基板側の面となる。そのため、本発明においては、該第一の積層体から無機ベース基板を分離する必要がある。   In the present invention, in order to carry out the step (2) described in detail below, the surface having the nitrogen polarity of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate (first aluminum nitride single crystal layer) must be exposed on the surface. When a 1st laminated body is manufactured by the sublimation method or the HVPE method by the said method, the surface which has a nitrogen polarity turns into the surface by the side of the inorganic base substrate of a 1st aluminum nitride single crystal layer. Therefore, in the present invention, it is necessary to separate the inorganic base substrate from the first laminate.

本発明において、第一の積層体から無機ベース基板を分離する方法は、使用するベース基板の材質に応じて決定してやればよい。具体的には、サファイア基板、炭化珪素基板を使用した場合には、該基板が化学的耐久性を有するものであるため、機械的に切断する必要がある。また、シリコン単結晶基板の場合は、機械的に切断する方法の他、化学的エッチング処理、例えば、フッ酸、硝酸、および酢酸等の混合酸によるエッチング処理によって除去することもできる。機械的に切断する方法よりも、化学的エッチング処理によって無機ベース基板を分離する方が、第一の窒化アルミニウム単結晶層の破壊も少なく、また、研磨処理等も必要なく、表面の平滑性を出すことができる。そのため、無機ベース基板としては、シリコン単結晶を材質としたものを使用することが好ましい。   In the present invention, the method for separating the inorganic base substrate from the first laminate may be determined according to the material of the base substrate to be used. Specifically, when a sapphire substrate or a silicon carbide substrate is used, since the substrate has chemical durability, it must be mechanically cut. In addition, in the case of a silicon single crystal substrate, it can be removed by a chemical etching process, for example, an etching process using a mixed acid such as hydrofluoric acid, nitric acid, and acetic acid, in addition to a mechanical cutting method. Relative to the mechanical cutting method, separating the inorganic base substrate by a chemical etching process causes less damage to the first aluminum nitride single crystal layer, and no polishing process is required. Can be put out. Therefore, it is preferable to use a substrate made of silicon single crystal as the inorganic base substrate.

以上のような方法に従うことにより、酸素濃度が2.5×1017atom/cmを超え2.0×1019atom/cm以下、好ましくは1.0×1018〜1.0×1019atom/cmの窒化アルミニウム単結晶自立基板を準備することができる。次に、工程(2)について説明する。 By following the method as described above, the oxygen concentration exceeds 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 and is 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 or less, preferably 1.0 × 10 18 to 1.0 × 10 6. An aluminum nitride single crystal free-standing substrate of 19 atoms / cm 3 can be prepared. Next, process (2) is demonstrated.

(工程(2))
本発明において、工程(2)は、上記窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度を1400〜1900℃の範囲に制御し、かつ、該窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、ハロゲン化アルミニウムガス、および窒素源ガスを供給し、窒化アルミニウム単結晶層を該面上に気相成長させて積層体を製造する工程である。なお、工程(2)を実施する際に、窒化アルミニウム単結晶自立基板は、同じ条件で作製した窒化アルミニウム単結晶自立基板を用いて、水酸化カリウム水溶液によるエッチング処理を行い、極性面を確認してから使用する。
(Process (2))
In the present invention, in step (2), the temperature of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate is controlled to be in the range of 1400 to 1900 ° C., and the halogenated surface of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate has a nitrogen polarity. In this process, an aluminum gas and a nitrogen source gas are supplied, and an aluminum nitride single crystal layer is vapor-phase grown on the surface to produce a laminate. When performing the step (2), the aluminum nitride single crystal free-standing substrate is etched with an aqueous potassium hydroxide solution using the aluminum nitride single crystal free-standing substrate manufactured under the same conditions, and the polar surface is confirmed. Use after.

工程(2)においては、工程(1)で得られた窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、ハロゲン化アルミニウムガス、および窒素源ガスを供給し、窒化アルミニウム単結晶層を気相成長させて積層体を製造する。すなわち、HVPE法により窒化アルミニウム単結晶層を気相成長させるものである。この工程(2)におけるHVPE法は、基本的には工程(1)で説明した装置、原料ガスを使用して実施できる。なお、当然のことであるが、工程(2)においては、無機ベース基板の変わりに、工程(1)で得られた窒化アルミニウム単結晶自立基板を使用する。   In the step (2), an aluminum halide gas and a nitrogen source gas are supplied onto the surface of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate obtained in the step (1) having a nitrogen polarity, and the aluminum nitride single crystal layer is gasified. Phase growth is performed to produce a laminate. That is, the aluminum nitride single crystal layer is vapor-phase grown by the HVPE method. The HVPE method in this step (2) can basically be carried out using the apparatus and raw material gas described in step (1). As a matter of course, in the step (2), the aluminum nitride single crystal free-standing substrate obtained in the step (1) is used instead of the inorganic base substrate.

工程(2)においては、HVPE法により窒化アルミニウム単結晶層を成長させるに際し、該窒化アルミニウム単結晶層を成長させる窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度とその成長させる面が窒素極性を有する面であることが重要である。   In step (2), when the aluminum nitride single crystal layer is grown by the HVPE method, the temperature of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate on which the aluminum nitride single crystal layer is grown and the surface on which the aluminum nitride single crystal layer is grown are surfaces having nitrogen polarity. This is very important.

窒化アルミニウム単結晶層を成長させる際、該窒化アルミニウム単結晶層が成長する上記窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度は、1400℃以上1900℃以下でなければならない。窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度が1400℃未満の場合には、得られる窒化アルミニウム単結晶層(延いては窒化アルミニウム単結晶基板)の酸素濃度を十分に低減できず、また十分に光学特性を向上できない傾向にある。一方、1900℃を超える場合、窒化アルミニウム単結晶自体が分解するおそれがあるため好ましくない。より酸素濃度を低減し、光学特性の優れた窒化アルミニウム単結晶層を効率よく生産するためには、該窒化アルミニウム単結晶層が成長する上記窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度は、好ましくは1400℃以上1700℃以下、より好ましくは1450℃以上1600℃以下である。   When the aluminum nitride single crystal layer is grown, the temperature of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate on which the aluminum nitride single crystal layer is grown must be 1400 ° C. or higher and 1900 ° C. or lower. When the temperature of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate is less than 1400 ° C., the oxygen concentration of the resulting aluminum nitride single crystal layer (and thus the aluminum nitride single crystal substrate) cannot be sufficiently reduced, and sufficient optical properties are obtained. There is a tendency not to improve. On the other hand, when it exceeds 1900 ° C., the aluminum nitride single crystal itself may be decomposed, which is not preferable. In order to efficiently produce an aluminum nitride single crystal layer with further reduced oxygen concentration and excellent optical properties, the temperature of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate on which the aluminum nitride single crystal layer grows is preferably 1400 ° C. The temperature is 1700 ° C. or lower, more preferably 1450 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower.

本発明者等は、本発明の温度よりも低い温度で窒化アルミニウム単結晶層を成長させた場合には、窒化アルミニウム単結晶自立基板からの不純物の移行、反応管に使用した材質(例えば、石英等)からの酸素の取り込みなどが原因で、成長させた窒化アルミニウム単結晶層に酸素などの不純物が多く含まれるようになると推定している。そのため、従来の窒化アルミニウム単結晶薄膜層を表面に有するサファイア基板上に、窒化アルミニウム単結晶層を成長させた特許文献4、および5の方法では、該窒化アルミニウム単結晶薄膜層が薄いため下層のサファイア基板の影響を受けること、および窒化アルミニウム単結晶層を高々1250℃の温度でしか成長させていないため、得られる窒化アルミニウム単結晶層に酸素が多く含まれるものと考えられる。また、特許文献4、および5の方法では、サファイア基板上に窒化アルミニウム単結晶薄膜層が積層されているが、サファイア基板は窒化アルミニウムよりなる基板よりも耐熱性が劣るため、1400℃以上の温度ではサファイア基板が分解する。本発明においては、窒化アルミニウム単結晶自立基板を使用することにより、1400℃以上の温度で窒化アルミニウム単結晶層を成長させることができ、耐熱性という点でも優れている。   When the aluminum nitride single crystal layer is grown at a temperature lower than the temperature of the present invention, the inventors transferred impurities from the aluminum nitride single crystal free-standing substrate, and used the material used for the reaction tube (for example, quartz It is presumed that the grown aluminum nitride single crystal layer contains a large amount of impurities such as oxygen due to oxygen uptake from the like. Therefore, in the methods of Patent Documents 4 and 5 in which an aluminum nitride single crystal layer is grown on a conventional sapphire substrate having an aluminum nitride single crystal thin film layer on the surface, the aluminum nitride single crystal thin film layer is thin, so Since it is affected by the sapphire substrate and the aluminum nitride single crystal layer is grown only at a temperature of 1250 ° C. at most, it is considered that the obtained aluminum nitride single crystal layer contains a large amount of oxygen. In the methods of Patent Documents 4 and 5, an aluminum nitride single crystal thin film layer is laminated on a sapphire substrate. However, since the sapphire substrate is inferior in heat resistance to a substrate made of aluminum nitride, the temperature is 1400 ° C. or higher. Then, the sapphire substrate is decomposed. In the present invention, by using an aluminum nitride single crystal free-standing substrate, an aluminum nitride single crystal layer can be grown at a temperature of 1400 ° C. or higher, which is excellent in terms of heat resistance.

さらに、工程(2)においては、窒化アルミニウム単結晶自立基板を上記温度範囲に制御し、かつ、窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、窒化アルミニウム単結晶層を成長させなければならない。窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度を上記範囲に制御し、該基板のアルミニウム極性面上に窒化アルミニウム単結晶層を成長させた場合、上記温度範囲よりも低温で窒化アルミニウム単結晶層を成長させた場合と比較すると、窒化アルミニウム単結晶層中の酸素濃度が低減する効果は確認される。しかしながら、より窒化アルミニウム単結晶層中の酸素濃度を低減させるためには、窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、窒化アルミニウム単結晶層を成長させなければならないことが分かった。この理由は明らかではないが、窒素極性を有する面上に窒化アルミニウム単結晶層を成長させることで、窒化アルミニウム単結晶自立基板に含まれる酸素の移行を防いでいるのではないかと考えられる。   Furthermore, in step (2), the aluminum nitride single crystal free-standing substrate is controlled to the above temperature range, and an aluminum nitride single crystal layer is not grown on the surface of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate having a nitrogen polarity. Don't be. When the temperature of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate was controlled within the above range and the aluminum nitride single crystal layer was grown on the aluminum polar surface of the substrate, the aluminum nitride single crystal layer was grown at a temperature lower than the above temperature range Compared to the case, the effect of reducing the oxygen concentration in the aluminum nitride single crystal layer is confirmed. However, it has been found that in order to further reduce the oxygen concentration in the aluminum nitride single crystal layer, the aluminum nitride single crystal layer must be grown on the surface having the nitrogen polarity of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate. The reason for this is not clear, but it is thought that the growth of the aluminum nitride single crystal layer on the surface having nitrogen polarity may prevent the migration of oxygen contained in the aluminum nitride single crystal free-standing substrate.

公知の方法で一旦、窒化アルミニウム単結晶自立基板を製造した場合、上記の通り、サファイア、炭化珪素、シリコン等の窒化アルミニウムとは異なる材質よりなる無機ベース基板と接する面が窒素極性を有する面となる。そのため、このような窒化アルミニウムとは異なる材質と直に接していた面上に、窒化アルミニウム単結晶層を成長させると、その材質の影響を受け、サファイアであれば酸素、炭化珪素およびシリコンであれば珪素が成長させる単結晶中に取り込まれるおそれがあると考えるのが一般的である。しかしながら、この推定とは逆に、窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、窒化アルミニウム単結晶層を成長させることで酸素濃度を低減できることは、通常では予測できないことである。   When an aluminum nitride single crystal free-standing substrate is manufactured once by a known method, as described above, the surface in contact with the inorganic base substrate made of a material different from aluminum nitride such as sapphire, silicon carbide, silicon, etc. has a surface having nitrogen polarity. Become. Therefore, when an aluminum nitride single crystal layer is grown on a surface that is in direct contact with a material different from that of aluminum nitride, it is affected by the material. For sapphire, oxygen, silicon carbide, and silicon can be used. In general, it is considered that silicon may be taken into a single crystal to be grown. However, contrary to this estimation, it is usually unpredictable that the oxygen concentration can be reduced by growing the aluminum nitride single crystal layer on the surface of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate having the nitrogen polarity.

さらに、本発明においては、工程(1)で説明した通り、シリコン単結晶基板上で窒化アルミニウム単結晶自立基板を製造することが好ましいが、窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度を上記範囲に制御し、かつ該基板の窒素極性を有する面上に、窒化アルミニウム単結晶層をHVPE法により成長させることで、珪素濃度も非常に低減された窒化アルミニウム単結晶層(窒化アルミニウム単結晶基板)を製造することができる。   Furthermore, in the present invention, as described in the step (1), it is preferable to manufacture the aluminum nitride single crystal free-standing substrate on the silicon single crystal substrate, but the temperature of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate is controlled within the above range. In addition, an aluminum nitride single crystal layer (aluminum nitride single crystal substrate) having a very low silicon concentration is manufactured by growing an aluminum nitride single crystal layer by HVPE on the surface of the substrate having nitrogen polarity. be able to.

以上のような条件で製造された積層体において、該積層体の窒化アルミニウム単結晶層の部分は、酸素濃度が2.5×1017atom/cm以下、好ましくは2.0×1017atom/cm以下とすることができ、また、23℃でのフォトルミネッセンス測定における発光波長が210nmのスペクトル強度(A)と360nmのスペクトル強度(B)との比(A/B)が0.50以上、好ましくは0.80以上とすることができる。さらに、シリコン単結晶ベース基板上に成長させた第一の窒化アルミニウム単結晶層を窒化アルミニウム単結晶自立基板として使用しても、該窒化アルミニウム単結晶層は、珪素濃度は5.5×1017atom/cm以下、さらに好ましくは5.0×1017atom/cm以下を満足するものとなる。 In the laminate manufactured under the above conditions, the aluminum nitride single crystal layer portion of the laminate has an oxygen concentration of 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, preferably 2.0 × 10 17 atoms. / Cm 3 or less, and the ratio (A / B) of the spectral intensity (A) of the emission wavelength of 210 nm and the spectral intensity (B) of 360 nm in the photoluminescence measurement at 23 ° C. is 0.50. As mentioned above, Preferably it can be 0.80 or more. Further, even when the first aluminum nitride single crystal layer grown on the silicon single crystal base substrate is used as an aluminum nitride single crystal free-standing substrate, the aluminum nitride single crystal layer has a silicon concentration of 5.5 × 10 17. Attom / cm 3 or less, more preferably 5.0 × 10 17 atoms / cm 3 or less is satisfied.

本発明において、工程(2)におけるその他の製造条件は、窒化アルミニウム単結晶層が成長する条件であれば特に制限されるものではない。中でも、より不純物が少なく、光学特性の優れた窒化アルミニウム単結晶層を形成するためには、工程(2)においては、上記温度範囲(1400℃以上1900℃以下)に制御した窒化アルミニウム単結晶自立基板に、先に窒素源ガスを接触させ、次いで、ハロゲン化アルミニウムガスおよび窒素源ガスを反応域に供給することが好ましい。また、これら原料ガスの供給割合は、反応装置等に応じて適宜決定してやればよいが、ハロゲン化アルミニウムガスの分圧を1.0×10―5〜1.0×10―1atm、窒素源ガスの分圧を1.0×10―5〜1.0×10―1atmとして供給してすることが好ましい。この場合、当然のことながら、上記キャリアガスを同時に供給することもできる。 In the present invention, other production conditions in the step (2) are not particularly limited as long as the aluminum nitride single crystal layer is grown. In particular, in order to form an aluminum nitride single crystal layer with fewer impurities and excellent optical characteristics, in step (2), the aluminum nitride single crystal self-supported in the temperature range (1400 ° C. to 1900 ° C.) is used. Preferably, the substrate is first brought into contact with a nitrogen source gas, and then an aluminum halide gas and a nitrogen source gas are supplied to the reaction zone. The supply ratio of these raw material gases may be appropriately determined according to the reactor and the like, but the partial pressure of the aluminum halide gas is 1.0 × 10 −5 to 1.0 × 10 −1 atm, the nitrogen source It is preferable to supply the gas with a partial pressure of 1.0 × 10 −5 to 1.0 × 10 −1 atm. In this case, as a matter of course, the carrier gas can be simultaneously supplied.

以上のような条件により、窒化アルミニウム単結晶自立基板上に、所望とする窒化アルミニウム単結晶層の厚み(窒化アルミニウム単結晶基板の厚み)となるまで、窒化アルミニウム単結晶層を成長させてやればよい。   Under the above conditions, the aluminum nitride single crystal layer is grown on the aluminum nitride single crystal free-standing substrate until the desired thickness of the aluminum nitride single crystal layer (the thickness of the aluminum nitride single crystal substrate) is reached. Good.

工程(2)においては、上記方法により、上記窒化アルミニウム単結晶自立基板上に、酸素濃度、珪素濃度が低い、高純度であって、かつ光学特性に優れた窒化アルミニウム単結晶層が形成された積層体を製造することができる。   In step (2), an aluminum nitride single crystal layer having low oxygen concentration, low silicon concentration, high purity, and excellent optical characteristics was formed on the aluminum nitride single crystal free-standing substrate by the above method. A laminate can be manufactured.

本発明の窒化アルミニウム単結晶基板は、上記積層体から窒化アルミニウム単結晶自立基板部分を分離することにより得ることができる。次に、この分離方法について説明する。   The aluminum nitride single crystal substrate of the present invention can be obtained by separating the aluminum nitride single crystal self-supporting substrate portion from the laminate. Next, this separation method will be described.

(積層体から窒化アルミニウム単結晶自立基板を分離する工程(窒化アルミニウム単結晶基板の製造))
本発明の窒化アルミニウム単結晶基板は、上記工程(2)を経て得られる積層体から少なくとも窒化アルミニウム単結晶自立基板部分を分離する工程を経て得ることができる。 積層体から窒化アルミニウム単結晶自立基板を分離する方法は、公知の方法を採用することができ、具体的には、積層体を機械的に研磨することで、窒化アルミニウム基板を分離することが可能である。
(Step of separating the aluminum nitride single crystal free-standing substrate from the laminate (production of aluminum nitride single crystal substrate))
The aluminum nitride single crystal substrate of the present invention can be obtained through a step of separating at least the aluminum nitride single crystal free-standing substrate portion from the laminate obtained through the step (2). As a method of separating the aluminum nitride single crystal free-standing substrate from the laminate, a known method can be adopted. Specifically, the aluminum nitride substrate can be separated by mechanically polishing the laminate. It is.

得られた窒化アルミニウム単結晶基板は、非常に不純物が少なく、光学特性にも優れるので、深紫外発光素子用の基板等の様々な用途で使用することができる。   The obtained aluminum nitride single crystal substrate has very few impurities and is excellent in optical characteristics, so that it can be used in various applications such as a substrate for a deep ultraviolet light emitting element.

以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be described in detail below using examples, but the present invention is not limited to the following examples.

先ず、各物性の測定方法について説明する。   First, a method for measuring each physical property will be described.

(1)酸素濃度、および珪素濃度の測定方法
酸素濃度、および珪素濃度の測定には、表面付近に存在する元素を高感度に検出できるという特徴から二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS )法によって測定した。測定装置はCAMECA社製IMS−4fを使用した。測定は、加速電圧は14.5kvで、セシウムイオンの 一次イオンビームを、入射角60°(試料法線方向)から30μmφ の領域に照射し、測定を行った。この時に得られた深さ方向のO およびSi 二次イオン強度プロファイルの平均値を酸素濃度、珪素濃度とした。
(1) Measuring method of oxygen concentration and silicon concentration For the measurement of oxygen concentration and silicon concentration, secondary ion mass spectrometry (SIMS) is used because of the feature that elements existing near the surface can be detected with high sensitivity. ) Method. The measuring device used was IMS-4f manufactured by CAMECA. In the measurement, the acceleration voltage was 14.5 kv, and the measurement was performed by irradiating a region of 30 μmφ with an incident angle of 60 ° (in the sample normal direction) with a primary ion beam of cesium ions. The average values of the O + and Si + secondary ion intensity profiles in the depth direction obtained at this time were defined as oxygen concentration and silicon concentration.

(2)23℃のフォトルミネッセンス測定によるスペクトル強度比の算出方法
測定装置として、堀場製作所製HR800 UV(レーザー光源:ExciStarS−200)を使用した。励起光源に193nmのArFレーザーを用いて、試料に照射し、試料を励起させた。この時、試料に対して垂直にArFレーザーを照射した。試料から発生したルミネッセンスを集束レンズにて結像した後、分光器にて検出し、波長に対するスペクトル強度を得た。測定条件は、測定温度は室温とし、照射時間は10秒として、積算回数は3回、ホール径は1000μm、グレーティングは300grooves/mmとした。測定時の温度は23℃である。
(2) Calculation method of spectral intensity ratio by photoluminescence measurement at 23 ° C. As a measuring device, HR800 UV (laser light source: ExciStarS-200) manufactured by HORIBA, Ltd. was used. Using a 193 nm ArF laser as an excitation light source, the sample was irradiated to excite the sample. At this time, ArF laser was irradiated perpendicularly to the sample. Luminescence generated from the sample was imaged with a focusing lens and then detected with a spectroscope to obtain spectral intensity with respect to wavelength. The measurement conditions were as follows: measurement temperature was room temperature, irradiation time was 10 seconds, integration was 3 times, hole diameter was 1000 μm, and grating was 300 grooves / mm. The temperature at the time of measurement is 23 ° C.

窒化アルミニウムのバンド端発光である210nmのスペクトル強度(A)と不純物である酸素に由来する360nmのスペクトル強度(B)に注目し、下記に示す式で規格化を行い、スペクトル強度比を算出した。   Focusing on the spectral intensity (A) of 210 nm, which is the band edge emission of aluminum nitride, and the spectral intensity (B) of 360 nm derived from oxygen as an impurity, normalization was performed using the following formula, and the spectral intensity ratio was calculated. .

式:(スペクトル強度比(A/B))=(210nmのスペクトル強度(A))/(360nmのスペクトル強度(B))。   Formula: (spectral intensity ratio (A / B)) = (spectral intensity (A) at 210 nm) / (spectral intensity (B) at 360 nm).

実施例1
気相成長装置は、図2に示す構造のHVPE反応装置を使用した。また、アルミニウム源となる原料ガスとしては、特開2003−303774号公報に記載された方法に従って金属アルミニウムと塩化水素ガスを反応させて得た三塩化アルミニウムガスを使用した。さらに、特開2007−42854に示される方法に従って、該三塩化アルミニウムガスと金属アルミニウムとを接触させることにより、酸素不純物濃度を低減させた三塩化アルミニウムガスを使用した。該装置は、ヒータ機能を有する支持台23の他に、「三塩化アルミニウムガスを発生させる領域の温度」と「発生した三塩化アルミニウムガスと窒素源ガスを反応させて窒化アルミニウムを堆積させる領域の温度」とを同時に制御することができるホットウォールタイプの抵抗加熱装置を有しているものを使用した。
Example 1
As the vapor phase growth apparatus, an HVPE reactor having a structure shown in FIG. 2 was used. In addition, as a source gas serving as an aluminum source, aluminum trichloride gas obtained by reacting metal aluminum and hydrogen chloride gas according to the method described in JP-A-2003-303774 was used. Further, according to the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-42854, aluminum trichloride gas having a reduced oxygen impurity concentration was used by contacting the aluminum trichloride gas with metal aluminum. In addition to the support base 23 having a heater function, the apparatus includes “a temperature of a region in which aluminum trichloride gas is generated” and “a region in which aluminum nitride is deposited by reacting the generated aluminum trichloride gas with a nitrogen source gas”. A device having a hot wall type resistance heating device capable of simultaneously controlling “temperature” was used.

(第一の積層体の製造方法)
上記の反応器内の支持台23上にシリコン単結晶(111)ベース基板(無機ベース基板24)を設置した後、反応管21内の雰囲気を、水素(分圧:0.70atm)と窒素(分圧:0.30atm)との混合ガス流通雰囲気とした。支持台23のヒータに徐々に電力を投入して、シリコン単結晶(111)ベース基板を1230℃まで徐々に加熱した。加熱後、先ず、三塩化アルミニウムを供給し、次いで、アンモニアガスを供給することにより、窒化アルミニウム単結晶の成長を開始した。このときの三塩化アルミニウムガスの供給分圧は6.0×10−4atm、アンモニアガスの供給分圧は2.4×10−3atmとした。成長温度(シリコン単結晶ベース基板の温度)は、1230℃とし、この状態で420分間保持することにより第一の窒化アルミニウム単結晶層を成長させ、第一の積層体を製造した。
(Method for producing the first laminate)
After the silicon single crystal (111) base substrate (inorganic base substrate 24) is placed on the support base 23 in the reactor, the atmosphere in the reaction tube 21 is changed to hydrogen (partial pressure: 0.70 atm) and nitrogen ( A mixed gas circulation atmosphere with a partial pressure of 0.30 atm) was used. Electric power was gradually applied to the heater of the support base 23 to gradually heat the silicon single crystal (111) base substrate to 1230 ° C. After heating, first, aluminum trichloride was supplied, and then ammonia gas was supplied to start growth of the aluminum nitride single crystal. At this time, the supply partial pressure of aluminum trichloride gas was 6.0 × 10 −4 atm, and the supply partial pressure of ammonia gas was 2.4 × 10 −3 atm. The growth temperature (temperature of the silicon single crystal base substrate) was set to 1230 ° C., and this state was maintained for 420 minutes to grow the first aluminum nitride single crystal layer, thereby manufacturing the first laminate.

所定時間経過後に三塩化アルミニウムの供給を停止することにより結晶成長を終了させ、外部及び局所加熱装置の降温を開始した。この際、シリコン単結晶ベース基板上に成長した第一の窒化アルミニウム単結晶層の再分解を防ぐため、シリコン単結晶ベース基板の温度が550℃以下になるまでアンモニアガスを反応管21に流通した。加熱装置が室温付近まで下がったことを確認して、反応管21から第一の積層体を取り出した。第一の窒化アルミニウム単結晶層の厚みを電子顕微鏡で確認したところ、110μmであった。   The crystal growth was terminated by stopping the supply of aluminum trichloride after a lapse of a predetermined time, and the cooling of the external and local heating devices was started. At this time, in order to prevent re-decomposition of the first aluminum nitride single crystal layer grown on the silicon single crystal base substrate, ammonia gas was circulated through the reaction tube 21 until the temperature of the silicon single crystal base substrate became 550 ° C. or lower. . After confirming that the heating device had dropped to near room temperature, the first laminate was taken out from the reaction tube 21. When the thickness of the 1st aluminum nitride single-crystal layer was confirmed with the electron microscope, it was 110 micrometers.

(窒化アルミニウム単結晶自立基板の製造方法)
次いで、フッ化水素酸(濃度49重量%)、硝酸(濃度70重量%)、酢酸(濃度99重量%)、超純水を1:2:1:2の体積比で混合した化学エッチング用溶液200mlに、上記第一の積層体を12時間浸漬し、ベース基板であるシリコンを溶解除去した。次いで超純水で洗浄して化学エッチング用溶液を除去し、窒化アルミニウム単結晶自立基板を得た。
(Method of manufacturing aluminum nitride single crystal free-standing substrate)
Next, a solution for chemical etching in which hydrofluoric acid (concentration 49% by weight), nitric acid (concentration 70% by weight), acetic acid (concentration 99% by weight), and ultrapure water were mixed at a volume ratio of 1: 2: 1: 2. The first laminated body was immersed in 200 ml for 12 hours to dissolve and remove silicon as a base substrate. Subsequently, it was washed with ultrapure water to remove the chemical etching solution, and an aluminum nitride single crystal free-standing substrate was obtained.

ここで、窒化アルミニウム単結晶自立基板をSIMS測定にて、酸素濃度及び、珪素濃度を測定した。測定した結果、酸素濃度は、1.0×1019atom/cm、珪素濃度は、5.0×1019atom/cmであった。また、この窒化アルミニウム単結晶自立基板の厚みを電子顕微鏡で確認したところ、第一の窒化アルミニウム単結晶の厚みと同じ110μmであった。 Here, the oxygen concentration and the silicon concentration of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate were measured by SIMS measurement. As a result of measurement, the oxygen concentration was 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 , and the silicon concentration was 5.0 × 10 19 atoms / cm 3 . Further, when the thickness of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate was confirmed with an electron microscope, it was 110 μm which was the same as the thickness of the first aluminum nitride single crystal.

(極性面の確認)
同じ方法で製造した窒化アルミニウム単結晶自立基板を50℃に加熱された50質量%濃度の水酸化カリウム水溶液に5分間浸漬させ、堆積前後表面の電子顕微鏡観察により極性面の確認を行った。その結果、シリコン単結晶ベース基板と接していた面において、上記水酸化カリウム水溶液への浸漬前後で形状が変化していることを確認し、他方の面は浸漬前後で変化がないことを確認した。上記窒化アルミニウム単結晶自立基板において、シリコン単結晶ベース基板と接していた面が窒素極性面であることを確認した。
(Confirmation of polarity surface)
An aluminum nitride single crystal self-supporting substrate manufactured by the same method was immersed in a 50 mass% potassium hydroxide aqueous solution heated to 50 ° C. for 5 minutes, and the polar surface was confirmed by electron microscope observation of the surface before and after deposition. As a result, on the surface in contact with the silicon single crystal base substrate, it was confirmed that the shape was changed before and after immersion in the aqueous potassium hydroxide solution, and the other surface was confirmed to be unchanged before and after immersion. . In the aluminum nitride single crystal free-standing substrate, it was confirmed that the surface in contact with the silicon single crystal base substrate was a nitrogen polar surface.

(積層体の製造方法)
上記の方法によって得られた窒化アルミニウム単結晶自立基板を図2の支持台23上に設置した。3×5mmの長方形で厚さが110μmの窒化アルミニウム(0001)単結晶自立基板の窒素極性面を上側(表面)として設置した後、反応管21内の雰囲気を、水素(分圧:0.70atm)と窒素(分圧:0.30atm)との混合ガス流通雰囲気とした。その後、支持台23のヒータに徐々に電力を投入して、窒化アルミニウム単結晶自立基板を加熱した。窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度が550℃になって時点で、反応管21内の雰囲気を、水素(分圧:0.7atm)、窒素(分圧:0.3atm)及びアンモニアガス(分圧:2.0×10−3atm)の混合ガス流通雰囲気に変更した。アンモニアガスを上記分圧で共存させたのは、単結晶窒化アルミニウム基板の分解を防ぐためである。その状態で、窒化アルミニウム単結晶基板の温度が1450℃となるまで徐々に加熱した。加熱後、先ず、アンモニアガスを供給し、次いで、三塩化アルミニウムガスを供給して、窒化アルミニウム単結晶の成長を開始した。このときの三塩化アルミニウムガスの供給分圧は5.0×10−4atm、アンモニアガスの供給分圧は2.0×10−3atmとした。成長温度(窒化アルミニウム単結晶基板の温度)は、1450℃とし、この状態で240分間保持することにより窒化アルミニウム単結晶層を成長させ、積層体を製造した。
(Laminate manufacturing method)
The aluminum nitride single crystal free-standing substrate obtained by the above method was placed on the support base 23 in FIG. After the nitrogen polar face of a 3 × 5 mm rectangular and 110 μm thick aluminum nitride (0001) single crystal free-standing substrate is placed on the upper side (surface), the atmosphere in the reaction tube 21 is hydrogen (partial pressure: 0.70 atm). ) And nitrogen (partial pressure: 0.30 atm). Thereafter, electric power was gradually applied to the heater of the support base 23 to heat the aluminum nitride single crystal free-standing substrate. When the temperature of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate reaches 550 ° C., the atmosphere in the reaction tube 21 is changed to hydrogen (partial pressure: 0.7 atm), nitrogen (partial pressure: 0.3 atm), and ammonia gas (partial pressure). : 2.0 × 10 −3 atm). The reason why ammonia gas coexists at the above partial pressure is to prevent decomposition of the single crystal aluminum nitride substrate. In this state, the aluminum nitride single crystal substrate was gradually heated until the temperature reached 1450 ° C. After heating, first, ammonia gas was supplied, and then aluminum trichloride gas was supplied to start growth of the aluminum nitride single crystal. The supply partial pressure of aluminum trichloride gas at this time was 5.0 × 10 −4 atm, and the supply partial pressure of ammonia gas was 2.0 × 10 −3 atm. The growth temperature (the temperature of the aluminum nitride single crystal substrate) was set to 1450 ° C., and this state was maintained for 240 minutes to grow the aluminum nitride single crystal layer, thereby producing a laminate.

所定時間経過後に三塩化アルミニウムの供給を停止することにより結晶成長を終了させ、外部及び局所加熱装置の降温を開始した。この際、窒化アルミニウム単結晶自立基板上に成長した窒化アルミニウム単結晶層の再分解を防ぐため、積層体の温度が550℃以下になるまでアンモニアガスを反応管に流通した。加熱装置が室温付近まで下がったことを確認して、反応器から積層体を取り出した。この積層体の厚みは、190μmであり、成長させた窒化アルミニウム単結晶層の厚みは、80μmであることが確認された。   The crystal growth was terminated by stopping the supply of aluminum trichloride after a lapse of a predetermined time, and the cooling of the external and local heating devices was started. At this time, in order to prevent re-decomposition of the aluminum nitride single crystal layer grown on the aluminum nitride single crystal free-standing substrate, ammonia gas was circulated through the reaction tube until the temperature of the laminated body became 550 ° C. or lower. After confirming that the heating device had dropped to near room temperature, the laminate was taken out of the reactor. The thickness of this laminate was 190 μm, and the thickness of the grown aluminum nitride single crystal layer was confirmed to be 80 μm.

またこの積層体を上記極性面の確認と同じ方法により評価したところ、上面、下面のいずれの面においても、水酸化カリウム水溶液へ浸漬させた前後で形状に変化がないことを確認した。   Moreover, when this laminated body was evaluated by the same method as the confirmation of the polar surface, it was confirmed that there was no change in shape before and after being immersed in an aqueous potassium hydroxide solution on either the upper surface or the lower surface.

(窒化アルミニウム単結晶基板の製造、および評価)
上記方法により得られた積層体から、窒化アルミニウム単結晶自立基板部分を機械的な研磨により分離した。得られた窒化アルミニウム単結晶層部分を窒化アルミニウム単結晶基板として、以下の評価を行った。
得られた窒化アルミニウム単結晶基板をSIMS測定にて、酸素濃度及び、珪素濃度を測定した。測定した結果、酸素濃度は、深さ方向に対して、2.0×1017atom/cmで一定であり、また、珪素濃度も、深さ方向に対して、5.0×1017atom/cmで一定であった。一方、フォトルミネッセンス測定によって、210nmと360nmのスペクトル強度比を算出した結果、1.04であった。
(Production and evaluation of aluminum nitride single crystal substrate)
The aluminum nitride single crystal free-standing substrate portion was separated from the laminate obtained by the above method by mechanical polishing. The obtained aluminum nitride single crystal layer portion was used as an aluminum nitride single crystal substrate, and the following evaluation was performed.
The obtained aluminum nitride single crystal substrate was measured for oxygen concentration and silicon concentration by SIMS measurement. As a result of measurement, the oxygen concentration is constant at 2.0 × 10 17 atoms / cm 3 in the depth direction, and the silicon concentration is also 5.0 × 10 17 atoms in the depth direction. It was constant at / cm 3 . On the other hand, as a result of calculating the spectral intensity ratio between 210 nm and 360 nm by photoluminescence measurement, it was 1.04.

比較例1
(積層体の製造方法)
実施例1で示した方法で得られた窒化アルミニウム単結晶自立基板を使用した。支持台23上に、3×5mmの長方形で厚さが110μmの窒化アルミニウム(0001)単結晶自立基板のアルミニウム極性面を上側(表面)として設置した以外は、実施例1の条件に従って、窒化アルミニウム単結晶層を成長させ、積層体を製造した。該積層体における窒化アルミニウム単結晶層の厚みは80μmとした。
(窒化アルミニウム単結晶基板の製造、および評価)
得られた積層体から実施例1と同様の方法で窒化アルミニウム単結晶自立基板を分離し、窒化アルミニウム単結晶層を取り出し、窒化アルミニウム単結晶基板として評価した。
Comparative Example 1
(Laminate manufacturing method)
The aluminum nitride single crystal free-standing substrate obtained by the method shown in Example 1 was used. Aluminum nitride according to the conditions of Example 1 except that the aluminum polar surface of the aluminum nitride (0001) single crystal free-standing substrate having a rectangle of 3 × 5 mm and a thickness of 110 μm was placed on the support base 23 as the upper side (surface). A single crystal layer was grown to produce a laminate. The thickness of the aluminum nitride single crystal layer in the laminate was 80 μm.
(Production and evaluation of aluminum nitride single crystal substrate)
The aluminum nitride single crystal self-supporting substrate was separated from the obtained laminate in the same manner as in Example 1, and the aluminum nitride single crystal layer was taken out and evaluated as an aluminum nitride single crystal substrate.

得られた窒化アルミニウム単結晶基板をSIMS測定にて、酸素濃度及び、珪素濃度を測定した。測定した結果、酸素濃度は、4.0×1017atom/cm、珪素濃度は、7.0×1017atom/cmであった。一方、フォトルミネッセンス測定によって、210nmと360nmのスペクトルの強度比を算出した結果、0.91であった。 The obtained aluminum nitride single crystal substrate was measured for oxygen concentration and silicon concentration by SIMS measurement. As a result of measurement, the oxygen concentration was 4.0 × 10 17 atoms / cm 3 , and the silicon concentration was 7.0 × 10 17 atoms / cm 3 . On the other hand, as a result of calculating the intensity ratio of the spectra of 210 nm and 360 nm by photoluminescence measurement, it was 0.91.

比較例2
(積層体の製造方法)
比較例1の積層体の製造方法において、窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度を1230℃として、積層体を製造した以外は比較例1と同様の操作を行った。得られた積層体における窒化アルミニウム単結晶層の厚みは40μmとした。
(窒化アルミニウム単結晶基板の製造、および評価)
得られた積層体から実施例1と同様の方法で窒化アルミニウム単結晶自立基板を分離し、窒化アルミニウム単結晶層を取り出し、窒化アルミニウム単結晶基板として評価した。
Comparative Example 2
(Laminate manufacturing method)
In the manufacturing method of the laminated body of Comparative Example 1, the same operation as Comparative Example 1 was performed except that the temperature of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate was 1230 ° C. and the laminated body was produced. The thickness of the aluminum nitride single crystal layer in the obtained laminate was 40 μm.
(Production and evaluation of aluminum nitride single crystal substrate)
The aluminum nitride single crystal self-supporting substrate was separated from the obtained laminate in the same manner as in Example 1, and the aluminum nitride single crystal layer was taken out and evaluated as an aluminum nitride single crystal substrate.

得られた窒化アルミニウム単結晶基板をSIMS測定にて、酸素濃度及び、珪素濃度を測定した。測定した結果、酸素濃度は、1.0×1019atom/cm、珪素濃度は、2.0×1018atom/cmであった。次に、フォトルミネッセンス測定によって、210nmと360nmのスペクトルの強度比を算出した結果、0.29であった。 The obtained aluminum nitride single crystal substrate was measured for oxygen concentration and silicon concentration by SIMS measurement. As a result of measurement, the oxygen concentration was 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 , and the silicon concentration was 2.0 × 10 18 atoms / cm 3 . Next, the intensity ratio of the spectra of 210 nm and 360 nm was calculated by photoluminescence measurement and found to be 0.29.

比較例3
支持台23上に7×11mmの長方形で厚さが380μmのサファイア(0002)基板を設置した以外は、実施例1の条件に従って、窒化アルミニウム単結晶層を成長させた。成長終了後、積層体を反応装置より取り出すと、ピット及びクラックが多数存在し、窒化アルミニウム単結晶を成長させることが出来なかった。
Comparative Example 3
An aluminum nitride single crystal layer was grown according to the conditions of Example 1 except that a sapphire (0002) substrate having a 7 × 11 mm rectangle and a thickness of 380 μm was placed on the support base 23. When the laminated body was taken out from the reaction apparatus after completion of the growth, a large number of pits and cracks existed, and an aluminum nitride single crystal could not be grown.

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う窒化アルミニウム単結晶基板、積層体、および積層体の製造方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。   While the present invention has been described in connection with embodiments that are presently the most practical and preferred, the present invention is not limited to the embodiments disclosed herein. Rather, it can be changed as appropriate without departing from the scope or spirit of the invention that can be read from the claims and the entire specification, and an aluminum nitride single crystal substrate, a laminate, and a method for producing the laminate are also included. Moreover, it should be understood as being included in the technical scope of the present invention.

本発明の概要と製造方法を示す概略図である。It is the schematic which shows the outline | summary and manufacturing method of this invention. 本発明で使用するHVPE装置の模式図である。It is a schematic diagram of the HVPE apparatus used by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 無機ベース基板
12 第一の窒化アルミニウム単結晶層
13 アルミニウム極性面
14 窒素極性面
15 第一の積層体
16 窒化アルミニウム単結晶自立基板
17 窒化アルミニウム単結晶層
18 積層体
19 窒化アルミニウム単結晶基板
21 石英ガラス製の反応管
22 外部加熱装置
23 支持台
24 無機ベース基板
25 ノズル
26 基板支持台通電用電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Inorganic base substrate 12 1st aluminum nitride single crystal layer 13 Aluminum polar surface 14 Nitrogen polar surface 15 First laminated body 16 Aluminum nitride single crystal free-standing substrate 17 Aluminum nitride single crystal layer 18 Laminated body 19 Aluminum nitride single crystal substrate 21 Reaction tube 22 made of quartz glass External heating device 23 Support base 24 Inorganic base substrate 25 Nozzle 26 Substrate support base energizing electrode

Claims (8)

酸素濃度が2.5×1017atom/cm以下であり、23℃でのフォトルミネッセンス測定における発光波長が210nmのスペクトル強度(A)と360nmのスペクトル強度(B)との比(A/B)が0.50以上である窒化アルミニウム単結晶基板。 The ratio (A / B) of the spectral intensity (A) having an oxygen concentration of 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less and an emission wavelength of 210 nm and a spectral intensity (B) of 360 nm in photoluminescence measurement at 23 ° C. ) Is 0.50 or more aluminum nitride single crystal substrate. 珪素濃度が5.5×1017atom/cm以下である請求項1に記載の窒化アルミニウム単結晶基板。 The aluminum nitride single crystal substrate according to claim 1, wherein the silicon concentration is 5.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. 酸素濃度が2.5×1017atom/cmを超え2.0×1019atom/cm以下の窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、酸素濃度が2×1017atom/cm以下であり、23℃でのフォトルミネッセンス測定における発光波長が210nmのスペクトル強度(A)と360nmのスペクトル強度(B)との比(A/B)が0.5以上である窒化アルミニウム単結晶層が形成されてなる積層体。 The oxygen concentration is 2.5 × 10 17 atom / cm 3 and more than 2.0 × 10 19 atom / cm 3 surface on having a nitrogen polarity following the aluminum nitride single crystal self-supporting substrate, the oxygen concentration is 2 × 10 17 atom / Cm 3 or less, and the ratio (A / B) of the spectral intensity (A) having a light emission wavelength of 210 nm and the spectral intensity (B) of 360 nm in photoluminescence measurement at 23 ° C. is 0.5 or more A laminate in which a single crystal layer is formed. 前記窒化アルミニウム単結晶層の珪素濃度が5.5×1017atom/cm以下である請求項3に記載の積層体。 The laminated body according to claim 3, wherein the aluminum nitride single crystal layer has a silicon concentration of 5.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. 請求項3または4に記載の積層体を製造する方法であって、
(1)酸素濃度が2.5×1017atom/cmを超え2.0×1019atom/cm以下の窒化アルミニウム単結晶自立基板を準備する工程、および
(2)前記窒化アルミニウム単結晶自立基板の温度を1400℃以上1900℃以下の範囲に制御し、かつ、該窒化アルミニウム単結晶自立基板の窒素極性を有する面上に、ハロゲン化アルミニウムガス、および窒素源ガスを供給して、窒化アルミニウム単結晶層を気相成長させて積層体を製造する工程
とを含むことを特徴とする積層体の製造方法。
A method for producing the laminate according to claim 3 or 4,
(1) a step of preparing an aluminum nitride single crystal free-standing substrate having an oxygen concentration exceeding 2.5 × 10 17 atoms / cm 3 and not more than 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 , and (2) the aluminum nitride single crystal The temperature of the free-standing substrate is controlled in the range of 1400 ° C. or more and 1900 ° C. or less, and an aluminum halide gas and a nitrogen source gas are supplied onto the surface of the aluminum nitride single crystal free-standing substrate having a nitrogen polarity, and nitriding And a step of producing a laminate by vapor phase growth of an aluminum single crystal layer.
前記工程(2)において、窒素源ガスを先に供給し、次いで、ハロゲン化アルミニウムガスを供給することにより、窒化アルミニウム単結晶層を気相成長させることを特徴とする請求項5に記載の積層体の製造方法。 6. The stacked layer according to claim 5, wherein in the step (2), the nitrogen nitride single crystal layer is vapor-phase grown by supplying the nitrogen source gas first and then supplying the aluminum halide gas. Body manufacturing method. 前記工程(1)において、シリコン単結晶ベース基板上に第一の窒化アルミニウム単結晶層を成長させた第一の積層体から、該シリコン単結晶ベース基板を分離して得られる第一の窒化アルミニウム単結晶層を前記窒化アルミニウム単結晶自立基板として準備することを特徴とする請求項5または6に記載の積層体の製造方法。 In the step (1), a first aluminum nitride obtained by separating the silicon single crystal base substrate from the first laminate obtained by growing the first aluminum nitride single crystal layer on the silicon single crystal base substrate. The method for producing a laminate according to claim 5 or 6, wherein a single crystal layer is prepared as the aluminum nitride single crystal free-standing substrate. 請求項5〜7の何れかに記載の方法により積層体を製造した後、得られた積層体から少なくとも前記窒化アルミニウム単結晶自立基板部分を分離する工程を含んでなる窒化アルミニウム単結晶基板の製造方法。 The manufacture of an aluminum nitride single crystal substrate comprising a step of separating at least the aluminum nitride single crystal free-standing substrate portion from the obtained laminate after producing the laminate by the method according to claim 5. Method.
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