JP6002038B2 - ＧａＮベース半導体結晶成長用多結晶窒化アルミニウム基材およびそれを用いたＧａＮベース半導体の製造方法 - Google Patents

ＧａＮベース半導体結晶成長用多結晶窒化アルミニウム基材およびそれを用いたＧａＮベース半導体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ＧａＮベース半導体結晶成長用多結晶窒化アルミニウム基材およびそれを用いたＧａＮベース半導体の製造方法に関する。
環境問題や省エネルギーの観点から新たな光源としてのＬＥＤ（発光ダイオード）や半導体レーザ等の光半導体デバイスやワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスの開発が推し進められている。
これらのデバイスに使用される半導体としては、その構成層としてＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム（ＧａＮ）ベース半導体が注目され、使われている。例えば、ＬＥＤ素子においてはＧａＮベースなどの薄い層を何層にも積層した構造となっている。例えば、特開２００４−１１１７６６号公報（特許文献１）では、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層の多層構造が用いられている。この薄い半導体層をいかに効率よくかつ均一な厚さで製造できるかによって半導体素子の歩留まりが決まっていく。
窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの半導体デバイスの製造には、通常、エピタキシャル成長法を用いる。エピタキシャル基板としては、これまでサファイアやＳｉＣ基板が使用されていたが、コストの高さ（サファイア、ＳｉＣ）や、窒化ガリウムと基板材との線膨張係数の差による反り等の問題があった。
ＧａＮ（ａ面）の線膨張係数は５．５９×１０−６／Ｋであるのに対し、サファイアは約７〜８×１０−６／Ｋ、ＳｉＣは約６．６×１０−６／Ｋ、であり、線膨張係数の差は、約１×１０−６／Ｋ以上であった。例えば、特許文献１の［００５１］段落では、約１１００℃の高温下でサファイア基板上にＧａＮ層をエピタキシャル成長（エピ成長）させている。これだけの高温下に晒されると線膨張係数の差による反りの問題は大きくなる。また、近年は半導体チップの取り数向上のためにサファイア基板を大きくしてＧａＮ層を成長させることが望まれている。
特開２００４−１１１７６６号公報
ＧａＮ（窒化ガリウム）ベース結晶とエピタキシャル基板との線膨張係数の差のために、エピタキシャル成長後に反りが発生し、最悪の場合は割れるという問題があった。そのため、反りのないＧａＮエピタキシャル基板の成長法が望まれていた。しかしながら、未だ満足な方法は開発されていない状況である。また、製造コスト削減のためにエピタキシャル基板のコスト低減を図る必要があった。したがって、本発明の目的は、反りの少ない窒化ガリウムベース結晶を得るための安価な材料を得ることである。
本発明による多結晶窒化アルミニウム基材は、ＧａＮベース半導体を粒成長させるための基板材料としての多結晶窒化アルミニウム基材であって、２０℃から６００℃までの平均線膨張係数が４．９×１０−６／Ｋ以上６．１×１０−６／Ｋ以下、２０℃から１１００℃までの平均線膨張係数が５．５×１０−６／Ｋ以上６．６×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とするものである。
また、本発明の態様によれば、多結晶窒化アルミニウム基材は、窒化アルミニウム結晶と粒界相からなり、窒化アルミニウム結晶の含有量が体積分立で５６．２％以上９３.９％以下であることが好ましい。
また、本発明の態様によれば、粒界相は、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ，Ｅｕ、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ、Ｙｂ，およびＬｕからなる群から選ばれる少なくとも一種とアルミニウムとの複合酸化物を含むことが好ましい。
また、本発明の態様によれば、粒界相は、窒化チタン（ＴｉＮ）を含むことが好ましい。
また、本発明の態様によれば、窒化アルミニウム結晶粒子の平均粒径が７μｍ以下であることが好ましい。
また、本発明の態様によれば、熱伝導率が４６Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
また、本発明の態様によれば、多結晶窒化アルミニウム基材の直径が５０ｍｍ以上であることが好ましい。
また、本発明の態様によれば、多結晶窒化アルミニウム基材の表面粗さ（Ｒａ）が、０．２μｍ以下、厚さが３ｍｍ以下であることが好ましい。
また、本発明の別の態様によるＧａＮベース半導体の製造方法は、上記多結晶窒化アルミニウム基材を用いてＧａＮベース半導体結晶を成長させることを特徴とするものである。
また、本発明の態様によれば、ＧａＮベース半導体をバッファー層を介して結晶成長させることが好ましい。
また、本発明の態様によれば、ＧａＮベース半導体が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、およびＩｎＡｌＧａＮからなる群から選択される一種から選ばれることが好ましい。
本発明によれば、常温から１１００℃までの線熱膨張係数がＧａＮに近似した多結晶窒化アルミニウム基板を提供できる。また、これを使ったＧａＮベース半導体を歩留まり良く得ることを可能とするものである。
本発明によるＧａＮベース半導体結晶成長用多結晶窒化アルミニウム基材の一例を示す図。 本発明によるＧａＮベース半導体の製造方法の一例を示す図。
本発明による多結晶窒化アルミニウム基板は、ＧａＮベース半導体を結晶成長させるための基板材料としての多結晶窒化アルミニウム基材であって、２０℃から６００℃までの平均線膨張係数が４．９×１０−６／Ｋ以上６．１×１０−６／Ｋ以下、２０℃から１１００℃までの平均線膨張係数が５．５×１０−６／Ｋ以上６．６×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とするものである。
多結晶窒化アルミニウム基板とは、窒化アルミニウム粉末を焼結により固めた基板を意味する。本発明は、多結晶窒化アルミニウム基板の２０℃から６００℃までの平均線膨張係数が４．９×１０−６／Ｋ以上６．１×１０−６／Ｋ以下、２０℃から１１００℃までの平均線膨張係数が５．５×１０−６／Ｋ以上６．６×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とするものである。
線膨張係数とは、温度変化に対し長さの変化量を示した値を意味する。測定方法は、ＪＩＳ Ｒ１６１８に準じた方法より行うものとする。また、単位は「／Ｋ（ケルビン）」が使われている。本発明では、例えば２０℃から６００℃の平均線膨張係数は２０℃を基準としたときの６００℃に於ける長さの増加率（膨張率）を温度差である５８０℃で除した値である。また、２０℃から１１００℃の線膨張係数は、２０℃を基準としたときの１１００℃に於ける長さの増加率（膨張率）を温度差である１０８０℃で除した値である。
一般的に、エピタキシャル成長において考慮しなければならないのは、主にＧａＮ（ａ面）の線膨張係数である。ＧａＮ（ａ面）の線膨張係数は常温近傍に於いて５．５９×１０−６／Ｋであるのに対し、サファイアは約７〜８×１０−６／Ｋ、ＳｉＣは約６．６×１０−６／Ｋ、であり約１．０×１０−６／Ｋの線膨張係数の差があった。また、サファイアやＳｉＣは単結晶体であることから、材質としての線膨張係数の調整ができない。線膨張係数の差を問題なくするには、ＧａＮベース半導体を小さくする必要があるが半導体素子（ＬＥＤ、半導体レーザなど）の量産性が悪く、コストアップの要因となる。
それに対し、本発明による多結晶窒化アルミニウム基板は、２０℃から６００℃までの平均線膨張係数が４．９×１０−６／Ｋ以上６．１×１０−６／Ｋ以下、２０℃から１１００℃までの平均線膨張係数が５．５×１０−６／Ｋ以上６．６×１０−６／Ｋ以下であるため、ＧａＮベース半導体を大口径化しても反りの問題を低減できるので、半導体素子の量産性を向上させることができる。
多結晶窒化アルミニウム基材は、窒化アルミニウム結晶と粒界相からなり、窒化アルミニウム結晶の含有量が体積分率で５６．２％以上９３.９％以下であることが好ましい。多結晶体は窒化アルミニウム粉末（ＡｌＮ粉末）を固めて焼結したものである。焼結性を上げるために焼結助剤を用いることが好ましい。窒化アルミニウム結晶の含有量が体積分率５６．２％以上９３.９％以下とは、残部が粒界相であることを意味する。窒化アルミニウム結晶の割合が５６．２％未満であったり、９３．９％を超えると、目的とする線膨張係数が得られ難い。なお、気孔率は１体積％以下、さらには０．５体積％以下であることが好ましい。多結晶窒化アルミニウム基板上にＧａＮ層を成長させるため、基板表面は気孔による凹凸がなく平坦であることが必要である。そのため、基板の表面粗さＲａは０．２μｍ以下であることが好ましく、Ｒａが０．０５μｍ以下となるような鏡面加工を基板に施すことが好ましい。
また、粒界相は、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ，Ｅｕ、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ、Ｙｂ，およびＬｕからなる群から選ばれる少なくとも一種とアルミニウムとの複合酸化物を含むことが好ましい。粒界相は、焼結工程中に焼結助剤が変化してできる相である。その粒界相があることにより焼結性が向上すると共に線熱膨張係数の制御が行い易い。これら粒界相成分は、窒化アルミニウム結晶よりも線膨張係数が大きいので、窒化アルミニウム基板の線膨張係数の調整には効果的である。複合酸化物になっているか否かはＸＲＤにて分析可能である。
第一の焼結助剤であるＣａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ，Ｅｕ、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ、Ｙｂ，およびＬｕからなる群から選ばれる少なくとも一種は、焼結性を上げる効果があり、酸化物として添加することが好ましい。これら希土類元素を用いれば常圧焼結も可能である。また、第二の焼結助剤であるアルミニウムの酸化物は、窒化アルミニウム粉末中の不純物酸素を活用してもよいし、焼結助剤として酸化アルミニウムを添加する方式でもよい。酸化アルミニウムの存在は、第一の焼結助剤と複合酸化物を形成し易いためである。また、これら複合酸化物は線膨張係数を調整し易く、かつ１１００℃付近での高温下でも安定な材料である。第一の焼結助剤として、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ，Ｅｕ、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ、Ｙｂ，およびＬｕからなる群から選ばれる少なくとも一種を、酸化物換算で４〜３０質量％含むことが好ましい。また、第二の焼結助剤としてアルミニウムを、酸化物換算で１〜２３質量％含むことが好ましい。
また、線膨張係数の調整には、第三の焼結助剤として、ＴｉＮ（窒化チタン）を５〜２５質量％添加することも効果的である。第一の焼結助剤である上記の希土類元素は高価であるから、その一部をＴｉＮに置き換えることにより、線膨張係数を制御した上でコストダウンを可能とすることができる。また、第一の焼結助剤と併用することにより常圧焼結での製造を可能とする。
なお、粒界相成分として第一の焼結助剤を用いずに、ＴｉＮのみで線膨張係数を調整することも可能である。ただし、第一の焼結助剤を用いないことから焼結性が悪いため、ホットプレスなどの加圧焼結により焼結することが好ましい。
また、窒化アルミニウム結晶粒子の平均粒径は７μｍ以下であることが好ましい。線熱膨張係数の制御には、窒化アルミニウム結晶粒子同士の粒界に窒化アルミニウム結晶粒子より線膨張係数の大きな粒界相が存在することが効果的である。窒化アルミニウム結晶粒子があまり大きいと、窒化アルミニウム結晶粒子と粒界相との存在割合が不均一になり、線膨張係数の部分的なバラツキを生じる恐れがある。平均粒径７μｍ以下の比較的小さな粒径であれば部分的なバラツキを低減できる。なお、平均粒径の下限値は特に限定されるものではないが、１μｍ以上が好ましい。平均粒径が１μｍ未満では原料粉末を粒径の小さなものを使わなければならず、原料コストの増加を招く。また、平均粒径を７μｍ以下とすることにより、研磨加工により窒化アルミニウム結晶粒子が脱落したとしても大きなクレータ（脱粒痕）にならず平坦面を得やすい。ＧａＮベースの結晶を成長させるには平坦面を得ることも重要である。
また、多結晶窒化アルミニウム基板は、熱伝導率が４６Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。熱伝導率が高いとＧａＮベース半導体を結晶成長工程中の放熱性が上がり、膨張による反りの発生を抑制できる。例えば、サファイア基板の熱伝導率は約４６Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。熱伝導率の高い窒化アルミニウム結晶粒子を主相とすることにより、それ以上の熱伝導率を実現することができる。なお、熱伝導率の上限は特に限定されるものではないが、焼結助剤を多く含んでいると、その熱伝導率は１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下となる。
以上のような多結晶窒化アルミニウム基板であれば、高温下における反りの問題を抑制できるので、基板の直径Ｌが１００ｍｍ以上と大型にすることも可能である。なお、直径の上限は特に限定されるものではないが、作り易さを考慮すれば、直径Ｌが３００ｍｍ以下であることが好ましい。なお、図１では円盤状で示したが、結晶成長面が四角形、長方形であってもよい。
また、基板の厚さは３ｍｍ以下であることが好ましい。本発明による基板であれば、厚さを３ｍｍ以下と薄くした上で熱膨張係数の調整が可能となる。
またさらに、基板の厚さＷは、０．３〜１．５ｍｍ、さらには０．５〜１．０ｍｍであることが好ましい。基板が１．５ｍｍを超えて厚いと放熱性が悪くなる。一方、０．３ｍｍより薄いと基板の強度が不十分になり取扱い性が低下する。
このような多結晶窒化アルミニウム基板は、ＧａＮベース半導体を結晶成長させるための基板材料として有効である。以下、上記した多結晶窒化アルミニウム基板を用いてＧａＮベース半導体を製造する方法について説明する。図２は、ＧａＮベース半導体の製造工程の一例を示した概略断面図である。図中、１は多結晶窒化アルミニウム基材、２はＧａＮベース半導体層、３はバッファー層である。まず、多結晶窒化アルミニウム基板１上にバッファー層を形成する。バッファー層は、ＧａＮベース半導体層と同じ材質であることが好ましい。次に、バッファー層の上にＧａＮベース半導体を結晶成長させていく。
ＧａＮベース半導体は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、およびＩｎＡｌＧａＮからなる群から選択される一種であることが好ましい。いずれもＧａＮをベースとするものであり、ＧａＮ（ａ面）の線膨張係数は常温で５．５９×１０−６／Ｋ近傍のものである。ＧａＮベース半導体の結晶成長工程は、サセプタ（図示しない）上に多結晶窒化アルミニウム基板１を配置し、５００〜６００℃にて有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、ＴＭＧガス（トリメチルガリウムガス）、アンモニアガスを流し、ＧａＮバッファー層を形成する。次に、１０００〜１１００℃にてＧａＮ層の膜厚を厚くさせる（結晶成長させる）。ＭＯＣＶＤ法は５００〜１１００℃の高温下で行われるものであるから、この温度範囲での線膨張係数の制御が有効なのである。特に、１１００℃の高温から６００℃までの冷却工程における基板の膨張または収縮が反りに影響を与える。本発明による多結晶窒化アルミニウム基板では、線膨張係数をＧａＮベース半導体に近似させてあるので反りの問題を大幅に抑制できる。このため、多結晶窒化アルミニウム基板を直径５０ｍｍ以上と大型化しても反りの問題を抑制できる。その結果、ＧａＮベース半導体を大きな範囲（面積）で成長させることができるので、発光素子を一度に多数個取りできるため量産性が向上する。なお、ＬＥＤや半導体レーザなどの発光素子を製造する場合には、ＧａＮベース半導体層や絶縁層など各種層の形成やエッチングなどを行って製造していくことは言うまでもない。また、発光素子を製造する際に多結晶窒化アルミニウム基板が不要な場合は除去してもかまわない。粒界相を具備する多結晶窒化アルミニウム基板であれば、アルカリ溶液などにより除去し易い。また、削り取ることも可能である。また、基板除去工程の量産性を考慮すると、多結晶窒化アルミニウム基板の厚さは３ｍｍ以下であることが好ましい。
次に、本発明による多結晶窒化アルミニウム基板の製造方法について説明する。本発明による多結晶窒化アルミニウム基板は、その製造方法は特に限定されるものではないが、歩留まり良く製造する方法として次の方法が挙げられる。
まず、原料粉末として窒化アルミニウム粉末を用意する。窒化アルミニウム粉末は平均粒径０．６〜２μｍであることが好ましい。平均粒径０．６μｍ未満では粒径が細かすぎて窒化アルミニウム粉末の価格が高くなる恐れがある。また、２μｍを超えると焼結後の窒化アルミニウム結晶の平均粒径が７μｍを超える可能性が高い。より、好ましくは平均粒径１．０〜１．５μｍの窒化アルミニウム粉末を使うことである。また、窒化アルミニウム粉末中の酸素含有量は０．６〜２質量％のものが好ましい。
次に、焼結助剤として、第一の焼結助剤（Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ，Ｅｕ、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ、Ｙｂ，およびＬｕからなる群から選ばれる少なくとも一種からなる酸化物）、第二の焼結助剤（アルミニウムの酸化物）、第三の焼結助剤（ＴｉＮ）を必要量調製し、窒化アルミニウム粉末と混合する。焼結助剤の平均粒径は、窒化アルミニウム粉末と同程度の０．６〜２μｍであることが好ましい。焼結助剤の添加量は、窒化アルミニウム結晶の体積分率で５６．２％以上９３.９％以下の範囲になるように混合することが好ましい。焼結助剤粉末の平均粒径を、窒化アルミニウム粉末と同程度にしておけば、体積分率の調製も行い易い。
次に、窒化アルミニウム粉末、焼結助剤粉末、バインダ、溶剤、および分散材等を混合し、原料スラリーを調製する。
続いて、調製した原料スラリーを使って成形体を作製する。成形体の作製方法は、ドクターブレード法を使ったシート成形や、スラリーから作製した造粒粉を金型にて成形したプレス成形が挙げられる。ドクターブレード法であれば、直径５０ｍｍ以上、さらには１００ｍｍ以上の大型の成形体を作製し易い。また、成形体がシート状の場合、必要であれば成形体を加工して円盤状の成形体を作製してもよい。
次に、成形体の焼結工程を実施する。焼結温度は、１６００〜１９００℃で行うことが好ましい。焼結助剤として第一の焼結助剤を用いている場合は常圧焼結法で焼結できる。第一の焼結助剤を用いない場合は、ホットプレスなどの加圧焼結法を用いることが好ましい。また、焼結雰囲気は不活性雰囲気中が好ましい。
このようにして得られた焼結体のＧａＮベース半導体形成面に、鏡面加工を施す。表面加工は、ダイヤモンド砥石を用いて、表面粗さＲａ０．２μｍ以下、好ましくは０．０５μｍ以下となるように研磨していく。また、必要に応じ、側面や裏面の形状を整える加工を行ってもよい。
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定して解釈されるものではない。
実施例１
窒化アルミニウム粉末（平均粒径１μｍ、酸素含有量１．０質量％）とイットリア（Ｙ２Ｏ３）粉末（平均粒径１μｍ）とアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粉末（平均粒径１μｍ）とを、表１に示した割合で混合して原料粉末を調製した。なお、表中の混合量は、第一の焼結助剤であるイットリア、第二の焼結助剤であるアルミナ、および窒化アルミニウム粉末を混合して１００重量部となるように混合したものである。
混合には、トルエン、エタノール等の溶剤に原料粉を添加し、更に分散剤を添加した。その後、有機バインダと可塑剤とを添加してさらに混合を行い、ドクターブレード法にて厚さ１．２ｍｍのグリーンシートを成形した。このグリーンシートを縦１７０ｍｍ×横１７０ｍｍに裁断した後、脱脂し、１７００℃×５時間で窒素中にて焼結し、試料１の多結晶窒化アルミニウム基板を作製した。また、同様の作業を繰り返して、試料２〜８の多結晶窒化アルミニウム基板を作製した。
各試料の線熱膨張係数を測定した。線膨張係数の測定はＪＩＳ Ｒ１６１８に準じて行った。２０〜１３００℃までを約０．１℃から０．３℃間隔にて測定したが、代表値として１００℃間隔の値を表示した。次に、粒界相の構成相をＸＲＤにて分析した。また、熱伝導率はレーザフラッシュ法により測定した。また、窒化アルミニウム結晶粒子の平均粒径を測定した。窒化アルミニウム結晶粒子の平均粒径は、試料の任意の部分の断面の拡大写真（１００μｍ×１００μｍ）を撮り、線インターセプト法により測定した。その結果を表１に示す。
Figure 0006002038
表１において、試料２〜７が実施例、試料１および試料８が比較例になる。各試料は粒界相にＹＡＧ相（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）またはＹＡＰ相（ＹＡｌＯ３）といった複合酸化物が検出された。なお、複合酸化物の特定は、ＸＲＤにより行った。
実施例２
次に、第一の焼結助剤としてＧｄ２Ｏ３（試料９〜１４）を第二の焼結助剤としてアルミナを使用して実施例１と同様の実験を行った。なお、窒化アルミニウム粉末（不純物酸素量１．２質量％）、第一の焼結助剤および第二の焼結助剤の平均粒径はいずれも平均粒径１．２μｍのものを用いた。焼結温度は１７００〜１８００℃の範囲であり、いずれも窒素雰囲気中で焼結した。得られた各試料に対し、実施例１と同様の測定を行った。その結果を表２に示す。
Figure 0006002038
表２において、試料１０〜１３が実施例、試料９および試料１４が比較例になる。各試料は粒界相にＧｄ ３Ａｌ５Ｏ１２またはＧｄＡｌＯ３といった複合酸化物が検出された。第一の焼結助剤をＧｄ２Ｏ３に変更しても、線膨張係数の制御は可能であることが分かる。
実施例３
次に、第一の焼結助剤としてＤｙ２Ｏ３（試料１５〜２０）を第二の焼結助剤としてアルミナを使用して実施例１と同様の実験を行った。なお、窒化アルミニウム粉末（不純物酸素量１．２質量％）、第一の焼結助剤および第二の焼結助剤の平均粒径はいずれも平均粒径１．２μｍのものを用いた。焼結温度は１７００〜１８００℃の範囲であり、いずれも窒素雰囲気中で焼結した。得られた各試料に対し、実施例１と同様の測定を行った。その結果を表３に示す。
Figure 0006002038
表３において、試料１６〜１９が実施例、試料１５および試料２０が比較例になる。各試料は粒界相にＤｙ３Ａｌ５Ｏ１２またはＤｙＡｌＯ３といった複合酸化物が検出された。第一の焼結助剤をＤｙ２Ｏ３に変更しても、線膨張係数の制御は可能であることが分かる。なお、複合酸化物の特定は、ＸＲＤにより行った。
参考例
次に、第一の焼結助剤としてＨｏ２Ｏ３（試料２１），Ｅｒ２Ｏ３（試料２２）、Ｙｂ２Ｏ３（試料２３）、第二の焼結助剤としてアルミナを使用した。また、添加量はＡｌＮ焼結体の体積分率が８０％になるような添加量に調整した。なお、窒化アルミニウム粉末（不純物酸素量１．２質量％）、第一の焼結助剤および第二の焼結助剤の平均粒径はいずれも平均粒径１．２μｍのものを用いた。焼結温度は１７００〜１８００℃の範囲であり、いずれも窒素雰囲気中で焼結した。得られた各試料に対し、実施例１〜３と同様の測定を行った。その結果を表４に示す。
Figure 0006002038
表４から、実施例１〜３以外の焼結助剤に変更しても線膨張係数の制御は可能であることが分かる。
実施例５
次に、第一の焼結助剤としてイットリア、第二の焼結助剤としてアルミナ、第三の焼結助剤として窒化チタン（ＴｉＮ）（線膨張係数＝９．４×１０−６／Ｋ）を使用して多結晶窒化アルミニウム基板を作製した。窒化アルミニウム粉末（不純物酸素量０．８質量％）、第一の焼結助剤、第二の焼結助剤および第三の焼結助剤ともに平均粒径１μｍのものを用いた。また、焼結温度は１７２０℃で行った。その結果を表５に示す。
Figure 0006002038
表５から、ＴｉＮを用いても線膨張係数の制御が可能であることが分かる。
実施例６
試料１〜２５の多結晶窒化アルミニウム基板を加工して、直径２インチ（５０．８ｍｍ）×厚さ１ｍｍ、表面粗さＲａ０．０１μｍの円盤状に加工した。各試料を用いてＧａＮ半導体を結晶成長させた。
ＭＯＣＶＤ装置内のサセプタ上に試料（多結晶窒化アルミニウム基板）を配置し、５００〜６００℃にて有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、ＴＭＧガス（トリメチルガリウムガス）、アンモニアガスを流しＧａＮバッファー層を形成した。次に、１０００〜１１００℃にてＧａＮ層の膜厚を厚くさせた（結晶成長させた）。バッファー層は０．０２μｍ、最終的なＧａＮ層の厚さは３μｍとした。また、ＧａＮ層は多結晶窒化アルミニウム基板表面（直径２インチ）に設けた。
得られたＧａＮベース半導体の反りの有無を測定した。反りの不具合がなかったもの（次工程に使えるもの）を「○」、反りによって不良となったもの（次工程に使えないもの）を「×」で示した。その結果を表６に示す。
Figure 0006002038
反りの少ないＧａＮ単結晶を得るためには、２０℃から６００℃に於ける平均線膨張係数が４．９×１０−６／Ｋ以上６．１×１０−６／Ｋ以下、 ２０℃から１１００℃までの平均線膨張係数が５．５×１０−６／Ｋ以上６．６×１０−６／Ｋ以下であることが重要であることが分かる。
また、実施例の試料（試料２〜７、１０〜１３、１６〜１９、２１〜２５）は、熱伝導率も４６Ｗ／ｍ／Ｋ以上と高いことから放熱性が良く、この点も反りの不具合を抑制できる効果に有効であると考えられる。この結果、ＬＥＤや半導体レーザなどの発光素子を効率よく製造することができる。
１…多結晶窒化アルミニウム基材
２…ＧａＮベース半導体層
３…バッファー層
Ｌ…多結晶窒化アルミニウム基材の直径
Ｗ…多結晶窒化アルミニウム基材の厚さ

Claims (7)

  1. ＧａＮベース半導体を結晶成長させるための基板材料としての多結晶窒化アルミニウム基材であって、
    ２０℃から６００℃までの平均線膨張係数が４．９×１０−６／Ｋ以上６．１×１０−６／Ｋ以下、２０℃から１１００℃までの平均線膨張係数が５．５×１０−６／Ｋ以上６．６×１０−６／Ｋ以下であり、
    第一焼結剤として、Ｙ、ＧｄおよびＤｙから選ばれる少なくとも１種を、酸化物換算で４〜３０質量％、および第二焼結剤として、アルミニウムを酸化物換算で１〜２３質量％含み、
    前記多結晶窒化アルミニウム基材は窒化アルミニウム結晶と粒界相からなり、窒化アルミニウム結晶の含有量が、体積分率で５６．２％以上９３.９％以下であり、
    前記粒界相は、Ｙ、ＧｄおよびＤｙから選ばれる少なくとも１種とアルミニウムとの複合酸化物を含み、
    前記複合酸化物は、Ｙ ３ Ａｌ ５ Ｏ １２ 、ＹＡｌＯ ３ 、Ｇｄ ３ Ａｌ ５ Ｏ １２ 、ＧｄＡｌＯ ３ 、Ｄｙ ３ Ａｌ ５ Ｏ １２ 、ＤｙＡｌＯ ３ から選ばれる少なくとも１種であり、
    前記多結晶窒化アルミニウム基材の表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下であり、厚さが３ｍｍ以下である、
    ことを特徴とする、多結晶窒化アルミニウム基材。
  2. 窒化アルミニウム結晶粒子の平均粒径が７μｍ以下である、請求項１に記載の多結晶窒化アルミニウム基材。
  3. 熱伝導率が４６Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項１または２に記載の多結晶窒化アルミニウム基材。
  4. 直径が５０ｍｍ以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多結晶窒化アルミニウム基材。
  5. ＧａＮベース半導体を製造する方法であって、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多結晶窒化アルミニウム基材を用いてＧａＮベース半導体結晶を成長させることを含むことを特徴とする、ＧａＮベース半導体の製造方法。
  6. ＧａＮベース半導体をバッファー層を介して結晶成長させる、請求項５記載のＧａＮベース半導体の製造方法。
  7. ＧａＮベース半導体が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、およびＩｎＡｌＧａＮからなる群から選択される一種からなる、請求項５または６に記載のＧａＮベース半導体の製造方法。
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