JP6534030B2 - AlN単結晶の作製方法 - Google Patents
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(ア)Al及びNの何れとも化合物を形成しない、又はAl及びNガスの何れかと化合物を形成するが当該化合物の標準生成自由エネルギーがAlNの標準生成自由エネルギーよりも大きい条件。標準生成自由エネルギーとは、物質(化合物)を単体から生成するときに働くエネルギーを示す。(ア)の条件を満たす元素が第1種別に属する元素である。
(イ)Nとの相互作用パラメーターが、溶媒表面の温度で−10000J/molより小さい条件。Nとの相互作用パラメーターとは、Nとの結合の大小を示し、Nとの相互作用パラメーターが小さい程、Nとの結合が促進され、即ち、気相中のNの溶媒中への溶解が促進される。(イ)の条件を満たす元素が第2種別に属する元素である。
(ウ)Alとの相互作用パラメーターとNとの相互作用パラメーターとの和が温度上昇にしたがって小さくなる条件。(ウ)の条件を満たす元素が第3種別に属する元素である。Alとの相互作用パラメーターとは、Alとの結合の大小を示し、Alとの相互作用パラメーターが小さい程、溶媒中でのAlとの結合が促進される。
これ以降、それぞれの条件を満たす元素を含む組成の溶媒を用いた実験結果について順次説明する。
最初に、幾つかの元素について、Alとの化合物を形成するか否か及びNとの化合物を形成するか否かを調査し、化合物を形成する場合には標準生成自由エネルギーを計算した。図2は1900Kでの計算結果を示している。1900KでのAlNの標準生成自由エネルギーは「−106.151kJ/mol」であり、(ア)の条件を満たす元素として、Li、Mg、Si、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Sn(図2にてハッチングで示す元素)を特定した。これらLi、Mg、Si、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Snが第1種別に属する元素である。
nAl=溶媒中のAlの物質量
nN=溶媒中のNの物質量
とした場合、
Nliquid=nN/(nFe+nAl+nN)
である。又、NAlNは、AlNと平衡した溶媒中のNのモル分率である。各相の原子の化学ポテンシャルが等しいときに平衡するため、NAlN及びNliquidを求めるためには溶媒のギブズ自由エネルギーを求める必要がある。溶媒のギブズ自由エネルギーを計算する手順は、以下の2つの文献を参考にした。
文献2:H.L.Lukas,S.G.Fries and B.Sundman:Computational thermodynamics,Cambridge(2007)p.101.式(5.51)
この場合、NliquidとNAlNとの大小関係は、Nliquid<NAlNでは未飽和状態であり、Nliquid>NAlNでは過飽和状態である。
手順1:アルミ合金容器2の内部において、サファイア基板を坩堝15に収容し、Fe−Al(96:4at%)の溶媒をサファイア基板上となるように坩堝15に収容する。この場合、Fe−Al(96:4at%)の溶媒は、別々の粉末の状態で坩堝15に収容しても良いし、予め合金を作製しておくことで、合金の状態で坩堝15に収容しても良い。
手順2:アルミ合金容器2の内部を真空引きする。真空度は、1mmHg以下、好ましくは1×10−1mmHg以下とする。
手順3:アルミ合金容器2の内部を真空引きした後に、Arガス(純度は95%以上、好ましくは99%以上)をガス供給管7からアルミ合金容器2の内部へと供給し、アルミ合金容器2の内部を大気圧の圧力にする。このとき、Arガス中の酸素をチタンゲッターで除去したり、液体窒素で冷却された冷却管中で水蒸気を液化して除去したりすることが好ましい。
手順5:アルミ合金容器2の内部の温度が約1900〜2000Kに到達してから約1時間(図4ではT1)放置してFeとAlとを均一に溶解させる。
手順7:誘導加熱コイル18への通電を終了し、約90分かけて常温まで降温する。これ以降、サファイア基板を除去することで、AlN単結晶のみを得ることができる。
次に、幾つかの元素について、Nとの相互作用パラメーター及びAlとの相互作用パラメーターを計算した。図15は1973KでX−Al(70:30at%)の組成のAlとの相互作用パラメーター及びX−N(70:30at%)の組成のNとの相互作用パラメーターを示している。(イ)の条件を満たす元素として、Li、Si、Ti、V、Cr、Fe、Nb、Mo(図15にて破線Aで囲んで示す元素)を特定した。これらLi、Si、Ti、V、Cr、Fe、Nb、Moが第2種別に属する元素である。又、図16はAlとの相互作用パラメーター及びNとの相互作用パラメーターを表す式を示している。(ウ)の条件を満たす元素として、Li、Cr(図16にてハッチングで示す元素)を特定した。これらLi、Crが第3種別に属する元素である。第2種別に属する元素から選択する元素や第3種別に属する元素から選択する元素は、第1種別に属する元素の何れかであることが望ましい。
前述した(1)及び(2)で溶媒に用いた元素(Fe及びCr)とは異なり、且つ(1)及び(2)で溶媒に用いた元素(Fe及びCr)よりもAlとの相互作用パラメーターが小さい元素(第1種別に属する元素の何れかであり、既に溶媒中に含まれる第2種別に属する元素及び第3種別に属する元素の何れよりもAlとの相互作用パラメーターが小さい元素)として、Co、Ni(図15にて破線Bで囲んで示す元素)を特定した。これらCo、Niが第4種別に属する元素である。第4種別に属する元素から選択する元素も、第1種別に属する元素の何れかであることが望ましい。この場合も、Coを用い、Fe−Cr−Co−Alの四元系化合物について、溶媒中の窒素濃度(Nliquid)、AlNが析出し始める窒素濃度(NAlN)を計算し、AlN単結晶の成長温度を含む所定温度範囲において未飽和状態と過飽和状態とを形成する組成を探索した。尚、Coは、第4種別に属し、且つ第1種別にも属する元素である。具体的には、AlN単結晶の成長温度を1900〜2000Kに設定し、未飽和状態と過飽和状態とを形成する組成を探索した。図41はFe−Cr−Co−Al(50:32:15:3at%)の溶媒について窒素雰囲気が1atmでの窒素濃度と温度との関係を示している。図41でも、1900〜2000Kの範囲でNliquidとNAlNとの大小が逆転している温度が存在し、約1975Kから高温側では、Nliquid<NAlNであり、未飽和状態となり、約1975Kから低温側では、Nliquid>NAlNであり、過飽和状態となる。しかも、上記したFe−Cr−Al(82:15:3at%)の溶媒を用いた場合と比較すると、Nliquid及びNAlNの両方の窒素濃度が全体的に増大している。
N及びAlとの相互パラメーターが小さい元素ほど溶液の自由エネルギーを下げることができ、(ア)の条件を満たす元素してCoを第1種別に属する元素として選び、(イ)及び(ウ)の条件を満たす元素としてCrを第2種別に属する元素として用いた。
手順1:アルミ合金容器2の内部において、サファイア基板を坩堝15に収容し、Co−Cr−Al(65:25:10at%)の溶媒をサファイア基板上となるように坩堝15に収容する。この場合、Co−Cr−Al(65:25:10at%)の溶媒は、別々の粉末の状態で坩堝15に収容しても良いし、予め合金を作製しておくことで、合金の状態で坩堝15に収容しても良い。
手順2:アルミ合金容器2の内部を真空引きする。真空度は、1mmHg以下、好ましくは1×10−1mmHg以下とする。
手順3:アルミ合金容器2の内部を真空引きした後に、Arガス(純度は95%以上、好ましくは99%以上)をガス供給管7からアルミ合金容器2の内部へと供給し、アルミ合金容器2の内部を大気圧の圧力にする。このとき、Arガス中の酸素をチタンゲッターで除去したり、液体窒素で冷却された冷却管中で水蒸気を液化して除去したりすることが好ましい。
手順5:アルミ合金容器2の内部の温度を約2030〜2050Kに保持したままアルミ合金容器2の内部に導入するガスをArガスからN2ガスに切換える。即ち、N2ガスを例えば1L/minの流量でアルミ合金容器2の内部に供給し(窒素雰囲気を形成し)、約2040Kの温度で所定時間(例えば1時間)保持する。このときも、N2ガス中の酸素や水蒸気を除去することが好ましい。又、このとき、軸11を上下方向に移動させて、図45に示すように、溶媒上部の温度が約2050Kとなり、溶媒下部の温度が約2030Kとなるようにアルミ合金容器2の内部での溶媒の位置を調節する。
手順6:誘導加熱コイル18への通電を終了し、約2時間かけて常温まで降温する。これ以降、サファイア基板を除去することで、AlN単結晶のみを得ることができる。
Fe−AlやCo−Cr−Alのように(ア)の条件を満たす1種類の元素を用いた組成の溶媒を例示したが、(ア)の条件を満たす2種類以上の元素を用いた組成の溶媒でも良い。又、Fe−Cr−AlやCo−Cr−Alのように(ア)の条件を満たす元素としてFeやCoを用い且つ(イ)及び(ウ)の条件を満たす元素としてCrを用いた組成の溶媒を例示したが、(ア)の条件を満たす元素を用い且つ(イ)の条件を満たす元素を用いた組成の溶媒や、(ア)の条件を満たす元素を用い且つ(ウ)の条件を満たす元素を用いた組成の溶媒でも良い。
AlN単結晶を成長させる被成長領域として、表面を窒化していないサファイア基板を例示したが、表面を窒化したサファイア基板でも良く、サファイア基板以外の基板(例えばSiC基板)を用いても良い。又、種結晶等を用いても良く、種結晶を用いる場合には、最初から種結晶を用意して(坩堝15に配置して)おいても良いし、例えば過飽和度が高い部分で最初に成長するAlN単結晶を種結晶として用いても良い。
NをN2ガスから供給する場合を例示したが、例えばNH3ガス等のNを含むガスから供給しても良い。又、Nを気相中から供給することに限らず、例えばGaN等のNを含む固体を溶媒中に設置することで、Nを固相中から供給しても良い。
Claims (13)
- Nを、Alを含む組成の溶媒中に溶解させることで、AlN単結晶を被成長領域上に成長させるAlN単結晶の作製方法であって、
第1種別に属する元素として、Al及びNの何れとも化合物を形成しない条件又はAl及びNの何れかと化合物を形成するが当該化合物の標準生成自由エネルギーがAlNの標準生成自由エネルギーよりも大きい条件を満たす元素を用い、Alと1種類以上の前記第1種別に属する元素とを含む組成を、AlN単結晶の成長温度を含む所定温度範囲において高温側ではAlNが析出し始める窒素濃度よりも溶媒中の窒素濃度が低い未飽和状態を形成し且つ低温側ではAlNが析出し始める窒素濃度よりも溶媒中の窒素濃度が高い過飽和状態を形成する組成とした溶媒を用い、溶媒上部である溶媒表面の温度を前記高温側範囲内とし且つ溶媒下部である溶媒と被成長領域との界面の温度を前記低温側範囲内である1900K以上としてAlN単結晶を被成長領域上に成長させることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項1に記載したAlN単結晶の作製方法において、
溶媒表面の温度を前記高温側範囲内である2000K以上とすることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項1または2に記載したAlN単結晶の作製方法において、
前記第1種別に属する元素として、Li、Mg、Si、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Snの何れかを用いることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項1から3の何れか一項に記載したAlN単結晶の作製方法において、
第2種別に属する元素として、Nとの相互作用パラメーターが溶媒表面の温度で−10000J/molより小さくなる条件を満たす元素を用い、それぞれ異なる元素としてAlと1種類以上の前記第1種別に属する元素と1種類以上の前記第2種別に属する元素とを含む組成とした溶媒を用いることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項1から3の何れか一項に記載したAlN単結晶の作製方法において、
第2種別に属する元素として、Li、Si、Ti、V、Cr、Fe、Nb、Moの何れかを用い、それぞれ異なる元素としてAlと1種類以上の前記第1種別に属する元素と1種類以上の前記第2種別に属する元素とを含む組成とした溶媒を用いることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項1から3の何れか一項に記載したAlN単結晶の作製方法において、
第3種別に属する元素として、Alとの相互作用パラメーターとNとの相互作用パラメーターとの和が温度上昇にしたがって小さくなる条件を満たす元素を用い、それぞれ異なる元素としてAlと1種類以上の前記第1種別に属する元素と1種類以上の前記第3種別に属する元素とを含む組成とした溶媒を用いることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項4又は5に記載したAlN単結晶の作製方法において、
第3種別に属する元素として、Alとの相互作用パラメーターとNとの相互作用パラメーターとの和が温度上昇にしたがって小さくなる条件を満たす元素を用い、それぞれ異なる元素としてAlと1種類以上の前記第1種別に属する元素と1種類以上の前記第2種別に属する元素と1種類以上の前記第3種別に属する元素とを含む組成とした溶媒を用いることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項6又は7に記載したAlN単結晶の作製方法において、
前記第3種別に属する元素として、Li、Crの何れかを用いることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項4又は5に記載したAlN単結晶の作製方法において、
第4種別に属する元素として、1種類以上の前記第1種別に属する元素及び1種類以上の前記第2種別に属する元素の何れよりもAlとの相互作用パラメーターの小さい条件を満たす元素を用い、それぞれ異なる元素としてAlと1種類以上の前記第1種別に属する元素と1種類以上の前記第2種別に属する元素と1種類以上の前記第4種別に属する元素を含む組成とした溶媒を用いることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項6に記載したAlN単結晶の作製方法において、
第4種別に属する元素として、1種類以上の前記第1種別に属する元素及び1種類以上の前記第3種別に属する元素の何れよりもAlとの相互作用パラメーターの小さい条件を満たす元素を用い、それぞれ異なる元素としてAlと1種類以上の前記第1種別に属する元素と1種類以上の前記第3種別に属する元素と1種類以上の前記第4種別に属する元素を含む組成とした溶媒を用いることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項7に記載したAlN単結晶の作製方法において、
第4種別に属する元素として、1種類以上の前記第1種別に属する元素及び1種類以上の前記第2種別に属する元素及び1種類以上の前記第3種別に属する元素の何れよりもAlとの相互作用パラメーターの小さい条件を満たす元素を用い、それぞれ異なる元素としてAlと1種類以上の前記第1種別に属する元素と1種類以上の前記第2種別に属する元素と1種類以上の前記第3種別に属する元素と1種類以上の前記第4種別に属する元素を含む組成とした溶媒を用いることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項9から11の何れか一項に記載したAlN単結晶の作製方法において、
前記第4種別に属する元素として、Co、Niの何れかを用いることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。 - 請求項1から12の何れか一項に記載したAlN単結晶の作製方法において、
気相中のNを、Alを含む組成の溶媒中に溶解させることを特徴とするAlN単結晶の作製方法。
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