JP7421509B2 - バナジウムで補償された光学グレードの４ｈおよび６ｈ単結晶 - Google Patents
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関連出願の相互参照
この出願は、２０２０年３月２日に出願された米国仮特許出願第６２／９８４，１７７号の優先権を主張する。この米国仮特許出願第６２／９８４，１７７号の開示全体は、引用により本明細書に援用されるものとする。
この出願は、２０２０年３月２日に出願された米国仮特許出願第６２／９８４，１７７号の優先権を主張する。この米国仮特許出願第６２／９８４，１７７号の開示全体は、引用により本明細書に援用されるものとする。
本開示は、概して光エネルギーまたは情報を伝送するための光学デバイスに関し、それには、窓、レンズ、プリズムおよび導波路が含まれるが、それらに限定されるものではない。また、本開示は、概して光学デバイスを使用して光エネルギーまたは情報を伝送するためのシステムおよび方法にも関する。
本開示は、４Ｈおよび６Ｈの六方晶ポリタイプのバナジウムで補償された炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶であって、それらの基本的な透明度の範囲内で、特に、必ずしも限定されるものではないが、約４２０ｎｍ～約４．５μｍの範囲の波長で、光吸収が小さいＳｉＣ単結晶に関する。本開示に係るＳｉＣ単結晶は、様々な光学用途、例えば、可視および近赤外（ＩＲ）スペクトル範囲で動作する、光学窓、レンズ、プリズムおよび導波路などで使用することができるが、それらに限定されるものではない。
本開示は、６Ｈまたは４Ｈポリタイプのバナジウムで補償された高抵抗率のＳｉＣ単結晶であって、４２０ｎｍ～４．５μｍの範囲の波長の光を透過するように構成されたＳｉＣ単結晶を含む光学デバイスにも関する。本開示の一態様によれば、光学デバイスは、４２０ｎｍ～４．５μｍの範囲の波長の光を透過する、窓、レンズ、プリズムまたは導波路を含むことができる。
また、本開示は、光伝送システムであって、４２０ｎｍ～４．５μｍの範囲の波長の光を発生させるための光源と、光を送受信するための光学デバイスとを備え、光学デバイスが、６Ｈまたは４Ｈポリタイプのバナジウムで補償された高抵抗率のＳｉＣ単結晶を含む、光伝送システムにも関する。
図１および図２は、本開示に従って構成された炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウェハ１０の一例を示している。ウエハ１０は、面１２および円筒状エッジ１４を有することができる。後述するように、ウェハ１０は、バナジウムで補償された高抵抗率の４Ｈまたは６Ｈの六方晶ポリタイプのＳｉＣ単結晶であってもよい。図３は、本開示に従って構成された光伝送システムの一例を示す図である。伝送システムは、光２０を生成するための光源１８と、光２０を送受信するための光学デバイス１６と、光学デバイス１６により光２０が伝送される目的地２２とを含むことができる。
光２０は、４２０ｎｍ～４．５μｍの範囲の１または複数の波長を有することができる。光学デバイス１６は、ウェハ１０から製造することができ、例えば、光源１８と目的地２２との間に物理的な障壁を提供しながら光２０を透過させるための窓、光２０を集光または分散させるためのレンズ、光２０のスペクトル成分を分離するためのプリズム、または光２０を目的地２２に向けて導くための導波路などであってもよい。
ＳｉＣ単結晶は、高出力および高周波のダイオードやトランジスタ、超高速の半導体光スイッチ、過酷な環境下で動作する検出器など、特定の半導体デバイスに使用されている。六方晶ＳｉＣ単結晶は、ＳｉＣや窒化ガリウム（ＧａＮ）エピ層のエピタキシャル成長用基板として使用することができる。窒素ドープｎタイプの４Ｈ－ＳｉＣ結晶は、ＭＯＳＦＥＴなどの４Ｈ－ＳｉＣパワースイッチングダイオードおよびトランジスタのエピタキシャル基板として使用される。米国特許第８，５０７，９８６号を参照されたい。高抵抗（半絶縁）４Ｈ－ＳｉＣおよび６Ｈ－ＳｉＣ結晶は、ＨＥＭＴなどのＧａＮベースの高周波トランジスタのエピタキシャル基板として使用されている。米国特許第９，４８４，２８４号を参照されたい。
大型のＳｉＣ単結晶は、昇華によって気相から成長させることができる。米国特許第５，７４６，８２７号を参照されたい。成長の準備として、黒鉛るつぼの高温領域に、ＳｉＣの粉末または粒子の形態のＳｉＣ源が提供される。単結晶ＳｉＣのプレートまたはウェハなどのＳｉＣシードが、るつぼの低温領域に配置され、例えば、るつぼの蓋に取り付けられる。るつぼは、加熱され、それによりＳｉＣ源が昇華して、昇華のガス状生成物でるつぼ内が満たされる。得られた蒸気は、より低温のＳｉＣシードに移動して、シード上に堆積し、適切な寸法のＳｉＣブールを成長させる。
特定の要件を満たすために、ドーパントを成長システムに導入して、成長したＳｉＣ結晶の電子パラメータ、例えば、導電性タイプや電気抵抗率などを変更することができる。低抵抗率のｎタイプの４Ｈ－ＳｉＣ単結晶は、窒素ドーピングを用いて製造することができる。補償された高抵抗ＳｉＣ単結晶には、少なくとも２タイプ、すなわち、バナジウムドーピングを用いて製造されたバナジウム補償半絶縁（ＶＣＳＩ）ＳｉＣ結晶（米国特許第５，６１１，９５５号を参照）と、高純度半絶縁（ＨＰＳＩ）ＳｉＣ結晶（米国特許第７，６０１，４４１号を参照）とがある。後者は、ドーピングなしで製造することができ、深準位欠陥の導入によって補償される。
様々な結晶性ＳｉＣの形態の光学的および分光学的特性が、紫外（ＵＶ）、可視および赤外領域で研究されている。Ｓｉｎｇｈ ｅｔ ａｌ．，Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｈｅｘａｇｏｎａｌ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，Ｖｏｌ．１９，２（１９７１）５３－５６を参照されたい。４Ｈ－ＳｉＣおよび６Ｈ－ＳｉＣの基本的な光透過領域は、可視域のバンドエッジカットオフから赤外域のλ≒４．５μｍまで伸びており、透明性が多光子吸収のバンドで終わっている（例えば、Ｓｉｎｇｈの図１を参照されたい）。
ＳｉＣの機械的、化学的および熱的特性は、様々な光学用途にとって魅力的である。望ましい特性には、低密度、高強度および硬度、高耐摩耗性、高熱衝撃性、高熱伝導性および化学的安定性が含まれる。化学的気相成長（ＣＶＤ）によって成長した多結晶３Ｃ－ＳｉＣは、過酷な環境での動作のための中赤外窓およびドームのための潜在的な材料として研究されている。Ｇｏｅｌａ ｅｔ ａｌ．，Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ＳｉＣ ｆｏｒ ｍｉｄ－ＩＲ ｗｉｎｄｏｗｓ ａｎｄ ｄｏｍｅｓ，ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２２８６（１９９４）４６－５９を参照されたい。
六方晶単結晶ＳｉＣは、光導波路の材料として検討されている。Ｌｕａｎ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃａｌ ｒｉｄｇｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｉｎ ４Ｈ－ＳｉＣ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｉｏｎ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．６（２０１４）１１６６－１１７１、特許公報第６００２１０６号（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ）、並びに、中国特許公報第１０３４７２５３３号（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｒｅｐａｒｉｎｇ Ｅｒ－Ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）を参照されたい。
昇華成長した４Ｈ－ＳｉＣおよび６Ｈ－ＳｉＣ単結晶の可視（ＶＩＳ）～ＩＲ領域での光吸収が研究されている。Ｗｅｌｌｍａｎｎ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｏｐｉｎｇ Ｌｅｖｅｌｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ＳｉＣ，Ｍａｔ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．Ｂ９１－９２（２００２）７５－７８を参照されたい。これらの結晶は、Ｎ、Ｂ、Ａｌが最大１・１０１８ｃｍ－３の量でドープされており、光透過率が低くなっている。４Ｈ－ＳｉＣおよび６Ｈ－ＳｉＣ結晶の赤外域における光透過および反射が研究されている。Ｃｕｉａ ｅｔ ａｌ．，Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ４Ｈ－ ａｎｄ ６Ｈ－ＳｉＣ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌｓ，Ｍａｔ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒ．Ｖｏｌｓ．８２１－８２３，ｐｐ ２６５－２６８（２０１５）を参照されたい。研究対象のサンプルには、純粋（意図的なドーピングなし）、Ｎドープ、Ｂドープ、ＶＣＳＩおよびＨＰＳＩが含まれていた。これらすべての研究において、ＮドープおよびＢドープＳｉＣ結晶は、ドーパント濃度とともに増加する著しい光学損失を示した。純粋なＳｉＣ結晶では、特に可視領域において、損失が小さくなった。最も優れたＩＲ光透過性は、半絶縁性のＶＣＳＩおよびＨＰＳＩサンプルで測定された。
４Ｈ－ＳｉＣと６Ｈ－ＳｉＣは、６ｍｍ空間群に属する正単軸結晶である。昇華によって成長した半絶縁性の４Ｈ－ＳｉＣおよび６Ｈ－ＳｉＣ単結晶について、波長、偏光（通常対異常）および温度に対する屈折率の依存性が研究されている。Ｘｕ ｅｔ ａｌ．，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｉｃｅｓ ｆｏｒ ４Ｈ ａｎｄ ６Ｈ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１１５，１１３５０１（２０１４）１－４を参照されたい。これらの測定のために、プリズムのエッジがｃ軸に平行な単結晶から、頂角の小さいプリズムを製造した。４Ｈ－ＳｉＣと６Ｈ－ＳｉＣの屈折率とその分散の値は、実質的に同じであることが分かった。
大型の半絶縁性ＳｉＣ単結晶は、ＶＣＳＩとＨＰＳＩの両方が市販されているが、伝送光学分野での産業利用は知られていない。これは、これまで十分に理解も制御もされていなかった六方晶ＳｉＣの残留光学損失が原因であると考えられる。ＳｉＣの基本的な透明度の範囲内での光吸収の原因となる様々なメカニズムが文献で議論されている。それらは、ドーピングによって引き起こされるバンドギャップの狭まり、ドーパント、不純物または欠陥を含む遷移（例えば、Ａｔａｂａｅｖ ｅｔ ａｌ．，Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ４Ｈ－ＳｉＣ Ｄｏｐｅｄ ｗｉｔｈ Ｂｏｒｏｎ ａｎｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ，Ｊ．ｏｆ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（２０１８）Ａｒｔｉｃｌｅ ＩＤ ８７０５６５８の図１を参照）、バンド内遷移、および自由キャリアによる吸収を含む。
図１～図３に例示したウェハ１０および光学デバイス１６は、可視域の約４２０ｎｍから近赤外域の約４．５μｍまでの波長範囲で優れた光透過率を有する６Ｈまたは４Ｈポリタイプのバナジウムで補償されたＳｉＣ単結晶を含むことができる。本発明のＳｉＣ単結晶は、光学窓、レンズ、プリズム、導波路に限定されるものではないが、それらを含む伝送光学の用途で光学材料として使用することができる。
本明細書に記載のＳｉＣ単結晶は、昇華によって成長したバナジウム補償４Ｈ－ＳｉＣ結晶および６Ｈ－ＳｉＣ結晶であってもよい。成長中、結晶は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定されるように、９・１０１６ｃｍ－３～１．５・１０１７ｃｍ－３のレベルにバナジウムをドープ（補償）することができる。Ｎ、Ｂ、Ａｌなどの浅い不純物の濃度は、ＳＩＭＳで測定した場合、３・１０１６ｃｍ－３を超えないように制御することができる。バナジウムドーピングおよび浅い不純物制御のための技術は、米国特許第７，６０８，５２４号、第８，２１６，３６９号、第８，３６１，２２７号、第８，８５８，７０９号、第９，０１７，６２９号および第９，０９０，９８９号に記載されている。
ウエハ１０または光学素子１６を構成するＳｉＣ結晶は、介在物やサブグレインなどの寸法的な結晶欠陥がなく、総転位密度が１・１０４ｃｍ－２未満である高い構造品質を有し得る。全体的な結晶品質は、Ｘ線ロッキングカーブの手法を用いて評価することができる。２５秒角未満のＦＷＨＭを有するＸ線反射は、高い結晶品質の典型的な徴候である可能性がある。
４Ｈ－ＳｉＣまたは６Ｈ－ＳｉＣ単結晶で形成されたウェハ１０は、化学機械研磨（ＣＭＰ）され、１５０ｍｍの直径および０．５ｍｍの厚さを有する。ウェハ１０は、「軸上」、すなわち、その面１２が六角形のｃ軸に垂直となるように配向することができる。ウエハ１０のスライス、ラッピングおよび研磨は、既知の製造技術に従って実行することができる。
光学デバイス１６に関連する光透過率および反射率は、Ｃａｒｙ７０００ユニバーサル測定分光光度計（ＵＭＳ）を用いて、ＶＩＳ－ＩＲ範囲で測定することができる。本開示による光学パラメータの計算のために展開される数学的形式は、式（Ａ１ａ）～（Ａ７）に関連して以下に記載されるようなものであってもよい。
４Ｈ－ＳｉＣおよび６Ｈ－ＳｉＣは、六方晶単軸結晶である。このような結晶では、光軸が結晶学的な六角形のｃ軸と一致している。このような結晶のｃ面に対して垂直に光ビームが入射すると、その偏光が常に光軸に対して垂直になる。すなわち、このような光ビームは通常のビームであり、その伝播が通常の屈折率ｎｏによって支配される。（先に引用した）Ｘｕの文献の表１と式（３）をｎｏに用い、Ｔ＝３００Ｋを代入すると、室温でのｎｏ（λ）の式を得ることができる。
六方晶単軸結晶のｃ面に対して垂直に入射する光ビームの場合、反射率（Ｒ）は次のように表される。
平行な面を有するプレートの光透過率と反射率は、プレートの表裏の界面での多重反射を考慮して計算される。この近似により、測定した透過率（Ｔｍｅｓ）と反射率（Ｒｍｅｓ）について以下の式が得られる。Ｐａｎｋｏｖｅ Ｊ．，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，Ｄｏｖｅｒ Ｐｕｂｌ．ＮＹ １９７１，ｐ．９３、並びに、Ｆ．Ｓｏｌｅｒ，Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ａｎ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｐｌａｔｅ，Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍ．１３９（１９９７）１６５－１６９を参照されたい。
式（Ａ３）、（Ａ４）において、αは吸収係数（ｃｍ－１）、ｄはプレートの厚さ（ｃｍ）である。反射率Ｒの値が既知であれば、式（Ａ３）はαに関して次のように解くことができる。
完全に透明なプレートである極端な場合の透過率と反射率は、α＝０を代入することで、式（Ａ３）、（Ａ４）から次のように求めることができる。
ＳｉＣ単結晶の光吸収係数は、測定した透過率（Ｔｍｅｓ）と反射率（Ｒ）を用いて、式（Ａ５）から算出した。Ｒの値は、Ｘｕの文献により決定される４Ｈおよび６Ｈの屈折率分散（Ａ１ａ）および（Ａ１ｂ）から、式（Ａ２）を用いて算出した。
光の透過率および反射率に加えて、ＳｉＣ単結晶の電気抵抗率を、感度が１・１０５～１・１０１２Ωｃｍの非接触機器ＣＯＲＥＭＡ－Ｗを用いて室温で測定した。温度可変型の非接触抵抗率計ＣＯＲＥＭＡ－ＶＴを用いて、２５～４００℃の温度範囲における抵抗率の温度依存性を測定し、電気伝導率の活性化エネルギーの値（ＥＡ）を算出した。ウェハ抵抗率が１・１０１２Ωｃｍを超える場合は、ＥＡの値を用いて、抵抗率をＴ＝３００Ｋに外挿して室温の抵抗率を評価した。本実施例のＳｉＣ結晶はすべて、抵抗率が１・１０６～１・１０１４Ωｃｍであった。
いくつかの高抵抗バナジウム補償４Ｈ－ＳｉＣウエハ上で０．３５～０．８０μｍの可視範囲で測定した透過曲線５０（Ｔｍｅｓ＠０°ＡＯＩ）と反射曲線５２（Ｒｍｅｓ＠６°ＡＯＩ）の例が、図４に示されている。いくつかの高抵抗バナジウム補償６Ｈ－ＳｉＣウェハ上で０．３５～０．８０μｍの可視範囲で測定した透過曲線５４（Ｔｍｅｓ＠０°ＡＯＩ）および反射曲線５６（Ｒｍｅｓ＠６°ＡＯＩ）の例が、図５に示されている。
式（Ａ５）を使用して計算した２枚のウェハ、高抵抗率の４Ｈ－ＳｉＣ（線６０）および高抵抗率の６Ｈ－ＳｉＣ（線５８）についての可視範囲での吸収スペクトルα（λ）の例が、図６に示されている。これらの吸収曲線６０、５８は、２つの異なる吸収領域を示しており、４Ｈ結晶では約０．４０μｍ未満の波長で、６Ｈ結晶では約０．４４μｍ未満の波長で、それぞれ吸収が急上昇する。この吸収上昇は、基本的なカットオフ、すなわち価電子帯から伝導帯への遷移によるものと考えられる。その傾きは、六方晶ＳｉＣのバンドギャップとフォノンアシスト電子遷移の間接的な性質により、λ－２に比例する。Ｓｒｉｄｈａｒａ ｅｔ ａｌ．，Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ４Ｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ ｆｒｏｍ ３９００ ｔｏ ３２５０ Ａ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．８４，Ｎｏ．５（１９９８）２９６３－２９６４を参照されたい。
図６に示すように、０．４５～０．７μｍにバンドエッジ付近の吸収「ショルダ」があり、その振幅が、λが約０．７μｍにおける約０．０１ｃｍ－１と、λが約０．４５μｍにおける約１ｃｍ－１との間である。この残留吸収はワイドバンドギャップ半導体でよく見られるもので、結晶欠陥や不純物などの不特定の浅いレベルの電子遷移に起因していることが多い。λが約０．７μｍを超える波長での光吸収は、非常に低く、０．１ｃｍ－１未満である。
今回の研究対象となったバナジウム補償ＳｉＣ結晶はすべて光を透過したが、その透過率には大きなバラツキが見られる。そのようなバラツキの例を図７に示すが、これは、６枚の異なるバナジウム補償６Ｈ－ＳｉＣウエハ上で測定したＶＩＳ－ＮＩＲ範囲での光学透過率を示すものである。最も低い透過率の２つの曲線６６は、２枚のＮｕタイプの６Ｈウエハ上で測定したものである。（Ｎｕタイプとは、浅いドナー（窒素）が浅いアクセプタ（Ａｌ＋Ｂ）よりも優勢な補償型のＳｉＣ結晶のタイプを指している）。このＮｕタイプのウェハの抵抗率は、９・１０９Ωｃｍ～２・１０１１Ωｃｍの範囲であった。
図７の最高透過率の２つの曲線６２（一方は実線で、他方は点線）は、Ｐｉタイプの２枚のウェハを示している。（Ｐｉタイプとは、浅いアクセプタ（この場合Ａｌ）が浅いドナー（Ｎ）よりも優勢な補償型のＳｉＣ結晶のタイプを意味している）。これらのウェハの抵抗率は、１・１０６Ωｃｍ～１・１０７Ωｃｍの範囲であった。
図７の２つの曲線６４は、Ｎ（浅いドナー）を超える濃度のホウ素（浅いアクセプタ）を含むＰｉタイプの２枚の６Ｈ－ＳｉＣウエハの光透過率を示している。これらのウェハの抵抗率は、１・１０１２Ωｃｍ～１・１０１４Ωｃｍであった。
様々なドーピングおよび抵抗率を有するいくつかの４Ｈ－ＳｉＣおよび６Ｈ－ＳｉＣウェハについて、式（Ａ５）を用いて計算した可視範囲での光吸収を、図８および図９に示している。
図８および図９の線６８、７６で示す最も強い吸収は、浅い不純物バックグラウンドで窒素が優勢なＮｕタイプのウェハの吸収である。４Ｈウェハは１・１０１１Ωｃｍの抵抗率を有し、６Ｈウェハは１・１０９Ωｃｍの抵抗率を有していた。これらのウェハでは、可視範囲だけでなく、赤外域においても光吸収が最も高かった。
また、線７０、７７で示すやや低い光吸収率もＮｕタイプのウェハのものである。しかしながら、これらのウェハは、４Ｈでは５・１０１２Ωｃｍ、６Ｈでは５・１０１０Ωｃｍの高い抵抗率を有していた。
図８および図９の線７２、７４、７８は、浅い不純物バックグラウンドでホウ素が優勢なＰｉタイプのウェハで測定した光吸収を示している。４Ｈウェハは、１・１０１３Ωｃｍ（線７２）および１・１０１４Ωｃｍ（線７８）の抵抗率を有していた。６Ｈウェハは、１・１０１１Ωｃｍ（線７８）の抵抗率を有していた。これらのウェハにおける吸収は、バンドエッジショルダに限定され、赤外域には及ばなかった。
最も低い光吸収は、図９の曲線８０、８２で示されている。これは、浅い不純物バックグラウンドでＡｌが優勢なＰｉタイプの２枚の６Ｈ－ＳｉＣウエハ上で測定された。このウェハは、１・１０５Ωｃｍおよび１・１０７Ωｃｍの比較的低い抵抗率を有していた。
バナジウム補償ＳｉＣ結晶の光吸収率、そのタイプ、ドーピングおよび抵抗率の相関を以下の表１に示している。なお、λ＝２．５μｍで赤外域で測定した光吸収係数を最後の欄に加えた。
得られたデータは、可視および近赤外スペクトル範囲の伝送光学における用途のために、特定のタイプのバナジウム補償高抵抗ＳｉＣ単結晶を選択するための指針となる可能性がある。
６Ｈおよび４Ｈポリタイプのバナジウム補償高抵抗ＳｉＣ単結晶は、特にドーピングと抵抗率が最適化されている場合に、可視域の４２０ｎｍから赤外域の約４．５μｍまでの波長範囲の伝送光学における要求の厳しい用途に適している。
バンドギャップが広いため、バナジウム補償４Ｈ－ＳｉＣ単結晶は、４５０ｎｍ未満の短波長の光学用途に好適である。
Ｎｕタイプのバナジウム補償ＳｉＣ単結晶は、その抵抗率が６Ｈで１・１０１０Ωｃｍ未満、４Ｈで１・１０１２Ωｃｍ未満である場合、要求の厳しい光学用途には使用できない。そのような結晶は、可視域では１ｃｍ－１に近い、赤外域では最大０．１ｃｍ－１の光学損失を持つことになる。
Ｎｕタイプのバナジウム補償ＳｉＣ単結晶は、その抵抗率が６Ｈで１・１０１１Ωｃｍを超え、４Ｈで５・１０１２Ωｃｍを超える場合、赤外域での光学用途に使用することができる。このような結晶の場合、赤外域での光吸収は０．０１ｃｍ－１未満となる。
浅い不純物バックグラウンドでホウ素が優勢なＰｉタイプのバナジウム補償ＳｉＣ単結晶は、その抵抗率が６Ｈで１・１０１１Ωｃｍを超え、４Ｈで１・１０１３Ωｃｍを超える場合に、赤外域での光学用途に使用することができる。このような結晶の場合、赤外域での光吸収は０．０１ｃｍ－１未満となる。
浅い不純物バックグラウンドでホウ素が優勢なＰｉタイプのバナジウム補償ＳｉＣ単結晶は、その抵抗率が４Ｈで１・１０１３Ωｃｍを超え、６Ｈで５・１０１１Ωｃｍを超える場合、可視域での光学用途に使用することができる。このような結晶の場合、光吸収は、λ＝４５０ｎｍで０．８ｃｍ－１未満、λ＝７５０ｎｍで０．０１ｃｍ－１未満である必要がある。
浅い不純物バックグラウンドでアルミニウムが優勢なＰｉタイプのバナジウム補償された６Ｈ－ＳｉＣ単結晶は、その抵抗率が１・１０５～１・１０８Ωｃｍである場合、要求の厳しい光学用途に使用することができる。このような結晶は、可視範囲で最高の透過率を提供することができる。それらの光吸収は、λ＝４５０ｎｍで０．８ｃｍ－１未満、λ＝７５０ｎｍで０．０１ｃｍ－１未満である必要がある。それらのバンドエッジ付近の吸収ショルダは、他のすべての結晶のタイプよりも低くて狭い。
上述したものは例示である。本開示は、添付の特許請求の範囲を含む本願の範囲内に収まる、本明細書に記載の主題に対する変更、修正および変形を包含することを意図している。本明細書において、「～を含む」という用語は、～を含むが、～に限定されないことを意味している。「～に基づく」という用語は、少なくとも部分的に～基づくことを意味している。さらに、本開示または特許請求の範囲が、「ａ」、「ａｎ」、「第１」または「別の」要素、またはそれらと同等のものを記載している場合、それは、そのような要素を１または複数含むと解釈されるべきであり、２以上のそのような要素を必要とするものではなく、また２以上のそのような要素を除外するものではない。
新規であり、米国の特許証によって保護されることが望まれると主張されるものは、以下の通りである。
Claims (10)
- ６Ｈまたは４Ｈポリタイプの炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶であって、
前記ＳｉＣ単結晶が、光エネルギーまたは光情報を伝送するように構成され、前記光エネルギーまたは前記光情報が、４２０ｎｍ～４．５μｍの範囲の波長の光を有し、前記ＳｉＣ単結晶が室温において抵抗率が１・１０5Ωよりも大きいことを特徴とする炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶。 - 請求項１に記載のＳｉＣ単結晶において、
前記ＳｉＣ単結晶がバナジウム補償４Ｈ－ＳｉＣ単結晶であり、前記光の波長が４２０ｎｍから４５０ｎｍ未満の範囲であることを特徴とするＳｉＣ単結晶。 - 請求項１に記載のＳｉＣ単結晶において、
前記ＳｉＣ単結晶が、６ＨポリタイプおよびＮｕタイプのバナジウム補償ＳｉＣ単結晶であり、抵抗率が室温において１・１０１０Ωｃｍ以上であることを特徴とするＳｉＣ単結晶。 - 請求項１に記載のＳｉＣ単結晶において、
前記ＳｉＣ単結晶が、４ＨポリタイプおよびＮｕタイプのバナジウム補償ＳｉＣ単結晶であり、抵抗率が室温において１・１０１２Ωｃｍ以上であることを特徴とするＳｉＣ単結晶。 - 請求項１に記載のＳｉＣ単結晶において、
前記ＳｉＣ単結晶が、６ＨポリタイプおよびＮｕタイプのバナジウム補償ＳｉＣ単結晶であり、抵抗率が室温において１・１０１１Ωｃｍより大きいことを特徴とするＳｉＣ単結晶。 - 請求項１に記載のＳｉＣ単結晶において、
前記ＳｉＣ単結晶が、浅い不純物バックグラウンドでホウ素が優勢な６ＨポリタイプおよびＰｉタイプのバナジウム補償ＳｉＣ単結晶であり、抵抗率が室温において１・１０１１Ωｃｍより大きいことを特徴とするＳｉＣ単結晶。 - 請求項１に記載のＳｉＣ単結晶において、
前記ＳｉＣ単結晶が、浅い不純物バックグラウンドでホウ素が優勢な４ＨポリタイプおよびＰｉタイプのバナジウム補償ＳｉＣ単結晶であり、抵抗率が室温において１・１０１３Ωｃｍより大きいことを特徴とするＳｉＣ単結晶。 - 請求項１に記載のＳｉＣ単結晶において、
前記ＳｉＣ単結晶が、浅い不純物バックグラウンドでホウ素が優勢な４ＨポリタイプおよびＰｉタイプのバナジウム補償ＳｉＣ単結晶であり、抵抗率が室温において１・１０１３Ωｃｍより高いことを特徴とするＳｉＣ単結晶。 - 請求項１に記載のＳｉＣ単結晶において、
前記ＳｉＣ単結晶が、浅い不純物バックグラウンドでホウ素が優勢な６ＨポリタイプおよびＰｉタイプのバナジウム補償ＳｉＣ単結晶であり、抵抗率が室温において５・１０１１Ωｃｍより高いことを特徴とするＳｉＣ単結晶。 - 請求項１に記載のＳｉＣ単結晶において、
前記ＳｉＣ単結晶が、浅い不純物バックグラウンドでアルミニウムが優勢なＰｉタイプのバナジウム補償６Ｈ－ＳｉＣ単結晶であり、抵抗率が室温において１・１０５～１・１０８Ωｃｍであることを特徴とするＳｉＣ単結晶。
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