JPS61291495A - 炭化珪素単結晶基板の製造方法 - Google Patents

炭化珪素単結晶基板の製造方法

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JPS61291495A
JPS61291495A JP13487385A JP13487385A JPS61291495A JP S61291495 A JPS61291495 A JP S61291495A JP 13487385 A JP13487385 A JP 13487385A JP 13487385 A JP13487385 A JP 13487385A JP S61291495 A JPS61291495 A JP S61291495A
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JP
Japan
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single crystal
silicon carbide
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alpha
sic
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JP13487385A
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Akira Suzuki
彰 鈴木
Masaki Furukawa
勝紀 古川
Mitsuhiro Shigeta
光浩 繁田
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はα型炭化珪素(SiC)の単結晶基板を製造す
る方法に関するものである。
〈従来の技術〉 炭化珪素は広い禁制帯幅(2,2〜3.3eV)を有し
、また熱的、化学的及び機械的に極めて安定な性質を示
す半導体材料であり放射線損傷にも強いという優れた特
徴をもっている。また、広い禁制帯幅をもつ半導体とし
ては珍らしく、β型及びn型の両導電型共安定に存在す
る材料である。従って可視光短波長用発光受光素子、高
温動作素子、大電力用素子、高信頼性半導体素子、耐放
射線素子等の半導体材料として有望視されている。また
、従来の半導体材料を用いた素子では困難な環境下でも
使用可能となり、半導体デバイスの応用範囲を著しく拡
大し得る材料である。他の広い禁制帯幅をもつ半導体材
料、例えば■〜■族化合物半導体や111〜V族化合物
半導体が、一般に重金属をその主成分に含有し、このた
めに公害と資源の問題を伴なうものに対して、炭化珪素
はこれらの両問題よシ解放されている点からも電子材料
として有望視されるものである。
炭化珪素には多くの結晶構造(polytype。
多形と称される)が存在し、大きくα型の炭化珪素とβ
型の炭化珪素に分けられる。β型の炭化珪素は立方晶系
(Cubic )に属する結晶構造をもち、炭化珪素の
中で2.2eVと最も禁制帯幅が小さいのに対し、α型
の炭化珪素は六方晶糸(HexagonaI)や菱面体
晶系 (Rhombohedral )に属する結晶構造をも
ち、2.9〜3.3eVと炭化珪素の中でも大きな禁制
帯幅をもつ。このためα型炭化珪素は、その広い禁制帯
@金利用して青色をはじめとする短波長可視光及び近紫
外光の発光素子、受光素子等の光電変換素子材料として
非常に有望視されている半導体材料である。青色をはじ
めとする短波長可視光発光素子用の有望な材料として、
他に硫化亜鉛(ZnS )、セレン化亜鉛(Zn5e 
)、g化ガリ・ラム(GaN)等があるが、いずれも通
常はp型、n型の一方の導電型の結晶しか得られず、両
方の導電型の結晶を得るには多くの困難がともなう。
これに対してα型炭化珪素はp型、n型側導電型の結晶
を製作するのが容易でp −n接合構造を形成できるた
め、発光特性や電気的特性に優れた発光素子、受光素子
の実現が期待できる。また熱的、化学的、機械的に極め
て安定な性質をもっているため、他の半導体材料に比し
て広範な応用領域を開拓することができる。
〈発明が解決しようとする問題点〉 このように、α型炭化珪素は多くの利点や可能性を有す
る材料であるにもかかわらず実用化が阻まれているのは
、生産性を考慮した工業的規模での量産に必要となる高
品質の大面積炭化珪素基板を得る上で、寸法、形状、品
質を再現性良く制御できる結晶成長技術が確立されてい
ないところにその原因がある。
従来、研究室規模でα型炭化珪素単結晶基板を得る方法
としては、黒鉛坩堝中で炭化珪素粉末を2.200〜2
,600℃で昇華させ、さらに再結晶させて炭化珪素基
板を得るいわゆる昇華再結晶法(レーリー法と称される
)、珪素又は珪素に鉄、コバルト、白金等の不純物を混
入した混合物を黒鉛坩堝で溶融して炭化珪素基板を得る
いわゆる溶液法のほか、研摩材料を工業的に得るために
一般に用いられているアチェソン法によ)偶発的に得ら
れる炭化珪素基板を用いる方法等がある。これらの結晶
成長法で得られたα型炭化珪素を基板として、その上に
液相エピタキシャル成長法CLPE法)や気相成長法(
CVD法)でα刑法化珪素単結晶層をエピタキシャル成
長させてp−n接合を形成し、青色発光ダイオード(L
ED)が製作されている。
しかしながら、上記昇華再結晶法、溶液法では多数の小
形の単結晶を得ることはできるが、多くの結晶核が結晶
成長初期に発生する為に大型で良質の単結晶基板を得る
ことが困難である。又、アチェソン法によシ偶発的に得
られる炭化珪素基板は半導体材料として使用するには純
度及び結晶性の点で問題があり、又、比較的大型のもの
が得られても偶発的に得られるものである。このように
α型炭化珪素基板を製作するための従来の結晶成長法は
寸法、形状、品質、不純物等の制御が困難であり、量産
性を考慮した工業的規模で炭化珪素単結晶基板を得る方
法としては適当でない。上述したように、これらの方法
で得たび型炭化珪素基板上に液相エピタキシャル法や気
相成長法で発光ダイオードが製作されているが、大面積
で高品質のα型単結晶基板を工業的に得る方法が無いた
め、量産実用化に即した技術の開発は進展していない。
一方、構成元素や結晶構造がα型炭化珪素とは異なる珪
素(Si)、サファイア(AlzO3)、β型炭化珪素
(β−5iC)等の異種単結晶基板上にCVD法、LP
E法、MBE (分子線エピタキシャル成長)法等でエ
ピタキシャル成長して炭化珪素の単結晶膜が得られてい
るが、β型の炭化珪素膜しか得られていない。
〈発明の概要〉 本発明は上述の問題点に鑑み、これらの異種単結晶基板
上に炭化珪素を単結晶成長させる場合に、アルミニウム
CAl)と窒素(N )、:/f+)tム(Ga )と
窒素(N)またはアルミニウムとガリウムと窒素を成長
層に添加することによυα型の炭化珪素単結晶を成長さ
せるものである。α−5iCは少しずつ結晶構造の異な
る種類に分けられ、2H形、4H形、6H形がその代表
的なものである。アルミニウムと窒素からなる窒化アル
ミニウム(AlN)の単結晶及びガリウムと窒素からな
る蟹化ガリウム(GaN)の単結晶は2H形のα−5i
Cと全く同じ結晶構造をもつ。また、格子定数及び熱膨
張係数はα−5iCが3.08 A。
4.2X10K  に対して、AlJN及びGaNがツ
レツレ3.10OA、4.15×IC6に″及ヒ3.1
9cA。
5.59X10K とび−3iCに近い値を示す。
更に、AlNとGaNLviM晶単結晶A 11 XG
a1−xN(0<X<1)も同じ結晶構造をもち、格子
定数及び熱膨張係数は混晶化Xに応じてA6NとGaN
の中間の値を示す。このため、SiC単結晶成長時にA
lとN、GaとNまたばAlJとGaとNを添加するこ
とによシ、SiC成長層はAJN。
GaNまたはA6xGa、−XNのもつ2H形の結晶構
造に誘起されて2H形のび一5iCあるいは2H形に近
い4H形や6H形のび一8iCとなる。
Aj?N、GaN及びAexGal−xNの格子定数や
熱膨張係数がSiCに近い値であることから、これらの
元素を添加しても結晶性の良いα−5iCを得ることが
できる。特にAlとNを用いる場合は、AlNの格子定
数と熱膨張係数がα−5iCのそれらと非常に近いため
きわめて有利である。
また、異種単結晶基板としては、β−5iC’i用いる
と、構成元素が同じであシ、′格子定数と熱膨張係数も
α−5iCとほぼ同じであるため、良質の単結晶を得る
ことができる。
〈実施例〉 以下、β−3iC単結晶を基板としてCVD法によりS
 iCをエピタキシャル成長させる場合に、アルミニウ
ムと窒素を添加することによりα−5iCを作製する実
施例にもとすいて本発明の詳細な説明する。基板として
用いたβ−3iC単結晶は本実施例では本発明者がβ−
5iC単結晶を成長させる方法(特開昭59−2037
99号)としてすでに提唱した二温連続CVD法で成長
させたものを用いた。
添付図面は本実施例に用いられるCVD成長装置の構成
図である。水冷式横型二重石英反応管1内に、黒鉛製試
料台2が黒鉛製支持棒3によシ設置されている。反応管
1の外胴部に巻回されたワークコイ/L/4に高周波電
流を流してこの試料台2を誘導加熱する。別の黒鉛製試
料台17が石英製支持台16上に設置され、ワークコイ
ル19に高周波電流を流すことによシ誘導加熱される。
反応管1の片側にはガス流入口となる枝管5が設けられ
、二重石英反応管1の外側の石英管内には枝管6.7を
介して冷却水が供給される。反応管1の他端はステンレ
ス鋼製のフランジ8、止め板9、ボルト10.ナツト1
1.0−リング12にてシー/しされている。フランジ
8にはガスの出口となる枝管13が設けられ、支持台1
4に黒鉛棒3が固定される。試料台2の上にβ−5iC
単結晶基板15が載置され、試料台17の上にアルミニ
ウム金属18が載置される。この装置を用いてα−°S
iC単結晶を以下の様に成長させる。
まず、反応管1内を排気し水素ガスで置換した後、ワー
クコイル4に高周波電流を流して黒鉛製試料台2を加熱
し、β−3iC基板15の温度を約1700℃とする。
次にワークコイル19に高周波電流を流して黒鉛製試料
台17を加熱し、その温度を約800℃としてアルミニ
ウム18を溶融する。毎分31の流量の水素キャリアガ
ス中に、原料ガスとしてプロパン(C3°Hs)を毎分
0.1〜Q、 4 cc sモノシラン(SiH4)e
毎分0.1〜Q、 4 cc 、窒素(N2)を毎分1
0〜40CC1溶融アルミニウムのエツチングガスとし
て塩化水素(HCj? )を毎分1〜5 ccの流量で
混合し、枝管5より反応管1内へ供給して成長を行なっ
た。
溶融アルミニウムは塩化水素ガスでエツチングされてキ
ャリアガス中に含まれβ−5iC基板上に輸送される。
その結果、1時間の成長で約3μmの厚さのCVD成長
膜が基板上の全面に得られた。
反射電子線回折(RHEED )による成長膜の結晶構
造の解析の結果、2H形のα−5iCの単結晶膜である
ことが判明した。また、成長膜のオージェ電子分光分析
の結果、成長膜中にアルミニウム窒素が不純物として含
まれていた。
以上の実施例におけるCVD法においては、原料ガスと
してプロパン及びモノ7ランを用い、アルミニウム供給
源として金属アルミニウムと塩化水素ガス、窒素供給源
として窒素ガスを用いたが、原料ガスとして他の原料を
用いてもよい。またアルミニウム供給源として有機金属
アルミニウムガス等を用いてもよく、窒素供給源として
もアンモニア(N H3)ガス等を用いることができる
。また、本実施例のSiC成長法としてCVD法を用い
たが、液相成長法昇華再結晶法、蒸着法、MBE法、ス
パッタ法、あるいは他の手法を使用したCVD法など種
々の成長方法を利用してもよい。
尚、上記実施例によシ得られるα−5iC単結晶は、不
純物としてアlレミニウム、ガリウムあるいは窒素等を
含有することになるがよシ高純度のび一3iC単結晶を
得るには得られたα−5iC単結晶上に重畳してCVD
法等の結晶成長に関する既知の各種手法によって不純物
を含まない高純度のα−3iCをエピタキシャル成長す
ればよい。
〈発明の効果〉 本発明を用いれば、工業的規模での量産性に優れた大面
積、高品質のα型炭化珪素単結晶の製造が可能となシ、
青色を初めとする短波長可視光及び近紫外光の発光素子
、受光素子等の光電変換材料として安定した実用化の道
が開ける。また、熱的、化学的、機械的に極めて安定な
性質を生かして、広範な分野での炭化珪素単結晶の応用
が期待添付図面は本発明の1実施例の説明に供する成長
装置の断面図である。
1・・・反応管、 2,17・・試料台、 3・・・支
持棒、 4,19・・・ワークコイル、 5,6.7゜
13・・・枝管、 8・・・フランジ、 9・・・止め
板、10・・・ボルト、  11・・・ナツト、  1
2・・・O−リング、  14・・・支持台、 15・
・・β型炭化珪素単結晶基板、  16・・・支持台、
 18・・・アルミニウム金属。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、基板上にAlとN、GaとNまたはAlとGaとN
    が添加されたα型SiCを成長させることを特徴とする
    炭化珪素単結晶基板の製造方法。
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