JPWO2014103394A1

JPWO2014103394A1 - ｎ型ＳｉＣ単結晶の製造方法

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Abstract

低抵抗率を有するｎ型ＳｉＣ単結晶を速い速度で成長させることができるｎ型ＳｉＣ単結晶の製造方法を提供する。内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液にＳｉＣ種結晶基板を接触させてｎ型ＳｉＣ単結晶を結晶成長させる、ｎ型ＳｉＣ単結晶の製造方法であって、Ｓｉ−Ｃ溶液を形成するための原料またはＳｉ−Ｃ溶液に、窒化物を添加することを含む、ｎ型ＳｉＣ単結晶の製造方法。

Description

本発明は、半導体素子として好適なｎ型ＳｉＣ単結晶の製造方法に関する。

ＳｉＣ単結晶は、熱的、化学的に非常に安定であり、機械的強度に優れ、放射線に強く、しかもＳｉ単結晶に比べて高い絶縁破壊電圧、高い熱伝導率などの優れた物性を有する。そのため、Ｓｉ単結晶やＧａＡｓ単結晶などの既存の半導体材料では実現できない高出力、高周波、耐電圧、耐環境性等を実現することが可能であり、大電力制御や省エネルギーを可能とするパワーデバイス材料、高速大容量情報通信用デバイス材料、車載用高温デバイス材料、耐放射線デバイス材料等、といった広い範囲における、次世代の半導体材料として期待が高まっている。

ＳｉＣ単結晶の成長法としては、代表的には気相法、アチソン（Ａｃｈｅｓｏｎ）法、及び溶液法が知られている。気相法のうち、例えば昇華法では、成長させた単結晶にマイクロパイプ欠陥と呼ばれる中空貫通状の欠陥や積層欠陥等の格子欠陥及び結晶多形が生じやすいという欠点を有するが、結晶の成長速度が大きいため、従来、ＳｉＣバルク単結晶の多くは昇華法により製造されており、成長結晶の欠陥を低減する試みも行われている。アチソン法では原料として珪石とコークスを使用し電気炉中で加熱するため、原料中の不純物等により結晶性の高い単結晶を得ることは不可能である。

溶液法は、黒鉛坩堝中でＳｉ融液またはＳｉ融液に合金を融解し、その融液中にＣを溶解させ、低温部に設置した種結晶基板上にＳｉＣ結晶層を析出させて成長させる方法である。溶液法は気相法に比べ熱平衡に近い状態での結晶成長が行われるため、昇華法よりも低欠陥化が期待できる。このため、最近では、溶液法によるＳｉＣ単結晶の製造方法がいくつか提案されており、結晶欠陥が少ないＳｉＣ単結晶を得る方法が提案されている（特許文献１）。

また、ＳｉＣ単結晶をパワーデバイス等の電子デバイスに適用しようとする場合等、電力損失を低減するために、体積抵抗率（以下、抵抗率とする）の小さなＳｉＣ単結晶を得ようとする試みが行われている。例えば、ＳｉＣ単結晶の抵抗率を低減するために、溶液法を用いて坩堝内に窒素ガスを供給し、ＳｉＣ単結晶にｎ型のドーパントをドープさせて、抵抗率の低いｎ型ＳｉＣ単結晶を成長させることが提案されている（特許文献２）。

特開２００８−１０５８９６号公報特開２０１０−１８９２３５号公報

このように、溶液法において、高品質のＳｉＣ単結晶を得ようとする試みが行われている。しかしながら、特許文献２のように、坩堝内に窒素ガスを供給してｎ型ＳｉＣ単結晶を成長させる場合、成長速度を速くしようとすると、成長結晶に雑晶が発生して単結晶が得られないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低抵抗率を有するｎ型ＳｉＣ単結晶を速い速度で成長させることができるｎ型ＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液にＳｉＣ種結晶基板を接触させてｎ型ＳｉＣ単結晶を結晶成長させる、ｎ型ＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
Ｓｉ−Ｃ溶液を形成するための原料またはＳｉ−Ｃ溶液に、窒化物を添加することを含む、
ｎ型ＳｉＣ単結晶の製造方法である。

本発明によれば、速い速度で成長させて低抵抗率を有するｎ型ＳｉＣ単結晶を得ることができる。

本発明において使用し得る溶液法による単結晶製造装置の断面模式図である。本発明に係る方法で成長させた成長結晶を、成長面である（０００−１）面から観察した外観写真である。従来技術に係る方法で成長させた成長結晶を、成長面である（０００−１）面から観察した外観写真である。従来技術に係る方法で成長させた成長結晶を、成長面である（０００−１）面から観察した外観写真である。本発明に係る方法で成長させた成長結晶を、成長面である（０００−１）面から観察した外観写真である。

上記のように、従来、溶液法により窒素ドープしてｎ型ＳｉＣ単結晶を得るために、成長炉内の雰囲気中に窒素ガスを加え、あるいは成長炉内の雰囲気を窒素雰囲気として、Ｓｉ−Ｃ溶液に窒素を供給する方法が提案されている。

この従来法では、成長炉内の気相から液相に窒素を溶かし込むため、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面に高窒素濃度領域が形成される。Ｓｉ−Ｃ溶液の表面の温度勾配を大きくして成長速度を速くしようとすると、この高窒素濃度領域で雑晶が発生して、発生した雑晶が成長結晶の成長面に付着して、ＳｉＣ単結晶の成長を阻害してしまう。

このような課題を解決するために本発明者は鋭意研究を行い、Ｓｉ−Ｃ溶液を形成するための原料またはＳｉ−Ｃ溶液に直接、窒化物を添加することにより、Ｓｉ−Ｃ溶液中に実質的に一様な窒素濃度を形成することができ、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面における高窒素濃度領域の形成を抑制できることを見出した。

本発明に係るＳｉＣ単結晶の製造方法は、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液にＳｉＣ種結晶基板を接触させてＳｉＣ単結晶を結晶成長させる溶液法を用い、Ｓｉ−Ｃ溶液を形成するための原料またはＳｉ−Ｃ溶液に窒化物を添加することを含む。

本発明に係る方法によれば、速い速度で成長させて、低抵抗率を有するｎ型ＳｉＣ単結晶を得ることができる。

本発明に係る方法において用いられる窒化物は、Ｓｉ−Ｃ溶液中で液相を示す窒化物である。Ｓｉ−Ｃ溶液中で液相を示す窒化物とは、窒化物の融点が必ずしもＳｉ−Ｃ溶液の温度以下である必要はなく、Ｓｉ−Ｃの融液中で窒化物の少なくとも一部、好ましくは窒化物の実質的に全部が、液相を示すものであればよい。

本発明に係る方法において用いられる窒化物は、好ましくは常温で固体の金属窒化物であり、より好ましくは窒素及びＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ等の遷移元素の化合物、窒素及びＧｅ等の典型元素の化合物、窒素及びＳｉ等の非金属元素の化合物、またはそれらの混合物であり、さらに好ましくは、窒素及びＳｉ、Ｇｅ等の１４族に属する元素の化合物であるか、または窒素及びＣｒ、Ｇｅ等の第４周期に属する元素の化合物であり、例えば、窒化クロム（Ｃｒ₂Ｎ及び／またはＣｒＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化ゲルマニウム（Ｇｅ₃Ｎ₄）、窒化チタン（ＴｉＮ及び／またはＴｉ₂Ｎ）、窒化ニッケル（Ｎｉ₄Ｎ及び／またはＮｉ₃Ｎ）、またはそれらの混合物が挙げられる。本発明に係る方法において用いられる窒化物は、好ましくは、窒化クロム（Ｃｒ₂Ｎ及び／またはＣｒＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、または窒化ゲルマニウム（Ｇｅ₃Ｎ₄）であり、より好ましくは窒化クロム（Ｃｒ₂Ｎ及び／またはＣｒＮ）である。上記窒化物は、例示したもの以外にも価数の異なる化合物の形をとるものを含んでもよい。

添加した窒化物は、Ｓｉ−Ｃ溶液を形成するための原料またはＳｉ−Ｃ溶液と混合され、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の溶媒を形成することができる。

窒化物は、Ｓｉ−Ｃ溶液が所定の窒素含有量を有するように加えることができる。窒化物の添加量は、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の全体量を基準とした窒素原子換算量で好ましくは０．０２ｗｔ％以上であり、より好ましくは０．０４ｗｔ％以上であり、さらに好ましくは０．０６ｗｔ％以上であり、さらにより好ましくは０．０８ｗｔ％以上である。

一方、窒化物の添加量の上限は、特に限定されないが、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の全体量を基準とした窒素原子換算量で１．０ｗｔ％以下にしてもよい。Ｓｉ−Ｃ溶液に１．０ｗｔ％の窒素が溶解すると、成長されるＳｉＣ結晶には１０²¹個／ｃｍ³の窒素原子が取り込まれるが、ＳｉＣ結晶中への窒素の固溶限界が１０²¹個／ｃｍ³であるため、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の全体量を基準とした窒素原子換算量で１．０ｗｔ％超の窒素をＳｉ−Ｃ溶液に溶解させても、１０²¹個／ｃｍ³を超える濃度で窒素をＳｉＣ結晶中へ固溶させることができないからである。

窒化物は、溶融前のＳｉ−Ｃ溶液を形成するための原料に添加してもよく、またはＳｉ−Ｃ溶液に添加してもよい。

本発明に係る方法では、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面から１ｃｍの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配を、好ましくは２０℃／ｃｍ以上、より好ましくは３０℃／ｃｍ以上、さらに好ましくは４２℃／ｃｍ以上にして、低抵抗率を有するｎ型ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。温度勾配の上限は特に限定されるものではないが、実際に形成可能な温度勾配が実質的な上限となり得、例えば６０℃／ｃｍ程度である。

本発明に係る方法では、温度勾配を上記のように大きくすることができ、それにより、ＳｉＣ単結晶の成長速度を、好ましくは１００μｍ／ｈ以上、より好ましくは１５０μｍ／ｈ以上、さらに好ましくは２００μｍ／ｈ以上、さらにより好ましくは３００μｍ／ｈ以上、さらにより好ましくは４００μｍ／ｈ以上にすることができ、例えば４００〜５００μｍ／ｈでＳｉＣ単結晶を成長させることができる。ＳｉＣ単結晶の成長速度の上限は特に限定されるものではないが、上記のように形成可能な温度勾配の上限により律速され、例えば２０００μｍ／ｈ以下である。

ＳｉＣ単結晶が得られたか否かの判定は、外観観察または顕微鏡観察により成長結晶に雑晶が含まれていないか観察することで、容易に行うことができる。

本発明に係る方法によれば、抵抗率が小さいｎ型ＳｉＣ単結晶を得ることができ、好ましくは１０ｍΩ・ｃｍ以下、より好ましくは８ｍΩ・ｃｍ以下、さらに好ましくは６ｍΩ・ｃｍ以下、さらにより好ましくは５ｍΩ・ｃｍ以下の抵抗率を有するＳｉＣ単結晶を得ることができる。ＳｉＣ単結晶の抵抗率は低いほどよいが、窒素のＳｉＣ結晶への固溶限界により抵抗率の下限は１ｍΩ・ｃｍ程度である。

ＳｉＣ単結晶の比抵抗値は、ＶａｎｄｅｒＰａｕｗ法（ファンデアパウ法）によるホール（Ｈａｌｌ）測定によって測定することができる。

本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法においては溶液法が用いられる。ＳｉＣ単結晶を製造するための溶液法とは、坩堝内において、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から溶液の表面に向けて温度低下する温度勾配を形成することによってＳｉ−Ｃ溶液の表面領域を過飽和にして、Ｓｉ−Ｃ溶液に接触させた種結晶を基点として、種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる方法である。

本発明に係る方法においては、ＳｉＣ単結晶の製造に一般に用いられる品質のＳｉＣ単結晶を種結晶基板として用いることができる。例えば昇華法で一般的に作成したＳｉＣ単結晶を種結晶基板として用いることができる。また、本方法に用いられ得る種結晶基板は、例えば板状、円盤状、円柱状、角柱状、円錐台状、または角錐台状等の任意の形状であることができる。

単結晶製造装置への種結晶基板の設置は、種結晶基板の上面を種結晶保持軸に保持させることによって行うことができる。

種結晶基板のＳｉ−Ｃ溶液への接触は、種結晶基板を保持した種結晶保持軸をＳｉ−Ｃ溶液面に向かって降下させ、種結晶基板の下面をＳｉ−Ｃ溶液面に対して並行にしてＳｉ−Ｃ溶液に接触させることによって行うことができる。そして、Ｓｉ−Ｃ溶液面に対して種結晶基板を所定の位置に保持して、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

種結晶基板の保持位置は、種結晶基板の下面の位置が、Ｓｉ−Ｃ溶液面に一致するか、Ｓｉ−Ｃ溶液面に対して下側にあるか、またはＳｉ−Ｃ溶液面に対して上側にあってもよい。種結晶基板の下面をＳｉ−Ｃ溶液面に対して上方の位置に保持する場合は、一旦、種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させて種結晶基板の下面にＳｉ−Ｃ溶液を接触させてから、所定の位置に引き上げる。種結晶基板の下面の位置を、Ｓｉ−Ｃ溶液面に一致するか、またはＳｉ−Ｃ溶液面よりも下側にしてもよいが、多結晶の発生を防止するために、種結晶保持軸にＳｉ−Ｃ溶液が接触しないようにすることが好ましい。これらの方法において、結晶成長中に種結晶基板の位置を調節してもよい。

種結晶保持軸はその端面に種結晶基板を保持する黒鉛の軸であることができる。種結晶保持軸は、円柱状、角柱状等の任意の形状であることができ、種結晶基板の上面の形状と同じ端面形状を有する黒鉛軸を用いてもよい。

本発明において、Ｓｉ−Ｃ溶液とは、Ｓｉ／Ｘ（ＸはＳｉ以外の１種以上の金属）の融液を溶媒とするＣが溶解した溶液をいい、さらに窒素が含まれている。Ｘは一種類以上の金属であり、ＳｉＣ（固相）と熱力学的に平衡状態となる液相（溶液）を形成できれば特に制限されない。適当な金属Ｘの例としては、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｆｅ、Ｇｅ等が挙げられる。

Ｓｉ−Ｃ溶液は、好ましくはＳｉ／Ｃｒ／Ｘ（ＸはＳｉ及びＣｒ以外の１種以上の金属）の融液であり、さらに窒素が含まれる。原子組成百分率でＳｉ／Ｃｒ／Ｘ＝３０〜８０／２０〜６０／０〜１０の融液を溶媒とするＳｉ−Ｃ溶液が、Ｃの溶解量の変動が少なく、より好ましい。例えば、坩堝内にＳｉに加えて、Ｃｒ、Ｎｉ等の原料を投入し、さらにＣｒ₂Ｎ等の窒化物を添加して、窒素を含むＳｉ／Ｃｒ溶液、Ｓｉ／Ｃｒ／Ｎｉ溶液等を形成することができる。

本発明に係る方法においてＳｉ−Ｃ溶液の温度は、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面温度をいう。Ｓｉ−Ｃ溶液の表面の温度は、Ｓｉ−Ｃ溶液への炭素の溶解量の変動が少ない１８００〜２２００℃であることが好ましく、Ｓｉ−Ｃ溶液中への窒素溶解量を高くすることができる点で２０００〜２２００℃がより好ましい。

Ｓｉ−Ｃ溶液の温度測定は、熱電対、放射温度計等を用いて行うことができる。熱電対に関しては、高温測定及び不純物混入防止の観点から、ジルコニアやマグネシア硝子を被覆したタングステン−レニウム素線を黒鉛保護管の中に入れた熱電対が好ましい。

図１に、本発明の方法を実施するのに適したＳｉＣ単結晶製造装置の一例を示す。図示したＳｉＣ単結晶製造装置１００は、Ｓｉ／Ｘの融液中に炭素及び窒素が溶解してなるＳｉ−Ｃ溶液２４を収容した坩堝１０を備え、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の内部から溶液の表面に向けて温度低下する温度勾配を形成し、昇降可能な黒鉛軸１２の先端に保持された種結晶基板１４を、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液２４に接触させて、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。坩堝１０及び／または黒鉛軸１２を回転させることが好ましい。

Ｓｉ−Ｃ溶液２４は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ等の原料を坩堝に投入し、さらに窒化物を添加して、加熱融解させて調製したＳｉ／Ｘの融液にＣを溶解させることによって調製される。別法では、Ｓｉ−Ｃ溶液２４は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ等の原料を坩堝に投入し、加熱融解させて調製したＳｉ／Ｘの融液に、窒化物を添加して溶解させ、Ｃを溶解させることによって調製される。

坩堝１０を、黒鉛坩堝などの炭素質坩堝またはＳｉＣ坩堝とすることによって、坩堝１０の溶解によりＣが融液中に溶解し、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液２４が形成される。こうすると、Ｓｉ−Ｃ溶液２４中に未溶解のＣが存在せず、未溶解のＣへのＳｉＣ単結晶の析出によるＳｉＣの浪費が防止できる。Ｃの供給は、例えば、炭化水素ガスの吹込み、または固体のＣ供給源を融液原料と一緒に投入するといった方法を利用してもよく、またはこれらの方法と坩堝の溶解とを組み合わせてもよい。

保温のために、坩堝１０の外周は、断熱材１８で覆われている。これらが一括して、石英管２６内に収容されている。石英管２６の外周には、加熱用の高周波コイル２２が配置されている。高周波コイル２２は、上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂから構成されてもよく、上段コイル２２Ａ及び下段コイル２２Ｂはそれぞれ独立して制御可能である。

坩堝１０、断熱材１８、石英管２６、及び高周波コイル２２は、高温になるので、水冷チャンバーの内部に配置される。水冷チャンバーは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ₂等を用いて装置内及び坩堝内の雰囲気を調整することを可能にするために、ガス導入口とガス排気口とを備える。

Ｓｉ−Ｃ溶液の温度は、通常、輻射等のためＳｉ−Ｃ溶液の内部よりも表面の温度が低い温度分布となるが、さらに、高周波コイル２２の巻数及び間隔、高周波コイル２２と坩堝１０との高さ方向の位置関係、並びに高周波コイルの出力を調整することによって、Ｓｉ−Ｃ溶液２４に、種結晶基板１４が浸漬される溶液上部が低温、溶液下部が高温となるようにＳｉ−Ｃ溶液２４の表面に垂直方向の所定の温度勾配を形成することができる。例えば、下段コイル２２Ｂの出力よりも上段コイル２２Ａの出力を小さくして、Ｓｉ−Ｃ溶液２４に溶液上部が低温、溶液下部が高温となる所定の温度勾配を形成することができる。

Ｓｉ−Ｃ溶液２４中に溶解した炭素は、拡散及び対流により分散される。種結晶基板１４の下面近傍は、コイル２２の上段／下段の出力制御、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面からの放熱、及び黒鉛軸１２を介した抜熱によって、Ｓｉ−Ｃ溶液２４の下部よりも低温となる温度勾配が形成されている。高温で溶解度の大きい溶液下部に溶け込んだ炭素が、低温で溶解度の低い種結晶基板下面付近に到達すると過飽和状態となり、この過飽和度を駆動力として種結晶基板上にＳｉＣ単結晶が成長する。本発明においては、Ｓｉ−Ｃ溶液２４中に溶解した窒素も、炭素と同様に拡散及び対流により分散され、ＳｉＣ成長結晶中に取り込まれる。

いくつかの態様において、ＳｉＣ単結晶の成長前に、ＳｉＣ種結晶基板の表面層をＳｉ−Ｃ溶液中に溶解させて除去するメルトバックを行ってもよい。ＳｉＣ単結晶を成長させる種結晶基板の表層には、転位等の加工変質層や自然酸化膜などが存在していることがあり、ＳｉＣ単結晶を成長させる前にこれらを溶解して除去することが、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。溶解する厚みは、ＳｉＣ種結晶基板の表面の加工状態にもよるが、加工変質層や自然酸化膜を十分に除去するために、およそ５〜５０μｍが好ましい。

メルトバックは、Ｓｉ−Ｃ溶液の内部から溶液の表面に向けて温度が増加する温度勾配、すなわち、ＳｉＣ単結晶成長とは逆方向の温度勾配をＳｉ−Ｃ溶液に形成することにより行うことができる。高周波コイルの出力を制御することによって上記逆方向の温度勾配を形成することができる。

メルトバックは、Ｓｉ−Ｃ溶液に温度勾配を形成せず、単に液相線温度より高温に加熱されたＳｉ−Ｃ溶液に種結晶基板を浸漬することによっても行うことができる。この場合、Ｓｉ−Ｃ溶液温度が高くなるほど溶解速度は高まるが溶解量の制御が難しくなり、温度が低いと溶解速度が遅くなることがある。

いくつかの態様において、あらかじめ種結晶基板を加熱しておいてから種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させてもよい。低温の種結晶基板を高温のＳｉ−Ｃ溶液に接触させると、種結晶に熱ショック転位が発生することがある。種結晶基板をＳｉ−Ｃ溶液に接触させる前に、種結晶基板を加熱しておくことが、熱ショック転位を防止し、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。種結晶基板の加熱は黒鉛軸ごと加熱して行うことができる。または、この方法に代えて、比較的低温のＳｉ−Ｃ溶液に種結晶を接触させてから、結晶を成長させる温度にＳｉ−Ｃ溶液を加熱してもよい。この場合も、熱ショック転位を防止し、高品質なＳｉＣ単結晶を成長させるために効果的である。

（実施例１）
直径が１２ｍｍ、厚みが７００μｍの円盤状４Ｈ−ＳｉＣ単結晶であって、下面が（０００−１）面を有する昇華法により作製したＳｉＣ単結晶を用意して、種結晶基板として用いた。種結晶基板は２０ｍΩ・ｃｍの抵抗率を有していた。種結晶基板の上面を、円柱形状の黒鉛軸の端面の略中央部に、黒鉛の接着剤を用いて接着した。

図１に示す単結晶製造装置を用い、Ｓｉ−Ｃ溶液を収容する黒鉛坩堝に、Ｓｉ／Ｃｒ／Ｎｉを５：４：１の原子組成比率でＳｉ−Ｃ溶液を形成するための融液原料として仕込み、さらにドナー原料の窒化物としてＣｒ₂Ｎの粉末（三津和化学薬品製、３Ｎ）を、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の合計量に対して窒素原子量が０．０２ｗｔ％含まれるように加えた。

単結晶製造装置の内部を１×１０^-3Ｐａに真空引きした後、１気圧になるまでアルゴンガスを導入して、単結晶製造装置の内部の空気をアルゴンで置換した。高周波コイルに通電して加熱により黒鉛坩堝内の原料を融解し、窒素を含むＳｉ／Ｃｒ／Ｎｉ合金の融液を形成した。そして黒鉛坩堝から窒素を含むＳｉ／Ｃｒ／Ｎｉ合金の融液に、十分な量のＣを溶解させて、Ｓｉ−Ｃ溶液を形成した。

上段コイル及び下段コイルの出力を調節して黒鉛坩堝を加熱し、Ｓｉ−Ｃ溶液の表面における温度を２１００℃に昇温させ、並びに溶液表面から１０ｍｍの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が３０℃／ｃｍとなるように制御した。Ｓｉ−Ｃ溶液の表面の温度測定は放射温度計により行い、Ｓｉ−Ｃ溶液の温度勾配の測定は、昇降可能な熱電対を用いて行った。

黒鉛軸に接着した種結晶基板の下面をＳｉ−Ｃ溶液面に並行にして、種結晶基板の下面の位置を、Ｓｉ−Ｃ溶液の液面に一致する位置に配置して、Ｓｉ−Ｃ溶液に種結晶基板の下面を接触させるシードタッチを行い、次いで、Ｓｉ−Ｃ溶液が濡れ上がって黒鉛軸に接触しないように、黒鉛軸を１．５ｍｍ引き上げ、その位置で１０時間保持して、結晶を成長させた。

結晶成長の終了後、黒鉛軸を上昇させて、種結晶基板及び種結晶基板を基点として成長したＳｉＣ結晶を、Ｓｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収した。得られた成長結晶は直径１２ｍｍ及び厚み１．５ｍｍを有しており、成長速度は１５０μｍ／ｈであった。

得られた成長結晶を成長面から観察した写真を図２に示す。成長結晶はＳｉＣ単結晶であり、雑晶は含まれていなかった。

得られた成長結晶の抵抗率を測定するため、成長面から０．５ｍｍの厚みで切り出した成長結晶の（０００１）面を鏡面研磨し、５ｍｍ角に加工し、洗浄した後、（０００１）面の四隅に、真空蒸着により直径１ｍｍの円形のＮｉオーミック電極を形成した。この電極を付けた成長結晶を用いて室温（２５℃）にてＶａｎｄｅｒＰａｕｗ法（ファンデアパウ法）によるホール（Ｈａｌｌ）測定を行い、成長結晶の抵抗率を測定したところ、抵抗率は８ｍΩ・ｃｍであり、ｎ型ＳｉＣ単結晶が得られたことが分かった。

（実施例２）
ドナー原料の窒化物としてＳｉ₃Ｎ₄の粉末（高純度化学研究所製、３Ｎ）を、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の合計量に対して窒素原子量が０．０２ｗｔ％含まれるように融液原料に加えて、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液を形成したこと以外は、実施例１と同様の方法で結晶成長させた。

得られた成長結晶には雑晶はみられず、成長結晶の抵抗率は８ｍΩ・ｃｍであり、ｎ型ＳｉＣ単結晶が得られたことが分かった。

（実施例３）
ドナー原料の窒化物としてＣｒ₂Ｎの粉末（三津和化学薬品製、３Ｎ）を、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の合計量に対して窒素原子量が０．０６ｗｔ％含まれるように融液原料に加えて、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液を形成したこと以外は、実施例１と同様の方法で結晶成長させた。

得られた成長結晶には雑晶はみられず、成長結晶の抵抗率は６ｍΩ・ｃｍでありｎ型ＳｉＣ単結晶が得られたことが分かった。

（実施例４）
ドナー原料の窒化物としてＣｒ₂Ｎの粉末（高純度化学研究所製、３Ｎ）を、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の合計量に対して窒素原子量が０．０６ｗｔ％含まれるように融液原料に加えて、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液を形成したこと、並びにＳｉ−Ｃ溶液の表面から１０ｍｍの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が４２℃／ｃｍとなるように上段コイル及び下段コイルの出力を制御したこと以外は、実施例１と同様の方法で結晶成長させた。

結晶成長の終了後、黒鉛軸を上昇させて、種結晶基板及び種結晶基板を基点として成長したＳｉＣ結晶を、Ｓｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収した。得られた成長結晶は直径１２ｍｍ及び厚み４．０ｍｍを有しており、成長速度は４００μｍ／ｈであった。

図５に得られた成長結晶を成長面から観察した写真を示す。得られた成長結晶には雑晶はみられず、成長結晶の抵抗率は６ｍΩ・ｃｍであり、ｎ型ＳｉＣ単結晶で得られたことが分かった。

（実施例５）
ドナー原料の窒化物としてＣｒ₂Ｎの粉末（高純度化学研究所製、３Ｎ）を、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の合計量に対して窒素原子量が０．０８ｗｔ％含まれるように融液原料に加えて、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液を形成したこと、並びにＳｉ−Ｃ溶液の表面から１０ｍｍの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が４２℃／ｃｍとなるように上段コイル及び下段コイルの出力を制御したこと以外は、実施例１と同様の方法で結晶成長させた。

得られた成長結晶には雑晶はみられず、成長結晶の抵抗率は５ｍΩ・ｃｍであり、ｎ型ＳｉＣ単結晶が得られたことが分かった。

（実施例６）
ドナー原料の窒化物としてＧｅ₃Ｎ₄の粉末（高純度化学研究所製、３Ｎ）を、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の合計量に対して窒素原子量が０．０２ｗｔ％含まれるように融液原料に加えて、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液を形成したこと、並びにＳｉ−Ｃ溶液の表面から１０ｍｍの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が３６℃／ｃｍとなるように上段コイル及び下段コイルの出力を制御したこと以外は、実施例１と同様の方法で結晶成長させた。

結晶成長の終了後、黒鉛軸を上昇させて、種結晶基板及び種結晶基板を基点として成長したＳｉＣ結晶を、Ｓｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収した。得られた成長結晶は直径１２ｍｍ及び厚み２．５ｍｍを有しており、成長速度は２５０μｍ／ｈであった。

（参考例１）
ドナー原料の窒化物としてＣｒ₂Ｎの粉末（三津和化学薬品製、３Ｎ）を、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の合計量に対して窒素原子量が０．０１ｗｔ％含まれるように融液原料に加えて、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液を形成したこと以外は、実施例１と同様の方法で結晶成長させた。

得られた成長結晶には雑晶はみられず、成長結晶の抵抗率は２０ｍΩ・ｃｍであり、ＳｉＣ単結晶が得られたことが分かった。

（比較例１）
単結晶製造装置の内部を１×１０^-3Ｐａに真空引きした後、アルゴンガス及び窒素ガスを導入して１気圧とし、単結晶製造装置の内部の空気を９５ｖｏｌ％のアルゴン及び５ｖｏｌ％の窒素の混合ガスで置換した。このようにして、ドナー原料として窒化物に代えて窒素ガスを用い、窒化物を添加せずにＳｉ−Ｃ溶液を形成したこと、並びにＳｉ−Ｃ溶液の表面から１０ｍｍの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が１０℃／ｃｍとなるように上段コイル及び下段コイルの出力を制御したこと以外は、実施例１と同様の方法で結晶成長させた。このときのＳｉ−Ｃ溶液中の平均窒素濃度は、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の全体量を基準にして、０．０２ｗｔ％である。

結晶成長の終了後、黒鉛軸を上昇させて、種結晶基板及び種結晶基板を基点として成長したＳｉＣ結晶を、Ｓｉ−Ｃ溶液及び黒鉛軸から切り離して回収した。得られた成長結晶は直径１２ｍｍ、厚み０．５ｍｍを有しており、成長速度は５０μｍ／ｈであった。

得られた成長結晶を成長面から観察した写真を図３に示す。得られた成長結晶には雑晶はみられず、成長結晶の抵抗率は８ｍΩ・ｃｍであり、ｎ型ＳｉＣ単結晶が得られたことが分かった。

（比較例２）
Ｓｉ−Ｃ溶液の表面から１０ｍｍの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が３０℃／ｃｍとなるように上段コイル及び下段コイルの出力を制御したこと以外は、比較例１と同様の方法で結晶成長させた。

得られた成長結晶を成長面から観察した写真を図４に示す。成長結晶には雑晶が含まれており、ＳｉＣ単結晶は得られなかった。

表１に、実施例１〜６、参考例１、及び比較例１〜２の条件及び結果をまとめた。

窒素ガスをドナー原料として用いた場合、成長速度を速くすると単結晶が得られなかったが、ドナー原料として窒化物を用いた場合は、速い成長速度で低抵抗率のｎ型ＳｉＣ単結晶が得られた。

１００単結晶製造装置
１０黒鉛坩堝
１２黒鉛軸
１４種結晶基板
１８断熱材
２２高周波コイル
２２Ａ上段高周波コイル
２２Ｂ下段高周波コイル
２４Ｓｉ−Ｃ溶液
２６石英管

Claims

内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するＳｉ−Ｃ溶液にＳｉＣ種結晶基板を接触させてｎ型ＳｉＣ単結晶を結晶成長させる、ｎ型ＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
前記Ｓｉ−Ｃ溶液を形成するための原料または前記Ｓｉ−Ｃ溶液に、窒化物を添加することを含む、
ｎ型ＳｉＣ単結晶の製造方法。
前記窒化物が、窒素及び遷移元素の化合物である、請求項１に記載の製造方法。
前記窒化物が、窒素及び典型元素の化合物である、請求項１に記載の製造方法。
前記窒化物が、窒素及び非金属元素の化合物である、請求項１に記載の製造方法。
前記窒化物が、窒素及び１４族に属する元素の化合物である、請求項１に記載の製造方法。
前記窒化物が、窒素及び第４周期に属する元素の化合物である、請求項１に記載の製造方法。
前記窒化物が、窒化クロム、窒化ケイ素、窒化ゲルマニウム、窒化チタン、及び窒化ニッケルからなる群から選択される少なくとも１つである、請求項１に記載の製造方法。
前記窒化物の添加量が、窒素を含むＳｉ−Ｃ溶液の全体量を基準にした窒素原子換算量で、０．０２ｗｔ％以上である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の製造方法。
前記Ｓｉ−Ｃ溶液の表面温度が１８００〜２２００℃である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の製造方法。