KR20110122090A - 질화물 반도체 결정의 제조 장치, 질화물 반도체 결정의 제조 방법, 및 질화물 반도체 결정 - Google Patents

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요시유키 야마모토
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 내구성을 가지며, 또한 도가니의 외부로부터 불순물이 혼입되는 것을 억제한 질화물 반도체 결정을 제조하기 위한 질화물 반도체 결정의 제조 장치, 질화물 반도체 결정의 제조 방법, 및 질화물 반도체 결정을 제공한다. 질화물 반도체 결정의 제조 장치(100)는 도가니(101)와, 가열부(125)와, 피복부(110)를 구비한다. 도가니(101)에는 원료(17)가 내부에 배치된다. 가열부(125)는 도가니(101)의 외주에 배치되며, 도가니(101)의 내부를 가열한다. 피복부(110)는 도가니(101)와 가열부(125) 사이에 배치된다. 피복부(110)는, 도가니(101)에 대향하는 측에 형성되며 원료(17)보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층(111)과, 제1층(111)의 외주측에 형성되며 제1층(111)을 구성하는 금속의 탄화물로 이루어지는 제2층(112)을 포함한다.

Description

질화물 반도체 결정의 제조 장치, 질화물 반도체 결정의 제조 방법, 및 질화물 반도체 결정{APPARATUS FOR PRODUCING NITRIDE SEMICONDUCTOR CRYSTAL, METHOD FOR PRODUCING NITRIDE SEMICONDUCTOR CRYSTAL, AND NITRIDE SEMICONDUCTOR CRYSTAL}
본 발명은 질화물 반도체 결정의 제조 장치, 질화물 반도체 결정의 제조 방법, 및 질화물 반도체 결정에 관한 것이다.
질화알루미늄(AlN) 결정은 6.2 eV의 넓은 에너지 밴드갭, 약 3.3 WK-1㎝-1의 높은 열전도율 및 높은 전기 저항을 갖고 있다. 이 때문에, AlN 결정 등의 질화물 반도체 결정은 광디바이스나 전자 디바이스 등의 반도체 디바이스용의 기판 재료로서 주목받고 있다. 이러한 질화물 반도체 결정의 성장 방법에는, 예컨대 승화법이 이용된다(예컨대, 특허문헌 1, 비특허문헌 1).
비특허문헌 1에는, 이하의 공정이 실시되는 것이 기재되어 있다. 우선, 카본제의 도가니에 AlN 결정의 원료를 장입한다. 다음에, 원료가 승화하는 온도까지 카본제의 도가니를 가열한다. 이 가열에 의해, 원료가 승화하여 승화 가스가 생성되고, 분말형 또는 입상 정도가 미소한 AlN 결정을 성장시킬 수 있다.
또한, 특허문헌 1에는, 이하의 제조 장치에 의해 질화물 단결정이 제조되는 것이 기재되어 있다(예컨대 도 4). 즉, 제조 장치는 가열 수단인 유도 가열 코일과, 유도 가열 코일의 내측에 배치된 가열로 본체와, 가열로 본체의 내측 하부에 배치된 질화물 단결정의 원료를 수용하는 도가니를 구비한다. 도가니는 흑연제인 것이 기재되어 있다.
이와 같이, 질화물 반도체 결정을 성장시킬 때에, 상기 비특허문헌 1 및 특허문헌 1에서는 카본제의 도가니를 이용하는 것이 기재되어 있다. 도가니에 카본이 선택되는 이유로서, 2000℃를 넘는 고온에서 견디는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2006-27988호 공보
Journal of Crystal Growth 34, pp263-279 (1976)
승화법에서는, 질화물 반도체 결정의 원료를 승화시키도록 도가니를 가열할 필요가 있다. 이 때문에, 질화물 반도체 결정을 제조하기 위한 장치는 고온에 견디는 등 내구성이 필요하다.
또한, 고온에 견디는 재료로서, 도가니에는 상기 비특허문헌 1 및 특허문헌 1에 기재된 카본이 이용되고 있었다. 동일한 이유로, 도가니의 외주에는, 카본제의 가열체 및 단열재가 일반적으로 배치된다. 카본제의 가열체 및 단열재가 배치되어 있는 상태에서, 질화물 반도체 결정의 원료를 승화시키도록 도가니를 가열하면, 도가니의 외주에 배치된 가열체 및 단열재가 승화해 버리는 경우가 있다. 이 경우, 승화된 카본이 도가니의 내부에 침입하여, 성장하는 질화물 반도체 결정에 혼입된다. 이 때문에, 성장한 질화물 반도체 결정에 불순물이 혼입된다고 하는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 내구성을 가지며 또한 도가니의 외부로부터 불순물이 혼입되는 것을 억제한 질화물 반도체 결정을 제조하기 위한 질화물 반도체 결정의 제조 장치, 질화물 반도체 결정의 제조 방법, 및 질화물 반도체 결정을 제공하는 것이다.
본 발명의 질화물 반도체 결정의 제조 장치는, 질화물 반도체를 함유하는 원료를 승화시키고, 승화된 원료 가스를 석출시킴으로써 질화물 반도체 결정을 성장시키는 장치로서, 도가니와, 가열부와, 피복부를 구비한다. 도가니에는 원료가 내부에 배치된다. 가열부는 도가니의 외주에 배치되며, 도가니의 내부를 가열한다. 피복부는 도가니와 가열부 사이에 배치된다. 피복부는, 도가니에 대향하는 측에 형성되며 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층과, 제1층의 외주측에 형성되며 제1층을 구성하는 금속의 탄화물로 이루어지는 제2층을 포함한다.
본 발명의 질화물 반도체 결정의 제조 방법은 이하의 공정을 포함한다. 원료를 내부에 배치하기 위한 도가니와, 도가니의 외주에 배치된 피복부를 준비한다. 도가니 내에서, 원료를 가열함으로써 승화시켜, 원료 가스를 석출시킴으로써 질화물 반도체 결정을 성장시킨다. 준비하는 공정은, 도가니에 대향하는 측에 형성되며 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층과, 제1층의 외주측에 형성되며 제1층을 구성하는 금속의 탄화물로 이루어지는 제2층을 포함하는 피복부를 준비하는 공정을 포함한다.
본 발명의 질화물 반도체 결정의 제조 장치 및 제조 방법에 따르면, 도가니의 외주에 피복부가 배치된다. 이에 따라, 도가니의 외부로부터 내부에 불순물이 침입하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 피복부에서 도가니에 대향하는 측에 형성된 제1층은, 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어진다. 이에 따라, 원료를 승화시키는 온도에서 피복부가 승화되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 금속은 승화 가스와의 반응성이 낮다. 이에 의해, 피복부의 내주에 위치하는 제1층이 승화 가스와 반응하는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 피복부로부터 도가니에 불순물이 침입하는 것을 억제할 수 있다. 즉, 도가니의 외부로부터 내부에의 불순물의 침입을 억제하고, 또한 피복부에서 도가니에 대향하는 측에 위치하는 제1층으로부터 불순물이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 성장하는 질화물 반도체 결정에 도가니의 외부로부터 불순물이 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 불순물의 혼입이 억제된 질화물 반도체 결정을 제조할 수 있다.
또한, 피복부의 외주에, 제1층을 구성하는 금속과, 카본을 함유하는 제2층이 형성된다. 피복부의 외부에 배치된 가열체, 단열재 등이 카본을 함유하는 경우에, 제2층에 의해, 카본과의 열팽창률차 및 제1층과의 열팽창률차를 완화할 수 있다. 이 때문에, 피복부에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 원료를 승화시키는 고온의 조건에서도, 피복부의 균열 등을 억제하여, 질화물 반도체 결정을 성장시킬 수 있다. 따라서, 내구성을 향상시켜, 질화물 반도체 결정을 제조할 수 있다.
상기 질화물 반도체 결정의 제조 장치에 있어서 바람직하게는, 도가니는 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어진다.
상기 질화물 반도체 결정의 제조 방법에 있어서 바람직하게는, 준비하는 공정은 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 도가니를 준비하는 공정을 더 포함한다.
이에 따라, 원료를 승화시키는 온도에서 도가니가 승화되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 금속은 승화 가스와의 반응성이 낮다. 이 때문에, 성장하는 질화물 반도체 결정에 도가니를 구성하는 재료가 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 불순물의 혼입을 더욱 억제한 질화물 반도체 결정을 제조할 수 있다.
상기 질화물 반도체 결정의 제조 장치는 바람직하게는 가열부가 RF(Radio Frequency) 코일이며, 피복부와 가열부 사이에 배치된 가열체를 더 구비한다.
상기 질화물 반도체 결정의 제조 방법에 있어서 바람직하게는, 준비하는 공정은 피복부의 외주에 가열체를 배치하는 공정과, 가열체를 가열하기 위한 RF 코일을 가열체의 외주에 배치하는 공정을 더 포함한다.
RF 코일로부터 발생한 열을 도가니의 외주에 배치된 가열체에 흡수시킴으로써, 가열체가 흡수한 열에 의해 도가니를 가열할 수 있다. 이에 따라, 원료를 승화시킬 수 있다. 따라서, 내구성이 있는 상태로, 불순물의 혼입이 억제된 질화물 반도체 결정을 제조할 수 있다.
상기 질화물 반도체 결정의 제조 장치에 있어서 바람직하게는, 가열체와 RF 코일 사이에 배치되며 가열체보다 공공(空孔)이 적은 재료로 이루어지는 단열재를 더 구비한다.
상기 질화물 반도체 결정의 제조 방법에 있어서 바람직하게는, 준비하는 공정은 가열체의 외주에, 가열체보다 공공이 적은 재료로 이루어지는 단열재를 배치하는 공정을 더 포함한다.
가열체보다 공공이 적은 재료로 이루어지는 단열재를 가열체의 외주에 배치하기 때문에, 가열체가 흡수한 열이 단열재의 외주로 도피하는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 도가니를 효율적으로 가열할 수 있다. 따라서, 내구성이 있는 상태로, 불순물의 혼입이 억제된 질화물 반도체 결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 질화물 반도체 결정은 상기 어느 하나의 질화물 반도체 결정의 제조 방법에 따라 제조된다.
본 발명의 질화물 반도체 결정에 따르면, 도가니의 외부로부터 불순물이 침입하는 것을 억제하여 제조되기 때문에, 불순물의 혼입이 억제된 질화물 반도체 결정을 실현할 수 있다.
상기 질화물 반도체 결정에 있어서 바람직하게는, 10 ㎜ 이상의 직경을 가지며, 2 ppm 이하의 불순물 농도를 갖는다.
상기 질화물 반도체 결정은 승화법에 따라 제조되기 때문에, 10 ㎜ 이상의 큰 직경을 갖는 결정을 실현할 수 있다. 또한, 도가니의 외부로부터 불순물이 침입하는 것을 억제하여 제조되기 때문에, 2 ppm 이하의 낮은 불순물 농도의 질화물 반도체 결정을 실현할 수 있다. 따라서, 대면적이며 또한 낮은 불순물 농도의 질화물 반도체 결정을 실현할 수 있다.
이상으로부터, 본 발명의 질화물 반도체 결정의 제조 장치 및 제조 방법에 따르면, 내주측에 형성되며 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층과, 제1층의 외주측에 형성되며 제1층을 구성하는 금속의 탄화물로 이루어지는 제2층을 포함하는 피복부를 도가니의 외주에 배치한다. 따라서, 내구성을 가지며, 또한 도가니의 외부로부터 불순물이 혼입되는 것을 억제한 질화물 반도체 결정을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 질화물 반도체 결정을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서의 질화물 반도체 결정의 제조 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 있어서의 질화물 반도체 결정의 제조 장치를 구성하는 도가니 주변을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 있어서의 질화물 반도체 결정의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 있어서의 질화물 반도체 결정을 성장시키는 상태를 개략적으로 나타내는 일부 파단도이다.
도 6은 비교예 1, 2의 질화물 반도체 결정의 제조 장치를 개략적으로 나타내는 확대 단면도이다.
도 7은 비교예 3, 4의 질화물 반도체 결정의 제조 장치를 개략적으로 나타내는 확대 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 있어서의 질화물 반도체 결정의 다른 제조 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 또한, 이하의 도면에서 동일 또는 상당 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 그 설명은 반복하지 않는다.
우선, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 질화물 반도체 결정(10)에 대해서 설명한다. 질화물 반도체 결정(10)은, 예컨대 10 ㎜ 이상, 바람직하게는 10 ㎜∼30 ㎜의 직경(R)과, 예컨대 100 ㎛ 이상의 두께(H)를 갖는다. 질화물 반도체 결정(10)의 불순물 농도는 예컨대 2 ppm 이하이다. 이 불순물 농도를 구성하는 불순물은 예컨대 C(탄소), Si(실리콘) 등이다. 질화물 반도체 결정(10)의 C 농도는 예컨대 1 ppm 이하이며, Si 농도는 예컨대 1 ppm 이하이다.
질화물 반도체 결정(10)은 질소(N)를 함유하는 반도체 결정이면 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 In(1-x-y)AlxGayN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로서, AlN, GaN(질화갈륨), InN(질화인듐) 등인 것이 바람직하고, AlN인 것이 보다 바람직하다.
계속해서, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일실시형태에 있어서의 질화물 반도체 결정(10)의 제조 장치(100)에 대해서 설명한다. 제조 장치(100)는 질화물 반도체를 함유하는 원료(17)를 승화시키고, 승화시킨 원료 가스를 석출시킴으로써 질화물 반도체 결정(10)을 성장시키기 위한 장치이다.
도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 제조 장치(100)는, 도가니(101)와, 피복부로서의 피복관(110)과, 가열체(121)와, 단열재(127)와, 반응 용기(123)와, 가열부(125)를 주로 구비한다.
도가니(101)에는 원료(17) 및 하지 기판(11)이 내부에 배치된다. 도가니(101)는 원료(17)보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 금속으로서, 예컨대 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 이들의 합금 등을 들 수 있다. 즉, 도가니(101)는 C 원자를 함유하지 않는 것이 바람직하다. 이에 따라, 도가니(101)를 구성하는 재료가 원료(17)를 승화시키는 온도에서 승화되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 금속은 승화 가스와의 반응성이 낮다. 또한, 이러한 금속은 복사율이 높고, 내열성이 높으며, 공업적으로 이용 가능한 점에서 유리하다. 특히, 질화물 반도체와의 반응성이 낮고, 고온에서의 내열성이 우수하기 때문에, 도가니(101)는 Ta인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 「융점」이란, 1기압에서의 융점을 의미한다.
또한, 도가니(101)는 배기구(101a)를 갖는다. 배기구(101a)는 도가니(101) 내부의 불순물을 도가니(101)의 외부로 배출한다. 배기구(101a)를 형성함으로써, 이상(異常) 성장을 억제하여, 단결정의 질화물 반도체 결정을 용이하게 성장시킬 수 있다.
이 도가니(101)의 외주에는, 도가니(101)를 덮도록 피복관(110)이 배치된다.
본 실시형태에서는, 피복관(110)은 반응 용기(123)의 도입구(123c) 및 배출구(123d)에서 반응 용기(123) 외부와의 통기를 유지하고, 그 이외의 영역에서는 도가니(101)를 밀폐한다. 즉, 피복관(110)은 도가니(101)와 간격을 두고 배치되고, 도입구(123c) 및 배출구(123d) 이외에서, 피복관(110)과 반응 용기(123)로 도가니(101)를 밀폐한다. 이와 같이, 피복관(110)은 피복관(110) 외부의 가열체(121), 단열재(127), 반응 용기(123) 등으로부터 도가니(101)에 불순물이 침입하는 것을 방지한다.
또한, 피복관(110)은 도가니(101)를 밀폐하는 상기 구조에 한정되지 않는다. 즉, 피복관(110)이 도가니(101)를 밀폐하고 있지 않아도 상기 효과를 갖는다. 예컨대, 도 8에 나타내는 바와 같이, 피복관(110)은 제조 장치(100)에 있어서 상측 및 하측에 개구부가 있어도 좋다. 또한, 피복관(110)은 제조 장치에 있어서 상측 또는 하측에 개구부가 있어도 좋다(도시하지 않음). 이들 경우에는, 피복관(110)의 내부에 가스를 흐르게 함으로써, 상기 밀폐 구조와 동일한 작용이 일어나기 때문에, 피복관(110) 외부의 가열체(121), 단열재(127), 반응 용기(123) 등으로부터 도가니(101)에 불순물이 침입하는 것을 방지할 수 있다.
피복관(110)은 도가니(101)에 대향하는 측에 형성된 제1층(111)과, 제1층(111)의 외주측에 형성된 제2층(112)을 포함한다. 즉, 피복관(110)에 있어서, 최내주에는 제1층(111)이 위치하고, 최외주에는 제2층(112)이 위치한다.
제1층(111)은 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어진다. 이러한 금속으로서, 예컨대 도가니(101)를 구성하는 재료와 같이, Ta, W, Re, 이들의 합금 등을 들 수 있다. 특히, Ta로 이루어지는 것이 바람직하다. Ta는 C와 반응하기 어렵기 때문에, 제1층(111)은 승화된 C와의 반응을 억제할 수 있다. 이 때문에, 도입구(123c)로부터 C가 피복관(110)의 내부에 침입한 경우, 도가니(101), 가열체(121) 및 단열재(127)가 C를 함유하며, 어느 하나의 C가 피복관(110) 내에 침입한 경우에도, 제1층(111)의 반응을 억제할 수 있다. 또한, 반응 용기(123)가 Si를 함유하는 경우 등에서, 피복관(110) 내에 Si가 침입한 경우에도, 제1층(111)은 반응 용기(123)로부터 승화하여 침입된 Si와의 반응을 억제할 수 있다. 제1층(111)은 도가니(101)와 동일한 재료일 수도 있고, 다른 재료일 수도 있다.
제2층(112)은 제1층(111)을 구성하는 금속의 탄화물로 이루어진다. 이러한 탄화 금속으로서, 예컨대 TaC(탄화탄탈), WC(탄화텅스텐), ReC(탄화레늄) 및 이들의 합금 등을 들 수 있으며, TaC로 이루어지는 것이 바람직하다. 제2층을 구성하는 금속과 C와의 비(몰비)는 특별히 한정되지 않고, 예컨대 1:1이 되도록 제2층(112)을 형성한다.
제2층(112)은, 예컨대 제1층(111)의 외주측의 면을 탄화 처리함으로써 형성된다. 또한, 제1층(111)을 형성한 후에, 제1층(111)의 외주를 덮는 제2층(112)을 감합함으로써, 피복관(110)을 형성할 수도 있다.
피복관(110)에 있어서, 피복관(110)의 내주로부터 외주를 향하여 금속의 비가 단조 감소한다. 바꾸어 말하면, 피복관(110)에 있어서, 내주로부터 외주를 향하여 C의 비가 단조 증가한다.
여기서, 상기 「단조 감소」란, 피복관(110)의 내주로부터 외주를 향하여, 금속의 비가 항상 동일 또는 증가하고, 또한 내주면보다도 외주면쪽이 비가 낮은 것을 의미한다. 바꾸어 말하면, 단조 감소란, 내주로부터 외주를 향하여 금속의 비가 증가하는 부분이 포함되지 않는다는 것이다. 또한, 상기 「단조 증가」란, 피복관(110)의 내주로부터 외주를 향하여 C의 비가 항상 동일 또는 증가하고, 또한 내주면보다도 외주면쪽이 C의 비가 높은 것을 의미한다. 바꾸어 말하면, 단조 증가란, 내주로부터 외주를 향하여 C의 비가 감소하는 부분이 포함되지 않는다는 것이다. 이 때문에, 상기 조건을 갖고 있다면, 본 발명은 제1층(111)과 제2층(112)의 경계가 명확하지 않은 경우와 명확한 경우를 포함한다.
또한, 피복관(110)에 있어서, 제1층(111)의 열팽창률은 제2층(112)의 열팽창률보다 크다. 즉, 피복관(110)은 내주로부터 외주를 향하여 열팽창률이 단조 감소한다. 바꾸어 말하면, 피복관(110)의 내주로부터 외주를 향하여, 열팽창률이 항상 동일 또는 감소하고, 내주면보다도 외주면쪽이 열팽창률이 낮다. C의 열팽창률은 Ta의 열팽창률보다 작기 때문에, 피복관(110)의 내주와 외주의 열팽창률의 차를 완화할 수 있다.
또한, 피복관(110)은 제1층(111)과 제2층(112) 사이에 제3 층(도시하지 않음)을 형성하여도 좋다. 이 경우, 제3 층은 제1층(111)을 구성하는 금속의 탄화물이며, 또한 제2층(112)보다 금속의 비(몰비)가 높은 것이 바람직하다. 즉, 피복관(110)의 내주로부터 외주를 향하여 금속의 비가 단조 감소하는 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 피복관(110)의 내주로부터 외주를 향하여 C의 비가 단조 증가하는 것이 바람직하다. 또한, 제3 층은 복수의 층을 갖고 있어도 좋다.
가열체(121)는 피복관(110)의 외주에 배치되며, 본 실시형태에서는 피복관(110)에 접하여 설치된다. 가열체(121)는 조밀체이며, 가열부(125)로부터의 열을 흡수하여, 도가니(101)의 내부를 가열한다. 가열체(121)는, 예컨대 그래파이트로 이루어진다. C는 2000℃ 정도의 고온에서의 내열성이 우수하고, RF 코일에 의한 가열이 가능하며, 염가이다.
이 때문에, 가열체(121)는 C를 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 가열체(121)는 생략되어도 좋다.
단열재(127)는 가열체(121)의 외주에 배치되며, 본 실시형태에서는 가열체(121)의 전체 외주를 덮도록, 가열체(121)에 접하여 설치된다. 단열재(127)는 가열체(121)보다 공공(공공률)이 적은 재료로 이루어진다. 단열재(127)는 가열체(121)가 흡수한 열을 외부로 유출시키는 것을 억제한다. 또한, 단열재(127) 자체는 가열부(125)로부터 열을 흡수하기 어렵다. 단열재(127)는 예컨대 내열성이 우수하며 염가라는 관점에서 C를 함유하고, 예컨대 동심 원형으로 권취된 카본 펠트(carbon felt)로 이루어진다. 또한, 단열재(127)는 생략되어도 좋다.
이 단열재(127)의 외주에는, 반응 용기(123)가 설치된다. 제조 장치(100)는, 반응 용기(123)의 한쪽 단부(본 실시형태에서는 하단)에 형성되며, 또한 반응 용기(123) 내에 예컨대 질소 가스(N2) 등의 캐리어 가스를 흐르게 하기 위한 도입구(123a, 123c)와, 반응 용기(123)의 다른쪽 단부(본 실시형태에서는 상단)에 형성되며, 또한 반응 용기(123)의 외부에 캐리어 가스를 배출하기 위한 배출구(123b, 123d)를 갖는다. 도입구(123a) 및 배출구(123b)는, 반응 용기(123) 내에서 피복관(110)의 외부에 배치된다. 도입구(123c) 및 배출구(123d)는 반응 용기(123) 내에서 피복관(110)의 내부에 배치된다. 즉, 도입구(123c)는 반응 용기(123) 내에 배치된 도가니(101)에 캐리어 가스를 흐르게 한다. 또한, 배출구(123d)는 도가니(101)로부터 반응 용기(123)의 외부에 캐리어 가스, 불순물 등을 배출한다. 또한, 반응 용기(123)는 생략되어도 좋다.
가열부(125)는 도가니(101)의 외주에 배치되며, 도가니(101)의 내부를 가열한다. 본 실시형태에서는, 도가니(101)는 반응 용기(123) 내의 중앙부에 위치하기 때문에, 가열부(125)는 반응 용기(123)의 외측 중앙부에 배치된다. 가열부(125)에는, 예컨대 RF 코일, 저항 가열 코일 등을 이용할 수 있다. RF 코일은 금속에는 흡수되기 어렵다.
이 때문에, 가열부(125)로서 RF 코일을 이용하는 경우에는, 가열체(121)를 가열함으로써, 도가니(101)의 내부를 가열한다. 저항 가열 코일을 이용하는 경우에는, 직접 도가니(101)의 내부를 가열한다. 이 때문에, 가열부(125)로서 저항 가열 코일을 이용하는 경우에는, 가열체(121) 및 단열재(127)는 생략되어도 좋다.
또한, 반응 용기(123)의 상부 및 하부에는, 도가니(101)의 상측의 온도[하지 기판(11)측의 온도] 및 하측의 온도[원료(17)측의 온도]를 측정하기 위한 방사 온도계(129a 및 129b)가 설치된다. 또한, 방사 온도계(129a 및 129b)는 생략되어도 좋다.
또한, 상기 제조 장치(100)는 상기 이외의 여러가지 요소를 포함할 수도 있지만, 설명의 편의상, 이들 요소의 도시 및 설명은 생략한다.
계속해서, 본 실시형태에 있어서의 질화물 반도체 결정(10)의 제조 방법에 대해서 설명한다. 본 실시형태에 있어서의 질화물 반도체 결정(10)은 도 2 및 도 3에 나타내는 제조 장치(100)를 이용하여 승화법에 따라 제조된다.
우선, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 원료(17)를 내부에 배치하기 위한 도가니(101)를 준비한다. 도가니(101)는 원료(17)보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 다음에, 도가니(101)의 외주를 덮는 피복부로서의 피복관(110)을 형성한다. 피복관(110)은, 도가니(101)에 대향하는 측(내주측)에 형성되며 원료(17)보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층(111)과, 제1층(111)의 외주측에 형성되며 제1층(111)을 구성하는 금속의 탄화물로 이루어지는 제2층(112)을 포함한다. 다음에, 피복관(110)의 외주에 가열체(121)를 배치한다. 다음에, 가열체(121)의 외주에, 가열체(121)보다 공공이 적은 재료로 이루어지는 단열재(127)를 배치한다. 다음에, 단열재(127)의 외주에 반응 용기(123)를 배치한다. 다음에, 반응 용기(123)의 외주에 가열부(125)를 배치한다. 즉, 도 4를 참조하여, 본 실시형태에서는, 도 2 및 도 3에 나타내는 제조 장치(100)를 준비한다(단계 S1).
다음에, 도 2∼도 4에 나타내는 바와 같이, 하지 기판(11)을 배치한다(단계 S2). 하지 기판은 특별히 한정되지 않지만, 성장시키는 질화물 반도체 결정과 동일한 조성비를 갖는 기판인 것이 바람직하다. 이 하지 기판(11)은 도가니(101)의 상부에 설치된다. 또한, 이 단계 S2는 생략되어도 좋다. 이 경우는, 자발 핵 생성에 의해, 질화물 반도체 결정을 성장시킨다.
다음에, 원료(17)를 배치한다(단계 S3). 원료(17)는 특별히 한정되지 않지만, 순도가 높은 것이 바람직하다. 예컨대, 성장시키는 질화물 반도체 결정이 AlN 결정인 경우에는, 원료(17)는 소결된 AlN 원료를 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 원료(17)에는 소결조제는 포함되어 있지 않다. 이 원료(17)는 하지 기판(11)과 서로 마주보도록, 도가니(101)의 하부에 설치된다.
다음에, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 원료(17)를 가열함으로써 승화시켜, 도가니(101) 내의 원료(17)와 대향하는 영역에, 원료 가스를 석출시킴으로써, 질화물 반도체 결정(10)을 성장시킨다(단계 S4). 본 실시형태에서는, 승화된 원료 가스를 하지 기판(11) 위에 석출시킴으로써, 질화물 반도체 결정(10)을 성장시킨다.
이 단계 S4에서는, 질화물 반도체 결정(10)으로서 AlN 결정을 성장시키는 경우에는, 예컨대 하지 기판(11)측의 온도를 1400℃∼1800℃로 하며, 원료(17)측의 온도를 1850℃∼2150℃가 되도록 가열부(125)를 제어한다. 질화물 반도체 결정(10)으로서 GaN 결정을 성장시키는 경우에는, 예컨대 하지 기판(11)측의 온도를 1450℃∼1550℃로 하며, 원료(17)측의 온도를 1600℃∼1700℃가 되도록 가열부(125)를 제어한다.
이 단계 S4에서는, 피복관(110)의 내주측에 흐르게 하는 캐리어 가스[도입구(123c)로부터 흐르게 하여, 배출구(123d)에서 배출하는 가스]와, 피복관(110)의 외주측에 흐르게 하는 캐리어 가스[도입구(123a)로부터 흐르게 하여, 배출구(123b)에서 배출하는 가스]는 동일할 수도 다를 수도 있다. 반응 용기(123) 내에서의 피복관(110)의 내주측에 질소 가스를 흐르게 하고, 반응 용기(123) 내에서의 피복관(110)의 외주측에 질소 가스 이외의 가스를 흐르게 하는 것이 바람직하다. 피복관(110)의 외주측에 흐르게 하는 가스로서는 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 흐르게 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 시안화수소(HCN) 가스의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 제해 장치가 불필요하게 된다.
또한, 하지 기판(11)을 이용하여 질화물 반도체 결정(10)을 성장시키는 경우에는, 하지 기판(11)을 제거하는 공정을 실시할 수도 있다.
이상의 단계 S1∼S4에 따라, 도 1에 나타내는 질화물 반도체 결정(10)을 제조할 수 있다.
본 실시형태에서는, 도가니(101)의 외주에 피복관(110)을 배치하여 질화물 반도체 결정(10)을 성장시킨다(단계 S4). 승화법에서는 상기한 바와 같이 고온에서 질화물 반도체 결정(10)을 성장시키기 때문에, 피복관(110)의 외부에 위치하는 가열체(121), 단열재(127) 및 반응 용기(123)를 구성하는 재료(예컨대 C, Si 등)가 승화하기 쉽다. 그러나, 피복관(110)을 배치한 상태에서 질화물 반도체 결정(10)을 성장시킴으로써, 승화된 불순물이 도가니(101)의 내부에 혼입하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 피복관(110)에 있어서 도가니(101)에 대향하는 측에 형성된 제1층(111)은 원료(17)보다 융점이 높은 금속으로 이루어진다. 이에 따라, 원료(17)를 승화시키는 온도에서 피복관(110)이 승화되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 금속은 승화 가스와의 반응성이 낮다.
이에 따라, 피복부의 내주에 위치하는 제1층이 승화 가스와 반응하는 것을 억제할 수 있다.
이들로부터, 피복관(110)을 구성하는 재료가 승화함으로써 생기는 불순물이 도가니(101)에 침입하는 것을 억제할 수 있다.
이와 같이, 피복관(110)에 의해 도가니(101)의 외부로부터 내부에의 불순물의 침입을 억제하고, 또한 피복관(110)으로부터 발생하는 불순물을 억제할 수 있다. 따라서, 성장하는 질화물 반도체 결정(10)에 도가니(101)의 외부로부터 불순물이 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 불순물의 혼입이 억제된 질화물 반도체 결정(10)을 제조할 수 있다. 이 때문에, 제조하는 질화물 반도체 결정(10)에 불순물이 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 승화법에 따라 질화물 반도체 결정(10)을 제조하기 때문에, 대면적의 질화물 반도체 결정(10)을 제조할 수 있다. 그 결과, 예컨대, 10 ㎜ 이상의 직경(R)을 가지며, 2 ppm 이하의 불순물 농도를 갖는 질화물 반도체 결정(10)을 제조할 수 있다.
또한, 피복관(110)의 외주에, 제1층(111)을 구성하는 금속과, C를 함유하는 제2층(112)이 형성된다. 본 실시형태에서는, 피복관(110)의 제2층(112)의 외주에, C를 함유하는 가열체(121)가 접해서 설치된다. 제2층(112)에 의해, 가열체(121)와 제1층(111)과의 열팽창률차를 완화할 수 있다. 이 때문에, 피복관(110)에 있어서, 내주측[도가니(101)와 대향하는 측]과 외주측[가열체(121), 단열재(127)와 대향하는 측]의 뒤틀림을 완화할 수 있기 때문에, 피복관(110)에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 원료(17)를 승화시키는 고온의 조건에서도, 피복관(110)의 균열 등을 억제하여, 질화물 반도체 결정(10)을 성장시킬 수 있다. 따라서, 내구성을 향상시킨 상태에서, 질화물 반도체 결정(10)을 제조할 수 있다.
특히, 원료(17)보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 도가니(101)를 이용하여 질화물 반도체 결정(10)을 성장시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 도가니(101) 자체의 승화를 억제할 수 있기 때문에, 도가니(101)를 구성하는 재료에 의한 불순물이 성장하는 질화물 반도체 결정(10)에 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 불순물의 혼입이 더욱 억제된 질화물 반도체 결정(10)을 제조할 수 있다.
따라서, 본 실시형태에 있어서의 질화물 반도체 결정의 제조 방법 및 제조 장치(100)에 의해 제조된 불순물 농도가 낮은 질화물 반도체 결정(10)은, 예컨대 발광 다이오드, 레이저 다이오드 등의 발광 소자; 정류기, 바이폴러 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터, HEMT(High Electron Mobility Transistor; 고전자 이동도 트랜지스터) 등의 전자 소자; 미소(微小) 전자원(에미터), 온도 센서, 압력 센서, 방사선 센서, 가시-자외광 검출기 등의 반도체 센서; SAW 디바이스(Surface Acoustic Wave Device: 표면 탄성파 소자), 진동자, 공진자, 발진기, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 부품, 압전 액추에이터 등의 디바이스용의 기판 등에 적합하게 이용할 수 있다. 특히, 저결함, 저전위 밀도, 및 높은 광투과 특성을 갖는 질화물 반도체 결정(10)을 제조할 수 있기 때문에, 발광 소자에 이용하면 유리하다.
<실시예 1>
본 실시예에서는, 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층을 포함하는 피복관을 이용하여 질화물 반도체 결정을 제조하는 효과에 대해서 조사하였다.
(본 발명예 1)
본 발명예 1의 질화물 반도체 결정(10)은 도 1 및 도 2에 나타내는 제조 장치(100)를 이용하여, 전술한 실시형태에 따라 제조되었다.
구체적으로는, 우선, 도가니(101)와, 제1층 및 제2층(111, 112)을 포함하는 피복관(110)과, 가열체(121)와, 단열재(127)와, 반응 용기(123)를 포함하는 제조 장치(100)를 준비한다(단계 S1). 도가니(101)는 1 인치의 외직경과 1.5 인치의 높이를 가지며 Ta로 이루어졌다. 피복관(110)은 30 ㎜의 내직경과 32 ㎜의 외직경 및 500 ㎜의 높이를 가지며 제1층(111)과 제2층(112)을 포함하였다. 내주측에 위치하는 제1층(111)은 Ta로 이루어졌다. 제1층(111)의 외주에 배치된 제2층(112)은 제1층의 외주면을 2000℃에서 탄화 처리하여 형성되고, Ta:C=1:1의 TaC로 이루어졌다. 가열체(121)는 그래파이트로 이루어지고, 가열부(125)는 RF 코일로 이루어지며, 단열재(127)는 카본펠트로 이루어졌다. 또한, 반응 용기(123)는 석영관을 이용하였다.
다음에, 도가니(101)의 내부에, 원료(17)로서 AlN을 배치하였다(단계 S3). 도가니(101) 및 피복관(110)의 제1층(111)을 구성하는 재료인 Ta의 융점은 2990℃이며, 원료인 AlN의 융점은 2200℃이고, 도가니(101) 및 제1층(111)의 융점은 원료(17)의 융점보다 높았다.
다음에, 도가니(101)의 내부에 원료(17)에 대향하도록, 하지 기판(11)으로서 AlN 기판을 배치하였다(단계 S2).
다음에, 캐리어 가스로서 N2 가스를 흐르게 하여, N2 분위기에서, 성장 온도를 2000℃로 하여, 질화물 반도체 결정(10)으로서 AlN 결정을 성장시켰다(단계 S4).
냉각 후, 본 발명예 1의 AlN 결정을 제조 장치(100)로부터 추출하였다. 그 결과, 하지 기판(11) 위에, 직경(R)이 10 ㎜이며, 또한 두께(H)가 1 ㎜인 본 발명예 1의 AlN 결정이 형성되었다.
(비교예 1)
비교예 1의 질화물 반도체 결정은 기본적으로는 본 발명예 1과 동일하게 제조되었지만, 도가니(101)를 구성하는 재료가 카본인 점 및 피복관(110)을 구비하지 않은 점에서 달랐다.
구체적으로는, 도 6에 나타내는 제조 장치를 이용하여 비교예 1의 AlN 결정을 제조하였다. 즉, 비교예 1에서 이용한 제조 장치는 카본제의 도가니(201)와, 도가니(201)의 외주를 덮는 가열체(121)와, 가열체(121)의 외주를 덮는 단열재(127)를 구비하였다. 이에 의해, 하지 기판(11) 위에, 1 ㎜의 두께를 갖는 비교예 1의 AlN 결정을 제조하였다.
(비교예 2)
비교예 2의 질화물 반도체 결정은 기본적으로는 본 발명예 1과 동일하게 제조되었지만, 도가니(101)를 구성하는 재료가 TaC인 점 및 피복관(110)을 구비하지 않은 점에서 달랐다.
구체적으로는, 비교예 1에서 이용한 도 6에 나타내는 제조 장치에 있어서, 도가니(101)의 재료가 Ta:C=1:1의 TaC로 이루어지는 도가니를 이용하였다. 이에 의해, 하지 기판(11) 위에, 1 ㎜의 두께를 갖는 비교예 2의 AlN 결정을 제조하였다.
(측정 방법)
본 발명예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 AlN 결정에 대해서, SIMS(2차 이온 질량 분석)를 이용하여 불순물 농도로서 Si 농도, C 농도, 및 O 농도를 측정하였다. 그 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
(측정 결과)
표 1에 나타내는 바와 같이, C를 함유하지 않으며 원료(17)보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층(111)을 포함하는 피복관(110)을 이용하여 제조한 본 발명예 1의 AlN 결정에서는, C 농도 및 Si 농도가 각각 1 ppm 이하이며, 불순물 농도가 2 ppm 이하로 매우 낮았다.
한편, 피복관(110)을 구비하지 않은 제조 장치를 이용하여 제조한 비교예 1의 AlN 결정에서는, C 농도 및 Si 농도가 10 ppm이며, 불순물 농도가 20 ppm으로 매우 높았다.
또한, 피복관(110)을 구비하지 않은 제조 장치를 이용하여 제조한 비교예 2의 AlN 결정에서는, TaC로 이루어지는 도가니를 이용하였기 때문에, 비교예 1의 AlN 결정보다 C 농도, Si 농도 및 불순물 농도가 낮았지만, 본 발명예 1의 AlN 결정의 불순물 농도보다는 전부 높았다.
또한, C는 도가니(201), 가열체(121) 및 단열재(127)를 구성하는 재료가 승화하여, 도가니(101)의 배기구(101a)로부터 AlN 결정에 혼입된 것이다. Si는, 반응 용기(123)를 구성하는 재료가 승화하여, 도가니(101)의 배기구(101a)로부터 AlN 결정에 혼입된 것이다. 이 때문에, C 농도 및 Si 농도의 결과로부터, 피복관(110)을 구비함으로써 각각의 불순물 농도를 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한, C 농도의 결과로부터, 도가니(101)를 구성하는 재료를 원료보다 융점이 높은 금속으로 함으로써 C 농도를 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다.
여기서, 본 발명자는, 도가니(101)의 배기구(101a)를 형성하지 않고, 도가니(101) 내부를 완전히 밀폐하면, 결정이 단결정으로 성장하지 않고, 이상 성장한다고 하는 지견을 얻었다. 이 때문에, 도가니(101)에 배기구(101a)를 형성하는 것은 필요하다. 따라서, 도가니(101)의 배기구(101a), 및 도가니(101)와 피복관(110) 사이의 배출구(123d)를 구비함으로써, 이상 성장하지 않는 AlN 결정의 제조에 있어서, 불순물 농도를 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다.
이상으로부터, 본 실시예에 따르면, 원료(17)보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층(111)을 포함하는 피복관(110)을 도가니(101)에 대향하는 측에 형성한 제조 장치(100)를 이용하여 질화물 반도체 결정(10)으로서의 AlN 결정을 제조함으로써, 제조된 AlN 결정에 포함되는 불순물 농도를 저감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
본 실시예에서는, 질화물 반도체 결정(10)으로서 AlN 결정을 예로 들어 설명하였다. 그러나, AlN 결정 이외의 질화물 반도체 결정(10)에 대해서도, 제1층(111)을 포함하는 피복관(110)을 이용함으로써, 피복관(110)의 외부로부터 내부에 불순물이 침입하는 것을 억제할 수 있다. 또한, AlN 결정 이외의 질화물 반도체 결정(10)에 대해서도, 제1층(111)을 구성하는 재료를 동일하게 함으로써, 원료(17)를 승화시키는 온도에서 제1층(111)이 승화되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 금속은 승화 가스와의 반응성이 낮다. 이 때문에, AlN 결정 이외의 질화물 반도체 결정(10)에 대해서도, 피복관(110)의 외부로부터, 및 피복관(110) 자체로부터, 도가니(101) 내부에 불순물이 침입하는 것을 마찬가지로 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명예 1과 마찬가지로, 불순물의 혼입이 억제된 질화물 반도체 결정(10)을 제조할 수 있다.
<실시예 2>
본 실시예에서는, 도가니에 대향하는 측에 형성되며 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층과, 제1층의 외주측에 형성되며 제1층을 구성하는 금속의 탄화물로 이루어지는 제2층을 포함하는 피복관을 이용하여 질화물 반도체 결정을 제조하는 효과에 대해서 조사하였다.
구체적으로는, 실시예 1에서 설명한 본 발명예 1의 제조 장치, 이하의 본 발명예 2, 비교예 3 및 비교예 4의 제조 장치를 이용하여, 내구성에 대해서 조사하였다.
(본 발명예 2)
본 발명예 2의 제조 장치는, 기본적으로는 본 발명예 1의 제조 장치와 동일하지만, 제2층(112)이 다른 방법으로 형성되어 있는 피복관(110)을 구비한 제조 장치를 이용하였다. 구체적으로는, Ta로 이루어지는 제1층(111)과, Ta:C=1:1의 TaC로 이루어지는 제2층을 준비하였다. 그 후, 제2층(112)이 제1층(111)의 외주를 피복하도록, 제2층(112)을 제1층(111)에 감합하였다.
(본 발명예 3)
본 발명예 3의 제조 장치는 기본적으로는 본 발명예 1의 제조 장치와 동일하지만, 제2층(112)이 다른 방법으로 형성되어 있는 피복관(110)을 구비한 제조 장치를 이용하였다. 구체적으로는, 제1층(111)에 있어서의 가열부 근방만을 탄화 처리하였다. 이 때문에, 본 발명예 3의 제조 장치의 피복관(110)은 제1층(111)과, 제1층(111)의 외주를 피복하는 제2층(112)을 포함하고, 제2층(112)은 가열부 근방만의 제1층(111)의 외주측에 형성되었다.
(비교예 3)
비교예 3의 제조 장치는 기본적으로는 본 발명예 1의 제조 장치와 동일하지만, 도 7에 나타내는 TaC로 이루어지는 1층의 피복관(210)을 구비한 제조 장치(200)를 이용한 점에서 달랐다. 즉, Ta로 이루어지는 제1층(111)만을 준비하여, 2000℃에서 탄화 처리를 함으로써, Ta:C=1:1의 TaC로 이루어지는 피복관(210)을 형성하였다.
(비교예 4)
비교예 4의 제조 장치는 기본적으로는 본 발명예 1의 제조 장치와 동일하지만, 도 7에 나타내는 Ta로 이루어지는 1층의 피복관(210)을 구비한 제조 장치(200)를 이용한 점에서 달랐다. 즉, Ta로 이루어지는 제1층(111)만을 준비함으로써 피복관(210)으로 하였다.
(측정 방법)
본 발명예 1∼3, 비교예 3 및 비교예 4의 각각의 제조 장치에 대해서, 2200℃로 가열하여, 20시간 후, 50시간 후, 100시간 후, 및 200시간 후에, 피복관의 균열 발생 유무를 조사하였다. 그 결과를 하기의 표 2에 나타낸다. 표 2에 있어서, 피복관의 균열이 없는 것을 「균열 없음」이라고 기재하고, 피복관의 균열, 파손이 있는 것을 「균열 있음」이라고 기재하고 있다.
Figure pct00002
(측정 결과)
표 2에 나타내는 바와 같이, 도가니에 대향하는 측에 형성되며 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층과, 제1층의 외주측에 형성되며 제1층을 구성하는 금속의 탄화물로 이루어지는 제2층을 포함하는 피복관을 구비하는 본 발명예 1∼3의 제조 장치는 50시간 이상 경과해도 균열이 발생하지 않았다.
특히, 탄화 처리하여 제2층을 형성한 본 발명예 1 및 3에서는, 200시간 가열한 경우에도, 피복관(110)에 균열이 발생하지 않았다. 이것은, 본 발명예 2의 피복관보다도 내주측으로부터 외주측을 향하여 C의 증가가 완만하였기 때문에, 가열체와의 열팽창률차를 효과적으로 완화할 수 있는 것에 따른다.
또한, 가열부 근방에만 제2층이 형성되었던 본 발명예 3은 가열부 근방 이외의 부분(즉, 제1층의 전체)에 제2층이 형성되었던 본 발명예 1과 동일한 효과를 갖고 있었다. 이 때문에, 제2층은 적어도 가열부 근방에 형성되어 있으면 좋은 것을 알 수 있었다.
한편, 1층만을 포함하는 피복관(210)을 구비한 비교예 3 및 비교예 4의 제조 장치는 20시간 및 50시간에서 각각 균열이나 파손이 생겼다.
이상으로부터, 본 실시예에 따르면, 도가니(101)에 대향하는 측에 형성되며 원료(17)보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층(111)과, 제1층(111)의 외주측에 형성되며 제1층(111)을 구성하는 금속의 탄화물로 이루어지는 제2층(112)을 포함하는 피복관(110)을 구비함으로써, 피복관(110)의 내구성, 즉 제조 장치(100)의 내구성을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 특히, AlN 결정을 제조하는데 필요한 2200℃의 고온에서도 본 발명의 제조 장치(100)는 내구성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
<실시예 3>
본 실시예에서는, 피복부를 구비한 제조 장치에 있어서, 피복부의 외주측에 질소를 함유하지 않는 가스를 흐르게 하는 효과에 대해서 조사하였다.
(시료 1∼3)
본 실시예의 시료 1∼3에서는, 기본적으로는 본 발명예 1의 제조 장치(100)를 이용하여 AlN 결정을 제조하였지만, 캐리어 가스로서, 반응 용기(123) 내에서의 피복관(110)의 내주측에 N2 가스를 흐르게 하고, 반응 용기(123) 내에서의 피복관(110)의 외주측에 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, Ar 가스를 각각 흐르게 한 점에서 달랐다.
각각의 캐리어 가스를 흐르게 한 각각의 AlN 결정의 제조에 있어서, 반응 용기(123) 내부의 시안화 수소 가스 농도를 시안화 수소 가스 센서로 측정하였다. 또한, 본 발명예 1에 있어서 피복관(110)의 외주측 및 내주측 모두 N2 가스를 흐르게 한 AlN 결정의 제조에 있어서도, 반응 용기(123) 내부의 시안화 수소 가스 농도를 동일하게 측정하였다. 그 결과를 하기의 표 3에 나타낸다.
Figure pct00003
표 3에 나타내는 바와 같이, 피복부의 외주측에 불활성 가스를 흐르게 한 시료에서는, AlN 결정의 제조 시 발생하는 시안화 수소 가스 농도가 1 ppm 미만이었고, 시안화 수소 가스는 거의 발생하지 않았다. 한편, 피복부의 외주측에 질소를 흐르게 한 시료에서는 30 ppm의 시안화 수소 가스가 검출되었다. 이 때문에, 피복부의 외주측에 불활성 가스를 흐르게 함으로써, 시안화 수소 가스를 제해하기 위한 제해 장치를 생략할 수 있는 것을 알 수 있었다.
이상으로부터, 본 실시예에 따르면, 피복부를 구비한 제조 장치에 있어서, 피복부의 외주측에 질소 이외의 가스를 흐르게 함으로써, 제조 장치를 간략화할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해서 설명하였지만, 각 실시형태 및 실시예의 특징을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다. 또한, 금번 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 실시형태가 아니라 특허청구범위에 나타나며, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
10: 질화물 반도체 결정 11: 하지 기판
17: 원료 100: 제조 장치
101: 도가니 101a: 배기구
110: 피복관 111: 제1층
112: 제2층 121: 가열체
123: 반응 용기 123a, 123c: 도입구
123b, 123d: 배출구 125: 가열부
127: 단열재 129a, 129b: 방사 온도계
H: 두께 R: 직경

Claims (10)

  1. 질화물 반도체를 함유하는 원료를 승화시키고, 승화된 원료 가스를 석출시킴으로써 질화물 반도체 결정을 성장시키는 질화물 반도체 결정의 제조 장치에 있어서,
    상기 원료를 내부에 배치하기 위한 도가니와,
    상기 도가니의 외주에 배치되며, 상기 도가니의 내부를 가열하기 위한 가열부와,
    상기 도가니와 상기 가열부 사이에 배치된 피복부
    를 구비하고,
    상기 피복부는, 상기 도가니에 대향하는 측에 형성되며 상기 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층과, 상기 제1층의 외주측에 형성되며 상기 제1층을 구성하는 금속의 탄화물로 이루어지는 제2층을 포함하는 것인 질화물 반도체 결정의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도가니는 상기 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 것인 질화물 반도체 결정의 제조 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열부는 RF 코일이며,
    상기 피복부와 상기 가열부 사이에 배치된 가열체를 더 구비하는 질화물 반도체 결정의 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가열체와 상기 RF 코일 사이에 배치되며, 상기 가열체보다 공공(空孔)이 적은 재료로 이루어지는 단열재를 더 구비하는 질화물 반도체 결정의 제조 장치.
  5. 원료를 내부에 배치하기 위한 도가니와, 상기 도가니의 외주에 배치된 피복부를 준비하는 공정과,
    상기 도가니 내에서, 상기 원료를 가열함으로써 승화시켜, 원료 가스를 석출시킴으로써 질화물 반도체 결정을 성장시키는 공정
    을 포함하고,
    상기 준비하는 공정은, 상기 도가니에 대향하는 측에 형성되며 상기 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 제1층과, 상기 제1층의 외주측에 형성되며 상기 제1층을 구성하는 금속의 탄화물로 이루어지는 제2층을 포함하는 상기 피복부를 준비하는 공정을 포함하는 것인 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 준비하는 공정은, 상기 원료보다 융점이 높은 금속으로 이루어지는 상기 도가니를 준비하는 공정을 더 포함하는 것인 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 준비하는 공정은,
    상기 피복부의 외주에 가열체를 배치하는 공정과,
    상기 가열체를 가열하기 위한 RF 코일을 상기 가열체의 외주에 배치하는 공정을 더 포함하는 것인 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 준비하는 공정은, 상기 가열체의 외주에, 상기 가열체보다 공공(空孔)이 적은 재료로 이루어지는 단열재를 배치하는 공정을 더 포함하는 것인 질화물 반도체 결정의 제조 방법.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 결정의 제조 방법에 따라 제조된 질화물 반도체 결정.
  10. 제9항에 있어서, 10 ㎜ 이상의 직경을 가지며, 2 ppm 이하의 불순물 농도를 갖는 질화물 반도체 결정.
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