KR20140104438A - 질화 알루미늄 단결정 기판 및 이들의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소의 농도가 1×1014 atoms/cm3 이상 3×1017 atoms/cm3 미만이며, 염소의 농도가 1×1014∼1×1017 atoms/cm3이며, 파장 265nm에서의 흡수 계수가 40cm-1 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 단결정에 관한 것이다.
Description
본 발명은 신규의 질화 알루미늄(이하, AlN이라고 칭함) 단결정 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 AlN 단결정에 함유되는 탄소 원자의 농도가 낮고, 자외광 투과성이 양호한 신규의 AlN 단결정 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자외 발광 소자 등의 반도체 소자를 형성하기 위해서는, n전극에 전기적으로 접합한 n형 반도체층과 p전극에 전기적으로 접합한 p형 반도체층의 사이에 클래드층, 활성층 등을 포함하는 적층 구조를 형성할 필요가 있고, 발광 효율의 점에서 어느 층에서도 높은 결정성, 즉 결정의 전위나 점결함이 적은 것이 중요하다. 이러한 이유로, 일반적으로 상기 적층 구조는 자립해서 존재하기에 충분한 기계적 강도를 갖는 단결정 기판 (이하, 「자립 기판」이라고 할 경우가 있음) 상에 형성된다.
상기 적층 구조 형성용의 자립 기판으로서는, 적층 구조를 형성하는 질화 알루미늄 갈륨 인듐(AlGaInN) 등의 Al계 III족 질화물 단결정과의 격자 정수차이나 열팽창 계수차이가 작은 것, 또한 소자의 열화를 방지하는 관점에서 열전도율이 높은 것이 요구된다. 이 때문에, AlN을 함유하는 반도체 소자를 제작하기 위해서는 Al계 III족 질화물 단결정 기판을 자립 기판으로서, 상기 층구조를 형성하는 것이 유리하다.
상기 층구조로 한 경우, 활성층에서 광을 추출하기 위해서는, 자립 기판인 Al계 III족 질화물 단결정 기판이 광을 투과하는 것이 중요하다. 만약 광을 투과할 수 없다면, 반도체 소자 구조의 발광 효율이 높았다 하더라도, Al계 III족 질화물 단결정 기판에 광이 흡수되어, 결과적으로 발광 효율이 낮은 자외 발광 소자가 된다.
Al계 III족 질화물 단결정 중, 특히 질화 알루미늄 단결정은 약6eV의 밴드 갭 에너지를 가지며, 자외선 영역의 단파장의 발광이 가능하기 때문에, 자외 광원이나 백색 광원용 LED의 기초 기판으로서의 이용이 기대되고 있다. LED로서의 효율의 관점에서, AlN 단결정이 자외선 영역의 단파장의 광을 투과하는 것이 중요하며, 투과율이 높을수록 상기 광원용의 LED로서 유용하다.
따라서, 자외선 영역의 단파장의 광 투과율이 높은 AlN 단결정을 제작하는 방법이 활발히 연구되고 있으며, 예를 들면 특허문헌 1에 나타내는 바와 같은 하이드라이드 기상 에피택시법(HVPE법, Hydride Vapor Phase Epitaxy)을 이용한 AlN 단결정의 수법이 공지되어 있다.
또한, 특허문헌 2에서는, 질화물 반도체 단결정 기판의 흡수 계수를 저감시키는, 즉 질화물 반도체 단결정 기판의 투과율을 향상시키는 방법으로, AlN의 불순물로서, 1×1017cm- 3이하의 전체 불순물 밀도이면, 350∼780nm의 전체 파장 범위에서의 50cm- 1이하의 흡수 계수를 갖는 것이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 2에서는, 단결정 성장시의 기판 온도가 900∼1100℃로 비교적 낮게 설정되기 때문에, 불순물 전체의 농도가 억제되는 한편, 결정성이 저하될 가능성이 있다.
한편, 자외광인 265nm의 파장을 갖는 광은 세균의 DNA에 흡수되기 쉽고, DNA를 파괴한다고 하는 관점에서 살균에 유용하여 실용화가 기대되고 있다. 그러나, 상기의 350∼780nm의 전체 파장 범위에서의 50cm- 1이하의 흡수 계수를 가지고 있다 해도, 백색 광원용 LED의 기초 기판으로서 필요한 300nm이하, 특히 265nm의 투과율은 충분하지 않으며, 265nm 부근의 투과율을 개선하는 것이 바람직했다.
하이드라이드 기상 에피택시법(HVPE법)에 의해 제조된 AlN 단결정에 대해서는, 265nm에 대한 광투과율이 비교적 높은 것도 알려져 있지만, 그 광투과율은 약40% 정도(265nm에서의 흡수 계수는 120cm-1 정도)로서, 충분하다고는 할 수 없다(비특허문헌1참조).
Journal of Crystal Growth 312,2530-2536, (2010)
따라서, 본 발명은 자외선 영역인 265nm의 단파장의 광 투과성이 양호한, 달리 말하면 265nm에서의 흡수 계수가 낮은 AlN 단결정을 제공하는 것에 있다. 또한, 상기의 자외광 투과성이 양호한 AlN 단결정의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해서, 예의 검토를 실시했다. 그리고, AlN 단결정에 함유되는 불순물 원자의 종류와 농도에 주목하여, AlN 단결정의 자외선 영역의 광 투과성의 검토를 실시했다. 그러자, HVPE법에 의해 고온에서 성장하여 얻어진 AlN 단결정에 대해서는, 전체 불순물량이 1×1015∼1×1020 atoms/cm3으로 다량으로 함유되어 있는 경우에도, 탄소 농도가 1×1014 atoms/cm3 이상 3×1017 atoms/cm3 미만이며, 염소 농도가 1×1014∼1×1017 atoms/cm3이면, 자외선 영역의 단파장 265nm에서의 흡수 계수가 40cm-1 이하인 것을 특징으로 하는 AlN 단결정을 얻을 수 있는 것을 알았다. 즉, 본 발명자들의 검토에 의하면, 불순물량과 자외 영역의 광투과성에 관해서는, 단순히 AlN 단결정에 함유되는 불순물의 총량만이 문제가 아님이 밝혀졌다.
더욱 검토를 진행한 바, 265nm의 광 투과를 방해하는 원인이 되는 주된 원자는 탄소 원자인 것을 알았다. 구체적으로는, AlN 단결정에 함유되는 염소 원자의 농도를 0으로 하는 것이 아니라 비교적 저농도로 제어함과 동시에 탄소 농도를 가급적 낮게 제어함으로써, 자외광 투과성이 양호한 AlN 단결정을 얻을 수 있는 것을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 상기의 과제를 해결하는 본 발명의 요지는 이하와 같다.
(1) 탄소의 농도가 1×1014 atoms/cm3 이상 3×1017 atoms/cm3 미만이며, 염소의 농도가 1×1014∼1×1017 atoms/cm3이며, 265nm에서의 흡수 계수가 40cm-1 이하인 질화 알루미늄 단결정.
(2) 상기 질화 알루미늄 단결정에 함유되는 탄소, 염소, 붕소, 규소, 산소 농도의 총합이 1×1015∼1×1020 atoms/cm3인 (1)기재의 질화 알루미늄 단결정.
(3) 상기 질화 알루미늄 단결정의 (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭(半値幅)이 2000초 이하인 (1) 또는 (2)기재의 질화 알루미늄 단결정.
(4) 포토루미네선스 측정에 있어서, 질화 알루미늄의 밴드에지(band edge) 발광인 209nm의 피크를 확인할 수 있는 (1) 내지 (3)기재의 질화 알루미늄 단결정.
(5) 하이드라이드 기상 에피택시법에 의해 단결정 기판상에 질화 알루미늄 단결정을 성장시킴으로써 (1)기재의 질화 알루미늄 단결정을 제조하는 방법으로서, 1200℃ 이상 1700℃ 이하의 온도에서 상기 기판상에 질화 알루미늄 단결정을 성장시킴과 동시에, 하이드라이드 기상 에피택시 장치내의, 결정 성장시에 있어서 1200℃ 이상이 되는 영역의 노출 표면을, 1200℃ 이상 1700℃ 이하의 온도에서 환원 분해 또는 열분해하지 않는 재료, 또는 환원 분해 또는 열분해하여도 탄소 원자를 함유하는 가스를 발생시키지 않는 재료로 이루어지는 부재만으로 구성된 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
(6) 하이드라이드 기상 에피택시 장치내의 1200℃ 이상이 되는 영역의 노출 표면을, 바람직하게는 BN, TaC, W 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 구성되는 것을 특징으로 하는 (5)기재의 질화 알루미늄 단결정의 제조 방법.
종래에는 광투과성에 뛰어난 AlN 단결정을 얻기 위해서는 AlN 단결정에 함유되는 불순물량이 매우 낮아지도록 저감할 필요가 있다고 생각했다. 그러나, 특허문헌 2에 나타내는 바와 같이 전체 불순물 농도를 매우 낮게 할 수 있다 해도 300nm 이하의 파장의 광에 대한 투과성을 높게 하는 것은 성공하지 못했다. 또한, 특허문헌 2와 비특허문헌 1에 개시되는 AlN 단결정은 모두 HVPE법으로 제조된 것이지만 광투과율의 파장 의존성에는 차이가 있다.
이와 같은 사실에서, AlN 단결정의 광투과율, 특히 300nm 이하의 광에 대한 투과율에 대해서는, 많은 인자(예를 들면, 제조 조건이나 그것을 반영한 결정성 등의 인자)가 복잡하게 얽혀서 결정되는 것으로 추정되며, 단순히 전체 불순물 농도를 낮게 하면 광투과율이 향상되는 것은 아니다. 불순물을 전혀 포함하지 않고(전체 불순물량이 제로) 결함이 전혀 존재하지 않는 이상적인 단결정에서는, 이론값에 가까운 광투과율을 나타낸다고 생각되지만, 원료 또는 단결정 제조 과정의 분위기에서의 오염을 완전히 없애는 것 및 결함을 완전히 없애는 것은 현재의 기술로는 불가능하다.
이에 대하여, 본 발명의 질화 알루미늄(AlN) 단결정은 전체 불순물 농도가 비교적 높아도, 자외광 투과성이 뛰어난 것이 되고, 자외 영역의 LED 등에 사용 가능한 AlN 단결정을 얻을 수 있다.
이와 같이 뛰어난 특징을 갖는 AlN 단결정을 얻을 수 있었던 것은, HVPE법에 있어서 1200℃를 초과하는 온도에서 결정 성장을 실시하여 얻은, 결정성이 양호하고 불순물로서 C 및 Cl을 소정량 함유하는 AlN 단결정에 있어서는, 300nm 이하의 단파장 영역의 투과성이 불순물로서 함유되는 탄소 농도에 크게 의존하는 것을 발견한 것에 의한다.
특허문헌 2에서도 HVPE법으로 전체 불순물 농도가 낮아지는(당연히, 불순물 탄소 농도도 낮아지는) 조건하에서 AlN 단결정을 얻고 있지만, 상기 특허문헌에서는 1100℃ 이하의 온도에서 결정 성장을 실시하고 있기 때문에, 결정성이나 기타 불순물 원소의 영향에 의해, 탄소 농도가 낮아도 300nm 이하의 파장을 갖는 광에 대한 광투과성을 향상시킬 수는 없었던 것으로 생각된다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
(질화 알루미늄 단결정)
본 발명은 탄소의 농도가 1×1014 atoms/cm3 이상 3×1017 atoms/cm3 미만이며, 염소의 농도가 1×1014∼1×1017 atoms/cm3이며, 265nm에서의 흡수 계수가 40cm-1 이하인 AlN 단결정에 관한다.
본 발명의 AlN 단결정은 불순물로서 함유되는 탄소 원자 및 염소 원자의 농도가 소정의 범위내이면, 전체 불순물 농도가 비교적 높아도 265nm의 파장을 갖는 광에 대한 투과성을 높게 할 수 있다.
AlN 단결정의 광투과성에 대해서는, 특허문헌 2 이외에도 몇 개의 보고예가 있지만(예를 들면, Physica Status Solidi B246, No. 6,1181-1183 (2009)), 거기에는 불순물로서 함유되는 산소 원자의 영향에 의해 광투과성이 저하된다고 생각하고 있으며, 광투과성 저하의 원인 물질로서 탄소는 그다지 주목되지 않았다. 그런데, HVPE법에 의해 고온에서 성장시킨 AlN에 관한 본 발명자들의 검토에 의하면, 불순물 중에서도 특히, 탄소 불순물이 많이 함유되는 경우에 상기 파장 영역의 자외광투과 특성이 악화되는 것이 명확하게 되었다.
본원 발명의 AlN 단결정이 265nm의 파장을 갖는 광에 대하여 뛰어난 투과성을 나타낼 수 있는 이유는 반드시 명확하지 않지만, 본 발명자들은 다음과 같이 추정하고 있다. 즉, 특히 결정성이 양호한 AlN 단결정에 있어서는, 후에 상술하는 바와 같이, 자외광투과 특성을 악화시키는 원인은 탄소 불순물이 AlN 단결정에 혼입했을 때에 생성되는 N 공공(空孔)이라고 생각하고 있으며, 탄소 불순물 농도를 저감하는 것 이외에 HVPE법에서 불가피하게 혼입되는 염소 원자의 전기적 중화 작용에 의해 N 공공의 형성이 억제되어, 자외광투과 특성이 향상된 것으로 추정하고 있다.
또한, 상기한 특허문헌 2에서 자외광투과 특성이 낮았던 이유는 성장 온도가 낮은 것에 기인하여, AlN의 결정성이 낮아지고, 또한 불순물로서 함유되는 염소 농도가 낮아지는 경향이 있기 때문에, 상기한 바와 같은 메커니즘이 효율적으로 기능하지 않았던 것으로 생각된다.
이하에 현시점에서 생각되는 메커니즘을 상세하게 서술한다.
탄소 원자가 불순물로서 AlN 단결정에 혼입되었을 경우, 탄소 원자가 AlN의 질소 사이트에 도입되는 것으로 생각된다. 탄소 원자는 질소 원자보다 최외각 전자가 1개 적기 때문에, AlN의 질소 격자 사이트(lattice site)를 치환한 탄소는 정전하가 과잉이 된다. 정전하에 관해서는 반도체 분야에서는 홀로서 취급되지만, 이러한 전자의 부족을 초래하는 불순물종을 일반적으로는 억셉터(acceptor) 불순물이라고 부르고 있다. 이러한 억셉터 불순물이 함유되는 경우, 결정중의 전하 밸런스는 전체적으로 정(正)으로 대전하게 되며, 전기적으로는 불안정한 상태가 되므로, 이 정전하를 없애기 위해서 부전하를 가진 다른 결함종(種)이 발생한다. AlN 단결정에 있어서, 일어날 수 있는 가능성이 있는 결함종으로 생각되는 것은 질소의 공공(N 공공)이다. N 공공은 원래는 AlN의 질소 격자 사이트에 있었던 질소 원자가 결핍된 것이기 때문에, 부전하를 가지게 된다. 이와 같이 하여, 탄소 원자가 불순물로서 혼입된 경우에는, N 공공을 생성하는 것에 의해 전하를 서로 보상하여 AlN 단결정 중의 전기적 중성 상태가 유지되는 것이라 생각된다.
본 발명자들의 검토에 의하면, 불순물 중에서도 특히, 탄소 불순물이 많이 함유되는 경우에 상기 파장 영역의 자외광투과 특성이 악화되는 것이 밝혀졌다. 따라서, 본 발명자들은 탄소 불순물이 AlN 단결정에 혼입되었을 때 생성되는 N 공공이 자외광투과 특성을 악화시키고 있다고 추정하고 있다.
또한, 염소 불순물은 AlN 단결정을 성장시키기 위한 원료 가스인 알루미늄 원자를 함유하는 할로겐 가스에서 AlN 단결정에 혼입된다고 생각된다. 성장 조건이나 HVPE 장치내의 기류의 영향에 의해 AlN 단결정에 넣어지는 염소 불순물의 농도는 영향을 받지만, 일반적으로 AlN 단결정을 성장시키는 온도가 높아지면, 염소 불순물의 농도가 증가되는 경향이 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 탄소 불순물을 제어하는 것으로, 염소 불순물의 농도가 증가하더라도, 자외광투과 특성을 유지하는 것이 가능하게 된다. 종래의 AlN 단결정의 성장 방법인 승화법 등에서는, 원료 가스에 할로겐계의 가스를 사용하지 않기 때문에, 원리적으로 할로겐이 혼입되는 경우는 없으며, 염소 불순물의 혼입은 하이드라이드 기상 에피택시법으로 성장시킨 AlN 단결정 특유의 특징이다.
그리고, 염소 원자가 불순물로서 AlN 단결정에 혼입되었을 경우, 염소 원자는 AlN의 질소 사이트 또는 격자간 사이트에 존재하는 것으로 생각된다. 염소 원자는 질소 원자보다 최외각 전자가 2개 많기 때문에, AlN의 질소 격자 사이트를 치환한 염소는 부전하가 과잉이 된다. 격자간 사이트에 존재한 경우에도, 염소 원자의 존재에 의해 AlN결정중에서는 부전하가 과잉이 된다고 생각된다. AlN의 질소 사이트에 치환된 탄소 원자는 정전하가 과잉이기 때문에, 염소 원자가 갖는 부전하에 의해 탄소 원자가 갖는 정전하가 균형 잡히게 되어, 결과로서 탄소 원자의 존재에 의해 유기(誘起)된다고 생각되는 질소 공공의 생성을 억제하도록 작용하는 것으로 생각된다.
이상에서, 탄소 불순물이나 염소 불순물 등의 혼입을 일정 범위로 함으로써, 탄소 불순물의 혼입에 의해 발생되는 N 공공을 저감할 수 있는 것으로 생각된다. 그 결과, 본 발명의 AlN 단결정은 자외광투과 특성이 양호하게 되는 것으로 본 발명자들은 추정하고 있다.
따라서, 본 발명의 AlN 단결정은 탄소와 염소의 농도가 상기 범위를 만족해야 한다. 그 중에서도, AlN 단결정의 생산성, 뛰어난 광투과성 및 결정성을 나타내기 위해서는, 탄소와 염소의 농도가 각각 1×1014 atoms/cm3 이상 3×1017 atoms/cm3 미만(탄소 농도)과 1×1014∼1×1017 atoms/cm3(염소 농도)로 하는 것이 바람직하고, 더욱 5×1014∼1×1017 atoms/cm3(탄소 농도)와 5×1014∼5×1016 atoms/cm3(염소 농도)로 하는 것이 바람직하다. 또한 더욱 1×1015∼1×1017 atoms/cm3(탄소 농도)와 1×1015∼1×1016 atoms/cm3 (염소 농도)로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 탄소 농도를 1×1014 atoms/cm3 미만으로 하는 것은 곤란하지만, 이러한 하한값을 초과하여 탄소 농도를 낮게 한 경우에는 불순물 염소에 의한 악영향이 염려된다.
또한, 본 발명에서는 상기AlN 단결정에 함유되는 탄소, 염소, 붕소, 규소, 산소 농도의 총합이 바람직하게는 1×1015∼1×1020 atoms/cm3, 보다 바람직하게는 1×1016∼5×1019 atoms/cm3, 더욱 바람직하게는 1×1017∼1×1019 atoms/cm3이다. 이 중, 붕소, 규소, 산소의 농도는 바람직하게는 각각, 1×1015∼5×1019 atoms/cm3, 보다 바람직하게는 1×1016∼1×1019 atoms/cm3, 더욱 바람직하게는 5×1016∼1×1018 atoms/cm3이다. 이들의 불순물은 통상 결정 성장 장치의 부재나 AlN 단결정의 성장을 위한 원료에서 혼입된다. 본 발명의 단결정 AlN은 이러한 불순물을 함유하고 있어도 파장 300nm이하, 예를 들면 265nm의 파장의 광에 대한 투과성을 높게 할 수 있다.
이상과 같은 불순물 농도의 탄소 원자와 염소 원자를 갖는 AlN 단결정으로 하는 것으로, 자외광 투과성의 지표가 되는 파장 265nm에서의 흡수 계수가 40cm-1 이하, 더욱 30cm-1 이하, 제조 조건의 최적화를 도모하면 20cm-1 이하의 것이 얻어진다. 광투과성의 좋고 나쁨의 지표로서는 흡수 계수(단위: cm-1)가 이용된다. 흡수 계수가 작을수록, 광투과성이 양호한 것을 나타낸다. 흡수 계수는 파장에 따라 값이 다르지만, 자외발광 다이오드로서 이용하기 위해서는, 파장 265nm에서의 흡수 계수는 40cm-1 이하, 보다 바람직하게는 30cm-1 이하, 더욱 바람직하게는 20cm-1 이하다. 또한, 흡수 계수는 작을수록 광투과성이 양호하기 때문에, 그 하한값은 작은 쪽이 좋지만, 특별히 제한되는 것이 아니다. 단, 공업적인 생산을 고려하면, 파장 265nm에서의 흡수 계수의 하한값은 1cm- 1 이다. 또한, 본 발명에 있어서는, 자외광 투과성의 지표를 파장 265nm에서의 흡수 계수로 나타냈지만, 파장 265nm에서 흡수 계수가 상기 범위를 만족하는 낮은 값이면, 파장 240∼300nm에서의 흡수 계수는 당연히 낮고, 이 영역에서의 광투과성은 양호한 것이 된다.
한편, 여기에서 말하는 흡수 계수는, AlN 단결정을 두께(t, 단위: cm)의 판 형상으로 가공한 측정편의 파장 265nm에서의 직선 투과율(T, 단위: %)을 측정한 결과에서, 하기식에 따라 계산되는 흡광 계수α을 의미한다.
α=2.303/t×log10(100/T)
또한, 본 발명에서는 상기AlN 단결정의 (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭이 바람직하게는 3000초 이하, 보다 바람직하게는 1∼1500초, 더욱 바람직하게는 5∼1000초이다. 결정성이 저하되면 본원 발명의 효과를 얻기 어렵게 되는 경향이 있다.
일반적으로 결정성을 개선하기 위해서는 결정 성장 온도를 높게 할 필요가 있지만, 성장 온도가 고온의 경우, 불순물의 혼입이 증가되는 등의 문제가 발생한다. 본 발명에서는 상기한 바와 같이, 탄소 및 염소에 대해서만 그 혼입량을 제어하면 되므로, 용이하게 이러한 뛰어난 결정성을 달성할 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기AlN이 단결정이기 때문에, X선 회절의 θ-2θ 모드 측정을 실시한 경우에는, (0002)면이나 (0004)면 등의 AlN의 c면에 기인하는 피크가 주로 관측된다.
또한, 본 발명의 AlN 단결정은 포토루미네선스 측정에 있어서, AlN의 밴드에지 발광인 209nm의 피크를 확인할 수 있다. 즉, 여기 광원으로 193nm의 ArF 레이저를 이용하여, 시료에 수직으로 조사하고, 시료를 여기 시킨다. 또한, 시료에서 발생한 루미네선스 광을 집속 렌즈로 결상한 후, 분광기에서 검출하여 파장에 대한 강도 스펙트럼을 얻는 것이다. 밴드에지 발광은 AlN에 함유되는 불순물에 의해 발광 파장이 약간 변동될 수 있지만, 본 발명의 AlN 단결정에서는 실온(23℃)에서의 측정에 의해 205∼215nm의 범위에 밴드에지 발광이 관측된다.
다음에 본 발명의 AlN 단결정의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 AlN 단결정의 제조 방법은 탄소 농도 및 염소 농도를 소정의 범위로 제어할 수 있는 방법이면 특별히 한정되지 않지만, 좋은 재현성으로 확실하게 본 발명의 단결정 AlN을 제조할 수 있다는 이유에서 하이드라이드 기상 에피택시법 (HVPE법)에 의해 다음과 같이 하여 제조하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 AlN 단결정은 HVPE법에 있어서 단결정 기판상에 AlN 단결정을 성장시킬 때, 1200℃ 이상 1700℃ 이하의 온도에서 상기 기판상에 AlN 단결정을 성장시킴과 동시에, 하이드라이드 기상 에피택시 장치내의, 결정 성장시에 있어서 1200℃ 이상이 되는 영역의 노출 표면을 1200℃ 이상 1700℃ 이하의 온도에서 환원 분해 또는 열분해하지 않는 재료, 또는 환원 분해 또는 열분해하여도 탄소 원자를 함유하는 가스를 발생시키지 않는 재료로 이루어지는 부재만으로 구성한 장치를 이용하는 방법(본 발명의 방법)에 의해 적합하게 제조할 수 있다.
여기에서, HVPE법이란 Al원 가스와 질소원 가스를, 가열된 단결정 기판상에 공급하여 AlN을 성장시키는 방법으로, 통상 Al원 가스로서는 3염화 알루미늄 가스가 사용되며, 질소원 가스로서는 암모니아 가스가 사용된다. 본 발명의 방법에 있어서도 단결정 AlN에 함유되는 염소 농도를 쉽게 제어한다는 이유에서, Al원 가스로서는 3염화 알루미늄 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 단결정 기판으로서는 결정성이 양호한 단결정 AlN기판이면 특별히 제한되지 않지만, 결정성이 양호한 본 발명의 단결정 AlN을 효율적으로 얻을 수 있다는 이유에서, 이하의 방법에 의해 얻은 단결정 AlN 자립 기판 또는 다결정 및/또는 비정질 AlN으로 이루어지는 주층(主層) 상에 단결정 AlN으로 이루어지는 층이 적층된 복합 AlN 자립 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
단결정 AlN 자립 기판은 일본 특허공개 2010-89971에 개시되는 방법에 의해 적합하게 제조할 수 있다. 구체적으로는, 우선 사파이어나 단결정Si등의 이종 단결정 기판상에 단결정 AlN층을 형성하는 등의 방법으로, 표면에 제1의 AlN 단결정층을 갖는 종결정(seed crystal) 기판을 준비한다. 그 다음에, 상기 종결정 기판이 제1의 AlN 단결정층상에 기상 성장법에 의해 상기AlN 단결정으로 이루어지는 층(이하, 「제2의 AlN 단결정층」으로 하는 경우도 있음)을 적층한 적층체를 제조한다. 계속해서, 상기 적층체에서 제2의 AlN 단결정층을 분리(상기 종결정 기판을 제거)함으로써, AlN 단결정(제2의 AlN 단결정층)으로 이루어지는 단결정 AlN 자립 기판을 얻을 수 있다.
또한, 복합 AlN 자립 기판은 예를 들면 WO2009/090821, 일본 특허공개 2010-10613에 기재된 방법에 따라 제조할 수 있다.
구체적으로는 사파이어나 단결정 Si 등의 이종 단결정 기판상에 단결정 AlN 박막층을 형성하고, 그 위에 다결정, 비정질 또는 이들의 혼합으로 이루어지는 AlN 비단결정층을 형성한 후에, 상기 이종 단결정 기판을 제거함으로써 제조할 수 있다. 또한, 상기 복합 AlN 자립 기판을 HVPE법의 기판으로 사용하는 경우에는, 이종 단결정 기판을 제거하여 노출된 단결정 AlN박막층을 결정 성장면으로 사용한다. 상기 복합 AlN 자립 기판으로서는, 생산성, 최표면의 결정성의 관점에서 최표면을 형성하는 단결정 AlN박막층의 두께가 10nm 이상 1.5μm 이하이고, AlN 비단결정층의 두께가 상기 AlN 단결정 박막층의 100배 이상으로 한 것이 적합하게 이용된다.
본 발명의 방법에서는, 상기와 같은 기판의 표면에 HVPE법에 의해 단결정 AlN을 성장시킬 때에, 성장 온도(결정 성장시의 기판 온도)를 1200℃ 이상 1700℃ 이하로 함과 동시에, HVPE 장치로서, 결정 성장시에 1200℃ 이상이 되는 장치내의 영역(이하, 「고온 가열 영역」이라고도 칭함)의 노출 표면을 1200℃ 이상 1700℃ 이하의 온도에서, 환원 분해 또는 열분해하지 않는 재료, 또는 환원 분해 또는 열분해하여도 탄소 원자를 함유하는 가스를 발생시키지 않는 재료(이하, 총칭하여 「탄소 비발생 재료」라고도 칭함)로 이루어지는 부재만으로 구성한 장치를 이용할 필요가 있다.
성장 온도가 1200℃ 미만의 경우에는, 성장되는 단결정 AlN에 함유되는 염소 농도가 본 발명의 단결정 AlN에서의 염소 농도의 범위외가 될 수 있을 뿐만 아니라, 결정성이 높은 단결정 AlN을 얻기 어렵고, 재현성이 좋은 본 발명의 단결정 AlN을 제조할 수 없다.
또한, HVPE 장치로서 결정 성장시에 1200℃ 이상의 온도가 되는 영역에 1200℃ 이상 1700℃ 이하의 온도에서 환원 분해 또는 열분해하여 탄소 원자를 함유하는 가스를 발생하는 재료가 노출된 장치를 이용한 경우에는, 단결정 AlN에 함유되는 탄소 농도를 본 발명의 단결정 AlN의 범위 내로 하는 것이 매우 곤란하다.
HVPE 장치에 대하여 더욱 자세하게 설명하면, 현재 사용되고 있는 HVPE 장치는 기판상에 결정성이 양호한 단결정 AlN을 균일하고 동시에 고속으로 성장시키기 위하여, 고주파 유도 가열 장치나 회전 기구를 구비한 서셉터(susceptor)(기판 지지대) 등을 구비하고 있지만, 예를 들면 1200℃ 이상의 온도가 되는 영역을 구성하는 부재의 재질로는 그라파이트나 탄화 규소를 사용하는 것이 일반적이다. 이들 재료에서 다량으로 발생하는 탄소가 단결정 AlN중에 혼입되는 것을 방지한다는 관점에서, 질화물 세라믹스 소결체제의 부재나 그라파이트 등을 매우 내열성이 높은 TaC나 BN에서 표면 코트한 부재 등이 사용되는 경우가 있으며, 이러한 대책을 세움으로써 탄소 발생량을 대폭적으로 저감할 수 있다. 그러나, 상기 대책을 세운다 하더라도 재현성이 좋고 3×1017cm-3 미만의 탄소 원자 농도로 하는 것은 어려웠다.
그러나, 통상적으로는(탄소의 영향을 그다지 심각하게 파악하지 않았던 것도 하나의 요인이라고 생각되지만) 이러한 대책을 강구함으로써 충분한 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단하여, 그 이상의 대책을 강구하는 것은 없었다. 즉, 나사 등의 미세 가공이 어려운 부품에 대해서는 그라파이트제의 것이 사용되고 있거나, 질화물 세라믹스 소결체(제조시 유기물로 이루어지는 바인더를 사용하기 위해서 불순물로서 무시할 수 없는 양의 탄소가 함유되는 경우가 있다.) 등의 재료 자체에 불순물로서 함유되는 탄소나 코트층에 존재하는 미세한 핀홀(pin hole)에 대해서는 전혀 대책이 강구되지 않았다.
본 발명자들은 HVPE 장치에 대하여, 상기한 바와 같은 점에 대해서도 철저하게 검토하고, HVPE 장치내의 고온 가열 영역의 노출 표면을 탄소 비발생 재료로 이루어지는 부재만으로 구성한다는 대책을 강구한 결과, 처음으로 본 발명의 단결정 AlN의 제조에 성공한 것이다. 또한, 코트층에 핀홀이 존재하는 경우에는, 기초 재료가(핀홀을 통하여) 표면에 노출되게 된다. 따라서, 그라파이트 재료를 TaC나 BN 등에서 표면 코트한 부재를 사용하는 경우에는, 핀홀의 존재에 대하여 엄격하게 체크하고, 핀홀이 존재하지 않는 것을 사용할 필요가 있다. 또한, 나사 등에 대해서도 장착 후, 틈을 통하여 탄소 원자를 함유하는 가스가 소량이라도 반응 분위기에 누출되는 경우에는, 적어도 그 표면은 탄소 비발생 재료로 할 필요가 있다.
또한, 탄소 비발생 재료로서는, BN, TaC, W, Mo, Ta 등을 생각할 수 있다. 반대로 환원 분해 또는 열분해하여 탄소 원자를 함유하는 가스를 발생시키는 부재로는, 카본, SiC 코트층 부착 카본, 또한 BN소결체, AlN 소결체, SiC 소결체, TaC 혹은 BN 코트층 부착 카본이어도 코트층에 크랙이나 핀홀이 존재하는 것 등을 생각할 수 있다.
본 발명의 단결정 AlN은 상기 조건을 채용함으로써, 적절한 탄소원 및 염소원 존재 하에서 성장시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 방법으로 얻어지는 본 발명의 AlN로 이루어지는 층의 두께는 특별히 제한되지 않고, 사용하는 용도에 따라서 적절하게 결정하면 된다. 보통은 50μm 이상 2000μm 이하이다.
상기 방법에 의해 제조된 적층체에서 기판을 분리 제거함으로써, 본 발명의 AlN 단결정을 얻을 수 있다. 기판을 분리 제거하는 방법은 공지의 방법을 채용할 수 있다. 구체적으로는, 기계적으로 절단을 실시하거나, 연마를 실시하여, 적층체에서 종결정 기판을 제거하고, 제2의 AlN 단결정층 (본 발명의 AlN 단결정)을 얻을 수 있다.
[실시예]
이하에 본 발명이 구체적인 실시예, 비교예에 대하여 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
(기판의 준비)
본 발명에 있어서는, 기판으로서 복합 AlN 자립 기판을 WO2009/090821에 기재된 방법으로 제작했다. 이 복합 AlN 자립 기판은 AlN 단결정면을 구성하는 AlN 단결정 박막층의 두께가 230nm이며, 그 아래의 AlN 비단결정층(AlN 다결정층)의 두께가 350μm이다.
복합 AlN 자립 기판은 아세톤 중에 있어서 주파수 100kHz의 초음파로 3분간의 세정을 실시하고, 더욱 2-프로판올 중에 있어서 주파수 100kHz의 초음파로 3분간의 세정을 실시한 후, 초순수로 린스하고, 건조 질소에 의해 기판을 블로우하여 초순수를 제거했다.
(본 발명의 단결정 AlN의 제조)
본 실시예에서 사용한 HVPE 장치에 있어서는, 1200℃ 이상이 되는 영역에서 환원 분해 또는 열분해하여 탄소 원자를 함유하는 가스를 발생시키는 부재를 배제했다. 구체적으로는 서셉터 재질에는 서셉터 표면 전체를 BN으로 코트된 그라파이트를 사용하고, 서셉터의 회전축과 서셉터 주위의 차열판(遮熱板)에 BN을 사용하고, 서셉터와 회전축을 고정하기 위해서 BN으로 코트된 그라파이트제의 나사를 사용했다. 또한, 서셉터의 BN코트층은 실체 현미경을 이용하여 관찰 배율 8배에서 56배의 범위에서 외주 전체의 관찰을 실시하여 코트층의 핀홀이나 크랙이 없는 것을 확인했다.
먼저, 상기 복합 AlN 자립 기판을 AlN 단결정면이 최표면이 되도록 HVPE 장치내의 텅스텐제 서셉터상에 설치한 후, 압력을 150Torr로 하여 수소 가스(7000sccm)와 질소 가스(3000sccm)의 혼합 캐리어 가스로 유통하면서, 상기 복합 AlN 자립 기판을 1450℃로 가열하고, 10분간 유지함으로써 표면 크리닝을 실시했다. 이 때, 전체 캐리어 가스 유량(10000sccm)에 대하여 0.5 체적%이 되도록 암모니아 가스를 공급했다. 계속해서, 420℃로 가열한 금속 알루미늄과 염화 수소 가스를 반응시켜 얻어지는 염화 알루미늄 가스를 전체 캐리어 가스 유량에 대하여 0.05 체적%이 되도록 공급했다. 이 상태를 15시간 유지하여 기판상에 본 발명의 AlN 단결정층을 300μm 성장시켰다.
AlN 단결정층이 상기 막 두께가 된 후, 염화 알루미늄 가스의 공급을 정지하고, 또한 캐리어 가스의 종류를 질소 가스로 바꾸어 실온까지 냉각시켰다. 암모니아 가스는 기판 온도가 800℃로 내려갈 때까지 계속하여 공급시켰다.
(얻어진 AlN 단결정층의 연마 및 평가)
본 실시예에서 사용한 복합 AlN 자립 기판은 두께 350μm의 AlN 다결정층에 지지되어 있지만, 상기 AlN 다결정층은 많은 입자 계면을 가지고 있기 때문에, 광의 산란이 일어나 자외광 투과성이 얻어지지 않는다. 그래서, 성장시킨 AlN 단결정층의 흡수 계수를 평가하기 위해서, 복합 AlN 자립 기판을 연마에 의해 제거하고, 또한 남은 AlN 단결정층의 표면을 연마함으로써, 성장시킨 AlN 단결정층만으로 이루어지는 두께 200μm의 AlN 단결정으로 이루어지는 시료를 제작했다. 시료의 표면은 RMS값이 5nm 정도의 양면 경면 연마 상태로 마무리했다.
자외가시분광 광도계(니혼분꼬제V-7300)에 의해, 상기 시료의 파장 265nm의 직선 투과율을 평가한 바 70%이며, 흡수 계수α(단위: cm-1)는 18cm- 1 로 계산되었다. 또한, 가속 전압 15kV의 세슘 이온을 1차 이온에 이용한 2차 이온 질량 분석법(CAMECA제 IMS-f6)에 의해 산소 원자의 농도 및 탄소 원자의 농도의 정량 분석을 실시했다. 시료의 산소 원자의 농도 및 탄소 원자의 농도는 표면측에서 깊이 5μm 위치의 2차 이온 강도를 측정하고, 별도로 준비한 AlN표준 시료를 이용한 검량선에 근거하여 정량 하였다. 그 결과, 시료의 탄소 원자의 농도는 1×1017cm-3, 산소 원자의 농도는 3×1017cm-3이었다. 또한, 염소 원자의 농도는 1×1015cm-3이며, 이 시료에 함유되는 탄소, 염소, 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 5.1×1017cm-3이며, 이 시료에 함유되는 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 4.1×1017cm-3이었다.
상기 시료의 (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭은 1200초였다. 또한, θ-2θ 모드의 X선 회절 측정을 실시한 바, AlN의 (0002)면, (0004)면만이 관측되었다.
또한, 실온(23℃)에서의 포토루미네선스 측정을 실시했다. 측정 장치로서 호리바세이사꾸쇼제HT800UV(레이저 광원: ExciStarS-200)를 사용했다. 여기 광원에 193nm의 ArF레이저를 이용하여, 상기 시료에 수직으로 조사하여 시료를 여기시켰다. 상기 시료로부터 발생하는 루미네선스 집광 렌즈로 결상한 후, 분광기로 검출하여 파장에 대한 스펙트럼을 얻었다. 조사 시간은 10초로 하고, 적산 회수는 3회, 홀 직경은 1000μm, 그레이팅(grating)은 300grooves/mm로 했다. 그 결과, AlN의 밴드에지 발광인 209nm 부근의 피크를 확인할 수 있었다.
실시예 2
HVPE 장치의 서셉터와 회전축을 고정하기 위해서 텅스텐제의 나사를 사용하고, 본 발명의 AlN 단결정층의 성장시의 온도를 1350℃로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 순서로 AlN 단결정층을 성장시켰다.
양면을 경면 연마함으로써, 성장시킨 AlN 단결정층만으로 이루어지는 두께 200μm의 시료를 제작하고, 265nm에서의 직선 투과율, 불순물의 농도, (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭, θ-2θ 모드의 X선 회절 프로파일, 포토루미네선스 스펙트럼을 실시예 1과 동일한 방법으로 측정했다. 그 결과, 직선 투과율은 58%이며, 흡수 계수는 27cm-1로 계산되었다. 탄소 원자의 농도는 3×1016cm-3, 산소 원자의 농도는 5×1017cm-3이었다. 또한, 염소 원자의 농도는 5×1015cm-3이며, 이 시료에 함유되는 탄소, 염소, 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 8.4×1017cm-3이며, 이 시료에 함유되는 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 8.0×1017cm-3이었다.
상기 시료의 (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭은 1800초였다. 또한, θ-2θ 모드의 X선 회절 측정을 실시한 바, AlN의 (0002)면, (0004)면만이 관측되었다. 또한, 실온(23℃)에서의 포토루미네선스 측정을 실시한 결과, AlN의 밴드에지 발광인 209nm 부근의 피크를 확인했다.
실시예 3
HVPE 장치의 서셉터와 회전축을 고정하기 위해서 TaC제의 나사를 사용하고, 본 발명의 AlN 단결정층의 성장시의 온도를 1250℃로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 순서로 AlN 단결정층을 성장시켰다.
양면을 경면 연마하여 성장시킨 AlN 단결정층만으로 이루어지는 두께 200μm의 시료를 제작하고, 265nm에서의 직선 투과율, 불순물의 농도, (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭, θ-2θ 모드의 X선 회절 프로파일, 포토루미네선스 스펙트럼을 실시예 1과 동일한 방법으로 측정했다. 그 결과, 직선 투과율은 45%이며, 흡수 계수는 40cm-1로 계산되었다. 탄소 원자의 농도는 3×1016cm-3, 산소 원자의 농도는 1×1017cm-3이었다. 또한, 염소 원자의 농도는 7×1014cm-3이며, 이 시료에 함유되는 탄소, 염소, 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 5.3×1017cm-3이며, 이 시료에 함유되는 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 5.0×1017cm-3이었다.
상기 시료의 (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭은 2800초였다. 또한, θ-2θ 모드의 X선 회절 측정을 실시한 바, AlN의 (0002)면, (0004)면만이 관측되었다. 또한, 실온(23℃)에서의 포토루미네선스 측정을 실시한 결과, AlN의 밴드에지 발광인 209nm 부근의 피크를 확인했다.
비교예 1
HVPE 장치의 서셉터와 회전축을 고정하기 위해서 그라파이트제의 나사를 사용하고, 본 발명의 AlN 단결정층의 성장시의 온도를 1550℃로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 순서로 AlN 단결정층을 성장시켰다.
양면을 경면 연마함으로써, 성장시킨 AlN 단결정층만으로 이루어지는 두께 200μm의 시료를 제작하고, 265nm에서의 직선 투과율, 불순물의 농도, (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭, θ-2θ 모드의 X선 회절 프로파일, 포토루미네선스 스펙트럼을 실시예 1과 동일한 방법으로 측정했다. 그 결과, 직선 투과율은 38%이며, 흡수 계수는 48cm-1로 계산되었다. 탄소 원자의 농도는 7×1017cm-3, 산소 원자의 농도는 5×1016cm-3이었다. 또한, 염소 원자의 농도는 4×1014cm-3이며, 이 시료에 함유되는 탄소, 염소, 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 1.1×1018cm-3이며, 이 시료에 함유되는 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 3.5×1017cm-3이었다.
상기 시료의 (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭은 1000초였다. 또한, θ-2θ 모드의 X선 회절 측정을 실시한 바, AlN의 (0002)면, (0004)면만이 관측되었다. 또한, 실온(23℃)에서의 포토루미네선스 측정을 실시한 결과, AlN의 밴드에지 발광인 209nm 부근의 피크를 확인했다.
비교예 2
HVPE 장치의 서셉터 재질로서 서셉터 표면 전체를 BN으로 코트된 그라파이트를 사용하고, 서셉터와 회전축을 고정하는 나사에는 그라파이트를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 순서로 AlN 단결정층을 형성했다. 또한, 본 비교예에서 사용한 본 서셉터의 BN코트층을 실체 현미경을 이용하여 관찰 배율 8배에서 56배의 범위에서 외주 전체의 관찰을 실시한 바, 코트층에 직경 1mm 정도의 핀홀이 몇 군데 있고, 핀홀 부분은 서셉터의 기재인 그라파이트가 노출되어 있는 것을 확인했다.
양면을 경면 연마함으로써, 성장시킨 AlN 단결정층만으로 이루어지는 두께 200μm의 시료를 제작하고, 265nm에서의 직선 투과율, 불순물의 농도, (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭, θ-2θ 모드의 X선 회절 프로파일, 포토루미네선스 스펙트럼을 실시예 1과 동일한 방법으로 측정했다. 그 결과, 직선 투과율은 17%이며, 흡수 계수는 90cm-1로 계산되었다. 탄소 원자의 농도는 4×1018cm-3, 산소 원자의 농도는 5×1016cm-3이었다. 또한, 염소 원자의 농도는 4×1015cm-3이며, 이 시료에 함유되는 탄소, 염소, 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 4.1×1018cm-3이며, 이 시료에 함유되는 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 9.1×1016cm-3이었다.
상기 시료판의 (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭은 1250초였다. 또한, θ-2θ 모드의 X선 회절 측정을 실시한 바, AlN의 (0002)면, (0004)면만이 관측되었다. 또한, 실온(23℃)에서의 포토루미네선스 측정을 실시한 결과, AlN의 밴드에지 발광인 209nm 부근의 피크를 확인했다.
비교예 3
HVPE 장치의 서셉터 재질로서 SiC를 사용하고, 서셉터와 회전축을 고정하는 나사에는 TaC을 사용하고, 성장시키는 AlN층의 두께를 150μm으로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 순서로 AlN 단결정층을 형성했다.
양면을 경면 연마함으로써, 성장시킨 AlN 단결정층만으로 이루어지는 두께 150μm의 시료를 제작하고, 265nm에서의 직선 투과율, 불순물의 농도, (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭, θ-2θ 모드의 X선 회절 프로파일, 포토루미네선스 스펙트럼을 실시예 1과 동일한 방법으로 측정했다. 그 결과, 직선 투과율은 0.1%이며, 흡수 계수는 435cm-1로 계산되었다. 탄소 원자의 농도는 1×1019cm-3, 산소 원자의 농도는 5×1017cm-3이었다. 또한, 염소 원자의 농도는 8×1014cm-3이며, 이 시료에 함유되는 탄소, 염소, 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 1.1×1019cm-3이며, 이 시료에 함유되는 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 1.0×1018cm-3이었다.
상기 시료의 (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭은 2500초였다. 또한, θ-2θ 모드의 X선 회절 측정을 실시한 바, AlN의 (0002)면, (0004)면만이 관측되었다. 또한, 실온(23℃)에서의 포토루미네선스 측정을 실시한 결과, AlN의 밴드에지 발광인 209nm 부근의 피크를 확인했다.
비교예 4
HVPE 장치의 서셉터 재질로서 그라파이트를 사용하고, 기판의 전체 외주부를 둘러싸도록 산소원으로 사파이어 기판을 설치하고, 서셉터와 회전축을 고정하는 나사에 그라파이트를 사용하고, 성장 온도를 1490℃로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 순서로 AlN 단결정층을 성장시켰다.
양면을 경면 연마함으로써, 성장시킨 AlN 단결정층만으로 이루어지는 두께 200μm의 시료를 제작하고, 265nm에서의 직선 투과율, 불순물의 농도, (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭, θ-2θ 모드의 X선 회절 프로파일, 포토루미네선스 스펙트럼을 실시예 1과 동일한 방법으로 측정했다. 그 결과, 직선 투과율은 6%이며, 흡수 계수는 141cm-1로 계산되었다. 탄소 원자의 농도는 6×1017cm-3, 산소 원자의 농도는 2×1020cm-3이었다. 또한, 염소 원자의 농도는 8×1016cm-3이며, 이 시료에 함유되는 탄소, 염소, 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 2.1×1020cm-3이며, 이 AlN 단결정자립 기판에 함유되는 붕소, 규소, 산소 농도의 총합은 2.1×1020cm-3이었다.
상기 AlN 단결정자립 기판의 (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭은 5300초였다. 또한, θ-2θ 모드의 X선 회절 측정을 실시한 바, AlN의 (0002)면, (0004)면만이 관측되었다. 또한, 실온(23℃)에서의 포토루미네선스 측정을 실시한 결과, AlN의 밴드에지 발광인 209nm 부근의 피크를 확인했다.
Claims (6)
- 탄소의 농도가 1×1014 atoms/cm3 이상 3×1017 atoms/cm3 미만이며, 염소의 농도가 1×1014∼1×1017 atoms/cm3이며, 파장 265nm에서의 흡수 계수가 40cm-1 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 단결정.
- 제1항에 있어서,
상기 질화 알루미늄 단결정에 함유되는 탄소, 염소, 붕소, 규소, 산소 농도의 총합이 1×1015∼1×1020 atoms/cm3인 질화 알루미늄 단결정.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 질화 알루미늄 단결정의 (0002)면의 X선 로킹커브의 반치폭(半値幅)이 3000초 이하인 질화 알루미늄 단결정.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
포토루미네선스 측정에 있어서, 질화 알루미늄의 밴드에지(band edge) 발광인 209nm의 피크를 확인할 수 있는 질화 알루미늄 단결정.
- 하이드라이드 기상 에피택시법에 의해 단결정 기판 상에 질화 알루미늄 단결정을 성장시킴으로써, 제1항의 질화 알루미늄 단결정을 제조하는 방법으로서, 1200℃ 이상 1700℃ 이하의 온도에서 상기 기판상에 질화 알루미늄 단결정을 성장시킴과 동시에, 하이드라이드 기상 에피택시 장치 내의, 결정 성장시에 있어서 1200℃ 이상이 되는 영역의 노출 표면을, 1200℃ 이상 1700℃ 이하의 온도에서 환원 분해 또는 열분해하지 않는 재료, 또는 환원 분해 또는 열분해하여도 탄소 원자를 함유하는 가스를 발생시키지 않는 재료로 이루어지는 부재만으로 구성된 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서,
하이드라이드 기상 에피택시 장치 내의 1200℃ 이상이 되는 영역의 노출 표면을, 바람직하게는 BN, TaC, W 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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