WO2016017480A1 - ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板 - Google Patents

ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板 Download PDF

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nitride single
silicon
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亨 木下
徹 永島
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株式会社トクヤマ
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Definitions

  • the present invention relates to a self-supporting n-type single crystal aluminum nitride substrate (n-type aluminum nitride single crystal substrate) doped with silicon.
  • silicon is mainly used as a power device material, but wide band gap semiconductors such as gallium nitride and silicon carbide are attracting attention as materials capable of realizing higher performance power devices.
  • Aluminum nitride has a wider band gap energy (6.2 eV) than these materials, as well as dielectric breakdown voltage (12 MV / cm) and thermal conductivity (3.0 Wcm ⁇ 1 K ⁇ 1). ) Is also excellent, so that it is possible to realize a power device having higher withstand voltage characteristics than when the above-described materials are used.
  • light emitting devices such as a semiconductor laser
  • a device with an effective vertical structure By adopting the vertical device structure, current concentration at the edge of the mesa structure, which is a problem with the horizontal structure, can be avoided, and uniform current injection into the active layer can be achieved, improving device reliability. Is done.
  • MOVPE Metalorganic Vapor Phase Epitaxy
  • HVPE hydride vapor phase epitaxy
  • Patent Documents 4, 5, and 6 since the n-type aluminum nitride single crystal layer is formed on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate or a silicon carbide substrate, the film thickness is high enough to be used as a substrate. It has been difficult to produce an n-type aluminum nitride single crystal layer having s.
  • Non-patent Document 1 a method of growing an aluminum nitride single crystal layer on a base substrate of the same type, that is, an aluminum nitride single crystal, has been developed (Non-patent Document 1). ). According to the method described in Non-Patent Document 1, a high-purity aluminum nitride thick film layer having a crystal quality comparable to that of a base substrate made of an aluminum nitride single crystal can be formed. According to this method, an n-type aluminum nitride single crystal layer having a dislocation density of about 10 6 cm ⁇ 2 can be obtained.
  • Patent Document 7 examples in which a thick aluminum nitride single crystal film is formed on the same substrate by chemical vapor deposition are also described in Patent Document 7 and Non-Patent Document 2.
  • a physical vapor deposition method such as a sublimation method is known. According to the sublimation method, a thick group III nitride single crystal is obtained.
  • Patent Document 8 teaches that sublimation is performed in the presence of an impurity element such as Si in order to increase the growth rate of a group III nitride single crystal and improve crystallinity.
  • JP 2003-086816 A JP 2006-100801 JP 2009-059912 A JP 2000-091234 A JP 2003-273398 A WO2008 / 096884 WO2015 / 056714 WO2007 / 111219
  • a thick group III nitride single crystal having a low dislocation density and good crystallinity can be obtained.
  • silicon (Si) as an impurity element is mixed in the aluminum nitride single crystal obtained by the method of Patent Document 8. If the mixed silicon acts as a donor, the obtained single crystal can be expected to have n-type conductivity.
  • the sublimation aluminum nitride single crystal mixed with silicon is considered to be the influence of other impurities and point defects lacking aluminum or nitrogen, but the n-type conductivity is as expected from the silicon content. Sexuality may not be manifested.
  • Patent Document 7 describes an aluminum nitride thick film layer (substrate) that exhibits n-type conductivity.
  • an aluminum nitride single crystal substrate that exhibits higher n-type conductivity has been demanded, and there is room for improvement in these known techniques.
  • Silicon doped in an aluminum nitride single crystal is partly thermally excited and functions as a donor, but as a result of compensation by the other impurities and point defects described above, it does not function as a donor. It is presumed that it exists as a foreign substance in the crystal and does not contribute to the expression of n-type conductivity. Such silicon or the like that does not contribute to the expression of n-type conductivity is presumed to be a factor that impairs crystallinity, and to cause the occurrence of dislocation and undesirable coloring.
  • an object of the present invention is to provide an n-type aluminum nitride single crystal substrate doped with silicon, having high n-type conductivity, and having self-supporting properties.
  • the present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, when various manufacturing conditions were examined, by reducing the proportion of aluminum (Al) defects that compensate for n-type conductivity, the acceptor-compensated center density for reducing n-type conductivity characteristics was reduced.
  • the inventors have found that a high-quality n-type single crystal aluminum nitride single crystal layer having a high n-type conductivity and can be used as a self-supporting substrate can be formed, and the present invention has been completed.
  • the mechanism for improving n-type conductivity is not always clear, but by selecting appropriate growth conditions, silicon functions as a donor by reducing the percentage of other impurities that become silicon compensation centers and aluminum defects. This is thought to be due to an increase in the percentage of
  • the first aspect of the present invention is an n-type aluminum nitride single crystal substrate doped with silicon, and has an emission spectrum intensity (I 1 ) having a peak at 370 to 390 nm and nitrided in a photoluminescence measurement at 23 ° C.
  • the ratio (I 1 / I 2 ) of emission peak intensity (I 2 ) at the band edge of aluminum is 0.5 or less, the thickness is 25 to 500 ⁇ m, and the ratio of electron concentration to silicon concentration at 23 ° C. (electron concentration) N-type aluminum nitride single crystal substrate having a / silicon concentration of 0.0005 to 0.001.
  • the emission spectrum intensity (I 1 ) having a peak at 370 to 390 nm represents the amount of Al defects. Further, the emission peak (I 2 ) at the band edge of aluminum nitride can be confirmed around 210 nm.
  • the acceptor concentration contained in the n-type aluminum nitride single crystal is preferably 10 18 cm ⁇ 3 or less and does not exceed the silicon concentration. Satisfying such a condition makes it possible to obtain good n-type conductivity.
  • the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention preferably has a dislocation density of 10 6 cm ⁇ 2 or less. By satisfying these conditions, a low-resistance and high-reliability vertical electronic device using the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention can be produced.
  • the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention preferably has an electron concentration at 23 ° C. of 1 ⁇ 10 13 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the second aspect of the present invention is a vertical nitride semiconductor device provided with electrodes above and below the n-type aluminum nitride single crystal substrate.
  • a self-supporting n-type aluminum nitride single crystal substrate having high n-type conductivity, which has not been realized in the past, is provided, and a vertical semiconductor device can be manufactured using the n-type aluminum nitride substrate.
  • This vertical nitride semiconductor device has a structure in which electrodes are formed on the upper and lower surfaces of an n-type aluminum nitride single crystal substrate, and is used in various semiconductor devices such as Schottky barrier diodes, transistors, light emitting diodes, and laser diodes. It can be applied.
  • the n-type aluminum nitride single crystal substrate is a substrate made of an aluminum nitride single crystal containing silicon as a donor.
  • An n-type substrate is a semiconductor substrate in which free electrons are used as carriers that generate electric current by applying voltage and carry charge. A current is generated by the movement of free electrons having negative charges as carriers. That is, it is a semiconductor substrate in which majority carriers become electrons.
  • the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention has an emission spectrum intensity (I 1 ) having a peak at 370 to 390 nm and an emission peak intensity (I 2 ) at the band edge of aluminum nitride in a photoluminescence measurement at 23 ° C.
  • the ratio (I 1 / I 2 ) is 0.5 or less.
  • the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention has a ratio (I 1 ) of emission spectrum intensity (I 1 ) having a peak at 370 to 390 nm and emission peak intensity (I 2 ) near the band edge of aluminum nitride (about 210 nm). / I 2 ) is 0.5 or less.
  • the intensity ratio (I 1 / I 2 ) of the emission peak exceeds 0.5, the n-type conductivity is lowered, which is not preferable.
  • the intensity ratio (I 1 / I 2 ) of the emission peak is preferably 0.3 or less, and more preferably 0.2 or less.
  • the intensity ratio (I 1 / I 2 ) of the emission peak is preferably as low as possible, but the lower limit is 0.001 in view of industrial production.
  • the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention has a thickness of 25 to 500 ⁇ m. What is necessary is just to determine the thickness of a board
  • the thickness of the n-type aluminum nitride single crystal substrate is preferably 30 to 300 ⁇ m, more preferably 50 to 200 ⁇ m.
  • the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention has a ratio of electron concentration to silicon concentration (electron concentration / silicon concentration) at 23 ° C. of 0.0005 to 0.001.
  • a high ratio of electron concentration to silicon concentration means that the proportion of silicon contributing to electron conduction is high, that is, the donor activation rate is high.
  • the ratio of the electron concentration to the silicon concentration is high, which means that the amount of acceptor defects that compensate for n-type conductivity is small, or acceptor impurities such as carbon, magnesium, and calcium. Indicates that the amount of contamination is small. As a result, device reliability and n-type conductivity are improved.
  • the ideal value of the ratio of electron concentration to silicon concentration is 1, that is, all doped silicon contributes to electron conduction.
  • the upper limit value is estimated to be about 0.001, although it should not be interpreted in a limited way. Therefore, the ratio of the electron concentration to the silicon concentration at room temperature is preferably 0.0007 to 0.001.
  • the electron concentration at 23 ° C. can be arbitrarily controlled in a wide range in order to realize desired device characteristics.
  • 1 ⁇ 10 13 to 1 ⁇ It is preferably 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the optimum value of the electron concentration differs depending on the target device, it is 1 ⁇ 10 13 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , preferably depending on the application of the device using the n-type aluminum nitride single crystal substrate. It is preferable to determine appropriately from the range of 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , more preferably 5 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the silicon concentration in the n-type aluminum nitride single crystal substrate may be appropriately determined so that the electron concentration and the ratio of the electron concentration to the silicon concentration are within the above-mentioned range.
  • the electron concentration can be measured by a known Hall effect measurement, CV measurement, or the like, but the electron concentration defined in the present invention is measured by Hall effect measurement at a measurement temperature of 23 ° C.
  • the silicon concentration is quantified by SIMS analysis using cesium ions as primary ions.
  • the acceptor concentration contained in the crystal is 10 18 cm ⁇ 3 or less and does not exceed the silicon concentration.
  • the acceptor concentration in the n-type aluminum nitride single crystal substrate is similar to that of the n-type aluminum nitride thin film described in the non-patent document (Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 1821212). It can be calculated.
  • the element that functions as an acceptor in the n-type aluminum nitride single crystal include acceptor defects and acceptor impurities, and the sum of these is considered to be equal to the acceptor concentration in the crystal.
  • acceptor impurities include carbon, magnesium, and calcium, but are not limited to these elements.
  • the acceptor impurity concentration can be measured by a known technique such as secondary ion mass spectrometry (SIMS).
  • the acceptor concentration is less than or equal to the silicon concentration, and the lower the acceptor concentration, the higher the electron concentration / silicon concentration ratio (electron concentration / silicon concentration) is preferable. Therefore, the acceptor concentration is less than the silicon concentration and is preferably 10 18 cm ⁇ 3 or less, more preferably 10 16 cm ⁇ 3 or less, and most preferably 10 15 cm ⁇ 3 or less.
  • the lower limit value is ideally 0, but is about 10 10 cm ⁇ 3 in consideration of inevitable mixing, measurement accuracy, and detection limit value of impurity concentration.
  • the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention preferably has a dislocation density of 10 6 cm ⁇ 2 or less.
  • the dislocation density in the n-type aluminum nitride single crystal substrate is preferably 10 6 cm ⁇ 2 or less, more preferably 10 4 cm. -2 or less.
  • a preferable lower limit of the dislocation density is 0 cm ⁇ 2 , but is 10 2 cm ⁇ 2 in view of industrial production.
  • the dislocation density can be measured by observation with a transmission electron microscope (TEM) or simply by observing the etch pit density after being immersed in an alkaline solution. In the present invention, the etch pit density is the dislocation density.
  • the plane orientations of the main surface of the n-type aluminum nitride single crystal substrate are C plane (Al polar plane) and -C plane (N polar plane), which are inclined to the M axis or the A axis depending on the purpose. It may be a surface having a so-called off-angle.
  • the off angle is not particularly limited, but is generally about 0 to 3 °.
  • the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention preferably has less donor impurities other than silicon. Specifically, if the amount of donor impurities other than silicon, such as germanium, tin, oxygen, etc. is large, the effective donor activation rate deteriorates, causing problems such as a decrease in the ratio of electron concentration to silicon concentration. There is. Therefore, the concentration of impurities other than silicon that functions as a donor impurity is not higher than silicon, and is preferably 10 17 cm ⁇ 3 or lower, more preferably 10 16 cm ⁇ 3 or lower.
  • an aluminum nitride single crystal seed substrate used for manufacturing an n-type aluminum nitride single crystal substrate is prepared.
  • An n-type aluminum nitride single crystal layer is grown on the aluminum nitride single crystal seed substrate by various methods, and then the seed substrate is separated to manufacture an n-type aluminum nitride single crystal substrate.
  • the dislocation density of the aluminum nitride single crystal seed substrate is preferably 10 4 cm ⁇ 2 or less, more preferably 10 ⁇ 3 cm ⁇ 2 or less.
  • the dislocation density exceeds 10 4 cm ⁇ 2 , stress is accumulated in the n-type aluminum nitride single crystal film when the n-type aluminum nitride single crystal layer is formed on the aluminum nitride single crystal seed substrate. As the thickness increases, cracks tend to occur.
  • the dislocation density exceeds 10 4 cm ⁇ 2 , it is difficult to make the dislocation density of the obtained n-type aluminum nitride single crystal layer (n-type aluminum nitride single crystal substrate) 10 6 cm ⁇ 2 or less. There is a tendency.
  • the dislocation density of the n-type aluminum nitride single crystal layer exceeds 10 6 cm ⁇ 2 , a large number of hillocks are formed on the surface of the n-type aluminum nitride single crystal layer during the growth. The surface smoothness tends to decrease.
  • the lower limit of the dislocation density of the aluminum nitride single crystal seed substrate is 0 cm ⁇ 2 , but is 10 2 cm ⁇ 2 in consideration of industrial production.
  • the dislocation density can be measured by observation with a transmission electron microscope (TEM) or simply by observing the etch pit density after being immersed in an alkaline solution.
  • TEM transmission electron microscope
  • the etch pit density is the dislocation density.
  • the low dislocation density aluminum nitride single crystal seed substrate shown above can be manufactured by a known method. As long as the above characteristics are obtained, the method is not particularly limited, but may be proposed in the sublimation method (for example, described in Journal of Crystal Growth 312.2519) or Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-89971. Can be used.
  • the main surface on which the n-type aluminum nitride single crystal layer is formed is preferably a C plane.
  • the surface roughness of the main surface is preferably smooth at the atomic layer level so as not to deteriorate the crystal quality of the n-type aluminum nitride single crystal layer.
  • the mean square roughness (RMS) is preferably 0.2 nm or less over the entire main surface of the seed substrate. If the surface roughness exceeds the above range, or if the main surface of the seed substrate has scratches or the like due to polishing, the cause of cracks in the n-type aluminum nitride single crystal layer is the same as when the dislocation density is high. Become.
  • the plane orientation of the main surface on which the n-type aluminum nitride single crystal layer is grown is preferably the C plane, and the inclination (off angle) from the C plane is not particularly limited, but is about 0 to 3 °. Preferably there is.
  • the thickness of the aluminum nitride single crystal seed substrate is not particularly limited, but is usually about 0.3 to 1.0 mm. By preparing such a seed substrate, it is possible to form an n-type aluminum nitride single crystal layer with high crystal quality.
  • the n-type aluminum nitride single crystal layer is manufactured by a known crystal growth method such as an HVPE method, an MOVPE method, or a molecular beam epitaxy (MBE) method.
  • a known crystal growth method such as an HVPE method, an MOVPE method, or a molecular beam epitaxy (MBE) method.
  • the HVPE method or the MOVPE method is preferable in consideration of productivity such as obtaining a high quality single crystal layer at a relatively high crystal growth rate, and the HVPE method capable of obtaining a high quality single crystal layer at the highest growth rate. Is most preferred.
  • n-type aluminum nitride single crystal layer by HVPE method aluminum halide (eg, aluminum trichloride gas) as the aluminum source, ammonia as the nitrogen source, and SiH ⁇ Cl 4- ⁇ ( ⁇ is an integer of 0 to 3) as the silicon source
  • aluminum halide eg, aluminum trichloride gas
  • ammonia as the nitrogen source
  • SiH ⁇ Cl 4- ⁇ SiH ⁇ Cl 4- ⁇ ( ⁇ is an integer of 0 to 3)
  • a silicon source material such as quartz (SiO 2 ) or silicon (Si) can also be used as the silicon source.
  • the temperature of the seed substrate when growing the n-type aluminum nitride single crystal layer is preferably 1200 to 1500 ° C., more preferably 1350 to 1450 ° C., and particularly preferably 1400 to 1450 ° C., Most preferably, the temperature is 1410 to 1440 ° C.
  • a phenomenon such as generation of a crack occurs due to accumulation of strain in the single crystal layer due to silicon doping during the growth. Yes.
  • the ratio of the electron concentration to the silicon concentration (electron concentration / silicon concentration) in the obtained n-type aluminum nitride single crystal layer decreases, and 0.0005 May be less than This is presumably because most of silicon doped in the aluminum nitride single crystal is present as a foreign substance in the crystal and does not contribute to the expression of n-type conductivity.
  • the crystal growth rate most of the doped silicon contributes to the development of n-type conductivity.
  • the temperature of the seed substrate when growing the n-type aluminum nitride single crystal layer is preferably 1500 ° C. or less, more preferably 1450 ° C. or less, and particularly preferably 1440 ° C. or less.
  • the supply molar ratio (V / III ratio) of the nitrogen source gas such as ammonia and the aluminum source gas depends on the structure of the crystal growth apparatus used, but should be 0.5-100. Is preferable, and 2 to 20 is more preferable.
  • nitrogen is used as the carrier gas, the nitrogen contained in the carrier gas is not included in the V / III ratio.
  • the V / III ratio is low (that is, when the supplied Al atoms are excessive), the crystal growth rate tends to increase. If the supply of aluminum halide as an aluminum source is excessive, halogen may remain as impurities in the single crystal layer.
  • the growth rate of the n-type aluminum nitride single crystal layer is not particularly limited as long as it does not deteriorate the n-type conductivity and the light emission characteristics, but is preferably 10 to 100 ⁇ m / h, more preferably It is 10 to 50 ⁇ m / h, more preferably 15 to 30 ⁇ m / h, and particularly preferably 15 to 20 ⁇ m / h. In consideration of industrial production efficiency, a higher growth rate is preferable, but as the growth rate increases, hillocks are formed on the growth surface and the crystal quality tends to decrease.
  • the optimum values of the seed substrate temperature, the V / III ratio, and the growth rate vary depending on the size and shape of the apparatus to be used.
  • a silicon doping method for growing the n-type aluminum nitride single crystal layer for example, a doping method using a gas of SiH ⁇ Cl 4- ⁇ ( ⁇ is an integer of 0 to 3) as a silicon source is used. It is preferable. In order to keep the silicon concentration in the film thickness direction constant, the flow rate of the SiH ⁇ Cl 4- ⁇ gas during the growth of the n-type aluminum nitride single crystal layer may be kept constant.
  • a silicon supply source material such as quartz or silicon is provided on the upstream side of the seed substrate around the susceptor for heating the aluminum nitride single crystal seed substrate, and the silicon supply
  • a doping method using desorbed silicon from a source material can be used.
  • the silicon content may be appropriately determined by adjusting the supply amount of the SiH ⁇ Cl 4- ⁇ gas described above, the amount and arrangement of the silicon supply source material.
  • the intensity ratio (I 1 / I 2 ) of the emission peak of the obtained n-type aluminum nitride single crystal layer (substrate) tends to increase, and n-type This is not preferable because the conductive characteristics are deteriorated.
  • the growth conditions are the structure of the crystal growth apparatus. It is greatly influenced by. For example, the linear velocity of the raw material gas due to the difference in the structure of the gas supply unit and the change in the convection of the raw material gas due to the difference in the structure of the heated portion can be mentioned. Due to these differences, it is expected that the effective supply amount and supply ratio of the Al raw material and the N raw material on the seed substrate will differ depending on the apparatus. Therefore, it is possible to stably realize the n-type conductive characteristics and light emitting characteristics of the present invention by appropriately adjusting the growth conditions within the range of the parameters described above.
  • Non-patent literature (Appl. Phys. Lett. 72 (1998) 459) shows that when silicon is doped, the formation energy of Al defects tends to decrease as the doping amount increases. Yes.
  • the growth at high temperature is preferable from the viewpoint of suppressing the generation of cracks.
  • doping high-concentration silicon as a means for suppressing the formation of Al defects, the above non-patent document describes.
  • the growth temperature is preferably 1350 to 1450 ° C., more preferably 1400 to 1450 ° C., and particularly preferably 1410 to 1440 ° C.
  • the growth rate is set low as the silicon doping amount increases, so that the formation of Al defects can be suppressed and the light emission characteristics and n-type conductivity of the n-type aluminum nitride single crystal of the present invention can be achieved. Become.
  • the growth temperature is 1350 to 1450 ° C., It is preferably in the range of 1400 to 1450 ° C., more preferably in the range of 1410 to 1440 ° C., and (2) the V / III ratio is 5 to 20, and (3) the growth rate of the n-type aluminum nitride single crystal is 15 to 30 ⁇ m / h.
  • the growth pressure is preferably 700 to 760 Torr, more preferably 740 to 760 Torr.
  • growth parameters (1) to (4) may be adjusted within the preferable range of the present invention, although specific conditions differ depending on the apparatus for growing the n-type aluminum nitride layer as described above.
  • an n-type aluminum nitride single crystal layer having excellent characteristics could be produced by satisfying the above conditions (1), (2), and (3).
  • Specific guidelines for the selection of manufacturing conditions include (1) the growth rate tends to increase when the growth temperature is high, and (2) the growth rate tends to increase when the V / III ratio is low. (3) If the growth rate is high, the ratio of the electron concentration to the silicon concentration (electron concentration / silicon concentration) in the resulting n-type aluminum nitride single crystal layer may be reduced to less than 0.0005. For this reason, for example, when the growth temperature is excessively high, it is preferable to control the growth rate to be within an appropriate range by increasing the V / III ratio.
  • the ratio of electron concentration to silicon concentration decreases when the growth rate is high. That is, as the growth rate increases, it is considered that the ratio of the electron concentration to the silicon concentration decreases as a result of an increase in the amount of unintentional impurities such as chlorine (Cl) accompanying an increase in the aluminum chloride gas ratio.
  • unintentional impurities such as chlorine (Cl) accompanying an increase in the aluminum chloride gas ratio.
  • defects increased etch pit density included in the n-type aluminum nitride single crystal layer tend to increase, and these defects cause a decrease in the ratio of electron concentration to silicon concentration. It is thought that it becomes. Therefore, in the present invention, it is considered that a relatively slow growth rate is preferable.
  • the thickness of the n-type aluminum nitride single crystal layer grown by the method as described above is not particularly limited, but is desired because a part of the single crystal may be removed in the separation step described later. It is set to be thicker than the n-type aluminum nitride single crystal substrate. Therefore, the n-type aluminum nitride single crystal layer is preferably 25 to 600 ⁇ m.
  • the separation method is not particularly limited, and a known technique exemplified below can be used.
  • a method of mechanically polishing a seed substrate portion after preparing a laminated substrate a method of dissolving only the seed substrate portion by dipping in an alkali solution such as potassium hydroxide, a laser beam proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-168820 And the like.
  • an alkali solution such as potassium hydroxide
  • a laser beam proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-168820 And the like.
  • a self-supporting n-type aluminum nitride single crystal substrate can be obtained.
  • the surface on which the aluminum nitride single crystal seed substrate is separated by the above-mentioned method and the opposite surface (growth surface) are subjected to chemical mechanical (CMP) polishing, and are damaged by mechanical polishing and surface oxidation after growth. It is preferable to improve the smoothness.
  • CMP chemical mechanical
  • a vertical semiconductor device In the n-type aluminum nitride single crystal substrate thus obtained, a vertical semiconductor device can be manufactured by forming working electrodes on both surfaces of the substrate (for example, the upper and lower surfaces of the substrate). Further, in this vertical nitride semiconductor device, an ohmic electrode layer is formed on one main surface side (for example, the upper surface), and a Schottky electrode layer is formed on the other main surface (for example, the lower surface), A vertical Schottky barrier diode can be used. As another embodiment, an aluminum gallium nitride (Al X Ga 1-X N, 0 ⁇ X ⁇ 1) layer can be appropriately formed between the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention and the electrode.
  • Al X Ga 1-X N, 0 ⁇ X ⁇ 1 Al X Ga 1-X N, 0 ⁇ X ⁇ 1
  • the aluminum gallium nitride layer can be n-type doped with silicon, p-type doped with Mg, or an undoped layer not doped with impurities, depending on the purpose.
  • the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention can naturally be used for manufacturing a lateral nitride semiconductor device.
  • Example 1 A C-plane aluminum nitride single crystal seed substrate (15 mm ⁇ 15 mm ⁇ thickness 500 ⁇ m) was used as the aluminum nitride single crystal seed substrate for producing the n-type aluminum nitride single crystal substrate of the present invention.
  • the dislocation density (etch pit density) of this aluminum nitride single crystal seed substrate was 1 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 . This dislocation density was determined by the same method as the method for measuring the dislocation density of the n-type aluminum nitride single crystal substrate described below.
  • the seed substrate was placed on a pyrolytic boron nitride susceptor in the HVPE apparatus, and then the pressure in the HVPE apparatus was set to 750 Torr, and the seed substrate was heated to 1430 ° C. in a mixed carrier gas atmosphere of hydrogen and nitrogen. . At this time, ammonia gas was supplied so as to be 0.5% by volume with respect to the total carrier gas flow rate (10 slm). Next, an aluminum chloride gas obtained by reacting metal Al heated to 450 ° C. with hydrogen chloride gas is supplied so as to be 0.035% by volume with respect to the total carrier gas supply amount, and n-type is formed on the seed substrate. An aluminum nitride single crystal layer was formed to 50 ⁇ m.
  • the V / III ratio is 14.3.
  • a quartz piece (2 mm ⁇ 2 mm ⁇ thickness 1 mm) was placed on the susceptor, and silicon was doped into the aluminum nitride single crystal layer by utilizing the natural desorption phenomenon of quartz that occurred under heating.
  • the quartz piece was installed at a distance of 1 cm on the upstream side of the gas with respect to the seed substrate.
  • the growth rate estimated from the relationship between the obtained n-type aluminum nitride single crystal layer and the growth time was 18 ⁇ m / h.
  • the conditions for an acceleration voltage of 45 kV and an acceleration current of 40 mA are obtained using a high-resolution X-ray diffraction apparatus (X'Pert manufactured by Spectris Corp. Then, X-ray rocking curve measurement of the (002) plane and the (101) plane of the n-type aluminum nitride single crystal layer was performed. The half widths of the X-ray rocking curves were 28 arcsec and 19 arcsec, respectively.
  • the photoluminescence of the n-type aluminum nitride single crystal layer was measured with a photoluminescence device (LabRamHR-800 manufactured by Horiba, Ltd.).
  • a photoluminescence device (LabRamHR-800 manufactured by Horiba, Ltd.).
  • an ArF laser of 193 nm (ExciStarS-200 manufactured by Coherent) was used.
  • a sample inclined at 30 ° was irradiated with laser light, and luminescence generated from the sample was imaged with a focusing lens, and then detected with a spectroscope to obtain spectral intensity with respect to wavelength.
  • the measurement conditions were that the measurement temperature was room temperature (23 ° C.), the irradiation time was 10 seconds, the number of integrations was 3, the hole diameter was 1000 ⁇ m, and the grating was 300 grooves / mm.
  • the band edge emission peak (I 2 ) was 209 nm, and a weak emission peak (I 2 ) was observed near 380 nm.
  • the ratio of the intensity of each peak (I 1 / I 2 ) was 0.13.
  • the obtained aluminum nitride single crystal substrate was cut into square shapes A1 to A4 of about 7 mm square.
  • the seed substrate portion was removed by mechanical polishing to produce an n-type aluminum nitride single crystal free-standing substrate.
  • the size of the obtained self-supporting substrate was 6.5 mm ⁇ 6.5 mm ⁇ thickness 39 ⁇ m and was colorless and transparent.
  • A2 was immersed in a mixed solution of potassium hydroxide and sodium hydroxide heated to 300 ° C. for 5 min, and then observed with a differential interference microscope in 10 fields of view in a 100 ⁇ m square, and an n-type aluminum nitride single crystal
  • the etch pit density (dislocation density) on the surface of the layer was observed.
  • the calculated etch pit density (dislocation density) was 2 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 .
  • A3 was subjected to quantitative analysis of silicon, oxygen and carbon by SIMS analysis using cesium ions as primary ions.
  • the concentration was quantified based on the nitrogen secondary ion intensity of the aluminum nitride standard sample.
  • the silicon concentration was 3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the oxygen and carbon concentrations were 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 (lower detection limit in this measurement) or less, respectively. Therefore, in this case, the acceptor impurity (carbon) could be regarded as 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • A4 cleaned the surface in hydrochloric acid heated to 40 ° C.
  • Ti (20 nm) / Al (100 nm) / Ti (20 nm) / Au (50 nm) electrodes are formed as ohmic electrode layers by vacuum deposition at the four corners of the growth surface, Heat treatment was performed at 950 ° C. in a nitrogen atmosphere. Thereafter, Hall effect measurement (n-type conductivity evaluation) was performed using a Hall effect measurement device (Resist 8300 manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.) under the conditions of a frequency of 100 mHz, a magnetic field of 0.38 T, and a measurement temperature of 25 to 527 ° C.
  • the electron concentration at room temperature (23 ° C.) was 2.4 ⁇ 10 14 cm ⁇ 3 , and the ratio of the electron concentration to the silicon concentration was 0.0008.
  • the acceptor concentration estimated from the temperature dependence of the electron concentration was 8 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • Comparative Example 1 An n-type aluminum nitride single crystal layer was grown under the same conditions as in Example 1 except that the thickness was 200 ⁇ m and the growth temperature was 1450 ° C., and the same evaluation was performed.
  • the growth rate of the n-type aluminum nitride single crystal layer estimated from the substrate thickness was 22 ⁇ m / h.
  • the peak intensity ratio (I 1 / I 2 ) obtained from the photoluminescence measurement was 0.22.
  • cut into square shapes B1 to B4 of about 7 mm square and the same evaluation was performed.
  • the etch pit density was measured and found to be 2 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 .
  • the silicon concentration obtained with B3 was 2 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3
  • the oxygen and carbon concentrations were 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 (lower detection limit in this measurement) or less.
  • an electron concentration of 5 ⁇ 10 13 cm ⁇ 3 at room temperature (23 ° C.) was obtained, and the ratio of the electron concentration to the silicon concentration was 0.00025.
  • the acceptor concentration estimated from the temperature dependence of the electron concentration was 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • Comparative Example 2 An n-type aluminum nitride single crystal layer was formed to a thickness of 100 ⁇ m under the same conditions as in Example 1 except that the supply amount of aluminum chloride gas was changed to 0.043 vol% and the growth temperature was 1520 ° C. Here, the V / III ratio is 11.6. The growth rate was 32 ⁇ m / h. The peak intensity ratio (I 1 / I 2 ) obtained from the photoluminescence measurement was 0.81. In the same manner as in Example 1, cut into square shapes C1 to C4 of about 7 mm square, and the same evaluation was performed.
  • the etch pit density was measured and found to be 2 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 .
  • the silicon concentration obtained with C3 was 2 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3
  • the oxygen and carbon concentrations were 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 (lower detection limit in this measurement), respectively. It was.
  • an electron concentration of 3 ⁇ 10 12 cm ⁇ 3 at room temperature (23 ° C.) was obtained, and the ratio of the electron concentration to the silicon concentration was 0.000015.
  • the acceptor concentration estimated from the temperature dependence of the electron concentration was 1.9 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • Comparative Example 3 An n-type aluminum nitride single crystal layer was grown and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1 except that three quartz pieces (2 mm ⁇ 2 mm ⁇ thickness 1 mm) were placed on the susceptor. The peak intensity ratio (I 1 / I 2 ) obtained from the photoluminescence measurement was 9.8. The growth rate of the n-type aluminum nitride single crystal layer estimated from the substrate thickness was 23 ⁇ m / h. In the same manner as in Example 1, cut into square shapes D1 to D4 of about 7 mm square, and the same evaluation was performed.
  • the etch pit density was measured and found to be 3 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 .
  • the silicon concentration obtained by D3 was 8 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , and the oxygen and carbon concentrations were 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 and 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 (lower detection limit in this measurement), respectively.
  • an electron concentration of 2 ⁇ 10 13 cm ⁇ 3 at room temperature (23 ° C.) was obtained, and the ratio of the electron concentration to the silicon concentration was 0.000000025.
  • the acceptor concentration estimated from the temperature dependence of the electron concentration was 6 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • Example 2 An n-type aluminum nitride single crystal layer was grown under the same conditions as in Example 1 except that the number of quartz pieces placed on the susceptor was two, and the same evaluation was performed.
  • the peak intensity ratio (I 1 / I 2 ) obtained from the photoluminescence measurement was 0.42.
  • the growth rate of the n-type aluminum nitride single crystal layer estimated from the substrate thickness was 20 ⁇ m / h.
  • the etch pit density was measured and found to be 4.2 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 .
  • the silicon concentration obtained by E3 is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • the oxygen concentration is 3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3
  • the carbon concentration is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 (detection lower limit in this measurement) or less. there were.
  • an electron concentration of 7 ⁇ 10 14 cm ⁇ 3 at room temperature (23 ° C.) was obtained, and the ratio of the electron concentration to the silicon concentration was 0.0007.
  • the acceptor concentration estimated from the temperature dependence of the electron concentration was 3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • Comparative Example 4 An n-type aluminum nitride single crystal layer was grown under the same conditions as in Example 1 except that the growth temperature was 1450 ° C. and the volume flow ratio of aluminum chloride gas was 0.05 volume%, and the same evaluation was performed.
  • the V / III ratio is 10.
  • the peak intensity ratio (I 1 / I 2 ) obtained from the photoluminescence measurement was 0.37.
  • the growth rate of the n-type aluminum nitride single crystal layer estimated from the substrate thickness was 32 ⁇ m / h. In the same manner as in Example 1, cut into square shapes F1 to F4 of about 7 mm square, and the same evaluation was performed.
  • the etch pit density was measured and found to be 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 2 .
  • the silicon concentration obtained by F3 was 2 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , and the oxygen concentration and the carbon concentration were 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 (the lower limit of detection in this measurement) or less.
  • an electron concentration of 8 ⁇ 10 13 cm ⁇ 3 at room temperature (23 ° C.) was obtained, and the ratio of the electron concentration to the silicon concentration was 0.0004.
  • the acceptor concentration estimated from the temperature dependence of the electron concentration was 1.1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the etch pit density was 9 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 .
  • the silicon concentration was 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • the oxygen concentration was 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3
  • the carbon concentration was 3 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the aluminum nitride substrate produced by the sublimation method was an insulator, and the specific resistance value was estimated to be 10 6 ⁇ cm or more.
  • the peak intensity ratio (I 1 / I 2 ) obtained from the photoluminescence measurement was 10 or more.

Abstract

　シリコンをドーピングした、高性能なｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を提供することを目的とする。シリコンがドーピングされたｎ型窒化アルミニウム単結晶基板であって、２３℃におけるフォトルミネセンス測定において、３７０～３９０ｎｍにピークを有する発光スペクトル強度（Ｉ１）と窒化アルミニウムのバンド端の発光ピーク強度（Ｉ２）の比（Ｉ１／Ｉ２）が０．５以下であり、厚みが２５～５００μｍであり、２３℃における電子濃度とシリコン濃度の比（電子濃度／シリコン濃度）が０．０００５～０．００１であるｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を提供する。

Description

ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板
　本発明は、シリコンがドーピングされた、自立性のあるｎ型単結晶窒化アルミニウム基板（ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板）に関する。
　現在、パワーデバイス材料として主にシリコンが用いられているが、さらに高性能なパワーデバイスを実現しうる材料として、窒化ガリウムや炭化珪素などのワイドバンドギャップ半導体が注目されている。窒化アルミニウムは、これらの材料に比べて、さらに広いバンドギャップエネルギー（６．２ｅＶ）を持っていることに加え、絶縁破壊耐圧（１２ＭＶ／ｃｍ）、熱伝導率（３．０Ｗｃｍ－１Ｋ－１）も優れているため、上述の材料を用いた場合よりさらに高い耐電圧特性を有するパワーデバイスを実現することが可能である。
　高い素子性能（大容量・高耐電圧）を実現する為の素子構造として、窒化ガリウムおよび炭化珪素を用いたデバイスでは、導電性基板を支持基板として用いた、縦型、つまり素子の表面から裏面の間に電流が流れる、もしくは電圧が印加される半導体素子構造が提案されている（特許文献１～３参照）。縦型構造を採用することにより、横型、つまりデバイスを駆動させる為の電流の流れ方向が横方向のデバイスにおいて課題であった、耐電圧特性を向上することが可能になる。さらに、縦型構造を採用することにより、デバイスに印加する電力を大きくすることが可能となる。また、縦型構造が有効なデバイスとして半導体レーザーなどの発光デバイスも挙げられる。縦型デバイス構造を採用することによって、横型構造で問題となるメサ構造端部での電流集中を回避し、活性層への均一な電流注入が可能となり、素子の信頼性が向上することが期待される。
　このような縦型の素子構造を実現する為には、上述の通り、導電性基板を使用する必要がある。導電性を有する窒化アルミニウムに関しては、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法やハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法などの化学的気相成長法によってシリコンをドープすることによりｎ型導電性結晶層を形成する手法が知られている（特許文献４～６）。
　しかしながら、特許文献４、５、６においては、サファイア基板や炭化珪素基板のような異種基板上にｎ型窒化アルミニウム単結晶層を形成しているため、高品質かつ基板として使用できる程の膜厚を有するｎ型窒化アルミニウム単結晶層を作製することは困難であった。
　一方、高品質な窒化アルミニウム単結晶層を形成する方法として、同種、すなわち、窒化アルミニウム単結晶からなるベース基板上に、窒化アルミニウム単結晶層を成長させる方法も開発されている（非特許文献１）。非特許文献１に記載の方法によれば、窒化アルミニウム単結晶からなるベース基板と同程度の結晶品質であり、高純度な窒化アルミニウム厚膜層を形成することができる。そして、この方法によれば、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層は、転位密度が１０６ｃｍ－２程度のものを得ることができる。
　また、同種基板上に窒化アルミニウム単結晶の厚膜を化学的気相成長により形成させた例は特許文献７、非特許文献２にも記載されている。
　また、転移密度が低く、結晶性のよいIII族窒化物単結晶を安定して成長させる方法としては、昇華法などの物理的気相成長法が知られている。昇華法によれば、厚みのあるIII族窒化物単結晶が得られる。特許文献８には、III族窒化物単結晶の成長速度を高め、結晶性を向上させるためにＳｉ等の不純物元素の共存下で昇華を行うことが教示されている。
特開２００３－０８６８１６号 特開２００６－１００８０１号 特開２００９－０５９９１２号 特開２０００－０９１２３４号 特開２００３－２７３３９８号 ＷＯ２００８／０９６８８４ ＷＯ２０１５／０５６７１４ ＷＯ２００７／１１１２１９
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ．５（２０１２）０５５５０４ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ．５（２０１２）１２５５０１
　特許文献８に記載のように、昇華法によれば、転位密度が低く結晶性が良好であり、厚みのあるIII族窒化物単結晶を得ることができる。そして、特許文献８の方法により得られる窒化アルミニウム単結晶には、不純物元素としてのシリコン（Ｓｉ）が混入する。混入したシリコンがドナーとして作用すれば、得られる単結晶はｎ型導電性を有すると期待できる。しかし、シリコンが混入した昇華法窒化アルミニウム単結晶は、他の不純物や、アルミニウムや窒素が欠落した点欠陥の影響であると考えられるが、シリコンの含有量から期待されるほどにはｎ型導電性を発現しない場合がある。
　非特許文献１、２、特許文献７の同種基板を用いた化学的気相成長法によれば、高い結晶品質かつ高純度の窒化アルミニウム厚膜層を形成することができる。そして、特許文献７には、ｎ型導電性を発現する窒化アルミニウム厚膜層（基板）について記載されている。しかしながら、近年、より一層高いｎ型導電性を発揮する窒化アルミニウム単結晶基板が求められており、これら公知技術は改善の余地があった。
　窒化アルミニウム単結晶にドープされたシリコンは、一部は熱的に励起されてドナーとして機能するが、上述した他の不純物や点欠陥によって補償される結果、ドナーとして機能するのではなく、多くは結晶中の異物として存在し、ｎ型導電性の発現には寄与しないと推定される。このようなｎ型導電性の発現に寄与しないシリコン等は、結晶性を損なう要因となり、また転移の発生や、望ましくない着色を引き起こすとも推定される。このため、シリコンの補償要因となる他の不純物や点欠陥の混入が抑制され、ドープされたシリコンの多くがｎ型導電性の発現に寄与しうるｎ型窒化アルミニウム単結晶基板が望まれる。
　したがって、本発明は、上記の様な現状を鑑みてなされ、シリコンがドープされ、高いｎ型導電性を有し、自立性のあるｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を提供することを目的とする。
　本発明者等は、上記課題を解決するため、鋭意検討した。その結果、種々の製造条件を検討したところ、ｎ型導電性を補償するアルミニウム（Ａｌ）欠陥の割合を低減することにより、ｎ型導電特性を低下させるアクセプター性補償中心密度が低減し、その結果、高いｎ型導電性を有し、自立した基板として使用できる程度の厚みの高品質なｎ型単結晶窒化アルミニウム単結晶層を形成できることを見出し、本発明を完成するに至った。ｎ型導電性向上のメカニズムは必ずしも明らかではないが、適切な成長条件を選択することにより、シリコンの補償中心となる他の不純物や、アルミニウム欠陥の割合が低下することによって、シリコンがドナーとして機能する割合が増加するためと考えられる。
　すなわち、第一の本発明は、シリコンがドーピングされたｎ型窒化アルミニウム単結晶基板であって、２３℃おけるフォトルミネセンス測定において、３７０～３９０ｎｍにピークを有する発光スペクトル強度（Ｉ１）と窒化アルミニウムのバンド端の発光ピーク強度（Ｉ２）の比（Ｉ１／Ｉ２）が０．５以下であり、厚みが２５～５００μｍであり、２３℃における電子濃度とシリコン濃度の比（電子濃度／シリコン濃度）が０．０００５～０．００１のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板である。下記に詳述するが、３７０～３９０ｎｍにピークを有する発光スペクトル強度（Ｉ１）は、Ａｌ欠陥の量を表すことが知られている。また、窒化アルミニウムのバンド端の発光ピーク（Ｉ２）は、２１０ｎｍ付近に確認できる。
　そして、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶中に含まれる、アクセプターの濃度が１０１８ｃｍ－３以下であり、かつシリコン濃度を超えないことが好ましい。このような条件を満たすことにより、良好なｎ型導電性を得ることが可能となる。
　また、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、転位密度が１０６ｃｍ－２以下であることが好ましい。この条件を満足することにより、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を使用した低抵抗かつ高い信頼性の縦型電子デバイスを作製することができる。　
　さらに、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、２３℃における電子濃度が１×１０１３～１×１０１７ｃｍ－３であることが好ましい。
　第二の本発明は、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の上下に電極を備えた縦型窒化物半導体デバイスである。
　本発明によれば、従来実現されていない、高いｎ型導電性を有する、自立性のあるｎ型窒化アルミニウム単結晶基板が提供され、ｎ型窒化アルミニウム基板による縦型半導体デバイスの作製が可能となる。なお、この縦型窒化物半導体デバイスとは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の上下面に電極が形成された構造であり、ショットキーバリアダイオード、トランジスタ、発光ダイオード、レーザーダイオードなど種々の半導体デバイスに適用することが出来る。
　（ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板）
　本発明において、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、シリコンをドナーとして含む窒化アルミニウム単結晶からなる基板である。ｎ型基板とは、電圧の印加により電流を生じ、電荷を運ぶキャリアとして自由電子が使われる半導体基板である。負の電荷を持つ自由電子がキャリアとして移動することで電流が生じる。つまり、多数キャリアが電子となる半導体基板である。
　本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、２３℃におけるフォトルミネセンス測定において、３７０～３９０ｎｍにピークを有する発光スペクトル強度（Ｉ１）と窒化アルミニウムのバンド端の発光ピーク強度（Ｉ２）の比（Ｉ１／Ｉ２）が０．５以下である。
　２３℃におけるフォトルミネセンス測定において、３７０～３９０ｎｍのピークを有する発光スペクトルは、ｎ型導電性を補償するＡｌ欠陥であることが報告されている（例えば非特許文献Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６（２００５）２２２１０８参照）。また、３７０～３９０ｎｍのピークを有する発光スペクトルは、不純物の混入量が増加すると共に発光ピーク強度が強くなることも示唆されている（例えば非特許文献Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９０（２００７）１５１９０８参照）。一方、窒化アルミニウムのバンド端は、２１０ｎｍ付近に観察することができる。
　本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、３７０～３９０ｎｍにピークを有する発光スペクトル強度（Ｉ１）と窒化アルミニウムのバンド端付近（約２１０ｎｍ）の発光ピーク強度（Ｉ２）の比（Ｉ１／Ｉ２）が０．５以下である。発光ピークの強度比（Ｉ１／Ｉ２）が０．５を超える場合には、ｎ型導電性が低下するため好ましくない。高いｎ型導電性を維持するためには、発光ピークの強度比（Ｉ１／Ｉ２）は０．３以下であることが好ましく、０．２以下であることがより好ましい。発光ピークの強度比（Ｉ１／Ｉ２）は、低ければ低いほど好ましいが、工業的な生産を考慮すると、下限値が０．００１である。
　また、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、厚みが２５～５００μｍである。所望の用途、設計に応じて上述の範囲内で基板の厚みを適時決定すればよい。基板の厚みが２５μｍ未満の場合は、基板としての自立性を確保することが困難となり、さらにはデバイス製造プロセス中のクラック発生要因となり、歩留りの低下を招くため好ましくない。一方、基板の厚みが５００μｍを超える場合は、後述するｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の製造時間が長くなることによる生産性の低下に加え、デバイスの特性面において縦方向の抵抗値の増加要因となる。ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の厚みは、好ましくは３０～３００μｍ、さらに好ましくは５０～２００μｍである。
　また、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、２３℃における電子濃度とシリコン濃度の比（電子濃度／シリコン濃度）が、０．０００５～０．００１である。電子濃度とシリコン濃度の比が高いことは、電子伝導に寄与するシリコンの割合が高くなること、すなわちドナー活性化率が高いことを意味している。また別の観点からは、電子濃度とシリコン濃度の比が高くなるということは、ｎ型導電性を補償するアクセプター性欠陥の形成量が少ないこと、もしくは炭素、マグネシウム、カルシウムなどのアクセプター性不純物の混入量が少ないことを指す。その結果、デバイスの信頼性やｎ型導電性が向上する。電子濃度とシリコン濃度の比の理想値は１、すなわちドーピングされたシリコンが全て電子伝導に寄与することである。しかし、窒化アルミニウムにおけるシリコンの活性化エネルギーを考慮すると、何ら限定的に解釈されるべきではないが、上限値は０．００１程度と推定される。よって、室温における電子濃度とシリコン濃度の比は、好ましくは０．０００７～０．００１である。
　２３℃における電子濃度は、所望のデバイス特性を実現するためには、幅広い範囲で任意に制御できることが好ましく、広範囲な用途で使用可能な縦型デバイスとするためには１×１０１３～１×１０１７ｃｍ－３であることが好ましい。ただし、電子濃度の最適値は、目的とするデバイスによりそれぞれ異なるので、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を用いたデバイスの用途に応じて、１×１０１３～１×１０１７ｃｍ－３、好ましくは１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３、さらに好ましくは５×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３の範囲から適宜決定することが好ましい。
　一方、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板中のシリコン濃度は、電子濃度、および電子濃度とシリコン濃度の比が上述の範囲内になるように、適宜決定すればよい。電子濃度は、公知のホール効果測定、ＣＶ測定などにより測定することができるが、本発明で規定する電子濃度は、測定温度２３℃におけるホール効果測定によって測定している。シリコン濃度は、セシウムイオンを１次イオンに用いたＳＩＭＳ分析により定量する。
　また、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、結晶中に含まれる、アクセプター濃度が１０１８ｃｍ－３以下であり、かつシリコン濃度を超えないことが好ましい。ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板中のアクセプター濃度は、非特許文献（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８９（２００６）１８２１１２）に記載されているｎ型窒化アルミニウム薄膜と同様に、電子濃度の温度依存性から算出できる。ｎ型窒化アルミニウム単結晶中のアクセプターとして機能する要素として、アクセプター性欠陥およびアクセプター性不純物が挙げられ、それらの総和が結晶中のアクセプター濃度と等しいと考えられる。アクセプター性不純物としては、炭素、マグネシウム、カルシウムなどが挙げられるが、これら元素に限定されるものではない。アクセプター性不純物濃度は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）などの公知の技術によって測定することができる。
　アクセプター濃度は、シリコン濃度以下であって、かつ、低ければ低い方が、高い電子濃度とシリコン濃度の比（電子濃度／シリコン濃度）が得られるため好ましい。そのため、アクセプター濃度は、シリコン濃度未満であり、かつ１０１８ｃｍ－３以下であることが好ましく、さらに好ましくは１０１６ｃｍ－３以下であり、最も好ましくは１０１５ｃｍ－３以下である。また、その下限値は、理想的では０であるが、不可避的混入、測定精度や不純物濃度の検出下限値を考慮すると、１０１０ｃｍ－３程度である。
　また、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、転位密度が１０６ｃｍ－２以下であることが好ましい。
　ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板中の転位は、電子の移動度を低下させる要因となり、その結果、ｎ型導電特性が低下する。また、縦型デバイス用基板として本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶を使用する場合、転位が電流のリーク源となり、デバイスの信頼性を低下させる。このようなｎ型導電特性およびデバイス信頼性の低下を抑制するためには、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板中の転位密度は１０６ｃｍ－２以下であることが好ましく、より好ましくは１０４ｃｍ－２以下である。転位密度の好適な下限値は０ｃｍ－２であるが、工業的な生産を考慮すると１０２ｃｍ－２である。転位密度の測定は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察、又は簡易的にアルカリ溶液に浸漬した後のエッチピット密度の観察により行うことができる。なお、本発明においては、エッチピット密度を転位密度とした。
　この他、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の主面の面方位は、Ｃ面（Ａｌ極性面）および－Ｃ面（Ｎ極性面）であり、目的に応じてＭ軸もしくはＡ軸に傾斜させた、いわゆるオフ角度を有する面であっても良い。オフ角度は、特に限定されるものではないが、一般的には０～３°程度である。
　また、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、シリコン以外のドナー不純物が少ない方が好ましい。具体的には、ゲルマニウム、スズ、酸素等のシリコン以外のドナー不純物量が多いと、実効的なドナー活性化率が悪化して、シリコン濃度に対する電子濃度の比が低下する等の不具合が生じる場合がある。よって、ドナー不純物として機能するシリコン以外の不純物濃度はシリコン以下であり、かつ１０１７ｃｍ－３以下、さらに好ましくは１０１６ｃｍ－３以下であることが好ましい。
　（ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の製造方法）
　次に、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の製造方法について説明する。先ず、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を製造するために使用する、窒化アルミニウム単結晶種基板を準備する。この窒化アルミニウム単結晶種基板上に、各種の方法によりｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長させた後、該種基板を分離することにより、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を製造する。
　（窒化アルミニウム単結晶種基板）
　窒化アルミニウム単結晶種基板の転位密度は、１０４ｃｍ－２以下、さらには１０－３ｃｍ－２以下であることが好ましい。転位密度が１０４ｃｍ－２を超える場合には、窒化アルミニウム単結晶種基板上にｎ型窒化アルミニウム単結晶層を形成する際に、ｎ型窒化アルミニウム単結晶膜中に応力が蓄積され、膜厚が厚くなるにしたがってクラックが発生しやすくなる傾向にある。また、転位密度が１０４ｃｍ－２を超える場合には、得られるｎ型窒化アルミニウム単結晶層（ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板）の転位密度を１０６ｃｍ－２以下とすることが難しくなる傾向にある。そして、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層の転位密度が１０６ｃｍ－２を超えている場合には、成長時のｎ型窒化アルミニウム単結晶層表面に多数のヒロックが形成されており、それに伴って表面平滑性が低下する傾向にある。このような現象が生じると、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層の結晶品質が低下するのみでなく、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層中に意図せず混入するシリコン以外の不純物濃度が高くなり、得られるｎ型窒化アルミニウム単結晶基板のｎ型導電性を低下させる要因となる。
　なお、窒化アルミニウム単結晶種基板の転位密度の下限値は０ｃｍ－２であるが、工業的な生産を考慮すると１０２ｃｍ－２である。転位密度の測定は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察、又は簡易的にアルカリ溶液に浸漬した後のエッチピット密度の観察により行うことができる。なお、本発明においては、エッチピット密度を転位密度とした。
　上記に示した低転位密度の窒化アルミニウム単結晶種基板は、公知の方法で製造することができる。そして、上記の特性が得られれば、その方法は特に限定されるものではないが、昇華法（例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ．３１２．２５１９に記載）や、特開２０１０－８９９７１に提案されるような手法を用いることができる。
　窒化アルミニウム単結晶種基板は、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層を形成する主面がＣ面であることが好ましい。さらに、主面の表面粗さは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層の結晶品質を低下させないため、原子層レベルで平滑であることが好ましい。具体的には、種基板の主面全面において平均二乗粗さ（ＲＭＳ）で０．２ｎｍ以下であることが好ましい。表面粗さが上述の範囲を超える場合や、種基板の主面に、研磨による傷などが存在する場合は、転位密度が多い場合と同様、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層のクラックの発生要因となる。
　ｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長する主面の面方位はＣ面であることが好ましく、Ｃ面からの傾き（オフ角度）は、特に限定されるものではないが、０～３°程度であることが好ましい。
　また、窒化アルミニウム単結晶種基板の厚みは、特に制限されるものではないが、通常０．３～１．０ｍｍ程度である。このような種基板を準備することで、高い結晶品質のｎ型窒化アルミニウム単結晶層を形成することが可能となる。
　（種基板上のｎ型窒化アルミニウム単結晶層の成長方法）
　次に、この窒化アルミニウム単結晶種基板上に成長させる、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層の成長方法ついて説明する。
　ｎ型窒化アルミニウム単結晶層は、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌｅ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法など、公知の結晶成長法によって製造される。中でも、比較的高い結晶成長速度で高品質の単結晶層が得られるなどの生産性を考慮すると、ＨＶＰＥ法もしくはＭＯＶＰＥ法が好ましく、最も高い成長速度で高品質の単結晶層が得られるＨＶＰＥ法が最も好ましい。
　（ＨＶＰＥ法によるｎ型窒化アルミニウム単結晶層の成長方法）
　ＨＶＰＥ法を採用する場合は、アルミニウム源としてハロゲン化アルミニウム（例えば、３塩化アルミニウムガス等）、窒素源としてアンモニア、及びシリコン源としてＳｉＨαＣｌ４－α（αは０～３の整数である）のガスを窒化アルミニウム単結晶種基板上に、水素および窒素などのキャリアガスと共に供給し、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長させることが好ましい。その他、シリコン源として石英（ＳｉＯ２）やシリコン（Ｓｉ）などのシリコン供給源材料を使用することもできる。
　ｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長させる際の種基板の温度は、１２００～１５００℃とすることが好ましく、さらに１３５０～１４５０℃とすることが好ましく、特に１４００～１４５０℃とすることが好ましく、１４１０～１４４０℃とすることが最も好ましい。一般的に、Ｓｉをドーピングしてｎ型窒化物半導体層を成長する場合は、成長時にシリコンドーピングにより単結晶層中に歪が蓄積され、クラックが発生するなどの現象が起こることが知られている。しかし、上述したような１２００℃以上、好ましくは１３５０℃以上の高温において、ｎ型窒化アルミニウム単結晶を成長することによって、膜厚を２５μｍ以上としても、成長中の新たな転位やクラックの発生を大幅に低減することが可能となる。ｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長させる際の種基板の温度が高くなると一般に、基板周辺部材の温度も高くなるため、周辺部材からの不純物の混入量が増加する傾向にある。また結晶成長速度が高くなるに伴って、塩素などの原料ガス由来の不純物が増加することが考えられる。そのため、過度に基板温度を高くする、もしくは結晶成長速度が速くなると、得られるｎ型窒化アルミニウム単結晶層中の電子濃度とシリコン濃度の比（電子濃度／シリコン濃度）が低下し、０．０００５未満となるおそれがある。これは、窒化アルミニウム単結晶にドープされたシリコンの多くが結晶中に異物として存在し、ｎ型導電性の発現には寄与しないためと推定される。一方、結晶成長速度を適度に制御することで、ドープされたシリコンの多くがｎ型導電性の発現に寄与するようになる。この原因は必ずしも明らかではないが、結晶成長速度を比較的緩やかにすることで、意図せぬ不純物の混入やアルミニウム欠陥の形成が抑制され、より多くのシリコンがドナーとして機能するためと考えられる。したがって、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長させる際の種基板の温度は、好ましくは１５００℃以下、さらに好ましくは１４５０℃以下、特に好ましくは１４４０℃以下である。
　さらに、アンモニアなどの窒素源となるガスとアルミニウム源となるガスとの供給モル比（Ｖ／ＩＩＩ比）は、使用する結晶成長装置の構造にも依存するが、０．５～１００にすることが好ましく、さらに２～２０とすることが好ましい。なお、キャリアガスとして窒素を用いる場合には、上記Ｖ／ＩＩＩ比には、キャリアガスに含まれる窒素は算入しない。Ｖ／ＩＩＩ比が低いと（すなわち供給されるＡｌ原子が過剰であると）、結晶成長速度が速くなる傾向にある。また、アルミニウム源であるハロゲン化アルミニウムの供給が過剰であると、ハロゲンが不純物として単結晶層中に残留することがある。
　また、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層の成長速度は、ｎ型導電性や発光特性を悪化させない範囲において、特に制限されるものではないが、１０～１００μｍ／ｈであることが好ましく、より好ましくは１０～５０μｍ／ｈ、さらに好ましくは１５～３０μｍ／ｈ、特に好ましくは１５～２０μｍ／ｈである。工業的な生産効率を考慮すると、成長速度は大きい方が好ましいが、成長速度が大きくなるにつれて、成長表面にヒロックが形成され、結晶品質が低下する傾向にある。
　以上の種基板の温度、Ｖ／ＩＩＩ比、成長速度の条件は、使用する装置の大きさ、形状により最適値が異なるため、上記の例示範囲で最適値を決定すればよい。
　ｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長する際のシリコンのドーピング方法は、例えば、シリコン源としてＳｉＨαＣｌ４－α（αは０～３の整数である）のガスを用いてドーピングする方法を用いることが好ましい。膜厚方向におけるシリコン濃度を一定にする場合は、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層成長時のＳｉＨαＣｌ４－αガスの流量を一定に保てばよい。また、シリコンをドーピングする別の方法として、窒化アルミニウム単結晶種基板を加熱するサセプターの周辺であって、石英やシリコンなどのシリコン供給源材料を該種基板の上流側に設置し、該シリコン供給源材料からの脱離シリコンを利用してドーピングする方法などを用いることができる。シリコンの含有量は、上述のＳｉＨαＣｌ４－αガスの供給量、シリコン供給源材料の量、配置を調整して適宜決定すればよい。ただし、過剰量のシリコンをドーピングするような条件下にすると、得られるｎ型窒化アルミニウム単結晶層（基板）の発光ピークの強度比（Ｉ１／Ｉ２）が高くなる傾向にあり、ｎ型導電特性が低下してしまうため好ましくない。
　以上のような方法を採用することで、シリコンをドーピングした、高品質かつ自立性のあるｎ型窒化アルミニウム単結晶層を形成することはできるが、一般的に、成長条件は結晶成長装置の構造に大きく影響を受ける。例えば、ガス供給部の構造の違いによる供給原料ガスの線速度や、被加熱部の構造の違いによる原料ガスの対流の変化が挙げられる。これらの違いによって、種基板上での実効的なＡｌ原料およびＮ原料の供給量および供給比が、装置によって異なることが予想される。よって、上述したパラメーターの範囲内において、適宜成長条件を調整することによって、本発明のｎ型導電特性および発光特性を安定して実現することが可能となる。
　非特許文献（Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（１９９８）４５９）には、シリコンをドーピングした際には、ドーピング量の増加に伴ってＡｌ欠陥の形成エネルギーが低下する傾向であることが示されている。上述の通り、クラックの発生を抑制する観点からは高温での成長が好ましいが、一方で高濃度のシリコンをドーピングする際には、Ａｌ欠陥の形成を抑制する手段として、上記の非特許文献に記載の通り、成長温度を低く設定することが好ましい。クラックの抑制およびＡｌ欠陥の形成の抑制の両方の観点から、成長温度は１３５０～１４５０℃、さらに１４００～１４５０℃、特に１４１０～１４４０℃の範囲が好ましい。
　また成長速度もシリコンドーピング量の増加に伴い、低く設定することで、Ａｌ欠陥の形成を抑制し、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶の発光特性およびｎ型導電性を達成することが可能となる。
　本発明において、アルミニウム欠陥濃度が低く、結晶性がよい自立性のあるｎ型窒化アルミニウム単結晶層（基板）を成長（製造）するには、例えば、（１）成長温度が１３５０～１４５０℃、好ましくは１４００～１４５０℃、さらに好ましくは１４１０～１４４０℃の範囲であって、（２）Ｖ／ＩＩＩ比が５～２０、（３）ｎ型窒化アルミニウム単結晶の成長速度を１５～３０μｍ／ｈ、さらに１５～２０μｍ／ｈとする、（４）成長圧力が７００～７６０Ｔｏｒｒ、さらに７４０～７６０Ｔｏｒｒ、であることが好ましい。これらの（１）～（４）の成長パラメーターは、上述の通り、ｎ型窒化アルミニウム層を成長する装置の違いによって具体的な条件は異なるものの、本発明の好ましい範囲内において調整すればよい。本発明で使用した装置においては、上記（１）、（２）、（３）の条件を満足することにより、優れた特性のｎ型窒化アルミニウム単結晶層を製造することができた。製造条件の選定についての具体的指針としては、（１）成長温度が高いと成長速度が速くなる傾向にあり、（２）Ｖ／ＩＩＩ比が低いと成長速度が速くなる傾向にある。そして、（３）成長速度が速いと、得られるｎ型窒化アルミニウム単結晶層中の電子濃度とシリコン濃度の比（電子濃度／シリコン濃度）が低下し、０．０００５未満となるおそれがある。このため、たとえば成長温度が過度に速い場合には、Ｖ／ＩＩＩ比を高くするなどの手段で成長速度が適切な範囲となるように制御することが好ましい。
　成長速度が速い場合に、電子濃度とシリコン濃度の比（電子濃度／シリコン濃度）が低下する理由は明らかではないが、本発明者等は次のように考察している。すなわち、成長速度が速くなると、塩化アルミニウムガス比の増加に伴い、塩素（Ｃｌ）などの意図せぬ不純の混入量が増加する結果、電子濃度とシリコン濃度の比が低下するものと考えられる。また、成長速度が速くなると、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層中に含まれる欠陥（エッチピット密度の増加）が増加する傾向にあるため、これらの欠陥が電子濃度とシリコン濃度の比を低下させる要因になると考えられる。そのため、本発明においては、成長速度は比較的遅い方が好ましいと考えられる。
　以上のような方法で成長させるｎ型窒化アルミニウム単結晶層の厚みは、特に制限されるものではないが、後述の分離工程で単結晶の一部も除去されることがあるため、所望とするｎ型窒化アルミニウム単結晶基板よりも厚めに設定する。そのため、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層は、２５～６００μｍとすることが好ましい。
　（分離方法）
　上述の方法により窒化アルミニウム単結晶種基板上にｎ型窒化アルミニウム単結晶層が形成された積層基板を作製した後、種基板とｎ型窒化アルミニウム単結晶層とを分離する方法について説明する。
　分離手法は、特に制限はなく、下記で例示するような公知の技術を使用することができる。例えば、積層基板を作製した後、種基板部分を機械研磨する方法、水酸化カリウムなどのアルカリ溶液に浸漬して種基板部分のみを溶解する方法、特開２００３－１６８８２０で提案されているレーザー光を照射することにより分離する方法などが挙げられる。これにより自立したｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を得ることができる。上述の方法により窒化アルミニウム単結晶種基板を分離した側の面、およびその反対側の面（成長表面）は、化学機械（ＣＭＰ）研磨を行い、機械研磨および成長後の表面酸化などによるダメージ層を除去し、平滑性を向上させることが好ましい。なお、成長表面のＣＭＰ研磨を行う順番は、分離後に限定されるものではなく、適宜決定すればよく、例えば、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層の成長後に行ってもよい。
　（半導体デバイスの作製）
　このようにして得られたｎ型窒化アルミニウム単結晶基板において、基板の両面（例えば、基板の上下の面）に動作電極を形成することによって、縦型の半導体デバイスを作製することができる。また、この縦型の窒化物半導体デバイスにおいて、一方の主面側（例えば、上面）にオーミック電極層を形成し、他方の主面（例えば、下面）にショットキー電極層を形成することにより、縦型ショットキーバリアダイオードとすることができる。その他の態様として、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板と電極との間に、適宜窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＸＧａ１－ＸＮ、０≦Ｘ≦１）層を形成することもできる。窒化アルミニウムガリウム層は、目的に応じて、シリコンをドーピングしたｎ型、Ｍｇをドーピングしたｐ型にすることもできるし、不純物をドーピングしないアンドープ層であってもよい。また、本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、横型の窒化物半導体デバイスの製造にも当然に使用できる。
　以下、実施例および比較例をあげて本発明について詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
　実施例１
　本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を作製するための窒化アルミニウム単結晶種基板にはＣ面窒化アルミニウム単結晶種基板（１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚み５００μｍ）を用いた。この窒化アルミニウム単結晶種基板の転位密度（エッチピット密度）は、１×１０４ｃｍ－２であった。なお、この転位密度は、下記に記述するｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の転位密度の測定方法と同じ方法で求めた。
　この種基板をＨＶＰＥ装置内のパイロリティックボロンナイトライド製のサセプター上に設置した後、ＨＶＰＥ装置内の圧力を７５０Ｔｏｒｒとし、水素、窒素の混合キャリアガス雰囲気下で、種基板を１４３０℃に加熱した。この際、全キャリアガス流量（１０ｓｌｍ）に対して０．５体積％になるようにアンモニアガスを供給した。次いで、４５０℃に加熱した金属Ａｌと塩化水素ガスを反応させることによって得られる塩化アルミニウムガスを全キャリアガス供給量に対して０．０３５体積％になるように供給し、種基板上にｎ型窒化アルミニウム単結晶層を５０μｍ形成した。ここで、Ｖ／ＩＩＩ比は１４．３である。この際、サセプター上に石英片（２ｍｍ×２ｍｍ×厚み１ｍｍ）を設置し、加熱下で起こる石英の自然脱離現象を利用して、窒化アルミニウム単結晶層中にシリコンをドーピングした。石英片は、種基板に対して、ガスの上流側に１ｃｍの距離に設置した。得られたｎ型窒化アルミニウム単結晶層と成長時間の関係から見積もられる成長速度は１８μｍ／ｈであった。
　ｎ型窒化アルミニウム単結晶層が形成された積層基板をＨＶＰＥ装置から取り出した後、高分解能Ｘ線回折装置（スペクトリス社パナリティカル事業部製Ｘ‘Ｐｅｒｔ）により、加速電圧４５ｋＶ、加速電流４０ｍＡの条件で、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層の（００２）面および（１０１）面のＸ線ロッキングカーブ測定を行った。Ｘ線ロッキングカーブの半値幅はそれぞれ、２８ａｒｃｓｅｃ、１９ａｒｃｓｅｃであった。
　次に、フォトルミネセンス装置（堀場製作所製ＬａｂＲａｍＨＲ－８００）でｎ型窒化アルミニウム単結晶層のフォトルミネセンス測定を行った。励起光源には１９３ｎｍのＡｒＦレーザー（コヒーレント製ＥｘｃｉＳｔａｒＳ－２００）を用いた。３０°傾斜させた試料にレーザー光を照射し、試料から発生したルミネッセンスを集束レンズにて結像した後、分光器にて検出し、波長に対するスペクトル強度を得た。測定条件は、測定温度は室温（２３℃）とし、照射時間は１０秒として、積算回数は３回、ホール径は１０００μｍ、グレーティングは３００ｇｒｏｏｖｅｓ／ｍｍとした。バンド端発光ピーク（Ｉ２）は２０９ｎｍであり、３８０ｎｍ付近に微弱な発光ピーク（Ｉ２）が観察された。それぞれのピークの強度の比（Ｉ１／Ｉ２）は０．１３であった。
　その後、得られた窒化アルミニウム単結晶基板を７ｍｍ角程度の正方形形状Ａ１～Ａ４に切断した。切断後の基板の一つＡ１については、機械研磨によって種基板部分を除去し、ｎ型窒化アルミニウム単結晶自立基板を作製した。得られた自立基板のサイズは、６．５ｍｍ×６．５ｍｍ×厚み３９μｍであり、無色透明であった。
　Ａ２は、３００℃に加熱した水酸化カリウムと水酸化ナトリウムの混合溶液に５ｍｉｎ浸漬した後、微分干渉顕微鏡によって、１００μｍ角の視野範囲で、任意の１０視野を観察し、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層表面のエッチピット密度（転位密度）を観察した。算出されたエッチピット密度（転位密度）は２×１０４ｃｍ－２であった。
　Ａ３は、セシウムイオンを１次イオンに用いたＳＩＭＳ分析により、シリコン、酸素および炭素の定量分析を行った。濃度は、窒化アルミニウム標準試料の窒素２次イオン強度に基づき定量した。シリコン濃度は、３×１０１７ｃｍ－３であった。また、酸素および炭素濃度は、それぞれ１×１０１７ｃｍ－３（今回の測定における検出下限値）以下であった。よって、この場合、アクセプター性不純物（炭素）は１×１０１７ｃｍ－３以下と見なすことができた。
　Ａ４は、４０℃に加熱した塩酸中で表面を洗浄した。次いで、その基板の一つを使用し、成長表面の四隅に、真空蒸着法によりオーミック電極層として、Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）電極を形成し、窒素雰囲気中９５０℃の条件で熱処理を行った。その後、ホール効果測定装置（東陽テクニカ製Ｒｅｓｉｔｅｓｔ８３００）により、周波数１００ｍＨｚ、磁場０．３８Ｔ、測定温度２５～５２７℃の条件でホール効果測定（ｎ型導電性評価）を行った。室温（２３℃）における電子濃度は、２．４×１０１４ｃｍ－３であり、シリコン濃度に対する電子濃度の比は０．０００８であった。また、電子濃度の温度依存性から見積もられるアクセプター濃度は、８×１０１６ｃｍ－３であった。
　比較例１
　厚みを２００μｍ形成し、成長温度を１４５０℃にした以外は、実施例１と同様の条件でｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長し、同様の評価を行った。基板厚みから見積もったｎ型窒化アルミニウム単結晶層の成長速度は２２μｍ／ｈであった。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比（Ｉ１／Ｉ２）は０．２２であった。実施例１と同様に、７ｍｍ角程度の正方形形状Ｂ１～Ｂ４に切断し、同様の評価を行った。
　Ｂ１より、６ｍｍ×６ｍｍ×厚み１７０μｍの自立基板が作製できることを確認した。Ｂ２では、エッチピット密度を測定し、２×１０４ｃｍ－２であった。Ｂ３で得られたシリコン濃度は２×１０１７ｃｍ－３、酸素および炭素濃度は、それぞれ１×１０１７ｃｍ－３（今回の測定における検出下限値）以下であった。Ｂ４では、室温（２３℃）における電子濃度５×１０１３ｃｍ－３が得られ、シリコン濃度に対する電子濃度の比は０．０００２５であった。また、電子濃度の温度依存性から見積もられるアクセプター濃度は、１×１０１７ｃｍ－３であった。
　比較例２
　塩化アルミニウムガスの供給量を０．０４３体積％に変更し、成長温度を１５２０℃とした以外は、実施例１と同様の条件で、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層を１００μｍ形成した。ここで、Ｖ／ＩＩＩ比は１１．６である。成長速度は３２μｍ／ｈであった。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比（Ｉ１／Ｉ２）は０．８１であった。実施例１と同様に、７ｍｍ角程度の正方形形状Ｃ１～Ｃ４に切断し、同様の評価を行った。
　Ｃ１より、６ｍｍ×６ｍｍ×厚み７０μｍの自立基板が作製できることを確認した。Ｃ２では、エッチピット密度を測定し、２×１０４ｃｍ－２であった。Ｃ３で得られたシリコン濃度は２×１０１７ｃｍ－３、酸素および炭素濃度は、それぞれ１×１０１８ｃｍ－３、１×１０１７ｃｍ－３（今回の測定における検出下限値）以下であった。Ｃ４では、室温（２３℃）における電子濃度３×１０１２ｃｍ－３が得られ、シリコン濃度に対する電子濃度の比は０．００００１５であった。また、電子濃度の温度依存性から見積もられるアクセプター濃度は、１．９×１０１７ｃｍ－３であった。
　比較例３
　サセプター上に設置する石英片（２ｍｍ×２ｍｍ×厚み１ｍｍ）を３個にした以外は、比較例１と同様にｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長し、同様の評価を行った。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比（Ｉ１／Ｉ２）は９．８であった。基板厚みから見積もったｎ型窒化アルミニウム単結晶層の成長速度は２３μｍ／ｈであった。実施例１と同様に、７ｍｍ角程度の正方形形状Ｄ１～Ｄ４に切断し、同様の評価を行った。
　Ｄ１より、６ｍｍ×６ｍｍ×厚み１７０μｍの自立基板が作製できることを確認した。Ｄ２では、エッチピット密度を測定し、３×１０４ｃｍ－２であった。Ｄ３で得られたシリコン濃度は８×１０１９ｃｍ－３、酸素および炭素濃度はそれぞれ５×１０１７ｃｍ－３、１×１０１７ｃｍ－３（今回の測定における検出下限値）以下であった。Ｄ４では、室温（２３℃）における電子濃度２×１０１３ｃｍ－３が得られ、シリコン濃度に対する電子濃度の比は０．００００００２５であった。また、電子濃度の温度依存性から見積もられるアクセプター濃度は、６×１０１９ｃｍ－３であった。
　実施例２
　サセプター上に設置する石英片数を２個にした以外は、実施例１と同様の条件でｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長し、同様の評価を行った。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比（Ｉ１／Ｉ２）は０．４２であった。基板厚みから見積もったｎ型窒化アルミニウム単結晶層の成長速度は２０μｍ／ｈであった。実施例１と同様に、７ｍｍ角程度の正方形形状E１～E４に切断し、同様の評価を行った。
　Ｅ１より、６ｍｍ×６ｍｍ×厚み４０μｍの自立基板が作製できることを確認した。E２では、エッチピット密度を測定し、４．２×１０４ｃｍ－２であった。E３で得られたシリコン濃度は１×１０１８ｃｍ－３、酸素濃度は３×１０１７ｃｍ－３であり、炭素濃度は１×１０１７ｃｍ－３（今回の測定における検出下限値）以下であった。E４では、室温（２３℃）における電子濃度７×１０１４ｃｍ－３が得られ、シリコン濃度に対する電子濃度の比は０．０００７であった。また、電子濃度の温度依存性から見積もられるアクセプター濃度は、３×１０１７ｃｍ－３であった。
　比較例４
　成長温度を１４５０℃、塩化アルミニウムガスの体積流量比を０．０５体積％にした以外は、実施例１と同様の条件でｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長し、同様の評価を行った。ここで、Ｖ／ＩＩＩ比は１０である。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比（Ｉ１／Ｉ２）は０．３７であった。基板厚みから見積もったｎ型窒化アルミニウム単結晶層の成長速度は３２μｍ／ｈであった。実施例１と同様に、７ｍｍ角程度の正方形形状Ｆ１～Ｆ４に切断し、同様の評価を行った。
　Ｆ１より、６ｍｍ×６ｍｍ×厚み４０μｍの自立基板が作製できることを確認した。Ｆ２では、エッチピット密度を測定し、１×１０５ｃｍ－２であった。Ｆ３で得られたシリコン濃度は２×１０１７ｃｍ－３、酸素濃度および炭素濃度は１×１０１７ｃｍ－３（今回の測定における検出下限値）以下であった。Ｆ４では、室温（２３℃）における電子濃度８×１０１３ｃｍ－３が得られ、シリコン濃度に対する電子濃度の比は０．０００４であった。また、電子濃度の温度依存性から見積もられるアクセプター濃度は、１．１×１０１７ｃｍ－３であった。
　参考例
　市販されている昇華法により作製された窒化アルミニウム基板において、同様の評価を行った。エッチピット密度は９×１０３ｃｍ－２であった。シリコン濃度は５×１０１８ｃｍ－３、酸素濃度は２×１０１９ｃｍ－３であり、炭素濃度は３×１０１９ｃｍ－３であった。また、ホール効果測定を行ったところ、抵抗値が高いため正確な測定結果は得られなかった。この結果より、昇華法により作製された窒化アルミニウム基板は、絶縁体であり、比抵抗値は１０６Ωｃｍ以上と見積もられた。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比（Ｉ１／Ｉ２）は１０以上であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001

Claims (6)

  1. 　シリコンがドーピングされたｎ型窒化アルミニウム単結晶基板であって、
    　２３℃におけるフォトルミネセンス測定において、３７０～３９０ｎｍにピークを有する発光スペクトル強度（Ｉ１）と窒化アルミニウムのバンド端の発光ピーク強度（Ｉ２）の比（Ｉ１／Ｉ２）が０．５以下であり、
    　厚みが２５～５００μｍであり、
    　２３℃における電子濃度とシリコン濃度の比（電子濃度／シリコン濃度）が０．０００５～０．００１であるｎ型窒化アルミニウム単結晶基板。
  2. 　アクセプター濃度が１０１８ｃｍ－３以下であり、かつシリコン濃度を超えない請求項１に記載のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板。
  3. 　転位密度が１０６ｃｍ－２以下である請求項１または２に記載のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板。
  4. 　２３℃における電子濃度が１×１０１３～１×１０１７ｃｍ－３である請求項１～３の何れかに記載のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板。
  5. 　請求項１～４の何れかに記載のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の上下の主面に電極層を備えた縦型窒化物半導体デバイス。
  6. 　請求項５に記載の縦型窒化物半導体デバイスにおいて、一方の主面側にオーミック電極層を有し、他方の主面にショットキー電極層を有する縦型ショットキーバリアダイオード。
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