JP2009249202A - Method for producing aluminum nitride single crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は窒化アルミニウム単結晶の製造方法に係り、より詳しくは、結晶成長速度の向上を図った窒化アルミニウム単結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an aluminum nitride single crystal, and more particularly to a method for manufacturing an aluminum nitride single crystal with an improved crystal growth rate.
窒化アルミニウム(AlN)系半導体は、深紫外のレーザーダイオードや高効率、高周波の電子デバイスとして期待されている。この半導体を育成する基板としては、窒化アルミニウム単結晶が最適であることから、窒化アルミニウム単結晶作製の開発が進められている。
窒化アルミニウム単結晶の特徴としては、熱伝導率が290Wm−1K−1と非常に高いことが挙げられ、デバイス作動時に発生する熱を放散する上で大変有利である。
Aluminum nitride (AlN) -based semiconductors are expected as deep ultraviolet laser diodes and high-efficiency, high-frequency electronic devices. As a substrate for growing this semiconductor, an aluminum nitride single crystal is optimal, and therefore, development of aluminum nitride single crystal is under development.
A characteristic of the aluminum nitride single crystal is that it has a very high thermal conductivity of 290 Wm −1 K −1 , which is very advantageous in dissipating heat generated during device operation.
窒化アルミニウム単結晶の作製方法は、溶液法ではフラックス法が、気相法では、成長基板上に有機金属気相成長法(Metalorganic Vapor Phase Epitaxy,MOVPE)、水素化物気相堆積法(Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)、昇華法などが挙げられる。この中でも昇華法は、一般的に成長速度が大きいため、バルク結晶の作製に対して有力な方法である。この昇華法とは、原料である窒化アルミニウムを昇華させ、それを昇華温度より低い温度域で再凝縮させ、単結晶を作製する方法である。 The aluminum nitride single crystal is produced by the flux method in the solution method, and in the vapor phase method, metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE), hydride vapor deposition method (Hydride Vapor Phase) on the growth substrate. Epitaxy, HVPE) and sublimation method. Among these, the sublimation method is a powerful method for producing a bulk crystal because the growth rate is generally high. This sublimation method is a method for producing a single crystal by sublimating aluminum nitride as a raw material and recondensing it in a temperature range lower than the sublimation temperature.
しかしながら、例えば特許文献1〜2に記載されている方法で、炭化ケイ素(SiC)からなる基板上のc面(0001)に窒化アルミニウム単結晶を成長させた際、c軸に垂直な方向の窒化アルミニウムの成長速度は、平行方向の成長速度に比べ一桁程度低くなる。これは、c面は原子配列最密面であるため、原子配列の密度が低いc面に平行な面に比べて成長速度が遅いことに起因する。
また、窒化アルミニウムのc面(0001)上に窒化アルミニウム系発光デバイスを作製して電流を注入すると、垂直方向ではなく水平方向に発光してしまう。そのため、c軸方向の発光強度が低下してしまっていた。これは、窒化アルミニウムのバンド構造に起因し、窒化アルミニウムのバンド間光学遷移がc軸平行方向に許容されるためである。
Further, when an aluminum nitride-based light emitting device is manufactured on the c-plane (0001) of aluminum nitride and current is injected, light is emitted in the horizontal direction instead of the vertical direction. For this reason, the light emission intensity in the c-axis direction has been reduced. This is because the optical transition between bands of aluminum nitride is allowed in the c-axis parallel direction due to the band structure of aluminum nitride.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、窒化アルミニウム単結晶の成長速度の向上を図った窒化アルミニウム単結晶の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for producing an aluminum nitride single crystal in which the growth rate of the aluminum nitride single crystal is improved.
本発明の請求項1に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、上部に開口部を有し、内部空間の底面側に原料を収納する反応室と、該開口部を塞ぐサセプタとからなる加熱炉本体、及び前記内部空間へ外部からプロセスガスを導入するガス供給手段、を少なくとも備えた窒化アルミニウム単結晶の製造装置を用い、前記サセプタ上に配された種子基板上に窒化アルミニウム単結晶を堆積させる窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、前記種子基板はSiCからなり、その被堆積面をa面(11−20)としたことを特徴とする。
The method for producing an aluminum nitride single crystal according to
本発明の請求項2に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、上部に開口部を有し、内部空間の底面側に原料を収納する反応室と、該開口部を塞ぐサセプタとからなる加熱炉本体、及び前記内部空間へ外部からプロセスガスを導入するガス供給手段、を少なくとも備えた窒化アルミニウム単結晶の製造装置を用い、前記サセプタ上に配された種子基板上に窒化アルミニウム単結晶を堆積させる窒化アルミニウム単結晶の製造方法であって、前記種子基板はSiCからなり、その被堆積面をm面(10−10)としたことを特徴とする。
The method for producing an aluminum nitride single crystal according to
本発明によれば、SiCからなる種子基板のa面(11−20)またはm面(10−10)上に窒化アルミニウム単結晶を成長させることで、結晶成長速度の向上が図れ、生産性の増大が可能となる。 According to the present invention, by growing an aluminum nitride single crystal on the a-plane (11-20) or m-plane (10-10) of a seed substrate made of SiC, the crystal growth rate can be improved and the productivity can be improved. Increase is possible.
以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
<第一実施形態>
本発明の窒化アルミニウムの製造方法は、上部に開口部を有し、内部空間の底面側に原料を収納する反応室と、該開口部を塞ぐサセプタとからなる加熱炉本体、及び前記内部空間へ外部からプロセスガスを導入するガス供給手段、を少なくとも備えた窒化アルミニウム単結晶の製造装置を用い、前記サセプタ上に配された種子基板上に窒化アルミニウム単結晶を堆積させる。この際、種子基板はSiCからなり、その被堆積面をa面(11−20)として作製する。
<First embodiment>
The method for producing aluminum nitride of the present invention includes a reaction chamber having an opening at the top and containing a raw material on the bottom surface side of the internal space, a heating furnace main body including a susceptor that closes the opening, and the internal space. An aluminum nitride single crystal is deposited on a seed substrate disposed on the susceptor using an apparatus for producing an aluminum nitride single crystal having at least a gas supply means for introducing a process gas from the outside. At this time, the seed substrate is made of SiC, and the surface to be deposited is produced as the a-plane (11-20).
図1は、本発明で用いる窒化アルミニウム単結晶の製造装置9の一例を模式的に示した断面図である。この製造装置は、上部に開口部を有し、内部空間の底面側に原料22を収納する反応室3と、該開口部を塞ぐサセプタ4とからなる加熱炉本体、及び内部空間3aへ外部からプロセスガスを導入するガス供給手段5、から概略構成されている。また、加熱炉本体内に配された原料22と、サセプタ4と、サセプタ4に配された種子基板11とを加熱する加熱手段7が加熱炉本体に沿って配されている。加熱炉本体は、支持手段2により、所定の位置に配置され、上記加熱炉本体、加熱手段7、及び支持手段2は、真空ポンプ6が設けられたチャンバー1内に配されている。加熱炉本体、温度調節手段7、ガス供給手段5、支持手段2、チャンバー1、及び真空ポンプ6としては、特に限定されるものではなく、従来公知のものを用いることができる。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of an aluminum nitride single crystal manufacturing apparatus 9 used in the present invention. This manufacturing apparatus has an opening in the upper part, a heating furnace main body comprising a
原料22としては、粉末状やペレット状、多結晶体を破砕した破片などの窒化アルミニウム用いることができる。
As the
種子基板11は、6H−SiCからなり、窒化アルミニウム単結晶の被堆積面11aはa面(11−20)である。
The
次に、本発明の製造装置9を用いた窒化アルミニウム単結晶の製造方法について説明する。
まず、窒化アルミニウムの粉末や焼結体などの原料22を反応室3下部にセットし、種子基板11をサセプタ4に配して加熱炉本体を密閉する。この際、種子基板11のa面(11−20)が原料22と対向するようにサセプタ4に水平に設置する。
次いで、加熱炉本体内を真空ポンプ6により真空排気した後、ガス供給手段5により窒素ガス等のプロセスガスを加熱炉本体内の内部空間3aに導入する。加熱炉本体内の圧力は例えば10Torr以上760Torr以下、窒素ガス流量は、例えば50sccm以上5000sccm以下である。
そして、原料22が配された反応室3の下部(昇華部)の方が、種子基板11が配されたサセプタ4(析出部)よりも高温となるように、加熱手段7を用いて加熱炉本体内の原料22やサセプタ4、種子基板11を加熱する。この際、昇華部の温度は、1800℃以上2400℃以下、析出部の温度は、1700℃以上2300℃以下が好ましい。
加熱で昇華させて分解気化された原料22は、窒素ガス雰囲気下で種子基板11上に結晶成長されることで、種子基板11のa面(11−20)上に窒化アルミニウム単結晶12が成長する。
以上で、図2に示すような、種子基板11の被体積面11aに窒化アルミニウム単結晶が成長した窒化アルミニウム結晶基板10が得られる。
Next, a method for producing an aluminum nitride single crystal using the production apparatus 9 of the present invention will be described.
First, a
Next, after the inside of the heating furnace body is evacuated by the
Then, the
The
As described above, an aluminum
本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造方法によれば、SiCからなる種子基板11のa面(11−20)上に窒化アルミニウム単結晶12を成長させるため、該結晶の成長速度を速めることが可能となり、ひいては、生産性が増大する。
According to the method for producing an aluminum nitride single crystal of the present invention, since the aluminum nitride
また、本発明の製造方法で得られた窒化アルミニウム単結晶基板10は、窒化アルミニウム単結晶12がa面(11−20)である。そのため、この窒化アルミニウム単結晶12を例えば厚さ200〜800μmで切り出して研磨し、AlN系の発光デバイスや電子デバイスに用いることで、垂直方向に発光させることが可能となり、該デバイスの発光強度を増加させることが可能となる。
Moreover, in the aluminum nitride
<第2実施形態>
本発明の窒化アルミニウムの製造方法は、上部に開口部を有し、内部空間の底面側に原料22を収納する反応室3と、該開口部を塞ぐサセプタ4とからなる加熱炉本体、及び内部空間3aへ外部からプロセスガスを導入するガス供給手段5、を少なくとも備えた窒化アルミニウム単結晶の製造装置9を用い、サセプタ4に配された種子基板11上に窒化アルミニウム単結晶12を堆積させる。この際、種子基板11はSiCからなり、その被堆積面11aをm面(10−10)として作製する。
Second Embodiment
The method for producing aluminum nitride according to the present invention includes a
本実施形態が第1実施形態と異なる点は、種子基板11のm面(10−10)上に窒化アルミニウム単結晶12を堆積させる点である。製造装置9としては、第1実施形態と同様に、図1に示したものと同一なものを用いることができる。
This embodiment is different from the first embodiment in that an aluminum nitride
次に、図1に示す製造装置9を用いた窒化アルミニウム単結晶12の製造方法について説明する。
まず、窒化アルミニウムの粉末や焼結体などの原料22を反応室3下部にセットし、種子基板11をサセプタ4に配して加熱炉本体を密閉する。この際、種子基板11のm面(10−10)が原料22と対向するようにサセプタ4に水平に設置する。
次いで、加熱炉本体内を真空ポンプ6により真空排気した後、ガス供給手段5により窒素ガス等のプロセスガスを加熱炉本体内の内部空間3aに導入する。加熱炉本体内の圧力は例えば10Torr以上760Torr以下、窒素ガス流量は、例えば50sccm以上5000sccm以下である。
そして、原料22が配された反応室3の下部(昇華部)の方が、種子基板11が配されたサセプタ4(析出部)よりも高温となるように加熱手段7により加熱炉内の原料22やサセプタ3、種子基板11を加熱する。この際、昇華部の温度は、1800℃以上2400℃以下、析出部の温度は、1700℃以上2300℃以下が好ましい。
加熱で昇華させて分解気化された原料22は、窒素ガス雰囲気下で種子基板11上に結晶成長されることで、種子基板のm面(10−10)上に窒化アルミニウム単結晶12が成長する。
以上で、第1実施形態と同様に図2に示すような、種子基板11の被体積面11aに窒化アルミニウム単結晶が成長した窒化アルミニウム結晶基板が得られる。
Next, a method for manufacturing the aluminum nitride
First, a
Next, after the inside of the heating furnace body is evacuated by the
Then, the raw material in the heating furnace is heated by the heating means 7 so that the lower part (sublimation part) of the
The
As described above, an aluminum nitride crystal substrate in which an aluminum nitride single crystal is grown on the
本発明の窒化アルミニウム単結晶の製造方法によれば、SiCからなる種子基板11のm面(10−10)上に窒化アルミニウム単結晶12を成長させるため、該結晶の成長速度を速めることが可能となり、ひいては、生産性が増大する。
According to the method for producing an aluminum nitride single crystal of the present invention, since the aluminum nitride
また、本発明の製造方法で得られた窒化アルミニウム単結晶基板10は、窒化アルミニウム単結晶12がm面(10−10)である。そのため、この窒化アルミニウム単結晶12を厚さ200〜800μmで切り出して研磨し、AlN系の発光デバイスや電子デバイスに用いることで、垂直方向に発光させることが可能となり、該デバイスの発光強度を増加させることが可能となる。
Further, in the aluminum nitride
6H−SiC基板の一面に、窒化アルミニウム単結晶を作製した。窒化アルミニウム単結晶の作製にあたっては、以下の表1に示す条件1〜3で行った。
An aluminum nitride single crystal was formed on one surface of a 6H—SiC substrate. The production of the aluminum nitride single crystal was performed under
<実施例1>
基板として6H−SiCのc面に垂直なa面(11−20)基板を用い、図1に示した製造装置を用い、表1に示した条件1で窒化アルミニウム単結晶を作製し、これを実施例1とした。
<Example 1>
An a-plane (11-20) substrate perpendicular to the c-plane of 6H—SiC is used as the substrate, and the manufacturing apparatus shown in FIG. 1 is used to produce an aluminum nitride single crystal under
<実施例2>
表1に示した条件2で窒化アルミニウム単結晶を作製したこと以外は実施例1と同様に行い、これを実施例2とした。
<Example 2>
Example 2 was carried out in the same manner as in Example 1 except that an aluminum nitride single crystal was produced under the
<実施例3>
表1に示した条件2で窒化アルミニウム単結晶を作製したこと以外は実施例1と同様に行い、これを実施例3とした。
<Example 3>
Example 3 was performed in the same manner as in Example 1 except that an aluminum nitride single crystal was produced under the
<実施例4>
基板として6H−SiCのc面に垂直なm面(10−10)基板を用いたこと以外は実施例1と同様に行い、これを実施例4とした。
<Example 4>
Example 4 was performed in the same manner as in Example 1 except that an m-plane (10-10) substrate perpendicular to the c-plane of 6H—SiC was used as the substrate.
<実施例5>
基板として6H−SiCのc面に垂直なm面(10−10)基板を用いたこと以外は実施例2と同様に行い、これを実施例5とした。
<Example 5>
Example 5 was performed in the same manner as in Example 2 except that an m-plane (10-10) substrate perpendicular to the c-plane of 6H—SiC was used as the substrate.
<実施例6>
基板として6H−SiCのc面に垂直なm面(10−10)基板を用いたこと以外は実施例3と同様に行い、これを実施例6とした。
<Example 6>
Example 6 was performed in the same manner as in Example 3 except that an m-plane (10-10) substrate perpendicular to the c-plane of 6H—SiC was used as the substrate.
<比較例1>
基板として6H−SiCのc面(0001)基板を用いたこと以外は実施例1と同様に行い、これを比較例1とした。
<Comparative Example 1>
This was carried out in the same manner as in Example 1 except that a 6H—SiC c-plane (0001) substrate was used as the substrate, and this was designated as Comparative Example 1.
<比較例2>
基板として6H−SiCのc面(0001)基板を用いたこと以外は実施例2と同様に行い、これを比較例2とした。
<Comparative example 2>
This was carried out in the same manner as in Example 2 except that a 6H—SiC c-plane (0001) substrate was used as the substrate, and this was designated as Comparative Example 2.
<比較例3>
基板として6H−SiCのc面(0001)基板を用いたこと以外は実施例3と同様に行い、これを比較例3とした。
<Comparative Example 3>
This was carried out in the same manner as in Example 3 except that a 6H—SiC c-plane (0001) substrate was used as the substrate.
上記で作製した実施例1〜4、及び比較例1〜3で得られた窒化アルミニウム単結晶長を表2に示す。 Table 2 shows the aluminum nitride single crystal lengths obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 prepared above.
表2より、SiCのc面基板よりも、a面やm面基板を用いた方が高い成長速度で結晶が得られることがわかった。
また、作製したa面、m面の窒化アルミニウム単結晶は、厚さ200μ〜800μmで切断し、研磨することでa面、m面基板とした。特に、ウェハー状に切断、研磨することで、窒化アルミニウム系の発光デバイス、及び電子デバイスに提供することができ、発光強度の向上に資することができる。
From Table 2, it was found that crystals can be obtained at a higher growth rate by using the a-plane or m-plane substrate than the SiC c-plane substrate.
Further, the a-plane and m-plane aluminum nitride single crystals produced were cut to a thickness of 200 μm to 800 μm and polished to obtain a-plane and m-plane substrates. In particular, by cutting and polishing into a wafer shape, it can be provided for an aluminum nitride-based light-emitting device and an electronic device, which can contribute to an improvement in emission intensity.
青色および紫外発光ダイオード(LED)向け基板や、レーザーダイオード(LD)用基板、パワーデバイス用基板などの製造方法に適用することができる。 The present invention can be applied to manufacturing methods for blue and ultraviolet light emitting diode (LED) substrates, laser diode (LD) substrates, power device substrates, and the like.
1 チャンバー、2 支持手段、3 反応室、4 サセプタ、5 ガス供給手段、6 真空ポンプ、7 加熱手段、9 窒化アルミニウム単結晶の製造装置、10 窒化アルミニウム単結晶基板、11 種子基板、11a 種子基板の被成膜面、12 窒化アルミニウム単結晶、22 原料。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記種子基板はSiCからなり、その被堆積面をa面(11−20)としたことを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造方法。 A heating furnace body having an opening at the top and containing a raw material on the bottom side of the internal space, a susceptor that closes the opening, and a gas supply means for introducing process gas from the outside into the internal space A method for producing an aluminum nitride single crystal comprising depositing an aluminum nitride single crystal on a seed substrate disposed on the susceptor using an apparatus for producing an aluminum nitride single crystal comprising at least
The method for producing an aluminum nitride single crystal, wherein the seed substrate is made of SiC, and the deposition surface is an a-plane (11-20).
前記種子基板はSiCからなり、その被堆積面をm面(10−10)としたことを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造方法。 A heating furnace body having an opening at the top and containing a raw material on the bottom side of the internal space, a susceptor that closes the opening, and a gas supply means for introducing process gas from the outside into the internal space A method for producing an aluminum nitride single crystal comprising depositing an aluminum nitride single crystal on a seed substrate disposed on the susceptor using an apparatus for producing an aluminum nitride single crystal comprising at least
The method for producing an aluminum nitride single crystal, wherein the seed substrate is made of SiC, and the deposition surface is an m-plane (10-10).
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010222192A (en) * | 2009-03-24 | 2010-10-07 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Production method of nitride single crystal, template substrate, and nitride single crystal substrate |
JP2013035720A (en) * | 2011-08-09 | 2013-02-21 | Fujikura Ltd | Apparatus and method for manufacturing aluminum nitride single crystal |
CN106435736A (en) * | 2016-09-14 | 2017-02-22 | 苏州奥趋光电技术有限公司 | Aluminum nitride crystal growing furnace |
CN107916454A (en) * | 2016-09-14 | 2018-04-17 | 苏州奥趋光电技术有限公司 | A kind of thermal field for aluminum nitride crystal growth stove |
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