JP2015048265A - n型SiC単結晶及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低抵抗率を有し且つ貫通転位密度が小さいn型SiC単結晶を提供する。【解決手段】ゲルマニウム及び窒素を含むn型SiC単結晶であって、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]が、0.17<[Ge/N]<1.60の関係を満たす、n型SiC単結晶。前記n型SiC単結晶の製造方法としては、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するとともに、窒化物及び金属ゲルマニウムを添加したSi−C溶液にSiC種結晶基板を接触させことにより単結晶を成長させる。【選択図】図7
Description
本発明は、半導体素子として好適なn型SiC単結晶及びその製造方法に関する。
SiC単結晶は、熱的、化学的に非常に安定であり、機械的強度に優れ、放射線に強く、しかもSi単結晶に比べて高い絶縁破壊電圧、高い熱伝導率などの優れた物性を有する。そのため、Si単結晶やGaAs単結晶などの既存の半導体材料では実現できない高出力、高周波、耐電圧、耐環境性等を実現することが可能であり、大電力制御や省エネルギーを可能とするパワーデバイス材料、高速大容量情報通信用デバイス材料、車載用高温デバイス材料、耐放射線デバイス材料等、といった広い範囲における、次世代の半導体材料として期待が高まっている。
SiC単結晶の成長法としては、代表的には気相法、アチソン(Acheson)法、及び溶液法が知られている。気相法のうち、例えば昇華法では、成長させた単結晶にマイクロパイプ欠陥と呼ばれる中空貫通状の欠陥や積層欠陥等の格子欠陥及び結晶多形が生じやすいという欠点を有するが、結晶の成長速度が大きいため、従来、SiCバルク単結晶の多くは昇華法により製造されており、成長結晶の欠陥を低減する試みも行われている。アチソン法では原料として珪石とコークスを使用し電気炉中で加熱するため、原料中の不純物等により結晶性の高い単結晶を得ることは不可能である。
溶液法は、黒鉛坩堝中でSi融液またはSi融液に合金を融解し、その融液中にCを溶解させ、低温部に設置した種結晶基板上にSiC結晶層を析出させて成長させる方法である。溶液法は気相法に比べ熱平衡に近い状態での結晶成長が行われるため、昇華法よりも低欠陥化が期待できる。このため、最近では、溶液法によるSiC単結晶の製造方法がいくつか提案されており、結晶欠陥が少ないSiC単結晶を得る方法が提案されている(特許文献1)。
また、SiC単結晶をパワーデバイス等の電子デバイスに適用しようとする場合等、電力損失を低減するために、体積抵抗率(以下、抵抗率とする)の小さなSiC単結晶を得ようとする試みが行われている。例えば、SiC単結晶の抵抗率を低減するために、溶液法を用い、坩堝内に窒素ガスを供給あるいは坩堝に窒素を吸着させること等によって、SiC単結晶にn型のドーパントをドープさせて、抵抗率の低いn型SiC単結晶を成長させることが提案されている(特許文献2〜4)。
このように、溶液法を用いて高品質のSiC単結晶を得ようとする試みが行われているが、特許文献2のように、溶液法を用いて窒素をドープさせたn型SiC単結晶を得ようとすると、成長結晶に多量の貫通転位が発生しやすいという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低抵抗率を有し且つ貫通転位密度が小さいn型SiC単結晶を提供することを目的とする。
本発明は、ゲルマニウム及び窒素を含むn型SiC単結晶であって、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]が、0.17<[Ge/N]<1.60の関係を満たす、n型SiC単結晶である。
本発明はまた、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するSi−C溶液にSiC種結晶基板を接触させてn型SiC単結晶を結晶成長させる、n型SiC単結晶の製造方法であって、
Si−C溶液を形成するための原料またはSi−C溶液に、窒化物及び金属ゲルマニウムを添加する工程、並びに
ゲルマニウム及び窒素を含むn型SiC単結晶を成長させる工程であって、成長させるSiC単結晶中のゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]が、0.17<[Ge/N]<1.60の関係を満たす、工程、
を含む、n型SiC単結晶の製造方法である。
Si−C溶液を形成するための原料またはSi−C溶液に、窒化物及び金属ゲルマニウムを添加する工程、並びに
ゲルマニウム及び窒素を含むn型SiC単結晶を成長させる工程であって、成長させるSiC単結晶中のゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]が、0.17<[Ge/N]<1.60の関係を満たす、工程、
を含む、n型SiC単結晶の製造方法である。
本発明によれば、低抵抗率を有し且つ貫通転位密度が小さいn型SiC単結晶を得ることができる。
上記のように、従来、溶液法を用いて窒素ドープしたn型SiC単結晶を成長させるために、成長炉内の雰囲気中に窒素ガスを加え、あるいは坩堝に窒素を吸着させること等によって、Si−C溶液に窒素を供給する方法が提案されている。
この従来法により窒素をドープさせたn型SiC単結晶を得ようとすると、成長結晶の貫通転位密度が非常に大きくなるという問題があった。
窒素ドープしたn型SiC単結晶において、多量の貫通転位が含まれる原因として、窒素を高密度にドーピングするとSiC単結晶の格子定数が縮小し、種結晶/成長結晶の界面で、格子定数のミスフィットが生じ、成長結晶中に、種結晶由来の貫通転位に加えて、新規の貫通転位が発生することが考えられる。
貫通転位は、貫通らせん転位、貫通刃状転位、及びマイクロパイプ欠陥に分類され、溶液法によりSiC単結晶のc面成長を行う場合、成長方向であるc軸方向に、種結晶基板中に存在する貫通転位が伝搬しやすく、さらに、窒素ドープすると、種結晶/成長結晶の界面における格子定数のミスフィットにより主に貫通刃状転位が新たに発生し、多量の貫通転位が成長結晶に含まれてしまう。以下、貫通刃状転位を単に貫通転位ともいう。
このような課題を解決するために本発明者は鋭意研究を行い、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]が、0.17<[Ge/N]<1.60の関係を満たす、n型SiC単結晶を見出した。
本発明は、ゲルマニウム及び窒素を含むn型SiC単結晶であって、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]が、0.17<[Ge/N]<1.60の関係を満たす、n型SiC単結晶を対象とする。
窒素ドープSiC成長結晶に所定量のゲルマニウムをドープすることで、成長結晶の格子定数を拡大させることができ、種結晶基板/窒素ドープ成長結晶の界面における格子定数のミスフィットを低減または解消することができる。
SiC成長結晶の格子定数を拡大させる原子としては、ゲルマニウムの他、窒素ドープn型SiC単結晶への電気的な影響が小さい14族元素のSn及びPbが挙げられる。n型SiC単結晶中への固溶量及び環境安全性の観点から、ゲルマニウムが好ましい。
本発明に係るn型SiC単結晶中の窒素密度[N]は、好ましくは、1×1019個/cm3≦[N]≦1×1020個/cm3の範囲内にある。n型SiC単結晶として所望の低抵抗率を得るために、n型SiC単結晶は1×1019個/cm3以上の窒素密度を有することが好ましく、また、SiC単結晶中への窒素の固溶限界及びポリタイプ安定性から、n型SiC単結晶中の窒素密度の上限は1×1020個/cm3であることが好ましい。
本発明に係るn型SiC単結晶中のゲルマニウム密度[Ge]の下限は、好ましくは1.70×1018個/cm3超であり、より好ましくは2.40×1018個/cm3以上である。本発明に係るn型SiC単結晶中のゲルマニウム密度[Ge]の上限は、好ましくは1.60×1020個/cm3未満であり、より好ましくは8.30×1019個/cm3以下である。ゲルマニウム密度[Ge]が上記のような範囲であることにより、n型SiC単結晶としての所望の低抵抗率を得つつ、貫通転位の発生が少ないn型SiC単結晶をより安定して得ることができる。
本発明に係るSiC単結晶は、雑晶を実質的に含まない。SiC単結晶に雑晶が含まれるか否かの判定は、外観観察または顕微鏡観察により容易に行うことができる。
本発明に係るSiC単結晶は、抵抗率が小さいn型SiC単結晶であり、好ましくは10mΩ・cm以下、より好ましくは8mΩ・cm以下、さらに好ましくは6mΩ・cm以下、さらにより好ましくは5mΩ・cm以下の抵抗率を有する。SiC単結晶の抵抗率は低いほどよいが、窒素のSiC結晶への固溶限界により抵抗率の下限は1mΩ・cm程度である。
SiC単結晶の抵抗率は、Van der Pauw法(ファン デア パウ法)によるホール(Hall)測定によって測定することができる。
成長結晶中の貫通転位密度の評価は、成長結晶の(0001)面を露出させるように鏡面研磨して、溶融水酸化カリウム、過酸化ナトリウム等の溶融塩を用いた溶融アルカリエッチングを行って転位を強調させ、エッチング面のエッチピットを顕微鏡観察することによって行われ得る。なお、本明細書において、(000−1)面等の表記における「−1」は、本来、数字の上に横線を付して表記するところを「−1」と表記したものである。
貫通刃状転位に対応するエッチピットは、エッチング条件にもよるが、概して数十μmの直径を有する。また、貫通らせん転位に対応するエッチピットは貫通刃状転位に対応するエッチピットよりも大きく、マイクロパイプ欠陥に対応するエッチピットはさらに大きく数百μmの直径を有するため、これらを区別して計測してもよい。エッチピットの観察及び計測は、顕微鏡を用いて行うことができる。
SiC単結晶中の窒素密度及びゲルマニウム密度は、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定することができる。
本発明はまた、内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するSi−C溶液にSiC種結晶基板を接触させてn型SiC単結晶を結晶成長させる、n型SiC単結晶の製造方法であって、Si−C溶液を形成するための原料またはSi−C溶液に、窒化物及び金属ゲルマニウムを添加する工程、並びにゲルマニウム及び窒素を含むn型SiC単結晶を成長させる工程であって、成長させるSiC単結晶中のゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]が、0.17<[Ge/N]<1.60の関係を満たす、工程、を含む、n型SiC単結晶の製造方法を対象とする。
本発明に係る方法によれば、速い成長速度で、低抵抗率を有し且つ貫通転位密度が小さいn型SiC単結晶を得ることができる。
従来の窒素ガスを供給する方法では、成長炉内の気相から液相に窒素を溶かし込むため、Si−C溶液の表面に高窒素濃度領域が形成される。Si−C溶液の表面の温度勾配を大きくして成長速度を速くしようとすると、この高窒素濃度領域で雑晶が発生して、発生した雑晶が成長結晶の成長面に付着して、SiC単結晶の成長を阻害してしまうという問題があった。また、坩堝に吸着させた窒素をドープ源として用いる場合、単結晶中の窒素ドープ量の安定した制御が難しい。
本発明に係る方法によれば、Si−C溶液を形成するための原料またはSi−C溶液に直接、窒化物を添加することにより、Si−C溶液中に実質的に一様な窒素濃度を形成することができ、Si−C溶液の表面における高窒素濃度領域の形成を抑制することができる。これにより、速い速度で成長させても、雑晶を発生させずに、低抵抗率且つ貫通転位密度の小さいn型SiC単結晶を得ることができる。
SiC単結晶が得られたか否かの判定は、外観観察または顕微鏡観察により成長結晶に雑晶が含まれていないか観察することで、容易に行うことができる。
本発明に係る方法に用いられる窒化物及び金属ゲルマニウムは、溶融前のSi−C溶液を形成するための原料に添加してもよく、またはSi−C溶液に添加してもよい。添加した窒化物及び金属ゲルマニウムは、Si−C溶液を形成するための原料またはSi−C溶液と混合され、窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の溶媒を形成することができる。
本発明に係る方法に用いられる窒化物は、Si−C溶液中で液相を示す窒化物である。Si−C溶液中で液相を示す窒化物とは、窒化物の融点が必ずしもSi−C溶液の温度以下である必要はなく、Si−Cの融液中で窒化物の少なくとも一部、好ましくは窒化物の実質的に全部が、液相を示すものでもよい。
本発明に係る方法に用いられる窒化物は、好ましくは常温で固体の金属窒化物であり、より好ましくは窒素及びCr、Ti、Ni等の遷移元素の化合物、窒素及びGe等の典型元素の化合物、窒素及びSi等の非金属元素の化合物、またはそれらの混合物であり、さらに好ましくは、窒素及びSi、Ge等の14族に属する元素の化合物であるか、または窒素及びCr、Ge等の第4周期に属する元素の化合物であり、例えば、窒化クロム(Cr2N及び/またはCrN)、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化ゲルマニウム(Ge3N4)、窒化チタン(TiN及び/またはTi2N)、窒化ニッケル(Ni4N及び/またはNi3N)、またはそれらの混合物が挙げられる。
本発明に係る方法に用いられる窒化物は、好ましくは、窒化クロム(Cr2N及び/またはCrN)、窒化ケイ素(Si3N4)、または窒化ゲルマニウム(Ge3N4)であり、より好ましくは窒化クロム(Cr2N及び/またはCrN)または窒化ゲルマニウム(Ge3N4)であり、さらにより好ましくは窒化クロム(Cr2N及び/またはCrN)である。上記窒化物は、例示したもの以外にも価数の異なる化合物の形をとるものを含んでもよい。
本発明に係る方法においては、窒化物を、成長結晶が所定の窒素密度を有するように、Si−C溶液を形成するための原料またはSi−C溶液に加えることができる。窒化物の添加量は、窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の全体量を基準とした窒素原子換算量で好ましくは0.12at%以上であり、より好ましくは0.15at%以上であり、さらに好ましくは0.22at%以上であり、さらにより好ましくは0.30at%以上である。窒化物の添加量が上記範囲にあることにより、n型SiC単結晶として、上記の所望の低抵抗率を有する成長結晶を得ることができる。
一方、窒化物の添加量の上限は、特に限定されないが、窒素を含むSi−C溶液の全体量を基準とした窒素原子換算量で1.0at%以下にしてもよい。Si−C溶液に1.0at%の窒素が溶解すると、所望の4H−SiCが安定的に得られない可能性がある。
上記のような量の窒化物をSi−C溶液を形成するための原料またはSi−C溶液に添加することで、成長結晶中の窒素密度[N]が、1×1019個/cm3≦[N]≦1×1020個/cm3の範囲内にすることができる。
窒化物の添加量を決定する際、るつぼや雰囲気由来の成長結晶中の窒素密度を考慮してもよい。ただし、るつぼや雰囲気由来の成長結晶中の窒素密度は、本発明に係る方法に用いられる窒化物由来の成長結晶中の窒素密度の1/10〜1/100程度であり、影響は小さい。
本発明に係る方法においては、成長結晶中の窒素密度及びゲルマニウム密度が所定の比率になるように、金属ゲルマニウムを、Si−C溶液を形成するための原料またはSi−C溶液に加えることができる。金属ゲルマニウムの添加量の下限は、窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の全体量を基準として、好ましくは4.0at%またはそれより大きく、より好ましくは5.0at%以上である。金属ゲルマニウムの添加量の上限は、窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の全体量を基準として、好ましくは20.0at%未満であり、より好ましくは10.0at%以下である。金属ゲルマニウムの添加量を上記範囲にすることにより、成長させるn型SiC単結晶中の貫通転位の発生をより安定して抑制することができる。
より具体的には、上記のような量の金属ゲルマニウムをSi−C溶液を形成するための原料またはSi−C溶液に添加することで、成長結晶中のゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]の下限を0.17超、好ましくは0.24以上にしやすく、また、成長結晶中のゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]の上限を、1.60未満、好ましくは0.83以下にしやすくなる。
窒化物として窒化ゲルマニウムを用いるときは、窒化ゲルマニウム中のゲルマニウムと金属ゲルマニウムとの合計量が上記の添加量範囲になるように調整すればよい。
金属ゲルマニウムは、ゲルマニウム単体であることが好ましいが、窒化ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム等のゲルマニウム化合物を一部に含んでもよい。
本発明に係る方法では、Si−C溶液の表面から1cmの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する平均温度勾配を、好ましくは20℃/cm以上、より好ましくは30℃/cm以上、さらに好ましくは42℃/cm以上にして、低抵抗率を有し且つ貫通転位密度が小さいn型SiC単結晶を成長させることができる。温度勾配の上限は特に限定されるものではないが、実際に形成可能な温度勾配が実質的な上限となり得、例えば60℃/cm程度である。
本発明に係る方法では、温度勾配を上記のように大きくすることができ、それにより、SiC単結晶の成長速度を、好ましくは100μm/h以上、より好ましくは150μm/h以上、さらに好ましくは200μm/h以上、さらにより好ましくは300μm/h以上、さらにより好ましくは400μm/h以上にすることができ、例えば400〜500μm/hでSiC単結晶を成長させることができる。SiC単結晶の成長速度の上限は特に限定されるものではないが、上記のように形成可能な温度勾配の上限により律速され、例えば2000μm/h以下である。
本発明のSiC単結晶の製造方法においては溶液法が用いられる。SiC単結晶を製造するための溶液法とは、坩堝内において、Si−C溶液の内部から溶液の表面に向けて温度低下する温度勾配を形成することによってSi−C溶液の表面領域を過飽和にして、Si−C溶液に接触させた種結晶を基点として、種結晶上にSiC単結晶を成長させる方法である。
本発明に係る方法においては、SiC単結晶の製造に一般に用いられる品質のSiC単結晶を種結晶基板として用いることができる。例えば昇華法で一般的に作成したSiC単結晶を種結晶基板として用いることができる。昇華法で一般的に作成したSiC単結晶には、概して貫通転位が多く含まれているが、本発明に用いる種結晶基板には、貫通転位は含まれていても含まれていなくてもよい。
本発明に係る方法においては、種結晶基板と同等の貫通転位密度を有するSiC単結晶を得ることができるため、貫通転位密度が小さいかあるいは貫通転位を含まないSiC単結晶が種結晶基板としては好ましい。
本方法に用いられ得る種結晶基板は、例えば板状、円盤状、円柱状、角柱状、円錐台状、または角錐台状等の任意の形状であることができる。
単結晶製造装置への種結晶基板の設置は、種結晶基板の上面を種結晶保持軸に保持させることによって行うことができる。
種結晶基板のSi−C溶液への接触は、種結晶基板を保持した種結晶保持軸をSi−C溶液面に向かって降下させ、種結晶基板の下面をSi−C溶液面に対して並行にしてSi−C溶液に接触させることによって行うことができる。そして、Si−C溶液面に対して種結晶基板を所定の位置に保持して、SiC単結晶を成長させることができる。
種結晶基板の保持位置は、種結晶基板の下面の位置が、Si−C溶液面に一致するか、Si−C溶液面に対して下側にあるか、またはSi−C溶液面に対して上側にあってもよい。種結晶基板の下面をSi−C溶液面に対して上方の位置に保持する場合は、一旦、種結晶基板をSi−C溶液に接触させて種結晶基板の下面にSi−C溶液を接触させてから、所定の位置に引き上げる。種結晶基板の下面の位置を、Si−C溶液面に一致するか、またはSi−C溶液面よりも下側にしてもよいが、多結晶の発生を防止するために、種結晶保持軸にSi−C溶液が接触しないようにすることが好ましい。これらの方法において、結晶成長中に種結晶基板の位置を調節してもよい。
種結晶保持軸はその端面に種結晶基板を保持する黒鉛の軸であることができる。種結晶保持軸は、円柱状、角柱状等の任意の形状であることができ、種結晶基板の上面の形状と同じ端面形状を有する黒鉛軸を用いてもよい。
本発明において、Si−C溶液とは、Si/X(XはSi以外の1種以上の金属)の融液を溶媒とするCが溶解した溶液をいい、さらに窒素及びゲルマニウムが含まれている。Xは一種類以上の金属であり、SiC(固相)と熱力学的に平衡状態となる液相(溶液)を形成できれば特に制限されない。適当な金属Xの例としては、Ti、Mn、Cr、Ni、Ce、Co、V、Fe等が挙げられる。
Si−C溶液は、好ましくは、Si/Cr/X(XはSi及びCr以外の1種以上の金属)の融液であり、さらに所定濃度の窒素及びゲルマニウムが含まれる。Si−C溶液を、Si/Cr/Xにすることで、ゲルマニウムの溶解量を大きくすることができる。原子組成百分率でSi/Cr/X=30〜80/20〜60/0〜10の融液を溶媒とするSi−C溶液が、ゲルマニウム溶解量をより大きくすることができ、且つCの溶解量の変動が少なく、より好ましい。例えば、坩堝内にSiに加えて、Cr、Ni等の原料を投入し、さらにCr2N等の窒化物及び金属ゲルマニウムを添加して、窒素及びゲルマニウムを含むSi/Cr溶液、Si/Cr/Ni溶液等を形成することができる。
本発明に係る方法においてSi−C溶液の温度とは、Si−C溶液の表面温度をいう。Si−C溶液の表面の温度の下限は好ましくは1800℃以上であり、上限は好ましくは2200℃であり、この温度範囲でSi−C溶液へのCの溶解量を多くすることができる。さらにSi−C溶液中への窒素溶解量を高くすることができる点で、Si−C溶液の表面の温度の下限はより好ましくは2000℃以上である。
Si−C溶液の温度測定は、熱電対、放射温度計等を用いて行うことができる。熱電対に関しては、高温測定及び不純物混入防止の観点から、ジルコニアやマグネシア硝子を被覆したタングステン−レニウム素線を黒鉛保護管の中に入れた熱電対が好ましい。
図1に、本発明の方法を実施するのに適したSiC単結晶製造装置の一例を示す。図示したSiC単結晶製造装置100は、Si/Xの融液中に炭素、窒素、及びゲルマニウムが溶解してなるSi−C溶液24を収容した坩堝10を備え、Si−C溶液24の内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を形成し、昇降可能な黒鉛軸12の先端に保持された種結晶基板14をSi−C溶液24に接触させて、SiC単結晶を成長させることができる。坩堝10及び/または黒鉛軸12を回転させることが好ましい。
Si−C溶液24は、Si、Cr、Ni等の原料を坩堝に投入し、さらに窒化物及び金属ゲルマニウムを添加して、加熱融解させて調製したSi/Xの融液にCを溶解させることによって調製される。別法では、Si−C溶液24は、Si、Cr、Ni等の原料を坩堝に投入し、加熱融解させて調製したSi/Xの融液に、窒化物及び金属ゲルマニウムを添加して溶解させ、Cを溶解させることによって調製される。
坩堝10を、黒鉛坩堝などの炭素質坩堝またはSiC坩堝とすることによって、坩堝10の溶解によりCが融液中に溶解し、窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液24が形成される。こうすると、Si−C溶液24中に未溶解のCが存在せず、未溶解のCへのSiC単結晶の析出によるSiCの浪費が防止できる。Cの供給は、例えば、炭化水素ガスの吹込み、または固体のC供給源を融液原料と一緒に投入するといった方法を利用してもよく、またはこれらの方法と坩堝の溶解とを組み合わせてもよい。
保温のために、坩堝10の外周は、断熱材18で覆われている。これらが一括して、石英管26内に収容されている。石英管26の外周には、加熱用の高周波コイル22が配置されている。高周波コイル22は、上段コイル22A及び下段コイル22Bから構成されてもよく、上段コイル22A及び下段コイル22Bはそれぞれ独立して制御可能である。
坩堝10、断熱材18、石英管26、及び高周波コイル22は、高温になるので、水冷チャンバーの内部に配置される。水冷チャンバーは、Ar、He、N2等を用いて装置内及び坩堝内の雰囲気を調整することを可能にするために、ガス導入口とガス排気口とを備える。
Si−C溶液の温度は、通常、輻射等のためSi−C溶液の内部よりも表面の温度が低い温度分布となるが、さらに、高周波コイル22の巻数及び間隔、高周波コイル22と坩堝10との高さ方向の位置関係、並びに高周波コイルの出力を調整することによって、Si−C溶液24に、種結晶基板14が浸漬される溶液上部が低温、溶液下部が高温となるようにSi−C溶液24の表面に垂直方向の所定の温度勾配を形成することができる。例えば、下段コイル22Bの出力よりも上段コイル22Aの出力を小さくして、Si−C溶液24に溶液上部が低温、溶液下部が高温となる所定の温度勾配を形成することができる。
Si−C溶液24中に溶解した炭素は、拡散及び対流により分散される。種結晶基板14の下面近傍は、コイル22の上段/下段の出力制御、Si−C溶液の表面からの放熱、及び黒鉛軸12を介した抜熱によって、Si−C溶液24の下部よりも低温となる温度勾配が形成されている。高温で溶解度の大きい溶液下部に溶け込んだ炭素が、低温で溶解度の低い種結晶基板下面付近に到達すると過飽和状態となり、この過飽和度を駆動力として種結晶基板上にSiC単結晶が成長する。本発明においては、Si−C溶液24中に溶解した窒素及びゲルマニウムも、炭素と同様に拡散及び対流により分散され、SiC成長結晶中に取り込まれる。
本発明に係る方法において、SiC単結晶の成長前に、SiC種結晶基板の表面層をSi−C溶液中に溶解させて除去するメルトバックを行ってもよい。SiC単結晶を成長させる種結晶基板の表層には、転位等の加工変質層や自然酸化膜などが存在していることがあり、SiC単結晶を成長させる前にこれらを溶解して除去することが、高品質なSiC単結晶を成長させるために効果的である。溶解する厚みは、SiC種結晶基板の表面の加工状態にもよるが、加工変質層や自然酸化膜を十分に除去するために、およそ5〜50μmが好ましい。
メルトバックは、任意の方法で行うことができ、例えば、Si−C溶液の内部から溶液の表面に向けて温度が増加する温度勾配、すなわち、SiC単結晶成長とは逆方向の温度勾配をSi−C溶液に形成することにより行うことができる。高周波コイルの出力を制御することによって上記逆方向の温度勾配を形成することができる。
メルトバックはまた、Si−C溶液に温度勾配を形成せず、単に液相線温度より高温に加熱されたSi−C溶液に種結晶基板を浸漬することによっても行うことができる。この場合、Si−C溶液温度が高くなるほど溶解速度は高まるが溶解量の制御が難しくなり、温度が低いと溶解速度が遅くなることがある。
本発明に係る方法において、あらかじめ種結晶基板を加熱しておいてから種結晶基板をSi−C溶液に接触させてもよい。低温の種結晶基板を高温のSi−C溶液に接触させると、種結晶基板に熱ショック転位が発生することがある。種結晶基板をSi−C溶液に接触させる前に、種結晶基板を加熱しておくことが、熱ショック転位を防止し、高品質なSiC単結晶を成長させるために効果的である。種結晶基板の加熱は黒鉛軸ごと加熱して行うことができる。または、この方法に代えて、比較的低温のSi−C溶液に種結晶を接触させてから、結晶を成長させる温度にSi−C溶液を加熱してもよい。この場合も、熱ショック転位を防止し、高品質なSiC単結晶を成長させるために効果的である。
(実施例1)
直径が12mm、厚みが700μmの円盤状4H−SiC単結晶であって、下面が(000−1)面を有する昇華法により作製したSiC単結晶を用意して、種結晶基板として用いた。種結晶基板は20mΩ・cmの抵抗率及び7×103個/cm2の貫通転位密度を有していた。種結晶基板の上面を、円柱形状の黒鉛軸の端面の略中央部に、黒鉛の接着剤を用いて接着した。
直径が12mm、厚みが700μmの円盤状4H−SiC単結晶であって、下面が(000−1)面を有する昇華法により作製したSiC単結晶を用意して、種結晶基板として用いた。種結晶基板は20mΩ・cmの抵抗率及び7×103個/cm2の貫通転位密度を有していた。種結晶基板の上面を、円柱形状の黒鉛軸の端面の略中央部に、黒鉛の接着剤を用いて接着した。
貫通転位密度の測定は、結晶の(0001)面を鏡面研磨して、510℃の溶融KOH及びNa2O2を用いてアルカリエッチングし、エッチング面について顕微鏡観察を行い、エッチピットの個数を計測することによって行った。以下の実施例及び比較例で測定した貫通転位密度は、観察された全てのエッチピットに基づいて測定した値である。
図1に示す単結晶製造装置を用い、Si−C溶液を収容する黒鉛坩堝に、Si/Cr/Niを5:4:1の原子組成比率でSi−C溶液を形成するための融液原料として仕込み、さらにドナー原料の窒化物としてCr2Nの粉末(三津和化学薬品製、3N)及び金属ゲルマニウムの粉末(高純度化学研究所製、5N)をそれぞれ、窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して窒素原子量が0.50at%及びゲルマニウムが5.0at%含まれるように添加した。
単結晶製造装置の内部を1×10-3Paに真空引きした後、1気圧になるまでアルゴンガスを導入して、単結晶製造装置の内部の空気をアルゴンで置換した。高周波コイルに通電して加熱により黒鉛坩堝内の原料を融解し、窒素及びゲルマニウムを含むSi/Cr/Ni合金の融液を形成した。そして黒鉛坩堝から窒素及びゲルマニウムを含むSi/Cr/Ni合金の融液に、十分な量のCを溶解させて、Si−C溶液を形成した。
上段コイル及び下段コイルの出力を調節して黒鉛坩堝を加熱し、Si−C溶液の表面における温度を2100℃に昇温させ、並びに溶液表面から10mmの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が42℃/cmとなるように制御した。Si−C溶液の表面の温度測定は放射温度計により行い、Si−C溶液の温度勾配の測定は、昇降可能な熱電対を用いて行った。
黒鉛軸に接着した種結晶基板の下面をSi−C溶液面に並行にして、種結晶基板の下面の位置を、Si−C溶液の液面に一致する位置に配置して、Si−C溶液に種結晶基板の下面を接触させるシードタッチを行い、次いで、Si−C溶液が濡れ上がって黒鉛軸に接触しないように、黒鉛軸を1.5mm引き上げ、その位置で10時間保持して、結晶を成長させた。
結晶成長の終了後、黒鉛軸を上昇させて、種結晶基板及び種結晶基板を基点として成長したSiC結晶を、Si−C溶液及び黒鉛軸から切り離して回収した。得られた成長結晶は直径12mm及び厚み4.0mmを有しており、成長速度は400μm/hであった。
得られた成長結晶を成長面から観察した写真を図2に示す。成長結晶はSiC単結晶であり、雑晶は含まれていなかった。
得られた成長結晶の貫通転位密度を測定するため、種結晶から成長結晶部分を切り出し、成長結晶の(0001)面を鏡面研磨し、510℃の溶融KOH及びNa2O2を用いてアルカリエッチングした。エッチング面について顕微鏡観察を行った。図3にエッチング面の顕微鏡写真を示す。図3にみられるエッチピットの個数を計測し、成長結晶の貫通転位密度を測定した。
成長結晶の貫通転位密度は7×103個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度と同等であり、新規の貫通転位発生がないことを確認した。図3にみられるエッチピットは種結晶由来の貫通転位である。
得られた成長結晶の抵抗率を測定するため、成長面から0.5mmの厚みで切り出した成長結晶の(0001)面を鏡面研磨し、5mm角に加工し、洗浄した後、(0001)面の四隅に、真空蒸着により直径1mmの円形のNiオーミック電極を形成した。この電極を付けた成長結晶を用いて室温(25℃)にてVan der Pauw法(ファン デア パウ法)によるホール(Hall)測定を行い、成長結晶の抵抗率を測定したところ、抵抗率は5mΩ・cmであり、n型SiC単結晶が得られたことが分かった。
成長結晶中の窒素密度及びゲルマニウム密度を、二次イオン質量分析法(SIMS、Cameca製)により測定した。標準試料として、SiC基板にN及びGeをイオン注入した試料を用いた。成長結晶の窒素密度は5.0×1019個/cm3であり、ゲルマニウム密度は1.2×1019個/cm3であり、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]は0.24であった。
(実施例2)
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素原子量が0.22at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を、5.0at%含まれるように加えたこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素原子量が0.22at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を、5.0at%含まれるように加えたこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
実施例1と同様に、成長面の外観観察、貫通転位密度の測定、抵抗率、並びに窒素密度及びゲルマニウム密度の測定を行った。得られた成長結晶は直径12mm及び厚み4.0mmを有しており、成長速度は400μm/hであり、成長結晶はSiC単結晶であり雑晶は含まれていなかった。また、成長結晶の貫通転位密度は7×103個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度と同等であった。また、成長結晶の抵抗率は8mΩ・cmであり、窒素密度は2.2×1019個/cm3であり、ゲルマニウム密度は1.2×1019個/cm3であり、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]は0.55であった。
(実施例3)
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素原子量が0.30at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を、10.0at%含まれるように加えたこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素原子量が0.30at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を、10.0at%含まれるように加えたこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
実施例1と同様に、成長面の外観観察、貫通転位密度の測定、抵抗率、並びに窒素密度及びゲルマニウムの測定を行った。得られた成長結晶は直径12mm及び厚み4.0mmを有しており、成長速度は400μm/hであり、成長結晶はSiC単結晶であり雑晶は含まれていなかった。また、成長結晶の貫通転位密度は7×103個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度と同等であった。また、成長結晶の抵抗率は8mΩ・cmであり、窒素密度は3.0×1019個/cm3であり、ゲルマニウム密度は2.4×1019個/cm3であり、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]は0.80であった。
(実施例4)
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素原子量が0.12at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を、4.0at%含まれるように加えたこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素原子量が0.12at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を、4.0at%含まれるように加えたこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
実施例1と同様に、成長面の外観観察、貫通転位密度の測定、抵抗率、並びに窒素密度及びゲルマニウムの測定を行った。得られた成長結晶は直径12mm及び厚み4.0mmを有しており、成長速度は400μm/hであり、成長結晶はSiC単結晶であり雑晶は含まれていなかった。また、成長結晶の貫通転位密度は7×103個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度と同等であった。また、成長結晶の抵抗率は10mΩ・cmであり、窒素密度は1.2×1019個/cm3であり、ゲルマニウム密度は1.0×1019個/cm3であり、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]は0.83であった。
(比較例1)
窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素を含むSi−C溶液の合計量に対して窒素原子量が0.15at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を加えなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素を含むSi−C溶液の合計量に対して窒素原子量が0.15at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を加えなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
実施例1と同様に、成長面の外観観察、貫通転位密度の測定、抵抗率、及び窒素密度の測定を行った。得られた成長結晶は直径12mm及び厚み4.0mmを有しており、成長速度は400μm/hであり、成長結晶はSiC単結晶であり雑晶は含まれておらず、成長結晶の窒素密度は1.5×1019個/cm3であり、成長結晶の抵抗率は10mΩ・cmであった。
得られた成長結晶の貫通転位密度を測定するため、実施例1と同様に、種結晶から成長結晶部分を切り出し、成長結晶の(0001)面を鏡面研磨し、510℃の溶融KOH及びNa2O2を用いてアルカリエッチングした。エッチング面について顕微鏡観察を行った。図4にエッチング面の顕微鏡写真を示す。図4にみられるエッチピットの個数を計測し、成長結晶の貫通転位密度を測定した。成長結晶の貫通転位密度は約1×106個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度に対して大幅に貫通転位密度が増加していた。
(比較例2)
窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素を含むSi−C溶液の合計量に対して窒素原子量が0.50at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を加えなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素を含むSi−C溶液の合計量に対して窒素原子量が0.50at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を加えなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
実施例1と同様に、成長面の外観観察、貫通転位密度の測定、抵抗率、及び窒素密度の測定を行った。得られた成長結晶は直径12mm及び厚み4.0mmを有しており、成長速度は400μm/hであり、成長結晶はSiC単結晶であり雑晶は含まれておらず、成長結晶の窒素密度は5.0×1019個/cm3であり、成長結晶の抵抗率は5mΩ・cmであった。しかしながら、成長結晶の貫通転位密度は約1×106個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度に対して大幅に貫通転位密度が増加していた。
(比較例3)
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素原子量が0.60at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を、4.0at%含まれるように加えたこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素原子量が0.60at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を、4.0at%含まれるように加えたこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
実施例1と同様に、成長面の外観観察、貫通転位密度の測定、抵抗率、並びに窒素密度及びゲルマニウム密度の測定を行った。得られた成長結晶は直径12mm及び厚み4.0
mmを有しており、成長速度は400μm/hであり、成長結晶はSiC単結晶であり雑晶は含まれていなかった。また、成長結晶の窒素密度は6.0×1019個/cm3であり、ゲルマニウム密度は1.0×1019個/cm3であり、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]は0.17であり、抵抗率は5mΩ・cmであった。しかしながら、成長結晶の貫通転位密度は約1×105個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度に対して大幅に貫通転位密度が増加していた。
(比較例4)
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素原子量が0.30at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を、20.0at%含まれるように加えたこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
mmを有しており、成長速度は400μm/hであり、成長結晶はSiC単結晶であり雑晶は含まれていなかった。また、成長結晶の窒素密度は6.0×1019個/cm3であり、ゲルマニウム密度は1.0×1019個/cm3であり、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]は0.17であり、抵抗率は5mΩ・cmであった。しかしながら、成長結晶の貫通転位密度は約1×105個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度に対して大幅に貫通転位密度が増加していた。
(比較例4)
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素原子量が0.30at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を、20.0at%含まれるように加えたこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
実施例1と同様に、成長面の外観観察、貫通転位密度の測定、抵抗率、並びに窒素密度及びゲルマニウム密度の測定を行った。得られた成長結晶は直径12mm及び厚み4.0mmを有しており、成長速度は400μm/hであり、成長結晶はSiC単結晶であり雑晶は含まれていなかった。また、成長結晶の窒素密度は3.0×1019個/cm3であり、ゲルマニウム密度は4.8×1019個/cm3であり、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]は1.60であり、抵抗率は8mΩ・cmであった。しかしながら、成長結晶の貫通転位密度は約1×105個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度に対して大幅に貫通転位密度が増加していた。
(比較例5)
窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素を含むSi−C溶液の合計量に対して窒素原子量が0.60at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を加えなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
窒化物としてCr2Nの粉末を、窒素を含むSi−C溶液の合計量に対して窒素原子量が0.60at%含まれるように加え、金属ゲルマニウムの粉末を加えなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
実施例1と同様に、成長面の外観観察、貫通転位密度の測定、抵抗率、及び窒素密度の測定を行った。得られた成長結晶は直径12mm及び厚み4.0mmを有しており、成長速度は400μm/hであり、成長結晶はSiC単結晶であり雑晶は含まれておらず、成長結晶の窒素密度は6.0×1019個/cm3であり、成長結晶の抵抗率は5mΩ・cmであった。しかしながら、成長結晶の貫通転位密度は約1×106個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度に対して大幅に貫通転位密度が増加していた。
(比較例6)
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてGe3N4の粉末(高純度化学研究所製、3N)を、窒素原子量が0.30at%及びゲルマニウム原子量が0.2at%含まれるように加え、溶液表面から10mmの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が36℃/cmとなるように制御したこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
窒素及びゲルマニウムを含むSi−C溶液の合計量に対して、ドナー原料の窒化物としてGe3N4の粉末(高純度化学研究所製、3N)を、窒素原子量が0.30at%及びゲルマニウム原子量が0.2at%含まれるように加え、溶液表面から10mmの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が36℃/cmとなるように制御したこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
実施例1と同様に、成長面の外観観察、貫通転位密度の測定、抵抗率、並びに窒素密度及びゲルマニウムの測定を行った。得られた成長結晶は直径12mm及び厚み2.5mmを有しており、成長速度は250μm/hであり、成長結晶はSiC単結晶であり雑晶は含まれていなかった。また、成長結晶の窒素密度は3.0×1019個/cm3であり、ゲルマニウム密度は5.0×1017個/cm3であり、ゲルマニウム及び窒素の密度比[Ge/N]は0.02であり、抵抗率は8mΩ・cmであった。しかしながら、成長結晶の貫通転位密度は約1×106個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度に対して大幅に貫通転位密度が増加していた。
(比較例7)
単結晶製造装置の内部を1×10-3Paに真空引きした後、アルゴンガス及び窒素ガスを導入して1気圧とし、単結晶製造装置の内部の空気を95vol%のアルゴン及び5vol%の窒素の混合ガスで置換した。このようにして、ドナー原料として窒化物に代えて窒素ガスを用い、窒化物及び金属ゲルマニウムを添加せずにSi−C溶液を形成したこと、並びにSi−C溶液の表面から10mmの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が10℃/cmとなるように上段コイル及び下段コイルの出力を制御したこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させた。このときのSi−C溶液中の平均窒素濃度は、窒素を含むSi−C溶液の全体量を基準にして0.30at%である。
単結晶製造装置の内部を1×10-3Paに真空引きした後、アルゴンガス及び窒素ガスを導入して1気圧とし、単結晶製造装置の内部の空気を95vol%のアルゴン及び5vol%の窒素の混合ガスで置換した。このようにして、ドナー原料として窒化物に代えて窒素ガスを用い、窒化物及び金属ゲルマニウムを添加せずにSi−C溶液を形成したこと、並びにSi−C溶液の表面から10mmの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が10℃/cmとなるように上段コイル及び下段コイルの出力を制御したこと以外は、実施例1と同様の方法で結晶成長させた。このときのSi−C溶液中の平均窒素濃度は、窒素を含むSi−C溶液の全体量を基準にして0.30at%である。
結晶成長の終了後、黒鉛軸を上昇させて、種結晶基板及び種結晶基板を基点として成長したSiC結晶を、Si−C溶液及び黒鉛軸から切り離して回収した。
実施例1と同様に、成長面の外観観察、貫通転位密度の測定、抵抗率、及び窒素密度の測定を行った。得られた成長結晶を成長面から観察した写真を図5に示す。得られた成長結晶は直径12mm、厚み0.5mmを有しており、成長速度は50μm/hであった。成長結晶はSiC単結晶であり雑晶は含まれておらず、成長結晶の窒素密度は3.0×1019個/cm3であり、成長結晶の抵抗率は8mΩ・cmであった。しかしながら、成長結晶の貫通転位密度は約1×106個/cm2であり、種結晶基板の貫通転位密度に対して大幅に貫通転位密度が増加していた。
(比較例8)
Si−C溶液の表面から10mmの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が30℃/cmとなるように上段コイル及び下段コイルの出力を制御したこと以外は、比較例7と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
Si−C溶液の表面から10mmの範囲で溶液内部から溶液表面に向けて温度低下する温度勾配が30℃/cmとなるように上段コイル及び下段コイルの出力を制御したこと以外は、比較例7と同様の方法で結晶成長させ、成長したSiC結晶を回収した。
得られた成長結晶を成長面から観察した写真を図6に示す。成長結晶には雑晶が含まれており、SiC単結晶は得られなかった。
表1に、実施例1〜4及び比較例1〜8の成長条件をまとめ、表2に、実施例1〜4及び比較例1〜8の結果をまとめた。表2の貫通転位発生量とは、新規に発生した成長結晶中の貫通転位密度であり、成長結晶の貫通転位密度から種結晶基板の貫通転位密度を引いた値である。
図7に、実施例1〜4及び比較例1〜4で得られた成長結晶における窒素密度及びゲルマニウム密度と新規の貫通転位発生有無との関係を示すグラフ示す。
窒素ガスをドナー原料として用いた場合、成長速度を速くすると単結晶が得られなかった。ドナー原料として窒化物を用いた場合は、速い成長速度で低抵抗率のn型SiC単結晶が得られた。窒化物及び金属ゲルマニウムを所定量で添加した場合は、速い成長速度で低抵抗率且つ種結晶基板と同等の貫通転位密度を有するn型SiC単結晶が得られた。
100 単結晶製造装置
10 黒鉛坩堝
12 黒鉛軸
14 種結晶基板
18 断熱材
22 高周波コイル
22A 上段高周波コイル
22B 下段高周波コイル
24 Si−C溶液
26 石英管
10 黒鉛坩堝
12 黒鉛軸
14 種結晶基板
18 断熱材
22 高周波コイル
22A 上段高周波コイル
22B 下段高周波コイル
24 Si−C溶液
26 石英管
Claims (8)
- ゲルマニウム及び窒素を含むn型SiC単結晶であって、前記ゲルマニウム及び前記窒素の密度比[Ge/N]が、0.17<[Ge/N]<1.60の関係を満たす、n型SiC単結晶。
- 前記窒素の密度[N]が、1.00×1019個/cm3≦[N]≦1.00×1020個/cm3の関係を満たす、請求項1に記載のn型SiC単結晶。
- 前記ゲルマニウムの密度[Ge]が、1.70×1018個/cm3<[Ge]<1.60×1020個/cm3の関係を満たす、請求項1または2に記載のn型SiC単結晶。
- 前記ゲルマニウム及び前記窒素の密度比[Ge/N]が、0.24≦[Ge/N]≦0.83の関係を満たす、請求項1〜3のいずれか一項に記載のn型SiC単結晶。
- 内部から表面に向けて温度低下する温度勾配を有するSi−C溶液にSiC種結晶基板を接触させてn型SiC単結晶を結晶成長させる、n型SiC単結晶の製造方法であって、
前記Si−C溶液を形成するための原料または前記Si−C溶液に、窒化物及び金属ゲルマニウムを添加する工程、並びに
ゲルマニウム及び窒素を含むn型SiC単結晶を成長させる工程であって、前記ゲルマニウム及び前記窒素の密度比[Ge/N]が、0.17<[Ge/N]<1.60の関係を満たす、工程、
を含む、n型SiC単結晶の製造方法。 - 前記窒化物が、窒化クロム、窒化ケイ素、窒化ゲルマニウム、窒化チタン、及び窒化ニッケルからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項5に記載の製造方法。
- 前記窒化物の添加量が、前記窒素及び前記ゲルマニウムを含むSi−C溶液の全体量を基準にした窒素原子換算量で、0.12at%以上である、請求項5または6に記載の製造方法。
- 前記Si−C溶液の表面温度が1800〜2200℃である、請求項5〜7のいずれか一項に記載の製造方法。
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