(57)【要約】      （修正有）【課題】パワーＭＯＳＦＥＴ等の素材に用いる、積層欠陥を抑制できるＳｉＣ単結晶の提供。【解決手段】昇華再結晶法によってＳｉＣ単結晶を成長させる際に、窒素などのドナー元素に加えてアルミニウムなどのアクセプター元素を同時にドープし、かつ、ドナー元素の濃度からアクセプター元素の濃度を差し引いた値が１×１０21ｃｍ-3以下となるようにする。これにより、積層欠陥がほぼ発生しないＳｉＣ単結晶とすることが可能となり、積層欠陥密度が１０ｃｍ-1以下となるようにできる。【選択図】図２
2015030640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドナー元素とアクセプター元素とが共にドープされており、かつ、ドナー元素の濃度からアクセプター元素の濃度を差し引いた値が１×１０21ｃｍ-3以下、かつ、積層欠陥密度が１０ｃｍ-1以下とされていることを特徴とする炭化珪素単結晶。
【請求項２】
前記ドナー元素は、V族元素である窒素、リンもしくはヒ素のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶。
【請求項３】
前記アクセプター元素は、III族元素であるアルミニウム、ホウ素もしくはガリウムのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶。
【請求項４】
前記ドナー元素の濃度から前記アクセプター元素の濃度を差し引いた値が６×１０20ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の炭化珪素単結晶。
【請求項５】
比抵抗が１１．２ｍΩｃｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の炭化珪素単結晶。
【請求項６】
比抵抗が２．５ｍΩｃｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の炭化珪素単結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーＭＯＳＦＥＴ等の素材に利用することができる炭化珪素（以下、ＳｉＣという）単結晶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＳｉＣ単結晶を成長させる方法として、昇華再結晶法が広く用いられている。この昇華再結晶法は、黒鉛製の坩堝内に配置した黒鉛台座に種結晶を接合すると共に、坩堝底部に配したＳｉＣ原料を加熱昇華させ、その昇華ガスを種結晶に供給することによって種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させるものである。このような昇華再結晶法を用いたＳｉＣ単結晶の製造方法として、例えば特許文献１に示される手法がある。具体的には、特許文献１に記載の製造方法では、ＳｉＣ単結晶にドナー元素（窒素（Ｎ））と共にアクセプター元素（アルミニウム（Ａｌ））もドープすることで、基底面転位を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１６７０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に示される手法は基底面転位を抑制する技術であり、積層欠陥の抑制について考慮していない。窒素の濃度を高くするほど積層欠陥が増大し、結晶性を低下させることになる。特に、窒素の濃度を２×１０19ｃｍ-3より多くするとより積層欠陥を増大させることになり、結晶性を著しく低下させてしまう。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、積層欠陥を抑制できるＳｉＣ単結晶を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ドナー元素とアクセプター元素とが共にドープされており、かつ、ドナー元素の濃度とアクセプター元素の濃度との差が１×１０21ｃｍ-3以下、かつ、積層欠陥密度が１０ｃｍ-1以下とされていることを特徴としている。
【０００７】
このように、昇華再結晶法によってＳｉＣ単結晶（５）を成長させる際に、窒素などのドナー元素に加えてアルミニウムなどのアクセプター元素を同時にドープし、かつ、ドナー元素の濃度からアクセプター元素の濃度を差し引いた値が１×１０21ｃｍ-3以下となるようにする。これにより、積層欠陥がほぼ発生しないＳｉＣ単結晶とすることが可能となり、積層欠陥密度が１０ｃｍ-1以下となるようにできる。
【０００８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置を用いてＳｉＣ単結晶５を成長させるときの様子を示した断面図である。
【図２】図１に示すＳｉＣ単結晶製造装置を用いて、ＳｉＣ単結晶５を複数種類成長させたときの窒素やアルミニウムの濃度、比抵抗、積層欠陥の発生の有無について調べた結果を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１に示すように、ＳｉＣ単結晶製造装置には、円筒状とされた黒鉛製の第１坩堝１および第２坩堝２が備えられている。
【００１２】
第１坩堝１は、第１坩堝１の底部に備えられたＳｉＣ原料粉末（ＳｉＣ原料）３を加熱処理によって昇華させ、種結晶であるＳｉＣ単結晶基板４上にＳｉＣ単結晶５を結晶成長させるものである。つまり、第１坩堝１は、ＳｉＣ単結晶５の結晶成長容器として用いられる。
【００１３】
この第１坩堝１は、上面が開口している有底円筒状の坩堝本体１ａと、坩堝本体１ａの開口部を塞ぐ円盤状の蓋材１ｂとを備えて構成されている。また、第１坩堝１を構成する蓋材１ｂの中央部において突き出した部分を台座１ｃとして、台座１ｃ上にＳｉＣ単結晶基板４が図示しない接着剤等を介して接合される。台座１ｃは、接合されるＳｉＣ単結晶基板４とほぼ同等の寸法とされている。本実施形態では、ＳｉＣ単結晶基板４を円形としており、台座１ｃも円形とされている。そして、台座１ｃの中心が第１坩堝１の中心軸上に配置されることで、ＳｉＣ単結晶基板４もその中心軸上に配置されるようにしている。なお、ＳｉＣ単結晶基板４および台座１ｃの形状は任意であり、円形に限らず、四角形、六角形、八角形など、他の多角形状であっても構わない。
【００１４】
坩堝本体１ａの側壁には黒鉛製の連結パイプ６が接続されており、この連結パイプ６を通じて第２坩堝２と連結されている。なお、ここでは連結パイプ６を第１坩堝１における坩堝本体１ａの側壁に接続したが、蓋材１ｂや坩堝本体１ａの底面などに連結させるようにしても良い。
【００１５】
また、図示しないが、第１坩堝１は、回転装置に搭載されており、第１坩堝１はその中心軸を中心として回転可能に構成されている。そして、第１坩堝１を回転させると、台座１ｃに接合されたＳｉＣ単結晶基板４も第１坩堝１の中心軸を中心として回転させられるようになっている。
【００１６】
また、図示しないが、第１坩堝１の外部には、第１坩堝１の外周を囲むようにヒータ等の加熱装置が備えられている。加熱装置の中心は第１坩堝１や回転装置の中心軸と同心軸とされている。このように配置された加熱装置のパワーを制御することにより、第１坩堝１内の温度が適宜調整される。例えば、ＳｉＣ単結晶５を結晶成長させる際には、この加熱装置のパワーを調節することによって種結晶であるＳｉＣ単結晶基板４の温度がＳｉＣ原料粉末３の温度よりも１００℃程度低温に保たれるようにできる。
【００１７】
さらに、図示しないが、第１坩堝１は、ドープ用の窒素などのドナー元素ガスやアルゴンガスやなどが導入できる真空容器の中に収容されている。この真空容器内において、第１坩堝１を加熱でき、高温となった黒鉛の隙間もしくは坩堝本体１ａと蓋材１ｂとの間の隙間から、第１坩堝１内にドナー元素ガスやアルゴンガスを導入できるようになっている。
【００１８】
一方、第２坩堝２は、第２坩堝２の底部に備えられたアクセプター元素含有材料（例えばＡｌ4Ｃ3）７を加熱処理によって昇華させ、連結パイプ６を通じてアクセプター元素含有ガスを第１坩堝１側に供給する。
【００１９】
この第２坩堝２は、上面が開口している有底円筒状の坩堝本体２ａと、坩堝本体２ａの開口部を塞ぐ円盤状の蓋材２ｂとを備えて構成されており、第１坩堝１と同様真空容器内に配置されている。坩堝本体２ａの側壁には連結パイプ６が接続されており、この連結パイプ６を通じて第１坩堝１と連結されている。なお、ここでは連結パイプ６を第２坩堝２における坩堝本体２ａの側壁に接続したが、蓋材２ｂなどの他の部位に連結させるようにしても良い。
【００２０】
また、図示しないが、第２坩堝２の外部には、第２坩堝２の外周を囲むようにヒータ等の加熱装置が備えられている。加熱装置の中心は第２坩堝２の中心軸と同心軸とされている。このように配置された加熱装置のパワーを制御することにより、第２坩堝２内の温度が適宜調整される。
【００２１】
以上のようにして、本実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置が構成されている。続いて、このように構成されたＳｉＣ単結晶製造装置を用いたＳｉＣ単結晶５の製造方法について説明する。
【００２２】
まず、坩堝本体１ａ内にＳｉＣ原料粉末３を配置したのち、台座１ｃにＳｉＣ単結晶基板４を貼り付けた蓋材１ｂを坩堝本体１ａに設置し、これを真空容器内に設置する。また、坩堝本体２ａ内にアクセプター元素含有材料７を配置したのち、蓋材２ｂにて蓋締めする。続いて、真空容器に備えられた図示しない排気機構を用いてガス排出を行うことで、第１、第２坩堝１、２内を含めた真空容器内を減圧状態にする。そして、加熱装置にて第１、第２坩堝１、２を加熱することで第１、第２坩堝１、２内を所定温度にする。例えば、第１、第２坩堝１、２を約１〜１００Ｔｏｒｒ（１．３×１０2〜１．３×１０4Ｐａ）の雰囲気圧で２０００〜２４００℃に加熱し、第２坩堝２を１５００〜２０００℃に加熱した。そして、真空容器内にドナー元素ガスやアルゴンガスを導入することで第１坩堝１内にこれらが供給されるようにしつつ、昇華再結晶法によりＳｉＣ原料粉末３の昇華ガスに含まれるＳｉＣ原料をＳｉＣ単結晶基板４上に堆積させる。これにより、ＳｉＣ単結晶５が成長し、ドナー元素となる窒素やアクセプター元素となるアルミニウムが同時にＳｉＣ単結晶５内にドーピングされる。このようにして、ＳｉＣ単結晶５を作製することができる。
【００２３】
このようにしてＳｉＣ単結晶５を作成したときの積層欠陥密度（ｃｍ-1）について実験により調べた。具体的には、ドナー元素として窒素、アクセプター元素としてアルミニウムを用いて、窒素ガスの導入量や第２坩堝２の加熱温度を調整すること等により、ＳｉＣ単結晶５内における窒素やアルミニウムの濃度を調整した。これにより、図２に示す結果が得られた。
【００２４】
実験では、成長条件を変えてＳｉＣ単結晶５を複数種類成長させ、ＳｉＣ単結晶５それぞれについて、ＳＩＭＳ解析によって窒素やアルミニウムの濃度を調べたり、ホール測定や渦電流式の測定装置によって比抵抗を調べたり、ＫＯＨエッチング後の観察やＸ線トポグラフィー観察により積層欠陥密度（ｃｍ-1）について調べた。図２では、そのうちの９タイプ（成長結晶Ｎｏ．１〜９）について示してある。なお、ホール測定は、例えば作成したＳｉＣ単結晶５を１ｃｍ□の正方形状に切り出し、四隅のうちの２つの対角に電圧を掛けると共に電界を印加し、他の２つの対角においてホールの流れを測定して比抵抗を測定するものである。
【００２５】
この図に示されるように、ＳｉＣ単結晶５としてｎ型の４Ｈ−ＳｉＣを成長させることができた。また、９タイプのＳｉＣ単結晶５それぞれについて調べたところ、成長結晶Ｎｏ．７についてのみ比較的多数の積層欠陥が発生しており、それ以外の成長結晶Ｎｏ．１〜６、８、９については積層欠陥がほぼ発生していなかった。より詳しくは、成長結晶Ｎｏ．１〜６、８、９については、結晶欠陥が全くないか、存在していても積層欠陥密度が１０ｃｍ-1以下であった。そして、積層欠陥密度（ｃｍ-1）について確認したところ、窒素の濃度とアルミニウムの濃度との差が積層欠陥の発生に関わっていることが分かった。
【００２６】
具体的には、成長結晶Ｎｏ．７のＳｉＣ単結晶５は、窒素の濃度が１．２×１０21ｃｍ-3、アルミニウムの濃度が１．７×１０20ｃｍ-3となっており、窒素の濃度からアルミニウムの濃度を差し引いた値が１．０３×１０21ｃｍ-3になっている。この窒素の濃度からアルミニウムの濃度を差し引いた値が１×１０21ｃｍ-3以下であれば、積層欠陥がほぼ発生しないことが分かった。したがって、ＳｉＣ単結晶５における窒素の濃度からアルミニウムの濃度を差し引いた値が１×１０21ｃｍ-3以下となるようにすることで、ＳｉＣ単結晶５に積層欠陥がほぼ発生しないようにできると言える。
【００２７】
なお、図２に示した実験結果では、いずれの場合にも比抵抗が１．０〜１１．２ｍΩｃｍと比較的低く、さらに窒素の濃度を７．７×１０20ｃｍ-3より多くした成長結晶Ｎｏ．５〜９においては、比抵抗が１．０〜２．５となり、デバイスの特性上要求される比抵抗としても低抵抗を実現できていた。これらの場合の窒素の濃度からアルミニウムの濃度を差し引いた値は６．０×１０20ｃｍ-3以上となっていた。このため、積層欠陥に加えて比抵抗を考慮すると、窒素の濃度からアルミニウムの濃度を差し引いた値が６．０×１０20ｃｍ-3以上、かつ、１×１０21ｃｍ-3以下となるようにするのが好ましいと言える。
【００２８】
以上説明したように、昇華再結晶法によってＳｉＣ単結晶５を成長させる際に、窒素に加えてアルミニウムを同時にドープし、かつ、窒素の濃度からアルミニウムの濃度を差し引いた値が１×１０21ｃｍ-3以下となるようにする。これにより、積層欠陥がほぼ発生しないＳｉＣ単結晶５とすることが可能となる。
【００２９】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００３０】
例えば、上記実施形態では、ドナー元素として窒素、アクセプター元素としてアルミニウムを適用する場合について説明した。しかしながら、これらは単なる一例を示したに過ぎない。例えば、ドナー元素としては、他のV族元素、例えばリンやヒ素などを用いることができる。また、アクセプター元素としては、他のIII族元素、例えばホウ素やガリウムなどを用いることができる。そして、このように、ドナー元素やアクセプター元素を変更する場合にも、ドナー元素の濃度からアクセプター元素の濃度を差し引いた値が１×１０21ｃｍ-3以下とされるようにすることで、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１    第１坩堝
１ａ  坩堝本体
１ｂ  蓋材
１ｃ  台座
２    第２坩堝
２ａ  坩堝本体
２ｂ  蓋材
３    ＳｉＣ原料粉末
４    ＳｉＣ単結晶基板
５    ＳｉＣ単結晶
６    連結パイプ
【図１】
2015030640.tif 000003
【図２】
2015030640.tif 000004