(57)【要約】      （修正有）【課題】窒化アルミニウム単結晶上に、様々な組成の機能層を結晶性よく形成する方法を提供する。【解決手段】種結晶１０上に、Ｓｉ及びＣを固溶させることにより、ａ軸の格子定数が３．０９３５Å以上３．１１１０Å以下の範囲内にある窒化アルミニウム単結晶を成長させる。また、Ｃ及びＯを固溶させる場合は、ａ軸の格子定数が３．１１１５Å以上３．１４１０Å以下の範囲内とする。さらに、少なくともＳｉ，Ｃ，及びＯを固溶させる場合は、ａ軸の格子定数が３．０９４０Å以上３．１４００Å以下の範囲内とする。これにより、形成する機能層の格子定数に合わせて窒化アルミニウム単結晶の格子定数を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ及びＣが固溶し、ａ軸の格子定数が３．０９３５［Å］以上３．１１１０［Å］以下の範囲内にあることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶。
【請求項２】
Ｃ及びＯが固溶し、ａ軸の格子定数が３．１１１５［Å］以上３．１４１０［Å］以下の範囲内にあることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶。
【請求項３】
少なくともＳｉ，Ｃ，及びＯが固溶し、ａ軸の格子定数が３．０９４０［Å］以上３．１４００［Å］以下の範囲内にあることを特徴とする窒化アルミニウム単結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に利用して好適な窒化アルミニウム単結晶に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、発光素子用の窒化アルミニウム単結晶（ＡｌＮ）基板上には発光層として窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層が形成される（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１５２２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＡｌＮの格子定数（３．１１１４Å）はＡｌＧａＮの格子定数（Ａｌ／Ｇａ＝１の場合、３．１５０Å）よりも小さいことから、ＡｌＮ基板上にＡｌＧａＮ層を形成した場合、ＡｌＧａＮ層内に引張応力が残留することによって、ＡｌＧａＮ層に亀裂が生じる等、結晶性が良好な発光層を形成することができなかった。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、様々な組成の機能層を結晶性よく形成可能な窒化アルミニウム単結晶を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る窒化アルミニウム単結晶は、Ｓｉ及びＣが固溶し、ａ軸の格子定数が３．０９３５［Å］以上３．１１１０［Å］以下の範囲内にあることを特徴とする。
【０００６】
また本発明の第２の態様に係る窒化アルミニウム単結晶は、Ｃ及びＯが固溶し、ａ軸の格子定数が３．１１１５［Å］以上３．１４１０［Å］以下の範囲内にあることを特徴とする。
【０００７】
また本発明の第３の態様に係る窒化アルミニウ単結晶は、少なくともＳｉ，Ｃ，及びＯが固溶し、ａ軸の格子定数が３．０９４０［Å］以上３．１４００［Å］以下の範囲内にあることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る窒化アルミニウム単結晶によれば、格子定数を所定範囲内において制御することができるので、形成する機能層の格子定数に合わせて窒化アルミニウム単結晶の格子定数を制御することにより、様々な組成の機能層を結晶性よく形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態となる単結晶製造装置１は、図１に示すように、炉２と、炉２内部に窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを供給するガス供給口３と、炉２内部のガスを排出するガス排出口４と、炉２内の載置台５上に載置された開口部を有する本体部６と、本体部６の内部に収容された容器７と、容器７内部に収容された原料８と、本体部６の開口部を塞ぐ蓋体部９と、蓋体部９の裏面に設けられ、種結晶１０を保持する保持部１１と、炉２内部を加熱するヒーター１２とを備える。
【００１０】
この単結晶製造装置１において、種結晶１０は、長さ方向がｃ軸配向した棒状の窒化アルミニウム単結晶からなり、その断面形状は六角形となっており、原料８が結晶成長する側部には６つの面が露出している（図２参照）。また、側部の露出面（図３に示すＡ平面）は｛０００１｝面に対し９０°の傾きを有する。そしてこのような構成を有する単結晶製造装置１においては、ヒーター１２によって炉２内の温度を昇温させることにより原料８からガスを発生させ、さらに生成したガスと雰囲気中の窒素との反応により、種結晶１０の露出面に窒化アルミニウム単結晶を結晶成長させる。また、本願発明の発明者らは、炉２内の雰囲気中のＣＯ濃度及び原料８中のＳｉ及びＣの濃度を調整することにより、成長させる窒化アルミニウム単結晶中に含まれるＳｉ，Ｃ，及びＯの濃度を調整できることを知見した。
【００１１】
なおこの際、窒化アルミニウムのｃ軸方向の成長速度に対するａ軸方向の成長速度の比が１以上となる製造条件下で窒化アルミニウムを結晶成長させる、又は、窒化アルミニウムのａ軸方向の成長速度が１００μｍ以上２０００μｍ以下となる製造条件下で窒化アルミニウム単結晶を結晶成長させることにより、生産性に優れ、且つ、結晶性がより優れた窒化アルミニウム単結晶を製造できることを本願発明の発明者らは知見した。
【００１２】
また、上述の通り、原料８が結晶成長する種結晶１０の側部には｛０００１｝面に対し９０°の傾きを有する６つの面が露出しているので、露出面の２面以上、好ましくは露出面の６面に窒化アルミニウム単結晶を同時に結晶成長させることてもよい。このような製造方法によれば、窒化アルミニウム単結晶の結晶成長速度を大幅に速くすることができる。
【実施例】
【００１３】
以下、上記単結晶製造装置１を用いて製造した窒化アルミニウム単結晶及び窒化アルミニウム単結晶上に形成した膜の実施例について説明する。
【００１４】
〔実施例１〕
実施例１では、始めに、Ｃ及Ｏの含有量がそれぞれ０．１８［ｗｔ％］及び０．２１［ｗｔ％］になるようにＣ及びＯを固溶させながら、露出面が｛０００１｝面に対し９０°の傾きを有する種結晶１０に実施例１の窒化アルミニウム単結晶を結晶成長させた。実施例１の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１１２６［Å］であった。次に、実施例１の窒化アルミニウム単結晶の（０００１）面上にＡｌＮ膜をＭＯＣＶＤ法により成長させた。ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は５４［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００１５】
〔実施例２〕
実施例２では、Ｃ及びＯの含有量がそれぞれ０．３７［ｗｔ％］及び０．３８［ｗｔ％］になるようにＣ及びＯを固溶させた以外は実施例１と同じ処理を行うことにより実施例２の窒化アルミニウム単結晶を得た。実施例２の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１１２４［Å］であった。また、ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は５０［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００１６】
〔実施例３〕
実施例３では、Ｃ及びＯの含有量がそれぞれ０．７７［ｗｔ％］及び０．８２［ｗｔ％］になるようにＣ及びＯを固溶させた以外は実施例１と同じ処理を行うことにより実施例３の窒化アルミニウム単結晶を得た。実施例３の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１１３９［Å］であった。また、ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は８０［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００１７】
〔実施例４〕
実施例４では、Ｃ及びＯの含有量がそれぞれ２．６６［ｗｔ％］及び３．５５［ｗｔ％］になるようにＣ及びＯを固溶させた以外は実施例１と同じ処理を行うことにより実施例４の窒化アルミニウム単結晶を得た。実施例４の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１１７３［Å］であった。また、ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は１３１［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００１８】
〔実施例５〕
実施例５では、実施例４の窒化アルミニウム単結晶表面上にＡｌＧａＮ（Ａｌ：Ｇａ＝９：１）膜を成長させた。ＡｌＧａＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は６８［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００１９】
〔実施例６〕
実施例６では、実施例４の窒化アルミニウム単結晶表面上にＡｌＧａＮ（Ａｌ：Ｇａ＝８：２）膜を成長させた。ＡｌＧａＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は１５７［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００２０】
〔実施例７〕
実施例７では、始めに、Ｃ及びＯの含有量がそれぞれ４．８８［ｗｔ％］及び６．５１［ｗｔ％］になるようにＣ及びＯを固溶させながら、露出面が｛０００１｝面に対し９０°の傾きを有する種結晶１０に実施例７の窒化アルミニウム単結晶を結晶成長させた。実施例７の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１２３１［Å］であった。次に、実施例７の窒化アルミニウム単結晶の（０００１）面上にＡｌＧａＮ（Ａｌ：Ｇａ＝８：２）膜をＭＯＣＶＤ法により成長させた。ＡｌＧａＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は１２１［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００２１】
〔実施例８〕
実施例８では、実施例７の窒化アルミニウム単結晶表面上にＡｌＧａＮ（Ａｌ：Ｇａ＝７：３）膜を成長させた。ＡｌＧａＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は１８５［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００２２】
〔実施例９〕
実施例９では、始めに、Ｃ及びＯの含有量がそれぞれ０．０９［ｗｔ％］及び０．１２［ｗｔ％］になるようにＣ及びＯを固溶させながら、露出面が｛０００１｝面に対し９０°の傾きを有する種結晶１０に実施例９の窒化アルミニウム単結晶を結晶成長させた。実施例９の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１１１５［Å］であった。次に、実施例９の窒化アルミニウム単結晶の（０００１）面上にＡｌＮ膜をＭＯＣＶＤ法により成長させた。ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は４１［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００２３】
〔実施例１０〕
実施例１０では、始めに、Ｃ及びＯの含有量がそれぞれ１１．０２［ｗｔ％］及び１４．６８［ｗｔ％］になるようにＣ及びＯを固溶させながら、露出面が｛０００１｝面に対し９０°の傾きを有する種結晶１０に実施例１０の窒化アルミニウム単結晶を結晶成長させた。実施例１０の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１４０７［Å］であった。次に、実施例１０の窒化アルミニウム単結晶の（０００１）面上にＡｌＧａＮ（Ａｌ：Ｇａ＝６：４）膜をＭＯＣＶＤ法により成長させた。ＡｌＧａＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は６０［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００２４】
〔実施例１１〕
実施例１１では、始めに、Ｃ及びＳｉの含有量がそれぞれ０．４４［ｗｔ％］及び１．０４［ｗｔ％］になるようにＣ及びＳｉを固溶させながら、露出面が｛０００１｝面に対し９０°の傾きを有する種結晶１０に実施例１１の窒化アルミニウム単結晶を結晶成長させた。実施例１１の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１１１０［Å］であった。次に、実施例１１の窒化アルミニウム単結晶の（０００１）面上にＡｌＮ膜をＭＯＣＶＤ法により成長させた。ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は４５［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００２５】
〔実施例１２〕
実施例１２では、始めに、Ｃ及びＳｉの含有量がそれぞれ１７．９１［ｗｔ％］及び４１．８７［ｗｔ％］になるようにＣ及びＳｉを固溶させながら、露出面が｛０００１｝面に対し９０°の傾きを有する種結晶１０に実施例１２の窒化アルミニウム単結晶を結晶成長させた。実施例１２の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．０９３７［Å］であった。次に、実施例１２の窒化アルミニウム単結晶の（０００１）面上にＡｌＮ膜をＭＯＣＶＤ法により成長させた。ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は３８３［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００２６】
〔実施例１３〕
実施例１３では、始めに、Ｃ，Ｏ，及びＳｉの含有量がそれぞれ１．５２［ｗｔ％］，０．７７［ｗｔ％］，及び２．２２［ｗｔ％］になるようにＣ，Ｏ，及びＳｉを固溶させながら、露出面が｛０００１｝面に対し９０°の傾きを有する種結晶１０に実施例１３の窒化アルミニウム単結晶を結晶成長させた。実施例１３の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１１１４［Å］であった。次に、実施例１３の窒化アルミニウム単結晶の表面上にＡｌＮ膜を成長させた。ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は４２［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００２７】
〔実施例１４〕
実施例１４では、Ｃ，Ｏ，及びＳｉの含有量がそれぞれ１．７３［ｗｔ％］，０．７７［ｗｔ％］，及び２．６９［ｗｔ％］になるようにＣ，Ｏ，及びＳｉを固溶させた以外は実施例１３と同じ処理を行うことにより実施例１４の窒化アルミニウム単結晶を得た。実施例１４の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１１１２［Å］であった。また、ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は４８［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００２８】
〔実施例１５〕
実施例１５では、Ｃ，Ｏ，及びＳｉの含有量がそれぞれ１７．８６［ｗｔ％］，０．１０［ｗｔ％］，及び４１．６０［ｗｔ％］になるようにＣ，Ｏ，及びＳｉを固溶させた以外は実施例１３と同じ処理を行うことにより実施例１５の窒化アルミニウム単結晶を得た。実施例１５の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．０９４０［Å］であった。また、ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は３７７［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００２９】
〔実施例１６〕
実施例１６では、始めに、Ｃ，Ｏ，及びＳｉの含有量がそれぞれ１１．１１［ｗｔ％］，１４．５０［ｗｔ％］，及び０．５２［ｗｔ％］になるようにＳｉ，Ｃ，及びＯを固溶させながら、露出面が｛０００１｝面に対し９０°の傾きを有する種結晶１０に実施例１６の窒化アルミニウム単結晶を結晶成長させた。実施例１６の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１３９７［Å］であった。次に、実施例１６の窒化アルミニウム単結晶の（０００１）面上にＡｌＧａＮ（Ａｌ：Ｇａ＝７：３）膜をＭＯＣＶＤ法により成長させた。ＡｌＧａＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は１２７［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００３０】
〔実施例１７〕
実施例１７では、Ｃ，Ｏ，及びＳｉの含有量がそれぞれ１３．６５［ｗｔ％］，９．０９［ｗｔ％］，及び１５．９５［ｗｔ％］になるようにＣ，Ｏ，及びＳｉを固溶させた以外は実施例１３と同じ処理を行うことにより実施例１７の窒化アルミニウム単結晶を得た。実施例１７の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１１７２［Å］であった。また、ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は１４３［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００３１】
〔実施例１８〕
実施例１８では、Ｃ，Ｏ，及びＳｉの含有量がそれぞれ０．３５［ｗｔ％］，０．１８［ｗｔ％］，及び０．５２［ｗｔ％］になるようにＣ，Ｏ，及びＳｉを固溶させた以外は実施例１３と同じ処理を行うことにより実施例１８の窒化アルミニウム単結晶を得た。実施例１８の窒化アルミニウム単結晶のａ軸長を測定した所、ａ軸長は３．１１１４［Å］であった。また、ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は３２［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００３２】
〔比較例１〕
比較例１では、ａ軸長が３．０７６４［Å］であるＳｉＣ基板表面上にＡｌＮ膜を成長させた。ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は８５１［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【００３３】
〔比較例２〕
比較例２では、ａ軸長が３．１８９２［Å］であるＧａＮ基板表面上にＡｌＮ膜を成長させた。ＡｌＮ膜のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定した所、半値幅は１５６１［arcsec］であった。この結果を以下の表１に示す。
【表１】
2008056553.tif 000003
【００３４】
〔評価〕
表１に示す半値幅の比較から明らかなように、実施例１〜１８の窒化アルミニウム単結晶上に成長した膜の結晶性は比較例１，２の基板上に成長した膜の結晶性と比較して良い。このことから、実施例１〜１８の窒化アルミニウム単結晶によれば、様々な組成の機能層を結晶性よく形成することができることが知見される。
【００３５】
また一般に、窒化アルミニウム単結晶には、製造の際、原料中の不純物や雰囲気中からＯやＣが混入しやすい。また種結晶や炉材から窒化アルミニウム単結晶にＳｉやＣが混入することもある。そして窒化アルミニウム単結晶にＣ，Ｏ，及びＳｉが固溶した場合には、格子定数が変化することによって窒化アルミニウム単結晶が窒化アルミニウム膜の成膜用の基板として適さなくなることがある。Ｃ，Ｏ，及びＳｉの全てについて窒化アルミニウム単結晶内に混入する量を低減することは技術的に非常に困難である。
【００３６】
これに対して実施例１３〜１８の窒化アルミニウム単結晶によれば、Ｃ，Ｏ，及びＳｉを加えることにより窒化アルミニウム単結晶の格子定数を幅広く制御できることが知見された。これによれば、ＣとＯが混入しやすい製造条件ではＳｉとＣを意図的に固溶させ、逆にＳｉとＣが混入しやすい製造条件ではＯとＣを意図的に固溶させることにより、目的とする格子定数を有する窒化アルミニウム単結晶を製造することができる。
【００３７】
例えば、Ｃ及びＯをそれぞれ０．０４［ｗｔ％］及び０．０６［ｗｔ％］含む場合には、Ｓｉ及びＣをそれぞれ１．０３［ｗｔ％］及び０．４４［ｗｔ％］含むように制御することにより、純粋な窒化アルミニウム単結晶と同程度の格子定数（３．１１１１［Å］）に制御できることが知見された。また逆にＳｉ及びＣをそれぞれ０．４１［ｗｔ％］及び０．１８［ｗｔ％］含む場合には、Ｃ及びＯをそれぞれ０．３５［ｗｔ％］及び０．２６［ｗｔ％］含むように制御することにより、純粋な窒化アルミニウム単結晶と同程度の格子定数（３．１１１６［Å］）に制御できることが知見された。
【００３８】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態となる単結晶製装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態となる種結晶の先端部の形状を示す光学顕微鏡写真図である。
【図３】窒化アルミニウム結晶の面方位を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：単結晶製造装置
２：炉
３：ガス供給口
４：ガス排出口
５：載置台
６：本体部
７：容器
８：原料
９：蓋体部
１０：種結晶
１１：保持部
１２：ヒーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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