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技術 窒化アルミニウム製造方法

出願人 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明者 寒川義裕
出願日 2011年1月28日 (9年9ヶ月経過) 出願番号 2011-017216
公開日 2012年8月23日 (8年3ヶ月経過) 公開番号 2012-158479
状態 特許登録済
技術分野 結晶、結晶のための後処理
主要キーワード 水平中心位置 高温管 指示流量 モリブデン坩堝 フロート式流量計 タイライン 常用温度 臨界核
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

液相成長により、単結晶窒化アルミニウム材料を製造することのできる技術を提供する。

解決手段

窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、種結晶の存在下に、窒化アルミニウム粉末を、窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物とともに、常圧不活性ガス雰囲気下に加熱する工程を含む窒化アルミニウムの単結晶を製造する方法であって、前記加熱工程において、前記窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物の組成が(液体+Li3AlN2)相内にあり、且つ、前記窒化アルミニウム粉末に前記窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物を合わせた全組成が(液体+窒化アルミニウム+Li3AlN2)相内にあるような温度に加熱する。

概要

背景

近年,窒化物半導体発光層とする深紫外領域のLED開発が注目されており、殺菌・医療・高密度光記録固体照明などの分野への応用が期待されている。

窒化物半導体を発光層とするデバイスの作製は様々な方法で試みられている。これらの材料の中でも特に窒化アルミニウム(AlN)は、高い耐圧特性および優れた電子特性を備え、深紫外領域まで透明な光学特性および高い熱伝導特性を持つことから、有望視されている材料である。

当該材料は窒化物半導体と同種材料基板であり熱伝導率が高いことから、オンチップ光配線用基板をはじめとする窒化アルミニウム自立基板ヒートポンプ等のその他の用途への応用が期待されている。このような用途を実現するために、特に単結晶の窒化アルミニウム(AlN)材料が必要とされるが、デバイスの実用化に要求される品質窒化アルミニウム単結晶の製造は非常に困難であることから、高品質な窒化アルミニウム単結晶の製造技術の確立が強く望まれている。

窒化アルミニウムの結晶成長法には、気相成長法および液相成長法がある。液相成長法は、気相成長法よりも低過飽和条件下で成長させるため、高純度な結晶が得られやすいという利点がある。

従来の液相成長法を用いた窒化アルミニウム材料の製造方法に関しては、窒素元素を含む非酸化性雰囲気中において、一種以上の遷移金属元素を総量で1〜50原子%の範囲内で含むアルミニウム合金溶融させて所定時間維持することによって、アルミニウムの窒化を促進させて窒化アルミニウムを製造する方法がある(例えば、特許文献1参照)。また、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物結晶成長させるIII族窒化物の結晶製造方法がある(例えば、特許文献2参照)。

概要

液相成長により、単結晶の窒化アルミニウム材料を製造することのできる技術を提供する。窒化アルミニウム単結晶の製造方法は、種結晶の存在下に、窒化アルミニウム粉末を、窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物とともに、常圧不活性ガス雰囲気下に加熱する工程を含む窒化アルミニウムの単結晶を製造する方法であって、前記加熱工程において、前記窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物の組成が(液体+Li3AlN2)相内にあり、且つ、前記窒化アルミニウム粉末に前記窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物を合わせた全組成が(液体+窒化アルミニウム+Li3AlN2)相内にあるような温度に加熱する。

目的

本発明の目的は、上記課題を解決するために、液相成長により、単結晶の窒化アルミニウム材料を製造することのできる技術を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

種結晶の存在下に、窒化アルミニウム粉末を、窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物とともに、常圧不活性ガス雰囲気下に加熱する工程を含む窒化アルミニウムの単結晶を製造する方法であって、前記加熱工程において、前記窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物の組成が(液体+Li3AlN2)相内にあり、且つ、前記窒化アルミニウム粉末に前記窒化リチウムとアルミニウムの混合物を合わせた全組成が(液体+窒化アルミニウム+Li3AlN2)相内にあるような温度に加熱することを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造方法。

請求項2

下から順に、種結晶、窒化リチウムとアルミニウムの混合物、窒化アルミニウム粉末を積層して前記加熱工程を行う請求項1に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法。

請求項3

不活性ガスが、窒素ガスである請求項1または請求項2に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法。

請求項4

前記種結晶に窒化アルミニウム種結晶を用いる請求項1〜請求項3のいずれかに記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法。

請求項5

前記加熱する温度が900℃〜1100℃である請求項1〜請求項4のいずれかに記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法。

請求項6

前記加熱する温度が1050℃であり、アルミニウムを含有せず、窒化アルミニウム粉末に窒化リチウムを合わせた全組成のモル組成比(窒化リチウム/窒化アルミニウム)が2/3である請求項5に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法。

請求項7

前記加熱する温度が1050℃であり、前記窒化リチウムとアルミニウムの混合物のモル組成比が3/1(窒化リチウム/アルミニウム)であり、前記窒化アルミニウム粉末に前記窒化リチウムとアルミニウムの混合物を合わせたモル組成比(リチウム/アルミニウム/窒素)が51/19/30である請求項5に記載の窒化アルミニウム単結晶の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、電気電子材料の分野に属し、特に、単結晶窒化アルミニウムを製造できる新規な技術に関する。

背景技術

0002

近年,窒化物半導体発光層とする深紫外領域のLED開発が注目されており、殺菌・医療・高密度光記録固体照明などの分野への応用が期待されている。

0003

窒化物半導体を発光層とするデバイスの作製は様々な方法で試みられている。これらの材料の中でも特に窒化アルミニウム(AlN)は、高い耐圧特性および優れた電子特性を備え、深紫外領域まで透明な光学特性および高い熱伝導特性を持つことから、有望視されている材料である。

0004

当該材料は窒化物半導体と同種材料基板であり熱伝導率が高いことから、オンチップ光配線用基板をはじめとする窒化アルミニウム自立基板ヒートポンプ等のその他の用途への応用が期待されている。このような用途を実現するために、特に単結晶の窒化アルミニウム(AlN)材料が必要とされるが、デバイスの実用化に要求される品質窒化アルミニウム単結晶の製造は非常に困難であることから、高品質な窒化アルミニウム単結晶の製造技術の確立が強く望まれている。

0005

窒化アルミニウムの結晶成長法には、気相成長法および液相成長法がある。液相成長法は、気相成長法よりも低過飽和条件下で成長させるため、高純度な結晶が得られやすいという利点がある。

0006

従来の液相成長法を用いた窒化アルミニウム材料の製造方法に関しては、窒素元素を含む非酸化性雰囲気中において、一種以上の遷移金属元素を総量で1〜50原子%の範囲内で含むアルミニウム合金溶融させて所定時間維持することによって、アルミニウムの窒化を促進させて窒化アルミニウムを製造する方法がある(例えば、特許文献1参照)。また、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物結晶成長させるIII族窒化物の結晶製造方法がある(例えば、特許文献2参照)。

先行技術

0007

特開2003−119099号公報
特開2005−219961号公報

発明が解決しようとする課題

0008

従来の液相成長法を用いた窒化アルミニウム材料の製造方法は、窒素ガス窒素原料とすることから、結晶成長中の窒素原料ガス分圧の高精度な制御が必要であるとともに、1400度以上という高温まで加熱する必要があり、製造コストが高く、純度やサイズ等の要求される結晶品質に至っていないという課題を有していた。さらに、液相成長では一般的に結晶の成長速度が遅いことから、結晶サイズが小さく、実用化できる品質には至っていないという課題がある。

0009

本発明の目的は、上記課題を解決するために、液相成長により、単結晶の窒化アルミニウム材料を製造することのできる技術を提供することにある。

課題を解決するための手段

0010

本発明者は、従来のようにガス相窒素源を用いずに、固相の窒素源(粉末材料)を用いて窒化アルミニウムを製造するに際して、関与する化合物および元素相平衡状態図(相図)に基づいて組成加熱温度を定めることにより、窒化アルミニウムの単結晶が得られることを見出した。

0011

かくして、本発明では、種結晶の存在下に、窒化アルミニウム粉末を、窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物とともに、常圧不活性ガス雰囲気下に加熱する工程を含む窒化アルミニウムの単結晶を製造する方法であって、前記加熱工程において、前記窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物の組成が(液体+Li3AlN2)相内にあり、且つ、前記窒化アルミニウム粉末に前記窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物を合わせた全組成が(液体+窒化アルミニウム+Li3AlN2)相内にあるような温度(加熱温度)に加熱することを特徴とする窒化アルミニウム単結晶の製造方法が提供される。

0012

粉末材料を原料に用いることから、従来のようにガス相の窒素源を原料とする場合と比べて、結晶成長中の窒素ガスの高精度な制御が不要となる。また、1000度近傍という従来に無い低温で常圧下に結晶成長が可能となるとともに、結晶の成長速度を高めることができる。

0013

本発明に従えば、不活性ガスが、窒素ガスである窒化アルミニウム単結晶の製造方法も提供される。

0014

本発明に従えば、下から順に、種結晶、窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物、窒化アルミニウム粉末を積層して前記加熱工程を行う窒化アルミニウム単結晶の製造方法も提供される。

0015

本発明に従えば、前記種結晶に窒化アルミニウム種結晶を用いる窒化アルミニウム製造方法も提供される。

0016

種結晶の周囲に窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物が積層され、この上から窒化アルミニウム粉末が連続的に供給されることで、加熱によって液化した粉末状の窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物が、原料の窒化アルミニウム粉末を分解して溶かす(触媒、且つ溶媒性質)とともに、種結晶上で窒化アルミニウムを結晶成長させることとなる。このように、窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物が、原料の窒化アルミニウム粉末に対して触媒-溶媒として作用することにより、窒化アルミニウムの単結晶が種結晶上で成長しやすくなることとなり、安定的に単結晶の窒化アルミニウムを製造することができる。

0017

本発明により得られる窒化アルミニウム材料は、電気電子材料である自立基板[例えば、深紫外LED用基板HEMT(高周波電子デバイス)等]や、その高い熱伝導率および電気絶縁性を活かしたヒートシンク等の広汎な用途を有する。

図面の簡単な説明

0018

本発明に係る窒化アルミニウムの製造に用いられる状態図を例示する。
本発明に係る窒化アルミニウムの製造に用いられるLi-Al-N系三元状態図を例示する。
本発明に係る窒化アルミニウム製造方法の装置構成図を示す。
本発明に係る窒化アルミニウム製造方法のフローチャートを示す。
AlN種結晶上で成長させた本発明に係る窒化アルミニウムのTEM明視野像を示す。
AlN種結晶上で成長させた本発明に係る窒化アルミニウムの制限視野回折像を示す。
AlN種結晶上で成長させた本発明に係る窒化アルミニウムのSEM像を示す。

実施例

0019

本発明の窒化アルミニウム単結晶は、種結晶の存在下に、原料となる窒化アルミニウム(AlN)粉末を、触媒−溶媒となる窒化リチウム(Li3N)(粉末)または窒化リチウム(Li3N)(粉末)とアルミニウム(Al)(粉末)の混合物とともに、常圧不活性ガス雰囲気下に加熱する工程を含む窒化アルミニウムの単結晶を製造する方法であって、前記加熱工程において、前記窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物の組成が、Li-Al-N系三元状態図またはLi3N-AlN系(相平衡)状態図において(液体+Li3AlN2)相内にあり、且つ、前記窒化アルミニウム粉末に前記窒化リチウムまたは窒化リチウムとアルミニウムの混合物を合わせた全組成が、Li-Al-N系三元状態図またはLi3N-AlN系(相平衡)状態図において(液体+AlN+Li3AlN2)相内にあるような温度に加熱することにより製造される。該製造方法により得られる窒化アルミニウム材料は、TEMによる観察で確認することができる(後述の実施例参照)。

0020

不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス、窒素ガス等を使用することができるが、特にリチウム(Li)の蒸発を抑制できるという理由から、窒素ガスを使用することが好ましい。なお、窒素ガスを使用する場合であっても、当該窒素ガスは、窒化アルミニウム単結晶の主要な窒素源とはならない。このことは、Li3N粉末とAlN粉末のみを原料とする場合もAlN単結晶が成長する事実で裏づけられている。

0021

本発明に従えば、例えば、図1(a)および(b)に例示する状態図を使用して窒化アルミニウムの単結晶を得るのに必要な組成や加熱温度などの生成条件を定める。図1(a)および(b)に例示する状態図は、本発明者が、鋭意研究の結果、新たに液相のLi3AlN2相に着目して見出したものである。本発明者は、結晶成長の温度および組成比率を変化させた実験を行い、その結果を、CALPHAD法(CALculation of PHAse Diagram:状態図解析手法)を用いて、熱力学の理論に基づき解析的に状態図を作成した。

0022

CALPHAD 法は、扱う系に含まれる各相の熱力学エネルギーを安定性指標として、どのような相が現れるかを判定する手法である。現在、単結晶のAlN結晶を生成させるための生成条件が試行錯誤で研究されているが、特に固相原料(粉末)を用いた生成条件は得られていない。本発明によれば、上記のような状態図を用いることによって、固相原料(粉末)を用いた生成条件を見出すことができる。

0023

図1(a)は、Li3N-AlN系(相平衡)状態図を示しており、例えば1050℃では、図1(b)において、AlN[(D)点]からLi3N[(E)点]を結んだ直線(タイライン)が含まれる。例えば、点(k)〜(m)は、温度1050℃における組成を示している。点(k)は、触媒−溶媒の混合組成を示し、点(m)はAlN粉末原料と触媒−溶媒を合わせた坩堝内混合物の全組成を示している。1050℃の高温に維持することで、触媒−溶媒の組成が点(k)から点(m)の直線方向に沿って点(l)(Al-Nの固溶限界)まで遷移する。

0024

図1(b)は、一例として、加熱温度を1050℃とした場合のLi-Al-N系三元状態図を示す。図中、白い領域が[液体(Liq.)+Li3AlN2]相の存在する領域(後述の点(A)を含む領域)であり、Li3NまたはLi3N+Al(触媒−溶媒)の混合物の組成が、この相にあるよう
にする。触媒−溶媒としてLi3Nのみを用いた場合は、触媒−溶媒の組成は、Li-Al-N系三元状態図のLi-N線上[図中の(E)点]にある。すなわち、[液体(Liq.)+Li3AlN2]相内とは、この(E)点も含まれる。また、図中、斜線の施された領域が[液体(Liq.)+AlN+Li3AlN2]相の存在する領域(後述の点(C)を含む領域)であり、AlN粉末にLi3NとAlの混合物を合わせた全組成が、この相内にあるようにする。すなわち、図1(b)中の点(A)は、触媒−溶媒の混合組成を示す(図の例ではモル組成比Li3N/Alが3/1)。点(C)はAlN粉末原料と触媒−溶媒を合わせた坩堝内混合物の全組成を示す(図の例ではモル組成比Li/Al/Nが51/19/30)。

0025

1050℃の高温に維持することで、AlN粉末が触媒−溶媒に溶け込み、触媒−溶媒の組成が点(A)から点(C)の直線方向に沿って点(B)(Li/Al/N=60/13/27)まで遷移する。ここで、点(B)はAl-Nの固溶限界に一致する。

0026

現時点では詳細なメカニズム解明されていないが、固溶したAl-Nが種結晶上に析出堆積)することで触媒−溶媒中のAl-Nが不飽和となり、引き続きAlN粉末の溶け込みが起こることで成長が進行すると推察される。

0027

このように、本発明に従う結晶成長法は、固相(原料)と液相(触媒−溶媒)の2相が共存する状態であるため、2相溶液成長法とも呼ぶことができる。本発明の2相溶液成長を進行させるためには、適当な容器に原料を入れて、下から順に種結晶、触媒−溶媒、原料を配して加熱を行うことが特に好ましい。触媒−溶媒としてLi3NまたはLi3NとAlの混合物を用い、原料としてAlN粉末を用いる。また、種結晶としては、例えば窒化アルミニウム単結晶を用いることができる。

0028

なお、上記の触媒−溶媒として用いられる窒化リチウム(Li3N)とアルミニウム(Al)の混合物においては、窒化アルミニウム単結晶の成長を促進させる観点から、できるだけアルミニウム(Al)の濃度が少ないほうが好ましい。この理由としては、アルミニウム(Al)の濃度が高い場合には、触媒−溶媒中に固溶出来る窒化アルミニウム粉末の総量がアルミニウム(Al)濃度の低い場合に比べて少なくなるため、成長する結晶のサイズが制限されると考えられるためである。

0029

このように、本発明の特に好ましい態様に従えば、触媒−溶媒としてアルミニウムが含まれていない場合においても、窒化アルミニウムの単結晶が生成される。

0030

図2には、1050℃以外のLi-Al-N系三元状態図を示している。この場合においても、上記の1050℃と同様に組成[点(A)および点(C)]を定めることができる。

0031

加熱温度は、図1(a)の斜線部に示される温度であり、一般に900〜1100℃とするのが好ましい。加熱処理に際して、当該加熱温度に保持する時間は、特に限定されるものではないが、一般に2〜4時間とするのが好ましい。

0032

本発明に従い窒化アルミニウム単結晶を生成させるための条件の好ましい例として、加熱温度が1050℃であり、アルミニウムを含有せず、窒化アルミニウム粉末に窒化リチウムを合わせた全組成のモル組成比(窒化リチウム/窒化アルミニウム)が2/3であることが挙げられる。

0033

また、別の好ましい例として、加熱温度が1050℃であり、窒化リチウムとアルミニウムの混合物のモル組成比が3/1(窒化リチウム/アルミニウム)であり、窒化アルミニウム粉末に窒化リチウムとアルミニウムの混合物を合わせたモル組成比(リチウム/アルミニウム/窒素)が51/19/30であることも挙げられるが、本発明はこれらに限
定されるものではない。

0034

本発明の特徴を更に具体的に示すため以下に実施例を記すが、本発明はこれらの実施例によって制限されるものではない。実施例で用いた機器および材料を以下に記載する。
(機器)
・卓上型高温管状炉(山田電機製、TSR-430)
モリブデン(Mo)坩堝(フルウ化学製)
透過型電子顕微鏡(tunneling electron microscope;TEM)(日立ハイテクノロジーズ社製、H-9000NAR)
制御盤(山田電機製、YKC-52)
フロート式流量計(KOFLOC製)
・SiCら管型発熱体シリコニット社製、Sp24)
(材料)
高純度窒素ガス(純度99.9999%)
・水
以下の実施例で使用した窒化リチウム、アルミニウムおよび窒化アルミニウムの諸物性は、以下の通りである。

0035

0036

以下の実施例で用いた原料の詳細は、以下の通りである。これらの原料の混合は、不活性ガスであるアルゴン雰囲気置換したグローブボックス内で行った。

0037

0038

(装置構成)
本発明の窒化アルミニウム材料の製造方法は、装置構成に関して、図3に示すように、窒素ガスの導入および排出を行うガス供給領域ガス排出領域と、原料が化学反応を起こして結晶が生成される成長領域と、当該成長に必要な熱エネルギーを供給し、温度を制御する加熱領域・温度制御領域とから構成される。ガス供給領域は、高純度窒素ガス(純度99.9999%)を貯蔵する窒素ガスタンク1と、流量を計測する質量流量計11と、安全弁12とを備える。成長領域は、窒化アルミニウム生成反応を行う反応管2と、反応管2の内部に戴置されたタングステン製の坩堝21とを備える。加熱領域は、炉3と、炉3の内部に戴置された熱源31と、R型熱電対である熱電対32とを備える。温度制御領域は、
熱電対32を介して熱源31の温度制御を行う制御盤4を備える。ガス排出領域は、反応管2から送られる流体を一旦タンク取込みバブリングすることによってガスを外部に排出するバブラー5を備える。以下、上記の各領域を詳述する。

0039

(ガス供給領域・ガス排出領域)
窒素ガスタンク1に貯蔵された高純度窒素ガスを雰囲気ガスとして使用し、反応管2内の気相を常圧(1気圧)で置換する。この高純度窒素ガスにより、空気中の酸素および湿気の炉内流入を防止することができる。流量は、質量流量計11としてのフロート式流量計(KOFLOC製)を用いて450ml/分とする。例えば、反応管2の内径が30mmの場合には、反応管2の入り口での流速は10.6mm/secとなる。また、反応管2の入り口直前に安全弁12を設けることにより、管内の圧力上昇を防止することができる。反応管2の下流はバブラー2に接続し、生成ガス清浄後、系外へ排ガスを排出する。

0040

(成長領域)
加熱領域の水平中心位置に坩堝21の中心部が一致するように設置し、当該設置された位置を保持する。坩堝21は、内径は20mm、高さ(内寸)20mm、厚さ1mmとする。反応管2には内径30mm、厚さ5mmのムライト管を用いる。ムライト管は、酸化アルミニウムおよび二酸化ケイ素から成り、リチウムによる侵食を防止することができる。

0041

(加熱領域・温度制御領域)
加熱は、炉5の内部に備えられた熱源51としてのSiCら管型発熱体(シリコニット社製、Sp24)により行う。常用温度は1400℃、最高温度は1500℃となるようにする。熱電対32により、反応管2の水平中心位置の外壁の温度を計測し、別途接続する制御盤7としての制御盤(山田電機製、YKC-52)により計測温度を表示する。また、この制御盤7を用いてPID方式により加熱制御を行う。

0042

上記構成に基づく本発明の窒化アルミニウム製造方法を図4(a)に従って説明する。図4(a)は、本発明の窒化アルミニウム製造方法のフローチャートである。

0043

まず、坩堝21内の底面に結晶を成長させる種結晶を設置する。該種結晶には、窒化アルミニウム結晶を使用することができる。次に、アルゴンガスで置換されたグローブボックス内で粉末状の窒化アルミニウム、粉末状の窒化リチウム、および粉末状のアルミニウムを量する。秤量した原料混合物を坩堝21内へ投入する(S1)。

0044

結晶成長を促す観点から、原料混合物は、図4(b)に示すように、種結晶21aの上部に窒化リチウム粉末100を堆積させ、該窒化リチウムの上部に窒化アルミニウム粉末101を堆積させるように坩堝21内へ投入することが好ましい。また、窒化リチウム粉末100にはアルミニウム粉末が混合されていてもよいが、結晶成長を促進させる観点から、アルミニウム粉末がLi3N/Alモル比3/1より少ないことが好ましい。

0045

また、例えば、坩堝の底面に窒化アルミニウムを堆積させ(いわゆるライナーとして)、該窒化アルミニウムの上部に種結晶を設置してもよい。該窒化アルミニウムを坩堝の底面に堆積させることにより、結晶成長に伴い不純物が窒化アルミニウムに付着することを抑えることができる。

0046

原料の入った坩堝21を反応管2の水平方向中心部まで搬入する。次に、反応管2内部の気相を高純度窒素ガスで置換する(S2)。このとき、二次圧力を0.01〜0.5MPa、好ましくは0.1MPa、流量計指示流量を50〜600ml/分に設定する。ここでは、バブラー2によりガスのリークが無いことも確認する。

0047

反応管2は、原料搬入時に空気と接触するため、200℃で2時間の焼きなまし、いわゆるアニール処理(Annealing)を行い、反応管2の内部および反応管2に吸収された水分を蒸発させる(サーマルクリーニング処理)(S3)。さらに、所定の昇温速度で、図1(a)に示す状態図の斜線領域内の(液体+Li3AlN2)相内まで昇温し、温度を一定時間(成長時間とも呼ぶ)保持した後、室温(20℃)まで降温する(S4)。

0048

この成長時間は、コストおよび不純物を混入させるリスクを抑える観点から、窒化アルミニウムの薄膜成長が十分に成長しきるまでの必要十分な時間であることが好ましい。すなわち、1時間以上かつ100時間以下であることが好ましく、より好ましくは2時間以上かつ4時間以下である。

0049

また、昇温速度としては、5℃/分〜10℃/分であることが好ましい。昇温速度がこれよりも速くなると急激な熱膨張により反応管が割れる虞があるためである。この場合、窒素ガスは室温に降温されるまで連続的に供給する。

0050

この後、坩堝21を取り出し、水に浸し超音波洗浄を施すことで、坩堝内の副生成物および残留リチウムを除去する。
以下の実施例では、上記手順に従い、粉末状の窒化アルミニウムを原料として窒化アルミニウム(AlN)の単結晶成長を行った。

0051

(実施例1)
図1(a)の状態図の斜線部に含まれる実験条件で窒化アルミニウムの生成を行った。すなわち、原料として窒化リチウム原料(窒化リチウム粉末と窒化アルミニウム粉末の混合物)をLi3N/Alモル比3/1で、窒化アルミニウム種結晶を底面に置いたモリブデン坩堝に入れた。さらに、該窒化リチウム粉末の上部に堆積させるように、粒子サイズ50nmの窒化アルミニウム粉末をモリブデン坩堝に入れた。坩堝に入れた原料の全組成比はLi/Al/Nモル比51/19/30とした。なお、窒化アルミニウム粉末の粒子サイズは、臨界核サイズ(触媒−溶媒中の窒化アルミニウム結晶核は臨界核サイズ以上となっている)より小さければ、上記の50nmに限定されることはなく、任意の粒子サイズのものを利用することができる。

0052

これらの原料を含んだモリブデン坩堝を、横型管状炉を用いて、1気圧下、窒素雰囲気中で200℃、30分のアニール処理(焼きなまし)を行った。その後、5℃/分で温度1050℃まで昇温し、4時間保持した後、室温まで冷却した。この間、窒素流量を450ml/分で連続供給した。冷却後、得られたサンプルを回収し、水に浸し超音波洗浄を施すことで、坩堝内の副生成物および残留リチウムを除去した後、TEM観察を行った。

0053

得られた窒化アルミニウムのサンプルのTEM明視野像を図5(a)に、その拡大図を同図(b)に示す。同図(a)中の(ウ)で示すAlN種結晶上に(ア)および(イ)で示す2層の堆積膜が確認される。A、B、Cで示すそれぞれの堆積膜の代表箇所から得られた制限視野回折像を図6(a)に示す。制限視野回折像を解析したところ図6(b)に示すように指数付けを行うことができ、種結晶上に窒化アルミニウム単結晶が成長していることが確認された。ただし、膜(イ)は種結晶の結晶方位を引き継いで成長しているが、膜(ア)は[1100]方向を軸に数度回転していることがわかった。また、回転角は場所により異なっていた。すなわち、種結晶上にAlN単結晶(イ)が成長し、その後、多結晶(ア)が成長していることが示された。膜(イ)は1050℃、4時間のアニール中に成長し、膜(ア)はその後の降温過程で堆積したものと考えられる。
本実施形態において、窒化アルミニウムの単結晶は4時間で1μmであったことから、結晶の成長速度が1時間あたり0.25μmに達したことがわかった。このように、1050℃という従来に無い低温条件下で、十分な成長速度が得られたことがわかった。

0054

(実施例2)
さらに、上記実施例1と同様の手順に従い、触媒−溶媒としてアルミニウムを含まない場合について、全組成をLi3N/Al/AlN=2/0/3として、2時間、窒化アルミニウム(AlN)の単結晶成長を行った。得られた窒化アルミニウムのサンプルのSEM像を図7に示す。
なお、上記の各実施例では、加熱温度を1050℃としたが、この温度に限定されることはなく、図1(a)の斜線部の温度に含まれていればよい。

0055

1窒素ガスタンク
11質量流量計
12安全弁
2反応管
21坩堝
21a種結晶
3 炉
31熱源
32熱電対
4制御盤
5バブラー
100窒化アルミニウム粉末(AlN)
101窒化リチウム粉末(Li3N)およびアルミニウム(Al)粉末

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