JPH0840799A - Substrate for single crystal growth - Google Patents

Substrate for single crystal growth

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JPH0840799A
JPH0840799A JP17710494A JP17710494A JPH0840799A JP H0840799 A JPH0840799 A JP H0840799A JP 17710494 A JP17710494 A JP 17710494A JP 17710494 A JP17710494 A JP 17710494A JP H0840799 A JPH0840799 A JP H0840799A
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JP
Japan
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single crystal
aluminum nitride
substrate
film
main surface
Prior art date
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JP17710494A
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Japanese (ja)
Inventor
Mineo Isokami
峯男 磯上
Yoshikazu Takano
致和 鷹野
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 欠陥の極めて少ない良質な窒化アルミニウム
薄膜を合成し得る新規で優れた単結晶成長用基体を提供
すること。 【構成】 窒化アルミニウム単結晶を気相成長させる主
面が、立方晶系,三方晶系,又は六方晶系のいずれかの
結晶系に属する単結晶から成り、かつ該主面の格子面間
隔の整数倍をA、窒化アルミニウム単結晶の成長方向に
おける格子面間隔の整数倍をBとしたときに、|A−B
|/Aの値が0.08以下であることを特徴とする。
(57) [Abstract] [Purpose] To provide a new and excellent single crystal growth substrate capable of synthesizing a high-quality aluminum nitride thin film with extremely few defects. [Configuration] A main surface on which an aluminum nitride single crystal is vapor-grown is composed of a single crystal belonging to any one of a cubic system, a trigonal system and a hexagonal system, and a lattice plane spacing of the main surface is set. When the integral multiple is A and the integral multiple of the lattice spacing in the growth direction of the aluminum nitride single crystal is B, | AB
The feature is that the value of | / A is 0.08 or less.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波領域で使用
される表面弾性波フィルターや非線形光学効果を利用し
た光学デバイス等に応用される窒化アルミニウム単結晶
薄膜に好適な単結晶成長用基体に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single crystal growth substrate suitable for an aluminum nitride single crystal thin film applied to a surface acoustic wave filter used in a microwave region, an optical device utilizing a nonlinear optical effect, and the like. .

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化アルミニウム(AlN)の単結晶
は、電気絶縁性、熱伝導性、耐熱性、そして光透過性等
の諸物性に優れたIII-V 族化合物半導体である。このた
め、パッシベーション用やパッケージング用の電子材料
として応用されたり、優れた圧電性や非線形光学特性を
利用した圧電デバイスや光デバイス等の機能材料への応
用が期待されている。
2. Description of the Related Art A single crystal of aluminum nitride (AlN) is a III-V group compound semiconductor excellent in various physical properties such as electric insulation, thermal conductivity, heat resistance, and light transmission. Therefore, it is expected to be applied as an electronic material for passivation or packaging, or as a functional material such as a piezoelectric device or an optical device utilizing excellent piezoelectricity and nonlinear optical characteristics.

【0003】ところで、窒化アルミニウムは合成時にお
けるN2 の蒸気圧が大きく、融点も高い等の理由から、
通常の溶融法で作製することが極めて困難である。この
ため、主としてMOCVD法等の気相成長法により合成
されており、多くの研究者によって欠陥の少ない高品質
の窒化アルミニウム薄膜を得るための努力がなされてき
た (例えば、J.Vac.Scl.Technol.B,vol10,No4,Jul/Aug1
992,P1237 〜1266を参照) 。
By the way, aluminum nitride has a large N 2 vapor pressure during synthesis and a high melting point.
It is extremely difficult to manufacture it by the usual melting method. Therefore, it has been synthesized mainly by a vapor phase growth method such as MOCVD method, and many researchers have made efforts to obtain a high quality aluminum nitride thin film with few defects (for example, J.Vac.Scl. Technol.B, vol10, No4, Jul / Aug1
992, P1237 to 1266).

【0004】従来、このような高品質の窒化アルミニウ
ムの単結晶薄膜を得るために、単結晶薄膜を成長させる
ための基板が高温においても安定であることが重要視さ
れており、サファイア(Al 2 O 3 ),ガリウム砒素(GaA
s), シリコン(Si), スピネル,各種ガラス等が基板材料
として用いられてきた。
In order to obtain such a high quality single crystal thin film of aluminum nitride, it has been conventionally emphasized that the substrate for growing the single crystal thin film is stable even at a high temperature, and sapphire (Al 2 O 3 ), gallium arsenide (GaA
s), silicon (Si), spinel, and various glasses have been used as substrate materials.

【0005】これら基板材料のうち、特にサファイア単
結晶は、その結晶系が窒化アルミニウムと同じ六方晶系
であり、しかも気相成長時における高温 (約1000℃程
度) 下でも安定であること、入手が比較的容易であるこ
となどから、現在最もよく使用されている。
Among these substrate materials, especially sapphire single crystal has the same hexagonal crystal system as aluminum nitride and is stable even at high temperature (about 1000 ° C.) during vapor phase growth. It is currently most commonly used because it is relatively easy.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】一般に2つの単結晶の
間に一定の結晶学的な関係を持った接合が存在する場
合、これをエピタキシーと呼び、ある結晶面上に他の結
晶が一定の方位関係で成長する成長様式をエピタキシャ
ル成長というが、このような定方位成長の場合、両結晶
が結晶化学的な類縁性をもっているか、あるいは2つの
結晶の構造周期が一致ないし近似していることが重要で
ある。特に、両者の結晶格子定数の差の百分率で示され
るミスフィット率はエピタキシーの可能性の目安とさ
れ、ミスフィット率が小さいものほど高い頻度でエピタ
キシー関係が成立することがよく知られている。
Generally, when a junction having a constant crystallographic relationship exists between two single crystals, this is called epitaxy, and another crystal is fixed on a certain crystal plane. Epitaxial growth is a growth mode that grows in an azimuth relationship. In the case of such directional growth, it is important that both crystals have crystal chemical affinity or that the structural periods of the two crystals are the same or similar. Is. In particular, the misfit rate, which is indicated by the percentage difference between the crystal lattice constants of the two, is used as a measure of the possibility of epitaxy, and it is well known that the smaller the misfit rate, the more frequently the epitaxy relationship is established.

【0007】しかしながら、上記した従来の各種材料の
基板を使用しても、デバイス特性を十分に満足する結晶
学的に良質な薄膜が合成されているとはいいがたく、こ
れら基板材料は窒化アルミニウムの格子定数や熱膨張係
数に適合する優れた材料ではなかった。すなわち、従来
の基板とこれに接して成長する窒化アルミニウム薄膜と
では、両者の結晶構造や熱膨張係数等の相違があるた
め、気相成長の過程で窒化アルミニウム薄膜に少なから
ず欠陥が生じ、これが原因でデバイスの特性が劣化する
ことが認められるのである。
However, even if the above-mentioned conventional substrates made of various materials are used, it cannot be said that a crystallographically high quality thin film that sufficiently satisfies the device characteristics has been synthesized. It was not an excellent material that conformed to the lattice constant and the coefficient of thermal expansion. That is, since the conventional substrate and the aluminum nitride thin film grown in contact therewith have a difference in crystal structure, thermal expansion coefficient, etc. between them, a considerable number of defects occur in the aluminum nitride thin film during the vapor phase growth, It is recognized that the characteristics of the device deteriorate due to the cause.

【0008】そこで、本発明では従来の基板では成長が
不可能であった良質な窒化アルミニウム薄膜を合成し得
る優れた単結晶成長用基体を提供することを目的とす
る。
Therefore, it is an object of the present invention to provide an excellent single crystal growth substrate capable of synthesizing a high-quality aluminum nitride thin film which cannot be grown on a conventional substrate.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の単結晶成長用基体は、窒化アルミニウム単
結晶を成長させる主面が、立方晶系,三方晶系,又は六
方晶系のいずれかの結晶系に属し、かつ窒化アルミニウ
ム単結晶の構造周期に対するミスフィット率(すなわ
ち、主面の格子面間隔の整数倍をA、窒化アルミニウム
単結晶の成長方向での格子面間隔の整数倍をBとした場
合に、|A−B|×100 /A % の値)が 8%以下の
単結晶から成る。
In order to achieve the above object, in the single crystal growth substrate of the present invention, the main surface on which an aluminum nitride single crystal is grown is a cubic system, a trigonal system or a hexagonal system. Of the above, and the misfit ratio to the structural period of the aluminum nitride single crystal (that is, an integer multiple of the lattice spacing of the main surface is A, an integer of the lattice spacing in the growth direction of the aluminum nitride single crystal). When doubled as B, | AB− × 100 / A%) is 8% or less of a single crystal.

【0010】ここで、ミスフィット率を 8%以下に限定
する理由は、 8%を越えると窒化アルミニウム単結晶の
ヘテロエピタキシャル成長が困難となり、基体上に窒化
アルミニウム単結晶を成長させることが不可能となるか
らである。
The reason why the misfit rate is limited to 8% or less is that if it exceeds 8%, it becomes difficult to heteroepitaxially grow an aluminum nitride single crystal, and it becomes impossible to grow an aluminum nitride single crystal on a substrate. Because it will be.

【0011】なお、基体とは、窒化アルミニウム単結晶
の成長が可能であるものならば平板等の特定形状に限定
されるものではなく、また少なくとも表層のみが上記構
成を成すものであればよい。
The substrate is not limited to a particular shape such as a flat plate as long as it can grow an aluminum nitride single crystal, and at least the surface layer may have the above structure.

【0012】[0012]

【表1】 [Table 1]

【0013】また、特に単結晶成長用基体が立方晶系の
ガーネット構造の単結晶であれば、表1に示すように、
窒化アルミニウム(六方晶系、a=3.112 Å, c=4.98
2 Å) のa軸長もしくはc軸長の整数倍が、ガーネット
の(hkl) 面の格子面間隔dhkl の整数倍にほぼ等しくす
ることが可能となり、理想的なエピタキシャル成長が可
能となり、実際にこのような基体を用いて良質の窒化ア
ルミニウム単結晶を得ることを確認した。
In particular, if the single crystal growth substrate is a cubic crystal garnet structure single crystal, as shown in Table 1,
Aluminum Nitride (Hexagonal system, a = 3.112 Å, c = 4.98
It becomes possible to make an integer multiple of the a-axis length or c-axis length of 2 Å) almost equal to an integer multiple of the lattice spacing dhkl of the (hkl) plane of garnet, which makes ideal epitaxial growth possible. It was confirmed that a good quality aluminum nitride single crystal was obtained using such a substrate.

【0014】また、ガーネットは、そのc軸方向の熱膨
張係数 (約6.0 ×10-6/ ℃) が、サファイアのc軸方向
の熱膨張係数 (約9.0 ×10-6/ ℃) と比較して、窒化ア
ルミニウムのc軸方向の熱膨張係数 (約5.0 ×10-6/
℃) により近いので、窒化アルミニウムの成長時の高温
状態においても安定して成長が可能となる。さらに、ガ
ーネットはその格子定数に幅を持たせることが可能であ
り、格子定数a〔Å〕が12.19 <a<12.95 の範囲にあ
れば、ガーネット固溶体の形成が可能であり、所望の構
造周期を有する単結晶成長用基体を得ることができる。
また、最適なガーネットの主面の結晶学的方位は、ガー
ネットが立方晶系であることから、表1から明らかなよ
うに、等価面{ 100}, { 110}, { 120}, { 112}
又は{ 111}の結晶面に平行であればよい。
The thermal expansion coefficient of garnet in the c-axis direction (about 6.0 × 10 −6 / ° C.) is compared with that of sapphire in the c-axis direction (about 9.0 × 10 −6 / ° C.). The coefficient of thermal expansion of aluminum nitride in the c-axis direction (about 5.0 × 10 -6 /
Since it is closer to (° C), stable growth is possible even at high temperature during the growth of aluminum nitride. Furthermore, garnet can have a wide range of lattice constants, and if the lattice constant a [Å] is in the range of 12.19 <a <12.95, it is possible to form a garnet solid solution and to obtain a desired structural period. It is possible to obtain a single crystal growth substrate having the same.
In addition, the optimum crystallographic orientation of the main plane of garnet is, as garnet is a cubic system, clear from Table 1, equivalent planes {100}, {110}, {120}, {112}
Alternatively, it may be parallel to the {111} crystal plane.

【0015】また、前記窒化アルミニウム単結晶を成長
させる主面が、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウ
ムの単結晶とすることによって、良質の窒化アルミニウ
ム単結晶を得ることを確認した。また、窒化アルミニウ
ム単結晶を成長させる主面が、(001),(100),(116),(01
8),(110),(122),(211),(214) 又は(202) の結晶面に平
行であるとより良質な窒化アルミニウム単結晶が得られ
ることも確認した。
It was also confirmed that a good quality aluminum nitride single crystal can be obtained by using a lithium niobate or lithium tantalate single crystal as the main surface on which the aluminum nitride single crystal is grown. Further, the main surface on which the aluminum nitride single crystal is grown is (001), (100), (116), (01
It was also confirmed that a higher quality aluminum nitride single crystal can be obtained when it is parallel to the crystal plane of (8), (110), (122), (211), (214) or (202).

【0016】[0016]

【作用】既に述べたとおり、エピタキシャル成長のよう
な定方位成長の場合、互いに接する結晶どうしが結晶化
学的な類縁性をもっているか、あるいは互いの結晶の構
造周期が一致もしくは近似していることが重要であり、
ミスフィット率が小さいものほど高い頻度でエピタキシ
ー関係が成立する。これ以外の要素としては温度条件や
基板結晶の表面状態もあるが、最も重要な必要条件は構
造周期(格子面間隔の周期)の近似と考えられる。そこ
で、ヘテロエピタキシャル成長において単結晶成長用基
体を上記構成とすることで欠陥の極めて少ない品質の優
れた窒化アルミニウム単結晶膜を得ることが可能とな
る。
As described above, in the case of oriented growth such as epitaxial growth, it is important that the crystals in contact with each other have a crystal chemical affinity, or the structural periods of the crystals match or approximate each other. Yes,
The smaller the misfit rate, the more frequently the epitaxy relationship is established. Other factors include the temperature condition and the surface condition of the substrate crystal, but the most important necessary condition is considered to be the approximation of the structural period (period of lattice plane intervals). Therefore, by forming the single crystal growth substrate in the heteroepitaxial growth as described above, an excellent quality aluminum nitride single crystal film with very few defects can be obtained.

【0017】[0017]

【実施例】【Example】

〔実施例1〕チョクラルスキー(CZ)法により、格子
定数が12.448Åのガーネット固溶体単結晶の(GdCa)3 (G
aMgZr)5 O 12を育成し、さらに、この育成単結晶からウ
エハー加工を行い、(111) 面を主面とする2 インチウエ
ハーを作製した。
Example 1 By the Czochralski (CZ) method, (GdCa) 3 (G) of a garnet solid solution single crystal having a lattice constant of 12.448Å
The aMgZr) 5 O 12 was grown, and further, the grown single crystal was subjected to wafer processing to fabricate a 2-inch wafer having a (111) plane as a main surface.

【0018】このウエハーは表1に示すように、窒化ア
ルミニウムのa軸方向の格子定数の4倍が、ガーネット
固溶体の(100) 面の面間距離d100 に合致する整合関係
とすることができる。本ウエハーをエピタキシャル成長
用の単結晶成長用基体(以下、基体ともいう)としてM
OCVD法により、基体の温度1000〜1180℃で膜厚約1
μm 程度の窒化アルミニウム単結晶薄膜を成長させた。
As shown in Table 1, this wafer can have a matching relationship in which four times the lattice constant in the a-axis direction of aluminum nitride matches the interplanar distance d100 of the (100) plane of the garnet solid solution. This wafer is used as a single crystal growth substrate for epitaxial growth (hereinafter, also referred to as a substrate) M
By the OCVD method, the film thickness is about 1 at the substrate temperature of 1000-1180 ℃.
An aluminum nitride single crystal thin film of about μm was grown.

【0019】成長後の単結晶薄膜を電子線回折により観
察したところ、典型的なRHEED パターンは強いストリー
ク状を呈しており、良好な単結晶膜であることを確認し
た。また、SEM観察による表面形状は滑らかであり、
X線ロッキングカーブの半値幅も 1′ (分) 以内であっ
た。
When the grown single crystal thin film was observed by electron beam diffraction, it was confirmed that the typical RHEED pattern had a strong streak shape, and that it was a good single crystal film. In addition, the surface shape by SEM observation is smooth,
The full width at half maximum of the X-ray rocking curve was also within 1 '(minute).

【0020】一方、従来最も良く使用されているサファ
イアのC面 (00・1)を基板として、上記と同様な条件で
成膜した窒化アルミニウム膜は、ミスフィット率が約15
%と大きいため、RHEED パターンはスポット状で配向性
を有する細長い粒状を呈し、X線ロッキングカーブの半
値幅は約 1° (度) と極めて大きな値を示した。
On the other hand, the misfit rate of an aluminum nitride film formed under the same conditions as above using the C surface (00.1) of sapphire, which has been used most frequently, as a substrate, is about 15%.
%, The RHEED pattern had a spot-like elongated grain shape with orientation, and the full width at half maximum of the X-ray rocking curve was about 1 ° (degrees), which was an extremely large value.

【0021】〔実施例2〕CZ法により育成して加工し
た、格子定数が12.293ÅのHo3 Ga5 O 12ガーネットの(1
10) 面を主面とする基板を用い、LPE(Liquid Phase
Epitaxy)法により格子定数が12.329Åの Y3 (FeAl)5 O
12の膜厚200 μm のガーネット単結晶膜を作製した。表
1に示すように、このLPE膜の(110) 面の面間距離d
110 の 4倍が、窒化アルミニウムのc軸方向の格子定数
の 7倍と合致する関係にある。
[Example 2] Ho 3 Ga 5 O 12 garnet (1 having a lattice constant of 12.293Å grown by the CZ method and processed (1
10) LPE (Liquid Phase) using the substrate whose main surface is
Epitaxy method yields Y 3 (FeAl) 5 O with a lattice constant of 12.329Å
Twelve 200 μm-thick garnet single crystal films were prepared. table
As shown in 1, the interplanar distance d of the (110) plane of this LPE film
Four times 110 is in agreement with seven times the lattice constant of aluminum nitride in the c-axis direction.

【0022】次に、このLEP膜をエピタキシャル成長
用の基体として、実施例 1と同様に窒化アルミニウムの
薄膜成長を行った。これにより得られた単結晶薄膜のS
EM観察によれば、非常に平滑でX線ロッキングカーブ
の半値幅は1.0 ′と小さい値を示し、電子線回折による
RHEED パターンから良質な単結晶膜であることを確認し
た。
Then, using this LEP film as a substrate for epitaxial growth, a thin film of aluminum nitride was grown in the same manner as in Example 1. The S of the single crystal thin film thus obtained
According to EM observation, it is very smooth and the full width at half maximum of the X-ray rocking curve is as small as 1.0 '.
It was confirmed from the RHEED pattern that it was a good quality single crystal film.

【0023】これに対してミスフィット率が10.5%のサ
ファイアのR面(01・2)を主面とする基板として上記と
同様な条件で成膜した。この窒化アルミニウム膜のRHEE
D パターンはスポット状であり、表面形状は小丘状、粗
粒状であり、X線ロッキングカーブの半値幅は3.6 °と
いった極めて大きい値を示した。
On the other hand, a sapphire having a misfit rate of 10.5% was used as a substrate whose main surface was the R-plane (01.2) and was formed under the same conditions as above. RHEE of this aluminum nitride film
The D pattern had a spot shape, the surface shape was a mound shape, and a coarse grain shape, and the half width of the X-ray rocking curve showed an extremely large value of 3.6 °.

【0024】〔実施例3〕CZ法により格子定数が12.2
00Åのガーネット固溶体単結晶 Y3 (AlGa) 5 O 12 を育
成し、さらに、ウエハー加工を行って、厚み0.5 mmの(2
11) 面を主面とする2 インチウエハーを作製した。
[Embodiment 3] The lattice constant is 12.2 by the CZ method.
A 00Å garnet solid solution single crystal Y 3 (AlGa) 5 O 12 was grown and further processed into a wafer to obtain a 0.5 mm thick (2
11) A 2-inch wafer whose main surface is the plane was prepared.

【0025】このウエハーは表1に示すように、窒化ア
ルミニウムのc軸方向の格子定数が、ガーネット固溶体
の(211) 面の面間距離d211 に合致する整合関係とする
ことができる。本ウエハーをエピタキシャル成長用の基
体として実施例 1と同様な条件で窒化アルミニウムの成
膜を行った。
As shown in Table 1, this wafer can have a matching relationship in which the lattice constant of aluminum nitride in the c-axis direction matches the interplanar distance d211 of the (211) plane of the garnet solid solution. Using this wafer as a substrate for epitaxial growth, an aluminum nitride film was formed under the same conditions as in Example 1.

【0026】成長後の単結晶薄膜のRHEED パターンは強
いストリーク状を呈しており、菊地線も観察され良好な
単結晶膜であることを確認した。また、SEM観察によ
る表面形状は非常に平滑であった。
The RHEED pattern of the grown single crystal thin film showed a strong streak pattern, and the Kikuchi line was also observed, confirming that the single crystal film was good. Further, the surface shape observed by SEM was very smooth.

【0027】一方、窒化アルミニウムのc軸に対してミ
スフィット率が約5.9 %であるSiの(111) 面を基板と
した場合の成長膜のRHEED パターンはストリーク状であ
り、SEM観察での表面形状は比較的滑らかな粒状であ
ったが、上記実施例と比較して膜質は劣っていた。
On the other hand, the RHEED pattern of the growth film when the (111) plane of Si, which has a misfit rate of about 5.9% with respect to the c-axis of aluminum nitride, is used as a substrate, has a streak shape, and the surface observed by SEM observation. The shape was a relatively smooth grain, but the film quality was inferior as compared with the above-mentioned examples.

【0028】上記実施例1〜3で使用した基体の窒化ア
ルミニウム単結晶の構造周期に対するミスフィット率は
ほぼ零であり、理想的なエピタキシャル成長が可能であ
った。また、これら基体のc軸方向での熱膨張係数は約
6.0 ×10-6/ ℃であり、サファイアの約9.0 ×10-6/ ℃
に比べて、窒化アルミニウムの約5.0 ×10-6/ ℃に近い
ので、c軸配向時の膜の応力歪みが小さくなり、低コス
トで欠陥の少ない高品質な単結晶窒化アルミニウム膜を
得ることができる。
The misfit rate of the substrate used in Examples 1 to 3 with respect to the structural period of the aluminum nitride single crystal was almost zero, and ideal epitaxial growth was possible. Also, the coefficient of thermal expansion of these substrates in the c-axis direction is about
6.0 × 10 -6 / ℃, which is about 9.0 × 10 -6 / ℃ of sapphire
Compared with aluminum nitride, it is close to about 5.0 × 10 -6 / ℃ of aluminum nitride, so the stress strain of the film during c-axis orientation is small, and it is possible to obtain a high quality single crystal aluminum nitride film with few defects at low cost. it can.

【0029】なお、これら実施例では 3種類の結晶面と
ガーネット固溶体を例にあげたが、これらに限定される
ものではなく、等価面{ 120}, { 112}又は{ 214}
面に平行であればよく、また表1に示される整合関係に
ある格子定数を有するガーネット固溶体であれば、従来
のサファイアやSi等の基板材料での成長に優る良質な
窒化アルミニウム膜を得ることができる。また、ガーネ
ット材料としてはバルクでも薄膜でもよく適宜選択が可
能である。
In these examples, three types of crystal planes and garnet solid solution were taken as examples, but the present invention is not limited to these, and equivalent planes {120}, {112} or {214}.
If it is parallel to the plane, and if it is a garnet solid solution having a lattice constant having a matching relationship shown in Table 1, it is possible to obtain a high-quality aluminum nitride film excellent in growth on conventional substrate materials such as sapphire and Si. You can Further, the garnet material may be a bulk or a thin film and can be appropriately selected.

【0030】〔実施例4〕CZ法により育成したニオブ
酸リチウム(LiNbO3 ) 単結晶から厚さ約0.5 mmの(001)
面、及び(116) 面を主面とする 3インチウエハーを作製
する。(001) 面を主面とするウエハーは、窒化アルミニ
ウムのc軸長に対するミスフィット率は約7.2 %であ
る。また、(116) 面を主面とするウエハーは、窒化アル
ミニウムのc軸長に対するミスフィット率は約3.4 %で
ある。
[Embodiment 4] A lithium niobate (LiNbO 3 ) single crystal grown by the CZ method and having a thickness of about 0.5 mm (001)
A 3-inch wafer with the (116) plane as the main plane is prepared. A wafer whose main surface is the (001) plane has a misfit rate of about 7.2% with respect to the c-axis length of aluminum nitride. The wafer having the (116) plane as the main surface has a misfit rate of about 3.4% with respect to the c-axis length of aluminum nitride.

【0031】次に、これらウエハーを窒化アルミニウム
単結晶のエピタキシャル成長用の基体とし、減圧MOC
VD法 (雰囲気圧約60Torr) で基体の温度約1180℃で膜
厚約1μm の窒化アルミニウム膜を作製した。この膜のR
HEED パターンは弱いストリーク状であり、SEM観察
での表面形状は滑らかであり、良質の膜であった。
Next, these wafers were used as substrates for epitaxial growth of aluminum nitride single crystals, and reduced pressure MOC was performed.
An aluminum nitride film having a film thickness of about 1 μm was formed at a substrate temperature of about 1180 ° C. by the VD method (atmospheric pressure of about 60 Torr). R of this film
The HEED pattern had a weak streak shape, and the surface shape under SEM observation was smooth, indicating a good quality film.

【0032】一方、従来最も良く使用されているサファ
イアのC面(0001)を基板として、上記と同様な条件で成
膜した窒化アルミニウム膜は、ミスフィット率が約15%
と大きいため、RHEED パターンはスポット状で配向性を
有する細長い粒状を呈し、膜質も悪いものであった。
On the other hand, the misfit rate of the aluminum nitride film formed under the same conditions as above using the C-plane (0001) of sapphire, which has been used most frequently, is about 15%.
Therefore, the RHEED pattern had a spot-like elongated granular shape with orientation, and the film quality was poor.

【0033】〔実施例5〕実施例 4と同様にして(110)
面、及び(018)面に平行な厚み0.4 mmのタンタル酸リチ
ウムウエハーをそれぞれ用意し、窒化アルミニウムのエ
ピタキシャル成長用の基体とした。(018)面を主面とす
るウエハーの、窒化アルミニウムのc軸に対するミスフ
ィット率は約3.3 %であり、(202) 面を主面とするウエ
ハーの、窒化アルミニウムのa軸に対するミスフィット
率は約2.9 %であった。
[Embodiment 5] In the same manner as in Embodiment 4, (110)
Planes and a lithium tantalate wafer having a thickness of 0.4 mm parallel to the (018) plane were prepared as substrates for epitaxial growth of aluminum nitride. The misfit rate of the wafer whose main surface is the (018) plane to the c-axis of aluminum nitride is about 3.3%, and the misfit rate of the wafer whose main surface is the (202) plane is to the a-axis of aluminum nitride. It was about 2.9%.

【0034】次いで、実施例 4と同様にして各々のウエ
ハーについて、窒化アルミニウムの薄膜成長を行った。
これらの膜のRHEED パターンはストリーク状であり、表
面形態はかなり滑らかであり、微細な粒状であった。
Then, in the same manner as in Example 4, a thin film of aluminum nitride was grown on each wafer.
The RHEED pattern of these films was streaky, the surface morphology was fairly smooth and finely grained.

【0035】これに対してミスフィット率が10.5%のサ
ファイアのR面(01・2)を主面とする基板を用い、上記
と同様な条件で成膜した。この窒化アルミニウム膜のRH
EEDパターンはスポット状であり、表面形状は小丘状、
粗粒状であった。
On the other hand, a film having a misfit ratio of 10.5% and having a sapphire R-plane (01.2) as the main surface was used and the film was formed under the same conditions as described above. RH of this aluminum nitride film
The EED pattern is spot-shaped, the surface shape is a mound,
It was coarse-grained.

【0036】〔実施例6〕実施例 4と同様にしてニオブ
酸リチウム単結晶から作製した、(211)面に平行な厚み
0.5 mmの光学鏡面仕上げウエハーを窒化アルミニウムの
エピタキシャル成長用の基体とした。この場合のc軸に
対するミスフィット率は約0.8 %である。
[Example 6] A thickness parallel to the (211) plane prepared from a lithium niobate single crystal in the same manner as in Example 4.
A 0.5 mm optical mirror-finished wafer was used as a substrate for epitaxial growth of aluminum nitride. The misfit rate for the c-axis in this case is about 0.8%.

【0037】次いで、実施例4と同様にして、このウエ
ハー上に窒化アルミニウムの薄膜成長を行った。成長後
の典型的なRHEED パターンは強いストリーク状で菊地線
が観測され良好な単結晶膜を示した。また、SEMの観
察の結果、表面形状は非常に平滑であった。
Then, in the same manner as in Example 4, a thin film of aluminum nitride was grown on this wafer. The typical RHEED pattern after growth showed a strong streak pattern and the Kikuchi line was observed, indicating a good single crystal film. As a result of SEM observation, the surface shape was extremely smooth.

【0038】一方、比較のために(111) 面を主面とする
ミスフィット率が5.9 %のSi基板を用い、同様な条件
下で成膜した窒化アルミニウム膜のRHEED パターンはス
トリーク状であり、その表面形状は比較的スムーズな粒
状であったが膜質は劣っていた。
On the other hand, for comparison, an RHEED pattern of an aluminum nitride film formed under the same conditions using a Si substrate having a (111) face as a main face and a misfit ratio of 5.9% is streak-like, The surface shape was a relatively smooth grain, but the film quality was poor.

【0039】なお、実施例 4〜6 では 4種の結晶面を例
にあげたが、(122) ,(100),(202)又は(214) 面でも
サファイア基板と同等以上の良質な窒化アルミニウム膜
が得られることが確認された。また、特にニオブ酸リチ
ウムやタンタル酸リチウムを用いることで、c軸方向で
の熱膨張係数がサファイアの8.7 ×10-6/ ℃に比べて、
窒化アルミニウムの3.17×10-6/ ℃に近い値、すなわ
ち、ニオブ酸リチウムでは7.5 ×10-6/ ℃、タンタル酸
リチウムでは4.1 ×10-6/ ℃の値を持つので、c軸配向
時の膜の応力歪みが小さいなどの低コストで欠陥の少な
い高品質な単結晶窒化アルミニウム膜を得ることができ
る。
In Examples 4 to 6, four types of crystal planes were taken as an example, but the (122), (100), (202) or (214) plane is of high quality aluminum nitride equivalent to or better than that of the sapphire substrate. It was confirmed that a film was obtained. In addition, especially when lithium niobate or lithium tantalate is used, the coefficient of thermal expansion in the c-axis direction is higher than that of sapphire of 8.7 × 10 -6 / ° C.
Since it has a value close to 3.17 × 10 -6 / ℃ of aluminum nitride, that is, 7.5 × 10 -6 / ℃ for lithium niobate and 4.1 × 10 -6 / ℃ for lithium tantalate. It is possible to obtain a high-quality single crystal aluminum nitride film with few defects and low cost such as a small stress strain of the film.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の単結晶成
長用基体によれば、窒化アルミニウム単結晶の構造周期
に対するミスフィット率が 8%以下の窒化アルミニウム
単結晶の構造に類縁した単結晶から成るので、最適なヘ
テロエピタキシャル成長が可能となり、欠陥の極めて少
ない品質の優れた窒化アルミニウム単結晶膜を得ること
ができる。
As described in detail above, according to the single crystal growth substrate of the present invention, a single crystal structure similar to that of an aluminum nitride single crystal having a misfit rate of 8% or less with respect to the structural period of the aluminum nitride single crystal is used. Since it is made of crystal, optimal heteroepitaxial growth is possible, and an excellent quality aluminum nitride single crystal film with extremely few defects can be obtained.

【0041】また、特に単結晶成長用基体が立方晶系の
ガーネット構造の単結晶であれば、窒化アルミニウム単
結晶の構造周期に対するミスフィット率がほぼ零とな
り、理想的なエピタキシャル成長が可能となり、極めて
良質の窒化アルミニウム単結晶を得ることができる。ま
た、ガーネットは、そのa軸方向の熱膨張係数 (約6.0
×10-6/ ℃) がサファイアのc軸方向の熱膨張係数 (約
9.0 ×10-6/ ℃) と比較して窒化アルミニウムのc軸方
向の熱膨張係数 (約5.0 ×10-6/ ℃) に近いので、窒化
アルミニウムの成長時における高温においても安定して
成長が可能となる。さらに、この場合においてガーネッ
トの格子定数a〔Å〕が12.19 <a<12.95 の範囲にあ
れば、ガーネット固溶体の形成が可能であり、所望の構
造周期を有する単結晶成長用基体を得ることができる。
In particular, if the single crystal growth substrate is a cubic garnet structure single crystal, the misfit rate of the aluminum nitride single crystal with respect to the structural period becomes almost zero, and ideal epitaxial growth becomes possible. A good quality aluminum nitride single crystal can be obtained. Garnet has a coefficient of thermal expansion in the a-axis direction (approximately 6.0
× 10 -6 / ℃) is the coefficient of thermal expansion of sapphire in the c-axis direction (approx.
The thermal expansion coefficient of aluminum nitride in the c-axis direction (about 5.0 × 10 -6 / ℃) is close to that of 9.0 × 10 -6 / ℃), so that stable growth is possible even at high temperatures during the growth of aluminum nitride. It will be possible. Further, in this case, if the lattice constant a [Å] of garnet is in the range of 12.19 <a <12.95, it is possible to form a garnet solid solution and to obtain a single crystal growth substrate having a desired structural period. .

【0042】また、前記窒化アルミニウム単結晶を成長
させる主面を、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウ
ムの単結晶とすることによっても、良質の窒化アルミニ
ウム単結晶を得ることができ、これら単結晶はc軸方向
での熱膨張係数がサファイアの約9.0 ×10-6/ ℃に比べ
て、窒化アルミニウムの5.17×10-6/ ℃に近い値、すな
わち、ニオブ酸リチウムでは7.5 ×10-6/ ℃、タンタル
酸リチウムでは4.1 ×10-6/ ℃の値を持つので、c軸配
向時の膜の応力歪みが小さいなどの低コストで欠陥の少
ない高品質な単結晶窒化アルミニウム膜を得ることがで
きる。
Also, a good quality aluminum nitride single crystal can be obtained by using a lithium niobate or lithium tantalate single crystal as the main surface on which the aluminum nitride single crystal is grown. The coefficient of thermal expansion in the axial direction is closer to 5.17 × 10 -6 / ℃ of aluminum nitride, compared to about 9.0 × 10 -6 / ℃ of sapphire, that is, 7.5 × 10 -6 / ℃ for lithium niobate, Since lithium tantalate has a value of 4.1 × 10 −6 / ° C., it is possible to obtain a high-quality single crystal aluminum nitride film with few defects at low cost such as a small stress strain of the film at the time of c-axis orientation.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化アルミニウム単結晶を気相成長させ
る基体の主面が、立方晶系,三方晶系,又は六方晶系の
いずれかの結晶系に属する単結晶から成り、かつ該主面
の格子面間隔の整数倍をA、窒化アルミニウム単結晶の
成長方向における格子面間隔の整数倍をBとした場合
に、下記式(1)を満足する単結晶成長用基体。 |A−B|/A ≦ 0.08 ・・・ (1)
1. A main surface of a substrate on which an aluminum nitride single crystal is vapor-grown is made of a single crystal belonging to any one of a cubic system, a trigonal system and a hexagonal system, and A single crystal growth substrate satisfying the following formula (1), where A is an integer multiple of the lattice spacing and B is an integer multiple of the lattice spacing in the growth direction of the aluminum nitride single crystal. | AB | / A ≦ 0.08 ・ ・ ・ (1)
【請求項2】 前記窒化アルミニウム単結晶を気相成長
させる主面が、ガーネット構造を有する立方晶系単結晶
から成ることを特徴とする請求項1に記載の単結晶成長
用基体。
2. The single crystal growth substrate according to claim 1, wherein a main surface on which the aluminum nitride single crystal is vapor-grown is a cubic single crystal having a garnet structure.
【請求項3】 前記ガーネット構造を有する立方晶系単
結晶の格子定数a〔Å〕が12.19 <a<12.95 の範囲に
あることを特徴とする請求項2に記載の単結晶成長用基
体。
3. The single crystal growth substrate according to claim 2, wherein the cubic single crystal having the garnet structure has a lattice constant a [Å] in the range of 12.19 <a <12.95.
【請求項4】 前記窒化アルミニウム単結晶を気相成長
させる主面が、ニオブ酸リチウム、又はタンタル酸リチ
ウムの単結晶から成ることを特徴とする請求項1に記載
の単結晶成長用基体。
4. The single crystal growth substrate according to claim 1, wherein the main surface on which the aluminum nitride single crystal is vapor-phase grown is made of a lithium niobate or lithium tantalate single crystal.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013212963A (en) * 2012-04-03 2013-10-17 Sumitomo Electric Ind Ltd METHOD FOR PRODUCING AlN-BASED FILM AND COMPOSITE SUBSTRATE FOR USE IN THE SAME
JP2014058419A (en) * 2012-09-15 2014-04-03 Institute Of National Colleges Of Technology Japan Black aluminum nitride and method for manufacturing the same
JP2021031375A (en) * 2019-08-29 2021-03-01 信越化学工業株式会社 Method for forming a laminated structure, a semiconductor device, and a crystalline oxide film
JP2021031374A (en) * 2019-08-29 2021-03-01 信越化学工業株式会社 Laminate structure and semiconductor device, and method for producing laminate structure
JP2021038112A (en) * 2019-09-02 2021-03-11 信越化学工業株式会社 Laminated structures, semiconductor devices and semiconductor systems

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