JP2009013028A - Aluminum oxide-gallium oxide solid solution and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体およびその製造方法に関するものであり、詳しくは、表示、通信、記録機器などの各分野に用いられる発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)などの半導体発光素子用基板として有用な酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an aluminum oxide-gallium oxide solid solution and a method for producing the same, and more specifically, semiconductor light emission such as a light emitting diode (LED) and a laser diode (LD) used in various fields such as display, communication, and recording equipment. The present invention relates to an aluminum oxide-gallium oxide solid solution useful as an element substrate and a method for producing the same.
III族窒化物AlGaInN系混晶は、青色、紫外発光が可能であり、蛍光体を利用することで、可視域全域の発光を実現することができるようになった。しかしながら、深紫外域の発光は未だ困難な状況にある。その原因として、単結晶基板の作製難、高温成長による熱歪、深いアクセプター準位、不純物酸素などがあげられる。
また、現在までに、AlNを活性層としたLEDが作製され、波長210nmからの電流注入発光が実現しているが、その発光効率は1%に満たない(非特許文献1)。
Group III nitride AlGaInN-based mixed crystals can emit blue and ultraviolet light, and can emit light in the entire visible range by using phosphors. However, light emission in the deep ultraviolet region is still difficult. The causes include difficulty in manufacturing a single crystal substrate, thermal strain due to high temperature growth, deep acceptor levels, impurity oxygen, and the like.
In addition, LEDs using AlN as an active layer have been manufactured so far, and current injection light emission from a wavelength of 210 nm has been realized, but the light emission efficiency is less than 1% (Non-patent Document 1).
このIII族窒化物に対抗して、ダイヤモンドや酸化物半導体であるZnMgO混晶系を用いて深紫外発光を目指す研究もなされている。ダイヤモンドはバンドギャップが〜5.5eVと深紫外発光できる特性を有するが、ダイヤモンド基板の使用など製造コスト的に実用化には課題がある。これに対し、ZnMgO混晶は窒化物と異なり反応性の高い酸素が不純物とならない、酸化物であるため多くの成長方法が選択できる、などの利点がある。しかし、ZnO、MgOの結晶構造がそれぞれ異なり高Mg組成では相分離を引き起こし、そのためバンドギャップは最大で4.5eV(〜280nm)までしか拡大できない(非特許文献2,3)。
In contrast to this group III nitride, research aimed at deep ultraviolet light emission using a ZnMgO mixed crystal system which is diamond or an oxide semiconductor has been made. Diamond has a characteristic that it can emit deep ultraviolet light with a band gap of ~ 5.5 eV, but there are problems in practical use in terms of production cost such as use of a diamond substrate. On the other hand, ZnMgO mixed crystal has advantages such that, unlike nitride, highly reactive oxygen does not become an impurity, and since it is an oxide, many growth methods can be selected. However, the crystal structures of ZnO and MgO are different from each other, and phase separation occurs at a high Mg composition. Therefore, the band gap can be expanded only up to 4.5 eV (up to 280 nm) (Non-patent
一方、酸化ガリウム単結晶は、無色透明でバンドギャップが4.8eVと大きいため、紫外領域の光学材料、LEDやLDなどの窒化物半導体用基板、酸化物透明導電体、高温酸素ガスセンサ材料、電界効果型トランジスタ(FET)用材料、深紫外受光素子などのデバイス応用が検討されている。また、酸化ガリウム単結晶のバンドギャップ4.8eV(〜260nm)は、その発光波長が水銀の輝線(254nm)に対応するため、発光デバイスの最大の市場である照明産業において、現行の蛍光灯の代替励起光源としての応用も考えられる。光デバイスにおいては、紫外域で透明であることが必要であり、光吸収の短波長化が求められている。
本発明の目的は、短波長での光吸収が向上した酸化ガリウムを含む固溶体を提供することにある。
また本発明の別の目的は、前記酸化ガリウムを含む固溶体を製造する方法を提供することにある。
さらに本発明の別の目的は、前記酸化ガリウムを含む固溶体の光吸収端波長を調節する方法を提供することにある。
さらにまた本発明の別の目的は、前記酸化ガリウムを含む固溶体を用いた窒化物半導体膜成長用あるいは酸化物半導体膜成長用の基板を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a solid solution containing gallium oxide having improved light absorption at a short wavelength.
Another object of the present invention is to provide a method for producing a solid solution containing the gallium oxide.
Still another object of the present invention is to provide a method for adjusting the light absorption edge wavelength of the solid solution containing gallium oxide.
Still another object of the present invention is to provide a substrate for growing a nitride semiconductor film or an oxide semiconductor film using the solid solution containing gallium oxide.
本発明者は、上記課題を解決するために、酸化物の利点を活かし、なおかつバンドギャップが大きな酸化ガリウムに着目し、酸化ガリウムを用いた深紫外域発光の実現可能性について鋭意検討を行なった。その結果、酸化ガリウムに酸化アルミニウムを添加することで、酸化ガリウム単結晶中に酸化アルミニウムが均一に固溶した単結晶を得ることができ、しかも得られた単結晶の光吸収端波長は酸化ガリウム単結晶のそれより短波長化できることを見出し、本発明に至った。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has made extensive studies on the feasibility of deep ultraviolet light emission using gallium oxide, taking advantage of oxides and focusing on gallium oxide having a large band gap. . As a result, by adding aluminum oxide to gallium oxide, a single crystal in which aluminum oxide is uniformly dissolved in gallium oxide single crystal can be obtained, and the light absorption edge wavelength of the obtained single crystal is gallium oxide. The inventors have found that the wavelength can be made shorter than that of a single crystal, and have reached the present invention.
すなわち本発明は、以下のとおりである。
1.230nm以上255nm未満の光吸収端波長を有することを特徴とする酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体。
2.前記酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体中の酸化アルミニウムの割合が、酸化ガリウムに対して40モル%以下であることを特徴とする前記1に記載の酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体。
3.前記酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体のカソードルミネッセンス発光が、酸化ガリウム単結晶より短波長側での発光であることを特徴とする前記1または2に記載の酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体。
4.酸化ガリウム粉末および酸化アルミニウム粉末を原料とした焼結体を用い、酸化ガリウム単結晶を種結晶とした浮遊帯域溶融法により酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体を得る工程を有する前記1〜3のいずれかに記載の酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体を製造する方法。
5.前記浮遊帯域溶融法における雰囲気ガスとして、酸素―窒素の混合ガスまたはドライエアを用いることを特徴とする前記4に記載の製造方法。
6.前記1〜3のいずれかに記載の酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体中の、前記酸化アルミニウム量を調整し、前記固溶体の光吸収端波長を調節する方法。
7.前記1〜3のいずれかに記載の酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体を用いた窒化物半導体膜成長用の基板。
8.前記1〜3のいずれかに記載の酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体を用いた酸化物半導体膜成長用の基板。
That is, the present invention is as follows.
1. An aluminum oxide-gallium oxide solid solution having a light absorption edge wavelength of 230 nm or more and less than 255 nm.
2. 2. The aluminum oxide-gallium oxide solid solution as described in 1 above, wherein a ratio of aluminum oxide in the aluminum oxide-gallium oxide solid solution is 40 mol% or less with respect to gallium oxide.
3. 3. The aluminum oxide-gallium oxide solid solution according to 1 or 2 above, wherein the cathodoluminescence emission of the aluminum oxide-gallium oxide solid solution is light emission on a shorter wavelength side than the gallium oxide single crystal.
4). Any of the above 1 to 3 having a step of obtaining an aluminum oxide-gallium oxide solid solution by a floating zone melting method using a gallium oxide powder and an aluminum oxide powder as a raw material and using a gallium oxide single crystal as a seed crystal A method for producing the described aluminum oxide-gallium oxide solid solution.
5). 5. The production method according to 4 above, wherein an oxygen-nitrogen mixed gas or dry air is used as the atmospheric gas in the floating zone melting method.
6). The method to adjust the light absorption edge wavelength of the said solid solution by adjusting the said aluminum oxide amount in the aluminum oxide-gallium oxide solid solution in any one of said 1-3.
7). A substrate for growing a nitride semiconductor film using the aluminum oxide-gallium oxide solid solution according to any one of 1 to 3 above.
8). A substrate for growing an oxide semiconductor film using the aluminum oxide-gallium oxide solid solution according to any one of 1 to 3 above.
本発明によれば、短波長での光吸収が向上した酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体およびその製造方法を提供することができる。
また本発明によれば、酸化アルミニウムの添加量を調整するという簡易な方法で酸化ガリウム固溶体の光吸収端波長を調節する方法を提供することができる。
さらに本発明によれば、前記酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体を用いた窒化物半導体膜成長用あるいは酸化物半導体膜成長用の基板を提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide an aluminum oxide-gallium oxide solid solution with improved light absorption at a short wavelength and a method for producing the same.
Moreover, according to this invention, the method of adjusting the light absorption edge wavelength of a gallium oxide solid solution by the simple method of adjusting the addition amount of aluminum oxide can be provided.
Furthermore, according to the present invention, a substrate for growing a nitride semiconductor film or an oxide semiconductor film using the aluminum oxide-gallium oxide solid solution can be provided.
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
(酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体)
本発明の酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体は、230nm以上255nm未満の光吸収端波長を有することを特徴としている。上記本発明の固溶体は、酸化ガリウム粉末および酸化アルミニウム粉末を原料とした焼結体を用い、酸化ガリウム単結晶を種結晶とした浮遊帯域溶融法により固溶体の単結晶を育成させることにより得ることができる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
(Aluminum oxide-gallium oxide solid solution)
The aluminum oxide-gallium oxide solid solution of the present invention is characterized by having a light absorption edge wavelength of 230 nm or more and less than 255 nm. The solid solution of the present invention can be obtained by growing a single crystal of a solid solution by a floating zone melting method using a gallium oxide powder and a sintered body made of aluminum oxide powder as a raw material and using a gallium oxide single crystal as a seed crystal. it can.
浮遊帯域溶融法(フローティングゾーン法;FZ法)は、溶融帯を形成する際に容器を使わないため、育成して得られる固溶体は容器に由来する汚染の心配がなく、高品質な固溶体を得ることができる。FZ法で用いる装置については特に制限されず、例えば、加熱手段としては、必要によりサセプターを併用した高周波による電磁誘導加熱や電気抵抗加熱、赤外線、電子ビーム、アーク、又はランプを用いた集光加熱、あるいはレーザーや火炎による加熱等を用いることができるが、安定した加熱条件が確保できると共に加熱に際しての不純物導入のおそれがないランプを用いた集光加熱であるのが好ましい。 Since the floating zone melting method (floating zone method; FZ method) does not use a container when forming the melting zone, the solid solution obtained by growing does not have to worry about contamination originating from the container, and obtains a high-quality solid solution. be able to. The apparatus used in the FZ method is not particularly limited. For example, as a heating means, if necessary, electromagnetic induction heating or electric resistance heating using a susceptor together, electric resistance heating, infrared heating, electron beam, arc, or condensing heating using a lamp Alternatively, heating by a laser or a flame can be used, but it is preferable to perform condensing heating using a lamp that can ensure stable heating conditions and does not cause the introduction of impurities during heating.
FZ法における原料棒は、酸化ガリウム粉末および酸化アルミニウム粉末を原料とした焼結体である。酸化ガリウム粉末および酸化アルミニウム粉末は純度が99.99%(4N)以上であるのが好ましい。また、酸化ガリウム粉末は、β- Ga2O3粉末であることが熱的に最も安定であるという理由から好ましい。
前記焼結体は、酸化ガリウム粉末および酸化アルミニウム粉末をラバーチューブ等に封じ、静水圧50〜600MPa、好ましくは100〜500MPaで5分間程度ラバープレスし、円柱状に成型した後、1500〜1700℃、好ましくは1550〜1650℃の焼結温度で10〜20時間、好ましくは12〜15時間焼結させるのがよい。この焼結温度が1500℃より低いと酸化ガリウムより融点が高い酸化アルミニウムを混合して焼結する場合、焼結が不足して十分なかさ密度の焼結体を得ることが困難になり、反対に1700℃より高温になると酸化ガリウムの融点(〜1740℃)に近づいてしまい好ましくない。また、焼結時間が10時間より短いと焼結が十分に行えないおそれがあり、反対に20時間を越えると効果が飽和する。一方、焼結雰囲気については特に制限はされず、大気中で行ってもよい。このようにして得られた酸化ガリウム−酸化アルミニウム焼結体は円柱状の形状となる。
The raw material rod in the FZ method is a sintered body using gallium oxide powder and aluminum oxide powder as raw materials. The gallium oxide powder and the aluminum oxide powder preferably have a purity of 99.99% (4N) or higher. The gallium oxide powder is preferably β-Ga 2 O 3 powder because it is thermally most stable.
The sintered body is formed by sealing a gallium oxide powder and an aluminum oxide powder in a rubber tube or the like, rubber-pressing at a hydrostatic pressure of 50 to 600 MPa, preferably 100 to 500 MPa for about 5 minutes, and forming into a cylindrical shape, and then 1500 to 1700 ° C. The sintering is preferably performed at a sintering temperature of 1550 to 1650 ° C. for 10 to 20 hours, preferably 12 to 15 hours. When this sintering temperature is lower than 1500 ° C., when aluminum oxide having a melting point higher than that of gallium oxide is mixed and sintered, it becomes difficult to obtain a sintered body with sufficient bulk density due to insufficient sintering. A temperature higher than 1700 ° C. is not preferable because it approaches the melting point (˜1740 ° C.) of gallium oxide. On the other hand, if the sintering time is shorter than 10 hours, the sintering may not be sufficiently performed. Conversely, if the sintering time exceeds 20 hours, the effect is saturated. On the other hand, the sintering atmosphere is not particularly limited and may be performed in the air. The gallium oxide-aluminum oxide sintered body thus obtained has a cylindrical shape.
続いて、上記で得た焼結体を原料棒としてFZ法で用いる加熱炉の上軸に設置し、下軸には種結晶として酸化ガリウム単結晶を取り付けて、本発明における固溶体の単結晶を育成させる。この際、種結晶については、好ましくは予め酸化ガリウム粉末を焼成して得た酸化ガリウム焼結体を原料としてFZ法により製造した酸化ガリウム単結晶であるのがよい。また、原料棒及び種結晶の回転速度については、それぞれ10〜30rpm、好ましくは15〜20rpmであるのがよく、互いに逆向きに回転させるのが好ましい。酸化ガリウム−酸化アルミニウム焼結体を融解させるために加熱する温度は、酸化ガリウムの融点である1740℃以上であることが好ましく、添加した酸化アルミニウムの融点が〜2050℃であることから、1740℃以上2100℃にすることが好ましい。 Subsequently, the sintered body obtained above was installed as the raw material rod on the upper axis of the heating furnace used in the FZ method, and the lower axis was attached with a gallium oxide single crystal as a seed crystal, and the solid solution single crystal in the present invention was Develop. In this case, the seed crystal is preferably a gallium oxide single crystal produced by a FZ method using a gallium oxide sintered body obtained by firing gallium oxide powder in advance as a raw material. Moreover, about the rotational speed of a raw material stick | rod and a seed crystal, it is 10-30 rpm, respectively, Preferably it may be 15-20 rpm, and it is preferable to make it rotate mutually reverse. The heating temperature for melting the gallium oxide-aluminum oxide sintered body is preferably 1740 ° C. or higher, which is the melting point of gallium oxide, and since the melting point of the added aluminum oxide is ˜2050 ° C., 1740 ° C. The temperature is preferably 2100 ° C.
固溶体の単結晶の育成雰囲気については、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスの1種以上と酸素との混合ガスを用いて、不活性ガスの総量に対する酸素の流量比(O2/不活性ガス総量)が1〜20vol%、好ましくは2〜5vol%となるように加熱炉に供給するのがよい。不活性ガスの総量に対する酸素の流量比が1vol%より小さいと酸素の比率が少な過ぎて原料棒からの蒸発が顕著となり、固溶体の単結晶が十分に成長しなくなる。反対にこの流量比が20vol%より大きくなると融液内にバブリングが発生して得られる単結晶に閉じ込められクラック発生の誘因となるおそれがある。また、上記の好適な育成雰囲気となるように、酸素と不活性ガスとの混合ガスを加熱炉の石英管内に200〜600ml/minで供給するのがよい。本発明において好ましい育成雰囲気は、酸素-窒素の混合ガス、水分が0.1%以下に除去されたドライエアである。 As for the growth atmosphere of the solid solution single crystal, a flow rate of oxygen with respect to the total amount of the inert gas (O 2 / inert) using a mixed gas of one or more inert gases such as nitrogen, argon, and helium and oxygen. It is good to supply to a heating furnace so that gas total amount may be 1-20 vol%, Preferably it is 2-5 vol%. If the flow rate ratio of oxygen to the total amount of the inert gas is less than 1 vol%, the oxygen ratio is too small, and evaporation from the raw material rod becomes remarkable, so that a solid solution single crystal does not grow sufficiently. On the other hand, when the flow rate ratio is larger than 20 vol%, there is a possibility that it will be confined in the single crystal obtained by bubbling in the melt and cause cracking. Moreover, it is good to supply the mixed gas of oxygen and an inert gas at 200-600 ml / min in the quartz tube of a heating furnace so that it may become said suitable growth atmosphere. A preferable growth atmosphere in the present invention is dry air from which oxygen-nitrogen mixed gas and moisture are removed to 0.1% or less.
固溶体の単結晶の結晶成長速度については、2.5〜20mm/h、好ましくは5〜15mm/hであるのがよい。FZ法では、一般には、成長速度が比較的遅いほうが得られる結晶の品質が良いとされている。しかしながら、本発明においては、従来の方法よりも結晶成長速度を上げても優れた品質の固溶体の単結晶を得ることができる。また、結晶成長の際の圧力については、大気圧であってもよく、加圧した状態で行ってもよい。加圧する効果としては、単結晶育成中の原料棒からの蒸発を抑制することができて、雰囲気ガスを流す透明石英管の内壁のくもりを抑えて石英管外部からの加熱の効率を低下させることなく操作できる等が考えられる。 The crystal growth rate of the solid solution single crystal is 2.5 to 20 mm / h, preferably 5 to 15 mm / h. In the FZ method, it is generally considered that a crystal having a relatively slow growth rate has a good crystal quality. However, in the present invention, a solid crystal having excellent quality can be obtained even if the crystal growth rate is increased as compared with the conventional method. Moreover, about the pressure in the case of crystal growth, atmospheric pressure may be sufficient and you may carry out in the pressurized state. As an effect of pressurization, it is possible to suppress evaporation from the raw material rod during single crystal growth, to suppress the clouding of the inner wall of the transparent quartz tube through which atmospheric gas flows, and to reduce the efficiency of heating from the outside of the quartz tube It is possible to operate without any problems.
本発明において、酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体中の酸化アルミニウムの割合は、酸化ガリウムに対して40モル%以下であることが好ましい。酸化アルミニウムの添加量の下限は、目的とする光吸収端波長に依存するが、例えば5モル%である。この酸化アルミニウムの添加量により、230nm以上255nm未満の光吸収端波長を有する酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体が得られる。そして本発明によれば、酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体中の酸化アルミニウム量を適宜調整することにより、固溶体の光吸収端波長を調節することができる。
例えば、230nmの光吸収端波長を有する固溶体を得るためには、酸化アルミニウムを酸化ガリウムに対して約40モル%添加すればよい。
例えば、240nmの光吸収端波長を有する固溶体を得るためには、酸化アルミニウムを酸化ガリウムに対して約25モル%添加すればよい。
例えば、250nmの光吸収端波長を有する固溶体を得るためには、酸化アルミニウムを酸化ガリウムに対して約5モル%添加すればよい。
なお、酸化アルミニウムの添加量を多くする場合は、上記結晶成長速度を速めに設定するのが好ましい(例えば、酸化アルミニウムを酸化ガリウムに対して約40モル%添加する場合は、結晶成長速度は12.5mm/hまで速くするのが好ましい。)
In the present invention, the proportion of aluminum oxide in the aluminum oxide-gallium oxide solid solution is preferably 40 mol% or less with respect to gallium oxide. The lower limit of the added amount of aluminum oxide is, for example, 5 mol%, although it depends on the target light absorption edge wavelength. Depending on the amount of aluminum oxide added, an aluminum oxide-gallium oxide solid solution having a light absorption edge wavelength of 230 nm or more and less than 255 nm can be obtained. According to the present invention, the light absorption edge wavelength of the solid solution can be adjusted by appropriately adjusting the amount of aluminum oxide in the aluminum oxide-gallium oxide solid solution.
For example, in order to obtain a solid solution having a light absorption edge wavelength of 230 nm, aluminum oxide may be added at about 40 mol% with respect to gallium oxide.
For example, in order to obtain a solid solution having a light absorption edge wavelength of 240 nm, aluminum oxide may be added at about 25 mol% with respect to gallium oxide.
For example, in order to obtain a solid solution having a light absorption edge wavelength of 250 nm, aluminum oxide may be added at about 5 mol% with respect to gallium oxide.
When increasing the amount of aluminum oxide added, it is preferable to set the crystal growth rate faster (for example, when adding about 40 mol% of aluminum oxide to gallium oxide, the crystal growth rate is 12%. It is preferable to speed up to 5 mm / h.)
こうして得られた本発明の酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体は、切断等により形状を整え、主面に研磨を行って平坦にすることで、窒化物半導体膜成長用あるいは酸化物半導体膜成長用の基板として有用である。本発明の基板を用いて窒化物半導体膜あるいは酸化物半導体膜を成長させる方法は、とくに限定されず、公知の成長方法を適用することができる。例えばMOCVD法、HVPE法、MBE法(分子線エピタキシー法)、PLD法(パルスレーザ蒸着法)などを用いることが好ましい。 The thus obtained aluminum oxide-gallium oxide solid solution of the present invention is shaped by cutting or the like, and is polished and flattened on the main surface, thereby forming a substrate for growing a nitride semiconductor film or an oxide semiconductor film. Useful as. A method for growing a nitride semiconductor film or an oxide semiconductor film using the substrate of the present invention is not particularly limited, and a known growth method can be applied. For example, it is preferable to use MOCVD method, HVPE method, MBE method (molecular beam epitaxy method), PLD method (pulse laser deposition method) and the like.
以下、本発明を実施例によりさらに説明するが、本発明は下記例に制限されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further, this invention is not restrict | limited to the following example.
例1(酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体の調製例)
出発原料としてβ- Ga2O3粉末(純度4N)とα-Al2O3粉末(純度4N)を混合した。なお、β- Ga2O3粉末とα-Al2O3粉末との混合比率は、β- Ga2O3に対しα-Al2O3が10モル%である。混合粉末をラバーチューブに封入後、静水圧でプレス成形し、直径約10mmφ、長さ約8cmのロッド状の成形体を作製した。このようにして混合した成形体を大気中、電気炉中で加熱、焼結し焼結体を作製した。焼結条件は、温度1600℃、焼結時間は10時間である。この焼結体を原料棒として、種結晶には予めFZ法で作製したβ- Ga2O3単結晶(種結晶)を用いてFZ法により酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体を調製した。FZ法条件は以下のとおりである。装置としては、市販の光FZ装置(キャノンマシナリー社製商品名iAce)を用い、酸素を20vol%含む窒素―酸素の混合ガス雰囲気下、圧力1気圧、種結晶と原料棒の回転数を20rpmとし、固溶体の単結晶を成長させた。該単結晶の成長速度は7.5mm/hであった。
図1は、上記の調製例で得られた固溶体の単結晶を粉末X線回折で分析した結果を示す図である。図1の固溶体の単結晶の回折パターンから、α-Al2O3添加の影響を受けてピークが高角度側に多少シフトしているのがわかるが、β- Ga2O3と同定された。α-Al2O3添加によるGa2O3との反応生成物として考えられるGaAlO3は検出されなかった。
Example 1 (Preparation example of aluminum oxide-gallium oxide solid solution)
As starting materials, β-Ga 2 O 3 powder (purity 4N) and α-Al 2 O 3 powder (purity 4N) were mixed. In addition, the mixing ratio of β-Ga 2 O 3 powder and α-Al 2 O 3 powder is 10 mol% of α-Al 2 O 3 with respect to β-Ga 2 O 3 . After the mixed powder was sealed in a rubber tube, it was press-molded under hydrostatic pressure to produce a rod-shaped molded body having a diameter of about 10 mmφ and a length of about 8 cm. The molded body thus mixed was heated and sintered in the air and in an electric furnace to produce a sintered body. The sintering conditions are a temperature of 1600 ° C. and a sintering time of 10 hours. Using this sintered body as a raw material rod, a β-Ga 2 O 3 single crystal (seed crystal) prepared in advance by the FZ method was used as a seed crystal to prepare an aluminum oxide-gallium oxide solid solution by the FZ method. The FZ method conditions are as follows. As a device, a commercially available optical FZ device (trade name iAce manufactured by Canon Machinery Co., Ltd.) is used. In a nitrogen-oxygen mixed gas atmosphere containing 20 vol% of oxygen, the pressure is 1 atm, and the rotation speed of the seed crystal and the raw material rod is 20 rpm. A single crystal of a solid solution was grown. The growth rate of the single crystal was 7.5 mm / h.
FIG. 1 is a diagram showing the results of analyzing a solid solution single crystal obtained in the above preparation example by powder X-ray diffraction. From the diffraction pattern of the single crystal of the solid solution in FIG. 1, it can be seen that the peak is slightly shifted to the high angle side under the influence of α-Al 2 O 3 addition, but it was identified as β-Ga 2 O 3 . . GaAlO 3 considered as a reaction product with Ga 2 O 3 by addition of α-Al 2 O 3 was not detected.
また、上記調製例において、酸化アルミニウムの添加量を酸化ガリウムに対して0モル%(nonDope)、1モル%(Al 1%)、5モル%(Al 5%)に変更した場合の、固溶体の単結晶の格子定数の変化をX線回折により測定した。その結果を図2に示す。なお、図2では、上記調製例の場合(酸化アルミニウムの添加量=10モル%(Al 10%))も併せて示した。図2(a)〜(b)において、縦軸は、a軸、b軸またはc軸の長さ(Å)を表し、横軸は、酸化アルミニウムの添加量を表している。また図2(c)において、縦軸は、ユニットセル堆積(Å3)を表し、横軸は、酸化アルミニウムの添加量を表している。図2から、サンカアルミニウムの添加量が多くなるほどa,b,cの各軸の長さが短くなり、従ってユニットセル体積も減少しているのがわかる。これは、Gaのイオン半径が0.62Åに対し、Alのイオン半径は0.54Åと小さいため、GaサイトにAlが置換したためと考えられる。この格子定数の変化から、添加したAlはGaサイトに置換し、固溶体(混晶)を形成したことが示唆される。
これを確認するため、さらに固溶体の単結晶中の固溶状態を電子線プローブ顕微鏡(EPMA)を用いて分析した。図3は、EPMAによるGa、O、Al、の各元素マッピング分析結果を示す図である。Al元素をみると(図中右下)、ほぼ均一に分布しているのがわかる。
さらにこの酸化ガリウム中に固溶したAlの状態分析をEPMAで行なった。その結果を図4に示す。一般にAlKαのスペクトルピークの形状、強度比からAlとAl化合物の状態が識別できることが知られており、AlとAl2O3ではスペクトル形状が異なる(図5参照)。図4に示すEPMA状態分析によるスペクトル形状をみると、AlよりAl2O3を示す形状に近い。このことから酸化ガリウム中のAlはAl2O3として固溶していることがわかる。すなわち、酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体が得られたと考えられる。
In the above preparation example, the amount of aluminum oxide added to 0 mol% (nonDope), 1 mol% (
In order to confirm this, the solid solution state in the single crystal of the solid solution was further analyzed using an electron probe microscope (EPMA). FIG. 3 is a diagram showing results of elemental mapping analysis of Ga, O, and Al by EPMA. Looking at the Al element (lower right in the figure), you can see that it is distributed almost uniformly.
Furthermore, the state analysis of Al dissolved in this gallium oxide was performed by EPMA. The result is shown in FIG. In general, it is known that the state of Al and Al compounds can be identified from the shape and intensity ratio of the spectrum peak of AlKα, and the spectrum shapes of Al and Al 2 O 3 are different (see FIG. 5). When the spectrum shape by the EPMA state analysis shown in FIG. 4 is seen, it is closer to the shape showing Al 2 O 3 than Al. This shows that Al in gallium oxide is dissolved as Al 2 O 3 . That is, it is considered that an aluminum oxide-gallium oxide solid solution was obtained.
例2
出発原料としてβ- Ga2O3粉末(純度4N)とα-Al2O3粉末(純度4N)を乳鉢中で混合した。なお、β- Ga2O3粉末とα-Al2O3粉末との混合比率は、β- Ga2O3に対しα-Al2O3が0モル%、5モル%または10モル%とした。この混合粉末をラバーチューブに封入し、静水圧でプレス成形し、大気中1600℃、10時間で焼結した。この焼結体を原料棒として、種結晶には予めFZ法で作製したβ- Ga2O3単結晶(種結晶)を用いてFZ法により酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体を調製した。FZ法条件は以下のとおりである。装置としては、市販の光FZ装置(キャノンマシナリー社製商品名iAce)を用い、水分が0.1%以下であるドライエア雰囲気下、圧力1気圧、種結晶と原料棒の回転数を20rpmとし、固溶体の単結晶を成長させた。該単結晶の成長速度は7.5mm/hであった。得られた固溶体の単結晶を切断し、CMP(化学機械)研磨により厚さ0.4mmのウエハ状に加工した。この場合の結晶方位は(100)面である。
これをサンプルとして、透過率を測定した結果を図6に示す。破線(3)は酸化アルミニウムを含まない無添加の酸化ガリウム単結晶であり、その光吸収端波長は255nmであるが、実線(2)で示す酸化アルミニウムを5モル%添加した固溶体の単結晶では光吸収端波長が250nm、実線(1)で示す酸化アルミニウムを10モル%添加した固溶体の単結晶では光吸収端波長が245nmであり、酸化アルミニウムの添加量が多くなるほど、光吸収端波長が短波長側にシフトしているのがわかる。この結果は、酸化アルミニウムを添加することで光吸収端波長を短波長側に調整できることを示している。
Example 2
As starting materials, β-Ga 2 O 3 powder (purity 4N) and α-Al 2 O 3 powder (purity 4N) were mixed in a mortar. Incidentally, beta-Ga 2 O 3 powder and the mixing ratio of α-Al 2 O 3 powder, beta-Ga 2 O 3 to α-Al 2 O 3 is 0 mol%, and 5 mol% or 10 mol% did. This mixed powder was sealed in a rubber tube, press-molded with hydrostatic pressure, and sintered in the atmosphere at 1600 ° C. for 10 hours. Using this sintered body as a raw material rod, a β-Ga 2 O 3 single crystal (seed crystal) prepared in advance by the FZ method was used as a seed crystal to prepare an aluminum oxide-gallium oxide solid solution by the FZ method. The FZ method conditions are as follows. As a device, a commercially available optical FZ device (trade name iAce, manufactured by Canon Machinery Co., Ltd.) was used. In a dry air atmosphere with a moisture content of 0.1% or less, the pressure was 1 atm, and the rotation speed of the seed crystal and the raw material rod was 20 rpm. Single crystals of solid solution were grown. The growth rate of the single crystal was 7.5 mm / h. The obtained solid solution single crystal was cut and processed into a wafer having a thickness of 0.4 mm by CMP (chemical mechanical) polishing. The crystal orientation in this case is the (100) plane.
FIG. 6 shows the result of measuring the transmittance using this as a sample. The broken line (3) is an additive-free gallium oxide single crystal that does not contain aluminum oxide, and its light absorption edge wavelength is 255 nm. In the solid solution single crystal to which 5 mol% of aluminum oxide is added as indicated by the solid line (2), The light absorption edge wavelength of the solid solution single crystal added with 10 mol% of the aluminum oxide indicated by the solid line (1) is 250 nm, and the light absorption edge wavelength is shorter as the added amount of aluminum oxide is increased. It can be seen that there is a shift to the wavelength side. This result shows that the light absorption edge wavelength can be adjusted to the short wavelength side by adding aluminum oxide.
例3
例2で調製した酸化アルミニウムの添加量が5モル%(5mol Al2O3)および10モル%(10mol Al2O3)の固溶体の単結晶のカソードルミネッセンス(CL)測定を行ない、発光特性を評価した。図7は(100)面に対して室温測定したCLスペクトル結果を示す図である。図7において、実線(4)は酸化アルミニウムの添加量が5モル%(5mol Al2O3)のCL測定結果、実線(5)は10モル%(10mol Al2O3)のCL測定結果、実線(6)は酸化アルミニウムを含まない無添加の酸化ガリウム単結晶(nonドープ)のCL測定結果である。酸化アルミニウムの添加量が多くなるほど、発光波長は低エネルギー側にシフトしているのがわかる。これは例2の光吸収端波長の短波長化に対応した結果を示すものである。
Example 3
Cathodoluminescence (CL) measurement of a single crystal of a solid solution having an aluminum oxide addition amount of 5 mol% (5 mol Al2O3) and 10 mol% (10 mol Al2O3) prepared in Example 2 was performed to evaluate the light emission characteristics. FIG. 7 is a diagram showing a CL spectrum result measured at room temperature with respect to the (100) plane. In FIG. 7, the solid line (4) is the CL measurement result when the amount of aluminum oxide added is 5 mol% (5 mol Al2O3), the solid line (5) is the CL measurement result of 10 mol% (10 mol Al2O3), and the solid line (6) is the oxidation. It is a CL measurement result of an additive-free gallium oxide single crystal (non-doped) that does not contain aluminum. It can be seen that as the amount of aluminum oxide added increases, the emission wavelength shifts to the lower energy side. This shows the result corresponding to the shortening of the light absorption edge wavelength in Example 2.
以上の実施例からも分かるように、酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体の単結晶中の酸化アルミニウム量を調整することで、その光吸収端波長およびCL発光波長位置を調節することができる。具体的には、酸化アルミニウムの添加量が多くなるほど、光吸収端波長が短波長化するとともに、CL発光波長位置も低エネルギー側にシフトし、該単結晶の短波長化が実現できる。本発明の固溶体は、今後の光デバイスの短波長化に対応した材料として有用である。 As can be seen from the above examples, the light absorption edge wavelength and the CL emission wavelength position can be adjusted by adjusting the amount of aluminum oxide in the aluminum oxide-gallium oxide solid solution single crystal. Specifically, as the added amount of aluminum oxide increases, the light absorption edge wavelength is shortened, and the CL emission wavelength position is also shifted to the lower energy side, and the single crystal can be shortened. The solid solution of the present invention is useful as a material corresponding to future shortening of the wavelength of optical devices.
本発明によれば、表示、通信、記録機器などの各分野に用いられる発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)などの半導体発光素子用基板として有用な酸化アルミニウム−酸化ガリウム固溶体およびその製造方法を提供できる。 According to the present invention, an aluminum oxide-gallium oxide solid solution useful as a substrate for a semiconductor light emitting element such as a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) used in various fields such as display, communication, and recording equipment, and a method for producing the same. Can provide.
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