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JP4876002B2 - Melt composition for growing gallium nitride single crystal and method for growing gallium nitride single crystal - Google Patents

Melt composition for growing gallium nitride single crystal and method for growing gallium nitride single crystal Download PDF

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JP4876002B2
JP4876002B2 JP2007063110A JP2007063110A JP4876002B2 JP 4876002 B2 JP4876002 B2 JP 4876002B2 JP 2007063110 A JP2007063110 A JP 2007063110A JP 2007063110 A JP2007063110 A JP 2007063110A JP 4876002 B2 JP4876002 B2 JP 4876002B2
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crystal
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史郎 山崎
孝友 佐々木
勇介 森
史朗 川村
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Description

本発明は、窒化ガリウム単結晶育成用融液組成物および窒化ガリウム単結晶を育成する方法に関するものである。   The present invention relates to a melt composition for growing a gallium nitride single crystal and a method for growing a gallium nitride single crystal.

窒化ガリウムは、優れた青色発光素子として注目を集めており、発光ダイオードや半導体レーザーダイオード用材料として実用化されている。最近、融液からフラックス法によって窒化ガリウム単結晶を育成する方法が注目されている。   Gallium nitride has attracted attention as an excellent blue light-emitting device, and has been put to practical use as a material for light-emitting diodes and semiconductor laser diodes. Recently, a method of growing a gallium nitride single crystal from a melt by a flux method has attracted attention.

Ga-Na-A(Li, K, Rb,
Cs, Fr)-B(Ca, Sr, Ba, Ra)系の組成を有する融液を用いてフラックス法によってGaN単結晶を育成することが特許文献1に開示されている。ただし、ここで、A群の元素とB群の少なくとも一方の中から1個以上の元素を選択する。
PCT WO 2004/013385 A1
Ga-Na-A (Li, K, Rb,
Patent Document 1 discloses growing a GaN single crystal by a flux method using a melt having a composition of Cs, Fr) -B (Ca, Sr, Ba, Ra). However, here, one or more elements are selected from at least one of the elements of group A and group B.
PCT WO 2004/013385 A1

更に、Ga-Li-A(Na, K, Rb,
Cs, Fr)-B(Ca, Sr, Ba, Ra) 系の組成を有する融液を用いてフラックス法によってGaN単結晶を育成することが特許文献2に開示されている。ただし、ここで、A群の元素とB群の少なくとも一方の中から1個以上の元素を選択する。
PCT WO 2004/067814 A1
Furthermore, Ga-Li-A (Na, K, Rb,
Patent Document 2 discloses that a GaN single crystal is grown by a flux method using a melt having a composition of Cs, Fr) -B (Ca, Sr, Ba, Ra). However, here, one or more elements are selected from at least one of the elements of group A and group B.
PCT WO 2004/067814 A1

更に、Ga-Na-A(少量のアルカリ土類)系の組成を有する融液を用いてフラックス法によってGaN結晶を育成することが特許文献3に開示されている。アルカリ土類の添加量はGaの1モル量に対して0.002から0.05モルとしている。特許文献3の実施例IIIでは、ナトリウム、ガリウムおよびバリウムを含有する融液を使用してGaN単結晶の育成を試みている。
US Patent 5,868,837
Further, Patent Document 3 discloses that a GaN crystal is grown by a flux method using a melt having a Ga-Na-A (a small amount of alkaline earth) composition. The amount of alkaline earth added is 0.002 to 0.05 mol per mol of Ga. In Example III of Patent Document 3, an attempt is made to grow a GaN single crystal using a melt containing sodium, gallium and barium.
US Patent 5,868,837

Naフラックス法によるGaN結晶の育成において、融液にLiを添加すると、結晶の平坦度や透明度が向上することが知られている(非特許文献1)。
Jpn. J. Appl. Phys. 42 (2003)L565.
In the growth of GaN crystals by the Na flux method, it is known that when Li is added to the melt, the flatness and transparency of the crystals are improved (Non-Patent Document 1).
Jpn. J. Appl. Phys. 42 (2003) L565.

また、Li添加量が多いと、GaN結晶中にLiが取り込まれることがわかっている(非特許文献2)。GaN単結晶中にLiが取り込まれると、中心波長約511nmの不純物帯発光が増加する。
2005年秋季 第66回応用物理学会学術講演会予稿集I、7a-X-7
Further, it is known that when the amount of Li added is large, Li is taken into the GaN crystal (Non-patent Document 2). When Li is taken into the GaN single crystal, impurity band emission with a center wavelength of about 511 nm increases.
Autumn 2005 Proceedings of the 66th Japan Society of Applied Physics, I, 7a-X-7

本発明者は、Ga−Na系融液を用いてGaN単結晶をフラックス法で育成するのに際して、Liに代わる添加金属元素として、種々の元素を検討した。この結果、アルカリ金属元素であるカルシウムを添加した場合には、結晶色は灰色かつ透明であったが、結晶から青色の発光が観察され、またアルミナルツボが激しく腐食した。また、ストロンチウムを添加した場合には、やはり結晶から黄緑色の発光が観測された。   The present inventor examined various elements as additive metal elements in place of Li when growing a GaN single crystal by a flux method using a Ga—Na based melt. As a result, when calcium, which is an alkali metal element, was added, the crystal color was gray and transparent, but blue light emission was observed from the crystal, and the alumina crucible was severely corroded. In addition, when strontium was added, yellow-green light emission was also observed from the crystals.

特許文献3のように、ガリウムおよびバリウムを含有する融液を使用したGaN単結晶の育成も試みた。この結果として、結晶からの発光が抑制されることを見いだした。しかし、得られた結晶の平坦性が低くなることも判明した。結晶の平坦性が悪くなると、歩留りが低下し、また素子としての特性が低下する。   As in Patent Document 3, an attempt was made to grow a GaN single crystal using a melt containing gallium and barium. As a result, it was found that light emission from the crystal was suppressed. However, it was also found that the flatness of the obtained crystal was lowered. When the flatness of the crystal is deteriorated, the yield is lowered and the characteristics as an element are also lowered.

本発明の課題は、Ga−Na系融液を用いてGaN単結晶をフラックス法で育成するのに際して、結晶の不純物帯発光を低減し、透明度を向上させると共に、得られた結晶の平坦性も向上させることである。   The object of the present invention is to reduce the impurity band emission of the crystal and improve the transparency when the GaN single crystal is grown by the flux method using the Ga—Na based melt, and the flatness of the obtained crystal is also improved. It is to improve.

本発明は、窒化ガリウム単結晶をフラックス法によって育成するための融液組成物であって、
ガリウム、ナトリウム、バリウムおよびリチウムを含有しており、ナトリウムの量を100mol%としたときのバリウムとリチウムとの合計量が0.02〜1.0mol%であり、バリウムの量が0.01〜0.5mol%であり、リチウムの量が0.01〜0.5mol%であることを特徴とする。
The present invention is a melt composition for growing a gallium nitride single crystal by a flux method,
It contains gallium, sodium, barium and lithium, and the total amount of barium and lithium is 0.02 to 1.0 mol% and the amount of barium is 0.01 to 0.5 mol% when the amount of sodium is 100 mol% The amount of lithium is 0.01 to 0.5 mol%.

また、本発明は、前記融液組成物からフラックス法によって窒化ガリウム単結晶を育成する方法に係るものである。   The present invention also relates to a method for growing a gallium nitride single crystal from the melt composition by a flux method.

本発明によれば、比較的透明なGaN単結晶が得られるだけでなく、不純物元素の単結晶中への取り込みに起因する不要な発光が著しく低減され、しかも結晶の平坦性が向上する。   According to the present invention, not only a relatively transparent GaN single crystal is obtained, but also unnecessary light emission due to incorporation of impurity elements into the single crystal is remarkably reduced, and the flatness of the crystal is improved.

例えばリチウム、カルシウム、ストロンチウム元素はアルカリ金属、アルカリ土類金属元素であるが、Ga−Na融液にカルシウムを添加すると、青色の不純物帯発光が見られた。また、Ga−Na系融液にストロンチウムを添加すると、黄緑色の不純物帯発光が見られた。この発光は、リチウムを添加した場合に類似していた。更に、Ga−Na融液(添加金属なし)で単結晶を育成した場合にも、得られた単結晶には青色の発光が観測される。
特許文献3では、ガリウムおよびバリウムを含有する融液を使用したGaN単結晶の育成は試みられているが、結晶からの発光については記載がなく、予測もできない。
For example, lithium, calcium, and strontium elements are alkali metal and alkaline earth metal elements. When calcium is added to the Ga—Na melt, blue impurity band emission is observed. Further, when strontium was added to the Ga—Na-based melt, yellow-green impurity band emission was observed. This luminescence was similar to that when lithium was added. Furthermore, even when a single crystal is grown with a Ga—Na melt (no added metal), blue light emission is observed in the obtained single crystal.
In Patent Document 3, an attempt is made to grow a GaN single crystal using a melt containing gallium and barium, but light emission from the crystal is not described and cannot be predicted.

従って、Ga−Na系融液に対してバリウムとリチウムとを同時に添加した場合に、GaN単結晶からの発光を著しく低減でき、しかも結晶の平坦性を向上させ得ることは、これらの従来技術からは予測できない作用効果である。   Therefore, when barium and lithium are simultaneously added to the Ga—Na-based melt, light emission from the GaN single crystal can be remarkably reduced and the flatness of the crystal can be improved. Is an unexpected effect.

本発明の融液組成物を製造する際には、少なくとも、ガリウム原料物質、ナトリウム原料物質、バリウム原料物質、およびリチウム原料物質を混合し、溶融させる。   When producing the melt composition of the present invention, at least a gallium raw material, a sodium raw material, a barium raw material, and a lithium raw material are mixed and melted.

ガリウム原料物質としては、ガリウム単体金属、ガリウム合金(例えばGaNa)を適用できるが、ガリウム単体金属が取扱いの上からも好適である。 As the gallium source material, a gallium simple metal or a gallium alloy (for example, Ga 4 Na) can be applied, but a gallium simple metal is also preferable in terms of handling.

ナトリウム原料物質としては、ナトリウム単体金属、ナトリウム合金(例えばGaNa)を適用できるが、ナトリウム単体金属が取扱いの上からも好適である。 As the sodium raw material, a sodium simple metal or a sodium alloy (for example, Ga 4 Na) can be applied, but a sodium simple metal is also preferable in terms of handling.

バリウム原料物質としては、バリウム単体金属、バリウム合金(例えばBaGa、GaGa、BaGa、Ba10Ga)、バリウム化合物(例えばBa)を適用できるが、単体金属が取扱いの上からも好適である。 As the barium source material, a barium simple metal, a barium alloy (for example, Ba 8 Ga 7 , GaGa 2 , BaGa 4 , Ba 10 Ga) or a barium compound (for example, Ba 3 N 2 ) can be used. Is also preferable.

リチウム原料物質としては、リチウム単体金属、リチウム合金(Ga14Li、GaLi、GaLi)、リチウム化合物(LiGaN)を適用できるが、リチウム単体金属が好適である。 As the lithium source material, a lithium simple metal, a lithium alloy (Ga 14 Li 3 , Ga 2 Li, GaLi), or a lithium compound (Li 3 GaN 2 ) can be applied, but a lithium simple metal is preferable.

融液におけるガリウムとナトリウムとのモル比率は特に限定されない。例えば、ナトリウムの量を100mol%としたとき、ガリウムのモル数は、10mol%以上であることが好ましく、25mol%以上であることが更に好ましい。また、ガリウムのモル数は、60mol%以下であることが好ましく、50mol%以下であることが更に好ましい。ナトリウムに対して、ガリウムが少ないと、結晶成長によるガリウム原料が枯渇しやすく、多すぎると窒素溶解度が少なくなり、結晶成長が困難となる。   The molar ratio of gallium and sodium in the melt is not particularly limited. For example, when the amount of sodium is 100 mol%, the number of moles of gallium is preferably 10 mol% or more, and more preferably 25 mol% or more. The number of moles of gallium is preferably 60 mol% or less, and more preferably 50 mol% or less. If the amount of gallium is less than that of sodium, the gallium raw material due to crystal growth tends to be depleted.

融液におけるナトリウムの量を100mol%としたとき、バリウムとリチウムとの合計モル数は、0.02mol%以上とし、0.1mol%以上であることが更に好ましい。また、バリウムとリチウムとの合計モル数は、1.0mol%以下とし、0.6mol%以下であることが更に好ましい。
When the amount of sodium in the melt is 100 mol%, the total number of moles of barium and lithium is 0.02 mol% or more, and more preferably 0.1 mol% or more. The total number of moles of barium and lithium is 1.0 mol% or less, and more preferably 0.6 mol% or less.

融液におけるナトリウムの量を100mol%としたとき、バリウムのモル数は、0.01mol%以上とし、0.05mol%以上であることが更に好ましい。また、バリウムのモル数は、0.5mol%以下とし、0.3mol%以下であることが更に好ましい。少なすぎると効果が得られにくく、多すぎると、多核発生しやすくなり、良質な結晶が得られにくくなってしまう。
When the amount of sodium in the melt is 100 mol%, the number of moles of barium is 0.01 mol% or more, and more preferably 0.05 mol% or more. The number of moles of barium is 0.5 mol% or less, and more preferably 0.3 mol% or less. If the amount is too small, it is difficult to obtain the effect, and if the amount is too large, multinuclei are likely to be generated, and it becomes difficult to obtain good quality crystals.

融液におけるナトリウムの量を100mol%としたとき,リチウムのモル数は、0.01mol%以上とし、0.05mol%以上であることが更に好ましい。また、リチウムのモル数は、0.5mol%以下とし、0.3mol%以下であることが更に好ましい。少なすぎると添加する効果が現れにくく、多すぎると結晶中に取り込まれやすくなり、不純物帯発光が増えてしまう。 When the amount of sodium in the melt is 100 mol%, the number of moles of lithium is 0.01 mol% or more, and more preferably 0.05 mol% or more. Further, the number of moles of lithium is 0.5 mol% or less, and more preferably 0.3 mol% or less. If the amount is too small, the effect of adding is difficult to appear. If the amount is too large, it is likely to be incorporated into the crystal and the emission of impurity bands increases.

融液には、ガリウム、ナトリウム、バリウム、リチウム以外にも、例えばカルシウム、アルミニウム、インジウム、錫、亜鉛、ビスマス、アンチモン、シリコン、マグネシウムなどを添加できる。   In addition to gallium, sodium, barium, and lithium, for example, calcium, aluminum, indium, tin, zinc, bismuth, antimony, silicon, magnesium, and the like can be added to the melt.

融液の反応を行なうための育成容器の材質は特に限定されず、目的とする加熱および加圧条件において耐久性のある材料であればよい。こうした材料としては、金属タンタル、タングステン、モリブデンなどの高融点金属、アルミナ、サファイア、イットリアなどの酸化物、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ホウ素などの窒化物セラミックス、タングステンカーバイド、タンタルカーバイドなどの高融点金属の炭化物、p−BN(パイロリティックBN)、p−Gr(パイロリティックグラファイト)などの熱分解生成体が挙げられる。これらの中でも、アルミナ(サファイア)が最も好適である。   The material of the growth vessel for performing the reaction of the melt is not particularly limited as long as the material is durable under the intended heating and pressurizing conditions. Examples of such materials include refractory metals such as tantalum, tungsten, and molybdenum, oxides such as alumina, sapphire, and yttria, nitride ceramics such as aluminum nitride, titanium nitride, zirconium nitride, and boron nitride, tungsten carbide, tantalum carbide, and the like. And pyrolytic products such as p-BN (pyrolytic BN) and p-Gr (pyrolytic graphite). Among these, alumina (sapphire) is most preferable.

本発明を実施する際には、例えば、少なくとも窒素ガスおよび/またはアンモニアを含む雰囲気下で、原料混合物を溶融させ、融液を生成させる。そして、所定の単結晶成長条件とする。このような条件は限定されないが、雰囲気の全圧は、3〜200MPaとすることが好ましい。また、育成温度は、800〜1200℃とすることが好ましく、850〜1000℃とすることが更に好ましい。   In carrying out the present invention, for example, the raw material mixture is melted in an atmosphere containing at least nitrogen gas and / or ammonia to generate a melt. And it is set as predetermined single crystal growth conditions. Such conditions are not limited, but the total pressure of the atmosphere is preferably 3 to 200 MPa. The growth temperature is preferably 800 to 1200 ° C, and more preferably 850 to 1000 ° C.

雰囲気中の窒素、アンモニア以外のガスは限定されないが、不活性ガスが好ましく、アルゴン、ヘリウム、ネオンが特に好ましい。   Gases other than nitrogen and ammonia in the atmosphere are not limited, but inert gases are preferable, and argon, helium, and neon are particularly preferable.

窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させるための育成用基板の材質は限定されないが、サファイア、AlNテンプレート、GaNテンプレート、シリコン単結晶、SiC単結晶、MgO単結晶、スピネル(MgAl)、LiAlO2、LiGaO2、LaAlO,LaGaO,NdGaO等のペロブスカイト型複合酸化物を例示できる。また組成式〔A1−y(Sr1−xBa〕〔(Al1−zGa1−u・D〕O(Aは、希土類元素である;Dは、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の元素である;y=0.3〜0.98;x=0〜1;z=0〜1;u=0.15〜0.49;x+z=0.1〜2)の立方晶系のペロブスカイト構造複合酸化物も使用できる。また、SCAM(ScAlMgO)も使用できる。 The material of the growth substrate for epitaxially growing the gallium nitride crystal is not limited, but sapphire, AlN template, GaN template, silicon single crystal, SiC single crystal, MgO single crystal, spinel (MgAl 2 O 4 ), LiAlO 2 , LiGaO 2 , perovskite complex oxides such as LaAlO 3 , LaGaO 3 , and NdGaO 3 can be exemplified. The composition formula [A 1-y (Sr 1- x Ba x) y ] [(Al 1-z Ga z) 1-u · D u ] O 3 (A is a rare earth element; D is niobium and One or more elements selected from the group consisting of tantalum; y = 0.3-0.98; x = 0-1; z = 0-1; u = 0.15-0.49; x + z = 0 .1 to 2) cubic perovskite structure composite oxides can also be used. SCAM (ScAlMgO 4 ) can also be used.

AlNテンプレートとはAlN単結晶エピタキシャル薄膜をサファイア単結晶基板上に作成したものを言う。GaNテンプレート基板は、サファイア基板上にGaN単結晶エピタキシャル薄膜を作成したものを言う。テンプレートの膜厚は適宜であってよいが、育成開始時にメルトバックする膜厚以上が必要である。AlNテンプレートの方が、GaNテンプレートよりもメルトバックしにくく、例えば、AlNテンプレートの場合は1ミクロン以上、GaNテンプレートの場合は3ミクロン以上の膜厚があればよい。   An AlN template refers to an AlN single crystal epitaxial thin film formed on a sapphire single crystal substrate. The GaN template substrate refers to a GaN single crystal epitaxial thin film formed on a sapphire substrate. The film thickness of the template may be appropriate, but it needs to be greater than the film thickness that melts back at the start of growth. The AlN template is less likely to melt back than the GaN template. For example, the AlN template may have a film thickness of 1 micron or more, and the GaN template may have a film thickness of 3 microns or more.

単結晶育成装置において、原料混合物を加熱して融液を生成させるための装置は特に限定されない。この装置は熱間等方圧プレス装置が好ましいが、それ以外の雰囲気加圧型加熱炉であってもよい。   In the single crystal growth apparatus, an apparatus for heating the raw material mixture to generate a melt is not particularly limited. This apparatus is preferably a hot isostatic pressing apparatus, but other atmospheric pressure heating furnaces may be used.

単結晶製造の際には、例えば図1に模式的に示すように、複数の発熱体6A、6B、6Cを上下方向に設置し、発熱体ごとに発熱量を独立して制御する。つまり、上下方向へと向かって多ゾーン制御を行なう。圧力容器内は高温、高圧となるので、上下方向の温度勾配を制御することは一般には難しいが、複数の発熱体を上下方向に設置し、各発熱体をゾーン制御することによって、融液内部における温度差を最適に制御できる。   In the production of a single crystal, for example, as schematically shown in FIG. 1, a plurality of heating elements 6A, 6B, 6C are installed in the vertical direction, and the heating value is independently controlled for each heating element. That is, multi-zone control is performed in the vertical direction. It is generally difficult to control the temperature gradient in the vertical direction because the inside of the pressure vessel is high temperature and high pressure, but it is difficult to control the temperature gradient in the vertical direction. The temperature difference at can be optimally controlled.

各発熱体を発熱させ、気体タンク1、圧力制御装置2、配管3を通して、雰囲気制御用容器4内の育成容器7へと窒素含有雰囲気を流し、加熱および加圧すると、育成容器内で混合原料がすべて溶解し、融液を生成する。ここで、所定の単結晶育成条件を保持すれば、窒素が育成原料融液中に安定して供給され、種結晶上に単結晶膜が成長する。   When each heating element is heated, a nitrogen-containing atmosphere is passed through the gas tank 1, the pressure control device 2, and the pipe 3 to the growth vessel 7 in the atmosphere control vessel 4, and when heated and pressurized, the mixed raw materials are mixed in the growth vessel. All dissolve and form a melt. Here, if the predetermined single crystal growth conditions are maintained, nitrogen is stably supplied into the growth raw material melt, and a single crystal film grows on the seed crystal.

発熱体の材質は特に限定されないが、鉄-クロム-アルミ系、ニッケル-クロム系などの合金発熱体、白金、モリブデン、タンタル、タングステンなどの高融点金属発熱体、炭化珪素、モリブデンシリサイト、カーボンなどの非金属発熱体を例示できる。   The material of the heating element is not particularly limited, but alloy heating elements such as iron-chromium-aluminum and nickel-chromium, refractory metal heating elements such as platinum, molybdenum, tantalum and tungsten, silicon carbide, molybdenum silicite, carbon Non-metallic heating elements such as

(比較例1)
金属ナトリウム0.88g(0.038モル)、金属ガリウム1g(0.014モル)(金属ナトリウム100モル%に対して37mol%)、金属リチウム(Na100mol%に対して0.5mol%)をグローブボックス内で秤量した。この原料を、内径φ17mmのアルミナ製ルツボ育成容器に充填した。この際、ルツボ育成容器の底部に種結晶基板を設置した。種結晶基板として、10mm角のGaNテンプレート基板を用いた。ルツボ育成容器の底に、テンプレートの単結晶薄膜が上向きとなるように基板を水平に配置した。
(Comparative Example 1)
Metal box 0.88 g (0.038 mol), metal gallium 1 g (0.014 mol) (37 mol% with respect to 100 mol% metal sodium), metal lithium (0.5 mol% with respect to 100 mol% Na) glove box Weighed inside. This raw material was filled into an alumina crucible growing container having an inner diameter of φ17 mm. At this time, a seed crystal substrate was placed at the bottom of the crucible growing container. A 10 mm square GaN template substrate was used as a seed crystal substrate. The substrate was placed horizontally on the bottom of the crucible growing container so that the single crystal thin film of the template was facing upward.

次いで、ルツボを育成装置内にセットし、窒素ガスで3.5MPaに加圧した。870℃で100時間保持してGaN単結晶を育成した。この際、揺動の周期は10rpmとし、揺動角度は15°とした。室温まで自然放冷した後、育成装置からルツボ育成容器を取り出し、エタノール中で処理することにより、Na、Baを溶解させた。その後、薄い塩酸につけ、残ったGaを除去し、GaN単結晶を取り出した。得られたGaN単結晶は、ほぼテンプレートと同じ形状であり、1周り大きくなっていた。結晶の寸法は、約11mm×11mm×厚さ約0.6mmであった。結晶は少し褐色を呈していたが、透明であった。クラックや雑晶の取り込みは見られなかった。この写真を図2に示す。   Subsequently, the crucible was set in the growing apparatus and pressurized to 3.5 MPa with nitrogen gas. A GaN single crystal was grown by holding at 870 ° C. for 100 hours. At this time, the oscillation cycle was 10 rpm and the oscillation angle was 15 °. After natural cooling to room temperature, the crucible growing container was taken out from the growing apparatus and treated in ethanol to dissolve Na and Ba. Then, it was put on thin hydrochloric acid, the remaining Ga was removed, and the GaN single crystal was taken out. The obtained GaN single crystal had almost the same shape as the template, and was one size larger. The crystal dimensions were about 11 mm × 11 mm × thickness about 0.6 mm. The crystals had a slight brown color but were transparent. Incorporation of cracks and miscellaneous crystals was not observed. This photograph is shown in FIG.

この結晶に紫外線ランプを照射し、紫外線カットフィルターを通して可視光のみを顕微鏡にて観察し、不純物帯発光を観察したところ、黄緑色の発光が観測された(図3)。   When this crystal was irradiated with an ultraviolet lamp, only visible light was observed with a microscope through an ultraviolet cut filter, and impurity band emission was observed, and yellow-green emission was observed (FIG. 3).

(実施例1)
比較例1と同様にしてGaN単結晶を育成した。ただし、前記融液に対して、金属バリウムも添加した(Na100mol%に対してBa0.27mol%)。また、金属リチウムの量は、Na100mol%に対してLiを0.25mol%添加した。得られたGaN単結晶は、ほぼテンプレートと同じ形状であり、1周り大きくなっており、約11mm×11mm、厚さは約0.8mmであった。色はほとんど無色透明であった。クラックや雑晶の取り込みは見られなかった。この写真を図4に示す。
Example 1
A GaN single crystal was grown in the same manner as in Comparative Example 1. However, metal barium was also added to the melt (0.27 mol% Ba relative to 100 mol% Na). The amount of metallic lithium was 0.25 mol% of Li with respect to 100 mol% of Na. The obtained GaN single crystal had almost the same shape as the template, was larger by one, and was about 11 mm × 11 mm and the thickness was about 0.8 mm. The color was almost colorless and transparent. Incorporation of cracks and miscellaneous crystals was not observed. This photograph is shown in FIG.

この結晶を同様に蛍光顕微鏡にて不純物帯発光を観察したところ、黄緑色の発光がわずかに観測された(図5)。BaとLiとを同時に添加することで、図5に示すようにステップ成長するようになり、結晶表面の平坦度が向上した。また、Liのみで育成する場合に比べて、Li添加量を少なくできるため、Liのみ添加した場合に比べて不純物帯発光の量が減少していることが確認できた。   Similarly, when this crystal was observed for impurity band emission with a fluorescence microscope, slight yellow-green emission was observed (FIG. 5). By simultaneously adding Ba and Li, step growth was achieved as shown in FIG. 5, and the flatness of the crystal surface was improved. In addition, since the amount of Li addition can be reduced compared to the case of growing only with Li, it was confirmed that the amount of emission of impurity bands was reduced compared to the case where only Li was added.

(比較例2)
比較例1と同様にしてGaN単結晶を育成した。ただし、Liは添加せず、SrをNa100mol%に対して0.27mol%添加した。得られたGaN単結晶は、ほぼテンプレートと同じ形状であり、1周り大きくなっており、約11mm×11mm、厚さは約0.7mmであった。色は大部分は灰色を呈しており、エッジ部分は茶色く着色していた。クラックや雑晶の取り込みは見られなかった。この写真を図6に示す。
(Comparative Example 2)
A GaN single crystal was grown in the same manner as in Comparative Example 1. However, Li was not added, and 0.27 mol% of Sr was added to 100 mol% of Na. The obtained GaN single crystal had almost the same shape as the template, was larger by one, and was about 11 mm × 11 mm and the thickness was about 0.7 mm. The color was mostly gray and the edge was brown. Incorporation of cracks and miscellaneous crystals was not observed. This photograph is shown in FIG.

この結晶を同様に蛍光顕微鏡にて不純物帯発光を観察したところ、黄緑色の発光が観測された(図7)。また、アルミナるつぼと、種基板として用いたGaNテンプレートのサファイア部分とが、少し腐食された。   Similarly, when this crystal was observed for impurity band emission with a fluorescence microscope, yellow-green emission was observed (FIG. 7). Moreover, the alumina crucible and the sapphire portion of the GaN template used as a seed substrate were slightly corroded.

(比較例3)
比較例1と同様にしてGaN単結晶を育成した。ただし、Liを添加せず、CaをNa100mol%に対して0.1mol%添加した。得られたGaN単結晶は、ほぼテンプレートと同じ形状であり、1周り大きくなっていた。厚さは約0.6mmであった。色は大部分は濃い灰色を呈していたが透明であった。クラックや雑晶の取り込みは見られなかった。この写真を図8に示す。
(Comparative Example 3)
A GaN single crystal was grown in the same manner as in Comparative Example 1. However, Li was not added, and Ca was added at 0.1 mol% with respect to Na 100 mol%. The obtained GaN single crystal had almost the same shape as the template, and was one size larger. The thickness was about 0.6 mm. The color was mostly dark gray but transparent. Incorporation of cracks and miscellaneous crystals was not observed. This photograph is shown in FIG.

この結晶を、比較例1と同様に蛍光顕微鏡にて不純物帯発光を観察したところ、青色の発光が観測された(図9)。なお、アルミナるつぼが激しく腐食され、種基板として用いたGaNテンプレートのサファイア部分の厚さが薄くなっており、溶けていることが確認された。   When the impurity band emission of this crystal was observed with a fluorescence microscope in the same manner as in Comparative Example 1, blue emission was observed (FIG. 9). The alumina crucible was severely corroded, and it was confirmed that the sapphire portion of the GaN template used as a seed substrate was thin and melted.

本発明の実施の際に使用できる育成装置を模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the breeding apparatus which can be used in the case of implementation of this invention. リチウムを添加した比較例1において、GaN単結晶の外観を示す写真である。In Comparative example 1 which added lithium, it is a photograph which shows the external appearance of a GaN single crystal. リチウムを添加した比較例1において、GaN単結晶の蛍光顕微鏡写真である。In Comparative example 1 which added lithium, it is a fluorescence micrograph of a GaN single crystal. リチウムおよびバリウムを添加した実施例1において、GaN単結晶の外観を示す写真である。In Example 1 which added lithium and barium, it is a photograph which shows the external appearance of a GaN single crystal. リチウムおよびバリウムを添加した実施例1において、GaN単結晶の蛍光顕微鏡写真である。In Example 1 which added lithium and barium, it is a fluorescence micrograph of a GaN single crystal. ストロンチウムを添加した比較例2において、GaN単結晶の外観を示す写真である。It is a photograph which shows the external appearance of a GaN single crystal in the comparative example 2 which added strontium. ストロンチウムを添加した比較例2において、GaN単結晶の蛍光顕微鏡写真である。In Comparative example 2 which added strontium, it is a fluorescence micrograph of a GaN single crystal. カルシウムを添加した比較例3において、GaN単結晶の外観を示す写真である。It is a photograph which shows the external appearance of a GaN single crystal in the comparative example 3 which added calcium. カルシウムを添加した比較例3において、GaN単結晶の蛍光顕微鏡写真である。In the comparative example 3 which added calcium, it is a fluorescence micrograph of a GaN single crystal.

符号の説明Explanation of symbols

1 気体タンク 2 圧力制御装置 3 配管 4 雰囲気制御用容器 6A、6B、6C 発熱体 7 育成容器   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas tank 2 Pressure control apparatus 3 Piping 4 Atmosphere control container 6A, 6B, 6C Heating body 7 Growth container

Claims (2)

窒化ガリウム単結晶をフラックス法によって育成するための融液組成物であって、
ガリウム、ナトリウム、バリウムおよびリチウムを含有しており、ナトリウムの量を100mol%としたときのバリウムとリチウムとの合計量が0.02〜1.0mol%であり、バリウムの量が0.01〜0.5mol%であり、リチウムの量が0.01〜0.5mol%であることを特徴とする、融液組成物。
A melt composition for growing a gallium nitride single crystal by a flux method,
It contains gallium, sodium, barium and lithium, and the total amount of barium and lithium is 0.02 to 1.0 mol% and the amount of barium is 0.01 to 0.5 mol% when the amount of sodium is 100 mol% The melt composition is characterized in that the amount of lithium is 0.01 to 0.5 mol% .
請求項1記載の融液組成物からフラックス法によって窒化ガリウム単結晶を育成する方法。
A method for growing a gallium nitride single crystal from the melt composition according to claim 1 by a flux method.
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