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JP5318803B2 - Method and apparatus for producing nitride crystal - Google Patents

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JP5318803B2
JP5318803B2 JP2010055705A JP2010055705A JP5318803B2 JP 5318803 B2 JP5318803 B2 JP 5318803B2 JP 2010055705 A JP2010055705 A JP 2010055705A JP 2010055705 A JP2010055705 A JP 2010055705A JP 5318803 B2 JP5318803 B2 JP 5318803B2
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nitrogen
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growth
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Description

本発明は、窒化物結晶の製造方法および装置に関するものである。   The present invention relates to a method and an apparatus for producing a nitride crystal.

窒化ガリウム系III-V 窒化物は、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。フラックスを用いたIII 族窒化物結晶の育成方法が、各機関より報告されている。   Gallium nitride III-V nitride has attracted attention as an excellent blue light emitting device, and has been put into practical use as a material for light emitting diodes and semiconductor laser diodes. Each organization reports a method for growing a group III nitride crystal using a flux.

例えばナトリウムフラックス法による窒化ガリウム単結晶の成長速度は遅い。成長速度を向上させる方法が、特許文献1(WO 2005/095681 A1)、特許文献2(特開平11−292679)に記載されている。   For example, the growth rate of gallium nitride single crystals by the sodium flux method is slow. Methods for improving the growth rate are described in Patent Document 1 (WO 2005/095681 A1) and Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-292679).

特許文献1(WO 2005/095681 A1)においては、育成容器とは別に原料調製容器を設ける。そして、原料調製容器では、原料およびフラックスの融液に対して窒素を供給し、このとき温度を育成容器よりも少し高くすることによって、窒素未飽和状態とし、窒素の融液への溶解を促進する。そして、窒素が十分に溶解された融液を育成容器へと送る。育成容器では温度を相対的に低くすることで、窒素過飽和状態とし、単結晶基板上に窒化物単結晶を成長させる(特に図8および0043〜0047)。   In Patent Document 1 (WO 2005/095681 A1), a raw material preparation container is provided separately from the growth container. In the raw material preparation container, nitrogen is supplied to the raw material and the melt of the flux, and at this time, the temperature is set slightly higher than that of the growth container, thereby bringing the nitrogen into an unsaturated state and promoting dissolution of the nitrogen into the melt. To do. Then, the melt in which nitrogen is sufficiently dissolved is sent to the growth container. In the growth vessel, the temperature is relatively lowered to bring the nitrogen supersaturated state, and a nitride single crystal is grown on the single crystal substrate (particularly FIGS. 8 and 0043 to 0047).

このような原料調製容器を設けない場合には、育成容器において、窒素が融液へと十分に溶解して過飽和状態となった後で初めて結晶成長が始まる。従って、融液中に窒素が十分に溶解するまでの時間がロスになり、結晶の生産性が低下する。特許文献1では、育成容器とは別体の原料調製容器内で窒素を融液に溶解させる工程を別途行うことによって、窒化物結晶の生産性を向上させている。   In the case where such a raw material preparation container is not provided, crystal growth begins only after nitrogen is sufficiently dissolved in the melt and becomes supersaturated in the growth container. Therefore, the time until the nitrogen is sufficiently dissolved in the melt is lost, and the productivity of crystals is reduced. In Patent Document 1, the productivity of nitride crystals is improved by separately performing a step of dissolving nitrogen in the melt in a raw material preparation container separate from the growth container.

また、特許文献2(特開平11−292679)では、育成容器と原料調製容器とを分割し、育成容器内の融液と原料調製容器内の融液とを循環させている(特に図3および0027〜0030)。原料調製容器に随時原料を供給できるようにすることで、結晶成長に伴い消耗した原料を補充している。   In Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-292679), the growth container and the raw material preparation container are divided, and the melt in the growth container and the melt in the raw material preparation container are circulated (particularly in FIG. 3 and FIG. 3). 0027-0030). By allowing the raw material to be supplied to the raw material preparation container at any time, the raw material consumed with the crystal growth is replenished.

WO 2005/095681 A1WO 2005/095681 A1 特開平11−292679JP-A-11-292679

特許文献1、2記載の方法では、装置全体の単位時間当たりの結晶の生産性は向上する。しかし、それは窒素を融液に溶解させる工程を、育成容器とは別の容器で行うことで、育成容器における結晶の生産性を高める方法である。従って、従来方法に比べて、育成容器中における結晶の成長速度は何ら変わらない。例えば特許文献1の実施形態2、3、4(0040〜0042)に記載のデータでは、結晶の成長速度は15〜25μm/hrであり、従来方法と同レベルである。   In the methods described in Patent Documents 1 and 2, the crystal productivity per unit time of the entire apparatus is improved. However, it is a method of increasing the productivity of crystals in the growth vessel by performing the step of dissolving nitrogen in the melt in a vessel different from the growth vessel. Therefore, compared with the conventional method, the crystal growth rate in the growth vessel does not change at all. For example, in the data described in Embodiments 2, 3, and 4 (0040 to 0042) of Patent Document 1, the crystal growth rate is 15 to 25 μm / hr, which is the same level as the conventional method.

本発明の課題は、フラックスおよび原料を含む融液中で結晶を成長させるのに際して、結晶の成長レートを向上させ、高品質で大きな結晶を短時間で育成できるようにすることである。   An object of the present invention is to improve the growth rate of a crystal when growing the crystal in a melt containing a flux and a raw material so that a large crystal of high quality can be grown in a short time.

本発明は、フラックスおよびIII族元素原料を含む融液を窒素含有雰囲気下で加熱および加圧することによって窒化物結晶を育成する装置であって、
融液を収容し、過飽和状態に保持することによって、窒化物結晶を成長させる育成容器;
融液を加熱して未飽和状態で保持することによって、融液中に窒素を溶解させる第一の窒素溶解容器;
融液を加熱して未飽和状態で保持することによって、融液中に窒素を溶解させる第二の窒素溶解容器;
育成容器と第一の窒素溶解容器とを連結し、育成容器内の融液と第一の窒素溶解容器内の融液とを連通させる第一の連結部;
育成容器と第二の窒素溶解容器とを連結し、育成容器内の融液と第二の窒素溶解容器内の融液とを連通させる第二の連結部;および
育成容器、第一の窒素溶解容器、第二の窒素溶解容器、第一の連結部および第二の連結部を動かす駆動手段を備えていることを特徴とする。
The present invention is an apparatus for growing a nitride crystal by heating and pressurizing a melt containing a flux and a group III element raw material in a nitrogen-containing atmosphere,
A growth vessel for growing a nitride crystal by containing a melt and maintaining a supersaturated state;
A first nitrogen dissolution vessel that dissolves nitrogen in the melt by heating and maintaining the melt in an unsaturated state;
A second nitrogen dissolution vessel that dissolves nitrogen in the melt by heating and maintaining the melt in an unsaturated state;
A first connecting portion for connecting the growth vessel and the first nitrogen dissolution vessel to communicate the melt in the growth vessel with the melt in the first nitrogen dissolution vessel;
A second connecting portion for connecting the growth vessel and the second nitrogen dissolution vessel to communicate the melt in the growth vessel with the melt in the second nitrogen dissolution vessel; and the growth vessel and the first nitrogen dissolution vessel A drive means for moving the container, the second nitrogen dissolving container, the first connecting portion and the second connecting portion is provided.

また、本発明は、フラックスおよび原料を含む融液を窒素含有雰囲気下で加熱および加圧することによって窒化物結晶を育成する方法であって、
融液を収容し、過飽和状態に保持することによって、窒化物結晶を成長させる育成容器;
融液を加熱して未飽和状態で保持することによって、融液中に窒素を溶解させる第一の窒素溶解容器;
融液を加熱して未飽和状態で保持することによって、融液中に窒素を溶解させる第二の窒素溶解容器;
育成容器と第一の窒素溶解容器とを連結し、育成容器内の融液と第一の窒素溶解容器内の融液とを連通させる第一の連結部;および
育成容器と第二の窒素溶解容器とを連結し、育成容器内の融液と第二の窒素溶解容器内の融液とを連通させる第二の連結部を使用し、窒化物単結晶の育成時に育成容器、第一の窒素溶解容器、第二の窒素溶解容器、第一の連結部および第二の連結部を動かすことを特徴とする。
Further, the present invention is a method for growing a nitride crystal by heating and pressurizing a melt containing a flux and a raw material in a nitrogen-containing atmosphere,
A growth vessel for growing a nitride crystal by containing a melt and maintaining a supersaturated state;
A first nitrogen dissolution vessel that dissolves nitrogen in the melt by heating and maintaining the melt in an unsaturated state;
A second nitrogen dissolution vessel that dissolves nitrogen in the melt by heating and maintaining the melt in an unsaturated state;
A first connecting portion for connecting the growth container and the first nitrogen dissolution container to communicate the melt in the growth container with the melt in the first nitrogen dissolution container; and the growth container and the second nitrogen dissolution The first connecting unit is connected to the container, and the second connecting part is used to communicate the melt in the growth container with the melt in the second nitrogen dissolving container. The dissolution container, the second nitrogen dissolution container, the first connection part and the second connection part are moved.

本発明によれば、育成容器と別に少なくとも二つの窒素溶解容器を設け、各々の内部の融液を互いに連通させた。そして、育成容器および各窒素溶解容器の全体を駆動することによって、育成容器と各窒素溶解容器との間で融液の対流を生じさせ、各窒素溶解容器から育成容器へと、窒素が十分に溶解した融液を安定的に供給できた。これによって、育成容器内における結晶の育成レートを向上させることに成功し、本発明に到達した。   According to the present invention, at least two nitrogen dissolution containers are provided separately from the growth container, and the melts in each of them are communicated with each other. Then, by driving the entire growth container and each nitrogen dissolution container, convection of the melt is generated between the growth container and each nitrogen dissolution container, and nitrogen is sufficiently transferred from each nitrogen dissolution container to the growth container. The dissolved melt could be supplied stably. This succeeded in improving the crystal growth rate in the growth vessel and reached the present invention.

本発明の一実施形態に係る結晶製造装置を模式的に示す図であり、容器が傾斜している時点を示す。It is a figure which shows typically the crystal manufacturing apparatus which concerns on one Embodiment of this invention, and shows the time of the container inclining. 図1の装置を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows the apparatus of FIG. 1 typically. 本発明の一実施形態に係る結晶製造装置を模式的に示す図であり、容器が水平な時点を示す。It is a figure which shows typically the crystal manufacturing apparatus which concerns on one Embodiment of this invention, and shows the time when a container is horizontal.

図2に示す圧力容器17の内側に、育成容器2、第一の窒素溶解容器1、第二の窒素溶解容器3が収容されている。圧力容器17には、真空吸引管およびガス配管19が取り付けられている。真空吸引管から矢印Hのように吸引することによって,圧力容器17内を真空状態に維持することができる。また、ガス配管19から矢印Jのように窒素を供給することによって、圧力容器17の内側空間のガス圧力を制御できる。   Inside the pressure vessel 17 shown in FIG. 2, the growth vessel 2, the first nitrogen dissolving vessel 1, and the second nitrogen dissolving vessel 3 are accommodated. A vacuum suction pipe and a gas pipe 19 are attached to the pressure vessel 17. By suctioning from the vacuum suction tube as indicated by an arrow H, the inside of the pressure vessel 17 can be maintained in a vacuum state. Further, by supplying nitrogen from the gas pipe 19 as indicated by an arrow J, the gas pressure in the inner space of the pressure vessel 17 can be controlled.

育成容器2内には、融液27の原料およびフラックスを収容し、加熱および加圧することによって融液27を生成させる。育成容器2内の空間2aを窒素含有ガスで加圧することによって、融液17内へと窒素を供給し、窒素過飽和状態とし、種結晶基板13上に結晶14を成長させる。   In the growth container 2, the raw material and flux of the melt 27 are accommodated, and the melt 27 is generated by heating and pressurizing. By pressurizing the space 2 a in the growth vessel 2 with a nitrogen-containing gas, nitrogen is supplied into the melt 17 to be in a nitrogen supersaturated state, and the crystal 14 is grown on the seed crystal substrate 13.

育成容器2の一方の側には、第一の窒素溶解容器1が第一の連結部4によって取り付けられている。また、育成容器2の他方の側には、第二の窒素溶解容器3が第二の連結部5によって取り付けられている。これら第一の窒素溶解容器1、育成容器2及び第二の窒素溶解容器3は、第一の連結部4及び第二の連結部5を介して、直線状に配置されていることが好ましい。これにより、後に説明する駆動によって、より効率的に融液の対流を生じさせることができるからである。さらに好ましくは、駆動の際の揺動軸に対して略垂直となるように配置されることである(図2参照)。   On one side of the growth container 2, the first nitrogen dissolving container 1 is attached by a first connecting portion 4. A second nitrogen dissolving container 3 is attached to the other side of the growing container 2 by a second connecting portion 5. The first nitrogen dissolving container 1, the growing container 2 and the second nitrogen dissolving container 3 are preferably arranged in a straight line via the first connecting part 4 and the second connecting part 5. This is because the convection of the melt can be generated more efficiently by driving described later. More preferably, it is arranged so as to be substantially perpendicular to the swing axis during driving (see FIG. 2).

第一の窒素溶解容器1、第二の窒素溶解容器3には,それぞれ、ガス配管8および原料配管9が取り付けられている。ガス配管8はマスフローメーター10を介してボンベ11に連結されており、原料配管9はマスフローメーター10を介してタンク12に連結されている。原料配管9の出口は容器の底面近くに設けられており、ガス配管8の出口は融液上に設けられている。   A gas pipe 8 and a raw material pipe 9 are attached to the first nitrogen dissolving container 1 and the second nitrogen dissolving container 3, respectively. The gas pipe 8 is connected to the cylinder 11 via the mass flow meter 10, and the raw material pipe 9 is connected to the tank 12 via the mass flow meter 10. The outlet of the raw material pipe 9 is provided near the bottom of the container, and the outlet of the gas pipe 8 is provided on the melt.

各窒素溶解容器1、3の内側空間1a、3aには、それぞれ、所定の原料およびフラッスクが収容されており、所定の圧力および温度条件下で加熱され、融液6、28を生成している。   Predetermined raw materials and flashes are accommodated in the inner spaces 1a and 3a of the nitrogen dissolving containers 1 and 3, respectively, and heated under predetermined pressure and temperature conditions to generate melts 6 and 28. .

本例では、駆動軸16が、矢印Kで示すように揺動可能となっている。駆動軸16を矢印Kのように揺動させると、育成容器2、窒素溶解容器1、3の全体が、矢印A、Bのように揺動する。育成容器2内の融液27と、窒素溶解容器1、3内の融液6、28とは、互いに連通しているので、全体が矢印Kのように揺動すると、各融液内で対流が生じ、容器間での融液の移動が促進される。   In this example, the drive shaft 16 can swing as indicated by an arrow K. When the drive shaft 16 is swung as indicated by an arrow K, the entire growth container 2 and nitrogen dissolving containers 1 and 3 are swung as indicated by arrows A and B. Since the melt 27 in the growth vessel 2 and the melts 6 and 28 in the nitrogen dissolution vessels 1 and 3 are in communication with each other, if the whole swings as indicated by the arrow K, convection occurs in each melt. And the movement of the melt between the containers is promoted.

すなわち、全体が矢印Bのように動いている期間には、容器1が上がり、容器3が下がる。この結果、容器1内の窒素が溶解した新鮮な融液6が、矢印Dのように連結部4を通過して育成容器2内に供給される。これと同時に、容器2内の結晶育成によって減損した融液27が、連結部5を通過して、矢印Fのように容器3内へと流入する。この減損した融液27は、容器3内で再び原料および窒素の供給を受け、新鮮な未減損の融液28となる。   That is, during the period when the whole moves as indicated by the arrow B, the container 1 is raised and the container 3 is lowered. As a result, the fresh melt 6 in which the nitrogen in the container 1 is dissolved passes through the connecting portion 4 as shown by the arrow D and is supplied into the growing container 2. At the same time, the melt 27 depleted by crystal growth in the container 2 passes through the connecting portion 5 and flows into the container 3 as indicated by an arrow F. This depleted melt 27 is again supplied with raw materials and nitrogen in the container 3 to become a fresh, undepleted melt 28.

全体が矢印Aのように動いている期間には、容器1が下がり、容器3が上がる。この結果、容器3内の窒素が溶解した新鮮な融液28が、連結部5を通過して育成容器2内に供給される。これと同時に、容器2内の結晶育成によって減損した融液27が、連結部4を通過して、容器1内へと流入する。この減損した融液27は、容器1内で再び原料および窒素の供給を受け、新鮮な未減損の融液6となる。
揺動の途中では、図3に示すように、各容器が水平となる時点がある。この時点では、容器1と容器3とが同じ高さにある。
During the period when the whole is moving as indicated by the arrow A, the container 1 is lowered and the container 3 is raised. As a result, the fresh melt 28 in which the nitrogen in the container 3 is dissolved passes through the connecting portion 5 and is supplied into the growth container 2. At the same time, the melt 27 depleted by crystal growth in the container 2 passes through the connecting portion 4 and flows into the container 1. The depleted melt 27 is supplied with the raw material and nitrogen again in the container 1 and becomes a fresh undepleted melt 6.
In the middle of the swing, as shown in FIG. 3, there is a point in time when each container becomes horizontal. At this point, the container 1 and the container 3 are at the same height.

このような方法であれば、窒素の溶解した新鮮な融液が、常時、育成容器内に供給され、育成容器内の減損した融液が効率的に排出され、再び窒素および原料の溶解処理に供される。さらには、融液が淀むことなく対流し、いわば層流かあるいは層流と似た状態を生み出すことができる。従って、育成容器それ自体における育成レートを著しく向上させることが可能である。   With such a method, a fresh melt in which nitrogen is dissolved is always supplied into the growth vessel, and the depleted melt in the growth vessel is efficiently discharged to again dissolve nitrogen and raw materials. Provided. Furthermore, the melt can be convected without stagnation, so to speak, it can create a laminar flow or a state similar to laminar flow. Therefore, it is possible to remarkably improve the growth rate in the growth container itself.

好適な実施形態においては、原料供給部9を窒素溶解容器に設ける。これによって、育成容器2内へと連続的に原料を供給し、結晶を連続的に成長させることができる。この原料は、容器内で矢印C、Gのように対流され、フラックスと混合される。
また、上記の実施形態では連結部がパイプ状であるが、容器間での融液の流通が可能な形態であれば、特に限定されず、例えばプレート状であってもよい。この場合には、プレート状の連結部の中にプレート状の流通孔を形成することができるし、あるいは、プレート状の連結部の中に複数の流通孔を形成することもできる。
In a preferred embodiment, the raw material supply unit 9 is provided in a nitrogen dissolution vessel. As a result, the raw material can be continuously supplied into the growth vessel 2 and crystals can be continuously grown. This raw material is convected in the container as indicated by arrows C and G and mixed with the flux.
In the above embodiment, the connecting portion has a pipe shape. However, the connecting portion is not particularly limited as long as the melt can flow between the containers. In this case, a plate-shaped flow hole can be formed in the plate-shaped connecting portion, or a plurality of flow holes can be formed in the plate-shaped connecting portion.

この場合、結晶育成時に原料を追加供給することによって、育成容器内の融液27の高さを、結晶成長の進行に合わせて高くしていくことができる。   In this case, by additionally supplying the raw material at the time of crystal growth, the height of the melt 27 in the growth container can be increased as the crystal growth proceeds.

また、育成容器2の下部に冷却機構を設けることによって、種結晶の温度を一定に保つことができる。これによって、原料供給部からの育成部よりも熱い溶液を対流させても種結晶の温度が上がらないようにする。   In addition, by providing a cooling mechanism at the bottom of the growth vessel 2, the temperature of the seed crystal can be kept constant. This prevents the temperature of the seed crystal from rising even when a solution hotter than the growing section from the raw material supply section is convected.

窒素溶解容器1、3では、窒素未飽和状態となるような温度および圧力を設定する。好ましくは、窒素溶解容器における融液の温度を、育成容器における融液の温度よりも高くする。この場合には、各容器の圧力は同じにできる。   In the nitrogen melting containers 1 and 3, the temperature and pressure are set so that the nitrogen is not saturated. Preferably, the temperature of the melt in the nitrogen dissolution vessel is set higher than the temperature of the melt in the growth vessel. In this case, the pressure in each container can be the same.

窒素溶解容器内の融液の温度は、フラックスおよび結晶の組成比率によって変化するので、適宜選択する。例えば、 Naフラックスを用い、GaN結晶を育成する場合は850−1000℃が好ましい。Sn−Mgフラックスを用い、AlN結晶を育成する場合は1200−1500℃が好ましい。   The temperature of the melt in the nitrogen dissolution vessel varies depending on the flux and crystal composition ratio, and is thus selected as appropriate. For example, when Na flux is used and a GaN crystal is grown, 850-1000 ° C. is preferable. When an AlN crystal is grown using Sn—Mg flux, 1200 to 1500 ° C. is preferable.

好適な実施形態においては、育成容器における融液の温度が、窒素溶解容器における融液の温度よりも低く、これによって融液を過飽和状態とする。この温度差は限定されないが、窒化物結晶の析出を促進するという観点からは、10℃以上であることが好ましく、30℃以上であることがさらに好ましい。また、この差が大きすぎると、結晶品質が低下する傾向があるので、この観点からは、100℃以下が好ましく、70 ℃以下が更に好ましい。   In a preferred embodiment, the temperature of the melt in the growth vessel is lower than the temperature of the melt in the nitrogen dissolution vessel, thereby making the melt supersaturated. Although this temperature difference is not limited, it is preferably 10 ° C. or higher and more preferably 30 ° C. or higher from the viewpoint of promoting precipitation of nitride crystals. Further, if this difference is too large, the crystal quality tends to be lowered. From this viewpoint, 100 ° C. or lower is preferable, and 70 ° C. or lower is more preferable.

育成容器、窒素溶解容器等を駆動する際には、前述のように揺動ないし回動させることが好ましい。この場合には、角度は、5〜15°が好ましい。   When driving the growth vessel, the nitrogen dissolution vessel, etc., it is preferable to swing or rotate as described above. In this case, the angle is preferably 5 to 15 °.

また、育成容器、窒素溶解容器等を、水平方向へと向かって往復動させることによっても、育成容器と各窒素溶解容器との間で融液を相互移動させることができる。   Also, the melt can be moved between the growth container and each nitrogen dissolution container by reciprocating the growth container, the nitrogen dissolution container, and the like in the horizontal direction.

本発明の結晶(好ましくは単結晶)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 crystal (preferably single crystal) growing apparatus of the present invention, 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.

III族元素原料としては、金属ガリウム、金属ガリウム−ナトリウム合金(Ga4Na)、金属アルミニウム、金属インジウム、金属ガリウム−アルミニウム合金、金属ガリウム−ゲルマニウム合金、金属ガリウム−インジウム合金を例示できる。
融液を生成するためのフラックスは特に限定されないが、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属またはその合金が好ましい。この金属としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムが例示でき、リチウム、ナトリウム、カルシウムが特に好ましく、ナトリウムが最も好ましい。
Examples of Group III element materials include metal gallium, metal gallium-sodium alloy (Ga4Na), metal aluminum, metal indium, metal gallium-aluminum alloy, metal gallium-germanium alloy, and metal gallium-indium alloy.
The flux for generating the melt is not particularly limited, but one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals or alloys thereof are preferable. Examples of the metal include lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, beryllium, magnesium, calcium, strontium, and barium. Lithium, sodium, and calcium are particularly preferable, and sodium is most preferable.

育成容器および窒素溶解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。   The material of the growth vessel and the nitrogen dissolution vessel 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).

本発明を利用し、少なくともナトリウム金属を含むフラックスを使用して窒化ガリウム結晶を育成できる。このフラックスには、ガリウム原料物質を溶解させる。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、ガリウム化合物を適用できるが、ガリウム単体金属が取扱いの上からも好適である。   Using the present invention, a gallium nitride crystal can be grown using a flux containing at least sodium metal. In this flux, the gallium source material is dissolved. As the gallium source material, a gallium simple metal, a gallium alloy, and a gallium compound can be applied, but a gallium simple metal is also preferable in terms of handling.

このフラックスには、ナトリウム以外の金属、例えばリチウムを含有させることができる。ガリウム原料物質とナトリウムなどのフラックス原料物質との使用割合は、適宜であってよいが、一般的には、ナトリウム過剰量を用いることが考慮される。もちろん、このことは限定的ではない。   This flux can contain metals other than sodium, such as lithium. The use ratio of the gallium source material and the flux source material such as sodium may be appropriate, but in general, it is considered to use an excess amount of sodium. Of course, this is not limiting.

雰囲気中の窒素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。   A gas other than nitrogen in the atmosphere is not limited, but an inert gas is preferable, and argon, helium, and neon are particularly preferable.

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、シリコン結晶、iC結晶、MgO結晶、スピネル(MgAl)、LiAlO、LiGaO、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 crystal is not limited, but sapphire, AlN template, GaN template, silicon crystal, iC crystal, MgO crystal, spinel (MgAl 2 O 4 ), LiAlO 2 , LiGaO 2 , LaAlO 3 , Examples thereof include perovskite complex oxides such as LaGaO 3 and NdGaO 3 . 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.

図1、図2を参照しつつ説明した方法および装置に従い、窒化ガリウム単結晶を育成した。
具体的には、予め、窒素溶解容器1、3内に、それぞれ、金属ナトリウム400gと、金属ガリウム500gを充填した。育成容器2には、φ2インチの種基板(サファイア基板上にGaN薄膜を3ミクロン成膜したもの)4枚を容器底に配置し、金属ナトリウム400gと、金属ガリウム500gをその上に配置した。これは、育成容器中の融液の高さが約1.5cmとなる量である。
A gallium nitride single crystal was grown according to the method and apparatus described with reference to FIGS.
Specifically, 400 g of metallic sodium and 500 g of metallic gallium were filled in the nitrogen dissolution vessels 1 and 3 in advance. In the growth vessel 2, four seed substrates having a diameter of 2 inches (3 micron GaN thin film formed on a sapphire substrate) were placed on the bottom of the vessel, and 400 g of metallic sodium and 500 g of metallic gallium were placed thereon. This is an amount such that the height of the melt in the growth container is about 1.5 cm.

加熱用ヒーター18および圧力調整器を用いて、窒素溶解容器1、3と育成容器2を4MPaまで窒素ガスにて加圧し、その後加熱し、混合融液6、27、28を調製した。この際、窒素溶解容器1、3の温度を900℃とし、育成容器2の温度を860℃とした。   Using the heater 18 and the pressure regulator, the nitrogen dissolution containers 1 and 3 and the growth container 2 were pressurized with nitrogen gas up to 4 MPa, and then heated to prepare mixed melts 6, 27, and 28. At this time, the temperature of the nitrogen dissolving containers 1 and 3 was set to 900 ° C., and the temperature of the growing container 2 was set to 860 ° C.

次に、ガス配管9を通じて窒素ガスをバブリングすることにより、窒素溶解容器1、3内の融液6、28中で、融液に窒素を溶解させて原料溶液を調製した。そして、駆動軸16を矢印Kのように揺動させることによって、窒素溶解容器1、3と育成容器2との間で連続的に融液を移動させた。揺動角度は垂直軸から見て±10°である。   Next, by bubbling nitrogen gas through the gas pipe 9, nitrogen was dissolved in the melt in the melts 6 and 28 in the nitrogen dissolving containers 1 and 3 to prepare a raw material solution. Then, the melt was continuously moved between the nitrogen dissolving containers 1 and 3 and the growth container 2 by swinging the drive shaft 16 as indicated by an arrow K. The swing angle is ± 10 ° when viewed from the vertical axis.

種基板の温度は、冷却機構により、855℃を維持した。結晶成長を開始した後、15時間後から、1g/hrの割合でGa融液を窒素溶解容器に追加供給した。この割合は原料の窒化速度に応じて適切に変更することができる。全体として100時間保持することにより、厚さ約4.0mmの結晶が得られた。成長速度は成長厚さを単純に保持時間で割ることで算出すると、約40μm/hrであった。   The temperature of the seed substrate was maintained at 855 ° C. by the cooling mechanism. After starting crystal growth, 15 hours later, Ga melt was additionally supplied to the nitrogen dissolution vessel at a rate of 1 g / hr. This ratio can be appropriately changed according to the nitriding rate of the raw material. By holding for 100 hours as a whole, a crystal having a thickness of about 4.0 mm was obtained. The growth rate, calculated by simply dividing the growth thickness by the holding time, was about 40 μm / hr.

種基板のサファイアは室温まで冷却する過程において自然剥離した。サファイア基板と育成したGaN結晶のどちらもクラックは発生していなかった。育成した結晶の中央のX線回折ピーク半値幅は、(0002)反射が30秒、(10-12)反射が40秒であった。燐酸:硫酸=3:1の混合液を用いて250℃・140分エッチングしたときのエッチピット密度(EPD)は5×10/cmであった。 The sapphire on the seed substrate was peeled off naturally during the cooling to room temperature. Neither the sapphire substrate nor the grown GaN crystal had cracks. The half width of the X-ray diffraction peak at the center of the grown crystal was (0002) reflection for 30 seconds and (10-12) reflection for 40 seconds. The etch pit density (EPD) when etched using a mixed solution of phosphoric acid: sulfuric acid = 3: 1 at 250 ° C. for 140 minutes was 5 × 10 3 / cm 2 .

Claims (10)

フラックスおよびIII族元素原料を含む融液を窒素含有雰囲気下で加熱および加圧することによって窒化物結晶を育成する装置であって、
前記融液を収容し、過飽和状態に保持することによって、窒化物結晶を成長させる育成容器;
前記融液を加熱して未飽和状態で保持することによって、前記融液中に窒素を溶解させる第一の窒素溶解容器;
前記融液を加熱して未飽和状態で保持することによって、前記融液中に窒素を溶解させる第二の窒素溶解容器;
前記育成容器と前記第一の窒素溶解容器とを連結し、前記育成容器内の前記融液と前記第一の窒素溶解容器内の前記融液とを連通させる第一の連結部;
前記育成容器と前記第二の窒素溶解容器とを連結し、前記育成容器内の前記融液と前記第二の窒素溶解容器内の前記融液とを連通させる第二の連結部;および
前記育成容器、前記第一の窒素溶解容器、前記第二の窒素溶解容器、前記第一の連結部および前記第二の連結部を動かす駆動手段
を備えていることを特徴とする、窒化物結晶の育成装置。
An apparatus for growing a nitride crystal by heating and pressurizing a melt containing a flux and a Group III element raw material in a nitrogen-containing atmosphere,
A growth vessel for growing the nitride crystal by containing the melt and maintaining a supersaturated state;
A first nitrogen dissolution vessel for dissolving nitrogen in the melt by heating and maintaining the melt in an unsaturated state;
A second nitrogen dissolution vessel for dissolving nitrogen in the melt by heating and maintaining the melt in an unsaturated state;
A first connecting portion for connecting the growth vessel and the first nitrogen dissolution vessel to communicate the melt in the growth vessel with the melt in the first nitrogen dissolution vessel;
A second connecting portion that connects the growth vessel and the second nitrogen dissolution vessel to communicate the melt in the growth vessel with the melt in the second nitrogen dissolution vessel; and the growth Nitride crystal growth comprising: a container, the first nitrogen dissolving container, the second nitrogen dissolving container, the first connecting part, and a driving means for moving the second connecting part. apparatus.
前記育成容器、前記第一の窒素溶解容器、前記第二の窒素溶解容器、前記第一の連結部および前記第二の連結部を揺動させることを特徴とする、請求項1記載の装置。   The apparatus according to claim 1, wherein the growing container, the first nitrogen dissolving container, the second nitrogen dissolving container, the first connecting part, and the second connecting part are swung. 前記第一の窒素溶解容器内の前記融液および前記第二の窒素溶解容器内の前記融液の温度が、前記育成容器中の前記融液の温度よりも高いことを特徴とする、請求項1または2記載の装置。   The temperature of the melt in the first nitrogen dissolution vessel and the temperature of the melt in the second nitrogen dissolution vessel are higher than the temperature of the melt in the growth vessel. The apparatus according to 1 or 2. 前記第一の窒素溶解容器内に前記原料を供給する原料供給手段を備えていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の装置。   The apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising raw material supply means for supplying the raw material into the first nitrogen dissolution vessel. 前記第二の窒素溶解容器内に前記原料を供給する原料供給手段を備えていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つの請求項に記載の装置。   The apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising a raw material supply means for supplying the raw material into the second nitrogen dissolution vessel. フラックスおよびIII族元素原料を含む融液を窒素含有雰囲気下で加熱および加圧することによって窒化物結晶を育成する方法であって、
前記融液を収容し、過飽和状態に保持することによって、窒化物結晶を成長させる育成容器;
前記融液を加熱して未飽和状態で保持することによって、前記融液中に窒素を溶解させる第一の窒素溶解容器;
前記融液を加熱して未飽和状態で保持することによって、前記融液中に窒素を溶解させる第二の窒素溶解容器;
前記育成容器と前記第一の窒素溶解容器とを連結し、前記育成容器内の前記融液と前記第一の窒素溶解容器内の前記融液とを連通させる第一の連結部;および
前記育成容器と前記第二の窒素溶解容器とを連結し、前記育成容器内の前記融液と前記第二の窒素溶解容器内の前記融液とを連通させる第二の連結部
を使用し、前記窒化物単結晶の育成時に前記育成容器、前記第一の窒素溶解容器、前記第二の窒素溶解容器、前記第一の連結部および前記第二の連結部を動かすことを特徴とする、窒化物結晶の育成方法。
A method for growing a nitride crystal by heating and pressurizing a melt containing a flux and a Group III element raw material in a nitrogen-containing atmosphere,
A growth vessel for growing the nitride crystal by containing the melt and maintaining a supersaturated state;
A first nitrogen dissolution vessel for dissolving nitrogen in the melt by heating and maintaining the melt in an unsaturated state;
A second nitrogen dissolution vessel for dissolving nitrogen in the melt by heating and maintaining the melt in an unsaturated state;
A first connecting portion that connects the growth vessel and the first nitrogen dissolution vessel, and communicates the melt in the growth vessel with the melt in the first nitrogen dissolution vessel; and the growth Using a second connecting part for connecting the container and the second nitrogen dissolution container, and communicating the melt in the growth container and the melt in the second nitrogen dissolution container; Nitride crystal characterized by moving said growth container, said first nitrogen dissolution container, said second nitrogen dissolution container, said first connection part and said second connection part at the time of growth of a product single crystal How to train.
前記育成容器、前記第一の窒素溶解容器、前記第二の窒素溶解容器、前記第一の連結部および前記第二の連結部を揺動させることを特徴とする、請求項6記載の方法。   The method according to claim 6, wherein the growth container, the first nitrogen dissolution container, the second nitrogen dissolution container, the first connection part, and the second connection part are rocked. 前記第一の窒素溶解容器内の前記融液および前記第二の窒素溶解容器内の前記融液の温度が、前記育成容器中の前記融液の温度よりも高いことを特徴とする、請求項6または7記載の方法。   The temperature of the melt in the first nitrogen dissolution vessel and the temperature of the melt in the second nitrogen dissolution vessel are higher than the temperature of the melt in the growth vessel. The method according to 6 or 7. 前記第一の窒素溶解容器内に原料供給手段から前記原料を供給することを特徴とする、請求項6〜8のいずれか一つの請求項に記載の方法。   The method according to any one of claims 6 to 8, wherein the raw material is supplied from a raw material supply means into the first nitrogen dissolution vessel. 前記第二の窒素溶解容器内に原料供給手段から前記原料を供給することを特徴とする、請求項6〜9のいずれか一つの請求項に記載の方法。   The method according to any one of claims 6 to 9, wherein the raw material is supplied from a raw material supply means into the second nitrogen dissolution vessel.
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