JP2014062023A - Method for producing nitride crystal - Google Patents

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Hirofumi Nagaoka
裕文 長岡
Yuji Kagamitani
勇二 鏡谷
Hideo Fujisawa
英夫 藤澤
Kazunori Kamata
和典 鎌田
Yutaka Mikawa
豊 三川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for efficiently producing a nitride crystal excellent in quality and conductivity through enhancing a growth rate and improving a utilization efficiency in raw materials by controlling a condition of crystalline raw materials used for producing the nitride crystal by an ammonothermal process.SOLUTION: The method for producing a nitride crystal in which a nitride crystalline raw material 8 is charged in a raw material charging area 9 in a reaction vessel 20 and a crystal growth is carried out in the reaction vessel 20 in the presence of a supercritical and/or subcritical solvent, in which the crystal growth is carried out by charging the nitride crystalline raw material 8 in the raw material charging area 9 in a bulk density of 0.7 to 4.5 g/cm.

Description

本発明は、窒化物結晶の製造方法に関する。また、本発明は、一定範囲内の酸素濃度を有する窒化物結晶原料を用いて窒化物結晶を成長させる製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a nitride crystal. The present invention also relates to a manufacturing method for growing a nitride crystal using a nitride crystal raw material having an oxygen concentration within a certain range.

窒化物結晶の製造方法として、ハイドライド気相成長法(HVPE法)やアモノサーマル法等が知られている。HVPE法は、水素気流中でGaの塩化物とV族元素の水素化物(NH3)を炉内に導入し、熱分解させ、熱分解で発生する結晶を基板などの上に堆積させる方法である。一方、アモノサーマル法は、超臨界状態および/または亜臨界状態にあるアンモニアなどの窒素を含有する溶媒を用いて、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の材料を製造する方法である。結晶成長へ適用するときは、アンモニアなどの溶媒への原料溶解度の温度依存性を利用して温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させる。具体的には、オートクレーブなどの耐圧性容器内に結晶原料や種結晶を入れて密閉し、ヒーター等で加熱することにより耐圧性容器内に高温域と低温域を形成し、その一方において原料を溶解し、他方において結晶を育成することにより、所望の結晶を製造することができる。アモノサーマル法は、HVPE法に比べて原料利用効率が良く、製造コストを抑制することができるという点において利点があることが知られている。 Known methods for producing nitride crystals include hydride vapor phase epitaxy (HVPE) and ammonothermal. The HVPE method is a method in which Ga chloride and a hydride of group V element (NH 3 ) are introduced into a furnace in a hydrogen gas stream, thermally decomposed, and crystals generated by thermal decomposition are deposited on a substrate or the like. is there. On the other hand, the ammonothermal method is a method for producing a desired material by using a dissolution-precipitation reaction of raw materials using a solvent containing nitrogen such as ammonia in a supercritical state and / or a subcritical state. . When applied to crystal growth, crystals are precipitated by generating a supersaturated state due to a temperature difference utilizing the temperature dependence of the raw material solubility in a solvent such as ammonia. Specifically, a crystal raw material or seed crystal is placed in a pressure-resistant container such as an autoclave and sealed, and heated with a heater or the like to form a high-temperature region and a low-temperature region in the pressure-resistant container. The desired crystals can be produced by dissolving and growing the crystals on the other hand. It is known that the ammonothermal method has advantages in that the raw material utilization efficiency is better than the HVPE method and the manufacturing cost can be suppressed.

アモノサーマル法に用いる結晶原料としては、アモノサーマル法で成長させようとしている窒化物結晶と同種の多結晶や単結晶などが用いられる。このため、まず第一段階として原料に相当する窒化物微結晶原料を製造した後に、第二段階としてこれを原料として窒化物結晶の成長を行っている(例えば、特許文献1参照)。このとき、第一段階で塊状の原料が得られにくいため、第二段階では粒径サイズの小さい窒化物多結晶、いわば粉状のものを原料として用いることが一般的である。特許文献1(特開2003−277182号公報)では、第二段階において、平均粒径が1〜5μm程度のGaN微結晶粉体を原料として用いてGaN結晶を成長することが好ましいと記載されている(段落番号[0009]〜[0010]参照)。   As a crystal raw material used for the ammonothermal method, a polycrystal or a single crystal of the same kind as the nitride crystal to be grown by the ammonothermal method is used. For this reason, after first producing a nitride microcrystal raw material corresponding to the raw material as the first stage, nitride crystals are grown using this as a second stage (see, for example, Patent Document 1). At this time, since it is difficult to obtain a lump-shaped raw material in the first stage, it is common to use a nitride polycrystal having a small particle size, that is, a powdery form, as a raw material in the second stage. Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-277182) describes that in the second stage, it is preferable to grow a GaN crystal using a GaN microcrystalline powder having an average particle diameter of about 1 to 5 μm as a raw material. (See paragraph numbers [0009] to [0010]).

特許文献2(特開2007−238347号公報)には、粉状のGaN結晶原料を入れた坩堝を多段にして、原料と溶媒との接触面積を増大させることにより原料の溶解速度を上げて、効率良くGaN結晶を製造することが記載されている。ここでは、上面にのみ開口部を一つ有する箱状の坩堝を用いることが好ましいと記載されている。また、特許文献2には、粒径が10nm〜10mmの結晶原料を用いうることが記載されているが、粒径が50nm〜1mmの粉体結晶原料を用いて原料間の隙間を埋めることが特に推奨されている([0061]参照)。   In Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-238347), the crucible containing the powdered GaN crystal raw material is multi-staged, and the contact area between the raw material and the solvent is increased to increase the raw material dissolution rate. It describes that GaN crystals can be produced efficiently. Here, it is described that it is preferable to use a box-shaped crucible having one opening only on the upper surface. Patent Document 2 describes that a crystal raw material having a particle size of 10 nm to 10 mm can be used, but it is possible to fill a gap between the raw materials using a powder crystal raw material having a particle size of 50 nm to 1 mm. Particularly recommended (see [0061]).

特許文献3(特開2006−83055号公報)および特許文献4(特表2005−508822号公報)には、原料となる窒化物多結晶の製造方法について記載されている。特許文献3によると、1次粒子径が0.1μm〜数十μmであって、長軸方向の最大長さが0.05μm〜1mmである針状、柱状あるいはプリズム状結晶が得られ、これを窒化物結晶の製造原料として用いることが記載されている。特許文献4には、平均粒度が約0.01〜50μm の等軸結晶粒を含むGaN結晶を製造し、これを窒化物結晶の製造原料として用いることが記載されている。特許文献4の実施例1では、直径約1μm以下の多数の結晶粒と共に、直径約10〜20μmの結晶粒が幾つか製造されており、実施例2では直径約1〜3μmの多数の結晶粒とそれよりも若干大きい平滑な結晶粒が製造されている。   Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-83055) and Patent Document 4 (Japanese Translation of PCT International Publication No. 2005-508822) describe a method for producing a nitride polycrystal as a raw material. According to Patent Document 3, a needle-like, columnar or prismatic crystal having a primary particle diameter of 0.1 μm to several tens of μm and a maximum length in the major axis direction of 0.05 μm to 1 mm is obtained. Is used as a raw material for producing nitride crystals. Patent Document 4 describes that a GaN crystal containing equiaxed grains having an average grain size of about 0.01 to 50 μm is produced and used as a raw material for producing a nitride crystal. In Example 1 of Patent Document 4, several crystal grains having a diameter of about 10 to 20 μm are produced together with a large number of crystal grains having a diameter of about 1 μm or less. In Example 2, a large number of crystal grains having a diameter of about 1 to 3 μm are manufactured. A smooth crystal grain slightly larger than that is produced.

上述したような方法で得られた窒化ガリウム(GaN)などの窒化物結晶は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの各種半導体デバイスの基板に用いられている。窒化物結晶が半導体デバイスの基板として機能するためには、各種半導体デバイスの用途に応じて、窒化物結晶が適切な導電性を有する必要がある。一般的に、窒化物結晶の導電性は、窒化物結晶中のキャリア濃度やキャリア移動度によって制御される。窒化物結晶が半導体デバイスの基板として機能するためには、適切なキャリア濃度を有することが重要になる。
HVPE法により作製する窒化物結晶において、酸素をn型ドーパントとして用いる場合は、その活性化率がほぼ100%であることが知られているが(特許文献5(特開2000−44400号公報 参照)、アモノサーマル法により作製した窒化物結晶では、酸素をn型ドーパントとした場合の活性化率は明らかではなかった。
Nitride crystals such as gallium nitride (GaN) obtained by the method described above are used for substrates of various semiconductor devices such as light emitting elements, electronic elements, and semiconductor sensors. In order for the nitride crystal to function as a substrate of a semiconductor device, the nitride crystal needs to have appropriate conductivity depending on the use of various semiconductor devices. In general, the conductivity of a nitride crystal is controlled by the carrier concentration and carrier mobility in the nitride crystal. In order for the nitride crystal to function as a substrate of a semiconductor device, it is important to have an appropriate carrier concentration.
In the nitride crystal produced by the HVPE method, when oxygen is used as an n-type dopant, the activation rate is known to be almost 100% (see Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-44400)). In the nitride crystal produced by the ammonothermal method, the activation rate was not clear when oxygen was used as the n-type dopant.

特開2003−277182号公報JP 2003-277182 A 特開2007−238347号公報JP 2007-238347 A 特開2006−83055号公報JP 2006-83055 A 特表2005−508822号公報JP 2005-508822 A 特開2000−44400号公報JP 2000-44400 A

本発明者らが、特許文献1に記載される方法にしたがって得られた窒化物結晶原料を用いて窒化物結晶を製造することを検討したところ、速い成長速度で窒化物結晶を製造することが容易ではないことが明らかになった。また、特許文献2に記載されるように、窒化物結晶原料間の隙間を埋めるように原料を充填して窒化物結晶を製造することを検討したところ、十分に速い成長速度で窒化物結晶を製造することが容易ではなく、原料利用効率も悪いことが明らかになった。さらに、特許文献3や特許文献4に記載されている方法で製造される窒化物多結晶を単に窒化物結晶原料として用いて窒化物結晶を製造しようとしても、望ましい成長速度で窒化物結晶を製造することは難しいことが明らかになった。   The present inventors have examined the production of a nitride crystal using a nitride crystal raw material obtained according to the method described in Patent Document 1, and found that a nitride crystal can be produced at a high growth rate. It became clear that it was not easy. In addition, as described in Patent Document 2, when a nitride crystal was manufactured by filling a raw material so as to fill a gap between the nitride crystal raw materials, the nitride crystal was formed at a sufficiently high growth rate. It became clear that it was not easy to manufacture and the utilization efficiency of raw materials was poor. Furthermore, even if an attempt is made to produce a nitride crystal by simply using the nitride polycrystal produced by the method described in Patent Document 3 or Patent Document 4 as a nitride crystal raw material, the nitride crystal is produced at a desired growth rate. It became clear that it was difficult to do.

上述したように、HVPE法により作製した窒化物結晶では、酸素をn型ドーパントとした場合、その活性化率がほぼ100%であることが知られている。しかし、アモノサーマル法により作製した窒化物結晶では、酸素をn型ドーパントとした場合の活性化率は明らかではなかった。すなわち、アモノサーマル法においては、基本的な結晶成長の条件が検討されるにとどまっており、所望の導電性を有する高品質な結晶を得る方法は確立されていなかった。また、アモノサーマル法では、様々なドーパント供給源から供給されるドーパントを使用しているため、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための酸素ドーピング条件を確立することができなかった。このため、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得ることが困難であるという問題があった。   As described above, it is known that a nitride crystal manufactured by the HVPE method has an activation rate of approximately 100% when oxygen is used as an n-type dopant. However, in the nitride crystal produced by the ammonothermal method, the activation rate when oxygen is used as an n-type dopant was not clear. That is, in the ammonothermal method, basic crystal growth conditions have been studied, and a method for obtaining high-quality crystals having desired conductivity has not been established. In addition, since the ammonothermal method uses dopants supplied from various dopant supply sources, oxygen doping conditions for obtaining a nitride crystal having a desired carrier concentration cannot be established. For this reason, there has been a problem that it is difficult to obtain a nitride crystal having a desired carrier concentration.

更に、アモノサーマル法では、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための酸素ドーピング条件が確立されていなかったため、精密な酸素ドーピングを行うことができず、高品質な窒化物結晶を得ることができないという問題があった。さらに、アモノサーマル法で目的のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るためには、様々な条件を試作検討する必要があったため、生産効率が上がらないという問題もあった。   Furthermore, in the ammonothermal method, since oxygen doping conditions for obtaining a nitride crystal having a desired carrier concentration have not been established, precise oxygen doping cannot be performed, and a high-quality nitride crystal is obtained. There was a problem that I could not. Furthermore, in order to obtain a nitride crystal having a target carrier concentration by the ammonothermal method, it was necessary to make trial production examinations of various conditions, and there was a problem that production efficiency did not increase.

このような従来の課題に鑑みて、本発明者らは、アモノサーマル法において、窒化物結晶を製造する際に用いる結晶原料の条件を制御することにより成長速度を向上させ、原料利用効率を高めて、効率良く品質の優れた窒化物結晶を製造することを目的として鋭意検討を重ねた。さらに、本発明者らは、アモノサーマル法において、窒化物結晶を製造する際に用いる結晶原料の条件を制御することにより、成長速度を向上させるとともに、優れた導電性を有する窒化物結晶を効率良く製造することを目的として検討を進めた。   In view of such conventional problems, the present inventors have improved the growth rate by controlling the conditions of the crystal raw material used when producing the nitride crystal in the ammonothermal method, thereby improving the raw material utilization efficiency. With the aim of increasing the efficiency and producing nitride crystals with excellent quality, we have made extensive studies. Furthermore, the present inventors have improved the growth rate and controlled the nitride crystal having excellent conductivity by controlling the conditions of the crystal raw material used in producing the nitride crystal in the ammonothermal method. We studied for the purpose of producing efficiently.

その結果、本発明者らは、アモノサーマル法で結晶成長する際に充填する結晶原料の嵩密度を制御することにより、容易に窒化物結晶の成長速度を向上させ得ることを見出した。さらに、本発明者らは、結晶原料の条件を制御することにより効率良く品質の優れた窒化物結晶を製造することに成功し、本発明を完成するに至った。具体的に、本発明は、以下の構成を有する。   As a result, the present inventors have found that the growth rate of the nitride crystal can be easily improved by controlling the bulk density of the crystal raw material filled when the crystal is grown by the ammonothermal method. Furthermore, the present inventors succeeded in producing a nitride crystal with excellent quality efficiently by controlling the conditions of the crystal raw material, and completed the present invention. Specifically, the present invention has the following configuration.

[1] 窒化物結晶原料を反応容器の原料充填領域に充填し、反応容器中で超臨界および/または亜臨界状態の溶媒存在下にて結晶成長を行う窒化物結晶の製造方法であって、前記窒化物結晶原料を原料充填領域に0.7〜4.5g/cm3の嵩密度で充填して結晶成長を行うことを特徴とする、窒化物結晶の製造方法。
[2] 前記嵩密度が0.8〜3.6g/cm3である[1]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[3] 前記結晶原料の最大径が0.5μm〜120mmである[1]または[2]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[4] 前記窒化物結晶原料の粒子は、最大径が100〜1000μmの2次粒子が凝集してなる、最大径が1〜120mmの3次粒子である[1]〜[3]のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[5]前記窒化物結晶原料中の酸素濃度が10〜500ppmである[1]〜[4]のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[6] 0.7〜4.5g/cm3の嵩密度を有し、結晶中の酸素濃度が10〜500ppmである窒化物結晶原料を、反応容器の原料充填領域に充填し、反応容器中で超臨界および/または亜臨界状態の溶媒存在下にて窒化物結晶成長を行うことを特徴とする、窒化物結晶の製造方法。
[7] 前記嵩密度が0.8〜3.6g/cm3である[6]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[8] 前記窒化物結晶原料の最大径が0.5μm〜120mmである[6]または[7]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[9] 前記窒化物結晶原料の粒子は、最大径が100〜1000μmの2次粒子が凝集してなる、最大径が1〜120mmの3次粒子である[6]〜[8]のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[10] 前記原料充填領域に網状構造体を設置する[1]〜[9]のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[11] 前記窒化物結晶原料を網状構造体の中に充填したうえで前記原料充填領域に設置する[10]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[12] 前記窒化物結晶原料の溶解率が40%以上である[1]〜[11]のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[13] 前記窒化物結晶のc軸方向の成長速度が、100μm/day以上である[1]〜[12]のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[14] [1]〜[13]のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法により製造されることを特徴とする、窒化物結晶。
[1] A method for producing a nitride crystal in which a nitride crystal raw material is filled in a raw material filling region of a reaction vessel, and crystal growth is performed in the presence of a supercritical and / or subcritical solvent in the reaction vessel, A method for producing a nitride crystal, wherein the nitride crystal raw material is filled in a raw material filling region at a bulk density of 0.7 to 4.5 g / cm 3 to perform crystal growth.
[2] The method for producing a nitride crystal according to [1], wherein the bulk density is 0.8 to 3.6 g / cm 3 .
[3] The method for producing a nitride crystal according to [1] or [2], wherein the crystal raw material has a maximum diameter of 0.5 μm to 120 mm.
[4] The nitride crystal raw material particles are any one of [1] to [3], which are tertiary particles having a maximum diameter of 1 to 120 mm formed by agglomerating secondary particles having a maximum diameter of 100 to 1000 μm. 2. A method for producing a nitride crystal according to item 1.
[5] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [4], wherein an oxygen concentration in the nitride crystal raw material is 10 to 500 ppm.
[6] A nitride crystal raw material having a bulk density of 0.7 to 4.5 g / cm 3 and an oxygen concentration in the crystal of 10 to 500 ppm is filled in the raw material filling region of the reaction vessel, And nitride crystal growth in the presence of a supercritical and / or subcritical solvent.
[7] The method for producing a nitride crystal according to [6], wherein the bulk density is 0.8 to 3.6 g / cm 3 .
[8] The method for producing a nitride crystal according to [6] or [7], wherein the nitride crystal raw material has a maximum diameter of 0.5 μm to 120 mm.
[9] The nitride crystal raw material particles are any one of [6] to [8], wherein secondary particles having a maximum diameter of 100 to 1000 μm are aggregated and are tertiary particles having a maximum diameter of 1 to 120 mm. 2. A method for producing a nitride crystal according to item 1.
[10] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [9], wherein a network structure is installed in the raw material filling region.
[11] The method for producing a nitride crystal according to [10], wherein the nitride crystal raw material is filled in a network structure and then installed in the raw material filling region.
[12] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [11], wherein the nitride crystal raw material has a dissolution rate of 40% or more.
[13] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [12], wherein the growth rate of the nitride crystal in the c-axis direction is 100 μm / day or more.
[14] A nitride crystal produced by the method for producing a nitride crystal described in any one of [1] to [13].

本発明の第1の発明によれば、アモノサーマル法で結晶成長する際に充填する結晶原料の嵩密度を特定の範囲内に制御することにより、効率良く高品質な窒化物結晶を製造することができる。このため、本発明によれば成長時間を短縮し、結晶原料を高効率に窒化物結晶とすることにより製造コストを大幅に抑えることができる。また、本発明の方法により製造した窒化物単結晶は、高品質の結晶としてデバイスに効果的に用いることができる。   According to the first aspect of the present invention, a high-quality nitride crystal is efficiently manufactured by controlling the bulk density of a crystal raw material to be filled in crystal growth by an ammonothermal method within a specific range. be able to. Therefore, according to the present invention, the manufacturing time can be greatly reduced by shortening the growth time and making the crystal raw material a nitride crystal with high efficiency. Moreover, the nitride single crystal manufactured by the method of the present invention can be effectively used for a device as a high-quality crystal.

本発明の第2の発明によれば、効率良く品質の優れた窒化物結晶を製造することができる。また、一定範囲内の酸素濃度を有する窒化物結晶原料を使用して、アモノサーマル法で窒化物結晶を製造することにより、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得ることができる。   According to the second aspect of the present invention, it is possible to efficiently produce a nitride crystal having excellent quality. Further, a nitride crystal having a desired carrier concentration can be obtained by producing a nitride crystal by an ammonothermal method using a nitride crystal raw material having an oxygen concentration within a certain range.

本発明の第2の発明では、一定範囲内の酸素濃度を有する窒化物結晶原料を使用することで、アモノサーマル法において、原料中の酸素濃度と結晶中のキャリア濃度の相関関係を見出すことに成功した。これにより、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための酸素ドーピング条件を確立することができた。このため、本発明では、精密な酸素ドーピングを行うことが可能となり、高品質な窒化物結晶を得ることができる。
さらに、本発明の第2の発明によれば、アモノサーマル法で目的のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための条件を試作検討する手間を大幅に削減することができ、窒化物結晶の生産効率を高めることができる。
In the second invention of the present invention, by using a nitride crystal raw material having an oxygen concentration within a certain range, a correlation between the oxygen concentration in the raw material and the carrier concentration in the crystal is found in the ammonothermal method. succeeded in. Thereby, it was possible to establish oxygen doping conditions for obtaining a nitride crystal having a desired carrier concentration. For this reason, in the present invention, precise oxygen doping can be performed, and a high-quality nitride crystal can be obtained.
Furthermore, according to the second invention of the present invention, it is possible to drastically reduce the time and effort required for the trial production of conditions for obtaining a nitride crystal having a target carrier concentration by the ammonothermal method. Production efficiency can be increased.

本発明で用いることができるアモノサーマル法による結晶製造装置の模式図である。It is a schematic diagram of the crystal manufacturing apparatus by the ammonothermal method which can be used by this invention. 本発明で用いることができる別のアモノサーマル法による結晶製造装置の模式図である。It is a schematic diagram of the crystal manufacturing apparatus by another ammonothermal method which can be used by this invention. 窒化物結晶原料中の酸素濃度と成長結晶のキャリア濃度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the oxygen concentration in a nitride crystal raw material, and the carrier concentration of a growth crystal. 成長した窒化物結晶中の酸素濃度とキャリア濃度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the oxygen concentration in the grown nitride crystal, and carrier concentration.

以下において、本発明の窒化物単結晶のアニール処理方法について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。   Hereinafter, the nitride single crystal annealing method of the present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments.

(定義)
本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
まず、六方晶系の結晶構造の軸と面との関係について説明する。本明細書において種結晶または窒化物結晶の「主面」とは、当該種結晶または窒化物結晶における最も広い面であって、通常は結晶成長を行うべき面を指す。本明細書において「C面」とは、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における{0001}面と等価な面であり、極性面である。例えば、(0001)面とその反対面である(000−1)面を指す。III族窒化物結晶(周期表第13族金属窒化物結晶)では、C面はIII族(第13族金属)面又は窒素面であり、窒化ガリウム(GaN)ではそれぞれGa面又はN面に相当する。また、本明細書において「M面」とは、{1−100}面、{01−10}面、[−1010]面、{−1100}面、{0−110}面、{10−10}面として包括的に表される非極性面であり、具体的には(1−100)面や、(01−10)面、(−1010)面、(−1100)面、(0−110)面、(10−10)面を意味する。さらに、本明細書において「A面」とは、{2−1−10}面、{−12−10}面、{−1−120}面、{−2110}面、{1−210}面、{11−20}面として包括的に表される非極性面である。具体的には(11−20)面や、(2−1−10)面、(−12−10)面、(−1−120)面、(−2110)面、(1−210)面、を意味する。本明細書において「c軸」「m軸」「a軸」とは、それぞれC面、M面、A面に垂直な軸を意味する。
また、本明細書において「非極性面」とは、表面にIII族元素と窒素元素の両方が存在しており、かつその存在比が1:1である面を意味する。具体的には、M面やA面を好ましい面として挙げることができる。本明細書において「半極性面」とは、例えば、III族窒化物が六方晶であってその主面が(hklm)で表される場合、[0001]面以外で、m=0ではない面をいう。すなわち(0001)面に対して傾いた面で、かつ非極性面ではない面をいう。表面にIII族元素と窒素元素の両方あるいはC面のように片方のみが存在する場合で、かつその存在比が1:1でない面を意味する。h、k、l、mはそれぞれ独立に−5〜5のいずれかの整数であることが好ましく、−2〜2のいずれかの整数であることがより好ましく、低指数面であることが好ましい。窒化物結晶の主面として好ましく採用できる半極性面として、例えば(10−11)面、(10−1−1)面、(10−12)面、(10−1−2)面、(20−21)面、(202−1)面、(20−2−1)面、(10−12)面、(10−1−2)面、(11−21)面、(11−2−1)面、(11−22)面、(11−2−2)面、(11−24)面、(11−2−4)面などを挙げることができ、特に(10−11)面、(202−1)面を挙げることができる。
なお、本明細書において、「ppm」と示す場合には重量ppmを意味する。
(Definition)
In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
First, the relationship between the axes and planes of the hexagonal crystal structure will be described. In this specification, the “principal surface” of the seed crystal or nitride crystal refers to the widest surface of the seed crystal or nitride crystal, and usually the surface on which crystal growth is to be performed. In this specification, the “C plane” is a plane equivalent to the {0001} plane in a hexagonal crystal structure (wurtzite type crystal structure), and is a polar plane. For example, it refers to the (0001) plane and the (000-1) plane that is the opposite plane. In Group III nitride crystals (Group 13 metal nitride crystals of the periodic table), the C plane is a Group III (Group 13 metal) plane or nitrogen plane, and in gallium nitride (GaN), it corresponds to a Ga plane or N plane, respectively. To do. Further, in this specification, the “M plane” refers to {1-100} plane, {01-10} plane, [−1010] plane, {−1100} plane, {0-110} plane, {10-10 } Non-polar planes comprehensively represented as planes, specifically (1-100) plane, (01-10) plane, (-1010) plane, (-1100) plane, (0-110). ) Plane and (10-10) plane. Further, in this specification, the “A plane” means {2-1-10} plane, {-12-10} plane, {-1-120} plane, {-2110} plane, {1-210} plane. , {11-20} plane which is comprehensively represented as a plane. Specifically, (11-20) plane, (2-1-10) plane, (-12-10) plane, (-1-120) plane, (-2110) plane, (1-210) plane, Means. In this specification, “c-axis”, “m-axis”, and “a-axis” mean axes perpendicular to the C-plane, M-plane, and A-plane, respectively.
In the present specification, the “nonpolar plane” means a plane in which both a group III element and a nitrogen element are present on the surface and the abundance ratio is 1: 1. Specifically, the M surface and the A surface can be cited as preferable surfaces. In the present specification, the “semipolar plane” means, for example, a plane other than the [0001] plane and not m = 0 when the group III nitride is hexagonal and the principal plane is represented by (hklm). Say. That is, it refers to a plane that is inclined with respect to the (0001) plane and is not a nonpolar plane. It means a surface having both a group III element and a nitrogen element or only one surface such as the C surface, and the abundance ratio is not 1: 1. h, k, l and m are each independently preferably an integer of -5 to 5, more preferably an integer of -2 to 2, and preferably a low index surface. . Examples of the semipolar plane that can be preferably used as the main surface of the nitride crystal include (10-11) plane, (10-1-1) plane, (10-12) plane, (10-1-2) plane, (20 -21) plane, (202-1) plane, (20-2-1) plane, (10-12) plane, (10-1-2) plane, (11-21) plane, (11-2-1) ) Plane, (11-22) plane, (11-2-2) plane, (11-24) plane, (11-2-4) plane, etc., and in particular, the (10-11) plane, ( 202-1) surface.
In this specification, “ppm” means weight ppm.

(第1の発明)
以下において、第1の本発明の窒化物結晶の製造方法について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
(First invention)
Hereinafter, the method for producing a nitride crystal of the first invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments.

(第1の発明の窒化物結晶の製造方法)
第1の発明の窒化物結晶の製造方法(以下、第1の発明の製造方法とも言う)は、窒化物結晶原料を反応容器の原料充填領域に充填し、反応容器中で超臨界および/または亜臨界状態の溶媒存在下にて結晶成長を行う窒化物結晶の製造方法であって、前記窒化物結晶原料を原料充填領域に0.7〜4.5g/cm3の嵩密度で充填して結晶成長を行う。つまり、原料充填領域に結晶原料を0.7〜4.5g/cm3の嵩密度となるように充填して、アモノサーマル法により該結晶原料から窒化物結晶を製造する、窒化物結晶の製造方法である。
(Method for producing nitride crystal of the first invention)
The method for producing a nitride crystal of the first invention (hereinafter also referred to as the production method of the first invention) is a method in which a nitride crystal raw material is filled in a raw material filling region of a reaction vessel and is supercritical and / or in the reaction vessel. A method for producing a nitride crystal in which crystal growth is performed in the presence of a subcritical solvent, wherein the nitride crystal raw material is filled in a raw material filling region at a bulk density of 0.7 to 4.5 g / cm 3 Perform crystal growth. In other words, a nitride crystal is filled from a crystal raw material by an ammonothermal method by filling the raw material filling region with a crystal raw material so as to have a bulk density of 0.7 to 4.5 g / cm 3 . It is a manufacturing method.

通常、アモノサーマル法では、反応容器内に結晶原料を充填する原料充填領域と種結晶を設置しておく結晶成長領域とを設けておき、原料充填領域において原料を溶解し、結晶成長領域において種結晶上に結晶を成長させる。このとき、原料充填領域と結晶成長領域には温度差をつけて、原料充填領域において原料がより溶解し、結晶成長領域において良質な結晶がより析出しやすくなるように制御する。本発明でいう「原料充填領域」は、反応開始前の反応容器の長軸が鉛直方向となるように設置したときに、充填した窒化物結晶原料の最下端部を含む水平面と充填した窒化物結晶原料の最上端部を含む水平面とで挟まれた反応容器内領域をいう。また、原料充填領域における窒化物結晶原料の「嵩密度」は、原料充填領域に充填した窒化物結晶原料の単位体積あたりの重量であり、結晶原料の重量を原料充填領域の自由容積で除することにより求めることができる。ここでいう原料充填領域の自由容積は、反応容器の原料充填領域の内容積から原料充填領域に存在する窒化物結晶原料以外の固体の容積を除いた容積である。そのような固体として、バッフル板や種結晶支持枠を支える支持枠、原料を設置するための坩堝、バスケットや網状構造物等の構造物を例示することができ、原料充填領域内におけるこれらの体積を除くことにより自由容積を求めることができる。   Usually, in the ammonothermal method, a raw material filling region in which a crystal raw material is filled in a reaction vessel and a crystal growth region in which a seed crystal is placed are provided, and the raw material is dissolved in the raw material filling region. A crystal is grown on the seed crystal. At this time, a temperature difference is provided between the raw material filling region and the crystal growth region so that the raw material is more dissolved in the raw material filling region and high-quality crystals are more likely to precipitate in the crystal growth region. The “raw material filling region” as used in the present invention refers to the horizontal plane including the lowermost end of the filled nitride crystal raw material and the filled nitride when the long axis of the reaction vessel before the start of the reaction is installed in the vertical direction. A region inside the reaction vessel sandwiched between a horizontal plane including the uppermost end of the crystal raw material. The “bulk density” of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is the weight per unit volume of the nitride crystal raw material filled in the raw material filling region, and the weight of the crystal raw material is divided by the free volume of the raw material filling region. Can be obtained. Here, the free volume of the raw material filling region is a volume obtained by subtracting the solid volume other than the nitride crystal raw material existing in the raw material filling region from the internal volume of the raw material filling region of the reaction vessel. Examples of such solids include baffle plates and support frames that support seed crystal support frames, crucibles for installing raw materials, baskets, and structures such as network structures, and their volumes within the raw material filling region. The free volume can be obtained by removing.

本発明の原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度の具体的な計算例を示す。例えば、内径20mmの円筒状の反応容器の下部領域に100gのGaN結晶原料を設置し、原料が入った領域の最下端(円筒内部の底面)から最上端までの高さが100mmであった場合の嵩密度は、100g/(314mm2×100mm)で計算することができ、約3.18g/cm3と算出される。また、容器に入れた状態でCTスキャン(コンピュータ断層撮影法)を行うことによっても分析することができる。
嵩密度は窒化物結晶原料の充填率に換算することが可能である。嵩密度を窒化物結晶原料の比重で除して100倍することにより充填率(単位%)を算出することができる。例えば、上の具体例では、GaN結晶の比重が6.1g/cm3であることから、充填率は52%と計算される。
The specific example of calculation of the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling area | region of this invention is shown. For example, when 100 g of GaN crystal raw material is installed in the lower region of a cylindrical reaction vessel having an inner diameter of 20 mm, and the height from the lowermost end (bottom surface inside the cylinder) to the uppermost end of the region containing the raw material is 100 mm The bulk density can be calculated at 100 g / (314 mm 2 × 100 mm), and is calculated to be about 3.18 g / cm 3 . It can also be analyzed by performing a CT scan (computed tomography) in a container.
The bulk density can be converted into the filling rate of the nitride crystal raw material. The filling rate (unit%) can be calculated by dividing the bulk density by the specific gravity of the nitride crystal raw material and multiplying by 100. For example, in the above specific example, since the specific gravity of the GaN crystal is 6.1 g / cm 3 , the filling rate is calculated to be 52%.

原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度が大きすぎると、窒化物結晶原料間に生じる空間の体積が小さくなることにより、溶媒の対流が阻害され原料の溶解速度が低下する。このため、良質な成長結晶を生産性良く成長させることが困難になる。一方、窒化物結晶原料の嵩密度が小さすぎると、窒化物結晶原料は十分に溶解できるものの、体積あたりの原料の投入量が少なくなり、十分な量の溶解原料を効率良く結晶成長領域に供給して、速やかに十分なサイズの窒化物結晶を成長させることが困難になる。本発明では原料充填領域における結晶原料の嵩密度を0.7〜4.5g/cm3の範囲内に制御することにより、溶媒の対流を阻害することなく、原料の溶解速度を向上させて、良質な結晶を効率良く成長させることができる。 When the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is too large, the volume of the space generated between the nitride crystal raw materials is reduced, so that the convection of the solvent is inhibited and the dissolution rate of the raw material is reduced. For this reason, it becomes difficult to grow high-quality grown crystals with high productivity. On the other hand, if the bulk density of the nitride crystal raw material is too small, the nitride crystal raw material can be sufficiently dissolved, but the input amount of the raw material per volume is reduced, and a sufficient amount of the dissolved raw material is efficiently supplied to the crystal growth region. Thus, it becomes difficult to quickly grow a nitride crystal having a sufficient size. In the present invention, by controlling the bulk density of the crystal raw material in the raw material filling region within the range of 0.7 to 4.5 g / cm 3 , the dissolution rate of the raw material is improved without inhibiting the convection of the solvent, Good quality crystals can be grown efficiently.

第1の発明の本発明の製造方法では、原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度を0.8g/cm3以上にすることが好ましく、0.9g/cm3以上にすることがより好ましく、1.0g/cm3以上にすることがさらに好ましく、1.1g/cm3以上にすることが特に好ましい。また、原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は4.0g/cm3以下にすることが好ましく、3.6g/cm3以下にすることがより好ましく、3.2g/cm3以下にすることがさらに好ましく、3.0g/cm3以下にすることが特に好ましい。原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度を上記範囲とすることで、溶媒の対流を阻害することなく、原料の溶解速度を向上させて、良質な結晶を効率良く成長させることができる。 In the production method of the present invention of the first invention, the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is preferably 0.8 g / cm 3 or more, more preferably 0.9 g / cm 3 or more. 1.0 g / cm 3 or more is more preferable, and 1.1 g / cm 3 or more is particularly preferable. Further, the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is preferably 4.0 g / cm 3 or less, more preferably 3.6 g / cm 3 or less, and 3.2 g / cm 3 or less. More preferably, it is particularly preferably 3.0 g / cm 3 or less. By setting the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region within the above range, the dissolution rate of the raw material can be improved and high-quality crystals can be efficiently grown without inhibiting the convection of the solvent.

(嵩密度の調整方法)
原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は、例えば使用する窒化物結晶原料の粒径、粒径分布、形状などを選択することにより制御することが可能である。すなわち、反応容器内の原料充填領域に窒化物結晶原料を入れたときに、個々の窒化物結晶原料粒子どうしが互いに空隙を持ちながら重なり合いやすい粒径や形状を有する窒化物結晶原料を選択すれば、嵩密度を高くすることができる。例えば、粒径が大きな窒化物結晶原料を用いたり、粒子形状が非対称で不定形である窒化物結晶原料を用いたりすることにより、嵩密度を低くすることが可能である。逆に、反応容器内の原料充填領域に窒化物結晶原料を入れたときに、個々の窒化物結晶原料粒子どうしが互いに密に重なり合いやすい粒径や形状を有する窒化物結晶原料を選択すれば、嵩密度を高くすることができる。例えば、粒径が小さな窒化物結晶原料を用いたり、粒径が大きな窒化物結晶原料とその間隙に入り込むような小さな粒径の窒化物結晶原料を組み合わせて用いたり、密に充填しやすい粒子形状を持つ均一な窒化物結晶原料を用いたりすることにより、嵩密度を高くすることが可能である。
(Method for adjusting bulk density)
The bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region can be controlled, for example, by selecting the particle size, particle size distribution, shape, and the like of the nitride crystal raw material to be used. In other words, when a nitride crystal raw material is placed in the raw material filling region in the reaction vessel, a nitride crystal raw material having a particle size or shape that allows the individual nitride crystal raw material particles to easily overlap with each other having a gap is selected. , The bulk density can be increased. For example, it is possible to reduce the bulk density by using a nitride crystal material having a large particle size or using a nitride crystal material having an asymmetric and irregular particle shape. Conversely, when a nitride crystal raw material is selected in the raw material filling region in the reaction vessel, a nitride crystal raw material having a particle size or shape in which individual nitride crystal raw material particles tend to closely overlap each other is selected. The bulk density can be increased. For example, a nitride crystal raw material with a small particle diameter, a nitride crystal raw material with a large particle diameter and a nitride crystal raw material with a small particle diameter that can enter the gap, or a particle shape that is easy to pack closely It is possible to increase the bulk density by using a uniform nitride crystal raw material having

原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度を上記範囲とできれば、用いる窒化物結晶の嵩密度は得に限定されないが、嵩密度が0.7〜4.5g/cm3の範囲にある窒化物結晶原料を用いることが好ましい。より好ましくは1.5g/cm3以上であり、更に好ましくは1.8g/cm3以上であって、より好ましくは4.0g/cm3以下であり、更に好ましくは3.0g/cm3以下である。このような範囲の嵩密度を有する窒化物結晶原料を単独または組合せて用いることによって、原料充填領域における窒化物原料の溶解性を調整することが好ましい。なお、嵩密度が異なる窒化物結晶原料の各々の「嵩密度」は、適当な容器に窒化物結晶原料を充填し、充填した結晶原料の単位体積あたりの重量を意味し、充填した窒化物結晶原料の重量を該容器の容積で除することにより求めることができる。通常、同一の嵩密度を有するとされる窒化物結晶原料の集合体は、類似した形状を有しており、粒径の最小値に対する最大値が100倍以下となるような集合を、略同等の嵩密度を有する「1種の窒化物結晶原料」と称する。1種の窒化物結晶原料は1粒子あたりの重量のばらつきが小さいことが好ましく、1粒子あたりの重量における標準偏差は使用する反応容器の大きさによって好ましい範囲が異なるが、一般的に8.0以下であることが好ましく、7.0以下であることがより好ましく、6.0以下であることが更に好ましい。特に、反応容器の直径が26mm程度の場合は平均重量0.6〜1.2g/1粒子であり標準偏差が0.35〜0.48の原料を使用することが好ましい。反応容器の直径が60mm程度の場合は平均重量5.0〜8.5g/1粒子であり標準偏差が5.4以下の原料を使用することが好ましい。反応容器の直径が130mm程度の場合は平均重量5.0〜10.5g/1粒子であり標準偏差が7.0以下の原料を使用することが好ましい。 If the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region can be in the above range, the bulk density of the nitride crystal to be used is not particularly limited, but the nitride has a bulk density in the range of 0.7 to 4.5 g / cm 3 . It is preferable to use a crystal raw material. More preferably, it is 1.5 g / cm 3 or more, more preferably 1.8 g / cm 3 or more, more preferably 4.0 g / cm 3 or less, and further preferably 3.0 g / cm 3 or less. It is. It is preferable to adjust the solubility of the nitride raw material in the raw material filling region by using a nitride crystal raw material having such a bulk density alone or in combination. The “bulk density” of each of the nitride crystal raw materials having different bulk densities means a weight per unit volume of the filled crystal raw material in a suitable container, and the filled nitride crystals. It can be determined by dividing the weight of the raw material by the volume of the container. Usually, aggregates of nitride crystal raw materials that are said to have the same bulk density have similar shapes, and aggregates that have a maximum value of 100 times or less with respect to the minimum value of the grain size are substantially equivalent. It is called “one kind of nitride crystal raw material” having a bulk density of One nitride crystal raw material preferably has a small variation in weight per particle, and the standard deviation in the weight per particle varies depending on the size of the reaction vessel used, but generally 8.0. Is preferably 7.0 or less, more preferably 7.0 or less, and still more preferably 6.0 or less. In particular, when the diameter of the reaction vessel is about 26 mm, it is preferable to use a raw material having an average weight of 0.6 to 1.2 g / 1 particle and a standard deviation of 0.35 to 0.48. When the diameter of the reaction vessel is about 60 mm, it is preferable to use a raw material having an average weight of 5.0 to 8.5 g / 1 particle and a standard deviation of 5.4 or less. When the diameter of the reaction vessel is about 130 mm, it is preferable to use a raw material having an average weight of 5.0 to 10.5 g / 1 particle and a standard deviation of 7.0 or less.

原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は、原料充填領域に窒化物結晶原料を入れた後に、エネルギーを与えることにより制御することもできる。例えば、原料充填領域に窒化物結晶原料を入れた後に、振動を与えたり、反応容器を回転させたり、攪拌棒や回転羽根を用いて充填した窒化物結晶原料を混ぜたりすることにより嵩密度を制御することができる。振動は、反応容器を直接揺動することにより与えてもよいし、超音波などの非接触手段により与えてもよい。
原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は、原料充填領域に構造物を設置することによって制御することも可能である。例えば、溶媒を通過させることができるが、窒化物結晶原料は通過させない網状構造体を好ましく採用することができる。そのような網状構造体によって、原料充填領域における窒化物結晶原料の存在域を制限することにより、嵩密度を制御することができる。すなわち、窒化物結晶原料の存在域を狭い領域に制限し、窒化物結晶原料が存在できない領域を広く確保することにより、嵩密度を低く制御することができる。例えば、原料充填領域よりも容積が小さな網状構造体の中に窒化物結晶原料を充填したうえで、これを原料充填領域に入れることにより、嵩密度を小さくすることができる。また、逆に窒化物結晶原料を充填していない中空の網状構造体を原料充填領域に設置することにより、嵩密度を制御してもよい。例えば、そのような網状構造体を窒化物結晶原料と混合して原料充填領域に充填することができる。このとき両者の混合割合を調整すれば嵩密度を制御することができる。網状構造体は、予め原料充填領域に固定しておいても構わない。また、このような種々の態様の網状構造体は複数個使用してもよい。さらに、溶媒を通過させることができるような、網状でない構造体を採用することも可能である。
The bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region can also be controlled by applying energy after the nitride crystal raw material is put in the raw material filling region. For example, after the nitride crystal raw material is placed in the raw material filling region, the bulk density is increased by applying vibration, rotating the reaction vessel, or mixing the filled nitride crystal raw material using a stirring rod or a rotating blade. Can be controlled. The vibration may be applied by directly swinging the reaction container or by non-contact means such as ultrasonic waves.
The bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region can be controlled by installing a structure in the raw material filling region. For example, a network structure which can pass a solvent but does not allow a nitride crystal raw material to pass through can be preferably employed. By such a network structure, the bulk density can be controlled by limiting the existence region of the nitride crystal raw material in the raw material filling region. That is, the bulk density can be controlled to be low by restricting the region where the nitride crystal raw material exists to a narrow region and ensuring a wide region where the nitride crystal raw material cannot exist. For example, the bulk density can be reduced by filling a nitride crystal raw material into a network structure having a smaller volume than the raw material filling region and then putting the same into the raw material filling region. Conversely, the bulk density may be controlled by installing a hollow network structure not filled with the nitride crystal raw material in the raw material filling region. For example, such a network structure can be mixed with a nitride crystal raw material and filled in the raw material filling region. At this time, the bulk density can be controlled by adjusting the mixing ratio of the two. The network structure may be fixed in advance in the raw material filling region. Moreover, you may use multiple network structures of such various aspects. Furthermore, it is also possible to employ a non-reticulated structure that allows a solvent to pass through.

(窒化物結晶原料)
本発明では、アモノサーマル法により成長させようとしている窒化物結晶を構成する原子を含む窒化物結晶原料を用いる。例えば、周期表第13族金属の窒化物結晶(以下、第13族窒化物結晶と称する場合がある)を成長させようとする場合は、周期表第13族金属を含む原料を用いる。好ましくは第13族窒化物結晶の多結晶原料または単結晶原料を用い、これを第13族原子の金属(メタル)と組み合わせて原料として用いてもよい。多結晶原料は、完全な窒化物である必要はなく、条件によっては第13族原子がメタルの状態(ゼロ価)である金属成分を含有してもよい。例えば、結晶が窒化ガリウムである場合には、窒化ガリウムと金属ガリウムの混合物が挙げられる。第13族窒化物結晶の種類としては、GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、AllnGaNなどを挙げることができる。好ましいのはGaN、AlN、AlGaN、AllnGaNであり、より好ましいのはGaNである。
(Nitride crystal raw material)
In the present invention, a nitride crystal raw material containing atoms constituting the nitride crystal to be grown by the ammonothermal method is used. For example, when a nitride crystal of a Group 13 metal of the periodic table (hereinafter sometimes referred to as a Group 13 nitride crystal) is to be grown, a raw material containing a Group 13 metal of the periodic table is used. Preferably, a polycrystalline raw material or a single crystal raw material of a Group 13 nitride crystal is used, and this may be used as a raw material in combination with a Group 13 metal. The polycrystalline raw material does not need to be a complete nitride, and may contain a metal component in which the Group 13 atom is in a metal state (zero valence) depending on conditions. For example, when the crystal is gallium nitride, a mixture of gallium nitride and metal gallium can be used. Examples of the group 13 nitride crystal include GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, and AllnGaN. Preferred is GaN, AlN, AlGaN, AllnGaN, and more preferred is GaN.

本発明において原料として用いる多結晶原料の製造方法は、特に制限されない。例えば、アンモニアガスを流通させた容器内で、金属またはその酸化物もしくは水酸化物をアンモニアと反応させることにより生成した窒化物多結晶を用いることができる。また、より反応性の高い金属化合物原料として、ハロゲン化物、アミド化合物、イミド化合物、ガラザンなどの共有結合性M−N結合を有する化合物などを用いることができる。さらに、Gaなどの金属を高温高圧で窒素と反応させて作製した窒化物多結晶を用いることもできる。   The manufacturing method of the polycrystalline raw material used as a raw material in the present invention is not particularly limited. For example, a nitride polycrystal produced by reacting a metal or an oxide or hydroxide thereof with ammonia in a container in which ammonia gas is circulated can be used. In addition, as a metal compound raw material having higher reactivity, a compound having a covalent MN bond such as a halide, an amide compound, an imide compound, or galazan can be used. Furthermore, a nitride polycrystal produced by reacting a metal such as Ga with nitrogen at a high temperature and a high pressure can also be used.

本発明において原料として用いる多結晶原料に含まれる水や酸素の量は、少ないことが好ましい。多結晶原料中の酸素含有量は、通常1.0重量%以下、好ましくは0.1重量%以下、特に好ましくは0.0001重量%以下である。多結晶原料への酸素の混入のしやすさは、水分との反応性または吸収能と関係がある。多結晶原料の結晶性が悪いほど表面にNH基などの活性基が多く存在し、それが水と反応して一部酸化物や水酸化物が生成する可能性がある。このため、多結晶原料としては、通常、できるだけ結晶性が高い物を使用することが好ましい。結晶性は粉末X線回折の半値幅で見積もることができ、(100)の回折線(ヘキサゴナル型窒化ガリウムでは2θ=約32.5°)の半値幅が、通常0.25°以下、好ましくは0.20°以下、さらに好ましくは0.17°以下である。   The amount of water and oxygen contained in the polycrystalline raw material used as the raw material in the present invention is preferably small. The oxygen content in the polycrystalline raw material is usually 1.0% by weight or less, preferably 0.1% by weight or less, particularly preferably 0.0001% by weight or less. The ease of mixing oxygen into the polycrystalline raw material is related to the reactivity with water or the absorption capacity. The worse the crystallinity of the polycrystalline raw material, the more active groups such as NH groups exist on the surface, which may react with water and partially generate oxides or hydroxides. For this reason, it is usually preferable to use a polycrystalline material having as high crystallinity as possible. The crystallinity can be estimated by the half width of powder X-ray diffraction. The half width of the (100) diffraction line (2θ = about 32.5 ° for hexagonal gallium nitride) is usually 0.25 ° or less, preferably It is 0.20 ° or less, more preferably 0.17 ° or less.

第1の発明における窒化物結晶原料は、最大径が0.5μm〜120mmの粒子であることが好ましい。本発明で用いる窒化物結晶原料の粒径は、嵩密度の調整のし易さや、取り扱いのし易さ等の面から反応容器のサイズによって好ましい範囲が異なる。具体的には、反応容器のサイズがより大きくなれば、結晶原料の粒径もより大きくて構わない。なお、ここでいう粒子の最大径とは、粒子の最大長さの直線距離をいう。また、後述する2次粒子が凝集してなる3次粒子については、3次粒子の最大径が窒化物結晶原料の「粒径」と一致する。
例えば、直径が26mm程度または30mm程度の反応容器を用いる場合の粒径は、最大径が0.5μm以上であるものを用いることが好ましく、1μm以上であるものを用いることがより好ましく、10μm以上であるものを用いることがさらに好ましく、また、20mm以下であるものを用いることが好ましく、15mm以下であるものを用いることがより好ましく、10mm以下であるものを用いることがさらに好ましい。また、例えば直径が60mm程度の反応容器を用いる場合の粒径は、最大径が0.5μm以上であるものを用いることが好ましく、1μm以上であるものを用いることがより好ましく、10μm以上であるものを用いることがさらに好ましく、また、50mm以下であるものを用いることが好ましく、30mm以下であるものを用いることがより好ましく、20mm以下であるものを用いることがさらに好ましい。
また、例えば直径が130mm程度の反応容器を用いる場合の粒径は、最大径が0.5μm以上であるものを用いることが好ましく、1μm以上であるものを用いることがより好ましく、10μm以上であるものを用いることがさらに好ましく、また、120mm以下であるものを用いることが好ましく、60mm以下であるものを用いることがより好ましく、30mm以下であるものを用いることがさらに好ましい。
The nitride crystal raw material in the first invention is preferably particles having a maximum diameter of 0.5 μm to 120 mm. The preferable range of the particle size of the nitride crystal raw material used in the present invention varies depending on the size of the reaction vessel from the viewpoints of easy adjustment of bulk density and ease of handling. Specifically, if the size of the reaction vessel is larger, the grain size of the crystal raw material may be larger. In addition, the maximum diameter of a particle here means the linear distance of the maximum length of a particle. In addition, for tertiary particles formed by agglomerating secondary particles described later, the maximum diameter of the tertiary particles coincides with the “particle size” of the nitride crystal raw material.
For example, when using a reaction vessel having a diameter of about 26 mm or about 30 mm, the particle diameter is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, and more preferably 10 μm or more. It is more preferable to use a material that is 20 mm or less, more preferably a material that is 15 mm or less, more preferably a material that is 10 mm or less. For example, when using a reaction vessel having a diameter of about 60 mm, the particle diameter is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, and more preferably 10 μm or more. It is more preferable to use a material that is 50 mm or less, more preferably 30 mm or less, and even more preferably 20 mm or less.
For example, when using a reaction vessel having a diameter of about 130 mm, the particle diameter is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, and more preferably 10 μm or more. It is more preferable to use a material that is 120 mm or less, more preferably 60 mm or less, and even more preferably 30 mm or less.

第1の発明で用いる窒化物結晶原料は、窒化物結晶原料粒子が凝集してなる構造を有するものを使用することが好ましい。具体的には、2次粒子が凝集してなる3次粒子を用いることが好ましい。2次粒子の粒径は100μm以上であることが好ましく、200μm以上であることがより好ましく、300μm以上であることがさらに好ましく、また、1000μm以下であることが好ましく、900μm以下であることがより好ましく、800μm以下であることがさらに好ましい。3次粒子の粒径は1mm以上であり、5mm以上であることがより好ましく、10mm以上であることがさらに好ましく、また、120mm以下であることが好ましく、60mm以下であることがより好ましく、50mm以下であることがそれより好ましく、30mm以下であることがさらに好ましく、20mm以下であることが特に好ましい。2次粒子の粒径は光学顕微鏡等で計測することが可能である。3次粒子のように1mm以上であれば、目視で確認が可能であるので、例えばノギスや物差し等により計測することができる。さらに、本発明で用いる窒化物結晶原料の形状が、後述するように珊瑚状である場合、粒子の最大径は、表面の突起部分を含めて求める。なお、上述の窒化物結晶原料粒子が凝集してなる構造を有する窒化物結晶において、1次粒子はナノ単位の単結晶を意味しており、これらの単結晶が互いに凝集・結合して多結晶である2次粒子を構成する。通常、1次粒子は互いに結合して一体化しているため粒子として判別することができない。   The nitride crystal raw material used in the first invention preferably has a structure in which the nitride crystal raw material particles are aggregated. Specifically, it is preferable to use tertiary particles obtained by agglomerating secondary particles. The particle size of the secondary particles is preferably 100 μm or more, more preferably 200 μm or more, further preferably 300 μm or more, more preferably 1000 μm or less, and more preferably 900 μm or less. Preferably, it is 800 μm or less. The particle size of the tertiary particles is 1 mm or more, more preferably 5 mm or more, further preferably 10 mm or more, preferably 120 mm or less, more preferably 60 mm or less, 50 mm More preferably, it is more preferably 30 mm or less, and particularly preferably 20 mm or less. The particle size of the secondary particles can be measured with an optical microscope or the like. If it is 1 mm or more as in the case of tertiary particles, it can be visually confirmed, and can be measured, for example, with calipers or a ruler. Furthermore, when the shape of the nitride crystal raw material used in the present invention is a bowl shape as will be described later, the maximum diameter of the particles is determined including the protrusions on the surface. In the nitride crystal having a structure in which the above-mentioned nitride crystal raw material particles are aggregated, the primary particle means a nano-unit single crystal, and these single crystals are aggregated and bonded to each other to form a polycrystal. Secondary particles are formed. Usually, primary particles cannot be discriminated as particles because they are combined and integrated with each other.

第1の発明で用いる窒化物結晶原料の粒径分布については、粒径が0.01μm以上の窒化物結晶原料が、窒化物結晶原料全体の体積の20%以上、より好ましくは30%以上を占めることが窒化物結晶原料間の隙間が十分に空き、溶媒の対流が可能となるために好ましい。また、粒径が1.0mm以上の窒化物結晶原料が、窒化物結晶原料全体の体積の10%以上、より好ましくは30%以上、さらに好ましくは50%以上、特に好ましくは80%以上を占めることが窒化物結晶原料間の隙間が十分に空き、溶媒の対流が可能となるために好ましい。   Regarding the particle size distribution of the nitride crystal raw material used in the first invention, the nitride crystal raw material having a particle size of 0.01 μm or more accounts for 20% or more, more preferably 30% or more of the entire volume of the nitride crystal raw material. It is preferable to occupy because the gaps between the nitride crystal raw materials are sufficiently vacant and the solvent can be convected. Further, the nitride crystal raw material having a particle size of 1.0 mm or more accounts for 10% or more, more preferably 30% or more, further preferably 50% or more, particularly preferably 80% or more of the entire volume of the nitride crystal raw material. This is preferable because the gap between the nitride crystal raw materials is sufficiently vacant and the solvent can be convected.

(窒化物結晶原料の形状)
本発明で用いる窒化物結晶原料の形状は、球状、断面が楕円である粒状、板状、直方形状、三角形状、珊瑚状(本明細書中、珊瑚状とは、表面に最大径の5%以上の長さの突起部分のある形状のことを言う。表面のほぼ全面に亘って凹凸があり、表面積が大きくなった状態であることが好ましい)であってもよい。好ましい形状は、溶媒の対流を大きく阻害しないよう結晶原料間に一定の空隙があることが好ましいため、嵩密度の調整も容易であるという理由で、楕円粒状、直方形状、三角形状、珊瑚状である。
なお、本明細書中において、珊瑚状の形状には、一般的に樹枝状(デンドリック)、金平糖状などの語句で表される形状が含まれる。珊瑚状の例としては、例えば特開2011−206866号公報に記載の粒子の形状や、特開2011−026665号公報に記載の粒子の形状などが含まれる。その中でも、窒化物結晶原料が珊瑚状であると、原料の溶解速度が上がり、大型の窒化物結晶を効率よく得ることができるため、好ましい。
(Shape of nitride crystal raw material)
The shape of the nitride crystal raw material used in the present invention is spherical, granular with an elliptical cross section, plate shape, rectangular shape, triangular shape, bowl shape (in this specification, bowl shape is 5% of the maximum diameter on the surface) It may be a shape having a protruding portion having the above length (preferably in a state where there is unevenness over the entire surface and the surface area is increased). The preferred shape is that there is a certain gap between the crystal raw materials so as not to greatly inhibit the convection of the solvent, so that the bulk density can be easily adjusted. is there.
In addition, in this specification, the shape represented by words and phrases, such as dendritic shape (dendritic), confetti shape, is generally contained in a bowl shape. Examples of the bowl-like shape include the shape of particles described in JP2011-206866A, the shape of particles described in JP2011026666A, and the like. Among these, it is preferable that the nitride crystal raw material is bowl-shaped because the raw material can be dissolved at a higher rate and large nitride crystals can be obtained efficiently.

このような珊瑚状の窒化物結晶原料の入手方法としては特に制限はなく、商業的に入手してもよく、または特定の条件下で結晶成長させて入手してもよい。商業的に入手する方法としては、例えば、Kyma社から商品名Poly GaNとして入手することができる。また、結晶成長して珊瑚状にする方法としては、一般的に知られるHVPE法などにより、結晶成長速度が速くなるように原料供給分圧や成長温度を調整することや種結晶を使用せずに結晶成長を実施して多結晶の成長を促進することが挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as an acquisition method of such a cage-like nitride crystal raw material, You may acquire commercially and you may obtain by crystal growth under specific conditions. As a commercially available method, for example, it can be obtained from Kyma as a trade name Poly GaN. In addition, as a method of growing a crystal into a bowl-like shape, a material supply partial pressure or a growth temperature is adjusted so as to increase a crystal growth rate by a generally known HVPE method or a seed crystal is not used. In another example, crystal growth is performed to promote the growth of polycrystals.

第1の発明で用いる窒化物結晶原料としては、その表面に溶媒に溶解しやすい面が出現しており、溶媒に溶解しにくい面が出現していないものを用いることが好ましい。例えば、アモノサーマル法によりアンモニア溶媒を用いてGaN結晶を成長させる場合は、+C面(Ga面)とM面がアンモニア溶媒に比較的溶けにくいため、これら以外の面が表面に出現している原料を使用することが好ましい。   As the nitride crystal raw material used in the first invention, it is preferable to use a material that has a surface that is easily dissolved in a solvent and a surface that is not easily dissolved in a solvent. For example, when a GaN crystal is grown using an ammonia solvent by an ammonothermal method, the + C plane (Ga plane) and the M plane are relatively insoluble in the ammonia solvent, and other planes appear on the surface. It is preferable to use raw materials.

(アモノサーマル法による結晶成長)
第1の発明の製造方法では、原料充填領域に窒化物結晶原料を0.7〜4.5g/cm3の嵩密度で充填した後に、アモノサーマル法により該窒化物結晶原料から窒化物結晶を製造する。
アモノサーマル法とは、超臨界状態及び/又は亜臨界状態にあるアンモニア溶媒などの窒素を含有する溶媒を用いて、窒化物結晶原料の溶解−析出反応を利用して所望の窒化物単結晶を製造する方法である。結晶成長は、アンモニアなどの溶媒への窒化物結晶原料溶解度の温度依存性を利用して温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させることにより行う。
(Crystal growth by ammonothermal method)
In the manufacturing method of the first invention, after filling a raw material filling region with a nitride crystal raw material at a bulk density of 0.7 to 4.5 g / cm 3 , the nitride crystal raw material is nitride-crystallized by an ammonothermal method. Manufacturing.
The ammonothermal method uses a nitrogen-containing solvent such as an ammonia solvent in a supercritical state and / or a subcritical state, and a desired nitride single crystal using a dissolution-precipitation reaction of a nitride crystal raw material. It is a method of manufacturing. Crystal growth is performed by using the temperature dependence of the solubility of the nitride crystal raw material in a solvent such as ammonia to cause a supersaturated state due to a temperature difference and precipitating the crystal.

第1の発明の製造方法によれば、速い成長速度で、原料利用効率良く、高い品質を有する窒化物結晶を効率良く製造することができる。本発明によれば、c軸方向の成長速度として、100μm/day以上を達成することができ、さらには300μm/day以上を達成することができ、さらになお600μm/day以上を達成することができる。また、m軸方向の成長速度として、30μm/day以上を達成することができ、さらには100μm/day以上を達成することができ、さらになお300μm/day以上を達成することができる。さらに、a軸方向の成長速度として、50μm/day以上を達成することができ、さらには600μm/day以上を達成することができ、さらになお1500μm/day以上を達成することができる。   According to the manufacturing method of the first invention, a nitride crystal having high quality can be efficiently manufactured at a high growth rate with high raw material utilization efficiency. According to the present invention, as the growth rate in the c-axis direction, 100 μm / day or more can be achieved, further 300 μm / day or more can be achieved, and still 600 μm / day or more can be achieved. . Further, as the growth rate in the m-axis direction, 30 μm / day or more can be achieved, further 100 μm / day or more can be achieved, and still 300 μm / day or more can be achieved. Furthermore, as the growth rate in the a-axis direction, 50 μm / day or more can be achieved, further 600 μm / day or more can be achieved, and still 1500 μm / day or more can be achieved.

以下において、アモノサーマル法による窒化物結晶の製造法の詳細を説明する。   Details of the method for producing nitride crystals by the ammonothermal method will be described below.

(鉱化剤)
本発明におけるアモノサーマル法による窒化物結晶の成長に際しては、鉱化剤を用いることが好ましい。アンモニアなどの窒素を含有する溶媒に対する窒化物結晶原料の溶解度が高くないために、溶解度を向上させるために鉱化剤を用いる。
(Mineralizer)
In the growth of nitride crystals by the ammonothermal method in the present invention, a mineralizer is preferably used. Since the solubility of the nitride crystal raw material in a solvent containing nitrogen such as ammonia is not high, a mineralizer is used to improve the solubility.

第1の発明で用いる鉱化剤は、塩基性鉱化剤であっても、酸性鉱化剤であってもよい。塩基性鉱化剤としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属と窒素原子を含む化合物で、アルカリ土類金属アミド、希土類アミド、窒化アルカリ金属、窒化アルカリ土類金属、アジド化合物、その他ヒドラジン類の塩が挙げられる。好ましくは、アルカリ金属アミドで、具体例としてはナトリウムアミド(NaNH2)、カリウムアミド(KNH2)、リチウムアミド(LiNH2)が挙げられる。また、酸性鉱化剤としては、ハロゲン元素を含む化合物が好ましい。ハロゲン元素を含む鉱化剤の例としては、ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化水素、アンモニウムヘキサハロシリケート、及びヒドロカルビルアンモニウムフルオリドや、ハロゲン化テトラメチルアンモニウム、ハロゲン化テトラエチルアンモニウム、ハロゲン化ベンジルトリメチルアンモニウム、ハロゲン化ジプロピルアンモニウム、及びハロゲン化イソプロピルアンモニウムなどのアルキルアンモニウム塩、フッ化アルキルナトリウムのようなハロゲン化アルキル金属、ハロゲン化アルカリ土類金属、ハロゲン化金属等が例示される。このうち、好ましくはハロゲン元素を含む添加物(鉱化剤)であるハロゲン化アルカリ、アルカリ土類金属のハロゲン化物、金属のハロゲン化物、ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化水素であり、さらに好ましくはハロゲン化アルカリ、ハロゲン化アンモニウム、周期表13族金属のハロゲン化物であり、特に好ましくはハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化ガリウムである。ハロゲン化アンモニウムとしては、例えば塩化アンモニウム(NH4Cl)、ヨウ化アンモニウム(NH4I)、臭化アンモニウム(NH4Br)、フッ化アンモニウム(NH4F)である。 The mineralizer used in the first invention may be a basic mineralizer or an acidic mineralizer. Basic mineralizers include alkali metals, alkaline earth metals, compounds containing rare earth metals and nitrogen atoms, alkaline earth metal amides, rare earth amides, alkali nitride metals, alkaline earth metal nitrides, azide compounds, and other hydrazines. Class of salts. Preferably, it is an alkali metal amide, and specific examples include sodium amide (NaNH 2 ), potassium amide (KNH 2 ), and lithium amide (LiNH 2 ). Moreover, as an acidic mineralizer, the compound containing a halogen element is preferable. Examples of mineralizers containing halogen elements include ammonium halide, hydrogen halide, ammonium hexahalosilicate, and hydrocarbyl ammonium fluoride, tetramethylammonium halide, tetraethylammonium halide, benzyltrimethylammonium halide, halogen Examples thereof include alkylammonium salts such as dipropylammonium halide and isopropylammonium halide, alkyl metal halides such as sodium alkyl fluoride, alkaline earth metal halides and metal halides. Of these, an additive (mineralizing agent) containing a halogen element is preferably an alkali halide, an alkaline earth metal halide, a metal halide, an ammonium halide, or a hydrogen halide, more preferably a halogenated. Alkalis, ammonium halides and halides of Group 13 metals of the periodic table are particularly preferred, ammonium halides and gallium halides. Examples of the ammonium halide include ammonium chloride (NH 4 Cl), ammonium iodide (NH 4 I), ammonium bromide (NH 4 Br), and ammonium fluoride (NH 4 F).

第1の発明で用いるでは、ハロゲン化アンモニウムを含む酸性鉱化剤を用いることが特に好ましい。また、鉱化剤は1種を単独で用いてもよいし、複数種を適宜混合して用いてもよい。
本発明で用いる鉱化剤の組み合わせと濃度比(モル濃度比)は、成長させようとしている窒化物結晶の種類や形状やサイズ、種結晶の種類や形状やサイズ、使用する反応装置、採用する温度条件や圧力条件などにより、適宜決定することができる。
For use in the first invention, it is particularly preferable to use an acidic mineralizer containing ammonium halide. Moreover, a mineralizer may be used individually by 1 type, and may mix and use multiple types suitably.
The combination and concentration ratio (molar concentration ratio) of the mineralizers used in the present invention are the type, shape and size of the nitride crystal to be grown, the type, shape and size of the seed crystal, and the reactor used. It can be determined appropriately depending on temperature conditions, pressure conditions, and the like.

本発明では、鉱化剤として酸性鉱化剤を選択することが好ましく、特にフッ素元素と、塩素、臭素、ヨウ素から構成される他のハロゲン元素から選ばれる少なくとも一つの元素とを含む鉱化剤を用いることが好ましい。前記鉱化剤に含まれるハロゲン元素の組み合わせは、塩素とフッ素、臭素とフッ素、ヨウ素とフッ素といった2元素の組み合わせであってもよいし、塩素と臭素とフッ素、塩素とヨウ素とフッ素、臭素とヨウ素とフッ素といった3元素の組み合わせであってもよいし、塩素と臭素とヨウ素とフッ素といった4元素の組み合わせであってもよい。好ましいのは、塩素とフッ素を少なくとも含む組み合わせと、臭素とフッ素を少なくとも含む組み合わせと、ヨウ素とフッ素を少なくとも含む組み合わせである。第1の発明で用いる鉱化剤に含まれるハロゲン元素の組み合わせと濃度比(モル濃度比)は、製造する窒化物結晶の種類や形状やサイズ、種結晶の種類や形状やサイズ、使用する反応装置、採用する温度条件や圧力条件などにより、適宜決定することができる。   In the present invention, it is preferable to select an acidic mineralizer as a mineralizer, and in particular, a mineralizer containing an elemental fluorine and at least one element selected from other halogen elements composed of chlorine, bromine and iodine. Is preferably used. The combination of halogen elements contained in the mineralizer may be a combination of two elements such as chlorine and fluorine, bromine and fluorine, iodine and fluorine, chlorine and bromine and fluorine, chlorine and iodine and fluorine, bromine and A combination of three elements such as iodine and fluorine may be used, or a combination of four elements such as chlorine, bromine, iodine and fluorine may be used. Preferred are a combination containing at least chlorine and fluorine, a combination containing at least bromine and fluorine, and a combination containing at least iodine and fluorine. The combination and concentration ratio (molar concentration ratio) of the halogen elements contained in the mineralizer used in the first invention are the type, shape and size of the nitride crystal to be produced, the type, shape and size of the seed crystal, and the reaction used. It can be determined appropriately depending on the apparatus, the temperature conditions and pressure conditions to be employed, and the like.

前記製造方法では、ハロゲン元素を含有する鉱化剤とともに、ハロゲン元素を含まない鉱化剤を用いることも可能であり、例えばNaNH2やKNH2やLiNH2などのアルカリ金属アミドと組み合わせて用いることもできる。 In the manufacturing method, it is possible to use a mineralizer containing no halogen element together with a mineralizer containing a halogen element. For example, it is used in combination with an alkali metal amide such as NaNH 2 , KNH 2 or LiNH 2 You can also.

前記製造方法で成長させる窒化物結晶に不純物が混入するのを防ぐために、必要に応じて鉱化剤は精製、乾燥してから使用することができる。前記鉱化剤の純度は、通常は95%以上、好ましくは99%以上、さらに好ましくは99.99%以上である。   In order to prevent impurities from being mixed into the nitride crystal grown by the above production method, the mineralizer can be used after being purified and dried as necessary. The purity of the mineralizer is usually 95% or higher, preferably 99% or higher, more preferably 99.99% or higher.

前記鉱化剤に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000ppm以下であることが好ましく、10ppm以下であることがより好ましく、1.0ppm以下であることがさらに好ましい。   The amount of water and oxygen contained in the mineralizer is desirably as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 ppm or less, more preferably 10 ppm or less, and further preferably 1.0 ppm or less. preferable.

なお、前記結晶成長を行う際には、反応容器にハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化リン、ハロゲン化シリコン、ハロゲン化ゲルマニウム、ハロゲン化亜鉛、ハロゲン化ヒ素、ハロゲン化スズ、ハロゲン化アンチモン、ハロゲン化ビスマスなどを存在させておいてもよい。
鉱化剤に含まれるハロゲン元素の溶媒に対するモル濃度は0.1mol%以上とすることが好ましく、0.3mol%以上とすることがより好ましく、0.5mol%以上とすることがさらに好ましい。また、鉱化剤に含まれるハロゲン元素の溶媒に対するモル濃度は30mol%以下とすることが好ましく、20mol%以下とすることがより好ましく、10mol%以下とすることがさらに好ましい。濃度が低すぎる場合、溶解度が低下し成長速度が低下する傾向がある。一方濃度が濃すぎる場合、溶解度が高くなりすぎて自発核発生が増加したり、過飽和度が大きくなりすぎたりするため制御が困難になるなどの傾向がある。
When performing the crystal growth, aluminum halide, phosphorus halide, silicon halide, germanium halide, zinc halide, arsenic halide, tin halide, antimony halide, bismuth halide, etc. are used in a reaction vessel. May be present.
The molar concentration of the halogen element contained in the mineralizer with respect to the solvent is preferably 0.1 mol% or more, more preferably 0.3 mol% or more, and further preferably 0.5 mol% or more. The molar concentration of the halogen element contained in the mineralizer is preferably 30 mol% or less, more preferably 20 mol% or less, and even more preferably 10 mol% or less. If the concentration is too low, the solubility tends to decrease and the growth rate tends to decrease. On the other hand, when the concentration is too high, the solubility tends to be too high and the generation of spontaneous nuclei increases, or the degree of supersaturation becomes too high and control tends to be difficult.

(溶媒)
前記製造方法に用いられる溶媒としては、窒素を含有する溶媒を用いることができる。窒素を含有する溶媒としては、成長させる窒化物単結晶の安定性を損なうことのない溶媒が挙げられる。前記溶媒としては、例えば、アンモニア、ヒドラジン、尿素、アミン類(例えば、メチルアミンのような第1級アミン、ジメチルアミンのような第二級アミン、トリメチルアミンのような第三級アミン、エチレンジアミンのようなジアミン)、メラミン等を挙げることができる。これらの溶媒は単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。
(solvent)
As a solvent used in the production method, a solvent containing nitrogen can be used. Examples of the solvent containing nitrogen include a solvent that does not impair the stability of the grown nitride single crystal. Examples of the solvent include ammonia, hydrazine, urea, amines (for example, primary amines such as methylamine, secondary amines such as dimethylamine, tertiary amines such as trimethylamine, and ethylenediamine. Diamine) and melamine. These solvents may be used alone or in combination.

窒化物結晶原料以外からの酸素の供給を低減するために、溶媒に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000ppm以下であることが好ましく、10ppm以下であることがより好ましく、0.1ppm以下であることがさらに好ましい。アンモニアを溶媒として用いる場合、その純度は通常99.9%以上であり、好ましくは99.99%以上であり、さらに好ましくは99.999%以上であり、特に好ましくは99.9999%以上である。   In order to reduce the supply of oxygen from other than the nitride crystal raw material, it is desirable that the amount of water and oxygen contained in the solvent is as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 ppm or less, and preferably 10 ppm or less. Is more preferable, and it is still more preferable that it is 0.1 ppm or less. When ammonia is used as a solvent, the purity is usually 99.9% or more, preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% or more, and particularly preferably 99.9999% or more. .

(反応容器および設置部材)
第1の発明の窒化物結晶の製造方法は、反応容器中で実施することができる。
前記反応容器は、窒化物結晶を成長させるときの高温高圧条件に耐え得るものの中から選択することができる。「反応容器」とは、超臨界および/または亜臨界状態の溶媒の存在下で窒化物結晶の製造を行うための容器を意味し、耐圧性容器内部の構造そのものや、耐圧性容器内に設置されるカプセルなどを好ましい例として挙げることができる。前記反応容器としては、特表2003−511326号公報(国際公開第01/024921号パンフレット)や特表2007−509507号公報(国際公開第2005/043638号パンフレット)に記載されるように反応容器の外から反応容器とその内容物にかける圧力を調整する機構を備えたものであってもよいし、そのような機構を有さないオートクレーブであってもよい。
(Reaction vessel and installation components)
The method for producing a nitride crystal of the first invention can be carried out in a reaction vessel.
The reaction vessel can be selected from those capable of withstanding high temperature and high pressure conditions when growing nitride crystals. “Reaction vessel” means a vessel for producing nitride crystals in the presence of a solvent in a supercritical and / or subcritical state. Preferred examples include capsules to be used. Examples of the reaction vessel include those described in JP-T-2003-511326 (International Publication No. 01/024921 pamphlet) and JP-T-2007-509507 (International Publication No. 2005/043638 pamphlet). A mechanism that adjusts the pressure applied to the reaction vessel and its contents from the outside may be provided, or an autoclave that does not have such a mechanism may be used.

反応容器は、窒化物結晶を成長させるときの高温高圧条件に耐え得るもの中から選択することが好ましい。前記反応容器は、高温強度が高く耐圧性と耐食性を有する材料で構成されているものが好ましく、特にアンモニア等の溶媒に対する耐食性に優れたNi系の合金、ステライト(デロロ・ステライト・カンパニー・インコーポレーテッドの登録商標)等のCo系合金を用いることが好ましい。より好ましくはNi系の合金であり、具体的には、Inconel625(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標、以下同じ)、Nimonic90(Nimonicはスペシャル メタルズ ウィギン リミテッドの登録商標、以下同じ)、RENE41(Teledyne Allvac, Incの登録商標)、Inconel718(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標)、ハステロイ(Haynes International,Incの登録商標)、ワスパロイ(United Technologies,Inc.の登録商標)が挙げられる。   The reaction vessel is preferably selected from those that can withstand the high-temperature and high-pressure conditions when the nitride crystal is grown. The reaction vessel is preferably made of a material having high temperature strength and pressure resistance and corrosion resistance. In particular, a Ni-based alloy having excellent corrosion resistance against solvents such as ammonia, Stellite (Delloro Stellite Company, Inc.) It is preferable to use a Co-based alloy such as More preferably, it is a Ni-based alloy. Specifically, Inconel 625 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited, the same applies hereinafter), Nimonic 90 (Nimonic is a registered trademark of Special Metals Wiggin Limited, the same applies hereinafter), RENE41 (Teledyne). Allvac, Inc.), Inconel 718 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited), Hastelloy (registered trademark of Haynes International, Inc.), Waspaloy (registered trademark of United Technologies, Inc.).

これらの合金の組成比率は、系内の溶媒の温度や圧力条件、及び系内に含まれる鉱化剤及びそれらの反応物との反応性及び/又は酸化力・還元力、pHの条件に従い、適宜選択すればよい。これらを反応容器の内面を構成する材料として用いるには、反応容器自体をこれらの合金を用いて製造してもよく、内筒として薄膜を形成して耐圧性容器内に反応容器として設置してもよく、任意の反応容器の材料の内面にメッキ処理を施してもよい。   The composition ratio of these alloys depends on the temperature and pressure conditions of the solvent in the system, and the reactivity with the mineralizers and their reactants contained in the system and / or the oxidizing power / reducing power, pH conditions, What is necessary is just to select suitably. In order to use these as materials constituting the inner surface of the reaction vessel, the reaction vessel itself may be manufactured using these alloys, and a thin film is formed as an inner cylinder and placed in a pressure resistant vessel as a reaction vessel. Alternatively, the inner surface of any reaction vessel material may be plated.

反応容器の耐食性をより向上させるために、貴金属の優れた耐食性を利用して、貴金属を反応容器の内表面をライニング又はコーティングしてもよい。また、反応容器の材質を貴金属とすることもできる。ここでいう貴金属としては、Pt、Au、Ir、Ru、Rh、Pd、Ag、及びこれらの貴金属を主成分とする合金が挙げられ、中でも優れた耐食性を有するPtまたはPt合金を用いることが好ましい。   In order to further improve the corrosion resistance of the reaction vessel, the inner surface of the reaction vessel may be lined or coated using the excellent corrosion resistance of the noble metal. Moreover, the material of the reaction vessel can be a noble metal. Examples of the noble metal herein include Pt, Au, Ir, Ru, Rh, Pd, Ag, and alloys containing these noble metals as a main component, and among these, it is preferable to use Pt or a Pt alloy having excellent corrosion resistance. .

第1の発明の窒化物結晶の製造方法に用いることのできる反応容器を含む結晶製造装置の具体例を図1に示す。図1は、本発明で用いることができる結晶製造装置の模式図である。図1に示される結晶製造装置においては、オートクレーブ1(耐圧性容器)中に内反応容器として装填されるカプセル20中で結晶成長を行う。カプセル20中は、原料を溶解するための原料充填領域9と結晶を成長させるための結晶成長領域6から構成されている。原料充填領域9には原料8とともに溶媒や鉱化剤を入れることができ、結晶成長領域6には種結晶7をワイヤーで吊すなどして設置することができる。原料充填領域9と結晶成長領域6の間には、2つの領域を区画バッフル板5が設置されている。バッフル板5の開孔率は2〜60%であるものが好ましく、3〜40%であるものがより好ましい。バッフル板の表面の材質は、反応容器であるカプセル20の材料と同一であることが好ましい。また、より耐食性を持たせ、成長させる結晶を高純度化するために、バッフル板の表面は、Ni、Ta、Ti、W、Mo、Ru、Nb、Pd、Pt、Au、Ir、pBNであることが好ましく、W、Mo、Ti、Pd、Pt、Au、Ir、pBNであることがより好ましく、Pt、Mo、Tiであることが特に好ましい。図1に示される結晶製造装置では、オートクレーブ1の内壁とカプセル20の間の空隙には、第2溶媒を充填することができるようになっている。ここには、バルブ10を介して窒素ボンベ13から窒素ガスを充填したり、アンモニアボンベ12からマスフローメーター14で流量を確認したりしながら第2溶媒としてアンモニアを充填することができる。また、真空ポンプ11により必要な減圧を行うこともできる。なお、第1の発明の窒化物結晶の製造方法を実施する際に用いる結晶製造装置には、バルブ、マスフローメーター、導管は必ずしも設置されていなくてもよい。   A specific example of a crystal production apparatus including a reaction vessel that can be used in the method for producing a nitride crystal of the first invention is shown in FIG. FIG. 1 is a schematic view of a crystal manufacturing apparatus that can be used in the present invention. In the crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1, crystal growth is performed in a capsule 20 loaded as an inner reaction container in an autoclave 1 (pressure-resistant container). The capsule 20 includes a raw material filling region 9 for dissolving the raw material and a crystal growth region 6 for growing crystals. The raw material filling region 9 can contain a solvent and a mineralizer together with the raw material 8, and the crystal growth region 6 can be installed by suspending the seed crystal 7 with a wire. Between the raw material filling region 9 and the crystal growth region 6, a partition baffle plate 5 is installed in two regions. The baffle plate 5 has a hole area ratio of preferably 2 to 60%, more preferably 3 to 40%. The material of the surface of the baffle plate is preferably the same as the material of the capsule 20 that is a reaction vessel. Further, in order to give more corrosion resistance and to purify the crystal to be grown, the surface of the baffle plate is Ni, Ta, Ti, W, Mo, Ru, Nb, Pd, Pt, Au, Ir, pBN. Of these, W, Mo, Ti, Pd, Pt, Au, Ir, and pBN are more preferable, and Pt, Mo, and Ti are particularly preferable. In the crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1, the gap between the inner wall of the autoclave 1 and the capsule 20 can be filled with the second solvent. Here, ammonia can be filled as the second solvent while filling the nitrogen gas from the nitrogen cylinder 13 through the valve 10 or confirming the flow rate from the ammonia cylinder 12 with the mass flow meter 14. In addition, the vacuum pump 11 can perform necessary pressure reduction. In the crystal manufacturing apparatus used when carrying out the method for manufacturing a nitride crystal of the first invention, valves, mass flow meters, and conduits do not necessarily have to be installed.

図2に示す結晶製造装置のように、カプセルを用いずに前記オートクレーブ1により耐食性を持たせるためにライニング4を使用し、反応容器として用いることもできる。ライニングする材料として、Pt、Ir、Ag、Pd、Rh、Cu、Au及びCのうち少なくとも一種類以上の金属又は元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金又は化合物であることが好ましく、より好ましくは、ライニングがしやすいという理由でPt,Ag、Cu及びCのうち少なくとも一種類以上の金属又は元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金又は化合物である。例えば、Pt単体、Pt−Ir合金、Ag単体、Cu単体やグラファイトなどが挙げられる。なお、図1のようにカプセルを用いる場合にも、上述のライニングを併用することもできる。   As in the crystal production apparatus shown in FIG. 2, the lining 4 can be used to provide corrosion resistance with the autoclave 1 without using capsules, and it can be used as a reaction vessel. The lining material is preferably at least one metal or element of Pt, Ir, Ag, Pd, Rh, Cu, Au and C, or an alloy or compound containing at least one metal, More preferably, it is an alloy or compound containing at least one or more metals or elements of Pt, Ag, Cu and C, or at least one or more metals because it is easy to line. For example, Pt simple substance, Pt-Ir alloy, Ag simple substance, Cu simple substance, graphite, etc. are mentioned. Note that the lining described above can also be used in combination when using a capsule as shown in FIG.

(製造工程)
第1の発明の窒化物結晶の製造方法の一例について説明する。第1の発明の窒化物結晶の製造方法を実施する際には、まず、反応容器内に、種結晶、窒素を含有する溶媒、原料、及び鉱化剤を入れて封止する。ここで、前記種結晶としては、主面の面方位は特に限定されないが、C面を主面として成長させた結晶を所望の方向に切り出すことによって、主面が非極性面又は半極性面となる基板を得ることができる。これによって、M面などの非極性面、(10−11)、(20−21)などの半極性面を有する種結晶を得ることができる。
(Manufacturing process)
An example of the method for producing a nitride crystal of the first invention will be described. When carrying out the method for producing a nitride crystal of the first invention, first, a seed crystal, a nitrogen-containing solvent, a raw material, and a mineralizer are put in a reaction vessel and sealed. Here, as the seed crystal, the plane orientation of the main surface is not particularly limited, but by cutting a crystal grown with the C plane as the main surface in a desired direction, the main surface becomes a nonpolar plane or a semipolar plane. A substrate can be obtained. Thereby, a seed crystal having a nonpolar plane such as an M plane and a semipolar plane such as (10-11) or (20-21) can be obtained.

前記窒化物結晶原料、鉱化剤、バッフル板や種結晶などの材料を反応容器内に導入するのに先だって、反応容器内は脱気しておいてもよい。また、材料の導入時には、窒素ガスなどの不活性ガスを流通させてもよい。反応容器内への種結晶の設置は、通常は、原料及び鉱化剤を充填する際に同時又は充填後に設置する。種結晶は、反応容器内表面を構成する貴金属と同様の貴金属製の治具に固定することが好ましい。種結晶の設置後には、必要に応じて加熱脱気をしてもよい。   Prior to introducing the material such as the nitride crystal raw material, mineralizer, baffle plate or seed crystal into the reaction vessel, the reaction vessel may be deaerated. Moreover, you may distribute | circulate inert gas, such as nitrogen gas, at the time of introduction | transduction of material. The seed crystal is usually placed in the reaction vessel at the same time or after filling the raw material and the mineralizer. The seed crystal is preferably fixed to a noble metal jig similar to the noble metal constituting the inner surface of the reaction vessel. After installation of the seed crystal, heat deaeration may be performed as necessary.

図1に示す製造装置を用いる場合は、反応容器であるカプセル20内に種結晶、窒素を含有する溶媒、原料、及び鉱化剤を入れて封止した後に、カプセル20を耐圧性容器(オートクレーブ)1内に装填し、好ましくは耐圧性容器と該反応容器の間の空隙に第2溶媒を充填して耐圧性容器を密閉する。   When the production apparatus shown in FIG. 1 is used, a capsule 20 that is a reaction vessel is sealed with a seed crystal, a nitrogen-containing solvent, a raw material, and a mineralizer, and then the capsule 20 is sealed in a pressure-resistant container (autoclave). ) 1 is loaded, and preferably the second solvent is filled in the space between the pressure vessel and the reaction vessel to seal the pressure vessel.

その後、全体を加熱して反応容器内を超臨界状態および/又は亜臨界状態とする。超臨界状態では一般的には、粘度が低く、液体よりも容易に拡散されるが、液体と同様の溶媒和力を有する。亜臨界状態とは、臨界温度近傍で臨界密度とほぼ等しい密度を有する液体の状態を意味する。例えば、原料充填部では、超臨界状態として原料を溶解し、結晶成長部では亜臨界状態となるように温度を変化させて超臨界状態と亜臨界状態の原料の溶解度差を利用した結晶成長も可能である。   Thereafter, the whole is heated to bring the inside of the reaction vessel into a supercritical state and / or a subcritical state. In the supercritical state, the viscosity is generally low and it is more easily diffused than the liquid, but has the same solvating power as the liquid. The subcritical state means a liquid state having a density substantially equal to the critical density near the critical temperature. For example, in the raw material filling part, the raw material is melted as a supercritical state, and in the crystal growth part, the temperature is changed so as to be in the subcritical state, and crystal growth utilizing the difference in solubility between the supercritical state and the subcritical state raw material is also performed. Is possible.

超臨界状態にする場合、反応混合物は、一般に溶媒の臨界点よりも高い温度に保持する。アンモニア溶媒を用いた場合、臨界点は臨界温度132℃、臨界圧力11.35MPaであるが、反応容器の容積に対する充填率が高ければ、臨界温度以下の温度でも圧力は臨界圧力を遥かに越える。本発明において「超臨界状態」とは、このような臨界圧力を越えた状態を含む。反応混合物は、一定の容積の反応容器内に封入されているので、温度上昇は流体の圧力を増大させる。一般に、T>Tc(1つの溶媒の臨界温度)及びP>Pc(1つの溶媒の臨界圧力)であれば、流体は超臨界状態にある。   When in the supercritical state, the reaction mixture is generally maintained at a temperature above the critical point of the solvent. When an ammonia solvent is used, the critical point is a critical temperature of 132 ° C. and a critical pressure of 11.35 MPa. However, if the filling rate with respect to the volume of the reaction vessel is high, the pressure far exceeds the critical pressure even at a temperature below the critical temperature. In the present invention, the “supercritical state” includes such a state exceeding the critical pressure. Since the reaction mixture is enclosed in a constant volume reaction vessel, the increase in temperature increases the pressure of the fluid. In general, if T> Tc (critical temperature of one solvent) and P> Pc (critical pressure of one solvent), the fluid is in a supercritical state.

超臨界条件では、窒化物結晶の十分な成長速度が得られる。反応時間は、特に鉱化剤の反応性及び熱力学的パラメータ、すなわち温度及び圧力の数値に依存する。窒化物結晶の合成中あるいは成長中、反応容器内の圧力は結晶性および生産性の観点から、120MPa以上にすることが好ましく、150MPa以上にすることがより好ましく、180MPa以上にすることがさらに好ましい。また、反応容器内の圧力は安全性の観点から、700MPa以下にすることが好ましく、500MPa以下にすることがより好ましく、350MPa以下にすることがさらに好ましく、300MPa以下にすることが特に好ましい。圧力は、温度及び反応容器の容積に対する溶媒体積の充填率によって適宜決定される。本来、反応容器内の圧力は、温度と充填率によって一義的に決まるものではあるが、実際には、原料、鉱化剤などの添加物、反応容器内の温度の不均一性、及び自由容積の存在によって多少異なる。   Under supercritical conditions, a sufficient growth rate of nitride crystals can be obtained. The reaction time depends in particular on the reactivity of the mineralizer and the thermodynamic parameters, ie temperature and pressure values. During the synthesis or growth of the nitride crystal, the pressure in the reaction vessel is preferably 120 MPa or more, more preferably 150 MPa or more, and further preferably 180 MPa or more, from the viewpoint of crystallinity and productivity. . The pressure in the reaction vessel is preferably 700 MPa or less, more preferably 500 MPa or less, further preferably 350 MPa or less, and particularly preferably 300 MPa or less from the viewpoint of safety. The pressure is appropriately determined depending on the filling rate of the solvent volume with respect to the temperature and the volume of the reaction vessel. Originally, the pressure in the reaction vessel is uniquely determined by the temperature and the filling rate, but in practice, the raw materials, additives such as mineralizers, temperature heterogeneity in the reaction vessel, and free volume Depending on the presence of

反応容器内の温度範囲は、結晶性および生産性の観点から、下限値が500℃以上であることが好ましく、515℃以上であることがより好ましく、530℃以上であることがさらに好ましい。上限値は、安全性の観点から、700℃以下であることが好ましく、650℃以下であることがより好ましく、630℃以下であることがさらに好ましい。第1の発明の窒化物結晶の製造方法では、反応容器内における原料充填領域の温度が、結晶成長領域の温度よりも高いことが好ましい。温度差(|ΔT|)は、結晶性および生産性の観点から、5℃以上であることが好ましく、10℃以上であることがより好ましく、100℃以下であることが好ましく、90℃以下であることがより好ましく、80℃以下が特に好ましい。反応容器内の最適な温度や圧力は、結晶成長の際に用いる鉱化剤や添加剤の種類や使用量等によって、適宜決定することができる。   From the viewpoint of crystallinity and productivity, the lower limit of the temperature range in the reaction vessel is preferably 500 ° C. or higher, more preferably 515 ° C. or higher, and further preferably 530 ° C. or higher. From the viewpoint of safety, the upper limit value is preferably 700 ° C. or less, more preferably 650 ° C. or less, and further preferably 630 ° C. or less. In the method for producing a nitride crystal of the first invention, the temperature of the raw material filling region in the reaction vessel is preferably higher than the temperature of the crystal growth region. The temperature difference (| ΔT |) is preferably 5 ° C. or higher, more preferably 10 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or lower, and 90 ° C. or lower from the viewpoints of crystallinity and productivity. More preferably, 80 ° C. or lower is particularly preferable. The optimum temperature and pressure in the reaction vessel can be appropriately determined depending on the type and amount of mineralizer and additive used during crystal growth.

前記の反応容器内の温度範囲、圧力範囲を達成するための反応容器への溶媒の注入割合、すなわち充填率は、反応容器の自由容積、すなわち、反応容器に窒化物結晶原料、及び種結晶を用いる場合には、種結晶とそれを設置する構造物の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積、またバッフル板を設置する場合には、さらにそのバッフル板の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積の溶媒の沸点における液体密度を基準として、通常20〜95%、好ましくは30〜80%、さらに好ましくは40〜70%とする。反応容器として図1のようなカプセル20を用いる場合には、溶媒の超臨界状態においてカプセル20内外で圧力がバランスするように、溶媒量を適宜調整することが好ましい。   The injection ratio of the solvent into the reaction vessel to achieve the temperature range and pressure range in the reaction vessel, that is, the filling rate, is the free volume of the reaction vessel, i.e. If used, subtract the volume of the seed crystal and the structure on which it is installed from the volume of the reaction vessel, and if a baffle plate is installed, further add the volume of the baffle plate from the volume of the reaction vessel. The liquid density at the boiling point of the solvent remaining after subtraction is usually 20 to 95%, preferably 30 to 80%, more preferably 40 to 70%. When the capsule 20 as shown in FIG. 1 is used as the reaction vessel, it is preferable to appropriately adjust the amount of the solvent so that the pressure is balanced inside and outside the capsule 20 in the supercritical state of the solvent.

反応容器内での窒化物結晶の成長は、熱電対を有する電気炉などを用いて反応容器を加熱昇温することにより、反応容器内をアンモニア等の溶媒の亜臨界状態又は超臨界状態に保持することにより行われる。加熱の方法、所定の反応温度への昇温速度に付いては特に限定されないが、通常、数時間から数日かけて行われる。必要に応じて、多段の昇温を行ったり、温度域において昇温スピードを変えたりすることもできる。また、部分的に冷却しながら加熱したりすることもできる。   Nitride crystal growth in the reaction vessel is maintained in a subcritical or supercritical state of a solvent such as ammonia by heating and heating the reaction vessel using an electric furnace with a thermocouple. Is done. The heating method and the rate of temperature increase to a predetermined reaction temperature are not particularly limited, but are usually performed over several hours to several days. If necessary, the temperature can be raised in multiple stages, or the temperature raising speed can be changed in the temperature range. It can also be heated while being partially cooled.

なお、前記の「反応温度」は、反応容器の外面に接するように設けられた熱電対、及び/又は外表面から一定の深さの穴に差し込まれた熱電対によって測定され、反応容器の内部温度へ換算して推定することができる。これら熱電対で測定された温度の平均値をもって平均温度とする。通常は、原料充填領域の温度と結晶成長領域の温度の平均値を平均温度とする。   The “reaction temperature” is measured by a thermocouple provided so as to be in contact with the outer surface of the reaction vessel and / or a thermocouple inserted into a hole having a certain depth from the outer surface. It can be estimated in terms of temperature. The average value of the temperatures measured with these thermocouples is taken as the average temperature. Usually, an average value of the temperature of the raw material filling region and the temperature of the crystal growth region is defined as the average temperature.

第1の発明の窒化物結晶の製造方法においては、種結晶に前処理を加えておくことができる。前記前処理としては、例えば、種結晶にメルトバック処理を施したり、種結晶の成長結晶成長面を研磨したり、種結晶を洗浄するなどが挙げられる。
第1の発明の窒化物結晶の製造方法においては、オートクレーブを昇温する際に、一定の温度を保持して、種結晶の成長結晶成長面にメルトバック処理を施してもよい。当該メルトバック処理によって、種結晶の成長結晶成長面や、装置中の部材に付着した結晶核を溶解することができる。前記メルトバック処理の条件としては、結晶成長領域(育成域)と原料充填領域(原料域)の平均温度差としては0℃以上が好ましく、10℃以上が更に好ましく、20℃以上が特に好ましい。また、100℃以下が好ましく、80℃以下が更に好ましく、60℃以下が特に好ましい。また、メルトバック処理の際の結晶成長領域の温度としては、500℃以上であることが好ましく、550℃以上であることがより好ましく、600℃以上であることがさらに好ましい。また、650℃以下が好ましく、630℃以下がより好ましい。原料充填領域の温度としては、500℃以上であることが好ましく、550℃以上であることがより好ましく、590℃以上であることがさらに好ましい。また、650℃以下が好ましく、630℃以下がより好ましい。
In the method for producing a nitride crystal of the first invention, a pretreatment can be added to the seed crystal. Examples of the pretreatment include subjecting the seed crystal to a meltback process, polishing the growth surface of the seed crystal, and washing the seed crystal.
In the method for producing a nitride crystal of the first invention, when raising the temperature of the autoclave, a constant temperature may be maintained, and the growth crystal growth surface of the seed crystal may be subjected to a meltback treatment. By the meltback treatment, the crystal growth surface of the seed crystal and the crystal nucleus attached to the member in the apparatus can be dissolved. As conditions for the meltback treatment, the average temperature difference between the crystal growth region (growth region) and the raw material filling region (raw material region) is preferably 0 ° C. or higher, more preferably 10 ° C. or higher, and particularly preferably 20 ° C. or higher. Moreover, 100 degrees C or less is preferable, 80 degrees C or less is more preferable, and 60 degrees C or less is especially preferable. The temperature of the crystal growth region during the meltback treatment is preferably 500 ° C. or higher, more preferably 550 ° C. or higher, and further preferably 600 ° C. or higher. Moreover, 650 degrees C or less is preferable and 630 degrees C or less is more preferable. The temperature of the raw material filling region is preferably 500 ° C. or higher, more preferably 550 ° C. or higher, and further preferably 590 ° C. or higher. Moreover, 650 degrees C or less is preferable and 630 degrees C or less is more preferable.

メルトバック処理時の反応容器内の圧力は、100MPa以上にすることが好ましく、150MPa以上にすることがさらに好ましく、180MPa以上にすることが特に好ましい。また、メルトバック処理の処理時間は、1時間以上が好ましく、5時間以上が更に好ましく、10時間以上が特に好ましい。また、200時間以下が好ましく、100時間以下が更に好ましく、50時間以下が特に好ましい。   The pressure in the reaction vessel during the meltback treatment is preferably 100 MPa or more, more preferably 150 MPa or more, and particularly preferably 180 MPa or more. In addition, the meltback treatment time is preferably 1 hour or longer, more preferably 5 hours or longer, and particularly preferably 10 hours or longer. Moreover, 200 hours or less are preferable, 100 hours or less are more preferable, and 50 hours or less are especially preferable.

前記前処理において、種結晶の表面(窒化物結晶成長面)を研磨するには、例えば、ケミカルメカニカルポリッシング(CMP)等で行うことができる。前記種結晶の表面粗さは、例えば、原子間力顕微鏡によって計測した二乗平均平方根粗さ(Rms)が、メルトバックとそれに続く結晶成長を均等に行うとの観点から、1.0nm以下であることが好ましく、0.5nmが更に好ましく、0.3nmが特に好ましい。   In the pretreatment, the surface of the seed crystal (nitride crystal growth surface) can be polished by, for example, chemical mechanical polishing (CMP). The surface roughness of the seed crystal is, for example, 1.0 nm or less from the viewpoint that the root mean square roughness (Rms) measured by an atomic force microscope performs meltback and subsequent crystal growth uniformly. Preferably, 0.5 nm is more preferable, and 0.3 nm is particularly preferable.

所定の温度に達した後の反応時間については、窒化物結晶の種類、用いる原料、鉱化剤の種類、製造する結晶の大きさや量によっても異なるが、通常、数時間から数百日とすることができる。反応中、反応温度は一定にしてもよいし、徐々に昇温又は降温させることもできる。所望の結晶を生成させるための反応時間を経た後、降温させる。降温方法は特に限定されないが、ヒーターの加熱を停止してそのまま炉内に反応容器を設置したまま放冷してもかまわないし、反応容器を電気炉から取り外して空冷してもかまわない。必要であれば、冷媒を用いて急冷することも好適に用いられる。   The reaction time after reaching a predetermined temperature varies depending on the type of nitride crystal, the raw material used, the type of mineralizer, and the size and amount of the crystal to be produced, but is usually several hours to several hundred days. be able to. During the reaction, the reaction temperature may be constant, or the temperature may be gradually raised or lowered. After a reaction time for producing desired crystals, the temperature is lowered. The temperature lowering method is not particularly limited, but the heating may be stopped while the heating of the heater is stopped and the reaction vessel is installed in the furnace as it is, or the reaction vessel may be removed from the electric furnace and air cooled. If necessary, quenching with a refrigerant is also preferably used.

反応容器外面の温度、あるいは推定される反応容器内部の温度が所定温度以下になった後、反応容器を開栓する。このときの所定温度は特に限定はなく、通常、−80℃〜200℃、好ましくは−33℃〜100℃である。ここで、反応容器に付属したバルブの配管接続口に配管接続し、水などを満たした容器に通じておき、バルブを開けてもよい。さらに必要に応じて、真空状態にするなどして反応容器内のアンモニア溶媒を十分に除去した後、乾燥し、反応容器の蓋等を開けて生成した窒化物結晶及び未反応の原料や鉱化剤等の添加物を取り出すことができる。
なお、第1の発明の窒化物結晶の製造方法にしたがって窒化ガリウムを製造する場合、前記以外の材料、製造条件、製造装置、工程の詳細については特開2009−263229号公報を好ましく参照することができる。該公開公報の開示全体を本明細書に引用して援用する。
After the temperature of the outer surface of the reaction vessel or the estimated temperature inside the reaction vessel is below a predetermined temperature, the reaction vessel is opened. The predetermined temperature at this time is not particularly limited, and is usually −80 ° C. to 200 ° C., preferably −33 ° C. to 100 ° C. Here, the valve may be opened by pipe connection to the valve connection port of the valve attached to the reaction vessel, leading to a vessel filled with water or the like. Furthermore, if necessary, remove the ammonia solvent in the reaction vessel sufficiently by applying a vacuum, etc., then dry, open the reaction vessel lid, etc., and generate nitride crystals and unreacted raw materials and mineralization. Additives such as agents can be removed.
When manufacturing gallium nitride according to the method for manufacturing a nitride crystal of the first invention, refer to JP 2009-263229 A for details of materials, manufacturing conditions, manufacturing apparatus, and processes other than those described above. Can do. The entire disclosure of this publication is incorporated herein by reference.

第1の発明の窒化物結晶の製造方法においては、種結晶上に窒化物結晶を成長させた後に、後処理を加えてもよい。前記後処理の種類や目的は特に制限されない。例えば、ピットや転位などの結晶欠陥を容易に観察できるようにするために、育成後の冷却過程で結晶表面をメルトバックしてもよい。   In the method for producing a nitride crystal of the first invention, after the nitride crystal is grown on the seed crystal, post-treatment may be added. The type and purpose of the post-processing are not particularly limited. For example, the crystal surface may be melted back in the cooling process after growth so that crystal defects such as pits and dislocations can be easily observed.

第1の発明の窒化物結晶の製造方法においては、結晶の成長条件に温度や圧力を維持している状態で窒化物結晶原料が完全に溶けてしまうと、成長させた結晶が溶解してしまうおそれがある。結晶成長工程の終了後に窒化物結晶原料は微量に残っていることが好ましいとの観点から、前記窒化物結晶原料の溶解率は、40%〜96%が好ましく、50%〜85%が更に好ましく、70%〜80が特に好ましい。前記溶解率は、(結晶成長工程前に投入した原料−結晶成長工程後に残った原料)/(結晶成長工程前に投入した原料)で求めることができる。   In the method for producing a nitride crystal according to the first invention, if the nitride crystal raw material is completely dissolved while maintaining the temperature and pressure in the crystal growth conditions, the grown crystal is dissolved. There is a fear. From the viewpoint that it is preferable that a very small amount of the nitride crystal raw material remains after the crystal growth step, the dissolution rate of the nitride crystal raw material is preferably 40% to 96%, more preferably 50% to 85%. 70% to 80% is particularly preferable. The dissolution rate can be obtained by (raw material input before crystal growth step−raw material remaining after crystal growth step) / (raw material input before crystal growth step).

(第2の発明)
本発明の第2の発明は、0.7〜4.5g/cm3の嵩密度を有し、結晶中の酸素濃度が10〜500ppmである窒化物結晶原料を、反応容器の原料充填領域に充填し、反応容器中で超臨界および/または亜臨界状態の溶媒存在下にて窒化物結晶成長を行う。
(Second invention)
According to a second aspect of the present invention, a nitride crystal raw material having a bulk density of 0.7 to 4.5 g / cm 3 and an oxygen concentration in the crystal of 10 to 500 ppm is provided in the raw material filling region of the reaction vessel. After filling, nitride crystal growth is performed in a reaction vessel in the presence of a supercritical and / or subcritical solvent.

本発明の第2の発明の窒化物結晶の製造方法(以下、第2の発明の製造方法とも言う)では、酸素濃度が10〜500ppmの窒化物結晶原料を使用して、アモノサーマル法により該窒化物結晶原料から窒化物結晶を製造する。具体的には、第2の発明の製造方法は、酸素濃度が10〜500ppmの窒化物結晶原料を反応容器の原料充填領域に充填して、反応容器中において超臨界および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で、窒化物結晶の成長を行う成長工程を含む。
以下、第2の発明に用いることができる窒化物結晶原料と、この窒化物結晶原料を用いた窒化物結晶成長方法について説明する。
In the method for producing a nitride crystal of the second invention of the present invention (hereinafter also referred to as the production method of the second invention), a nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 500 ppm is used, and an ammonothermal method is used. A nitride crystal is produced from the nitride crystal raw material. Specifically, in the production method of the second invention, a nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 500 ppm is filled in a raw material filling region of a reaction vessel, and is in a supercritical and / or subcritical state in the reaction vessel. A growth step of growing a nitride crystal in the presence of a nitrogen-containing solvent;
The nitride crystal material that can be used in the second invention and a nitride crystal growth method using this nitride crystal material will be described below.

(結晶原料)
第2の発明では、アモノサーマル法により成長させようとしている窒化物結晶を構成する原子を含む窒化物結晶原料を用いる。例えば、周期表第13族金属の窒化物結晶を成長させようとする場合は、周期表第13族金属を含む原料を用いる。好ましくは第13族窒化物結晶の多結晶原料または単結晶原料を用い、これを第13族原子の金属(メタル)と組み合わせて原料として用いても良い。多結晶原料は、完全な窒化物である必要はなく、条件によっては第13族原子がメタルの状態(ゼロ価)である金属成分を含有しても良い。例えば、成長させる窒化物結晶が窒化ガリウムである場合には、窒化物結晶原料としては、窒化ガリウムと金属ガリウムの混合物が挙げられる。第2の発明で得られる窒化物結晶の種類としては、GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、AllnGaNなどを挙げることができる。好ましいのはGaN、AlN、AlGaN、AllnGaNであり、より好ましいのはGaNである。よって、窒化物結晶原料としては、前述の結晶の多結晶原料および/またはこれらのメタルを組合せて用いることができる。
(Crystal raw material)
In the second invention, a nitride crystal raw material containing atoms constituting the nitride crystal to be grown by the ammonothermal method is used. For example, when a nitride crystal of Group 13 metal of the periodic table is to be grown, a raw material containing Group 13 metal of the periodic table is used. Preferably, a polycrystalline raw material or a single crystal raw material of a group 13 nitride crystal is used, and this may be used as a raw material in combination with a metal of group 13 atom (metal). The polycrystalline raw material does not need to be a complete nitride, and may contain a metal component in which the Group 13 atom is in a metal state (zero valence) depending on conditions. For example, when the nitride crystal to be grown is gallium nitride, examples of the nitride crystal raw material include a mixture of gallium nitride and metal gallium. Examples of the type of nitride crystal obtained in the second invention include GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, AllnGaN, and the like. Preferred is GaN, AlN, AlGaN, AllnGaN, and more preferred is GaN. Therefore, as the nitride crystal raw material, the above-mentioned polycrystalline raw material of crystals and / or these metals can be used in combination.

(結晶原料の酸素濃度)
第2の発明の窒化物結晶の製造方法は、酸素濃度が10〜500ppmの窒化物結晶原料を使用して、反応容器中において超臨界および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で、窒化物の結晶成長を行う成長工程を含む。
窒化物結晶原料の酸素濃度は、ドーパントとして十分な量を確保するために10ppm以上であり、15ppm以上であることが好ましく、16ppm以上であることがより好ましく、20ppm以上であることがさらに好ましい。また、窒化物結晶原料の酸素濃度は、不純物の少ない高品質の結晶とするために500ppm以下であり、150ppm以下であることが好ましく、120ppm以下であることが更に好ましく、80ppm以下であることが特に好ましい。窒化物結晶原料の酸素濃度を上記範囲内とすることで、得られる窒化物結晶のキャリア濃度を5×1017〜5×1019atoms/cm3とすることができ、高品質な窒化物結晶を得ることができる。
酸素濃度が10〜500ppmの窒化物結晶原料の製造方法は、特に制限されない。酸素濃度が10〜500ppmの窒化物結晶原料には、通常のHVPE法で製造したものを用いても良く、アモノサーマル法で製造したものを用いても良い。例えば、HVPE法で窒化物結晶原料を製造する場合、反応容器内に水蒸気を混入させ、酸素濃度を適宜調整した窒化物結晶原料を作製することができる。水蒸気には、希釈酸素と水を反応容器内で混合することで作り出されたものを用いることが好ましい。
(Oxygen concentration of crystal raw material)
In the method for producing a nitride crystal of the second invention, a nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 500 ppm is used in the presence of a nitrogen-containing solvent in a supercritical and / or subcritical state in a reaction vessel. A growth step of performing nitride crystal growth.
The oxygen concentration of the nitride crystal raw material is 10 ppm or more, preferably 15 ppm or more, more preferably 16 ppm or more, and further preferably 20 ppm or more in order to ensure a sufficient amount as a dopant. The oxygen concentration of the nitride crystal raw material is 500 ppm or less, preferably 150 ppm or less, more preferably 120 ppm or less, and 80 ppm or less in order to obtain high-quality crystals with few impurities. Particularly preferred. By setting the oxygen concentration of the nitride crystal raw material within the above range, the carrier concentration of the obtained nitride crystal can be set to 5 × 10 17 to 5 × 10 19 atoms / cm 3, and a high-quality nitride crystal is obtained. Can be obtained.
The method for producing a nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 500 ppm is not particularly limited. As the nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 500 ppm, one produced by a normal HVPE method may be used, or one produced by an ammonothermal method may be used. For example, when producing a nitride crystal raw material by the HVPE method, a nitride crystal raw material can be produced by mixing water vapor into the reaction vessel and appropriately adjusting the oxygen concentration. As the water vapor, it is preferable to use one produced by mixing diluted oxygen and water in a reaction vessel.

第2の発明では、以下に述べる関係式を用いて、窒化物結晶原料中の酸素濃度と成長した窒化物結晶中のキャリア濃度の相関関係を明らかにすることができる。これにより、再現性の高い酸素ドーピングが可能になる。   In the second invention, the relationship between the oxygen concentration in the nitride crystal raw material and the carrier concentration in the grown nitride crystal can be clarified using the relational expression described below. Thereby, oxygen doping with high reproducibility becomes possible.

第2の発明では、アモノサーマル法で形成した窒化物結晶の活性化率を以下の式で表すことができる。第2の発明において活性化率とは、ドーパントが窒化物結晶内でキャリアとして機能する割合を示す。   In the second invention, the activation rate of the nitride crystal formed by the ammonothermal method can be expressed by the following formula. In the second invention, the activation rate indicates a ratio at which the dopant functions as a carrier in the nitride crystal.

上記式において、ηはドーパント活性化率(単位:%)であり、[CC]はキャリア濃度(単位:cm-3)であり、[D]はドーパント濃度(単位:cm-3)である。通常、キャリア濃度は、得られた結晶についてホール測定、ラマン分光法、C−V特性分析、渦電流を用いた移動度測定などを行うことによって測定することができる。場合によっては、得られた窒化物結晶をアニール処理してキャリアの活性化を行ってからキャリア濃度を測定することが好ましい。また、ドーパント濃度は、得られた窒化物結晶についてSIMSを行って、酸素やSiなどのn型ドーパントとして働き得る原子の濃度を合計することで、決定することができる。ただし、Siやハロゲン元素などの酸素以外のドーパントの結晶中の取り込み量が、酸素に比べてきわめて小さい場合には、代表的なドーパントである酸素の濃度をドーパント濃度として考えることができる。 In the above formula, η is the dopant activation rate (unit:%), [CC] is the carrier concentration (unit: cm −3 ), and [D] is the dopant concentration (unit: cm −3 ). Usually, the carrier concentration can be measured by performing hole measurement, Raman spectroscopy, CV characteristic analysis, mobility measurement using eddy current, and the like on the obtained crystal. In some cases, it is preferable to measure the carrier concentration after annealing the obtained nitride crystal to activate the carrier. The dopant concentration can be determined by performing SIMS on the obtained nitride crystal and totaling the concentration of atoms that can function as an n-type dopant such as oxygen or Si. However, when the amount of dopant other than oxygen, such as Si or a halogen element, incorporated in the crystal is very small compared to oxygen, the concentration of oxygen, which is a representative dopant, can be considered as the dopant concentration.

HVPE法により作製する窒化物結晶においては、酸素をn型ドーパントとして用いる場合、その活性化率がほぼ100%であることが知られている。しかし、アモノサーマル法により得られる窒化物結晶について上記式により算出されるドーパント活性化率はHVPE法で得られた窒化物結晶のように100%とはならず、10〜90%であり、種々の成長条件で得られたアモノサーマル結晶を平均するとドーパント活性化率は約45%となることがわかった。このことにより、アモノサーマル法によって得られる窒化物結晶中にドーピングすべき酸素濃度は、目的とするキャリア濃度の1.1〜10倍の範囲であることが見出された。具体的には得られる窒化物結晶中にドーピングすべき酸素濃度は1.5×1018〜2.5×1019atoms/cm3であることが好ましく、このような量をドーピングするために、窒化物結晶原料に含まれる酸素濃度は10〜500ppmの範囲とすることが好ましい。 It is known that in a nitride crystal produced by the HVPE method, when oxygen is used as an n-type dopant, the activation rate is almost 100%. However, the dopant activation rate calculated by the above formula for the nitride crystal obtained by the ammonothermal method is not 100% as in the nitride crystal obtained by the HVPE method, but is 10 to 90%. The average of the ammonothermal crystals obtained under various growth conditions was found to be about 45% dopant activation. Thus, it has been found that the oxygen concentration to be doped in the nitride crystal obtained by the ammonothermal method is in the range of 1.1 to 10 times the target carrier concentration. Specifically, the oxygen concentration to be doped in the obtained nitride crystal is preferably 1.5 × 10 18 to 2.5 × 10 19 atoms / cm 3 , and in order to dope such an amount, The oxygen concentration contained in the nitride crystal raw material is preferably in the range of 10 to 500 ppm.

第2の発明の製造方法によれば、窒化物結晶原料に含まれる酸素量の40〜60wt%が、得られる窒化物結晶に取り込まれることが好ましく、酸素量の50wt%程度が取り込まれることがより好ましい。窒化物結晶原料から窒化物結晶に取り込まれる酸素量は、結晶成長条件を適宜調整することでコントロールすることができるが、具体的には窒化物結晶中のハロゲン取り込み量が増加すると酸素取り込み量が低減する傾向にある。よって、鉱化剤として用いるハロゲンの量やハロゲン種の比率を適宜変更することによっても調整し得る。   According to the manufacturing method of the second invention, it is preferable that 40 to 60 wt% of the oxygen amount contained in the nitride crystal raw material is taken into the obtained nitride crystal, and about 50 wt% of the oxygen amount is taken in. More preferred. The amount of oxygen taken into the nitride crystal from the nitride crystal raw material can be controlled by appropriately adjusting the crystal growth conditions. Specifically, as the amount of halogen uptake in the nitride crystal increases, the amount of oxygen uptake increases. It tends to decrease. Therefore, it can be adjusted by appropriately changing the amount of halogen used as the mineralizer and the ratio of halogen species.

上述した活性化率の算出式から窒化物結晶が所望のキャリア濃度を有するためにドープすべき酸素量を導き出すことができ、さらに、これにより窒化物結晶原料が含有すべき酸素の量を導き出すことができる。   The amount of oxygen to be doped in order for the nitride crystal to have a desired carrier concentration can be derived from the calculation formula for the activation rate described above, and further, the amount of oxygen to be contained in the nitride crystal raw material can be derived from this. Can do.

さらに、第2の発明では、窒化物結晶原料中の酸素濃度と結晶中のキャリア濃度の関係は、図3に示される線形近似式により、以下の式で表すことができる。
Y=0.7346X−2×1018
Furthermore, in the second invention, the relationship between the oxygen concentration in the nitride crystal raw material and the carrier concentration in the crystal can be expressed by the following equation using the linear approximation equation shown in FIG.
Y = 0.7346X-2 × 10 18

上記式において、Xは窒化物結晶原料中の酸素濃度、Yは得られた窒化物結晶中のキャリア濃度を表し、原料中の酸素濃度から得られた結晶中におけるキャリア濃度を見積もることができる。
第2の発明では、上記の相関関係式を用いることにより、アモノサーマル法において、再現性の高い酸素ドーピングを行うことが可能となる。これにより、半導体デバイスの用途に応じて、様々なキャリア濃度を有する窒化物結晶を容易に製造することができる。
In the above formula, X represents the oxygen concentration in the nitride crystal raw material, Y represents the carrier concentration in the obtained nitride crystal, and the carrier concentration in the obtained crystal can be estimated from the oxygen concentration in the raw material.
In the second invention, it is possible to perform oxygen doping with high reproducibility in the ammonothermal method by using the above correlation equation. Thereby, nitride crystals having various carrier concentrations can be easily manufactured according to the use of the semiconductor device.

また、第2の発明では、上記の相関関係式を用いることにより、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶の製造条件を確立することができる。これにより、アモノサーマル法において、精密な酸素ドーピングを行うことが可能となり、高品質な窒化物結晶を得ることができる。
さらに、上記の相関関係式を用いることで、目的のキャリア濃度を有する窒化物結晶の生産効率を高めることができる。
In the second invention, by using the above-described correlation formula, it is possible to establish the manufacturing conditions for the nitride crystal having a desired carrier concentration. Thereby, it becomes possible to perform precise oxygen doping in the ammonothermal method, and a high-quality nitride crystal can be obtained.
Furthermore, by using the above correlation formula, it is possible to increase the production efficiency of a nitride crystal having a target carrier concentration.

第2の発明の製造方法では、窒化物結晶原料に含まれる酸素以外のn型ドーパントの量は、1000ppm以下とすることが好ましく、100ppm以下とすることがより好ましく、10ppm以下とすることがさらに好ましい。窒化物結晶原料を製造する際に、窒化物結晶原料にn型ドーパントは一定量以上混合しないようにすることが好ましい。窒化物結晶原料の酸素以外のn型ドーパントの量を上記上限値以下とすることで、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための条件設定をより正確に行うことができる。   In the production method of the second invention, the amount of the n-type dopant other than oxygen contained in the nitride crystal raw material is preferably 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and further preferably 10 ppm or less. preferable. When producing the nitride crystal raw material, it is preferable not to mix a certain amount or more of the n-type dopant with the nitride crystal raw material. By setting the amount of n-type dopant other than oxygen in the nitride crystal raw material to the upper limit value or less, it is possible to more accurately set conditions for obtaining a nitride crystal having a desired carrier concentration.

酸素以外のn型ドーパントとしては、例えば、Si、Ge、Se、S、F、I、Cl、C等が挙げられる。これらのドーパントは、n型ドーパントとして窒化物結晶に添加され、窒化物結晶中でキャリアとなる。Siは窒化ガリウム結晶において、最も一般的に用いられるドーパントである。
酸素は活性化率が高いため、n型ドーパントとして有用である。このため、第2の発明では、窒化物化結晶に目的濃度のキャリアを含有するために酸素をドーピングすることが好ましい。また、窒化物結晶に酸素をドーピングすることで、Siをドーピングした場合に比べて窒化物結晶の加工性を高めることができる。第2の発明では窒化物結晶に酸素をドーピングするために、n型ドーパントであるSiの含有量を一定量以下とすることが好ましい。
Examples of n-type dopants other than oxygen include Si, Ge, Se, S, F, I, Cl, and C. These dopants are added to the nitride crystal as n-type dopants and serve as carriers in the nitride crystal. Si is the most commonly used dopant in gallium nitride crystals.
Since oxygen has a high activation rate, oxygen is useful as an n-type dopant. For this reason, in the second invention, it is preferable to dope oxygen to contain the target concentration of carriers in the nitrided crystal. Also, by doping the nitride crystal with oxygen, the workability of the nitride crystal can be improved compared to the case where Si is doped. In the second invention, in order to dope the nitride crystal with oxygen, the content of Si as the n-type dopant is preferably set to a certain amount or less.

第2の発明では、酸素が均一に混合された窒化物結晶原料を用いることが好ましく、これにより得られる窒化物結晶中のキャリア濃度を均一にすることができる。
第2の発明の結晶成長方法では、反応容器内で窒化物結晶原料を溶解させ、それと同時に窒化物結晶を成長させる。窒化物結晶原料に均一に混合された酸素は、溶解される際に徐々に反応容器内に放出され、順次、窒化物結晶に取り込まれる。窒化物結晶原料には酸素は均一に混合されているため、窒化物結晶の成長過程において取り込まれる酸素の量は一定となり、窒化物結晶に含まれるキャリア濃度が均一となる。このように、第2の発明では、主としてドーパント供給源を窒化物結晶原料に限定することによって、窒化物結晶に酸素ドーパントを均一に添加することができる。窒化物結晶が全体として均一なキャリア濃度を有することで、結晶の導電性を安定させることができ、窒化物結晶の品質を高めることができるため好ましい。
In the second invention, it is preferable to use a nitride crystal raw material in which oxygen is uniformly mixed, and the carrier concentration in the nitride crystal obtained thereby can be made uniform.
In the crystal growth method of the second invention, the nitride crystal raw material is dissolved in the reaction vessel, and at the same time, the nitride crystal is grown. Oxygen uniformly mixed with the nitride crystal raw material is gradually released into the reaction vessel when dissolved, and sequentially taken into the nitride crystal. Since oxygen is uniformly mixed in the nitride crystal raw material, the amount of oxygen taken in during the growth process of the nitride crystal is constant, and the carrier concentration contained in the nitride crystal is uniform. As described above, in the second invention, mainly by limiting the dopant supply source to the nitride crystal raw material, the oxygen dopant can be uniformly added to the nitride crystal. It is preferable for the nitride crystal to have a uniform carrier concentration as a whole because the conductivity of the crystal can be stabilized and the quality of the nitride crystal can be improved.

アモノサーマル法によって得られた窒化物結晶は、アニール処理を行うことによって、ドーパントを活性化することが好ましい。アニール処理により、窒化物単結晶に含まれるドーパントを活性化してキャリア活性化率を10〜90%とすることができ、加えて移動度も十分に向上させることができる。アニール処理の時間は特に限定されないが、5.5時間以上であることが好ましく、8時間以上であることがより好ましく、10時間以上であることがさらに好ましく、12時間以上であることが特に好ましい。また、300時間以内であることが好ましく、150時間以内であることがより好ましく、120時間以内であることがさらに好ましく、100時間以内であることが特に好ましい。   The nitride crystal obtained by the ammonothermal method preferably activates the dopant by annealing. By annealing, the dopant contained in the nitride single crystal can be activated to make the carrier activation rate 10 to 90%, and in addition, the mobility can be sufficiently improved. The annealing time is not particularly limited, but is preferably 5.5 hours or more, more preferably 8 hours or more, further preferably 10 hours or more, and particularly preferably 12 hours or more. . Further, it is preferably within 300 hours, more preferably within 150 hours, further preferably within 120 hours, and particularly preferably within 100 hours.

アニール処理の温度は750℃以上であることが好ましく、800℃以上であることがより好ましく、850℃以上であることがさらに好ましく、900℃以上であることが特に好ましい。また、アニール処理の温度は1250℃以下であることが好ましく、1200℃以下であることがより好ましく、1100℃以下であることがさらに好ましく、1050℃以下であることが特に好ましい。1250℃以下であれば、アニール処理による質量減少を抑えやすい。アニール処理中の温度は一定に維持してもよいし、段階的に変化させてもよいし、連続的に変化させてもよい。また、これらを適宜組み合わせて実施してもよい。   The annealing temperature is preferably 750 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher, further preferably 850 ° C. or higher, and particularly preferably 900 ° C. or higher. The annealing temperature is preferably 1250 ° C. or less, more preferably 1200 ° C. or less, further preferably 1100 ° C. or less, and particularly preferably 1050 ° C. or less. If it is 1250 degrees C or less, it is easy to suppress the mass reduction by annealing treatment. The temperature during the annealing process may be kept constant, may be changed stepwise, or may be changed continuously. Moreover, you may implement combining these suitably.

アニール処理は、アンモニア、窒素、酸素、水素からなる群より選択される1つ以上が存在する雰囲気下で行うことが好ましい。好ましいのは少なくとも窒素が存在する雰囲気下で行なう場合である。このときの窒素の割合は50%以上であることが好ましく、60%以上であることがより好ましく、70%以上であることがさらに好ましい。さらには窒素が100%の雰囲気でも好適に行なうことができる。   The annealing treatment is preferably performed in an atmosphere in which one or more selected from the group consisting of ammonia, nitrogen, oxygen, and hydrogen exists. Preference is given to carrying out in an atmosphere in which at least nitrogen is present. At this time, the ratio of nitrogen is preferably 50% or more, more preferably 60% or more, and further preferably 70% or more. Furthermore, it can be suitably performed even in an atmosphere of 100% nitrogen.

(結晶原料の嵩密度)
通常、アモノサーマル法では、反応容器内に窒化物結晶原料を充填する原料充填領域と種結晶を設置しておく結晶成長領域とを設けておき、原料充填領域において窒化物結晶原料を溶解し、結晶成長領域において種結晶上に窒化物結晶を成長させる。このとき、原料充填領域と結晶成長領域には温度差をつけて、原料充填領域において窒化物結晶原料がより溶解し、結晶成長領域において良質な窒化物結晶がより析出しやすくなるように制御することが好ましい。このため、嵩密度が0.7〜4.5g/cm3の範囲にある窒化物結晶原料を用いる。より好ましくは1.5g/cm3以上であり、更に好ましくは1.8g/cm3以上であって、より好ましくは4.0g/cm3以下であり、更に好ましくは3.0g/cm3以下である。このような範囲の嵩密度を有する窒化物結晶原料を単独または組合せて用いることによって、後述する原料充填領域における窒化物結晶原料の溶解性を調整することができるため好ましい。さらに、窒化物結晶原料の溶解性を向上させて均一に溶解を進めることができるので、窒化物結晶原料に含まれる酸素を、得られる窒化物結晶に均一かつ効率的にドープすることができ、良質な窒化物結晶を得ることができるため好ましい。
(Bulk density of crystal raw material)
Usually, in the ammonothermal method, a raw material filling region for filling a nitride crystal raw material and a crystal growth region for installing a seed crystal are provided in a reaction vessel, and the nitride crystal raw material is dissolved in the raw material filling region. A nitride crystal is grown on the seed crystal in the crystal growth region. At this time, a temperature difference is provided between the raw material filling region and the crystal growth region, and control is performed so that the nitride crystal raw material is more dissolved in the raw material filling region and high-quality nitride crystals are more likely to precipitate in the crystal growth region. It is preferable. For this reason, a nitride crystal raw material having a bulk density in the range of 0.7 to 4.5 g / cm 3 is used. More preferably, it is 1.5 g / cm 3 or more, more preferably 1.8 g / cm 3 or more, more preferably 4.0 g / cm 3 or less, and further preferably 3.0 g / cm 3 or less. It is. It is preferable to use a nitride crystal raw material having a bulk density in such a range alone or in combination because the solubility of the nitride crystal raw material in the raw material filling region described later can be adjusted. Furthermore, since the solubility of the nitride crystal raw material can be improved and the dissolution can proceed uniformly, oxygen contained in the nitride crystal raw material can be uniformly and efficiently doped into the resulting nitride crystal, It is preferable because a good quality nitride crystal can be obtained.

なお、嵩密度が異なる窒化物結晶原料の各々の「嵩密度」は、適当な容器に窒化物結晶原料を充填し、充填した結晶原料の単位体積あたりの重量を意味し、充填した窒化物結晶原料の重量を該容器の容積で除することにより求めることができる。通常、同一の嵩密度を有するとされる窒化物結晶原料の集合体は、類似した形状を有しており、粒径の最小値に対する最大値が100倍以下となるような集合を、略同等の嵩密度を有する「1種の窒化物結晶原料」と称する。1種の窒化物結晶原料は1粒子あたりの重量のばらつきが小さいことが好ましく、1粒子あたりの重量における標準偏差は使用する反応容器の大きさによって好ましい範囲が異なるが、一般的に8.0以下であることが好ましく、7.0以下であることがより好ましく、6.0以下であることがさらに好ましい。特に、反応容器の直径が26mm程度の場合は平均重量0.6〜1.2g/1粒子であり標準偏差が0.35〜0.48の原料を使用することが好ましい。反応容器の直径が60mm程度の場合は平均重量5.0〜8.5g/1粒子であり標準偏差が5.4以下の原料を使用することが好ましい。反応容器の直径が130mm程度の場合は平均重量5.0〜10.5g/1粒子であり標準偏差が7.0以下の原料を使用することが好ましい。   The “bulk density” of each of the nitride crystal raw materials having different bulk densities means a weight per unit volume of the filled crystal raw material in a suitable container, and the filled nitride crystals. It can be determined by dividing the weight of the raw material by the volume of the container. Usually, aggregates of nitride crystal raw materials that are said to have the same bulk density have similar shapes, and aggregates that have a maximum value of 100 times or less with respect to the minimum value of the grain size are substantially equivalent. It is called “one kind of nitride crystal raw material” having a bulk density of One nitride crystal raw material preferably has a small variation in weight per particle, and the standard deviation in the weight per particle varies depending on the size of the reaction vessel used, but generally 8.0. Or less, more preferably 7.0 or less, and even more preferably 6.0 or less. In particular, when the diameter of the reaction vessel is about 26 mm, it is preferable to use a raw material having an average weight of 0.6 to 1.2 g / 1 particle and a standard deviation of 0.35 to 0.48. When the diameter of the reaction vessel is about 60 mm, it is preferable to use a raw material having an average weight of 5.0 to 8.5 g / 1 particle and a standard deviation of 5.4 or less. When the diameter of the reaction vessel is about 130 mm, it is preferable to use a raw material having an average weight of 5.0 to 10.5 g / 1 particle and a standard deviation of 7.0 or less.

第2の発明の製造方法においては、嵩密度が0.7〜4.5g/cm3の範囲にある窒化物結晶原料を用いる限りは、1種の窒化物結晶原料を単独で用いても、嵩密度の異なる2種以上の窒化物結晶原料を用いてもよい。均一な溶解性を達成し、得られる窒化物結晶が均一にできることから、1種の窒化物結晶原料を単独で用いることが好ましい。 In the production method of the second invention, as long as a nitride crystal raw material having a bulk density in the range of 0.7 to 4.5 g / cm 3 is used, even if one kind of nitride crystal raw material is used alone, Two or more types of nitride crystal raw materials having different bulk densities may be used. It is preferable to use one kind of nitride crystal raw material alone because uniform solubility can be achieved and the resulting nitride crystal can be made uniform.

第2の発明における窒化物結晶原料の嵩密度の具体的な計算例を示す。例えば、内径20mmの円筒状の容器の下部領域に100gのGaN結晶原料を設置し、原料が入った領域の最下端(円筒内部の底面)から最上端までの高さが100mmであった場合の嵩密度は、100g/(314mm2×100mm)で計算することができ、約3.18g/cm3と算出される。また、容器に入れた状態でCTスキャン(コンピュータ断層撮影法)を行うことによっても分析することができる。たとえば、CTスキャンにより原料を充填した容器内の空隙率を測定したところ70%であった。従って、固体容積約30%の重量となるので窒化ガリウムの密度を6.1g/cm3とすると、以下の式でから算出できる。
6.1g/cm3 × 0.3 =1.83 g/cm3 (嵩密度)
A specific calculation example of the bulk density of the nitride crystal raw material in the second invention will be shown. For example, when 100 g of GaN crystal raw material is installed in the lower region of a cylindrical container having an inner diameter of 20 mm, and the height from the lowermost end (bottom surface inside the cylinder) to the uppermost end of the region containing the raw material is 100 mm The bulk density can be calculated at 100 g / (314 mm 2 × 100 mm), and is calculated to be about 3.18 g / cm 3 . It can also be analyzed by performing a CT scan (computed tomography) in a container. For example, when the porosity in the container filled with the raw material was measured by CT scan, it was 70%. Therefore, since the solid volume is about 30%, the density can be calculated from the following equation when the density of gallium nitride is 6.1 g / cm 3 .
6.1 g / cm 3 × 0.3 = 1.83 g / cm 3 (bulk density)

第2の発明の製造方法では、反応容器中の原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度を0.7〜4.5g/cm3の範囲内に制御して充填することにより、溶媒の対流を阻害することなく、原料の溶解速度を向上させて、良質な結晶を効率良く成長させることができるため好ましい。
第2の発明でいう「原料充填領域」は、反応開始前の反応容器の長軸が鉛直方向となるように設置したときに、充填した結晶原料の最下端部を含む水平面と充填した結晶原料の最上端部を含む水平面とで挟まれた反応容器内領域をいう。
In the production method of the second invention, the convection of the solvent is carried out by controlling the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region in the reaction vessel within a range of 0.7 to 4.5 g / cm 3. This is preferable because the dissolution rate of the raw material can be improved and high-quality crystals can be efficiently grown without hindering.
The “raw material filling region” as used in the second invention refers to the horizontal plane including the lowest end of the filled crystal raw material and the filled crystal raw material when the long axis of the reaction vessel before starting the reaction is in the vertical direction. The region in the reaction vessel sandwiched between the horizontal plane including the uppermost end of the.

原料充填領域における窒化物結晶原料の「嵩密度」は、原料充填領域に充填した窒化物結晶原料の単位体積あたりの重量であり、窒化物結晶原料の重量を原料充填領域の自由容積で除することにより求めることができる。ここでいう原料充填領域の自由容積は、反応容器の原料充填領域の内容積から原料充填領域に存在する結晶原料以外の固体の容積を除いた容積である。そのような固体として、バッフル板や種結晶支持枠を支える支持枠、窒化物結晶原料を設置するための坩堝、バスケットや網状構造体等の構造物を例示することができ、原料充填領域内におけるこれらの体積を除くことにより自由容積を求めることができる。   The “bulk density” of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is the weight per unit volume of the nitride crystal raw material filled in the raw material filling region, and the weight of the nitride crystal raw material is divided by the free volume of the raw material filling region. Can be obtained. Here, the free volume of the raw material filling region is a volume obtained by subtracting the solid volume other than the crystal raw material existing in the raw material filling region from the internal volume of the raw material filling region of the reaction vessel. Examples of such solids include baffle plates and support frames that support seed crystal support frames, crucibles for installing nitride crystal raw materials, baskets, and structures such as network structures, The free volume can be obtained by removing these volumes.

原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は窒化物結晶原料の充填率に換算することが可能である。嵩密度を窒化物結晶原料の比重で除して100倍することにより充填率(単位%)を算出することができる。   The bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region can be converted into the filling rate of the nitride crystal raw material. The filling rate (unit%) can be calculated by dividing the bulk density by the specific gravity of the nitride crystal raw material and multiplying by 100.

原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度が大きすぎると、結晶原料間に生じる空間の体積が小さくなることにより、溶媒の対流が阻害され原料の溶解速度が低下する。このため、良質な成長結晶を生産性良く成長させることが困難になる。一方、窒化物結晶原料の嵩密度が小さすぎると、結晶原料は十分に溶解できるものの、体積あたりの原料の投入量が少なくなり、十分な量の溶解原料を効率良く結晶成長領域に供給して、速やかに十分なサイズの窒化物結晶を成長させることが困難になる。原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は0.7g/cm3以上であることが好ましく、0.8g/cm3以上であることがより好ましく、0.9g/cm3以上であることがそれより好ましく、1.0g/cm3以上であることがさらに好ましく、1.1g/cm3以上であることが特に好ましい。また、原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は4.5g/cm3以下であることが好ましく、4.0g/cm3以下であることがより好ましく、3.6g/cm3以下であることがそれより好ましく、3.2g/cm3以下であることがさらに好ましく、3.0g/cm3以下であることが特に好ましい。原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度を上記範囲とすることで、溶媒の対流を阻害することなく、原料の溶解速度を向上させて、良質な結晶を効率良く成長させることができる。 When the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is too large, the volume of the space generated between the crystal raw materials is reduced, so that the convection of the solvent is inhibited and the raw material dissolution rate is reduced. For this reason, it becomes difficult to grow high-quality grown crystals with high productivity. On the other hand, if the bulk density of the nitride crystal raw material is too small, the crystal raw material can be sufficiently dissolved, but the input amount of the raw material per volume is reduced, and a sufficient amount of the dissolved raw material is efficiently supplied to the crystal growth region. It becomes difficult to quickly grow a nitride crystal of sufficient size. The bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is preferably 0.7 g / cm 3 or more, more preferably 0.8 g / cm 3 or more, and 0.9 g / cm 3 or more. More preferably, it is more preferably 1.0 g / cm 3 or more, and particularly preferably 1.1 g / cm 3 or more. Further, the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is preferably 4.5 g / cm 3 or less, more preferably 4.0 g / cm 3 or less, and 3.6 g / cm 3 or less. More preferably, it is more preferably 3.2 g / cm 3 or less, and particularly preferably 3.0 g / cm 3 or less. By setting the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region within the above range, the dissolution rate of the raw material can be improved and high-quality crystals can be efficiently grown without inhibiting the convection of the solvent.

原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は、例えば使用する窒化物結晶原料の粒径、粒径分布、形状などを選択することにより制御することが可能である。すなわち、反応容器内の原料充填領域に窒化物結晶原料を入れたときに、個々の窒化物結晶原料粒子どうしが互いに空隙を持ちながら重なり合いやすい粒径や形状を有する窒化物結晶原料を選択すれば、嵩密度を低くすることができる。例えば、粒径が大きな窒化物結晶原料を用いたり、粒子形状が非対称で不定形である窒化物結晶原料を用いたりすることにより、嵩密度を低くすることが可能である。逆に、反応容器内の原料充填領域に窒化物結晶原料を入れたときに、個々の窒化物結晶原料粒子どうしが互いに密に重なり合いやすい粒径や形状を有する窒化物結晶原料を選択すれば、嵩密度を高くすることができる。例えば、粒径が小さな窒化物結晶原料を用いたり、粒径が大きな窒化物結晶原料とその間隙に入り込むような小さな粒径の窒化物結晶原料を組み合わせて用いたり、密に充填しやすい粒子形状を持つ均一な窒化物結晶原料を用いたりすることにより、嵩密度を高くすることが可能である。   The bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region can be controlled, for example, by selecting the particle size, particle size distribution, shape, and the like of the nitride crystal raw material to be used. In other words, when a nitride crystal raw material is placed in the raw material filling region in the reaction vessel, a nitride crystal raw material having a particle size or shape that allows the individual nitride crystal raw material particles to easily overlap with each other having a gap is selected. , The bulk density can be lowered. For example, it is possible to reduce the bulk density by using a nitride crystal material having a large particle size or using a nitride crystal material having an asymmetric and irregular particle shape. Conversely, when a nitride crystal raw material is selected in the raw material filling region in the reaction vessel, a nitride crystal raw material having a particle size or shape in which individual nitride crystal raw material particles tend to closely overlap each other is selected. The bulk density can be increased. For example, a nitride crystal raw material with a small particle diameter, a nitride crystal raw material with a large particle diameter and a nitride crystal raw material with a small particle diameter that can enter the gap, or a particle shape that is easy to pack closely It is possible to increase the bulk density by using a uniform nitride crystal raw material having

原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は、原料充填領域に結晶原料を入れた後に、エネルギーを与えることにより制御することもできる。例えば、原料充填領域に結晶原料を入れた後に、振動を与えたり、反応容器を回転させたり、攪拌棒や回転羽根を用いて充填した結晶原料を混ぜたりすることにより嵩密度を制御することができる。振動は、反応容器を直接揺動することにより与えても良いし、超音波などの非接触手段により与えても良い。   The bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region can also be controlled by applying energy after putting the crystal raw material in the raw material filling region. For example, the bulk density can be controlled by applying vibration, rotating the reaction vessel, or mixing the filled crystal raw material using a stirring rod or rotating blade after putting the crystal raw material into the raw material filling region. it can. The vibration may be applied by directly swinging the reaction vessel or by non-contact means such as ultrasonic waves.

原料充填領域における結晶原料の嵩密度は、原料充填領域に構造物を設置することによって制御することも可能である。構造物としては、例えば、溶媒を通過させることができるが、結晶原料は通過させない網状構造体を好ましく採用することができる。そのような網状構造体によって、原料充填領域における結晶原料の存在域を制限することにより、嵩密度を制御することができる。すなわち、結晶原料の存在域を狭い領域に制限し、結晶原料が存在できない領域を広く確保することにより、嵩密度を低く制御することができる。例えば、原料充填領域よりも容積が小さな網状構造体の中に結晶原料を充填したうえで、これを原料充填領域に入れることにより、嵩密度を小さくすることができる。   The bulk density of the crystal raw material in the raw material filling region can be controlled by installing a structure in the raw material filling region. As the structure, for example, a network structure capable of allowing the solvent to pass through but not allowing the crystal raw material to pass through can be preferably employed. With such a network structure, the bulk density can be controlled by limiting the existence area of the crystal raw material in the raw material filling region. That is, the bulk density can be controlled to be low by restricting the existence area of the crystal raw material to a narrow area and ensuring a wide area where the crystal raw material cannot exist. For example, the bulk density can be reduced by filling a crystal structure in a network structure having a volume smaller than that of the raw material filling region and then putting the crystal raw material in the raw material filling region.

また、逆に結晶原料を充填していない中空の網状構造体を原料充填領域に設置することにより、嵩密度を制御しても良い。例えば、そのような網状構造体を結晶原料と混合して原料充填領域に充填することができる。このとき両者の混合割合を調整すれば嵩密度を制御することができる。網状構造体は、予め原料充填領域に固定しておいても構わない。また、このような種々の態様の網状構造体は複数個使用しても良い。さらに、溶媒を通過させることができるような、網状でない構造物を採用することも可能である。   Conversely, the bulk density may be controlled by installing a hollow network structure not filled with a crystal raw material in the raw material filling region. For example, such a network structure can be mixed with the crystal raw material and filled in the raw material filling region. At this time, the bulk density can be controlled by adjusting the mixing ratio of the two. The network structure may be fixed in advance in the raw material filling region. Moreover, you may use multiple network structures of such various aspects. Furthermore, it is also possible to employ a non-network structure that allows the solvent to pass therethrough.

(窒化物結晶原料の粒径)
第2の発明で用いる窒化物結晶原料の粒径は、嵩密度の調整のし易さや、取り扱いのし易さ等の面から反応容器のサイズによって好ましい範囲が異なる。具体的には、反応容器のサイズがより大きくなれば、窒化物結晶原料の粒径もより大きくて構わない。例えば、直径が26mm程度または30mm程度の反応容器を用いる場合の粒径は、最大径が0.5μm以上であるものを用いることが好ましく、1μm以上であるものを用いることがより好ましく、10μm以上であるものを用いることがさらに好ましく、また、20mm以下であるものを用いることが好ましく、15mm以下であるものを用いることがより好ましく、10mm以下であるものを用いることがさらに好ましい。また、例えば直径が60mm程度の反応容器を用いる場合の粒径は、最大径が0.5μm以上であるものを用いることが好ましく、1μm以上であるものを用いることがより好ましく、10μm以上であるものを用いることがさらに好ましく、また、50mm以下であるものを用いることが好ましく、30mm以下であるものを用いることがより好ましく、20mm以下であるものを用いることがさらに好ましい。
(Grain size of nitride crystal raw material)
The preferable range of the particle size of the nitride crystal raw material used in the second invention varies depending on the size of the reaction vessel in terms of ease of adjusting the bulk density and ease of handling. Specifically, if the size of the reaction vessel is larger, the particle size of the nitride crystal raw material may be larger. For example, when using a reaction vessel having a diameter of about 26 mm or about 30 mm, the particle diameter is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, and more preferably 10 μm or more. It is more preferable to use a material that is 20 mm or less, more preferably a material that is 15 mm or less, more preferably a material that is 10 mm or less. For example, when using a reaction vessel having a diameter of about 60 mm, the particle diameter is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, and more preferably 10 μm or more. It is more preferable to use a material that is 50 mm or less, more preferably 30 mm or less, and even more preferably 20 mm or less.

また、例えば直径が130mm程度の反応容器を用いる場合の粒径は、最大径が0.5μm以上であるものを用いることが好ましく、1μm以上であるものを用いることがより好ましく、10μm以上であるものを用いることがさらに好ましく、また、120mm以下であるものを用いることが好ましく、60mm以下であるものを用いることがより好ましく、30mm以下であるものを用いることがさらに好ましい。   For example, when using a reaction vessel having a diameter of about 130 mm, the particle diameter is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, and more preferably 10 μm or more. It is more preferable to use a material that is 120 mm or less, more preferably 60 mm or less, and even more preferably 30 mm or less.

第2の発明で用いる窒化物結晶原料は、窒化物結晶原料粒子が凝集してなる構造を有するものを使用することが好ましい。具体的には、2次粒子が凝集してなる3次粒子を用いることが好ましい。2次粒子の粒径は100μm以上であることが好ましく、200μm以上であることがより好ましく、300μm以上であることがさらに好ましい。また、1000μm以下であることが好ましく、900μm以下であることがより好ましく、800μm以下であることがさらに好ましい。3次粒子の粒径は1mm以上であることが好ましく、5mm以上であることがより好ましく、10mm以上であることがさらに好ましく、また、120mm以下であることが好ましく、60mm以下であることがより好ましく、50mm以下であることがそれより好ましく、30mm以下であることがさらに好ましく、20mm以下であることが特に好ましい。2次粒子の粒径は光学顕微鏡等で計測することが可能である。3次粒子のように1mm以上であれば、目視で確認が可能であるので、例えばノギスや物差し等により計測することができる。また、2次粒子が凝集してなる3次粒子については、3次粒子の最大径が、上述の窒化物結晶原料の「粒径」と一致する。   The nitride crystal raw material used in the second invention preferably has a structure in which the nitride crystal raw material particles are aggregated. Specifically, it is preferable to use tertiary particles obtained by agglomerating secondary particles. The particle size of the secondary particles is preferably 100 μm or more, more preferably 200 μm or more, and further preferably 300 μm or more. Moreover, it is preferable that it is 1000 micrometers or less, It is more preferable that it is 900 micrometers or less, It is further more preferable that it is 800 micrometers or less. The particle size of the tertiary particles is preferably 1 mm or more, more preferably 5 mm or more, further preferably 10 mm or more, and preferably 120 mm or less, more preferably 60 mm or less. Preferably, it is 50 mm or less, more preferably 30 mm or less, and particularly preferably 20 mm or less. The particle size of the secondary particles can be measured with an optical microscope or the like. If it is 1 mm or more as in the case of tertiary particles, it can be visually confirmed, and can be measured, for example, with calipers or a ruler. Further, for tertiary particles formed by agglomeration of secondary particles, the maximum diameter of the tertiary particles coincides with the “particle diameter” of the nitride crystal raw material described above.

なお、上述の窒化物結晶原料粒子が凝集してなる構造を有する窒化物結晶において、1次粒子はナノ単位の単結晶を意味しており、これらの単結晶が互いに凝集・結合して多結晶である二次粒子を構成する。通常、1次粒子は互いに結合して一体化しているため粒子として判別することができない。さらに、本発明で用いる窒化物結晶原料の形状が、後述するように珊瑚状である場合、粒子の最大径は、表面の突起部分を含めて求める。   In the nitride crystal having a structure in which the above-mentioned nitride crystal raw material particles are aggregated, the primary particle means a nano-unit single crystal, and these single crystals are aggregated and bonded to each other to form a polycrystal. Secondary particles are formed. Usually, primary particles cannot be discriminated as particles because they are combined and integrated with each other. Furthermore, when the shape of the nitride crystal raw material used in the present invention is a bowl shape as will be described later, the maximum diameter of the particles is determined including the protrusions on the surface.

第2の発明で用いる窒化物結晶原料の粒径分布については、粒径が0.01μm以上の結晶原料が、結晶原料全体の体積の20%以上、より好ましくは30%以上を占めることが結晶原料間の隙間が十分に空き、溶媒の対流が可能となるために好ましい。また、粒径が1.0mm以上の窒化物結晶原料が、窒化物結晶原料全体の体積の10%以上、より好ましくは30%以上、さらに好ましくは50%以上、特に好ましくは80%以上を占めることが窒化物結晶原料間の隙間が十分に空き、溶媒の対流が可能となるために好ましい。   Regarding the particle size distribution of the nitride crystal raw material used in the second invention, the crystal raw material having a particle size of 0.01 μm or more occupies 20% or more, more preferably 30% or more of the total volume of the crystal raw material. It is preferable because the gap between the raw materials is sufficiently vacant and the solvent can be convected. Further, the nitride crystal raw material having a particle size of 1.0 mm or more accounts for 10% or more, more preferably 30% or more, further preferably 50% or more, particularly preferably 80% or more of the entire volume of the nitride crystal raw material. This is preferable because the gap between the nitride crystal raw materials is sufficiently vacant and the solvent can be convected.

(窒化物結晶原料の形状)
第2の発明で用いる窒化物結晶原料の形状は、球状、断面が楕円である粒状、板状、直方形状、三角形状、珊瑚状(表面に凹凸があり表面積が大きくなった状態をいう)であっても良い。溶媒の対流を大きく阻害しないよう結晶原料間に一定の空隙が設けられていることが好ましい。また、嵩密度の調整が容易となるため、楕円粒状、直方形状、三角形状、珊瑚状、金平糖状であることがより好ましい。第2の発明で用いる窒化物結晶原料の形状は、第1の発明におけるものと同様のものが挙げられる。
(Shape of nitride crystal raw material)
The shape of the nitride crystal raw material used in the second invention is spherical, granular with an elliptical cross section, plate shape, rectangular shape, triangular shape, and bowl shape (refers to a state in which the surface is uneven and the surface area is large). There may be. It is preferable that a certain gap is provided between the crystal raw materials so as not to greatly inhibit the convection of the solvent. Moreover, since adjustment of a bulk density becomes easy, it is more preferable that they are elliptical granular form, a rectangular shape, a triangular shape, a bowl shape, and a confetti shape. The shape of the nitride crystal raw material used in the second invention may be the same as that in the first invention.

第2の発明で用いる窒化物結晶原料としては、その表面に溶媒に溶解しやすい面が出現しており、溶媒に溶解しにくい面が出現していないものを用いることが好ましい。例えば、アモノサーマル法によりアンモニア溶媒を用いてGaN結晶を成長させる場合は、+C面(Ga面)とM面がアンモニア溶媒に比較的溶けにくいため、これら以外の面が出現している原料を使用することが好ましい。   As the nitride crystal raw material used in the second invention, it is preferable to use a material that has a surface that is easily dissolved in a solvent and a surface that is not easily dissolved in a solvent. For example, when a GaN crystal is grown using an ammonia solvent by the ammonothermal method, the + C plane (Ga plane) and the M plane are relatively insoluble in the ammonia solvent, and therefore a material on which other planes appear is used. It is preferable to use it.

(アモノサーマル法による結晶成長)
第2の発明の製造方法では、原料充填領域に結晶原料を充填した後に、アモノサーマル法により窒化物結晶を製造する。
アモノサーマル法とは、超臨界状態および/または亜臨界状態にあるアンモニア溶媒などの窒素を含有する溶媒と、結晶原料の溶解−析出反応を利用して所望の窒化物単結晶を製造する方法である。結晶成長は、アンモニアなどの溶媒への結晶原料溶解度の温度依存性を利用して、温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させることにより行う。
(Crystal growth by ammonothermal method)
In the manufacturing method of the second invention, after filling the raw material filling region with a crystal raw material, a nitride crystal is manufactured by an ammonothermal method.
The ammonothermal method is a method for producing a desired nitride single crystal using a solvent containing nitrogen such as an ammonia solvent in a supercritical state and / or a subcritical state and a dissolution-precipitation reaction of a crystal raw material. It is. Crystal growth is performed by using the temperature dependence of the solubility of the crystal raw material in a solvent such as ammonia to precipitate a crystal by generating a supersaturated state due to a temperature difference.

第2の発明の製造方法によれば、速い成長速度で、原料利用効率良く、高い品質を有する窒化物結晶を効率良く製造することができる。第2の発明によれば、c軸方向の成長速度として、100μm/day以上を達成することができ、さらには300μm/day以上を達成することができ、さらになお600μm/day以上を達成することができる。また、m軸方向の成長速度として、30μm/day以上を達成することができ、さらには100μm/day以上を達成することができ、さらになお300μm/day以上を達成することができる。さらに、a軸方向の成長速度として、50μm/day以上を達成することができ、さらには600μm/day以上を達成することができ、さらになお1500μm/day以上を達成することができる。   According to the manufacturing method of the second invention, a nitride crystal having high quality can be efficiently manufactured at a high growth rate with high raw material utilization efficiency. According to the second invention, as the growth rate in the c-axis direction, 100 μm / day or more can be achieved, further 300 μm / day or more can be achieved, and still 600 μm / day or more can be achieved. Can do. Further, as the growth rate in the m-axis direction, 30 μm / day or more can be achieved, further 100 μm / day or more can be achieved, and still 300 μm / day or more can be achieved. Furthermore, as the growth rate in the a-axis direction, 50 μm / day or more can be achieved, further 600 μm / day or more can be achieved, and still 1500 μm / day or more can be achieved.

(鉱化剤)
第2の発明では、アモノサーマル法による窒化物結晶を成長させる際に、鉱化剤を用いることが好ましい。鉱化剤は、アンモニアなどの窒素を含有する溶媒に対する結晶原料の溶解度を向上させるために用いられる。前記鉱化剤としては第1の発明に記載のものと同様のものを使用することができ、好ましい態様についても同様である。
(Mineralizer)
In the second invention, it is preferable to use a mineralizer when growing the nitride crystal by the ammonothermal method. The mineralizer is used to improve the solubility of the crystal raw material in a solvent containing nitrogen such as ammonia. As the mineralizer, the same mineralizers as described in the first invention can be used, and the same applies to preferred embodiments.

第2の発明の製造方法では、成長させる窒化物結晶に不純物が混入するのを防ぐために、必要に応じて鉱化剤は精製、乾燥してから使用することが好ましい。鉱化剤の純度は、通常は95%以上、好ましくは99%以上、さらに好ましくは99.99%以上である。
窒化物原料以外からの酸素の供給を低減するために、鉱化剤に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000ppm以下であることが好ましく、10ppm以下であることがより好ましく、1ppm以下であることがさらに好ましい。
In the production method of the second invention, it is preferable to use the mineralizer after purification and drying as necessary in order to prevent impurities from being mixed into the nitride crystal to be grown. The purity of the mineralizer is usually 95% or higher, preferably 99% or higher, more preferably 99.99% or higher.
In order to reduce the supply of oxygen from other than the nitride raw material, it is desirable that the amount of water and oxygen contained in the mineralizer is as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 ppm or less, and is preferably 10 ppm or less. More preferred is 1 ppm or less.

反応容器内の雰囲気から水や酸素を除去する為には、反応容器内を封止した後に200℃以上に加熱して部材表面に付着した水分を水蒸気としてポンプ等にて1×10-7Paまで脱気する方法が考えられる。さらに、鉱化剤を高純度ガスで導入する方法も考えられる。また、予め露点が0℃以下の乾燥雰囲気中で部材や原料を保管して、その中で反応容器および反応容器内に配置する部材や原料などを組み立てる方法もある。 In order to remove water and oxygen from the atmosphere in the reaction vessel, the inside of the reaction vessel is sealed and heated to 200 ° C. or higher, and the moisture adhering to the surface of the member is vaporized as 1 × 10 −7 Pa using a pump or the like. A method of degassing is conceivable. Furthermore, a method of introducing a mineralizer with a high purity gas is also conceivable. There is also a method in which members and raw materials are stored in advance in a dry atmosphere with a dew point of 0 ° C. or less, and the reaction vessel and the members and raw materials to be placed in the reaction vessel are assembled therein.

(溶媒)
第2の発明の製造方法に用いられる溶媒には、窒素を含有する溶媒を用いることができる。前記溶媒としては第1の発明に記載のものと同様のものを使用することができ、好ましい態様についても同様である。
窒化物原料以外からの酸素の供給を低減するために、溶媒に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000ppm以下であることが好ましく、10ppm以下であることがより好ましく、0.1ppm以下であることがさらに好ましい。アンモニアを溶媒として用いる場合、その純度は通常99.9%以上であり、好ましくは99.99%以上であり、さらに好ましくは99.999%以上であり、特に好ましくは99.9999%以上である。
(solvent)
As the solvent used in the production method of the second invention, a solvent containing nitrogen can be used. As the solvent, the same solvents as described in the first invention can be used, and the same applies to preferred embodiments.
In order to reduce the supply of oxygen from other than the nitride raw material, it is desirable that the amount of water and oxygen contained in the solvent is as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 ppm or less, and preferably 10 ppm or less. More preferred is 0.1 ppm or less. When ammonia is used as a solvent, the purity is usually 99.9% or more, preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% or more, and particularly preferably 99.9999% or more. .

(反応容器および設置部材)
第2の発明の窒化物結晶の成長工程は、反応容器中で実施される。「反応容器」とは、超臨界および/または亜臨界状態の溶媒の存在下で窒化物結晶の製造を行うための容器を意味し、耐圧性容器内部の構造そのものや、耐圧性容器内に設置されるカプセルなどを好ましい例として挙げることができる。第2の発明で用いる反応容器としては、特表2003−511326号公報(国際公開第01/024921号パンフレット)や特表2007−509507号公報(国際公開第2005/043638号パンフレット)に記載されるように、反応容器の外から反応容器とその内容物にかける圧力を調整する機構を備えたオートクレーブであっても良いし、そのような機構を有さないオートクレーブであっても良い。
(Reaction vessel and installation components)
The nitride crystal growth step of the second invention is carried out in a reaction vessel. “Reaction vessel” means a vessel for producing nitride crystals in the presence of a solvent in a supercritical and / or subcritical state. Preferred examples include capsules to be used. The reaction vessel used in the second invention is described in JP-T-2003-511326 (International Publication No. 01/024921 pamphlet) and JP-T-2007-509507 (Patent Publication of International Publication No. 2005/043638). Thus, an autoclave having a mechanism for adjusting the pressure applied to the reaction vessel and its contents from the outside of the reaction vessel may be used, or an autoclave without such a mechanism may be used.

反応容器は、窒化物結晶を成長させるときの高温高圧条件に耐え得るもの中から選択することが好ましい。高温強度が高く耐食性を有する材料で構成されているものが好ましく、特にアンモニア等の溶媒に対する耐食性に優れたNi系の合金、ステライト(デロロ・ステライト・カンパニー・インコーポレーテッドの登録商標)等のCo系合金で構成されているものが好ましい。より好ましくはNi系の合金であり、具体的には、Inconel625(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標、以下同じ)、Nimonic90(Nimonicはスペシャル メタルズ ウィギン リミテッドの登録商標、以下同じ)、RENE41(Teledyne Allvac, Incの登録商標)、Inconel718(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標)、ハステロイ(Haynes International,Incの登録商標)、ワスパロイ(United Technologies,Inc.の登録商標)が挙げられる。   The reaction vessel is preferably selected from those that can withstand the high-temperature and high-pressure conditions when the nitride crystal is grown. A material composed of a material having high temperature strength and corrosion resistance is preferable. Particularly, a Ni-based alloy having excellent corrosion resistance to a solvent such as ammonia, and Co-based materials such as Stellite (registered trademark of Deloro Stellite Company, Inc.). What is comprised with the alloy is preferable. More preferably, it is a Ni-based alloy. Specifically, Inconel 625 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited, the same applies hereinafter), Nimonic 90 (Nimonic is a registered trademark of Special Metals Wiggin Limited, the same applies hereinafter), RENE41 (Teledyne). Allvac, Inc.), Inconel 718 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited), Hastelloy (registered trademark of Haynes International, Inc.), Waspaloy (registered trademark of United Technologies, Inc.).

これらの合金の組成比率は、系内の溶媒の温度や圧力条件、および系内に含まれる鉱化剤およびそれらの反応物との反応性および/または酸化力・還元力、pH等の条件に従い、適宜選択すればよい。これら耐圧性容器に用いられる合金の耐腐食性は高いとはいえ、結晶品質に影響を全く及ぼさないほどに高い耐食性を有しているわけではない。これら合金は超臨界溶媒雰囲気、特に鉱化剤を含有するより厳しい腐食環境下においてはNi、Cr、Feなどの成分が溶液中に溶け出し結晶中に取り込まれることとなる。これらは得られる結晶のキャリア濃度に影響する可能性もあるため、できるだけこれらの不純物の取り込みを低減することが好ましい。したがって第2の発明では、これら耐圧性容器の内面腐食を抑制するために、内面を更に耐食性に優れる材料によって直接ライニングまたはコーティングする方法や、更に耐食性に優れる材料からなるカプセルを耐圧性容器内に配置する方法などにより反応容器を形成することが好ましい。   The composition ratio of these alloys depends on the temperature and pressure conditions of the solvent in the system, and the reactivity with mineralizers contained in the system and their reactants and / or the oxidizing power / reducing power, pH, etc. It may be selected as appropriate. Although the alloys used for these pressure resistant containers have high corrosion resistance, they do not have such high corrosion resistance that they have no influence on the crystal quality. In these alloys, in a supercritical solvent atmosphere, particularly in a more severe corrosive environment containing a mineralizer, components such as Ni, Cr and Fe are dissolved in the solution and taken into the crystal. Since these may affect the carrier concentration of the obtained crystal, it is preferable to reduce the incorporation of these impurities as much as possible. Therefore, in the second invention, in order to suppress the inner surface corrosion of these pressure resistant containers, a method of directly lining or coating the inner surface with a material having further excellent corrosion resistance, or a capsule made of a material having further excellent corrosion resistance in the pressure resistant container. It is preferable to form the reaction container by a method of arranging the reaction container.

反応容器は、反応容器内に設置部材を有する。設置部材とは、反応容器の内部に含まれる部材の総称を意味する。設置部材としては、例えば、ワイヤー、バッフル板、種結晶支持枠を支える支持枠、窒化物結晶原料を設置するための坩堝、バスケットや網状構造体等の構造物が挙げられる。
反応容器および設置部材は、特にn型ドーパントが表面に露出しない構造を有することが好ましい。n型ドーパントが表面に露出しないように、反応容器および設置部材をn型ドーパントの含有量が少ない構成材で形成しても良く、反応容器および設置部材の表面をコーティングまたはライニングしても良い。n型ドーパントが表面に露出しないようにすることで、窒化物結晶原料由来ではないドーパントが成長工程で窒化物結晶に取り込まれることを防ぐことができる。
The reaction container has an installation member in the reaction container. The installation member means a generic name for members included in the reaction vessel. Examples of the installation member include structures such as a wire, a baffle plate, a support frame that supports a seed crystal support frame, a crucible for installing a nitride crystal raw material, a basket, and a net-like structure.
The reaction vessel and the installation member preferably have a structure in which the n-type dopant is not exposed on the surface. In order not to expose the n-type dopant on the surface, the reaction vessel and the installation member may be formed of a constituent material having a low content of the n-type dopant, and the surface of the reaction vessel and the installation member may be coated or lined. By preventing the n-type dopant from being exposed to the surface, it is possible to prevent a dopant not derived from the nitride crystal raw material from being taken into the nitride crystal in the growth process.

反応容器および設置部材をn型ドーパントの含有量が少ない構成材で形成する場合、反応容器および設置部材は、n型ドーパントの含有量が1000ppm以下の構成材で形成されているものが好ましい。構成材のn型ドーパントの量は1000ppm以下であれば良く、100ppm以下であることがより好ましく、10ppm以下であることがさらに好ましい。
また、反応容器および設置部材の表面をコーティングまたはライニングする場合は、n型ドーパントの量が1000ppm以下のコーティング材またはライニング材でコーティングされていることが好ましい。コーティング材またはライニング材のn型ドーパントの量は1000ppm以下であれば良く、100ppm以下であることがより好ましく、10ppm以下であることがさらに好ましい。n型ドーパントの量を上記上限値以下とすることで、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための条件設定をより正確に行うことができる。
In the case where the reaction vessel and the installation member are formed of a constituent material having a low n-type dopant content, the reaction vessel and the installation member are preferably formed of a constituent material having an n-type dopant content of 1000 ppm or less. The amount of the n-type dopant in the constituent material may be 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and even more preferably 10 ppm or less.
Moreover, when coating or lining the surfaces of the reaction vessel and the installation member, it is preferable that the n-type dopant is coated with a coating material or a lining material having an amount of 1000 ppm or less. The amount of the n-type dopant in the coating material or lining material may be 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and even more preferably 10 ppm or less. By setting the amount of the n-type dopant to the upper limit value or less, it is possible to more accurately set conditions for obtaining a nitride crystal having a desired carrier concentration.

前記反応容器および設置部材の構成材、ライニング材およびコーティング材に求められる性能として、アモノサーマル法における結晶成長雰囲気中での溶解速度が低い事が求められる。溶解速度は3×10-2wt%/日以下であれば良く、さらに3×10-3wt%/日以下が好ましい。 The performance required for the constituent material of the reaction vessel and the installation member, the lining material and the coating material is required to have a low dissolution rate in the crystal growth atmosphere in the ammonothermal method. The dissolution rate may be 3 × 10 −2 wt% / day or less, more preferably 3 × 10 −3 wt% / day or less.

反応容器および設置部材を形成する構成材およびコーティング材は、白金族または白金族合金を含むことが好ましい。
白金族としては、Pt、Au、Ir、Ru、Rh、Pd、Agが挙げられる。白金族合金は、これらの貴金属を主成分とする合金のことを言う。白金族合金の中でも優れた耐食性を有するPtまたはPtおよびIrを含む合金を用いることが好ましい。
また、反応容器の内壁を白金族または白金族合金とする場合や、反応容器および設置部材の表面を白金族または白金族合金でコーティングする場合は、コーティング材はPtおよびGaを含む合金を用いることが好ましく、さらにIrを含む合金を用いることが好ましい。これらの白金族を含有する合金は、コーティングに適しており、優れた耐食性を持たせることができる。
合金中のIr含有率は合金の全体重量の30重量%以下であることが好ましく、25重量%以下であることがより好ましい。Ir含有率を上記上限値以下とすることにより、反応容器に優れた耐食性を持たせることができる。
The constituent material and the coating material forming the reaction vessel and the installation member preferably contain a platinum group or a platinum group alloy.
Examples of the platinum group include Pt, Au, Ir, Ru, Rh, Pd, and Ag. The platinum group alloy refers to an alloy mainly composed of these noble metals. Among platinum group alloys, it is preferable to use Pt or an alloy containing Pt and Ir having excellent corrosion resistance.
When the inner wall of the reaction vessel is a platinum group or a platinum group alloy, or when the reaction vessel and the surface of the installation member are coated with a platinum group or a platinum group alloy, the coating material should be an alloy containing Pt and Ga. It is preferable to use an alloy containing Ir. These platinum group-containing alloys are suitable for coating and can have excellent corrosion resistance.
The Ir content in the alloy is preferably 30% by weight or less of the total weight of the alloy, and more preferably 25% by weight or less. By making the Ir content not more than the above upper limit value, the reaction vessel can have excellent corrosion resistance.

ライニング材としては、Pt、Ir、Ag、Pd、Rh、Cu、AuおよびCのうち少なくとも一種類以上の金属または元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金または化合物を用いることができる。ライニングをより行いやすくするために、より好ましくは、Pt、Ag、CuおよびCのうち少なくとも一種類以上の金属または元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金または化合物を用いることができる。ライニング材としては、例えば。Pt単体、Pt−Ir合金、Ag単体、Cu単体やグラファイトなども挙げられる。   As the lining material, it is possible to use at least one metal or element of Pt, Ir, Ag, Pd, Rh, Cu, Au, and C, or an alloy or compound containing at least one metal. In order to make lining easier, more preferably, at least one or more kinds of metals or elements of Pt, Ag, Cu and C, or an alloy or compound containing at least one kind of metals can be used. As a lining material, for example. Pt simple substance, Pt-Ir alloy, Ag simple substance, Cu simple substance, graphite, etc. are also mentioned.

反応容器および設置部材は、耐圧性と耐食性を有することが好ましい。反応容器および設置部材の耐食性をより向上させるために、白金族または白金族合金の優れた耐食性を利用することが好ましい。反応容器および設置部材は、それ自体の材質を白金族または白金族合金とすることもできるし、反応容器の内壁を白金族または白金族合金とすることもできる。
さらに、反応容器は耐圧性容器であることが好ましい。特に、反応容器の内壁を白金族または白金族合金とする場合や、反応容器および設置部材の表面を白金族または白金族合金でコーティングまたはライニングする場合は、反応容器を形成する他の素材で耐圧性を確保することが好ましい。
白金族以外で耐圧性と耐食性を有する材料としてはTi、W、Ni、Mo、Ru、Nbやその合金を使用することができる。好ましくは、Mo、W、Tiである。
The reaction vessel and the installation member preferably have pressure resistance and corrosion resistance. In order to further improve the corrosion resistance of the reaction vessel and the installation member, it is preferable to use the excellent corrosion resistance of the platinum group or platinum group alloy. The reaction vessel and the installation member can be made of a platinum group or a platinum group alloy, and the inner wall of the reaction vessel can be made of a platinum group or a platinum group alloy.
Furthermore, the reaction vessel is preferably a pressure resistant vessel. In particular, when the inner wall of the reaction vessel is made of a platinum group or a platinum group alloy, or when the reaction vessel and the surface of the installation member are coated or lined with a platinum group or a platinum group alloy, the pressure resistance of other materials forming the reaction vessel It is preferable to ensure the property.
Ti, W, Ni, Mo, Ru, Nb and alloys thereof can be used as materials having pressure resistance and corrosion resistance other than the platinum group. Preferably, Mo, W, and Ti.

(製造装置)
第2の発明の窒化物結晶の製造方法に用いることのできる結晶製造装置は、第1の発明に記載のものと同様のものを使用することができ、好ましい態様についても同様である。
(manufacturing device)
As a crystal manufacturing apparatus that can be used in the method for manufacturing a nitride crystal of the second invention, the same apparatus as that described in the first invention can be used, and the same applies to the preferred embodiments.

(製造工程)
第2の発明の窒化物結晶の製造方法の一例について説明する。第2の発明の窒化物結晶の製造方法を実施する際には、まず、反応容器内に、種結晶、窒素を含有する溶媒、原料、および鉱化剤を入れて封止する。ここで、種結晶としては、主面の面方位は特に限定されないが、C面を主面として成長させた結晶を所望の方向に切り出すことによって、主面が非極性面または半極性面となる基板を得ることができる。これによって、M面などの非極性面、(10−11)、(20−21)などの半極性面を有する種結晶を得ることができる。
(Manufacturing process)
An example of the method for producing a nitride crystal of the second invention will be described. When carrying out the method for producing a nitride crystal of the second invention, first, a seed crystal, a nitrogen-containing solvent, a raw material, and a mineralizer are put in a reaction vessel and sealed. Here, as the seed crystal, the plane orientation of the main surface is not particularly limited, but the main surface becomes a nonpolar plane or a semipolar plane by cutting a crystal grown with the C plane as the main plane in a desired direction. A substrate can be obtained. Thereby, a seed crystal having a nonpolar plane such as an M plane and a semipolar plane such as (10-11) or (20-21) can be obtained.

第2の発明の製造工程においては、前記窒化物結晶原料、鉱化剤、バッフル板や種結晶などの材料を反応容器内に導入するのに先だって、ドーパント源隔離工程をさらに設けることが好ましい。ドーパント源隔離工程とは、反応容器中に存在する酸素、酸化物または水蒸気を除去する工程をいう。また、ドーパント源隔離工程には、反応容器や反応容器内に設置される各種の部材のうち酸素、酸化物または水蒸気を含有する部材の表面をコーティングまたはライニングする工程が含まれる。部材の表面をコーティングまたはライニングすることによって、ドーパントが露出し、窒化物結晶に取り込まれることを防ぐことができる。   In the production process of the second invention, it is preferable to further provide a dopant source isolation step prior to introducing the nitride crystal raw material, mineralizer, baffle plate, seed crystal and other materials into the reaction vessel. The dopant source isolation step refers to a step of removing oxygen, oxide, or water vapor present in the reaction vessel. The dopant source isolation step includes a step of coating or lining the surface of a member containing oxygen, oxide, or water vapor among the reaction vessel and various members installed in the reaction vessel. Coating or lining the surface of the member can prevent the dopant from being exposed and incorporated into the nitride crystal.

第2の発明において、意図しないドーピングは、窒化物結晶原料由来以外のn型ドーパントが窒化物結晶に取り込まれることで起こる。第2の発明では、成長工程の前にドーパント源隔離工程を設けることで、意図しないドーピングを抑制することができる。
反応容器中に存在する酸素、酸化物または水蒸気を除去するには、反応容器中に窒化物結晶原料を充填した後に、反応容器中を真空状態とすることや、反応容器中に不活性化ガスを満たす方法を採用することができる。また、反応容器や反応容器に包含される各種の部材を乾燥させることによっても酸素、酸化物または水蒸気を除去することができる。
In the second invention, unintentional doping occurs when an n-type dopant other than that derived from the nitride crystal raw material is incorporated into the nitride crystal. In the second invention, unintentional doping can be suppressed by providing a dopant source isolation step before the growth step.
In order to remove oxygen, oxides or water vapor present in the reaction vessel, the reaction vessel is filled with a nitride crystal raw material, and then the reaction vessel is evacuated, or an inert gas is contained in the reaction vessel. A method that satisfies the above can be adopted. In addition, oxygen, oxides, or water vapor can be removed by drying the reaction vessel and various members included in the reaction vessel.

材料の導入時には、窒素ガスなどの不活性ガスを流通させてもよい。通常は、反応容器内への種結晶の設置は、窒化物結晶原料および鉱化剤を充填する際に同時または充填後に行う。種結晶は、反応容器内表面を構成する貴金属と同様の貴金属製の治具に固定することが好ましい。種結晶の設置後には、必要に応じて加熱脱気をしても良い。   At the time of introducing the material, an inert gas such as nitrogen gas may be circulated. Usually, the seed crystal is placed in the reaction vessel at the same time or after the filling of the nitride crystal raw material and the mineralizer. The seed crystal is preferably fixed to a noble metal jig similar to the noble metal constituting the inner surface of the reaction vessel. After installation of the seed crystal, heat deaeration may be performed as necessary.

図1に示す製造装置を用いる場合は、反応容器であるカプセル20内に種結晶7、窒素を含有する溶媒、原料、および鉱化剤を入れて封止した後に、カプセル20をオートクレーブ(耐圧性容器)1内に装填し、好ましくは耐圧性容器と該反応容器の間の空隙に第2溶媒を充填して耐圧性容器を密閉する。
その後、全体を加熱して反応容器内を超臨界状態または亜臨界状態とする。超臨界状態では一般的には、物質の粘度が低く、液体よりも容易に拡散されるが、液体と同様の溶媒和力を有する。亜臨界状態とは、臨界温度近傍で臨界密度とほぼ等しい密度を有する液体の状態を意味する。例えば、原料充填部では、超臨界状態として原料を溶解し、結晶成長部では亜臨界状態となるように温度を変化させて超臨界状態と亜臨界状態の原料の溶解度差を利用した結晶成長も可能である。
When the production apparatus shown in FIG. 1 is used, the capsule 20 is sealed in the capsule 20 which is a reaction vessel by putting the seed crystal 7, a nitrogen-containing solvent, a raw material, and a mineralizer, and then sealing the capsule 20 with an autoclave (pressure resistance). Container) 1, and preferably, the space between the pressure-resistant container and the reaction container is filled with the second solvent to seal the pressure-resistant container.
Thereafter, the whole is heated to bring the inside of the reaction vessel into a supercritical state or a subcritical state. In the supercritical state, the viscosity of a substance is generally low and it diffuses more easily than a liquid, but has a solvating power similar to that of a liquid. The subcritical state means a liquid state having a density substantially equal to the critical density near the critical temperature. For example, in the raw material filling part, the raw material is melted as a supercritical state, and in the crystal growth part, the temperature is changed so as to be in the subcritical state, and crystal growth utilizing the difference in solubility between the supercritical state and the subcritical state raw material is also performed. Is possible.

超臨界状態にする場合、反応混合物は、一般に溶媒の臨界点よりも高い温度に保持される。アンモニア溶媒を用いた場合、臨界点は臨界温度132℃、臨界圧力11.35MPaであるが、反応容器の容積に対する充填率が高ければ、臨界温度以下の温度でも圧力は臨界圧力を遥かに越える。第2の発明において「超臨界状態」とは、このような臨界圧力を越えた状態を含む。反応混合物は、一定の容積の反応容器内に封入されているので、温度上昇は流体の圧力を増大させる。一般に、T>Tc(1つの溶媒の臨界温度)およびP>Pc(1つの溶媒の臨界圧力)であれば、流体は超臨界状態にある。   In the supercritical state, the reaction mixture is generally maintained at a temperature above the critical point of the solvent. When an ammonia solvent is used, the critical point is a critical temperature of 132 ° C. and a critical pressure of 11.35 MPa. However, if the filling rate with respect to the volume of the reaction vessel is high, the pressure far exceeds the critical pressure even at a temperature below the critical temperature. In the second invention, the “supercritical state” includes such a state exceeding the critical pressure. Since the reaction mixture is enclosed in a constant volume reaction vessel, the increase in temperature increases the pressure of the fluid. In general, if T> Tc (critical temperature of one solvent) and P> Pc (critical pressure of one solvent), the fluid is in a supercritical state.

超臨界条件では、窒化物結晶の十分な成長速度が得られる。反応時間は、特に鉱化剤の反応性および熱力学的パラメータ、すなわち温度および圧力の数値に依存する。窒化物結晶の合成中あるいは成長中、反応容器内の圧力は結晶性および生産性の観点から、30MPa以上にすることが好ましく、60MPa以上にすることがより好ましく、100MPa以上にすることがさらに好ましい。また、反応容器内の圧力は安全性の観点から、700MPa以下にすることが好ましく、500MPa以下にすることがより好ましく、350MPa以下にすることがさらに好ましく、300MPa以下にすることが特に好ましい。圧力は、温度および反応容器の容積に対する溶媒体積の充填率によって適宜決定される。本来、反応容器内の圧力は、温度と充填率によって一義的に決まるものではあるが、実際には、原料、鉱化剤などの添加物、反応容器内の温度の不均一性、および自由容積の存在によって多少異なる。   Under supercritical conditions, a sufficient growth rate of nitride crystals can be obtained. The reaction time depends in particular on the reactivity of the mineralizer and the thermodynamic parameters, ie temperature and pressure values. During the synthesis or growth of the nitride crystal, the pressure in the reaction vessel is preferably 30 MPa or more, more preferably 60 MPa or more, and further preferably 100 MPa or more, from the viewpoint of crystallinity and productivity. . The pressure in the reaction vessel is preferably 700 MPa or less, more preferably 500 MPa or less, further preferably 350 MPa or less, and particularly preferably 300 MPa or less from the viewpoint of safety. The pressure is appropriately determined depending on the filling rate of the solvent volume with respect to the temperature and the volume of the reaction vessel. Originally, the pressure in the reaction vessel is uniquely determined by the temperature and the filling rate. However, in practice, raw materials, additives such as mineralizers, temperature heterogeneity in the reaction vessel, and free volume Depending on the presence of

反応容器内の温度範囲は、結晶性および生産性の観点から、下限値が320℃以上であることが好ましく、370℃以上であることがより好ましく、450℃以上であることがさらに好ましい。上限値は、安全性の観点から、700℃以下であることが好ましく、650℃以下であることがより好ましく、630℃以下であることがさらに好ましい。第2の発明の窒化物結晶の製造方法では、反応容器内における原料充填領域の温度が、結晶成長領域の温度よりも高いことが好ましい。温度差(|ΔT|)は、結晶性および生産性の観点から、5℃以上であることが好ましく、10℃以上であることがより好ましく、100℃以下であることが好ましく、90℃以下であることがより好ましく、80℃以下が特に好ましい。反応容器内の最適な温度や圧力は、結晶成長の際に用いる鉱化剤や添加剤の種類や使用量等によって、適宜決定することができる。   From the viewpoint of crystallinity and productivity, the lower limit of the temperature range in the reaction vessel is preferably 320 ° C or higher, more preferably 370 ° C or higher, and further preferably 450 ° C or higher. From the viewpoint of safety, the upper limit value is preferably 700 ° C. or less, more preferably 650 ° C. or less, and further preferably 630 ° C. or less. In the method for producing a nitride crystal of the second invention, the temperature of the raw material filling region in the reaction vessel is preferably higher than the temperature of the crystal growth region. The temperature difference (| ΔT |) is preferably 5 ° C. or higher, more preferably 10 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or lower, and 90 ° C. or lower from the viewpoints of crystallinity and productivity. More preferably, 80 ° C. or lower is particularly preferable. The optimum temperature and pressure in the reaction vessel can be appropriately determined depending on the type and amount of mineralizer and additive used during crystal growth.

反応容器内の温度範囲、圧力範囲を達成するための反応容器への溶媒の注入割合、すなわち充填率は、反応容器の自由容積、すなわち、反応容器に結晶原料、および種結晶を用いる場合には、種結晶とそれを設置する構造物の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積、またバッフル板を設置する場合には、さらにそのバッフル板の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積の溶媒の沸点における液体密度を基準として、通常20〜95%、好ましくは30〜80%、さらに好ましくは40〜70%とする。反応容器として図1のようなカプセル20を用いる場合には、溶媒の超臨界状態においてカプセル20内外で圧力がバランスするように、溶媒量を適宜調整することが好ましい。   In order to achieve the temperature range and pressure range in the reaction vessel, the injection rate of the solvent into the reaction vessel, that is, the filling rate is the free volume of the reaction vessel, that is, when crystal raw materials and seed crystals are used in the reaction vessel. Subtract the volume of the seed crystal and the structure on which the seed crystal is installed from the volume of the reaction vessel, and if a baffle plate is installed, subtract the volume of the baffle plate from the volume of the reaction vessel to remain. Based on the liquid density at the boiling point of the solvent of volume, it is usually 20 to 95%, preferably 30 to 80%, more preferably 40 to 70%. When the capsule 20 as shown in FIG. 1 is used as the reaction vessel, it is preferable to appropriately adjust the amount of the solvent so that the pressure is balanced inside and outside the capsule 20 in the supercritical state of the solvent.

反応容器内での窒化物結晶の成長は、熱電対を有する電気炉などを用いて反応容器を加熱昇温することにより、反応容器内をアンモニア等の溶媒の亜臨界状態または超臨界状態に保持することにより行われる。加熱の方法、所定の反応温度への昇温速度に付いては特に限定されないが、通常、数時間から数日かけて行われる。必要に応じて、多段の昇温を行ったり、温度域において昇温スピードを変えたりすることもできる。また、部分的に冷却しながら加熱したりすることもできる。
なお、上述したの「反応温度」は、反応容器の外面に接するように設けられた熱電対、および/または外表面から一定の深さの穴に差し込まれた熱電対によって測定され、反応容器の内部温度へ換算して推定することができる。これら熱電対で測定された温度の平均値をもって平均温度とする。通常は、原料充填領域の温度と結晶成長領域の温度の平均値を平均温度とする。
The growth of nitride crystals in the reaction vessel is maintained in a subcritical or supercritical state of a solvent such as ammonia by heating and heating the reaction vessel using an electric furnace having a thermocouple. Is done. The heating method and the rate of temperature increase to a predetermined reaction temperature are not particularly limited, but are usually performed over several hours to several days. If necessary, the temperature can be raised in multiple stages, or the temperature raising speed can be changed in the temperature range. It can also be heated while being partially cooled.
The above-mentioned “reaction temperature” is measured by a thermocouple provided so as to be in contact with the outer surface of the reaction vessel and / or a thermocouple inserted into a hole having a certain depth from the outer surface, and It can be estimated in terms of internal temperature. The average value of the temperatures measured with these thermocouples is taken as the average temperature. Usually, an average value of the temperature of the raw material filling region and the temperature of the crystal growth region is defined as the average temperature.

第2の発明の窒化物結晶の製造方法においては、種結晶に前処理を加えておくことができる。前処理としては、例えば、種結晶にメルトバック処理を施したり、種結晶の成長結晶成長面を研磨したり、種結晶を洗浄するなどが挙げられる。   In the method for producing a nitride crystal of the second invention, a pretreatment can be added to the seed crystal. Examples of the pretreatment include subjecting the seed crystal to a meltback process, polishing the growth surface of the seed crystal, and washing the seed crystal.

第2の発明の窒化物結晶の製造方法においては、オートクレーブを昇温する際に、一定の温度を保持して、種結晶の成長結晶成長面にメルトバック処理を施しても良い。当該メルトバック処理によって、種結晶の成長結晶成長面や、装置中の部材に付着した結晶核を溶解することができる。前記メルトバック処理の条件、圧力、処理時間としては、上述した第1の発明と同様の説明を適用できる。   In the method for producing a nitride crystal of the second invention, when raising the temperature of the autoclave, a constant temperature may be maintained, and the growth crystal growth surface of the seed crystal may be subjected to a meltback treatment. By the meltback treatment, the crystal growth surface of the seed crystal and the crystal nucleus attached to the member in the apparatus can be dissolved. The same explanation as in the first invention can be applied to the conditions, pressure and treatment time of the meltback treatment.

前処理において、結晶成長し得る種結晶の表面を研磨するには、例えば、ケミカルメカニカルポリッシング(CMP)等で行うことができる。種結晶の表面粗さは、例えば、原子間力顕微鏡によって計測した二乗平均平方根粗さ(Rms)が、メルトバックとそれに続く結晶成長を均等に行うとの観点から、1.0nm以下であることが好ましく、0.5nmが更に好ましく、0.3nmが特に好ましい。   In the pretreatment, in order to polish the surface of the seed crystal capable of crystal growth, for example, chemical mechanical polishing (CMP) can be performed. The surface roughness of the seed crystal should be, for example, 1.0 nm or less from the viewpoint that the root mean square roughness (Rms) measured by an atomic force microscope performs meltback and subsequent crystal growth evenly. Is preferable, 0.5 nm is more preferable, and 0.3 nm is particularly preferable.

所定の温度に達した後の反応時間についても、窒化物結晶の種類、用いる原料、鉱化剤の種類、製造する結晶の大きさや量によっても異なるが、通常、数時間から数百日とすることができる。反応中、反応温度は一定にしても良いし、徐々に昇温または降温させることもできる。所望の結晶を生成させるための反応時間を経た後、反応温度を降温させる。降温方法は特に限定されないが、ヒーターの加熱を停止してそのまま炉内に反応容器を設置したまま放冷してもかまわないし、反応容器を電気炉から取り外して空冷してもかまわない。必要であれば、冷媒を用いて急冷することも好適に用いられる。   The reaction time after reaching a predetermined temperature also varies depending on the type of nitride crystal, the raw material used, the type of mineralizer, and the size and amount of the crystal to be produced, but is usually several hours to several hundred days. be able to. During the reaction, the reaction temperature may be constant, or the temperature may be gradually raised or lowered. After a reaction time for forming the desired crystal, the reaction temperature is lowered. The temperature lowering method is not particularly limited, but the heating may be stopped while the heating of the heater is stopped and the reaction vessel is installed in the furnace as it is, or the reaction vessel may be removed from the electric furnace and air cooled. If necessary, quenching with a refrigerant is also preferably used.

反応容器外面の温度、あるいは推定される反応容器内部の温度が所定温度以下になった後、反応容器を開栓する。このときの所定温度は特に限定はなく、通常、−80℃〜200℃、好ましくは−33℃〜100℃である。ここで、反応容器に付属したバルブの配管接続口に配管接続し、水などを満たした容器に通じておき、バルブを開けても良い。さらに必要に応じて、真空状態にするなどして反応容器内のアンモニア溶媒を十分に除去した後、乾燥し、反応容器の蓋等を開けて生成した窒化物結晶および未反応の原料や鉱化剤等の添加物を取り出すことができる。
なお、第2の発明の窒化物結晶の製造方法にしたがって窒化ガリウムを製造する場合、前記以外の材料、製造条件、製造装置、工程の詳細については特開2009−263229号公報を好ましく参照することができる。該公開公報の開示全体を本明細書に引用して援用する。
After the temperature of the outer surface of the reaction vessel or the estimated temperature inside the reaction vessel is below a predetermined temperature, the reaction vessel is opened. The predetermined temperature at this time is not particularly limited, and is usually −80 ° C. to 200 ° C., preferably −33 ° C. to 100 ° C. Here, the valve may be opened by pipe connection to a valve connection port of the valve attached to the reaction vessel, passing through a vessel filled with water or the like. Furthermore, if necessary, remove the ammonia solvent in the reaction vessel sufficiently by applying a vacuum, etc., then dry, open the reaction vessel lid, etc., and generate nitride crystals and unreacted raw materials and mineralization. Additives such as agents can be removed.
When manufacturing gallium nitride according to the method for manufacturing a nitride crystal of the second invention, preferably refer to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-263229 for details of materials, manufacturing conditions, manufacturing equipment, and processes other than those described above. Can do. The entire disclosure of this publication is incorporated herein by reference.

第2の発明の窒化物結晶の製造方法においては、種結晶上に窒化物結晶を成長させた後に、後処理を加えても良い。後処理の種類や目的は特に制限されない。例えば、ピットや転位などの結晶欠陥を容易に観察できるようにするために、育成後の冷却過程で結晶表面をメルトバックしても良い。   In the method for producing a nitride crystal of the second invention, after the nitride crystal is grown on the seed crystal, post-treatment may be added. The type and purpose of post-processing are not particularly limited. For example, the crystal surface may be melted back in the cooling process after growth so that crystal defects such as pits and dislocations can be easily observed.

(窒化物結晶)
第2の発明に係る窒化物結晶は、上述した製造方法によって得ることができる。第2の発明で得られた窒化物結晶の酸素濃度は1.5×1018〜2.5×1019atoms/cm3であり、下記式で求められるドーパント活性化率ηは10〜90%である。
窒化物結晶の酸素濃度として好ましくは2×1018atoms/cm3以上であり、より好ましくは2.5×1018atoms/cm3以上であって、好ましくは2×1019atoms/cm3以下であり、より好ましくは1.5×1019atoms/cm3以下である。また、ドーパント活性化率ηは、好ましくは20%以上であり、より好ましくは30%以上であって、好ましくは85%以下であり、より好ましくは80%以下である。
(Nitride crystals)
The nitride crystal according to the second invention can be obtained by the manufacturing method described above. The oxygen concentration of the nitride crystal obtained in the second invention is 1.5 × 10 18 to 2.5 × 10 19 atoms / cm 3 , and the dopant activation rate η determined by the following formula is 10 to 90%. It is.
The oxygen concentration of the nitride crystal is preferably 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more, more preferably 2.5 × 10 18 atoms / cm 3 or more, and preferably 2 × 10 19 atoms / cm 3 or less. More preferably, it is 1.5 × 10 19 atoms / cm 3 or less. Further, the dopant activation rate η is preferably 20% or more, more preferably 30% or more, preferably 85% or less, and more preferably 80% or less.

上式において、ηはドーパント活性化率(単位:%)であり、[CC]はキャリア濃度(単位:cm-3)であり、[D]はドーパント濃度(単位:cm-3)を示す。
また、第2の発明で得られた窒化物結晶のキャリア濃度は、5×1017〜2×1019atoms/cm3である。キャリア濃度が5×1017〜2×1019atoms/cm3の範囲内となることで、適切な導電性を示す窒化物結晶を得ることができる。キャリア濃度として好ましくは8×1017atoms/cm3以上であり、より好ましくは1×1018atoms/cm3以上であって、好ましくは1.5×1019atoms/cm3以下であり、より好ましくは1×1019atoms/cm3以下である。
In the above formula, η is the dopant activation rate (unit:%), [CC] is the carrier concentration (unit: cm −3 ), and [D] is the dopant concentration (unit: cm −3 ).
The carrier concentration of the nitride crystal obtained in the second invention is 5 × 10 17 to 2 × 10 19 atoms / cm 3 . When the carrier concentration is in the range of 5 × 10 17 to 2 × 10 19 atoms / cm 3 , a nitride crystal exhibiting appropriate conductivity can be obtained. The carrier concentration is preferably 8 × 10 17 atoms / cm 3 or more, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more, and preferably 1.5 × 10 19 atoms / cm 3 or less. Preferably it is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less.

さらに、第2の発明で得られた窒化物結晶のSi濃度は、1.5×1016atoms/cm3以下である。好ましくは、1×1016atoms/cm3以下が良い。窒化物結晶のSi濃度を上記範囲とすることにより、結晶全体の歪みを抑制する事によりクラックによる歩留まり低下を抑制することができる。Si濃度として好ましくは1×1016atoms/cm3以下であり、より好ましくは2×1015atoms/cm3以下である。 Further, the Si concentration of the nitride crystal obtained in the second invention is 1.5 × 10 16 atoms / cm 3 or less. Preferably, it is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less. By making the Si concentration of the nitride crystal within the above range, it is possible to suppress the yield reduction due to cracks by suppressing the distortion of the entire crystal. The Si concentration is preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less, and more preferably 2 × 10 15 atoms / cm 3 or less.

第2の発明で得られた窒化物結晶のハロゲン含有量が増えるとキャリアの活性率が低くなるので、低濃度でコントロールする事が好ましい。ハロゲン元素としては、たとえば、F、Cl、Br、Iを挙げることができる。
得られた窒化物結晶のFの濃度は、好ましくは1×1018atoms/cm3以下であり、より好ましくは5×1017atoms/cm3以下である。Clの濃度は、好ましくは1×1019atoms/cm3以下であり、より好ましくは3×1018atoms/cm3以下である。Brの濃度は、好ましくは1×1017atoms/cm3以下であり、より好ましくは1×1016atoms/cm3以下である。Iの濃度は、好ましくは1×1017atoms/cm3以下であり、より好ましくは3×1015atoms/cm3以下である。
When the halogen content of the nitride crystal obtained in the second invention is increased, the carrier activity is lowered, and therefore it is preferable to control at a low concentration. Examples of the halogen element include F, Cl, Br, and I.
The concentration of F in the obtained nitride crystal is preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. The concentration of Cl is preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 3 × 10 18 atoms / cm 3 or less. The concentration of Br is preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less, and more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less. The concentration of I is preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less, more preferably 3 × 10 15 atoms / cm 3 or less.

第2の発明の窒化物結晶の製造方法においては、結晶の成長条件に温度や圧力を維持している状態で窒化物結晶原料が完全に溶けてしまうと、成長させた結晶が溶解してしまうおそれがあることから、結晶成長工程の終了後に窒化物結晶原料は微量に残っていることが好ましいとの観点から、前記窒化物結晶原料の溶解率は、40%〜96%が好ましく、50%〜85%が更に好ましく、70%〜80%が特に好ましい。前記溶解率は、(結晶成長工程前に投入した原料−結晶成長工程後に残った原料)÷結晶成長工程前に投入した原料で求めることができる。   In the method for producing a nitride crystal of the second invention, if the nitride crystal raw material is completely dissolved while maintaining the temperature and pressure in the crystal growth conditions, the grown crystal is dissolved. In view of the possibility that a small amount of the nitride crystal raw material remains after the completion of the crystal growth step, the dissolution rate of the nitride crystal raw material is preferably 40% to 96%, preferably 50%. ˜85% is more preferable, and 70% to 80% is particularly preferable. The dissolution rate can be obtained by (the raw material input before the crystal growth step-the raw material remaining after the crystal growth step) / the raw material input before the crystal growth step.

<窒化物結晶>
本発明(第1〜第2の発明)の窒化物結晶は、本発明の窒化物結晶の製造方法により製造されることを特徴とする。
<Nitride crystals>
The nitride crystal of the present invention (first to second inventions) is produced by the method for producing a nitride crystal of the present invention.

(ウエハ)
本発明(第1〜第2の発明)の窒化物結晶の製造方法により成長させた窒化物結晶層を所望の方向に切り出すことにより、任意の結晶方位を有するウエハ(半導体基板)を得ることができる。本発明の製造方法によって厚くて大口径のM面を有する窒化物結晶を製造した場合は、m軸に垂直な方向に切り出すことにより、大口径のM面ウエハを得ることができる。また、本発明の製造方法によって大口径の半極性面を有する窒化物結晶を製造した場合は、半極性面に平行に切り出すことにより、大口径の半極性面ウエハを得ることができる。これらのウエハも、均一で高品質であるという特徴を有する。
(Wafer)
A wafer (semiconductor substrate) having an arbitrary crystal orientation can be obtained by cutting a nitride crystal layer grown by the nitride crystal manufacturing method of the present invention (first to second inventions) in a desired direction. it can. When a nitride crystal having a large and large-diameter M-plane is produced by the production method of the present invention, a large-diameter M-plane wafer can be obtained by cutting in a direction perpendicular to the m-axis. Further, when a nitride crystal having a large-diameter semipolar plane is manufactured by the manufacturing method of the present invention, a large-diameter semipolar plane wafer can be obtained by cutting in parallel to the semipolar plane. These wafers are also characterized by being uniform and of high quality.

(デバイス)
本発明(第1〜第2の発明)の窒化物結晶やウエハは、デバイス、即ち発光素子や電子デバイスなどの用途に好適に用いられる。本発明の窒化物結晶やウエハが用いられる発光素子としては、発光ダイオード、レーザーダイオード、それらと蛍光体を組み合わせた発光素子などを挙げることができる。また、本発明の窒化物結晶やウエハが用いられる電子デバイスとしては、高周波素子、高耐圧高出力素子などを挙げることができる。高周波素子の例としては、トランジスター(HEMT、HBT)があり、高耐圧高出力素子の例としては、サイリスター(IGBT)がある。本発明の窒化物結晶やウエハは、均一で高品質であるという特徴を有することから、前記のいずれの用途にも適している。中でも、均一性が高いことが特に要求される電子デバイス用途に適している。
(device)
The nitride crystals and wafers of the present invention (first and second inventions) are suitably used for devices such as light emitting elements and electronic devices. Examples of the light-emitting element in which the nitride crystal or wafer of the present invention is used include a light-emitting diode, a laser diode, and a light-emitting element obtained by combining these with a phosphor. In addition, examples of the electronic device using the nitride crystal or wafer of the present invention include a high frequency element, a high withstand voltage high output element, and the like. Examples of the high frequency element include a transistor (HEMT, HBT), and an example of the high breakdown voltage high output element includes a thyristor (IGBT). Since the nitride crystal and wafer of the present invention are characterized by being uniform and of high quality, they are suitable for any of the above applications. Especially, it is suitable for the electronic device use for which high uniformity is especially required.

以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。   The features of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.

[調製例1]
<実施例1,実施例3、実施例6、および実施例8で使用する窒化物結晶原料の調製>
実施例1,実施例3、実施例6、および実施例8において前記窒化物結晶の製造方法の原料として使用するGaN多結晶の嵩密度を以下の方法で制御した。
ハイドライド気相成長(HVPE)法により、種結晶を用いずに製造した珊瑚状のGaN多結晶(3次粒子の最大径0.5〜50mm)を、GaN多結晶同士を互いに衝突させることにより3次粒子の最大径0.5mm〜20mmになるまで粉砕して、その嵩密度を制御した。このときの粉砕は、大気ガス雰囲気下、相対湿度50%以下の環境下で、約26℃にてGaN多結晶を互いに衝突させて粉砕する方法で行った。なお、粉砕されたGaN多結晶も、珊瑚状の形状を維持していた。
また、光学顕微鏡によって観察したところ、得られたGaN多結晶は0.5〜1mmの最大径を有する2次粒子が凝集してなる、0.5〜20mmの最大径を有する3次粒子であることがわかった。また、3次粒子の粒径の分布としては、0.1〜1.0mmの粒子が1.7質量%であり、1.0〜20mmの粒子が98.3質量%であった。得られたGaN多結晶原料の嵩密度は、1.8g/cm3であった。
[Preparation Example 1]
<Preparation of nitride crystal raw materials used in Examples 1, 3, 6, and 8>
In Example 1, Example 3, Example 6, and Example 8, the bulk density of the GaN polycrystal used as a raw material for the nitride crystal production method was controlled by the following method.
The GaN polycrystals (maximum diameter of tertiary particles 0.5 to 50 mm) produced without using a seed crystal by hydride vapor phase epitaxy (HVPE) are collided with each other. The bulk density was controlled by pulverizing until the maximum diameter of the secondary particles became 0.5 mm to 20 mm. The pulverization at this time was performed by a method of pulverizing GaN polycrystals by colliding with each other at about 26 ° C. in an atmosphere of an atmospheric gas atmosphere and a relative humidity of 50% or less. Note that the crushed GaN polycrystal also maintained a bowl-like shape.
Further, when observed with an optical microscope, the obtained GaN polycrystal is a tertiary particle having a maximum diameter of 0.5 to 20 mm formed by agglomeration of secondary particles having a maximum diameter of 0.5 to 1 mm. I understood it. As the particle size distribution of the tertiary particles, 0.1 to 1.0 mm particles were 1.7% by mass, and 1.0 to 20 mm particles were 98.3% by mass. The bulk density of the obtained GaN polycrystalline material was 1.8 g / cm 3 .

<実施例1>
RENE41製オートクレーブ1(内容積約345cm3)を耐圧性容器として用い、Pt−Ir製カプセル20を反応容器として結晶成長を行った。Pt−Ir製カプセルの内径は2.5cmであった。カプセルへの充填作業は十分に乾燥した窒素雰囲気グローブボックス内にて行った。原料8として調製例1にて得られたGaN多結晶130.36gを秤量し、バッルフ板と種結晶支持枠を支えるためのPt製網状構造体(不図示。30.4g、体積1.39cm3)と共にカプセル下部領域(原料充填領域9)内に設置した。このとき、GaN多結晶が入った領域の最下端(カプセル下部)から最上端までの高さは約15cmであった。また、Pt構造物は約3分の2がGaN多結晶原料が入った領域に埋もれた状態であった。以上より、反応容器の原料充填領域におけるGaN多結晶の嵩密度は(GaN多結晶粒子重量130.36g)/((カプセル内円面積4.9cm2)×(高さ15cm)−(Pt構造物の体積1.39cm3×2/3))で計算され、約1.8g/cm3であった。なお、使用した多結晶のサイズは1辺が0.5〜20mmで珊瑚形状であった。
なお、上記にて使用したGaN多結晶原料の酸素濃度をCAMECA社製Ims−4fを用いたSIMSによって測定したところ、4.6×1018cm-3であることがわかった。
<Example 1>
Crystal growth was performed using the RENE41 autoclave 1 (internal volume of about 345 cm 3 ) as a pressure-resistant container and the Pt—Ir capsule 20 as a reaction container. The inner diameter of the Pt-Ir capsule was 2.5 cm. Capsule filling was performed in a sufficiently dry nitrogen atmosphere glove box. The raw material 8 is weighed 130.36 g of the GaN polycrystal obtained in Preparation Example 1, and a Pt network structure (not shown; 30.4 g, volume 1.39 cm 3) for supporting the burf plate and the seed crystal support frame. ) In the capsule lower region (raw material filling region 9). At this time, the height from the lowermost end (lower part of the capsule) to the uppermost end of the region containing the GaN polycrystal was about 15 cm. Further, about two-thirds of the Pt structure was buried in the region containing the GaN polycrystalline raw material. From the above, the bulk density of the GaN polycrystal in the raw material filling region of the reaction vessel is (GaN polycrystal particle weight 130.36 g) / ((inner capsule circular area 4.9 cm 2 ) × (height 15 cm) − (Pt structure) Of 1.39 cm 3 × 2/3)), and was about 1.8 g / cm 3 . In addition, the size of the used polycrystal was 0.5-20 mm on one side, and was a bowl shape.
In addition, when the oxygen concentration of the GaN polycrystal raw material used above was measured by SIMS using Ims-4f manufactured by CAMECA, it was found to be 4.6 × 10 18 cm −3 .

次に下部の原料充填領域9と上部の結晶成長領域6の間に白金製のバッフル板5を設置した。種結晶7としてHVPE法により成長した六方晶系GaN単結晶のC面ウェハーとM面ウェハーを用いた。これら種結晶7を直径0.4mmの白金ワイヤーにより白金製種結晶支持枠に吊るし、カプセル上部の結晶成長領域6に設置した。
つぎにカプセル20の上部にPt−Ir製のキャップを接続したのち、重量を測定した。キャップ上部に付属したチューブに図1のバルブ10と同様のバルブを接続し、真空ポンプ11に通ずるようバルブを設置し真空脱気した。その後バルブを窒素ボンベ13に通ずるように操作しカプセル内を窒素ガスにてパージを行った。前記真空脱気、窒素パージを5回行った後、真空ポンプに繋いだ状態で加熱をしてカプセル内の水分や付着ガスの脱気を行なった。つづいて酸性鉱化剤としてHClガスを流量制御に基づきアンモニアに対する濃度が3mol%になるように液体窒素温度にて充填した。次にNH3を充填した後、カプセル20を密封した。
Next, a platinum baffle plate 5 was installed between the lower raw material filling region 9 and the upper crystal growth region 6. As the seed crystal 7, a hexagonal GaN single crystal C-plane wafer and M-plane wafer grown by the HVPE method were used. These seed crystals 7 were suspended from a platinum seed crystal support frame by a platinum wire having a diameter of 0.4 mm and placed in the crystal growth region 6 above the capsule.
Next, after a cap made of Pt—Ir was connected to the top of the capsule 20, the weight was measured. A valve similar to the valve 10 in FIG. 1 was connected to a tube attached to the upper part of the cap, and a valve was installed so as to communicate with the vacuum pump 11 and vacuum deaeration was performed. Thereafter, the valve was operated so as to pass through the nitrogen cylinder 13 and the inside of the capsule was purged with nitrogen gas. The vacuum degassing and nitrogen purging were performed five times, and then heating was performed while connected to a vacuum pump to degas the moisture and attached gas in the capsule. Subsequently, HCl gas as an acidic mineralizer was charged at a liquid nitrogen temperature so that the concentration with respect to ammonia was 3 mol% based on flow rate control. Next, after filling with NH 3 , the capsule 20 was sealed.

続いてバルブ10が装着されたオートクレーブにカプセルを挿入した後に蓋を閉じ、オートクレーブ1の重量を計測した。次いでオートクレーブに付属したバルブ10を介して導管を真空ポンプ11に通じるように操作し、バルブを開けて真空脱気した。カプセルと同様に窒素ガスパージを複数回行った。その後、真空状態を維持しながらオートクレーブ1をドライアイスエタノール溶媒によって冷却し、一旦バルブ10を閉じた。次いで導管をNH3ボンベ12に通じるように操作した後、再びバルブ10を開け連続して外気に触れることなくNH3をオートクレーブ1に充填した後、再びバルブ10を閉じた。オートクレーブ1の温度を室温に戻し、外表面を十分に乾燥させオートクレーブ1の重量を計測した。NH3充填前の重量との差からNH3の重量を算出し充填量を確認した。 Subsequently, after the capsule was inserted into the autoclave equipped with the valve 10, the lid was closed and the weight of the autoclave 1 was measured. Subsequently, the conduit was connected to the vacuum pump 11 through the valve 10 attached to the autoclave, and the valve was opened to perform vacuum deaeration. Nitrogen gas purging was performed several times as in the capsule. Thereafter, the autoclave 1 was cooled with a dry ice ethanol solvent while maintaining the vacuum state, and the valve 10 was once closed. Next, after the conduit was operated to lead to the NH 3 cylinder 12, the valve 10 was opened again, and NH 3 was filled in the autoclave 1 without continuously touching the outside air, and then the valve 10 was closed again. The temperature of the autoclave 1 was returned to room temperature, the outer surface was sufficiently dried, and the weight of the autoclave 1 was measured. The weight of NH 3 was calculated from the difference from the weight before filling with NH 3 to confirm the filling amount.

続いてオートクレーブ1を上下に2分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。その後、結晶成長領域6と原料充填領域9との温度差ΔTが表1に示す値となるように設定して、その温度にて14.7日間保持した。オートクレーブ内の圧力は約260MPaであった。また保持中のオートクレーブ外面制御温度のバラツキは±0.3℃以下であった。
その後、オートクレーブ1の外面の温度が室温に戻るまで自然冷却し、オートクレーブに付属したバルブ10を開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後オートクレーブ1を計量しNH3の排出を確認した後、オートクレーブの蓋を開け、カプセル20を取り出した。カプセル上部に付属したチューブに穴を開けカプセル内部からNH3を取り除いた。カプセル内部を確認したところ、C面、M面いずれの種結晶上にも全面に均一に窒化ガリウム結晶が析出していた。
Subsequently, the autoclave 1 was housed in an electric furnace composed of a heater divided into two parts in the vertical direction. Thereafter, the temperature difference ΔT between the crystal growth region 6 and the raw material filling region 9 was set to the value shown in Table 1, and the temperature was maintained for 14.7 days. The pressure in the autoclave was about 260 MPa. Further, the variation in the control temperature of the outer surface of the autoclave during the holding was ± 0.3 ° C. or less.
Then, it cooled naturally until the temperature of the outer surface of the autoclave 1 returned to room temperature, the valve 10 attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. Thereafter, the autoclave 1 was weighed to confirm the discharge of NH 3 , the lid of the autoclave was opened, and the capsule 20 was taken out. A hole was made in the tube attached to the upper part of the capsule to remove NH 3 from the inside of the capsule. When the inside of the capsule was confirmed, gallium nitride crystals were uniformly deposited on the entire surface of the seed crystal on either the C plane or the M plane.

m軸、c軸、a軸それぞれの方向への成長速度を、成長厚みと成長日数から算出し、その結果を表1に記載した。また、未溶解原料の重量を確認したところ40.88gであった。原料の溶解率を算出し、表1に記載した。また、回収したGaN多結晶原料を確認したところ、全体的に溶解して小粒になっていることを確認した。これより、原料充填領域9に溶媒が対流し、GaN多結晶原料全体にNH3が接触していたと思われる。 The growth rates in the m-axis, c-axis, and a-axis directions were calculated from the growth thickness and growth days, and the results are shown in Table 1. The weight of the undissolved raw material was confirmed to be 40.88 g. The dissolution rate of the raw materials was calculated and listed in Table 1. Further, when the recovered GaN polycrystalline raw material was confirmed, it was confirmed that the GaN polycrystalline material was totally dissolved and formed into small particles. From this, it is considered that the solvent convected in the raw material filling region 9 and NH 3 was in contact with the entire GaN polycrystalline raw material.

<実施例2>
実施例2では、表1に記載される通り、原料として嵩密度がより大きい単結晶を粉砕して得られた三角形状の単結晶GaNを使用した以外は上記の実施例1の手順と同様にして種結晶上に窒化ガリウム結晶を析出させた。
<Example 2>
In Example 2, as described in Table 1, the same procedure as in Example 1 above was used except that a triangular single crystal GaN obtained by pulverizing a single crystal having a larger bulk density was used as a raw material. A gallium nitride crystal was deposited on the seed crystal.

<実施例3>
実施例3では、酸性鉱化剤としてHClの代わりに純度99.999%のNH4Iと純度99.999%のGaF3を使用し、充填NH3量に対するI濃度とF濃度を併せた濃度が2.25mol%となるようそれぞれの鉱化剤を秤量してカプセル内に投入、更に成長温度と成長圧力を表1に記載される通りに変更した。原料の嵩密度やその他の手順は実施例1と同様にして、表1の条件で種結晶上に窒化ガリウム結晶を析出させた。
成長終了後の未溶解原料の重量を確認したところ82.19gであった。これより、GaN多結晶原料の溶解率を算出し、表1に記載した。回収したGaN多結晶原料を確認したところ、全体的に溶解して小粒になっていることを確認した。これは、GaN多結晶原料全体にNH3が接触していたと思われる。
<Example 3>
In Example 3, NH 4 I having a purity of 99.999% and GaF 3 having a purity of 99.999% were used as acidic mineralizers instead of HCl, and the concentrations of I concentration and F concentration with respect to the amount of NH 3 charged were combined. Each mineralizer was weighed and placed in a capsule so that the amount of the solution was 2.25 mol%, and the growth temperature and pressure were changed as shown in Table 1. The bulk density of the raw materials and other procedures were the same as in Example 1, and gallium nitride crystals were deposited on the seed crystals under the conditions shown in Table 1.
When the weight of the undissolved raw material after the completion of growth was confirmed, it was 82.19 g. From this, the dissolution rate of the GaN polycrystalline raw material was calculated and listed in Table 1. When the recovered GaN polycrystal raw material was confirmed, it was confirmed that it was dissolved as a whole into small particles. This is probably because NH 3 was in contact with the entire GaN polycrystalline material.

<実施例4>
実施例4では、表1に記載される通り、原料として嵩密度がより小さい0.8g/cm3の板状のGaN多結晶原料を用いた以外は実施例3の手順と同様にして、表1の条件で種結晶上に窒化ガリウム結晶を析出させた。
比較的粒径および嵩密度が小さいGaN多結晶原料を用いて、原料充填領域9におけるGaN多結晶原料の嵩密度が0.8g/cm3となるように充填したところ、カプセル20の結晶成長領域に近い範囲まで原料が達した。これにより、結晶成長領域に近い箇所のGaN多結晶原料は十分に溶解されず、これを核として種結晶以外の部分に窒化ガリウム結晶が析出した。よって、成長速度はこれらの自発核成長結晶を含めて予測される値を表1に示す。
<Example 4>
In Example 4, as described in Table 1, the same procedure as in Example 3 was used, except that a plate-like GaN polycrystalline raw material having a smaller bulk density of 0.8 g / cm 3 was used as the raw material. A gallium nitride crystal was deposited on the seed crystal under the condition of 1.
When a GaN polycrystalline raw material having a relatively small particle size and bulk density is used to fill the raw material filling region 9 so that the bulk density of the GaN polycrystalline raw material becomes 0.8 g / cm 3 , the crystal growth region of the capsule 20 is obtained. The raw material reached a range close to. As a result, the GaN polycrystal raw material near the crystal growth region was not sufficiently dissolved, and a gallium nitride crystal was deposited in a portion other than the seed crystal using this as a nucleus. Therefore, Table 1 shows the predicted values of the growth rate including these spontaneous nucleation crystals.

この結果から、嵩密度が小さいGaN多結晶原料を用いる場合には、原料充填領域と結晶成長領域との間の距離を十分に確保できる程度の反応容器を用いることが好ましいと考えられる。   From this result, when using a GaN polycrystal raw material with a small bulk density, it is considered preferable to use a reaction vessel that can secure a sufficient distance between the raw material filling region and the crystal growth region.

<実施例5>
実施例5では、表1に記載される通り、原料として嵩密度がより大きい3.2g/cm3の小粒状のGaN多結晶原料を用いた以外は実施例3の手順と同様にして、表1の条件で種結晶上に窒化ガリウム結晶を析出させた。
成長終了後の未溶解原料の重量を測定してGaN多結晶原料の溶解率を算出し、表1に記載した。回収したGaN多結晶原料を確認したところ、全体的に溶解してさらに小粒になっていることを確認した。これは、GaN多結晶原料全体にNH3が接触していたと思われる。ただし、用いた原料が小粒状であり比較的粒径の小さいものであったことにより、溶媒の対流がやや抑えられていたため、溶解率が低くなったと考えられる。
<Example 5>
In Example 5, as described in Table 1, the same procedure as in Example 3 was used, except that a small granular GaN polycrystalline material having a larger bulk density of 3.2 g / cm 3 was used. A gallium nitride crystal was deposited on the seed crystal under the condition of 1.
The dissolution rate of the GaN polycrystalline raw material was calculated by measuring the weight of the undissolved raw material after completion of the growth. When the recovered GaN polycrystal raw material was confirmed, it was confirmed that it was melted as a whole and further reduced in size. This is probably because NH 3 was in contact with the entire GaN polycrystalline material. However, it was considered that the dissolution rate was low because the convection of the solvent was somewhat suppressed because the raw material used was small and had a relatively small particle size.

<実施例6>
実施例6では、表1に記載される通り、反応容器の原料充填領域における嵩密度がさらに大きくなるよう実施例1で用いた珊瑚形状のGaN多結晶と粉状のGaN多結晶を混ぜたものを用いた。ここで用いた粉状の多結晶GaNについて単独で測定した嵩密度は1.8g/cm3であった。
本実施例の原料の混合手順であるが、まず嵩密度の大きい珊瑚状のGaN多結晶を入れた。その後、粉状の多結晶GaNを投入するが、カプセルを揺すって珊瑚状のGaN多結晶の隙間を埋めるようにして原料をチャージした。
<Example 6>
In Example 6, as described in Table 1, a mixture of the bowl-shaped GaN polycrystal and powdered GaN polycrystal used in Example 1 so that the bulk density in the raw material filling region of the reaction vessel is further increased Was used. The bulk density measured for the powdery polycrystalline GaN used here was 1.8 g / cm 3 .
The raw material mixing procedure of this example was as follows. First, a bowl-like GaN polycrystal having a large bulk density was added. Thereafter, powdery polycrystalline GaN was charged, but the raw material was charged so as to fill the gaps between the candy-like GaN polycrystals by shaking the capsule.

内径が2.5cmであるPt−Ir製のカプセルへ、単独での嵩密度が1.8g/cm3である珊瑚形状のGaN多結晶を始めに74.2g投入し、さらに単独での嵩密度が1.8g/cm3である粉状のGaN多結晶55.8gを入れてカプセルを揺すって珊瑚形状のGaN多結晶の隙間に粉状のGaN多結晶を詰め込むと、高さが8.8cmになった。このようにして充填したGaN多結晶の嵩密度は(GaN粒子重量130g)/((カプセル内円面積4.9cm2)×(高さ8.8cm)−(Pt構造物の体積1.39cm3×2/3))=約3.0g/cm3であった。
これは、珊瑚形状のGaN多結晶の嵩密度が1.8g/cm3であることから、理論上の嵩密度の最大値である窒化ガリウムの密度である約6.1g/cm3から、約30%の体積を占有し、残りの70%を粉状のGaN多結晶で隙間を埋めたとして計算した約3.0g/cm3と一致した。
上記のようにGaN多結晶を充填した以外は、実施例3の手順と同様にして、表1の条件で種結晶上に窒化ガリウム結晶を析出させる。原料充填領域における嵩密度が大きくなったことから、種結晶上の成長速度はやや遅くなるが、長期間の結晶成長が可能となる。
First, 74.2 g of a cage-shaped GaN polycrystal having a bulk density of 1.8 g / cm 3 alone is introduced into a Pt-Ir capsule having an inner diameter of 2.5 cm. When 55.8 g of powdery GaN polycrystal having a particle size of 1.8 g / cm 3 is added, the capsule is shaken, and the powdery GaN polycrystal is packed into the gaps between the bowl-shaped GaN polycrystals, the height is 8.8 cm. Became. The bulk density of the filled GaN polycrystal is (GaN particle weight 130 g) / ((capsule circular area 4.9 cm 2 ) × (height 8.8 cm) − (volume of Pt structure 1.39 cm 3). × 2/3)) = about 3.0 g / cm 3 .
This is because the bulk density of the ridge-shaped GaN polycrystal is 1.8 g / cm 3 , and the density of gallium nitride, which is the maximum theoretical bulk density, is about 6.1 g / cm 3 . This corresponds to about 3.0 g / cm 3 calculated by occupying 30% volume and filling the remaining 70% with powdery GaN polycrystals.
A gallium nitride crystal is deposited on the seed crystal under the conditions shown in Table 1 in the same manner as in Example 3 except that the GaN polycrystal is filled as described above. Since the bulk density in the raw material filling region is increased, the growth rate on the seed crystal is somewhat slow, but the crystal can be grown for a long time.

<実施例7>
実施例7では、表1に記載される通り、反応容器の原料充填領域における嵩密度がさらに大きくなるよう、実施例2で用いた単結晶を粉砕して得られた三角形状のGaN単結晶と実施例6で用いた粉状のGaN多結晶を混ぜたものを用いた。ここで用いた三角形状のGaN単結晶について単独で測定した嵩密度は2.5g/cm3であった。
<Example 7>
In Example 7, as described in Table 1, the triangular GaN single crystal obtained by pulverizing the single crystal used in Example 2 so that the bulk density in the raw material filling region of the reaction vessel was further increased, What mixed the powdery GaN polycrystal used in Example 6 was used. The bulk density measured alone for the triangular GaN single crystal used here was 2.5 g / cm 3 .

本実施例の原料の混合手順であるが、まず嵩密度の大きい三角形状のGaN単結晶を入れた。その後、粉状の多結晶GaNを投入するが、カプセルを揺すって三角形状のGaN単結晶の隙間を埋めるようにして原料をチャージした。   The raw material mixing procedure of this example was as follows. First, a triangular GaN single crystal having a large bulk density was added. Thereafter, powdery polycrystalline GaN was added, and the raw material was charged so as to fill the gaps in the triangular GaN single crystal by shaking the capsule.

三角形状のGaN単結晶の単独での嵩密度は2.5g/cm3であり、理論上の嵩密度の最大値である窒化ガリウムの密度である約6.1g/cm3から、三角形状のGaN単結晶は約40%の体積を占有し、残りの60%を粉状のGaN多結晶で隙間を埋めたとして計算した嵩密度3.6g/cm3と一致した。
上記のようにGaN多結晶を充填した以外は、実施例3の手順と同様にして、表1の条件で種結晶上に窒化ガリウム結晶を析出させる。原料充填領域における嵩密度がさらに大きくなったことから、種結晶上の成長速度は顕著に遅くなるが、長期間の結晶成長が可能となる。
The bulk density of the triangular GaN single crystal alone is 2.5 g / cm 3 , and the density of gallium nitride, which is the maximum theoretical bulk density, is about 6.1 g / cm 3. The GaN single crystal occupies about 40% of the volume and the remaining 60% agreed with the bulk density of 3.6 g / cm 3 calculated by filling the gap with powdery GaN polycrystal.
A gallium nitride crystal is deposited on the seed crystal under the conditions shown in Table 1 in the same manner as in Example 3 except that the GaN polycrystal is filled as described above. Since the bulk density in the raw material filling region is further increased, the growth rate on the seed crystal is remarkably slow, but crystal growth for a long period is possible.

<実施例8>
(結晶成長)
白金を内張りした内寸が直径20mm、長さ350mmのInconel625製のオートクレーブ(約110ml)を用いて、内径12mm、長さ120mm、肉厚1〜2mmのpBN製るつぼに、十分に乾燥させた調製例1で得られたGaN多結晶原料を7.23g入れ、該オートクレーブの底部に配置した。原料充填領域の嵩密度は0.8g/cm3であった。次いで、鉱化剤として十分に乾燥した純度99.99%のNH4Cl 2.6gを使用し、充填NH3量に対するCl濃度が1.92mol%となるよう鉱化剤を秤量して反応容器であるオートクレーブ内に投入した。その後、バッフル板および種結晶を2個設置した。設置した種結晶はc面を主面とする重量が218.1mgであるものと、m面が主面の重量が28.1mgであるものであった。種結晶を設置後、素早く、バルブが装着されたオートクレーブの蓋を閉じ、オートクレーブの計量を行った。次いでオートクレーブに付属したバルブを介して導管を真空ポンプに通じるように操作し、バルブを開けて真空脱気した。その後、真空状態を維持しながらオートクレーブをドライアイスメタノール溶媒によって冷却し、一旦バルブを閉じた。次いで、導管をNH3ボンベに通じるように操作した後、再びバルブを開け連続して外気に触れることなくNH3をオートクレーブに充填した後、再びバルブを閉じた。オートクレーブの温度を室温に戻し、外表面を十分に乾燥させ充填したNH3の増加分の計量を行った。
<Example 8>
(Crystal growth)
Preparation using platinum-lined inner diameter of 20 mm, length of 350 mm, Inconel 625 autoclave (about 110 ml), fully dried into pBN crucible with inner diameter of 12 mm, length of 120 mm, wall thickness of 1-2 mm 7.23 g of the GaN polycrystalline material obtained in Example 1 was put and placed at the bottom of the autoclave. The bulk density of the raw material filling region was 0.8 g / cm 3 . Then, by using the well-dried 99.99% of the NH 4 Cl 2.6 g as a mineralizer, the reaction vessel was weighed mineralizer to Cl concentration of 1.92 mol% with respect to the filling amount of NH 3 Was put into an autoclave. Thereafter, two baffle plates and two seed crystals were installed. The installed seed crystal had a weight with 218.1 mg as the principal plane of the c-plane and a weight of 28.1 mg with the m-plane as the principal plane. After installing the seed crystal, the autoclave lid fitted with the valve was quickly closed and the autoclave was weighed. Subsequently, the conduit was operated to be connected to a vacuum pump through a valve attached to the autoclave, and the valve was opened to perform vacuum deaeration. Thereafter, the autoclave was cooled with a dry ice methanol solvent while maintaining the vacuum state, and the valve was once closed. Next, after the conduit was operated to lead to the NH 3 cylinder, the valve was opened again, and NH 3 was filled in the autoclave without continuously touching the outside air, and then the valve was closed again. The temperature of the autoclave was returned to room temperature, and the increased amount of NH 3 filled after the outer surface was sufficiently dried was measured.

続いて、オートクレーブを上下に2分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。オートクレーブの下部外面の温度が475℃に、上部外面の温度が425℃になるように温度差をつけながら5時間かけて昇温し、オートクレーブの下部外面の温度が475℃に、上部外面の温度が425℃に達した後、その温度でさらに96時間保持した。オートクレーブの圧力は約144MPaであった。また保持中の温度幅は±5℃以下であった。
その後、オートクレーブの下部外面の温度が150℃になるまでおよそ8時間を掛け降温した後、ヒーターによる加熱を止め、電気炉内で自然放冷した。オートクレーブの下部外面の温度がほぼ室温まで降下したことを確認した後、まず、オートクレーブに付属したバルブを開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後オートクレーブを計量しNH3の排出を確認した後、一旦バルブを閉じ、真空ポンプに通ずるように操作した。
Subsequently, the autoclave was housed in an electric furnace composed of a heater divided into two parts in the vertical direction. The temperature of the lower outer surface of the autoclave is raised to 475 ° C. and the temperature of the upper outer surface is increased to 425 ° C. over 5 hours with a temperature difference. After reaching 425 ° C., it was held at that temperature for an additional 96 hours. The pressure in the autoclave was about 144 MPa. Further, the temperature range during holding was ± 5 ° C. or less.
Thereafter, the temperature was lowered for about 8 hours until the temperature of the lower outer surface of the autoclave reached 150 ° C., and then the heating by the heater was stopped and the mixture was naturally cooled in an electric furnace. After confirming that the temperature of the lower outer surface of the autoclave had dropped to almost room temperature, first, the valve attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. Thereafter, the autoclave was weighed to confirm the discharge of NH 3 , and then the valve was once closed and operated so as to communicate with the vacuum pump.

次いで、バルブを再び開放し、オートクレーブのNH3をほぼ完全に除去した。その後、オートクレーブの蓋を開け、内部を確認した。
c面が主面の種結晶(c面シード)の重量を測定したところ、325.4mgで、107.3mgの重量増加が確認され、m面が主面の種結晶(m面シード)では、34.7mgと6.6mgの重量増加が確認された。これにより、窒化ガリウム結晶の析出を確認した。また、GaN多結晶原料を入れたるつぼには1.10gのGaNの粉体結晶が溶け残っており、原料の溶解量は6.13gであり、表1に記載したように、原料の85%が溶解していた。
The valve was then opened again and the autoclave NH 3 was almost completely removed. Thereafter, the lid of the autoclave was opened and the inside was confirmed.
When the weight of the c-plane seed crystal (c-plane seed) was measured, a weight increase of 107.3 mg was confirmed at 325.4 mg, and the m-plane seed crystal (m-plane seed) was A weight increase of 34.7 mg and 6.6 mg was confirmed. This confirmed the precipitation of the gallium nitride crystal. In addition, 1.10 g of GaN powder crystals remained undissolved in the crucible containing the GaN polycrystalline raw material, and the amount of the raw material dissolved was 6.13 g. As shown in Table 1, 85% of the raw material was dissolved. Was dissolved.

<実施例9>
本実施例では、図1に示す反応装置を用いて窒化物結晶を成長させた。
RENE41製オートクレーブ1を耐圧性容器として用い、Pt−Ir製カプセル20を反応容器として結晶成長を行なった。原料8として調整例1と同様にして得られた嵩密度が1.8g/cm3であり、酸素濃度が20ppmであるGaN多結晶粒子130gを秤量し、カプセル下部領域(原料充填領域9)内に設置した。次に鉱化剤として十分に乾燥した純度99.999%のNH4Fを充填NH3量に対してF濃度が0.5mol%となるよう秤量しカプセル内に投入した。さらに下部の原料充填領域9と上部の結晶成長領域6の間に白金製のバッフル板5設置した。種結晶7としてm面を主面とする六方晶系GaN単結晶3枚とc面ウェハー1枚を用いた。m面を主面とする種結晶の表面はCMP仕上げされているおり、c面ウェハーの主面はLAP処理がされている。これら種結晶7を直径0.3mmの白金ワイヤー7により白金製種子結晶支持枠に吊るし、カプセル上部の結晶成長領域6に設置した。
<Example 9>
In this example, a nitride crystal was grown using the reactor shown in FIG.
Crystal growth was performed using the RENE41 autoclave 1 as a pressure resistant container and the Pt-Ir capsule 20 as a reaction container. A raw material 8 having a bulk density of 1.8 g / cm 3 obtained in the same manner as in Preparation Example 1 and an oxygen concentration of 20 ppm was weighed and 130 g of polycrystalline GaN particles were weighed and placed in the capsule lower region (raw material filling region 9). Installed. Next, NH 4 F having a purity of 99.999% sufficiently dried as a mineralizer was weighed so that the F concentration was 0.5 mol% with respect to the amount of NH 3 charged, and charged into the capsule. Further, a platinum baffle plate 5 was installed between the lower raw material filling region 9 and the upper crystal growth region 6. As the seed crystal 7, three hexagonal GaN single crystals having an m-plane as a main surface and one c-plane wafer were used. The surface of the seed crystal having the m-plane as the main surface is subjected to CMP finish, and the main surface of the c-plane wafer is subjected to LAP treatment. These seed crystals 7 were suspended from a platinum seed crystal support frame by a platinum wire 7 having a diameter of 0.3 mm, and placed in the crystal growth region 6 above the capsule.

次にカプセル20の上部に、Pt−Ir製のキャップを接続した。次いで、チューブをHIガスラインに接続し、真空ポンプ11に通ずるようバルブを操作し真空脱気した。その後バルブを窒素ボンベ13に通ずるように操作しカプセル内を窒素ガスにてパージを行った。真空脱気、窒素パージを行った後、真空ポンプに繋いだ状態で一晩放置した。
次に、カプセル下部を液体窒素で冷却し、バルブを開け外気に触れることなくHI充填した。流量制御に基づき、鉱化剤としてHIを充填NH3量に対してI濃度が1.5mol%となるよう充填した後、再びバルブを閉じた。次いで、カプセルをHIラインから外しNH3ガスラインに接続した。ガスラインを真空脱気、窒素パージを行った後、真空ポンプにて真空引きを行った。その後、NH3ラインのバルブを操作し、流量制御に基づき、NH3を先に充填したHIガスと等mol量充填し、バルブを閉じた。次いで、カプセルを液体窒素から取り出し、ドライアイスエタノール溶媒により冷却した。続いて再びバルブを開け外気に触れることなくNH3を充填したした後、再びバルブを閉じた。その後、キャップ上部のチューブを溶接機により封じ切った。
Next, a cap made of Pt—Ir was connected to the top of the capsule 20. Next, the tube was connected to the HI gas line, and the valve was operated so as to communicate with the vacuum pump 11 to perform vacuum deaeration. Thereafter, the valve was operated so as to pass through the nitrogen cylinder 13 and the inside of the capsule was purged with nitrogen gas. After performing vacuum degassing and nitrogen purging, it was left overnight while connected to a vacuum pump.
Next, the lower part of the capsule was cooled with liquid nitrogen, and the valve was opened and filled with HI without touching the outside air. Based on the flow rate control, HI was charged as a mineralizer so that the concentration of I was 1.5 mol% with respect to the amount of NH 3 charged, and then the valve was closed again. The capsule was then removed from the HI line and connected to the NH 3 gas line. The gas line was evacuated and purged with nitrogen, and then evacuated with a vacuum pump. Thereafter, the valve of the NH 3 line was operated, and based on the flow rate control, an equimolar amount of HI gas previously filled with NH 3 was filled, and the valve was closed. The capsules were then removed from the liquid nitrogen and cooled with dry ice ethanol solvent. Subsequently, the valve was opened again and charged with NH 3 without touching the outside air, and then the valve was closed again. Thereafter, the tube at the top of the cap was sealed with a welder.

続いて、カプセルをオートクレーブに挿入し、オートクレーブを密封した。オートクレーブに付属したバルブ10を介して導管を真空ポンプ11に通じるように操作し、バルブを開けて真空脱気した。カプセルと同様に窒素ガスパージを複数回行なった。その後、真空状態を維持しながらオートクレーブ1をドライアイスメタノール溶媒によって冷却し、一旦バルブ10を閉じた。次いで導管をNH3ボンベ12に通じるように操作した後、再びバルブ10を開け連続して外気に触れることなくNH3をオートクレーブ1に充填したした後、再びバルブ10を閉じた。
続いてオートクレーブ1を上下に2分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。オートクレーブ内部の平均温度が600℃、内部の温度差が20℃になるようにオートクレーブ外面温度で制御しながら昇温した。設定温度に達した後、その温度にて16.8日間保持した。オートクレーブ内の圧力は215MPaであった。また保持中のオートクレーブ外面制御温度のバラツキは±0.3℃以下であった。
Subsequently, the capsule was inserted into the autoclave and the autoclave was sealed. The conduit was connected to the vacuum pump 11 through the valve 10 attached to the autoclave, and the valve was opened to perform vacuum deaeration. Nitrogen gas purging was performed several times as in the capsule. Thereafter, the autoclave 1 was cooled with a dry ice methanol solvent while maintaining the vacuum state, and the valve 10 was once closed. Next, after the conduit was operated to lead to the NH 3 cylinder 12, the valve 10 was opened again, NH 3 was filled in the autoclave 1 without continuously touching the outside air, and then the valve 10 was closed again.
Subsequently, the autoclave 1 was housed in an electric furnace composed of a heater divided into two parts in the vertical direction. The temperature was raised while controlling the autoclave outer surface temperature so that the average temperature inside the autoclave was 600 ° C. and the temperature difference inside was 20 ° C. After reaching the set temperature, it was held at that temperature for 16.8 days. The pressure in the autoclave was 215 MPa. Further, the variation in the control temperature of the outer surface of the autoclave during the holding was ± 0.3 ° C. or less.

その後、オートクレーブ1の外面の温度が400℃になるまで冷却し、オートクレーブに付属したバルブ10を開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。この時、オートクレーブとカプセルとの圧力差を利用しカプセルを割り、カプセル内に充填したNH3も取り除いた。
オートクレーブ1を計量しNH3の排出を確認した後、オートクレーブの蓋を開け、カプセル20を取り出した。カプセル内部を確認すると、m面、c面いずれの種結晶上にも窒化ガリウム結晶が成長していた。肉眼観察では、黄色〜茶色の透明な結晶であり、特にm面窒化ガリウム結晶にはクラックやボイドなど可視的な欠陥は見られなかった。種結晶上に成長した窒化ガリウム結晶をX線回折測定した結果、結晶系は六方晶系であり、立方晶GaNは含まれていないことが確認された。成長速度((結晶厚み−種結晶厚み)/成長日数)はm軸方向に220μm/日であった。表1に示す通り、溶解率は51%であり、回収したGaN多結晶原料を確認したところ、全体的に溶解して小粒になっていることを確認した。これは、GaN多結晶原料全体にNH3が接触していたと思われる。
Thereafter, the temperature of the outer surface of the autoclave 1 was cooled to 400 ° C., a valve 10 which is supplied with the autoclave was opened to remove NH 3 in the autoclave. At this time, the capsule was divided using the pressure difference between the autoclave and the capsule, and NH 3 filled in the capsule was also removed.
After the autoclave 1 was weighed to confirm that NH 3 was discharged, the lid of the autoclave was opened and the capsule 20 was taken out. When the inside of the capsule was confirmed, gallium nitride crystals were grown on both the m-plane and c-plane seed crystals. When observed with the naked eye, it was a yellow to brown transparent crystal, and in particular, no visible defects such as cracks and voids were found in the m-plane gallium nitride crystal. As a result of X-ray diffraction measurement of the gallium nitride crystal grown on the seed crystal, it was confirmed that the crystal system was hexagonal and contained no cubic GaN. The growth rate ((crystal thickness−seed crystal thickness) / growth days) was 220 μm / day in the m-axis direction. As shown in Table 1, the dissolution rate was 51%, and when the recovered GaN polycrystalline raw material was confirmed, it was confirmed that the whole was dissolved into small particles. This is probably because NH 3 was in contact with the entire GaN polycrystalline material.

成長した結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は2.20×1018atoms/cm3であり、Si濃度は1.14×1015atoms/cm3、F濃度は1.15×1017atoms/cm3、I濃度は2.60×1017atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が1.90×1018atoms/cm3、移動度が288cm2/V・s、比抵抗が1.08×10-2Ωcmであることを確認した。
When the grown crystal is analyzed by SIMS, the oxygen concentration is 2.20 × 10 18 atoms / cm 3 , the Si concentration is 1.14 × 10 15 atoms / cm 3 , and the F concentration is 1.15 × 10 17 atoms / cm 3 . The cm 3 and I concentration was 2.60 × 10 17 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. As a result of the hole measurement of the annealed GaN crystal, the carrier concentration is 1.90 × 10 18 atoms / cm 3 , the mobility is 288 cm 2 / V · s, and the specific resistance is 1.08 × 10 −2 Ωcm. It was confirmed.

<実施例10>
原料8として調整例1に準じる方法で得られた嵩密度が2.2g/cm3であり、酸素濃度が13ppmであるGaN多結晶粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例9と同様におこなった。表1に示す通り、溶解率は70%であり、回収したGaN多結晶原料を確認したところ、全体的に溶解して小粒になっていることを確認した。これは、GaN多結晶原料全体にNH3が接触していたと思われる。
成長した窒化ガリウム結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は1.50×1018atoms/cm3であり、Si濃度は2.06×1014atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が6.7×1017atoms/cm3、移動度が335cm2/V・s、比抵抗が2.40×10-2Ωcm、F濃度は4.30×1017atoms/cm3、I濃度は2.86×1017atoms/cm3であることを確認した。
<Example 10>
The conditions shown in Table 1 are as shown in Table 1 except that GaN polycrystalline particles having a bulk density of 2.2 g / cm 3 and an oxygen concentration of 13 ppm obtained by the method according to Preparation Example 1 were used as the raw material 8. The same as for 9. As shown in Table 1, the dissolution rate was 70%, and when the recovered GaN polycrystalline raw material was confirmed, it was confirmed that it was dissolved as a whole into small particles. This is probably because NH 3 was in contact with the entire GaN polycrystalline material.
When the grown gallium nitride crystal was analyzed by SIMS, the oxygen concentration was 1.50 × 10 18 atoms / cm 3 and the Si concentration was 2.06 × 10 14 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. As a result of hole measurement of the GaN crystal after annealing, the carrier concentration is 6.7 × 10 17 atoms / cm 3 , the mobility is 335 cm 2 / V · s, the specific resistance is 2.40 × 10 −2 Ωcm, and the F concentration. it was confirmed that the 4.30 × 1017atoms / cm 3, I concentration is 2.86 × 10 17 atoms / cm 3 .

<実施例11>
原料8として調整例1に準じる方法で得られた嵩密度が1.8g/cm3であり、酸素濃度が20ppmであるGaN多結晶粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例9と同様におこなった。表1に示す通り、溶解率は68%であり、回収したGaN多結晶原料を確認したところ、全体的に溶解して小粒になっていることを確認した。これは、GaN多結晶原料全体にNH3が接触していたと思われる。
成長した窒化ガリウム結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は4.80×1018atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が2.44×1018atoms/cm3、移動度が343cm2/V・s、比抵抗が2.33×10-2Ωcmであることを確認した。
<Example 11>
The conditions shown in Table 1 are as shown in Table 1, except that GaN polycrystalline particles having a bulk density of 1.8 g / cm 3 and an oxygen concentration of 20 ppm obtained by the method according to Preparation Example 1 are used as raw material 8. The same as for 9. As shown in Table 1, the dissolution rate was 68%, and when the recovered GaN polycrystalline raw material was confirmed, it was confirmed that the whole was dissolved into small particles. This is probably because NH 3 was in contact with the entire GaN polycrystalline material.
When the grown gallium nitride crystal was analyzed by SIMS, the oxygen concentration was 4.80 × 10 18 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. As a result of the hole measurement of the annealed GaN crystal, the carrier concentration is 2.44 × 10 18 atoms / cm 3 , the mobility is 343 cm 2 / V · s, and the specific resistance is 2.33 × 10 −2 Ωcm. It was confirmed.

<実施例12>
原料8として調整例1に準じる方法で得られた嵩密度が1.8g/cm3であり、酸素濃度が20ppmである多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例9と同様におこなった。表1に示す通り、溶解率は64%であり、回収したGaN多結晶原料を確認したところ、全体的に溶解して小粒になっていることを確認した。これは、GaN多結晶原料全体にNH3が接触していたと思われる。
成長した窒化ガリウム結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は6.90×1018atoms/cm3であり、Si濃度は1.5×1016atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が1.69×1018atoms/cm3、移動度が330cm2/V・s、比抵抗が2.11×10-2Ωcm、F濃度が2.7×1017atms/cm3、I濃度が2.5×1015atms/cm3以下、Cl濃度1.5×1015atms/cm3以下であることを確認した。
<Example 12>
The conditions shown in Table 1 are as in Example 1 except that polycrystalline GaN particles having a bulk density of 1.8 g / cm 3 and an oxygen concentration of 20 ppm obtained by the method according to Preparation Example 1 are used as the raw material 8. The same as for 9. As shown in Table 1, the dissolution rate was 64%, and when the recovered GaN polycrystalline raw material was confirmed, it was confirmed that the whole was dissolved into small particles. This is probably because NH 3 was in contact with the entire GaN polycrystalline material.
When the grown gallium nitride crystal was analyzed by SIMS, the oxygen concentration was 6.90 × 10 18 atoms / cm 3 and the Si concentration was 1.5 × 10 16 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. As a result of hole measurement of the annealed GaN crystal, the carrier concentration is 1.69 × 10 18 atoms / cm 3 , the mobility is 330 cm 2 / V · s, the specific resistance is 2.11 × 10 −2 Ωcm, and the F concentration. Was 2.7 × 10 17 atms / cm 3 , the I concentration was 2.5 × 10 15 atms / cm 3 or less, and the Cl concentration was 1.5 × 10 15 atms / cm 3 or less.

<実施例13>
原料8として調整例1に準じる方法で得られた嵩密度が2.6g/cm3であり、酸素濃度が61ppmである多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例9と同様におこなった。表1に示す通り、溶解率は46%であり、回収したGaN多結晶原料を確認したところ、全体的に溶解して小粒になっていることを確認した。これは、GaN多結晶原料全体にNH3が接触していたと思われる。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が1.70×1018atoms/cm3であることを確認した。
<Example 13>
The conditions shown in Table 1 are as shown in Table 1, except that polycrystalline GaN particles having a bulk density of 2.6 g / cm 3 and an oxygen concentration of 61 ppm obtained by the method according to Preparation Example 1 were used as raw material 8. The same as for 9. As shown in Table 1, the dissolution rate was 46%, and when the recovered GaN polycrystalline raw material was confirmed, it was confirmed that it was dissolved as a whole into small particles. This is probably because NH 3 was in contact with the entire GaN polycrystalline material.
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. From the result of hole measurement of the GaN crystal after annealing, it was confirmed that the carrier concentration was 1.70 × 10 18 atoms / cm 3 .

<実施例14>
原料8として調整例1に準じる方法で得られた嵩密度が1.9g/cm3であり、酸素濃度が78ppmである多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例9と同様におこなった。表1に示す通り、溶解率は84%であり、回収したGaN多結晶原料を確認したところ、全体的に溶解して小粒になっていることを確認した。これは、GaN多結晶原料全体にNH3が接触していたと思われる。
成長した窒化ガリウム結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は9.9×1018atoms/cm3であり、Si濃度は7.4×1014atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が3.09×1018atoms/cm3、移動度が226cm2/V・s、比抵抗が0.90×10-2Ωcm、F濃度が2.94×1017atms/cm3、I濃度が2.35×1015atms/cm3以下であることを確認した。
<Example 14>
The conditions shown in Table 1 are as shown in Table 1, except that polycrystalline GaN particles having a bulk density of 1.9 g / cm 3 and an oxygen concentration of 78 ppm obtained by the method according to Preparation Example 1 were used as raw material 8. The same as for 9. As shown in Table 1, the dissolution rate was 84%, and when the recovered GaN polycrystalline raw material was confirmed, it was confirmed that the whole was dissolved into small particles. This is probably because NH 3 was in contact with the entire GaN polycrystalline material.
When the grown gallium nitride crystal was analyzed by SIMS, the oxygen concentration was 9.9 × 10 18 atoms / cm 3 and the Si concentration was 7.4 × 10 14 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. As a result of hole measurement of the GaN crystal after annealing, the carrier concentration is 3.09 × 10 18 atoms / cm 3 , the mobility is 226 cm 2 / V · s, the specific resistance is 0.90 × 10 −2 Ωcm, and the F concentration. Was 2.94 × 10 17 atms / cm 3 and the I concentration was 2.35 × 10 15 atms / cm 3 or less.

<実施例15>
原料8として調整例1に準じる方法で得られた嵩密度が1.8g/cm3である多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例9と同様におこなった。表1に示す通り、溶解率は61%であり、回収したGaN多結晶原料を確認したところ、全体的に溶解して小粒になっていることを確認した。これは、GaN多結晶原料全体にNH3が接触していたと思われる。
成長した窒化ガリウム結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は9.00×1018atoms/cm3であり、Si濃度は3.00×1014atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が3.90×1018atoms/cm3、移動度が181cm2/V・s、比抵抗が8.86×10-3Ωcmであることを確認した。
<Example 15>
The same procedure as in Example 9 was performed as the conditions shown in Table 1, except that polycrystalline GaN particles having a bulk density of 1.8 g / cm 3 obtained by the method according to Preparation Example 1 were used as raw material 8. As shown in Table 1, the dissolution rate was 61%, and when the recovered GaN polycrystalline raw material was confirmed, it was confirmed that it was dissolved as a whole into small particles. This is probably because NH 3 was in contact with the entire GaN polycrystalline material.
When the grown gallium nitride crystal was analyzed by SIMS, the oxygen concentration was 9.00 × 10 18 atoms / cm 3 and the Si concentration was 3.00 × 10 14 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. From the results of hole measurement of the annealed GaN crystal, the carrier concentration is 3.90 × 10 18 atoms / cm 3 , the mobility is 181 cm 2 / V · s, and the specific resistance is 8.86 × 10 −3 Ωcm. It was confirmed.

<実施例16>
原料8として調整例1に準じる方法で得られた嵩密度が1.8g/cm3である多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例9と同様におこなった。
成長した窒化ガリウム結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は2.00×1019atoms/cm3であり、Si濃度は5.00×1014atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が9.54×1018atoms/cm3、移動度が158cm2/V・s、比抵抗が4.09×10-3Ωcmであることを確認した。
<Example 16>
The same procedure as in Example 9 was performed as the conditions shown in Table 1, except that polycrystalline GaN particles having a bulk density of 1.8 g / cm 3 obtained by the method according to Preparation Example 1 were used as raw material 8.
When the grown gallium nitride crystal was analyzed by SIMS, the oxygen concentration was 2.00 × 10 19 atoms / cm 3 and the Si concentration was 5.00 × 10 14 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. From the result of hole measurement of the annealed GaN crystal, the carrier concentration is 9.54 × 10 18 atoms / cm 3 , the mobility is 158 cm 2 / V · s, and the specific resistance is 4.09 × 10 −3 Ωcm. It was confirmed.

<実施例17>
原料8として調整例1に準じる方法で得られた嵩密度が1.8g/cm3であり、酸素濃度が148ppmである多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例9と同様におこなって、窒化ガリウム結晶を得た。得られた窒化ガリウム結晶は、全体に黒く着色していた。
<Example 17>
The conditions shown in Table 1 are as in Example 1 except that polycrystalline GaN particles having a bulk density of 1.8 g / cm 3 and an oxygen concentration of 148 ppm obtained by the method according to Preparation Example 1 are used as the raw material 8. 9 was performed to obtain a gallium nitride crystal. The obtained gallium nitride crystal was colored black as a whole.

<比較例1>
比較例1では、表1に記載される通り、原料として嵩密度が最も小さいヒューム状のGaN多結晶(20〜30μmの粉状のGaNが隙間を有する状態で凝集して、0.1〜20mmのサイズを有する)使用した以外は実施例3と同じ手順と同様にして種結晶上に窒化ガリウムを析出させる。原料充填領域におけるGaN多結晶の嵩密度は0.6g/cm3である。
<Comparative Example 1>
In Comparative Example 1, as described in Table 1, a fume-like GaN polycrystal having the smallest bulk density as a raw material (20-30 μm powdery GaN aggregates with a gap between 0.1-20 mm. Gallium nitride is deposited on the seed crystal in the same manner as in Example 3 except that it is used. The bulk density of the GaN polycrystal in the raw material filling region is 0.6 g / cm 3 .

<比較例2>
比較例2では、表1に記載される通り、原料として嵩密度が最も大きいウエハ状の単結晶GaN積み重ねて原料として使用した以外は実施例3と同じ手順と同様にして種結晶上に窒化ガリウムを析出させる。
原料充填領域におけるGaN結晶の嵩密度は、直径が0.4cm、厚み0.5cmの円板状のGaN単結晶を重ねた際の隙間が0.1cmとして、内径24cmのカプセルに、原料の100kgを投入した際の試算は、4.9g/cm3である。
<Comparative example 2>
In Comparative Example 2, as shown in Table 1, gallium nitride was formed on the seed crystal in the same manner as in Example 3 except that the wafer-like single crystal GaN having the largest bulk density was stacked as the raw material and used as the raw material. To precipitate.
The bulk density of the GaN crystal in the raw material filling region is such that the gap when the disk-shaped GaN single crystals having a diameter of 0.4 cm and a thickness of 0.5 cm are stacked is 0.1 cm, and the raw material is 100 kg in a capsule having an inner diameter of 24 cm. The trial calculation when adding is 4.9 g / cm 3 .

塩素系の鉱化剤を使用した実施例1と実施例2を比較すると、GaN原料の種類(多結晶or単結晶)にかかわらず、成長速度は各成長方向ともに同等の結果となった。   Comparing Example 1 and Example 2 using a chlorine-based mineralizer, the growth rate was the same in each growth direction regardless of the type of GaN raw material (polycrystal or single crystal).

フッ素、ヨウ素系の鉱化剤を使用した実施例3と実施例5を比較すると、嵩密度がより大きいGaN多結晶粒子原料を用いて成長した実施例5の成長速度は、m軸方向で約1/3、c軸方向で約1/4、a軸方向で約1/2.5とやや遅くなる。これは、原料の嵩密度が大きくなったことで、アンモニア溶媒の対流が阻害されてしまうことや、アンモニア溶媒への原料の溶解量が減ってしまうことが原因と考えられる。更に、実施例7のように原料の嵩密度が大きくなると成長速度が低下すると考えられるが、成長速度の値としては十分、生産性があると言える値である。更に、比較例2のように原料の嵩密度が4.9g/cm3まで大きくなると、ほとんどGaN結晶が成長しなくなる。また、比較例1のように原料の嵩密度が0.6g/cm3まで小さくなると短期間で原料が枯渇してしまいGaN結晶の生産が難しくなる。 Comparing Example 3 and Example 5 using a fluorine- and iodine-based mineralizer, the growth rate of Example 5 grown using a raw material of GaN polycrystalline particles having a higher bulk density is approximately in the m-axis direction. 1/3, about 1/4 in the c-axis direction, and about 1 / 2.5 in the a-axis direction. This is thought to be due to the fact that the bulk density of the raw material is increased, thereby inhibiting convection of the ammonia solvent and reducing the amount of the raw material dissolved in the ammonia solvent. Furthermore, although it is considered that the growth rate decreases as the bulk density of the raw material increases as in Example 7, the growth rate is a value that can be said to be sufficiently productive. Further, when the bulk density of the raw material is increased to 4.9 g / cm 3 as in Comparative Example 2, the GaN crystal hardly grows. Further, when the bulk density of the raw material is reduced to 0.6 g / cm 3 as in Comparative Example 1, the raw material is depleted in a short period of time, making it difficult to produce GaN crystals.

実施例9〜12は、嵩密度が1.8〜2.2g/cm2、酸素濃度が13〜20ppmのGaN結晶原料を用いて結晶を成長させたものである。実施例9〜12では、キャリア濃度が6.70×1017〜2.44×1018atoms/cm3の間の成長結晶が得られている。実施例9〜12では活性化率が22〜86%の範囲内であった。
実施例17は、嵩密度が1.8g/cm2、酸素濃度が148ppmのGaN結晶原料を用いて結晶を成長させたものである。図3に示す、実施例9〜12の窒化物結晶原料中の酸素濃度と成長結晶のキャリア濃度の関係から推測すると、実施例17ではキャリア濃度が2.50×1019atoms/cm3程度の窒化ガリウム結晶が得られたものと考えられる。
実施例4は嵩密度が0.8g/cm2、酸素濃度が130ppmのGaN結晶原料を用いて結晶を成長させたものである。図3に示す、実施例7〜10の窒化物結晶原料中の酸素濃度と成長結晶のキャリア濃度の関係から推測すると、実施例4では、キャリア濃度が1.50×1019atoms/cm3程度の窒化ガリウム結晶が得られたものと考えられる。
In Examples 9 to 12, crystals are grown using a GaN crystal raw material having a bulk density of 1.8 to 2.2 g / cm 2 and an oxygen concentration of 13 to 20 ppm. In Examples 9 to 12, grown crystals having a carrier concentration of 6.70 × 10 17 to 2.44 × 10 18 atoms / cm 3 are obtained. In Examples 9-12, the activation rate was in the range of 22-86%.
In Example 17, crystals were grown using a GaN crystal raw material having a bulk density of 1.8 g / cm 2 and an oxygen concentration of 148 ppm. As estimated from the relationship between the oxygen concentration in the nitride crystal raw materials of Examples 9 to 12 and the carrier concentration of the grown crystal shown in FIG. 3, in Example 17, the carrier concentration is about 2.50 × 10 19 atoms / cm 3 . It is considered that a gallium nitride crystal was obtained.
In Example 4, crystals were grown using a GaN crystal raw material having a bulk density of 0.8 g / cm 2 and an oxygen concentration of 130 ppm. As estimated from the relationship between the oxygen concentration in the nitride crystal raw materials of Examples 7 to 10 and the carrier concentration of the grown crystal shown in FIG. 3, in Example 4, the carrier concentration is about 1.50 × 10 19 atoms / cm 3. It is considered that a gallium nitride crystal was obtained.

表1の結果をまとめたものを図3および図4に示す。
図3は、窒化物結晶原料中の酸素濃度と成長した窒化ガリウム結晶のキャリア濃度の関係を示すグラフである。ひし形で表される点が実施例9〜12、および14の結果であり、四角形で表される点は、実施例17および実施例4の結果を示す。図3の近似線で表される通り、原料中の酸素濃度と成長結晶のキャリア濃度に相関関係があることがわかった。
図4は、成長した窒化ガリウム結晶中の酸素濃度とキャリア濃度の関係を示すグラフである。図4の各点は実施例9〜12、14〜16の結果を示す。図4より、活性化率の平均は45%であることがわかった。
A summary of the results in Table 1 is shown in FIGS.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration in the nitride crystal raw material and the carrier concentration of the grown gallium nitride crystal. The points represented by diamonds are the results of Examples 9 to 12 and 14, and the points represented by squares are the results of Examples 17 and 4. As shown by the approximate line in FIG. 3, it was found that there is a correlation between the oxygen concentration in the raw material and the carrier concentration of the grown crystal.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration and the carrier concentration in the grown gallium nitride crystal. Each point of Drawing 4 shows the result of Examples 9-12 and 14-16. From FIG. 4, it was found that the average activation rate was 45%.

尚、アモノサーマル法により得られたGaN結晶中のドーパント活性化率を算出するために、実施例11に準ずる方法で得られたGaN結晶のキャリア濃度および酸素濃度を測定した。実施例15では、得られた結晶中のキャリア濃度は、3.90×1018atoms/cm3であり、得られた結晶中の酸素濃度は、9.00×1018atoms/cm3であった。また、実施例16では、得られた結晶中のキャリア濃度は、9.54×1018atoms/cm3であり、得られた結晶中の酸素濃度は、2.00×1019atoms/cm3であった。 In addition, in order to calculate the dopant activation rate in the GaN crystal obtained by the ammonothermal method, the carrier concentration and oxygen concentration of the GaN crystal obtained by the method according to Example 11 were measured. In Example 15, the carrier concentration in the obtained crystal was 3.90 × 10 18 atoms / cm 3 , and the oxygen concentration in the obtained crystal was 9.00 × 10 18 atoms / cm 3. It was. In Example 16, the carrier concentration in the obtained crystal was 9.54 × 10 18 atoms / cm 3 , and the oxygen concentration in the obtained crystal was 2.00 × 10 19 atoms / cm 3. Met.

第1の発明によれば、アモノサーマル法で結晶成長する際に充填する結晶原料の嵩密度を特定の範囲内に制御することにより、効率良く高品質な窒化物結晶を製造することができる。このため、本発明によれば成長時間を短縮し、結晶原料を高効率に窒化物結晶とすることにより製造コストを大幅に抑えることができる。また、本発明の方法により製造した窒化物単結晶は、高品質の結晶としてデバイスに効果的に用いることができる。このため、第1の発明の製造方法はアモノサーマル法を用いた窒化物結晶の製造に利用することができ、産業上の利用可能性が高い。   According to the first invention, a high quality nitride crystal can be produced efficiently by controlling the bulk density of the crystal raw material to be filled in the crystal growth by the ammonothermal method within a specific range. . Therefore, according to the present invention, the manufacturing time can be greatly reduced by shortening the growth time and making the crystal raw material a nitride crystal with high efficiency. Moreover, the nitride single crystal manufactured by the method of the present invention can be effectively used for a device as a high-quality crystal. For this reason, the manufacturing method of the first invention can be used for manufacturing nitride crystals using the ammonothermal method, and has high industrial applicability.

第2の発明によれば、一定範囲内の酸素濃度を有する窒化物結晶原料を使用して窒化物結晶を製造することにより、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得ることができる。また、第2の発明の酸素ドーピング条件を用いれば、精密な酸素ドーピングを行うことができる。このため、第2の発明の製造方法はアモノサーマル法を用いた窒化物結晶の製造に利用することができ、産業上の利用可能性が高い。   According to the second invention, a nitride crystal having a desired carrier concentration can be obtained by producing a nitride crystal using a nitride crystal raw material having an oxygen concentration within a certain range. Further, precise oxygen doping can be performed by using the oxygen doping conditions of the second invention. For this reason, the manufacturing method of the second invention can be used for manufacturing a nitride crystal using an ammonothermal method, and has high industrial applicability.

1 オートクレーブ
2 オートクレーブ内面
3 ライニング
4 ライニング内面
5 バッフル板
6 結晶成長領域
7 種結晶
8 原料
9 原料充填領域
10 バルブ
11 真空ポンプ
12 アンモニアボンベ
13 窒素ボンベ
14 マスフローメーター
20 カプセル
21 カプセル内面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Autoclave 2 Autoclave inner surface 3 Lining 4 Lining inner surface 5 Baffle plate 6 Crystal growth area 7 Seed crystal 8 Raw material 9 Raw material filling area 10 Valve 11 Vacuum pump 12 Ammonia cylinder 13 Nitrogen cylinder 14 Mass flow meter 20 Capsule 21 Inner surface of capsule

Claims (12)

窒化物結晶原料を反応容器の原料充填領域に充填し、反応容器中で超臨界および/または亜臨界状態の溶媒存在下にて結晶成長を行う窒化物結晶の製造方法であって、前記窒化物結晶原料を原料充填領域に0.7〜4.5g/cm3の嵩密度で充填して結晶成長を行うことを特徴とする、窒化物結晶の製造方法。 A method for producing a nitride crystal, comprising filling a nitride crystal raw material in a raw material filling region of a reaction vessel and performing crystal growth in the presence of a solvent in a supercritical and / or subcritical state in the reaction vessel. A method for producing a nitride crystal, wherein crystal growth is performed by filling a crystal raw material in a raw material filling region with a bulk density of 0.7 to 4.5 g / cm 3 . 前記嵩密度が0.8〜3.6g/cm3である、請求項1に記載の窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a nitride crystal according to claim 1, wherein the bulk density is 0.8 to 3.6 g / cm 3 . 前記窒化物結晶原料の最大径が0.5μm〜120mmである、請求項1または2に記載の窒化物結晶の製造方法。   The manufacturing method of the nitride crystal | crystallization of Claim 1 or 2 whose maximum diameter of the said nitride crystal raw material is 0.5 micrometer-120 mm. 前記窒化物結晶原料の粒子は、最大径が100〜1000μmの2次粒子が凝集してなる、最大径が1〜120mmの3次粒子である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。   4. The nitride crystal raw material particles according to claim 1, wherein secondary particles having a maximum diameter of 100 to 1000 μm are agglomerated secondary particles having a maximum diameter of 1 to 120 mm. A method for producing a nitride crystal. 前記窒化物結晶原料中の酸素濃度が10〜500ppmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。   The manufacturing method of the nitride crystal | crystallization of any one of Claims 1-4 whose oxygen concentration in the said nitride crystal raw material is 10-500 ppm. 0.7〜4.5g/cm3の嵩密度を有し、結晶中の酸素濃度が10〜500ppmである窒化物結晶原料を、反応容器の原料充填領域に充填し、反応容器中で超臨界および/または亜臨界状態の溶媒存在下にて窒化物結晶成長を行うことを特徴とする、窒化物結晶の製造方法。 A nitride crystal raw material having a bulk density of 0.7 to 4.5 g / cm 3 and an oxygen concentration in the crystal of 10 to 500 ppm is filled in the raw material filling region of the reaction vessel, and is supercritical in the reaction vessel. And / or nitride crystal growth in the presence of a subcritical solvent. 前記窒化物結晶原料の粒子は、最大径が100〜1000μmの2次粒子が凝集してなる、最大径が1〜120mmの3次粒子である、請求項6に記載の窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a nitride crystal according to claim 6, wherein the particles of the nitride crystal raw material are tertiary particles having a maximum diameter of 1 to 120 mm formed by agglomerating secondary particles having a maximum diameter of 100 to 1000 µm. . 前記原料充填領域に網状構造体を設置する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a nitride crystal according to claim 1, wherein a network structure is installed in the raw material filling region. 前記窒化物結晶原料を網状構造体の中に充填したうえで前記原料充填領域に設置する、請求項8に記載の窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a nitride crystal according to claim 8, wherein the nitride crystal raw material is filled in a network structure and then installed in the raw material filling region. 前記窒化物結晶原料の溶解率が40%以上である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a nitride crystal according to any one of claims 1 to 9, wherein a dissolution rate of the nitride crystal raw material is 40% or more. 前記窒化物結晶のc軸方向の成長速度が、100μm/day以上である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a nitride crystal according to any one of claims 1 to 10, wherein a growth rate in a c-axis direction of the nitride crystal is 100 µm / day or more. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法により製造されることを特徴とする、窒化物結晶。   A nitride crystal produced by the method for producing a nitride crystal according to any one of claims 1 to 11.
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