JP6024335B2 - Periodic table group 13 metal nitride semiconductor substrate manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、周期表第13属金属窒化物半導体結晶の製造方法に関する。具体的には、M面を主面とする下地基板上に、少なくともM面および半極性面を成長面として、アモノサーマル法によって周期表第13族金属窒化物結晶層を成長させる工程を含み、さらに前記下地基板の主面よりも大面積のM面を主面とする板状結晶を得る工程を含む周期表第13属金属窒化物半導体結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a Group 13 metal nitride semiconductor crystal of the periodic table. Specifically, the method includes a step of growing a periodic table group 13 metal nitride crystal layer by an ammonothermal method on at least an M plane and a semipolar plane as a growth plane on a base substrate having an M plane as a principal plane. Furthermore, the present invention relates to a method for producing a periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal including a step of obtaining a plate-like crystal having a M-plane having a larger area than the main surface of the base substrate.

従来から、窒化ガリウム(GaN)系化合物などの周期表第13属金属窒化物は、周期表第13族金属窒化物半導体基板の半導体材料として用いられており、周期表第13属金属窒化物半導体基板は発光デバイスなどの様々なデバイスに使用されている。近年は、周期表第13属金属窒化物半導体基板は、発光デバイス用途に加え、電力用半導体素子(パワーデバイス)にも用いられるようになっている。このため、高圧力、大電流に耐え得る周期表第13属金属窒化物半導体基板の開発が進められている。
窒化ガリウムや窒化アルミニウム等窒化物の単結晶は、アモノサーマル法などを利用し、結晶を成長させることで得ることができる。アモノサーマル法は、超臨界状態及び/又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方法である。
Conventionally, periodic table group 13 metal nitrides such as gallium nitride (GaN) -based compounds have been used as semiconductor materials for periodic table group 13 metal nitride semiconductor substrates, and periodic table group 13 metal nitride semiconductors. Substrates are used in various devices such as light emitting devices. In recent years, the periodic table group 13 metal nitride semiconductor substrate has been used for power semiconductor elements (power devices) in addition to light-emitting device applications. Therefore, development of a periodic table group 13 metal nitride semiconductor substrate capable of withstanding high pressure and large current is in progress.
A single crystal of nitride such as gallium nitride or aluminum nitride can be obtained by growing the crystal using an ammonothermal method or the like. 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, this is a method in which crystals are precipitated by generating a supersaturated state due to a temperature difference utilizing the temperature dependence of the solubility of a raw material in a solvent such as ammonia.

従来は、周期表第13属金属窒化物半導体基板は、極性面であるC面を主面としたものが多く用いられていた。しかし、この場合、GaNなどの第13族窒化物結晶の固有特性により、ピエゾ電界の影響が大きくなり、発光素子の効率が低下するという問題があった。また、C面を主面とした半導体基板では、貫通転位といった結晶欠陥が発生する場合があり、転位密度が高くなることがあった。   Conventionally, a periodic table group 13 metal nitride semiconductor substrate having a C-plane which is a polar plane as a main surface has been often used. However, in this case, due to the inherent characteristics of the Group 13 nitride crystal such as GaN, there is a problem that the influence of the piezo electric field is increased and the efficiency of the light emitting element is lowered. In addition, crystal defects such as threading dislocations may occur in a semiconductor substrate having a C-plane as a main surface, and the dislocation density may increase.

これらの問題を解決するために、C面以外の非極性面や半極性面を主面とした基板を用いて発光デバイスを作製することが検討されている。そのため、デバイスを作製し得る大型の非極性面や半極性面を主面とした基板を製造することが求められている。例えば、特許文献1〜3には、M面を成長主面とした種結晶を用いて、結晶成長を行うことが開示されている。
特許文献1では、得られた成長結晶の側面がA面とC面であり、成長結晶の主面は横方向成長により得られるM面のみから構成されている。特許文献2および3においても同様に、主面をM面として結晶成長を行うことのみが記載されている。なお、特許文献3では、結晶成長時に用いる鉱化剤として、アルカリ鉱化剤が好ましく用いられている。
In order to solve these problems, it has been studied to produce a light emitting device using a substrate having a nonpolar plane other than the C plane or a semipolar plane as a main plane. Therefore, it is required to manufacture a substrate having a large nonpolar surface or semipolar surface as a main surface from which a device can be manufactured. For example, Patent Documents 1 to 3 disclose that crystal growth is performed using a seed crystal having an M plane as a growth main surface.
In Patent Document 1, the side surfaces of the obtained grown crystal are the A plane and the C plane, and the main surface of the grown crystal is composed only of the M plane obtained by lateral growth. Similarly, Patent Documents 2 and 3 only describe that crystal growth is performed with the main surface as the M-plane. In Patent Document 3, an alkali mineralizer is preferably used as a mineralizer used during crystal growth.

国際公開2010/005914号パンフレットInternational Publication 2010/005914 Pamphlet 特表2011−521878号公報Special table 2011-521878 gazette 特表2009−541997号公報Special table 2009-541997

M面を主面とする周期表第13属金属窒化物半導体基板(以下、第13族窒化物半導体基板ともいう)を効率的に得る場合、M面を成長主面とした第13族窒化物結晶を成長させる必要がある。しかしながら、M面を成長面としたm軸方向の結晶成長の速度は遅く、M面を主面とした半導体基板のサイズを大きくすることは困難であった。さらに、M面を主面とした半導体基板はサイズが小さい上に、結晶成長速度が遅いため、単位面積当たりの製造コストが非常に高くなるという問題があった。   When efficiently obtaining a Group 13 metal nitride semiconductor substrate (hereinafter also referred to as a Group 13 nitride semiconductor substrate) having an M plane as a main surface, a Group 13 nitride having the M surface as a main growth surface It is necessary to grow crystals. However, the rate of crystal growth in the m-axis direction with the M plane as the growth plane is slow, and it is difficult to increase the size of the semiconductor substrate with the M plane as the main plane. Furthermore, the semiconductor substrate having the M plane as the main surface has a problem that the manufacturing cost per unit area becomes very high because the size is small and the crystal growth rate is slow.

また、M面を成長主面とした第13族窒化物結晶を成長させる従来の方法では、C面を成長面として厚膜成長を行って形成した一次ウエハから窒化物半導体バーを切り出して、M面が上面となるように配列した基板の上に窒化物半導体を再成長させることがなされていた。すなわち、基板の製造条件と同じ条件で基板上にM面を主面とした結晶を成長させることができないという問題があった。このため、効率よくM面を主面とした第13族窒化物結晶を得ることができないという問題があった。   Further, in the conventional method of growing a group 13 nitride crystal having the M plane as the growth main surface, a nitride semiconductor bar is cut out from a primary wafer formed by performing thick film growth using the C plane as a growth plane. A nitride semiconductor has been regrown on a substrate arranged so that the surface becomes the upper surface. That is, there has been a problem that crystals having an M-plane as a main surface cannot be grown on the substrate under the same conditions as the substrate manufacturing conditions. For this reason, there has been a problem that a Group 13 nitride crystal having the M-plane as the main surface cannot be obtained efficiently.

そこで本願発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、M面を主面とした第13族窒化物結晶であって、主面の面積が大きく、高品質の結晶からなり、かつ製造コストが抑制された第13族窒化物結晶を製造する方法を提供することを目的として検討を進めた。   Therefore, in order to solve the problems of the prior art, the inventors of the present application are Group 13 nitride crystals having an M plane as a main surface, and the main surface has a large area and is made of a high quality crystal. Further, studies have been made for the purpose of providing a method for producing a Group 13 nitride crystal with reduced production costs.

上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本願発明者らは、周期表第13族金属窒化物半導体から構成され、M面を主面とする下地基板上に、少なくともM面および半極性面を成長面として、アモノサーマル法によって周期表第13族金属窒化物結晶層を成長させることにより、M面を主面とする板状基板であって、下地基板の面積よりも大きな板状基板を得ることができることを見出した。
具体的に、本発明は、以下の構成を有する。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present application are composed of a periodic table group 13 metal nitride semiconductor, and on the base substrate having the M plane as a main surface, at least the M plane and By growing the periodic table group 13 metal nitride crystal layer by the ammonothermal method using the semipolar plane as the growth plane, it is a plate-like substrate having the M plane as the principal plane, which is larger than the area of the base substrate. It has been found that a plate-like substrate can be obtained.
Specifically, the present invention has the following configuration.

[1]周期表第13族金属窒化物半導体からなり、M面を主面とする下地基板上に、少なくともM面および半極性面を成長面として、アモノサーマル法によって第1の周期表第13族金属窒化物結晶層を成長させる第1成長工程と、前記第1成長工程の後に、前記第1の周期表第13族金属窒化物結晶層から、前記下地基板の主面よりも大面積のM面を主面とする板状結晶を得る板状結晶作製工程を含むことを特徴とする周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
[2]前記板状結晶作製工程の後に、前記板状結晶上に、少なくともM面および半極性面を成長面として、アモノサーマル法によって第2の周期表第13族金属窒化物結晶層を成長させる第2成長工程をさらに含む[1]に記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
[3]前記下地基板の主面の面積をPとし、前記板状結晶の主面の面積をQとしたときに、Q/Pは1.05〜10である[1]または[2]に記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
[4]前記板状結晶は、m軸方向に成長した周期表第13族金属窒化物結晶からなるM面成長領域と、m軸からc軸方向に10°〜80°の角度で傾斜した方向に成長した周期表第13族金属窒化物結晶からなる半極性面成長領域とを含み、前記板状結晶の主面全体の面積において、前記M面成長領域のM面面積が占める割合は、50%以上である[1]〜[3]のいずれかに記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
[5]前記板状結晶の主面おいて、前記M面成長領域のM面面積は、前記下地基板の主面のM面面積よりも大きい[4]に記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
[6]前記第1成長工程は、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素から選ばれる少なくとも1種の元素を含む鉱化剤を反応させる工程を含む[1]〜[5]のいずれかに記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
[7]前記第2成長工程は、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素から選ばれる少なくとも1種の元素を含む鉱化剤を反応させる工程を含む[2]〜[6]のいずれかに記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
[8]前記鉱化剤は、フッ素およびヨウ素を含む鉱化剤である[6]または[7]に記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
[9]前記鉱化剤に含まれるフッ素の濃度をFとし、前記鉱化剤に含まれるヨウ素の濃度をIとしたときに、I/Fは、0.5〜10である[8]に記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
[10]前記板状結晶作製工程は、前記第1の周期表第13族金属窒化物結晶層をスライスする工程を含む[1]〜[9]のいずれかに記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
[11]前記スライスする工程は、前記第1の周期表第13族金属窒化物結晶層の厚さに対して45%以下の範囲内のいずれかの深さの位置でスライスする工程である[10]に記載の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。
[12][1]〜[11]のいずれかに記載の製造方法により製造した周期表第13族金属窒化物半導体結晶。
[1] Periodic Table A group 13 metal nitride semiconductor is formed on an underlying substrate having an M plane as a main surface, and at least an M plane and a semipolar plane as growth planes by an ammonothermal method. A first growth step for growing a group 13 metal nitride crystal layer; and after the first growth step, an area larger than the main surface of the base substrate from the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer. A method for producing a Group 13 metal nitride semiconductor crystal of the periodic table, comprising a step of producing a plate crystal having a M-plane as a main surface.
[2] After the plate crystal manufacturing step, a second periodic table group 13 metal nitride crystal layer is formed on the plate crystal by an ammonothermal method using at least the M plane and the semipolar plane as growth planes. The method for producing a periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal according to [1], further including a second growth step of growing.
[3] When the area of the main surface of the base substrate is P and the area of the main surface of the plate crystal is Q, Q / P is 1.05 to 10 in [1] or [2] The manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal of description.
[4] The plate crystal includes an M-plane growth region made of a periodic table group 13 metal nitride crystal grown in the m-axis direction, and a direction inclined at an angle of 10 ° to 80 ° from the m-axis to the c-axis direction. The ratio of the M-plane area of the M-plane growth region to the total area of the main surface of the plate-like crystal is 50%. % In the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal according to any one of [1] to [3].
[5] The periodic table group 13 metal nitride according to [4], wherein the M-plane area of the M-plane growth region is larger than the M-plane area of the main surface of the base substrate on the main surface of the plate crystal. Of manufacturing a semiconductor crystal.
[6] The period according to any one of [1] to [5], wherein the first growth step includes a step of reacting a mineralizer containing at least one element selected from fluorine, chlorine, bromine and iodine. TABLE 13 Group 13 metal nitride semiconductor crystal manufacturing method.
[7] The period according to any one of [2] to [6], wherein the second growth step includes a step of reacting a mineralizer containing at least one element selected from fluorine, chlorine, bromine and iodine. TABLE 13 Group 13 metal nitride semiconductor crystal manufacturing method.
[8] The method for producing a periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal according to [6] or [7], wherein the mineralizer is a mineralizer containing fluorine and iodine.
[9] When the concentration of fluorine contained in the mineralizer is F and the concentration of iodine contained in the mineralizer is I, the I / F is 0.5 to 10. The manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal of description.
[10] The plate-like crystal manufacturing step includes a step of slicing the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer. [10] The periodic table group 13 metal according to any one of [1] to [9] A method for producing a nitride semiconductor crystal.
[11] The slicing step is a step of slicing at any depth position within a range of 45% or less with respect to the thickness of the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer [ 10]. The manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal of [10].
[12] A periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal produced by the production method according to any one of [1] to [11].

本発明によれば、M面を主面とした第13族窒化物結晶であって、主面の面積が大きい第13族窒化物結晶を効率良く製造することができる。さらに、本発明によれば、下地基板よりもM面の面積が大きな第13族窒化物結晶からなる板状基板を効率良く製造することができる。加えて、高品質の結晶からなる高品質領域を、結晶主面中に広い割合で確保できる。
また、本発明によれば、M面を主面とした第13族窒化物結晶の製造効率を高めることができ、製造コストを抑制することができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is a group 13 nitride crystal which made M surface the main surface, Comprising: The group 13 nitride crystal with a large area of a main surface can be manufactured efficiently. Furthermore, according to the present invention, it is possible to efficiently manufacture a plate-like substrate made of a Group 13 nitride crystal having an M-plane area larger than that of the base substrate. In addition, a high quality region composed of high quality crystals can be secured in a wide proportion in the crystal main surface.
Further, according to the present invention, the production efficiency of the group 13 nitride crystal having the M plane as the main surface can be increased, and the production cost can be suppressed.

図1は、第13族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a unit cell having a crystal structure of a group 13 nitride semiconductor. 図2は、結晶成長に用いる下地基板(種結晶)の一態様を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic view showing one embodiment of a base substrate (seed crystal) used for crystal growth. 図3は、M面を主面とする本発明で用いる第13族窒化物半導体結晶塊の一例の概略図である。FIG. 3 is a schematic view of an example of a group 13 nitride semiconductor crystal lump used in the present invention having an M plane as a main surface. 図4は、本発明で用いる第13族窒化物半導体結晶塊の断面概略図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a group 13 nitride semiconductor crystal mass used in the present invention. 図5は、本発明で用いる第13族窒化物半導体結晶塊の断面概略図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a group 13 nitride semiconductor crystal lump used in the present invention. 図6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。FIG. 6 is a schematic diagram of a crystal manufacturing apparatus that can be used in the present invention.

以下において、本発明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、代表的な実施形態や具体例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形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は「〜」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on representative embodiments and specific examples, but the present invention is not limited to such embodiments. In the present specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

本発明に係る第13族窒化物結晶の材料となる第13族窒化物系化合物は、図1に示すように、六方晶系の結晶構造を有している。本明細書において「主面」とは、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。なお、「側面」とは主面に交差する面を意味し、主面と隣接していても隣接していなくてもよい。
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、図1に示す(0001)面とその反対面である(000−1)面を指し、それぞれ+C面、−C面と称することがある。第13族窒化物結晶では、+C面は周期表13族面で−C面は窒素面であり、窒化ガリウムではそれぞれ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。
本明細書において「非極性面」とは、表面に第13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面を挙げることができる。なお、本明細書において極性面や非極性面を称する場合には、±0.01°以内の精度で計測される各結晶軸から10°未満のオフ角を有する範囲内の面を含む。好ましくはオフ角が5°以内であり、より好ましくは3°以内である。c軸、m軸、a軸についても同様に、オフ角を有する範囲内の軸方向を含む。
As shown in FIG. 1, the group 13 nitride compound used as the material of the group 13 nitride crystal according to the present invention has a hexagonal crystal structure. In this specification, the “principal surface” refers to the widest surface in the crystal, and usually the surface on which crystal growth is to be performed. The “side surface” means a surface that intersects the main surface, and may or may not be adjacent to the main surface.
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 shown in FIG. 1 and the (000-1) plane opposite to the (0001) plane, and may be referred to as + C plane and −C plane, respectively. In the group 13 nitride crystal, the + C plane is a group 13 plane of the periodic table and the −C plane is a nitrogen plane, and in gallium nitride, it corresponds to a Ga plane or an N plane, respectively.
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, the (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 13 element and a nitrogen element are present on the surface and the abundance ratio thereof is 1: 1. Specifically, the M surface and the A surface can be mentioned. In the present specification, the term “polar plane” or “non-polar plane” includes a plane within a range having an off angle of less than 10 ° from each crystal axis measured with an accuracy within ± 0.01 °. The off angle is preferably within 5 °, more preferably within 3 °. Similarly, the c-axis, m-axis, and a-axis also include axial directions within a range having an off angle.

本明細書において「半極性面」とは、例えば、周期表13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。表面に周期表13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。
なお、本明細書においては、半極性面をS面と表記する場合がある。また、半極性面に垂直な軸を「s軸」と表記する場合がある。よって、m軸からc軸方向に10°〜80°の角度で傾斜した方向はs軸方向と一致する。
In this specification, the “semipolar plane” means, for example, that when the periodic table group 13 nitride is hexagonal and the main surface is represented by (hklm), except for the {0001} plane, when m = 0 It means no side. 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 in which only one of the group 13 element and nitrogen element in the periodic table or the C surface is present on the 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. .
In this specification, the semipolar plane may be expressed as the S plane. In addition, an axis perpendicular to the semipolar plane may be expressed as “s-axis”. Therefore, the direction inclined at an angle of 10 ° to 80 ° from the m-axis to the c-axis direction coincides with the s-axis direction.

(第13族窒化物結晶の製造方法)
本発明の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法は、M面を主面とする下地基板上に第1の周期表第13族金属窒化物結晶層を成長させる第1成長工程と、第1成長工程の後に、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層から、下地基板の主面よりも大面積のM面を主面とする板状結晶を得る板状結晶作製工程を含む。第1の周期表第13族金属窒化物結晶層は、周期表第13族金属窒化物半導体から形成され、M面を主面とする下地基板上に、少なくともM面および半極性面を成長面として、アモノサーマル法で結晶成長を行うことによって形成される。アモノサーマル法は、超臨界状態及び/又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。
(Method for producing Group 13 nitride crystal)
The manufacturing method of a periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal according to the present invention includes a first growth step of growing a first periodic table group 13 metal nitride crystal layer on a base substrate having an M plane as a main surface; After the first growth step, a plate-like crystal manufacturing step for obtaining a plate-like crystal having a M-plane having a larger area than the main surface of the base substrate from the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer. including. The first periodic table group 13 metal nitride crystal layer is formed of a periodic table group 13 metal nitride semiconductor, and has at least an M plane and a semipolar plane as a growth surface on a base substrate having the M plane as a main surface. As described above, the crystal is grown by an ammonothermal method. 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.

周期表第13族金属窒化物半導体結晶は、周期表第13族金属窒化物結晶層を含み、下地基板を含んでいても、含んでいなくてもよい。周期表第13族金属窒化物半導体結晶は、塊状の半導体結晶であっても良く、板状の半導体結晶であってもよい。本明細書においては、下地基板上に周期表第13族金属窒化物結晶層を成長させたアズグロウン結晶を周期表第13族金属窒化物結晶塊(第13族窒化物結晶塊)と称するが、該第13族窒化物結晶塊の主面が下地基板の主面よりも大面積のM面である場合には、該第13族窒化物結晶塊そのものを本発明の第13族窒化物結晶としてもよい。   The periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal includes a periodic table group 13 metal nitride crystal layer, and may or may not include a base substrate. The periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal may be a bulk semiconductor crystal or a plate-like semiconductor crystal. In this specification, an as-grown crystal obtained by growing a periodic table group 13 metal nitride crystal layer on a base substrate is referred to as a periodic table group 13 metal nitride crystal lump (group 13 nitride crystal lump). When the main surface of the Group 13 nitride crystal mass is an M-plane having a larger area than the main surface of the base substrate, the Group 13 nitride crystal mass itself is used as the Group 13 nitride crystal of the present invention. Also good.

第1成長工程は、M面を主面とする下地基板上に、結晶を成長させ、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層を得る工程である。第1成長工程では、少なくともM面および半極性面を成長面として、結晶を成長させる。結晶成長にはアモノサーマル法が用いられる。第1成長工程において、少なくともM面および半極性面を成長面として結晶を成長させることにより、得られる結晶層のM面のサイズを大きくすることができる。   The first growth step is a step of growing a crystal on a base substrate having an M plane as a main surface to obtain a first periodic table group 13 metal nitride crystal layer. In the first growth step, a crystal is grown with at least the M plane and the semipolar plane as growth planes. An ammonothermal method is used for crystal growth. In the first growth step, by growing the crystal using at least the M plane and the semipolar plane as the growth plane, the size of the M plane of the obtained crystal layer can be increased.

下地基板は種結晶として機能する。ここでいう主面とは、結晶を構成する面のうち最大面積を有する面を意味し、下地基板の主面はM面である。
図2に示すように、下地基板40は、表側の主面41と裏側の主面を有する板状の第13族窒化物の種結晶である。この下地基板上に、第13族窒化物半導体結晶を成長させて、M(10−10)面を表側の主面として有する成長結晶塊を得ることができる。なお、下地基板の面方位は上記の態様に限定されるものではないが、M(10−10)±15°であることが好ましい。
The base substrate functions as a seed crystal. The main surface here means the surface having the maximum area among the surfaces constituting the crystal, and the main surface of the base substrate is the M plane.
As shown in FIG. 2, the base substrate 40 is a plate-like group 13 nitride seed crystal having a front-side main surface 41 and a back-side main surface. A group 13 nitride semiconductor crystal can be grown on this base substrate to obtain a grown crystal lump having an M (10-10) plane as a main surface on the front side. The plane orientation of the base substrate is not limited to the above-described aspect, but is preferably M (10-10) ± 15 °.

下地基板は、六方晶系の結晶構造を有する。第13族窒化物の種結晶としては、成長結晶として成長させる窒化物の単結晶が用いられる。前記第13族窒化物の種結晶の具体例としては、例えば窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)またはこれらの混晶等の窒化物単結晶が挙げられる。
下地基板は、成長結晶との格子整合性などを考慮して決定することができる。例えば、種結晶としては、サファイア等の異種基板上にエピタキシャル成長させた後に剥離させて得た単結晶、Gaなどの金属からNaやLi、Biをフラックスとして結晶成長させて得た単結晶、液相エピタキシ法(LPE法)を用いて得たホモ/ヘテロエピタキシャル成長させた単結晶、溶液成長法に基づき作製された単結晶及びそれらを切断した結晶などを用いることができる。エピタキシャル成長の具体的な方法については特に制限されず、例えば、ハイドライド気相成長法(HVPE)法、有機金属化学気相堆積法(MOCVD法)、液相法、アモノサーマル法などを採用することができる。
The base substrate has a hexagonal crystal structure. As the group 13 nitride seed crystal, a single crystal of nitride grown as a growth crystal is used. Specific examples of the group 13 nitride seed crystals include nitride single crystals such as gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN), or mixed crystals thereof.
The base substrate can be determined in consideration of lattice matching with the grown crystal. For example, as a seed crystal, a single crystal obtained by epitaxial growth on a heterogeneous substrate such as sapphire and then exfoliated, a single crystal obtained by crystal growth of Na, Li, Bi as a flux from a metal such as Ga, a liquid phase A homocrystal / heteroepitaxially grown single crystal obtained by using an epitaxy method (LPE method), a single crystal produced based on a solution growth method, a crystal obtained by cutting them, and the like can be used. The specific method of epitaxial growth is not particularly limited. For example, a hydride vapor phase growth method (HVPE) method, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), a liquid phase method, an ammonothermal method, or the like is adopted. Can do.

本発明に用いられる下地基板は表側の主面と裏側の主面を有する板状の第13族窒化物の種結晶であれば特に制限はないが、表側の主面と裏側の主面が略平行であることが好ましい。表側の主面と裏側の主面がいずれもM面であることがより好ましい。
種結晶としては、形状は特に限定されないが、大面積の成長結晶を効率よく得ることができるので主面の外形が長方形や楕円形などのように長手方向と短手方向を有する形状であることが好ましく、長手方向に伸びる直線と短手方向に伸びる直線とが略垂直に交わることがより好ましい。種結晶の側面は平面でも曲面であってもよい。種結晶の形状としては例えば、直方体、三角板状、五角板状、六角板状、円板状、三角柱、五角柱、六角柱、円柱などが挙げられる。その中でも、本発明に用いられる下地基板は、板状の直方体の種結晶であることがより好ましい。
The base substrate used in the present invention is not particularly limited as long as it is a plate-like group 13 nitride seed crystal having a main surface on the front side and a main surface on the back side, but the main surface on the front side and the main surface on the back side are substantially the same. It is preferable that they are parallel. It is more preferable that the main surface on the front side and the main surface on the back side are both M surfaces.
The shape of the seed crystal is not particularly limited, but a large-area growth crystal can be obtained efficiently, so that the outer shape of the main surface is a shape having a longitudinal direction and a short direction such as a rectangle or an ellipse. It is preferable that the straight line extending in the longitudinal direction and the straight line extending in the short direction intersect substantially perpendicularly. The side surface of the seed crystal may be flat or curved. Examples of the shape of the seed crystal include a rectangular parallelepiped, a triangular plate, a pentagonal plate, a hexagonal plate, a disc, a triangular prism, a pentagonal column, a hexagonal column, and a cylinder. Among them, the base substrate used in the present invention is more preferably a plate-shaped rectangular parallelepiped seed crystal.

本発明に用いられる下地基板の厚さ(M面を主面とする場合にはm軸方向の寸法)は、取り扱い性の観点から0.1mm以上が好ましく、0.2mm以上が更に好ましい。また、種結晶の厚さが厚すぎる場合、成長後の結晶に占める種結晶の割合が大きくなり製造コストの上昇およびコストの上昇に繋がるため、前記種結晶の厚さは、2mm以下が好ましく、1mm以下が更に好ましい。   The thickness of the base substrate used in the present invention (when the M surface is the main surface, the dimension in the m-axis direction) is preferably 0.1 mm or more, and more preferably 0.2 mm or more from the viewpoint of handleability. In addition, when the seed crystal is too thick, the ratio of the seed crystal in the grown crystal is increased, leading to an increase in manufacturing cost and cost. Therefore, the thickness of the seed crystal is preferably 2 mm or less, More preferably, it is 1 mm or less.

本発明に用いられる下地基板は、下地基板の表側の主面の寸法に制限はないが、種結晶のサイズとして、下地基板の表側の主面の縦方向であるc軸方向の寸法が200mm以下であることが好ましく、150mm以下であることがより好ましく、5mm以上であることが好ましく、10mm以上であることがより好ましい。一方、下地基板の表側の主面の横方向であるa軸方向の寸法が300mm以下であることが好ましく、200mm以下であることがより好ましく、10mm以上であることが好ましく、15mm以上であることがより好ましい。
また、本発明に用いられる下地基板は、表側の主面の寸法と裏側の主面の寸法が略同一であることが好ましく、本発明に用いられる下地基板の裏側の主面の寸法の好ましい範囲は表側の主面の寸法の好ましい範囲と同様である。
The base substrate used in the present invention is not limited to the size of the main surface on the front side of the base substrate, but the size in the c-axis direction, which is the longitudinal direction of the main surface on the front side of the base substrate, is 200 mm or less as the seed crystal size. Is preferably 150 mm or less, more preferably 5 mm or more, and even more preferably 10 mm or more. On the other hand, the dimension in the a-axis direction, which is the lateral direction of the main surface on the front side of the base substrate, is preferably 300 mm or less, more preferably 200 mm or less, preferably 10 mm or more, and 15 mm or more. Is more preferable.
Further, in the base substrate used in the present invention, the dimensions of the main surface on the front side and the dimensions of the main surface on the back side are preferably substantially the same, and the preferred range of the dimensions of the main surface on the back side of the base substrate used in the present invention. Is the same as the preferred range of dimensions of the main surface on the front side.

本発明の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法は、第1成長工程の後に、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層から、M面を主面とする板状結晶を得る板状結晶作製工程をさらに含む。板状結晶作製工程は、第1成長工程で得られた第1の周期表第13族金属窒化物結晶層から板状結晶を得る工程である。板状結晶は、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層の成長に用いられた下地基板の主面の面積よりも大きな面積を有する。すなわち板状結晶のM面面積は下地基板のM面面積よりも大きくなる。
板状結晶作製工程で得られる板状結晶は、その主面となる結晶表面の少なくとも一つが第1の周期表第13族金属窒化物結晶層からなる面であればよく、板状結晶全体が第1の周期表第13族金属窒化物結晶層のみからなる必要はない。よって、板状結晶中に下地基板を含んでいてもよい。
The manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal of the present invention is a plate crystal having an M plane as a main surface from the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer after the first growth step. It further includes a plate-like crystal production step for obtaining The plate crystal production step is a step of obtaining a plate crystal from the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer obtained in the first growth step. The plate crystal has an area larger than the area of the main surface of the base substrate used for the growth of the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer. That is, the M-plane area of the plate crystal is larger than the M-plane area of the base substrate.
The plate-like crystal obtained in the plate-like crystal production step may be a surface in which at least one of the crystal surfaces as the main surface is composed of the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer, and the entire plate-like crystal is The first periodic table group 13 metal nitride crystal layer does not have to be formed alone. Therefore, the base substrate may be included in the plate crystal.

板状結晶は、第1成長工程で得られた第1の周期表第13族金属窒化物結晶層そのものであってもよく、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層の一部分であってもよい。板状結晶が第1の周期表第13族金属窒化物結晶層そのものである場合、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層を下地基板から取り外して、板状結晶とすることができる。この場合は、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層は板状であることが好ましく、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層の主面の面積が下地基板の主面の面積よりも大きいことが好ましい。   The plate-like crystal may be the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer itself obtained in the first growth step, or may be a part of the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer. May be. When the plate crystal is the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer itself, the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer can be removed from the base substrate to form a plate crystal. . In this case, the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer is preferably plate-shaped, and the area of the main surface of the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer is the main surface of the base substrate. It is preferable that it is larger than the area.

板状結晶が第1の周期表第13族金属窒化物結晶層の一部分である場合、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層を板状にスライスしたものを板状結晶とすることが好ましい。この場合、板状結晶作製工程は、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層をスライスする工程を含む。第1の周期表第13族金属窒化物結晶層をスライスする工程では、板状結晶の主面がM面となるようにスライスする。   When the plate-like crystal is a part of the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer, the plate-like crystal is obtained by slicing the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer into a plate shape. Is preferred. In this case, the plate crystal manufacturing step includes a step of slicing the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer. In the step of slicing the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer, slicing is performed so that the principal surface of the plate-like crystal becomes the M plane.

板状結晶の主面の面積は、下地基板の主面の面積よりも大きい。第1の周期表第13族金属窒化物結晶層は少なくともM面および半極性面を成長面として、成長させることによって得られる。このため、周期表第13族金属窒化物結晶層は、下地基板の主面の面積よりも大きいか、もしくは、下地基板の主面の面積よりも大きい層部分を有する。板状結晶としては、下地基板の主面の面積よりも大きい周期表第13族金属窒化物結晶層を用いることが好ましい。   The area of the main surface of the plate crystal is larger than the area of the main surface of the base substrate. The first periodic table group 13 metal nitride crystal layer is obtained by growing at least the M plane and the semipolar plane as growth planes. For this reason, the periodic table group 13 metal nitride crystal layer has a layer portion larger than the area of the main surface of the base substrate or larger than the area of the main surface of the base substrate. As the plate crystal, it is preferable to use a periodic table group 13 metal nitride crystal layer larger than the area of the main surface of the base substrate.

下地基板の主面の面積をPとし、板状結晶の主面の面積をQとしたときに、Q/Pは1.05〜10であることが好ましい。Q/Pは1.05以上であれば良く、1.1以上であることが好ましく、1.5以上であることがより好ましい、また、Q/Pは10以下であれば良く、9以下であることが好ましく、8以下であることがより好ましい。Q/Pを上記範囲内とすることにより、結晶層の面積が大きい第13族窒化物結晶を製造することができる。また、Q/Pを上記範囲内とすることにより、より製造効率を高めることができる。   When the area of the main surface of the base substrate is P and the area of the main surface of the plate crystal is Q, Q / P is preferably 1.05 to 10. Q / P may be 1.05 or more, preferably 1.1 or more, more preferably 1.5 or more, and Q / P may be 10 or less, and 9 or less. It is preferable that it is 8 or less. By setting Q / P within the above range, a Group 13 nitride crystal having a large crystal layer area can be produced. Moreover, manufacturing efficiency can be improved more by making Q / P into the said range.

下地基板の主面の面積と板状結晶の主面の面積が上述したような関係となるように第1の周期表第13族金属窒化物結晶層をスライスする工程では、スライスする位置を調整することができる。スライスする工程では、下地基板よりも大きな面積を有する板状結晶を得ることができる位置で結晶をスライスすることが好ましい。このため、スライスする位置は結晶の形状によって大きく異なる。
例えば、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層の断面積が下地基板よりも大きくなるような形状で成長した場合、スライスする工程では、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層の厚さに対して下地基板から90%以下の範囲内のいずれかの深さの位置でスライスすることが好ましい。スライスする位置は、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層の表面から、結晶層の厚さに対して下地基板から90%以下の範囲内の深さの位置でスライスすれば良く、下地基板から60%以下の範囲内であることが好ましく、下地基板から45%以下の範囲内であることがより好ましい。
また、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層の断面積が下地基板よりも小さくなるような形状で成長した場合、スライスする位置は、第1の周期表第13族金属窒化物結晶層の表面から、結晶層の厚さに対して下地基板から45%以下の範囲内のいずれかの深さの位置でスライスすることが好ましい。
例えば、下地基板上に第1の周期表第13族金属窒化物結晶層を成長させて得られる第13族窒化物結晶塊(成長結晶塊)の形状が図5(a)のような場合は、下地基板から45.9%以下の位置でスライスすれば、切出した板状結晶は下地基板よりも大面積となる。図5(b)の場合では、下地基板から58%以下の位置でスライスすれば、切出した板状結晶は下地基板よりも大面積となる。図5 (c)〜(e)の場合は、どこでスライスしても板状結晶は下地基板よりも大面積となる。
In the step of slicing the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer so that the area of the main surface of the base substrate and the area of the main surface of the plate crystal are as described above, the slicing position is adjusted. can do. In the slicing step, it is preferable to slice the crystal at a position where a plate-like crystal having an area larger than that of the base substrate can be obtained. For this reason, the slicing position varies greatly depending on the shape of the crystal.
For example, when the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer is grown in a shape such that the cross-sectional area of the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer is larger than that of the base substrate, the first periodic table group 13 metal nitride crystal is used in the slicing step. It is preferable to slice at any depth within a range of 90% or less from the base substrate with respect to the thickness of the layer. The slice position may be sliced from the surface of the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer at a depth within a range of 90% or less from the base substrate with respect to the thickness of the crystal layer, It is preferably within a range of 60% or less from the base substrate, and more preferably within a range of 45% or less from the base substrate.
Further, when the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer is grown in such a shape that the cross-sectional area of the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer is smaller than that of the base substrate, the slice position is the first periodic table group 13 metal nitride crystal. It is preferable to slice from the surface of the layer at any depth within a range of 45% or less from the base substrate with respect to the thickness of the crystal layer.
For example, when the shape of the group 13 nitride crystal mass (growth crystal mass) obtained by growing the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer on the base substrate is as shown in FIG. When sliced at a position of 45.9% or less from the base substrate, the cut plate crystal has a larger area than the base substrate. In the case of FIG. 5B, if the slice is made at a position of 58% or less from the base substrate, the cut-out plate crystal has a larger area than the base substrate. In the case of FIGS. 5C to 5E, the plate crystal has a larger area than the base substrate regardless of where it is sliced.

スライスする工程では、結晶層を複数回スライスすることとしてもよい。スライスする回数は、板状結晶に必要な厚さに応じて適宜決定することができる。このように、板状結晶作製工程が第1の周期表第13族金属窒化物結晶層をスライスする工程を含むことにより、下地基板の主面の面積よりも大きい主面を有する板状基板を得ることができる。   In the slicing step, the crystal layer may be sliced multiple times. The number of times of slicing can be appropriately determined according to the thickness required for the plate crystal. As described above, the plate-like crystal manufacturing step includes the step of slicing the first periodic table group 13 metal nitride crystal layer, whereby a plate-like substrate having a principal surface larger than the area of the principal surface of the base substrate is obtained. Can be obtained.

第1成長工程において少なくともM面および半極性面を成長面として、第13族窒化物結晶層を成長させると、得られる第13族窒化物結晶塊は、m軸方向に成長した周期表第13族金属窒化物結晶からなるM面成長領域とm軸からc軸方向に10°〜80°の角度で傾斜した方向に成長した周期表第13族金属窒化物結晶からなる半極性面成長領域を有することとなる。
よって、本発明の板状結晶も、m軸方向に成長した周期表第13族金属窒化物結晶からなるM面成長領域とm軸からc軸方向に10°〜80°の角度で傾斜した方向に成長した周期表第13族金属窒化物結晶からなる半極性面成長領域を含むことが好ましい。半極性面成長領域は、M面成長領域を挟むように対向する領域に形成されることが好ましい。すなわち、M面成長領域は、半極性面成長領域で挟まれた領域であり、半極性面成長領域は2つ以上形成されることが好ましい。
半極性面成長領域は、半極性面を成長面として成長した周期表第13族金属窒化物結晶からなる。板状結晶の半極性面成長領域の露出領域の一部に半極性面が含まれていてもよい。ここで、露出領域とは、板状結晶の半極性面成長領域の表面領域であって、縁の一部を含む領域のことを指す。半極性面成長領域が半極性面を成長面として成長し、該半極性面を含むようにM面を主面とする板状結晶を得ることによって、板状結晶のM面面積をより大きくすることができる。
なお、板状結晶の外周を削り落としたり、研磨することによって、半極性面成長領域の露出領域に半極性面が含まれないようにすることもできる。
When the group 13 nitride crystal layer is grown using at least the M plane and the semipolar plane as the growth plane in the first growth step, the obtained group 13 nitride crystal mass has a periodic table 13th grown in the m-axis direction. An M-plane growth region composed of a group metal nitride crystal and a semipolar plane growth region composed of a periodic table group 13 metal nitride crystal grown in a direction inclined at an angle of 10 ° to 80 ° from the m-axis to the c-axis direction. Will have.
Therefore, the plate-like crystal of the present invention also has an M-plane growth region made of a periodic table group 13 metal nitride crystal grown in the m-axis direction and a direction inclined from the m-axis to the c-axis direction by an angle of 10 ° to 80 °. It is preferable to include a semipolar plane growth region made of a periodic table group 13 metal nitride crystal grown in the same manner. The semipolar plane growth regions are preferably formed in regions facing each other so as to sandwich the M plane growth region. That is, the M-plane growth region is a region sandwiched between the semipolar plane growth regions, and two or more semipolar plane growth regions are preferably formed.
The semipolar plane growth region is composed of a periodic table group 13 metal nitride crystal grown using the semipolar plane as a growth plane. A part of the exposed region of the semipolar plane growth region of the plate crystal may include a semipolar plane. Here, the exposed region refers to a surface region of the semipolar plane growth region of the plate crystal and includes a part of the edge. A semipolar plane growth region grows with a semipolar plane as a growth plane, and a plate crystal having an M plane as a main surface so as to include the semipolar plane is obtained, thereby increasing the M plane area of the plate crystal. be able to.
It should be noted that the semipolar plane can be prevented from being included in the exposed region of the semipolar plane growth region by scraping or polishing the outer periphery of the plate crystal.

成長面となる半極性面は、[10−11]面および[10−1−1]面のうち少なくとも一方の面を含むことが好ましい。半極性面がこれらの面を含むことにより、製造効率をより高めることができ、板状結晶の主面の面積を大きくすることができる。   The semipolar plane serving as a growth plane preferably includes at least one of a [10-11] plane and a [10-1-1] plane. When the semipolar plane includes these planes, the production efficiency can be further increased, and the area of the main surface of the plate crystal can be increased.

板状結晶の主面にあらわれる半極性面成長領域の主面はM面であり、これらのM面は、M面成長領域のM面と連続してM面を主面とする1連の平面となる。これにより、M面を主面とした板状結晶の面積を大きくすることができる。   The main surface of the semipolar plane growth region appearing on the main surface of the plate-like crystal is the M plane, and these M planes are a series of planes having the M plane as the main plane in succession to the M plane of the M plane growth region. It becomes. Thereby, the area of the plate-like crystal having the M plane as the main surface can be increased.

板状結晶の主面全体の面積において、M面成長領域のM面面積が占める割合は、50%以上であることが好ましい。M面成長領域のM面面積は、板状結晶の主面全体の面積に対して50%以上であれば良く、60%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましい。また、95%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い。M面成長領域のM面面積が占める割合を上記範囲内とすることにより、M面を主面とした板状結晶の面積を大きくすることができ、かつ加工等の外的応力に対して高い強度を有し、結晶性が良好な高品質領域であるM面成長領域の占める割合が高くなるため、板状結晶のハンドリングを容易にすることができるため好ましい。   The ratio of the M-plane area of the M-plane growth region to the area of the entire main surface of the plate crystal is preferably 50% or more. The M-plane area of the M-plane growth region may be 50% or more, preferably 60% or more, and more preferably 70% or more with respect to the entire area of the main surface of the plate crystal. Moreover, it is preferable that it is 95% or less, and it is more preferable that it is 90% or less. By setting the ratio of the M-plane area in the M-plane growth region within the above range, the area of the plate crystal having the M-plane as the main surface can be increased, and it is high against external stress such as processing. Since the proportion of the M-plane growth region, which is a high-quality region having strength and good crystallinity, is increased, it is preferable because handling of the plate crystal can be facilitated.

板状結晶の主面において、M面成長領域のM面面積は、下地基板の主面のM面面積よりも大きいことが好ましい。M面成長領域のM面面積を下地基板の主面のM面面積よりも大きくすることにより、高品質領域であるM面成長領域をより広く得ることができるうえ、M面を主面とした板状結晶の面積を大きくすることができる。また、板状結晶上に成長した結晶についても、M面成長する領域が広くなり、該結晶をウエハとして用いたデバイス作製時の歩留まりも良くなる。   In the main surface of the plate crystal, the M-plane area of the M-plane growth region is preferably larger than the M-plane area of the main surface of the base substrate. By making the M-plane area of the M-plane growth region larger than the M-plane area of the main surface of the base substrate, the M-plane growth region, which is a high quality region, can be obtained more widely, and the M-plane is the main surface. The area of the plate crystal can be increased. Also, a crystal grown on a plate-like crystal has a wider M-plane growth region, and the yield at the time of manufacturing a device using the crystal as a wafer is improved.

板状結晶は、板状の結晶であれば良く、板状結晶の形状には特に制限はないが、直方体、三角板状、五角板状、六角板状、円板状、三角柱、五角柱、六角柱、円柱などとすることができる。中でも、板状結晶の形状を板状の直方体の結晶とすることが好ましい。   The plate crystal may be a plate crystal, and the shape of the plate crystal is not particularly limited, but is a rectangular parallelepiped, a triangular plate shape, a pentagonal plate shape, a hexagonal plate shape, a disc shape, a triangular prism, a pentagonal column, a hexagonal column, It can be a column, a cylinder, or the like. Among these, the shape of the plate crystal is preferably a plate-shaped cuboid crystal.

板状結晶の厚さは、設計により適宜決定することができる。例えば、板状結晶の厚みは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、250μm以上であることがさらに好ましい。また、700μm以下であることが好ましく、650μm以下であることがより好ましく、500μm以下であることがさらに好ましい。   The thickness of the plate crystal can be appropriately determined by design. For example, the thickness of the plate crystal is preferably 100 μm or more, more preferably 200 μm or more, and further preferably 250 μm or more. Moreover, it is preferable that it is 700 micrometers or less, It is more preferable that it is 650 micrometers or less, It is further more preferable that it is 500 micrometers or less.

本発明の周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法は、板状結晶作製工程の後に、該板状結晶上に第2の周期表第13族金属窒化物結晶層を成長させる第2成長工程をさらに含むことが好ましい。この第2成長工程では、板状結晶作製工程で得られた板状結晶上に、少なくともM面および半極性面を成長面として、結晶を成長させる。結晶成長にはアモノサーマル法が用いられる。第1成長工程に加えて第2成長工程においても、少なくともM面および半極性面を成長面として結晶を成長させることにより、得られる結晶層のサイズをより大きくすることができる。   According to the method for producing a periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal of the present invention, a second periodic table group 13 metal nitride crystal layer is grown on the plate crystal after the plate crystal manufacturing step. It is preferable to further include a growth step. In this second growth step, a crystal is grown on the plate-like crystal obtained in the plate-like crystal production step with at least the M plane and the semipolar plane as the growth plane. An ammonothermal method is used for crystal growth. In the second growth step in addition to the first growth step, the size of the obtained crystal layer can be further increased by growing the crystal using at least the M plane and the semipolar plane as the growth plane.

第1成長工程は、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素から選ばれる少なくとも1種の元素を含む鉱化剤を反応させる工程を含むことが好ましい。さらに、第2成長工程においても、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素から選ばれる少なくとも1種の元素を含む鉱化剤を反応させる工程を含むことが好ましい。本発明では、第1成長工程および/または第2成長工程において、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素から選ばれる少なくとも1種の元素を含む鉱化剤を反応させる工程を含むことにより、下地基板および/または板状結晶の上に、M面および半極性面を成長面として、結晶を成長させることができる。これにより、得られる結晶層のサイズを大きくすることができる。   The first growth step preferably includes a step of reacting a mineralizer containing at least one element selected from fluorine, chlorine, bromine and iodine. Furthermore, it is preferable that the second growth step also includes a step of reacting a mineralizer containing at least one element selected from fluorine, chlorine, bromine and iodine. In the present invention, in the first growth step and / or the second growth step, by including a step of reacting a mineralizer containing at least one element selected from fluorine, chlorine, bromine and iodine, Alternatively, the crystal can be grown on the plate crystal using the M plane and the semipolar plane as growth planes. Thereby, the size of the obtained crystal layer can be increased.

第1成長工程および/または第2成長工程で用いられる鉱化剤は、フッ素およびヨウ素を含むものであることが好ましい。鉱化剤にフッ素およびヨウ素が含まれることにより、M面および半極性面を成長面として、結晶を効率よく成長させることができる。また、ヨウ素およびフッ素を鉱化剤として使用した場合、ヨウ素およびフッ素は結晶内に取り込まれにくく、結晶品質に影響を与えないため好適である。とくに、フッ素を単独で用いる場合よりもヨウ素およびフッ素を併用した場合の方が、結晶中への取り込みが抑制されるため好ましい。   The mineralizer used in the first growth step and / or the second growth step is preferably one containing fluorine and iodine. By including fluorine and iodine in the mineralizer, crystals can be efficiently grown using the M-plane and semipolar plane as growth planes. Further, when iodine and fluorine are used as mineralizers, iodine and fluorine are preferable because they are hardly taken into the crystal and do not affect the crystal quality. In particular, the case where iodine and fluorine are used in combination is more preferable than the case where fluorine is used alone because the incorporation into the crystal is suppressed.

鉱化剤に含まれるフッ素の濃度をFとし、鉱化剤に含まれるヨウ素の濃度をIとしたときに、I/Fは、0.5〜10であることが好ましい。I/Fは、0.5以上であれば良く、1以上であることが好ましく、2以上であることがより好ましい。また、I/Fは、10以下であれば良く、9以下であることが好ましく、8以下であることがより好ましい。I/Fを上記範囲内とすることにより、M面および半極性面を成長面として、結晶を効率よく成長させることができる。これにより、得られる結晶層のサイズをより大きくすることができる。   When the concentration of fluorine contained in the mineralizer is F and the concentration of iodine contained in the mineralizer is I, the I / F is preferably 0.5-10. The I / F may be 0.5 or more, preferably 1 or more, and more preferably 2 or more. Moreover, I / F should just be 10 or less, it is preferable that it is 9 or less, and it is more preferable that it is 8 or less. By setting the I / F within the above range, the crystal can be efficiently grown using the M plane and the semipolar plane as the growth plane. Thereby, the size of the obtained crystal layer can be further increased.

(第13族窒化物結晶)
本発明は、上述した製造方法を用いて結晶を成長させて得られる周期表第13族金属窒化物半導体結晶に関する。上述した製造方法を用いて結晶を成長させた周期表第13族金属窒化物半導体結晶は、M面を主面とし、さらに、M面成長領域および半極性面成長領域を含む。
(Group 13 nitride crystal)
The present invention relates to a periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal obtained by growing a crystal using the manufacturing method described above. The periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal grown using the manufacturing method described above has an M plane as a main surface, and further includes an M plane growth region and a semipolar plane growth region.

図3に示すように、種結晶である下地基板40上に、結晶を成長させて、周期表第13族金属窒化物半導体結晶塊100を得ることができる。下地基板40の表側の主面41上に形成された、周期表第13族金属窒化物半導体結晶塊の主面51はM(10−10)面となる。
半導体結晶塊は、下地基板上に形成された第13族窒化物半導体結晶層(成長結晶)を有する。周期表第13族金属窒化物半導体結晶塊は、種結晶と同種の第13族窒化物半導体結晶層を成長させることで得られる。
ここで、種結晶として本発明の板状結晶を用い、第2の第13族窒化物半導体結晶層を成長させた場合であっても、図3に示すような周期表第13族金属窒化物半導体結晶を得ることが好ましい。
As shown in FIG. 3, a crystal can be grown on a base substrate 40 that is a seed crystal to obtain a periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal lump 100. The main surface 51 of the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal lump formed on the front-side main surface 41 of the base substrate 40 is an M (10-10) plane.
The semiconductor crystal lump has a Group 13 nitride semiconductor crystal layer (growth crystal) formed on the base substrate. The group 13 metal nitride semiconductor crystal mass of the periodic table is obtained by growing a group 13 nitride semiconductor crystal layer of the same type as the seed crystal.
Here, even when the plate-like crystal of the present invention is used as a seed crystal and the second group 13 nitride semiconductor crystal layer is grown, the periodic table group 13 metal nitride as shown in FIG. 3 is used. It is preferable to obtain a semiconductor crystal.

周期表第13族金属窒化物半導体結晶層は、六方晶系の結晶構造を有するものであれば特に限定されないが、第13族窒化物結晶としては、例えば、GaNやAlNに代表される周期表第13族金属窒化物の結晶が挙げられる。周期表第13族金属窒化物としては、GaNの他に、AlN、InN、またはこれらの混晶などを挙げることができる。混晶としては、AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaNなどを挙げることができる。好ましいのはGaNおよびGaを含む混晶であり、より好ましいのはGaNである。   The periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal layer is not particularly limited as long as it has a hexagonal crystal structure, but examples of the group 13 nitride crystal include a periodic table represented by GaN and AlN. Examples include Group 13 metal nitride crystals. Examples of the periodic table group 13 metal nitride include GaN, AlN, InN, and mixed crystals thereof. Examples of the mixed crystal include AlGaN, InGaN, AlInN, and AlInGaN. Preferred is a mixed crystal containing GaN and Ga, and more preferred is GaN.

周期表第13族金属窒化物半導体結晶層の酸素濃度は、1×1020atoms/cm3以下であることが好ましく、5×1019atoms/cm3以下であることがより好ましく、1×1019atoms/cm3以下であることがさらに好ましい。第13族窒化物結晶層の酸素濃度を上記範囲とすることにより、第13族窒化物結晶に含まれるM面成長領域と半極性面成長領域の割合をより好ましい割合とすることができる。 The oxygen concentration of the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal layer is preferably 1 × 10 20 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, and 1 × 10 6. More preferably, it is 19 atoms / cm 3 or less. By setting the oxygen concentration of the group 13 nitride crystal layer in the above range, the ratio of the M-plane growth region and the semipolar plane growth region contained in the group 13 nitride crystal can be made a more preferable ratio.

周期表第13族金属窒化物半導体結晶層の金属およびアルカリ金属の濃度は、1×1016atoms/cm3以下であることが好ましく、1×1015atoms/cm3以下であることがより好ましい。ここで、上記濃度は、金属およびアルカリ金属の濃度の合計の濃度のことを指す。第13族窒化物結晶層の金属およびアルカリ金属の濃度を上記範囲とすることにより、第13族窒化物結晶に含まれるM面成長領域と半極性面成長領域の割合をより好ましい割合とすることができる。 The concentration of the metal and alkali metal in the Group 13 metal nitride semiconductor crystal layer of the periodic table is preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 15 atoms / cm 3 or less. . Here, the said density | concentration points out the total density | concentration of the density | concentration of a metal and an alkali metal. By setting the metal and alkali metal concentrations in the group 13 nitride crystal layer within the above range, the ratio of the M-plane growth region and the semipolar plane growth region included in the group 13 nitride crystal is set to a more preferable ratio. Can do.

周期表第13族金属窒化物半導体結晶の転位密度は、1×107cm-3以下であることが好ましく、1×106-3以下であることがより好ましく、1×103cm-3以下であることがさらに好ましい。転位密度は、上記範囲内であれば、0であってもよい。 The dislocation density of the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal is preferably 1 × 10 7 cm −3 or less, more preferably 1 × 10 6 m −3 or less, and 1 × 10 3 cm −. More preferably, it is 3 or less. The dislocation density may be 0 as long as it is within the above range.

図4には、図3で示した周期表第13族金属窒化物半導体結晶塊の断面図が示されている。さらに、図5には、様々な態様の周期表第13族金属窒化物半導体結晶塊の例の断面図が示されている。これらの断面図からもわかるように、周期表第13族金属窒化物半導体結晶塊では、下地基板の全ての表面が成長結晶で覆われている。
本発明に係る第13族窒化物半導体結晶は、上述した成長結晶塊をスライス、研削や研磨などの加工を施すことで得ることができる。例えば、図5に示すように点線Aで示したスライス線でスライスして、板状結晶を得ることができる
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal block shown in FIG. Further, FIG. 5 shows a cross-sectional view of an example of a periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal lump of various modes. As can be seen from these cross-sectional views, in the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal lump, the entire surface of the base substrate is covered with the growth crystal.
The group 13 nitride semiconductor crystal according to the present invention can be obtained by slicing, grinding, polishing, or the like the above-described grown crystal mass. For example, as shown in FIG. 5, a plate-like crystal can be obtained by slicing along a slice line indicated by a dotted line A.

本発明に係る周期表第13族金属窒化物半導体結晶塊(以下、成長結晶塊と称する場合がある)は、結晶表面が少なくとも{10−11}または{10−1−1}面を含む。周期表第13族金属窒化物半導体結晶塊は、このような{10−11}または{10−1−1}面が形成されるように、半極性面(Semi−Polar面)が表面になるように制御して成長されてなる。半極性面は、複数の結晶面が集合した面であってもよい。
本発明に係る周期表第13族金属窒化物半導体結晶塊は、図3〜図5に示すように主面51としてM(10−10)面を有し、側面としてS(10−1−1)面とS(10−11)面を少なくとも出現させながら成長してなり、アズグロウンの状態で主面としてM(10−10)面を有し、側面としてS(10−1−1)面とS(10−11)面を少なくとも含むことが好ましい。さらに、(0001)面及び(000−1)面の少なくとも一つを出現させながら成長してなり、アズグロウンの状態で(0001)面及び(000−1)面の少なくとも一つを有していてもよい。好ましくはアズグロウンの状態で(0001)面を有することである。図3〜図5において、53、54はM(10−10)面、61、63、64、はS(10−1−1)面、71〜76はS(10−11)面である。
In the periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal mass (hereinafter sometimes referred to as a grown crystal mass) according to the present invention, the crystal surface includes at least a {10-11} or {10-1-1} plane. The periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal block has a semipolar plane (Semi-Polar plane) as a surface so that such a {10-11} or {10-1-1} plane is formed. So that it grows under control. The semipolar plane may be a plane in which a plurality of crystal planes are aggregated.
The periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal lump according to the present invention has an M (10-10) plane as the main surface 51 and S (10-1-1) as the side surface as shown in FIGS. ) Plane and S (10-11) plane at least while appearing, having an M (10-10) plane as a main surface in an as-grown state, and an S (10-1-1) plane as a side surface It is preferable to include at least the S (10-11) plane. Furthermore, it grows while making at least one of the (0001) plane and the (000-1) plane appear, and has at least one of the (0001) plane and the (000-1) plane in the as-grown state. Also good. Preferably, it has a (0001) plane in an as-grown state. 3 to 5, 53 and 54 are M (10-10) planes, 61, 63 and 64 are S (10-1-1) planes, and 71 to 76 are S (10-11) planes.

周期表第13族金属窒化物半導体結晶の結晶表面がM面と{10−11}または{10−1−1}面を少なくとも含むようにするためには、鉱化剤として、少なくともフッ素元素と、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とを含む鉱化剤を用いることが好ましい。鉱化剤としては、特にフッ素元素とヨウ素とを含むものが好ましい。このように鉱化剤としてフッ素元素とヨウ素を含むものを用いると、結晶表面が{10−11}または{10−1−1}面を少なくとも含み、大型の主面を有する結晶を得やすい。   In order for the crystal surface of the Group 13 metal nitride semiconductor crystal of the periodic table to include at least the M plane and the {10-11} or {10-1-1} plane, It is preferable to use a mineralizer containing at least one selected from the group consisting of chlorine, bromine and iodine. As the mineralizer, those containing elemental fluorine and iodine are particularly preferable. As described above, when a mineral containing a fluorine element and iodine is used as a mineralizer, a crystal having at least a {10-11} or {10-1-1} plane and having a large main surface can be easily obtained.

M面成長領域および半極性面成長領域は、周期表第13族金属窒化物結晶中にフッ素原子を含む。M面成長領域を構成する周期表第13族金属窒化物結晶中に含まれるフッ素原子の濃度は1×1015atoms/cm3以上であることが好ましい。フッ素濃度は、1×1015atoms/cm3であれば良く、1×1016atoms/cm3以上であることがより好ましい。また、フッ素濃度は、1×1020atoms/cm3以下であることが好ましく、1×1019atoms/cm3以下であることがより好ましい。半極性面成長領域を構成する周期表第13族金属窒化物結晶中に含まれるフッ素原子の濃度は、1×1016atoms/cm3以上であることが好ましい。また、フッ素濃度は、1×1020atoms/cm3以下であることが好ましい。周期表第13族金属窒化物結晶中のフッ素濃度を上記範囲内とすることにより、板状結晶の主面全体の面積に対してM面成長領域のM面面積が占める割合を50%以上とすることができる。 The M-plane growth region and the semipolar growth region contain fluorine atoms in the periodic table group 13 metal nitride crystal. The concentration of fluorine atoms contained in the periodic table group 13 metal nitride crystal constituting the M-plane growth region is preferably 1 × 10 15 atoms / cm 3 or more. The fluorine concentration may be 1 × 10 15 atoms / cm 3 , and more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more. The fluorine concentration is preferably 1 × 10 20 atoms / cm 3 or less, and more preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less. The concentration of fluorine atoms contained in the periodic table group 13 metal nitride crystal constituting the semipolar plane growth region is preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more. The fluorine concentration is preferably 1 × 10 20 atoms / cm 3 or less. By setting the fluorine concentration in the group 13 metal nitride crystal of the periodic table within the above range, the ratio of the M-plane area of the M-plane growth region to the total area of the main surface of the plate-like crystal is 50% or more. can do.

また、成長させる周期表第13族金属窒化物結晶層(成長結晶)中の不純物の濃度を低減することで成長面を半極性面とする成長を促すことができる。この際、不純物濃度としては酸素濃度やアルカリ金属、Ni等の遷移金属等の濃度を基準とすることができる。例えば、成長結晶中の酸素濃度を1020atoms/cm3未満とすることで成長面を半極性面とする成長を促すことができる。その結果、成長結晶塊の表面に現れる半極性面は狭くなり、M面が広くなるため、本発明の第13族窒化物基板中の高品質領域を広くとることができるため好ましい。成長結晶における不純物原子として酸素原子を含有する場合の酸素原子濃度は、1×1020atoms/cm3以下であることが好ましく、5×1019atoms/cm3以下であることがより好ましく、1×1019atoms/cm3以下であることがさらに好ましい。 Further, by reducing the concentration of impurities in the periodic table Group 13 metal nitride crystal layer (growth crystal) to be grown, growth with the growth surface as a semipolar surface can be promoted. At this time, the impurity concentration can be based on oxygen concentration, alkali metal, transition metal concentration such as Ni, or the like. For example, by setting the oxygen concentration in the grown crystal to less than 10 20 atoms / cm 3 , growth with the growth surface as a semipolar surface can be promoted. As a result, the semipolar plane appearing on the surface of the grown crystal lump is narrowed and the M-plane is widened, which is preferable because a high quality region in the group 13 nitride substrate of the present invention can be widened. The oxygen atom concentration when oxygen atoms are contained as impurity atoms in the grown crystal is preferably 1 × 10 20 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less. × and more preferably 10 19 atoms / cm 3 or less.

また、種結晶の形状、加工方法などを適宜選択することによっても、成長面をM面と半極性面を含む面とする成長を促すことができる。   Further, the growth of the growth surface as a surface including the M plane and the semipolar plane can be promoted by appropriately selecting the shape of the seed crystal, the processing method, and the like.

(アモノサーマル法による結晶成長)
本発明の製造方法の第1成長工程および第2成長工程では、結晶成長にアモノサーマル法を用いる。
以下に本発明におけるアモノサーマル法に用いることのできる、鉱化剤、溶媒、原料について説明する。
(Crystal growth by ammonothermal method)
In the first growth step and the second growth step of the manufacturing method of the present invention, an ammonothermal method is used for crystal growth.
The mineralizer, solvent, and raw material which can be used for the ammonothermal method in the present invention are 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。
鉱化剤として、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を含む鉱化剤を用いることが好ましい。
(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 crystal raw material in a solvent containing nitrogen such as ammonia is not high, a mineralizer is used to improve the solubility.
As the mineralizer, a mineralizer containing at least one element selected from fluorine element and other halogen elements composed of chlorine, bromine and iodine is preferably used.

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、上述のようにa軸方向に発現する面を半極性面に制御する観点から、ヨウ素とフッ素を少なくとも含む組み合わせである。本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、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。
例えば、ヨウ素(I)とフッ素(F)を含む鉱化剤の場合、フッ素濃度に対するヨウ素濃度、すなわちI/Fを0.5以上にすることが好ましく、0.7以上にすることがより好ましく、1以上にすることがさらに好ましい。また、I/Fを10以下にすることが好ましく、8以下にすることがより好ましく、5以下にすることがさらに好ましい。
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 iodine. It may be a combination of three elements such as fluorine and fluorine, or a combination of four elements such as chlorine, bromine, iodine and fluorine. Preferred is a combination containing at least iodine and fluorine from the viewpoint of controlling the surface expressed in the a-axis direction to a semipolar surface as described above. The combination and concentration ratio (molar concentration ratio) of the halogen elements contained in the mineralizer used in the present invention are the type, shape and size of the nitride crystal to be grown, and the type, shape and size of the seed crystal used. It can be appropriately determined depending on the reaction apparatus, the temperature conditions and pressure conditions employed, and the like.
For example, in the case of a mineralizer containing iodine (I) and fluorine (F), the iodine concentration relative to the fluorine concentration, that is, the I / F is preferably 0.5 or more, more preferably 0.7 or more. More preferably, it is 1 or more. The I / F is preferably 10 or less, more preferably 8 or less, and even more preferably 5 or less.

一般に鉱化剤のフッ素濃度を高くすると、窒化物結晶のm軸方向の成長速度が速くなる傾向にあり、相対的にc軸方向の成長と半極性面に垂直な方向の成長が遅くなる傾向にある。この意味することは鉱化剤濃度を変化させることで面方位による成長速度の違いを制御することができる。成長結晶においては、成長速度が遅い方向に現れる結晶面の面積が大きくなる傾向なる。よって、半極性面に垂直な方向の成長(半極性面を成長面とする成長)が遅い場合には、得られる第13族窒化物結晶塊の表面に現れる半極性面が比較的大きくなる。このように、成長速度の速い面方位の出現面積が狭くなり、相対的に成長速度の遅い面方位の出現面積が広くなるようにコントロールすることができると、板状結晶の主面をより広く取ることや本発明の第13族窒化物半導体結晶に含まれる高品質領域を広くとることができるため好ましい。   Generally, when the fluorine concentration of the mineralizer is increased, the growth rate of the nitride crystal in the m-axis direction tends to increase, and the growth in the c-axis direction and the growth perpendicular to the semipolar plane tend to be relatively slow. It is in. This means that the difference in growth rate depending on the plane orientation can be controlled by changing the mineralizer concentration. In a grown crystal, the area of the crystal plane that appears in a direction in which the growth rate is slow tends to increase. Therefore, when growth in a direction perpendicular to the semipolar plane (growth with the semipolar plane as the growth plane) is slow, the semipolar plane appearing on the surface of the obtained group 13 nitride crystal block becomes relatively large. In this way, if the surface area where the growth rate is high becomes narrower and the area where the surface direction where the growth rate is relatively slow can be controlled to be wider, the main surface of the plate crystal can be made wider. It is preferable because a high quality region included in the group 13 nitride semiconductor crystal of the present invention can be widened.

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、ハロゲン化水素であり、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、ハロゲン化水素である。   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, preferred are alkali halides, alkaline earth metal halides, metal halides, ammonium halides, and hydrogen halides, and more preferred are alkali halides, ammonium halides, and halogens of Group 13 metals of the periodic table. A halide and a hydrogen halide, particularly preferably an ammonium halide, a gallium halide and a hydrogen halide.

製造工程においては、ハロゲン元素を含む鉱化剤とともに、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。ハロゲン化アンモニウムなどのハロゲン元素含有鉱化剤とアルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素を含む鉱化剤とを組み合わせて用いる場合は、ハロゲン元素含有鉱化剤の使用量を多くすることが好ましい。具体的には、ハロゲン元素含有鉱化剤100質量部に対して、アルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素を含む鉱化剤を50〜0.01質量部とすることが好ましく、20〜0.1質量部とすることがより好ましく、5〜0.2質量部とすることがさらに好ましい。アルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素を含む鉱化剤を添加することによって、c軸方向の結晶成長速度に対するm軸の結晶成長速度の比(m軸/c軸)を一段と大きくすることも可能である。 In the production process, a mineralizer containing no halogen element can be used together with a mineralizer containing a halogen element. For example, it can be used in combination with an alkali metal amide such as NaNH 2 , KNH 2, or LiNH 2. it can. When a halogen element-containing mineralizer such as ammonium halide and a mineralizer containing an alkali metal element or alkaline earth metal element are used in combination, it is preferable to increase the amount of the halogen element-containing mineralizer. Specifically, the mineralizer containing an alkali metal element or alkaline earth metal element is preferably 50 to 0.01 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the halogen element-containing mineralizer. It is more preferable to set it as 1 mass part, and it is further more preferable to set it as 5-0.2 mass part. By adding a mineralizer containing an alkali metal element or alkaline earth metal element, the ratio of the m-axis crystal growth rate to the crystal growth rate in the c-axis direction (m-axis / c-axis) can be further increased. It is.

また、鉱化剤濃度を変化させることのほかにも、ドーパントにより成長速度を変化させることが可能である。製造工程において、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。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 addition to changing the concentration of the mineralizer, the growth rate can be changed by the dopant. In the manufacturing process, the mineralizer can be used after being purified and dried 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.

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。これらの範囲で酸素濃度をコントロールすることで、酸素が高濃度になるほど半極性面に垂直な方向の成長速度が低下する、すなわち半極性面の面積が大きくなる傾向にある。一方、酸素濃度が低いほど半極性面に垂直な方向の成長速度が向上する、すなわち半極性面の面積が小さくなる傾向にある。   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, more preferably 10 ppm or less, and further preferably 1.0 ppm or less. . By controlling the oxygen concentration within these ranges, the higher the oxygen concentration, the lower the growth rate in the direction perpendicular to the semipolar plane, that is, the area of the semipolar plane tends to increase. On the other hand, the lower the oxygen concentration, the higher the growth rate in the direction perpendicular to the semipolar plane, that is, the area of the semipolar plane tends to decrease.

なお、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。   When crystal growth is performed, aluminum halide, phosphorus halide, silicon halide, germanium halide, zinc halide, arsenic halide, tin halide, antimony halide, bismuth halide, etc. are added to the reaction vessel. It may be present.

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るため制御が困難になるなどの傾向がある。   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, there is a tendency that the solubility becomes too high and the generation of spontaneous nuclei increases, or the supersaturation degree becomes too high and control becomes difficult.

(溶媒)
アモノサーマル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。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 ammonothermal 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.

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。   The amount of water and oxygen contained in the solvent 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 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. .

(原料)
製造工程においては、種結晶上に成長結晶として成長させようとしている窒化物結晶を構成する元素を含む原料を用いる。例えば、周期表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13族金属を含む原料を用いる。好ましくは13族窒化物結晶の多結晶原料及び/又は13族金属であり、より好ましくは窒化ガリウム及び/又は金属ガリウムである。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13族元素がメタルの状態(ゼロ価)である金属成分を含有してもよく、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。
(material)
In the manufacturing process, a raw material containing an element constituting a nitride crystal to be grown as a growth crystal on a seed crystal is used. For example, when a nitride crystal of a periodic table 13 group metal is to be grown, a raw material containing a periodic table 13 group metal is used. Preferred is a polycrystalline raw material of a group 13 nitride crystal and / or a group 13 metal, and more preferred is gallium nitride and / or metal gallium. The polycrystalline raw material does not need to be a complete nitride, and may contain a metal component in which the group 13 element is in a metal state (zero valence) depending on conditions. For example, when the crystal is gallium nitride Is a mixture of gallium nitride and metal gallium.

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反応容器内で、金属又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 method for producing the polycrystalline raw material is not particularly limited. For example, a nitride polycrystal produced by reacting a metal or an oxide or hydroxide thereof with ammonia in a reaction vessel 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10000ppm以下、好ましくは1000ppm以下、特に好ましくは1ppm以下である。多結晶原料への酸素の混入のしやすさは、水分との反応性又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 10,000 ppm or less, preferably 1000 ppm or less, particularly preferably 1 ppm 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.

(製造装置)
本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の具体例を図6に示す。本発明で用いる結晶製造装置は反応容器を含む。図6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6に示される結晶製造装置において、結晶成長は、オートクレーブ1(耐圧性容器)中に反応容器として装填されるカプセル(内筒)20中で行われる。カプセル20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る。結晶成長領域6には種結晶7をワイヤー4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6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、本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等は必ずしも設置されていなくてもよい。
(manufacturing device)
A specific example of a crystal manufacturing apparatus that can be used in the nitride crystal manufacturing method of the present invention is shown in FIG. The crystal production apparatus used in the present invention includes a reaction vessel. FIG. 6 is a schematic diagram of a crystal manufacturing apparatus that can be used in the present invention. In the crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 6, crystal growth is performed in a capsule (inner cylinder) 20 loaded as a reaction vessel in the autoclave 1 (pressure-resistant vessel). The capsule 20 includes a raw material filling region 9 for dissolving the raw material and a crystal growth region 6 for growing crystals. In the raw material filling area 9, a solvent and a mineralizer can be put together with the raw material 8. A seed crystal 7 can be installed in the crystal growth region 6 by suspending it with a wire 4. 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. 6, 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. Note that a valve, a mass flow meter, and the like are not necessarily installed in the crystal manufacturing apparatus used when the nitride crystal manufacturing method of the present invention is performed.

オートクレーブにより耐食性を持たせるためにライニングを使用することもできる。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。   Lining can also be used to provide corrosion resistance by autoclaving. 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 they are easily lined. For example, Pt simple substance, Pt-Ir alloy, Ag simple substance, Cu simple substance, graphite, etc. are mentioned.

(製造工程)
本発明の窒化物結晶の製造方法の一例について説明する。本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、種結晶としては、C面を主面として成長させた窒化物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 present invention will be described. In carrying out the method for producing a nitride crystal of the present 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, a nitride crystal grown with the C-plane as the main surface is cut out in a desired direction, whereby a substrate whose main surface is a nonpolar surface or a semipolar surface 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.

本発明の製造工程においては、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てもよい。ドーパント源隔離工程とは、反応容器中に存在する酸素、酸化物又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、酸化物又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 present invention, a dopant source isolation step may be further provided prior to introducing the material 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 reaction vessel or a member containing oxygen, oxide, or water vapor among 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.

反応容器中に存在する酸素、酸化物又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、酸化物又は水蒸気を除去することができる。   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、原料及び鉱化剤を充填する際に同時又は充填後に行う。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よい。
図6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、及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。
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 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.
When the production apparatus shown in FIG. 6 is used, after encapsulating the seed crystal 7, the solvent containing nitrogen, the raw material, and the mineralizer in the capsule 20, which is a reaction vessel, the capsule 20 is autoclaved (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.

その後、全体を加熱して反応容器内を超臨界状態又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。   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。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。   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、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 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, 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。本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 present 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、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6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. 6 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。
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、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。
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.
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.

本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 present 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.

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、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. As for the surface roughness of the seed crystal, for example, the root mean square roughness (Rms) measured by an atomic force microscope is preferably 1.0 nm or less, more preferably 0.5 nm, and particularly preferably 0.3 nm. .

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、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 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 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。   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.

なお、本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。   In addition, when manufacturing gallium nitride according to the method for manufacturing a nitride crystal of the present invention, JP 2009-263229 A can be preferably referred to for details of materials, manufacturing conditions, manufacturing apparatuses, and processes other than those described above. . The entire disclosure of this publication is incorporated herein by reference.

本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。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 present 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.

本発明の製造方法により得られた周期表第13族金属窒化物半導体結晶は、デバイス、即ち発光素子や電子デバイス、パワー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(SCR、GTO)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、ショットキーバリアダイオード(SBD)がある。本発明のエピタキシャルウエハは、耐圧性に優れるという特徴を有することから、上記のいずれの用途にも適している。   The group 13 metal nitride semiconductor crystal of the periodic table obtained by the production method of the present invention is suitably used for devices such as light emitting elements, electronic devices, and power 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 that combines them 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 high-frequency elements include transistors (HEMT, HBT), and examples of high voltage and high-power elements include thyristors (SCR, GTO), insulated gate bipolar transistors (IGBT), and Schottky barrier diodes (SBD). . Since the epitaxial wafer of the present invention has a feature of excellent pressure resistance, it is suitable for any of the above applications.

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.

(実施例1:第1成長工程)
本実施例では、図6に示す反応装置を用いて窒化物結晶を成長させた。
内寸が直径30mm、長さ450mmのオートクレーブ1を耐圧容器として用い、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として多結晶GaN粒子130gを秤量し、カプセル下部領域(原料溶解領域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。さらに下部の原料溶解領域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(開口率32%)を設置した。種結晶7としてM面を主面とし、主面が四角形である板状の六方晶系GaN単結晶(c軸方向15mm、a軸方向53mm)を用いた。M面を主面とする種結晶の表面はCMP仕上げされたものを用いた。これら種結晶7を白金ワイヤー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 1: First growth step)
In this example, a nitride crystal was grown using the reaction apparatus shown in FIG.
Crystal growth was carried out using an autoclave 1 having an inner dimension of 30 mm in diameter and 450 mm in length as a pressure vessel, and using a Pt-Ir capsule 20 as a reaction vessel. As the raw material 8, 130 g of polycrystalline GaN particles were weighed and placed in the capsule lower region (raw material dissolution region 9). 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 (opening ratio: 32%) was placed between the lower raw material dissolution region 9 and the upper crystal growth region 6. As the seed crystal 7, a plate-shaped hexagonal GaN single crystal (c-axis direction 15 mm, a-axis direction 53 mm) having an M-plane as a main surface and a main surface being a quadrangle was used. The surface of the seed crystal having the M plane as the main surface was subjected to CMP finish. These seed crystals 7 were hung on a platinum seed crystal support frame by a platinum wire and placed in the crystal growth region 6 above the capsule.

次にカプセル20の上部にPt−Ir製のキャップを溶接により接続したのち、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。前記真空脱気、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。   Next, after a cap made of Pt—Ir was connected to the upper part of the capsule 20 by welding, 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 the vacuum degassing and nitrogen purging, it was left to stand overnight while connected to a vacuum pump.

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、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、ガスラインを真空脱気後、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。つづ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。流量制御に基づき、NH3をカプセルの有効容積の約55%に相当する液体として充填(−33℃のNH3密度で換算)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, 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 so that the I concentration was 1.5 mol% with respect to the amount of NH 3 charged, and then the valve was closed again. Next, the capsule was removed from the HI line and connected to an NH 3 gas line. After the gas line was vacuum degassed, vacuuming was performed 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 NH 3 was filled without touching the outside air. Based on the flow rate control, NH 3 was filled as a liquid corresponding to about 55% of the effective volume of the capsule (converted to an NH 3 density of −33 ° C.), 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。流量制御に基づき、NH3をオートクレーブ1の有効容積(オートクレーブ容積−充填物容積)の約56%に相当する液体として充填(−33℃のNH3密度で換算)した後、再びバルブ10を閉じた。 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, and NH 3 was charged into the autoclave 1 without continuously touching the outside air. Based on the flow rate control, NH 3 was filled as a liquid corresponding to about 56% of the effective volume of the autoclave 1 (autoclave volume−filled volume) (converted to an NH 3 density of −33 ° C.), and then the valve 10 was closed again. It was.

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、設定温度に達した後、その温度にて14.8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 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 external temperature of the autoclave so that the average temperature inside the autoclave was 600 ° C. and the internal temperature difference was 20 ° C. After reaching the set temperature, the temperature was maintained at that temperature for 14.8 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℃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。 Thereafter, the temperature of the outer surface of the autoclave 1 was cooled to 400 ° C., the valve 10 attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. 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.

その後、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、種結晶上に窒化ガリウム結晶が成長していた。結晶は、M面とS面(10−11)、(10−1−1)、+C面がファセットを形成しており、M面は薄い黄色に着色しており、S面は茶色の着色が観察された。成長結晶塊のサイズは、c軸方向に17mm、a軸方向に55mmであった。また、M面成長した領域はc軸方向に12mm、a軸方向に53mmであった。この結晶のS面成長に対するM面成長速度は0.8であった(第1成長工程A)。得られた成長結晶塊の成長厚みに対して、下地基板から10%の位置でM面に平行にスライスし、板状GaN結晶を得た。板状GaN結晶はおおよそ四角形であり、c軸方向に16mm、a軸方向に54mmの大きさであった。 Then, the lid | cover of the autoclave was opened and the capsule 20 was taken out. When the inside of the capsule was confirmed, a gallium nitride crystal was grown on the seed crystal. In the crystal, the M plane, S plane (10-11), (10-1-1), and + C plane form facets, the M plane is colored pale yellow, and the S plane is brown. Observed. The size of the grown crystal lump was 17 mm in the c-axis direction and 55 mm in the a-axis direction. Further, the M-plane grown region was 12 mm in the c-axis direction and 53 mm in the a-axis direction. The M-plane growth rate relative to the S-plane growth of this crystal was 0.8 (first growth step A). A plate-like GaN crystal was obtained by slicing parallel to the M plane at a position of 10% from the underlying substrate with respect to the growth thickness of the obtained growth crystal mass. The plate-like GaN crystal was approximately quadrangular and was 16 mm in the c-axis direction and 54 mm in the a-axis direction.

(実施例2:第1成長工程)
実施例1と同様の手順で、第一の工程による結晶成長を行い、c軸方向に9.5mm、 a軸方向に25.5mmの種結晶から、c軸方向に12.5mm、a軸方向に29mmのGaN成長結晶塊が得られた。この時のS面に対するM面の成長速度は0.81であった(第1成長工程B)。得られた成長結晶塊の成長厚みに対して、下地基板から10%の位置でM面に平行にスライスし、板状GaN結晶を得た。板状GaN結晶はおおよそ四角形であり、c軸方向に10mm、a軸方向に26mmの大きさであった。
(Example 2: First growth step)
In the same procedure as in Example 1, crystal growth is performed in the first step. From a seed crystal of 9.5 mm in the c-axis direction and 25.5 mm in the a-axis direction, 12.5 mm in the c-axis direction and a-axis direction. A GaN growth crystal mass of 29 mm was obtained. At this time, the growth rate of the M plane relative to the S plane was 0.81 (first growth step B). A plate-like GaN crystal was obtained by slicing parallel to the M plane at a position of 10% from the underlying substrate with respect to the growth thickness of the obtained growth crystal mass. The plate-like GaN crystal was approximately quadrangular and was 10 mm in the c-axis direction and 26 mm in the a-axis direction.

(実施例3〜7:第1成長工程)
実施例1と同様の手順で、鉱化剤濃度をI:0.75F 0.375%、I:2.0% F:1.0%、I:1.5% F:0.5%として第一の工程による結晶成長を行った(第1成長工程C〜F)。得られた成長結晶塊の成長厚みに対して、下地基板からM面に平行にスライスし、おおよそ四角形の板状GaN結晶を得た。各々の板状GaN結晶のスライス位置およびサイズは表1に示すとおりであった。
(Examples 3 to 7: first growth step)
In the same procedure as in Example 1, the mineralizer concentration was set to I: 0.75F 0.375%, I: 2.0% F: 1.0%, I: 1.5% F: 0.5% Crystal growth was performed by the first step (first growth steps C to F). With respect to the growth thickness of the obtained growth crystal lump, the base substrate was sliced in parallel to the M-plane to obtain a roughly square plate-like GaN crystal. The slice position and size of each plate-like GaN crystal were as shown in Table 1.

(実施例8:第1成長工程)
実施例1と同様の手順で、第一の工程による結晶成長を行い、c軸方向に8mm、 a軸方向に26mmの種結晶から、c軸方向に13.5mm、a軸方向に32mmのGaN結晶が得られた(第1成長工程G)。得られた成長結晶塊の成長厚みに対して、下地基板から55%の位置でM面に平行にスライスし、板状GaN結晶を得た。板状GaN結晶はおおよそ四角形であり、c軸方向に13.2mm、a軸方向に26.5mmの大きさであった。
実施例1〜8の第1成長工程の結果を表1にまとめた。
(Example 8: 1st growth process)
In the same procedure as in Example 1, crystal growth is performed in the first step, and from a seed crystal of 8 mm in the c-axis direction and 26 mm in the a-axis direction, 13.5 mm in the c-axis direction and 32 mm in the a-axis direction. Crystals were obtained (first growth step G). A plate-like GaN crystal was obtained by slicing parallel to the M-plane at a position of 55% from the underlying substrate with respect to the growth thickness of the obtained growth crystal mass. The plate-like GaN crystal was approximately square and had a size of 13.2 mm in the c-axis direction and 26.5 mm in the a-axis direction.
The results of the first growth process of Examples 1 to 8 are summarized in Table 1.

Figure 0006024335
Figure 0006024335

(実施例2:第2成長工程)
第1成長工程Bで得られた結晶をM面に平行にスライスし、得られた板状GaN結晶のサイズはc軸方向に10mm、a軸方向に26mmの四角形であり、主面であるM面に含まれるS面成長領域は86.4%であった。
上記第1成長工程により得られたM面を主面とする板状GaN結晶を種結晶とし、前述第1成長工程と同様の手順にて結晶成長を行った。育成過程終了後、c軸方向に12.7mm、a軸方向に32mmで、表面にボイドやクラックなど可視的な欠陥のない結晶が得られ、第1成長工程で用いられた下地基板と比較し、M面の面積が1.56倍のGaN結晶が得られた。
実施例2の第2成長工程の結果を表2にまとめた。
(Example 2: Second growth step)
The crystal obtained in the first growth step B is sliced in parallel to the M plane, and the obtained plate-like GaN crystal has a size of 10 mm in the c-axis direction and 26 mm in the a-axis direction. The S-plane growth region included in the plane was 86.4%.
The plate-like GaN crystal having the M-plane as the main surface obtained by the first growth step was used as a seed crystal, and crystal growth was performed in the same procedure as in the first growth step. After completion of the growth process, a crystal having 12.7 mm in the c-axis direction and 32 mm in the a-axis direction and no visible defects such as voids and cracks on the surface is obtained, which is compared with the base substrate used in the first growth process. A GaN crystal having an M-plane area of 1.56 times was obtained.
The results of the second growth step of Example 2 are summarized in Table 2.

(実施例3、4:第2成長工程)
第1成長工程C、Dで得られた結晶は、M面成長領域/下地基板主面面積が1より大きいため、第1成長工程で用いた下地基板の主面の面積より大きな主面面積となる位置で、かつ、M面成長領域の占める割合が50%以上となるようにM面に平行にスライスして板状GaN結晶を作製し、これを種結晶として第1成長工程同様の手順で第2成長工程の結晶成長を行った。
結晶成長終了後、表面にボイドやクラックなど可視的な欠陥のない結晶が得られ、第1成長工程で用いられた下地基板の主面の面積と比較し、M面成長領域の大きいGaN結晶が得られた。
(Examples 3 and 4: second growth step)
Since the crystals obtained in the first growth steps C and D have an M-plane growth region / underlying substrate main surface area larger than 1, the main surface area larger than the area of the main surface of the underlying substrate used in the first growing step And a plate-like GaN crystal is prepared by slicing parallel to the M-plane so that the proportion of the M-plane growth region is 50% or more, and this is used as a seed crystal in the same procedure as the first growth step. Crystal growth in the second growth step was performed.
After the crystal growth is completed, a crystal having no visible defects such as voids and cracks is obtained on the surface. Compared with the area of the main surface of the base substrate used in the first growth process, a GaN crystal having a large M-plane growth region is obtained. Obtained.

Figure 0006024335
Figure 0006024335

実施例1〜8の結果から、結晶層の面積が大きい第13族窒化物結晶を効率良く製造できていることがわかる。   From the results of Examples 1 to 8, it can be seen that a Group 13 nitride crystal having a large crystal layer area can be produced efficiently.

本発明によれば、M面を主面とした第13族窒化物結晶であって、結晶層の面積が大きい第13族窒化物結晶を効率良く製造することができる。また、本発明によれば、M面を主面とした第13族窒化物結晶の製造効率を高めることができ、製造コストを抑制することができる。このため、本発明は第13族窒化物結晶の製造に有用であり、産業上の利用可能性が高い。   According to the present invention, a Group 13 nitride crystal having a M-plane as a main surface and a large crystal layer area can be efficiently produced. Further, according to the present invention, the production efficiency of the group 13 nitride crystal having the M plane as the main surface can be increased, and the production cost can be suppressed. For this reason, this invention is useful for manufacture of a group 13 nitride crystal, and its industrial applicability is high.

1 オートクレーブ(耐圧性容器)
4 ワイヤー
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(内筒)
40 下地基板(種結晶)
41 下地基板のM面
51 成長結晶塊のM面
61 成長結晶塊のS面:{10−1−1}面
71 成長結晶塊のS面:{10−11}面
81 成長結晶塊のC面:{0001}面
53〜54 第13族窒化物結晶塊の側面に含まれるM面
63〜64 第13族窒化物結晶塊の側面に含まれ、−c軸側にある結晶塊の主面に接しないS(10−1−1)面
71〜72 第13族窒化物結晶塊の側面に含まれ、第13族窒化物結晶塊の主面に接するS(10−11)面
73〜76 第13族窒化物結晶塊の側面に含まれ、+c軸側にある第13族窒化物結晶塊の主面に接しないS(10−11)面
100 周期表第13族金属窒化物半導体結晶塊
A スライス線
1 Autoclave (pressure-resistant container)
4 Wire 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 (inner cylinder)
40 Underlying substrate (seed crystal)
41 M-plane of base substrate 51 M-plane of growing crystal lump 61 S-plane of growing crystal lump: {10-1-1} plane 71 S-plane of growing crystal lump: {10-11} plane 81 C-plane of growing crystal lump : {0001} face 53-54 M face included in side face of group 13 nitride crystal lump 63-64 Included in side face of group 13 nitride crystal lump, on main face of crystal lump on −c axis side S (10-1-1) plane that does not contact 71-72 S (10-11) plane that is included in the side surface of the Group 13 nitride crystal block and contacts the main surface of the Group 13 nitride crystal block 73-76 S (10-11) plane included in side surface of group 13 nitride crystal lump and not in contact with main surface of group 13 nitride crystal lump on the + c-axis side 100 Periodic table group 13 metal nitride semiconductor crystal lump A Slice line

Claims (8)

周期表第13族金属窒化物半導体からなり、M面を主面とする下地基板上に、少なくともM面、{10−11}面および{10−1−1}面を成長面として、フッ素およびヨウ素を含む鉱化剤を用いたアモノサーマル法によって第1の周期表第13族金属窒化物結晶層を成長させる第1成長工程を含むことを特徴とする、周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法。 On a base substrate made of a group 13 metal nitride semiconductor of the periodic table and having an M plane as a main surface, fluorine and at least the M plane, {10-11} plane and {10-1-1} plane as growth planes A periodic table group 13 metal nitride characterized by including a first growth step of growing a first periodic table group 13 metal nitride crystal layer by an ammonothermal method using a mineralizer containing iodine. Manufacturing method of semiconductor crystal. 前記下地基板がGaN結晶からなり、かつ、前記第1の周期表第13族金属窒化物結晶層がGaN層である、請求項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1 , wherein the base substrate is made of a GaN crystal, and the first periodic table Group 13 metal nitride crystal layer is a GaN layer. 更に、前記第1成長工程で成長させた前記第1の周期表第13族金属窒化物結晶層から、前記下地基板の主面よりも大面積のM面を主面とする板状結晶を得る板状結晶作製工程を含む、請求項またはに記載の製造方法。 Further, a plate-like crystal having a major surface with an M-plane larger than the major surface of the base substrate is obtained from the first periodic table Group 13 metal nitride crystal layer grown in the first growth step. The manufacturing method of Claim 1 or 2 including a plate-shaped crystal production process. 前記板状結晶は、m軸方向に成長した周期表第13族金属窒化物結晶からなるM面成長領域を含み、
前記板状結晶の主面において、前記M面成長領域が占める面積の割合が50%以上である、請求項に記載の製造方法。
The plate-like crystal includes an M-plane growth region made of a periodic table group 13 metal nitride crystal grown in the m-axis direction,
The manufacturing method according to claim 3 , wherein a ratio of an area occupied by the M-plane growth region in the main surface of the plate crystal is 50% or more.
前記板状結晶の主面にあらわれる前記M面成長領域の面積が、前記下地基板の主面の面積よりも大きい、請求項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 4 , wherein an area of the M-plane growth region that appears on the main surface of the plate crystal is larger than an area of the main surface of the base substrate. 更に、前記板状結晶作製工程で得た前記板状結晶上に、少なくともM面および半極性面を成長面として、アモノサーマル法によって第2の周期表第13族金属窒化物結晶層を成長させる第2成長工程をさらに含む、請求項のいずれか1項に記載の製造方法。 Further, a second periodic table group 13 metal nitride crystal layer is grown on the plate crystal obtained in the plate crystal production step by an ammonothermal method using at least the M plane and the semipolar plane as growth planes. The manufacturing method according to any one of claims 3 to 5 , further comprising a second growth step. 前記第2成長工程においては、少なくともM面、{10−11}面および{10−1−1}を成長面として、フッ素およびヨウ素を含む鉱化剤を用いたアモノサーマル法によって、前記第2の周期表第13族金属窒化物結晶層を成長させる、請求項に記載の製造方法。 In the second growth step, the first growth step is performed by an ammonothermal method using a mineralizer containing fluorine and iodine with at least the M plane, the {10-11} plane, and the {10-1-1} plane as the growth plane. The manufacturing method according to claim 6 , wherein two periodic table group 13 metal nitride crystal layers are grown. 前記板状結晶がGaN結晶であり、前記第2の周期表第13族金属窒化物結晶層がGaN層である、請求項またはに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 6 or 7 , wherein the plate-like crystal is a GaN crystal, and the second periodic table group 13 metal nitride crystal layer is a GaN layer.
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JP4229624B2 (en) * 2002-03-19 2009-02-25 三菱化学株式会社 Method for producing nitride single crystal
US9279193B2 (en) * 2002-12-27 2016-03-08 Momentive Performance Materials Inc. Method of making a gallium nitride crystalline composition having a low dislocation density
JP4551203B2 (en) * 2004-12-08 2010-09-22 株式会社リコー Group III nitride crystal manufacturing method
JP5066639B2 (en) * 2006-10-16 2012-11-07 三菱化学株式会社 Nitride semiconductor manufacturing method, nitride single crystal, wafer and device
KR101810613B1 (en) * 2008-05-28 2017-12-20 더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 Hexagonal wurtzite single crystal
WO2011044554A1 (en) * 2009-10-09 2011-04-14 Soraa, Inc. Method for synthesis of high quality large area bulk gallium based crystals
WO2010005914A1 (en) * 2008-07-07 2010-01-14 Soraa, Inc. High quality large area bulk non-polar or semipolar gallium based substrates and methods
JP5112983B2 (en) * 2008-08-06 2013-01-09 豊田合成株式会社 Group III nitride semiconductor manufacturing method and seed crystal for group III nitride semiconductor growth
JP5709122B2 (en) * 2009-02-20 2015-04-30 三菱化学株式会社 Ammonothermal method and nitride crystals

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