DE112010002432B4

DE112010002432B4 - Verfahren und System zum Züchten eines Einkristalls eines Gruppe-III Metallnitrids und Reaktionscontainer zur Verwendung dabei

Info

Publication number: DE112010002432B4
Application number: DE112010002432.4T
Authority: DE
Inventors: Yusuke Mori; Makoto Iwai; Shuhei Higashihara; Yasuo Kitaoka; Naoya Miyoshi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: CN102803583A; WO2010143748A1; US20120137961A1; CN102803583B; DE112010002432T5; JPWO2010143748A1; JP5701754B2; US8568532B2

Abstract

Verfahren zum Züchten eines Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, wobei das Verfahren umfasst: Einfüllen von Rohmaterialien eines Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, und eines Flussmittels in einen Tiegel; Beinhalten des Tiegels in einem Reaktionscontainer; Beinhalten des Reaktionscontainers in einem Außencontainer; Beinhalten des Außencontainers in einem Druckcontainer; und Erzeugen einer Schmelze in dem Tiegel, während ein atmosphärisches Gas, das Stickstoff enthält, in den Außencontainer zugeführt wird, um den Nitrideinkristall eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, zu züchten; wobei der Reaktionscontainer einen Hauptkörper, der den Tiegel enthält, und einen Deckel, der auf dem Hauptkörper angebracht ist, umfasst; wobei der Hauptkörper eine Bodenwand und eine Seitenwand umfasst, die eine Fittingfläche und zumindest eine Kerbenöffnung an der Fittingfläche umfasst; und wobei der Deckel ein oberes Plattenteil, das eine die Fittingfläche kontaktierende Kontaktfläche umfasst, und ein Flanschteil, das sich von dem oberen Plattenteil erstreckt und eine äußere Seite der Seitenwand umgibt, umfasst.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zum Züchten eines Einkristalls eines Nitrids eines Metalls, das zur Gruppe III des Periodensystems gehört, und einen dazu verwendeten Reaktionscontainer.
Technischer Hintergrund
Galliumnitrid-basiertes III-V Nitrid, welches Aufmerksamkeit erzielt als ein exzellentes blaues Licht emittierendes Element, gelangt in die praktische Anwendung in dem Gebiet lichtemittierender Dioden und wird auch als eine Lichtaufnehmende blau-violett Halbleiterlasereinrichtung in Aussicht gestellt.
Gemäß JP 2003-313099 A wird ein Heizer in einem Druckcontainer bereitgestellt, ein separater Reaktionscontainer wird innerhalb des Druckcontainers bereitgestellt und ein Tiegel wird innerhalb des Reaktionscontainers bereitgestellt, so dass ein Nitrideinkristall mittels eines Flussmittelverfahrens gezüchtet wird.
Gemäß WO 2007/108338 A1 wird beim Züchten von GaN-Einkristall, unter Verwendung von Na-Flussmittel, das Flussmittel und das Rohmaterial in einem Tiegel geschmolzen, um GaN-Einkristall zu züchten, während außerhalb des Tiegels ein Material bereitgestellt wird, das Sauerstoff absorbiert, wie etwa Kohlenstoff. Sauerstoff, der von einem Heizer oder dergleichen in einem Druckcontainer erzeugt wird, wird dabei absorbiert, um das Lösen des Sauerstoffs in der Schmelze zu verhindern.
Gemäß der Offenbarung der WO 2006/098458 A1 wird ein Deckel in einem Tiegel zum Beinhalten von Na und Ga bereitgestellt, und ein Durchgangsloch ist in dem Deckel gebildet und mit einem Material versiegelt, das bei einer Temperatur für das Züchten erweicht. Na- und Ga-Materialien in dem Tiegel werden nicht oxidiert, wenn die Materialien eingewogen werden und der Tiegel bewegt wird, und das Material, das das Durchgangsloch des Deckels versiegelt, erweicht und das Durchgangsloch wird während des Züchtens geöffnet. Stickstoff in der Atmosphäre kann dadurch in das Innere des Containers zugeführt werden.
Gemäß der Offenbarung von WO 2007/108498 A1 wird ein Heizcontainer in einem Druckcontainer bereitgestellt und ein Heizer ist an der Innenwand des Heizcontainers bereitgestellt. Ein innerer Reaktionscontainer wird dann in dem Heizcontainer bereitgestellt und ein Tiegel wird in dem inneren Reaktionscontainer bereitgestellt, so dass ein Nitrideinkristall eines Metalls, das zur Gruppe III des Periodensystems gehört, in dem Tiegel gezüchtet wird. Eine Fittingfläche ist zwischen einem Deckel und einem Hauptkörper des Heizcontainers gebildet und geneigt, um eine Leckage von heißer Atmosphäre innerhalb des Heizcontainers entlang der Fittingfläche zwischen dem Deckel und dem Containerhauptkörper zu verhindern. Es ist daher möglich, den Temperaturgradienten in dem Innencontainer selbst unter der Hochdruck- und Temperaturbedingung, die zum Züchten des Nitrideinkristalls benötigt wird, zu reduzieren.
Auch US 2009/0000542 A1 , US 2009/0013924 A1 und JP 2007-254206 A stellen relevanten Stand der Technik bereit.
Offenbarung der Erfindung
Allerdings, wenn ein Nitrideinkristall eines Metalls, das zur Gruppe III des Periodensystems gehört, tatsächlich produziert wird, wurde herausgefunden, dass der Einkristall gefärbt sein kann, selbst wenn die Oxidation von Na oder dergleichen während des Einwiegens und des Bewegens der Materialien verhindert wird. Als ein Ergebnis extensiver Studien der Ursache stellte es sich heraus, dass der Einkristall durch den Einschluss einer Spurenmenge von Sauerstoff und einer Verunreinigung in den Tiegel von der Atmosphäre während des Züchtens gefärbt werden kann. Für den Fall, dass ein Material zum Absorbieren von Sauerstoff, wie etwa Kohlenstoff oder Stahlwolle, außerhalb des Tiegels bereitgestellt wird, werden Verunreinigungen von dem Sauerstoff-absorbierenden Material erzeugt, so dass es schwierig ist, die Färbung durch den Einschluss von Verunreinigungen während dem Züchten zu verhindern.
Andererseits kann es in Betracht gezogen werden, die Abschottung des Tiegels zu verbessern, um den Einschluss von Verunreinigungen während dem Züchten zu verhindern. Allerdings verringert sich in diesem Fall die Menge des zugeführten Stickstoffs zu der Oberfläche der Schmelze, so dass sich die Züchtungsrate des Nitrideinkristalls beträchtlich verringert und sich der Reaktionscontainer durch den Druck deformiert. Seine Massenproduktion kann daher unmöglich werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Färbung eines Einkristalls durch Spurenmengen von Sauerstoff und Verunreinigungen und die Deformierung eines Reaktionscontainers während des Züchtens des Einkristalls mittels eines Flussmittelverfahrens zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Züchten eines Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, bereit, wobei das Verfahren umfasst:
Einfüllen von Rohmaterialien eines Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, und eines Flussmittels in einen Tiegel;
Beinhalten des Tiegels in einem Reaktionscontainer;
Beinhalten des Reaktionscontainers in einem Außencontainer;
Beinhalten des Außencontainers in einem Druckcontainer; und
Erzeugen einer Schmelze in dem Tiegel, während ein atmosphärisches Gas, das Stickstoff enthält, in den Außencontainer zugeführt wird, um den Nitrideinkristall eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, zu züchten. Der Reaktionskörper umfasst einen Hauptkörper, der den Tiegel enthält, und einen Deckel, der auf dem Hauptkörper angebracht ist, der Hauptkörper umfasst eine Bodenwand und eine Seitenwand, die eine Fittingfläche und zumindest eine Kerbenöffnung an der Fittingfläche umfasst, und der Deckel umfasst ein oberes Plattenteil, das eine die Fittingfläche kontaktierende Kontaktfläche umfasst, und ein Flanschteil, das sich von dem oberen Plattenteil erstreckt und eine äußere Seite der Seitenwand umgibt.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein System zum Züchten eines Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, bereit, wobei das System umfasst:
einen Reaktionscontainer zum Enthalten eines Tiegels, wobei der Tiegel mit Rohmaterialien eines Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, und einem Flussmittel befüllbar ist;
einen Außencontainer zum Enthalten des Reaktionscontainers;
einen Druckcontainer zum Enthalten des Außencontainers; und
ein System zum Zuführen eines atmosphärischen Gases, das Stickstoff enthält, in den Außencontainer;
wobei der Reaktionscontainer einen Hauptkörper, der den Tiegel enthält, und einen Deckel, der auf dem Hauptkörper angebracht ist, umfasst;
wobei der Hauptkörper eine Bodenwand und eine Seitenwand umfasst, die eine Fittingfläche und zumindest eine Kerbenöffnung an der Fittingfläche umfasst; und
wobei der Deckel ein oberes Plattenteil, das eine die Fittingfläche kontaktierende Kontaktfläche umfasst, und ein Flanschteil, das sich von dem oberen Plattenteil erstreckt und eine äußere Seite der Seitenwand umgibt, umfasst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Fittingfläche in dem Hauptkörper des Reaktionscontainers bereitgestellt und mit einer Kontaktfläche des Deckels kontaktiert, um die Atmosphäre im Wesentlichen abzuschirmen. Die Kerbenöffnung zu der Fittingfläche des Hauptkörpers ist so bereitgestellt, dass eine angemessene Menge von atmosphärischem Gas, das Stickstoff enthält (hiernach auch als Stickstoff-enthaltende Atmosphäre bezeichnet), in die Schmelze in dem Tiegel zugeführt werden kann. Es ist dadurch möglich, die Deformation des Reaktionscontainers durch den Druck und die Färbung des Einkristalls durch Sauerstoff zu verhindern. Ferner wird gemäß dem Verfahren der Sauerstoff in der Atmosphäre nicht durch ein Sauerstoff-absorbierendes Material absorbiert, um die Färbung des Einkristalls durch eine Spurenmenge an von dem Sauerstoff-absorbiernden Material erzeugten Verunreinigungen zu verhindern.
Ferner ist die Atmosphäre in dem Reaktionscontainer im Wesentlichen abgeschirmt, so dass die Temperatureinheitlichkeit effektiv verbessert werden kann. Durch die Verbesserung der Temperatureinheitlichkeit ist es möglich, einen Hitzeschock auf den Tiegel durch den Temperaturwechsel während dem Ansteigen und Fallen der Temperatur zu reduzieren, um die Fraktur des Tiegels zu verhindern. Ferner kann die Atmosphäre in dem Reaktionscontainer im Wesentlichen abgeschirmt werden, so dass es möglich ist, die Evaporation von Flussmittel zu reduzieren.
Ferner ist es, gemäß einer Ausführungsform des Bereitstellens eines Außencontainers, außerhalb des Reaktionscontainers, der fähig ist zum Halten der Stickstoff-enthaltenden Atmosphäre und zum Verhindern der Invasion von Sauerstoff und Wasseranteil, möglich, Einflüsse wie etwa Oxidation der Rohmaterialien durch Sauerstoff oder Wassergehalt, die von einem feuerfesten Material wie etwa einer Heizeinheit erzeugt werden, oder durch das Aussetzen zu Luft, während dem Einfüllen in einen Ofen, effektiv zu verhindern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Deckel 2 und einen Hauptkörper 3 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Draufsicht des Hauptkörpers 3.
3 ist eine Querschnittsansicht, die einen Reaktionscontainer 1 zeigt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Deckel 12 und einen Hauptkörper 13 eines Außencontainers zeigt.
5(a) ist eine Frontansicht, die ein Bandierungsband, das zum Bandagieren des Deckels und des Hauptkörpers des Außencontainers verwendet wird, und 5(b) ist eine Seitenansicht, die das Bandierungsband 8 zeigt.
6 ist eine Querschnittsansicht, die einen Reaktionscontainer 1, einen Außencontainer 11 und ein Bandierungsband 8 zeigt.
7 ist eine Querschnittsansicht, die 6 aus Sicht entlang eines Pfeils VII zeigt.
8 ist eine Draufsicht von 6.
9 ist eine Ansicht, die schematisch ein Züchtungssystem 22 zeigt.
10 ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Bereitstellens eines Tiegels in dem Reaktionscontainer und das Züchten eines Einkristalls zeigt.
Beste Ausführungsformen der Erfindung
1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Deckel 2 und einen Hauptkörper 3 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt, 2 ist eine Draufsicht des Hauptkörpers 3, und 3 ist eine Querschnittsansicht, die einen Reaktionscontainer 1 zeigt.
Der Reaktionscontainer 1 wird zum Enthalten eines Tiegels in seinem Innenraum 4 und zum Züchten eines Einkristalls eines Nitrids eines Gruppe III Metalls verwendet. Der Deckel 2 beinhaltet ein oberes Plattenteil 2a und ein Flanschteil 2b, das von einer Kante des oberen Plattenteils 2a hervorsteht. 2d stellt eine Kontaktfläche dar und 2c stellt eine Innenwandfläche des Flanschteils 2b dar.
Der Hauptkörper 3 beinhaltet eine Bodenwand 3a und eine Seitenwand 3b, und ein Raum 4 ist innerhalb der Seitenwand 3b gebildet. Die Seitenwand weist eine obere Fläche auf, die als eine Fittingfläche 3d fungiert. Wie in 2 gezeigt, ist eine Kerbe 3c von der Fittingfläche 3d zu der Bodenwand gebildet. Wie in 3 gezeigt, ist der Hauptkörper 3 mit dem Deckel 2 bedeckt, so dass die Fittingfläche 3d mit der Kontaktfläche 2d kontaktiert ist und die Seitenwand 3d durch das Flanschteil 2b umgeben ist.
Ferner kann gemäß der vorliegenden Erfindung die gleiche Konstruktion wie des Reaktionscontainers auf einen Außencontainer zum Enthalten des Reaktionscontainers angewandt werden. 4 bezieht sich auf solch eine Ausführungsform.
Der Außencontainer wird verwendet zum Enthalten des Reaktionscontainers in seinem Innenraum 14 und zum Züchten des Einkristalls vom Nitrid eines Metalls, das zur Gruppe III des Periodensystems gehört. Sein Deckel 12 beinhaltet ein oberes Plattenteil 12a und ein Flanschteil 12b, das von der Kante des oberen Plattenteils 12a hervorsteht. 12d stellt eine Kontaktfläche dar und 12c stellt eine Innenwandfläche des Flanschteils 12b dar. Das obere Plattenteil 12a des Deckels 12 ist mit einem Zuführrohr 6 und einem Ausstoßrohr 7 für eine Stickstoff-enthaltende Atmosphäre ausgestattet.
Ein Hauptkörper 13 beinhaltet eine Bodenwand 13a und eine Seitenwand 13b, und ein Raum 14 ist innerhalb der Seitenwand 13b gebildet. Die Seitenwand 13b weist eine obere Fläche auf, die eine Fittingfläche 13d bereitstellt. Eine Kerbe 13c ist von der Fittingfläche 13d zu der Bodenwand gebildet. Wie in 6 gezeigt, ist der Deckel 12 auf den Hauptkörper 13 gefittet, sodass die Fittingfläche 13b mit der Kontaktfläche 12d kontaktiert ist und die Seitenwand 13 ist durch das Flanschteil 12b umgeben, um einen Außencontainer 11 bereitzustellen.
5(a) ist eine Frontansicht, die ein Bandierungsband 8 zeigt, das zum Bandagieren des Deckels und des Hauptkörpers des Außencontainers verwendet wird, und 5(b) ist eine Seitenansicht des Bandierungsbands 8. Das Bandierungsband 8 ist aus einem langgestreckten Band gebildet und ein Paar von Überständen ist an beiden Enden des Bandes gebildet. Die gegenüberliegenden Überstände sind mittels eines Verbindungselements 9 verbunden.
6 ist eine Querschnittsansicht, die den Reaktionscontainer, den Außencontainer und das Bandierungsband zeigt, 7 ist eine Querschnittsansicht, die diese in der Richtung eines Pfeils VII zeigt, und 8 ist eine Draufsicht von 6. Für die Einfachheit der Ansicht sind der Tiegel und die Schmelze nicht gezeigt.
Bei der Herstellung ist ein vorherbestimmtes Rohmaterial in einem Tiegel in einer Glovebox enthalten und der Tiegel ist in einem Raum 4 eines Reaktionscontainers 1 enthalten. Dann, wie in 6, 7 und 8 gezeigt, ist der Reaktionscontainer 1 in einem Hauptkörper 13 eines Außencontainers 11 enthalten und der Hauptkörper 13 ist mit einem Deckel 12 bedeckt. Dann wird der Deckel mit dem Bandierungsband 8 mit dem Hauptkörper des Außencontainers bandagiert und mit einem Verbindungselement 9 verbunden.
Während des Züchtens sind der Reaktionscontainer, der Außencontainer und das Bandagierungswerkzeug in einem Druckcontainer enthalten, der mit einem Druck- und Heizmechanismus ausgestattet ist. Zum Beispiel ist in einem in 9 gezeigten Beispiel ein Gehäuse 24 in einem Druckcontainer 23 eines HIP-System (heiß-isostatisches Presssystem) 22 fixiert und der Außencontainer 11 ist innerhalb des Gehäuses 24 platziert. Eine Gasbombe zum Mischen, die nicht gezeigt ist, ist außerhalb des Druckcontainers 23 bereitgestellt. Eine Gasmischung einer vorherbestimmten Zusammensetzung wird in die Gasbombe gefüllt, mittels eines Kompressors zu einem vorherbestimmten Druck komprimiert und durch das Zuführrohr 6 in den Container zugeführt. Ein Heizer 25 ist um den Außencontainer 11 bereitgestellt, sodass die Züchtungstemperatur in dem Tiegel gesteuert werden kann.
Während des Züchtens ist, wie in 10 gezeigt, ein Tiegel 18 in dem Reaktionscontainer 1 bereitgestellt, eine Schmelze 19 wird in dem Tiegel 18 erzeugt, und ein Impfkristall 20 wird in die Schmelze 19 eingetaucht. Ein Deckel 16 wird auf dem Tiegel 18 bereitgestellt. Eine Stickstoff-enthaltende Atmosphäre wird durch das Gaszuführrohr 6 in das Innere des Außencontainers 11 zugeführt. Stickstoff in dieser Atmosphäre stellt eine Stickstoffquelle bereit und ein Inertgas, wie etwa Argongas, fungiert, um die Evaporation des Flussmittels, wie etwa Natrium, zu verhindern. Der Druck wird mittels eines Druckmessgeräts, das nicht gezeigt ist, beobachtet.
Wie in 2 und 3 gezeigt, passiert die Stickstoff-enthaltende Atmosphäre, die in den Innencontainer zugeführt wird, durch einen Abstand 5 zwischen einem Flanschteil 2b des Reaktionscontainers 1 und dem Hauptkörper 3 und durch eine Kerbe 3c und wird dann in die Atmosphäre 17 in dem Tiegel zugeführt. Während der Passage wird eine Menge der zugeführten Atmosphäre bei einer geeigneten Menge bei sowohl dem Abstand 5 als auch der Kerbe 3c gesteuert, sodass die Deformation des Reaktionscontainers, das Färben des Einkristalls und die Reduktion der Produktivität gleichzeitig verhindert werden können.
Übrigens kann für den Fall, dass das Flanschteil zum Bilden des Abstands nicht bereitgestellt ist, das Färben des Einkristalls nicht verhindert werden, selbst wenn die Kerbe 3c bereitgestellt ist. Ferner stellte sich für den Fall, dass die Kerbe bereitgestellt ist, heraus, dass das Färben des Einkristalls nicht verhindert werden kann, wenn die Kerbe nicht an der Fittingfläche 3d der Seitenwand des Hauptkörpers geöffnet ist und innerhalb der Seitenwand bereitgestellt ist. Das heißt, der Abstand 5 ist durch das Flanschteil so gebildet, dass die Stickstoff-enthaltende Atmosphäre in dem Abstand 5 aufwärts strömt und dann von der Kerbe, die an der oberen Kante des Hauptkörpers 3 bereitgestellt ist, abwärts strömt. Es hat sich herausgestellt, dass solch eine spezifische feine Bewegung wichtig ist, um das Färben des Einkristalls zu verhindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erstreckt sich, wie in 2 gezeigt, die Kerbe zwischen den äußeren und inneren Seitenflächen der Seitenwand. Hier, obwohl die Anzahl der Kerbe Eins sein kann, können es bevorzugt mehrere sein, so dass es einfacher ist, Stickstoff zu der gesamten Schmelze einheitlich zuzuführen. Obwohl die Obergrenze für die Anzahl der Kerbe nicht besonders beschränkt ist, ist sie bevorzugt 4 oder weniger.
Die Tiefe „h“ der Kerbe kann bevorzugt 0,1 mm bis 2 mm sein und stärker bevorzugt 0,3 mm bis 1,0 mm vom Standpunkt der Effekte der vorliegenden Erfindung. Ferner kann vom Standpunkt der Effekte der vorliegenden Erfindung die Breite „w“ der Kerbe bevorzugt 0,1 mm bis 2 mm und stärker bevorzugt 0,3 mm bis 1,0 mm sein.
Ferner kann, vorausgesetzt, dass „s“ eine Fläche eines Querschnitts der Kerbe zugewiesen ist, vom Standpunkt der Effekte der vorliegenden Erfindung die Anzahl der Kerbe(n) × s (Gesamtfläche der Kerbe(n)) bevorzugt 0,2 bis 50 mm² und stärker bevorzugt 1 bis 10 mm² sein.
Die Abmessungen „d“ der Abstände 5 und 15 zwischen dem Flanschteil und der Seitenwand (Verweis zu 3 und 6) kann bevorzugt 0,5 mm oder größer sein, um die Zufuhr von Stickstoff zu erleichtern. Ferner kann sie vom Standpunkt des Verhinderns des Färbens durch Sauerstoff in der Schmelze 2,0 mm oder weniger sein.
Die Längen „t“ der Abstände 5, 15 zwischen dem Flanschteil und der Seitenwand (Verweis auf 3) kann vom Standpunkt des Erleichterns der Zufuhr von Stickstoff bevorzugt 50 mm oder weniger sein. Ferner kann sie vom Standpunkt des Verhinderns der Färbung durch Sauerstoff in der Schmelze bevorzugt 20 mm oder größer sein.
Ein zusätzlicher Zwischencontainer kann zwischen den oben beschriebenen Reaktions- und Außencontainern bereitgestellt sein, um Dreifachcontainer bereitzustellen. Die Konstruktion des Zwischencontainers kann die Gleiche sein wie die des oben beschriebenen Reaktionscontainers, solange der Zwischencontainer Abmessungen aufweist, die geeignet sind zum Enthalten des Reaktionscontainers. Ferner ist der Deckel oder das Flanschteil, wie oben beschrieben, in dem Außencontainer nicht unabdingbar.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Reaktions- und Außencontainer gegen den Hauptkörper anzutreiben. Die Antreibvorrichtung ist nicht besonders beschränkt und kann eine Feder, wie etwa eine Metallspiralfeder, und ein Federblatt sein. Andernfalls kann eine Antreibvorrichtung, wie etwa ein Schnappschloss oder ein Gewicht, verwendet werden.
Obwohl die Ofenmaterialien für den Heizmechanismus nicht besonders beschränkt sind, können sie Aluminiumoxid-hochfeuerfestziegelsteine (ISOLITE), (ISO-COR) (gemäß Handelsnamen), Grafitfeuerfestmaterial (GRAFSGIELD (Handelsname)) oder Hohlkugel-elektroverschmolzenes Aluminiumoxid (Aluminiumblasen) sein.
Obwohl die Materialien für das Heizelement nicht besonders beschränkt sind, können Tantal, SiC, SiC-beschichteter Graphit, Nichrom und Kanthal Super (Handelsname) aufgelistet werden.
Das Material für den Tiegel zum Durchführen der Reaktion ist nicht besonders beschränkt und der Tiegel kann durch ein luftdichtes Material gebildet sein, das unter einer beabsichtigten Heiz- und Druckbedingung Haltbarkeit aufweist. Beispiele für solch ein Material beinhalten Hochschmelzpunktmetalle wie etwa metallisches Tantal, Wolfram und Molybdän, Oxide wie etwa Aluminiumoxid, Saphir, und Yttriumoxid, Nitridkeramiken wie etwa Aluminiumnitrid, Titannitrid, Zirkonnitrid und Bornitrid, Carbide von Hochschmelzpunktmetallen wie etwa Woframcarbid und Tantalcarbid und thermische Zersetzungsprodukte wie etwa p-BN (pyrolytisches Bn) und p-Gr (pyrolytischer Graphit).
Obwohl die Materialien für den Reaktionscontainer und die Zwischen- und Außencontainer nicht besonders beschränkt sind, ist Edelstahl bevorzugt und SUS310S besonders bevorzugt. Obwohl die Materialien für das Bandierungsband nicht besonders beschränkt sind, ist SUS310S bevorzugt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Züchten des Einkristalls in einer Stickstoff-enthaltenden Atmosphäre durchgeführt. Die stickstoffhaltige Atmosphäre kann nur aus Stickstoff zusammengesetzt sein, kann aber ein nichtoxidierendes Gas, das sich von Stickstoff unterscheidet, beinhalten, z.B. ein Inertgas wie etwa Argon oder ein reduzierendes Gas.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erhitzen der Rohmaterialmischung, um die Schmelze in der Einkristallzüchtungseinrichtung herzustellen, nicht besonders beschränkt. Obwohl eine heiß-isostatisches-Pressen-Einrichtung als solch eine Vorrichtung bevorzugt ist, können auch andere Heizöfen vom Atmosphärendrucktyp verwendet werden.
Das Flussmittel zum Herstellen der Schmelze ist nicht besonders beschränkt, aber es setzt sich bevorzugt zusammen aus einem oder mehreren Metallen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetallen und Erdalkalimetallen oder den Legierungen davon. Als solche Metalle sind Natrium, Lithium und Kalzium besonders bevorzugt und Natrium ist am stärksten bevorzugt.
Als Materialien, die sich von dem Flussmittel und dem Einkristallrohmaterial unterscheiden, die zu der Rohmaterialmischung hinzuzugeben sind, können die folgenden Metalle aufgezählt werden.
Kalium, Rubidium, Cäsium, Magnesium, Strontium, Barium, Zinn.
Als ein Dotierstoff kann eine geringe Menge eines Verunreinigungselements zugegeben werden. Zum Beispiel kann Silizium als n-Typ Dotierstoff zugegeben werden.
Durch das Züchtungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können zum Beispiel die vorliegenden Einkristalle geeignet gezüchtet werden: GaN, AlN, InN, gemischte Kristalle davon (AlGaInN) und BN.
Die Heiztemperatur und der Druck in dem Einkristallzüchtungsverfahren sind nicht besonders beschränkt, da sie abhängig von der Art des zu züchtenden Einkristalls ausgewählt werden. Die Heiztemperatur kann zum Beispiel auf 800 bis 1500°C eingestellt werden. Auch der Druck ist nicht besonders beschränkt, aber er ist bevorzugt auf 1 MPa oder mehr, stärker bevorzugt auf 5 MPa oder mehr eingestellt. Die Obergrenze des Drucks ist nicht besonders reguliert, aber sie kann zum Beispiel auf 200 MPa oder weniger eingestellt sein.
Ferner werden nun konkrete Einkristalle und Züchtungsverfahren davon beschrieben.
(Züchtungsbeispiel von Galliumnitrideinkristall)
Die vorliegende Erfindung kann zum Züchten von Galliumnitrideinkristall unter Verwendung eines Flussmittels, das zumindest Natriummetall enthält, verwendet werden. Ein Galliumrohmaterial wird zu dem Flussmittel gemischt. Als das Galliumrohmaterial sind Galliumeinzelmetall, eine Galliumlegierung und eine Galliumverbindung anwendbar und Galliumeinzelmetall wird in geeigneter Weise unter dem Gesichtspunkt der Handhabbarkeit verwendet.
Das Flussmittel kann ein Metall enthalten, das sich von Natrium unterscheidet, z.B. Lithium. Obwohl das Galliumrohmaterial und das Flussmittelrohmaterial, wie etwa Natrium, in einem geeigneten Verhältnis verwendet werden können, ist in der Regel eine überschüssige Verwendung von Na in Betracht zu ziehen. Dies ist selbstverständlich nicht beschränkend.
In dieser Ausführungsform wird das Züchten eines Galliumnitrideinkristalls unter einer Atmosphäre ausgeführt, die aus einem gemischten Gas besteht, das Stickstoffgas bei einem Gesamtdruck enthält, der von 300 atm bis 2000 atm reicht. Durch Einstellen des Gesamtdrucks auf 300 atm oder mehr konnte ein Galliumnitrideinkristall von guter Qualität gezüchtet werden, z.B. in einem Hochtemperaturbereich von 900°C oder höher, stärker bevorzugt in einem Hochtemperaturbereich von 950°C oder höher. Der Grund ist nicht exakt bekannt, aber das ist zuschreibbar, dass die Stickstofflöslichkeit gemäß eines Temperaturanstiegs erhöht ist und Stickstoff effizient in der Züchtungslösung gelöst wird. Wenn der Gesamtdruck der Atmosphäre auf mehr als 2000 atm eingestellt ist, wird die Dichte des Hochdruckgases signifikant nahe zu der der Züchtungslösung, so dass es schwierig wird, die Züchtungslösung innerhalb des Containers zu halten, um die Reaktion der Züchtungslösung auszuführen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stickstoffpartialdruck in der Atmosphäre während der Züchtung auf 100 atm oder mehr und 2000 atm oder weniger eingestellt. Durch das Einstellen des Stickstoffpartialdrucks auf 100 atm oder mehr konnte Galliumnitrideinkristall von guter Qualität in einem Hochtemperaturbereich von z.B. 1000°C oder höher gezüchtet werden, während die Löslichkeit von Stickstoff zu dem Flussmittel begünstigt wird. Von diesem Gesichtspunkt ist der Stickstoffpartialdruck stärker bevorzugt auf 200 atm oder mehr eingestellt. Der Stickstoffpartialdruck ist aus praktischer Hinsicht auch bevorzugt auf 1000 atm oder weniger eingestellt.
Obwohl ein anderes Gas als Stickstoff in der Atmosphäre nicht besonders beschränkt ist, ist ein Inertgas bevorzugt, und Argon, Helium oder Neon sind besonders bevorzugt. Der Partialdruck des Gases, das sich von Stickstoff unterscheidet, entspricht einem Wert, der erhalten ist durch Abziehen des Stickstoffgaspartialdrucks von dem Gesamtdruck.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Züchtungstemperatur des Galliumnitrideinkristalls auf 950°C oder höher, stärker bevorzugt auf 1000°C oder höher, eingestellt und selbst in solch einem Hochtemperaturbereich kann Galliumnitrideinkristall von guter Qualität gezüchtet werden. Die Züchtung bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck kann wohl die Produktivität erhöhen.
Obwohl die Obergrenze der Züchtungstemperatur des Galliumnitrideinkristalls nicht besonders beschränkt ist, macht eine exzessiv hohe Züchtungstemperatur das Kristallzüchten schwierig. Daher ist die Züchtungstemperatur bevorzugt auf 1500°C oder niedriger eingestellt. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Temperatur stärker bevorzugt auf 1200°C oder niedriger eingestellt. Als das Material des Züchtungssubstrats für epitaxiales Züchten des Galliumnitridkristalls können Saphir, AlN-Templat, GaN-Templat, selbststehendes GaN-Substrat, Siliziumeinkristall, SiC-Einkristall, MgO-Einkristall, Spinell (MgAl₂O₄) und Perovskitkompositoxid, wie etwa LiAlO₂, LiGaO₂, LaAlO₃, LaGaO₃ oder NdGaO₃, angegeben werden, obwohl es nicht besonders darauf beschränkt ist. Ein kubisches Perovskitkompositoxid, das durch die Zusammensetzungsformel [A_1-y(Sr_1-xBa_x)_y][(Al_1-zGa_z)_1-u·Du]O₃ (wobei A ein Seltenerdeelement ist; D ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Niob und Tantal ist; y = 0,3 bis 0,98; x = 0 bis 1; z = 0 bis 1; u = 0,15 bis 0,49; und x + z = 0,1 bis 2) dargestellt ist, ist auch verwendbar. Ferner ist auch SCAM (ScAlMgO₄) verwendbar.
(Züchtungsbeispiel eines AlN-Einkristalls)
Es konnte bestätigt werden, dass die vorliegende Erfindung effektiv ist zum Züchten eines AlN-Einkristalls durch Unterdrucksetzen einer Schmelze, die ein Flussmittel enthält, die zumindest Aluminium und Erdalkalimetall enthält, in einer spezifischen Bedingung unter einer Stickstoffgas-enthaltenden Atmosphäre.
Beispiele
(Beispiel 1)
In einer Glovebox, die bei einem Taupunkt von –90°C oder niedriger und einem Sauerstoffgehalt von 0,5 ppm oder weniger gehalten wurde, wurden 45 g metallisches Natrium, 30 g metallisches Gallium, 0,1 g Kohlenstoff und ein GaN Templat mit einem Durchmesser von 2 Inch in einen Aluminiumoxidtiegel 18 mit einem Innendurchmesser von 6 cm eingefüllt. Das GaN Templat war zusammengesetzt aus einem Saphirsubstrat und einem Dünnfilm von GaN Einkristall und einer Dicke von 10 μm, gezüchtet durch einen Gasphasenprozess. Drei Proben wurden hergestellt, jede mit dem GaN Templat, das in dem Aluminiumoxidtiegel enthalten ist und in dem Reaktionscontainer 1 (Innendurchmesser von 160 mm), hergestellt aus Edelstahl, wie in den 1 bis 3 gezeigt, positioniert ist. Zwei Schlitze 3c waren in dem Reaktionscontainer gebildet. Der Schlitz 3c hatte eine Tiefe "h" von 0,5 mm und eine Breite "w" von 1,0 mm und eine Gesamtfläche "2S" der Schlitze war 1,0 mm². Die Breite "d" des Abstands 5 war 1,0 mm.
Der Reaktionscontainer 1 war in dem Außencontainer 11 enthalten und durch ein aus Edelstahl hergestelltes Bandierungsband fixiert, so dass der Deckel sich nicht öffnete. Zwei Schlitze 13c waren in dem Außencontainer 11 gebildet. Der Schlitz 13c hatte eine Höhe "h" von 0,5 mm und eine Breite "w" von 1,0 mm und die Gesamtflächen der Schlitze "2S" war 1,0 mm². Die Breite "d" des Abstands 15 war 1,0 mm.
Der Außencontainer 11 wurde aus der Glovebox herausgezogen und dann innerhalb des Druckcontainers eines Züchtungssystems platziert. Dann wurde das Innere des Druckcontainers der Luft ausgesetzt (für ungefähr 6 Minuten), bevor der Druckcontainer mit einem Deckel verschlossen wurde und Vakuumsaugen gestartet wurde. Außerdem war der Außencontainer mit Zuführ- und Ausstoßrohren ausgestattet, von denen jedes mit einem Sperrventil ausgestattet war. Das Sperrventil wurde verwendet, so dass "geschlossen" in der Glovebox zugeordnet war und "offen" zugewiesen war, direkt bevor der Deckel des Druckcontainers geschlossen wurde. Das Vakuumsaugen wurde für ungefähr 30 Minuten (bei einem Vakuumgrad von ungefähr 0,1 Pa) fortgeführt. Danach wurde Stickstoffgas zu einem Züchtungsdruck (ungefähr 4 MPa) zugeführt. Nach dem Unterdrucksetzen wurde die Temperatur über ungefähr 2 Stunden zu der Züchtungstemperatur angehoben. Nachdem die Temperatur bei der Züchtungstemperatur gelassen wurde, wurde Stickstoffgas in den Außencontainer mit einer Strömungsrate von 200 sccm eingeströmt, bis die Züchtung vollendet war.
Nachdem die Züchtungstemperatur für 120 Stunden beibehalten wurde, wurde sie über 5 Stunden auf 200 °C gekühlt. Der Druck in dem Ofen wurde graduell auf 0,2 MPa über ungefähr 2 Stunden bei 200 °C verringert und es wurde dann auf Raumtemperatur gekühlt. Der Druck wurde bei 200 °C verringert, um die Fraktur zu verhindern, welche dadurch verursacht werden könnte, dass der Deckel des Außencontainers mit vaporisiertem metallischen Natrium versiegelt war, um das Austreten des Innendrucks zu verhindern. Es wird angenommen, dass die Fraktur des Containers bei einer Temperatur verhindert werden sollte, die höher als 98 °C ist, dem Schmelzpunkt von metallischem Natrium. Allerdings wurde das innere Gas bei 200 °C ausgestoßen, so dass das Gas mit Sicherheit durch die Schlitze des Außencontainers ausströmen konnte, um die Drücke in den Außen- und Reaktionscontainern zu dem in dem Ofen anzugleichen. Nachdem der Druck in dem Ofen auf Atmosphärendruck verringert war, wurde der Deckel des Druckcontainers geöffnet und der Außencontainer wurde herausgezogen und in die Glovebox transferiert. Der Tiegel in dem Reaktionscontainer wurde herausgezogen, um zu beobachten, dass die Schmelze einen metallischen Glanz zeigt.
Es konnte daher bestätigt werden, dass die Oxidation des Rohmaterials verhindert werden konnte. Ferner wurden in dem Tiegel keine Risse beobachtet. Das Gesamtgewicht wurde gemessen, bevor der Tiegel aus dem Reaktionscontainer herausgezogen wurde, um zu nachzuweisen, dass das Gewicht durch eine Menge des Nitrierens der Rohmaterialien erhöht war. Die Menge des evaporierten Flussmittels wurde berechnet aus einer Differenz der Gewichtszunahme und dem Gewicht des gezüchteten Kristalls, um nachzuweisen, dass die Menge des evaporierten Flussmittels gering war, d.h. weniger als 0,5 Gewichtsprozent. Andererseits wurde die Evaporation des Flussmittels durch den Abstand des Tiegeldeckels und des Tiegels und das Anhaften von Flüssigkeitstropfen innerhalb des Reaktionscontainers beobachtet. Die Flüssigkeitstropfen wurden gesammelt und das Gewicht wurde gemessen, um nachzuweisen, dass die Menge des verdampften Flussmittels ungefähr 1 Gewichtsprozent des eingewogenen Gewichts war.
Das Flussmittel wurde entfernt und der gezüchtete GaN Einkristall wurde gesammelt, um nachzuweisen, dass er auf ungefähr 2 mm gezüchtet war und eine hexagonale Gestalt mit einem Durchmesser von ein wenig mehr als 5 cm hatte. Es wurde nachgewiesen, dass die Halbwertsbreiten einer Röntgendiffraktionsrockingkurve des Kristalls bei (0002) und (10–12) Reflektionen ungefähr 50 Sekunden bzw. 60 Sekunden waren. Die Transmission des polierten Kristalls wurde in sichtbaren bis ultravioletten Banden gemessen, um nachzuweisen, dass die Absorption zu dem Ende des Bands (364 nm) im Wesentlichen nicht beobachtet wurde. Der Kristall war farblos und transparent. Die Mengen an Verunreinigungen wurden durch SIMS-Analyse gemessen, um nachzuweisen, dass der Sauerstoffgehalt 5·10¹⁶Atome/cm³ war.
(Beispiel 2)
Ein zusätzlicher Zwischencontainer kann zwischen den oben beschriebenen Reaktions- und Außencontainern bereitgestellt sein, um Dreifachcontainer bereitzustellen. Der Tiegel, der GaN Einkristall und die Flussmittelmaterialien wurden in den innersten Reaktionscontainer eingefüllt. GaN Einkristall wurde gemäß dem gleichen Prozedere wie dem Beispiel 1 gezüchtet, mit der Ausnahme der obigen Modifikationen. Nach dem Züchten wurde der Container in die Glovebox transferiert und bei Raumtemperatur gehalten. Der Tiegel wurde dann herausgezogen, um nachzuweisen, dass die Oberfläche der Materialien in dem Tiegel ihren metallischen Glanz beibehalten hat. Es wurde ferner nachgewiesen, dass die Oxidation des Rohmaterials verhindert werden konnte. Ferner wurden in dem Tiegel keine Risse beobachtet.
Das Flussmittel wurde entfernt und der gezüchtete GaN Einkristall wurde gesammelt, um nachzuweisen, dass er auf ungefähr 2 mm gezüchtet war und eine hexagonale Gestalt mit einem Durchmesser von ein wenig mehr als 5 cm hatte. Der Kristall war farblos und transparent. Es wurde nachgewiesen, dass die Halbwertsbreiten einer Röntgendiffraktionsrockingkurve des Kristalls bei (0002) und (10–12) Reflektionen ungefähr 50 Sekunden bzw. 60 Sekunden waren. Die Transmission des polierten Kristalls wurde in sichtbaren bis ultravioletten Banden gemessen und es wurde nachgewiesen, dass sie 75 bis 80 Prozent war. Unter Berücksichtigung des Fresnel-Reflektionsverlustes wurde eine Absorption zu dem Ende des Bands (364 nm) im Wesentlichen nicht beobachtet. Die Mengen an Verunreinigungen wurden durch SIMS Analyse gemessen, um nachzuweisen, dass der Sauerstoffgehalt 5·10¹⁶ Atome/cm³ war. Gemäß den obigen Ergebnissen wurde nachgewiesen, dass sich die Qualität und die Verunreinigungsanteile für den Fall, dass der Zwischencontainer zwischen den Reaktions- und Außencontainern bereitgestellt war, um den Dreifachcontainer bereitzustellen, nicht verändert.
(Beispiel 3)
Ein GaN Einkristall wurde gemäß dem gleichen Prozedere wie dem Beispiel 1 gezüchtet. Allerdings waren die Schlitze 13c in dem Außencontainer nicht gebildet. Nach dem Züchten wurde der Container in die Glovebox transferiert und der Tiegel herausgezogen, um nachzuweisen, dass der Tiegel seinen metallischen Glanz beibehalten hat.
Das Flussmittel wurde entfernt und der gezüchtete GaN Einkristall wurde gesammelt, um nachzuweisen, dass er auf ungefähr 2 mm gezüchtet war und eine hexagonale Gestalt mit einem Durchmesser von ein wenig mehr als 5 cm hatte. Es wurde nachgewiesen, dass die Halbwertsbreiten einer Röntgendiffraktionsrockingkurve des Kristalls bei (0002) und (10–12) Reflektionen ungefähr 50 Sekunden bzw. 60 Sekunden waren. Die Transmission des polierten Kristalls wurde in sichtbaren bis ultravioletten Banden gemessen und es wurde nachgewiesen, dass eine Absorption in der Bandenbreite (bis 364 nm) im Wesentlichen nicht beobachtet wurde. Der Kristall war farblos und transparent. Die Mengen an Verunreinigungen wurden durch SIMS Analyse gemessen, um nachzuweisen, dass der Sauerstoffgehalt 5·10¹⁶ Atome/cm³ war.
(Vergleichsbeispiel 1)
Das Experiment wurde gemäß dem gleichen Prozedere wie dem Beispiel 1 durchgeführt, mit der Ausnahme, dass der Tiegel in dem Außencontainer ohne die Verwendung des oben beschriebenen Reaktionscontainers enthalten war. Als ein Ergebnis wurde der Tiegel aus der Glovebox herausgezogen um nachzuweisen, dass seine Oberfläche oxidiert war und sich zum Trüben geändert hat. Eine Vielzahl von unerwünschtem Kristall mit einer Größe von mehreren Millimeter wurde durch natürliche Nukleation an der Innenwandoberfläche des Tiegels gebildet. Es wurde daher nachgewiesen, dass die Temperaturverteilung nicht einheitlich war und die Atmosphäre während des Züchtens mit Sauerstoff oder Wassergehalt kontaminiert war.
Das Flussmittel wurde entfernt und der gezüchtete GaN-Einkristall wurde gesammelt, um nachzuweisen, dass er auf ungefähr 1 mm gezüchtet war und eine hexagonale Gestalt mit einem Durchmesser von ein wenig mehr als 5 cm hatte. Es wurde nachgewiesen, dass die Halbwertsbreiten einer Röntgendiffraktionsrockingkurve des Kristalls bei (0002) und (10–12) Reflektionen ungefähr 150 Sekunden bzw. 200 Sekunden waren. Und jede Reflektion entsprach mehreren Peaks anstelle eines einzelnen Peaks. Die Transmission des polierten Kristalls wurde in sichtbaren bis ultravioletten Banden gemessen und es wurde nachgewiesen, dass die Transmission 50 % oder weniger in der Bandbreite (364 nm) war. Der Kristall war transparent und sah schwarz aus, wie eine Art von Sonnenbrillenglas. Die Mengen an Verunreinigungen wurden durch SIMS Analyse gemessen, um nachzuweisen, dass der Sauerstoffgehalt 5 × 10¹⁸ Atome/cm³ war, was nachgewiesenermaßen höher ist als im dem Beispiel 1. Ferner wurde metallisches Natrium detektiert.
Ferner wurden häufig Risse in den Tiegeln beobachtet.
(Vergleichsbeispiel 2)
Ein GaN-Einkristall wurde gemäß dem gleichen Prozedere wie dem Beispiel 1 gezüchtet, mit der Ausnahme, dass die Schlitze in den Reaktions- und Außencontainern nicht gebildet waren. Der Außencontainer wurde aus dem Züchtungsofen herausgezogen, um zu beobachten, dass der Containerhauptkörper nach innen verbogen war. Ferner waren sowohl der Deckel als auch der Hauptkörper des Reaktionscontainers beträchtlich verbogen, so dass der Deckel nicht geöffnet werden konnte. Der Tiegel in dem Reaktionscontainer war zu Pulver gebrochen.
(Vergleichsbeispiel 3)
Ein GaN-Einkristall wurde gemäß dem gleichen Prozedere wie dem Beispiel 1 gezüchtet, mit der Ausnahme, dass die Schlitze der Reaktions- und Außencontainer nicht zu den Fittingflächen des Hauptkörpers geöffnet waren, so dass Rundlöcher von Ф 1 unter den Fittingflächen bei einem Abstand von 20 mm gebildet waren. Nach der Vervollständigung der Züchtung wurde der Container in die Glovebox transferiert und der Tiegel herausgezogen, um nachzuweisen, dass der Tiegel seinen metallischen Glanz beibehalten hat.
Das Flussmittel wurde entfernt und der gezüchtete GaN-Einkristall wurde gesammelt, um nachzuweisen, dass er auf ungefähr 1,5 mm gewachsen war. Der Kristall beinhaltet einen schwarzen Bereich von 0,3 mm Dicke, der zuerst gezüchtet war, und einen nachfolgend gezüchteten Bereich, welcher farblos und transparent war. Der transparente Bereich des Kristalls wurde poliert und seine Transmission wurde in sichtbaren bis ultravioletten Banden gemessen, um nachzuweisen, dass die Transmission 75 bis 80 % in der Bandenbreite (364 nm) war. Unter Berücksichtigung des Fresnel-Reflektionsverlusts wurde eine Absorption nur schwer beobachtet. Die Mengen an Verunreinigungen wurden durch SIMS Analyse gemessen, um nachzuweisen, dass der Sauerstoffgehalt 2 × 10¹⁷ Atome/cm³ war. Der schwarze Bereich wurde einer EPMA Analyse unterzogen, um mehrere hundert ppm an Sauerstoff und Natrium zu detektieren. Die Halbwertsbreiten einer Röntgendiffraktionsrockingkurve des polierten Kristalls des transparenten Bereichs bei (0002) und (10–12) Reflektionen wurden gemessen und es wurde nachgewiesen, dass sie ungefähr 120 Sekunden bzw. 150 Sekunden waren. Die Halbwertsbreiten einer Röntgendiffraktionsrockingkurve des polierten Kristalls des schwarzen Bereichs bei (0002) und (10–12) Reflektionen wurden gemessen und es wurde nachgewiesen, dass sie ungefähr 300 Sekunden bzw. 500 Sekunden waren.
(Vergleichsbeispiel 4)
Ein GaN-Einkristall wurde gemäß dem gleichen Prozedere wie dem Beispiel 1 gezüchtet, mit der Ausnahme, dass das Flanschteil in dem Deckel des Werkzeugcontainers nicht bereitgestellt wurde. Nach der Vervollständigung der Züchtung wurde der Container in die Glovebox transferiert und der Tiegel herausgezogen, um nachzuweisen, dass der Tiegel seinen thermischen Glanz beibehalten hat.
Das Flussmittel wurde entfernt und der gezüchtete GaN-Einkristall wurde gesammelt, um nachzuweisen, dass er auf ungefähr 1,5 mm gewachsen war. Der Kristall beinhaltet einen schwarzen Bereich von 0,3 mm Dicke, der zunächst gezüchtet war, und einen nachfolgend gezüchteten Bereich, welcher farblos und transparent war. Der transparente Bereich des Kristalls wurde poliert und seine Transmission wurde in sichtbaren bis Ultravioletten Banden gemessen, um nachzuweisen, dass die Transmission 75 bis 80 % in der Bandenbreite (364 nm) war. Unter Berücksichtigung des Fresnel-Reflektionsverlustes wurden mehrere Prozent an Absorption beobachtet. Ferner wurden in dem Kristall überall Bereiche (Einschlüsse) beobachtet, die das Flussmittel beinhalten. Es wurde nachgewiesen, dass die Halbwertsbreiten einer Röntgendiffraktionsrockingkurve des Kristalls bei (0002) und (10–12) Reflektionen ungefähr 150 Sekunden bzw. 200 Sekunden waren. Und jede Reflektion entsprach mehreren Peaks anstelle eines einzelnen Peaks. Die Mengen an Verunreinigungen des transparenten Bereichs wurde durch SIMS Analyse gemessen, um nachzuweisen, dass der Sauerstoffgehalt 2 × 10¹⁷ Atome/cm³ war. Der schwarze Bereich wurde einer EPMA Analyse unterworfen, um mehrere 100 ppm an Sauerstoff und Natrium zu detektieren. Die Halbwertsbreiten einer Röntgendiffraktionsrockingkurve des polierten Kristalls des transparenten Bereichs bei (0002) und (10–12) Reflektionen wurden gemessen und es wurde nachgewiesen, dass sie ungefähr 120 Sekunden bzw. 150 Sekunden waren. Die Halbwertsbreiten einer Röntgendiffraktionsrockingkurve des polierten Kristalls des schwarzen Bereichs bei (0002) und (10–12) Reflektionen wurden gemessen und es wurde nachgewiesen, dass sie ungefähr 300 Sekunden bzw. 500 Sekunden waren.
Während spezifisch bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese spezifischen Ausführungsformen beschränkt und kann mit verschiedenen Modifikationen und Substitutionen ausgeführt werden, ohne von dem Geist und dem Ziel der Ansprüche der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
(Beschreibung der Bezugszeichen)

1: Reaktionscontainer, 2, 12: Deckel, 2a, 12a: oberes Plattenteil, 2b, 12b: Flanschteil, 2c, 12c: Innenwandoberfläche des Flanschteils, 2d, 12d: Kontaktfläche des oberen Plattenteils, 3, 13: Hauptkörper, 3a, 13a: Bodenwand, 3b, 13b: Seitenwand, 3c, 13c: Aussparung, 3d, 13d: Fittingfläche, 4, 14: Raum, 5: Abstand, 8: Bandierungsband, 11: Außencontainer, 18: Tiegel, 19: Schmelze, 20: Einkristallsubstrat, 21: Nitrideinkristall, h: Tiefe der Aussparung, w: Breite der Aussparung, s: Fläche der Aussparung, t: Länge des Abstands 5

Claims

Verfahren zum Züchten eines Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, wobei das Verfahren umfasst: Einfüllen von Rohmaterialien eines Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, und eines Flussmittels in einen Tiegel; Beinhalten des Tiegels in einem Reaktionscontainer; Beinhalten des Reaktionscontainers in einem Außencontainer; Beinhalten des Außencontainers in einem Druckcontainer; und Erzeugen einer Schmelze in dem Tiegel, während ein atmosphärisches Gas, das Stickstoff enthält, in den Außencontainer zugeführt wird, um den Nitrideinkristall eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, zu züchten; wobei der Reaktionscontainer einen Hauptkörper, der den Tiegel enthält, und einen Deckel, der auf dem Hauptkörper angebracht ist, umfasst; wobei der Hauptkörper eine Bodenwand und eine Seitenwand umfasst, die eine Fittingfläche und zumindest eine Kerbenöffnung an der Fittingfläche umfasst; und wobei der Deckel ein oberes Plattenteil, das eine die Fittingfläche kontaktierende Kontaktfläche umfasst, und ein Flanschteil, das sich von dem oberen Plattenteil erstreckt und eine äußere Seite der Seitenwand umgibt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl der Kerben in der Seitenwand gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Seitenwand und das Flanschteil mit 0,5 bis 2,0 mm beabstandet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Außencontainer einen Hauptkörper, der den Reaktionscontainer enthält, und einen Deckel, der auf dem Hauptkörper angebracht ist, umfasst; wobei der Hauptkörper eine Bodenwand und eine Seitenwand umfasst, die eine Fittingfläche und zumindest eine Kerbenöffnung an der Fittingfläche umfasst; und wobei der Deckel ein oberes Plattenteil, das eine die Fittingfläche kontaktierende Kontaktfläche umfasst, und ein Flanschteil, das sich von dem oberen Plattenteil erstreckt und eine äußere Seite der Seitenwand umgibt, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Deckel und der Hauptkörper des Außencontainers beim Züchten des Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, mit einem Bandierungsband bandagiert sind.
Reaktionscontainer, der zum Züchten eines Nitrideinkristalls eines Metalls, dass zur Gruppe III gehört, durch Einfüllen von Rohmaterialien eines Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, und eines Flussmittels in einen Tiegel verwendet wird; Beinhalten des Tiegels in einem Reaktionscontainer; Beinhalten des Reaktionscontainers in einem Außencontainer; Beinhalten des Außencontainers in einem Druckcontainer; und Erzeugen einer Schmelze in dem Tiegel, während ein atmosphärisches Gas, das Stickstoff enthält, in den Außencontainer zugeführt wird, um den Nitrideinkristall eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, zu züchten; wobei der Reaktionscontainer einen Hauptkörper, der den Tiegel enthält, und einen Deckel, der auf dem Hauptkörper angebracht ist, umfasst; wobei der Hauptkörper eine Bodenwand und eine Seitenwand umfasst, die eine Fittingfläche und zumindest eine Kerbenöffnung an der Fittingfläche umfasst; und wobei der Deckel ein oberes Plattenteil, das eine die Fittingfläche kontaktierende Kontaktfläche umfasst, und ein Flanschteil, das sich von dem oberen Plattenteil erstreckt und eine äußere Seite der Seitenwand umgibt, umfasst.
Reaktionscontainer nach Anspruch 6, wobei eine Mehrzahl der Kerben in der Seitenwand gebildet ist.
Reaktionscontainer nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Seitenwand und das Flanschteil mit 0,5 bis 2,0 mm beabstandet sind.
System zum Züchten eines Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, wobei das System umfasst: einen Reaktionscontainer zum Enthalten eines Tiegels, wobei der Tiegel mit Rohmaterialien eines Nitrideinkristalls eines Metalls, das zur Gruppe III gehört, und einem Flussmittel befüllbar ist; einen Außencontainer zum Enthalten des Reaktionscontainers; einen Druckcontainer zum Enthalten des Außencontainers; und ein System zum Zuführen eines atmosphärischen Gases, das Stickstoff enthält, in den Außencontainer; wobei der Reaktionscontainer einen Hauptkörper, der den Tiegel enthält, und einen Deckel, der auf dem Hauptkörper angebracht ist, umfasst; wobei der Hauptkörper eine Bodenwand und eine Seitenwand umfasst, die eine Fittingfläche und zumindest eine Kerbenöffnung an der Fittingfläche umfasst; und wobei der Deckel ein oberes Plattenteil, das eine die Fittingfläche kontaktierende Kontaktfläche umfasst, und ein Flanschteil, das sich von dem oberen Plattenteil erstreckt und eine äußere Seite der Seitenwand umgibt, umfasst.
System nach Anspruch 9, wobei eine Mehrzahl der Kerben in der Seitenwand gebildet ist.
System nach Anspruch 9, wobei die Seitenwand und das Flanschteil mit 0,5 bis 2,0 mm beabstandet sind.
System nach Anspruch 9, wobei der Außencontainer einen Hauptkörper, der den Reaktionscontainer enthält, und einen Deckel, der auf dem Hauptkörper angebracht ist, umfasst; wobei der Hauptkörper eine Bodenwand und eine Seitenwand umfasst, die eine Fittingfläche und zumindest eine Kerbenöffnung an der Fittingfläche umfasst; und wobei der Deckel ein oberes Plattenteil, das eine die Fittingfläche kontaktierende Kontaktfläche umfasst, und ein Flanschteil, das sich von dem oberen Plattenteil erstreckt und eine äußere Seite der Seitenwand umgibt, umfasst.
System nach Anspruch 9, wobei der Deckel und der Hauptkörper des Außencontainers mit einem Bandierungsband bandagiert sind.