JP2003012400A - Apparatus and process for growing group iii nitride compound crystal and group iii nitride compound crystal and its semiconductor device - Google Patents

Apparatus and process for growing group iii nitride compound crystal and group iii nitride compound crystal and its semiconductor device

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JP2003012400A
JP2003012400A JP2001195954A JP2001195954A JP2003012400A JP 2003012400 A JP2003012400 A JP 2003012400A JP 2001195954 A JP2001195954 A JP 2001195954A JP 2001195954 A JP2001195954 A JP 2001195954A JP 2003012400 A JP2003012400 A JP 2003012400A
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group iii
reaction vessel
iii nitride
nitride crystal
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久典 山根
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To grow a high quality group III nitride compound crystal of a desired size by continuously and stably feeding a group III material to the reaction vessel. SOLUTION: A pump (feed pump) 108 is arranged between a first feed pipe 107 and a second feed pipe 109 in order to feed a group III raw material stored in a vessel 110 continuously and stably to a reaction vessel 101 via the feed pipes 107 and 109. The type of the pump 108 is such that the rotational motion of a motor is converted into a translatory motion of a rod, and the translating rod pushes a liquid group III raw material (a substance at least including a group III metal), for example liquid Ga metal, into the reaction vessel from the outside.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光ディスク用青紫
色光源,紫外光源(LDやLED),電子写真用青紫色
光源,III族窒化物電子デバイス,LED照明機器など
に利用可能なIII族窒化物結晶成長装置およびIII族窒化
物結晶成長方法およびIII族窒化物結晶および半導体デ
バイスに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a blue-violet light source for optical disks, an ultraviolet light source (LD or LED), a blue-violet light source for electrophotography, a group III nitride electronic device, a group III nitride which can be used for LED lighting equipment and the like. The present invention relates to a device crystal growth apparatus, a group III nitride crystal growth method, a group III nitride crystal, and a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、紫〜青〜緑色光源として用いられ
ているInGaAlN系(III族窒化物)デバイスは、
その殆どがサファイア基板あるいはSiC基板上に、M
O−CVD法(有機金属化学気相成長法)やMBE法
(分子線結晶成長法)等を用いた結晶成長により作製さ
れている。サファイアやSiCを基板として用いる場合
には、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大
きいことに起因する結晶欠陥が多くなる。このために、
デバイス特性が悪く、例えば発光デバイスの寿命を長く
することが困難であったり、動作電力が大きくなったり
するという問題がある。
2. Description of the Related Art InGaAlN (group III nitride) devices currently used as light sources of purple to blue to green are
Most of them are M on a sapphire substrate or SiC substrate.
It is produced by crystal growth using an O-CVD method (metal organic chemical vapor deposition method), MBE method (molecular beam crystal growth method), or the like. When sapphire or SiC is used as the substrate, there are many crystal defects due to a large difference in thermal expansion coefficient or lattice constant with the group III nitride. For this,
There are problems that the device characteristics are poor, for example, it is difficult to extend the life of the light emitting device, and the operating power is increased.

【0003】更に、サファイア基板の場合には絶縁性で
あるために、従来の発光デバイスのように基板側からの
電極取り出しが不可能であり、結晶成長したIII族窒化
物半導体表面側からの電極取り出しが必要となる。その
結果、デバイス面積が大きくなり、高コストにつながる
という問題がある。また、サファイア基板上に作製した
III族窒化物半導体デバイスは、劈開によるチップ分離
が困難であり、レーザダイオード(LD)で必要とされ
る共振器端面を劈開で得ることが容易ではない。このた
め、現在はドライエッチングによる共振器端面形成や、
あるいはサファイア基板を100μm以下の厚さまで研
磨した後に、劈開に近い形での共振器端面形成を行って
いるが、この場合にも、従来のLDのような共振器端面
とチップ分離を単一工程で容易に行うことが不可能であ
り、工程の複雑化ひいてはコスト高につながる。
Further, since the sapphire substrate is insulative, it is impossible to take out the electrode from the substrate side as in the conventional light emitting device, and the electrode from the crystal-grown group III nitride semiconductor surface side is not possible. It needs to be taken out. As a result, there is a problem that the device area becomes large, leading to high cost. Also, it was fabricated on a sapphire substrate.
In the group III nitride semiconductor device, chip separation by cleavage is difficult, and it is not easy to obtain the cavity end face required for a laser diode (LD) by cleavage. For this reason, currently, cavity end face formation by dry etching,
Alternatively, after the sapphire substrate is polished to a thickness of 100 μm or less, the resonator end face is formed in a shape close to the cleavage, but in this case also, the resonator end face and the chip separation as in the conventional LD are separated by a single step. Therefore, it is impossible to easily carry out the process, and the process becomes complicated and the cost becomes high.

【0004】これらの問題を解決するために、サファイ
ア基板上にIII族窒化物半導体膜を選択横方向成長やそ
の他の工夫を行うことで、結晶欠陥を低減させることが
提案されている。
In order to solve these problems, it has been proposed to reduce the crystal defects by selectively laterally growing a group III nitride semiconductor film on a sapphire substrate or by taking other measures.

【0005】例えば文献「Japanese Journal of Applie
d Physics Vol.36(1997) Part 2, No.12A, L1568-157
1」(以下、第1の従来技術という)には、図4に示す
ようなレーザダイオード(LD)が示されている。図4
のレーザダイオードは、MO−VPE(有機金属気相成
長)装置にてサファイア基板1上にGaN低温バッファ
層2とGaN層3を順次成長した後に、選択成長用のS
iO2マスク4を形成する。このSiO2マスク4は、別
のCVD(化学気相堆積)装置にて、SiO2膜を堆積
した後に、フォトリソグラフィ,エッチング工程を経て
形成される。次に、このSiO2マスク4上に再度、M
O−VPE装置にて20μmの厚さのGaN膜3’を成
長することで、横方向にGaNが選択成長し、選択横方
向成長を行わない場合に比較して結晶欠陥を低減させて
いる。更に、その上層に形成されている変調ドープ歪み
超格子層(MD−SLS)5を導入することで、活性層
6へ結晶欠陥が延びることを防いでいる。この結果、選
択横方向成長及び変調ドープ歪み超格子層を用いない場
合に比較して、デバイス寿命を長くすることが可能とな
る。
For example, the document “Japanese Journal of Applie
d Physics Vol.36 (1997) Part 2, No.12A, L1568-157
1 "(hereinafter referred to as the first conventional art) shows a laser diode (LD) as shown in FIG. Figure 4
In the laser diode of, the GaN low temperature buffer layer 2 and the GaN layer 3 are sequentially grown on the sapphire substrate 1 by an MO-VPE (metal organic chemical vapor deposition) apparatus, and then S for selective growth is used.
The iO 2 mask 4 is formed. The SiO 2 mask 4 is formed through a photolithography and etching process after depositing a SiO 2 film by another CVD (chemical vapor deposition) device. Then, again on the SiO 2 mask 4, M
By growing the GaN film 3 ′ having a thickness of 20 μm by the O-VPE apparatus, GaN is selectively grown in the lateral direction, and crystal defects are reduced as compared with the case where the selective lateral growth is not performed. Furthermore, by introducing a modulation-doped strained superlattice layer (MD-SLS) 5 formed thereabove, crystal defects are prevented from extending to the active layer 6. As a result, it becomes possible to prolong the device lifetime as compared with the case where the selective lateral growth and the modulation-doped strained superlattice layer are not used.

【0006】この第1の従来技術の場合には、サファイ
ア基板上にGaN膜を選択横方向成長しない場合に比べ
て、結晶欠陥を低減させることが可能となるが、サファ
イア基板を用いることによる、絶縁性と劈開に関する前
述の問題は依然として残っている。更には、SiO2
スク形成工程を挟んで、MO−VPE装置による結晶成
長が2回必要となり、工程が複雑化するという問題が新
たに生じる。
In the case of the first conventional technique, it is possible to reduce the crystal defects as compared with the case where the GaN film is not selectively laterally grown on the sapphire substrate. However, by using the sapphire substrate, The aforementioned problems with insulation and cleavage still remain. Furthermore, the crystal growth by the MO-VPE apparatus is required twice between the SiO 2 mask forming steps, which causes a new problem that the steps become complicated.

【0007】また、別の方法として、例えば文献「Appl
ied Physics Letters, Vol.73, No.6, p.832-834(199
8)」(以下、第2の従来技術という)には、GaN厚膜
基板を応用することが提案されている。この第2の従来
技術では、前述の第1の従来技術での20μmの選択横
方向成長後に、H−VPE(ハイドライド気相成長)装
置にて200μmのGaN厚膜を成長し、その後に、こ
の厚膜成長したGaN膜を150μmの厚さになるよう
に、サファイア基板側から研磨することにより、GaN
基板を作製する。このGaN基板上に、MO−VPE装
置を用いて、LDデバイスとして必要な結晶成長を順次
行ない、LDデバイスを作製することで、結晶欠陥を低
減させることが可能になるとともに、サファイア基板を
用いることによる絶縁性と劈開に関する前述の問題点を
解決することが可能となる。なお、この第2の従来技術
と同様のものとして、特開平11−4048号が提案さ
れており、図5には特開平11−4048号の半導体レ
ーザが示されている。
As another method, for example, the document "Appl
ied Physics Letters, Vol.73, No.6, p.832-834 (199
8) ”(hereinafter referred to as the second related art), it is proposed to apply a GaN thick film substrate. In the second conventional technique, after the selective lateral growth of 20 μm in the first conventional technique described above, a GaN thick film of 200 μm is grown by an H-VPE (hydride vapor phase epitaxy) apparatus, and thereafter, The GaN film grown to a thickness of 150 μm is polished from the sapphire substrate side so that the GaN film has a thickness of 150 μm.
Make a substrate. By using the MO-VPE apparatus to sequentially perform the crystal growth necessary for an LD device on this GaN substrate to produce an LD device, it becomes possible to reduce crystal defects and use a sapphire substrate. It is possible to solve the above-mentioned problems relating to insulation and cleavage due to Incidentally, Japanese Patent Laid-Open No. 11-4048 has been proposed as the same as the second prior art, and FIG. 5 shows a semiconductor laser of Japanese Patent Laid-Open No. 11-4048.

【0008】しかしながら、この第2の従来技術は、第
1の従来技術よりも更に工程が複雑になっており、より
一層のコスト高になる。また、この第2の従来技術の方
法で200μm程度の厚さのGaN厚膜を成長する場合
には、基板であるサファイアとの格子定数差及び熱膨張
係数差に伴う応力が大きくなり、基板の反りやクラック
が生じるという問題が新たに発生する。
However, the second conventional technique has more complicated steps than the first conventional technique, and the cost is further increased. Further, when a GaN thick film having a thickness of about 200 μm is grown by the method of the second conventional technique, stress due to a difference in lattice constant and a difference in thermal expansion coefficient with sapphire, which is a substrate, becomes large, so that the substrate A new problem occurs that warpage and cracks occur.

【0009】この問題を回避するために、特開平10−
256662号には、厚膜成長する元の基板(サファイ
アとスピネル)の厚さを1mm以上とすることが提案さ
れている。このように、厚さ1mm以上の基板を用いる
ことにより、200μmの厚膜のGaN膜を成長させて
も、基板の反りやクラックを生じさせないようにしてい
る。しかしながら、このように厚い基板は、基板自体の
コストが高く、また研磨に多くの時間を費やす必要があ
り、研磨工程のコストアップにつながる。すなわち、厚
い基板を用いる場合には、薄い基板を用いる場合に比べ
て、コストが高くなる。また、厚い基板を用いる場合に
は、厚膜のGaN膜を成長した後には基板の反りやクラ
ックが生じないが、研磨の工程で応力緩和し、研磨途中
で反りやクラックが発生する。このため、厚い基板を用
いても、容易に、結晶品質の高いGaN基板を大面積化
で作製することはできない。
In order to avoid this problem, Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-
No. 256662 proposes that the thickness of the original substrate (sapphire and spinel) for thick film growth be 1 mm or more. As described above, by using the substrate having a thickness of 1 mm or more, even if the GaN film having a thick film of 200 μm is grown, the substrate is not warped or cracked. However, such a thick substrate has a high cost for the substrate itself and requires a lot of time for polishing, which leads to an increase in the cost of the polishing process. That is, when using a thick substrate, the cost is higher than when using a thin substrate. When a thick substrate is used, the substrate does not warp or crack after the thick GaN film is grown, but the stress is relaxed in the polishing process, and warping or cracks occur during polishing. Therefore, even if a thick substrate is used, a GaN substrate with high crystal quality cannot be easily manufactured in a large area.

【0010】一方、文献「Journal of Crystal Growth,
Vol.189/190, p.153-158(1998)」(以下、第3の従来
技術という)には、GaNのバルク結晶を成長させ、そ
れをホモエピタキシャル基板として用いることが提案さ
れている。この第3の従来技術は、1400〜1700
℃の高温、及び数10kbarもの超高圧の窒素圧力中
で、液体GaからGaNを結晶成長させる手法となって
いる。この場合には、このバルク成長したGaN基板を
用いて、デバイスに必要なIII族窒化物半導体膜を成長
することが可能となる。従って、第1及び第2の従来技
術のように工程を複雑化させることなく、GaN基板を
提供できる。
On the other hand, the document “Journal of Crystal Growth,
Vol.189 / 190, p.153-158 (1998) "(hereinafter referred to as the third conventional technique), it is proposed to grow a GaN bulk crystal and use it as a homoepitaxial substrate. This third conventional technique is based on 1400 to 1700.
This is a method of crystal-growing GaN from liquid Ga at a high temperature of ° C and an ultrahigh pressure of several tens of kbar. In this case, using this bulk-grown GaN substrate, it becomes possible to grow a group III nitride semiconductor film necessary for a device. Therefore, the GaN substrate can be provided without complicating the process as in the first and second conventional techniques.

【0011】しかしながら、第3の従来技術では、高
温,高圧中での結晶成長が必要となり、それに耐えうる
反応容器が極めて高価になるという問題がある。加え
て、このような成長方法をもってしても、得られる結晶
の大きさは高々1cm程度であり、デバイスを実用化す
るには小さ過ぎるという問題がある。
However, in the third conventional technique, there is a problem that the crystal growth at high temperature and high pressure is required, and the reaction container that can withstand the growth becomes extremely expensive. In addition, even with such a growth method, the size of the crystal obtained is at most about 1 cm, which is a problem that the device is too small for practical use.

【0012】この高温,高圧中でのGaN結晶成長の問
題点を解決する手法として、文献「Chemistry of Mater
ials Vol.9 (1997) p.413-416」(以下、第4の従来技
術という)には、Naをフラックスとして用いたGaN
結晶成長方法が提案されている。この方法はアジ化ナト
リウム(NaN3)と金属Gaを原料として、ステンレ
ス製の反応容器(容器内寸法;内径=7.5mm、長さ
=100mm)に窒素雰囲気で封入し、その反応容器を
600〜800℃の温度で24〜100時間保持するこ
とにより、GaN結晶を成長させるものである。この第
4の従来技術の場合には、600〜800℃程度の比較
的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も高々1
00kg/cm2程度と第3の従来技術に比較して圧力
を低くできる点が特徴である。しかし、この第4の従来
技術の問題点としては、得られる結晶の大きさが1mm
に満たない程度に小さい点である。この程度の大きさで
はデバイスを実用化するには第3の従来技術と同様に小
さすぎる。
As a method for solving the problem of GaN crystal growth at high temperature and high pressure, the document "Chemistry of Mater" is used.
ials Vol.9 (1997) p.413-416 ”(hereinafter referred to as the fourth prior art) describes GaN using Na as a flux.
Crystal growth methods have been proposed. In this method, sodium azide (NaN 3 ) and metallic Ga are used as raw materials, and a stainless steel reaction vessel (inside vessel size; inner diameter = 7.5 mm, length = 100 mm) is sealed in a nitrogen atmosphere, and the reaction vessel is sealed at 600 The GaN crystal is grown by holding at a temperature of ~ 800 ° C for 24 to 100 hours. In the case of the fourth conventional technique, crystal growth is possible at a relatively low temperature of about 600 to 800 ° C., and the pressure inside the container is at most 1.
The feature is that the pressure can be lowered to about 00 kg / cm 2 as compared with the third conventional technique. However, the problem with the fourth conventional technique is that the size of the obtained crystal is 1 mm.
This is a small point that is less than. This size is too small for practical use of the device as in the third prior art.

【0013】また、特開2000−327495号(以
下、第5の従来技術という)には、上述の第4の従来技
術と基板を用いたエピタキシャル法を組み合わせた技術
が提案されている。この第5の従来技術では、予め基板
表面にGaNあるいはAlNを成長させたものを基板と
して用い、この上に第4の従来技術を用いてGaN膜を
エピタキシャル成長させる。しかし、この第5の従来技
術は基本的にエピタキシャル成長であり、第1や第2の
従来技術と同様に結晶欠陥の問題解決には至らない。更
に、予めGaN膜あるいはAlN膜を基板上に成長させ
るため、工程が複雑となり高コストにつながる。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-327495 (hereinafter referred to as "fifth prior art") proposes a technology in which the above-mentioned fourth conventional technology and an epitaxial method using a substrate are combined. In the fifth conventional technique, a substrate on which GaN or AlN is previously grown is used as a substrate, and a GaN film is epitaxially grown on the substrate by using the fourth conventional technique. However, the fifth conventional technique is basically epitaxial growth and cannot solve the problem of crystal defects as in the first and second conventional techniques. Furthermore, since the GaN film or AlN film is grown on the substrate in advance, the process becomes complicated and the cost is increased.

【0014】また、最近、特開2000−12900号
及び特開2000−22212号(以下、第6の従来技
術という)には、GaAs基板を用いてGaN厚膜基板
を作製する方法が提案されている。図6,図7には、こ
の第6の従来技術によるGaN厚膜基板の作製方法が示
されている。先ず、図6を参照すると、(111)Ga
As基板60上に第1の従来技術と同様にSiO2膜や
SiN膜をマスク61として、GaN膜63を70μm
〜1mmの厚さに選択成長する(図6(1)〜
(3))。この結晶成長はH−VPEにより行う。その
後、王水によりGaAs基板60をエッチング,除去
し、GaN自立基板63を作製する(図6(4))。こ
のGaN自立基板63を元に、更に再度H−VPEによ
り、数10mmの厚さのGaN結晶64を気相成長させ
る(図7(1))。この数10mmの厚さのGaN結晶
64をスライサーによりウェハ状に切り出し、GaNウ
ェハを作製する(図7(2),(3))。
Further, recently, Japanese Patent Laid-Open Nos. 2000-12900 and 2000-22212 (hereinafter, referred to as sixth prior art) propose a method of manufacturing a GaN thick film substrate using a GaAs substrate. There is. 6 and 7 show a method of manufacturing a GaN thick film substrate according to the sixth conventional technique. First, referring to FIG. 6, (111) Ga
As in the first conventional technique, the GaN film 63 is 70 μm thick on the As substrate 60 using the SiO 2 film or the SiN film as the mask 61.
~ Selectively grow to a thickness of 1 mm (Fig. 6 (1) ~
(3)). This crystal growth is performed by H-VPE. After that, the GaAs substrate 60 is removed by etching with aqua regia, and the GaN free-standing substrate 63 is manufactured (FIG. 6 (4)). Based on this GaN free-standing substrate 63, a GaN crystal 64 having a thickness of several 10 mm is vapor-grown again by H-VPE (FIG. 7 (1)). The GaN crystal 64 having a thickness of several tens of mm is cut into a wafer by using a slicer to manufacture a GaN wafer (FIGS. 7 (2) and 7 (3)).

【0015】この第6の従来技術では、GaN自立基板
63が得られ、更に数10mmの厚さのGaN結晶64
を得ることができる。しかしながら、第6の従来技術に
は次のような問題点がある。すなわち、SiN膜やSi
2膜を選択成長用マスクとして用いるため、その作製
工程が複雑になり、コスト高につながる。また、H−V
PEにより数10mmの厚さのGaN結晶を成長させる
際に、反応容器内にも同様の厚さのGaN結晶(単結晶
や多結晶)やアモルファス状のGaNが付着し、このた
め、量産性に問題がある。また、GaAs基板が犠牲基
板として一回の成長毎にエッチング,除去されるため、
コスト高につながる。また、結晶品質に関しても、基本
的にはGaAsという異種基板上の結晶成長からくる、
格子不整、熱膨張係数の違いによる、欠陥密度が高いと
いう問題も残る。
In the sixth conventional technique, a GaN free-standing substrate 63 is obtained, and a GaN crystal 64 having a thickness of several tens mm is further provided.
Can be obtained. However, the sixth conventional technique has the following problems. That is, SiN film or Si
Since the O 2 film is used as a mask for selective growth, its manufacturing process becomes complicated, resulting in high cost. Also, H-V
When growing a GaN crystal with a thickness of several tens of millimeters by PE, a GaN crystal (single crystal or polycrystal) of similar thickness or amorphous GaN also adheres to the inside of the reaction vessel, which increases mass productivity. There's a problem. Moreover, since the GaAs substrate is etched and removed as a sacrificial substrate at each growth,
This leads to higher costs. Also, regarding the crystal quality, basically, it comes from the crystal growth on a heterogeneous substrate called GaAs.
There remains the problem of high defect density due to lattice mismatch and difference in thermal expansion coefficient.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、第1,第
2,第5あるいは第6の従来技術の問題点である工程を
複雑化させることなく、また、第3の従来技術の問題点
である高価な反応容器を用いることも無く、かつ、第
3,第4の従来技術の問題点である結晶の大きさが小さ
くなることなく、高性能の発光ダイオードやLD等のデ
バイスを作製するために実用的な大きさで、かつ、低コ
スト,高品質のIII族窒化物結晶を成長させることの可
能なIII族窒化物結晶成長装置およびIII族窒化物結晶成
長方法およびIII族窒化物結晶および半導体デバイスを
提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention does not complicate the steps, which are the problems of the first, second, fifth or sixth prior art, and the problems of the third prior art. A high-performance light-emitting diode, LD, or other device is manufactured without using an expensive reaction container and without reducing the crystal size, which is a problem of the third and fourth conventional techniques. Group III nitride crystal growth apparatus, Group III nitride crystal growth method, and Group III nitride crystal capable of growing a high-quality Group III nitride crystal at a practical size for low cost And to provide a semiconductor device.

【0017】また、本発明は、III族原料を反応容器内
に継続的に安定して供給し、所望の大きさの高品質のII
I族窒化物結晶を成長させることの可能なIII族窒化物結
晶成長装置およびIII族窒化物結晶成長方法およびIII族
窒化物結晶および半導体デバイスを提供することを目的
としている。
Further, according to the present invention, the Group III raw material is continuously and stably supplied into the reaction vessel, and a high quality II of desired size is obtained.
An object of the present invention is to provide a group III nitride crystal growth apparatus, a group III nitride crystal growth method, a group III nitride crystal and a semiconductor device capable of growing a group I nitride crystal.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の発明は、反応容器内で、アルカリ金
属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形
成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、
III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成
長させるIII族窒化物結晶成長装置において、モーター
の回転運動をロッドの直進運動に変換し、直進運動する
ロッドによって少なくともIII族金属を含む物質を反応
容器の外部から反応容器内に送り込むポンプを備えてい
ることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that in a reaction vessel, an alkali metal and a substance containing at least a Group III metal form a mixed melt, From the mixed melt and a substance containing at least nitrogen,
In a group III nitride crystal growth apparatus for growing a group III nitride crystallized from a group III metal and nitrogen, a rotary motion of a motor is converted into a linear motion of a rod, and at least the group III metal is converted by the linear motion rod. It is characterized in that it is provided with a pump for feeding the contained substance from the outside of the reaction vessel into the reaction vessel.

【0019】また、請求項2記載の発明は、請求項1の
III族窒化物結晶成長装置において、少なくともIII族金
属を含む物質を反応容器内に送り込む前記ポンプ内に
は、逆止弁が設けられており、該逆止弁は、反応容器か
らポンプへの少なくともIII族金属を含む物質の逆流を
防ぐための所定の材質からなるボールを有していること
を特徴としている。
The invention according to claim 2 is the same as that of claim 1.
In the Group III nitride crystal growth apparatus, a check valve is provided in the pump for feeding a substance containing at least a Group III metal into the reaction vessel, and the check valve is provided at least from the reaction vessel to the pump. It is characterized by having a ball made of a predetermined material for preventing backflow of a substance containing a Group III metal.

【0020】また、請求項3記載の発明は、請求項2記
載のIII族窒化物結晶成長装置において、前記ボール
は、その材質の密度が、少なくともIII族金属を含む物
質の密度よりも大きいことを特徴としている。
According to a third aspect of the present invention, in the group III nitride crystal growth apparatus according to the second aspect, the density of the material of the balls is higher than the density of the substance containing at least the group III metal. Is characterized by.

【0021】また、請求項4記載の発明は、反応容器内
で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質と
が混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含
む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族
窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法にお
いて、少なくともIII族金属を含む物質を所定のポンプ
を用いて反応容器の外部から反応容器内に送り込むこと
を特徴としている。
Further, the invention according to claim 4 is characterized in that in the reaction vessel, a mixed melt of an alkali metal and a substance containing at least a Group III metal forms a mixed melt, and the mixed melt and a substance containing at least nitrogen, In a group III nitride crystal growth method for growing a group III nitride composed of a group III metal and nitrogen, a substance containing at least a group III metal is transferred from the outside of the reaction vessel into the reaction vessel by using a predetermined pump. It is characterized by sending in.

【0022】また、請求項5記載の発明は、請求項4記
載のIII族窒化物結晶成長方法において、少なくともIII
族金属を含む物質は、液体状態で、反応容器の外部から
反応容器内に送り込まれることを特徴としている。
The invention according to claim 5 is the method for growing a group III nitride crystal according to claim 4, wherein at least III
The substance containing a group metal is characterized in that it is fed into the reaction container from the outside of the reaction container in a liquid state.

【0023】また、請求項6記載の発明は、請求項5記
載のIII族窒化物結晶成長方法において、反応容器の外
部から反応容器内に送り込まれる少なくともIII族金属
を含む物質は、液体状態の金属Ga(ガリウム)である
ことを特徴としている。
Further, the invention according to claim 6 is the method for growing group III nitride crystals according to claim 5, wherein the substance containing at least a group III metal fed into the reaction vessel from outside the reaction vessel is in a liquid state. It is characterized by being metallic Ga (gallium).

【0024】また、請求項7記載の発明は、請求項4乃
至請求項6のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶成
長方法で作製されたことを特徴としている。
The invention according to claim 7 is characterized by being manufactured by the group III nitride crystal growth method according to any one of claims 4 to 6.

【0025】また、請求項8記載の発明は、請求項7記
載のIII族窒化物結晶を用いて作製されたことを特徴と
している。
The invention according to claim 8 is characterized in that it is produced by using the group III nitride crystal according to claim 7.

【0026】また、請求項9記載の発明は、請求項8記
載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、4
00nmよりも短い波長で発光する発光デバイスである
ことを特徴としている。
Further, the invention according to claim 9 is the semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device is 4
It is characterized in that it is a light emitting device that emits light at a wavelength shorter than 00 nm.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図1は本発明に係るIII族窒化物結
晶成長装置の構成例を示す図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a group III nitride crystal growth apparatus according to the present invention.

【0028】図1を参照すると、反応容器101内に
は、アルカリ金属(例えば、Na)と少なくともIII族金
属(例えば、Ga)を含む物質との混合融液103を保持
する混合融液保持容器102が設置されている。
Referring to FIG. 1, in a reaction vessel 101, a mixed melt holding vessel for holding a mixed melt 103 of an alkali metal (eg, Na) and a substance containing at least a group III metal (eg, Ga). 102 is installed.

【0029】なお、アルカリ金属(例えば、Na)は、外
部から供給されても良いし、あるいは、最初から反応容
器101内に存在していても良い。
The alkali metal (for example, Na) may be supplied from the outside or may be present in the reaction vessel 101 from the beginning.

【0030】また、反応容器101は、例えばステンレ
スで形成されている。また、混合融液保持容器102
は、例えば、BN(窒化ホウ素)、あるいは、AlN、
あるいは、パイロリティックBNで形成されている。
The reaction vessel 101 is made of stainless steel, for example. In addition, the mixed melt holding container 102
Is, for example, BN (boron nitride) or AlN,
Alternatively, it is formed of pyrolytic BN.

【0031】また、図1のIII族窒化物結晶成長装置に
は、反応容器101内に少なくとも窒素を含む物質(例
えば、窒素ガス,アンモニアガスまたはアジ化ナトリウ
ム)を供給するための窒素供給管104が設けられてい
る。なお、ここで言う窒素とは、窒素分子あるいは窒素
を含む化合物から生成された窒素分子や原子状窒素、お
よび窒素を含む原子団および分子団のことであり、本発
明において、窒素とは、このようなものであるとする。
Further, in the group III nitride crystal growth apparatus of FIG. 1, a nitrogen supply pipe 104 for supplying a substance containing at least nitrogen (for example, nitrogen gas, ammonia gas or sodium azide) into the reaction vessel 101. Is provided. The term "nitrogen" as used herein means a nitrogen molecule or atomic nitrogen produced from a nitrogen molecule or a compound containing nitrogen, and an atomic group or molecular group containing nitrogen, and in the present invention, nitrogen means Let's say that

【0032】また、窒素供給管104には、窒素ガスの
圧力を調整するために圧力調整機構105が設けられて
いる。なお、この圧力調整機構105は、圧力センサー
及び圧力調整弁等から構成されている。
Further, the nitrogen supply pipe 104 is provided with a pressure adjusting mechanism 105 for adjusting the pressure of nitrogen gas. The pressure adjusting mechanism 105 is composed of a pressure sensor, a pressure adjusting valve, and the like.

【0033】また、反応容器101には、III族窒化物
(例えばGaN)を結晶成長可能な温度に反応容器10
1内を制御するための第1の加熱装置106が設けられ
ている。すなわち、第1の加熱装置106による温度制
御機能によって、反応容器101内を結晶成長可能な温
度に上げること、及び、結晶成長が停止する温度に下げ
ること、及び、それらの温度に任意の時間保持すること
が可能となっている。
In addition, the reaction vessel 101 has a temperature at which a group III nitride (eg, GaN) can be grown on the reaction vessel 10.
A first heating device 106 for controlling the inside of the device 1 is provided. That is, the temperature control function of the first heating device 106 raises the temperature in the reaction vessel 101 to a temperature at which crystal growth is possible, lowers it to a temperature at which crystal growth is stopped, and keeps those temperatures for an arbitrary time. It is possible to do.

【0034】また、図1のIII族窒化物結晶成長装置に
は、少なくともIII族金属を含む物質(以下、III族原料
と称す)を反応容器101内の外部から反応容器101
に供給するために、反応容器101の外部には、III族
原料を収容する容器110が設けられている。具体的
に、この容器110内には、反応容器101内で消費さ
れるIII族金属分(例えば、GaとNとからGaNを結
晶成長させる場合のGa消費分)を補うことができる程
度の量のIII族原料(例えば、金属Ga)が収容されて
いる。ここで、容器110に収容されているIII族原料
(例えば、金属Ga)は、後述の第2の加熱装置112
によって液体状態のものにすることができる。
Further, in the group III nitride crystal growth apparatus of FIG. 1, a substance containing at least a group III metal (hereinafter referred to as a group III raw material) is supplied from outside the reaction vessel 101 to the reaction vessel 101.
In order to supply the gas to the reactor, a container 110 for containing a group III raw material is provided outside the reaction container 101. Specifically, the amount of the group III metal consumed in the reaction container 101 (for example, the amount of Ga consumed when crystallizing GaN from Ga and N) to be consumed in the reaction container 101 is sufficiently large. The group III raw material (for example, metal Ga) is stored. Here, the group III raw material (for example, metal Ga) contained in the container 110 is the second heating device 112 described later.
It can be made into a liquid state.

【0035】そして、この容器110と反応容器101
との間は、第1の供給管107と第2の供給管109と
により接続されており、供給管107,109を通じ
て、III族原料を反応容器101内の混合融液保持容器
102に供給することが可能となっている。
Then, the container 110 and the reaction container 101
Is connected by a first supply pipe 107 and a second supply pipe 109, and the group III raw material is supplied to the mixed melt holding container 102 in the reaction container 101 through the supply pipes 107 and 109. It is possible.

【0036】また、容器110に収容されているIII族
材料を供給管107,109を通して反応容器101内
に継続的に安定して供給するため、図1のIII族窒化物
結晶成長装置には、第1の供給管107と第2の供給管
109との間に、ポンプ(送液ポンプ)108が設けら
れている。このポンプ108には、モーターの回転運動
をロッドの直進運動に変換し、直進運動するロッドによ
って液体状態のIII族原料(少なくともIII族金属を含む
物質),例えば液体状態の金属Gaを反応容器の外部か
ら反応容器内に送り込む型式のものが用いられる。
Further, in order to continuously and stably supply the group III material housed in the container 110 into the reaction container 101 through the supply pipes 107 and 109, the group III nitride crystal growth apparatus of FIG. A pump (liquid feeding pump) 108 is provided between the first supply pipe 107 and the second supply pipe 109. The pump 108 converts the rotational motion of the motor into a linear motion of the rod, and a group III raw material in a liquid state (a substance containing at least a Group III metal), for example, a metallic Ga in a liquid state of the reaction vessel is converted by the linearly moving rod. A type that is fed into the reaction vessel from the outside is used.

【0037】図2はポンプ108の構成例を示す図であ
る。なお、図2において、容器110は、第2の供給管
109の上流側(この図の右側)に位置しており、ま
た、反応容器101は、第1の供給管107の下流側
(この図の左側)に位置している。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the pump 108. In addition, in FIG. 2, the container 110 is located on the upstream side of the second supply pipe 109 (on the right side in this figure), and the reaction container 101 is on the downstream side of the first supply pipe 107 (in this figure). It is located on the left side of).

【0038】図2を参照すると、ポンプ108内には、
モーター201が設けられており、モーター201は、
電気信号を回転運動に変換して回転軸202に伝達する
ようになっている。回転軸202は、カム203の中心
からずれたところで(偏心して)、カム203と結合し
ている。ここで、カム203の平面形状は楕円となって
いる。また、カム203の側面には、ロッド204が常
に接触している。このような構成では、モーター201
により回転軸202が回転し、カム203が回転するこ
とで、ロッド204は、矢印A1またはA2の方向に直
進運動する。
Referring to FIG. 2, inside the pump 108,
The motor 201 is provided, and the motor 201 is
The electric signal is converted into rotary motion and transmitted to the rotary shaft 202. The rotating shaft 202 is coupled to the cam 203 at a position (eccentric) displaced from the center of the cam 203. Here, the plane shape of the cam 203 is an ellipse. The rod 204 is always in contact with the side surface of the cam 203. In such a configuration, the motor 201
As a result, the rotating shaft 202 rotates and the cam 203 rotates, so that the rod 204 moves straight in the direction of arrow A1 or A2.

【0039】また、このロッド204は、T字型の第3
の供給管205の1つの管部分205a内に挿入されて
いる。そして、この第3の供給管205の他の管部分2
05b,205cは、それぞれ、第1の逆止弁206,
第2の逆止弁207につながっている。そして、第1の
逆止弁206の下流側(この図の左側)は、第1の供給
管107に接続され、また、第2の逆止弁207の上流
側(この図の右側)は、第2の供給管109に接続され
ている。
The rod 204 is a third T-shaped member.
Is inserted in one tube portion 205a of the supply tube 205 of FIG. Then, the other pipe portion 2 of the third supply pipe 205
05b and 205c are the first check valves 206 and 205, respectively.
It is connected to the second check valve 207. The downstream side of the first check valve 206 (left side in this figure) is connected to the first supply pipe 107, and the upstream side of the second check valve 207 (right side in this figure) is It is connected to the second supply pipe 109.

【0040】第1の逆止弁206,第2の逆止弁207
内には、スプリング208,209とボール210,2
11が各々設置されている。第1の逆止弁206,第2
の逆止弁207の内部構造は、図2に示されているよう
に、スプリング208,209が下流部(この図の左
側)、ボール210,211が上流部(この図の右側)
に配置されており、スプリング208,209はボール
210,211を下流方向から上流方向に付勢してい
る。これにより、ボール210,211が逆止弁20
6,207の上流側で止まるような構造となっている。
ボール210,211が第1の逆止弁206の開口20
6a,第2の逆止弁207の開口207aに接した場合
には、下流側と上流側が遮断され、液体状態のIII族原
料は下流側から上流側には流れないようになっている
(逆流を防止するようになっている)。
The first check valve 206 and the second check valve 207
Inside, springs 208 and 209 and balls 210 and 2
11 are installed respectively. First check valve 206, second
As shown in FIG. 2, the internal structure of the check valve 207 is such that the springs 208 and 209 are at the downstream portion (left side in this figure) and the balls 210 and 211 are at the upstream portion (right side in this figure).
The springs 208 and 209 bias the balls 210 and 211 from the downstream direction to the upstream direction. As a result, the balls 210 and 211 move the check valve 20.
The structure is such that it stops on the upstream side of 6,207.
The balls 210 and 211 are the openings 20 of the first check valve 206.
6a, when the second check valve 207 is in contact with the opening 207a of the second check valve 207, the downstream side and the upstream side are shut off so that the liquid group III raw material does not flow from the downstream side to the upstream side (backflow). Is designed to prevent).

【0041】このような構成のポンプ108では、ロッ
ド204が矢印A2の方向(引く方向)に動いた場合に
は、第3の供給管205内は減圧状態となり、第3の供
給管205内には容器110から液体状態のIII族原料
が引き込まれる。このとき、第1の逆止弁206はボー
ル210が上流方向に動くことで逆流を防ぎ、第2の逆
止弁207のボール211は下流方向に動き、容器11
0から液体状態のIII族原料を引き込むことができる。
In the pump 108 having such a structure, when the rod 204 moves in the direction of the arrow A2 (pulling direction), the inside of the third supply pipe 205 is in a depressurized state, and the inside of the third supply pipe 205 enters. The group III raw material in a liquid state is drawn from the container 110. At this time, the first check valve 206 prevents the backflow by moving the ball 210 in the upstream direction, and the ball 211 of the second check valve 207 moves in the downstream direction, and the container 11
It is possible to draw liquid Group III raw materials from 0.

【0042】また、これとは反対に、ロッド204が矢
印A1の方向(押す方向)に動いた場合には、第3の供
給管205内は加圧状態となり、容器110から引き込
んだ液体状態のIII族原料を下流(反応容器101側)
に押し出すこととなる。このとき、第1の逆止弁206
はボール210が下流方向に動き、液体状態のIII族原
料を反応容器101に向けて供給することができ、ま
た、第2の逆止弁207のボール211は上流方向に動
くことで、液体状態のIII族原料の逆流を防ぐことがで
きる。
On the contrary, when the rod 204 moves in the direction of arrow A1 (pushing direction), the inside of the third supply pipe 205 is in a pressurized state and is in a liquid state drawn from the container 110. Group III raw material downstream (reaction vessel 101 side)
Will be pushed out to. At this time, the first check valve 206
The ball 210 moves in the downstream direction and the group III raw material in the liquid state can be supplied toward the reaction vessel 101, and the ball 211 of the second check valve 207 moves in the upstream direction, so that the liquid state It is possible to prevent backflow of the group III raw material.

【0043】このようなポンプ108を設ける場合に
は、ロッド204の動く速度、即ちモーター201の回
転速度を調整することで、反応容器101の外部から反
応容器101内への液体状態のIII族原料の送液速度を
制御することが可能となる。
When such a pump 108 is provided, by adjusting the moving speed of the rod 204, that is, the rotation speed of the motor 201, the liquid group III raw material from the outside of the reaction vessel 101 into the reaction vessel 101 is adjusted. It is possible to control the liquid feeding speed of

【0044】このようにしてポンプ108を設け、反応
容器101内への液体状態のIII族原料の送液速度を制
御して、III族原料を反応容器101内に安定して供給
することができる。
In this way, the pump 108 is provided, the liquid supply rate of the group III raw material in the liquid state into the reaction vessel 101 is controlled, and the group III raw material can be stably supplied into the reaction vessel 101. .

【0045】なお、ここで、本願の発明者らは、逆止弁
206,207のボール210,211の材質が重要で
あることを実験的に確認した。すなわち、逆止弁20
6,207のボール210,211の材質の密度が、送
液するIII族原料の密度よりも大きいことが必要である
ことを確認した。実際、ボール210,211の材質と
して、ステンレス(密度が8g/cm3),サファイア
やガラス(密度が4g/cm3)を用いて実験した。な
お、III族原料の密度(例えば、金属Gaの密度)は6
g/cm3程度である。この実験の結果、ボール21
0,211の材質として、III族原料の密度よりも大き
な密度のステンレスを用いることで、逆止弁206,2
07は、前述したように問題なく、動作することが確認
できた。これに対し、ボール210,211の材質とし
て、III族原料の密度よりも小さな密度のサファイアや
ガラス等を用いた場合、逆止弁206,207は動作せ
ず、液体状態のIII族原料が逆流してしまうことがわか
った。
Here, the inventors of the present application experimentally confirmed that the material of the balls 210 and 211 of the check valves 206 and 207 is important. That is, the check valve 20
It was confirmed that the density of the material of the balls 210 and 211 of 6,207 needs to be higher than the density of the group III raw material to be fed. In fact, experiments were carried out using stainless steel (having a density of 8 g / cm 3 ), sapphire and glass (having a density of 4 g / cm 3 ) as the material of the balls 210 and 211. The density of the group III raw material (for example, the density of metallic Ga) is 6
It is about g / cm 3 . As a result of this experiment, ball 21
By using stainless steel having a density higher than that of the group III raw material as the material of the check valves 206, 2
It was confirmed that 07 works without problems as described above. On the other hand, when sapphire, glass, or the like having a density lower than that of the group III raw material is used as the material of the balls 210 and 211, the check valves 206 and 207 do not operate, and the liquid group III raw material flows backward. I found out that I would do it.

【0046】なお、本発明において、ボールとは、球状
の形状のみならず、楕円形あるいは多角形などの立体形
状を有するものをも含むものとする。
In the present invention, the ball includes not only a spherical shape but also a three-dimensional shape such as an ellipse or a polygon.

【0047】また、図1のIII族窒化物結晶成長装置に
は、第1の供給管107,第2の供給管109,ポンプ
108,容器110を加熱制御するための第2の加熱装
置112が設けられている。この第2の加熱装置112
によって、第1の供給管107,第2の供給管109,
ポンプ108,容器110の温度を40℃程度に設定す
ることができ、この場合、容器110に収容されている
III族原料(少なくともIII族金属を含む物質)、およ
び、容器110から第2の供給管109,ポンプ10
8,第1の供給管107を通って反応容器101に送ら
れるまでのIII族原料(少なくともIII族金属を含む物
質)は、全て液体状態となる。
In addition, the group III nitride crystal growth apparatus of FIG. 1 includes a second heating device 112 for heating and controlling the first supply pipe 107, the second supply pipe 109, the pump 108, and the container 110. It is provided. This second heating device 112
The first supply pipe 107, the second supply pipe 109,
The temperature of the pump 108 and the container 110 can be set to about 40 ° C., and in this case, the temperature is stored in the container 110.
Group III raw material (substance containing at least Group III metal), and container 110 to second supply pipe 109, pump 10
8. The group III raw material (the substance containing at least the group III metal) before being sent to the reaction vessel 101 through the first supply pipe 107 is in a liquid state.

【0048】図1のIII族窒化物結晶成長装置では、反
応容器101内の温度および実効窒素分圧をIII族窒化
物結晶が結晶成長する条件に設定することにより、III
族窒化物の結晶成長を開始させることができる。
In the group III nitride crystal growth apparatus of FIG. 1, the temperature inside the reaction vessel 101 and the effective nitrogen partial pressure are set to the conditions under which group III nitride crystals grow.
Crystal growth of the group nitride can be initiated.

【0049】具体的に、反応容器101内の窒素圧力を
50気圧にし、反応容器101内の温度を結晶成長が開
始する温度750℃まで昇温する。この成長条件を一定
時間保持することで、III族窒化物結晶(例えば、Ga
N結晶)111が混合融液保持容器102内に成長す
る。
Specifically, the nitrogen pressure in the reaction vessel 101 is set to 50 atm, and the temperature in the reaction vessel 101 is raised to a temperature of 750 ° C. at which crystal growth starts. By maintaining this growth condition for a certain period of time, a Group III nitride crystal (for example, Ga
N crystal) 111 grows in the mixed melt holding container 102.

【0050】このとき、図1のIII族窒化物結晶成長装
置では、III族窒化物結晶(例えば、GaN)111が
結晶成長することにより消費した分のIII族金属(例え
ばGa)を補うためのIII族原料(例えば、Ga)をポ
ンプ108を用いて、容器110内から第2の供給管1
09,第1の供給管107を通して反応容器101内に
液体状態で供給することができる。また、消費した分の
窒素を補うための窒素を、窒素ガスの状態で窒素ガス供
給管104を介して供給することができる。
At this time, in the group III nitride crystal growth apparatus of FIG. 1, the group III metal (eg, Ga) consumed to supplement the group III nitride crystal (eg, GaN) 111 by crystal growth is supplemented. The group III raw material (for example, Ga) is supplied from the inside of the container 110 to the second supply pipe 1 using the pump 108.
09, the liquid can be supplied into the reaction vessel 101 through the first supply pipe 107. Further, nitrogen for supplementing the consumed nitrogen can be supplied in the state of nitrogen gas through the nitrogen gas supply pipe 104.

【0051】このように、III族窒化物結晶の成長が開
始して以降、III族原料(少なくともIII族金属を含む物
質)を反応容器101内に送り込むことで、継続的にII
I族窒化物結晶を成長させることができる。
As described above, after the growth of the group III nitride crystal is started, the group III raw material (the substance containing at least the group III metal) is fed into the reaction vessel 101 to continuously produce II.
Group I nitride crystals can be grown.

【0052】このようにしてポンプ108を設け、反応
容器101内へのIII族原料の送液速度を制御して、III
族原料を反応容器101内に安定して供給することで、
III族窒化物結晶(例えば、GaN結晶)111を継続
的に安定して成長させることができ、大きな寸法のIII
族窒化物結晶(GaN結晶)を成長させることができ
る。
In this way, the pump 108 is provided to control the liquid feeding speed of the group III raw material into the reaction vessel 101,
By stably supplying the group raw material into the reaction vessel 101,
A group III nitride crystal (for example, GaN crystal) 111 can be continuously and stably grown, and a large size III
Group nitride crystals (GaN crystals) can be grown.

【0053】以上のように、本発明のIII族窒化物結晶
成長装置,III族窒化物結晶成長方法では、反応容器1
01内において、アルカリ金属と少なくともIII族金属
を含む物質との混合融液を形成し、該混合融液と少なく
とも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素から構成
されるIII族窒化物を結晶成長させるようにしているの
で、第1あるいは第2の従来技術のように複雑な工程を
必要とせず、低コストで高品質なIII族窒化物結晶を得
ることができる。
As described above, in the group III nitride crystal growth apparatus and group III nitride crystal growth method of the present invention, the reaction vessel 1
In 01, a mixed melt of an alkali metal and a substance containing at least a group III metal is formed, and a group III nitride composed of a group III metal and nitrogen is formed from the mixed melt and a substance containing at least nitrogen. Since the crystal is grown, it is possible to obtain a high-quality group III nitride crystal at low cost without requiring a complicated process as in the first or second prior art.

【0054】さらに、成長温度が1000℃以下と低
く、圧力も100気圧程度以下と低い条件下でIII族窒
化物の結晶成長が可能となることから、第3の従来技術
のように超高圧,超高温に耐えうる高価な反応容器を用
いる必要がない。その結果、低コストでIII族窒化物結
晶を作製することが可能となる。
Further, since the crystal growth of the group III nitride is possible under the condition that the growth temperature is as low as 1000 ° C. or less and the pressure is as low as 100 atm or less, the ultrahigh pressure as in the third prior art, There is no need to use an expensive reaction vessel that can withstand ultrahigh temperatures. As a result, it becomes possible to produce a group III nitride crystal at low cost.

【0055】さらに、本発明では、モーターの回転運動
をロッドの直進運動に変換し、直進運動するロッドによ
って少なくともIII族金属を含む物質を反応容器の外部
から反応容器内に送り込むポンプ108を設け、反応容
器101内へのIII族原料の送液速度を制御して、III族
原料を反応容器101内に安定して供給することで、II
I族窒化物結晶(例えば、GaN結晶)111を継続的
に安定して成長させることができ、大きな寸法のIII族
窒化物結晶(GaN結晶)を成長させることができる。
Further, in the present invention, a pump 108 is provided which converts the rotational movement of the motor into the linear movement of the rod and sends the substance containing at least the group III metal from the outside of the reaction vessel into the reaction vessel by the linearly moving rod. By controlling the liquid feed rate of the group III raw material into the reaction vessel 101 and stably supplying the group III raw material into the reaction vessel 101, II
The group I nitride crystal (for example, GaN crystal) 111 can be continuously and stably grown, and a large-sized group III nitride crystal (GaN crystal) can be grown.

【0056】本発明のIII族窒化物結晶成長装置, III
族窒化物結晶成長方法を用いて結晶成長させたIII族窒
化物結晶は、高品質のものであり、このIII族窒化物結
晶を用いて作製したIII族窒化物半導体デバイスは、良
好な特性を有するものとなる。
Group III nitride crystal growth apparatus of the present invention, III
The group III nitride crystal grown by the group nitride crystal growth method is of high quality, and the group III nitride semiconductor device produced by using this group III nitride crystal has good characteristics. Will have.

【0057】具体的に、従来技術では、GaN膜の発光
スペクトルが深い順位からの発光が支配的となり、40
0nmより短い波長ではデバイス特性が悪いという問題
があったが、本発明では、紫外領域でも良好な特性を有
する発光デバイスを提供することができる。
Specifically, in the prior art, the emission from the deep order of the emission spectrum of the GaN film is dominant, and
Although there is a problem that device characteristics are poor at wavelengths shorter than 0 nm, the present invention can provide a light emitting device having good characteristics even in the ultraviolet region.

【0058】図3は本発明のIII族窒化物結晶を用いて
作製された半導体デバイスの構成例を示す図である。な
お、図3の半導体デバイスは、半導体レーザとして構成
されている。図3の半導体レーザは、本発明のIII族窒
化物結晶成長装置, III族窒化物結晶成長方法により作
製されたIII族窒化物結晶を用いたn型GaN基板30
1上に、n型AlGaNクラッド層302、n型GaN
ガイド層303、InGaN MQW(多重量子井戸)
活性層304、p型GaNガイド層305、p型AlG
aNクラッド層306、p型GaNコンタクト層307
が順次に結晶成長されて積層されている。
FIG. 3 is a diagram showing a structural example of a semiconductor device manufactured using the group III nitride crystal of the present invention. The semiconductor device in FIG. 3 is configured as a semiconductor laser. The semiconductor laser of FIG. 3 is an n-type GaN substrate 30 using a group III nitride crystal growing apparatus and a group III nitride crystal growing method of the present invention.
1, n-type AlGaN cladding layer 302, n-type GaN
Guide layer 303, InGaN MQW (multiple quantum well)
Active layer 304, p-type GaN guide layer 305, p-type AlG
aN cladding layer 306, p-type GaN contact layer 307
Are sequentially crystal-grown and laminated.

【0059】この結晶成長方法としては、MO−VPE
(有機金属気相成長)法やMBE(分子線エピタキシ
ー)法等の薄膜結晶成長方法を用いることができる。
The crystal growth method is MO-VPE.
A thin film crystal growth method such as a (metal organic chemical vapor deposition) method or an MBE (molecular beam epitaxy) method can be used.

【0060】そして、このようなGaN,AlGaN,
InGaNの積層膜にリッジ構造が形成され、SiO2
絶縁膜308がコンタクト層307のところでのみ穴開
けした状態で形成され、上部及び下部に、各々、p側オ
ーミック電極(Au/Ni)309及びn側オーミック
電極(Al/Ti)310が形成されている。
Then, such GaN, AlGaN,
A ridge structure is formed on the InGaN laminated film, and SiO 2
An insulating film 308 is formed with holes only at the contact layer 307, and a p-side ohmic electrode (Au / Ni) 309 and an n-side ohmic electrode (Al / Ti) 310 are formed on the upper and lower portions, respectively. There is.

【0061】この半導体レーザでは、p側オーミック電
極309及びn側オーミック電極310から電流を注入
することで、レーザ発振し、図3の矢印方向にレーザ光
が出射される。
In this semiconductor laser, by injecting a current from the p-side ohmic electrode 309 and the n-side ohmic electrode 310, laser oscillation occurs and laser light is emitted in the direction of the arrow in FIG.

【0062】この半導体レーザは、本発明のIII族窒化
物結晶(GaN結晶)を基板として用いているため、半
導体レーザデバイス中の結晶欠陥が少なく、大出力動作
且つ長寿命のものとなっている。また、GaN基板はn
型であることから、基板に直接電極を形成することがで
き、第1の従来技術(図4)のようにp側とn側の2つ
の電極を表面からのみ取り出すことが必要なく、低コス
ト化を図ることが可能となる。更に、光出射端面を劈開
で形成することが可能となり、チップの分離と併せて、
低コストで高品質なデバイスを実現することができる。
Since this semiconductor laser uses the group III nitride crystal (GaN crystal) of the present invention as a substrate, it has few crystal defects in the semiconductor laser device, and has a large output operation and a long life. . In addition, the GaN substrate is n
Since it is a mold, it is possible to form electrodes directly on the substrate, and unlike the first conventional technique (FIG. 4), it is not necessary to take out the two electrodes on the p-side and the n-side only from the surface, and the cost is low. Can be realized. Furthermore, it becomes possible to form the light emitting end face by cleavage, and together with the separation of the chip,
It is possible to realize a high quality device at low cost.

【0063】なお、上述の例では、InGaN MQW
を活性層304としたが、AlGaN MQWを活性層
304として、発光波長の短波長化を図ることも可能で
ある。すなわち、本発明では、GaN基板の欠陥及び不
純物が少ないことで、深い順位からの発光が少なくな
り、短波長化しても高効率な発光デバイスが可能とな
る。
In the above example, the InGaN MQW is used.
Although the active layer 304 is made of AlGaN MQW, the active layer 304 may be made of AlGaN MQW to shorten the emission wavelength. That is, in the present invention, since the number of defects and impurities in the GaN substrate is small, the light emission from the deep order is small, and a highly efficient light emitting device is possible even if the wavelength is shortened.

【0064】また、上述の例では、本発明を光デバイス
へに適用した場合について述べたが、本発明を電子デバ
イスに適用することもできる。すなわち、欠陥の少ない
GaN基板を用いることで、その上にエピタキシャル成
長したGaN系薄膜も結晶欠陥が少なく、その結果、リ
ーク電流を抑制できたり、量子構造にした場合のキャリ
ア閉じ込め効果を高めたり、高性能なデバイスが実現可
能となる。
Further, in the above-mentioned example, the case where the present invention is applied to the optical device has been described, but the present invention can also be applied to the electronic device. That is, by using a GaN substrate with few defects, the GaN-based thin film epitaxially grown thereon has few crystal defects, and as a result, leakage current can be suppressed, the carrier confinement effect in the case of a quantum structure can be enhanced, and A high-performance device can be realized.

【0065】すなわち、本発明のIII族窒化物結晶は、
前述したように、結晶欠陥の少ない高品質な結晶であ
る。このIII族窒化物結晶を用いて、デバイスを作製あ
るいは基板として用いて、薄膜成長からデバイス作製を
行うことで、高性能なデバイスが実現できる。ここで言
う高性能とは、例えば半導体レーザや発光ダイオードの
場合には、従来実現できていない高出力且つ長寿命なも
のであり、電子デバイスの場合には低消費電力、低雑
音、高速動作、高温動作可能なものであり、受光デバイ
スとしては低雑音、長寿命等のものである。
That is, the group III nitride crystal of the present invention is
As described above, it is a high quality crystal with few crystal defects. A high-performance device can be realized by producing a device by using this group III nitride crystal or by producing a device as a substrate or from thin film growth. The high performance referred to here is, for example, in the case of a semiconductor laser or a light emitting diode, high output and long life which have not been realized conventionally, and in the case of an electronic device, low power consumption, low noise, high speed operation, It can operate at high temperature and has low noise and long life as a light receiving device.

【0066】[0066]

【発明の効果】以上に説明したように、請求項1乃至請
求項6記載の発明によれば、反応容器内で、アルカリ金
属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形
成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、
III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成
長させるようになっているので、第1,第2,第5ある
いは第6の従来技術のような複雑な工程を必要とせず、
低コストで高品質なIII族窒化物結晶及びそれを用いた
半導体デバイスを実現することが可能となる。
As described above, according to the first to sixth aspects of the invention, the alkali metal and the substance containing at least a Group III metal form a mixed melt in the reaction vessel, From the mixed melt and a substance containing at least nitrogen,
Since a group III nitride composed of a group III metal and nitrogen is crystal-grown, complicated steps such as those of the first, second, fifth or sixth conventional techniques are not required,
It is possible to realize a high-quality Group III nitride crystal at low cost and a semiconductor device using the same.

【0067】さらに、1000℃以下と成長温度が低
く、100気圧程度以下と圧力も低い条件下でIII族窒
化物の結晶成長が可能となることから、第3の従来技術
のように超高圧,超高温に耐えうる高価な反応容器を用
いる必要がなく、その結果、低コストでのIII族窒化物
結晶及びそれを用いた半導体デバイスを実現することが
可能となる。
Furthermore, since the group III nitride crystal can be grown under the condition that the growth temperature is as low as 1000 ° C. or less and the pressure is as low as about 100 atm or less, the ultrahigh pressure as in the third prior art, It is not necessary to use an expensive reaction container that can withstand ultrahigh temperatures, and as a result, it is possible to realize a low cost group III nitride crystal and a semiconductor device using the same.

【0068】さらに、請求項1乃至請求項6記載の発明
によれば、モーターの回転運動をロッドの直進運動に変
換し、直進運動するロッドによって少なくともIII族金
属を含む物質を反応容器の外部から反応容器内に送り込
むポンプを備えていることにより、少なくともIII族金
属を含む物質をポンプを用いて継続的に反応容器内に送
ることができる。従って、III族窒化物結晶を継続的に
安定して成長させることが可能となり、所望の大きさの
高品質のIII族窒化物結晶を得ることができる。
Further, according to the first to sixth aspects of the invention, the rotational motion of the motor is converted into the linear motion of the rod, and the linearly moving rod is used to transfer the substance containing at least a group III metal from the outside of the reaction vessel. By providing the pump for feeding into the reaction vessel, the substance containing at least the group III metal can be continuously fed into the reaction vessel by using the pump. Therefore, it becomes possible to continuously and stably grow the group III nitride crystal, and a high quality group III nitride crystal having a desired size can be obtained.

【0069】特に、請求項2,請求項3記載の発明で
は、請求項1のIII族窒化物結晶成長装置において、少
なくともIII族金属を含む物質を反応容器内に送り込む
前記ポンプ内には、逆止弁が設けられており、該逆止弁
は、反応容器からポンプへの少なくともIII族金属を含
む物質の逆流を防ぐための所定の材質からなるボールを
有しているので、少なくともIII族金属を含む物質の逆
流を防止することが可能となり、少なくともIII族金属
を含む物質を反応容器内へ継続的に送り込むことが可能
となる。
In particular, in the inventions according to claims 2 and 3, in the group III nitride crystal growth apparatus according to claim 1, the inside of the pump for feeding the substance containing at least the group III metal into the reaction vessel is reversed. A check valve is provided, and since the check valve has a ball made of a predetermined material for preventing backflow of a substance containing at least a Group III metal from the reaction vessel to the pump, at least a Group III metal is provided. It is possible to prevent the backflow of the substance containing the metal, and it is possible to continuously feed the substance containing at least the group III metal into the reaction vessel.

【0070】また、請求項7記載の発明によれば、請求
項4乃至請求項6のいずれか一項に記載のIII族窒化物
結晶成長方法で作製されたことを特徴とするIII族窒化
物結晶であるので、結晶品質の高い、デバイスを作製す
ることが可能な程度に大きいIII族窒化物結晶を、低コ
ストで提供することが可能となる。
Further, according to the invention of claim 7, a group III nitride produced by the method of growing a group III nitride crystal according to any one of claims 4 to 6. Since it is a crystal, it is possible to provide a group III nitride crystal having high crystal quality and large enough to make a device at low cost.

【0071】また、請求項8,請求項9記載の発明によ
れば、請求項7記載のIII族窒化物結晶を用いて作製さ
れたことを特徴とする半導体デバイスであるので、高性
能な半導体デバイスを低コストで提供することができ
る。
According to the eighth and ninth aspects of the present invention, the semiconductor device is characterized by being produced by using the group III nitride crystal according to the seventh aspect, and is therefore a high-performance semiconductor. The device can be provided at low cost.

【0072】特に、請求項9記載の発明によれば、請求
項8記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイス
は、400nmよりも短い波長で発光する発光デバイス
であり、400nmよりも短い波長域でも高効率に発光
する発光デバイスを提供することができる。すなわち、
本発明のIII族窒化物結晶を基板に用いることで、結晶
欠陥,不純物の少ないIII族窒化物半導体デバイスが実
現可能となり、その結果、深い順位からの発光が抑制で
きた、高効率な発光特性を実現することが可能となる。
In particular, according to the invention described in claim 9, in the semiconductor device according to claim 8, the semiconductor device is a light emitting device which emits light at a wavelength shorter than 400 nm, and has a high wavelength range shorter than 400 nm. A light emitting device that efficiently emits light can be provided. That is,
By using the group III nitride crystal of the present invention as a substrate, a group III nitride semiconductor device with few crystal defects and impurities can be realized, and as a result, light emission from a deep order can be suppressed and highly efficient light emission characteristics can be achieved. Can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係るIII族窒化物結晶成長装置の構成
例を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a Group III nitride crystal growth apparatus according to the present invention.

【図2】ポンプの構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a pump.

【図3】本発明に係る半導体デバイスの構成例を示す図
である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor device according to the present invention.

【図4】従来のレーザダイオードを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a conventional laser diode.

【図5】従来の半導体レーザを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a conventional semiconductor laser.

【図6】第6の従来技術によるGaN厚膜基板の作製方
法を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a method of manufacturing a GaN thick film substrate according to a sixth conventional technique.

【図7】第6の従来技術によるGaN厚膜基板の作製方
法を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a method of manufacturing a GaN thick film substrate according to a sixth conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 反応容器 102 混合融液保持容器 103 混合融液 104 窒素供給管 105 圧力調整機構 106 第1の加熱装置 107 第1の供給管 108 ポンプ 109 第2の供給管 110 容器 111 III族窒化物結晶 112 第2の加熱装置 201 モーター 202 回転軸 203 カム 204 ロッド 205 第3の供給管 206 第1の逆止弁 207 第2の逆止弁 208、209 スプリング 210、211 ボール 301 n型GaN基板 302 n型AlGaNクラッド層 303 n型GaNガイド層 304 InGaN MQW活性層 305 p型GaNガイド層 306 p型AlGaNクラッド層 307 p型GaNコンタクト層 308 SiO2絶縁膜 309 p側オーミック電極 310 n側オーミック電極101 Reaction Container 102 Mixed Melt Holding Container 103 Mixed Melt 104 Nitrogen Supply Pipe 105 Pressure Adjustment Mechanism 106 First Heating Device 107 First Supply Pipe 108 Pump 109 Second Supply Pipe 110 Container 111 Group III Nitride Crystal 112 Second heating device 201 Motor 202 Rotating shaft 203 Cam 204 Rod 205 Third supply pipe 206 First check valve 207 Second check valve 208, 209 Spring 210, 211 Ball 301 n-type GaN substrate 302 n-type AlGaN clad layer 303 n-type GaN guide layer 304 InGaN MQW active layer 305 p-type GaN guide layer 306 p-type AlGaN clad layer 307 p-type GaN contact layer 308 SiO 2 insulating film 309 p-side ohmic electrode 310 n-side ohmic electrode

フロントページの続き Fターム(参考) 4G077 AA02 BE15 CC05 CC06 EG26 5F041 AA04 AA44 CA40 CA63 CA65 CA66 CA85 5F053 AA50 DD20 FF04 GG01 LL01 RR11 RR13 5F073 AA04 AA45 AA74 CA07 CB02 CB22 DA04 DA06 DA07 DA32 EA24 EA28 Continued front page    F-term (reference) 4G077 AA02 BE15 CC05 CC06 EG26                 5F041 AA04 AA44 CA40 CA63 CA65                       CA66 CA85                 5F053 AA50 DD20 FF04 GG01 LL01                       RR11 RR13                 5F073 AA04 AA45 AA74 CA07 CB02                       CB22 DA04 DA06 DA07 DA32                       EA24 EA28

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 反応容器内で、アルカリ金属と少なくと
もIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合
融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と
窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII
族窒化物結晶成長装置において、モーターの回転運動を
ロッドの直進運動に変換し、直進運動するロッドによっ
て少なくともIII族金属を含む物質を反応容器の外部か
ら反応容器内に送り込むポンプを備えていることを特徴
とするIII族窒化物結晶成長装置。
1. A reaction vessel, in which an alkali metal and a substance containing at least a group III metal form a mixed melt, and the mixed melt and a substance containing at least nitrogen are used to form a group III metal and nitrogen. Growth of group III nitrides III
The group-nitride crystal growth apparatus is provided with a pump for converting the rotational movement of the motor into the linear movement of the rod, and for feeding the substance containing at least the group III metal from the outside of the reaction vessel into the reaction vessel by the linearly-moving rod. A group III nitride crystal growth apparatus characterized by:
【請求項2】 請求項1のIII族窒化物結晶成長装置に
おいて、少なくともIII族金属を含む物質を反応容器内
に送り込む前記ポンプ内には、逆止弁が設けられてお
り、該逆止弁は、反応容器からポンプへの少なくともII
I族金属を含む物質の逆流を防ぐための所定の材質から
なるボールを有していることを特徴とするIII族窒化物
結晶成長装置。
2. The group III nitride crystal growth apparatus according to claim 1, wherein a check valve is provided in the pump for feeding a substance containing at least a group III metal into the reaction vessel, and the check valve is provided. At least II from the reaction vessel to the pump
A group III nitride crystal growth apparatus having a ball made of a predetermined material for preventing backflow of a substance containing a group I metal.
【請求項3】 請求項2記載のIII族窒化物結晶成長装
置において、前記ボールは、その材質の密度が、少なく
ともIII族金属を含む物質の密度よりも大きいことを特
徴とするIII族窒化物結晶成長装置。
3. The group III nitride crystal growth apparatus according to claim 2, wherein the ball has a material density higher than that of a substance containing at least a group III metal. Crystal growth equipment.
【請求項4】 反応容器内で、アルカリ金属と少なくと
もIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合
融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と
窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII
族窒化物結晶成長方法において、少なくともIII族金属
を含む物質を所定のポンプを用いて反応容器の外部から
反応容器内に送り込むことを特徴とするIII族窒化物結
晶成長方法。
4. A reaction vessel, in which an alkali metal and a substance containing at least a group III metal form a mixed melt, and the mixed melt and a substance containing at least nitrogen constitute a group III metal and nitrogen. Growth of group III nitrides III
In the Group III nitride crystal growth method, a Group III nitride crystal growth method is characterized in that a substance containing at least a Group III metal is fed into the reaction vessel from outside the reaction vessel using a predetermined pump.
【請求項5】 請求項4記載のIII族窒化物結晶成長方
法において、少なくともIII族金属を含む物質は、液体
状態で、反応容器の外部から反応容器内に送り込まれる
ことを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
5. The group III nitride crystal growth method according to claim 4, wherein the substance containing at least a group III metal is fed into the reaction vessel from outside the reaction vessel in a liquid state. Nitride crystal growth method.
【請求項6】 請求項5記載のIII族窒化物結晶成長方
法において、反応容器の外部から反応容器内に送り込ま
れる少なくともIII族金属を含む物質は、液体状態の金
属Ga(ガリウム)であることを特徴とするIII族窒化
物結晶成長方法。
6. The group III nitride crystal growth method according to claim 5, wherein the substance containing at least a group III metal fed into the reaction vessel from the outside of the reaction vessel is liquid metal Ga (gallium). And a method for growing a group III nitride crystal.
【請求項7】 請求項4乃至請求項6のいずれか一項に
記載のIII族窒化物結晶成長方法で作製されたことを特
徴とするIII族窒化物結晶。
7. A group III nitride crystal produced by the group III nitride crystal growth method according to claim 4.
【請求項8】 請求項7記載のIII族窒化物結晶を用い
て作製されたことを特徴とする半導体デバイス。
8. A semiconductor device manufactured by using the group III nitride crystal according to claim 7.
【請求項9】 請求項8記載の半導体デバイスにおい
て、該半導体デバイスは、400nmよりも短い波長で
発光する発光デバイスであることを特徴とする半導体デ
バイス。
9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device is a light emitting device that emits light with a wavelength shorter than 400 nm.
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