JP2003342716A - METHOD FOR GROWING GaN CRYSTAL - Google Patents

METHOD FOR GROWING GaN CRYSTAL

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JP2003342716A
JP2003342716A JP2002152338A JP2002152338A JP2003342716A JP 2003342716 A JP2003342716 A JP 2003342716A JP 2002152338 A JP2002152338 A JP 2002152338A JP 2002152338 A JP2002152338 A JP 2002152338A JP 2003342716 A JP2003342716 A JP 2003342716A
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JP
Japan
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reaction tube
melt
gan crystal
crucible
substrate
Prior art date
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Application number
JP2002152338A
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Japanese (ja)
Inventor
Miki Kusao
幹 草尾
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a method for growing a GaN crystal so as to continuously maintain the crystal growth in the method for growing the GaN crystal using metal Ga vapor and a nitrogen plasma. <P>SOLUTION: In the method for growing the GaN crystal, comprising providing a reaction tube 1 into which the nitrogen plasma is introduced from an upper part, providing a crucible 2 for evaporating metal Ga 12 at the bottom part of the reaction tube, arranging a substrate holding base 3 for holding a substrate at the upper part of the crucible 2, mounting the substrate for growing the GaN crystal on the substrate holding base, and reacting the vapor of the metal Ga evaporated from the crucible with the nitrogen plasma 13a introduced from the upper part of the reaction tube on the substrate, when a GaN film is formed on the surface of a melt of the metal Ga in the crucible, or the melt of the metal Ga is consumed completely, the melt 14d of Ga is additionally supplied into the crucible from the outside of the reaction tube. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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GaN結晶の気相成
長方法に関し、特に、金属Ga蒸気と窒素プラズマとを
利用するGaN結晶成長法の改善に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vapor phase growth method for GaN crystals, and more particularly to an improvement of the GaN crystal growth method using metallic Ga vapor and nitrogen plasma.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年周知のように、青色光や紫外光を射
出するための半導体発光ダイオードや半導体レーザなど
に利用し得るGaN半導体結晶の需要が高まっている。
したがって、GaN結晶を簡便かつ迅速に低コストで製
造することが望まれている。
2. Description of the Related Art As is well known in recent years, there is an increasing demand for GaN semiconductor crystals that can be used for semiconductor light emitting diodes, semiconductor lasers, etc. for emitting blue light and ultraviolet light.
Therefore, it is desired to manufacture a GaN crystal simply and quickly at low cost.

【0003】GaN結晶の成長方法として、たとえばハ
イドライド気相成長法、有機金属気相成長法、化学蒸気
輸送法などを利用することができる。
As a method for growing a GaN crystal, for example, a hydride vapor phase epitaxy method, a metal organic vapor phase epitaxy method, a chemical vapor transport method or the like can be used.

【0004】ここで、ハイドライド気相成長法や有機金
属気相成長法では、反応室内に導入される原料ガスの反
応においてGaN結晶内にその構成成分として取り込ま
れないHCl、NH3、H2等が反応室内に滞るので、こ
れらのガスを反応室から外部へ排出する必要がある。す
なわち、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法
では、原料ガスの大半がGaN結晶成長に寄与すること
なく捨てられることになり、原料収率が悪いという問題
がある。また、大量のHCl、NH3、H2等を廃棄する
ためには大規模の除害設備が必要であり、プロセスのコ
スト高を招くことになる。
Here, in the hydride vapor phase epitaxy method and the metalorganic vapor phase epitaxy method, HCl, NH 3 , H 2 etc. which are not incorporated as constituent components in the GaN crystal in the reaction of the raw material gas introduced into the reaction chamber. Remain in the reaction chamber, it is necessary to discharge these gases from the reaction chamber to the outside. That is, in the hydride vapor phase epitaxy method and the metal organic vapor phase epitaxy method, most of the raw material gas is discarded without contributing to the GaN crystal growth, and there is a problem that the raw material yield is poor. In addition, a large-scale detoxification equipment is required to discard a large amount of HCl, NH 3 , H 2, etc., resulting in high process cost.

【0005】他方、閉管内の高温部において気化された
原料ガスを低温部に輸送してその低温部で結晶成長させ
る化学蒸気輸送法によれば、反応管の外部にガスを排出
しないので、原料収率は良好である。しかし、外部から
原料ガスが供給されない化学蒸気輸送法では、原料ガス
の輸送量を増大させることができないので、GaN結晶
の成長速度を高めることは望めない。
On the other hand, according to the chemical vapor transport method in which the raw material gas vaporized in the high temperature portion in the closed tube is transported to the low temperature portion and the crystal is grown in the low temperature portion, the gas is not discharged to the outside of the reaction tube. The yield is good. However, the chemical vapor transport method, in which the source gas is not supplied from the outside, cannot increase the transport rate of the source gas, and therefore cannot increase the growth rate of the GaN crystal.

【0006】上述のようなハイドライド気相成長法、有
機金属気相成長法、化学蒸気輸送法などのそれぞれが含
む課題に鑑みて、特開2001−77038は、反応管
内で金属Gaの蒸気と窒素プラズマを反応させて基板上
にGaN結晶を成長させる気相成長方法を開示してい
る。
In view of the problems involved in each of the above-described hydride vapor phase epitaxy method, metalorganic vapor phase epitaxy method, chemical vapor transport method, etc., Japanese Patent Laid-Open No. 2001-77038 discloses that vapor of metal Ga and nitrogen are contained in a reaction tube. Disclosed is a vapor phase growth method of reacting plasma to grow a GaN crystal on a substrate.

【0007】図2は、反応管内で金属Ga蒸気と窒素プ
ラズマを反応させてGaN結晶を成長させる先行技術の
一例を模式的な断面図で図解している。なお、本願の各
図において、長さや高さのような寸法関係は、図面の簡
略化と明瞭化のために適宜に変更されており、実際の寸
法関係を表してはいない。
FIG. 2 is a schematic sectional view illustrating an example of a prior art in which metallic Ga vapor and nitrogen plasma are reacted in a reaction tube to grow a GaN crystal. In each drawing of the present application, dimensional relationships such as length and height are appropriately changed for simplification and clarification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships.

【0008】図2において、たとえば内径が23〜26
mmで高さが約600mmの反応管1の上部には窒素ガ
ス導入管1aが設けられている。反応管1の底部には金
属Ga12を蒸発させるために、たとえば外径が17〜
21mmで高さが約30mmの坩堝2が設けられてお
り、この坩堝2の上方において基板11を保持するため
の基板保持台3が配置されている。この基板保持台3
は、たとえば外径が18.5〜22mmで高さが約40
mmの円筒部3aと、たとえば直径が19〜25mmで
厚さが1.2mmの網板3bを含んでいる。基板保持面
として働くこの網板3bは、たとえば直径2mmの開口
3cを21個含んでいる。これらの反応管1、坩堝2、
および基板保持台3は、好ましくは石英にて形成され得
る。また、窒素ガス導入管1aは、それらのフランジ部
を伴ってたとえばステンレス鋼で形成することができ、
反応管1に結合され得る。
In FIG. 2, for example, the inner diameter is 23 to 26.
A nitrogen gas introduction pipe 1a is provided above the reaction pipe 1 having a height of about 600 mm and a diameter of mm. The bottom of the reaction tube 1 has an outer diameter of, for example, 17
A crucible 2 having a height of 21 mm and a height of about 30 mm is provided, and a substrate holding table 3 for holding a substrate 11 is arranged above the crucible 2. This substrate holder 3
Has an outer diameter of 18.5 to 22 mm and a height of about 40, for example.
It includes a cylindrical portion 3a of mm and a mesh plate 3b having a diameter of 19 to 25 mm and a thickness of 1.2 mm, for example. The mesh plate 3b serving as a substrate holding surface includes, for example, 21 openings 3c having a diameter of 2 mm. These reaction tube 1, crucible 2,
The substrate holder 3 can be preferably made of quartz. Further, the nitrogen gas introducing pipe 1a can be formed of, for example, stainless steel together with the flange portions thereof,
It can be connected to the reaction tube 1.

【0009】反応管1の内部は、真空ポンプ(図示せ
ず)によって一旦高真空度に減圧される。高真空度に減
圧された反応管1内には、その上部に設けられた窒素ガ
ス導入管1aから、窒素ガス13が所定圧まで導入され
る。その際に、反応管1の上部に設けられたマイクロ波
導入管4を介して、マイクロ波4aが窒素ガス13に印
加され、窒素プラズマ13aが生成させられる。
The inside of the reaction tube 1 is once evacuated to a high vacuum degree by a vacuum pump (not shown). Nitrogen gas 13 is introduced into the reaction tube 1 depressurized to a high degree of vacuum up to a predetermined pressure from a nitrogen gas introduction tube 1a provided in the upper part of the reaction tube 1. At that time, the microwave 4a is applied to the nitrogen gas 13 through the microwave introduction tube 4 provided at the upper part of the reaction tube 1, and the nitrogen plasma 13a is generated.

【0010】坩堝2内に入れられた金属Ga12は、反
応管1の外部に設けられた加熱装置(図示せず)によっ
て加熱されて溶融させられる。そのGa融液からのGa
蒸気は基板保持面3bの開口3cを通過して、加熱され
た基板11の上面上に至る。そして、そのGa蒸気が窒
素プラズマと反応して、基板11の上面上にGaN結晶
が成長し得る。
The metal Ga 12 placed in the crucible 2 is heated and melted by a heating device (not shown) provided outside the reaction tube 1. Ga from the Ga melt
The vapor passes through the opening 3c of the substrate holding surface 3b and reaches the upper surface of the heated substrate 11. Then, the Ga vapor reacts with the nitrogen plasma, and a GaN crystal can grow on the upper surface of the substrate 11.

【0011】Ga蒸気と窒素プラズマとが反応してGa
N結晶の成長が進行すれば、反応管1内の窒素ガスが消
費されて反応管1内の圧力が所定圧から低下するので、
窒素ガス導入管1aを介して窒素ガス13が追加導入さ
れる。すなわち、反応管1内の圧力は真空計(図示せ
ず)によってモニタされており、所定圧力に保たれるよ
うに窒素ガス13が補充される。
Ga vapor reacts with nitrogen plasma to cause Ga
As the growth of the N crystal progresses, the nitrogen gas in the reaction tube 1 is consumed and the pressure in the reaction tube 1 drops from a predetermined pressure.
The nitrogen gas 13 is additionally introduced through the nitrogen gas introduction pipe 1a. That is, the pressure inside the reaction tube 1 is monitored by a vacuum gauge (not shown), and the nitrogen gas 13 is replenished so as to be maintained at a predetermined pressure.

【0012】すなわち、図2に図解されたGaN結晶成
長方法では、外部から反応管1内に窒素ガスが導入され
るが、実質的にGa蒸気や窒素ガスが反応管1外へ排出
される必要がない(ただし、好ましい反応ガス圧を維持
するために、少量のGa蒸気や窒素ガスが反応管外へ排
出されてもよいことは言うまでもない)。したがって、
図2に示されているような気相成長法では、ハイドライ
ド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規
模な排ガス処理設備を必要とせず、GaN結晶成長の際
の原料収率も良好になる。また、図2に示されているよ
うな気相成長法ではGa融液から大量のGa蒸気を発生
させることができ、また消費された窒素ガスは外部から
導入することができるので、化学蒸気輸送法に比べてG
aN結晶の成長速度を高めることができる。
That is, in the GaN crystal growth method illustrated in FIG. 2, nitrogen gas is introduced into the reaction tube 1 from the outside, but Ga vapor and nitrogen gas need to be substantially discharged to the outside of the reaction tube 1. (However, it goes without saying that a small amount of Ga vapor or nitrogen gas may be discharged out of the reaction tube in order to maintain a preferable reaction gas pressure). Therefore,
The vapor phase epitaxy method as shown in FIG. 2 does not require a large-scale exhaust gas treatment equipment unlike the hydride vapor phase epitaxy method and the metalorganic vapor phase epitaxy method, and is a raw material for GaN crystal growth. The yield is also good. Further, in the vapor phase growth method as shown in FIG. 2, a large amount of Ga vapor can be generated from the Ga melt, and the consumed nitrogen gas can be introduced from the outside, so that chemical vapor transport is possible. G compared to the law
The growth rate of the aN crystal can be increased.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】上述のように、図2に
示されているような気相成長法では、ハイドライド気相
成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規模な排
ガス処理設備を必要としなくてGaN結晶成長の際の原
料収率も良好になり、かつまた化学蒸気輸送法に比べて
GaN結晶の成長速度を高めることができる。
As described above, in the vapor phase growth method as shown in FIG. 2, the large-scale exhaust gas as in the case of the hydride vapor phase growth method or the metalorganic vapor phase growth method is used. The processing equipment is not required, the raw material yield in GaN crystal growth is good, and the GaN crystal growth rate can be increased as compared with the chemical vapor transport method.

【0014】ところが、図2に示されているような気相
成長法を実施した場合、GaN結晶成長の初期において
は順調な成長速度が得られるが、約1〜2時間程度の成
長時間の後に成長速度が成長初期に比べて約1/3〜1
/5に低下してしまうことを本発明者が見出した。
However, when the vapor phase growth method as shown in FIG. 2 is carried out, a good growth rate is obtained at the initial stage of GaN crystal growth, but after a growth time of about 1 to 2 hours. Growth rate is about 1/3 to 1 compared to the initial growth
The present inventor has found that the value is reduced to / 5.

【0015】そこで、本発明は、金属Ga蒸気と窒素プ
ラズマを利用する気相成長法においてGaN結晶成長を
継続的に維持し得るように、GaN結晶の成長方法を改
善することを目的としている。
Therefore, an object of the present invention is to improve the GaN crystal growth method so that the GaN crystal growth can be continuously maintained in the vapor phase growth method utilizing metallic Ga vapor and nitrogen plasma.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上部か
ら窒素プラズマが導入される反応管を準備し、この反応
管の底部において金属Gaを蒸発させるための坩堝を設
け、この坩堝の上方において基板を保持するための基板
保持台を配置し、GaN結晶を成長させるための基板を
基板保持台上に載置し、坩堝から蒸発させられた金属G
aの蒸気と反応管の上部から導入された窒素プラズマと
を基板上で反応させることによってGaN結晶を成長さ
せる方法において、坩堝内の金属Gaの融液表面にGa
N皮膜が形成されるかまたはそのGa融液が枯渇したと
きに、反応管の外部から坩堝内にGa融液が追加供給さ
れることを特徴としている。
According to the present invention, a reaction tube into which nitrogen plasma is introduced from the top is prepared, a crucible for evaporating metal Ga is provided at the bottom of the reaction tube, and a crucible is provided above the crucible. , A substrate holder for holding the substrate is placed, a substrate for growing a GaN crystal is placed on the substrate holder, and the metal G evaporated from the crucible is placed.
In the method of growing a GaN crystal by reacting the vapor of a and the nitrogen plasma introduced from the upper part of the reaction tube on the substrate, Ga is formed on the melt surface of the metal Ga in the crucible.
When the N film is formed or when the Ga melt is depleted, the Ga melt is additionally supplied from the outside of the reaction tube into the crucible.

【0017】なお、追加供給されるGa融液は、反応管
内に導入された導管に接続されたシリンダ内に保持され
たGa融液をピストンで押し出すことによって供給され
得る。また、窒素プラズマはマイクロ波による励起によ
って生じさせられることが好ましい。さらに、Ga結晶
を成長させるための基板の材質としては、サファイヤ、
GaN、AlN、SiC、GaAs、Siなどから適宜
に選択することができる。
The additionally supplied Ga melt can be supplied by pushing out the Ga melt held in the cylinder connected to the conduit introduced into the reaction tube with a piston. Further, it is preferable that the nitrogen plasma is generated by excitation with microwaves. Further, as the material of the substrate for growing the Ga crystal, sapphire,
It can be appropriately selected from GaN, AlN, SiC, GaAs, Si and the like.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】まず、本発明者は、図2に示され
ているようにGa蒸気と窒素プラズマを利用するGaN
結晶成長法を実施した場合に、約1〜2時間程度のGa
N結晶成長の後にその成長速度が成長初期に比べて約1
/3〜1/5程度まで低下してしまうことの原因につい
て調査した。その結果、本発明者は、以下のような原因
を見出した。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, as shown in FIG. 2, the present inventor uses GaN that utilizes Ga vapor and nitrogen plasma.
When the crystal growth method is performed, Ga for about 1 to 2 hours
The growth rate after N crystal growth is about 1 compared to the initial growth.
The cause of the decrease to about ⅓ to ⅕ was investigated. As a result, the present inventor found the following causes.

【0019】すなわち、図2に図解されているような先
行技術によるGaN結晶成長方法では、窒素プラズマ1
3aが基板保持面3bの開口3cを通過して金属Ga融
液12の表面に到達し得る。そうすれば、窒素プラズマ
13aと金属Ga融液12の表面とが直接反応して、そ
の融液表面にGaN被膜を形成し得る。このようなGa
N被膜は金属Ga融液12の蒸発を阻害し、基板11上
に至るGa蒸気を減少させ、ついにはGaN結晶成長を
停止させてしまうのである。
That is, in the GaN crystal growth method according to the prior art as illustrated in FIG.
3a can reach the surface of the metal Ga melt 12 through the opening 3c of the substrate holding surface 3b. Then, the nitrogen plasma 13a directly reacts with the surface of the metal Ga melt 12 to form a GaN film on the surface of the melt. Ga like this
The N coating hinders evaporation of the metallic Ga melt 12, reduces Ga vapor reaching the substrate 11, and finally stops GaN crystal growth.

【0020】そこで、本発明者は、坩堝2内の金属Ga
融液12の表面にGaN被膜が形成された後または金属
Ga融液12が消費されて枯渇した後においても反応管
1内でGa蒸気の発生を可能ならしめる工夫を考えた。
Therefore, the inventor of the present invention has found that the metal Ga in the crucible 2 is
Consideration was made to enable generation of Ga vapor in the reaction tube 1 even after the GaN film is formed on the surface of the melt 12 or after the metal Ga melt 12 is consumed and exhausted.

【0021】図1は、本発明にしたがってGa蒸気と窒
素プラズマとを利用してGaN結晶を成長させる方法の
一例を模式的な断面図で図解している。図1の結晶成長
方法においても、図2の場合と同様に、たとえば内径が
23〜26mmで高さが約600mmの反応管1の上部
には窒素ガス導入管1aが設けられている。反応管1の
底部には金属Ga12を蒸発させるために、たとえば外
径が17〜21mmで高さが約30mmの坩堝2が設け
られており、この坩堝2の上方において基板11を保持
するための基板保持台3が配置されている。この基板保
持台3は、たとえば外径が18.5〜22mmで高さが
約40mmの円筒部3aと、たとえば直径が19〜25
mmで厚さが1.2mmの網板3bを含んでいる。基板
保持面として働くこの網板3bは、たとえば直径2mm
の開口3cを21個含んでいる。これらの反応管1、坩
堝2、および基板保持台3は、好ましくは石英にて形成
され得る。また、窒素ガス導入管1aは、それらのフラ
ンジ部を伴ってたとえばステンレス鋼で形成することが
でき、反応管1に結合され得る。
FIG. 1 is a schematic sectional view illustrating an example of a method for growing a GaN crystal by utilizing Ga vapor and nitrogen plasma according to the present invention. Also in the crystal growth method of FIG. 1, as in the case of FIG. 2, a nitrogen gas introduction tube 1a is provided above the reaction tube 1 having an inner diameter of 23 to 26 mm and a height of about 600 mm, for example. In order to evaporate the metal Ga12, a crucible 2 having an outer diameter of 17 to 21 mm and a height of about 30 mm is provided at the bottom of the reaction tube 1, and a crucible 2 for holding the substrate 11 above the crucible 2 is provided. A substrate holder 3 is arranged. The substrate holder 3 has, for example, a cylindrical portion 3a having an outer diameter of 18.5 to 22 mm and a height of about 40 mm, and a diameter of, for example, 19 to 25.
The mesh plate 3b has a thickness of 1.2 mm and a thickness of 1.2 mm. This mesh plate 3b, which serves as a substrate holding surface, has a diameter of 2 mm, for example.
21 openings 3c are included. The reaction tube 1, the crucible 2 and the substrate holder 3 can be preferably made of quartz. Further, the nitrogen gas introducing pipe 1a can be formed of, for example, stainless steel together with the flange portions thereof, and can be connected to the reaction pipe 1.

【0022】反応管1の内部は、真空ポンプ(図示せ
ず)によって、たとえば10-5Paの高真空度まで一旦
排気される。その後、反応管1の上部に設けられた窒素
ガス導入管1aから、たとえば10Paから1000P
aの範囲内で設定された所定圧力の窒素ガス13が反応
管1内に導入される。その際に、反応管1の上部に設け
られたマイクロ波導入管4を介して、たとえば周波数
2.45GHzで出力250Wのマイクロ波4aが窒素
ガス13に印加され、窒素プラズマ13aが生成させら
れる。
The inside of the reaction tube 1 is temporarily evacuated to a high vacuum degree of, for example, 10 -5 Pa by a vacuum pump (not shown). Then, from the nitrogen gas introduction pipe 1a provided on the upper portion of the reaction pipe 1, for example, 10 Pa to 1000 P
The nitrogen gas 13 having a predetermined pressure set within the range of a is introduced into the reaction tube 1. At this time, the microwave 4a having a frequency of 2.45 GHz and an output of 250 W is applied to the nitrogen gas 13 through the microwave introduction tube 4 provided at the upper part of the reaction tube 1 to generate the nitrogen plasma 13a.

【0023】坩堝2内に入れられた金属Ga12は、反
応管1の外部に設けられた加熱装置(図示せず)によっ
てたとえば1100℃に加熱されて溶融させられる。そ
のGa融液からのGa蒸気は基板保持面3bの開口3c
を通過して、加熱された基板11の上面上に至る。そし
て、そのGa蒸気が窒素プラズマと反応して、基板11
の上面上にGaN結晶が成長し得る。なお、基板11と
しては、たとえば結晶学的(0001)面を主面とする
5mm角のサファイヤ基板またはGaN種結晶基板が好
ましく用いられ得る。ただし、基板11はこれらに限定
されず、AlN、SiC、GaAs、Siなどの基板を
も適宜に選択することができる。
The metal Ga 12 placed in the crucible 2 is heated to, for example, 1100 ° C. and melted by a heating device (not shown) provided outside the reaction tube 1. The Ga vapor from the Ga melt is the opening 3c of the substrate holding surface 3b.
To reach the upper surface of the heated substrate 11. Then, the Ga vapor reacts with the nitrogen plasma, and the substrate 11
GaN crystals may grow on the upper surface of the. As the substrate 11, for example, a 5 mm square sapphire substrate or a GaN seed crystal substrate having a crystallographic (0001) plane as a main surface can be preferably used. However, the substrate 11 is not limited to these, and a substrate made of AlN, SiC, GaAs, Si or the like can be appropriately selected.

【0024】Ga蒸気と窒素プラズマとが反応してGa
N結晶の成長が進行すれば、反応管1内の窒素ガスが消
費されて反応管1内の圧力が所定圧から低下するので、
窒素ガス導入管1aを介して窒素ガス13が追加導入さ
れる。すなわち、反応管1内の圧力は真空計(図示せ
ず)によってモニタされており、所定圧力に保たれるよ
うに窒素ガス13が補充される。この際に、圧力の制御
は、窒素ガスの流量制御器におけるPID(比例積分微
分)制御によって行われる。
Ga vapor reacts with nitrogen plasma to cause Ga
As the growth of the N crystal progresses, the nitrogen gas in the reaction tube 1 is consumed and the pressure in the reaction tube 1 drops from a predetermined pressure.
The nitrogen gas 13 is additionally introduced through the nitrogen gas introduction pipe 1a. That is, the pressure inside the reaction tube 1 is monitored by a vacuum gauge (not shown), and the nitrogen gas 13 is replenished so as to be maintained at a predetermined pressure. At this time, the pressure is controlled by PID (Proportional Integral Derivative) control in the nitrogen gas flow rate controller.

【0025】すなわち、図1に図解されたGaN結晶成
長方法では、外部から反応管1内に窒素ガスが導入され
るが、実質的にGa蒸気や窒素ガスが反応管1外へ排出
される必要がない(ただし、好ましい反応ガス圧を維持
するために、少量のGa蒸気や窒素ガスが反応管外へ排
出されてもよいことは言うまでもない)。したがって、
図1に示されているようなGa蒸気と窒素プラズマを利
用するGaN結晶成長法では、図2の場合と同様に、ハ
イドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のよ
うに大規模な排ガス処理設備を必要としなくてGaN結
晶成長の際の原料収率も良好になり、かつまた化学蒸気
輸送法に比べてGaN結晶の成長速度を高めることがで
きる。
That is, in the GaN crystal growth method illustrated in FIG. 1, nitrogen gas is introduced into the reaction tube 1 from the outside, but Ga vapor and nitrogen gas must be substantially discharged to the outside of the reaction tube 1. (However, it goes without saying that a small amount of Ga vapor or nitrogen gas may be discharged out of the reaction tube in order to maintain a preferable reaction gas pressure). Therefore,
As in the case of FIG. 2, the GaN crystal growth method using Ga vapor and nitrogen plasma as shown in FIG. 1 has a large scale like the case of the hydride vapor phase epitaxy method and the metal organic vapor phase epitaxy method. It is possible to improve the raw material yield during GaN crystal growth without requiring any exhaust gas treatment equipment, and to increase the GaN crystal growth rate as compared with the chemical vapor transport method.

【0026】さらに、図1に示されているGaN結晶成
長方法では、反応管1の外部から反応管1内に付加的な
Ga融液を供給するための手段14が設けられている。
すなわち、反応管1内にはGa融液輸送管14aが挿入
されている。このGa融液輸送管14aはシリンダ14
bに接続されている。シリンダ14bはヒータ(図示せ
ず)によって加熱されており、Ga融液を保持してい
る。そして、シリンダ14b内のGa融液に対してピス
トン14cで加圧することによって、Ga融液輸送管1
4aを介して反応管1内に付加的なGa融液滴14dを
注入することができる。反応管1内に注入された付加的
なGa融液滴14dは、網板3bに設けられた開口3d
を通って坩堝2内に滴下する。もちろん、図1に示され
た付加的なGa融液を供給するための手段14は例示で
あって、反応管1の気密性を維持しつつ坩堝2内に付加
的なGa融液を供給し得るものであればどのような手段
を用いてもよい。
Further, in the GaN crystal growth method shown in FIG. 1, means 14 for supplying an additional Ga melt into the reaction tube 1 from the outside of the reaction tube 1 is provided.
That is, the Ga melt transport pipe 14a is inserted in the reaction pipe 1. The Ga melt transport pipe 14a is a cylinder 14
connected to b. The cylinder 14b is heated by a heater (not shown) and holds the Ga melt. Then, by pressing the Ga melt in the cylinder 14b with the piston 14c, the Ga melt transport pipe 1
Additional Ga melt droplets 14d can be injected into the reaction tube 1 via 4a. The additional Ga melt droplets 14d injected into the reaction tube 1 are the openings 3d provided in the mesh plate 3b.
Through which it is dripped into the crucible 2. Of course, the means 14 for supplying the additional Ga melt shown in FIG. 1 is an example, and the additional Ga melt is supplied into the crucible 2 while maintaining the airtightness of the reaction tube 1. Any means may be used as long as it can be obtained.

【0027】なお、図1に例示されているような付加的
Ga融液供給手段14は、たとえば好ましくはステンレ
ス鋼を用いて作製され得る。また、金属Gaは約29.
8℃の低い融点を有しているので、Ga融液を得ること
が容易でかつその輸送も容易である。
The additional Ga melt supply means 14 as illustrated in FIG. 1 can be made of, for example, preferably stainless steel. The metal Ga is about 29.
Since it has a low melting point of 8 ° C., it is easy to obtain a Ga melt and also easy to transport it.

【0028】付加的Ga融液供給手段14を備えた図1
の結晶成長法においては、坩堝1内のGa融液12表面
にGaN皮膜が形成されてそのGa融液からの蒸発が阻
害されたとしても、Ga融液輸送管14aからGa融液
滴14dを坩堝2内に滴下させることによって、GaN
皮膜が破られてGa融液面が露出されるか、またはGa
N皮膜上にGa融液滴が広がって新たなGa蒸気を発生
させ得る。また、たとえ坩堝2内のGa融液が蒸発して
消費し尽くされたとしても、Ga融液供給手段14から
新たなGa融液を坩堝2内に供給することによって、G
aN結晶の成長を継続させることができる。
FIG. 1 with additional Ga melt supply means 14.
In the above crystal growth method, even if a GaN film is formed on the surface of the Ga melt 12 in the crucible 1 and the evaporation from the Ga melt is hindered, the Ga melt transport pipe 14a causes the Ga melt droplets 14d to be removed. By dropping into the crucible 2, GaN
The film is broken to expose the Ga melt surface, or the Ga melt surface is exposed.
Ga molten droplets can spread on the N film to generate new Ga vapor. Even if the Ga melt in the crucible 2 is completely evaporated and consumed, by supplying new Ga melt from the Ga melt supply means 14 into the crucible 2,
The growth of the aN crystal can be continued.

【0029】すなわち、図2の結晶成長法の場合には約
1〜2時間でGaN結晶成長速度が顕著に低下して最終
的には成長が停止したのに対して、図1の結晶成長法の
場合にはGa融液供給手段14から付加的なGa融液の
供給を継続できる限りGaN結晶成長を維持継続するこ
とができる。
That is, in the case of the crystal growth method of FIG. 2, the GaN crystal growth rate remarkably decreased in about 1 to 2 hours and finally the growth stopped, whereas in the crystal growth method of FIG. In this case, the GaN crystal growth can be maintained and continued as long as the supply of the additional Ga melt from the Ga melt supply means 14 can be continued.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ハイド
ライド気相成長法、有機金属気相成長法、および化学蒸
気輸送法などに比べて優れた利点を有し得るGaN蒸気
と窒素プラズマとを利用するGaN結晶成長において、
その成長を継続的に維持し得るようにGaN結晶の成長
方法を改善することができる。
As described above, according to the present invention, GaN vapor and nitrogen plasma which can have superior advantages over the hydride vapor phase epitaxy method, the metal organic vapor phase epitaxy method, the chemical vapor transport method and the like. In GaN crystal growth using and,
The growth method of the GaN crystal can be improved so that its growth can be continuously maintained.

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

【図1】 本発明によるGaN結晶成長方法を模式的に
図解する断面図である。
FIG. 1 is a sectional view schematically illustrating a GaN crystal growth method according to the present invention.

【図2】 先行技術によるGaN結晶成長方法を模式的
に図解する断面図である。
FIG. 2 is a sectional view schematically illustrating a GaN crystal growth method according to the prior art.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 反応管、1a 窒素ガス導入管、2 金属Gaを蒸
発させるための坩堝、3 基板保持台、3a基板保持台
の円筒部、3b 基板保持台の網板、3c、3d 網板
3bに含まれる開口、4 マイクロ波導入管、4a マ
イクロ波、11GaN結晶を成長させるための基板、1
2 金属Ga、13 窒素ガス、13a 窒素プラズ
マ、14 付加的Ga融液供給手段、14a Ga融液
輸送管、14b シリンダ、14c ピストン、14d
付加的Ga融液滴。
1 Reaction Tube, 1a Nitrogen Gas Introducing Tube, 2 Crucible for Evaporating Metal Ga, 3 Substrate Holding Table, 3a Cylindrical Section of Substrate Holding Table, 3b Net Plate of Substrate Holding Table, 3c, 3d Included in Net Plate 3b Opening, 4 microwave introduction tube, 4a microwave, 11 substrate for growing GaN crystal, 1
2 metal Ga, 13 nitrogen gas, 13a nitrogen plasma, 14 additional Ga melt supply means, 14a Ga melt transport pipe, 14b cylinder, 14c piston, 14d
Additional Ga melt droplets.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 上部から窒素プラズマが導入される反応
管を準備し、 前記反応管の底部において金属Gaを蒸発させるための
坩堝を設け、 前記坩堝の上方において基板を保持するための基板保持
台を配置し、 GaN結晶を成長させるための前記基板を前記基板保持
台上に載置し、 前記坩堝から蒸発させられた前記金属Gaの蒸気と前記
反応管の上部から導入された前記窒素プラズマとを前記
基板上で反応させることによってGaN結晶を成長させ
る方法において、 前記坩堝内の金属Gaの融液表面にGaN皮膜が形成さ
れるかまたはそのGa融液が消費されて枯渇したとき
に、前記反応管の外部から前記坩堝内にGa融液が追加
供給されることを特徴とするGaN結晶の成長方法。
1. A reaction tube into which nitrogen plasma is introduced from above is prepared, a crucible for evaporating metal Ga is provided at the bottom of the reaction tube, and a substrate holder for holding a substrate above the crucible. And placing the substrate for growing a GaN crystal on the substrate holder, and vapor of the metal Ga evaporated from the crucible and the nitrogen plasma introduced from the upper part of the reaction tube. In the method of growing a GaN crystal by reacting with the substrate, the GaN film is formed on the melt surface of the metal Ga in the crucible, or when the Ga melt is consumed and exhausted, A method for growing a GaN crystal, characterized in that a Ga melt is additionally supplied into the crucible from the outside of the reaction tube.
【請求項2】 前記追加供給されるGa融液は、前記反
応管内に導入された導管に接続されたシリンダ内に保持
されたGa融液をピストンで押し出すことによって供給
されることを特徴とする請求項1に記載のGaN結晶の
成長方法。
2. The additionally supplied Ga melt is supplied by pushing out a Ga melt held in a cylinder connected to a conduit introduced into the reaction tube with a piston. The method for growing a GaN crystal according to claim 1.
【請求項3】 前記窒素プラズマはマイクロ波による励
起によって生じさせられることを特徴とする請求項1ま
たは2に記載のGaN結晶の成長方法。
3. The method for growing a GaN crystal according to claim 1, wherein the nitrogen plasma is generated by excitation with microwaves.
【請求項4】 前記基板の材質は、サファイヤ、Ga
N、AlN、SiC、GaAs、およびSiから選択さ
れたものであることを特徴とする請求項1から3のいず
れかに記載のGaN結晶の成長方法。
4. The material of the substrate is sapphire or Ga
The method for growing a GaN crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein the method is selected from N, AlN, SiC, GaAs, and Si.
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