JP2005112718A - Method for manufacturing group 13 element nitride crystal - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method capable of simply, safely and efficiently obtaining a high quality group 13 element nitride compound, especially a bulky single crystal of gallium nitride. <P>SOLUTION: In the method for manufacturing the group 13 element nitride crystal, the bulky single crystal is obtained by performing crystal growth by heating and melting a mixture of a group 13 element nitride raw material and a metal halide. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、窒化ガリウムに代表される13族窒化物の製造方法に関し、詳しくは、高品質の13族窒化物の塊状単結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a group 13 nitride represented by gallium nitride, and more particularly to a method for producing a high-quality group 13 nitride bulk single crystal.

窒化ガリウム(GaN)は発光ダイオード及びレーザーダイオード等の電子素子に適用される物質として有用である。この窒化ガリウム結晶の製造方法としては、現在サファイヤ又は炭化ケイ素等のような基板上にMOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法による気相エピタキシャル成長を行う方法が最も一般的である。しかしながら
、該方法では基板とGaNの格子定数、熱膨張係数が異なるヘテロエピタキシャル成長であるために、得られるGaNに格子欠陥が発生しやすく、青色レーザー等で応用できるような高品質の結晶を得ることが難しいという問題がある。格子欠陥を低減するための手法も種々提案されているが、工程が複雑化し、コストアップにつながるなどの問題が発生する。
Gallium nitride (GaN) is useful as a material applied to electronic devices such as light emitting diodes and laser diodes. The most common method for producing this gallium nitride crystal is a method of performing vapor phase epitaxial growth by MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) on a substrate such as sapphire or silicon carbide. However, since this method uses heteroepitaxial growth in which the substrate and GaN have different lattice constants and thermal expansion coefficients, lattice defects are likely to occur in the obtained GaN, and a high-quality crystal that can be applied with a blue laser or the like is obtained. There is a problem that is difficult. Various methods for reducing lattice defects have been proposed, but problems such as complicated processes and increased costs occur.

そこで、近年、上記方法に代わる、ホモエピタキシャル基板用の高品質の窒化ガリウムの塊状単結晶の新しい製造技術の確立が強く望まれている。かかる新しい窒化ガリウム結晶の製造方法として、各種の方法が提案されている。
S. Porowskiらは、約2000MPaの高圧下で、窒素とGaを反応させて窒化ガリウ
ム結晶を得ている(非特許文献1参照)。
Therefore, in recent years, there has been a strong demand for establishment of a new manufacturing technique for high-quality gallium nitride massive single crystals for homoepitaxial substrates, which can replace the above method. Various methods have been proposed for producing such a new gallium nitride crystal.
S. Porowski et al. Obtained gallium nitride crystals by reacting nitrogen and Ga under a high pressure of about 2000 MPa (see Non-Patent Document 1).

また、R. Dwilinskiらは、100〜500MPaの高圧下、超臨界状態のアンモニアを溶媒とし、結晶化のための鉱化剤としてKNH2を用い、窒化ガリウム結晶を得ている(
非特許文献2参照)。
一方、H.Yamaneらは、金属ナトリウムや金属カリウムをフラックスとして用い、金属ガリウムと溶解した窒素から窒化ガリウム結晶を得ている(非特許文献3参照)。
J.Crystal Growth178(1997)174-178 ACTA PHYSICA POLONICA A Vol.88(1995)833-836 J.Crystal Growth218(2000)7-12
R. Dwilinski et al. Obtained gallium nitride crystals using ammonia in a supercritical state as a solvent under high pressure of 100 to 500 MPa and KNH 2 as a mineralizer for crystallization (
Non-patent document 2).
On the other hand, H. Yamane et al. Obtained metallic gallium nitride crystals from metallic gallium and dissolved nitrogen using metallic sodium or metallic potassium as a flux (see Non-Patent Document 3).
J. Crystal Growth 178 (1997) 174-178 ACTA PHYSICA POLONICA A Vol.88 (1995) 833-836 J. Crystal Growth 218 (2000) 7-12

しかしながら、以上のような方法による窒化物の結晶成長の方法は、工業的に確立されておらず、初歩的な検討に留まる。サイズの大きい塊状の高品質の単結晶を得る方法は明示されておらず、高圧装置のため非常に高価な設備が必要であったり、反応性の高いアルカリ金属をフラックスとして使用したり、毒性や危険性の高いアンモニアを溶媒として用いたりするために安全性の確保も厳重に行わなければならず、従って高い生産効率を得るのが困難である。   However, the method of growing a nitride crystal by the above method has not been established industrially, and is only a rudimentary study. There is no clear method for obtaining large-sized high-quality single crystals, which requires a very expensive equipment for high-pressure equipment, uses highly reactive alkali metals as flux, In order to use highly dangerous ammonia as a solvent, safety must be strictly ensured, and it is therefore difficult to obtain high production efficiency.

本発明者等は、上記の課題に鑑み、毒性や危険性の高い物質を使用することなく、工業的にも十分適用可能な方法で、高品質の13族窒化物の塊状単結晶を製造できる方法につき鋭意検討を行った結果、13族窒化物原料に対する、いわゆるフラックスとして金属ハロゲン化物を用いた結晶成長の方法によれば、塊状単結晶が効率よく得られることを見出し、本発明に到達した。即ち、本発明は、13族窒化物原料と金属ハロゲン化物の混合物を加熱溶融して結晶成長を行い、塊状単結晶を得ることを特徴とする13族窒化物結晶の製造方法に存する。   In view of the above problems, the present inventors can manufacture a high-quality group 13 nitride massive single crystal by a method that can be applied industrially without using a highly toxic or dangerous substance. As a result of intensive studies on the method, it has been found that according to the method of crystal growth using a metal halide as a so-called flux for a group 13 nitride raw material, a massive single crystal can be obtained efficiently, and the present invention has been achieved. . That is, the present invention resides in a method for producing a group 13 nitride crystal characterized in that a bulk single crystal is obtained by performing crystal growth by heating and melting a mixture of a group 13 nitride raw material and a metal halide.

本発明の13族窒化物結晶の製造方法により、従来よりも簡易かつ安全な方法によって、高品質な、13族窒化物の塊状単結晶を効率良く製造することができる。本発明によれば、毒性や反応性の高い物質を使用することもないので、安全性が高く、工業的実施も容易である。   By the method for producing a group 13 nitride crystal of the present invention, a high-quality group 13 nitride massive single crystal can be efficiently produced by a simpler and safer method than before. According to the present invention, since a highly toxic or reactive substance is not used, safety is high and industrial implementation is easy.

以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例であり、本発明はこれらの実施態様に限定されるものではない。
本発明の製造対象である13族窒化物としては、通常、B、Al、Ga、In等の周期表13族元素の単独金属の窒化物(例えば、GaN、AlN、InN)が挙げられ、合金族の窒化物(例えば、GaInN,GaAlN)も含まれる。本発明は、このうち、特に、窒化ガリウムの結晶を得る場合に好適である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The description of the constituent requirements described below is an example of embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments.
Examples of the group 13 nitride that is a production target of the present invention usually include nitrides of single metals of group 13 elements of the periodic table such as B, Al, Ga, and In (for example, GaN, AlN, InN), and alloys. Group nitrides (eg, GaInN, GaAlN) are also included. Of these, the present invention is particularly suitable for obtaining gallium nitride crystals.

また、本発明の方法において、13族窒化物結晶原料としては、通常、窒化物の多結晶粉末原料(以下、"多結晶原料"と呼ぶ場合がある)が用いられる。以下、多結晶原料を使用した13族窒化物結晶の製造方法を中心に本発明を説明するが、原料はこれに限定されるものではなく、結晶成長の際に反応して13族窒化物を生成しうるような(A)13族元素の金属単体あるいは化合物と(B)窒素ガス又は窒素化合物のような場合にも適用される。窒素化合物としては、ガス、液体または固体など、状態は特に限定されずに用いることができる。(A)の13族元素の化合物の例としてはハロゲン塩、ハロゲン化物アンモニウム付加体、ハロ金属塩、金属アミド、アルカリ金属アミド、金属イミドなどが特に好ましく用いられ、水酸化物や酸化物、オキソ酸塩などを使用することもできる。(B)の窒素化合物の例としてはアンモニア(NH3)、ヒドラジン(NH2NH2)、尿素、有
機アミン類としてメチルアミンのような第1級アミン、ジメチルアミンのような第二級アミン、トリメチルアミンのような第三級アミン、エチレンジアミンのようなジアミンあるいはメラミンなど、及びイミダゾールやピリジンのようなN含有環状化合物、更には、これら窒素含有化合物のカチオンの塩などが挙げられる。さらにはハロゲン化アンモニウム、アルカリ窒化物やアルカリアミドなどを使用することも可能である。また、生成する窒化物結晶への炭素等の混入を避けることを考えれば、窒素化合物は、好ましくはアンモニアあるいはヒドラジン、ハロゲン化アンモニウムやアルカリ窒化物やアルカリアミドを用いることが好ましく、生成結晶へのアルカリの混入回避や取り扱い上の容易さを考えればアンモニアを用いるのが特に好ましい。得られる窒化物結晶の組成比を理論定比に近いものとする観点から、(A)の金属単体あるいは化合物に対する(B)の窒素ガス又は窒素化合物のモル比は0.1以上、好ましくは1.0以上、さらに好ましくは10以上である。上限は10000以下で、好ましくは1000以下である。
In the method of the present invention, a nitride polycrystalline powder raw material (hereinafter sometimes referred to as “polycrystalline raw material”) is usually used as the group 13 nitride crystal raw material. Hereinafter, the present invention will be described mainly with respect to a method for producing a group 13 nitride crystal using a polycrystalline raw material, but the raw material is not limited to this, and a group 13 nitride reacts during crystal growth. The present invention is also applicable to the case where (A) a group 13 elemental metal or compound and (B) nitrogen gas or nitrogen compound which can be generated. As the nitrogen compound, a state such as gas, liquid or solid can be used without any particular limitation. Examples of Group 13 element compounds of (A) are particularly preferably halogen salts, ammonium halide adducts, halometal salts, metal amides, alkali metal amides, metal imides, and the like. Acid salts and the like can also be used. Examples of nitrogen compounds in (B) are ammonia (NH 3 ), hydrazine (NH 2 NH 2 ), urea, primary amines such as methylamine as organic amines, secondary amines such as dimethylamine, Tertiary amines such as trimethylamine, diamines such as ethylenediamine or melamine, N-containing cyclic compounds such as imidazole and pyridine, and cation salts of these nitrogen-containing compounds. Furthermore, it is also possible to use ammonium halide, alkali nitride, alkali amide or the like. In consideration of avoiding carbon and the like in the generated nitride crystal, it is preferable to use ammonia or hydrazine, ammonium halide, alkali nitride or alkali amide as the nitrogen compound. In view of avoidance of alkali mixing and ease of handling, it is particularly preferable to use ammonia. From the viewpoint of making the composition ratio of the obtained nitride crystal close to the theoretical stoichiometric ratio, the molar ratio of the nitrogen gas or nitrogen compound of (B) to the simple metal or compound of (A) is 0.1 or more, preferably 1 0.0 or more, more preferably 10 or more. The upper limit is 10,000 or less, preferably 1000 or less.

多結晶原料の製造方法に特に制限はないが、例えば、アンモニアガスを流通させた反応容器内で、13族金属の酸化物、水酸化物、あるいは、より反応性の高い金属化合物として、ハロゲン化物、アミド化合物、イミド化合物、及びガラザンなどの共有性M N結合
を有する化合物などを前記アンモニアと反応させることで窒化物多結晶を得ることができる。更には、13族金属を高温高圧で窒素と反応させてつくった窒化物多結晶を用いることもできる。本発明の窒化物結晶の製造原料としての窒化物多結晶原料は完全な窒化物であるという必要は特になく、条件によっては、13族金属そのものを、即ち、メタル状態(即ち、ゼロ価)の金属成分を、通常1ppm以上、上限は結晶成長を阻害しない限り特に制限はないが、最大で20重量%程度まで含んでいても良い。これは反応系に微量の酸素が混入した場合に、メタル成分が、該酸素がフラックス中に拡散するのを防ぐ酸素トラップ剤のような役割が、メタル成分に期待されるからである。
There are no particular restrictions on the method for producing the polycrystalline raw material, but for example, a halide as a Group 13 metal oxide, hydroxide, or more reactive metal compound in a reaction vessel in which ammonia gas is circulated. A nitride polycrystal can be obtained by reacting a compound having a covalent MN bond such as amide compound, imide compound, and galazane with ammonia. Furthermore, it is possible to use a nitride polycrystal produced by reacting a Group 13 metal with nitrogen at a high temperature and a high pressure. The nitride polycrystalline raw material as the raw material for producing the nitride crystal of the present invention is not particularly required to be a complete nitride, and depending on the conditions, the group 13 metal itself, that is, in the metal state (that is, zero valence) is used. The metal component is usually 1 ppm or more, and the upper limit is not particularly limited as long as it does not inhibit crystal growth, but it may contain up to about 20% by weight. This is because when a trace amount of oxygen is mixed in the reaction system, the metal component is expected to play a role like an oxygen trap agent that prevents the oxygen from diffusing into the flux.

本発明は、いわゆるフラックス法による13族元素窒化物結晶の製造に関するものであるが、ここでは、前記の窒化物原料に対するフラックスとして、金属ハロゲン化物を使用する。通常、無機化合物の塊状単結晶を製造するのに用いられるフラックスは、溶融状態において、対象物を溶解させる性質を持つものが一般的に使用されるが、本発明における金属ハロゲン化物は、窒化物原料の溶解度が特に高い必要はない。その理由は、一旦溶解したものが、結晶析出により消費されたとしても、原料が十分な量存在していれば、この溶解、析出のサイクルを繰り返すことにより、結晶を成長させることが可能だからである。   The present invention relates to the production of a group 13 element nitride crystal by a so-called flux method. Here, a metal halide is used as a flux for the nitride raw material. Usually, the flux used to produce a bulk single crystal of an inorganic compound is generally used in a molten state and has a property of dissolving an object, but the metal halide in the present invention is a nitride. The solubility of the raw material need not be particularly high. The reason for this is that, even if once dissolved, it is consumed by crystal precipitation, but if there is a sufficient amount of raw material, it is possible to grow crystals by repeating this dissolution and precipitation cycle. is there.

金属ハロゲン化物は、金属成分が、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)などのアルカリ金属、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)などのアルカリ土類金属や遷移金属であり、ハロゲン成分が、フッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、ヨウ素(I)などであり、これらの成分の組み合わせにより化合物を形成する。かかる金属ハロゲン化物は、一種類だけではなく数種類のものを使用してもよい。最適な金属ハロゲン化物の種類は、結晶原料との組み合わせや結晶成長の条件によって選択されるべきものであるが、通常、ハロゲン化アルカリの使用が好ましく、ハロゲン化アルカリのなかでは塩化ナトリウム、塩化カリウムなどの塩化アルカリの使用が好ましい。   The metal halide has a metal component such as lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) and other alkali metals, magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium ( Sr), alkaline earth metals such as barium (Ba) and transition metals, and halogen components are fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), iodine (I), etc. The combination forms a compound. Such metal halides may be used not only in one type but also in several types. The optimum metal halide type should be selected depending on the combination with the crystal raw materials and the conditions of crystal growth. Usually, the use of alkali halides is preferred. Among alkali halides, sodium chloride and potassium chloride are preferred. The use of alkali chloride such as is preferred.

本発明は、以上のような多結晶原料と金属ハロゲン化物の混合物を加熱溶融して結晶成長を行い、塊状単結晶を得る。この結晶成長反応を行うにあたり、13族窒化物原料と金属ハロゲン化物の混合物に、さらに添加物を加えてもよい。かかる添加物は、ハロゲン原子、ないしは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属を含む化合物が好ましい。また、かかる化合物の中には、添加物であるとともに、同時に、窒化物原料そのものになりうるものであってもよい。   The present invention heats and melts the mixture of the polycrystalline raw material and the metal halide as described above to carry out crystal growth to obtain a bulk single crystal. In carrying out this crystal growth reaction, an additive may be further added to the mixture of the group 13 nitride raw material and the metal halide. Such an additive is preferably a halogen atom or a compound containing an alkali metal, an alkaline earth metal, or a rare earth metal. Such a compound may be an additive and at the same time be a nitride raw material itself.

添加物としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属を含む化合物として、ナトリウムアミド(NaNH2)、カリウムアミド(KNH2)、リチウムアミド(LiN
2)、リチウムジエチルアミド((C252NLi))等のアルカリ金属アミドや、Mg(NH22などのアルカリ土類金属アミド、La(NH23などの希土類アミド、Li3N、Mg32、Ca32、Na3N等の窒化アルカリ金属または窒化アルカリ土類金属が挙げられる。また、窒化クロム(CrN)、窒化ニオブ(NbN)、窒化ケイ素(Si3
4)、窒化亜鉛(Zn32)や、NH2NH3Clのようなヒドラジン類の塩、炭酸アン
モニウム((NH42CO3)、カルバミン酸アンモニウム(NH2COONH4)が挙げ
られる。
As additives, compounds containing alkali metals, alkaline earth metals, rare earth metals, sodium amide (NaNH 2 ), potassium amide (KNH 2 ), lithium amide (LiN
H 2 ), alkali metal amides such as lithium diethylamide ((C 2 H 5 ) 2 NLi)), alkaline earth metal amides such as Mg (NH 2 ) 2 , rare earth amides such as La (NH 2 ) 3 , Li Examples thereof include alkali metal nitrides or alkaline earth metal nitrides such as 3 N, Mg 3 N 2 , Ca 3 N 2 , and Na 3 N. Also, chromium nitride (CrN), niobium nitride (NbN), silicon nitride (Si 3
N 4 ), zinc nitride (Zn 3 N 2 ), salts of hydrazines such as NH 2 NH 3 Cl, ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ), ammonium carbamate (NH 2 COONH 4 ) It is done.

多結晶原料と金属ハロゲン化物との最適割合は、原料、金属ハロゲン化物、添加物の種類、および目的とする結晶の大きさなどによって選択される。しかしながら、多結晶原料/(多結晶原料+金属ハロゲン化物)の重量パーセントとして、通常1〜95重量%、好ましくは2〜50重量%の範囲である。即ち、多結晶原料とフラックスの混合物中の金属ハロゲン化物の割合が、通常5〜99重量%、好ましくは50〜98重量%である。また、多結晶原料と添加物の量比は、添加物/多結晶原料の金属モル比として、通常0.01〜10の範囲を選択される。   The optimum ratio between the polycrystalline raw material and the metal halide is selected depending on the raw material, the metal halide, the kind of additive, the size of the target crystal, and the like. However, the weight percentage of polycrystalline raw material / (polycrystalline raw material + metal halide) is usually in the range of 1 to 95% by weight, preferably 2 to 50% by weight. That is, the ratio of the metal halide in the mixture of the polycrystalline raw material and the flux is usually 5 to 99% by weight, preferably 50 to 98% by weight. The amount ratio of the polycrystalline raw material to the additive is usually selected in the range of 0.01 to 10 as the metal molar ratio of additive / polycrystalline raw material.

本発明においては、以上のような多結晶原料と金属ハロゲン化物、また、任意成分である添加物の混合物を反応容器に充填し、加熱溶融させて結晶成長に供する。この場合、より高品質の窒化物結晶を得るために、できるだけ水や酸素の混入を回避すべきである。従って、各成分、ないし、混合物中の含有酸素原子量を、通常5重量%以下、好ましくは2重量%以下、特に好ましくは0.5重量%以下に留めるべきである。また、吸湿性のものを使用する場合は、充填前に加熱脱気するなどして十分乾燥し、且つ、各成分の混合、充
填について、酸素や水分を極力排した雰囲気下で速やかに行うべきである。
In the present invention, a polycrystalline raw material and a metal halide as described above, and a mixture of additives, which are optional components, are filled in a reaction vessel, heated and melted for crystal growth. In this case, in order to obtain a higher quality nitride crystal, mixing of water and oxygen should be avoided as much as possible. Therefore, the oxygen atom content in each component or mixture should be usually 5% by weight or less, preferably 2% by weight or less, particularly preferably 0.5% by weight or less. When using a hygroscopic material, it should be thoroughly dried by heating and degassing before filling, and the mixing and filling of each component should be carried out promptly in an atmosphere that excludes oxygen and moisture as much as possible. It is.

例えば、不活性ガスを満たした容器あるいは部屋内で、反応容器の内部を十分にそれらの不活性ガスで置換した後、各成分を混合し反応容器に充填した後、あるいは、各成分を別々に反応容器に充填した後、蓋を閉める。不活性ガスの種類としては特に制限はないが、ヘリウム(He)、窒素(N2)、アルゴン(Ar)等が好適に使用される。また、反
応容器の中に酸素や水分を選択的に吸収するスキャベンジャーの役割を果たす物質(例えば、チタンなどの金属片)を同伴させてもよい。なお、このように反応系中は酸素や水分を極力排した雰囲気に保つ必要があるが、不活性ガスの他、例えばアンモニアのような窒素原子を含有するガスが存在していてもよい。
For example, in a container or room filled with an inert gas, after sufficiently replacing the inside of the reaction vessel with the inert gas, after mixing each component and filling the reaction vessel, or each component separately After filling the reaction vessel, close the lid. The type of the inert gas is not particularly limited, but helium (He), nitrogen (N 2 ), argon (Ar) and the like are preferably used. Further, a substance that functions as a scavenger that selectively absorbs oxygen and moisture (for example, a metal piece such as titanium) may be accompanied in the reaction vessel. Although it is necessary to keep the atmosphere in which oxygen and moisture are eliminated as much as possible in the reaction system, a gas containing nitrogen atoms such as ammonia may be present in addition to the inert gas.

ここで、多結晶原料は、特に限定されるものではないが、フラックス(金属ハロゲン化物)への溶解均一性を考慮した場合、通常、球状のものが望ましい。また、粒径は、一般に小さい方が比表面積は大きくなり、フラックスへの溶解速度が大きくなると推定され、通常1〜20μmの範囲のものが好ましい。但し、粒径が小さすぎると、該粒子が、種結晶を用いた場合に、種結晶上に付着する恐れがあるのであまり好ましくない。   Here, the polycrystalline raw material is not particularly limited, but in consideration of the dissolution uniformity in the flux (metal halide), a spherical material is usually desirable. Further, it is estimated that the smaller the particle size, the larger the specific surface area and the higher the rate of dissolution in the flux, and usually the range of 1 to 20 μm is preferable. However, if the particle size is too small, it is not preferable because the particles may adhere to the seed crystal when the seed crystal is used.

また、平均粒径の異なる2種の多結晶原料を用いると、小さい粒径の多結晶原料による速い溶解速度のものと、大きい粒径の遅い溶解速度のものが系内に混在することにより結晶はオストワルド熟成のメカニズムで成長するものと推定される。即ち、小さい粒径の多結晶体から溶出した13族金属イオンなどが溶解速度の遅い大きい粒径の結晶上で析出し、更に、結晶を大きくしていく。この原理に基づき、より効率的に塊状単結晶を育成するためには、後述する種結晶を用いる方法が採用される。粒径の異なる多結晶原料を用いると、上述の溶解速度の違いから結晶育成部への供給切れを抑止し、その結果として、特に種結晶を用いた場合に、種結晶の溶出という塊状単結晶の育成上の不利益を抑止することもできる。   In addition, when two types of polycrystalline raw materials having different average particle diameters are used, a crystal having a high dissolution rate due to a polycrystalline raw material having a small particle diameter and a low dissolution rate having a large particle diameter are mixed in the system. Is estimated to grow by the Ostwald ripening mechanism. That is, Group 13 metal ions and the like eluted from a polycrystal having a small particle size are precipitated on a crystal having a large particle size with a slow dissolution rate, and the crystal is further enlarged. Based on this principle, in order to grow a bulk single crystal more efficiently, a method using a seed crystal described later is employed. When polycrystalline raw materials with different particle sizes are used, the supply of crystals to the crystal growth unit is prevented from being cut off due to the difference in dissolution rate described above, and as a result, a bulk single crystal called elution of seed crystals, especially when seed crystals are used. It is also possible to deter the disadvantages of training.

結晶成長反応を行う反応容器内面の全てあるいは一部を周期表の4、5、6または10、11族元素から構成された面で被覆することが好適に用いられる。または、前記金属で作製した内筒を反応容器内に設置することもできる。例えば、周期表の10族および11族の金属とは、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、金(Au)である。本発明においては、必要に応じて、該反応容器内筒を封止し反応容器に設置する方法も用いることができる。以上により、反応容器材質からの生成窒化物結晶への不純物の混入を抑制することができる。また、金属以外ではBNなどを用いることもできる。さらに、生成窒化物結晶への酸素の混入を避ける意味においては積極的に用いるべきではないが、アルミナ(Al23)や石英(SiO2)などを用いることも不可能ではない。 It is preferable to cover all or part of the inner surface of the reaction vessel for carrying out the crystal growth reaction with a surface composed of Group 4, 5, 6 or 10, 11 elements of the periodic table. Or the inner cylinder produced with the said metal can also be installed in reaction container. For example, the metals of Group 10 and Group 11 of the periodic table are nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), and gold (Au). In this invention, the method of sealing this reaction container inner cylinder and installing in a reaction container can also be used as needed. As described above, contamination of impurities from the reaction vessel material into the generated nitride crystal can be suppressed. Moreover, BN etc. can also be used other than a metal. Furthermore, although it should not be used positively in the sense of avoiding the mixing of oxygen into the generated nitride crystal, it is not impossible to use alumina (Al 2 O 3 ) or quartz (SiO 2 ).

育成方法としては、フラックス法で用いられている温度差(Gradient Transport)法、徐冷(Slow Cooling)法、温度サイクル(Temperature Cycling)法、るつぼ加速回転(Accelerated Crucible-Rotation Technique:ACRT)法、トップシード(Top-Seeded Solution Growth:TSSG)法、溶媒移動法やその変形である溶媒移動浮遊帯域 (Travelling-Solvent Floating-Zone:TSFZ)法などを用いることができる。また、これらの方法を組み合わせて用い
ることもできる。
As a growth method, the temperature difference (Gradient Transport) method used in the flux method, the slow cooling (Slow Cooling) method, the temperature cycle (Temperature Cycling) method, the crucible accelerated rotation (Accelerated Crucible-Rotation Technique: ACRT) method, For example, a top-seeded solution growth (TSSG) method, a solvent transfer method, or a solvent transfer floating zone (TSFZ) method, which is a modification thereof, can be used. A combination of these methods can also be used.

多結晶原料、金属ハロゲン化物等は、通常、粉末状態でよく混合した後、反応器下部に収まる様に充填される。これらの粉末は加熱溶融すると体積が減少するので、予めプレス圧縮してから仕込んでもよい。
また、反応器上部に種結晶を準備することにより、単結晶の生成を促進させ、より大きな単結晶を得ることができる。種結晶の装填は通常、多結晶原料、金属ハロゲン化物等を充填した後に行われる。種結晶としては、目的とする窒化物の単結晶を用いることが望ま
しいが、必ずしも目的と同一の窒化物でなくてもよく、場合によっては窒化物以外の物単結晶でもかまわない。但し、その場合は、目的の窒化物と一致、適合した格子定数、結晶格子のサイズパラメータを有する、あるいは、ヘテロエピタキシー(即ち、若干の原子の結晶学的位置の一致)を保証するよう配位した単結晶材料片または多結晶材料片から構成されているものである必要がある。例えば、窒化ガリウム(GaN)の場合、GaNの単結晶の他、酸化亜鉛(ZnO)の単結晶、炭化ケイ素(SiC)の単結晶、ガリウム酸リチウム(LiGaO2)、二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)の単結晶等が挙げられる。
Polycrystalline raw materials, metal halides and the like are usually mixed in a powder state and then packed so as to fit in the lower part of the reactor. Since these powders are reduced in volume when heated and melted, they may be charged after being pressed and compressed in advance.
In addition, by preparing a seed crystal in the upper part of the reactor, the generation of a single crystal can be promoted and a larger single crystal can be obtained. The seed crystal is usually charged after filling a polycrystalline raw material, a metal halide, or the like. As the seed crystal, it is desirable to use a single crystal of the target nitride, but it is not always necessary to use the same nitride as the target. In some cases, a single crystal other than the nitride may be used. However, in that case, it is consistent with the desired nitride, has a suitable lattice constant, crystal lattice size parameters, or is coordinated to ensure heteroepitaxy (ie, match the crystallographic position of some atoms). It is necessary to be composed of a single crystal material piece or a polycrystalline material piece. For example, in the case of gallium nitride (GaN), in addition to a single crystal of GaN, a single crystal of zinc oxide (ZnO), a single crystal of silicon carbide (SiC), lithium gallate (LiGaO 2 ), zirconium diboride (ZrB 2) The single crystal etc. are mentioned.

GaNの種結晶としては、MOCVD法やHVPE法でサファイヤ等の異種基板上にエピタキシャル成長させた結晶、エピタキシャル成長後に異種基板を剥離させて得た単結晶、金属Gaから金属Naや金属K、Biをフラックスとして結晶成長させて得た単結晶およびLPE法を用いて得たホモ/ヘテロエピタキシャル成長させた単結晶、あるいは、本発明法を含む溶液成長法に基づき作製された単結晶およびそれらの切断した結晶などが用いられる。   As a seed crystal of GaN, a crystal grown epitaxially on a dissimilar substrate such as sapphire by MOCVD method or HVPE method, a single crystal obtained by peeling the dissimilar substrate after epitaxial growth, and flux of metal Na, metal K, or Bi from metal Ga Single crystals obtained by crystal growth and homo / heteroepitaxially grown single crystals obtained by using the LPE method, or single crystals prepared based on the solution growth method including the method of the present invention, and their cut crystals, etc. Is used.

種結晶を用いる場合育成方法としては、温度差法、徐冷法、トップシード(TSSG)法、溶媒移動浮遊帯域(TSFZ)法などを採用することができる。種結晶保持のための線材、棒、パイプ等の材質としては、周期表4、5、6または10、11族元素のものが好ましく、例えばニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、金(Au)、ニオブ(Nb)が例示される。場合によっては、金属以外のBN等を用いることも可能である。さらに、生成窒化物結晶への酸素の混入を避ける意味においては積極的に用いるべきではないが、アルミナ(Al23)や石英(SiO2)などを
用いることも不可能ではない。温度差法の場合は、重畳する2つのゾーン、即ち、バッフル板によって分離された下部の原料充填部および上部の育成部に分割し、これら2つのゾーンの間の温度勾配ΔTが通常10〜100℃となるようにする。そして、種結晶は、上部の育成部に金属線や金属棒によって保持される。この場合に種結晶は回転させることが好ましい。
In the case of using a seed crystal, a temperature difference method, a slow cooling method, a top seed (TSSG) method, a solvent transfer floating zone (TSFZ) method, or the like can be employed as a growth method. The material for the wire rod, rod, pipe, etc. for holding the seed crystal is preferably that of a periodic table 4, 5, 6 or 10, 11 element, for example, nickel (Ni), tantalum (Ta), titanium (Ti). , Palladium (Pd), platinum (Pt), gold (Au), and niobium (Nb). In some cases, BN other than metal can be used. Furthermore, although it should not be used positively in the sense of avoiding the mixing of oxygen into the generated nitride crystal, it is not impossible to use alumina (Al 2 O 3 ) or quartz (SiO 2 ). In the case of the temperature difference method, it is divided into two overlapping zones, that is, a lower raw material filling portion and an upper growing portion separated by a baffle plate, and a temperature gradient ΔT between these two zones is usually 10 to 100. Keep it at ℃. And a seed crystal is hold | maintained at the upper growth part with a metal wire or a metal rod. In this case, the seed crystal is preferably rotated.

多結晶原料からなる原料を充填した原料充填部と種結晶を配置する結晶育成部とに区画するバッフル板としては、その開孔率が2〜5%程度のものが好ましく、バッフル板の表面の材質は、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、金(Au)、ニオブ(Nb)などが好ましい。原料の溶解速度を速めるために、バッフル板の下にバッフル板と同様の材質の撹拌板を設けることもできる。バッフル板の開孔率を制御することにより、溶液成長条件下における結晶育成部での過飽和度を適正に制御することが容易になる。また、場合によっては、バッフル板上に、更に、多結晶原料を追加供給することもできる。このように、バッフル板上、即ち、原料充填部と種結晶配置部との間に多結晶原料をさらに介在させることにより、結晶育成部の過飽和状態への移行速度を上げることができ、種結晶の溶出における各種のデメリットを防止することができる。   As a baffle plate that is divided into a raw material filling portion filled with a raw material made of a polycrystalline raw material and a crystal growth portion where a seed crystal is arranged, one having an opening ratio of about 2 to 5% is preferable. The material is preferably nickel (Ni), tantalum (Ta), titanium (Ti), palladium (Pd), platinum (Pt), gold (Au), niobium (Nb), or the like. In order to increase the melting rate of the raw material, a stirring plate made of the same material as the baffle plate can be provided under the baffle plate. By controlling the aperture ratio of the baffle plate, it becomes easy to appropriately control the degree of supersaturation in the crystal growth portion under the solution growth conditions. In some cases, a polycrystalline raw material can be additionally supplied onto the baffle plate. Thus, by further interposing a polycrystalline raw material on the baffle plate, that is, between the raw material filling part and the seed crystal arranging part, the transition speed of the crystal growing part to the supersaturated state can be increased, and the seed crystal It is possible to prevent various disadvantages in elution.

本発明においては、上記のような過飽和度を適正に制御するためには、原料充填部容積に対する結晶育成部容積の割合を1〜5倍の範囲内にすることが好ましい。なお、過飽和度が通常1.5を超える場合には、種結晶上に析出する速度が速すぎるため育成される結晶内部の整合性が悪化するとともに、欠陥が導入され好ましくない。また、育成容器内壁等に析出する量が多くなるため、その析出物が肥大化した場合には、GaN単結晶と接触し、単結晶の成長を阻害することもあり好ましくない。   In the present invention, in order to appropriately control the degree of supersaturation as described above, it is preferable to set the ratio of the crystal growth part volume to the raw material filling part volume within a range of 1 to 5 times. If the degree of supersaturation usually exceeds 1.5, the rate of precipitation on the seed crystal is too high, so that the consistency inside the grown crystal is deteriorated and defects are introduced, which is not preferable. In addition, since the amount deposited on the inner wall of the growth vessel increases, it is not preferable that the precipitate grows in contact with the GaN single crystal and hinders the growth of the single crystal.

ここで、「過飽和」とは、溶解量が飽和状態より以上に増加した状態をいう。また、「過飽和度」とは、過飽和状態の溶解量と飽和状態の溶解量との比をいう。溶液成長法においては、原料充填部からの熱対流による窒化物の輸送により過飽和状態になっている結晶
育成部の窒化物の溶解量の、結晶育成部の飽和状態での窒化物の溶解量に対する比率をいう。以上のような過飽和度は、多結晶窒化物の密度、バッフル板の開孔率、原料充填部と結晶育成部との温度差等を適宜変更・選定することにより制御することができる。
Here, “supersaturation” refers to a state in which the amount of dissolution has increased more than the saturated state. Further, the “supersaturation degree” refers to the ratio between the dissolved amount in the supersaturated state and the dissolved amount in the saturated state. In the solution growth method, the amount of nitride dissolved in the crystal growth portion that is supersaturated due to the transport of nitride by thermal convection from the raw material filling portion is compared to the amount of nitride dissolution in the saturation state of the crystal growth portion. Say ratio. The degree of supersaturation as described above can be controlled by appropriately changing and selecting the density of polycrystalline nitride, the baffle plate opening ratio, the temperature difference between the raw material filling portion and the crystal growth portion, and the like.

徐冷法では多結晶原料とフラックス等をるつぼ等の反応容器に入れ、溶融させ、金属線や金属棒の先端に種結晶をつけ液面直下に位置するように挿入し、種結晶を回転、反転させなが反応容器温度を下げていく。この時、フラックス融液中での拡散過程が律速段階とならないように種結晶を臨界回転速度以上で回転することが好ましい。ここでいう臨界回転速度とは、結晶成長速度が回転速度と無関係になる最小の回転速度のことである。
トップシード法では、るつぼ等の反応容器下部に多結晶原料とフラックス等を充填し、溶融させ、融液表面中央部に種結晶を入れ徐々に引き上げる。種結晶は金属製のパイプにつけると熱の逃げ道にもなり好適である。フラックス融液と種晶がある表面中央部との温度差は通常10〜100℃となるようにする。この場合にも種結晶を回転させることができる。
In the slow cooling method, a polycrystalline raw material and a flux are put in a reaction vessel such as a crucible, melted, a seed crystal is attached to the tip of a metal wire or a metal rod, and the seed crystal is inserted so that it is located immediately below the liquid surface, and the seed crystal is rotated and inverted However, the reaction vessel temperature is lowered. At this time, it is preferable to rotate the seed crystal at a critical rotational speed or higher so that the diffusion process in the flux melt does not become a rate-determining step. The critical rotation speed here is the minimum rotation speed at which the crystal growth speed becomes independent of the rotation speed.
In the top seed method, a polycrystalline raw material and a flux are filled in a lower part of a reaction vessel such as a crucible and melted, and a seed crystal is put in the center of the melt surface and gradually pulled up. When the seed crystal is attached to a metal pipe, it is suitable for a heat escape route. The temperature difference between the flux melt and the center of the surface where the seed crystals are present is usually 10 to 100 ° C. Also in this case, the seed crystal can be rotated.

溶媒移動浮遊帯域(TSFZ)法では、あらかじめ多結晶原料とフラックス等を成形して棒状にし育成装置にセットし、下部に種結晶を設置する。原料棒の一部を溶融状態になるように加熱し、加熱域を上方に移動させる。この方法では溶液層は表面張力により空中に保持されるため、るつぼ等の容器を使用する必要がなく容器からの不純物の混入の心配がない。   In the solvent transfer floating zone (TSFZ) method, a polycrystalline raw material and a flux are formed in advance into a rod shape and set in a growth apparatus, and a seed crystal is placed at the bottom. A part of the raw material rod is heated so as to be in a molten state, and the heating zone is moved upward. In this method, since the solution layer is held in the air by surface tension, it is not necessary to use a container such as a crucible, and there is no fear of mixing impurities from the container.

以上のような結晶成長反応は、電気炉などを用いて反応容器内を加熱昇温することより行われる。TSFZ法では赤外線加熱や高周波誘導誘導加熱なども用いられる。反応容器の加熱の方法、所定の反応温度への昇温速度については特にこだわらないが、通常、数時間から数日かけて行われる。必要に応じて、多段の昇温を行ったり、温度域において昇温スピードを変えたりすることも好適に用いられる。また、反応容器を部分的に温度差をつけて加熱したり、部分的に冷却しながら加熱したりすることもできる。   The crystal growth reaction as described above is performed by heating and raising the temperature in the reaction vessel using an electric furnace or the like. In the TSFZ method, infrared heating or high-frequency induction heating is also used. The method for heating the reaction vessel and the rate of temperature increase to a predetermined reaction temperature are not particularly limited, but it is usually carried out over several hours to several days. If necessary, it is also preferable to perform multi-stage temperature rise or change the temperature rise speed in the temperature range. Further, the reaction vessel can be partially heated with a temperature difference, or partially heated while being cooled.

なお、ここでの反応温度は、反応容器外面に接するように設けた熱電対によって測定されるもので、厳密には、実際の反応容器内部の温度ではない。反応容器内部方向への温度勾配は反応容器の形状や納める炉の形状、およびその位置関係に代表される加熱、保温状況により異なるが、熱電対用に一部反応容器外面から内方向に開けた、反応容器内空洞部までは貫通しない穴などを利用して、反応容器内部方向への温度勾配を推測、あるいは外挿し、反応容器内部の温度を推定することとなる。同様に反応容器の上下方向の温度も、反応容器の形状や納める炉の形状、およびその位置関係に代表される加熱、保温状況により異なる。よって、反応容器外面の上下で温度を数点測定し、および各位置の反応容器の内部の温度を推定した上で温度制御を行うことが望ましい。反応容器の形状や保温状況によっては、反応容器外面の温度が上下で同じ、あるいは上部のほうが数十℃高い場合でも、反応容器内部の温度が上部のほうが数十℃低いということもありうる。また、先述のように、結晶の溶解析出を促進するために、反応中に上下の温度勾配をあらかじめ設ける場合は反応容器外面の数点の温度を測定するとともに、多段に分けたヒーターを用いて、反応容器の主に上下方向に分けた温度制御を行うことも効果的である。   The reaction temperature here is measured by a thermocouple provided so as to be in contact with the outer surface of the reaction vessel, and is not strictly an actual temperature inside the reaction vessel. The temperature gradient inside the reaction vessel varies depending on the shape of the reaction vessel, the shape of the furnace in which it is stored, and the heating and thermal insulation conditions represented by the positional relationship, but some of the temperature gradient was opened inward from the outer surface of the reaction vessel for thermocouples. The temperature inside the reaction vessel is estimated by extrapolating or extrapolating the temperature gradient toward the inside of the reaction vessel using a hole that does not penetrate to the cavity inside the reaction vessel. Similarly, the temperature in the vertical direction of the reaction vessel also varies depending on the shape of the reaction vessel, the shape of the furnace in which it is stored, and the heating and heat retention conditions represented by the positional relationship. Therefore, it is desirable to measure the temperature at several points above and below the outer surface of the reaction vessel and to control the temperature after estimating the temperature inside the reaction vessel at each position. Depending on the shape and temperature of the reaction vessel, even when the temperature of the outer surface of the reaction vessel is the same up and down, or even when the upper part is several tens of degrees Celsius higher, the temperature inside the reaction container may be lower by several tens of degrees Celsius. In addition, as described above, in order to promote dissolution and precipitation of crystals, when a temperature gradient is provided in advance during the reaction, the temperature at several points on the outer surface of the reaction vessel is measured, and a heater divided into multiple stages is used. It is also effective to perform temperature control mainly divided in the vertical direction of the reaction vessel.

温度の上昇に伴い、窒化物原料の溶解度は増大するが、先にも述べたように本発明ではフラックス中に窒化物をわずかでも溶解させることが重要で溶解度の値はかならずしも大きく無くても好適に使用されるため、反応容器内の温度は、下限でフラックスの溶融する温度以上、好ましくは溶融する温度の+5℃以上、特に好ましくは溶融する温度+10℃以上、とすることが望ましい。   As the temperature rises, the solubility of the nitride raw material increases, but as described above, in the present invention, it is important to dissolve even a small amount of the nitride in the flux, and the solubility value is not necessarily large. Therefore, it is desirable that the temperature in the reaction vessel is not less than the melting temperature of the flux at the lower limit, preferably not less than + 5 ° C. of the melting temperature, particularly preferably not less than the melting temperature + 10 ° C.

圧力の印加により結晶成長が促進されるか否かは、平衡は圧力上昇という外部変化に対
して系がより収縮する方向にずれるので、溶解と結晶化のどちらで系が収縮するかに依存する。結晶のモル体積をVC、1モルの結晶を溶かし込んだ時の溶媒の体積変化(部分モ
ル体積)をVS、とすると溶解過程での体積変化ΔVは、
ΔV=VS−VC
となり、この値が正か負かで決まり、正であれば加圧によって結晶成長がおこる方向である。本発明の窒化物結晶の製造方法においては、溶融フラックスへの溶解の形態が明らかでないのでVSの値が不明であるが、加圧によって結晶成長が促進される場合がある。従
って反応容器内の圧力を、上限として通常500MPa以下、好ましくは400MPa以下、特に好ましくは200MPa以下に保持することが望ましい。
Whether or not crystal growth is promoted by the application of pressure depends on whether the system shrinks due to dissolution or crystallization because the equilibrium shifts in a direction in which the system shrinks more in response to an external change such as an increase in pressure. . Assuming that the molar volume of the crystal is VC and the volume change (partial molar volume) of the solvent when 1 mol of the crystal is dissolved is VS, the volume change ΔV in the dissolution process is
ΔV = VS−VC
This value is determined according to whether the value is positive or negative. If the value is positive, crystal growth is caused by pressurization. In the method for producing a nitride crystal of the present invention, since the form of dissolution in the molten flux is not clear, the value of VS is unknown, but crystal growth may be promoted by pressurization. Therefore, it is desirable to keep the pressure in the reaction vessel at an upper limit of usually 500 MPa or less, preferably 400 MPa or less, particularly preferably 200 MPa or less.

圧力の印加方法としては、圧力容器内に不活性ガスを加圧充填して行うことができる。この場合、不活性ガスの種類としては特に制限はないが、ヘリウム(He)、窒素(N2
)、アルゴン(Ar)等が好適に使用される。また、反応容器として金属製内筒を使用する場合には、内筒を封止して外部から気体や液体を用いて加圧することもできる。この場合は、内筒が封止してあるため、加圧のために用いる気体や液体の種類としては特に制限はないが、水などが好適に使用される。
The pressure can be applied by pressurizing and filling an inert gas in the pressure vessel. In this case, the type of inert gas is not particularly limited, but helium (He), nitrogen (N 2
), Argon (Ar) or the like is preferably used. Moreover, when using a metal inner cylinder as a reaction container, the inner cylinder can be sealed and pressurized using gas or liquid from the outside. In this case, since the inner cylinder is sealed, the type of gas or liquid used for pressurization is not particularly limited, but water or the like is preferably used.

所定の温度、圧力に達した後の反応時間については、窒化物結晶の種類、用いる原料、フラックス、求める結晶の大きさや量によっても異なるが通常数時間から数百日である。反応中、反応温度は一定にしてもよいし、徐々に昇温、降下させるなどしてもかまわない。所望の結晶を生成させるための反応時間を経た後、温度を降下させる。温度降下の方法は特に拘らないがヒーターの加熱を停止してそのまま炉内に反応容器を設置したまま放冷してもよいし、反応容器を炉からはずして空冷してもよく、必要であれば、冷媒を用いて急冷することもできる。   The reaction time after reaching the predetermined temperature and pressure is usually several hours to several hundred days, although it varies depending on the type of nitride crystal, the raw material used, the flux, and the size and amount of the crystal to be obtained. During the reaction, the reaction temperature may be constant or may be gradually raised or lowered. After a reaction time to produce the desired crystals, the temperature is lowered. The method of lowering the temperature is not particularly limited, but the heating of the heater may be stopped and the reactor may be allowed to cool with the reactor installed in the furnace, or the reactor may be removed from the furnace and air cooled. For example, it can be rapidly cooled using a refrigerant.

また、温度降下時の結晶の偏析出や特定の添加物によってはその偏析出を防ぐために、反応容器を部分的に温度差をつけて冷却したり、部分的に微加熱しながら冷却したりすることもできる。反応容器外面の温度、あるいは推定する反応容器内部の温度が所定温度以下になった後、圧力を常圧に戻し反応容器を開栓し、フラックスは溶解するが窒化物結晶を溶解しない溶媒を用いて固化したフラックスを溶解させて、生成結晶を得る。このような溶媒としては水や温水、酸などが好適に使用される。   In addition, in order to prevent partial precipitation of crystals and certain additives when the temperature drops, the reaction vessel is partially cooled with a temperature difference, or partially cooled with slight heating. You can also. After the temperature of the outer surface of the reaction vessel or the estimated temperature inside the reaction vessel is lower than the predetermined temperature, return the pressure to normal pressure, open the reaction vessel, and use a solvent that dissolves the flux but does not dissolve the nitride crystals. The formed solid is obtained by dissolving the solidified flux. As such a solvent, water, warm water, acid or the like is preferably used.

以上のような本発明の方法で得られる塊状単結晶の大きさは特にその範囲を限定的に介するものではないが、通常、その結晶を円筒形に近似した場合において、直径が直径20μm以上、長さ50μm以上の範囲をのものであり、また、その結晶形状については特に限定されない。
なお、以上では、主に、窒化物多結晶原料を用いる製造について説明してきたが、窒化物多結晶以外の原料を用いて塊状窒化物結晶を得ようとする場合には、窒化物合成と窒化物のフラックスへの溶解析出を同時に行うことが必要になるため、より厳密な反応条件制御が求められる。原料の一方が常温で気体の場合には、13族窒化物の生成反応を制御するために、フラックスともう一方の常温で固体または液体の原料を充填した反応容器内に、気体原料をマスフローコントローラーなどを用いて流量を制御しながら流通させることも好適に行われる。また、より大きな塊状結晶を得たいとする場合は、多段に分けた製造方法が好適に採用される。多段に分けた反応は同一の反応器でフラックスなど除去せずにそのまま行ってもよいし、同一、あるいは別のフラックスや添加物に入れ替えて行ってもよい。
The size of the bulk single crystal obtained by the method of the present invention as described above is not particularly limited in its range, but usually when the crystal is approximated to a cylindrical shape, the diameter is 20 μm or more, The length is in a range of 50 μm or more, and the crystal shape is not particularly limited.
In the above, the production mainly using the nitride polycrystalline material has been described. However, when a bulk nitride crystal is obtained using a material other than the nitride polycrystalline material, nitride synthesis and nitriding are performed. Since it is necessary to simultaneously dissolve and precipitate the product in the flux, stricter reaction condition control is required. When one of the raw materials is gaseous at room temperature, the mass raw material is fed into the reaction vessel filled with the flux and the other solid or liquid raw material at room temperature in order to control the group 13 nitride formation reaction. It is also preferable to distribute the flow while controlling the flow rate using a method such as the above. Moreover, when it is desired to obtain a larger lump crystal, a multistage production method is preferably employed. The reaction divided into multiple stages may be carried out as it is without removing the flux or the like in the same reactor, or may be carried out by replacing with the same or another flux or additive.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り以下の実施例に限定されるものではない
(実施例1)
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist (Example 1).

窒素雰囲気のグローブボックス内で多結晶原料である窒化ガリウム試薬(三津和化学製)をメノウ乳鉢で粉砕した。この原料の粉砕品のSEM写真を図1に示す。粒径が2〜3μm程度の不定形な粒子であった。CsCl(関東化学製)、KCl(キシダ化学製)、NaCl(純正化学製)をCsCl:KCl:NaCl=45.2:24.4:30.4のモル比で混合したフラックス(A)も同様にグローブボックス内で粉砕した。このフラックス(A)の溶融する温度はPhase Diagrams for Ceramists (The American Ceramic Society, 1966) によれば480℃である。粉砕した窒化ガリウム0.07gと粉砕したフラックス(A)0.63gをメノウ乳鉢で粉砕、混合し、下部を溶接した外径5mm、内径4.7mm、長さ65mmの金パイプに充填し、上部をしっかり密着させた後、グローブボックスから取り出し上部も溶接し完全に封入した。この密封した金パイプを内容積6mlの圧力容器に入れて蓋をし、バルブを介して適当量の水を入れた後、バルブを閉じ、該圧力容器を電気炉にて加熱した。   The polycrystalline gallium nitride reagent (manufactured by Mitsuwa Chemical) was pulverized in an agate mortar in a nitrogen atmosphere glove box. An SEM photograph of the pulverized material is shown in FIG. It was an irregular particle having a particle size of about 2 to 3 μm. The same applies to the flux (A) in which CsCl (manufactured by Kanto Chemical), KCl (manufactured by Kishida Chemical), and NaCl (manufactured by Junsei Chemical) are mixed at a molar ratio of CsCl: KCl: NaCl = 45.2: 24.4: 30.4. Were crushed in a glove box. The melting temperature of the flux (A) is 480 ° C. according to Phase Diagrams for Ceramists (The American Ceramic Society, 1966). 0.07 g of pulverized gallium nitride and 0.63 g of pulverized flux (A) were pulverized and mixed in an agate mortar and filled in a gold pipe having an outer diameter of 5 mm, an inner diameter of 4.7 mm, and a length of 65 mm. After firmly attaching, was taken out from the glove box and the upper part was also welded and completely enclosed. The sealed gold pipe was put in a pressure vessel having an internal volume of 6 ml, capped, and an appropriate amount of water was added through a valve. Then, the valve was closed and the pressure vessel was heated in an electric furnace.

圧力容器内に装着した金パイプの上部の温度が490℃になるまで3℃/minで昇温した。その際に圧力が84MPaになるようにバルブの開閉により水をパージした。その後、圧力容器内を490℃、84MPaの状態で12時間保持した。次に、1℃/minで室温まで降温した。金パイプを取り出し、内容物を50mlの純水に入れてフラックスを溶解させた後、上澄みを捨て沈殿物を得た。この操作をさらに2回繰り返した後、50mlのアセトンを加え、上澄みを捨て、沈殿物を回収し風乾した。   The temperature was increased at 3 ° C./min until the temperature of the upper part of the gold pipe mounted in the pressure vessel reached 490 ° C. At that time, water was purged by opening and closing the valve so that the pressure was 84 MPa. Thereafter, the inside of the pressure vessel was held at 490 ° C. and 84 MPa for 12 hours. Next, the temperature was lowered to room temperature at 1 ° C./min. The gold pipe was taken out and the contents were put into 50 ml of pure water to dissolve the flux, and then the supernatant was discarded to obtain a precipitate. After repeating this operation two more times, 50 ml of acetone was added, the supernatant was discarded, and the precipitate was collected and air-dried.

この沈殿物の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を図2に、粉末X線回折図(XRD)を図3示す。SEMより直径30μm、長さ150μmの六角柱状の結晶が観察された。XRDでは、ヘキサゴナル型窒化ガリウム(h−GaN)以外の不純物相は認められなかった。
(実施例2)
A scanning electron microscope (SEM) photograph of the precipitate is shown in FIG. 2, and a powder X-ray diffraction diagram (XRD) is shown in FIG. A hexagonal columnar crystal having a diameter of 30 μm and a length of 150 μm was observed by SEM. In XRD, no impurity phase other than hexagonal gallium nitride (h-GaN) was observed.
(Example 2)

金パイプ上部の温度が490℃に達した後の保持時間を84時間とした以外は実施例1と同様にして操作を行った。得られた沈殿物のSEM写真を図4に示す。SEMより、直径40μm、長さ150μmのプリズム型の形状の結晶が観察された。得られた沈殿物の粉末X線回折を測定したところh−GaNであった。
(実施例3)
The operation was performed in the same manner as in Example 1 except that the holding time after the temperature of the upper part of the gold pipe reached 490 ° C. was 84 hours. An SEM photograph of the obtained precipitate is shown in FIG. From the SEM, a prism-shaped crystal having a diameter of 40 μm and a length of 150 μm was observed. It was h-GaN when the powder X-ray diffraction of the obtained deposit was measured.
(Example 3)

圧力が490℃での152MPaとなるようにした以外は、実施例1と同様にして操作を行った。得られた沈殿物のSEM観察により直径50μm、長さ130μmの六角柱状の結晶が認められた。沈殿物の粉末X線回折を測定したところh−GaNであった。
(実施例4)
The operation was performed in the same manner as in Example 1 except that the pressure was 152 MPa at 490 ° C. SEM observation of the resulting precipitate revealed hexagonal columnar crystals having a diameter of 50 μm and a length of 130 μm. It was h-GaN when the powder X-ray diffraction of the deposit was measured.
Example 4

アルゴン雰囲気のグローブボックス内で、金パイプに多結晶原料とフラックスを充填し、圧力を90MPaとした以外は実施例1と同様にして操作を行った。得られた沈殿物のSEM観察により直径60μm、長さ200μmの六角柱状の結晶が認められた。沈殿物の粉末X線回折を測定したところh−GaNであった。
(実施例5)
The operation was performed in the same manner as in Example 1 except that a gold pipe was filled with a polycrystalline raw material and a flux and the pressure was set to 90 MPa in an argon atmosphere glove box. SEM observation of the obtained precipitate revealed hexagonal columnar crystals having a diameter of 60 μm and a length of 200 μm. It was h-GaN when the powder X-ray diffraction of the deposit was measured.
(Example 5)

フラックスとしてCsCl(関東化学製)、NaCl(純正化学製)をCsCl:NaCl=65:35のモル比で混合したフラックス(B)を用いた。このフラックス(B)の溶融する温度はPhase Diagrams for Ceramists (The American Ceramic Society, 1966) によれば493℃である。フラックス(A)をフラックス(B)に換え、温度を510℃、圧力を96MPaとした以外は実施例1と同様にして操作を行った。得られた沈殿物
のSEM観察により直径60μm、長さ200μmの六角柱状の結晶が認められた。沈殿物の粉末X線回折を測定したところh−GaNであった。
(実施例6)
A flux (B) in which CsCl (manufactured by Kanto Chemical) and NaCl (manufactured by Junsei Chemical) were mixed at a molar ratio of CsCl: NaCl = 65: 35 was used as the flux. The melting temperature of the flux (B) is 493 ° C. according to Phase Diagrams for Ceramists (The American Ceramic Society, 1966). The operation was performed in the same manner as in Example 1 except that the flux (A) was changed to the flux (B) and the temperature was 510 ° C. and the pressure was 96 MPa. SEM observation of the obtained precipitate revealed hexagonal columnar crystals having a diameter of 60 μm and a length of 200 μm. It was h-GaN when the powder X-ray diffraction of the deposit was measured.
(Example 6)

フラックスとしてCsBr(関東化学製)、NaBr(キシダ化学製)をCsBr:NaBr=60:40のモル比で混合したフラックス(C)を用いた。このフラックス(C)の溶融する温度はPhase Diagrams for Ceramists (The American Ceramic Society, 1966)によれば460℃である。フラックス(A)をフラックス(C)に換え、温度を47
0℃、圧力を84MPaとした以外は実施例1と同様にして操作を行った。得られた沈殿物のSEM観察により直径40μm、長さ140μmの六角柱状の結晶が認められた。沈殿物の粉末X線回折を測定したところh−GaNであった。
(実施例7)
As the flux, a flux (C) in which CsBr (manufactured by Kanto Chemical) and NaBr (manufactured by Kishida Chemical) were mixed at a molar ratio of CsBr: NaBr = 60: 40 was used. The melting temperature of the flux (C) is 460 ° C. according to Phase Diagrams for Ceramists (The American Ceramic Society, 1966). Flux (A) is replaced with flux (C) and the temperature is 47
The operation was performed in the same manner as in Example 1 except that the temperature was 0 ° C. and the pressure was 84 MPa. SEM observation of the resulting precipitate revealed hexagonal columnar crystals having a diameter of 40 μm and a length of 140 μm. It was h-GaN when the powder X-ray diffraction of the deposit was measured.
(Example 7)

フラックスとしてCsI(関東化学製)、KI(ナカライテスク製)をCsI:KI=60:40のモル比で混合したフラックス(D)を用いた。このフラックス(D)の溶融する温度はPhase Diagrams for Ceramists (The American Ceramic Society, 1966) によれば536℃である。フラックス(A)をフラックス(D)に換え、温度を550℃、圧力を81MPaとした以外は実施例1と同様にして操作を行った。得られた沈殿物のSEM観察により直径30μm、長さ70μmのプリズム型および直径20μm、厚さ5μmの六角板状結晶が認められた。沈殿物の粉末X線回折を測定したところh−GaNであった。
(実施例8)
A flux (D) in which CsI (manufactured by Kanto Chemical) and KI (manufactured by Nacalai Tesque) were mixed at a molar ratio of CsI: KI = 60: 40 was used as the flux. The melting temperature of the flux (D) is 536 ° C. according to Phase Diagrams for Ceramists (The American Ceramic Society, 1966). The operation was performed in the same manner as in Example 1 except that the flux (A) was changed to the flux (D), the temperature was 550 ° C., and the pressure was 81 MPa. SEM observation of the resulting precipitate revealed a prism type having a diameter of 30 μm and a length of 70 μm, and a hexagonal plate crystal having a diameter of 20 μm and a thickness of 5 μm. It was h-GaN when the powder X-ray diffraction of the deposit was measured.
(Example 8)

予め真空乾燥したLiCl:KCl:CsCl=51:20:29のモル比で混合したフラックス(E)をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で粉砕した。このフラックス(E)の溶融する温度はACerS-NIST Phase Equilibria Diagrams CD-ROM Database Version
3.0によれば263℃である。粉砕したフラックス(E)1.05gと金属ガリウム(住友化学製)0.32gをグローブボックス内でアルミナ坩堝(SSA−S)に入れ、内径30mm、長さ70mmの石英管の中央部に設置した。高純度窒素を100sccmの流量で流しながら石英管内に装着したアルミナ坩堝部分の温度が850℃になるまで、10℃/minで昇温した。その後、NH3(5N)250sccm、高純度窒素100sc
cmの混合ガスを供給し、850℃で3時間保持した。約5℃/minで室温まで降温した後、アルミナるつぼを取り出し、内容物を50mlの純水に入れてフラックスを溶解させた後、上澄みを捨て沈殿物を得た。次に、35%塩酸に沈殿物を投入し、未反応の金属分を溶解させた後に上澄みを捨て不溶成分を回収した。さらに、不溶成分を50mlの純水に入れ上澄みを捨て沈殿物を得た。この純水による洗浄操作を2回繰り返した後、50mlのアセトンを加え、上澄みを捨て沈殿物を回収し、室温で真空乾燥した。得られた沈殿物のSEM観察により、直径30μm、長さ60μmの6角柱状結晶が認められた。沈殿物の粉末X線回折を測定したところh−GaNであり、h−GaN以外の不純物相は認められなかった。
以上の実施例の結果から、金属ハロゲン化物をフラックスとして用いることにより、実施例の本発明の方法で窒化物結晶の育成が可能であることがわかる。
The flux (E) mixed at a molar ratio of LiCl: KCl: CsCl = 51: 20: 29 previously vacuum dried was pulverized in a glove box in an argon atmosphere. The melting temperature of this flux (E) is ACerS-NIST Phase Equilibria Diagrams CD-ROM Database Version
According to 3.0, it is 263 ° C. 1.05 g of pulverized flux (E) and 0.32 g of metal gallium (Sumitomo Chemical Co., Ltd.) were placed in an alumina crucible (SSA-S) in a glove box and placed in the center of a quartz tube having an inner diameter of 30 mm and a length of 70 mm. . While flowing high-purity nitrogen at a flow rate of 100 sccm, the temperature was increased at 10 ° C./min until the temperature of the alumina crucible portion mounted in the quartz tube reached 850 ° C. After that, NH 3 (5N) 250 sccm, high purity nitrogen 100 sc
A mixed gas of cm was supplied and held at 850 ° C. for 3 hours. After the temperature was lowered to room temperature at about 5 ° C./min, the alumina crucible was taken out, the contents were put into 50 ml of pure water to dissolve the flux, and the supernatant was discarded to obtain a precipitate. Next, a precipitate was added to 35% hydrochloric acid to dissolve unreacted metal, and then the supernatant was discarded to recover insoluble components. Furthermore, the insoluble component was put into 50 ml of pure water, and the supernatant was discarded to obtain a precipitate. After this washing operation with pure water was repeated twice, 50 ml of acetone was added, the supernatant was discarded, and the precipitate was collected and dried in vacuum at room temperature. SEM observation of the resulting precipitate revealed hexagonal columnar crystals having a diameter of 30 μm and a length of 60 μm. When the powder X-ray diffraction of the precipitate was measured, it was h-GaN, and no impurity phase other than h-GaN was observed.
From the results of the above examples, it can be seen that nitride crystals can be grown by the method of the present invention of the examples by using metal halide as the flux.

以上、現時点において、最も実践的であり、且つ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読みとれる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う13族窒化物結晶の製造方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。   Although the present invention has been described with reference to the most practical and preferred embodiments at the present time, the invention is not limited to the embodiments disclosed herein. The method of manufacturing a group 13 nitride crystal with such a change can also be appropriately changed without departing from the gist or the idea of the invention that can be read from the claims and the entire specification. Must be understood as encompassed by.

多結晶原料の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a polycrystalline raw material. 実施例1で得られた沈殿物のSEM写真である。2 is a SEM photograph of a precipitate obtained in Example 1. 実施例1で得られた沈殿物の粉末X線回折図である。2 is a powder X-ray diffraction pattern of a precipitate obtained in Example 1. FIG. 実施例2で得られた沈殿物のSEM写真である。2 is a SEM photograph of a precipitate obtained in Example 2.

Claims (10)

13族窒化物原料と金属ハロゲン化物の混合物を加熱溶融して結晶成長を行い、塊状単結晶を得ることを特徴とする13族窒化物結晶の製造方法。 A method for producing a group 13 nitride crystal, wherein a mixture of a group 13 nitride raw material and a metal halide is heated and melted to perform crystal growth to obtain a bulk single crystal. 不活性ガス及び/または窒素原子を含有するガスの雰囲気下において結晶成長を行うことを特徴とする請求項1に記載の13族窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a group 13 nitride crystal according to claim 1, wherein crystal growth is performed in an atmosphere of an inert gas and / or a gas containing nitrogen atoms. 13族窒化物原料として、13族元素の金属単体あるいは化合物と、窒素ガス又は窒素化合物を用いることを特徴とする請求項1または2に記載の13族窒化物結晶の製造方法。 3. The method for producing a group 13 nitride crystal according to claim 1, wherein a group 13 element metal element or compound and nitrogen gas or a nitrogen compound are used as the group 13 nitride raw material. 13族窒化物原料として、13族窒素化合物の多結晶粉末を用いることを特徴とする請求項1または2に記載の13族窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a group 13 nitride crystal according to claim 1 or 2, wherein a polycrystalline powder of a group 13 nitrogen compound is used as the group 13 nitride raw material. 13族窒素化合物の多結晶粉末中に13族元素の金属を含むことを特徴とする請求項4に記載の周期表13族元素の窒化物の塊状結晶の製造方法。 5. The method for producing a bulk crystal of a group 13 element nitride nitride according to claim 4, wherein the group 13 nitrogen compound polycrystalline powder contains a group 13 element metal. 加熱溶融の際、圧力を500MPa以下の加圧下に保持することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の13族窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a group 13 nitride crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein the pressure is maintained under a pressure of 500 MPa or less during heating and melting. 混合物の金属ハロゲン化物の割合が5〜99重量%であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の13族窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a group 13 nitride crystal according to any one of claims 1 to 6, wherein the ratio of the metal halide in the mixture is 5 to 99% by weight. 混合物中の含有酸素原子量が5重量%以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の13族窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a group 13 nitride crystal according to any one of claims 1 to 7, wherein the amount of oxygen atoms contained in the mixture is 5% by weight or less. 金属ハロゲン化物がハロゲン化アルカリであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の13族窒化物結晶の製造方法。 9. The method for producing a group 13 nitride crystal according to claim 1, wherein the metal halide is an alkali halide. 13族元窒化物が窒化ガリウムであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の13族窒化物結晶の製造方法。

The method for producing a group 13 nitride crystal according to any one of claims 1 to 9, wherein the group 13 elemental nitride is gallium nitride.

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