JP2005263535A - Method for manufacturing single crystal of group iii element nitride, and reaction vessel used therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing efficiently a group III element nitride, e.g. gallium nitride or aluminum nitride, with high quality. <P>SOLUTION: A group III element such as gallium or aluminum and an alkali metal such as sodium are put into a crucible in a nitrogen gas atmosphere and thermally melted under pressure, thus growing a single crystal. The crucible used here is (A) one made of a nitrogen-free material having a melting point or decomposition temperature of 2,100°C or higher or (B) one made of at least one material selected from the group consisting of rare earth oxides, alkaline earth metal oxides, W, SiC, diamond, and diamond-like carbon, this material preferably being, for example, Y<SB>2</SB>O<SB>3</SB>. The above yielded single crystal, as illustrated with a photograph (A) of the figure, is colorless and transparent and has a high quality and a maximum diameter of 2 cm or more. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)等のIII族元素窒化物の単結晶の製造方法およびそれに用いる反応容器に関する。   The present invention relates to a method for producing a single crystal of a group III element nitride such as gallium nitride (GaN) or aluminum nitride (AlN) and a reaction vessel used therefor.

III族窒化物の半導体は、例えば、ヘテロ接合高速電子デバイスや光電子デバイス(半導体レーザ、発光ダイオード、センサ等)等の分野に使用されており、特に窒化ガリウム(GaN)が注目されている。従来では、窒化ガリウムの単結晶を得るために、ガリウムと窒素ガスとを直接反応させることが行われていた(非特許文献1参照)。しかし、この場合、1300〜1600℃、8000〜17000atm(0.81〜1.72MPa)という超高温高圧を必要とする。この問題を解決するために、ナトリウム(Na)フラックス中で窒化ガリウム単結晶を育成する技術(以下、「Naフラックス法」ともいう)が開発された(例えば、特許文献1〜4、非特許文献2、3参照)。この方法によれば、加熱温度が600〜800℃と大幅に下がり、また圧力も、約50atm(約5MPa)程度まで下げることができる。しかし、この方法では、得られる単結晶が黒化し、品質に問題があり、また結晶成長が途中で止まってしまう場合があるという問題もある。これらの問題は、窒化ガリウムに限らず、他のIII族元素窒化物の半導体においても同様である。
特開2000−327495号公報 特開2001−102316号公報 特開2003−23829号公報 特開2003−292400号公報 J.Phys.Chem.Solids,1995、56、639 日本結晶成長学会誌 30、2、pp38−45(2003) J.J.Appl.Phys.42,ppL879−L881(2003)
Group III nitride semiconductors are used in fields such as heterojunction high-speed electronic devices and optoelectronic devices (semiconductor lasers, light-emitting diodes, sensors, etc.), and gallium nitride (GaN) is particularly attracting attention. Conventionally, in order to obtain a single crystal of gallium nitride, gallium and nitrogen gas are directly reacted (see Non-Patent Document 1). However, in this case, ultrahigh temperature and high pressure of 1300 to 1600 ° C. and 8000 to 17000 atm (0.81 to 1.72 MPa) are required. In order to solve this problem, a technique for growing a gallium nitride single crystal in sodium (Na) flux (hereinafter also referred to as “Na flux method”) has been developed (for example, Patent Documents 1 to 4, Non-Patent Documents). 2 and 3). According to this method, the heating temperature is greatly reduced to 600 to 800 ° C., and the pressure can be reduced to about 50 atm (about 5 MPa). However, this method has a problem that the obtained single crystal is blackened, which causes a problem in quality, and crystal growth may stop in the middle. These problems are not limited to gallium nitride, but also apply to other Group III element nitride semiconductors.
JP 2000-327495 A JP 2001-102316 A JP 2003-23829 A JP 2003-292400 A J. et al. Phys. Chem. Solids, 1995, 56, 639 Japanese Journal of Crystal Growth 30, 2, pp38-45 (2003) J. et al. J. et al. Appl. Phys. 42, ppL879-L881 (2003)

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、透明で転位密度が少なく高品位であり、かつバルク状の大きなIII族元素窒化物の単結晶を収率良く製造可能な製造方法の提供を、その目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a production method that is transparent, has a low dislocation density, has a high quality, and can produce a bulky large group III element nitride single crystal in a high yield. Is the purpose.

前記目的を達するために、本発明のIII族元素窒化物単結晶の製造方法は、アルカリ金属を含むフラックス中において、Ga、AlおよびInからなる群から選択される少なくとも一つのIII族元素と窒素(N)とを反応容器中で反応させることによりIII族元素窒化物単結晶を成長させる製造方法であって、前記反応容器として、その材質が、下記の(A)および(B)の少なくとも一方の材質である反応容器を使用する製造方法である。
(A) 融点若しくは分解温度が2100℃以上の窒素非含有材質
(B) 希土類酸化物、アルカリ土類金属酸化物、W、SiC、ダイヤモンドおよびダイヤモンドライクカーボンからなる群から選択される少なくとも一つの材質
In order to achieve the above object, the method for producing a group III element nitride single crystal of the present invention is characterized in that in a flux containing an alkali metal, at least one group III element selected from the group consisting of Ga, Al and In and nitrogen (N) is a production method for growing a group III element nitride single crystal by reacting in a reaction vessel, and the material of the reaction vessel is at least one of the following (A) and (B): It is a manufacturing method using the reaction container which is the material of this.
(A) Nitrogen-free material having a melting point or decomposition temperature of 2100 ° C. or higher (B) At least one material selected from the group consisting of rare earth oxides, alkaline earth metal oxides, W, SiC, diamond and diamond-like carbon

本発明者等は、前記目的を達成するために、一連の研究を重ねた。その過程で、反応容器に着目して種々検討したところ、アルミナ坩堝等のような従来の反応容器は、アルカリ金属を含むフラックスによって溶解し、溶出したものが不純物となって結晶の品質や成長に悪影響を与えることを突き止めた。また、BN坩堝のような窒素系の材質のものを使用すると、その表面に結晶核が生成し、これも結晶の品質や成長に悪影響を与えることも突き止めた。そして、これらの知見に基き、さらに研究を重ねたところ、上記(A)および(B)の少なくとも一方の材質により形成された反応容器を使用すれば、アルカリ金属を含むフラックスに接触しても溶解せず、また反応容器の壁面での結晶核の生成が防止されることを見出し、本発明に到達した。本発明の製造方法により、透明で転位密度が少なく高品位であり、かつバルク状の大きなIII族元素窒化物の単結晶を収率良く製造することができる。なお、本発明において、前記「窒素非含有材質」とは、窒素を形成材料に用いていない材質をいう。   The present inventors have made a series of studies in order to achieve the above object. In the process, attention was paid to the reaction vessel, and various investigations were made. Conventional reaction vessels such as alumina crucibles were dissolved by flux containing alkali metal, and the eluted material became impurities, which led to crystal quality and growth. I found out that it would have an adverse effect. It was also found that when a nitrogen-based material such as a BN crucible is used, crystal nuclei are generated on the surface, which also adversely affects the quality and growth of the crystal. Based on these findings, further research has been conducted. When a reaction vessel formed of at least one of the above materials (A) and (B) is used, it can be dissolved even when it comes into contact with a flux containing alkali metal. In addition, the inventors have found that generation of crystal nuclei on the wall of the reaction vessel is prevented, and the present invention has been achieved. By the production method of the present invention, it is possible to produce a high-quality single crystal of a large group III element nitride that is transparent, has a low dislocation density, and has a high quality. In the present invention, the “nitrogen-free material” refers to a material that does not use nitrogen as a forming material.

つぎに、本発明について、詳しく説明する。   Next, the present invention will be described in detail.

前述のように、本発明において、前記反応容器の材質は、上記(A)および(B)の少なくとも一方の材質である。前記前記希土類およびアルカリ土類金属としては、例えばSc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Raがあげられる。前記反応容器の材質としては、Y、CaO、MgOおよびWからなる群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。このなかでも、前記反応容器の材質としては、Yが最も好ましい。また、前記反応容器は、前記フラックスやIII族元素に直接接触するものが好ましく、前記反応容器は坩堝であってもよい。 As described above, in the present invention, the material of the reaction vessel is at least one of the materials (A) and (B). Examples of the rare earth and alkaline earth metals include Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. The material of the reaction vessel is preferably at least one selected from the group consisting of Y 2 O 3 , CaO, MgO and W. Among these, Y 2 O 3 is most preferable as the material of the reaction vessel. The reaction vessel is preferably in direct contact with the flux or group III element, and the reaction vessel may be a crucible.

本発明において、III族元素は、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)であるが、このなかで、ガリウム、アルミニウムが好ましい。前記III族元素は、1種類を単独で使用してもよいし、若しくは2種類以上を併用してもよい。また、III族元素窒化物単結晶は、窒化ガリウム(GaN)単結晶、窒化アルミニウム(AlN)単結晶であることが好ましい。前記III族元素窒化物単結晶は、組成式AlGaIn1−x−yN(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表される単結晶であってもよい。以下に示す条件は、特に窒化ガリウムの単結晶、窒化アルミニウムの単結晶を製造するのに好ましいが、他のIII族元素窒化物単結晶の製造にも同様に適用できる。 In the present invention, group III elements are gallium (Ga), aluminum (Al), and indium (In). Among these, gallium and aluminum are preferable. The group III element may be used alone or in combination of two or more. The group III element nitride single crystal is preferably a gallium nitride (GaN) single crystal or an aluminum nitride (AlN) single crystal. The group III element nitride single crystal is a single crystal represented by a composition formula Al x Ga y In 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). It may be. The conditions shown below are particularly preferable for producing a single crystal of gallium nitride or a single crystal of aluminum nitride, but can be similarly applied to the production of other group III element nitride single crystals.

本発明において、前記アルカリ金属は、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)およびフランシウム(Fr)であり、前記アルカリ土類金属は、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Br)およびラジウム(Ra)である。これらは、単独で使用しても良いし、二種類以上で併用してもよい。このなかで、好ましいのは、Na、Ca、K、Rb、Csであり、より好ましいのはNaおよびCaである。アルカリ金属およびアルカリ土類金属の添加比率は、その種類によって適宜決定される。III族元素に対するアルカリ金属の添加割合は、例えば、0.1〜99.9mol%、好ましくは1〜99mol%、より好ましくは5〜98mol%である。また、アルカリ金属とアルカリ土類金属の混合フラックスを使用する場合のモル比は、例えば、アルカリ金属:アルカリ土類金属=99.99〜0.01:0.01〜99.99、好ましくは99.9〜0.05:0.1〜99.95、より好ましくは99.5〜1:0.5〜99である。   In the present invention, the alkali metal is sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) and francium (Fr), and the alkaline earth metal is calcium (Ca), strontium ( Sr), barium (Br) and radium (Ra). These may be used alone or in combination of two or more. Among these, Na, Ca, K, Rb, and Cs are preferable, and Na and Ca are more preferable. The addition ratio of alkali metal and alkaline earth metal is appropriately determined depending on the type. The addition ratio of the alkali metal to the group III element is, for example, 0.1 to 99.9 mol%, preferably 1 to 99 mol%, more preferably 5 to 98 mol%. The molar ratio when using a mixed flux of alkali metal and alkaline earth metal is, for example, alkali metal: alkaline earth metal = 99.99 to 0.01: 0.01 to 99.99, preferably 99. .9 to 0.05: 0.1 to 99.95, more preferably 99.5 to 1: 0.5 to 99.

本発明において、前記反応条件は、例えば、温度100〜1500℃、圧力100Pa〜20MPaであり、好ましくは、温度300〜1200℃、圧力0.01MPa〜10MPaであり、より好ましくは、温度500〜1100℃、圧力0.1MPa〜6MPaである。   In the present invention, the reaction conditions are, for example, a temperature of 100 to 1500 ° C. and a pressure of 100 Pa to 20 MPa, preferably a temperature of 300 to 1200 ° C. and a pressure of 0.01 MPa to 10 MPa, and more preferably a temperature of 500 to 1100. C., pressure 0.1 MPa to 6 MPa.

本発明において、前記窒素(N)含有ガスは、例えば、窒素(N)ガス、アンモニア(NH)ガス等であり、これらは混合してもよく、混合比率は制限されない。特に、アンモニアガスを使用すると、反応圧力を低減できるので、好ましい。 In the present invention, the nitrogen (N) -containing gas is, for example, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, etc., and these may be mixed, and the mixing ratio is not limited. In particular, use of ammonia gas is preferable because the reaction pressure can be reduced.

本発明の製造方法において、III族元素窒化物(例えば、窒化ガリウム、窒化アルミニウム)を予め準備し、これに前記混合フラックスを接触させ、前記III族元素窒化物を核にして新たなIII族元素窒化物単結晶(例えば、窒化ガリウム単結晶、窒化アルミニウム単結晶)を成長させることが好ましい。この製造方法の最も重要な特徴は、大きなサイズの単結晶を速く製造できることである。すなわち、この方法では、核となる単結晶を大きくすればするほど、速く大きな単結晶を得ることができる。例えば、核として薄膜状窒化ガリウムを使用すると、これと同等の面積で、窒化ガリウム単結晶が厚み方向に成長するから、例えば、最大径が5cmの前記薄膜を用いると、これと同等の面積の窒化ガリウム単結晶が厚み方向に数μmから数mm成長すれば、十分大きなバルク状窒化ガリウムと成りうる。これらのことは、核として薄膜状窒化アルミニウム等を使用した場合においても同様である。なお、前記核となるIII族元素窒化物は、組成式AlGaIn1−x−yN(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表されるものであってもよい。 In the production method of the present invention, a group III element nitride (for example, gallium nitride, aluminum nitride) is prepared in advance, the mixed flux is brought into contact therewith, and a new group III element is formed using the group III element nitride as a nucleus. It is preferable to grow a nitride single crystal (for example, a gallium nitride single crystal or an aluminum nitride single crystal). The most important feature of this manufacturing method is that a large size single crystal can be manufactured quickly. That is, in this method, the larger the single crystal that becomes the nucleus, the faster the large single crystal can be obtained. For example, when thin-film gallium nitride is used as the nucleus, a gallium nitride single crystal grows in the thickness direction in the same area. For example, when the thin film having a maximum diameter of 5 cm is used, the equivalent area is obtained. If a gallium nitride single crystal grows from several μm to several mm in the thickness direction, a sufficiently large bulk gallium nitride can be obtained. The same applies to the case where thin film aluminum nitride or the like is used as the nucleus. The group III element nitride serving as the nucleus is represented by a composition formula Al x Ga y In 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). It may be a thing.

核となるIII族元素窒化物は、単結晶であってもよいし、非晶質(アモルファス)であってもよい。また、核となるIII族元素窒化物の形態は、特に制限されないが、例えば、薄膜の形態が好ましい。この薄膜は、基板の上に形成したものであってよい。基板の材質としては、例えば、非晶質窒化ガリウム(GaN)、非晶質窒化アルミニウム(AlN)、サファイア、シリコン(Si)、ガリウム・砒素(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ホウ素(BN)、酸化リチウムガリウム(LiGaO)、ホウ素化ジルコニウム(ZrB)、酸化亜鉛(ZnO)、各種ガラス、各種金属、リン化ホウ素(BP)、MoS、LaAlO、NbN、MnFe、ZnFe、ZrN、TiN、リン化ガリウム(GaP)、MgAl、NdGaO、LiAlO、ScAlMgO、CaLa(PO等がある。核となるIII族元素窒化物薄膜の厚みは、特に制限されず、例えば、0.0005〜100000μm、好ましくは0.001〜50000μm、より好ましくは0.01〜5000μmの範囲である。前記薄膜は、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD法)、ハライド気相成長法(HVPE)、分子線エピタキシー法(MBE法)等によって、基板上に形成できる。また、基板上に窒化ガリウム、窒化アルミニウム等の薄膜を形成したものは、市販されているので、それを使用してもよい。前記薄膜の最大径は、例えば、2cm以上であり、好ましくは3cm以上であり、より好ましくは5cm以上であり、大きいほどよく、その上限は、限定されない。また、バルク状化合物半導体の規格が2インチであるから、この観点から、前記最大径の大きさは5cmであることが好ましく、この場合、前記最大径の範囲は、例えば、2〜5cmであり、好ましくは3〜5cmであり、より好ましくは5cmである。なお、前記最大径とは、前記薄膜表面の外周のある点と、その他の点を結ぶ線であって、最も長い線の長さをいう。 The group III element nitride serving as the nucleus may be a single crystal or amorphous. Further, the form of the group III element nitride serving as the nucleus is not particularly limited, but for example, the form of a thin film is preferable. This thin film may be formed on a substrate. Examples of the material of the substrate include amorphous gallium nitride (GaN), amorphous aluminum nitride (AlN), sapphire, silicon (Si), gallium / arsenic (GaAs), gallium nitride (GaN), and aluminum nitride (AlN). ), Silicon carbide (SiC), boron nitride (BN), lithium gallium oxide (LiGaO 2 ), zirconium boride (ZrB 2 ), zinc oxide (ZnO), various glasses, various metals, boron phosphide (BP), MoS 2 , LaAlO 3 , NbN, MnFe 2 O 4 , ZnFe 2 O 4 , ZrN, TiN, gallium phosphide (GaP), MgAl 2 O 4 , NdGaO 3 , LiAlO 2 , ScAlMgO 4 , Ca 8 La 2 (PO 4 ) 6 O 2 etc. The thickness of the group III element nitride thin film serving as a nucleus is not particularly limited, and is, for example, in the range of 0.0005 to 100000 μm, preferably 0.001 to 50000 μm, and more preferably 0.01 to 5000 μm. The thin film can be formed on the substrate by, for example, metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD), halide vapor phase epitaxy (HVPE), molecular beam epitaxy (MBE) or the like. Moreover, what formed thin films, such as a gallium nitride and aluminum nitride, on the board | substrate is marketed, You may use it. The maximum diameter of the thin film is, for example, 2 cm or more, preferably 3 cm or more, more preferably 5 cm or more, and the larger the better, the upper limit is not limited. In addition, since the standard of the bulk compound semiconductor is 2 inches, from this viewpoint, the size of the maximum diameter is preferably 5 cm. In this case, the range of the maximum diameter is, for example, 2 to 5 cm. , Preferably 3 to 5 cm, more preferably 5 cm. The maximum diameter is a line connecting a point on the outer periphery of the thin film surface with other points and is the length of the longest line.

前記製造方法において、前記フラックスによって、窒素濃度が上昇するまでに、予め準備したIII族元素窒化物が溶解するおそれがある。これを防止するために、少なくとも反応初期において、窒化物を前記フラックス中に存在させておくことが好ましい。前記窒化物としては、例えば、Ca、LiN、NaN3, BN, Si3N4, InN等があり、これらは単独で使用してもよく、2種類以上で併用してもよい。また、前記窒化物の前記フラックスにおける割合は、例えば、0.0001 mol%〜99 mol%であり、好ましくは、0.001 mol%〜50 mol%であり、より好ましくは0.005 mol%〜10 mol%である。 In the manufacturing method, the group III element nitride prepared in advance may be dissolved by the flux before the nitrogen concentration increases. In order to prevent this, it is preferable that nitride is present in the flux at least at the initial stage of the reaction. Examples of the nitride include Ca 3 N 2 , Li 3 N, NaN 3 , BN, Si 3 N 4 , InN, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Good. The ratio of the nitride in the flux is, for example, 0.0001 mol% to 99 mol%, preferably 0.001 mol% to 50 mol%, and more preferably 0.005 mol% to 10 mol%.

本発明の製造方法において、前記混合フラックス中に、不純物を存在させることも可能である。このようにすれば、不純物含有のIII族元素窒化物単結晶を製造できる。前記前記不純物は、例えば、珪素(Si)、アルミナ(Al)インジウム(In)、アルミニウム(Al)、窒化インジウム(InN)、酸化珪素(SiO2)、酸化インジウム(In2O3)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、ゲルマニウム(Ge)等がある。 In the production method of the present invention, impurities can be present in the mixed flux. In this way, an impurity-containing group III element nitride single crystal can be produced. Examples of the impurities include silicon (Si), alumina (Al 2 O 3 ) indium (In), aluminum (Al), indium nitride (InN), silicon oxide (SiO 2 ), and indium oxide (In 2 O 3 ). Zinc (Zn), magnesium (Mg), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), germanium (Ge), and the like.

つぎに、本発明の装置は、前記本発明の製造方法に使用するIII族元素窒化物単結晶の製造装置であって、反応容器と、前記反応容器を加熱する加熱手段と、前記反応容器内を加圧雰囲気にする加圧手段とを有し、前記反応容器が、前記本発明の反応容器である。   Next, the apparatus of the present invention is a group III element nitride single crystal manufacturing apparatus used in the manufacturing method of the present invention, comprising a reaction vessel, a heating means for heating the reaction vessel, and the inside of the reaction vessel. And a pressurizing means for making the pressurized atmosphere, and the reaction vessel is the reaction vessel of the present invention.

本発明の製造方法は、例えば、図1に示す装置を用いて実施される。図1(A)に示すように、この装置は、本発明の製造装置の一例であり、ガスボンベ1と、電気炉4と、電気炉4の中に配置された耐圧耐熱容器3とを有す。ガスボンベ1にはパイプ21が接続されており、このパイプ21には、圧力調節器5および圧力調節バルブ25が配置されており、また途中からリークパイプが取り付けられており、その先にはリークバルブ24が配置されている。パイプ21はパイプ22と接続し、パイプ22はパイプ23と接続し、これが電気炉4の中まで進入して耐圧耐熱容器3に接続している。また、図1(B)に示すように、耐圧耐熱容器3の中には、反応容器6が配置され、この中に、ガリウム、アルミニウム等のIII族元素と、アルカリ金属と、必要に応じアルカリ土類金属(任意成分)とが配置されている。前記反応容器6は、前述のように、上記(A)および(B)の少なくとも一方の材質により形成されたものである。この反応容器6は、坩堝であってもよい。   The manufacturing method of the present invention is carried out, for example, using the apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 1 (A), this apparatus is an example of a manufacturing apparatus according to the present invention, and includes a gas cylinder 1, an electric furnace 4, and a pressure and heat resistant container 3 disposed in the electric furnace 4. . A pipe 21 is connected to the gas cylinder 1, and a pressure regulator 5 and a pressure regulation valve 25 are arranged on the pipe 21, and a leak pipe is attached from the middle, and a leak valve is provided at the end. 24 is arranged. The pipe 21 is connected to the pipe 22, and the pipe 22 is connected to the pipe 23, which enters into the electric furnace 4 and is connected to the pressure and heat resistant container 3. As shown in FIG. 1B, a reaction vessel 6 is disposed in the pressure and heat resistant vessel 3, in which a group III element such as gallium or aluminum, an alkali metal, and an alkali as necessary. An earth metal (arbitrary component) is arranged. As described above, the reaction vessel 6 is formed of at least one of the materials (A) and (B). The reaction vessel 6 may be a crucible.

この装置を用いたIII族元素窒化物の単結晶の製造は、例えば、つぎのようにして行われる。まず、反応容器6に、ガリウム、アルミニウム等のIII族元素、ナトリウム等のフラックス原料を入れ、これを耐圧耐熱容器3内に配置する。この耐圧耐熱容器3を、パイプ23の先端部を接続した状態で、電気炉4内に配置する。この状態で、ガスボンベ1から、パイプ(21、22、23)を通して窒素含有ガスを耐圧耐熱容器3内に送ると共に、電気炉4で加熱する。耐圧耐熱容器3内の圧力は、圧力調節器5により調節する。そして、一定時間、加圧、加熱することにより、前記材料を溶融してIII族元素窒化物の単結晶を成長させる。その後、得られた単結晶を反応容器6から取り出す。この製造方法において、反応容器6は、前述の材質から形成されているため、前記フラックスによって溶解することが無く、また前記反応容器6の内壁表面で結晶核が生成することも防止できる。   The production of a group III element nitride single crystal using this apparatus is performed, for example, as follows. First, a flux material such as a group III element such as gallium or aluminum or sodium is placed in the reaction vessel 6 and placed in the pressure and heat resistant vessel 3. This pressure and heat resistant container 3 is placed in the electric furnace 4 with the tip of the pipe 23 connected. In this state, the nitrogen-containing gas is sent from the gas cylinder 1 through the pipes (21, 22, 23) into the pressure-resistant and heat-resistant container 3 and heated in the electric furnace 4. The pressure in the pressure and heat resistant container 3 is adjusted by the pressure regulator 5. Then, by pressing and heating for a certain time, the material is melted to grow a group III element nitride single crystal. Thereafter, the obtained single crystal is taken out from the reaction vessel 6. In this manufacturing method, since the reaction vessel 6 is made of the above-described material, the reaction vessel 6 is not dissolved by the flux, and crystal nuclei can be prevented from being generated on the inner wall surface of the reaction vessel 6.

III族元素窒化物を予め準備し、これを核としてIII族元素窒化物単結晶を成長させる場合は、例えば、基板上にIII族元素窒化物薄膜を形成したものを、予め反応容器の中に入れておき、この中で、前述のようにしてフラックス中で単結晶を成長させればよい。   When a group III element nitride is prepared in advance and a group III element nitride single crystal is grown using this as a nucleus, for example, a group III element nitride thin film formed on a substrate is placed in a reaction vessel in advance. In this case, a single crystal may be grown in the flux as described above.

以上のような製造方法によって本発明のIII族元素窒化物の単結晶を製造することができるが、本発明の単結晶は、これらの製造方法に限定されず、他の製造方法で製造してもよい。前述のように、本発明のIII族元素窒化物としては、窒化ガリウムが好ましい。本発明の窒化ガリウムにおいて、転位密度は、例えば、10/cm以下であり、好ましくは10/cm以下であり、より好ましくは、ほぼ無転位(例えば、101/cm以下)のものである。また、その最大径の長さは、例えば、2cm以上、好ましくは3cm以上であり、より好ましくは5cm以上であり、大きいほどよく、その上限は、限定されない。また、バルク状化合物半導体の規格が2インチであるから、この観点から、前記最大径の大きさは5cmであることが好ましく、この場合、前記最大径の範囲は、例えば、2〜5cmであり、好ましくは3〜5cmであり、より好ましくは5cmである。なお、最大径とは、単結晶の外周のある点と、その他の点を結ぶ線であって、最も長い線の長さをいう。 Although the group III element nitride single crystal of the present invention can be manufactured by the manufacturing method as described above, the single crystal of the present invention is not limited to these manufacturing methods, and is manufactured by other manufacturing methods. Also good. As described above, gallium nitride is preferable as the group III element nitride of the present invention. In the gallium nitride of the present invention, the dislocation density is, for example, 10 4 / cm 2 or less, preferably 10 2 / cm 2 or less, more preferably almost no dislocation (for example, 10 1 / cm 2 or less). belongs to. Further, the length of the maximum diameter is, for example, 2 cm or more, preferably 3 cm or more, more preferably 5 cm or more, and the larger the better, the upper limit is not limited. In addition, since the standard of the bulk compound semiconductor is 2 inches, from this viewpoint, the size of the maximum diameter is preferably 5 cm. In this case, the range of the maximum diameter is, for example, 2 to 5 cm. , Preferably 3 to 5 cm, more preferably 5 cm. The maximum diameter is a line connecting a point on the outer periphery of the single crystal and other points and is the length of the longest line.

つぎに、本発明の半導体装置は、III族元素窒化物透明単結晶を使用した半導体装置である。本発明の半導体装置としては、例えば、電界効果トランジスタ、発光ダイオード(LED)および半導体レーザ(LD)である。この他の本発明の単結晶を使用した半導体装置としては、例えば、p型半導体とn型半導体を単に接合しただけの単純な構造の半導体装置であって、前記半導体に本発明の単結晶を使用したものや、絶縁層、絶縁基板若しくは絶縁性半導体として本発明の単結晶を使用した半導体装置等がある。   Next, the semiconductor device of the present invention is a semiconductor device using a group III element nitride transparent single crystal. Examples of the semiconductor device of the present invention include a field effect transistor, a light emitting diode (LED), and a semiconductor laser (LD). As another semiconductor device using the single crystal of the present invention, for example, a semiconductor device having a simple structure in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are simply joined, and the single crystal of the present invention is applied to the semiconductor. There are used ones, a semiconductor device using the single crystal of the present invention as an insulating layer, an insulating substrate, or an insulating semiconductor.

つぎに、本発明の実施例について比較例と併せて説明する。なお、以下の実施例は、窒化ガリウム単結晶の例であるが、他のIII族元素窒化物単結晶も同様にして製造できる。   Next, examples of the present invention will be described together with comparative examples. The following examples are examples of gallium nitride single crystals, but other group III element nitride single crystals can be manufactured in the same manner.

図1に示す装置を用い、上述と同様にして、窒化ガリウムの単結晶を製造した。すなわち、まず、サファイア基板の表面にMOCVD法でGaN薄膜を形成した基板を準備した。この基板と、ガリウム(1.0g)と、ナトリウム(0.89g)とを、Y製の坩堝に入れ、窒素(N)ガス雰囲気下、育成温度850℃、育成圧力30atm(3.04MPa)、育成時間96時間の条件で加熱加圧溶融し、窒化ガリウムの単結晶を育成し、育成終了後、エタノールと水を用いて残留物を処理した。また、比較例として、Al製の坩堝およびBN製の坩堝を用いて、前記と同様の条件で窒化ガリウムの単結晶を製造した。この結果、図2(A)の写真に示すように、Yの坩堝を用いた本実施例では、透明で高品位のGaN単結晶を得ることができ、得られた単結晶の最大径は2cm以上であり、エッチング法により調べた結果、ほぼ無転位であった。これに対しAl製の坩堝(図2(B))およびBN製の坩堝(図2(C))用いた比較例では、黒化した結晶が得られた。なお、図2(D)は、結晶育成後のBN坩堝内部を示す写真である。
(参考例1)
この例は、種々の坩堝の材質について、Naフラックスへの溶解性を検討した例である。すなわち、下記表1に示す材質を、Ga(1.0g)およびNa(2.97g)と共に容器に入れ、820℃で20時間加熱し、加熱前後の重量変化を評価した。この結果も下記の表1に示す。
(表1)
坩堝材質 加熱前重量(g) 加熱後重量(g) 重量変化
1.215 1.215 0
ZrO 0.771 0.766 −0.005
TiO 1.341 0 −1.341
CaO 0.636 0.635 −0.001
MgO 0.762 0.762 0
W 22.483 22.483 0
上記表1に示すように、Y、CaO、MgOおよびWは、Naフラックス中でもほぼ溶解しないことが分かった。これに対し、ZrOおよびTiOは、Naフラックスに溶解することが分かった。
(参考例2)
Naフラックスを使用する場合、Naが空気中等の水分と反応してNaOHを生じるため、前記フラックス中には、NaOHが存在することになる。この例は、種々の坩堝の材質について、NaOH含有のNaフラックスへの溶解性を検討した例である。すなわち、下記表2に示す材質(表面積2.5〜3.0cm)を、Ga(1.0g)、Na(2.97g)およびNaOH(0.26g)と共に容器に入れ、820℃で20時間加熱し、加熱前後の重量変化を評価した。この結果も下記の表2に示す。
(表2)
坩堝材質 加熱前重量(g) 加熱後重量(g) 重量変化
1.590 1.590 0
Al 1.416 1.392 −0.023
上記表2に示すように、Yは、NaOH含有Naフラックス中でも溶解しないが、Alは、溶解することが分かった。
(参考例3)
この例は、種々の坩堝の材質について、NaおよびCaの混合フラックスへの溶解性を検討した例である。すなわち、下記表3に示す材質を、Ga(1.0g)、Na(2.97g)およびCa(0.26g)と共に容器に入れ、820℃で20時間加熱し、加熱前後の重量変化を評価した。この結果も下記の表3に示す。
(表3)
坩堝材質 加熱前重量(g) 加熱後重量(g) 重量変化
2.340 2.340 0
Al 1.883 1.881 −0.002
上記表3に示すように、Yは、NaおよびCaの混合フラックス中でも溶解しないが、Alは、溶解することが分かった。
(参考例4)
この例は、種々の坩堝の材質について、NaOH含有のNaおよびCaの混合フラックスへの溶解性を検討した例である。すなわち、下記表4に示す材質を、Ga(1.0g)、Na(2.97g)、Ca(0.26g)およびNaOH(0.26g)と共に容器に入れ、950℃で20時間加熱し、加熱前後の重量変化を評価した。この結果も下記の表4に示す。
(表4)
坩堝材質 加熱前重量(g) 加熱後重量(g) 重量変化
0.807 0.807 0
Al ボロボロになって重量測定不可
上記表4に示すように、Yは、NaOH含有のNaおよびCaの混合フラックス中でも溶解しないが、Alは、溶解することが分かった。
Using the apparatus shown in FIG. 1, a gallium nitride single crystal was manufactured in the same manner as described above. That is, first, a substrate having a GaN thin film formed on the surface of the sapphire substrate by MOCVD was prepared. This substrate, gallium (1.0 g), and sodium (0.89 g) were put in a crucible made of Y 2 O 3 and grown in a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere at a growth temperature of 850 ° C. and a growth pressure of 30 atm (3 0.04 MPa) and a heating time of 96 hours under the conditions of growth time to grow a single crystal of gallium nitride, and after the growth was completed, the residue was treated with ethanol and water. As a comparative example, a single crystal of gallium nitride was manufactured under the same conditions as described above using an Al 2 O 3 crucible and a BN crucible. As a result, as shown in the photograph of FIG. 2 (A), in this example using a Y 2 O 3 crucible, a transparent and high-quality GaN single crystal can be obtained. The diameter was 2 cm or more, and as a result of examining by an etching method, there was almost no dislocation. On the other hand, in the comparative example using the crucible made of Al 2 O 3 (FIG. 2B) and the crucible made of BN (FIG. 2C), a blackened crystal was obtained. FIG. 2D is a photograph showing the inside of the BN crucible after crystal growth.
(Reference Example 1)
In this example, various crucible materials were examined for solubility in Na flux. Specifically, the materials shown in Table 1 below were placed in a container together with Ga (1.0 g) and Na (2.97 g), heated at 820 ° C. for 20 hours, and the change in weight before and after heating was evaluated. The results are also shown in Table 1 below.
(Table 1)
Crucible material Weight before heating (g) Weight after heating (g) Weight change Y 2 O 3 1.215 1.215 0
ZrO 2 0.771 0.766 -0.005
TiO 2 1.341 0-1.341
CaO 0.636 0.635 -0.001
MgO 0.762 0.762 0
W 22.483 22.483 0
As shown in Table 1 above, it was found that Y 2 O 3 , CaO, MgO and W were hardly dissolved even in the Na flux. In contrast, ZrO 2 and TiO 2 were found to dissolve in the Na flux.
(Reference Example 2)
When the Na flux is used, Na reacts with moisture in the air or the like to generate NaOH, so that NaOH exists in the flux. In this example, various crucible materials were studied for their solubility in NaOH-containing Na flux. That is, the material shown in Table 2 below (surface area 2.5 to 3.0 cm 2 ) was put in a container together with Ga (1.0 g), Na (2.97 g) and NaOH (0.26 g), and 20 at 820 ° C. After heating for a time, the weight change before and after heating was evaluated. The results are also shown in Table 2 below.
(Table 2)
Crucible material Weight before heating (g) Weight after heating (g) Weight change Y 2 O 3 1.590 1.590 0
Al 2 O 3 1.416 1.392 -0.023
As shown in Table 2 above, it was found that Y 2 O 3 does not dissolve even in the NaOH-containing Na flux, but Al 2 O 3 dissolves.
(Reference Example 3)
In this example, various crucible materials are examined for solubility in a mixed flux of Na and Ca. That is, the materials shown in Table 3 below were placed in a container together with Ga (1.0 g), Na (2.97 g) and Ca (0.26 g), heated at 820 ° C. for 20 hours, and the change in weight before and after heating was evaluated. did. The results are also shown in Table 3 below.
(Table 3)
Crucible material Weight before heating (g) Weight after heating (g) Weight change Y 2 O 3 2.340 2.340 0
Al 2 O 3 1.883 1.881 -0.002
As shown in Table 3 above, it was found that Y 2 O 3 does not dissolve even in the mixed flux of Na and Ca, but Al 2 O 3 dissolves.
(Reference Example 4)
In this example, the solubility of NaOH-containing Na and Ca in a mixed flux was examined for various crucible materials. That is, the materials shown in Table 4 below were placed in a container together with Ga (1.0 g), Na (2.97 g), Ca (0.26 g) and NaOH (0.26 g), and heated at 950 ° C. for 20 hours. The change in weight before and after heating was evaluated. The results are also shown in Table 4 below.
(Table 4)
Crucible material Weight before heating (g) Weight after heating (g) Weight change Y 2 O 3 0.807 0.807 0
Al 2 O 3 as shown turned ragged weight unmeasurable Table 4, Y 2 O 3 is not dissolved even flux mixture of Na and Ca of NaOH containing, Al 2 O 3 is found to be dissolved It was.

以上のように、本発明の製造方法によれば、高品位であり、かつ大きく透明なバルク状のIII族元素窒化物の単結晶を高収率で製造できる。   As described above, according to the production method of the present invention, a high-quality and large transparent bulk group III element nitride single crystal can be produced in a high yield.

(A)および(B)は、本発明の製造装置の一例の構成を示す概略図である。(A) And (B) is the schematic which shows the structure of an example of the manufacturing apparatus of this invention. 図2(A)は、本発明の製造方法の一例により得られた窒化ガリウムの単結晶の写真であり、図2(B),(C)および(D)は、従来法で得られた単結晶の写真である。FIG. 2 (A) is a photograph of a single crystal of gallium nitride obtained by an example of the production method of the present invention, and FIGS. 2 (B), (C) and (D) are single crystals obtained by the conventional method. It is a photograph of a crystal.

符号の説明Explanation of symbols

1 ガスボンベ
3 耐圧耐熱容器
4 電気炉
5 圧力調節器
6 坩堝
7 材料
11 窒化ガリウム単結晶
12 サファイア基板
21、22、23 パイプ
24、25 バルブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas cylinder 3 Pressure-resistant heat-resistant container 4 Electric furnace 5 Pressure regulator 6 Crucible 7 Material 11 Gallium nitride single crystal 12 Sapphire substrate 21, 22, 23 Pipe 24, 25 Valve

Claims (29)

III族元素窒化物単結晶の製造方法であって、アルカリ金属を含むフラックス中において、Ga、AlおよびInからなる群から選択される少なくとも一つのIII族元素と窒素(N)とを反応容器中で反応させることによりIII族元素窒化物単結晶を成長させる製造方法であって、前記反応容器として、その材質が、下記の(A)および(B)の少なくとも一方の材質である反応容器を使用する製造方法。
(A) 融点若しくは分解温度が2100℃以上の窒素非含有材質
(B) 希土類酸化物、アルカリ土類金属酸化物、W、SiC、ダイヤモンドおよびダイヤモンドライクカーボンからなる群から選択される少なくとも一つの材質
A method for producing a group III element nitride single crystal, wherein in a flux containing an alkali metal, at least one group III element selected from the group consisting of Ga, Al and In and nitrogen (N) are contained in a reaction vessel. A method of growing a group III element nitride single crystal by reacting in the above, wherein the reaction vessel is a reaction vessel made of at least one of the following materials (A) and (B) Manufacturing method.
(A) Nitrogen-free material having a melting point or decomposition temperature of 2100 ° C. or higher (B) At least one material selected from the group consisting of rare earth oxides, alkaline earth metal oxides, W, SiC, diamond and diamond-like carbon
前記反応容器の材質が、Y、CaO、MgOおよびWからなる群から選択される少なくとも一つである請求項1記載の製造方法。 The production method according to claim 1, wherein the material of the reaction vessel is at least one selected from the group consisting of Y 2 O 3 , CaO, MgO and W. 前記反応容器の材質が、Yである請求項1記載の製造方法。 The method according to claim 1, wherein a material of the reaction vessel is Y 2 O 3 . 前記反応容器が、坩堝である請求項1から3のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to claim 1, wherein the reaction vessel is a crucible. III族元素が、Gaであり、III族元素窒化物単結晶が、GaN単結晶である請求項1から4のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein the group III element is Ga, and the group III element nitride single crystal is a GaN single crystal. III族元素が、Alであり、III族元素窒化物単結晶が、AlN単結晶である請求項1から4のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 4, wherein the group III element is Al, and the group III element nitride single crystal is an AlN single crystal. アルカリ金属が、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)およびフランシウム(Fr)からなる群から選択された少なくとも一つである請求項1から6のいずれかに記載の製造方法。 The alkali metal is at least one selected from the group consisting of sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), and francium (Fr). Manufacturing method. 前記フラックスが、さらに、アルカリ土類金属を含む請求項1から7のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein the flux further contains an alkaline earth metal. 前記アルカリ土類金属が、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Br)およびラジウム(Ra)からなる群から選択された少なくとも一つである請求項8記載の製造方法。 The method according to claim 8, wherein the alkaline earth metal is at least one selected from the group consisting of calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Br), and radium (Ra). 前記反応条件が、温度100〜1200℃、圧力100Pa〜20MPaである請求項1から9のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein the reaction conditions are a temperature of 100 to 1200 ° C. and a pressure of 100 Pa to 20 MPa. 窒素源として、窒素(N)含有ガスを使用する請求項1から10のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to claim 1, wherein a nitrogen (N) -containing gas is used as a nitrogen source. 窒素(N)含有ガスが、窒素(N)ガスおよびアンモニア(NH)ガスの少なくとも一方である請求項11記載の製造方法。 The production method according to claim 11, wherein the nitrogen (N) -containing gas is at least one of nitrogen (N 2 ) gas and ammonia (NH 3 ) gas. 窒素(N)含有ガスが、アンモニア(NH)ガス、若しくは、これと窒素(N)ガスとの混合ガスである請求項11記載の製造方法。 The method according to claim 11, wherein the nitrogen (N) -containing gas is ammonia (NH 3 ) gas or a mixed gas of this and nitrogen (N 2 ) gas. III族元素窒化物を予め準備し、これに前記混合フラックスを接触させ、前記III族元素窒化物を核にして新たなIII族元素窒化物単結晶を成長させる請求項1から13のいずれかに記載の製造方法。 The group III element nitride is prepared in advance, the mixed flux is brought into contact therewith, and a new group III element nitride single crystal is grown using the group III element nitride as a nucleus. The manufacturing method as described. 核となるIII族元素窒化物が、単結晶または非晶質である請求項14記載の製造方法。 The production method according to claim 14, wherein the group III element nitride serving as a nucleus is single crystal or amorphous. 核となるIII族元素窒化物が、薄膜の形態である請求項14または15記載の製造方法。 The method according to claim 14 or 15, wherein the group III element nitride serving as a nucleus is in the form of a thin film. 前記薄膜が、基板上に形成されている請求項16記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 16, wherein the thin film is formed on a substrate. 核となるIII族元素窒化物の最大径が、2cm以上である請求項14から17のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 14 to 17, wherein the maximum diameter of the group III element nitride serving as a nucleus is 2 cm or more. 前記混合フラックス中に、ドーピングしたい不純物を存在させる請求項1から18のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein impurities to be doped are present in the mixed flux. 前記不純物が、珪素(Si)、アルミナ(Al)、インジウム(In)、アルミニウム(Al)、窒化インジウム(InN)、酸化珪素(SiO2)、酸化インジウム(In2O3)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)およびゲルマニウム(Ge)からなる群から選択される少なくとも一つである請求項19記載の製造方法。 The impurities are silicon (Si), alumina (Al 2 O 3 ), indium (In), aluminum (Al), indium nitride (InN), silicon oxide (SiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), zinc The method according to claim 19, wherein the method is at least one selected from the group consisting of (Zn), magnesium (Mg), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), and germanium (Ge). 透明単結晶を成長させる請求項1から20のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 20, wherein a transparent single crystal is grown. 請求項1から21のいずれかに記載の製造方法により得られたIII族元素窒化物透明単結晶。 A group III element nitride transparent single crystal obtained by the production method according to claim 1. 転位密度が10/cm以下であり、最大径の長さが2cm以上であり、バルク状の請求項22記載のIII族元素窒化物透明単結晶。 The group III element nitride transparent single crystal according to claim 22, which has a dislocation density of 10 4 / cm 2 or less, a maximum diameter of 2 cm or more, and is bulky. 請求項22または23記載のIII族元素窒化物透明単結晶を含む半導体装置。 24. A semiconductor device comprising the group III element nitride transparent single crystal according to claim 22 or 23. 請求項1から21のいずれかに記載の製造方法に使用する反応容器であって、融点2000℃以上の窒素非含有材質により形成された反応容器。 A reaction vessel used in the production method according to any one of claims 1 to 21, wherein the reaction vessel is formed of a nitrogen-free material having a melting point of 2000 ° C or higher. 前記材質が、Y、CaO、MgOおよびWからなる群から選択される少なくとも一つである請求項25記載の反応容器。 The material is, Y 2 O 3, CaO, reaction container according to claim 25, wherein at least one selected from the group consisting of MgO and W. 前記材質が、Yである請求項26記載の反応容器。 It said material is a reaction vessel of claim 26, wherein is Y 2 O 3. 前記反応容器が、坩堝である請求項25から27のいずれかに記載の反応容器。 The reaction container according to any one of claims 25 to 27, wherein the reaction container is a crucible. 請求項1記載の製造方法に使用するIII族元素窒化物単結晶の製造装置であって、反応容器と、前記反応容器を加熱する加熱手段と、前記反応容器内を加圧雰囲気にする加圧手段とを有し、前記反応容器が、請求項25から28のいずれかに記載の反応容器である装置。
It is a manufacturing apparatus of the group III element nitride single crystal used for the manufacturing method of Claim 1, Comprising: The pressurization which makes the reaction container, the heating means which heats the said reaction container, and the said reaction container into a pressurized atmosphere The apparatus which is a reaction container in any one of Claim 25 to 28.
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