JP2005263622A - Method of manufacturing compound single crystal and apparatus for manufacturing it - Google Patents

Method of manufacturing compound single crystal and apparatus for manufacturing it Download PDF

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Yasuo Kitaoka
康夫 北岡
Takashi Minemoto
尚 峯本
Isao Kidoguchi
勲 木戸口
Yasuhito Takahashi
康仁 高橋
Takatomo Sasaki
孝友 佐々木
Yusuke Mori
勇介 森
Shiro Kawamura
史朗 川村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a compound single crystal, especially a group III nitride single crystal such as potassium nitride or aluminum nitride, which method is capable of improving a growth rate and growing a single crystal with a high crystal uniformity and a large size in a short time; and an apparatus for manufacturing it. <P>SOLUTION: The compound single crystal is grown while a raw material liquid is being stirred so that the liquid flows from a gas-liquid interface contacting with a raw material gas toward the inside of the liquid. By this stirring, the raw material gas is easily dissolved in the raw material liquid and the supersaturation is attained in a short time to improve the growth rate of the compound single crystal. Since the flow from the gas-liquid interface where the raw material gas concentration is high toward the inside of the raw material liquid where the raw material gas concentration is low, is formed and the dissolution of the raw material gas is homogenized by this mixing, ununiform nucleus formation at the gas-liquid interface is suppressed and the quality of the obtained compound single crystal is improved. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、化合物単結晶の製造方法、およびそれに用いる製造装置に関する。特に、ガリウムナイトライドやアルミニウムナイトライドなどのIII族窒化物単結晶の製造方法、およびそれに用いる製造装置に関する。   The present invention relates to a method for producing a compound single crystal and a production apparatus used therefor. In particular, the present invention relates to a method for producing a group III nitride single crystal such as gallium nitride or aluminum nitride, and a production apparatus used therefor.

窒化ガリウム(GaN)などのIII族窒化物化合物半導体(以下、III族窒化物半導体またはGaN系半導体という場合がある)は、青色や紫外光を発光する半導体素子の材料として注目されている。青色レーザダイオード(LD)は、高密度光ディスクやディスプレイなどに応用され、また、青色発光ダイオード(LED)は、ディスプレイや照明などに応用される。また、紫外線LDは、バイオテクノロジなどへの応用が期待され、紫外線LEDは、蛍光灯の紫外線源として期待されている。   Group III nitride compound semiconductors such as gallium nitride (GaN) (hereinafter sometimes referred to as group III nitride semiconductors or GaN-based semiconductors) are attracting attention as materials for semiconductor elements that emit blue or ultraviolet light. Blue laser diodes (LDs) are applied to high density optical discs and displays, and blue light emitting diodes (LEDs) are applied to displays and illuminations. In addition, the ultraviolet LD is expected to be applied to biotechnology and the like, and the ultraviolet LED is expected as an ultraviolet light source for fluorescent lamps.

LDやLED用のIII族窒化物半導体(例えば、GaN)の基板は、通常、サファイア基板上に、気相エピタキシャル成長法を用いて、III族窒化物単結晶をヘテロエピタキシャル成長させることによって形成されている。気相成長方法としては、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)、水素化物気相成長法(HVPE法)、分子線エピタキシー法(MBE法)などがある。   A group III nitride semiconductor (for example, GaN) substrate for LD or LED is usually formed by heteroepitaxially growing a group III nitride single crystal on a sapphire substrate using a vapor phase epitaxial growth method. . Examples of the vapor deposition method include a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), a hydride vapor deposition method (HVPE method), a molecular beam epitaxy method (MBE method), and the like.

一方、気相エピタキシャル成長ではなく、液相で結晶成長を行う方法も検討されてきた。GaNやAlNなどのIII族窒化物単結晶の融点における窒素の平衡蒸気圧は1万気圧以上であるため、従来、GaNを液相で成長させるためには1200℃(1473K)で8000気圧(8000×1.01325×105Pa)の条件が必要とされてきた。これに対し、近年、Naなどのアルカリ金属をフラックスとして用いることで、750℃(1023K)、50気圧(50×1.01325×105Pa)という比較的低温低圧でGaNを合成できることが明らかにされた。 On the other hand, a method of performing crystal growth in a liquid phase instead of vapor phase epitaxial growth has been studied. Since the equilibrium vapor pressure of nitrogen at the melting point of a group III nitride single crystal such as GaN or AlN is 10,000 atm or higher, conventionally, GaN is grown at 1200 ° C. (1473 K) at 8000 atm (8000 m) in the liquid phase. The condition of × 1.01325 × 10 5 Pa) has been required. On the other hand, in recent years, it is clear that GaN can be synthesized at a relatively low temperature and low pressure of 750 ° C. (1023 K) and 50 atm (50 × 1.01325 × 10 5 Pa) by using an alkali metal such as Na as a flux. It was done.

最近では、アンモニアを含む窒素ガス雰囲気下においてGaとNaとの混合物を800℃(1073K)、50気圧(50×1.01325×105Pa)で溶融させ、この融解液(原料液)を用いて96時間の育成時間で、最大結晶サイズが1.2mm程度の単結晶が得られている(例えば、特許文献1参照)。 Recently, a mixture of Ga and Na is melted at 800 ° C. (1073 K) and 50 atm (50 × 1.01325 × 10 5 Pa) in a nitrogen gas atmosphere containing ammonia, and this molten solution (raw material solution) is used. Thus, a single crystal having a maximum crystal size of about 1.2 mm is obtained in a growth time of 96 hours (see, for example, Patent Document 1).

また、サファイア基板上に有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によってGaN結晶層を成膜したのち、液相成長(LPE:Liquid Phase Epitaxy)法によって単結晶を成長させる方法も報告されている。   In addition, after forming a GaN crystal layer on a sapphire substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a single crystal is grown by liquid phase epitaxy (LPE) method. It has been reported.

以下に、Naなどのアルカリ金属をフラックスとして用いたGaN結晶の液相成長法について説明する。図8に、育成装置の概略構成図を示す。前記育成装置は、原料ガスである窒素ガスを供給するための原料ガス供給装置801、育成雰囲気の圧力を調整するための圧力調整器802、結晶育成を行うための反応容器(ステンレス容器)803および加熱装置(電気炉)804を備える。ステンレス容器803の内部には、坩堝805がセットされている。原料ガス供給装置801からステンレス容器803へ原料ガスを供給するための接続パイプ806には、SUS系の材料が用いられている。坩堝805には、アルミナ(Al23)が用いられている。電気炉804内の温度は、600℃(873K)〜1100℃(1373K)に制御できる。雰囲気圧力は、圧力調整器802によって100気圧(100×1.01325×105Pa)以下の範囲で制御できる。なお、図8において、807は、ストップバルブを示し、808は、リーク弁を示す。 Hereinafter, a liquid phase growth method of a GaN crystal using an alkali metal such as Na as a flux will be described. FIG. 8 shows a schematic configuration diagram of the growing apparatus. The growth apparatus includes a raw material gas supply device 801 for supplying nitrogen gas as a raw material gas, a pressure regulator 802 for adjusting the pressure of the growth atmosphere, a reaction vessel (stainless steel vessel) 803 for performing crystal growth, and A heating device (electric furnace) 804 is provided. A crucible 805 is set inside the stainless steel container 803. A SUS-based material is used for the connection pipe 806 for supplying the source gas from the source gas supply device 801 to the stainless steel container 803. For the crucible 805, alumina (Al 2 O 3 ) is used. The temperature in the electric furnace 804 can be controlled to 600 ° C. (873 K) to 1100 ° C. (1373 K). The atmospheric pressure can be controlled by the pressure regulator 802 within a range of 100 atm (100 × 1.01325 × 10 5 Pa) or less. In FIG. 8, 807 indicates a stop valve, and 808 indicates a leak valve.

フラックスであるNaと原料である金属ガリウムとを、所定の量だけ秤量し、坩堝805内にセットする。また、坩堝805内に、種結晶としてサファイア基板上にMOCVD(有機金属気相成長法:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によりGaNを成長させた基板をセットする。坩堝805をステンレス容器803内に挿入して、電気炉804内にセットし、原料ガス供給装置801につながっている接続パイプ806と接続する。育成温度を850℃(1123K)、窒素雰囲気圧力を30気圧(30×1.01325×105Pa)とし、30時間および96時間育成温度で保持しGaN単結晶を成長させる。30時間の育成時間では厚み50μm、96時間の育成時間では厚み700μmのGaN単結晶が成長する。 A predetermined amount of Na, which is a flux, and metallic gallium, which is a raw material, are weighed and set in a crucible 805. In addition, a substrate obtained by growing GaN on the sapphire substrate as a seed crystal by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method is set in the crucible 805. The crucible 805 is inserted into the stainless steel container 803, set in the electric furnace 804, and connected to the connection pipe 806 connected to the source gas supply device 801. The growth temperature is 850 ° C. (1123 K), the nitrogen atmosphere pressure is 30 atm (30 × 1.01325 × 10 5 Pa), and the growth temperature is maintained for 30 hours and 96 hours to grow a GaN single crystal. A GaN single crystal having a thickness of 50 μm grows for a growth time of 30 hours, and a 700 μm thickness for a growth time of 96 hours.

この結果より、現状の育成装置では、窒素をGa/Na融解液(原料液)に溶解させ過飽和状態を形成するためには、20〜30時間程度を必要としている。また、厚み方向(C軸方向)の成長レートは、10μm/時間程度である。   From this result, the current growing apparatus requires about 20 to 30 hours to dissolve nitrogen in the Ga / Na melt (raw material solution) to form a supersaturated state. The growth rate in the thickness direction (C-axis direction) is about 10 μm / hour.

しかしながら、GaNを初めとするIII族窒化物単結晶の分野では、さらなる成長レートおよび品質の向上が求められている。
特開2002−293696号公報
However, in the field of group III nitride single crystals including GaN, further growth rate and quality improvements are required.
JP 2002-293696 A

前記成長レートを向上させるためには、原料液(フラックス原料を含む場合もある)に原料ガスを効率よく溶解させることが必要である。しかしながら、例えば、従来のNaなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属をフラックスとして用いた窒化物半導体単結晶の液相成長法では、窒素などの原料ガスを加圧して原料液に溶解させるため、気液界面で不均一な核発生が生じやすい。気液界面で核発生が生じると本来成長させたい種結晶上での結晶成長が抑制されるため、結果として成長レートが低下する。   In order to improve the growth rate, it is necessary to efficiently dissolve the raw material gas in the raw material liquid (which may include a flux raw material). However, for example, in the conventional liquid phase growth method of a nitride semiconductor single crystal using alkali metal or alkaline earth metal such as Na as a flux, a source gas such as nitrogen is pressurized and dissolved in the source liquid. Non-uniform nucleation is likely to occur at the liquid interface. When nucleation occurs at the gas-liquid interface, crystal growth on the seed crystal to be originally grown is suppressed, and as a result, the growth rate decreases.

そこで、本発明の目的は、成長レートを向上し、結晶均一性が高く大きな単結晶を短時間で育成できる化合物単結晶の製造方法、およびそれに用いる製造装置を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a compound single crystal capable of improving a growth rate and growing a large single crystal with high crystal uniformity in a short time, and a production apparatus used therefor.

上記目的を達成するために、本発明の製造方法は、原料ガスと原料液とを反応させて化合物単結晶を成長させる化合物単結晶の製造方法であって、前記原料液において、前記原料ガスと接する気液界面から前記原料液の内部に向かって流れが生じるように、前記原料液を攪拌しながら前記単結晶を成長させることを特徴とする製造方法である。   In order to achieve the above object, the production method of the present invention is a method for producing a compound single crystal in which a raw material gas and a raw material liquid are reacted to grow a compound single crystal, and in the raw material liquid, In the production method, the single crystal is grown while stirring the raw material liquid so that a flow is generated from the gas-liquid interface in contact with the raw material liquid.

本発明者等は、化合物単結晶の成長について一連の研究を重ねた。その過程で、単結晶の成長において、原料液に原料ガスを過飽和状態で溶解させること、および気液界面での不均一な核発生を抑制することが重要であり、これが結晶成長レート向上の要因の一つであるという認識を得た。そこで、本発明では、上記のように、原料液において、原料ガスと接する気液界面から前記原料液の内部に向かって流れが生じるように、前記原料液を攪拌することによって、この問題を解決した。すなわち、前記攪拌によって、原料ガスを容易に原料液に溶解することができ、短時間で過飽和状態を実現することが可能であり、化合物単結晶の成長レートを向上させることができる。しかも、前記攪拌によって、原料ガス濃度の高い気液界面から原料ガス濃度の低い原料液内部への流れが形成され、原料ガスの溶解も均一となるので、気液界面での不均一な核発生を抑制でき、得られる化合物単結晶の品質も向上する。   The present inventors have made a series of studies on the growth of compound single crystals. In the process, it is important to dissolve the raw material gas in the raw material solution in a supersaturated state and to suppress non-uniform nucleation at the gas-liquid interface in the growth of the single crystal. Got the recognition that it is one of Therefore, in the present invention, as described above, this problem is solved by stirring the raw material liquid so that a flow occurs in the raw material liquid from the gas-liquid interface in contact with the raw material gas toward the inside of the raw material liquid. did. That is, by the stirring, the source gas can be easily dissolved in the source solution, and a supersaturated state can be realized in a short time, and the growth rate of the compound single crystal can be improved. In addition, the agitation creates a flow from the gas-liquid interface having a high source gas concentration to the inside of the source liquid having a low source gas concentration, so that the source gas is uniformly dissolved, so that non-uniform nucleation occurs at the gas-liquid interface. And the quality of the resulting compound single crystal is improved.

本発明の製造方法において、加熱装置と、前記加熱装置の内部で加熱する密閉性耐圧耐熱容器とを有する単結晶製造装置を準備し、前記容器中に前記化合物単結晶の原料ガスおよびその他の原料を入れて加圧雰囲気下で密閉し、その容器を前記加熱装置内に収納し、前記加熱装置によって前記容器を加熱し前記その他の原料を液状にして原料液を調整し、この状態で、前記原料液を攪拌しながら前記原料ガスと前記原料液とを反応させて単結晶を成長させることが好ましい。前記密閉性耐圧耐熱容器は、その密閉性故に、接続パイプによって原料ガス供給装置と接続した状態を保持しなくても、原料ガスおよびその他の原料を入れて加圧雰囲気にすることができるので、接続パイプから切り離し、これを揺動させることが可能となり、原料液を自在に攪拌することができる。これに対し、従来の結晶育成装置は、その構造上、原料液を攪拌することが困難であった。すなわち、図8に示す装置では、原料ガス供給装置801とステンレス容器803とが、SUS製接続パイプ806で接続されており、このためステンレス容器803は固定された状態になっていた。また、後述のように、本発明において、フレキシブルパイプ等を用いるなどの手段を講じることにより、接続パイプを切り離すことなく前記密閉性耐圧耐熱容器を揺動させてもよい。   In the production method of the present invention, a single crystal production apparatus having a heating device and a hermetic pressure-resistant heat-resistant container heated inside the heating device is prepared, and the raw material gas of the compound single crystal and other raw materials in the container And sealed in a pressurized atmosphere, the container is housed in the heating device, the container is heated by the heating device to liquefy the other raw materials, and in this state, It is preferable to grow the single crystal by reacting the raw material gas and the raw material solution while stirring the raw material solution. Because the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container can be kept in a pressurized atmosphere by putting the raw material gas and other raw materials without holding the state connected to the raw material gas supply device by the connection pipe because of its tightness, It can be separated from the connecting pipe and swung, and the raw material liquid can be freely stirred. On the other hand, it has been difficult for the conventional crystal growth apparatus to stir the raw material liquid because of its structure. That is, in the apparatus shown in FIG. 8, the raw material gas supply device 801 and the stainless steel container 803 are connected by the connection pipe 806 made of SUS, and therefore the stainless steel container 803 is in a fixed state. Further, as will be described later, in the present invention, the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container may be swung without disconnecting the connection pipe by taking measures such as using a flexible pipe.

本発明の製造方法において、前記容器を揺動することにより前記原料液を攪拌しながら前記原料ガスと前記原料液とを反応させて単結晶を成長させることが好ましい。   In the production method of the present invention, it is preferable to grow a single crystal by reacting the raw material gas and the raw material solution while stirring the raw material solution by swinging the container.

本発明の製造方法において、前記加熱装置を揺動することにより前記容器を揺動させることが好ましい。   In the manufacturing method of the present invention, it is preferable that the container is rocked by rocking the heating device.

本発明の製造方法において、前記容器内に坩堝が設置され、前記坩堝内部および内壁面の少なくとも一方が、下記の(A)、(B)、(C)および(D)からなる群から選択される少なくとも一つを有することが好ましい。
(A)攪拌羽根
(B)じゃま板
(C)テンプレート
(D)螺旋状の突起
上記(C)のテンプレートは、例えば、後述のテンプレートなどである。
In the production method of the present invention, a crucible is installed in the container, and at least one of the inside of the crucible and the inner wall surface is selected from the group consisting of the following (A), (B), (C) and (D). It is preferable to have at least one of the following.
(A) Stirrer blade (B) Baffle plate (C) Template (D) Spiral protrusion The template of (C) is, for example, a template described later.

本発明の製造方法において、前記揺動としては、例えば、移動運動、直線的な反復運動、振り子状反復運動、回転運動若しくはこれらの組み合わせ運動などが挙げられる。例えば、前記直線的な反復運動や前記回転運動などを組み合わせるなどして、気液界面から前記原料の内部に向かって流れが生じるように前記原料液を攪拌すれば、原料ガス濃度の高い気液界面から原料ガス濃度の低い原料液内部への流れが形成され、前記密閉性耐圧耐熱容器内壁面での不均一な核発生も抑制できるので、大きな成長レートを実現することが可能である。   In the manufacturing method of the present invention, examples of the swing include a moving motion, a linear repetitive motion, a pendulum repetitive motion, a rotational motion, or a combination motion thereof. For example, if the raw material liquid is stirred so that a flow is generated from the gas-liquid interface toward the inside of the raw material by combining the linear repetitive motion, the rotational motion, or the like, the gas-liquid having a high raw material gas concentration Since a flow from the interface to the inside of the raw material liquid having a low raw material gas concentration is formed and uneven nucleation on the inner wall surface of the hermetic pressure-resistant heat-resistant container can be suppressed, a large growth rate can be realized.

本発明の製造方法において、前記その他の原料は、フラックス原料を含むことが好ましい。   In the production method of the present invention, the other raw material preferably contains a flux raw material.

本発明の製造方法において、前記単結晶製造装置は、さらに原料ガス供給装置を有し、前記その他の原料が入れられた前記容器に前記原料ガス供給装置を接続して前記原料ガスを供給し、供給終了後、前記容器から前記原料ガス供給装置を切り離し、その後、前記容器を揺動することが好ましい。   In the production method of the present invention, the single crystal production apparatus further includes a raw material gas supply device, and supplies the raw material gas by connecting the raw material gas supply device to the container in which the other raw materials are placed, After the supply is completed, it is preferable to disconnect the source gas supply device from the container and then swing the container.

本発明の製造方法において、前記容器を加熱して前記その他の原料を液状にし、かつ前記容器内の圧力を調整した後、前記容器から前記原料ガス供給装置を切り離すことが好ましい。   In the production method of the present invention, it is preferable that after the container is heated to make the other raw materials liquid and the pressure in the container is adjusted, the raw material gas supply device is disconnected from the container.

本発明の製造方法において、単結晶の生成後の前記容器内の前記原料ガスの圧力が減少していることが好ましい。   In the manufacturing method of this invention, it is preferable that the pressure of the said raw material gas in the said container after the production | generation of a single crystal is reducing.

本発明の製造方法において、前記単結晶製造装置は、さらに原料ガス供給用の補助タンク装置を有し、前記補助タンク装置と前記容器とが接続されていてもよい。   In the production method of the present invention, the single crystal production apparatus may further include an auxiliary tank device for supplying a source gas, and the auxiliary tank device and the container may be connected.

本発明の製造方法において、前記単結晶製造装置は、さらに原料ガス供給装置を有し、前記原料ガス供給装置と前記容器とが、フレキシブルパイプによって接続され、前記原料ガス供給装置と前記容器とを切り離すことなく、前記容器を揺動してもよい。また、フレキシブルパイプを用いた本発明のその他の製造方法は、加熱装置と、前記加熱装置の内部で加熱する密閉性耐圧耐熱容器とを有する単結晶製造装置、原料ガス供給装置およびフレキシブルパイプを準備し、前記容器中に前記化合物単結晶の原料ガスおよびその他の原料を入れて、その容器を前記加熱装置内に収納し、前記原料ガス供給装置と前記容器とを、フレキシブルパイプによって接続し、前記加熱装置によって前記容器を加熱して前記その他の原料を液状にし、この状態で、前記原料ガスと前記原料液とを反応させて単結晶を成長させる製造方法である。なお、前記原料ガス供給装置と前記容器とを切り離すかどうかは任意であり、前述のように、前記原料ガス供給装置と前記容器とを切り離すことなく、前記容器を揺動しても、前記原料ガス供給装置と前記容器とを切り離し、前記容器を密閉状態として、前記容器を揺動しても、どちらでもよい。前記原料ガス供給装置と前記容器とを切り離すことなく、前記容器を揺動させれば、圧力調整器により前記容器の圧力を一定に保持しながら、安定して結晶成長を行うことができるため、一定の成長方位、成長レートを実現でき、より好ましい。   In the manufacturing method of the present invention, the single crystal manufacturing apparatus further includes a source gas supply device, the source gas supply device and the container are connected by a flexible pipe, and the source gas supply device and the container are connected to each other. The container may be swung without being separated. In addition, another manufacturing method of the present invention using a flexible pipe prepares a single crystal manufacturing apparatus, a raw material gas supply apparatus, and a flexible pipe having a heating device and a hermetic pressure-resistant heat-resistant container that heats inside the heating device. The raw material gas of the compound single crystal and other raw materials are put into the container, the container is accommodated in the heating device, the raw material gas supply device and the container are connected by a flexible pipe, In the manufacturing method, the container is heated by a heating device to make the other raw materials liquid, and the raw material gas and the raw material liquid are reacted in this state to grow a single crystal. Note that whether or not to separate the source gas supply device and the container is arbitrary, and as described above, the source material can be swung without disconnecting the source gas supply device and the container. Either the gas supply device and the container may be separated, the container may be sealed, and the container may be swung. If the container is swung without separating the source gas supply device and the container, crystal growth can be performed stably while keeping the pressure of the container constant by a pressure regulator. A constant growth direction and growth rate can be realized, which is more preferable.

本発明の製造方法において、前記原料ガスは、窒素またはアンモニアの少なくとも一方を含有し、前記その他の原料は、III族元素(ガリウム、アルミニウム若しくはインジウム)とフラックス原料を含み、前記原料液中で生成される単結晶は、III族窒化物単結晶であることが好ましい。なお、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。   In the production method of the present invention, the source gas contains at least one of nitrogen and ammonia, and the other source material includes a group III element (gallium, aluminum, or indium) and a flux source, and is generated in the source solution. The single crystal to be formed is preferably a group III nitride single crystal. In addition, the said group III element may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.

本発明の製造方法において、前記フラックス原料は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むことが好ましい。この場合において、従来の製造方法では、例えば、育成温度を700℃(973K)以上とした場合には、前記アルカリ金属やアルカリ土類金属の蒸気圧が大きくなるため、反応容器内に温度分布が生じると凝集してしまう。これにより、原料液のフラックス比が変化するため、結晶成長に大きな影響を与える。また、反応容器に攪拌用のモーターを取り付けたとしても、前記反応容器が加熱装置内の高温領域にあるため、磁力がなくなってしまい、原料液を攪拌することは困難であった。これに対し、本発明の製造方法では、前記原料液を攪拌することができるので、前記アルカリ金属やアルカリ土類金属の使用においても、問題を生じない。なお、前記アルカリ金属としては、例えば、ナトリウム、リチウム、カリウムなどを用いることができる。前記アルカリ土類金属としては、例えば、Ca、Mg、Sr、Ba、Beなどを用いることができる。前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、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。   In the production method of the present invention, the flux raw material preferably contains at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal. In this case, in the conventional manufacturing method, for example, when the growth temperature is set to 700 ° C. (973 K) or higher, the vapor pressure of the alkali metal or alkaline earth metal increases, so that the temperature distribution is present in the reaction vessel. If it occurs, it will aggregate. As a result, the flux ratio of the raw material solution changes, which greatly affects crystal growth. Further, even when a stirring motor is attached to the reaction vessel, the reaction vessel is in a high temperature region in the heating device, so that the magnetic force is lost and it is difficult to stir the raw material liquid. On the other hand, in the manufacturing method of this invention, since the said raw material liquid can be stirred, even if it uses the said alkali metal and alkaline-earth metal, a problem does not arise. In addition, as said alkali metal, sodium, lithium, potassium, etc. can be used, for example. As the alkaline earth metal, for example, Ca, Mg, Sr, Ba, Be and the like can be used. The alkali metal and alkaline earth metal may be used alone or in combination of two or more.

本発明の製造方法において、前記容器内に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦u+v≦1)で表される半導体層を有するテンプレートが、予め配置されていることが好ましい。 In the manufacturing method of the present invention, a semiconductor layer represented by the composition formula Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ u + v ≦ 1) is contained in the container. It is preferable that the template which has is arrange | positioned previously.

本発明の製造方法では、前記容器内において、前記テンプレートの前記その他の原料液への浸漬が、加熱によって前記原料液を形成し、前記原料ガスを前記原料液に溶解した後に行われることが好ましい。   In the production method of the present invention, in the container, the immersion of the template in the other raw material liquid is preferably performed after the raw material liquid is formed by heating and the raw material gas is dissolved in the raw material liquid. .

本発明の製造方法において、前記容器内に坩堝が設置され、前記テンプレートが、板状テンプレートであり、前記坩堝の底面に略垂直に立てた状態で設置されていることが好ましい。また、板状テンプレートを用いた本発明のさらにその他の製造方法は、加熱装置と、前記加熱装置の内部で加熱する密閉性耐圧耐熱容器とを有する単結晶製造装置を準備し、前記容器内に坩堝を設置し、板状テンプレートを、前記坩堝の底面に略垂直に立てた状態で配置し、前記坩堝中に前記化合物単結晶の原料ガスおよびその他の原料を入れ、前記坩堝を設置した容器を前記加熱装置内に収納し、前記加熱装置によって前記容器を加熱して前記その他の原料を液状にし、この状態で、前記原料ガスと前記原料液とを反応させて単結晶を成長させる製造方法である。本方法において、前記板状テンプレートは、一枚でもよいし、複数枚(例えば、2〜10枚)であってもよい。また、前記板状テンプレートの立て方は、略垂直状態であればよいので、若干傾いていてもよい。   In the production method of the present invention, it is preferable that a crucible is installed in the container, the template is a plate template, and is installed in a state of standing substantially vertically on the bottom surface of the crucible. Still another manufacturing method of the present invention using a plate-shaped template is to prepare a single crystal manufacturing apparatus having a heating device and a hermetic pressure-resistant and heat-resistant container that is heated inside the heating device. A crucible is installed, a plate-like template is placed in a state of being substantially perpendicular to the bottom surface of the crucible, a raw material gas of the compound single crystal and other raw materials are placed in the crucible, and a container in which the crucible is installed A manufacturing method in which the container is heated in the heating device, the container is heated by the heating device to make the other raw materials liquid, and in this state, the raw material gas and the raw material liquid are reacted to grow a single crystal. is there. In this method, the plate-shaped template may be a single plate or a plurality of plates (for example, 2 to 10 plates). Moreover, since the plate-like template may be raised in a substantially vertical state, it may be slightly inclined.

本発明の製造方法において、前記原料液が、前記板状テンプレートに対して平行方向に移動するように前記容器を揺動することが好ましい。   In the manufacturing method of the present invention, it is preferable that the container is swung so that the raw material liquid moves in a direction parallel to the plate template.

本発明の製造方法では、化合物単結晶の成長終了後、前記容器から、少なくとも前記フラックス原料を取り出すことが好ましい。また、フラックス原料の取り出し工程を有する本発明のさらにその他の製造方法は、加熱装置と、前記加熱装置の内部で加熱する密閉性耐圧耐熱容器とを有する単結晶製造装置を準備し、前記容器中に前記化合物単結晶の原料ガスおよびその他の原料を入れ、この容器を前記加熱装置内に収納し、前記加熱装置によって前記容器を加熱して前記その他の原料を液状にし、この状態で、前記原料ガスと前記原料液とを反応させて単結晶を成長させ、化合物単結晶の成長終了後、前記容器から、少なくとも前記フラックス原料を取り出す製造方法である。   In the production method of the present invention, it is preferable to take out at least the flux raw material from the container after the growth of the compound single crystal. Further, still another manufacturing method of the present invention having a flux raw material take-out step is to prepare a single crystal manufacturing apparatus having a heating device and a hermetic pressure-resistant heat-resistant container that is heated inside the heating device. The raw material gas of the compound single crystal and other raw materials are put in, the container is housed in the heating device, the container is heated by the heating device to make the other raw materials liquid, and in this state, the raw material This is a production method in which a single crystal is grown by reacting a gas and the raw material liquid, and at least the flux raw material is taken out from the container after the growth of the compound single crystal is completed.

本発明の製造方法において、前記その他の原料液が、少なくともガリウムおよびナトリウムを含み、その加熱温度が、100℃(373K)以上であることが好ましく、前記加熱温度が、300℃(573K)以上であることがより好ましく、前記加熱温度が、500℃(773K)以上であることがさらに好ましい。   In the production method of the present invention, the other raw material liquid preferably contains at least gallium and sodium, and the heating temperature is preferably 100 ° C. (373 K) or higher, and the heating temperature is 300 ° C. (573 K) or higher. More preferably, the heating temperature is more preferably 500 ° C. (773 K) or more.

本発明の製造方法において、前記III族窒化物単結晶の成長レートは、30μm/時間以上であることが好ましく、前記III族窒化物結晶の成長レートは、50μm/時間以上であることがより好ましく、前記III族窒化物結晶の成長レートは、100μm/時間以上であることがさらに好ましい。   In the production method of the present invention, the growth rate of the group III nitride single crystal is preferably 30 μm / hour or more, and the growth rate of the group III nitride crystal is more preferably 50 μm / hour or more. The growth rate of the group III nitride crystal is more preferably 100 μm / hour or more.

本発明の製造方法において、前記容器内の前記原料ガスの圧力は、5気圧(5×1.01325×105Pa)以上1000気圧(1000×1.01325×105Pa)以下であることが好ましい。加圧することで、前記原料液への前記原料ガスの溶解量を増やすことができるからである。 In the production method of the present invention, the pressure of the source gas in the container is 5 atm (5 × 1.01325 × 10 5 Pa) or more and 1000 atm (1000 × 1.01325 × 10 5 Pa) or less. preferable. This is because the amount of the raw material gas dissolved in the raw material liquid can be increased by applying pressure.

本発明の製造方法において、前記加熱装置内に、不活性ガスが充填されていることが好ましい。   In the production method of the present invention, it is preferable that the heating apparatus is filled with an inert gas.

本発明の製造方法において、前記その他の原料中にガリウムが含まれる場合において、消費される前記ガリウムの重量X(g)および原子量a(=69.723)に対して、前記容器の内部体積をV(リットル)、育成(単結晶の生成)時の雰囲気圧力をP(Pa)、育成温度をT(K)、前記その他の原料の秤量時の温度をT1(K)としたとき、下記式(1)を満足することが好ましく、下記式(2)を満足することがより好ましく、下記式(3)を満足することがさらに好ましい。
V×(P/1.01325×105)×(T1/T)>(X/2a)×22.4×2 (1)
V×(P/1.01325×105)×(T1/T)>(X/2a)×22.4×5 (2)
V×(P/1.01325×105)×(T1/T)>(X/2a)×22.4×10 (3)
In the production method of the present invention, when gallium is contained in the other raw material, the internal volume of the container is set to the weight X (g) and atomic weight a (= 69.723) of the gallium consumed. When V (liter), the atmospheric pressure during growth (generation of a single crystal) is P (Pa), the growth temperature is T (K), and the temperature during weighing of the other raw materials is T1 (K), the following formula It is preferable to satisfy (1), more preferable to satisfy the following formula (2), and further preferable to satisfy the following formula (3).
V × (P / 1.01325 × 10 5 ) × (T1 / T)> (X / 2a) × 22.4 × 2 (1)
V × (P / 1.01325 × 10 5 ) × (T1 / T)> (X / 2a) × 22.4 × 5 (2)
V × (P / 1.01325 × 10 5 ) × (T1 / T)> (X / 2a) × 22.4 × 10 (3)

本発明の製造方法では、前記単結晶製造装置において、前記加熱装置に収納される前記容器と前記加熱装置外部とをつなぐ配管は、前記原料液および前記その他の原料の少なくとも一方を凝集させにくい構造であることが好ましい。前記配管としては、例えば、前記容器と前記原料ガス供給装置の接続配管、前記フレキシブルパイプ、前記容器と前記補助タンク装置の接続配管などが挙げられる。   In the production method of the present invention, in the single crystal production apparatus, the pipe connecting the container housed in the heating device and the outside of the heating device has a structure that hardly aggregates at least one of the raw material liquid and the other raw materials. It is preferable that Examples of the pipe include a connection pipe between the container and the source gas supply device, a flexible pipe, a connection pipe between the container and the auxiliary tank device, and the like.

本発明の製造方法において、前記配管の内径は、3mm以下であることが好ましく、2mm以下であることがより好ましい。   In the production method of the present invention, the inner diameter of the pipe is preferably 3 mm or less, and more preferably 2 mm or less.

本発明の単結晶製造装置は、本発明の製造方法に使用される単結晶製造装置であって、前記密閉性耐圧耐熱容器と、その内部に前記容器を収納する加熱装置と、前記容器を揺動する揺動装置とを含む単結晶製造装置である。   The single crystal production apparatus of the present invention is a single crystal production apparatus used in the production method of the present invention, and includes the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container, a heating apparatus that houses the container therein, and a shaker of the container. A single crystal manufacturing apparatus including a moving rocking device.

本発明の単結晶製造装置において、前記加熱装置とともに前記容器が揺動することが好ましい。   In the single crystal manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the container swings together with the heating device.

本発明の単結晶製造装置において、前記揺動としては、例えば、移動運動、直線的な反復運動、振り子状反復運動、回転運動若しくはこれらの組み合わせ運動などが挙げられる。   In the single crystal manufacturing apparatus of the present invention, examples of the swing include a moving motion, a linear repetitive motion, a pendulum repetitive motion, a rotational motion, or a combination motion thereof.

本発明の単結晶製造装置において、前記容器内部に坩堝が設置され、前記坩堝内部および内壁面の少なくとも一方が、下記の(A)、(B)、(C)および(D)からなる群から選択される少なくとも一つを有することが好ましい。
(A)攪拌羽根
(B)じゃま板
(C)テンプレート
(D)螺旋状の突起
上記(C)のテンプレートは、例えば、後述のテンプレートなどである。
In the single crystal production apparatus of the present invention, a crucible is installed inside the container, and at least one of the inside of the crucible and the inner wall surface is selected from the group consisting of the following (A), (B), (C) and (D). It is preferable to have at least one selected.
(A) Stirrer blade (B) Baffle plate (C) Template (D) Spiral protrusion The template of (C) is, for example, a template described later.

本発明の単結晶製造装置において、前記容器は、一定温度に保持されるように前記加熱容器に収納されていることが好ましい。前記原料液がアルカリ金属やアルカリ土類金属を含む場合には、例えば、育成温度を700℃(973K)以上とした場合、その蒸気圧が大きくなるため、前記容器内に温度分布が生じると前記原料液が凝集してしまい、結晶成長に対して大きな影響を与えてしまうことがあるからである。   In the single crystal manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the container is accommodated in the heating container so as to be maintained at a constant temperature. When the raw material liquid contains an alkali metal or an alkaline earth metal, for example, when the growth temperature is set to 700 ° C. (973 K) or higher, the vapor pressure increases, and thus when the temperature distribution occurs in the container, This is because the raw material liquid aggregates and may have a great influence on crystal growth.

本発明の単結晶製造装置において、さらに、原料ガス供給装置を含むことが好ましい。   The single crystal production apparatus of the present invention preferably further includes a source gas supply apparatus.

本発明の単結晶製造装置において、前記容器と前記原料ガス供給装置とは、接続および切り離しが自在であることが好ましい。   In the single crystal production apparatus of the present invention, it is preferable that the container and the source gas supply apparatus can be connected and disconnected.

本発明の単結晶製造装置において、さらに、フレキシブルパイプを含み、これによって前記容器と前記原料ガス供給装置とが接続されていてもよい。   The single crystal production apparatus of the present invention may further include a flexible pipe, whereby the container and the source gas supply apparatus may be connected.

本発明の単結晶製造装置において、さらに、原料ガス供給用の補助タンク装置を含み、前記補助タンク装置が前記容器と接続されていてもよい。   The single crystal manufacturing apparatus of the present invention may further include an auxiliary tank device for supplying a source gas, and the auxiliary tank device may be connected to the container.

次に、本発明の実施の形態として、本発明の化合物単結晶の製造方法の一例について、III族窒化物単結晶の製造方法を例に説明する。   Next, as an embodiment of the present invention, an example of a method for producing a compound single crystal of the present invention will be described by taking a method for producing a group III nitride single crystal as an example.

本発明のIII族窒化物単結晶の製造方法では、例えば、窒素を含む雰囲気(好ましくは1000気圧(1000×1.01325×105Pa)以下の加圧雰囲気)下において、III族元素(ガリウム、アルミニウム若しくはインジウム)およびアルカリ金属とを含む原料液と窒素とを反応させて、III族窒化物単結晶を成長する。なお、前記III族元素は、前述のとおり、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。前記アルカリ金属についても、前述のとおりである。窒素を含む雰囲気下としては、例えば、窒素ガス雰囲気や、アンモニアを含む窒素ガス雰囲気を適用できる。 In the method for producing a group III nitride single crystal of the present invention, for example, a group III element (gallium) under an atmosphere containing nitrogen (preferably a pressurized atmosphere of 1000 atm (1000 × 1.01325 × 10 5 Pa) or less). , Aluminum or indium) and a raw material solution containing an alkali metal and nitrogen are reacted to grow a group III nitride single crystal. In addition, as above-mentioned, the said group III element may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together. The alkali metal is also as described above. As the atmosphere containing nitrogen, for example, a nitrogen gas atmosphere or a nitrogen gas atmosphere containing ammonia can be applied.

(実施形態1)
本形態は、密閉性耐圧耐熱容器を接続パイプから切り離すことが可能で、加熱装置を揺動させることで前記密閉性耐圧耐熱容器も揺動させる例である。以下、本形態の製造装置の一例、およびそれを用いた製造方法の一例について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container can be separated from the connection pipe, and the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is also swung by swinging the heating device. Hereinafter, an example of the manufacturing apparatus of this embodiment and an example of a manufacturing method using the same will be described.

前記製造装置は、原料ガスを供給するための原料ガス供給装置、育成雰囲気の圧力を調整するための圧力調整器、結晶育成を行うための密閉性耐圧耐熱容器、加熱装置および加熱装置全体を揺動する揺動装置を備える。原料ガスには、窒素またはアンモニアを含有するガスが用いられる。密閉性耐圧耐熱容器には、例えば、SUS316などのSUS系材料、インコネル、ハステロイ若しくはインコロイなどの高温高圧に耐性のある材料が利用できる。特に、インコネル、ハステロイ若しくはインコロイなどの材料は、高温高圧化における酸化に対しても耐性があり、不活性ガス以外の雰囲気でも利用でき、再利用、耐久性の点から好ましい。密閉性耐圧耐熱容器の内部には、坩堝がセットされている。坩堝材料には、例えば、アルミナ(Al23)、BN、PBN、MgO、CaO、Wなどを用いることができる。前記加熱装置には、例えば、断熱材とヒータとから構成される電気炉などを用いることができる。前記加熱装置は、育成炉に収められ、例えば、熱電対などにより温度管理されることが好ましい。特に、原料液(フラックス原料を含む場合がある)の凝集を防止する観点から、密閉性耐圧耐熱容器の温度が均一に保持されるように温度管理をすることが好ましい。 The manufacturing apparatus shakes a raw material gas supply device for supplying a raw material gas, a pressure regulator for adjusting the pressure of the growth atmosphere, a hermetic pressure-resistant heat-resistant container for crystal growth, a heating device, and the entire heating device. A moving oscillating device is provided. A gas containing nitrogen or ammonia is used as the source gas. For the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container, for example, a SUS-based material such as SUS316 or a material resistant to high temperature and pressure such as Inconel, Hastelloy, or Incoloy can be used. In particular, materials such as Inconel, Hastelloy or Incoloy are resistant to oxidation at high temperature and pressure, can be used in an atmosphere other than inert gas, and are preferable from the viewpoint of reuse and durability. A crucible is set inside the hermetic pressure and heat resistant container. For the crucible material, for example, alumina (Al 2 O 3 ), BN, PBN, MgO, CaO, W, or the like can be used. For example, an electric furnace composed of a heat insulating material and a heater can be used as the heating device. It is preferable that the heating device is housed in a growth furnace, and the temperature is controlled by, for example, a thermocouple. In particular, from the viewpoint of preventing aggregation of the raw material liquid (which may include a flux raw material), it is preferable to perform temperature control so that the temperature of the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is maintained uniformly.

加熱装置(育成炉)内の温度は、例えば、600℃(873K)〜1100℃(1373K)に制御できる。雰囲気圧力は、圧力調整器によって、例えば、1000気圧(1000×1.01325×105Pa)以下の範囲で制御できる。密閉性耐圧耐熱容器の切り離しが自在なため、密閉性耐圧耐熱容器を加熱装置(育成炉)内に固定し、加熱装置(育成炉)全体を揺動することが可能となる。 The temperature in the heating device (growing furnace) can be controlled to, for example, 600 ° C. (873 K) to 1100 ° C. (1373 K). The atmospheric pressure can be controlled by a pressure regulator, for example, in the range of 1000 atm (1000 × 1.01325 × 10 5 Pa) or less. Since the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container can be separated freely, the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container can be fixed in the heating apparatus (growing furnace) and the entire heating apparatus (growing furnace) can be swung.

坩堝の中に、フラックスとしてのアルカリ金属と、III族元素とを挿入し、密閉性耐圧耐熱容器内に窒素を含む反応ガスを充填することにより、液相成長により、III族窒化物単結晶を製造することができる。窒素を含む加圧雰囲気中で、III族元素(ガリウム、アルミニウム若しくはインジウム)とアルカリ金属とを含む原料液中に窒素を溶解させ、III族窒化物結晶を成長させる。なお、前記原料液は、さらに、アルカリ土類金属を含んでもよい。前記III族元素は、前述のとおり、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。前記アルカリ金属、アルカリ土類金属についても、前述のとおりである。前述のとおり、前記原料液に前記アルカリ金属や前記アルカリ土類金属が含まれると、700℃(973K)以上の高温下ではその蒸気圧が大きくなるため、前記密閉性耐圧耐熱容器内に温度分布が生じると前記原料液が凝集してしまう。例えば、ナトリウムの800℃(1073K)での蒸気圧は、300Torr(300×133.322Pa)であり、前記原料液がナトリウムを含む場合、前記温度分布が10℃(=10K)以下であればほとんど凝集が観測されないが、20℃(=20K)以上では凝集が観測され、50℃(=50K)以上ではほとんどの原料液が低温部分に凝集する。そのため、前記密閉性耐圧耐熱容器の温度を均一に保持することが好ましい。   By inserting an alkali metal as a flux and a group III element into the crucible and filling a reactive gas containing nitrogen in a hermetic pressure-resistant heat-resistant vessel, a group III nitride single crystal is formed by liquid phase growth. Can be manufactured. In a pressurized atmosphere containing nitrogen, nitrogen is dissolved in a raw material liquid containing a group III element (gallium, aluminum, or indium) and an alkali metal to grow a group III nitride crystal. The raw material liquid may further contain an alkaline earth metal. As described above, the group III element may be used alone or in combination of two or more. The alkali metal and alkaline earth metal are also as described above. As described above, when the alkali metal or the alkaline earth metal is contained in the raw material liquid, the vapor pressure increases at a high temperature of 700 ° C. (973 K) or higher, so that the temperature distribution in the hermetic pressure and heat resistant container When this occurs, the raw material liquid aggregates. For example, the vapor pressure of sodium at 800 ° C. (1073 K) is 300 Torr (300 × 133.322 Pa), and when the raw material liquid contains sodium, the temperature distribution is almost 10 ° C. (= 10 K) or less. Although aggregation is not observed, aggregation is observed at 20 ° C. (= 20K) or higher, and most of the raw material liquid is aggregated at a low temperature portion at 50 ° C. (= 50K) or higher. Therefore, it is preferable to keep the temperature of the hermetic pressure and heat resistant container uniform.

前記原料液は、原料を坩堝に投入し加熱することによって調製される。温度は、例えば、700℃(973K)〜1100℃(1373K)に調整される。また、窒素を含む原料ガスは、加圧雰囲気状態で密閉性耐圧耐熱容器に充填することが好ましく、原料ガスによる密閉性耐圧耐熱容器内の雰囲気圧力は、加熱後に調整することが好ましい。雰囲気圧力は、例えば、1気圧(1×1.01325×105Pa)〜1000気圧(1000×1.01325×105Pa)程度に調整される。前記原料液を形成した後、前記原料液が窒素で過飽和の状態になるとIII族窒化物結晶が析出する。 The raw material liquid is prepared by charging a raw material into a crucible and heating it. The temperature is adjusted to, for example, 700 ° C. (973K) to 1100 ° C. (1373K). The source gas containing nitrogen is preferably filled in a hermetic pressure-resistant and heat-resistant container in a pressurized atmosphere, and the atmospheric pressure in the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is preferably adjusted after heating. The atmospheric pressure is adjusted to, for example, about 1 atmosphere (1 × 1.01325 × 10 5 Pa) to 1000 atmospheres (1000 × 1.01325 × 10 5 Pa). After the raw material liquid is formed, a group III nitride crystal is deposited when the raw material liquid is supersaturated with nitrogen.

前記坩堝内部には、テンプレートを挿入してもよい。テンプレートとは、サファイアなどの基板上に組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦u+v≦1)で表される半導体層を形成したものや、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦u+v≦1)で表される単結晶などを意味する。坩堝内に種結晶としてテンプレートを挿入することで、テンプレートに厚膜の単結晶を成長させることができ、容易に大面積の基板を実現できる。テンプレートは、原料液形成時に浸漬させていてもよいが、ある程度窒素が原料液に溶解した状態で浸漬させることがさらに好ましい。 A template may be inserted into the crucible. A template is a semiconductor layer represented by a composition formula Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ u + v ≦ 1) on a substrate such as sapphire. Or a single crystal represented by the composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ u + v ≦ 1). By inserting the template as a seed crystal into the crucible, a thick single crystal can be grown on the template, and a large-area substrate can be easily realized. The template may be immersed at the time of forming the raw material liquid, but it is more preferable that the template is immersed in a state where nitrogen is dissolved in the raw material liquid to some extent.

次に、図2を用いて、前記製造装置を用いたIII族窒化物単結晶の製造方法の一例について具体的に説明する。   Next, an example of a method for producing a group III nitride single crystal using the production apparatus will be specifically described with reference to FIG.

図2(a)に示すように、坩堝107に、原料であるIII族元素201、フラックスであるアルカリ金属202およびサファイア基板上に組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦u+v≦1)で表される半導体層を有するテンプレート203を挿入する。前記III族元素201およびアルカリ金属202の秤量は、アルカリ金属202の酸化や水分吸着を回避するため、窒素で置換されたグローブボックス中で行われることが好ましい。前記グローブボックス内をArやNeなどで置換することがさらに好ましい。 As shown in FIG. 2A, a crucible 107 is filled with a group III element 201 as a raw material, an alkali metal 202 as a flux, and a sapphire substrate with a composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u A template 203 having a semiconductor layer represented by ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ u + v ≦ 1) is inserted. The weighing of the group III element 201 and the alkali metal 202 is preferably performed in a glove box substituted with nitrogen in order to avoid oxidation of the alkali metal 202 and moisture adsorption. More preferably, the inside of the glove box is replaced with Ar, Ne or the like.

次に、図2(b)に示すように、坩堝107を密閉性耐圧耐熱容器103に挿入し、上蓋204を閉める。ストップバルブ109を閉じた後、グローブボックスから取り出す。   Next, as shown in FIG. 2B, the crucible 107 is inserted into the hermetic pressure and heat resistant container 103, and the upper lid 204 is closed. After closing the stop valve 109, it is taken out from the glove box.

次に、密閉性耐圧耐熱容器103を原料ガス供給装置(図示せず)に接続し、ストップバルブ109を開放し、密閉性耐圧耐熱容器103に原料ガスを注入する。このとき、図示していないが、ロータリーポンプなどで密閉性耐圧耐熱容器103内を真空引きし、その後再び原料ガスを注入し置換する工程を行うことが好ましい。   Next, the sealed pressure and heat resistant container 103 is connected to a source gas supply device (not shown), the stop valve 109 is opened, and the source gas is injected into the sealed pressure and heat resistant container 103. At this time, although not shown, it is preferable to perform a step of evacuating the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container 103 with a rotary pump or the like and then injecting and replacing the source gas again.

次に、図2(c)に示すように、ストップバルブ109を閉じて、切り離し部分108をはずすことで、切り離す。   Next, as shown in FIG. 2 (c), the stop valve 109 is closed, and the separation portion 108 is removed, thereby separating.

なお、グローブボックス内で原料ガスを注入し、その後、ストップバルブ109を閉じて、切り離し部分108をはずすことで切り離しても、同様の効果が得られる。   Note that the same effect can be obtained by injecting the raw material gas in the glove box, and then disconnecting by closing the stop valve 109 and removing the disconnecting portion 108.

次に、密閉性耐圧耐熱容器103を、加熱装置(育成炉)内に固定する。原料の溶融および結晶成長の条件は、フラックスの成分や雰囲気ガス成分およびその圧力によって変化するが、例えば、温度が700℃(973K)〜1100℃(1373K)、好ましくは700℃(973K)〜900℃(1173K)の低温で育成が行われる。圧力は、1気圧(1×1.01325×105Pa)以上、好ましくは5気圧(5×1.01325×105Pa)以上1000気圧(1000×1.01325×105Pa)以下で行われる。育成温度に昇温することにより原料液を坩堝内に形成し、加熱装置(育成炉)を揺動させ、原料液を攪拌させながら、密閉性耐圧耐熱容器内で、原料液と原料ガスを反応させて、III族窒化物半導体の単結晶を生成する。なお、消費されるIII族元素の量に対して密閉性耐圧耐熱容器の内部体積が小さい場合には、窒素が消費されることにより密閉性耐圧耐熱容器内の圧力が低下する。この場合には、育成中に揺動を一時停止し、再び切り離し部分108を原料ガス供給装置に接続し、密閉性耐圧耐熱容器に原料ガスを注入し、密閉性耐圧耐熱容器内の圧力を調整する。その後、再び切り離し部分108を切り離し、揺動させながら育成を再開する。これにより、より安定な育成が可能となる。 Next, the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container 103 is fixed in a heating apparatus (growing furnace). The conditions for melting and crystal growth of the raw material vary depending on the flux component, the atmospheric gas component, and the pressure thereof. For example, the temperature is 700 ° C. (973 K) to 1100 ° C. (1373 K), preferably 700 ° C. (973 K) to 900. The growth is performed at a low temperature of 1 ° C. (1173 K). The pressure is 1 atm (1 × 1.01325 × 10 5 Pa) or more, preferably 5 atm (5 × 1.01325 × 10 5 Pa) or more and 1000 atm (1000 × 1.01325 × 10 5 Pa) or less. Is called. By raising the temperature to the growth temperature, the raw material liquid is formed in the crucible, the heating device (growth furnace) is swung, the raw material liquid is stirred, and the raw material liquid and the raw material gas are reacted in a hermetic pressure-resistant heat-resistant vessel. Thus, a group III nitride semiconductor single crystal is produced. When the internal volume of the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is small with respect to the amount of the group III element consumed, the pressure in the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container decreases due to consumption of nitrogen. In this case, the rocking is temporarily stopped during the growth, the separation part 108 is connected again to the raw material gas supply device, the raw material gas is injected into the hermetic pressure resistant heat resistant container, and the pressure in the hermetic pressure resistant heat resistant container is adjusted. To do. Thereafter, the separation part 108 is separated again, and the growth is resumed while swinging. Thereby, more stable cultivation becomes possible.

なお、加熱装置(育成炉)内には、不活性ガスが充填されていることが好ましい。空気中で密閉性耐圧耐熱容器を高温下に保持すると、酸化するため再利用が困難となる。Ar、N2、He、Neなどの不活性ガス中に密閉性耐圧耐熱容器を保持することで、密閉性耐圧耐熱容器の再利用が可能となる。 The heating device (growing furnace) is preferably filled with an inert gas. If the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is kept at a high temperature in the air, it is oxidized and becomes difficult to reuse. By holding the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container in an inert gas such as Ar, N 2 , He, or Ne, the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container can be reused.

なお、切り離し部分108で切り離した後、加熱装置(育成炉)に固定したが、この場合、密閉性耐圧耐熱容器103内の圧力を細かく調整することが困難である。そのため、密閉性耐圧耐熱容器103を加熱装置(育成炉)に固定し、育成温度に昇温したのち、圧力を調整して、その後切り離し部分108で切り離すことがさらに好ましい。   In addition, although it isolate | separated by the isolation | separation part 108 and it fixed to the heating apparatus (growth furnace), in this case, it is difficult to finely adjust the pressure in the airtight pressure-proof heat-resistant container 103. Therefore, it is more preferable that the hermetic pressure-resistant and heat-resistant vessel 103 is fixed to a heating device (growing furnace), heated to a growing temperature, adjusted in pressure, and then cut off at the cut-off portion 108.

図6を用いて、原料液の攪拌作用について説明する。はじめに、図6(a)に示すように、加熱装置(育成炉)を傾けることで(図示せず)、その中に固定されている坩堝601を傾けて、テンプレート603が原料液602に浸漬しない状態で加熱装置(育成炉)を昇温し、原料を溶解する。次に、所望の育成温度および育成圧力に設定後、前記加熱装置(育成炉)および坩堝601を左右に揺動することで、原料液を揺らし攪拌させる(図6(b)〜(d))。   The stirring action of the raw material liquid will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 6A, by tilting the heating device (growing furnace) (not shown), the crucible 601 fixed therein is tilted, and the template 603 is not immersed in the raw material liquid 602. In the state, the heating device (growing furnace) is heated to melt the raw material. Next, after setting to a desired growth temperature and growth pressure, the raw material liquid is shaken and stirred by rocking the heating device (growth furnace) and the crucible 601 left and right (FIGS. 6B to 6D). .

図6では、テンプレート603を坩堝601の下面に固定しているが、この場合、原料液602への窒素の溶解が不十分な状態でテンプレートを浸漬させることとなる。原料を溶融後、坩堝を揺動し、窒素を十分に溶解させた後、テンプレートを浸漬させることがさらに好ましい。   In FIG. 6, the template 603 is fixed to the lower surface of the crucible 601, but in this case, the template is immersed in a state where the dissolution of nitrogen in the raw material liquid 602 is insufficient. More preferably, after melting the raw material, the crucible is swung to sufficiently dissolve nitrogen, and then the template is immersed.

図2や図6には、種結晶であるテンプレートを坩堝の底部に設置したり、斜めに設置したりする方法が図示されている。しかしながら、安価に結晶基板を供給するためには、複数枚を同時に結晶成長させることが必要不可欠となる。ここで、複数枚の板状テンプレートを坩堝の底部に対して斜め、または平行に設置した場合には、大きな問題が生じることがわかった。   FIG. 2 and FIG. 6 illustrate a method in which a template, which is a seed crystal, is installed at the bottom of the crucible or installed obliquely. However, in order to supply a crystal substrate at a low cost, it is indispensable to simultaneously grow a plurality of crystals. Here, it has been found that when a plurality of plate-shaped templates are installed obliquely or parallel to the bottom of the crucible, a big problem occurs.

図9は、複数枚の板状テンプレート902を、坩堝901内に底面に平行に設置した状態を示している。図9(a)は、育成中の坩堝901内の原料液902と板状テンプレート903の状態を示している。図9(b)は、育成後、原料液903を冷却した後の坩堝901内の原料液902と板状テンプレート903の状態を示している。アルカリ金属とIII族元素とからなる原料液は、冷却すると凝固し、収縮する。そのため、図9(b)のように中心部分が凹形状となり、板状テンプレート903に矢印の方向に応力が発生する。この応力により、基板に歪みが生じ、応力が大きい場合には、割れが発生する。   FIG. 9 shows a state in which a plurality of plate-like templates 902 are installed in the crucible 901 in parallel with the bottom surface. FIG. 9A shows the state of the raw material liquid 902 and the plate template 903 in the crucible 901 being grown. FIG. 9B shows a state of the raw material liquid 902 and the plate template 903 in the crucible 901 after the raw material liquid 903 is cooled after the growth. A raw material liquid composed of an alkali metal and a group III element solidifies and shrinks when cooled. Therefore, as shown in FIG. 9B, the central portion has a concave shape, and stress is generated in the direction of the arrow on the plate-like template 903. Due to this stress, the substrate is distorted, and cracks occur when the stress is large.

上記の結果をもとに、図10に示すように、複数枚の板状テンプレート1003を、坩堝1001の底面に略垂直に立てた状態で設置することを検討した。   Based on the above results, as shown in FIG. 10, it was examined that a plurality of plate-like templates 1003 are installed in a state of being substantially perpendicular to the bottom surface of the crucible 1001.

密閉性耐圧耐熱容器(図示せず)の内部に、坩堝1001をセットする。次に、密閉性耐圧耐熱容器を原料ガス供給装置に接続し、ストップバルブを開放し、密閉性耐圧耐熱容器に原料ガスを注入する(図示せず)。坩堝1001の内部には、原料であるIII族元素とフラックスであるアルカリ金属とを挿入する。同時に、複数枚の板状テンプレート1003を、図10(a)に示すように、坩堝1001の底面に略垂直に立てた状態で設置する。なお、図10(a)は、板状テンプレート1003を横方向から見た側面図である。   A crucible 1001 is set inside a hermetic pressure and heat resistant container (not shown). Next, the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is connected to the raw material gas supply device, the stop valve is opened, and the raw material gas is injected into the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container (not shown). Inside the crucible 1001, a group III element as a raw material and an alkali metal as a flux are inserted. At the same time, a plurality of plate-like templates 1003 are installed in a state where they stand substantially vertically on the bottom surface of the crucible 1001 as shown in FIG. FIG. 10A is a side view of the plate template 1003 as viewed from the lateral direction.

密閉性耐圧耐熱容器を加熱装置(育成炉)に固定し(図示せず)、所望の育成温度および育成圧力に設定後、前記加熱装置(育成炉)および坩堝1001を左右に揺動することで、原料液を揺らし攪拌させる(図10(b)〜(d))。なお、図10(b)〜(d)は、板状テンプレート1003を正面から見た正面図である。   By fixing the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container to a heating device (growing furnace) (not shown) and setting the desired growth temperature and pressure, the heating device (growing furnace) and the crucible 1001 are swung left and right. The raw material liquid is shaken and stirred (FIGS. 10B to 10D). 10B to 10D are front views of the plate template 1003 as viewed from the front.

図10(b)〜(d)に示すように、原料液が、板状テンプレートに対して平行方向に移動するように密閉性耐圧耐熱容器を揺動することが好ましい。これにより、板状テンプレートが原料液の攪拌の妨げとなることを防止でき、板状テンプレート間に原料液の流れを形成することができ、均一な結晶成長を同時に促進できる。   As shown in FIGS. 10B to 10D, it is preferable to swing the hermetic pressure and heat resistant container so that the raw material liquid moves in a direction parallel to the plate template. Thereby, it can prevent that a plate-shaped template obstructs stirring of a raw material liquid, the flow of a raw material liquid can be formed between plate-shaped templates, and uniform crystal growth can be accelerated | stimulated simultaneously.

一定時間定温定圧で結晶成長させた後、室温まで温度を下げて、板状テンプレートを取り出したところ、板状テンプレート上にIII族窒化物単結晶を成長でき、板状テンプレートおよびIII族窒化物単結晶には割れやひびなどは観測されなかった。   After crystal growth at a constant temperature and constant pressure for a certain period of time, the temperature was lowered to room temperature and the plate template was taken out. As a result, a group III nitride single crystal could be grown on the plate template, and the plate template and group III nitride single crystal were grown. No cracks or cracks were observed in the crystal.

アルカリ金属、例えば、ナトリウムは、固体(970kg/m3)と液体(760kg/m3、800℃(1073K))の比重の差が22%と大きいため、凝固時の収縮も大きい。そのため、坩堝底面に略垂直に立てた状態で板状テンプレートを設置しなければ、取り出し時、すなわち冷却時に、板状テンプレートに応力が働くため、破損させてしまう。また、窒素が気液界面からの加圧により溶解するため、板状テンプレートを略垂直に立てた状態で設置することで上下方向の濃度分布低減にも効果的である。さらに、攪拌方向を板状テンプレートと平行に行うことで、濃度が均一な原料液を形成できる。以上より、坩堝底面に対して略垂直に立てた状態で板状テンプレートを設置する方法は、アルカリ金属とIII族元素とからなる原料液中に加圧窒素を溶解させ、その原料液中でIII族窒化物単結晶を成長させる製造方法において、その実用的効果は大きい。なお、前記板状テンプレートの設置方法は、本発明の必須要件ではなく、実施するかどうかは任意である。 An alkali metal such as sodium has a large difference in specific gravity between a solid (970 kg / m 3 ) and a liquid (760 kg / m 3 , 800 ° C. (1073 K)) as large as 22%. For this reason, unless the plate template is installed in a state of being substantially perpendicular to the bottom surface of the crucible, stress is applied to the plate template at the time of taking out, that is, cooling, and thus the plate template is damaged. Further, since nitrogen is dissolved by pressurization from the gas-liquid interface, it is effective to reduce the concentration distribution in the vertical direction by installing the plate-like template in a substantially vertical state. Furthermore, a raw material liquid having a uniform concentration can be formed by performing the stirring direction parallel to the plate template. From the above, the method of installing the plate-like template in a state of being substantially vertical with respect to the bottom of the crucible is to dissolve the pressurized nitrogen in the raw material liquid composed of alkali metal and group III element, and in the raw material liquid III In the production method for growing a group nitride single crystal, the practical effect is great. In addition, the installation method of the said plate-shaped template is not an essential requirement of this invention, and it is arbitrary whether to implement.

(実施形態2)
本形態は、密閉性耐圧耐熱容器を接続パイプから切り離すことが可能で、前記密閉性耐圧耐熱容器のみを揺動させる例である。以下、本形態の製造装置の一例、およびそれを用いた製造方法の一例について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container can be separated from the connection pipe, and only the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is swung. Hereinafter, an example of the manufacturing apparatus of this embodiment and an example of a manufacturing method using the same will be described.

前記製造装置は、原料ガスを供給するための原料ガス供給装置、育成雰囲気の圧力を調整するための圧力調整器、結晶育成を行うための密閉性耐圧耐熱容器、加熱装置(育成炉)および密閉性耐圧耐熱容器を揺動するための回転機構を備える。前記回転機構により、前記密閉性耐圧耐熱容器が回転する。前記密閉性耐圧耐熱容器内に坩堝が挿入され固定されている場合には、坩堝も同時に回転することができる。前記密閉性耐圧耐熱容器のみを揺動するために、接続配管に回転機構が取り付けられ、例えば、回転方向を周期的に反転させることで、原料液をさらに効率よく攪拌することが可能となり、原料液への窒素の溶解を向上させる。密閉性耐圧耐熱容器のみを揺動させる以外は、実施形態1と同様にして、化合物単結晶を製造できる。III族元素とアルカリ金属とからなる原料液では、例えば、坩堝壁との摩擦によっても攪拌される。   The manufacturing apparatus includes a raw material gas supply device for supplying a raw material gas, a pressure regulator for adjusting the pressure of the growth atmosphere, a hermetic pressure and heat resistant vessel for performing crystal growth, a heating device (growing furnace), and a hermetic seal Rotating mechanism for swinging the pressure resistant and heat resistant container. The hermetic pressure and heat resistant container is rotated by the rotating mechanism. When a crucible is inserted and fixed in the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container, the crucible can be rotated simultaneously. In order to swing only the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container, a rotation mechanism is attached to the connection pipe. For example, by periodically reversing the rotation direction, it is possible to stir the raw material liquid more efficiently. Improves nitrogen dissolution in the liquid. A compound single crystal can be produced in the same manner as in Embodiment 1 except that only the hermetic pressure and heat resistant container is swung. In a raw material liquid composed of a group III element and an alkali metal, for example, the material liquid is also stirred by friction with a crucible wall.

本形態のように、密閉性耐圧耐熱容器を回転運動させる攪拌方法では、実施形態1の直線的な反復運動の攪拌方法よりも、坩堝内壁面での不均一な核発生を抑制できる。すなわち、実施形態1の直線的な反復運動の攪拌方法では、坩堝内壁面に原料液が常には接していない状況となるため、窒素などの原料ガスとの反応が激しくなり、不均一な核発生を促進することとなる。これに対し、本形態のような回転運度の攪拌方法では、坩堝内壁面に原料液が常に接しているため、不均一な核発生を抑制できる。また、原料ガスを気液界面から原料液に溶解させる本発明の製造方法では、気液界面で不均一な核発生が生じやすい。そのため、原料ガスと接する気液界面から原料液の内部に向かって流れが生じるように原料液を攪拌する必要がある。本形態におけるそのための機構の3つの例を、図11に示す。   As in this embodiment, in the stirring method in which the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is rotationally moved, the generation of non-uniform nuclei on the inner wall surface of the crucible can be suppressed as compared with the linear repetitive motion stirring method in the first embodiment. That is, in the linear repetitive motion stirring method of Embodiment 1, since the raw material liquid is not always in contact with the inner wall surface of the crucible, the reaction with the raw material gas such as nitrogen becomes intense, resulting in uneven nucleation. Will be promoted. On the other hand, in the stirring method of the rotational mobility as in this embodiment, since the raw material liquid is always in contact with the inner wall surface of the crucible, non-uniform nucleation can be suppressed. Further, in the production method of the present invention in which the source gas is dissolved in the source liquid from the gas-liquid interface, non-uniform nucleation is likely to occur at the gas-liquid interface. Therefore, it is necessary to stir the raw material liquid so that a flow is generated from the gas-liquid interface in contact with the raw material gas toward the inside of the raw material liquid. Three examples of the mechanism for this purpose are shown in FIG.

図11(a)に示す機構では、坩堝1101に蓋1102がされ、前記蓋1102から攪拌羽根1103が釣り下がっていて、密閉性耐圧耐熱容器(図示せず)および坩堝1101を回転することで原料液1104に回転方向の対流が生じ、前記攪拌羽根1103により、より攪拌が促進される。このとき、前記攪拌羽根1103により、原料液1104に下方向、すなわち、気液界面から原料液の内部に向かって流れが生じる。   In the mechanism shown in FIG. 11 (a), a crucible 1101 is covered with a lid 1102, and a stirring blade 1103 is hung from the lid 1102. Convection in the rotational direction is generated in the liquid 1104, and stirring is further promoted by the stirring blade 1103. At this time, the stirring blade 1103 causes a flow in the raw material liquid 1104 downward, that is, from the gas-liquid interface toward the inside of the raw material liquid.

図11(b)に示す機構では、気液界面にじゃま板1106が取り付けられていて(前記じゃま板1106は、坩堝1101に一体化されていてもよい。)、密閉性耐圧耐熱容器(図示せず)および坩堝1101を回転させて原料液1104に回転方向の対流が生じたときに、前記じゃま板1106により、気液界面から原料液1104の内部に向かって流れが生じる。   In the mechanism shown in FIG. 11B, a baffle plate 1106 is attached to the gas-liquid interface (the baffle plate 1106 may be integrated with the crucible 1101), and a hermetic pressure-resistant heat-resistant container (not shown). 1) and the crucible 1101 is rotated to cause a rotational convection in the raw material liquid 1104, the baffle plate 1106 generates a flow from the gas-liquid interface toward the inside of the raw material liquid 1104.

図11(c)に示す機構では、坩堝1101の内壁面に螺旋状の突起1107が形成されていて、密閉性耐圧耐熱容器(図示せず)および坩堝1101を回転させて原料液1104に回転方向の対流が生じたときに、前記螺旋状の突起1107により、気液界面から原料液1104の内部に向かって流れが生じる。   In the mechanism shown in FIG. 11C, a spiral projection 1107 is formed on the inner wall surface of the crucible 1101, and the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container (not shown) and the crucible 1101 are rotated to rotate into the raw material liquid 1104. When the convection occurs, the spiral projection 1107 causes a flow from the gas-liquid interface toward the inside of the raw material liquid 1104.

密閉性耐圧耐熱容器を回転する装置としては、例えば、前述の接続配管に回転機構を取り付けた装置が挙げられるが、これに制限されるものではなく、例えば、密閉性耐圧耐熱容器の下部に、密閉性耐圧耐熱容器回転機構を取り付けた装置としてもよい。この場合には、さらに、密閉性耐圧耐熱容器に原料ガス供給用の補助タンク装置を取り付けてもよい。また、前記密閉性耐圧耐熱容器と補助タンク装置を接続する接続配管の中間部分に圧力を調整するための圧力調整器を取り付けてもよい。前記補助タンク装置の圧力は、前記密閉性耐圧耐熱容器の圧力よりも高くなっている。これにより、前記密閉性耐圧耐熱容器で消費される原料ガスを補給することが可能となる。   As an apparatus for rotating the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container, for example, an apparatus in which a rotation mechanism is attached to the above-described connection pipe is not limited to this. For example, in the lower part of the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container, It is good also as an apparatus which attached the airtight pressure-proof heat-resistant container rotation mechanism. In this case, an auxiliary tank device for supplying source gas may be further attached to the hermetic pressure and heat resistant container. Moreover, you may attach the pressure regulator for adjusting a pressure to the intermediate part of the connection piping which connects the said airtight pressure-resistant heat-resistant container and auxiliary tank apparatus. The pressure of the auxiliary tank device is higher than the pressure of the hermetic pressure and heat resistant container. This makes it possible to replenish the raw material gas consumed in the hermetic pressure and heat resistant container.

(実施形態3)
本形態は、原料ガス供給装置と密閉性耐圧耐熱容器とが、フレキシブルパイプによって接続され、前記原料ガス供給装置と前記容器を切り離すことなく、前記容器を揺動させる例である。以下、本形態の製造装置の一例、およびそれを用いた製造方法の一例について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, the source gas supply device and the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container are connected by a flexible pipe, and the container is swung without separating the source gas supply device and the container. Hereinafter, an example of the manufacturing apparatus of this embodiment and an example of a manufacturing method using the same will be described.

前記製造装置は、原料ガスを供給するための原料ガス供給装置、育成雰囲気の圧力を調整するための圧力調整器、結晶育成を行うための密閉性耐圧耐熱容器、フレキシブルパイプ、加熱装置(育成炉)および加熱装置(育成炉)全体を揺動する揺動装置を備える。前記原料ガス供給装置と前記密閉性耐圧耐熱容器とが、前記フレキシブルパイプで接続されているため、密閉性耐圧耐熱容器を切り離さずとも、加熱装置(育成炉)全体を揺動させて、坩堝内の原料液を攪拌することができる。原料ガス供給装置と密閉性耐圧耐熱容器を切り離すことなく、密閉性耐圧耐熱容器を揺動させる以外は、実施形態1と同様にして、化合物単結晶を製造できる。この場合、原料ガス供給装置と密閉性耐圧耐熱容器とを切り離す必要がないため、圧力調整器により密閉性耐圧耐熱容器の圧力を一定に保持しながら、安定して結晶成長を行うこともでき、一定の成長方位、成長レートを実現できる。なお、前述のとおり、前記原料ガス供給装置と前記容器とを切り離し、前記容器を密閉状態として、前記容器を揺動してもよく、前記原料ガス供給装置と前記容器とを切り離すかどうかは任意である。   The manufacturing apparatus includes a raw material gas supply device for supplying a raw material gas, a pressure regulator for adjusting the pressure of the growth atmosphere, a hermetic pressure-resistant heat-resistant vessel for crystal growth, a flexible pipe, a heating device (a growth furnace) ) And a swinging device that swings the entire heating device (growing furnace). Since the raw material gas supply device and the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container are connected by the flexible pipe, the whole heating device (growing furnace) is swung without detaching the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container, The raw material liquid can be stirred. A compound single crystal can be produced in the same manner as in Embodiment 1 except that the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is swung without separating the source gas supply device and the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container. In this case, since it is not necessary to separate the source gas supply device and the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container, it is possible to stably perform crystal growth while keeping the pressure of the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container constant by the pressure regulator, A certain growth direction and growth rate can be realized. As described above, the source gas supply device and the container may be separated, the container may be kept in a sealed state, and the container may be swung. Whether or not the source gas supply device and the container are separated is arbitrary. It is.

前記実施形態1から3において、密閉性耐圧耐熱容器に取り付けられた原料ガス供給用の接続配管は、加熱装置外に配置されることが好ましい。ストップバルブ、圧力調整機、フレキシブルパイプなどは、加熱装置外に配置される必要があるからである。前述のように、前記原料液に前記アルカリ金属やアルカリ土類金属が含まれる場合には、700℃(973K)以上の高温下ではその蒸気圧が大きくなるため、密閉性耐圧耐熱容器内に温度分布が生じると凝集してしまう。そのため、密閉性耐圧耐熱容器本体の温度は、好ましくは、均一に保持される。しかしながら、前記接続配管は、加熱装置外に配置されるため、前記接続配管の内径が大きすぎると原料液やフラックス原料の蒸気が移動しやすくなり、前記接続配管内の低温領域にそれらが凝集し、凝固してしまう。これにより、原料液中のフラックス比が変化して、結晶成長に大きな影響を与える。また、前記接続配管がつまってしまうと、成長途中で窒素を補給したり、フレキシブルパイプで窒素を供給したりすることができなくなり、結晶成長に大きな影響を与える。密閉性耐圧耐熱容器に取り付けられた原料ガス供給用の接続配管の内径依存性を評価したところ、内径が3mm以上では、前記接続配管内で凝集、凝固が生じやすく、内径が3mm以下では、凝集がかなり抑制され、内径が2mm以下では、凝集がほとんど生じないことが分かった。そこで、前記接続配管の内径は、3mm以下とすることが好ましく、2mm以下とすることがより好ましい。なお、前記フレキシブルパイプ、前記容器と前記補助タンク装置の接続配管なども、同様の内径とすることが好ましい。   In the first to third embodiments, it is preferable that the connecting pipe for supplying the source gas attached to the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is disposed outside the heating apparatus. This is because a stop valve, a pressure regulator, a flexible pipe, and the like need to be disposed outside the heating device. As described above, when the raw material liquid contains the alkali metal or alkaline earth metal, the vapor pressure increases at a high temperature of 700 ° C. (973 K) or higher. If distribution occurs, it will aggregate. Therefore, the temperature of the hermetic pressure and heat resistant container main body is preferably kept uniform. However, since the connecting pipe is disposed outside the heating device, if the inner diameter of the connecting pipe is too large, the vapor of the raw material liquid or the flux raw material is likely to move, and they aggregate in a low temperature region in the connecting pipe. It will solidify. As a result, the flux ratio in the raw material liquid changes, which greatly affects crystal growth. Further, if the connection pipe is clogged, it becomes impossible to supply nitrogen during the growth or supply nitrogen with a flexible pipe, which greatly affects crystal growth. When the inner diameter dependency of the connecting pipe for supplying the source gas attached to the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container was evaluated, when the inner diameter was 3 mm or more, aggregation and coagulation were likely to occur in the connecting pipe, and when the inner diameter was 3 mm or less, aggregation occurred. It was found that agglomeration hardly occurred when the inner diameter was 2 mm or less. Therefore, the inner diameter of the connection pipe is preferably 3 mm or less, and more preferably 2 mm or less. In addition, it is preferable that the flexible pipe, the connection pipe of the container and the auxiliary tank device, and the like have the same inner diameter.

(実施形態4)
本形態は、化合物単結晶の成長終了後、密閉性耐圧耐熱容器からフラックス原料を含む原料液を取り出す工程を有する場合の例である。本発明では、密閉性耐圧耐熱容器にフラックス原料を注入する工程と、化合物単結晶の生成後に密閉性耐圧耐熱容器からフラックス原料を含む原料液を抽出する工程とを有することが好ましい。なお、本形態は、本発明の必須要件ではなく、実施するかどうかは任意である。以下、本形態の製造方法の一例について説明する。
(Embodiment 4)
This embodiment is an example in the case of having a step of taking out the raw material liquid containing the flux raw material from the hermetic pressure and heat resistant container after the growth of the compound single crystal. In this invention, it is preferable to have the process of inject | pouring a flux raw material into a sealing pressure | voltage resistant heat resistant container, and the process of extracting the raw material liquid containing a flux raw material from a sealing pressure | voltage resistant heat resistant container after the production | generation of a compound single crystal. Note that this embodiment is not an essential requirement of the present invention, and whether or not it is implemented is arbitrary. Hereinafter, an example of the manufacturing method of this embodiment will be described.

予めIII族元素が挿入されている密閉性耐圧耐熱容器内の坩堝中に、フラックス原料の注入用パイプによりフラックス原料を注入する。その際、密閉性耐圧耐熱容器内の雰囲気を窒素置換しておくことにより、フラックス原料の酸化を防止することが好ましい。その後、密閉性耐圧耐熱容器内を加圧雰囲気に調製し、加熱して原料液を形成し、原料ガスが過飽和状態となった原料液から単結晶を析出させる。   A flux raw material is injected into a crucible in a hermetic pressure-resistant and heat-resistant container into which a group III element has been inserted in advance by a flux raw material injection pipe. At that time, it is preferable to prevent oxidation of the flux material by replacing the atmosphere in the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container with nitrogen. Thereafter, the inside of the hermetic pressure-resistant heat-resistant container is prepared in a pressurized atmosphere, heated to form a raw material liquid, and a single crystal is precipitated from the raw material liquid in which the raw material gas is in a supersaturated state.

化合物単結晶の成長終了後、加熱装置(育成炉)内を、原料液が凝固しない温度とした状態で、原料液を坩堝から取り出す。密閉性耐圧耐熱容器の圧力を減圧し、抽出用パイプを原料液に挿入し、密閉性耐圧耐熱容器内を加圧することで、抽出用パイプより原料液が取り出される。ナトリウムとガリウムの原料液では、例えば、100℃(373K)以上、好ましくは300℃(573K)以上、より好ましくは500℃(773K)以上で行われる。   After the growth of the compound single crystal, the raw material liquid is taken out from the crucible in a state where the temperature in the heating apparatus (growing furnace) is set so that the raw material liquid does not solidify. The pressure of the hermetic pressure and heat resistant container is reduced, the extraction pipe is inserted into the raw material liquid, and the inside of the hermetic pressure and heat resistant container is pressurized, whereby the raw material liquid is taken out from the extraction pipe. In the case of a sodium and gallium raw material solution, for example, it is performed at 100 ° C. (373 K) or higher, preferably 300 ° C. (573 K) or higher, more preferably 500 ° C. (773 K) or higher.

これにより、冷却時に原料液が凝固し収縮して、形成された単結晶が破損することを回避することができる。また、ナトリウムなどのアルカリ金属は、水と激しく反応するため、エタノールなどで処理する必要があり、単結晶の取り出しに時間を要していたが、ナトリウムなどの抽出用パイプにより取り出すことで、単結晶の取り出しも容易になる。   Thereby, it can avoid that the raw material liquid solidifies and shrinks at the time of cooling, and the formed single crystal is damaged. In addition, since alkali metals such as sodium react violently with water, it was necessary to treat with ethanol and so on, and it took time to take out the single crystal. Crystals can be easily taken out.

次に、図7を用いて、前記工程の一例について具体的に説明する。   Next, an example of the above process will be specifically described with reference to FIG.

図7(a)に示すように、坩堝502の内部には、原料であるIII族元素701およびテンプレート702を挿入する。次に、図7(b)に示すように、外部から液状のフラックス原料703を注入する。注入用パイプ504には、図示していないが、例えば、マイクロヒーターなどを巻いておき、注入用パイプ504の温度を、フラックス原料の融点以上に保持しておくことが好ましい。   As shown in FIG. 7A, a group III element 701 and a template 702 as raw materials are inserted into the crucible 502. Next, as shown in FIG. 7B, a liquid flux material 703 is injected from the outside. Although not shown in the drawing, the injection pipe 504 is preferably wound with, for example, a microheater to keep the temperature of the injection pipe 504 at or above the melting point of the flux material.

次に、図7(c)に示すように、密閉性耐圧耐熱容器501に原料ガスを注入するため、切り離し部分505を原料ガス供給装置(図示せず)に接続する。ストップバルブ503を開放し、原料ガスを原料ガス供給装置から密閉性耐圧耐熱容器501へ供給する。密閉性耐圧耐熱容器501を加熱装置(育成炉)に固定し(図示せず)、育成温度に昇温したのち、圧力調整を行う。圧力調整後、ストップバルブ501を閉じて、切り離し部分505をはずすことで、切り離す。   Next, as shown in FIG. 7 (c), the separation portion 505 is connected to a source gas supply device (not shown) in order to inject the source gas into the hermetic pressure and heat resistant container 501. The stop valve 503 is opened, and the source gas is supplied from the source gas supply device to the hermetic pressure and heat resistant container 501. The hermetic pressure-resistant and heat-resistant container 501 is fixed to a heating device (growing furnace) (not shown), and after raising the temperature to the growing temperature, pressure adjustment is performed. After the pressure adjustment, the stop valve 501 is closed, and the disconnection portion 505 is removed to disconnect.

化合物単結晶の成長終了後、原料液506を坩堝502から取り出す。原料液506を温度降下させ、密閉性耐圧耐熱容器内の圧力を減圧し、原料液506を融解液の状態に保持し、抽出用パイプ507を原料液506に挿入し、密閉性耐圧耐熱容器内を加圧することで、抽出用パイプ507より原料液506を外部の容器に取り出す(図7(d))。   After the growth of the compound single crystal, the raw material liquid 506 is taken out from the crucible 502. The temperature of the raw material liquid 506 is lowered, the pressure in the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is reduced, the raw material liquid 506 is held in a molten state, and the extraction pipe 507 is inserted into the raw material liquid 506, Is extracted from the extraction pipe 507 into an external container (FIG. 7D).

密閉性耐圧耐熱容器にフラックス原料を注入する工程と、化合物単結晶の生成後に密閉性耐圧耐熱容器からフラックス原料を含む原料液を抽出する工程とを行うこと以外は、実施形態1と同様にして、化合物単結晶を製造できる。   Except performing the process of inject | pouring a flux raw material into a sealing pressure | voltage resistant heat-resistant container, and the process of extracting the raw material liquid containing a flux raw material from a sealing pressure | voltage resistant heat-resistant container after the production | generation of a compound single crystal, it carries out similarly to Embodiment 1. A compound single crystal can be produced.

図1に、本発明の製造装置の一例の概略構成図を示す。原料ガス供給装置101、圧力調整器102、密閉性耐圧耐熱容器103、育成炉104および育成炉104全体を揺動する揺動装置を備える。圧力調整器102の後には、ストップバルブ105とリーク弁106が取り付けられている。密閉性耐圧耐熱容器103の内部には、坩堝107がセットされている。原料ガスを供給するための接続パイプ114と、密閉性耐圧耐熱容器103とは、切り離し部分108により切り離すことができる。密閉性耐圧耐熱容器103の上部には、ストップバルブ109が接続部分110を介して取り付けられている。育成炉104の内部には、断熱材111とヒータ112とから構成される電気炉が配置され、熱電対113により温度管理される。密閉性耐圧耐熱容器103は、電気炉内に固定され、育成炉104全体を矢印の方向に揺動することができる。なお、図1において、115は接続配管を示す。   In FIG. 1, the schematic block diagram of an example of the manufacturing apparatus of this invention is shown. A raw material gas supply device 101, a pressure regulator 102, a hermetic pressure and heat resistant vessel 103, a growth furnace 104, and a swinging device that swings the entire growth furnace 104 are provided. A stop valve 105 and a leak valve 106 are attached after the pressure regulator 102. A crucible 107 is set inside the hermetic pressure and heat resistant container 103. The connection pipe 114 for supplying the source gas and the hermetic pressure-resistant heat-resistant container 103 can be separated by the separation portion 108. A stop valve 109 is attached to the upper portion of the hermetic pressure and heat resistant container 103 via a connection portion 110. An electric furnace composed of a heat insulating material 111 and a heater 112 is disposed inside the growth furnace 104, and the temperature is controlled by a thermocouple 113. The hermetic pressure-resistant and heat-resistant container 103 is fixed in an electric furnace and can swing the entire growth furnace 104 in the direction of the arrow. In FIG. 1, reference numeral 115 denotes a connection pipe.

図3に、本発明の製造装置のその他の例の概略構成図を示す。図示のように、密閉性耐圧耐熱容器305の内部に、坩堝306がセットされている。原料ガスを供給するための接続パイプ(図示せず)と、密閉性耐圧耐熱容器305とは、切り離し部分313により切り離すことができる。密閉性耐圧耐熱容器305の上部には、ストップバルブ307が接続部分308を介して取り付けられている。育成炉309の内部には、断熱材310とヒータ311とから構成される電気炉が配置され、熱電対312により温度管理される。接続配管315に回転機構314が取り付けられており、密閉性耐圧耐熱容器のみを揺動することができる。   In FIG. 3, the schematic block diagram of the other example of the manufacturing apparatus of this invention is shown. As shown in the figure, a crucible 306 is set inside a hermetic pressure and heat resistant container 305. A connection pipe (not shown) for supplying the source gas and the hermetic pressure and heat resistant container 305 can be separated by a separation portion 313. A stop valve 307 is attached to the upper portion of the hermetic pressure and heat resistant container 305 via a connection portion 308. Inside the growth furnace 309, an electric furnace composed of a heat insulating material 310 and a heater 311 is disposed, and the temperature is controlled by a thermocouple 312. A rotation mechanism 314 is attached to the connection pipe 315, and only the hermetic pressure and heat resistant container can be swung.

図12に、本発明の製造装置のさらにその他の例の概略構成図を示す。なお、図12において、図3と同一部分には同一符号を付している。接続配管315に回転機構314が取り付けられているのに代えて、密閉性耐圧耐熱容器305の下部に密閉性耐圧耐熱容器回転機構316が取り付けられていること以外は、図3の装置と同様である。   In FIG. 12, the schematic block diagram of the further another example of the manufacturing apparatus of this invention is shown. In FIG. 12, the same parts as those in FIG. 3 except that the rotation mechanism 314 is attached to the connecting pipe 315, and the sealing pressure-resistant and heat-resistant container rotating mechanism 316 is attached to the lower part of the sealing pressure-resistant and heat-resistant container 305. is there.

図13に、本発明の製造装置のさらにその他の例の概略構成図を示す。なお、図13において、図12と同一部分には同一符号を付している。密閉性耐圧耐熱容器305に原料ガス供給用の補助タンク装置317が取り付けられていること、およびストップバルブ307に代えて、圧力調整器318が接続部分308を介して取り付けられていること以外は、図12の装置と同様である。   In FIG. 13, the schematic block diagram of the further another example of the manufacturing apparatus of this invention is shown. In FIG. 13, the same parts as those in FIG. Except that the auxiliary tank device 317 for supplying the raw material gas is attached to the hermetic pressure and heat resistant container 305 and that the pressure regulator 318 is attached via the connection portion 308 instead of the stop valve 307. This is the same as the apparatus of FIG.

なお、図12および図13の製造装置においては、前記密閉性耐圧耐熱容器回転機構316の回転軸部分の下部を、図14に示すように歯車状にし、波板318を上の矢印のように左右に動かすことで、直線的な反復運動を、下の矢印のような回転方向の変わる回転運動に変換することができる。なお、図14は、前記密閉性耐圧耐熱容器回転機構316の回転軸部分を下から見た模式図である。   12 and FIG. 13, the lower part of the rotating shaft portion of the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container rotating mechanism 316 is shaped like a gear as shown in FIG. 14, and the corrugated plate 318 is as shown by the upper arrow. By moving left and right, it is possible to convert a linear repetitive motion into a rotational motion whose direction of rotation changes as shown by the arrow below. FIG. 14 is a schematic view of the rotating shaft portion of the hermetic pressure and heat resistant container rotating mechanism 316 as viewed from below.

図4に、本発明の製造装置のさらにその他の例の概略構成図を示す。原料ガス供給装置405、圧力調整器407、密閉性耐圧耐熱容器401、フレキシブルパイプ408、育成炉406および育成炉406全体を揺動する揺動装置を備える。圧力調整器407の後には、ストップバルブ409とリーク弁410が取り付けられている。密閉性耐圧耐熱容器401の内部に、坩堝402がセットされている。密閉性耐圧耐熱容器401の上部には、ストップバルブ403が接続部分404を介して取り付けられている。育成炉406の内部には、断熱材411とヒータ412とから構成される電気炉が配置され、熱電対413により温度管理される。密閉性耐圧耐熱容器401と原料ガス供給装置405の接続にフレキシブルパイプ408が用いられているため、ストップバルブ403は、開放しても、閉じてもどちらでもよい。開放した場合には、密閉性耐圧耐熱容器401内の圧力を一定に保持できるので安定な育成が可能となる。III族元素の消費量に対して十分な窒素が密閉性耐圧耐熱容器401内に注入されている場合には、ストップバルブ403を閉じていてもよい。この場合には、原料ガス供給装置405が複数の密閉性耐圧耐熱容器に接続されている場合に、リークなどが生じても、他の装置に影響を与えないので、実用的な効果が期待できる。密閉性耐圧耐熱容器401は、電気炉内に固定され、育成炉406全体を矢印の方向に揺動することができる。なお、図4に示す装置において、414は接続配管を示す。   In FIG. 4, the schematic block diagram of the further another example of the manufacturing apparatus of this invention is shown. A raw material gas supply device 405, a pressure regulator 407, a hermetic pressure and heat resistant container 401, a flexible pipe 408, a growth furnace 406, and a swinging device that swings the entire growth furnace 406 are provided. A stop valve 409 and a leak valve 410 are attached after the pressure regulator 407. A crucible 402 is set inside the hermetic pressure and heat resistant container 401. A stop valve 403 is attached to the upper portion of the hermetic pressure and heat resistant container 401 via a connection portion 404. An electric furnace composed of a heat insulating material 411 and a heater 412 is arranged inside the growth furnace 406, and the temperature is controlled by a thermocouple 413. Since the flexible pipe 408 is used to connect the hermetic pressure and heat resistant container 401 and the source gas supply device 405, the stop valve 403 may be opened or closed. When opened, the pressure in the hermetic pressure and heat resistant container 401 can be kept constant, so that stable growth is possible. The stop valve 403 may be closed when sufficient nitrogen is injected into the hermetic pressure and heat resistant container 401 for the consumption of the group III element. In this case, when the raw material gas supply device 405 is connected to a plurality of hermetic pressure-resistant and heat-resistant containers, even if a leak occurs, the other devices are not affected, so that a practical effect can be expected. . The hermetic pressure and heat resistant container 401 is fixed in an electric furnace, and the entire growth furnace 406 can be swung in the direction of the arrow. In the apparatus shown in FIG. 4, reference numeral 414 denotes a connection pipe.

図5に、本発明の製造装置のさらにその他の例の概略構成図を示す。図示のように、密閉性耐圧耐熱容器501の内部に、坩堝502がセットされている。密閉性耐圧耐熱容器501には、フラックス原料の注入用パイプ504および抽出用パイプ506が取り付けられている。原料ガスを供給するための接続パイプ(図示せず)と、密閉性耐圧耐熱容器501とは、切り離し部分505により切り離すことができる。密閉性耐圧容器501の上部には、ストップバルブ503が取り付けられている。育成炉508の内部には、断熱材509とヒータ510とから構成される電気炉が配置され、熱電対511により温度管理される。密閉性耐圧耐熱容器501は、電気炉内に固定され、育成炉508全体を矢印の方向に揺動することができる。   In FIG. 5, the schematic block diagram of the further another example of the manufacturing apparatus of this invention is shown. As shown in the figure, a crucible 502 is set inside a hermetic pressure and heat resistant container 501. An airtight pressure and heat resistant container 501 is provided with a flux raw material injection pipe 504 and an extraction pipe 506. A connection pipe (not shown) for supplying the source gas and the hermetic pressure-resistant heat-resistant container 501 can be separated by a separation portion 505. A stop valve 503 is attached to the top of the hermetic pressure vessel 501. An electric furnace composed of a heat insulating material 509 and a heater 510 is arranged inside the growth furnace 508, and the temperature is controlled by a thermocouple 511. The hermetic pressure-resistant and heat-resistant container 501 is fixed in an electric furnace and can swing the entire growth furnace 508 in the direction of the arrow.

図1の製造装置を用いて、III族窒化物単結晶を製造した。製造方法には、図2に示す方法を用いた。密閉性耐圧耐熱容器103には、SUS316から構成されるステンレス容器を用いた。III族元素201には、Ga3gを、アルカリ金属202には、Na3gを用いた。テンプレート203には、サファイア基板温度を1020℃(1293K)〜1100℃(1373K)になるように加熱したのち、トリメチルガリウム(TMG)とNH3とを基板上に供給することによって、サファイア基板にGaNからなる半導体層を成膜したものを用いた。前記テンプレートの大きさとしては、20mm×20mmのものを用いた。図1の圧力調整器102を25気圧(25×1.01325×105Pa)に設定し、原料ガスを原料ガス供給装置101からステンレス容器103に供給した。原料ガスには、窒素を用いた。本実施例では、密閉性耐圧耐熱容器103の材質としてSUS316を用いているため、電気炉内を窒素雰囲気とした。そのため、単結晶の生成後においても、密閉性耐圧耐熱容器の腐食はほとんどなく、再利用することができた。なお、雰囲気ガスは、窒素以外でもよく、Arなどの不活性ガスであれば、密閉性耐圧耐熱容器の腐食を低減できる。 A group III nitride single crystal was produced using the production apparatus of FIG. As a manufacturing method, the method shown in FIG. 2 was used. As the airtight pressure and heat resistant container 103, a stainless steel container made of SUS316 was used. Ga3g was used for the group III element 201, and Na3g was used for the alkali metal 202. The template 203 is heated to a sapphire substrate temperature of 1020 ° C. (1293 K) to 1100 ° C. (1373 K), and then trimethylgallium (TMG) and NH 3 are supplied onto the substrate, whereby the sapphire substrate is made of GaN. A semiconductor layer formed of the above was used. The size of the template was 20 mm × 20 mm. The pressure regulator 102 in FIG. 1 was set to 25 atm (25 × 1.01325 × 10 5 Pa), and the source gas was supplied from the source gas supply apparatus 101 to the stainless steel container 103. Nitrogen was used as the source gas. In this embodiment, since SUS316 is used as the material of the hermetic pressure and heat resistant container 103, the inside of the electric furnace is set to a nitrogen atmosphere. Therefore, even after the production of the single crystal, the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container was hardly corroded and could be reused. The atmosphere gas may be other than nitrogen, and if it is an inert gas such as Ar, the corrosion of the hermetic pressure-resistant heat-resistant container can be reduced.

育成温度に昇温することにより原料液を坩堝内に形成し、育成炉104を矢印の方向に揺動させて、III族窒化物半導体の単結晶を生成した。前記育成温度を850℃(1123K)、850℃(1123K)での窒素雰囲気圧力を50気圧(50×1.01325×105Pa)とした。 By raising the temperature to the growth temperature, a raw material solution was formed in the crucible, and the growth furnace 104 was swung in the direction of the arrow to produce a group III nitride semiconductor single crystal. The growth temperature was 850 ° C. (1123 K), and the nitrogen atmosphere pressure at 850 ° C. (1123 K) was 50 atm (50 × 1.01325 × 10 5 Pa).

窒素が消費され、ステンレス容器内の圧力が低下するのを防止するため、育成中に、数回窒素を再注入した。育成開始から10時間後に揺動を一時停止し、切り離し部分108を原料ガス供給装置101と接続し、ステンレス容器103に原料ガスを注入し、ステンレス容器103内の圧力を50気圧(50×1.01325×105Pa)に調整した。その後、再び切り離し部分108を切り離し、揺動を再開し、育成を継続した。 In order to prevent the nitrogen from being consumed and the pressure in the stainless steel container from decreasing, nitrogen was reinjected several times during the growth. Oscillation is temporarily stopped 10 hours after the start of the growth, the separation part 108 is connected to the raw material gas supply device 101, the raw material gas is injected into the stainless steel container 103, and the pressure in the stainless steel container 103 is set to 50 atm (50 × 1. 01325 × 10 5 Pa). Thereafter, the separation part 108 was separated again, the swinging was resumed, and the breeding was continued.

成長時間30時間に対して1mm厚の単結晶を成長させることができた。坩堝を揺動させ、原料液を攪拌し、窒素を効率よく溶解させているため、窒素溶解時間は10時間以内に短縮でき、成長レートとしても50μm/時間を実現することができた。   A single crystal having a thickness of 1 mm could be grown for a growth time of 30 hours. Since the crucible was swung and the raw material solution was stirred to dissolve nitrogen efficiently, the nitrogen dissolution time could be shortened within 10 hours, and a growth rate of 50 μm / hour could be realized.

本実施例では、密閉性耐圧耐熱容器の内部体積を変更し、密閉性耐圧耐熱容器を原料ガス供給装置と切り離したままで育成を継続させた例について説明する。   In the present embodiment, an example will be described in which the internal volume of the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is changed and the growth is continued while the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is disconnected from the source gas supply device.

まず、内部体積Vが7.5×10-2(リットル)の密閉性耐圧耐熱容器を用い、育成途中の窒素の補充による圧力調整を行わなかったこと以外は実施例1と同様にしてIII族窒化物単結晶を製造した。GaおよびNaの秤量時の温度T1は、27℃(300K)とした。この場合、V×(P/1.01235×105)×(T1/T)>(X/2a)×22.4×2(ここで、V=7.5×10-2(リットル)、T1=300(K)、ガリウムの原子量a=69.723、実施例1より、育成時の雰囲気圧力P=50×1.01235×105(Pa)、育成温度T=1123(K)、消費されるガリウムの重量X=3(g))となる。ここで、ボイル−シャルルの法則により、育成時(50気圧、1123K)の密閉性耐圧耐熱容器内の窒素の体積(7.5×10-2リットル)を、1気圧、300Kでの体積に換算すると、約1リットルとなる。また、1気圧、300Kの雰囲気下で、Ga3g(0.043モル)を消費するために必要とされる窒素量は、Ga+1/2N2→GaNより、約0.5リットル(22.4×(0.043/2)×(300/273)=0.53)である。そのため、Ga3gすべてが反応した状態において、密閉性耐圧耐熱容器内の約50%の窒素が消費され、密閉性耐圧耐熱容器内の850℃(1123K)での圧力は、25気圧(25×1.01325×105Pa)程度となり、圧力変動は−50%となる。育成中に圧力が50%変化し、育成期間の後半では成長レートの低下も見られたが、従来のような密閉性耐圧耐熱容器を攪拌しない方法と比較すると、均一な結晶成長と、早い成長レートが実現できた。また、容器の小型化することで、電気炉を含めた装置をコンパクトにできた。ただし、V×(P/1.01235×105)×(T1/T)<(X/2a)×22.4×2では、育成中の圧力変化が大きく、従来の育成方法と同じ、それ以下の成長レートしか得られなかった。 First, using a hermetic pressure and heat resistant container having an internal volume V of 7.5 × 10 −2 (liter) and performing no group adjustment in the same manner as in Example 1 except that the pressure was not adjusted by supplementing nitrogen during the growth. A nitride single crystal was produced. The temperature T1 when Ga and Na were weighed was 27 ° C. (300 K). In this case, V × (P / 1.01235 × 10 5 ) × (T1 / T)> (X / 2a) × 22.4 × 2 (where V = 7.5 × 10 −2 (liter), T1 = 300 (K), gallium atomic weight a = 69.723, from Example 1, growth pressure P = 50 × 1.01235 × 10 5 (Pa), growth temperature T = 1123 (K), consumption Gallium weight X = 3 (g)). Here, according to Boyle-Charle's law, the nitrogen volume (7.5 × 10 −2 liter) in the hermetic pressure-resistant heat-resistant container at the time of growth (50 atm, 1123 K) is converted to the volume at 1 atm and 300 K. Then, it becomes about 1 liter. Further, 1 atm, under 300K atmosphere, the nitrogen amount required to consume Ga3g (0.043 moles), from Ga + 1 / 2N 2 → GaN , approximately 0.5 liters (22.4 × ( 0.043 / 2) × (300/273) = 0.53). Therefore, in the state where all of Ga3g has reacted, about 50% of nitrogen in the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is consumed, and the pressure at 850 ° C. (1123 K) in the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is 25 atmospheres (25 × 1. 01325 × 10 5 Pa), and the pressure fluctuation is −50%. The pressure changed by 50% during the growth, and the growth rate decreased in the latter half of the growth period, but compared with the conventional method that does not stir the hermetic pressure and heat resistant vessel, uniform crystal growth and faster growth The rate was realized. Also, by reducing the size of the container, the device including the electric furnace could be made compact. However, when V × (P / 1.01235 × 10 5 ) × (T1 / T) <(X / 2a) × 22.4 × 2, the pressure change during the growth is large, which is the same as the conventional growth method. Only the following growth rates were obtained.

次に、内部体積Vが0.2(リットル)の密閉性耐圧耐熱容器を用い、育成途中の窒素の補充による圧力調整を行わなかったこと以外は実施例1と同様にしてIII族窒化物単結晶を製造した。GaおよびNaの秤量時の温度T1は、27℃(300K)とした。この場合、V×(P/1.01235×105)×(T1/T)>(X/2a)×22.4×5(ここで、V=0.2(リットル)、T1=300K、ガリウムの原子量a=69.723、実施例1より、育成時の雰囲気圧力P=50×1.01235×105(Pa)、育成温度T=1123K、消費されるガリウムの重量X=3(g))となる。ここで、ボイル−シャルルの法則により、育成時(50気圧、1123K)の密閉性耐圧耐熱容器内の窒素の体積(0.2リットル)を、1気圧、300Kでの体積に換算すると、約2.7リットルとなる。また、前述のとおり、1気圧、300Kの雰囲気下で、Ga3g(0.043モル)を消費するために必要とされる窒素量は、約0.5リットルである。そのため、Ga3gすべてが反応した状態において、密閉性耐圧耐熱容器内の約20%の窒素が消費され、密閉性耐圧耐熱容器内の850℃(1123K)での圧力は、40気圧(40×1.01325×105Pa)程度となり、圧力変動は−20%となる。育成最後の40気圧と育成初期の50気圧とでは、窒素溶解量の変化が小さく、成長レートの変化も小さくなり、均一な結晶成長が実現できた。当然のことながら、Gaの消費量を半分の1.5gで育成を終了した場合には、窒素の消費量も半分となり、育成後の圧力を45気圧程度にでき、育成中の圧力変動をさらに小さくできるため、より好ましい。(この場合、V×(P/1.01235×105)×(T1/T)>(X/2a)×22.4×10となる。) Next, using a hermetic pressure-resistant and heat-resistant container having an internal volume V of 0.2 (liter) and performing no pressure adjustment by replenishing nitrogen during the growth, the group III nitride single substance was obtained in the same manner as in Example 1. Crystals were produced. The temperature T1 when Ga and Na were weighed was 27 ° C. (300 K). In this case, V × (P / 1.01235 × 10 5 ) × (T1 / T)> (X / 2a) × 22.4 × 5 (where V = 0.2 (liter), T1 = 300K, The atomic weight of gallium a = 69.723, from Example 1, the atmospheric pressure during growth P = 50 × 1.01235 × 10 5 (Pa), the growth temperature T = 1123 K, the weight of gallium consumed X = 3 (g )). Here, according to Boyle-Charle's law, when the volume (0.2 liter) of nitrogen in the hermetic pressure-resistant heat-resistant container at the time of growth (50 atm, 1123 K) is converted to a volume at 1 atm, 300 K, about 2 .7 liters. In addition, as described above, the amount of nitrogen required to consume Ga3g (0.043 mol) in an atmosphere of 1 atm and 300 K is about 0.5 liter. Therefore, in the state where all of Ga3g has reacted, about 20% of nitrogen in the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is consumed, and the pressure at 850 ° C. (1123 K) in the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container is 40 atmospheres (40 × 1. 01325 × 10 5 Pa), and the pressure fluctuation is −20%. At 40 atmospheres at the end of growth and 50 atmospheres at the beginning of growth, the change in the amount of dissolved nitrogen was small, the change in the growth rate was also small, and uniform crystal growth could be realized. Naturally, when the growth is completed with 1.5 g of Ga consumption, the consumption of nitrogen is also halved, the pressure after the growth can be reduced to about 45 atm, and the pressure fluctuation during the growth is further increased. Since it can be made small, it is more preferable. (In this case, V × (P / 1.01235 × 10 5 ) × (T1 / T)> (X / 2a) × 22.4 × 10)

次に、内部体積Vが0.4(リットル)の密閉性耐圧耐熱容器を用い、育成途中の窒素の補充による圧力調整を行わなかったこと以外は実施例1と同様にしてIII族窒化物単結晶を製造した。GaおよびNaの秤量時の温度T1は、27℃(300K)とした。この場合、V×(P/1.01235×105)×(T1/T)>(X/2a)×22.4×10(ここで、V=0.4(リットル)、T1=300K、ガリウムの原子量a=69.723、実施例1より、育成時の雰囲気圧力P=50×1.01235×105(Pa)、育成温度T=1123K、消費されるガリウムの重量X=3(g))となる。ここで、ボイル−シャルルの法則により、育成時(50気圧、1123K)の密閉性耐圧耐熱容器内の窒素の体積(0.4リットル)を、1気圧、300Kでの体積に換算すると、約5.3リットルとなる。また、前述のとおり、1気圧、300Kの雰囲気下で、Ga3g(0.043モル)を消費するために必要とされる窒素量は、約0.5リットルである。そのため、Ga3gすべてが反応した状態において密閉性耐圧耐熱容器内の約10%の窒素が消費され、密閉性耐圧耐熱容器内の850℃(1123K)での圧力は、45気圧(45×1.01325×105Pa)程度となり、圧力変動は−10%となり、育成条件の変化をさらに小さくすることができた。 Next, using a hermetic pressure-resistant and heat-resistant container having an internal volume V of 0.4 (liter) and performing no pressure adjustment by replenishing nitrogen during the growth, a group III nitride single substance was obtained in the same manner as in Example 1. Crystals were produced. The temperature T1 when Ga and Na were weighed was 27 ° C. (300 K). In this case, V × (P / 1.01235 × 10 5 ) × (T1 / T)> (X / 2a) × 22.4 × 10 (where V = 0.4 (liter), T1 = 300K, The atomic weight of gallium a = 69.723, from Example 1, the atmospheric pressure during growth P = 50 × 1.01235 × 10 5 (Pa), the growth temperature T = 1123 K, the weight of gallium consumed X = 3 (g )). Here, according to Boyle-Charle's law, when the volume (0.4 liter) of nitrogen in the hermetic pressure-resistant heat-resistant container at the time of growth (50 atm, 1123 K) is converted to the volume at 1 atm, 300 K, about 5 .3 liters. In addition, as described above, the amount of nitrogen required to consume Ga3g (0.043 mol) in an atmosphere of 1 atm and 300 K is about 0.5 liter. Therefore, in the state where all of Ga3g has reacted, about 10% of nitrogen in the hermetic pressure and heat resistant container is consumed, and the pressure at 850 ° C. (1123 K) in the hermetic pressure and heat resistant container is 45 atm (45 × 1.01325). × 10 5 Pa) and the pressure fluctuation was −10%, and the change in the growth conditions could be further reduced.

さらに、Gaの消費量に対して、V×(P/1.01235×105)×(T1/T)>(X/2a)×22.4×10となるように密閉性耐圧耐熱容器の内部体積を設定するために、密閉性耐圧耐熱容器と原料ガス供給装置とを切り離す、またはそれらを接続する配管を閉じても、育成中の圧力変動を約10%に抑制することができ、安定な結晶成長が実現できた。 Further, the sealed pressure-resistant heat-resistant container is set such that V × (P / 1.01235 × 10 5 ) × (T1 / T)> (X / 2a) × 22.4 × 10 with respect to Ga consumption. Even if the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container and the raw material gas supply device are disconnected or the piping connecting them is closed to set the internal volume, pressure fluctuation during growth can be suppressed to about 10% and stable. Crystal growth was achieved.

図3の製造装置を用いて、III族窒化物単結晶を製造した。製造方法は、坩堝306に、W(タングステン)坩堝を用いたこと、III族元素にGa5gを、アルカリ金属にNa5gおよびLi0.04gを用いたこと、圧力調整器(図示せず)を10気圧(10×1.01325×105Pa)に設定し、原料ガスを原料ガス供給装置(図示せず)からステンレス容器305に供給したこと、および育成温度を830℃(1103K)、830℃(1103K)での窒素雰囲気圧力を20気圧(20×1.01325×105Pa)としたこと以外は実施例1と同様とした。なお、本実施例では、接続配管315に取り付けられた回転機構314により、ステンレス容器305のみが揺動される。 A group III nitride single crystal was produced using the production apparatus of FIG. The manufacturing method used W (tungsten) crucible for crucible 306, Ga5g for group III element, Na5g and Li0.04g for alkali metal, and pressure regulator (not shown) at 10 atm ( 10 × 1.01325 × 10 5 Pa), the raw material gas was supplied to the stainless steel container 305 from the raw material gas supply device (not shown), and the growth temperatures were 830 ° C. (1103 K) and 830 ° C. (1103 K). The same procedure as in Example 1 was conducted except that the nitrogen atmosphere pressure at 20 atm was 20 atm (20 × 1.01325 × 10 5 Pa). In this embodiment, only the stainless steel container 305 is swung by the rotation mechanism 314 attached to the connection pipe 315.

成長時間40時間に対して2mm厚の結晶を成長させることができた。成長レートとしても60〜70μm/時間の高速成長を実現することができた。   A 2 mm thick crystal could be grown for a growth time of 40 hours. As a growth rate, high-speed growth of 60 to 70 μm / hour could be realized.

なお、図3の製造装置に代えて、図12の製造装置を用いることで、ステンレス容器305をより安定に回転させることができ、また、前記ステンレス容器305を密閉性耐圧耐熱容器回転機構316としっかりと固定することが可能なため、反転運動も行いやすかった。また、図3の製造装置に代えて、図13の製造装置を用いることで、さらに、前記密閉性耐圧耐熱容器で消費される原料ガスを補給することが可能となった。   Note that the stainless steel container 305 can be rotated more stably by using the manufacturing apparatus of FIG. 12 instead of the manufacturing apparatus of FIG. Because it was possible to fix firmly, it was easy to perform the reversal movement. Further, by using the manufacturing apparatus of FIG. 13 instead of the manufacturing apparatus of FIG. 3, it is possible to replenish the raw material gas consumed in the hermetic pressure and heat resistant container.

本実施例では、加圧原料ガスを原料液に溶解させるため、気液界面で不均一な核発生が生じやすい。本発明の攪拌の目的は、原料ガスと接する気液界面から原料液の内部に向かって流れが生じるように原料液を攪拌することである。回転運度により、効率よく原料液を攪拌するためには、原料液を保持する容器、すなわち坩堝内部に原料液の内部に向かって流れが生じるような機構を取り付けることが好ましい。   In this embodiment, since the pressurized source gas is dissolved in the source liquid, non-uniform nucleation is likely to occur at the gas-liquid interface. The purpose of the stirring of the present invention is to stir the raw material liquid so that a flow is generated from the gas-liquid interface in contact with the raw material gas toward the inside of the raw material liquid. In order to efficiently stir the raw material liquid based on the rotational mobility, it is preferable to attach a mechanism for generating a flow toward the inside of the raw material liquid in the container that holds the raw material liquid, that is, the crucible.

そこで、例えば、さらに、坩堝に前述の図11に示した3つの機構を取り付けることで、気液界面から原料液の内部に向う流れを形成することができた。これにより、気液界面での不均一な核発生を抑制することが可能となった。   Therefore, for example, by further attaching the three mechanisms shown in FIG. 11 to the crucible, a flow from the gas-liquid interface toward the inside of the raw material liquid could be formed. This makes it possible to suppress non-uniform nucleation at the gas-liquid interface.

具体的には、前記機構を有しない製造装置では、850℃、50気圧(50×1.01325×105Pa)の成長条件で、気液界面および坩堝内壁面に不均一な核発生が生じたのに対し、図11に示した3つの機構を設けることで、850℃、50気圧(50×1.01325×105Pa)の成長条件でも不均一な核発生が生じず、50μm/時間以上の成長レートを得ることができた。 Specifically, in a manufacturing apparatus that does not have the above mechanism, non-uniform nucleation occurs at the gas-liquid interface and the inner wall surface of the crucible under the growth conditions of 850 ° C. and 50 atm (50 × 1.01325 × 10 5 Pa). On the other hand, by providing the three mechanisms shown in FIG. 11, non-uniform nucleation does not occur even under growth conditions of 850 ° C. and 50 atm (50 × 1.01325 × 10 5 Pa), and 50 μm / hour. The above growth rate was obtained.

図4の製造装置を用いて、III族窒化物単結晶を製造した。製造方法は、密閉性耐圧耐熱容器401にインコネル容器を用いたこと、坩堝402にアルミナ坩堝を用いたこと、III族元素にGa5gを、アルカリ金属にNa5gを用いたこと、アルカリ土類金属であるCa0.05gを用いたこと、テンプレートにサファイア基板上に厚み10μmのGaN半導体層を有するテンプレートを用いたこと、および育成温度を850℃(1123K)、850℃(1123K)での窒素雰囲気圧力を20気圧(20×1.01325×105Pa)としたこと以外は実施例1と同様とした。なお、本実施例では、インコネル容器401と原料ガス供給装置405とをフレキシブルパイプ408を用いて接続部分404で接続し、フレキシブルパイプ408は1000気圧(1000×1.01325×105Pa)にも対応した設計となっているため、接続部分404でインコネル容器401と原料ガス供給装置405とを切り離さずとも、インコネル容器401を揺動させながら育成することが可能であった。 A group III nitride single crystal was produced using the production apparatus of FIG. The manufacturing method is the use of an Inconel container for the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container 401, an alumina crucible for the crucible 402, Ga5g for the group III element, Na5g for the alkali metal, and an alkaline earth metal. The use of Ca 0.05 g, the use of a template having a GaN semiconductor layer having a thickness of 10 μm on the sapphire substrate, and the nitrogen atmosphere pressure at a growth temperature of 850 ° C. (1123 K) and 850 ° C. (1123 K) are 20 It was the same as that of Example 1 except having set it as atmospheric | air pressure (20 * 1.01325 * 10 < 5 > Pa). In this embodiment, the Inconel container 401 and the source gas supply device 405 are connected by a connecting portion 404 using a flexible pipe 408, and the flexible pipe 408 is also 1000 atm (1000 × 1.01325 × 10 5 Pa). Because of the corresponding design, it was possible to grow the Inconel container 401 while swinging without disconnecting the Inconel container 401 and the source gas supply device 405 at the connection portion 404.

成長時間30時間に対して2mm厚の結晶を成長させることができた。坩堝を揺動させ、原料液を攪拌し、窒素を効率よく溶解させているため、窒素溶解時間は10時間以内に短縮でき、成長レートとしても100μm/時間程度を実現することができた。本実施例では、密閉性耐圧耐熱容器の材質としてインコネルを用いたので、電気炉内の雰囲気を空気としたが、密閉性耐圧耐熱容器の腐食はほとんど観測されなかった。なお、好ましくは、電気炉内の雰囲気を不活性ガスとすることで、密閉性耐圧耐熱容器の再利用の回数を向上させることができる。密閉性耐圧耐熱容器の代替材質として、ハステロイやインコロイなどを用い、同様に電気炉内の雰囲気を空気としても、腐食はほとんど観測されなかった。   A 2 mm thick crystal could be grown for a growth time of 30 hours. Since the crucible was swung and the raw material solution was stirred to dissolve nitrogen efficiently, the nitrogen dissolution time could be shortened within 10 hours, and the growth rate could be about 100 μm / hour. In this example, since Inconel was used as the material of the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container, the atmosphere in the electric furnace was air, but almost no corrosion of the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container was observed. In addition, Preferably, the frequency | count of reuse of a hermetic pressure | voltage resistant heat-resistant container can be improved by making the atmosphere in an electric furnace into inert gas. Corrosion was hardly observed even when Hastelloy or Incoloy was used as an alternative material for the hermetic pressure and heat resistant container and the atmosphere in the electric furnace was similarly air.

図5の製造装置を用いて、III族窒化物単結晶を製造した。製造方法には、図7に示す方法を用いた。密閉性耐圧耐熱容器501には、ステンレス容器を用いた。III族元素701には、Gaを、テンプレート702には、サファイア基板上にAlNで表される半導体層を有するテンプレートを、フラックス原料703には、液状のナトリウムを用いた。   A group III nitride single crystal was produced using the production apparatus of FIG. As a manufacturing method, the method shown in FIG. 7 was used. A stainless steel container was used as the hermetic pressure and heat resistant container 501. Ga was used for the group III element 701, a template having a semiconductor layer represented by AlN on a sapphire substrate was used for the template 702, and liquid sodium was used for the flux material 703.

次に、育成温度に昇温することにより原料液を坩堝内に形成し、育成炉508を矢印の方向に揺動させて、III族窒化物半導体の単結晶を生成した。単結晶の成長終了後、300℃(573K)まで原料液を温度降下させ、原料液を抽出することで、冷却時に原料液が合金化して、形成された単結晶が破損することを回避することができた。   Next, the raw material liquid was formed in the crucible by raising the temperature to the growth temperature, and the growth furnace 508 was swung in the direction of the arrow to produce a group III nitride semiconductor single crystal. After the growth of the single crystal, the temperature of the raw material liquid is lowered to 300 ° C. (573 K), and the raw material liquid is extracted to avoid the alloying of the raw material liquid during cooling and damaging the formed single crystal. I was able to.

図4の製造装置を用いて、III族窒化物単結晶を製造した。製造方法には、図10に示す方法を用いた。密閉性耐圧耐熱容器401には、ステンレス容器を、坩堝402(1001)には、アルミナ坩堝を用いた。III族元素には、Ga40gを、アルカリ金属には、Na50gを用いた。テンプレート1003には、サファイア基板上に厚み10μmのGaN半導体層を有するテンプレートを用いた。図10(a)に示すように、5枚の前記テンプレート1003を、坩堝1001の底面に対して垂直に設置した。   A group III nitride single crystal was produced using the production apparatus of FIG. As a manufacturing method, the method shown in FIG. 10 was used. A stainless steel container was used as the hermetic pressure and heat resistant container 401, and an alumina crucible was used as the crucible 402 (1001). 40 g of Ga was used for the Group III element, and 50 g of Na was used for the alkali metal. As the template 1003, a template having a GaN semiconductor layer having a thickness of 10 μm on a sapphire substrate was used. As shown in FIG. 10A, the five templates 1003 were installed perpendicular to the bottom surface of the crucible 1001.

次に、育成温度に昇温することにより原料液を坩堝内に形成し、育成炉406を矢印の方向に揺動させて、III族窒化物半導体の単結晶を生成した。前記育成温度を850℃(1123K)、850℃(1123K)での窒素雰囲気圧力を35気圧(35×1.01325×105Pa)とした。 Next, the raw material liquid was formed in the crucible by raising the temperature to the growth temperature, and the growth furnace 406 was swung in the direction of the arrow to produce a group III nitride semiconductor single crystal. The growth temperature was 850 ° C. (1123 K), and the nitrogen atmosphere pressure at 850 ° C. (1123 K) was 35 atm (35 × 1.01325 × 10 5 Pa).

50時間定温定圧で成長させた後、室温まで温度を下げて、テンプレートを取り出したところ、テンプレート上に2mm厚のGaN単結晶を成長でき、テンプレートおよびGaN単結晶には割れやひびなどは観測されなかった。   After growing at constant temperature and constant pressure for 50 hours, the temperature was lowered to room temperature and the template was taken out. As a result, a 2 mm thick GaN single crystal could be grown on the template, and cracks and cracks were observed on the template and GaN single crystal. There wasn't.

以上説明したように、本発明によれば、原料液の攪拌が容易になり、窒素の溶解が促進され、高品質で低コストな基板を提供できる。   As described above, according to the present invention, the stirring of the raw material liquid is facilitated, the dissolution of nitrogen is promoted, and a high-quality and low-cost substrate can be provided.

本発明の製造装置の構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the manufacturing apparatus of this invention. 本発明の製造方法の工程の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the process of the manufacturing method of this invention. 本発明の製造装置の構成のその他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of a structure of the manufacturing apparatus of this invention. 本発明の製造装置の構成のさらにその他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the further another example of a structure of the manufacturing apparatus of this invention. 本発明の製造装置の構成のさらにその他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the further another example of a structure of the manufacturing apparatus of this invention. 本発明の原料液の攪拌工程の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the stirring process of the raw material liquid of this invention. 本発明の製造方法の工程のその他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the process of the manufacturing method of this invention. 従来の製造装置の構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the conventional manufacturing apparatus. 従来の製造方法の工程の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the process of the conventional manufacturing method. 本発明の製造方法の工程のさらにその他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the further another example of the process of the manufacturing method of this invention. 本発明の原料液の攪拌用の機構の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of the mechanism for stirring of the raw material liquid of this invention. 本発明の製造装置の構成のさらにその他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the further another example of a structure of the manufacturing apparatus of this invention. 本発明の製造装置の構成のさらにその他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the further another example of a structure of the manufacturing apparatus of this invention. 本発明の密閉性耐圧耐熱容器回転機構の構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the airtight pressure | voltage resistant heat-resistant container rotation mechanism of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101、405、801 原料ガス供給装置
102、318、407、802 圧力調整器
103、305、401、501、803 密閉性耐圧耐熱容器
104、309、406、508、804 育成炉
105、109、307、403、409、503、807 ストップバルブ
106、410、808 リーク弁
107、306、402、502、601、805、901、1001、1101 坩堝
108、313、505 切り離し部分
110、308、404 接続部分
111、310、411、509 断熱材
112、311、412、510 ヒータ
113、312、413、511 熱電対
114、806 接続パイプ
115、205、315、414 接続配管
201、701 III族元素
202 アルカリ金属
203、603、702、902、1003、1105 テンプレート
204 上蓋
314 回転機構
316 密閉性耐圧耐熱容器回転機構
317 補助タンク装置
318 波板
408 フレキシブルパイプ
504 注入用パイプ
506、602、903、1002、1104 原料液
507 抽出用パイプ
703 フラックス原料
1102 蓋
1103 攪拌羽根
1106 じゃま板
1107 螺旋状の突起
101, 405, 801 Source gas supply devices 102, 318, 407, 802 Pressure regulators 103, 305, 401, 501, 803 Sealing pressure and heat resistant containers 104, 309, 406, 508, 804 Growth furnaces 105, 109, 307, 403, 409, 503, 807 Stop valve 106, 410, 808 Leak valve 107, 306, 402, 502, 601, 805, 901, 1001, 1101 Crucible 108, 313, 505 Disconnection part 110, 308, 404 Connection part 111, 310, 411, 509 Heat insulating material 112, 311, 412, 510 Heater 113, 312, 413, 511 Thermocouple 114, 806 Connection pipe 115, 205, 315, 414 Connection pipe 201, 701 Group III element 202 Alkali metal 203, 603 , 702, 90 2, 1003, 1105 Template 204 Upper lid 314 Rotating mechanism 316 Sealing pressure and heat resistant container rotating mechanism 317 Auxiliary tank device 318 Corrugated plate 408 Flexible pipe 504 Injection pipe 506, 602, 903, 1002, 1104 Raw material liquid 507 Extraction pipe 703 Flux Raw material 1102 Lid 1103 Stir blade 1106 Baffle plate 1107 Spiral projection

Claims (42)

原料ガスと原料液とを反応させて化合物単結晶を成長させる化合物単結晶の製造方法であって、前記原料液において、前記原料ガスと接する気液界面から前記原料液の内部に向かって流れが生じるように、前記原料液を攪拌しながら前記単結晶を成長させることを特徴とする製造方法。 A method for producing a compound single crystal, in which a raw material gas and a raw material liquid are reacted to grow a compound single crystal, wherein the flow of the raw material liquid from the gas-liquid interface in contact with the raw material gas toward the inside of the raw material liquid A production method characterized in that the single crystal is grown while stirring the raw material solution so as to occur. 加熱装置と、前記加熱装置の内部で加熱する密閉性耐圧耐熱容器とを有する単結晶製造装置を準備し、前記容器中に前記化合物単結晶の原料ガスおよびその他の原料を入れて加圧雰囲気下で密閉し、その容器を前記加熱装置に収納し、前記加熱装置によって前記容器を加熱し前記その他の原料を液状にして原料液を調整し、この状態で前記原料液を攪拌しながら前記原料ガスと前記原料液とを反応させて単結晶を成長させる請求項1記載の製造方法。 A single crystal manufacturing apparatus having a heating device and a hermetic pressure-resistant heat-resistant container that heats inside the heating device is prepared, and the compound single crystal source gas and other raw materials are placed in the container under a pressurized atmosphere. The container is housed in the heating device, the container is heated by the heating device to make the other raw materials liquid, and a raw material liquid is prepared. In this state, the raw material gas is stirred while stirring the raw material liquid The manufacturing method according to claim 1, wherein a single crystal is grown by reacting the raw material liquid with the raw material liquid. 前記容器を揺動することにより前記原料液を攪拌しながら前記原料ガスと前記原料液とを反応させて単結晶を成長させる請求項2記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 2, wherein the single crystal is grown by reacting the raw material gas and the raw material liquid while stirring the raw material liquid by swinging the container. 前記加熱装置を揺動することにより前記容器も揺動させる請求項3記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 3, wherein the container is also rocked by rocking the heating device. 前記容器内に坩堝が設置され、前記坩堝内部および内壁面の少なくとも一方が、下記の(A)、(B)、(C)および(D)からなる群から選択される少なくとも一つを有することを特徴とする請求項2から4のいずれかに記載の製造方法。
(A)攪拌羽根
(B)じゃま板
(C)テンプレート
(D)螺旋状の突起
A crucible is installed in the container, and at least one of the inside of the crucible and the inner wall surface has at least one selected from the group consisting of the following (A), (B), (C) and (D). The manufacturing method according to claim 2, wherein:
(A) Stirrer blade (B) Baffle plate (C) Template (D) Spiral protrusion
前記揺動が、移動運動、直線的な反復運動、振り子状反復運動、回転運動およびこれらの組み合わせ運動からなる群から選択される少なくとも一つの運動である請求項3から5のいずれかに記載の製造方法。 The said rocking | fluctuation is at least 1 motion selected from the group which consists of a moving motion, a linear repetitive motion, a pendulum-like repetitive motion, a rotational motion, and these combined motion. Production method. 前記その他の原料が、フラックス原料を含む請求項2から6のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 2, wherein the other raw material includes a flux raw material. 前記単結晶製造装置が、さらに原料ガス供給装置を有し、前記その他の原料が入れられた前記容器に前記原料ガス供給装置を接続して前記原料ガスを供給し、供給終了後、前記容器から前記原料ガス供給装置を切り離し、その後、前記容器を揺動する請求項3または4記載の製造方法。 The single crystal manufacturing apparatus further includes a raw material gas supply device, connects the raw material gas supply device to the container in which the other raw materials are placed, supplies the raw material gas, and after the supply ends, from the container The manufacturing method of Claim 3 or 4 which cut | disconnects the said raw material gas supply apparatus, and rocks the said container after that. 前記容器を加熱して前記その他の原料を液状にし、かつ前記容器内の圧力を調整した後、前記容器から前記原料ガス供給装置を切り離す請求項8記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 8, wherein the raw material gas supply device is separated from the container after the container is heated to liquefy the other raw materials and adjust the pressure in the container. 単結晶の生成後の前記容器内の前記原料ガスの圧力が減少している請求項2記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 2, wherein the pressure of the source gas in the container after the generation of the single crystal is reduced. 前記単結晶製造装置が、さらに原料ガス供給用の補助タンク装置を有し、前記補助タンク装置と前記容器とが接続されている請求項2から5のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 2, wherein the single crystal manufacturing apparatus further includes an auxiliary tank device for supplying a source gas, and the auxiliary tank device and the container are connected. 前記単結晶製造装置が、さらに原料ガス供給装置を有し、前記原料ガス供給装置と前記容器とが、フレキシブルパイプによって接続され、前記原料ガス供給装置と前記容器とを切り離すことなく、前記容器を揺動する請求項3記載の製造方法。 The single crystal manufacturing apparatus further includes a raw material gas supply device, the raw material gas supply device and the container are connected by a flexible pipe, and the container is disposed without separating the raw material gas supply device and the container. The manufacturing method of Claim 3 which rocks. 前記原料ガスが、窒素およびアンモニアの少なくとも一方を含有し、前記その他の原料が、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムからなる群から選択される少なくとも一つのIII族元素とフラックス原料を含み、前記原料液中で生成される単結晶が、III族窒化物単結晶である請求項1から12のいずれかに記載の製造方法。 The source gas contains at least one of nitrogen and ammonia, and the other source material includes at least one group III element selected from the group consisting of gallium, aluminum, and indium and a flux source, in the source solution The production method according to any one of claims 1 to 12, wherein the produced single crystal is a group III nitride single crystal. 前記フラックス原料が、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む請求項13記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 13, wherein the flux material contains at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal. 前記容器内に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦u+v≦1)で表される半導体層を有するテンプレートが、予め配置されている請求項13記載の製造方法。 A template having a semiconductor layer represented by a composition formula Al u Ga v In 1-uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ u + v ≦ 1) is placed in the container in advance. The manufacturing method according to claim 13. 前記容器内において、前記テンプレートの前記その他の原料液への浸漬が、加熱によって前記原料液を形成し、前記原料ガスを前記原料液に溶解した後に行われる請求項15記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 15, wherein the immersion of the template in the other raw material liquid is performed in the container after the raw material liquid is formed by heating and the raw material gas is dissolved in the raw material liquid. 前記容器内に坩堝が設置され、前記テンプレートが、板状テンプレートであり、前記坩堝の底面に略垂直に立てた状態で設置されている請求項15または16記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 15 or 16, wherein a crucible is installed in the container, and the template is a plate-like template, and is installed in a state of being substantially perpendicular to a bottom surface of the crucible. 前記原料液が、前記板状テンプレートに対して平行方向に移動するように前記容器を揺動する請求項17記載の製造方法。 18. The manufacturing method according to claim 17, wherein the container is swung so that the raw material liquid moves in a direction parallel to the plate template. 化合物単結晶の成長終了後、前記容器から、少なくとも前記フラックス原料を取り出す請求項7記載の製造方法。 The manufacturing method of Claim 7 which takes out at least the said flux raw material from the said container after completion | finish of the growth of a compound single crystal. 前記その他の原料液が、少なくともガリウムおよびナトリウムを含み、その加熱温度が、100℃(373K)以上である請求項19記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 19, wherein the other raw material liquid contains at least gallium and sodium, and a heating temperature thereof is 100 ° C. (373 K) or more. 前記加熱温度が、100℃(373K)に代えて300℃(573K)以上である請求項20記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 20, wherein the heating temperature is 300 ° C (573K) or more instead of 100 ° C (373K). 前記加熱温度が、100℃(373K)に代えて500℃(773K)以上である請求項20記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 20, wherein the heating temperature is 500 ° C (773K) or more instead of 100 ° C (373K). 前記III族窒化物単結晶の成長レートが、30μm/時間以上である請求項13記載の製造方法。 The method according to claim 13, wherein the growth rate of the group III nitride single crystal is 30 μm / hour or more. 前記III族窒化物単結晶の成長レートが、50μm/時間以上である請求項13記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 13, wherein the growth rate of the group III nitride single crystal is 50 μm / hour or more. 前記III族窒化物単結晶の成長レートが、100μm/時間以上である請求項13記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 13, wherein the growth rate of the group III nitride single crystal is 100 μm / hour or more. 前記容器内の前記原料ガスの圧力が、5気圧(5×1.01325×105Pa)以上1000気圧(1000×1.01325×105Pa)以下である請求項2記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 2, wherein the pressure of the source gas in the container is 5 atm (5 × 1.01325 × 10 5 Pa) or more and 1000 atm (1000 × 1.01325 × 10 5 Pa) or less. 前記加熱装置内に、不活性ガスが充填されている請求項2記載の製造方法。 The manufacturing method of Claim 2 with which the inert gas is filled in the said heating apparatus. 前記その他の原料中にガリウムが含まれる場合において、消費される前記ガリウムの重量X(g)および原子量a(=69.723)に対して、前記容器の内部体積をV(リットル)、育成(単結晶の生成)時の雰囲気圧力をP(Pa)、育成温度をT(K)、前記その他の原料の秤量時の温度をT1(K)としたとき、下記式(1)を満足する請求項2記載の製造方法。
V×(P/1.01325×105)×(T1/T)>(X/2a)×22.4×2 (1)
In the case where gallium is contained in the other raw materials, the internal volume of the container is increased to V (liter) with respect to the weight X (g) of the gallium consumed and the atomic weight a (= 69.723) ( Claims that satisfy the following formula (1), where P (Pa) is the atmospheric pressure during the production of the single crystal, T (K) is the growth temperature, and T1 (K) is the temperature at which the other raw materials are weighed. Item 3. The production method according to Item 2.
V × (P / 1.01325 × 10 5 ) × (T1 / T)> (X / 2a) × 22.4 × 2 (1)
前記式(1)に代えて、下記式(2)を満足する請求項28記載の製造方法。
V×(P/1.01325×105)×(T1/T)>(X/2a)×22.4×5 (2)
The manufacturing method according to claim 28, wherein the following formula (2) is satisfied instead of the formula (1).
V × (P / 1.01325 × 10 5 ) × (T1 / T)> (X / 2a) × 22.4 × 5 (2)
前記式(1)に代えて、下記式(3)を満足する請求項28記載の製造方法。
V×(P/1.01325×105)×(T1/T)>(X/2a)×22.4×10 (3)
The manufacturing method according to claim 28, wherein the following formula (3) is satisfied instead of the formula (1).
V × (P / 1.01325 × 10 5 ) × (T1 / T)> (X / 2a) × 22.4 × 10 (3)
前記単結晶製造装置において、前記加熱装置に収納される前記容器と前記加熱装置外部とをつなぐ配管が、前記原料液および前記その他の原料の少なくとも一方を凝集させにくい構造である請求項2記載の製造方法。 The said single crystal manufacturing apparatus WHEREIN: The piping which connects the said container accommodated in the said heating apparatus and the said heating apparatus exterior is a structure which is hard to aggregate at least one of the said raw material liquid and the said other raw material. Production method. 前記配管の内径が、3mm以下である請求項31記載の単結晶製造方法。 32. The method for producing a single crystal according to claim 31, wherein the inner diameter of the pipe is 3 mm or less. 前記配管の内径が、2mm以下である請求項31記載の単結晶製造方法。 32. The method for producing a single crystal according to claim 31, wherein an inner diameter of the pipe is 2 mm or less. 請求項2記載の製造方法に使用される単結晶製造装置であって、前記密閉性耐圧耐熱容器と、その内部に前記容器を収納する加熱装置と、前記容器を揺動する揺動装置とを含む単結晶製造装置。 3. The single crystal manufacturing apparatus used in the manufacturing method according to claim 2, wherein the hermetic pressure-resistant and heat-resistant container, a heating apparatus that houses the container therein, and a rocking device that rocks the container. Including single crystal manufacturing equipment. 前記加熱装置とともに前記容器が揺動する請求項34記載の単結晶製造装置。 35. The single crystal manufacturing apparatus according to claim 34, wherein the container swings together with the heating apparatus. 前記揺動が、移動運動、直線的な反復運動、振り子状反復運動、回転運動およびこれらの組み合わせ運動からなる群から選択される少なくとも一つの運動である請求項34または35記載の製造装置。 36. The manufacturing apparatus according to claim 34 or 35, wherein the oscillation is at least one movement selected from the group consisting of a movement movement, a linear repetitive movement, a pendulum repetitive movement, a rotational movement, and a combination movement thereof. 前記容器内に坩堝が設置され、前記坩堝内部および内壁面の少なくとも一方が、下記の(A)、(B)、(C)および(D)からなる群から選択される少なくとも一つを有することを特徴とする請求項34から36のいずれかに記載の単結晶製造装置。
(A)攪拌羽根
(B)じゃま板
(C)テンプレート
(D)螺旋状の突起
A crucible is installed in the container, and at least one of the inside of the crucible and the inner wall surface has at least one selected from the group consisting of the following (A), (B), (C) and (D). The single crystal manufacturing apparatus according to any one of claims 34 to 36.
(A) Stirrer blade (B) Baffle plate (C) Template (D) Spiral protrusion
前記容器が、一定温度に保持されるように前記加熱装置に収納されている請求項34から37のいずれかに記載の単結晶製造装置。 The single crystal manufacturing apparatus according to any one of claims 34 to 37, wherein the container is accommodated in the heating device so as to be maintained at a constant temperature. さらに、原料ガス供給装置を含む請求項34から37のいずれかに記載の単結晶製造装置。 The single crystal manufacturing apparatus according to any one of claims 34 to 37, further comprising a source gas supply apparatus. 前記容器と前記原料ガス供給装置とが、接続および切り離しが自在である請求項39記載の単結晶製造装置。 40. The single crystal manufacturing apparatus according to claim 39, wherein the container and the source gas supply apparatus are freely connectable and disconnectable. さらに、フレキシブルパイプを含み、これによって前記容器と前記原料ガス供給装置とが接続される請求項39記載の単結晶製造装置。 40. The single crystal manufacturing apparatus according to claim 39, further comprising a flexible pipe, whereby the container and the source gas supply apparatus are connected. さらに、原料ガス供給用の補助タンク装置を含み、前記補助タンク装置が前記容器と接続されている請求項34から37のいずれかに記載の単結晶製造装置。 The single crystal manufacturing apparatus according to any one of claims 34 to 37, further comprising an auxiliary tank device for supplying source gas, wherein the auxiliary tank device is connected to the container.
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