JP2006265069A - Reaction vessel for growing single crystal and method for growing single crystal - Google Patents
Reaction vessel for growing single crystal and method for growing single crystal Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006265069A JP2006265069A JP2005088563A JP2005088563A JP2006265069A JP 2006265069 A JP2006265069 A JP 2006265069A JP 2005088563 A JP2005088563 A JP 2005088563A JP 2005088563 A JP2005088563 A JP 2005088563A JP 2006265069 A JP2006265069 A JP 2006265069A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- single crystal
- reaction vessel
- nitride
- flux
- ceramic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、いわゆるNaフラックス法により単結晶を育成する方法およびこれに使用する反応容器に関するものである。 The present invention relates to a method for growing a single crystal by a so-called Na flux method and a reaction vessel used therefor.
窒化ガリウム薄膜結晶は、優れた青色発光素子として注目を集めており、発光ダイオードにおいて実用化され、光ピックアップ用の青紫色半導体レーザー素子としても期待されている。Naフラックス法によって窒化ガリウム単結晶を育成する方法としては、例えば、非特許文献1では、窒素のみの雰囲気を使用した場合には雰囲気圧力は50気圧であり、アンモニア40%、窒素60%の混合ガス雰囲気を用いた場合は、全圧は5気圧である。
また、例えば、特許文献1では、窒素とアンモニアの混合ガスを用いて10から100気圧としている。特許文献2でも、育成時の雰囲気圧力は100気圧以下であり、実施例では2、3、5MPa(約20気圧、30気圧、50気圧)である。また、いずれの従来技術においても、育成温度はすべて1000℃以下であり、実施例ではすべて850℃以下である。
また、窒化アルミニウムは、バンドギャップが6.2eVと大きく、熱伝導率が高いため、紫外領域の発光素子(LED、LD)用の基板材料として優れており、単結晶ウエハ製造技術の開発が望まれている。これまで、昇華法、HVPE法によるAlN単結晶の製造技術が提案されている。また、フラックス法(溶液法)でのAlNの製造技術が、特許文献3、非特許文献2に開示されている。特許文献3では、遷移金属をフラックスとして使用している。非特許文献2では、Ca3N2とAlN粉末とからAlN単結晶を得ている。
最近、Naを触媒に用いることによって、低温・低圧で高品質のバルク状窒化ガリウム単結晶を合成できることが報告されている(特許文献4)。この原料はガリウムとアジ化ナトリウムである。
また、特許文献5によれば、窒化ガリウムなどを育成する際のルツボとして、AlNやパイロリティックBNが開示されている。
本発明者は、例えばHIP装置を用いて、加圧状態で、上記文献にあるよりも高温領域で窒化ガリウム単結晶や窒化アルミニウム単結晶の育成を試みた。ここで、例えば反応温度が1000℃以上になると、フラックスを収容するアルミナルツボが膨潤、浸潤し、著しく劣化してくることが判明してきた。このようにルツボが膨潤、浸潤すると、ルツボの寿命が短く、またルツボを頻繁に交換することにより、HIP装置内の汚染を防止する必要もあると考えられる。また、ルツボの成分が原料融液中に溶出し、不純物として結晶中に取込まれることも懸念される。 The present inventor attempted to grow a gallium nitride single crystal or an aluminum nitride single crystal in a higher temperature region than that described in the above document under a pressurized state using, for example, an HIP apparatus. Here, for example, when the reaction temperature is 1000 ° C. or higher, it has been found that the alumina crucible containing the flux swells and infiltrates and deteriorates significantly. When the crucible swells and infiltrates in this way, the life of the crucible is short, and it is considered necessary to prevent contamination in the HIP device by frequently replacing the crucible. In addition, there is a concern that the crucible component elutes into the raw material melt and is taken into the crystal as an impurity.
本発明の課題は、アルカリまたはアルカリ土類金属を含むフラックスを使用して単結晶を育成するのに際して、高温で単結晶を育成した場合であっても、反応容器内のフラックスによる反応容器の膨潤や浸潤を防止できるようにすることである。 The object of the present invention is to swell the reaction vessel due to the flux in the reaction vessel even when the single crystal is grown at a high temperature when the single crystal is grown using a flux containing an alkali or alkaline earth metal. And to prevent infiltration.
本発明は、アルカリ金属とアルカリ土類金属との少なくとも一方を含むフラックスを使用して単結晶を育成するのに使用する反応容器であって、窒化チタンと窒化ジルコニウムとの一方または双方を主成分として含むセラミックスからなることを特徴とする、反応容器に係るものである。 The present invention is a reaction vessel used for growing a single crystal using a flux containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, and one or both of titanium nitride and zirconium nitride as a main component The present invention relates to a reaction vessel characterized by comprising ceramics contained as
また、本発明は、アルカリとアルカリ土類金属との少なくとも一方を含むフラックスを使用して単結晶を育成する方法であって、窒化チタンと窒化ジルコニウムとの一方または双方を主成分として含むセラミックスからなる反応容器内に前記フラックスを収容することを特徴とする、単結晶の育成方法に係るものである。 The present invention is also a method for growing a single crystal using a flux containing at least one of an alkali and an alkaline earth metal, from a ceramic containing one or both of titanium nitride and zirconium nitride as a main component. The present invention relates to a method for growing a single crystal, wherein the flux is accommodated in a reaction vessel.
本発明者は、アルカリとアルカリ土類金属との少なくとも一方を含むフラックスを使用して単結晶を育成するのに際して、窒化チタンと窒化ジルコニウムとの一方または双方を主成分として含むセラミックスからなる反応容器を使用すると、高温で単結晶を育成する際にも、フラックスによる反応容器の膨潤や浸潤が生じにくいことを見いだし、本発明に到達した。 The present inventor, when growing a single crystal using a flux containing at least one of an alkali and an alkaline earth metal, is a reaction vessel made of a ceramic containing one or both of titanium nitride and zirconium nitride as a main component. It was found that when a single crystal is used, the reaction vessel is less likely to swell or infiltrate due to the flux even when a single crystal is grown at a high temperature.
本発明に言う反応容器は、フラックスの液体や蒸気に対して接触する容器全般を意味しており、例えばルツボ、圧力容器、ルツボを収容する外側反応容器を含む概念である。本発明は、フラックスを直接に収容して溶融させるためのルツボに適用したときに特に効果的である。 The reaction container referred to in the present invention means all containers that come into contact with a flux liquid or vapor, and is a concept including, for example, a crucible, a pressure container, and an outer reaction container that accommodates the crucible. The present invention is particularly effective when applied to a crucible for directly containing and melting a flux.
反応容器を構成する窒化物は、単結晶でもよく、あるいは粉末焼結体であってもよい。粉末焼結体の場合には,窒化チタン粉末、窒化ジルコニウム粉末、あるいは窒化チタン粉末と窒化ジルコニウム粉末との混合粉末を原料粉末とし、焼結することによって粉末焼結体を得る。 The nitride constituting the reaction vessel may be a single crystal or a powder sintered body. In the case of a powder sintered body, a titanium nitride powder, a zirconium nitride powder, or a mixed powder of a titanium nitride powder and a zirconium nitride powder is used as a raw material powder, and a powder sintered body is obtained by sintering.
この際、原料粉末の粒度が0.2μm以上、3μm以下であることが、フラックスに対する耐蝕性の点で特に好ましく、この観点からは、原料粉末の粒度を0.5μm以上、2μm以下とすることが更に好ましい。 At this time, the particle size of the raw material powder is particularly preferably 0.2 μm or more and 3 μm or less from the viewpoint of corrosion resistance to the flux. From this viewpoint, the particle size of the raw material powder is 0.5 μm or more and 2 μm or less. Is more preferable.
また、反応容器を構成するセラミックスのヤング率は、200GPa以上であることが好ましく、300GPa以上であることが更に好ましい。これによって、反応容器の耐久性が一層向上する。
また、窒化物の相対密度は特に限定されないが、フラックスに対する耐蝕性の観点からは、96%以上であることが好ましく、97%以上であることが更に好ましい。
Further, the Young's modulus of the ceramic constituting the reaction vessel is preferably 200 GPa or more, and more preferably 300 GPa or more. This further improves the durability of the reaction vessel.
The relative density of the nitride is not particularly limited, but is preferably 96% or more and more preferably 97% or more from the viewpoint of corrosion resistance to the flux.
また、反応容器を構成するセラミックスは、窒化ジルコニウムを主成分として含有する場合と、窒化チタンを主成分として含有する場合と、窒化チタンおよび窒化ジルコニウムを主成分として含有する場合がある。窒化ジルコニウム、窒化チタン以外の他の成分も、本発明の反応容器のアルカリ金属またはアルカリ土類金属フラックスに対する耐蝕性に影響を及ぼさない範囲で添加することが可能である。このような他の成分としては イットリアなどの希土類酸化物を例示できる。また、反応容器を構成するセラミックスは、窒化ジルコニウム、窒化チタンの一方または双方を主成分として含有する。これら主成分の比率(双方を含む場合にはその合計値)は、80重量%以上であることが好ましく、90重量%以上であることが更に好ましく、95重量%以上であることが最も好ましい。また、他の成分の比率は、10重量%以下とすることが好ましく、5重量%以下とすることが更に好ましい。 In addition, the ceramic constituting the reaction vessel may contain zirconium nitride as a main component, titanium nitride as a main component, or titanium nitride and zirconium nitride as main components. Components other than zirconium nitride and titanium nitride can also be added within a range that does not affect the corrosion resistance of the reaction vessel of the present invention to an alkali metal or alkaline earth metal flux. Examples of such other components include rare earth oxides such as yttria. The ceramics constituting the reaction vessel contain one or both of zirconium nitride and titanium nitride as a main component. The ratio of these main components (the total value when both are included) is preferably 80% by weight or more, more preferably 90% by weight or more, and most preferably 95% by weight or more. The ratio of other components is preferably 10% by weight or less, and more preferably 5% by weight or less.
窒化物の製造方法は特に限定されない。例えば原料粉末を混合し、成形する。この成形方法としては一軸プレス法、コールドアイソスタティックプレス法、キャスティング法を例示できる。また、成形時にはPVA(ポリビニルアルコール)、PVB(ポリビニルブチラール)のようなバインダーを使用することもできる。 The method for producing nitride is not particularly limited. For example, raw material powders are mixed and molded. Examples of this forming method include a uniaxial pressing method, a cold isostatic pressing method, and a casting method. Also, a binder such as PVA (polyvinyl alcohol) or PVB (polyvinyl butyral) can be used at the time of molding.
成形工程後に脱脂を行うこともできる。脱脂温度は特に限定されないが、例えば300℃以上、更には400℃以上とすることもできる。また、脱脂温度の上限は特にないが、600℃以下、更には500℃以下とすることもできる。 Degreasing can also be performed after the molding step. The degreasing temperature is not particularly limited, but may be, for example, 300 ° C. or higher, and further 400 ° C. or higher. The upper limit of the degreasing temperature is not particularly limited, but may be 600 ° C. or lower, and further 500 ° C. or lower.
焼成方法は特に限定されず、還元性雰囲気下での常圧焼結やホットプレス、ホットアイソスタティックプレス法、放電プラズマ焼結を例示できる。焼成温度は限定されず、例えば1700〜2000℃とすることもできる。 The firing method is not particularly limited, and examples thereof include atmospheric pressure sintering, hot pressing, hot isostatic pressing, and discharge plasma sintering in a reducing atmosphere. The firing temperature is not limited, and can be 1700 to 2000 ° C., for example.
好適な実施形態においては、フラックスを収容したルツボを圧力容器内に収容し、熱間等方圧プレス装置を用いて高圧下で加熱する。このルツボは、本発明のセラミックス材料によって形成できる。この際には、窒素を含む雰囲気ガスを所定圧力に圧縮し、圧力容器内に供給し、圧力容器内の全圧および窒素分圧を制御する。 In a preferred embodiment, the crucible containing the flux is housed in a pressure vessel and heated under high pressure using a hot isostatic press. This crucible can be formed of the ceramic material of the present invention. At this time, the atmospheric gas containing nitrogen is compressed to a predetermined pressure, supplied into the pressure vessel, and the total pressure and the nitrogen partial pressure in the pressure vessel are controlled.
ただし、例えばこのようなHIP装置を用いてNaフラックス法により例えば窒化ガリウム単結晶を育成した場合には、ヒーター、駆動機構、圧力容器の内壁の断熱材などに腐食が生じており、これがNaフラックスから発生したNa蒸気によることを確認した。好適な実施形態においては、このような圧力容器内の各部材の腐食を防止するために、ナトリウム蒸気吸収材を圧力容器の内側に設置する。 However, for example, when a gallium nitride single crystal is grown by the Na flux method using such a HIP apparatus, corrosion occurs in the heater, the drive mechanism, the heat insulating material of the inner wall of the pressure vessel, and the like. It was confirmed that this was due to Na vapor generated from. In a preferred embodiment, in order to prevent corrosion of each member in such a pressure vessel, a sodium vapor absorber is installed inside the pressure vessel.
好適な実施形態においては、ルツボを収容するための外側反応容器を圧力容器内に設け、外側反応容器内にアルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気吸収材を設ける。これによって、外側反応容器の外側に、ヒーター、断熱材などの腐食を受け易い部材を設置することができ、これらの部材の腐食防止の点で更に有利である。この外側反応容器は、本発明に従って前記窒化物で形成できる。 In a preferred embodiment, an outer reaction vessel for housing the crucible is provided in the pressure vessel, and an alkali metal or alkaline earth metal vapor absorber is provided in the outer reaction vessel. As a result, members that are susceptible to corrosion, such as heaters and heat insulating materials, can be installed outside the outer reaction vessel, which is further advantageous in terms of preventing corrosion of these members. This outer reaction vessel can be formed of the nitride according to the present invention.
また、好適な実施形態においては、ルツボと蓋との間の開口部から漏れ出た蒸気を、アルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気吸収材との接触に導くための排出路形成手段を設ける。これによって、ルツボから漏れ出たアルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気を確実に吸収材との接触に導くことができる。 Further, in a preferred embodiment, there is provided a discharge path forming means for guiding the vapor leaking from the opening between the crucible and the lid to contact with the alkali metal or alkaline earth metal vapor absorber. Thereby, the alkali metal or alkaline earth metal vapor leaking from the crucible can be surely guided to contact with the absorbent.
排出路形成部材の形態は特に限定されない。例えば、排出路成形部材を底のない容器とし、ルツボをこの無底容器内に収容し、無底容器と反応容器の底面との隙間からガスを逃がすことができる。また、排出路形成部材を有底容器とし、この有底容器中にルツボを収容し、有底容器の上面あるいは側面に一つあるいは複数の排出路を設け、各排出路の出口にアルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気吸収材を設置することができる。 The form of the discharge path forming member is not particularly limited. For example, the discharge channel forming member can be a container without a bottom, and a crucible can be accommodated in the bottomless container so that gas can escape from the gap between the bottomless container and the bottom surface of the reaction container. Further, the discharge path forming member is a bottomed container, a crucible is accommodated in the bottomed container, one or a plurality of discharge paths are provided on the upper surface or the side surface of the bottomed container, and an alkali metal or Alkaline earth metal vapor absorbers can be installed.
図1は、圧力容器内に設置するための外側反応容器16、排出路形成部材20、アルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気吸収材19およびルツボ25を概略的に示す断面図である。図2は、本発明において使用可能な単結晶の育成装置1を模式的に示す図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an
例えばHIP(熱間等方圧プレス)装置の圧力容器2中に、図1の反応容器16を収容すると、図2に模式的に示す状態となる。HIP(熱間等方圧プレス)装置の圧力容器2の中にジャケット3を固定し、ジャケット3内に反応容器16を設置する。外側反応容器16の中に、フラックスを構成する少なくともアルカリ金属またはアルカリ土類金属を含む原料を収容する。
For example, when the
圧力容器2の外部に、図示しない混合ガスボンベを設ける。混合ガスボンベ内には、所定組成の混合ガスが充填されており、この混合ガスを圧縮機によって圧縮して所定圧力とし、供給管10を通して圧力容器2内に矢印Bのように供給する。この雰囲気中の窒素は窒素源となり、アルゴンガス等の不活性ガスはアルカリ金属またはアルカリ土類金属の蒸発を抑制する。この圧力は、図示しない圧力計によって監視する。反応容器16の周囲にはヒーター4が設置されており、ルツボ内の育成温度を制御可能となっている。
A gas mixture cylinder (not shown) is provided outside the
図1に示すように、反応容器16は、反応容器本体17と蓋23とからなり、蓋23には、円形突出部23aが形成されている。蓋23を本体17にはめ合わせて外側反応容器16を形成する。反応容器16の空間18に排出路形成手段20が設置されている。本例の排出路形成手段20は無底容器であり、その中にルツボ25が収容されている。蓋22には、円形突起22aが形成されている。ルツボ25の内側空間24にはアルカリ金属またはアルカリ土類金属フラックス8と基板7とが収容される。
As shown in FIG. 1, the
アルカリ金属またはアルカリ土類金属フラックス8から発生したアルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気は、空間24から蓋とルツボ25との隙間を矢印Cのように抜け、ルツボ25と排出路形成手段20との間に形成された円筒形状の隙間28を矢印Dのように降下する。そして、このアルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気は、更に排出路形成手段20と反応容器本体17との隙間29を通って矢印Eのように上昇する。
The alkali metal or alkaline earth metal vapor generated from the alkali metal or alkaline earth metal flux 8 passes through the space between the lid and the
ここで、反応容器本体17と排出路形成手段20との間にアルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気吸収材19が設置されており、排出路形成手段に沿って排出されてきた蒸気が矢印Fのようにアルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気吸収材19との接触に導かれる。ここで排ガスからアルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気を吸収した後、ガスは矢印Gのように蓋23と反応容器本体17との隙間30を通り、矢印Hのように圧力容器2内へと放出される。
Here, an alkali metal or alkaline earth
アルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気吸収材の種類は特に限定されず、例えば以下のものであってよい。
材質: カーボン、活性炭、シリカゲル、ゼオライトなどの多孔体材料
形態: 綿状体、ファイバー、シート、顆粒状
The kind of alkali metal or alkaline earth metal vapor absorber is not particularly limited, and may be, for example, the following.
Material: Porous material such as carbon, activated carbon, silica gel, zeolite Form: Cotton, fiber, sheet, granule
本発明の育成方法および装置によって、例えば以下の単結晶を好適に育成できる。
窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素およびこれらの固溶体
For example, the following single crystals can be suitably grown by the growing method and apparatus of the present invention.
Gallium nitride, aluminum nitride, boron nitride and their solid solutions
また、フラックス中には、ナトリウム以外に以下の金属成分を含有させることができる。
リチウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、錫
Moreover, the following metal components can be contained in the flux in addition to sodium.
Lithium, potassium, rubidium, cesium, magnesium, calcium, strontium, barium, tin
本発明の反応容器内でのフラックスの反応温度は特に限定されない。しかし、反応温度が850℃以上のときに本発明の作用効果は特に顕著となる。この観点からは、反応温度は900℃以上とすることが好ましく、1000℃以上とすることが更に好ましい。この反応温度の上限は特にないが、反応容器の耐蝕性の観点からは、1500℃以下とすることが好ましく、1300℃以下とすることが更に好ましい。 The reaction temperature of the flux in the reaction container of the present invention is not particularly limited. However, when the reaction temperature is 850 ° C. or higher, the effects of the present invention are particularly remarkable. From this viewpoint, the reaction temperature is preferably 900 ° C. or higher, more preferably 1000 ° C. or higher. The upper limit of the reaction temperature is not particularly limited, but is preferably 1500 ° C. or less, more preferably 1300 ° C. or less, from the viewpoint of the corrosion resistance of the reaction vessel.
以下、更に具体的な単結晶およびその育成手順について例示する。
(窒化ガリウム単結晶の育成例)
本発明を利用し、少なくともナトリウム金属を含むフラックスを使用して窒化ガリウム単結晶を育成できる。このフラックスには、ガリウム原料物質を混合する。ガリウム原料物質としては、ガリウム単体金属、ガリウム合金、ガリウム化合物を適用できるが、ガリウム単体金属が取扱いの上からも好適である。
Hereinafter, more specific single crystals and their growth procedures will be exemplified.
(Gallium nitride single crystal growth example)
Using the present invention, a gallium nitride single crystal can be grown using a flux containing at least sodium metal. This flux is mixed with a gallium source material. As the gallium source material, a gallium simple metal, a gallium alloy, and a gallium compound can be applied, but a gallium simple metal is also preferable in terms of handling.
このフラックスには、ナトリウム以外の金属、例えばリチウムを含有させることができる。ガリウム原料物質とナトリウムなどのフラックス原料物質との使用割合は、適宜であってよいが、一般的には、Na過剰量を用いることが考慮される。もちろん、このことは限定的ではない。 This flux can contain metals other than sodium, such as lithium. The usage ratio of the gallium source material and the flux source material such as sodium may be appropriate, but in general, the use of an excess amount of Na is considered. Of course, this is not limiting.
この実施形態においては、窒素ガスを含む混合ガスからなる雰囲気下で、全圧300気圧以上、2000気圧以下の圧力下で窒化ガリウム単結晶を育成する。全圧を300気圧以上とすることによって、例えば900℃以上の高温領域において、更に好ましくは950℃以上の高温領域において、良質の窒化ガリウム単結晶を育成可能であった。この理由は、定かではないが、温度上昇に伴って窒素溶解度が上昇し、育成溶液に窒素が効率的に溶け込むためと推測される。また、雰囲気の全圧を2000気圧以上とすると、高圧ガスの密度と育成溶液の密度がかなり近くなるために、育成溶液をるつぼ内に保持することが困難になるために好ましくない。 In this embodiment, a gallium nitride single crystal is grown under an atmosphere composed of a mixed gas containing nitrogen gas under a total pressure of 300 atm or more and 2000 atm or less. By setting the total pressure to 300 atm or higher, a high-quality gallium nitride single crystal could be grown, for example, in a high temperature region of 900 ° C. or higher, more preferably in a high temperature region of 950 ° C. or higher. The reason for this is not clear, but it is presumed that the nitrogen solubility increases as the temperature rises and nitrogen is efficiently dissolved in the growing solution. Further, if the total pressure of the atmosphere is 2000 atmospheres or more, the density of the high-pressure gas and the density of the growth solution become very close, which is not preferable because it becomes difficult to hold the growth solution in the crucible.
好適な実施形態においては、育成時雰囲気中の窒素分圧を100気圧以上、2000気圧以下とする。この窒素分圧を100気圧以上とすることによって、例えば1000℃以上の高温領域において、フラックス中への窒素の溶解を促進し、良質の窒化ガリウム単結晶を育成可能であった。この観点からは、雰囲気の窒素分圧を200気圧以上とすることが更に好ましい。また、窒素分圧は実用的には1000気圧以下とすることが好ましい。 In a preferred embodiment, the nitrogen partial pressure in the growth atmosphere is set to 100 atm or more and 2000 atm or less. By setting the nitrogen partial pressure to 100 atm or higher, for example, in a high temperature region of 1000 ° C. or higher, dissolution of nitrogen into the flux was promoted, and a high-quality gallium nitride single crystal could be grown. From this viewpoint, it is more preferable that the nitrogen partial pressure of the atmosphere is 200 atm or more. Further, it is preferable that the nitrogen partial pressure is practically 1000 atm or less.
雰囲気中の窒素以外のガスは限定されないが、不活性ガスが好ましく、アルゴン、ヘリウム、ネオンが特に好ましい。窒素以外のガスの分圧は、全圧から窒素ガス分圧を除いた値である。 A gas other than nitrogen in the atmosphere is not limited, but an inert gas is preferable, and argon, helium, and neon are particularly preferable. The partial pressure of a gas other than nitrogen is a value obtained by subtracting the nitrogen gas partial pressure from the total pressure.
好適な実施形態においては、窒化ガリウム単結晶の育成温度は、950℃以上であり、1000℃以上とすることが更に好ましく、このような高温領域においても良質な窒化ガリウム単結晶が育成可能である。また、高温での育成が可能なことから、生産性を向上させ得る可能性がある。 In a preferred embodiment, the growth temperature of the gallium nitride single crystal is 950 ° C. or higher, more preferably 1000 ° C. or higher, and a high-quality gallium nitride single crystal can be grown even in such a high temperature region. . In addition, since it can be grown at a high temperature, there is a possibility that productivity can be improved.
窒化ガリウム単結晶の育成温度の上限は特にないが、育成温度が高すぎると結晶が成長しにくくなるので、1500℃以下とすることが好ましく、この観点からは、1200℃以下とすることが更に好ましい。 The upper limit of the growth temperature of the gallium nitride single crystal is not particularly limited, but if the growth temperature is too high, the crystal is difficult to grow. Therefore, the temperature is preferably 1500 ° C. or lower. preferable.
窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させるための育成用基板の材質は限定されないが、サファイア、AlNテンプレート、GaNテンプレート、シリコン単結晶、SiC単結晶、MgO単結晶、スピネル(MgAl2O4)、LiAlO2、LiGaO2、LaAlO3,LaGaO3,NdGaO3等のペロブスカイト型複合酸化物を例示できる。また組成式〔A1−y(Sr1−xBax)y〕〔(Al1−zGaz)1−u・Du〕O3(Aは、希土類元素である;Dは、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の元素である;y=0.3〜0.98;x=0〜1;z=0〜1;u=0.15〜0.49;x+z=0.1〜2)の立方晶系のペロブスカイト構造複合酸化物も使用できる。また、SCAM(ScAlMgO4)も使用できる。 The material of the growth substrate for epitaxially growing the gallium nitride crystal is not limited, but sapphire, AlN template, GaN template, silicon single crystal, SiC single crystal, MgO single crystal, spinel (MgAl 2 O 4 ), LiAlO 2 , LiGaO 2 , perovskite complex oxides such as LaAlO 3 , LaGaO 3 , and NdGaO 3 can be exemplified. The composition formula [A 1-y (Sr 1- x Ba x) y ] [(Al 1-z Ga z) 1-u · D u ] O 3 (A is a rare earth element; D is niobium and One or more elements selected from the group consisting of tantalum; y = 0.3-0.98; x = 0-1; z = 0-1; u = 0.15-0.49; x + z = 0 .1 to 2) cubic perovskite structure composite oxides can also be used. SCAM (ScAlMgO 4 ) can also be used.
(GaN、AlN単結晶の育成例)
本発明は、少なくともアルミニウムとアルカリ土類を含むフラックスを含む融液を特定の条件下で窒素含有雰囲気中で加圧することによって、AlN単結晶を育成する場合にも有効であることが確認できた。
(Growth example of GaN, AlN single crystal)
The present invention has been confirmed to be effective even when growing an AlN single crystal by pressurizing a melt containing a flux containing at least aluminum and an alkaline earth in a nitrogen-containing atmosphere under specific conditions. .
(実施例1)
図1、図2の装置を使用し、図1、図2を参照しつつ説明した前記手順に従って、種結晶7上に窒化ガリウム単結晶膜を育成した。
Example 1
A gallium nitride single crystal film was grown on the
具体的には、ヨークフレームタイプのHIP(熱間等方圧プレス)装置を使用した。この圧力容器2中に、図1に示すように、外側反応容器16、アルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気吸収材19、排出路形成手段20、ルツボ25、蓋22を設置した。
Specifically, a yoke frame type HIP (hot isostatic pressing) apparatus was used. As shown in FIG. 1, an
ルツボ25、蓋22は窒化チタンによって形成した。具体的には、粒度1〜1.5μmの窒化チタン粉末300gを直径100mm、高さ約110mmのペレットにプレス成形した。これに40KNの荷重をかけながら、窒素雰囲気中で1800℃に加熱し、2時間保持したところ、高さ約55mmの焼結体が得られた。この焼結体から外径φ90mm、高さ50mmのルツボを作製した。蓋も同様に作製したこれらを構成する窒化チタンの相対密度は97%であり、ヤング率は580GPaである。
The
直径2インチのAlNテンプレート7を種結晶として使用した。AlNテンプレートとはAlN単結晶エピタキシャル薄膜をサファイア単結晶基板上に作成したものを言う。このときのAlN薄膜の膜厚は1ミクロンとした。金属ガリウムと金属ナトリウムとを、mol比で27:73となるようにグローブボックス中で秤量し、ルツボ25内に入れた。窒素濃度が50%(残部アルゴン)の不活性混合ガスをボンベ12から供給し、圧縮機において40MPa(およそ400気圧)に加圧し、1100℃に加熱した。このときの窒素分圧はおよそ200気圧である。このガスを圧力容器中に供給した。このままで100時間保持した。
A 2 inch
この結果、厚さ約5mm、直径2インチのGaN単結晶が成長した。金属ナトリウムの蒸発はほとんど見られなかった。また、ルツボの内壁面には腐食や浸潤や膨潤の痕跡は見られなかった。 As a result, a GaN single crystal having a thickness of about 5 mm and a diameter of 2 inches grew. Little evaporation of metallic sodium was seen. Also, no traces of corrosion, infiltration or swelling were seen on the inner wall of the crucible.
(実施例2)
実施例1と同様にして単結晶を育成した。ただし、ルツボ25および蓋22を構成する材質は窒化ジルコニウムとした。具体的には、粒度1〜2μmの窒化ジルコニウム粉末 400gを直径100mm、高さ約110mmのペレットにプレス成形した。これに40KNの荷重をかけながら、窒素雰囲気中で1800℃に加熱し、2時間保持したところ、高さ約55mmの焼結体が得られた。この焼結体から外径φ90mm、高さ50mmのルツボを作製した。蓋も同様に作製した。これらを構成する窒化ジルコニウムの相対密度は97%であり、ヤング率は500GPaである。
(Example 2)
A single crystal was grown in the same manner as in Example 1. However, the material constituting the
この結果、厚さ約5mm、直径2インチのGaN単結晶が成長した。金属ナトリウムの蒸発はほとんど見られなかった。また、ルツボの内壁面には腐食や浸潤や膨潤の痕跡は見られなかった。 As a result, a GaN single crystal having a thickness of about 5 mm and a diameter of 2 inches grew. Little evaporation of metallic sodium was seen. Also, no traces of corrosion, infiltration or swelling were seen on the inner wall of the crucible.
(実施例3)
実施例1と同様にして単結晶を育成した。ただし、ルツボおよび蓋を構成する材質は、窒化チタンと窒化ジルコニウムとの混合セラミックスとした。具体的には、粒度1〜1.5μmの窒化チタン粉末150gと粒度1〜2μmの窒化ジルコニウム粉末200gとを直径100mm、高さ約110mmのペレットにプレス成形した。これに40KNの荷重をかけながら、窒素雰囲気中で1800℃に加熱し、4時間保持したところ、高さ約55mmの焼結体が得られた。この焼結体から外径φ90mm、高さ50mmのルツボを作製した。蓋も同様に作製した。これらを構成するセラミックスの相対密度は97%であり、ヤング率は540GPaである。
(Example 3)
A single crystal was grown in the same manner as in Example 1. However, the material constituting the crucible and the lid was a mixed ceramic of titanium nitride and zirconium nitride. Specifically, 150 g of titanium nitride powder having a particle size of 1 to 1.5 μm and 200 g of zirconium nitride powder having a particle size of 1 to 2 μm were press-molded into pellets having a diameter of 100 mm and a height of about 110 mm. This was heated to 1800 ° C. in a nitrogen atmosphere while applying a load of 40 KN, and kept for 4 hours. As a result, a sintered body having a height of about 55 mm was obtained. A crucible having an outer diameter of 90 mm and a height of 50 mm was produced from the sintered body. A lid was prepared in the same manner. The relative density of the ceramics constituting these is 97%, and the Young's modulus is 540 GPa.
この結果、厚さ約5mm、直径2インチのGaN単結晶が成長した。金属ナトリウムの蒸発はほとんど見られなかった。また、ルツボの内壁面には腐食や浸潤や膨潤の痕跡は見られなかった。 As a result, a GaN single crystal having a thickness of about 5 mm and a diameter of 2 inches grew. Little evaporation of metallic sodium was seen. Also, no traces of corrosion, infiltration or swelling were seen on the inner wall of the crucible.
(比較例1)
実施例1と同様にして単結晶を育成した。ただし、ルツボおよび蓋を構成する材質は窒化アルミニウムとした。具体的には、平均粒径1.4μmの窒化アルミニウム粉末を直径100mm、高さ約100mmのペレットにプレス成形した。これに40KNの荷重をかけながら、窒素雰囲気中で1800℃に加熱し、4時間保持したところ、高さ約55mmの焼結体が得られた。この焼結体から外径φ90mm、高さ50mmのルツボを作製した。蓋も同様に作製した。これらを構成する窒化アルミニウムの相対密度は97%であり、ヤング率は300GPaである。
(Comparative Example 1)
A single crystal was grown in the same manner as in Example 1. However, the material constituting the crucible and the lid was aluminum nitride. Specifically, aluminum nitride powder having an average particle size of 1.4 μm was press-molded into pellets having a diameter of 100 mm and a height of about 100 mm. This was heated to 1800 ° C. in a nitrogen atmosphere while applying a load of 40 KN, and kept for 4 hours. As a result, a sintered body having a height of about 55 mm was obtained. A crucible having an outer diameter of 90 mm and a height of 50 mm was produced from the sintered body. A lid was prepared in the same manner. The relative density of the aluminum nitride constituting them is 97%, and the Young's modulus is 300 GPa.
この結果、厚さ約5mm、直径2インチのGaN単結晶が成長した。金属ナトリウムの蒸発はほとんど見られなかった。また、ルツボの内壁面には膨潤の痕跡が見られ、セラミックス組織が少し膨らんでいた。 As a result, a GaN single crystal having a thickness of about 5 mm and a diameter of 2 inches grew. Little evaporation of metallic sodium was seen. Moreover, traces of swelling were seen on the inner wall surface of the crucible, and the ceramic structure was slightly swollen.
(実施例4)
実施例1と同様にしてAlN単結晶を育成した。本例では、Ga、Al、およびCaを含むフラックス原料をグローブボックス中で秤量した。秤量済の原料をルツボ25に充填した。ルツボおよび蓋は、実施例1と同様の窒化チタン焼結体から形成した。また、種結晶として、AlNテンプレート7(サファイア単結晶ウエハ上に厚さ1μmの窒化アルミニウム薄膜をエピタキシャル成長させたもの)を用いた。窒素−アルゴン混合ガス(窒素10%)を雰囲気として、所定の温度・圧力にて100時間保持した。
Example 4
An AlN single crystal was grown in the same manner as in Example 1. In this example, the flux raw material containing Ga, Al, and Ca was weighed in a glove box. The weighed raw material was filled in the
この結果,厚さ約1mmの窒化アルミニウム単結晶が、AlNテンプレート上に成長したことを確認した。 As a result, it was confirmed that an aluminum nitride single crystal having a thickness of about 1 mm was grown on the AlN template.
また、金属ナトリウムの蒸発はほとんど見られなかった。ルツボの内壁面には腐食や浸潤や膨潤の痕跡は見られなかった。 Moreover, almost no evaporation of metallic sodium was observed. There was no evidence of corrosion, infiltration or swelling on the inner wall of the crucible.
1 育成装置 2 圧力容器 7 種結晶 8 フラックス 10 供給管 16 反応容器 17 反応容器本体 19 アルカリ金属またはアルカリ土類金属蒸気吸収材 20 排出路形成部材 21 排出路 22 ルツボの蓋 23 蓋 25 ルツボ B 混合ガスの流れ C、D、E、F、G、H ガスの流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (10)
窒化チタンと窒化ジルコニウムとの一方または双方を主成分として含むセラミックスからなることを特徴とする、反応容器。 A reaction vessel used for growing a single crystal from a flux containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal,
A reaction vessel comprising a ceramic containing one or both of titanium nitride and zirconium nitride as a main component.
窒化チタンと窒化ジルコニウムとの一方または双方を主成分として含むセラミックスからなる反応容器内に前記フラックスを収容することを特徴とする、単結晶の育成方法。 A method for growing a single crystal from a flux containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal,
A method for growing a single crystal, wherein the flux is accommodated in a reaction vessel made of a ceramic containing one or both of titanium nitride and zirconium nitride as a main component.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005088563A JP5046490B2 (en) | 2005-03-25 | 2005-03-25 | Reaction vessel for single crystal growth and single crystal growth method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005088563A JP5046490B2 (en) | 2005-03-25 | 2005-03-25 | Reaction vessel for single crystal growth and single crystal growth method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006265069A true JP2006265069A (en) | 2006-10-05 |
JP5046490B2 JP5046490B2 (en) | 2012-10-10 |
Family
ID=37201414
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005088563A Expired - Fee Related JP5046490B2 (en) | 2005-03-25 | 2005-03-25 | Reaction vessel for single crystal growth and single crystal growth method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5046490B2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008099720A1 (en) * | 2007-02-15 | 2008-08-21 | Ngk Insulators, Ltd. | Melt composition for gallium nitride single crystal growth and method for growing gallium nitride single crystal |
JP2008266067A (en) * | 2007-04-19 | 2008-11-06 | Ngk Insulators Ltd | Method for producing aluminum nitride single crystal |
WO2010079655A1 (en) * | 2009-01-07 | 2010-07-15 | 日本碍子株式会社 | Reaction vessel for growing single crystal, and method for growing single crystal |
WO2010140665A1 (en) | 2009-06-04 | 2010-12-09 | 三菱化学株式会社 | Process and apparatus for production of crystals of compound of metal belonging to group-13 on periodic table |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11322430A (en) * | 1998-05-21 | 1999-11-24 | Japan Science & Technology Corp | Puroduction of titanium nitride sintered body |
JP2001064098A (en) * | 1999-08-24 | 2001-03-13 | Ricoh Co Ltd | Method and device for growing crystal, and group iii nitride crystal |
JP2003212696A (en) * | 2002-01-18 | 2003-07-30 | Ricoh Co Ltd | Method and apparatus for growing crystal of group iii nitride |
-
2005
- 2005-03-25 JP JP2005088563A patent/JP5046490B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11322430A (en) * | 1998-05-21 | 1999-11-24 | Japan Science & Technology Corp | Puroduction of titanium nitride sintered body |
JP2001064098A (en) * | 1999-08-24 | 2001-03-13 | Ricoh Co Ltd | Method and device for growing crystal, and group iii nitride crystal |
JP2003212696A (en) * | 2002-01-18 | 2003-07-30 | Ricoh Co Ltd | Method and apparatus for growing crystal of group iii nitride |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008099720A1 (en) * | 2007-02-15 | 2008-08-21 | Ngk Insulators, Ltd. | Melt composition for gallium nitride single crystal growth and method for growing gallium nitride single crystal |
US8657955B2 (en) | 2007-02-15 | 2014-02-25 | Ngk Insulators, Ltd | Melt composition for gallium nitride single crystal growth and method for growing gallium nitride single crystal |
JP2008266067A (en) * | 2007-04-19 | 2008-11-06 | Ngk Insulators Ltd | Method for producing aluminum nitride single crystal |
WO2010079655A1 (en) * | 2009-01-07 | 2010-07-15 | 日本碍子株式会社 | Reaction vessel for growing single crystal, and method for growing single crystal |
WO2010140665A1 (en) | 2009-06-04 | 2010-12-09 | 三菱化学株式会社 | Process and apparatus for production of crystals of compound of metal belonging to group-13 on periodic table |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5046490B2 (en) | 2012-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5177557B2 (en) | Nitride single crystal manufacturing equipment | |
US7670430B2 (en) | Method of recovering sodium metal from flux | |
US8568532B2 (en) | Method for growing single crystal of group III metal nitride and reaction vessel for use in same | |
US7833347B2 (en) | Process and apparatus for producing nitride single crystal | |
KR100914941B1 (en) | Container for easily oxidizable or hygroscopic substance, and method for heating and pressuring treatment of easily oxidizable or hygroscopic substance | |
EP1852528A1 (en) | Method and apparatus for aluminum nitride monocrystal boule growth | |
JP4968708B2 (en) | Method for producing nitride single crystal | |
US8486190B2 (en) | Process for producing single crystal | |
JP4919949B2 (en) | Method for growing single crystal and single crystal growing apparatus | |
JP5046490B2 (en) | Reaction vessel for single crystal growth and single crystal growth method | |
JP5337195B2 (en) | Nitride single crystal manufacturing equipment | |
US20110259261A1 (en) | Reaction vessel for growing single crystal and method for growing single crystal | |
US8657955B2 (en) | Melt composition for gallium nitride single crystal growth and method for growing gallium nitride single crystal | |
JP4876002B2 (en) | Melt composition for growing gallium nitride single crystal and method for growing gallium nitride single crystal | |
JP2007254206A (en) | Method for growing nitride single crystal | |
JP5496071B2 (en) | Method for regenerating reaction vessel for single crystal growth and method for growing single crystal | |
JP2007254201A (en) | Method for manufacturing single crystal |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071107 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100423 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101215 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110114 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120104 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120717 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120717 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150727 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5046490 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |