JP2006273593A - Method for growing group iii nitride crystal, and group iii nitride crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物の結晶成長方法およびIII族窒化物結晶に関する。 The present invention relates to a group III nitride crystal growth method and a group III nitride crystal.
現在、紫外、紫〜青〜緑色光源として用いられているInGaAlN系(III族窒化物)デバイスは、その殆どがサファイアあるいはSiC基板上に、MO−CVD法(有機金属化学気相成長法)やMBE法(分子線結晶成長法)等を用いた結晶成長により作製されている。 At present, most of InGaAlN-based (group III nitride) devices used as ultraviolet, purple-blue to green light sources are formed on a sapphire or SiC substrate by MO-CVD (metal organic chemical vapor deposition) or It is produced by crystal growth using the MBE method (molecular beam crystal growth method) or the like.
サファイアやSiCを基板として用いた場合の問題点としては、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなることが挙げられる。このためにデバイス特性が悪い、例えば発光デバイスの寿命を長くすることが困難であったり、動作電力が大きくなったりするという欠点につながっている。 As a problem when sapphire or SiC is used as a substrate, there is an increase in crystal defects caused by a large difference in thermal expansion coefficient and lattice constant from the group III nitride. For this reason, it leads to the fault that device characteristics are bad, for example, it is difficult to extend the lifetime of the light emitting device, or the operating power is increased.
更に、サファイア基板の場合には絶縁性であるために、従来の発光デバイスのように基板側からの電極取り出しが不可能であり、結晶成長した窒化物半導体表面側からの電極取り出しが必要となる。その結果、デバイス面積が大きくなり、高コストにつながるという問題点がある。また、サファイア基板上に作製したIII族窒化物半導体デバイスは、劈開によるチップ分離が困難であり、レーザダイオード(LD)で必要とされる共振器端面を劈開で得ることが容易ではない。このため、現在はドライエッチングによる共振器端面形成や、あるいはサファイア基板を100μm以下の厚さまで研磨した後に、劈開に近い形での共振器端面形成を行っている。この場合にも、従来のLDのような共振器端面とチップ分離を単一工程で、容易に行うことが不可能であり、工程の複雑化ひいてはコスト高につながる。 Furthermore, in the case of a sapphire substrate, since it is insulative, it is impossible to take out the electrode from the substrate side as in the conventional light emitting device, and it is necessary to take out the electrode from the nitride semiconductor surface side where the crystal has grown. . As a result, there is a problem that the device area becomes large, leading to high costs. Further, the group III nitride semiconductor device fabricated on the sapphire substrate is difficult to separate the chip by cleavage, and it is not easy to obtain the resonator end face required for the laser diode (LD) by cleavage. For this reason, at present, resonator end faces are formed by dry etching, or resonator end faces are formed in a form close to cleavage after polishing the sapphire substrate to a thickness of 100 μm or less. Also in this case, it is impossible to easily separate the resonator end face from the conventional LD and the chip in a single process, resulting in a complicated process and an increase in cost.
これらの問題を解決するために、サファイア基板上にIII族窒化物半導体膜を選択横方向成長することやその他の工夫を行うことで、結晶欠陥を低減させることが提案されている。この手法では、サファイア基板上にGaN膜を選択横方向成長しない場合に比較して、結晶欠陥を低減させることが可能となっているが、サファイア基板を用いることに依る、絶縁性と劈開に関する前述の問題は依然として残っている。更には、工程が複雑化すること、及びサファイア基板とGaN薄膜という異種材料の組み合わせに伴う基板の反りという問題が生じる。これらは高コスト化につながっている。 In order to solve these problems, it has been proposed to reduce crystal defects by selectively growing a group III nitride semiconductor film on a sapphire substrate or by performing other devices. In this method, crystal defects can be reduced as compared with the case where a GaN film is not selectively grown in the lateral direction on the sapphire substrate, but the above-described insulation and cleavage by using the sapphire substrate. The problem remains. Furthermore, the process becomes complicated, and problems of warping of the substrate due to the combination of different materials such as a sapphire substrate and a GaN thin film arise. These have led to higher costs.
こうした問題を解決するためには、基板上に結晶成長する材料と同一であるGaN基板を用いることが最も適切である。そのため、気相成長,融液成長等によりバルクGaNの結晶成長の研究がなされている。しかし、未だ高品質で且つ実用的な大きさを有するGaN基板は実現されていない。 In order to solve these problems, it is most appropriate to use a GaN substrate that is the same as the material for crystal growth on the substrate. Therefore, research on crystal growth of bulk GaN has been made by vapor phase growth, melt growth and the like. However, a high-quality and practical size GaN substrate has not yet been realized.
GaN基板を実現する一つの手法として、非特許文献1(従来技術1)では、Naをフラックスとして用いたGaN結晶成長方法が提案されている。この従来技術1の方法は、アジ化ナトリウム(NaN3)と金属Gaを原料として、ステンレス製の反応容器(容器内寸法;内径=7.5mm、長さ=100mm)に窒素雰囲気で封入し、その反応容器を600〜800℃の温度で24〜100時間保持することにより、GaN結晶を成長させるものである。 As one method for realizing a GaN substrate, Non-Patent Document 1 (Prior Art 1) proposes a GaN crystal growth method using Na as a flux. In the method of Prior Art 1, sodium azide (NaN 3 ) and metal Ga are used as raw materials, and sealed in a stainless steel reaction vessel (inner vessel dimensions; inner diameter = 7.5 mm, length = 100 mm) in a nitrogen atmosphere, By holding the reaction vessel at a temperature of 600 to 800 ° C. for 24 to 100 hours, a GaN crystal is grown.
この従来技術1の場合には、600〜800℃と比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も高々100kg/cm2程度と比較的圧力が低く、実用的な成長条件であることが特徴である。 In the case of this prior art 1, crystal growth is possible at a relatively low temperature of 600 to 800 ° C., and the pressure in the vessel is relatively low at about 100 kg / cm 2 at most, which is a practical growth condition. It is a feature.
また、特許文献1(従来技術2)には、AlNもしくはGaNが堆積された基板(サファイア等)とアジ化ナトリウム(NaN3)とガリウム金属をステンレスチューブに封入し、800℃程度まで加熱して、基板上にGaN膜を結晶成長させる方法が開示されている。この従来技術2の方法では、ステンレスチューブを結晶成長温度(800℃程度)まで昇温する途中(300℃程度)で、アジ化ナトリウムがナトリウムと窒素ガスとに分解し、チューブ内にナトリウムとガリウムの混合融液と100気圧程度の窒素ガス雰囲気が形成される。そして、成長温度で気相から窒素が融液中に溶解し、Gaと窒素が反応し、GaNが基板上に析出する。この場合、大面積基板を用いることで、大面積のGaN結晶を成長することができる。
In Patent Document 1 (Prior Art 2), a substrate (sapphire or the like) on which AlN or GaN is deposited, sodium azide (NaN 3 ), and gallium metal are enclosed in a stainless steel tube and heated to about 800 ° C. A method for crystal growth of a GaN film on a substrate is disclosed. In the method of
また、特許文献2(従来技術3)には、図7に示すように、100気圧程度の窒素雰囲気下で、GaとNaの混合融液2中に種結晶4を保持し、種結晶4を局所的に加熱して、GaNの結晶成長を行うIII族窒化物単結晶の製造方法が開示されている。この方法では、種結晶4を局所的に加熱することで、坩堝3側壁等への雑結晶の成長が抑制され、原料が無駄に消費されることなく、種結晶のみを大きく成長させることができる。
Further, in Patent Document 2 (Prior Art 3), as shown in FIG. 7, a seed crystal 4 is held in a mixed
しかしながら、特許文献1(従来技術2)では、温度が低い段階でGa−Na融液と窒素ガス雰囲気が形成され、窒素が融液中に溶解するため、融液中の窒素濃度が十分高くならないうちに結晶が成長し始める。このため、成長初期に結晶品質の低い暗褐色結晶が成長し、その上に成長する結晶の品質に悪影響を及ぼす。また、GaNの成長にともなって、融液中のGaが消費され、融液中のGaとNaの量比が変化する。結晶品質や表面モフォロジーは、融液中のGaとNaの量比によって変わるため、特許文献1では、平坦な表面モフォロジーの結晶を成長することが難しかった。 However, in Patent Document 1 (Prior Art 2), a Ga-Na melt and a nitrogen gas atmosphere are formed at a low temperature stage, and nitrogen is dissolved in the melt, so that the nitrogen concentration in the melt is not sufficiently high. Crystals begin to grow. For this reason, dark brown crystals with low crystal quality are grown at the early stage of growth, which adversely affects the quality of crystals grown thereon. Further, with the growth of GaN, Ga in the melt is consumed, and the amount ratio of Ga and Na in the melt changes. Since crystal quality and surface morphology vary depending on the quantity ratio of Ga and Na in the melt, it is difficult to grow a crystal having a flat surface morphology in Patent Document 1.
また、特許文献2(従来技術3)には、種結晶4を局部的に加熱することで、坩堝3内壁への多数の自然核成長を抑制する方法が開示されている。気相からの窒素の溶け込みは、温度と気液界面の面積に依存することから、特許文献2のように局所加熱で高温領域が少ない場合には、窒素の溶け込み量が少ないため、窒素欠損の多い結晶が成長することになりかねない。そのため、特許文献1と同様に、成長初期に結晶品質の低い暗褐色結晶が成長することがあった。
Patent Document 2 (Prior Art 3) discloses a method of suppressing a large number of natural nucleus growth on the inner wall of the
本願の発明者は、これまでに特許文献1(従来技術2),特許文献2(従来技術3)の課題である成長初期の低品質結晶の抑制に関する発明を行なっている。 The inventor of the present application has so far made an invention relating to the suppression of low-quality crystals at the initial stage of growth, which is a problem of Patent Document 1 (Prior Art 2) and Patent Document 2 (Prior Art 3).
すなわち、特許文献3(従来技術4)では、GaとNaの混合融液中にLiを添加することで、混合融液中への窒素の溶解度を増加させて、結晶成長初期においても透明で高品質なGaN結晶を成長させるようにしている。
上述した特許文献3では、Li等の添加剤を添加するが、Li等の添加剤を添加することなく、結晶成長の初期から透明で高品質な結晶を成長でき、さらに、この高品質な結晶を所望の形状で大きく育成できる方法が確立できれば望ましい。
In
本発明は、従来、欠陥が多く、褐色で低品質の結晶が成長していた結晶成長初期においても、Li等の窒素濃度を増加させる添加剤を添加せずに、無色透明で高品質な結晶を所望の形状で結晶成長させることの可能なIII族窒化物の結晶成長方法およびIII族窒化物結晶を提供することを目的としている。 The present invention is a colorless, transparent, high-quality crystal without adding an additive that increases the nitrogen concentration such as Li, even in the early stage of crystal growth, where many brown defects and low-quality crystals have been grown. It is an object of the present invention to provide a group III nitride crystal growth method and a group III nitride crystal that can grow a crystal in a desired shape.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、III族金属を含む融液を窒素原料ガスとフラックスガスを含むガス雰囲気中に保持し、前記III族金属を含む融液に、前記ガス雰囲気から窒素とフラックスを溶解させて、III族窒化物を結晶成長させるようにしており、このとき、成長させるIII族窒化物の結晶形態を、ガス雰囲気中のフラックスの圧力で制御することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that a melt containing a group III metal is held in a gas atmosphere containing a nitrogen source gas and a flux gas, and the melt containing the group III metal is added to the melt. Nitrogen and flux are dissolved from the gas atmosphere to grow group III nitride crystals. At this time, the crystal form of the group III nitride to be grown is controlled by the pressure of the flux in the gas atmosphere. It is a feature.
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記III族金属を含む融液には、結晶成長が起こる量よりも少ない量のフラックスを、あらかじめ含ませておくことを特徴としている。
The invention according to
また、請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物を種結晶に結晶成長させることを特徴としている。
The invention described in
また、請求項4記載の発明は、請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法を用いて、融液が保持された基体の融液底部が接する領域に、複数のIII族窒化物を成長方向を概ね同じ向きにして結晶成長させ、その後、該複数のIII族窒化物の結晶を種結晶として請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法で、III族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a group III nitride crystal growth method according to the first or second aspect of the present invention. 3. The group III nitride crystal growth method according to claim 1 or 2, wherein the group nitride is crystal-grown with the growth direction being substantially the same direction, and then the plurality of group III nitride crystals are used as seed crystals. It is characterized by crystal growth of group III nitride.
また、請求項5記載の発明は、請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法を用いて、融液とガス雰囲気との気液界面を概ね境界にして融液側に成長した結晶と気相側に成長した結晶とからなるIII族窒化物結晶の集合体を形成し、その後、該III族窒化物結晶の集合体を構成する結晶を種結晶として、請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法で、III族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
The invention described in
また、請求項6記載の発明は、請求項5記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記III族窒化物結晶の集合体の気相側に結晶成長する結晶の成長方向を融液の量で調整することを特徴としている。
The invention according to claim 6 is the method of growing a group III nitride crystal according to
また、請求項7記載の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法で作製されたIII族窒化物結晶である。 A seventh aspect of the present invention is a group III nitride crystal produced by the group III nitride crystal growth method according to any one of the first to sixth aspects.
請求項1乃至請求項6記載の発明によれば、III族金属を含む融液を窒素原料ガスとフラックスガスを含むガス雰囲気中に保持し、前記III族金属を含む融液に、前記ガス雰囲気から窒素とフラックスを溶解させて、III族窒化物を結晶成長させるようにしており、このとき、成長させるIII族窒化物の結晶形態を、ガス雰囲気中のフラックスの圧力で制御するので、従来、欠陥が多く、褐色で低品質の結晶が成長していた結晶成長初期においても、Li等の窒素濃度を増加させる添加剤を添加せずに、無色透明で高品質な結晶を所望の形状(形態)で結晶成長させることができる。 According to invention of Claim 1 thru | or 6, the melt containing a group III metal is hold | maintained in the gas atmosphere containing nitrogen source gas and flux gas, and the gas atmosphere is contained in the melt containing the said group III metal. Nitrogen and flux are dissolved from the crystal to grow group III nitride, and at this time, the crystal form of the group III nitride to be grown is controlled by the pressure of the flux in the gas atmosphere. Even in the early stage of crystal growth where many brown defects and low-quality crystals were grown, colorless transparent high-quality crystals were formed in the desired shape (form) without adding an additive such as Li. ) Crystal growth.
すなわち、請求項1のIII族窒化物の結晶成長方法においては、フラックスは気相からIII族金属を含む融液に溶解するので、気液界面のフラックス濃度が高く、したがって、窒素の溶解速度が速い。そのため、従来は、成長初期には窒素不足のため褐色で低品質の結晶が成長していたが、本発明の方法では、成長初期においても無色透明で高品質な結晶を成長させることができる。また、融液の気液界面では、ガス雰囲気中のフラックスの圧力と融液中のフラックスの蒸気圧が平衡するように、フラックスの出入りが生じるので、ガス雰囲気中のフラックスの圧力を制御することによって、融液中のフラックスの量比を制御することができる。そして、成長する結晶形状(結晶形態)は、融液中のIII族金属とフラックスの量比に依存して変化するので、雰囲気ガス中のフラックスの圧力を調整することによって、所望の形状(形態)でIII族窒化物を結晶成長させることができる。フラックスの圧力は、温度制御等で精密に制御できるので、容易に結晶形状(結晶形態)を制御することができる。 That is, in the group III nitride crystal growth method according to claim 1, since the flux is dissolved from the gas phase into the melt containing the group III metal, the flux concentration at the gas-liquid interface is high, and therefore the dissolution rate of nitrogen is high. fast. For this reason, conventionally, brown and low-quality crystals have grown in the early stage of growth due to lack of nitrogen. However, the method of the present invention can grow colorless and transparent high-quality crystals even in the early stage of growth. At the gas-liquid interface of the melt, flux enters and exits so that the flux pressure in the gas atmosphere and the vapor pressure of the flux in the melt are balanced, so the flux pressure in the gas atmosphere must be controlled. The amount ratio of the flux in the melt can be controlled. The growing crystal shape (crystal form) changes depending on the amount ratio of the group III metal and the flux in the melt, so that the desired shape (form) can be obtained by adjusting the pressure of the flux in the atmospheric gas. The group III nitride can be crystal-grown. Since the pressure of the flux can be precisely controlled by temperature control or the like, the crystal shape (crystal form) can be easily controlled.
また、請求項2のIII族窒化物の結晶成長方法においては、請求項1記載のIII族窒化物の製造方法において、前記III族金属を含む融液には、結晶成長が起こる量よりも少ない量のフラックスを、あらかじめ含ませておくので、フラックスが気相から融液中に溶解し、融液中のフラックス量比が、結晶成長が起こる量まで増加する時間を短縮することができる。従って、フラックスを含まない融液を用いる場合よりも短時間で、結晶を製造することができる。
Further, in the Group III nitride crystal growth method according to
また、請求項3のIII族窒化物の結晶成長方法においては、請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物を種結晶に結晶成長させるようにしており、従来のように、成長初期に低品質の結晶が成長することがないので、種結晶の品質と同等以上の結晶を成長させることができる。
Further, in the method for growing a group III nitride crystal according to
また、請求項4のIII族窒化物の結晶成長方法においては、請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法を用いて、融液が保持された基体の融液底部が接する領域に、複数のIII族窒化物を成長方向を概ね同じ向きにして結晶成長させ、その後、該複数のIII族窒化物の結晶を種結晶として請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法で、III族窒化物を結晶成長させるので、結晶品質の良い大きなIII族窒化物結晶を結晶成長させることができる。
Further, in the group III nitride crystal growth method of claim 4, the melt bottom portion of the substrate on which the melt is held is obtained by using the group III nitride crystal growth method of claim 1 or
また、請求項5のIII族窒化物の結晶成長方法においては、請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法を用いて、融液とガス雰囲気との気液界面を概ね境界にして融液側に成長した結晶と気相側に成長した結晶とからなるIII族窒化物結晶の集合体を形成し、その後、該III族窒化物結晶の集合体を構成する結晶を種結晶として、請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法で、III族窒化物を結晶成長させるので、高品質で大型のIII族窒化物結晶を結晶成長させることができる。すなわち、請求項5記載の発明では、III族窒化物結晶の集合体の気相側に結晶成長した結晶を種結晶に用いることができる。気液界面は湾曲しているので、気相側に成長した結晶はそれぞれ異なる方向に向かって、成長している。そのため、結晶成長を続けても互いの成長を阻害することが少なく、大きく成長する。従って、請求項5記載の結晶成長方法では、高品質で大型のIII族窒化物結晶を結晶成長させることができる。
In the Group III nitride crystal growth method according to
また、請求項6のIII族窒化物の結晶成長方法では、請求項5記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記III族窒化物結晶の集合体の気相側に結晶成長する結晶の成長方向を融液の量で調整するので、容易に結晶成長方向を調整することができる。
Further, in the group III nitride crystal growth method according to claim 6, in the group III nitride crystal growth method according to
また、請求項7記載の発明によれば、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法で作製されたIII族窒化物結晶であるので、欠陥の少ない高品質なIII族窒化物結晶を提供することができる。
According to the invention described in claim 7, since it is a group III nitride crystal produced by the group III nitride crystal growth method according to any one of claims 1 to 6, A small number of high-quality group III nitride crystals can be provided.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の形態)
本発明の第1の形態は、III族金属を含む融液を窒素原料ガスとフラックスガスを含むガス雰囲気中に保持し、前記III族金属を含む融液に、前記ガス雰囲気から窒素とフラックスを溶解させて、III族窒化物を結晶成長させるようにしており、このとき、成長させるIII族窒化物の結晶形態を、ガス雰囲気中のフラックスの圧力で制御することを特徴としている。
(First form)
In the first aspect of the present invention, a melt containing a group III metal is held in a gas atmosphere containing a nitrogen source gas and a flux gas, and nitrogen and flux are supplied from the gas atmosphere to the melt containing the group III metal. The group III nitride is crystallized by dissolution, and at this time, the crystal form of the group III nitride to be grown is controlled by the pressure of the flux in the gas atmosphere.
本発明の第1の形態では、III族金属を含む融液を窒素原料ガスとフラックスガスを含むガス雰囲気中に保持し、前記III族金属を含む融液に、前記ガス雰囲気から窒素とフラックスを溶解させて、III族窒化物を結晶成長させるようにしており、このとき、成長させるIII族窒化物の結晶形態を、ガス雰囲気中のフラックスの圧力で制御するので、従来、欠陥が多く、褐色で低品質の結晶が成長していた結晶成長初期においても、Li等の窒素濃度を増加させる添加剤を添加せずに、無色透明で高品質な結晶を所望の形状(形態)で結晶成長させることができる。 In the first embodiment of the present invention, a melt containing a group III metal is held in a gas atmosphere containing a nitrogen source gas and a flux gas, and nitrogen and flux are supplied from the gas atmosphere to the melt containing the group III metal. It is made to melt and crystallize the group III nitride. At this time, the crystal form of the group III nitride to be grown is controlled by the pressure of the flux in the gas atmosphere. Even in the early stage of crystal growth where low-quality crystals were growing, colorless and high-quality crystals were grown in the desired shape (form) without adding an additive such as Li that increases the nitrogen concentration. be able to.
すなわち、第1の形態のIII族窒化物の結晶成長方法においては、フラックスは気相からIII族金属を含む融液に溶解するので、気液界面のフラックス濃度が高く、したがって、窒素の溶解速度が速い。そのため、従来は、成長初期には窒素不足のため褐色で低品質の結晶が成長していたが、本発明の方法では、成長初期においても無色透明で高品質な結晶を成長させることができる。また、融液の気液界面では、ガス雰囲気中のフラックスの圧力と融液中のフラックスの蒸気圧が平衡するように、フラックスの出入りが生じるので、ガス雰囲気中のフラックスの圧力を制御することによって、融液中のフラックスの量比を制御することができる。そして、成長する結晶形状(結晶形態)は、融液中のIII族金属とフラックスの量比に依存して変化するので、雰囲気ガス中のフラックスの圧力を調整することによって、所望の形状(形態)でIII族窒化物を結晶成長させることができる。フラックスの圧力は、温度制御等で精密に制御できるので、容易に結晶形状(結晶形態)を制御することができる。 That is, in the Group III nitride crystal growth method of the first embodiment, the flux dissolves from the gas phase into the melt containing the Group III metal, so the flux concentration at the gas-liquid interface is high, and therefore the dissolution rate of nitrogen. Is fast. For this reason, conventionally, brown and low-quality crystals have grown in the early stage of growth due to lack of nitrogen. However, the method of the present invention can grow colorless and transparent high-quality crystals even in the early stage of growth. At the gas-liquid interface of the melt, flux enters and exits so that the flux pressure in the gas atmosphere and the vapor pressure of the flux in the melt are balanced, so the flux pressure in the gas atmosphere must be controlled. The amount ratio of the flux in the melt can be controlled. The growing crystal shape (crystal form) changes depending on the amount ratio of the group III metal and the flux in the melt, so that the desired shape (form) can be obtained by adjusting the pressure of the flux in the atmospheric gas. The group III nitride can be crystal-grown. Since the pressure of the flux can be precisely controlled by temperature control or the like, the crystal shape (crystal form) can be easily controlled.
(第2の形態)
本発明の第2の形態は、第1の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記III族金属を含む融液には、結晶成長が起こる量よりも少ない量のフラックスを、あらかじめ含ませておくことを特徴としている。
(Second form)
According to a second aspect of the present invention, in the Group III nitride crystal growth method of the first aspect, the melt containing the Group III metal contains in advance a smaller amount of flux than the amount at which crystal growth occurs. It is characterized by keeping it.
本発明の第2の形態では、第1の形態のIII族窒化物の製造方法において、前記III族金属を含む融液には、結晶成長が起こる量よりも少ない量のフラックスを、あらかじめ含ませておくので、フラックスが気相から融液中に溶解し、融液中のフラックス量比が、結晶成長が起こる量まで増加する時間を短縮することができる。従って、フラックスを含まない融液を用いる場合よりも短時間で、結晶を製造することができる。 In the second aspect of the present invention, in the method for producing a Group III nitride of the first aspect, the melt containing the Group III metal contains in advance a smaller amount of flux than the amount at which crystal growth occurs. Therefore, the time during which the flux dissolves from the gas phase into the melt and the flux amount ratio in the melt increases to the amount at which crystal growth occurs can be shortened. Therefore, crystals can be produced in a shorter time than when a melt containing no flux is used.
(第3の形態)
本発明の第3の形態は、第1または第2の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物を種結晶に結晶成長させることを特徴としている。
(Third form)
A third aspect of the present invention is characterized in that the group III nitride crystal is grown on a seed crystal in the group III nitride crystal growth method of the first or second aspect.
本発明の第3の形態では、第1または第2の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物を種結晶に結晶成長させるようにしており、従来のように、成長初期に低品質の結晶が成長することがないので、種結晶の品質と同等以上の結晶を成長させることができる。 In the third aspect of the present invention, in the group III nitride crystal growth method of the first or second aspect, the group III nitride is crystal-grown on the seed crystal. Therefore, a crystal having a quality equal to or higher than that of the seed crystal can be grown.
(第4の形態)
本発明の第4の形態は、第1または第2の形態のIII族窒化物の結晶成長方法を用いて、融液が保持された基体の融液底部が接する領域に、複数のIII族窒化物を成長方向を概ね同じ向きにして結晶成長させ、その後、該複数のIII族窒化物の結晶を種結晶として第1または第2の形態のIII族窒化物の結晶成長方法で、III族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
(4th form)
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a plurality of group III nitrides in a region where the melt bottom of the substrate holding the melt is in contact with the group III nitride crystal growth method of the first or second mode. The crystal is grown with the growth directions being substantially the same, and then the group III nitride crystal is grown by the group III nitride crystal growth method of the first or second form using the plurality of group III nitride crystals as seed crystals. It is characterized by crystal growth of objects.
本発明の第4の形態では、第1または第2の形態のIII族窒化物の結晶成長方法を用いて、融液が保持された基体の融液底部が接する領域に、複数のIII族窒化物を成長方向を概ね同じ向きにして結晶成長させ、その後、該複数のIII族窒化物の結晶を種結晶として第1または第2の形態のIII族窒化物の結晶成長方法で、III族窒化物を結晶成長させるので、結晶品質の良い大きなIII族窒化物結晶を結晶成長させることができる。 In the fourth aspect of the present invention, using the group III nitride crystal growth method of the first or second aspect, a plurality of group III nitrides are formed in the region where the melt bottom of the substrate holding the melt is in contact. The crystal is grown with the growth directions being substantially the same, and then the group III nitride crystal is grown by the group III nitride crystal growth method of the first or second form using the plurality of group III nitride crystals as seed crystals. Since a crystal is grown, a large group III nitride crystal with good crystal quality can be grown.
(第5の形態)
本発明の第5の形態は、第1または第2の形態のIII族窒化物の結晶成長方法を用いて、融液とガス雰囲気との気液界面を概ね境界にして融液側に成長した結晶と気相側に成長した結晶とからなるIII族窒化物結晶の集合体を形成し、その後、該III族窒化物結晶の集合体を構成する結晶を種結晶として、第1または第2の形態のIII族窒化物の結晶成長方法で、III族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
(5th form)
In the fifth embodiment of the present invention, the group III nitride crystal growth method of the first or second embodiment is used to grow on the melt side with the gas-liquid interface between the melt and the gas atmosphere as a general boundary. Forming a group III nitride crystal aggregate composed of the crystal and a crystal grown on the gas phase side, and then using the crystal constituting the group III nitride crystal as a seed crystal, The group III nitride crystal growth method is characterized in that the group III nitride crystal is grown.
本発明の第5の形態では、第1または第2の形態のIII族窒化物の結晶成長方法を用いて、融液とガス雰囲気との気液界面を概ね境界にして融液側に成長した結晶と気相側に成長した結晶とからなるIII族窒化物結晶の集合体を形成し、その後、該III族窒化物結晶の集合体を構成する結晶を種結晶として、第1または第2の形態のIII族窒化物の結晶成長方法で、III族窒化物を結晶成長させるので、高品質で大型のIII族窒化物結晶を結晶成長させることができる。すなわち、第5の形態では、III族窒化物結晶の集合体の気相側に結晶成長した結晶を種結晶に用いることができる。気液界面は湾曲しているので、気相側に成長した結晶はそれぞれ異なる方向に向かって、成長している。そのため、結晶成長を続けても互いの成長を阻害することが少なく、大きく成長する。従って、第5の形態の結晶成長方法では、高品質で大型のIII族窒化物結晶を結晶成長させることができる。 In the fifth embodiment of the present invention, the group III nitride crystal growth method of the first or second embodiment is used to grow on the melt side with the gas-liquid interface between the melt and the gas atmosphere as a general boundary. Forming a group III nitride crystal aggregate composed of the crystal and a crystal grown on the gas phase side, and then using the crystal constituting the group III nitride crystal as a seed crystal, Since the group III nitride crystal is grown by the method of growing a group III nitride crystal in the form, a large group III nitride crystal of high quality can be grown. That is, in the fifth embodiment, a crystal grown on the gas phase side of the group III nitride crystal aggregate can be used as a seed crystal. Since the gas-liquid interface is curved, the crystals grown on the gas phase side grow in different directions. Therefore, even if the crystal growth is continued, the mutual growth is hardly inhibited and the crystal grows greatly. Therefore, in the fifth aspect of the crystal growth method, a high-quality and large-sized group III nitride crystal can be grown.
(第6の形態)
本発明の第6の形態は、第5の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記III族窒化物結晶の集合体の気相側に結晶成長する結晶の成長方向を融液の量で調整することを特徴としている。
(Sixth form)
According to a sixth aspect of the present invention, in the Group III nitride crystal growth method of the fifth aspect, the growth direction of the crystal growing on the gas phase side of the group III nitride crystal aggregate is the amount of the melt. It is characterized by adjusting with.
本発明の第6の形態では、第5の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記III族窒化物結晶の集合体の気相側に結晶成長する結晶の成長方向を融液の量で調整するので、容易に結晶成長方向を調整することができる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the Group III nitride crystal growth method of the fifth aspect, the growth direction of the crystal growing on the gas phase side of the group III nitride crystal aggregate is the amount of the melt. Therefore, the crystal growth direction can be easily adjusted.
(第7の形態)
本発明の第7の形態は、第1乃至第6のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法で作製されたIII族窒化物結晶である。
(7th form)
A seventh aspect of the present invention is a group III nitride crystal produced by the group III nitride crystal growth method of any one of the first to sixth aspects.
本発明の第7の形態では、第1乃至第6のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法で製造されたIII族窒化物結晶であるので、欠陥の少ない高品質なIII族窒化物結晶を提供することができる。 In the seventh aspect of the present invention, since the group III nitride crystal is manufactured by the group III nitride crystal growth method of any one of the first to sixth aspects, the high-quality group III nitride with few defects Physical crystals can be provided.
次に、本発明の実施例を説明する。 Next, examples of the present invention will be described.
実施例1は、第1の形態に対応している。 Example 1 corresponds to the first mode.
実施例1では、フラックスとしてNa(ナトリウム)を用い、III族金属の原料として金属Ga(ガリウム)を用い、窒素原料として窒素ガスを使用し、III族窒化物としてGaNを結晶成長させた。 In Example 1, Na (sodium) was used as a flux, metal Ga (gallium) was used as a Group III metal material, nitrogen gas was used as a nitrogen material, and GaN was crystal-grown as a Group III nitride.
結晶成長は、窒素とナトリウム蒸気からなるガス雰囲気中にGaを融液保持容器に入れて保持し、ガス雰囲気から窒素とナトリウムを融液中に溶解して行なった。 Crystal growth was performed by putting Ga in a melt holding container and holding it in a gas atmosphere composed of nitrogen and sodium vapor, and dissolving nitrogen and sodium in the melt from the gas atmosphere.
ナトリウムは、融液保持容器の外部に設けたフラックス保持容器に保持して加熱し、ガスとして融液保持容器内の融液に供給する。ナトリウムの加熱温度を制御することによって、ナトリウムの圧力を制御した。融液中のナトリウムの蒸気圧がガス雰囲気中のナトリウムの圧力と平衡に達するまでナトリウムを溶解させ、その後、融液中のナトリウム量比を一定にして結晶成長を進行させた。この実施例1では、融液中のナトリウム量比を、45%に維持し、柱状結晶を成長させることができた。また、融液中のナトリウム量比を、70%に維持することで、板状結晶を成長させることができた。 Sodium is held and heated in a flux holding container provided outside the melt holding container, and supplied as a gas to the melt in the melt holding container. The sodium pressure was controlled by controlling the sodium heating temperature. Sodium was dissolved until the vapor pressure of sodium in the melt reached equilibrium with the pressure of sodium in the gas atmosphere, and then crystal growth was allowed to proceed with the sodium ratio in the melt kept constant. In Example 1, the sodium amount ratio in the melt was maintained at 45%, and columnar crystals could be grown. Further, by maintaining the sodium amount ratio in the melt at 70%, plate crystals could be grown.
図1は実施例1に用いられる結晶成長装置を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a crystal growth apparatus used in the first embodiment.
図1の装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器31に、収容容器41が設けられている。収容容器41内の下部にはフラックス45を保持するフラックス保持容器44が収容され、その上部に融液保持容器43が収容されている。融液保持容器43内にはIII族金属を含む融液46が保持される。
In the apparatus of FIG. 1, a
収容容器41は蓋42で覆われる。収容容器41と蓋42との間にはわずかに隙間があり、この隙間を通して収容容器41内に窒素ガスが供給される。なお、収容容器41は反応容器31から取り外すことができる。また、収容容器41,融液保持容器43,フラックス保持容器44の材質はBNである。
The
また、反応容器31内に窒素原料となる窒素(N2)ガスを充満させ、かつ反応容器31内の窒素(N2)圧力を調整することを可能にするガス供給管34が反応容器31を貫通して装着されている。
In addition, a
窒素ガスの圧力は圧力制御装置36で調整する事ができる。また、反応容器31内の全圧力は圧力計39でモニターされる。
The pressure of the nitrogen gas can be adjusted by the
また、反応容器31の外側には、反応容器31の上部と下部を加熱するヒーター32,ヒーター33がそれぞれ設置されている。
A
このヒーター32,33によって、融液46あるいはフラックス45の温度を制御することができ
る。
The
以下に、図1の結晶成長装置を使用した実施例1でのGaNの成長方法を具体的に説明する。 The GaN growth method in Example 1 using the crystal growth apparatus of FIG. 1 will be specifically described below.
先ず、融液保持容器43に、III族金属原料として金属Gaを0.75g入れ、フラックス保持容器44に、Na(ナトリウム)25を2g入れる。次いで、融液保持容器43とフラックス保持容器24を収容容器21に収め、蓋22をかぶせる。
First, 0.75 g of metal Ga as a group III metal raw material is put into the
次いで、収容容器41を反応容器31内に収める。
Next, the
そして、窒素ガスを窒素導入管37から導入する。すなわち、バルブ35,38を開け、反応容器31内に窒素ガスを導入し、圧力制御装置36で反応容器31内の窒素圧力を5MPaにする。窒素ガスは、収容容器41と蓋42との間のわずかな隙間を通して収容容器41内にも導入される。
Then, nitrogen gas is introduced from the
次いで、ヒーター32に通電し、Ga融液46を室温(27℃)から結晶成長温度まで1時間で昇温する。結晶成長温度は800℃とした。
Next, the
次いで、ヒーター33に通電し、フラックス保持容器44内のNaを所定の温度に昇温する。本実施例では750℃に昇温した。
Next, the
Naはフラックス保持容器44から蒸発し、融液保持容器43内のGa融液46上のガス雰囲気48に供給される。そして、Ga融液46にガス雰囲気48からNaが溶解し、Ga−Na混合融液を形成する。
Na evaporates from the
一方、収容容器41内のNa蒸気の一部は、収容容器41と蓋42との間のわずかな隙間を通して収容容器41の外部に輸送され、反応容器31内の低温部に液体として凝縮する。
On the other hand, a part of the Na vapor in the
収容容器41の外部に出るNaの量とフラックス保持容器44内から蒸発するNaの蒸発量は一定に保たれるので、ガス雰囲気48中のNaの圧力は一定に保たれる。
Since the amount of Na coming out of the
そのため、ガス雰囲気48中のNaの圧力と融液46中のNaの蒸気圧が平衡に達するまで、Naはガス雰囲気48から融液46に溶解し、融液46中のNa量比が増加する。
Therefore, until the Na pressure in the
そして、ガス雰囲気48中のNaの圧力と融液46中のNaの蒸気圧が平衡に達すると、融液46中のNaの量比は一定になる。結晶成長が進み、融液46中のGaが消費され、Ga量が減少しても、気液界面でのNa蒸気の平衡関係が維持されるので、融液46中のNaの量比は一定に保たれて、結晶成長が継続される。
When the pressure of Na in the
昇温後、温度と窒素圧力を一定に保持し、200時間継続して結晶成長した。200時間後、室温まで降温する。 After the temperature increase, the temperature and nitrogen pressure were kept constant, and crystal growth continued for 200 hours. After 200 hours, the temperature is lowered to room temperature.
降温後、反応容器31を開けると、融液保持容器43の内面には、褐色の結晶は成長しておらず、無色透明な柱状結晶47が成長していた。
When the
図2は、本実施例1の成長条件において、結晶成長中の融液46中のNa量比と、GaN結晶の収率(析出率)の変化を示したものである。
FIG. 2 shows changes in the Na amount ratio in the
昇温後、Na量比は徐々に増加して、45%で一定になった。Naの温度を一定にして、Na圧力を制御することで、本実施例1の条件では、Na量比は45%に維持され、柱状結晶を成長することができた。 After the temperature increase, the Na amount ratio gradually increased and became constant at 45%. By controlling the Na pressure while keeping the Na temperature constant, the Na amount ratio was maintained at 45% under the conditions of Example 1, and columnar crystals could be grown.
また、本実施例1では、フラックス保持容器44内のNaの温度を750℃として柱状結晶を成長したが、フラックス保持容器44内のNaの温度を790℃として、ガス雰囲気48中のNaの圧力を高くすることにより、融液中のNa量比は70%に維持され、板状結晶を成長することができる。
In Example 1, columnar crystals were grown by setting the Na temperature in the
実施例2は、第2の形態に対応している。 Example 2 corresponds to the second mode.
実施例2では、III族金属を含む融液に、結晶成長が起こる量よりも少ない量のフラックスを、あらかじめ含ませておき、結晶成長を行なった。 In Example 2, the melt containing the group III metal was preliminarily included with an amount of flux smaller than the amount of crystal growth, and the crystal growth was performed.
実施例2は、III族金属を含む融液にフラックスをあらかじめ含ませておくこと以外は、実施例1と同様である。 Example 2 is the same as Example 1 except that the flux is previously contained in the melt containing the Group III metal.
すなわち、フラックスとしてNa(ナトリウム)を用い、III族金属の原料として金属Ga(ガリウム)を用い、窒素原料として窒素ガスを使用し、III族窒化物としてGaNを結晶成長させた。 That is, Na (sodium) was used as a flux, metal Ga (gallium) was used as a group III metal material, nitrogen gas was used as a nitrogen material, and GaN was crystal-grown as a group III nitride.
本実施例2では、あらかじめ融液46のNa量比を25%として原料を仕込み(なお、あらかじめ融液46のNa量比を25%としたのは、図2において、GaNの収率(析出率)は、Na量比が25%までは0%であり、35%まではほとんど結晶成長していないことによる)、実施例1と同様の結晶成長条件で、175時間、GaNの成長を行なった。成長したGaN結晶は、実施例1と同様に無色透明であり、大きさも同程度であった。実施例2では、実施例1と同じ大きさの結晶を成長するのに要する時間が短縮された。
In Example 2, the raw material was charged in advance with the Na amount ratio of the
実施例3は、第3の形態に対応している。 Example 3 corresponds to the third mode.
実施例3では、種結晶を使用し、実施例2と同様に、III族金属を含む融液に、結晶成長が起こる量よりも少ない量のフラックスを、あらかじめ含ませておき、結晶成長を行なった。 In Example 3, a seed crystal is used, and in the same manner as in Example 2, a melt containing a Group III metal is preliminarily included with an amount of flux smaller than the amount at which crystal growth occurs, and crystal growth is performed. It was.
図3(a),(b)は、実施例3の結晶成長方法を説明するための図である。結晶成長装置は図1に示した実施例1のものと同様であるので、図3では、融液保持容器43部分のみを示している。本実施例3では、種結晶49として、無色透明なGaNの柱状結晶を使用した。
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the crystal growth method of the third embodiment. Since the crystal growth apparatus is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, only the
以下に、図1の結晶成長装置を使用した実施例3でのGaNの成長方法を具体的に説明する。 Hereinafter, a method for growing GaN in Example 3 using the crystal growth apparatus of FIG. 1 will be described in detail.
先ず、図3(a)に示すように、融液保持容器43に、種結晶としてGaNの柱状結晶49を入れる。 次いで、融液46のNa量比が25%になるように、金属Gaを1.5g、Naを0.17g入れる。次いで、フラックス保持容器44に、Na(ナトリウム)45を3g入れる。次いで、融液保持容器43とフラックス保持容器44を収容容器41に収め、蓋42をかぶせる。
First, as shown in FIG. 3A, a GaN
次いで、収容容器41を反応容器31内に収める。
Next, the
そして、窒素ガスを窒素導入管37から導入する。すなわち、バルブ35,38を開け、反応容器31内に窒素ガスを導入し、圧力制御装置36で反応容器31内の窒素圧力を5MPaにする。窒素ガスは、収容容器41と蓋42との間のわずかな隙間を通して収容容器41内にも導入される。
Then, nitrogen gas is introduced from the
次いで、ヒーター32に通電し、Ga−Na混合融液46を室温(27℃)から結晶成長温度まで1時間で昇温する。結晶成長温度は800℃とした。
Next, the
次いで、ヒーター33に通電し、フラックス保持容器44内のNaを所定の温度に昇温する。本実施例3では750℃に昇温した。
Next, the
Naはフラックス保持容器44から蒸発し、融液保持容器43内のGa−Na混合融液46上のガス雰囲気48に供給される。そしてガス雰囲気中のNaの圧力と融液46中のNaの蒸気圧が平衡に達するまで、Naはガス雰囲気48から融液46に溶解し、融液46中のNa量比が増加する。そして、ガス雰囲気48中のNaの圧力と融液46中のNaの蒸気圧が平衡に達すると、融液46中のNaの量比は一定になる。結晶成長が進み、融液46中のGaが消費され、Ga量が減少しても、気液界面でのNa蒸気の平衡関係が維持されるので、融液46中のNaの量比は一定に保たれて、結晶成長が継続される。本実施例3では、Na量比は45%まで増加し、その後、この値に維持され結晶成長が継続する。
Na evaporates from the
昇温後、温度と窒素圧力を一定に保持し、350時間継続して結晶成長させた。350時間後、室温まで降温する。降温後、反応容器31を開けると、図3(b)に示すように、種結晶49には、褐色の結晶は成長しておらず、無色透明のまま柱状結晶50が成長していた。
After the temperature increase, the temperature and nitrogen pressure were kept constant, and crystal growth was continued for 350 hours. After 350 hours, the temperature is lowered to room temperature. When the
実施例4は、第4の形態に対応している。 Example 4 corresponds to the fourth mode.
実施例4では、フラックスとしてNa(ナトリウム)を用い、III族金属の原料として金属Ga(ガリウム)を用い、窒素原料として窒素ガスを使用し、III族窒化物としてGaNを結晶成長させた。 In Example 4, Na (sodium) was used as a flux, metal Ga (gallium) was used as a group III metal material, nitrogen gas was used as a nitrogen material, and GaN was crystal-grown as a group III nitride.
まず、実施例2と同様の方法で、融液保持容器43の底部に複数の無色透明な高品質のGaN柱状結晶を成長させ、その後、この結晶を種結晶として、実施例3と同様の結晶成長を行った。すなわち、本実施例4では、結晶成長工程を2回行なっている。
First, a plurality of colorless and transparent high-quality GaN columnar crystals are grown on the bottom of the
図4(a)乃至(e)は、実施例4の結晶成長方法を説明するための図である。結晶成長装置は図1に示した実施例1のものと同様であるので、図4(a)乃至(e)では、融液保持容器43部分のみを示している。
4A to 4E are diagrams for explaining the crystal growth method of Example 4. FIG. Since the crystal growth apparatus is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, only the
以下に、図1の結晶成長装置を使用した実施例4でのGaNの成長方法を具体的に説明する。 Hereinafter, a GaN growth method in Example 4 using the crystal growth apparatus of FIG. 1 will be described in detail.
先ず、図4(a)に示すように、融液保持容器43に、融液46のNa量比が25%になるように、金属Gaを0.75g、Naを0.08g入れる。次いで、フラックス保持容器44に、ナトリウム25を2g入れる。次いで、融液保持容器43とフラックス保持容器44を収容容器41に収め、蓋42をかぶせる。
First, as shown in FIG. 4A, 0.75 g of metal Ga and 0.08 g of Na are put in the
次いで、収容容器41を反応容器31内に収める。そして、窒素ガスを窒素導入管37から導入する。すなわち、バルブ35,38を開け、反応容器31内に窒素ガスを導入し、圧力制御装置36で反応容器31内の窒素圧力を5MPaにする。窒素ガスは、収容容器41と蓋42との間のわずかな隙間を通して収容容器41内にも導入される。
Next, the
次いで、ヒーター32に通電し、Ga−Na混合融液46を室温(27℃)から結晶成長温度まで1時間で昇温する。結晶成長温度は800℃とした。
Next, the
次いで、ヒーター33に通電し、フラックス保持容器44内のNaを所定の温度に昇温する。本実施例4では750℃に昇温した。
Next, the
Naはフラックス保持容器44から蒸発し、融液保持容器43内のGa−Na混合融液46上のガス雰囲気48に供給される。そしてガス雰囲気48中のNaの圧力と融液46中のNaの蒸気圧が平衡に達するまで、Naは雰囲気ガス48から融液46に溶解し、融液46中のNa量比が増加し、その後一定になる。本実施例4では、Na量比は45%まで増加し、その後、この値に維持され結晶成長が継続する。図4(b)はこのときの状態を示している。
Na evaporates from the
昇温後、温度と窒素圧力を一定に保持し、175時間継続して結晶成長させた。その結果、図4(c)に示すように、融液46が接していた融液保持容器43の底部(基体)には、複数のGaNの柱状結晶51が気液界面側にc軸を向けて結晶成長していた。融液46と接するc面はN極性面であった。また、成長した結晶51は、無色透明であった。
After the temperature increase, the temperature and nitrogen pressure were kept constant, and crystal growth was continued for 175 hours. As a result, as shown in FIG. 4 (c), a plurality of GaN
次に、図4(d)に示すように、成長した複数のGaNの柱状結晶51を取り出し、別の融液保持容器43に収容する。次いで、融液46のNa量比が25%になるように、金属Gaを1.5g、Naを0.17g、融液保持容器43に入れる。次いで、フラックス保持容器44に、Na(ナトリウム)45を3g入れる。次いで、融液保持容器43とフラックス保持容器44を収容容器41に収め、蓋42をかぶせ、収容容器41を反応容器31内に収める。
Next, as shown in FIG. 4 (d), the plurality of grown GaN
その後、同様の方法で、350時間結晶成長を行なう。すなわち、成長温度800℃、窒素圧力5MPaで、融液中のNa量比を45%にして、350時間、結晶成長を継続させた。結晶成長終了後、反応容器31を開けると、図4(e)に示すように、褐色の結晶は成長しておらず、複数の種結晶51が無色透明のまま大きな柱状結晶52に成長していた。
Thereafter, crystal growth is performed for 350 hours by the same method. That is, the crystal growth was continued for 350 hours at a growth temperature of 800 ° C. and a nitrogen pressure of 5 MPa, with the Na amount ratio in the melt being 45%. When the
なお、本実施例4では、融液46が保持される基体は、融液保持容器43の底部になるが、BNの板やサファイア等の基板を用いても良い。
In the fourth embodiment, the base body on which the
実施例5は、第5,第6の形態に対応している。 Example 5 corresponds to the fifth and sixth embodiments.
実施例5では、フラックスとしてNa(ナトリウム)を用い、III族金属の原料として金属Ga(ガリウム)を用い、窒素原料として窒素ガスを使用し、III族窒化物としてGaNを結晶成長させた。 In Example 5, Na (sodium) was used as a flux, metal Ga (gallium) was used as a Group III metal material, nitrogen gas was used as a nitrogen material, and GaN was crystal-grown as a Group III nitride.
まず、実施例2と同様の方法で、融液とガス雰囲気との気液界面を概ね境界にして融液側に成長した結晶と気相側に成長した結晶からなるGaN柱状結晶の集合体を形成し、その後、気相側に成長した結晶を種結晶として、実施例3と同様に結晶成長を行った。 First, in the same manner as in Example 2, an aggregate of GaN columnar crystals composed of a crystal grown on the melt side and a crystal grown on the gas phase side with the gas-liquid interface between the melt and the gas atmosphere as a general boundary. Thereafter, the crystal grown in the vapor phase side was used as a seed crystal, and crystal growth was performed in the same manner as in Example 3.
まず、融液とガス雰囲気との気液界面を概ね境界にして融液側に成長した結晶と気相側に成長した結晶からなるGaN柱状結晶の集合体の形成方法について説明する。 First, a method of forming an aggregate of GaN columnar crystals composed of a crystal grown on the melt side and a crystal grown on the gas phase side with the gas-liquid interface between the melt and the gas atmosphere as a boundary will be described.
図5(a),(b),(c)は実施例1の結晶成長方法で、Ga融液の量を変えて、GaNを成長させた場合の成長終了後の融液46の断面を示す図である。成長条件としては、融液46の温度は720℃、フラックスNaの温度は690℃、窒素圧力は5MPa、成長時間は200時間とした。また、仕込み時の融液46はGaのみとしている。
FIGS. 5A, 5B, and 5C show a cross section of the
Ga量は、図5(a)では0.15g、図5(b)では0.45g、図5(c)では0.75gである。 The amount of Ga is 0.15 g in FIG. 5 (a), 0.45 g in FIG. 5 (b), and 0.75 g in FIG. 5 (c).
図5(a),(b),(c)に示すように、融液46とガス雰囲気との気液界面を概ね境界にして、融液側と気相側とにGaNの柱状結晶が成長した。これらの結晶は透明であった。また、気相側に成長した結晶54の方が、融液側に成長した結晶53よりも大きくなっている。
As shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, GaN columnar crystals grow on the melt side and the gas phase side with the gas-liquid interface between the
Ga量が0.15gでは融液は玉状になり、図5(a)に示すように、気相側に成長した結晶54は放射状に成長しており、上方に成長する結晶もある。Ga量が0.45g、0.75gでは、図5(b),(c)に示すように融液底部が広がり、融液側に成長する結晶53が多くなる。融液側に成長する結晶53は、上方に向かって成長している。気相側に成長する結晶54は、融液の側面に多く見られ、上方に成長する結晶はほとんどない。また、Ga量が増えると結晶は全体的に小さくなっている。
When the Ga content is 0.15 g, the melt becomes ball-shaped, and as shown in FIG. 5A, the
本実施例5では、気相側に結晶成長した大きな結晶54を種結晶として結晶成長を行う。
これには、各結晶の成長方向が放射状になっている方が、互いの成長を阻害しないため望ましい。従って、本実施例5では、Ga量を0.15gとして結晶成長を行って形成されたGaN柱状結晶の集合体(図5(a)のもの)を種結晶として使用して、GaNの結晶成長を行なった。すなわち、本実施例5では、結晶成長工程を2回行なっている。
In Example 5, crystal growth is performed using a
For this purpose, it is desirable that the growth direction of each crystal is radial because it does not inhibit the growth of each other. Therefore, in this Example 5, GaN crystal growth was performed using an aggregate of GaN columnar crystals (as shown in FIG. 5A) formed by performing crystal growth with a Ga amount of 0.15 g as a seed crystal. Was done. That is, in Example 5, the crystal growth process is performed twice.
図6(a)乃至(e)は、実施例5の結晶製造方法を説明するための図である。図6(a)乃至(e)を用いて、実施例5の結晶製造方法を説明する。 6 (a) to 6 (e) are diagrams for explaining the crystal manufacturing method of the fifth embodiment. A crystal manufacturing method of Example 5 will be described with reference to FIGS.
結晶成長装置は図1に示した実施例1のものと同様であるので、図6(a)乃至(e)では、融液保持容器43の部分のみを示している。
Since the crystal growth apparatus is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, only the portion of the
以下に、図1の結晶成長装置を使用した実施例5でのGaNの成長方法を説明する。 Hereinafter, a GaN growth method in Example 5 using the crystal growth apparatus of FIG. 1 will be described.
先ず、図6(a)に示すように、融液保持容器43に、金属Gaを0.15g入れる。次いで、フラックス保持容器44に、ナトリウム45を2g入れる。次いで、融液保持容器43とフラックス保持容器44を収容容器41に収め、蓋42をかぶせる。
First, as shown in FIG. 6A, 0.15 g of metal Ga is put in the
次いで、収容容器41を反応容器31内に収める。
Next, the
そして、窒素ガスを窒素導入管37から導入する。すなわち、バルブ35,38を開け、反応容器31内に窒素ガスを導入し、圧力制御装置36で反応容器31内の窒素圧力を5MPaにする。窒素ガスは、収容容器41と蓋42との間のわずかな隙間を通して収容容器41内にも導入される。
Then, nitrogen gas is introduced from the
次いで、ヒーター32に通電し、Ga融液46を室温(27℃)から結晶成長温度まで1時間で昇温する。結晶成長温度は720℃とした。
Next, the
次いで、ヒーター33に通電し、フラックス保持容器44内のNaを所定の温度に昇温する。本実施例5では690℃に昇温した。
Next, the
Naはフラックス保持容器44から蒸発し、融液保持容器43内のGa融液46上の雰囲気ガス48に供給される。そして雰囲気ガス中のNaの圧力と融液46中のNaの蒸気圧が平衡に達するまで、Naは雰囲気ガス48から融液46に溶解し、融液46中のNa量比が増加し、その後一定になる。本実施例5では、Na量比は45%まで増加し、その後、この値に維持され結晶成長が継続する。図6(b)はこのときの状態を示している。
Na evaporates from the
昇温後、温度と窒素圧力を一定に保持し、200時間継続して結晶成長した。200時間後、図6(c)に示すように、融液46とガス雰囲気との気液界面を概ね境界にして融液側に成長した結晶53と気相側に成長した結晶54からなるGaN柱状結晶の集合体が形成された。気相側に成長した結晶54のc面はN極性面であった。また、成長した結晶は、無色透明であった。
After the temperature increase, the temperature and nitrogen pressure were kept constant, and crystal growth continued for 200 hours. After 200 hours, as shown in FIG. 6 (c), GaN composed of a
次に、図6(d)に示すように、成長したGaN柱状結晶の集合体を取り出し、別の融液保持容器43に収容する。次いで、融液46のNa量比が25%になるように、金属Gaを1.5g、Naを0.17g、融液保持容器43に入れる。次いで、フラックス保持容器44にナトリウム45を3g入れる。次いで、融液保持容器43とフラックス保持容器44を収容容器41に収め、蓋42をかぶせ、収容容器41を反応容器31内に収める。
Next, as shown in FIG. 6 (d), the grown aggregate of GaN columnar crystals is taken out and stored in another
その後、同様の方法で、350時間結晶成長を行なう。すなわち、成長温度800℃、窒素圧力5MPaで、融液中のNa量比を45%にして、350時間結晶成長を継続する。 Thereafter, crystal growth is performed for 350 hours by the same method. That is, crystal growth is continued for 350 hours at a growth temperature of 800 ° C. and a nitrogen pressure of 5 MPa with an Na content ratio in the melt of 45%.
結晶成長終了後、反応容器31を開けると、図6(e)に示すように、褐色の結晶は成長しておらず、気相側に成長した種結晶54が無色透明のまま大きな柱状結晶55に成長していた。
When the
なお、本発明において、III族窒化物とは、Ga(ガリウム),Al(アルミニウム),In(インジウム),B(ボロン)から選ばれる一種類あるいは複数の種類のIII族金属と窒素との化合物を意味する。 In the present invention, the group III nitride is a compound of one or more kinds of group III metals selected from Ga (gallium), Al (aluminum), In (indium), and B (boron) and nitrogen. Means.
III族金属の原料は、特に限定されるものではなく、III族金属、III族窒化物、III族元素を構成元素とする物質、その他適宜使用することができる。 The raw material of the group III metal is not particularly limited, and a group III metal, a group III nitride, a substance containing a group III element as a constituent element, and other appropriate materials can be used.
また、窒素原料とは、窒素を構成元素に含む物質で、気相から融液中に窒素を供給することの可能な物質であって、窒素ガスやその他の窒素化合物の気体等を使用できる。また、窒素化合物の分解によって発生した窒素ガスも使用することができる。 The nitrogen raw material is a substance containing nitrogen as a constituent element and is a substance capable of supplying nitrogen into the melt from the gas phase. Nitrogen gas or other nitrogen compound gas can be used. Further, nitrogen gas generated by decomposition of the nitrogen compound can also be used.
また、フラックスとは、III族金属と窒素との直接反応によってIII族窒化物が結晶成長する温度,圧力よりも低温,低圧下において、III族窒化物を結晶成長させる物質を意味する。フラックスとしては、通常、Na(ナトリウム)やK(カリウム),Li(リチウム)のアルカリ金属が使用されるが、その他のアルカリ金属や、アルカリ土類金属あるいは複数の種類のアルカリ金属やアルカリ土類金属を混合して使用する事もできる。また、アルカリ金属やアルカリ土類金属以外の物質であってもよい。 The flux means a substance that causes group III nitride to grow at a temperature lower and lower than the pressure and temperature at which group III nitride grows by direct reaction between the group III metal and nitrogen. As the flux, alkali metals such as Na (sodium), K (potassium), and Li (lithium) are usually used, but other alkali metals, alkaline earth metals, or a plurality of types of alkali metals and alkaline earths are used. It is also possible to use a mixture of metals. Moreover, substances other than alkali metals and alkaline earth metals may be used.
また、融液中には、III族金属の他に、電気伝導を制御するための不純物を含ませておくこともできる。 In addition to the group III metal, the melt may contain impurities for controlling electrical conduction.
本発明は、光ディスク用光源、紫外光源(LD、LED)、白色LED光源、電子写真用光源、III族窒化物電子デバイス、受光デバイスなどに利用可能である。
The present invention can be used for an optical disk light source, an ultraviolet light source (LD, LED), a white LED light source, an electrophotographic light source, a group III nitride electronic device, a light receiving device, and the like.
31 反応容器
32 上部ヒーター
33 下部ヒーター
34 ガス供給管
35,38 バルブ
36 圧力制御装置
37 窒素導入管
39 圧力計
40 収容容器支持台
41 収容容器
42 蓋
43 融液保持容器
44 フラックス保持容器
45 フラックス(ナトリウム)
46 III族金属を含む融液
47,51 成長した結晶
48 内部空間
49 種結晶
50,52,55 種結晶が成長した結晶
53 融液側に成長した結晶
54 気相側に成長した結晶
31
46 Melt containing
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