JP2007290921A - Method for producing nitride single crystal, nitride single crystal, and device - Google Patents

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Shinichiro Kawabata
紳一郎 川端
Akira Yoshikawa
彰 吉川
Yuji Kagamitani
勇二 鏡谷
Tsuguo Fukuda
承生 福田
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Tohoku University NUC
Mitsubishi Chemical Corp
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Tohoku University NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for growing a nitride single crystal having good crystallinity at a faster speed. <P>SOLUTION: In the method, the nitride single crystal is grown on the surface of a seed by an ammonothermal method while controlling the pressure and temperature in an autoclave, in which the seed, a solvent containing nitrogen atom, a raw material containing a metal element of group 13 in the periodic table, and a mineralizing agent of an amount of 1.5-15 mol% of the solvent are charged, so that the solvent is in a supercritical state and/or subcritical state. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、超臨界状態および/または亜臨界状態の溶媒を、原料物質および鉱化剤とともに用いてシード上に窒化物単結晶を成長させる窒化物単結晶の製造方法に関する。また、該製造方法により製造した窒化物単結晶、および該窒化物単結晶を用いたデバイスにも関する。   The present invention relates to a method for producing a nitride single crystal by using a solvent in a supercritical state and / or a subcritical state together with a raw material and a mineralizer to grow the nitride single crystal on a seed. The present invention also relates to a nitride single crystal manufactured by the manufacturing method and a device using the nitride single crystal.

窒化ガリウム(GaN)に代表される窒化物半導体は、発光ダイオードおよびレーザーダイオード等の電子素子に適用される物質として有用である。電子素子の製造方法は、現在サファイアまたは炭化ケイ素等のような基板上にMOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法などの気相エピタキシャル成長により作成されている。
しかし、この方法ではGaNの格子定数と熱膨張係数が異なる基板上にGaN結晶をヘテロエピタキシャル成長させるため、得られるGaN結晶に転位や格子欠陥が発生しやすく、青色レーザー等で応用可能な品質を得ることが困難であるという問題があり、近年、上記基板に代わる、ホモエピタキシャル基板用の高品質な窒化ガリウム塊状単結晶が期待されている。
Nitride semiconductors typified by gallium nitride (GaN) are useful as materials applied to electronic devices such as light emitting diodes and laser diodes. The manufacturing method of an electronic device is currently produced by vapor phase epitaxial growth such as MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) method on a substrate such as sapphire or silicon carbide.
However, in this method, GaN crystals are heteroepitaxially grown on substrates having different lattice constants and thermal expansion coefficients of GaN, so that dislocations and lattice defects are likely to occur in the obtained GaN crystals, and a quality that can be applied with a blue laser or the like is obtained. In recent years, high-quality gallium nitride massive single crystals for homoepitaxial substrates have been expected in place of the above substrates.

窒化ガリウム塊状単結晶の合成法には、アンモニアに代表される窒素含有溶媒に原料や鉱化剤を溶解させ、温度と圧力を調整して超臨界状態を形成し、系内に温度差を設けることにより溶媒への溶質溶解度の温度依存性を利用して結晶成長を行うアモノサーマル法がある。
しかしアモノサーマル法で窒素含有溶媒のみを用いる手法では窒化物原料の溶解度が十分でなく、窒化物単結晶の成長速度は非常に小さい。このため窒化物原料の溶解度を高めるために溶媒に鉱化剤を添加することが重要である。アモノサーマル法の鉱化剤としては、窒化物含有溶媒に溶解させた際に生成する溶液のpHが元の溶媒より高くなる塩基性鉱化剤と、窒化物含有溶媒に溶解させた際に生成する溶液のpHが元の溶媒より低くなる酸性鉱化剤がある。塩基性鉱化剤を用いた場合と酸性鉱化剤を用いた場合の溶媒の性質の違いは、水溶媒の塩基性溶液と酸性溶液を用いた場合の違いに相当し、両者は溶媒として化学反応に与える影響に大きな違いが見られる。例えばアモノサーマル法で塩基性鉱化剤を用いた場合に好適な反応圧力は比較的高い(150〜300MPa)のに対して、酸性鉱化剤を用いる場合に好適な反応圧力は比較的低い(100〜200MPa)。このため、酸性鉱化剤を用いる方が工業的に実施しやすい。また酸性鉱化剤を用いるアモノサーマル法では、オートクレーブ内壁に白金に代表される貴金属を用いると内壁成分の溶出が抑制される。このため、酸性鉱化剤を用いるアモノサーマル法によれば、得られる窒化物結晶に含まれる不純物の混入を抑えることができるという利点がある。このため、酸性鉱化剤を用いるアモノサーマル法に関する研究が種々行われており、特許文献1では、反応中に系内に発生する結晶核を成長させる手法(自発核発生法)で具体的な検討がなされている。
特開2005−289787号公報
In the synthesis method of gallium nitride massive single crystals, raw materials and mineralizers are dissolved in a nitrogen-containing solvent typified by ammonia, the temperature and pressure are adjusted to form a supercritical state, and a temperature difference is provided in the system. Therefore, there is an ammonothermal method in which crystal growth is performed using the temperature dependence of the solute solubility in a solvent.
However, in the method using only the nitrogen-containing solvent in the ammonothermal method, the solubility of the nitride raw material is not sufficient, and the growth rate of the nitride single crystal is very small. For this reason, it is important to add a mineralizer to the solvent in order to increase the solubility of the nitride raw material. As a mineralizer for the ammonothermal method, a basic mineralizer in which the pH of the solution produced when dissolved in a nitride-containing solvent is higher than that of the original solvent, and when dissolved in a nitride-containing solvent. There are acidic mineralizers in which the pH of the resulting solution is lower than the original solvent. The difference in solvent properties when using a basic mineralizer and when using an acidic mineralizer corresponds to the difference between using a basic solution of an aqueous solvent and an acidic solution. There are significant differences in the impact on the reaction. For example, the reaction pressure suitable when a basic mineralizer is used in the ammonothermal method is relatively high (150 to 300 MPa), whereas the reaction pressure suitable when an acidic mineralizer is used is relatively low. (100-200 MPa). For this reason, it is easier to implement industrially using an acidic mineralizer. In the ammonothermal method using an acidic mineralizer, elution of inner wall components is suppressed when a noble metal typified by platinum is used for the inner wall of the autoclave. For this reason, according to the ammonothermal method using an acidic mineralizer, there is an advantage that contamination of impurities contained in the obtained nitride crystal can be suppressed. For this reason, various researches on ammonothermal methods using acidic mineralizers have been conducted. In Patent Document 1, a specific method is used to grow crystal nuclei generated in the system during the reaction (spontaneous nucleation generation method). Consideration has been made.
JP 2005-289787 A

しかしながら、特許文献1において具体的に検討されているような自発核発生法では、大きな結晶を製造することができないうえ、結晶方位の制御もできない。また、アモノサーマル法、特に酸性鉱化剤を用いるアモノサーマル法の結晶成長速度は、工業的に窒化物単結晶を合成する手法とするには大きく不足している。このため、産業上利用可能な手法とするためには、大きな結晶を結晶方位を制御しながら速い速度で製造することが必要とされている。   However, the spontaneous nucleation method specifically studied in Patent Document 1 cannot produce a large crystal and cannot control the crystal orientation. In addition, the crystal growth rate of the ammonothermal method, particularly the ammonothermal method using an acidic mineralizer, is greatly insufficient for industrially synthesizing nitride single crystals. For this reason, in order to obtain a method that can be used industrially, it is necessary to manufacture a large crystal at a high speed while controlling the crystal orientation.

そこで、本発明では、自発核発生法のかわりに、系内にあらかじめシード(種結晶)存在させておいてその表面に結晶を成長させる手法(シード法)を用いて、結晶成長速度の向上を図り、大きな結晶を方位を制御しながら製造することを考えた。しかしながら、単に特許文献1に記載される条件を原理が大きく異なるシード法にそのまま適用しても、結晶成長速度を十分に向上させ、方位を制御した結晶を大きく成長させることはできなかった。このため、本発明者らは、特許文献に示唆されていない条件変更を種々行って、試行錯誤を繰り返した結果、特定の条件を満たす場合に限って結晶性が良好な窒化物単結晶が十分な速度で大きく成長することを見出した。本発明は、このような知見に基づいて提供されたものであり、具体的には以下の技術的構成を含むものである。   Therefore, in the present invention, instead of the spontaneous nucleation method, a method (seed method) in which a seed (seed crystal) is previously present in the system and a crystal is grown on the surface (seed method) is used to improve the crystal growth rate. The idea was to manufacture large crystals while controlling the orientation. However, even if the conditions described in Patent Document 1 are applied as they are to a seed method that is largely different in principle, it has not been possible to sufficiently increase the crystal growth rate and grow a crystal with controlled orientation. For this reason, the inventors have made various changes in conditions not suggested in the patent literature, and as a result of repeating trial and error, a nitride single crystal having good crystallinity is sufficient only when specific conditions are satisfied. I found that it grows at a great speed. The present invention has been provided based on such knowledge, and specifically includes the following technical configuration.

[1] シード、窒素元素を含有する溶媒、周期表13族金属元素を含む原料物質、および前記溶媒の1.5〜15mol%の量の鉱化剤を入れたオートクレーブ内の温度および圧力を、前記溶媒が超臨界状態および/または亜臨界状態となるように制御して前記シードの表面にアモノサーマル法により窒化物単結晶を成長させる工程を含むことを特徴とする窒化物単結晶の製造方法。
[2] 前記窒化物単結晶が六方晶であることを特徴とする[1]に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[3] 前記窒化物単結晶を成長させるときの温度が300〜600℃であることを特徴とする[1]または[2]に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[4] 前記窒化物単結晶を成長させるときの圧力が80〜200MPaであることを特徴とする[1]〜[3]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[5] 前記溶媒がアンモニアまたはその誘導体であることを特徴とする[1]〜[4]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[6] 前記原料物質が窒化ガリウム多結晶および/またはガリウムを含むことを特徴とする[1]〜[5]のいずれか一項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[7] 前記鉱化剤が酸性鉱化剤であることを特徴とする[1]〜[6]のいずれか一項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[8] 前記酸性鉱化剤がアンモニウム塩を含むことを特徴とする[7]に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[9] 前記オートクレーブの内壁の少なくとも一部が貴金属からなることを特徴とする[1]〜[8]のいずれか一項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[10] シード、窒素元素を含有する溶媒、周期表13族金属元素を含む原料物質、および鉱化剤を入れたオートクレーブ内の温度および圧力を、前記溶媒が超臨界状態および/または亜臨界状態となるように制御して前記シードの表面にアモノサーマル法により窒化物単結晶を50μm以上成長させる工程を含み、前記鉱化剤の前記溶媒に対する使用量比を前記窒化物単結晶の平均結晶成長速度が15μm/day以上となる範囲内で選択することを特徴とする窒化物単結晶の製造方法。
[11] [1]〜[10]のいずれか一項に記載の製造方法により製造した窒化物単結晶。
[12] [11]に記載の窒化物単結晶を用いたデバイス。
[1] A temperature and pressure in an autoclave containing a seed, a solvent containing a nitrogen element, a raw material containing a group 13 metal element of the periodic table, and a mineralizer in an amount of 1.5 to 15 mol% of the solvent, The method includes the step of growing a nitride single crystal on the surface of the seed by an ammonothermal method while controlling the solvent to be in a supercritical state and / or a subcritical state. Method.
[2] The method for producing a nitride single crystal according to [1], wherein the nitride single crystal is a hexagonal crystal.
[3] The method for producing a nitride single crystal according to [1] or [2], wherein the temperature at which the nitride single crystal is grown is 300 to 600 ° C.
[4] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [1] to [3], wherein a pressure at which the nitride single crystal is grown is 80 to 200 MPa.
[5] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [1] to [4], wherein the solvent is ammonia or a derivative thereof.
[6] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [1] to [5], wherein the source material contains gallium nitride polycrystal and / or gallium.
[7] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [1] to [6], wherein the mineralizer is an acidic mineralizer.
[8] The method for producing a nitride single crystal according to [7], wherein the acidic mineralizer contains an ammonium salt.
[9] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [1] to [8], wherein at least a part of the inner wall of the autoclave is made of a noble metal.
[10] The temperature and pressure in the autoclave containing a seed, a nitrogen-containing solvent, a raw material containing a group 13 metal element of the periodic table, and a mineralizer are determined in a supercritical state and / or a subcritical state. A nitride single crystal is grown on the surface of the seed by an ammonothermal method to a thickness of 50 μm or more, and the use ratio of the mineralizer to the solvent is set to an average crystal of the nitride single crystal. A method for producing a nitride single crystal, wherein the growth rate is selected within a range of 15 μm / day or more.
[11] A nitride single crystal produced by the production method according to any one of [1] to [10].
[12] A device using the nitride single crystal according to [11].

本発明の製造方法によれば、結晶性が良好な窒化物単結晶を速い速度で大きく成長させることができる。このため、比較的厚い結晶を短時間に製造することが可能である。   According to the production method of the present invention, a nitride single crystal having good crystallinity can be grown greatly at a high speed. For this reason, it is possible to manufacture a relatively thick crystal in a short time.

以下において、本発明の窒化物単結晶の製造方法等について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。   Hereinafter, the method for producing a nitride single crystal of the present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments. In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

(本発明の特徴)
本発明の製造方法は、シード、窒素元素を含有する溶媒、周期表13族金属元素を含む原料物質、および鉱化剤を入れたオートクレーブ内の温度および圧力を、前記溶媒が超臨界状態および/または亜臨界状態となるように制御して前記シードの表面にアモノサーマル法により窒化物単結晶を成長させる工程を含むものである。この工程において、本発明では、鉱化剤を溶媒の1.5〜15mol%の量で使用するか、あるいは、窒化物単結晶の平均結晶成長速度が15μm/day以上となる量で鉱化剤を使用することを特徴とする。
(Features of the present invention)
In the production method of the present invention, the temperature and pressure in an autoclave containing a seed, a nitrogen-containing solvent, a raw material containing a group 13 metal element of the periodic table, and a mineralizer are set in a supercritical state and / or Alternatively, the method includes a step of growing a nitride single crystal on the surface of the seed by an ammonothermal method while controlling to be in a subcritical state. In this step, in the present invention, the mineralizer is used in an amount of 1.5 to 15 mol% of the solvent, or the mineralizer is used in an amount such that the average crystal growth rate of the nitride single crystal is 15 μm / day or more. It is characterized by using.

鉱化剤が溶媒の1.5mol%未満の量であると、窒化物単結晶の成長速度が遅いか、窒化物単結晶が成長しないという事態に至ることが多い。また、鉱化剤が溶媒の15mol%超であると、核発生を十分に抑えることができなくなりシード表面に単結晶を成長させにくくなることが多い。このため、本発明では鉱化剤を溶媒の1.5〜15mol%の量で使用する。鉱化剤は溶媒の3〜12mol%の量で使用することが好ましく、4〜10mol%の量で使用することがより好ましい。なお、ここでいう鉱化剤の使用量や溶媒の使用量は、オートクレーブの蓋をする時点における鉱化剤や溶媒の量を意味する。   When the amount of the mineralizer is less than 1.5 mol% of the solvent, the growth rate of the nitride single crystal is often slow or the nitride single crystal does not grow. If the mineralizer is more than 15 mol% of the solvent, nucleation cannot be sufficiently suppressed and it is often difficult to grow a single crystal on the seed surface. For this reason, in the present invention, the mineralizer is used in an amount of 1.5 to 15 mol% of the solvent. The mineralizer is preferably used in an amount of 3 to 12 mol% of the solvent, more preferably 4 to 10 mol%. In addition, the usage-amount of a mineralizer here and the usage-amount of a solvent mean the quantity of a mineralizer and a solvent in the time of lid | covering an autoclave.

また、本発明の別の側面では、さらに窒化物単結晶の平均結晶成長速度が15μm/day以上となる量で鉱化剤を使用することが好ましい。窒化物単結晶の平均結晶成長速度は20μm/day以上であることがより好ましく、23μm/day以上であることがさらに好ましい。ここでいう平均結晶成長速度は、オートクレーブ内のシードの表面にアモノサーマル法により窒化物単結晶が成長しうる状態におかれている期間(成長期間)中の結晶成長速度の平均値を意味するものであり、通常は成長した窒化物単結晶の厚みを成長期間経過後に測定して成長期間の長さ(日数)で除することにより求められる。ただし、結晶成長速度15μm/day以上で結晶成長をさせた後に結晶成長速度が著しく低下しているにもかかわらず成長期間を延長して平均結晶成長速度を低下させる態様は、本発明を利用しているものとみなす。
窒化物単結晶の平均結晶成長速度は、オートクレーブ内に入れる原料や溶媒の種類や量等によって変わるが、上記の溶媒に対する鉱化剤の好ましい使用量の範囲を満たす場合に、窒化物単結晶の平均結晶成長速度が上記の範囲となることが多い。
In another aspect of the present invention, it is preferable to use a mineralizer in an amount such that the average crystal growth rate of the nitride single crystal is 15 μm / day or more. The average crystal growth rate of the nitride single crystal is more preferably 20 μm / day or more, and further preferably 23 μm / day or more. The average crystal growth rate here means the average value of the crystal growth rate during the period (growth period) in which the nitride single crystal can be grown on the seed surface in the autoclave by the ammonothermal method. Usually, it is obtained by measuring the thickness of the grown nitride single crystal after the growth period has elapsed and dividing it by the length of the growth period (days). However, an embodiment in which the growth period is extended to lower the average crystal growth rate even though the crystal growth rate is remarkably reduced after crystal growth at a crystal growth rate of 15 μm / day or more uses the present invention. It is assumed that
The average crystal growth rate of the nitride single crystal varies depending on the raw material and the type and amount of the solvent to be put in the autoclave. The average crystal growth rate often falls within the above range.

本発明において製造対象となる窒化物結晶は、使用する原料に依存するが、主としてB、Al、Ga、In等の第13族元素の単独金属の窒化物(例えば、GaN、AlN)の結晶または合金の窒化物(例えば、GaInN、GaAlN)の結晶であることが好ましく、窒化ガリウム結晶であることがさらに好ましい。   The nitride crystal to be manufactured in the present invention depends on the raw material used, but is mainly a crystal of a single metal nitride of a Group 13 element such as B, Al, Ga, In (for example, GaN, AlN) or An alloy nitride (eg, GaInN, GaAlN) crystal is preferable, and a gallium nitride crystal is more preferable.

(使用材料)
本発明では、溶媒として窒素元素を含有する溶媒を用いる。窒素元素を含有する溶媒としては、成長させる窒化物単結晶の安定性を損なうことのない溶媒を挙げることができ、具体的には、アンモニア、ヒドラジン、尿素、アミン類(例えば、メチルアミンのような第1級アミン、ジメチルアミンのような第二級アミン、トリメチルアミンのような第三級アミン、エチレンジアミンのようなジアミン)、メラミン等を挙げることができる。これらの溶媒は単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。
(Materials used)
In the present invention, a solvent containing nitrogen element is used as the solvent. Examples of the nitrogen-containing solvent include solvents that do not impair the stability of the nitride single crystal to be grown. Specifically, ammonia, hydrazine, urea, amines (for example, methylamine) Primary amines, secondary amines such as dimethylamine, tertiary amines such as trimethylamine, diamines such as ethylenediamine), and melamine. These solvents may be used alone or in combination.

本発明で用いる溶媒に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000ppm以下であることが好ましく、10ppm以下であることがより好ましく、0.1ppm以下であることがさらに好ましい。アンモニアを溶媒として用いる場合、その純度は通常99.9%以上であり、好ましくは99.99%以上であり、さらに好ましくは99.999%以上であり、特に好ましくは99.9999%以上である。   The amount of water and oxygen contained in the solvent used in the present invention is desirably as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 ppm or less, more preferably 10 ppm or less, and preferably 0.1 ppm or less. Further preferred. When ammonia is used as a solvent, the purity is usually 99.9% or more, preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% or more, and particularly preferably 99.9999% or more. .

本発明の製造方法に用いる鉱化剤は、溶媒に対する原料の溶解度を高める化合物であり、通常は、ハロゲン元素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属を含む化合物である。中でも、成長させる結晶が酸素元素を含まないようにするために、アンモニウムイオンやアミドなどの形で窒素元素を含む化合物を使用することが好ましい。本発明では、鉱化剤は1種類のみを選択して使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。   The mineralizer used in the production method of the present invention is a compound that increases the solubility of the raw material in the solvent, and is usually a compound containing a halogen element, an alkali metal, an alkaline earth metal, or a rare earth metal. Among them, it is preferable to use a compound containing nitrogen element in the form of ammonium ion or amide so that the crystal to be grown does not contain oxygen element. In the present invention, only one type of mineralizer may be selected and used, or two or more types may be used in combination.

本発明で成長させる窒化物単結晶に不純物が混入するのを防ぐために、必要に応じて鉱化剤は精製、乾燥してから使用する。本発明で用いる鉱化剤の純度は、通常は95%以上、好ましくは99%以上、さらに好ましくは99.99%以上である。鉱化剤に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000ppm以下であることが好ましく、10ppm以下であることがより好ましく、1.0ppm以下であることがさらに好ましい。   In order to prevent impurities from being mixed into the nitride single crystal grown in the present invention, the mineralizer is used after being purified and dried as necessary. The purity of the mineralizer used in the present invention is usually 95% or higher, preferably 99% or higher, more preferably 99.99% or higher. It is desirable that the amount of water and oxygen contained in the mineralizer is as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 ppm or less, more preferably 10 ppm or less, and further preferably 1.0 ppm or less. .

本発明では、酸性鉱化剤と塩基性鉱化剤のいずれも用いることができる。
塩基性鉱化剤としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属と窒素元素とを含む化合物が挙げられ、具体的にはアルカリ土類金属アミド、希土類アミド、窒化アルカリ金属、窒化アルカリ土類金属、アジド化合物、その他ヒドラジン類の塩が挙げられる。好ましくはアルカリ金属アミドであり、その具体例としてナトリウムアミド、カリウムアミド、リチウムアミドが挙げられる。
酸性鉱化剤としては、ハロゲン元素を含む化合物で、ハロゲン化アンモニウム等が挙げられる。具体的には、塩化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、臭化アンモニウムが挙げられ、中でも塩化アンモニウムが好ましい。
本発明では、特に酸性鉱化剤を用いることが好ましい。酸性鉱化剤は超臨界状態のアンモニア溶媒への溶解性が高く、好適な反応圧力が低く、かつオートクレーブの内壁を構成するようなPt等の貴金属に対する反応性が小さいという有利な特性を有する。
In the present invention, both an acidic mineralizer and a basic mineralizer can be used.
Examples of basic mineralizers include alkali metals, alkaline earth metals, compounds containing rare earth metals and nitrogen elements, specifically alkaline earth metal amides, rare earth amides, alkali metal nitrides, alkaline earth nitrides. Examples thereof include salts of metals, azide compounds and other hydrazines. Alkali metal amides are preferable, and specific examples thereof include sodium amide, potassium amide, and lithium amide.
The acidic mineralizer is a compound containing a halogen element such as ammonium halide. Specific examples include ammonium chloride, ammonium iodide, and ammonium bromide. Among them, ammonium chloride is preferable.
In the present invention, it is particularly preferable to use an acidic mineralizer. The acidic mineralizer has advantageous properties such as high solubility in a supercritical ammonia solvent, low reaction pressure, and low reactivity with noble metals such as Pt constituting the inner wall of the autoclave.

鉱化剤と周期表13族金属元素を含む原料物質との使用割合は、鉱化剤/周期表13族金属元素(モル比)が通常0.0001〜100となる範囲内であり、GaNであれば鉱化剤/Ga(モル比)が通常0.001〜20となる範囲内が好ましい。使用割合は、原料や鉱化剤などの種類や目的とする結晶の大きさなどを考慮して適宜決定することができる。   The use ratio of the mineralizer and the raw material containing the group 13 metal element of the periodic table is within a range in which the mineralizer / group 13 metal element (molar ratio) is usually 0.0001 to 100, and GaN If it exists, the inside of the range from which a mineralizer / Ga (molar ratio) will be 0.001-20 normally is preferable. The ratio of use can be appropriately determined in consideration of the types of raw materials and mineralizers, the target crystal size, and the like.

本発明では、周期表13族金属を含む原料を用いる。好ましくは13族窒化物結晶の多結晶原料および/またはガリウムであり、より好ましくは窒化ガリウムおよび/またはガリウムである。多結晶原料は、完全な窒化物である必要はなく、条件によっては13族元素がメタルの状態(ゼロ価)である金属成分を含有してもよく、例えば、結晶が窒化ガリウムである場合には、窒化ガリウムと金属ガリウムの混合物が挙げられる。   In the present invention, a raw material containing a group 13 metal of the periodic table is used. Preferred is a polycrystalline raw material of group 13 nitride crystal and / or gallium, and more preferred is gallium nitride and / or gallium. The polycrystalline raw material does not need to be a complete nitride, and may contain a metal component in which the group 13 element is in a metal state (zero valence) depending on conditions. For example, when the crystal is gallium nitride Is a mixture of gallium nitride and metal gallium.

本発明において原料として用いる多結晶原料の製造方法は、特に制限されない。例えば、アンモニアガスを流通させた反応容器内で、金属またはその酸化物もしくは水酸化物をアンモニアと反応させることにより生成した窒化物多結晶を用いることができる。また、より反応性の高い金属化合物原料として、ハロゲン化物、アミド化合物、イミド化合物、ガラザンなどの共有結合性M−N結合を有する化合物などを用いることができる。さらに、Gaなどの金属を高温高圧で窒素と反応させて作製した窒化物多結晶を用いることもできる。   The manufacturing method of the polycrystalline raw material used as a raw material in the present invention is not particularly limited. For example, a nitride polycrystal produced by reacting a metal or an oxide or hydroxide thereof with ammonia in a reaction vessel in which ammonia gas is circulated can be used. In addition, as a metal compound raw material having higher reactivity, a compound having a covalent MN bond such as a halide, an amide compound, an imide compound, or galazan can be used. Furthermore, a nitride polycrystal produced by reacting a metal such as Ga with nitrogen at a high temperature and a high pressure can also be used.

本発明において原料として用いる多結晶原料に含まれる水や酸素の量は、少ないことが好ましい。多結晶原料中の酸素含有量は、通常1.0質量%以下、好ましくは0.1質量%以下、特に好ましくは0.0001質量%以下である。多結晶原料への酸素の混入のしやすさは、水分との反応性または吸収能と関係がある。多結晶原料の結晶性が悪いほど表面にNH基などの活性基が多く存在し、それが水と反応して一部酸化物や水酸化物が生成する可能性がある。このため、多結晶原料としては、通常、できるだけ結晶性が高い物を使用することが好ましい。結晶性は粉末X線回折の半値幅で見積もることができ、(100)の回折線(ヘキサゴナル型窒化ガリウムでは2θ=約32.5°)の半値幅が、通常0.25°以下、好ましくは0.20°以下、さらに好ましくは0.17°以下である。   The amount of water and oxygen contained in the polycrystalline raw material used as the raw material in the present invention is preferably small. The oxygen content in the polycrystalline raw material is usually 1.0% by mass or less, preferably 0.1% by mass or less, and particularly preferably 0.0001% by mass or less. The ease of mixing oxygen into the polycrystalline raw material is related to the reactivity with water or the absorption capacity. The worse the crystallinity of the polycrystalline raw material, the more active groups such as NH groups exist on the surface, which may react with water and partially generate oxides or hydroxides. For this reason, it is usually preferable to use a polycrystalline material having as high crystallinity as possible. The crystallinity can be estimated by the half width of powder X-ray diffraction. The half width of the (100) diffraction line (2θ = about 32.5 ° for hexagonal gallium nitride) is usually 0.25 ° or less, preferably It is 0.20 ° or less, more preferably 0.17 ° or less.

本発明では、シードを用いる。シードとしては、本発明の製造方法により成長させる窒化物の単結晶を用いることが望ましいが、必ずしも同一の窒化物でなくてもよい。ただし、その場合には、目的の窒化物と一致し、もしくは適合した格子定数、結晶格子のサイズパラメータを有するシードであるか、またはヘテロエピタキシー(すなわち若干の原子の結晶学的位置の一致)を保証するよう配位した単結晶材料片もしくは多結晶材料片から構成されているシードを用いる必要がある。シードの具体例としては、例えば窒化ガリウム(GaN)を成長させる場合、GaNの単結晶の他、窒化アルミニウム(AlN)等の窒化物単結晶、酸化亜鉛(ZnO)の単結晶、炭化ケイ素(SiC)の単結晶等が挙げられる。   In the present invention, a seed is used. As the seed, it is desirable to use a single crystal of nitride grown by the manufacturing method of the present invention, but it is not always necessary to use the same nitride. However, in that case, it is a seed with a lattice constant, crystal lattice size parameter that matches or matches the desired nitride, or heteroepitaxy (ie, coincidence of the crystallographic position of some atoms). It is necessary to use seeds composed of single crystal material pieces or polycrystalline material pieces coordinated to ensure. As specific examples of seeds, for example, when growing gallium nitride (GaN), in addition to a single crystal of GaN, a single crystal of nitride such as aluminum nitride (AlN), a single crystal of zinc oxide (ZnO), silicon carbide (SiC) ) And the like.

シードは、溶媒への溶解度および鉱化剤との反応性を考慮して決定することができる。例えば、GaNのシードとしては、MOCVD法やHVPE法でサファイア等の異種基板上にエピタキシャル成長させた後に剥離させて得た単結晶、金属GaからNaやLi、Biをフラックスとして結晶成長させて得た単結晶、LPE法を用いて得たホモ/ヘテロエピタキシャル成長させた単結晶、本発明法を含む溶液成長法に基づき作製された単結晶およびそれらを切断した結晶などを用いることができる。   The seed can be determined in consideration of the solubility in the solvent and the reactivity with the mineralizer. For example, as a seed of GaN, a single crystal obtained by epitaxial growth on a dissimilar substrate such as sapphire by MOCVD method or HVPE method and then exfoliated, and obtained by crystal growth of Na, Li, Bi from metal Ga as a flux. A single crystal, a single crystal obtained by homoepitaxial growth using the LPE method, a single crystal produced based on a solution growth method including the method of the present invention, and a crystal obtained by cutting them can be used.

(オートクレーブ)
本発明の製造方法は、オートクレーブ中で実施する。
本発明に用いるオートクレーブは、窒化物単結晶を成長させるときの高温高圧条件に耐え得るもの中から選択する。本発明に用いるオートクレーブは、耐圧性と耐浸食性を有する材料で構成されているものが好ましく、特にアンモニア等の溶媒に対する耐浸食性に優れたNi系の合金、ステライト(デロロ・ステライト・カンパニー・インコーポレーテッドの登録商標)等のCo系合金を用いることが好ましい。より好ましくはNi系の合金であり、具体的には、Inconel625(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標、以下同じ)、Nimonic90(Nimonicはスペシャル メタルズ ウィギン リミテッドの登録商標、以下同じ)、RENE41が挙げられる。
(Autoclave)
The production method of the present invention is carried out in an autoclave.
The autoclave used in the present invention is selected from those that can withstand the high-temperature and high-pressure conditions when growing a nitride single crystal. The autoclave used in the present invention is preferably composed of a material having pressure resistance and erosion resistance. In particular, an Ni-based alloy having excellent erosion resistance against a solvent such as ammonia, Stellite (Derolo Stellite Company It is preferable to use a Co-based alloy such as a registered trademark of Incorporated. More preferably, it is an Ni-based alloy, specifically, Inconel 625 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited, the same shall apply hereinafter), Nimonic 90 (Nimonic is a registered trademark of Special Metals Wiggin Limited, hereinafter the same), and RENE 41. It is done.

これらの合金の組成比率は、系内の溶媒の温度や圧力条件、および系内に含まれる鉱化剤およびそれらの反応物との反応性および/または酸化力・還元力、pHの条件に従い、適宜選択すればよい。これらをオートクレーブの内面を構成する材料として用いるには、オートクレーブ自体をこれらの合金を用いて製造してもよく、内筒として薄膜を形成してオートクレーブ内に設置してもよく、任意のオートクレーブの材料の内面にメッキ処理を施してもよい。   The composition ratio of these alloys depends on the temperature and pressure conditions of the solvent in the system, and the reactivity with the mineralizers and their reactants contained in the system and / or the oxidizing power / reducing power, pH conditions, What is necessary is just to select suitably. In order to use these as materials constituting the inner surface of the autoclave, the autoclave itself may be manufactured using these alloys, or a thin film may be formed as an inner cylinder and installed in the autoclave. The inner surface of the material may be plated.

オートクレーブの耐浸食性をより向上させるために、貴金属の優れた耐浸食性を利用して、貴金属をオートクレーブの内表面をライニングまたはコーティングしてもよい。また、オートクレーブの材質を貴金属とすることもできる。ここでいう貴金属としては、Pt、Au、Ir、Ru、Rh、Pd、Ag、およびこれらの貴金属を主成分とする合金が挙げられ、中でも優れた耐浸食性を有するPtを用いることが好ましい。   In order to further improve the erosion resistance of the autoclave, the inner surface of the autoclave may be lined or coated using the superior erosion resistance of the noble metal. The material of the autoclave can be a noble metal. Examples of the noble metal include Pt, Au, Ir, Ru, Rh, Pd, Ag, and alloys containing these noble metals as main components. Among them, it is preferable to use Pt having excellent erosion resistance.

本発明の製造方法に用いることができるオートクレーブを含む結晶製造装置の具体例を図1に示す。図中、1はバルブ、2は圧力計、3はオートクレーブ、4は結晶成長領域、5は原料充填領域、6はバッフル板、7は電気炉、8は熱電対、9は原料、10はシード、11は導管を示す。   A specific example of a crystal production apparatus including an autoclave that can be used in the production method of the present invention is shown in FIG. In the figure, 1 is a valve, 2 is a pressure gauge, 3 is an autoclave, 4 is a crystal growth region, 5 is a raw material filling region, 6 is a baffle plate, 7 is an electric furnace, 8 is a thermocouple, 9 is a raw material, 10 is a seed , 11 indicates a conduit.

バッフル板6は、結晶成長領域4と原料充填領域5を区画するものであり、開孔率が2〜20%であるものが好ましく、3〜10%であるものがより好ましい。バッフル板の表面の材質は、前記の反応容器の材料と同一であることが好ましい。また、より耐浸食性を持たせ、成長させる結晶を高純度化するために、バッフル板の表面は、Ni、Ta、Ti、Nb、Pd、Pt、Au、Ir、pBNであることが好ましく、Pd、Pt、Au、Ir、pBNであることがより好ましく、Ptであることが特に好ましい。   The baffle plate 6 divides the crystal growth region 4 and the raw material filling region 5, and preferably has a hole area ratio of 2 to 20%, more preferably 3 to 10%. The material of the surface of the baffle plate is preferably the same as the material of the reaction vessel. Further, in order to give more erosion resistance and to purify the crystal to be grown, the surface of the baffle plate is preferably Ni, Ta, Ti, Nb, Pd, Pt, Au, Ir, pBN, Pd, Pt, Au, Ir, and pBN are more preferable, and Pt is particularly preferable.

バルブ1、圧力計2、導管11についても、少なくとも表面が耐浸食性の材質で構成されるものを用いることが好ましい。例えば、SUS316(JIS規格)であり、Inconel625を使用することがより好ましい。なお、本発明の製造方法を実施する際に用いる結晶製造装置には、バルブ、圧力計、導管は必ずしも設置されていなくても構わない。   As for the valve 1, the pressure gauge 2, and the conduit 11, it is preferable that at least the surface is made of an erosion resistant material. For example, it is SUS316 (JIS standard), and it is more preferable to use Inconel 625. Note that a valve, a pressure gauge, and a conduit do not necessarily have to be installed in the crystal manufacturing apparatus used when carrying out the manufacturing method of the present invention.

(製造工程)
本発明の製造方法を実施する際には、まず、オートクレーブ内に、シード、窒素元素を含有する溶媒、周期表13族金属元素を含む原料物質、および鉱化剤を入れて封止する。このとき、鉱化剤の使用量は、溶媒の1.5〜15mol%とするか、あるいは、後の窒化物単結晶の平均結晶成長速度が15μm/day以上となる量とする。これらの材料をオートクレーブ内に導入するのに先だって、オートクレーブ内は脱気しておいてもよい。また、材料の導入時には、窒素ガスなどの不活性ガスを流通させてもよい。
(Manufacturing process)
In carrying out the production method of the present invention, first, a seed, a solvent containing a nitrogen element, a raw material containing a group 13 metal element of the periodic table, and a mineralizer are put in an autoclave and sealed. At this time, the amount of the mineralizer used is 1.5 to 15 mol% of the solvent, or an amount at which the average crystal growth rate of the subsequent nitride single crystal is 15 μm / day or more. Prior to introducing these materials into the autoclave, the autoclave may be degassed. Moreover, you may distribute | circulate inert gas, such as nitrogen gas, at the time of introduction | transduction of material.

オートクレーブ内へのシードの装填は、通常は、周期表13族金属元素を含む原料物質および鉱化剤を充填する際に同時または充填後に装填する。シードは、オートクレーブ内表面を構成する貴金属と同様の貴金属製の治具に固定することが好ましい。装填後には、必要に応じて加熱脱気をしてもよい。   The seeds are usually charged into the autoclave at the same time as or after the filling with the raw material containing the group 13 metal element and the mineralizer. The seed is preferably fixed to a noble metal jig similar to the noble metal constituting the inner surface of the autoclave. After loading, heat deaeration may be performed as necessary.

超臨界状態では一般的には、粘度が低く、液体よりも容易に拡散されるが、液体と同様の溶媒和力を有する。亜臨界状態とは、臨界温度近傍で臨界密度とほぼ等しい密度を有する液体の状態を意味する。例えば、原料充填領域では、超臨界状態として原料を溶解し、結晶成長領域では亜臨界状態となるように温度を変化させて超臨界状態と亜臨界状態の原料の溶解度差を利用した結晶成長も可能である。   In the supercritical state, the viscosity is generally low and it is more easily diffused than the liquid, but has the same solvating power as the liquid. The subcritical state means a liquid state having a density substantially equal to the critical density near the critical temperature. For example, in the raw material filling region, the raw material is melted as a supercritical state, and in the crystal growth region, the temperature is changed so that it becomes a subcritical state, and crystal growth using the difference in solubility between the supercritical state material and the subcritical state material is also performed. Is possible.

超臨界状態にする場合、反応混合物は、一般に溶媒の臨界点よりも高い温度に保持する。アンモニア溶媒を用いた場合、臨界点は臨界温度132℃、臨界圧力11.35MPaであるが、オートクレーブの容積に対する充填率が高ければ、臨界温度以下の温度でも圧力は臨界圧力を遥かに越える。本発明において「超臨界状態」とは、このような臨界圧力を越えた状態を含む。反応混合物は、一定の容積のオートクレーブ内に封入されているので、温度上昇は流体の圧力を増大させる。一般に、T>Tc(1つの溶媒の臨界温度)およびP>Pc(1つの溶媒の臨界圧力)であれば、流体は超臨界状態にある。   When in the supercritical state, the reaction mixture is generally maintained at a temperature above the critical point of the solvent. When an ammonia solvent is used, the critical point is a critical temperature of 132 ° C. and a critical pressure of 11.35 MPa. However, if the filling rate with respect to the volume of the autoclave is high, the pressure far exceeds the critical pressure even at a temperature below the critical temperature. In the present invention, the “supercritical state” includes such a state exceeding the critical pressure. Since the reaction mixture is enclosed in a fixed volume autoclave, the temperature increase increases the pressure of the fluid. In general, if T> Tc (critical temperature of one solvent) and P> Pc (critical pressure of one solvent), the fluid is in a supercritical state.

超臨界条件では、窒化物単結晶の十分な成長速度が得られる。反応時間は、特に鉱化剤の反応性および熱力学的パラメータ、すなわち温度および圧力の数値に依存する。窒化物単結晶の合成中あるいは成長中、オートクレーブ内は10MPa〜500MPa程度の圧力で保持することが好ましい。圧力は、温度およびオートクレーブの容積に対する溶媒体積の充填率によって適宜決定される。本来、オートクレーブ内の圧力は、温度と充填率によって一義的に決まるものではあるが、実際には、原料、鉱化剤などの添加物、オートクレーブ内の温度の不均一性、および死容積の存在によって多少異なる。   Under supercritical conditions, a sufficient growth rate of the nitride single crystal can be obtained. The reaction time depends in particular on the reactivity of the mineralizer and the thermodynamic parameters, ie temperature and pressure values. During the synthesis or growth of the nitride single crystal, the autoclave is preferably held at a pressure of about 10 MPa to 500 MPa. The pressure is appropriately determined depending on the filling rate of the solvent volume with respect to the temperature and the volume of the autoclave. Originally, the pressure in the autoclave is uniquely determined by the temperature and filling rate, but in reality, there are raw materials, additives such as mineralizers, temperature heterogeneity in the autoclave, and the existence of dead volume. It will vary slightly.

オートクレーブ内の温度範囲は、下限値が通常150℃以上、好ましくは200℃以上、特に好ましくは300℃以上であり、上限値が通常800℃以下、好ましくは700℃以下、特に好ましくは600℃以下である。好ましい温度範囲は150〜800℃、より好ましくは200〜700℃、さらに好ましくは300〜600℃である。また、オートクレーブ内の圧力範囲は、下限値が通常20MPa以上、好ましくは30MPa以上、さらに好ましくは50MPa以上、特に好ましくは80MPa以上であり、上限値が通常500MPa以下、好ましくは400MPa以下、さらに好ましくは300MPa以下、特に好ましくは200MPa以下である。好ましい圧力範囲は、20〜500MPa、より好ましくは50〜300MPa、さらに好ましくは80〜200MPaである。   As for the temperature range in the autoclave, the lower limit is usually 150 ° C or higher, preferably 200 ° C or higher, particularly preferably 300 ° C or higher, and the upper limit is usually 800 ° C or lower, preferably 700 ° C or lower, particularly preferably 600 ° C or lower. It is. A preferable temperature range is 150 to 800 ° C, more preferably 200 to 700 ° C, and still more preferably 300 to 600 ° C. The lower limit of the pressure range in the autoclave is usually 20 MPa or more, preferably 30 MPa or more, more preferably 50 MPa or more, particularly preferably 80 MPa or more, and the upper limit is usually 500 MPa or less, preferably 400 MPa or less, more preferably. 300 MPa or less, particularly preferably 200 MPa or less. A preferable pressure range is 20 to 500 MPa, more preferably 50 to 300 MPa, and still more preferably 80 to 200 MPa.

上記のオートクレーブの温度範囲、圧力範囲を達成するためのオートクレーブへの溶媒の注入割合、すなわち充填率は、オートクレーブのフリー容積、すなわち、オートクレーブに多結晶原料、および種結晶を用いる場合には、種結晶とそれを設置する構造物の体積をオートクレーブの容積から差し引いて残存する容積、またバッフル板を設置する場合には、さらにそのバッフル板の体積をオートクレーブの容積から差し引いて残存する容積の溶媒の沸点における液体密度を基準として、通常20〜95%、好ましくは40〜90%、さらに好ましくは50〜85%とする。   The injection ratio of the solvent into the autoclave to achieve the above autoclave temperature range and pressure range, that is, the filling rate, is the free volume of the autoclave, i.e., when a polycrystalline raw material and a seed crystal are used in the autoclave. Subtract the volume of the crystal and the structure where it will be installed from the autoclave volume, and if a baffle plate is installed, subtract the volume of the baffle plate from the volume of the autoclave and add the remaining volume of solvent. Based on the liquid density at the boiling point, it is usually 20 to 95%, preferably 40 to 90%, more preferably 50 to 85%.

オートクレーブ内での窒化物単結晶の成長は、熱電対を有する電気炉などを用いてオートクレーブを加熱昇温することにより、オートクレーブ内をアンモニア等の溶媒の亜臨界状態または超臨界状態に保持することにより行われる。加熱の方法、所定の反応温度への昇温速度に付いては特に限定されないが、通常、数時間から数日かけて行われる。必要に応じて、多段の昇温を行ったり、温度域において昇温スピードを変えたりすることもできる。また、部分的に冷却しながら加熱したりすることもできる。   Nitride single crystal growth in the autoclave is to maintain the autoclave in a subcritical or supercritical state of a solvent such as ammonia by heating and heating the autoclave using an electric furnace with a thermocouple. Is done. The heating method and the rate of temperature increase to a predetermined reaction temperature are not particularly limited, but are usually performed over several hours to several days. If necessary, the temperature can be raised in multiple stages, or the temperature raising speed can be changed in the temperature range. It can also be heated while being partially cooled.

なお、上記の「反応温度」は、オートクレーブの外面に接するように設けられた熱電対によって測定されるものであり、オートクレーブの内部温度と近似することができる。   The above “reaction temperature” is measured by a thermocouple provided in contact with the outer surface of the autoclave, and can be approximated to the internal temperature of the autoclave.

所定の温度に達した後の反応時間については、窒化物単結晶の種類、用いる原料、鉱化剤の種類、製造する結晶の大きさや量によっても異なるが、通常、数時間から数百日とすることができる。反応中、反応温度は一定にしてもよいし、徐々に昇温または降温させることもできる。所望の結晶を生成させるための反応時間を経た後、降温させる。降温方法は特に限定されないが、ヒーターの加熱を停止してそのまま炉内にオートクレーブを設置したまま放冷してもかまわないし、オートクレーブを電気炉から取り外して空冷してもかまわない。必要であれば、冷媒を用いて急冷することも好適に用いられる。   The reaction time after reaching a predetermined temperature varies depending on the type of nitride single crystal, the raw material used, the type of mineralizer, and the size and amount of the crystal to be produced, but is usually several hours to several hundred days. can do. During the reaction, the reaction temperature may be constant, or the temperature may be gradually raised or lowered. After a reaction time for producing desired crystals, the temperature is lowered. The method for lowering the temperature is not particularly limited, but the heating of the heater may be stopped and the autoclave may be allowed to cool as it is installed in the furnace, or the autoclave may be removed from the electric furnace and air cooled. If necessary, quenching with a refrigerant is also preferably used.

オートクレーブ外面の温度、あるいは推定されるオートクレーブ内部の温度が所定温度以下になった後、オートクレーブを開栓する。このときの所定温度は特に限定はなく、通常、−80℃〜200℃、好ましくは−33℃〜100℃である。ここで、オートクレーブに付属したバルブの配管接続口に配管を接続し、水などを満たした容器に通じておき、バルブを開けてもよい。
さらに必要に応じて、真空状態にするなどしてオートクレーブ内のアンモニア溶媒を十分に除去した後、乾燥し、オートクレーブの蓋等を開けて生成した窒化物結晶および未反応の原料や鉱化剤等の添加物を取り出すことができる。
After the temperature of the outer surface of the autoclave or the estimated temperature inside the autoclave has fallen below the predetermined temperature, the autoclave is opened. The predetermined temperature at this time is not particularly limited, and is usually −80 ° C. to 200 ° C., preferably −33 ° C. to 100 ° C. Here, a pipe may be connected to a pipe connection port of a valve attached to the autoclave, and the valve may be opened by passing through a container filled with water or the like.
Furthermore, if necessary, after removing the ammonia solvent in the autoclave sufficiently by making a vacuum or the like, it is dried and the autoclave lid is opened, etc. to produce nitride crystals and unreacted raw materials and mineralizers, etc. The additive can be removed.

このようにして、本発明の製造方法により窒化物単結晶を製造することができる。所望の結晶構造を有する窒化物単結晶を製造するためには、製造条件を適宜調整することが必要である。   Thus, a nitride single crystal can be produced by the production method of the present invention. In order to manufacture a nitride single crystal having a desired crystal structure, it is necessary to appropriately adjust the manufacturing conditions.

本発明の製造方法により製造した窒化物単結晶は、そのまま使用してもよいし、加工してから使用してもよい。本発明の製造方法によれば膜厚が厚い窒化物単結晶を比較的短時間に製造することができる。例えば膜厚が50μm以上の窒化物単結晶も製造可能である。また、本発明の製造方法により製造した窒化物単結晶は、結晶性が良好であるために、発光ダイオードやレーザーダイオードを始めとする様々な電子素子等のデバイスの製造に広く利用されうる。   The nitride single crystal produced by the production method of the present invention may be used as it is, or may be used after being processed. According to the manufacturing method of the present invention, a nitride single crystal having a large film thickness can be manufactured in a relatively short time. For example, a nitride single crystal having a thickness of 50 μm or more can be manufactured. The nitride single crystal produced by the production method of the present invention has good crystallinity, and can be widely used for production of various electronic devices such as light emitting diodes and laser diodes.

以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。なお、以下の実施例および比較例では、図1に示す結晶製造装置を用いて結晶成長を試みた。   The features of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below. In the following examples and comparative examples, crystal growth was attempted using the crystal manufacturing apparatus shown in FIG.

(実施例1)
白金を内張りした内寸が直径16mm、長さ160mmのオートクレーブ3(Inconel 625製:容積約30ml)内に、原料9としてHVPE法で製造したGaN多結晶を4.92gおよびGaを3.07g入れ、次いでその上から鉱化剤として十分に乾燥した純度99.99%のNH4Clを2.50g充填した。
Example 1
4.92 g of GaN polycrystal produced by the HVPE method as raw material 9 and 3.07 g of Ga in autoclave 3 (made of Inconel 625: volume of about 30 ml) with a diameter of 16 mm and a length of 160 mm lined with platinum Then, 2.50 g of NH 4 Cl having a purity of 99.99% and sufficiently dried as a mineralizer was charged thereon.

次いで、底から80mm上方にバッフル板6を設置し、その上の結晶成長領域4に5mm角の厚み200μmのGaNシード10を設置した後、素早くバルブ1が装着されたオートクレーブ3の蓋を閉じ、オートクレーブ3の計量を行った。次いで、オートクレーブ3に付属したバルブ1を介して導管11を真空ポンプ部に通じるように操作し、バルブ1を開けてオートクレーブ3内を真空脱気した。その後、真空状態を維持しながら、オートクレーブ3をドライアイス/メタノールによって冷却し、一旦バルブ1を閉じた。次いで、導管11をバルブ1を介してNH3ボンベに通じるように操作した後、再びバルブ1を開け、外気に触れることなくNH3を連続してオートクレーブ3内に充填した。流量を制御して、NH3をオートクレーブ3の空洞部の70%に相当する液体として充填(−33℃のNH3濃度で換算)した後、再びバルブ1を閉じた。オートクレーブ3の温度を室温に戻し、外表面を十分に乾燥させて充填したNH3の増加分の計量を行った。オートクレーブ3内のNH3に対するNH4Clの比は5.9mol%であった。 Next, a baffle plate 6 is installed 80 mm above the bottom, and a 5-mm square GaN seed 10 having a thickness of 200 μm is installed in the crystal growth region 4 thereon, and then the lid of the autoclave 3 to which the valve 1 is mounted is quickly closed. The autoclave 3 was weighed. Next, the conduit 11 was operated through the valve 1 attached to the autoclave 3 to the vacuum pump unit, the valve 1 was opened, and the inside of the autoclave 3 was vacuum deaerated. Thereafter, while maintaining the vacuum state, the autoclave 3 was cooled with dry ice / methanol, and the valve 1 was once closed. Next, after the conduit 11 was operated so as to communicate with the NH 3 cylinder via the valve 1, the valve 1 was opened again, and NH 3 was continuously filled in the autoclave 3 without touching the outside air. The flow rate was controlled, and NH 3 was filled as a liquid corresponding to 70% of the cavity of the autoclave 3 (converted with an NH 3 concentration of −33 ° C.), and then the valve 1 was closed again. The temperature of the autoclave 3 was returned to room temperature, and the increased amount of NH 3 filled after the outer surface was sufficiently dried was measured. The ratio of NH 4 Cl for NH 3 in the autoclave 3 was 5.9 mol%.

続いて、オートクレーブ3を上下に2分割されたヒーターで構成された電気炉7内に収納した。オートクレーブ3の下部外面の温度が550℃に、上部外面の温度が500℃になるように温度差をつけながら6時間かけて昇温し、オートクレーブ3の下部外面の温度が550℃に、上部外面の温度が500℃に達した後、その温度でさらに96時間保持した。オートクレーブ3内の圧力は170MPaであった。また、保持中の温度幅は±5℃以下に制御した。その後、オートクレーブ3の下部外面の温度が50℃になるまで約9時間かけて降温した後、ヒーターによる加熱を止め、電気炉7内で自然放冷した。オートクレーブ3の下部外面の温度がほぼ室温まで降下したことを確認した後、まずオートクレーブ3に付属したバルブ1を開放し、オートクレーブ3内のNH3を取り除いた。その後、オートクレーブ3を計量し、NH3の排出を確認した。その後、一旦バルブ1を閉じ、真空ポンプに通ずるように導管を操作し、バルブ1を再び開放し、オートクレーブ3のNH3をほぼ完全に除去した。 Subsequently, the autoclave 3 was accommodated in an electric furnace 7 composed of a heater divided into two parts in the vertical direction. The temperature of the lower outer surface of the autoclave 3 is increased to 550 ° C. and the temperature of the upper outer surface is increased to 500 ° C. over 6 hours while making a temperature difference. The temperature of the lower outer surface of the autoclave 3 is increased to 550 ° C. After the temperature reached 500 ° C., the temperature was further maintained for 96 hours. The pressure in the autoclave 3 was 170 MPa. Further, the temperature range during holding was controlled to ± 5 ° C. or less. Thereafter, the temperature was lowered over about 9 hours until the temperature of the lower outer surface of the autoclave 3 reached 50 ° C., and then the heating by the heater was stopped, and the mixture was naturally cooled in the electric furnace 7. After confirming that the temperature of the lower outer surface of the autoclave 3 dropped to almost room temperature, the valve 1 attached to the autoclave 3 was first opened, and NH 3 in the autoclave 3 was removed. Thereafter, the autoclave 3 was weighed to confirm the discharge of NH 3 . Thereafter, the valve 1 was once closed, the conduit was operated so as to communicate with the vacuum pump, the valve 1 was opened again, and NH 3 in the autoclave 3 was almost completely removed.

その後、オートクレーブ3の蓋を開け、内部を確認したところ、シード10表面に厚さ110μmのGaN結晶が成長しており、結晶成長速度は27.5μm/dayであった。シード表面に成長したGaN結晶を取り出してSEM(走査型電子顕微鏡)により結晶面状態を観察したところ、針状結晶や粒塊などは見られなかった。さらにX線回折測定した結果、結晶型はヘキサゴナル型であり、シードと同じ方位でC軸配向しており、結晶性が極めて良好であることが確認された。   Thereafter, the lid of the autoclave 3 was opened and the inside was confirmed. As a result, a GaN crystal having a thickness of 110 μm was grown on the surface of the seed 10, and the crystal growth rate was 27.5 μm / day. When the GaN crystal grown on the seed surface was taken out and the crystal plane state was observed with an SEM (scanning electron microscope), no acicular crystals or agglomerates were found. Further, as a result of X-ray diffraction measurement, the crystal type was hexagonal type, which was C-axis oriented in the same direction as the seed, and it was confirmed that the crystallinity was very good.

(実施例2、実施例3および比較例1〜3)
実施例1の製造条件と原料および溶媒の使用量を表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にしてGaN結晶の成長を試みた。その結果、実施例2、実施例3および比較例3については、シード表面にGaN結晶が成長したが、比較例1および比較例2についてはシード表面にGaN結晶が成長しなかった。
シード表面に成長したGaN結晶を取り出してSEM観察を行ったところ、実施例2および実施例3については針状結晶や粒塊などが見られなかったが、比較例3についてはシード表面に自発核発生による微結晶が多数析出しており、単結晶ではなかった。さらに、実施例2および実施例3で得られた結晶についてX線回折測定を行った結果、結晶型はヘキサゴナル型であり、シードと同じ方位でC軸配向しており、結晶性が極めて良好であることが確認された。
(Example 2, Example 3, and Comparative Examples 1-3)
Growth of GaN crystals was attempted in the same manner as in Example 1 except that the production conditions of Example 1 and the amounts of raw materials and solvent used were changed as shown in Table 1. As a result, in Example 2, Example 3, and Comparative Example 3, GaN crystals grew on the seed surface, but in Comparative Examples 1 and 2, no GaN crystal grew on the seed surface.
When the GaN crystal grown on the seed surface was taken out and observed by SEM, needle-like crystals and agglomerates were not found in Example 2 and Example 3, but spontaneous nuclei were found on the seed surface in Comparative Example 3. A large number of microcrystals were generated due to the occurrence and were not single crystals. Furthermore, as a result of X-ray diffraction measurement of the crystals obtained in Example 2 and Example 3, the crystal type is hexagonal type, and the C-axis orientation is the same as the seed, and the crystallinity is very good. It was confirmed that there was.

実施例1および実施例3は、実施例2に比べて結晶成長速度がより速かった。これは鉱化剤濃度がより好適な範囲にあるためであると考えられる。   In Example 1 and Example 3, the crystal growth rate was faster than that in Example 2. This is considered to be because the mineralizer concentration is in a more preferable range.

Figure 2007290921
Figure 2007290921

本発明の製造方法によれば、結晶性が良好な窒化物単結晶を速い速度で成長させることができる。比較的厚い結晶を短時間に製造することが可能であることから、本発明は、発光ダイオードやレーザーダイオードを始めとする様々な電子素子の製造に広範囲に利用されることが期待される。   According to the production method of the present invention, a nitride single crystal having good crystallinity can be grown at a high rate. Since a relatively thick crystal can be manufactured in a short time, the present invention is expected to be widely used for manufacturing various electronic devices such as a light emitting diode and a laser diode.

実施例および比較例で用いた結晶製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the crystal manufacturing apparatus used by the Example and the comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1 バルブ
2 圧力計
3 オートクレーブ
4 結晶成長領域
5 原料充填領域
6 バッフル板
7 電気炉
8 熱電対
9 原料
10 シード
11 導管
1 Valve 2 Pressure gauge 3 Autoclave 4 Crystal growth area 5 Raw material filling area 6 Baffle plate 7 Electric furnace 8 Thermocouple 9 Raw material 10 Seed 11 Conduit

Claims (12)

シード、窒素元素を含有する溶媒、周期表13族金属元素を含む原料物質、および前記溶媒の1.5〜15mol%の量の鉱化剤を入れたオートクレーブ内の温度および圧力を、前記溶媒が超臨界状態および/または亜臨界状態となるように制御して前記シードの表面にアモノサーマル法により窒化物単結晶を成長させる工程を含むことを特徴とする窒化物単結晶の製造方法。   The temperature and pressure in the autoclave containing a seed, a nitrogen-containing solvent, a raw material containing a group 13 metal element of the periodic table, and a mineralizer in an amount of 1.5 to 15 mol% of the solvent are determined by the solvent. A method for producing a nitride single crystal, comprising the step of growing a nitride single crystal on the surface of the seed by an ammonothermal method while controlling to be in a supercritical state and / or a subcritical state. 前記窒化物単結晶が六方晶であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to claim 1, wherein the nitride single crystal is a hexagonal crystal. 前記窒化物単結晶を成長させるときの温度が300〜600℃であることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物単結晶の製造方法。   3. The method for producing a nitride single crystal according to claim 1, wherein a temperature at which the nitride single crystal is grown is 300 to 600 ° C. 3. 前記窒化物単結晶を成長させるときの圧力が80〜200MPaであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein a pressure when growing the nitride single crystal is 80 to 200 MPa. 前記溶媒がアンモニアまたはその誘導体であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein the solvent is ammonia or a derivative thereof. 前記原料物質が窒化ガリウム多結晶および/またはガリウムを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein the raw material contains gallium nitride polycrystal and / or gallium. 前記鉱化剤が酸性鉱化剤であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to any one of claims 1 to 6, wherein the mineralizer is an acidic mineralizer. 前記酸性鉱化剤がアンモニウム塩を含むことを特徴とする請求項7に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to claim 7, wherein the acidic mineralizer contains an ammonium salt. 前記オートクレーブの内壁の少なくとも一部が貴金属からなることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to any one of claims 1 to 8, wherein at least a part of an inner wall of the autoclave is made of a noble metal. シード、窒素元素を含有する溶媒、周期表13族金属元素を含む原料物質、および鉱化剤を入れたオートクレーブ内の温度および圧力を、前記溶媒が超臨界状態および/または亜臨界状態となるように制御して前記シードの表面にアモノサーマル法により窒化物単結晶を50μm以上成長させる工程を含み、前記鉱化剤の前記溶媒に対する使用量比を前記窒化物単結晶の平均結晶成長速度が15μm/day以上となる範囲内で選択することを特徴とする窒化物単結晶の製造方法。   The temperature and pressure in the autoclave containing the seed, the nitrogen-containing solvent, the raw material containing the group 13 metal element of the periodic table, and the mineralizer are set so that the solvent becomes a supercritical state and / or a subcritical state. And controlling the amount of the mineralizer to be used with respect to the solvent by the average crystal growth rate of the nitride single crystal. A method for producing a nitride single crystal, which is selected within a range of 15 μm / day or more. 請求項1〜10のいずれか一項に記載の製造方法により製造した窒化物単結晶。   The nitride single crystal manufactured by the manufacturing method as described in any one of Claims 1-10. 請求項11に記載の窒化物単結晶を用いたデバイス。   A device using the nitride single crystal according to claim 11.
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