JP2008088048A - Method and apparatus for producing group-iii nitride - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a group-III nitride, such as an aluminum-based group-III nitride, having a quality as good as that produced by conventional methods with a high yield, by growing a group-III nitride by an HVPE method, and an apparatus used for the production method. <P>SOLUTION: There is provided a method for producing a group-III nitride in which a group-III halogenated gas, such as an aluminum trichloride gas, is reacted with a nitrogen source gas, such as an ammonia gas, in a deposition chamber 41 to grow a group-III nitride on a substrate 43 held in the deposition chamber. In the method, the group-III halogenated gas and the nitrogen source gas are mixed with each other in advance to form a mixed gas, then they are introduced into the deposition chamber 41 without substantially producing a deposition substance in the gas by a method such as to control the temperature at the time of gas mixing and introduction and reacted with each other. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、III族ハロゲン化物のガス体を原料に用いたIII族窒化物の気相成長法による製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a Group III nitride by vapor phase growth using a Group III halide gas as a raw material.

窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウムといったIII族窒化物半導体結晶は広範囲のバンドギャップエネルギーの値を有しており、それらのバンドギャップエネルギーは、それぞれ6.2eV程度、3.4eV程度、0.7eV程度である。これらのIII族窒化物半導体は任意の組成の混晶半導体をつくることが可能であり、その混晶組成によって、上記のバンドギャップの間の値を取ることが可能である。   Group III nitride semiconductor crystals such as aluminum nitride, gallium nitride, and indium nitride have a wide range of band gap energy values, which are about 6.2 eV, about 3.4 eV, and about 0.7 eV, respectively. . These group III nitride semiconductors can form mixed crystal semiconductors having an arbitrary composition, and can take values between the above band gaps depending on the mixed crystal composition.

したがって、III族窒化物半導体結晶を用いることにより、赤外光から紫外光までの広範囲な発光素子を作ることが原理的に可能となる。特に、近年ではアルミニウム系III族窒化物半導体(主に窒化アルミニウムガリウム混晶)を用いた発光素子の開発が精力的に進められている。アルミニウム系III族窒化物半導体を用いることにより紫外領域の短波長発光が可能となり、白色光源用の紫外発光ダイオード、殺菌用の紫外発光ダイオード、高密度光ディスクメモリの読み書きに利用できるレーザー、通信用レーザー等の発光光源が製造可能になる。   Therefore, by using a group III nitride semiconductor crystal, it is possible in principle to produce a wide range of light emitting elements from infrared light to ultraviolet light. In particular, in recent years, development of light-emitting elements using aluminum-based group III nitride semiconductors (mainly aluminum gallium nitride mixed crystals) has been vigorously advanced. By using aluminum group III nitride semiconductors, it is possible to emit light with a short wavelength in the ultraviolet region. Ultraviolet light emitting diodes for white light sources, ultraviolet light emitting diodes for sterilization, lasers that can be used for reading and writing high density optical disk memories, lasers for communication A light emitting light source such as can be manufactured.

アルミニウム系III族窒化物半導体を用いた発光素子(アルミニウム系III族窒化物半導体発光素子ともいう)は、従来の半導体発光素子と同様に基板上に厚さが数ミクロン程度の半導体単結晶の薄膜(具体的にはp型半導体層、発光層、n型半導体層となる薄膜)を順次積層することにより形成可能である。このような半導体単結晶の薄膜の形成は、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、有機金属気相エピタキシー(MOVPE:Metalorganic Vapor Phase Epitaxy)法等の結晶成長方法を用いて行うことが可能であり、アルミニウム系III族窒化物半導体発光素子についてもこのよう方法を採用して発光素子として好適な積層構造を形成するための研究がなされている。   A light-emitting device using an aluminum-based group III nitride semiconductor (also referred to as an aluminum-based group III nitride semiconductor light-emitting device) is a semiconductor single crystal thin film having a thickness of several microns on a substrate, similar to a conventional semiconductor light-emitting device. (Specifically, a p-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a thin film that becomes an n-type semiconductor layer) can be stacked in order. Such a thin film of a semiconductor single crystal can be formed by using a crystal growth method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) method. Thus, studies have also been made to form a laminated structure suitable as a light-emitting element by adopting such a method for an aluminum-based group III nitride semiconductor light-emitting element.

現在、紫外発光素子に用いられる基板としては、基板としての結晶品質、紫外光透過性、量産性やコストの観点からサファイア基板が一般的である。しかし、サファイア基板を用いると、サファイア基板と半導体積層膜を形成する窒化アルミニウムガリウムとの物性差に起因する問題が生じる。   Currently, a sapphire substrate is generally used as a substrate used for an ultraviolet light-emitting element from the viewpoint of crystal quality as a substrate, ultraviolet light transmittance, mass productivity, and cost. However, when a sapphire substrate is used, there arises a problem due to a difference in physical properties between the sapphire substrate and aluminum gallium nitride forming a semiconductor multilayer film.

例えば、基板と半導体積層膜の格子定数が異なることにより、ミスフィット転位と呼ばれる結晶欠陥が半導体積層膜に導入される。さらには、成長層と基板の熱膨張係数が異なることにより、半導体積層膜の製造時において半導体積層膜の成膜温度から温度を降下させる過程で、熱膨張係数差が原因で成長層または基板にクラックや反りが生じる。このような転位やクラックにより半導体積層膜の発光性能が低下してしまう。   For example, when the lattice constants of the substrate and the semiconductor multilayer film are different, crystal defects called misfit dislocations are introduced into the semiconductor multilayer film. Furthermore, due to the difference in thermal expansion coefficient between the growth layer and the substrate, during the process of lowering the temperature from the deposition temperature of the semiconductor multilayer film during the production of the semiconductor multilayer film, the growth layer or the substrate is caused by the difference in thermal expansion coefficient. Cracks and warping occur. Due to such dislocations and cracks, the light emitting performance of the semiconductor laminated film is degraded.

これらの問題を解決するべく、半導体積層膜の成膜条件や構造に様々な工夫が為されているのが現状であるが、前記の問題点を本質的に解決するためには、半導体積層膜の格子定数に近く、熱膨張係数差が小さい基板を使用することが理想的である。アルミニウム系III族窒化物単結晶基板、すなわち窒化アルミニウム単結晶基板や窒化アルミニウムガリウム単結晶基板は正に最適な基板材料と言える。しかしながら、アルミニウム系III族窒化物単結晶基板は現状では大面積かつ均質な基板が安定的に製造できる状況にはなく、高品質のアルミニウム系III族窒化物単結晶基板を製造できれば、上記の問題が解決され、発光素子性能の向上、紫外発光光源の実用化に大きく貢献すると期待される。   In order to solve these problems, various devices have been devised in the film formation conditions and structure of the semiconductor multilayer film, but in order to essentially solve the above problems, the semiconductor multilayer film It is ideal to use a substrate that is close to the lattice constant of and has a small difference in thermal expansion coefficient. An aluminum-based group III nitride single crystal substrate, that is, an aluminum nitride single crystal substrate or an aluminum gallium nitride single crystal substrate can be said to be an optimal substrate material. However, the aluminum-based group III nitride single crystal substrate is not in a state where a large-area and homogeneous substrate can be stably manufactured at present, and if the high-quality aluminum-based group III nitride single crystal substrate can be manufactured, the above problem Is expected to contribute greatly to the improvement of light emitting device performance and the practical application of ultraviolet light sources.

アルミニウム系III族窒化物単結晶を基板として用いるには少なくとも100μm以上の厚さが必要であるため成膜速度の遅い前記結晶成長方法を用いてアルミニウム系III族窒化物単結晶からなる基板を製造するのは実用的ではない。   Since a thickness of at least 100 μm is required to use an aluminum-based group III nitride single crystal as a substrate, a substrate made of an aluminum-based group III nitride single crystal is manufactured using the above-described crystal growth method with a slow film formation rate. It is not practical to do.

成膜速度の速いアルミニウム系III族窒化物単結晶の成長方法としては、ハイドライド気相エピタキシー(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法が知られている(特許文献1〜3参照)。HVPE法はMBE法やMOVPE法と比べて膜厚を精密に制御することが困難なため、半導体発光素子の結晶層形成には向かないが、結晶性の良好な単結晶を速い成膜速度で得ることが可能である。従って、HVPE法により、従来のMBE法やMOVPE法では得られなかったアルミニウム系III族窒化物単結晶からなる基板を実用レベルで量産することが可能となる。 HVPE法を用いてアルミニウム系III族窒化物結晶を成長させる場合には、一例を挙げると図1に示すような気相成長装置が使用される。図1に示す装置は、円筒状の石英ガラス成長室(反応管)11からなる反応器本体と、該成長室11の外部に配置される加熱手段12と、該成長室11の内部に配置される基板支持台(以下、単にサセプタともいう。)13と、を有し、成長室11の一方の端部からキャリアガス及び原料ガスを供給し、他方の端部からキャリアガス及び未反応の反応ガスを排出する構造となっている。   A hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method is known as a method for growing an aluminum-based group III nitride single crystal having a high deposition rate (see Patent Documents 1 to 3). The HVPE method is difficult to control the film thickness more precisely than the MBE or MOVPE method, so it is not suitable for forming a crystal layer of a semiconductor light-emitting device. It is possible to obtain. Therefore, the HVPE method makes it possible to mass-produce a substrate made of an aluminum-based group III nitride single crystal that cannot be obtained by the conventional MBE method or MOVPE method at a practical level. In the case of growing an aluminum-based group III nitride crystal using the HVPE method, for example, a vapor phase growth apparatus as shown in FIG. 1 is used. The apparatus shown in FIG. 1 includes a reactor body composed of a cylindrical quartz glass growth chamber (reaction tube) 11, heating means 12 disposed outside the growth chamber 11, and the growth chamber 11. A substrate support (hereinafter also simply referred to as a “susceptor”) 13, supplying a carrier gas and a source gas from one end of the growth chamber 11, and a carrier gas and an unreacted reaction from the other end. It is structured to discharge gas.

原料ガス供給側の成長室は、端部から所定の領域に三重管が挿入されて同心円状の三重管ノズル構造となっており、三重管の内管15の内側の空間を通路としてキャリアガス(たとえば水素ガス)で希釈されたIII族元素源ガスであるハロゲン化アルミニウムを含むIII族ハロゲン化物ガスが供給され、三重管の中管16と外管17の間の空間を通路としてキャリアガス(たとえば水素ガス)で希釈された窒素源ガス(たとえばアンモニアガス)が供給され、内管15と中間16の間の空間を通路として、バリアガス(たとえば窒素ガス)が供給される。バリアガスは、ガス吐出口となる二重管端部近傍でIII族元素源ガスと窒素源ガスとが直ちに混合反応し、このときに生成する生成物がガス吐出口付近に析出して該ガス吐出口を閉塞させてしまうのを防止するために供給される。   The growth chamber on the source gas supply side has a concentric triple tube nozzle structure in which a triple tube is inserted into a predetermined region from the end, and a carrier gas (with a space inside the inner tube 15 of the triple tube as a passage) For example, a group III halide gas containing aluminum halide which is a group III element source gas diluted with hydrogen gas is supplied, and a carrier gas (for example, a space between the middle tube 16 and the outer tube 17 of the triple tube is used as a passage. A nitrogen source gas (for example, ammonia gas) diluted with hydrogen gas) is supplied, and a barrier gas (for example, nitrogen gas) is supplied through the space between the inner tube 15 and the intermediate 16 as a passage. In the barrier gas, the group III element source gas and the nitrogen source gas immediately mix and react in the vicinity of the end of the double pipe serving as the gas discharge port, and the product generated at this time is deposited near the gas discharge port to cause the gas discharge. It is supplied to prevent the outlet from being blocked.

サセプタ13の上には基板(たとえばサファイア基板)14が載置され、加熱手段により基板を加熱し、該基板上14上にIII族元素源ガスと窒素源ガスとの反応によりアルミニウム系III族窒化物が成長する。基板は、良好な結晶層(成長層)を得るためには通常1000℃以上に加熱される。
基板を加熱する方法としては、(1)成長室の外部に取り付けられたヒータにより成長室を直接加熱し、反応器壁を介しての熱伝導や輻射熱により基板を加熱する方法、(2)成長室の内部に取り付けられた円筒型発熱部材(たとえばカーボン)に成長室外部から高周波加熱により円筒型発熱部材を加熱し、その輻射熱により基板を加熱する方法、(3)基板をカーボン製の基板支持台(サセプタ)上に保持し、成長室外部から高周波加熱によりサセプタを加熱し、その熱伝導により基板を加熱する方法、(4)成長室外部から光を照射して基板を加熱する方法、(5)サセプタ自体に発熱体を埋め込み、通電してサセプタを加熱し、その熱伝導により基板を加熱する方法、(6)サセプタおよび/または基板をマイクロ波等の電磁波で加熱する方法等がある。
A substrate (for example, a sapphire substrate) 14 is placed on the susceptor 13, and the substrate is heated by heating means, and an aluminum-based group III nitride is formed on the substrate 14 by a reaction between a group III element source gas and a nitrogen source gas. Things grow. The substrate is usually heated to 1000 ° C. or higher in order to obtain a good crystal layer (growth layer).
As a method for heating the substrate, (1) a method in which the growth chamber is directly heated by a heater attached outside the growth chamber, and the substrate is heated by heat conduction or radiant heat through the reactor wall; (2) growth A method in which a cylindrical heating member (for example, carbon) mounted inside the chamber is heated from outside the growth chamber by high-frequency heating and the substrate is heated by radiant heat. (3) The substrate is supported by a carbon substrate. (4) A method of heating the substrate by irradiating light from the outside of the growth chamber, (4) A method of heating the susceptor by high-frequency heating from the outside of the growth chamber and heating the substrate by the heat conduction. 5) There are a method in which a heating element is embedded in the susceptor itself, the susceptor is heated by energization, and the substrate is heated by heat conduction, and (6) the susceptor and / or the substrate is heated by electromagnetic waves such as microwaves.

なお、本発明に類似の技術として、三塩化アルミニウムガスとアンモニアガスから最高温度1100℃程度の外熱方式による加熱により窒化アルミニウムの粒子を生成させる方法がある(非特許文献1参照)。本発明においても同様にハロゲン化物ガスおよび窒素源ガスとしてアンモニアガスを使用するが、ガスの供給温度やガス輸送時の配管加熱温度等をより精密に範囲を限定し、さらに基板を最高2000℃まで加熱して該基板上に単結晶や多結晶のバルク結晶を製造する方法であり、単に原料ガスを反応させて固体粉末を作る方法とは次元の異なる発明である。   As a technique similar to the present invention, there is a method of generating aluminum nitride particles from an aluminum trichloride gas and an ammonia gas by heating by an external heating method having a maximum temperature of about 1100 ° C. (see Non-Patent Document 1). Similarly, in the present invention, ammonia gas is used as a halide gas and a nitrogen source gas, but the range of the gas supply temperature, the pipe heating temperature during gas transportation, etc. is more precisely limited, and the substrate is further up to 2000 ° C. This is a method for producing a single crystal or a polycrystalline bulk crystal on the substrate by heating, and it is an invention having a dimension different from that of simply producing a solid powder by reacting a raw material gas.

特開2003−303774号公報JP 2003-303774 A 特開2006−073578号公報JP 2006-073578 A 特開2006−114845号公報JP 2006-114845 A Journal of American Ceramics Society 77 [8] 2009-2016 (1994)Journal of American Ceramics Society 77 [8] 2009-2016 (1994)

図1に示した従来の気相成長装置を用いてHVPE法によるアルミニウム系III族窒化物を製造する場合には、収率が10%未満であり生産性が必ずしも十分とは言えなかった。なお、ここで言う収率とは、III族金属ベースの、供給したIII族原料ガスに対する基板上に固定化されたアルミニウム系III族窒化物の割合(重量%)である。   When the aluminum-based group III nitride was produced by the HVPE method using the conventional vapor phase growth apparatus shown in FIG. 1, the yield was less than 10%, and the productivity was not necessarily sufficient. The yield mentioned here is the ratio (% by weight) of the group III metal-based aluminum-based group III nitride immobilized on the substrate with respect to the supplied group III source gas.

本発明は、HVPE法によりアルミニウム系III族窒化物などのIII族窒化物を成長するにあたり、従来法と同等程度の良好な品質を有し、かつ高い収率、すなわち高い生産性で製造する方法を提供することを目的とする。   The present invention is a method for producing a group III nitride such as an aluminum-based group III nitride by the HVPE method, which has a good quality equivalent to that of the conventional method and has a high yield, that is, high productivity. The purpose is to provide.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した。その結果、III族原料ガスと窒素源ガスとを別々に成長室に導入し、成長室内で両ガスを混合する場合には、両ガスが基板に到達する前に均一に混合されるようにノズルと基板との間隔を所定の長さ以上とる必要があり、混合ガスが有効に基板と接触しないために収率が低下していることが判明した。   The present inventors diligently studied to solve the above problems. As a result, when the group III source gas and the nitrogen source gas are separately introduced into the growth chamber and both gases are mixed in the growth chamber, the nozzles are mixed so that both gases are uniformly mixed before reaching the substrate. It was found that the yield was reduced because the mixed gas did not effectively contact the substrate.

本発明者等は、両原料ガスを予め混合した後基板近傍に吹き付けることができれば収率を向上させることができると考え、当該方法を試みたところ、配管内やノズルの噴出口に固体成分が析出し、実質的に基板上にIII族窒化物を成長させることができないという新たな問題が発生することが明らかとなった。   The inventors considered that the yield could be improved if both raw material gases were mixed in advance and then sprayed in the vicinity of the substrate, and when the method was attempted, solid components were found in the piping and nozzle nozzles. It has been revealed that a new problem arises that the group III nitride cannot be grown substantially on the substrate.

そこで、III族原料ガスと窒素源ガスとの混合ガスの反応性について検討を行ったところ、III族原料ガスとしてIII族ハロゲン化物ガスを用いた場合には、窒素源ガスとの混合ガスとしたときに析出物を生成させずに安定な状態を保つ必要があること並びにその条件を見出し、本願発明を完成するに到った。   Therefore, when the reactivity of the mixed gas of the group III source gas and the nitrogen source gas was examined, when a group III halide gas was used as the group III source gas, the mixed gas with the nitrogen source gas was used. Occasionally, it was necessary to maintain a stable state without generating precipitates and the conditions were found, and the present invention was completed.

即ち、第一の発明は、III族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスとを成長室内で反応させて、該成長室内に保持された基板上にIII族窒化物を成長させる成長工程を含むIII族窒化物の製造方法において、前記III族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスとを前記成長室内に導入する前に予め混合する予混合工程を更に含み、かつ当該予混合工程で得られた混合ガスを、該ガス中に析出物を実質的に生成させることなく前記成長室内に導入することを特徴とするIII族窒化物の製造方法である。   That is, the first invention includes a growth process in which a group III nitride gas and a nitrogen source gas are reacted in a growth chamber to grow a group III nitride on a substrate held in the growth chamber. The method for producing a product further comprises a premixing step of premixing the group III halide gas and the nitrogen source gas before introducing them into the growth chamber, and the mixed gas obtained in the premixing step includes In the method for producing a group III nitride, the precipitate is introduced into the growth chamber without substantially generating a precipitate in the gas.

上記方法では、例えば前記予混合工程におけるIII族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスとの混合を、供給するIII族ハロゲン化物ガスの供給分圧をP(atm)としたとき、その温度T(℃)を、数式(1)で規定される下限温度以上600℃未満で行い、次いで得られた混合ガスを、当該下限温度以上600℃未満の温度に保って前記成長室に導入することにより、析出物を実質的に生成させることなく前記成長室内に導入し、基板に直接吹き付けることができるので、収率を大幅に向上させることができる。   In the above method, for example, when the supply partial pressure of the Group III halide gas to be supplied is P (atm), the temperature T (° C.) when mixing the Group III halide gas and the nitrogen source gas in the premixing step. Is performed at a temperature not lower than the lower limit temperature specified by the mathematical formula (1) and lower than 600 ° C., and then the obtained mixed gas is introduced into the growth chamber while maintaining the temperature not lower than the lower limit temperature and lower than 600 ° C. Since it can be introduced into the growth chamber without being substantially generated and sprayed directly onto the substrate, the yield can be greatly improved.

Figure 2008088048
Figure 2008088048

上記温度範囲は、図2に示すような装置を用い、III族ハロゲン化物ガスとして三塩化アルミニウムガスを、窒素源ガスとしてアンモニアガスを使用した場合の、三塩化アルミニウムガスの供給分圧と均熱領域の温度をパラメータとした様々な条件で、均熱領域内で混合ガスを形成・流通させたときに固体が析出するか否かについて調べた参考実験(後出)の結果に基づいて決定されたものである。   The temperature range is as shown in FIG. 2, when aluminum trichloride gas is used as the group III halide gas and ammonia gas is used as the nitrogen source gas. Determined based on the results of a reference experiment (discussed below) that investigated whether solids were deposited when mixed gas was formed and circulated in the soaking zone under various conditions with the temperature of the zone as a parameter. It is a thing.

混合ガスを安定に保つことができる温度範囲の下限は、III族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスとの付加体(アダクトとも言う)の析出温度に対応し、上限はIII族窒化物の生成温度に対応するものである。特に下限については混合ガスの濃度や混合ガス全体の圧力に影響を受けることもある。但し、供給するIII族元素のハロゲンガスの供給分圧をP(atm)、温度をT(℃)としたときに、数式(1)で規定される下限温度以上600℃未満という温度範囲であれば、三塩化アルミニウム−アンモニア系を含めて多くの混合系において、混合ガスは析出物を生じることなく安定に保つことができる。   The lower limit of the temperature range in which the mixed gas can be kept stable corresponds to the deposition temperature of the adduct of the group III halide gas and the nitrogen source gas (also referred to as an adduct), and the upper limit is the group III nitride formation temperature. Corresponding. In particular, the lower limit may be affected by the concentration of the mixed gas or the pressure of the entire mixed gas. However, if the supply partial pressure of the halogen gas of the group III element to be supplied is P (atm) and the temperature is T (° C.), it should be within the temperature range of not less than the lower limit temperature defined by Equation (1) and less than 600 ° C. For example, in many mixed systems including an aluminum trichloride-ammonia system, the mixed gas can be kept stable without causing precipitation.

第二の発明は、III族ハロゲン化物ガスおよび窒素源ガスを導入するためのガス導入口、ガス排出口、基板を保持するためのサセプタ、および基板を加熱するための加熱手段を具備する成長室を有する、III族窒化物を製造するための装置であって、更に温度調節機能を有するガス導入ノズルおよびガス混合器を有し、該ガス導入ノズルは前記ガス混合器の下流に装着されており、さらに該ガス混合器はその上流において、III族ハロゲン化物ガスおよび窒素源ガスを導入する為の各ガス導入口と連結していることを特徴とするIII族窒化物製造装置である。   A second invention is a growth chamber comprising a gas inlet for introducing a group III halide gas and a nitrogen source gas, a gas outlet, a susceptor for holding the substrate, and a heating means for heating the substrate. An apparatus for producing a group III nitride, further comprising a gas introduction nozzle and a gas mixer having a temperature control function, the gas introduction nozzle being mounted downstream of the gas mixer Furthermore, the gas mixer is a group III nitride production apparatus characterized in that upstream of the gas mixer, the gas mixer is connected to each gas inlet for introducing a group III halide gas and a nitrogen source gas.

本発明によれば、従来のHVPE法と同等以上の良好な品質のIII族窒化物、特にアルミニウム系III族窒化物結晶を、より高い収率、すなわち高い生産性で製造することが可能になる。   According to the present invention, it is possible to produce a group III nitride having a good quality equivalent to or better than that of the conventional HVPE method, particularly an aluminum-based group III nitride crystal with a higher yield, that is, higher productivity. .

また、本発明の装置は、上記本発明の方法を用いたIII族窒化物の製造に適したものであり、装置自体としても従来の装置と比べて構造が簡単でコンパクトであるという特徴を有する。これは、原料ガスを別々に導入するときには、両原料ガスを均一に混合するためにノズルと基板との間にある程度以上の空間が必要であったのに対し、本発明の装置では予め混合された原料ガスを基板の近傍で吹き付けることができるため、このような空間が必要なくなるためである。また、本発明の装置では、III族窒化物を生成する反応が基板上で効率的に起こるため、基板を加熱すれば装置全体を加熱する必要がないので、反応器壁を加熱するための外部加熱装置も省略することができるという利点も有する。   The apparatus of the present invention is suitable for the production of group III nitrides using the above-described method of the present invention, and the apparatus itself is characterized in that the structure is simple and compact compared to conventional apparatuses. . This is because when the raw material gases are introduced separately, a space of a certain degree or more is required between the nozzle and the substrate in order to uniformly mix the two raw material gases. This is because the raw material gas can be blown in the vicinity of the substrate, so that such a space is not necessary. Further, in the apparatus of the present invention, since the reaction for generating the group III nitride occurs efficiently on the substrate, it is not necessary to heat the entire apparatus if the substrate is heated. There is also an advantage that the heating device can be omitted.

本発明の方法では、III族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスとを成長室内で反応させて、該成長室内に保持された基板上にIII族窒化物を成長させることによりIII族窒化物を製造する。ここで、III族窒化物およびIII族ハロゲン化物とは、それぞれIII族元素の窒化物およびハロゲン化物を意味し、III族元素とは周期律表のIII族(或いは13族)に属する元素、即ち、B、Al、Ga、In、及びTlからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を意味する。   In the method of the present invention, a group III nitride is produced by causing a group III halide gas and a nitrogen source gas to react in a growth chamber and growing a group III nitride on a substrate held in the growth chamber. . Here, group III nitride and group III halide mean nitride and halide of group III element, respectively, and group III element means an element belonging to group III (or group 13) of the periodic table, that is, , B, Al, Ga, In, and Tl means at least one element selected from the group consisting of Tl.

以下、図面を参照して本発明の方法及び本発明の装置について説明する。   The method of the present invention and the apparatus of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図4に代表的な本発明の装置の概略図を示す。図4に示す装置は、III族ハロゲン化物ガスおよび窒素源ガスを導入するための各ガス導入口48、ガス排出口49、基板を保持するためのサセプタ42、および基板を加熱するための加熱手段を具備する成長室41を有する。なお、成長室41の外部に図1の外部加熱装置12と同様な外部加熱装置を設置して外部より基板を補助的に加熱することも可能であるが、本装置においては必ずしも必要ではない。   FIG. 4 shows a schematic diagram of a representative apparatus of the present invention. The apparatus shown in FIG. 4 includes a gas inlet 48 for introducing a group III halide gas and a nitrogen source gas, a gas outlet 49, a susceptor 42 for holding the substrate, and a heating means for heating the substrate. The growth chamber 41 is provided. It is possible to install an external heating device similar to the external heating device 12 in FIG. 1 outside the growth chamber 41 to supplementarily heat the substrate from the outside, but this device is not necessarily required.

成長室41の材質としては、黒鉛、ステンレス、インコネル、ハステロイ等の耐食性金属製のものも使用可能であるが、壁面からの汚染を低減する観点から石英ガラスが好ましい。金属を使用する場合は水冷ジャケット等によりガスとの接触面の温度を室温程度に保つことで金属筐体からの汚染を防ぐことができる。   As a material for the growth chamber 41, a material made of a corrosion-resistant metal such as graphite, stainless steel, Inconel, Hastelloy or the like can be used, but quartz glass is preferable from the viewpoint of reducing contamination from the wall surface. When metal is used, contamination from the metal casing can be prevented by maintaining the temperature of the contact surface with the gas at about room temperature using a water cooling jacket or the like.

サセプタ42は、基板保持面を有し、該面に基板43を保持できるようになっている。基板43としては、サファイア、シリコン、シリコンカーバイド、ホウ化ジルコニウム、ガリウム砒素、ガリウムリン、酸化亜鉛、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどの結晶基板が用いられる。さらに、サファイアなどの母材基板上に薄膜の窒化アルミニウム結晶層が積層されたテンプレート基板も用いることができる。   The susceptor 42 has a substrate holding surface, and can hold the substrate 43 on the surface. As the substrate 43, a crystal substrate such as sapphire, silicon, silicon carbide, zirconium boride, gallium arsenide, gallium phosphide, zinc oxide, gallium nitride, or aluminum nitride is used. Furthermore, a template substrate in which a thin aluminum nitride crystal layer is stacked on a base material substrate such as sapphire can also be used.

図4に示す装置においては、サセプタ42の内部には発熱抗体が埋設されており、基板を加熱するヒータとしても機能するようになっている。基板を加熱するための加熱手段としては、図1で示される従来の装置で採用されているような、高周波誘導加熱、光加熱等の種々の加熱方式を用いることも可能である。   In the apparatus shown in FIG. 4, a heat-generating antibody is embedded in the susceptor 42 and functions as a heater for heating the substrate. As heating means for heating the substrate, various heating methods such as high-frequency induction heating and optical heating, which are employed in the conventional apparatus shown in FIG. 1, can be used.

サセプタ42の材質としては、窒化ホウ素や窒化アルミニウム等の窒化物が好適に使用できる。サセプタにヒータとしての機能を付与するためにはサセプタ本体の内部に発熱抵抗体を埋め込むか又はサセプタ本体の裏面に発熱抵抗体を接合し、その発熱抵抗体に外部から電力を供給すればよい。発熱抵抗体としては使用温度で溶融しないカーボン(C)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)などが使用される。   As a material of the susceptor 42, nitrides such as boron nitride and aluminum nitride can be preferably used. In order to give the susceptor a function as a heater, a heating resistor may be embedded in the susceptor body, or a heating resistor may be joined to the back surface of the susceptor body, and power may be supplied to the heating resistor from the outside. As the heating resistor, carbon (C), tungsten (W), molybdenum (Mo), tantalum (Ta) or the like that does not melt at the operating temperature is used.

サセプタ本体を構成する素材としては使用温度において安定でIII族ハロゲン化物ガスによって腐蝕を受け難い材質であれば特に限定されないが、サセプタの少なくとも基板が載置される面全体を均一に加熱できるという観点から、熱伝導率の高い窒化物、すなわち上出の窒化アルミニウム又は窒化ホウ素を使用するのが好適である。   The material constituting the susceptor body is not particularly limited as long as it is a material that is stable at the operating temperature and hardly corroded by a group III halide gas, but at least the entire surface on which the substrate is placed can be heated uniformly. Therefore, it is preferable to use a nitride having high thermal conductivity, that is, the above aluminum nitride or boron nitride.

図4に示す装置は、更に温度調節機能を有するガス導入ノズル47、ラインミキサー50、およびガス混合器46を有している。また、前記ガス混合器46は、その上流において配管44・ガス導入口48を介してIII族ハロゲン化物ガス供給源(図示せず)に連結していると共に、配管45・ガス導入口48を介して窒素源ガス供給源(図示せず)に連結される。   The apparatus shown in FIG. 4 further includes a gas introduction nozzle 47 having a temperature adjustment function, a line mixer 50, and a gas mixer 46. Further, the gas mixer 46 is connected to a group III halide gas supply source (not shown) via a pipe 44 and a gas inlet 48 upstream thereof, and via a pipe 45 and a gas inlet 48. To a nitrogen source gas supply source (not shown).

本発明においては、III族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスとを予め混合した後成長室に導入することを大きな特徴としている。このため、本発明で使用する装置では、ガス導入ノズル47の上流で前記2種の原料ガスを混合するためのガス混合器が具備される。   The present invention is characterized in that the group III halide gas and the nitrogen source gas are mixed in advance and then introduced into the growth chamber. For this reason, the apparatus used in the present invention is provided with a gas mixer for mixing the two kinds of source gases upstream of the gas introduction nozzle 47.

ガス混合器とは2種類以上のガス流通経路を合流させて1つのガス流通経路に変換する器具であり、当該器具を用いて複数種類のガスを混合できるものであれば形状は特に限定されない。   The gas mixer is an instrument that joins two or more types of gas flow paths to convert them into one gas flow path, and the shape is not particularly limited as long as a plurality of types of gas can be mixed using the instruments.

具体的な混合器の態様としては、例えば2種類のガス流通経路を合流させて1つのガス流通経路に変換する場合には、T字の形状で接続させた配管やY字の形状で接続させた配管が好適に使用できる。また、3種類のガス流通経路を合流させて1つのガス流通経路に変換する場合には、十字の形状で接続させた配管が好適に使用できる。或いは、先に2種類のガス流通経路を1つに合流させた後にさらに第3のガス流通経路を合流させても良い。   As a specific mixer mode, for example, when two types of gas flow paths are merged and converted into one gas flow path, the pipes connected in a T-shape or Y-shape are connected. Plumbing can be suitably used. In addition, when the three types of gas flow paths are merged and converted into one gas flow path, a pipe connected in a cross shape can be preferably used. Alternatively, the third gas distribution path may be merged after the two types of gas distribution paths are merged into one.

ガス混合器内によって合流したIII族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスは、ガス導入ノズル47から噴出されるまでの間に混合されるが、混合は主には拡散の作用によって行われる。ガス混合器内に合流されてからガス導入ノズルの先端に到達するまでにかかる通過時間が0.01秒以上であることが望ましい。   The group III halide gas and the nitrogen source gas joined together in the gas mixer are mixed until they are ejected from the gas introduction nozzle 47, but the mixing is mainly performed by the action of diffusion. It is desirable that the passage time required to reach the tip of the gas introduction nozzle after being merged into the gas mixer is 0.01 seconds or more.

さらに好適な実施態様としては、ガス混合器により1つのガス流通経路に合流させた下流側に、さらにラインミキサー50を設置して混合を促進させることが好ましい。ラインミキサーとは配管のようなガス流経路の内部に混合用の羽が設置されたものであり、複数種類のガスがラインミキサー50を通過中に羽によって強制的に流れを乱されて混合が行われるものである。ラインミキサーを使用することにより、ガス輸送中の短時間のうちに複数種類のガスを混合することが可能になる。   As a more preferred embodiment, it is preferable to further promote the mixing by installing a line mixer 50 on the downstream side joined to one gas flow path by the gas mixer. A line mixer is one in which wings for mixing are installed inside a gas flow path such as piping, and a plurality of types of gas are forced to be disturbed by the wings while passing through the line mixer 50 and mixed. Is to be done. By using a line mixer, it is possible to mix a plurality of types of gas within a short time during gas transportation.

ガス混合器46およびラインミキサー50は、混合ガスの温度制御を行えるものであることが好ましい。ガス混合器の周囲にリボンヒータを巻きつける方法の他に、ガス混合器の周囲に液状熱媒を目的の温度に加熱する方法が使用可能である。供給するIII族元素のハロゲンガスの供給分圧をP(atm)としたとき、温度T(℃)を、数式(1)で規定される下限温度以上600℃未満の温度に制御してガス混合器内部における固体の析出を防止する。   The gas mixer 46 and the line mixer 50 are preferably capable of controlling the temperature of the mixed gas. In addition to a method of winding a ribbon heater around the gas mixer, a method of heating a liquid heat medium to a target temperature around the gas mixer can be used. When the supply partial pressure of the halogen gas of the group III element to be supplied is P (atm), the temperature T (° C.) is controlled to a temperature not lower than the lower limit temperature defined by the equation (1) and lower than 600 ° C. Prevents precipitation of solids inside the vessel.

ガス混合器の材質としてはステンレス、インコネル等の耐食性金属配管や石英ガラス製配管等が使用できる。配管加熱を行うため化学的耐久性の良好なものを使用することが好ましい。   As the material of the gas mixer, a corrosion-resistant metal pipe such as stainless steel or Inconel, a quartz glass pipe, or the like can be used. In order to perform piping heating, it is preferable to use one having good chemical durability.

ガス混合器46は、その上流において配管44・ガス導入口48を介してIII族ハロゲン化物ガス供給源(図示せず)と接続され、配管の途中に配置されたマスフローコントローラーなどの流量調節手段により所定の流量のガスが供給できる。同様にガス混合器46は、その上流において配管45・ガス導入口48を介して窒素源ガス供給源(図示せず)と接続されており、配管の途中に配置されたマスフローコントローラーなどの流量調節手段により所定の流量のガスを供給できる。   The gas mixer 46 is connected to a group III halide gas supply source (not shown) via a pipe 44 and a gas inlet 48 upstream of the gas mixer 46, and is controlled by a flow rate adjusting means such as a mass flow controller disposed in the middle of the pipe. A gas having a predetermined flow rate can be supplied. Similarly, the gas mixer 46 is connected to a nitrogen source gas supply source (not shown) via a pipe 45 and a gas inlet 48 upstream thereof, and the flow rate of a mass flow controller or the like disposed in the middle of the pipe is adjusted. A gas having a predetermined flow rate can be supplied by the means.

III族ハロゲン化物ガスとしては、アルミニウムハロゲン化物のガス、又はアルミニウムハロゲン化物のガスとアルミニウム以外のIII族元素のハロゲン化物のガスとの混合ガスを使用するのが好ましい。ハロゲン化物は飽和蒸気圧が高いので基板への原料供給量を増やすことが可能であり、高速成長が可能となる。   As the Group III halide gas, it is preferable to use an aluminum halide gas or a mixed gas of an aluminum halide gas and a group III element halide gas other than aluminum. Since the halide has a high saturated vapor pressure, the amount of raw material supplied to the substrate can be increased, and high-speed growth is possible.

アルミニウムハロゲン化物のガスの種類は特に限定されないが、反応ガスと接触する部分に石英ガラスを用いる場合には、石英ガラスとの反応性が小さい理由から三塩化アルミニウムガスを使用するのが好ましい。また、アルミニウム以外のIII族元素のハロゲン化物のガスとしては、塩化ガリウム、塩化ホウ素のガスが使用できる。   The type of aluminum halide gas is not particularly limited. However, when quartz glass is used in a portion in contact with the reaction gas, it is preferable to use aluminum trichloride gas because of its low reactivity with quartz glass. Moreover, as a gas of a halide of a group III element other than aluminum, a gas of gallium chloride or boron chloride can be used.

III族ハロゲン化物ガスとしてアルミニウムハロゲン化物のガスとアルミニウム以外のIII族元素のハロゲン化物のガスとの混合ガスを使用する場合、その組成は目的とするアルミニウム系III族窒化物の混晶組成に応じて、適宜設定すればよい。ただし、この場合、III族元素の種類によって窒素源ガスと反応速度が異なるので、III族ハロゲン化物ガスの供給比率がそのまま混晶組成に対応しないこともあるので、予めガス組成と生成物の組成との関係を調べておくのが好ましい。   When a mixed gas of an aluminum halide gas and a halide gas of a group III element other than aluminum is used as the group III halide gas, the composition depends on the target mixed crystal composition of the aluminum group III nitride. Can be set as appropriate. However, in this case, since the reaction rate differs from the nitrogen source gas depending on the type of group III element, the supply ratio of group III halide gas may not directly correspond to the mixed crystal composition. It is preferable to investigate the relationship between

III族ハロゲン化物ガスは、アルミニウム、ガリウム、インジウムなどのIII族金属とハロゲン化水素や塩素ガスを反応させることにより得ることができる。たとえば特開2003−303774号公報に記載されているように、上記反応を行う反応器から生成するガスをそのままIII族ハロゲン化物ガス供給源とすることもできる。   The group III halide gas can be obtained by reacting a group III metal such as aluminum, gallium or indium with hydrogen halide or chlorine gas. For example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-303774, the gas generated from the reactor for performing the above reaction can be used as it is as a group III halide gas supply source.

また、III族ハロゲン化物ガスは、ハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化ガリウム、ハロゲン化インジウム等の固体もしくは液体状のIII族ハロゲン化物そのものを加熱、気化させることにより得ることもできる。この場合、III族ハロゲン化物は無水結晶でありかつ高純度なものを使用するのが好ましい。原料ガスに不純物が混入すると形成される結晶に欠陥が発生するばかりでなく、物理的特性、化学的特性、電気的特性の変化をもたらすことがある。   The group III halide gas can also be obtained by heating and vaporizing a solid or liquid group III halide such as aluminum halide, gallium halide, indium halide or the like. In this case, the Group III halide is preferably an anhydrous crystal and high purity. When impurities are mixed in the source gas, not only defects are generated in the formed crystal, but also physical properties, chemical properties, and electrical properties may be changed.

窒素源ガスとしては、窒素を含有する反応性ガスが採用されるが、コスト、反応性および取扱易さの点でアンモニアガスが好ましい。   As the nitrogen source gas, a reactive gas containing nitrogen is adopted, but ammonia gas is preferable in terms of cost, reactivity, and ease of handling.

III族ハロゲン化物ガスおよび窒素源ガスは、夫々キャリアガスにより所望の濃度に希釈されてガス混合器に導入される態様とすることが好ましい。このときキャリアガスとしては水素、窒素、ヘリウム、もしくはアルゴンの単体ガス、またはこれらの混合ガスが使用可能であり、あらかじめ精製器を用いて酸素、水蒸気、一酸化炭素或いは二酸化炭素等の不純ガス成分を除去しておくことが好ましい。   It is preferable that the group III halide gas and the nitrogen source gas are each diluted to a desired concentration with a carrier gas and introduced into the gas mixer. At this time, hydrogen, nitrogen, helium, or a single gas of argon, or a mixed gas thereof can be used as a carrier gas, and an impure gas component such as oxygen, water vapor, carbon monoxide, or carbon dioxide using a purifier in advance. Is preferably removed.

本発明においては、III族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスとを成長室内に導入する前に予混合すること、並びに予混合工程で得られた混合ガスを、該ガス中に析出物を実質的に生成させることなく前記成長室内に導入することが重要な要件であり、このような状態を実現するための具体的諸条件は以下の参考実験の結果を基に決定できる。
〔参考実験〕
図2に示す装置では、内径20.5mmを有する石英反応管21の片側にIII族ハロゲン化ガス導入ノズル22が設置されており、III族ハロゲン化物ガス導入ノズル22の内側からIII族ハロゲン化物ガスがキャリアガス(水素ガス)に希釈されて供給される。III族ハロゲン化物ガスノズル22の周囲にはさらに同心円状に窒素ガス流(いわゆるバリアガス)を流通するためのバリアノズル23が設置されている。さらにバリアガスノズルの外側からは窒素源ガスがキャリアガス(水素ガス)に希釈されて供給される。供給されたIII族ハロゲン化物ガス、バリアガス、窒素源ガス、キャリアガスは石英反応管21にて混合される。III族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスは全長150mmの均熱領域を通過中に反応し、排気される。
In the present invention, the group III halide gas and the nitrogen source gas are premixed before being introduced into the growth chamber, and the mixed gas obtained in the premixing step is substantially mixed with precipitates in the gas. Introduction into the growth chamber without generation is an important requirement, and specific conditions for realizing such a state can be determined based on the results of the following reference experiments.
[Reference experiment]
In the apparatus shown in FIG. 2, a group III halide gas introduction nozzle 22 is installed on one side of a quartz reaction tube 21 having an inner diameter of 20.5 mm, and a group III halide gas is introduced from the inside of the group III halide gas introduction nozzle 22. It is diluted with a carrier gas (hydrogen gas) and supplied. A barrier nozzle 23 for circulating a nitrogen gas flow (so-called barrier gas) concentrically around the group III halide gas nozzle 22 is further installed. Further, from the outside of the barrier gas nozzle, a nitrogen source gas is diluted with a carrier gas (hydrogen gas) and supplied. The supplied group III halide gas, barrier gas, nitrogen source gas, and carrier gas are mixed in the quartz reaction tube 21. Group III halide gas and nitrogen source gas react and pass through a soaking zone with a total length of 150 mm.

参考実験では、外部加熱装置により上記の均熱領域を100〜650℃の範囲で加熱した。III族ハロゲン化物ガスとキャリアガス(水素ガス)が合計300sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute)となるようにIII族ハロゲン化物ガス導入ノズル22から供給し、また、バリアノズル23からは窒素ガスを50sccm、その周囲からは窒素源ガスとキャリア水素ガスが合計300sccmになるように各種ガスを供給し、混合後の全ガス流量を650sccmとした。このときの成長室内の圧力は1atmとした。III族ハロゲン化物ガスとして三塩化アルミニウムガスを全ガス流量に対する供給分圧が9×10-3〜1×10-4atmの範囲で供給した。三塩化アルミニウムの発生方法は、特許文献1にあるように金属アルミニウムと塩化水素ガスを500℃において反応させる方法を用いた。また、窒素源ガスとしてアンモニアガスを用い、三塩化アルミニウムガスの供給分圧に対して4倍の供給分圧になる流量を供給した。これらのガスを10〜30分の時間範囲で供給した後、供給と加熱を停止して成長室内の固体析出の状況を逐次観察し、固体析出が起こらない反応温度と原料濃度の条件を決定した。 In the reference experiment, the soaking region was heated in the range of 100 to 650 ° C. by an external heating device. The group III halide gas and the carrier gas (hydrogen gas) are supplied from the group III halide gas introduction nozzle 22 so that the total is 300 sccm (Standard Cubic Centimeter per Minute), and the barrier nozzle 23 is supplied with nitrogen gas of 50 sccm, Various gases were supplied from the surroundings so that the nitrogen source gas and the carrier hydrogen gas totaled 300 sccm, and the total gas flow rate after mixing was 650 sccm. The pressure in the growth chamber at this time was 1 atm. Aluminum trichloride gas as group III halide gas was supplied in a range of 9 × 10 −3 to 1 × 10 −4 atm of partial pressure with respect to the total gas flow rate. As a method for generating aluminum trichloride, as disclosed in Patent Document 1, a method of reacting metal aluminum and hydrogen chloride gas at 500 ° C. was used. In addition, ammonia gas was used as the nitrogen source gas, and a flow rate that was four times the supply partial pressure of the aluminum trichloride gas supply partial pressure was supplied. After supplying these gases for a time range of 10 to 30 minutes, the supply and heating were stopped and the state of solid precipitation in the growth chamber was observed sequentially to determine the reaction temperature and raw material concentration conditions at which solid precipitation did not occur. .

その結果、三塩化アルミニウム供給分圧と反応温度をパラメータとした場合における固体析出が起こらない領域は、図3に示されるものであった。   As a result, the region in which solid precipitation did not occur when the aluminum trichloride supply partial pressure and the reaction temperature were used as parameters was shown in FIG.

図中の○印は固体析出のなかった条件、×印は固体析出が見られた条件である。150℃以上600℃未満の温度範囲であれば、おおむね固体の析出は起こらないことが明らかであるが、下限温度においては固体析出が見られる条件が三塩化アルミニウムガスの供給分圧にも影響される傾向が見られ、これを供給するIII族元素のハロゲンガスの供給分圧をP(atm)、温度をT(℃)としたときに、下限温度は数式(1)に示す関係式により近似的に表すことが可能であった。下限温度以下においては成長室内壁に白い固体析出物が確認された。   In the figure, the ◯ marks indicate conditions where no solid precipitation occurred, and the X marks indicate conditions where solid precipitation was observed. It is clear that solid precipitation generally does not occur in the temperature range of 150 ° C or higher and lower than 600 ° C, but the conditions under which solid precipitation is seen at the minimum temperature are also affected by the supply pressure of aluminum trichloride gas. When the supply partial pressure of the halogen gas of the Group III element supplying this is P (atm) and the temperature is T (° C.), the lower limit temperature is approximated by the relational expression shown in Equation (1). It was possible to express it. Below the lower limit temperature, a white solid precipitate was observed on the growth chamber wall.

混合ガスを安定に保つことができる温度範囲の下限は、III族ハロゲン化物ガス(三塩化アルミニウムガス)と窒素源ガス(アンモニアガス)とが化学的に結合した付加体(アダクトとも言う)の析出温度に対応すると考えられ、特に下限については混合ガスの濃度や混合ガス全体の圧力に影響を受けることもあるが、数式(1)の関係式に従って下限温度以上に保持することにより本発明の効果を好適に得ることができる。一方、600℃以上においては成長室内壁に白い固体析出物が確認され、この温度における析出物は窒化アルミニウムであった。   The lower limit of the temperature range in which the mixed gas can be kept stable is the precipitation of an adduct (also called an adduct) in which a group III halide gas (aluminum trichloride gas) and a nitrogen source gas (ammonia gas) are chemically bonded. The lower limit may be affected by the concentration of the mixed gas or the pressure of the entire mixed gas, but the effect of the present invention is maintained by maintaining the temperature at the lower limit or higher according to the relational expression of the formula (1). Can be suitably obtained. On the other hand, at 600 ° C. or higher, a white solid precipitate was observed on the growth chamber wall, and the precipitate at this temperature was aluminum nitride.

III族ハロゲン化物ガスおよび窒素源ガスの混合およびノズル47への配管輸送に際しては、ガス混合器および配管を加熱し、混合ガスの温度を数式(1)に示される下限温度以上600℃未満に制御するのが好ましい。混合ガスの温度が数式(1)に示される下限温度未満であると、原料として供給したIII族ハロゲン化物ガス等が固体析出しやすくなる。一方600℃以上であると、混合ガスであるIII族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスが反応してIII族窒化物を生成する。これらの理由で配管内に固体が析出すると、ガス組成が変化してIII族窒化物の製造条件が不安定になるほか、配管が閉塞してIII族窒化物の製造そのものが困難になる。   When mixing the Group III halide gas and the nitrogen source gas and transporting the pipe to the nozzle 47, the gas mixer and the pipe are heated, and the temperature of the mixed gas is controlled to the lower limit temperature or higher and lower than 600 ° C. shown in Formula (1). It is preferable to do this. When the temperature of the mixed gas is lower than the lower limit temperature shown in the mathematical formula (1), the group III halide gas supplied as a raw material is likely to be solid precipitated. On the other hand, when the temperature is 600 ° C. or higher, the group III halide gas which is a mixed gas and the nitrogen source gas react to generate a group III nitride. For these reasons, if solids are deposited in the pipe, the gas composition changes and the production conditions of the group III nitride become unstable, and the pipe is blocked and the production of the group III nitride itself becomes difficult.

このため、ガス混合器46内の混合ガスの温度を上記範囲に制御するために、配管44および配管45を加熱し、流通するガス温度を数式(1)に示される下限温度以上600℃未満に制御しておくのが好ましい。ガス混合器や配管の加熱は、発熱体を繊維もしくは樹脂に埋設したリボンヒータを巻き付けることにより行うことが可能である。また、混合器や配管に液状熱媒が流通するジャケットを設け、このジャケット内に温度を一定に制御したオイル等の液体を流通させてもよい。   For this reason, in order to control the temperature of the mixed gas in the gas mixer 46 to the said range, the piping 44 and the piping 45 are heated, and the gas temperature to distribute | circulate is more than the minimum temperature shown by Numerical formula (1), and below 600 degreeC. It is preferable to control. The gas mixer and the pipe can be heated by winding a ribbon heater in which a heating element is embedded in fiber or resin. Further, a jacket through which the liquid heat medium flows may be provided in the mixer or the pipe, and a liquid such as oil whose temperature is controlled to be constant may be circulated in the jacket.

ガス導入ノズル47はガス混合器46で混合されたIII族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスとの混合ガスを、固体を析出しないような安定な状態で成長室41内に導入するために温度調節機能を有する。ガス導入ノズル47の温度調節は、ノズルに液状熱媒が流通するジャケットを設け、このジャケット内に温度を一定に制御したオイル等の液体を流通させることにより好適に行うことができる。   The gas introduction nozzle 47 has a temperature adjustment function for introducing the mixed gas of the group III halide gas and the nitrogen source gas mixed by the gas mixer 46 into the growth chamber 41 in a stable state so as not to precipitate solids. Have The temperature of the gas introduction nozzle 47 can be suitably adjusted by providing a jacket through which the liquid heat medium flows in the nozzle and circulating a liquid such as oil whose temperature is controlled to be constant in the jacket.

液状熱媒の例としては350℃までの加熱であればジベンジルトルエンが使用可能である。ノズルの材質としてはステンレス、インコネル、ハステロイ等の耐食性金属や石英ガラス等を使用することが可能である。   As an example of the liquid heat medium, dibenzyltoluene can be used for heating up to 350 ° C. As the material of the nozzle, it is possible to use a corrosion-resistant metal such as stainless steel, Inconel, Hastelloy, quartz glass, or the like.

ガス導入ノズル47のノズル径は特に限定されるものではないが、通常ノズル径の目安としては設置する基板の直径と同等もしくはそれ以下とされる。また、ノズル端面に複数の原料ガスの噴出孔を有するシャワーヘッドタイプのノズルも可能である。シャワーヘッドノズルを使用した場合には、得られるIII族窒化物の膜厚および膜質の面内分布がより均一になる。   The nozzle diameter of the gas introduction nozzle 47 is not particularly limited, but the standard nozzle diameter is usually equal to or less than the diameter of the substrate to be installed. Also, a shower head type nozzle having a plurality of source gas ejection holes on the nozzle end face is possible. When a shower head nozzle is used, the film thickness and film quality distribution of the obtained group III nitride become more uniform.

以下に、図4に示す装置を用いた場合を例に、本発明の方法によりIII族窒化物を製造する際の操作手順や各種条件について説明する。   Hereinafter, an operation procedure and various conditions for producing a group III nitride by the method of the present invention will be described by taking the case of using the apparatus shown in FIG. 4 as an example.

図4に示す装置を用いてIII族窒化物を製造するにあたり、既述の材質の基板をサセプタに設置する。次いで、原料以外のキャリアガスを流通し、ガス導入ノズル47を既述の温度に加熱する。次いでサセプタを加熱する。原料ガスの反応が進行し、基板上にIII族窒化物が成長する加熱温度、すなわち700〜2000℃の範囲に加熱する。所定の温度に達した後、III族ハロゲン化物ガスおよび窒素源ガスの供給を開始して、基板上にIII族窒化物を堆積させる。   In manufacturing group III nitride using the apparatus shown in FIG. 4, a substrate of the above-described material is placed on a susceptor. Next, a carrier gas other than the raw material is circulated, and the gas introduction nozzle 47 is heated to the temperature described above. The susceptor is then heated. Heating is performed at a heating temperature at which the reaction of the source gas proceeds and a group III nitride grows on the substrate, that is, in a range of 700 to 2000 ° C. After reaching a predetermined temperature, supply of a group III halide gas and a nitrogen source gas is started to deposit group III nitride on the substrate.

原料の供給量は図2を参考に固体析出の起こらない条件を決定すればよいが、III族ハロゲン化物ガスの供給分圧は、好ましくは1×10-2atm以下、より好ましくは1×10-7atm 〜1×10-2atmである。これよりも大きな供給分圧では、固体析出が起こり易くなる。原料の供給時間は希望する膜厚が得られる時間とする。原料の供給を停止した後、サセプタの加熱、ガス導入ノズルの加熱を停止し、冷却した後基板を取り出す。得られるIII族窒化物は、成長温度と成長速度によって、単結晶が得られるか多結晶が得られるかがほぼ決まる知見が発明者らの研究により得られている。一般的な傾向として、成長温度が高く、成長速度が遅いほど単結晶が得られやすい。 The supply amount of the raw material may be determined under the condition that solid precipitation does not occur with reference to FIG. 2, but the supply partial pressure of the group III halide gas is preferably 1 × 10 −2 atm or less, more preferably 1 × 10 -7 atm -1 × 10 -2 atm. If the supply partial pressure is larger than this, solid precipitation is likely to occur. The supply time of the raw material is a time for obtaining a desired film thickness. After stopping the supply of raw materials, the heating of the susceptor and the heating of the gas introduction nozzle are stopped, and after cooling, the substrate is taken out. The obtained group III nitride has been obtained through research conducted by the inventors of the present invention, which determines whether a single crystal or a polycrystal can be obtained depending on the growth temperature and growth rate. As a general tendency, the higher the growth temperature and the slower the growth rate, the easier it is to obtain a single crystal.

ガス導入ノズルの先端から基板中心までの距離は収率に影響する。ガス導入ノズルから放出されたIII族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスの混合ガスは基板表面に到達して反応し、基板表面においてIII族窒化物が生成する。当該距離が長い場合、ガス導入ノズルから放出された原料ガスは基板に到達せずに散逸してしまう割合が高くなる。このため、基板表面に到達する原料ガスが減少して収率が低下する。更に、当該距離が長い場合には混合ガスが基板に到達するまでの滞留時間が長くなるため、気相中でIII族窒化物の固体が生成してしまい、良質のIII族窒化物膜が得られないことがある。一方、ガス導入ノズルの先端から基板表面の中心位置までの距離が短過ぎる場合には、高温の基板と低温のノズルとが近接することになり、それぞれの温度制御が困難になるので好ましくない。このような理由から当該距離は1〜50mm、より好ましくは2〜30mmの範囲に設定するとよい。   The distance from the tip of the gas introduction nozzle to the center of the substrate affects the yield. The mixed gas of the group III halide gas and the nitrogen source gas discharged from the gas introduction nozzle reaches the substrate surface and reacts, and group III nitride is generated on the substrate surface. When the distance is long, the ratio of the source gas released from the gas introduction nozzle to be dissipated without reaching the substrate increases. For this reason, the raw material gas which reaches | attains the board | substrate surface reduces, and a yield falls. Furthermore, when the distance is long, the residence time until the mixed gas reaches the substrate becomes long, so that a solid group III nitride is generated in the gas phase, and a high-quality group III nitride film is obtained. It may not be possible. On the other hand, if the distance from the tip of the gas introduction nozzle to the center position of the substrate surface is too short, the high temperature substrate and the low temperature nozzle will be close to each other, making it difficult to control the respective temperatures. For this reason, the distance may be set in the range of 1 to 50 mm, more preferably 2 to 30 mm.

以上、図4に示す装置を用いて本発明の製造方法を実施する態様について詳しく説明したが、本発明の方法に使用される装置は図4に示すものに限定されるものではない。図4に示す装置は縦型反応器の一例であるが、他の形式の縦型反応器や横型反応器、或いは縦横が混在した形の反応器を使用することも可能である。また、反応条件等も使用する装置に応じて適宜変更される。   Although the embodiment for carrying out the manufacturing method of the present invention using the apparatus shown in FIG. 4 has been described in detail, the apparatus used in the method of the present invention is not limited to that shown in FIG. The apparatus shown in FIG. 4 is an example of a vertical reactor, but it is also possible to use other types of vertical reactors, horizontal reactors, or reactors having both vertical and horizontal shapes. Moreover, reaction conditions etc. are suitably changed according to the apparatus to be used.

本発明の製造方法によれば、高速且つ高収率でIII族窒化物を製造することができる。しかも、製造条件を適宜選択することにより得られIII族窒化物の結晶性をコントロールすることもでき、容易に単結晶基板や多結晶基板を製造することができる。   According to the production method of the present invention, the group III nitride can be produced at a high speed and with a high yield. In addition, the crystallinity of the group III nitride obtained by appropriately selecting the manufacturing conditions can be controlled, and a single crystal substrate or a polycrystalline substrate can be easily manufactured.

従って、本発明の方法は、アルミニウム系III族窒化物半導体発光素子を製造する際の基板として好適な窒化アルミニウム単結晶基板や窒化アルミニウムガリウム単結晶基板を製造する方法として好適である。特に、窒化アルミニウムと、窒化ガリウムおよび/または窒化インジウムとからなる混晶であって、窒化アルミニウムの含有量が20モル%以上である混晶も紫外発光素子の発光波長によってはその基板として用いることも可能であり、このような組成を変化させた混晶の単結晶基板も本発明の方法により効率よく製造することができる。   Therefore, the method of the present invention is suitable as a method for producing an aluminum nitride single crystal substrate or an aluminum gallium nitride single crystal substrate suitable as a substrate for producing an aluminum-based group III nitride semiconductor light emitting device. In particular, a mixed crystal composed of aluminum nitride and gallium nitride and / or indium nitride and having an aluminum nitride content of 20 mol% or more is also used as the substrate depending on the emission wavelength of the ultraviolet light emitting element. A mixed crystal single crystal substrate having such a composition changed can also be efficiently manufactured by the method of the present invention.

本発明で得られたIII族窒化物は、単結晶のものであれば成長用に用いた基板から剥離し必要に応じて剥離した面を研磨する。化学的機械研磨により原子ステップが出る程度に精度良く研磨したものは自立基板として深紫外発光素子用の基板として用いることが可能である。   If the group III nitride obtained in the present invention is a single crystal, it is peeled off from the substrate used for growth and the peeled surface is polished if necessary. What was polished with sufficient precision to the extent that atomic steps are generated by chemical mechanical polishing can be used as a substrate for a deep ultraviolet light emitting device as a self-supporting substrate.

なお、本発明における収率、III族窒化物の成膜速度、得られたIII族窒化物の結晶性は次のような方法で評価することができる。   The yield, film formation rate of group III nitride, and crystallinity of the obtained group III nitride in the present invention can be evaluated by the following methods.

すなわち、収率は、成長前後の基板の質量変化から基板上に成長したIII族窒化物結晶の質量を求め、これをIII族窒化物結晶の分子量(例えば窒化アルミニウムの場合、分子量は41)で除することにより基板上に固定化されたIII族金属のグラム原子数(A)を求め、次に、成長中に供給したIII族ハロゲン化物の総グラム原子数(B)を、(混合ガスの供給流量/sccm)×(III族ハロゲン化物ガスの供給分圧/atm)×(供給時間/分)÷(22400/cc・mol-1)により計算し、(A)を(B)で除して百分率に直すことにより決定することができる。 That is, the yield is the mass of the group III nitride crystal grown on the substrate from the change in mass of the substrate before and after growth, and this is the molecular weight of the group III nitride crystal (for example, in the case of aluminum nitride, the molecular weight is 41). To determine the number of gram atoms (A) of the group III metal immobilized on the substrate, and then the total number of gram atoms (B) of the group III halide supplied during the growth (of the mixed gas) (Supply flow rate / sccm) × (Group III halide gas supply partial pressure / atm) × (Supply time / min) ÷ (22400 / cc · mol −1 ), (A) divided by (B) It can be determined by converting it to a percentage.

成膜速度は、得られた膜の平均膜厚を測定し、その値を成膜時間で除することにより決定することができる。このとき、得られたIII族窒化物結晶膜の平均膜厚は、成長した結晶の質量、基板面積、ならびにIII族窒化物結晶の密度{たとえば窒化アルミニウムの場合、密度は3.26g/cm3である}から計算することができる。 The film formation rate can be determined by measuring the average film thickness of the obtained film and dividing the value by the film formation time. At this time, the average thickness of the obtained group III nitride crystal film is the mass of the grown crystal, the substrate area, and the density of the group III nitride crystal (for example, in the case of aluminum nitride, the density is 3.26 g / cm 3 It can be calculated from

得られた結晶膜の結晶品質の評価は、X線ロッキングカーブ測定により行うことができる。ロッキングカーブとは、特定の結晶面がブラッグの回折条件を満たす角度の2倍の位置にディテクターを固定して、X線の入射角を変化させて得られる回折のことであり、該ロッキングカーブの半値幅により結晶品質の良否を判断できる。半値幅の値が小さいほど、III族窒化物結晶の結晶品質が良好であると言える。ロッキングカーブ測定は、通常、Tilt(チルト)と呼ばれる(002)方向に関して行われる。また、θ-2θモード測定により2θが10〜100°の範囲でX線回折プロファイルを測定した。θ-2θモード測定とは、サンプルに対する入射角をθとしたときに、2θの位置にディテクターを固定して得られる回折を測定する測定法である。III族窒化物結晶の回折プロファイルが(002)回折、および(004)回折のみが観測されれば、得られたIII族窒化物結晶は単結晶であると判断できる。窒化アルミニウムの場合(002)回折は2θ=36.039°付近、(004)回折は2θ=76.439°付近に観測される。   The crystal quality of the obtained crystal film can be evaluated by X-ray rocking curve measurement. The rocking curve is a diffraction obtained by fixing the detector at a position twice the angle at which a specific crystal plane satisfies the Bragg diffraction condition and changing the incident angle of the X-ray. The quality of the crystal quality can be judged from the half-value width. It can be said that the smaller the full width at half maximum, the better the crystal quality of the group III nitride crystal. The rocking curve measurement is usually performed in the (002) direction called Tilt (tilt). Further, an X-ray diffraction profile was measured in the range of 2θ of 10 to 100 ° by θ-2θ mode measurement. The θ-2θ mode measurement is a measurement method for measuring diffraction obtained by fixing a detector at a position of 2θ, where θ is an incident angle with respect to a sample. If only (002) diffraction and (004) diffraction are observed in the diffraction profile of the group III nitride crystal, it can be determined that the obtained group III nitride crystal is a single crystal. In the case of aluminum nitride, (002) diffraction is observed around 2θ = 36.039 °, and (004) diffraction is observed around 2θ = 76.439 °.

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.

実施例1
図4に示す構造の装置を用いて、III族窒物の一つである窒化アルミニウムの単結晶の成長反応を行った。III族金属含有ガスとしては、三塩化アルミニウムを用いた。該三塩化アルミニウムは、配管44より上流側(図示せず)で500℃に保持した金属アルミニウムと塩化水素を反応させることにより発生させて供給した。窒素源ガスとしてはアンモニアガスを用いた。配管44、配管45、ラインミキサー50、ガス混合器46は周囲にリボンヒータを巻き付け300℃に加熱保持した。また、ノズル47はステンレス(SUS316L)製でノズル内部に保温用のオイルを循環可能な構造(温調ノズル)とし、300℃に加熱したオイルを循環し、ノズルの温度を当該温度に保温した。このとき、ノズル47の先端と基板43表面との距離は25mmであった。基板としては直径2インチのサファイアc面基板を用い、カーボン発熱体が埋設された窒化ホウ素製サセプタの下面に設置し、当該カーボン発熱体に電力を供給することにより基板温度を1300℃に加熱した。
Example 1
A growth reaction of a single crystal of aluminum nitride, which is one of group III nitrides, was performed using the apparatus having the structure shown in FIG. Aluminum trichloride was used as the Group III metal-containing gas. The aluminum trichloride was generated and supplied by reacting hydrogen chloride with metal aluminum maintained at 500 ° C. upstream of the pipe 44 (not shown). Ammonia gas was used as the nitrogen source gas. The pipe 44, the pipe 45, the line mixer 50, and the gas mixer 46 were wound around a ribbon heater and heated to 300 ° C. The nozzle 47 is made of stainless steel (SUS316L) and has a structure (temperature control nozzle) that can circulate heat retaining oil inside the nozzle. The oil heated to 300 ° C. was circulated to keep the temperature of the nozzle at that temperature. At this time, the distance between the tip of the nozzle 47 and the surface of the substrate 43 was 25 mm. As a substrate, a sapphire c-plane substrate having a diameter of 2 inches was used, placed on the bottom surface of a boron nitride susceptor in which a carbon heating element was embedded, and the substrate temperature was heated to 1300 ° C. by supplying power to the carbon heating element. .

配管44から三塩化アルミニウムガス4sccmを水素キャリアガス2996sccmで希釈して供給し、配管45からアンモニアガス16sccmを水素キャリアガス4984sccmで希釈して供給した。供給したガスは配管44および配管45を経て混合器46において合流後、ラインミキサーにより均一に混合された後、ノズルから基板上に供給された。この条件において混合ガス8000sccm中の三塩化アルミニウムの供給分圧は5×10-4atm、アンモニアガスの三塩化アルミニウムガスに対するモル比(V/III比)は4であった。また、ノズルの周囲には系内排気用のパージガスとして窒素ガス3000sccmを流通したが、このパージガスは反応には直接関わるものではない。また、成長中は系内の圧力は圧力コントローラーを有するドライポンプによって550Torr(1気圧は760Torr)に保った。 From the pipe 44, 4 sccm of aluminum trichloride gas was supplied after being diluted with 2996 sccm of hydrogen carrier gas, and 16 sccm of ammonia gas was supplied from the pipe 45 after being diluted with 4984 sccm of hydrogen carrier gas. The supplied gas merged in the mixer 46 via the pipe 44 and the pipe 45, and after being uniformly mixed by the line mixer, was supplied onto the substrate from the nozzle. Under these conditions, the supply partial pressure of aluminum trichloride in the mixed gas of 8000 sccm was 5 × 10 −4 atm, and the molar ratio of ammonia gas to aluminum trichloride gas (V / III ratio) was 4. Further, nitrogen gas 3000 sccm was circulated around the nozzle as a purge gas for exhausting the system, but this purge gas is not directly related to the reaction. During the growth, the pressure in the system was maintained at 550 Torr (1 atmosphere is 760 Torr) by a dry pump having a pressure controller.

該基板に該混合ガスを60分間供給し、基板上に窒化アルミニウム単結晶を成長した。60分経過後、三塩化アルミニウムガスのみ供給を停止して窒化アルミニウムの成長を停止した。基板温度を500℃まで冷却した後、アンモニアガスを停止し、さらに室温まで冷却した後、基板を取り出して評価を行った。その結果、基板に成長した窒化アルミニウムによる重量変化は、成長前に比べてプラス0.1057gであり、窒化アルミニウムの平均膜厚は16μm、成膜速度に換算すると結晶成長速度は16μm/hrであった。また、基板上に固定化されたIII族金属の物質量(固定化III族金属物質量)は0.0026molであった。成長中に基板に供給したIII族金属含有ガスの物質量(基板供給III族金属物質量)は0.0107molであるので、収率は24%と計算された。θ-2θモードX線回折プロファイルからは、基板に用いたサファイア基板以外には窒化アルミニウムの(002)回折および(004)回折のみが観測され、得られた窒化アルミニウムは単結晶であると判断された。また、Tiltのロッキングカーブ値は300minであった。   The mixed gas was supplied to the substrate for 60 minutes to grow an aluminum nitride single crystal on the substrate. After 60 minutes, the supply of only aluminum trichloride gas was stopped and the growth of aluminum nitride was stopped. After cooling the substrate temperature to 500 ° C., the ammonia gas was stopped, and after further cooling to room temperature, the substrate was taken out for evaluation. As a result, the change in weight due to aluminum nitride grown on the substrate was plus 0.1057 g compared to before growth, the average film thickness of aluminum nitride was 16 μm, and the crystal growth rate was 16 μm / hr when converted to the deposition rate. . The amount of Group III metal immobilized on the substrate (the amount of immobilized Group III metal) was 0.0026 mol. Since the substance amount of the group III metal-containing gas supplied to the substrate during the growth (substrate supply group III metal substance amount) was 0.0107 mol, the yield was calculated to be 24%. From the θ-2θ mode X-ray diffraction profile, only (002) diffraction and (004) diffraction of aluminum nitride were observed in addition to the sapphire substrate used for the substrate, and the obtained aluminum nitride was judged to be a single crystal. It was. Further, the rocking curve value of Tilt was 300 min.

実施例2
実施例1において基板加熱温度を1600℃にした以外は、実施例1と同様の操作を行った。
Example 2
The same operation as in Example 1 was performed except that the substrate heating temperature was changed to 1600 ° C. in Example 1.

基板に原料混合ガスを60分間供給し、基板上に窒化アルミニウム単結晶を成長した。60分経過後、三塩化アルミニウムガスのみ供給を停止して窒化アルミニウムの成長を停止した。500℃まで冷却した後、アンモニアガスを停止し、さらに室温まで冷却した後、基板を取り出して評価を行った。その結果、基板に成長した窒化アルミニウムによる重量変化は、成長前に比べてプラス0.0925gであり、窒化アルミニウムの平均膜厚は14μm、成膜速度に換算すると結晶成長速度は14μm/hrであった。また、基板上に固定化されたIII族金属の物質量(固定化III族金属物質量)は0.0023molであった。成長中に基板に供給したIII族金属含有ガスの物質量(基板供給III族金属物質量)は0.0107molであるので、収率は21%と計算された。基板を高温に加熱した状態においても安定してアルミニウム系III族窒化物結晶を成長することが可能であった。θ-2θモードX線回折プロファイルからは、基板に用いたサファイア基板以外には窒化アルミニウムの(002)回折および(004)回折のみが観測され、得られた窒化アルミニウムは単結晶であると判断された。また、Tiltのロッキングカーブ値は280minであった。   A raw material mixed gas was supplied to the substrate for 60 minutes to grow an aluminum nitride single crystal on the substrate. After 60 minutes, the supply of only aluminum trichloride gas was stopped and the growth of aluminum nitride was stopped. After cooling to 500 ° C., the ammonia gas was stopped, and after further cooling to room temperature, the substrate was taken out for evaluation. As a result, the weight change due to the aluminum nitride grown on the substrate was 0.0925 g plus that before the growth, the average film thickness of the aluminum nitride was 14 μm, and the crystal growth rate was 14 μm / hr when converted to the deposition rate. . The amount of Group III metal immobilized on the substrate (the amount of immobilized Group III metal) was 0.0023 mol. Since the substance amount of the group III metal-containing gas supplied to the substrate during growth (substrate supply group III metal substance amount) was 0.0107 mol, the yield was calculated to be 21%. It was possible to grow aluminum group III nitride crystals stably even when the substrate was heated to a high temperature. From the θ-2θ mode X-ray diffraction profile, only (002) diffraction and (004) diffraction of aluminum nitride were observed in addition to the sapphire substrate used for the substrate, and the obtained aluminum nitride was judged to be a single crystal. It was. Further, the rocking curve value of Tilt was 280 min.

実施例3
図4に示す構造を有する装置を用いたが、図4におけるノズル47と基板43の表面との距離を10mmとし、また、基板加熱温度を1300℃に、温調ノズルの温度を200℃にした以外は、実施例1と同様の操作を行った。
Example 3
The apparatus having the structure shown in FIG. 4 was used, but the distance between the nozzle 47 and the surface of the substrate 43 in FIG. 4 was 10 mm, the substrate heating temperature was 1300 ° C., and the temperature control nozzle temperature was 200 ° C. Except for the above, the same operation as in Example 1 was performed.

基板に原料混合ガスを180分間供給し、基板上に窒化アルミニウム結晶を成長した。180分経過後、三塩化アルミニウムガスのみ供給を停止して窒化アルミニウムの成長を停止した。500℃まで冷却した後、アンモニアガスを停止し、さらに室温まで冷却した後、基板を取り出して評価を行った。その結果、基板に成長した窒化アルミニウムによる重量変化は、成長前に比べてプラス0.6870gであり、窒化アルミニウムの平均膜厚は104μm、成膜速度に換算すると結晶成長速度は35μm/hrであった。また、基板上に固定化されたIII族金属の物質量(固定化III族金属物質量)は0.0168molであった。成長中に基板に供給したIII族金属含有ガスの物質量(基板供給III族金属物質量)は0.0322molであるので、収率は52%と計算された。ノズルと基板の距離が近かったために基板に到達する原料供給量が増加したと考えられ、得られた窒化アルミニウムは外観では白色であった。θ-2θモードX線回折プロファイルからは、基板に用いたサファイア基板以外には窒化アルミニウムの(002)回折および(004)回折以外にも、(100)回折(2θ=33.21°)、(101)回折(2θ=37.92°)、(102)回折(2θ=49.81°)、(103)回折(2θ=66.05°) 、(200)回折(2θ=69.73°) 、(202)回折(2θ=81.08°) が観測され、得られた窒化アルミニウムは多結晶であると判断された。多結晶が生成したのは、基板温度に対して成長速度が速かったことに起因していると考えられる。   A raw material mixed gas was supplied to the substrate for 180 minutes to grow aluminum nitride crystals on the substrate. After 180 minutes, the supply of only aluminum trichloride gas was stopped and the growth of aluminum nitride was stopped. After cooling to 500 ° C., the ammonia gas was stopped, and after further cooling to room temperature, the substrate was taken out for evaluation. As a result, the weight change due to the aluminum nitride grown on the substrate was 0.6870 g plus that before the growth, the average film thickness of the aluminum nitride was 104 μm, and the crystal growth rate was 35 μm / hr when converted to the deposition rate. . The amount of Group III metal immobilized on the substrate (an amount of immobilized Group III metal) was 0.0168 mol. Since the amount of group III metal-containing gas supplied to the substrate during growth (substrate supply group III metal amount) was 0.0322 mol, the yield was calculated to be 52%. Since the distance between the nozzle and the substrate was short, the amount of raw material supplied reaching the substrate was thought to have increased, and the resulting aluminum nitride was white in appearance. From the θ-2θ mode X-ray diffraction profile, in addition to the (002) and (004) diffractions of aluminum nitride other than the sapphire substrate used for the substrate, (100) diffraction (2θ = 33.21 °), (101) Diffraction (2θ = 37.92 °), (102) Diffraction (2θ = 49.81 °), (103) Diffraction (2θ = 66.05 °), (200) Diffraction (2θ = 69.73 °), (202) Diffraction (2θ = 81.08 ° ) Was observed, and the obtained aluminum nitride was judged to be polycrystalline. The formation of polycrystals is thought to be due to the fact that the growth rate was high with respect to the substrate temperature.

実施例4
実施例1において、図4におけるノズル47と基板43の表面との距離を50mmとした以外は実施例1と同様の操作を行った。
Example 4
In Example 1, the same operation as in Example 1 was performed except that the distance between the nozzle 47 and the surface of the substrate 43 in FIG.

基板に原料混合ガスを60分間供給し、基板上に窒化アルミニウム結晶を成長した。60分経過後、三塩化アルミニウムガスのみ供給を停止して窒化アルミニウムの成長を停止した。500℃まで冷却した後、アンモニアガスを停止し、さらに室温まで冷却した後、基板を取り出して評価を行った。その結果、基板に成長した窒化アルミニウムによる重量変化は、成長前に比べてプラス0.0727gであり、窒化アルミニウムの平均膜厚は11μm、成膜速度に換算すると結晶成長速度は11μm/hrであった。また、基板上に固定化されたIII族金属の物質量(固定化III族金属物質量)は0.0018molであった。成長中に基板に供給したIII族金属含有ガスの物質量(基板供給III族金属物質量)は0.0107molであるので、収率は17%と計算された。ノズルと基板の距離が広くなったために基板に到達する原料供給量が減少し、収率が減少したと考えられた。θ-2θモードX線回折プロファイルからは、基板に用いたサファイア基板以外には窒化アルミニウムの(002)回折および(004)回折のみが観測され、得られた窒化アルミニウムは単結晶であると判断された。また、Tiltのロッキングカーブ値は270minであった。   A raw material mixed gas was supplied to the substrate for 60 minutes to grow aluminum nitride crystals on the substrate. After 60 minutes, the supply of only aluminum trichloride gas was stopped and the growth of aluminum nitride was stopped. After cooling to 500 ° C., the ammonia gas was stopped, and after further cooling to room temperature, the substrate was taken out for evaluation. As a result, the weight change due to the aluminum nitride grown on the substrate was 0.0727 g plus that before the growth, the average film thickness of the aluminum nitride was 11 μm, and the crystal growth rate was 11 μm / hr when converted to the deposition rate. . The amount of Group III metal immobilized on the substrate (an amount of immobilized Group III metal) was 0.0018 mol. Since the amount of group III metal-containing gas supplied to the substrate during growth (substrate supply group III metal amount) was 0.0107 mol, the yield was calculated to be 17%. The distance between the nozzle and the substrate was increased, so the amount of raw material supplied to the substrate decreased, and the yield was thought to have decreased. From the θ-2θ mode X-ray diffraction profile, only (002) diffraction and (004) diffraction of aluminum nitride were observed in addition to the sapphire substrate used for the substrate, and the obtained aluminum nitride was judged to be a single crystal. It was. Further, the rocking curve value of Tilt was 270 min.

実施例5
図4に示す構造を有する装置を用いたが、図4におけるノズル47の先端に、ノズル端面に多数の微細な原料ガスの噴出孔を有するシャワーヘッドタイプのノズルを設置し、ノズルの先端と基板43の表面との距離を10mmとし、基板温度を1500℃とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。ノズル47のシャワーヘッドによる噴出口の最外周の直径は50mmとし、ノズル端面に直径1mmの微細な混合ガスの噴出孔を均一に80本配置したものを使用した。
Example 5
The apparatus having the structure shown in FIG. 4 was used, but at the tip of the nozzle 47 in FIG. 4, a nozzle of a shower head type having a number of fine source gas ejection holes on the nozzle end surface was installed, and the tip of the nozzle and the substrate The same operation as in Example 1 was performed except that the distance from the surface of 43 was 10 mm and the substrate temperature was 1500 ° C. The diameter of the outermost periphery of the nozzle outlet by the shower head of the nozzle 47 was 50 mm, and 80 nozzle holes with a fine mixed gas having a diameter of 1 mm were arranged uniformly on the nozzle end face.

基板に原料混合ガスを60分間供給し、基板上に窒化アルミニウム結晶を成長した。60分経過後、三塩化アルミニウムガスのみ供給を停止して窒化アルミニウムの成長を停止した。500℃まで冷却した後、アンモニアガスを停止し、さらに室温まで冷却した後、基板を取り出して評価を行った。その結果、基板に成長した窒化アルミニウムによる重量変化は、成長前に比べてプラス0.2642gであり、窒化アルミニウムの平均膜厚は40μm、成膜速度に換算すると結晶成長速度は40μm/hrであった。また、基板上に固定化されたIII族金属の物質量(固定化III族金属物質量)は0.0064molであった。成長中に基板に供給したIII族金属含有ガスの物質量(基板供給III族金属物質量)は0.0107molであるので、収率は60%と計算された。θ-2θモードX線回折プロファイルからは、基板に用いたサファイア基板以外には窒化アルミニウムの(002)回折および(004)回折のみが観測され、得られた窒化アルミニウムは単結晶であると判断された。また、Tiltのロッキングカーブ値は320minであった。   A raw material mixed gas was supplied to the substrate for 60 minutes to grow aluminum nitride crystals on the substrate. After 60 minutes, the supply of only aluminum trichloride gas was stopped and the growth of aluminum nitride was stopped. After cooling to 500 ° C., the ammonia gas was stopped, and after further cooling to room temperature, the substrate was taken out for evaluation. As a result, the weight change due to aluminum nitride grown on the substrate was 0.2642 g compared to before growth, the average film thickness of aluminum nitride was 40 μm, and the crystal growth rate was 40 μm / hr when converted to the film formation rate. . Further, the amount of Group III metal immobilized on the substrate (the amount of immobilized Group III metal) was 0.0064 mol. Since the substance amount of the group III metal-containing gas supplied to the substrate during the growth (substrate supply group III metal substance amount) was 0.0107 mol, the yield was calculated to be 60%. From the θ-2θ mode X-ray diffraction profile, only (002) diffraction and (004) diffraction of aluminum nitride were observed in addition to the sapphire substrate used for the substrate, and the obtained aluminum nitride was judged to be a single crystal. It was. Further, the rocking curve value of Tilt was 320 min.

実施例6
図4に示す構造を有する装置を用いて、III族ハロゲン化物ガスとして三塩化アルミニウムガスと塩化ガリウムガスとの混合ガスを用いて窒化アルミニウムガリウムを成長させた。配管44から三塩化アルミニウムガス0.15sccmと塩化ガリウムガス0.1sccmを窒素キャリアガス10000sccmで希釈して供給し、配管45からアンモニアガス5sccmを窒素キャリアガス4995sccmで希釈して供給した。供給したガスは混合器46において合流後、300℃に温度制御された温調ノズル47から基板43上に供給された。この条件において混合ガス中の三塩化アルミニウムガスの供給分圧は1×10−5atm、塩化ガリウムガスの供給分圧は2×10−4atm、アンモニアガスのIII族金属含有ガスに対する比は20であった。また、基板加熱温度は1200℃とし、系内圧力を200Torrとした以外は実施例1と同様の操作を行った。
Example 6
Using the apparatus having the structure shown in FIG. 4, aluminum gallium nitride was grown using a mixed gas of aluminum trichloride gas and gallium chloride gas as a group III halide gas. From the pipe 44, 0.15 sccm of aluminum trichloride gas and 0.1 sccm of gallium chloride gas were supplied after being diluted with a nitrogen carrier gas of 10,000 sccm, and 5 sccm of ammonia gas was supplied from the pipe 45 after being diluted with 4995 sccm of a nitrogen carrier gas. The supplied gases were combined in the mixer 46 and then supplied onto the substrate 43 from the temperature control nozzle 47 whose temperature was controlled at 300 ° C. Under these conditions, the supply partial pressure of aluminum trichloride gas in the mixed gas is 1 × 10 −5 atm, the supply partial pressure of gallium chloride gas is 2 × 10 −4 atm, and the ratio of ammonia gas to Group III metal-containing gas is 20 Met. Further, the same operation as in Example 1 was performed except that the substrate heating temperature was 1200 ° C. and the system internal pressure was 200 Torr.

基板に原料混合ガスを60分間供給し、基板上に窒化アルミニウムガリウム結晶を成長させた。60分経過後、III族金属含有ガスのみ供給を停止して窒化アルミニウムガリウムの成長を停止させた。500℃まで冷却した後アンモニアガスを停止し、さらに室温まで冷却した後、基板を取り出して評価を行った。   A raw material mixed gas was supplied to the substrate for 60 minutes to grow an aluminum gallium nitride crystal on the substrate. After 60 minutes, the supply of only the group III metal-containing gas was stopped to stop the growth of aluminum gallium nitride. After cooling to 500 ° C., the ammonia gas was stopped, and after further cooling to room temperature, the substrate was taken out for evaluation.

基板上に成長した窒化アルミニウムガリウムによる重量変化は、成長前に比べて0.005g増加した。基板を切断して断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、窒化アルミニウムガリウムの膜厚は0.58μm、成膜速度に換算すると結晶成長速度は0.58μm/hrであった。該成長膜のエネルギー分散型X線スペクトルを測定した結果、窒化アルミニウムガリウム内のアルミニウム:ガリウム元素比は70:30であった。III族金属元素の比から窒化アルミニウムガリウムの分子量を53.9と仮定して計算した結果、基板上に固定化されたIII族金属の物質量(固定化III族金属物質量)は0.00093molであった。成長中に基板に供給したIII族金属含有ガスの物質量(基板供給III族金属物質量)は0.00041molであるので、収率は23%となる。基板を高温に加熱した状態においても安定して窒化アルミニウムガリウム結晶を成長させることが可能であった。θ-2θモードX線回折プロファイルからは、基板に用いたサファイア基板以外には窒化アルミニウムガリウムの(002)回折および(004)回折のみが観測され、得られた窒化アルミニウムガリウムは単結晶であることが確認された。   The change in weight due to aluminum gallium nitride grown on the substrate increased by 0.005 g compared to before growth. When the substrate was cut and the cross section was observed using a scanning electron microscope, the film thickness of aluminum gallium nitride was 0.58 μm, and the crystal growth rate was 0.58 μm / hr in terms of film formation rate. As a result of measuring the energy dispersive X-ray spectrum of the grown film, the aluminum: gallium element ratio in the aluminum gallium nitride was 70:30. As a result of calculating the molecular weight of aluminum gallium nitride from the ratio of the group III metal element to 53.9, the amount of the group III metal immobilized on the substrate (the amount of the group III metal immobilized) was 0.00093 mol. . Since the amount of group III metal-containing gas supplied to the substrate during growth (substrate supply group III metal amount) is 0.00041 mol, the yield is 23%. It was possible to grow aluminum gallium nitride crystals stably even when the substrate was heated to a high temperature. From the θ-2θ mode X-ray diffraction profile, only (002) and (004) diffractions of aluminum gallium nitride were observed in addition to the sapphire substrate used for the substrate, and the obtained aluminum gallium nitride was a single crystal. Was confirmed.

比較例1
図1に示す構造の装置を用いて、窒化アルミニウムの成長反応を行った。ノズルとしては従来型の石英ガラス製三重管ノズルを用いた。中心のノズル15よりIII族金属含有ガスとして三塩化アルミニウムを供給し、その外側のノズル16よりバリアガスとして窒素ガスを流通した。また、ノズル16の周囲からは水素キャリアガスに希釈して窒素源ガスとしてのアンモニアガスを供給した。ノズル16から基板表面の距離は実施例4と同様の50mmであった。その他、基板加熱温度、配管加熱温度、基板加熱温度、圧力等は実施例1と同じ条件とした。
Comparative Example 1
The growth reaction of aluminum nitride was performed using the apparatus having the structure shown in FIG. A conventional quartz glass triple tube nozzle was used as the nozzle. Aluminum trichloride was supplied from the central nozzle 15 as a Group III metal-containing gas, and nitrogen gas was circulated from the outer nozzle 16 as a barrier gas. Further, ammonia gas as a nitrogen source gas was supplied from the periphery of the nozzle 16 after being diluted with a hydrogen carrier gas. The distance from the nozzle 16 to the substrate surface was 50 mm as in Example 4. In addition, the substrate heating temperature, the piping heating temperature, the substrate heating temperature, the pressure, and the like were the same as in Example 1.

原料ガスの供給条件としては、ノズル15からは三塩化アルミニウムガス4sccmをキャリアガスである水素ガス4996sccmで希釈して供給した。バリアノズル16からはバリアガスとして窒素ガスを3000sccm供給した。また、ノズルの外周からかはアンモニアガス16sccmをキャリアガスである水素ガス3984sccmで希釈して供給した。このとき、混合ガスの流量は合計12000sccmであり、三塩化アルミニウムの供給分圧は3.3×10-4atmであった。 As supply conditions for the source gas, the aluminum trichloride gas of 4 sccm was diluted from the nozzle 15 with hydrogen gas of 4996 sccm as the carrier gas. From the barrier nozzle 16, 3000 sccm of nitrogen gas was supplied as a barrier gas. From the outer periphery of the nozzle, 16 sccm of ammonia gas was diluted with 3984 sccm of hydrogen gas as a carrier gas and supplied. At this time, the flow rate of the mixed gas was 12000 sccm in total, and the supply partial pressure of aluminum trichloride was 3.3 × 10 −4 atm.

基板に原料混合ガスを60分間供給し、基板上に窒化アルミニウム単結晶を成長させた。60分経過後、三塩化アルミニウムガスのみ供給を停止して窒化アルミニウムの成長を停止した。500℃まで冷却した後、アンモニアガスを停止し、さらに室温まで冷却した後、基板を取り出して評価を行った。その結果、基板に成長した窒化アルミニウムによる重量変化は、成長前に比べてプラス0.0350gであり、窒化アルミニウムの平均膜厚は5.3μm、成膜速度に換算すると結晶成長速度は5.3μm/hrであった。また、基板上に固定化されたIII族金属の物質量(固定化III族金属物質量)は0.00085molであった。成長中に基板に供給したIII族金属含有ガスの物質量(基板供給III族金属物質量)は0.0107molであるので、収率は8%と計算された。実施例1と原料供給量が同一量であるが、本比較例では収率が低下していることが明らかであり、本発明の予混合供給方式の方が収率が高まるといえる。θ-2θモードX線回折プロファイルからは、基板に用いたサファイア基板以外には窒化アルミニウムの(002)回折および(004)回折のみが観測され、得られた窒化アルミニウムは単結晶であると判断された。また、Tiltのロッキングカーブ値は220minであった。   A raw material mixed gas was supplied to the substrate for 60 minutes to grow an aluminum nitride single crystal on the substrate. After 60 minutes, the supply of only aluminum trichloride gas was stopped and the growth of aluminum nitride was stopped. After cooling to 500 ° C., the ammonia gas was stopped, and after further cooling to room temperature, the substrate was taken out for evaluation. As a result, the weight change due to the aluminum nitride grown on the substrate was 0.0350 g plus that before the growth, the average film thickness of aluminum nitride was 5.3 μm, and the crystal growth rate was 5.3 μm / hr when converted to the film formation rate. there were. Further, the amount of Group III metal immobilized on the substrate (the amount of immobilized Group III metal) was 0.00085 mol. Since the substance amount of the group III metal-containing gas supplied to the substrate during the growth (substrate supply group III metal substance amount) was 0.0107 mol, the yield was calculated to be 8%. Although the raw material supply amount is the same as that in Example 1, it is clear that the yield is lowered in this comparative example, and it can be said that the yield is higher in the premixed supply method of the present invention. From the θ-2θ mode X-ray diffraction profile, only (002) diffraction and (004) diffraction of aluminum nitride were observed in addition to the sapphire substrate used for the substrate, and the obtained aluminum nitride was judged to be a single crystal. It was. The rocking curve value of Tilt was 220 min.

比較例2
実施例1の装置において、ノズルとして、温度制御ができない石英ガラス製のノズルを用いた以外は、実施例1と同様に行った。
Comparative Example 2
In the apparatus of Example 1, it carried out like Example 1 except having used the nozzle made from quartz glass which cannot control temperature as a nozzle.

原料の供給を開始した直後から石英ガラス製ノズルの先端付近や内壁に白色の固体析出物が観測され、時間の経過と共に蓄積していった。   Immediately after starting the supply of raw materials, white solid precipitates were observed near the tip of the quartz glass nozzle and on the inner wall, and accumulated over time.

60分経過後にIII塩化アルミニウムガスのみ供給を停止して窒化アルミニウムの成長を停止した。500℃まで冷却した後、アンモニアガスを停止し、さらに室温まで冷却した後、基板を取り出して評価を行った。その結果、基板に成長した窒化アルミニウムによる重量変化は、成長前に比べてプラス0.0086gであり、窒化アルミニウムの平均膜厚は1.3μm、成膜速度に換算すると結晶成長速度は1.3μm/hrであった。また、基板上に固定化されたIII族金属の物質量(固定化III族金属物質量)は0.00021molであった。成長中に基板に供給したIII族金属含有ガスの物質量(基板供給III族金属物質量)は0.0107molであるので、収率は2%と計算された。θ-2θモードX線回折プロファイルからは、基板に用いたサファイア基板以外には窒化アルミニウムの(002)回折および(004)回折のみが観測され、得られた窒化アルミニウムは単結晶であると判断された。また、Tiltのロッキングカーブ値は200minであった。   After the elapse of 60 minutes, the supply of only the III aluminum chloride gas was stopped and the growth of aluminum nitride was stopped. After cooling to 500 ° C., the ammonia gas was stopped, and after further cooling to room temperature, the substrate was taken out for evaluation. As a result, the weight change due to aluminum nitride grown on the substrate is 0.0086 g plus that before growth, the average film thickness of aluminum nitride is 1.3 μm, and the crystal growth rate is 1.3 μm / hr in terms of film formation rate. there were. The amount of Group III metal immobilized on the substrate (the amount of immobilized Group III metal) was 0.00021 mol. Since the amount of group III metal-containing gas supplied to the substrate during growth (substrate supply group III metal amount) was 0.0107 mol, the yield was calculated to be 2%. From the θ-2θ mode X-ray diffraction profile, only (002) diffraction and (004) diffraction of aluminum nitride were observed in addition to the sapphire substrate used for the substrate, and the obtained aluminum nitride was judged to be a single crystal. It was. Further, the rocking curve value of Tilt was 200 min.

石英ガラス製ノズルに付着した白色析出固体は粉末X線回折の測定結果から窒化アルミニウムであることがわかった。収率が大幅に下った原因は、基板加熱用ヒータからの輻射熱により石英ガラスノズルの温度が上昇し、原料ガスが基板に供給される前に石英ガラスノズル先端や内壁に窒化アルミニウムとして析出したことに起因する。反応時のノズルの温度は実測できなかったが、窒化アルミニウムが生成したことを考慮すると600℃以上の温度に達していたと推測される。すなわち、本発明による予混合供給方式においては予混合時のガス温度の管理だけでなく、ノズルの温度の管理も重要であることが示された。   The white precipitated solid adhering to the quartz glass nozzle was found to be aluminum nitride from the powder X-ray diffraction measurement results. The reason for the significant decrease in the yield was that the temperature of the quartz glass nozzle rose due to the radiant heat from the heater for substrate heating, and the source gas was deposited as aluminum nitride on the tip and inner wall of the quartz glass nozzle before being supplied to the substrate caused by. Although the temperature of the nozzle during the reaction could not be measured, it is estimated that the temperature reached 600 ° C. or higher in consideration of the formation of aluminum nitride. That is, in the premixing supply system according to the present invention, it is shown that not only the gas temperature control during premixing but also the management of the nozzle temperature is important.

比較例3
実施例1において、温調ノズルに循環するオイルの加熱温度を100℃にした以外は、実施例1と同様に行った。
Comparative Example 3
In Example 1, it carried out similarly to Example 1 except having made the heating temperature of the oil circulated through the temperature control nozzle 100 ° C.

原料の供給を開始した直後から温調ノズル47の内壁に白色の固体析出物が観測され、次第に温調ノズル47の内壁が閉塞したため、実験を中止した。すなわち、本発明による原料供給方式においては、予混合時のガス温度を適切に制御しないと、安定した成長が困難であることが示された。   White solid deposits were observed on the inner wall of the temperature control nozzle 47 immediately after starting the supply of the raw material, and the inner wall of the temperature control nozzle 47 was gradually blocked, so the experiment was stopped. That is, in the raw material supply system according to the present invention, it has been shown that stable growth is difficult unless the gas temperature during premixing is appropriately controlled.

実施例および比較例の条件と結果を表1に示す。   Table 1 shows the conditions and results of Examples and Comparative Examples.

Figure 2008088048
Figure 2008088048

本図は、従来の気相成長装置の模式図である。This figure is a schematic view of a conventional vapor phase growth apparatus. 参考実験で用いた装置の模式図である。It is a schematic diagram of the apparatus used in the reference experiment. 参考実験の結果をまとめたグラフである。It is the graph which put together the result of the reference experiment. 代表的な本発明の装置の模式図である。1 is a schematic view of a representative apparatus of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 成長室
12 外部加熱装置
13 ヒータ機能を有するサセプタ
14 基板
15 III族ハロゲン化物ガスノズル
16 バリアガスノズル
17 窒素源ガスノズル
21 反応管(外壁)
22 III族ハロゲン化物導入ガスノズル
23 バリアガスノズル
24 外部加熱装置
41 成長室
42 ヒータ機能付きサセプタ
43 基板
44 配管(III族ハロゲン化物ガス供給用)
45 配管(窒素源ガス供給用)
46 ガス混合器
47 温調ノズル
48 ガス導入口
49 ガス排出口
50 ラインミキサー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Growth chamber 12 External heating device 13 Susceptor having a heater function 14 Substrate 15 Group III halide gas nozzle 16 Barrier gas nozzle 17 Nitrogen source gas nozzle 21 Reaction tube (outer wall)
22 Group III halide introduction gas nozzle 23 Barrier gas nozzle 24 External heating device 41 Growth chamber 42 Susceptor with heater function 43 Substrate 44 Piping (for group III halide gas supply)
45 Piping (Nitrogen source gas supply)
46 Gas mixer 47 Temperature control nozzle 48 Gas inlet 49 Gas outlet 50 Line mixer

Claims (10)

III族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスとを成長室内で反応させて、該成長室内に保持された基板上にIII族窒化物を成長させる成長工程を含むIII族窒化物の製造方法において、前記III族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスとを前記成長室内に導入する前に予め混合する予混合工程を更に含み、かつ当該予混合工程で得られた混合ガスを、該ガス中に析出物を実質的に生成させることなく前記成長室内に導入することを特徴とするIII族窒化物の製造方法。 In the method for producing a group III nitride comprising a growth step of causing a group III halide gas and a nitrogen source gas to react in a growth chamber and growing a group III nitride on a substrate held in the growth chamber, A premixing step of premixing the group halide gas and the nitrogen source gas before introducing them into the growth chamber, and the mixed gas obtained in the premixing step substantially contains precipitates in the gas. A method for producing a group III nitride, characterized in that it is introduced into the growth chamber without being formed into a growth chamber. III族ハロゲン化物ガスが、アルミニウムハロゲン化物のガス、又はアルミニウムハロゲン化物のガスとアルミニウム以外のIII族元素のハロゲン化物のガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物の製造方法。 The group III halide gas according to claim 1, wherein the group III halide gas is an aluminum halide gas or a mixed gas of an aluminum halide gas and a halide gas of a group III element other than aluminum. A method for producing nitride. 予混合工程で得られた混合ガスを該ガス中に析出物を実質的に生成させることなく成長室内に導入する方法が、前記予混合工程におけるIII族ハロゲン化物ガスと窒素源ガスとの混合を、供給するIII族ハロゲン化物ガスの供給分圧をP(atm)としたとき、その温度T(℃)を、
Figure 2008088048
で規定される下限温度以上600℃未満として行い、且つ得られた混合ガスを上記式(1)で規定される下限温度以上600℃未満の温度で前記成長室に導入する方法であることを特徴とする請求項1または2に記載のIII族窒化物の製造方法。
The method of introducing the mixed gas obtained in the premixing step into the growth chamber without substantially generating precipitates in the gas is a method of mixing the group III halide gas and the nitrogen source gas in the premixing step. When the supply partial pressure of the group III halide gas to be supplied is P (atm), the temperature T (° C.) is
Figure 2008088048
And a method of introducing the obtained mixed gas into the growth chamber at a temperature not lower than the lower limit temperature specified by the above formula (1) and lower than 600 ° C. The method for producing a group III nitride according to claim 1 or 2.
成長工程におけるIII族窒化物の成長を、基板温度を700℃以上2000℃以下として行うことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のIII族窒化物の製造方法。 The method for producing a group III nitride according to any one of claims 1 to 3, wherein the group III nitride is grown in the growth step at a substrate temperature of 700 ° C to 2000 ° C. III族窒化物が、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のIII族窒化物の製造方法。 The method for producing a group III nitride according to any one of claims 1 to 4, wherein the group III nitride is aluminum nitride. III族窒化物が、窒化アルミニウムと、窒化ガリウムおよび/または窒化インジウムとからなる混晶であって、窒化アルミニウムの含有量が20モル%以上であるIII族窒化物であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のIII族窒化物の製造方法。 The group III nitride is a mixed crystal composed of aluminum nitride and gallium nitride and / or indium nitride, and is a group III nitride having an aluminum nitride content of 20 mol% or more. Item 5. A method for producing a group III nitride according to any one of Items 1 to 4. III族ハロゲン化物ガスおよび窒素源ガスを導入するためのガス導入口、ガス排出口、基板を保持するための支持台、および基板を加熱するための加熱手段を具備する成長室を有するIII族窒化物を製造するための装置であって、更に温度調節機能を有するガス導入ノズルおよびガス混合器を有し、該ガス導入ノズルは前記ガス混合器の下流に装着されており、さらに該ガス混合器はその上流においてIII族ハロゲン化物ガス導入口および窒素源ガス導入口に連結されていることを特徴とするIII族窒化物製造装置。 Group III nitridation having a growth chamber having a gas inlet for introducing a group III halide gas and a nitrogen source gas, a gas outlet, a support for holding the substrate, and a heating means for heating the substrate An apparatus for manufacturing a product, further comprising a gas introduction nozzle and a gas mixer having a temperature control function, wherein the gas introduction nozzle is mounted downstream of the gas mixer, and the gas mixer Is connected to a group III halide gas inlet and a nitrogen source gas inlet upstream of the group III nitride production apparatus. ガス導入ノズルの温度調節機能が、液状熱媒で熱交換を行なう方式であることを特徴とする請求項7に記載のIII族窒化物製造装置。 8. The group III nitride production apparatus according to claim 7, wherein the temperature adjusting function of the gas introduction nozzle is a system in which heat exchange is performed with a liquid heat medium. ガス導入ノズルが、複数のガス噴出孔を有することを特徴とする請求項7または8に記載のIII族窒化物製造装置。 The group III nitride production apparatus according to claim 7 or 8, wherein the gas introduction nozzle has a plurality of gas ejection holes. ガス導入ノズルが、ガス導入ノズルの先端から基板表面の中心までの距離が1mm以上50mm以下となるように設置されることを特徴とする請求項7〜9の何れかに記載のIII族窒化物製造装置。 The group III nitride according to any one of claims 7 to 9, wherein the gas introduction nozzle is installed so that a distance from a tip of the gas introduction nozzle to a center of the substrate surface is 1 mm or more and 50 mm or less. Manufacturing equipment.
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