JP2008143778A - Method for producing nitride single crystal - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a massive nitride single crystal of group 13 elements of the periodic table, wherein a large massive single crystal can be prepared in good yield, inexpensively, and stably. <P>SOLUTION: In the method of performing crystal growth by the ammonothermal method using ammonia as a solvent, the crystal growth is performed by using two types of crystals having different average particle sizes to each other as starting raw materials while applying supersonic waves to a growing part in which seed crystals are arranged and/or to a raw material-filling part from which the raw materials are supplied. Further, a precipitate-collecting net is provided near the converging point of convection current of the solvent generated by the temperature difference during the crystal growth in a reaction vessel to catch crystallites or the precipitates in a transportation stream and allow the crystallites to be selectively precipitated on the collecting net. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、周期表13族元素の窒化物の塊状単結晶、とりわけGaNの塊状単結晶の育成方法に関する。   The present invention relates to a method for growing a bulk single crystal of a group 13 element nitride, particularly a bulk single crystal of GaN.

GaNは発光ダイオード及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。現在、公知の方法で製造される、窒化ガリウム(GaN)結晶サイズ及び成長は、幾つかの用途では十分であるが、しかしながら多くの他の用途では、窒化ガリウムの結晶サイズ及び品質は十分ではない。これまで実用的なGaNの結晶化については、S.
NakamuraらによってJ.Appl.Phys.37(1998)L309等においてサファイヤ又は炭化ケイ素等
のような基板上にMOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法による気
相エピタキシャル成長を行う方法が提案されている。しかしこの方法では、基板とGaNの格子定数、熱膨張係数が異なるヘテロエピタキシャル成長であるために、得られるGaN格子欠陥等の課題が指摘されている。具体的には、高濃度の転移、空格子点及び不純物の少なくとも1つが挙げられる。これらの欠陥は、エピタキシャルに成長させられた窒化
ガリウムで、望ましくない影響及び悪影響を有し、得られる窒化ガリウムをベースとする電子素子の操作に悪影響を与え得る。このためこれらの方法で得られたGaNは、青色レーザー等の応用分野に用いるには満足すべき性能を発現できない。現在、ヘテロエピタキシャル窒化ガリウム成長法では、窒化ガリウムにおける欠陥濃度を減らすために、複雑で長い工程が必要である。このため、近年では、GaN塊状単結晶の製造技術の確立が強く望まれている。このようなホモエピタキシー成長によるGaNの結晶化については、現在大きく分かれて三つの方法が開発されつつある。第1には、S. PorowskiらによってJ.Crystal Growth178(1997)174.において開示された、約10〜約20kbarの範囲の圧力下で、かつ約1200℃〜約1500℃の範囲の温度下で窒素とGaを反応させる方法(高圧法)であるが、これは装置のコストが高くなる上に反応工程が複雑である。さらに、この方法によって製造された窒化ガリウム結晶の品質は、幾つかの窒化ガリウム用途では、転移密度に関しては十分であり得る。しかしながら、この方法によって形成させられた窒化ガリウム結晶の品質は、望ましくない窒素の空格子点欠陥を高い濃度で示し、これは窒化ガリウム結晶用途に悪影響を与える。第2にはMasato AokiらによってJ.Crystal Growth218(2000)7-12において開示された、ガリウム及びNaN3を、昇圧下で反応させる方法、大気圧フラックス成長、及びメタセシス反応(GaI3+Li3N)等の、他の方法から成長させられた窒化ガリウムも提案されている。これは成長領域の制御が困難であり、またフラックスによる汚染が懸念され、さらにこの成長法は、高価であると考えられ、高品質で、欠陥のない、塊状の窒化ガリウム単結晶を生じるとは考えられていない。これらの方法はある程度の結晶化に成功しているものの、より大きな単結晶を得るには未だ至っていない。一方、第3の方法として、R. DwilinskiらによってACTA PHYSICA POLONICA A Vol.88(1995)においてアモノサーマル法によるGaNの結晶合成方法が報告されている。ここでは、超臨界状態のアンモニア中で高温にて、結晶化のための鉱化剤としてKNH2を用いてGaNの単結晶を得る方法が開示されている。また、その後にJ.W.KOLISらによってJ.Crystal Growth222(2001)431-434において同じくアモノサーマル法によって鉱化剤としてKNH2とKIを併用し、結晶を合成することが提案された。また、Andrew.P.PurdyらはChem.Master 1999,11,1648-1651において、同じくアモノサーマル法における鉱化剤としてハロゲン化アンモニウム等を用いることを提案した。そして、X.L.ChenらはJ.Crystal Growth209(2000)208-212において、同じくアモノサーマル法における反応容器のステンレスオートクレーブの中に白金ライナーを使用することにより、四角柱状のGaN結晶の発生を抑止し、六方晶系のGaNを選択的に結晶化できた、としている。これらの文献はアモノサーマル法において、GaNの結晶化を行うことを提案しているが、種結晶を用いていないため結晶成長はランダムであり、その結晶成長方位およびサイズの管理は困難と想定され、青色レーザー等の工業製品に応用できるサイズの結晶を得るにいたっていない。また、これらの超臨界アンモニアを用いたアモノサーマル法は、遅い成長速度を示し、従って塊状又は大きい窒化ガリウム結晶を容易には製造することができない。また、圧力容器は、これらの窒化ガリウムの成長法を制限する。圧力容器は約5kbar未満の圧力まで、超臨界アンモニア成長法を制限し、従って超臨界アンモニア成長法の温度及び反応速度を制限する。さらに、これらの文献には、結晶成長の詳細な条件が記載されていないので、結晶成長速度がアモノサーマル法における拡散支配であるかGaNの生成反応支配であるかが明らかになっていない。
GaN is useful as a material applied to electronic devices such as light emitting diodes and laser diodes. Currently, the gallium nitride (GaN) crystal size and growth produced by known methods is sufficient for some applications, however, for many other applications, the crystal size and quality of gallium nitride is not sufficient. . For practical GaN crystallization, see S.
Nakamura et al., J. Appl. Phys. 37 (1998) L309, etc. have proposed a method of performing vapor phase epitaxial growth by MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) on a substrate such as sapphire or silicon carbide. However, in this method, problems such as GaN lattice defects are pointed out because of heteroepitaxial growth in which the lattice constant and thermal expansion coefficient of the substrate and GaN are different. Specifically, at least one of high-concentration transition, vacancies and impurities can be mentioned. These defects can have undesirable effects and adverse effects on epitaxially grown gallium nitride and can adversely affect the operation of the resulting electronic devices based on gallium nitride. For this reason, GaN obtained by these methods cannot exhibit satisfactory performance for use in application fields such as blue lasers. Currently, heteroepitaxial gallium nitride growth requires complex and long processes to reduce the defect concentration in gallium nitride. For this reason, in recent years, establishment of a manufacturing technique for GaN bulk single crystals has been strongly desired. As for crystallization of GaN by such homoepitaxy growth, three methods are currently largely divided, and three methods are being developed. First, under pressures in the range of about 10 to about 20 kbar and temperatures in the range of about 1200 ° C. to about 1500 ° C., disclosed by S. Porowski et al. In J. Crystal Growth 178 (1997) 174. This is a method of reacting nitrogen and Ga (high pressure method), but this increases the cost of the apparatus and makes the reaction process complicated. Furthermore, the quality of the gallium nitride crystals produced by this method may be sufficient in terms of transition density for some gallium nitride applications. However, the quality of gallium nitride crystals formed by this method exhibits a high concentration of undesirable nitrogen vacancy defects, which adversely affects gallium nitride crystal applications. Secondly, the method of reacting gallium and NaN 3 under pressure, atmospheric pressure flux growth, and metathesis reaction (GaI 3 + Li 3 N) disclosed by Masato Aoki et al. In J. Crystal Growth 218 (2000) 7-12. Gallium nitride grown from other methods such as) has also been proposed. It is difficult to control the growth region, and there is concern about contamination by flux. Furthermore, this growth method is considered to be expensive, and produces a high-quality, defect-free bulk gallium nitride single crystal. Not considered. Although these methods have succeeded in crystallization to some extent, they have not yet obtained a larger single crystal. On the other hand, as a third method, R. Dwilinski et al. Reported a GaN crystal synthesis method by an ammonothermal method in ACTA PHYSICA POLONICA A Vol.88 (1995). Here, a method of obtaining a single crystal of GaN using KNH 2 as a mineralizer for crystallization at high temperature in supercritical ammonia is disclosed. In addition, JWKOLIS et al. Proposed synthesizing crystals using KNH 2 and KI as mineralizers by the ammonothermal method in J. Crystal Growth 222 (2001) 431-434. Andrew P. Purdy et al. In Chem. Master 1999, 11, 1648-1651 also proposed using ammonium halide or the like as a mineralizer in the ammonothermal method. And in J. Crystal Growth 209 (2000) 208-212, XLChen et al., By using a platinum liner in the stainless steel autoclave of the reaction vessel also in the ammonothermal method, suppresses the generation of square columnar GaN crystals, Hexagonal GaN can be selectively crystallized. These documents propose crystallization of GaN in the ammonothermal method, but since no seed crystal is used, crystal growth is random, and it is assumed that the crystal growth orientation and size are difficult to control. However, crystals of a size that can be applied to industrial products such as blue lasers have not been obtained. In addition, the ammonothermal method using these supercritical ammonias shows a slow growth rate, and therefore, bulky or large gallium nitride crystals cannot be easily produced. The pressure vessel also limits these gallium nitride growth methods. The pressure vessel limits the supercritical ammonia growth process to a pressure below about 5 kbar, and thus limits the temperature and reaction rate of the supercritical ammonia growth process. Furthermore, since these documents do not describe detailed conditions for crystal growth, it is not clear whether the crystal growth rate is dominated by diffusion in the ammonothermal method or dominated by GaN formation reaction.

一方、仏国の特許公開公報FR 2796657 A1には、まず窒化物の多結晶を調整し、これを
原料としてソルボサーマル法により結晶成長することが提案されている。この文献には溶液成長法によるGaN単結晶の育成が記載されており、この育成法によれば、GaN多結晶窒化物を結晶育成装置内の下部に、一方、GaN種結晶を該育成装置の上部にそれぞれ配置し、次いで、窒化物溶媒を充填する。この状態で、結晶育成装置内を100〜600℃の育成温度、5MPa〜2GPaの圧力で運転を行うが、ここで、結晶育成装置内の上部と下部で、下部の温度が上部の温度より10〜100℃高くなるように運転することにより、GaNの単結晶を育成する。
On the other hand, French patent publication FR 2796657 A1 proposes that a polycrystal of nitride is first prepared and crystal growth is performed by using this as a raw material by a solvothermal method. This document describes the growth of a GaN single crystal by a solution growth method. According to this growth method, a GaN polycrystalline nitride is formed in the lower part of the crystal growth apparatus, while a GaN seed crystal is formed in the growth apparatus. Each is placed on top and then filled with a nitride solvent. In this state, the inside of the crystal growth apparatus is operated at a growth temperature of 100 to 600 ° C. and a pressure of 5 MPa to 2 GPa. Here, the lower and upper temperatures in the crystal growth apparatus are 10 lower than the upper temperature. A single crystal of GaN is grown by operating so as to be higher by ˜100 ° C.

さらに、国際特許出願の公開公報WO 01/24921 A1では、GaNの種結晶を用い、反応容器を封止し、反応容器内を高温高圧化でHPHT法を用いて、GaN多結晶窒化物またはGaと窒化物溶媒の反応を用いてGaNの単結晶成長を行う方法が提案されている。また、この文献には、HPHT反応装置に有害な水素の透過性が低く、またHPHT反応によっては容易に腐蝕しない望ましい冷間圧接特性を示す反応容器の素材として、銅または白金を用いることが提案されている。また、同文献には、原料のGaN結晶として、結晶性が比較的低い原料、結晶性が高い原料、非晶質の原料等を用いることが開示され、それらの原料は未処理の形態で現状のまま、結晶成長工程に供給されることなどが記載されている。   Furthermore, in the international patent application publication WO 01/24921 A1, a GaN seed crystal is used, the reaction vessel is sealed, the inside of the reaction vessel is heated to a high temperature and high pressure, and the HPHT method is used. There has been proposed a method for growing a single crystal of GaN using a reaction between a nitrile solvent and a nitride solvent. This document also proposes the use of copper or platinum as a material for the reaction vessel that has low permeability to hydrogen harmful to the HPHT reactor and exhibits desirable cold welding characteristics that are not easily corroded by the HPHT reaction. Has been. In addition, the same document discloses that a raw material with relatively low crystallinity, a raw material with high crystallinity, an amorphous raw material, or the like is used as a raw material GaN crystal. It is described that it is supplied to the crystal growth process as it is.

このようなGaNの育成法においては、種結晶を用いたアモノサーマル法またはHPHT法を用いているので、結晶成長に改良が見られるものの、未だ十分な結晶サイズのものを得ることができない。アモノサーマル法においては、窒化物原料の窒化溶媒への溶解性、溶媒対流中のイオン可搬性、種結晶への再結晶要因の制御等が重要な因子となり、これらを総合して制御することが必要であるが、上記文献記載の方法では、基本的な結晶成長の条件が検討されるにとどまっており、未だ改良が望まれているのが実状である。例えば、種結晶を用いた場合の、種結晶の溶出による種結晶の落下、種結晶上への微結晶の付着または析出の問題、原料に含まれる微結晶の反応容器端末における付着と結晶成長、原料の種結晶への供給切れ、結晶成長の偏向性等の大きな塊状結晶の成長に関する各種阻害要因について、有効な対策がなされていない。また、超臨界状態のアンモニアを溶媒として用いるアモノサーマル法による結晶成長を行う環境では、系内の酸化力、還元力、酸性度、アルカリ性度等の各条件の組合せによって、反応容器や容器内のバッフル板等の各部材の耐食性を十分にもたせることが、工業的な安定生産の観点からも、結晶の純度や特性に対する影響からも、極めて重要である。従って、より大きく、かつより高性能な塊状単結晶を歩留まりよく、安価かつ安定的に得る方法の確立が工業的に強く望まれている。   In such a GaN growth method, an ammonothermal method or an HPHT method using a seed crystal is used. Therefore, although crystal growth is improved, a crystal having a sufficient crystal size cannot be obtained. In the ammonothermal method, the solubility of the nitride raw material in the nitriding solvent, the ion portability during solvent convection, the control of the recrystallization factor to the seed crystal, etc. are important factors, and these should be controlled comprehensively. However, in the method described in the above-mentioned document, only basic crystal growth conditions are studied, and it is the actual situation that improvement is still desired. For example, when a seed crystal is used, the seed crystal falls due to elution of the seed crystal, the problem of adhesion or precipitation of the microcrystal on the seed crystal, the adhesion and crystal growth of the microcrystal contained in the raw material at the reaction vessel terminal, No effective countermeasures have been taken for various obstruction factors related to the growth of large block crystals such as the lack of supply of the raw material to the seed crystal and the deflection of crystal growth. In addition, in an environment where crystal growth is performed by the ammonothermal method using ammonia in a supercritical state as a solvent, the reaction vessel and the container can be used in a combination of conditions such as oxidizing power, reducing power, acidity, and alkalinity in the system. It is extremely important to provide each member such as a baffle plate with sufficient corrosion resistance from the viewpoint of industrial stable production and the influence on the purity and characteristics of crystals. Therefore, establishment of a method for obtaining a larger and higher performance massive single crystal with good yield, inexpensively and stably is strongly desired industrially.

本発明者等は、上記の課題に鑑み、工業的に利用可能で経済的な方法で、10−100mmの範囲のサイズの単結晶を製造できる方法につき、鋭意検討した結果、本発明に到達した。即ち本発明の要旨は、以下の通りである。
(1)周期表13族元素の窒化物の塊状単結晶を製造する方法において、ニッケル及びクロムを含有する合金から構成された反応容器内で、周期表13族元素の多結晶窒化物を原料として該反応容器の原料充填部に供給し、種結晶を育成部に設置し、アモノサーマル的に結晶成長を行うことを特徴とする周期表13族元素の窒化物の塊状単結晶の製造方法。(2)周期表13族元素がガリウム(Ga)もしくはアルミニウム(Al)であることを特徴とする上記1記載の製造方法。
(3)ニッケル及びクロムを含有する合金が、ニッケル・クロム系合金またはニッケル・クロム・モリブデン系合金であることを特徴とする上記(1)または(2)記載の製造方法。
(4)反応容器内に、窒素原子を有する鉱化剤を含有させたことを特徴とする上記(1)、(2)または(3)記載の製造方法。
(5)窒素原子を有する鉱化剤が、アルカリ金属アミド、ハロゲン化アンモニウム、窒化アルカリ金属または窒化アルカリ土類金属からなる群から選ばれる少なくとも一つの化合物であることを特徴とする上記(4)記載の製造方法。
In view of the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied a method capable of producing a single crystal having a size in the range of 10 to 100 mm by an industrially available and economical method, and as a result, have reached the present invention. . That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) In a method for producing a bulk single crystal of a nitride of a group 13 element of a periodic table, a polycrystalline nitride of a group 13 element of a periodic table is used as a raw material in a reaction vessel composed of an alloy containing nickel and chromium. A process for producing a bulk single crystal of a group 13 element nitride nitride, characterized in that it is supplied to a raw material filling part of the reaction vessel, a seed crystal is placed in a growing part, and crystal growth is carried out in an ammonothermal manner. (2) The production method according to 1 above, wherein the group 13 element of the periodic table is gallium (Ga) or aluminum (Al).
(3) The manufacturing method according to (1) or (2) above, wherein the alloy containing nickel and chromium is a nickel / chromium alloy or a nickel / chromium / molybdenum alloy.
(4) The production method according to (1), (2) or (3) above, wherein a mineralizer having a nitrogen atom is contained in the reaction vessel.
(5) The above (4), wherein the mineralizer having a nitrogen atom is at least one compound selected from the group consisting of alkali metal amides, ammonium halides, alkali metal nitrides or alkaline earth metal nitrides. The manufacturing method as described.

(6)アルカリ金属アミドが、カリウムアミド(KNH2)であることを特徴とする(5
)記載の製造方法。
(7)ハロゲン化アンモニウムが、臭化アンモニウム(NH4Br)等であることを特徴
とする上記(6)記載の製造方法。
(8)反応容器内に、溶媒としてアンモニア(NH3)、ヒドラジン(NH2NH2)、尿
素等、アミン類、メラミンからなる群より選ばれる少なくとも一つの化合物を含有させたことを特徴とする上記(1)ないし(7)記載の製造方法。
(9)溶媒が、超臨界状態で用いられることを特徴とする(8)記載の製造方法。
(10)反応容器を封止し、反応容器内を高温高圧化で反応させることを特徴とする上記(1)ないし(9)記載の製造方法。
(11)反応容器内の原料充填部と育成部の間に、バッフル板を設けることを特徴とする上記(1)ないし(10)記載の製造方法。
(12)バッフル板の表面の材質が、ニッケル及びクロムを含有する合金であることを特徴とする上記(11)記載の製造方法。
(13)ニッケル及びクロムを含有する合金が、ニッケル・クロム系合金またはニッケル・クロム・モリブデン系合金であることを特徴とする上記(12)記載の製造方法。
(6) The alkali metal amide is potassium amide (KNH 2 ) (5
) Described production method.
(7) The production method according to the above (6), wherein the ammonium halide is ammonium bromide (NH 4 Br) or the like.
(8) The reaction vessel contains at least one compound selected from the group consisting of ammonia (NH 3 ), hydrazine (NH 2 NH 2 ), urea and the like, amines, and melamine as a solvent. The manufacturing method of said (1) thru | or (7) description.
(9) The method according to (8), wherein the solvent is used in a supercritical state.
(10) The production method according to (1) to (9) above, wherein the reaction vessel is sealed and the reaction vessel is reacted at a high temperature and pressure.
(11) The production method as described in (1) to (10) above, wherein a baffle plate is provided between the raw material filling part and the growing part in the reaction vessel.
(12) The method according to (11) above, wherein the material of the surface of the baffle plate is an alloy containing nickel and chromium.
(13) The method according to (12) above, wherein the alloy containing nickel and chromium is a nickel / chromium alloy or a nickel / chromium / molybdenum alloy.

本発明の周期表13族元素の窒化物の塊状単結晶の製造方法により、従来に比べ、簡易かつ経済的な工程によって、不純物の汚染を防止し、大きな塊状単結晶が収率良く、安価かつ安定的に得られる。
また、本発明によれば、超臨界状態のアンモニアを溶媒とするアモノサーマル法のような反応容器にとって過酷な条件における反応系においても、長期にわたって十分な耐食性を発揮するとともに、塊状結晶にとって不利益をもたらす不純物のコンタミネーションを防止し、高性能の塊状結晶を工業的に安定的であり、安価かつ簡易な窒化物の塊状結晶の製造工程が提供される。
According to the method for producing a bulk single crystal of a nitride of a group 13 element of the periodic table of the present invention, contamination of impurities is prevented by a simple and economical process, and a large bulk single crystal is obtained in a high yield and at a low cost. Obtained stably.
Further, according to the present invention, even in a reaction system under a severe condition for a reaction vessel such as an ammonothermal method using ammonia in a supercritical state as a solvent, it exhibits sufficient corrosion resistance for a long period of time and is not suitable for bulk crystals. Impurity contamination is prevented, and high-performance bulk crystals are industrially stable. An inexpensive and simple process for producing nitride bulk crystals is provided.

以下に、GaN単結晶の合成を参照して本発明を説明するが、本発明は、もちろん、上記物質の合成に限定されるものではなく、周期表13族元素およびその合金(例えば、GaInN,GaAlN)の窒化物の合成にも適用できる。従って、ガリウムに疑問がある場合は常に、その適切な特徴を考慮して(特に、固体または液体である場合)、上記元素のうちの1つの元素または上記元素の合金をガリウムの代わりに使用できる。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the synthesis of a GaN single crystal. However, the present invention is not, of course, limited to the synthesis of the above-described substances, and includes a group 13 element of the periodic table and its alloys (for example, GaInN, It can also be applied to the synthesis of GaAlN) nitrides. Thus, whenever there is doubt about gallium, one of these elements or an alloy of these elements can be used in place of gallium, considering its appropriate characteristics (especially when it is solid or liquid) .

本発明にもとづき、この種の窒化物の合成法は、2つの工程を含む:第1工程では、微細な多結晶窒化物、例えば窒化ガリウム(以下では、“微結晶原料”と呼ぶ)を調製し、第2工程では、微結晶原料から単結晶成長を実現する。この原料は、多くの場合GaNの多結晶であり、微結晶原料の平均粒径は、好ましくは、5μm以下である。
このような平均粒径が小さい範囲にある場合は、比表面積が大きくなり、溶媒との反応性が良くなる。よりよい態様の微結晶原料の粒径としては、平均粒径の小さい、すなわち溶解速度の大きいGaN微結晶原料を用いることである。この場合、望ましいGaN微結晶原料の平均粒径は1μm以上である。1μm以下の平均粒径を有する微結晶原料を用いた場合は、これが熱対流により結晶育成部に輸送され、種結晶上に付着する恐れがあるので回避策を講じる必要がある。
In accordance with the present invention, this type of nitride synthesis includes two steps: In the first step, a fine polycrystalline nitride, such as gallium nitride (hereinafter referred to as “microcrystalline raw material”) is prepared. In the second step, single crystal growth is realized from the microcrystalline material. This raw material is often polycrystalline GaN, and the average grain size of the microcrystalline raw material is preferably 5 μm or less.
When such an average particle diameter is in a small range, the specific surface area is increased and the reactivity with the solvent is improved. The grain size of the fine crystal raw material of a better mode is to use a GaN microcrystalline raw material having a small average particle diameter, that is, a high dissolution rate. In this case, the desirable average particle diameter of the GaN microcrystal raw material is 1 μm or more. When a microcrystalline raw material having an average particle size of 1 μm or less is used, it is transported to the crystal growing part by thermal convection and may adhere to the seed crystal, so it is necessary to take a workaround.

平均粒径の異なる2種の微結晶原料を用いることにより、小さい粒径の微結晶原料による速い溶解速度と、大きい粒径の遅い溶解速度のものが系内に混在することによりGa(含有)イオンの結晶育成部への供給切れを抑止し、その結果として、種結晶の溶出という塊状単結晶の育成上の不利益を抑止することもできる。また、GaN微結晶の形状としては、特に限定されるものではないが、溶媒への溶解の均一性等を考慮すれば、球状が好ましい。   By using two kinds of microcrystal raw materials having different average particle diameters, Ga (containing) can be obtained by mixing a fast dissolution rate with a small crystallite raw material and a slow dissolution speed with a large particle diameter in the system. It is possible to suppress the supply of ions to the crystal growth section, and as a result, it is possible to suppress the disadvantage of growing the bulk single crystal, which is elution of the seed crystals. Moreover, the shape of the GaN microcrystal is not particularly limited, but a spherical shape is preferable in consideration of the uniformity of dissolution in a solvent.

本発明の方法は、他の窒化物(例えば、AlN,InNまたはIII族の他の元素の窒化物)に適用されるので、この方法の第1工程は、異なる態様で展開することがあるが、微結晶原料を調製する条件は、共通する。ガリウムの場合、例えば下記の如く第1工程を実施する。液体状態への移行温度よりも僅かに高い温度において、ガリウムを微細な1つまたは複数の材料と混合して操作し易い粉体を調製し、かくして、ガリウムで1つまたは複数の上記材料(鉱化剤と呼ぶ)を包む。このような 鉱化剤(又は溶解剤)は、反応媒体における溶質の溶解度を高める及び核形成サイトへ溶質を移送するために当該分野において周知である。鉱化剤は、反応媒体において溶質が溶解した際に消費され、結晶が形成した際に再生するため「触媒」であると解釈される。好適な鉱化剤の例は、フッ化物または窒素原子を有する鉱化剤である。フッ化物の例としては、フッ化アンモニウム、フッ化水素、二フッ化ナトリウム、アンモニウムヘキサフルオロシリケート、及びヒドロカルビルアンモニウムフルオリド、例えばテトラメチルフッ化アンモニウム、テトラエチルフッ化アンモニウム、ベンジルトリメチルフッ化アンモニウム、ジプロピルフッ化アンモニウム、及びイソプロピルフッ化アンモニウムを含む。この他に、反応混合物中で反応性である限り、フッ化ナトリウムのようなフッ化アルキル金属塩も用いてよい。好ましくは、フッ化物源はフッ化アンモニウム、フッ化水素、フッ化ナトリウム、二フッ化ナトリウム、又はアンモニウムヘキサフルオロシリケートである。より好ましくは、フッ化物源はフッ化アンモニウムである。   Since the method of the invention applies to other nitrides (eg, nitrides of other elements such as AlN, InN or Group III), the first step of the method may be developed in different ways. The conditions for preparing the microcrystalline raw material are common. In the case of gallium, for example, the first step is performed as follows. At a temperature slightly higher than the transition temperature to the liquid state, gallium is mixed with one or more fine materials to prepare an easy-to-operate powder, thus gallium with one or more of the above materials (minerals). Wrapping agent). Such mineralizers (or solubilizers) are well known in the art to increase the solubility of the solute in the reaction medium and to transfer the solute to the nucleation site. A mineralizer is interpreted as a "catalyst" because it is consumed when the solute dissolves in the reaction medium and regenerates when crystals form. Examples of suitable mineralizers are mineralizers having fluoride or nitrogen atoms. Examples of fluorides include ammonium fluoride, hydrogen fluoride, sodium difluoride, ammonium hexafluorosilicate, and hydrocarbyl ammonium fluoride such as tetramethyl ammonium fluoride, tetraethyl ammonium fluoride, benzyltrimethyl ammonium fluoride, dipropyl fluoride. Ammonium fluoride, and ammonium isopropyl fluoride. In addition, a fluorinated alkyl metal salt such as sodium fluoride may be used as long as it is reactive in the reaction mixture. Preferably, the fluoride source is ammonium fluoride, hydrogen fluoride, sodium fluoride, sodium difluoride, or ammonium hexafluorosilicate. More preferably, the fluoride source is ammonium fluoride.

窒素原子を有する鉱化剤としては、分解時に窒化能を有することができるまたは溶媒の窒化能を増大できる微細なすべての化合物である。例えば、ナトリウムアミド(NaNH2)、カリウムアミド(KNH2)、リチウムアミド(LiNH2)、リチウムジエチルア
ミド((C252NLi))等のアルカリ金属アミドや、塩化アンモニウム(NH4Cl)、フッ化アンモニウム(NH4F)、臭化アンモニウム(NH4Br)等のハロゲン化アンモニウム、Li3N、Mg32、Ca32、Na3N等の窒化アルカリ金属または窒化アルカリ土類金属、NH2NH3ClまたはNH3NH3Cl2、NHI、窒化クロム(CrN
)、窒化ニオブ(NbN)、窒化ケイ素(Si34)、窒化亜鉛(Zn32)、炭酸アンモニウム((NH42CO3)が挙げられる。その他の鉱化剤としては、NaCl、KI
等のハロゲン化アルカリ金属、Li2S、KNO3、窒化リン(P−N,P=N)等が挙げられる。また、下記の溶媒として例示した各種の窒素化合物も少量を用いる場合は、鉱化剤としての役割を果たすことがある。
Mineralizers having nitrogen atoms are all fine compounds that can have nitriding ability during decomposition or can increase the nitriding ability of the solvent. For example, alkali metal amides such as sodium amide (NaNH 2 ), potassium amide (KNH 2 ), lithium amide (LiNH 2 ), lithium diethylamide ((C 2 H 5 ) 2 NLi)), ammonium chloride (NH 4 Cl) Ammonium halides such as ammonium fluoride (NH 4 F) and ammonium bromide (NH 4 Br), alkali metal nitrides or alkaline earth nitrides such as Li 3 N, Mg 3 N 2 , Ca 3 N 2 , and Na 3 N Metals, NH 2 NH 3 Cl or NH 3 NH 3 Cl 2 , NHI, chromium nitride (CrN
), Niobium nitride (NbN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), zinc nitride (Zn 3 N 2 ), ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ). Other mineralizers include NaCl, KI
Alkali metal halides such as Li 2 S, KNO 3 , phosphorus nitride (PN, P = N) and the like. In addition, when various nitrogen compounds exemplified as the following solvents are used in a small amount, they may serve as a mineralizer.

これらのうち適切な鉱化剤を選択すれば、超臨界状態におけるNH3の存在下の窒化速
度は、溶媒NH3のみの使用の場合よりも遥かに大きい。使用した鉱化剤または共鉱化剤
が、その分解時に、更に、水素雰囲気を形成する場合、上記窒化速度を改善できる。一般に、ガリウムを活性化できるとともにガリウムの窒化を促進できる物質から鉱化剤を選択することが好ましい。特に、本発明の原料中に含まれるGaをGaNから分離する鉱化剤を選択することが肝要である。ガリウムは、例えばNH2NH3Clによって分割できるので、多結晶窒化物中のGa含有量が多い場合、NH2NH3Clを共鉱化剤として用いることが好ましい。
If an appropriate mineralizer is selected among these, the nitriding rate in the presence of NH 3 in the supercritical state is much higher than in the case of using only the solvent NH 3 . When the mineralizer or co-mineralizer used further forms a hydrogen atmosphere during decomposition, the nitriding rate can be improved. In general, it is preferable to select a mineralizer from a material that can activate gallium and promote nitridation of gallium. In particular, it is important to select a mineralizer that separates Ga contained in the raw material of the present invention from GaN. Gallium has, for example, can be divided by NH 2 NH 3 Cl, when Ga content of polycrystalline nitrides is large, it is preferred to use NH 2 NH 3 Cl as Kyoko agent.

上記第1工程を確実に遂行するため、ガリウムの場合、ガリウム量および鉱化剤量を最適化する。例えば、NH2NH3Cl/Gaモル比として、1−10の範囲の比を選択できる。反応は、溶媒および試薬を導入した容器内で行われる。溶媒は、例えば、アンモニア(NH3)、ヒドラジン(NH2NH2)、尿素等、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あるいはメラミン等の窒化物III−Vの安定性を損なうことのない他のすべての溶媒を用いることができる。これらの溶媒は単独でも、混合しても用いることができる。
In order to reliably perform the first step, in the case of gallium, the amount of gallium and the amount of mineralizer are optimized. For example, a ratio in the range of 1-10 can be selected as the NH 2 NH 3 Cl / Ga molar ratio. The reaction is carried out in a container into which a solvent and a reagent are introduced. Solvents include, for example, ammonia (NH 3 ), hydrazine (NH 2 NH 2 ), urea, and amines such as primary amines such as methylamine, secondary amines such as dimethylamine, and trimethylamine. Tertiary amines, diamines such as ethylenediamine, or any other solvent that does not impair the stability of nitride III-V such as melamine can be used. These solvents can be used alone or in combination.

これらの溶媒は、超臨界状態で用いることが好ましい。超臨界流体は、その臨界温度以上で維持される濃ガスを意味し、臨界温度とは圧力によってそのガスが液化させられ得ない温度である。超臨界流体は一般的には、粘度が低く、液体よりも容易に拡散されるが、しかしながら液体と同様の溶媒和力を有する。反応混合物は、溶媒の臨界温度(400<T<800℃)よりも高い温度に保持する。反応混合物は一定容積(容器容積)内に封入されているので、温度上昇は、流体の圧力を増大する。一般に、圧力は、40−400MPaの範囲にある。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)であるので、流体は、超臨界条件にある。上記条件において、GaNの微結晶の生成が認められる。実際、溶媒中に導入された試薬の溶解度は、亜臨界条件と超臨界条件との間で極めて異なるので、超臨界条件では、GaNの十分な種結晶生成が誘起され、かくして、微結晶が形成される。逆に亜臨界状態では、反応容器の腐蝕の点で、超臨界状態よりも不利な場合があるので、超臨界状態であることが望ましい。本発明における反応容器は詳細に後述するが、ニッケルおよびクロムを含む合金であるが、これらの素材の耐食性は超臨界状態の酸化力、還元力、およびpHにより異なった特性を示す。反応時間は、特に、鉱化剤または共鉱化剤の反応性および熱力学的パラメータ、即ち、温度および圧力の数値に依存する。かくして得られたGaN(またはその合金の1つ)の微結晶は、第2工程のアモノサーマル法による単結晶成長に適したものである。   These solvents are preferably used in a supercritical state. A supercritical fluid means a concentrated gas that is maintained above its critical temperature, and the critical temperature is a temperature at which the gas cannot be liquefied by pressure. Supercritical fluids generally have lower viscosities and are more easily diffused than liquids, but have solvating power similar to liquids. The reaction mixture is maintained at a temperature above the critical temperature of the solvent (400 <T <800 ° C.). Since the reaction mixture is enclosed within a constant volume (container volume), an increase in temperature increases the pressure of the fluid. In general, the pressure is in the range of 40-400 MPa. Since T> Tc (critical temperature of one solvent) and P> Pc (critical pressure of one solvent), the fluid is in supercritical conditions. Under the above conditions, formation of GaN microcrystals is observed. In fact, the solubility of the reagents introduced in the solvent is very different between subcritical and supercritical conditions, so that supercritical conditions induce sufficient seed formation of GaN, thus forming microcrystals. Is done. On the other hand, in the subcritical state, it may be disadvantageous compared to the supercritical state in terms of corrosion of the reaction vessel. Although the reaction vessel in the present invention is an alloy containing nickel and chromium, which will be described later in detail, the corrosion resistance of these materials shows different characteristics depending on the supercritical state oxidizing power, reducing power, and pH. The reaction time depends in particular on the reactivity of the mineralizer or co-mineralizer and on the thermodynamic parameters, ie temperature and pressure values. The GaN (or one of its alloys) microcrystals thus obtained is suitable for single crystal growth by the ammonothermal method in the second step.

その他に、ガリウム化合物をアンモニアガス気流中において600℃以上の温度範囲で熱処理して窒化反応せしめることによっても、本発明の多結晶原料を調整することができる。かかる窒化反応において、該ガリウム化合物を好ましくは固相で反応せしめ、固相のガリウム化合物の表面積を増やして反応速度を上げる必要がある場合には、固相のガリウム化合物を乳鉢や粉砕器等で十分に粉砕して微粉状にしておくことが望ましい。かかる微粉状のガリウム化合物は、そのハンドリングを容易にする目的等で、加圧してペレット状に成形しても構わず、グリセリンやエチレングリコール等の粘度が高くある程度の親水性を有する液体をバインダーとして練り合わせても構わない。前記のアンモニアガス気流中におけるガリウム化合物の熱処理温度範囲は使用するガリウム化合物の熱分解温度により調整されるが、生成物の粒径の制御性や結晶性、あるいは製造に要する加熱を経済的に行う点で通常600℃〜1200℃、好ましくは700℃〜1100℃、更に好ましくは750℃〜1050℃程度である。この温度が低すぎると窒化反応の進行や窒化ガリウムの結晶性が極端に阻害される場合がある。かかる加熱は、反応器に原料として使用するガリウム化合物を入れここにアンモニアガス気流を通じながら所定温度まで昇温して行われる。かかる昇温の速度には特に制限はないが、例えば1〜50℃/分、生産性と昇温制御性の点で好ましくは3〜30℃/分、更に好ましくは5〜20℃/分程度である。アンモニアガス気流とはアンモニアを含有する気体の気流を意味する。該気体中のアンモニア含有量は通常10〜100モル%、反応速度の点で好ましくは30〜100モル%、更に好ましくは50〜100モル%程度とし、アンモニアと混合する気体としては本発明の製造方法の窒化反応に好ましくない影響を与える化学反応を起こさないもの、具体的には窒素ガスやアルゴンガス等の不活性気体の使用が望ましい。   In addition, the polycrystalline raw material of the present invention can also be prepared by heat-treating a gallium compound in an ammonia gas stream in a temperature range of 600 ° C. or higher to cause a nitriding reaction. In such a nitriding reaction, the gallium compound is preferably reacted in a solid phase, and when it is necessary to increase the surface area of the gallium compound in the solid phase and increase the reaction rate, the gallium compound in the solid phase is removed with a mortar or a pulverizer. It is desirable to pulverize sufficiently to make fine powder. Such a finely powdered gallium compound may be formed into a pellet by pressurization for the purpose of facilitating its handling, etc., and a liquid having a certain degree of hydrophilicity with a high viscosity such as glycerin or ethylene glycol is used as a binder. You can knead together. The heat treatment temperature range of the gallium compound in the above-mentioned ammonia gas stream is adjusted by the thermal decomposition temperature of the gallium compound to be used, but the particle size controllability and crystallinity of the product, or heating required for production is economically performed. In this respect, the temperature is usually 600 ° C to 1200 ° C, preferably 700 ° C to 1100 ° C, and more preferably about 750 ° C to 1050 ° C. If this temperature is too low, the progress of the nitriding reaction and the crystallinity of gallium nitride may be extremely hindered. Such heating is performed by putting a gallium compound to be used as a raw material in a reactor and raising the temperature to a predetermined temperature through an ammonia gas stream. The rate of temperature rise is not particularly limited, but is preferably 1 to 50 ° C./min, preferably 3 to 30 ° C./min, more preferably about 5 to 20 ° C./min in terms of productivity and temperature rise controllability. It is. The ammonia gas stream means a gas stream containing ammonia. The ammonia content in the gas is usually 10 to 100 mol%, preferably 30 to 100 mol%, more preferably about 50 to 100 mol% in terms of reaction rate, and the gas mixed with ammonia is the production of the present invention. It is preferable to use an inert gas such as nitrogen gas or argon gas that does not cause a chemical reaction that adversely affects the nitriding reaction of the method.

また、不純物としての酸化物の生成を抑制するためには該アンモニアガス気流中の酸素ガス濃度を可及的小さくすることが望ましく、この濃度は例えば10ppm以下好ましくは1ppm以下、更に好ましくは0.1ppm以下程度である。該ガリウム化合物は、例えば周期表の第15族あるいは第16族に属する元素を含有する陰イオンのガリウム塩類やガリウムカルコゲニド類等が代表的なものとして挙げられ、これらは結晶水を含有したものでも構わないが無水物が望ましい。具体的には、硫酸ガリウムや硝酸ガリウム等の強酸陰イオンのガリウム塩類、亜硫酸ガリウムや亜硝酸ガリウム等の低酸化度陰イオンのガリウム塩類、あるいは酸化ガリウム等のガリウムカルコゲニド類等が例示され、硫酸ガリウムと酸化ガリウムは生成物の結晶性の点で好ましく用いられ、中でも好適な熱分解温度の点で更に好ましく用いられるのは硫酸ガリウムである。かかるガリウム化合物の熱分解温度は、前記の熱処理温度範囲内にあることが好ましく、例えば硫酸ガリウムのように600℃〜1000℃程度の温度範囲内に熱分解温度を有するガリウム化合物が本発明において好ましく用いられる。この熱分解温度のより好ましい範囲は650℃〜900℃程度、更に好ましくは700℃〜850℃程度である。なおここで言う熱分解温度とは、結晶水や吸着水等の低分子含有物質が除去された状態での全重量の50%が空気中での加熱により失われる温度として定義する。また、前記のガリウム化合物は含水率が小さいものが本発明においては好ましく、例えば結晶水や吸着水等いかなる形式の水分子にせよこれを可及的含まないものを原料として使用することが望ましい。含水率が大きい場合には生成物の結晶性や純度が極端に低下する場合がある。従って、ガリウム化合物中の含水率は、含有されるガリウムの元素としての重量に対する水の重量として通常3倍以下、好ましくは2倍以下、更に好ましくは1.6倍以下程度とする。前記のアンモニアガス気流の供給量と速度に制限はなく原料として使用するガリウム化合物の量や反応容器の断面積等により調整されるが、通常該ガリウム化合物のガリウム原子に対して過剰当量のアンモニア分子を供給することが反応速度と反応の完結の点で望ましい。なお、前記の窒化反応の進行状況の確認は、例えば、銅のKα線をエックス線源とするエックス線回折法による生成物の結晶構造解析により、原料のガリウム化合物と生成する窒化ガリウムのそれぞれの結晶構造に由来する既知の回折パターンの比較により可能である。   In order to suppress the formation of oxides as impurities, it is desirable to make the oxygen gas concentration in the ammonia gas stream as small as possible. This concentration is, for example, 10 ppm or less, preferably 1 ppm or less, more preferably 0. It is about 1 ppm or less. Typical examples of the gallium compound include anionic gallium salts and gallium chalcogenides containing elements belonging to Group 15 or Group 16 of the periodic table, and these may contain crystal water. Of course, an anhydride is desirable. Specific examples include gallium salts of strong acid anions such as gallium sulfate and gallium nitrate, gallium salts of low oxidation anions such as gallium sulfite and gallium nitrite, and gallium chalcogenides such as gallium oxide. Gallium and gallium oxide are preferably used in terms of crystallinity of the product, and gallium sulfate is more preferably used in terms of a suitable thermal decomposition temperature. The thermal decomposition temperature of such a gallium compound is preferably within the above heat treatment temperature range. For example, a gallium compound having a thermal decomposition temperature within a temperature range of about 600 ° C. to 1000 ° C. such as gallium sulfate is preferable in the present invention. Used. A more preferable range of the thermal decomposition temperature is about 650 ° C to 900 ° C, and more preferably about 700 ° C to 850 ° C. Here, the thermal decomposition temperature is defined as a temperature at which 50% of the total weight in a state where low-molecular-weight substances such as crystal water and adsorbed water are removed is lost by heating in air. The gallium compound having a low water content is preferably used in the present invention. For example, it is desirable to use as a raw material a water molecule that does not contain water as much as possible, such as crystal water or adsorbed water. When the water content is high, the crystallinity and purity of the product may be extremely lowered. Therefore, the water content in the gallium compound is usually about 3 times or less, preferably about 2 times or less, more preferably about 1.6 times or less as the weight of water relative to the weight of the gallium element contained. The supply amount and speed of the ammonia gas stream are not limited and are adjusted by the amount of the gallium compound used as a raw material, the cross-sectional area of the reaction vessel, etc., but usually an excess equivalent amount of ammonia molecules relative to the gallium atoms of the gallium compound Is preferable from the viewpoint of reaction rate and completion of the reaction. The progress of the nitriding reaction is confirmed by, for example, analyzing the crystal structure of the product by the X-ray diffraction method using copper Kα rays as the X-ray source. This is possible by comparing known diffraction patterns derived from.

かくして得られたGaN(またはその合金の1つ)の微結晶原料は反応効率を100%とすることが困難であるため未反応のGaと副生成物との混合物中に存在することが通常である。この場合、第一工程後に未反応のGaと副生成物成分を除去しなければならず、微結晶原料の粒径が小さい場合はその除去が困難である。微結晶原料表面に残存する未反応のGaと副生成物を除去するために酸溶液中で数時間から場合によっては数十時間の処理が必要とされる。除去速度を高めるためには、加熱処理を行うことが有効であり例えば塩酸を沸騰させた状態での使用は有効である。一方、この除去処理が行き過ぎた場合には、逆に粒子表面にNが過剰な表面が形成されてしまう恐れがあるので注意を要する。このような処理を行うことは生産効率の上から不利であり、本発明者らは微結晶原料表面に残存する未反応のGaと副生成物を除去せずに、またはGaを積極的に追加してハイブリッド化することにより、第1工程により得た微結晶原料を含む第2工程の塊状のGaN単結晶成長に用いる出発原料(以下では「出発原料」と呼ぶ)とすることが有効であることを発見した。出発原料のハイブリッド率に関して好ましくは50%くらいまでである。もし残留酸化物が残存し、アモノサーマル法による単結晶成長に懸念がある場合は脱気加熱が有効である。   The crystallite raw material of GaN (or one of its alloys) thus obtained is usually present in a mixture of unreacted Ga and by-products because it is difficult to make the reaction efficiency 100%. is there. In this case, unreacted Ga and by-product components must be removed after the first step, and when the particle size of the microcrystalline raw material is small, removal thereof is difficult. In order to remove unreacted Ga and by-products remaining on the surface of the microcrystal raw material, a treatment of several hours to several tens of hours is required in the acid solution. In order to increase the removal rate, it is effective to perform heat treatment, for example, use in a state where hydrochloric acid is boiled is effective. On the other hand, if this removal treatment is excessive, attention should be paid because there is a possibility that a surface with excessive N is formed on the particle surface. Performing such a treatment is disadvantageous in terms of production efficiency, and the present inventors have added Ga without removing unreacted Ga and by-products remaining on the surface of the microcrystalline raw material. Thus, it is effective to use as a starting material (hereinafter referred to as “starting material”) used for the bulk GaN single crystal growth in the second step including the microcrystalline raw material obtained in the first step. I discovered that. The hybrid ratio of the starting material is preferably up to about 50%. If residual oxide remains and there is a concern about single crystal growth by the ammonothermal method, deaeration heating is effective.

第2工程においては、塊状のGaN単結晶を成長させる。この工程は、閉じた反応容器内で行われ、いわゆるアモノサーマル法である。図面に、垂直に配置された長い円筒形容器の形の反応容器を含む装置の略図を示した。容器の上部は、圧力制御装置(図示してない)に接続されたノズルによって閉鎖されている。容器は、容器を全高さにわたって囲み容器軸線に沿って温度勾配を容器に加えることができる炉内に設けてある。   In the second step, a massive GaN single crystal is grown. This step is performed in a closed reaction vessel, and is a so-called ammonothermal method. In the drawing, a schematic representation of an apparatus comprising a reaction vessel in the form of a long cylindrical vessel arranged vertically is shown. The upper part of the container is closed by a nozzle connected to a pressure control device (not shown). The vessel is provided in a furnace that encloses the vessel over its entire height and can apply a temperature gradient to the vessel along the vessel axis.

容器は、重畳する2つのゾーン、即ち、バッフル板によって分離された下部の原料充填部および上部の育成部に分割されている。これら2つのゾーンの間の温度勾配△Tは、10−100℃である。勾配の方向は、特に、温度の関数としての原料の溶解度に依存する。原料充填部には、第1工程において調製した原料を装入し、育成部には、種結晶を設置する。種結晶は、GaN結晶格子(単結晶)のサイズパラメータに適合するサイズパラメータを有する、あるいは、ヘテロエピタキシー(即ち、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または多結晶材料片から構成されている。上記種結晶は、GaN,InN,AINまたはGaNの結晶構造に極めて近い結晶構造を有するすべての材料から構成でき、例えば、GaNの場合であれば、GaNの単結晶、酸化亜鉛(ZnO)の単結晶、炭化ケイ素(SiC)の単結晶、ガリウム酸リチウム(LiGaO2)、二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)の単結晶等が挙げられる。 The container is divided into two overlapping zones, that is, a lower raw material filling part and an upper growing part separated by a baffle plate. The temperature gradient ΔT between these two zones is 10-100 ° C. The direction of the gradient depends in particular on the solubility of the raw material as a function of temperature. The raw material filling part is charged with the raw material prepared in the first step, and a seed crystal is placed in the growing part. The seed crystal has a size parameter that matches the size parameter of the GaN crystal lattice (single crystal) or is coordinated to ensure heteroepitaxy (ie, coincidence of the crystallographic position of some atoms) It consists of a piece or a piece of polycrystalline material. The seed crystal can be composed of any material having a crystal structure very close to that of GaN, InN, AIN, or GaN. For example, in the case of GaN, a single crystal of GaN, a single crystal of zinc oxide (ZnO) can be used. Examples thereof include crystals, single crystals of silicon carbide (SiC), lithium gallate (LiGaO 2 ), and single crystals of zirconium diboride (ZrB 2 ).

種結晶は、貴金属線によって保持され、この貴金属線をフレームに締結することにより固定することができる。貴金属線とは、好ましくは、周期表13族元素、例えばニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ニオブ(Nb)である。種結晶の設置方向としては、任意のものが用いられるが、種結晶のc軸と窒化物溶媒の対流方向とのなす角度が、0〜180°(但し、0°と180°を除く)、さらに好ましくは60°〜120°である。このようにして配置された種結晶を用いることにより、得られるGaN単結晶は種結晶に対して偏心して育成され、大きな単結晶を得ることができる。   The seed crystal is held by a noble metal wire, and can be fixed by fastening the noble metal wire to a frame. The noble metal wire is preferably a group 13 element of the periodic table, such as nickel (Ni), tantalum (Ta), titanium (Ti), palladium (Pd), platinum (Pt), or niobium (Nb). As the installation direction of the seed crystal, an arbitrary one is used, but the angle formed between the c-axis of the seed crystal and the convection direction of the nitride solvent is 0 to 180 ° (excluding 0 ° and 180 °), More preferably, the angle is 60 ° to 120 °. By using the seed crystal thus arranged, the obtained GaN single crystal is grown eccentrically with respect to the seed crystal, and a large single crystal can be obtained.

このように偏心して成長する理由については定かではないが、高さ方向がc軸方向である種結晶の側面のうち、上記対流が直接接触する部分と迂回して接触する部分とでは、対流により輸送されるGa(含有)イオンの供給速度が異なる。一方、GaN単結晶は、六方晶系(wurtzite)を取り、6回対称軸を持つ。このため、アモノサーマル法でGaN単結晶を育成する際、GaN(あるいは他の)種結晶のc軸方向を窒化物溶媒の対流方向に平行に配置した場合には、この種結晶を中心にほぼ均等に成長するものと考えられるが、この方法によれば、Ga(含有)イオンの供給速度が小さい箇所と大きい箇所を設けることにより、結晶成長が他の面より遅い面を意図的に作成し、この遅い面が他の速い面より育成効率が良いということが推察され、これにより大きな結晶を得られるという利益が発生するものと考えられる。   Although it is not clear why it grows eccentrically in this way, among the side surfaces of the seed crystal whose height direction is the c-axis direction, the portion where the convection is in direct contact and the portion where the convection is in direct contact are caused by convection. The supply rate of the transported Ga (containing) ions is different. On the other hand, the GaN single crystal is hexagonal (wurtzite) and has a 6-fold symmetry axis. For this reason, when growing a GaN single crystal by the ammonothermal method, if the c-axis direction of the GaN (or other) seed crystal is arranged parallel to the convection direction of the nitride solvent, the seed crystal is the center. Although it is thought that it grows almost evenly, according to this method, a surface where the crystal growth is slower than other surfaces is intentionally created by providing a portion where the supply rate of Ga (containing) ions is small and large. However, it is inferred that this slow surface has better growth efficiency than the other fast surfaces, and it is considered that a profit that a large crystal can be obtained is generated.

また、種結晶は種結晶同士を接合して用いることもできる。この場合は、c軸極性を合致させて当接させ、本発明のアモノサーマル法によって、あるいはMOCVD法のような気相法を用いて、ホモエピタキシー作用を利用して接合することにより、接合部の転位低減を図ることができる。そしてこのように種結晶同士を接合することにより、a軸方向への選択的な成長が起きる場合でも、c軸方向に大きな種結晶を得ることができる。この場合、c軸極性を合致させるのみならず、a軸極性も合致するように接合することが好ましく、従って、同一形状同士の種結晶を接合することが好ましい。   The seed crystal can also be used by joining the seed crystals. In this case, the c-axis polarities are matched and brought into contact with each other by bonding using the homoepitaxy action by the ammonothermal method of the present invention or by using a gas phase method such as MOCVD method. It is possible to reduce the dislocation of the part. By joining the seed crystals in this way, a large seed crystal in the c-axis direction can be obtained even when selective growth in the a-axis direction occurs. In this case, it is preferable to join so that not only the c-axis polarity is matched but also the a-axis polarity is matched, and therefore it is preferable to join seed crystals of the same shape.

また種結晶同士を接合する際には、接合面を鏡面レベルで平滑な面に研磨することが好ましい。原子レベルで平滑に研磨することは更に好ましい。研磨法は特に限定されるものではないが、例えばEEM加工(Elastic Emission Manching)によって行うことができる。これに用いる研磨剤も特に限定されるものではないく、SiO2、Al23、ZrO2等が例示されるが、コロイダル・シリカが好ましい。このように、c面を平滑にする理由は、c面が粗いと結晶成長の速度が速くなり、接合せんとするc面同士の整合性が損なわれ易いからである。 Further, when the seed crystals are bonded to each other, it is preferable to polish the bonding surface to a smooth surface at a mirror surface level. It is more preferable to polish smoothly at the atomic level. The polishing method is not particularly limited, and can be performed by EEM processing (Elastic Emission Manching), for example. The abrasive used for this is not particularly limited, and examples thereof include SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , and colloidal silica is preferable. As described above, the reason for smoothing the c-plane is that if the c-plane is rough, the crystal growth rate is increased, and the consistency between the c-planes serving as joints is likely to be impaired.

本発明においては種結晶を配置した育成部に、さらに超音波を印可してもよい。種結晶は育成部の温度に応じた通常の熱振動に加えて、印可された超音波による振動を受けることとなる。このため、前記種結晶はこの印可された超音波の周波数に比例して決定される周波数で振動する。この振動によって結晶格子の原子が位置する空間を相対的に広める形を有するので、種結晶の表面と接触する原料化合物等が結晶格子に入り込む確率が、従来の状態に比較して相対的に大きくなる。また、多結晶の原因となる結晶核や他の粒子が発生しても、今まで単結晶で育成されていた結晶界面との格子の整合が悪いために、結合力が弱くて結晶中に取り込まれない。即ち、結合力の強い格子整合した結晶核だけが結晶に取り込まれて単結晶が育成されていく。つまり超音波振動により多結晶の発生を抑制することができる。この結果、結晶格子の適正部位に正確に位置した原子は、相対的によい結晶質を実現し、これにより形成される物質の電気的、光学的特性が向上される。   In the present invention, ultrasonic waves may be further applied to the growing part where the seed crystal is arranged. The seed crystal is subjected to vibration by applied ultrasonic waves in addition to normal thermal vibration according to the temperature of the growing part. For this reason, the seed crystal vibrates at a frequency determined in proportion to the frequency of the applied ultrasonic wave. This vibration has a shape that relatively widens the space in which the atoms of the crystal lattice are located, so that the probability that a raw material compound or the like that contacts the surface of the seed crystal enters the crystal lattice is relatively large compared to the conventional state. Become. Also, even if crystal nuclei and other particles that cause polycrystals are generated, the lattice matching with the crystal interface that has been grown in single crystals until now is poor, so the bonding force is weak and incorporated into the crystal I can't. That is, only crystal nuclei with strong bonding strength and lattice-matched are taken into the crystal to grow a single crystal. That is, generation of polycrystals can be suppressed by ultrasonic vibration. As a result, atoms accurately located at appropriate sites in the crystal lattice achieve a relatively good crystalline quality, thereby improving the electrical and optical properties of the material formed.

この理由は定かではないが、次のように考えられる。即ち、超音波というのは、音の振動数が20kHz以上である音波であり、超音波を物質に加えると物質内で圧力、温度、密度等の変化を起すようになる。このような超音波は、物質を構成している原子に超音波を伝達し、原子の振動を促進し、二つの物質を溶解させることにより接着を可能とする特徴を有している。したがって、超音波のこのような性能を用いることで、窒化ガリウム単結晶成長時に、種結晶の表面に超音波を加えると種結晶を構成している物質と入射する物質とが互いに溶着されやすくすることができ、その結果、従来の方法に比較してより低い結晶成長温度でも、高品質の塊状単結晶を成長させることができる。   The reason for this is not clear, but can be considered as follows. That is, an ultrasonic wave is a sound wave having a frequency of sound of 20 kHz or more, and when an ultrasonic wave is applied to a substance, changes in pressure, temperature, density, etc. occur in the substance. Such ultrasonic waves have a feature that enables bonding by transmitting ultrasonic waves to atoms constituting the substance, promoting vibrations of the atoms, and dissolving the two substances. Therefore, by using such performance of ultrasonic waves, when ultrasonic waves are applied to the surface of the seed crystal during the growth of the gallium nitride single crystal, the material constituting the seed crystal and the incident material are easily welded to each other. As a result, a high-quality massive single crystal can be grown even at a lower crystal growth temperature compared to the conventional method.

さらに、後述するように、原料化合物にも超音波を同時に加えることで、活性化率を上昇させることができるため、成長系の結晶成長効率を増加させられる。容器には、窒化物溶媒(例えば、ヒドラジンN24またはアンモニアNH3)または窒化物III−Vと混
和できるすべての溶媒を充填する。容器は、約5MPa−2GPaの範囲の圧力に保持する。窒化物溶媒の注入の割合は、該容器のフリー容積、即ち該容器にGaN多結晶窒化物を含んだ原料及びバッフル板等を設置した際に残存する容積の約60〜85%とするのが好ましい。窒素源との配合比は微結晶と混在する残存Ga重量に応じて調整を行う。
Furthermore, as described later, since the activation rate can be increased by simultaneously applying ultrasonic waves to the raw material compound, the crystal growth efficiency of the growth system can be increased. The vessel is filled with a nitride solvent (eg, hydrazine N 2 H 4 or ammonia NH 3 ) or any solvent that is miscible with nitride III-V. The container is held at a pressure in the range of about 5 MPa-2 GPa. The ratio of the injection of the nitride solvent should be about 60 to 85% of the free volume of the container, that is, the volume remaining when the raw material containing GaN polycrystalline nitride and the baffle plate are installed in the container. preferable. The blending ratio with the nitrogen source is adjusted according to the residual Ga weight mixed with the microcrystals.

原料から種結晶へのガリウムおよび窒素の輸送を保証するため、アニオン(例えば、N3-または窒素を含む他のすべての化合物またはハロゲンアニオンを含む全ての化合物)を供給できる中間化合物を原料充填部に生成すれば有利である。上記化合物は、原料GaNと“前駆体”と呼ばれる少なくとも1つの他の化合物との間に化学反応を結果する。本発明では、前駆体として、多結晶原料、多結晶中に含まれるGa金属以外にさらにGaX(X=Cl,Br、I)、GaX2(X=Cl,Br、I)、GaX3(X=Cl,Br、I)、Ga2S、Ga2O等の化合物を反応系に供給してもよい。 In order to ensure the transport of gallium and nitrogen from the raw material to the seed crystal, an intermediate compound capable of supplying anions (eg all other compounds containing N 3- or nitrogen or all compounds containing halogen anions) is filled in the raw material filling section Is advantageous. The compound results in a chemical reaction between the raw GaN and at least one other compound called “precursor”. In the present invention, as a precursor, in addition to the polycrystalline raw material and the Ga metal contained in the polycrystalline, GaX (X = Cl, Br, I), GaX 2 (X = Cl, Br, I), GaX 3 (X = Cl, Br, I), Ga 2 S, Ga 2 O, and other compounds may be supplied to the reaction system.

この種の化合物は、ガリウムおよび窒素の上記輸送を促進するイオン種の生成にもとづき、(極めて微細な粒子の形であっても極めて僅かな)GaNの溶解度を改善する。例えば、ハロゲン化物は最初にGaNを攻撃して、ハロゲン複合物を形成し、これがアミドに置換され、錯体Ga(NH3x 3+、Gaアミド、Gaイミド、GaNアミン等を形成し
、輸送可能物質へと変換されることが考えられる。
This type of compound improves the solubility of GaN (very little, even in the form of very fine particles), based on the generation of ionic species that promote the transport of gallium and nitrogen. For example, a halide first attacks GaN to form a halogen complex, which is replaced with an amide, forming a complex Ga (NH 3 ) x 3+ , Ga amide, Ga imide, GaN amine, etc. It may be converted into a possible substance.

すべての場合、中間の錯化合物がGaNおよびN3-(またはNH3)に分解され、窒化物が、種結晶上に堆積するよう、上記中間化合物の生成である原料充填部と種結晶との間に温度勾配を保持する必要がある。超臨界状態(温度および圧力)に置かれた溶媒の特殊な性質を考慮して、容器の温度条件および圧力条件を制御することによって(安定性が比較的限られた)錯体Ga(NH3x 3+ の生成領域を避けるのが好ましい。 In all cases, the intermediate complex compound is decomposed into GaN and N 3− (or NH 3 ), and the nitride is deposited on the seed crystal. It is necessary to maintain a temperature gradient between them. Complex Ga (NH 3 ) (with relatively limited stability) by controlling the temperature and pressure conditions of the vessel, taking into account the special properties of the solvent placed in the supercritical state (temperature and pressure) It is preferable to avoid the x 3+ generation region.

上記結晶成長条件が満足された場合、原料GaNと添加物との間の(窒化物溶媒に可溶な)中間種MxGaNyを生成すれば、有利な態様で、上記温度勾配に依存してガリウムおよび窒素を輸送できる化学イオン種を生成できる。中間化合物MxGaNyの良好な溶解度、即ち、GaNの構成成分(即ち、Ga3+およびN3-)の化学的輸送に役立つイオン種GaN2+δ(1+δ)3-の生成に不可欠な溶解度を保証するため、Ga−N結合のイオン化度を増大するすべての元素から物体Mを選択できる。Mが、アルカリ元素、特に、リチウム)であれば有利であり、この場合、前駆体は、Li3Nである。種結晶への原料の化学種の輸送に影響を与えるパラメータは、特に、中間化合物MxGaNyの性質、溶媒の性質、種結晶の性質、原料と種結晶との間の温度勾配△T、原料の温度、容器2内の圧力値である。中間化合物(この場合、Mは、アルカリ元素または土類アルカリ元素である)、溶媒として液体NH3、100−600℃の範囲の原料温度、5MPa−2GPaの範囲の圧力および10−100℃の範囲の温度勾配を使用すれば、10−100mmの範囲のサイズ(但し、このサイズに限定されるものではない)のGaN単結晶の合成が可能である。結晶成長プロセスの時間は、材料処理量、材料輸送を制御できる化学的パラメータ(溶媒の性質、添加物または共添加物の性質および量、温度勾配)、熱力学的パラメータ(温度および圧力)に依存し、更に、所望の単結晶のサイズに依存する。特に、上記後者のパラメータに依存して、1−10週間の期間が必要である。 If the crystal growth conditions are satisfied, the intermediate species M x GaN y (soluble in the nitride solvent) between the raw material GaN and the additive is produced in an advantageous manner depending on the temperature gradient. Can generate chemical ionic species that can transport gallium and nitrogen. Good solubility of the intermediate compound M x GaN y , ie, the production of the ionic species GaN 2 + δ (1 + δ) 3−, which is useful for chemical transport of GaN constituents (ie Ga 3+ and N 3− ) In order to ensure the essential solubility, the object M can be selected from all elements that increase the ionization degree of the Ga—N bond. It is advantageous if M is an alkali element, in particular lithium), in which case the precursor is Li 3 N. Parameters affecting the transport of the chemical species of the raw material to the seed crystal are in particular the properties of the intermediate compound M x GaN y , the properties of the solvent, the properties of the seed crystal, the temperature gradient ΔT between the raw material and the seed crystal, These are the temperature of the raw material and the pressure value in the container 2. Intermediate compound (in this case, M is an alkali element or earth alkali element), liquid NH 3 as a solvent, raw material temperature in the range of 100-600 ° C., pressure in the range of 5 MPa-2 GPa, and range of 10-100 ° C. If the temperature gradient is used, it is possible to synthesize a GaN single crystal having a size in the range of 10 to 100 mm (but not limited to this size). The time of the crystal growth process depends on material throughput, chemical parameters that can control material transport (solvent properties, additive or co-additive properties and amounts, temperature gradient), thermodynamic parameters (temperature and pressure) Furthermore, it depends on the size of the desired single crystal. In particular, depending on the latter parameter, a period of 1-10 weeks is required.

さらに本発明においては、GaNと“前駆体”と呼ばれる少なくとも1つの他の化合物との間の化学反応を超音波の印可により助長することが可能である。この種の化合物は、ガリウムおよび窒素の原料から種結晶への輸送を促進するイオン種の生成に基づきGaNの溶解度を改善するが、超音波の印可により生成したイオン種の拡散が助長されること、および物質を構成している原子に超音波が伝達され原子の振動を促進する効果により多結晶原料の粒界の反応性が高められるためと考えられる。また、超音波に印可により必要とされる硬化剤の添加量を削減することも可能である。   Furthermore, in the present invention, a chemical reaction between GaN and at least one other compound called “precursor” can be promoted by application of ultrasonic waves. This type of compound improves the solubility of GaN based on the generation of ionic species that facilitate the transport of gallium and nitrogen from the source material to the seed crystal, but the diffusion of ionic species generated by the application of ultrasound is promoted. It is considered that the reactivity of the grain boundaries of the polycrystalline raw material is enhanced by the effect of transmitting ultrasonic waves to the atoms constituting the substance and promoting the vibration of the atoms. It is also possible to reduce the amount of the curing agent added by applying ultrasonic waves.

GaN単結晶は、六方晶系の結晶であるが、育成条件によって四角柱状の形状になることもある。六方晶として育成する場合は、特にc軸方向に成長する条件を選択する必要がある。c軸方向の成長は、カリウム(K)または2族の元素、をドープすることによって達成される。2族の元素としては、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)等をドープすることによって達成される。Kをドープするには、前記のKNH2を鉱化剤として使用することで達成できる。Mg、Caをドープするには鉱化剤とし
て、前記のMg32、Ca32等を使用することで達成できる。
The GaN single crystal is a hexagonal crystal, but may have a quadrangular prism shape depending on the growth conditions. When growing as hexagonal crystals, it is necessary to select conditions for growing in the c-axis direction. Growth in the c-axis direction is achieved by doping with potassium (K) or a group 2 element. As a Group 2 element, it is achieved by doping magnesium (Mg), beryllium (Be), calcium (Ca) or the like. Doping K can be achieved by using KNH 2 as a mineralizer. In order to dope Mg and Ca, it can be achieved by using the above Mg 3 N 2 , Ca 3 N 2, etc. as mineralizers.

また、a軸方向の成長についても促す必要がある場合は、リチウム(Li)をドープすることが好ましい。Liをドープするには、鉱化剤として、LiNH2を用いることの他
、前記Li3Nを前駆体として使用する態様も挙げられる。本発明の大きな特徴は、上記
GaN多結晶窒化物の反応容器内面をニッケルおよびクロムを含有する合金で構成することである。前記の合金はニッケル・クロム系合金、例えば三菱マテリアル社製のMCアロイ(クロム含量が45重量%、モリブデン含量が1重量%)や、ニッケル・クロム・モリブデン系合金、例えば三菱マテリアル社製のMAT21(クロム含量が19重量%、モリブデン含量が19重量%)や特開平1−50936号に記載された合金が挙げられる。本発明に用いられるニッケルおよびクロムを含有する合金中のクロム含量は、下限値としては好ましくは10重量%、さらに好ましくは20重量%、特に好ましくは30重量%、最も好ましくは40重量%であり、上限値としては好ましくは55重量%以下、さらに好ましくは50重量%以下、特に好ましくは45重量%以下である。クロム含量が少なすぎると酸化力の強い条件になるに従い、腐食性が増す傾向にあり、クロム含量が多すぎると加工性に劣る傾向がある。また、ニッケル・クロム・モリブデン系合金の場合のクロムの含量は、ニッケルに対する比率では前記ニッケル・クロム系合金の場合と同様であるが、モリブデンの含量については、合金全体に対して下限値は好ましくは1重量%以上、より好ましくは5重量%、さらに好ましくは10重量%、特に好ましくは15重量%以上であり、上限値は好ましくは35重量%以下、より好ましくは30重量%以下、さらに好ましくは25重量%以下、特に好ましくは20重量%以下である。モリブデン含量が少なすぎる場合は、還元力が強い条件になるに従い、腐食性が増す傾向にあり、モリブデン含量が多すぎるとニッケルに対する固溶限界を越えてしまうだけでなく、加工性が劣る傾向にある。これらの合金の組成比率は、系内の溶媒の温度・圧力の条件および系内に含まれる前記各種の鉱化剤およびそれらの反応物との反応性及び/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。これらを反応容器の内面を構成する材料として用いる方法としては、反応容器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反応容器内に設置する方法でもよく、任意の反応容器の材料の内面にメッキ処理を施す方法でもよい。本発明のニッケルおよびクロムを含有する合金の組成好ましい範囲は上述の通りであるが、材質のより詳細な組成はこれに限定されるものではなく、本発明のニッケルとクロムを含有する合金の有する特徴を損ねない範囲で他の金属成分、例えばマンガン、ケイ素、チタン、タンタル、炭素、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム等が含まれることを妨げない。本発明においては、ニッケルおよびクロムを含有する合金を反応容器の内面の材質とすることで、超臨界状態のアンモニア溶媒を用いる反応系において、例えば上記の鉱化剤としてNH4X(XはCl,Br等のハロゲンを示す。)を用いた場合でも、Cl- 等のハロゲンイオンによる中性域の腐蝕に関する影響を低下させることが可能である。本発明に用いるニッケルとクロムを含有する合金を用いは溶接性が高く、その他の耐食性を有する金属に比べ、反応器の製造を安価に行うことが可能となり、工業的に有利である。本発明においては、必要に応じて、前記反応容器内筒を封止し反応容器に設置する方法も用いることができる。以上により、反応容器からの不純物の混入を抑制することができる。そして、所要に応じて、該容器内にバッフル板を設置して、GaN多結晶窒化物からなる原料を充填した原料充填部とGaN種結晶を配置する結晶育成部とに区画する。このバッフル板としては、その開孔率が2〜5%(但し、5%を含まず。)のものが好ましく、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。このように、バッフル板の開孔率を制御することにより、溶液成長条件下における結晶育成部でのGaNの過飽和度を適正に制御することが容易になる。
Further, when it is necessary to promote the growth in the a-axis direction, it is preferable to dope lithium (Li). In order to dope Li, in addition to using LiNH 2 as a mineralizer, an embodiment using Li 3 N as a precursor is also included. A major feature of the present invention is that the inner surface of the GaN polycrystalline nitride reaction vessel is made of an alloy containing nickel and chromium. The alloy is a nickel-chromium alloy such as MC alloy (45% by weight of chromium and 1% by weight of molybdenum) manufactured by Mitsubishi Materials, or a nickel / chromium-molybdenum alloy such as MAT21 manufactured by Mitsubishi Materials. (Chromium content is 19% by weight, molybdenum content is 19% by weight) and alloys described in JP-A-1-50936. The lower limit of the chromium content in the alloy containing nickel and chromium used in the present invention is preferably 10% by weight, more preferably 20% by weight, particularly preferably 30% by weight, and most preferably 40% by weight. The upper limit is preferably 55% by weight or less, more preferably 50% by weight or less, and particularly preferably 45% by weight or less. If the chromium content is too small, the corrosiveness tends to increase as the conditions for strong oxidizing power are reached. If the chromium content is too high, the workability tends to be inferior. Further, the chromium content in the case of the nickel-chromium-molybdenum alloy is the same as that in the case of the nickel-chromium alloy in the ratio to nickel, but the lower limit is preferable for the molybdenum content with respect to the whole alloy. Is 1% by weight or more, more preferably 5% by weight, further preferably 10% by weight, particularly preferably 15% by weight or more, and the upper limit is preferably 35% by weight or less, more preferably 30% by weight or less, and still more preferably Is 25% by weight or less, particularly preferably 20% by weight or less. If the molybdenum content is too low, the corrosivity tends to increase as the reducing power becomes stronger.If the molybdenum content is too high, not only does it exceed the solid solution limit for nickel, but also the workability tends to be poor. is there. The composition ratio of these alloys depends on the temperature / pressure conditions of the solvent in the system, the reactivity with the various mineralizers contained in the system and their reactants, and / or the oxidizing power / reducing power, pH. What is necessary is just to select suitably according to conditions. As a method of using these as a material constituting the inner surface of the reaction vessel, the reaction vessel itself may be produced using these alloys, or a method of forming a thin film as an inner cylinder and installing it in the reaction vessel, Any plating method may be applied to the inner surface of the material of the reaction vessel. The preferred composition range of the alloy containing nickel and chromium of the present invention is as described above, but the more detailed composition of the material is not limited to this, and the alloy containing nickel and chromium of the present invention has It does not prevent other metal components such as manganese, silicon, titanium, tantalum, carbon, aluminum, magnesium, calcium and the like from being included within a range that does not impair the characteristics. In the present invention, by using an alloy containing nickel and chromium as the material for the inner surface of the reaction vessel, in a reaction system using an ammonia solvent in a supercritical state, for example, NH 4 X (X is Cl , even when using a) a halogen Br, etc., Cl -. it is possible to reduce the influence regarding corrosion of the neutral region by a halogen ion or the like. The use of the alloy containing nickel and chromium used in the present invention has high weldability and enables industrial production of the reactor at a lower cost than other metals having corrosion resistance, which is industrially advantageous. In this invention, the method of sealing the said reaction container inner cylinder and installing in a reaction container can also be used as needed. As described above, contamination of impurities from the reaction vessel can be suppressed. Then, if necessary, a baffle plate is installed in the container and divided into a raw material filling part filled with a raw material made of GaN polycrystalline nitride and a crystal growth part in which a GaN seed crystal is arranged. The baffle plate preferably has a porosity of 2 to 5% (excluding 5%), and the material of the surface of the baffle plate is the same as the material of the reaction vessel. preferable. Thus, by controlling the aperture ratio of the baffle plate, it becomes easy to appropriately control the degree of supersaturation of GaN in the crystal growth portion under the solution growth conditions.

本発明においては、バッフル板上に、さらに原料を供給することもできる。このように、バッフル板上、即ち、原料充填部と種結晶配置部との間に原料をさらに介在させることにより、結晶育成部の過飽和状態への移行速度を上げることができ、種結晶の溶出における各種のデメリットを防止することができる。この場合の原料のバッフル板上への供給量は、好ましくは結晶育成部のGaNの溶解量の0.3〜3倍である。   In the present invention, the raw material can be further supplied onto the baffle plate. Thus, by further interposing the raw material on the baffle plate, that is, between the raw material filling part and the seed crystal placement part, the transition speed of the crystal growth part to the supersaturated state can be increased, and the seed crystal is eluted. Various disadvantages can be prevented. In this case, the supply amount of the raw material onto the baffle plate is preferably 0.3 to 3 times the dissolution amount of GaN in the crystal growth portion.

また、本発明の反応容器には、種結晶の設置場所の上方、即ち溶媒の対流の集束点近傍に、析出物捕集ネットを設けることもできる。この析出物捕集ネットの役割は以下の通りである。即ち、反応容器の上部に行くに従って、溶媒の対流、すなわち溶質の輸送流はより低温な領域に向かうことになるが、このような低温部で過飽和状態になっている溶質は、種結晶上のみならず、種結晶を吊り下げている貴金属線、この貴金属線を締結するフレームや反応容器の内壁にも析出物として析出する問題がある。このような場合に、析出物捕集ネットを対流の集束点近傍に設けることにより、種結晶上に析出しきらなかった残余の溶質を頂部内壁によって下方向に反転させた後、輸送流中の微結晶あるいは析出物を捕捉するとともに、この捕集ネット上に選択的に微結晶を析出させることができる。   In the reaction vessel of the present invention, a precipitate collection net can be provided above the place where the seed crystal is placed, that is, near the convergence point of the solvent convection. The role of this deposit collection net is as follows. That is, as it goes to the upper part of the reaction vessel, the solvent convection, that is, the solute transport flow, goes to a lower temperature region, but the solute that is supersaturated in such a low temperature part is only on the seed crystal. In addition, there is a problem that the noble metal wire that suspends the seed crystal, the frame that fastens the noble metal wire, and the inner wall of the reaction vessel are deposited as precipitates. In such a case, by providing a precipitate collection net in the vicinity of the convection converging point, the remaining solute that could not be deposited on the seed crystal is inverted downward by the top inner wall, and While capturing the microcrystals or precipitates, the microcrystals can be selectively deposited on the collection net.

この捕集ネットの材質としては、前記の反応容器の材質と同一であることが好ましい。また、本発明において、このように過飽和度を適正に制御するためには、原料充填部容積に対する結晶育成部容積の割合を1〜5倍の範囲内にすることが好ましい。なお、過飽和度が1.50を超える場合には、種結晶上に析出する速度が速すぎるため育成される結晶内部の整合性が悪化するとともに、欠陥が導入され好ましくない。更に、育成容器内壁及びフレームに析出する量が多くなるため、その析出物が肥大化した場合には、GaN単結晶と接触し、単結晶の成長を阻害することもあり好ましくない。   The material of the collection net is preferably the same as that of the reaction vessel. Moreover, in this invention, in order to control supersaturation appropriately in this way, it is preferable to make the ratio of the crystal growth part volume with respect to raw material filling part volume into the range of 1 to 5 times. If the degree of supersaturation exceeds 1.50, the rate of precipitation on the seed crystal is too high, so that the consistency inside the grown crystal is deteriorated and defects are introduced, which is not preferable. Furthermore, since the amount deposited on the inner wall of the growth vessel and the frame increases, it is not preferable because the precipitates are enlarged and come into contact with the GaN single crystal to inhibit the growth of the single crystal.

ここで、「過飽和」とは、溶解量が飽和状態より以上に増加した状態をいい、「過飽和度」とは、過飽和状態の溶解量と飽和状態の溶解量との比をいう。溶液成長法においては、原料充填部からの熱対流によるGaNの輸送により過飽和状態になっている結晶育成部のGaNの溶解量と、結晶育成部の飽和状態でのGaNの溶解量との比をいう。
過飽和度=(結晶育成部の過飽和状態での溶解量)/(結晶育成部の飽和状態での溶解量)
なお、本発明において、過飽和度は、多結晶窒化物の密度、バッフル板の開孔率、原料充填部と結晶育成部との温度差等を適宜変更・選定することにより制御できる。
Here, “supersaturation” refers to a state where the amount of dissolution has increased more than the saturation state, and “supersaturation degree” refers to the ratio between the amount of dissolution in the supersaturated state and the amount of dissolution in the saturated state. In the solution growth method, the ratio of the amount of GaN dissolved in the crystal growth portion that is supersaturated by the transport of GaN by thermal convection from the raw material filling portion and the amount of GaN dissolved in the saturation state of the crystal growth portion is Say.
Supersaturation = (Amount of dissolution in the supersaturated state of the crystal growth part) / (Amount of dissolution in the saturation state of the crystal growth part)
In the present invention, the degree of supersaturation can be controlled by appropriately changing / selecting the density of polycrystalline nitride, the baffle plate opening ratio, the temperature difference between the raw material filling portion and the crystal growth portion, and the like.

本発明においては、得られた塊状単結晶は、塩酸(HCl)、硝酸(HNO3)等で洗
浄することができる。以下に本発明を実施するための具体的な態様について述べるが、本発明はこれらの方法に限定されない。内面をニッケル・クロム・モリブデン系合金により構成された反応器に高純度の6N金属ガリウムとNH4Brを入れ、次いで溶媒としてN
3を充填率60%程度で反応器内に注入し、同じくニッケル・クロム・モリブデン系合
金により構成されたキャップにより封止する。反応器を電気炉内に設置し500℃程度にに昇温する。この時の反応器の圧力は350MPa程度が好ましい。この状態を120hr程度保持した後、室温まで冷却しGaNの多結晶を取り出す。これにより粒径が0.1μm〜1.2μm程度のGaN多結晶が所定量得られることになる。反応器に先程得られたGaN多結晶を充填し、さらにGaとGaNをハイブリッド化率が10%となるように調整して添加する。次いで同じくニッケル・クロム・モリブデン系合金により構成されたで開口率4%程度のバッフル板を設置し、反応器内を原料充填部と結晶成長部に区画する。そして種結晶としてC軸方向に垂直な面で切り出し鏡面研磨された30mm×50mm程度の板状GaN単結晶をPt製フレームにC軸が水平方向を向くよう上下5段程度に吊り下げ、このフレームを上記結晶成長部に配置する。3モル/l程度のKNHとNHからなる溶媒を充填率80%程度で圧力容器に注入し、同じくニッケル・クロム・モリブデン系合金により構成されたキャップによりオートクレーブを封止する。
In the present invention, the obtained bulk single crystal can be washed with hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3 ) or the like. Specific embodiments for carrying out the present invention are described below, but the present invention is not limited to these methods. High purity 6N metal gallium and NH 4 Br are put into a reactor whose inner surface is made of a nickel-chromium-molybdenum alloy, and then N 4 is used as a solvent.
H 3 is injected into the reactor at a filling rate of about 60%, and sealed with a cap formed of a nickel / chromium / molybdenum alloy. The reactor is installed in an electric furnace and the temperature is raised to about 500 ° C. The pressure in the reactor at this time is preferably about 350 MPa. After maintaining this state for about 120 hours, it is cooled to room temperature and the polycrystalline GaN is taken out. As a result, a predetermined amount of GaN polycrystal having a grain size of about 0.1 μm to 1.2 μm is obtained. The reactor is filled with the previously obtained GaN polycrystal, and Ga and GaN are further adjusted and added so that the hybridization rate is 10%. Next, a baffle plate made of a nickel-chromium-molybdenum alloy and having an aperture ratio of about 4% is installed, and the inside of the reactor is partitioned into a raw material filling part and a crystal growth part. Then, a plate-like GaN single crystal of about 30 mm × 50 mm cut and mirror-polished as a seed crystal in a plane perpendicular to the C-axis direction is suspended on a Pt frame in about five steps up and down so that the C-axis is directed horizontally. Is placed in the crystal growth section. A solvent composed of about 3 mol / l of KNH 2 and NH 3 is injected into the pressure vessel at a filling rate of about 80%, and the autoclave is sealed with a cap that is also made of a nickel / chromium / molybdenum alloy.

反応器を上下に5分割程度に分割されたヒーターで構成された電気炉内に設置し、結晶育成部の温度が原料充填部の温度より常に低くなるよう保ったまま、原料充填部を350℃程度、結晶育成部を300℃程度に昇温する。この時の反応器内圧力は800MPa程度が好ましい。この状態を60日程度保持した後、室温まで冷却しGaN単結晶を取り出す。 取り出したGaN単結晶をC軸と垂直な面で350μm厚程度でスライス後、コロイダルシリカにて鏡面研磨し、50枚の30mm×50mm程度の角形ウエハーを得る。   The reactor was installed in an electric furnace composed of a heater divided into about 5 parts vertically, and the raw material filling part was kept at 350 ° C. while keeping the temperature of the crystal growth part always lower than the temperature of the raw material filling part. The crystal growth part is heated to about 300 ° C. The pressure in the reactor at this time is preferably about 800 MPa. After maintaining this state for about 60 days, it is cooled to room temperature and the GaN single crystal is taken out. The extracted GaN single crystal is sliced to a thickness of about 350 μm on a plane perpendicular to the C axis, and then mirror-polished with colloidal silica to obtain 50 rectangular wafers of about 30 mm × 50 mm.

本発明による単結晶成長製造方法に用いる、結晶育成容器を示す図である。It is a figure which shows the crystal growth container used for the single crystal growth manufacturing method by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 GaN多結晶原料
2 GaN種結晶
3 バッフル板
4 フレーム
5 結晶育成部
6 原料充填部
7 熱電対挿入部
7’熱電対挿入部
8 育成容器
9 貴金属線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 GaN polycrystal raw material 2 GaN seed crystal 3 Baffle plate 4 Frame 5 Crystal growth part 6 Raw material filling part 7 Thermocouple insertion part 7 'Thermocouple insertion part 8 Growth container 9 Noble metal wire

Claims (6)

周期表13族元素の窒化物の塊状単結晶を製造する方法において、周期表13族元素の結晶を出発原料として該反応容器の原料充填部に供給し、種結晶を育成部に配置し、アンモニアを溶媒とするアモノサーマル法により結晶成長を行う方法であって、種結晶を配置した育成部に超音波を印可する工程を含むことを特徴とする周期表13族元素の窒化物の塊状単結晶の製造方法。   In a method for producing a bulk single crystal of a group 13 element nitride, a group 13 element crystal is supplied as a starting material to a raw material filling part of the reaction vessel, a seed crystal is disposed in a growing part, and ammonia Is a method of performing crystal growth by an ammonothermal method using a solvent as a solvent, and includes a step of applying an ultrasonic wave to a growing part in which a seed crystal is arranged, and a group of nitrides of a group 13 element of the periodic table characterized in that Crystal production method. 出発原料を供給した原料充填部に超音波を印可する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, further comprising a step of applying an ultrasonic wave to the raw material filling portion supplied with the starting raw material. 出発原料が、相対的に平均粒径の異なる2種の結晶であることを特徴とする請求項1または2に記載の製造方法。   The production method according to claim 1 or 2, wherein the starting material is two kinds of crystals having relatively different average particle diameters. 出発原料が、多結晶GaNとGaとを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the starting material contains polycrystalline GaN and Ga. 反応容器内に、結晶成長時の温度差にともなって生じる溶媒の対流の集束点近傍に、析出物捕集ネットを設けることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。   5. The production according to claim 1, wherein a precipitate collection net is provided in the reaction vessel in the vicinity of a converging point of a solvent convection caused by a temperature difference during crystal growth. Method. ガリウムと1つまたは複数の鉱化剤とを混合し、アモノサーマル法による結晶成長を行うことにより前記出発原料を製造する工程を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法。   6. The method according to claim 1, further comprising the step of producing the starting material by mixing gallium and one or more mineralizers and performing crystal growth by an ammonothermal method. The manufacturing method as described in.
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