JP2008201653A - Method for controlling crystal growth rate, compound crystal, method for producing the crystal, and method for producing semiconductor device - Google Patents

Method for controlling crystal growth rate, compound crystal, method for producing the crystal, and method for producing semiconductor device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for industrially and inexpensively producing a good quality compound crystal by growing a compound AX crystal in a solution, obtained by dissolving a compound ABX in an ionic solvent, at low pressure of ≤10 MPa or at normal pressure. <P>SOLUTION: A complex compound ABX being a raw material is dissolved in an ionic solvent such as a metal halide at a high temperature. Then, the crystal growth rate of a compound AX is controlled by adjusting the concentration of a solute component BX in the resulting solution by removing the solute component BX not used for crystal growth by evaporation or the like. Here, the combination of A and X is restricted: (i) A is a group 13 metal element and X is a group 15 element, (ii) A is a group 12 metal element and X is a group 16 element, and (iii) A is a group 14 element and X is carbon element. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、化合物結晶の結晶成長速度制御方法および製造方法に関する。また、これらの方法を用いて製造した化合物結晶と、これらの方法を利用した半導体デバイスの製造方法にも関する。本発明は、特にGaN結晶等の周期表第13族金属の窒化物結晶の結晶成長速度制御方法や製造方法を含むものである。   The present invention relates to a crystal growth rate control method and a production method of a compound crystal. The present invention also relates to a compound crystal manufactured by using these methods and a method for manufacturing a semiconductor device using these methods. The present invention particularly includes a crystal growth rate control method and a production method of a nitride crystal of a Group 13 metal such as a GaN crystal.

窒化ガリウム(GaN)に代表される第13族金属と窒素との化合物結晶は、発光ダイオード、レーザダイオード、高周波対応の電子デバイス等で使用される物質として有用である。GaNの場合、実用的な結晶の製造方法としては、サファイア基板または炭化珪素等のような基板上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により気相エピタキシャル成長を行う方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。   A compound crystal of a Group 13 metal typified by gallium nitride (GaN) and nitrogen is useful as a material used in a light emitting diode, a laser diode, an electronic device for high frequency, and the like. In the case of GaN, as a practical crystal manufacturing method, a method of performing vapor phase epitaxial growth on a substrate such as a sapphire substrate or silicon carbide by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method has been proposed (for example, Non-patent document 1).

しかし、上記方法では、格子定数および熱膨張係数の異なる異種基板上にGaN結晶をエピタキシャル成長させるため、得られたGaN結晶には多くの格子欠陥が存在する。そのような格子欠陥が多く存在するGaN結晶を用いた場合、電子素子の動作に悪影響を与え、青色レーザ等の応用分野で用いるためには満足すべき性能を発現することはできない。このため、近年、基板上に成長したGaNの結晶の品質の改善、GaNの塊状単結晶の製造技術の確立が強く望まれている。   However, in the above method, since the GaN crystal is epitaxially grown on different substrates having different lattice constants and thermal expansion coefficients, the obtained GaN crystal has many lattice defects. When such a GaN crystal having many lattice defects is used, the operation of the electronic device is adversely affected, and satisfactory performance for use in an application field such as a blue laser cannot be expressed. For this reason, in recent years, it has been strongly desired to improve the quality of GaN crystals grown on a substrate and to establish a manufacturing technique for GaN bulk single crystals.

現在、気相法によるヘテロエピタキシャルGaN結晶成長法では、GaN結晶の欠陥濃度を減らすために、複雑かつ長い工程が必要とされている。このため、最近では、液相法によりGaNの単結晶化について精力的な研究がなされており、窒素とGaを高温高圧下で反応させる高圧法(非特許文献2参照)が提案されているが、過酷な反応条件のため工業的に実施することは困難である。そこで、反応条件をより低圧化させたGaN結晶成長方法の報告が多くなされている。例えば、GaとNaN3とを昇圧下で反応させる方法(非特許文献3)や、フラックス成長法(特許文献3、非特許文献4、5、8、9参照)等が提案されている。フラックスにはアルカリ金属が使われる場合が多いが、Ga融液にアルカリ金属を添加した合金融液を用いても、この合金融液に溶解するN量またはGaN量が非常に小さいため、GaN結晶を大型化することが困難とされている。さらに、アモノサーマル法によるGaNの合成法(非特許文献6参照)も報告されているが、結晶サイズと格子欠陥数に問題があり、また製造装置が高価なことから工業化されるに至っていない。 Currently, the heteroepitaxial GaN crystal growth method by the vapor phase method requires a complicated and long process in order to reduce the defect concentration of the GaN crystal. For this reason, recently, vigorous research has been conducted on crystallization of GaN by a liquid phase method, and a high-pressure method (see Non-Patent Document 2) in which nitrogen and Ga are reacted under high temperature and high pressure has been proposed. However, it is difficult to implement industrially due to severe reaction conditions. Thus, many reports have been made on GaN crystal growth methods with lower reaction conditions. For example, a method of reacting Ga and NaN 3 under pressure (Non-Patent Document 3), a flux growth method (see Patent Document 3, Non-Patent Documents 4, 5, 8, and 9) and the like have been proposed. Alkali metal is often used for the flux, but even when using a combined liquid obtained by adding an alkali metal to a Ga melt, the amount of N or GaN dissolved in the combined liquid is very small. It is difficult to increase the size. Furthermore, a method for synthesizing GaN by the ammonothermal method (see Non-Patent Document 6) has also been reported, but there are problems with the crystal size and the number of lattice defects, and it has not been industrialized because the manufacturing equipment is expensive. .

また、GaN粉末とアルカリ金属ハロゲン化物の混合物を加熱し、GaN結晶を作成する方法も提案されているが(特許文献1参照)、アルカリ金属ハロゲン化物へのGaNの溶解度は小さく、かつ窒素を安定に溶解させるために高圧で結晶成長を行う必要があるため、この方法は工業的に結晶成長を行う上で不利である。また、非特許文献7にもGaN粉末とアルカリ金属ハロゲン化物の混合物を用いた結晶成長が報告されているが、特許文献1と同様の技術と考えられる。また特許文献2にはリチウムの化合物を補助溶融剤として用いると記載されているが、この文献では溶融塩を用いた溶液を用いておらず、合金融液からの結晶成長であるため非特許文献4、5と同様の問題を抱えている。
特開2005−112718号公報 中国特許公開第1288079A号公報 特開2005−306709A号公報 J. Appl. Phys. 37 (1998) 309頁 J. Crystal Growth 178 (1977) 174頁 J. Crystal Growth 218 (2000) 712頁 J. Crystal Growth 260 (2004) 327頁 金属 Vol.73 No.11(2003)1060頁 Acta Physica Polonica A Vol.88 (1995) 137頁 J. Crystal Growth Vol.281 (2005) 5頁 J. Mater. Sci. Ele. 16 (2005) 29項 J. Crystal Growth 284 (2005) 91頁
In addition, although a method for producing a GaN crystal by heating a mixture of GaN powder and an alkali metal halide has been proposed (see Patent Document 1), the solubility of GaN in the alkali metal halide is small and nitrogen is stable. This method is disadvantageous in terms of industrial crystal growth because it is necessary to perform crystal growth at a high pressure in order to dissolve it. Non-patent document 7 also reports crystal growth using a mixture of GaN powder and alkali metal halide, which is considered to be the same technique as in patent document 1. Patent Document 2 describes that a lithium compound is used as an auxiliary melting agent. However, in this document, a solution using a molten salt is not used, and crystal growth from a combined financial liquid is not used. 4 and 5 have the same problem.
JP 2005-127718 A Chinese Patent Publication No. 1288079A Japanese Patent Laying-Open No. 2005-306709A J. Appl. Phys. 37 (1998) 309 J. Crystal Growth 178 (1977) 174 J. Crystal Growth 218 (2000) 712 J. Crystal Growth 260 (2004) 327 Metal Vol.73 No.11 (2003) pp. 1060 Acta Physica Polonica A Vol.88 (1995) 137 J. Crystal Growth Vol.281 (2005) p. 5 J. Mater. Sci. Ele. 16 (2005) paragraph 29 J. Crystal Growth 284 (2005) p. 91

上記のように、気相法による基板上へのヘテロエピタキシャル結晶成長法では格子欠陥が少ない第13族金属の窒化物結晶は得られない。また、他の高圧を用いる方法では装置が大掛かりとなり、経済性が低い。さらに、超臨界状態のアンモニアを使うアモノサーマル法では装置や使う材料が非常に高価である。また、アルカリ金属をフラックスとして使った方法などでも低圧での窒素溶解度が低く、また反応系内の液相の均一性に問題があり工業的に利用するには解決すべき課題が残されている。   As described above, a group 13 metal nitride crystal with few lattice defects cannot be obtained by a heteroepitaxial crystal growth method on a substrate by a vapor phase method. Also, other methods using high pressure require a large apparatus and are not economical. Furthermore, in the ammonothermal method using supercritical ammonia, the equipment and materials used are very expensive. In addition, even in the method using alkali metal as a flux, nitrogen solubility at low pressure is low, and there is a problem in the uniformity of the liquid phase in the reaction system, and there are still problems to be solved for industrial use. .

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、10MPa以下の低圧または常圧においても良質な化合物結晶を工業的に安く製造できるようにすることを目的とする。また本発明は、前記製造方法を用いた発光ダイオード、レーザダイオード、高周波用、パワーIC用等の半導体デバイスの製造方法を提供することも目的とする。   The present invention has been made in order to solve such problems of the prior art, and an object of the present invention is to be able to industrially produce high-quality compound crystals even at a low pressure of 10 MPa or less or normal pressure. . Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device such as a light emitting diode, a laser diode, a high frequency device, and a power IC using the above manufacturing method.

本発明者らは、上記の課題に鑑み、工業的に利用可能であり、さらに経済的な方法により、半導体デバイスに応用可能な結晶サイズを有し、かつ高品質な化合物半導体結晶を成長させる方法につき鋭意検討し、本発明を完成するに至った。   In view of the above problems, the present inventors have a method of growing a high-quality compound semiconductor crystal having a crystal size that is industrially applicable and can be applied to a semiconductor device by an economical method. The present invention has been completed.

すなわち、本発明の目的は、下記の結晶成長速度制御方法、化合物結晶とその製造方法、および半導体デバイスの製造方法により達成される。
[1] 化合物ABXをイオン性溶媒に溶解した溶液中で化合物AXを結晶成長させる際の結晶成長速度を制御する方法であって、
結晶成長場における溶液中の溶質成分BXの濃度を調整することにより、化合物AXの結晶成長速度を制御することを特徴とする結晶成長速度制御方法。
[前記Bは1族金属元素または2族金属元素であり、
前記Aは第13族金属元素であり且つ前記Xは第15族元素であるか、前記Aは第12族金属元素であり且つ前記Xは第16族元素であるか、または、前記Aは第14族元素であり且つ前記Xは炭素元素である。]
[2] 結晶成長場から溶質成分BXを除去することにより、結晶成長場における溶液中の溶質成分BXの濃度を下げることを特徴とする[1]に記載の結晶成長速度制御方法。
[3] 前記溶液から溶質成分BXを蒸発させて除去することにより、結晶成長場における前記溶液中の溶質成分BXの濃度を下げることを特徴とする[1]に記載の結晶成長速度制御方法。
[4] A金属と溶質成分BXとを前記溶液中で反応させることにより、または、溶質成分BXと反応する気相物質Gと溶質成分BXとを前記溶液中または前記溶液と気相との界面において反応させることにより、結晶成長場における溶液中の溶質成分BXの濃度を下げることを特徴とする[1]〜[3]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[5] 溶液からの溶質成分BXの除去量を検知し、検知された除去量に応じて溶質成分BXの除去速度を制御することを特徴とする[2]〜[4]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[6] 結晶成長場において前記溶液の流れを生じさせることによって、結晶成長場における溶液中の溶質成分BXの濃度を調整することを特徴とする[1]〜[5]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[7] 前記溶液の流れを機械的手段により生じさせることを特徴とする[6]に記載の結晶成長速度制御方法。
[8] 前記溶液の流れをシードを回転させることにより生じさせることを特徴とする[7]に記載の結晶成長速度制御方法。
[9] 前記溶液の流れを反応容器の局所的な加熱により生じさせることを特徴とする[6]に記載の結晶成長速度制御方法。
[10] 化合物AXの結晶成長場と化合物ABXの溶解部との距離をほぼ一定に保ちながら連続的な結晶成長を行うことを特徴とする[1]〜[9]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[11] 化合物ABXを連続的に溶解する領域と化合物AXの結晶成長を行う領域の間に、2つの領域相互間の溶液流通量を制限する隔壁が設けられていることを特徴とする[1]〜[10]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[12] 溶質成分BXの除去を化合物AXの結晶成長を行う領域でのみ行うことを特徴とする[11]に記載の結晶成長速度制御方法。
That is, the object of the present invention is achieved by the following crystal growth rate control method, compound crystal and manufacturing method thereof, and semiconductor device manufacturing method.
[1] A method for controlling a crystal growth rate when a compound AX is grown in a solution in which the compound ABX is dissolved in an ionic solvent,
A crystal growth rate control method comprising controlling the crystal growth rate of a compound AX by adjusting the concentration of a solute component BX in a solution in a crystal growth field.
[B is a Group 1 metal element or a Group 2 metal element,
The A is a Group 13 metal element and the X is a Group 15 element, the A is a Group 12 metal element and the X is a Group 16 element, or the A is a Group It is a group 14 element and said X is a carbon element. ]
[2] The crystal growth rate control method according to [1], wherein the concentration of the solute component BX in the solution in the crystal growth field is lowered by removing the solute component BX from the crystal growth field.
[3] The crystal growth rate control method according to [1], wherein the concentration of the solute component BX in the solution in the crystal growth field is lowered by evaporating and removing the solute component BX from the solution.
[4] By reacting the A metal and the solute component BX in the solution, or the gas phase substance G reacting with the solute component BX and the solute component BX in the solution or the interface between the solution and the gas phase. The crystal growth rate control method according to any one of [1] to [3], wherein the concentration of the solute component BX in the solution in the crystal growth field is lowered by reacting in step (1).
[5] Any one of [2] to [4], wherein the removal amount of the solute component BX from the solution is detected, and the removal rate of the solute component BX is controlled according to the detected removal amount. The crystal growth rate control method described in 1.
[6] In any one of [1] to [5], the concentration of the solute component BX in the solution in the crystal growth field is adjusted by causing the flow of the solution in the crystal growth field. The crystal growth rate control method as described.
[7] The crystal growth rate control method according to [6], wherein the flow of the solution is generated by mechanical means.
[8] The crystal growth rate control method according to [7], wherein the flow of the solution is generated by rotating a seed.
[9] The crystal growth rate control method according to [6], wherein the flow of the solution is generated by local heating of a reaction vessel.
[10] As described in any one of [1] to [9], continuous crystal growth is performed while maintaining the distance between the crystal growth field of compound AX and the dissolved portion of compound ABX substantially constant. Crystal growth rate control method.
[11] A partition wall is provided between the region where the compound ABX is continuously dissolved and the region where the crystal growth of the compound AX is performed. The partition wall restricts the amount of solution flow between the two regions. ] The crystal growth rate control method according to any one of [10] to [10].
[12] The crystal growth rate control method according to [11], wherein the solute component BX is removed only in a region where the crystal growth of the compound AX is performed.

[13] 下記(1)〜(6)の工程を含むことを特徴とする[1]〜[12]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
(1)イオン性溶媒中において化合物ABXを溶解する工程
(2)前記化合物が溶解した溶質を含む溶液を化合物AXの結晶成長場に輸送する工程、
(3)結晶成長場において化合物AXの結晶成長を行う工程
(4)結晶成長場の溶液を溶質成分BXを減少させる場へ輸送する工程
(5)溶質成分BXを減少させる場において溶液中の溶質成分BXの濃度を減少させる工程
(6)溶質成分BXの濃度を減少させた溶液を前記(1)、(2)または(3)の工程に用いるために輸送する工程
[14] 前記(1)において、塊状、粒状または粉状の化合物ABXの間隙を前記溶液が通過することを特徴とする[13]に記載の結晶成長速度制御方法。
[15] 化合物ABXと、化合物ABXの間隙に侵入している前記溶液を加熱して前記溶液に上昇流を起こすことによって、化合物ABXの間隙において前記溶液を強制的に通過させることを特徴とする[14]に記載の結晶成長速度制御方法。
[16] 前記(2)の輸送が層流状の流路でなされ、前記(3)の結晶成長を経た後に流路が拡大していくことを特徴とする[15]に記載の化合物結晶の製造方法。
[17] 前記(2)の輸送の方向と結晶成長場の結晶成長面がほぼ直交していることを特徴とする[15]または[16]に記載の化合物結晶の製造方法。
[18] 前記(2)の輸送の方向と結晶成長場の結晶成長面がほぼ平行であることを特徴とする[15]または[16]に記載の化合物結晶の製造方法。
[19] 前記結晶成長面が回転していることを特徴とする[15]または[16]に記載の結晶成長速度制御方法。
[20] 溶質成分BXを構成するBが、第1族金属元素と第2族金属元素からなる群より選択される1以上の元素であることを特徴とする[1]〜[19]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[21] 前記イオン性溶媒が一種類または複数種の金属ハロゲン化物であることを特徴とする[1]〜[20]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[22] 前記イオン性溶媒の組成を調整することによって、溶質成分BXの除去量を制御することを特徴とする[1]〜[21]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[23] 前記溶液中にドーピング元素を溶解させておくことによって、前記元素をドープした結晶を成長させることを特徴とする[1]〜[22]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[24] ドーピング元素を含む溶媒を用いて前記溶液を調整することを特徴とする[23]に記載の結晶成長速度制御方法。
[25] 化合物ABXから溶質成分BXを除去してABXの化学量論組成に近づけてから前記結晶成長に用いることを特徴とする[1]〜[24]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[26] 化合物ABXをイオン性溶媒に溶解する前に、化合物ABXから溶質成分BXを除去することを特徴とする[25]に記載の結晶成長速度制御方法。
[27] 化合物AXの結晶成長を、標準生成エネルギーが1000Kにおいて−930kJ/mol以下である酸化物を主成分とする内壁を有する反応容器内で行うことを特徴とする[1]〜[26]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[28] 化合物ABXの調製を、標準生成エネルギーが1000Kにおいて−930kJ/mol以下である酸化物を主成分とする内壁を有する反応容器内で行うことを特徴とする[1]〜[27]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[29] 前記反応容器の内壁がシリコンカーバイドを主成分とすることを特徴とする[27]または[28]に記載の結晶成長速度制御方法。
[30] 化合物AXの結晶が極性面を有する結晶であり、極性面を有する結晶基板のX面に結晶成長を行うことにより、成長した結晶面積を前記基板面積よりも増大させることを特徴とする[1]〜[29]のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
[31] [1]〜[29]のいずれか一項に記載の工程を含むことを特徴とする化合物結晶の製造方法。
[13] The crystal growth rate control method according to any one of [1] to [12], including the following steps (1) to (6):
(1) Step of dissolving compound ABX in an ionic solvent (2) Step of transporting a solution containing a solute in which the compound is dissolved to a crystal growth field of compound AX,
(3) Step of crystal growth of compound AX in the crystal growth field (4) Step of transporting the solution of the crystal growth field to a field for reducing the solute component BX (5) Solute in the solution in a field for reducing the solute component BX The step of reducing the concentration of the component BX (6) The step of transporting the solution having the reduced concentration of the solute component BX for use in the step (1), (2) or (3) [14] (1) The crystal growth rate control method according to [13], wherein the solution passes through a gap between the massive, granular or powdery compound ABX.
[15] The above-mentioned solution is forced to pass through the gap between the compound ABX by heating the solution that has entered the gap between the compound ABX and the compound ABX to cause an upward flow in the solution. [14] The crystal growth rate control method according to [14].
[16] The compound crystal according to [15], wherein the transport of (2) is performed in a laminar flow channel, and the channel is expanded after the crystal growth of (3). Production method.
[17] The method for producing a compound crystal according to [15] or [16], wherein the transport direction of (2) and the crystal growth surface of the crystal growth field are substantially orthogonal.
[18] The method for producing a compound crystal according to [15] or [16], wherein the transport direction of (2) and the crystal growth surface of the crystal growth field are substantially parallel.
[19] The crystal growth rate control method according to [15] or [16], wherein the crystal growth surface is rotated.
[20] Any of [1] to [19], wherein B constituting the solute component BX is one or more elements selected from the group consisting of Group 1 metal elements and Group 2 metal elements The crystal growth rate control method according to claim 1.
[21] The crystal growth rate control method according to any one of [1] to [20], wherein the ionic solvent is one or more types of metal halides.
[22] The crystal growth rate control method according to any one of [1] to [21], wherein the removal amount of the solute component BX is controlled by adjusting the composition of the ionic solvent.
[23] The crystal growth rate control according to any one of [1] to [22], wherein a crystal doped with the element is grown by dissolving a doping element in the solution. Method.
[24] The crystal growth rate control method according to [23], wherein the solution is adjusted using a solvent containing a doping element.
[25] The crystal growth according to any one of [1] to [24], wherein the solute component BX is removed from the compound ABX and used for the crystal growth after being brought close to the stoichiometric composition of ABX. Speed control method.
[26] The crystal growth rate control method according to [25], wherein the solute component BX is removed from the compound ABX before the compound ABX is dissolved in the ionic solvent.
[27] The crystal growth of the compound AX is performed in a reaction vessel having an inner wall mainly composed of an oxide having a standard generation energy of −930 kJ / mol or less at 1000 K. [1] to [26] The crystal growth rate control method according to any one of the above.
[28] The compound ABX is prepared in a reaction vessel having an inner wall mainly composed of an oxide having a standard generation energy of −930 kJ / mol or less at 1000 K, according to [1] to [27] The crystal growth rate control method according to any one of the above.
[29] The crystal growth rate control method according to [27] or [28], wherein the inner wall of the reaction vessel contains silicon carbide as a main component.
[30] The crystal of the compound AX is a crystal having a polar face, and the grown crystal area is made larger than the substrate area by performing crystal growth on the X face of a crystal substrate having a polar face. [1] The crystal growth rate control method according to any one of [29].
[31] A method for producing a compound crystal comprising the step according to any one of [1] to [29].

[32] [31]に記載の結晶成長方法により成長させた化合物結晶。
[33] [32]の化合物結晶に、不純物除去操作および結晶表面の平滑研磨を行った後に、当該結晶表面に気相成長を行うことを特徴とする化合物結晶基板の製造方法。
[34] [31]に記載の結晶成長方法により化合物結晶を製造する工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
[32] A compound crystal grown by the crystal growth method according to [31].
[33] A method for producing a compound crystal substrate, comprising subjecting the compound crystal of [32] to impurity removal operation and smooth polishing of the crystal surface, and then performing vapor phase growth on the crystal surface.
[34] A method for producing a semiconductor device, comprising a step of producing a compound crystal by the crystal growth method according to [31].

本発明によれば、10MPa以下の低圧または常圧で良質の化合物結晶を製造することができる。特に、従来の課題であった高圧下における多核発生や低圧下における液中の窒素濃度の低下の問題を解決し、結晶のシード成長を行うことができる。すなわち、原料となる複合化合物を高温でイオン性溶媒に溶解した後、結晶成長場において、結晶成長に使われない溶質成分の濃度を制御することによって、結晶成長の速度、品質、結晶の大きさを制御することができる。
これにより本発明によれば、高温、高圧工程を経ることなく、かつ反応容器も周期表第2〜3族金属元素を含む耐火材(すなわち、Mg、Ca、Al,Ti,Y,Ce等の酸化物からなる耐火材、特に、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、ジルコニア等の安価な耐火材料)の容器を用いて、半導体デバイスに応用するのに十分なサイズを有する化合物結晶を製造することができる。
さらに、本発明の半導体デバイスの製造方法によれば、パワーIC、高周波対応可能な半導体デバイス等を広く製造することができる。
According to the present invention, a high-quality compound crystal can be produced at a low pressure of 10 MPa or less or normal pressure. In particular, it is possible to solve the problems of conventional multi-nuclear generation under high pressure and a decrease in nitrogen concentration in the liquid under low pressure, and to perform crystal seed growth. That is, after dissolving the composite compound as a raw material in an ionic solvent at a high temperature, by controlling the concentration of solute components that are not used for crystal growth in the crystal growth field, the crystal growth speed, quality, and crystal size Can be controlled.
Thus, according to the present invention, a refractory material (ie, Mg, Ca, Al, Ti, Y, Ce, etc.) containing a Group 2 to 3 metal element in the periodic table without undergoing a high temperature and high pressure process. A compound crystal having a size sufficient to be applied to a semiconductor device using a container of an refractory material made of an oxide, in particular, an inexpensive refractory material such as yttrium oxide, lanthanum oxide, magnesium oxide, calcium oxide, zirconia) Can be manufactured.
Furthermore, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a power IC, a semiconductor device capable of handling a high frequency, and the like can be widely manufactured.

以下に、本発明の第13族金属窒化物結晶の製造方法、半導体デバイスの製造方法について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の代表例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、本明細書において「シード」とは、第13族金属窒化物結晶以外に、サファイア、SiC、ZnO等の異種基板のほか、結晶成長によって形成された第13族金属窒化物結晶も含まれる。
Below, the manufacturing method of the group 13 metal nitride crystal | crystallization of this invention and the manufacturing method of a semiconductor device are demonstrated in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on representative examples of embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments.
In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value. In addition, in this specification, “seed” includes, in addition to a Group 13 metal nitride crystal, a Group 13 metal nitride crystal formed by crystal growth in addition to a heterogeneous substrate such as sapphire, SiC, or ZnO. .

[化合物結晶の製造方法と成長速度制御]
(元素A,B,Xの組み合わせ)
本発明では、化合物ABXをイオン性溶媒に溶解した溶液中で化合物AXを結晶成長させる。
AとXは組み合わせが限定されている。すなわち、(i)Aが第13族金属元素であり且つXが第15族元素であるか、(ii)Aが第12族金属元素であり且つXが第16族元素であるか、または、(iii)Aが第14族元素であり且つXが炭素元素である。
[Production method and growth rate control of compound crystals]
(Combination of elements A, B, X)
In the present invention, the compound AX is crystal-grown in a solution in which the compound ABX is dissolved in an ionic solvent.
The combinations of A and X are limited. (I) A is a Group 13 metal element and X is a Group 15 element, (ii) A is a Group 12 metal element and X is a Group 16 element, or (Iii) A is a Group 14 element and X is a carbon element.

(i)のAが第13族金属元素であり且つXが第15族元素であるとき、Aが採りうる第13族金属元素としては、Ga、Al、In、GaAl、GaIn等が挙げられ、Xが採りうる第15族元素としてはN、Pが挙げられ、化合物単結晶AXとしてはGaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、AlGaInN、AlGaInP、GaP、InP、InGaPが挙げられる。また、B元素としては、Li、Na、Ca、Sr、Ba、Mg等が挙げられ、中でもLi、Ca、Ba、Mgが好ましい元素として挙げられる。化合物BXとしては、Li3N、Ca32、Ba32、Sr32、Ca32が挙げられる。結晶成長の際に用いる溶媒としては、1族金属ハライドや2族金属ハライド等のアルカリハライド溶融塩が挙げられ、具体的にはLiCl、LiCl−NaCl等の混合イオン性溶媒が挙げられる。 When (i) A is a Group 13 metal element and X is a Group 15 element, examples of the Group 13 metal element that A can take include Ga, Al, In, GaAl, and GaIn. Group 15 elements that X can take include N and P, and compound single crystal AX includes GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN, AlGaInN, AlGaInP, GaP, InP, and InGaP. Examples of the B element include Li, Na, Ca, Sr, Ba, Mg, and the like. Among them, Li, Ca, Ba, and Mg are preferable elements. Examples of the compound BX include Li 3 N, Ca 3 N 2 , Ba 3 N 2 , Sr 3 N 2 , and Ca 3 P 2 . Examples of the solvent used for crystal growth include alkali halide molten salts such as Group 1 metal halides and Group 2 metal halides, and specific examples include mixed ionic solvents such as LiCl and LiCl-NaCl.

(ii)のAが第12族金属元素であり且つXが第16族元素であるとき、Aが採りうる第12族金属元素としてはZn,Cdが挙げられ、Xが採りうる第16族元素としてはO、Sが挙げられ、化合物単結晶AXとしてはZnO、ZnS、ZnSeが挙げられる。また、B元素としては、Li,Na,K,Rb,Cs等の1族金属、Mg,Ca,Sr,Ba等の2族金属等が挙げられ、化合物BXとしては、Li2O、Na2O、Li2S、Na2S等が挙げられる。結晶成長の際に用いる溶媒としては、1族金属や2族金属の炭酸塩等が挙げられる。 (Ii) When A is a Group 12 metal element and X is a Group 16 element, Group 12 metal elements that A can take include Zn and Cd, and Group 16 elements that X can take Examples of the compound single crystal AX include ZnO, ZnS, and ZnSe. Examples of the B element include Group 1 metals such as Li, Na, K, Rb, and Cs, and Group 2 metals such as Mg, Ca, Sr, and Ba. Examples of the compound BX include Li 2 O, Na 2. O, Li 2 S, Na 2 S , and the like. Examples of the solvent used for crystal growth include group 1 metals and carbonates of group 2 metals.

(iii)のAが第14族元素であり且つXが炭素元素であるとき、Aが採りうる第14族元素としては、Si,Ge,Sn等が挙げられ、化合物BXとしては1族金属や2族金属のカーバイドが挙げられる。結晶成長の際に用いる溶媒としては、1族金属や2族金属の炭酸塩等が挙げられる。   When (iii) A is a Group 14 element and X is a carbon element, examples of the Group 14 element that A can take include Si, Ge, Sn, etc. Group 2 metal carbides may be mentioned. Examples of the solvent used for crystal growth include group 1 metals and carbonates of group 2 metals.

以下において、(i)のAが第13族金属元素であり且つXが第15族元素である場合を代表例として詳しく説明する。なかでも、A金属をGa、B金属をLi、X元素をN(窒素)とする態様について特に詳しく説明する場合があるが、本発明の範囲はこの態様に限定されるものではない。また、以下の具体的態様に関する説明事項は、上記(ii)、(iii)に含まれる態様についても適宜当業者に自明な改変を加えて適用しうるものである。   Hereinafter, a case where A in (i) is a Group 13 metal element and X is a Group 15 element will be described in detail as a representative example. In particular, an embodiment in which the A metal is Ga, the B metal is Li, and the X element is N (nitrogen) may be described in detail, but the scope of the present invention is not limited to this embodiment. In addition, the following explanation regarding the specific embodiments can be applied to the embodiments included in the above (ii) and (iii) with appropriate modifications obvious to those skilled in the art.

(反応式)
本発明の反応式について、原料化合物ABXとしてガリウムおよびリチウムの複合窒化物(Li3GaN2)を用いた場合を例にとって説明する。この場合、溶媒にLi3GaN2を溶解させた溶液からのGaNの析出は以下の式で表される。
(Reaction formula)
The reaction formula of the present invention will be described by taking as an example a case where a composite nitride of gallium and lithium (Li 3 GaN 2 ) is used as the raw material compound ABX. In this case, precipitation of GaN from a solution in which Li 3 GaN 2 is dissolved in a solvent is expressed by the following equation.

GaN粉、Ga金属、LiGa合金などをリチウム化合物と加熱混合してGaN結晶を生成することは、J. Crystal Growth 247(2003)275-278頁および上記特許文献3にも記載されている。しかしながら、上記特許文献3ではリチウム化合物はGaNの原料ではなくGaNの溶解度が低いことを補う補助溶融剤である。またGa,LiGaなど金属融液を用いる場合には金属融液中の成分の密度の違いにより濃度分布が生じやすく均一な融液を作成・制御することが難しいという問題点がある。これらの問題に対して本発明ではLi3GaN2を溶融塩中に溶解させることにより、GaN生成に十分な量の窒素が含まれる均一な溶液または融液を作成することに特徴がある。Li3GaN2はイオン性溶媒中でイオン種GaN2 3-の様な化学種を形成して溶解すると考えられる。そこでイオン性溶媒を用いることで高い窒素濃度の均一な溶液または融液を10MPa以下の低圧または常圧で作成することが可能となり、系内の物質・濃度分布の管理が容易になり結晶の成長環境が安定することから大型の結晶を成長させることができる。つまり、溶液中の各溶質組成を変化させることによって、GaN結晶を溶解から析出する条件まで自由に制御できるため、単結晶の製造プロセスが初めて可能になる。 Production of GaN crystals by heating and mixing GaN powder, Ga metal, LiGa alloy and the like with a lithium compound is also described in J. Crystal Growth 247 (2003) pp. 275-278 and Patent Document 3 above. However, in Patent Document 3, the lithium compound is not a raw material of GaN but an auxiliary melting agent that compensates for the low solubility of GaN. Further, when a metal melt such as Ga or LiGa is used, there is a problem that it is difficult to create and control a uniform melt because a concentration distribution is likely to occur due to a difference in density of components in the metal melt. In order to solve these problems, the present invention is characterized in that a homogeneous solution or melt containing a sufficient amount of nitrogen for GaN production is prepared by dissolving Li 3 GaN 2 in a molten salt. Li 3 GaN 2 is considered to dissolve by forming a chemical species such as ionic species GaN 2 3− in an ionic solvent. Therefore, by using an ionic solvent, it becomes possible to create a uniform solution or melt with a high nitrogen concentration at a low pressure of 10 MPa or less or normal pressure, which makes it easy to manage the substance / concentration distribution in the system and grow crystals. Large crystals can be grown because the environment is stable. In other words, by changing each solute composition in the solution, it is possible to freely control the conditions for GaN crystals from dissolution to precipitation, so that a single crystal manufacturing process becomes possible for the first time.

一方、上記特許文献3などに記載されている従来のフラックス成長法では、Gaに対する窒素の溶解量を増加させるために1族金属であるNaやLiなどを補助溶融剤として添加しているが、低圧および常圧では溶液または融液中に溶解する窒素の量は系内のGa全てを窒化させる量に比べて非常に少ない。このためフラックス法では気相から溶液または融液への窒素の溶解がGaN析出の律速となっている。圧力が低いとGaNが成長するために十分な窒素濃度が得られないためGaN結晶を析出させるためには気相の窒素に高圧をかける必要がある。一方、結晶成長速度に対して気相窒素の圧力が高すぎると多数の微小結晶核が発生し、無数のGaN小結晶が生成するためGaN結晶を大きく成長させることができない問題も抱えている。高圧条件下で気相の圧力を結晶成長速度に合わせて適切に制御することは困難であり、これが従来のフラックス法で大型結晶を得られない原因と考えられる。
これに対して本発明では、例えばLi3GaN2を原料として用いLiClを溶媒として用いるために、常圧または10MPa以下という低圧においても十分な窒素溶解度を得られ、GaNの析出を圧力ではなく制御し易い方法で制御することが可能である。
On the other hand, in the conventional flux growth method described in Patent Document 3 and the like, a group 1 metal such as Na or Li is added as an auxiliary melting agent in order to increase the amount of nitrogen dissolved in Ga. At low pressure and normal pressure, the amount of nitrogen dissolved in the solution or melt is very small compared to the amount of nitriding all Ga in the system. For this reason, in the flux method, the dissolution of nitrogen from the gas phase into the solution or melt is the rate-determining rate of GaN precipitation. If the pressure is low, a sufficient nitrogen concentration cannot be obtained because GaN grows. Therefore, in order to precipitate a GaN crystal, it is necessary to apply a high pressure to vapor phase nitrogen. On the other hand, if the pressure of vapor phase nitrogen is too high with respect to the crystal growth rate, a large number of microcrystal nuclei are generated, and innumerable GaN small crystals are generated, so that the GaN crystal cannot be grown greatly. It is difficult to appropriately control the pressure in the gas phase in accordance with the crystal growth rate under high pressure conditions, which is considered to be the reason why large crystals cannot be obtained by the conventional flux method.
On the other hand, in the present invention, for example, Li 3 GaN 2 is used as a raw material and LiCl is used as a solvent, so that sufficient nitrogen solubility can be obtained even at a normal pressure or a low pressure of 10 MPa or less, and GaN precipitation is controlled rather than pressure. It is possible to control by the method which is easy to do.

(イオン性溶媒)
本発明では、化合物ABXをイオン性溶媒に溶解した溶液中で化合物AXを結晶成長させる。本発明で用いるイオン性溶媒は、本発明における化合物AXの結晶成長を阻害しないものであれば特に制限されない。本発明では、以下の(A)〜(D)の条件を満たすイオン性溶媒やその溶液を選択することが好ましい。
(A)生成する化合物結晶AXが実質的に不溶であり、複合化合物ABXが溶解すること。ここで、実質的に不溶とは、結晶成長温度(例えば760℃)において、溶解度が0.001重量%以下であることを意味し、溶解するとは溶解度が0.01重量%以上であることを意味する。
(B)化合物BXが溶解すること。
(C)化合物BXをその溶媒に溶解した溶液に対して、化合物結晶AXが溶解度を有すること。ここで溶解度を有するとは溶解度が0.01重量%以上であることを意味する。
(D)化合物結晶AXの前記溶液に対する溶解度が溶液中の化合物BXの溶質濃度によって、変化すること。具体的には、溶液中の化合物BXの溶質濃度が高くなったときに化合物結晶AXの溶液に対する溶解度が上がり、溶液中の化合物BXの溶質濃度が低くなったときに化合物結晶AXの溶液に対する溶解度が下がることが好ましい。
(Ionic solvent)
In the present invention, the compound AX is crystal-grown in a solution in which the compound ABX is dissolved in an ionic solvent. The ionic solvent used in the present invention is not particularly limited as long as it does not inhibit the crystal growth of the compound AX in the present invention. In the present invention, it is preferable to select an ionic solvent that satisfies the following conditions (A) to (D) and a solution thereof.
(A) The generated compound crystal AX is substantially insoluble, and the composite compound ABX is dissolved. Here, “substantially insoluble” means that the solubility is 0.001% by weight or less at a crystal growth temperature (for example, 760 ° C.), and “dissolving” means that the solubility is 0.01% by weight or more. means.
(B) Compound BX is dissolved.
(C) The compound crystal AX has solubility in a solution obtained by dissolving the compound BX in the solvent. Here, having solubility means that the solubility is 0.01% by weight or more.
(D) The solubility of the compound crystal AX in the solution varies depending on the solute concentration of the compound BX in the solution. Specifically, the solubility of the compound crystal AX in the solution increases when the solute concentration of the compound BX in the solution increases, and the solubility of the compound crystal AX in the solution when the solute concentration of the compound BX in the solution decreases. Is preferably lowered.

上記(A)〜(D)の各条件について、A金属をGa、B金属をLi、X元素をN(窒素)とし、AX結晶をGaN、化合物BXをLi3N、複合窒素化合物をLi3GaN2とする場合を例にとって以下において具体的に説明する。
(A)については、GaN結晶が溶媒に溶解する性質があると結晶品質が悪くなるため、溶媒には実質的に不溶性であることが好ましい。LiCl等のアルカリハライド溶融塩は、GaN結晶を溶解しない点で好ましい溶媒である。Li3GaN2等の複合窒化物の溶解機能をもつものとして、イオン性融体である1族金属ハライド、2族金属ハライド等の溶融塩が挙げられる。複合窒化物としてLi3GaN2を用いる場合にはLiCl単独、あるいは、LiCl−NaCl等の混合イオン性溶媒を用いることができる。
(B)を満たす溶媒としては、1族金属ハライド、2族金属ハライド等のイオン性溶媒が挙げられるが、特に複合窒化物に含まれる周期表第13族以外の金属元素を含むイオン性溶媒を用いると溶解度が高いという性質があり好ましい。特に、この場合、窒化物Li3Nの溶媒としては、Liを含むイオン性溶媒LiClやその混合塩を用いることが好ましい。
(C)については、例えばLi3NをLiClに溶解した溶液や、Li3NをLiClとNaCl等との混合塩に溶解した溶液がGaN結晶を溶解する機能をもつ。
(D)については、例えばLi3Nを溶解したLiCl溶液や、Li3Nを溶解したLiClとNaCl等との混合塩溶液へのGaN結晶の溶解度は、溶液中のLi3N溶質成分の濃度によって変化させることができる。
For each of the above conditions (A) to (D), the A metal is Ga, the B metal is Li, the X element is N (nitrogen), the AX crystal is GaN, the compound BX is Li 3 N, and the complex nitrogen compound is Li 3. The case where GaN 2 is used will be described in detail below as an example.
As for (A), since the crystal quality deteriorates if the GaN crystal has a property of being dissolved in a solvent, it is preferably substantially insoluble in the solvent. An alkali halide molten salt such as LiCl is a preferred solvent in that it does not dissolve GaN crystals. Examples of the compound having a function of dissolving a complex nitride such as Li 3 GaN 2 include molten salts such as Group 1 metal halides and Group 2 metal halides which are ionic melts. When Li 3 GaN 2 is used as the composite nitride, LiCl alone or a mixed ionic solvent such as LiCl—NaCl can be used.
Examples of the solvent satisfying (B) include ionic solvents such as Group 1 metal halides and Group 2 metal halides. In particular, an ionic solvent containing a metal element other than Group 13 of the periodic table contained in the composite nitride is used. When used, it is preferable because of its high solubility. In particular, in this case, as a solvent for the nitride Li 3 N, it is preferable to use an ionic solvent LiCl containing Li or a mixed salt thereof.
For (C), for example, it has a function of solution and dissolving the Li 3 N in LiCl, solution of Li 3 N in a mixed salt of LiCl and NaCl or the like to dissolve the GaN crystal.
The (D), for example, Li 3 N LiCl solution and dissolving the solubility of GaN crystal to mixed salt solution of LiCl, NaCl or the like by dissolving Li 3 N, the concentration of Li 3 N solute in solution Can be changed.

(溶融塩)
本発明で用いるイオン性溶媒は溶融塩を主成分とすることが好ましい。具体的には、使用するイオン性溶媒の50重量%以上が溶融塩であることが好ましく、70重量%以上が溶融塩であることがより好ましく、90重量%以上が溶融塩であることがさらに好ましい。
溶融塩の種類は、シードへのエピタキシャル成長を阻害しないものであれば特にその種類は制限されないが、原料である複合窒化物中の第13族金属元素以外の金属元素窒化物と化学的に親和力の強いものが好ましく、それらが化学平衡的に化合物をつくるものがより好ましい。例えば、ハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩、イオウ化物等を挙げることができる。また、例えば前記窒化物がLi3Nであるような場合は、この溶解量が多いLiClを含む溶融塩であることが好ましい。一般には、安定で窒素化合物の溶解性が高いハロゲン化物を用いることが好ましく、また溶融塩は、1族金属および/または2族金属を含む塩で窒素イオン源の生成反応に供されるような化合物であることがさらに好ましい。
(Molten salt)
The ionic solvent used in the present invention preferably contains a molten salt as a main component. Specifically, 50% by weight or more of the ionic solvent used is preferably a molten salt, more preferably 70% by weight or more is a molten salt, and 90% by weight or more is a molten salt. preferable.
The type of the molten salt is not particularly limited as long as it does not inhibit the epitaxial growth to the seed, but has a chemical affinity with the metal element nitride other than the Group 13 metal element in the composite nitride as a raw material. Strong ones are preferred, and those that form compounds in chemical equilibrium are more preferred. For example, halides, carbonates, nitrates, sulfurates and the like can be mentioned. For example, when the nitride is Li 3 N, it is preferably a molten salt containing LiCl having a large amount of dissolution. In general, it is preferable to use a halide which is stable and has a high solubility of nitrogen compounds, and the molten salt is a salt containing a Group 1 metal and / or a Group 2 metal and is used for a reaction for generating a nitrogen ion source. More preferably, it is a compound.

具体的には、溶融塩は、Li、Na、K、Cs等の1族金属塩および/またはMg、Ca、Sr、Ba等の2族金属塩からなる溶融塩であることが好ましい。さらに溶融塩は、LiCl、KCl、NaCl、CsCl、CaCl2、BaCl2、LiBr、KBr、CsBr、LiF、KF、NaF、LiI、NaI、CaI2、BaI2等の金属ハロゲン化物であることも好ましく、LiCl、KCl、NaCl、CsCl、CaCl2、BaCl2およびそれらの混合塩のいずれかであることも融点が下がるため好ましい。
上記溶融塩に水等の不純物が含まれている場合は、反応性気体を吹き込んで予め溶融塩を精製しておくことが望ましい。反応性気体としては、例えば、塩化水素、ヨウ化水素、臭化水素、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、塩素、臭素、ヨウ素等を挙げることができ、塩化物の溶融塩に対しては、特に塩化水素や塩素を用いることが好ましい。
Specifically, the molten salt is preferably a molten salt composed of a Group 1 metal salt such as Li, Na, K, or Cs and / or a Group 2 metal salt such as Mg, Ca, Sr, or Ba. Further molten salt, LiCl, KCl, NaCl, CsCl , CaCl 2, BaCl 2, LiBr, KBr, CsBr, LiF, KF, NaF, LiI, NaI, also be metal halides such as CaI 2, BaI 2 preferably , LiCl, KCl, NaCl, CsCl, CaCl 2 , BaCl 2 and mixed salts thereof are also preferable because the melting point is lowered.
When impurities such as water are contained in the molten salt, it is desirable to purify the molten salt in advance by blowing a reactive gas. Examples of the reactive gas include hydrogen chloride, hydrogen iodide, hydrogen bromide, ammonium chloride, ammonium bromide, ammonium iodide, chlorine, bromine, iodine and the like. In particular, it is preferable to use hydrogen chloride or chlorine.

化合物ABXとしてLi3GaN2を用いる場合は該化合物中にLiが含まれているため、溶解時の親和性、溶媒イオンと溶質イオンの密度差からもイオン性溶媒として用いる溶融塩にはLiが含まれていることが好ましい。Liが含まれる溶融塩としてはLiClが特に好ましい。
前記溶液において、Li3GaN2に対するLiClの比が小さ過ぎる(LiClが少なすぎる)と、溶媒としての量が少ないためにLi3GaN2が十分に溶解せず、その結果、得られるGaN量が少なくて大きな結晶が得られなくなるという問題がある。逆にLi3GaN2に対するLiClの比が大き過ぎる(LiClが多すぎる)と、溶媒中のLi3GaN2濃度が低下し結晶折出が困難になり量が少なく大きな結晶が得られないという問題がある。
実際の結晶成長においては、砕いた粉状、または塊状のLi3GaN2固相をLiClまたは、LiCl−NaCl溶媒中に入れておき、前記溶媒を循環させることによってLi3GaN2を少しずつ、連続的に溶解していく方法が好ましく採用される。
When Li 3 GaN 2 is used as the compound ABX, since Li is contained in the compound, Li is contained in the molten salt used as the ionic solvent from the affinity at the time of dissolution and the difference in density between solvent ions and solute ions. It is preferably included. LiCl is particularly preferable as the molten salt containing Li.
In the solution, if the ratio of LiCl to Li 3 GaN 2 is too small (LiCl is too small), the amount as a solvent is so small that Li 3 GaN 2 is not sufficiently dissolved. There is a problem that a large crystal cannot be obtained with a small amount. On the other hand, if the ratio of LiCl to Li 3 GaN 2 is too large (too much LiCl), the concentration of Li 3 GaN 2 in the solvent decreases, making it difficult to fold the crystal and making it difficult to obtain large crystals with a small amount. There is.
In actual crystal growth, a crushed powdered or massive Li 3 GaN 2 solid phase is placed in LiCl or a LiCl-NaCl solvent, and Li 3 GaN 2 is gradually added by circulating the solvent. A method of continuously dissolving is preferably employed.

使用する溶融塩は、式(A)によって生成するLi3Nを溶解させる性質を持つものであることが望ましい。Li3Nを溶解させる性質を持たない溶融塩を用いると、溶液または融液中からの式(A)の反応が固相のGaNの析出と固相のLi3Nの析出が同時に生じることとなり、結晶成長の制御が難しくなるためである。 It is desirable that the molten salt used has a property of dissolving Li 3 N produced by the formula (A). If a molten salt that does not have the property of dissolving Li 3 N is used, the reaction of formula (A) from the solution or melt results in the simultaneous precipitation of solid-phase GaN and solid-phase Li 3 N. This is because it becomes difficult to control crystal growth.

また溶融塩は、複数の化合物の混合物であってもよく、例えば複数の1族金属ハロゲン化物の混合物でもよい。2成分以上の1族金属ハロゲン化物の混合物の溶融塩を溶媒として用いることでLi3GaN2の溶解度およびGaNの溶解度をGaNの析出が最適になるように調整する際の制御の幅が広がり、GaNの結晶析出に最適な溶媒条件に合わせることができる。また溶融塩中の複合窒化物の溶解度および第13族金属窒化物以外の金属窒化物の溶液からの蒸発量を制御することもできる。各種1族金属ハロゲン化物の混合溶融塩の中ではLiClとNaClの混合溶融塩を用いることが望ましい。複数の塩の混合物の溶融塩は2種類以上の塩を別々の固体として反応系内に導入し、加熱溶融させて作成することも可能であるが、混合塩(例えばLiClとNaClの混合塩)を加熱溶融させて作成することが、系内の均一性の観点から望ましい。 The molten salt may be a mixture of a plurality of compounds, for example, a mixture of a plurality of Group 1 metal halides. By using a molten salt of a mixture of two or more Group 1 metal halides as a solvent, the range of control when adjusting the solubility of Li 3 GaN 2 and the solubility of GaN so that the precipitation of GaN is optimized is widened. It can be adjusted to the optimum solvent conditions for GaN crystal precipitation. It is also possible to control the solubility of the composite nitride in the molten salt and the amount of evaporation from a solution of a metal nitride other than the Group 13 metal nitride. Among the mixed molten salts of various Group 1 metal halides, it is desirable to use a mixed molten salt of LiCl and NaCl. A molten salt of a mixture of a plurality of salts can be prepared by introducing two or more kinds of salts as separate solids into a reaction system and melting them by heating. However, a mixed salt (for example, a mixed salt of LiCl and NaCl) can be prepared. From the viewpoint of uniformity in the system, it is desirable to heat and melt the material.

(Li3N濃度の制御)
式(A)にしたがって生成したLi3Nは1族金属ハロゲン化物の溶融塩中に溶解するため、反応の進行とともに溶媒中のLi3N濃度の成分は上昇し、Li3N濃度を制御しない場合の反応は平衡に達して停止する。本発明者らは、こうした理由から従来の技術では結晶の成長が遅く、また、小さな結晶しか得られないと考え、この問題を解決する手段を有する本発明に到達した。すなわち、本発明においては、式(A)の反応の進行とともに上昇する溶媒中のLi3N濃度を何らかの手段で取り除くことにより、濃度を制御することによってGaNを析出させることができる。Li3N濃度の制御方法としては蒸発、分解反応、他の化学種(例えばGaなどのA金属や、タングステンなど)との反応、反応場以外の溶媒中への拡散などによっても可能である。Li3Nの濃度を制御する方法は、これらの方法のうちの一つの方法を用いても、いくつかの方法を組み合わせて行ってもよい。
(Control of Li 3 N concentration)
Since Li 3 N produced according to the formula (A) is dissolved in the molten salt of Group 1 metal halide, the component of Li 3 N concentration in the solvent increases with the progress of the reaction, and the Li 3 N concentration is not controlled. The reaction stops when it reaches equilibrium. For these reasons, the inventors of the present invention considered that the growth of crystals is slow in the conventional technique and that only small crystals can be obtained, and the present inventors have reached the present invention having means for solving this problem. That is, in the present invention, GaN can be precipitated by controlling the concentration by removing the Li 3 N concentration in the solvent that rises with the progress of the reaction of formula (A) by some means. As a method for controlling the Li 3 N concentration, evaporation, decomposition reaction, reaction with other chemical species (for example, A metal such as Ga, tungsten, etc.), diffusion into a solvent other than the reaction field, and the like are also possible. The method for controlling the concentration of Li 3 N may be performed using one of these methods or by combining several methods.

例えば、蒸発による除去方法として、N2流通下においてLi3Nを連続的に蒸発させて反応系内から取り除くことで、結晶成長を連続的に進行させることができる。高圧下においては、蒸発によるLi3Nの除去が妨げられるため式(A)の平衡が右にずれにくくなり、溶液または融液中のGaN溶解度は低下する。従って結晶成長は低圧、具体的には10MPa以下で成長を行うことが望ましい。Li3Nの蒸発の程度を調整することによって、結晶の成長速度や大きさや質を制御することが可能である。Li3Nの蒸発の程度を調整するには、例えば圧力、雰囲気ガスの流量や流速、蒸発時間、攪拌、LiClに混合する他のアルカリハライドの割合などの条件を適宜調整すればよい。
また、溶融塩中のLi3N溶質成分を溶液表面からの蒸発によって除去する方法では、LiCl中にNaClを混合するとLi3N溶質成分の蒸発速度が増すため、好ましい。このとき、LiCl(100重量部)に対してNaClを0.01〜70重量部用いることが好ましく、0.1〜50重量部用いることがより好ましく、0.1〜40重量部用いることがさらに好ましい。
また溶媒としての溶融塩の量を十分多く取ることで、拡散により結果として結晶成長部でのLi3N濃度の変化を小さくすることもできる。具体的には、原料である化合物ABXに対して、溶媒としての溶融塩を質量比で2〜1000倍量用いることが好ましく、5〜100倍量用いることがより好ましい。
For example, as a removing method by evaporation, crystal growth can be continuously advanced by continuously evaporating Li 3 N under N 2 flow and removing it from the reaction system. Under high pressure, the removal of Li 3 N by evaporation is hindered, so that the equilibrium of formula (A) is less likely to shift to the right, and the GaN solubility in the solution or melt decreases. Accordingly, it is desirable that crystal growth be performed at a low pressure, specifically, 10 MPa or less. By adjusting the degree of evaporation of Li 3 N, it is possible to control the growth rate, size and quality of the crystal. In order to adjust the degree of evaporation of Li 3 N, for example, conditions such as pressure, flow rate and flow rate of atmospheric gas, evaporation time, stirring, and the proportion of other alkali halides mixed with LiCl may be adjusted as appropriate.
Further, in the method of removing the Li 3 N solute component in the molten salt by evaporation from the solution surface, mixing NaCl with LiCl is preferable because the evaporation rate of the Li 3 N solute component increases. At this time, 0.01 to 70 parts by weight of NaCl is preferably used relative to LiCl (100 parts by weight), more preferably 0.1 to 50 parts by weight, and further preferably 0.1 to 40 parts by weight. preferable.
Further, by taking a sufficiently large amount of the molten salt as a solvent, it is possible to reduce the change in the Li 3 N concentration in the crystal growth portion as a result of diffusion. Specifically, it is preferable to use a molten salt as a solvent in an amount of 2 to 1000 times, more preferably 5 to 100 times the amount of the compound ABX which is a raw material.

溶融塩中のLi3Nを分解によって除去する方法としては、例えば塩化水素または塩素をキャリアーガスとともに反応容器内に導入し、気−液界面で反応させるか、あるいは直接溶液の中に吹き込むことによって、Li3NをLiClとN2、H2(塩化水素の場合)に分解してもよい。反応をもっと穏やかに進める場合は、塩化アンモニウムを気体で供給し溶融塩の表面で分解した塩化水素を利用してもよい。このような反応性ガスをキャリアーガスとともに反応容器内に導入する際の反応ガス濃度は、ガス全体の0.01〜50%であることが好ましく、0.01〜10%であることがより好ましく、0.05〜5%であることがさらに好ましい。また、反応性ガスを含むキャリアガスの流量は1〜1000ml/minであることが好ましく、1〜500ml/minであることがより好ましく、10〜100ml/minであることがさらに好ましい。
また、GaなどのA金属かまたはA金属元素を含む化合物を、溶液中であって、結晶成長場とは離れた場所に配置し、下記式(B)の反応式にしたがって、Li3Nを除去することもできる。
As a method of removing Li 3 N in the molten salt by decomposition, for example, hydrogen chloride or chlorine is introduced into a reaction vessel together with a carrier gas and reacted at a gas-liquid interface or directly blown into a solution. Li 3 N may be decomposed into LiCl, N 2 and H 2 (in the case of hydrogen chloride). In order to proceed the reaction more gently, hydrogen chloride decomposed on the surface of the molten salt by supplying ammonium chloride in a gas may be used. The reaction gas concentration when introducing such a reactive gas into the reaction vessel together with the carrier gas is preferably 0.01 to 50%, more preferably 0.01 to 10% of the total gas. 0.05 to 5% is more preferable. The flow rate of the carrier gas containing the reactive gas is preferably 1 to 1000 ml / min, more preferably 1 to 500 ml / min, and further preferably 10 to 100 ml / min.
Further, a compound containing an A metal such as Ga or an A metal element is placed in a solution and away from the crystal growth field, and Li 3 N is added according to the reaction formula of the following formula (B). It can also be removed.

式(B)にしたがって発生するLiは、例えばGaと合金化することにより除去される。また、Liは、結晶成長に必要な溶質成分Li3GaN2の原料ともなり得る。 Li generated according to the formula (B) is removed by alloying with Ga, for example. Li can also be a raw material for the solute component Li 3 GaN 2 necessary for crystal growth.

このようにして第13族窒化物結晶の成長において、系内のLi3Nの濃度を適切に制御することにより式(A)の平衡で反応を停止することなく、厚膜状またはバルク状の第13族金属窒化物の結晶を連続的に成長させることが可能になる。すなわち、窒化物結晶の原料である複合窒化物Li3GaN2を上記(A)の機能を用いることによって溶媒に溶解し、上記(D)の機能を利用して、窒化物GaN結晶の成長速度を精密に制御することによって、高品質のGaN単結晶を得ることができる。反応容器内では、基板以外にも自核発生したGaNの微結晶も存在し、結晶基板付近の溶質濃度にも影響を与えることがある。こうした場合は、基板結晶への成長速度を一定に保つために、Li3Nを取り除く速さを、結晶成長容器内の状況に応じて制御することが好ましい。例えば、製造装置においては、溶液からのLi3N除去量を何らかの手段でモニターしながら、Li3Nの除去速度を制御することができる。本発明によって得られる第13族窒化物結晶の品質、成長速度はこのようにして制御される反応の速度にも左右される。 In this way, in the growth of the Group 13 nitride crystal, by controlling the concentration of Li 3 N in the system appropriately, the reaction is not stopped at the equilibrium of the formula (A), but the thick film or bulk It becomes possible to continuously grow Group 13 metal nitride crystals. That is, the compound nitride Li 3 GaN 2 which is a raw material of the nitride crystal is dissolved in a solvent by using the function (A), and the growth rate of the nitride GaN crystal is obtained by using the function (D). By precisely controlling, a high quality GaN single crystal can be obtained. In the reaction vessel, there are also GaN microcrystals that are self-nucleated in addition to the substrate, which may affect the solute concentration near the crystal substrate. In such a case, in order to keep the growth rate on the substrate crystal constant, it is preferable to control the speed at which Li 3 N is removed in accordance with the situation in the crystal growth vessel. For example, in the production apparatus, the Li 3 N removal rate can be controlled while monitoring the amount of Li 3 N removed from the solution by some means. The quality and growth rate of the Group 13 nitride crystals obtained by the present invention depend on the reaction rate thus controlled.

(化合物ABX)
本発明では、化合物AXを結晶成長させるための原料として、化合物ABXを用いる。化合物ABXを構成するA,B,Xのそれぞれについては、上で説明した通りである。好ましい化合物ABXとして、Li3GaN2、Ca3Ga24、Ba3Ga24、Mg3GaN3等を挙げることができる。
一般的に、液相の結晶成長では、原料として、製品の単結晶と同じ粉、あるいは微結晶を用いる。例えば、GaN単結晶の製造を考える場合、原料のGaN粉を作るのにもコストがかかるが、本発明による方法では、低コストで製造可能な複合窒化物を使うため、工業プロセスとして有利という特徴がある。
(Compound ABX)
In the present invention, compound ABX is used as a raw material for crystal growth of compound AX. Each of A, B, and X constituting the compound ABX is as described above. Preferred compounds ABX include Li 3 GaN 2 , Ca 3 Ga 2 N 4 , Ba 3 Ga 2 N 4 , Mg 3 GaN 3 and the like.
Generally, in liquid phase crystal growth, the same powder or microcrystal as the single crystal of the product is used as a raw material. For example, when considering the production of a GaN single crystal, it is costly to produce a raw material GaN powder, but the method according to the present invention uses a composite nitride that can be produced at a low cost, which is advantageous as an industrial process. There is.

本発明で用いる化合物ABXは、化学的に合成したものであってもよいし、反応性スパッター等のドライプロセスで得たものであってもよい。XがNである複合窒化物を合成する際に通常用いられる方法は、第13族金属と13族以外の金属元素との合金をつくっておき、窒素雰囲気中で温度を上げながら溶解する方法であり、容易に合成することができる。通常、アモノサーマル法等では、目的の第13族金属窒化物結晶の微粉または微結晶を合成し、これを溶媒に溶解するが、こうしたプロセスから較べると、非常に容易に原料を作ることができ、工業的な価値は大きい。また、経済性は劣るが、第13族金属窒化物結晶の微粉と第13族金属以外の元素の窒化物(例えばLi3N、Ca32)とを混合した後、高温で固相反応させることによっても合成することができる。また、複合窒化物は化学的に合成された結晶性のものでなくともよく、例えば、それらの合金からなるターゲットを反応性スパッターにより、窒素プラズマとの反応で作製したサファイア基板や石英等の基板上に生成した化学量論組成からずれたアモルファス状の物質であってもよい。複合窒化物の種類によっては、合成の時にB金属成分をやや多く含ませた方が、反応が進行しやすい場合がある。こうしたドライプロセスで作られた複合窒化物薄膜は、溶融塩と接触させておくと、窒化物薄膜から溶融塩へ窒化物が少しずつ溶解し、界面付近に拡散支配の窒化物溶解相を形成でき、シードをこの界面付近に置くことによって容易に結晶成長が達成できる。また、ドライプロセスを用いる特徴としては、化学的に合成が難しいような窒化物でも容易に作製ができることが挙げられる。
本発明では、化合物ABXを2種類以上用いてもよい。
The compound ABX used in the present invention may be chemically synthesized or may be obtained by a dry process such as reactive sputtering. The method usually used when synthesizing a composite nitride in which X is N is a method in which an alloy of a Group 13 metal and a metal element other than Group 13 is made and dissolved while raising the temperature in a nitrogen atmosphere. Yes, it can be easily synthesized. Usually, in the ammonothermal method or the like, the fine powder or crystallite of the target Group 13 metal nitride crystal is synthesized and dissolved in a solvent. However, compared with such a process, it is very easy to make a raw material. Yes, and industrial value is great. Moreover, although it is inferior in economic efficiency, after mixing fine powder of Group 13 metal nitride crystal and nitride of elements other than Group 13 metal (for example, Li 3 N, Ca 3 N 2 ), solid phase reaction at high temperature Can also be synthesized. The composite nitride may not be a chemically synthesized crystalline material. For example, a substrate such as a sapphire substrate or quartz produced by reacting a target made of an alloy thereof with nitrogen plasma by reactive sputtering. It may be an amorphous substance deviating from the stoichiometric composition generated above. Depending on the type of composite nitride, the reaction may be more likely to proceed if a slightly larger amount of the B metal component is included during synthesis. When the composite nitride thin film produced by such a dry process is kept in contact with the molten salt, the nitride gradually dissolves from the nitride thin film to the molten salt, and a diffusion-dominated nitride dissolved phase can be formed near the interface. Crystal growth can be easily achieved by placing the seed in the vicinity of this interface. Further, as a feature of using the dry process, it is possible to easily produce even a nitride that is difficult to synthesize chemically.
In the present invention, two or more kinds of compounds ABX may be used.

(Li3GaN2の合成)
Li3GaN2は、GaNとLi3Nを約700℃で反応させるか(方法A)、あるいはGa−Li合金を窒素雰囲気中で600〜800℃で加熱処理する(方法B)ことによって作製することができる。また、イオン性溶媒中でGaNとLi3Nを反応させて製造することもできる。この方法では複合窒化物は生成した際に既にイオン性溶媒に溶解した溶液または融液となっているため、この溶液または融液の温度を低下させる手法により複合窒化物とイオン性溶媒が混合した固体が得られる。この混合固体を結晶成長の原料として用いると、複合窒化物とイオン性溶媒の両者を別々に結晶成長装置に投入する場合に比べて、均一な溶液または融液を得やすい利点がある。また、別の方法として、Li金属、Ga−Li合金をターゲットとして、窒素プラズマによる反応性スパッターを行い、Li−N、Ga−Li−Nの混合組成アモルファス膜を作り、これをLi3GaN2の代用とすることもできる。この場合は薄膜状の結晶を作るのに好都合であるばかりでなく、化学的には合成が困難な材料系でも作製が可能という長所がある。
Li3GaN2を作成する際の反応容器としては周期表第2〜3族金属を含む酸化物、具体的にはMg,Ca,Al,Ti,Y,Ce等の酸化物からなる耐火材、特に酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の安価な耐火材を用いることができる。
Li3GaN2以外の複合窒化物についても、上記のLi3GaN2に類する方法により作製することができる。
(Synthesis of Li 3 GaN 2 )
Li 3 GaN 2 is produced by reacting GaN and Li 3 N at about 700 ° C. (Method A), or by heat-treating a Ga—Li alloy at 600 to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere (Method B). be able to. Alternatively, it can be produced by reacting GaN and Li 3 N in an ionic solvent. In this method, when the composite nitride is formed, it is already a solution or melt dissolved in the ionic solvent. Therefore, the composite nitride and the ionic solvent are mixed by a method of lowering the temperature of the solution or melt. A solid is obtained. When this mixed solid is used as a raw material for crystal growth, there is an advantage that a uniform solution or melt can be easily obtained as compared with the case where both the composite nitride and the ionic solvent are separately charged into the crystal growth apparatus. As another method, reactive sputtering by nitrogen plasma is performed using Li metal and a Ga—Li alloy as a target to form a mixed composition amorphous film of Li—N and Ga—Li—N, which is formed as Li 3 GaN 2. It can also be substituted. In this case, it is not only convenient for producing a thin film crystal, but also has an advantage that it can be produced even in a material system that is chemically difficult to synthesize.
As a reaction vessel when producing Li 3 GaN 2 , a refractory material made of an oxide containing a metal of Group 2 to 3 of the periodic table, specifically an oxide such as Mg, Ca, Al, Ti, Y, Ce, In particular, inexpensive refractory materials such as yttrium oxide, magnesium oxide, and calcium oxide can be used.
Complex nitrides other than Li 3 GaN 2 can also be produced by a method similar to the above Li 3 GaN 2 .

一方、Li3GaN2の上記合成法には問題もある。すなわち、方法Aで原料を化学量論比であるLi3N:GaN=1.00の組成比で用いるか、または上記方法BでLi/Ga=3.0の組成比の合金を用いると、Li3GaN2中の含Li成分が気化して失われるために、高純度のLi3GaN2を合成できないという問題がある。この問題を解決するためにはLi3NをGaNに対して過剰、あるいはLi/Ga=3.0を超える比の合金を用いる必要がある。しかしこのようなLi過剰な組成比でLi3GaN2を合成すると、不純物としてLi3Nが含まれる問題点がある。Li3Nが不純物としてLi3GaN2に含まれると、生成したGaNあるいはシードとしてのGaNがLi3Nと反応し溶解(メルトバック)して消失してしまう。
この課題を解決するために本発明では下記の1)または2)の手法を採用することが好ましい。
1) 結晶育成する際にシードを投入する前にLi3GaN2中の不純物Li3Nを除去する手法
2) Li3GaN2を合成した後、結晶育成に供する前にLi3Nを除去する手法
1)の具体例としては、シードを投入する前に蒸発、HClとの反応などによって過剰Li3Nを系外に除去あるいは分解する手法が挙げられる。また、2)の具体例としてはLi3GaN2を合成後に600℃などの高温真空下に保持し、過剰なLi3Nを除去する方法が挙げられる。保持時間は好ましくは0.1〜100時間であり、より好ましくは0.1〜10時間であり、さらに好ましくは0.5〜5時間である。
On the other hand, there is a problem with the above synthesis method of Li 3 GaN 2 . That is, when the raw material is used at a composition ratio of Li 3 N: GaN = 1.00 which is a stoichiometric ratio in Method A, or an alloy having a composition ratio of Li / Ga = 3.0 is used in Method B above, Since the Li-containing component in Li 3 GaN 2 is vaporized and lost, there is a problem that high-purity Li 3 GaN 2 cannot be synthesized. In order to solve this problem, it is necessary to use an alloy having an excess of Li 3 N with respect to GaN or a ratio exceeding Li / Ga = 3.0. However, when Li 3 GaN 2 is synthesized with such a Li-excess composition ratio, there is a problem that Li 3 N is contained as an impurity. If Li 3 N is contained as an impurity in Li 3 GaN 2 , the produced GaN or seed GaN reacts with Li 3 N to dissolve (melt back) and disappear.
In order to solve this problem, it is preferable to adopt the following method 1) or 2) in the present invention.
1) Method of removing impurities Li 3 N in Li 3 GaN 2 before introducing seeds during crystal growth 2) After synthesizing Li 3 GaN 2 , Li 3 N is removed before being used for crystal growth As a specific example of the technique 1), there is a technique in which excess Li 3 N is removed or decomposed out of the system by evaporation, reaction with HCl, or the like before seeding. As a specific example of 2), there is a method in which Li 3 GaN 2 is synthesized and held under a high temperature vacuum such as 600 ° C. to remove excess Li 3 N. The holding time is preferably 0.1 to 100 hours, more preferably 0.1 to 10 hours, and further preferably 0.5 to 5 hours.

Li3GaN2の量論組成よりもLi3Nが過剰に存在している状態で溶液を調製するとGaN濃度が低くなってしまうため、結晶成長にとって好ましくない。したがって、本発明において、Li3N成分を化学量論組成から僅かに多く含むLi3GaN2を用いる場合には、Liを含むイオン性溶媒(例えばLiClや、LiCl−NaCl等の混合イオン性溶媒)に溶解し、この溶液から過剰なLi3N溶質成分を除去してLi3N濃度を制御することによりGaNの結晶成長を促進することができる。Li3Nの除去方法については、上記の方法を適宜選択して用いることができる。 If a solution is prepared in a state where Li 3 N is present in excess of the stoichiometric composition of Li 3 GaN 2, the GaN concentration becomes low, which is not preferable for crystal growth. Accordingly, in the present invention, Li 3 when the N component using Li 3 GaN 2 containing slightly more from the stoichiometric composition, the ionic solvent (e.g. LiCl or mixed ionic solvent such as LiCl-NaCl containing Li ) And removing the excess Li 3 N solute component from this solution to control the Li 3 N concentration, thereby promoting the crystal growth of GaN. For the method of removing the li 3 N, it can be appropriately selected and used the method described above.

(BX以外の添加物)
また複合金属窒化物の溶解度を増加させるために溶融塩中に第13族金属元素以外の金属元素の窒化物を添加させることもできる。この第13族金属元素以外の金属元素の窒化物としてはLi3Nの他、Ca32、Sr32、Ba32などを用いることが好ましい。
また、結晶中への第13族金属以外の物質をドーピングする場合は、例えばMg32、Mg3GaN3等の窒化物の形にして溶融塩に溶解するか、あるいは溶媒の一部として、例えばMgCl2等を加えておけばよい。
(Additives other than BX)
In order to increase the solubility of the composite metal nitride, a nitride of a metal element other than the Group 13 metal element can be added to the molten salt. As a nitride of a metal element other than the Group 13 metal element, it is preferable to use Li 3 N, Ca 3 N 2 , Sr 3 N 2 , Ba 3 N 2 or the like.
Further, when doping a substance other than the Group 13 metal into the crystal, it is dissolved in a molten salt in the form of a nitride such as Mg 3 N 2 or Mg 3 GaN 3 or as a part of the solvent. For example, MgCl 2 or the like may be added.

(シード)
本発明において化合物AXを結晶成長させる際には、第13族金属窒化物結晶または基板を結晶成長のためのシード (種結晶)として用いることが好ましい。シードの形状は特に制限されず、平板状であっても、棒状であってもよい。また、ホモエピタキシャル成長用のシードであってもよいし、ヘテロエピタキシャル成長用のシードであってもよい。具体的には、気相成長させたGaN、InGaN、AlGaN等の13族金属窒化物のシードを挙げることができる。また、サファイア、シリカ、ZnO、BeO等の金属酸化物や、SiC、Si等の珪素含有物や、GaAs等の気相成長等で基板として用いられる材料を挙げることもできる。これらのシードの材料は、本発明で成長させる第13族金属窒化物結晶の格子定数にできるだけ近いものを選択することが好ましい。棒状のシードを用いる場合には、最初にシード部分で成長させ、次いで水平方向にも結晶成長を行いながら、垂直方向に結晶成長を行うことによってバルク状の結晶を作製することもできる。
また、極性面をもつウルツ構造のGaN等をシードに使う場合は、N極性面に溶融塩中でエピタキシャル成長を行うと、扇状に成長面積が増加し、小さなシードから大きな面積の結晶を製造することができるので、好ましい。
メルトバックを防いで効率よく結晶成長させるためには、シードの表面粗さ(Ra)は5nm以下であることが好ましく、1nm以下であることがより好ましく、0.5nm以下であることがさらに好ましい。
(seed)
In the present invention, when the compound AX is crystal-grown, it is preferable to use a Group 13 metal nitride crystal or a substrate as a seed (seed crystal) for crystal growth. The shape of the seed is not particularly limited, and may be a flat plate shape or a rod shape. Further, it may be a seed for homoepitaxial growth or a seed for heteroepitaxial growth. Specific examples include seeds of group 13 metal nitrides such as vapor grown GaN, InGaN, and AlGaN. In addition, metal oxides such as sapphire, silica, ZnO, and BeO, silicon-containing materials such as SiC and Si, and materials used as a substrate in vapor phase growth of GaAs and the like can be given. The seed material is preferably selected as close as possible to the lattice constant of the Group 13 metal nitride crystal grown in the present invention. In the case of using a rod-shaped seed, a bulk crystal can be produced by first growing in a seed portion and then performing crystal growth in the vertical direction while also performing crystal growth in the horizontal direction.
Also, when using wurtzite GaN or the like having a polar face as a seed, epitaxial growth in molten salt on the N polar face increases the fan-shaped growth area, and produces a large area crystal from a small seed. Is preferable.
In order to prevent the meltback and efficiently grow the crystal, the seed surface roughness (Ra) is preferably 5 nm or less, more preferably 1 nm or less, and further preferably 0.5 nm or less. .

(反応雰囲気)
本発明では反応雰囲気として気相に窒素を含まない系でも実施することが可能であり、例えばアルゴン雰囲気中で実施することができる。アルゴンは窒素に比べて酸素の混入を抑え易く、アルゴン雰囲気下で結晶成長を行うことで結晶への酸素の混入を低減させることができる。なお、反応雰囲気とは、Li3GaN2を溶融塩中に溶解させた溶液を含む反応容器の周囲の気相成分を意味している。
(Reaction atmosphere)
In the present invention, the reaction atmosphere can be carried out even in a system in which the gas phase does not contain nitrogen, for example, in an argon atmosphere. Argon is easier to suppress the mixing of oxygen than nitrogen, and by performing crystal growth in an argon atmosphere, the mixing of oxygen into the crystal can be reduced. The reaction atmosphere means a gas phase component around the reaction vessel containing a solution in which Li 3 GaN 2 is dissolved in a molten salt.

(反応温度および圧力)
本発明において、第13族金属窒化物結晶を析出させるための反応温度は、通常200〜1000℃であり、好ましくは400〜850℃、さらに好ましくは、600〜800℃である。本発明では、複合窒化物を溶融塩に溶解させて用いるため、複合窒化物の融点より低温で用いることが可能になっている。
本発明において、第13族金属窒化物結晶を析出させるための反応容器内の圧力は、通常10MPa以下であり、好ましくは3MPa以下、さらに好ましくは0.3MPa以下、より好ましくは0.11MPa以下である。
(Reaction temperature and pressure)
In the present invention, the reaction temperature for precipitating the Group 13 metal nitride crystal is usually 200 to 1000 ° C, preferably 400 to 850 ° C, more preferably 600 to 800 ° C. In the present invention, since the composite nitride is used by being dissolved in a molten salt, it can be used at a temperature lower than the melting point of the composite nitride.
In the present invention, the pressure in the reaction vessel for precipitating the Group 13 metal nitride crystal is usually 10 MPa or less, preferably 3 MPa or less, more preferably 0.3 MPa or less, more preferably 0.11 MPa or less. is there.

(容器材料)
本発明に用いられる前記溶液に触れる反応容器や結晶成長のための部品は、熱的および化学的に安定な酸化物を主成分とするものであることが好ましい。以下の表1は、各酸化物の標準生成エネルギー(Ihsan Barin : Thermochemical dada of pure substances (VCH))を示したものであり、負であればあるほど化学的に安定であることを示す。
(Container material)
It is preferable that the reaction vessel and the part for crystal growth that are in contact with the solution used in the present invention are mainly composed of a thermally and chemically stable oxide. Table 1 below shows the standard production energy (Ihsan Barin: Thermochemical dada of pure substances (VCH)) of each oxide, and the more negative, the more chemically stable.

ここでいう主成分とは、反応容器内の溶液または融液に触れる壁面(内壁)を構成する材質に含まれる酸化物成分において90重量%以上を占める成分を意味し、好ましくは反応容器内の溶液または融液に触れる壁面を構成する材質に含まれる酸化物成分において95重量%以上を占める成分である。反応容器が均一な材質からなる場合は、反応容器全体を構成する材質に含まれる酸化物成分において90重量%以上、好ましくは95重量%以上を占める成分に等しい。また、ここでいう酸化物は、Mg、Ca、Al、Ti、Y、Ce、La等の周期表第2〜3族金属元素を含む酸化物であることが好ましい。より好ましくは標準生成エネルギーが1000Kにおいて−930kJ/mol以下であり化学的に安定な酸化物、具体的にはY23、CaO、La23、MgOなどが好ましく、特に好ましくは標準生成エネルギーが1000Kにおいて−1000kJ/mol以下である酸化物、具体的にはY23、CaO、La23などが好ましい。 The main component here means a component occupying 90% by weight or more in the oxide component contained in the material constituting the wall surface (inner wall) in contact with the solution or melt in the reaction vessel, preferably in the reaction vessel It is a component occupying 95% by weight or more in the oxide component contained in the material constituting the wall surface that comes into contact with the solution or melt. When the reaction vessel is made of a uniform material, it is equal to a component occupying 90% by weight or more, preferably 95% by weight or more in the oxide component contained in the material constituting the entire reaction vessel. Moreover, it is preferable that an oxide here is an oxide containing periodic table 2nd-3rd group metal elements, such as Mg, Ca, Al, Ti, Y, Ce, La. More preferably, a standard production energy is −930 kJ / mol or less at 1000 K and a chemically stable oxide, specifically Y 2 O 3 , CaO, La 2 O 3 , MgO, etc. is preferred, and standard production is particularly preferred. An oxide having an energy of −1000 kJ / mol or less at 1000 K, specifically, Y 2 O 3 , CaO, La 2 O 3 or the like is preferable.

(具体的な製造方法)
次に本発明の製造方法を、図面を参照しながらさらに具体的に説明する。図1〜3および17〜18は、本発明を実施する際に用いる第13族金属窒化物結晶成長のための製造装置の構成例を示すものであり、図4、図5、図11、図12、図15、図16は、本発明の実施例にて使用した装置を示す図である。また、図6は、溶融塩の精製装置の概略説明図であり、結晶成長に用いられる溶融塩はあらかじめこの装置により精製(主として脱水)される。
(Specific manufacturing method)
Next, the manufacturing method of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. FIGS. 1-3 and 17-18 show the structural example of the manufacturing apparatus for the group 13 metal nitride crystal growth used when implementing this invention, FIG.4, FIG.5, FIG.11, FIG. 12, FIG. 15 and FIG. 16 are diagrams showing the apparatus used in the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic explanatory diagram of the apparatus for purifying molten salt. The molten salt used for crystal growth is purified (mainly dehydrated) by this apparatus in advance.

(溶融塩の精製装置)
塩化物等の溶融塩は、一般に吸湿性が強いために多くの水分を含んでいる。本発明を実施する際に水分を含んでいる溶融塩を用いると、反応容器内で第13族金属の酸化物が形成され、また、反応容器が腐食しやすくなることから好ましくない。そこで、図6に示すような試料密封型の前処理装置(溶融塩、熱技術の基礎、(株)アグネ技術センター発行p266参照)を用いて、予め水等の不純物を取り除いておくことが好ましい。図6に示す装置を用いて精製するときは、まず精製しようとする金属塩を精製容器21中に入れ、真空下またはガス排出口19から精製容器21内を真空に引きながら、塩精製装置用電気炉15の温度を昇温させ、さらにアルゴンガス等の不活性ガスまたは塩化水素ガス等の反応性ガス雰囲気に切り替えて金属塩を溶融させる。その後、溶融状態の金属塩に、塩化水素ガス等の反応性ガスをガス導入管20から多孔質フィルター22を介して約1時間以上吹き込んでバブリングを行う。バブリング終了後に、ガス導入管20側を減圧し、必要に応じてガス排出口19側から不活性ガスを用いて圧力をかけることにより、溶融塩を試料溜め23に移す。冷却後、真空状態にして試料溜め23の上部を封じ切ることで、精製試料を真空封入して保存する。なお、溶融塩中に上記方法では除去できない重金属等が含まれている場合には、この塩をさらにゾーンメルト法によって精製することが好ましい。
(Molten salt purification equipment)
Molten salts such as chlorides generally contain a large amount of moisture because of their high hygroscopicity. When a molten salt containing water is used in carrying out the present invention, it is not preferable because an oxide of a Group 13 metal is formed in the reaction vessel and the reaction vessel is easily corroded. Therefore, it is preferable to remove impurities such as water in advance by using a sample-sealed pretreatment apparatus as shown in FIG. 6 (molten salt, basics of thermal technology, see p266 issued by Agne Technical Center Co., Ltd.). . When purifying using the apparatus shown in FIG. 6, first, the metal salt to be purified is put into the purification container 21, and the inside of the purification container 21 is evacuated from the gas outlet 19 under vacuum or for the salt purification apparatus. The temperature of the electric furnace 15 is raised, and the metal salt is melted by switching to an inert gas atmosphere such as argon gas or a reactive gas atmosphere such as hydrogen chloride gas. Thereafter, a reactive gas such as hydrogen chloride gas is blown into the molten metal salt from the gas introduction pipe 20 through the porous filter 22 for about 1 hour or longer to perform bubbling. After the bubbling is completed, the gas introduction pipe 20 side is depressurized, and the molten salt is transferred to the sample reservoir 23 by applying pressure using an inert gas from the gas discharge port 19 side as necessary. After cooling, the purified sample is vacuum-sealed and stored by evacuating and sealing the top of the sample reservoir 23. In addition, when heavy metals etc. which cannot be removed by the above method are contained in the molten salt, it is preferable to further purify the salt by the zone melt method.

次に、本発明にしたがって第13族金属窒化物結晶を成長させる工程を具体的に説明する。ここでは、第13族の金属元素と第13族以外の金属元素からなる複合窒化物Li3GaN2を原料とし、溶融塩として図6の装置により精製したLiClを含む溶融塩を用いた場合を例にとって説明する。以下の説明は、これら以外の材料を選択した場合にも応用しうる。 Next, the process of growing a Group 13 metal nitride crystal according to the present invention will be specifically described. Here, a case where a composite nitride Li 3 GaN 2 composed of a metal element of Group 13 and a metal element other than Group 13 is used as a raw material and a molten salt containing LiCl purified by the apparatus of FIG. 6 is used as a molten salt is used. Let's take an example. The following description can also be applied when other materials are selected.

(図1の装置による製造)
図1は、本発明を実施する際に用いる典型的な製造装置の模式図である。まず、酸化マグネシウム、または、酸化カルシウムの反応容器14中に精製したLiCl塩6を入れ、650〜780℃で溶解する。仕切り板5で仕切られた部分に、予め作製しておいたLi3GaN2複合窒化物8を置き、溶融塩6中へ溶解させる。溶解したLi3GaN2複合窒化物は、溶媒であるLiClと錯塩を作りながら溶解すると考えられ、この状態でGaN結晶1の表面に到達し、式(A)の反応でGaN結晶が成長し、副生成物であるLi3Nの濃度がその周辺で上昇する。結晶表面での均一な結晶成長を促すためには、溶液または融液中でのLi3N濃度も斑がない方が好ましいため、GaN結晶1は、基板2、基板保持機構3を通じて、緩やかに溶液または融液中で運動させることが好ましい。溶融塩の量が十分にあり、また、成長させるGaN結晶1の厚さも、それほど必要でない場合は、結晶成長にともなうLi3N濃度の上昇で自然に結晶成長が停止する所まで反応させればよいが、バルク状の大きな結晶を成長させるためには、図1で示すように、GaN結晶1の背後にGa金属を置くようにするとよい。結晶成長部付近で濃度が上昇したLi3NはGa金属との反応でGaLi合金になると同時に、GaLi合金表面付近で、GaN、Li3GaN2を生成する。Li3GaN2は、再び結晶のエピタキシャル成長の原料として働く。このようにして、Li3GaN2の原料が存在する限りにおいて、連続的にGaNの結晶を成長させることができる。また、Li3GaN2の溶解部分は高温にし、結晶の成長部分は低温にしておくと結晶化の速度が上がるという利点がある。
(Manufacturing with the apparatus of FIG. 1)
FIG. 1 is a schematic view of a typical manufacturing apparatus used in carrying out the present invention. First, the purified LiCl salt 6 is put in a reaction vessel 14 of magnesium oxide or calcium oxide and dissolved at 650 to 780 ° C. Li 3 GaN 2 composite nitride 8 prepared in advance is placed on the part partitioned by the partition plate 5 and dissolved in the molten salt 6. The dissolved Li 3 GaN 2 composite nitride is considered to dissolve while forming a complex salt with LiCl as a solvent. In this state, it reaches the surface of the GaN crystal 1, and the GaN crystal grows by the reaction of the formula (A). The concentration of Li 3 N as a by-product increases in the vicinity. In order to promote uniform crystal growth on the crystal surface, it is preferable that the Li 3 N concentration in the solution or melt is also free of spots, so that the GaN crystal 1 gradually passes through the substrate 2 and the substrate holding mechanism 3. It is preferred to exercise in solution or melt. When the amount of the molten salt is sufficient and the thickness of the GaN crystal 1 to be grown is not so necessary, the reaction can be performed until the crystal growth stops spontaneously due to the increase of the Li 3 N concentration accompanying the crystal growth. However, in order to grow a large bulk crystal, it is preferable to place Ga metal behind the GaN crystal 1 as shown in FIG. Li 3 N whose concentration has increased in the vicinity of the crystal growth portion becomes a GaLi alloy by reaction with Ga metal, and at the same time, GaN and Li 3 GaN 2 are generated in the vicinity of the GaLi alloy surface. Li 3 GaN 2 again serves as a raw material for crystal epitaxial growth. In this way, GaN crystals can be continuously grown as long as the raw material of Li 3 GaN 2 exists. Further, if the dissolved portion of Li 3 GaN 2 is set to a high temperature and the crystal growth portion is set to a low temperature, there is an advantage that the crystallization speed increases.

(図16の装置による製造)
図16は、本発明を実施する際に用いる典型的な製造装置の模式図である。まず、酸化イットリウム、または、シリコンカーバイドの反応容器14中に精製したLiClとNaCl塩6を入れ、650〜780℃で溶解する。反応容器14の底部には、予め作製しておいたLi3GaN2複合窒化物8を置き溶融塩6中へ溶解させる。ヒータ27は、複合窒化物8の下に設置されており、溶媒であるLiClに溶解したLi3GaN2溶液が加熱されて矢印で示すように上昇流となる。加熱による熱対流は、塊状、粒状または粉状の前記複合化合物ABXの間隙を前記溶液が強制的に通過するようにできるため、原料の溶液への溶解効率が高いという特徴がある。また、この加熱されることによって発生した上昇流は一般的に層流的で、あまり広がらずに、したがって、Li3GaN2の溶質濃度も下がらずに上昇する。Li3GaN2は溶媒であるLiClと錯塩を作りながら溶解すると考えられ、この状態でGaN結晶1の表面に到達し、式(A)の反応でGaN結晶が成長し、副生成物であるLi3Nの 濃度がその周辺で上昇する。結晶表面での均一な結晶成長を促すためには、溶液または融液中でのLi3N濃度も斑がない方が好ましいため、GaN結晶1は、基板2、基板保持 機構3を通じて、緩やかに溶液中で運動させることが好ましい。Li3N濃度の上がった溶液は結晶から外側に広がり、溶質自体の濃度も下がりながら、一部はLi3Nが蒸発、または、HClとの反応を起こす気-液界面の方に向かい、また、一部は、反応容器の壁伝いに下降流となって再び結晶成長の原料であるLi3GaN2 8がある部分に循環する。上部と下部の循環流は互いに交わる部分で混合が起こり、上部でLi3Nが減少した溶液も下部の循環流に一部合流する。また、結晶成長によってはき出されたLi3N溶質成分濃度の上がった溶液が容器の壁伝いに下降流を作るため、壁では、式(A)の反応によるGaN結晶の析出は起こりにくくなるというメリットもある。バルク状の大きな結晶を成長させるためには、溶媒であるLiClにNaClを0.1〜50%添加しておくと、Li3Nの蒸発が促進され、GaN結晶1が連続的に成長する。また、10で示すキャリアガス導入口から、極僅かなHClを混入したキャリアガスを反応器に導入し、溶液表面で、Li3N成分の溶質を分解するようにするようにすると結晶の成長速度を流すガス流量によって自由に制御できる。また、結晶を大きく成長させる場合、結晶の成長面とLi3GaN2原料との距離がほぼ一定になるように、結晶の成長に伴って、結晶の回転保持機構3を上部に引き上げるようにするとよい。
(Manufacturing with the apparatus of FIG. 16)
FIG. 16 is a schematic diagram of a typical manufacturing apparatus used when carrying out the present invention. First, purified LiCl and NaCl salt 6 are put in a reaction vessel 14 of yttrium oxide or silicon carbide, and dissolved at 650 to 780 ° C. Li 3 GaN 2 composite nitride 8 prepared in advance is placed at the bottom of the reaction vessel 14 and dissolved in the molten salt 6. The heater 27 is installed under the composite nitride 8, and the Li 3 GaN 2 solution dissolved in LiCl as a solvent is heated to become an upward flow as indicated by an arrow. Thermal convection by heating is characterized by high efficiency of dissolving the raw material in the solution because the solution can be forced to pass through the gaps of the composite compound ABX in the form of a lump, granule or powder. Further, the upward flow generated by the heating is generally laminar and does not spread so much, and therefore the solute concentration of Li 3 GaN 2 increases without decreasing. Li 3 GaN 2 is considered to dissolve while forming a complex salt with LiCl as a solvent. In this state, it reaches the surface of the GaN crystal 1, and the GaN crystal grows by the reaction of the formula (A). 3 the concentration of N is increased at its periphery. In order to promote uniform crystal growth on the crystal surface, it is preferable that the Li 3 N concentration in the solution or melt is also free of spots, so that the GaN crystal 1 is gently passed through the substrate 2 and the substrate holding mechanism 3. It is preferred to exercise in solution. The solution with the increased Li 3 N concentration spreads outward from the crystal, and while the concentration of the solute itself decreases, a part of the solution moves toward the gas-liquid interface where Li 3 N evaporates or reacts with HCl. A part of the gas flows down the wall of the reaction vessel and circulates again to a portion where Li 3 GaN 2 8 which is a raw material for crystal growth is present. The upper and lower circulation flows are mixed at a portion where they intersect with each other, and the solution in which Li 3 N is reduced at the upper portion also partially merges with the lower circulation flow. In addition, since the solution with increased Li 3 N solute component concentration released by crystal growth creates a downward flow along the wall of the container, the GaN crystal is less likely to precipitate on the wall due to the reaction of formula (A). There is also. In order to grow a large bulk crystal, when 0.1 to 50% of NaCl is added to LiCl as a solvent, the evaporation of Li 3 N is promoted, and the GaN crystal 1 is continuously grown. In addition, a carrier gas mixed with a very small amount of HCl is introduced into the reactor from the carrier gas inlet shown by 10 to decompose the Li 3 N component solute on the surface of the solution. Can be freely controlled by the gas flow rate. Further, when the crystal is grown largely, the crystal rotation holding mechanism 3 is pulled upward as the crystal grows so that the distance between the crystal growth surface and the Li 3 GaN 2 raw material becomes substantially constant. Good.

(図17の装置による製造)
図17に示す装置は、図16で示した製造装置の模式図とほぼ同じであるが、基板を垂直方向に立てることによって、同時に多数の基板を結晶装置内に入れることができ、比較的小さなサイズの基板を効率よく作るのに適した装置である。まず、酸化イットリウム、または、シリコンカーバイドの反応容器14中に精製したLiCl塩6を入れ、650〜780℃で溶解する。反応容器14の底部には、予め作製しておいたLi3GaN2複合窒化物8を置き溶融塩6中へ溶解させる。ヒータ27は、複合窒化物8の下に設置されており、溶媒であるLiClに溶解したLi3GaN2溶液が加熱されて矢印で示すように上昇流となる。GaN結晶1は、基板保持機構3を通じて、緩やかに溶液中で運動させることが好ましい。図16で示した製造装置と異なる点は、結晶基板を多数入れるような大きな容器内では、熱対流のみで浴全体の循環流をつくることは難しいため、29で示した隔壁を容器内に設置し、攪拌羽28によって循環流を作り出すようにするとよい。結晶成長後Li3N濃度の上がった溶液は、液面表面で蒸発させるか、または、HClとの反応を起こすことによって分解する。Li3N濃度が下がった溶液は、大きな循環流にのって、Li3GaN2原料8の部分に戻る。この場合も、バルク状の大きな結晶を成長させるためには、溶媒であるLiClにNaClを0.1〜50%添加しておくとLi3Nの蒸発が促進され、GaN結晶1が連続的に成長する。また、10で示すキャリアガス導入口から、極僅かなHClを混入したキャリアガスを反応器に導入し、溶液表面で、Li3N成分の溶質を分解するようにすると結晶の成長速度を流すガス流量によって自由に制御できる。溶液の循環流の一部分にGaなどのA金属を配置しておいてもよい。
(Manufacturing with the apparatus of FIG. 17)
The apparatus shown in FIG. 17 is almost the same as the schematic diagram of the manufacturing apparatus shown in FIG. 16, but a large number of substrates can be placed in the crystal apparatus at the same time by standing the substrates in the vertical direction, which is relatively small. It is an apparatus suitable for efficiently producing a substrate of a size. First, the purified LiCl salt 6 is put in a reaction vessel 14 of yttrium oxide or silicon carbide and dissolved at 650 to 780 ° C. Li 3 GaN 2 composite nitride 8 prepared in advance is placed at the bottom of the reaction vessel 14 and dissolved in the molten salt 6. The heater 27 is installed under the composite nitride 8, and the Li 3 GaN 2 solution dissolved in LiCl as a solvent is heated to become an upward flow as indicated by an arrow. The GaN crystal 1 is preferably moved gently in the solution through the substrate holding mechanism 3. The difference from the manufacturing apparatus shown in FIG. 16 is that, in a large container in which many crystal substrates are placed, it is difficult to create a circulation flow of the entire bath only by thermal convection. Therefore, a partition wall 29 is installed in the container. However, it is preferable to create a circulating flow by the stirring blade 28. The solution having an increased Li 3 N concentration after crystal growth is decomposed by evaporating on the surface of the liquid surface or by reacting with HCl. The solution with the reduced Li 3 N concentration returns to the portion of the Li 3 GaN 2 raw material 8 along a large circulating flow. In this case as well, in order to grow a large bulk crystal, if 0.1 to 50% of NaCl is added to LiCl as a solvent, the evaporation of Li 3 N is promoted, and the GaN crystal 1 is continuously formed. grow up. In addition, when a carrier gas mixed with a very small amount of HCl is introduced into the reactor from the carrier gas inlet shown by 10 and the Li 3 N component solute is decomposed on the surface of the solution, the gas flows the crystal growth rate. It can be controlled freely by the flow rate. You may arrange | position A metals, such as Ga, in a part of circulation flow of a solution.

式(A)の反応において、Li3N溶質成分を除去することによって、GaN結晶がシード上に成長するが、結晶の成長の様式は、平衡に近い部分では、膜状に、また鏡面状に成長するが、平衡から離れるにしたがい、平滑な膜ではなく柱状の結晶が林立するような様式になり、さらにもっと平衡から離れてしまうと、GaNの粉状の結晶がシード上に析出する。工業的に価値のある結晶は膜状に成長する結晶であり、この条件を成長時間中、安定に保つために、Li3N溶質成分の除去速度をモニターしながら、または、成長時間中に適宜、溶液をサンプリングしてLi3N溶質濃度をモニターしながら、除去速度を制御することが好ましい。
LiClにNaClを0.1〜50%添加した場合、Li3N溶質成分は、式(A)の反応で発生するLi3Nに較べて、自然蒸発する方が時間とともに多くなる傾向にあり、式(A)において、上記膜状の結晶成長の範囲に制御するためには、時間の経過とともにるつぼの上部にある、蒸着されたLi3Nの膜厚モニターのデータを元に、るつぼの上部にある蓋を少しずつ締めて、蒸発量を減らし、溶液中の溶質成分を膜状の成長が可能になるように一定に制御する。
また、溶媒がLiClのみである場合は、式(A)の反応で発生するLi3Nは制限なく溶媒中に溶解し、また、Li3Nは蒸発しないため、制御をしないと、平衡点に達し、結晶の成長は停止してしまう。こうした系については、10で示すキャリアガス導入口から、極僅かなHClを混入したキャリアガスを反応器に導入し、溶液表面で、Li3N成分の溶質を分解するようにするようにすると結晶成長が始まる。導入すべきガス量は、上記分解反応で生じる分解ガス(H2またはN2)の量をモニターしながら制御するようにするとよい。
In the reaction of the formula (A), by removing the Li 3 N solute component, the GaN crystal grows on the seed. The crystal growth mode is film-like or mirror-like in a portion close to equilibrium. As it grows away from the equilibrium, it becomes a mode in which columnar crystals are grown rather than a smooth film, and further away from the equilibrium, GaN powder crystals are deposited on the seeds. An industrially valuable crystal is a crystal that grows in the form of a film. In order to keep this condition stable during the growth time, the removal rate of the Li 3 N solute component is monitored or appropriately during the growth time. The removal rate is preferably controlled while sampling the solution and monitoring the Li 3 N solute concentration.
When 0.1 to 50% of NaCl is added to LiCl, the Li 3 N solute component tends to spontaneously evaporate over time as compared to Li 3 N generated by the reaction of formula (A). In the formula (A), in order to control the range of the film-like crystal growth, the upper part of the crucible is obtained based on the data of the deposited Li 3 N film thickness monitor at the upper part of the crucible over time. The lid is gradually tightened to reduce the amount of evaporation, and the solute components in the solution are controlled to be constant so that film growth is possible.
When the solvent is only LiCl, Li 3 N generated in the reaction of the formula (A) is dissolved in the solvent without limitation, and Li 3 N does not evaporate. The crystal growth stops. For such a system, a carrier gas mixed with a very small amount of HCl is introduced into the reactor from the carrier gas inlet indicated by 10 to crystallize the Li 3 N component solute on the solution surface. Growth begins. The amount of gas to be introduced may be controlled while monitoring the amount of cracked gas (H 2 or N 2 ) generated in the cracking reaction.

(図18の装置による製造)
図18に示す装置は、図17で示した製造装置の模式図に似ているが、Li3GaN2原料8を溶解する領域と結晶成長領域を分離し、溶解領域では、強制的な機械攪拌を行って溶解速度を高くする。この場合、結晶の析出条件にならないように、この領域は密閉し、Li3N溶質成分は、蒸発、分解されないようになっており、溶質を溶解した溶液は結晶成長領域の方に運ばれ、図17で示した製造装置と同じ原理で結晶成長が行われる。
(Manufacturing with the apparatus of FIG. 18)
The apparatus shown in FIG. 18 is similar to the schematic diagram of the manufacturing apparatus shown in FIG. 17, but separates the region where the Li 3 GaN 2 raw material 8 is melted from the crystal growth region. To increase the dissolution rate. In this case, this region is sealed so as not to be a crystal precipitation condition, and the Li 3 N solute component is prevented from evaporating and decomposing, and the solution in which the solute is dissolved is conveyed toward the crystal growth region, Crystal growth is performed on the same principle as the manufacturing apparatus shown in FIG.

(図2の装置による製造)
図2は、本発明を実施するのに適した別の縦型形式の結晶成長装置である。酸化マグネシウムまたは酸化カルシウムの反応容器14中に、精製したLiClまたは2元共晶塩LiCl−NaCl等の低融点をもつ溶融塩6を入れ、別途作製したLi3GaN2複合窒化物8にタングステンのネット9をかぶせ、反応容器14の底に沈め、この上部に回転機能を備えた基板支持棒3の先につけたシード2を置くと、Li3GaN2が溶解した溶液または融液からGaN結晶が折出し、液相からのエピタキシャル成長が起こる。結晶表面でGaN結晶が成長すると、溶液または融液中で、Li3N成分が増加して行くが、結晶の回転に伴って図中で示した矢印の方向の溶液または融液の流れに乗り、一部は上昇して行き溶液または融液中のLi3N成分の濃度が上がって行く。薄膜状の結晶をシードに成長させる場合は溶液または融液の量を多くしておけばよいが、バルク状の結晶を連続的に成長させるためには、溶液または融液中のLi3N成分を連続的に除去する必要がある。図2においては、ガス吹き込み管12から塩化水素を溶液または融液中に吹き込み、Li3N成分を、LiCl、N2、H2に分解する。あるいは、もっと穏やかな条件にするには、ガス導入管10,11から窒素、あるいはアルゴンをキャリアガスとして使い、塩化アンモニウムの気体を反応容器14内に導くことで、溶液または融液界面から分解した塩化水素が溶融塩中に拡散させるようにしてもよい。
(Manufacturing with the apparatus of FIG. 2)
FIG. 2 is another vertical type crystal growth apparatus suitable for carrying out the present invention. A molten salt 6 having a low melting point such as purified LiCl or binary eutectic salt LiCl-NaCl is placed in a reaction vessel 14 of magnesium oxide or calcium oxide, and tungsten is added to Li 3 GaN 2 composite nitride 8 separately prepared. When the net 9 is put on and the seed 2 attached to the tip of the substrate support rod 3 having a rotation function is placed on the bottom of the reaction vessel 14 and placed on the top, the GaN crystal is dissolved from the solution or melt in which Li 3 GaN 2 is dissolved. Folding occurs and epitaxial growth from the liquid phase occurs. When a GaN crystal grows on the crystal surface, the Li 3 N component increases in the solution or melt, but the solution or melt flows in the direction of the arrow shown in the figure as the crystal rotates. , Partly rises and the concentration of the Li 3 N component in the solution or melt increases. In the case of growing a thin film-like crystal as a seed, the amount of the solution or melt may be increased. However, in order to continuously grow a bulk crystal, the Li 3 N component in the solution or melt is used. Must be removed continuously. In FIG. 2, hydrogen chloride is blown into a solution or melt from a gas blowing tube 12 to decompose a Li 3 N component into LiCl, N 2 , and H 2 . Alternatively, in order to obtain a milder condition, nitrogen or argon was used as a carrier gas from the gas introduction pipes 10 and 11, and ammonium chloride gas was introduced into the reaction vessel 14 to decompose from the solution or melt interface. Hydrogen chloride may be diffused into the molten salt.

なお、シード2としては、例えばサファイア、SiC等を用いることができるが、板状のGaN結晶を用いることが好ましい。板状のGaN結晶にGaN結晶をホモエピタキシャル成長させ、これらから何枚かのウエハーを作り、それらの一枚を次の結晶成長用の基板とするのが好ましい。   As the seed 2, for example, sapphire, SiC or the like can be used, but a plate-like GaN crystal is preferably used. It is preferable to homoepitaxially grow a GaN crystal on a plate-like GaN crystal, to make several wafers from these, and to use one of them as a substrate for the next crystal growth.

(図3の装置による製造)
図3は、スパッター等のドライプロセスを使って、石英、サファイア、GaN等の基板2の上に、Ga−Li−N等の混合物からなる薄膜17をつくり、これをLiCl溶融塩6に溶解させて、基板2上にGaN結晶を成長させるものである。図中、18は、結晶成長部分以外での窒化物薄膜17とLiCl溶融塩6の反応を防ぐための仕切り板であり、材料としては、タングステン等が使われる。
また、反応容器14内の雰囲気7は、窒素またはアルゴン等の不活性雰囲気とする。
生成したGaNの解離圧は、生成の自由エネルギーから計算すると650℃で1気圧となり、一般には、常圧で650℃以上の温度になると分解が始まるといわれている。しかし、本発明によれば、常圧600〜800℃の温度であっても溶融塩中でGaNがGa金属と窒素ガス等に分解することはない。また、式(A)から明らかなように、溶融塩中のLi3N濃度によりGaN結晶の溶解・析出を制御できるため、結晶成長の固液界面において再溶解と再結晶を繰り返すことができる。その結果、結晶の高品質化を図ることができるため、本発明は極めて有利である。
(Manufacturing with the apparatus of FIG. 3)
FIG. 3 shows that a thin film 17 made of a mixture of Ga—Li—N or the like is formed on a substrate 2 made of quartz, sapphire, GaN or the like by using a dry process such as sputtering, and this is dissolved in the LiCl molten salt 6. Thus, a GaN crystal is grown on the substrate 2. In the figure, reference numeral 18 denotes a partition plate for preventing the reaction between the nitride thin film 17 and the LiCl molten salt 6 at a portion other than the crystal growth portion, and tungsten or the like is used as the material.
The atmosphere 7 in the reaction vessel 14 is an inert atmosphere such as nitrogen or argon.
The dissociation pressure of the generated GaN is 1 atm at 650 ° C. when calculated from the free energy of generation, and it is generally said that decomposition starts when the temperature reaches 650 ° C. or higher at normal pressure. However, according to the present invention, GaN does not decompose into Ga metal and nitrogen gas in the molten salt even at a normal pressure of 600 to 800 ° C. Further, as apparent from the formula (A), since dissolution and precipitation of the GaN crystal can be controlled by the Li 3 N concentration in the molten salt, remelting and recrystallization can be repeated at the solid-liquid interface of crystal growth. As a result, since the quality of the crystal can be improved, the present invention is extremely advantageous.

[半導体デバイスの製造方法]
本発明の製造方法は、半導体デバイスの製造方法における第13族金属窒化物結晶を製造する工程に用いることができる。その他の工程における原料、製造条件および装置は一般的な半導体デバイスの製造方法で用いられる原料、条件および装置をそのまま適用できる。本発明の製造方法によれば、パワーIC、高周波対応可能な半導体デバイス等を製造することができる。
[Method for Manufacturing Semiconductor Device]
The manufacturing method of this invention can be used for the process of manufacturing the group 13 metal nitride crystal in the manufacturing method of a semiconductor device. The raw materials, conditions, and apparatuses used in general semiconductor device manufacturing methods can be applied as they are for the raw materials, manufacturing conditions, and apparatuses in other processes. According to the manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture a power IC, a semiconductor device capable of handling high frequencies, and the like.

以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
なお、実施例において結晶成長の溶媒として用いたLiCl、NaClは、図6で示される装置を用いて上記説明にしたがって精製したものである。
The features of the present invention will be described more specifically with reference to the following examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.
In the examples, LiCl and NaCl used as crystal growth solvents were purified according to the above description using the apparatus shown in FIG.

(製造例1) 複合窒化物の合成例1
多結晶窒化ガリウムおよび窒化リチウム試薬(三津和化学製)を乳鉢を使ってLi3N/GaN=1.05のモル比で混合し、得られた混合物約2gをY23の反応容器(坩堝)に入れて、60ml/minの窒素流通下で焼成することにより、複合窒化物を作製した。焼成を行う際には、室温から700℃まで1時間で昇温し、700℃で20時間保持したのちに、電気炉電源を切り自然放冷した。サンプルは、焼成前は灰色、赤紫の混合色であったが、焼成後は白っぽい灰色に変化した。このサンプルのX線データを図7に示す。Li3GaN2が生成したことが分かる。得られたLi3GaN2を以下の実施例2〜6で用いた。
(Production Example 1) Compound Nitride Synthesis Example 1
Polycrystalline gallium nitride and a lithium nitride reagent (manufactured by Mitsuwa Chemical Co., Ltd.) were mixed at a molar ratio of Li 3 N / GaN = 1.05 using a mortar, and about 2 g of the resulting mixture was added to a Y 2 O 3 reaction vessel ( The composite nitride was prepared by firing in a crucible) and firing under a nitrogen flow of 60 ml / min. When firing, the temperature was raised from room temperature to 700 ° C. over 1 hour, held at 700 ° C. for 20 hours, and then the electric furnace power source was turned off and allowed to cool naturally. The sample had a mixed color of gray and magenta before firing, but changed to whitish gray after firing. The X-ray data of this sample is shown in FIG. It can be seen that Li 3 GaN 2 was formed. The obtained Li 3 GaN 2 was used in Examples 2 to 6 below.

(製造例2) 複合窒化物の合成例2
Li3N/GaN比を1.07に変更したこと以外は製造例1と同じ方法にしたがって、700℃で20時間保持してLi3GaN2を合成した。得られたLi3GaN2を以下の実施例7のNo.71で用いた。
(Production Example 2) Compound nitride synthesis example 2
According to the same manner as in Preparation Example 1 except for changing the Li 3 N / GaN ratio 1.07, were synthesized Li 3 GaN 2 held in 700 ° C. 20 hours. The obtained Li 3 GaN 2 was used in No. 71 of Example 7 below.

(製造例3) 複合窒化物の合成例3
製造例2にしたがって700℃で20時間保持してLi3GaN2を合成した後、630℃で2時間真空引きし過剰なLi3Nを除去した。過剰なLi3Nが除去されたことはLi3GaN2から赤みが消えたこと、及びXRDで確認した。得られたLi3GaN2を以下の実施例7のNo.72で用いた。
(Production Example 3) Composite nitride synthesis example 3
Li 3 GaN 2 was synthesized by holding at 700 ° C. for 20 hours according to Production Example 2, and then evacuated at 630 ° C. for 2 hours to remove excess Li 3 N. It was confirmed by XRD that redness disappeared from Li 3 GaN 2 and that excess Li 3 N was removed. The obtained Li 3 GaN 2 was used in No. 72 of Example 7 below.

(実施例1)
図2の装置内に、GaN粉末を0.3g、LiClを5.2g、Li3Nを表2に示す量添加し、窒素雰囲気中で室温から760℃まで1時間で昇温し、その後20時間保持した。20時間保持した後の溶液中のGa濃度を分析した結果と、溶液中でのGaN結晶成長の有無について、表2に示す。得られたGaN結晶の光学顕微鏡写真、SEM写真、XRDパターンを図8〜10に示す。
(Example 1)
In the apparatus of FIG. 2, 0.3 g of GaN powder, 5.2 g of LiCl, and Li 3 N are added in amounts shown in Table 2, and the temperature is raised from room temperature to 760 ° C. in 1 hour in a nitrogen atmosphere. Held for hours. Table 2 shows the results of analyzing the Ga concentration in the solution after holding for 20 hours and the presence or absence of GaN crystal growth in the solution. The optical micrograph, SEM photograph, and XRD pattern of the obtained GaN crystal are shown in FIGS.

Li3Nを添加しなかったNo.11では、溶液中にGaNが溶解しておらず、GaNの単結晶の成長が確認できなかった。これに対して、Li3Nを添加したNo.12〜15では、溶液中にGaNが溶解しており、この溶液を用いて結晶成長を行うことによりGaNの単結晶が成長することが確認された。また、Li3Nの添加量を調整することによって、GaNの単結晶の成長速度や大きさを制御できることが明らかになった。 In No. 11 in which Li 3 N was not added, GaN was not dissolved in the solution, and growth of a single crystal of GaN could not be confirmed. On the other hand, in Nos. 12 to 15 to which Li 3 N was added, GaN was dissolved in the solution, and it was confirmed that a single crystal of GaN grew by performing crystal growth using this solution. It was. It was also found that the growth rate and size of the GaN single crystal can be controlled by adjusting the amount of Li 3 N added.

(実施例2)
LiClを3.4gとNaClを1.8g混合した溶媒に、製造例1で合成したLi3GaN2を0.52g添加して、Li3Nが蒸発できるように蓋を外した装置を用いて、N2雰囲気中で1時間かけて760℃に昇温した。その後、表3に記載されるタイミングで390mgのGaNシードを投入し、10時間保持したのちシードを取り出して変化を確認した。結果を表3に示す。得られたGaN結晶のSEM写真、X線回折の(002)回折ピークのロッキングカーブ測定結果を図13と図14に示す。
(Example 2)
Using a device in which 0.52 g of Li 3 GaN 2 synthesized in Production Example 1 was added to a solvent in which 3.4 g of LiCl and 1.8 g of NaCl were mixed, and the lid was removed so that Li 3 N could be evaporated. The temperature was raised to 760 ° C. in an N 2 atmosphere over 1 hour. Thereafter, 390 mg of GaN seed was added at the timing shown in Table 3, and after 10 hours holding, the seed was taken out and the change was confirmed. The results are shown in Table 3. The SEM photograph of the obtained GaN crystal and the rocking curve measurement result of the (002) diffraction peak of X-ray diffraction are shown in FIGS.

過剰Li3Nの蒸発が終了しないうちにGaNシードを溶液に投入したNo.21では、過剰のLi3NによりGaNシードが溶解するメルトバックが観察されシード重量が減少した。これに対して、過剰なLi3Nを蒸発させてからGaNシードを投入したNo.22では、メルトバックは観察されず、シード表面上にGaN成長層が生成した。Li3Nの蒸発量を調整することによって、GaNの単結晶の成長速度や大きさを制御できることが明らかになった。 In No. 21 in which the GaN seed was added to the solution before the evaporation of excess Li 3 N was completed, meltback was observed in which the GaN seed was dissolved by excess Li 3 N, and the seed weight was reduced. On the other hand, in No. 22 in which the GaN seed was introduced after evaporating excess Li 3 N, no meltback was observed, and a GaN growth layer was formed on the seed surface. It has been clarified that the growth rate and size of the GaN single crystal can be controlled by adjusting the evaporation amount of Li 3 N.

(実施例3)
図2の装置内に、製造例1で合成したLi3GaN2を0.30g、Li3Nを0.03g、LiClとNaClをそれぞれ表4に示す量添加して、N2雰囲気中で室温から1時間かけて760℃に昇温し、Li3Nを蒸発させながら760℃で20時間結晶成長を試みた。GaN単結晶の生成量を表4に示す。
(Example 3)
In the apparatus shown in FIG. 2, 0.33 g of Li 3 GaN 2 synthesized in Production Example 1, 0.03 g of Li 3 N, and LiCl and NaCl are added in amounts shown in Table 4, respectively, and room temperature is obtained in an N 2 atmosphere. Then, the temperature was raised to 760 ° C. over 1 hour, and crystal growth was attempted at 760 ° C. for 20 hours while evaporating Li 3 N. Table 4 shows the amount of GaN single crystals produced.

No.31では、系内からLi3Nを除去できないため、GaN単結晶の生成が認められなかった。これに対して、No.32およびNo.33では、系内からLi3Nを蒸発させながら結晶成長を行うことができ、GaN単結晶が生成した。このとき、LiClとNaClの添加量を調整することにより、GaNの単結晶の成長速度や大きさを制御できることが明らかになった。 In No. 31, since Li 3 N could not be removed from the system, formation of a GaN single crystal was not observed. On the other hand, in No. 32 and No. 33, it was possible to perform crystal growth while evaporating Li 3 N from the system, and a GaN single crystal was formed. At this time, it became clear that the growth rate and size of the GaN single crystal can be controlled by adjusting the addition amounts of LiCl and NaCl.

(実施例4)
図12の装置内に、製造例1で合成したLi3GaN2を0.52gとLiClを5.2g加えて、表5に示す量のHClを含むArガスを50ml/minの速度で流通させた雰囲気中にて1時間かけて760℃に昇温して、760℃に8時間保持した。GaN単結晶の生成量を表5に示す。
Example 4
In the apparatus of FIG. 12, 0.52 g of Li 3 GaN 2 synthesized in Production Example 1 and 5.2 g of LiCl were added, and Ar gas containing HCl in the amount shown in Table 5 was circulated at a rate of 50 ml / min. The temperature was raised to 760 ° C. over 1 hour in a fresh atmosphere and kept at 760 ° C. for 8 hours. Table 5 shows the amount of GaN single crystal produced.

Arガス中にHClを含有させることによって溶液中のLi3Nを除去したNo.42では、GaN単結晶が生成した。Li3Nと反応性のガスを流通させることにより、GaNの単結晶の成長速度や大きさを制御できることが明らかになった。 In No. 42 in which Li 3 N in the solution was removed by containing HCl in Ar gas, a GaN single crystal was formed. It has been clarified that the growth rate and size of a single crystal of GaN can be controlled by flowing a gas reactive with Li 3 N.

(実施例5)
図16の装置内に、製造例1で合成したLi3GaN2を0.52g、LiClを6.8g、NaClを3.6g添加し、窒素雰囲気中で1時間かけて760℃に昇温して、8時間保持してGaN結晶を成長させた。このとき、No.52では底部のみをヒーターで770℃に加熱し、それ以外の箇所を760℃としてるつぼ内に熱分布を形成した状態で結晶成長させた。GaN単結晶の生成量を表6に示す。
(Example 5)
16, 0.52 g of Li 3 GaN 2 synthesized in Production Example 1, 6.8 g of LiCl, and 3.6 g of NaCl are added, and the temperature is raised to 760 ° C. in a nitrogen atmosphere over 1 hour. The GaN crystal was grown for 8 hours. At this time, in No. 52, only the bottom portion was heated to 770 ° C. with a heater, and the other portions were set to 760 ° C., and the crystal was grown in a state where a heat distribution was formed in the crucible. Table 6 shows the amount of GaN single crystal produced.

No.52では、底部をヒーターで加熱することにより、熱対流により溶液にはLi3GaN2の間隙を通る上昇流が形成され、その結果、より多くのGaN単結晶が生成した。対流を生じさせることにより、Li3GaN2の溶解速度が上がり、その結果、GaNの単結晶の成長速度や大きさを制御できることが明らかになった。 In No. 52, by heating the bottom with a heater, an upward flow passing through the gap of Li 3 GaN 2 was formed in the solution by thermal convection, and as a result, more GaN single crystals were generated. It has been clarified that by causing convection, the dissolution rate of Li 3 GaN 2 increases, and as a result, the growth rate and size of the GaN single crystal can be controlled.

(実施例6)
内径25mmのY23製るつぼ内に、製造例1で合成したLi3GaN2を0.52g、LiClを6.8g、NaClを3.6g投入した。このるつぼ内の中央部には、5mm角の攪拌翼2枚が設置されている。窒素雰囲気中で1時間かけて室温から760℃に昇温し、20時間保持してGaNを結晶成長させた。このとき、No.62では760℃に到達後20rpmで攪拌翼を回転させ、溶液を攪拌しながら20時間保持した。GaN単結晶の生成量を表7に示す。
(Example 6)
In a crucible made of Y 2 O 3 having an inner diameter of 25 mm, 0.52 g of Li 3 GaN 2 synthesized in Production Example 1, 6.8 g of LiCl, and 3.6 g of NaCl were charged. Two 5 mm square stirring blades are installed in the center of the crucible. The temperature was raised from room temperature to 760 ° C. in a nitrogen atmosphere over 1 hour and held for 20 hours to grow GaN crystals. At this time, in No. 62, after reaching 760 ° C., the stirring blade was rotated at 20 rpm, and the solution was held for 20 hours while stirring. Table 7 shows the amount of GaN single crystal produced.

No.62では、攪拌することにより溶液にはLi3GaN2の間隙を通る流れが形成され、その結果、より多くのGaN単結晶が生成した。機械的手段による溶液の流れを形成することにより、GaNの単結晶の成長速度や大きさを制御できることが明らかになった。 In No. 62, a flow through the gap of Li 3 GaN 2 was formed in the solution by stirring, and as a result, more GaN single crystals were produced. It has become clear that the growth rate and size of GaN single crystals can be controlled by forming a solution flow by mechanical means.

(実施例7)
図11の装置内に、表8に記載される種類のLi3GaN2を0.52g、LiClを6.8g、NaClを3.6添加し、窒素雰囲気中で1時間かけて760℃に昇温し、760℃に到達してすぐにシードを投入し、12時間保持してGaN結晶を成長させた。
(Example 7)
In the apparatus of FIG. 11, 0.52 g of Li 3 GaN 2 of the type shown in Table 8, 6.8 g of LiCl, and 3.6 of NaCl are added, and the temperature is raised to 760 ° C. over 1 hour in a nitrogen atmosphere. As soon as the temperature reached 760 ° C., seeds were added and held for 12 hours to grow GaN crystals.

No.71では、過剰なLi3Nによりメルトバックが生じ、シードの重量が減少した。これに対して、過剰なLi3Nを除去したLi3GaN2を用いたNo.72では、GaN単結晶が生成した。あらかじめ過剰なLi3Nを除去たLi3GaN2を用いて結晶成長を行うことにより、GaNの単結晶の成長速度や大きさを改善しうることが明らかになった。 In No. 71, meltback occurred due to excess Li 3 N, and the weight of the seed decreased. On the other hand, in No. 72 using Li 3 GaN 2 from which excess Li 3 N was removed, a GaN single crystal was formed. It has been clarified that the growth rate and size of a single crystal of GaN can be improved by crystal growth using Li 3 GaN 2 from which excess Li 3 N has been removed in advance.

本発明によれば、10MPa以下の低圧または常圧で良質の化合物結晶を製造することができる。このため、従来の課題であった高圧下における多核発生や低圧下における液中の窒素濃度の低下の問題を解決しつつ、結晶成長の速度、品質、結晶の大きさを制御することができる。また、本発明によれば比較的安価な容器を用いて、半導体デバイスに応用するのに十分なサイズを有する化合物結晶を製造することができる。特にこれまでに製造が困難とされていた周波対応可能な半導体デバイスの製造に利用することができるため、産業的に大きなメリットがある。   According to the present invention, a high-quality compound crystal can be produced at a low pressure of 10 MPa or less or normal pressure. For this reason, it is possible to control the crystal growth speed, quality, and crystal size while solving the problems of conventional multi-nuclear generation under high pressure and reduction of nitrogen concentration in the liquid under low pressure. In addition, according to the present invention, a compound crystal having a size sufficient for application to a semiconductor device can be produced using a relatively inexpensive container. In particular, since it can be used for the manufacture of a semiconductor device capable of supporting frequencies, which has been considered difficult to manufacture, there is a great industrial advantage.

本発明に用いる好適な結晶成長装置(その1)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the suitable crystal growth apparatus (the 1) used for this invention. 本発明に用いる好適な結晶成長装置(その2)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the suitable crystal growth apparatus (the 2) used for this invention. 本発明に用いる好適な結晶成長装置(その3)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the suitable crystal growth apparatus (the 3) used for this invention. 実施例で用いた結晶成長装置(その1)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the crystal growth apparatus (the 1) used in the Example. 実施例で用いた結晶成長装置(その2)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the crystal growth apparatus (the 2) used in the Example. 本発明で用いられる溶融塩の精製装置の一実施態様を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows one embodiment of the refiner | purifier of the molten salt used by this invention. 製造例1で得られたLi3GaN2結晶のXRDパターンである。 3 is an XRD pattern of a Li 3 GaN 2 crystal obtained in Production Example 1. FIG. 実施例1で得られたGaN結晶の光学顕微鏡写真である。2 is an optical micrograph of a GaN crystal obtained in Example 1. 実施例1で得られたGaN結晶のSEM写真である。2 is a SEM photograph of the GaN crystal obtained in Example 1. 実施例1で得られたGaN結晶のXRDパターンである。2 is an XRD pattern of a GaN crystal obtained in Example 1. FIG. 実施例で用いた結晶成長装置(その3)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the crystal growth apparatus (the 3) used in the Example. 実施例で用いた結晶成長装置(その4)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the crystal growth apparatus (the 4) used in the Example. 実施例2で得られたGaN結晶のSEM写真である。4 is a SEM photograph of the GaN crystal obtained in Example 2. 実施例2で得られたGaN結晶のX線ロッキングカーブ測定結果である。4 is a measurement result of an X-ray rocking curve of a GaN crystal obtained in Example 2. 実施例で用いた結晶成長装置(その5)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the crystal growth apparatus (the 5) used in the Example. 実施例で用いた結晶成長装置(その6)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the crystal growth apparatus (the 6) used in the Example. 本発明に用いる好適な結晶成長装置(その4)を示す概略説明図である。左図は装置の正面図であり、右図はその装置の左側面図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the suitable crystal growth apparatus (the 4) used for this invention. The left figure is a front view of the apparatus, and the right figure is a left side view of the apparatus. 本発明に用いる好適な結晶成長装置(その5)を示す概略説明図である。左図は装置の正面図であり、右図はその装置の左側面図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the suitable crystal growth apparatus (the 5) used for this invention. The left figure is a front view of the apparatus, and the right figure is a left side view of the apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 GaN結晶
2 基板またはシード
3 基板または結晶保持および回転機構
4 Ga−Li合金
5 仕切り板
6 溶融塩
7 窒素またはアルゴン
8 複合窒化物
9 ネット
10 ガス導入管
11 ガス導入管
12 ガス吹き込み管
13 窒素
14 反応容器(第1反応容器)
15 電気炉
16 ガス吹き込み管
17 Ga−Li−N薄膜
18 仕切り板
19 ガス排出口
20 ガス導入管
21 精製容器
22 多孔質フィルター
23 試料溜め
24 塩化水素ガス
25 第2反応容器
26 蓋
27 ヒータ
28 攪拌羽
29 隔壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 GaN crystal 2 Substrate or seed 3 Substrate or crystal holding and rotation mechanism 4 Ga-Li alloy 5 Partition plate 6 Molten salt 7 Nitrogen or argon 8 Compound nitride 9 Net 10 Gas introduction pipe 11 Gas introduction pipe 12 Gas blowing pipe 13 Nitrogen 14 reaction vessel (first reaction vessel)
15 Electric furnace 16 Gas blowing pipe 17 Ga-Li-N thin film 18 Partition plate 19 Gas outlet 20 Gas introduction pipe 21 Purification vessel 22 Porous filter 23 Sample reservoir 24 Hydrogen chloride gas 25 Second reaction vessel 26 Lid 27 Heater 28 Stirring Feather 29 Bulkhead

Claims (28)

化合物ABXをイオン性溶媒に溶解した溶液中で化合物AXを結晶成長させる際の結晶成長速度を制御する方法であって、
結晶成長場における溶液中の溶質成分BXの濃度を調整することにより、化合物AXの結晶成長速度を制御することを特徴とする結晶成長速度制御方法。
[前記Bは1族金属元素または2族金属元素であり、
前記Aは第13族金属元素であり且つ前記Xは第15族元素であるか、前記Aは第12族金属元素であり且つ前記Xは第16族元素であるか、または、前記Aは第14族元素であり且つ前記Xは炭素元素である。]
A method for controlling a crystal growth rate when a compound AX is crystal-grown in a solution in which the compound ABX is dissolved in an ionic solvent,
A crystal growth rate control method comprising controlling the crystal growth rate of a compound AX by adjusting the concentration of a solute component BX in a solution in a crystal growth field.
[B is a Group 1 metal element or a Group 2 metal element,
The A is a Group 13 metal element and the X is a Group 15 element, the A is a Group 12 metal element and the X is a Group 16 element, or the A is a Group It is a group 14 element and said X is a carbon element. ]
結晶成長場から溶質成分BXを除去することにより、結晶成長場における溶液中の溶質成分BXの濃度を下げることを特徴とする請求項1に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control method according to claim 1, wherein the concentration of the solute component BX in the solution in the crystal growth field is lowered by removing the solute component BX from the crystal growth field. 前記溶液から溶質成分BXを蒸発させて除去することにより、結晶成長場における前記溶液中の溶質成分BXの濃度を下げることを特徴とする請求項1に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control method according to claim 1, wherein the concentration of the solute component BX in the solution in the crystal growth field is lowered by evaporating and removing the solute component BX from the solution. A金属と溶質成分BXとを前記溶液中で反応させることにより、または、溶質成分BXと反応する気相物質Gと溶質成分BXとを前記溶液中または前記溶液と気相との界面において反応させることにより、結晶成長場における溶液中の溶質成分BXの濃度を下げることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。   The metal A and the solute component BX are reacted in the solution, or the gas phase substance G that reacts with the solute component BX and the solute component BX are reacted in the solution or at the interface between the solution and the gas phase. The crystal growth rate control method according to claim 1, wherein the concentration of the solute component BX in the solution in the crystal growth field is lowered. 結晶成長場において前記溶液の流れを生じさせることによって、結晶成長場における溶液中の溶質成分BXの濃度を調整することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate according to any one of claims 1 to 4, wherein the concentration of the solute component BX in the solution in the crystal growth field is adjusted by causing the flow of the solution in the crystal growth field. Control method. 前記溶液の流れを機械的手段により生じさせることを特徴とする請求項5に記載の結晶成長速度制御方法。   6. The crystal growth rate control method according to claim 5, wherein the flow of the solution is generated by mechanical means. 前記溶液の流れをシードを回転させることにより生じさせることを特徴とする請求項6に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control method according to claim 6, wherein the flow of the solution is generated by rotating a seed. 前記溶液の流れを反応容器の局所的な加熱により生じさせることを特徴とする請求項5に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control method according to claim 5, wherein the flow of the solution is generated by local heating of a reaction vessel. 化合物AXの結晶成長場と化合物ABXの溶解部との距離をほぼ一定に保ちながら連続的な結晶成長を行うことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control according to any one of claims 1 to 8, wherein continuous crystal growth is performed while maintaining a distance between a crystal growth field of compound AX and a dissolved portion of compound ABX substantially constant. Method. 化合物ABXを連続的に溶解する領域と化合物AXの結晶成長を行う領域の間に、2つの領域相互間の溶液流通量を制限する隔壁が設けられていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。   10. A partition wall for limiting a solution flow rate between the two regions is provided between a region where the compound ABX is continuously dissolved and a region where crystal growth of the compound AX is performed. The crystal growth rate control method according to any one of the above. 溶質成分BXの除去を化合物AXの結晶成長を行う領域でのみ行うことを特徴とする請求項10に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control method according to claim 10, wherein the solute component BX is removed only in a region where the crystal growth of the compound AX is performed. 下記(1)〜(6)の工程を含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。
(1)イオン性溶媒中において化合物ABXを溶解する工程
(2)前記化合物が溶解した溶質を含む溶液を化合物AXの結晶成長場に輸送する工程、
(3)結晶成長場において化合物AXの結晶成長を行う工程
(4)結晶成長場の溶液を溶質成分BXを減少させる場へ輸送する工程
(5)溶質成分BXを減少させる場において溶液中の溶質成分BXの濃度を減少させる工程
(6)溶質成分BXの濃度を減少させた溶液を前記(1)、(2)または(3)の工程に用いるために輸送する工程
The crystal growth rate control method according to claim 1, comprising the following steps (1) to (6).
(1) Step of dissolving compound ABX in an ionic solvent (2) Step of transporting a solution containing a solute in which the compound is dissolved to a crystal growth field of compound AX,
(3) Step of crystal growth of compound AX in the crystal growth field (4) Step of transporting the solution of the crystal growth field to a field for reducing the solute component BX (5) Solute in the solution in a field for reducing the solute component BX Step (6) of reducing the concentration of the component BX Transporting the solution having the reduced concentration of the solute component BX for use in the step (1), (2) or (3)
前記(2)の輸送が層流状の流路でなされ、前記(3)の結晶成長を経た後に流路が拡大していくことを特徴とする請求項12に記載の化合物結晶の製造方法。   13. The method for producing a compound crystal according to claim 12, wherein the transport of (2) is performed in a laminar flow channel, and the channel is expanded after the crystal growth of (3). 前記(2)の輸送の方向と結晶成長場の結晶成長面がほぼ直交していることを特徴とする請求項12または13に記載の化合物結晶の製造方法。   The method for producing a compound crystal according to claim 12 or 13, wherein the transport direction (2) and the crystal growth surface of the crystal growth field are substantially orthogonal to each other. 前記(2)の輸送の方向と結晶成長場の結晶成長面がほぼ平行であることを特徴とする請求項12または13に記載の化合物結晶の製造方法。   14. The method for producing a compound crystal according to claim 12, wherein the transport direction (2) and the crystal growth surface of the crystal growth field are substantially parallel. 溶質成分BXを構成するBが、第1族金属元素と第2族金属元素からなる群より選択される1以上の元素であることを特徴とする請求項1〜15のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。   The B constituting the solute component BX is at least one element selected from the group consisting of a Group 1 metal element and a Group 2 metal element. Crystal growth rate control method. 前記イオン性溶媒が一種類または複数種の金属ハロゲン化物であることを特徴とする請求項1〜16のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control method according to any one of claims 1 to 16, wherein the ionic solvent is one kind or plural kinds of metal halides. 前記イオン性溶媒の組成を調整することによって、溶質成分BXの除去量を制御することを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control method according to claim 1, wherein the removal amount of the solute component BX is controlled by adjusting the composition of the ionic solvent. 前記溶液中にドーピング元素を溶解させておくことによって、前記元素をドープした結晶を成長させることを特徴とする請求項1〜18のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control method according to claim 1, wherein a crystal doped with the element is grown by dissolving a doping element in the solution. ドーピング元素を含む溶媒を用いて前記溶液を調整することを特徴とする請求項19に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control method according to claim 19, wherein the solution is adjusted using a solvent containing a doping element. 化合物ABXから溶質成分BXを除去してABXの化学量論組成に近づけてから前記結晶成長に用いることを特徴とする請求項1〜20のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。   21. The crystal growth rate control method according to any one of claims 1 to 20, wherein the solute component BX is removed from the compound ABX and used for the crystal growth after being brought close to the stoichiometric composition of ABX. 化合物ABXをイオン性溶媒に溶解する前に、化合物ABXから溶質成分BXを除去することを特徴とする請求項21に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control method according to claim 21, wherein the solute component BX is removed from the compound ABX before the compound ABX is dissolved in the ionic solvent. 化合物AXの結晶成長を、標準生成エネルギーが1000Kにおいて−930kJ/mol以下である酸化物を主成分とする内壁を有する反応容器内で行うことを特徴とする請求項1〜22のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。   23. The crystal growth of the compound AX is performed in a reaction vessel having an inner wall mainly composed of an oxide having a standard production energy of −930 kJ / mol or less at 1000K. The crystal growth rate control method described in 1. 化合物ABXの調製を、標準生成エネルギーが1000Kにおいて−930kJ/mol以下である酸化物を主成分とする内壁を有する反応容器内で行うことを特徴とする請求項1〜22のいずれか一項に記載の結晶成長速度制御方法。   The compound ABX is prepared in a reaction vessel having an inner wall mainly composed of an oxide having a standard generation energy of -930 kJ / mol or less at 1000 K, according to any one of claims 1 to 22. The crystal growth rate control method as described. 前記反応容器の内壁がシリコンカーバイドを主成分とすることを特徴とする請求項23または24に記載の結晶成長速度制御方法。   The crystal growth rate control method according to claim 23 or 24, wherein an inner wall of the reaction vessel contains silicon carbide as a main component. 請求項1〜25のいずれか一項に記載の工程を含むことを特徴とする化合物結晶の製造方法。   A method for producing a compound crystal comprising the step according to any one of claims 1 to 25. 請求項26に記載の結晶成長方法により成長させた化合物結晶。   A compound crystal grown by the crystal growth method according to claim 26. 請求項26に記載の結晶成長方法により化合物結晶を製造する工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。   27. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step of manufacturing a compound crystal by the crystal growth method according to claim 26.
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