JP2010105903A - Method for producing group 13 metal nitride crystal and method for producing semiconductor device - Google Patents

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Sachie Takeuchi
佐千江 竹内
Kohei Kubota
浩平 久保田
Yoshinori Seki
義則 関
Takeshi Tawara
岳史 田原
Hide Terada
秀 寺田
Yoji Arita
陽二 有田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for stably and continuously growing a group 13 nitride crystal such as a GaN crystal. <P>SOLUTION: The molar ratio between a nitrogen element in a liquid growing a group 13 metal nitride crystal and a group 13 metal element (N/group 13 metal) is held in the range of 3.5 to 50. The addition of the nitride may be intermittently or continuously performed into the liquid growing the group 13 metal nitride crystal, however, for achieving the more stable and continuous growth of the crystal, it is preferable that the addition of the nitride is continuously performed. The addition method of the nitride is not particularly limited, and any of the nitride in a vapor phase, the nitride in a liquid phase and the nitride in a solid phase may be added to the liquid. By adding the group 13 metal nitride such as GaN, the molar ratio between the nitrogen element and the group 13 metal element in the liquid can be adjusted as well. Further, it is possible that a solid-shaped nitride feeding compound gradually feeding a nitride into the liquid may be added without adding a nitride itself. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、GaN結晶等の第13族金属の窒化物結晶の製造方法および該製造方法を用いた半導体デバイスの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a nitride crystal of a Group 13 metal such as a GaN crystal and a method for producing a semiconductor device using the production method.

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 a 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 element 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等と同様の問題を抱えている。   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. I have the same problem as 4, 5, etc.

このような問題に対処する技術として、Li3GaN2などの複合金属窒化物をイオン性溶媒に溶解した溶液または融液を作成し、その溶液や融液中でGaNの結晶を成長させる方法が提案されている(特許文献4参照)。この方法では、以下の式(1)で表される平衡を溶液や融液からLi3Nを蒸発させることにより右に偏らせてGaN結晶の成長を連続的に進行させている。Li3Nの蒸発を積極的に進めるために、反応は低圧下の開放系で行うことが推奨されている。

Figure 2010105903
As a technique for coping with such a problem, there is a method of creating a solution or melt in which a composite metal nitride such as Li 3 GaN 2 is dissolved in an ionic solvent, and growing GaN crystals in the solution or melt. It has been proposed (see Patent Document 4). In this method, the equilibrium represented by the following formula (1) is biased to the right by evaporating Li 3 N from the solution or melt, and the growth of the GaN crystal is continuously advanced. In order to actively promote the evaporation of Li 3 N, it is recommended that the reaction be carried out in an open system under low pressure.
Figure 2010105903

特開2005−112718号公報JP 2005-127718 A 中国特許公開第1288079A号公報Chinese Patent Publication No. 1288079A 特開2005−306709A号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-306709A 特開2007−84422号公報JP 2007-84422 A

J. Appl. Phys. 37 (1998) 309頁J. Appl. Phys. 37 (1998) 309 J. Crystal Growth 178 (1977) 174頁J. Crystal Growth 178 (1977) 174 J. Crystal Growth 218 (2000) 712頁J. Crystal Growth 218 (2000) 712 J. Crystal Growth 260 (2004) 327頁J. Crystal Growth 260 (2004) 327 金属 Vol.73 No.11(2003)1060頁Metal Vol.73 No.11 (2003) pp. 1060 Acta Physica Polonica A Vol.88 (1995) 137頁Acta Physica Polonica A Vol.88 (1995) 137 J. Crystal Growth Vol.281 (2005) 5頁J. Crystal Growth Vol.281 (2005) p. 5 J. Mater. Sci. Ele. 16 (2005) 29項J. Mater. Sci. Ele. 16 (2005) paragraph 29 J. Crystal Growth 284 (2005) 91頁J. Crystal Growth 284 (2005) p. 91

しかしながら、本発明者らが特許文献4に記載される方法を種々検討したところ、得られるGaN結晶の形状にばらつきが生じやすいという課題があることが明らかになった。特に、比較的厚いGaN結晶を成長させようとすると徐々に成長速度が低下し、安定で継続的な結晶成長が困難であるという課題があることも明らかになった。また、得られる結晶中に窒素欠陥が生じて、結晶の品質が低下しやすいという課題があることも明らかになった。このため、工業的に利用するには解決すべき課題が残されている。   However, when the present inventors examined various methods described in Patent Document 4, it became clear that there was a problem that the shape of the obtained GaN crystal was likely to vary. In particular, it has been clarified that when a relatively thick GaN crystal is grown, the growth rate gradually decreases and it is difficult to perform stable and continuous crystal growth. It has also been clarified that there is a problem that nitrogen defects are generated in the obtained crystal and the quality of the crystal is likely to be deteriorated. For this reason, the problem which should be solved for industrial utilization remains.

そこで本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、GaN結晶などの第13族金属窒化物結晶を安定で継続的に成長させることができる方法を提供することを本発明の目的として検討を進めた。   Therefore, the present inventors provide a method for stably and continuously growing a Group 13 metal nitride crystal such as a GaN crystal in order to solve such a problem of the prior art. We proceeded with the study as a purpose.

従来の方法では安定で継続的な結晶成長が困難である理由は、なかなか明らかにすることができなかったが、本発明者らは種々の検討を重ねた結果、結晶が成長する液中における窒素元素と第13族金属元素のモル比が重要であることを初めて解明することができた。すなわち、従来の方法では、窒素元素と第13族金属元素のモル比を高い値に保持することができないために、安定で継続的な結晶成長が妨げられ、結晶成長しても品質が低下してしまうことを突き止めた。このような解析に基づいて、本発明者らは、結晶を成長させる液中に十分な量の窒素成分を溶解させて、窒素元素と第13族金属元素のモル比を高い値に保持することにより結晶を安定で継続的に成長させ得ることを見出し、以下の本発明を提供するに至った。   The reason why stable and continuous crystal growth is difficult with the conventional method could not be clarified easily, but as a result of various studies, the present inventors have conducted various studies and found that nitrogen in the liquid in which the crystal grows. It was the first time that the molar ratio of the element to the Group 13 metal element was important. That is, in the conventional method, since the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element cannot be maintained at a high value, stable and continuous crystal growth is hindered, and the quality deteriorates even when the crystal grows. I found out. Based on such an analysis, the present inventors dissolve a sufficient amount of nitrogen component in the liquid for growing the crystal, and maintain the molar ratio of the nitrogen element and the group 13 metal element at a high value. Thus, the inventors have found that crystals can be grown stably and continuously, and have provided the following present invention.

[1] 窒素元素と第13族金属元素を含む液中において第13族金属窒化物結晶を成長させる際に、前記液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比(N/第13族金属)を3.5〜50の範囲内に保持することを特徴とする第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[2] 前記液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比(N/第13族金属)を5〜20の範囲内に保持することを特徴とする[1]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[3] 前記液から窒化物またはN2の少なくとも一方が蒸発するのを抑制することにより、前記液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比を制御することを特徴とする[1]または[2]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[4] 前記液を入れた容器に貫通孔を有する蓋を取り付けた状態で結晶成長させることにより、前記液から窒化物またはN2の少なくとも一方が蒸発するのを抑制することを特徴とする[3]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[5] 前記液中に窒化物を溶解することにより、前記液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比を制御することを特徴とする[1]〜[4]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[6] 固体状の窒化物供給化合物を前記液と接触させて、前記結晶成長中に前記固体状の窒化物供給化合物から窒化物を前記液中に溶出することを特徴とする[5]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[7] 前記液と接触するように固体状の窒化物供給化合物を設置し、前記結晶成長中に前記固体状の窒化物供給化合物から窒化物を前記液中に溶出することを特徴とする[6]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[8] 前記固体状の窒化物供給化合物が第13族金属元素および第13族以外の金属元素素を含有する固体状の複合金属窒化物であることを特徴とする[7]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[9] 前記複合金属窒化物がLi3GaN2であることを特徴とする[8]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[10] 前記固体状の窒化物の粒径が10μm以上であることを特徴とする[7]〜[9]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[11] 前記液中に溶解する窒化物がLi3Nであることを特徴とする[5]〜[10]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[12] 前記結晶成長中に前記液中に添加する窒化物の量(MN)に対する、前記液内における第13族金属窒化物結晶の析出量(M13N)のモル比(MN/M13N)が0.1〜100となるように、前記窒化物の添加量を制御することを特徴とする[5]〜[11]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[13] 前記結晶成長中に前記液中に添加する窒化物の添加速度(RN)に対する、前記液内における第13族金属窒化物結晶の析出速度(R13N)のモルベースの速度比(RN/R13N)が0.1〜100となるように、前記窒化物の添加量を制御することを特徴とする[5]〜[12]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[14] 前記液中のナトリウム濃度、前記液中のカリウム濃度、または前記液中のセシウム濃度の少なくとも1つの濃度を制御することを特徴とする[1]〜[13]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[15] 前記液に塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化セシウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化セシウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、およびフッ化セシウムからなる群より選択される少なくとも一種を添加することにより、前記液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比を制御することを特徴とする[1]〜[14]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[16] 前記結晶成長中に、前記液を攪拌することを特徴とする[1]〜[15]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[17] 前記攪拌を前記液中に浸漬したシードを回転させることにより行うことを特徴とする[16]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[18] 前記液が溶融塩を含むことを特徴とする[1]〜[17]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[19] シード表面上に厚み10μm以上の第13族金属窒化物結晶を成長させることを特徴とする[1]〜[18]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[20] [1]〜[19]のいずれか一項に記載の製造方法により第13族金属窒化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。
[1] When a Group 13 metal nitride crystal is grown in a liquid containing a nitrogen element and a Group 13 metal element, the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid (N / Group 13) A method for producing a Group 13 metal nitride crystal, wherein the metal is maintained within a range of 3.5 to 50.
[2] The group 13 according to [1], wherein a molar ratio of nitrogen element to group 13 metal element (N / group 13 metal) in the liquid is maintained within a range of 5 to 20. A method for producing a metal nitride crystal.
[3] The molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid is controlled by suppressing evaporation of at least one of nitride and N 2 from the liquid [1] Or the manufacturing method of the group 13 metal nitride crystal as described in [2].
[4] It is characterized by suppressing evaporation of at least one of nitride or N 2 from the liquid by crystal growth in a state where a lid having a through hole is attached to the container containing the liquid. 3] The manufacturing method of the group 13 metal nitride crystal | crystallization of 3].
[5] Any one of [1] to [4], wherein a molar ratio of a nitrogen element and a Group 13 metal element in the liquid is controlled by dissolving nitride in the liquid. A method for producing a Group 13 metal nitride crystal as described in 1).
[6] The method according to [5], wherein a solid nitride supply compound is brought into contact with the liquid, and nitride is eluted from the solid nitride supply compound into the liquid during the crystal growth. The manufacturing method of the group 13 metal nitride crystal of description.
[7] A solid nitride supply compound is placed in contact with the liquid, and nitride is eluted from the solid nitride supply compound into the liquid during the crystal growth. [6] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to [6].
[8] The solid nitride supplying compound is a solid composite metal nitride containing a Group 13 metal element and a metal element element other than Group 13, and according to [7] A method for producing a group 13 metal nitride crystal.
[9] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to [8], wherein the composite metal nitride is Li 3 GaN 2 .
[10] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of [7] to [9], wherein a particle size of the solid nitride is 10 μm or more.
[11] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal as described in any one of [5] to [10], wherein the nitride dissolved in the liquid is Li 3 N.
[12] The molar ratio (M N / M) of the precipitation amount (M 13N ) of Group 13 metal nitride crystals in the liquid to the amount of nitride (M N ) added to the liquid during crystal growth The amount of the nitride added is controlled so that 13N ) is 0.1 to 100. The group 13 metal nitride crystal according to any one of [5] to [11], Production method.
[13] A molar ratio of the precipitation rate (R 13N ) of the Group 13 metal nitride crystal in the liquid to the addition rate (R N ) of the nitride added to the liquid during the crystal growth (R The group 13 metal nitriding according to any one of [5] to [12], wherein an amount of the nitride added is controlled so that N / R13N ) is 0.1 to 100 Method for producing physical crystals.
[14] Any one of [1] to [13], wherein at least one of a sodium concentration in the liquid, a potassium concentration in the liquid, or a cesium concentration in the liquid is controlled. The manufacturing method of the group 13 metal nitride crystal of description.
[15] Sodium chloride, potassium chloride, cesium chloride, sodium bromide, potassium bromide, cesium bromide, sodium iodide, potassium iodide, cesium iodide, sodium fluoride, potassium fluoride, and fluoride Any one of [1] to [14], wherein the molar ratio of the nitrogen element and the group 13 metal element in the liquid is controlled by adding at least one selected from the group consisting of cesium. A method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to Item.
[16] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of [1] to [15], wherein the liquid is stirred during the crystal growth.
[17] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to [16], wherein the stirring is performed by rotating a seed immersed in the liquid.
[18] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of [1] to [17], wherein the liquid contains a molten salt.
[19] A Group 13 metal nitride crystal according to any one of [1] to [18], wherein a Group 13 metal nitride crystal having a thickness of 10 μm or more is grown on the seed surface. Method.
[20] A method for producing a semiconductor device, comprising a step of producing a Group 13 metal nitride crystal by the production method according to any one of [1] to [19].

本発明の製造方法によれば、第13族金属窒化物結晶を安定で継続的に成長させることができる。特に従来の方法に比べて厚い結晶を効率よく容易に製造することができる。また、本発明の半導体デバイスの製造方法によれば、パワーICや高周波対応可能な半導体デバイスを製造することが可能である。   According to the manufacturing method of the present invention, the Group 13 metal nitride crystal can be grown stably and continuously. In particular, a thick crystal can be produced efficiently and easily as compared with the conventional method. Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, it is possible to manufacture a power IC and a semiconductor device that can handle high frequencies.

実施例1で用いた反応装置を説明するための概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view for explaining a reaction apparatus used in Example 1. FIG.

以下に、本発明の第13族金属窒化物結晶の製造方法、および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。また第13族金属は、周期表第13族金属を意味する。
Below, the manufacturing method of the group 13 metal nitride crystal 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. The group 13 metal means a group 13 metal of the periodic table.

[窒素元素と第13族金属元素のモル比]
(モル比の範囲)
本発明の製造方法は、窒素と第13族金属を含む液中において第13族金属窒化物結晶を成長させる際に、前記液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比を3.5〜50の範囲内に保持することを特徴とする。液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比とは、液中に存在している窒素原子のモル数を液中に存在している第13族金属原子のモル数で割った値を意味する(N原子のモル数/第13族金属原子のモル数)。また、ここでいう窒素原子と第13族金属原子のモル数には、液中に原子状窒素や原子状第13族金属として存在している原子のモル数だけでなく、窒素原子や第13族金属原子を含む分子、イオン、錯体、錯イオンを構成する窒素原子や第13族金属原子のモル数も含まれる。
[Molar ratio of nitrogen element and Group 13 metal element]
(Molar ratio range)
In the production method of the present invention, when a Group 13 metal nitride crystal is grown in a liquid containing nitrogen and a Group 13 metal, the molar ratio of the nitrogen element to the Group 13 metal element in the liquid is set to 3.5. It is characterized by being held within a range of ˜50. The molar ratio between the nitrogen element and the group 13 metal element in the liquid is the value obtained by dividing the number of moles of nitrogen atoms present in the liquid by the number of moles of group 13 metal atoms present in the liquid. It means (number of moles of N atom / number of moles of group 13 metal atom). The number of moles of nitrogen atom and group 13 metal atom here is not only the number of moles of atoms present in the liquid as atomic nitrogen or atomic group 13 metal, but also the number of nitrogen atoms or group 13 metal atoms. The number of moles of nitrogen atoms and group 13 metal atoms constituting molecules, ions, complexes and complex ions containing group metal atoms are also included.

窒素元素と第13族金属元素のモル比は、4〜30であることが好ましく、5〜20であることがより好ましく、7〜18であることがさらに好ましい。窒素元素と第13族金属元素のモル比が50超である場合は、第13族金属窒化物結晶が溶液に再溶解(メルトバック)し、結晶成長速度が遅くなり、また結晶表面が荒れてしまうという問題が生じやすい。また、窒素元素と第13族金属元素のモル比が3.5未満である場合は、第13族金属窒化物結晶の成長速度が遅いうえ、得られる結晶の大きさが小さくなってしまうという問題が生じやすい。   The molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element is preferably 4-30, more preferably 5-20, and even more preferably 7-18. When the molar ratio of the nitrogen element to the group 13 metal element is more than 50, the group 13 metal nitride crystal is re-dissolved in the solution (meltback), the crystal growth rate is slowed, and the crystal surface is roughened. The problem that it ends up is easy to occur. Moreover, when the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element is less than 3.5, the growth rate of the Group 13 metal nitride crystal is slow and the size of the obtained crystal is reduced. Is likely to occur.

なお、モル比を計算する際に対象となる第13族金属は、結晶成長させようとしている第13族金属窒化物結晶の第13族金属である。したがって、GaN結晶を成長させようとしている場合は、モル比はN/Gaのモル比となり、それ以外の第13族金属元素は考慮しない。
窒素元素と第13族金属元素のモル比を3.5〜50の範囲内に保持するためには、種々の方法を採用することができる。代表的な方法について、以下において説明する。これらの方法は適宜組み合わせて採用することが好ましい。
Note that the Group 13 metal that is the object of the calculation of the molar ratio is the Group 13 metal of the Group 13 metal nitride crystal to be crystal-grown. Therefore, when a GaN crystal is to be grown, the molar ratio is N / Ga, and other group 13 metal elements are not considered.
In order to maintain the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element in the range of 3.5 to 50, various methods can be employed. A typical method will be described below. These methods are preferably employed in combination as appropriate.

(蓋によるモル比の制御)
例えば、第13族金属窒化物結晶を成長させる液から窒化物またはN2の少なくとも一方が蒸発するのを抑制することにより、窒素元素と第13族金属元素のモル比を制御することができる。液から窒化物やN2が自由に蒸発するような開放系で結晶を成長させる場合は、液から窒化物やN2が次々と蒸発するため、液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比は徐々に低下して行く。このため、時間の経過とともに結晶成長速度が低下し、やがて結晶成長が停止してしまう。このような窒素元素と第13族金属元素のモル比の減少に伴う弊害を回避するために、液から窒化物またはN2の少なくとも一方が蒸発するのを種々の手段により抑制する方法を好ましく採用することができる。
(Controlling the molar ratio with the lid)
For example, the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element can be controlled by suppressing evaporation of at least one of nitride and N 2 from the liquid for growing the Group 13 metal nitride crystal. When growing crystals in an open system in which nitride and N 2 freely evaporate from the liquid, since nitride and N 2 evaporate one after another from the liquid, the nitrogen element and the group 13 metal element in the liquid The molar ratio gradually decreases. For this reason, the crystal growth rate decreases with the passage of time, and the crystal growth is eventually stopped. In order to avoid such an adverse effect caused by a decrease in the molar ratio of the nitrogen element to the group 13 metal element, a method of suppressing evaporation of at least one of nitride or N 2 from the liquid by various means is preferably employed. can do.

具体的には、液を入れた反応容器に蓋をする方法を挙げることができる。ここでいう蓋は、反応容器内において気相が占める体積を制限することにより、液からの窒化物やN2の蒸発を抑制する作用を有する。蓋には貫通孔が設けられていてもよく、貫通孔は常時開いていても、開閉できるものであってもよい。貫通孔を常時開いておく場合は、貫通孔を通して反応容器外に放出される窒化物やN2の量が液から反応容器内の気相に蒸発する窒化物やN2の量と適度にバランスするように孔のサイズを調整しておくことが好ましい。
貫通孔の通気可能な断面積は、例えば0.1〜200mm2とすることができ、1〜50mm2とすることが好ましく、2〜20mm2とすることがより好ましい。貫通孔を開閉する場合は、液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比が低下したときに貫通孔を閉じ、液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比が上昇したときに貫通孔を開けるように制御することが好ましい。このような制御は、溶液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比のモニタリング結果や経験則に基づいて自動で行うことができる。また、別の態様として、貫通孔の孔径を変えることにより制御することも可能である。すなわち、液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比が低下したときに貫通孔の孔径を小さくし、液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比が上昇したときに貫通孔を広げるように制御することができる。さらに別の態様として、蓋に設けられた複数の貫通孔の開閉個数を制御する方法もある。すなわち、液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比が低下したときに閉状態にする貫通孔の数を増やし、液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比が上昇したときに開状態にする貫通孔の数を増やすように制御することができる。
Specifically, a method of covering the reaction vessel containing the liquid can be mentioned. The lid here has an action of suppressing the evaporation of nitride and N 2 from the liquid by limiting the volume occupied by the gas phase in the reaction vessel. The lid may be provided with a through hole, and the through hole may be always open or openable. When the through-hole is always opened, the amount of nitride and N 2 released outside the reaction vessel through the through-hole is appropriately balanced with the amount of nitride and N 2 evaporated from the liquid to the gas phase in the reaction vessel. It is preferable to adjust the size of the hole so that it does.
The cross-sectional area through which the through hole can be vented can be, for example, 0.1 to 200 mm 2 , preferably 1 to 50 mm 2, and more preferably 2 to 20 mm 2 . When opening and closing the through hole, the through hole is closed when the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid decreases, and the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid increases. It is preferable to control so as to open a through hole. Such control can be automatically performed based on monitoring results and empirical rules of the molar ratio of the nitrogen element to the group 13 metal element in the solution. Moreover, as another aspect, it is also possible to control by changing the hole diameter of the through hole. That is, when the molar ratio between the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid decreases, the hole diameter of the through hole is reduced, and when the molar ratio between the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid increases, the through hole Can be controlled to widen. As yet another aspect, there is a method of controlling the number of open / closed through holes provided in the lid. That is, when the molar ratio between the nitrogen element in the liquid and the Group 13 metal element is decreased, the number of through holes to be closed is increased, and the molar ratio between the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid is increased. It is possible to control to increase the number of through-holes to be opened.

(窒化物添加によるモル比の制御)
窒素元素と第13族金属元素のモル比を3.5〜50の範囲内に保持するための別の方法として、第13族金属窒化物結晶を成長させる液中に窒化物を添加する方法も好ましく採用することができる。この方法は、上記の蓋によるモル比の制御と組み合わせて採用することが好ましい。ここでいう窒化物としては、Li3N、Ca32、Mg32、Ba32、Li3GaN2、GaNなどを挙げることができ、Li3Nが好ましい。
(Control of molar ratio by adding nitride)
As another method for maintaining the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element in the range of 3.5 to 50, there is also a method of adding nitride to the liquid for growing the Group 13 metal nitride crystal. It can preferably be employed. This method is preferably employed in combination with the above control of the molar ratio by the lid. Examples of the nitride herein include Li 3 N, Ca 3 N 2 , Mg 3 N 2 , Ba 3 N 2 , Li 3 GaN 2 and GaN, and Li 3 N is preferable.

窒化物の添加は、第13族金属窒化物結晶を成長させる液中に断続的に行ってもよいし、連続的に行ってもよい。より安定で継続的な結晶成長を実現するためには、連続的に窒化物の添加を行うことが好ましい。窒化物の添加方法は特に制限されず、気相の窒化物、液相の窒化物、固相の窒化物のいずれを液中に添加してもよい。固相の窒化物を添加する場合は、Li3Nのように速やかに液中に溶解する窒化物を用いてもよいし、GaNのように徐々に溶解する窒化物を用いてもよく、これらを組み合わせて用いて液中への窒素供給速度を調整してもよい。GaNなどの第13族金属窒化物を添加すれば、液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比も調整することができる。また、液中には、窒化物自体を添加せずに、窒化物を徐々に液中に供給することができる固体状の窒化物供給化合物を添加してもよい。また、窒化物を含む液体または固体を添加してもよい。 The addition of nitride may be performed intermittently or continuously in the liquid for growing the Group 13 metal nitride crystal. In order to realize more stable and continuous crystal growth, it is preferable to continuously add nitride. The method for adding the nitride is not particularly limited, and any of vapor phase nitride, liquid phase nitride, and solid phase nitride may be added to the liquid. When adding a solid phase nitride, it is possible to use a nitride that dissolves quickly in the liquid, such as Li 3 N, or a nitride that dissolves gradually, such as GaN. May be used in combination to adjust the nitrogen supply rate into the liquid. If a Group 13 metal nitride such as GaN is added, the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid can also be adjusted. Further, a solid nitride supply compound capable of gradually supplying nitride into the liquid may be added to the liquid without adding the nitride itself. Further, a liquid or a solid containing nitride may be added.

窒化物を徐々に液中に供給することができる固体状の窒化物供給化合物を用いる場合は、結晶成長開始前にあらかじめ液と固体状の窒化物供給化合物が接触する状態にしておくことが好ましい。接触の態様は特に制限されないが、例えば固体状の窒化物供給化合物の一部ないし全部が液中に浸漬している態様を例示することができる。具体的には、固体状の窒化物供給化合物が液下方に存在している態様や、窒化物供給化合物の粒子が液中に分散している態様を挙げることができる。液と接触させるときに、ある程度の粒径を有する固体状の窒化物供給化合物を用いれば、徐々に窒化物を液中に放出することができるため好ましい。粒径は、10μm〜10cmであることが好ましく、20μm〜5cmであることがより好ましく、100μm〜1cmであることがさらに好ましい。粒径が10μm以上であれば、固体状の窒化物供給化合物から窒化物が短時間ですべて溶出してしまったり、液中の対流により固体状の窒化物供給化合物が舞い上がってシード表面に付着し結晶成長を阻害したり結晶中に不純物を混入させたりする問題が生じにくい傾向がある。また、粒径に分布を持たせたり、形状に工夫を持たせることにより、時間の経過に伴う窒化物の放出量を制御することも可能である。さらに、固体状の窒化物供給化合物と窒化物をともに添加することも可能であり、特に固体状の窒化物供給化合物の添加量が少量である場合は窒化物を組み合わせて添加することにより液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比の調整がより容易になる。このような固体状の窒化物供給化合物としては、第13族金属元素および第13族以外の金属元素を含有する固体状の複合金属窒化物が特に好ましく、例えばLi3GaN2、Ca3Ga24、Ba3Ga24、Mg3GaN3、CaGaN等のアルカリ金属またはアルカリ土類金属と第13族金属との複合窒化物や、上記複合窒化物とLi3N、Ca32、Ba32、Mg32、GaNなどの窒化物との焼結体を挙げることができ、特にLi3GaN2とLi3Nの焼結体が好ましい。粒径10μm以上の焼結体を用いることにより、焼結体からのLi3Nの溶液中への放出速度が抑制され、結晶成長中に徐々にLi3Nを溶液に溶解させることができる。 When using a solid nitride supply compound capable of gradually supplying nitride into the liquid, it is preferable that the liquid and the solid nitride supply compound are in contact with each other before starting crystal growth. . Although the aspect of contact is not particularly limited, for example, an aspect in which part or all of the solid nitride supply compound is immersed in the liquid can be exemplified. Specifically, an aspect in which a solid nitride supply compound is present below the liquid and an aspect in which the particles of the nitride supply compound are dispersed in the liquid can be exemplified. It is preferable to use a solid nitride supply compound having a certain particle size when contacting with the liquid because the nitride can be gradually released into the liquid. The particle size is preferably 10 μm to 10 cm, more preferably 20 μm to 5 cm, and even more preferably 100 μm to 1 cm. If the particle size is 10 μm or more, all of the nitride elutes from the solid nitride supply compound in a short time, or the solid nitride supply compound rises and adheres to the seed surface by convection in the liquid. There is a tendency that problems such as inhibition of crystal growth and mixing of impurities into the crystal hardly occur. In addition, it is also possible to control the amount of nitride released over time by giving the particle size a distribution or giving a shape to the device. Furthermore, it is possible to add both a solid nitride supply compound and a nitride, and particularly when the amount of the solid nitride supply compound added is small, by adding a combination of nitrides in the liquid It is easier to adjust the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element. As such a solid nitride supply compound, a solid composite metal nitride containing a Group 13 metal element and a metal element other than Group 13 is particularly preferred. For example, Li 3 GaN 2 , Ca 3 Ga 2 Composite nitrides of alkali metals or alkaline earth metals such as N 4 , Ba 3 Ga 2 N 4 , Mg 3 GaN 3 , and CaGaN and Group 13 metals, and the above composite nitrides and Li 3 N, Ca 3 N 2 , Ba 3 N 2 , Mg 3 N 2 , a sintered body with a nitride such as GaN, and the like, and a sintered body of Li 3 GaN 2 and Li 3 N is particularly preferable. By using a sintered body having a particle size of 10 μm or more, the release rate of Li 3 N from the sintered body into the solution is suppressed, and Li 3 N can be gradually dissolved in the solution during crystal growth.

本発明の製造方法で用いられる第13族金属と第13族以外の金属元素を含有する複合金属窒化物は、第13族金属の窒化物粉体と第13族金属以外の金属の窒化物粉体(例えばLi3N、Ca32)とを混合した後、温度を上げて固相反応させるなどの方法により得ることができる。第13属の金属としては、Ga、Al、In、GaAl、GaIn等を好ましい例として挙げることができる。また、第13族以外の金属元素としては、Li、Na、Ca、Sr、Ba、Mg等を挙げることができ、中でもLi、Ca、Ba、Mgを好ましい元素として挙げることができる。好ましい複合金属窒化物としては、Li3GaN2、Ca3Ga24、Ba3Ga24、Mg3GaN3、CaGaN等のアルカリ金属ま
たはアルカリ土類金属と第13族金属との複合金属窒化物を挙げることができ、Li3GaN2がより好ましい。Li3GaN2を用いる場合には、Li3GaN2に含まれている不純物Li3Nを除去したり逆にLi3Nを添加したりしてあらかじめLi3Nの含有量を調節しておくことが好ましい。本発明では、2種類以上の複合金属窒化物を用いてもよい。
The composite metal nitride containing a Group 13 metal and a metal element other than Group 13 used in the production method of the present invention includes a Group 13 metal nitride powder and a metal nitride powder other than the Group 13 metal. After mixing with a body (for example, Li 3 N, Ca 3 N 2 ), it can be obtained by a method such as raising the temperature and causing a solid phase reaction. Preferred examples of the Group 13 metal include Ga, Al, In, GaAl, and GaIn. In addition, examples of metal elements other than Group 13 include Li, Na, Ca, Sr, Ba, and Mg. Among them, Li, Ca, Ba, and Mg can be cited as preferable elements. Preferred composite metal nitrides include composites of alkali metals or alkaline earth metals such as Li 3 GaN 2 , Ca 3 Ga 2 N 4 , Ba 3 Ga 2 N 4 , Mg 3 GaN 3 , CaGaN, and Group 13 metals. A metal nitride can be mentioned, and Li 3 GaN 2 is more preferable. When Li 3 GaN 2 is used, the content of Li 3 N is adjusted in advance by removing impurities Li 3 N contained in Li 3 GaN 2 or by adding Li 3 N on the contrary. It is preferable. In the present invention, two or more kinds of composite metal nitrides may be used.

本発明の製造方法で用いられる複合金属窒化物は、通常第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、窒素雰囲気中で加熱することによっても容易に合成できる。例えばLi3GaN2は、Ga−Li合金を窒素雰囲気中で600〜800℃で加熱処理することによって作製することができる。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、複合金属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混合窒化物膜であってもよい。こうしたドライプロセスで作られた複合金属窒化物薄膜は、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。なお、ここでは固体状の複合金属窒化物の合成法を説明したが、本発明では溶液中で2種の窒化物を反応させて溶液中に溶解した複合金属窒化物を合成し、これを液状の複合金属窒化物としてそのまま結晶成長に用いても構わない。 The composite metal nitride used in the production method of the present invention can be easily synthesized by preparing an alloy of a Group 13 metal and a metal element other than Group 13 and heating in a nitrogen atmosphere. For example, Li 3 GaN 2 can be manufactured by heat-treating a Ga—Li alloy at 600 to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere. 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. In addition, the composite metal nitride may not be a chemically synthesized crystalline material, for example, a sapphire substrate or quartz produced by reacting a target made of an alloy thereof with nitrogen plasma by reactive sputtering. A mixed nitride film deviated from the stoichiometric composition generated on the substrate may be used. When the composite metal 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, forming a diffusion-dominated nitride dissolved phase 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. Here, the method for synthesizing the solid composite metal nitride has been described, but in the present invention, two types of nitrides are reacted in the solution to synthesize the composite metal nitride dissolved in the solution, and this is liquefied. The composite metal nitride may be used as it is for crystal growth.

第13族金属窒化物結晶を成長させる液中には、上記のように、窒化物を含む液体または固体を添加することもできる。例えば窒化物としてLi3Nを固体として液中に添加す
るかわりに、以下の方法にしたがってLi3Nを含む固体を添加することができる。まず、Li3NをLiClに加え、得られた混合物を融点以上に加熱してLi3NがLiClに溶融した混合溶液を作成する。この混合溶液を冷却し混合固体とし、その混合固体を液に添加する。添加するLi3Nの量が少ない場合(例えば1mg以下の場合)にLi3Nを単独で添加する手法では1mg以下の重量を測定添加することは難しいため正確な添加が困難となる。しかし上記Li3NとLiClを含む混合固体を添加する手法では、例えば1mgのLi3Nと1gのLiClを混合して溶解し、冷却して作成した混合固体中のLi3N濃度は0.1%となるため、0.1mgのLi3Nを溶液に添加する際には100mgの混合固体を添加すれば良く、添加量の精密な制御が容易となる利点がある。
In the liquid for growing the Group 13 metal nitride crystal, as described above, a liquid or a solid containing a nitride can also be added. For example, instead of adding Li 3 N as a nitride to the liquid as a nitride, a solid containing Li 3 N can be added according to the following method. First, Li 3 N is added to LiCl, and the resulting mixture is heated to a melting point or higher to prepare a mixed solution in which Li 3 N is melted in LiCl. The mixed solution is cooled to a mixed solid, and the mixed solid is added to the liquid. When the amount of Li 3 N to be added is small (for example, 1 mg or less), it is difficult to measure and add a weight of 1 mg or less by the method of adding Li 3 N alone, so that accurate addition becomes difficult. However, in the method of adding the above-mentioned mixed solid containing Li 3 N and LiCl, for example, 1 mg of Li 3 N and 1 g of LiCl are mixed and dissolved, and the Li 3 N concentration in the mixed solid prepared by cooling is 0. Therefore, when 0.1 mg of Li 3 N is added to the solution, 100 mg of mixed solid may be added, and there is an advantage that precise control of the addition amount is facilitated.

窒化物や窒化物供給化合物を添加する際には、反応系内に酸素または水分が入らないように、添加する物質および添加時に反応系内に同伴される気相に酸素または水分が入らないように操作することが好ましい。
また、窒化物や窒化物供給化合物の添加量を決定するために、液中の窒素濃度を測定したり、液中の窒素元素と第13属金属元素のモル比を分析したりして、その結果を添加量にフィードバックすることが特に好ましい。液中のモル比を分析するためには結晶成長中に液をサンプリングし組成分析する手法や、電気化学、光学的な手法で液中のモル比を算出することもできる。これらのモル比の分析の際にも反応系内に酸素や水分の混入を防ぐことが好ましい。
When adding nitrides or nitride supply compounds, prevent oxygen or moisture from entering the reaction system and the gas phase entrained in the reaction system during the addition to prevent oxygen or moisture from entering the reaction system. It is preferable to operate as follows.
In addition, in order to determine the addition amount of nitride or nitride supply compound, the nitrogen concentration in the liquid is measured, or the molar ratio of the nitrogen element to the group 13 metal element in the liquid is analyzed. It is particularly preferable to feed back the result to the added amount. In order to analyze the molar ratio in the liquid, the molar ratio in the liquid can be calculated by a technique of sampling the liquid during crystal growth and analyzing the composition, or by an electrochemical or optical technique. In analyzing these molar ratios, it is preferable to prevent oxygen and moisture from being mixed into the reaction system.

(Na濃度等によるモル比の制御)
窒素元素と第13族金属元素のモル比を3.5〜50の範囲内に保持するための別の方法として、第13族金属窒化物結晶を成長させる液中におけるNa濃度を制御する方法も好ましい。この方法も、上記の蓋によるモル比の制御や窒化物添加による制御と組み合わせて採用することが好ましい。液中のモル比を組成分析するためには、任意の元素分析手法を用いることができるが、例えばGa濃度の分析にはICP−AES法が好ましく、NおよびNa濃度の分析にはイオンクロマトグラフィー法が好ましい。
(Control of molar ratio by Na concentration etc.)
As another method for maintaining the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element within the range of 3.5 to 50, there is also a method of controlling the Na concentration in the liquid for growing the Group 13 metal nitride crystal. preferable. This method is also preferably employed in combination with the control of the molar ratio by the lid and the control by addition of nitride. In order to analyze the composition of the molar ratio in the liquid, any elemental analysis method can be used. For example, the ICP-AES method is preferable for the analysis of Ga concentration, and ion chromatography is used for the analysis of N and Na concentrations. The method is preferred.

本発明者らの検討により、時間の経過に伴って第13族金属窒化物結晶を成長させる液中におけるNa濃度は低下し、それに連動して液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比も低下する傾向があることが明らかになっている。そこで、結晶成長開始前の液中のNa濃度をあらかじめ高くしておいたり、結晶成長中に断続的または連続的にNaまたはNa化合物を添加することによりNa濃度を維持しておくことが好ましい。このとき、NaまたはNa化合物は気相、液相、固相のいずれの状態でも溶液に添加することができる。Na化合物としては、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、フッ化ナトリウムなどを挙げることができる。液中におけるNaの濃度は、0.1〜35重量%に維持することが好ましく、0.5〜10重量%に維持することがより好ましく、1.5〜8重量%に維持することがさらに好ましい。   According to the study by the present inventors, the Na concentration in the liquid for growing the Group 13 metal nitride crystal decreases with the passage of time, and in conjunction with this, the moles of the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid are reduced. It is clear that the ratio also tends to decrease. Therefore, it is preferable to maintain the Na concentration in advance by increasing the Na concentration in the liquid before the start of crystal growth, or by adding Na or a Na compound intermittently or continuously during the crystal growth. At this time, Na or a Na compound can be added to the solution in any of a gas phase, a liquid phase, and a solid phase. Examples of the Na compound include sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, sodium fluoride and the like. The concentration of Na in the liquid is preferably maintained at 0.1 to 35% by weight, more preferably maintained at 0.5 to 10% by weight, and further preferably maintained at 1.5 to 8% by weight. preferable.

なお、Na濃度の代わりにK濃度やCs濃度によりモル比を制御することも可能である。例えば、K化合物として塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、フッ化カリウムを使用することができ、Cs化合物として塩化セシウム、臭化セシウム、ヨウ化セシウム、フッ化セシウムを使用することができる。本発明では、Na濃度やK濃度で調整することが好ましく、Na濃度で調整することがより好ましい。   It is also possible to control the molar ratio by K concentration or Cs concentration instead of Na concentration. For example, potassium chloride, potassium bromide, potassium iodide, and potassium fluoride can be used as the K compound, and cesium chloride, cesium bromide, cesium iodide, and cesium fluoride can be used as the Cs compound. In this invention, it is preferable to adjust with Na density | concentration and K density | concentration, and it is more preferable to adjust with Na density | concentration.

(液中の窒化物量の制御)
本発明では、上記のような方法を適宜組み合わせることにより、結晶成長させる液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比を3.5〜50の範囲内に保持するが、一段と安定かつ継続的な結晶成長を実現するためには、特に液中の窒化物量の変動を最小限にとどめることが好ましい。
(Control of the amount of nitride in the liquid)
In the present invention, by appropriately combining the above methods, the molar ratio of the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid for crystal growth is maintained within the range of 3.5 to 50, but more stable and continuous. In order to achieve effective crystal growth, it is particularly preferable to minimize the variation in the amount of nitride in the liquid.

そのためには、前記結晶成長中に前記液中に添加する窒化物の量(MN)に対する、前記液内における第13族金属窒化物結晶の析出量(M13N)のモル比(MN/M13N)が0.1〜100となるように前記窒化物の添加量を制御することが好ましい。モル比(MN/M13N)は1.1〜10となるように制御することがより好ましく、1.5〜3.0なるように制御することがさらに好ましい。また、前記結晶成長中に前記液中に添加する窒化物の添加速度(RN)に対する、前記液内における第13族金属窒化物結晶の析出速度(R13N)のモルベースの速度比(RN/R13N)が0.1〜100となるように、前記窒化物の添加量を制御することが好ましい。速度比(RN/R13N)は1.1〜10となるように制御することがより好ましく、1.5〜3.0となるように制御することがさらに好ましい。 For that purpose, the molar ratio (M N / M) of the precipitation amount (M 13N ) of the Group 13 metal nitride crystal in the liquid to the amount of nitride (M N ) added to the liquid during the crystal growth. It is preferable to control the addition amount of the nitride so that M 13N ) is 0.1-100. The molar ratio (M N / M 13N ) is more preferably controlled to be 1.1 to 10, and further preferably controlled to be 1.5 to 3.0. Also, the relative addition rate of the crystal growth nitride to be added to the solution in (R N), on a molar basis of the speed ratio (R N of the deposition rate of the Group 13 metal nitride crystal in the liquid in the (R 13N) / R 13N ) is preferably controlled so that the added amount of the nitride is 0.1-100. The speed ratio (R N / R 13N ) is more preferably controlled to be 1.1 to 10, and further preferably controlled to be 1.5 to 3.0.

(攪拌)
さらに一段と安定かつ継続的な結晶成長を実現するために、結晶成長させる液は攪拌することが好ましい。攪拌することにより、液中の濃度むらをなくすことができるとともに、反応効率を上げることができる。攪拌は、反応容器内に設けられた攪拌子を回転させることにより行ったり、シードを回転させることにより行ったりすることができる。シードを回転させる場合には、回転速度を通常0.1〜100rpmとし、0.5〜80rpmとすることが好ましく、5〜50rpmとすることがより好ましい。従来の方法では、攪拌することにより液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比がさらに低下してしまい、反応効率を下げていたが、本発明の方法では攪拌することにより一段と安定で継続的な結晶成長を実現することができる。
(Stirring)
Further, in order to realize more stable and continuous crystal growth, it is preferable to stir the liquid for crystal growth. By stirring, the concentration unevenness in the liquid can be eliminated and the reaction efficiency can be increased. Stirring can be performed by rotating a stirrer provided in the reaction vessel or by rotating a seed. When the seed is rotated, the rotation speed is usually 0.1 to 100 rpm, preferably 0.5 to 80 rpm, and more preferably 5 to 50 rpm. In the conventional method, the molar ratio between the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid is further reduced by stirring, and the reaction efficiency is lowered. However, in the method of the present invention, it is more stable by stirring. Continuous crystal growth can be realized.

[窒素と第13族金属を含む液]
本発明の製造方法は、窒素と第13族金属を含む液中で第13族金属窒化物結晶を成長させる。ここで用いる液に含まれる第13族金属は、結晶成長させようとしている結晶を構成する第13族金属である。本発明で用いる液は溶液または融液であり、イオン性溶媒を含むことが好ましい。
[Liquid containing nitrogen and Group 13 metal]
In the production method of the present invention, a Group 13 metal nitride crystal is grown in a liquid containing nitrogen and a Group 13 metal. The Group 13 metal contained in the liquid used here is a Group 13 metal constituting the crystal to be crystal-grown. The liquid used in the present invention is a solution or a melt, and preferably contains an ionic solvent.

(イオン性溶媒)
イオン性溶媒としては、以下の(A)〜(D)の機能を有するものを選択することが好ましい。なお、複合金属窒化物を使用しない場合は、(B)および(C)の機能を有するものを選択することが好ましい。
(A)複合金属窒化物を溶解し、溶液を作成する機能。
(B)生成する第13族金属窒化物結晶を溶解する機能。
(C)液からの第13族金属窒化物結晶の析出を促進させる機能。
(D)複合金属窒化物に含まれる第13族以外の金属元素の窒化物を溶解させる機能。
(Ionic solvent)
As the ionic solvent, a solvent having the following functions (A) to (D) is preferably selected. In addition, when not using composite metal nitride, it is preferable to select what has the function of (B) and (C).
(A) A function of dissolving a composite metal nitride to create a solution.
(B) A function of dissolving the generated Group 13 metal nitride crystal.
(C) The function of promoting the precipitation of Group 13 metal nitride crystals from the liquid.
(D) A function of dissolving nitrides of metal elements other than Group 13 contained in the composite metal nitride.

(A)の機能を発揮させるために、例えば、複合金属窒化物に含まれる第13族以外の金属元素を含むイオン性溶媒を用いることができる。これはイオン性溶媒に複合金属窒化物に含まれるイオンと同種のイオンが溶媒に含まれていると、イオンの親和性が高く複合金属窒化物が溶解しやすいからである。この点で、例えば、複合金属窒化物としてLi3GaN2を用いる場合には、イオン性溶媒としてLiClを用いることが好ましい。 In order to exhibit the function of (A), for example, an ionic solvent containing a metal element other than Group 13 contained in the composite metal nitride can be used. This is because if the ionic solvent contains ions of the same type as the ions contained in the composite metal nitride, the ion affinity is high and the composite metal nitride is easily dissolved. In this regard, for example, when Li 3 GaN 2 is used as the composite metal nitride, it is preferable to use LiCl as the ionic solvent.

(B)と(C)の機能は一見相反する機能であるが、この2点はいずれも液相からの結晶成長に重要な機能である。大型で高品質な結晶を析出させるには、生成する第13族金属窒化物結晶の溶解と析出の両者を適切に制御することが好ましい。
(B)の機能がないと、本願発明の製造方法で第13族金属窒化物が生成した際に直ちに固体として析出してしまい、大型で高品質な結晶を得ることが困難となる。よって、イオン性溶媒は第13族金属窒化物結晶を溶解する機能を有することが好ましい。
(B)の機能を発揮させるために、例えば、複合金属窒化物としてLi3GaN2を用いる場合にはLiClとLi3Nの混合イオン性溶媒を用いることができる。これはLi3Nの存在により、GaNが溶媒に溶解するためである。Li3NはLiClと共存することで、低温で液相になりイオン性溶媒となる。複合金属窒化物を溶解させるイオン溶媒としてLiClのみを用いた場合であっても本発明の反応によりLi3Nが副生成物として生成し、系内でLiClとLi3Nの混合イオン性溶媒となる(後記式(3)参照)が、(B)の機能をより効果的に用いるために、あらかじめLiClとLi3Nを含む混合イオン溶媒を用い、これに複合金属窒化物を溶解させることも好適に行われる。
The functions of (B) and (C) are seemingly contradictory functions, but these two points are both important functions for crystal growth from the liquid phase. In order to precipitate a large and high-quality crystal, it is preferable to appropriately control both dissolution and precipitation of the Group 13 metal nitride crystal to be formed.
Without the function (B), when the Group 13 metal nitride is produced by the production method of the present invention, it immediately precipitates as a solid, making it difficult to obtain a large and high quality crystal. Therefore, the ionic solvent preferably has a function of dissolving the Group 13 metal nitride crystal.
In order to exhibit the function (B), for example, when Li 3 GaN 2 is used as the composite metal nitride, a mixed ionic solvent of LiCl and Li 3 N can be used. This is because GaN dissolves in the solvent due to the presence of Li 3 N. When Li 3 N coexists with LiCl, it becomes a liquid phase at a low temperature and becomes an ionic solvent. Even when only LiCl is used as an ionic solvent for dissolving the composite metal nitride, Li 3 N is generated as a by-product by the reaction of the present invention, and a mixed ionic solvent of LiCl and Li 3 N in the system In order to use the function of (B) more effectively, a mixed ion solvent containing LiCl and Li 3 N is used in advance, and the composite metal nitride is dissolved in this. It is suitably performed.

(C)の機能の内容は以下の通りである。複合金属窒化物をイオン性溶媒に溶解させた溶液または融液から第13族金属窒化物結晶を析出させるためには、液温を下げたり、溶液または融液に温度差をつけたりする方法などが挙げられるが、これらの方法はいずれもイオン性溶媒に溶解する第13族金属窒化物の飽和溶解量が、温度を低下させることにより小さくなることを利用している。このため溶液または融液の温度を低下させたときに、第13族金属窒化物の飽和溶解量の減少量が大きいイオン性溶媒を用いると、得られる第13族金属窒化物の量が多くなり、大きな結晶を得ることができるので好ましい。
(C)の機能を発揮させるために、例えば、複合金属窒化物に含まれる第13族の金属元素を含まないイオン性溶媒を(A)(B)の機能を持つイオン性溶媒に添加して用いることができる。複合金属窒化物としてLi3GaN2を用いる場合にはNaClが好ましい。(B)と(C)の機能をあわせもつイオン性溶媒としては、例えば、LiClとNaClの混合イオン性溶媒や、LiCl,Li3N,NaClの混合イオン性溶媒を好適に用いることができる。
The contents of the function (C) are as follows. In order to precipitate a Group 13 metal nitride crystal from a solution or melt in which a composite metal nitride is dissolved in an ionic solvent, there are methods such as lowering the liquid temperature or adding a temperature difference to the solution or melt. As mentioned above, all of these methods utilize the fact that the saturated dissolution amount of the Group 13 metal nitride dissolved in the ionic solvent is reduced by lowering the temperature. For this reason, when the ionic solvent having a large decrease in the saturated dissolution amount of the Group 13 metal nitride is used when the temperature of the solution or melt is lowered, the amount of the Group 13 metal nitride obtained is increased. It is preferable because large crystals can be obtained.
In order to exert the function (C), for example, an ionic solvent not containing a group 13 metal element contained in the composite metal nitride is added to the ionic solvent having the functions (A) and (B). Can be used. NaCl is preferred when Li 3 GaN 2 is used as the composite metal nitride. As the ionic solvent having the functions of (B) and (C), for example, a mixed ionic solvent of LiCl and NaCl or a mixed ionic solvent of LiCl, Li 3 N, and NaCl can be preferably used.

(D)の機能の内容は以下の通りである。複合金属窒化物から第13族金属窒化物を生成する際には、副生成物として複合金属窒化物に含まれる第13族金属以外の元素の窒化物が生成する。この場合、副生成物が固体として析出すると、不純物として第13族金属窒化物結晶に取り込まれたり第13族金属結晶が成長する際の結晶核になったりするなどの問題が生じやすい。よって、イオン性溶媒は、副生成物、例えば複合金属窒化物に含まれる第13族金属以外の元素の窒化物を溶解する機能を持つことが好ましい。
(D)の機能を発揮させるために、例えば、複合金属窒化物としてLi3GaN2を用いる場合には、副生成物のLi3Nを溶解するLiClを溶媒に用いることが好ましい。
The contents of the function (D) are as follows. When the Group 13 metal nitride is generated from the composite metal nitride, a nitride of an element other than the Group 13 metal contained in the composite metal nitride is generated as a by-product. In this case, when the by-product is precipitated as a solid, problems such as incorporation into the Group 13 metal nitride crystal as an impurity or a crystal nucleus when the Group 13 metal crystal grows are likely to occur. Therefore, the ionic solvent preferably has a function of dissolving a by-product, for example, a nitride of an element other than the Group 13 metal contained in the composite metal nitride.
In order to exert the function (D), for example, when Li 3 GaN 2 is used as the composite metal nitride, it is preferable to use LiCl that dissolves the by-product Li 3 N as a solvent.

(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。
(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.

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良いが、原料である複合金属窒化物中の第13族金属元素以外の金属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、アルカリ金属および/またはアルカリ土類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。 The type of the molten salt is not particularly limited as long as it does not inhibit the epitaxial growth on the seed, but preferably has a strong chemical affinity with a metal nitride other than the Group 13 metal element in the composite metal nitride as a raw material, More preferably, they form compounds in chemical equilibrium. 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 an alkali metal and / or an alkaline earth 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等のアルカリ金属塩および/またはMg、Ca、Sr等のアルカリ土類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、CaCl2、BaCl2、CsCl、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。 Specifically, the molten salt is preferably a molten salt made of an alkali metal salt such as Li, Na, or K and / or an alkaline earth metal salt such as Mg, Ca, or Sr. Further molten salt, LiCl, KCl, NaCl, CaCl 2, BaCl 2, CsCl, 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.

また溶融塩中の複合金属窒化物の溶解度および第13族金属窒化物の溶融度を制御するために、上記のように複数の塩の混合物を用いることもできる。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、混合塩たとえば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。   Also, a mixture of a plurality of salts can be used as described above in order to control the solubility of the composite metal nitride in the molten salt and the solubility of the Group 13 metal nitride. 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 such as a mixed salt of LiCl and NaCl is heated. It is desirable to make it melted from the viewpoint of uniformity in the system.

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、特に塩化水素を用いることが好ましい。   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.

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窒化物としてはLi3N、Ca32などを用いることが好ましい。 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. Li 3 N, Ca 3 N 2 or the like is preferably used as the metal nitride other than the Group 13 metal element.

[シード]
本発明の製造方法では、シード上に第13族金属窒化物結晶を成長させることが好ましい。使用するシードは、第13族金属窒化物結晶であってもよいし、サファイア、SiC、ZnO等の異種基板であってもよい。好ましいのは、シードとして、第13族金属窒化物結晶または基板を用いる場合である。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等の気相成長法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。
本発明の製造方法によれば、例えばシード上に厚みが10μm以上の第13族金属窒化物結晶を成長させることができる。また、30μm以上、70μm以上、140μm以上など任意の厚みの第13族金属窒化物結晶を成長させることができる。
[seed]
In the production method of the present invention, it is preferable to grow a Group 13 metal nitride crystal on the seed. The seed used may be a Group 13 metal nitride crystal or a different substrate such as sapphire, SiC, ZnO or the like. Preference is given to using a Group 13 metal nitride crystal or substrate as the seed. 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 substrates in vapor phase growth methods such as GaAs can also be used. 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.
According to the manufacturing method of the present invention, for example, a Group 13 metal nitride crystal having a thickness of 10 μm or more can be grown on a seed. Further, a Group 13 metal nitride crystal having an arbitrary thickness such as 30 μm or more, 70 μm or more, or 140 μm or more can be grown.

[反応容器]
本発明に用いられる反応容器は、熱的および化学的に安定な酸化物を主成分とする反応容器であることが好ましい。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。
[Reaction vessel]
The reaction vessel used in the present invention is preferably a reaction vessel mainly composed of a thermally and chemically stable oxide. The main component here means a component that occupies 90% by weight or more of the oxide component contained in the material constituting the wall in contact with the solution or melt in the reaction vessel, preferably the solution or melt in the reaction vessel. It is a component that occupies 95% by weight or more in the oxide component contained in the material constituting the wall surface in contact with the liquid. 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. are 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.

反応容器内において第13族金属窒化物結晶を成長させる際の温度は、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。また、第13族金属窒化物結晶を成長させる際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。   The temperature at which the Group 13 metal nitride crystal is grown in the reaction vessel is usually 200 to 1000 ° C., preferably 400 to 850 ° C., more preferably 600 to 800 ° C. The pressure in the reaction vessel when growing 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.

[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.

以下に調整例、製造例、実施例、比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。まず、N/Ga比の制御法を具体的に説明した調整例を挙げ、次いで複合窒化物および焼結体の合成法を具体的に説明した製造例を挙げ、そのうえで窒化ガリウム結晶の製造方法を具体的に説明した実施例と比較例を挙げる。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、本願においてN/Ga比とは、液中に含まれるN原子のモル数を液中に含まれるGa原子のモル数で割った値を意味する。   The features of the present invention will be described more specifically with reference to the following adjustment examples, production examples, examples and comparative examples. First, an adjustment example specifically explaining the control method of the N / Ga ratio is given, followed by a production example specifically explaining the synthesis method of the composite nitride and the sintered body, and then a method for producing a gallium nitride crystal. Specific examples and comparative examples will be given. 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 present application, the N / Ga ratio means a value obtained by dividing the number of moles of N atoms contained in the liquid by the number of moles of Ga atoms contained in the liquid.

[N/Ga比の制御法]
(調整例1)
石英製反応管内に、LiClを5g、Li3GaN2を0.5g入れたY23製第1るつぼと、NaClを1.75g、LiClを3.25g入れたY23製第2るつぼを横に並べて設置した。各るつぼには蓋をせず、石英製反応管に反応管用の蓋をした。その後、石英製反応管を電気炉に設置し、反応管内を真空に引き、窒素で置換した。100ml/minの窒素気流中において、電気炉による昇温を開始し、745℃に達した後にその温度で138時間保持した。第2るつぼから第1るつぼに気相経由でNaClが移動し、第1るつぼ内のNa濃度は0.80重量%となり、N/Ga比は4.4となった。
[Control method of N / Ga ratio]
(Adjustment example 1)
A first crucible made of Y 2 O 3 containing 5 g of LiCl and 0.5 g of Li 3 GaN 2 in a quartz reaction tube, and a second Y 2 O 3 made of Y 2 O 3 containing 1.75 g of NaCl and 3.25 g of LiCl. The crucibles were placed side by side. Each crucible was not covered, and a quartz reaction tube was covered with a reaction tube lid. Thereafter, the quartz reaction tube was placed in an electric furnace, and the inside of the reaction tube was evacuated and replaced with nitrogen. In a nitrogen stream of 100 ml / min, temperature increase by an electric furnace was started, and after reaching 745 ° C., the temperature was maintained for 138 hours. NaCl moved from the second crucible to the first crucible via the gas phase, the Na concentration in the first crucible was 0.80 wt%, and the N / Ga ratio was 4.4.

(調整例2)
745℃における保持時間を235時間に変更した点を除いて参考例1と同じ方法を実施した。その結果、第1るつぼ内のNa濃度は1.26重量%となり、N/Ga比は5.1となった。
以上の調製例1および調製例2の方法に準じて、N/Ga比を所望の値に制御することができる。
(Adjustment example 2)
The same method as in Reference Example 1 was carried out except that the holding time at 745 ° C. was changed to 235 hours. As a result, the Na concentration in the first crucible was 1.26% by weight, and the N / Ga ratio was 5.1.
The N / Ga ratio can be controlled to a desired value according to the methods of Preparation Example 1 and Preparation Example 2 described above.

[複合窒化物および焼結体の合成法]
(製造例1)
酸素濃度が10ppmかつ露点が−70℃であるアルゴンボックス内において、金属ガリウム6.5gおよび金属リチウム2.1gをY23製ボートに入れ、ボートをバルブ付き石英製反応管に入れた。ボート内容物が酸素、水分に触れないようにバルブを閉じてから石英製反応管をアルゴンボックスから取出し電気炉に設置した。バルブを介して石英製反応管をガスラインに接続し、100Nml/minのアルゴンを石英製反応管内に流通させながら、ボート部の温度が700℃になるまで室温から1時間で昇温し、700℃で1時間保持した。その後、流通ガスを窒素100ml/minに切り替えて700℃で10時間窒化を行い、窒素流通のまま電気炉電源を切り室温まで自然放冷した。バルブを閉じた後石英製反応管をアルゴンボックス内に戻し、ボートから固体生成物を取り出し、乳鉢で所定の大きさに粉砕した。XRD測定により得られた固体生成物が複合窒化物Li3GaN2であることが確認された。
[Synthesis of composite nitride and sintered body]
(Production Example 1)
In an argon box having an oxygen concentration of 10 ppm and a dew point of −70 ° C., 6.5 g of metal gallium and 2.1 g of metal lithium were placed in a Y 2 O 3 boat, and the boat was placed in a quartz reaction tube with a valve. The valve was closed so that the boat contents did not come into contact with oxygen and moisture, and then the quartz reaction tube was taken out of the argon box and installed in an electric furnace. The quartz reaction tube was connected to the gas line through a valve, and the temperature was raised from room temperature to 1 hour until the temperature of the boat portion reached 700 ° C. while circulating 100 Nml / min of argon through the quartz reaction tube. Hold at 1 ° C. for 1 hour. Thereafter, the flow gas was switched to 100 ml / min of nitrogen, and nitriding was performed at 700 ° C. for 10 hours. After closing the valve, the quartz reaction tube was returned to the argon box, the solid product was taken out from the boat, and pulverized to a predetermined size with a mortar. It was confirmed that the solid product obtained by XRD measurement was a composite nitride Li 3 GaN 2 .

(製造例2)
金属ガリウムを5.4g用いた以外は製造例1と同じ手法で複合窒化物の合成を行った。XRD測定により得られた固体生成物は複合窒化物Li3GaN2とLi3Nの焼結体であることが確認された。また焼結体中のGa濃度およびN濃度をそれぞれICP−AES法およびイオンクロマトグラフィー法で分析した結果、この焼結体1gにはLi3Nが70mg含まれていることが分かった。
(Production Example 2)
A composite nitride was synthesized in the same manner as in Production Example 1 except that 5.4 g of metal gallium was used. It was confirmed that the solid product obtained by XRD measurement was a sintered body of composite nitrides Li 3 GaN 2 and Li 3 N. Further, as a result of analyzing the Ga concentration and N concentration in the sintered body by ICP-AES method and ion chromatography method, it was found that 1 mg of this sintered body contained 70 mg of Li 3 N.

[窒化ガリウム結晶の製造方法]
(実施例1)
図1に示す反応容器を用いてGaN結晶を成長させた。
酸素濃度が10ppmで露点が−70℃であるアルゴンボックス内において、外径31mm、内径25mm、高さ200mmのY23製るつぼ(5)に、LiClを9.7g、NaClを0.3g、製造例1で合成した粒径2mm以上のLi3GaN2(7)(2mmのふるいを通過しなかったLi3GaN2:以下同じ)を1.0g入れてY23製蓋(11)を装着し、さらにるつぼ(5)を石英製反応管(4)に入れて反応管用の蓋をした。また、縦3mm、横15mm、厚み300μmのGaNシード(6)(面指数(10−1−1))をTaワイヤーで保持し、ワイヤーの他端を直径3mmの攪拌用のタングステン製シード保持棒(8)に取り付けた。シード保持棒(8)の先に取り付けたGaNシード(6)を、反応管用の蓋に設けられた挿入機構を通して石英製反応管(4)内に挿入し、さらにるつぼの蓋(11)に設けられた直径8mmの貫通孔(10)を通して挿入した。このとき、GaNシードはるつぼ内の混合物に接触しないように、反応管用の蓋の直下に保持した。実施例1で用いた反応装置では、るつぼの蓋に設けられた貫通孔(10)とシード保持棒(8)の間の空隙を通して、るつぼ内外が通気しているが、その通気量は蓋がない場合に比べると大幅に制限されている。また、シード保持棒(8)を石英製反応管(4)に挿通した挿入機構には通気性はない。石英製反応管の蓋に設けられているガス導入口(1)およびガス排気口(2)の各バルブを閉状態にすることにより石英製反応管(4)を密閉した。
[Method of producing gallium nitride crystal]
Example 1
A GaN crystal was grown using the reaction vessel shown in FIG.
In an argon box having an oxygen concentration of 10 ppm and a dew point of −70 ° C., a Y 2 O 3 crucible (5) having an outer diameter of 31 mm, an inner diameter of 25 mm, and a height of 200 mm is filled with 9.7 g of LiCl and 0.3 g of NaCl. production example 1 synthesized in particle size 2mm or more Li 3 GaN 2 (7) ( Li did not pass through the 2mm sieve 3 GaN 2: hereinafter the same) was placed 1.0 g Y 2 O 3 manufactured by lid (11 ), And the crucible (5) was placed in the quartz reaction tube (4) and the reaction tube was covered. Further, a GaN seed (6) (surface index (10-1-1)) having a length of 3 mm, a width of 15 mm, and a thickness of 300 μm is held by a Ta wire, and the other end of the wire is a tungsten seed holding rod for stirring having a diameter of 3 mm. It was attached to (8). The GaN seed (6) attached to the tip of the seed holding rod (8) is inserted into the quartz reaction tube (4) through the insertion mechanism provided in the reaction tube lid, and further provided on the crucible lid (11). It was inserted through a through-hole (10) having a diameter of 8 mm. At this time, the GaN seed was held directly under the reaction tube lid so as not to contact the mixture in the crucible. In the reaction apparatus used in Example 1, the inside and outside of the crucible are ventilated through the gap between the through hole (10) provided in the crucible lid and the seed holding rod (8). Compared to the case without it, it is greatly limited. Further, the insertion mechanism in which the seed holding rod (8) is inserted into the quartz reaction tube (4) is not breathable. The quartz reaction tube (4) was sealed by closing the valves of the gas introduction port (1) and the gas exhaust port (2) provided on the lid of the quartz reaction tube.

石英製反応管(4)を電気炉(3)に設置し、石英製反応管(4)内を真空に引き、その後ガス導入口(1)およびガス排気口(2)の各バルブを開状態とし窒素で置換する作業を2回繰り返した。その後、100ml/minの窒素気流中において、電気炉(3)による昇温を開始した。昇温開始から1時間後にるつぼ内の温度は745℃に達し、LiCl−NaClは溶融塩となった。745℃にさらに90時間保持し、過剰なLi3Nを除去してるつぼ内のN/Ga比の調整を行った。その後、温度を720℃に下げ、シード保持棒(8)を下げることによりGaNシードを溶融塩(9)中に浸漬し、シード保持棒(8)を回すことによりGaNシード(6)を20rpmで回転させながら720℃で210時間結晶成長させた。210時間経過後にシード保持棒(8)を引き上げることによりGaNシード(6)を溶融塩(9)から取り出し、石英製反応管(4)を室温まで冷却した。冷却後にアルゴンボックス内でるつぼ(5)を取り出し、固化した溶融塩の一部を分析用にサンプリングしてN/Ga比が11であることを確認した。なお、GaNシードを溶融塩中に浸漬して結晶成長を開始した時点における溶融塩をサンプリングし、塩中のモル比を組成分析したところN/Ga比は9.2であった。残りのるつぼ内容物やシートを水にて塩を溶解させて除去した後に、シードと塩中に析出したGaN単結晶(自発核発生GaN結晶)を取り出した。 Place the quartz reaction tube (4) in the electric furnace (3), evacuate the quartz reaction tube (4), and then open the valves for the gas inlet (1) and the gas outlet (2). The operation of substituting with nitrogen was repeated twice. Then, the temperature increase by the electric furnace (3) was started in a nitrogen stream of 100 ml / min. One hour after the start of heating, the temperature in the crucible reached 745 ° C., and LiCl—NaCl became a molten salt. The temperature was further maintained at 745 ° C. for 90 hours, and excess Li 3 N was removed to adjust the N / Ga ratio in the crucible. Thereafter, the temperature is lowered to 720 ° C., the GaN seed is immersed in the molten salt (9) by lowering the seed holding rod (8), and the GaN seed (6) is rotated at 20 rpm by turning the seed holding rod (8). Crystals were grown at 720 ° C. for 210 hours while rotating. After 210 hours, the seed holding rod (8) was pulled up to take out the GaN seed (6) from the molten salt (9), and the quartz reaction tube (4) was cooled to room temperature. After cooling, the crucible (5) was taken out in an argon box, and a part of the solidified molten salt was sampled for analysis to confirm that the N / Ga ratio was 11. The molten salt at the time when the GaN seed was immersed in the molten salt and crystal growth was started was sampled, and the molar ratio in the salt was compositionally analyzed. The N / Ga ratio was 9.2. After the remaining crucible contents and sheet were removed by dissolving the salt with water, the seed and the GaN single crystal (spontaneous nucleation GaN crystal) precipitated in the salt were taken out.

シードの厚みを膜厚計で測定した結果、シード上にGaNが成長したため、シードの厚みが140μm増加していることが確認された。シード上に成長したGaNは無色透明であった。また、自発核発生GaN結晶の重量とシード重量の増加分の比は3:1であった。   As a result of measuring the seed thickness with a film thickness meter, it was confirmed that the seed thickness increased by 140 μm because GaN grew on the seed. The GaN grown on the seed was colorless and transparent. The ratio of the increase in the weight of the spontaneous nucleation GaN crystal and the seed weight was 3: 1.

(実施例2)
GaNシードを回転させなかった点を除いて実施例1と同じ方法を実施した。実施例1と同様にサンプリングした結果、結晶成長開始時の溶融塩中のN/Ga比は10であり、720℃で60時間結晶成長させた後の溶融塩中のN/Ga比は12であり、720℃で200時間結晶成長させた後の溶融塩中のN/Ga比は9.0であった。また、720℃で200時間結晶成長させた後のシード厚みを膜厚計で測定したところ、膜厚は70μm増加していた。シード上に成長したGaNは無色透明であった。
(Example 2)
The same method as in Example 1 was performed except that the GaN seed was not rotated. As a result of sampling in the same manner as in Example 1, the N / Ga ratio in the molten salt at the start of crystal growth was 10, and the N / Ga ratio in the molten salt after crystal growth at 720 ° C. for 60 hours was 12. Yes, the N / Ga ratio in the molten salt after crystal growth at 720 ° C. for 200 hours was 9.0. Moreover, when the seed thickness after crystal growth at 720 ° C. for 200 hours was measured with a film thickness meter, the film thickness increased by 70 μm. The GaN grown on the seed was colorless and transparent.

(実施例3)
るつぼ内に入れたLi3GaN2の量を0.25gに変更し、さらにLi3N21mgも添加した点を除いて実施例1と同じ方法を実施した。実施例1と同様にサンプリングした結果、結晶成長開始時の溶融塩中のN/Ga比は10であり、720℃で210時間結晶成長させた後の溶融塩中のN/Ga比は9.3であった。また、シードの厚みを膜厚計で測定した結果、シード厚みは16μm増加していた。シード上に成長したGaNは無色透明であった。
(Example 3)
The same method as in Example 1 was carried out except that the amount of Li 3 GaN 2 placed in the crucible was changed to 0.25 g and 21 mg of Li 3 N was also added. As a result of sampling in the same manner as in Example 1, the N / Ga ratio in the molten salt at the start of crystal growth was 10. The N / Ga ratio in the molten salt after crystal growth at 720 ° C. for 210 hours was 9. 3. Further, as a result of measuring the seed thickness with a film thickness meter, the seed thickness increased by 16 μm. The GaN grown on the seed was colorless and transparent.

(実施例4)
るつぼ内に入れたLi3GaN2の量を0.5gに変更した点を除いて実施例1と同じ方法を実施した。実施例1と同様にサンプリングした結果、結晶成長開始時の溶融塩中のN/Ga比は9.1であり、720℃で200時間結晶成長させた後の塩中のN/Ga比は13であった。また、720℃で200時間結晶成長させた後のシード厚みを膜厚計で測定したところ、膜厚は30μm増加していた。シード上に成長したGaNは無色透明であった。
Example 4
The same method as in Example 1 was performed except that the amount of Li 3 GaN 2 placed in the crucible was changed to 0.5 g. As a result of sampling in the same manner as in Example 1, the N / Ga ratio in the molten salt at the start of crystal growth was 9.1, and the N / Ga ratio in the salt after crystal growth at 720 ° C. for 200 hours was 13 Met. Moreover, when the seed thickness after crystal growth at 720 ° C. for 200 hours was measured with a film thickness meter, the film thickness increased by 30 μm. The GaN grown on the seed was colorless and transparent.

(実施例5)
製造例2で示した方法で合成したLi3GaN2−Li3N焼結体1gを用い、GaNシードの面指数を(10−10)とし、過剰なLi3Nを除去してるつぼ内のN/Ga比を調整するための保持時間を70時間とし、温度を745℃で保持したままGaNシードを溶融塩に浸漬し、745℃で130時間成長した点を除いて実施例2と同じ方法で実施した。実施例1と同様にサンプリングした結果、結晶成長開始時の溶融塩中のN/Ga比は46であり、焼結体から溶液に徐々にLi3Nが放出されたため、50時間結晶成長させた後の溶液中のN/Ga比は17と高かった。また130時間結晶成長させた後のシード厚みを膜厚計で測定したところ、膜厚は70μm増加していた。
(Example 5)
Using 1 g of Li 3 GaN 2 —Li 3 N sintered body synthesized by the method shown in Production Example 2, the surface index of the GaN seed was set to (10−10), and excess Li 3 N was removed to remove the excess Li 3 N. The same method as in Example 2 except that the holding time for adjusting the N / Ga ratio was 70 hours, the GaN seed was immersed in the molten salt while maintaining the temperature at 745 ° C., and was grown at 745 ° C. for 130 hours. It carried out in. As a result of sampling in the same manner as in Example 1, the N / Ga ratio in the molten salt at the start of crystal growth was 46. Since Li 3 N was gradually released from the sintered body into the solution, the crystal was grown for 50 hours. The N / Ga ratio in the later solution was as high as 17. Further, when the seed thickness after crystal growth for 130 hours was measured with a film thickness meter, the film thickness increased by 70 μm.

(実施例6)
GaNシードの面指数を(10−10)とし、過剰なLi3Nを除去してるつぼ内のN/Ga比を調整するための保持時間を50時間とし、GaNシードを溶融塩中に浸漬させてから100時間結晶成長した点を除いて実施例4と同じ方法で実施した。720℃で100時間結晶成長させた後の塩中のN/Ga比は6.0であり、また720℃で100時間結晶成長させた後のシード厚みを膜厚計で測定したところ、膜厚は33μm増加していた。
(Example 6)
The surface index of the GaN seed is (10-10), the holding time for adjusting the N / Ga ratio in the crucible by removing excess Li 3 N is 50 hours, and the GaN seed is immersed in the molten salt. This was carried out in the same manner as in Example 4 except that the crystal was grown for 100 hours. The N / Ga ratio in the salt after crystal growth at 720 ° C. for 100 hours was 6.0, and the seed thickness after crystal growth at 720 ° C. for 100 hours was measured with a film thickness meter. Increased by 33 μm.

(実施例7)
GaNシードの面指数を(10−10)とし、GaNシードを溶融塩中に浸漬させてから8時間毎にLi3N1mgを添加し195時間結晶成長した点を除いて実施例1と同じ方法で実施した。745℃で195時間結晶成長させた後の塩中のN/Ga比は14.0であり、また745℃で195時間結晶成長させた後のシード厚みを膜厚計で測定したところ、膜厚は35μm増加していた。溶液中には膜厚が増加したGaNシードの他にも自発核発生結晶が生成しており、両者を合わせて本実施例で生成したGaN重量の総和は45mgであった。添加したLi3N量の総和は24mgであり、GaNの生成に伴ってLi3GaN2から溶液に溶解したLi3N量は19mgであるため、MN/M13NおよびRN/R13Nは2.3であった。
(Example 7)
The surface index of the GaN seed was set to (10-10), and the same method as in Example 1 was used except that 1 mg of Li 3 N was added every 8 hours after the GaN seed was immersed in the molten salt and the crystal was grown for 195 hours. Carried out. The N / Ga ratio in the salt after crystal growth at 745 ° C. for 195 hours was 14.0, and the seed thickness after crystal growth at 745 ° C. for 195 hours was measured with a film thickness meter. Increased by 35 μm. In addition to the GaN seed with an increased film thickness, spontaneous nucleation crystals were formed in the solution, and the total weight of GaN produced in this example was 45 mg. Since the total amount of Li 3 N added is 24 mg, and the amount of Li 3 N dissolved in the solution from Li 3 GaN 2 with the formation of GaN is 19 mg, M N / M 13N and R N / R 13N are 2.3.

(比較例1)
るつぼ用のY23製蓋を使用しなかった点を除いて実施例1と同じ方法を実施した。実施例1と同様にサンプリングした結果、結晶成長開始時の溶融塩中のN/Ga比は7.0であり、720℃で210時間結晶成長させた後の溶融塩中のN/Ga比は2.7であった。また、シードの厚みを膜厚計で測定した結果、シードの厚み増加は認められなかった。
(Comparative Example 1)
The same method as in Example 1 was performed except that a Y 2 O 3 lid for crucible was not used. As a result of sampling in the same manner as in Example 1, the N / Ga ratio in the molten salt at the start of crystal growth was 7.0, and the N / Ga ratio in the molten salt after crystal growth at 720 ° C. for 210 hours was 2.7. Moreover, as a result of measuring the seed thickness with a film thickness meter, no increase in the seed thickness was observed.

(比較例2)
Li3Nを添加しなかった点を除いて実施例3と同じ方法を実施した。720℃で210時間GaNシードを保持した後の溶融塩中のN濃度とGa濃度は測定限界以下であり、N/Ga比を得ることはできなかった。また、シードの厚みを膜厚計で測定した結果、シードの厚み増加は認められなかった。
(Comparative Example 2)
The same method as in Example 3 was performed except that Li 3 N was not added. The N concentration and the Ga concentration in the molten salt after holding the GaN seed at 720 ° C. for 210 hours were below the measurement limit, and the N / Ga ratio could not be obtained. Moreover, as a result of measuring the seed thickness with a film thickness meter, no increase in the seed thickness was observed.

(比較例3)
製造例1で合成したLi3GaN2を粉砕して、10μmのふるいを通過した粒子を得た。この粒径10μm未満のLi3GaN2を用いた点を除いて実施例1と同じ方法を実施した。実施例1と同様にサンプリングした結果、結晶成長開始時の溶融塩中のN/Ga比は7.1であり、720℃で210時間GaNシードを保持した後の溶融塩中のN/Ga比は2.5であった。また、シードの厚みを膜厚計で測定した結果、シードの厚み増加は認められなかった。
(Comparative Example 3)
Li 3 GaN 2 synthesized in Production Example 1 was pulverized to obtain particles that passed through a 10 μm sieve. The same method as in Example 1 was performed except that Li 3 GaN 2 having a particle size of less than 10 μm was used. As a result of sampling in the same manner as in Example 1, the N / Ga ratio in the molten salt at the start of crystal growth was 7.1, and the N / Ga ratio in the molten salt after holding the GaN seed at 720 ° C. for 210 hours. Was 2.5. Moreover, as a result of measuring the seed thickness with a film thickness meter, no increase in the seed thickness was observed.

(比較例4)
粒径10μm未満のLi3GaN2を用いた点と、るつぼ用のY23製蓋を使用しなかった点と、GaNシードを回転させなかった点を除いて実施例1と同じ方法を実施した。実施例1と同様にサンプリングした結果、結晶成長開始時の溶融塩中のN/Ga比は7.8であり、720℃で20時間結晶成長させた後の溶融塩中のN/Ga比は3.4であった。また、720℃で20時間結晶成長させた後のシード厚みを膜厚計で測定したところ、膜厚は2μmしか増加していなかった。さらに720℃に長時間保持しても結晶成長はほとんど見られなかった。
(Comparative Example 4)
The same method as in Example 1 except that Li 3 GaN 2 with a particle size of less than 10 μm was used, a Y 2 O 3 lid for crucible was not used, and the GaN seed was not rotated. Carried out. As a result of sampling in the same manner as in Example 1, the N / Ga ratio in the molten salt at the start of crystal growth was 7.8, and the N / Ga ratio in the molten salt after crystal growth at 720 ° C. for 20 hours was 3.4. Further, when the seed thickness after crystal growth at 720 ° C. for 20 hours was measured with a film thickness meter, the film thickness increased only by 2 μm. Furthermore, even if kept at 720 ° C. for a long time, almost no crystal growth was observed.

(比較例5)
るつぼ内にLiCl 10g、Li3N30mgを投入し、GaNシードも昇温前に投入(これはLi3Nを除去してるつぼ内のN/Ga比を調整する時間をゼロとしたことに相当する)し、結晶成長時間を変更させた以外は実施例2と同じ方法で実施した。745℃に到達した直後(30分後)に溶融塩の一部を分析用にサンプリングし分析すると溶融塩中のN/Ga比は52.2であった。2時間経過後にGaNシードを溶液から取り出し変化を観察したところ、GaNシードはN/Ga比が52.2と高い値の溶融塩中に浸漬されていたため表面がメルトバックし成長は見られず、重量も5%減少していた。
(Comparative Example 5)
10 g of LiCl and 30 mg of Li 3 N are charged into the crucible, and the GaN seed is also charged before the temperature rises (this corresponds to zero time for adjusting the N / Ga ratio in the crucible by removing Li 3 N). And the same method as in Example 2 except that the crystal growth time was changed. When a part of the molten salt was sampled for analysis immediately after reaching 745 ° C. (30 minutes later), the N / Ga ratio in the molten salt was 52.2. When the GaN seed was taken out of the solution after 2 hours and observed for change, the GaN seed was immersed in the molten salt with a high N / Ga ratio of 52.2, so the surface melted back and no growth was seen. The weight was also reduced by 5%.

以上の比較例の他に、反応混合液からLi3Nを蒸発させないために完全に蓋をした場合も、特開2007−84422号公報の比較例2に記載されているようにGaNの結晶成長はまったく認められない。 In addition to the comparative example described above, even when the lid is completely covered so as not to evaporate Li 3 N from the reaction mixture, the crystal growth of GaN as described in Comparative Example 2 of JP-A-2007-84422 Is not allowed at all.

上記の結果から明らかなように、溶融塩中のN/Ga比を3.5〜50の間に保持した状態でGaN結晶を成長させた実施例1〜7では、GaNシードの膜厚が大幅に厚くなり、効率よくGaNが結晶成長したことが確認された。これに対して、N/Ga比が3.5〜50の範囲外である溶融塩中にGaNシードを保持したり、N/Ga比が結晶成長中に低下して3.5〜50の範囲外になってしまう環境下で溶融塩中にGaNシードを保持したりした場合は、GaNの結晶成長が認められないか、結晶成長が認められてもわずかであった(比較例1〜5)。以上より、本発明にしたがって溶融塩中のN/Ga比を3.5〜50の間に保持した状態でGaN結晶を成長させることにより、GaN結晶を効率よく成長させ得ることが確認された。   As is clear from the above results, in Examples 1 to 7 where the GaN crystal was grown in a state where the N / Ga ratio in the molten salt was maintained between 3.5 and 50, the film thickness of the GaN seed was greatly increased. It was confirmed that the GaN crystal was efficiently grown. On the other hand, the GaN seed is held in the molten salt whose N / Ga ratio is out of the range of 3.5 to 50, or the N / Ga ratio is lowered during the crystal growth and is in the range of 3.5 to 50. When the GaN seed was held in the molten salt in an environment that would be outside, GaN crystal growth was not observed or even if crystal growth was observed (Comparative Examples 1 to 5) . From the above, it was confirmed that the GaN crystal can be efficiently grown by growing the GaN crystal in a state where the N / Ga ratio in the molten salt is maintained between 3.5 and 50 according to the present invention.

本発明の製造方法によれば、安定で継続的に第13族金属窒化物結晶を製造することができる。また、得られる結晶は形がそろっていて条件によるむらが生じにくい。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ため、産業上の利用可能性が高い。   According to the production method of the present invention, a Group 13 metal nitride crystal can be produced stably and continuously. In addition, the crystals obtained have a uniform shape and are less susceptible to unevenness due to conditions. In addition, according to the present invention, since a compound crystal having a size sufficient for application to a semiconductor device can be produced using a relatively inexpensive container, the industrial applicability is high.

1 ガス導入口
2 ガス排気口
3 電気炉
4 石英製反応管
5 るつぼ
6 シード
7 窒化物供給化合物
8 シード保持棒
9 溶媒(溶融塩)
10 貫通孔
11 るつぼの蓋
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas introduction port 2 Gas exhaust port 3 Electric furnace 4 Quartz reaction tube 5 Crucible 6 Seed 7 Nitride supply compound 8 Seed holding rod 9 Solvent (molten salt)
10 Through-hole 11 Crucible lid

Claims (20)

窒素元素と第13族金属元素を含む液中において第13族金属窒化物結晶を成長させる際に、前記液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比(N/第13族金属)を3.5〜50の範囲内に保持することを特徴とする第13族金属窒化物結晶の製造方法。   When a Group 13 metal nitride crystal is grown in a liquid containing a nitrogen element and a Group 13 metal element, the molar ratio (N / Group 13 metal) of the nitrogen element and the Group 13 metal element in the liquid is determined. A method for producing a Group 13 metal nitride crystal, characterized by being held within a range of 3.5 to 50. 前記液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比(N/第13族金属)を5〜20の範囲内に保持することを特徴とする請求項1に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。   2. The Group 13 metal nitride according to claim 1, wherein a molar ratio (N / Group 13 metal) of a nitrogen element and a Group 13 metal element in the liquid is maintained within a range of 5 to 20. 3. Crystal production method. 前記液から窒化物またはN2の少なくとも一方が蒸発するのを抑制することにより、前記液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。 3. The molar ratio of nitrogen element and group 13 metal element in the liquid is controlled by suppressing evaporation of at least one of nitride and N 2 from the liquid. The manufacturing method of the group 13 metal nitride crystal of description. 前記液を入れた容器に貫通孔を有する蓋を取り付けた状態で結晶成長させることにより、前記液から窒化物またはN2の少なくとも一方が蒸発するのを抑制することを特徴とする請求項3に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。 4. The method according to claim 3, wherein crystal growth is performed in a state where a lid having a through-hole is attached to the container in which the liquid is placed, thereby suppressing evaporation of at least one of nitride and N 2 from the liquid. The manufacturing method of the group 13 metal nitride crystal of description. 前記液中に窒化物を溶解することにより、前記液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比を制御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第13族金属窒化物結晶の製造方法。   The thirteenth aspect according to any one of claims 1 to 4, wherein a molar ratio of a nitrogen element and a group 13 metal element in the liquid is controlled by dissolving nitride in the liquid. Group metal nitride crystal manufacturing method. 前記第13族金属窒化物結晶の成長中に、前記液中に窒化物を連続的に溶解することを特徴とする請求項5に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。   6. The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to claim 5, wherein the nitride is continuously dissolved in the liquid during the growth of the Group 13 metal nitride crystal. 固体状の窒化物供給化合物を前記液と接触させて、前記結晶成長中に前記固体状の窒化物供給化合物から窒化物を前記液中に溶出することを特徴とする請求項6に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。   7. The method according to claim 6, wherein a solid nitride supply compound is brought into contact with the liquid to elute nitride from the solid nitride supply compound into the liquid during the crystal growth. A method for producing a group 13 metal nitride crystal. 前記固体状の窒化物供給化合物が第13族金属元素および第13族以外の金属元素を含有する固体状の複合金属窒化物であることを特徴とする請求項7に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。   8. The Group 13 metal nitride according to claim 7, wherein the solid nitride supply compound is a solid composite metal nitride containing a Group 13 metal element and a metal element other than the Group 13 metal element. Method for producing physical crystals. 前記複合金属窒化物がLi3GaN2であることを特徴とする請求項8に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to claim 8, wherein the composite metal nitride is Li 3 GaN 2 . 前記固体状の窒化物供給化合物の粒径が10μm以上であることを特徴とする請求項7〜9のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of claims 7 to 9, wherein the particle size of the solid nitride supply compound is 10 µm or more. 前記液中に溶解する窒化物がLi3Nであることを特徴とする請求項5〜10のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。 Process for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of claims 5-10, wherein the nitride is dissolved in said solution is a Li 3 N. 前記結晶成長中に前記液中に添加する窒化物の量(MN)に対する、前記液内における第13族金属窒化物結晶の析出量(M13N)のモル比(MN/M13N)が0.1〜100となるように、前記窒化物の添加量を制御することを特徴とする請求項5〜11のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The molar ratio (M N / M 13N ) of the precipitation amount (M 13N ) of the group 13 metal nitride crystal in the liquid to the amount of nitride (M N ) added to the liquid during the crystal growth is The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of Claims 5 to 11, wherein the amount of the nitride added is controlled to be 0.1 to 100. 前記結晶成長中に前記液中に添加する窒化物の添加速度(RN)に対する、前記液内における第13族金属窒化物結晶の析出速度(R13N)のモルベースの速度比(RN/R13N)が0.1〜100となるように、前記窒化物の添加量を制御することを特徴とする請求項5〜12のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。 A molar ratio (R N / R) of the precipitation rate (R 13N ) of the Group 13 metal nitride crystal in the liquid to the addition rate (R N ) of the nitride added to the liquid during the crystal growth. The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of claims 5 to 12, wherein the amount of the nitride added is controlled so that 13N ) is 0.1 to 100. . 前記液中のナトリウム濃度、前記液中のカリウム濃度、または前記液中のセシウム濃度の少なくとも1つの濃度を制御することを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。   The group 13 according to any one of claims 1 to 13, wherein at least one of a sodium concentration in the liquid, a potassium concentration in the liquid, or a cesium concentration in the liquid is controlled. A method for producing a metal nitride crystal. 前記液に塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化セシウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化セシウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、およびフッ化セシウムからなる群より選択される少なくとも一種を添加することにより、前記液中の窒素元素と第13族金属元素のモル比を制御することを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。   The liquid comprises sodium chloride, potassium chloride, cesium chloride, sodium bromide, potassium bromide, cesium bromide, sodium iodide, potassium iodide, cesium iodide, sodium fluoride, potassium fluoride, and cesium fluoride. The molar ratio of the nitrogen element and the group 13 metal element in the liquid is controlled by adding at least one selected from the group, The first aspect according to any one of claims 1 to 14, A method for producing a group 13 metal nitride crystal. 前記結晶成長中に、前記液を攪拌す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第13族金属窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of claims 1 to 15, wherein the liquid is stirred during the crystal growth. 前記攪拌を前記液中に浸漬したシードを回転させることにより行うことを特徴とする請求項16に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to claim 16, wherein the stirring is performed by rotating a seed immersed in the liquid. 前記液が溶融塩を含むことを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of claims 1 to 17, wherein the liquid contains a molten salt. シード表面上に厚み10μm以上の第13族金属窒化物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第13族金属窒化物結晶の製造方法。   19. The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to claim 1, wherein a Group 13 metal nitride crystal having a thickness of 10 [mu] m or more is grown on the seed surface. 請求項1〜19のいずれか一項に記載の製造方法により第13族金属窒化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。   A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of manufacturing a Group 13 metal nitride crystal by the manufacturing method according to claim 1.
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