JP2011001211A - Method for growing group iii nitride crystal - Google Patents

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Masanori Morishita
昌紀 森下
Shinsuke Fujiwara
伸介 藤原
Yusuke Mori
勇介 森
Yasuo Kitaoka
康夫 北岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for growing a group III nitride crystal which reduces the dislocation density of the whole of the crystal to be grown.SOLUTION: In the method for growing a group III nitride crystal 10, where a solution 6, obtained by dissolving a nitrogen raw material gas 5 into a melt 3 including a group III metal and an alkali metal, is brought into contact with a group III nitride seed crystal 1, thus a group III nitride crystal 10 is grown from the group III nitride seed crystal 1, the group III nitride seed crystal 1 has an upper face as a (000-1)N atom surface 1n, and a lower face arranged so as to be brought into contact with the inside surface 23i of a crystal growth vessel 23, and the group III nitride crystal 10 is grown substantially on the side surface 1s of the group III nitride seed crystal 1 to a direction parallel to the (000-1)N atom surfaces 1n, 10n.

Description

本発明は、液相法、特にフラックス法によるIII族窒化物結晶の成長方法に関する。   The present invention relates to a method for growing a group III nitride crystal by a liquid phase method, particularly a flux method.

III族窒化物結晶は、各種半導体デバイスの基板などに広く用いられている。近年、高特性の各種半導体デバイスを製造するために、転位密度の低いIII族窒化物結晶が求められている。   Group III nitride crystals are widely used for substrates of various semiconductor devices. In recent years, a group III nitride crystal having a low dislocation density has been demanded in order to produce various semiconductor devices having high characteristics.

III族窒化物結晶を成長させる方法としては、HVPE(ハイドライド気相成長)法、MOCVD(有機金属化学気相堆積)法などの気相法、高窒素圧溶液法、フラックス法などの液相法などがある。ここで、液相法は、気相法に比べて、その結晶成長において有毒なガスを使用しないため環境保護の面で優れている。   As a method for growing a group III nitride crystal, a gas phase method such as HVPE (hydride vapor phase epitaxy) method, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method, a liquid phase method such as high nitrogen pressure solution method, flux method, etc. and so on. Here, the liquid phase method is superior to the gas phase method in terms of environmental protection because no toxic gas is used in crystal growth.

かかる液相法において転位密度の低いIII族窒化物結晶を成長させる方法として、たとえば特開2005−350291号公報(特許文献1)は、種結晶を準備する工程と、フラックス法などの液相法により種結晶に第1のIII族窒化物結晶を成長させる工程と、を含み、第1のIII族窒化物結晶を成長させる工程において、種結晶の主面である(0001)Ga原子表面に平行な方向の結晶成長速度が、(0001)Ga原子表面に垂直な方向の結晶成長速度より大きいことを特徴とするIII族窒化物結晶の成長方法を開示する。   As a method for growing a group III nitride crystal having a low dislocation density in such a liquid phase method, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2005-350291 (Patent Document 1) includes a step of preparing a seed crystal and a liquid phase method such as a flux method. And growing a first group III nitride crystal on the seed crystal by the step, wherein the first group III nitride crystal is grown in parallel to the (0001) Ga atom surface that is the main surface of the seed crystal. Disclosed is a method for growing a group III nitride crystal, characterized in that the crystal growth rate in any direction is greater than the crystal growth rate in the direction perpendicular to the (0001) Ga atom surface.

特開2005−350291号公報JP-A-2005-350291

しかし、特開2005−350291号公報(特許文献1)に開示された成長方法では、種結晶の主面である(0001)Ga原子表面に平行な方向に成長する結晶の転位密度を低減することができるが、(0001)Ga原子表面に垂直な方向に成長する結晶の転位密度を低減することが困難であった。また、(0001)Ga表面に平行な方向への結晶の成長速度が低かった。このため、特開2005−350291号公報(特許文献1)に開示されたIII族窒化物結晶の成長方法においては、結晶の転位密度の低減は、その範囲および程度が限定的なものであった。   However, in the growth method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-350291 (Patent Document 1), the dislocation density of a crystal growing in a direction parallel to the (0001) Ga atom surface, which is the main surface of the seed crystal, is reduced. However, it has been difficult to reduce the dislocation density of crystals growing in a direction perpendicular to the (0001) Ga atom surface. In addition, the crystal growth rate in the direction parallel to the (0001) Ga surface was low. For this reason, in the method for growing a group III nitride crystal disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-350291 (Patent Document 1), the range and degree of reduction in the dislocation density of the crystal is limited. .

本発明は、成長させる結晶全体の転位密度が低減するIII族窒化物結晶の成長方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method for growing a group III nitride crystal in which the dislocation density of the entire crystal to be grown is reduced.

本発明は、III族金属とアルカリ金属とを含む融液に窒素原料ガスを溶解させた溶液をIII族窒化物種結晶に接触させることにより、III族窒化物種結晶からIII族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物結晶の成長方法であって、III族窒化物種結晶は、(000−1)N原子表面である上面を有し、結晶成長容器の内面に接触するよう配置された下面を有し、III族窒化物種結晶の実質的に側表面上に(000−1)N原子表面に平行な方向にIII族窒化物結晶を成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶の成長方法である。   The present invention grows a group III nitride crystal from a group III nitride seed crystal by bringing a solution in which a nitrogen source gas is dissolved in a melt containing a group III metal and an alkali metal into contact with the group III nitride seed crystal. A method for growing a group III nitride crystal, wherein the group III nitride seed crystal has an upper surface that is a (000-1) N atom surface, and a lower surface disposed to contact the inner surface of the crystal growth vessel A method for growing a group III nitride crystal, comprising growing a group III nitride crystal in a direction parallel to the (000-1) N atom surface substantially on a side surface of the group III nitride seed crystal. .

本発明にかかるIII族窒化物結晶の成長方法において、アルカリ金属はNaおよびLiの少なくともいずれかを含むことができる。また、成長させるIII族窒化物結晶をGaN結晶とすることができる。   In the group III nitride crystal growth method according to the present invention, the alkali metal may contain at least one of Na and Li. The group III nitride crystal to be grown can be a GaN crystal.

本発明によれば、成長させる結晶全体の転位密度が低減するIII族窒化物結晶の成長方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the growth method of the group III nitride crystal which can reduce the dislocation density of the whole crystal to grow can be provided.

III族窒化物結晶の成長に用いられる結晶成長装置の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the crystal growth apparatus used for the growth of a group III nitride crystal. 本発明にかかるIII族窒化物結晶の成長方法の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the growth method of the group III nitride crystal concerning this invention. 従来のIII族窒化物結晶の成長方法の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the growth method of the conventional group III nitride crystal. III族窒化物結晶の成長におけるシーケンス制御の一例を示すチャートである。It is a chart which shows an example of the sequence control in the growth of a group III nitride crystal.

図1および2を参照して、本発明にかかるIII族窒化物結晶の成長方法の一実施形態は、III族金属とアルカリ金属とを含む融液3に窒素原料ガス5を溶解させた溶液6をIII族窒化物種結晶1に接触させることにより、III族窒化物種結晶1からIII族窒化物結晶10を成長させるIII族窒化物結晶の成長方法であって、III族窒化物種結晶1は、(000−1)N原子表面1nである上面を有し、結晶成長容器23の内面23iに接触するよう配置された下面を有し、III族窒化種物結晶1の実質的に側表面1s上に(000−1)N原子表面1nに平行な方向にIII族窒化物結晶10を成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶の成長方法である。   Referring to FIGS. 1 and 2, one embodiment of the method for growing a group III nitride crystal according to the present invention is a solution 6 in which a nitrogen source gas 5 is dissolved in a melt 3 containing a group III metal and an alkali metal. Is a group III nitride crystal growth method in which a group III nitride crystal 10 is grown from a group III nitride seed crystal 1 by bringing the group III nitride seed crystal 1 into contact with the group III nitride seed crystal 1. 000-1) has an upper surface that is an N atom surface 1n, has a lower surface arranged to contact the inner surface 23i of the crystal growth vessel 23, and is substantially on the side surface 1s of the group III nitride seed crystal 1 (000-1) A Group III nitride crystal growth method characterized in that a Group III nitride crystal 10 is grown in a direction parallel to the N atom surface 1n.

本発明者らは、液相法、特に、III族金属とアルカリ金属とを含む融液3に窒素原料ガス5を溶解させた溶液6をIII族窒化物種結晶1に接触させてIII族窒化物結晶10を成長させるフラックス法において、III族窒化物種結晶1を、その上面を(000−1)N原子表面として、その下面が結晶成長容器23の内面23iに接触するように配置することにより、III族窒化物種結晶1の(000−1)N原子表面1n上にIII族窒化物結晶10がほとんど成長せず、実質的に側表面1s上にIII族窒化物結晶10が成長することを見出し、本発明を完成した。   The present inventors have made contact with a group III nitride seed crystal 1 by bringing a solution 6 in which a nitrogen source gas 5 is dissolved in a melt 3 containing a group III metal and an alkali metal into the group III nitride seed crystal 1. In the flux method for growing the crystal 10, the group III nitride seed crystal 1 is arranged so that its upper surface is a (000-1) N atomic surface and its lower surface is in contact with the inner surface 23 i of the crystal growth vessel 23, It has been found that the group III nitride crystal 10 hardly grows on the (000-1) N atom surface 1n of the group III nitride seed crystal 1 and that the group III nitride crystal 10 substantially grows on the side surface 1s. The present invention has been completed.

<結晶成長装置>
図1および2を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法に用いられる結晶成長装置は、たとえば、外容器29と、外容器29の内部に配置された断熱材27と、断熱材27の内部に配置されたヒータ25と、ヒータ25の内側に配置された内容器21とを備える。この内容器21内には、その中でIII族窒化物結晶10を成長させるための結晶成長容器23が配置されている。また、結晶成長容器23の開口部が蓋24で覆われていてもよい。
<Crystal growth equipment>
Referring to FIGS. 1 and 2, the crystal growth apparatus used in the method for growing a group III nitride crystal of the present embodiment includes, for example, an outer container 29, a heat insulating material 27 arranged inside the outer container 29, A heater 25 disposed inside the heat insulating material 27 and an inner container 21 disposed inside the heater 25 are provided. In the inner vessel 21, a crystal growth vessel 23 for growing the group III nitride crystal 10 is disposed. Further, the opening of the crystal growth vessel 23 may be covered with a lid 24.

ここで、結晶成長容器23および蓋24の材料は、融液3および窒素原料ガス5と反応せず、機械的強度および耐熱性が高いものであれば特に制限はないが、pNB(熱分解窒化硼素)、Al23(酸化アルミニウム、アルミナともいう)などが好ましい。また、内容器21の材料は、機械的強度および耐熱性の高いものであれば特に制限はないが、ステンレス、耐熱鋼などが好ましい。また、外容器29の材料は、機械的強度および耐熱性の高いものであれば特に制限はないが、ステンレスなどが好ましい。また、断熱材27の材料は、機械的強度、耐熱性および断熱性の高いものであれば特に制限はないが、ウール状のグラファイトなどが好ましい。 Here, the material of the crystal growth vessel 23 and the lid 24 is not particularly limited as long as it does not react with the melt 3 and the nitrogen raw material gas 5 and has high mechanical strength and heat resistance, but pNB (pyrolytic nitriding) Boron) and Al 2 O 3 (also referred to as aluminum oxide or alumina) are preferable. The material of the inner container 21 is not particularly limited as long as it has high mechanical strength and heat resistance, but stainless steel, heat resistant steel, and the like are preferable. The material of the outer container 29 is not particularly limited as long as it has high mechanical strength and heat resistance, but stainless steel is preferable. The material of the heat insulating material 27 is not particularly limited as long as it has high mechanical strength, heat resistance, and heat insulating properties, but wool-like graphite or the like is preferable.

また、本実施形態で用いられる結晶成長装置は、第1の配管41によって内容器21に繋がれている窒素原料ガス供給装置31と、第2の配管43によって外容器29に繋がれている加圧用ガス供給装置33と、第3の配管45によって外容器29に繋がれている真空排気装置35とを備える。ここで、第1の配管41には、窒素原料ガス5の供給流量を調節するためのバルブ41vが設けられ、バルブ41vより内容器21側の部分41aには第1の圧力計41pが設けられている。また、第2の配管43には、加圧用ガス7の供給流量を調節するためのバルブ43vが設けられ、バルブ43vより外容器29側の部分43aには第2の圧力計43pが設けられている。また、第3の配管45には、排気流量を調節するためのバルブ45vが設けられている。   In addition, the crystal growth apparatus used in the present embodiment includes a nitrogen source gas supply device 31 connected to the inner container 21 by the first pipe 41 and an additional container connected to the outer container 29 by the second pipe 43. A pressure gas supply device 33 and a vacuum exhaust device 35 connected to the outer container 29 by a third pipe 45 are provided. Here, a valve 41v for adjusting the supply flow rate of the nitrogen source gas 5 is provided in the first pipe 41, and a first pressure gauge 41p is provided in a portion 41a on the inner container 21 side from the valve 41v. ing. The second pipe 43 is provided with a valve 43v for adjusting the supply flow rate of the pressurizing gas 7, and a second pressure gauge 43p is provided at a portion 43a on the outer container 29 side from the valve 43v. Yes. The third pipe 45 is provided with a valve 45v for adjusting the exhaust flow rate.

さらに、第1の配管41のバルブ41vより内容器21側の部分41aと第3の配管45のバルブ45vより外容器29側の部分45aとを繋ぐ第4の配管47が設けられている。この第4の配管47にはバルブ47vが設けられている。なお、図1には、参考のため、第1の配管41のバルブ41vより窒素原料ガス供給装置31側の部分41b、第2の配管43のバルブ43vより加圧用ガス供給装置33側の部分43b、第3の配管45のバルブ45vより真空排気装置35側の部分45bも図示した。   Furthermore, a fourth pipe 47 is provided that connects a portion 41 a closer to the inner container 21 than the valve 41 v of the first pipe 41 and a portion 45 a closer to the outer container 29 than the valve 45 v of the third pipe 45. The fourth pipe 47 is provided with a valve 47v. In FIG. 1, for reference, a portion 41 b on the nitrogen source gas supply device 31 side from the valve 41 v of the first pipe 41, and a portion 43 b on the pressurization gas supply device 33 side from the valve 43 v of the second pipe 43. The portion 45b on the side of the vacuum exhaust device 35 from the valve 45v of the third pipe 45 is also illustrated.

<結晶成長方法>
本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、特に制限はないが、たとえば表面の1つが(000−1)N原子表面1nであるIII族窒化物種結晶1を準備する工程と、III族窒化物種結晶1をその上面が(000−1)N原子表面1nであり、その下面が結晶成長容器23の内面23iに接触するように配置する工程と、III族金属とアルカリ金属とを含む融液3に窒素原料ガス5を溶解させた溶液6をIII族窒化物種結晶1に接触させることにより、III族窒化物種結晶の実質的に側表面1s上に(000−1)N原子表面に平行な方向にIII族窒化物結晶10を成長させる工程と、を備える。
<Crystal growth method>
The method for growing a group III nitride crystal of the present embodiment is not particularly limited. For example, a step of preparing a group III nitride seed crystal 1 in which one of the surfaces is a (000-1) N atom surface 1n; A step of disposing the nitride seed crystal 1 so that its upper surface is a (000-1) N atomic surface 1n and its lower surface is in contact with the inner surface 23i of the crystal growth vessel 23, and a fusion containing a group III metal and an alkali metal By bringing the solution 6 in which the nitrogen source gas 5 is dissolved in the liquid 3 into contact with the group III nitride seed crystal 1, the (000-1) N atom surface is substantially parallel to the side surface 1s of the group III nitride seed crystal. Growing a group III nitride crystal 10 in any direction.

<III族窒化物種結晶を準備する工程>
図2を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、表面の1つが(000−1)N原子表面1nであるIII族窒化物種結晶1を準備する工程を備える。かかるIII族窒化物種結晶1を準備して、その種結晶上に、フラックス法を用いてIII族窒化物種結晶1の(000−1)N原子表面1nに平行な方向にIII族窒化物結晶10を成長させると、結晶全体の転位密度が低いIII族窒化物結晶10を得ることが可能となる。なお、結晶の転位密度の測定は、特に制限はないが、CL(カソードルミネッセンス)法、EPD(エッチピット密度)法などに行なうことができる。
<Step of preparing group III nitride seed crystal>
Referring to FIG. 2, the method for growing a group III nitride crystal of this embodiment includes a step of preparing group III nitride seed crystal 1 in which one of the surfaces is (000-1) N atom surface 1n. Such a group III nitride seed crystal 1 is prepared, and a group III nitride crystal 10 is formed on the seed crystal in a direction parallel to the (000-1) N atom surface 1n of the group III nitride seed crystal 1 using a flux method. , The group III nitride crystal 10 having a low dislocation density of the entire crystal can be obtained. The measurement of the crystal dislocation density is not particularly limited, but can be performed by CL (cathode luminescence) method, EPD (etch pit density) method, or the like.

ここで、準備されるIII族窒化物種結晶1は、(000−1)N原子表面1nを有するものであれば特に制限は無いが、表面の1つが(000−1)N原子表面1nであると、その反対側の表面は(0001)Ga原子表面1gであり、それらの表面を繋ぐ側平面1sがある。ここで、側表面1sは(000−1)N原子表面1nに対して垂直でなくともよい。また、成長させるIII族窒化物結晶10との間の結晶格子および格子定数を整合させてIII族窒化物結晶10の転位密度をさらに低減する観点から、III族窒化物結晶10と同じ化学組成を有することが好ましい。III族窒化物結晶と化学組成が同じとは、結晶を構成する原子の種類および比率が同じことをいう。   Here, the prepared group III nitride seed crystal 1 is not particularly limited as long as it has (000-1) N atom surface 1n, but one of the surfaces is (000-1) N atom surface 1n. The opposite surface is a (0001) Ga atom surface 1g, and there is a side plane 1s that connects the surfaces. Here, the side surface 1s may not be perpendicular to the (000-1) N atom surface 1n. Further, from the viewpoint of further reducing the dislocation density of the group III nitride crystal 10 by matching the crystal lattice and lattice constant with the group III nitride crystal 10 to be grown, the same chemical composition as the group III nitride crystal 10 is obtained. It is preferable to have. The same chemical composition as the group III nitride crystal means that the types and ratios of atoms constituting the crystal are the same.

<III族窒化物種結晶を配置する工程>
図2を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、III族窒化物種結晶1をその上面が(000−1)N原子表面1nであり、その下面が結晶成長容器23の内面23iに接触するように配置する工程を備える。かかる工程により、結晶成長容器23内において、III族窒化物種結晶1は、その上面を(000−1)N原子表面1nとして、その下面が結晶成長容器23の内面23iに接触するように配置される。
<Step of arranging group III nitride seed crystal>
Referring to FIG. 2, in the method for growing a group III nitride crystal of this embodiment, the upper surface of group III nitride seed crystal 1 is (000-1) N atom surface 1n, and the lower surface thereof is crystal growth vessel 23. The process arrange | positions so that the inner surface 23i may be contacted. Through this process, the group III nitride seed crystal 1 is arranged in the crystal growth vessel 23 such that the upper surface is the (000-1) N atomic surface 1n and the lower surface is in contact with the inner surface 23i of the crystal growth vessel 23. The

ここで、III族窒化物種結晶1の上面が(000−1)N原子表面であることから、III族窒化物種結晶1の下面は、通常(0001)Ga原子表面である。すなわち、(0001)Ga原子表面は、結晶成長容器23の内面23iと接触しているため、結晶成長容器23の内に配置されるIII族金属とアルカリ金属とを含む融液3に窒素原料ガス5を溶解させた溶液6と接触することができず、その上にIII族窒化物結晶10が成長することができない。また、(000−1)N原子表面は、III族金属とアルカリ金属とを含む融液3に窒素原料ガス5を溶解させた溶液6と接触しても、その上にIII族窒化物結晶10はほとんど成長しない。したがって、上記のようにIII族窒化物種結晶1を配置することにより、III族窒化物種結晶1の実質的に側表面1s上に、(000−1)N原子表面と平行な方向に、III族窒化物結晶10を成長させることが可能となる。   Here, since the upper surface of the group III nitride seed crystal 1 is a (000-1) N atom surface, the lower surface of the group III nitride seed crystal 1 is usually a (0001) Ga atom surface. That is, since the (0001) Ga atom surface is in contact with the inner surface 23i of the crystal growth vessel 23, the nitrogen source gas is added to the melt 3 containing the group III metal and the alkali metal disposed in the crystal growth vessel 23. 5 cannot be contacted with the solution 6 in which the group 5 is dissolved, and the group III nitride crystal 10 cannot be grown thereon. Further, even if the (000-1) N atom surface is brought into contact with a solution 6 in which a nitrogen source gas 5 is dissolved in a melt 3 containing a group III metal and an alkali metal, a group III nitride crystal 10 is formed thereon. Hardly grows up. Accordingly, by disposing the group III nitride seed crystal 1 as described above, the group III nitride is substantially parallel to the (000-1) N atom surface on the side surface 1 s of the group III nitride seed crystal 1. The nitride crystal 10 can be grown.

<III族窒化物結晶を成長させる工程>
図2を参照して、本実施形態のIII族窒化物結晶の成長方法は、III族金属とアルカリ金属とを含む融液3に窒素原料ガス5を溶解させた溶液6をIII族窒化物種結晶1に接触させることにより、III族窒化物種結晶の実質的に側表面1s上に(000−1)N原子表面に平行な方向にIII族窒化物結晶10を成長させる工程を備える。
<Step of growing group III nitride crystal>
Referring to FIG. 2, in the method for growing a group III nitride crystal of this embodiment, a solution 6 in which a nitrogen source gas 5 is dissolved in a melt 3 containing a group III metal and an alkali metal is used as a group III nitride seed crystal. 1, the group III nitride crystal 10 is grown on the side surface 1s of the group III nitride seed crystal substantially in a direction parallel to the (000-1) N atom surface.

フラックス法においては、III族窒化物種結晶1について、(000−1)N原子表面1n上にほとんどIII族窒化物結晶10が成長しないことから、上記の工程により実質的に側表面1s上のみにIII族窒化物結晶10が(000−1)N原子表面1nに平行な方向に成長する。このとき、III族窒化物結晶10の転位は、結晶の成長方向、すなわち、(000−1)N原子表面1n,10nに平行な方向に伝搬する。したがって、III族窒化物結晶10は、(000−1)N原子表面10nおよび(0001)Ga原子表面10gにおける転位密度が低くなる。このようにして、転位密度が低いIII族窒化物結晶10が得られる。   In the flux method, since the group III nitride crystal 10 hardly grows on the (000-1) N atom surface 1n for the group III nitride seed crystal 1, substantially only on the side surface 1s by the above process. Group III nitride crystal 10 grows in a direction parallel to (000-1) N atomic surface 1n. At this time, the dislocation of the group III nitride crystal 10 propagates in the crystal growth direction, that is, in a direction parallel to the (000-1) N atomic surfaces 1n and 10n. Therefore, the group III nitride crystal 10 has a low dislocation density at the (000-1) N atom surface 10n and the (0001) Ga atom surface 10g. In this way, a group III nitride crystal 10 having a low dislocation density is obtained.

ここで、側表面1sは、その上にIII族窒化物結晶10を(000−1)N原子表面に平行な方向に成長させることにより、III族窒化物結晶10の(000−1)N原子表面および(0001)Ga原子表面の転位密度を下げることができる観点から、(000−1)N原子表面1nに平行でなければ足り、垂直でなくてもよい。しかし、上記の転位密度を効果的に低減する観点から、側表面1sは(000−1)N原子表面1nに垂直であることが好ましい。   Here, the side surface 1s is grown on the group III nitride crystal 10 in a direction parallel to the (000-1) N atom surface, whereby (000-1) N atoms of the group III nitride crystal 10 are grown. From the viewpoint of reducing the dislocation density on the surface and the (0001) Ga atom surface, it is not necessary to be parallel to the (000-1) N atom surface 1n, and may not be perpendicular. However, from the viewpoint of effectively reducing the dislocation density, the side surface 1s is preferably perpendicular to the (000-1) N atom surface 1n.

本実施形態のIII族窒化物結晶を成長させる工程においては、III族金属と、アルカリ金属とを含む融液3が用いられる。融液3には、III族金属に加えてアルカリ金属が含まれているため、III族金属を含み不純物濃度(たとえば融液全体に対して1モル%未満の濃度)以上にはアルカリ金属を含まない融液に比べて、III族窒化物結晶の結晶成長温度および/または結晶成長圧力を低減することができる。これは、融液3に含まれているアルカリ金属が、融液3への窒素原料ガス5の溶解を促進させるためと考えられる。   In the step of growing the group III nitride crystal of the present embodiment, a melt 3 containing a group III metal and an alkali metal is used. Since the melt 3 contains an alkali metal in addition to the group III metal, the alkali metal is contained above the impurity concentration (for example, a concentration of less than 1 mol% with respect to the entire melt). The crystal growth temperature and / or the crystal growth pressure of the group III nitride crystal can be reduced as compared to the melt without the melt. This is considered because the alkali metal contained in the melt 3 promotes the dissolution of the nitrogen source gas 5 in the melt 3.

アルカリ金属は、特に制限はないが、III族窒化物結晶10の結晶成長温度および/または結晶成長圧力を低減する効果が大きい観点から、NaおよびLiの少なくともいずれかを含むことが好ましく、NaおよびLiの少なくともいずれかであることがより好ましい。   The alkali metal is not particularly limited, but preferably contains at least one of Na and Li from the viewpoint of a large effect of reducing the crystal growth temperature and / or the crystal growth pressure of the group III nitride crystal 10, More preferably, it is at least one of Li.

融液3に含まれるIII族金属MIIIとアルカリ金属MAとのモル比は、III族窒化物結晶の結晶成長温度および/または結晶成長圧力を低減させ、転位の増殖を抑制して転位密度の低いIII族窒化物結晶を成長させるのに適正な結晶成長速度(たとえば、0.1μm/hr以上2μm/hr以下)とする観点から、たとえば、MIII:MA=90:10〜10:90が好ましく、MIII:MA=50:50〜20:80がより好ましい。MIII:MA=90:10よりIII族金属MIIIのモル比が大きくても、MIII:MA=10:90よりアルカリ金属MAのモル比が大きくても、結晶成長速度が低下しすぎてしまう。 The molar ratio of the group III metal M III and the alkali metal M A contained in the melt 3 reduces the crystal growth temperature and / or the crystal growth pressure of the group III nitride crystal, suppresses dislocation growth, and dislocation density. From the viewpoint of achieving a crystal growth rate suitable for growing a low group III nitride crystal (for example, 0.1 μm / hr or more and 2 μm / hr or less), for example, M III : M A = 90: 10 to 10: 90 is preferable, and M III : M A = 50: 50 to 20:80 is more preferable. Even if the molar ratio of the group III metal M III is larger than M III : M A = 90: 10 or the molar ratio of the alkali metal M A is larger than M III : M A = 10: 90, the crystal growth rate decreases. Too much.

また、結晶成長に必要な温度および圧力が得られやすい観点から、成長させるIII族窒化物結晶10は、GaN結晶であることが好ましい。   Further, from the viewpoint of easily obtaining the temperature and pressure necessary for crystal growth, the group III nitride crystal 10 to be grown is preferably a GaN crystal.

本実施形態のIII族窒化物結晶を成長させる工程は、とくに制限は無いが、たとえば、以下の複数のサブ工程を含むことができる。   The process for growing the group III nitride crystal of the present embodiment is not particularly limited, but can include, for example, the following plurality of sub-processes.

(融液原料配置サブ工程)
次に、図2を参照して、融液原料配置サブ工程として、結晶成長容器23に、III族金属およびアルカリ金属を配置する。高純度のIII族窒化物結晶10を成長させる観点から、III族金属の純度は、99モル%以上が好ましく、99.999モル%以上がより好ましい。また、同様の観点から、アルカリ金属の純度は、99モル%以上が好ましく、99.99%以上がより好ましい。
(Melt material arrangement sub-process)
Next, referring to FIG. 2, a group III metal and an alkali metal are placed in the crystal growth vessel 23 as a melt raw material placement sub-step. From the viewpoint of growing the high purity group III nitride crystal 10, the purity of the group III metal is preferably 99 mol% or more, and more preferably 99.999 mol% or more. From the same viewpoint, the purity of the alkali metal is preferably 99 mol% or more, and more preferably 99.99% or more.

ここで、融液原料(III族金属およびアルカリ金属)の量は、特に制限はないが、液化したときの融液3の深さがIII族窒化物種結晶1の(000−1)N原子表面1nから1mm以上50mm以下であることが好ましい。かかる深さが1mmより小さいと融液3の表面張力のためIII族窒化物種結晶1の露出面((000−1)N原子表面1nおよび側表面1s)の全面を融液3が覆わない恐れがあり、50mmより大きいと融液3の液面からの窒素原料ガス5の供給が不足してしまうためである。   Here, the amount of the melt raw material (group III metal and alkali metal) is not particularly limited, but the depth of the melt 3 when liquefied is the (000-1) N atom surface of the group III nitride seed crystal 1 It is preferable that it is 1 mm or more and 50 mm or less. If the depth is less than 1 mm, the melt 3 may not cover the entire exposed surface of the group III nitride seed crystal 1 ((000-1) N atom surface 1n and side surface 1s) due to the surface tension of the melt 3. If it is larger than 50 mm, the supply of the nitrogen source gas 5 from the liquid surface of the melt 3 is insufficient.

(昇温サブ工程)
次に、図2および4を参照して、昇温サブ工程S1として、III族窒化物種結晶および融液原料(III族金属およびアルカリ金属)が配置された結晶成長容器23内に窒素原料ガス5を供給することにより雰囲気圧力を所定圧力P1として、ヒータ25を用いて雰囲気温度を室温T0から所定温度Tまで所定時間H1をかけて昇温する。かかる昇温サブ工程において、融液原料が融解してIII族金属とアルカリ金属とを含む融液3が形成され、さらに、かかる融液3に窒素原料ガス5が溶解した溶液6が形成される。かかる溶液6は、III族窒化物種結晶1の(000−1)N原子表面1nおよび側表面1s(側表面1sは好ましくは(000−1)N原子表面1nに対して垂直)に接触する。
(Temperature raising sub-process)
Next, referring to FIGS. 2 and 4, as temperature raising sub-step S1, nitrogen source gas 5 is placed in crystal growth vessel 23 in which a group III nitride seed crystal and a melt source (group III metal and alkali metal) are arranged. , The atmospheric pressure is set to the predetermined pressure P 1 , and the atmospheric temperature is raised from the room temperature T 0 to the predetermined temperature T using the heater 25 over a predetermined time H 1 . In the temperature raising sub-step, the melt raw material is melted to form a melt 3 containing a group III metal and an alkali metal, and further, a solution 6 in which the nitrogen raw material gas 5 is dissolved in the melt 3 is formed. . Such a solution 6 contacts the (000-1) N atom surface 1n and the side surface 1s (the side surface 1s is preferably perpendicular to the (000-1) N atom surface 1n) of the group III nitride seed crystal 1.

また、昇温サブ工程においては、雰囲気圧力および雰囲気温度(所定圧力P1および所定温度T)は、III族窒化物結晶が成長しない条件を満たすものとする。 In the heated sub-step, ambient pressure and ambient temperature (a predetermined pressure P 1 and the predetermined temperature T) is a condition is satisfied that the group III nitride crystal does not grow.

なお、昇温サブ工程中は、内容器21への窒素原料ガス5の供給量および外容器29への加圧用ガス7の供給流量を調節して、内容器21の内圧が外容器29の内圧に比べて0.01MPa以上0.1MPa以下の範囲で大きくなるようにすることが好ましい。すなわち、0.01MPa≦{(内容器の内圧)−(外容器の内圧)}≦0.1MPaとなるようにすることが好ましい。外容器29内の加圧用ガス7が内容器21内に混入するのを防止して、内容器21内の窒素の純度を高く維持するためである。   During the temperature raising sub-process, the supply amount of the nitrogen raw material gas 5 to the inner container 21 and the supply flow rate of the pressurizing gas 7 to the outer container 29 are adjusted so that the inner pressure of the inner container 21 becomes the inner pressure of the outer container 29. It is preferable to increase it in the range of 0.01 MPa or more and 0.1 MPa or less. That is, it is preferable that 0.01 MPa ≦ {(internal pressure of the inner container) − (internal pressure of the outer container)} ≦ 0.1 MPa. This is because the pressurizing gas 7 in the outer container 29 is prevented from being mixed into the inner container 21 and the purity of nitrogen in the inner container 21 is kept high.

ここで、内容器21内に供給される窒素原料ガス5は、III族金属とアルカリ金属とを含む融液3に溶解してIII族窒化物結晶10を成長させることができるものであれば特に制限はなく、窒素ガス、アンモニアガスなどが用いられる。また、高純度のIII族窒化物結晶10を成長させる観点から、窒素原料ガスの純度は、99.999モル%以上が好ましく、99.9999モル%以上がより好ましい。一方、外容器29に供給される加圧用ガス7は、外容器29内の圧力維持のために用いられ、III族窒化物結晶の成長に用いられるものではないため、窒素を含むガスでなくともよい。ただし、外容器29内にはヒータ25が配置されているため、加圧用ガス7には、ヒータ25により反応を起こさない不活性ガス、たとえば窒素ガス、アルゴンガスなどが好ましく用いられる。   Here, the nitrogen source gas 5 supplied into the inner vessel 21 is particularly suitable as long as it can be dissolved in the melt 3 containing a group III metal and an alkali metal to grow the group III nitride crystal 10. There is no limitation, and nitrogen gas, ammonia gas, etc. are used. In addition, from the viewpoint of growing the high-purity group III nitride crystal 10, the purity of the nitrogen source gas is preferably 99.999 mol% or more, and more preferably 99.9999 mol% or more. On the other hand, the pressurizing gas 7 supplied to the outer container 29 is used for maintaining the pressure in the outer container 29 and is not used for growing a group III nitride crystal. Good. However, since the heater 25 is disposed in the outer container 29, an inert gas that does not react with the heater 25, such as nitrogen gas or argon gas, is preferably used for the pressurizing gas 7.

(結晶成長準備サブ工程)
次に、図2および図4を参照して、結晶成長準備サブ工程S2として、結晶成長容器23への窒素原料ガス5の供給流量を調節して、結晶成長容器23内の雰囲気圧力を所定圧力P2かつ雰囲気温度を所定温度Tで所定時間H2保持する。ここで、所定圧力P2は所定圧力P1より高い。これにより、III族窒化物種結晶1と、融液3に窒素原料ガス5が溶解した溶液6の状態を一定にして、結晶開始の初期条件を一定にすることができる。
(Crystal growth preparation sub-process)
Next, referring to FIG. 2 and FIG. 4, as the crystal growth preparation sub-step S <b> 2, the supply flow rate of the nitrogen source gas 5 to the crystal growth vessel 23 is adjusted, and the atmospheric pressure in the crystal growth vessel 23 is set to a predetermined pressure. P 2 and the atmospheric temperature are maintained at a predetermined temperature T for a predetermined time H 2 . Here, the predetermined pressure P 2 is higher than the predetermined pressure P 1 . Thereby, the state of the group III nitride seed crystal 1 and the solution 6 in which the nitrogen source gas 5 is dissolved in the melt 3 can be made constant, and the initial conditions for starting the crystal can be made constant.

この結晶成長準備サブ工程における雰囲気圧力(所定圧力P2)および雰囲気温度(所定温度T)は、III族窒化物結晶10が成長しない条件を満たすものとする。 It is assumed that the atmospheric pressure (predetermined pressure P 2 ) and the atmospheric temperature (predetermined temperature T) in this crystal growth preparation sub-step satisfy the condition that the group III nitride crystal 10 does not grow.

なお、結晶成長準備サブ工程中においても、内容器21への窒素原料ガス5の供給流量および外容器29への加圧用ガス7の供給流量を調節して、内容器21の内圧が外容器29の内圧に比べて0.01MPa以上0.1MPa以下の範囲で大きくなるようにすることが好ましい。すなわち、0.01MPa≦{(内容器の内圧)−(外容器の内圧)}≦0.1MPaとなるようにすることが好ましい。外容器29内の加圧用ガス7が内容器21内に混入するのを防止して、内容器21内の窒素の純度を高く維持するためである。   Even during the crystal growth preparation sub-process, the supply flow rate of the nitrogen raw material gas 5 to the inner vessel 21 and the supply flow rate of the pressurizing gas 7 to the outer vessel 29 are adjusted so that the inner pressure of the inner vessel 21 becomes the outer vessel 29. It is preferable to increase the pressure in the range of 0.01 MPa or more and 0.1 MPa or less compared to the internal pressure. That is, it is preferable that 0.01 MPa ≦ {(internal pressure of the inner container) − (internal pressure of the outer container)} ≦ 0.1 MPa. This is because the pressurizing gas 7 in the outer container 29 is prevented from being mixed into the inner container 21 and the purity of nitrogen in the inner container 21 is kept high.

(結晶成長サブ工程)
次に、図2および4を参照して、結晶成長サブ工程S3として、結晶成長容器23への窒素原料ガス5の供給流量を調節して、結晶成長容器23内の雰囲気圧力を所定圧力P3かつ雰囲気温度を所定温度Tで所定時間H3保持して、III族窒化物結晶10を成長させる。ここで、所定圧力P3は所定圧力P2より高い。
(Crystal growth sub-process)
Next, referring to FIGS. 2 and 4, as the crystal growth sub-step S3, the supply flow rate of the nitrogen source gas 5 to the crystal growth vessel 23 is adjusted, and the atmospheric pressure in the crystal growth vessel 23 is set to a predetermined pressure P 3. Further, the group III nitride crystal 10 is grown while maintaining the atmospheric temperature at the predetermined temperature T for a predetermined time H 3 . Here, the predetermined pressure P 3 is higher than the predetermined pressure P 2 .

かかる結晶成長サブ工程においては、III族金属とアルカリ金属とを含む融液3に窒素原料ガス5が溶解した溶液6が、III族窒化物種結晶1の(000−1)N原子表面1nおよび側表面1s(側表面1は好ましくは(000−1)N原子表面1nに対して垂直)に接触している。しかし、(000−1)N原子表面1n上には、III族窒化物結晶10は、ほとんど成長しない。このため、III族窒化物結晶10は、実質的にすべてIII族窒化物種結晶1の側表面1s上に、(000−1)N原子表面1nに平行な方向に成長する。このとき、III族窒化物結晶10の転位は、結晶の成長方向、すなわち、(000−1)N原子表面1nおよび10nに平行な方向に伝搬する。したがって、III族窒化物結晶10は、(000−1)N原子表面10nおよび(0001)Ga原子表面10gにおける転位密度が低くなる。このようにして、転位密度が低いIII族窒化物結晶10が得られる。   In such a crystal growth sub-step, the solution 6 in which the nitrogen source gas 5 is dissolved in the melt 3 containing a group III metal and an alkali metal is used as the (000-1) N atom surface 1n and side of the group III nitride seed crystal 1. It is in contact with the surface 1s (the side surface 1 is preferably perpendicular to the (000-1) N atomic surface 1n). However, the group III nitride crystal 10 hardly grows on the (000-1) N atom surface 1n. For this reason, the group III nitride crystal 10 grows substantially on the side surface 1s of the group III nitride seed crystal 1 in a direction parallel to the (000-1) N atom surface 1n. At this time, the dislocation of the group III nitride crystal 10 propagates in the crystal growth direction, that is, in a direction parallel to the (000-1) N atomic surfaces 1n and 10n. Therefore, the group III nitride crystal 10 has a low dislocation density at the (000-1) N atom surface 10n and the (0001) Ga atom surface 10g. In this way, a group III nitride crystal 10 having a low dislocation density is obtained.

なお、結晶成長サブ工程中においても、内容器21への窒素原料ガス5の供給量および外容器29への加圧用ガス7の供給量を調節して、内容器21の内圧が外容器29の内圧に比べて0.01MPa以上0.1MPa以下の範囲で大きくなるようにすることが好ましい。すなわち、0.01MPa≦{(内容器の内圧)−(外容器の内圧)}≦0.1MPaとなるようにすることが好ましい。外容器29内の加圧用ガス7が内容器21内に混入するのを防止して、内容器21内の窒素の純度を高く維持するためである。   Even during the crystal growth sub-process, the supply amount of the nitrogen source gas 5 to the inner vessel 21 and the supply amount of the pressurizing gas 7 to the outer vessel 29 are adjusted so that the inner pressure of the inner vessel 21 becomes the same as that of the outer vessel 29. It is preferable to increase the pressure in the range of 0.01 MPa or more and 0.1 MPa or less compared to the internal pressure. That is, it is preferable that 0.01 MPa ≦ {(internal pressure of the inner container) − (internal pressure of the outer container)} ≦ 0.1 MPa. This is because the pressurizing gas 7 in the outer container 29 is prevented from being mixed into the inner container 21 and the purity of nitrogen in the inner container 21 is kept high.

(降温サブ工程)
次に、図2および4を参照して、降温サブ工程S4として、結晶成長容器23へのヒータ25による加熱量を調節して、結晶成長容器23内の雰囲気圧力を所定圧力P3で保持するとともに、雰囲気温度を所定温度Tから室温T0まで所定時間H4をかけて降温する。
(Cooling sub-process)
Next, referring to FIGS. 2 and 4, as a temperature lowering sub-step S4, the amount of heating by the heater 25 to the crystal growth vessel 23 is adjusted, and the atmospheric pressure in the crystal growth vessel 23 is maintained at a predetermined pressure P 3 . At the same time, the ambient temperature is lowered from the predetermined temperature T to the room temperature T 0 over a predetermined time H 4 .

なお、降温サブ工程中においても、内容器21への窒素原料ガス5の供給流量および外容器29への加圧用ガス7の供給流量を調節して、内容器21の内圧が外容器29の内圧に比べて0.01MPa以上0.1MPa以下の範囲で大きくなるようにすることが好ましい。すなわち、0.01MPa≦{(内容器の内圧)−(外容器の内圧)}≦0.1MPaとなるようにすることが好ましい。外容器29内の加圧用ガス7が内容器21内に混入するのを防止して、内容器21内の窒素の純度を高く維持するためである。   Even during the temperature lowering sub-process, the supply flow rate of the nitrogen source gas 5 to the inner vessel 21 and the supply flow rate of the pressurizing gas 7 to the outer vessel 29 are adjusted so that the inner pressure of the inner vessel 21 becomes the inner pressure of the outer vessel 29. It is preferable to increase it in the range of 0.01 MPa or more and 0.1 MPa or less. That is, it is preferable that 0.01 MPa ≦ {(internal pressure of the inner container) − (internal pressure of the outer container)} ≦ 0.1 MPa. This is because the pressurizing gas 7 in the outer container 29 is prevented from being mixed into the inner container 21 and the purity of nitrogen in the inner container 21 is kept high.

さらに、結晶成長容器23を所定圧力P3から大気圧に減圧して、III族窒化物種結晶1の側表面1s上に成長したIII族窒化物結晶10を取り出すことができる。 Furthermore, it is possible to depressurize the crystal-growth vessel 23 from the predetermined pressure P 3 to the atmospheric pressure, take out the III nitride crystal 10 grown group III nitride seed crystal first side surface 1s.

(実施例1)
1.III族窒化物種結晶の準備
図1および図2を参照して、III族窒化物種結晶1として、HVPE法で作製した、主面が互いに平行な(0001)Ga原子表面1gおよび(000−1)N原子表面1nであり、(000−1)N原子表面1nに対して垂直な側表面1sを有する、直径が3mmで厚さが0.4mmのGaN種結晶を準備した。GaN種結晶(III族窒化物種結晶1)の(0001)Ga原子表面1gにおける転位密度は、CL(カソードルミネッセンス)法により測定したところ、5×105cm-2であった。
Example 1
1. Preparation of Group III Nitride Seed Crystal Referring to FIG. 1 and FIG. 2, (0001) Ga atom surfaces 1 g and (000-1) having principal surfaces parallel to each other, produced by HVPE method as group III nitride seed crystal 1 A GaN seed crystal having a diameter of 3 mm and a thickness of 0.4 mm having a side surface 1s perpendicular to the (000-1) N atom surface 1n was prepared. The dislocation density in the 1 g of (0001) Ga atom surface of the GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1) was 5 × 10 5 cm −2 as measured by the CL (cathode luminescence) method.

2.III族窒化物種結晶の配置
図2を参照して、GaN種結晶(III族窒化物種結晶1)を、その(000−1)N原子表面1nを上に向けて、内径30mmで深さ20mmのAl23製の坩堝(結晶成長容器23)の底に配置した。このとき、GaN種結晶は、(0001)Ga原子表面が、坩堝の底面(内面)に接触しており、(000−1)N原子表面および側表面が露出していた。
2. Arrangement of Group III Nitride Seed Crystal Referring to FIG. 2, a GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1) has an inner diameter of 30 mm and a depth of 20 mm with its (000-1) N atom surface 1n facing upward. It was arranged at the bottom of an Al 2 O 3 crucible (crystal growth vessel 23). At this time, the (0001) Ga atom surface of the GaN seed crystal was in contact with the bottom surface (inner surface) of the crucible, and the (000-1) N atom surface and the side surface were exposed.

3.III族窒化物結晶の成長
(融液原料の配置)
図2を参照して、Al23製の坩堝(結晶成長容器23)内に、純度99.9999モル%の金属Gaと純度99.99モル%の金属Na(融液原料)を、金属Ga(III族金属MIII)と金属Na(アルカリ金属MA)のモル比がMIII:MA=3:7の割合で、溶融したときの融液3の表面から坩堝の底面までの深さが5mmになる量を入れた。
3. Group III nitride crystal growth (disposition of melt raw material)
Referring to FIG. 2, in a crucible made of Al 2 O 3 (crystal growth vessel 23), metal Ga having a purity of 99.9999 mol% and metal Na having a purity of 99.99 mol% (melt raw material) are mixed with metal. The molar ratio of Ga (group III metal M III ) to metal Na (alkali metal M A ) is a ratio of M III : M A = 3: 7, and the depth from the surface of the melt 3 when melted to the bottom of the crucible The amount of 5 mm was added.

次いで、GaN種結晶(III族窒化物種結晶1)ならびに金属Gaおよび金属Na(融液原料)が収容されたAl23製の坩堝(結晶成長容器23)を内容器21内に配置した。次いで、Al23製の坩堝(結晶成長容器23)の上にAl23製の蓋24を配置した。ここで、Al23製の坩堝(結晶成長容器23)は内容器21との通気が確保されており、Al23製の坩堝(結晶成長容器23)内の雰囲気圧力は内容器21内の雰囲気圧力と等しくなる。また、Al23製の坩堝(結晶成長容器23)は内容器21内に配置されているため、Al23製の坩堝(結晶成長容器23)内の雰囲気温度は内容器21内の雰囲気温度と等しくなる。 Next, an Al 2 O 3 crucible (crystal growth vessel 23) containing GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1) and metal Ga and metal Na (melt raw material) was placed in the inner vessel 21. Next, an Al 2 O 3 lid 24 was placed on the Al 2 O 3 crucible (crystal growth vessel 23). Here, the Al 2 O 3 crucible (crystal growth vessel 23) is secured to the inner vessel 21, and the atmospheric pressure in the Al 2 O 3 crucible (crystal growth vessel 23) is the inner vessel 21. It becomes equal to the atmospheric pressure inside. Further, since the Al 2 O 3 crucible (crystal growth vessel 23) is disposed in the inner vessel 21, the ambient temperature in the Al 2 O 3 crucible (crystal growth vessel 23) is set in the inner vessel 21. It becomes equal to the ambient temperature.

(真空排気)
次に、図1を参照して、真空ポンプ(真空排気装置35)を用いて、内容器21および外容器29の内部を真空排気した。真空排気後の内容器21および外容器29の真空度は、1×10-3Paであった。
(Evacuation)
Next, referring to FIG. 1, the inside of the inner container 21 and the outer container 29 was evacuated using a vacuum pump (evacuation apparatus 35). The degree of vacuum of the inner container 21 and the outer container 29 after evacuation was 1 × 10 −3 Pa.

(昇温サブ工程)
次に、図1、図2および図4を参照して、内容器21および外容器29内に、内容器21および外容器29内の雰囲気圧力がそれぞれ1MPa(所定圧力P1)および0.95MPaとなるように、それぞれ窒素原料ガス5および加圧用ガス7を供給して、Al23製の坩堝(結晶成長容器23)内の雰囲気圧力を1MPa(所定圧力P1)とした。内容器21内に供給される窒素原料ガス5には、純度が99.99999モル%の高純度の窒素ガスを用いた。一方、外容器29に供給される加圧用ガス7には、純度が99.9999モル%の窒素ガスを用いた。次いで、図1、図2および図4を参照して、抵抗加熱方式のヒータ25を用いて、内容器21および外容器29の内部を2時間(所定時間H1)加熱して、内容器21内の雰囲気温度を30℃(室温T0)から865℃(所定温度T)に昇温した(昇温サブ工程S1)。
(Temperature raising sub-process)
Next, referring to FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 4, the atmospheric pressures in the inner container 21 and the outer container 29 are 1 MPa (predetermined pressure P 1 ) and 0.95 MPa in the inner container 21 and the outer container 29, respectively. The nitrogen source gas 5 and the pressurizing gas 7 were supplied so that the atmospheric pressure in the crucible made of Al 2 O 3 (crystal growth vessel 23) was 1 MPa (predetermined pressure P 1 ). High purity nitrogen gas having a purity of 99.99999 mol% was used as the nitrogen source gas 5 supplied into the inner vessel 21. On the other hand, nitrogen gas having a purity of 99.9999 mol% was used as the pressurizing gas 7 supplied to the outer container 29. Next, referring to FIGS. 1, 2, and 4, the inside of the inner container 21 and the outer container 29 is heated for 2 hours (predetermined time H 1 ) using the resistance heating type heater 25, and the inner container 21. The ambient temperature was raised from 30 ° C. (room temperature T 0 ) to 865 ° C. (predetermined temperature T) (temperature raising sub-step S1).

かかる昇温サブ工程S1において、金属Gaおよび金属Naが融解したGa−Na融液(融液3)が形成され、かかるGa−Na融液(融液3)に高純度の窒素ガス(窒素原料ガス5)が溶解した溶液6が形成され、かかる溶液6はGaN種結晶の(000−1)N原子表面1nおよび(000−1)N原子表面1nに対して垂直な側表面1sに接触した。ここで、雰囲気圧力が1MPa(所定圧力P1)かつ雰囲気温度が865℃(所定温度T)の条件は、結晶成長が起こらない条件である。 In the temperature raising sub-step S1, a Ga—Na melt (melt 3) in which metal Ga and metal Na are melted is formed, and high purity nitrogen gas (nitrogen raw material) is formed in the Ga—Na melt (melt 3). A solution 6 in which the gas 5) is dissolved is formed, and the solution 6 contacts the (000-1) N atom surface 1n of the GaN seed crystal and the side surface 1s perpendicular to the (000-1) N atom surface 1n. . Here, the conditions under which the atmospheric pressure is 1 MPa (predetermined pressure P 1 ) and the atmospheric temperature is 865 ° C. (predetermined temperature T) are conditions in which crystal growth does not occur.

(結晶成長準備サブ工程)
次に、図1、図2および図4を参照して、内容器21および外容器29内に、内容器21および外容器29内の雰囲気圧力がそれぞれ2MPa(所定圧力P2)および1.95MPaとなるように、それぞれ窒素原料ガス5および加圧用ガス7を供給して、Al23製の坩堝(結晶成長容器23)内の雰囲気圧力を2MPa(所定圧力P2)かつ雰囲気温度を865℃(所定温度T)で50時間(所定時間H2)保持した(結晶成長準備サブ工程S2)。ここで、雰囲気圧力が2MPa(所定圧力P2)かつ雰囲気温度が865℃(所定温度T)の条件は、結晶成長が起こらない条件である。
(Crystal growth preparation sub-process)
Next, referring to FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 4, the atmospheric pressures in the inner container 21 and the outer container 29 are 2 MPa (predetermined pressure P 2 ) and 1.95 MPa in the inner container 21 and the outer container 29, respectively. The nitrogen source gas 5 and the pressurizing gas 7 are supplied so that the atmospheric pressure in the crucible made of Al 2 O 3 (crystal growth vessel 23) is 2 MPa (predetermined pressure P 2 ) and the atmospheric temperature is 865. ° C. (predetermined temperature T) in 50 hours (a predetermined time H 2) and held (crystal growth preparation substep S2). Here, the conditions under which the atmospheric pressure is 2 MPa (predetermined pressure P 2 ) and the atmospheric temperature is 865 ° C. (predetermined temperature T) are conditions in which crystal growth does not occur.

(結晶成長サブ工程)
次に、図1、図2および図4を参照して、GaN種結晶(III族窒化物種結晶1)のGaN種結晶の(000−1)N原子表面1nおよび(000−1)N原子表面1nに対して垂直な側表面1sに溶液6が接触した状態で、内容器21および外容器29内に、内容器21および外容器29内の雰囲気圧力がそれぞれ3MPa(所定圧力P3)および2.95MPaとなるように、それぞれ窒素原料ガス5および加圧用ガス7を供給して、Al23製の坩堝(結晶成長容器23)内の雰囲気圧力を3MPa(所定圧力P3)かつ雰囲気温度を865℃(所定温度T)で200時間(所定時間H3)保持して、GaN結晶(III族窒化物結晶10)を成長させた(結晶成長サブ工程S3)。
(Crystal growth sub-process)
Next, referring to FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 4, the (000-1) N atom surface 1n and the (000-1) N atom surface of the GaN seed crystal of the GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1) With the solution 6 in contact with the side surface 1s perpendicular to 1n, the atmospheric pressure in the inner container 21 and the outer container 29 is 3 MPa (predetermined pressure P 3 ) and 2 in the inner container 21 and the outer container 29, respectively. Each of the nitrogen source gas 5 and the pressurizing gas 7 is supplied so as to be .95 MPa, the atmospheric pressure in the Al 2 O 3 crucible (crystal growth vessel 23) is 3 MPa (predetermined pressure P 3 ), and the atmospheric temperature. Was held at 865 ° C. (predetermined temperature T) for 200 hours (predetermined time H 3 ) to grow a GaN crystal (Group III nitride crystal 10) (crystal growth sub-step S3).

(降温サブ工程)
次に、図1、図2および図4を参照して、ヒータ25による加熱を止めて、Al23製の坩堝(結晶成長容器23)内の雰囲気圧力を3MPa(所定圧力P3)に保持しながら雰囲気温度を865℃(所定温度T)から30℃(室温T0)まで、8時間(所定時間H4)かけて降温した(降温サブ工程S4)。次いで、内容器21内のAl23製の坩堝(結晶成長容器23)内の雰囲気圧力を3MPa(所定圧力P3)から大気圧に低減して、GaN種結晶(III族窒化物種結晶1)上に成長したGaN結晶(III族窒化物結晶10)を取り出した。このとき、外容器29内の雰囲気圧力は、内容器21内の雰囲気圧力に比べて、0〜0.05MPa低くなるように調整した。
(Cooling sub-process)
Next, referring to FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 4, the heating by the heater 25 is stopped, and the atmospheric pressure in the Al 2 O 3 crucible (crystal growth vessel 23) is set to 3 MPa (predetermined pressure P 3 ). While maintaining the temperature, the temperature was lowered from 865 ° C. (predetermined temperature T) to 30 ° C. (room temperature T 0 ) over 8 hours (predetermined time H 4 ) (temperature-decreasing sub-step S4). Subsequently, the atmospheric pressure in the Al 2 O 3 crucible (crystal growth vessel 23) in the inner vessel 21 is reduced from 3 MPa (predetermined pressure P 3 ) to atmospheric pressure, and a GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1) is obtained. ) A GaN crystal (Group III nitride crystal 10) grown thereon was taken out. At this time, the atmospheric pressure in the outer container 29 was adjusted to be 0 to 0.05 MPa lower than the atmospheric pressure in the inner container 21.

(GaN結晶)
取り出された上記GaN結晶(III族窒化物結晶10)はGaN種結晶(III族窒化物種結晶1)を含めて直径9mm×厚さ0.4mmであった。すなわち、GaN結晶は、GaN種結晶の(000−1)N原子表面1n上では(000−1)N原子表面1nに垂直な方向にはほとんど成長せず、実質的にすべて側表面1s上のみに(000−1)N原子表面1nに平行な方向に3mmの厚さに成長していた。かかるGaN結晶およびGaN種結晶の(0001)Ga原子表面10gおよび1gから0.1mmの深さの面10cまで研磨して、成長したGaN結晶において(0001)Ga表面として現れる面10cにおける転位密度は、CL法により測定したところ、1×105cm-2と低かった。
(GaN crystal)
The extracted GaN crystal (Group III nitride crystal 10) was 9 mm in diameter and 0.4 mm in thickness including the GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1). That is, the GaN crystal hardly grows in the direction perpendicular to the (000-1) N atom surface 1n on the (000-1) N atom surface 1n of the GaN seed crystal, and is substantially only on the side surface 1s. (000-1) N atoms were grown to a thickness of 3 mm in the direction parallel to the surface 1n. The dislocation density on the surface 10c appearing as the (0001) Ga surface in the grown GaN crystal after polishing from the (0001) Ga atom surfaces 10g and 1g of the GaN crystal and the GaN seed crystal to a surface 10c having a depth of 0.1 mm. When measured by the CL method, it was as low as 1 × 10 5 cm −2 .

(比較例1)
図1、図3および図4を参照して、実施例1と同様のGaN種結晶(III族窒化物種結晶1)を、その(000−1)N原子表面1gがAl23製の坩堝(結晶成長容器23)の底面に接触させて、その(0001)Ga原子表面1gおよび側表面1sが露出するように配置したこと以外は、実施例1と同等にして、GaN結晶を成長させた。
(Comparative Example 1)
Referring to FIGS. 1, 3 and 4, a GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1) similar to that in Example 1 was prepared by using a (000-1) N atom surface 1g made of Al 2 O 3 . A GaN crystal was grown in the same manner as in Example 1 except that the (0001) Ga atom surface 1g and the side surface 1s were placed in contact with the bottom surface of the (crystal growth vessel 23). .

得られたGaN結晶(III族窒化物結晶10)はGaN種結晶(III族窒化物種結晶1)を含めて直径5mm×厚さ1.4mmであった。すなわち、GaN結晶は、GaN種結晶の(0001)Ga原子表面1g上に(0001)Ga原子表面1gに垂直な方向に1mm成長し、側表面1s上に(0001)Ga原子表面1gに平行な方向に1mm成長していた。かかるGaN結晶の(0001)Ga原子表面10gから、0.1mmの深さの面10a、および1.1mmの深さの面10bまで研磨して、成長したGaN結晶において(0001)Ga表面として現れる面10aおよび面10bにおける転位密度は、CL法により測定したところ、それぞれ8×106cm-2および1×105cm-2であった。 The obtained GaN crystal (Group III nitride crystal 10) was 5 mm in diameter and 1.4 mm in thickness including the GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1). That is, the GaN crystal grows 1 mm in a direction perpendicular to the (0001) Ga atom surface 1g on the (0001) Ga atom surface 1g of the GaN seed crystal, and is parallel to the (0001) Ga atom surface 1g on the side surface 1s. It grew 1 mm in the direction. Such a GaN crystal is polished from a (0001) Ga atom surface 10g to a surface 10a having a depth of 0.1 mm and a surface 10b having a depth of 1.1 mm, and appears as a (0001) Ga surface in the grown GaN crystal. The dislocation densities on the surface 10a and the surface 10b were 8 × 10 6 cm −2 and 1 × 10 5 cm −2 , respectively, as measured by the CL method.

実施例1および比較例1を対比すると明かなように、実施例1においては、GaN結晶(III族窒化物結晶10)は、実質的にすべてGaN種結晶(III族窒化物種結晶1)の側表面1s上のみに成長させたことにより、結晶全体の転位密度を低減することができた。これに対して、比較例1においては、GaN結晶は、GaN種結晶の(0001)Ga原子表面1gおよび側表面1sに成長させたため、(0001)Ga原子表面1g上に成長させた結晶部分の転位密度が低減せず、結晶全体の転位密度を低減することができなかった。   As is clear from comparison between Example 1 and Comparative Example 1, in Example 1, substantially all of the GaN crystal (Group III nitride crystal 10) is on the side of the GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1). By growing only on the surface 1s, the dislocation density of the entire crystal could be reduced. On the other hand, in Comparative Example 1, since the GaN crystal was grown on the (0001) Ga atom surface 1g and the side surface 1s of the GaN seed crystal, the crystal portion grown on the (0001) Ga atom surface 1g The dislocation density was not reduced, and the dislocation density of the entire crystal could not be reduced.

(実施例2)
融液原料として、純度99.9999モル%の金属Ga、純度99.99モル%の金属Naおよび純度99.99モル%の金属Liを、金属Ga(III族金属MIII)と金属Na(アルカリ金属MA)のモル比がMIII:MA=3:7、金属Na(Na金属MNa)と金属Li(Li金属MLi)のモル比がMNa:MLi=97:3の割合で坩堝(結晶成長容器)に配置したこと、結晶成長準備工程および結晶成長工程における雰囲気温度(所定温度T)を875℃としたこと以外は、実施例1と同様にしてGaN結晶(III族窒化物結晶10)を成長させた。
(Example 2)
As melt raw materials, metal Ga having a purity of 99.9999 mol%, metal Na having a purity of 99.99 mol%, and metal Li having a purity of 99.99 mol%, metal Ga (group III metal MIII), and metal Na (alkali The molar ratio of metal M A ) is M III : M A = 3: 7, and the molar ratio of metal Na (Na metal M Na ) to metal Li (Li metal M Li ) is M Na : M Li = 97: 3. GaN crystal (Group III nitridation) in the same manner as in Example 1 except that it was placed in a crucible (crystal growth vessel) and the atmosphere temperature (predetermined temperature T) in the crystal growth preparation step and crystal growth step was 875 ° C. A product crystal 10) was grown.

得られたGaN結晶(III族窒化物結晶10)はGaN種結晶(III族窒化物種結晶1)を含めて直径10mm×厚さ0.4mmであった。すなわち、GaN結晶は、GaN種結晶の(000−1)N原子表面1n上では(000−1)N原子表面1nに垂直な方向にはほとんど成長せず、実質的にすべて側表面1s上のみに(000−1)N原子表面1nに平行な方向に3.5mmの厚さに成長していた。かかるGaN結晶およびGaN種結晶の(0001)Ga原子表面10g,1gから0.1mmの深さの面10cまで研磨して、成長したGaN結晶において(0001)Ga表面として現れる面10cにおける転位密度をCL法により測定したところ、2×105cm-2と低かった。 The obtained GaN crystal (Group III nitride crystal 10) was 10 mm in diameter and 0.4 mm in thickness including the GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1). That is, the GaN crystal hardly grows in the direction perpendicular to the (000-1) N atom surface 1n on the (000-1) N atom surface 1n of the GaN seed crystal, and is substantially only on the side surface 1s. (000-1) N atoms were grown to a thickness of 3.5 mm in a direction parallel to the surface 1n. The dislocation density on the surface 10c appearing as the (0001) Ga surface in the grown GaN crystal by polishing from the (0001) Ga atom surface 10g, 1g of the GaN crystal and the GaN seed crystal to the surface 10c having a depth of 0.1 mm. When measured by the CL method, it was as low as 2 × 10 5 cm −2 .

(比較例2)
融液原料として、純度99.9999モル%の金属Ga、純度99.99モル%の金属Naおよび純度99.99モル%の金属Liを、金属Ga(III族金属MIII)と金属Na(アルカリ金属MA)のモル比がMIII:MA=3:7、金属Na(Na金属MNa)と金属Li(Li金属MLi)のモル比がMNa:MLi=97:3の割合で坩堝(結晶成長容器)に配置したこと、結晶成長準備工程および結晶成長工程における雰囲気温度(所定温度T)を875℃としたこと以外は、実施例2と同様にしてGaN結晶(III族窒化物結晶10)を成長させた。
(Comparative Example 2)
As melt raw materials, metal Ga having a purity of 99.9999 mol%, metal Na having a purity of 99.99 mol%, and metal Li having a purity of 99.99 mol%, metal Ga (group III metal MIII), and metal Na (alkali The molar ratio of metal M A ) is M III : M A = 3: 7, and the molar ratio of metal Na (Na metal M Na ) to metal Li (Li metal M Li ) is M Na : M Li = 97: 3. GaN crystal (Group III nitridation) in the same manner as in Example 2 except that it was placed in a crucible (crystal growth vessel) and the atmosphere temperature (predetermined temperature T) in the crystal growth preparation step and crystal growth step was 875 ° C. A product crystal 10) was grown.

得られたGaN結晶(III族窒化物結晶10)はGaN種結晶(III族窒化物種結晶1)を含めて直径5.4mm×厚さ1.6mmであった。すなわち、GaN結晶は、GaN種結晶の(0001)Ga原子表面1g上に(0001)Ga原子表面1gに垂直な方向に1.2mm成長し、側表面1s上に(0001)Ga原子表面1gに平行な方向に1.2mm成長していた。かかるGaN結晶の(0001)Ga原子表面10gから、0.1mmの深さの面10a、および1.3mmの深さの面10bまで研磨して、成長したGaN結晶において(0001)Ga表面として現れる面10aおよび面10bにおける転位密度は、CL法により測定したところ、それぞれ7×106cm-2および2×105cm-2であった。 The obtained GaN crystal (Group III nitride crystal 10) was 5.4 mm in diameter and 1.6 mm in thickness including the GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1). That is, the GaN crystal grows 1.2 mm on the (0001) Ga atom surface 1g of the GaN seed crystal in the direction perpendicular to the (0001) Ga atom surface 1g, and on the (0001) Ga atom surface 1g on the side surface 1s. It grew 1.2 mm in the parallel direction. Polishing from the (0001) Ga atom surface 10g of the GaN crystal to the surface 10a having a depth of 0.1 mm and the surface 10b having a depth of 1.3 mm, appears as a (0001) Ga surface in the grown GaN crystal. The dislocation densities on the surface 10a and the surface 10b were 7 × 10 6 cm −2 and 2 × 10 5 cm −2 , respectively, as measured by the CL method.

実施例2および比較例2を対比すると明かなように、実施例2においては、GaN結晶(III族窒化物結晶10)は、実質的にすべてGaN種結晶(III族窒化物種結晶1)の側表面1s上のみに成長させたことにより、結晶全体の転位密度を低減することができた。これに対して、比較例2においては、GaN結晶は、GaN種結晶の(0001)Ga原子表面1gおよび側表面1sに成長させたため、(0001)Ga原子表面1g上に成長させた結晶部分の転位密度が低減せず、結晶全体の転位密度を低減することができなかった。   As is clear from comparison between Example 2 and Comparative Example 2, in Example 2, substantially all of the GaN crystal (Group III nitride crystal 10) is on the side of the GaN seed crystal (Group III nitride seed crystal 1). By growing only on the surface 1s, the dislocation density of the entire crystal could be reduced. On the other hand, in Comparative Example 2, since the GaN crystal was grown on the (0001) Ga atom surface 1g and the side surface 1s of the GaN seed crystal, the crystal portion grown on the (0001) Ga atom surface 1g The dislocation density was not reduced, and the dislocation density of the entire crystal could not be reduced.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明にかかる成長方法により得られたIII族窒化物結晶およびこの結晶を基板として他の成長方法により得られるIII族窒化物結晶は、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、HEMT(高電子移動度トランジスタ)などの電子素子、微小電子源(エミッタ)、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視-紫外光検出器などの半導体センサ、SAW(表面弾性波)デバイス、振動子、共振子、発振器、MEMS(Micro Electro Mechanical System)部品、圧電アクチュエータなどのデバイス用の基板として広く用いられる。   A group III nitride crystal obtained by the growth method according to the present invention and a group III nitride crystal obtained by another growth method using this crystal as a substrate are light emitting elements such as light emitting diodes and laser diodes, rectifiers, bipolar transistors, Electronic devices such as field effect transistors and HEMTs (high electron mobility transistors), micro electron sources (emitters), temperature sensors, pressure sensors, radiation sensors, semiconductor sensors such as visible-ultraviolet light detectors, SAW (surface acoustic waves) It is widely used as a substrate for devices such as devices, vibrators, resonators, oscillators, MEMS (Micro Electro Mechanical System) parts, and piezoelectric actuators.

1 III族窒化物種結晶、1g,10g (0001)Ga原子表面、1n,10n (000−1)N原子表面、1s 側表面、3 融液、5 窒素原料ガス、6 溶液、7 加圧用ガス、10 III族窒化物結晶、10a,10b,10c 面、21 内容器、23 結晶成長容器、24 蓋、25 ヒータ、27 断熱材、29 外容器、31 窒素原料ガス供給装置、33 加圧用ガス供給装置、35 真空排気装置、41 第1の配管、41a バルブより内容器側の部分、41b バルブより窒素原料ガス供給装置側の部分、41p,43p 圧力計、41v,43v,45v,47v バルブ、43 第2の配管、43a,45a バルブより外容器側の部分、43b バルブより加圧用ガス供給装置側の部分、45 第3の配管、45b バルブより真空排気装置側の部分、47 第4の配管。   1 Group III nitride seed crystal, 1 g, 10 g (0001) Ga atom surface, 1 n, 10 n (000-1) N atom surface, 1 s side surface, 3 melt, 5 nitrogen source gas, 6 solution, 7 pressurizing gas, 10 Group III nitride crystal, 10a, 10b, 10c plane, 21 inner vessel, 23 crystal growth vessel, 24 lid, 25 heater, 27 heat insulating material, 29 outer vessel, 31 nitrogen source gas supply device, 33 pressurization gas supply device , 35 Vacuum exhaust device, 41 1st piping, 41a valve inner part side, 41b valve nitrogen source gas supply side part, 41p, 43p pressure gauge, 41v, 43v, 45v, 47v valve, 43 2 piping, 43a, 45a The portion on the outer container side from the valve, 43b The portion on the pressure gas supply device side from the valve, 45 Third piping, 45b A part on the side of the vacuum exhaust device from Lub, 47 4th piping.

Claims (3)

III族金属とアルカリ金属とを含む融液に窒素原料ガスを溶解させた溶液をIII族窒化物種結晶に接触させることにより、前記III族窒化物種結晶からIII族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物結晶の成長方法であって、
前記III族窒化物種結晶は、(000−1)N原子表面である上面を有し、結晶成長容器の内面に接触するよう配置された下面を有し、
前記III族窒化物種結晶の実質的に側表面上に前記(000−1)N原子表面に平行な方向に前記III族窒化物結晶を成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶の成長方法。
A group III nitride crystal is grown from a group III nitride seed crystal by contacting a group III nitride seed crystal with a solution in which a nitrogen source gas is dissolved in a melt containing a group III metal and an alkali metal. A method for growing a physical crystal,
The group III nitride seed crystal has a top surface that is a (000-1) N atom surface, and a bottom surface that is arranged to contact the inner surface of the crystal growth vessel,
A method for growing a group III nitride crystal comprising growing the group III nitride crystal in a direction parallel to the surface of the (000-1) N atom substantially on a side surface of the group III nitride seed crystal .
前記アルカリ金属は、NaおよびLiの少なくともいずれかを含む請求項1に記載のIII族窒化物結晶の成長方法。   The group III nitride crystal growth method according to claim 1, wherein the alkali metal contains at least one of Na and Li. 前記III族窒化物結晶は、GaN結晶である請求項1または請求項2に記載のIII族窒化物結晶の成長方法。   The method for growing a group III nitride crystal according to claim 1 or 2, wherein the group III nitride crystal is a GaN crystal.
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