JP2013091596A - Method for producing nitride crystal - Google Patents

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Hideo Fujisawa
英夫 藤澤
Yutaka Mikawa
豊 三川
Kazunori Kamata
和典 鎌田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the deposition of a low-grade crystal on the surface of a seed crystal or inner wall of a reaction vessel in a temperature increasing stage in the case of producing a nitride single crystal by the ammonothermal process and grow a high-quality nitride single crystal in high raw material use efficiency in the following growth stage.SOLUTION: Melt-back treatment to melt the seed crystal to a thickness of ≥1 μm from the surface is carried out in the temperature increasing stage of the ammonothermal process.

Description

本発明は、窒化物単結晶を成長させるアモノサーマル法を用いた窒化物単結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a nitride single crystal using an ammonothermal method for growing a nitride single crystal.

アモノサーマル法は、超臨界状態および/または亜臨界状態にあるアンモニアなどの窒素を含有する溶媒を用いて、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の材料を製造する方法である。結晶成長へ適用するときは、アンモニアなどの溶媒への原料溶解度の温度依存性を利用して温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させる。アモノサーマル法によって単結晶を成長させるためには、十分な量の原料が過飽和状態で存在し析出する必要があるが、そのためには結晶成長用原料が十分に溶媒に溶解することが必要である。しかしながら、例えば窒化ガリウムなどの窒化物は、採用しうる温度圧力範囲において純粋なアンモニアなどの溶媒に対する溶解度が極めて低いため、実用的な結晶成長に必要な量を溶解させることができない。このため、窒化ガリウムなどの窒化物の溶解度を向上させる鉱化剤を反応系内に添加することが一般に行われている。鉱化剤は、窒化物と錯体などを形成(溶媒和)することができるため、より多くの窒化物をアンモニアなどの溶媒中に溶解させることができる。   The ammonothermal method is a method for producing a desired material by using a raw material dissolution-precipitation reaction using a solvent containing nitrogen such as ammonia in a supercritical state and / or a subcritical state. When applied to crystal growth, crystals are precipitated by generating a supersaturated state due to a temperature difference utilizing the temperature dependence of the raw material solubility in a solvent such as ammonia. In order to grow a single crystal by the ammonothermal method, it is necessary that a sufficient amount of raw material exists in a supersaturated state and precipitates. For this purpose, it is necessary that the raw material for crystal growth is sufficiently dissolved in a solvent. is there. However, for example, nitrides such as gallium nitride have a very low solubility in a solvent such as pure ammonia in a temperature and pressure range that can be employed, and therefore, an amount necessary for practical crystal growth cannot be dissolved. For this reason, a mineralizer that improves the solubility of nitrides such as gallium nitride is generally added to the reaction system. Since the mineralizer can form (solvate) a complex with a nitride, more nitride can be dissolved in a solvent such as ammonia.

アモノサーマル法により窒化物単結晶を製造するときには、まず、原料、窒素を含有する溶媒、鉱化剤などを反応容器内に入れて昇温する工程(以下、単に「昇温工程」と称する場合がある。)を経て、超臨界状態および/または亜臨界状態において結晶を成長させる工程(以下、単に「成長工程」と称する場合がある)を実施する。このとき、反応容器内における結晶の成長は、成長工程だけでなく、昇温工程においても起こる。このため、昇温工程において、種結晶(シード)の表面や反応容器の内壁などに質の低い結晶が析出して、成長工程における質の高い結晶の成長を妨げるという問題を生じている。   When producing a nitride single crystal by the ammonothermal method, first, a step of heating a raw material, a solvent containing nitrogen, a mineralizer, etc. in a reaction vessel (hereinafter simply referred to as a “temperature raising step”). In some cases, a step of growing a crystal in a supercritical state and / or a subcritical state (hereinafter, simply referred to as a “growth step”) is performed. At this time, crystal growth in the reaction vessel occurs not only in the growth step but also in the temperature raising step. For this reason, in the temperature raising step, a low quality crystal is deposited on the surface of the seed crystal (seed) or the inner wall of the reaction vessel, thereby causing a problem that the growth of the high quality crystal in the growth step is hindered.

このような問題に鑑みて、成長工程を行う前に、反応容器の内壁に析出した自発核結晶を除去する方法が提案されている(特許文献1参照)。反応容器内において原料をアンモニア等の溶媒中に溶解する領域(以下、「原料溶解領域」と称する場合がある。)と、反応容器内において種結晶上に窒化物単結晶を成長させる領域(以下、「結晶成長領域」と称する場合がある。)の間に約10℃未満の温度差をつけて、その状態を約1分〜2時間維持することにより、自発核結晶をメルトして除去することが記載されている。
また、同様に原料溶解領域と結晶成長領域の間に温度差をつけることにより、種結晶の表面をメルトバックすることも提案されている(特許文献2参照)。この文献には、原料溶解領域よりも結晶成長領域の方が窒化物が溶解しやすくなるように温度差をつけた状態を0.1〜20分維持することにより、種結晶の表面をメルトバックするのが好ましいことが記載されている。そして、成長工程においては、原料溶解領域と結晶成長領域の温度差を逆転させて、結晶成長領域よりも原料溶解領域の方が窒化物が溶解しやすくなるようにして窒化物単結晶を種結晶上に成長させることが記載されている。
昇温工程において、原料溶解領域と結晶成長領域の間に温度差をつけることについては、特許文献3にも記載されている。ここでは、結晶成長領域の温度を原料溶解領域よりも低い300℃程度の温度に維持してから昇温し、成長工程では結晶成長領域を原料溶解領域より高い温度に維持して種結晶上に窒化物単結晶を成長させることが記載されている。
In view of such a problem, a method for removing the spontaneous nucleus crystals deposited on the inner wall of the reaction vessel before performing the growth process has been proposed (see Patent Document 1). A region in which the raw material is dissolved in a solvent such as ammonia in the reaction vessel (hereinafter sometimes referred to as “raw material dissolution region”), and a region in which the nitride single crystal is grown on the seed crystal in the reaction vessel (hereinafter referred to as “raw material dissolution region”). And may be referred to as a “crystal growth region”), and by maintaining a temperature difference of less than about 10 ° C. for about 1 minute to 2 hours, the spontaneous nucleus crystals are melted and removed. It is described.
Similarly, it has also been proposed to melt back the surface of the seed crystal by providing a temperature difference between the raw material dissolution region and the crystal growth region (see Patent Document 2). In this document, the surface of the seed crystal is melt-backed by maintaining the temperature difference for 0.1 to 20 minutes so that the nitride is more easily dissolved in the crystal growth region than in the raw material dissolution region. It is described that it is preferable to do this. In the growth process, the temperature difference between the raw material dissolution region and the crystal growth region is reversed, and the nitride single crystal is seeded so that the raw material dissolution region is more easily dissolved than the crystal growth region. It is described to grow on top.
Patent Document 3 also describes that a temperature difference is created between the raw material melting region and the crystal growth region in the temperature raising step. Here, the temperature of the crystal growth region is maintained at a temperature of about 300 ° C., which is lower than that of the raw material dissolution region, and then the temperature is raised. In the growth process, the crystal growth region is maintained at a temperature higher than that of the raw material dissolution region. The growth of nitride single crystals is described.

特開2006−51322号公報JP 2006-51322 A 国際公開WO2010/053977号公報International Publication No. WO2010 / 053977 特開2005−530674号公報JP 2005-530664 A

このように、原料溶解領域と結晶成長領域の間に温度差をつける方法が幾つか提案されているが、これらの方法を実際に実施しても十分に質が高い窒化物単結晶を効率良く製造することはできなかった。本発明者らがその原因を検討したところ、例えば特許文献1や特許文献2に記載される方法ではメルトバックが不十分である点に原因があると考えられる。また、特許文献3に記載される方法では、メルトバックそのものが生じない蓋然性が高い。このため、これらの方法を採用しても、種結晶表面のダメージや汚染を十分に除去することができず、次の成長工程において品質の良い結晶を成長させることができないことが明らかになった。
このような知見に基づいて、本発明者らは、質が高い窒化物単結晶が得られると考えられる条件を採用して、種結晶表面の溶解を進行させて高品質な結晶成長を行うために好適なメルトバックを実施することを考えた。しかしながら、単にメルトバックをさらに進行させた場合に、その後の成長工程で品質が良い結晶を成長させることができる確証は一切なく、逆に、種結晶表面の溶解を進行させると、反応容器内で種結晶の落下や消失などを招き結晶成長を行うことができなくなる危険性があることも懸念されていた。
以上の状況下で、本発明者らは、昇温工程において種結晶表面や反応容器の内壁に品質の低い結晶が析出するのを抑制することができ、その後の成長工程において、原料使用効率が高く、高品質な窒化物単結晶を製造することができる窒化物単結晶の製造方法を提供することを目的して鋭意検討を進めた。
As described above, several methods for creating a temperature difference between the raw material melting region and the crystal growth region have been proposed. Even when these methods are actually implemented, a sufficiently high quality single crystal nitride can be efficiently produced. It could not be manufactured. When the present inventors examined the cause, it is thought that there exists a cause in the point that meltback is inadequate in the method described in patent document 1 or patent document 2, for example. Further, the method described in Patent Document 3 has a high probability that meltback itself does not occur. For this reason, even if these methods were adopted, it was found that the damage and contamination of the seed crystal surface could not be sufficiently removed, and high-quality crystals could not be grown in the next growth step. .
Based on such knowledge, the present inventors adopt conditions under which a high-quality nitride single crystal can be obtained, and promote the dissolution of the seed crystal surface to perform high-quality crystal growth. It was considered to carry out a suitable meltback. However, if the meltback is further advanced, there is no confirmation that a crystal of good quality can be grown in the subsequent growth process. Conversely, if dissolution of the seed crystal surface is advanced, There has also been a concern that there is a risk that the seed crystal may be dropped or lost and the crystal cannot be grown.
Under the above circumstances, the present inventors can suppress the deposition of low quality crystals on the seed crystal surface or the inner wall of the reaction vessel in the temperature raising step, and in the subsequent growth step, the raw material use efficiency is reduced. The present inventors have intensively studied for the purpose of providing a method for producing a nitride single crystal capable of producing a high-quality nitride single crystal.

本発明者らは鋭意検討した結果、種結晶の適切なメルトバックを可能とし、良質な結晶を得ることができる条件を見出し、以下に記載する本発明を提供するに至った。
[1] 超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素を含有する溶媒中で窒化物単結晶を成長させる窒化物単結晶の製造方法であって、少なくとも、種結晶を反応容器内に配置する準備工程と、反応容器内を昇温する昇温工程と、成長温度において種結晶上に前記窒化物単結晶の成長を行う成長工程とをこの順に含み、
前記昇温工程において、前記種結晶に対して表面から1μm以上の厚みを溶解させるメルトバック処理を施すことを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法。
[2] 前記メルトバック処理を3時間以上施す[1]に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[3] 超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素を含有する溶媒中で窒化物単結晶を成長させる窒化物単結晶の製造方法であって、少なくとも、反応容器内を昇温する昇温工程と、前記成長温度において前記窒化物単結晶の成長を行う成長工程と、を含み、
前記昇温工程において、前記反応容器内における種結晶が配置され窒化物単結晶を成長させる領域の温度(T1)と前記反応容器内における前記窒化物単結晶の原料を溶媒中に溶解する領域の温度(T2)との高低関係を、前記成長工程における前記温度(T1)と前記温度(T2)との高低関係とは逆にして前記種結晶に対してメルトバック処理を3時間以上施す窒化物単結晶の製造方法。
[4] 前記メルトバック処理における、前記種結晶が配置され窒化物単結晶を成長させる領域の温度(T1)が、400℃〜700℃である[3]に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[5] 前記成長工程において、正の溶解度特性を有する鉱化剤を使用する[1]〜[4]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[6] 前記成長工程において、負の溶解度特性を有する鉱化剤を使用する[1]〜[4]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
[7] 前記成長工程において、酸性鉱化剤を使用する[1]〜[6]のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the seed crystal can be appropriately melt-backed and that a high-quality crystal can be obtained, and the present invention described below has been provided.
[1] A method for producing a nitride single crystal in which a nitride single crystal is grown in a solvent containing nitrogen in a supercritical state and / or subcritical state, and at least a preparation for disposing a seed crystal in a reaction vessel A step, a temperature raising step for raising the temperature inside the reaction vessel, and a growth step for growing the nitride single crystal on the seed crystal at a growth temperature in this order,
The method for producing a nitride single crystal, wherein in the temperature raising step, a meltback treatment is performed to dissolve the seed crystal with a thickness of 1 μm or more from the surface.
[2] The method for producing a nitride single crystal according to [1], wherein the meltback treatment is performed for 3 hours or more.
[3] A method for producing a nitride single crystal in which a nitride single crystal is grown in a solvent containing nitrogen in a supercritical state and / or a subcritical state, and at least a temperature raising step for raising the temperature in the reaction vessel And a growth step of growing the nitride single crystal at the growth temperature,
In the temperature raising step, a temperature (T1) of a region where a seed crystal is arranged in the reaction vessel and a nitride single crystal is grown, and a region in which the raw material of the nitride single crystal in the reaction vessel is dissolved in a solvent. A nitride which is subjected to a meltback treatment for 3 hours or more with respect to the seed crystal by reversing the level relationship with the temperature (T2) from the level relationship between the temperature (T1) and the temperature (T2) in the growth step. A method for producing a single crystal.
[4] The method for producing a nitride single crystal according to [3], wherein the temperature (T1) of the region where the seed crystal is arranged and the nitride single crystal is grown in the meltback treatment is 400 ° C. to 700 ° C. .
[5] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [1] to [4], wherein a mineralizer having a positive solubility characteristic is used in the growth step.
[6] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [1] to [4], wherein a mineralizer having negative solubility characteristics is used in the growth step.
[7] The method for producing a nitride single crystal according to any one of [1] to [6], wherein an acidic mineralizer is used in the growth step.

本発明の窒化物単結晶の製造方法によれば、昇温工程において種結晶表面や反応容器の内壁に品質の低い結晶が析出するのを抑制でき、原料使用効率が高く、高品質な窒化物単結晶を製造することができる。   According to the method for producing a nitride single crystal of the present invention, it is possible to suppress the deposition of low quality crystals on the surface of the seed crystal or the inner wall of the reaction vessel in the temperature raising step, the raw material use efficiency is high, and high quality nitride Single crystals can be produced.

本発明で用いることができる結晶製造装置の模式図である。It is a schematic diagram of the crystal manufacturing apparatus which can be used by this invention.

以下において、本発明の窒化物単結晶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、本発明の代表的な実施態様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。
また、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。
Below, the manufacturing method of the nitride single crystal of this invention is demonstrated in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments.
In addition, a numerical range expressed using “to” in this specification means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

[本発明の窒化物単結晶の製造方法]
本発明の窒化物単結晶の製造方法は、アモノサーマル法を用いた窒化物単結晶の製造方法であって、少なくとも、反応容器内を昇温する昇温工程と、前記成長温度において前記窒化物単結晶の成長を行う成長工程と、を含み、前記昇温工程において、前記反応容器内における種結晶が配置され窒化物単結晶を成長させる領域(結晶成長領域)の温度(T1)と前記反応容器内における前記窒化物単結晶の原料を溶媒中に溶解する領域(原料溶解領域)の温度(T2)との高低関係を、前記成長工程における前記温度(T1)と前記温度(T2)との高低関係とは逆にして前記種結晶に対してメルトバック処理を施す。
上述のように本発明の窒化物単結晶の製造方法は、昇温工程において、種結晶に対してメルトバック処理を施す。前記メルトバック処理は、前記成長工程における前記反応容器内の結晶成長領域の温度(T1)と原料溶解領域の温度(T2)との高低関係とは逆になるように、即ち、前記成長工程における温度(T1)と温度(T2)との高低関係が逆転するように、前記昇温工程における温度(T1)と温度(T2)とを設定することによって施される。
[Production Method of Nitride Single Crystal of the Present Invention]
The method for producing a nitride single crystal according to the present invention is a method for producing a nitride single crystal using an ammonothermal method, and includes at least a temperature raising step for raising the temperature in a reaction vessel, and the nitriding at the growth temperature. A temperature step (T1) of a region (crystal growth region) in which a seed crystal is arranged in the reaction vessel and grows a nitride single crystal in the temperature raising step, The relationship between the temperature (T2) of the region (raw material dissolution region) where the nitride single crystal raw material is dissolved in the solvent in the reaction vessel is expressed as the temperature (T1) and the temperature (T2) in the growth step. Contrary to the elevation relationship, the seed crystal is melt-backed.
As described above, in the method for producing a nitride single crystal of the present invention, the seed crystal is subjected to a meltback process in the temperature raising step. The meltback treatment is performed so that the relationship between the temperature (T1) of the crystal growth region and the temperature (T2) of the raw material dissolution region in the reaction vessel in the growth step is reversed, that is, in the growth step. The temperature (T1) and the temperature (T2) are set by setting the temperature (T1) and the temperature (T2) in the temperature raising step so that the height relationship between the temperature (T1) and the temperature (T2) is reversed.

本発明の窒化物単結晶の製造方法によれば、上述のように成長工程に対して、昇温工程における結晶成長領域の温度と原料溶解領域の温度との高低関係を逆転させてメルトバック処理を施すことで、昇温工程において種結晶表面や反応容器の内壁に品質の低い結晶が析出するのを抑制できる。これにより、原料使用効率を高くすることができるまた、前記メルトバック処理によって、種結晶の表面を溶解(メルトバック)することができる。このため、種結晶表面のダメージや汚染を十分に除去できるため、種結晶上に高品質な窒化物単結晶を成長させることができる。
「アモノサーマル法」は、超臨界状態および/または亜臨界状態にあるアンモニア等の窒素を含有する溶媒を用いて、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の材料を製造する方法である。アモノサーマル法を結晶成長へ適用するときは、溶媒への原料溶解度の温度依存性を利用して温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させる。
アモノサーマル法による窒化ガリウム結晶成長は、高温高圧の超臨界条件下での反応であり、さらに、超臨界状態および/または亜臨界状態の純アンモニアなどの溶媒中への窒化ガリウムの溶解度は極めて小さいため、溶解度を向上させ結晶成長を促進させるために鉱化剤が用いられる。
本発明の窒化物単結晶の製造方法は、種結晶、窒素を含有する溶媒、原料、ならびに鉱化剤を入れた反応容器内の温度および圧力を、前記溶媒が超臨界状態および/または亜臨界状態となるように制御して前記種結晶の表面に窒化物単結晶を成長させる。
According to the method for producing a nitride single crystal of the present invention, as described above, the meltback process is performed by reversing the height relationship between the temperature of the crystal growth region and the temperature of the raw material dissolution region in the temperature raising step with respect to the growth step. It is possible to suppress the deposition of low quality crystals on the surface of the seed crystal or the inner wall of the reaction vessel in the temperature raising step. Thereby, the raw material use efficiency can be increased, and the surface of the seed crystal can be dissolved (melt back) by the melt back treatment. For this reason, since damage and contamination on the seed crystal surface can be sufficiently removed, a high-quality nitride single crystal can be grown on the seed crystal.
The “ammonothermal method” is a method for producing a desired material using a dissolution-precipitation reaction of raw materials using a solvent containing nitrogen such as ammonia in a supercritical state and / or a subcritical state. . When the ammonothermal method is applied to crystal growth, crystals are precipitated by generating a supersaturated state due to a temperature difference utilizing the temperature dependence of the solubility of the raw material in the solvent.
Gallium nitride crystal growth by the ammonothermal method is a reaction under supercritical conditions at high temperature and pressure, and the solubility of gallium nitride in a solvent such as pure ammonia in the supercritical state and / or subcritical state is extremely high. Because it is small, mineralizers are used to improve solubility and promote crystal growth.
In the method for producing a nitride single crystal of the present invention, a temperature and a pressure in a reaction vessel containing a seed crystal, a nitrogen-containing solvent, a raw material, and a mineralizer are set in a supercritical state and / or a subcritical state. A nitride single crystal is grown on the surface of the seed crystal by controlling to be in a state.

[昇温工程]
前記昇温工程は、反応容器内を昇温する工程である。昇温は、通常は室温から行う。昇温により到達する温度は、メルトバック処理を行う温度である。メルトバック処理を行う温度は、成長工程における成長温度かその近傍の温度であることが好ましい。具体的な温度については、後述のメルトバック処理の説明において詳述する。
(反応容器)
本発明の窒化物単結晶の製造方法は、反応容器中で実施することができる。
前記反応容器は、窒化物単結晶を成長させるときの高温高圧条件に耐え得るもの中から選択することができる。前記反応容器としては、特表2003−511326号公報(国際公開第01/024921号パンフレット)や特表2007−509507号公報(国際公開第2005/043638号パンフレット)に記載されるように反応容器の外から反応容器とその内容物にかける圧力を調整する機構を備えたものであってもよいし、そのような機構を有さないオートクレーブであってもよい。
[Temperature raising process]
The temperature raising step is a step of raising the temperature in the reaction vessel. The temperature rise is usually performed from room temperature. The temperature reached by the temperature increase is the temperature at which the meltback process is performed. The temperature at which the meltback treatment is performed is preferably the growth temperature in the growth step or a temperature in the vicinity thereof. The specific temperature will be described in detail in the description of the meltback process described later.
(Reaction vessel)
The method for producing a nitride single crystal of the present invention can be carried out in a reaction vessel.
The reaction vessel can be selected from those capable of withstanding high temperature and high pressure conditions when growing a nitride single crystal. Examples of the reaction vessel include those described in JP-T-2003-511326 (International Publication No. 01/024921 pamphlet) and JP-T-2007-509507 (International Publication No. 2005/043638 pamphlet). A mechanism that adjusts the pressure applied to the reaction vessel and its contents from the outside may be provided, or an autoclave that does not have such a mechanism may be used.

前記反応容器は、耐圧性と耐食性を有する材料で構成されているものが好ましく、特にアンモニア等の溶媒に対する耐食性に優れたNi系の合金、ステライト(デロロ・ステライト・カンパニー・インコーポレーテッドの登録商標)等のCo系合金を用いることが好ましい。より好ましくはNi系の合金であり、具体的には、Inconel625(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標、以下同じ)、Nimonic90(Nimonicはスペシャル メタルズ ウィギン リミテッドの登録商標、以下同じ)、RENE41(Teledyne Allvac, Incの登録商標)、Inconel718(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標)、ハステロイ(Haynes International,Incの登録商標)、ワスパロイ(United Technologies,Inc.の登録商標)が挙げられる。
これらの合金の組成比率は、系内の溶媒の温度や圧力条件、および系内に含まれる鉱化剤およびそれらの反応物との反応性および/または酸化力・還元力、pHの条件に従い、適宜選択すればよい。これらを反応容器の内面を構成する材料として用いるには、反応容器自体をこれらの合金を用いて製造してもよく、内筒として薄膜を形成して耐圧性容器内に反応容器として設置してもよく、任意の反応容器の材料の内面にメッキ処理を施してもよい。
The reaction vessel is preferably made of a material having pressure resistance and corrosion resistance. In particular, a Ni-based alloy having excellent corrosion resistance against a solvent such as ammonia, Stellite (registered trademark of Deloro Stellite Company, Inc.) It is preferable to use a Co-based alloy such as More preferably, it is a Ni-based alloy. Specifically, Inconel 625 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited, the same applies hereinafter), Nimonic 90 (Nimonic is a registered trademark of Special Metals Wiggin Limited, the same applies hereinafter), RENE41 (Teledyne). Allvac, Inc.), Inconel 718 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited), Hastelloy (registered trademark of Haynes International, Inc.), Waspaloy (registered trademark of United Technologies, Inc.).
The composition ratio of these alloys depends on the temperature and pressure conditions of the solvent in the system, and the reactivity with the mineralizers and their reactants contained in the system and / or the oxidizing power / reducing power, pH conditions, What is necessary is just to select suitably. In order to use these as materials constituting the inner surface of the reaction vessel, the reaction vessel itself may be manufactured using these alloys, and a thin film is formed as an inner cylinder and placed in a pressure resistant vessel as a reaction vessel. Alternatively, the inner surface of any reaction vessel material may be plated.

反応容器の耐食性をより向上させるために、貴金属の優れた耐食性を利用して、貴金属を反応容器の内表面をライニングまたはコーティングしてもよい。また、反応容器の材質を貴金属とすることもできる。ここでいう貴金属としては、Pt、Au、Ir、Ru、Rh、Pd、Ag、およびこれらの貴金属を主成分とする合金が挙げられ、中でも優れた耐食性を有するPtおよびその合金を用いることが好ましい。   In order to further improve the corrosion resistance of the reaction vessel, the inner surface of the reaction vessel may be lined or coated using the excellent corrosion resistance of the noble metal. Moreover, the material of the reaction vessel can be a noble metal. Examples of the noble metal herein include Pt, Au, Ir, Ru, Rh, Pd, Ag, and alloys containing these noble metals as a main component, and among these, it is preferable to use Pt having excellent corrosion resistance and an alloy thereof. .

図1を用いて本発明の窒化物単結晶の製造方法に用いることのできる反応容器を含む結晶製造装置の具体例を図1に示す。図1は、本発明で用いることができる結晶製造装置の模式図である。図1に示される結晶製造装置においては、オートクレーブ1中に反応容器として装填されるカプセル20中で結晶成長を行う。カプセル20中は、原料を溶解するための原料溶解領域9と結晶を成長させるための結晶成長領域6とから構成されている。原料溶解領域9には原料8とともに溶媒や鉱化剤を入れることができ、結晶成長領域6には種結晶7をワイヤーで吊すなどして設置することができる。原料溶解領域9と結晶成長領域6との間には、2つの領域を区画するバッフル板5が設置されている。バッフル板5の開孔率は2%以上であるものが好ましく、3%以上であるものがより好ましく、また、60%以下であるものが好ましく、40%以下であるものがより好ましい。バッフル板の表面の材質は、反応容器であるカプセル20の材料と同一であることが好ましい。また、より耐食性を持たせ、成長させる結晶を高純度化するために、バッフル板の表面は、Ni、Ta、Ti、Nb、Pd、Pt、Au、Ir、Mo、W、pBNであることが好ましく、Pd、Pt、Au、Ir、Mo、W、pBNであることがより好ましく、Pt、Mo、Wであることが特に好ましい。図1に示される結晶製造装置では、オートクレーブ1の内壁とカプセル20の間の空隙には、第2溶媒を充填することができるようになっている。ここには、バルブ10を介して窒素ボンベ13から窒素ガスを充填したり、アンモニアボンベ12からマスフローメーター14で流量を確認したりしながら第2溶媒としてアンモニアなどを充填することができる。また、真空ポンプ11により必要な減圧を行うこともできる。なお、本発明の窒化物単結晶の製造方法を実施する際に用いる結晶製造装置には、バルブ、マスフローメーター、導管は必ずしも設置されていなくてもよい。   A specific example of a crystal production apparatus including a reaction vessel that can be used in the method for producing a nitride single crystal of the present invention is shown in FIG. FIG. 1 is a schematic view of a crystal manufacturing apparatus that can be used in the present invention. In the crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1, crystal growth is performed in a capsule 20 loaded as a reaction vessel in the autoclave 1. The capsule 20 includes a raw material dissolution region 9 for dissolving the raw material and a crystal growth region 6 for growing crystals. A solvent and a mineralizer can be placed in the raw material dissolution region 9 together with the raw material 8, and the seed crystal 7 can be installed in the crystal growth region 6 by suspending it with a wire. Between the raw material melting region 9 and the crystal growth region 6, a baffle plate 5 that partitions the two regions is installed. The baffle plate 5 has a hole area ratio of preferably 2% or more, more preferably 3% or more, more preferably 60% or less, and even more preferably 40% or less. The material of the surface of the baffle plate is preferably the same as the material of the capsule 20 that is a reaction vessel. Further, in order to provide more corrosion resistance and to purify the crystal to be grown, the surface of the baffle plate should be Ni, Ta, Ti, Nb, Pd, Pt, Au, Ir, Mo, W, pBN. Pd, Pt, Au, Ir, Mo, W, and pBN are more preferable, and Pt, Mo, and W are particularly preferable. In the crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1, the gap between the inner wall of the autoclave 1 and the capsule 20 can be filled with the second solvent. Here, ammonia or the like can be filled as the second solvent while filling the nitrogen gas from the nitrogen cylinder 13 through the valve 10 or confirming the flow rate from the ammonia cylinder 12 with the mass flow meter 14. In addition, the vacuum pump 11 can perform necessary pressure reduction. Note that a valve, a mass flow meter, and a conduit do not necessarily have to be installed in the crystal manufacturing apparatus used when the nitride single crystal manufacturing method of the present invention is carried out.

前記オートクレーブにより耐食性を持たせるためにライニングを使用することもできる。ライニングする材料として、Pt、Ir、Ag、Pd、Rh、Cu、AuおよびCのうち少なくとも一種類以上の金属または元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金または化合物であることが好ましく、より好ましくは、ライニングがしやすいという理由でPt,Ag、CuおよびCのうち少なくとも一種類以上の金属または元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金または化合物である。例えば、Pt単体、Pt−Ir合金、Ag単体、Cu単体やグラファイトなどが挙げられる。   A lining can also be used to provide corrosion resistance by the autoclave. The lining material is preferably at least one metal or element of Pt, Ir, Ag, Pd, Rh, Cu, Au and C, or an alloy or compound containing at least one metal, More preferably, it is an alloy or compound containing at least one or more kinds of metals or elements of Pt, Ag, Cu and C, or at least one kind of metals because they are easily lined. For example, Pt simple substance, Pt-Ir alloy, Ag simple substance, Cu simple substance, graphite, etc. are mentioned.

(メルトバック処理)
本発明においては、例えば鉱化剤として正の溶解度特性を有するものを用いた場合には、成長工程において原料溶解領域の温度(T2grow)を結晶成長領域の温度(T1grow)よりも高く設定する(即ち、温度(T1grow)<温度(T2grow))。このとき、昇温工程において少なくとも一度結晶成長領域と原料溶解領域との温度の高低関係を逆転させ、結晶成長領域の温度(T1elev)を原料溶解領域の温度(T2elev)よりも高くすることで(即ち、温度(T1elev)>温度(T2elev))、種結晶にメルトバック処理を施す。この場合、成長工程における原料溶解領域の温度(T2grow)と結晶成長領域の温度(T1grow)との差(ΔTgrow=T2grow−T1grow)は正の値となるが、昇温工程においては、原料溶解領域の温度(T2elev)と結晶成長領域の温度(T1elev)との差(ΔTelev=T2elev−T1elev)が負の値となるようにメルトバック処理が施される。
(Meltback processing)
In the present invention, for example, when a mineralizer having positive solubility characteristics is used, the temperature of the raw material dissolution region (T2 grow ) is set higher than the temperature of the crystal growth region (T1 grow ) in the growth process. (I.e., temperature (T1 grow ) <temperature (T2 grow )). At this time, the temperature relationship between the crystal growth region and the raw material dissolution region is reversed at least once in the temperature raising step so that the temperature of the crystal growth region (T1 elev ) is higher than the temperature of the raw material dissolution region (T2 elev ). (Ie, temperature (T1 elev )> temperature (T2 elev )), the seed crystal is subjected to a meltback treatment. In this case, the difference (ΔT grow = T2 grow −T1 grow ) between the temperature of the raw material dissolution region (T2 grow ) and the temperature of the crystal growth region (T1 grow ) in the growth step is a positive value. Is subjected to a meltback treatment so that the difference (ΔT elev = T2 elev −T1 elev ) between the temperature of the raw material melting region (T2 elev ) and the temperature of the crystal growth region (T1 elev ) becomes a negative value.

これに対し、鉱化剤として負の溶解度特性を有するものを用いた場合には、成長工程において原料溶解領域の温度(T2grow)を結晶成長領域の温度(T1grow)よりも低く設定する(温度(T1grow)>温度(T2grow))。このとき、昇温工程において少なくとも一度結晶成長領域と原料溶解領域との温度の高低関係を逆転させ、原料溶解領域の温度(T2elev)を結晶成長領域の温度(T1elev)よりも高くする(即ち、温度(T1elev)<温度(T2elev))ことで、種結晶にメルトバック処理を施すことができる。この場合、成長工程における原料溶解領域の温度(T2grow)と結晶成長領域の温度(T1grow)との差(ΔTgrow=T2grow−T1grow)は負の値となるが、昇温工程においては、原料溶解領域の温度(T2elev)と結晶成長領域の温度(T1elev)との差(ΔTelev=T2elev−T1elev)が正の値となるようにメルトバック処理が施される。
ここで、正の溶解度特性とは、温度上昇に伴い、アンモニアなどの溶媒に対するGaN原料などの溶質の溶解度が増加するような特性を意味する。一方で、負の溶解度特性とは、温度上昇に伴い、アンモニアなどの溶媒に対するGaN原料などの溶質の溶解度が減少するような特性を意味する。
On the other hand, when a mineralizer having a negative solubility characteristic is used, the temperature of the raw material dissolution region (T2 grow ) is set lower than the temperature of the crystal growth region (T1 grow ) in the growth process ( Temperature (T1 grow )> Temperature (T2 grow )). At this time, the temperature relationship between the crystal growth region and the raw material dissolution region is reversed at least once in the temperature raising step so that the temperature (T2 elev ) of the raw material dissolution region is higher than the temperature (T1 elev ) of the crystal growth region ( That is, the temperature (T1 elev ) <temperature (T2 elev ) makes it possible to subject the seed crystal to a meltback process. In this case, the difference (ΔT grow = T2 grow −T1 grow ) between the temperature of the raw material dissolution region (T2 grow ) and the temperature of the crystal growth region (T1 grow ) in the growth step is a negative value. Is subjected to a meltback process so that the difference (ΔT elev = T2 elev −T1 elev ) between the temperature of the raw material melting region (T2 elev ) and the temperature of the crystal growth region (T1 elev ) becomes a positive value.
Here, the positive solubility characteristic means a characteristic such that the solubility of a solute such as a GaN raw material in a solvent such as ammonia increases with an increase in temperature. On the other hand, the negative solubility characteristic means a characteristic such that the solubility of a solute such as a GaN raw material in a solvent such as ammonia decreases with increasing temperature.

前記成長工程において原料溶解領域の温度(T2grow)を結晶成長領域の温度(T1grow)よりも高く設定(温度(T1grow)<温度(T2grow))し、昇温工程において結晶成長領域の温度(T1elev)を原料溶解領域の温度(T2elev)よりも高く(温度(T1elev)>温度(T2elev))して、種結晶にメルトバック処理を施す場合、メルトバック処理時の前記結晶成長領域の温度(T1elev)は、圧力容器の材料強度およびメルトバックの効率性の観点から、400℃以上が好ましく、425℃以上がより好ましく、450℃以上がさらに好ましく、また、700℃以下が好ましく、675℃以下がより好ましく、650℃以下がさらに好ましい。また、前記原料溶解領域の温度(T2elev)は、圧力容器の材料強度およびメルトバックの効率性の観点から、400℃以上が好ましく、425℃以上がより好ましく、450℃以上がさらに好ましく、また、700℃以下が好ましく、675℃以下がより好ましく、650℃以下がさらに好ましい。
この際、メルトバック処理時の原料溶解領域の温度(T2elev)と結晶成長領域の温度(T1elev)との差(ΔTelev=T2elev−T1elev)は、メルトバックの効率性および種結晶保護の観点から、−200℃〜0℃が好ましく、−150℃〜0℃がより好ましく、−100℃〜0℃が更に好ましく、−50℃〜−1℃が特に好ましい。
In the growth step, the temperature of the raw material dissolution region (T2 grow ) is set higher than the temperature of the crystal growth region (T1 grow ) (temperature (T1 grow ) <temperature (T2 grow )). temperature (T1 elev) the material temperature dissolution zone (T2 elev) higher than (the temperature (T1 elev)> temperature (T2 elev)) and, if subjected to melt-back process to the seed crystal, wherein at the time of melt-back process The temperature (T1 elev ) of the crystal growth region is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 425 ° C. or higher, further preferably 450 ° C. or higher, and 700 ° C. from the viewpoint of the material strength of the pressure vessel and the efficiency of meltback. The following is preferable, 675 ° C. or lower is more preferable, and 650 ° C. or lower is further preferable. The temperature (T2 elev ) of the raw material melting region is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 425 ° C. or higher, further preferably 450 ° C. or higher, from the viewpoint of the material strength of the pressure vessel and the efficiency of meltback. 700 ° C. or lower is preferable, 675 ° C. or lower is more preferable, and 650 ° C. or lower is further preferable.
At this time, the difference (ΔT elev = T2 elev −T1 elev ) between the temperature of the raw material melting region (T2 elev ) and the temperature of the crystal growth region (T1 elev ) at the time of meltback treatment is the meltback efficiency and seed crystal From the viewpoint of protection, -200 ° C to 0 ° C is preferable, -150 ° C to 0 ° C is more preferable, -100 ° C to 0 ° C is further preferable, and -50 ° C to -1 ° C is particularly preferable.

前記成長工程において原料溶解領域の温度(T2grow)を結晶成長領域の温度(T1grow)よりも低く設定(温度(T1grow)>温度(T2grow))し、昇温工程において結晶成長領域の温度(T1elev)を原料溶解領域の温度(T2elev)よりも低く(温度(T1elev)<温度(T2elev))して、種結晶にメルトバック処理を施す場合、メルトバック処理時の前記結晶成長領域の温度(T1elev)は、圧力容器の材料強度およびメルトバックの効率性の観点から、400℃以上が好ましく、425℃以上がより好ましく、450℃以上がさらに好ましく、また、700℃以下が好ましく、675℃以下がより好ましく、650℃以下がさらに好ましい。また、前記原料溶解領域の温度(T2elev)は、圧力容器の材料強度およびメルトバックの効率性の観点から、400℃以上が好ましく、425℃以上がより好ましく、450℃以上がさらに好ましく、また、700℃以下が好ましく、675℃以下がより好ましく、650℃以下がさらに好ましい。
この際、メルトバック処理時の原料溶解領域の温度(T2elev)と結晶成長領域の温度(T1elev)との差(ΔTelev=T2elev−T1elev)は、メルトバックの効率性および種結晶保護の観点から、0℃〜200℃が好ましく、0℃〜150℃がより好ましく、0℃〜100℃が更に好ましく、1℃〜50℃が特に好ましい。
In the growth step, the temperature of the raw material dissolution region (T2 grow ) is set lower than the temperature of the crystal growth region (T1 grow ) (temperature (T1 grow )> temperature (T2 grow )). temperature (T1 elev) the material temperature dissolution zone (T2 elev) lower than (the temperature (T1 elev) <temperature (T2 elev)) and, if subjected to melt-back process to the seed crystal, wherein at the time of melt-back process The temperature (T1 elev ) of the crystal growth region is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 425 ° C. or higher, further preferably 450 ° C. or higher, and 700 ° C. from the viewpoint of the material strength of the pressure vessel and the efficiency of meltback. The following is preferable, 675 ° C. or lower is more preferable, and 650 ° C. or lower is further preferable. The temperature (T2 elev ) of the raw material melting region is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 425 ° C. or higher, further preferably 450 ° C. or higher, from the viewpoint of the material strength of the pressure vessel and the efficiency of meltback. 700 ° C. or lower is preferable, 675 ° C. or lower is more preferable, and 650 ° C. or lower is further preferable.
At this time, the difference (ΔT elev = T2 elev −T1 elev ) between the temperature of the raw material melting region (T2 elev ) and the temperature of the crystal growth region (T1 elev ) at the time of meltback treatment is the meltback efficiency and seed crystal From the viewpoint of protection, 0 ° C to 200 ° C is preferable, 0 ° C to 150 ° C is more preferable, 0 ° C to 100 ° C is further preferable, and 1 ° C to 50 ° C is particularly preferable.

前記メルトバック処理は、十分に種結晶の表面をメルトバック(溶解)し、表面のダメージや汚染を除去しつつ、反応容器の内壁に結晶が析出するのを抑制する観点から、3時間以上施すことが好ましく、6時間以上施すことがより好ましく、12時間以上施すことが更に好ましく、15時間以上施すことがとくに好ましい。また、前記メルトバック処理の処理時間の上限は、生産性および種結晶保護の観点から、36時間以下が好ましく、30時間以下が更に好ましく、24時間以下が特に好ましい。また、昇温工程において、反応容器内の温度を制御して、複数回メルトバック処理を施してもよい。この場合、メルトバック処理の合計時間を前記の範囲にすることが好ましい。
前記メルトバック処理時における反応容器内の圧力は、圧力容器の材料強度およびメルトバックの効率性の観点から、120MPa以上が好ましく、150MPa以上がより好ましく、180MPa以上がさらに好ましく、700MPa以下が好ましく、500MPa以下がより好ましく、350MPa以下がさらに好ましい。
The meltback treatment is performed for 3 hours or more from the viewpoint of sufficiently melting back (dissolving) the surface of the seed crystal and removing the damage and contamination of the surface while suppressing the precipitation of crystals on the inner wall of the reaction vessel. Preferably, it is applied for 6 hours or more, more preferably for 12 hours or more, and particularly preferably for 15 hours or more. The upper limit of the meltback treatment time is preferably 36 hours or less, more preferably 30 hours or less, and particularly preferably 24 hours or less from the viewpoint of productivity and seed crystal protection. Further, in the temperature raising step, the temperature in the reaction vessel may be controlled and the meltback treatment may be performed a plurality of times. In this case, it is preferable to set the total time of the meltback treatment within the above range.
The pressure in the reaction vessel at the time of the meltback treatment is preferably 120 MPa or more, more preferably 150 MPa or more, further preferably 180 MPa or more, and preferably 700 MPa or less, from the viewpoint of the material strength of the pressure vessel and the efficiency of the meltback. 500 MPa or less is more preferable, and 350 MPa or less is more preferable.

本発明の窒化物単結晶の製造方法によれば、結晶成長前の種結晶にメルトバック処理を施すことができるため、スライスしたのみ(アズスライス)のウエハやスライス後をラッピングのみ施した(アズラップ)ウエハを用いることができる。このため、CMPなどの研磨を施した高価なポリッシュ基板を用いなくても、種結晶表面に質の高い結晶を成長させることができる。このため、かかる観点からコストダウンを図ることも可能である。   According to the method for producing a nitride single crystal of the present invention, since the seed crystal before crystal growth can be melt-backed, a wafer that has only been sliced (as-sliced) or lapped only after being sliced (as-lapped) ) A wafer can be used. For this reason, a high quality crystal can be grown on the surface of the seed crystal without using an expensive polished substrate subjected to polishing such as CMP. For this reason, it is also possible to reduce the cost from this viewpoint.

前記メルトバック処理においては、十分に種結晶表面のダメージや汚染を十分に除去する観点から、種結晶の表面が、平均で1μm以上メルトバック(溶解)されることが好ましく、10μm以上メルトバックされることが更に好ましく、15μm以上メルトバックされることが特に好ましい。種結晶の表面が、平均で1μm以上溶解されると、種結晶表面のダメージや汚染が除去される。溶解される厚みについては、メルトバック処理の際の前述のΔTelevの絶対値が小さい場合にはメルトバック処理の時間を長くすれば溶解される厚みを大きくすることができ、上記ΔTelevの絶対値が大きい場合にはメルトバック処理の時間を短くしても前述のΔTelevの絶対値が小さい場合と比較して溶解する厚みを大きくすることができる。主面の面方位により溶解されやすさが異なるため、メルトバック処理の条件としては温度や時間を組合わせて適宜選択することができる。特にM面を主面とする種結晶はメルトバックされにくいため、メルトバック処理の時間を3時間以上としたり、ΔTelevの絶対値を20℃以上したりすることが好ましい。 In the meltback treatment, the surface of the seed crystal is preferably melt-backed (dissolved) on average by 1 μm or more on average from the viewpoint of sufficiently removing damage and contamination on the surface of the seed crystal, and melt-backed by 10 μm or more. More preferably, it is particularly preferable that the melt back is 15 μm or more. When the surface of the seed crystal is dissolved by 1 μm or more on average, damage and contamination on the surface of the seed crystal are removed. Regarding the thickness to be dissolved, if the absolute value of ΔT elev at the time of the meltback process is small, the melted thickness can be increased by increasing the time of the meltback process . When the value is large, the melted thickness can be increased compared with the case where the absolute value of ΔT elev is small even when the meltback processing time is shortened. Since the ease of dissolution differs depending on the plane orientation of the main surface, the conditions for the meltback treatment can be appropriately selected by combining temperature and time. In particular, since the seed crystal having the M plane as the main surface is not easily melted back , it is preferable to set the meltback treatment time to 3 hours or longer, or to set the absolute value of ΔT elev to 20 ° C. or higher.

[成長工程]
前記成長工程は、前記成長温度において前記窒化物単結晶の成長を行う工程である。本発明の窒化物単結晶の製造方法においては、昇温工程においてメルトバック処理が施された種結晶上に窒化物単結晶が成長することとなる。前記成長工程では、窒素を含有する溶媒を超臨界状態および/または亜臨界状態にて窒化物単結晶の成長を行う。
超臨界状態では一般的には、粘度が低く、液体よりも容易に拡散されるが、液体と同様の溶媒和力を有する。亜臨界状態とは、臨界温度近傍で臨界密度とほぼ等しい密度を有する液体の状態を意味する。例えば、原料溶解領域では、超臨界状態として原料を溶解し、結晶成長部では亜臨界状態となるように温度を変化させて超臨界状態と亜臨界状態の原料の溶解度差を利用した結晶成長も可能である。
[Growth process]
The growth step is a step of growing the nitride single crystal at the growth temperature. In the method for producing a nitride single crystal of the present invention, the nitride single crystal grows on the seed crystal that has been subjected to the meltback treatment in the temperature raising step. In the growth step, a nitride single crystal is grown in a supercritical state and / or a subcritical state using a solvent containing nitrogen.
In the supercritical state, the viscosity is generally low and it is more easily diffused than the liquid, but has the same solvating power as the liquid. The subcritical state means a liquid state having a density substantially equal to the critical density near the critical temperature. For example, in the raw material melting region, the raw material is melted as a supercritical state, and in the crystal growth part, the temperature is changed so as to be in the subcritical state, and the crystal growth using the difference in solubility between the supercritical state and the subcritical state raw material is also performed. Is possible.

超臨界状態にする場合、反応混合物は、一般に溶媒の臨界点よりも高い温度に保持する。アンモニア溶媒を用いた場合、臨界点は臨界温度132℃、臨界圧力11.35MPaであるが、反応容器の容積に対する充填率が高ければ、臨界温度以下の温度でも圧力は臨界圧力を遥かに越える。本発明において「超臨界状態」とは、このような臨界圧力を越えた状態を含む。反応混合物は、一定の容積の反応容器内に封入されているので、温度上昇は流体の圧力を増大させる。一般に、T>Tc(1つの溶媒の臨界温度)およびP>Pc(1つの溶媒の臨界圧力)であれば、流体は超臨界状態にある。
超臨界条件では、窒化物単結晶の十分な成長速度が得られる。反応時間は、特に鉱化剤の反応性および熱力学的パラメータ、すなわち温度および圧力の数値に依存する。窒化物単結晶の合成中あるいは成長中、反応容器内の圧力は、120MPa以上にすることが好ましく、150MPa以上にすることがより好ましく、180MPa以上にすることがさらに好ましい。また、反応容器内の圧力は、700MPa以下にすることが好ましく、500MPa以下にすることがより好ましく、350MPa以下にすることがさらに好ましく、300MPa以下にすることが特に好ましい。圧力は、温度および反応容器の容積に対する溶媒体積の充填率によって適宜決定される。本来、反応容器内の圧力は、温度と溶媒の充填率によって一義的に決まるものではあるが、実際には、原料、鉱化剤などの添加物、反応容器内の温度の不均一性、およびフリー容積の存在によって多少異なる。
When in the supercritical state, the reaction mixture is generally maintained at a temperature above the critical point of the solvent. When an ammonia solvent is used, the critical point is a critical temperature of 132 ° C. and a critical pressure of 11.35 MPa. However, if the filling rate with respect to the volume of the reaction vessel is high, the pressure far exceeds the critical pressure even at a temperature below the critical temperature. In the present invention, the “supercritical state” includes such a state exceeding the critical pressure. Since the reaction mixture is enclosed in a constant volume reaction vessel, the increase in temperature increases the pressure of the fluid. In general, if T> Tc (critical temperature of one solvent) and P> Pc (critical pressure of one solvent), the fluid is in a supercritical state.
Under supercritical conditions, a sufficient growth rate of the nitride single crystal can be obtained. The reaction time depends in particular on the reactivity of the mineralizer and the thermodynamic parameters, ie temperature and pressure values. During the synthesis or growth of the nitride single crystal, the pressure in the reaction vessel is preferably 120 MPa or more, more preferably 150 MPa or more, and further preferably 180 MPa or more. The pressure in the reaction vessel is preferably 700 MPa or less, more preferably 500 MPa or less, further preferably 350 MPa or less, and particularly preferably 300 MPa or less. The pressure is appropriately determined depending on the filling rate of the solvent volume with respect to the temperature and the volume of the reaction vessel. Originally, the pressure in the reaction vessel is uniquely determined by the temperature and the filling rate of the solvent, but in practice, additives such as raw materials and mineralizers, temperature heterogeneity in the reaction vessel, and It varies slightly depending on the presence of free volume.

(温度制御)
例えば、正の溶解度特性を有する鉱化剤を用いる場合は、原料溶解領域を高温にし、結晶成長領域を低温にする。この場合、成長工程における原料溶解領域の温度(T2grow)と結晶成長領域の温度(T1grow)との差(ΔTgrow=T2grow−T1grow)は正の値となる
原料溶解領域の温度(T2grow)は、オートクレーブなどの反応容器の最高使用温度(Tmax)まで高くすることができるため、原料溶解領域の温度を反応容器の最高使用温度(Tmax)にすれば、結晶成長領域の温度(T1grow)は以下の式で表すことができる。
T1grow=Tmax−ΔT
温度差ΔTは、結晶が十分に成長するように一定の過飽和度が確保できるように設定する。一定の過飽和度を確保するための温度差は、溶解度曲線の傾きが大きいほど小さくなる。したがって、本発明によれば、鉱化剤を適宜選択することにより結晶成長領域の温度(T1grow)を高く設定することが可能である。
(Temperature control)
For example, when a mineralizer having a positive solubility characteristic is used, the raw material dissolution region is set to a high temperature and the crystal growth region is set to a low temperature. In this case, the difference (ΔT grow = T2 grow −T1 grow ) between the temperature of the raw material dissolution region (T2 grow ) and the temperature of the crystal growth region (T1 grow ) in the growth process is a positive value (temperature of the raw material dissolution region ( T2 grow ) can be increased up to the maximum use temperature (Tmax) of a reaction vessel such as an autoclave. Therefore, if the temperature of the raw material dissolution region is set to the maximum use temperature (Tmax) of the reaction vessel, the temperature (T2 grow ) T1 grow ) can be expressed by the following equation.
T1 grow = Tmax-ΔT
The temperature difference ΔT is set so that a certain degree of supersaturation can be secured so that the crystal grows sufficiently. The temperature difference for ensuring a certain degree of supersaturation decreases as the slope of the solubility curve increases. Therefore, according to the present invention, the temperature (T1 grow ) of the crystal growth region can be set high by appropriately selecting a mineralizer.

前記成長工程おける温度差(ΔT)は、用いる鉱化剤により好ましい範囲が変わってくるが、一般的には、5℃以上に設定することが好ましく、10℃以上に設定することがより好ましく、15℃以上に設定することがさらに好ましく、また、70℃以下に設定することが好ましく、65℃以下に設定することがより好ましく、55℃以下に設定することがさらに好ましい。このように温度差を小さくして成長させることによって、自発核発生による微結晶の析出を抑えることができる。また、過飽和度が適切に制御されているため、種結晶上においてもスムーズな結晶成長が進行し、立方晶窒化ガリウムの混入が抑制された好ましい六方晶窒化ガリウムが成長する。   The preferred range of the temperature difference (ΔT) in the growth step varies depending on the mineralizer used, but in general, it is preferably set to 5 ° C. or higher, more preferably set to 10 ° C. or higher, More preferably, the temperature is set to 15 ° C. or higher, more preferably 70 ° C. or lower, more preferably 65 ° C. or lower, and still more preferably 55 ° C. or lower. By growing in such a small temperature difference, the precipitation of microcrystals due to the generation of spontaneous nuclei can be suppressed. Further, since the degree of supersaturation is appropriately controlled, smooth crystal growth proceeds on the seed crystal, and preferable hexagonal gallium nitride in which mixing of cubic gallium nitride is suppressed grows.

前記成長工程では、結晶成長領域の温度(T1grow)を通常400℃以上、好ましくは450℃以上、より好ましくは495℃以上に設定し、上限値は好ましくは645℃以下に設定する。結晶成長領域の温度(T1grow)が400℃以上であれば、得られる窒化物単結晶が単層の六方晶になりやすく、結晶性に優れるため好ましい。特に495℃以上であれば、立方晶が検出されず単層の六方晶になることが確認されている。ここでいう結晶成長領域の温度(T1grow)は、目的とする窒化物単結晶を成長させる領域の温度であり、窒化物単結晶を種結晶上に成長させる場合は種結晶とその近傍の温度である。原料溶解領域の温度(T2grow)は通常405℃以上、好ましくは455℃以上、より好ましくは500℃以上に設定し、上限値は好ましくは650℃以下に設定する。ここでいう原料溶解領域の温度(T2grow)は、原料が溶媒中に溶解する領域の温度であり、広い範囲で溶解する場合は原料溶解量が多い領域の温度である。なお、ここでいう結晶成長領域の温度範囲と原料溶解領域の温度範囲の各上限値は、最高使用温度(Tmax)が高い実用的な反応容器が開発されたときには、その新たに開発された反応容器の最高使用温度に応じて引き上げることができる。 In the growth step, the temperature (T1 grow ) of the crystal growth region is usually set to 400 ° C. or higher, preferably 450 ° C. or higher, more preferably 495 ° C. or higher, and the upper limit is preferably set to 645 ° C. or lower. A temperature of the crystal growth region (T1 grow ) of 400 ° C. or higher is preferable because the obtained nitride single crystal is likely to be a single-layer hexagonal crystal and has excellent crystallinity. In particular, when the temperature is 495 ° C. or higher, it has been confirmed that cubic crystals are not detected and a single-layer hexagonal crystal is formed. The temperature of the crystal growth region (T1 grow ) here is the temperature of the region in which the target nitride single crystal is grown. When the nitride single crystal is grown on the seed crystal, the temperature of the seed crystal and the vicinity thereof. It is. The temperature (T2 grow ) of the raw material dissolution region is usually set to 405 ° C. or higher, preferably 455 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher, and the upper limit is preferably set to 650 ° C. or lower. The temperature of the raw material dissolution region (T2 grow ) here is the temperature of the region where the raw material is dissolved in the solvent, and when it is dissolved in a wide range, it is the temperature of the region where the amount of raw material dissolution is large. Note that the upper limit values of the temperature range of the crystal growth region and the temperature range of the raw material dissolution region mentioned here are those newly developed reactions when a practical reaction vessel having a high maximum use temperature (Tmax) is developed. It can be raised according to the maximum operating temperature of the container.

結晶成長領域の温度(T1grow)、原料溶解領域の温度(T2grow)、これらの温度差(ΔT)は、別の観点から規定することもできる。すなわち、アンモニアに対する窒化物の過飽和度(ΔS)が0.03以上になるように設定することが好ましく、0.06以上になるように設定することがより好ましく、0.09以上になるように設定することがさらに好ましく、また、0.43以下になるように設定することが好ましく、0.40以下になるように設定することがより好ましく、0.33以下になるように設定することがさらに好ましい。
たとえば、溶解度曲線の傾きが大きくなるような鉱化剤の組合せを採用して、温度差(ΔT)を小さくすれば、結晶成長領域内の温度ムラや温度変動も小さくすることができる。その結果、結晶成長に最適な温度領域が拡大し、結晶成長に最適な温度にある時間も長くなるため、安定した結晶成長が可能になる。結晶成長領域内の温度分布は小さいほど好ましいが、通常は0〜30℃の範囲内であり、0〜20℃の範囲内であることが好ましく、0〜10℃の範囲内であることがより好ましい。
The temperature of the crystal growth region (T1 grow ), the temperature of the raw material dissolution region (T2 grow ), and the temperature difference (ΔT) can also be defined from another viewpoint. That is, it is preferable that the supersaturation degree (ΔS) of nitride with respect to ammonia is set to 0.03 or more, more preferably set to 0.06 or more, and 0.09 or more. More preferably, it is set to be 0.43 or less, more preferably 0.40 or less, and to be set to 0.33 or less. Further preferred.
For example, by adopting a combination of mineralizers that increase the slope of the solubility curve and reducing the temperature difference (ΔT), temperature unevenness and temperature fluctuation in the crystal growth region can be reduced. As a result, the temperature range optimum for crystal growth is expanded and the time at the optimum temperature for crystal growth is extended, so that stable crystal growth is possible. The smaller the temperature distribution in the crystal growth region, the better. However, it is usually in the range of 0 to 30 ° C, preferably in the range of 0 to 20 ° C, and more preferably in the range of 0 to 10 ° C. preferable.

以下に本発明の窒化物単結晶の製造方法において用いられる、鉱化剤、溶媒、原料、種結晶について説明する。   The mineralizer, solvent, raw material, and seed crystal used in the method for producing a nitride single crystal of the present invention will be described below.

(鉱化剤)
本発明では、一般にアモノサーマル法において用いられる鉱化剤を適宜選択して用いることができる。用いる鉱化剤は、塩基性鉱化剤であっても、酸性鉱化剤であってもよい。塩基性鉱化剤としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属と窒素原子を含む化合物で、アルカリ土類金属アミド、希土類アミド、窒化アルカリ金属、窒化アルカリ土類金属、アジド化合物、その他ヒドラジン類の塩が挙げられる。好ましくは、アルカリ金属アミドで、具体例としてはナトリウムアミド(NaNH2)、カリウムアミド(KNH2)、リチウムアミド(LiNH2)が挙げられる。また、酸性鉱化剤としては、ハロゲン原子を含む化合物で、ハロゲン化アンモニウム等が挙げられる、例えば塩化アンモニウム(NH4Cl)、ヨウ化アンモニウム(NH4I)、臭化アンモニウム(NH4Br)、フッ化アンモニウム(NH4F)である。本発明では、ハロゲン化アンモニウムを含む酸性鉱化剤を用いることが好ましい。また、鉱化剤は1種を単独で用いてもよいし、複数種を適宜混合して用いてもよい。
なお、前記結晶成長を行う際には、反応容器にハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化リン、ハロゲン化シリコン、ハロゲン化ゲルマニウム、ハロゲン化亜鉛、ハロゲン化ヒ素、ハロゲン化スズ、ハロゲン化アンチモン、ハロゲン化ビスマスなどを存在させておいてもよい。
(Mineralizer)
In the present invention, a mineralizer generally used in the ammonothermal method can be appropriately selected and used. The mineralizer used may be a basic mineralizer or an acidic mineralizer. Basic mineralizers include alkali metals, alkaline earth metals, compounds containing rare earth metals and nitrogen atoms, alkaline earth metal amides, rare earth amides, alkali nitride metals, alkaline earth metal nitrides, azide compounds, and other hydrazines. Class of salts. Preferably, it is an alkali metal amide, and specific examples include sodium amide (NaNH 2 ), potassium amide (KNH 2 ), and lithium amide (LiNH 2 ). The acidic mineralizer is a compound containing a halogen atom, and examples thereof include ammonium halides. For example, ammonium chloride (NH 4 Cl), ammonium iodide (NH 4 I), ammonium bromide (NH 4 Br) , Ammonium fluoride (NH 4 F). In the present invention, it is preferable to use an acidic mineralizer containing ammonium halide. Moreover, a mineralizer may be used individually by 1 type, and may mix and use multiple types suitably.
When performing the crystal growth, aluminum halide, phosphorus halide, silicon halide, germanium halide, zinc halide, arsenic halide, tin halide, antimony halide, bismuth halide, etc. are used in a reaction vessel. May be present.

鉱化剤に含まれるハロゲン元素のアンモニアなどの溶媒に対するモル濃度は0.1mol%以上とすることが好ましく、0.3mol%以上とすることがより好ましく、0.5mol%以上とすることがさらに好ましい。また、鉱化剤に含まれるハロゲン元素のアンモニアなどの溶媒に対するモル濃度は30mol%以下とすることが好ましく、20mol%以下とすることがより好ましく、10mol%以下とすることがさらに好ましい。濃度が低すぎる場合、溶解度が低下し成長速度が低下する傾向がある。一方濃度が濃すぎる場合、溶解度が高くなりすぎて自発核発生が増加したり、過飽和度が大きくなりすぎたりするため制御が困難になるなどの傾向がある。   The molar concentration of the halogen element contained in the mineralizer with respect to a solvent such as ammonia is preferably 0.1 mol% or more, more preferably 0.3 mol% or more, and further preferably 0.5 mol% or more. preferable. Further, the molar concentration of the halogen element contained in the mineralizer with respect to a solvent such as ammonia is preferably 30 mol% or less, more preferably 20 mol% or less, and even more preferably 10 mol% or less. If the concentration is too low, the solubility tends to decrease and the growth rate tends to decrease. On the other hand, when the concentration is too high, the solubility tends to be too high and the generation of spontaneous nuclei increases, or the degree of supersaturation becomes too high and control tends to be difficult.

本発明では、正の溶解度特性を有する鉱化剤であっても、負の溶解度特性を有する鉱化剤であっても使用することができる。
前記正の溶解度特性を有する好ましい鉱化剤としては、例えば、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を挙げることができる。
前記負の溶解度特性を有する好ましい鉱化剤としては、例えば、ナトリウムアミド、カリウムアミド、フッ化アンモニウムを挙げることができる。
In the present invention, either a mineralizer having a positive solubility characteristic or a mineralizer having a negative solubility characteristic can be used.
Examples of preferable mineralizers having the positive solubility characteristics include ammonium chloride, ammonium bromide, and ammonium iodide.
Examples of preferable mineralizers having the negative solubility characteristic include sodium amide, potassium amide, and ammonium fluoride.

(溶媒)
前記アモノサーマル法に用いられる溶媒としては、窒素を含有する溶媒を用いることができる。窒素を含有する溶媒としては、成長させる窒化物単結晶の安定性を損なうことのない溶媒が挙げられる。前記溶媒としては、例えば、アンモニア、ヒドラジン、尿素、アミン類(例えば、メチルアミンのような第一級アミン、ジメチルアミンのような第二級アミン、トリメチルアミンのような第三級アミン、エチレンジアミンのようなジアミン)、メラミン等を挙げることができる。これらの溶媒は単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。
前記溶媒に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000ppm以下であることが好ましく、10ppm以下であることがより好ましく、0.1ppm以下であることがさらに好ましい。アンモニアを溶媒として用いる場合、その純度は通常99.9%以上であり、好ましくは99.99%以上であり、さらに好ましくは99.999%以上であり、特に好ましくは99.9999%以上である。
(solvent)
As the solvent used in the ammonothermal method, a solvent containing nitrogen can be used. Examples of the solvent containing nitrogen include a solvent that does not impair the stability of the grown nitride single crystal. Examples of the solvent include ammonia, hydrazine, urea, amines (for example, primary amines such as methylamine, secondary amines such as dimethylamine, tertiary amines such as trimethylamine, and ethylenediamine. Diamine) and melamine. These solvents may be used alone or in combination.
The amount of water or oxygen contained in the solvent is desirably as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 ppm or less, more preferably 10 ppm or less, and further preferably 0.1 ppm or less. When ammonia is used as a solvent, the purity is usually 99.9% or more, preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% or more, and particularly preferably 99.9999% or more. .

(原料)
前記製造方法において、前記原料としては、アモノサーマル法による窒化物単結晶の成長に通常用いられる原料を適宜選択して用いることができる。例えば、窒化ガリウム結晶を成長させる場合には、ガリウム源となる原料として金属ガリウム、窒化ガリウム、またはこれらの混合物を用いることができる。
その他の窒化物単結晶の成長条件等については、特開2007−238347号公報の製造条件の欄を参照することができる。
(material)
In the manufacturing method, as the raw material, a raw material usually used for growing a nitride single crystal by an ammonothermal method can be appropriately selected and used. For example, when growing a gallium nitride crystal, metal gallium, gallium nitride, or a mixture thereof can be used as a raw material to be a gallium source.
For other nitride single crystal growth conditions and the like, reference can be made to the column of manufacturing conditions in JP-A-2007-238347.

(種結晶)
前記種結晶としては、特に限定されないが、成長工程において成長させる窒化物と同一の単結晶を用いることが好ましい。前記種結晶の具体例としては、例えば窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)等の窒化物単結晶が挙げられる。
前記種結晶は、溶媒への溶解度および鉱化剤との反応性を考慮して決定することができる。例えば、GaNの種結晶としては、サファイア等の異種基板上に結晶成長させた後に剥離させて得た単結晶、金属GaからNaやLi、Biをフラックスとして結晶成長させて得た単結晶、液相エピタキシ法(LPE法)を用いて得たホモ/ヘテロエピタキシャル成長させた単結晶、溶液成長法に基づき作製された単結晶およびそれらを切断した結晶などを用いることができる。前記結晶成長の具体的な方法については特に制限されず、例えば、ハイドライド気相成長法(HVPE)法、有機金属化学気相堆積法(MOCVD法)、液相法、アモノサーマル法などを採用することができる。
(Seed crystal)
Although it does not specifically limit as said seed crystal, It is preferable to use the same single crystal as the nitride grown in a growth process. Specific examples of the seed crystal include nitride single crystals such as gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AlN).
The seed crystal can be determined in consideration of solubility in a solvent and reactivity with a mineralizer. For example, as a seed crystal of GaN, a single crystal obtained by crystal growth on a heterogeneous substrate such as sapphire and then peeled off, a single crystal obtained by crystal growth of Na, Li, or Bi from metal Ga as a flux, liquid A single crystal obtained by homoepitaxial growth using a phase epitaxy method (LPE method), a single crystal produced based on a solution growth method, a crystal obtained by cutting them, and the like can be used. The specific method of the crystal growth is not particularly limited, and for example, a hydride vapor deposition method (HVPE) method, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), a liquid phase method, an ammonothermal method, or the like is adopted. can do.

前記種結晶の主面の種類は特に制限されない。極性面であっても、非極性面であっても、半極性面であってもよい。ここでいう主面とは、結晶を構成する面のうち最大面積を有する面を意味する。前記種結晶としては、C面を主面とする種結晶、M面を主面とする種結晶、A面を主面とする種結晶、半極性面を主面とする種結晶を用いることができる。これらの主面は劈開して形成してもよい。例えば、劈開して生成したM面を有する種結晶を用いれば、未研磨のM面を有する種結晶や精密研磨したM面を有する種結晶を用いて結晶成長させた場合に比べて、高品質の窒化物単結晶を速い成長速度で製造することができる。例えば、前記窒化物単結晶が六方晶であってその主面が(hklm)で表される場合、h、k、l、mはそれぞれ独立に−3〜3のいずれかの整数であることが好ましく、−2〜2のいずれかの整数であることがより好ましい。前記窒化物単結晶の主面の具体例として、{10−10}面、{11−20}面、[10−11]面、[10−1−1]面、[20−21]面、[20−2−1]面などを挙げることができる。
種結晶には、前処理を加えておくことができる。前処理としては、例えば、種結晶の成長結晶成長面を研磨したり、種結晶をエッチング、洗浄したりすることなどが挙げられる。
The kind of the main surface of the seed crystal is not particularly limited. It may be a polar surface, a nonpolar surface, or a semipolar surface. The main surface here means a surface having the maximum area among the surfaces constituting the crystal. As the seed crystal, a seed crystal having a C plane as a main surface, a seed crystal having an M plane as a main surface, a seed crystal having an A plane as a main surface, or a seed crystal having a semipolar plane as a main surface is used. it can. These main surfaces may be formed by cleaving. For example, if a seed crystal having an M plane generated by cleavage is used, the quality is higher than that of a crystal grown using a seed crystal having an unpolished M plane or a seed crystal having a precisely polished M plane. This single crystal nitride can be produced at a high growth rate. For example, when the nitride single crystal is a hexagonal crystal and its main surface is represented by (hklm), h, k, l and m are each independently an integer of −3 to 3. Preferably, it is an integer of −2 to 2. Specific examples of the main surface of the nitride single crystal include {10-10} plane, {11-20} plane, [10-11] plane, [10-1-1] plane, [20-21] plane, [20-2-1] plane and the like.
The seed crystal can be pretreated. Examples of the pretreatment include polishing the crystal growth surface of the seed crystal, etching the seed crystal, and washing.

(窒化物単結晶)
本発明の窒化物単結晶の製造方法で製造される窒化物単結晶の主面は、前記種結晶の主面と一致することが、生産上の効率化の面から好ましい。
前記窒化物単結晶は、自立結晶であることが好ましい。具体的には、結晶自体の厚さ(m軸方向またはa軸方向の厚み)は、100μm以上であることが好ましく、500μm以上であることがより好ましく、1mm以上であることがさらに好ましく、5mm以上であることが特に好ましい。特に、非極性面または半極性面を主面とした種結晶上にHVPE法を用いて結晶を成長させた窒化物単結晶は、その厚さが0.1mmを超えると成長結晶に内在する積層欠陥数が大幅に増えていく傾向にある。これに対し、本発明の窒化物単結晶は、厚さを1mm以上とした場合であっても、積層欠陥数の増加が抑制されるため、良質な結晶の大型化が可能である。結晶(基板)の厚さやサイズは、成長結晶の厚さを調整したり、研磨、切断、エッチング等の処理を調節したりすることにより、所望の範囲内に調整することができる。
(Nitride single crystal)
The main surface of the nitride single crystal produced by the method for producing a nitride single crystal of the present invention preferably coincides with the main surface of the seed crystal from the viewpoint of production efficiency.
The nitride single crystal is preferably a self-supporting crystal. Specifically, the thickness of the crystal itself (m-axis direction or a-axis direction thickness) is preferably 100 μm or more, more preferably 500 μm or more, and further preferably 1 mm or more. The above is particularly preferable. In particular, a nitride single crystal obtained by growing a crystal using a HVPE method on a seed crystal having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main plane is a laminated layer inherent in the grown crystal when the thickness exceeds 0.1 mm. The number of defects tends to increase significantly. In contrast, the nitride single crystal of the present invention can increase the number of stacking faults even when the thickness is set to 1 mm or more, so that a high-quality crystal can be enlarged. The thickness and size of the crystal (substrate) can be adjusted within a desired range by adjusting the thickness of the grown crystal and adjusting the processing such as polishing, cutting, and etching.

前記窒化物単結晶は、周期表13族金属窒化物単結晶であることが好ましい。例えば、種結晶および成長結晶を構成する窒化物として、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムやこれらの混晶などを用いたものが好ましく、この中でも窒化ガリウムがさらに好ましい。
前記窒化物単結晶を製造する際に、種結晶の形状や成長条件などを適宜選択することにより、所望の形状を有する窒化物単結晶を得ることができる。例えば、主面としてM面を有する種結晶を用いてアモノサーマル結晶成長などを行うことにより、m軸方向に厚みを有する窒化物単結晶が一段と高い生産効率で得られる。
前記窒化物単結晶は、そのまま使用してもよいし、加工してから使用してもよい。
The nitride single crystal is preferably a group 13 metal nitride single crystal of the periodic table. For example, as the nitride constituting the seed crystal and the growth crystal, gallium nitride, aluminum nitride, indium nitride, a mixed crystal thereof, or the like is preferable, and among these, gallium nitride is more preferable.
When the nitride single crystal is manufactured, a nitride single crystal having a desired shape can be obtained by appropriately selecting the shape of the seed crystal, growth conditions, and the like. For example, by performing ammonothermal crystal growth using a seed crystal having an M-plane as a main surface, a nitride single crystal having a thickness in the m-axis direction can be obtained with higher production efficiency.
The nitride single crystal may be used as it is or after being processed.

(製造工程)
本発明の窒化物単結晶の製造方法の一例について説明する。本発明の窒化物単結晶の製造方法を実施する際には、まず、反応容器内に、種結晶、窒素を含有する溶媒、原料、および鉱化剤を入れて封止する。ここで、前記種結晶としては、C面を主面として成長させた窒化物結晶を所望の方向に切り出すことによって、主面が非極性面または半極性面となる基板を得ることができる。これによって、M面などの非極性面、[10−11]、[20−21]などの半極性面を有する種結晶を得ることができる。特に、大口径のC面を有する窒化物単結晶を製造した場合は、c軸に垂直な方向に切り出すことにより、大口径の種結晶を得ることができる。
前記材料を反応容器内に導入するのに先だって、反応容器内は脱気しておいてもよい。また、材料の導入時には、窒素ガスなどの不活性ガスを流通させてもよい。反応容器内への種結晶の装填は、通常は、原料および鉱化剤を充填する際に同時または充填後に装填する。種結晶は、反応容器内表面を構成する貴金属と同様の貴金属製の治具に固定することが好ましい。装填後には、必要に応じて加熱脱気をしてもよい。
(Manufacturing process)
An example of the method for producing a nitride single crystal of the present invention will be described. When carrying out the method for producing a nitride single crystal of the present invention, first, a seed crystal, a nitrogen-containing solvent, a raw material, and a mineralizer are put in a reaction vessel and sealed. Here, as the seed crystal, a nitride crystal grown with the C-plane as the main surface is cut out in a desired direction, whereby a substrate with the main surface being a nonpolar surface or a semipolar surface can be obtained. Thereby, a seed crystal having a nonpolar plane such as an M plane and a semipolar plane such as [10-11] or [20-21] can be obtained. In particular, when a nitride single crystal having a large-diameter C-plane is manufactured, a large-diameter seed crystal can be obtained by cutting in a direction perpendicular to the c-axis.
Prior to introducing the material into the reaction vessel, the reaction vessel may be evacuated. Moreover, you may distribute | circulate inert gas, such as nitrogen gas, at the time of introduction | transduction of material. The seed crystal is usually charged into the reaction vessel at the same time or after the raw material and the mineralizer are charged. The seed crystal is preferably fixed to a noble metal jig similar to the noble metal constituting the inner surface of the reaction vessel. After loading, heat deaeration may be performed as necessary.

たとえば、図1に示す製造装置を用いる場合は、反応容器であるカプセル20内に種結晶、窒素を含有する溶媒、原料、および鉱化剤を入れて封止した後に、カプセル20を耐圧性容器(オートクレーブ)1内に装填し、好ましくは耐圧性容器と該反応容器の間の空隙に第2溶媒を充填して耐圧容器を密閉する。
その後、全体を加熱して反応容器内を超臨界状態および/または亜臨界状態とする(昇温工程)。本発明の窒化物単結晶の製造方法においては、昇温工程において種結晶に上述のメルトバック処理が施される。
前記の反応容器内の温度範囲、圧力範囲を達成するための反応容器への溶媒の注入割合、すなわち充填率は、反応容器のフリー容積、すなわち、反応容器に多結晶原料、および種結晶を用いる場合には、種結晶とそれを設置する構造物の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積、またバッフル板を設置する場合には、さらにそのバッフル板の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積の溶媒の沸点における液体密度を基準として、好ましくは20%以上、より好ましくは30%以上、さらに好ましくは40%以上とし、また、好ましくは95%以下、より好ましくは80%以下、さらに好ましくは70%以下とする。
For example, when the manufacturing apparatus shown in FIG. 1 is used, the capsule 20 is sealed after putting seed crystals, a nitrogen-containing solvent, a raw material, and a mineralizer in the capsule 20 that is a reaction vessel. (Autoclave) 1 is loaded, and preferably, the space between the pressure-resistant vessel and the reaction vessel is filled with the second solvent to seal the pressure-resistant vessel.
Thereafter, the whole is heated to bring the inside of the reaction vessel into a supercritical state and / or a subcritical state (temperature raising step). In the method for producing a nitride single crystal of the present invention, the above-described meltback treatment is performed on the seed crystal in the temperature raising step.
In order to achieve the temperature range and pressure range in the reaction vessel, the injection rate of the solvent into the reaction vessel, that is, the filling rate is the free volume of the reaction vessel, that is, the polycrystalline raw material and the seed crystal are used in the reaction vessel. In this case, subtract the volume of the seed crystal and the structure where it is installed from the volume of the reaction vessel, and if a baffle plate is installed, subtract the volume of the baffle plate from the volume of the reaction vessel. The liquid density at the boiling point of the remaining volume of the solvent is preferably 20% or more, more preferably 30% or more, still more preferably 40% or more, and preferably 95% or less, more preferably 80% or less. More preferably, it is made 70% or less.

反応容器内での窒化物単結晶の成長は、熱電対を有する電気炉などを用いて反応容器を加熱昇温することにより、反応容器内をアンモニア等の溶媒の亜臨界状態および/または超臨界状態に保持することにより行われる。加熱の方法、所定の反応温度への昇温速度に付いては特に限定されないが、通常、数時間から数日かけて行われる。必要に応じて、多段の昇温を行ったり、温度域において昇温スピードを変えたりすることもできる。また、部分的に冷却しながら加熱したりすることもできる。
なお、前記の「反応温度」は、反応容器の外面に接するように設けられた熱電対、および/または外表面から一定の深さの穴に差し込まれた熱電対によって測定され、反応容器の内部温度へ換算して推定することができる。これら熱電対で測定された温度の平均値をもって平均温度とする。
Nitride single crystal growth in a reaction vessel is performed by heating and heating the reaction vessel using an electric furnace having a thermocouple, etc., so that the reaction vessel is subcritical and / or supercritical in a solvent such as ammonia. This is done by maintaining the state. The heating method and the rate of temperature increase to a predetermined reaction temperature are not particularly limited, but are usually performed over several hours to several days. If necessary, the temperature can be raised in multiple stages, or the temperature raising speed can be changed in the temperature range. It can also be heated while being partially cooled.
The “reaction temperature” is measured by a thermocouple provided so as to be in contact with the outer surface of the reaction vessel and / or a thermocouple inserted into a hole having a certain depth from the outer surface. It can be estimated in terms of temperature. The average value of the temperatures measured with these thermocouples is taken as the average temperature.

所定の温度に達した後の反応時間については、窒化物単結晶の種類、用いる原料、鉱化剤の種類、製造する結晶の大きさや量によっても異なるが、通常、数時間から数百日とすることができる。反応中、反応温度は一定にしてもよいし、徐々に昇温または降温させることもできる。所望の結晶を生成させるための反応時間を経た後、降温させる。降温方法は特に限定されないが、ヒーターの加熱を停止してそのまま炉内に反応容器を設置したまま放冷してもかまわないし、反応容器を電気炉から取り外して空冷してもかまわない。必要であれば、冷媒を用いて急冷することも好適に用いられる。   The reaction time after reaching a predetermined temperature varies depending on the type of nitride single crystal, the raw material used, the type of mineralizer, and the size and amount of the crystal to be produced, but is usually several hours to several hundred days. can do. During the reaction, the reaction temperature may be constant, or the temperature may be gradually raised or lowered. After a reaction time for producing desired crystals, the temperature is lowered. The temperature lowering method is not particularly limited, but the heating may be stopped while the heating of the heater is stopped and the reaction vessel is installed in the furnace as it is, or the reaction vessel may be removed from the electric furnace and air cooled. If necessary, quenching with a refrigerant is also preferably used.

反応容器外面の温度、あるいは推定される反応容器内部の温度が所定温度以下になった後、反応容器を開栓する。このときの所定温度は特に限定はなく、好ましくは−80℃以上、より好ましくは−33℃以上であり、また、好ましくは200℃以下、より好ましくは100℃以下である。ここで、反応容器に付属したバルブの配管接続口に配管を接続し、水などを満たした容器に通じておき、バルブを開けてもよい。さらに必要に応じて、真空状態にするなどして反応容器内のアンモニア溶媒を十分に除去した後、乾燥し、反応容器の蓋等を開けて生成した窒化物単結晶および未反応の原料や鉱化剤等の添加物を取り出すことができる。
なお、本発明の窒化物単結晶の製造方法に従って窒化ガリウムを製造する場合、前記以外の材料、製造条件、製造装置、工程の詳細については特開2009−263229号公報を好ましく参照することができる。
After the temperature of the outer surface of the reaction vessel or the estimated temperature inside the reaction vessel is below a predetermined temperature, the reaction vessel is opened. The predetermined temperature at this time is not particularly limited, and is preferably −80 ° C. or higher, more preferably −33 ° C. or higher, and preferably 200 ° C. or lower, more preferably 100 ° C. or lower. Here, the valve may be opened by connecting a pipe to the pipe connection port of the valve attached to the reaction vessel, leading to a vessel filled with water or the like. Furthermore, if necessary, the ammonia solvent in the reaction vessel is sufficiently removed by making a vacuum or the like, and then dried, and the nitride single crystal formed by opening the reaction vessel lid, etc. and unreacted raw materials and ores Additives such as an agent can be taken out.
In addition, when manufacturing gallium nitride according to the method for manufacturing a nitride single crystal of the present invention, JP 2009-263229 A can be preferably referred to for details of materials, manufacturing conditions, manufacturing apparatuses, and processes other than those described above. .

(ウエハ)
本発明の製造方法によって得られた窒化物単結晶を所望の方向に切り出すことにより、任意の結晶方位を有するウエハ(半導体基板)を得ることができる。本発明の製造方法によって厚くて大口径のM面を有する窒化物単結晶を製造した場合は、m軸に垂直な方向に切り出すことにより、大口径のM面ウエハを得ることができる。また、本発明の製造方法によって大口径の半極性面を有する窒化物単結晶を製造した場合は、半極性面に平行に切り出すことにより、大口径の半極性面ウエハを得ることができる。これらのウエハも、均一で高品質であるという特徴を有する。
(Wafer)
By cutting the nitride single crystal obtained by the manufacturing method of the present invention in a desired direction, a wafer (semiconductor substrate) having an arbitrary crystal orientation can be obtained. When a nitride single crystal having a large and large-diameter M-plane is manufactured by the manufacturing method of the present invention, a large-diameter M-plane wafer can be obtained by cutting in a direction perpendicular to the m-axis. In addition, when a nitride single crystal having a large-diameter semipolar surface is manufactured by the manufacturing method of the present invention, a large-diameter semipolar surface wafer can be obtained by cutting in parallel to the semipolar surface. These wafers are also characterized by being uniform and of high quality.

(デバイス)
本発明の製造方法によって得られた窒化物単結晶やウエハは、デバイス、即ち発光素子や電子デバイスなどの用途に好適に用いられる。前記窒化物単結晶やウエハが用いられる発光素子としては、発光ダイオード、レーザーダイオード、それらと蛍光体を組み合わせた発光素子などを挙げることができる。また、前記窒化物単結晶やウエハが用いられる電子デバイスとしては、高周波素子、高耐圧高出力素子などを挙げることができる。高周波素子の例としては、トランジスター(HEMT、HBT)があり、高耐圧高出力素子の例としては、サイリスター(IGBT)がある。前記窒化物単結晶やウエハは、均一で高品質であるという特徴を有することから、前記のいずれの用途にも適している。中でも、均一性が高いことが特に要求される電子デバイス用途に適している。
(device)
The nitride single crystal or wafer obtained by the production method of the present invention is suitably used for devices such as light emitting elements and electronic devices. Examples of the light-emitting element using the nitride single crystal or the wafer include a light-emitting diode, a laser diode, and a light-emitting element combining these with a phosphor. In addition, examples of the electronic device using the nitride single crystal or the wafer include a high frequency element, a high breakdown voltage high output element, and the like. Examples of the high frequency element include a transistor (HEMT, HBT), and an example of the high breakdown voltage high output element includes a thyristor (IGBT). Since the nitride single crystal and the wafer are characterized by being uniform and of high quality, they are suitable for any of the above applications. Especially, it is suitable for the electronic device use for which high uniformity is especially required.

以下に実施例と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。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。以下に記載する実施例および比較例では、図1に示す反応装置を用いて窒化物単結晶を成長させることを試みた。   The features of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below. In Examples and Comparative Examples described below, an attempt was made to grow a nitride single crystal using the reactor shown in FIG.

<実施例1>
RENE41製オートクレーブ1を耐圧性容器として用い、Pt−Ir製カプセル20を反応容器として結晶成長を行った。原料8として多結晶GaN粒子をカプセル下部領域(図1における原料溶解領域9)内に設置した。次に鉱化剤として十分に乾燥した純度99.999%のNH4Iと純度99.999%のGaF3をカプセル内に投入し、充填NH3量に対してIとFの合計が1.1mol%となるように調整した。
さらに下部の原料溶解領域9と上部の結晶成長領域6との間に、白金製バッフル板5を設置した。種結晶7としてHVPE法により成長したM面を主面とするウェハー(10mm×20mm×0.3mm)を用いた。種結晶の主面はChemical Mechanical Polishing(CMP)仕上げされており、表面粗さは原子間力顕微鏡による計測によりRmsが0.5nm以下であることを確認した。これら種結晶7を、白金ワイヤーにより、白金製種結晶支持枠に吊るし、カプセル上部の結晶成長領域6に設置した。つぎにカプセル20の上部にPt−Ir製のキャップをTIG溶接により接続したのち、重量を測定した。
キャップ上部に付属したチューブに図1のバルブ10と同様のバルブを接続し、真空ポンプ11に通ずるようバルブを操作し真空脱気した後バルブを窒素ボンベ13に通ずるように操作しカプセル内を窒素ガスにて繰り返しパージを行った。その後、真空ポンプに繋いだ状態で加熱をしてカプセル内の水分や付着ガスの脱気を行なった。カプセルを室温まで自然冷却したのちバルブを閉じ、真空状態を維持したままカプセルをドライアイスエタノール溶媒により冷却した。つづいてNH3ボンベ12に通ずるように導管のバルブを操作したのち再びバルブを開け外気に触れることなくNH3を充填した後、再びバルブを閉じた。NH3充填前と充填後の重量の差から充填量を確認した。
<Example 1>
Crystal growth was performed using the RENE41 autoclave 1 as a pressure-resistant container and the Pt-Ir capsule 20 as a reaction container. Polycrystalline GaN particles were placed as the raw material 8 in the capsule lower region (raw material dissolution region 9 in FIG. 1). Next, 99.999% pure NH 4 I and purity 99.999% GaF 3 was sufficiently dried as a mineralizer was placed into the capsule, the sum of I and F with respect to the filling amount of NH 3 is 1. It adjusted so that it might become 1 mol%.
Further, a platinum baffle plate 5 was installed between the lower raw material dissolution region 9 and the upper crystal growth region 6. As the seed crystal 7, a wafer (10 mm × 20 mm × 0.3 mm) having an M surface grown by the HVPE method as a main surface was used. The main surface of the seed crystal was subjected to chemical mechanical polishing (CMP) finishing, and the surface roughness was confirmed to be Rms of 0.5 nm or less by measurement with an atomic force microscope. These seed crystals 7 were hung on a platinum seed crystal support frame by a platinum wire and placed in the crystal growth region 6 above the capsule. Next, a cap made of Pt—Ir was connected to the upper portion of the capsule 20 by TIG welding, and the weight was measured.
A valve similar to the valve 10 in FIG. 1 is connected to the tube attached to the upper part of the cap, the valve is operated so as to pass through the vacuum pump 11 and vacuum deaeration is performed, and then the valve is operated so as to pass through the nitrogen cylinder 13 so that the inside of the capsule is filled with nitrogen. Purge was repeated with gas. Thereafter, heating was performed while connected to a vacuum pump to deaerate moisture and attached gas in the capsule. After naturally cooling the capsule to room temperature, the valve was closed and the capsule was cooled with a dry ice ethanol solvent while maintaining the vacuum state. Subsequently, the valve of the conduit was operated so as to communicate with the NH 3 cylinder 12, the valve was opened again, NH 3 was filled without touching the outside air, and then the valve was closed again. The filling amount was confirmed from the difference in weight before and after NH 3 filling.

つづいてバルブ10が装着されたオートクレーブ1にカプセル20を挿入した後に蓋を閉じ、オートクレーブ1の重量を計測した。次いでオートクレーブに付属したバルブ10を介して導管を真空ポンプ11に通じるように操作し、バルブを開けて真空脱気した。カプセルと同様に窒素ガスパージを複数回行った。その後、真空状態を維持しながらオートクレーブ1をドライアイスエタノール溶媒によって冷却し、一旦バルブ10を閉じた。次いで導管をNH3ボンベ12に通じるように操作した後、再びバルブ10を開け連続して外気に触れることなくNH3をオートクレーブ1に充填した後、再びバルブ10を閉じた。オートクレーブ1の温度を室温に戻し、外表面を十分に乾燥させオートクレーブ1の重量を計測した。NH3充填前の重量との差からNH3の重量を算出し充填量を確認した。
続いてオートクレーブ1を複数に分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。まずオートクレーブ内部の結晶成長領域6の平均温度が約595℃、原料溶解領域9の温度が約593℃になるまで昇温し、その温度で6時間保持して種結晶および、白金部材に付着した結晶核をメルトバックした。このときオートクレーブ内の圧力は約195MPaであった。
さらに結晶成長領域6の平均温度が約585℃、原料溶解領域9の温度が約640℃になるまで昇温した後、その温度にて10日間保持した。オートクレーブ内の圧力は約210MPaであった。また保持中のオートクレーブ外面制御温度のバラツキは±0.3℃以下であった。
Subsequently, after the capsule 20 was inserted into the autoclave 1 to which the valve 10 was attached, the lid was closed and the weight of the autoclave 1 was measured. Subsequently, the conduit was connected to the vacuum pump 11 through the valve 10 attached to the autoclave, and the valve was opened to perform vacuum deaeration. Nitrogen gas purging was performed several times as in the capsule. Thereafter, the autoclave 1 was cooled with a dry ice ethanol solvent while maintaining the vacuum state, and the valve 10 was once closed. Next, after the conduit was operated to lead to the NH 3 cylinder 12, the valve 10 was opened again, and NH 3 was filled in the autoclave 1 without continuously touching the outside air, and then the valve 10 was closed again. The temperature of the autoclave 1 was returned to room temperature, the outer surface was sufficiently dried, and the weight of the autoclave 1 was measured. The weight of NH 3 was calculated from the difference from the weight before filling with NH 3 to confirm the filling amount.
Subsequently, the autoclave 1 was stored in an electric furnace composed of a plurality of heaters. First, the temperature was raised until the average temperature of the crystal growth region 6 in the autoclave was about 595 ° C. and the temperature of the raw material dissolution region 9 was about 593 ° C., and the temperature was maintained for 6 hours to adhere to the seed crystal and the platinum member. The crystal nuclei were melted back. At this time, the pressure in the autoclave was about 195 MPa.
Further, the temperature was raised until the average temperature of the crystal growth region 6 was about 585 ° C. and the temperature of the raw material dissolution region 9 was about 640 ° C., and then held at that temperature for 10 days. The pressure in the autoclave was about 210 MPa. Further, the variation in the control temperature of the outer surface of the autoclave during the holding was ± 0.3 ° C. or less.

その後、オートクレーブ1の外面の温度が室温に戻るまで自然冷却し、オートクレーブに付属したバルブ10を開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後オートクレーブ1を計量しNH3の排出を確認した後、オートクレーブの蓋を開け、カプセル20を取り出した。カプセル上部に付属したチューブに穴を開けカプセル内部からNH3を取り除いた。
カプセル内部を確認したところ、M面の種結晶上には平滑なGaN結晶が成長していた。また、結晶内部には微小なクラックが数本見られたが、結晶表面は鏡面で、自然核発生による付着物等は見られなかった。
更に、カプセルの育成域の内壁および白金製種結晶支持枠、バッフル板にはGaN結晶の付着はほとんど見られなかった。X線によるロッキングカーブを測定した結果、半値幅は50秒以下であった。
Then, it cooled naturally until the temperature of the outer surface of the autoclave 1 returned to room temperature, the valve 10 attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. Thereafter, the autoclave 1 was weighed to confirm the discharge of NH 3 , the lid of the autoclave was opened, and the capsule 20 was taken out. A hole was made in the tube attached to the upper part of the capsule to remove NH 3 from the inside of the capsule.
When the inside of the capsule was confirmed, a smooth GaN crystal had grown on the M-plane seed crystal. In addition, several micro cracks were observed inside the crystal, but the crystal surface was a mirror surface, and no deposits or the like due to the generation of natural nuclei were observed.
Furthermore, almost no GaN crystals were found on the inner wall of the capsule growth area, the platinum seed crystal support frame, and the baffle plate. As a result of measuring the rocking curve by X-ray, the half width was 50 seconds or less.

<実施例2>
上述の実施例1に記載した内容と同じ方法で原料、部材をカプセルに投入した後アンモニアを充填し、つづいてカプセルをオートクレーブ内に設置した後、オートクレーブ内にも前記実施例と同じ条件でアンモニアを導入した。
次いで、オートクレーブを電気炉内に収納した後、オートクレーブ内部の結晶成長領域6の平均温度が約605℃、原料溶解領域9の温度が約585℃になるまで昇温し、その温度で12時間保持して種結晶および、白金部材に付着した結晶核をメルトバックした。オートクレーブ内の圧力は約210MPaであった。
さらに結晶成長領域6の平均温度が約600℃、原料溶解領域9の温度が約635℃になるまで昇温した後、その温度にて15日間保持した。オートクレーブ内の圧力は約215MPaであった。また保持中のオートクレーブ外面制御温度のバラツキは±0.3℃以下であった。
その後、オートクレーブ1の外面の温度が室温に戻るまで自然冷却し、オートクレーブに付属したバルブ10を開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後オートクレーブ1を計量しNH3の排出を確認した後、オートクレーブの蓋を開け、カプセル20を取り出した。カプセル上部に付属したチューブに穴を開けカプセル内部からNH3を取り除いた。
カプセル内部を確認したところ、M面の種結晶上には平滑なGaN結晶が成長していた。また、結晶の表面は鏡面で、自然核発生による付着物等は見られなかった。
更に、カプセルの育成域の内壁および白金製種結晶支持枠、バッフル板にはGaN結晶の付着はほとんど見られなかった。X線によるロッキングカーブを測定した結果、半値幅は50秒以下であった。
<Example 2>
In the same manner as described in Example 1 above, the raw materials and members were charged into the capsule and then filled with ammonia. Subsequently, the capsule was placed in the autoclave, and then the ammonia was put in the autoclave under the same conditions as in the previous example. Was introduced.
Next, after the autoclave is housed in an electric furnace, the temperature is raised until the average temperature of the crystal growth region 6 inside the autoclave becomes about 605 ° C. and the temperature of the raw material melting region 9 becomes about 585 ° C., and the temperature is maintained for 12 hours. The seed crystal and the crystal nucleus attached to the platinum member were melted back. The pressure in the autoclave was about 210 MPa.
Further, the temperature was raised until the average temperature of the crystal growth region 6 was about 600 ° C. and the temperature of the raw material dissolution region 9 was about 635 ° C., and then held at that temperature for 15 days. The pressure in the autoclave was about 215 MPa. Further, the variation in the control temperature of the outer surface of the autoclave during the holding was ± 0.3 ° C. or less.
Then, it cooled naturally until the temperature of the outer surface of the autoclave 1 returned to room temperature, the valve 10 attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. Thereafter, the autoclave 1 was weighed to confirm the discharge of NH 3 , the lid of the autoclave was opened, and the capsule 20 was taken out. A hole was made in the tube attached to the upper part of the capsule to remove NH 3 from the inside of the capsule.
When the inside of the capsule was confirmed, a smooth GaN crystal had grown on the M-plane seed crystal. Further, the crystal surface was a mirror surface, and no deposits or the like due to the generation of natural nuclei were observed.
Furthermore, almost no GaN crystals were found on the inner wall of the capsule growth area, the platinum seed crystal support frame, and the baffle plate. As a result of measuring the rocking curve by X-ray, the half width was 50 seconds or less.

<実施例3>
オートクレーブ内部の結晶成長領域6の平均温度を約605℃、原料溶解領域9の温度を約585℃での保持時間を24時間として種結晶および、白金部材に付着した結晶核をメルトバックした以外は実施例2と同じ手法で結晶成長を行った。オートクレーブ内の圧力は約210MPaであった。ただし、鏡面研磨を行ったM面ウエハに加え、マルチワイヤーソーでシードを切りだし後、鏡面研磨を行わず、アルカリおよび酸でエッチングを施したM面ウエハをシードとして用いた。
その後、オートクレーブ1の外面の温度が室温に戻るまで自然冷却し、オートクレーブに付属したバルブ10を開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後オートクレーブ1を計量しNH3の排出を確認した後、オートクレーブの蓋を開け、カプセル20を取り出した。カプセル上部に付属したチューブに穴を開けカプセル内部からNH3を取り除いた。
カプセル内部を確認したところ、M面の種結晶上には平滑なGaN結晶が成長していた。また、結晶の表面は鏡面で、自然核発生による付着物等は見られなかった。更に、カプセルの育成域の内壁および白金製種結晶支持枠、バッフル板にはGaN結晶の付着はほとんど見られなかった。X線によるロッキングカーブを測定した結果、半値幅は50秒以下であった。 また、スライス後エッチング処理のみ施したシード上に育成した結晶も、研磨処理を施したシード上に育成した結晶と同等の品質であることを確認した。
<Example 3>
Except that the average temperature of the crystal growth region 6 inside the autoclave is about 605 ° C., the temperature of the raw material dissolution region 9 is about 585 ° C. and the holding time is 24 hours, and the seed crystal and the crystal nucleus attached to the platinum member are melted back. Crystal growth was performed in the same manner as in Example 2. The pressure in the autoclave was about 210 MPa. However, in addition to the M-plane wafer subjected to the mirror polishing, the M-plane wafer etched with an alkali and an acid without using the mirror polishing after cutting the seed with a multi-wire saw was used as a seed.
Then, it cooled naturally until the temperature of the outer surface of the autoclave 1 returned to room temperature, the valve 10 attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. Thereafter, the autoclave 1 was weighed to confirm the discharge of NH 3 , the lid of the autoclave was opened, and the capsule 20 was taken out. A hole was made in the tube attached to the upper part of the capsule to remove NH 3 from the inside of the capsule.
When the inside of the capsule was confirmed, a smooth GaN crystal had grown on the M-plane seed crystal. Further, the crystal surface was a mirror surface, and no deposits or the like due to the generation of natural nuclei were observed. Furthermore, almost no GaN crystals were found on the inner wall of the capsule growth area, the platinum seed crystal support frame, and the baffle plate. As a result of measuring the rocking curve by X-ray, the half width was 50 seconds or less. Moreover, it was confirmed that the crystal grown on the seed subjected to the etching process after slicing was equivalent in quality to the crystal grown on the seed subjected to the polishing process.

<比較例1>
前記実施例1に記載した内容と同じ方法で原料、部材をカプセルに投入した後アンモニアを充填し、つづいてカプセルをオートクレーブ内に設置した後、オートクレーブ内にも前記実施例と同じ条件でアンモニアを導入した。
オートクレーブを電気炉内に収納した後、オートクレーブ内部の結晶成長領域6の平均温度が約585℃、原料溶解領域9の温度が約575℃になるまで昇温し、その温度で2時間保持して種結晶および、白金部材に付着した結晶核をメルトバックした。オートクレーブ内の圧力は約180MPaであった。
さらに結晶成長領域6の平均温度が約585℃、原料溶解領域9の温度が約640℃になるまで昇温した後、その温度にて5日間保持した。オートクレーブ内の圧力は約210MPaであった。また保持中のオートクレーブ外面制御温度のバラツキは±0.3℃以下であった。
その後、オートクレーブ1の外面の温度が室温に戻るまで自然冷却し、オートクレーブに付属したバルブ10を開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後オートクレーブ1を計量しNH3の排出を確認した後、オートクレーブの蓋を開け、カプセル20を取り出した。カプセル上部に付属したチューブに穴を開けカプセル内部からNH3を取り除いた。
カプセル内部を確認したところ、M面の種結晶上に成長したGaN結晶に、微小なクラックが多数内在していた。 また、結晶の表面には自然核発生によるものと思われる付着物やクラックが複数見られ、さらに表面も平滑ではなかった。 更に、カプセルの育成域の内壁および白金製種結晶支持枠、バッフル板にはGaN結晶の付着物が見られた。 X線によるロッキングカーブを測定した結果、マルチピークであった。
<Comparative Example 1>
In the same manner as described in Example 1, the raw materials and members were charged into the capsule and then filled with ammonia. Subsequently, after the capsule was placed in the autoclave, ammonia was also introduced into the autoclave under the same conditions as in the previous example. Introduced.
After the autoclave is housed in the electric furnace, the temperature is raised until the average temperature of the crystal growth region 6 inside the autoclave is about 585 ° C. and the temperature of the raw material melting region 9 is about 575 ° C., and the temperature is maintained for 2 hours. The seed crystal and the crystal nucleus adhering to the platinum member were melted back. The pressure in the autoclave was about 180 MPa.
Further, the temperature was raised until the average temperature of the crystal growth region 6 was about 585 ° C. and the temperature of the raw material dissolution region 9 was about 640 ° C., and then held at that temperature for 5 days. The pressure in the autoclave was about 210 MPa. Further, the variation in the control temperature of the outer surface of the autoclave during the holding was ± 0.3 ° C. or less.
Then, it cooled naturally until the temperature of the outer surface of the autoclave 1 returned to room temperature, the valve 10 attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. Thereafter, the autoclave 1 was weighed to confirm the discharge of NH 3 , the lid of the autoclave was opened, and the capsule 20 was taken out. A hole was made in the tube attached to the upper part of the capsule to remove NH 3 from the inside of the capsule.
When the inside of the capsule was confirmed, a large number of minute cracks were inherent in the GaN crystal grown on the M-plane seed crystal. In addition, a plurality of deposits and cracks that were thought to be due to the generation of natural nuclei were observed on the crystal surface, and the surface was not smooth. Furthermore, deposits of GaN crystals were observed on the inner wall of the capsule growth region, the platinum seed crystal support frame, and the baffle plate. As a result of measuring the rocking curve by X-ray, it was a multi-peak.

<比較例2>
前記実施例1に記載した内容と同じ方法で原料、部材をカプセルに投入した後アンモニアを充填し、つづいてカプセルをオートクレーブ内に設置した後、オートクレーブ内にも前記実施例と同じ条件でアンモニアを導入した。
オートクレーブを電気炉内に収納した後、温度逆転によるメルトバック処理を行わず結晶成長領域6の平均温度が約585℃、原料溶解領域9の温度が約640℃になるまで昇温した後、その温度にて6日間保持した。オートクレーブ内の圧力は約240MPaであった。また保持中のオートクレーブ外面制御温度のバラツキは±0.3℃以下であった。
その後、オートクレーブ1の外面の温度が室温に戻るまで自然冷却し、オートクレーブに付属したバルブ10を開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後オートクレーブ1を計量しNH3の排出を確認した後、オートクレーブの蓋を開け、カプセル20を取り出した。カプセル上部に付属したチューブに穴を開けカプセル内部からNH3を取り除いた。
カプセル内部を確認したところ、M面の種結晶上に成長したGaN結晶に、微小なクラックが多数内在していた。 また、結晶の表面には自然核発生によるものと思われる付着物やクラックが多数見られ、さらに表面も平滑ではなかった。 更に、カプセルの育成域の内壁および白金製種結晶支持枠、バッフル板にはGaN結晶の付着物が多量に見られた。 X線によるロッキングカーブを測定した結果、マルチピークであった。
<Comparative example 2>
In the same manner as described in Example 1, the raw materials and members were charged into the capsule and then filled with ammonia. Subsequently, after the capsule was placed in the autoclave, ammonia was also introduced into the autoclave under the same conditions as in the previous example. Introduced.
After the autoclave is housed in the electric furnace, the temperature is raised until the average temperature of the crystal growth region 6 becomes about 585 ° C. and the temperature of the raw material melting region 9 becomes about 640 ° C. without performing meltback treatment by temperature reversal. Hold at temperature for 6 days. The pressure in the autoclave was about 240 MPa. Further, the variation in the control temperature of the outer surface of the autoclave during the holding was ± 0.3 ° C. or less.
Then, it cooled naturally until the temperature of the outer surface of the autoclave 1 returned to room temperature, the valve 10 attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. Thereafter, the autoclave 1 was weighed to confirm the discharge of NH 3 , the lid of the autoclave was opened, and the capsule 20 was taken out. A hole was made in the tube attached to the upper part of the capsule to remove NH 3 from the inside of the capsule.
When the inside of the capsule was confirmed, a large number of minute cracks were inherent in the GaN crystal grown on the M-plane seed crystal. In addition, many deposits and cracks that were thought to be due to the generation of natural nuclei were observed on the crystal surface, and the surface was not smooth. Further, a large amount of GaN crystal deposits were found on the inner wall of the capsule growth area, the platinum seed crystal support frame, and the baffle plate. As a result of measuring the rocking curve by X-ray, it was a multi-peak.

前記表2の結果から分かるように、昇温工程において、成長工程における結晶領域および原料溶解域の温度の高低関係が逆転するように設定された温度域で、6時間以上メルトバック処理が施された実施例は、得られた窒化物の表面が平滑且つ鏡面であり、付着物が認められなかった。このことから、実施例1〜3では、種結晶に対して表面から1μm以上の厚みが溶解されたと推察される。
これに対し、ΔTelevが−10℃で2時間メルトバック処理を施した比較例1は、微小のクラックが表面に多数認められ、結晶粒の付着が認められた。このことから、比較例1のメルトバック処理の条件では、種結晶に対して表面から1μm未満の厚みでしか溶解されなかったと推察される。
As can be seen from the results in Table 2, in the temperature raising step, the meltback treatment is performed for 6 hours or more in a temperature range set so that the temperature relationship between the crystal region and the raw material melting region in the growth step is reversed. In the examples, the surface of the obtained nitride was smooth and specular, and no deposits were observed. From this, in Examples 1-3, it is guessed that the thickness of 1 micrometer or more was melt | dissolved from the surface with respect to the seed crystal.
In contrast, in Comparative Example 1 in which ΔT elev was melt-backed for 2 hours at −10 ° C., a large number of minute cracks were observed on the surface, and adhesion of crystal grains was observed. From this, it can be inferred that the meltback treatment conditions of Comparative Example 1 were only dissolved in the seed crystal at a thickness of less than 1 μm from the surface.

1 オートクレーブ
2 オートクレーブ内面
5 バッフル板
6 結晶成長領域
7 種結晶
8 原料
9 原料溶解領域
10 バルブ
11 真空ポンプ
12 アンモニアボンベ
13 窒素ボンベ
14 マスフローメーター
20 カプセル
21 カプセル内面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Autoclave 2 Autoclave inner surface 5 Baffle plate 6 Crystal growth region 7 Seed crystal 8 Raw material 9 Raw material melting region 10 Valve 11 Vacuum pump 12 Ammonia cylinder 13 Nitrogen cylinder 14 Mass flow meter 20 Capsule 21 Inner surface of capsule

Claims (7)

超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素を含有する溶媒中で窒化物単結晶を成長させる窒化物単結晶の製造方法であって、少なくとも、種結晶を反応容器内に配置する準備工程と、反応容器内を昇温する昇温工程と、成長温度において種結晶上に前記窒化物単結晶の成長を行う成長工程とをこの順に含み、
前記昇温工程において、前記種結晶に対して表面から1μm以上の厚みを溶解させるメルトバック処理を施すことを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法。
A method for producing a nitride single crystal in which a nitride single crystal is grown in a solvent containing nitrogen in a supercritical state and / or a subcritical state, wherein at least a preparation step of arranging a seed crystal in a reaction vessel, A heating step for raising the temperature inside the reaction vessel, and a growth step for growing the nitride single crystal on the seed crystal at the growth temperature in this order,
The method for producing a nitride single crystal, wherein in the temperature raising step, a meltback treatment is performed to dissolve the seed crystal with a thickness of 1 μm or more from the surface.
前記メルトバック処理を3時間以上施す請求項1に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to claim 1, wherein the meltback treatment is performed for 3 hours or more. 超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素を含有する溶媒中で窒化物単結晶を成長させる窒化物単結晶の製造方法であって、少なくとも、反応容器内を昇温する昇温工程と、前記成長温度において前記窒化物単結晶の成長を行う成長工程と、を含み、
前記昇温工程において、前記反応容器内における種結晶が配置され窒化物単結晶を成長させる領域の温度(T1)と前記反応容器内における前記窒化物単結晶の原料を溶媒中に溶解する領域の温度(T2)との高低関係を、前記成長工程における前記温度(T1)と前記温度(T2)との高低関係とは逆にして前記種結晶に対してメルトバック処理を3時間以上施す窒化物単結晶の製造方法。
A method for producing a nitride single crystal in which a nitride single crystal is grown in a solvent containing nitrogen in a supercritical state and / or subcritical state, at least a temperature raising step for raising the temperature in a reaction vessel, Growing the nitride single crystal at a growth temperature, and
In the temperature raising step, a temperature (T1) of a region where a seed crystal is arranged in the reaction vessel and a nitride single crystal is grown, and a region in which the raw material of the nitride single crystal in the reaction vessel is dissolved in a solvent. A nitride which is subjected to a meltback treatment for 3 hours or more with respect to the seed crystal by reversing the level relationship with the temperature (T2) from the level relationship between the temperature (T1) and the temperature (T2) in the growth step. A method for producing a single crystal.
前記メルトバック処理における、前記種結晶が配置され窒化物単結晶を成長させる領域の温度(T1)が、400℃〜700℃である請求項3に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to claim 3, wherein a temperature (T1) of a region in which the seed crystal is arranged and the nitride single crystal is grown in the meltback treatment is 400 ° C to 700 ° C. 前記成長工程において、正の溶解度特性を有する鉱化剤を使用する請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The manufacturing method of the nitride single crystal of any one of Claims 1-4 which uses the mineralizer which has a positive solubility characteristic in the said growth process. 前記成長工程において、負の溶解度特性を有する鉱化剤を使用する請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The manufacturing method of the nitride single crystal of any one of Claims 1-4 which uses the mineralizer which has a negative solubility characteristic in the said growth process. 前記成長工程において、酸性鉱化剤を使用する請求項1〜6のいずれか1項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to any one of claims 1 to 6, wherein an acidic mineralizer is used in the growth step.
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