JP2013203594A - Method for producing nitride crystal of group 13 metal in periodic table - Google Patents

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Yoshinori Seki
義則 関
Sumitaka Ito
純貴 伊藤
Takeya Saito
雄也 齋藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a nitride crystal of a group 13 metal in the periodic table capable of progressing crystal growth stably for long hours by suppressing decline of growth speed of the crystal generated in a liquid phase growth method of the nitride crystal of the group 13 metal in the periodic table.SOLUTION: In a crystal growth process of a nitride crystal of a group 13 metal in the periodic table utilizing a liquid phase growth method, while progressing crystal growth by introducing gas including hydrogen-containing gas into a gas phase having a contact with a liquid phase 102, a treatment is performed in which a solution or a melt (liquid phase) 102 used for crystal growth is brought into contact with the gas phase into which gas having low elemental hydrogen concentration is introduced, and the solution or the melt subjected to the treatment is again utilized for crystal growth as the liquid phase 102 to suppress decline of crystal growth speed, and to thereby progress crystal growth stably for long hours.

Description

本発明は、液相成長法を利用した周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal using a liquid phase growth method.

GaNに代表される周期表第13族金属窒化物半導体は、大きなバンドギャップを有し、さらにバンド間遷移が直接遷移型であることから、紫外、青色等の発光ダイオードや半導体レーザー等の比較的短波長側の発光素子として実用化されている。これらの素子は、同種の材料からなり、かつ転位密度の少ない高品質な基板を用いて製造されることが好ましく、このような基板となり得る周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法が盛んに研究されている。代表的な製造方法としては、ハライド気相成長法(HVPE法)や有機金属化学蒸着法(MOCVD法)等の気相成長法が一般的に知られているが、最近では品質向上及び経済性の観点等から、フラックス法等の液相成長法の検討も進められている。   Periodic table group 13 metal nitride semiconductors represented by GaN have a large band gap, and the transition between bands is a direct transition type. It has been put to practical use as a light emitting element on the short wavelength side. These elements are preferably manufactured using a high-quality substrate made of the same material and having a low dislocation density, and a method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal that can be such a substrate is popular. Has been studied. As a typical production method, a vapor phase growth method such as a halide vapor phase growth method (HVPE method) or a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) is generally known. From the viewpoint of the above, the liquid phase growth method such as the flux method is also being studied.

フラックス法等の液相成長法では、液相中に窒素が溶解しにくい、もしくは原料となる窒素化合物が分解しやすい等の理由から、液相中の窒素濃度を十分に確保することが難しく、このような環境で結晶成長を行うと微細な結晶が形成したり、結晶にN欠陥が生じ易い傾向にある。従って、例えばアルカリ金属を添加したガリウムの合金融液を用いる結晶成長法においては、液相中の窒素濃度を確保するために、高圧条件が採用されている(特許文献1参照)。しかしながら、高圧条件を必要とする結晶成長法では、生産コストや安全性の観点で問題がある。
かかる問題に対処する技術として、例えばLi3GaN2等の周期表第13族金属元素及び周期表第13族金属元素以外の金属元素を含有する複合窒化物を用いる製造方法が提案され、比較的低圧条件で効率よく結晶成長を進めることが可能となっている(特許文献2参照)。
In the liquid phase growth method such as the flux method, it is difficult to secure a sufficient nitrogen concentration in the liquid phase because it is difficult to dissolve nitrogen in the liquid phase or the nitrogen compound as a raw material is easily decomposed. When crystal growth is performed in such an environment, there is a tendency that fine crystals are formed or N defects are easily generated in the crystal. Therefore, for example, in a crystal growth method using a gallium compound financial liquid to which an alkali metal is added, a high pressure condition is employed in order to ensure a nitrogen concentration in the liquid phase (see Patent Document 1). However, the crystal growth method that requires high-pressure conditions has problems in terms of production cost and safety.
As a technique for coping with such a problem, for example, a manufacturing method using a composite nitride containing a metal element other than a periodic table group 13 metal element such as Li 3 GaN 2 and a periodic table group 13 metal element has been proposed. Crystal growth can be efficiently advanced under low pressure conditions (see Patent Document 2).

特開2005−306709号公報JP 2005-306709 A 特開2007−084422号公報JP 2007-084422 A

Li3GaN2等の周期表第13族金属元素及び周期表第13族金属元素以外の金属元素を含有する複合窒化物を原料として用いることにより、液相中の窒素濃度を十分に確保することが可能となる一方、新たな課題も浮き彫りとなっている。例えば、Li3GaN2を原料として用いてGaNを成長させる場合を例に挙げて説明すると、結晶成長は以下の反応式[1]に示される平衡反応によって進行し、結晶成長とともにLi3Nが副生成物と
して生成することになる。
Li3Nは液相に溶解し易いため、結晶成長の進行とともに液相中のLi3N濃度は上昇することになるが、反応式[1]からも明らかなように、Li3Nの濃度上昇に伴って結
晶成長速度は徐々に低下することになり、最終的に平衡に達して結晶成長は停止することになる。
かかる課題に対して、本発明者らは液相に接する気相に水素(H2)等の水素含有ガス
を導入して、液相中に水素成分を溶解させることにより、Li3N等の副生成物を水素化
して分解することができることを見出しているが(例えば、Li3Nのリチウムアミドへ
の分解反応は、下記反応式[2]に示される反応によって進行すると考えられる)、水素含有ガスを導入した場合であっても、結晶成長が長時間に及ぶ場合には、結晶成長速度が低下してしまう事象が生じていた。
即ち、本発明は周期表第13族金属窒化物結晶の液相成長法において生じる結晶成長速度の低下を抑制し、長時間安定的に結晶成長を進めることができる周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法を提供することを課題とする。
Ensure sufficient nitrogen concentration in the liquid phase by using a composite nitride containing a periodic table group 13 metal element such as Li 3 GaN 2 and a metal element other than the periodic table group 13 metal element as a raw material. While this is possible, new challenges are also highlighted. For example, it will be described as an example the case of growing a GaN using Li 3 GaN 2 as a raw material, crystal growth proceeds by the equilibrium reaction represented by the following reaction formula [1], the Li 3 N with crystal growth It will be produced as a by-product.
Since Li 3 N is easily dissolved in the liquid phase, the Li 3 N concentration in the liquid phase increases with the progress of crystal growth. As is clear from the reaction formula [1], the concentration of Li 3 N As the rate rises, the crystal growth rate gradually decreases, eventually reaching equilibrium and crystal growth stops.
In response to such a problem, the present inventors introduce a hydrogen-containing gas such as hydrogen (H 2 ) into the gas phase in contact with the liquid phase, and dissolve the hydrogen component in the liquid phase, so that Li 3 N and the like are dissolved. It has been found that byproducts can be hydrogenated and decomposed (for example, the decomposition reaction of Li 3 N into lithium amide is considered to proceed by the reaction shown in the following reaction formula [2]), but hydrogen Even when the contained gas was introduced, when the crystal growth took a long time, there was an event that the crystal growth rate decreased.
That is, the present invention suppresses a decrease in crystal growth rate that occurs in the liquid phase growth method of Group 13 metal nitride crystals of the periodic table, and allows periodic crystal group 13 metal nitrides to proceed stably for a long time. It is an object to provide a method for producing a crystal.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、液相成長法を利用した周期表第13族金属窒化物結晶の結晶成長過程において、液相に接する気相に水素含有ガスを含むガスを導入して結晶成長を進める一方、これとは逆に気相に水素含有ガスの濃度の低いガスを導入して結晶成長反応の逆反応を促進する処理を行い、かかる処理を行った溶液又は融液を液相として再度結晶成長に利用することにより、長時間安定的に結晶成長を進めることができることを見出し、本発明を完成させた。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have made hydrogen in the gas phase in contact with the liquid phase in the crystal growth process of Group 13 metal nitride crystals of the periodic table using the liquid phase growth method. In contrast to this, while introducing a gas containing a contained gas to promote crystal growth, a process of promoting a reverse reaction of the crystal growth reaction by introducing a gas having a low hydrogen-containing gas concentration into the gas phase is performed. The present inventors have found that the crystal growth can be carried out stably for a long period of time by using the solution or melt subjected to the above as a liquid phase for crystal growth again, and the present invention has been completed.

即ち、本発明は以下の通りである。
<1> 原料及び溶媒を含む溶液又は融液を作製する工程と、前記溶液又は融液である液
相並びに気相の存在下、前記液相中で周期表第13族金属窒化物結晶をエピタキシャル成長させる成長工程とを含む周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法であって、前記成長工程が、前記気相に下記式(1)の条件を満たすようにガスを導入する正反応促進工程及び逆反応促進工程を含み、前記正反応促進工程に使用した前記溶液又は融液を前記逆反応促進工程に使用し、前記逆反応促進工程に使用した前記溶液又は融液を前記正反応促進工程で使用することを特徴とする周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。
F>CR ・・・ (1)
(式(1)中、CFは正反応促進工程において前記気相に導入するガスの水素元素濃度を
表し、CRは逆反応促進工程において前記気相に導入するガスの水素元素濃度を表す。但
し、CF>0、CR≧0である。)
<2> 前記正反応促進工程において前記気相に導入するガスが水素含有ガスを含むもの
であり、前記逆反応促進工程において前記気相に導入するガスが窒素含有ガス及び/又は不活性ガスを含むものである、<1>に記載の周期表第13族窒化物結晶の製造方法。
<3> 前記溶液又は融液が、周期表第1族金属元素及び/又は周期表第2族金属元素を
含むものである、<1>又は<2>に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。<4> 前記成長工程が、周期表第13族金属元素と周期表第13族金属元素以外の金属
元素とを含有する複合窒化物を原料として用いるものである、<1>乃至<3>の何れかに記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。
That is, the present invention is as follows.
<1> A step of producing a solution or melt containing a raw material and a solvent, and epitaxial growth of a Group 13 metal nitride crystal of the periodic table in the liquid phase in the presence of a liquid phase and a gas phase as the solution or melt. And a growth step for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal, wherein the growth step introduces a gas so as to satisfy the following formula (1) in the vapor phase: And the reverse reaction promoting step, using the solution or melt used in the forward reaction promoting step in the reverse reaction promoting step, and using the solution or melt used in the reverse reaction promoting step in the forward reaction promoting step. A method for producing a Group 13 metal nitride crystal of the periodic table, characterized in that
C F > C R (1)
(In Formula (1), C F represents the hydrogen element concentration of the gas introduced into the gas phase in the forward reaction promotion step, and C R represents the hydrogen element concentration of the gas introduced into the gas phase in the reverse reaction promotion step. (However, C F > 0 and C R ≧ 0.)
<2> The gas introduced into the gas phase in the forward reaction promotion step includes a hydrogen-containing gas, and the gas introduced into the gas phase in the reverse reaction promotion step includes a nitrogen-containing gas and / or an inert gas. The manufacturing method of the periodic table group 13 nitride crystal as described in <1> which is included.
<3> The periodic table group 13 metal nitride crystal according to <1> or <2>, wherein the solution or melt contains a periodic table group 1 metal element and / or a periodic table group 2 metal element. Manufacturing method. <4> The growth process uses a composite nitride containing a periodic table group 13 metal element and a metal element other than the periodic table group 13 metal element as a raw material. <1> to <3> The manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride crystal in any one.

本発明によれば、長時間安定的に結晶成長を進めることができる周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride crystal which can advance crystal growth stably for a long time can be provided.

本発明に係る成長工程に使用する装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the apparatus used for the growth process which concerns on this invention.

本発明の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法について、以下詳細に説明するが、本発明の趣旨に反しない限り、これらの内容に限定されるものではない。
なお、本明細書において「〜」を用いてあらわされる数値範囲は、「〜」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。
Although the manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride crystal of this invention is demonstrated in detail below, unless it is contrary to the meaning of this invention, it is not limited to these content.
In the present specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

<周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法>
本発明の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法(以下、「本発明の製造方法」と略す場合がある。)は、「原料及び溶媒を含む溶液又は融液を作製する工程」と「溶液又は融液である液相並びに気相の存在下、液相中で周期表第13族金属窒化物結晶をエピタキシャル成長させる成長工程(以下、「本発明に係る成長工程」と略す場合がある。)」を含む、いわゆる液相成長法を利用した周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法である。そして、本発明に係る成長工程は、液相に接する気相に水素含有ガスを含むガスを導入して結晶成長を進める正反応促進工程、及び正反応促進工程よりも水素元素濃度が低いガスを気相に導入する逆反応促進工程を含み、正反応促進工程に使用した液相(溶液又は融液)を逆反応促進工程に使用し、逆反応促進工程に使用した液相(溶液又は融液)を正反応促進工程で使用することを特徴とする(正反応促進工程及び逆反応促進工程は下記式(1)の条件を満たす関係にある。)。
F>CR ・・・ (1)
(式(1)中、CFは正反応促進工程において前記気相に導入するガスの水素元素濃度で
あり、CRは逆反応促進工程において前記気相に導入するガスの水素元素濃度である。)
なお、本発明において「成長工程」とは、工程中のいずれかの段階においてエピタキシャル成長している工程を意味し、必ずしも、全成長工程中において常にエピタキシャル成長している工程には限られないものとする。
前述のように、Li3GaN2等を原料として用いてGaNを成長させる場合、結晶成長は反応式[1]に示される平衡反応によって進行し、結晶成長とともにLi3Nの濃度が
上昇して、結晶成長速度は徐々に低下することになる。
このような現象は、Li3GaN2を原料として用いる場合に限られず、周期表第13族金属窒化物結晶をメルトバック(再溶解)させるLi3N等の周期表第1族金属窒化物(
又は周期表第2族金属窒化物)が副生成物として生じる成長法において広く当てはまることである。従って、長時間安定的に結晶成長を進めるためには、これらの副生成物の濃度上昇を抑制する、即ち反応式[1]における正反応(Li3GaN2→GaN+Li3N)
を促進する手段が必要となる。但し、これらの副生成物の存在は、周期表第13族金属窒化物結晶の急激な成長を抑え、雑晶の産生の抑制や結晶性を高める役割も果たしており、単にこれらの副生成物の濃度を低下させるだけでなく、適切な濃度に精密に調節することができる技術が、高品質な周期表第13族金属窒化物結晶を得るために必要である。
かかる課題に対して、本発明者らは液相に接する気相に水素(H2)等の水素含有ガス
を導入して、液相中に水素成分を溶解させることにより、Li3N等の副生成物を水素化
して分解することができることを見出している(例えば、水素成分によるLi3Nの分解
物としては、水素化リチウム、リチウムイミド、又はリチウムアミド等が挙げられる。Li3Nのリチウムアミドへの分解反応は、下記反応式[2]に示される反応によって進行
すると考えられ、かかる反応もまた平衡反応である。)。かかる操作は、反応式[1]及び[2]における正反応(Li3GaN2→GaN+Li3N、Li3N+3H2+N2→3LiNH2)を促進する操作として極めて有効(簡易的かつ精密な制御が可能)である。
水素含有ガスを導入することによって、反応式[1]及び[2]における正反応(Li
3GaN2→GaN+Li3N、Li3N+3H2+N2→3LiNH2)を促進することが可
能となったが、それでもなお結晶成長が長時間に及ぶ場合には、結晶成長速度が低下することを本発明者らは明らかとしている。これは、リチウムイミドやリチウムアミド等のLi3N等の分解物の濃度上昇によって、結局は溶解したLi3GaN2の分解反応(つまり
GaNの析出反応)が鈍化するためであると考えられる。
そこで本発明者らは、液相に接する気相に水素含有ガスを含むガスを導入して結晶成長を進める(正反応を促進する)一方、結晶成長に使用した溶液又は融液(液相)を水素元素濃度が低いガスを導入した気相に接触させ、反応式[1]及び[2]における逆反応(Li3GaN2←GaN+Li3N、Li3N+3H2+N2←3LiNH2)を促進すること
により、結晶成長に好適な組成に溶液又は融液(液相)を再生させることができることを見出した。かかる処理を行った溶液又は融液(液相)を再度結晶成長に利用することにより、結晶成長工程全体として良好な結晶成長速度を確保することができる。なお、反応式[1]からも明らかなように、反応式[1]及び[2]における逆反応を促進させると、生成したGaNはメルトバック(再溶解)することになるが、通常液相中には目的とする結晶(例えば、種結晶(シード)上に形成した結晶)以外の結晶塊(多くは雑晶)が多量に析出しているため、これらの結晶塊をGaN源として利用することができる。これは目的とする結晶以外の結晶塊を原料に再利用することになるため、原料の利用効率の観点からも好ましい方法であると言える。
また、「溶液又は融液である液相並びに気相の存在下」とは、結晶成長が進む液相のみならず、かかる液相に接する気相が存在することを意味するものとする。
<Method for Producing Periodic Table Group 13 Metal Nitride Crystal>
The production method of the periodic table group 13 metal nitride crystal of the present invention (hereinafter sometimes abbreviated as “production method of the present invention”) is “a step of producing a solution or melt containing a raw material and a solvent”. “Growth step of epitaxially growing group 13 metal nitride crystals of the periodic table in the liquid phase in the presence of a liquid phase and a gas phase that are solutions or melts (hereinafter sometimes abbreviated as“ growth step according to the present invention ”). .) ”, A method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal using a so-called liquid phase growth method. The growth process according to the present invention includes a positive reaction promotion process for promoting crystal growth by introducing a gas containing a hydrogen-containing gas into the gas phase in contact with the liquid phase, and a gas having a lower hydrogen element concentration than the positive reaction promotion process. The liquid phase (solution or melt) used in the reverse reaction promotion step is used, including the reverse reaction promotion step introduced into the gas phase, the liquid phase (solution or melt) used in the forward reaction promotion step used in the reverse reaction promotion step ) Is used in the forward reaction promoting step (the forward reaction promoting step and the backward reaction promoting step satisfy the condition of the following formula (1)).
C F > C R (1)
(In Formula (1), C F is the hydrogen element concentration of the gas introduced into the gas phase in the forward reaction promotion step, and C R is the hydrogen element concentration of the gas introduced into the gas phase in the reverse reaction promotion step. .)
In the present invention, the term “growth process” means a process that is epitaxially grown at any stage in the process, and is not necessarily limited to a process that is always epitaxially grown in the entire growth process. .
As described above, when GaN is grown using Li 3 GaN 2 or the like as a raw material, crystal growth proceeds by an equilibrium reaction represented by the reaction formula [1], and the concentration of Li 3 N increases with crystal growth. The crystal growth rate will gradually decrease.
Such a phenomenon is not limited to the case of using Li 3 GaN 2 as a raw material, but a periodic table group 1 metal nitride (such as Li 3 N) that melts back (remelts) a periodic table group 13 metal nitride crystal (
(Or periodic table Group 2 metal nitride) as a by-product is widely applied. Therefore, in order to advance the crystal growth stably for a long time, the concentration increase of these by-products is suppressed, that is, the positive reaction (Li 3 GaN 2 → GaN + Li 3 N) in the reaction formula [1].
A means to promote this is needed. However, the presence of these by-products suppresses the rapid growth of the Group 13 metal nitride crystals of the periodic table, and also plays a role of suppressing the production of miscellaneous crystals and increasing the crystallinity. A technique capable of not only reducing the concentration but also precisely adjusting to an appropriate concentration is necessary to obtain a high-quality periodic table Group 13 metal nitride crystal.
In response to such a problem, the present inventors introduce a hydrogen-containing gas such as hydrogen (H 2 ) into the gas phase in contact with the liquid phase, and dissolve the hydrogen component in the liquid phase, so that Li 3 N and the like are dissolved. and by-products found that can be decomposed by hydrogenation (e.g., as a decomposition product of Li 3 N with hydrogen component, lithium hydride, lithium imide, or .Li 3 N lithium amides The decomposition reaction into lithium amide is considered to proceed by the reaction shown in the following reaction formula [2], and this reaction is also an equilibrium reaction). This operation is extremely effective (simple and precise control) as an operation for promoting the positive reaction (Li 3 GaN 2 → GaN + Li 3 N, Li 3 N + 3H 2 + N 2 → 3LiNH 2 ) in the reaction formulas [1] and [2]. Is possible).
By introducing a hydrogen-containing gas, the positive reaction (Li
3 GaN 2 → GaN + Li 3 N, Li 3 N + 3H 2 + N 2 → 3LiNH 2 ) can be promoted, but if the crystal growth still takes a long time, the crystal growth rate will decrease. The inventors have made clear. This is considered to be because the decomposition reaction of dissolved Li 3 GaN 2 (that is, the precipitation reaction of GaN) eventually slows due to an increase in the concentration of decomposition products such as Li 3 N such as lithium imide and lithium amide.
Accordingly, the present inventors introduce a gas containing a hydrogen-containing gas into the gas phase in contact with the liquid phase to promote crystal growth (accelerate the positive reaction), while the solution or melt (liquid phase) used for crystal growth. Is brought into contact with a gas phase in which a gas having a low hydrogen element concentration is introduced to promote the reverse reaction (Li 3 GaN 2 ← GaN + Li 3 N, Li 3 N + 3H 2 + N 2 ← 3LiNH 2 ) in the reaction formulas [1] and [2]. By doing so, it was found that the solution or melt (liquid phase) can be regenerated to a composition suitable for crystal growth. By using the solution or melt (liquid phase) subjected to such treatment again for crystal growth, a good crystal growth rate can be ensured for the entire crystal growth step. As is clear from the reaction formula [1], when the reverse reaction in the reaction formulas [1] and [2] is promoted, the produced GaN is melt-backed (re-dissolved). Since a large amount of crystal mass (mostly miscellaneous crystals) other than the target crystal (for example, a crystal formed on a seed crystal (seed)) is precipitated, these crystal masses are used as a GaN source. be able to. This can be said to be a preferable method from the viewpoint of the utilization efficiency of the raw material because a crystal lump other than the target crystal is reused as the raw material.
Further, “in the presence of a liquid phase that is a solution or a melt and a gas phase” means that not only a liquid phase in which crystal growth proceeds but also a gas phase in contact with the liquid phase exists.

本発明に係る成長工程は、正反応促進工程及び逆反応促進工程を含むことを特徴とするが、以下、正反応促進工程及び逆反応促進工程について詳細に説明する。
正反応促進工程とは反応式[1]及び[2]における正反応(Li3GaN2→GaN+Li3N、Li3N+3H2+N2→3LiNH2)を促進することを目的として条件設定を
行う工程であり、具体的には液相に接する気相に水素含有ガスを含むガスを導入しながら(水素元素濃度CF)、周期表第13族金属窒化物結晶をエピタキシャル成長させる工程
である。一方、逆反応促進工程とは反応式[1]及び[2]における逆反応(Li3Ga
2←GaN+Li3N、Li3N+3H2+N2←3LiNH2)を促進することを目的として条件設定を行う工程であり、具体的には正反応促進工程よりも水素元素濃度(水素元素濃度CR)が低いガスを液相に接する気相に導入する処理を行う工程である。
また、「成長工程が、(中略)正反応促進工程及び逆反応促進工程を含み」とは、周期表第13族金属窒化物結晶をエピタキシャル成長させる結晶成長過程において、正反応促進工程と逆反応促進工程をそれぞれ複数回実施してもよいことを意味している。さらに正反応促進工程と逆反応促進工程は、それぞれ経時的に独立して実施する必要はなく、正反応促進工程と逆反応促進工程を同時並行で実施してもよいものとする。
さらに、「正反応促進工程に使用した溶液又は融液を逆反応促進工程に使用し、逆反応促進工程に使用した溶液又は融液を正反応促進工程で使用する」とは、具体的には以下の(a)及び(b)のような態様が挙げられる。
(a)正反応促進工程と逆反応促進工程を交互に実施する成長工程
(b)正反応促進工程と逆反応促進工程を同時並行で実施する成長工程
The growth process according to the present invention is characterized in that it includes a forward reaction promotion process and a reverse reaction promotion process. Hereinafter, the forward reaction promotion process and the reverse reaction promotion process will be described in detail.
The positive reaction promoting step is a step of setting conditions for the purpose of promoting the positive reaction (Li 3 GaN 2 → GaN + Li 3 N, Li 3 N + 3H 2 + N 2 → 3LiNH 2 ) in the reaction formulas [1] and [2]. Specifically, this is a step of epitaxially growing a group 13 metal nitride crystal of the periodic table while introducing a gas containing a hydrogen-containing gas into the gas phase in contact with the liquid phase (hydrogen element concentration C F ). On the other hand, the reverse reaction promotion step is the reverse reaction (Li 3 Ga in the reaction formulas [1] and [2].
N 2 ← GaN + Li 3 N, Li 3 N + 3H 2 + N 2 ← 3 LiNH 2 ) is a process for setting conditions, and more specifically, the hydrogen element concentration (hydrogen element concentration C than the positive reaction promoting process). This is a process for introducing a gas having a low R ) into the gas phase in contact with the liquid phase.
In addition, “the growth process includes (omitted) the forward reaction promotion process and the reverse reaction promotion process” means that the forward reaction promotion process and the reverse reaction promotion are performed in the crystal growth process of epitaxially growing the group 13 metal nitride crystal of the periodic table. This means that each step may be performed a plurality of times. Furthermore, the forward reaction promoting step and the backward reaction promoting step do not have to be performed independently over time, and the forward reaction promoting step and the backward reaction promoting step may be performed in parallel.
Furthermore, "Use the solution or melt used in the forward reaction promotion step for the reverse reaction promotion step and use the solution or melt used for the reverse reaction promotion step in the forward reaction promotion step" specifically Examples such as the following (a) and (b) are included.
(A) Growth process in which forward reaction promotion process and reverse reaction promotion process are performed alternately (b) Growth process in which forward reaction promotion process and reverse reaction promotion process are simultaneously performed

(a)の態様としては、例えば気相に水素含有ガスを含むガスを導入しながら、液相中で結晶成長を一定時間進めた後、ガスの水素元素濃度が低くなるように気相に導入していたガスを調節及び/又は切り替えて一定時間保ち、再度水素元素濃度が高くなるようにガスを調節及び/又は切り替えて結晶成長を再開する、といったように正反応促進工程と逆反応促進工程を交互に実施するものが挙げられる。かかる態様は、1つの反応系内で、導入するガスを調節及び/又は切り替えるだけで実施することができ、操作性の観点において優れる方法である。なお、かかる態様における正反応促進工程と逆反応促進工程の各実施時間はその他の条件等に応じて適宜設定されるべきものであるが、正反応促進工程の実
施時間は、通常0.1時間以上、好ましくは1時間以上、より好ましく3時間以上であり、通常100時間以下、好ましくは30時間以下、より好ましくは10時間以下である。また、逆反応促進工程の実施時間は、通常1時間以上、好ましくは10時間以上、より好ましく20時間以上であり、通常1000時間以下、好ましくは100時間以下、より好ましくは50時間以下である。上記範囲内であると、正反応促進工程と逆反応促進工程の実施時間のバランスを保つことができ、成長工程全体として良好な結晶速度を確保することができる。なお、正反応促進工程の実施初期における成長速度は十分に速いものとなり得るが、時間の経過とともに成長速度が遅くなる傾向があり、正反応促進工程の実施時間を長くしすぎると成長効率が悪くなる。一方で、逆反応促進工程の実施時間を十分に確保しないと、逆反応を十分に進めることができず、その後の正反応促進工程において望ましい成長速度を得ることができない。かかる観点から、逆反応促進工程の実施時間は、正反応促進工程の実施時間よりも長いことが好ましく、2倍以上であることがより好ましく、3倍以上であることがさらに好ましく、5倍以上であることが特に好ましく、また、100倍以下であることが好ましく、50倍以下であることがより好ましく、20倍以下であることがさらに好ましく、10倍以下であることが特に好ましい。
また、かかる態様においては、正反応促進工程から逆反応促進工程に移行する際に、目的とする結晶、例えば結晶層が形成した種結晶を液相から引き上げる等して、目的とする結晶のメルトバック(再溶解)を防止する処置を講じることが好ましい。かかる処置によって、結晶成長の後退を防止できるとともに、液相に析出した目的外の結晶塊を原料として再利用することができ、原料の利用効率の観点からも好ましい。
As an aspect of (a), for example, after introducing a gas containing a hydrogen-containing gas into the gas phase, the crystal growth is advanced for a certain time in the liquid phase, and then introduced into the gas phase so that the hydrogen element concentration of the gas becomes low The normal reaction promotion process and the reverse reaction promotion process, such as adjusting and / or switching the gas that has been maintained for a certain period of time and adjusting and / or switching the gas so that the hydrogen element concentration is increased again to resume crystal growth. Are implemented alternately. Such an embodiment can be carried out only by adjusting and / or switching the gas to be introduced in one reaction system, and is an excellent method in terms of operability. In addition, although each implementation time of the normal reaction promotion step and the reverse reaction promotion step in such an embodiment should be appropriately set according to other conditions, the implementation time of the normal reaction promotion step is usually 0.1 hour. Above, preferably 1 hour or more, more preferably 3 hours or more, usually 100 hours or less, preferably 30 hours or less, more preferably 10 hours or less. Moreover, the implementation time of the reverse reaction promoting step is usually 1 hour or longer, preferably 10 hours or longer, more preferably 20 hours or longer, and usually 1000 hours or shorter, preferably 100 hours or shorter, more preferably 50 hours or shorter. Within the above range, it is possible to maintain a balance between the execution times of the forward reaction promoting step and the backward reaction promoting step, and it is possible to ensure a good crystallization speed as the whole growth step. Note that the growth rate in the initial stage of the positive reaction promotion step can be sufficiently high, but the growth rate tends to slow with time, and if the execution time of the positive reaction promotion step is too long, the growth efficiency is poor. Become. On the other hand, unless sufficient time is taken for the reverse reaction promotion step, the reverse reaction cannot be sufficiently advanced, and a desired growth rate cannot be obtained in the subsequent normal reaction promotion step. From such a viewpoint, the execution time of the reverse reaction promotion step is preferably longer than the execution time of the forward reaction promotion step, more preferably 2 times or more, further preferably 3 times or more, and more preferably 5 times or more. In particular, it is preferably 100 times or less, more preferably 50 times or less, further preferably 20 times or less, and particularly preferably 10 times or less.
Further, in such an aspect, when the process proceeds from the normal reaction promoting step to the reverse reaction promoting step, the target crystal, for example, the seed crystal formed by the crystal layer is lifted from the liquid phase, etc. It is preferable to take measures to prevent back (re-dissolution). Such a treatment can prevent the crystal growth from retreating and can reuse the unintended crystal lump precipitated in the liquid phase as a raw material, which is preferable from the viewpoint of the utilization efficiency of the raw material.

(b)の態様としては、例えば結晶成長を一定時間進めた溶液又は融液(液相)の一部を、少なくとも気相が分離された別の容器又は室に移し、そこで水素元素濃度が低いガスを導入している気相と一定時間接触させて、再度結晶成長が進む容器又は室に戻して結晶成長に再利用する、といったように正反応促進工程と逆反応促進工程を別の反応系で、同時並行で実施するものが挙げられる。かかる態様は、正反応、即ち結晶成長を停止させる必要がなく、結晶成長の効率性の観点において優れる方法である。   As an aspect of (b), for example, a part of a solution or a melt (liquid phase) in which crystal growth has proceeded for a certain period of time is transferred to another container or chamber in which at least the gas phase is separated, where the concentration of hydrogen element is low Separate reaction system from the normal reaction promotion step and the reverse reaction promotion step, such as contacting the gas phase introducing gas for a certain period of time, returning to the vessel or chamber where crystal growth proceeds again and reusing it for crystal growth. In this case, it is possible to carry out in parallel. Such an embodiment is a positive reaction, that is, it is not necessary to stop the crystal growth, and is an excellent method from the viewpoint of the efficiency of crystal growth.

本発明に係る正反応促進工程は、液相に接する気相に水素元素濃度CF(CF>0)のガスを導入する、即ち、水素含有ガスを含むガスを導入することを特徴とする工程であるが、かかる工程において導入する水素含有ガスの種類は特に限定されない。具体的なものとしては水素ガス(H2)、アンモニアガス(NH3)等が挙げられる。この中でも特に水素ガス(H2)が好ましい。水素ガス(H2)であると、高温下においても分解することがなく、ガス組成の制御がしやすい利点がある。また、正反応促進工程において導入する水素含有ガスは、水素含有ガス以外のガスとともに気相に導入することが好ましく、窒素含有ガス及び/又は不活性ガスとともに導入することがより好ましい。水素含有ガス以外のガスとともに導入することによって、導入するガス中の水素元素濃度(CF)を制御するこ
とができる。水素含有ガス以外のガスとしては、窒素ガス(N2)、アルゴンガス(Ar
)等が挙げられるが、特に窒素ガス(N2)が好ましい。窒素ガス(N2)であると、結晶中の窒素欠陥を低減できる利点がある。
一方、本発明に係る逆反応促進工程は、正反応促進工程において導入するガスよりも水素元素濃度(CR)が低いガスを導入することを特徴とする工程であるが、水素元素濃度
が正反応促進工程よりも低いものであれば、その他については特に限定されない。導入するガスとしては、前述の窒素含有ガス、不活性ガス及びこれらの混合ガス、並びにこれらと水素含有ガスとの混合ガスが挙げられる。これらの中でも、窒素含有ガス、不活性ガス、及びこれらの混合ガスが好ましい。
さらに正反応促進工程及び逆反応促進工程において導入するガスの流量は、それぞれ導入するガスの種類やその他の条件に応じて適宜設定されるべきものであるが、常温常圧に換算した量で、通常0.1cm3/min以上、好ましくは1cm3/min以上、より好ましくは10cm3/min以上であり、通常10000cm3/min以下、好ましくは
5000cm3/min以下、より好ましくは1000cm3/min以下である。上記範囲であると、良好な初期結晶成長速度を確保することができる。
The positive reaction promoting step according to the present invention is characterized in that a gas having a hydrogen element concentration C F (C F > 0) is introduced into the gas phase in contact with the liquid phase, that is, a gas containing a hydrogen-containing gas is introduced. Although it is a process, the kind of hydrogen-containing gas introduced in this process is not particularly limited. Specific examples include hydrogen gas (H 2 ) and ammonia gas (NH 3 ). Among these, hydrogen gas (H 2 ) is particularly preferable. Hydrogen gas (H 2 ) has the advantage that it is easy to control the gas composition without being decomposed even at high temperatures. Further, the hydrogen-containing gas introduced in the positive reaction promoting step is preferably introduced into the gas phase together with a gas other than the hydrogen-containing gas, and more preferably introduced together with the nitrogen-containing gas and / or the inert gas. By introducing with a gas other than the hydrogen-containing gas, the concentration of hydrogen element (C F ) in the introduced gas can be controlled. As gases other than hydrogen-containing gas, nitrogen gas (N 2 ), argon gas (Ar
In particular, nitrogen gas (N 2 ) is preferable. Nitrogen gas (N 2 ) has an advantage that nitrogen defects in the crystal can be reduced.
On the other hand, the reverse reaction promoting step according to the present invention is a step characterized by introducing a gas having a lower hydrogen element concentration (C R ) than the gas introduced in the forward reaction promoting step. Others are not particularly limited as long as they are lower than the reaction promoting step. Examples of the gas to be introduced include the aforementioned nitrogen-containing gas, inert gas, and mixed gas thereof, and mixed gas of these and hydrogen-containing gas. Among these, a nitrogen-containing gas, an inert gas, and a mixed gas thereof are preferable.
Furthermore, the flow rate of the gas introduced in the forward reaction promotion step and the reverse reaction promotion step should be appropriately set according to the type of gas to be introduced and other conditions, but in an amount converted to normal temperature and normal pressure, Usually 0.1 cm 3 / min or more, preferably 1 cm 3 / min or more, more preferably 10 cm 3 / min or more, usually 10000 cm 3 / min or less, preferably 5000 cm 3 / min or less, more preferably 1000 cm 3 / min It is as follows. Within the above range, a good initial crystal growth rate can be secured.

本発明に係る正反応促進工程及び逆反応促進工程は、気相に導入するガスの水素元素濃度が下記式(1)の条件を満たす関係にある、即ち、逆反応促進工程における水素元素濃度が正反応促進工程における水素元素濃度よりも低いものであればよく、具体的な水素元素濃度は特に限定されない。
F>CR ・・・ (1)
(式(1)中、CFは正反応促進工程において前記気相に導入するガスの水素元素濃度を
表し、CRは逆反応促進工程において前記気相に導入するガスの水素元素濃度を表す。但
し、CF>0、CR≧0である。)
また、正反応促進工程における水素元素濃度と逆反応促進工程における水素元素濃度を実質上比較することできるものであれば、他の定量的数値を代用してもよいものとする。例えば、導入するガス中の水素含有ガスの濃度が、把握が容易であるため好ましい。具体的には、導入するガスとしてアンモニアガスと窒素ガスの混合ガスを用いる場合、混合ガス中のアンモニアガスの体積%濃度が「導入するガス中の水素含有ガスの濃度」となるため、混合ガス中のアンモニアガスの体積%濃度を「導入するガスの水素元素濃度」として代用することができる。
正反応促進工程における導入ガス中の水素含有ガスの濃度の具体的数値としては、通常0.001vol%以上、好ましくは0.01vol%以上、より好ましくは0.1vol%以上であり、通常99.9vol%以下、好ましくは99vol%以下、より好ましくは90vol%以下である。一方、逆反応促進工程における導入ガス中の水素含有ガスの濃度の具体的数値としては、通常0vol%以上であり、通常5vol%以下、好ましくは1vol%以下、より好ましくは0.1vol%以下である。上記範囲であると、成長工程全体として良好な初期結晶成長速度を確保することができる。
In the forward reaction promotion step and the reverse reaction promotion step according to the present invention, the hydrogen element concentration of the gas introduced into the gas phase satisfies the condition of the following formula (1), that is, the hydrogen element concentration in the reverse reaction promotion step is What is necessary is just to be lower than the hydrogen element concentration in the positive reaction promoting step, and the specific hydrogen element concentration is not particularly limited.
C F > C R (1)
(In Formula (1), C F represents the hydrogen element concentration of the gas introduced into the gas phase in the forward reaction promotion step, and C R represents the hydrogen element concentration of the gas introduced into the gas phase in the reverse reaction promotion step. (However, C F > 0 and C R ≧ 0.)
Further, as long as the hydrogen element concentration in the forward reaction promoting step and the hydrogen element concentration in the reverse reaction promoting step can be substantially compared, other quantitative values may be substituted. For example, the concentration of the hydrogen-containing gas in the gas to be introduced is preferable because it is easy to grasp. Specifically, when a mixed gas of ammonia gas and nitrogen gas is used as the gas to be introduced, the volume% concentration of the ammonia gas in the mixed gas becomes “the concentration of the hydrogen-containing gas in the gas to be introduced”. The volume% concentration of ammonia gas therein can be used as the “hydrogen element concentration of the introduced gas”.
The specific value of the concentration of the hydrogen-containing gas in the introduced gas in the positive reaction promoting step is usually 0.001 vol% or more, preferably 0.01 vol% or more, more preferably 0.1 vol% or more, and usually 99. It is 9 vol% or less, preferably 99 vol% or less, more preferably 90 vol% or less. On the other hand, the specific value of the concentration of the hydrogen-containing gas in the introduced gas in the reverse reaction promoting step is usually 0 vol% or more, usually 5 vol% or less, preferably 1 vol% or less, more preferably 0.1 vol% or less. is there. Within the above range, a good initial crystal growth rate can be ensured for the entire growth process.

以下、本発明に係る成長工程のその他の条件について説明するに当たり、成長工程に使用する装置の概念図(図1)を参照するが、本発明の趣旨に反しない限り、これらの内容に限定されるものではない。   Hereinafter, in describing the other conditions of the growth process according to the present invention, reference is made to the conceptual diagram (FIG. 1) of the apparatus used for the growth process, but it is limited to these contents unless it is contrary to the spirit of the present invention. It is not something.

図1の装置は、ガス導入管110及びガス排気管106が取り付けられており、さらに反応容器104が設置されている反応管105、及びかかる反応管を加熱するための電気炉111を備える構造である。反応容器104に原料102と液相として用いる溶液又は融液102を導入し、シード(種結晶)保持具108を利用することによって、種結晶100を溶液又は融液102内に設置することができる。   The apparatus of FIG. 1 has a structure including a gas introduction pipe 110 and a gas exhaust pipe 106, a reaction tube 105 in which a reaction vessel 104 is installed, and an electric furnace 111 for heating the reaction tube. is there. The seed crystal 100 can be placed in the solution or melt 102 by introducing the raw material 102 and the solution or melt 102 used as a liquid phase into the reaction vessel 104 and using a seed (seed crystal) holder 108. .

[原料]
本発明の製造方法に使用する原料は、目的とする周期表第13族金属窒化物結晶に応じて適宜設定することができるが、例えば、前述したLi3GaN2複合金属窒化物のように、周期表第13族金属元素及び周期表第13族金属元素以外の金属元素を含有する複合金属窒化物が好ましい。周期表第13族金属元素以外の金属元素の具体的種類は特に限定されないが、周期表第1族金属元素、周期表第2族金属元素等が挙げられる。即ち、周期表第13族金属元素と周期表第13族金属元素以外の金属元素とを含有する複合窒化物としては、Li3GaN2、Ca3Ga24、Ba3Ga24、Mg3GaN3等の周期表第13族金属元素と周期表第1族金属元素及び/又は周期表第2族金属元素とを含有する複合窒化物が挙げられる。なお、周期表第13族金属元素と周期表第1族金属元素及び/又は周期表第2族金属元素とを含有する複合窒化物は、例えば周期表第13族金属窒化物粉体と周期表第1族金属及び/又は周期表第2族金属窒化物粉体(例えばLi3N、Ca32)と
を混合した後、加熱する方法(固相反応);周期表第13族金属元素と周期表第1族金属元素及び/又は周期表第2族金属元素とを含む合金を作製し、窒素雰囲気中で加熱する方
法;等により調製することができる。例えばLi3GaN2は、Ga−Li合金を窒素雰囲気中で600〜800℃で加熱処理することによって作製することができる。
[material]
The raw material used in the production method of the present invention can be appropriately set according to the target periodic table group 13 metal nitride crystal, for example, as described above Li 3 GaN 2 composite metal nitride, A composite metal nitride containing a metal element other than the Group 13 metal element of the periodic table and the Group 13 metal element of the periodic table is preferable. Although the specific kind of metal elements other than a periodic table group 13 metal element is not specifically limited, A periodic table group 1 metal element, a periodic table group 2 metal element, etc. are mentioned. That is, as a composite nitride containing a periodic table group 13 metal element and a metal element other than the periodic table group 13 metal element, Li 3 GaN 2 , Ca 3 Ga 2 N 4 , Ba 3 Ga 2 N 4 , Examples thereof include composite nitrides containing a periodic table group 13 metal element and a periodic table group 1 metal element and / or a periodic table group 2 metal element such as Mg 3 GaN 3 . In addition, the composite nitride containing a periodic table group 13 metal element and a periodic table group 1 metal element and / or a periodic table group 2 metal element is, for example, a periodic table group 13 metal nitride powder and a periodic table. Method of heating after mixing Group 1 metal and / or Group 2 metal nitride powder (for example, Li 3 N, Ca 3 N 2 ) and heating (solid phase reaction); Group 13 metal element of the periodic table And an alloy containing a periodic table Group 1 metal element and / or a periodic table Group 2 metal element, and heating in a nitrogen atmosphere; For example, Li 3 GaN 2 can be manufactured by heat-treating a Ga—Li alloy at 600 to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere.

周期表第13族金属元素と周期表第1族金属元素及び/又は周期表第2族金属元素とを含有する複合窒化物以外の原料としては、周期表第13族金属窒化物そのものを用いることができる。その他に、例えば周期表第13族金属元素と周期表第1族金属元素及び/又は周期表第2族金属元素との合金からなるターゲットを用い、反応性スパッター法によって窒素プラズマと反応させて合成した混合窒化物膜を挙げることもできる。かかる混合窒化物膜は、化学的に合成が難しいような窒化物を用いる場合に好適である。   As a raw material other than the composite nitride containing the periodic table group 13 metal element and the periodic table group 1 metal element and / or the periodic table group 2 metal element, the periodic table group 13 metal nitride itself should be used. Can do. In addition, for example, a target made of an alloy of a periodic table group 13 metal element and a periodic table group 1 metal element and / or a periodic table group 2 metal element is used to react with nitrogen plasma by a reactive sputtering method. A mixed nitride film may also be mentioned. Such a mixed nitride film is suitable when a nitride that is difficult to synthesize chemically is used.

原料が成長工程における条件下で固体である場合には、かかる固体原料は溶媒に完全に溶解している必要はない。一部が溶解せずに反応容器内に存在する場合であっても、結晶成長により消費された分が、随時、溶媒中に供給されることとなる。また、溶媒に対する原料の設置量は、特に限定されず目的に応じて適宜設定することができるが、液相に対して、通常2質量%以上、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上であり、通常50質量%以下、好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下である。上記範囲内であると、連続生産のための効率性を高めることができ、さらに反応容器内のスペースを確保できる。   When the raw material is a solid under the conditions in the growth process, such a solid raw material need not be completely dissolved in the solvent. Even when a part is not dissolved but is present in the reaction vessel, the amount consumed by crystal growth is supplied to the solvent as needed. In addition, the amount of the raw material to be installed in the solvent is not particularly limited and can be appropriately set according to the purpose. %, Usually 50% by mass or less, preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less. Within the above range, the efficiency for continuous production can be increased, and a space in the reaction vessel can be secured.

[溶媒]
本発明に係る成長工程において、液相(溶液又は融液)に使用する溶媒は特に限定されないが、金属塩を主成分として含むものが好ましい。金属塩の含有量は50質量%以上が好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましい。特に金属塩を融解した溶融塩を溶媒として用いることが好ましい。
[solvent]
In the growth step according to the present invention, the solvent used in the liquid phase (solution or melt) is not particularly limited, but a solvent containing a metal salt as a main component is preferable. The content of the metal salt is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and further preferably 90% by mass or more. In particular, a molten salt obtained by melting a metal salt is preferably used as a solvent.

金属塩の種類は、結晶成長を阻害しないものであれば特に限定されないが、Li、Na、K等の周期表第1族金属及び/又はMg、Ca、Sr等の周期表第2族金属のハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩、イオウ化物等を挙げることができる。具体的には、LiCl、KCl、NaCl、CaCl2、BaCl2、CsCl、LiBr、KBr、CsBr、LiF、KF、NaF、LiI、NaI、CaI2、BaI2等の金属ハロゲン化物が好ましく、LiCl、KCl、NaCl、CsCl、CaCl2、BaCl2がより好ましい。金属塩の種類は1種類に限定されず、複数種類の金属塩を適宜組み合わせて用いてもよい。なかでも、ハロゲン化リチウムとこれ以外の金属塩を併用することがより好ましい。ハロゲン化リチウムの含有率は金属塩の全体量に対して30%以上が好ましく、80%以上がさらに好ましい。 The type of the metal salt is not particularly limited as long as it does not inhibit crystal growth, but it is not limited to those of Group 1 metals of the periodic table such as Li, Na and K and / or Group 2 metals of the periodic table such as Mg, Ca and Sr. Listed are halides, carbonates, nitrates, sulfurides and the like. Specifically, LiCl, KCl, NaCl, CaCl 2, BaCl 2, CsCl, LiBr, KBr, CsBr, LiF, KF, NaF, LiI, NaI, metal halides such as CaI 2, BaI 2 preferably, LiCl, KCl, NaCl, CsCl, CaCl 2 and BaCl 2 are more preferable. The type of metal salt is not limited to one type, and a plurality of types of metal salts may be used in appropriate combination. Among these, it is more preferable to use lithium halide and a metal salt other than this together. The content of lithium halide is preferably 30% or more, more preferably 80% or more, based on the total amount of the metal salt.

また、周期表第13族金属元素と周期表第1族金属元素及び/又は周期表第2族金属元素とを含有する複合窒化物の溶解度を増加させるために、例えばLi3N、Ca32、M
32、Sr32、Ba32などの周期表第1族金属元素又は周期表第2族金属元素の窒化物等が溶媒に含まれていることが好ましい。
Moreover, in order to increase the solubility of the composite nitride containing the periodic table group 13 metal element and the periodic table group 1 metal element and / or the periodic table group 2 metal element, for example, Li 3 N, Ca 3 N 2 , M
It is preferable that a nitride of a periodic table group 1 metal element or a periodic table group 2 metal element such as g 3 N 2 , Sr 3 N 2 , or Ba 3 N 2 is contained in the solvent.

金属塩は、一般的に吸湿性が強いため、多くの水分を含んでいる。そのため、使用する溶媒は予め精製しておくことが好ましい。精製方法は特に限定されないが、例えば特開2007−084422号に記載されている装置を用い、溶媒に反応性気体を吹き込む方法が挙げられる。例えば、常温で固体の金属塩を溶媒とする場合には、加熱して融解し、塩化水素、ヨウ化水素、臭化水素、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、塩素、臭素、又はヨウ素等の反応性気体を吹き込みバブリングすることによって水分等の不純物を取り除くことができる。塩化物の溶融塩に対しては、特に塩化水素を用いることが好ましい。   Metal salts generally have a high hygroscopic property and therefore contain a large amount of moisture. Therefore, it is preferable to purify the solvent to be used in advance. Although the purification method is not particularly limited, for example, a method in which a reactive gas is blown into a solvent using an apparatus described in JP-A-2007-084422 can be mentioned. For example, when a metal salt that is solid at room temperature is used as a solvent, it is melted by heating to hydrogen chloride, hydrogen iodide, hydrogen bromide, ammonium chloride, ammonium bromide, ammonium iodide, chlorine, bromine, or iodine. Impurities such as moisture can be removed by bubbling with a reactive gas such as. It is particularly preferable to use hydrogen chloride for the molten salt of chloride.

[種結晶(シード)]
本発明に係る成長工程において、液相には工業的に十分なサイズの結晶を得るために種結晶を設置することが好ましい。種結晶はGaN、InGaN、AlGaN等の目的とする周期表第13族金属窒化物結晶と同種のものを用いるほか、サファイア、ZnO、BeO等の金属酸化物、SiC、Si等の珪素含有物、又はGaAs等を用いることができる。本発明で成長させる周期表第13族金属窒化物結晶との整合性を考えると、最も好ましいのは周期表第13族金属窒化物結晶である。種結晶の形状も特に制限されず、平板状であっても、棒状であってもよい。棒状の種結晶を用いる場合には、最初に種結晶部分で成長させ、次いで水平方向にも結晶成長を行いながら、垂直方向に結晶成長を行うことによってバルク状の結晶を作製することもできる。種結晶上に効率よく周期表第13族金属元素を成長させるためには、種結晶周辺に雑晶を成長させたり、付着させたりしないことが好ましい。雑晶とは種結晶上以外に成長する粒子径の小さい結晶であり、雑晶が種結晶付近に存在すると液相中の周期表第13族金属窒化物成分を種結晶上の成長と雑晶の成長で分け合うことになり、種結晶上の周期表第13族金属窒化物結晶の成長速度が十分に得られない。
[Seed crystal]
In the growth step according to the present invention, it is preferable to install a seed crystal in the liquid phase in order to obtain a crystal of industrially sufficient size. The seed crystal is the same type as the target periodic table group 13 metal nitride crystal such as GaN, InGaN, AlGaN, etc., metal oxides such as sapphire, ZnO, BeO, silicon-containing materials such as SiC, Si, Alternatively, GaAs or the like can be used. Considering the consistency with the periodic table group 13 metal nitride crystal grown in the present invention, the periodic table group 13 metal nitride crystal is most preferable. The shape of the seed crystal is not particularly limited, and may be a flat plate shape or a rod shape. In the case of using a rod-shaped seed crystal, it is possible to produce a bulk crystal by first growing in the seed crystal portion and then performing crystal growth in the vertical direction while also performing crystal growth in the horizontal direction. In order to efficiently grow the Group 13 metal element of the periodic table on the seed crystal, it is preferable that no miscellaneous crystal is grown or attached around the seed crystal. The miscellaneous crystal is a crystal having a small particle diameter that grows other than on the seed crystal. When the miscellaneous crystal exists in the vicinity of the seed crystal, the growth of the periodic table group 13 metal nitride component in the liquid phase and the miscellaneous crystal. Therefore, the growth rate of the group 13 metal nitride crystal of the periodic table on the seed crystal cannot be sufficiently obtained.

[反応容器]
液相を保持するために用いる反応容器の形態は、特に限定されず、目的に応じて適宜設定することができる。また、反応容器の材質は、本発明の製造方法における反応を阻害しないものであれば特に限定されないが、熱的および化学的に安定な金属、酸化物、窒化物、炭化物等を主成分とすることが好ましい。具体的には、周期表第4族金属元素(Ti、Zr、Hf)を含む金属であることが好ましく、Tiを含む金属であることがより好ましい。また、反応容器の材質は、加工性や機械的耐久性に富む材質であることが好ましく、90質量%以上が前記第4族金属元素である金属を用いることがより好ましく、99質量%以上が前記第4族金属元素である金属を用いることがさらに好ましい。さらにこれらの反応容器の表面は、周期表第4族金属元素の窒化物からなることが好ましく、後述するような窒化処理方法によってあらかじめ窒化物を形成することが好適である。
[Reaction vessel]
The form of the reaction vessel used for maintaining the liquid phase is not particularly limited, and can be appropriately set depending on the purpose. The material of the reaction vessel is not particularly limited as long as it does not hinder the reaction in the production method of the present invention, but the main component is a thermally and chemically stable metal, oxide, nitride, carbide or the like. It is preferable. Specifically, a metal containing a Group 4 metal element (Ti, Zr, Hf) of the periodic table is preferable, and a metal containing Ti is more preferable. The material of the reaction vessel is preferably a material rich in workability and mechanical durability, more preferably 90% by mass or more of a metal that is the Group 4 metal element, and 99% by mass or more. More preferably, a metal that is a Group 4 metal element is used. Furthermore, the surfaces of these reaction vessels are preferably made of nitrides of Group 4 metal elements of the periodic table, and it is preferable to form nitrides beforehand by a nitriding method as described later.

[部材の窒化処理方法]
前述した反応容器のほか成長工程に使用する部材、例えば撹拌翼、シード(種結晶)保持棒、シード(種結晶)保持台、バッフル、ガス導入管、バルブ等については、以下に説明する窒化処理を行って、溶液又は融液に接触する表面に強固かつ安定な窒化物を形成しておくことが好ましい。加工性や機械的耐久性を保つために、窒化物を窒化膜の形態で形成してもよい。
窒化処理方法は表面に形成される窒化物が安定であれば特に限定はないが、例えば前記反応容器の部材を700℃以上の窒素雰囲気下において加熱保持することで、前記部材表面に安定な窒化膜を形成することができる。
更には、高温下でアルカリ金属窒化物やアルカリ土類金属窒化物を窒化剤として使用して前記部材表面を窒化することも可能であり、好ましくはアルカリ金属ハロゲン化物やアルカリ土類金属ハロゲン化物と前記アルカリ金属窒化物やアルカリ土類金属窒化物との混合融液中に保持することで、安定な窒化膜を形成することができる。また、実際に結晶成長を行なう条件と同様の条件下に部材を保持することで、簡便に窒化処理を行なうこともできる。
[Method of nitriding a member]
In addition to the reaction vessel described above, members used in the growth process, such as a stirring blade, a seed (seed crystal) holding rod, a seed (seed crystal) holding table, a baffle, a gas introduction pipe, a valve, etc., are subjected to nitriding treatment described below. It is preferable to form a strong and stable nitride on the surface in contact with the solution or melt. In order to maintain workability and mechanical durability, the nitride may be formed in the form of a nitride film.
The nitriding treatment method is not particularly limited as long as the nitride formed on the surface is stable. For example, the member of the reaction vessel is heated and held in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. or higher, so that stable nitriding is performed on the surface of the member. A film can be formed.
Furthermore, the surface of the member can be nitrided using an alkali metal nitride or alkaline earth metal nitride as a nitriding agent at a high temperature, preferably an alkali metal halide or an alkaline earth metal halide. A stable nitride film can be formed by holding it in a mixed melt with the alkali metal nitride or alkaline earth metal nitride. In addition, the nitriding treatment can be easily performed by holding the member under the same conditions as the actual crystal growth conditions.

[温度・圧力・その他の条件]
成長工程における温度条件は、通常200℃以上、好ましくは400℃以上、より好ましくは600℃以上であり、また、通常1000℃以下、好ましくは850℃以下、より好ましくは800℃以下である。
また、成長工程の圧力条件は、製造装置が簡便になり工業的に有利に製造できることから、通常10MPa以下であり、好ましくは3MPa以下、さらに好ましくは0.3MP
a以下、より好ましくは0.11MPa以下であって、通常0.01MPa以上、好ましくは0.09MPa以上である。
[Temperature, pressure and other conditions]
The temperature condition in the growth step is usually 200 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher, more preferably 600 ° C. or higher, and usually 1000 ° C. or lower, preferably 850 ° C. or lower, more preferably 800 ° C. or lower.
Further, the pressure condition of the growth step is usually 10 MPa or less, preferably 3 MPa or less, more preferably 0.3 MP, because the production apparatus becomes simple and can be produced industrially advantageously.
a or less, more preferably 0.11 MPa or less, and usually 0.01 MPa or more, preferably 0.09 MPa or more.

結晶成長の成長速度は、上記温度、圧力等によって調節することが可能であり、特に限定されるものではないが、通常0.1μm/h〜1000μm/hの範囲であり、1μm/h以上が好ましく、10μm/h以上がより好ましく、100μm/h以上であることがさらに好ましい。なお、本発明における成長速度は、成長した結晶の増加質量を換算して算出した厚みを、正反応促進工程を実施した時間で除することで求めることができる。     The growth rate of crystal growth can be adjusted by the temperature, pressure, etc., and is not particularly limited, but is usually in the range of 0.1 μm / h to 1000 μm / h, and is 1 μm / h or more. Preferably, it is 10 μm / h or more, more preferably 100 μm / h or more. In addition, the growth rate in this invention can be calculated | required by remove | dividing the thickness computed by converting the increase mass of the grown crystal | crystallization by the time which implemented the positive reaction promotion process.

また、原料を液相内に均一に分布させるために、液相を攪拌することが望ましい。攪拌方法は特に限定されないが、種結晶を回転させて攪拌する方法、攪拌翼を入れ回転させて攪拌させる方法、ガスで液相をバブリングする方法、送液ポンプで攪拌する方法等が挙げられる。   In addition, it is desirable to stir the liquid phase in order to uniformly distribute the raw material in the liquid phase. The stirring method is not particularly limited, and examples thereof include a method of rotating and stirring the seed crystal, a method of rotating and stirring the seed crystal, a method of bubbling the liquid phase with gas, and a method of stirring with a liquid feed pump.

本発明に係る成長工程についてのその他の条件は特に限定されず、フラックス法等の液相成長法に用いられる手法を適宜採用して、本発明の成長工程に適用してもよい。具体的には、フラックス法で主に用いられている温度差(Gradient Transport)法、徐冷(Slow Cooling)法、温度サイクル(Temperature
Cycling)法、るつぼ加速回転(Accelerated Crucible
Rotation)法、トップシード(Top−Seeded Solution Growth)法、溶媒移動法及びその変形である溶媒移動浮遊帯域(Traveling−Solvent Floating−Zone)法並びに蒸発法等、さらにはこれらの方法を任意に組み合わせた方法が挙げられる。
Other conditions for the growth process according to the present invention are not particularly limited, and a technique used in a liquid phase growth method such as a flux method may be appropriately adopted and applied to the growth process of the present invention. Specifically, the temperature difference (Gradient Transport) method, the slow cooling (Slow Cooling) method, and the temperature cycle (Temperature) mainly used in the flux method.
Cycling method, crucible accelerated rotation (Accelerated Crucible)
Rotation method, top-seed solution growth method, solvent transfer method and solvent-moving floating zone method (Traveling-Solvent Floating-Zone) method and evaporation method, and any combination of these methods Method.

本発明の製造方法は、「原料及び溶媒を含む溶液又は融液を作製する工程」を含むものであるが、これは前述した成長工程の前段階として、エピタキシャル成長に使用する液相用の溶液又は融液を調製する工程を意味する。例えば、原料を溶媒に溶かす操作、又は溶媒となる化合物が常温で固体である場合、加熱等を行って融液を調整する操作も、溶液又は融液を作製する工程に含まれる。ただし、原料及び溶媒を含む溶液又は融液とは、原料が溶媒に完全に溶解されている必要はなく、固体原料が分散又は固形物として溶液中に存在する不均一系であってもよい。また、かかる工程は、成長工程に使用する図1の装置内で行うことができる。例えば、反応容器104内に原料及び溶媒となる化合物を入れておき、電気炉111で反応管105を加熱することによって、溶液又は融液102を作製することが挙げられる。   The production method of the present invention includes a “process for producing a solution or melt containing a raw material and a solvent”, and this is a liquid phase solution or melt used for epitaxial growth as a pre-stage of the above-described growth process. Means the step of preparing For example, an operation of dissolving the raw material in a solvent or an operation of adjusting the melt by heating or the like when the compound serving as the solvent is solid at room temperature is also included in the step of preparing the solution or the melt. However, the solution or melt containing the raw material and the solvent does not need to be completely dissolved in the solvent, and may be a heterogeneous system in which the solid raw material is dispersed or present in the solution as a solid. Moreover, this process can be performed in the apparatus of FIG. 1 used for the growth process. For example, a solution or melt 102 can be prepared by placing a raw material and a compound serving as a solvent in the reaction vessel 104 and heating the reaction tube 105 with an electric furnace 111.

本発明の製造方法は前述した工程のほか、得られた結晶を目的の大きさにするスライスするスライス工程、表面を研磨する表面研磨工程等が含まれてもよい。スライス工程としては、具体的にはワイヤースライス、内周刃スライス等が挙げられ、表面研磨工程としては、例えばダイヤモンド砥粒等の砥粒を用いて表面を研磨する操作、CMP(chemical mechanical polishing)、機械研磨後RIEでダメージ層エッチングする操作が挙げられる。   In addition to the steps described above, the production method of the present invention may include a slicing step for slicing the obtained crystal to a desired size, a surface polishing step for polishing the surface, and the like. Specific examples of the slicing step include wire slicing and inner peripheral edge slicing, and the surface polishing step includes, for example, an operation of polishing the surface using abrasive grains such as diamond abrasive grains, CMP (chemical mechanical polishing). An operation of etching a damaged layer by RIE after mechanical polishing can be mentioned.

本発明の製造方法によって製造する周期表第13族金属窒化物結晶の種類は、周期表第13族金属元素を含む窒化物結晶であれば特に限定されないが、例えば、GaN、AlN、InN等の1種類の周期表第13族金属元素からなる窒化物のほかに、GaInN、AlGaN等の2種類以上の周期表第13族金属元素からなる混晶が挙げられる。   The type of periodic table group 13 metal nitride crystal produced by the production method of the present invention is not particularly limited as long as it is a nitride crystal containing a periodic table group 13 metal element, but for example, GaN, AlN, InN, etc. In addition to nitrides composed of one type of periodic table group 13 metal element, mixed crystals composed of two or more types of periodic table group 13 metal elements such as GaInN and AlGaN can be cited.

本発明の製造方法によって製造される周期表第13族金属窒化物結晶は、さまざまな用途に用いることができる。特に紫外〜青色の発光ダイオード又は半導体レーザー等の比較
的短波長側の発光素子、及び緑色〜赤色の比較的長波長側の発光素子を製造するための基板として、さらに電子デバイス等の半導体デバイスの基板としても有用である。
The periodic table group 13 metal nitride crystal produced by the production method of the present invention can be used for various applications. In particular, as a substrate for manufacturing a light emitting element on a relatively short wavelength side such as an ultraviolet to blue light emitting diode or a semiconductor laser, and a light emitting element on a relatively long wavelength side of green to red, it is further used for a semiconductor device such as an electronic device. It is also useful as a substrate.

以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.

<実施例1>
(1)固体のLi3GaN2 1.44gを外径34mm、内径30mm、高さ200mm
のチタン(Ti)製の反応容器に入れ、次いで溶媒としてLiCl 14.4gを、炭化タングステン製乳鉢で粉砕してから反応容器に入れた。固体のLi3GaN2は、篩を使用して710μm以上2mm以下の粒径のものを選んで使用した。次に反応容器とGaNシードを取り付けたタングステン製シード保持棒を石英製の反応管内にセットし、反応管のガス導入口およびガス排気口を閉状態にした。これらの操作は全てArボックス中で行った。
(2)反応管をArボックスから取り出し、電気炉にセットした。反応管にガス導入管をつなぎ、導入管中を減圧にした後、さらに反応管のガス導入口を開いて反応管内を減圧にしてから水素窒素混合ガス(水素10vol%)で大気圧まで復圧し、反応管内を水素窒素混合雰囲気とした。その後、反応管のガス排気口を開き、水素窒素混合ガス(水素10vol%)を流量計設定値100cm3/min(20℃、1atmに対する換算値)で
流通させた。
(3)電気炉の加熱を開始し、反応容器の内部が室温から750℃になるまで1時間で昇温し、塩であるLiClを溶融させた溶融塩を溶媒とした。
(4)750℃で2時間保持した後、シード保持棒の先端に取り付けたシードを反応容器中の溶液(融液)中に投入し、結晶成長を開始した。シードには(20−21)面を主面とするGaN基板(厚み315μm、大きさ5×10mmの板状)を用いた。
(5)750℃で6時間成長させた後、シードを溶液から引き上げてから流通ガスを窒素のみとし流量計設定値100cm3/minで14時間保持した。
(6)水素窒素混合ガス(水素10vol%)を流量計設定値100cm3/min(2
0℃、1atmに対する換算値)で流通させ2時間保持した後、シードを反応容器中の溶液(融液)中に再投入し、7時間の結晶成長を行った。
(7)シードを溶液から引き上げてから流通ガスを窒素のみとし流量計設定値100cm3/minで17時間保持した。
(8)水素窒素混合ガス(水素10vol%)を流量計設定値100cm3/min(2
0℃、1atmに対する換算値)で流通させ2時間保持した後、シードを反応容器中の溶液(融液)中に投入し、8.5時間の結晶成長を行った。
(9)冷却後、反応管からシードを取り出し、シードに付着した塩を水で溶かした。シードの主面にGaN結晶からなるGaN成長層が形成されていた。シード成長時間は積算21.5時間であり、得られた結晶層の成長速度は、25.8μm/dayであった。
<Example 1>
(1) 1.44 g of solid Li 3 GaN 2 having an outer diameter of 34 mm, an inner diameter of 30 mm, and a height of 200 mm
Then, 14.4 g of LiCl as a solvent was pulverized with a mortar made of tungsten carbide and then placed in the reaction vessel. Solid Li 3 GaN 2 having a particle size of 710 μm or more and 2 mm or less was selected and used using a sieve. Next, a tungsten seed holding rod fitted with a reaction vessel and a GaN seed was set in a quartz reaction tube, and the gas inlet and the gas exhaust port of the reaction tube were closed. All these operations were performed in an Ar box.
(2) The reaction tube was taken out from the Ar box and set in an electric furnace. After connecting the gas introduction pipe to the reaction pipe and reducing the pressure inside the introduction pipe, the gas introduction port of the reaction pipe is further opened to reduce the pressure inside the reaction pipe, and then the pressure is restored to atmospheric pressure with a hydrogen nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%). The inside of the reaction tube was a hydrogen / nitrogen mixed atmosphere. Then, the gas exhaust port of the reaction tube was opened, and a hydrogen nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%) was allowed to flow at a flow meter set value of 100 cm 3 / min (converted value for 20 ° C., 1 atm).
(3) Heating of the electric furnace was started, the temperature was raised in one hour until the inside of the reaction vessel reached room temperature to 750 ° C., and a molten salt obtained by melting LiCl as a salt was used as a solvent.
(4) After holding at 750 ° C. for 2 hours, the seed attached to the tip of the seed holding rod was put into the solution (melt) in the reaction vessel to start crystal growth. A GaN substrate (thickness: 315 μm, size: 5 × 10 mm plate shape) having a (20-21) plane as a main surface was used as a seed.
(5) After growing at 750 ° C. for 6 hours, the seed was pulled up from the solution, and then the flow gas was only nitrogen, and the flow meter was set at 100 cm 3 / min for 14 hours.
(6) Hydrogen / nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%) with a flow meter set value of 100 cm 3 / min (2
The mixture was circulated at 0 ° C. and 1 atm) for 2 hours, and then the seed was reintroduced into the solution (melt) in the reaction vessel, and crystal growth was performed for 7 hours.
(7) After raising the seed from the solution, the flow gas was only nitrogen and the flowmeter was set at 100 cm 3 / min for 17 hours.
(8) A hydrogen-nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%) is set to a flow meter set value of 100 cm 3 / min (2
Then, the seed was put into the solution (melt) in the reaction vessel and crystal growth was performed for 8.5 hours.
(9) After cooling, the seed was taken out from the reaction tube, and the salt adhering to the seed was dissolved in water. A GaN growth layer made of a GaN crystal was formed on the main surface of the seed. The seed growth time was 21.5 hours, and the growth rate of the obtained crystal layer was 25.8 μm / day.

<実施例2>
(1)固体のLi3GaN2 1.53gを外径34mm、内径30mm、高さ200mm
のチタン(Ti)製の反応容器に入れ、次いで溶媒としてLiCl 15.6gを、炭化タングステン製乳鉢で粉砕してから反応容器に入れた。固体のLi3GaN2は、篩を使用して710μm以上2mm以下の粒径のものを選んで使用した。次に反応容器とGaNシードを取り付けたタングステン製シード保持棒を石英製の反応管内にセットし、反応管のガス導入口およびガス排気口を閉状態にした。これらの操作は全てArボックス中で行った。
(2)反応管をArボックスから取り出し、電気炉にセットした。反応管にガス導入管をつなぎ、導入管中を減圧にした後、さらに反応管のガス導入口を開いて反応管内を減圧に
してから水素窒素混合ガス(水素10vol%)で大気圧まで復圧し、反応管内を水素窒素混合雰囲気とした。その後、反応管のガス排気口を開き、水素窒素混合ガス(水素10vol%)を流量計設定値100cm3/min(20℃、1atmに対する換算値)で
流通させた。
(3)電気炉の加熱を開始し、反応容器の内部が室温から750℃になるまで1時間で昇温し、塩であるLiClを溶融させた溶融塩を溶媒とした。
(4)750℃で1時間保持した後、シード保持棒の先端に取り付けたシードを反応容器中の溶液(融液)中に投入し、結晶成長を開始した。シードには(20−21)面を主面とするGaN基板(厚み315μm、大きさ5×10mmの板状)を用いた。
(5)750℃で7時間成長させた後、シードを溶液から引き上げてから流通ガスを窒素のみとし流量計設定値100cm3/minで21時間保持した。
(6)水素窒素混合ガス(水素10vol%)を流量計設定値100cm3/min(2
0℃、1atmに対する換算値)で流通させ1時間保持した後、シードを反応容器中の溶液(融液)中に再投入し、7時間の結晶成長を行った。
(7)シードを溶液から引き上げてから流通ガスを窒素のみとし流量計設定値100cm3/minで21時間保持した。
(8)水素窒素混合ガス(水素10vol%)を流量計設定値100cm3/min(2
0℃、1atmに対する換算値)で流通させ1時間保持した後、シードを反応容器中の溶液(融液)中に投入し、7時間の結晶成長を行った。
(9)冷却後、反応管からシードを取り出し、シードに付着した塩を水で溶かした。シードの主面にGaN結晶からなるGaN成長層が形成されていた。シード成長時間は積算21時間で、得られた結晶層の成長速度は、35.6μm/dayであった。
<Example 2>
(1) Solid Li 3 GaN 2 1.53 g, outer diameter 34 mm, inner diameter 30 mm, height 200 mm
Then, 15.6 g of LiCl as a solvent was pulverized with a mortar made of tungsten carbide and then put into the reaction vessel. Solid Li 3 GaN 2 having a particle size of 710 μm or more and 2 mm or less was selected and used using a sieve. Next, a tungsten seed holding rod fitted with a reaction vessel and a GaN seed was set in a quartz reaction tube, and the gas inlet and the gas exhaust port of the reaction tube were closed. All these operations were performed in an Ar box.
(2) The reaction tube was taken out from the Ar box and set in an electric furnace. After connecting the gas introduction pipe to the reaction pipe and reducing the pressure inside the introduction pipe, the gas introduction port of the reaction pipe is further opened to reduce the pressure inside the reaction pipe, and then the pressure is restored to atmospheric pressure with a hydrogen nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%). The inside of the reaction tube was a hydrogen / nitrogen mixed atmosphere. Then, the gas exhaust port of the reaction tube was opened, and a hydrogen nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%) was allowed to flow at a flow meter set value of 100 cm 3 / min (converted value for 20 ° C., 1 atm).
(3) Heating of the electric furnace was started, the temperature was raised in one hour until the inside of the reaction vessel reached room temperature to 750 ° C., and a molten salt obtained by melting LiCl as a salt was used as a solvent.
(4) After holding at 750 ° C. for 1 hour, the seed attached to the tip of the seed holding rod was put into the solution (melt) in the reaction vessel to start crystal growth. A GaN substrate (thickness: 315 μm, size: 5 × 10 mm plate shape) having a (20-21) plane as a main surface was used as a seed.
(5) After growing at 750 ° C. for 7 hours, the seed was pulled out of the solution, and then the flow gas was only nitrogen, and the flowmeter was set at 100 cm 3 / min for 21 hours.
(6) Hydrogen / nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%) with a flow meter set value of 100 cm 3 / min (2
The mixture was circulated at 0 ° C. and converted to 1 atm and held for 1 hour, and then the seed was reintroduced into the solution (melt) in the reaction vessel, and crystal growth was performed for 7 hours.
(7) After raising the seed from the solution, the flow gas was only nitrogen and the flowmeter was set at 100 cm 3 / min for 21 hours.
(8) A hydrogen-nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%) is set to a flow meter set value of 100 cm 3 / min (2
Then, the seed was introduced into the solution (melt) in the reaction vessel and crystal growth was performed for 7 hours.
(9) After cooling, the seed was taken out from the reaction tube, and the salt adhering to the seed was dissolved in water. A GaN growth layer made of a GaN crystal was formed on the main surface of the seed. The seed growth time was 21 hours, and the growth rate of the obtained crystal layer was 35.6 μm / day.

<比較例1>
1)固体のLi3GaN2 1.44gを外径34mm、内径30mm、高さ200mmの
チタン(Ti)製の反応容器に入れ、次いで溶媒としてLiCl 14.4gを、炭化タングステン製乳鉢で粉砕してから反応容器に入れた。固体のLi3GaN2は、篩を使用して710μm以上2mm以下の粒径のものを選んで使用した。次に反応容器とGaNシードを取り付けたタングステン製シード保持棒を石英製の反応管内にセットし、反応管のガス導入口およびガス排気口を閉状態にした。これらの操作は全てArボックス中で行った。
(2)反応管をArボックスから取り出し、電気炉にセットした。反応管にガス導入管をつなぎ、導入管中を減圧にした後、さらに反応管のガス導入口を開いて反応管内を減圧にしてから水素窒素混合ガス(水素10vol%)で大気圧まで復圧し、反応管内を水素窒素混合雰囲気とした。その後、反応管のガス排気口を開き、水素窒素混合ガス(水素10vol%)を流量計設定値100cm3/min(20℃、1atmに対する換算値)で
流通させた。
(3)電気炉の加熱を開始し、反応容器の内部が室温から750℃になるまで1時間で昇温し、塩であるLiClを溶融させた溶融塩を溶媒とした。
(4)750℃で2時間保持した後、シード保持棒の先端に取り付けたシードを反応容器中の溶液(融液)中に投入し、結晶成長を20時間実施した。シードには(20−21)面を主面とするGaN基板(厚み315μm、大きさ5×10mmの板状)を用いた。
(5)冷却後、反応管からシードを取り出し、シードに付着した塩を水で溶かした。シードの主面にGaN結晶からなるGaN成長層が形成されていた。得られた結晶層の成長速度は、18.8〜22.4μm/dayであった。
<Comparative Example 1>
1) Put 1.44 g of solid Li 3 GaN 2 in a reaction vessel made of titanium (Ti) having an outer diameter of 34 mm, an inner diameter of 30 mm, and a height of 200 mm, and then pulverize LiCl 14.4 g as a solvent in a tungsten carbide mortar. After that, it was put in a reaction vessel. Solid Li 3 GaN 2 having a particle size of 710 μm or more and 2 mm or less was selected and used using a sieve. Next, a tungsten seed holding rod fitted with a reaction vessel and a GaN seed was set in a quartz reaction tube, and the gas inlet and the gas exhaust port of the reaction tube were closed. All these operations were performed in an Ar box.
(2) The reaction tube was taken out from the Ar box and set in an electric furnace. After connecting the gas introduction pipe to the reaction pipe and reducing the pressure inside the introduction pipe, the gas introduction port of the reaction pipe is further opened to reduce the pressure inside the reaction pipe, and then the pressure is restored to atmospheric pressure with a hydrogen nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%). The inside of the reaction tube was a hydrogen / nitrogen mixed atmosphere. Then, the gas exhaust port of the reaction tube was opened, and a hydrogen nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%) was allowed to flow at a flow meter set value of 100 cm 3 / min (converted value for 20 ° C., 1 atm).
(3) Heating of the electric furnace was started, the temperature was raised in one hour until the inside of the reaction vessel reached room temperature to 750 ° C., and a molten salt obtained by melting LiCl as a salt was used as a solvent.
(4) After holding at 750 ° C. for 2 hours, the seed attached to the tip of the seed holding rod was put into the solution (melt) in the reaction vessel, and crystal growth was carried out for 20 hours. A GaN substrate (thickness: 315 μm, size: 5 × 10 mm plate shape) having a (20-21) plane as a main surface was used as a seed.
(5) After cooling, the seed was taken out from the reaction tube, and the salt adhering to the seed was dissolved in water. A GaN growth layer made of a GaN crystal was formed on the main surface of the seed. The growth rate of the obtained crystal layer was 18.8 to 22.4 μm / day.

<比較例2>
1)固体のLi3GaN2 1.44gを外径34mm、内径30mm、高さ200mmの
チタン(Ti)製の反応容器に入れ、次いで溶媒としてLiCl 14.4gを、炭化タングステン製乳鉢で粉砕してから反応容器に入れた。固体のLi3GaN2は、篩を使用し
て710μm以上2mm以下の粒径のものを選んで使用した。次に反応容器とGaNシードを取り付けたタングステン製シード保持棒を石英製の反応管内にセットし、反応管のガス導入口およびガス排気口を閉状態にした。これらの操作は全てArボックス中で行った。
(2)反応管をArボックスから取り出し、電気炉にセットした。反応管にガス導入管をつなぎ、導入管中を減圧にした後、さらに反応管のガス導入口を開いて反応管内を減圧にしてから水素窒素混合ガス(水素10vol%)で大気圧まで復圧し、反応管内を水素窒素混合雰囲気とした。その後、反応管のガス排気口を開き、水素窒素混合ガス(水素10vol%)を流量計設定値100cm3/min(20℃、1atmに対する換算値)で
流通させた。
(3)電気炉の加熱を開始し、反応容器の内部が室温から750℃になるまで1時間で昇温し、塩であるLiClを溶融させた溶融塩を溶媒とした。
(4)750℃で15時間保持した後、シード保持棒の先端に取り付けたシードを反応容器中の溶液(融液)中に投入し、7時間の結晶成長を実施した。シードには(20−21)面を主面とするGaN基板(厚み315μm、大きさ5×10mmの板状)を用いた。(5)冷却後、反応管からシードを取り出し、シードに付着した塩を水で溶かした。シードの主面にGaN結晶からなるGaN成長層が形成されていた。得られた結晶層の成長速度は、13.4μm/dayであった。
<Comparative example 2>
1) Put 1.44 g of solid Li 3 GaN 2 in a reaction vessel made of titanium (Ti) having an outer diameter of 34 mm, an inner diameter of 30 mm, and a height of 200 mm, and then pulverize LiCl 14.4 g as a solvent in a tungsten carbide mortar. After that, it was put in a reaction vessel. Solid Li 3 GaN 2 having a particle size of 710 μm or more and 2 mm or less was selected and used using a sieve. Next, a tungsten seed holding rod fitted with a reaction vessel and a GaN seed was set in a quartz reaction tube, and the gas inlet and the gas exhaust port of the reaction tube were closed. All these operations were performed in an Ar box.
(2) The reaction tube was taken out from the Ar box and set in an electric furnace. After connecting the gas introduction pipe to the reaction pipe and reducing the pressure inside the introduction pipe, the gas introduction port of the reaction pipe is further opened to reduce the pressure inside the reaction pipe, and then the pressure is restored to atmospheric pressure with a hydrogen nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%). The inside of the reaction tube was a hydrogen / nitrogen mixed atmosphere. Then, the gas exhaust port of the reaction tube was opened, and a hydrogen nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%) was allowed to flow at a flow meter set value of 100 cm 3 / min (converted value for 20 ° C., 1 atm).
(3) Heating of the electric furnace was started, the temperature was raised in one hour until the inside of the reaction vessel reached room temperature to 750 ° C., and a molten salt obtained by melting LiCl as a salt was used as a solvent.
(4) After holding at 750 ° C. for 15 hours, the seed attached to the tip of the seed holding rod was put into the solution (melt) in the reaction vessel, and crystal growth was carried out for 7 hours. A GaN substrate (thickness: 315 μm, size: 5 × 10 mm plate shape) having a (20-21) plane as a main surface was used as a seed. (5) After cooling, the seed was taken out from the reaction tube, and the salt adhering to the seed was dissolved in water. A GaN growth layer made of a GaN crystal was formed on the main surface of the seed. The growth rate of the obtained crystal layer was 13.4 μm / day.

表1の結果から、正反応促進工程のみならず、逆反応促進工程を含むことにより、結晶成長速度の低下を抑制し、長時間安定的に結晶成長を進めることができることが明らかである。   From the results of Table 1, it is clear that by including not only the normal reaction promoting step but also the reverse reaction promoting step, it is possible to suppress a decrease in the crystal growth rate and to proceed with the crystal growth stably for a long time.

100 種結晶(GaN)
101 原料(Li3GaN2
102 液相(溶液又は融液 LiCl)
103 ワイヤー
104 反応容器
105 反応管
106 ガス排気管
107 調節弁
108 シード(種結晶)保持具
109 調節弁
110 ガス導入管
111 電気炉
100 seed crystals (GaN)
101 Raw material (Li 3 GaN 2 )
102 Liquid phase (solution or melt LiCl)
103 Wire 104 Reaction vessel 105 Reaction tube 106 Gas exhaust tube 107 Control valve 108 Seed (seed crystal) holder 109 Control valve 110 Gas introduction tube 111 Electric furnace

Claims (4)

原料及び溶媒を含む溶液又は融液を作製する工程と、前記溶液又は融液である液相並びに気相の存在下、前記液相中で周期表第13族金属窒化物結晶をエピタキシャル成長させる成長工程とを含む周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法であって、
前記成長工程が、前記気相に下記式(1)の条件を満たすようにガスを導入する正反応促進工程及び逆反応促進工程を含み、
前記正反応促進工程に使用した前記溶液又は融液を前記逆反応促進工程に使用し、前記逆反応促進工程に使用した前記溶液又は融液を前記正反応促進工程で使用することを特徴とする周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。
F>CR ・・・ (1)
(式(1)中、CFは正反応促進工程において前記気相に導入するガスの水素元素濃度を
表し、CRは逆反応促進工程において前記気相に導入するガスの水素元素濃度を表す。但
し、CF>0、CR≧0である。)
A step of producing a solution or melt containing a raw material and a solvent, and a growth step of epitaxially growing a group 13 metal nitride crystal of the periodic table in the liquid phase in the presence of a liquid phase and a gas phase as the solution or melt. A method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal comprising:
The growth step includes a forward reaction promoting step and a reverse reaction promoting step of introducing gas so as to satisfy the condition of the following formula (1) in the gas phase:
The solution or melt used in the forward reaction promotion step is used in the reverse reaction promotion step, and the solution or melt used in the reverse reaction promotion step is used in the forward reaction promotion step. A method for producing a Group 13 metal nitride crystal of the periodic table.
C F > C R (1)
(In Formula (1), C F represents the hydrogen element concentration of the gas introduced into the gas phase in the forward reaction promotion step, and C R represents the hydrogen element concentration of the gas introduced into the gas phase in the reverse reaction promotion step. (However, C F > 0 and C R ≧ 0.)
前記正反応促進工程において前記気相に導入するガスが水素含有ガスを含むものであり、前記逆反応促進工程において前記気相に導入するガスが窒素含有ガス及び/又は不活性ガスを含むものである、請求項1に記載の周期表第13族窒化物結晶の製造方法。   The gas introduced into the gas phase in the forward reaction promoting step includes a hydrogen-containing gas, and the gas introduced into the gas phase in the reverse reaction promoting step includes a nitrogen-containing gas and / or an inert gas. The manufacturing method of the periodic table group 13 nitride crystal of Claim 1. 前記溶液又は融液が、周期表第1族金属元素及び/又は周期表第2族金属元素を含むものである、請求項1又は2に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。   The manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride crystal | crystallization of Claim 1 or 2 whose said solution or melt contains a periodic table group 1 metal element and / or a periodic table group 2 metal element. 前記成長工程が、周期表第13族金属元素と周期表第13族金属元素以外の金属元素とを含有する複合窒化物を原料として用いるものである、請求項1乃至3の何れか1項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。   4. The method according to claim 1, wherein the growth step uses, as a raw material, a composite nitride containing a periodic table group 13 metal element and a metal element other than the periodic table group 13 metal element. 5. The manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride crystal of description.
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