JP2013227661A - Method for producing group iii nitride crystal - Google Patents

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Hirofumi Nagaoka
裕文 長岡
Masashi Ikari
賢史 碇
Yoshinori Suzuki
敬紀 鈴木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method by which a group III nitride crystal can be mass-produced at a high yield and low cost.SOLUTION: In a method for producing a group III nitride crystal, a group III nitride crystal to be synthesized in a reaction vessel is allowed to adhere to a structure disposed in the reaction vessel. A ratio (B/A) between an inner surface area A of the reaction vessel and a surface area B of the structure is 0.3 or more.

Description

本発明は、原料を効率良く利用したIII族窒化物結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a group III nitride crystal using raw materials efficiently.

GaN基板などのIII族窒化物半導体基板は、青色発光ダイオード(LED)や青色半導体レーザ(LD)用の単結晶基板を始めとして幅広い用途に応用されている。また、その需要はますます高まることが期待されている。このため、III族窒化物半導体基板を製造するにあたり、III族窒化物多結晶を原料としてIII族窒化物単結晶を製造する方法が種々検討されている。例えば、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含有溶媒を用いて、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アモノサーマル法によってIII族窒化物単結晶を製造し、III族窒化物半導体基板へ加工することが検討されている。このような方法によりIII族窒化物単結晶を量産するためには、窒化物多結晶などのような原料となるIII族窒化物結晶を収率よく安価に量産できる方法が必要である。   Group III nitride semiconductor substrates such as GaN substrates have been applied to a wide range of applications including single crystal substrates for blue light emitting diodes (LEDs) and blue semiconductor lasers (LDs). The demand is expected to increase further. For this reason, various methods for producing a group III nitride single crystal using a group III nitride polycrystal as a raw material have been studied in producing a group III nitride semiconductor substrate. For example, using a nitrogen-containing solvent such as ammonia in a supercritical state and / or a subcritical state, a group III nitride single crystal is produced by an ammonothermal method in which a desired material is produced using a dissolution-precipitation reaction of raw materials. Is manufactured and processed into a group III nitride semiconductor substrate. In order to mass-produce a group III nitride single crystal by such a method, a method capable of mass-producing a group III nitride crystal serving as a raw material such as a nitride polycrystal with high yield and low cost is required.

窒化ガリウム結晶を始めとするIII族窒化物結晶の製造方法については、これまでに数
多くの検討がなされてきている。
例えば、特許文献1には、反応管内で塩化ガリウムを生成させながら、アンモニアガスを導入することにより、窒化ガリウム結晶核上で反応させて結晶を成長させる方法が記載されている。成長させた窒化ガリウム結晶は、ガス流の下流に設置されたフィルターで収集し、反応に供さずに残留したガスは排出している。
Numerous studies have been made so far on methods for producing Group III nitride crystals including gallium nitride crystals.
For example, Patent Document 1 describes a method of growing crystals by reacting on gallium nitride crystal nuclei by introducing ammonia gas while generating gallium chloride in a reaction tube. The grown gallium nitride crystal is collected by a filter installed downstream of the gas flow, and the remaining gas is discharged without being subjected to the reaction.

特許文献2には、内壁表面を非酸化物で形成した反応容器中で金属ガリウムから窒化ガリウム結晶を製造する方法が記載されている。内壁表面を非酸化物とすることによって、不純物が少なくて高品質な窒化ガリウム結晶を得ることが可能であり、得られる窒化ガリウム結晶の回収率を高くすることができることが記載されている。   Patent Document 2 describes a method for producing a gallium nitride crystal from metal gallium in a reaction vessel having an inner wall surface formed of a non-oxide. It is described that by making the inner wall surface non-oxide, it is possible to obtain a high-quality gallium nitride crystal with few impurities, and the recovery rate of the obtained gallium nitride crystal can be increased.

特許文献3には、反応容器内のサセプター上に設置した下地基板の周囲に種結晶を配置して窒化ガリウム結晶を成長させる方法が記載されている。下地基板の周囲に種結晶を配置しておくことによって、種結晶上への多結晶の発生を抑制し、下地基板上に単結晶を高速で成長させうることが記載されている。   Patent Document 3 describes a method of growing a gallium nitride crystal by disposing a seed crystal around a base substrate placed on a susceptor in a reaction vessel. It is described that by arranging a seed crystal around the base substrate, generation of polycrystals on the seed crystal can be suppressed and a single crystal can be grown on the base substrate at high speed.

特開2003−63810号公報JP 2003-63810 A 特開2006−83055号公報JP 2006-83055 A 特開2011−246323号公報JP 2011-246323 A

従来提案されている窒化ガリウム結晶の製造方法は、いずれも収率が10%以下と低く、量産には向かないという課題を抱えている。例えば、特許文献1に記載される方法は、生成したGaN結晶をフィルターで収集し、反応に供さずに残留したGaを含むガスを排出するものであることから、原料の利用効率は低いものであった。また、特許文献2に記載される方法は、反応容器の内壁への窒化物結晶の付着量が多いため、回収に困難が伴い、収率を高くすることができないものであった。さらに特許文献3に記載される方法は、高品質なGaN結晶を得ることはできても、原料利用効率は極めて低かった。
このような従来技術の課題を考慮して、本発明者らは、III族窒化物結晶を収率よく安価に量産できる方法を提供することを目的として検討を進めた。
Conventionally proposed methods for producing gallium nitride crystals all have a low yield of 10% or less and have a problem that they are not suitable for mass production. For example, the method described in Patent Document 1 collects the produced GaN crystals with a filter and discharges the gas containing Ga that remains without being subjected to the reaction, so that the raw material utilization efficiency is low. Met. In addition, the method described in Patent Document 2 has a difficulty in recovery due to the large amount of nitride crystals adhering to the inner wall of the reaction vessel, and the yield cannot be increased. Furthermore, although the method described in Patent Document 3 can obtain a high-quality GaN crystal, the raw material utilization efficiency is extremely low.
In view of such problems of the prior art, the present inventors have studied for the purpose of providing a method capable of mass-producing group III nitride crystals with high yield and low cost.

本発明者らが鋭意検討を進めた結果、反応容器内に特定の構造体を設置しておいて、その構造体に生成したIII族窒化物結晶を付着させることが極めて有効であることを見出した。本発明はこのような発見に基づいてなされたものであり、課題を解決する手段として、以下の構成を提供するものである。   As a result of diligent investigations by the present inventors, it has been found that it is extremely effective to install a specific structure in the reaction vessel and attach the generated group III nitride crystal to the structure. It was. The present invention has been made based on such discovery, and provides the following configuration as means for solving the problems.

[1] 反応容器内で合成されるIII族窒化物結晶を前記反応容器内に設置された構造体に付着させるIII族窒化物結晶の製造方法であって、前記反応容器の内表面積Aと前記構造体の表面積Bの比(B/A)が0.3以上であることを特徴とするIII族窒化物結晶の製造方法。
[2] 前記構造体の表面粗さ(Ra)が10μm以下である、[1]に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[3] 前記構造体の表面粗さ(Ra)が1.45μm以下である、[2]に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[4] 反応容器に供給されたIII族金属原料の全量のうち、10重量%以上を前記反応容器内に設置された構造体に付着させる、[1]〜[3]のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[5] 前記構造体の表面の材質が炭素化合物、珪素化合物またはチッ化ホウ素である、[1]〜[4]のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[6] 前記構造体の表面の材質がパイロリティックボロンナイトライドまたは熱分解性カーボンである、[5]に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[7] 前記構造体の形状が板状、棒状または網目状である、[1]〜[6]のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[8] 前記III族窒化物結晶の合成をハイドライド気相堆積(HVPE)法で行う、[1]〜[7]のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[9] 前記ハイドライド気相堆積(HVPE)法でIII族窒化物結晶を成長させる際に、キャリアガスとして窒素ガスおよび水素ガスを用い、前記反応容器に導入する窒素ガス流量Nと水素ガス流量Hの比(N/H)を1.0以上とする、[8]に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[10] 前記III族窒化物結晶の合成速度が0.2kg/day以上である、[1]〜[9]のいずれかに記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
[11] [1]〜[10]のいずれかに記載の製造方法で製造したIII族窒化物結晶。
[12] 酸素濃度が80重量ppm以下である、[11]に記載のIII族窒化物結晶。
[13] 最大粒径が100μm以上である、[11]または[12]に記載のIII族窒化物結晶。
[1] A method for producing a group III nitride crystal in which a group III nitride crystal synthesized in a reaction vessel is attached to a structure installed in the reaction vessel, the inner surface area A of the reaction vessel A method for producing a group III nitride crystal, wherein the ratio of the surface area B of the structure (B / A) is 0.3 or more.
[2] The method for producing a group III nitride crystal according to [1], wherein the structure has a surface roughness (Ra) of 10 μm or less.
[3] The method for producing a group III nitride crystal according to [2], wherein the structure has a surface roughness (Ra) of 1.45 μm or less.
[4] The total amount of group III metal raw material supplied to the reaction vessel, 10% by weight or more is attached to the structure installed in the reaction vessel, according to any one of [1] to [3] A method for producing a group III nitride crystal.
[5] The method for producing a group III nitride crystal according to any one of [1] to [4], wherein the material of the surface of the structure is a carbon compound, a silicon compound, or boron nitride.
[6] The method for producing a Group III nitride crystal according to [5], wherein the material of the surface of the structure is pyrolytic boron nitride or pyrolytic carbon.
[7] The method for producing a group III nitride crystal according to any one of [1] to [6], wherein the structure has a plate shape, a rod shape, or a mesh shape.
[8] The method for producing a group III nitride crystal according to any one of [1] to [7], wherein the synthesis of the group III nitride crystal is performed by a hydride vapor phase deposition (HVPE) method.
[9] When growing a group III nitride crystal by the hydride vapor phase deposition (HVPE) method, nitrogen gas flow rate N and hydrogen gas flow rate H introduced into the reaction vessel using nitrogen gas and hydrogen gas as carrier gases The method for producing a group III nitride crystal according to [8], wherein the ratio (N / H) of the above is 1.0 or more.
[10] The method for producing a group III nitride crystal according to any one of [1] to [9], wherein the synthesis rate of the group III nitride crystal is 0.2 kg / day or more.
[11] A group III nitride crystal produced by the production method according to any one of [1] to [10].
[12] The group III nitride crystal according to [11], wherein the oxygen concentration is 80 ppm by weight or less.
[13] The group III nitride crystal according to [11] or [12], wherein the maximum particle size is 100 μm or more.

本発明の製造方法によれば、III族窒化物結晶を収率よく安価に製造することができる。また、本発明の製造方法はIII族窒化物結晶の大量生産にも向いている。   According to the production method of the present invention, a group III nitride crystal can be produced with good yield and low cost. The production method of the present invention is also suitable for mass production of group III nitride crystals.

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. 構造体の構造例を示す上面図である。It is a top view which shows the structural example of a structure. 構造体の構造例を示す上面図である。It is a top view which shows the structural example of a structure. 構造体の構造例を示す上面図である。It is a top view which shows the structural example of a structure. 構造体の構造例を示す上面図である。It is a top view which shows the structural example of a structure. 構造体の構造例を示す上面図である。It is a top view which shows the structural example of a structure.

以下において、本発明のIII族窒化物結晶の製造方法、およびそれに用いる結晶製造装置や部材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。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、「%」との表記は特に断りがない限りは「重量%」を意味する。   Hereinafter, the method for producing a group III nitride crystal of the present invention and the crystal production apparatus and members used therefor will be described 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 the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value. Further, the notation “%” means “% by weight” unless otherwise specified.

[III族窒化物結晶の製造方法]
(特徴)
本発明のIII族窒化物結晶の製造方法では、反応容器内でIII族金属原料を反応させて合成されるIII族窒化物結晶を反応容器内に設置された構造体に付着させる。特に、本発明においては、前記反応容器の内表面積Aと前記構造体の表面積Bの比(B/A)が0.3以上であることを特徴とする。また、本発明においては、III族金属原料の全量のうち10重量%以上を前記反応容器内に設置された構造体に付着させることができる。
従来の製造方法では、反応容器内に設置された小さな下地基板や種結晶の表面にIII族窒化物結晶を成長させることが主として行われているが、この方法では大量の原料を使用する一方で、得られるIII族窒化物結晶は僅かである。ここでは、反応容器の内壁やサセプターなどの部材の表面にIII族窒化物結晶が析出して無駄になったり、反応に使用されなかった原料が反応容器外へ排出されたりして無駄になっていた。本発明にしたがって反応容器内に構造体を設置し、その構造体に合成したIII族窒化物結晶を付着させれば、原料の利用効率を上げることができるとともに、反応容器の内壁や部材に付着して無駄になるIII族窒化物結晶を減らすことができる。
[Production Method of Group III Nitride Crystal]
(Feature)
In the group III nitride crystal production method of the present invention, a group III nitride crystal synthesized by reacting a group III metal raw material in a reaction vessel is attached to a structure installed in the reaction vessel. In particular, the present invention is characterized in that the ratio (B / A) of the inner surface area A of the reaction vessel to the surface area B of the structure is 0.3 or more. Moreover, in this invention, 10 weight% or more can be made to adhere to the structure installed in the said reaction container among the whole quantity of a group III metal raw material.
In the conventional manufacturing method, a group III nitride crystal is mainly grown on the surface of a small base substrate or a seed crystal placed in a reaction vessel, but this method uses a large amount of raw material. There are few Group III nitride crystals obtained. Here, a group III nitride crystal is deposited on the inner wall of the reaction vessel or the surface of a member such as a susceptor and is wasted, or raw materials not used in the reaction are discharged out of the reaction vessel. It was. By installing the structure in the reaction vessel according to the present invention and attaching the synthesized group III nitride crystal to the structure, the utilization efficiency of the raw materials can be increased, and the attachment to the inner wall and members of the reaction vessel As a result, wasteful group III nitride crystals can be reduced.

(付着率)
本発明では、反応容器内でIII族金属原料を反応させて合成されるIII族窒化物結晶の製造方法において、III族金属原料の全量のうち10重量%以上を前記反応容器内に設置された構造体に付着させることができる。
ここで、III族金属原料としては、反応容器内でのIII族窒化物結晶を合成するために供給されるGa、In、AlといったIII族金属原料をさす。よって、反応容器に供給されたIII族金属原料の全量のうち、反応容器内に設置された構造体に付着させる量の割合(以下、付着率と称する場合がある。)を10重量%以上とすると、効率よくIII族窒化物結晶を製造することが可能となる。付着率は、20重量%以上とすることが好ましく、30重量%とすることがより好ましく、40重量%とすることがさらに好ましい。
なお、詳しくは後述するが、反応容器内に供給されるIII族原料は、必ずしもIII族金属の状態ではなく、III族元素を含む化合物などとしてガスなどの形態で供給される場合もある。このような場合には、「III族金属原料の全量」とは反応容器内に供給されたIII族金属およびIII族元素を含む化合物に含まれるIII族金属の総量を意味するものとする。また、構造体に付着されるIII族金属原料の量としては、III族金属の状態で付着したものだけでなく、III族金属原料を反応させて合成されたIII族窒化物結晶を含む量を意味するものとする。以上のことから、付着率の算出方法としては、具体的に以下のような場合が考えられる。例えば、金属GaにHClを吹き付けて反応容器内にGaClを供給し、該GaClとNH3とが反応することによりGaNが合成されるような場合には、III族金属原料の全量は反応容器内に供給された金属GaおよびGaCl中のGaの総重量であり、このうち構造体に付着した金属GaおよびGaN中のGaの総重量の割合が付着率となる。
(Adhesion rate)
In the present invention, in the method for producing a group III nitride crystal synthesized by reacting a group III metal raw material in a reaction vessel, 10% by weight or more of the total amount of the group III metal raw material is placed in the reaction vessel. It can be attached to the structure.
Here, the group III metal raw material refers to a group III metal raw material such as Ga, In, and Al supplied for synthesizing a group III nitride crystal in the reaction vessel. Therefore, of the total amount of the Group III metal raw material supplied to the reaction vessel, the ratio of the amount to be attached to the structure installed in the reaction vessel (hereinafter sometimes referred to as the adhesion rate) is 10% by weight or more. Then, a group III nitride crystal can be produced efficiently. The adhesion rate is preferably 20% by weight or more, more preferably 30% by weight, and still more preferably 40% by weight.
As will be described in detail later, the Group III raw material supplied into the reaction vessel is not necessarily in the state of a Group III metal, but may be supplied in the form of a gas or the like as a compound containing a Group III element. In such a case, the “total amount of the Group III metal raw material” means the total amount of the Group III metal contained in the compound containing the Group III metal and the Group III element supplied into the reaction vessel. In addition, the amount of the group III metal raw material attached to the structure is not only the amount attached in the state of the group III metal but also the amount including the group III nitride crystal synthesized by reacting the group III metal raw material. Shall mean. From the above, as a method for calculating the adhesion rate, the following cases can be specifically considered. For example, in a case where GaN is synthesized by spraying HCl onto metal Ga and supplying GaCl into the reaction vessel and reacting the GaCl and NH 3 , the total amount of the Group III metal raw material is within the reaction vessel. Is the total weight of Ga in the metal Ga and GaCl supplied to the metal, and the ratio of the total weight of the metal Ga attached to the structure and Ga in the GaN is the adhesion rate.

(構造体の表面積)
本発明で用いる構造体は、構造体を設置する反応容器の内表面積を考慮したうえでその構造を決定することで、上述の付着率を所定の範囲にすることができる。反応容器の内表面積をAとし、構造体の表面積をBとするとき、反応容器の内表面積と反応容器の内表面積の比(B/A)は0.3以上とする。反応容器の内表面積と反応容器の内表面積の比(B/A)を0.3以上とすることによって、原料をより効率良く構造体の表面に付着させることができる。それによって、反応容器の内壁に付着するIII族窒化物結晶の量を低減することができる。このため、III族窒化物結晶の収率を一段と上げることができる。比(B/A)の値は、1以上とすることがより好ましく、1.5以上とすることがさらに好ましく、5以上とすることが特に好ましい。上限値は例えば30以下とすることができ、20以下とすることが好ましく、15以下とすることがより好ましい。
ここでいう反応容器の内表面積Aとは、反応容器内に導入する材料やガスが接触することが可能な内表面の総面積を意味する。例えば、反応容器内に部材を設置したことにより、反応容器内の一部の内表面が当該部材によって覆われている場合は、そのようにして覆われている部分の面積はカウントしない。また、ここでいう構造体の表面積Bも、反応容器内に導入する材料やガスが接触することが可能な表面の総面積を意味する。例えば、構造体をサセプター上に設置したときにサセプターに接触して隠れている表面はカウントしない。また、構造体を固定するために用いる固定具に接触して隠れている表面もカウントしない。
(Surface area of the structure)
By determining the structure of the structure used in the present invention in consideration of the inner surface area of the reaction vessel in which the structure is installed, the above-described adhesion rate can be within a predetermined range. When the inner surface area of the reaction vessel is A and the surface area of the structure is B, the ratio (B / A) of the inner surface area of the reaction vessel to the inner surface area of the reaction vessel is 0.3 or more. By setting the ratio (B / A) of the inner surface area of the reaction vessel to the inner surface area of the reaction vessel to be 0.3 or more, the raw material can be more efficiently attached to the surface of the structure. Thereby, the amount of group III nitride crystals adhering to the inner wall of the reaction vessel can be reduced. For this reason, the yield of the group III nitride crystal can be further increased. The value of the ratio (B / A) is more preferably 1 or more, further preferably 1.5 or more, and particularly preferably 5 or more. The upper limit can be, for example, 30 or less, preferably 20 or less, and more preferably 15 or less.
Here, the inner surface area A of the reaction vessel means the total area of the inner surface with which the material or gas introduced into the reaction vessel can come into contact. For example, if a part of the inner surface of the reaction container is covered with the member by installing the member in the reaction container, the area of the part covered in that way is not counted. Moreover, the surface area B of the structure here also means the total area of the surface where the material or gas introduced into the reaction vessel can come into contact. For example, surfaces that are hidden by contact with the susceptor when the structure is placed on the susceptor are not counted. Also, the surface hidden by contact with the fixture used to fix the structure is not counted.

(構造体の表面粗さ)
本発明で用いる構造体は、表面が平滑なものであることが好ましい。構造体の表面粗さ(Ra)は10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましく、3μm以下であることがさらに好ましい。最も好ましくは1.45μm以下である。構造体の表面粗さを10μm以下にすることによって、構造体へのIII族窒化物結晶の付着効率を一段と上げることができる。さらに、構造体の表面粗さを1.45μm以下にすることによって、構造体とIII族窒化物結晶の剥離性が向上できる。但し、0.5μmよりも小さくなると再び剥離性が低下するので、0.5μm以上であることが好ましい。なお、本発明で用いる構造体は、すべてが同様に平滑であってもよいし、表面粗さが異なる部分が混在しているものであってもよい。例えば、表面粗さが異なる部材を組み合わせた構造体を用いることも可能である。
(Surface roughness of the structure)
The structure used in the present invention preferably has a smooth surface. The surface roughness (Ra) of the structure is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, and even more preferably 3 μm or less. Most preferably, it is 1.45 μm or less. By making the surface roughness of the structure 10 μm or less, the deposition efficiency of the group III nitride crystal to the structure can be further increased. Furthermore, the peelability between the structure and the group III nitride crystal can be improved by setting the surface roughness of the structure to 1.45 μm or less. However, if it becomes smaller than 0.5 μm, the peelability is lowered again, so that it is preferably 0.5 μm or more. In addition, all the structures used in the present invention may be similarly smooth, or may have a mixture of portions having different surface roughness. For example, it is possible to use a structure in which members having different surface roughness are combined.

なお、本発明でいう表面粗さ(Ra)は、東京精密社製商品名サーフコムにより測定した値である。   In addition, the surface roughness (Ra) as used in the field of this invention is the value measured by the brand name Surfcom by Tokyo Seimitsu Co., Ltd.

(構造体の材質)
本発明で用いる構造体としては、得られるIII族窒化物結晶と異なる材料であることが好ましく、付着したIII族窒化物結晶が構造体と一体とはならずに剥離できるものであることが好ましい。構造体の材質は、III族窒化物結晶を付着させやすい性質を持っていて、付着した窒化物結晶を表面に保持しやすく、なおかつ、III族窒化物結晶と反応しない材料の中から選択することが好ましい。そのような材料として、陶磁器、耐火レンガ等の耐火物、酸化物、窒化物、炭化物等を焼結した焼結材料が挙げられる。例えば、炭素化合物、珪素化合物、チッ化ホウ素を挙げることができる。また、非酸化物であることが、得られるIII族窒化物結晶中の酸素濃度を抑えることができる点で好ましい。構造体の好ましい材料としては、SiC、Si34、BN、カーボン、グラファイトを挙げることができ、好ましくはこれらの多結晶や焼結体であり、より好ましくは、パイロリティックボロンナイトライド(pBN)や熱分解性カーボンを挙げることができる。
(Material of structure)
The structure used in the present invention is preferably a material different from the obtained group III nitride crystal, and preferably the attached group III nitride crystal can be peeled off without being integrated with the structure. . The material of the structure must be selected from materials that have the property of easily adhering group III nitride crystals, that can easily hold the adhering nitride crystals on the surface, and that do not react with group III nitride crystals. Is preferred. Examples of such materials include sintered materials obtained by sintering refractories such as ceramics and refractory bricks, oxides, nitrides, carbides and the like. For example, a carbon compound, a silicon compound, and boron nitride can be mentioned. Moreover, it is preferable that it is a non-oxide at the point which can suppress the oxygen concentration in the group III nitride crystal obtained. Examples of preferable materials for the structure include SiC, Si 3 N 4 , BN, carbon, and graphite. These are preferably polycrystals or sintered bodies, and more preferably pyrolytic boron nitride (pBN). And pyrolytic carbon.

構造体は、そのすべてが上記の材料から構成されているものであってもよいし、表面だけが上記の材料でコーティングされているものであってもよい。また、本発明で用いる構造体の表面は、上記のうちの1種の材料のみから構成されているものであってもよいし、2種以上の材料から構成されているものであってもよい。例えば、異なる材料から構成される複数の部材を組み合わせた構造体を用いることも可能である。   The structure may be composed entirely of the above-mentioned material, or only the surface may be coated with the above-mentioned material. Further, the surface of the structure used in the present invention may be composed of only one of the above materials, or may be composed of two or more materials. . For example, it is possible to use a structure in which a plurality of members made of different materials are combined.

(構造体の形状)
本発明で用いる構造体の形状は、なるべくIII族窒化物結晶を付着させやすい構造であることが好ましい。そのためには、反応容器内に流動する原料ガスや結晶核に接触しやすい構造を有していることが好ましい。また、反応容器内に占める空間も、ある程度大きいことが好ましい。
構造体は、単一の部材から構成されているものであってもよいし、複数の部材から構成されているものであってもよい。そのような構成部材として、板状体、棒状体、ブロック体などを例示することができる。板状体は、厚みが比較的薄くて平面状の広がりを有するものであり、厚みは好ましくは2mm以上、より好ましくは4mm以上にし、また、好ましくは15mm以下、より好ましくは10mm以下にする。平面の形状は円形、楕円形、矩形、星形など様々な形状とすることが可能であるが、円形、楕円形、四角形であるものが好ましい。棒状体は、長さが50mm以上であるものが好ましく、100mm以上であるものがより好ましく、上限は反応容器内に収まる大きさとなる。棒状体の径は2mm以上であるものが好ましく、4mm以上であるものがより好ましく、また、15mm以下であるものが好ましく、10mm以下であるものがより好ましい。ブロック体は、塊状を有するものであり、球状、ラグビーボール状、直方体、長方体など種々の形状をとることができる。
(Structure shape)
The shape of the structure used in the present invention is preferably a structure that allows group III nitride crystals to adhere as much as possible. For this purpose, it is preferable to have a structure that is easy to come into contact with the raw material gas and the crystal nucleus flowing in the reaction vessel. Further, the space occupied in the reaction vessel is preferably large to some extent.
The structure may be composed of a single member or may be composed of a plurality of members. Examples of such constituent members include plate-like bodies, rod-like bodies, block bodies, and the like. The plate-like body is relatively thin and has a planar spread, and the thickness is preferably 2 mm or more, more preferably 4 mm or more, and preferably 15 mm or less, more preferably 10 mm or less. The shape of the plane can be various shapes such as a circle, an ellipse, a rectangle, and a star, but a shape that is a circle, an ellipse, and a rectangle is preferable. The rod-like body preferably has a length of 50 mm or more, more preferably 100 mm or more, and the upper limit is a size that can be accommodated in the reaction vessel. The rod-shaped body preferably has a diameter of 2 mm or more, more preferably 4 mm or more, more preferably 15 mm or less, and even more preferably 10 mm or less. The block body has a lump shape, and can take various shapes such as a spherical shape, a rugby ball shape, a rectangular parallelepiped shape, and a rectangular parallelepiped shape.

構造体を構成する部材には、貫通孔が形成されていてもよい。そのような貫通孔の径は2mm以上であるものが好ましく、8mm以上であるものがより好ましく、また、50mm以下であるものが好ましく、30mm以下であるものがより好ましい。例えば、板状体に貫通孔を設けることができる。貫通孔は、規則的に設けられていてもよいし、不規則に設けられていてもよい。また、貫通孔は板状体に孔を開けることにより形成されたものに限定されるものではなく、糸状体を織り込むことにより形成したり、網状成形型により成形したりすることにより形成される網目状物であってもよい。   A through-hole may be formed in a member constituting the structure. The diameter of such a through hole is preferably 2 mm or more, more preferably 8 mm or more, more preferably 50 mm or less, and even more preferably 30 mm or less. For example, a through-hole can be provided in the plate-like body. The through-holes may be provided regularly or irregularly. Further, the through hole is not limited to the one formed by making a hole in the plate-like body, and is formed by weaving a thread-like body or by forming with a net-like mold. It may be a product.

構造体の具体例について図面を参照しながら説明する。図2〜図6は、構造体の上面図である。ここでいう「上」とは、反応容器内における原料供給元の方向を意味し、原料は上から下に向かって供給される。図2の構造体は、図示するように放射状に構成された板状体1の間に棒状体2を設置したものである。板状体も棒状体も上下方向に伸長している。図3の構造体は、1枚の板状体1に多数の貫通孔3が規則的に設けられた構造を有している。貫通孔を通してガスや結晶核が移動できる構造になっている。図4の構造体は、複数の棒状体2が規則的に配列しているものである。各棒状体は、上下方向に伸長しており、すべて同一の形状とサイズを有している。棒状体は、図示していない固定具によって互いに固定されている。図5の構造体は、複数の板状体1が一定の間隔を空けて規則的に配列しているものである。各板状体は、上下方向に伸長しており、すべて同一の形状とサイズを有している。板状体は、図示していない固定具によって互いに固定されている。図6の構造体は、ブロック4からなる構造体である。このブロックは長方形をしている。
以上の図示した構造体の態様は、具体例として挙げたものであり、本発明で用いることができる構造体はこれらの構造体に限定されるものではない。
Specific examples of the structure will be described with reference to the drawings. 2 to 6 are top views of the structure. Here, “upper” means the direction of the raw material supply source in the reaction vessel, and the raw material is supplied from the top to the bottom. The structure shown in FIG. 2 is a structure in which rod-like bodies 2 are installed between plate-like bodies 1 configured radially as shown in the figure. Both the plate-like body and the rod-like body extend in the vertical direction. The structure shown in FIG. 3 has a structure in which a large number of through holes 3 are regularly provided in one plate-like body 1. The gas and crystal nuclei can move through the through-holes. In the structure of FIG. 4, a plurality of rod-like bodies 2 are regularly arranged. Each rod-like body extends in the vertical direction, and all have the same shape and size. The rod-shaped bodies are fixed to each other by a fixing tool (not shown). The structure shown in FIG. 5 is a structure in which a plurality of plate-like bodies 1 are regularly arranged with a constant interval. Each plate-like body extends in the vertical direction, and all have the same shape and size. The plate-like bodies are fixed to each other by a fixing tool (not shown). The structure shown in FIG. 6 is a structure made up of blocks 4. This block is rectangular.
The embodiment of the structure shown above is given as a specific example, and the structure that can be used in the present invention is not limited to these structures.

(ガスの供給)
本発明の製造方法では、構造体を用いてIII族窒化物結晶を付着させる点に特徴があるが、原料の供給を工夫することにより、より収率を高くすることが可能である。III族窒化物結晶を成長させる際の方法として、ハイドライド気相堆積(HVPE)法を採用する場合、通常はキャリアガスとして水素ガスを用いるが、その水素ガスの使用比率を下げることにより、窒化物結晶の収率を上げることが可能である。水素ガスの使用比率を下げるには、キャリアガスとして他の不活性ガスを用いることが好ましい。そのような不活性ガスとして、窒素ガスやアルゴンガスなどが挙げられるが、コスト的な側面から窒素ガスを採用することが好ましい。
本発明では、反応容器に導入する窒素ガス流量Nと水素ガス流量Hの比(N/H)を1.0以上にすることが好ましく、3以上にすることがより好ましく、5以上にすることがさらに好ましく、9以上にすることが特に好ましい。上限値については特に制限はなく水素ガスを流さなくても良い。また、製造雰囲気中の水素ガスの分圧が高いと還元雰囲気になり、反応容器(リアクター)由来の不純物がIII族窒化物結晶に取り込まれやすくなる傾向がある。よって、窒素ガス流量Nと水素ガス流量Hの比(N/H)を大きくした範囲に設定して結晶成長を行うことで、得られるIII族窒化物結晶を高純度化できるので好ましい。なお、ここでいう窒素ガス流量Nおよび水素ガス流量Hとは、反応容器内に供給した各々のガスの総量を意味する。
(Gas supply)
The production method of the present invention is characterized in that a group III nitride crystal is adhered using a structure, but the yield can be increased by devising the supply of raw materials. When a hydride vapor phase deposition (HVPE) method is employed as a method for growing a group III nitride crystal, hydrogen gas is usually used as a carrier gas. By reducing the use ratio of the hydrogen gas, the nitride can be obtained. It is possible to increase the yield of crystals. In order to reduce the use ratio of hydrogen gas, it is preferable to use another inert gas as a carrier gas. Examples of such an inert gas include nitrogen gas and argon gas, but it is preferable to employ nitrogen gas from the viewpoint of cost.
In the present invention, the ratio (N / H) of the nitrogen gas flow rate N and the hydrogen gas flow rate H introduced into the reaction vessel is preferably 1.0 or more, more preferably 3 or more, and 5 or more. Is more preferable, and it is particularly preferably 9 or more. There is no particular limitation on the upper limit value, and hydrogen gas does not have to flow. Further, when the partial pressure of hydrogen gas in the production atmosphere is high, a reducing atmosphere is formed, and impurities derived from the reaction vessel (reactor) tend to be easily taken into the group III nitride crystal. Therefore, it is preferable to perform crystal growth by setting the ratio (N / H) of the nitrogen gas flow rate N and the hydrogen gas flow rate H to be large because the obtained group III nitride crystal can be highly purified. The nitrogen gas flow rate N and the hydrogen gas flow rate H here mean the total amount of each gas supplied into the reaction vessel.

また、本発明の製造方法では、原料ガスの分圧を上げることにより、より収率を高くすることが可能である。例えば、HVPE法において、アンモニアガスの分圧を上げることにより、収率を高めることが可能である。具体的には、0.02atm以上にすることが好ましく、0.05atm以上にすることがより好ましく、0.2atm以上にすることがさらに好ましい。   In the production method of the present invention, the yield can be further increased by increasing the partial pressure of the raw material gas. For example, in the HVPE method, the yield can be increased by increasing the partial pressure of ammonia gas. Specifically, it is preferably 0.02 atm or more, more preferably 0.05 atm or more, and further preferably 0.2 atm or more.

(収率(原料利用効率))
本発明の製造方法を実施することにより、収率を飛躍的に向上させることが可能である。本発明では、収率は例えばGaN結晶を製造する場合はGa原料利用効率で収率を評価する。すなわち、原料として反応容器内に供給されたGa総量のうち、どの程度のGaがGaN結晶として得られたかを算出することにより評価する。本発明では、原料利用効率は10%を超えており、30%以上を達成することが可能であり、50%以上を達成することも可能であり、さらには60%以上を達成することも可能である。ここで、原料利用効率を算出する場合の得られたGaN結晶としては、構造体に付着したGaN結晶だけでなく、反応容器内の内壁などに付着したGaN結晶も含むものとする。
(Yield (Raw material utilization efficiency))
By carrying out the production method of the present invention, the yield can be drastically improved. In the present invention, for example, when producing a GaN crystal, the yield is evaluated based on the Ga raw material utilization efficiency. That is, it is evaluated by calculating how much Ga is obtained as a GaN crystal out of the total amount of Ga supplied into the reaction vessel as a raw material. In the present invention, the raw material utilization efficiency exceeds 10%, can achieve 30% or more, can achieve 50% or more, and can also achieve 60% or more. It is. Here, the GaN crystal obtained when calculating the raw material utilization efficiency includes not only the GaN crystal attached to the structure but also the GaN crystal attached to the inner wall of the reaction vessel.

また、本発明の製造方法によれば、III族窒化物結晶の合成速度を速くすることができる。本発明におけるIII族窒化物結晶の合成速度は0.2kg/day以上とすることが可能であり、1kg/day以上とすることが可能であり、さらには5kg/day以上とすることも可能である。本発明の製造方法は、合成速度を速くして収率も上げることができるため、大量のIII族窒化物結晶を効率良く製造することができる。   Moreover, according to the production method of the present invention, the synthesis rate of the group III nitride crystal can be increased. The synthesis rate of the group III nitride crystal in the present invention can be 0.2 kg / day or more, can be 1 kg / day or more, and further can be 5 kg / day or more. is there. Since the production method of the present invention can increase the synthesis rate and increase the yield, a large amount of group III nitride crystals can be produced efficiently.

(III族窒化物結晶の合成)
本発明の製造方法では、反応容器内でIII族窒化物結晶を合成する。III族窒化物結晶の合成法としては、例えば、ハイドライド気相堆積(HVPE)法、有機金属化学気相堆積(MOCVD)法、昇華法などの気相法を採用することが可能であり、HVPE法を好ましく用いることができる。以下において、好ましい製造装置の一例として、図1を参照しながらHVPE法の製造装置を説明する。
(Synthesis of Group III nitride crystals)
In the production method of the present invention, a group III nitride crystal is synthesized in a reaction vessel. As a method for synthesizing the group III nitride crystal, for example, a vapor phase method such as a hydride vapor phase deposition (HVPE) method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a sublimation method, or the like can be employed. The method can be preferably used. In the following, as an example of a preferable manufacturing apparatus, an HVPE manufacturing apparatus will be described with reference to FIG.

1)基本構造
図1の製造装置は、リアクター100内に、構造体107を載置するためのサセプターと、成長させるIII族窒化物結晶の原料を入れるリザーバー105とを備えている。また、リアクター100内にガスを導入するための導入管101〜104と、排気するための排気管108が設置されている。さらに、リアクター100を側面から加熱するためのヒーター106が設置されている。
1) Basic Structure The manufacturing apparatus of FIG. 1 includes a susceptor for mounting the structure 107 and a reservoir 105 for storing a group III nitride crystal material to be grown in a reactor 100. In addition, introduction pipes 101 to 104 for introducing gas into the reactor 100 and an exhaust pipe 108 for exhausting are installed. Further, a heater 106 for heating the reactor 100 from the side surface is installed.

2)リアクターの材質、雰囲気ガスのガス種
リアクター100の材質としては、石英、焼結体窒化ホウ素、ステンレス、窒化ケイ素等が用いられる。好ましい材質は窒化ケイ素と石英である。リアクター100内には、反応開始前にあらかじめ雰囲気ガスを充填しておく。雰囲気ガス(キャリアガス)としては、例えば、水素、窒素、He、Ne、Arのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。構造体への付着率を上げられることから、少なくとも窒素を含むことが好ましく、キャリアガス中の窒素の割合が50%以上であることが好ましい。
2) Reactor material, gas type of atmospheric gas As the material of the reactor 100, quartz, sintered boron nitride, stainless steel, silicon nitride or the like is used. Preferred materials are silicon nitride and quartz. The reactor 100 is filled with atmospheric gas in advance before starting the reaction. Examples of the atmospheric gas (carrier gas) include inert gases such as hydrogen, nitrogen, He, Ne, and Ar. These gases may be mixed and used. From the viewpoint of increasing the adhesion rate to the structure, it is preferable to contain at least nitrogen, and the ratio of nitrogen in the carrier gas is preferably 50% or more.

3)サセプターの材質、形状、成長面からサセプターまでの距離
構造体107を保持するためのサセプターの材質としてはカーボンが好ましく、SiCで表面をコーティングしているものがより好ましい。サセプターの形状は、本発明で用いる構造体を設置することができる形状であれば特に制限されない。
3) Material and shape of susceptor, distance from growth surface to susceptor As a material of the susceptor for holding the structure 107, carbon is preferable, and a material whose surface is coated with SiC is more preferable. The shape of the susceptor is not particularly limited as long as the structure used in the present invention can be installed.

4)リザーバー
リザーバー105には、成長させるIII族窒化物結晶の原料を入れる。具体的には、III族源となる原料を入れる。そのようなIII族源となる原料として、Ga、Al、Inなどを挙げることができる。リザーバー105にガスを導入するための導入管103からは、リザーバー105に入れた原料と反応するガスを供給する。例えば、リザーバー105にIII族源となるGaを入れた場合は、導入管103からHClガスを供給することができ、これによりIII族原料ガスとしてGaClガスを反応容器内に供給する。このとき、HClガスとともに、導入管103からキャリアガスを供給してもよい。キャリアガスとしては、例えば水素、窒素、He、Ne、Arのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。
4) Reservoir The reservoir 105 is charged with the raw material of the group III nitride crystal to be grown. Specifically, the raw material which becomes a group III source is put. Examples of the raw material to be a group III source include Ga, Al, and In. A gas that reacts with the raw material put in the reservoir 105 is supplied from an introduction pipe 103 for introducing the gas into the reservoir 105. For example, when Ga serving as a group III source is put in the reservoir 105, HCl gas can be supplied from the introduction pipe 103, and thereby, GaCl gas is supplied into the reaction vessel as a group III source gas. At this time, the carrier gas may be supplied from the introduction pipe 103 together with the HCl gas. Examples of the carrier gas include hydrogen, nitrogen, an inert gas such as He, Ne, and Ar. These gases may be mixed and used.

5)窒素源(アンモニア)、セパレートガス、ドーパントガス
導入管104からは、窒素源となる原料ガスを供給する。通常はNH3を供給する。また、導入管101からは、キャリアガスを供給する。キャリアガスとしては、導入管103から供給するキャリアガスと同じものを例示することができる。このキャリアガスは原料ガス同士の気相での反応を抑制し、ノズル先端に多結晶が付着することを防ぐ効果もある。また、導入管102からは、ドーパントガスを供給することもできる。例えば、SiH4やSiH2Cl2、H2S等のn型のドーパントガスを供給することができる。
反応容器内へ導入する窒素ガス流量Nと水素ガス流量Hの比(N/H)は、上記のように調整することが好ましい。
5) Nitrogen source (ammonia), separate gas, dopant gas From the introduction pipe 104, a raw material gas serving as a nitrogen source is supplied. Usually, NH 3 is supplied. A carrier gas is supplied from the introduction pipe 101. As the carrier gas, the same carrier gas supplied from the introduction pipe 103 can be exemplified. This carrier gas also has an effect of suppressing the reaction in the gas phase between the raw material gases and preventing polycrystals from adhering to the nozzle tip. A dopant gas can also be supplied from the introduction pipe 102. For example, an n-type dopant gas such as SiH 4 , SiH 2 Cl 2 , or H 2 S can be supplied.
The ratio (N / H) of the nitrogen gas flow rate N introduced into the reaction vessel and the hydrogen gas flow rate H (N / H) is preferably adjusted as described above.

6)ガス導入方法
導入管101、102、104から供給する上記ガスは、それぞれ互いに入れ替えて別の導入管から供給しても構わない。また、窒素源となる原料ガスとキャリアガスは、同じ導入管から混合して供給してもよい。さらに他の導入管からキャリアガスを混合してもよい。これらの供給態様は、リアクター100の大きさや形状、原料の反応性、目的とする結晶成長速度などに応じて、適宜決定することができる。
6) Gas introduction method The gases supplied from the introduction pipes 101, 102, and 104 may be replaced with each other and supplied from different introduction pipes. In addition, the source gas and the carrier gas serving as a nitrogen source may be mixed and supplied from the same introduction pipe. Further, a carrier gas may be mixed from another introduction pipe. These supply modes can be appropriately determined according to the size and shape of the reactor 100, the reactivity of the raw materials, the target crystal growth rate, and the like.

7)排気管の設置場所
ガス排気管108は、リアクター内壁の上面、底面、側面に設置することができる。ゴミ落ちの観点から結晶成長端よりも下部にあることが好ましく、図1のようにリアクター底面にガス排気管108が設置されていることがより好ましい。
7) Location of Exhaust Pipe The gas exhaust pipe 108 can be installed on the top, bottom, and side surfaces of the reactor inner wall. From the viewpoint of dust drop, it is preferably located below the crystal growth end, and more preferably a gas exhaust pipe 108 is installed on the bottom of the reactor as shown in FIG.

8)結晶成長条件
上記の製造装置を用いた結晶成長は、950℃以上で行うことが好ましく、970℃以上で行うことがより好ましく、980℃以上で行うことがさらに好ましい。また、1120℃以下で行うことが好ましく、1100℃以下で行うことがより好ましく、1090℃以下で行うことがさらに好ましい。結晶成長中の温度低下は60℃以内に制御することが好ましく、40℃以内に制御することがより好ましく、20℃以内に制御することがさらに好ましい。リアクター内の圧力は10kPa以上とすることが好ましく、30kPa以上とすることがより好ましく、50kPa以上とすることがさらに好ましい。また、200kPa以下とすることが好ましく、150kPa以下とすることがより好ましく、120kPa以下とすることがさらに好ましい。
8) Crystal Growth Conditions Crystal growth using the above production apparatus is preferably performed at 950 ° C. or higher, more preferably at 970 ° C. or higher, and further preferably at 980 ° C. or higher. Moreover, it is preferable to carry out at 1120 degrees C or less, It is more preferable to carry out at 1100 degrees C or less, It is further more preferable to carry out at 1090 degrees C or less. The temperature drop during crystal growth is preferably controlled within 60 ° C, more preferably controlled within 40 ° C, and even more preferably controlled within 20 ° C. The pressure in the reactor is preferably 10 kPa or more, more preferably 30 kPa or more, and further preferably 50 kPa or more. Moreover, it is preferable to set it as 200 kPa or less, It is more preferable to set it as 150 kPa or less, It is further more preferable to set it as 120 kPa or less.

(結晶の加工)
本発明の製造方法により製造したIII族窒化物結晶は、そのまま窒化物半導体基板を製造するための原料としてそのまま利用してもよいし、加工してから利用してもよい。
加工する場合は、所望の形状にするために、スライス、外形加工、エッチング、洗浄などを適宜行うことができる。これらの方法は、いずれか1つだけを選択して用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。
(Crystal processing)
The group III nitride crystal produced by the production method of the present invention may be used as it is as a raw material for producing a nitride semiconductor substrate, or may be used after being processed.
In the case of processing, slicing, outer shape processing, etching, cleaning, and the like can be appropriately performed to obtain a desired shape. Any one of these methods may be selected and used, or may be used in combination.

[窒化物結晶]
(特徴)
本発明の製造方法によれば、粒径が大きなIII族窒化物結晶を製造することが可能である。例えば、最大粒径が300μm以上のものや、500μm以上のものを製造することができ、さらには最大粒径が1mm以上であるものも製造することが可能である。本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物結晶は、粒径分布を有しているため、用途に応じて必要により篩にかける等して分粒することができる。本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物結晶の粒径分布は、従来法と同程度であるが、酸素濃度が低い傾向がある。
[Nitride crystals]
(Feature)
According to the production method of the present invention, a group III nitride crystal having a large particle size can be produced. For example, one having a maximum particle size of 300 μm or more, 500 μm or more can be manufactured, and one having a maximum particle size of 1 mm or more can also be manufactured. Since the group III nitride crystal produced by the production method of the present invention has a particle size distribution, it can be sized by sieving if necessary according to the application. The particle size distribution of the group III nitride crystal produced by the production method of the present invention is similar to that of the conventional method, but the oxygen concentration tends to be low.

また、本発明の製造方法によれば、III族窒化物多結晶がより効率的に作製可能である。本発明で得られるIII族窒化物多結晶は、微粉末状態のIII族窒化物単結晶が集まって塊を形成している。微粉末状態(1次粒子)のIII族窒化物単結晶であるIII族窒化物結晶微粉末は、針状や粒状の長径が通常0.1μm以上であり、好ましくは0.5μm以上であり、より好ましくは1μm以上であり、さらに好ましくは3μm以上である。上限値については特に制限されないが、例えば、長径が500μm以下が好ましく、100μm以下が更に好ましく、50μm以下が特に好ましい。
III族窒化物結晶微粉末が集まった塊としては、形状としては特に限定されないが、取り扱いのしやすさから塊の最大幅(長径)が1mm以上であることが好ましく、2mm以上であることがより好ましく、5mm以上であることがさらに好ましい。また、上限値については特に制限されないが、例えば、長径が10mm以下が好ましく、7mm以下であってもよい。
さらには、2次粒子が凝集してなる3次粒子を形成するIII族窒化物多結晶であること好ましい。2次粒子の粒径は10μm以上であることが好ましく、50μm以上であることがより好ましく、100μm以上であることがさらに好ましい。また、1000μm以下であることが好ましく、900μm以下であることがより好ましく、800μm以下であることがさらに好ましい。3次粒子の粒径は1mm以上であることが好ましく、5mm以上であることがより好ましく、10mm以上であることがさらに好ましく、また、120mm以下であることが好ましく、60mm以下であることがより好ましく、20mm以下であることがさらに好ましい。2次粒子の粒径は光学顕微鏡等で計測することが可能である。3次粒子のように1mm以上であれば、目視で確認が可能であるので、例えばノギスや物差し等により計測することができる。また、2次粒子が凝集してなる3次粒子については、3次粒子の最大径が、上述の「粒径」と一致する。
なお、2次粒子が凝集してなる3次粒子を形成するIII族窒化物多結晶において、1次粒子はナノ単位の単結晶を意味しており、これらの単結晶が互いに凝集・結合して多結晶である二次粒子を構成する。通常、1次粒子は互いに結合して一体化しているため粒子として判別することができない。
Moreover, according to the production method of the present invention, a group III nitride polycrystal can be produced more efficiently. In the group III nitride polycrystal obtained in the present invention, group III nitride single crystals in a fine powder state gather to form a lump. Group III nitride crystal fine powder, which is a group III nitride single crystal in a fine powder state (primary particles), has a needle-like or granular major diameter of usually 0.1 μm or more, preferably 0.5 μm or more, More preferably, it is 1 micrometer or more, More preferably, it is 3 micrometers or more. The upper limit is not particularly limited, but for example, the major axis is preferably 500 μm or less, more preferably 100 μm or less, and particularly preferably 50 μm or less.
The lump containing the group III nitride crystal fine powder is not particularly limited in shape, but the maximum width (major axis) of the lump is preferably 1 mm or more for ease of handling, and is preferably 2 mm or more. More preferably, it is 5 mm or more. Moreover, although it does not restrict | limit in particular about an upper limit, For example, a major axis is preferable 10 mm or less, and 7 mm or less may be sufficient.
Furthermore, it is preferable that it is a group III nitride polycrystal which forms the tertiary particle | grains which a secondary particle aggregates. The particle size of the secondary particles is preferably 10 μm or more, more preferably 50 μm or more, and further preferably 100 μm or more. Moreover, it is preferable that it is 1000 micrometers or less, It is more preferable that it is 900 micrometers or less, It is further more preferable that it is 800 micrometers or less. The particle size of the tertiary particles is preferably 1 mm or more, more preferably 5 mm or more, further preferably 10 mm or more, and preferably 120 mm or less, more preferably 60 mm or less. Preferably, it is 20 mm or less. The particle size of the secondary particles can be measured with an optical microscope or the like. If it is 1 mm or more as in the case of tertiary particles, it can be visually confirmed, and can be measured, for example, with calipers or a ruler. Further, for tertiary particles formed by agglomerating secondary particles, the maximum diameter of the tertiary particles coincides with the above-mentioned “particle diameter”.
In addition, in the group III nitride polycrystal that forms tertiary particles formed by aggregation of secondary particles, primary particles mean nano-unit single crystals, and these single crystals are aggregated and bonded to each other. The secondary particle which is a polycrystal is comprised. Usually, primary particles cannot be discriminated as particles because they are combined and integrated with each other.

さらに、本発明の製造方法によれば、L***表色系で表わした場合に、一定範囲のL*値、a*値及びb*値を有するIII族窒化物結晶を製造することが可能である。ここで、L***表色系において、L*値は、結晶の明度を示し、数値が大きい(100に近い)方がより明度が高いことを表している。また、a*値は、赤色−緑色を示し、数値が小さい方が緑色であり、数値が大きい方が赤色であることを表している。すなわち、L*値としては数値が大きい程、明るい傾向となり、a*値及びb*値としては、その絶対値が大きい程、色彩が鮮明となる。 Furthermore, according to the production method of the present invention, a group III nitride crystal having a certain range of L * value, a * value, and b * value is produced when expressed in the L * a * b * color system. It is possible. Here, in the L * a * b * color system, the L * value indicates the brightness of the crystal, and the higher the value (closer to 100), the higher the brightness. The a * value indicates red-green, and the smaller value indicates green and the larger value indicates red. In other words, the larger the L * value, the brighter the color, and the larger the absolute value of the a * and b * values, the clearer the color.

本発明の製造方法により得られたIII族窒化物結晶のL*値は、50以上であることが好ましく、55以上であることがより好ましく、60以上であることがさらに好ましい。また、III族窒化物結晶のa*値は、−10以上であることが好ましく、−5以上であることがより好ましく、また、10以下であることが好ましく、5以下であることがより好ましい。さらに、b*値は、−20以上であることが好ましく、−10以上であることがより好ましく、また、20以下であることが好ましく、15以下であることがより好ましい。III族窒化物結晶の色差(L*値、a*値、b*値)を上記範囲内とすることにより、着色の少ない成長結晶を得ることができる。
なお、III族窒化物結晶の色差(L*値、a*値、b*値)は、例えば、日本電色工業ZE―2000測色色差計(標準白板 Y=95.03、X=95.03、Z=112.02)を用いて測定することができる。
The L * value of the group III nitride crystal obtained by the production method of the present invention is preferably 50 or more, more preferably 55 or more, and further preferably 60 or more. Further, the a * value of the group III nitride crystal is preferably −10 or more, more preferably −5 or more, and preferably 10 or less, more preferably 5 or less. . Furthermore, the b * value is preferably −20 or more, more preferably −10 or more, more preferably 20 or less, and even more preferably 15 or less. By setting the color difference (L * value, a * value, b * value) of the group III nitride crystal within the above range, a growth crystal with less coloring can be obtained.
The color difference (L * value, a * value, b * value) of the group III nitride crystal is, for example, Nippon Denshoku ZE-2000 colorimetric colorimeter (standard white plate Y = 95.03, X = 95. 03, Z = 112.02).

本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物結晶は、酸素濃度が例えば80重量ppm以下であるものを製造することが可能であり、好ましくは50重量ppm以下、さらに好ましくは30重量ppm以下のものを製造することも可能である。また、本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物結晶には、UV照射下において黄色の発光をする傾向もある。これは、III族窒化物結晶が良好な結晶性を有しまた高純度であることを示している。   The group III nitride crystal produced by the production method of the present invention can produce an oxygen concentration of, for example, 80 ppm by weight or less, preferably 50 ppm by weight or less, more preferably 30 ppm by weight or less. Can also be manufactured. In addition, the group III nitride crystal produced by the production method of the present invention also tends to emit yellow light under UV irradiation. This indicates that the group III nitride crystal has good crystallinity and high purity.

(用途)
本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物結晶は、様々な用途に利用することが可能である。特に、特定の目的に使用するための窒化物半導体結晶の製造原料として使用することが好ましい。具体的には、窒化物半導体基板を製造するための原料として有効に用いることができる。例えば、本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物結晶をアモノサーマル法の原料として反応容器内の原料溶解領域に入れておき、アンモニアなどの窒素含有溶媒や鉱化剤とともに加熱して超臨界状態および/または亜臨界状態にして、結晶成長領域に設置された種結晶上に窒化物結晶を成長させることができる。得られた結晶は、スライス、研磨などを経て窒化物半導体基板に加工することができる。窒化ガリウム基板を始めとする窒化物半導体基板は、発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(LD)用の単結晶基板として有用であり、特に近年着目されている青色発光ダイオードや青色半導体レーザ用の単結晶基板としての有用性が高い。
(Use)
The group III nitride crystal produced by the production method of the present invention can be used for various applications. In particular, it is preferably used as a raw material for producing a nitride semiconductor crystal for use for a specific purpose. Specifically, it can be effectively used as a raw material for producing a nitride semiconductor substrate. For example, a group III nitride crystal produced by the production method of the present invention is placed in a raw material dissolution region in a reaction vessel as a raw material of an ammonothermal method, and heated with a nitrogen-containing solvent such as ammonia or a mineralizer. A nitride crystal can be grown on the seed crystal placed in the crystal growth region in a supercritical state and / or a subcritical state. The obtained crystal can be processed into a nitride semiconductor substrate through slicing, polishing, and the like. Nitride semiconductor substrates such as gallium nitride substrates are useful as single crystal substrates for light-emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs). It is highly useful as a crystal substrate.

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。
実施例および比較例で反応に使用したガス(水素、窒素、アンモニア、塩化水素)は、純度が99.999%以上のものである。99.999%以上のガスボンベが手に入らないガスは、純化器や精製器等にて純度を上げてから用いた。また、実施例および比較例では図1に示す反応装置を用いた。
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.
The gases (hydrogen, nitrogen, ammonia, hydrogen chloride) used in the reactions in Examples and Comparative Examples have a purity of 99.999% or more. The gas which cannot obtain 99.999% or more gas cylinders was used after the purity was increased by a purifier or a purifier. In the examples and comparative examples, the reaction apparatus shown in FIG. 1 was used.

(実施例1)
石英製の反応容器(リアクター)の内面積に対して、2.033倍の表面積がある構造体107を反応容器内に入れた。この構造体は、図5に示す構造を有するものである。構造体は、表面粗さ(Ra)が1.29μmの熱分解カーボン製である。表面粗さの測定は、東京精密社製商品名サーフコムにより測定した。反応中、構造体は図1に矢印で示す方向に0.1〜40rpmで回転させた。
反応容器100中を窒素でパージした。その後に反応容器上部のIII族原料用(ガリウム)リザーバー105へ、一度の結晶成長(バッチ)で消費する量のガリウムを充填した。
構造体107を固定したサセプターを、重量計に載せて風袋重量を量り、反応容器100内に設置した。反応容器100内を不活性ガスでパージした後に、水素ガスを導入して合成温度まで昇温した。水素ガスの導入は、反応容器内の酸化物を除去する効果がある。
所定の温度へ上がったところへ、水素:窒素=1.5:8.5に設定したキャリアガスを0.825気圧で導入し、キャリアガスに併せてアンモニアガスを0.154気圧で導入し、更にガリウムリザーバー105へ塩化水素ガスを0.014気圧で導入して塩化ガリウムガスとして反応部へ供給した。その時に塩化ガリウムの逆反応を防止するために、0.007気圧の塩化水素を単独ラインから反応容器内に供給して、構造体107上へ窒化ガリウムの結晶を8時間析出させた。
Example 1
A structure 107 having a surface area 2.033 times as large as the inner area of the quartz reaction vessel (reactor) was placed in the reaction vessel. This structure has the structure shown in FIG. The structure is made of pyrolytic carbon having a surface roughness (Ra) of 1.29 μm. The surface roughness was measured by the trade name Surfcom manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd. During the reaction, the structure was rotated at 0.1 to 40 rpm in the direction indicated by the arrow in FIG.
The reaction vessel 100 was purged with nitrogen. After that, the amount of gallium consumed in one crystal growth (batch) was charged into the III-group material (gallium) reservoir 105 at the top of the reaction vessel.
The susceptor to which the structure 107 was fixed was placed on a weighing scale, the tare weight was measured, and the susceptor was installed in the reaction vessel 100. After purging the inside of the reaction vessel 100 with an inert gas, hydrogen gas was introduced and the temperature was raised to the synthesis temperature. The introduction of hydrogen gas has an effect of removing oxides in the reaction vessel.
A carrier gas set to hydrogen: nitrogen = 1.5: 8.5 was introduced at 0.825 atm to a place where the temperature had risen to a predetermined temperature, and ammonia gas was introduced at 0.154 atm along with the carrier gas, Further, hydrogen chloride gas was introduced into the gallium reservoir 105 at 0.014 atm and supplied to the reaction section as gallium chloride gas. At that time, in order to prevent the reverse reaction of gallium chloride, 0.007 atm hydrogen chloride was supplied into the reaction vessel from a single line, and crystals of gallium nitride were deposited on the structure 107 for 8 hours.

ガリウム投入量に見合う量の塩化水素ガスを流し終えたら、塩化水素の供給を停止して冷却プロセスを始めた。冷却が終了した後、窒化物結晶が付着した構造体を取り出した。
サセプターに固定した構造体に付着した窒化ガリウム多結晶の重量は、205.8gであった。窒化ガリウム多結晶の重量から窒素原子分の重量を差し引いた値から、投入見合いのガリウム重量が全て窒化ガリウムへ転化した場合を100%とした場合の反応率を換算したところ、57.1%であった。よって、実施例1における付着率は57.1%であり、反応容器内の内壁には多少の多結晶GaNが付着していたことから、収率(原料利用効率)は57.1%超であることが分かった。
When the flow of hydrogen chloride gas corresponding to the amount of gallium input was finished, the supply of hydrogen chloride was stopped and the cooling process was started. After cooling was completed, the structure to which the nitride crystal was attached was taken out.
The weight of the polycrystalline gallium nitride attached to the structure fixed to the susceptor was 205.8 g. From the value obtained by subtracting the weight of nitrogen atoms from the weight of the polycrystalline gallium nitride, the reaction rate was converted to 57.1% when all the gallium weights for the input were converted to gallium nitride as 100%. there were. Therefore, the adhesion rate in Example 1 was 57.1%, and some polycrystalline GaN adhered to the inner wall in the reaction vessel, so the yield (raw material utilization efficiency) was over 57.1%. I found out.

反応容器から取り出した窒化ガリウム多結晶の酸素濃度を酸素窒素水素分析装置(LECO社製TCH−600)で分析したところ0.0047重量%であった。
窒化ガリウム多結晶の合成速度は0.617g/day、窒化ガリウム多結晶の2次粒子の粒径は20μm〜470μmであり、それらが凝集して、数mm〜50mmの塊(3次粒子)の窒化ガリウム多結晶が得られた。2次粒子の粒径は、光学顕微鏡観察により測長した。また、反応容器内壁への窒化ガリウムの付着は少なかった。
When the oxygen concentration of the polycrystalline gallium nitride taken out from the reaction vessel was analyzed with an oxygen-nitrogen / hydrogen analyzer (TCH-600 manufactured by LECO), it was 0.0047% by weight.
The synthesis rate of the gallium nitride polycrystal is 0.617 g / day, and the particle size of the secondary particles of the gallium nitride polycrystal is 20 μm to 470 μm, and they aggregate to form a lump (tertiary particle) of several mm to 50 mm. A gallium nitride polycrystal was obtained. The particle size of the secondary particles was measured by observation with an optical microscope. Further, there was little adhesion of gallium nitride to the inner wall of the reaction vessel.

(実施例2〜9)
表1に記載した条件に変更した以外は、実施例1と同じ条件で合成を行った。合成した窒化ガリウム結晶の観察結果を表1に示す。なお、いずれの実施例においても、反応容器内の内壁には多少の多結晶GaNが付着していたことから、収率(原料利用効率)は付着率を超える数値であることが分かった。
(Examples 2-9)
The synthesis was performed under the same conditions as in Example 1 except that the conditions were changed to those described in Table 1. Table 1 shows the observation results of the synthesized gallium nitride crystal. In any of the examples, since some polycrystalline GaN adhered to the inner wall in the reaction vessel, it was found that the yield (raw material utilization efficiency) exceeded the adhesion rate.

(実施例10)
実施例10として、構造体が表面粗さ(Ra)が1.59μm(東京精密社製商品名サーフコムにより測定)pBNを用いたこと、および表1に記載した条件以外は実施例1と同じ条件で合成を行ったところ、同様の結晶が得られた。更に原料利用効率が同等かそれ以上であることを確認した。
また、実施例10で、構造体以外の反応容器の内表面に付着した窒化ガリウム多結晶の重量は12gであった。構造体に付着した窒化ガリウム多結晶の重量が、254.0gであったことから、反応容器内で生成した窒素ガリウム多結晶の総重量は266.0gであり、収率(原料利用効率)は73.8%であった。
(Example 10)
As Example 10, the surface roughness (Ra) of the structure was 1.59 μm (measured by a trade name Surfcom manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd.), and the same conditions as in Example 1 except for the conditions described in Table 1 As a result of the synthesis, similar crystals were obtained. Furthermore, it was confirmed that the raw material utilization efficiency was equal or higher.
In Example 10, the weight of the gallium nitride polycrystal attached to the inner surface of the reaction vessel other than the structure was 12 g. Since the weight of the gallium nitride polycrystal attached to the structure was 254.0 g, the total weight of the nitrogen gallium polycrystal produced in the reaction vessel was 266.0 g, and the yield (raw material utilization efficiency) was It was 73.8%.

(比較例1)
石英製の反応容器(リアクター)の内面積に対して、0.183倍の表面積がある構造体107を反応容器100内に入れた。
反応容器中を窒素でパージした。その後に反応容器上部のIII族原料用(ガリウム)リザーバー105へ、一度の結晶成長(バッチ)で消費する量のガリウムを充填した。
構造体107を固定したサセプターを、重量計に載せて風袋重量を量り、反応容器100内に入れた。反応容器100内を不活性ガスでパージした後に水素ガスを導入した。合成温度まで昇温した。水素ガスの導入は、反応容器内の酸化物を除去する効果がある。
所定の温度へ上がったところへ、水素:窒素=10:0に設定したキャリアガスを0.953気圧で導入し、キャリアガスに併せてアンモニアガスを0.0341気圧で導入し、更にガリウムリザーバー105へ塩化水素ガスを0.00553気圧で導入して塩化ガリウムガスとして反応部へ供給した。その時に塩化ガリウムの逆反応防止するために、0.007気圧の塩化水素を、単独ラインから反応容器内に供給して構造体107へ窒化ガリウムの結晶を60時間析出させた。
(Comparative Example 1)
A structure 107 having a surface area 0.183 times as large as the inner area of a quartz reaction vessel (reactor) was placed in the reaction vessel 100.
The reaction vessel was purged with nitrogen. After that, the amount of gallium consumed in one crystal growth (batch) was charged into the III-group material (gallium) reservoir 105 at the top of the reaction vessel.
The susceptor to which the structure 107 was fixed was placed on a weighing scale, the tare weight was measured, and the susceptor was placed in the reaction vessel 100. After purging the inside of the reaction vessel 100 with an inert gas, hydrogen gas was introduced. The temperature was raised to the synthesis temperature. The introduction of hydrogen gas has an effect of removing oxides in the reaction vessel.
A carrier gas set to hydrogen: nitrogen = 10: 0 is introduced at 0.953 atm to a place where the temperature has risen to a predetermined temperature, ammonia gas is introduced at 0.0341 at the same time as the carrier gas, and the gallium reservoir 105 is further introduced. Hydrogen chloride gas was introduced at 0.00553 atm and supplied to the reaction section as gallium chloride gas. At that time, in order to prevent the reverse reaction of gallium chloride, 0.007 atm of hydrogen chloride was supplied into the reaction vessel from a single line, and crystals of gallium nitride were deposited on the structure 107 for 60 hours.

ガリウム投入量に見合う量の塩化水素ガスを流し終えたら、塩化水素の供給を停止して冷却プロセスを始めた。冷却が終了した後、窒化物結晶が付着した構造体を取り出した。
サセプターに固定した構造体に付着した窒化ガリウム多結晶の重量は85.2gであった。窒化ガリウム多結晶の重量から窒素原子分の重量を差し引いた値から、投入見合いのガリウム重量が全て窒化ガリウムへ転化した場合を100%とした場合の反応率を換算したところ、5.1%であった。よって、比較例1における付着率は5.1%であり、反応容器内の内壁や導入管には大量の多結晶GaNが付着していたことから、収率(原料利用効率)は5.1%超であることが分かった。しかしながら、構造体の形状やキャリアガスの選択により、反応容器に多結晶GaNが大量に付着したことから、反応容器自体の損傷が大きくなった。
When the flow of hydrogen chloride gas corresponding to the amount of gallium input was finished, the supply of hydrogen chloride was stopped and the cooling process was started. After cooling was completed, the structure to which the nitride crystal was attached was taken out.
The weight of the gallium nitride polycrystal attached to the structure fixed to the susceptor was 85.2 g. From the value obtained by subtracting the weight of the nitrogen atom from the weight of the gallium nitride polycrystal, the conversion rate when converted to 100% when all the gallium weight of the input was converted to gallium nitride was converted to 5.1%. there were. Therefore, the adhesion rate in Comparative Example 1 was 5.1%, and a large amount of polycrystalline GaN adhered to the inner wall and the introduction tube in the reaction vessel, so the yield (raw material utilization efficiency) was 5.1. It was found to be over%. However, damage to the reaction vessel itself increased because a large amount of polycrystalline GaN adhered to the reaction vessel depending on the shape of the structure and the choice of carrier gas.

反応容器から取り出した窒化ガリウム結晶の酸素濃度を酸素窒素水素分析装置(LECO社製TCH−600)で分析したところ0.0100重量%であった。
窒化ガリウム合成速度は0.034g/dayと実施例に比べて遅かった。光学顕微鏡により窒化ガリウム多結晶の粒径を測長したところ、粒径が480μm〜1400μmと大きいものが得られたが、反応容器内壁への窒化ガリウム多結晶の付着が多く、実施例1〜10と比較して収率が低かった。
When the oxygen concentration of the gallium nitride crystal taken out from the reaction vessel was analyzed with an oxygen-nitrogen / hydrogen analyzer (TCH-600 manufactured by LECO), it was 0.0100% by weight.
The synthesis rate of gallium nitride was 0.034 g / day, which was slower than the example. When the particle size of the gallium nitride polycrystal was measured with an optical microscope, a particle size as large as 480 μm to 1400 μm was obtained. However, the gallium nitride polycrystal was often attached to the inner wall of the reaction vessel, and Examples 1 to 10 Yield was low.

(比較例2)
石英製の反応容器(リアクター)の内面積に対して、構造体107の変わりに、直径が76mmであり、0.046倍の表面積がある窒化ガリウム単結晶の下地基板を反応容器100内に入れた。
反応容器中を窒素でパージした。その後に反応容器上部のIII族原料用(ガリウム)リザーバー105へ、一度の結晶成長(バッチ)で消費する量のガリウムを充填した。
窒化ガリウム単結晶の下地基板を、重量計に載せて風袋重量を量り、反応容器100内に入れた。反応容器100内を不活性ガスでパージした後に水素ガスを導入した。合成温度まで昇温した。
所定の温度へ上がったところへ、水素:窒素=10:0に設定したキャリアガスを0.888気圧で導入し、キャリアガスに併せてアンモニアガスを0.101気圧で導入し、更にガリウムリザーバー105へ塩化水素ガスを0.00107気圧で導入して塩化ガリウムガスとして反応部へ供給した。その時に塩化ガリウムの逆反応防止するために、0.0003気圧の塩化水素を、単独ラインから反応容器内に供給して窒化ガリウム単結晶の下地基板上へ窒化ガリウム結晶を40時間析出させた。
(Comparative Example 2)
A gallium nitride single crystal base substrate having a diameter of 76 mm and a surface area of 0.046 times the surface of the quartz reaction vessel (reactor) is placed in the reaction vessel 100 instead of the structure 107. It was.
The reaction vessel was purged with nitrogen. After that, the amount of gallium consumed in one crystal growth (batch) was charged into the III-group material (gallium) reservoir 105 at the top of the reaction vessel.
The base substrate of the gallium nitride single crystal was placed on a weighing scale, and the tare weight was measured and put in the reaction vessel 100. After purging the inside of the reaction vessel 100 with an inert gas, hydrogen gas was introduced. The temperature was raised to the synthesis temperature.
A carrier gas set to hydrogen: nitrogen = 10: 0 is introduced at 0.888 atm to a place where the temperature has risen to a predetermined temperature, and ammonia gas is introduced at 0.101 atm together with the carrier gas. Hydrogen chloride gas was introduced at 0.00107 atm and supplied to the reaction section as gallium chloride gas. At that time, in order to prevent the reverse reaction of gallium chloride, 0.0003 atm of hydrogen chloride was supplied into the reaction vessel from a single line to deposit a gallium nitride crystal on the gallium nitride single crystal base substrate for 40 hours.

ガリウム投入量に見合う量の塩化水素ガスを流し終えたら、塩化水素の供給を停止して冷却プロセスを始めた。冷却が終了した後、窒化物結晶が結晶成長した付着した窒化ガリウム単結晶の下地基板を含む窒化物単結晶を取り出した。
窒化物単結晶の下地基板上に成長した窒化ガリウム単結晶の重量は370gであった。窒化ガリウム多結晶の重量から窒素原子分の重量を差し引いた値から、投入見合いのガリウム重量が全て窒化ガリウムへ転化した場合を100%とした場合の反応率を換算したところ、9.0%であった。よって、比較例2における付着率は9.0%であり、反応容器内の内壁や導入管には大量の多結晶GaNが付着していた
When the flow of hydrogen chloride gas corresponding to the amount of gallium input was finished, the supply of hydrogen chloride was stopped and the cooling process was started. After cooling was completed, the nitride single crystal including the underlying substrate of the gallium nitride single crystal to which the nitride crystal was grown was taken out.
The weight of the gallium nitride single crystal grown on the nitride single crystal base substrate was 370 g. From the value obtained by subtracting the weight of nitrogen atoms from the weight of the polycrystalline gallium nitride, the reaction rate when the case where all the gallium weight of the input is converted to gallium nitride is defined as 100% is converted to 9.0%. there were. Therefore, the adhesion rate in Comparative Example 2 was 9.0%, and a large amount of polycrystalline GaN adhered to the inner wall and the introduction tube in the reaction vessel.

反応容器から取り出した窒化ガリウム結晶の酸素濃度を酸素窒素水素分析装置(LECO社製TCH−600)で分析したところ0.0100重量%であった。
窒化ガリウム合成速度は0.222g/dayと実施例に比べて遅かった。また、結晶は直径76.2mm,厚み13.3mmと大きいものが得られたが、反応容器内壁への窒化ガリウム多結晶の付着が多く、実施例1〜10と比較して収率(原料利用効率)が低かった。
When the oxygen concentration of the gallium nitride crystal taken out from the reaction vessel was analyzed with an oxygen-nitrogen / hydrogen analyzer (TCH-600 manufactured by LECO), it was 0.0100% by weight.
The synthesis rate of gallium nitride was 0.222 g / day, which was slower than that of the example. Further, a large crystal having a diameter of 76.2 mm and a thickness of 13.3 mm was obtained, but the gallium nitride polycrystal was often attached to the inner wall of the reaction vessel, and the yield (utilization of raw materials) Efficiency) was low.

Figure 2013227661
Figure 2013227661

さらに、実施例9、比較例1で得られた窒化ガリウム結晶の酸素濃度とSi濃度のSIMS分析、色差測定を行った。
酸素濃度とSi濃度のSIMS分析は、CAMECA社製Ims−4fを用いたSIMSによって測定した。色差測定は、日本電色工業ZE―2000測色色差計(標準白板 Y=95.03、X=95.03、Z=112.02)を用いて以下の要領で測定した。100マイクロメートル以下に粉砕した該窒化ガリウム多結晶粉体約2ccを、該色差計付属品の35mmφの透明の丸型セルの底につめた後に上から押さえて隙間無く装填した。粉末・ペースト試料台の上に設置してキャップをかぶせた後、30mmφの試料面積に対し反射測定した。分析結果を表2に示した。
Further, SIMS analysis and color difference measurement of the oxygen concentration and Si concentration of the gallium nitride crystals obtained in Example 9 and Comparative Example 1 were performed.
The SIMS analysis of the oxygen concentration and the Si concentration was measured by SIMS using Ims-4f manufactured by CAMECA. The color difference measurement was performed in the following manner using a Nippon Denshoku ZE-2000 colorimetric color difference meter (standard white board Y = 95.03, X = 95.03, Z = 112.02). About 2 cc of the gallium nitride polycrystal powder pulverized to 100 micrometers or less was packed in the bottom of the 35 mmφ transparent round cell attached to the color difference meter, and loaded from the top without any gap. The sample was placed on a powder / paste sample stage and covered with a cap, and then the reflection was measured for a sample area of 30 mmφ. The analysis results are shown in Table 2.

Figure 2013227661
Figure 2013227661

実施例9で得られた窒化ガリウム結晶のSi濃度は、比較例1に比較して、1桁少なくなっており、Si濃度の少ない結晶が高純度の窒化ガリウム得られていることがわかった。
これは、育成雰囲気中の水素ガスの分圧が高いと還元雰囲気になり、リアクター由来の不純物が窒化ガリウム結晶に取り込まれやすくなるので、実施例1〜10のように水素ガスの分圧を下げた成長を行うことで窒化ガリウム結晶を高純度化できるためである。
The Si concentration of the gallium nitride crystal obtained in Example 9 was an order of magnitude less than that of Comparative Example 1, and it was found that a crystal having a low Si concentration was obtained with high purity gallium nitride.
This is because when the partial pressure of the hydrogen gas in the growth atmosphere is high, a reducing atmosphere is formed, and impurities derived from the reactor are easily taken into the gallium nitride crystal. Therefore, as in Examples 1 to 10, the partial pressure of the hydrogen gas is lowered. This is because the gallium nitride crystal can be highly purified by performing this growth.

実施例1〜10では、Ga利用効率、合成速度、窒化ガリウム結晶の取得量のいずれも高くできるうえに、反応容器内表面への窒化ガリウムの付着も少なかった。このため、本発明の製造方法によれば、窒化物結晶が大量に効率良く得られることが確認できた。一方、比較例では、Ga利用効率、合成速度、窒化ガリウム結晶の取得量のいずれも低かった。
また、反応容器内表面への窒化ガリウムの付着も多かった。
また、熱分解性カーボンを使用した実施例1〜9では、付着構造体からの剥離性が良いという利点があり、pBNを使用した場合には収率がさらに向上できる利点があることが分かった。
In Examples 1 to 10, the Ga utilization efficiency, the synthesis rate, and the acquisition amount of gallium nitride crystals could all be increased, and adhesion of gallium nitride to the inner surface of the reaction vessel was small. For this reason, according to the manufacturing method of this invention, it has confirmed that the nitride crystal was obtained efficiently in large quantities. On the other hand, in the comparative example, the Ga utilization efficiency, the synthesis rate, and the acquisition amount of gallium nitride crystals were all low.
In addition, gallium nitride was often attached to the inner surface of the reaction vessel.
Further, in Examples 1 to 9 using pyrolytic carbon, it was found that there was an advantage that the peelability from the adhesion structure was good, and when pBN was used, there was an advantage that the yield could be further improved. .

本発明の製造方法によれば、III族窒化物結晶を収率よく安価に製造することができる。また、本発明の製造方法は、III族窒化物結晶の量産にも向いている。また、本発明の製造方法により提供されるIII族窒化物結晶は、窒化物半導体基板の製造原料として有効に用いることができる。窒化物半導体基板は、青色発光ダイオード(LED)や青色半導体レーザ(LD)用の基板を始めとする幅広い用途に応用される。このため、本発明の産業上の利用可能性は極めて高い。   According to the production method of the present invention, a group III nitride crystal can be produced with good yield and low cost. The production method of the present invention is also suitable for mass production of group III nitride crystals. In addition, the group III nitride crystal provided by the production method of the present invention can be effectively used as a raw material for producing a nitride semiconductor substrate. Nitride semiconductor substrates are applied to a wide range of applications including blue light emitting diode (LED) and blue semiconductor laser (LD) substrates. For this reason, the industrial applicability of the present invention is extremely high.

100 リアクター
101〜104 ガス導入管
105 III族原料用リザーバー
106 ヒーター
107 構造体
108 排気管
1 板状体
2 棒状体
3 貫通孔
4 ブロック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Reactor 101-104 Gas introduction pipe 105 Group III raw material reservoir 106 Heater 107 Structure 108 Exhaust pipe 1 Plate body 2 Rod-shaped body 3 Through-hole 4 Block

Claims (13)

反応容器内で合成されるIII族窒化物結晶を前記反応容器内に設置された構造体に付着させるIII族窒化物結晶の製造方法であって、前記反応容器の内表面積Aと前記構造体の表面積Bの比(B/A)が0.3以上であることを特徴とするIII族窒化物結晶の製造方法。   A method for producing a group III nitride crystal in which a group III nitride crystal synthesized in a reaction vessel is attached to a structure installed in the reaction vessel, wherein the inner surface area A of the reaction vessel and the structure A method for producing a Group III nitride crystal, wherein the ratio of the surface area B (B / A) is 0.3 or more. 前記構造体の表面粗さ(Ra)が10μm以下である、請求項1に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1, wherein the structure has a surface roughness (Ra) of 10 μm or less. 前記構造体の表面粗さ(Ra)が1.45μm以下である、請求項2に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to claim 2, wherein the structure has a surface roughness (Ra) of 1.45 µm or less. 反応容器に供給されたIII族金属原料の全量のうち、10重量%以上を前記反応容器内に設置された構造体に付着させる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The group III nitriding according to any one of claims 1 to 3, wherein 10% by weight or more of the total amount of the group III metal raw material supplied to the reaction vessel is attached to the structure installed in the reaction vessel. Method for producing physical crystals. 前記構造体の表面の材質が炭素化合物、珪素化合物またはチッ化ホウ素である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein a material of a surface of the structure is a carbon compound, a silicon compound, or boron nitride. 前記構造体の表面の材質がパイロリティックボロンナイトライドまたは熱分解性カーボンである、請求項5に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to claim 5, wherein the material of the surface of the structure is pyrolytic boron nitride or pyrolytic carbon. 前記構造体の形状が板状、棒状または網目状である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 6, wherein the structure has a plate shape, a rod shape, or a mesh shape. 前記III族窒化物結晶の合成をハイドライド気相堆積(HVPE)法で行う、請求項1〜7のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 7, wherein the synthesis of the group III nitride crystal is performed by a hydride vapor phase deposition (HVPE) method. 前記ハイドライド気相堆積(HVPE)法でIII族窒化物結晶を成長させる際に、キャリアガスとして窒素ガスおよび水素ガスを用い、前記反応容器に導入する窒素ガス流量Nと水素ガス流量Hの比(N/H)を1.0以上とする、請求項8に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   When growing a group III nitride crystal by the hydride vapor deposition (HVPE) method, nitrogen gas and hydrogen gas are used as carrier gases, and the ratio of the nitrogen gas flow rate N and the hydrogen gas flow rate H introduced into the reaction vessel ( The method for producing a group III nitride crystal according to claim 8, wherein N / H) is 1.0 or more. 前記III族窒化物結晶の合成速度が0.2kg/day以上である、請求項1〜9のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 9, wherein a synthesis rate of the group III nitride crystal is 0.2 kg / day or more. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の製造方法で製造したIII族窒化物結晶。   The group III nitride crystal manufactured with the manufacturing method of any one of Claims 1-10. 酸素濃度が80重量ppm以下である、請求項11に記載のIII族窒化物結晶。   The group III nitride crystal according to claim 11, wherein the oxygen concentration is 80 ppm by weight or less. 最大粒径が100μm以上である、請求項11または12に記載のIII族窒化物結晶。   The group III nitride crystal according to claim 11 or 12, wherein the maximum particle size is 100 µm or more.
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