JP2014062029A - Manufacturing method of nitride crystal - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a nitride crystal having a desired carrier concentration in an ammonothermal method.SOLUTION: A manufacturing method of a nitride crystal includes a growth step of loading a nitride crystal raw material 8 of an oxygen concentration of 10-120 wt.ppm in a raw material loading region 9 of a reaction vessel 20 and growing a nitride crystal in the presence of a nitrogen-containing solvent under a supercritical state and/or a subcritical state in the reaction vessel, and further includes a step of isolating a dopant supply source before the growth step. A concentration of n-type dopants other than oxygen is 1,000 wt.ppm or less in the nitride crystal raw material.

Description

本発明は、窒化物結晶の製造方法に関する。具体的には、本発明は、一定範囲内の酸素濃度を有する窒化物結晶原料を用いて窒化物結晶を成長させる製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a nitride crystal. Specifically, the present invention relates to a manufacturing method for growing a nitride crystal using a nitride crystal raw material having an oxygen concentration within a certain range.

窒化ガリウム(GaN)などの窒化物結晶は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの各種半導体デバイスの基板に用いられている。窒化物結晶が半導体デバイスの基板として機能するためには、各種半導体デバイスの用途に応じて、窒化物結晶が適切な導電性を有する必要がある。一般的に、窒化物結晶の導電性は、窒化物結晶中のキャリア濃度やキャリア移動度によって制御される。窒化物結晶が半導体デバイスの基板として機能するためには、適切なキャリア濃度を有することが重要になる。   Nitride crystals such as gallium nitride (GaN) are used for substrates of various semiconductor devices such as light-emitting elements, electronic elements, and semiconductor sensors. In order for the nitride crystal to function as a substrate of a semiconductor device, the nitride crystal needs to have appropriate conductivity depending on the use of various semiconductor devices. In general, the conductivity of a nitride crystal is controlled by the carrier concentration and carrier mobility in the nitride crystal. In order for the nitride crystal to function as a substrate of a semiconductor device, it is important to have an appropriate carrier concentration.

窒化物結晶の製造方法として、ハイドライド気相成長法(HVPE法)やアモノサーマル法等が知られている。HVPE法は、水素気流中でGaの塩化物とV族元素の水素化物(NH3)を炉内に導入し、熱分解させ、熱分解で発生する結晶を基板上に堆積させる方法である。HVPE法により作製する窒化物結晶において、酸素をn型ドーパントとして用いる場合は、その活性化率がほぼ100%であることが知られている(例えば、引用文献1参照)。 Known methods for producing nitride crystals include hydride vapor phase epitaxy (HVPE) and ammonothermal. The HVPE method is a method in which Ga chloride and a hydride of group V element (NH 3 ) are introduced into a furnace in a hydrogen gas stream, thermally decomposed, and crystals generated by the thermal decomposition are deposited on the substrate. In the nitride crystal produced by the HVPE method, when oxygen is used as an n-type dopant, the activation rate is known to be approximately 100% (see, for example, cited document 1).

アモノサーマル法は、超臨界状態及び/又は亜臨界状態にあるアンモニアなどの窒素を含有する溶媒と、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の結晶材料を製造する方法である。結晶成長へ適用するときは、アンモニアなどの窒素含有溶媒への原料溶解度の温度依存性を利用して温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させる。具体的には、オートクレーブなどの耐圧性容器内に結晶原料や種結晶を入れて密閉し、ヒーター等で加熱することにより耐圧性容器内に高温域と低温域を形成し、その一方において原料を溶解し、他方において結晶を育成することにより、結晶を製造することができる(例えば、特許文献2参照)。アモノサーマル法は、HVPE法に比べて原料利用効率が良く、製造コストを抑制することができるという点において利点がある。   The ammonothermal method is a method for producing a desired crystal material using a solvent containing nitrogen such as ammonia in a supercritical state and / or a subcritical state and a dissolution-precipitation reaction of raw materials. When applied to crystal growth, crystals are precipitated by generating a supersaturated state due to a temperature difference utilizing the temperature dependence of the raw material solubility in a nitrogen-containing solvent such as ammonia. Specifically, a crystal raw material or seed crystal is placed in a pressure-resistant container such as an autoclave and sealed, and heated with a heater or the like to form a high-temperature region and a low-temperature region in the pressure-resistant container. A crystal can be produced by melting and growing the crystal on the other side (see, for example, Patent Document 2). The ammonothermal method is advantageous in that the raw material utilization efficiency is better than that of the HVPE method, and the manufacturing cost can be suppressed.

特開2000−44400号公報JP 2000-44400 A 特開2003−277182号公報JP 2003-277182 A

しかしかしながら、アモノサーマル法においては、基本的な結晶成長の条件が検討されるにとどまっており、所望の導電性を有する高品質な結晶を得る方法は確立されていなかった。上述したように、HVPE法により作製した窒化物結晶では、酸素をn型ドーパントとした場合、その活性化率がほぼ100%であることが知られている。しかし、アモノサーマル法により作製した窒化物結晶では、酸素をn型ドーパントとした場合の活性化率は明らかではなかった。また、アモノサーマル法では、様々なドーパント供給源から供給されるドーパントを使用しているため、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための酸素ドーピング条件を確立することができなかった。このため、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得ることが困難であるという問題があった。   However, in the ammonothermal method, basic crystal growth conditions have been studied, and a method for obtaining high-quality crystals having desired conductivity has not been established. As described above, it is known that a nitride crystal manufactured by the HVPE method has an activation rate of approximately 100% when oxygen is used as an n-type dopant. However, in the nitride crystal produced by the ammonothermal method, the activation rate when oxygen is used as an n-type dopant was not clear. In addition, since the ammonothermal method uses dopants supplied from various dopant supply sources, oxygen doping conditions for obtaining a nitride crystal having a desired carrier concentration cannot be established. For this reason, there has been a problem that it is difficult to obtain a nitride crystal having a desired carrier concentration.

また、アモノサーマル法では、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための酸素ドーピング条件が確立されていなかったため、精密な酸素ドーピングを行うことができず、高品質な窒化物結晶を得ることができないという問題があった。さらに、アモノサーマル法で目的のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るためには、様々な条件を試作検討する必要があったため、生産効率が上がらないという問題もあった。   In addition, in the ammonothermal method, since oxygen doping conditions for obtaining a nitride crystal having a desired carrier concentration have not been established, precise oxygen doping cannot be performed, and a high-quality nitride crystal is obtained. There was a problem that I could not. Furthermore, in order to obtain a nitride crystal having a target carrier concentration by the ammonothermal method, it was necessary to make trial production examinations of various conditions, and there was a problem that production efficiency did not increase.

そこで本願発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、アモノサーマル法において、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶の製造方法を提供することを目的として検討を進めた。   In order to solve the problems of the conventional technique, the inventors of the present application have studied for the purpose of providing a method for producing a nitride crystal having a desired carrier concentration in the ammonothermal method.

上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本願発明者らは、一定範囲内の酸素濃度を有する窒化物結晶原料を使用して、アモノサーマル法で窒化物結晶を製造することにより、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得ることができることを見出した。つまり、本願発明者らは、アモノサーマル法において、窒化物結晶原料中の酸素濃度と結晶中のキャリア濃度の相関関係を見出すことに成功し、本発明を完成するに至った。
具体的に、本発明は、以下の構成を有する。
As a result of diligent studies to solve the above problems, the inventors of the present invention have produced nitride crystals by an ammonothermal method using a nitride crystal raw material having an oxygen concentration within a certain range. Thus, it has been found that a nitride crystal having a desired carrier concentration can be obtained. That is, the present inventors succeeded in finding the correlation between the oxygen concentration in the nitride crystal raw material and the carrier concentration in the crystal in the ammonothermal method, and completed the present invention.
Specifically, the present invention has the following configuration.

[1]酸素濃度が10〜120wtppmの窒化物結晶原料を反応容器の原料充填領域に充填して、前記反応容器中において超臨界及び/又は亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で、窒化物結晶の成長を行う成長工程を含むことを特徴とする、窒化物結晶の製造方法。
[2]前記窒化物結晶原料に含まれる酸素以外のn型ドーパントの量が1000wtppm以下である、[1]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[3]前記成長工程の前にドーパント供給源隔離工程をさらに含む、[1]又は[2]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[4]前記反応容器は、前記反応容器内に設置部材を有し、前記反応容器及び前記設置部材は、n型ドーパントの量が1000wtppm以下の構成材で形成されている、[1]〜[3]のいずれかに記載の窒化物結晶の製造方法。
[5]前記構成材は、白金族又は白金族合金を含む、[4]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[6]前記白金族合金は、Pt及びIrを含む合金であることを特徴とする[5]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[7]前記白金族合金のIrの含有率が前記白金族合金の全体重量の30重量%以下であることを特徴とする[6]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[8]前記反応容器は、前記反応容器内に設置部材を有し、前記反応容器及び前記設置部材は、n型ドーパントの量が1000wtppm以下のコーティング材またはライニング材で覆われている、[1]〜[7]のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[9]前記コーティング剤は、白金族又は白金族合金を含むことを特徴とする[8]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[10]前記白金族合金は、Pt及びGaを含む合金であることを特徴とする[9]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[11]前記白金族合金は、Irを含む合金であることを特徴とする[9]又は[10]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[12]前記窒化物結晶中に含まれるn型ドーパントがSi、O、C、F、I、Cl、Br、S及びGeからなる群から選ばれる1以上の元素を含む、[1]〜[11]のいずれかに記載の窒化物結晶の製造方法。
[13]前記成長工程において、酸性鉱化剤を用いて窒化物結晶の成長を行う、[1]〜[12]のいずれかに記載の窒化物結晶の製造方法。
[14]前記酸性鉱化剤はハロゲン化物を含む、[13]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[15]前記成長工程は、320〜700℃の温度条件下で窒化物結晶を成長させる工程である、[1]〜[14]のいずれかに記載の窒化物結晶の製造方法。
[16]前記成長工程は、30〜700MPaの圧力条件下で窒化物結晶を成長させる工程である、[1]〜[15]のいずれかに記載の窒化物結晶の製造方法。
[17][1]〜[16]のいずれかに記載の製造方法により製造される窒化物結晶。
[18]酸素濃度が1.5×1018〜2.5×1019atoms/cm3であり、下記式で表されるドーパント活性化率ηが10〜90%であることを特徴とする、窒化物結晶。

Figure 2014062029
(上式において、ηはドーパント活性化率(単位:%)であり、[CC]はキャリア濃度(単位:cm-3)であり、[D]はドーパント濃度(単位:cm-3)である。)
[19]キャリア濃度が5×1017〜2×1019atoms/cm3である、[17]又は[18]に記載の窒化物結晶。
[20]Si濃度が1.5×1016atoms/cm3以下である、[17]〜[19]のいずれかに記載の窒化物結晶。 [1] A nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 120 wtppm is filled in a raw material filling region of a reaction vessel, and nitride is contained in the reaction vessel in the presence of a supercritical and / or subcritical nitrogen-containing solvent. A method for producing a nitride crystal, comprising a growth step for growing the crystal.
[2] The method for producing a nitride crystal according to [1], wherein an amount of an n-type dopant other than oxygen contained in the nitride crystal raw material is 1000 wtppm or less.
[3] The method for producing a nitride crystal according to [1] or [2], further including a dopant source isolation step before the growth step.
[4] The reaction container includes an installation member in the reaction container, and the reaction container and the installation member are formed of a constituent material having an n-type dopant amount of 1000 wtppm or less. 3] The method for producing a nitride crystal according to any one of [3].
[5] The method for producing a nitride crystal according to [4], wherein the constituent material includes a platinum group or a platinum group alloy.
[6] The method for producing a nitride crystal as described in [5], wherein the platinum group alloy is an alloy containing Pt and Ir.
[7] The method for producing a nitride crystal as described in [6], wherein the Ir content of the platinum group alloy is 30% by weight or less of the total weight of the platinum group alloy.
[8] The reaction container includes an installation member in the reaction container, and the reaction container and the installation member are covered with a coating material or a lining material having an n-type dopant amount of 1000 wtppm or less. ] The manufacturing method of the nitride crystal | crystallization of any one of [7].
[9] The method for producing a nitride crystal as described in [8], wherein the coating agent contains a platinum group or a platinum group alloy.
[10] The method for producing a nitride crystal according to [9], wherein the platinum group alloy is an alloy containing Pt and Ga.
[11] The method for producing a nitride crystal as described in [9] or [10], wherein the platinum group alloy is an alloy containing Ir.
[12] The n-type dopant contained in the nitride crystal contains one or more elements selected from the group consisting of Si, O, C, F, I, Cl, Br, S, and Ge. [11] The method for producing a nitride crystal according to any one of [11].
[13] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [12], wherein in the growth step, the nitride crystal is grown using an acidic mineralizer.
[14] The method for producing a nitride crystal according to [13], wherein the acidic mineralizer includes a halide.
[15] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [14], wherein the growth step is a step of growing the nitride crystal under a temperature condition of 320 to 700 ° C.
[16] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [15], wherein the growth step is a step of growing a nitride crystal under a pressure condition of 30 to 700 MPa.
[17] A nitride crystal produced by the production method according to any one of [1] to [16].
[18] The oxygen concentration is 1.5 × 10 18 to 2.5 × 10 19 atoms / cm 3 , and the dopant activation rate η represented by the following formula is 10 to 90%, Nitride crystals.
Figure 2014062029
(In the above formula, η is the dopant activation rate (unit:%), [CC] is the carrier concentration (unit: cm −3 ), and [D] is the dopant concentration (unit: cm −3 ). .)
[19] The nitride crystal according to [17] or [18], wherein the carrier concentration is 5 × 10 17 to 2 × 10 19 atoms / cm 3 .
[20] The nitride crystal according to any one of [17] to [19], wherein the Si concentration is 1.5 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

本発明によれば、一定範囲内の酸素濃度を有する窒化物結晶原料を使用して、アモノサーマル法で窒化物結晶を製造することにより、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得ることができる。   According to the present invention, a nitride crystal having a desired carrier concentration can be obtained by producing a nitride crystal by an ammonothermal method using a nitride crystal raw material having an oxygen concentration within a certain range. it can.

また、本発明では、主とするドーパント供給源を窒化物結晶原料に限定することで、アモノサーマル法において、原料中の酸素濃度と結晶中のキャリア濃度の相関関係を見出すことに成功した。これにより、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための酸素ドーピング条件を確立することができた。このため、本発明では、精密な酸素ドーピングを行うことが可能となり、高品質な窒化物結晶を得ることができる。   Further, in the present invention, by limiting the main dopant supply source to the nitride crystal raw material, the present inventors have succeeded in finding a correlation between the oxygen concentration in the raw material and the carrier concentration in the crystal in the ammonothermal method. Thereby, it was possible to establish oxygen doping conditions for obtaining a nitride crystal having a desired carrier concentration. For this reason, in the present invention, precise oxygen doping can be performed, and a high-quality nitride crystal can be obtained.

さらに、本発明によれば、アモノサーマル法で目的のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための条件を試作検討する手間を大幅に削減することができ、窒化物結晶の生産効率を高めることができる。   Furthermore, according to the present invention, it is possible to drastically reduce the time and effort to study the conditions for obtaining a nitride crystal having a target carrier concentration by the ammonothermal method, and to improve the production efficiency of the nitride crystal. Can do.

図1は、本発明で用いることができる結晶製造装置の模式図である。FIG. 1 is a schematic view of a crystal manufacturing apparatus that can be used in the present invention. 図2は、窒化物結晶原料中の酸素濃度と成長結晶のキャリア濃度の関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration in the nitride crystal raw material and the carrier concentration of the grown crystal. 図3は、成長した窒化物結晶中の酸素濃度とキャリア濃度の関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration and the carrier concentration in the grown nitride crystal.

(1.定義)
以下において、本発明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、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態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「〜」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、本明細書においてwtppmとは重量ppmのことを意味する。
(1. Definition)
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on representative embodiments and specific examples, but the present invention is not limited to such embodiments. 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. Moreover, in this specification, wtppm means weight ppm.

まず、六方晶系の結晶構造の軸と面との関係について説明する。本明細書において種結晶または窒化物結晶の「主面」とは、当該種結晶または窒化物結晶における最も広い面であって、通常は結晶成長を行うべき面を指す。本明細書において「C面」とは、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における{0001}面と等価な面であり、極性面である。例えば、(0001)面とその反対面である(000−1)面を指し、窒化ガリウムではそれぞれGa面又はN面に相当する。また、本明細書において「M面」とは、{1−100}面、{01−10}面、{−1010}面、{−1100}面、{0−110}面、{
10−10}面として包括的に表される非極性面であり、具体的には(1−100)面や、(01−10)面、(−1010)面、(−1100)面、(0−110)面、(10−10)面を意味する。さらに、本明細書において「A面」とは、{2−1−10}面、{−12−10}面、{−1−120}面、{−2110}面、{1−210}面、{11−20}面として包括的に表される非極性面である。具体的には(11−20)面や、(2−1−10)面、(−12−10)面、(−1−120)面、(−2110)面、(1−210)面、を意味する。本明細書において「c軸」「m軸」「a軸」とは、それぞれC面、M面、A面に垂直な軸を意味する。
また、本明細書において「非極性面」とは、表面に周期表第13族金属元素と窒素元素の両方が存在しており、かつその存在比が1:1である面を意味する。具体的には、M面やA面を挙げることができる。本明細書において「半極性面」とは、例えば、周期表第13族金属窒化物が六方晶であってその主面が(hklm)で表される場合、{0001}面以外で、m=0ではない面をいう。すなわち(0001)面に対して傾いた面で、かつ非極性面ではない面をいう。表面に周期表第13族金属元素と窒素元素の両方あるいはC面のように片方のみが存在する場合で、かつその存在比が1:1でない面を意味する。h、k、l、mはそれぞれ独立に−5〜5のいずれかの整数であることが好ましく、−2〜2のいずれかの整数であることがより好ましく、低指数面であることが好ましい。窒化物結晶の主面として好ましく採用できる半極性面として、例えば[10−11]面、[10−1−1]面、[10−12]面、[10−1−2]面、[20−21]面、[202−1]面、[20−2−1]面、[10−12]面、[10−1−2]面、[11−21]面、[11−2−1]面、[11−22]面、[11−2−2]面、[11−24]面、[11−2−4]面などを挙げることができ、特に[10−11]面、[202−1]面を好ましい面として挙げることができる。
First, the relationship between the axes and planes of the hexagonal crystal structure will be described. In this specification, the “principal surface” of the seed crystal or nitride crystal refers to the widest surface of the seed crystal or nitride crystal, and usually the surface on which crystal growth is to be performed. In this specification, the “C plane” is a plane equivalent to the {0001} plane in a hexagonal crystal structure (wurtzite type crystal structure), and is a polar plane. For example, it refers to the (0001) plane and the (000-1) plane opposite to it, and gallium nitride corresponds to the Ga plane or N plane, respectively. In this specification, the “M plane” refers to {1-100} plane, {01-10} plane, {-1010} plane, {−1100} plane, {0-110} plane, {
10-10} plane, which is comprehensively represented as a plane, specifically, a (1-100) plane, (01-10) plane, (-1010) plane, (-1100) plane, ( 0-110) plane and (10-10) plane. Further, in this specification, the “A plane” means {2-1-10} plane, {-12-10} plane, {-1-120} plane, {-2110} plane, {1-210} plane. , {11-20} plane which is comprehensively represented as a plane. Specifically, (11-20) plane, (2-1-10) plane, (-12-10) plane, (-1-120) plane, (-2110) plane, (1-210) plane, Means. In this specification, “c-axis”, “m-axis”, and “a-axis” mean axes perpendicular to the C-plane, M-plane, and A-plane, respectively.
In the present specification, the “nonpolar plane” means a plane in which both the Group 13 metal element and the nitrogen element are present on the surface, and the abundance ratio thereof is 1: 1. Specifically, the M surface and the A surface can be mentioned. In this specification, the “semipolar plane” means, for example, when the periodic table group 13 metal nitride is a hexagonal crystal and the principal plane is represented by (hklm), except for the {0001} plane, m = A surface that is not zero. That is, it refers to a plane that is inclined with respect to the (0001) plane and is not a nonpolar plane. It means a surface in which only one of the group 13 metal element and nitrogen element or the C surface is present on the surface, and the abundance ratio is not 1: 1. h, k, l and m are each independently preferably an integer of -5 to 5, more preferably an integer of -2 to 2, and preferably a low index surface. . Examples of the semipolar plane that can be preferably used as the main surface of the nitride crystal include [10-11] plane, [10-1-1] plane, [10-12] plane, [10-1-2] plane, [20 -21] plane, [202-1] plane, [20-2-1] plane, [10-12] plane, [10-1-2] plane, [11-21] plane, [11-2-1] ], [11-22] plane, [11-2-2] plane, [11-24] plane, [11-2-4] plane, etc., particularly [10-11] plane, 202-1] plane can be mentioned as a preferable plane.

(2.窒化物結晶の製造方法)
本発明の窒化物結晶の製造方法では、酸素濃度が10〜120wtppmの窒化物結晶原料を使用して、アモノサーマル法により該窒化物結晶原料から窒化物結晶を製造する。具体的には、本発明の製造方法は、酸素濃度が10〜120wtppmの窒化物結晶原料を反応容器の原料充填領域に充填して、反応容器中において超臨界及び/又は亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で、窒化物結晶の成長を行う成長工程を含む。
以下、本発明に用いることができる窒化物結晶原料と、この窒化物結晶原料を用いた窒化物結晶成長方法について説明する。
(2. Manufacturing method of nitride crystal)
In the method for producing a nitride crystal of the present invention, a nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 120 wtppm is used, and a nitride crystal is produced from the nitride crystal raw material by an ammonothermal method. Specifically, in the production method of the present invention, a nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 120 wtppm is filled in a raw material filling region of a reaction vessel, and nitrogen content in a supercritical and / or subcritical state is contained in the reaction vessel. A growth step of growing a nitride crystal in the presence of a solvent.
Hereinafter, a nitride crystal raw material that can be used in the present invention and a nitride crystal growth method using this nitride crystal raw material will be described.

(3.結晶原料)
本発明では、アモノサーマル法により成長させようとしている窒化物結晶を構成する原子を含む窒化物結晶原料を用いる。例えば、周期表第13族金属の窒化物結晶を成長させようとする場合は、周期表第13族金属を含む原料を用いる。好ましくは13族窒化物結晶の多結晶原料または単結晶原料を用い、これを13族原子の金属(メタル)と組み合わせて原料として用いても良い。多結晶原料は、完全な窒化物である必要はなく、条件によっては13族原子がメタルの状態(ゼロ価)である金属成分を含有しても良い。例えば、成長させる窒化物結晶が窒化ガリウムである場合には、窒化物原料としては、窒化ガリウムと金属ガリウムの混合物が挙げられる。本発明で得られる窒化物結晶の種類としては、GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、AllnGaNなどを挙げることができる。好ましいのはGaN、AlN、AlGaN、AllnGaNであり、より好ましいのはGaNである。よって、窒化物結晶原料としては、前述の結晶の多結晶原料および/またはこれらのメタルを組合せて用いることができる。
(3. Crystal raw material)
In the present invention, a nitride crystal raw material containing atoms constituting the nitride crystal to be grown by the ammonothermal method is used. For example, when a nitride crystal of Group 13 metal of the periodic table is to be grown, a raw material containing Group 13 metal of the periodic table is used. Preferably, a polycrystalline raw material or a single crystal raw material of a group 13 nitride crystal is used, and this may be used as a raw material in combination with a metal of group 13 atom. The polycrystalline raw material does not need to be a complete nitride, and may contain a metal component in which the group 13 atom is in a metal state (zero valence) depending on conditions. For example, when the nitride crystal to be grown is gallium nitride, examples of the nitride raw material include a mixture of gallium nitride and metal gallium. Examples of the type of nitride crystal obtained in the present invention include GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, AllnGaN, and the like. Preferred is GaN, AlN, AlGaN, AllnGaN, and more preferred is GaN. Therefore, as the nitride crystal raw material, the above-mentioned polycrystalline raw material of crystals and / or these metals can be used in combination.

(3−1.結晶原料の酸素濃度)
本発明の窒化物結晶の製造方法は、酸素濃度が10〜120wtppmの窒化物結晶原料を使用して、反応容器中において超臨界及び/又は亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で、窒化物の結晶成長を行う成長工程を含むことを特徴とする。
窒化物結晶原料の酸素濃度は、ドーパントとして十分な量を確保するために10wtppm以上であり、15wtppm以上であることが好ましく、16wtppm以上であることがより好ましく、20wtppm以上であることがさらに好ましい。また、窒化物結晶原料の酸素濃度は、不純物の少ない高品質の結晶とするために120wtppm以下であり、100wtppm以下であることが好ましく、80wtppm以下であることがより好ましく、80wtppm以下であることがさらに好ましい。窒化物結晶原料の酸素濃度を上記範囲内とすることで、得られる窒化物結晶のキャリア濃度を5×1017〜2×1019atoms/cm3とすることができ、高品質な窒化物結晶を得ることができる。
(3-1. Oxygen concentration of crystal raw material)
The method for producing a nitride crystal according to the present invention uses a nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 120 wtppm in the presence of a nitrogen-containing solvent in a supercritical and / or subcritical state in a reaction vessel. And a growth step of growing the crystal.
The oxygen concentration of the nitride crystal raw material is 10 wtppm or more in order to ensure a sufficient amount as a dopant, preferably 15 wtppm or more, more preferably 16 wtppm or more, and further preferably 20 wtppm or more. Further, the oxygen concentration of the nitride crystal raw material is 120 wtppm or less, preferably 100 wtppm or less, more preferably 80 wtppm or less, and 80 wtppm or less in order to obtain high-quality crystals with few impurities. Further preferred. By setting the oxygen concentration of the nitride crystal raw material within the above range, the carrier concentration of the obtained nitride crystal can be set to 5 × 10 17 to 2 × 10 19 atoms / cm 3, and a high-quality nitride crystal can be obtained. Can be obtained.

酸素濃度が10〜120wtppmの窒化物結晶原料の製造方法は、特に制限されない。酸素濃度が10〜120wtppmの窒化物結晶原料には、通常のHVPE法で製造したものを用いても良く、アモノサーマル法で製造したものを用いても良い。例えば、HVPE法で窒化物結晶原料を製造する場合、反応容器内に水蒸気を混入させ、酸素濃度を適宜調整した窒化物結晶原料を作製することができる。水蒸気には、希釈酸素と水を反応容器内で混合することで作り出されたものを用いることが好ましい。
また、HVPE法で成長する場合に、成長温度を下げたり、V族原料ガスとIII族原料ガスのモル比を変更することで、酸素濃度を調整することもできる。V族原料ガスのモル比を上げると酸素濃度を上げることができる。
The method for producing a nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 120 wtppm is not particularly limited. As the nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 120 wtppm, a material produced by a normal HVPE method may be used, or a material produced by an ammonothermal method may be used. For example, when producing a nitride crystal raw material by the HVPE method, a nitride crystal raw material can be produced by mixing water vapor into the reaction vessel and appropriately adjusting the oxygen concentration. As the water vapor, it is preferable to use one produced by mixing diluted oxygen and water in a reaction vessel.
In addition, when growing by the HVPE method, the oxygen concentration can be adjusted by lowering the growth temperature or changing the molar ratio of the group V source gas and the group III source gas. Increasing the molar ratio of the group V source gas can increase the oxygen concentration.

本発明では、以下に述べる関係式を用いて、窒化物結晶原料中の酸素濃度と成長した窒化物結晶中のキャリア濃度の相関関係を明らかにすることができる。これにより、再現性の高い酸素ドーピングが可能になる。   In the present invention, the correlation between the oxygen concentration in the nitride crystal raw material and the carrier concentration in the grown nitride crystal can be clarified using the relational expression described below. Thereby, oxygen doping with high reproducibility becomes possible.

本発明では、アモノサーマル法で形成した窒化物結晶の活性化率を以下の式で表すことができる。本発明において活性化率とは、ドーパントが窒化物結晶内でキャリアとして機能する割合を示す。   In the present invention, the activation rate of the nitride crystal formed by the ammonothermal method can be expressed by the following formula. In the present invention, the activation rate indicates a ratio at which the dopant functions as a carrier in the nitride crystal.

Figure 2014062029
Figure 2014062029

上記式において、ηはドーパント活性化率(単位:%)であり、[CC]はキャリア濃度(単位:cm-3)であり、[D]はドーパント濃度(単位:cm-3)である。通常、キャリア濃度は、得られた結晶についてホール測定、ラマン分光法、C−V特性分析、渦電流を用いた移動度測定などを行うことによって測定することができる。場合によっては、得られた窒化物結晶をアニール処理してキャリアの活性化を行ってからキャリア濃度を測定することが好ましい。また、ドーパント濃度は、得られた窒化物結晶についてSIMSを行って、酸素やSiなどのn型ドーパントとして働き得る原子の濃度を合計することで、決定することができる。ただし、Siやハロゲン元素などの酸素以外のドーパントの結晶中の取り込み量が、酸素に比べてきわめて小さい場合には、代表的なドーパントである酸素の濃度をドーパント濃度として考えることができる。 In the above formula, η is the dopant activation rate (unit:%), [CC] is the carrier concentration (unit: cm −3 ), and [D] is the dopant concentration (unit: cm −3 ). Usually, the carrier concentration can be measured by performing hole measurement, Raman spectroscopy, CV characteristic analysis, mobility measurement using eddy current, and the like on the obtained crystal. In some cases, it is preferable to measure the carrier concentration after annealing the obtained nitride crystal to activate the carrier. The dopant concentration can be determined by performing SIMS on the obtained nitride crystal and totaling the concentration of atoms that can function as an n-type dopant such as oxygen or Si. However, when the amount of dopant other than oxygen, such as Si or a halogen element, incorporated in the crystal is very small compared to oxygen, the concentration of oxygen, which is a representative dopant, can be considered as the dopant concentration.

本発明者らの検討によれば、アモノサーマル法により得られる窒化物結晶について上記式により算出されるドーパント活性化率はHVPE法で得られた窒化物結晶のように100%とはならず、10〜90%であり、種々の成長条件で得られたアモノサーマル結晶を平均するとドーパント活性化率は約45%となることが明らかとなった。このことより、アモノサーマル法によって得られる窒化物結晶中にドーピングすべき酸素濃度は、目的とするキャリア濃度の1.1〜10倍の範囲であることが見出された。具体的には得られる窒化物結晶中にドーピングすべき酸素濃度は1.5×1018〜2.5×1019atoms/cm3であることが好ましく、このような量をドーピングするために、窒化物結晶原料に含まれる酸素濃度は10〜120wtppmの範囲とすることができる。本発明の製造方法によれば、窒化物結晶原料に含まれる酸素量の40〜60wt%が、得られる窒化物結晶に取り込まれることが好ましく、より好ましくは約50wt%程度が取り込まれることである。結晶原料から窒化物結晶に取り込まれる酸素量は、結晶成長条件を適宜調整することでコントロールすることができるが、具体的には窒化物結晶中のハロゲン取り込み量が増加すると酸素取り込み量が低減する傾向にある。よって、鉱化剤として用いるハロゲンの量やハロゲン種の比率を適宜変更することによっても調整し得る。
上述した活性化率の算出式から窒化物結晶が所望のキャリア濃度を有するためにドープすべき酸素量を導き出すことができ、さらに、これにより窒化物結晶原料が含有すべき酸素の量を導き出すことができる。
According to the study by the present inventors, the dopant activation rate calculated by the above formula for the nitride crystal obtained by the ammonothermal method is not 100% as in the nitride crystal obtained by the HVPE method. 10 to 90%, and the average of the ammonothermal crystals obtained under various growth conditions was found to be about 45%. From this, it was found that the oxygen concentration to be doped in the nitride crystal obtained by the ammonothermal method is in the range of 1.1 to 10 times the target carrier concentration. Specifically, the oxygen concentration to be doped in the obtained nitride crystal is preferably 1.5 × 10 18 to 2.5 × 10 19 atoms / cm 3 , and in order to dope such an amount, The oxygen concentration contained in the nitride crystal raw material can be in the range of 10 to 120 wtppm. According to the production method of the present invention, 40 to 60 wt% of the amount of oxygen contained in the nitride crystal raw material is preferably taken into the obtained nitride crystal, more preferably about 50 wt% is taken in. . The amount of oxygen incorporated into the nitride crystal from the crystal raw material can be controlled by appropriately adjusting the crystal growth conditions. Specifically, the amount of oxygen incorporated decreases as the amount of halogen incorporated in the nitride crystal increases. There is a tendency. Therefore, it can be adjusted by appropriately changing the amount of halogen used as the mineralizer and the ratio of halogen species.
The amount of oxygen to be doped in order for the nitride crystal to have a desired carrier concentration can be derived from the calculation formula for the activation rate described above, and further, the amount of oxygen to be contained in the nitride crystal raw material can be derived from this. Can do.

さらに、本発明では、窒化物結晶原料中の酸素濃度と結晶中のキャリア濃度の関係は、図2に示される線形近似式により、以下の式で表すことができる。   Furthermore, in the present invention, the relationship between the oxygen concentration in the nitride crystal raw material and the carrier concentration in the crystal can be expressed by the following equation using the linear approximation equation shown in FIG.

Figure 2014062029
Figure 2014062029

上記式において、Xは窒化物結晶原料中の酸素濃度、Yは得られた窒化物結晶中のキャリア濃度を表し、原料中の酸素濃度から得られた結晶中におけるキャリア濃度を見積もることができる。   In the above formula, X represents the oxygen concentration in the nitride crystal raw material, Y represents the carrier concentration in the obtained nitride crystal, and the carrier concentration in the obtained crystal can be estimated from the oxygen concentration in the raw material.

本発明では、上記の相関関係式を用いることにより、アモノサーマル法において、再現性の高い酸素ドーピングを行うことが可能となる。これにより、半導体デバイスの用途に応じて、様々なキャリア濃度を有する窒化物結晶を容易に製造することができる。
また、本発明では、上記の相関関係式を用いることにより、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶の製造条件を確立することができる。これにより、アモノサーマル法において、精密な酸素ドーピングを行うことが可能となり、高品質な窒化物結晶を得ることができる。
さらに、上記の相関関係式を用いることで、目的のキャリア濃度を有する窒化物結晶の生産効率を高めることができる。
In the present invention, it is possible to perform oxygen doping with high reproducibility in the ammonothermal method by using the above correlation equation. Thereby, nitride crystals having various carrier concentrations can be easily manufactured according to the use of the semiconductor device.
Further, in the present invention, by using the above-described correlation formula, it is possible to establish a manufacturing condition for a nitride crystal having a desired carrier concentration. Thereby, it becomes possible to perform precise oxygen doping in the ammonothermal method, and a high-quality nitride crystal can be obtained.
Furthermore, by using the above correlation formula, it is possible to increase the production efficiency of a nitride crystal having a target carrier concentration.

本発明の製造方法では、窒化物結晶原料に含まれる酸素以外のn型ドーパントの量は、1000wtppm以下とすることが好ましく、100wtppm以下とすることがより好ましく、10wtppm以下とすることがさらに好ましい。窒化物結晶原料を製造する際に、窒化物結晶原料にn型ドーパントは一定量以上混合しないようにすることが好ましい。窒化物結晶原料の酸素以外のn型ドーパントの量を上記上限値以下とすることで、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための条件設定をより正確に行うことができる。   In the production method of the present invention, the amount of the n-type dopant other than oxygen contained in the nitride crystal raw material is preferably 1000 wtppm or less, more preferably 100 wtppm or less, and even more preferably 10 wtppm or less. When producing the nitride crystal raw material, it is preferable not to mix a certain amount or more of the n-type dopant with the nitride crystal raw material. By setting the amount of n-type dopant other than oxygen in the nitride crystal raw material to the upper limit value or less, it is possible to more accurately set conditions for obtaining a nitride crystal having a desired carrier concentration.

酸素以外のn型ドーパントとしては、例えば、Si、Ge、Se、S、F、I、Cl、C等が挙げられる。これらのドーパントは、n型ドーパントとして窒化物結晶に添加され、窒化物結晶中でキャリアとなる。Siは窒化ガリウム結晶において、最も一般的に用いられるドーパントである。
酸素は活性化率が高いため、n型ドーパントとして有用である。このため、本発明では、窒化物結晶に目的濃度のキャリアを含有するために酸素をドーピングすることが好ましい。また、窒化物結晶に酸素をドーピングすることで、Siをドーピングした場合に比べて窒化物結晶の加工性を高めることができる。本発明では窒化物結晶に酸素をドーピングするために、n型ドーパントであるSiの含有量を一定量以下とすることが好ましい。
Examples of n-type dopants other than oxygen include Si, Ge, Se, S, F, I, Cl, and C. These dopants are added to the nitride crystal as n-type dopants and serve as carriers in the nitride crystal. Si is the most commonly used dopant in gallium nitride crystals.
Since oxygen has a high activation rate, oxygen is useful as an n-type dopant. For this reason, in the present invention, it is preferable to dope oxygen so that the nitride crystal contains a target concentration of carriers. Also, by doping the nitride crystal with oxygen, the workability of the nitride crystal can be improved compared to the case where Si is doped. In the present invention, in order to dope the nitride crystal with oxygen, the content of Si as the n-type dopant is preferably set to a certain amount or less.

本発明では、酸素が均一に混合された窒化物結晶原料を用いることが好ましく、これにより得られる窒化物結晶中のキャリア濃度を均一にすることができる。
本発明の結晶成長方法では、反応容器内で窒化物結晶原料を溶解させ、それと同時に窒化物結晶を成長させる。窒化物結晶原料に均一に混合された酸素は、溶解される際に徐々に反応容器内に放出され、順次、窒化物結晶に取り込まれる。窒化物結晶原料には酸素は均一に混合されているため、窒化物結晶の成長過程において取り込まれる酸素の量は一定となり、窒化物結晶に含まれるキャリア濃度が均一となる。このように、本発明では、主としてドーパント供給源を窒化物結晶原料に限定することによって、窒化物結晶に酸素ドーパントを均一に添加することができる。窒化物結晶が全体として均一なキャリア濃度を有することで、結晶の導電性を安定させることができ、窒化物結晶の品質を高めることができるため好ましい。
In the present invention, it is preferable to use a nitride crystal raw material in which oxygen is uniformly mixed, and the carrier concentration in the nitride crystal obtained thereby can be made uniform.
In the crystal growth method of the present invention, a nitride crystal raw material is dissolved in a reaction vessel, and at the same time, a nitride crystal is grown. Oxygen uniformly mixed with the nitride crystal raw material is gradually released into the reaction vessel when dissolved, and sequentially taken into the nitride crystal. Since oxygen is uniformly mixed in the nitride crystal raw material, the amount of oxygen taken in during the growth process of the nitride crystal is constant, and the carrier concentration contained in the nitride crystal is uniform. As described above, in the present invention, mainly by limiting the dopant supply source to the nitride crystal raw material, the oxygen dopant can be uniformly added to the nitride crystal. It is preferable for the nitride crystal to have a uniform carrier concentration as a whole because the conductivity of the crystal can be stabilized and the quality of the nitride crystal can be improved.

アモノサーマル法によって得られた窒化物結晶は、アニール処理を行うことによって、ドーパントを活性化することが好ましい。アニール処理により、窒化物単結晶に含まれるドーパントを活性化してキャリア活性化率を10〜90%とすることができ、加えて移動度も十分に向上させることができる。アニール処理の時間は特に限定されないが、5.5時間以上であることが好ましく、8時間以上であることがより好ましく、10時間以上であることがさらに好ましく、12時間以上であることが特に好ましい。また、300時間以内であることが好ましく、150時間以内であることがより好ましく、120時間以内であることがさらに好ましく、100時間以内であることが特に好ましい。   The nitride crystal obtained by the ammonothermal method preferably activates the dopant by annealing. By annealing, the dopant contained in the nitride single crystal can be activated to make the carrier activation rate 10 to 90%, and in addition, the mobility can be sufficiently improved. The annealing time is not particularly limited, but is preferably 5.5 hours or more, more preferably 8 hours or more, further preferably 10 hours or more, and particularly preferably 12 hours or more. . Further, it is preferably within 300 hours, more preferably within 150 hours, further preferably within 120 hours, and particularly preferably within 100 hours.

アニール処理の温度は750℃以上であることが好ましく、800℃以上であることがより好ましく、850℃以上であることがさらに好ましく、900℃以上であることが特に好ましい。また、アニール処理の温度は1250℃以下であることが好ましく、1200℃以下であることがより好ましく、1100℃以下であることがさらに好ましく、1050℃以下であることが特に好ましい。1250℃以下であれば、アニール処理による質量減少を抑えやすい。アニール処理中の温度は一定に維持してもよいし、段階的に変化させてもよいし、連続的に変化させてもよい。また、これらを適宜組み合わせて実施してもよい。   The annealing temperature is preferably 750 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher, further preferably 850 ° C. or higher, and particularly preferably 900 ° C. or higher. The annealing temperature is preferably 1250 ° C. or less, more preferably 1200 ° C. or less, further preferably 1100 ° C. or less, and particularly preferably 1050 ° C. or less. If it is 1250 degrees C or less, it is easy to suppress the mass reduction by annealing treatment. The temperature during the annealing process may be kept constant, may be changed stepwise, or may be changed continuously. Moreover, you may implement combining these suitably.

アニール処理は、アンモニア、窒素、酸素、水素からなる群より選択される1つ以上が存在する雰囲気下で行うことが好ましい。好ましいのは少なくとも窒素が存在する雰囲気
下で行なう場合である。このときの窒素の割合は50%以上であることが好ましく、60%以上であることがより好ましく、70%以上であることがさらに好ましい。さらには窒素が100%の雰囲気でも好適に行なうことができる。
The annealing treatment is preferably performed in an atmosphere in which one or more selected from the group consisting of ammonia, nitrogen, oxygen, and hydrogen exists. Preference is given to carrying out in an atmosphere in which at least nitrogen is present. At this time, the ratio of nitrogen is preferably 50% or more, more preferably 60% or more, and further preferably 70% or more. Furthermore, it can be suitably performed even in an atmosphere of 100% nitrogen.

(3−2.結晶原料の嵩密度)
通常、アモノサーマル法では、反応容器内に窒化物結晶原料を充填する原料充填領域と種結晶を設置しておく結晶成長領域とを設けておき、原料充填領域において窒化物結晶原料を溶解し、結晶成長領域において種結晶上に窒化物結晶を成長させる。このとき、原料充填領域と結晶成長領域には温度差をつけて、原料充填領域において窒化物結晶原料がより溶解し、結晶成長領域において良質な窒化物結晶がより析出しやすくなるように制御することが好ましい。
(3-2. Bulk density of crystal raw material)
Usually, in the ammonothermal method, a raw material filling region for filling a nitride crystal raw material and a crystal growth region for installing a seed crystal are provided in a reaction vessel, and the nitride crystal raw material is dissolved in the raw material filling region. A nitride crystal is grown on the seed crystal in the crystal growth region. At this time, a temperature difference is provided between the raw material filling region and the crystal growth region, and control is performed so that the nitride crystal raw material is more dissolved in the raw material filling region and high-quality nitride crystals are more likely to precipitate in the crystal growth region. It is preferable.

このため、嵩密度が0.7〜4.5g/cm3の範囲にある窒化物結晶原料を用いることが好ましい。より好ましくは1.5g/cm3以上であり、更に好ましくは1.8g/cm3以上であって、より好ましくは4.0g/cm3以下であり、更に好ましくは3.0g/cm3以下である。このような範囲の嵩密度を有する窒化物結晶原料を単独または組合せて用いることによって、後述する原料充填領域における窒化物結晶原料の溶解性を調整することができるため好ましい。さらに、窒化物結晶原料の溶解性を向上させて均一に溶解を進めることができるので、窒化物結晶原料に含まれる酸素を、得られる窒化物結晶に均一かつ効率的にドープすることができ、良質な窒化物結晶を得ることができるため好ましい。 For this reason, it is preferable to use a nitride crystal raw material having a bulk density in the range of 0.7 to 4.5 g / cm 3 . More preferably, it is 1.5 g / cm 3 or more, more preferably 1.8 g / cm 3 or more, more preferably 4.0 g / cm 3 or less, and further preferably 3.0 g / cm 3 or less. It is. It is preferable to use a nitride crystal raw material having a bulk density in such a range alone or in combination because the solubility of the nitride crystal raw material in the raw material filling region described later can be adjusted. Furthermore, since the solubility of the nitride crystal raw material can be improved and the dissolution can proceed uniformly, oxygen contained in the nitride crystal raw material can be uniformly and efficiently doped into the resulting nitride crystal, It is preferable because a good quality nitride crystal can be obtained.

なお、嵩密度が異なる窒化物結晶原料の各々の「嵩密度」は、適当な容器に窒化物結晶原料を充填し、充填した結晶原料の単位体積あたりの重量を意味し、充填した窒化物結晶原料の重量を該容器の容積で除することにより求めることができる。通常、同一の嵩密度を有するとされる窒化物結晶原料の集合体は、類似した形状を有しており、粒径の最小値に対する最大値が100倍以下となるような集合を、略同等の嵩密度を有する「1種の窒化物結晶原料」と称する。1種の窒化物結晶原料は1粒子あたりの重量のばらつきが小さいことが好ましく、1粒子あたりの重量における標準偏差は使用する反応容器の大きさによって好ましい範囲が異なるが、一般的に6.0以下であることが好ましい。特に、反応容器の直径が26mmの場合は平均重量0.6〜1.2g/1粒子であり標準偏差が0.35〜0.48の原料を使用することが好ましい。反応容器の直径が60mmの場合は平均重量5.0〜8.5g/1粒子であり標準偏差が5.4以下の原料を使用することが好ましい。反応容器の直径が130mmの場合は平均重量5.0〜10.5g/1粒子であり標準偏差が7.0以下の原料を使用することが好ましい。   The “bulk density” of each of the nitride crystal raw materials having different bulk densities means a weight per unit volume of the filled crystal raw material in a suitable container, and the filled nitride crystals. It can be determined by dividing the weight of the raw material by the volume of the container. Usually, aggregates of nitride crystal raw materials that are said to have the same bulk density have similar shapes, and aggregates that have a maximum value of 100 times or less with respect to the minimum value of the grain size are substantially equivalent. It is called “one kind of nitride crystal raw material” having a bulk density of One nitride crystal raw material preferably has a small variation in weight per particle, and the standard deviation in the weight per particle varies depending on the size of the reaction vessel used, but generally 6.0. The following is preferable. In particular, when the diameter of the reaction vessel is 26 mm, it is preferable to use a raw material having an average weight of 0.6 to 1.2 g / 1 particle and a standard deviation of 0.35 to 0.48. When the diameter of the reaction vessel is 60 mm, it is preferable to use a raw material having an average weight of 5.0 to 8.5 g / 1 particle and a standard deviation of 5.4 or less. When the diameter of the reaction vessel is 130 mm, it is preferable to use a raw material having an average weight of 5.0 to 10.5 g / 1 particle and a standard deviation of 7.0 or less.

本発明の製造方法においては、嵩密度が0.7〜4.5g/cm3の範囲にある窒化物結晶原料を用いる限りは、1種の窒化物結晶原料を単独で用いても、嵩密度の異なる2種以上の窒化物結晶原料を用いてもよい。均一な溶解性を達成し、得られる窒化物結晶が均一にできることから、1種の窒化物結晶原料を単独で用いることが好ましい。 In the production method of the present invention, as long as a nitride crystal raw material having a bulk density in the range of 0.7 to 4.5 g / cm 3 is used, even if one kind of nitride crystal raw material is used alone, the bulk density Two or more types of nitride crystal raw materials having different values may be used. It is preferable to use one kind of nitride crystal raw material alone because uniform solubility can be achieved and the resulting nitride crystal can be made uniform.

本発明における窒化物結晶原料の嵩密度の具体的な計算例を示す。例えば、内径20mmの円筒状の容器の下部領域に100gのGaN結晶原料を設置し、原料が入った領域の最下端(円筒内部の底面)から最上端までの高さが100mmであった場合の嵩密度は、100g/(314mm2×100mm)で計算することができ、約3.18g/cm3と算出される。また、容器に入れた状態でCTスキャン(コンピュータ断層撮影法)でも分析することができる。例えば、CTスキャンにより測定した原料を充填した容器内の空隙率が70%である場合、固体容積は約30%の重量となるので、窒化ガリウムの密度を6.1g/cm3とすると、以下の式から嵩密度を算出できる。
6.1g/cm3×0.3=1.83g/cm3 (嵩密度)
The specific example of calculation of the bulk density of the nitride crystal raw material in this invention is shown. For example, when 100 g of GaN crystal raw material is installed in the lower region of a cylindrical container having an inner diameter of 20 mm, and the height from the lowermost end (bottom surface inside the cylinder) to the uppermost end of the region containing the raw material is 100 mm The bulk density can be calculated at 100 g / (314 mm 2 × 100 mm), and is calculated to be about 3.18 g / cm 3 . Moreover, it can analyze also by CT scan (computed tomography) in the state put into the container. For example, when the porosity in the container filled with the raw material measured by CT scan is 70%, the solid volume is about 30% by weight. Therefore, when the density of gallium nitride is 6.1 g / cm 3 , The bulk density can be calculated from the formula:
6.1 g / cm 3 × 0.3 = 1.83 g / cm 3 (bulk density)

また、本発明の製造方法では、反応容器中の原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度を0.7〜4.5g/cm3の範囲内に制御して充填することにより、溶媒の対流を阻害することなく、原料の溶解速度を向上させて、良質な結晶を効率良く成長させることができるため好ましい。 Further, in the production method of the present invention, the convection of the solvent is performed by controlling the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region in the reaction vessel to be within the range of 0.7 to 4.5 g / cm 3. This is preferable because the dissolution rate of the raw material can be improved and high-quality crystals can be efficiently grown without hindering.

本発明でいう「原料充填領域」は、反応開始前の反応容器の長軸が鉛直方向となるように設置したときに、充填した結晶原料の最下端部を含む水平面と充填した結晶原料の最上端部を含む水平面とで挟まれた反応容器内領域をいう。
原料充填領域における窒化物結晶原料の「嵩密度」は、原料充填領域に充填した窒化物結晶原料の単位体積あたりの重量であり、窒化物結晶原料の重量を原料充填領域の自由容積で除することにより求めることができる。ここでいう原料充填領域の自由容積は、反応容器の原料充填領域の内容積から原料充填領域に存在する結晶原料以外の固体の容積を除いた容積である。そのような固体として、バッフル板や種結晶支持枠を支える支持枠、窒化物結晶原料を設置するための坩堝、バスケットや網状構造物等の構造物を例示することができ、原料充填領域内におけるこれらの体積を除くことにより自由容積を求めることができる。上述の具体例において、容器を反応容器とすれば、同様にして原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度の算出が可能である。
In the present invention, the “raw material filling region” refers to the horizontal plane including the lowest end of the filled crystal raw material and the uppermost of the filled crystal raw material when the long axis of the reaction vessel before the start of the reaction is in the vertical direction. A region inside the reaction vessel sandwiched between a horizontal plane including the upper end portion.
The “bulk density” of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is the weight per unit volume of the nitride crystal raw material filled in the raw material filling region, and the weight of the nitride crystal raw material is divided by the free volume of the raw material filling region. Can be obtained. Here, the free volume of the raw material filling region is a volume obtained by subtracting the solid volume other than the crystal raw material existing in the raw material filling region from the internal volume of the raw material filling region of the reaction vessel. Examples of such solids include baffle plates and support frames that support the seed crystal support frame, crucibles for installing nitride crystal raw materials, baskets, and structures such as a net-like structure. The free volume can be obtained by removing these volumes. In the specific example described above, if the container is a reaction container, the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region can be calculated in the same manner.

原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は窒化物結晶原料の充填率に換算することが可能である。嵩密度を窒化物結晶原料の比重で除して100倍することにより充填率(単位%)を算出することができる。例えば、上の具体例では、GaN結晶の比重が6.1g/cm3であることから、充填率は52%と計算される。 The bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region can be converted into the filling rate of the nitride crystal raw material. The filling rate (unit%) can be calculated by dividing the bulk density by the specific gravity of the nitride crystal raw material and multiplying by 100. For example, in the above specific example, since the specific gravity of the GaN crystal is 6.1 g / cm 3 , the filling rate is calculated to be 52%.

原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度が大きすぎると、結晶原料間に生じる空間の体積が小さくなることにより、溶媒の対流が阻害され原料の溶解速度が低下する。このため、良質な成長結晶を生産性良く成長させることが困難になる。一方、窒化物結晶原料の嵩密度が小さすぎると、結晶原料は十分に溶解できるものの、体積あたりの原料の投入量が少なくなり、十分な量の溶解原料を効率良く結晶成長領域に供給して、速やかに十分なサイズの窒化物結晶を成長させることが困難になる。本発明では、原料充填領域における結晶原料の嵩密度を0.7〜4.5g/cm3の範囲内に制御することが好ましい。原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は0.8g/cm3以上であることがより好ましく、0.9g/cm3以上であることがそれより好ましく、1.0g/cm3以上であることがさらに好ましく、1.1g/cm3以上であることが特に好ましい。また、原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は4.0g/cm3以下であることがより好ましく、3.6g/cm3以下であることがそれより好ましく、3.2g/cm3以下であることがさらに好ましく、3.0g/cm3以下であることが特に好ましい。原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度を上記範囲とすることで、溶媒の対流を阻害することなく、原料の溶解速度を向上させて、良質な結晶を効率良く成長させることができる。 When the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is too large, the volume of the space generated between the crystal raw materials is reduced, so that the convection of the solvent is inhibited and the raw material dissolution rate is reduced. For this reason, it becomes difficult to grow high-quality grown crystals with high productivity. On the other hand, if the bulk density of the nitride crystal raw material is too small, the crystal raw material can be sufficiently dissolved, but the input amount of the raw material per volume is reduced, and a sufficient amount of the dissolved raw material is efficiently supplied to the crystal growth region. It becomes difficult to quickly grow a nitride crystal of sufficient size. In the present invention, it is preferable to control the bulk density of the crystal raw material in the raw material filling region within a range of 0.7 to 4.5 g / cm 3 . The bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is more preferably 0.8 g / cm 3 or more, more preferably 0.9 g / cm 3 or more, and 1.0 g / cm 3 or more. More preferably, it is 1.1 g / cm 3 or more. Further, the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region is more preferably 4.0 g / cm 3 or less, more preferably 3.6 g / cm 3 or less, and 3.2 g / cm 3 or less. More preferably, it is particularly preferably 3.0 g / cm 3 or less. By setting the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region within the above range, the dissolution rate of the raw material can be improved and high-quality crystals can be efficiently grown without inhibiting the convection of the solvent.

原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は、例えば使用する窒化物結晶原料の粒径、粒径分布、形状などを選択することにより制御することが可能である。すなわち、反応容器内の原料充填領域に窒化物結晶原料を入れたときに、個々の窒化物結晶原料粒子同士が互いに空隙を持ちながら重なり合いやすい粒径や形状を有する窒化物結晶原料を選択すれば、嵩密度を低くすることができる。例えば、粒径が大きな窒化物結晶原料を用いたり、粒子形状が非対称で不定形である窒化物結晶原料を用いたりすることにより、嵩密度を低くすることが可能である。逆に、反応容器内の原料充填領域に窒化物結晶原料を入れたときに、個々の窒化物結晶原料粒子どうしが互いに密に重なり合いやすい粒径や形状を有する窒化物結晶原料を選択すれば、嵩密度を高くすることができる。例えば、粒径が小さな窒化物結晶原料を用いたり、粒径が大きな窒化物結晶原料とその間隙に入り込むような小さな粒径の窒化物結晶原料を組み合わせて用いたり、密に充填しやすい粒子形状を持つ均一な窒化物結晶原料を用いたりすることにより、嵩密度を高くすることが可能である。   The bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region can be controlled, for example, by selecting the particle size, particle size distribution, shape, and the like of the nitride crystal raw material to be used. In other words, when a nitride crystal raw material is placed in the raw material filling region in the reaction vessel, a nitride crystal raw material having a particle size or shape that easily overlaps each other while having gaps between the individual nitride crystal raw material particles is selected. , The bulk density can be lowered. For example, it is possible to reduce the bulk density by using a nitride crystal material having a large particle size or using a nitride crystal material having an asymmetric and irregular particle shape. Conversely, when a nitride crystal raw material is selected in the raw material filling region in the reaction vessel, a nitride crystal raw material having a particle size or shape in which individual nitride crystal raw material particles tend to closely overlap each other is selected. The bulk density can be increased. For example, a nitride crystal raw material with a small particle diameter, a nitride crystal raw material with a large particle diameter and a nitride crystal raw material with a small particle diameter that can enter the gap, or a particle shape that is easy to pack closely It is possible to increase the bulk density by using a uniform nitride crystal raw material having

原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度は、原料充填領域に結晶原料を入れた後に、エネルギーを与えることにより制御することもできる。例えば、原料充填領域に結晶原料を入れた後に、振動を与えたり、反応容器を回転させたり、攪拌棒や回転羽根を用いて充填した結晶原料を混ぜたりすることにより嵩密度を制御することができる。振動は、反応容器を直接揺動することにより与えても良いし、超音波などの非接触手段により与えても良い。   The bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region can also be controlled by applying energy after putting the crystal raw material in the raw material filling region. For example, the bulk density can be controlled by applying vibration, rotating the reaction vessel, or mixing the filled crystal raw material using a stirring rod or rotating blade after putting the crystal raw material into the raw material filling region. it can. The vibration may be applied by directly swinging the reaction vessel or by non-contact means such as ultrasonic waves.

原料充填領域における結晶原料の嵩密度は、原料充填領域に構造物を設置することによって制御することも可能である。構造物としては、例えば、溶媒を通過させることができるが、結晶原料は通過させない網状構造物を好ましく採用することができる。そのような網状構造物によって、原料充填領域における結晶原料の存在域を制限することにより、嵩密度を制御することができる。すなわち、結晶原料の存在域を狭い領域に制限し、結晶原料が存在できない領域を広く確保することにより、嵩密度を低く制御することができる。例えば、原料充填領域よりも容積が小さな網状構造物の中に結晶原料を充填したうえで、これを原料充填領域に入れることにより、嵩密度を小さくすることができる。
また、逆に結晶原料を充填していない中空の網状構造物を原料充填領域に設置することにより、嵩密度を制御しても良い。例えば、そのような網状構造物を結晶原料と混合して原料充填領域に充填することができる。このとき両者の混合割合を調整すれば嵩密度を制御することができる。網状構造物は、予め原料充填領域に固定しておいても構わない。また、このような種々の態様の網状構造物は複数個使用しても良い。さらに、溶媒を通過させることができるような、網状でない構造物を採用することも可能である。
原料充填領域における窒化物結晶原料の嵩密度を上記範囲とするためには、嵩密度が0.7〜4.5g/cm3の範囲にある窒化物結晶原料を用いることが好ましい。より好ましくは1.5g/cm3以上であり、更に好ましくは1.8g/cm3以上であって、より好ましくは4.0g/cm3以下であり、更に好ましくは3.0g/cm3以下である。このような範囲の嵩密度を有する窒化物結晶原料を単独または組合せて用いることによって、原料充填領域における窒化物原料の溶解性を調整することが好ましい。
The bulk density of the crystal raw material in the raw material filling region can be controlled by installing a structure in the raw material filling region. As the structure, for example, a network structure capable of allowing a solvent to pass through but not allowing a crystal raw material to pass through can be preferably employed. With such a network structure, the bulk density can be controlled by limiting the existence region of the crystal raw material in the raw material filling region. That is, the bulk density can be controlled to be low by restricting the existence area of the crystal raw material to a narrow area and ensuring a wide area where the crystal raw material cannot exist. For example, the bulk density can be reduced by filling the crystal material in a network structure having a volume smaller than that of the raw material filling region, and then putting this into the raw material filling region.
Conversely, the bulk density may be controlled by installing a hollow network structure not filled with a crystal raw material in the raw material filling region. For example, such a network structure can be mixed with the crystal raw material and filled in the raw material filling region. At this time, the bulk density can be controlled by adjusting the mixing ratio of the two. The network structure may be fixed in advance in the raw material filling region. Moreover, you may use multiple network structures of such various aspects. Furthermore, it is also possible to employ a non-network structure that allows the solvent to pass therethrough.
In order to set the bulk density of the nitride crystal raw material in the raw material filling region within the above range, it is preferable to use a nitride crystal raw material having a bulk density in the range of 0.7 to 4.5 g / cm 3 . More preferably, it is 1.5 g / cm 3 or more, more preferably 1.8 g / cm 3 or more, more preferably 4.0 g / cm 3 or less, and further preferably 3.0 g / cm 3 or less. It is. It is preferable to adjust the solubility of the nitride raw material in the raw material filling region by using a nitride crystal raw material having such a bulk density alone or in combination.

(3−3.窒化物結晶原料の色差)
本発明における窒化物結晶原料は、L***表色系で表わした場合に、一定範囲のL*値、a*値及びb*値を有することが好ましい。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。b*値は、黄色−青色を示し、数値が小さい方が青色であり、数値が大きい方が黄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。
(3-3. Color difference of nitride crystal raw material)
The nitride crystal raw material in the present invention preferably has a certain range of L * value, a * value and b * value when expressed in the L * a * b * color system. 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. The b * value indicates yellow-blue, and the smaller numerical value is blue and the larger numerical value is yellow. 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。窒化物結晶原料の色差(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、窒化物結晶原料の色差(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 nitride crystal raw material within the above range, a growth crystal with little coloring can be obtained. The color difference (L * value, a * value, b * value) of the nitride crystal raw material is, for example, Nippon Denshoku ZE-2000 colorimetric colorimeter (standard white plate Y = 95.03, X = 95.03). , Z = 112.02).

(3−4.窒化物結晶原料の粒径)
本発明で用いる窒化物結晶原料の粒径は、嵩密度の調整のし易さや、取り扱いのし易さ等の面から反応容器のサイズによって好ましい範囲が異なる。具体的には、反応容器のサイズがより大きくなれば、窒化物結晶原料の粒径もより大きくて構わない。例えば、直径が26mm程度の反応容器を用いる場合の粒径は、最大径が0.5μm以上であるものを用いることが好ましく、1μm以上であるものを用いることがより好ましく、10μm以上であるものを用いることがさらに好ましく、また、20mm以下であるものを用いることが好ましく、15mm以下であるものを用いることがより好ましく、10mm以下であるものを用いることがさらに好ましい。また、例えば直径が60mm程度の反応容器を用いる場合の粒径は、最大径が0.5μm以上であるものを用いることが好ましく、1μm以上であるものを用いることがより好ましく、10μm以上であるものを用いることがさらに好ましく、また、50mm以下であるものを用いることが好ましく、30mm以下であるものを用いることがより好ましく、20mm以下であるものを用いることがさらに好ましい。
また、例えば直径が130mm程度の反応容器を用いる場合の粒径は、最大径が0.5μm以上であるものを用いることが好ましく、1μm以上であるものを用いることがより好ましく、10μm以上であるものを用いることがさらに好ましく、また、120mm以下であるものを用いることが好ましく、60mm以下であるものを用いることがより好ましく、30mm以下であるものを用いることがさらに好ましい。
(3-4. Grain size of nitride crystal raw material)
The preferable range of the particle size of the nitride crystal raw material used in the present invention varies depending on the size of the reaction vessel from the viewpoints of easy adjustment of bulk density and ease of handling. Specifically, if the size of the reaction vessel is larger, the particle size of the nitride crystal raw material may be larger. For example, when using a reaction vessel having a diameter of about 26 mm, the particle diameter is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, more preferably 10 μm or more. It is further preferable to use a material having a diameter of 20 mm or less, more preferably a material having a diameter of 15 mm or less, and still more preferably a material having a thickness of 10 mm or less. For example, when using a reaction vessel having a diameter of about 60 mm, the particle diameter is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, and more preferably 10 μm or more. It is more preferable to use a material that is 50 mm or less, more preferably 30 mm or less, and even more preferably 20 mm or less.
For example, when using a reaction vessel having a diameter of about 130 mm, the particle diameter is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, and more preferably 10 μm or more. It is more preferable to use a material that is 120 mm or less, more preferably 60 mm or less, and even more preferably 30 mm or less.

本発明で用いる窒化物結晶原料は、窒化物結晶原料粒子が凝集してなる構造を有するものを使用することが好ましい。具体的には、2次粒子が凝集してなる3次粒子を用いることが好ましい。2次粒子の粒径は100μm以上であることが好ましく、200μm以上であることがより好ましく、300μm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、上述の窒化物結晶原料の「粒径」と一致する。
なお、上述の窒化物結晶原料粒子が凝集してなる構造を有する窒化物結晶において、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。さらに、本発明で用いる窒化物結晶原料の形状が、後述するように珊瑚状である場合、粒子の最大径は、表面の突起部分を含めて求める。
The nitride crystal raw material used in the present invention is preferably one having a structure formed by agglomerating nitride crystal raw material particles. Specifically, it is preferable to use tertiary particles obtained by agglomerating secondary particles. The particle size of the secondary particles is preferably 100 μm or more, more preferably 200 μm or more, and further preferably 300 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 agglomeration of secondary particles, the maximum diameter of the tertiary particles coincides with the “particle diameter” of the nitride crystal raw material described above.
In the nitride crystal having a structure in which the above-mentioned nitride crystal raw material particles are aggregated, the primary particle means a nano-unit single crystal, and these single crystals are aggregated and bonded to each other to form a polycrystal. Secondary particles are formed. Usually, primary particles cannot be discriminated as particles because they are combined and integrated with each other. Furthermore, when the shape of the nitride crystal raw material used in the present invention is a bowl shape as will be described later, the maximum diameter of the particles is determined including the protrusions on the surface.

本発明で用いる窒化物結晶原料の粒径分布については、粒径が0.01μm以上の結晶原料が、結晶原料全体の体積の20%以上、より好ましくは30%以上を占めることが結晶原料間の隙間が十分に空き、溶媒の対流が可能となるために好ましい。   Regarding the particle size distribution of the nitride crystal raw material used in the present invention, the crystal raw material having a particle size of 0.01 μm or more occupies 20% or more of the total volume of the crystal raw material, more preferably 30% or more. This is preferable because the gap is sufficiently open and convection of the solvent becomes possible.

(3−5.窒化物結晶原料の形状)
本発明で用いる窒化物結晶原料の形状は、球状、断面が楕円である粒状、板状、直方形状、三角形状、珊瑚状(表面に凹凸があり表面積が大きくなった状態をいう)であっても良い。溶媒の対流を大きく阻害しないよう結晶原料間に一定の空隙が設けられていることが好ましい。また、嵩密度の調整が容易となるため、楕円粒状、直方形状、三角形状、珊瑚状、金平糖状であることがより好ましい。
(3-5. Shape of nitride crystal raw material)
The shape of the nitride crystal raw material used in the present invention is spherical, granular with an elliptical cross section, plate shape, rectangular shape, triangular shape, and bowl shape (refers to a state where the surface is uneven and the surface area is large). Also good. It is preferable that a certain gap is provided between the crystal raw materials so as not to greatly inhibit the convection of the solvent. Moreover, since adjustment of a bulk density becomes easy, it is more preferable that they are elliptical granular form, a rectangular shape, a triangular shape, a bowl shape, and a confetti shape.

本発明で用いる窒化物結晶原料としては、溶媒に溶解しやすい面が出現しており、溶媒に溶解しにくい面が出現していないものを用いることが好ましい。例えば、アンモニア溶媒を用いてGaN結晶を成長させる場合は、+C面(Ga面)とM面がアンモニア溶媒に比較的溶けにくいため、これら以外の面が出現している原料を使用することが好ましい。   As the nitride crystal raw material used in the present invention, it is preferable to use a material that has a surface that is easily dissolved in a solvent and that does not have a surface that is difficult to dissolve in a solvent. For example, when growing a GaN crystal using an ammonia solvent, the + C plane (Ga plane) and the M plane are relatively insoluble in the ammonia solvent, and therefore it is preferable to use a raw material on which other planes appear. .

(3−6.窒化物結晶原料の安息角)
本発明では、45°未満の安息角を有する窒化物結晶原料を使用することが好ましい。具体的には、成長させようとしている窒化物結晶を構成する原子を含む窒化物結晶原料のうち、安息角が特定の範囲のものを用いることができる。
(3-6. Angle of repose of nitride crystal raw material)
In the present invention, it is preferable to use a nitride crystal raw material having an angle of repose of less than 45 °. Specifically, among the nitride crystal raw materials containing atoms constituting the nitride crystal to be grown, those having a repose angle in a specific range can be used.

本発明で用いる窒化物結晶原料の「安息角」とは、窒化物結晶原料を積み上げたときに自発的に崩れることなく安定を保つ斜面の角度をいう。具体的には、水平な床面の上方から窒化物結晶原料を落下させ、円錐状の砂山の様に積み上げ、少なくとも1回は円錐の斜面が崩れるまで積み上げを行ったときの斜面の角度を指す。斜面の角度は、該円錐を水平方向から観察したときに見られる略三角形の投影図における円錐の裾野部分と底面のなす角度として測定される。本発明で用いる窒化物結晶原料の安息角には、相対湿度50%以下、30.0℃の環境下で測定した値を用いる。
本発明では、窒化物結晶原料を落下させる高さは、落下開始は床から約20cmとした。窒化物結晶原料が円錐形状になり始めたら円錐の頂部から20cmになるように落下位置を変化させ、この窒化物結晶原料を落下させて砂山の様に窒化物結晶原料を積み上げていき、積み上げた窒化物結晶原料の斜面が2回崩れた時点の値を採用した。また、ホソカワミクロン製パウダーテスター(品番PT−N)によって安息角の測定が可能な場合は、その値を安息角として用いることができる。
The “rest angle” of the nitride crystal material used in the present invention refers to the angle of the slope that maintains stability without spontaneous collapse when the nitride crystal material is stacked. Specifically, it refers to the angle of the slope when the nitride crystal raw material is dropped from above the horizontal floor surface, piled up like a cone-shaped sand pile, and piled up at least once until the cone slope collapses. . The angle of the inclined surface is measured as an angle formed by the skirt portion of the cone and the bottom surface in a substantially triangular projection view when the cone is observed from the horizontal direction. As the angle of repose of the nitride crystal raw material used in the present invention, a value measured in an environment of a relative humidity of 50% or less and 30.0 ° C. is used.
In the present invention, the height at which the nitride crystal material is dropped is about 20 cm from the floor at the start of dropping. When the nitride crystal raw material starts to have a conical shape, the dropping position is changed so that it becomes 20 cm from the top of the cone, and this nitride crystal raw material is dropped to pile up the nitride crystal raw material like a sand pile and pile up The value at the time when the slope of the nitride crystal material collapsed twice was adopted. Further, when the angle of repose can be measured by a powder tester (product number PT-N) manufactured by Hosokawa Micron, the value can be used as the angle of repose.

本発明で用いる窒化物結晶原料の安息角は、結晶成長速度向上の観点から、45°未満であることが好ましく、40°未満であることがより好ましい。窒化物結晶原料の安息角が45°未満であると、該原料の形状や大きさなどにより適度な摩擦が生じ、反応容器に充填した際に窒化物結晶原料の間に適度な空間が形成されて溶媒と接触しやすくなると考えられる。これにより、窒化物結晶原料の溶媒への溶解が促進され、結晶成長速度を高めることができる。
また、本発明で用いる窒化物結晶原料の安息角は、反応容器内への充填の際の扱い易さの観点から、15°以上であることが好ましく、20°以上であることがより好ましく、25°以上であることが特に好ましい。窒化物結晶原料の安息角が小さすぎると、該原料の形状や大きさなどによる摩擦が少なくなり、拡散しやすくなる。これにより、反応容器に充填する際などの取り扱い時に、窒化物結晶原料が舞い上がってしまうなどして取り扱いが困難になると考えられる。
The angle of repose of the nitride crystal raw material used in the present invention is preferably less than 45 ° and more preferably less than 40 ° from the viewpoint of improving the crystal growth rate. When the angle of repose of the nitride crystal raw material is less than 45 °, moderate friction occurs due to the shape and size of the raw material, and an appropriate space is formed between the nitride crystal raw materials when the reaction vessel is filled. It is thought that it becomes easy to come into contact with the solvent. Thereby, dissolution of the nitride crystal raw material in the solvent is promoted, and the crystal growth rate can be increased.
Further, the angle of repose of the nitride crystal raw material used in the present invention is preferably 15 ° or more, more preferably 20 ° or more, from the viewpoint of ease of handling when filling the reaction vessel. It is particularly preferable that the angle is 25 ° or more. When the angle of repose of the nitride crystal raw material is too small, friction due to the shape and size of the raw material is reduced, and diffusion becomes easy. Thereby, it is considered that the handling becomes difficult because the nitride crystal raw material rises at the time of handling such as filling the reaction vessel.

窒化物結晶原料の安息角を上述の範囲に制御する方法としては、例えば、特定の形状の窒化物結晶原料を用いる方法、特定の粒径の窒化物結晶原料を用いる方法、安息角が特定の範囲となるようにフィードバック制御しながら後述の結晶成長に用いる反応容器に充填できるように窒化物結晶原料を粉砕する方法、窒化物結晶原料の水分量を制御する方法、窒化物結晶原料のSi、S、Mg等の不純物含有量を制御する方法などを挙げることができる。窒化物結晶原料の粒径を調整すること、および窒化物結晶原料の水分量を調整することは、安息角を制御するために特に有効である。窒化物結晶原料の粒径を大きくしたり、水分量を多くすることで粒子間の摩擦が大きくなり、安息角は大きくなる傾向がある。   Examples of the method for controlling the angle of repose of the nitride crystal material within the above range include a method using a nitride crystal material having a specific shape, a method using a nitride crystal material having a specific particle diameter, A method of pulverizing a nitride crystal raw material so that it can be filled in a reaction vessel used for crystal growth described later while feedback controlling to be in a range, a method of controlling the moisture content of the nitride crystal raw material, Si of the nitride crystal raw material, Examples thereof include a method for controlling the content of impurities such as S and Mg. Adjustment of the grain size of the nitride crystal raw material and adjustment of the moisture content of the nitride crystal raw material are particularly effective for controlling the angle of repose. Increasing the particle size of the nitride crystal raw material or increasing the amount of water tends to increase the friction between the particles and increase the angle of repose.

窒化物結晶原料の水分量を制御する方法としては、窒化物結晶原料粒子の粒径や窒化物結晶原料を取り扱う雰囲気の相対湿度を低くする方法がある。また、窒化物結晶原料粒子の粒径をある程度大きくすることで、粒径が小さい場合よりも、空気中の水分の吸着を抑制することもできる。   As a method of controlling the moisture content of the nitride crystal raw material, there is a method of lowering the particle size of the nitride crystal raw material particle or the relative humidity of the atmosphere in which the nitride crystal raw material is handled. Further, by increasing the particle diameter of the nitride crystal raw material particles to some extent, it is possible to suppress the adsorption of moisture in the air as compared with the case where the particle diameter is small.

窒化物結晶原料の安息角が特定の範囲となるようにフィードバック制御する方法としては、例えば、得られる窒化物結晶原料の粒径と安息角の関係性をあらかじめ求めておき、特定の形状の窒化物結晶原料を用いたときに、特定の粒径となるように窒化物結晶原料を粉砕する方法を挙げることができる。   As a method for performing feedback control so that the angle of repose of the nitride crystal raw material falls within a specific range, for example, the relationship between the grain size of the obtained nitride crystal raw material and the angle of repose is obtained in advance, and nitriding of a specific shape is performed. A method of pulverizing a nitride crystal raw material so as to have a specific particle diameter when using a material crystal raw material can be mentioned.

窒化物結晶原料の粉砕方法については特に制限はないが、例えば、必要に応じて、粗粉砕工程、中粉砕工程、微粉砕工程等の複数の工程に分けて粉砕する方法がある。この場合、全粉砕工程を同じ装置を用いて粉砕することもできるが、工程によって使用する装置を変えても良い。ここで、粗粉砕工程とは、窒化物結晶原料のおおよそ90質量%が粒径1cm以下になるように粉砕する工程であり、例えば、ジョークラッシャー、ジャイレトリークラッシャー、クラッシングロール、インパクトクラッシャー等の粉砕装置を使用することができる。中粉砕工程とは、窒化物結晶原料のおおよそ90質量%が粒径1mm以下になるように粉砕する工程であり、例えば、コーンクラッシャー、クラッシングロール、ハンマーミル、ディスクミル等の粉砕装置を使用することができる。微粉砕工程とは、窒化物結晶原料をさらに細かい粒径となるように粉砕する工程であり、例えば、ボールミル、チューブミル、ロッドミル、ローラーミル、スタンプミル、エッジランナー、振動ミル、ジェットミル等の粉砕装置を使用することができる。なお、粉砕装置に由来する不純物の混入を抑制する観点から、窒化物結晶を互いに衝突させることにより粉砕することが好ましい。
一方、塊状の窒化物結晶原料であれば、機械研削やスライスなどを行い、所望の形状とすることができる。特にスライス工程を設け、板状にすることで、より容易に粉砕を行うことができる。
また、機械研削、スライス、粉砕などの加工を実施した後に、窒化物結晶原料を酸またはアルカリ溶液でエッチングすると、加工に由来する不純物の混入を除去することができる。
The method for pulverizing the nitride crystal raw material is not particularly limited, and for example, there is a method in which the pulverization is divided into a plurality of steps such as a coarse pulverization step, a medium pulverization step, and a fine pulverization step as necessary. In this case, the entire pulverization process can be pulverized using the same apparatus, but the apparatus used may be changed depending on the process. Here, the coarse pulverization step is a step of pulverizing so that approximately 90% by mass of the nitride crystal raw material has a particle size of 1 cm or less. Can be used. The medium pulverization step is a step of pulverizing so that approximately 90% by mass of the nitride crystal raw material has a particle diameter of 1 mm or less. For example, a pulverizer such as a cone crusher, a crushing roll, a hammer mill, or a disk mill is used. can do. The fine pulverization step is a step of pulverizing the nitride crystal raw material to have a finer particle size, such as a ball mill, tube mill, rod mill, roller mill, stamp mill, edge runner, vibration mill, jet mill, etc. A grinding device can be used. In addition, it is preferable to grind | pulverize by making a nitride crystal collide with each other from a viewpoint of suppressing mixing of the impurity originating in a grinder.
On the other hand, if it is a massive nitride crystal raw material, it can be machined or sliced to obtain a desired shape. In particular, by providing a slicing step and making it into a plate shape, pulverization can be performed more easily.
Further, when the nitride crystal raw material is etched with an acid or alkali solution after performing processing such as mechanical grinding, slicing, and pulverization, contamination of impurities derived from the processing can be removed.

粉砕工程は、窒化物結晶原料に酸素や酸化物、水和物などが付着することを防ぐために、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスの種類に特に制限はないが、通常、窒素、アルゴン、ヘリウム等の気体のうち1種は2種以上を用いることができる。中でも、経済性の観点から窒素は好ましく用いられる。
なお、粉砕工程中に窒化物結晶原料の温度が上がらないように必要に応じて冷却しても良い。
The pulverization step is preferably performed in an inert gas atmosphere in order to prevent oxygen, oxides, hydrates and the like from adhering to the nitride crystal raw material. Although there is no restriction | limiting in particular in the kind of inert gas, Usually, 1 type can use 2 or more types among gases, such as nitrogen, argon, and helium. Among these, nitrogen is preferably used from the viewpoint of economy.
In addition, you may cool as needed so that the temperature of a nitride crystal raw material may not rise during a grinding | pulverization process.

(4.アモノサーマル法による結晶成長)
本発明の製造方法では、原料充填領域に結晶原料を充填した後に、アモノサーマル法により窒化物結晶を製造する。
アモノサーマル法とは、超臨界状態及び/又は亜臨界状態にあるアンモニア溶媒などの窒素を含有する溶媒と、結晶原料の溶解−析出反応を利用して所望の窒化物単結晶を製造する方法である。結晶成長は、アンモニアなどの溶媒への結晶原料溶解度の温度依存性を利用して、温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させることにより行う。
(4. Crystal growth by ammonothermal method)
In the manufacturing method of the present invention, after filling a raw material filling region with a crystal raw material, a nitride crystal is manufactured by an ammonothermal method.
The ammonothermal method is a method for producing a desired single crystal of nitride using a solvent containing nitrogen such as an ammonia solvent in a supercritical state and / or a subcritical state and a dissolution-precipitation reaction of a crystal raw material. It is. Crystal growth is performed by using the temperature dependence of the solubility of the crystal raw material in a solvent such as ammonia to precipitate a crystal by generating a supersaturated state due to a temperature difference.

本発明の製造方法によれば、速い成長速度で、原料利用効率良く、高い品質を有する窒化物結晶を効率良く製造することができる。本発明によれば、c軸方向の成長速度として、100μm/day以上を達成することができ、さらには300μm/day以上を達成することができ、さらになお600μm/day以上を達成することができる。また、m軸方向の成長速度として、30μm/day以上を達成することができ、さらには100μm/day以上を達成することができ、さらになお300μm/day以上を達成することができる。さらに、a軸方向の成長速度として、50μm/day以上を達成することができ、さらには600μm/day以上を達成することができ、さらになお1500μm/day以上を達成することができる。   According to the production method of the present invention, a high-quality nitride crystal can be efficiently produced at a high growth rate with high raw material utilization efficiency. According to the present invention, as the growth rate in the c-axis direction, 100 μm / day or more can be achieved, further 300 μm / day or more can be achieved, and still 600 μm / day or more can be achieved. . Further, as the growth rate in the m-axis direction, 30 μm / day or more can be achieved, further 100 μm / day or more can be achieved, and still 300 μm / day or more can be achieved. Furthermore, as the growth rate in the a-axis direction, 50 μm / day or more can be achieved, further 600 μm / day or more can be achieved, and still 1500 μm / day or more can be achieved.

(4−1.鉱化剤)
本発明では、アモノサーマル法による窒化物結晶を成長させる際に、鉱化剤を用いることが好ましい。鉱化剤は、アンモニアなどの窒素を含有する溶媒に対する結晶原料の溶解度を向上させるために用いられる。
用いる鉱化剤は、塩基性鉱化剤であっても、酸性鉱化剤であっても良い。塩基性鉱化剤としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属と窒素原子を含む化合物で、アルカリ土類金属アミド、希土類アミド、窒化アルカリ金属、窒化アルカリ土類金属、アジド化合物、その他ヒドラジン類の塩が挙げられる。好ましい例は、アルカリ金属アミドで、具体例としてはナトリウムアミド(NaNH2)、カリウムアミド(KNH2)、リチウムアミド(LiNH2)が挙げられる。また、酸性鉱化剤としては、ハロゲン元素を含む化合物が好ましく用いられる。ハロゲン元素を含む鉱化剤の例としては、ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化水素、アンモニウムヘキサハロシリケート、及びヒドロカルビルアンモニウムフルオリド、ハロゲン化テトラメチルアンモニウム、ハロゲン化テトラエチルアンモニウム、ハロゲン化ベンジルトリメチルアンモニウム、ハロゲン化ジプロピルアンモニウム、及びハロゲン化イソプロピルアンモニウムなどのアルキルアンモニウム塩、フッ化アルキルナトリウムのようなハロゲン化アルキル金属、ハロゲン化アルカリ土類金属、ハロゲン化金属等が例示される。このうち、好ましくはハロゲン元素を含む添加物(鉱化剤)であるハロゲン化アルカリ、アルカリ土類金属のハロゲン化物、金属のハロゲン化物、ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化水素であり、さらに好ましくはハロゲン化アルカリ、ハロゲン化アンモニウム、周期表第13族金属のハロゲン化物が挙げられ、特に好ましくはハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化ガリウム、ハロゲン化水素である。ハロゲン化アンモニウムとしては、例えば塩化アンモニウム(NH4Cl)、ヨウ化アンモニウム(NH4I)、臭化アンモニウム(NH4Br)、フッ化アンモニウム(NH4F)が挙げられる。
(4-1. Mineralizer)
In the present invention, it is preferable to use a mineralizer when growing a nitride crystal by the ammonothermal method. The mineralizer is used to improve the solubility of the crystal raw material in a solvent containing nitrogen such as ammonia.
The mineralizer used may be a basic mineralizer or an acidic mineralizer. Basic mineralizers include alkali metals, alkaline earth metals, compounds containing rare earth metals and nitrogen atoms, alkaline earth metal amides, rare earth amides, alkali nitride metals, alkaline earth metal nitrides, azide compounds, and other hydrazines. Class of salts. A preferred example is an alkali metal amide, and specific examples include sodium amide (NaNH 2 ), potassium amide (KNH 2 ), and lithium amide (LiNH 2 ). Moreover, as an acidic mineralizer, the compound containing a halogen element is used preferably. Examples of mineralizers containing halogen elements include ammonium halide, hydrogen halide, ammonium hexahalosilicate, and hydrocarbyl ammonium fluoride, tetramethylammonium halide, tetraethylammonium halide, benzyltrimethylammonium halide, halogenated Illustrative examples include alkylammonium salts such as dipropylammonium and isopropylammonium halides, halogenated alkyl metals such as alkyl sodium fluoride, halogenated alkaline earth metals, and metal halides. Of these, an additive (mineralizing agent) containing a halogen element is preferably an alkali halide, an alkaline earth metal halide, a metal halide, an ammonium halide, or a hydrogen halide, more preferably a halogenated. Alkalis, ammonium halides, and halides of Group 13 metals of the periodic table are listed, and ammonium halides, gallium halides, and hydrogen halides are particularly preferable. Examples of the ammonium halide include ammonium chloride (NH 4 Cl), ammonium iodide (NH 4 I), ammonium bromide (NH 4 Br), and ammonium fluoride (NH 4 F).

本発明では、ハロゲン化アンモニウムを含む酸性鉱化剤を用いることが特に好ましい。また、鉱化剤は1種を単独で用いても良いし、複数種を適宜混合して用いても良い。   In the present invention, it is particularly preferable to use an acidic mineralizer containing ammonium halide. Moreover, a mineralizer may be used individually by 1 type and may be used in mixture of multiple types suitably.

本発明で用いる鉱化剤の組み合わせと濃度比(モル濃度比)は、成長させようとしている窒化物結晶の種類や形状やサイズ、種結晶の種類や形状やサイズ、使用する反応装置、採用する温度条件や圧力条件などにより、適宜決定することができる。   The combination and concentration ratio (molar concentration ratio) of the mineralizers used in the present invention are the type, shape and size of the nitride crystal to be grown, the type, shape and size of the seed crystal, and the reactor used. It can be determined appropriately depending on temperature conditions, pressure conditions, and the like.

本発明では、鉱化剤として酸性鉱化剤を選択することが好ましく、特にフッ素元素と、塩素、臭素、ヨウ素から構成される他のハロゲン元素から選ばれる少なくとも一つの元素とを含む鉱化剤を用いることが好ましい。鉱化剤に含まれるハロゲン元素の組み合わせは、塩素とフッ素、臭素とフッ素、ヨウ素とフッ素といった2元素の組み合わせであっても良いし、塩素と臭素とフッ素、塩素とヨウ素とフッ素、臭素とヨウ素とフッ素といった3元素の組み合わせであっても良いし、塩素と臭素とヨウ素とフッ素といった4元素の組み合わせであっても良い。好ましいのは、塩素とフッ素を少なくとも含む組み合わせと、臭素とフッ素を少なくとも含む組み合わせと、ヨウ素とフッ素を少なくとも含む組み合わせである。本発明で用いる鉱化剤に含まれるハロゲン元素の組み合わせと濃度比(モル濃度比)は、製造する窒化物結晶の種類や形状やサイズ、種結晶の種類や形状やサイズ、使用する反応装置、採用する温度条件や圧力条件などにより、適宜決定することができる。   In the present invention, it is preferable to select an acidic mineralizer as a mineralizer, and in particular, a mineralizer containing an elemental fluorine and at least one element selected from other halogen elements composed of chlorine, bromine and iodine. Is preferably used. The combination of halogen elements contained in the mineralizer may be a combination of two elements such as chlorine and fluorine, bromine and fluorine, iodine and fluorine, chlorine and bromine and fluorine, chlorine and iodine and fluorine, bromine and iodine. And a combination of three elements such as fluorine and fluorine, or a combination of four elements such as chlorine, bromine, iodine and fluorine. Preferred are a combination containing at least chlorine and fluorine, a combination containing at least bromine and fluorine, and a combination containing at least iodine and fluorine. The combination and concentration ratio (molar concentration ratio) of the halogen elements contained in the mineralizer used in the present invention are the type and shape and size of the nitride crystal to be produced, the type and shape and size of the seed crystal, the reactor used, It can be determined as appropriate depending on the temperature conditions and pressure conditions to be employed.

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

本発明の製造方法では、ハロゲン元素を含有する鉱化剤とともに、ハロゲン元素を含まない鉱化剤を用いることも可能であり、例えばNaNH2やKNH2やLiNH2などのアルカリ金属アミドと組み合わせて用いることもできる。 In the production method of the present invention, a mineralizer containing no halogen element can be used together with a mineralizer containing a halogen element. For example, in combination with an alkali metal amide such as NaNH 2 , KNH 2 or LiNH 2. It can also be used.

本発明の製造方法では、成長させる窒化物結晶に不純物が混入するのを防ぐために、必要に応じて鉱化剤は精製、乾燥してから使用することが好ましい。鉱化剤の純度は、通常は95%以上、好ましくは99%以上、さらに好ましくは99.99%以上である。
窒化物原料以外からの酸素の供給を低減するために、鉱化剤に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000wtppm以下であることが好ましく、10wtppm以下であることがより好ましく、1wtppm以下であることがさらに好ましい。
反応容器内の雰囲気から水や酸素を除去する為には、反応容器内を封止した後に200℃以上に加熱して部材表面に付着した水分を水蒸気としてポンプ等にて1×10-7Paまで脱気する方法が考えられる。さらに、鉱化剤を高純度ガスで導入する方法も考えられる。また、予め露点が0℃以下の乾燥雰囲気中で部材や原料を保管して、その中で反応容器および反応容器内に配置する部材や原料などを組み立てる方法もある。
In the production method of the present invention, it is preferable to use the mineralizer after purification and drying as necessary in order to prevent impurities from being mixed into the nitride crystal to be grown. The purity of the mineralizer is usually 95% or higher, preferably 99% or higher, more preferably 99.99% or higher.
In order to reduce the supply of oxygen from other than the nitride raw material, it is desirable that the amount of water and oxygen contained in the mineralizer is as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 wtppm or less, and preferably 10 wtppm or less. More preferred is 1 wtppm or less.
In order to remove water and oxygen from the atmosphere in the reaction vessel, the inside of the reaction vessel is sealed and heated to 200 ° C. or higher, and the moisture adhering to the surface of the member is vaporized as 1 × 10 −7 Pa using a pump or the like. A method of degassing is conceivable. Furthermore, a method of introducing a mineralizer with a high purity gas is also conceivable. There is also a method in which members and raw materials are stored in advance in a dry atmosphere with a dew point of 0 ° C. or less, and the reaction vessel and the members and raw materials to be placed in the reaction vessel are assembled therein.

(4−2.溶媒)
アモノサーマル法に用いられる溶媒には、窒素を含有する溶媒を用いることができる。窒素を含有する溶媒としては、成長させる窒化物単結晶の安定性を損なうことのない溶媒を用いることが好ましい。溶媒としては、例えば、アンモニア、ヒドラジン、尿素、アミン類(例えば、メチルアミンのような第1級アミン、ジメチルアミンのような第二級アミン、トリメチルアミンのような第三級アミン、エチレンジアミンのようなジアミン)、メラミン等を挙げることができる。これらの溶媒は単独で用いても良いし、混合して用いても良い。
(4-2. Solvent)
As the solvent used in the ammonothermal method, a solvent containing nitrogen can be used. As the solvent containing nitrogen, it is preferable to use a solvent that does not impair the stability of the nitride single crystal to be grown. Examples of the solvent include ammonia, hydrazine, urea, amines (for example, primary amines such as methylamine, secondary amines such as dimethylamine, tertiary amines such as trimethylamine, and ethylenediamine. Diamine) and melamine. These solvents may be used alone or in combination.

窒化物原料以外からの酸素の供給を低減するために、溶媒に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000wtppm以下であることが好ましく、10wtppm以下であることがより好ましく、0.1wtppm以下であることがさらに好ましい。アンモニアを溶媒として用いる場合、その純度は通常99.9%以上であり、好ましくは99.99%以上であり、さらに好ましくは99.999%以上であり、特に好ましくは99.9999%以上である。   In order to reduce the supply of oxygen from other than the nitride raw material, it is desirable that the amount of water and oxygen contained in the solvent is as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 wtppm or less, and preferably 10 wtppm or less. More preferably, it is 0.1 wtppm or less. When ammonia is used as a solvent, the purity is usually 99.9% or more, preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% or more, and particularly preferably 99.9999% or more. .

(4−3.反応容器及び設置部材)
本発明の窒化物結晶の成長工程は、反応容器中で実施される。「反応容器」とは、超臨界および/または亜臨界状態の溶媒の存在下で窒化物結晶の製造を行うための容器を意味し、耐圧性容器内部の構造そのものや、耐圧性容器内に設置されるカプセルなどを好ましい例として挙げることができる。本発明で用いる反応容器としては、特表2003−511326号公報(国際公開第01/024921号パンフレット)や特表2007−509507号公報(国際公開第2005/043638号パンフレット)に記載されるように、反応容器の外から反応容器とその内容物にかける圧力を調整する機構を備えたオート
クレーブであっても良いし、そのような機構を有さないオートクレーブであっても良い。
反応容器は、窒化物結晶を成長させるときの高温高圧条件に耐え得るもの中から選択することが好ましい。高温強度が高く耐食性を有する材料で構成されているものが好ましく、特にアンモニア等の溶媒に対する耐食性に優れたNi系の合金、ステライト(デロロ・ステライト・カンパニー・インコーポレーテッドの登録商標)等のCo系合金で構成されているものが好ましい。より好ましくはNi系の合金であり、具体的には、Inconel625(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標、以下同じ)、Nimonic90(Nimonicはスペシャル メタルズ ウィ
ギン リミテッドの登録商標、以下同じ)、RENE41(Teledyne Allvac, Incの登録商標)、Inconel718(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標)、ハステロイ(Haynes International,Incの登録商標)、ワスパロイ(United Technologies,Inc.の登録商標)が挙げられる。
これらの合金の組成比率は、系内の溶媒の温度や圧力条件、および系内に含まれる鉱化剤およびそれらの反応物との反応性および/または酸化力・還元力、pH等の条件に従い、適宜選択すればよい。これら耐圧性容器に用いられる合金の耐腐食性は高いとはいえ、結晶品質に影響を全く及ぼさないほどに高い耐食性を有しているわけではない。これら合金は超臨界溶媒雰囲気、特に鉱化剤を含有するより厳しい腐食環境下においてはNi、Cr、Feなどの成分が溶液中に溶け出し結晶中に取り込まれることとなる。これらは得られる結晶のキャリア濃度に影響する可能性もあるため、できるだけこれらの不純物の取り込みを低減することが好ましい。したがって本発明では、これら耐圧性容器の内面腐食を抑制するために、内面を更に耐食性に優れる材料によって直接ライニングまたはコーティングする方法や、更に耐食性に優れる材料からなるカプセルを耐圧性容器内に配置する方法などにより反応容器を形成することが好ましい。
(4-3. Reaction vessel and installation member)
The nitride crystal growth step of the present invention is carried out in a reaction vessel. “Reaction vessel” means a vessel for producing nitride crystals in the presence of a solvent in a supercritical and / or subcritical state. Preferred examples include capsules to be used. As a reaction vessel used in the present invention, as described in JP-T-2003-511326 (International Publication No. 01/024921 pamphlet) and JP-T-2007-509507 (Patent International Publication No. 2005/043638 pamphlet). An autoclave having a mechanism for adjusting the pressure applied to the reaction vessel and its contents from the outside of the reaction vessel may be used, or an autoclave having no such mechanism may be used.
The reaction vessel is preferably selected from those that can withstand the high-temperature and high-pressure conditions when the nitride crystal is grown. A material composed of a material having high temperature strength and corrosion resistance is preferable. Particularly, a Ni-based alloy having excellent corrosion resistance to a solvent such as ammonia, and Co-based materials such as Stellite (registered trademark of Deloro Stellite Company, Inc.). What is comprised with the alloy is preferable. More preferably, it is a Ni-based alloy. Specifically, Inconel 625 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited, the same applies hereinafter), Nimonic 90 (Nimonic is a registered trademark of Special Metals Wiggin Limited, the same applies hereinafter), RENE41 (Teledyne). Allvac, Inc.), Inconel 718 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited), Hastelloy (registered trademark of Haynes International, Inc.), Waspaloy (registered trademark of United Technologies, Inc.).
The composition ratio of these alloys depends on the temperature and pressure conditions of the solvent in the system, and the reactivity with mineralizers contained in the system and their reactants and / or the oxidizing power / reducing power, pH, etc. It may be selected as appropriate. Although the alloys used for these pressure resistant containers have high corrosion resistance, they do not have such high corrosion resistance that they have no influence on the crystal quality. In these alloys, in a supercritical solvent atmosphere, particularly in a more severe corrosive environment containing a mineralizer, components such as Ni, Cr and Fe are dissolved in the solution and taken into the crystal. Since these may affect the carrier concentration of the obtained crystal, it is preferable to reduce the incorporation of these impurities as much as possible. Therefore, in the present invention, in order to suppress internal corrosion of these pressure resistant containers, a method of directly lining or coating the inner surface with a material having further excellent corrosion resistance, or a capsule made of a material having further excellent corrosion resistance is disposed in the pressure resistant container. It is preferable to form a reaction vessel by a method or the like.

反応容器は、反応容器内に設置部材を有する。設置部材とは、反応容器の内部に含まれる部材の総称を意味する。設置部材としては、例えば、ワイヤー、バッフル板、種結晶支持枠を支える支持枠、窒化物結晶原料を設置するための坩堝、バスケットや網状構造物等の構造物が挙げられる。   The reaction container has an installation member in the reaction container. The installation member means a generic name for members included in the reaction vessel. Examples of the installation member include structures such as a wire, a baffle plate, a support frame that supports a seed crystal support frame, a crucible for installing a nitride crystal raw material, a basket, and a net-like structure.

反応容器及び設置部材は、特にn型ドーパントが表面に露出しない構造を有することが好ましい。n型ドーパントが表面に露出しないように、反応容器及び設置部材をn型ドーパントの含有量が少ない構成材で形成しても良く、反応容器及び設置部材の表面をコーティングまたはライニングしても良い。n型ドーパントが表面に露出しないようにすることで、窒化物結晶原料由来ではないドーパントが成長工程で窒化物結晶に取り込まれることを防ぐことができる。   The reaction vessel and the installation member preferably have a structure in which the n-type dopant is not exposed on the surface. In order not to expose the n-type dopant on the surface, the reaction vessel and the installation member may be formed of a constituent material having a low content of the n-type dopant, and the surface of the reaction vessel and the installation member may be coated or lined. By preventing the n-type dopant from being exposed to the surface, it is possible to prevent a dopant not derived from the nitride crystal raw material from being taken into the nitride crystal in the growth process.

反応容器及び設置部材をn型ドーパントの含有量が少ない構成材で形成する場合、反応容器及び設置部材は、n型ドーパントの含有量が1000wtppm以下の構成材で形成されているものが好ましい。構成材のn型ドーパントの量は1000wtppm以下であれば良く、100wtppm以下であることがより好ましく、10wtppm以下であることがさらに好ましい。
また、反応容器及び設置部材の表面をコーティングまたはライニングする場合は、n型ドーパントの量が1000wtppm以下のコーティング材またはライニング材でコーティングされていることが好ましい。コーティング材またはライニング材のn型ドーパントの量は1000wtppm以下であれば良く、100wtppm以下であることがより好ましく、10wtppm以下であることがさらに好ましい。n型ドーパントの量を上記上限値以下とすることで、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得るための条件設定をより正確に行うことができる。
前記反応容器及び設置部材の構成材、ライニング材及びコーティング材に求められる性能として、アモノサーマル法における結晶成長雰囲気中での溶解速度が低い事が求められる。溶解速度は3×10-2wt%/日以下であれば良く、さらに3×10-3wt%/日以下が好ましい。
In the case where the reaction vessel and the installation member are formed of a constituent material having a low n-type dopant content, the reaction vessel and the installation member are preferably formed of a constituent material having an n-type dopant content of 1000 wtppm or less. The amount of the n-type dopant in the constituent material may be 1000 wtppm or less, more preferably 100 wtppm or less, and still more preferably 10 wtppm or less.
Moreover, when coating or lining the surfaces of the reaction vessel and the installation member, it is preferable that the n-type dopant is coated with a coating material or lining material having a weight of 1000 wtppm or less. The amount of the n-type dopant in the coating material or lining material may be 1000 wtppm or less, more preferably 100 wtppm or less, and still more preferably 10 wtppm or less. By setting the amount of the n-type dopant to the upper limit value or less, it is possible to more accurately set conditions for obtaining a nitride crystal having a desired carrier concentration.
The performance required for the constituent material of the reaction vessel and the installation member, the lining material, and the coating material is required to have a low dissolution rate in the crystal growth atmosphere in the ammonothermal method. The dissolution rate may be 3 × 10 −2 wt% / day or less, more preferably 3 × 10 −3 wt% / day or less.

反応容器及び設置部材を形成する構成材及びコーティング材は、白金族又は白金族合金を含むことが好ましい。
白金族としては、Pt、Au、Ir、Ru、Rh、Pd、Agが挙げられる。白金族合金は、これらの貴金属を主成分とする合金のことを言う。白金族合金の中でも優れた耐食性を有するPtまたはPt及びIrを含む合金を用いることが好ましい。
また、反応容器の内壁を白金族又は白金族合金とする場合や、反応容器及び設置部材の表面を白金族又は白金族合金でコーティングする場合は、コーティング材はPt及びGaを含む合金を用いることが好ましく、さらにIrを含む合金を用いることが好ましい。これらの白金族を含有する合金は、コーティングに適しており、優れた耐食性を持たせることができる。
The constituent material and the coating material forming the reaction vessel and the installation member preferably contain a platinum group or a platinum group alloy.
Examples of the platinum group include Pt, Au, Ir, Ru, Rh, Pd, and Ag. The platinum group alloy refers to an alloy mainly composed of these noble metals. Among platinum group alloys, it is preferable to use Pt or an alloy containing Pt and Ir having excellent corrosion resistance.
When the inner wall of the reaction vessel is made of a platinum group or a platinum group alloy, or when the reaction vessel and the surface of the installation member are coated with a platinum group or a platinum group alloy, the coating material should be an alloy containing Pt and Ga. It is preferable to use an alloy containing Ir. These platinum group-containing alloys are suitable for coating and can have excellent corrosion resistance.

合金中のIr含有率は合金の全体重量の30重量%以下であることが好ましく、25重量%以下であることがより好ましい。Ir含有率を上記上限値以下とすることにより、反応容器に優れた耐食性を持たせることができる。   The Ir content in the alloy is preferably 30% by weight or less of the total weight of the alloy, and more preferably 25% by weight or less. By making the Ir content not more than the above upper limit value, the reaction vessel can have excellent corrosion resistance.

ライニング材としては、Pt、Ir、Ag、Pd、Rh、Cu、Au及びCのうち少なくとも一種類以上の金属又は元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金又は化合物を用いることができる。ライニングをより行いやすくするために、より好ましくは、Pt、Ag、Cu及びCのうち少なくとも一種類以上の金属又は元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金又は化合物を用いることができる。ライニング材としては、例えば。Pt単体、Pt−Ir合金、Ag単体、Cu単体やグラファイトなども挙げられる。   As the lining material, it is possible to use at least one metal or element of Pt, Ir, Ag, Pd, Rh, Cu, Au, and C, or an alloy or compound containing at least one metal. In order to make the lining easier to perform, it is more preferable to use at least one metal or element of Pt, Ag, Cu and C, or an alloy or compound containing at least one metal. As a lining material, for example. Pt simple substance, Pt-Ir alloy, Ag simple substance, Cu simple substance, graphite, etc. are also mentioned.

反応容器及び設置部材は、耐圧性と耐食性を有することが好ましい。反応容器及び設置部材の耐食性をより向上させるために、白金族又は白金族合金の優れた耐食性を利用することが好ましい。反応容器及び設置部材は、それ自体の材質を白金族又は白金族合金とすることもできるし、反応容器の内壁を白金族又は白金族合金とすることもできる。
さらに、反応容器は耐圧性容器であることが好ましい。特に、反応容器の内壁を白金族又は白金族合金とする場合や、反応容器及び設置部材の表面を白金族又は白金族合金でコーティングまたはライニングする場合は、反応容器を形成する他の素材で耐圧性を確保することが好ましい。
白金族以外で耐圧性と耐食性を有する材料としてはTi、W、Ni、Mo、Ru、Nbやその合金を使用することができる。好ましくは、Mo、W、Tiである。
It is preferable that the reaction vessel and the installation member have pressure resistance and corrosion resistance. In order to further improve the corrosion resistance of the reaction vessel and the installation member, it is preferable to use the excellent corrosion resistance of the platinum group or platinum group alloy. The reaction vessel and the installation member can be made of a platinum group or a platinum group alloy, and the inner wall of the reaction vessel can be made of a platinum group or a platinum group alloy.
Furthermore, the reaction vessel is preferably a pressure resistant vessel. In particular, when the inner wall of the reaction vessel is a platinum group or a platinum group alloy, or when the reaction vessel and the surface of the installation member are coated or lined with a platinum group or a platinum group alloy, other materials forming the reaction vessel can be pressure resistant. It is preferable to ensure the property.
Ti, W, Ni, Mo, Ru, Nb and alloys thereof can be used as materials having pressure resistance and corrosion resistance other than the platinum group. Preferably, Mo, W, and Ti.

(5.製造装置)
本発明の窒化物結晶の製造方法に用いることのできる結晶製造装置の具体例を図1に示す。本発明で用いる結晶製造装置は反応容器を含む。図1は、本発明で用いることができる結晶製造装置の模式図である。図1に示される結晶製造装置において、結晶成長は、オートクレーブ1(耐圧性容器)中に反応容器として装填されるカプセル(内筒)20中で行われる。カプセル20は、原料を溶解するための原料充填領域9と結晶を成長させるための結晶成長領域6から構成されている。原料充填領域9には原料8とともに溶媒や鉱化剤を入れることができる。結晶成長領域6には種結晶7をワイヤー4で吊すなどして設置
することができる。原料充填領域9と結晶成長領域6の間には、2つの領域を区画バッフル板5が設置されている。バッフル板5の開孔率は2〜60%であるものが好ましく、3〜40%であるものがより好ましい。バッフル板の表面の材質は、反応容器であるカプセル20の材料と同一であることが好ましい。また、より耐食性を持たせ、成長させる結晶を高純度化するために、バッフル板の表面は、Ni、Ta、Ti、W、Mo、Ru、Nb、Pd、Pt、Au、Ir、pBNであることが好ましく、W、Mo、Ti、Pd、Pt、Au、Ir、pBNであることがより好ましく、Pt、Mo、Tiであることが特に好ましい。図1に示される結晶製造装置では、オートクレーブ1の内壁とカプセル20の間の空隙には、第2溶媒を充填することができるようになっている。ここには、バルブ10を介して窒素ボンベ13から窒素ガスを充填したり、アンモニアボンベ12からマスフローメーター14で流量を確認したりしながら第2溶媒としてアンモニアを充填することができる。また、真空ポンプ11により必要な減圧を行うこともできる。なお、本発明の窒化物結晶の製造方法を実施する際に用いる結晶製造装置には、バルブ、マスフローメーター等は必ずしも設置されていなくても良い。
(5. Manufacturing equipment)
A specific example of a crystal manufacturing apparatus that can be used in the nitride crystal manufacturing method of the present invention is shown in FIG. The crystal production apparatus used in the present invention includes a reaction vessel. FIG. 1 is a schematic view of a crystal manufacturing apparatus that can be used in the present invention. In the crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1, crystal growth is performed in a capsule (inner cylinder) 20 loaded as a reaction vessel in an autoclave 1 (pressure-resistant vessel). The capsule 20 includes a raw material filling region 9 for dissolving the raw material and a crystal growth region 6 for growing crystals. In the raw material filling area 9, a solvent and a mineralizer can be put together with the raw material 8. A seed crystal 7 can be installed in the crystal growth region 6 by suspending it with a wire 4. Between the raw material filling region 9 and the crystal growth region 6, a partition baffle plate 5 is installed in two regions. The baffle plate 5 has a hole area ratio of preferably 2 to 60%, more preferably 3 to 40%. The material of the surface of the baffle plate is preferably the same as the material of the capsule 20 that is a reaction vessel. Further, in order to give more corrosion resistance and to purify the crystal to be grown, the surface of the baffle plate is Ni, Ta, Ti, W, Mo, Ru, Nb, Pd, Pt, Au, Ir, pBN. Of these, W, Mo, Ti, Pd, Pt, Au, Ir, and pBN are more preferable, and Pt, Mo, and Ti are particularly preferable. In the crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1, the gap between the inner wall of the autoclave 1 and the capsule 20 can be filled with the second solvent. Here, ammonia can be filled as the second solvent while filling the nitrogen gas from the nitrogen cylinder 13 through the valve 10 or confirming the flow rate from the ammonia cylinder 12 with the mass flow meter 14. In addition, the vacuum pump 11 can perform necessary pressure reduction. Note that a valve, a mass flow meter and the like are not necessarily installed in the crystal manufacturing apparatus used when the nitride crystal manufacturing method of the present invention is carried out.

(6.製造工程)
本発明の窒化物結晶の製造方法の一例について説明する。本発明の窒化物結晶の製造方法を実施する際には、まず、反応容器内に、種結晶、窒素を含有する溶媒、原料、及び鉱化剤を入れて封止する。ここで、種結晶としては、主面の面方位は特に限定されないが、C面を主面として成長させた窒化物結晶を所望の方向に切り出すことによって、主面が非極性面又は半極性面となる基板を得ることができる。これによって、M面などの非極性面、(10−11)、(20−21)などの半極性面を有する種結晶を得ることができる。
(6. Manufacturing process)
An example of the method for producing a nitride crystal of the present invention will be described. In carrying out the method for producing a nitride crystal of the present invention, first, a seed crystal, a nitrogen-containing solvent, a raw material, and a mineralizer are put in a reaction vessel and sealed. Here, as the seed crystal, the plane orientation of the main surface is not particularly limited, but the main surface is cut into a desired direction by cutting a nitride crystal grown with the C-plane as the main surface in a desired direction. A substrate can be obtained. Thereby, a seed crystal having a nonpolar plane such as an M plane and a semipolar plane such as (10-11) or (20-21) can be obtained.

本発明の製造工程においては、材料を反応容器内に導入するのに先だって、ドーパント源隔離工程をさらに設けることが好ましい。ドーパント源隔離工程とは、反応容器中に存在する酸素、酸化物又は水蒸気を除去する工程をいう。また、ドーパント源隔離工程には、反応容器や反応容器内に設置される各種の部材のうち酸素、酸化物又は水蒸気を含有する部材の表面をコーティングまたはライニングする工程が含まれる。部材の表面をコーティングまたはライニングすることによって、ドーパントが露出し、窒化物結晶に取り込まれることを防ぐことができる。
本発明において、意図しないドーピングは、窒化物結晶原料由来以外のn型ドーパントが窒化物結晶に取り込まれることで起こる。本発明では、成長工程の前にドーパント源隔離工程を設けることで、意図しないドーピングを抑制することができる。
In the production process of the present invention, it is preferable to further provide a dopant source isolation step prior to introducing the material into the reaction vessel. The dopant source isolation step refers to a step of removing oxygen, oxide or water vapor present in the reaction vessel. The dopant source isolation step includes a step of coating or lining the surface of a reaction vessel or a member containing oxygen, oxide, or water vapor among various members installed in the reaction vessel. Coating or lining the surface of the member can prevent the dopant from being exposed and incorporated into the nitride crystal.
In the present invention, unintentional doping occurs when an n-type dopant other than that derived from a nitride crystal raw material is incorporated into the nitride crystal. In the present invention, unintentional doping can be suppressed by providing a dopant source isolation step before the growth step.

反応容器中に存在する酸素、酸化物又は水蒸気を除去するには、反応容器中に窒化物結晶原料を充填した後に、反応容器中を真空状態とすることや、反応容器中に不活性化ガスを満たす方法を採用することができる。また、反応容器や反応容器に包含される各種の部材を乾燥させることによっても酸素、酸化物又は水蒸気を除去することができる。   In order to remove oxygen, oxides or water vapor present in the reaction vessel, the reaction vessel is filled with a nitride crystal raw material, and then the reaction vessel is evacuated, or an inert gas is contained in the reaction vessel. A method that satisfies the above can be adopted. In addition, oxygen, oxides, or water vapor can be removed by drying the reaction vessel and various members included in the reaction vessel.

材料の導入時には、窒素ガスなどの不活性ガスを流通させてもよい。通常は、反応容器内への種結晶の設置は、窒化物結晶原料及び鉱化剤を充填する際に同時又は充填後に行う。種結晶は、反応容器内表面を構成する貴金属と同様の貴金属製の治具に固定することが好ましい。種結晶の設置後には、必要に応じて加熱脱気をしても良い。
図1に示す製造装置を用いる場合は、反応容器であるカプセル20内に種結晶7、窒素を含有する溶媒、原料、及び鉱化剤を入れて封止した後に、カプセル20をオートクレーブ(耐圧性容器)1内に装填し、好ましくは耐圧性容器と該反応容器の間の空隙に第2溶媒を充填して耐圧性容器を密閉する。
At the time of introducing the material, an inert gas such as nitrogen gas may be circulated. Usually, the seed crystal is placed in the reaction vessel at the same time or after filling the nitride crystal raw material and the mineralizer. The seed crystal is preferably fixed to a noble metal jig similar to the noble metal constituting the inner surface of the reaction vessel. After installation of the seed crystal, heat deaeration may be performed as necessary.
When the production apparatus shown in FIG. 1 is used, after encapsulating the seed crystal 7, a solvent containing nitrogen, a raw material, and a mineralizer in a capsule 20 that is a reaction vessel, the capsule 20 is autoclaved (pressure resistant). Container) 1, and preferably, the space between the pressure-resistant container and the reaction container is filled with the second solvent to seal the pressure-resistant container.

その後、全体を加熱して反応容器内を超臨界状態又は亜臨界状態とする。超臨界状態では一般的には、物質の粘度が低く、液体よりも容易に拡散されるが、液体と同様の溶媒和力を有する。亜臨界状態とは、臨界温度近傍で臨界密度とほぼ等しい密度を有する液体の状態を意味する。例えば、原料充填部では、超臨界状態として原料を溶解し、結晶成長部では亜臨界状態となるように温度を変化させて超臨界状態と亜臨界状態の原料の溶解度差を利用した結晶成長も可能である。   Thereafter, the whole is heated to bring the inside of the reaction vessel into a supercritical state or a subcritical state. In the supercritical state, the viscosity of a substance is generally low and it diffuses more easily than a liquid, but has a solvating power similar to that of a liquid. The subcritical state means a liquid state having a density substantially equal to the critical density near the critical temperature. For example, in the raw material filling part, the raw material is melted as a supercritical state, and in the crystal growth part, the temperature is changed so as to be in the subcritical state, and crystal growth utilizing the difference in solubility between the supercritical state and the subcritical state raw material is also performed. Is possible.

超臨界状態にする場合、反応混合物は、一般に溶媒の臨界点よりも高い温度に保持される。アンモニア溶媒を用いた場合、臨界点は臨界温度132℃、臨界圧力11.35MPaであるが、反応容器の容積に対する充填率が高ければ、臨界温度以下の温度でも圧力は臨界圧力を遥かに越える。本発明において「超臨界状態」とは、このような臨界圧力を越えた状態を含む。反応混合物は、一定の容積の反応容器内に封入されているので、温度上昇は流体の圧力を増大させる。一般に、T>Tc(1つの溶媒の臨界温度)及びP>Pc(1つの溶媒の臨界圧力)であれば、流体は超臨界状態にある。   In the supercritical state, the reaction mixture is generally maintained at a temperature above the critical point of the solvent. When an ammonia solvent is used, the critical point is a critical temperature of 132 ° C. and a critical pressure of 11.35 MPa. However, if the filling rate with respect to the volume of the reaction vessel is high, the pressure far exceeds the critical pressure even at a temperature below the critical temperature. In the present invention, the “supercritical state” includes such a state exceeding the critical pressure. Since the reaction mixture is enclosed in a constant volume reaction vessel, the increase in temperature increases the pressure of the fluid. In general, if T> Tc (critical temperature of one solvent) and P> Pc (critical pressure of one solvent), the fluid is in a supercritical state.

超臨界条件では、窒化物結晶の十分な成長速度が得られる。反応時間は、特に鉱化剤の反応性及び熱力学的パラメータ、すなわち温度及び圧力の数値に依存する。窒化物結晶の合成中あるいは成長中、反応容器内の圧力は結晶性および生産性の観点から、30MPa以上にすることが好ましく、60MPa以上にすることがより好ましく、100MPa以上にすることがさらに好ましい。また、反応容器内の圧力は安全性の観点から、700MPa以下にすることが好ましく、500MPa以下にすることがより好ましく、350MPa以下にすることがさらに好ましく、300MPa以下にすることが特に好ましい。圧力は、温度及び反応容器の容積に対する溶媒体積の充填率によって適宜決定される。本来、反応容器内の圧力は、温度と充填率によって一義的に決まるものではあるが、実際には、原料、鉱化剤などの添加物、反応容器内の温度の不均一性、及び自由容積の存在によって多少異なる。   Under supercritical conditions, a sufficient growth rate of nitride crystals can be obtained. The reaction time depends in particular on the reactivity of the mineralizer and the thermodynamic parameters, ie temperature and pressure values. During the synthesis or growth of the nitride crystal, the pressure in the reaction vessel is preferably 30 MPa or more, more preferably 60 MPa or more, and further preferably 100 MPa or more, from the viewpoint of crystallinity and productivity. . The pressure in the reaction vessel is preferably 700 MPa or less, more preferably 500 MPa or less, further preferably 350 MPa or less, and particularly preferably 300 MPa or less from the viewpoint of safety. The pressure is appropriately determined depending on the filling rate of the solvent volume with respect to the temperature and the volume of the reaction vessel. Originally, the pressure in the reaction vessel is uniquely determined by the temperature and the filling rate, but in practice, the raw materials, additives such as mineralizers, temperature heterogeneity in the reaction vessel, and free volume Depending on the presence of

反応容器内の温度範囲は、結晶性および生産性の観点から、下限値が320℃以上であることが好ましく、370℃以上であることがより好ましく、450℃以上であることがさらに好ましい。上限値は、安全性の観点から、700℃以下であることが好ましく、650℃以下であることがより好ましく、630℃以下であることがさらに好ましい。本発明の窒化物結晶の製造方法では、反応容器内における原料充填領域の温度が、結晶成長領域の温度よりも高いことが好ましい。温度差(|ΔT|)は、結晶性および生産性の観点から、5℃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、100℃以下であることが好ましく、90℃以下であることがより好ましく、80℃以下が特に好ましい。反応容器内の最適な温度や圧力は、結晶成長の際に用いる鉱化剤や添加剤の種類や使用量等によって、適宜決定することができる。   From the viewpoint of crystallinity and productivity, the lower limit of the temperature range in the reaction vessel is preferably 320 ° C or higher, more preferably 370 ° C or higher, and further preferably 450 ° C or higher. From the viewpoint of safety, the upper limit value is preferably 700 ° C. or less, more preferably 650 ° C. or less, and further preferably 630 ° C. or less. In the method for producing a nitride crystal of the present invention, the temperature of the raw material filling region in the reaction vessel is preferably higher than the temperature of the crystal growth region. The temperature difference (| ΔT |) is preferably 5 ° C. or higher, more preferably 10 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or lower, and 90 ° C. or lower from the viewpoints of crystallinity and productivity. More preferably, 80 ° C. or lower is particularly preferable. The optimum temperature and pressure in the reaction vessel can be appropriately determined depending on the type and amount of mineralizer and additive used during crystal growth.

反応容器内の温度範囲、圧力範囲を達成するための反応容器への溶媒の注入割合、すなわち充填率は、反応容器の自由容積、すなわち、反応容器に結晶原料、及び種結晶を用いる場合には、種結晶とそれを設置する構造物の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積、またバッフル板を設置する場合には、さらにそのバッフル板の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積の溶媒の沸点における液体密度を基準として、通常20〜95%、好ましくは30〜80%、さらに好ましくは40〜70%とする。反応容器として図1のようなカプセル20を用いる場合には、溶媒の超臨界状態においてカプセル20内外で圧力がバランスするように、溶媒量を適宜調整することが好ましい。   In order to achieve the temperature range and pressure range in the reaction vessel, the injection rate of the solvent into the reaction vessel, that is, the filling rate is the free volume of the reaction vessel, that is, when crystal raw materials and seed crystals are used in the reaction vessel Subtract the volume of the seed crystal and the structure on which the seed crystal is installed from the volume of the reaction vessel, and if a baffle plate is installed, subtract the volume of the baffle plate from the volume of the reaction vessel to remain. Based on the liquid density at the boiling point of the solvent of volume, it is usually 20 to 95%, preferably 30 to 80%, more preferably 40 to 70%. When the capsule 20 as shown in FIG. 1 is used as the reaction vessel, it is preferable to appropriately adjust the amount of the solvent so that the pressure is balanced inside and outside the capsule 20 in the supercritical state of the solvent.

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

本発明の窒化物結晶の製造方法においては、種結晶に前処理を加えておくことができる。前処理としては、例えば、種結晶にメルトバック処理を施したり、種結晶の成長結晶成長面を研磨したり、種結晶を洗浄するなどが挙げられる。   In the method for producing a nitride crystal of the present invention, a pretreatment can be added to the seed crystal. Examples of the pretreatment include subjecting the seed crystal to a meltback process, polishing the growth surface of the seed crystal, and washing the seed crystal.

本発明の窒化物結晶の製造方法においては、オートクレープを昇温する際に、一定の温度を保持して、種結晶の成長結晶成長面にメルトバック処理を施しても良い。当該メルトバック処理によって、種結晶の成長結晶成長面や、装置中の部材に付着した結晶核を溶解することができる。前記メルトバック処理の条件としては、結晶成長領域と原料充填領域の平均温度差としては0℃以上が好ましく、10℃以上が更に好ましく、20℃以上が特に好ましい。また、100℃以下が好ましく、80℃以下が更に好ましく、60℃以下が特に好ましい。また、メルトバック処理の際の結晶成長領域の温度としては、500℃以上であることが好ましく、550℃以上であることがより好ましく、600℃以上であることがさらに好ましい。また、650℃以下が好ましく、630℃以下がより好ましい。原料充填領域の温度としては、500℃以上であることが好ましく、550℃以上であることがより好ましく、590℃以上であることがさらに好ましい。また、650℃以下が好ましく、630℃以下がより好ましい。   In the method for producing a nitride crystal of the present invention, when the temperature of the autoclave is raised, a constant temperature may be maintained, and the grown crystal growth surface of the seed crystal may be subjected to a meltback treatment. By the meltback treatment, the crystal growth surface of the seed crystal and the crystal nucleus attached to the member in the apparatus can be dissolved. As the conditions for the meltback treatment, the average temperature difference between the crystal growth region and the raw material filling region is preferably 0 ° C. or higher, more preferably 10 ° C. or higher, and particularly preferably 20 ° C. or higher. Moreover, 100 degrees C or less is preferable, 80 degrees C or less is more preferable, and 60 degrees C or less is especially preferable. In addition, the temperature of the crystal growth region during the meltback treatment is preferably 500 ° C. or higher, more preferably 550 ° C. or higher, and further preferably 600 ° C. or higher. Moreover, 650 degrees C or less is preferable and 630 degrees C or less is more preferable. The temperature of the raw material filling region is preferably 500 ° C. or higher, more preferably 550 ° C. or higher, and further preferably 590 ° C. or higher. Moreover, 650 degrees C or less is preferable and 630 degrees C or less is more preferable.

メルトバック処理時の反応容器内の圧力は、100MPa以上にすることが好ましく、150MPa以上にすることがさらに好ましく、180MPa以上にすることが特に好ましい。また、メルトバック処理の処理時間は、1時間以上が好ましく、5時間以上が更に好ましく、10時間以上が特に好ましい。また、200時間以下が好ましく、100時間以下が更に好ましく、50時間以下が特に好ましい。   The pressure in the reaction vessel during the meltback treatment is preferably 100 MPa or more, more preferably 150 MPa or more, and particularly preferably 180 MPa or more. In addition, the meltback treatment time is preferably 1 hour or longer, more preferably 5 hours or longer, and particularly preferably 10 hours or longer. Moreover, 200 hours or less are preferable, 100 hours or less are more preferable, and 50 hours or less are especially preferable.

前処理において、結晶成長し得る種結晶の表面を研磨するには、例えば、ケミカルメカニカルポリッシング(CMP)等で行うことができる。種結晶の表面粗さは、例えば、原子間力顕微鏡によって計測した二乗平均平方根粗さ(Rms)が、メルトバックとそれに続く結晶成長を均等に行うとの観点から、1.0nm以下であることが好ましく、0.5nmが更に好ましく、0.3nmが特に好ましい。   In the pretreatment, in order to polish the surface of the seed crystal capable of crystal growth, for example, chemical mechanical polishing (CMP) can be performed. The surface roughness of the seed crystal should be, for example, 1.0 nm or less from the viewpoint that the root mean square roughness (Rms) measured by an atomic force microscope performs meltback and subsequent crystal growth evenly. Is preferable, 0.5 nm is more preferable, and 0.3 nm is particularly preferable.

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

なお、本発明の窒化物結晶の製造方法においては、結晶の成長条件に温度や圧力を維持している状態で窒化物結晶原料が完全に溶けてしまうと、成長させた結晶が溶解してしまうおそれがあることから、結晶成長工程の終了後に窒化物結晶原料は微量に残っていることが好ましいと の観点から、窒化物結晶原料の溶解率は、40%〜96%が好ましく、50%〜85が更に好ましく、70%〜80が特に好ましい。前記溶解率は、(結晶成長工程前に投入した原料−結晶成長工程後に残った原料)/(結晶成長工程前に投入した原料)で求めることができる。   In the nitride crystal manufacturing method of the present invention, if the nitride crystal raw material is completely dissolved while maintaining the temperature and pressure in the crystal growth conditions, the grown crystal is dissolved. From the viewpoint that it is preferable that a small amount of the nitride crystal raw material remains after the crystal growth step is finished, the dissolution rate of the nitride crystal raw material is preferably 40% to 96%, preferably 50% to 85 is more preferable, and 70% to 80 is particularly preferable. The dissolution rate can be obtained by (raw material input before crystal growth step−raw material remaining after crystal growth step) / (raw material input before crystal growth step).

反応容器外面の温度、あるいは推定される反応容器内部の温度が所定温度以下になった後、反応容器を開栓する。このときの所定温度は特に限定はなく、通常、−80℃〜200℃、好ましくは−33℃〜100℃である。ここで、反応容器に付属したバルブの配管接続口に配管接続し、水などを満たした容器に通じておき、バルブを開けても良い。さらに必要に応じて、真空状態にするなどして反応容器内のアンモニア溶媒を十分に除去した後、乾燥し、反応容器の蓋等を開けて生成した窒化物結晶及び未反応の原料や鉱化剤等の添加物を取り出すことができる。   After the temperature of the outer surface of the reaction vessel or the estimated temperature inside the reaction vessel is below a predetermined temperature, the reaction vessel is opened. The predetermined temperature at this time is not particularly limited, and is usually −80 ° C. to 200 ° C., preferably −33 ° C. to 100 ° C. Here, the valve may be opened by pipe connection to a valve connection port of the valve attached to the reaction vessel, passing through a vessel filled with water or the like. Furthermore, if necessary, remove the ammonia solvent in the reaction vessel sufficiently by applying a vacuum, etc., then dry, open the reaction vessel lid, etc., and generate nitride crystals and unreacted raw materials and mineralization. Additives such as agents can be removed.

なお、本発明の窒化物結晶の製造方法にしたがって窒化ガリウムを製造する場合、前記以外の材料、製造条件、製造装置、工程の詳細については特開2009−263229号公報を好ましく参照することができる。該公開公報の開示全体を本明細書に引用して援用する。   In addition, when manufacturing gallium nitride according to the method for manufacturing a nitride crystal of the present invention, JP 2009-263229 A can be preferably referred to for details of materials, manufacturing conditions, manufacturing apparatuses, and processes other than those described above. . The entire disclosure of this publication is incorporated herein by reference.

本発明の窒化物結晶の製造方法においては、種結晶上に窒化物結晶を成長させた後に、後処理を加えても良い。後処理の種類や目的は特に制限されない。例えば、ピットや転位などの結晶欠陥を容易に観察できるようにするために、育成後の冷却過程で結晶表面をメルトバックしても良い。   In the method for producing a nitride crystal of the present invention, after the nitride crystal is grown on the seed crystal, post-treatment may be added. The type and purpose of post-processing are not particularly limited. For example, the crystal surface may be melted back in the cooling process after growth so that crystal defects such as pits and dislocations can be easily observed.

(7.窒化物結晶)
本発明に係る窒化物結晶は、上述した製造方法によって得ることができる。本発明で得られる窒化物結晶の酸素濃度は1.5×1018〜2.5×1019atoms/cm3であり、下記式で求められるドーパント活性化率ηは10〜90%である。
窒化物結晶の酸素濃度として好ましくは2×1018atoms/cm3以上であり、より好ましくは2.5×1018atoms/cm3以上であって、好ましくは2×1019atoms/cm3以下であり、より好ましくは1.5×1019atoms/cm3以下である。また、ドーパント活性化率ηは、好ましくは20%以上であり、より好ましくは30%以上であって、好ましくは85%以下であり、より好ましくは80%以下である。
(7. Nitride crystals)
The nitride crystal according to the present invention can be obtained by the manufacturing method described above. The oxygen concentration of the nitride crystal obtained in the present invention is 1.5 × 10 18 to 2.5 × 10 19 atoms / cm 3 , and the dopant activation rate η determined by the following formula is 10 to 90%.
The oxygen concentration of the nitride crystal is preferably 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more, more preferably 2.5 × 10 18 atoms / cm 3 or more, and preferably 2 × 10 19 atoms / cm 3 or less. More preferably, it is 1.5 × 10 19 atoms / cm 3 or less. Further, the dopant activation rate η is preferably 20% or more, more preferably 30% or more, preferably 85% or less, and more preferably 80% or less.

Figure 2014062029
Figure 2014062029

上式において、ηはドーパント活性化率(単位:%)であり、[CC]はキャリア濃度(単位:cm-3)であり、[D]はドーパント濃度(単位:cm-3)を示す。 In the above formula, η is the dopant activation rate (unit:%), [CC] is the carrier concentration (unit: cm −3 ), and [D] is the dopant concentration (unit: cm −3 ).

また、本発明で得られる窒化物結晶のキャリア濃度は、5×1017〜2×1019atoms/cm3である。キャリア濃度が5×1017〜2×1019atoms/cm3の範囲内となることで、適切な導電性を示す窒化物結晶を得ることができる。キャリア濃度として好ましくは8×1017atoms/cm3以上であり、より好ましくは1×1018atoms/cm3以上であって、好ましくは1.5×1019atoms/cm3以下であり、より好ましくは1×1019atoms/cm3以下である。 The carrier concentration of the nitride crystal obtained in the present invention is 5 × 10 17 to 2 × 10 19 atoms / cm 3 . When the carrier concentration is in the range of 5 × 10 17 to 2 × 10 19 atoms / cm 3 , a nitride crystal exhibiting appropriate conductivity can be obtained. The carrier concentration is preferably 8 × 10 17 atoms / cm 3 or more, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more, and preferably 1.5 × 10 19 atoms / cm 3 or less. Preferably it is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less.

さらに、本発明で得られる窒化物結晶のSi濃度は、1.5×1016atoms/cm3以下である。好ましくは、1×1016atoms/cm3以下が良い。窒化物結晶のSi濃度を上記範囲とすることにより、結晶全体の歪みを抑制する事によりクラックによる歩留まり低下を抑制することができる。Si濃度として好ましくは1×1016atoms/cm3以下であり、より好ましくは2×1015atoms/cm3以下である。 Furthermore, the Si concentration of the nitride crystal obtained in the present invention is 1.5 × 10 16 atoms / cm 3 or less. Preferably, it is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less. By making the Si concentration of the nitride crystal within the above range, it is possible to suppress the yield reduction due to cracks by suppressing the distortion of the entire crystal. The Si concentration is preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less, and more preferably 2 × 10 15 atoms / cm 3 or less.

本発明で得られる窒化物結晶のハロゲン含有量が増えるとキャリアの活性率が低くなるので、低濃度でコントロールする事が好ましい。ハロゲン元素としては、たとえば、F、Cl、Br、Iを挙げることができる。
得られた窒化物結晶のFの濃度は、好ましくは1×1018atoms/cm3以下であり、より好ましくは5×1017atoms/cm3以下である。Clの濃度は、好ましくは1×1019atoms/cm3以下であり、より好ましくは3×1018atoms/cm3以下である。Brの濃度は、好ましくは1×1017atoms/cm3以下であり、より好ましくは1×1016atoms/cm3以下である。Iの濃度は、好ましくは1×1017atoms/cm3以下であり、より好ましくは3×1015atoms/cm3以下である。
When the halogen content of the nitride crystal obtained in the present invention is increased, the carrier activity rate is lowered, so that it is preferable to control at a low concentration. Examples of the halogen element include F, Cl, Br, and I.
The concentration of F in the obtained nitride crystal is preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. The concentration of Cl is preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 3 × 10 18 atoms / cm 3 or less. The concentration of Br is preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less, and more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less. The concentration of I is preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less, more preferably 3 × 10 15 atoms / cm 3 or less.

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

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

以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。   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.

(実施例1)
本実施例では、図1に示す反応装置を用いて窒化物結晶を成長させた。
RENE41製オートクレーブ1を耐圧性容器として用い、Pt−Ir製カプセル20を反応容器として結晶成長を行なった。原料8として嵩密度が1.8g/cm3であり、色差がL*値63.99、a*値0.26、b*値11.71であり、酸素濃度が20wtppmである多結晶GaN粒子130gを秤量し、カプセル下部領域(原料充填領域9)内に設置した。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。
なお、上記にて使用したGaN多結晶原料の酸素濃度をCAMECA社製Ims−4fを用いたSIMSによって測定したところ、4.6×1018cm-3であることがわかった。
次に鉱化剤として十分に乾燥した純度99.999%のNH4Fを充填NH3量に対してF濃度が0.5mol%となるよう秤量しカプセル内に投入した。さらに下部の原料充填領域9と上部の結晶成長領域6の間に白金製のバッフル板5設置した。種結晶7としてm面を主面とする六方晶系GaN単結晶3枚とc面ウェハー1枚を用いた。m面を主面とする種結晶の表面はCMP仕上げされているおり、c面ウェハーの主面はLAP処理がされている。これら種結晶7を直径0.3mmの白金ワイヤー7により白金製種子結晶支持枠に吊るし、カプセル上部の結晶成長領域6に設置した。
Example 1
In this example, a nitride crystal was grown using the reactor shown in FIG.
Crystal growth was performed using the RENE41 autoclave 1 as a pressure resistant container and the Pt-Ir capsule 20 as a reaction container. Polycrystalline GaN particles having a bulk density of 1.8 g / cm 3 as raw material 8, a color difference of L * value 63.99, a * value of 0.26, b * value of 11.71, and oxygen concentration of 20 wtppm 130 g was weighed and placed in the capsule lower area (raw material filling area 9). 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.
In addition, when the oxygen concentration of the GaN polycrystal raw material used above was measured by SIMS using Ims-4f manufactured by CAMECA, it was found to be 4.6 × 10 18 cm −3 .
Next, NH 4 F having a purity of 99.999% sufficiently dried as a mineralizer was weighed so that the F concentration was 0.5 mol% with respect to the amount of NH 3 charged, and charged into the capsule. Further, a platinum baffle plate 5 was installed between the lower raw material filling region 9 and the upper crystal growth region 6. As the seed crystal 7, three hexagonal GaN single crystals having an m-plane as a main surface and one c-plane wafer were used. The surface of the seed crystal having the m-plane as the main surface is subjected to CMP finish, and the main surface of the c-plane wafer is subjected to LAP treatment. These seed crystals 7 were suspended from a platinum seed crystal support frame by a platinum wire 7 having a diameter of 0.3 mm, and placed in the crystal growth region 6 above the capsule.

次にカプセル20の上部に、Pt−Ir製のキャップをTIG溶接により接続し、キャップ上部のチューブをArガスラインに接続し0.8MPaの圧をかけ、溶接箇所にピンホールがないことを確認した。次いで、Arガスを放出後、チューブをHIガスラインに接続し、真空ポンプ11に通ずるようバルブを操作し真空脱気した。その後バルブを窒素ボンベ13に通ずるように操作しカプセル内を窒素ガスにてパージを行った。真空脱気、窒素パージを5回行った後、真空ポンプに繋いだ状態で一晩放置した。
次に、カプセル下部を液体窒素で冷却し、バルブを開け外気に触れることなくHI充填した。流量制御に基づき、鉱化剤としてHIを充填NH3量に対してI濃度が1.5mol%となるよう充填した後、再びバルブを閉じた。次いで、カプセルをHIラインから外しNH3ガスラインに接続した。ガスラインを真空脱気、窒素パージを5回行った後、真空ポンプにて真空引きを行った。その後、NH3ラインのバルブを操作し、流量制御に基づき、NH3を先に充填したHIガスと等mol量充填し、バルブを閉じた。次いで、カプセルを液体窒素から取り出し、ドライアイスエタノール溶媒により冷却した。続いて再びバルブを開け外気に触れることなくNH3を充填したした後、再びバルブを閉じた。その後、キャップ上部のチューブを溶接機により封じ切った。
続いて、カプセルをオートクレーブに挿入し、オートクレーブを密封した。オートクレーブに付属したバルブ10を介して導管を真空ポンプ11に通じるように操作し、バルブを開けて真空脱気した。カプセルと同様に窒素ガスパージを複数回行なった。その後、真空状態を維持しながらオートクレーブ1をドライアイスメタノール溶媒によって冷却し、一旦バルブ10を閉じた。次いで導管をNH3ボンベ12に通じるように操作した後、再びバルブ10を開け連続して外気に触れることなくNH3をオートクレーブ1に充填したした後、再びバルブ10を閉じた。
続いてオートクレーブ1を上下に2分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。オートクレーブ内部の平均温度が600℃、内部の温度差が20℃になるようにオートクレーブ外面温度で制御しながら昇温した。設定温度に達した後、その温度にて16.8日間保持した。オートクレーブ内の圧力は215MPaであった。また保持中のオートクレーブ外面制御温度のバラツキは±0.3℃以下であった。
その後、オートクレーブ1の外面の温度が400℃になるまで冷却し、オートクレーブに付属したバルブ10を開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。この時、オートクレーブとカプセルとの圧力差を利用しカプセルを割り、カプセル内に充填したNH3も取り除いた。
Next, a cap made of Pt-Ir is connected to the top of the capsule 20 by TIG welding, the tube on the top of the cap is connected to an Ar gas line, and a pressure of 0.8 MPa is applied, confirming that there are no pinholes at the weld location. did. Next, after releasing Ar gas, the tube was connected to the HI gas line, and the valve was operated so as to communicate with the vacuum pump 11 to perform vacuum deaeration. Thereafter, the valve was operated so as to pass through the nitrogen cylinder 13 and the inside of the capsule was purged with nitrogen gas. After performing vacuum degassing and nitrogen purging 5 times, it was left overnight with it connected to a vacuum pump.
Next, the lower part of the capsule was cooled with liquid nitrogen, and the valve was opened and filled with HI without touching the outside air. Based on the flow rate control, HI was charged as a mineralizer so that the concentration of I was 1.5 mol% with respect to the amount of NH 3 charged, and then the valve was closed again. The capsule was then removed from the HI line and connected to the NH 3 gas line. The gas line was evacuated and purged with nitrogen five times, and then evacuated with a vacuum pump. Thereafter, the valve of the NH 3 line was operated, and based on the flow rate control, an equimolar amount of HI gas previously filled with NH 3 was filled, and the valve was closed. The capsules were then removed from the liquid nitrogen and cooled with dry ice ethanol solvent. Subsequently, the valve was opened again and charged with NH 3 without touching the outside air, and then the valve was closed again. Thereafter, the tube at the top of the cap was sealed with a welder.
Subsequently, the capsule was inserted into the autoclave and the autoclave was sealed. The conduit was connected to the vacuum pump 11 through the valve 10 attached to the autoclave, and the valve was opened to perform vacuum deaeration. Nitrogen gas purging was performed several times as in the capsule. Thereafter, the autoclave 1 was cooled with a dry ice methanol solvent while maintaining the vacuum state, and the valve 10 was once closed. Next, after the conduit was operated to lead to the NH 3 cylinder 12, the valve 10 was opened again, NH 3 was filled in the autoclave 1 without continuously touching the outside air, and then the valve 10 was closed again.
Subsequently, the autoclave 1 was housed in an electric furnace composed of a heater divided into two parts in the vertical direction. The temperature was raised while controlling the autoclave outer surface temperature so that the average temperature inside the autoclave was 600 ° C. and the temperature difference inside was 20 ° C. After reaching the set temperature, it was held at that temperature for 16.8 days. The pressure in the autoclave was 215 MPa. Further, the variation in the control temperature of the outer surface of the autoclave during the holding was ± 0.3 ° C. or less.
Thereafter, the temperature of the outer surface of the autoclave 1 was cooled to 400 ° C., a valve 10 which is supplied with the autoclave was opened to remove NH 3 in the autoclave. At this time, the capsule was divided using the pressure difference between the autoclave and the capsule, and NH 3 filled in the capsule was also removed.

オートクレーブ1を計量しNH3の排出を確認した後、オートクレーブの蓋を開け、カプセル20を取り出した。カプセル内部を確認すると、m面、c面いずれの種結晶上にも窒化ガリウム結晶が成長していた。肉眼観察では、黄色〜茶色の透明な結晶であり、特にm面窒化ガリウム結晶にはクラックやボイドなど可視的な欠陥は見られなかった。種結晶上に成長した窒化ガリウム結晶をX線回折測定した結果、結晶系は六方晶系であり、立方晶GaNは含まれていないことが確認された。成長速度((結晶厚み−種結晶厚み)/成長日数)はm軸方向に220μm/日であった。
成長した結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は2.20×1018atoms/cm3であり、Si濃度は1.14×1015atoms/cm3、F濃度は1.15×1017atoms/cm3、I濃度は2.60×1017atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が1.90×1018atoms/cm3、移動度が288cm2/V・s、比抵抗が1.08×10-2Ωcmであることを確認した。
After the autoclave 1 was weighed to confirm that NH 3 was discharged, the lid of the autoclave was opened and the capsule 20 was taken out. When the inside of the capsule was confirmed, gallium nitride crystals were grown on both the m-plane and c-plane seed crystals. When observed with the naked eye, it was a yellow to brown transparent crystal, and in particular, no visible defects such as cracks and voids were found in the m-plane gallium nitride crystal. As a result of X-ray diffraction measurement of the gallium nitride crystal grown on the seed crystal, it was confirmed that the crystal system was hexagonal and contained no cubic GaN. The growth rate ((crystal thickness−seed crystal thickness) / growth days) was 220 μm / day in the m-axis direction.
When the grown crystal is analyzed by SIMS, the oxygen concentration is 2.20 × 10 18 atoms / cm 3 , the Si concentration is 1.14 × 10 15 atoms / cm 3 , and the F concentration is 1.15 × 10 17 atoms / cm 3 . The cm 3 and I concentration was 2.60 × 10 17 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. As a result of the hole measurement of the annealed GaN crystal, the carrier concentration is 1.90 × 10 18 atoms / cm 3 , the mobility is 288 cm 2 / V · s, and the specific resistance is 1.08 × 10 −2 Ωcm. It was confirmed.

(実施例2)
原料8として、嵩密度が2.2g/cm3であり、色差がL*値63.85、a*値0.48、b*値11.65であり、酸素濃度が13wtppmである多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例1と同様におこなった。成長した窒化ガリウム結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は1.50×1018atoms/cm3であり、Si濃度は2.06×1014atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が6.7×1017atoms/cm3、移動度が335cm2/V・s、比抵抗が2.40×10-2Ωcm、F濃度は4.30×1017atoms/cm3、I濃度は2.86×1017atoms/cm3であることを確認した。
(Example 2)
The raw material 8 has a bulk density of 2.2 g / cm 3 , a color difference of L * value 63.85, a * value of 0.48, b * value of 11.65, and an oxygen concentration of 13 wtppm. Except for using particles, the same conditions as in Example 1 were used as the conditions shown in Table 1. When the grown gallium nitride crystal was analyzed by SIMS, the oxygen concentration was 1.50 × 10 18 atoms / cm 3 and the Si concentration was 2.06 × 10 14 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. As a result of hole measurement of the GaN crystal after annealing, the carrier concentration is 6.7 × 10 17 atoms / cm 3 , the mobility is 335 cm 2 / V · s, the specific resistance is 2.40 × 10 −2 Ωcm, and the F concentration. it was confirmed that the 4.30 × 1017atoms / cm 3, I concentration is 2.86 × 10 17 atoms / cm 3 .

(実施例3)
原料8として嵩密度が1.8g/cm3であり、色差がL*値63.99、a*値0.26、b*値11.71であり、酸素濃度が20wtppmである多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例1と同様におこなった。成長した窒化ガリウム結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は4.80×1018atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が2.44×1017atoms/cm3、移動度が343cm2/V・s、比抵抗が2.33×10-2Ωcmであることを確認した。
(Example 3)
Polycrystalline GaN particles having a bulk density of 1.8 g / cm 3 as raw material 8, a color difference of L * value 63.99, a * value of 0.26, b * value of 11.71, and oxygen concentration of 20 wtppm Except that was used, the conditions shown in Table 1 were used in the same manner as in Example 1. When the grown gallium nitride crystal was analyzed by SIMS, the oxygen concentration was 4.80 × 10 18 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. As a result of hole measurement of the GaN crystal after annealing, the carrier concentration is 2.44 × 10 17 atoms / cm 3 , the mobility is 343 cm 2 / V · s, and the specific resistance is 2.33 × 10 −2 Ωcm. It was confirmed.

(実施例4)
原料8として嵩密度が1.8g/cm3であり、色差がL*値63.99、a*値0.26、b*値11.71であり、酸素濃度が20wtppmである多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例1と同様におこなった。成長した窒化ガリウム結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は6.90×1018atoms/cm3であり、Si濃度は1.5×1016atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が6.90×1017atoms/cm3、移動度が330cm2/V・s、比抵抗が2.11×10-2Ωcm、F濃度が2.7×1017atms/cm3、I濃度が2.5×1015atms/cm3以下、Cl濃度1.5×1015atms/cm3以下であることを確認した。
Example 4
Polycrystalline GaN particles having a bulk density of 1.8 g / cm 3 as raw material 8, a color difference of L * value 63.99, a * value of 0.26, b * value of 11.71, and oxygen concentration of 20 wtppm Except that was used, the conditions shown in Table 1 were used in the same manner as in Example 1. When the grown gallium nitride crystal was analyzed by SIMS, the oxygen concentration was 6.90 × 10 18 atoms / cm 3 and the Si concentration was 1.5 × 10 16 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. As a result of the hole measurement of the GaN crystal after annealing, the carrier concentration is 6.90 × 10 17 atoms / cm 3 , the mobility is 330 cm 2 / V · s, the specific resistance is 2.11 × 10 −2 Ωcm, and the F concentration. Was 2.7 × 10 17 atms / cm 3 , the I concentration was 2.5 × 10 15 atms / cm 3 or less, and the Cl concentration was 1.5 × 10 15 atms / cm 3 or less.

<実施例5>
原料8として嵩密度が2.6g/cm3であり、色差がL*値58.77、a*値0.64、b*値11.38であり、酸素濃度が61ppmである多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例1と同様におこなった。得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が1.70×1018atoms/cm3であることを確認した。
<Example 5>
Polycrystalline GaN particles having a bulk density of 2.6 g / cm 3 as raw material 8, a color difference of L * value of 58.77, a * value of 0.64, b * value of 11.38, and oxygen concentration of 61 ppm Except that was used, the conditions shown in Table 1 were used in the same manner as in Example 1. The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. From the result of hole measurement of the GaN crystal after annealing, it was confirmed that the carrier concentration was 1.70 × 10 18 atoms / cm 3 .

<実施例6>
原料8として嵩密度が1.9g/cm3であり、色差がL*値58.77、a*値0.64、b*値11.38であり、酸素濃度が78ppmである多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例1と同様におこなった。成長した窒化ガリウム結晶をSIMSにより分析すると、酸素濃度は9.9×1018atoms/cm3であり、Si濃度は7.4×1014atoms/cm3であった。
得られた窒化ガリウム結晶を、窒素90%−アンモニア10%雰囲気下で、1060℃、24時間アニール処理を行った後、ホール測定を行った。アニール後のGaN結晶のホール測定の結果から、キャリア濃度が3.09×1018atoms/cm3、移動度が226cm2/V・s、比抵抗が0.90×10-2Ωcm、F濃度が2.94×1017atms/cm3、I濃度が2.35×1015atms/cm3以下であることを確認した。
<Example 6>
Polycrystalline GaN particles having a bulk density of 1.9 g / cm 3 as raw material 8, color difference of L * value 58.77, a * value of 0.64, b * value of 11.38, and oxygen concentration of 78 ppm Except that was used, the conditions shown in Table 1 were used in the same manner as in Example 1. When the grown gallium nitride crystal was analyzed by SIMS, the oxygen concentration was 9.9 × 10 18 atoms / cm 3 and the Si concentration was 7.4 × 10 14 atoms / cm 3 .
The obtained gallium nitride crystal was annealed at 1060 ° C. for 24 hours in a nitrogen 90% -ammonia 10% atmosphere, and then hole measurement was performed. As a result of hole measurement of the GaN crystal after annealing, the carrier concentration is 3.09 × 10 18 atoms / cm 3 , the mobility is 226 cm 2 / V · s, the specific resistance is 0.90 × 10 −2 Ωcm, and the F concentration. Was 2.94 × 10 17 atms / cm 3 and the I concentration was 2.35 × 10 15 atms / cm 3 or less.

(比較例1)
原料8として嵩密度が1.8g/cm3であり、酸素濃度が148wtppmである多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例1と同様におこなって、窒化ガリウム結晶を得た。得られた窒化ガリウム結晶は、全体に黒く着色しており、酸素などの不純物が極めて多く含まれる結晶であると推定された。
(Comparative Example 1)
A gallium nitride crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that polycrystalline GaN particles having a bulk density of 1.8 g / cm 3 and an oxygen concentration of 148 wtppm were used as the raw material 8. Got. The obtained gallium nitride crystal was colored black as a whole, and was estimated to be a crystal containing an extremely large amount of impurities such as oxygen.

(比較例2)
原料8として嵩密度が0.8g/cm3であり、酸素濃度が130wtppmである多結晶GaN粒子を用いたほかは、表1に示す条件として、実施例1と同様におこなって、窒化ガリウム結晶を得た。得られた窒化ガリウム結晶は、全体に褐色〜黒色にやや着色しており、酸素などの不純物が含まれる結晶であると推定された。
(Comparative Example 2)
A gallium nitride crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that polycrystalline GaN particles having a bulk density of 0.8 g / cm 3 and an oxygen concentration of 130 wtppm were used as the raw material 8. Got. The obtained gallium nitride crystal was slightly colored brown to black as a whole, and was estimated to be a crystal containing impurities such as oxygen.

Figure 2014062029
Figure 2014062029

実施例1〜6は、嵩密度が1.8〜2.6g/cm2、酸素濃度が13〜78wtppmのGaN結晶原料を用いて結晶を成長させたものである。実施例1〜6では、キャリア濃度が6.70×1017〜2.44×1018atoms/cm3の間の成長結晶が得られている。実施例1〜6では活性化率が12〜86%の範囲内であった。 In Examples 1 to 6, crystals are grown using a GaN crystal raw material having a bulk density of 1.8 to 2.6 g / cm 2 and an oxygen concentration of 13 to 78 wtppm. In Examples 1 to 6, a grown crystal having a carrier concentration of 6.70 × 10 17 to 2.44 × 10 18 atoms / cm 3 is obtained. In Examples 1 to 6, the activation rate was in the range of 12 to 86%.

比較例1は、嵩密度が1.8g/cm2、酸素濃度が148wtppmのGaN結晶原料を用いて結晶を成長させたものである。図2に示す、実施例1〜4の窒化物結晶原料中の酸素濃度と成長結晶のキャリア濃度の関係から推測すると、比較例1ではキャリア濃度が2.50×1019atoms/cm3程度の窒化ガリウム結晶が得られたものと考えられ、キャリア濃度が高く適切な導電性を示す結晶を得ることができなかった。また、成長した窒化ガリウム結晶には酸素に由来すると思われる着色があり、品質が悪いものであった。
比較例2は嵩密度が0.8g/cm2、酸素濃度が130wtppmのGaN結晶原料を用いて結晶を成長させたものである。図2に示す、実施例1〜4の窒化物結晶原料中の酸素濃度と成長結晶のキャリア濃度の関係から推測すると、比較例2では、キャリア濃度が1.50×1019atoms/cm3程度の窒化ガリウム結晶が得られたものと考えられ、キャリア濃度が高く適切な導電性を示す結晶を得ることができなかった。また、成長した窒化ガリウム結晶にはやや酸素に由来すると思われる着色があり、品質が劣るものであった。
Comparative Example 1 is a crystal grown using a GaN crystal raw material having a bulk density of 1.8 g / cm 2 and an oxygen concentration of 148 wtppm. As estimated from the relationship between the oxygen concentration in the nitride crystal raw materials of Examples 1 to 4 and the carrier concentration of the grown crystal shown in FIG. 2, in Comparative Example 1, the carrier concentration is about 2.50 × 10 19 atoms / cm 3 . It is considered that a gallium nitride crystal was obtained, and a crystal having a high carrier concentration and appropriate conductivity could not be obtained. Further, the grown gallium nitride crystal had a color which seems to be derived from oxygen, and the quality was poor.
In Comparative Example 2, crystals were grown using a GaN crystal raw material having a bulk density of 0.8 g / cm 2 and an oxygen concentration of 130 wtppm. As estimated from the relationship between the oxygen concentration in the nitride crystal raw materials of Examples 1 to 4 and the carrier concentration of the grown crystal shown in FIG. 2, in Comparative Example 2, the carrier concentration is about 1.50 × 10 19 atoms / cm 3. The gallium nitride crystal was considered to be obtained, and a crystal having a high carrier concentration and appropriate conductivity could not be obtained. Further, the grown gallium nitride crystal had a coloring which seems to be slightly derived from oxygen, and the quality was inferior.

表1の結果をまとめたものを図2及び図3に示す。
図2は、窒化物結晶原料中の酸素濃度と成長した窒化ガリウム結晶のキャリア濃度の関係を示すグラフである。ひし形で表される点が実施例1〜6の結果であり、四角形で表される点は、比較例1および2の結果を示す。図2の近似線で表される通り、原料中の酸素濃度と成長結晶のキャリア濃度に相関関係があることがわかった。
図3は、成長した窒化ガリウム結晶中の酸素濃度とキャリア濃度の関係を示すグラフである。図3の右側の2点は参考例1および2の結果を示す。図3より、活性化率の平均は45%であることがわかった。
尚、アモノサーマル法により得られたGaN結晶中のドーパント活性化率を算出するために、実施例1に準ずる方法で得られたGaN結晶のキャリア濃度及び酸素濃度を測定した。参考例1では、得られた結晶中のキャリア濃度は、3.90×1018atoms/cm3であり、得られた結晶中の酸素濃度は、9.00×1018atoms/cm3であった。また、参考例2では、得られた結晶中のキャリア濃度は、9.54×1018atoms/cm3であり、得られた結晶中の酸素濃度は、2.00×1018atoms/cm3であった。
A summary of the results in Table 1 is shown in FIGS.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration in the nitride crystal raw material and the carrier concentration of the grown gallium nitride crystal. The points represented by diamonds are the results of Examples 1 to 6, and the points represented by squares represent the results of Comparative Examples 1 and 2. As shown by the approximate line in FIG. 2, it was found that there is a correlation between the oxygen concentration in the raw material and the carrier concentration of the grown crystal.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between oxygen concentration and carrier concentration in the grown gallium nitride crystal. The two points on the right side of FIG. 3 show the results of Reference Examples 1 and 2. From FIG. 3, it was found that the average activation rate was 45%.
In addition, in order to calculate the dopant activation rate in the GaN crystal obtained by the ammonothermal method, the carrier concentration and oxygen concentration of the GaN crystal obtained by the method according to Example 1 were measured. In Reference Example 1, the carrier concentration in the obtained crystal was 3.90 × 10 18 atoms / cm 3 , and the oxygen concentration in the obtained crystal was 9.00 × 10 18 atoms / cm 3. It was. In Reference Example 2, the carrier concentration in the obtained crystal is 9.54 × 10 18 atoms / cm 3 , and the oxygen concentration in the obtained crystal is 2.00 × 10 18 atoms / cm 3. Met.

本発明によれば、一定範囲内の酸素濃度を有する窒化物結晶原料を使用して窒化物結晶を製造することにより、所望のキャリア濃度を有する窒化物結晶を得ることができる。また、本発明の酸素ドーピング条件を用いれば、精密な酸素ドーピングを行うことができる。このため、本発明の製造方法はアモノサーマル法を用いた窒化物結晶の製造に利用することができ、産業上の利用可能性が高い。   According to the present invention, a nitride crystal having a desired carrier concentration can be obtained by producing a nitride crystal using a nitride crystal raw material having an oxygen concentration within a certain range. Further, if the oxygen doping conditions of the present invention are used, precise oxygen doping can be performed. For this reason, the manufacturing method of this invention can be utilized for manufacture of the nitride crystal using the ammonothermal method, and its industrial applicability is high.

1 オートクレーブ(耐圧性容器)
4 ワイヤー
5 バッフル板
6 結晶成長領域
7 種結晶
8 原料
9 原料充填領域
10 バルブ
11 真空ポンプ
12 アンモニアボンベ
13 窒素ボンベ
14 マスフローメーター
20 カプセル(内筒)
1 Autoclave (pressure-resistant container)
4 Wire 5 Baffle plate 6 Crystal growth area 7 Seed crystal 8 Raw material 9 Raw material filling area 10 Valve 11 Vacuum pump 12 Ammonia cylinder 13 Nitrogen cylinder 14 Mass flow meter 20 Capsule (inner cylinder)

Claims (16)

酸素濃度が10〜120wtppmの窒化物結晶原料を反応容器の原料充填領域に充填して、前記反応容器中において超臨界及び/又は亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で、窒化物結晶の成長を行う成長工程を含むことを特徴とする、窒化物結晶の製造方法。   Nitride crystal raw material having an oxygen concentration of 10 to 120 wtppm is filled in the raw material filling region of the reaction vessel, and nitride crystals are grown in the presence of a supercritical and / or subcritical nitrogen-containing solvent in the reaction vessel. A method for producing a nitride crystal comprising a growth step of performing the step. 前記窒化物結晶原料に含まれる酸素以外のn型ドーパントの量が1000wtppm以下である、請求項1に記載の窒化物結晶の製造方法。   The manufacturing method of the nitride crystal | crystallization of Claim 1 whose quantity of n-type dopants other than oxygen contained in the said nitride crystal raw material is 1000 wtppm or less. 前記成長工程の前にドーパント供給源隔離工程をさらに含む、請求項1又は2に記載の窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a nitride crystal according to claim 1, further comprising a dopant source isolation step before the growth step. 前記反応容器は、前記反応容器内に設置部材を有し、
前記反応容器及び前記設置部材は、n型ドーパントの量が1000wtppm以下の構成材で形成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。
The reaction vessel has an installation member in the reaction vessel,
The said reaction container and the said installation member are the manufacturing methods of the nitride crystal | crystallization of any one of Claims 1-3 currently formed with the structural material whose quantity of n-type dopant is 1000 wtppm or less.
前記構成材は、白金族又は白金族合金を含む、請求項4に記載の窒化物結晶の製造方法。   The said constituent material is a manufacturing method of the nitride crystal | crystallization of Claim 4 containing a platinum group or a platinum group alloy. 前記反応容器は、前記反応容器内に設置部材を有し、
前記反応容器及び前記設置部材は、n型ドーパントの量が1000wtppm以下のコーティング材またはライニング材で覆われている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。
The reaction vessel has an installation member in the reaction vessel,
The said reaction container and the said installation member are the manufacturing methods of the nitride crystal | crystallization of any one of Claims 1-5 covered with the coating material or lining material whose quantity of n-type dopant is 1000 wtppm or less.
前記コーティング材またはライニング材は、白金族又は白金族合金を含む、請求項6に記載の窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a nitride crystal according to claim 6, wherein the coating material or the lining material includes a platinum group or a platinum group alloy. 前記窒化物結晶中に含まれるn型ドーパントがSi、O、C、F、I、Cl、Br、S及びGeからなる群から選ばれる1以上の元素を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。   The n-type dopant contained in the nitride crystal includes one or more elements selected from the group consisting of Si, O, C, F, I, Cl, Br, S, and Ge. 2. A method for producing a nitride crystal according to item 1. 前記成長工程において、酸性鉱化剤を用いて窒化物結晶の成長を行う、請求項1〜8のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a nitride crystal according to any one of claims 1 to 8, wherein in the growth step, the nitride crystal is grown using an acidic mineralizer. 前記酸性鉱化剤はハロゲン化物を含む、請求項9に記載の窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a nitride crystal according to claim 9, wherein the acidic mineralizer includes a halide. 前記成長工程は、320〜700℃の温度条件下で窒化物結晶を成長させる工程である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。   The said growth process is a manufacturing method of the nitride crystal | crystallization of any one of Claims 1-10 which is a process of growing a nitride crystal on the temperature conditions of 320-700 degreeC. 前記成長工程は、30〜700MPaの圧力条件下で窒化物結晶を成長させる工程である、請求項1〜11のいずれか1項に記載の窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a nitride crystal according to any one of claims 1 to 11, wherein the growth step is a step of growing a nitride crystal under a pressure condition of 30 to 700 MPa. 請求項1〜12のいずれか1項に記載の製造方法により製造される窒化物結晶。   The nitride crystal manufactured by the manufacturing method of any one of Claims 1-12. 酸素濃度が1.5×1018〜2.5×1019atoms/cm3であり、下記式で表されるドーパント活性化率ηが10〜90%であることを特徴とする、窒化物結晶。
Figure 2014062029

(上式において、ηはドーパント活性化率(単位:%)であり、[CC]はキャリア濃度(単位:cm-3)であり、[D]はドーパント濃度(単位:cm-3)である。)
A nitride crystal having an oxygen concentration of 1.5 × 10 18 to 2.5 × 10 19 atoms / cm 3 and a dopant activation rate η represented by the following formula of 10 to 90%: .
Figure 2014062029

(In the above formula, η is the dopant activation rate (unit:%), [CC] is the carrier concentration (unit: cm −3 ), and [D] is the dopant concentration (unit: cm −3 ). .)
キャリア濃度が5×1017〜2×1019atoms/cm3である、請求項13又は14に記載の窒化物結晶。 The nitride crystal according to claim 13 or 14, wherein the carrier concentration is 5 × 10 17 to 2 × 10 19 atoms / cm 3 . Si濃度が1.5×1016atoms/cm3以下である、請求項13〜15のいずれか1項に記載の窒化物結晶。 The nitride crystal according to any one of claims 13 to 15, wherein the Si concentration is 1.5 × 10 16 atoms / cm 3 or less.
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