JP2014144890A - Production method of nitride single crystal - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production method of a nitride single crystal having an improved deposition rate, in a method for depositing a nitride single crystal after dissolving a raw material containing a nitride crystal into an ammonia solvent.SOLUTION: In a method for depositing a nitride single crystal 50 after dissolving a raw material 5 containing a nitride crystal into an ammonia solvent, the nitride single crystal 50 is deposited in the presence of an additive 13 containing at least one kind of element selected from a group comprising vanadium, zirconium, titanium, hafnium and chromium, and a halogen element.

Description

本発明は、窒化物単結晶の製造方法に関する。具体的には、本発明は、アンモニア溶媒中に窒化物結晶を含む原料を溶解させた後に窒化物単結晶を析出する窒化物単結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a nitride single crystal. Specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a nitride single crystal in which a nitride single crystal is precipitated after a raw material containing the nitride crystal is dissolved in an ammonia solvent.

従来、パワーデバイス等に用いられる半導体として、シリコン半導体が用いられている。近年、パワーデバイスにおける低損失化や高速化、高耐圧化のニーズがさらに高まっている。しかしながら、シリコン半導体では、材料物性的な限界のために、今後の大幅な特性改善は困難とされている。そこで、最近、材料物性に優れた窒化ガリウムなどの窒化物ワイドバンドギャップ半導体を用いる技術が提案され、注目を浴びている。   Conventionally, silicon semiconductors are used as semiconductors used for power devices and the like. In recent years, there is a growing need for lower loss, higher speed, and higher breakdown voltage in power devices. However, in the case of silicon semiconductors, it is difficult to improve characteristics in the future due to limitations on material properties. Therefore, recently, a technique using a nitride wide band gap semiconductor such as gallium nitride having excellent material properties has been proposed and attracted attention.

窒化ガリウムの単結晶を製造する方法として、ハイドライド気相析出法(HVPE法)に代表される気相法が知られている。また、アンモニア溶媒を用いたアモノサーマル法およびナトリウム融液を用いたナトリウムフラックス法などに代表される液相法が知られている。   As a method for producing a single crystal of gallium nitride, a vapor phase method represented by a hydride vapor phase deposition method (HVPE method) is known. In addition, liquid phase methods represented by an ammonothermal method using an ammonia solvent and a sodium flux method using a sodium melt are known.

アモノサーマル法は、アンモニア、中でも超臨界アンモニアを溶媒として用いる方法であり、アンモニア溶媒への窒化ガリウムの溶解度が温度変化によって変化することを利用している。アモノサーマル法は、アンモニア溶媒に対する窒化ガリウムの溶解度が極めて低いため、工業生産的に充分な結晶の析出速度が得られにくい問題がある。そこで、アモノサーマル法における窒化物単結晶の合成効率、生産性を向上させるために、窒化ガリウムの溶解度を向上させる鉱化剤を、反応系内に添加する方法が採用されている。代表的な鉱化剤としては、たとえば、アルカリ金属アミドや塩化アンモニウムなどが挙げられる(非特許文献1を参照)。   The ammonothermal method is a method in which ammonia, particularly supercritical ammonia, is used as a solvent, and utilizes the fact that the solubility of gallium nitride in the ammonia solvent changes with temperature changes. The ammonothermal method has a problem that it is difficult to obtain a sufficient crystal precipitation rate for industrial production because the solubility of gallium nitride in an ammonia solvent is extremely low. Therefore, in order to improve the synthesis efficiency and productivity of the nitride single crystal in the ammonothermal method, a method of adding a mineralizer for improving the solubility of gallium nitride into the reaction system is adopted. Typical mineralizers include, for example, alkali metal amides and ammonium chloride (see Non-Patent Document 1).

鉱化剤を用いた手法においては、アンモニア溶媒への窒化ガリウムの溶解およびアンモニア溶媒からの窒化ガリウムの析出の制御により、窒化ガリウムの単結晶の製造が可能である。アモノサーマル法は、窒化ガリウムが溶解と再析出を繰り返す可逆反応を利用している。そのため、基板(種結晶基板)上の好ましくない部位に窒化ガリウム分子が吸着した場合、好ましい部位に窒化ガリウム分子が吸着した場合よりもエネルギー的に不安定な状態であるため逆反応(すなわち溶解反応)が起きやすく、再度、アンモニア溶媒中に窒化ガリウム分子が溶ける作用が生じる。つまり、好ましくない部位に窒化ガリウム分子が吸着した場合であっても、窒化ガリウム分子がそのまま析出して結晶内に取り込まれる可能性は低くなり、結果として結晶欠陥が生じにくいメリットがある。   In the technique using a mineralizer, a single crystal of gallium nitride can be produced by controlling the dissolution of gallium nitride in an ammonia solvent and the precipitation of gallium nitride from the ammonia solvent. The ammonothermal method uses a reversible reaction in which gallium nitride repeats dissolution and reprecipitation. For this reason, when gallium nitride molecules are adsorbed on an unfavorable site on the substrate (seed crystal substrate), the reverse reaction (that is, dissolution reaction) because the gallium nitride molecules are more unstable than when adsorbed on the preferred site. ) Easily occurs, and again the action of dissolving gallium nitride molecules in the ammonia solvent occurs. That is, even when gallium nitride molecules are adsorbed at an unfavorable site, the possibility that the gallium nitride molecules are deposited as they are and taken into the crystal is reduced, and as a result, there is an advantage that crystal defects are less likely to occur.

また、アモノサーマル法によって、所望の面(c面)且つ所望の軸方向(m軸方向)に窒化物結晶を析出させる方法が提案されている(特許文献1を参照)。特許文献1では、結晶析出時の温度および/または圧力の制御に加え、複数の化学種を用いた酸性鉱化剤を用いることで、溶媒に対する原料の溶解度を高めて所望の面および軸方向に結晶析出速度を速めることが提案されている。たとえば、ハロゲン化アンモニウム鉱化剤(NHX)において、NH4Clにさらに反応性の高いハロゲンであるBr,Iを含むハロゲン化アンモニウム鉱化剤(NH4Br,NHI)を混合することが記載されている。 In addition, a method of depositing nitride crystals in a desired plane (c-plane) and a desired axial direction (m-axis direction) by an ammonothermal method has been proposed (see Patent Document 1). In Patent Document 1, in addition to controlling the temperature and / or pressure at the time of crystal precipitation, by using an acidic mineralizer using a plurality of chemical species, the solubility of the raw material in the solvent is increased and the desired plane and axial direction are increased. It has been proposed to increase the rate of crystal precipitation. For example, in an ammonium halide mineralizer (NH 4 X), an NH 4 Cl is mixed with an ammonium halide mineralizer (NH 4 Br, NH 4 I) containing Br, I which is a more reactive halogen. It is described.

Chem. Mater.(American Chemical Society);11,1648−1651(1999)Chem. Mater. (American Chemical Society); 11, 1648-1651 (1999)

特開2008−120672号公報JP 2008-120672 A

しかしながら、非特許文献1および特許文献1に記載の鉱化剤を添加してアモノサーマル法による窒化物単結晶の製造を行った場合であっても、現状において、充分な窒化物単結晶の析出速度が得られていない。そのため、さらに生産性を向上できる方法が求められている。   However, even when the nitride single crystal is produced by the ammonothermal method with the addition of the mineralizers described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, there is sufficient nitride single crystal at present. The deposition rate is not obtained. Therefore, a method that can further improve productivity is demanded.

上述のような問題を鑑み、本発明は、アンモニア溶媒中に窒化物結晶を含む原料を溶解させた後に窒化物単結晶を析出させる方法において、析出速度を向上させた窒化物単結晶の製造方法を提供する。   In view of the problems as described above, the present invention provides a method for producing a nitride single crystal having an improved precipitation rate in a method for precipitating a nitride single crystal after dissolving a raw material containing the nitride crystal in an ammonia solvent. I will provide a.

本発明者は、アンモニア溶媒中に窒化物結晶を含む原料を溶解させた後に窒化物単結晶を成長させる方法において、窒化物の溶解と析出(再析出)の可逆反応におけるギブズの自由エネルギー変化(ΔG)に着目した新たな添加剤を適用することで、充分な成長速度が得られることを見出し、本発明を完成させた。   In the method of growing a nitride single crystal after dissolving a raw material containing a nitride crystal in an ammonia solvent, the present inventor changed Gibbs free energy in a reversible reaction of dissolution and precipitation (reprecipitation) of nitride ( It has been found that a sufficient growth rate can be obtained by applying a new additive focusing on (ΔG), and the present invention has been completed.

本発明の窒化物単結晶の製造方法は、アンモニア溶媒中に窒化物結晶を含む原料を溶解させた後に窒化物単結晶を析出させる方法であって、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、ならびにハロゲン元素、を含む添加剤の存在下で、窒化物単結晶を析出させることを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法である。   The method for producing a nitride single crystal according to the present invention is a method for precipitating a nitride single crystal after dissolving a raw material containing the nitride crystal in an ammonia solvent, and is made from vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium. A method for producing a nitride single crystal, comprising depositing a nitride single crystal in the presence of an additive containing at least one element selected from the group and a halogen element.

上記の窒化物単結晶の製造方法において、添加剤が、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素のハロゲン化物(A)であってもよく、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属およびハロゲン化物(A)であってもよく、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属およびハロゲン化アンモニウムであってもよく、ハロゲン化物(A)およびハロゲン化アンモニウム、であってもよい。   In the method for producing a nitride single crystal, the additive may be a halide (A) of at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, vanadium, It may be at least one metal and halide (A) selected from the group consisting of zirconium, titanium, hafnium, and chromium, and at least one selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium. And may be a halide (A) and an ammonium halide.

また、上記の窒化物単結晶の製造方法において、添加剤が、塩化バナジウム、または、バナジウム金属および塩化アンモニウムであってもよい。   In the above method for producing a nitride single crystal, the additive may be vanadium chloride, or vanadium metal and ammonium chloride.

上記の窒化物単結晶の製造方法において、添加剤の、前記バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の原子数に対するハロゲン原子数のモル比率が、0.05〜10であってもよい。   In the method for producing a nitride single crystal, the additive has a molar ratio of the number of halogen atoms to the number of atoms of at least one selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium is 0.05. -10.

上記の窒化物単結晶の製造方法において、300〜800℃で窒化物単結晶を析出させてもよい。   In the above method for producing a nitride single crystal, the nitride single crystal may be precipitated at 300 to 800 ° C.

上記の窒化物単結晶の製造方法において、反応容器内の圧力を、アンモニア溶媒の臨界圧力〜150MPaとして窒化物単結晶を析出させてもよい。   In the above method for producing a nitride single crystal, the nitride single crystal may be precipitated by setting the pressure in the reaction vessel to a critical pressure of ammonia solvent to 150 MPa.

上記の窒化物単結晶の製造方法において、前記窒化物単結晶が、13族元素の窒化物の単結晶であってもよい。   In the nitride single crystal manufacturing method, the nitride single crystal may be a group 13 element nitride single crystal.

上記の窒化物単結晶の製造方法において、前記窒化物単結晶が、ガリウム窒化物の単結晶であってもよい。   In the nitride single crystal manufacturing method, the nitride single crystal may be a gallium nitride single crystal.

本発明の窒化物単結晶の製造方法は、以下の(A)〜(C)の工程を備えることを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法である。
(A)バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素ならびにハロゲン元素を含む添加剤と、窒化物結晶を含む原料とを反応容器に導入する工程。
(B)アンモニア溶媒を反応容器内に密閉する工程。
(C)反応容器内に低温部と高温部を形成し、アンモニア溶媒中で窒化物結晶を含む原料と前記添加剤を反応させた後に、低温部から窒化物単結晶の析出を行う工程。
The method for producing a nitride single crystal according to the present invention is a method for producing a nitride single crystal comprising the following steps (A) to (C).
(A) A step of introducing an additive containing at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium and a halogen element and a raw material containing a nitride crystal into a reaction vessel.
(B) A step of sealing the ammonia solvent in the reaction vessel.
(C) A step of forming a low temperature portion and a high temperature portion in the reaction vessel, reacting the raw material containing nitride crystals with the additive in an ammonia solvent, and then depositing a nitride single crystal from the low temperature portion.

上記の窒化物単結晶の製造方法において、反応容器内の低温部に種結晶を設置してもよい。   In the above method for producing a nitride single crystal, a seed crystal may be installed at a low temperature portion in the reaction vessel.

上記の窒化物単結晶の製造方法において、(C)の工程において、反応器内の低温部が300〜800℃であり、反応器内の高温部が低温部よりも0.5〜100℃高い温度であってもよい。   In the method for producing a nitride single crystal, in the step (C), the low temperature portion in the reactor is 300 to 800 ° C., and the high temperature portion in the reactor is 0.5 to 100 ° C. higher than the low temperature portion. It may be temperature.

本発明の窒化物単結晶の製造方法によれば、析出速度を向上させた窒化物単結晶の製造方法を提供できる。   According to the method for producing a nitride single crystal of the present invention, a method for producing a nitride single crystal with improved precipitation rate can be provided.

本発明の窒化物単結晶の製造方法に用いることができる製造装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the manufacturing apparatus which can be used for the manufacturing method of the nitride single crystal of this invention. 本発明の窒化物単結晶の製造方法に用いることができる製造装置の他例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other example of the manufacturing apparatus which can be used for the manufacturing method of the nitride single crystal of this invention. 本発明の窒化物単結晶の製造方法におけるギブズの自由エネルギー変化(ΔG)について模式的に説明する図である。It is a figure which illustrates typically the Gibbs free energy change ((DELTA) G) in the manufacturing method of the nitride single crystal of this invention.

本発明の窒化物単結晶の製造方法は、アンモニア溶媒中に窒化物結晶を含む原料を溶解させた後に窒化物単結晶を析出させる方法である。本発明者は、上記方法において、窒化物結晶の溶解と析出を繰り返す反応の可逆性を維持して結晶欠陥の生成は防ぎつつ、窒化物単結晶の充分な析出速度を得るために鋭意検討を重ねた。この結果、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、ならびにハロゲン元素を含む添加剤の存在下で、窒化物単結晶を析出させることが最も効果的であることを知見した。
以下、本発明について詳しく説明する。
The method for producing a nitride single crystal according to the present invention is a method for precipitating a nitride single crystal after dissolving a raw material containing the nitride crystal in an ammonia solvent. In the above method, the present inventor has intensively studied in order to obtain a sufficient precipitation rate of a nitride single crystal while maintaining the reversibility of the reaction of repeating the dissolution and precipitation of nitride crystals to prevent the formation of crystal defects. Piled up. As a result, it is most effective to deposit a nitride single crystal in the presence of an additive containing at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, and a halogen element. I found out that there was.
The present invention will be described in detail below.

[添加剤]
添加剤は、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、ならびにハロゲン元素を含む。具体的には、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素のハロゲン化物(A)からなる添加剤、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属およびハロゲン化物(A)からなる添加剤、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属およびハロゲン化アンモニウムからなる添加剤、またはハロゲン化物(A)およびハロゲン化アンモニウムからなる添加剤を用いることができる。より詳細には、塩化バナジウムからなる添加剤、またはバナジウム金属および塩化アンモニウムからなる添加剤を用いることが好ましい。
[Additive]
The additive includes at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, and a halogen element. Specifically, an additive comprising a halide (A) of at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, a group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium An additive consisting of at least one metal selected from the group consisting of halide and (A), an additive consisting of at least one metal selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, or an ammonium halide, or Additives comprising halide (A) and ammonium halide can be used. More specifically, it is preferable to use an additive composed of vanadium chloride or an additive composed of vanadium metal and ammonium chloride.

本発明における窒化物結晶を含む原料としては、窒化物結晶と、窒化物単結晶の析出に用いられる原料、を含む原料からなるのが好ましい。窒化物単結晶の析出に用いられる原料としては、通常のアモノサーマル法による窒化物単結晶の析出に用いられる原料が挙げられ、たとえば、ガリウム、窒化ガリウムが特に好ましい。
アンモニア溶媒中に窒化物結晶を含む原料を溶解させる方法としては、原料をハロゲン化させて、ハロゲン化ガリウムを得て、次に、該ハロゲン化ガリウムを窒化させて窒化物単結晶を析出する方法が好ましい。ハロゲン化では、窒化物結晶もハロゲン化されてハロゲン化ガリウムとなる。
The raw material containing a nitride crystal in the present invention is preferably made of a raw material containing a nitride crystal and a raw material used for precipitation of the nitride single crystal. Examples of the raw material used for the precipitation of the nitride single crystal include the raw materials used for the precipitation of the nitride single crystal by an ordinary ammonothermal method. For example, gallium and gallium nitride are particularly preferable.
As a method of dissolving a raw material containing a nitride crystal in an ammonia solvent, the raw material is halogenated to obtain a gallium halide, and then the gallium halide is nitrided to precipitate a nitride single crystal. Is preferred. In the halogenation, the nitride crystal is also halogenated to gallium halide.

窒化ガリウム単結晶の製造を例に挙げれば、窒化物結晶を含む窒化ガリウムにハロゲン元素を供与してハロゲン化ガリウムとすればよく、該ハロゲン化ガリウムに窒素元素を供与して窒化ガリウムを析出させればよい。
本発明の窒化物単結晶の製造方法によれば、特定の添加剤の存在下で、窒化物結晶を含む原料を溶解させて窒化物単結晶を析出させる反応は可逆反応であるため、可逆性を維持して結晶欠陥の生成を防ぎつつ、充分な速度で窒化物単結晶を析出させることができる。本発明における添加剤は、窒化物結晶を含む原料の溶解を助ける溶解助剤、かつ、窒化物単結晶の析出を助ける反応剤として作用する。
For example, in the case of manufacturing a gallium nitride single crystal, a halogen element may be supplied to gallium nitride containing a nitride crystal to form a gallium halide, and the gallium halide is supplied with a nitrogen element to precipitate gallium nitride. Just do it.
According to the method for producing a nitride single crystal of the present invention, since the reaction of dissolving the raw material containing the nitride crystal and precipitating the nitride single crystal in the presence of the specific additive is a reversible reaction, it is reversible. The nitride single crystal can be precipitated at a sufficient rate while maintaining the above and preventing the generation of crystal defects. The additive in the present invention acts as a solubilizing aid for helping to dissolve the raw material containing nitride crystals and a reaction agent for helping to precipitate the nitride single crystals.

添加剤のバナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の原子数に対するハロゲン原子数の比率(モル比率)は0.05〜10が好ましく、0.1〜5がより好ましい。前記範囲にした場合は、添加剤の存在によって窒化物結晶の溶解と析出を繰り返す化学反応の可逆性を維持しやすくなり、且つ、ハロゲン元素を欠乏させることなく窒化物単結晶の析出速度を充分に向上できる。
また、添加剤は、上述の群から選択することで、窒化物結晶の溶解反応および析出反応を繰り返す可逆性を維持しつつ、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の原子数に対するハロゲン元素の好適な原子数のモル比率を容易に制御できる。
The ratio (molar ratio) of the number of halogen atoms to the number of atoms of at least one selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium as an additive is preferably 0.05 to 10, and preferably 0.1 to 5 More preferred. In the case of the above range, the presence of the additive makes it easy to maintain the reversibility of the chemical reaction that repeats dissolution and precipitation of the nitride crystal, and the precipitation rate of the nitride single crystal is sufficiently high without depletion of the halogen element. Can be improved.
The additive is selected from the group described above, and at least selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium while maintaining reversibility of repeating the dissolution reaction and precipitation reaction of the nitride crystal. The molar ratio of the suitable number of atoms of the halogen element to the number of one kind of atoms can be easily controlled.

添加剤は、たとえば、担持物質に担持されてもよい。その場合、担持物質がアンモニアによって腐食または溶解しないことが好ましい。
また、添加剤の形状についても特に限定されず、たとえば、粒子状、線状、塊状、板状、ブロック状、箔状、棒状などいずれの形状であってもよい。好ましくは、粒子状、線状、板状であればよい。
The additive may be supported on a support material, for example. In that case, it is preferable that the support material is not corroded or dissolved by ammonia.
Moreover, it does not specifically limit about the shape of an additive, For example, any shape, such as a particulate form, a linear form, a block shape, plate shape, block shape, foil shape, rod shape, may be sufficient. Preferably, it may be in the form of particles, lines, or plates.

添加剤の量としては、窒化物単結晶の析出を促進するのに充分な量であれば特に限定されないが、通常は、アンモニア溶媒に対して1〜30質量%が好ましく、5〜20質量%がより好ましい。   The amount of the additive is not particularly limited as long as it is an amount sufficient to promote the precipitation of the nitride single crystal, but is usually preferably 1 to 30% by mass, and preferably 5 to 20% by mass with respect to the ammonia solvent. Is more preferable.

添加剤を複数組み合わせる場合としては、たとえばバナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属およびハロゲン化物(A)を組み合わせる場合が挙げられる。該場合において、予めの添加剤の混合処理はしてもしなくてよく、予めの複合化処理または化学処理などを施して混合してもよい。   As a case where a plurality of additives are combined, for example, a case where at least one metal selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, and a halide (A) are combined. In this case, the additive may not be mixed in advance, and may be mixed by performing a pre-combination process or a chemical process.

<原料など>
本発明の製造方法においては、窒化物結晶を含む原料に加え、上記添加剤と、必要に応じて種結晶を用いる。
<Raw materials>
In the production method of the present invention, in addition to the raw material containing nitride crystals, the additive and, if necessary, seed crystals are used.

[窒化物結晶を含む原料]
窒化物結晶を含む原料としては、特に限定されず、通常のアモノサーマル法による窒化物単結晶の析出に用いられる原料を適宜選択して用いればよい。原料に含まれる窒化物結晶の結晶性も限定されず、たとえば、窒化物多結晶を用いればよい。窒化物単結晶を含む原料であってもよいが、コストを考慮すれば窒化物多結晶が好ましい。たとえば、製造物である窒化物単結晶として、窒化ガリウム単結晶を析出させる場合には、窒化ガリウム多結晶を原料として用いればよい。
[Raw materials containing nitride crystals]
The raw material containing the nitride crystal is not particularly limited, and a raw material used for precipitation of the nitride single crystal by a normal ammonothermal method may be appropriately selected and used. The crystallinity of the nitride crystal contained in the raw material is not limited, and for example, a nitride polycrystal may be used. A raw material containing a nitride single crystal may be used, but nitride polycrystal is preferable in consideration of cost. For example, when a gallium nitride single crystal is deposited as a nitride single crystal that is a product, gallium nitride polycrystal may be used as a raw material.

[種結晶]
本発明の製造方法では、種結晶を用いることが好ましい。種結晶を用いることにより、特定の特性を有する結晶を選択的に析出させることが可能である。たとえば、窒化ガリウム単結晶を析出させる場合、種結晶として六方晶の窒化ガリウム単結晶を用いれば、種結晶上に六方晶の窒化ガリウム単結晶を析出させることができる。
[Seed crystal]
In the production method of the present invention, it is preferable to use a seed crystal. By using a seed crystal, it is possible to selectively precipitate a crystal having specific characteristics. For example, in the case of depositing a gallium nitride single crystal, if a hexagonal gallium nitride single crystal is used as the seed crystal, the hexagonal gallium nitride single crystal can be deposited on the seed crystal.

種結晶としては、通常、薄板状の平板単結晶を用いるが、主面の結晶方位は任意に選択できる。六方晶の窒化ガリウム単結晶の場合は、上記の主面として、たとえば、(0001)面、(000−1)面に代表される極性面、(10−12)面、(10−1−2)面に代表される半極性面、(10−10)面に代表される非極性面など、様々な方位を有する種結晶を用いることにより、窒化ガリウム単結晶を任意の方位へ結晶析出させることができる。また、種結晶の切り出し方位は、ファセット面に限らず、ファセット面から任意の角度でずらした面を選択することも可能である。   As the seed crystal, a thin plate single crystal is usually used, but the crystal orientation of the main surface can be arbitrarily selected. In the case of a hexagonal gallium nitride single crystal, as the main surface, for example, (0001) plane, polar plane represented by (000-1) plane, (10-12) plane, (10-1-2) ) Crystallization of a gallium nitride single crystal in an arbitrary orientation by using a seed crystal having various orientations such as a semipolar plane represented by a plane and a nonpolar plane represented by a (10-10) plane. Can do. Further, the cutting direction of the seed crystal is not limited to the facet plane, and a plane shifted by an arbitrary angle from the facet plane can be selected.

<アンモニア溶媒>
アンモニア溶媒は、特に限定されず、通常のアモノサーマル法に用いられるアンモニア溶媒を用いればよい。たとえば、アンモニアガスを冷却した反応容器に導入して生成したアンモニア溶媒を用いてもよく、アンモニアガスを冷却または加圧することによって液化したアンモニア溶媒を用いてもよい。
<Ammonia solvent>
The ammonia solvent is not particularly limited, and an ammonia solvent used in a normal ammonothermal method may be used. For example, an ammonia solvent generated by introducing ammonia gas into a cooled reaction vessel may be used, or an ammonia solvent liquefied by cooling or pressurizing ammonia gas may be used.

<窒化物単結晶(製造物)>
本発明の方法で製造される窒化物単結晶は、窒化物結晶を含む原料の種類等によって決定される。なお、製造物である窒化物単結晶は、窒化物結晶を含む原料よりも高い結晶性を有して析出する。本発明における窒化物単結晶としては、13族(III族)の元素の窒化物の単結晶が好ましい。代表的な13族の元素としては、アルミニウム、ガリウム、インジウムなどが挙げられる。これらの中でもガリウム窒化物の単結晶が好ましい。
<Nitride single crystal (product)>
The nitride single crystal produced by the method of the present invention is determined by the type of raw material containing the nitride crystal and the like. Note that the nitride single crystal that is the product is precipitated with higher crystallinity than the raw material containing the nitride crystal. The nitride single crystal in the present invention is preferably a nitride single crystal of a Group 13 (Group III) element. Typical group 13 elements include aluminum, gallium, indium, and the like. Among these, gallium nitride single crystals are preferable.

次に、本発明の製造方法において、特定の添加剤の存在下で、窒化物単結晶を析出させる効果をギブズの自由エネルギー変化(ΔG)の観点から説明する。   Next, the effect of precipitating a nitride single crystal in the presence of a specific additive in the production method of the present invention will be described from the viewpoint of Gibbs free energy change (ΔG).

本発明の製造方法において、添加剤の存在下に窒化物結晶として窒化ガリウムを溶解および析出させる反応式の一例は以下のように表わされる。ここで、MClは、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素(以下、M元素とも記す)、ならびにハロゲン元素を含む添加剤の例であり、すなわちバナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素のハロゲン化物(A)の例である。
GaN+MCl → GaCl+MN (溶解反応)
GaCl+MN → GaN+MCl (析出反応(再析出反応))
上記反応式において、窒化ガリウムの溶解と析出を繰り返す反応により、窒化ガリウム単結晶が析出するが、結晶を効率よく析出させるためには、析出反応が充分な反応速度を有する必要がある。
In the production method of the present invention, an example of a reaction formula for dissolving and depositing gallium nitride as a nitride crystal in the presence of an additive is represented as follows. Here, MCl 3 is an example of an additive containing at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium (hereinafter also referred to as M element), and a halogen element. This is an example of a halide (A) of at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium.
GaN + MCl 3 → GaCl 3 + MN (dissolution reaction)
GaCl 3 + MN → GaN + MCl 3 (precipitation reaction (reprecipitation reaction))
In the above reaction formula, a gallium nitride single crystal is precipitated by a reaction in which dissolution and precipitation of gallium nitride are repeated. However, in order to precipitate a crystal efficiently, the precipitation reaction needs to have a sufficient reaction rate.

一方で、析出反応を促進しすぎると、溶解反応と析出反応が可逆的に進行しにくくなる。たとえば、結晶を析出させたい基板(種結晶)上の好ましくない部位に窒化ガリウム分子が吸着した場合に、吸着した窒化ガリウム分子が再度溶解される前に、吸着した窒化ガリウム分子上に窒化ガリウム分子が次々と堆積する。その結果、基板上の好ましくない部位に吸着した窒化ガリウム分子がそのまま析出して結晶内に取り込まれ、基板上に析出した窒化ガリウム結晶内に欠陥が生じる問題がある。
このような観点から、欠陥の生成を防ぐために溶解反応と析出反応の可逆性は維持しつつ、析出反応が充分な反応速度を有するという釣り合い(バランス)をとることが必要である。
On the other hand, if the precipitation reaction is promoted too much, the dissolution reaction and the precipitation reaction are unlikely to proceed reversibly. For example, when a gallium nitride molecule is adsorbed on an undesired portion on a substrate (seed crystal) on which a crystal is to be deposited, the gallium nitride molecule is adsorbed on the adsorbed gallium nitride molecule before the adsorbed gallium nitride molecule is dissolved again. Accumulates one after another. As a result, there is a problem that gallium nitride molecules adsorbed on an undesired portion on the substrate are deposited as they are and taken into the crystal, and defects are generated in the gallium nitride crystal deposited on the substrate.
From such a viewpoint, in order to prevent the generation of defects, it is necessary to maintain a balance that the precipitation reaction has a sufficient reaction rate while maintaining the reversibility of the dissolution reaction and the precipitation reaction.

上述の溶解反応と析出反応の間における可逆性と、析出反応の促進を両立するためには、反応の進みやすさを知ることが必要である。そこで本発明者は、反応の進みやすさを知る指標となるギブズの自由エネルギー変化(ΔG)に着目した。
ここで、図3に、溶解反応と析出反応におけるギブズの自由エネルギー変化(ΔG)を模式的に示す。図3中、縦軸は、ポテンシャルを表わす。GaN析出状態は、GaN+MCl(a−1)の反応に相当する。GaN溶解状態は、GaCl+MN((b−1)、(b−2)、(b−3)、(b−4)、または(b−5))の反応に相当する。GaN析出状態とGaN溶解状態の間のポテンシャル差が、ギブズの自由エネルギー変化(ΔG)に相当する。
In order to achieve both the reversibility between the dissolution reaction and the precipitation reaction described above and the acceleration of the precipitation reaction, it is necessary to know the ease of the reaction. Therefore, the present inventor paid attention to Gibbs' free energy change (ΔG), which is an index for knowing how easy the reaction proceeds.
Here, FIG. 3 schematically shows the Gibbs free energy change (ΔG) in the dissolution reaction and the precipitation reaction. In FIG. 3, the vertical axis represents the potential. The GaN precipitation state corresponds to the reaction of GaN + MCl 3 (a-1). The GaN dissolved state corresponds to a reaction of GaCl 3 + MN ((b-1), (b-2), (b-3), (b-4), or (b-5)). The potential difference between the GaN precipitated state and the GaN dissolved state corresponds to the Gibbs free energy change (ΔG).

図3における析出状態と溶解状態の反応は次式(A)のように表わせる。
GaN+MCl(析出反応) → GaCl+MN(溶解反応)+ΔG ・・・(A)
上記(A)式において、ΔGが負であれば溶解反応が自発的に起こることを示し、ΔGが正であれば溶解反応が進行しにくくなることを示す。さらには、ΔGが0(ゼロ)に近いほど、溶解反応と析出反応の可逆性が高い状態にあることを示す。
The reaction between the precipitated state and the dissolved state in FIG. 3 can be expressed as the following equation (A).
GaN + MCl 3 (precipitation reaction) → GaCl 3 + MN (dissolution reaction) + ΔG (A)
In the above formula (A), if ΔG is negative, it indicates that the dissolution reaction occurs spontaneously, and if ΔG is positive, it indicates that the dissolution reaction is difficult to proceed. Furthermore, the closer the ΔG is to 0 (zero), the higher the reversibility of the dissolution reaction and the precipitation reaction.

<溶解状態(b−1)>
溶解状態(b−1)は、ΔG=0であり、可逆性が高く、析出反応と溶解反応が同程度進行する状態である。
<Dissolved state (b-1)>
The dissolved state (b-1) is a state in which ΔG = 0, reversibility is high, and the precipitation reaction and the dissolution reaction proceed to the same extent.

<溶解状態(b−2)>
溶解状態(b−2)は、ΔG>0であり、析出反応が促進される。このとき、ΔGが0に近いほど、可逆性が高くなる。したがって、ΔGが正であって、且つ、ΔGがゼロに近い(すなわち、ΔG>0且つΔG≒0)ほど、溶解反応と析出反応の可逆性を維持した状態で、析出反応の速度向上を図ることができる。
<Dissolved state (b-2)>
The dissolved state (b-2) is ΔG> 0, and the precipitation reaction is promoted. At this time, the closer the ΔG is to 0, the higher the reversibility. Therefore, as ΔG is positive and ΔG is close to zero (that is, ΔG> 0 and ΔG≈0), the speed of the precipitation reaction is improved while maintaining the reversibility of the dissolution reaction and the precipitation reaction. be able to.

<溶解状態(b−3)>
溶解状態(b−3)は、ΔG>>0であり、析出反応は促進されるが、可逆性が乏しい。そのため、上述のように、析出した結晶内に欠陥が生じる恐れが高い。
<Dissolved state (b-3)>
The dissolved state (b-3) is ΔG >> 0 and the precipitation reaction is promoted, but the reversibility is poor. Therefore, as described above, there is a high possibility that defects will occur in the precipitated crystals.

<溶解状態(b−4)>
溶解状態(b−4)は、ΔG<0であり、溶解反応は促進される。このとき、ΔGが0に近いほど、可逆性が高くなる。ΔGが充分0に近ければ、温度条件、圧力条件、および添加剤の導入量などの運転条件によって、溶解反応と析出反応の可逆性を維持した状態で、析出反応の速度向上を図ることができる。
<Dissolved state (b-4)>
The dissolved state (b-4) is ΔG <0, and the dissolution reaction is accelerated. At this time, the closer the ΔG is to 0, the higher the reversibility. If ΔG is sufficiently close to 0, the speed of the precipitation reaction can be improved while maintaining the reversibility of the dissolution reaction and the precipitation reaction depending on the operating conditions such as the temperature condition, the pressure condition, and the amount of additive introduced. .

<溶解状態(b−5)>
溶解状態(b−5)は、ΔG<<0であり、溶解反応が促進され、可逆性が乏しい。そのため、析出反応の速度向上は難しい。
<Dissolved state (b-5)>
The dissolved state (b-5) is ΔG << 0, the dissolution reaction is accelerated, and the reversibility is poor. Therefore, it is difficult to improve the speed of the precipitation reaction.

可逆反応のギブズの自由エネルギー変化は、熱平衡計算によって調べることが可能である。たとえば、Fact−Web programs(http://www.crct.polymtl.ca/factweb.php)のような計算ソフトを用いて、熱平衡計算が行える。   Gibbs free energy change of reversible reaction can be investigated by thermal equilibrium calculation. For example, thermal equilibrium calculation can be performed using calculation software such as Fact-Web programs (http://www.crct.polymtl.ca/factweb.php).

以下、窒化ガリウムの例で説明する。上記の計算ソフトを用いて、ガリウムと塩化水素のハロゲン化反応による塩化ガリウムが生成する反応のΔGと、アンモニアとガリウムの窒化反応による窒化ガリウムが生成する反応のΔGとの比較によって、全体を通した化学反応のΔGを算出できる。この場合、下記(1)式で表される可逆反応式となる。
GaN+3HCl ←→ GaCl+NH+ΔG1 ・・・・・(1)
Hereinafter, an example of gallium nitride will be described. By using the above calculation software, a comparison was made between the ΔG reaction of gallium chloride generated by the halogenation reaction of gallium and hydrogen chloride and the ΔG reaction of gallium nitride generated by the nitridation reaction of ammonia and gallium. ΔG of the obtained chemical reaction can be calculated. In this case, it becomes a reversible reaction formula represented by the following formula (1).
GaN + 3HCl ← → GaCl 3 + NH 3 + ΔG1 (1)

次に、窒化ガリウムに代えて、M元素の窒化物(窒化M)の例を示す。上記の計算ソフトを用いて上記窒化ガリウムの例と同様に計算を行うことにより、ΔG2を算出する。この場合、下記(2)式で表される可逆反応式となる。
MN+3HCl ←→ MCl+NH+ΔG2 ・・・・・(2)
Next, instead of gallium nitride, an example of an M element nitride (nitride M) will be described. ΔG2 is calculated by performing calculation in the same manner as the above gallium nitride example using the above calculation software. In this case, it becomes a reversible reaction formula represented by the following formula (2).
MN + 3HCl ← → MCl 3 + NH 3 + ΔG2 (2)

そして、上記計算におけるそれぞれの可逆反応の差分((1)式−(2)式)より、下記(3)式の可逆反応式が導かれる。その結果、窒化ガリウムとMCl(添加剤)の化学反応のΔG3が求められる。
GaN+MCl ←→ GaCl+MN+ΔG3 ・・・・・(3)
And the reversible reaction formula of the following (3) type | formula is guide | induced from the difference ((1) type | formula-(2)) of each reversible reaction in the said calculation. As a result, ΔG3 of the chemical reaction between gallium nitride and MCl 3 (additive) is obtained.
GaN + MCl 3 ← → GaCl 3 + MN + ΔG3 (3)

上記の(1)〜(3)式より、(3)式に示すΔG3が0に近いほど、窒化ガリウムの溶解反応と析出反応の可逆性を維持でき、析出反応が充分な反応速度を有する。さらに、ΔG3が正であれば、析出反応が促進され、好ましい。具体的には、ΔG3は−80〜80kJ/molが好ましく、0〜80kJ/molがより好ましい。本発明者は、後述の実施例の欄で説明するように、バナジウム(V)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、またはクロム(Cr)、ならびにハロゲン元素を含む添加剤の存在下に窒化物単結晶を析出させることで、溶解反応と析出反応の可逆性を維持でき、析出反応が充分な反応速度を有することを見出した。   From the above formulas (1) to (3), as ΔG3 shown in formula (3) is closer to 0, the reversibility of the dissolution reaction and precipitation reaction of gallium nitride can be maintained, and the precipitation reaction has a sufficient reaction rate. Furthermore, if ΔG3 is positive, the precipitation reaction is promoted, which is preferable. Specifically, ΔG3 is preferably −80 to 80 kJ / mol, and more preferably 0 to 80 kJ / mol. The present inventor, as will be described later in the Examples section, adds vanadium (V), zirconium (Zr), titanium (Ti), hafnium (Hf), or chromium (Cr), and an additive containing a halogen element. It was found that the reversibility of the dissolution reaction and the precipitation reaction can be maintained by precipitating the nitride single crystal in the presence of, and the precipitation reaction has a sufficient reaction rate.

次に、本発明の製造方法に適用できる製造装置の例と、該製造装置を用いた製造工程の例を説明する。   Next, an example of a manufacturing apparatus applicable to the manufacturing method of the present invention and an example of a manufacturing process using the manufacturing apparatus will be described.

<製造装置>
本発明の窒化物単結晶の製造方法に適用できる製造装置は、特に限定されず、図1に例示するオートクレーブ(反応容器)10を備える製造装置1が好ましい態様として挙げられる。図1に示す製造装置1は、オートクレーブ10の内部が仕切り板2によって上部3と下部4に仕切られている。
<Manufacturing equipment>
A production apparatus applicable to the method for producing a nitride single crystal of the present invention is not particularly limited, and a production apparatus 1 including an autoclave (reaction vessel) 10 illustrated in FIG. In the manufacturing apparatus 1 shown in FIG. 1, the interior of the autoclave 10 is partitioned into an upper part 3 and a lower part 4 by a partition plate 2.

オートクレーブ10は、蓋6で密閉できる構成である。また、オートクレーブ10は、外部に設置された温度調節手段により、オートクレーブ10内部の上部3と下部4で温度差を設けられる構成の反応容器である。温度調節手段は、ヒーターやジャケット型熱交換器などからなる。オートクレーブ10の内部温度は、図示略の熱電対によって測定できる。オートクレーブ10は、上部3と下部4とで温度差を設けることにより、内部に収容する図示略のアンモニア溶媒に密度差が形成されて、アンモニア溶媒中に溶解した窒化物結晶を含む原料のハロゲン化物が高温側から低温側へと輸送される構成とされている。   The autoclave 10 can be sealed with the lid 6. Further, the autoclave 10 is a reaction container having a configuration in which a temperature difference is provided between the upper part 3 and the lower part 4 inside the autoclave 10 by temperature adjusting means installed outside. The temperature adjusting means includes a heater, a jacket type heat exchanger, and the like. The internal temperature of the autoclave 10 can be measured by a thermocouple (not shown). The autoclave 10 is provided with a temperature difference between the upper part 3 and the lower part 4 so that a density difference is formed in an unillustrated ammonia solvent accommodated therein, and a halide of a raw material containing nitride crystals dissolved in the ammonia solvent. Is transported from the high temperature side to the low temperature side.

図1に示す例においては、上部3に種結晶7が設置されており、該種結晶7上に窒化物単結晶50が析出するように構成されている。すなわち、上部3で窒化物単結晶50を析出させるため、下部4を上部3よりも温度が高くなるように加熱することで、アンモニア溶媒中に溶解した窒化物結晶を含む原料のハロゲン化物を下部4から上部3に輸送させる。この場合には、オートクレーブ10の内部において、下部4が窒化物結晶を含む原料5をアンモニア中に溶解させるための原料溶解領域となり、上部3が窒化物単結晶を析出させるための結晶析出領域となる。以下、本形態では、仕切り板2で2つに仕切られた領域のうち、下部4を高温部にして原料溶解領域とし、上部3を低温部にして結晶析出領域とする例を説明する。   In the example shown in FIG. 1, a seed crystal 7 is provided on the upper part 3, and a single crystal nitride 50 is deposited on the seed crystal 7. That is, in order to precipitate the nitride single crystal 50 in the upper part 3, the lower part 4 is heated so that the temperature is higher than that of the upper part 3, whereby the halide of the raw material containing the nitride crystal dissolved in the ammonia solvent is reduced in the lower part. Transport from 4 to top 3. In this case, in the autoclave 10, the lower part 4 is a raw material dissolving region for dissolving the raw material 5 containing nitride crystals in ammonia, and the upper part 3 is a crystal precipitation region for precipitating the nitride single crystal. Become. Hereinafter, in the present embodiment, an example will be described in which the lower part 4 is a high-temperature part as a raw material melting area and the upper part 3 is a low-temperature part as a crystal precipitation area among the two areas partitioned by the partition plate 2.

製造装置1を用いて窒化物単結晶を製造する際には、オートクレーブ10内の下部4に、予め、窒化物結晶を含む原料5と添加剤13を導入する構成を採用できる。
なお、本発明の製造方法に適用できる製造装置の構成は特に限定されず、種結晶を下部4に配置する構成としてもよい。その場合、下部4で窒化物単結晶を析出させるため、上部3を下部4よりも温度が高くなるように加熱することで、アンモニア溶媒中に溶解した窒化物結晶を含む原料のハロゲン化物を上部3から下部4に輸送させる構成とできる。
When the nitride single crystal is manufactured using the manufacturing apparatus 1, a configuration in which the raw material 5 containing the nitride crystal and the additive 13 are introduced into the lower portion 4 in the autoclave 10 in advance can be employed.
In addition, the structure of the manufacturing apparatus applicable to the manufacturing method of this invention is not specifically limited, It is good also as a structure which arrange | positions a seed crystal in the lower part 4. FIG. In this case, in order to precipitate a nitride single crystal in the lower part 4, the upper part 3 is heated so that the temperature is higher than that of the lower part 4, whereby the halide of the raw material containing the nitride crystal dissolved in the ammonia solvent is changed to the upper part. It can be configured to be transported from 3 to the lower part 4.

オートクレーブ10の材質としては、特に制限されないが、窒化物単結晶を析出させる際の条件に耐えうる、耐圧性、耐熱性および耐腐食性を有する材料の中から選択することが好ましい。オートクレーブ10の材質は、耐熱性の観点からは、オーステナイト系ステンレス鋼(たとえばSUS310(JIS規格))、鉄基合金系(たとえば、Incoloy(登録商標)、N155など)、ニッケル基合金系(たとえば、Nimonic(登録商標)、Rene41(登録商標)、Inconel(登録商標)など)、コバルト基合金系(たとえば、Stellite(登録商標))、またはチタニウム合金が好ましい。また、オートクレーブ10の内壁の材質は、アンモニア溶媒および添加剤に対する耐食性の観点からは、オーステナイト系ステンレス鋼(たとえばSUS316L(JIS規格))、ニッケル基合金系、貴金属(白金、金、イリジウムなど)、またはセラミック系(合成石英ガラス、窒化珪素、窒化チタンなど)が好ましい。これらの中でも、ニッケル基合金系は、オートクレーブ10の材質およびオートクレーブ10の内壁を同一材料とできるため好ましい。また、オートクレーブ10の材質とオートクレーブ10の内壁の材質を変える場合には、たとえばメッキや溶射などのコーティングや、ライニングで、上述の材質を組合せたものを使用できる。   The material of the autoclave 10 is not particularly limited, but is preferably selected from materials having pressure resistance, heat resistance, and corrosion resistance that can withstand the conditions for depositing the nitride single crystal. From the viewpoint of heat resistance, the material of the autoclave 10 is austenitic stainless steel (for example, SUS310 (JIS standard)), iron-based alloy system (for example, Incoloy (registered trademark), N155, etc.), nickel-based alloy system (for example, Nimonic (registered trademark), Rene 41 (registered trademark), Inconel (registered trademark), etc.), a cobalt-based alloy system (for example, Stellite (registered trademark)), or a titanium alloy is preferable. The material of the inner wall of the autoclave 10 is austenitic stainless steel (for example, SUS316L (JIS standard)), nickel-based alloy system, noble metal (platinum, gold, iridium, etc.) from the viewpoint of corrosion resistance to the ammonia solvent and additives. Or ceramic type (synthetic quartz glass, silicon nitride, titanium nitride, etc.) is preferable. Among these, the nickel base alloy system is preferable because the material of the autoclave 10 and the inner wall of the autoclave 10 can be made of the same material. When the material of the autoclave 10 and the material of the inner wall of the autoclave 10 are changed, a combination of the above materials can be used, for example, coating such as plating or thermal spraying or lining.

仕切り板2は、必要に応じて、オートクレーブ10の内部を上部3と下部4とを区画するために設ければよい。図1に示す例では、仕切り板2は、結晶析出領域である上部3と、原料溶解領域である下部4とを区画する構成とされている。仕切り板2を設けると、上部3と下部4の温度差を形成しやすくなるため好ましい。仕切り板2には、上部3と下部4との間で貫通するように図示略の孔が設けられる。仕切り板2の開孔率は、オートクレーブ10の内部の上部3と下部4で形成したい温度差に合わせて設計すればよく、5〜80%が好ましく、20〜70%がより好ましい。
また、仕切り板2の表面の材質は、オートクレーブ10の内壁の材質と同一の材質が好ましい。
The partition plate 2 may be provided to partition the upper part 3 and the lower part 4 inside the autoclave 10 as necessary. In the example shown in FIG. 1, the partition plate 2 is configured to partition an upper portion 3 that is a crystal precipitation region and a lower portion 4 that is a raw material dissolution region. Providing the partition plate 2 is preferable because a temperature difference between the upper part 3 and the lower part 4 is easily formed. The partition plate 2 is provided with a hole (not shown) so as to penetrate between the upper portion 3 and the lower portion 4. What is necessary is just to design the aperture ratio of the partition plate 2 according to the temperature difference to form in the upper part 3 and the lower part 4 inside the autoclave 10, and 5 to 80% is preferable and 20 to 70% is more preferable.
The material of the surface of the partition plate 2 is preferably the same material as the material of the inner wall of the autoclave 10.

さらに、蓋6には導管9が接続され、該導管9の経路中に仕切り弁8が設けられている。そして、オートクレーブ10には、上記の仕切り弁8および導管9を介して、オートクレーブ10内を吸引減圧するための真空ポンプ11が接続されている。   Furthermore, a conduit 9 is connected to the lid 6, and a gate valve 8 is provided in the path of the conduit 9. The autoclave 10 is connected to a vacuum pump 11 for sucking and reducing the pressure in the autoclave 10 through the gate valve 8 and the conduit 9 described above.

また、オートクレーブ10には、上記の仕切り弁8および導管9を介して、オートクレーブ10の内部にアンモニアガスを供給するためのアンモニアボンベ12が接続されている。本実施形態の製造装置1においては、アンモニアボンベ12からオートクレーブ10内にアンモニアガスを導入した後、オートクレーブ10を図示略の冷却手段によって冷却することで、アンモニアガスを液化できるように構成される。あるいは、本実施形態では、アンモニアボンベ12とオートクレーブ10とを接続する導管9の経路中に図示略の冷却手段を設け、アンモニアガスを予め液化した後にオートクレーブ10に導入する構成も採用できる。   The autoclave 10 is connected to an ammonia cylinder 12 for supplying ammonia gas into the autoclave 10 through the gate valve 8 and the conduit 9 described above. The manufacturing apparatus 1 of the present embodiment is configured so that ammonia gas can be liquefied by introducing ammonia gas into the autoclave 10 from the ammonia cylinder 12 and then cooling the autoclave 10 by a cooling means (not shown). Alternatively, in the present embodiment, a configuration in which a cooling means (not shown) is provided in the path of the conduit 9 that connects the ammonia cylinder 12 and the autoclave 10 and ammonia gas is liquefied in advance and then introduced into the autoclave 10 can be adopted.

仕切り弁8は、該仕切り弁8の開閉動作により、真空ポンプ11からの吸引減圧をオンまたはオフできるように構成される、および/または、該仕切り弁8の開閉動作により、アンモニアボンベ12からオートクレーブ10内へのアンモニアガスの導入をオンまたはオフできるように構成される。   The gate valve 8 is configured so that the suction pressure reduction from the vacuum pump 11 can be turned on or off by opening / closing the gate valve 8 and / or the autoclave from the ammonia cylinder 12 by opening / closing the gate valve 8. 10 is configured so that the introduction of ammonia gas into the inside 10 can be turned on or off.

上記の仕切り弁8や導管9の他、必要に応じて設けられる図示略の圧力計などについても、少なくとも表面が耐腐食性の材質を用いることが好ましく、たとえば、オートクレーブ10と同様、オーステナイト系ステンレス鋼(たとえばSUS316L(JIS規格))ニッケル基合金系、貴金属(白金、金、イリジウムなど)、またはセラミック系(合成石英ガラス、窒化珪素、窒化チタンなど)の耐腐食性の材質を用いることが好ましい。なお、本発明の製造方法において用いられる製造装置1は、上記構成のうち、仕切り弁8や圧力計などを省略した構成としても構わないし、仕切り弁8や導管9、圧力計などを複数個配置した構成としても構わない。図1では、仕切り弁8は、真空ポンプ11およびアンモニアボンベ12に枝分かれした導管9に、それぞれ設けた例を示している。   In addition to the gate valve 8 and the conduit 9 described above, a pressure gauge (not shown) provided as necessary preferably uses a material having at least a surface having corrosion resistance. For example, as with the autoclave 10, austenitic stainless steel is used. It is preferable to use a corrosion-resistant material such as steel (for example, SUS316L (JIS standard)) nickel-based alloy system, noble metal (platinum, gold, iridium, etc.), or ceramic system (synthetic quartz glass, silicon nitride, titanium nitride, etc.). . The manufacturing apparatus 1 used in the manufacturing method of the present invention may have a configuration in which the gate valve 8 and the pressure gauge are omitted from the above configuration, and a plurality of the gate valve 8, the conduit 9, and the pressure gauge are arranged. It does not matter as a configuration. FIG. 1 shows an example in which the gate valve 8 is provided in a conduit 9 branched into a vacuum pump 11 and an ammonia cylinder 12.

<手順>
本発明の製造方法で窒化物単結晶50を製造する手順について、上述した製造装置1を用いた場合を例に、以下に詳述する。
<Procedure>
The procedure for manufacturing the nitride single crystal 50 by the manufacturing method of the present invention will be described in detail below, taking the case of using the manufacturing apparatus 1 described above as an example.

本発明の窒化物単結晶50の製造方法は、以下の(A)〜(C)の工程を備える方法を採用できる。
(A)バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素ならびにハロゲン元素を含む添加剤と、窒化物結晶を含む原料とを反応容器に導入する工程。
(B)アンモニア溶媒を反応容器内に密閉する工程。
(C)反応容器内に低温部と高温部を形成し、アンモニア溶媒中で窒化物結晶を含む原料と前記添加剤を反応させた後に、低温部から窒化物単結晶の析出を行う工程。
The manufacturing method of the nitride single crystal 50 of this invention can employ | adopt the method provided with the process of the following (A)-(C).
(A) A step of introducing an additive containing at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium and a halogen element and a raw material containing a nitride crystal into a reaction vessel.
(B) A step of sealing the ammonia solvent in the reaction vessel.
(C) A step of forming a low temperature portion and a high temperature portion in the reaction vessel, reacting the raw material containing nitride crystals with the additive in an ammonia solvent, and then depositing a nitride single crystal from the low temperature portion.

まず、上記工程(A)に示したように、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、ならびにハロゲン元素、を含む添加剤と、窒化物結晶を含む原料5とを反応容器に導入する。上記材料をオートクレーブ10(反応容器)に導入する前に、オートクレーブ10の内部を脱気しても構わない。また、上記材料をオートクレーブ10に導入する際は、不活性ガス(たとえば、窒素ガスやArなどの希ガスなど)を流通させてもよい。   First, as shown in the step (A), an additive containing at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, and a halogen element, and a nitride crystal are included. Raw material 5 is introduced into the reaction vessel. Before introducing the above materials into the autoclave 10 (reaction vessel), the inside of the autoclave 10 may be degassed. Moreover, when introducing the said material into the autoclave 10, you may distribute | circulate inert gas (For example, noble gases, such as nitrogen gas and Ar, etc.).

窒化物結晶を含む原料5は、オートクレーブ10の高温部となる側に導入し、図1では下部4に導入する。
添加剤は、オートクレーブ10の高温部および低温部のいずれかに設置してもよく、両方に設置してもよい。添加剤を、オートクレーブ10内部のいずれの領域に設置した場合であっても、窒化ガリウムが溶解と析出とを繰り返す可逆反応を維持しながら、充分な窒化物単結晶50の析出速度が得られる。
添加剤がバナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素のハロゲン化物(A)を含む場合は、図1に示すように下部4にハロゲン化物(A)13を導入すればよい。また、添加剤がバナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属、ならびにハロゲン化アンモニウムを含む場合は、図3に示すように上部3および下部4に金属15を設置し、ハロゲン化アンモニウム14を下部4に導入すればよい。
The raw material 5 containing a nitride crystal is introduced into the autoclave 10 on the side that becomes the high temperature portion, and is introduced into the lower portion 4 in FIG.
The additive may be installed in either the high temperature part or the low temperature part of the autoclave 10 or in both. Even when the additive is placed in any region inside the autoclave 10, a sufficient precipitation rate of the nitride single crystal 50 can be obtained while maintaining a reversible reaction in which gallium nitride repeats dissolution and precipitation.
When the additive includes a halide (A) of at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, as shown in FIG. Should be introduced. When the additive contains at least one metal selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, and an ammonium halide, the metal 15 is formed in the upper part 3 and the lower part 4 as shown in FIG. And ammonium halide 14 may be introduced into the lower part 4.

また、必要に応じて、反応容器の低温部側に種結晶を設置しておくことが好ましい。図1では、予め、オートクレーブ10内部の上部3に、種結晶7を設置する例を示している。
種結晶7の設置は、上記の窒化物結晶を含む原料5および添加剤をオートクレーブ10に導入する際に同時に行えばよい。また、種結晶7は、オートクレーブ10を構成する材料と同様の金属材料からなる治具に固定することが好ましい。また、種結晶7の設置後に、必要に応じて加熱脱気を施してもよい。
If necessary, it is preferable to install a seed crystal on the low temperature part side of the reaction vessel. FIG. 1 shows an example in which a seed crystal 7 is previously installed on the upper part 3 inside the autoclave 10.
The seed crystal 7 may be installed at the same time when the raw material 5 containing the nitride crystal and the additive are introduced into the autoclave 10. The seed crystal 7 is preferably fixed to a jig made of the same metal material as that constituting the autoclave 10. Further, after the seed crystal 7 is installed, heat deaeration may be performed as necessary.

次に、上記工程(B)に示したように、アンモニア溶媒を反応容器内に密閉する。
まず、オートクレーブ10を蓋6で密閉した後、オートクレーブ10内を減圧し、減圧した状態でオートクレーブ10を保持する。具体的には、図1中に示す真空ポンプ11を稼働させ、仕切り弁8を開放した状態で、導管9を介してオートクレーブ10内を吸引し、所定の圧力(絶対圧100Pa以下)に減圧し、その状態を保持する。
Next, as shown in the step (B), an ammonia solvent is sealed in the reaction vessel.
First, after the autoclave 10 is sealed with the lid 6, the inside of the autoclave 10 is decompressed, and the autoclave 10 is held in a decompressed state. Specifically, the vacuum pump 11 shown in FIG. 1 is operated, the interior of the autoclave 10 is sucked through the conduit 9 with the gate valve 8 opened, and the pressure is reduced to a predetermined pressure (absolute pressure of 100 Pa or less). , Hold that state.

次に、減圧した状態のオートクレーブ10を所定の温度に冷却し、冷却したオートクレーブ10にアンモニアガスを導入して、オートクレーブ10内にアンモニア溶媒(図示略)を生成させる。具体的には、図1中に示すアンモニアタンク12から、仕切り弁8を開放した状態で、導管9を介してオートクレーブ10にアンモニアガスを導入する。
あるいは、本実施形態では、たとえば、導管9の経路中に図示略の昇圧手段または冷却手段を設けることにより、アンモニアガスを予め加圧または冷却して液化したアンモニア溶媒を、オートクレーブ10内に導入してもよい。
その後、オートクレーブ10を、仕切り弁8を閉止することで再び密閉する。
Next, the autoclave 10 in a decompressed state is cooled to a predetermined temperature, and ammonia gas is introduced into the cooled autoclave 10 to generate an ammonia solvent (not shown) in the autoclave 10. Specifically, ammonia gas is introduced from the ammonia tank 12 shown in FIG. 1 into the autoclave 10 through the conduit 9 with the gate valve 8 opened.
Alternatively, in the present embodiment, for example, by providing a pressure increasing means or a cooling means (not shown) in the path of the conduit 9, an ammonia solvent in which ammonia gas is preliminarily pressurized or cooled is introduced into the autoclave 10. May be.
Thereafter, the autoclave 10 is sealed again by closing the gate valve 8.

次に、上記工程(C)に示したように、反応容器内に低温部と高温部を形成し、アンモニア溶媒中で窒化物結晶を含む原料と前記添加剤を反応させた後に、低温部から窒化物単結晶の析出を行う。   Next, as shown in the above step (C), a low temperature portion and a high temperature portion are formed in the reaction vessel, and after the raw material containing nitride crystals and the additive are reacted in an ammonia solvent, A nitride single crystal is deposited.

温度調節手段を用いて、オートクレーブ10内を昇温させるとともに、オートクレーブ10内に高温部と低温部を設ける。オートクレーブ10内を所定の温度に昇温することにより、窒化物結晶を含む原料5とハロゲン元素を反応させ、アンモニア溶媒中に窒化物結晶を含む原料5を溶解させる。オートクレーブ10内の昇温とともにオートクレーブ10内に設けられた高温部と低温部により、アンモニア溶媒中に密度差が形成され、アンモニア溶媒中に溶解した窒化物結晶を含む原料5が高温部から低温部へと輸送される。低温部へと輸送された窒化物結晶を含む原料5は、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と反応することにより、窒化物単結晶50として析出する。   The temperature inside the autoclave 10 is raised using the temperature adjusting means, and a high temperature part and a low temperature part are provided in the autoclave 10. By raising the temperature in the autoclave 10 to a predetermined temperature, the raw material 5 containing nitride crystals reacts with the halogen element, and the raw material 5 containing nitride crystals is dissolved in an ammonia solvent. As the temperature rises in the autoclave 10, a density difference is formed in the ammonia solvent by the high temperature portion and the low temperature portion provided in the autoclave 10, and the raw material 5 containing nitride crystals dissolved in the ammonia solvent is changed from the high temperature portion to the low temperature portion. To be transported to. The raw material 5 containing the nitride crystal transported to the low temperature portion is precipitated as a nitride single crystal 50 by reacting with at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium. To do.

図1では下部4を上部3よりも温度が高くなるように加熱するため、アンモニア溶媒中に溶解した窒化物結晶を含む原料5が下部4から上部3に輸送され、上部3において窒化物単結晶50が析出する。また、図1に示す例では、上部3に設置された種結晶7上に窒化物単結晶50が析出する。   In FIG. 1, since the lower part 4 is heated so as to have a temperature higher than that of the upper part 3, the raw material 5 containing nitride crystals dissolved in an ammonia solvent is transported from the lower part 4 to the upper part 3. 50 precipitates out. Further, in the example shown in FIG. 1, a nitride single crystal 50 is deposited on the seed crystal 7 installed on the upper portion 3.

上述のような、オートクレーブ10内における窒化物単結晶50の析出は、内部のアンモニア溶媒を亜臨界状態または超臨界状態に保持して行う。オートクレーブ10内の低温部(図1では上部3)におけるアンモニア溶媒の温度、すなわち、窒化物単結晶50の析出温度については、特に限定されないが、300〜800℃で析出させることが好ましい。また、オートクレーブ10内の高温部(図1では下部4)が低温部(図1では上部3)よりも0.5〜100℃高いことが好ましく、1〜50℃高いことがより好ましい。上述の温度範囲とすることで、溶解反応と析出反応の繰り返しの可逆性を維持しつつ、充分な析出速度を得ることができる。また、反応容器の破損を防止できる。   Precipitation of the nitride single crystal 50 in the autoclave 10 as described above is performed while keeping the internal ammonia solvent in a subcritical or supercritical state. Although the temperature of the ammonia solvent in the low temperature part (upper part 3 in FIG. 1) in the autoclave 10, that is, the precipitation temperature of the nitride single crystal 50 is not particularly limited, it is preferably deposited at 300 to 800 ° C. Moreover, it is preferable that the high temperature part (lower part 4 in FIG. 1) in the autoclave 10 is 0.5-100 degreeC higher than a low temperature part (upper part 3 in FIG. 1), and it is more preferable that it is 1-50 degreeC higher. By setting the above temperature range, it is possible to obtain a sufficient precipitation rate while maintaining reversibility of the repetition of the dissolution reaction and the precipitation reaction. Moreover, damage to the reaction vessel can be prevented.

また、上記析出温度に達するまでの昇温速度については、特に限定されないが、数時間から数日かけて行えばよい。この際、必要に応じて、多段で昇温を行ったり、温度域毎に昇温スピードを変えたりすることも可能である。   Moreover, although it does not specifically limit about the temperature increase rate until it reaches the said precipitation temperature, What is necessary is just to carry out over several hours to several days. At this time, if necessary, the temperature can be raised in multiple stages or the temperature raising speed can be changed for each temperature range.

なお、析出温度に達した後の反応時間についても、窒化物単結晶の種類や原料、結晶の大きさや量によっても異なるが、数時間から数百日とすることができる。また、反応中において、反応温度は一定としてもよいし、徐々に昇温または降温させるパターンとすることも可能である。   Note that the reaction time after reaching the precipitation temperature may also be several hours to several hundred days, although it depends on the type of nitride single crystal, the raw material, and the size and amount of the crystal. Further, during the reaction, the reaction temperature may be constant or a pattern in which the temperature is gradually raised or lowered.

窒化物単結晶50を析出させる際の反応容器(オートクレーブ10)内の圧力については、特に限定されるものではないが、アンモニア溶媒の臨界圧力〜150MPaの範囲の圧力下で析出させることが好ましい。上述の圧力範囲とすることで、アンモニア溶媒が気化することを防止でき、反応容器の破損を防止できる。   The pressure in the reaction vessel (autoclave 10) when depositing the nitride single crystal 50 is not particularly limited, but it is preferably deposited under a pressure in the range of the critical pressure of the ammonia solvent to 150 MPa. By setting it as the above-mentioned pressure range, it can prevent that an ammonia solvent evaporates and can prevent damage to a reaction container.

なお、オートクレーブ10内の圧力を上記範囲内にするには、たとえば、アンモニア溶媒の導入量を制御することによって所望の圧力に調整することができる。   In order to set the pressure in the autoclave 10 within the above range, for example, it can be adjusted to a desired pressure by controlling the amount of ammonia solvent introduced.

本発明の製造方法においては、上述した添加剤を用いた方法を採用することにより、可逆性を維持しながら、充分な析出速度が得られる。たとえば、析出速度は20〜5000μm/dayが好ましく、100〜2000μm/dayがより好ましく、200〜1500μm/dayがよりいっそう好ましい。ここで説明する析出速度とは、任意の結晶面で切り出された板状の種結晶の両面に析出した合計寸法を、析出日数で割った値である。上記析出速度を達成できることで、生産性を向上できる。   In the production method of the present invention, a sufficient precipitation rate can be obtained while maintaining reversibility by adopting the above-described method using the additive. For example, the deposition rate is preferably 20 to 5000 μm / day, more preferably 100 to 2000 μm / day, and even more preferably 200 to 1500 μm / day. The precipitation rate described here is a value obtained by dividing the total size precipitated on both surfaces of a plate-like seed crystal cut out on an arbitrary crystal plane by the number of days of precipitation. Productivity can be improved by being able to achieve the said precipitation rate.

所望の結晶を析出させるための反応時間を経た後、オートクレーブ10を降温させる。この際の降温方法についても、特に限定されず、たとえば、図示略の電気炉などからなる加熱手段への通電を停止した後、オートクレーブ10を放冷してもよいし、あるいは、必要に応じて、冷媒を用いてオートクレーブ10を急冷してもよい。   After passing the reaction time for depositing the desired crystals, the temperature of the autoclave 10 is lowered. The temperature lowering method at this time is also not particularly limited. For example, the autoclave 10 may be allowed to cool after stopping energization to a heating means such as an electric furnace (not shown), or as necessary. The autoclave 10 may be rapidly cooled using a refrigerant.

そして、オートクレーブ10の外面の温度、あるいは推定される内部温度が所定温度以下、たとえば、200℃以下になった後、オートクレーブ10から蓋6を外す。この際、オートクレーブ10に接続された仕切り弁8に他の配管の一端側を接続し、この配管の他端側を容器中の水に通じた状態として、仕切り弁8を開けてもよい。あるいは、必要に応じて、オートクレーブ10を再び減圧して真空状態にするなどして内部のアンモニア溶媒を充分に除去した後、内部を乾燥させてから蓋6を開け、オートクレーブ10内において生成した窒化物単結晶50や、未反応の原料、添加物などを取り出してもよい。   Then, after the temperature of the outer surface of the autoclave 10 or the estimated internal temperature becomes equal to or lower than a predetermined temperature, for example, 200 ° C. or lower, the lid 6 is removed from the autoclave 10. At this time, one end side of another pipe may be connected to the gate valve 8 connected to the autoclave 10, and the gate valve 8 may be opened with the other side of the pipe connected to the water in the container. Alternatively, if necessary, the internal ammonia solvent is sufficiently removed by reducing the pressure in the autoclave 10 again to a vacuum state, and then the interior is dried, then the lid 6 is opened, and the nitridation generated in the autoclave 10 is performed. The single crystal 50, unreacted raw materials, additives and the like may be taken out.

上記工程(A)〜(C)により、窒化物単結晶50を製造することができる。また、上記の製造条件を適宜調整することにより、所望の結晶構造を有する窒化物単結晶を製造することが可能となる。   The nitride single crystal 50 can be manufactured by the above steps (A) to (C). In addition, a nitride single crystal having a desired crystal structure can be manufactured by appropriately adjusting the manufacturing conditions.

なお、その他の窒化物単結晶の析出条件や手順などについては、特開2007−238347号公報や特開2010−222152号公報などに記載の製造条件の欄を参照することができる。   For other nitride single crystal deposition conditions and procedures, reference can be made to the column of manufacturing conditions described in JP 2007-238347 A, JP 2010-222152 A, and the like.

[作用効果]
本発明の窒化物単結晶の製造方法にあっては、アンモニア溶媒中に窒化物結晶を含む原料を溶解させた後に窒化物単結晶を析出させる方法において、可逆反応のギブズの自由エネルギー変化(ΔG)に着目したバナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、ならびにハロゲン元素を含む添加剤の存在下で、窒化物単結晶を析出させることにより、窒化ガリウムの溶解と再析出とを繰り返す可逆性、より具体的には、ハロゲン化反応と窒化反応との可逆性を維持しつつ、窒化物単結晶の充分な析出速度を得ることができる。これにより、窒化物単結晶内の欠陥を軽減でき、かつ、析出速度を充分に向上でき、窒化物単結晶を生産性良く製造できる。
[Function and effect]
In the method for producing a nitride single crystal according to the present invention, in the method of depositing a nitride single crystal after dissolving a raw material containing the nitride crystal in an ammonia solvent, Gibbs free energy change (ΔG Gallium nitride by precipitating a nitride single crystal in the presence of an additive containing at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, and a halogen element It is possible to obtain a sufficient precipitation rate of a nitride single crystal while maintaining reversibility of repeating dissolution and reprecipitation, more specifically, maintaining reversibility of a halogenation reaction and a nitridation reaction. Thereby, defects in the nitride single crystal can be reduced, the precipitation rate can be sufficiently improved, and the nitride single crystal can be produced with high productivity.

なお、本発明の製造方法で得られる窒化物単結晶(インゴット)の径としては、特に限定さないものの、比較的大径のものを得ることができる方法であることから、たとえば、最大径が50〜400mm、またはそれ以上である窒化物単結晶とすることも可能である。   In addition, although it does not specifically limit as a diameter of the nitride single crystal (ingot) obtained with the manufacturing method of this invention, since it is a method with which a comparatively large diameter can be obtained, for example, the maximum diameter is Nitride single crystals of 50 to 400 mm or more are also possible.

以下に、本発明のさらに詳しい説明を実施例によって行うが、本発明は、これら実施例にのみ限定されるものでは無い。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited to these examples.

本発明者は、アンモニア溶媒中に窒化物結晶を含む原料を溶解させた後に窒化物単結晶を析出させる方法において、窒化物の溶解と析出を繰り返す反応の可逆性の観点での検討に加え、窒化物の析出速度の観点から好適なΔGを有する元素について鋭意検討を重ねた。その結果、可逆性を維持できる反応系をスクリーニングしたうえで、得られた反応系を実際の試験で実施することにより、V、Zr、Ti、Hf、およびCrが高い析出速度を有し、その中でも、Vが充分に高い析出速度を有することを知見した。
これにより、M元素として、特にバナジウムを含む添加剤を用いることで、窒化物結晶の溶解および析出を繰り返す反応の可逆性を維持しつつ、かつ、窒化物単結晶を充分な析出速度で製造可能であることを明らかにした。以下に、詳細を説明する。
In the method of precipitating a nitride single crystal after dissolving a raw material containing a nitride crystal in an ammonia solvent, the present inventor, in addition to the examination from the viewpoint of reversibility of the reaction of repeatedly dissolving and precipitating the nitride, From the viewpoint of the precipitation rate of nitrides, the inventors have intensively studied about elements having a suitable ΔG. As a result, after screening a reaction system that can maintain reversibility, by carrying out the obtained reaction system in an actual test, V, Zr, Ti, Hf, and Cr have a high deposition rate, Above all, it was found that V has a sufficiently high deposition rate.
As a result, by using an additive containing vanadium as the M element, it is possible to produce a nitride single crystal at a sufficient precipitation rate while maintaining the reversibility of repeated reactions of dissolution and precipitation of nitride crystals. It was revealed that. Details will be described below.

<ハロゲン元素の選定>
本実施例においては、ハロゲン元素として塩素元素を選定した。
<Selection of halogen elements>
In this example, a chlorine element was selected as the halogen element.

<M元素の選定>
本実施例においては、窒化ガリウム単結晶を製造する際に、M元素として、下記表1に示す金属元素を用いた場合について、各々の金属元素と窒化ガリウムの反応によって生じるΔGを求めた。具体的には、Zr、V、Ta、Ti、Nb、Mo、Hf、La、Cr、Mn、Ca、Li、およびZnについてΔGを求めた。また、NHについても、上記金属元素と同様にΔGを求めた。
<Selection of M element>
In this example, when a gallium nitride single crystal was produced, ΔG generated by the reaction between each metal element and gallium nitride was determined for the case where the metal element shown in Table 1 below was used as the M element. Specifically, ΔG was determined for Zr, V, Ta, Ti, Nb, Mo, Hf, La, Cr, Mn, Ca, Li, and Zn. Also for NH 4 , ΔG was determined in the same manner as the above metal element.

本実施例においては、上述したFact−Web programsのReaction−webを用いて、可逆反応のギブズの自由エネルギー変化(ΔG)について算出した。
まず、ガリウムが、系内でどのような化合物で存在するのが安定かを調べた。ガリウムは、窒化物としてはGaNが存在し、塩化物としてはGaClとGaClが存在しうる。塩化物がGaClとGaClの2種類存在しており、どちらが安定であるかを調べるため、下記(4)式の化学反応式で表される反応において、ギブズの自由エネルギー変化を算出した。
GaCl+2HCl ←→ GaCl+H+ΔG4 ・・・・・(4)
In this example, the Gibbs free energy change (ΔG) of the reversible reaction was calculated using the above-described Reaction-web of Fact-Web programs.
First, it was investigated what kind of compound gallium is stable in the system. Gallium may be GaN as a nitride and GaCl and GaCl 3 as chlorides. In order to investigate which of two types of chlorides, GaCl and GaCl 2 , is stable, the Gibbs free energy change was calculated in the reaction represented by the chemical reaction formula of the following formula (4).
GaCl + 2HCl ← → GaCl 3 + H 2 + ΔG4 (4)

まず、上述したReaction−webを用いて、それぞれの化合物をdefault phaseに設定し、min温度:500K、max温度:1000K、温度幅:50Kに設定して、上記(4)式中におけるΔG4を算出した。今回設定した温度条件ではΔG4は負に大きいことが確認でき、すなわち、GaClが形成されやすいことが確認できた。なお、窒化物については、GaNのみが知られているため、上記の計算は実施しなかった。
以上の結果から、ガリウムの可逆反応は下記(5)式で表わすこととした。
GaN+3HCl ←→ GaCl+NH+ΔG5 ・・・・・(5)
本反応についてもΔG4と同様にギブズの自由エネルギー変化(ΔG5)を算出した。
First, using the above-described Reaction-web, each compound is set to the default phase, the min temperature is set to 500K, the max temperature is set to 1000K, and the temperature range is set to 50K, and ΔG4 in the above equation (4) is calculated. did. It was confirmed that ΔG4 was negatively large under the temperature condition set this time, that is, it was confirmed that GaCl 3 was easily formed. As for nitride, only GaN is known, so the above calculation was not performed.
From the above results, the reversible reaction of gallium was expressed by the following equation (5).
GaN + 3HCl ← → GaCl 3 + NH 3 + ΔG5 (5)
For this reaction, the Gibbs free energy change (ΔG5) was calculated in the same manner as ΔG4.

次いで、本実施例では、上記と同様の計算方法により、各金属元素において上記の計算を実施した。
バナジウムの場合には、窒化物としてはVN、塩化物としてはVCl、VCl、およびVClが存在しうる。そこで、下記(6)、(7)式について、ガリウムの場合と同様にギブズの自由エネルギー変化を算出した。
VCl+HCl ←→ VCl+1/2H+ΔG6 ・・・・・(6)
VCl+2HCl ←→ VCl+H+ΔG7 ・・・・・(7)
今回設定した温度条件では、ΔG6およびΔG7はともに正に大きいことが確認でき、すなわち、VClが形成されやすいことが確認できた。
以上の結果から、バナジウムの可逆反応は下記(8)式で表わすこととした。
VN+2HCl+1/2H ←→ VCl+NH+ΔG8 ・・・・・(8)
本反応についても同様にギブズの自由エネルギー変化(ΔG8)を算出した。
Next, in this example, the above calculation was performed for each metal element by the same calculation method as described above.
In the case of vanadium, there may be VN as the nitride and VCl 2 , VCl 3 , and VCl 4 as the chloride. Therefore, the Gibbs free energy change was calculated for the following formulas (6) and (7) as in the case of gallium.
VCl 2 + HCl ← → VCl 3 + 1 / 2H 2 + ΔG6 (6)
VCl 2 + 2HCl ← → VCl 4 + H 2 + ΔG7 (7)
Under the temperature conditions set this time, it was confirmed that both ΔG6 and ΔG7 were positively large, that is, VCl 2 was easily formed.
From the above results, the reversible reaction of vanadium was expressed by the following formula (8).
VN + 2HCl + 1 / 2H 2 ← → VCl 2 + NH 3 + ΔG8 (8)
The Gibbs free energy change (ΔG8) was also calculated for this reaction.

次に、上記(5)式および(8)式の計算結果を用い、各反応式で表される反応を差分することで、窒化ガリウムの溶解および析出反応を直接的に評価した。前述の例であるガリウムとバナジウムの場合には、ガリウムの可逆反応については上記(5)式を適用し、バナジウムの可逆反応については上記(8)式を適用し、上記(5)式から上記(8)式を差分し、下記(9)式およびΔG9の値を算出した。ΔG9は、より具体的には、ΔG5とΔG8との差(ΔG9=ΔG5−ΔG8)を算出することで求めた。
GaN+VCl+HCl ←→ VN+GaCl+1/2H+ΔG9 ・・・(9)
Next, using the calculation results of the above formulas (5) and (8), the dissolution and precipitation reactions of gallium nitride were directly evaluated by subtracting the reactions represented by the respective reaction formulas. In the case of gallium and vanadium which are the above examples, the above formula (5) is applied to the reversible reaction of gallium, the above formula (8) is applied to the reversible reaction of vanadium, and the above formula (5) The equation (8) was subtracted, and the following equation (9) and the value of ΔG9 were calculated. More specifically, ΔG9 was obtained by calculating the difference between ΔG5 and ΔG8 (ΔG9 = ΔG5-ΔG8).
GaN + VCl 2 + HCl ← → VN + GaCl 3 + 1 / 2H 2 + ΔG9 (9)

本実施例のΔG9は、上記実施形態のΔG3である。したがって、各反応式において可逆性を維持するためには、上記(9)式におけるΔG9が可能な限り0に近い必要がある。   ΔG9 in this example is ΔG3 in the above embodiment. Therefore, in order to maintain reversibility in each reaction formula, ΔG9 in the formula (9) needs to be as close to 0 as possible.

ここで、上記計算結果によるΔG9の数値が正側に大きい(ΔG>>0)ほど、反応が上記(9)式中における左側、すなわち、窒化ガリウムが形成されやすい方(析出反応)へ進行する。また、ΔG9の数値が負側に大きい(ΔG<<0)ほど、反応が上記(9)式中におる右側、すなわち、塩化ガリウムが形成されやすい方(溶解反応)へ進行する。   Here, as the numerical value of ΔG9 based on the calculation result is larger on the positive side (ΔG >> 0), the reaction proceeds to the left side in the above equation (9), that is, the direction in which gallium nitride is easily formed (precipitation reaction). . Further, the larger the numerical value of ΔG9 is on the negative side (ΔG << 0), the more the reaction proceeds to the right side in the above formula (9), that is, the direction in which gallium chloride is easily formed (dissolution reaction).

上記のバナジウムの例と同様に、金属元素とガリウムとの反応によって生じるギブズの自由エネルギー変化(以下、ΔGと表記する)を算出した計算結果を下記表1に示した。 Similar to the above example of vanadium, the calculation results for calculating the Gibbs free energy change (hereinafter referred to as ΔG r ) generated by the reaction between the metal element and gallium are shown in Table 1 below.

Figure 2014144890
Figure 2014144890

さらに、本発明者は、後述の「析出速度確認試験」において、上記各反応式の可逆性を維持しうる金属元素の塩化物が、表1に示した金属元素を用いた場合のΔGrの絶対値が80kJ/mol以下であることを見出した。すなわち、これらの計算結果からは、Zr、V、Ti、Hf、およびCrがM元素となりうることを見出した。   Furthermore, the present inventor, in the “deposition rate confirmation test” to be described later, the absolute value of ΔGr when the metal element chloride that can maintain the reversibility of each of the above reaction formulas uses the metal element shown in Table 1. The value was found to be 80 kJ / mol or less. That is, it was found from these calculation results that Zr, V, Ti, Hf, and Cr can be M elements.

<析出速度確認試験(1)>
次に、図1に示すようなオートクレーブ10を備える製造装置1を使用し、上記元素を添加剤に用いて窒化物単結晶の製造を行う結晶の析出速度の確認試験を行った。
<Deposition rate confirmation test (1)>
Next, using a production apparatus 1 including an autoclave 10 as shown in FIG. 1, a confirmation test of a crystal deposition rate for producing a nitride single crystal using the above elements as additives was performed.

(実験例1〜4)
[製造装置]
実験例1〜4では、図1に示す模式図のように、内部が仕切り板2で上部3と下部4とに仕切られたオートクレーブ10を備え、真空ポンプ11、アンモニアタンク12のほか、電気炉からなる温度調整手段(図示略)が備えられ、さらに、安全設備(図示略)が備えられてなる、図1に示す製造装置1を使用した。また、図1に示すように、添加剤13を下部4に導入した。
(Experimental Examples 1-4)
[manufacturing device]
In Experimental Examples 1 to 4, as shown in the schematic diagram of FIG. 1, the interior includes an autoclave 10 that is partitioned by a partition plate 2 into an upper part 3 and a lower part 4. In addition to a vacuum pump 11 and an ammonia tank 12, an electric furnace A manufacturing apparatus 1 shown in FIG. 1 is used, which is provided with a temperature adjusting means (not shown) and further provided with safety equipment (not shown). Further, as shown in FIG. 1, the additive 13 was introduced into the lower part 4.

[手順および評価]
オートクレーブ(内径φ10mm、長さ230mm、容積18cm)10内に、窒化物結晶を含む原料5として多結晶GaNを0.012mol、添加剤13として、VCl(実験例1)、NHCl(実験例2)、LiCl(実験例3)、CaCl(実験例4)を、それぞれ塩素原子が0.012molとなるように導入した。
オートクレーブ内を密閉にしたのち、真空ポンプ11を用いて仕切り弁8より脱気処理を行ない、内部を真空にした。
次いで、ドライアイス−エタノール冷媒によってオートクレーブ10を外部から冷却し、オートクレーブ10内を充分に冷却した後、アンモニアガス:7.5gを液化導入して、仕切り弁8を閉とすることで、オートクレーブ10を密閉保持した。
[Procedure and Evaluation]
In an autoclave (inner diameter φ10 mm, length 230 mm, volume 18 cm 3 ) 10, 0.012 mol of polycrystalline GaN as a raw material 5 containing nitride crystals, VCl 3 (Experiment 1), NH 4 Cl (additive 13) Experimental Example 2), LiCl (Experimental Example 3), and CaCl 2 (Experimental Example 4) were introduced so that each chlorine atom was 0.012 mol.
After the inside of the autoclave was sealed, the vacuum pump 11 was used to deaerate from the gate valve 8 and the inside was evacuated.
Next, the autoclave 10 is cooled from the outside with a dry ice-ethanol refrigerant, and the inside of the autoclave 10 is sufficiently cooled. Then, 7.5 g of ammonia gas is liquefied and the gate valve 8 is closed to close the autoclave 10. Was kept sealed.

次いで、オートクレーブ10を、オートクレーブ10の縦長方向に沿って上・中・下に3分割された電気炉により、上部を300℃、中部を520℃、下部を550℃に設定し、1.5時間かけて室温から上記所定温度まで昇温した。この際、オートクレーブ10の上・中・下の各位置における温度については、オートクレーブ10最上部の蓋の位置(上部)、オートクレーブ10の縦長方向で略中心の位置の胴囲(中部)、オートクレーブ10の底面の位置に、各々、熱電対を取り付けることにより、測定して確認した。
オートクレーブ10内部の温度が上記所定温度で一定になった後、温度一定の状態で4.5時間保持し、多結晶GaNを溶解させた。この状態で4.5時間経過した後、オートクレーブ10を再び冷却し、内部のアンモニア溶媒を除去した後、純水を用いてオートクレーブ10内の固体を溶解および分散させて回収した。
次いで、回収された固体中から、窒化ガリウム単結晶の析出物を回収し、該回収した窒化ガリウム単結晶を水洗、乾燥させた。
Next, the autoclave 10 was set at 300 ° C. for the upper part, 520 ° C. for the middle part, and 550 ° C. for the lower part with an electric furnace divided into three parts along the longitudinal direction of the autoclave 10 for 1.5 hours. The temperature was raised from room temperature to the predetermined temperature. At this time, regarding the temperatures at the upper, middle and lower positions of the autoclave 10, the position of the lid at the top of the autoclave 10 (upper part), the waist (middle part) of the autoclave 10 at the substantially center position in the longitudinal direction, the autoclave 10 Each was measured and confirmed by attaching a thermocouple to the position of the bottom surface.
After the temperature inside the autoclave 10 became constant at the predetermined temperature, the temperature was kept constant for 4.5 hours to dissolve the polycrystalline GaN. After 4.5 hours passed in this state, the autoclave 10 was cooled again, the internal ammonia solvent was removed, and then the solid in the autoclave 10 was dissolved and dispersed using pure water and recovered.
Next, a precipitate of the gallium nitride single crystal was recovered from the recovered solid, and the recovered gallium nitride single crystal was washed with water and dried.

走査型電子顕微鏡を用いて、オートクレーブ10内から回収された析出物の析出長さを測定した。該析出長さを、オートクレーブ10内部の温度が一定になった後の保持した時間(4.5時間)で除することで、単位時間当たりの析出速度(μm/hr)を算出した。下記表2に、結果を示す。   Using a scanning electron microscope, the deposition length of the precipitate collected from the autoclave 10 was measured. The deposition rate (μm / hr) per unit time was calculated by dividing the deposition length by the holding time (4.5 hours) after the temperature inside the autoclave 10 became constant. Table 2 below shows the results.

Figure 2014144890
Figure 2014144890

本発明の製造方法に用いられるVClを添加剤とした実験例1は、窒化物単結晶の析出速度が56μm/hrであった。これに対し、NHClを添加剤とした実験例2は、窒化物単結晶の析出速度が44μm/hrであった。したがって、バナジウム元素のハロゲン化物であるVClを添加剤とすることで、結晶の析出速度が向上することが確認できた。 In Experimental Example 1 using VCl 3 as an additive used in the production method of the present invention, the nitride single crystal deposition rate was 56 μm / hr. On the other hand, in Experimental Example 2 using NH 4 Cl as an additive, the precipitation rate of the nitride single crystal was 44 μm / hr. Therefore, it was confirmed that the precipitation rate of crystals was improved by using VCl 3 which is a halide of vanadium as an additive.

また、回収された固体中からGaN単結晶の析出物を回収するとともに、多結晶GaNを回収した。該回収した多結晶GaNを水洗、乾燥させた後、重量を測定することにより、溶解・再析出反応によって消費した多結晶GaNの量を測定した。
そして、測定した多結晶GaNの消費量から、下記計算式により、消費した多結晶GaNの塩素原子に対する溶解量を算出した。
ここで、多結晶GaNが溶解する溶解反応速度rは、反応速度定数(k)と反応器内の多結晶GaNのモル濃度(=[多結晶GaN])、および反応器内に存在する塩素のモル濃度([塩素])の積で表わされる。
= k[多結晶GaN][塩素量]
また、GaClが反応してGaNが析出する析出反応速度rは、反応速度定数(k)と反応器内のGaClのモル濃度(=[GaCl])、および反応器内に存在する窒素のモル濃度([窒素])の積で表わされる。
= k[GaCl][窒素量]
In addition, GaN single crystal precipitates were recovered from the recovered solid, and polycrystalline GaN was recovered. The recovered polycrystalline GaN was washed with water and dried, and then the weight was measured to determine the amount of polycrystalline GaN consumed by the dissolution / reprecipitation reaction.
And from the consumption amount of the measured polycrystalline GaN, the dissolution amount with respect to the chlorine atom of the consumed polycrystalline GaN was computed by the following formula.
Here, the dissolution reaction rate r 1 at which polycrystalline GaN dissolves exists in the reaction rate constant (k 1 ), the molar concentration of polycrystalline GaN in the reactor (= [polycrystalline GaN]), and in the reactor. It is expressed as the product of the molar concentration of chlorine ([chlorine]).
r 1 = k 1 [polycrystalline GaN] [chlorine content]
In addition, the deposition reaction rate r 2 at which GaCl 3 reacts to deposit GaN is present in the reaction rate constant (k 2 ), the molar concentration of GaCl 3 in the reactor (= [GaCl 3 ]), and in the reactor. Expressed as the product of the molar concentration of nitrogen ([nitrogen]).
r 2 = k 2 [GaCl 3 ] [nitrogen content]

上記関係式において、k(析出反応速度定数)のk(溶解反応速度定数)に対する比(=k/k)が高いほど、可逆性が高く、且つ、析出反応速度が高いことを示す。なお、上記関係式において、可逆反応が定常的に進行している状態(定常状態)ではr=rであることから、上記各式から、下記式を算出した。
{k[多結晶GaN][塩素量]=k[GaCl][窒素量]} ←→ {k/k=[多結晶GaN][塩素量]/[GaCl][窒素量]}
In the above relational expression, the higher the ratio (= k 2 / k 1 ) of k 2 (precipitation reaction rate constant) to k 1 (dissolution reaction rate constant), the higher the reversibility and the higher the precipitation reaction rate. Show. In the above relational expression, r 1 = r 2 in a state where the reversible reaction proceeds in a steady manner (steady state), and therefore the following formula was calculated from the above formulas.
{K 1 [polycrystalline GaN] [chlorine content] = k 2 [GaCl 3 ] [nitrogen content]} ← → {k 2 / k 1 = [polycrystalline GaN] [chlorine content] / [GaCl 3 ] [nitrogen content] ]}

ここで、定常状態での[多結晶GaN]、[GaCl]、[塩素]、[窒素]は直接的には観測できないが、下記手法によって、近似的に算出することができる。
[多結晶GaN]:実験後に回収される多結晶GaNの残存量に相当する。多結晶GaNは、本反応において充分に残存する条件で添加しており、近似的に定数Aとして取り扱った。
[GaCl]:消費した多結晶GaNの量に相当する。多結晶GaNの導入量と多結晶GaNの残存量との差を求めることで算出できる。
[塩素]:消費されずに残存する塩素の量に相当する。導入した塩素の量と、消費した多結晶GaNの量の3倍量との差を求めることで算出できる。
[窒素]:導入した窒素源の量を示す。本実施例における窒素源は溶媒として使用しているアンモニアが該当する。アンモニアは、本反応において大過剰であり、近似的に定数Bとして取り扱った。
上記手法により、消費された多結晶GaNの量をX、導入した塩素の量をYとすることで、k/kが下記計算式によって見積もることが可能となる。
/k={A×(Y−3×X)}/(X×B)
=(A/B)×{(Y/X)−3}
Here, [polycrystalline GaN], [GaCl 3 ], [chlorine], and [nitrogen] in a steady state cannot be observed directly, but can be approximately calculated by the following method.
[Polycrystalline GaN]: Corresponds to the remaining amount of polycrystalline GaN recovered after the experiment. Polycrystalline GaN was added under conditions sufficient to remain in this reaction, and was treated as a constant A approximately.
[GaCl 3 ]: Corresponds to the amount of consumed polycrystalline GaN. It can be calculated by obtaining the difference between the introduced amount of polycrystalline GaN and the remaining amount of polycrystalline GaN.
[Chlorine]: Corresponds to the amount of chlorine remaining without being consumed. It can be calculated by determining the difference between the amount of introduced chlorine and the amount of three times the amount of consumed polycrystalline GaN.
[Nitrogen]: Indicates the amount of introduced nitrogen source. The nitrogen source in this example corresponds to ammonia used as a solvent. Ammonia was in large excess in this reaction and was treated as a constant B approximately.
By the above method, the amount of consumed polycrystalline GaN is X, and the amount of introduced chlorine is Y, whereby k 2 / k 1 can be estimated by the following formula.
k 2 / k 1 = {A × (Y−3 × X)} / (X × B)
= (A / B) × {(Y / X) -3}

充分な析出速度をもってGaNの単結晶(窒化物単結晶)を析出させるためには、可逆性を維持しつつ、析出反応を高く保つ必要がある。上記計算式よりY/X、すなわち、(導入した塩素の量)/(消費した多結晶GaNの量)で示される、塩素(ハロゲン元素)の量に対する多結晶GaN(窒化物結晶を含む原料)の消費する量を高く保つことができる反応を見出すことが重要である。   In order to precipitate a GaN single crystal (nitride single crystal) with a sufficient precipitation rate, it is necessary to maintain a high precipitation reaction while maintaining reversibility. From the above formula, Y / X, that is, (the amount of introduced chlorine) / (the amount of consumed polycrystalline GaN), the polycrystalline GaN with respect to the amount of chlorine (halogen element) (raw material including nitride crystals) It is important to find a reaction that can keep the amount consumed by high.

実験例1〜4において、塩素の量に対する消費した多結晶GaN量の溶解量を算出した結果を上記表2に示している。   In Experimental Examples 1 to 4, the results of calculating the amount of dissolved polycrystalline GaN with respect to the amount of chlorine are shown in Table 2 above.

VClを用いた実験例1では、実験例2〜4よりも、消費した多結晶GaNの量が高いことが確認できた。したがって、バナジウム元素のハロゲン化物であるVClを添加剤とすることで、可逆性を維持しつつ、析出反応が促進されることが確認できた。 In Experimental Example 1 using VCl 3 , it was confirmed that the amount of consumed polycrystalline GaN was higher than in Experimental Examples 2 to 4. Therefore, it was confirmed that the precipitation reaction was promoted while maintaining reversibility by using VCl 3 which is a halide of vanadium as an additive.

<析出速度確認試験(2)>
(実験例5〜9)
[製造装置]
実験例5〜9では、内部が仕切り板2で上部3と下部4とに仕切られたオートクレーブ10を備え、真空ポンプ11、アンモニアタンク12のほか、電気炉からなる温度調整手段(図示略)が備えられ、さらに、安全設備(図示略)が備えられてなる、図2に示す製造装置1を使用した。また、図2に示すように、金属15と塩化アンモニウム(ハロゲン化アンモニウム14)を導入した。
<Deposition rate confirmation test (2)>
(Experimental Examples 5-9)
[manufacturing device]
In Experimental Examples 5 to 9, the interior is provided with an autoclave 10 that is partitioned into an upper part 3 and a lower part 4 by a partition plate 2, and in addition to a vacuum pump 11 and an ammonia tank 12, temperature adjusting means (not shown) including an electric furnace is provided. The manufacturing apparatus 1 shown in FIG. 2 which is provided and further provided with safety equipment (not shown) was used. Further, as shown in FIG. 2, metal 15 and ammonium chloride (ammonium halide 14) were introduced.

[手順および評価]
添加剤として、NHCl(塩化アンモニウム)を12mmol、および、下記表3に示す金属を導入した以外は、上記実験例1〜4と同様に試験を行った。
実験例5〜9における、単位時間当たりの析出速度(μm/hr)の結果と、塩素原子に対する消費した多結晶GaNの溶解量を算出した結果を下記表3に示す。
[Procedure and Evaluation]
Tests were conducted in the same manner as in Experimental Examples 1 to 4 except that 12 mmol of NH 4 Cl (ammonium chloride) and a metal shown in Table 3 below were introduced as additives.
The results of the deposition rate (μm / hr) per unit time in Experimental Examples 5 to 9 and the results of calculating the amount of dissolved polycrystalline GaN with respect to chlorine atoms are shown in Table 3 below.

Figure 2014144890
Figure 2014144890

Vを用いた実験例5では、上記表2のNHClのみを用いた実験例2よりも結晶の析出速度が向上することを確認した。また、V(実験例5)、Cr(実験例6)、Zr(実験例7)を用いた例は、多結晶GaN溶解量が高く保たれることを確認した。同様に、Ti、Hfについても、析出速度は向上し、多結晶GaN溶解量が高く保たれることを確認した。 In Experimental Example 5 using V, it was confirmed that the crystal precipitation rate was improved as compared with Experimental Example 2 using only NH 4 Cl in Table 2 above. Further, it was confirmed that the example using V (Experimental Example 5), Cr (Experimental Example 6), and Zr (Experimental Example 7) kept the dissolved amount of polycrystalline GaN high. Similarly, for Ti and Hf, it was confirmed that the deposition rate was improved and the amount of dissolved polycrystalline GaN was kept high.

本発明によれば、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属、ならびにハロゲン元素、を含む添加剤を用いて、アモノサーマル法によって窒化物単結晶を析出させることで、窒化ガリウムの溶解と再析出とを繰り返す可逆反応を安定的に維持しつつ、窒化物単結晶の充分な析出速度を得ることができる。これにより、窒化物単結晶内の欠陥を軽減でき、かつ、析出速度を充分に向上できるので、結晶性に優れた窒化物単結晶を生産性良く製造できる。このような製造方法で得られる窒化物単結晶を、たとえばパワーデバイス等に適用することにより、低損失化や高速化、高耐圧化が実現できる。   According to the present invention, a nitride single crystal is formed by an ammonothermal method using an additive containing at least one metal selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, and a halogen element. By precipitating, a sufficient precipitation rate of the nitride single crystal can be obtained while stably maintaining a reversible reaction that repeats dissolution and reprecipitation of gallium nitride. Thereby, defects in the nitride single crystal can be reduced and the precipitation rate can be sufficiently improved, so that a nitride single crystal having excellent crystallinity can be produced with high productivity. By applying the nitride single crystal obtained by such a manufacturing method to, for example, a power device or the like, low loss, high speed, and high breakdown voltage can be realized.

1…製造装置(窒化物単結晶の製造装置)、
2…仕切り板、
3…上部(オートクレーブ、反応容器)、
4…下部(オートクレーブ、反応容器)、
5…窒化物結晶を含む原料、
6…蓋、
7…種結晶、
8…仕切り弁、
9…導管、
10…オートクレーブ(反応容器)、
11…真空ポンプ、
12…アンモニアタンク、
13…添加剤、
14…添加剤(ハロゲン化物)、
15…添加剤(金属)、
50…窒化物単結晶、
1 ... Manufacturing device (nitride single crystal manufacturing device),
2 ... Partition plate,
3 ... Upper part (autoclave, reaction vessel),
4 ... Lower part (autoclave, reaction vessel),
5 ... Raw material containing nitride crystal,
6 ... lid,
7 ... Seed crystal,
8 ... Gate valve,
9 ... Conduit,
10 ... autoclave (reaction vessel),
11 ... vacuum pump,
12 ... Ammonia tank,
13 ... Additives,
14 ... Additive (halide),
15 ... Additive (metal),
50 ... Nitride single crystal,

Claims (11)

アンモニア溶媒中に窒化物結晶を含む原料を溶解させた後に窒化物単結晶を析出させる方法であって、
バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、ならびにハロゲン元素、を含む添加剤の存在下で、窒化物単結晶を析出させることを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法。
A method for precipitating a nitride single crystal after dissolving a raw material containing a nitride crystal in an ammonia solvent,
A nitride characterized by depositing a nitride single crystal in the presence of an additive containing at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, and a halogen element A method for producing a single crystal.
添加剤が、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素のハロゲン化物(A)である、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属およびハロゲン化物(A)である、バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属およびハロゲン化アンモニウムである、または、ハロゲン化物(A)およびハロゲン化アンモニウム、である請求項1に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The additive is a halide (A) of at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, and is selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium At least one metal and halide (A), at least one metal selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium, or ammonium halide, or halide (A) and The method for producing a nitride single crystal according to claim 1, which is ammonium halide. 添加剤が、塩化バナジウム、または、バナジウム金属および塩化アンモニウムである、請求項1または2に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to claim 1 or 2, wherein the additive is vanadium chloride, or vanadium metal and ammonium chloride. 添加剤の、前記バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の原子数に対するハロゲン原子数のモル比率が、0.05〜10である請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The molar ratio of the number of halogen atoms to the number of atoms of at least one selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium of the additive is 0.05 to 10. A method for producing a nitride single crystal according to claim 1. 300〜800℃で窒化物単結晶を析出させる請求項1〜4のいずれか一項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein the nitride single crystal is precipitated at 300 to 800 ° C. 反応容器内の圧力を、アンモニア溶媒の臨界圧力〜150MPaとして窒化物単結晶を析出させる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein the nitride single crystal is precipitated by setting the pressure in the reaction vessel to a critical pressure of ammonia solvent to 150 MPa. 前記窒化物単結晶が、13族元素の窒化物の単結晶である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to claim 1, wherein the nitride single crystal is a single crystal of a group 13 element nitride. 前記窒化物単結晶が、ガリウム窒化物の単結晶である請求項1〜7のいずれか一項に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to claim 1, wherein the nitride single crystal is a gallium nitride single crystal. 以下の(A)〜(C)の工程を備えることを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法。
(A)バナジウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素ならびにハロゲン元素を含む添加剤と、窒化物結晶を含む原料とを反応容器に導入する工程。
(B)アンモニア溶媒を反応容器内に密閉する工程。
(C)反応容器内に低温部と高温部を形成し、アンモニア溶媒中で窒化物結晶を含む原料と前記添加剤を反応させた後に、低温部から窒化物単結晶の析出を行う工程。
The manufacturing method of the nitride single crystal characterized by including the process of the following (A)-(C).
(A) A step of introducing an additive containing at least one element selected from the group consisting of vanadium, zirconium, titanium, hafnium, and chromium and a halogen element and a raw material containing a nitride crystal into a reaction vessel.
(B) A step of sealing the ammonia solvent in the reaction vessel.
(C) A step of forming a low temperature portion and a high temperature portion in the reaction vessel, reacting the raw material containing nitride crystals with the additive in an ammonia solvent, and then depositing a nitride single crystal from the low temperature portion.
反応容器内の低温部に種結晶を設置する請求項9に記載の窒化物単結晶の製造方法。   The method for producing a nitride single crystal according to claim 9, wherein a seed crystal is installed in a low temperature part in the reaction vessel. (C)の工程において、反応器内の低温部が300〜800℃であり、反応器内の高温部が低温部よりも0.5〜100℃以上高い温度である、請求項9または10に記載の窒化物単結晶の製造方法。   In the step (C), the low temperature part in the reactor is 300 to 800 ° C, and the high temperature part in the reactor is a temperature higher by 0.5 to 100 ° C than the low temperature part. The manufacturing method of the nitride single crystal of description.
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