JP2014152066A - Growth method of gallium nitride single crystal - Google Patents

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智晴 長谷川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a growth method of a gallium nitride single crystal using a novel melt which can prevent wetting-up of the melt and deterioration of a reaction vessel, and which is not intermingled into a grown GaN single crystal as an impurity.SOLUTION: In a growth method, a melt is obtained by melting a raw material comprising tin, gallium, and one or more kinds of metals selected from a group comprising alkali metals and alkaline earth metals, and the melt and a gas phase containing a nitrogen source as an indispensable are heated in the contact state, to thereby grow a gallium nitride single crystal.

Description

本発明は、GaN単結晶の成長方法に関する。   The present invention relates to a method for growing a GaN single crystal.

近年、電力消費量を低減するために、パワーデバイスや発光デバイスを高効率化することが要求されている。この要求に対応するため、デバイスの基板として、電気的特性に優れたGaN、AlN、AlGaNなどのIII−V族窒化物を用いることが検討されている。特に、GaNは電子材料として実用化への期待が高い材料である。   In recent years, in order to reduce power consumption, it is required to increase the efficiency of power devices and light emitting devices. In order to meet this requirement, the use of III-V group nitrides such as GaN, AlN, and AlGaN, which have excellent electrical characteristics, has been studied as device substrates. In particular, GaN is a material with high expectation for practical use as an electronic material.

一般に金属窒化物は、生成自由エネルギーが低く、金属窒化物を気相中で合成する場合には、原料ガスと最終生成物との生成自由エネルギーの差は大きくなる。このため、金属窒化物の微粒粉は、気相中で短時間に大量に合成できる。実際に、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化亜鉛などの微粒粉セラミックスは、気相中で工業的に合成されている。
しかし、結晶性が高く、サイズの大きい金属窒化物の単結晶を製造することは難しい。結晶性が高く、サイズの大きい金属窒化物の単結晶を得るには、高温で長時間結晶を成長させなければならないが、金属窒化物のほとんどが高温で昇華するためである。
In general, a metal nitride has a low free energy of formation, and when the metal nitride is synthesized in a gas phase, the difference in free energy of formation between the source gas and the final product becomes large. For this reason, the metal nitride fine powder can be synthesized in a large amount in a short time in the gas phase. Actually, fine powder ceramics such as boron nitride, aluminum nitride, and zinc nitride are industrially synthesized in the gas phase.
However, it is difficult to produce metal nitride single crystals with high crystallinity and large size. In order to obtain a single crystal of metal nitride having a high crystallinity and a large size, it is necessary to grow the crystal for a long time at a high temperature.

GaN単結晶の製造においては、窒化源として高い反応性を有するアンモニアを用いることで、効率よくGaN単結晶を得られることが知られている。現在、実用化に近いGaN単結晶の育成方法として、ハイドライド気相成長法(HVPE法)が挙げられる。HVPE法は、金属Gaを塩素化したGaClガスとアンモニア(NH)を、1000℃程度で反応させて、異種基板上にGaN単結晶をヘテロエピタキシャル成長させる方法である。
しかし、HVPE法は、製造工程が複雑であり、複雑な構成の装置が必要であった。また、GaN単結晶を成長させる際に、GaClとNHが反応して塩化水素(HCl)が発生する問題があり、塩化水素ガスの除害設備が必要であった。そのため、HVPE法は、設備コストが高くなる問題があった。
In the production of GaN single crystals, it is known that GaN single crystals can be efficiently obtained by using ammonia having high reactivity as a nitriding source. At present, as a method for growing a GaN single crystal which is close to practical use, a hydride vapor phase epitaxy method (HVPE method) can be mentioned. The HVPE method is a method of heteroepitaxially growing a GaN single crystal on a heterogeneous substrate by reacting GaCl 3 gas chlorinated with metal Ga and ammonia (NH 3 ) at about 1000 ° C.
However, the HVPE method has a complicated manufacturing process and requires an apparatus having a complicated configuration. Further, when growing a GaN single crystal, there is a problem that GaCl 3 and NH 3 react with each other to generate hydrogen chloride (HCl), which requires a hydrogen chloride gas abatement facility. Therefore, the HVPE method has a problem that the equipment cost becomes high.

Ga融液に窒素源としてアンモニアを反応させることで、Gaを窒化させることが知られている。しかし、Ga融液は、アンモニアで窒化するとGa融液の表面に急速にGaN単結晶が生成して、Ga融液の表面全体がGaN単結晶で覆われてしまう。その結果、Gaとアンモニアが接触できなくなってGaの窒化反応が止まってしまい、極めて小さな微結晶のGaN単結晶しか得られなかった。   It is known that Ga is nitrided by reacting ammonia as a nitrogen source with the Ga melt. However, when the Ga melt is nitrided with ammonia, a GaN single crystal is rapidly formed on the surface of the Ga melt, and the entire surface of the Ga melt is covered with the GaN single crystal. As a result, Ga and ammonia could not be contacted, and the nitriding reaction of Ga stopped, and only a very small microcrystalline GaN single crystal was obtained.

また、Ga融液をアンモニアで窒化してGaN単結晶を成長させる場合は、Ga融液が濡れ上がって融液の形状を保持し得なくなり、Ga融液が容器外に流出してしまう問題があって、GaN単結晶を長時間安定して成長させることが難しかった。そこで、Ga以外の金属をGa融液に添加して、該融液を窒化してGaN単結晶を成長させる方法が検討されている。   Also, when growing a GaN single crystal by nitriding the Ga melt with ammonia, the Ga melt wets and cannot maintain the shape of the melt, and the Ga melt flows out of the container. Therefore, it has been difficult to stably grow a GaN single crystal for a long time. Therefore, a method of growing a GaN single crystal by adding a metal other than Ga to the Ga melt and nitriding the melt is being studied.

Ga融液にGeを添加する方法(たとえば、非特許文献1参照。)や、Ga融液にBiを添加する方法(たとえば、非特許文献2参照。)が検討されている。   A method of adding Ge to the Ga melt (for example, see Non-Patent Document 1) and a method of adding Bi to the Ga melt (for example, see Non-Patent Document 2) have been studied.

非特許文献1に示される方法では、成長させたGaN単結晶にGeが不純物として混入しやすい問題があった。   The method disclosed in Non-Patent Document 1 has a problem that Ge is easily mixed as an impurity in the grown GaN single crystal.

非特許文献2に示される方法では、GaN単結晶を製造する際に発生するBi蒸気の反応性が高いことから、反応容器の材質の選択肢を狭め、装置の構成を制限してしまう恐れがあった。反応容器の材質として一般的である石英は、Bi蒸気に触れると強度が低下する性質を有するため、石英を使った反応容器が使用できない問題がある。   In the method shown in Non-Patent Document 2, since the reactivity of Bi vapor generated when producing a GaN single crystal is high, there is a possibility that the choice of material for the reaction vessel is narrowed and the configuration of the apparatus is limited. It was. Quartz, which is a common material for reaction vessels, has the property that strength decreases when it comes into contact with Bi vapor, and therefore there is a problem that reaction vessels using quartz cannot be used.

Journal of Crystal Growth vol.310 p738 (2008)Journal of Crystal Growth vol. 310 p738 (2008) Journal of Electrochemical Society vol.119 p1727 (1972)Journal of Electrochemical Society vol. 119 p1727 (1972)

上述のように、従来のGaN単結晶の成長方法では、装置の構成が複雑になりやすい問題や、融液の濡れ上がりが生じてGaN単結晶を長時間安定して成長させにくい問題があった。また、Ga融液にGeやBiを添加すると、成長したGaN単結晶に不純物として混入する恐れや、蒸気が反応容器を劣化させる恐れがあった。
本発明は、上述のような課題を解決する、新規な融液を用いたGaN単結晶の成長方法を提供する。
As described above, the conventional GaN single crystal growth method has a problem that the configuration of the apparatus tends to be complicated and a problem that it is difficult for the GaN single crystal to grow stably for a long time due to the wetting of the melt. . Further, when Ge or Bi is added to the Ga melt, there is a fear that it will be mixed into the grown GaN single crystal as an impurity, and there is a possibility that the vapor will deteriorate the reaction vessel.
The present invention provides a method for growing a GaN single crystal using a novel melt that solves the above-described problems.

本発明者らは、上記課題を解決すべく、検討を重ね、スズと、ガリウムと、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属と、からなる新規な融液を用いて窒化ガリウム単結晶を成長させることを見出し、本発明を想到した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have repeatedly studied and obtained a novel melt composed of tin, gallium, and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals. The inventors have found that a single crystal of gallium nitride can be used to grow, and have come up with the present invention.

[1] スズと、ガリウムと、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属と、からなる原料を融解して融液を得て、
つぎに前記融液と、窒素源を必須とする気相とを接触状態で加熱することによって窒化ガリウム単結晶を成長させることを特徴とするGaN単結晶の成長方法。
[2] 前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属がバリウムである[1]に記載の窒化ガリウム単結晶の成長方法。
[3] 前記原料は、融液用の原料として調整する際の仕込みモル量において、前記ガリウムのモル量が、前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属のモル量に対して、1〜5倍である[1]または[2]に記載のGaN単結晶の成長方法。
[4] 前記窒素源がアンモニアである[1]〜[3]のいずれか一項に記載のGaN単結晶の成長方法。
[5] 前記窒素源を必須とする気相中におけるアンモニアの分圧が、0.03〜1気圧である[1]〜[4]のいずれか一項に記載のGaN単結晶の成長方法。
[6] 前記加熱が、900〜1100℃に加熱することである[1]〜[5]のいずれか一項に記載のGaN単結晶の成長方法。
[1] Obtaining a melt by melting a raw material consisting of tin, gallium, and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals,
Next, a GaN single crystal growth method characterized in that a gallium nitride single crystal is grown by heating the melt and a vapor phase indispensable for a nitrogen source in contact.
[2] The method for growing a gallium nitride single crystal according to [1], wherein at least one metal selected from the group consisting of the alkali metal and the alkaline earth metal is barium.
[3] The raw material is a molar amount of one or more metals selected from the group consisting of the alkali metal and the alkaline earth metal in the charged molar amount when adjusting as a raw material for the melt. The method for growing a GaN single crystal according to [1] or [2], which is 1 to 5 times the amount.
[4] The method for growing a GaN single crystal according to any one of [1] to [3], wherein the nitrogen source is ammonia.
[5] The method for growing a GaN single crystal according to any one of [1] to [4], wherein the partial pressure of ammonia in the gas phase, which essentially requires the nitrogen source, is 0.03 to 1 atm.
[6] The method for growing a GaN single crystal according to any one of [1] to [5], wherein the heating is heating to 900 to 1100 ° C.

本発明によれば、融液の濡れ上がりを生じさせず、反応容器を劣化させず、成長したGaN単結晶に不純物として混入しない、新規な融液を用いたGaN単結晶の成長方法を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a method for growing a GaN single crystal using a novel melt that does not cause the melt to wet, does not degrade the reaction vessel, and does not enter the grown GaN single crystal as an impurity. be able to.

図1は、本発明のGaN単結晶の成長方法に用いられるGaN単結晶の成長装置の一例を説明するための模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an example of a GaN single crystal growth apparatus used in the GaN single crystal growth method of the present invention.

本発明は、スズと、ガリウムと、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属と、からなる原料を融解して融液を得て、つぎに融液と、窒素源を必須とする気相とを接触状態で加熱することによって窒化ガリウム単結晶を成長させる製造方法に関する。   The present invention provides a melt obtained by melting a raw material consisting of tin, gallium, and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals, then the melt, nitrogen The present invention relates to a manufacturing method in which a gallium nitride single crystal is grown by heating in contact with a gas phase that requires a source.

(融液)
スズ(Sn)と、ガリウム(Ga)と、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属と、からなる原料を融解して融液を得る。
アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属としては、リチウム(Li)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、カルシウム(Ca)、またはバリウム(Ba)が好ましく、アルカリ土類金属がより好ましく、Baがよりいっそう好ましい。アルカリ土類金属は、沸点が高く、かつ、アルカリ金属に比べて化学反応性が低く、高温での取り扱いが容易であるため好ましい。Baは、窒素化合物を形成してアンモニアから窒素を奪うことができ、かつ、効率よくGaに窒素を供給できるため好ましい。
(Melt)
A melt is obtained by melting a raw material consisting of tin (Sn), gallium (Ga), and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals.
The one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals are preferably lithium (Li), potassium (K), sodium (Na), calcium (Ca), or barium (Ba). Earth metals are more preferred, and Ba is even more preferred. Alkaline earth metals are preferred because they have a high boiling point, are less chemically reactive than alkali metals, and are easy to handle at high temperatures. Ba is preferable because it can form a nitrogen compound to take nitrogen from ammonia and can efficiently supply nitrogen to Ga.

(窒素源を必須とする気相)
窒素源はアンモニアであることが好ましい。窒素源を必須とする気相は、アンモニアからなる気相、またはアンモニアと希釈ガスとの混合ガスからなる気相が好ましい。希釈ガスは、窒素ガスでもよく、アルゴン(Ar)ガスなどの希ガスでもよい。
窒素源を必須とする気相において、該気相中における窒素源を含むガスの分圧を変化させることにより、GaN単結晶の成長速度を向上できる。窒素源を含むガスの分圧とGaN単結晶を成長させる時間を調節することで、GaN単結晶の大きさを制御できる。窒素源を必須とする気相における窒素源を含むガスの分圧、すなわちアンモニアの分圧は、0.03〜1気圧が好ましく、0.1〜1気圧がより好ましい。アンモニアの分圧を上記範囲内とすることで、充分なGaN単結晶の成長速度が得られる。
(Gas phase that requires a nitrogen source)
The nitrogen source is preferably ammonia. The gas phase in which the nitrogen source is essential is preferably a gas phase composed of ammonia or a gas phase composed of a mixed gas of ammonia and a diluent gas. The dilution gas may be nitrogen gas or a rare gas such as argon (Ar) gas.
In the gas phase in which a nitrogen source is essential, the growth rate of the GaN single crystal can be improved by changing the partial pressure of the gas containing the nitrogen source in the gas phase. The size of the GaN single crystal can be controlled by adjusting the partial pressure of the gas containing the nitrogen source and the time for growing the GaN single crystal. The partial pressure of the gas containing the nitrogen source in the gas phase, in which the nitrogen source is essential, that is, the partial pressure of ammonia is preferably 0.03 to 1 atm, and more preferably 0.1 to 1 atm. By setting the partial pressure of ammonia within the above range, a sufficient GaN single crystal growth rate can be obtained.

次に、本発明の窒化ガリウム(GaN)単結晶の成長方法を説明する。
融液の調整は、Sn、Ga、ならびにアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属、からなる原料を融解することにより行う。すなわち、Sn、Ga、ならびにアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属を反応容器内に収容する。例えば、Sn、Ga、ならびにアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属を坩堝に収容し、該坩堝を反応容器内に設置する。
Next, a method for growing a gallium nitride (GaN) single crystal of the present invention will be described.
The melt is adjusted by melting a raw material made of Sn, Ga, and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals. That is, Sn, Ga, and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals are accommodated in the reaction vessel. For example, Sn, Ga, and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals are housed in a crucible, and the crucible is placed in a reaction vessel.

次に、融液と窒素源を必須とする気相とを、接触状態で加熱することにより反応を行う。すなわち、反応容器を炉内に設置し、反応容器内に窒素源を含むガスを供給しながら、炉によって反応容器内を加熱することによって、坩堝内のSn、Ga、ならびにアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属を融解して融液が形成するとともに、融液と窒素源を含むガスとの反応が開始する。   Next, the reaction is carried out by heating the melt and the gas phase, which essentially requires a nitrogen source, in contact. That is, by setting the reaction vessel in the furnace and heating the inside of the reaction vessel with the furnace while supplying a gas containing a nitrogen source into the reaction vessel, Sn, Ga, alkali metal and alkaline earth in the crucible One or more metals selected from the group consisting of metals are melted to form a melt, and a reaction between the melt and a gas containing a nitrogen source starts.

融液用の原料を調整する際における原料の仕込みモル量は、Gaのモル量が、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれる1種以上の金属(以下、金属Aと記す)のモル量に対して、1〜5倍が好ましく、2〜3倍がより好ましい。前記範囲内であると、Gaの窒化反応をより安定的に持続でき、大きなGaN単結晶を成長させやすくなる。   The prepared molar amount of the raw material when preparing the raw material for the melt is such that the molar amount of Ga is one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals (hereinafter referred to as metal A). 1-5 times is preferable with respect to molar amount, and 2-3 times is more preferable. Within the above range, the Ga nitriding reaction can be maintained more stably, and a large GaN single crystal can be easily grown.

Snのモル量は、Gaのモル量に対して、1〜100倍が好ましく、3〜10倍がより好ましい。前記範囲内であると、GaN単結晶を成長させる際に、濡れ上がりをより確実に抑制できるとともに、融液に含まれるGaの急激な窒化がより効果的に抑制できる。
ここで、上記記載した金属Aに対するGaのモル量比およびGaに対するSnのモル量比は、融液中におけるモル量比ではなく、融液用の原料のモル量比(すなわち、窒素源を必須とする気相との反応開始前のモル量比)である。金属Aに対するGaのモル量比およびGaに対するSnのモル量比は、反応が進行してGaN単結晶が生成すると変化するからである。
The molar amount of Sn is preferably 1 to 100 times, and more preferably 3 to 10 times the molar amount of Ga. Within the above range, when growing a GaN single crystal, wetting can be more reliably suppressed, and rapid nitridation of Ga contained in the melt can be more effectively suppressed.
Here, the molar ratio of Ga to metal A and the molar ratio of Sn to Ga are not the molar ratio in the melt, but the molar ratio of the raw material for the melt (that is, the nitrogen source is essential). The molar ratio before starting the reaction with the gas phase). This is because the molar ratio of Ga to metal A and the molar ratio of Sn to Ga change as the reaction proceeds to produce a GaN single crystal.

反応容器の加熱はGaN単結晶が成長する温度(以下、成長温度ともいう。)に加熱することが好ましく、900〜1100℃に加熱することが好ましく、950〜1050℃に加熱することがより好ましい。   The reaction vessel is preferably heated to a temperature at which the GaN single crystal grows (hereinafter also referred to as a growth temperature), preferably 900 to 1100 ° C., more preferably 950 to 1050 ° C. .

そして、反応容器内を成長温度で保持して、融液と窒素源を必須とする気相における窒素源を含むガスとの反応によりGaN単結晶を成長させる。成長温度の保持時間は1〜10時間が好ましく、2〜5時間がより好ましい。   Then, the inside of the reaction vessel is held at the growth temperature, and a GaN single crystal is grown by a reaction between the melt and a gas containing a nitrogen source in a gas phase that requires a nitrogen source. The holding time of the growth temperature is preferably 1 to 10 hours, more preferably 2 to 5 hours.

なお、本実施形態において、反応容器の温度(反応容器内の温度)は、反応容器の上に該反応容器に接して設置した熱電対によって測定される温度を意味する。   In the present embodiment, the temperature of the reaction vessel (temperature in the reaction vessel) means a temperature measured by a thermocouple installed on the reaction vessel in contact with the reaction vessel.

本発明のGaN単結晶の成長方法は、Sn、Ga、ならびにアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属、からなる新規な融液を用いて、GaN単結晶を成長させることができる。   The method for growing a GaN single crystal according to the present invention grows a GaN single crystal using a novel melt composed of Sn, Ga, and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals. Can be made.

また、本発明のGaN単結晶の成長方法は、Sn、Ga、ならびにアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属、からなる新規な原料を融解した融液を用いることで、濡れ上がりを生じさせずに、GaN単結晶を成長させることができる。   In the method for growing a GaN single crystal of the present invention, a melt obtained by melting a novel raw material made of Sn, Ga, and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals is used. Thus, a GaN single crystal can be grown without causing wetting.

融液にSnが含まれることで、濡れ上がりを抑制できる。Snは窒化されにくく、GaN単結晶の成長に使用される窒素を消費する恐れが少ないため、Snの存在がGaN単結晶の成長へ影響を及ぼす恐れも少ない。また、Snは、Gaと広い組成範囲で融液を形成でき、成長するGaN単結晶に取り込まれにくく、融液材料として好適に使用できる。また、Snは、1000℃近い高温でも気化しにくいため、石英からなる反応容器を使用しても反応容器を劣化させる恐れが少ない。   By including Sn in the melt, wetting can be suppressed. Since Sn is not easily nitrided and there is little risk of consuming nitrogen used for the growth of the GaN single crystal, the presence of Sn is less likely to affect the growth of the GaN single crystal. Sn can form a melt in a wide composition range with Ga, is not easily taken into the growing GaN single crystal, and can be suitably used as a melt material. Further, since Sn is not easily vaporized even at a high temperature close to 1000 ° C., there is little possibility of deteriorating the reaction vessel even when a reaction vessel made of quartz is used.

また、本発明においては、Sn、Ga、ならびにアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属、を含む融液を用いるため、融液表面にはSn、Ga、ならびにアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属が露出する。すなわち、アンモニアを含む雰囲気中で加熱したときには、融液表面にGaのみが露出されている場合よりも、融液に含まれるGaの急激な窒化が抑制できる。したがって、融液の表面がGaN単結晶で覆われてしまい、Gaの窒化反応が止まってGaN単結晶の成長が止まることを防止できる。   In the present invention, since a melt containing Sn, Ga, and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals is used, Sn, Ga, and alkali are used on the melt surface. One or more metals selected from the group consisting of metals and alkaline earth metals are exposed. That is, when heated in an atmosphere containing ammonia, rapid nitridation of Ga contained in the melt can be suppressed as compared with the case where only Ga is exposed on the melt surface. Therefore, it can be prevented that the surface of the melt is covered with the GaN single crystal, and the nitriding reaction of Ga is stopped and the growth of the GaN single crystal is stopped.

次に、図面を参照して、本発明の成長方法に適用できる製造装置を説明する。図1は、GaN単結晶の成長装置の一例を説明するための模式図である。
図1において符号1は、反応容器を示す。反応容器1は、GaN単結晶を成長させる際に電気炉内に設置して加熱される。図1は、反応容器1を電気炉内に設置した状態を示している。図1において符号4は、電気炉のヒーターを示している。
Next, a manufacturing apparatus applicable to the growth method of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an example of a growth apparatus for a GaN single crystal.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a reaction vessel. The reaction vessel 1 is installed and heated in an electric furnace when growing a GaN single crystal. FIG. 1 shows a state in which the reaction vessel 1 is installed in an electric furnace. In FIG. 1, the code | symbol 4 has shown the heater of the electric furnace.

反応容器1は、石英からなる。反応容器1は、略水平方向に延在する円筒状であり、図1に示すように、一端側(図1においては右側)が閉塞され、他端側(図1においては左側)が開口されている。
反応容器1の開口は、着脱可能なフランジ5によって密閉されている。フランジ5と反応容器1との間には、反応容器1内の密閉性を確保するために、O−リング(不図示)が設置されていることが好ましい。また、反応容器1内には、GaN単結晶を成長させることに伴う熱輻射からO−リングを保護する遮熱板が備えられていることが好ましい。
The reaction vessel 1 is made of quartz. The reaction vessel 1 has a cylindrical shape extending in a substantially horizontal direction, and as shown in FIG. 1, one end side (right side in FIG. 1) is closed and the other end side (left side in FIG. 1) is opened. ing.
The opening of the reaction vessel 1 is sealed by a detachable flange 5. An O-ring (not shown) is preferably installed between the flange 5 and the reaction vessel 1 in order to ensure the hermeticity in the reaction vessel 1. The reaction vessel 1 is preferably provided with a heat shield plate that protects the O-ring from thermal radiation associated with the growth of the GaN single crystal.

反応容器1内には、坩堝3が設置されている。坩堝3は、GaN単結晶を成長させる際に坩堝3内に収容されている融液の組成を変化させない材料からなり、たとえばBNからなる坩堝が好ましい。坩堝3は、石英からなる略水平な支持台(不図示)上に設置されている。坩堝3には、Sn、Ga、ならびにアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属、からなる融液が収容されている。   A crucible 3 is installed in the reaction vessel 1. The crucible 3 is made of a material that does not change the composition of the melt contained in the crucible 3 when growing the GaN single crystal. For example, a crucible made of BN is preferable. The crucible 3 is installed on a substantially horizontal support (not shown) made of quartz. The crucible 3 contains a melt composed of Sn, Ga, and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals.

図1に示すように、反応容器1内には、開口近傍を除く内壁に沿って、内張り2が形成されている。内張り2は、石英からなる反応容器1とアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属の蒸気とが反応して、反応容器1の強度が低下することを防止する。内張り2の材料としては、NiやPtが好ましい。   As shown in FIG. 1, a lining 2 is formed in the reaction vessel 1 along the inner wall excluding the vicinity of the opening. The lining 2 prevents the reaction vessel 1 made of quartz and the vapor of one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals from reacting to reduce the strength of the reaction vessel 1. As the material of the lining 2, Ni or Pt is preferable.

反応容器1には、反応容器1内にアンモニアを含むガスを供給する原料ガス導入管6が設けられている。原料ガス導入管6は、図1に示すように、フランジ5を貫通して形成されている。原料ガス導入管6の供給口6aは、坩堝3の設置されている位置と平面視で重なる位置に配置されている。原料ガス導入管6は、反応容器1の外部において、アンモニア供給配管(不図示)および希釈ガス供給配管(不図示)に接続されている。原料ガス導入管6は、アンモニアと、必要に応じて含有される窒素ガスや希ガスなどの希釈ガスとからなる窒素源を含むガスを、所定の分圧で供給口6aから供給できる。また、原料ガス導入管6には、マスフローメーター(不図示)が取り付けられており、供給口6aから供給される原料ガスの流量を所定の流量に調整できる。   The reaction vessel 1 is provided with a source gas introduction pipe 6 for supplying a gas containing ammonia into the reaction vessel 1. As shown in FIG. 1, the source gas introduction pipe 6 is formed through the flange 5. The supply port 6a of the source gas introduction pipe 6 is disposed at a position overlapping the position where the crucible 3 is installed in a plan view. The source gas introduction pipe 6 is connected to an ammonia supply pipe (not shown) and a dilution gas supply pipe (not shown) outside the reaction vessel 1. The source gas introduction pipe 6 can supply a gas containing a nitrogen source composed of ammonia and a diluent gas such as nitrogen gas or rare gas contained as necessary from the supply port 6a at a predetermined partial pressure. In addition, a mass flow meter (not shown) is attached to the source gas introduction pipe 6, and the flow rate of the source gas supplied from the supply port 6a can be adjusted to a predetermined flow rate.

原料ガス導入管6は、反応容器1の外部において、真空引き用の排気管8に接続されている。
反応容器1には、反応容器1内の雰囲気ガスを排気する排気管7が、フランジ5を貫通して設けられている。
The source gas introduction pipe 6 is connected to an exhaust pipe 8 for evacuation outside the reaction vessel 1.
The reaction vessel 1 is provided with an exhaust pipe 7 that exhausts the atmospheric gas in the reaction vessel 1 through the flange 5.

次に、本発明のGaN単結晶の成長方法の一例として、図1に示す成長装置を用いてGaN単結晶を成長させる方法を説明する。
まず、坩堝3に融液用の原料であるSn、Ga、ならびにアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属を収容する。本実施形態においては、坩堝3内への融液用の原料の収容は、高純度のAr雰囲気とされたグローブボックス内で行う。
Next, a method for growing a GaN single crystal using the growth apparatus shown in FIG. 1 will be described as an example of the method for growing a GaN single crystal of the present invention.
First, in the crucible 3, at least one metal selected from the group consisting of Sn and Ga, which are raw materials for the melt, and alkali metals and alkaline earth metals is accommodated. In the present embodiment, the raw material for the melt is accommodated in the crucible 3 in a glove box having a high-purity Ar atmosphere.

次に、融液用の原料の収容された坩堝3を図1に示す反応容器1内の支持台(不図示)上に設置し、反応容器1の開口をフランジ5によって密閉する。本実施形態においては、反応容器1内への坩堝3の設置および反応容器1の密閉は、高純度のAr雰囲気とされたグローブボックス内で行う。次いで、反応容器1の原料ガス導入管6および排気管7のバルブを閉めて、反応容器1内を外気と遮断する。   Next, the crucible 3 containing the raw material for the melt is placed on a support base (not shown) in the reaction vessel 1 shown in FIG. 1, and the opening of the reaction vessel 1 is sealed by the flange 5. In the present embodiment, the crucible 3 is installed in the reaction vessel 1 and the reaction vessel 1 is sealed in a glove box having a high-purity Ar atmosphere. Next, the source gas introduction pipe 6 and the exhaust pipe 7 of the reaction vessel 1 are closed to shut off the inside of the reaction vessel 1 from the outside air.

その後、本実施形態においては、グローブボックス内から密閉された反応容器1を取り出す。次いで、真空引き用の排気管8および原料ガス導入管6を介して反応容器1内の気体を排気するとともに、排気管7を介して反応容器1内の気体を排気し、反応容器1内を真空とする。反応容器1内の気体を排気して真空とすることにより、反応容器1内の酸素が除去される。   Thereafter, in the present embodiment, the sealed reaction vessel 1 is taken out from the glove box. Next, the gas in the reaction vessel 1 is evacuated through the evacuation exhaust pipe 8 and the source gas introduction pipe 6, and the gas in the reaction vessel 1 is evacuated through the exhaust pipe 7. Apply vacuum. Oxygen in the reaction vessel 1 is removed by exhausting the gas in the reaction vessel 1 to a vacuum.

次に、反応容器1を電気炉内に設置する。その後、原料ガス導入管6のバルブを開の供給口6aから反応容器1内に設置された坩堝3上にアンモニアを含むガスを供給しながら、反応容器1内の温度をヒーター4によってGaN単結晶の成長温度に加熱する。反応容器1の加熱によって坩堝3内の原料が融解して融液を得、該融液とアンモニアとの反応が開始する。   Next, the reaction vessel 1 is installed in an electric furnace. After that, the gas in the reaction vessel 1 is supplied to the crucible 3 installed in the reaction vessel 1 from the supply port 6 a with the valve of the raw material gas introduction pipe 6 opened, and the temperature in the reaction vessel 1 is adjusted by the heater 4 to the GaN single crystal Heat to the growth temperature. The raw material in the crucible 3 is melted by heating the reaction vessel 1 to obtain a melt, and the reaction between the melt and ammonia starts.

その後、反応容器1内をGaN単結晶の成長温度で所定の時間保持することにより、融液とアンモニアとを接触状態で加熱することでGaN単結晶を成長させる。
図1において、GaN単結晶を成長させる際の反応容器1内の温度は、反応容器1の上に反応容器1に接して設置した熱電対によって測定される。
Thereafter, the inside of the reaction vessel 1 is maintained at the growth temperature of the GaN single crystal for a predetermined time, and the GaN single crystal is grown by heating the melt and ammonia in contact with each other.
In FIG. 1, the temperature in the reaction vessel 1 when growing the GaN single crystal is measured by a thermocouple installed on the reaction vessel 1 in contact with the reaction vessel 1.

GaN単結晶を成長させる際の反応容器1内は、アンモニアを含む雰囲気である。本実施形態において、アンモニアを含む雰囲気中に含まれるアンモニアは、アンモニア供給配管(不図示)からのアンモニアの供給量と希釈ガス供給配管(不図示)からの希釈ガスの供給量とを調整することにより、所定の分圧とすることができる。   The inside of the reaction vessel 1 when growing the GaN single crystal is an atmosphere containing ammonia. In this embodiment, the ammonia contained in the atmosphere containing ammonia adjusts the supply amount of ammonia from an ammonia supply pipe (not shown) and the supply amount of dilution gas from a dilution gas supply pipe (not shown). Thus, a predetermined partial pressure can be obtained.

また、GaN単結晶を成長させる際に供給口6aから供給されるアンモニアを含むガスの流量は、原料ガス導入管6に取り付けられたマスフローメーターを用いて調整できる。   Further, the flow rate of the gas containing ammonia supplied from the supply port 6 a when growing the GaN single crystal can be adjusted using a mass flow meter attached to the source gas introduction pipe 6.

GaN単結晶の成長温度で所定の時間保持した後、電気炉のヒーター4からの出力を停止または低下させて反応容器1内の温度を低下させる。そして、反応容器1内の温度が600℃以下まで低下してから原料ガス導入管6のバルブを閉めて、アンモニアを含むガスの供給を停止する。反応容器1内の温度を600℃以下まで低下させてからアンモニアを含むガスの供給を停止することにより、生成したGaN単結晶が分解することを防止できる。   After holding for a predetermined time at the growth temperature of the GaN single crystal, the output from the heater 4 of the electric furnace is stopped or lowered to lower the temperature in the reaction vessel 1. And after the temperature in the reaction container 1 falls to 600 degrees C or less, the valve | bulb of the raw material gas introduction pipe | tube 6 is closed, and supply of the gas containing ammonia is stopped. By reducing the temperature in the reaction vessel 1 to 600 ° C. or lower and then stopping the supply of the gas containing ammonia, it is possible to prevent the generated GaN single crystal from being decomposed.

[作用効果]
本発明の方法が、従来の方法よりもより大きなGaN単結晶を効率的に製造できる理由は、必ずしも明らかではないが、本発明者は以下のメカニズムで反応が進行するためと考える。すなわち、本発明における融液は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属を含む。該金属の存在により、融液内に効果的に窒素を供給することができる。より詳細には、融液表面でアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属が露出されている領域では、該金属が、窒素源から効果的に窒素を奪って窒化物が合成される。該窒化物は、融液内の窒化されていないGaに窒素を供給することにより、Gaの窒化反応を安定的に持続させる。その結果、効果的にGaN単結晶を成長させることができる。したがって、従来のGa融液を窒化させる方法よりも、大きなGaN単結晶を成長できると推定される。
[Function and effect]
The reason why the method of the present invention can efficiently produce a larger GaN single crystal than the conventional method is not necessarily clear, but the present inventor thinks that the reaction proceeds by the following mechanism. That is, the melt in the present invention contains one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals. Due to the presence of the metal, nitrogen can be effectively supplied into the melt. More specifically, in a region where at least one metal selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals is exposed on the melt surface, the metal effectively removes nitrogen from the nitrogen source and performs nitridation. Things are synthesized. The nitride stably maintains the nitriding reaction of Ga by supplying nitrogen to non-nitrided Ga in the melt. As a result, a GaN single crystal can be effectively grown. Therefore, it is estimated that larger GaN single crystals can be grown than the conventional method of nitriding Ga melt.

「実施例1」
図1に示す成長装置を用いて以下に示す方法によりGaN単結晶を成長させた。
まず、高純度のAr雰囲気とされたグローブボックス内で、内直径26mm、深さ15mmのBNからなる坩堝3に、融液用の原料として、1500mgのSnと、200mgのGaと、150mgのBaを収容した。
融液用の原料を調整する際における原料の仕込みモル量は、Gaのモル量がBaのモル量に対して2.6倍であり、Snのモル量がGaのモル量に対して4.4倍であった。
"Example 1"
A GaN single crystal was grown by the following method using the growth apparatus shown in FIG.
First, in a glove box having a high-purity Ar atmosphere, 1500 mg of Sn, 200 mg of Ga, and 150 mg of Ba as a raw material for melt are put into a crucible 3 made of BN having an inner diameter of 26 mm and a depth of 15 mm. Housed.
In preparing the raw material for the melt, the charged molar amount of the raw material is 2.6 times the molar amount of Ga with respect to the molar amount of Ba and the molar amount of Sn is 4. It was 4 times.

次に、融液用の原料が収容された坩堝3を、直径48mm、長さ330mmの反応容器1内の支持台上に設置し、反応容器1の開口をフランジ5によって密閉した。なお、反応容器1内への坩堝3の設置および反応容器1の密閉は、高純度のAr雰囲気とされたグローブボックス内で行った。次いで、反応容器1の原料ガス導入管6および排気管7のバルブを閉めて、反応容器1内を外気と遮断した。   Next, the crucible 3 containing the raw material for the melt was placed on a support base in the reaction vessel 1 having a diameter of 48 mm and a length of 330 mm, and the opening of the reaction vessel 1 was sealed with the flange 5. In addition, installation of the crucible 3 in the reaction vessel 1 and sealing of the reaction vessel 1 were performed in a glove box having a high-purity Ar atmosphere. Subsequently, the valve | bulb of the raw material gas introduction pipe | tube 6 and the exhaust pipe 7 of the reaction container 1 was closed, and the inside of the reaction container 1 was interrupted | blocked with external air.

その後、グローブボックス内から密閉された反応容器1を取り出し、真空引き用の排気管8および原料ガス導入管6を介して反応容器1内の気体を排気するとともに、排気管7を介して反応容器1内の気体を排気して真空とし、反応容器1内の酸素を除去した。   Thereafter, the sealed reaction vessel 1 is taken out from the inside of the glove box, the gas in the reaction vessel 1 is exhausted through the exhaust pipe 8 for evacuation and the source gas introduction pipe 6, and the reaction container is provided through the exhaust pipe 7. The gas in 1 was evacuated and evacuated to remove oxygen in the reaction vessel 1.

次に、反応容器1を電気炉内に設置した。その後、原料ガス導入管6のバルブを開け、供給口6aから反応容器1内に設置された坩堝3上にアンモニア(分圧1気圧)を供給しながら、反応容器1内の温度をヒーター4によって1000℃まで加熱した。
その後、反応容器1内の温度を1000℃で3時間保持した。
Next, the reaction vessel 1 was installed in an electric furnace. Thereafter, the valve of the raw material gas introduction pipe 6 is opened, and the temperature in the reaction vessel 1 is adjusted by the heater 4 while supplying ammonia (partial pressure 1 atm) to the crucible 3 installed in the reaction vessel 1 from the supply port 6a. Heated to 1000 ° C.
Thereafter, the temperature in the reaction vessel 1 was maintained at 1000 ° C. for 3 hours.

その後、電気炉のヒーター4からの出力を低下させて、反応容器1内の温度を600℃以下にしてから原料ガス導入管6のバルブを閉めて、アンモニアの供給を停止した。以上の工程により、GaN単結晶の成長工程を終了した。   Thereafter, the output from the heater 4 of the electric furnace was decreased to lower the temperature in the reaction vessel 1 to 600 ° C. or less, and then the valve of the raw material gas introduction pipe 6 was closed to stop the supply of ammonia. The GaN single crystal growth step is completed through the above steps.

坩堝3内を観察し、融液の濡れ上がりは生じないことを確認した。ここで、融液の濡れ上がりとは、原料を融解して得られる融液が、原料を収容した容器の側壁面を重力に逆らって上昇することである。すなわち、坩堝3の底面から上縁に向かって、坩堝3内の側壁面を伝って融液が上がっていくことである。
実施例においては、内直径26mm、深さ15mmである坩堝3を目視で観察して、坩堝3外へ融液が流出している場合を濡れ上がり有りと判断し、坩堝3外へ融液が流出していない場合を濡れ上がり無しと判断した。
The inside of the crucible 3 was observed, and it was confirmed that no melt wet-up occurred. Here, “wetting up of the melt” means that the melt obtained by melting the raw material rises against the gravity on the side wall surface of the container containing the raw material. That is, the melt rises along the side wall surface in the crucible 3 from the bottom surface of the crucible 3 toward the upper edge.
In the embodiment, the crucible 3 having an inner diameter of 26 mm and a depth of 15 mm is visually observed, and when the melt flows out of the crucible 3, it is determined that there is wetting up, and the melt flows out of the crucible 3. When it did not flow out, it was judged that there was no wetting.

坩堝3内には、表面に稠密に灰色の結晶が成長した塊状合金があった。エネルギー分散型X線分光法(EDX)を用いて、塊状合金の表面に成長した結晶の組成分析を行った。また、X線回折法(XRD)により、塊状合金の表面に成長した結晶を確認した。EDXおよびXRDの結果から、GaN単結晶の成長と、成長したGaN単結晶にSn、Baが混入していないことを確認した。
走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、塊状合金の表面に成長した結晶(GaN単結晶)を観察したところ、1辺1〜5μm、高さ50μmの結晶であった。
In the crucible 3, there was a massive alloy in which gray crystals were densely grown on the surface. Using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), the composition of crystals grown on the surface of the massive alloy was analyzed. In addition, crystals grown on the surface of the massive alloy were confirmed by X-ray diffraction (XRD). From the results of EDX and XRD, it was confirmed that the GaN single crystal was grown and that Sn and Ba were not mixed in the grown GaN single crystal.
When a crystal (GaN single crystal) grown on the surface of the massive alloy was observed using a scanning electron microscope (SEM), it was a crystal having a side of 1 to 5 μm and a height of 50 μm.

「実施例2、3」
実施例2、3では、アンモニアと窒素との混合ガスを供給し、混合ガスのアンモニアと窒素との流量比を制御することにより、アンモニアの分圧を制御した。すなわち、実施例2は、GaN単結晶の成長工程のアンモニアの分圧を0.1気圧とし、窒素の分圧を0.9気圧とした。実施例3は、アンモニアの分圧を0.03気圧とし、窒素分圧を0.97気圧とした。アンモニアの分圧以外は、実施例1と同様のGaN単結晶の成長工程を行った。
"Examples 2 and 3"
In Examples 2 and 3, the partial pressure of ammonia was controlled by supplying a mixed gas of ammonia and nitrogen and controlling the flow ratio of ammonia and nitrogen in the mixed gas. That is, in Example 2, the partial pressure of ammonia in the GaN single crystal growth step was set to 0.1 atm, and the partial pressure of nitrogen was set to 0.9 atm. In Example 3, the partial pressure of ammonia was 0.03 atm, and the nitrogen partial pressure was 0.97 atm. A GaN single crystal growth step was performed in the same manner as in Example 1 except for the partial pressure of ammonia.

実施例2、3においてGaN単結晶の成長工程を終了した後、それぞれの坩堝3内を観察した。その結果、実施例2、3においても、上述の判断基準から、融液の濡れ上がりが生じないことを確認した。
実施例2、3においても、坩堝3内には、表面に稠密に灰色の結晶が成長した塊状合金があった。EDX、XRDを用いて、塊状合金の表面に成長した結晶の分析を行った結果、GaN単結晶の成長と、成長したGaN単結晶にSn、Baが混入していないことを確認した。
SEMを用いて、GaN単結晶について観察したところ、実施例2は大きさ1μm程度、層の厚みは10μm程度の結晶であった。実施例3は、大きさ1μm以下の結晶であった。
After the GaN single crystal growth step in Examples 2 and 3, the inside of each crucible 3 was observed. As a result, also in Examples 2 and 3, it was confirmed from the above-described determination criteria that no melt wetting occurred.
Also in Examples 2 and 3, the crucible 3 had a massive alloy in which gray crystals were densely grown on the surface. As a result of analyzing the crystal grown on the surface of the bulk alloy using EDX and XRD, it was confirmed that the GaN single crystal was grown and that Sn and Ba were not mixed in the grown GaN single crystal.
Observation of the GaN single crystal using SEM revealed that Example 2 was a crystal having a size of about 1 μm and a layer thickness of about 10 μm. Example 3 was a crystal having a size of 1 μm or less.

(実施例1〜3の結果)
下記の表1に、実施例1〜3の融液用の原料(表1では融液原料と記す)、アンモニアの分圧、GaN単結晶の成長の有無、融液の濡れ上がりの有無および反応容器の劣化の有無の結果を示す。
(Results of Examples 1 to 3)
Table 1 below shows the raw materials for the melts of Examples 1 to 3 (referred to as melt raw materials in Table 1), the partial pressure of ammonia, the presence or absence of GaN single crystal growth, the presence or absence of melt wetting, and the reaction. The result of presence or absence of deterioration of a container is shown.

Figure 2014152066
Figure 2014152066

「比較例1」
融液用の原料として、坩堝3に270mgのGaのみを収容したこと以外は、実施例1と同様にしてGaN単結晶を成長させ、その後、実施例1と同様にしてGaN単結晶の成長工程を終了した。
比較例1においてGaN単結晶の成長工程を終了した後の坩堝3内を観察した。その結果、比較例1では、上述の判断基準から融液の濡れ上がりが生じることを確認した。融液の大半は、坩堝3の側壁面を乗り越え、坩堝3の外に流出していた。
比較例1は、坩堝3内には、表面に灰色の微結晶が成長した塊状合金がわずかに残っていた。EDX、XRDを用いて、塊状合金の表面に成長した微結晶について分析を行った結果、GaN単結晶であった。
"Comparative Example 1"
A GaN single crystal was grown in the same manner as in Example 1 except that only 270 mg of Ga was contained in the crucible 3 as a raw material for the melt, and then a GaN single crystal growth step in the same manner as in Example 1. Ended.
In Comparative Example 1, the inside of the crucible 3 after the growth step of the GaN single crystal was observed. As a result, in Comparative Example 1, it was confirmed that the melt wets up from the above-described determination criteria. Most of the melt overcame the side wall surface of the crucible 3 and flowed out of the crucible 3.
In Comparative Example 1, in the crucible 3, a small amount of a massive alloy having gray crystallites grown on the surface remained. As a result of analyzing the microcrystals grown on the surface of the massive alloy using EDX and XRD, it was a GaN single crystal.

「比較例2」
融液用の原料として、坩堝3に1000mgのGaと158mgのBiを収容し、アンモニアの分圧を0.1気圧、窒素の分圧を0.9気圧としたこと以外は、実施例1と同様にしてGaN単結晶の成長工程を行った。坩堝3内を観察し、上述の判断基準から、融液の濡れ上がりは生じていないことを確認した。
坩堝3内には、表面に稠密に灰色の結晶が成長した塊状合金があった。EDX、XRDを用いて、塊状合金の表面に成長した結晶の分析を行った結果、GaN単結晶の成長を確認した。
しかし、GaN単結晶の成長工程終了後の反応容器1を目視で観察したところ、反応容器1を構成する石英が失透し、反応容器が劣化していた。
"Comparative Example 2"
Example 1 except that 1000 mg of Ga and 158 mg of Bi were housed in the crucible 3 as the raw material for the melt, the partial pressure of ammonia was 0.1 atm, and the partial pressure of nitrogen was 0.9 atm. Similarly, a GaN single crystal growth step was performed. The inside of the crucible 3 was observed, and it was confirmed from the above criteria that the melt did not rise.
In the crucible 3, there was a massive alloy in which gray crystals were densely grown on the surface. As a result of analyzing the crystal grown on the surface of the massive alloy using EDX and XRD, the growth of the GaN single crystal was confirmed.
However, when the reaction vessel 1 after the completion of the growth process of the GaN single crystal was visually observed, the quartz constituting the reaction vessel 1 was devitrified and the reaction vessel was deteriorated.

「比較例3」
融液用の原料として、坩堝3に3000mgのSnと、270mgのGaのみを収容したこと以外は、実施例1と同様にしてGaN単結晶の成長工程を行った。坩堝3内を観察し、上述の判断基準から、融液の濡れ上がりは生じていないことを確認した。
坩堝3内には、塊状合金があるのみであった。塊状合金について、EDX、XRDを用いて分析を行ったが、GaN単結晶は成長しておらず、Sn−Ga合金があるのみであった。
“Comparative Example 3”
A GaN single crystal growth step was performed in the same manner as in Example 1 except that only 3000 mg of Sn and 270 mg of Ga were contained in the crucible 3 as raw materials for the melt. The inside of the crucible 3 was observed, and it was confirmed from the above criteria that the melt did not rise.
There was only a massive alloy in the crucible 3. The bulk alloy was analyzed using EDX and XRD, but the GaN single crystal was not grown and only the Sn—Ga alloy was present.

「比較例4」
融液用の原料として、坩堝3に150mgのBaと、270mgのGaのみを収容したこと以外は、実施例1と同様にしてGaN単結晶の成長工程を行った。坩堝3内を観察し、上述の判断基準から、融液の濡れ上がりは生じていないことを確認した。
坩堝3内には塊状合金があるのみであった。塊状合金について、EDX、XRDを用いて分析を行ったが、GaN単結晶は成長しておらず、Ba−Ga合金があるのみであった。
“Comparative Example 4”
A GaN single crystal growth step was performed in the same manner as in Example 1 except that only 150 mg of Ba and 270 mg of Ga were contained in the crucible 3 as raw materials for the melt. The inside of the crucible 3 was observed, and it was confirmed from the above criteria that the melt did not rise.
There was only a massive alloy in the crucible 3. The bulk alloy was analyzed using EDX and XRD, but the GaN single crystal was not grown and there was only a Ba-Ga alloy.

(比較例1〜4の結果)
上記の表1に、比較例1〜4の融液用の原料、アンモニアの分圧、GaN単結晶の成長の有無、融液の濡れ上がりの有無および反応容器の劣化の有無の結果を示す。
(Results of Comparative Examples 1 to 4)
Table 1 above shows the results of the raw materials for the melts of Comparative Examples 1 to 4, the partial pressure of ammonia, the presence or absence of GaN single crystal growth, the presence or absence of melt wetting, and the presence or absence of deterioration of the reaction vessel.

(実施例1〜3と比較例1〜4の比較)
Gaのみからなる融液を用いた場合は濡れ上がりが生じ、GaとBiからなる融液を用いた場合は反応容器が劣化し、SnとGaのみからなる融液を用いた場合およびGaとBaのみからなる融液を用いた場合はGaN単結晶が成長しないことを確認した。すなわち、SnとBaとGaからなる原料を融解した融液を、窒素源を必須とする気相と接触状態で加熱することによって、濡れ上がりを生じさせず、SnやBaが不純物として混入することなく、反応容器を劣化させることなく、GaN単結晶を成長できることを確認した。
(Comparison between Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4)
When a melt composed only of Ga is used, wetting occurs. When a melt composed of Ga and Bi is used, the reaction vessel deteriorates. When a melt composed only of Sn and Ga is used, and when Ga and Ba are used. It was confirmed that the GaN single crystal did not grow when the melt consisting only of was used. That is, a melt obtained by melting a raw material composed of Sn, Ba, and Ga is heated in contact with a gas phase that requires a nitrogen source, so that wetting does not occur and Sn or Ba is mixed as an impurity. Thus, it was confirmed that a GaN single crystal can be grown without deteriorating the reaction vessel.

また、実施例1〜3によって、窒素源を含むガスの分圧が大きいほど、大きいGaN単結晶が成長することを確認した。   Moreover, according to Examples 1 to 3, it was confirmed that the larger the partial pressure of the gas containing the nitrogen source, the larger the GaN single crystal grows.

本発明によれば、SnとBaとGaからなる新規な融液を、窒素源を必須とする気相と接触状態で加熱することによって、GaN単結晶を成長させることができる。本発明によれば、融液の濡れ上がりを生じさせず、反応容器を劣化させず、簡便な装置を用いて、不純物の混入を抑えてGaN単結晶を成長させることができる。   According to the present invention, a GaN single crystal can be grown by heating a novel melt composed of Sn, Ba, and Ga in contact with a gas phase that requires a nitrogen source. According to the present invention, it is possible to grow a GaN single crystal while preventing the melt from getting wet and without deteriorating the reaction vessel and using a simple apparatus while suppressing the introduction of impurities.

1 反応容器、2 内張り、3 坩堝、4 ヒーター、5 フランジ、6 原料ガス導入管、6a 供給口、7 排気管、8 真空引き用の排気管。   1 reaction vessel, 2 lining, 3 crucible, 4 heater, 5 flange, 6 source gas introduction pipe, 6a supply port, 7 exhaust pipe, 8 exhaust pipe for vacuuming.

Claims (6)

スズと、ガリウムと、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属と、からなる原料を融解して融液を得て、
つぎに前記融液と、窒素源を必須とする気相とを接触状態で加熱することによって窒化ガリウム単結晶を成長させることを特徴とする窒化ガリウム単結晶の成長方法。
Melting a raw material consisting of tin, gallium, and one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals to obtain a melt;
Next, the gallium nitride single crystal is grown by heating the melt and a gas phase indispensable for a nitrogen source in contact with each other.
前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属がバリウムである請求項1に記載の窒化ガリウム単結晶の成長方法。   The method for growing a gallium nitride single crystal according to claim 1, wherein the one or more metals selected from the group consisting of the alkali metal and the alkaline earth metal are barium. 前記原料は、融液用の原料として調整する際の仕込みモル量において、前記ガリウムのモル量が、前記アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群から選ばれる1種以上の金属のモル量に対して、1〜5倍である請求項1または2に記載の窒化ガリウム単結晶の成長方法。   In the charged molar amount when the raw material is prepared as a raw material for the melt, the molar amount of the gallium is relative to the molar amount of one or more metals selected from the group consisting of the alkali metal and the alkaline earth metal. The method for growing a gallium nitride single crystal according to claim 1 or 2, wherein the growth rate is 1 to 5 times. 前記窒素源がアンモニアである請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化ガリウム単結晶の成長方法。   The method for growing a gallium nitride single crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein the nitrogen source is ammonia. 前記窒素源を必須とする気相中におけるアンモニアの分圧が、0.03〜1気圧である請求項1〜4のいずれか一項に記載の窒化ガリウム単結晶の成長方法。   The method for growing a gallium nitride single crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein a partial pressure of ammonia in a gas phase essentially including the nitrogen source is 0.03 to 1 atm. 前記加熱が、900〜1100℃に加熱することである請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化ガリウム単結晶の成長方法。   The method for growing a gallium nitride single crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein the heating is heating to 900 to 1100 ° C.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018042705A1 (en) * 2016-08-29 2018-03-08 東京エレクトロン株式会社 Iii nitride microcrystal aggregate production method, gallium nitride microcrystal aggregate production method, iii nitride microcrystal aggregate, and sputtering target

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