JP2016069267A - Manufacturing method and manufacturing device of group iii nitride crystal - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing device of a group III nitride crystal having productivity improved by suppressing thermal decomposition of a nitrogen element-containing gas.SOLUTION: A manufacturing device of a group III nitride crystal includes a chamber, a nitrogen element-containing gas inlet tube for introducing a nitrogen element-containing gas into the chamber, a holder for holding a group III oxide, a first heater for heating the holder, a reductive gas inlet tube for supplying a reductive gas to the group III oxide, a reduced substance gas supply port for supplying a reduced substance gas of the group III oxide reduced by the reductive gas to the chamber, an exhaust port for discharging the reduced substance gas of the group III oxide and the nitrogen element-containing gas to the outside of the chamber, and a second heater for heating a seed substrate in the chamber. The distance between the holder and the first heater is shorter than the distance between the nitrogen element-containing gas inlet tube and the first heater.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、III族窒化物結晶の製造方法および製造装置に関する。   The present disclosure relates to a method and an apparatus for manufacturing a group III nitride crystal.

III族窒化物結晶は、パワー半導体分野などのヘテロ接合高速電子デバイスやLED、レーザー分野などの光電子デバイスに利用されている。III族窒化物結晶の製造方法として、III族酸化物を原料とする酸化物気相成長法が考案されている(例えば、特許文献1参照。)。   Group III nitride crystals are used in heterojunction high-speed electronic devices such as power semiconductors, and optoelectronic devices such as LEDs and lasers. As a method for producing a group III nitride crystal, an oxide vapor phase growth method using a group III oxide as a raw material has been devised (for example, see Patent Document 1).

この酸化物気相成長法における反応系は以下に示す通りである。Gaを加熱し、この状態で、水素ガスを導入する。導入された水素ガス(H)は、Gaと反応して、GaOガスを生成させる(下記式(I))。そして、アンモニアガスを導入し、生成されたGaOガスと反応させて、種基板上に、GaN結晶を生成する(下記式(II))。
Ga+2H→GaO+2HO (I)
GaO+2NH→2GaN+HO+2H (II)
The reaction system in this oxide vapor phase growth method is as follows. Ga 2 O 3 is heated, and hydrogen gas is introduced in this state. The introduced hydrogen gas (H 2 ) reacts with Ga 2 O 3 to generate Ga 2 O gas (the following formula (I)). Then, ammonia gas is introduced and reacted with the generated Ga 2 O gas, on a seed substrate, to produce a GaN crystal (the following formula (II)).
Ga 2 O 3 + 2H 2 → Ga 2 O + 2H 2 O (I)
Ga 2 O + 2NH 3 → 2GaN + H 2 O + 2H 2 (II)

特開2009−234800号公報JP 2009-234800 A

しかしながら、従来、アンモニアガスのような窒素元素含有ガスは導入過程で熱分解してしまう場合があった。すると、反応式(II)において、熱分解により窒素元素含有ガスであるアンモニアの不足が生じ、III族窒化物結晶であるGaNの生成量が減少し、生産性が低下するという問題がある。   However, conventionally, a nitrogen-containing gas such as ammonia gas may be thermally decomposed during the introduction process. Then, in the reaction formula (II), there is a problem that ammonia, which is a nitrogen element-containing gas, is deficient due to thermal decomposition, the amount of GaN that is a group III nitride crystal is reduced, and productivity is lowered.

そこで本開示は、生産性向上を可能にするIII族窒化物結晶の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present disclosure is to provide a method and an apparatus for manufacturing a group III nitride crystal that can improve productivity.

上記目的を達成するために、本開示におけるIII族窒化物結晶製造装置は、
チャンバと、
前記チャンバ内に窒素元素含有ガスを導入するための窒素元素含有ガス導入管と、
III族元素の酸化物または金属を保持するための保持部と、
前記保持部を加熱する第1ヒーターと、
前記III族元素の前記酸化物又は前記金属に反応性ガスを供給する反応性ガス導入管と、
前記反応性ガスによって反応した前記III族元素の化合物ガスを前記チャンバ内に供給する化合物ガス供給口と、
前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとを前記チャンバ外に排出する排出口と、
前記チャンバ内の種基板を加熱する第2ヒーターと、
を備え、
前記保持部と前記第1ヒーターとの距離は、前記窒素元素含有ガス導入管と前記第1ヒーターとの距離よりも近い。
In order to achieve the above object, a group III nitride crystal production apparatus according to the present disclosure includes:
A chamber;
A nitrogen element-containing gas introduction pipe for introducing a nitrogen element-containing gas into the chamber;
A holding part for holding a Group III element oxide or metal;
A first heater for heating the holding unit;
A reactive gas introduction pipe for supplying a reactive gas to the oxide or metal of the group III element;
A compound gas supply port for supplying the compound gas of the group III element reacted by the reactive gas into the chamber;
An exhaust port for discharging the compound gas and the nitrogen element-containing gas out of the chamber;
A second heater for heating the seed substrate in the chamber;
With
The distance between the holding portion and the first heater is closer than the distance between the nitrogen element-containing gas introduction pipe and the first heater.

また、本開示における、III族窒化物結晶の製造方法は、
III族元素の酸化物または金属を加熱雰囲気下で反応させて、前記III族元素の化合物ガスを生成させる工程と、
前記化合物ガスよりも低温の窒素元素含有ガスと前記化合物ガスとを混合する工程と、
混合した前記窒素元素含有ガスと前記化合物ガスとを反応させて、III族窒化物結晶を生成する工程と、を有する。
In addition, in the present disclosure, a method for producing a group III nitride crystal includes:
A step of reacting a Group III element oxide or metal in a heated atmosphere to generate a Group III element compound gas;
Mixing the nitrogen-containing gas at a lower temperature than the compound gas and the compound gas;
Reacting the mixed nitrogen-containing gas and the compound gas to produce a group III nitride crystal.

以上のように、本開示におけるIII族窒化物結晶製造装置および方法は、ガス温度を低温化することで熱分解量を抑制し、種基板上流のガス混合領域において窒素元素含有ガス不足が生じないようにでき、その結果、III族窒化物結晶の生産性を向上させることができる。   As described above, the group III nitride crystal manufacturing apparatus and method according to the present disclosure suppresses the amount of thermal decomposition by lowering the gas temperature, and does not cause a shortage of nitrogen element-containing gas in the gas mixing region upstream of the seed substrate. As a result, the productivity of the group III nitride crystal can be improved.

実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置の構成の一例を示す図である。1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a group III nitride crystal manufacturing apparatus according to Embodiment 1. FIG. 図1のIII族窒化物結晶製造装置のチャンバの上部を切り取って上面から見た平面透視図である。FIG. 3 is a plan perspective view of the group III nitride crystal production apparatus of FIG. 変形例1に係るIII族窒化物結晶製造装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the group III nitride crystal manufacturing apparatus which concerns on the modification 1. FIG. 変形例2に係るIII族窒化物結晶製造装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the group III nitride crystal manufacturing apparatus which concerns on the modification 2. FIG. 変形例3に係るIII族窒化物結晶製造装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the group III nitride crystal manufacturing apparatus which concerns on the modification 3. FIG.

本開示の第1の態様に係るIII族窒化物結晶製造装置は、チャンバと、
前記チャンバ内に窒素元素含有ガスを導入するための窒素元素含有ガス導入管と、
III族元素の酸化物または金属を保持するための保持部と、
前記保持部を加熱する第1ヒーターと、
前記III族元素の前記酸化物又は前記金属に反応性ガスを供給する反応性ガス導入管と、
前記反応性ガスによって反応した前記III族元素の化合物ガスを前記チャンバ内に供給する化合物ガス供給口と、
前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとを前記チャンバ外に排出する排出口と、
前記チャンバ内の種基板を加熱する第2ヒーターと、
を備え、
前記保持部と前記第1ヒーターとの距離は、前記窒素元素含有ガス導入管と前記第1ヒーターとの距離よりも近い。
A group III nitride crystal manufacturing apparatus according to the first aspect of the present disclosure includes: a chamber;
A nitrogen element-containing gas introduction pipe for introducing a nitrogen element-containing gas into the chamber;
A holding part for holding a Group III element oxide or metal;
A first heater for heating the holding unit;
A reactive gas introduction pipe for supplying a reactive gas to the oxide or metal of the group III element;
A compound gas supply port for supplying the compound gas of the group III element reacted by the reactive gas into the chamber;
An exhaust port for discharging the compound gas and the nitrogen element-containing gas out of the chamber;
A second heater for heating the seed substrate in the chamber;
With
The distance between the holding portion and the first heater is closer than the distance between the nitrogen element-containing gas introduction pipe and the first heater.

第2の態様に係るIII族窒化物結晶製造装置は、上記第1の態様において、前記窒素元素含有ガス導入管は、断熱材で覆われていてもよい。   In the group III nitride crystal production apparatus according to the second aspect, in the first aspect, the nitrogen element-containing gas introduction pipe may be covered with a heat insulating material.

第3の態様に係るIII族窒化物結晶製造装置は、上記第1又は第2の態様において、前記窒素元素含有ガス導入管と前記保持部との間に、不活性ガス導入管を備えてもよい。   The group III nitride crystal production apparatus according to the third aspect may further comprise an inert gas introduction pipe between the nitrogen element-containing gas introduction pipe and the holding part in the first or second aspect. Good.

第4の態様に係るIII族窒化物結晶製造方法は、III族元素の酸化物または金属を加熱雰囲気下で反応させて、前記III族元素の化合物ガスを生成させる工程と、
前記化合物ガスよりも低温の窒素元素含有ガスと前記III族酸化物の還元物ガスとを混合する工程と、
混合した前記窒素元素含有ガスと前記III族酸化物の還元物ガスとを反応させて、III族窒化物結晶を生成する工程と、
を有する。
A Group III nitride crystal production method according to a fourth aspect includes a step of reacting a Group III element oxide or metal in a heated atmosphere to generate a Group III element compound gas;
Mixing the nitrogen element-containing gas at a temperature lower than that of the compound gas and the reduced gas of the group III oxide;
Reacting the mixed nitrogen-containing gas and the reduced gas of the group III oxide to produce a group III nitride crystal;
Have

第5の態様に係るIII族窒化物結晶製造方法は、上記第4の態様において、前記化合物ガスよりも低温、かつ、前記窒素元素含有ガスよりも高温の不活性ガスによって、前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとを移送した後に、前記混合する工程が実施されてもよい。   The group III nitride crystal production method according to a fifth aspect is the fourth aspect, wherein the compound gas and the compound gas are produced by an inert gas at a temperature lower than the compound gas and higher than the nitrogen element-containing gas. The step of mixing may be performed after transferring the nitrogen-containing gas.

第6の態様に係るIII族窒化物結晶製造方法は、上記第4又は第5の態様において、前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとの温度差は、150℃以下であってもよい。   In the Group III nitride crystal production method according to a sixth aspect, in the fourth or fifth aspect, a temperature difference between the compound gas and the nitrogen element-containing gas may be 150 ° C. or less.

第7の態様に係るIII族窒化物結晶製造方法は、上記第4から第6のいずれかの態様において、前記化合物ガスはGaO、窒素元素含有ガスはアンモニアであってもよい。 In the Group III nitride crystal manufacturing method according to a seventh aspect, in any one of the fourth to sixth aspects, the compound gas may be Ga 2 O and the nitrogen element-containing gas may be ammonia.

第8の態様に係るIII族窒化物結晶製造方法は、上記第4から第6のいずれかの態様において、前記化合物ガスは、前記III族元素の金属と酸化剤とを反応させて生成してもよい。   The group III nitride crystal production method according to an eighth aspect is the method according to any one of the fourth to sixth aspects, wherein the compound gas is generated by reacting a metal of the group III element and an oxidizing agent. Also good.

以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態におけるIII族窒化物結晶製造装置及びIII族窒化物結晶製造方法について詳細に説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。   Hereinafter, a group III nitride crystal manufacturing apparatus and a group III nitride crystal manufacturing method according to embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, substantially the same members are denoted by the same reference numerals.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置の構成の一例を示す図である。なお、図1において、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている場合がある。実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置は、チャンバ101と、チャンバ101内に窒素元素含有ガスを導入するための窒素元素含有ガス導入管100と、III族酸化物を保持するための保持部であるIII族酸化物原料載置部105と、III族酸化物原料載置部105を加熱する第1ヒーターである原料加熱手段104と、III族酸化物に還元性ガスを供給する還元性ガス導入管111と、還元性ガスによって還元された前記III族酸化物の還元物ガスをチャンバ101内に供給する還元物ガス供給口として機能する石英管115と、III族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとをチャンバ101外に排出する排出口として機能する排気口108と、チャンバ101内の種基板102を加熱する第2ヒーターである基板加熱ヒーター112と、を備える。
(Embodiment 1)
1 is a diagram showing an example of the configuration of a group III nitride crystal production apparatus according to Embodiment 1. FIG. In FIG. 1, the size, ratio, and the like of each constituent member may be different from actual ones. The group III nitride crystal manufacturing apparatus according to the first embodiment includes a chamber 101, a nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 for introducing a nitrogen element-containing gas into the chamber 101, and a group III oxide. Group III oxide raw material placing part 105 as a holding part, raw material heating means 104 as a first heater for heating group III oxide raw material placing part 105, and reduction for supplying a reducing gas to the group III oxide A reductant gas supply pipe 111, a quartz tube 115 functioning as a reductant gas supply port for supplying the reduced gas of the group III oxide reduced by the reducing gas into the chamber 101, and a reduced group III oxide An exhaust port 108 that functions as an exhaust port for exhausting the gas and the nitrogen-containing gas to the outside of the chamber 101, and a second heater that heats the seed substrate 102 in the chamber 101. It comprises a plate heater 112.

このIII族窒化物結晶製造装置では、III族酸化物原料載置部105は、窒素元素含有ガス導入管100と原料加熱手段104との間に位置する。窒素元素含有ガス導入管100は、原料加熱手段104から離間した位置に配置されるので窒素元素含有ガス導入管100の過剰な加熱を抑制できる。これにより、窒素元素含有ガスのガス温度を低温化することで熱分解量を抑制し、種基板102の上流のガス混合領域において窒素元素含有ガス不足が生じないようにできる。その結果、III族窒化物結晶の生産性を向上させることができる。   In this group III nitride crystal manufacturing apparatus, the group III oxide raw material placing part 105 is located between the nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 and the raw material heating means 104. Since the nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 is disposed at a position separated from the raw material heating means 104, excessive heating of the nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 can be suppressed. Thereby, the amount of thermal decomposition can be suppressed by lowering the gas temperature of the nitrogen element-containing gas, and a shortage of nitrogen element-containing gas can be prevented in the gas mixing region upstream of the seed substrate 102. As a result, the productivity of the group III nitride crystal can be improved.

以下に、このIII族窒化物結晶製造装置の詳細について説明する。
このIII族窒化物結晶製造装置では、チャンバ101内に、III族酸化物の還元物ガス供給口として機能する石英管115が配置されている。石英管115の右側はチャンバ101に固定され、還元性ガス導入管111から還元性ガスが導入される。また、石英管115の内部にはIII族酸化物原料載置部105を有する。
Details of the group III nitride crystal production apparatus will be described below.
In this group III nitride crystal manufacturing apparatus, a quartz tube 115 that functions as a reduced gas supply port for a group III oxide is disposed in a chamber 101. The right side of the quartz tube 115 is fixed to the chamber 101, and reducing gas is introduced from the reducing gas introduction tube 111. The quartz tube 115 has a group III oxide raw material placing portion 105 inside.

<チャンバ>
チャンバ101の形状としては、例えば、円柱状、四角柱状、三角柱状、これらを組合せた形状等があげられる。チャンバ101を形成する材質としては、例えば、石英、アルミナ、チタン酸アルミニウム、ムライト、タングステン、モリブデン等があげられる。
本実施の形態においては、チャンバ101の形状として四角柱状、材質としては石英製のものを使用している。
チャンバ101内には、基板ホルダ109(ステージ)に種基板102が載置されている。該基板ホルダ109は、基板回転機構を備えたものでもよい。種基板102を5〜100rpmの回転数で回転させることによって、成長する結晶の平坦性を向上させることができる。基板ホルダ109には、種基板102を加熱する基板加熱ヒーター112が搭載されている。
<Chamber>
Examples of the shape of the chamber 101 include a cylindrical shape, a quadrangular prism shape, a triangular prism shape, and a combination thereof. Examples of the material forming the chamber 101 include quartz, alumina, aluminum titanate, mullite, tungsten, and molybdenum.
In the present embodiment, the shape of the chamber 101 is a quadrangular prism and the material is quartz.
In the chamber 101, a seed substrate 102 is placed on a substrate holder 109 (stage). The substrate holder 109 may be provided with a substrate rotation mechanism. By rotating the seed substrate 102 at a rotational speed of 5 to 100 rpm, the flatness of the growing crystal can be improved. A substrate heater 109 for heating the seed substrate 102 is mounted on the substrate holder 109.

基板加熱ヒーター112としては、例えば、セラミックヒータやカーボンヒータなどの抵抗加熱器、又は、高周波加熱装置もしくは集光加熱器等があげられる。また、基板加熱ヒーター112に備わる回路基板に設けられたプロセッサによって、又は、別個のデバイスによって基板加熱ヒーター112の温度が制御される。なお、プロセッサ、又は、デバイスには、プログラムが記憶され、当該プログラムによって所定の処理が実行される。   Examples of the substrate heater 112 include a resistance heater such as a ceramic heater or a carbon heater, a high-frequency heating device, a condenser heater, or the like. Further, the temperature of the substrate heater 112 is controlled by a processor provided on a circuit board provided in the substrate heater 112 or by a separate device. Note that a program is stored in the processor or device, and predetermined processing is executed by the program.

<III族酸化物原料>
また、III族酸化物原料としては、純度4N(99.99%)以上のものを用い、形状は特に指定しないが、反応を促進するために通過する還元性ガスとの接触面積が広い形状が好ましい。ここではIII族酸化物原料としてGaを用いる。
<Group III oxide raw material>
In addition, as a Group III oxide raw material, a material having a purity of 4N (99.99%) or more is used, and the shape is not particularly specified, but a shape having a wide contact area with a reducing gas that passes therethrough to promote the reaction is used. preferable. Here, Ga 2 O 3 is used as a group III oxide raw material.

<還元性ガス>
還元性ガスとしては、例えば、水素ガス、一酸化炭素ガス、メタンガス、エタンガス等の炭化水素系ガス、硫化水素ガス、二酸化硫黄ガス等を利用できる。これらの中でも、水素ガスを採用することが好ましい。また、ガスは加熱されて石英管115内に供給されることが好ましいが、常温でも構わない。ガスの流量は種基板102のサイズに応じて変更してもよい。さらに、石英管115の下部には原料加熱手段104を持ち、この石英管115内で、上記の反応式(I)と同じ下記の反応式(III)の反応が生じる。
Ga+2H→GaO+2HO (III)
この反応には800℃以上の加熱が必要であり、還元物ガスであるGaO(g)をより多く生成するためには、900℃以上が望ましい。
<Reducing gas>
Examples of the reducing gas that can be used include hydrocarbon gases such as hydrogen gas, carbon monoxide gas, methane gas, and ethane gas, hydrogen sulfide gas, and sulfur dioxide gas. Among these, it is preferable to employ hydrogen gas. The gas is preferably heated and supplied into the quartz tube 115, but it may be at room temperature. The gas flow rate may be changed according to the size of the seed substrate 102. Further, the raw material heating means 104 is provided at the lower part of the quartz tube 115, and the reaction of the following reaction formula (III) same as the above reaction formula (I) occurs in the quartz tube 115.
Ga 2 O 3 + 2H 2 → Ga 2 O + 2H 2 O (III)
This reaction requires heating at 800 ° C. or higher, and 900 ° C. or higher is desirable in order to produce more reduction gas Ga 2 O (g).

<原料加熱手段>
原料加熱手段104は、石英管115内のIII族酸化物原料と還元性ガス導入管111から導入された還元性ガスを加熱するとともに、石英管115の上部に配置した窒素元素含有ガス導入管100も加熱する。但し、窒素元素含有ガス導入管100は、原料加熱手段104から離れた位置に配置するため、窒素元素含有ガス導入管100内で加熱された窒素元素含有ガスは、石英管115内で加熱された還元性ガスに比べて低温となる。
<Raw material heating means>
The raw material heating means 104 heats the group III oxide raw material in the quartz tube 115 and the reducing gas introduced from the reducing gas introduction tube 111, and at the same time, the nitrogen element-containing gas introduction tube 100 disposed above the quartz tube 115. Also heat. However, since the nitrogen element-containing gas introduction tube 100 is disposed at a position away from the raw material heating means 104, the nitrogen element-containing gas heated in the nitrogen element-containing gas introduction tube 100 was heated in the quartz tube 115. The temperature is lower than that of reducing gas.

原料加熱手段104としては、例えば、セラミックヒータ、高周波加熱装置、抵抗加熱器、集光加熱器等があげられる。また、原料加熱手段104に備わる回路基板に設けられたプロセッサによって、又は、別個のデバイスによって原料加熱手段104の温度が制御される。   Examples of the raw material heating means 104 include a ceramic heater, a high frequency heating device, a resistance heater, a condenser heater, and the like. Moreover, the temperature of the raw material heating means 104 is controlled by a processor provided on a circuit board provided in the raw material heating means 104 or by a separate device.

<窒素元素含有ガス>
窒素元素含有ガスとしては、例えば、アンモニアガス、ヒドラジンガス等を用いることができる。アンモニア、ヒドラジンガスは、いずれも高温において分解し、水素と窒素を生じる。これらの中で、安全性、生産コストなどを考慮するとアンモニアガスが特に好ましい。
<Nitrogen-containing gas>
As the nitrogen element-containing gas, for example, ammonia gas, hydrazine gas, or the like can be used. Both ammonia and hydrazine gas decompose at high temperatures to produce hydrogen and nitrogen. Among these, ammonia gas is particularly preferable in view of safety, production cost, and the like.

石英管115から供給されるIII族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガス導入管100から供給される窒素元素含有ガスとは、チャンバ101内で混合され、種基板102の主面を経由してチャンバ101左端に位置する排気口108に至る。混合されたガスにより、上記の反応式(II)と同じ下記の反応式(IV)の反応が行われる。
GaO+2NH→2GaN+HO+2H (IV)
The reduced gas of group III oxide supplied from the quartz tube 115 and the nitrogen element-containing gas supplied from the nitrogen element-containing gas introduction tube 100 are mixed in the chamber 101 and pass through the main surface of the seed substrate 102. To the exhaust port 108 located at the left end of the chamber 101. The reaction of the following reaction formula (IV) same as the above reaction formula (II) is performed by the mixed gas.
Ga 2 O + 2NH 3 → 2GaN + H 2 O + 2H 2 (IV)

<本態様におけるメカニズム>
上記の装置構造では、III族酸化物原料載置部105は、窒素元素含有ガス導入管100と原料加熱手段104との間に位置する。すなわち、III族酸化物原料載置部105と原料加熱手段104との距離は、窒素元素含有ガス導入管100と原料加熱手段104との距離よりも近い。これにより、種基板102の上流のガス混合領域において窒素元素含有ガス不足が生じないように熱分解量を抑制し、種基板102上でのIII族窒化物結晶であるGaNの生成量を増加し、生産性を向上させることができる。このメカニズムを以下に説明する。
<Mechanism in this aspect>
In the above apparatus structure, the group III oxide raw material placing part 105 is located between the nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 and the raw material heating means 104. That is, the distance between the group III oxide raw material placing part 105 and the raw material heating means 104 is closer than the distance between the nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 and the raw material heating means 104. This suppresses the amount of thermal decomposition so that a shortage of nitrogen element-containing gas does not occur in the gas mixing region upstream of the seed substrate 102, and increases the amount of GaN that is a group III nitride crystal on the seed substrate 102. , Productivity can be improved. This mechanism will be described below.

昇華反応をする結晶は、ある一定の温度に対し、気体として存在できる量(飽和量)が決まっており、飽和量を超えた分だけ、その空間に存在する固体(種基板やそれ以外の装置を構成する部材)上に固化する。このとき、単結晶として固化し得るのは種基板上となる。また、III族窒化物のような化合物結晶の場合には、III族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとの混合が必要となる。そこで、III族窒化物のような化合物結晶の生産性を向上させるために成長速度を上げようとすると、還元物ガスと窒素元素含有ガスの両方を増加させる必要がある。還元物ガスを増加させるためには、III族酸化物原料と還元性ガスの温度を上げ、飽和濃度を上げる必要がある。   The amount of crystals (subsaturation amount) that can exist as gas at a certain temperature is determined for crystals that undergo sublimation reaction. Solidify on the member). At this time, what can be solidified as a single crystal is on the seed substrate. In the case of a compound crystal such as a group III nitride, it is necessary to mix a group III oxide reduced gas and a nitrogen element-containing gas. Therefore, in order to increase the growth rate in order to improve the productivity of compound crystals such as group III nitrides, it is necessary to increase both the reductant gas and the nitrogen element-containing gas. In order to increase the reduced gas, it is necessary to increase the temperature of the Group III oxide raw material and the reducing gas and increase the saturation concentration.

しかし、窒素元素含有ガスであるアンモニアガスの温度を上げた場合、800℃以上で熱分解が始まり、1200℃では熱分解率が90%程度となりIII族窒化物の生成に有効となるアンモニアガスが大幅に減少するという問題がある。   However, when the temperature of the ammonia gas, which is a nitrogen element-containing gas, is increased, thermal decomposition starts at 800 ° C. or higher, and at 1200 ° C., the thermal decomposition rate is about 90%, and ammonia gas that is effective for the generation of group III nitrides. There is a problem of a significant decrease.

したがって、窒素元素含有ガスであるアンモニア量を増加させるためには、アンモニアの低温化による熱分解量の抑制が必要となる。これをうけて、本発明者らは、本実施の形態において、チャンバ101の天井側には加熱手段を設けず、かつ、石英管115の上側、すなわち、原料加熱手段104から離間する位置に、窒素元素含有ガス導入管100を配置するという構成を得た。これにより、窒素元素含有ガス導入管100から供給する窒素元素含有ガスの温度上昇を抑制し、結果的に熱分解の抑制を達成できる。ここでは、原料加熱手段104上に還元物ガスを供給する石英管115を、その上方に窒素元素含有ガス導入管100を積層配置する構造とする。これにより、窒素元素含有ガス温度を還元物ガス温度よりも低温にすることができ、窒素元素含有ガスであるアンモニアの分解量を少しでも抑制させることが可能となり、目的とする気相成長の生産性を向上させることが可能となる。   Therefore, in order to increase the amount of ammonia, which is a nitrogen element-containing gas, it is necessary to suppress the amount of thermal decomposition by lowering the temperature of ammonia. Accordingly, in the present embodiment, the present inventors do not provide a heating means on the ceiling side of the chamber 101 and are located above the quartz tube 115, that is, at a position away from the raw material heating means 104. The structure of arranging the nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 was obtained. Thereby, the temperature rise of the nitrogen element-containing gas supplied from the nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 can be suppressed, and as a result, suppression of thermal decomposition can be achieved. Here, the quartz tube 115 for supplying the reduced gas onto the raw material heating means 104 is structured so that the nitrogen element-containing gas introduction tube 100 is laminated thereon. As a result, the nitrogen element-containing gas temperature can be made lower than the reductate gas temperature, and the amount of decomposition of ammonia, which is a nitrogen element-containing gas, can be suppressed as much as possible. It becomes possible to improve the property.

ところで、熱分解量の抑制のためにアンモニアガス温度を室温程度にした場合には、900℃以上に加熱された還元物ガスとの温度差による対流により、ガス混合領域および基板領域でのガス均一性が保てず、成長速度などの膜厚均一性が低下し、生産性が低下することになる。なお、本装置において、混合点は石英管115の先端部に位置する。この先端部で、III族酸化物の還元ガスと窒素元素含有ガスとが出会い、混合される。III族酸化物の還元ガスは、III族酸化物と還元性ガスを高温加熱することで生成しており、高温化させるほど反応が進み、III族酸化物の還元ガス供給量が増加して飽和状態になっている。したがって、還元物ガス出口付近での過冷却は、還元物ガスの再析出を導くことになるため、低温化し過ぎた窒素元素含有ガスによる還元物ガス出口付近での冷却にも注意が必要である。これに対しても、本実施の形態においては、石英管115の上方に窒素元素含有ガス導入管100を積層配置することで、窒素元素含有ガスを適度に加熱し、還元物ガスとの温度差が大きくなり過ぎないようにしている。   By the way, when the ammonia gas temperature is set to about room temperature in order to suppress the amount of thermal decomposition, the gas in the gas mixing region and the substrate region is uniform due to convection due to the temperature difference with the reductant gas heated to 900 ° C. or higher. Thus, the film thickness cannot be maintained, the film thickness uniformity such as the growth rate is lowered, and the productivity is lowered. In the present apparatus, the mixing point is located at the tip of the quartz tube 115. At this tip, the reducing gas of the group III oxide and the nitrogen element-containing gas meet and are mixed. The group III oxide reducing gas is generated by heating the group III oxide and the reducing gas at a high temperature. The reaction proceeds as the temperature rises, and the amount of group III oxide reducing gas supply increases and becomes saturated. It is in a state. Therefore, since supercooling near the reductant gas outlet leads to reprecipitation of the reductant gas, caution is also required for cooling near the reductant gas outlet by the nitrogen-containing gas whose temperature has been excessively lowered. . In contrast, in the present embodiment, the nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 is disposed above the quartz tube 115 so that the nitrogen element-containing gas is heated appropriately and the temperature difference from the reductant gas. To prevent it from becoming too large.

本実施の形態1では、原料加熱手段104によりIII族酸化物と還元性ガスを950℃に加熱し、その上方にある窒素元素含有ガス導入管内のアンモニアガスをそれよりも低い温度としている。発明者らが用いた装置では、アンモニアガス温度は、例えば850℃程度である。アンモニアガス温度は、III族酸化物の還元物ガス温度よりも低ければよく、アンモニアガスとIII族酸化物の還元物ガスとの温度の差は150℃以下が好ましい。両ガスの温度差が150℃よりも大きい場合には、両ガスの混合点から種基板までの間において、ガスの熱対流が起こり、均一なガス供給が行えない結果、結晶析出膜厚の均一性が低下し、生産性の低下を招くからである。なお、温度制御は、原料加熱手段104に備わる回路基板に設けられたプロセッサによって、又は、別個のデバイスによって達成される。   In the first embodiment, the group III oxide and the reducing gas are heated to 950 ° C. by the raw material heating means 104, and the ammonia gas in the nitrogen element-containing gas introduction pipe thereabove is set at a lower temperature. In the apparatus used by the inventors, the ammonia gas temperature is about 850 ° C., for example. The ammonia gas temperature should be lower than the group III oxide reductate gas temperature, and the temperature difference between the ammonia gas and the group III oxide reductate gas is preferably 150 ° C. or less. When the temperature difference between the two gases is larger than 150 ° C., gas convection occurs between the mixing point of the two gases and the seed substrate, and uniform gas supply cannot be performed. This is because the productivity is lowered and the productivity is lowered. The temperature control is achieved by a processor provided on a circuit board provided in the raw material heating means 104 or by a separate device.

窒素元素含有ガス導入管100から供給される窒素元素含有ガスと、石英管115から供給されるIII族酸化物の還元物ガスとの混合点から種基板102までの直線距離は40mm以上かつ50mm以下を確保することが好ましい。発明者らは、III族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとの混合点から種基板102までの距離が40mm以上かつ50mm以下の場合に、適切な反応距離および時間を確保できることを見出している。反応経路が40mm未満の場合、反応が不十分となり、反応中間生成物が種基板102上に多結晶やアモルファスとして析出してしまう。一方、反応経路が50mmを超えると、窒素元素含有ガスが拡散して混合ガス中の濃度が薄くなってしまい、種基板102の全面に単結晶を育成することができない。   The linear distance from the mixing point of the nitrogen element-containing gas supplied from the nitrogen element-containing gas introduction tube 100 and the reduced gas of the group III oxide supplied from the quartz tube 115 to the seed substrate 102 is 40 mm or more and 50 mm or less. Is preferably ensured. The inventors have found that an appropriate reaction distance and time can be ensured when the distance from the mixing point of the reduced gas of group III oxide and the nitrogen-containing gas to the seed substrate 102 is 40 mm or more and 50 mm or less. ing. When the reaction path is less than 40 mm, the reaction becomes insufficient, and the reaction intermediate product is deposited on the seed substrate 102 as polycrystalline or amorphous. On the other hand, if the reaction path exceeds 50 mm, the nitrogen element-containing gas diffuses and the concentration in the mixed gas decreases, and a single crystal cannot be grown on the entire surface of the seed substrate 102.

ここで、ある気体のある温度における、気体として存在できる分圧に対する現在の分圧を過飽和度と定義すると、混合ガスの過飽和度に関して、本実施の形態において、基板加熱ヒーター112の温度での過飽和度xは、1<x<1.2である。この範囲を満たす温度、すなわち、基板加熱ヒーター112による加熱は混合ガスの過飽和度範囲内とすることで、高品位な結晶を種基板102上に成長させることができる。   Here, if the current partial pressure with respect to the partial pressure that can exist as a gas at a certain temperature is defined as the supersaturation degree, in this embodiment, the supersaturation at the temperature of the substrate heater 112 is performed with respect to the supersaturation degree of the mixed gas. The degree x is 1 <x <1.2. By setting the temperature satisfying this range, that is, heating by the substrate heater 112 within the supersaturation range of the mixed gas, high-quality crystals can be grown on the seed substrate 102.

本III族窒化物製造装置では、排気口108から吸気することによりガスの流れを作ることが好ましいため、炉内の圧力条件は、例えば、9.5×10E4〜9.9×10E4Paの範囲であってもよい。   In this group III nitride manufacturing apparatus, it is preferable to create a gas flow by sucking air from the exhaust port 108. Therefore, the pressure condition in the furnace is, for example, in the range of 9.5 × 10E4 to 9.9 × 10E4Pa. There may be.

図2は、図1の実施の形態1に係るIII族窒化物製造装置のチャンバの上部を切り取り、上面から見た平面透視図である。種基板102は、基板加熱ヒーター112で加熱され、それよりも上流側に窒素元素含有ガス導入管100およびIII族酸化物の還元ガスを供給する石英管115の供給口(先端部)が位置している。窒素元素含有ガス導入管100、石英管115および排気口108の幅は、種基板102の直径と同じかそれ以上に大きい。   FIG. 2 is a plan perspective view of the group III nitride manufacturing apparatus according to Embodiment 1 of FIG. The seed substrate 102 is heated by the substrate heater 112, and the supply port (tip portion) of the nitrogen element-containing gas introduction tube 100 and the quartz tube 115 for supplying the reducing gas of the group III oxide is positioned upstream of the seed substrate 102. ing. The widths of the nitrogen element-containing gas introduction tube 100, the quartz tube 115, and the exhaust port 108 are equal to or larger than the diameter of the seed substrate 102.

(変形例1)
また、図3は、変形例1に係るIII族窒化物結晶製造装置の構成の一例を示す図である。図3に示すように、窒素元素含有ガス導入管100は、原料加熱手段104からの加熱を抑制するために、断熱材113を間に配置、若しくは断熱材113で囲う形状でもよい。この構造により、窒素元素含有ガスの過熱を抑制することで分解量を少しでも抑制することが可能となる。
(Modification 1)
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of the group III nitride crystal manufacturing apparatus according to the first modification. As shown in FIG. 3, the nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 may have a shape in which a heat insulating material 113 is disposed between or surrounded by the heat insulating material 113 in order to suppress heating from the raw material heating means 104. With this structure, it is possible to suppress the decomposition amount even a little by suppressing the overheating of the nitrogen element-containing gas.

(変形例2)
また、図4は、変形例2に係るIII族窒化物結晶製造装置の構成の一例を示す図である。図4に示すように、窒素元素含有ガス導入管100と、原料加熱手段104との間に不活性ガス導入管110を配置する形状でもよい。この構造により、窒素元素含有ガスの過熱を抑制することで分解量を少しでも抑制することが可能となるうえ、還元物ガスと窒素元素含有ガスとが低温領域で合流しないように混合領域を制御し、種基板102で最適な成長にさせることが可能である。特に、III族窒化物のような化合物結晶の場合、III族酸化物の還元ガスと窒素元素含有ガスとが混合された後に、III族窒化物となるまでの反応時間が必要であるが、III族酸化物の還元ガスと窒素元素含有ガスが低温領域で合流すると、反応が不十分となり単結晶ではなく多結晶やアモルファスとして析出してしまうからである。従って、不活性ガスを導入して分離することにより、還元物ガスと窒素元素含有ガスとの混合領域をより高温となる種基板102側に移動させることで多結晶の抑制が可能となる。不活性ガスとして、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等がある。コスト等を考慮すると窒素ガスが最適である。この場合、III族酸化物の還元ガス(化合物ガス)よりも低温、かつ、窒素元素含有ガスよりも高温の不活性ガスが不活性ガス導入管110より導入される。すなわち、化合物ガスよりも低温、かつ、窒素元素含有ガスよりも高温の不活性ガスによって、化合物ガスと窒素元素含有ガスとを移送した後に、これらを混合する工程が実施される。
(Modification 2)
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the configuration of a group III nitride crystal manufacturing apparatus according to the second modification. As shown in FIG. 4, the inert gas introduction pipe 110 may be disposed between the nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 and the raw material heating means 104. With this structure, it is possible to suppress the amount of decomposition by suppressing overheating of the nitrogen element-containing gas, and control the mixing region so that the reduced gas and the nitrogen element-containing gas do not merge in the low temperature region. However, the seed substrate 102 can be made to grow optimally. In particular, in the case of a compound crystal such as a group III nitride, a reaction time is required until the group III nitride is formed after the group III oxide reducing gas and the nitrogen element-containing gas are mixed. This is because, when the reducing gas of the group oxide and the nitrogen element-containing gas are combined in a low temperature region, the reaction becomes insufficient and precipitates as polycrystalline or amorphous rather than single crystal. Therefore, by introducing and separating the inert gas, it is possible to suppress polycrystals by moving the mixed region of the reduced product gas and the nitrogen element-containing gas toward the seed substrate 102 that is at a higher temperature. Examples of the inert gas include nitrogen gas, helium gas, and argon gas. Nitrogen gas is optimal in consideration of cost. In this case, an inert gas having a temperature lower than that of the group III oxide reducing gas (compound gas) and higher than the nitrogen element-containing gas is introduced from the inert gas introduction pipe 110. That is, the step of transferring the compound gas and the nitrogen element-containing gas with an inert gas at a temperature lower than that of the compound gas and higher than that of the nitrogen element-containing gas and then mixing them is performed.

(変形例3)
また、図5は、変形例3に係るIII族窒化物結晶製造装置の構成の一例を示す図である。図5に示すように窒素元素含有ガス加熱手段114を用いて、窒素元素含有ガス導入管100内のガス温度を最適な温度で安定制御してもよい。ここで、最適な温度とは、窒素元素含有ガス温度をIII族酸化物の還元物ガス温度よりも低く、かつ、窒素元素含有ガスとIII族酸化物の還元物ガスとの温度差が後述するように150℃以下となる温度である。ガス温度差が少ないほど、ガス混合領域での熱対流によるガス分布の不均一性が抑制されるが、窒素元素含有ガス温度の上昇に伴って窒素元素含有ガスの分解率が上昇する。これにより、III族酸化物原料量、還元性ガス流量が変化しても窒素元素含有ガス温度の変化がなく、所望の温度で安定制御が可能である。なお、安定制御は、窒素元素含有ガス加熱手段114に備わる回路基板に設けられたプロセッサによって、又は、別個のデバイスによって達成される。
(Modification 3)
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the configuration of the group III nitride crystal manufacturing apparatus according to the third modification. As shown in FIG. 5, the nitrogen element-containing gas heating means 114 may be used to stably control the gas temperature in the nitrogen element-containing gas introduction pipe 100 at an optimum temperature. Here, the optimum temperature means that the nitrogen element-containing gas temperature is lower than the group III oxide reduced gas temperature, and the temperature difference between the nitrogen element containing gas and the group III oxide reduced gas will be described later. Thus, the temperature is 150 ° C. or lower. As the gas temperature difference is smaller, the nonuniformity of the gas distribution due to thermal convection in the gas mixing region is suppressed, but the decomposition rate of the nitrogen element-containing gas increases as the nitrogen element-containing gas temperature increases. Thereby, even if the amount of group III oxide raw material and the flow rate of the reducing gas change, the nitrogen element-containing gas temperature does not change, and stable control is possible at a desired temperature. The stable control is achieved by a processor provided on a circuit board provided in the nitrogen element-containing gas heating unit 114 or by a separate device.

なお、図1、図3から図5の結晶育成空間である種基板102からチャンバ101の天井までの高さは、30mm以上60mm以下の範囲であることが好ましい。結晶育成空間の高さが30mm未満の場合、ガスが移動できる空間が狭すぎるため多結晶化が促進されてしまう。一方、結晶育成空間の高さが60mmを超える場合は、窒素元素含有ガスが拡散してしまい、種基板102上における窒素濃度を維持することができない。従って、結晶育成空間の高さは、30mm以上60mm以下の範囲であることが好ましい。   The height from the seed substrate 102, which is the crystal growth space in FIGS. 1 and 3 to 5, to the ceiling of the chamber 101 is preferably in the range of 30 mm to 60 mm. When the height of the crystal growth space is less than 30 mm, the space in which the gas can move is too narrow, so that polycrystallization is promoted. On the other hand, when the height of the crystal growth space exceeds 60 mm, the nitrogen element-containing gas diffuses, and the nitrogen concentration on the seed substrate 102 cannot be maintained. Therefore, the height of the crystal growth space is preferably in the range of 30 mm or more and 60 mm or less.

このIII族窒化物製造装置は、Ga以外のIII族酸化物を用いる場合も、Gaを用いてGaN結晶を生成する場合と同様にして、III族窒化物結晶を生成することができる。Ga以外のIII族酸化物としては、III族の元素が、In(インジウム)である場合には、例えば、Inがあげられ、III族の元素が、Al(アルミニウム)である場合には、例えば、Alがあげられる。さらに、III族の元素が、B(ボロン)である場合には、例えば、Bがあげられ、III族の元素が、Tl(タリウム)である場合には、例えば、Tlがあげられる。 The III-nitride manufacturing apparatus, even when using a Group III oxide other than Ga 2 O 3, in the same manner as in the case of producing a GaN crystal with Ga 2 O 3, to produce a group III nitride crystal be able to. The Group III oxide other than Ga 2 O 3, an element of Group III, in the case of In (indium), for example, an In 2 O 3 and the like, an element of group III, with Al (aluminum) in some cases, for example, Al 2 O 3 and the like. Further, when the group III element is B (boron), for example, B 2 O 3 is exemplified, and when the group III element is Tl (thallium), for example, Tl 2 O 3 is exemplified. Can be given.

なお、GaなどのIII族元素の酸化物は、大気中で安定な材料であるため取り扱いが容易という利点がある。一方、Ga等のIII族元素の酸化物の代わりに、Ga等のIII族元素の金属を準備し、このIII族元素の金属に加熱雰囲気下で酸化性ガスを供給することで酸化させて、III族元素の化合物ガスとしてGaO等を発生させてもよい。Gaなどの一部のIII族元素の金属は、III族元素の酸化物よりも一般的に低コストで高純度の材料が入手可能であるという利点がある。さらに、GaなどのIII族元素の金属は、低温で液体になるため連続的に材料を供給する機構を設けやすいことや、酸化物ガス生成時にHOが発生しないため、III族窒化物結晶の結晶品質の低下を抑制できる、などの利点も挙げられる。 Note that an oxide of a group III element such as Ga 2 O 3 has an advantage that it is easy to handle because it is a stable material in the air. On the other hand, instead of an oxide of a Group III element such as Ga 2 O 3, a Group III element metal such as Ga is prepared, and an oxidizing gas is supplied to the Group III element metal in a heated atmosphere to oxidize. Thus, Ga 2 O or the like may be generated as a compound gas of a group III element. Some Group III element metals such as Ga have the advantage that high purity materials are generally available at lower cost than Group III element oxides. Furthermore, Group III element metals such as Ga are liquid at low temperatures, so that it is easy to provide a mechanism for continuously supplying materials, and H 2 O is not generated during oxide gas generation. Advantages such as being able to suppress the deterioration of the crystal quality of these are also mentioned.

このため、III族酸化物原料載置部105は、III族元素の酸化物または金属を保持する保持部として機能する。また、還元性ガス導入管111は、III族元素の酸化物または金属に反応性ガスを供給する反応性ガス導入管として機能する。III族元素の酸化物に対する反応性ガスは、還元性ガスであり、III族元素の金属に対する反応性ガスは、HOガス、Oガス、COガス、およびCOガス等の酸化剤である。また、石英管115は、反応性ガスによって反応したIII族元素の化合物ガスをチャンバ101内に供給する化合物ガス供給口として機能する。そして、排気口108は、化合物ガスと窒素元素含有ガスとをチャンバ101外に排出する排出口として機能する。 For this reason, the group III oxide raw material mounting part 105 functions as a holding part holding the oxide or metal of a group III element. The reducing gas introduction pipe 111 functions as a reactive gas introduction pipe for supplying a reactive gas to an oxide or metal of a group III element. The reactive gas for the Group III element oxide is a reducing gas, and the reactive gas for the Group III element metal is an oxidizing agent such as H 2 O gas, O 2 gas, CO 2 gas, and CO gas. is there. Further, the quartz tube 115 functions as a compound gas supply port for supplying a compound gas of a group III element reacted with the reactive gas into the chamber 101. The exhaust port 108 functions as an exhaust port that exhausts the compound gas and the nitrogen element-containing gas to the outside of the chamber 101.

また、本開示におけるIII族窒化物結晶の製造方法は、III族元素の酸化物または金属を加熱雰囲気下で反応させて、前記III族元素の化合物ガスを生成させる工程を有する。III族元素がGaの場合、酸化物はGaであり、金属はGaであり、そして、生成する化合物ガスは出発源が酸化物または金属いずれの場合であってもGaO(III族元素の酸化物ガス)である。加えて、本方法は、前記化合物ガスよりも低温の窒素元素含有ガスと前記化合物ガスとを混合する工程を含む。そして、混合した前記窒素元素含有ガスと前記化合物ガスとを反応させて、III族窒化物結晶を生成する工程を、本方法は有する。これらを有することで、生産性を向上可能である。 In addition, the method for producing a Group III nitride crystal in the present disclosure includes a step of generating a Group III element compound gas by reacting a Group III element oxide or metal in a heated atmosphere. When the group III element is Ga, the oxide is Ga 2 O 3 , the metal is Ga, and the resulting compound gas is Ga 2 O (III Group element oxide gas). In addition, the method includes a step of mixing the nitrogen-containing gas having a temperature lower than that of the compound gas with the compound gas. And this method has the process of producing the group III nitride crystal | crystallization by making the said nitrogen element containing gas and the said compound gas react. By having these, productivity can be improved.

以下に、上記実施の形態及びその変形例をより具体的にした実施例と、実施例と対比するための比較例と、について説明する。   In the following, a more specific example of the above embodiment and its modification and a comparative example for comparison with the example will be described.

(実施例1)
実施例1に係るIII族窒化物結晶製造装置は、実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置と同様であり、図1に示すとおりである。本実施例1では、基板加熱ヒーターによる加熱温度を1200℃、原料加熱手段によるIII族酸化物原料載置部の加熱温度を950℃とし、還元性ガスとして水素を10リットル/分で供給することで、原料ガスとしてGaOを0.5リットル/分、窒素元素含有ガスとしてアンモニアを5リットル/分使用し、種基板102の回転数を10rpmとした。窒素元素含有ガス導入管は、原料ガスを供給する石英管上に配置し、各導出ガスの流速が同等になるように導出口の開口面積を設定する。具体的には、原料ガスを導出する石英管出口高さを6mm、窒素元素含有ガスを導出する窒素元素含有ガス導入管出口高さを3mmとした。また、基板上流部で15mmの高さの位置にIII族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとの混合点を配した。また、III族酸化物の還元物ガスおよび窒素元素含有ガスは水平に吹き付ける構造とした。さらに、結晶育成空間の高さは45mmとした。
Example 1
The group III nitride crystal production apparatus according to Example 1 is the same as the group III nitride crystal production apparatus according to Embodiment 1, and is as shown in FIG. In Example 1, the heating temperature by the substrate heater is 1200 ° C., the heating temperature of the group III oxide raw material placing portion by the raw material heating means is 950 ° C., and hydrogen is supplied as a reducing gas at 10 liters / minute. Thus, Ga 2 O was used as a source gas at 0.5 liters / minute, ammonia was used as a nitrogen element-containing gas at 5 liters / minute, and the rotation speed of the seed substrate 102 was set at 10 rpm. The nitrogen element-containing gas introduction pipe is disposed on the quartz pipe for supplying the raw material gas, and the opening area of the outlet is set so that the flow rates of the respective outlet gases are equal. Specifically, the height of the quartz tube outlet for deriving the raw material gas was 6 mm, and the height of the nitrogen element-containing gas inlet tube for deriving the nitrogen element-containing gas was 3 mm. Further, a mixing point of the reduced gas of group III oxide and the nitrogen element-containing gas was disposed at a height of 15 mm in the upstream portion of the substrate. Further, the reduced gas of group III oxide and the nitrogen element-containing gas were blown horizontally. Furthermore, the height of the crystal growth space was 45 mm.

(実施例2)
実施例2では、変形例1と同様に、窒素元素含有ガス導入管を断熱材で囲うことで原料加熱手段からの過熱を抑制し(図3)、それ以外は実施例1と同じ条件とした。
(Example 2)
In Example 2, as in Modification 1, the nitrogen element-containing gas introduction pipe was surrounded by a heat insulating material to suppress overheating from the raw material heating means (FIG. 3), and other conditions were the same as in Example 1. .

(実施例3)
実施例3では、変形例2と同様に、窒素元素含有ガス導入管と石英管との間に不活性ガス導入管を配置することで原料加熱手段からの過熱を抑制し、不活性ガスとしてアルゴンガスを2リットル/分で供給することで還元物ガスと窒素元素含有ガスとが低温領域で合流しないように混合領域を制御し(図4)、それ以外は実施例1と同じ条件とした。
(Example 3)
In the third embodiment, similarly to the second modification, an inert gas introduction tube is disposed between the nitrogen element-containing gas introduction tube and the quartz tube to suppress overheating from the raw material heating means, and argon is used as the inert gas. By supplying the gas at 2 liters / minute, the mixing region was controlled so that the reduced gas and the nitrogen element-containing gas did not merge in the low temperature region (FIG. 4), and the other conditions were the same as in Example 1.

(実施例4)
実施例4では、変形例3と同様に、窒素元素含有ガス導入管のガス温度を制御するため、窒素元素含有ガス加熱手段を用いる方式とし、窒素元素含有ガス温度を850℃に制御し(図5)、それ以外は実施例1と同じ条件とした。
Example 4
In the fourth embodiment, as in the third modification, in order to control the gas temperature of the nitrogen element-containing gas introduction pipe, a method using a nitrogen element-containing gas heating means is used, and the nitrogen element-containing gas temperature is controlled to 850 ° C. (FIG. 5) The other conditions were the same as in Example 1.

(比較例1)
比較例1では、窒素元素含有ガス温度を700℃に制御した以外は実施例4と同じ条件とした。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, the same conditions as in Example 4 were used except that the nitrogen element-containing gas temperature was controlled at 700 ° C.

(比較例2)
比較例2では、窒素元素含有ガス温度を950℃に制御した以外は実施例4と同じ条件とした。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, the same conditions as in Example 4 were used except that the nitrogen element-containing gas temperature was controlled at 950 ° C.

ここでは、III族酸化物と還元性ガスの温度を950℃に制御した場合の、各条件での窒素元素含有ガスであるアンモニアガス温度を評価した。また、アンモニアガスの分解率は、排気口付近でのアンモニアガス濃度を測定し、ガス温度が室温の場合のアンモニアガス濃度比から分解率を求めた。結晶膜厚の均一性は、面内5点でのばらつきを評価した。結晶膜厚の均一性は、その数値が低いほうがばらつきが少なく、良好な膜厚の均一性を有する。なお、膜厚は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて複数個所測定し、均一性は、(Max(最大膜厚)−Min(最小膜厚))/(2・Avg.(膜厚平均値))で評価する。   Here, the temperature of ammonia gas, which is a nitrogen element-containing gas, under each condition when the temperatures of the Group III oxide and the reducing gas were controlled at 950 ° C. was evaluated. As for the decomposition rate of ammonia gas, the ammonia gas concentration in the vicinity of the exhaust port was measured, and the decomposition rate was obtained from the ammonia gas concentration ratio when the gas temperature was room temperature. The uniformity of the crystal film thickness was evaluated for variation at five points in the plane. The uniformity of the crystal film thickness has less variation when the numerical value is lower, and the film thickness is more uniform. The film thickness was measured at multiple points using a scanning electron microscope (SEM), and the uniformity was (Max (maximum film thickness) −Min (minimum film thickness)) / (2 · Avg. (Film thickness average). Value)).

アンモニアの分解率を抑制するためには、少しでもアンモニアガス温度が低い方がよく、分解率を10%以内とするには850℃以下に抑制する必要がある。ただし、結晶膜厚の均一性を良好にするにはガス温度差を150℃以内(結晶膜厚の均一性10%以内となる範囲)に制御する必要があると判断した。その結果を表1に示す。表1に示されるとおり、全ての実施例において、アンモニアガスの分解率を10%以内に抑制し、結晶膜厚の均一性においても10%以内に抑制することによって、単結晶の気相成長法の生産性を向上させられたことを確認できた。   In order to suppress the decomposition rate of ammonia, it is better that the ammonia gas temperature is as low as possible. To make the decomposition rate within 10%, it is necessary to suppress it to 850 ° C. or less. However, in order to improve the uniformity of the crystal film thickness, it was determined that the gas temperature difference needs to be controlled within 150 ° C. (in a range where the uniformity of the crystal film thickness is within 10%). The results are shown in Table 1. As shown in Table 1, in all examples, the decomposition rate of ammonia gas is suppressed to within 10%, and the uniformity of the crystal film thickness is also suppressed to within 10%, whereby the single crystal vapor phase growth method is achieved. We were able to confirm that the productivity of was improved.

Figure 2016069267
Figure 2016069267

以上のように、本開示に係るIII族窒化物結晶製造装置を用いれば、パワー半導体、ヘテロ接合高速電子デバイス、LEDやレーザーなどの光電子デバイスなどに適用可能なIII族窒化物結晶を得ることができる。   As described above, when the group III nitride crystal manufacturing apparatus according to the present disclosure is used, a group III nitride crystal applicable to power semiconductors, heterojunction high-speed electronic devices, optoelectronic devices such as LEDs and lasers, and the like can be obtained. it can.

100 窒素元素含有ガス導入管
101 チャンバ
102 種基板
104 原料加熱手段(第1ヒーター)
105 III族酸化物原料載置部(保持部)
108 排気口
109 基板ホルダ
110 不活性ガス導入管
111 還元性ガス導入管
112 基板加熱ヒーター(第2ヒーター)
113 断熱材
114 窒素元素含有ガス加熱手段
115 石英管(還元物ガス供給口)
100 Nitrogen-containing gas introduction pipe 101 Chamber 102 Seed substrate 104 Raw material heating means (first heater)
105 Group III oxide raw material placement part (holding part)
108 Exhaust port 109 Substrate holder 110 Inert gas introduction pipe 111 Reducing gas introduction pipe 112 Substrate heater (second heater)
113 Heat insulating material 114 Nitrogen element containing gas heating means 115 Quartz tube (reduced product gas supply port)

Claims (8)

チャンバと、
前記チャンバ内に窒素元素含有ガスを導入するための窒素元素含有ガス導入管と、
III族元素の酸化物または金属を保持するための保持部と、
前記保持部を加熱する第1ヒーターと、
前記III族元素の前記酸化物または前記金属に反応性ガスを供給する反応性ガス導入管と、
前記反応性ガスによって反応した前記III族元素の化合物ガスを前記チャンバ内に供給する化合物ガス供給口と、
前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとを前記チャンバ外に排出する排出口と、
前記チャンバ内の種基板を加熱する第2ヒーターと、
を備え、
前記保持部と前記第1ヒーターとの距離は、前記窒素元素含有ガス導入管と前記第1ヒーターとの距離よりも近い、III族窒化物結晶製造装置。
A chamber;
A nitrogen element-containing gas introduction pipe for introducing a nitrogen element-containing gas into the chamber;
A holding part for holding a Group III element oxide or metal;
A first heater for heating the holding unit;
A reactive gas introduction pipe for supplying a reactive gas to the oxide of the group III element or the metal;
A compound gas supply port for supplying the compound gas of the group III element reacted by the reactive gas into the chamber;
An exhaust port for discharging the compound gas and the nitrogen element-containing gas out of the chamber;
A second heater for heating the seed substrate in the chamber;
With
The group III nitride crystal manufacturing apparatus, wherein a distance between the holding unit and the first heater is closer than a distance between the nitrogen element-containing gas introduction pipe and the first heater.
前記窒素元素含有ガス導入管は、断熱材で覆われている、請求項1に記載のIII族窒化物結晶製造装置。   The group III nitride crystal manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the nitrogen element-containing gas introduction pipe is covered with a heat insulating material. 前記窒素元素含有ガス導入管と前記保持部との間に、不活性ガス導入管を備える、請求項1または2に記載のIII族窒化物結晶製造装置。   The group III nitride crystal manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising an inert gas introduction pipe between the nitrogen element-containing gas introduction pipe and the holding unit. III族元素の酸化物または金属を加熱雰囲気下で反応させて、前記III族元素の化合物ガスを生成させる工程と、
前記化合物ガスよりも低温の窒素元素含有ガスと前記化合物ガスとを混合する工程と、
混合した前記窒素元素含有ガスと前記化合物ガスとを反応させて、III族窒化物結晶を生成する工程と、
を有する、III族窒化物結晶の製造方法。
A step of reacting a Group III element oxide or metal in a heated atmosphere to generate a Group III element compound gas;
Mixing the nitrogen-containing gas at a lower temperature than the compound gas and the compound gas;
Reacting the mixed nitrogen-containing gas and the compound gas to produce a group III nitride crystal;
A method for producing a group III nitride crystal having:
前記化合物ガスよりも低温、かつ、前記窒素元素含有ガスよりも高温の不活性ガスによって、前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとを移送した後に、前記混合する工程が実施される、請求項4に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The step of mixing is performed after the compound gas and the nitrogen element-containing gas are transferred by an inert gas having a temperature lower than that of the compound gas and higher than that of the nitrogen element-containing gas. The manufacturing method of the group III nitride crystal as described in 1 above. 前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとの温度差は、150℃以下である、請求項4または5に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to claim 4 or 5, wherein a temperature difference between the compound gas and the nitrogen element-containing gas is 150 ° C or less. 前記化合物ガスはGaO、窒素元素含有ガスはアンモニアである、請求項4から6のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 4 to 6, wherein the compound gas is Ga 2 O and the nitrogen-containing gas is ammonia. 前記化合物ガスは、前記III族元素の金属と酸化剤とを反応させて生成される、請求項4から6のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The said compound gas is a manufacturing method of the group III nitride crystal as described in any one of Claim 4 to 6 produced | generated by making the metal of the said group III element, and an oxidizing agent react.
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