JP2017036178A - Manufacturing method of group xiii nitride single crystal, and manufacturing apparatus of group xiii nitride single crystal - Google Patents
Manufacturing method of group xiii nitride single crystal, and manufacturing apparatus of group xiii nitride single crystal Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017036178A JP2017036178A JP2015158488A JP2015158488A JP2017036178A JP 2017036178 A JP2017036178 A JP 2017036178A JP 2015158488 A JP2015158488 A JP 2015158488A JP 2015158488 A JP2015158488 A JP 2015158488A JP 2017036178 A JP2017036178 A JP 2017036178A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- crystal
- temperature
- crystal growth
- group
- mixed melt
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 491
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 133
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 79
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 77
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 58
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims abstract description 51
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 claims abstract description 19
- 229910021482 group 13 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 67
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 31
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 21
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 23
- 238000007716 flux method Methods 0.000 abstract description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 42
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 21
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 20
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 20
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 19
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 16
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 9
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 8
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 5
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 239000011011 black crystal Substances 0.000 description 4
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 4
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- -1 Li and K Chemical class 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000635 electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 3
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 3
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002248 hydride vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 3
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 2
- PXIPVTKHYLBLMZ-UHFFFAOYSA-N Sodium azide Chemical compound [Na+].[N-]=[N+]=[N-] PXIPVTKHYLBLMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006061 abrasive grain Substances 0.000 description 1
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 1
- NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N azanylidyneindigane Chemical compound [In]#N NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002223 garnet Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 150000003388 sodium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B19/00—Liquid-phase epitaxial-layer growth
- C30B19/12—Liquid-phase epitaxial-layer growth characterised by the substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/38—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02387—Group 13/15 materials
- H01L21/02389—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/02428—Structure
- H01L21/0243—Surface structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/02433—Crystal orientation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/02623—Liquid deposition
- H01L21/02625—Liquid deposition using melted materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/02623—Liquid deposition
- H01L21/02628—Liquid deposition using solutions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/0257—Doping during depositing
- H01L21/02573—Conductivity type
- H01L21/02576—N-type
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
Abstract
Description
本発明は、13族窒化物単結晶の製造方法、および13族窒化物単結晶の製造装置に関する。 The present invention relates to a method for producing a group 13 nitride single crystal and an apparatus for producing a group 13 nitride single crystal.
液相成長法を用いてGaN基板を製造する手法の一つとして、金属ナトリウムと金属Gaの混合融液中に窒素を溶解し、GaNを成長させるフラックス法が開示されている。フラックス法は700℃〜900℃と比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も2MPa〜8MPa程度と比較的低く、工業化可能な結晶成長方法である。 As one of the methods for manufacturing a GaN substrate using the liquid phase growth method, a flux method is disclosed in which nitrogen is dissolved in a mixed melt of metallic sodium and metallic Ga to grow GaN. The flux method is capable of crystal growth at a relatively low temperature of 700 ° C. to 900 ° C., and the pressure inside the container is relatively low at about 2 MPa to 8 MPa.
このフラックス法を用いた製造方法が開示されている(例えば、特許文献1〜特許文献2参照)。特許文献1には、凹凸表面における凸部と凹部との高低差距離の最大値である表面粗さRP−Vが0.5μm〜10μmの下地基板の該凹凸面上に窒化物結晶を成長させる製造方法が開示されている。特許文献2には、c面の表面積が25%以下の種結晶を用いて、窒化物結晶を成長させる製造方法が開示されている。 A manufacturing method using this flux method is disclosed (for example, see Patent Documents 1 and 2). In Patent Document 1, a nitride crystal is grown on the concavo-convex surface of a base substrate having a surface roughness R P-V of 0.5 μm to 10 μm, which is the maximum value of the height difference between the convex and concave portions on the concavo-convex surface. A manufacturing method is disclosed. Patent Document 2 discloses a manufacturing method in which a nitride crystal is grown using a seed crystal having a c-plane surface area of 25% or less.
しかしながら、従来の製造方法では、転位密度の低減とクラックの低減の双方を実現することは出来なかった。 However, the conventional manufacturing method cannot realize both reduction of dislocation density and reduction of cracks.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の13族窒化物単結晶の製造方法は、13族窒化物結晶からなり結晶成長面の表面粗さRaが0.1μm以上5μm以下の種結晶と、アルカリ金属と13族金属を含む原料と、を反応容器内に配置する配置工程と、前記原料が溶融して混合融液となった状態で、前記混合融液に窒素を溶解させ、結晶成長温度の前記混合融液中に配置された前記種結晶に13族窒化物結晶を成長させる結晶成長工程と、前記配置工程と前記結晶成長工程との工程間に150℃/時間以下の昇温速度で前記原料を前記結晶成長温度に昇温する昇温工程、および、前記結晶成長工程の後に150℃/時間以下の降温速度で前記混合融液を降温する降温工程、の少なくとも一方の温度調整工程と、を含む。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the method for producing a group 13 nitride single crystal of the present invention comprises a group 13 nitride crystal, and the surface roughness Ra of the crystal growth surface is 0.1 μm or more and 5 μm or less. A seed crystal and a raw material containing an alkali metal and a group 13 metal in a reaction vessel, and in a state where the raw material is melted to form a mixed melt, nitrogen is dissolved in the mixed melt A crystal growth step of growing a group 13 nitride crystal on the seed crystal placed in the mixed melt at a crystal growth temperature, and 150 ° C./hour or less between the placement step and the crystal growth step At least one of a temperature raising step for raising the temperature of the raw material to the crystal growth temperature at a rate of temperature rise and a temperature lowering step for lowering the temperature of the mixed melt at a temperature lowering rate of 150 ° C./hour or less after the crystal growth step. Temperature adjusting step.
本発明によれば、転位密度の低減とクラックの低減の双方を実現することができる。 According to the present invention, both reduction of dislocation density and reduction of cracks can be realized.
以下に添付図面を参照して、本実施の形態にかかる13族窒化物単結晶の製造方法、および、13族窒化物単結晶の製造装置について説明する。なお、以下の説明において、図には発明が理解できる程度に構成要素の形状、大きさおよび配置が概略的に示されているに過ぎず、これにより本発明が特に限定されるものではない。また、複数の図に示される同様の構成要素については同一の符号を付して示し、その重複する説明を省略する場合がある。 A group 13 nitride single crystal manufacturing method and a group 13 nitride single crystal manufacturing apparatus according to the present embodiment will be described below with reference to the accompanying drawings. In the following description, the drawings merely show the shapes, sizes, and arrangements of the components to the extent that the invention can be understood, and the present invention is not particularly limited thereby. In addition, similar components shown in a plurality of drawings are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof may be omitted.
また、以下では、本実施の形態に係る13族窒化物単結晶の製造方法を、単に、本実施の形態の製造方法、と称して説明する場合がある。 In the following, the method for producing a group 13 nitride single crystal according to the present embodiment may be simply referred to as the production method of the present embodiment.
本実施の形態の13族窒化物単結晶の製造方法では、フラックス法により、種結晶から13族窒化物結晶を成長させることで、13族窒化物単結晶を製造する。 In the method for producing a group 13 nitride single crystal of the present embodiment, a group 13 nitride single crystal is produced by growing a group 13 nitride crystal from a seed crystal by a flux method.
すなわち、本実施の形態の製造方法は、反応容器内に保持されたアルカリ金属と13族金属を含む混合融液中に、窒素を溶解させ、混合融液中に配置された種結晶に13族窒化物結晶を成長させる、13族窒化物単結晶の製造方法である。 That is, in the manufacturing method of the present embodiment, nitrogen is dissolved in a mixed melt containing an alkali metal and a group 13 metal held in a reaction vessel, and the group 13 is added to the seed crystal disposed in the mixed melt. This is a method for producing a group 13 nitride single crystal by growing a nitride crystal.
そして、本実施の形態の製造方法は、配置工程と、結晶成長工程と、温度調整工程と、を含む。配置工程は、種結晶をと、アルカリ金属と13族金属を含む原料と、を反応容器内に配置する工程である。 And the manufacturing method of this Embodiment contains an arrangement | positioning process, a crystal growth process, and a temperature adjustment process. An arrangement | positioning process is a process of arrange | positioning a seed crystal and the raw material containing an alkali metal and a group 13 metal in reaction container.
本実施の形態で用いる種結晶は、13族窒化物結晶からなり、結晶成長面の表面粗さRaが0.1μm以上5μm以下である。結晶成長面とは、13族窒化物結晶が結晶成長する主面である。 The seed crystal used in the present embodiment is made of a group 13 nitride crystal, and the surface roughness Ra of the crystal growth surface is 0.1 μm or more and 5 μm or less. The crystal growth surface is a main surface on which a group 13 nitride crystal grows.
結晶成長工程は、原料が溶融して混合融液となった状態で、混合融液に窒素を溶解させ、結晶成長温度の混合融液中に配置された種結晶に13族窒化物結晶を成長させる工程である。結晶成長温度は、13族窒化物結晶の結晶成長温度である。 In the crystal growth step, in a state where the raw material is melted to form a mixed melt, nitrogen is dissolved in the mixed melt, and a group 13 nitride crystal is grown on the seed crystal disposed in the mixed melt at the crystal growth temperature. It is a process to make. The crystal growth temperature is the crystal growth temperature of the group 13 nitride crystal.
温度調整工程は、昇温工程と、降温工程と、の少なくとも一方を含む。本実施の形態の製造方法における昇温工程は、配置工程と結晶成長工程との工程間に行われ、150℃/時間以下の昇温速度で原料を結晶成長温度に昇温する工程である。本実施の形態の製造方法における降温工程は、結晶成長工程の後に行われ、150℃/時間以下の降温速度で混合融液を降温する工程である。 The temperature adjustment step includes at least one of a temperature raising step and a temperature lowering step. The temperature raising step in the manufacturing method of the present embodiment is a step in which the temperature of the raw material is raised to the crystal growth temperature at a temperature raising rate of 150 ° C./hour or less, which is performed between the arrangement step and the crystal growth step. The temperature lowering step in the manufacturing method of the present embodiment is a step that is performed after the crystal growth step and lowers the temperature of the mixed melt at a temperature lowering rate of 150 ° C./hour or less.
本実施の形態の13族窒化物単結晶の製造方法では、上記製造方法を用いることによって、転位密度の低減とクラックの低減の双方の実現された、13族窒化物単結晶を製造することができる。 In the method for producing a group 13 nitride single crystal according to the present embodiment, by using the above production method, it is possible to produce a group 13 nitride single crystal in which both reduction of dislocation density and reduction of cracks are realized. it can.
上記効果を奏することが出来る理由は、以下のように推測される。なお、下記推測によって本発明は限定されない。 The reason why the above effect can be achieved is estimated as follows. The present invention is not limited by the following estimation.
本実施の形態の製造方法では、種結晶として、結晶成長面の表面粗さRaが0.1μm以上5μm以下の種結晶を用いる。すなわち、本実施の形態で用いる種結晶の結晶成長面は、上記表面粗さRaの範囲の凹凸を有する。 In the manufacturing method of the present embodiment, a seed crystal having a surface roughness Ra of 0.1 μm or more and 5 μm or less is used as a seed crystal. That is, the crystal growth surface of the seed crystal used in the present embodiment has irregularities in the range of the surface roughness Ra.
ここで、種結晶内に存在する転位は、種結晶上への13族窒化物結晶の結晶成長に伴い、結晶成長方向に進行する。種結晶の結晶成長面が平坦(表面粗さRaが0.1μm未満)であると、平坦な結晶成長面に対して直交する方向に結晶成長が進行することとなる。このため、種結晶の結晶成長面上に結晶成長する13族窒化物結晶には、種結晶内に存在する転位が結晶成長に伴って進行し、種結晶内の転位がそのまま引き継がれることとなる。このため、種結晶の結晶成長面が平坦(表面粗さRaが0.1μm未満)であると、製造される13族窒化物単結晶の転位密度が高くなると考えられる。 Here, the dislocations existing in the seed crystal proceed in the crystal growth direction as the group 13 nitride crystal grows on the seed crystal. If the crystal growth surface of the seed crystal is flat (surface roughness Ra is less than 0.1 μm), crystal growth proceeds in a direction perpendicular to the flat crystal growth surface. For this reason, in the group 13 nitride crystal that grows on the crystal growth surface of the seed crystal, the dislocations existing in the seed crystal proceed with the crystal growth, and the dislocations in the seed crystal are inherited as they are. . For this reason, it is considered that when the crystal growth surface of the seed crystal is flat (surface roughness Ra is less than 0.1 μm), the dislocation density of the manufactured group 13 nitride single crystal is increased.
一方、表面粗さRaが0.1μm以上5μm以下の凹凸の結晶成長面を有する種結晶を用いた場合、結晶成長面には、平坦な平坦領域(例えば、+c面の平坦領域)と、上記表面粗さRaを実現する複数の凸部による凸部領域(例えば、非+c面の領域)と、が存在することとなる。この凸部領域の表面は、平坦領域に対して非平行に配置されており、面方位が互いに異なる。このため、凹凸を有する結晶成長面上に13族窒化物結晶が結晶成長すると、凸部領域上では、平坦領域に対して非垂直方向に結晶成長が進行することとなる。このため、種結晶内から凸部領域の表面に到達していた転位は、結晶成長する13族窒化物結晶内において、該平坦領域に対して非垂直方向に進行し、該平坦領域に直交する方向に引き継がれることが抑制される。 On the other hand, when a seed crystal having an uneven crystal growth surface with a surface roughness Ra of 0.1 μm or more and 5 μm or less is used, the crystal growth surface includes a flat flat region (for example, a flat region of + c plane) and the above-mentioned There will be a convex region (for example, a non-c surface region) formed by a plurality of convex portions that realize the surface roughness Ra. The surface of this convex part area | region is arrange | positioned non-parallel with respect to a flat area | region, and a plane orientation differs mutually. For this reason, when a group 13 nitride crystal grows on the crystal growth surface having irregularities, crystal growth proceeds in a non-perpendicular direction with respect to the flat region on the convex region. For this reason, dislocations that have reached the surface of the convex region from within the seed crystal proceed in a non-perpendicular direction with respect to the flat region and are orthogonal to the flat region in the group 13 nitride crystal in which the crystal grows. Taking over in the direction is suppressed.
このため、上記表面粗さRaの範囲の凹凸を有する結晶成長面を備えた種結晶を用いることで、転位密度の低減された13族窒化物単結晶を製造することができると推測される。 For this reason, it is presumed that a group 13 nitride single crystal having a reduced dislocation density can be produced by using a seed crystal having a crystal growth surface having irregularities in the range of the surface roughness Ra.
また、本発明者らは、上記表面粗さRaによって示される凹凸を有する結晶成長面を有する種結晶を用いて、フラックス法により結晶成長を行うと、混合融液を結晶成長温度へ昇温させるときの昇温速度、および、結晶成長工程の後に降温させるときの降温速度、の少なくとも一方が150℃/時間以下であると、転位密度の低減と、クラックの低減と、の両立を図ることができることを見出した。 Further, the present inventors raise the temperature of the mixed melt to the crystal growth temperature when crystal growth is performed by a flux method using a seed crystal having a crystal growth surface having irregularities indicated by the surface roughness Ra. When at least one of the rate of temperature rise and the rate of temperature drop when the temperature is lowered after the crystal growth step is 150 ° C./hour or less, it is possible to achieve both reduction of dislocation density and reduction of cracks. I found out that I can do it.
昇温工程における昇温速度が150℃/時間をより超える高速であるほど、種結晶における結晶成長面に温度分布が生じやすくなると考えられる。このような温度分布は、種結晶の結晶成長面の凹凸部分で特に生じやすいと考えられる。このため、結晶成長する13族窒化物結晶の歪みが凹凸部分に集中しやすくなり、歪みの集中箇所を起点にクラックが発生すると推測される。このため、昇温速度を150℃/時間以下とすることで、クラックの発生率を抑制することが出来ると推測される。 It is considered that the temperature distribution is more likely to occur on the crystal growth surface of the seed crystal as the temperature increase rate in the temperature increase process exceeds 150 ° C./hour. Such a temperature distribution is considered to be particularly likely to occur at the uneven portion of the crystal growth surface of the seed crystal. For this reason, it is presumed that the strain of the group 13 nitride crystal in which the crystal grows easily concentrates on the concavo-convex portion, and cracks are generated starting from the strain concentration portion. For this reason, it is estimated that the rate of occurrence of cracks can be suppressed by setting the temperature rising rate to 150 ° C./hour or less.
また、本発明者らは、結晶成長後の降温時にもクラックが発生することを見出した。結晶成長後にクラックが発生するのは、種結晶と結晶成長した13族窒化物結晶との界面と、結晶成長した13族窒化物結晶と、の熱膨張係数差や異方性に起因する歪みが原因と考えられる。 Further, the present inventors have found that cracks are generated even when the temperature is lowered after crystal growth. Cracks occur after crystal growth because distortion due to the difference in thermal expansion coefficient and anisotropy between the interface between the seed crystal and the group 13 nitride crystal that has grown and the group 13 nitride crystal that has grown. Possible cause.
そして、結晶成長後の降温工程における降温速度が150℃/時間以下であると、種結晶と結晶成長した13族窒化物結晶との界面と、結晶成長した13族窒化物結晶と、の熱膨張係数差や異方性によって発生する歪みを抑制することができると考えられる。この歪みを抑制することができるので、歪みに起因するクラックの発生を抑制することができると考えられる。 When the temperature lowering rate in the temperature lowering step after crystal growth is 150 ° C./hour or less, the thermal expansion between the interface between the seed crystal and the group 13 nitride crystal grown and the group 13 nitride crystal grown. It is considered that distortion caused by coefficient difference and anisotropy can be suppressed. Since this distortion can be suppressed, it is considered that the generation of cracks due to the distortion can be suppressed.
従って、本実施の形態の13族窒化物単結晶の製造方法は、転位密度の低減とクラックの低減の双方を実現することができる、と考えられる。 Therefore, it is considered that the method for producing a group 13 nitride single crystal of the present embodiment can realize both reduction of dislocation density and reduction of cracks.
なお、本発明者らは、上記表面粗さRaによって示される凹凸を有さない、平坦な+c面の結晶成長面を有する種結晶を用いて、フラックス法により結晶成長を行った場合には、昇温速度や降温速度が本願の範囲外であっても、クラックは発生しにくいことを見出した。 In the case where the crystal growth is performed by the flux method using a seed crystal having a flat + c-plane crystal growth surface that does not have the unevenness indicated by the surface roughness Ra, It has been found that cracks are unlikely to occur even when the rate of temperature increase or the rate of temperature decrease is outside the scope of the present application.
すなわち、本発明者らは、上記表面粗さRaによって示される凹凸を有する結晶成長面を有する種結晶を用いてフラックス法により結晶成長を行うと、混合融液を結晶成長温度へ昇温させるときの昇温速度、および、結晶成長工程の後に降温させるときの降温速度、の少なくとも一方が150℃/時間以下であると、転位密度の低減とクラックの低減の双方を実現することができることを見出した。 That is, when the present inventors perform crystal growth by a flux method using a seed crystal having a crystal growth surface having irregularities indicated by the surface roughness Ra, the temperature of the mixed melt is increased to the crystal growth temperature. It has been found that when at least one of the rate of temperature increase and the rate of temperature decrease when the temperature is lowered after the crystal growth step is 150 ° C./hour or less, both reduction of dislocation density and reduction of cracks can be realized. It was.
以下、詳細を説明する。 Details will be described below.
図1は、本実施の形態の形態における、配置工程と、結晶成長工程と、温度調整工程と、を実施するための、13族窒化物単結晶の製造装置1の一例を示す図である。なお、以下では、“13族窒化物単結晶の製造装置”を、単に、製造装置と称して説明する場合がある。 FIG. 1 is a diagram showing an example of a group 13 nitride single crystal manufacturing apparatus 1 for performing an arrangement step, a crystal growth step, and a temperature adjustment step in the embodiment. In the following description, the “group 13 nitride single crystal manufacturing apparatus” may be simply referred to as a manufacturing apparatus.
製造装置1は、制御部10と、本体部12と、を備える。制御部10は、本体部12を制御する。 The manufacturing apparatus 1 includes a control unit 10 and a main body unit 12. The control unit 10 controls the main body unit 12.
本体部12は、外部耐圧容器50を備える。外部耐圧容器50は、例えば、ステンレス製である。外部耐圧容器50内には内部容器51が設置されている。内部容器51は、閉じた形状を成す。内部容器51は、例えば、ステンレス製である。内部容器51は、外部耐圧容器50から取り外し可能である。 The main body 12 includes an external pressure resistant container 50. The external pressure vessel 50 is made of stainless steel, for example. An internal container 51 is installed in the external pressure resistant container 50. The inner container 51 has a closed shape. The inner container 51 is made of stainless steel, for example. The internal container 51 can be detached from the external pressure resistant container 50.
内部容器51内には、反応容器52が配置されている。すなわち、反応容器52は、外部耐圧容器50および内部容器51による二重構造の容器の内側に配置されている。 A reaction vessel 52 is disposed in the inner vessel 51. That is, the reaction vessel 52 is disposed inside a double-structured vessel composed of the external pressure vessel 50 and the internal vessel 51.
反応容器52は、原料または原料が溶融した混合融液24を内部に保持する。混合融液24は、原料を加熱することで得られる。また、反応容器52は、種結晶30を保持する。すなわち、反応容器52は、種結晶30から13族窒化物結晶32の結晶成長を行うための容器である。図1に示す例では、反応容器52には蓋部53が設けられており、反応容器52の開放口を閉じる蓋として機能する。 The reaction vessel 52 holds the raw material or the mixed melt 24 in which the raw material is melted. The mixed melt 24 is obtained by heating the raw material. The reaction vessel 52 holds the seed crystal 30. That is, the reaction vessel 52 is a vessel for crystal growth of the group 13 nitride crystal 32 from the seed crystal 30. In the example shown in FIG. 1, the reaction vessel 52 is provided with a lid 53 and functions as a lid that closes the opening of the reaction vessel 52.
混合融液24は、フラックスとしてのアルカリ金属と、13族金属と、を少なくとも含む。 The mixed melt 24 contains at least an alkali metal as a flux and a group 13 metal.
フラックスは、例えば、金属ナトリウム、ナトリウム化合物(例えば、アジ化ナトリウム)などである。本実施の形態では、フラックスとして、アルカリ金属であるナトリウム(Na)を用いる場合を一例として説明する。 The flux is, for example, metallic sodium, a sodium compound (for example, sodium azide), or the like. In this embodiment, the case where sodium (Na), which is an alkali metal, is used as the flux will be described as an example.
混合融液24内に含まれるナトリウムの純度は、99.95%以上であることが好ましい。混合融液24に含まれるナトリウムの純度が99.95%以上であると、混合融液24の表面に雑結晶が生じることを抑制することができる。また、混合融液24に含まれるナトリウムの純度が99.95%以上であると、種結晶30上に結晶成長する13族窒化物結晶32の結晶成長速度の低下を抑制することができる。 The purity of sodium contained in the mixed melt 24 is preferably 99.95% or more. When the purity of sodium contained in the mixed melt 24 is 99.95% or more, it is possible to suppress generation of miscellaneous crystals on the surface of the mixed melt 24. Further, when the purity of sodium contained in the mixed melt 24 is 99.95% or more, it is possible to suppress a decrease in the crystal growth rate of the group 13 nitride crystal 32 that grows on the seed crystal 30.
本実施の形態では、混合融液24に含まれる13族金属として、少なくともガリウムを用いる場合を説明する。このため、本実施の形態では、混合融液24は、ナトリウム(Na)とガリウム(Ga)とを主成分とする融液であるものとして説明する。 In the present embodiment, a case where at least gallium is used as the group 13 metal contained in the mixed melt 24 will be described. For this reason, in this Embodiment, the mixed melt 24 demonstrates as what is a melt which has sodium (Na) and a gallium (Ga) as a main component.
なお、13族金属として、ホウ素、アルミニウム、インジウム等の他の13族金属を用いてもよいし、13族金属から選ばれる複数の金属の混合物を用いてもよい。 As the group 13 metal, another group 13 metal such as boron, aluminum, or indium may be used, or a mixture of a plurality of metals selected from the group 13 metal may be used.
また、本実施の形態で製造する13族窒化物単結晶40は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、およびこれらの混晶を意味する。 Further, the group 13 nitride single crystal 40 manufactured in the present embodiment means gallium nitride, aluminum nitride, indium nitride, or a mixed crystal thereof.
混合融液24に含まれる13族金属とアルカリ金属とのモル比は、特に限定されるものではないが、13族金属とアルカリ金属との総モル数に対するアルカリ金属のモル数の比率を、40モル%〜95モル%とすることが好ましい。 The molar ratio of the Group 13 metal and the alkali metal contained in the mixed melt 24 is not particularly limited, but the ratio of the number of moles of alkali metal to the total number of moles of Group 13 metal and alkali metal is 40. It is preferable to set it as mol%-95 mol%.
なお、混合融液24には、核発生の抑制される準安定領域を拡大する効果のある添加物や、n型ドーパント原料となる酸化ホウ素、酸化ガリウム等を適宜添加してもよい。 Note that an additive having an effect of expanding a metastable region in which nucleation is suppressed, boron oxide, gallium oxide, or the like serving as an n-type dopant material may be appropriately added to the mixed melt 24.
添加物は、例えば、フラックス中でCNイオンを形成して混合融液24内の窒素濃度を高める役割となる炭素(C)、窒素の取り込み量や混合融液24内の窒素溶解度を変える役割のあるLi、K等のアルカリ金属、Mg,Ca,Sr等のアルカリ土類金属、などである。 For example, the additive has a role of changing carbon (C), which forms CN ions in the flux to increase the nitrogen concentration in the mixed melt 24, and the amount of nitrogen taken up and the solubility of nitrogen in the mixed melt 24. Some alkaline metals such as Li and K, and alkaline earth metals such as Mg, Ca, and Sr.
n型ドーパントは、例えば、ゲルマニウム(Ge)等である。 The n-type dopant is, for example, germanium (Ge).
なお、混合融液24は、上述したように、原料を加熱することで得られる。言い換えると、原料は、混合融液24の原料である。このため、原料と混合融液24の構成成分は同じである。すなわち、本実施の形態では、原料は、13族金属としてガリウムと、アルカリ金属としてナトリウムと、を含む場合を説明する。 In addition, the mixed melt 24 is obtained by heating a raw material as mentioned above. In other words, the raw material is a raw material of the mixed melt 24. For this reason, the components of the raw material and the mixed melt 24 are the same. That is, in this embodiment, the case where the raw material contains gallium as a group 13 metal and sodium as an alkali metal will be described.
反応容器52の材質は特に限定しない。反応容器52の材質は、例えば、BN焼結体、P−BN等の窒化物、アルミナ、YAG等の酸化物、SiC等の炭化物等である。なお、反応容器52の内壁面、すなわち、反応容器52が混合融液24と接する部位は、混合融液24と反応し難い材質で構成されていることが望ましい。13族窒化物結晶32が窒化ガリウム結晶である場合、反応容器52の材質の例は、窒化ホウ素(BN)や、パイロリティックBN(P−BN)や、窒化アルミニウム等の窒化物や、アルミナ、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)等の酸化物、ステンレス鋼(SUS)等である。 The material of the reaction vessel 52 is not particularly limited. The material of the reaction vessel 52 is, for example, a BN sintered body, a nitride such as P-BN, an oxide such as alumina or YAG, or a carbide such as SiC. The inner wall surface of the reaction vessel 52, that is, the portion where the reaction vessel 52 is in contact with the mixed melt 24 is preferably made of a material that does not easily react with the mixed melt 24. When the group 13 nitride crystal 32 is a gallium nitride crystal, examples of the material of the reaction vessel 52 include nitrides such as boron nitride (BN), pyrolytic BN (P-BN), aluminum nitride, alumina, Examples thereof include oxides such as yttrium, aluminum, and garnet (YAG), stainless steel (SUS), and the like.
本実施の形態では、製造装置1は、撹拌機構42を備える。撹拌機構42は、反応容器52内の混合融液24を撹拌する機構である。 In the present embodiment, the manufacturing apparatus 1 includes a stirring mechanism 42. The stirring mechanism 42 is a mechanism for stirring the mixed melt 24 in the reaction vessel 52.
撹拌機構42は、反応容器52を回転または揺動させることで、反応容器52内に保持された混合融液24を撹拌する。 The stirring mechanism 42 agitates the mixed melt 24 held in the reaction vessel 52 by rotating or swinging the reaction vessel 52.
図2は、反応容器52を回転させる撹拌機構42としての、撹拌機構42Aの一例を示す模式図である。 FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a stirring mechanism 42 </ b> A as the stirring mechanism 42 that rotates the reaction vessel 52.
撹拌機構42Aは、ターンテーブル81と、支持部材82と、駆動部80と、を含む。 The stirring mechanism 42 </ b> A includes a turntable 81, a support member 82, and a drive unit 80.
ターンテーブル81は、水平面に沿った板面を有する板状部材である。ターンテーブル81は、反応容器52を、反応容器52の外側の底面を介して支持する。支持部材82は、ターンテーブル81の板面の中心を支持する。支持部材82は、鉛直方向に長い部材であり、長尺方向の一端部がターンテーブル81の板面の中心に接続され、他端が駆動部80に接続されている。駆動部80は、支持部材82を回転軸としてターンテーブル81を回転駆動する駆動部である。駆動部80は、制御部10に電気的に接続されており、制御部10の制御によってターンテーブル81を回転させる。 The turntable 81 is a plate-like member having a plate surface along a horizontal plane. The turntable 81 supports the reaction vessel 52 via the bottom surface outside the reaction vessel 52. The support member 82 supports the center of the plate surface of the turntable 81. The support member 82 is a member that is long in the vertical direction, one end in the longitudinal direction is connected to the center of the plate surface of the turntable 81, and the other end is connected to the drive unit 80. The drive unit 80 is a drive unit that rotationally drives the turntable 81 with the support member 82 as a rotation axis. The drive unit 80 is electrically connected to the control unit 10 and rotates the turntable 81 under the control of the control unit 10.
なお、コンタミネーション発生の抑制の観点から、駆動部80は、内部容器51または外部耐圧容器50の外部に配置することが好ましい。 Note that, from the viewpoint of suppressing the occurrence of contamination, the drive unit 80 is preferably disposed outside the internal container 51 or the external pressure resistant container 50.
制御部10は、駆動部80を制御することで、ターンテーブル81の回転方向および回転速度を制御する。このため、制御部10の制御によって駆動部80を駆動させることで、駆動部80の駆動力が支持部材82およびターンテーブル81を介して、ターンテーブル81上に設置された反応容器52へ伝わり、反応容器52が回転する(図2中、矢印A方向)。この反応容器52の回転に伴い、反応容器52内に保持された混合融液24が回転する。これによって、混合融液24が撹拌される。 The control unit 10 controls the drive unit 80 to control the rotation direction and the rotation speed of the turntable 81. For this reason, by driving the drive unit 80 under the control of the control unit 10, the driving force of the drive unit 80 is transmitted to the reaction vessel 52 installed on the turntable 81 via the support member 82 and the turntable 81, The reaction vessel 52 rotates (in the direction of arrow A in FIG. 2). As the reaction vessel 52 rotates, the mixed melt 24 held in the reaction vessel 52 rotates. Thereby, the mixed melt 24 is agitated.
図3は、反応容器52を揺動させる撹拌機構42としての、撹拌機構42Bの一例を示す模式図である。 FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a stirring mechanism 42B as the stirring mechanism 42 that swings the reaction vessel 52. As shown in FIG.
撹拌機構42Bは、湾曲部材86と、駆動部80と、支持部材84と、を含む。支持部材84の一端部は、例えば、反応容器52の外側の底部に接続されている。支持部材84の他端部は、支持部材84を所定方向(図3中、矢印B参考)に揺動可能に保持する湾曲した湾曲部材86で保持されている。この場合、駆動部80は、支持部材84を湾曲部材86の長尺方向に沿って揺動させる。駆動部80は、制御部10に信号授受可能に接続されている。 The stirring mechanism 42B includes a bending member 86, a drive unit 80, and a support member 84. One end of the support member 84 is connected to the bottom of the reaction vessel 52, for example. The other end of the support member 84 is held by a curved bending member 86 that holds the support member 84 so as to be swingable in a predetermined direction (see arrow B in FIG. 3). In this case, the drive unit 80 swings the support member 84 along the longitudinal direction of the bending member 86. The drive unit 80 is connected to the control unit 10 so as to be able to exchange signals.
制御部10の制御によって駆動部80を駆動させることで、支持部材84によって支持された反応容器52が、湾曲部材86の長尺方向に沿って矢印B方向に揺動する。これによって、反応容器52内の混合融液24が撹拌される。 By driving the drive unit 80 under the control of the control unit 10, the reaction vessel 52 supported by the support member 84 swings in the arrow B direction along the longitudinal direction of the bending member 86. Thereby, the mixed melt 24 in the reaction vessel 52 is stirred.
なお、混合融液24を撹拌する撹拌機構42の構成は、図2および図3に示す形態に限定されない。 In addition, the structure of the stirring mechanism 42 which stirs the mixed melt 24 is not limited to the form shown in FIG. 2 and FIG.
図1に戻り、製造装置1は、供給部48を備える。供給部48は、反応容器52内に窒素を供給する。 Returning to FIG. 1, the manufacturing apparatus 1 includes a supply unit 48. The supply unit 48 supplies nitrogen into the reaction vessel 52.
供給部48は、ガス供給管65、ガス供給管66、窒素供給管57、圧力制御装置56、バルブ55、ガス供給管54、ガス供給管60、圧力制御装置59、バルブ58、バルブ63、バルブ61、及びバルブ62を含む。 The supply unit 48 includes a gas supply pipe 65, a gas supply pipe 66, a nitrogen supply pipe 57, a pressure control device 56, a valve 55, a gas supply pipe 54, a gas supply pipe 60, a pressure control device 59, a valve 58, a valve 63, and a valve. 61 and a valve 62 are included.
ガス供給管65及びガス供給管66は、外部耐圧容器50と内部容器51に接続されている。ガス供給管65及びガス供給管66の各々は、外部耐圧容器50の内部空間67と内部容器51の内部空間68の各々に、13族窒化物単結晶40の原料である窒素(N2)ガスおよび全圧調整用の希釈ガスを供給する。 The gas supply pipe 65 and the gas supply pipe 66 are connected to the external pressure resistant container 50 and the internal container 51. Each of the gas supply pipe 65 and the gas supply pipe 66 includes nitrogen (N 2 ) gas, which is a raw material of the group 13 nitride single crystal 40, in each of the internal space 67 of the external pressure resistant container 50 and the internal space 68 of the internal container 51. And a dilution gas for adjusting the total pressure is supplied.
これらの窒素ガスおよび希釈ガスは、反応容器52内の気相22に供給される。 These nitrogen gas and dilution gas are supplied to the gas phase 22 in the reaction vessel 52.
希釈ガスとしては、不活性ガスのアルゴン(Ar)ガスを用いることが望ましいが、これに限定されず、その他のヘリウム(He)等の不活性ガスを希釈ガスとして用いてもよい。 As the diluent gas, it is desirable to use an argon (Ar) gas that is an inert gas, but the present invention is not limited to this, and other inert gases such as helium (He) may be used as the diluent gas.
窒素ガスは、窒素ガスのガスボンベ等と接続された窒素供給管57から供給されて、圧力制御装置56で圧力を調整された後、バルブ55を介してガス供給管54に供給される。一方、全圧調整用のガス(例えば、アルゴンガス)は、全圧調整用のガスのガスボンベ等と接続された全圧調整用のガス供給管60から供給されて、圧力制御装置59で圧力を調整された後、バルブ58を介してガス供給管54に供給される。このようにして圧力を調整された窒素ガスと全圧調整用のガスは、ガス供給管54にそれぞれ供給されて混合される。 Nitrogen gas is supplied from a nitrogen supply pipe 57 connected to a gas cylinder or the like of the nitrogen gas, the pressure is adjusted by the pressure control device 56, and then supplied to the gas supply pipe 54 through the valve 55. On the other hand, a gas for adjusting the total pressure (for example, argon gas) is supplied from a gas supply pipe 60 for adjusting the total pressure, which is connected to a gas cylinder for adjusting the total pressure, and the pressure is controlled by the pressure controller 59. After the adjustment, the gas is supplied to the gas supply pipe 54 through the valve 58. The nitrogen gas whose pressure is adjusted in this way and the gas for adjusting the total pressure are respectively supplied to the gas supply pipe 54 and mixed.
窒素および希釈ガスの混合ガスは、ガス供給管54から、バルブ63、ガス供給管65、バルブ61、ガス供給管66を経て、外部耐圧容器50および内部容器51内に供給される。なお、内部容器51はバルブ61部分で製造装置1から取り外すことが可能となっている。また、ガス供給管65は、バルブ62を介して外部に連通している。 A mixed gas of nitrogen and dilution gas is supplied from the gas supply pipe 54 through the valve 63, the gas supply pipe 65, the valve 61, and the gas supply pipe 66 into the external pressure resistant container 50 and the internal container 51. The inner container 51 can be detached from the manufacturing apparatus 1 at the valve 61 portion. Further, the gas supply pipe 65 communicates with the outside through a valve 62.
また、ガス供給管54には、圧力計64が設けられている。製造装置1では、制御部10が、圧力計64によって外部耐圧容器50と内部容器51内の全圧をモニターしながら、外部耐圧容器50および内部容器51内の圧力を調整する。 The gas supply pipe 54 is provided with a pressure gauge 64. In the manufacturing apparatus 1, the control unit 10 adjusts the pressures in the external pressure resistant container 50 and the internal container 51 while monitoring the total pressure in the external pressure resistant container 50 and the internal container 51 with the pressure gauge 64.
本実施の形態では、製造装置1は、このように窒素ガスおよび希釈ガスの圧力をバルブ55及びバルブ58と、圧力制御装置56及び圧力制御装置59と、によって調整することにより、窒素分圧を調整することができる。また、外部耐圧容器50と内部容器51の全圧を調整できるので、内部容器51内の全圧を高くして、反応容器52内のフラックス(たとえばナトリウム)の蒸発を抑制することができる。即ち、窒化ガリウムの結晶成長条件に影響を与える窒素原料となる窒素分圧と、ナトリウム等のフラックスの蒸発抑制に影響を与える全圧を、別々に制御する事が可能となっている。 In the present embodiment, the manufacturing apparatus 1 adjusts the pressures of the nitrogen gas and the dilution gas with the valve 55 and the valve 58, the pressure control device 56, and the pressure control device 59 in this way, thereby adjusting the nitrogen partial pressure. Can be adjusted. Moreover, since the total pressure of the external pressure-resistant container 50 and the internal container 51 can be adjusted, the total pressure in the internal container 51 can be increased and evaporation of the flux (for example, sodium) in the reaction container 52 can be suppressed. That is, it is possible to separately control the nitrogen partial pressure, which is a nitrogen raw material that affects the crystal growth conditions of gallium nitride, and the total pressure that affects the evaporation suppression of flux such as sodium.
なお、13族窒化物結晶32の結晶成長時における、内部容器51内の窒素分圧は、製造する13族窒化物結晶32のサイズなどによって決定され、その値は限定されない。内部容器51内の窒素分圧は、例えば、0.1MPa〜8MPaの範囲内とすることが好ましい。 The nitrogen partial pressure in the inner vessel 51 during the growth of the group 13 nitride crystal 32 is determined by the size of the group 13 nitride crystal 32 to be manufactured, and the value is not limited. The nitrogen partial pressure in the inner container 51 is preferably in the range of 0.1 MPa to 8 MPa, for example.
外部耐圧容器50内の内部容器51の外周には、第1加熱部70及び第2加熱部72が配置されている。本実施の形態では、第1加熱部70は、内部容器51の側面に沿って配置されている。第2加熱部72は、反応容器52の外側の底面側に配置されている。 A first heating unit 70 and a second heating unit 72 are disposed on the outer periphery of the inner container 51 in the outer pressure resistant container 50. In the present embodiment, the first heating unit 70 is disposed along the side surface of the inner container 51. The second heating unit 72 is disposed on the bottom surface side outside the reaction vessel 52.
第1加熱部70および第2加熱部72は、反応容器52を加熱する。これにより、反応容器52内の原料または原料が溶融した混合融液24を加熱する。また、これらの第1加熱部70および第2加熱部72による加熱温度を調整することで、混合融液24内に所望の温度分布を形成することも可能である。 The first heating unit 70 and the second heating unit 72 heat the reaction vessel 52. As a result, the raw material in the reaction vessel 52 or the mixed melt 24 in which the raw material is melted is heated. It is also possible to form a desired temperature distribution in the mixed melt 24 by adjusting the heating temperature by the first heating unit 70 and the second heating unit 72.
本実施の形態では、制御部10は、原料を結晶成長温度に加熱すると共に、結晶成長温度にまで加熱するときの原料(および/または原料が溶融した混合融液24)の昇温速度、および結晶成長後の結晶成長温度から降温するときの混合融液24の降温速度を調整するように、第1加熱部70及び第2加熱部72の各々を制御する。 In the present embodiment, the control unit 10 heats the raw material to the crystal growth temperature, the temperature rising rate of the raw material (and / or the mixed melt 24 in which the raw material is melted) when heating to the crystal growth temperature, and Each of the first heating unit 70 and the second heating unit 72 is controlled so as to adjust the temperature drop rate of the mixed melt 24 when the temperature is lowered from the crystal growth temperature after crystal growth.
―13族窒化物結晶の製造―
以下、製造装置1を用いた、13族窒化物単結晶40の製造方法について詳細に説明する。
―Manufacture of group 13 nitride crystals―
Hereinafter, the manufacturing method of the group 13 nitride single crystal 40 using the manufacturing apparatus 1 will be described in detail.
―配置工程―
本実施の形態の13族窒化物単結晶40の製造方法では、まず、配置工程を実行する。
―Placement process―
In the method for manufacturing group 13 nitride single crystal 40 of the present embodiment, first, the arranging step is executed.
配置工程は、種結晶30と、原料と、を反応容器52内に配置する工程である。本実施の形態では、種結晶30として、13族窒化物結晶からなり、結晶成長面Cの表面粗さRaが0.1μm以上5μm以下の種結晶30を用いる。 The arranging step is a step of arranging the seed crystal 30 and the raw material in the reaction vessel 52. In the present embodiment, a seed crystal 30 made of a group 13 nitride crystal and having a surface roughness Ra of 0.1 μm or more and 5 μm or less is used.
図4は、本実施の形態で用いる種結晶30の説明図である。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the seed crystal 30 used in the present embodiment.
図4(A)は、種結晶30の結晶成長面Cの電子顕微鏡写真である。図4(B)は、種結晶30の結晶成長面Cの、図4(A)より倍率の高い電子顕微鏡写真である。図4(C)は、種結晶30の断面における、結晶成長面Cの電子顕微鏡写真である。図4(D)は、種結晶30の断面における、結晶成長面Cを示す模式図である。 4A is an electron micrograph of the crystal growth surface C of the seed crystal 30. FIG. FIG. 4B is an electron micrograph of the crystal growth surface C of the seed crystal 30 having a higher magnification than that in FIG. FIG. 4C is an electron micrograph of the crystal growth surface C in the cross section of the seed crystal 30. FIG. 4D is a schematic diagram showing a crystal growth surface C in the cross section of the seed crystal 30.
図4に示すように、種結晶30の結晶成長面Cは、凹凸を有する。具体的には、種結晶30の結晶成長面Cは、表面粗さRaが0.1μm以上5μm以下の範囲の凹凸を有する。表面粗さRaは、JIS B0601で測定した値を用いる。 As shown in FIG. 4, the crystal growth surface C of the seed crystal 30 has irregularities. Specifically, the crystal growth surface C of the seed crystal 30 has irregularities with a surface roughness Ra in the range of 0.1 μm to 5 μm. As the surface roughness Ra, a value measured according to JIS B0601 is used.
結晶成長面Cの表面粗さRaは、上記範囲内であることが必須であるが、0.2μm以上2μm以下の範囲が好ましく、0.5μm以上1.0μm以下の範囲が更に好ましい。 The surface roughness Ra of the crystal growth surface C is indispensable within the above range, but is preferably in the range of 0.2 μm to 2 μm, and more preferably in the range of 0.5 μm to 1.0 μm.
結晶成長面Cの表面粗さRaを上記範囲とすることで、13族窒化物単結晶40の転位密度の低減を図ることができる。詳細には、結晶成長面Cの表面粗さRaが0.1μm以上であると、該結晶成長面Cを有する種結晶30から結晶成長する13族窒化物結晶32の転位密度の低減を図ることができる。また、結晶成長面Cの表面粗さRaが5μm以下であると、結晶成長する13族窒化物結晶32にクラックが発生することを抑制することができる。 By setting the surface roughness Ra of the crystal growth surface C in the above range, the dislocation density of the group 13 nitride single crystal 40 can be reduced. Specifically, when the surface roughness Ra of the crystal growth surface C is 0.1 μm or more, the dislocation density of the group 13 nitride crystal 32 that grows from the seed crystal 30 having the crystal growth surface C is reduced. Can do. Further, when the surface roughness Ra of the crystal growth surface C is 5 μm or less, it is possible to suppress the generation of cracks in the group 13 nitride crystal 32 where the crystal grows.
本実施の形態では、図4に示すように、種結晶30の結晶成長面Cは、平坦な平坦領域30A(例えば、+c面の平坦領域)と、上記表面粗さRaを実現する複数の凸部による凸部領域30Bと、によって構成されている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the crystal growth surface C of the seed crystal 30 includes a flat flat region 30A (for example, a flat region of the + c plane) and a plurality of protrusions that realize the surface roughness Ra. And a convex region 30 </ b> B.
平坦領域30Aは、例えば、+c面の領域である。凸部領域30Bは、平坦領域30Aから突出した凸部からなる領域である。すなわち、凸部領域30Bの表面は、平坦領域30Aである+c面とは異なる面方位の非+c面を含む。凸部領域30Bの表面における、平坦領域30Aに対して非直交する方向に連続する傾斜面は、例えば、{10−11}面からなる。 The flat region 30A is, for example, a + c plane region. The convex region 30B is a region composed of convex portions protruding from the flat region 30A. That is, the surface of the convex region 30B includes a non- + c surface having a plane orientation different from the + c surface that is the flat region 30A. The inclined surface that continues in the direction non-orthogonal to the flat region 30A on the surface of the convex region 30B is, for example, a {10-11} surface.
凸部領域30Bを構成する複数の凸部の各々の高さ(平坦領域30Aから凸部の頂点までの最短距離)は、上記表面粗さRaを実現可能な高さであればよい。例えば、凸部領域30Bを構成する複数の凸部の内、最も高さの高い凸部の高さは、例えば、0.5μm以上100μm以下であることが好ましく、1.0μm以上50μm以下であることが更に好ましい。 The height of each of the plurality of convex portions constituting the convex region 30B (the shortest distance from the flat region 30A to the apex of the convex portion) may be any height that can realize the surface roughness Ra. For example, the height of the highest convex portion among the plurality of convex portions constituting the convex region 30B is preferably 0.5 μm or more and 100 μm or less, for example, 1.0 μm or more and 50 μm or less. More preferably.
本実施の形態で用いる種結晶30の製造方法は限定されない。種結晶30は、例えば、サファイア基板のc面上に、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法を用いて13族窒化物結晶を成長させ、結晶成長条件を調整することで、結晶成長面Cの表面粗さRaが上記範囲を満たす種結晶30を作製すればよい。 The method for manufacturing seed crystal 30 used in the present embodiment is not limited. The seed crystal 30 is obtained by, for example, growing a group 13 nitride crystal on the c-plane of a sapphire substrate using a HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method and adjusting the crystal growth conditions, thereby adjusting the surface of the crystal growth surface C. A seed crystal 30 having a roughness Ra that satisfies the above range may be produced.
本実施の形態の製造方法における配置工程では、上記種結晶30を、反応容器52内に保持された混合融液24中に配置する。 In the arrangement step in the manufacturing method of the present embodiment, the seed crystal 30 is arranged in the mixed melt 24 held in the reaction vessel 52.
具体的には、上述した混合融液24の原料を反応容器52内に投入する。反応容器52に原料を投入する作業は、内部容器51を例えばアルゴンガスのような不活性ガス雰囲気とされたグローブボックスに入れて行う。この作業は、内部容器51に反応容器52を入れた状態で行ってもよい。そして、この反応容器52内に、種結晶30を設置する。 Specifically, the raw material of the mixed melt 24 described above is charged into the reaction vessel 52. The operation of charging the raw material into the reaction vessel 52 is performed by placing the inner vessel 51 in a glove box having an inert gas atmosphere such as argon gas. This operation may be performed with the reaction vessel 52 placed in the internal vessel 51. Then, the seed crystal 30 is installed in the reaction vessel 52.
このとき、反応容器52内に投入した原料が加熱されて混合融液24となったときの、混合融液24における気相22との気液界面A側に、結晶成長面Cが対向するように、反応容器52の内側の底部Bに種結晶30を配置する。 At this time, the crystal growth surface C faces the gas-liquid interface A side with the gas phase 22 in the mixed melt 24 when the raw material charged into the reaction vessel 52 is heated to become the mixed melt 24. The seed crystal 30 is disposed on the bottom B inside the reaction vessel 52.
―結晶成長工程―
結晶成長工程では、反応容器52内の原料が溶融して混合融液24となった状態で、混合融液24に気相22から窒素を溶解させ、結晶成長温度の混合融液24中に配置された種結晶30に13族窒化物結晶32を成長させる。
―Crystal growth process―
In the crystal growth step, in a state where the raw material in the reaction vessel 52 is melted to form the mixed melt 24, nitrogen is dissolved in the mixed melt 24 from the gas phase 22 and placed in the mixed melt 24 at the crystal growth temperature. A group 13 nitride crystal 32 is grown on the seed crystal 30.
詳細には、原料および種結晶30を内部に配置した反応容器52を製造装置1に配置する。そして、第1加熱部70および第2加熱部72に通電して、内部容器51およびその内部の反応容器52を加熱し、原料を結晶成長温度に加熱する。この結晶成長温度への加熱は、後述する昇温工程で行う。結晶成長温度は、例えば、750℃以上である。なお、内部容器51内の窒素分圧は、例えば、0.1MPa〜8MPaの範囲内とすることが好ましい。 Specifically, the reaction vessel 52 in which the raw material and the seed crystal 30 are arranged is arranged in the manufacturing apparatus 1. And it supplies with electricity to the 1st heating part 70 and the 2nd heating part 72, the internal container 51 and the reaction container 52 of the inside are heated, and a raw material is heated to crystal growth temperature. The heating to the crystal growth temperature is performed in a temperature raising process described later. The crystal growth temperature is, for example, 750 ° C. or higher. In addition, it is preferable that the nitrogen partial pressure in the inner container 51 is in a range of 0.1 MPa to 8 MPa, for example.
すると、後述する昇温工程において、反応容器52内において原料の13族金属、アルカリ金属、その他の添加物等が溶融し、混合融液24が形成される。結晶成長工程では、昇温工程によって原料が溶融して混合融液24となった状態で、供給部48によって混合融液24へ窒素を供給する。これにより、13族窒化物結晶32の原料である窒素を混合融液24中に供給する。 Then, in the temperature raising step described later, the raw material group 13 metal, alkali metal, other additives and the like are melted in the reaction vessel 52, and the mixed melt 24 is formed. In the crystal growth step, nitrogen is supplied to the mixed melt 24 by the supply unit 48 in a state where the raw material is melted by the temperature raising step to become the mixed melt 24. Thereby, nitrogen which is a raw material of the group 13 nitride crystal 32 is supplied into the mixed melt 24.
そして、混合融液24中に溶解している原料が種結晶30に供給されて、当該原料によって種結晶30の結晶成長面Cから13族窒化物結晶32が結晶成長する。このように、種結晶30の結晶成長面Cから13族窒化物結晶32が結晶成長することにより、13族窒化物単結晶40が得られる。 Then, the raw material dissolved in the mixed melt 24 is supplied to the seed crystal 30, and the group 13 nitride crystal 32 is grown from the crystal growth surface C of the seed crystal 30 by the raw material. Thus, the group 13 nitride crystal 32 is grown from the crystal growth surface C of the seed crystal 30, whereby the group 13 nitride single crystal 40 is obtained.
結晶成長工程は、制御部10による本体部12の制御によって行われる。すなわち、制御部10は、混合融液24中に窒素を溶解させ、結晶成長温度の混合融液24中に配置された種結晶30に13族窒化物結晶32を成長させるように、供給部48および加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)を制御する結晶成長制御を行う。これによって、種結晶30から13族窒化物結晶32が結晶成長し、13族窒化物単結晶40が得られる。 The crystal growth process is performed by controlling the main body 12 by the controller 10. That is, the control unit 10 dissolves nitrogen in the mixed melt 24 and supplies the supply unit 48 so that the group 13 nitride crystal 32 is grown on the seed crystal 30 disposed in the mixed melt 24 at the crystal growth temperature. And crystal growth control for controlling the heating units (the first heating unit 70 and the second heating unit 72). As a result, the group 13 nitride crystal 32 grows from the seed crystal 30 and the group 13 nitride single crystal 40 is obtained.
―温度調整工程―
温度調整工程は、昇温工程、および、降温工程、の少なくとも一方を含む。
―Temperature adjustment process―
The temperature adjustment step includes at least one of a temperature raising step and a temperature lowering step.
温度調整工程は、制御部10の制御によって行われる。制御部10は、昇温制御、および降温制御の少なくとも一方を行うように、加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)を制御する。 The temperature adjustment process is performed under the control of the control unit 10. The control unit 10 controls the heating units (the first heating unit 70 and the second heating unit 72) so as to perform at least one of temperature increase control and temperature decrease control.
―昇温工程―
昇温工程は、上記配置工程と上記結晶成長工程との工程間に行われる。本実施の形態の昇温工程は、150℃/時間以下の昇温速度で原料を結晶成長温度に昇温する。
―Temperature raising process―
The temperature raising step is performed between the placement step and the crystal growth step. In the heating step of the present embodiment, the temperature of the raw material is raised to the crystal growth temperature at a heating rate of 150 ° C./hour or less.
昇温工程の昇温速度は、上記昇温速度であることが必須であるが、20℃/時間以上150℃/時間以下であることが好ましく、25℃/時間以上100℃/時間以下であることが更に好ましく、25℃/時間以上50℃時間以下であることが特に好ましい。 The temperature increase rate in the temperature increasing step is essential to be the above temperature increase rate, but is preferably 20 ° C./hour or more and 150 ° C./hour or less, preferably 25 ° C./hour or more and 100 ° C./hour or less. More preferably, it is more preferably 25 ° C./hour or more and 50 ° C. or less.
上記昇温速度の昇温工程を含むことで、結晶成長面Cの凹凸部分への歪みの集中を抑制することができ、歪みの集中箇所を起点とするクラックの発生を抑制することができると考えられる。 By including the temperature raising step of the temperature raising rate, it is possible to suppress the concentration of strain on the uneven portion of the crystal growth surface C, and to suppress the generation of cracks starting from the strain concentration location. Conceivable.
昇温工程における昇温速度の調整は、第1加熱部70および第2加熱部72による原料の加熱速度を調整することで行えばよい。すなわち、制御部10が、150℃/時間以下の昇温速度で原料を結晶成長温度に昇温するように、加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)を制御する、昇温制御を行えばよい。この昇温工程において、原料の13族金属、アルカリ金属、その他の添加物等が溶融し、混合融液24が形成される。 The temperature increase rate in the temperature increase process may be adjusted by adjusting the heating rate of the raw material by the first heating unit 70 and the second heating unit 72. That is, the control unit 10 controls the heating unit (the first heating unit 70 and the second heating unit 72) so as to increase the temperature of the raw material to the crystal growth temperature at a temperature increase rate of 150 ° C./hour or less. Control may be performed. In this temperature raising step, the raw material group 13 metal, alkali metal, other additives and the like are melted to form a mixed melt 24.
なお、本実施の形態における昇温工程は、混合融液24を撹拌しながら行うことが好ましい。 In addition, it is preferable to perform the temperature raising process in the present embodiment while stirring the mixed melt 24.
混合融液24の撹拌は、制御部10による撹拌機構42の制御によって行えばよい。例えば、制御部10が駆動部80を制御することで、反応容器52を回転または揺動することで、反応容器52内の混合融液24を撹拌すればよい。すなわち、制御部10は、昇温制御において、混合融液24を撹拌する撹拌制御を実行するように、加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)および駆動部80を制御すればよい。 The mixed melt 24 may be stirred by the control of the stirring mechanism 42 by the control unit 10. For example, the control unit 10 controls the drive unit 80 to rotate or swing the reaction vessel 52 to stir the mixed melt 24 in the reaction vessel 52. That is, if the control part 10 controls the heating part (the 1st heating part 70, the 2nd heating part 72) and the drive part 80 so that stirring control which stirs the mixed melt 24 may be performed in temperature rising control. Good.
昇温工程における撹拌速度は限定されない。撹拌速度とは、具体的には、すなわち、混合融液24と、種結晶30および種結晶30から結晶成長した13族窒化物結晶32と、の回転速度差(相対速度)を示す。 The stirring speed in the temperature raising step is not limited. Specifically, the stirring speed indicates a rotational speed difference (relative speed) between the mixed melt 24 and the seed crystal 30 and the group 13 nitride crystal 32 grown from the seed crystal 30.
なお、混合融液24を激しく撹拌すると、雑結晶が発生する場合がある。このため、混合融液24の撹拌速度は、雑結晶の発生を抑制可能な速度とすることが好ましい。 When the mixed melt 24 is vigorously stirred, miscellaneous crystals may be generated. For this reason, it is preferable that the stirring speed of the mixed melt 24 be a speed at which generation of miscellaneous crystals can be suppressed.
また、昇温工程における撹拌速度は定速であってもよく、可変であってもよい。但し、昇温工程における撹拌速度は、可変とすることが好ましい。昇温工程における撹拌速度を可変とすることで、種結晶30および種結晶30から結晶成長した13族窒化物結晶32と、混合融液24と、の間の回転速度に差が生じた状態が維持されるように、反応容器52の加速、減速、反転などを含めた回転制御によって混合融液24を撹拌することが好ましい。また、撹拌は、原料などを加熱することで反応容器52内に混合融液24が形成された時点で混合融液24が撹拌されているように、反応容器52の回転制御を行うことが好ましい。 Further, the stirring speed in the temperature raising step may be constant or variable. However, the stirring speed in the temperature raising step is preferably variable. By changing the stirring speed in the temperature raising step, there is a state in which there is a difference in the rotational speed between the seed crystal 30 and the group 13 nitride crystal 32 grown from the seed crystal 30 and the mixed melt 24. It is preferable to agitate the mixed melt 24 by rotation control including acceleration, deceleration, inversion, and the like of the reaction vessel 52 so as to be maintained. In addition, the stirring is preferably performed by controlling the rotation of the reaction vessel 52 so that the mixed melt 24 is stirred when the mixed melt 24 is formed in the reaction vessel 52 by heating the raw materials and the like. .
また、昇温工程における撹拌速度を可変とする場合、昇温工程における、混合融液24の温度が混合融液24に含まれるアルカリ金属の融点付近である期間の撹拌速度を、該融点付近以外の温度である期間の撹拌速度より遅くなるように調整することが好ましい。 Further, when the stirring speed in the temperature raising step is variable, the stirring speed in the temperature raising step during the period in which the temperature of the mixed melt 24 is in the vicinity of the melting point of the alkali metal contained in the mixed melt 24 is other than the vicinity of the melting point. It is preferable to adjust so that it may become slower than the stirring speed of the period which is this temperature.
融点付近とは、例えば、混合融液24に含まれるアルカリ金属の融点±5℃を示す。 The vicinity of the melting point indicates, for example, the melting point of the alkali metal contained in the mixed melt 24 ± 5 ° C.
昇温工程を、混合融液24を撹拌しながら行うことで、混合融液24中の温度分布が均一となり、結晶成長する13族窒化物結晶32へのクラックの発生を更に抑制することができると考えられる。 By performing the temperature raising step while stirring the mixed melt 24, the temperature distribution in the mixed melt 24 becomes uniform, and the generation of cracks in the group 13 nitride crystal 32 in which crystals grow can be further suppressed. it is conceivable that.
―降温工程―
降温工程は、結晶成長工程の後に150℃/時間以下の降温速度で混合融液24を降温する工程である。
―Cooling process―
The temperature lowering step is a step of lowering the temperature of the mixed melt 24 at a temperature lowering rate of 150 ° C./hour or less after the crystal growth step.
降温工程の降温速度は、上記降温速度であることが必須であるが、20℃/時間以上150℃/時間以下であることが好ましく、25℃/時間以上100℃/時間以下であることが更に好ましく、25℃/時間以上50℃時間以下であることが特に好ましい。 The temperature lowering rate in the temperature lowering step is essential to be the above-mentioned temperature lowering rate, preferably 20 ° C./hour to 150 ° C./hour, more preferably 25 ° C./hour to 100 ° C./hour. It is particularly preferably 25 ° C./hour or more and 50 ° C. or less.
上記降温速度の降温工程を含むことで、種結晶30と結晶成長した13族窒化物結晶32との界面と、結晶成長した13族窒化物結晶32と、の熱膨張係数差や異方性によって発生する歪みを抑制することができる。 By including the temperature lowering step at the temperature lowering rate, the thermal expansion coefficient difference and anisotropy between the interface between the seed crystal 30 and the group-grown group 13 nitride crystal 32 and the group-grown nitride crystal 32 having the crystal growth are increased. The distortion which generate | occur | produces can be suppressed.
例えば、種結晶30の結晶成長面Cが、上記表面粗さRaを示し、且つ、+c面の平坦領域30Aと、非+c面の凸部領域30Bと、から構成される場合、結晶成長の初期には、{0001}成長と{10−11}成長とが複雑に入り組んだ結晶成長となる。 For example, when the crystal growth surface C of the seed crystal 30 exhibits the surface roughness Ra, and includes a flat region 30A having a + c plane and a convex region 30B having a non- + c plane, the initial stage of crystal growth Is a crystal growth in which {0001} growth and {10-11} growth are complicated.
この{0001}成長と{10−11}成長とが複雑に入り組んで成長した結晶領域を、種結晶30と13族窒化物結晶32との界面層と仮定する。この界面層は、結晶成長条件により数μmから100μm程度形成される。そして、結晶成長を続けると{0001}成長が支配的となり最終的には結晶の端部を除き{0001}成長した13族窒化物単結晶40が得られる。一方、結晶端部には、{10−11}結晶が成長する。 A crystal region in which the {0001} growth and {10-11} growth are complicatedly grown is assumed to be an interface layer between the seed crystal 30 and the group 13 nitride crystal 32. This interface layer is formed in the order of several μm to 100 μm depending on crystal growth conditions. Then, if the crystal growth is continued, {0001} growth becomes dominant, and finally a group 13 nitride single crystal 40 grown {0001} except for the end of the crystal is obtained. On the other hand, {10-11} crystal grows at the crystal edge.
ここで、結晶成長方向がかわると、結晶に取り込まれる不純物濃度も異なるものとなることが知られている。このため、界面層と、{0001}成長した13族窒化物結晶32による層と、では、熱膨張係数が異なり、また、異方性が生じる事が予想される。 Here, it is known that when the crystal growth direction is changed, the concentration of impurities taken into the crystal is also different. For this reason, it is expected that the interface layer and the layer of {0001} -grown group 13 nitride crystal 32 have different thermal expansion coefficients and anisotropy.
一方、上記降温速度の降温工程を含むことで、この界面層(すなわち、種結晶30と結晶成長した13族窒化物結晶32との界面)と、結晶成長した13族窒化物結晶32と、の熱膨張係数差や異方性によって発生する歪みを抑制することができると考えられる。このため、歪みに起因するクラックの発生を抑制することができると考えられる。 On the other hand, by including the temperature lowering step at the temperature lowering rate, the interface layer (that is, the interface between the seed crystal 30 and the group 13 nitride crystal 32 that has grown crystal) and the group 13 nitride crystal 32 that has grown crystal have It is thought that distortion generated by the difference in thermal expansion coefficient and anisotropy can be suppressed. For this reason, it is thought that generation | occurrence | production of the crack resulting from distortion can be suppressed.
降温工程における降温速度の調整は、第1加熱部70および第2加熱部72による混合融液24の加熱速度(冷却速度)を調整することで行えばよい。すなわち、制御部10が、150℃/時間以下の降温速度で混合融液24を降温するように、加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)を制御する、降温制御を行えばよい。 The temperature lowering rate in the temperature lowering step may be adjusted by adjusting the heating rate (cooling rate) of the mixed melt 24 by the first heating unit 70 and the second heating unit 72. That is, if the control unit 10 performs the temperature lowering control to control the heating unit (the first heating unit 70 and the second heating unit 72) so as to lower the temperature of the mixed melt 24 at a temperature lowering rate of 150 ° C./hour or less. Good.
なお、本実施の形態における降温工程は、混合融液24を撹拌しながら行うことが好ましい。 The temperature lowering step in the present embodiment is preferably performed while stirring the mixed melt 24.
混合融液24の撹拌は、制御部10による撹拌機構42の制御によって行えばよい。例えば、制御部10が駆動部80を制御することで、反応容器52を回転または揺動することで、反応容器52内の混合融液24を撹拌すればよい。すなわち、制御部10は、降温制御において、混合融液24を撹拌する撹拌制御を実行するように、加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)および駆動部80を制御すればよい。 The mixed melt 24 may be stirred by the control of the stirring mechanism 42 by the control unit 10. For example, the control unit 10 controls the drive unit 80 to rotate or swing the reaction vessel 52 to stir the mixed melt 24 in the reaction vessel 52. That is, the control unit 10 may control the heating unit (the first heating unit 70 and the second heating unit 72) and the driving unit 80 so as to execute the stirring control for stirring the mixed melt 24 in the temperature lowering control. .
降温工程における混合融液24の撹拌速度は限定されない。 The stirring speed of the mixed melt 24 in the temperature lowering step is not limited.
なお、混合融液24を激しく撹拌すると、雑結晶が発生する場合がある。このため、混合融液24の撹拌速度は、雑結晶の発生を抑制可能な速度の閾値以下とすることが好ましい。 When the mixed melt 24 is vigorously stirred, miscellaneous crystals may be generated. For this reason, it is preferable that the stirring speed of the mixed melt 24 be equal to or lower than a threshold value of a speed at which generation of miscellaneous crystals can be suppressed.
また、降温工程における撹拌速度は定速であってもよく、可変であってもよい。但し、降温工程における撹拌速度は、可変とすることが好ましい。降温工程における撹拌速度を可変とすることで、種結晶30および種結晶30から結晶成長した13族窒化物結晶32と、混合融液24と、の間の回転速度に差が生じた状態が維持されるように、反応容器52の加速、減速、反転などを含めた回転制御によって混合融液24を撹拌することが好ましい。 In addition, the stirring speed in the temperature lowering step may be constant or variable. However, the stirring speed in the temperature lowering step is preferably variable. By making the stirring speed in the temperature lowering process variable, a state in which a difference occurs in the rotational speed between the seed crystal 30 and the group 13 nitride crystal 32 grown from the seed crystal 30 and the mixed melt 24 is maintained. As described above, it is preferable to agitate the mixed melt 24 by rotation control including acceleration, deceleration, inversion, and the like of the reaction vessel 52.
また、降温工程における撹拌速度を可変とする場合、例えば、降温工程における混合融液24の温度が、混合融液24に含まれるGaとNaによる混晶の凝固点、およびNaの凝固点、の少なくとも一方の温度付近である期間の撹拌速度を、該温度付近以外の温度である期間の撹拌速度より遅くすることが好ましい。該温度付近とは、例えば、上記凝固点±5℃を示す。 When the stirring speed in the temperature lowering step is variable, for example, the temperature of the mixed melt 24 in the temperature lowering step is at least one of the freezing point of the mixed crystal of Ga and Na contained in the mixed melt 24 and the freezing point of Na. It is preferable that the stirring speed during the period near the temperature is lower than the stirring speed during the period other than the temperature. The vicinity of the temperature indicates, for example, the above freezing point ± 5 ° C.
上記降温工程を、混合融液24を撹拌しながら行うことで、反応容器52内の混合融液24の均熱性を高め、結晶成長する13族窒化物結晶32内の温度分布の低減を図ることができると考えられる。このため、13族窒化物結晶32へのクラックの発生を更に抑制することができると考えられる。 By performing the temperature lowering step while stirring the mixed melt 24, the temperature uniformity in the group 13 nitride crystal 32 in which the temperature of the mixed melt 24 in the reaction vessel 52 is improved and the crystal grows is reduced. It is thought that you can. For this reason, it is considered that generation of cracks in the group 13 nitride crystal 32 can be further suppressed.
次に、本実施の形態の製造装置1における制御部10が実行する製造処理の流れを説明する。 Next, the flow of the manufacturing process executed by the control unit 10 in the manufacturing apparatus 1 of the present embodiment will be described.
図7は、本実施の形態の制御部10が実行する製造処理の手順の一例を示すフローチャートである。図7では、一例として、昇温工程と、結晶成長工程と、降温工程と、を実行する場合を示した。なお、昇温工程の前に、ユーザによって、本実施の形態の上記種結晶30と原料とを用いた配置工程が行われているものとする。 FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of a manufacturing process procedure executed by the control unit 10 according to the present embodiment. In FIG. 7, as an example, a case where the temperature raising step, the crystal growth step, and the temperature lowering step are executed is shown. In addition, the arrangement | positioning process using the said seed crystal 30 of this Embodiment and the raw material shall be performed by the user before the temperature rising process.
まず、制御部10は、昇温制御を行う(ステップS100)。ステップS100では、制御部10は、150℃/時間以下の昇温速度で原料を結晶成長温度に昇温するように加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)を制御する。 First, the control unit 10 performs temperature increase control (step S100). In step S100, the control unit 10 controls the heating units (the first heating unit 70 and the second heating unit 72) so as to raise the temperature of the raw material to the crystal growth temperature at a temperature rising rate of 150 ° C./hour or less.
次に、制御部10は、結晶成長制御を行う(ステップS102)。ステップS102では、制御部10は、原料が溶融して混合融液24となった状態で、混合融液24中に気相22から窒素を溶解させ、結晶成長温度の混合融液24中に配置された種結晶30に13族窒化物結晶を成長させるように、供給部48および加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)を制御する。 Next, the control unit 10 performs crystal growth control (step S102). In step S102, the control unit 10 dissolves nitrogen from the gas phase 22 in the mixed melt 24 in a state where the raw material is melted to form the mixed melt 24, and arranges it in the mixed melt 24 at the crystal growth temperature. The supply unit 48 and the heating unit (the first heating unit 70 and the second heating unit 72) are controlled so that the group 13 nitride crystal is grown on the seed crystal 30 thus formed.
次に、制御部10は、降温制御を行う(ステップS104)。ステップS104では、制御部10は、150℃/時間以下の降温速度で混合融液24を降温する。 Next, the control part 10 performs temperature fall control (step S104). In step S104, the controller 10 lowers the temperature of the mixed melt 24 at a temperature lowering rate of 150 ° C./hour or less.
そして、本ルーチンを終了する。ステップ100〜ステップ104の処理が実行されることによって、本実施の形態の製造装置1は、転位密度の低減とクラックの低減の双方の実現された13族窒化物単結晶40を製造することができる。 Then, this routine ends. By performing the processing of step 100 to step 104, the manufacturing apparatus 1 of the present embodiment can manufacture the group 13 nitride single crystal 40 in which both the reduction of dislocation density and the reduction of cracks are realized. it can.
以上説明したように、本実施の形態の13族窒化物単結晶40の製造方法は、配置工程と、結晶成長工程と、温度調整工程と、を含む。 As described above, the method for manufacturing group 13 nitride single crystal 40 of the present embodiment includes the placement step, the crystal growth step, and the temperature adjustment step.
配置工程は、13族窒化物結晶からなり結晶成長面Cの表面粗さRaが0.1μm以上5μm以下の種結晶30と、アルカリ金属と13族金属を含む原料と、を反応容器52内に配置する工程である。結晶成長工程は、原料が溶融して混合融液24となった状態で、混合融液24に窒素を溶解させ、結晶成長温度の混合融液24中に配置された種結晶30に13族窒化物結晶32を成長させる工程である。温度調整工程は、昇温工程および降温工程の少なくとも一方を含む。昇温工程は、配置工程と結晶成長工程との工程間に150℃/時間以下の昇温速度で原料を結晶成長温度に昇温する工程である。降温工程は、結晶成長工程の後に150℃/時間以下の降温速度で混合融液24を降温する工程である。 In the arranging step, a seed crystal 30 made of a group 13 nitride crystal and having a crystal growth surface C with a surface roughness Ra of 0.1 μm or more and 5 μm or less, and a raw material containing an alkali metal and a group 13 metal are placed in the reaction vessel 52. It is a process of arranging. In the crystal growth step, nitrogen is dissolved in the mixed melt 24 in a state where the raw material is melted to form the mixed melt 24, and the seed crystal 30 disposed in the mixed melt 24 at the crystal growth temperature is subjected to group 13 nitridation. This is a process of growing the physical crystal 32. The temperature adjustment step includes at least one of a temperature raising step and a temperature lowering step. The temperature raising step is a step of raising the temperature of the raw material to the crystal growth temperature at a temperature raising rate of 150 ° C./hour or less between the arrangement step and the crystal growth step. The temperature lowering step is a step of lowering the temperature of the mixed melt 24 at a temperature lowering rate of 150 ° C./hour or less after the crystal growth step.
このように、本実施の形態の13族窒化物単結晶40の製造方法では、種結晶として結晶成長面Cの表面粗さRaが0.1μm以上5μm以下の種結晶30を用いてフラックス方法により結晶成長を行い、150℃/時間以下の昇温速度の昇温工程、および、150℃/時間以下の降温速度の降温工程、の少なくとも一方を含む。 Thus, in the manufacturing method of group 13 nitride single crystal 40 of the present embodiment, seed crystal 30 having a crystal growth surface C with a surface roughness Ra of 0.1 μm or more and 5 μm or less is used as a seed crystal by a flux method. Crystal growth is performed, and includes at least one of a temperature raising step with a temperature rising rate of 150 ° C./hour or less and a temperature lowering step with a temperature lowering rate of 150 ° C./hour or less.
従って、本実施の形態の13族窒化物単結晶40の製造方法では、転位密度の低減と、クラックの低減と、の双方を実現した13族窒化物単結晶40を製造することができる。 Therefore, in the manufacturing method of group 13 nitride single crystal 40 of the present embodiment, group 13 nitride single crystal 40 that realizes both a reduction in dislocation density and a reduction in cracks can be manufactured.
また、種結晶30の結晶成長面Cは、+c面の平坦領域30Aと、該平坦領域30Aから突出した複数の凸部からなる凸部領域30Bと、を含むことが好ましい。 The crystal growth surface C of the seed crystal 30 preferably includes a + c plane flat region 30A and a convex region 30B composed of a plurality of convex portions protruding from the flat region 30A.
また、昇温工程は、配置工程と結晶成長工程との工程間に、混合融液24を撹拌しながら、150℃/時間以下の昇温速度で結晶成長温度に昇温する工程であることが好ましい。 The temperature raising step may be a step of raising the temperature to the crystal growth temperature at a rate of temperature rise of 150 ° C./hour or less while stirring the mixed melt 24 between the arrangement step and the crystal growth step. preferable.
また、降温工程は、結晶成長工程の後に、混合融液24を撹拌しながら、150℃/時間以下の降温速度で混合融液24を降温する工程であることが好ましい。 The temperature lowering step is preferably a step of lowering the temperature of the mixed melt 24 at a temperature lowering rate of 150 ° C./hour or less while stirring the mixed melt 24 after the crystal growth step.
また、昇温工程における昇温速度は、100℃/時間以下であることが好ましい。また、降温工程における降温速度は、100℃/時間以下であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the temperature increase rate in a temperature increase process is 100 degrees C / hr or less. Moreover, it is preferable that the temperature-fall rate in a temperature-fall process is 100 degrees C / hour or less.
また、種結晶30の結晶成長面Cの表面粗さRaは、0.2μm以上2.0μm以下であることが好ましい。 Further, the surface roughness Ra of the crystal growth surface C of the seed crystal 30 is preferably 0.2 μm or more and 2.0 μm or less.
また、本実施の形態の13族窒化物単結晶40の製造装置1は、反応容器52と、供給部48と、加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)と、制御部10と、を備える。反応容器52は、13族窒化物結晶からなり結晶成長面Cの表面粗さRaが0.1μm以上5μm以下の種結晶30と、アルカリ金属と13族金属を含む原料と、を内側に保持する。供給部48は、反応容器52内に窒素を供給する。加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)は、反応容器52を加熱する。 Moreover, the manufacturing apparatus 1 of the group 13 nitride single crystal 40 of the present embodiment includes a reaction vessel 52, a supply unit 48, a heating unit (first heating unit 70, second heating unit 72), and the control unit 10. And comprising. The reaction vessel 52 holds a seed crystal 30 made of a group 13 nitride crystal and having a surface roughness Ra of 0.1 μm or more and 5 μm or less on the crystal growth surface C, and a raw material containing an alkali metal and a group 13 metal inside. . The supply unit 48 supplies nitrogen into the reaction vessel 52. The heating units (the first heating unit 70 and the second heating unit 72) heat the reaction vessel 52.
制御部10は、原料が溶融して混合融液24となった状態で、混合融液24中に窒素を溶解させ、結晶成長温度の混合融液24中に配置された種結晶30に13族窒化物結晶32を成長させるように供給部48および加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)を制御する結晶成長制御と、結晶成長制御の前に150℃/時間以下の昇温速度で原料を結晶成長温度に昇温する昇温制御、および結晶成長制御の後に150℃/時間以下の降温速度で混合融液24を降温する降温制御、の少なくとも一方を行うように加熱部(第1加熱部70、第2加熱部72)を制御する温度調整制御と、を行う。 The control unit 10 dissolves nitrogen in the mixed melt 24 in a state where the raw material is melted to form the mixed melt 24, and the group 13 is added to the seed crystal 30 arranged in the mixed melt 24 at the crystal growth temperature. Crystal growth control for controlling the supply unit 48 and the heating unit (the first heating unit 70 and the second heating unit 72) to grow the nitride crystal 32, and a temperature increase of 150 ° C./hour or less before the crystal growth control A heating section (at least one of temperature raising control for raising the temperature of the raw material to the crystal growth temperature at a speed and temperature lowering control for lowering the temperature of the mixed melt 24 at a temperature lowering speed of 150 ° C./hour or less after the crystal growth control ( Temperature adjustment control for controlling the first heating unit 70 and the second heating unit 72) is performed.
図8は、本実施の形態の製造装置1における制御部10のハードウェア構成図である。 FIG. 8 is a hardware configuration diagram of the control unit 10 in the manufacturing apparatus 1 of the present embodiment.
制御部10は、ハードウェア構成として、装置全体を制御するCPU501と、各種データや各種プログラムを記憶するROM502と、インターフェース部(I/F部)504と、がバス505を介して接続されており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。I/F部504には、本体部12や、公知の表示装置や、キーボードなどの操作部などが接続される。 The control unit 10 includes, as a hardware configuration, a CPU 501 that controls the entire apparatus, a ROM 502 that stores various data and various programs, and an interface unit (I / F unit) 504 that are connected via a bus 505. The hardware configuration uses a normal computer. The I / F unit 504 is connected to the main body unit 12, a known display device, an operation unit such as a keyboard, and the like.
上記実施の形態の制御部10における上記処理を実行するためのプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD−ROM、フロッピー(登録商標)ディスク(FD)、CD−R、DVD(Digital Versatile Disk)等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されてコンピュータプログラムプロダクトとして提供される。 A program for executing the above-described processing in the control unit 10 of the above-described embodiment is a file in an installable format or an executable format, such as a CD-ROM, a floppy (registered trademark) disk (FD), a CD-R, a DVD. It is recorded on a computer-readable recording medium such as (Digital Versatile Disk) and provided as a computer program product.
また、上記実施の形態の制御部10における上記処理を実行するためのプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、上記実施の形態の制御部10における上記処理を実行するためのプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。 In addition, the program for executing the above-described processing in the control unit 10 of the above-described embodiment may be provided by being stored on a computer connected to a network such as the Internet and downloaded via the network. Good. In addition, a program for executing the above processing in the control unit 10 of the above embodiment may be provided or distributed via a network such as the Internet.
また、上記実施の形態の制御部10における上記処理を実行するためのプログラムを、ROM等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。 In addition, a program for executing the above-described processing in the control unit 10 of the above-described embodiment may be configured to be provided by being incorporated in advance in a ROM or the like.
なお、本発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。また、種々の変形が可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined. Various modifications are possible.
以下に本発明をさらに詳細に説明するために実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、符号は、上記実施の形態で説明した製造装置1の構成と対応している。 Examples are shown below to describe the present invention in more detail, but the present invention is not limited to these Examples. In addition, the code | symbol respond | corresponds with the structure of the manufacturing apparatus 1 demonstrated in the said embodiment.
―種結晶および比較種結晶の作製―
種結晶30を作製した。まず、φ2インチのサファイア基板を用意し、サファイア基板のc面上にHVPE法でGaN結晶を成長させた。結晶成長後に、サファイア基板を剥離することで、結晶成長したGaN結晶による種結晶30を作製した。
-Preparation of seed crystals and comparative seed crystals-
A seed crystal 30 was produced. First, a φ2 inch sapphire substrate was prepared, and a GaN crystal was grown on the c-plane of the sapphire substrate by the HVPE method. After crystal growth, the sapphire substrate was peeled off to produce a seed crystal 30 of crystal-grown GaN crystal.
作製した種結晶30の結晶成長面Cを電子顕微鏡で観察したところ、平坦な+c面による平坦領域30Aと、非+c面を含む複数の凸部による凸部領域30Bと、が形成されていた(図4参照)。 When the crystal growth surface C of the produced seed crystal 30 was observed with an electron microscope, a flat region 30A composed of a flat + c surface and a convex region 30B composed of a plurality of convex portions including a non- + c surface were formed ( (See FIG. 4).
なお、サファイア基板へのGaN結晶の結晶成長条件を調整することで、結晶成長面Cの表面粗さRaが0.1μm以上5μm以下の範囲の種結晶30を複数種類と、結晶成長面Cの表面粗さRaが該範囲(0.1μm以上5μm以下の範囲)外である比較種結晶を複数種類と、を作製した。Raは結晶成長面C全体で該範囲を満足することが望ましい。 It should be noted that by adjusting the crystal growth conditions of the GaN crystal on the sapphire substrate, a plurality of types of seed crystals 30 in which the surface roughness Ra of the crystal growth surface C is in the range of 0.1 μm to 5 μm are obtained. A plurality of types of comparative seed crystals having a surface roughness Ra outside the range (range of 0.1 μm or more and 5 μm or less) were prepared. It is desirable that Ra satisfies this range over the entire crystal growth surface C.
なお、表面粗さRaの異なる作製した複数種類の種結晶30および比較種結晶の各々の外形を加工し、φ2インチの円盤状とした、また、表面粗さRaの異なる作製した複数種類の種結晶30および比較種結晶の各々の結晶成長面の中心の、m軸<10−10>に対するオフ角(傾斜角)は、0.3°であった。また、種結晶30および比較種結晶の厚みは、300μm〜400μmであった。 It should be noted that the plurality of types of seed crystals 30 and comparative seed crystals produced with different surface roughness Ra were processed into a disk shape of φ2 inches, and a plurality of types of seeds produced with different surface roughness Ra. The off-angle (tilt angle) with respect to the m-axis <10-10> at the center of the crystal growth surface of each of the crystal 30 and the comparative seed crystal was 0.3 °. The thickness of the seed crystal 30 and the comparative seed crystal was 300 μm to 400 μm.
表面粗さRaの異なる複数種類の種結晶30および比較種結晶の各々の結晶成長面Cの表面粗さRaは、接触膜厚計(Tencor社製触針式表面粗さ計 P10、JIS B0601)で測定した。Raの測定長さは10mmとし、種結晶30の結晶成長面Cの5箇所を測定した。測定したRaを元に、5箇所の表面粗さRaが表1のようなRaの範囲を満足する種結晶を選定した。Raで分類した範囲ごとに10個の種結晶を準備し、以下の実施例及び比較例は10個の種結晶を同条件で実験した。 The surface roughness Ra of the crystal growth surface C of each of a plurality of types of seed crystals 30 and comparative seed crystals having different surface roughness Ra is a contact film thickness meter (tencor stylus type surface roughness meter P10, JIS B0601). Measured with The measurement length of Ra was 10 mm, and five locations on the crystal growth surface C of the seed crystal 30 were measured. Based on the measured Ra, seed crystals having surface roughness Ra at five locations satisfying the range of Ra as shown in Table 1 were selected. Ten seed crystals were prepared for each range classified by Ra. In the following examples and comparative examples, 10 seed crystals were tested under the same conditions.
(実施例1)
本実施例1では、撹拌機構42として、反応容器52を回転することで混合融液24を撹拌する撹拌機構42Aを備えた製造装置1を用いて、13族窒化物単結晶40の製造を行った。
Example 1
In Example 1, the group 13 nitride single crystal 40 is manufactured by using the manufacturing apparatus 1 provided with the stirring mechanism 42A that stirs the mixed melt 24 by rotating the reaction vessel 52 as the stirring mechanism 42. It was.
―配置工程―
図1に示す製造装置1により、配置工程を行った。なお、配置工程では、アルカリ金属としてナトリウムを用い、13族金属としてガリウムを用いた。そして、GaN(窒化ガリウム)単結晶を、13族窒化物単結晶として製造した。
―Placement process―
The placement process was performed by the manufacturing apparatus 1 shown in FIG. In the arrangement step, sodium was used as the alkali metal and gallium was used as the group 13 metal. Then, a GaN (gallium nitride) single crystal was manufactured as a group 13 nitride single crystal.
まず、内部容器51をバルブ61部分で製造装置1から分離し、高純度のAr雰囲気のグローブボックスに入れた。次いで、内部容器51内の反応容器52として、アルミナからなる内径92mm、深さ120mmの第1の反応容器52Aを用意した。 First, the inner container 51 was separated from the manufacturing apparatus 1 at the valve 61 portion and placed in a glove box having a high-purity Ar atmosphere. Next, as the reaction vessel 52 in the inner vessel 51, a first reaction vessel 52A made of alumina having an inner diameter of 92 mm and a depth of 120 mm was prepared.
そして、上記作製した種結晶30および比較種結晶の内、結晶成長面Cの5箇所の表面粗さRaが0.1μm以上0.2μm以下の範囲の種結晶30を、反応容器52内に設置した。 And among the produced seed crystal 30 and the comparative seed crystal, the seed crystal 30 having a surface roughness Ra in the range of 0.1 μm or more and 0.2 μm or less at five locations on the crystal growth surface C is placed in the reaction vessel 52. did.
次に、フラックスとして、ナトリウム(Na)を加熱して液体にして反応容器52内に入れた。ナトリウムが固化した後、ガリウム(Ga)とカーボン(C)とゲルマニウム(Ge)を入れた。 Next, as a flux, sodium (Na) was heated to be a liquid and placed in the reaction vessel 52. After sodium solidified, gallium (Ga), carbon (C), and germanium (Ge) were added.
本実施例では、ガリウムとナトリウムとのモル比を0.30:0.70とした。カーボンは、ガリウムとナトリウムのモル数に対して、1.0at%とした。ゲルマニウムは、ガリウムのモル数に対して、2.0at%とした。これにより、原料を調整した。すなわち、反応容器52内に、結晶成長面Cの5箇所の表面粗さRaが0.1μm以上0.2μm以下の範囲の種結晶30を配置した。 In this example, the molar ratio of gallium to sodium was 0.30: 0.70. Carbon was 1.0 at% relative to the number of moles of gallium and sodium. Germanium was set to 2.0 at% with respect to the number of moles of gallium. This adjusted the raw material. That is, seed crystals 30 having a surface roughness Ra in a range of 0.1 μm or more and 0.2 μm or less at five locations on the crystal growth surface C were arranged in the reaction vessel 52.
―昇温工程―
次に、反応容器52を内部容器51内に収容し、グローブボックスから取り出して、外部耐圧容器50内に組み込んだ。なお、反応容器52は、ターンテーブル81上に設置した。そして、バルブ61を閉じてArガスが充填された内部容器51を密閉し、反応容器52内部を外部雰囲気と遮断した。次に、内部容器51をグローブボックスから出して、製造装置1に組み込んだ。すなわち、反応容器52を、第1加熱部70、第2加熱部72、およびターンテーブル81に対して所定の位置に設置し、バルブ61部分でガス供給管54に接続した。
―Temperature raising process―
Next, the reaction vessel 52 was accommodated in the inner vessel 51, taken out from the glove box, and incorporated in the outer pressure resistant vessel 50. The reaction vessel 52 was installed on the turntable 81. And the valve | bulb 61 was closed and the inner container 51 filled with Ar gas was sealed, and the inside of the reaction container 52 was interrupted | blocked from external atmosphere. Next, the inner container 51 was taken out of the glove box and incorporated in the manufacturing apparatus 1. That is, the reaction vessel 52 was installed at a predetermined position with respect to the first heating unit 70, the second heating unit 72, and the turntable 81, and connected to the gas supply pipe 54 at the valve 61 portion.
内部容器51を外部耐圧容器50に取り付けることによって、外部耐圧容器50内は外部雰囲気から遮断された。 By attaching the internal container 51 to the external pressure resistant container 50, the inside of the external pressure resistant container 50 was shut off from the external atmosphere.
次に、バルブ61とバルブ63の間の配管内と外部耐圧容器50内の真空引きと、窒素導入と、を、バルブ62を介して10回繰り返した。なお、バルブ63はあらかじめ閉じておいた。その後、バルブ62を閉じ、バルブ61とバルブ63とバルブ58とを開け、全圧調整用のガス供給管60からArガスを入れた。また、圧力制御装置59で圧力を調整し、外部耐圧容器50内と内部容器51内の全圧を1.1MPaにし、バルブ58を閉じた。 Next, the evacuation in the piping between the valve 61 and the valve 63 and the external pressure vessel 50 and the introduction of nitrogen were repeated 10 times via the valve 62. The valve 63 was closed in advance. Thereafter, the valve 62 was closed, the valve 61, the valve 63, and the valve 58 were opened, and Ar gas was introduced from the gas supply pipe 60 for adjusting the total pressure. Further, the pressure was adjusted by the pressure control device 59, the total pressure in the external pressure resistant container 50 and the internal container 51 was set to 1.1 MPa, and the valve 58 was closed.
そして、窒素供給管57から窒素ガスを入れ、圧力制御装置56で圧力を調整してバルブ55を開け、外部耐圧容器50と内部容器51内の全圧を2.1MPaにした。すなわち、外部耐圧容器50の内部空間67と、内部容器51の内部空間68および反応容器52内の内部空間である気相22の各々の窒素分圧は、1.0MPaとなった。 Then, nitrogen gas was introduced from the nitrogen supply pipe 57, the pressure was adjusted by the pressure control device 56, the valve 55 was opened, and the total pressure in the external pressure vessel 50 and the internal vessel 51 was set to 2.1 MPa. That is, the nitrogen partial pressures of the internal space 67 of the external pressure vessel 50, the internal space 68 of the internal vessel 51, and the gas phase 22 that is the internal space of the reaction vessel 52 were 1.0 MPa.
次に、第1加熱部70および第2加熱部72の各々に通電し、反応容器52内の混合融液24を結晶成長温度(890℃)にまで昇温させた。 Next, each of the first heating unit 70 and the second heating unit 72 was energized to raise the temperature of the mixed melt 24 in the reaction vessel 52 to the crystal growth temperature (890 ° C.).
このとき、制御部10の制御によって第1加熱部70および第2加熱部72による混合融液24の昇温速度が、150℃/時間となるように調整し、結晶成長温度(890℃)まで該昇温速度で原料を昇温した。 At this time, the temperature increase rate of the mixed melt 24 by the first heating unit 70 and the second heating unit 72 is adjusted to 150 ° C./hour under the control of the control unit 10, up to the crystal growth temperature (890 ° C.). The raw material was heated at the rate of temperature increase.
なお、結晶成長温度における、外部耐圧容器50と内部容器51内の各々の窒素分圧は、3.8MPaであった。 The nitrogen partial pressures in the external pressure vessel 50 and the internal vessel 51 at the crystal growth temperature were 3.8 MPa.
また、本実施例1では、昇温工程において混合融液24の撹拌を行った。具体的には、制御部10によってターンテーブル81の回転を制御することで、反応容器52を回転させた。このとき、結晶成長中において、混合融液24と種結晶30との間に相対速度が発生するように(すなわち、回転速度差が発生するように)、ターンテーブル81の加速、回転、減速、停止、を繰り返し行った。 In Example 1, the mixed melt 24 was stirred in the temperature raising step. Specifically, the reaction vessel 52 was rotated by controlling the rotation of the turntable 81 by the control unit 10. At this time, during crystal growth, the turntable 81 is accelerated, rotated, decelerated so that a relative speed is generated between the mixed melt 24 and the seed crystal 30 (that is, a rotational speed difference is generated). The stop was repeated.
―結晶成長工程―
次に、バルブ55を開け、圧力を8MPaとした。これにより、結晶成長によって消費された窒素が反応容器52内に供給され、常に窒素分圧を一定(本実施例では3.8MPa)に保持しておくことができる。この状態で、反応容器52を80時間保持し(結晶成長時間を80時間とし)、種結晶30上に13族窒化物結晶32を成長させた。
―Crystal growth process―
Next, the valve 55 was opened and the pressure was set to 8 MPa. Thereby, nitrogen consumed by crystal growth is supplied into the reaction vessel 52, and the nitrogen partial pressure can always be kept constant (3.8 MPa in this embodiment). In this state, the reaction vessel 52 was held for 80 hours (the crystal growth time was 80 hours), and the group 13 nitride crystal 32 was grown on the seed crystal 30.
なお、本実施例では、結晶成長工程においても、撹拌機構42による混合融液24の撹拌を継続して行った。撹拌は、昇温工程と同様である。 In this example, the mixed melt 24 was continuously stirred by the stirring mechanism 42 even in the crystal growth step. Stirring is the same as in the temperature raising step.
―降温工程―
次に、100℃/時の降温速度で混合融液24を降温した。混合融液24の降温速度は、制御部10の制御によって第1加熱部70および第2加熱部72による混合融液24の降温速度を調整することで、100℃/時の降温速度となるように調整した。
―Cooling process―
Next, the temperature of the mixed melt 24 was decreased at a temperature decrease rate of 100 ° C./hour. The temperature drop rate of the mixed melt 24 is adjusted to the temperature drop rate of 100 ° C./hour by adjusting the temperature drop rate of the mixed melt 24 by the first heating unit 70 and the second heating unit 72 under the control of the control unit 10. Adjusted.
また、本実施例では、降温工程において、撹拌機構42による混合融液24の撹拌を継続して行った。撹拌は、昇温工程と同様である。 In the present example, the mixed melt 24 was continuously stirred by the stirring mechanism 42 in the temperature lowering step. Stirring is the same as in the temperature raising step.
降温工程によって室温まで混合融液24を降温した後に、反応容器52から13族窒化物単結晶40を取り出した。取り出した13族窒化物単結晶40の直径はφ52mm、厚みは約1.1mmであった。 After the temperature of the mixed melt 24 was lowered to room temperature by the temperature lowering step, the group 13 nitride single crystal 40 was taken out from the reaction vessel 52. The taken out group 13 nitride single crystal 40 had a diameter of 52 mm and a thickness of about 1.1 mm.
―評価―
本実施例で作製した13族窒化物単結晶40について、クラックおよび転位密度の評価を行った。
―Evaluation―
The group 13 nitride single crystal 40 produced in this example was evaluated for cracks and dislocation density.
――結晶成長前クラック――
作製した13族窒化物単結晶40について、13族窒化物結晶32の結晶成長前に発生したクラックを評価した。
--Crack before crystal growth--
The produced group 13 nitride single crystal 40 was evaluated for cracks generated before crystal growth of the group 13 nitride crystal 32.
なお、「結晶成長前」とは、種結晶30から13族窒化物結晶32の結晶成長が開始される直前を意味する。また、「結晶成長前に発生したクラック」とは、種結晶30から13族窒化物結晶32の結晶成長が開始される前に、種結晶30に発生したクラックを意味する。種結晶30に発生した「結晶成長前に発生したクラック」は、種結晶30から成長した13族窒化物結晶32にも引き継がれる。 “Before crystal growth” means immediately before the crystal growth of the group 13 nitride crystal 32 from the seed crystal 30 is started. The “crack generated before crystal growth” means a crack generated in the seed crystal 30 before crystal growth of the group 13 nitride crystal 32 from the seed crystal 30 is started. The “crack generated before crystal growth” generated in the seed crystal 30 is inherited by the group 13 nitride crystal 32 grown from the seed crystal 30.
図5は、結晶成長前に発生したクラックKを含む13族窒化物単結晶40の一例を示す図である。図5に示すように、13族窒化物単結晶40には、中央付近を横断する大きなクラックKがある。このクラックKの周辺には、黒い結晶が成長していることから、この黒い結晶の部分は、種結晶30または種結晶30から結晶成長した13族窒化物結晶32の側面と同じ{10−11}成長した結晶であると推測される。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a group 13 nitride single crystal 40 including cracks K generated before crystal growth. As shown in FIG. 5, the group 13 nitride single crystal 40 has a large crack K that crosses the vicinity of the center. Since a black crystal grows around the crack K, this black crystal portion is the same as the side surface of the seed crystal 30 or the group 13 nitride crystal 32 crystal-grown from the seed crystal 30 {10-11. } Presumed to be a grown crystal.
{10−11}成長は、種結晶30の端面(種結晶30における、結晶成長面Cに連続する側面)から成長することが知られている。このため、このような、周辺に黒い結晶の成長の見られるクラックKは、結晶成長前に発生したクラックであると判断できる。 It is known that {10-11} growth grows from an end face of the seed crystal 30 (a side face continuous with the crystal growth face C in the seed crystal 30). For this reason, it can be judged that such a crack K in which black crystal growth is seen in the periphery is a crack generated before crystal growth.
作製した10個の13族窒化物単結晶40のうち結晶成長前クラックが有った基板の枚数をクラック率とし、クラック率が0%である場合をクラックの低減効果の評価の最も高い(クラックの最も少ない、最も良好な)評価「1」とし、クラック率が0%より大きく20%以下である場合を、クラックの低減効果の評価が中程度の評価「2」とし、クラック率が20%を超える場合をクラックの低減効果の評価の最も低い評価「3」として評価した。評価結果を表1に示した。 Of the 10 Group 13 nitride single crystals 40 produced, the number of substrates with cracks before crystal growth was taken as the crack rate, and the crack rate was 0% when the crack reduction effect was highest (crack The evaluation of “1” with the smallest and most favorable) is “1” and the crack rate is greater than 0% and 20% or less. The case of exceeding 3 was evaluated as “3”, which is the lowest evaluation of the crack reduction effect. The evaluation results are shown in Table 1.
――結晶成長後クラック――
作製した13族窒化物単結晶40について、13族窒化物結晶32の結晶成長後に発生したクラックを評価した。
--Crack after crystal growth--
The produced group 13 nitride single crystal 40 was evaluated for cracks generated after crystal growth of the group 13 nitride crystal 32.
なお、「結晶成長後」とは、結晶成長工程の後、を意味する。また、「結晶成長後に発生したクラック」とは、結晶成長工程の後に、該結晶成長工程で結晶成長した13族窒化物結晶32に発生したクラック、を意味する。 Note that “after crystal growth” means after the crystal growth step. The term “crack generated after crystal growth” means a crack generated in the group 13 nitride crystal 32 that has been crystal-grown in the crystal growth step after the crystal growth step.
図6は、結晶成長後に発生したクラックK’を含む13族窒化物単結晶40の一例を示す図である。図6に示すように、13族窒化物単結晶40には、横方向に入ったクラックK’が存在する。このクラックK’は、図5を用いて説明した、結晶成長前に発生したクラックKと違い、{10−11}成長した痕跡が見当たらない。すなわちこのクラックK’は、結晶成長後に入ったと推察される。 FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a group 13 nitride single crystal 40 including a crack K ′ generated after crystal growth. As shown in FIG. 6, the group 13 nitride single crystal 40 has a crack K ′ entering in the lateral direction. Unlike the crack K generated before crystal growth described with reference to FIG. 5, the crack K ′ does not show any trace of {10-11} growth. That is, it is inferred that this crack K 'has entered after crystal growth.
このため、このような、周辺に黒い結晶の成長の見られないクラックK’は、結晶成長後に発生したクラックであると判断できる。 For this reason, it can be determined that such a crack K ′ in which no black crystal grows in the vicinity is a crack generated after crystal growth.
作製した10個の13族窒化物単結晶40のうち結晶成長後クラックが有った基板の枚数をクラック率とし、クラック率が0%である場合をクラックの低減効果の評価の最も高い(クラックの最も少ない、最も良好な)評価「1」とし、クラック率が0%より大きく20%以下である場合を、クラックの低減効果の評価が中程度の評価「2」とし、クラック率が20%を超える場合をクラックの低減効果の評価の最も低い評価「3」として評価した。評価結果を表1に示した。 Of the 10 Group 13 nitride single crystals 40 produced, the number of substrates with cracks after crystal growth was defined as the crack rate, and the crack rate was 0% when the crack reduction effect was highest (crack The evaluation of “1” with the smallest and most favorable) is “1” and the crack rate is greater than 0% and 20% or less. The case of exceeding 3 was evaluated as “3”, which is the lowest evaluation of the crack reduction effect. The evaluation results are shown in Table 1.
―転位密度―
作製した13族窒化物単結晶40について、クラックが入っている場合にはクラックの入っていない部分を切出した。そして、切出した13族窒化物単結晶40の両面を研削して平坦にした後、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨し、最後にCMPを行いて、c面を主面とする13族窒化物単結晶40とした。
―Dislocation density―
About the produced group 13 nitride single crystal 40, when there was a crack, the part which does not have a crack was cut out. Then, both surfaces of the cut group 13 nitride single crystal 40 are ground and flattened, and then polished using diamond abrasive grains. Finally, CMP is performed, and the group 13 nitride single crystal having the c-plane as the main surface is obtained. Crystal 40 was obtained.
そして、13族窒化物単結晶40の主面(種結晶30における、結晶成長面Cに略平行な+c面)について、CL(Cathode Luminescence)法を用いて転位密度を評価した。なお、CLの一視野が約100μm×100μm大となる倍率で観察を行い、100μm×100μmのダークスポットの数から転位密度を算出した。そして、該主面における異なる位置の10視野の転位密度の平均値を、作製した13族窒化物単結晶40の転位密度として算出した。算出結果を表1に示した。 Then, the dislocation density of the main surface of the group 13 nitride single crystal 40 (the + c surface in the seed crystal 30 substantially parallel to the crystal growth surface C) was evaluated using a CL (Cathode Luminescence) method. Observation was performed at a magnification at which one visual field of CL was about 100 μm × 100 μm larger, and the dislocation density was calculated from the number of dark spots of 100 μm × 100 μm. And the average value of the dislocation density of 10 visual fields at different positions on the main surface was calculated as the dislocation density of the produced group 13 nitride single crystal 40. The calculation results are shown in Table 1.
(実施例2〜実施例17、比較例1〜比較例13)
用いる種結晶30または比較種結晶、昇温工程における昇温速度、昇温工程における撹拌の有無、降温工程における降温速度、および降温工程における撹拌の有無の組合せを、表1に示す組合せに替えた以外は、実施例1と同様にして13族窒化物単結晶を製造し、実施例1と同様にして、クラックおよび転位密度を評価した。評価結果を表1に示した。
(Example 2 to Example 17, Comparative Example 1 to Comparative Example 13)
The combination of the seed crystal 30 or the comparative seed crystal to be used, the temperature rising rate in the temperature raising step, the presence / absence of stirring in the temperature raising step, the temperature lowering rate in the temperature lowering step, and the presence or absence of stirring in the temperature lowering step was changed to the combinations shown in Table 1. Except for the above, a group 13 nitride single crystal was produced in the same manner as in Example 1, and the crack and dislocation density were evaluated in the same manner as in Example 1. The evaluation results are shown in Table 1.
表1に示すように、結晶成長面Cの表面粗さRaが、0.1μm以上5μm以下の種結晶30を用いた場合(実施例1〜実施例17)、結晶成長面Cの表面粗さRaが該範囲外である比較種結晶を用いた場合(比較例2、4、6、8、10、12)に比べて、転位密度が小さかった。 As shown in Table 1, when the seed crystal 30 having a surface roughness Ra of the crystal growth surface C of 0.1 μm to 5 μm is used (Example 1 to Example 17), the surface roughness of the crystal growth surface C The dislocation density was small as compared with the case of using a comparative seed crystal in which Ra was outside this range (Comparative Examples 2, 4, 6, 8, 10, 12).
また、結晶成長面Cの表面粗さRaが5μmを超える比較種結晶を用いた場合(比較例1、3、7、9、11、13)、実施例1〜実施例17に比べて、結晶成長前クラックおよび結晶成長後クラックの少なくとも一方の評価が、最も低い評価「3」であった。すなわち、結晶成長面Cの表面粗さRaが5μmを超える比較種結晶を用いた場合(比較例1、3、5、7、9、11、13)、実施例1〜実施例17に比べて、クラック率が高かった。 Further, when a comparative seed crystal having a surface roughness Ra of the crystal growth surface C exceeding 5 μm is used (Comparative Examples 1, 3, 7, 9, 11, and 13), the crystal is larger than those of Examples 1 to 17. The evaluation of at least one of the pre-growth crack and the post-growth crack was the lowest evaluation “3”. That is, when a comparative seed crystal having a surface roughness Ra of the crystal growth surface C exceeding 5 μm is used (Comparative Examples 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), compared to Examples 1 to 17. The crack rate was high.
また、結晶成長面Cの表面粗さRaが、0.1μm以上5μm以下の種結晶30を用いた実施例(実施例1〜実施例17)において、昇温速度が70℃/時間〜130℃/時間である実施例(実施例4〜実施例12)は、昇温工程における撹拌の有無にかかわらず、結晶成長前クラックの発生は見られなかった。すなわち、これらの実施例(実施例4〜実施例12)における結晶成長前クラックの評価が、最も良好な評価を示す評価「1」であった。 Further, in Examples (Examples 1 to 17) using the seed crystal 30 having a surface roughness Ra of 0.1 μm or more and 5 μm or less on the crystal growth surface C, the rate of temperature increase is 70 ° C./hour to 130 ° C. In the examples (Examples 4 to 12) that are / hour, no occurrence of cracks before crystal growth was observed regardless of the presence or absence of stirring in the heating step. That is, the evaluation of cracks before crystal growth in these Examples (Examples 4 to 12) was an evaluation “1” indicating the best evaluation.
また、結晶成長面Cの表面粗さRaが、0.1μm以上5μm以下の種結晶30を用いた実施例(実施例1〜実施例17)において、昇温速度が135℃/時間〜150℃/時間である実施例(実施例1〜実施例3、実施例13〜実施例15)の内、昇温工程において撹拌「有」の実施例(実施例1〜実施例3)は、結晶成長前クラックの発生は見られなかった。すなわち、これらの実施例(実施例1〜実施例3)における結晶成長前クラックの評価が、最も良好な評価を示す評価「1」であった。 Further, in Examples (Examples 1 to 17) in which the seed crystal 30 having a surface roughness Ra of the crystal growth surface C of 0.1 μm or more and 5 μm or less was used, the temperature rising rate was 135 ° C./hour to 150 ° C. Among the examples (Examples 1 to 3 and Examples 13 to 15) that are per hour, the examples (Examples 1 to 3) in which the stirring is “present” in the temperature raising step (Examples 1 to 3) Pre-cracking was not observed. That is, the evaluation of cracks before crystal growth in these examples (Examples 1 to 3) was an evaluation “1” indicating the best evaluation.
一方、結晶成長面Cの表面粗さRaが、0.1μm以上5μm以下の種結晶30を用いた実施例(実施例1〜実施例17)において、昇温速度が135℃/時間〜150℃/時間である実施例(実施例1〜実施例3、実施例13〜実施例15)の内、昇温工程において撹拌「無」の実施例(実施例13〜実施例15)は、比較例に比べればクラックの発生率は低いものの、結晶成長前クラックがわずかに発生した。すなわち、これらの実施例(実施例13〜実施例15)における結晶成長前クラックの評価が、中程度の評価を示す評価「2」であった。 On the other hand, in Examples (Examples 1 to 17) in which the seed crystal 30 having a surface roughness Ra of the crystal growth surface C of 0.1 μm or more and 5 μm or less is used, the rate of temperature increase is 135 ° C./hour to 150 ° C. / Examples (Examples 1 to 3 and Examples 13 to 15) that are stirring / hours, Examples (Examples 13 to 15) in which no stirring is performed in the temperature raising step (Examples 13 to 15) are comparative examples. Although the crack generation rate was low compared to, cracks before crystal growth occurred slightly. That is, the evaluation of cracks before crystal growth in these Examples (Examples 13 to 15) was an evaluation “2” indicating a moderate evaluation.
また、結晶成長面Cの表面粗さRaが、0.1μm以上5μm以下の種結晶30を用いた実施例(実施例1〜実施例17)において、降温速度を50℃/時間以下とした実施例(実施例7〜実施例9)は、降温工程において撹拌無であったにも拘らず、結晶成長後クラックの発生は見られなかった。すなわち、これらの実施例(実施例7〜実施例9)における結晶成長後クラックの評価が、最も良好な評価を示す評価「1」であった。 Further, in Examples (Examples 1 to 17) in which the seed crystal 30 having a surface roughness Ra of the crystal growth surface C of 0.1 μm or more and 5 μm or less was used, the cooling rate was 50 ° C./hour or less. In the examples (Examples 7 to 9), no cracks were observed after crystal growth, despite no stirring in the temperature lowering step. That is, the evaluation of the crack after crystal growth in these examples (Examples 7 to 9) was evaluation “1” indicating the best evaluation.
また、結晶成長面Cの表面粗さRaが、0.1μm以上5μm以下の種結晶30を用いた実施例(実施例1〜実施例17)において、降温速度を100℃/時間以上150℃/時間以下とした実施例(実施例1〜実施例3、実施例10〜実施例15)では、降温工程における撹拌「有」の実施例1〜実施例3、実施例10〜実施例12は、撹拌「無」の実施例13〜実施例15に比べて、結晶成長前クラックおよび結晶成長後クラックの発生が抑制されていた。 In Examples (Examples 1 to 17) in which the seed crystal 30 having a surface roughness Ra of the crystal growth surface C of 0.1 μm or more and 5 μm or less is used, the rate of temperature decrease is 100 ° C./hour or more and 150 ° C./hour. In Examples (Examples 1 to 3 and Examples 10 to 15) that were set to be less than or equal to the time, Examples 1 to 3 and Examples 10 to 12 of stirring “present” in the temperature lowering step were: The occurrence of cracks before crystal growth and cracks after crystal growth was suppressed as compared with Examples 13 to 15 where stirring was “none”.
すなわち、表1に示すように、結晶成長面Cの表面粗さRaが、0.1μm以上5μm以下の種結晶30を用い、昇温速度および降温速度の少なくとも一方を150℃/時間とした場合(実施例1〜実施例17)、比較例(比較例1〜比較例13)に比べて、クラックの低減と、転位密度の低減と、の双方が実現されることが確認できた。 That is, as shown in Table 1, when the seed crystal 30 having a surface roughness Ra of the crystal growth surface C of 0.1 μm or more and 5 μm or less is used and at least one of the heating rate and the cooling rate is 150 ° C./hour It was confirmed that both crack reduction and dislocation density reduction were realized as compared with (Example 1 to Example 17) and Comparative Example (Comparative Examples 1 to 13).
また、実施例1〜実施例17において、昇温工程における撹拌「有」、または、降温工程における撹拌「有」の少なくとも一方を満たす場合、昇温工程および降温工程において撹拌「無」とした場合に比べて、クラックの低減を更に図ることが出来ることが確認できた。 Further, in Example 1 to Example 17, when satisfying at least one of the stirring “present” in the temperature raising step or the stirring “present” in the temperature lowering step, the case of “no” stirring in the temperature raising step and the temperature lowering step It was confirmed that the crack can be further reduced as compared with the above.
30 種結晶
32 13族窒化物結晶
40 13族窒化物単結晶
30 seed crystal 32 group 13 nitride crystal 40 group 13 nitride single crystal
Claims (8)
前記原料が溶融して混合融液となった状態で、前記混合融液に窒素を溶解させ、結晶成長温度の前記混合融液中に配置された前記種結晶に13族窒化物結晶を成長させる結晶成長工程と、
前記配置工程と前記結晶成長工程との工程間に150℃/時間以下の昇温速度で前記原料を前記結晶成長温度に昇温する昇温工程、および、前記結晶成長工程の後に150℃/時間以下の降温速度で前記混合融液を降温する降温工程、の少なくとも一方の温度調整工程と、
を含む、13族窒化物単結晶の製造方法。 An arrangement step of arranging a seed crystal made of a group 13 nitride crystal and having a surface roughness Ra of a crystal growth surface of 0.1 μm or more and 5 μm or less and a raw material containing an alkali metal and a group 13 metal in a reaction vessel;
In a state where the raw material is melted to form a mixed melt, nitrogen is dissolved in the mixed melt, and a group 13 nitride crystal is grown on the seed crystal disposed in the mixed melt at a crystal growth temperature. A crystal growth process;
A temperature raising step of raising the temperature of the raw material to the crystal growth temperature at a temperature raising rate of 150 ° C./hour or less between the arrangement step and the crystal growth step, and 150 ° C./hour after the crystal growth step. At least one temperature adjustment step of lowering the temperature of the mixed melt at the following temperature drop rate;
A method for producing a group 13 nitride single crystal.
前記反応容器内に窒素を供給する供給部と、
前記反応容器を加熱する加熱部と、
前記原料が溶融して混合融液となった状態で、前記混合融液に窒素を溶解させ、結晶成長温度の前記混合融液中に配置された前記種結晶に13族窒化物結晶を成長させるように前記供給部および前記加熱部を制御する結晶成長制御と、前記結晶成長制御の前に150℃/時間以下の昇温速度で前記原料を結晶成長温度に昇温する昇温制御、および前記結晶成長制御の後に150℃/時間以下の降温速度で前記混合融液を降温する降温制御、の少なくとも一方を行うように前記加熱部を制御する温度調整制御と、を行う制御部と、
を備えた、13族窒化物単結晶の製造装置。 A reaction vessel holding a seed crystal made of a group 13 nitride crystal and having a surface roughness Ra of 0.1 μm or more and 5 μm or less on a crystal growth surface, and a raw material containing an alkali metal and a group 13 metal;
A supply unit for supplying nitrogen into the reaction vessel;
A heating unit for heating the reaction vessel;
In a state where the raw material is melted to form a mixed melt, nitrogen is dissolved in the mixed melt, and a group 13 nitride crystal is grown on the seed crystal disposed in the mixed melt at a crystal growth temperature. A crystal growth control for controlling the supply unit and the heating unit, a temperature increase control for increasing the temperature of the raw material to a crystal growth temperature at a temperature increase rate of 150 ° C./hour or less before the crystal growth control, and A control unit for performing temperature adjustment control for controlling the heating unit so as to perform temperature lowering control for lowering the temperature of the mixed melt at a temperature lowering rate of 150 ° C./hour or less after crystal growth control;
An apparatus for producing a group 13 nitride single crystal.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015158488A JP6548509B2 (en) | 2015-08-10 | 2015-08-10 | Method for producing group 13 nitride single crystal, and apparatus for producing group 13 nitride single crystal |
PCT/JP2016/069560 WO2017026196A1 (en) | 2015-08-10 | 2016-06-30 | Production method for group 13 nitride single crystal and production apparatus for group 13 nitride single crystal |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015158488A JP6548509B2 (en) | 2015-08-10 | 2015-08-10 | Method for producing group 13 nitride single crystal, and apparatus for producing group 13 nitride single crystal |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017036178A true JP2017036178A (en) | 2017-02-16 |
JP6548509B2 JP6548509B2 (en) | 2019-07-24 |
Family
ID=57983035
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015158488A Active JP6548509B2 (en) | 2015-08-10 | 2015-08-10 | Method for producing group 13 nitride single crystal, and apparatus for producing group 13 nitride single crystal |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6548509B2 (en) |
WO (1) | WO2017026196A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11245054B2 (en) | 2017-09-27 | 2022-02-08 | Ngk Insulators, Ltd. | Base substrate, functional element, and production method for base substrate |
US11437233B2 (en) | 2017-09-27 | 2022-09-06 | Ngk Insulators, Ltd. | Base substrate, functional element, and method for manufacturing base substrate |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111434810A (en) * | 2019-01-14 | 2020-07-21 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | Supplementing mechanism, system and method for continuously growing nitride object single crystal by flux method |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007125914A1 (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-08 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Method for manufacturing gallium nitride crystal and gallium nitride wafer |
JP2009091225A (en) * | 2007-10-12 | 2009-04-30 | Ngk Insulators Ltd | Method for manufacturing nitride single crystal |
WO2010092736A1 (en) * | 2009-02-16 | 2010-08-19 | 日本碍子株式会社 | Method for growing group 3b nitride crystal, and group 3b nitride crystal |
JP2011073894A (en) * | 2009-09-29 | 2011-04-14 | Toyoda Gosei Co Ltd | Method for producing group iii nitride compound semiconductor |
JP2013075815A (en) * | 2011-09-12 | 2013-04-25 | Hitachi Cable Ltd | Method for producing nitride semiconductor crystal, nitride semiconductor epitaxial wafer, and nitride semiconductor freestanding substrate |
JP2015040170A (en) * | 2013-08-23 | 2015-03-02 | 三菱化学株式会社 | Method of producing periodic table group 13 metal nitride crystal |
-
2015
- 2015-08-10 JP JP2015158488A patent/JP6548509B2/en active Active
-
2016
- 2016-06-30 WO PCT/JP2016/069560 patent/WO2017026196A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007125914A1 (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-08 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Method for manufacturing gallium nitride crystal and gallium nitride wafer |
JP2009091225A (en) * | 2007-10-12 | 2009-04-30 | Ngk Insulators Ltd | Method for manufacturing nitride single crystal |
WO2010092736A1 (en) * | 2009-02-16 | 2010-08-19 | 日本碍子株式会社 | Method for growing group 3b nitride crystal, and group 3b nitride crystal |
JP2011073894A (en) * | 2009-09-29 | 2011-04-14 | Toyoda Gosei Co Ltd | Method for producing group iii nitride compound semiconductor |
JP2013075815A (en) * | 2011-09-12 | 2013-04-25 | Hitachi Cable Ltd | Method for producing nitride semiconductor crystal, nitride semiconductor epitaxial wafer, and nitride semiconductor freestanding substrate |
JP2015040170A (en) * | 2013-08-23 | 2015-03-02 | 三菱化学株式会社 | Method of producing periodic table group 13 metal nitride crystal |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11245054B2 (en) | 2017-09-27 | 2022-02-08 | Ngk Insulators, Ltd. | Base substrate, functional element, and production method for base substrate |
US11437233B2 (en) | 2017-09-27 | 2022-09-06 | Ngk Insulators, Ltd. | Base substrate, functional element, and method for manufacturing base substrate |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2017026196A1 (en) | 2017-02-16 |
JP6548509B2 (en) | 2019-07-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5665094B2 (en) | n-type group III nitride compound semiconductor | |
JP2012012259A (en) | Nitride crystal and method for producing the same | |
JP2006225232A (en) | Method for producing silicon carbide single crystal, silicon carbide single crystal ingot, silicon carbide single crystal substrate, silicon carbide epitaxial wafer and thin film epitaxial wafer | |
WO2017026196A1 (en) | Production method for group 13 nitride single crystal and production apparatus for group 13 nitride single crystal | |
Murakami et al. | Effects of solution stirring on the growth of bulk GaN single crystals by Na flux method | |
JP6143148B2 (en) | Group III nitride crystal manufacturing method and semiconductor device manufacturing method | |
JP2008001569A (en) | SINGLE CRYSTAL SiC AND PRODUCTION METHOD THEREFOR, AND APPARATUS FOR PRODUCING SINGLE CRYSTAL SiC | |
JP5464004B2 (en) | Group III nitride semiconductor crystal manufacturing method | |
JP7182262B2 (en) | RAMO4 SUBSTRATE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND GROUP III NITRIDE SEMICONDUCTOR | |
JP2005314167A (en) | Seed crystal for use in silicon carbide single crystal growth, manufacturing method thereof, and method for growing crystal using it | |
CN107794567B (en) | Method for manufacturing group III nitride semiconductor | |
JP5640427B2 (en) | Group III nitride semiconductor crystal manufacturing method | |
JP5428706B2 (en) | Method for producing SiC single crystal | |
JP2015193519A (en) | Production method of group-xiii nitride crystal, and group-xiii nitride crystal | |
JP4908467B2 (en) | Method for producing group III nitride compound semiconductor crystal | |
JP2021130584A (en) | Crystal substrate and method for manufacturing the same | |
JP6621615B2 (en) | Group 13 nitride single crystal manufacturing method and group 13 nitride single crystal manufacturing apparatus | |
JP2008050174A (en) | SINGLE CRYSTAL SiC AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME | |
JP2008037729A (en) | Single crystal silicon carbide and method for manufacturing the same | |
JP2010024125A (en) | Method for growing group iii nitride crystal | |
JP2009057265A (en) | SINGLE CRYSTAL SiC AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF | |
JP6720888B2 (en) | Method for manufacturing group III nitride semiconductor | |
JP2009073696A (en) | SINGLE CRYSTAL SiC AND ITS PRODUCTION METHOD | |
JP2009137771A (en) | Method for growing group iii nitride crystal | |
JP5883912B2 (en) | Nitride crystal and method for producing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180612 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20190221 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20190221 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20190410 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20190415 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20190415 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190604 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190625 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6548509 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313118 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |