JP2017200862A - Method and apparatus for manufacturing group iii nitride crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、III族窒化物結晶の製造方法および製造装置に関する。 The present disclosure relates to a method and an apparatus for manufacturing a group III nitride crystal.
III族窒化物結晶の製造装置として、III族酸化物を原料とする製造方法が考案されている(例えば、特許文献1参照。)。
この製造方法における反応系を説明する。Ga2O3を加熱し、この状態で、H2ガスを導入する。導入されたH2ガスは、Ga2O3と反応して、Ga2Oガスを生成させる(下記式(I))。生成されたGa2Oガスと、アンモニアガスとを反応させて、種基板上にGaN結晶を生成する(下記式(II))。
Ga2O3+2H2→Ga2O+2H2O (I)
Ga2O+2NH3→2GaN+H2O+2H2 (II)
As a Group III nitride crystal manufacturing apparatus, a manufacturing method using Group III oxide as a raw material has been devised (for example, see Patent Document 1).
A reaction system in this production method will be described. Ga 2 O 3 is heated, and H 2 gas is introduced in this state. The introduced H 2 gas reacts with Ga 2 O 3 to generate Ga 2 O gas (the following formula (I)). The produced Ga 2 O gas is reacted with ammonia gas to produce a GaN crystal on the seed substrate (the following formula (II)).
Ga 2 O 3 + 2H 2 → Ga 2 O + 2H 2 O (I)
Ga 2 O + 2NH 3 → 2GaN + H 2 O + 2H 2 (II)
しかしながら、従来、III族元素含有源であるGa2O3と、反応性ガスであるH2との反応性が低いため、III族酸化物ガスであるGa2Oガスの供給量を増加させることが困難であった。 However, conventionally, since the reactivity of Ga 2 O 3 which is a group III element-containing source and H 2 which is a reactive gas is low, the supply amount of Ga 2 O gas which is a group III oxide gas is increased. It was difficult.
そこで、本発明は、III族元素含有源と反応性ガスとの反応性を向上させることにより、III族酸化物ガスの供給量を増加させて、向上した生産効率を実現可能なIII族窒化物結晶の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a group III nitride capable of realizing improved production efficiency by increasing the supply amount of group III oxide gas by improving the reactivity between the group III element-containing source and the reactive gas. It is an object of the present invention to provide a crystal manufacturing method and a manufacturing apparatus.
本開示に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、
反応性ガスを活性化する工程と、
活性化した前記反応性ガスとIII族元素含有源とを反応させて、前記III族元素含有源の酸化物ガスであるIII族酸化物ガスを生成する工程と、
前記III族酸化物ガスと窒素元素含有ガスとを反応させて、III族窒化物結晶を生成する工程と、
を有する。
A method for producing a group III nitride crystal according to the present disclosure includes:
Activating a reactive gas;
Reacting the activated reactive gas with a group III element-containing source to generate a group III oxide gas that is an oxide gas of the group III element-containing source;
Reacting the Group III oxide gas with a nitrogen element-containing gas to form a Group III nitride crystal;
Have
また、本開示に係るIII族窒化物結晶の製造装置は、
III族元素含有源を設置するための原料反応室と、
前記原料反応室を加熱する第1ヒータと、
反応性ガスを活性化する活性化機構と、
前記原料反応室内に活性化した前記反応性ガスを供給する反応性ガス供給管と、
III族窒化物結晶を生成する育成チャンバーと、
前記育成チャンバーを加熱する第2ヒータと、
前記原料反応室と前記育成チャンバーとを接続し、前記III族元素含有源と前記反応性ガスとが反応したガスを前記原料反応室に導入する接続管と、
を備える。
In addition, a group III nitride crystal manufacturing apparatus according to the present disclosure includes:
A raw material reaction chamber for installing a group III element-containing source;
A first heater for heating the raw material reaction chamber;
An activation mechanism for activating the reactive gas;
A reactive gas supply pipe for supplying the activated reactive gas into the raw material reaction chamber;
A growth chamber for producing a group III nitride crystal;
A second heater for heating the growth chamber;
A connecting pipe for connecting the raw material reaction chamber and the growth chamber, and introducing a gas obtained by reacting the group III element-containing source and the reactive gas into the raw material reaction chamber;
Is provided.
本開示に係るIII族窒化物結晶の製造方法および製造装置によれば、反応性ガスを活性化しておくことによって、III族元素含有源と反応性ガスとの反応性を向上させることができる。これにより、III族酸化物ガスの供給量を増加させて、向上した生産効率を実現できる。 According to the method and apparatus for producing a group III nitride crystal according to the present disclosure, the reactivity between the group III element-containing source and the reactive gas can be improved by activating the reactive gas. Thereby, the supply amount of group III oxide gas can be increased, and the improved production efficiency can be realized.
第1の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、
III族窒化物結晶の製造方法であって、
反応性ガスを活性化する工程と、
活性化した前記反応性ガスとIII族元素含有源とを反応させて、前記III族元素含有源の酸化物ガスであるIII族酸化物ガスを生成する工程と、
前記III族酸化物ガスと窒素元素含有ガスとを反応させて、III族窒化物結晶を生成する工程と、
を有する。
The method for producing a group III nitride crystal according to the first aspect includes:
A method for producing a group III nitride crystal comprising:
Activating a reactive gas;
Reacting the activated reactive gas with a group III element-containing source to generate a group III oxide gas that is an oxide gas of the group III element-containing source;
Reacting the Group III oxide gas with a nitrogen element-containing gas to form a Group III nitride crystal;
Have
第2の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1の態様において、前記III族酸化物ガスを生成する工程の前に、活性化した前記反応性ガスの流速を加速する工程を更に含んでもよい。 The method for producing a group III nitride crystal according to a second aspect is the process of accelerating the flow rate of the activated reactive gas before the step of generating the group III oxide gas in the first aspect. May further be included.
第3の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第2の態様において、前記反応性ガスの流速を加速する工程は、活性化した前記反応性ガスを加熱する工程を含んでもよい。 In the method for producing a group III nitride crystal according to a third aspect, in the second aspect, the step of accelerating the flow rate of the reactive gas may include a step of heating the activated reactive gas. .
第4の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1から第3のいずれかの態様において、前記III族酸化物ガスを生成する工程は、前記III族元素含有源を酸化して前記III族酸化物ガスを製造してもよい。 In the method for producing a Group III nitride crystal according to a fourth aspect, in any one of the first to third aspects, the step of generating the Group III oxide gas oxidizes the Group III element-containing source. The group III oxide gas may be produced.
第5の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1から第3のいずれかの態様において、前記III族酸化物ガスを生成する工程は、前記III族元素含有源を還元して前記III族酸化物ガスを製造してもよい。 In the method for producing a Group III nitride crystal according to a fifth aspect, in any one of the first to third aspects, the step of generating the Group III oxide gas reduces the Group III element-containing source. The group III oxide gas may be produced.
第6の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第4の態様において、前記III族元素含有源は、Ga2O3であってもよい。 In the fourth aspect of the method for producing a Group III nitride crystal according to a sixth aspect, the Group III element-containing source may be Ga 2 O 3 .
第7の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第5の態様において、前記III族元素含有源は、Gaであってもよい。 In the method for producing a Group III nitride crystal according to a seventh aspect, in the fifth aspect, the Group III element-containing source may be Ga.
第8の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1から第7のいずれかの態様において、前記III族酸化物ガスを生成する工程は、前記反応性ガスを活性化する工程よりも高温で行われ、
前記III族窒化物結晶を生成する工程は、前記III族酸化物ガスを生成する工程よりも高温で行われてもよい。
In the method for producing a group III nitride crystal according to an eighth aspect, in any one of the first to seventh aspects, the step of generating the group III oxide gas is a step of activating the reactive gas. Performed at a higher temperature than
The step of generating the group III nitride crystal may be performed at a higher temperature than the step of generating the group III oxide gas.
第9の態様に係るIII族窒化物結晶の製造装置は、III族元素含有源を設置するための原料反応室と、
前記原料反応室を加熱する第1ヒータと、
反応性ガスを活性化する活性化機構と、
前記原料反応室内に活性化した前記反応性ガスを供給する反応性ガス供給管と、
III族窒化物結晶を生成する育成チャンバーと、
前記育成チャンバーを加熱する第2ヒータと、
前記原料反応室と前記育成チャンバーとを接続し、前記III族元素含有源と前記反応性ガスとが反応したガスを前記原料反応室に導入する接続管と、
を備える。
An apparatus for producing a group III nitride crystal according to a ninth aspect includes a raw material reaction chamber for installing a group III element-containing source,
A first heater for heating the raw material reaction chamber;
An activation mechanism for activating the reactive gas;
A reactive gas supply pipe for supplying the activated reactive gas into the raw material reaction chamber;
A growth chamber for producing a group III nitride crystal;
A second heater for heating the growth chamber;
A connecting pipe for connecting the raw material reaction chamber and the growth chamber, and introducing a gas obtained by reacting the group III element-containing source and the reactive gas into the raw material reaction chamber;
Is provided.
第10の態様に係るIII族窒化物結晶の製造装置は、上記第9態様において、前記活性化機構は、前記反応性ガス供給管に高周波電界を印加するコイルで構成されていてもよい。 In the ninth aspect, the group III nitride crystal manufacturing apparatus according to the tenth aspect may be configured such that the activation mechanism is a coil that applies a high-frequency electric field to the reactive gas supply pipe.
第11の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第9又は第10のいずれかの態様において、前記第2ヒータは、前記第1ヒータよりも高い温度で加熱を行ってもよい。 In the method for producing a group III nitride crystal according to an eleventh aspect, in any of the ninth and tenth aspects, the second heater may perform heating at a temperature higher than that of the first heater. .
以下、実施の形態に係るIII族窒化物結晶の製造方法および製造装置について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。 Hereinafter, a method and an apparatus for producing a group III nitride crystal according to an embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, substantially the same members are denoted by the same reference numerals.
(実施の形態1)
<III族窒化物結晶の製造装置>
以下、本開示の実施の形態1について図1を参照して説明する。
図1は、実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造装置の構成の一例を示す図である。図1において、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている。
本開示におけるIII族窒化物結晶の製造装置は、原料反応室101を備えた原料チャンバー100と、III族窒化物結晶を生成する育成チャンバー112と、を備える。原料チャンバー100と育成チャンバー112とは、接続管110で接続されている。原料反応室101には、その上流側に、出発Ga源106と反応するガスを供給する反応性ガス供給管103が接続されている。
(Embodiment 1)
<Group III nitride crystal production apparatus>
Hereinafter, Embodiment 1 of the present disclosure will be described with reference to FIG.
1 is a diagram showing an example of the configuration of a group III nitride crystal production apparatus according to Embodiment 1. FIG. In FIG. 1, the size, ratio, and the like of each component are different from actual ones.
The apparatus for producing a group III nitride crystal in the present disclosure includes a
このIII族窒化物結晶の製造装置によれば、反応性ガスを活性化しておくことによって、III族元素含有源と反応性ガスとの反応性を向上させることができる。これにより、III族酸化物ガスの供給量を増加させて、向上した生産効率を実現できる。 According to this group III nitride crystal production apparatus, the reactivity between the group III element-containing source and the reactive gas can be improved by activating the reactive gas. Thereby, the supply amount of group III oxide gas can be increased, and the improved production efficiency can be realized.
<反応性ガス供給管>
反応性ガス供給管103にはコイル104が備えられている。コイル104に高周波電界が印加されることで、反応性ガス供給管103を通過するガスを活性化する。コイル104は、原料反応室101の外側かつ上流側に配されている。ゆえに、反応させた後に、反応性ガスが原料反応室101に導入される。
<Reactive gas supply pipe>
The reactive
<原料チャンバー>
原料チャンバー100内には、原料反応室101が配置されている。原料反応室101内には、III族元素含有源である出発Ga源106を載置した原料ボート105が配置されている。原料反応室101の外周には、第1ヒータ107が設けられている。この第1ヒータ107によって出発Ga源106は加熱される。加熱された出発Ga源106に反応性ガスが供給されることで、出発Ga源106と反応性ガスとが反応して、III族元素含有源の酸化物ガスであるIII族酸化物ガスが発生する。このIII族酸化物ガスは、原料反応室101の下流側に設けられたIII族酸化物ガス排出口108から排出される。
<Raw material chamber>
A raw
原料チャンバー100には、第1搬送ガスを原料反応室101に供給する第1搬送ガス供給口102が備わっている。III族酸化物ガスと第1搬送ガスは、III族酸化物ガス及び搬送ガス排出口109から接続管110を通過し育成チャンバー112へと流れる。
The
<育成チャンバー>
育成チャンバー112は、III族酸化物ガス及び搬送ガス供給口118と窒素元素含有ガス供給口113と第2搬送ガス供給口114と排気口119を有し、種基板116を設置する基板サセプター117を備える。基板サセプター117は回転可能である。また、育成チャンバー112には、窒素元素含有ガスを導入するための窒素元素含有ガス供給口113が備わっている。また、育成チャンバー112の周囲には第2ヒータ115が設けられている。第2ヒータ115により、育成チャンバー112内が加熱される。III族酸化物ガス及び搬送ガス供給口118から導入されたガスは、種基板116を通過して、排気口119に至る。この流れを促進するように、第2搬送ガス供給口114が設けられる。第2搬送ガス供給口114から、第2搬送ガスが供給される。この第2搬送ガスは、第1搬送ガス供給口102から導入される第1搬送ガスと実質的に同じである。
<Growing chamber>
The
育成チャンバー112内において、III族酸化物ガスと、窒素元素含有ガスとが出合い、反応することで、種基板116上にIII族窒化物結晶が生成される。
In the
<III族窒化物結晶の製造方法>
図2は、本開示のIII族窒化物結晶の製造方法のフローチャートである。図2に示すように、このIII族窒化物結晶の製造方法は、反応性ガス活性化工程、III族酸化物ガス生成工程、III族窒化物結晶生成工程を含む。
(1)反応性ガス活性化工程では、III族元素含有源と反応する反応性ガスの活性化を行う。
(2)III族酸化物ガス生成工程では、活性化された反応性ガスとIII族元素含有源とを反応させ、III族酸化物ガスを生成する。
(3)III族窒化物結晶生成工程において、生成されたIII族酸化物ガスと、窒素元素含有ガスとを反応させ、III族窒化物結晶を生成する。
<Method for Producing Group III Nitride Crystal>
FIG. 2 is a flowchart of the method for producing a group III nitride crystal of the present disclosure. As shown in FIG. 2, this Group III nitride crystal manufacturing method includes a reactive gas activation step, a Group III oxide gas generation step, and a Group III nitride crystal generation step.
(1) In the reactive gas activation step, the reactive gas that reacts with the group III element-containing source is activated.
(2) In the group III oxide gas generation step, the activated reactive gas and the group III element-containing source are reacted to generate a group III oxide gas.
(3) In the group III nitride crystal generation step, the generated group III oxide gas and the nitrogen element-containing gas are reacted to generate a group III nitride crystal.
このIII族窒化物結晶の製造方法によれば、反応性ガスを活性化する反応性ガス活性化工程を有するので、III族元素含有源と反応性ガスとの反応を促進し、より多量のIII族酸化物ガスを生成可能となる。これにより、III族酸化物ガスの供給量を増加させて、向上した生産効率を実現できる。 According to this method for producing a group III nitride crystal, since the reactive gas activation step of activating the reactive gas is included, the reaction between the group III element-containing source and the reactive gas is promoted, and a larger amount of III Group oxide gas can be generated. Thereby, the supply amount of group III oxide gas can be increased, and the improved production efficiency can be realized.
<反応性ガスの活性化>
まず、反応性ガスの活性化について説明する。活性化された反応性ガスは、経時的に失活し、ラジカルや活性酸素が消失する。このため、活性化後の反応性ガスは、できるだけ速やかに、III族酸化物ガス生成工程で利用するのが望ましい。この場合、活性化後の反応性ガスの流速を加速するのがよい。反応性ガスの流速を加速する手段としては、加熱するのがよい。つまり、活性化工程後かつIII族酸化物ガス生成工程前に活性化ガスの加熱工程を設けることが望ましい。この際、活性化工程の実行時には、温度を低く、すなわち、反応性ガスの流速を遅くできるため、より多くの反応性ガスを活性化できる。
<Activation of reactive gas>
First, activation of the reactive gas will be described. The activated reactive gas deactivates with time, and radicals and active oxygen disappear. For this reason, it is desirable to use the activated reactive gas in the Group III oxide gas generation step as soon as possible. In this case, it is preferable to accelerate the flow rate of the reactive gas after activation. As a means for accelerating the flow rate of the reactive gas, heating is preferable. That is, it is desirable to provide an activation gas heating step after the activation step and before the group III oxide gas generation step. At this time, when the activation step is performed, the temperature can be lowered, that is, the flow rate of the reactive gas can be decreased, so that more reactive gas can be activated.
ここで、上記III族窒化物結晶の製造方法を実施するためのIII族窒化物結晶の製造装置の構成の一例について、図1を用いて説明する。ここでは、III族元素含有源にGa2O3を用いた場合の説明を行う。 Here, an example of the configuration of a group III nitride crystal manufacturing apparatus for carrying out the above group III nitride crystal manufacturing method will be described with reference to FIG. Here, the case where Ga 2 O 3 is used as the group III element-containing source will be described.
反応性ガスを活性化する手段としては、触媒、直流放電、高周波放電等の活性化手段が挙げられる。触媒を用いる場合は、反応性ガス供給管103内に、触媒材料を配置しなければならず、直流放電を用いる場合は、反応性ガス供給管103内に、電極材料を配置しなければならない。それらの場合、各材料由来の不純物の混入が懸念される。一方、高周波放電を用いて活性化する場合は、反応性ガス供給管103内に電極材料を配置する必要が無く、反応性ガス供給管103の外側にコイル104を設置し、コイル104に高周波電力を印加することで実現できる。このようにコイル104により高周波電界を反応性ガス供給管103内の反応性ガスに印加することによって、反応性ガスは反応性ガス供給管103内で活性化される。
Examples of means for activating the reactive gas include activating means such as a catalyst, direct current discharge, and high frequency discharge. When a catalyst is used, the catalyst material must be disposed in the reactive
反応性ガスをより多量に活性化するためには活性化領域(高周波電界の印加される領域)でのガスの滞在時間を長くすることが望まれる。高温化すると反応性ガスが膨張することにより反応性ガスの流速が速くなり、活性化領域での滞在時間が短くなる。例えば、ガス温度25℃の場合に比べて、ガス温度1200℃の場合では約5倍流速が大きくなる。したがって、低温状態で活性化させ、その後、活性化した反応性ガスの流速を加速する工程を更に含むことが好ましい。具体的には、効率の観点から、活性化工程における反応性ガスの温度は、室温以下かつ反応性ガスの凝縮点の温度より大きいことが望ましい。なお、室温とは、1℃以上かつ30℃以下である。この際、反応性ガス供給管103と原料チャンバー100の間は、反応性ガスの活性化される領域が第1ヒータ107の熱で温度が上昇しないように、断熱材を備えることが好ましい。
In order to activate the reactive gas in a larger amount, it is desired to lengthen the residence time of the gas in the activation region (region to which the high-frequency electric field is applied). When the temperature is raised, the reactive gas expands, thereby increasing the flow rate of the reactive gas and shortening the residence time in the activated region. For example, compared with the case where the gas temperature is 25 ° C., the flow rate is increased about five times when the gas temperature is 1200 ° C. Therefore, it is preferable to further include a step of activating at a low temperature and then accelerating the flow rate of the activated reactive gas. Specifically, from the viewpoint of efficiency, it is desirable that the temperature of the reactive gas in the activation step is lower than room temperature and higher than the temperature of the condensation point of the reactive gas. In addition, room temperature is 1 degreeC or more and 30 degrees C or less. At this time, it is preferable to provide a heat insulating material between the reactive
また、反応性ガスの流速は、同一流量の場合通過する管の断面積に反比例するので、活性化領域での滞在時間を長期化できるよう、反応性ガス供給管103の流路の断面積を原料反応室101の流路の断面積よりも大きくしておくことが好ましい。
In addition, since the flow rate of the reactive gas is inversely proportional to the cross-sectional area of the pipe that passes through at the same flow rate, the cross-sectional area of the flow path of the reactive
更に、反応性ガスが活性化状態を維持したまま出発Ga源106に到達できるよう、活性化された反応性ガスを第1ヒータ107により加熱して、流速を向上させるのが望ましい。III族酸化物生成工程で使用される第1ヒータ107を、活性化された反応性ガスの加速工程にも転用可能となるため、設備の大型化を招かず、かつ、工程の複雑化をもたらさずに、より効率よくIII族酸化物ガスを生成できる。出発Ga源106と活性化された反応性ガスとが反応することにより所望量のIII族酸化物ガス(ここではGa2Oガス)を生成できる。
Furthermore, it is desirable to increase the flow rate by heating the activated reactive gas by the
<III族酸化物ガスの生成>
次に、III族酸化物ガスを生成する方法には、大別して、出発Ga源106を還元する方法と、出発Ga源106を酸化する方法とがある。
<Production of Group III Oxide Gas>
Next, the method for generating the group III oxide gas is roughly classified into a method for reducing the starting
例えば、還元する方法においては、出発Ga源106にIII族元素の酸化物(例えばGa2O3)、反応性ガスとして還元性ガス(例えばH2ガス)を用いる。還元性ガスとして、H2ガスに限られず、例えば、一酸化炭素ガス、メタンガス、エタンガス等の炭化水素系ガスや、硫化水素ガス、又は、二酸化硫黄ガスを利用できる。なお、Ga2O3などのIII族元素の酸化物は、大気中で安定な材料であるため取り扱いが容易という利点がある。
For example, in the reduction method, a Group III element oxide (for example, Ga 2 O 3 ) is used for the starting
出発Ga源としてGa2O3を用い、還元性ガスとしてH2ガスを用いた場合の反応系を説明する。出発Ga源106であるGa2O3を加熱し、この状態で、還元性ガスであるH2ガスを導入する。導入されたH2ガスは、Ga2O3と反応して、Ga2Oガスを生成させる(下記式(III))。なお、式(III)は上記式(I)と実質的に同じである。
Ga2O3+2H2→Ga2O+2H2O (III)
A reaction system when Ga 2 O 3 is used as the starting Ga source and H 2 gas is used as the reducing gas will be described. The Ga 2 O 3 that is the starting
Ga 2 O 3 + 2H 2 → Ga 2 O + 2H 2 O (III)
一方、酸化する方法においては、出発Ga源106に金属(例えば液体Ga)、反応性ガスとしては酸化性ガス(例えばH2Oガス、O2ガス)を用いる。なお、出発Ga源106が液体Gaの場合のみ、反応性ガスとして還元性ガスであるH2ガスを使用してもよい。酸化性ガスとしては、CO2ガス、およびCOガス等も利用できる。なお、GaなどのIII族元素の金属は、III族元素の酸化物よりも一般的に低コストで高純度の材料が入手可能であるという利点がある。さらに、GaなどのIII族元素の金属は、低温で液体になるため連続的に材料を供給する機構を設けやすいことの利点も挙げられる。
On the other hand, in the oxidation method, a metal (for example, liquid Ga) is used for the starting
出発Ga源としてGaを用い、酸化性ガスとしてO2ガスを用いた場合の反応系を説明する。出発Ga源106であるGaを加熱し、この状態で、酸化性ガスであるO2ガスを導入する。導入されたO2ガスは、Gaと反応して、Ga2Oガスを生成させる(下記式(IV))。
2Ga+1/2O2→Ga2O (IV)
A reaction system in which Ga is used as the starting Ga source and O 2 gas is used as the oxidizing gas will be described. Ga which is the starting
2Ga + 1 / 2O 2 → Ga 2 O (IV)
また、出発Ga源106の他に、In源、Al源をIII族元素含有源として採用できる。いずれの場合でも、III族酸化物ガス(例えばGa2O)が生成される。
In addition to the starting
ここで、熱力学解析により求めた第1ヒータ107の加熱温度とIII族酸化物ガスの理論上の生成量の関係を図3に示す。反応性ガスの供給量は4slmである。図3の破線は反応性ガスの活性化有り、実線は活性化無しの場合を示す。また、グラフの縦軸はGa2Oの生成量[g/h]、横軸は反応性ガスとGa2O3との反応温度[℃]を示す。図3より、1900℃以上の高温領域では、活性化の効果は大きく低下することが理解できる。
Here, FIG. 3 shows the relationship between the heating temperature of the
ここで、図1の第1ヒータ107と第2ヒータ115との関係について説明する。第2ヒータ115を用いるIII族窒化物結晶生成工程において、III族窒化物結晶に混入する不純物(酸素、炭素、シリコン、塩素、水素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、ニッケル、モリブデン、タンタル、等)低減の観点から第2ヒータ115により1200℃以上、かつIII族窒化物結晶の分解の観点から1800℃未満とする必要がある。
Here, the relationship between the
一方、原料チャンバー100を育成チャンバー112より高温にすると、III族酸化物ガスを生成する反応の逆反応が育成チャンバー112内で生じてしまう。したがって、原料チャンバー100の温度は高くとも1800℃未満でなければならない。また、第1ヒータ107の温度の下限は、ガスとして搬送するため、III族酸化物ガスの沸点よりも高くする必要がある。具体的には、Ga2Oガスの沸点の800℃以上とする。すなわち、第2ヒータ115は、1200℃以上かつ1800℃未満の温度で加熱を実施し、第1ヒータ107は、800℃以上かつ第2ヒータ未満の温度で加熱を実施する。
On the other hand, when the
出発Ga源106は、原料ボート105内に載置されている。
ここで、III族酸化物ガスは、原料反応室101内で生成された後にIII族酸化物ガス排出口108より排出される。このIII族酸化物ガスを、第1搬送ガス供給口102から供給される第1搬送ガスにより希釈するとともに搬送する。これにより、III族酸化物ガス及び搬送ガス排出口109から育成チャンバー112へと供給されるIII族酸化物ガスの流速を調節する。なお、第1搬送ガスとしては、ArやN2等の不活性ガス、またはH2ガスを用いる。
The starting
Here, the group III oxide gas is generated in the raw
<III族酸化物ガスの搬送>
原料反応室101内で生成されたIII族酸化物ガスは、原料チャンバー100と育成チャンバー112とを接続する接続管110を介して育成チャンバー112に搬送される。原料チャンバー100と育成チャンバー112とを接続する接続管110の温度が、原料チャンバー100の温度より低下すると、III族酸化物ガスを生成する反応の逆反応が生じ、出発Ga源106が接続管110内で析出する。したがって、接続管110は、第3ヒータ111によって、原料チャンバー100の温度より低下しないよう第1ヒータ107より高温に加熱する。
<Transportation of group III oxide gas>
The group III oxide gas generated in the raw
<III族酸化物ガスと窒素元素含有ガスとの反応>
育成チャンバー112は第2ヒータ115により、III族酸化物ガスと窒素元素含有ガスとが反応する温度まで高温化する。この際、育成チャンバー112の温度は、III族酸化物ガスを生成する反応の逆反応が生じないようにするため、原料チャンバー100の温度より低下しないよう加熱する。加えて、原料チャンバー100で生成されたGa2Oガス、及び第1搬送ガスによる育成チャンバー112の温度変動を抑制する理由から第2ヒータ115の温度と第3ヒータ111の温度とは同じとする。
<Reaction between Group III Oxide Gas and Nitrogen Element-Containing Gas>
The
III族酸化物ガスは、原料チャンバー100内で生成され、その後、接続管110内を通過し、そして、高温化された育成チャンバー112へと供給される。一方、窒素元素含有ガス供給口113より育成チャンバー112へと窒素元素含有ガスが供給される。これらのIII族酸化物ガスと、窒素元素含有ガスとを、種基板116より上流で混合することによって、種基板116上でIII族窒化物結晶の成長を行うことができる。
The group III oxide gas is generated in the
III族酸化物ガスとしてGa2Oガスを用い、窒素元素含有ガスとしてアンモニアガスを用いた場合の反応系について説明する。III族酸化物ガスであるGa2Oガスと、窒素元素含有ガスであるアンモニアガスとを反応させて、種基板上にGaN結晶を生成する(下記式(V))。なお、式(V)は、上記式(II)と実質的に同じである。
Ga2O+2NH3→2GaN+H2O+2H2 (V)
A reaction system in which Ga 2 O gas is used as the group III oxide gas and ammonia gas is used as the nitrogen element-containing gas will be described. A Ga 2 O gas, which is a group III oxide gas, is reacted with ammonia gas, which is a nitrogen element-containing gas, to generate a GaN crystal on the seed substrate (the following formula (V)). The formula (V) is substantially the same as the above formula (II).
Ga 2 O + 2NH 3 → 2GaN + H 2 O + 2H 2 (V)
この際、窒素元素含有ガスが育成チャンバー112からの熱で分解することを抑制するために、窒素元素含有ガス供給口113、及び育成チャンバー112の外壁を断熱材で被覆することが好ましい。
At this time, in order to prevent the nitrogen element-containing gas from being decomposed by the heat from the
また、育成チャンバー112の炉壁や基板サセプター117上へのIII族窒化物結晶の寄生成長が問題として挙げられる。そこで第2搬送ガス供給口114より育成チャンバー112へと供給された第2搬送ガスにより、III族酸化物ガス、及び窒素元素含有ガスの濃度を制御することにより、この問題発生を抑制できる。
In addition, parasitic growth of a group III nitride crystal on the furnace wall of the
種基板116としては、例として、窒化ガリウム、ガリウム砒素、シリコン、サファイア、炭化珪素、酸化亜鉛、酸化ガリウム、ScAlMgO4を用いることができる。
As the
窒素元素含有ガスとしては、NH3ガス、NOガス、NO2ガス、N2H2ガス、N2H4ガス、等を使用できる。未反応のIII族酸化物ガス、窒素元素含有ガス、第1搬送ガスおよび第2搬送ガスは排気口119から排出される。 As the nitrogen element-containing gas, NH 3 gas, NO gas, NO 2 gas, N 2 H 2 gas, N 2 H 4 gas, or the like can be used. Unreacted group III oxide gas, nitrogen element-containing gas, first carrier gas and second carrier gas are exhausted from the exhaust port 119.
以上の装置構成により、III族酸化物ガスを生成する工程は、前記活性化する工程よりも高温で行われ、前記III族窒化物結晶を生成する工程は、前記III族酸化物ガスを生成する工程よりも高温で行われる。 With the above apparatus configuration, the step of generating the group III oxide gas is performed at a higher temperature than the step of activating, and the step of generating the group III nitride crystal generates the group III oxide gas. Performed at a higher temperature than the process.
各ヒータ、コイル104の制御、ガスの流量等は、制御部(図示せず)で行われる。この制御部には、回路基板が搭載され、当該回路基板にはプロセッサ又は別個のデバイスが設けられる。これらのプロセッサ又はデバイスには所定のプログラムが記憶され、当該プログラムにより所定の処理が実行され、上記した方法が実施される。
Control of each heater,
以上により、III族酸化物含有源と反応性ガスとを効率よく反応させられるため、III族酸化物ガスの生成効率が向上し、ひいてはIII族窒化物結晶の成長速度を向上させることができる。 As described above, since the group III oxide-containing source and the reactive gas can be efficiently reacted, the generation efficiency of the group III oxide gas can be improved, and the growth rate of the group III nitride crystal can be improved.
(実施例1)
実施例1では、実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造方法の各条件を以下のように具体的に設定して、III族窒化物結晶の製造を行った。
まず、原料ボート105の面積を300mm×150mm、深さを10mmとした。原料反応室101の床面積を450mm×170mm、高さを12mmとした。第1ヒータ107には、カーボンヒーターを用いた。また、コイル104により反応性ガス供給管103内で反応性ガスが活性化される領域を10cmとした。出発Ga源106にGa2O3、反応性ガスにH2を4slm、第1搬送ガスとしてN2を1slm使用した。コイル104に周波数0.5MHz、50Wの電力を供給した。原料チャンバー100外において反応性ガスを25℃で保持した。第1ヒータ107の加熱温度を1250℃とした。第3ヒータ111は1350℃とした。窒素元素含有ガス供給口113から育成チャンバー112にNH3ガス10slmを供給し、第2搬送ガス供給口114から第2搬送ガスとしてN2を1slm供給した。種基板116にGaN単結晶基板を使用し、種基板116の直径を170mm、基板サセプター117の直径を171mmとした。第2ヒータ115にはカーボンヒーターを用いた。第2ヒータ115を1350℃とした。また、III族窒化物結晶としてGaN単結晶を生成した。
Example 1
In Example 1, the Group III nitride crystal was manufactured by specifically setting each condition of the Group III nitride crystal manufacturing method according to Embodiment 1 as follows.
First, the area of the
(比較例1)
比較例1では、実施例1と対比すると、反応性ガス供給管103に設けていたコイル104を無くしたことを特徴とする。つまり、比較例1では、反応性ガスの活性化を行わなかった以外は実施例1と同じ条件として、III族窒化物結晶の製造を行った。
(Comparative Example 1)
Compared with Example 1, the comparative example 1 is characterized in that the
実施例1と比較例1とにおいて、Ga2Oガスの供給量、およびGaN単結晶の成長速度の評価を行った。Ga2Oガス供給量は、Ga2O3の減少量から見積もった。GaN単結晶の成長速度は、育成前後の種基板の重量変化から見積もった。その結果を表1に示す。表1は、実施例1および比較例1のGa2O供給量およびGaN成長速度である。実施例1では、比較例1より、Ga2O供給量が増加することが確認できた。またGaN単結晶の成長速度に関しても、実施例1は、比較例1の2倍以上向上した。 In Example 1 and Comparative Example 1, the supply amount of Ga 2 O gas and the growth rate of the GaN single crystal were evaluated. The amount of Ga 2 O gas supplied was estimated from the amount of decrease in Ga 2 O 3 . The growth rate of the GaN single crystal was estimated from the weight change of the seed substrate before and after the growth. The results are shown in Table 1. Table 1 shows Ga 2 O supply amounts and GaN growth rates of Example 1 and Comparative Example 1. In Example 1, it was confirmed that the supply amount of Ga 2 O increased from Comparative Example 1. In addition, with respect to the growth rate of the GaN single crystal, Example 1 improved more than twice as much as Comparative Example 1.
なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び/又は実施例のうちの任意の実施の形態及び/又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び/又は実施例が有する効果を奏することができる。 It should be noted that the present disclosure includes appropriately combining any of the various embodiments and / or examples described above, and each of the embodiments and / or examples. The effect which an Example has can be show | played.
本開示に係るIII族窒化物結晶の製造方法および製造装置によれば、反応性ガスを活性化しておくことによって、III族元素含有源と反応性ガスとの反応性を向上させることができる。これにより、III族酸化物ガスの供給量を増加させて、向上した生産効率を実現できる。そこで、III族窒化物結晶を生産性よく得ることができる。III族窒化物結晶は、LEDやレーザー等の光デバイス、トランジスタやダイオードなどのパワーデバイスに利用される。 According to the method and apparatus for producing a group III nitride crystal according to the present disclosure, the reactivity between the group III element-containing source and the reactive gas can be improved by activating the reactive gas. Thereby, the supply amount of group III oxide gas can be increased, and the improved production efficiency can be realized. Therefore, a group III nitride crystal can be obtained with high productivity. Group III nitride crystals are used in optical devices such as LEDs and lasers, and power devices such as transistors and diodes.
100 原料チャンバー
101 原料反応室
102 第1搬送ガス供給口
103 反応性ガス供給管
104 コイル
105 原料ボート
106 出発Ga源
107 第1ヒータ
108 III族酸化物ガス排出口
109 III族酸化物ガス及び搬送ガス排出口
110 接続管
111 第3ヒータ
112 育成チャンバー
113 窒素元素含有ガス供給口
114 第2搬送ガス供給口
115 第2ヒータ
116 種基板
117 基板サセプター
118 III族酸化物ガス及び搬送ガス供給口
119 排気口
100
Claims (11)
反応性ガスを活性化する工程と、
活性化した前記反応性ガスとIII族元素含有源とを反応させて、前記III族元素含有源の酸化物ガスであるIII族酸化物ガスを生成する工程と、
前記III族酸化物ガスと窒素元素含有ガスとを反応させて、III族窒化物結晶を生成する工程と、
を含む、III族窒化物結晶の製造方法。 A method for producing a group III nitride crystal comprising:
Activating a reactive gas;
Reacting the activated reactive gas with a group III element-containing source to generate a group III oxide gas that is an oxide gas of the group III element-containing source;
Reacting the Group III oxide gas with a nitrogen element-containing gas to form a Group III nitride crystal;
A method for producing a group III nitride crystal comprising:
前記III族窒化物結晶を生成する工程は、前記III族酸化物ガスを生成する工程よりも高温で行われる、請求項1から7のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。 The step of generating the group III oxide gas is performed at a higher temperature than the step of activating the reactive gas,
The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 7, wherein the step of generating the group III nitride crystal is performed at a higher temperature than the step of generating the group III oxide gas. .
前記原料反応室を加熱する第1ヒータと、
反応性ガスを活性化する活性化機構と、
前記原料反応室内に活性化した前記反応性ガスを供給する反応性ガス供給管と、
III族窒化物結晶を生成する育成チャンバーと、
前記育成チャンバーを加熱する第2ヒータと、
前記原料反応室と前記育成チャンバーとを接続し、前記III族元素含有源と前記反応性ガスとが反応したガスを前記原料反応室に導入する接続管と、
を備える、III族窒化物結晶の製造装置。 A raw material reaction chamber for installing a group III element-containing source;
A first heater for heating the raw material reaction chamber;
An activation mechanism for activating the reactive gas;
A reactive gas supply pipe for supplying the activated reactive gas into the raw material reaction chamber;
A growth chamber for producing a group III nitride crystal;
A second heater for heating the growth chamber;
A connecting pipe for connecting the raw material reaction chamber and the growth chamber, and introducing a gas obtained by reacting the group III element-containing source and the reactive gas into the raw material reaction chamber;
An apparatus for producing a group III nitride crystal.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2023238532A1 (en) * | 2022-06-09 | 2023-12-14 | パナソニックホールディングス株式会社 | Group iii nitride crystal manufacturing apparatus and manufacturing method |
JP7496575B2 (en) | 2020-07-03 | 2024-06-07 | 国立大学法人大阪大学 | Method for producing group III nitride crystals |
-
2016
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