JP2019189479A - Method for manufacturing group iii nitride crystal - Google Patents

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真介 小松
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Abstract

To provide a method for manufacturing a group III nitride crystal, capable of obtaining a group III nitride single crystal formed by suppressing stress during cooling from a base substrate to the group III nitride single crystal while suppressing the corrosion of an apparatus.SOLUTION: The method for manufacturing a group III nitride crystal comprises the steps of: (i) using sapphire as a base substrate to prepare a seed substrate having a group III nitride layer on the base substrate; (ii) preparing lithium or a lithium compound in a tool formed of tantalum; (iii) growing a group III nitride crystal on the group III nitride layer provided on the seed substrate using a mixed melt of a group III element and alkali metal; and (iv) putting the lithium or the lithium compound into the mixed melt to react the molten mixture with the base substrate.SELECTED DRAWING: Figure 1A

Description

本発明は、III族窒化物結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a group III nitride crystal.

窒化ガリウムなどのIII族窒化物単結晶半導体は、パワー半導体分野などのヘテロ接合高速電子デバイスや、青色や紫外光を発光する半導体素子の材料として注目されている。青色レーザダイオード(LD)は、高密度光ディスクやディスプレイに応用され、また青色発光ダイオード(LED)は、ディスプレイや照明などに応用される。また、紫外線LDはバイオテクノロジなどへの応用が期待され、紫外線LEDは、蛍光灯の紫外線源として期待されている。   Group III nitride single crystal semiconductors such as gallium nitride are attracting attention as materials for heterojunction high-speed electronic devices such as power semiconductors and semiconductor elements that emit blue and ultraviolet light. Blue laser diodes (LD) are applied to high-density optical discs and displays, and blue light-emitting diodes (LEDs) are applied to displays and lighting. In addition, ultraviolet LD is expected to be applied to biotechnology and the like, and ultraviolet LED is expected to be an ultraviolet light source for fluorescent lamps.

III族窒化物単結晶半導体(例えば、窒化ガリウム)の基板は、通常、気相エピタキシャル成長によって形成されている。例えば、サファイアで構成されるベース基板上にIII族窒化物結晶をヘテロエピタキシャル成長させた基板などが用いられている。しかしながら、サファイア基板と窒化ガリウム単結晶とは、格子定数に13.8%の差があり、線膨張係数にも25.8%の差がある。このため、気相エピタキシャル成長によって得られる窒化ガリウム単結晶薄膜では結晶性が十分ではない。この方法で得られる結晶の転位密度は、通常、1e+8cm−2〜1e+9cm−2であり、転位密度の減少が重要な課題となっている。この課題を解決するために、転位密度を低減する取り組みが行われており、例えば、ELOG(Epitaxial lateral overgrowth)法が開発されている。この方法によれば、転位密度を1e+5cm−2〜1e+6cm−2程度まで下げることができるが、作製工程が複雑である。 A substrate of a group III nitride single crystal semiconductor (for example, gallium nitride) is usually formed by vapor phase epitaxial growth. For example, a substrate obtained by heteroepitaxially growing a group III nitride crystal on a base substrate made of sapphire is used. However, the sapphire substrate and the gallium nitride single crystal have a difference of 13.8% in the lattice constant and a difference of 25.8% in the linear expansion coefficient. For this reason, the gallium nitride single crystal thin film obtained by vapor phase epitaxial growth has insufficient crystallinity. The dislocation density of the crystal obtained by this method is usually 1e + 8 cm −2 to 1e + 9 cm −2 , and the reduction of the dislocation density is an important issue. In order to solve this problem, efforts have been made to reduce the dislocation density, and for example, an ELOG (Epitaxial Lateral Overgrowth) method has been developed. According to this method, the dislocation density can be lowered to about 1e + 5 cm −2 to 1e + 6 cm −2, but the manufacturing process is complicated.

一方、気相エピタキシャル成長ではなく、液相で結晶成長を行う方法も検討されてきた。従来、窒化ガリウム単結晶や窒化アルミニウム単結晶などのIII族窒化物単結晶の融点における窒素の平衡蒸気圧は1000MPa以上であるため、窒化ガリウムを液相で成長させるためには1200℃で800MPaの条件が必要とされてきた。これに対し、ナトリウム融液との混合融液を活用して窒素を溶解するナトリウムフラックス法を用いることが提案された。このナトリウムフラックス法によって、870℃、4MPaという比較的低温低圧の条件下で窒化ガリウム単結晶を合成できることが明らかにされた。   On the other hand, a method of performing crystal growth in a liquid phase instead of vapor phase epitaxial growth has been studied. Conventionally, the equilibrium vapor pressure of nitrogen at the melting point of a group III nitride single crystal such as a gallium nitride single crystal or an aluminum nitride single crystal is 1000 MPa or more. Therefore, in order to grow gallium nitride in a liquid phase, 800 MPa at 1200 ° C. Conditions have been needed. On the other hand, it has been proposed to use a sodium flux method in which nitrogen is dissolved using a mixed melt with a sodium melt. It has been clarified that the gallium nitride single crystal can be synthesized by this sodium flux method under relatively low temperature and low pressure conditions of 870 ° C. and 4 MPa.

また、アンモニウムを含む窒素ガス雰囲気下においてガリウムとナトリウムとの混合物を800℃、5MPaで溶融させ、この融液を用いて96時間の育成時間で、最大結晶サイズが1.2mm程度の単結晶が得られている(例えば、特許文献1参照。)。   In addition, a mixture of gallium and sodium was melted at 800 ° C. and 5 MPa in a nitrogen gas atmosphere containing ammonium, and a single crystal having a maximum crystal size of about 1.2 mm was grown using this melt for 96 hours. It is obtained (for example, refer to Patent Document 1).

また、サファイア基板上に有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により窒化ガリウム単結晶層を成膜したのち、液相成長(LPE:Liquid phase epitaxy)法によって単結晶を成長させる方法も報告されている。   In addition, after a gallium nitride single crystal layer is formed on a sapphire substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), a single crystal is grown by liquid phase epitaxy (LPE). A method has also been reported.

これらの工法では、サファイアで構成されるベース基板とIII族窒化物単結晶との間に熱膨張係数の差がある。そのため、サファイアで構成されるベース基板を用いてIII族窒化物単結晶を成長させると、育成後の冷却工程においてIII族窒化物単結晶に歪みや反りが生じる場合がある。その結果、得られたIII族窒化物単結晶基板が破損し易く、これを用いたデバイスの製造が難しくなる。また、この場合の応力は基板が大口径になるに従って大きくなる。そこで、サファイアで構成されるベース基板とIII族窒化物単結晶基板との間に空隙を作成する工程を含む製造方法が報告されている。これによって、良質なIII族窒化物単結晶のみからなり、反りが小さいIII族窒化物単結晶基板を製造することが可能とされている。   In these methods, there is a difference in thermal expansion coefficient between the base substrate made of sapphire and the group III nitride single crystal. For this reason, when a group III nitride single crystal is grown using a base substrate made of sapphire, the group III nitride single crystal may be distorted or warped in the cooling step after the growth. As a result, the obtained group III nitride single crystal substrate is easily damaged, and it is difficult to manufacture a device using the same. Also, the stress in this case increases as the substrate becomes larger in diameter. Therefore, a manufacturing method including a step of creating a gap between a base substrate made of sapphire and a group III nitride single crystal substrate has been reported. As a result, it is possible to manufacture a group III nitride single crystal substrate made of only a high-quality group III nitride single crystal and having a small warp.

また、上記反りを低減する別の方法として、熱膨張係数差による応力が生じる前にサファイア製ベース基板と、金属リチウムとの化学反応により、サファイアで構成されるベース基板を溶解する方法も報告されている(例えば、非特許文献1参照。)。これによって、育成したIII族窒化物単結晶基板とサファイアで構成されるベース基板との間に働く応力を低減している。この方法では、結晶成長を行うための温度および圧力環境(870℃、40気圧など)に置かれた金属原料の混合融液の入った坩堝の内部かつ原料の混合融液に触れない場所に、金属リチウムを配置している。その後、III族窒化物結晶成長工程の後、冷却を実施する前にサファイア製ベース基板上で育成されたIII族窒化物結晶基板が入っている原料混合融液に金属リチウムを投入する。これによって、金属リチウムをベース基板を構成するサファイアと反応させ、ベース基板からIII族窒化物結晶基板を分離する。   As another method for reducing the warpage, a method of dissolving a base substrate made of sapphire by a chemical reaction between a base substrate made of sapphire and metallic lithium before a stress due to a difference in thermal expansion coefficient occurs is also reported. (For example, refer nonpatent literature 1.). As a result, the stress acting between the grown group III nitride single crystal substrate and the base substrate made of sapphire is reduced. In this method, inside a crucible containing a mixed melt of a metal raw material placed in a temperature and pressure environment (870 ° C., 40 atm., Etc.) for crystal growth and in a place where the mixed melt of the raw material is not touched. Metal lithium is arranged. Thereafter, after the group III nitride crystal growth step, metallic lithium is charged into the raw material mixed melt containing the group III nitride crystal substrate grown on the sapphire base substrate before cooling. As a result, metallic lithium reacts with sapphire constituting the base substrate to separate the group III nitride crystal substrate from the base substrate.

図2に、従来のIII族窒化物単結晶の製造方法の構成例を示す。
(a)従来のナトリウムフラックス法によるIII族窒化物単結晶の製造方法では、アルミナで構成される坩堝容器100内部にIII族元素の融液とナトリウム融液との混合融液101が入れられており、混合融液の中に種結晶基板104が配置されている。種結晶基板104には、サファイアで構成されるベース基板102にIII族窒化物単結晶の種結晶層103が設けられている。
(b)上記構成の製造装置内の坩堝容器100、混合融液101、種結晶基板104を840℃から900℃、窒素ガス40気圧の環境下に置く。これによって、混合融液101中に溶けこんだ窒素がベース基板102上のIII族窒化物単結晶層103において混合融液101中のガリウムと反応し、窒化ガリウム単結晶が生成される(下記式(I)参照。)。
Ga+N→GaN (I)
FIG. 2 shows a configuration example of a conventional method for producing a group III nitride single crystal.
(A) In the conventional method for producing a group III nitride single crystal by the sodium flux method, a mixed melt 101 of a group III element melt and a sodium melt is placed in a crucible container 100 made of alumina. The seed crystal substrate 104 is disposed in the mixed melt. The seed crystal substrate 104 is provided with a group crystal nitride single crystal seed crystal layer 103 on a base substrate 102 made of sapphire.
(B) The crucible container 100, the mixed melt 101, and the seed crystal substrate 104 in the manufacturing apparatus having the above configuration are placed in an environment of 840 ° C. to 900 ° C. and nitrogen gas 40 atm. Thus, nitrogen dissolved in the mixed melt 101 reacts with gallium in the mixed melt 101 in the group III nitride single crystal layer 103 on the base substrate 102 to generate a gallium nitride single crystal (the following formula) (See (I).)
Ga + N → GaN (I)

(c)ベース基板102を構成するサファイアをリチウムにより溶解して、育成されたIII族窒化物結晶基板への応力を低減するために、結晶育成中は、坩堝容器100内部で混合融液101に触れない状態で、ジグ(治具、金属リチウム保持具)110により金属リチウム111が保持されている。
(d)窒化ガリウム単結晶がベース基板102上に生成後、冷却を実施する前にサファイア製ベース基板上で育成されたIII族窒化物結晶基板および混合融液101が入っている坩堝容器100内に金属リチウム111を投入する。これにより、金属リチウム111をベース基板102を構成するサファイアと反応させ、ベース基板102からIII族窒化物結晶基板を分離する。
(C) In order to reduce the stress on the grown group III nitride crystal substrate by dissolving sapphire constituting the base substrate 102 with lithium, during the crystal growth, the mixed melt 101 is formed inside the crucible container 100. The metal lithium 111 is held by a jig (jig, metal lithium holder) 110 without touching it.
(D) After the gallium nitride single crystal is formed on the base substrate 102 and before cooling, the inside of the crucible container 100 containing the group III nitride crystal substrate grown on the sapphire base substrate and the mixed melt 101 is contained. Is charged with metal lithium 111. Thereby, the metal lithium 111 is reacted with sapphire constituting the base substrate 102 to separate the group III nitride crystal substrate from the base substrate 102.

特開2009−234800号公報JP 2009-234800 A

Takumi Yamada et al 2016 Appl. Phys. Express 9 071002Takumi Yamada et al 2016 Appl. Phys. Express 9 071002

上記の従来の金属リチウムによりサファイアを溶解する方法では、III族窒化物単結晶の育成中に、混合融液の入った坩堝内にて待機中のリチウムが育成環境内で安定に存在できず、育成温度でリチウムおよびリチウム化合物の一部が気化してしまう。また、気化したリチウムが坩堝内に存在するアルミナ(Al)もしくはイットリア(Y)で構成される部材を腐食する問題がある。これは金属リチウムの反応性の高さによると考えられる。 In the above-described conventional method of melting sapphire with lithium metal, lithium in standby in the crucible containing the mixed melt cannot be stably present in the growth environment during the growth of the group III nitride single crystal. A part of lithium and the lithium compound is vaporized at the growth temperature. Further, there is a problem that vaporized lithium corrodes a member made of alumina (Al 2 O 3 ) or yttria (Y 2 O 3 ) present in the crucible. This is thought to be due to the high reactivity of metallic lithium.

そこで、本発明は、装置の腐食を抑えながら、ベース基板からIII族窒化物単結晶への冷却中の応力を抑えたIII族窒化物単結晶を得るIII族窒化物結晶の製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a method for producing a group III nitride crystal that obtains a group III nitride single crystal that suppresses stress during cooling from the base substrate to the group III nitride single crystal while suppressing corrosion of the apparatus. For the purpose.

上記目的を達成するために、本発明に係るIII族窒化物結晶の製造方法では、(i)サファイアをベース基板とし、前記ベース基板上にIII族窒化物層を設けた種基板を準備する工程と、
(ii)リチウム又はリチウム化合物をタンタルで構成される治具に準備する工程と、
(iii)III族元素とアルカリ金属との混合融液を用いて前記種基板に設けられた前記III族窒化物層にIII族窒化物結晶を成長させる工程と、
(iv)前記リチウム又はリチウム化合物を前記混合融液に投入して前記ベース基板と反応させる工程と、
を含む。
In order to achieve the above object, in the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention, (i) a step of preparing a seed substrate in which sapphire is used as a base substrate and a group III nitride layer is provided on the base substrate. When,
(Ii) preparing lithium or a lithium compound in a jig composed of tantalum;
(Iii) growing a group III nitride crystal on the group III nitride layer provided on the seed substrate using a mixed melt of a group III element and an alkali metal;
(Iv) introducing the lithium or lithium compound into the mixed melt and reacting with the base substrate;
including.

また、本発明に係るIII族窒化物結晶の製造装置は、III族元素とアルカリ金属との混合融液を保持可能なタンタル製坩堝容器と、
前記坩堝容器内で前記混合融液の液面より上部にリチウム又はリチウム化合物を保持可能なタンタル製リチウム保持具と、
を備える。
Further, the group III nitride crystal production apparatus according to the present invention includes a tantalum crucible container capable of holding a mixed melt of a group III element and an alkali metal,
A tantalum lithium holder capable of holding lithium or a lithium compound above the liquid surface of the mixed melt in the crucible container;
Is provided.

本発明に係るIII族窒化物結晶の製造方法により、装置の腐食を抑えて、III族窒化物単結晶を育成することが可能である。   With the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention, it is possible to grow a group III nitride single crystal while suppressing corrosion of the apparatus.

実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造方法において、III族窒化物結晶の成長工程の一例を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of a group III nitride crystal growth step in the method for producing a group III nitride crystal according to the first embodiment. 実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造方法において、酸化リチウムを混合融液に投入してベース基板と反応させる工程の一例を示す概略図である。In the manufacturing method of the group III nitride crystal which concerns on Embodiment 1, it is the schematic which shows an example of the process of throwing lithium oxide into a mixed melt and making it react with a base substrate. 実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造方法において、III族窒化物結晶からベース基板が剥離した状態の一例を示す概略図である。In the manufacturing method of the group III nitride crystal concerning Embodiment 1, it is the schematic which shows an example of the state which the base substrate peeled from the group III nitride crystal. 非特許文献1に記載のIII族窒化物結晶の製造方法の装置構成の要部の一例を示す概略図である。3 is a schematic diagram illustrating an example of a main part of an apparatus configuration of a method for producing a group III nitride crystal described in Non-Patent Document 1. 実施例1の装置構成の要部の一例を示す概略図である。1 is a schematic diagram illustrating an example of a main part of a device configuration of Example 1. FIG.

第1の態様に係る
本発明の製造方法は、
(i)サファイアをベース基板とし、前記ベース基板上にIII族窒素化物層を設けた種基板を準備する工程と、
(ii)リチウム又はリチウム化合物をタンタルで構成される治具に準備する工程と、
(iii)III族元素とアルカリ金属との混合融液を用いて前記種基板に設けられた前記III族窒素化物層にIII族窒化物結晶を成長させる工程と、
(iv)前記リチウム又はリチウム化合物を前記混合融液に投入して前記ベース基板と反応させる工程と、
を含む。
The manufacturing method of the present invention according to the first aspect includes
(I) preparing a seed substrate having sapphire as a base substrate and having a group III nitride layer provided on the base substrate;
(Ii) preparing lithium or a lithium compound in a jig composed of tantalum;
(Iii) growing a group III nitride crystal on the group III nitride layer provided on the seed substrate using a mixed melt of a group III element and an alkali metal;
(Iv) introducing the lithium or lithium compound into the mixed melt and reacting with the base substrate;
including.

上記各工程の順番については、例えば、
(1)サファイアをベース基板とし、ベース基板上にIII族窒素化物層を設けた種基板を準備する工程、
(2)原料の混合融液を構成する金属および添加物を坩堝内に準備する工程、
(3)リチウムもしくはリチウム化合物を坩堝内上部のタンタル製のリチウム保持具に準備する工程、
(4)装置の中に坩堝を準備する工程、
(5)装置内を育成条件の温度および圧力の環境下にする工程、
(6)結晶成長工程、
(7)坩堝上部に準備しておいたリチウムもしくはリチウム化合物を原料の混合融液内に投入する工程、
(8)リチウムとサファイアとの反応(溶解)工程、
(9)冷却工程、
の順である。
For the order of the above steps, for example,
(1) A step of preparing a seed substrate in which sapphire is used as a base substrate and a group III nitride layer is provided on the base substrate;
(2) a step of preparing the metal and additive constituting the raw material mixed melt in the crucible;
(3) preparing lithium or a lithium compound in a lithium holder made of tantalum in the upper part of the crucible;
(4) preparing a crucible in the apparatus;
(5) A step of bringing the inside of the apparatus into an environment of the temperature and pressure of the growth conditions,
(6) Crystal growth process,
(7) A step of introducing lithium or a lithium compound prepared in the upper part of the crucible into the raw material mixed melt,
(8) a reaction (dissolution) step of lithium and sapphire,
(9) cooling process,
In the order.

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)工程において、
前記III族元素は、ガリウムであり、前記アルカリ金属は、ナトリウム、カリウムから選ばれる少なくとも1つであり、前記III族窒化物結晶は、GaN結晶であってもよい。
The method for producing a group III nitride crystal according to a second aspect is the above-described first aspect, wherein in the step (iii),
The group III element may be gallium, the alkali metal may be at least one selected from sodium and potassium, and the group III nitride crystal may be a GaN crystal.

第3の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1又は第2の態様において、前記(ii)工程において、
前記リチウムもしくはリチウム化合物の量は、リチウム原子の質量換算で前記種基板の重量の4重量%以上であり15重量%以下であってもよい。
The method for producing a group III nitride crystal according to a third aspect is the above-described first or second aspect, wherein in the step (ii),
The amount of the lithium or the lithium compound may be 4% by weight or more and 15% by weight or less of the weight of the seed substrate in terms of mass of lithium atoms.

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)工程において、
前記混合融液は、さらにアルカリ土類金属を含んでもよい。
In the method for producing a group III nitride crystal according to the fourth aspect, in any one of the first to third aspects, in the step (iii),
The mixed melt may further contain an alkaline earth metal.

上記構成によれば、アルカリ土類金属を含むことで多結晶化を抑制する効果が得られる場合がある。   According to the said structure, the effect which suppresses polycrystallization may be acquired by including an alkaline-earth metal.

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4のいずれかの態様において、(iv)成長させた前記III族窒化物結晶を冷却する工程、をさらに含んでもよい。   The method for producing a group III nitride crystal according to a fifth aspect may further include the step of (iv) cooling the grown group III nitride crystal in any one of the first to fourth aspects. Good.

第6の態様に係るIII族窒化物結晶の製造装置は、III族元素とアルカリ金属との混合融液を保持可能なタンタル製の坩堝容器と、
前記坩堝容器内で前記混合融液の液面より上部にリチウム又はリチウム化合物を保持可能なタンタル製リチウム保持具と、
を備える。
An apparatus for producing a group III nitride crystal according to a sixth aspect includes a tantalum crucible container capable of holding a mixed melt of a group III element and an alkali metal,
A tantalum lithium holder capable of holding lithium or a lithium compound above the liquid surface of the mixed melt in the crucible container;
Is provided.

第7の態様に係るIII族窒化物結晶の製造装置は、上記第6の態様において、さらに、前記タンタル製坩堝容器の開口部を覆うタンタル製坩堝蓋、を備えてもよい。   The apparatus for producing a group III nitride crystal according to a seventh aspect may further comprise a tantalum crucible lid covering the opening of the tantalum crucible container in the sixth aspect.

第8の態様に係るIII族窒化物結晶の製造装置は、上記第6又は第7の態様において、前記タンタル製坩堝容器は、バルク材からの切削加工品または放電加工品であってもよい。   In the Group III nitride crystal production apparatus according to an eighth aspect, in the sixth or seventh aspect, the tantalum crucible container may be a product cut from a bulk material or an electric discharge machined product.

以下、実施の形態に係るIII族窒化物結晶の製造方法について、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。また、すべての図において、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている場合がある。   Hereinafter, a method 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. In all the drawings, the size, ratio, and the like of each component may be different from actual ones.

(実施の形態1)
<III族窒化物結晶の製造方法>
以下、実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造方法について例をあげて説明する。図1Aは、実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造方法において、III族窒化物結晶の成長工程の一例を示す概略図である。図1Bは、実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造方法において、リチウム又はリチウム化合物111を混合融液101に投入してベース基板102と反応させる工程の一例を示す概略図である。図1Cは、実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造方法において、III族窒化物結晶112からベース基板102が剥離した状態の一例を示す概略図である。
(Embodiment 1)
<Method for Producing Group III Nitride Crystal>
Hereinafter, the method for producing a group III nitride crystal according to the first embodiment will be described with reference to an example. 1A is a schematic diagram illustrating an example of a group III nitride crystal growth step in the method for producing a group III nitride crystal according to Embodiment 1. FIG. FIG. 1B is a schematic diagram showing an example of a step of introducing lithium or lithium compound 111 into mixed melt 101 and reacting with base substrate 102 in the method for producing a group III nitride crystal according to Embodiment 1. FIG. 1C is a schematic diagram illustrating an example of a state in which the base substrate 102 is separated from the group III nitride crystal 112 in the method for manufacturing the group III nitride crystal according to the first embodiment.

(a)この方法では、まず、サファイアで構成されるベース基板102上に、組成式AluGavIn1-u-vN(ただし、0≦u≦1、0≦v≦1である)で表される第1のIII族窒化物単結晶層103を形成する。ベース基板102と、その上に設けられた第1のIII族窒化物層103と、によって種結晶基板104を構成する(図1A)。第1のIII族窒化物単結晶層103は、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やMBE(Moleculer Beam Epitaxy)法またはHVPE(Hydrogen Vapor Phase Epitaxy)法で形成できる。この第1のIII族窒化物層103は、主面(上面)が(0001)面(+c面)の単結晶であることが望ましい。 (A) In this method, first, a composition formula Al u Ga v In 1 -uv N (where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1) is formed on a base substrate 102 made of sapphire. The first group III nitride single crystal layer 103 is formed. A seed crystal substrate 104 is constituted by the base substrate 102 and the first group III nitride layer 103 provided thereon (FIG. 1A). The first group III nitride single crystal layer 103 can be formed by, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Deposition), MBE (Molecular Beam Epitaxy), or HVPE (Hydrogen Vapor Phase Epitaxy). The first group III nitride layer 103 is preferably a single crystal having a main surface (upper surface) of (0001) plane (+ c plane).

(b)次に、窒素を含む雰囲気下(好ましくは100気圧以下の加圧雰囲気)において、混合融液101を用いて、第1のIII族窒化物単結晶層103にIII族窒化物結晶を成長させる工程を行う(図1A)。混合融液101は、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムから選ばれる少なくとも1つのIII族元素とアルカリ金属とを含む。この工程では、混合融液101に、選択したIII族元素の窒化物で構成されるIII族窒化物単結晶層103の育成面側表面を接触させる。これによって、混合融液101中の少なくとも1つのIII族元素と加圧により溶解した窒素とを反応させてIII族窒化物単結晶層103上にIII族窒化物結晶を成長させる。窒素を含む雰囲気下としては、例えば、窒素ガスや、アンモニウムを含む窒素ガス雰囲気を適用できる。アルカリ金属には、ナトリウム、カリウムから選ばれる少なくとも1つ、すなわち、それらの1つまたはそれらの混合物が用いられ、これらは通常、フラックスの状態で用いられる。加圧により供給された窒素ガス中の窒素分子を、結晶成長反応のために窒素原子に分離させて混合融液101中に溶け込ませるため、混合融液101を構成するアルカリ金属として、例えば、ナトリウムを用いてもよい。本実施の形態1では、ナトリウムフラックス法を用いて、III族窒化物結晶を成長させる。 (B) Next, a group III nitride crystal is formed on the first group III nitride single crystal layer 103 using the mixed melt 101 in an atmosphere containing nitrogen (preferably a pressurized atmosphere of 100 atm or less). A growth step is performed (FIG. 1A). The mixed melt 101 contains at least one group III element selected from gallium, aluminum, and indium and an alkali metal. In this step, the growth surface side surface of the group III nitride single crystal layer 103 made of the nitride of the selected group III element is brought into contact with the mixed melt 101. As a result, at least one group III element in the mixed melt 101 is reacted with nitrogen dissolved under pressure to grow a group III nitride crystal on the group III nitride single crystal layer 103. As the atmosphere containing nitrogen, for example, a nitrogen gas atmosphere or a nitrogen gas atmosphere containing ammonium can be applied. As the alkali metal, at least one selected from sodium and potassium, that is, one of them or a mixture thereof is used, and these are usually used in a flux state. Nitrogen molecules in the nitrogen gas supplied by pressurization are separated into nitrogen atoms for the crystal growth reaction and dissolved in the mixed melt 101. Therefore, as an alkali metal constituting the mixed melt 101, for example, sodium May be used. In the first embodiment, a group III nitride crystal is grown using a sodium flux method.

図1Aの混合融液101は、例えば、原料を坩堝容器100に投入して加熱することによって調製される。このとき、坩堝容器100は、サファイアで構成されるベース基板102を溶解する工程においてリチウムが投入されるため、リチウムに腐食されない部材で構成されることが好ましい。実施の形態1では、坩堝容器100の材料として、例えば、タンタルを用いることを特徴とする。
なお、リチウムに腐食されにくい材料としては、タングステンや、モリブデンも考えられる。しかし、本発明者らは、タングステンもしくはモリブデンを坩堝容器とした場合には、ナトリウムフラックス法でIII族窒化物基板を育成できないことを見出している。つまり、坩堝容器の材料としてタンタルを用いることが好ましい。さらに、このとき、タンタル製坩堝の作製方法については、タンタル板材からのヘラ絞り加工ではなく、棒材などのバルク材からの切削加工または放電加工であることが好ましい。原因は特定できていないが、ヘラ絞り加工で作成した坩堝容器においてはIII族窒化物結晶が成長できない結果が得られている(比較例4)。タンタル板材からのヘラ絞り加工で作成したタンタル坩堝をEDXにて評価したところ、坩堝表面の酸素濃度が高いことが評価から分かっている。つまり、ヘラ絞り加工中にタンタル表面が酸化したか、もしくは酸素を含む不純物が付着した影響があると考えられる。そこで、坩堝容器100としては、バルク材からの切削加工品または放電加工品であることが好ましい。
The mixed melt 101 in FIG. 1A is prepared, for example, by charging a raw material into the crucible container 100 and heating. At this time, since crucible container 100 is charged with lithium in the step of melting base substrate 102 made of sapphire, crucible container 100 is preferably made of a member that is not corroded by lithium. The first embodiment is characterized in that, for example, tantalum is used as the material of the crucible container 100.
Note that tungsten and molybdenum are also conceivable as materials that are not easily corroded by lithium. However, the present inventors have found that a group III nitride substrate cannot be grown by the sodium flux method when tungsten or molybdenum is used as a crucible container. That is, it is preferable to use tantalum as a material for the crucible container. Further, at this time, the method for producing the tantalum crucible is preferably not a spatula drawing process from a tantalum plate material but a cutting process from a bulk material such as a bar or an electric discharge process. Although the cause has not been specified, a result that group III nitride crystals cannot grow is obtained in a crucible container prepared by spatula drawing (Comparative Example 4). When a tantalum crucible prepared by spatula drawing from a tantalum plate was evaluated by EDX, it was found from the evaluation that the oxygen concentration on the crucible surface was high. That is, it is considered that there is an influence that the tantalum surface is oxidized during the spatula drawing process or impurities including oxygen are attached. Therefore, the crucible container 100 is preferably a product cut from a bulk material or an electric discharge machined product.

加熱されたタンタル製の坩堝容器100内の混合融液101は、混合を促進するために坩堝容器100において揺動運動または回転運動、もしくはその両方をあわせた運動を行ってもよい。前記混合融液101を作製したのち、前記混合融液101を過飽和の状態とすることによってIII族窒化物単結晶が成長する。窒素の供給を促進し反応速度を向上するために、窒素を含む雰囲気としては、加圧雰囲気であることが好ましい。材料の溶融および結晶成長は、例えば、温度が700℃〜1100℃程度で、圧力が0.1パスカル〜5メガパスカル程度の環境下で行われる。なお、混合融液101は、アルカリ土類金属をさらに含んでもよい。アルカリ土類金属としては、例えば、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、バリウム、ベリリウムなどを用いることができる。これらアルカリ土類金属を用いることで多結晶の生成を抑制する効果がある。   The mixed melt 101 in the heated tantalum crucible container 100 may perform a rocking motion or a rotational motion in the crucible container 100 or a combination of both in order to promote mixing. After producing the mixed melt 101, a group III nitride single crystal grows by bringing the mixed melt 101 into a supersaturated state. In order to promote the supply of nitrogen and improve the reaction rate, the atmosphere containing nitrogen is preferably a pressurized atmosphere. The melting and crystal growth of the material are performed, for example, in an environment where the temperature is about 700 ° C. to 1100 ° C. and the pressure is about 0.1 to 5 megapascals. The mixed melt 101 may further contain an alkaline earth metal. As the alkaline earth metal, for example, calcium, magnesium, strontium, barium, beryllium and the like can be used. Use of these alkaline earth metals has an effect of suppressing the formation of polycrystals.

この方法により、組成式AlsGatIn1-s-tN(ただし0≦s≦1、0≦t≦1)で表されるIII族窒化物結晶112をサファイアで構成されるベース基板102上に成長させる(図1B)。成長させるIII族窒化物結晶112は、結晶方位(0001)面(+c面)が成長面(主面)である。ベース基板102のサファイアと上記組成式AlsGatIn1-s-tN(ただし0≦s≦1、0≦t≦1)で表されるIII族窒化物結晶との間には熱膨張係数に大きな差がある。この工程から、基板を取り出すために温度を下げると、熱膨張係数差に起因してIII族窒化物結晶にサファイアで構成されるベース基板から応力がかかる。その結果、III族窒化物結晶には反りが発生し、応力が大きい場合にはクラックや割れを引き起こしてしまう。 In this way, the base substrate 102 in configured to formula Al s Ga t In 1-st N ( provided that 0 ≦ s ≦ 1,0 ≦ t ≦ 1) III -nitride crystal 112 represented by sapphire Grow (FIG. 1B). In the group III nitride crystal 112 to be grown, the crystal orientation (0001) plane (+ c plane) is the growth plane (principal plane). The thermal expansion coefficient between the III-nitride crystal represented by sapphire and the composition formula of the base substrate 102 Al s Ga t In 1- st N ( provided that 0 ≦ s ≦ 1,0 ≦ t ≦ 1) There is a big difference. When the temperature is lowered to take out the substrate from this step, stress is applied to the group III nitride crystal from the base substrate made of sapphire due to the difference in thermal expansion coefficient. As a result, the group III nitride crystal is warped, and when the stress is large, cracks and cracks are caused.

(c)そこで、冷却前にリチウム又はリチウム化合物111を混合融液101に投入し、ベース基板102を構成するサファイアとリチウムもしくはリチウム化合物111とを反応させる(図1B)。例えば、ベース基板102の全部又は一部を溶解させることができる。これによって、ベース基板102をIII族窒化物結晶から剥離除去、もしくはベース基板102とIII族窒化物結晶112との間の結合を弱化させることができる(図1C)。 (C) Therefore, before cooling, lithium or a lithium compound 111 is charged into the mixed melt 101 to react sapphire constituting the base substrate 102 with lithium or the lithium compound 111 (FIG. 1B). For example, all or part of the base substrate 102 can be dissolved. Thus, the base substrate 102 can be peeled off from the group III nitride crystal, or the bond between the base substrate 102 and the group III nitride crystal 112 can be weakened (FIG. 1C).

このとき、投入するリチウムもしくはリチウム化合物の量は、反応させるサファイアで構成されるベース基板102の重量に対して、リチウム原子の質量換算で4重量%以上、15重量%以下であることが望ましい。4重量%よりも少ない場合では、サファイアの反応(溶解)量が十分ではなく、III族窒化物結晶がサファイアで構成されるベース基板102から剥離されず、III族窒化物結晶にサファイアで構成されるベース基板102からの応力が加わってしまい、III族窒化物結晶の反りを発生させてしまう。また、15重量%よりも多い場合では、サファイアで構成されるベース基板の溶解によるIII族窒化物基板への応力低減の効果は期待できるが、それ以上の量はサファイアで構成されるベース基板102の反応(溶解)に対して余剰となるため望ましくない。また、サファイア溶解反応を加速させるために環境温度をIII族窒化物結晶の育成温度よりも上げることも可能である。なお、混合融液に対するリチウム濃度が5mol%から15mol%の範囲において、リチウム濃度による影響はみられないという結果が得られた。従って、リチウム濃度によらず、溶解させるリチウムの総量が上記の範囲であればよいと推察される。   At this time, it is desirable that the amount of lithium or lithium compound to be added is 4% by weight or more and 15% by weight or less in terms of the mass of lithium atoms with respect to the weight of the base substrate 102 made of sapphire to be reacted. When the amount is less than 4% by weight, the reaction (dissolution) amount of sapphire is not sufficient, and the group III nitride crystal is not peeled off from the base substrate 102 composed of sapphire, and the group III nitride crystal is composed of sapphire. Stress from the base substrate 102 is generated, and the group III nitride crystal is warped. When the amount is more than 15% by weight, the effect of reducing the stress on the group III nitride substrate by melting the base substrate composed of sapphire can be expected, but the amount larger than that is the base substrate 102 composed of sapphire. This is not desirable because it is excessive for the reaction (dissolution) of In order to accelerate the sapphire dissolution reaction, it is possible to raise the environmental temperature above the growth temperature of the group III nitride crystal. In addition, the result that the influence by lithium concentration was not seen was obtained in the range whose lithium concentration with respect to a mixed melt is 5 mol% to 15 mol%. Therefore, it is speculated that the total amount of lithium to be dissolved should be in the above range regardless of the lithium concentration.

本工法では、窒素による加圧、昇温を行う際、混合融液の蒸発による炉内汚染を防ぐため、結晶育成のための混合融液が入った坩堝容器100には、混合融液内101の種結晶基板104に窒素を供給するための直径1ミリメートル(1mm)程度の通気口以外に隙間は設けない。
なお、坩堝容器100の開口部を覆うために坩堝蓋108を設けている。この坩堝蓋108もリチウム若しくはリチウム化合物と反応性が乏しい材料からなることが好ましい。坩堝蓋108は、例えば、タンタル製であってもよい。
In this construction method, in order to prevent in-furnace contamination due to evaporation of the mixed melt at the time of pressurization and temperature rise with nitrogen, the crucible container 100 containing the mixed melt for crystal growth is contained in the mixed melt 101. No gap is provided except for a vent hole with a diameter of about 1 millimeter (1 mm) for supplying nitrogen to the seed crystal substrate 104.
A crucible lid 108 is provided to cover the opening of the crucible container 100. The crucible lid 108 is also preferably made of a material that is poorly reactive with lithium or a lithium compound. The crucible lid 108 may be made of tantalum, for example.

また、リチウムもしくはリチウム化合物111を混合融液101に投入するために、図1Aに示すように、混合融液101を含んだ坩堝容器100の内部の混合融液101の近傍にリチウムもしくはリチウム化合物111を配置しておく。リチウムもしくはリチウム化合物111としては、例えば、金属リチウム、金属リチウムとガリウムとの合金、酸化リチウム、窒化リチウムの群から選ばれる少なくとも一つであってもよい。なお、リチウムもしくはリチウム化合物111は、上記例示に限られるものではない。そして、III族窒化物結晶を育成後にリチウムもしくはリチウム化合物111を混合融液101に投入する。具体的には、結晶育成中には、混合融液101の上部でリチウムもしくはリチウム化合物111を治具(リチウム保持具)110により保持しておく(図1A)。その後、サファイアで構成されるベース基板102を溶解する工程で、治具110を傾ける、もしくは治具110を混合融液101中に沈めることにより混合融液101内にリチウムもしくはリチウム化合物111を投入することが可能である(図1B)。このとき、治具110は、リチウムもしくはリチウム化合物111に対して反応性の乏しい材質で構成されることが好ましい。本実施の形態1では、サファイアとの反応(溶解)工程中でリチウム蒸気に腐食されうる治具(リチウム保持具)110の材料として、例えば、タンタルを用いることを特徴とする。さらに、リチウムを投入した混合融液101と接する坩堝容器及び基板保持具(図示せず)をタンタルで構成する。   Further, in order to put lithium or lithium compound 111 into mixed melt 101, as shown in FIG. 1A, lithium or lithium compound 111 is placed in the vicinity of mixed melt 101 inside crucible container 100 containing mixed melt 101. Is placed. The lithium or lithium compound 111 may be at least one selected from the group consisting of metal lithium, an alloy of metal lithium and gallium, lithium oxide, and lithium nitride, for example. Note that the lithium or the lithium compound 111 is not limited to the above examples. Then, after growing the group III nitride crystal, lithium or a lithium compound 111 is introduced into the mixed melt 101. Specifically, during crystal growth, lithium or a lithium compound 111 is held by a jig (lithium holder) 110 on the upper part of the mixed melt 101 (FIG. 1A). Thereafter, in the step of melting the base substrate 102 made of sapphire, the jig 110 is tilted or the jig 110 is submerged in the mixed melt 101 to introduce lithium or the lithium compound 111 into the mixed melt 101. Is possible (FIG. 1B). At this time, the jig 110 is preferably made of a material having low reactivity with respect to lithium or the lithium compound 111. The first embodiment is characterized in that, for example, tantalum is used as the material of the jig (lithium holder) 110 that can be corroded by lithium vapor during the reaction (dissolution) step with sapphire. Further, the crucible container and the substrate holder (not shown) that are in contact with the mixed melt 101 charged with lithium are made of tantalum.

この方法によれば、組成式AlsGatIn1-s-tN(ただし、0≦s≦1、0≦t≦1)で表されるIII族窒化物結晶が得られる。例えば、材料となるIII族元素としてガリウムのみを用いることによって窒化ガリウム結晶が得られる。また、例えば、材料となるIII族元素としてガリウムおよびアルミニウムを用いることによって組成式AlsGa1-sN(ただし、0≦s≦1)で表される結晶が得られる。 According to this method, the composition formula Al s Ga t In 1-st N ( However, 0 ≦ s ≦ 1,0 ≦ t ≦ 1) III Group represented by nitride crystals are obtained. For example, a gallium nitride crystal can be obtained by using only gallium as a group III element as a material. For example, by using gallium and aluminum as a group III element as a material, a crystal represented by a composition formula Al s Ga 1-s N (where 0 ≦ s ≦ 1) is obtained.

<III族窒化物結晶の製造装置>
実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造装置は、図1Aに示すように、例えば、タンタル製坩堝容器と、タンタル製リチウム保持具と、を備える。タンタル製坩堝容器は、III族元素とアルカリ金属との混合融液を保持できる。また、タンタル製リチウム保持具は、坩堝容器内で混合融液の液面より上部にリチウム又はリチウム化合物を保持できる。さらに、タンタル製坩堝容器の開口部を覆うタンタル製坩堝蓋、を備えてもよい。タンタル製坩堝容器は、バルク材からの切削加工品または放電加工品であってもよい。
このIII族窒化物結晶の製造装置によれば、サファイア製のベース基板との反応(溶解)工程において投入するリチウム又はリチウム化合物と反応性の乏しいタンタル製坩堝容器及びタンタル製リチウム保持具を用いているのでリチウムによる腐食を抑制できる。
<Group III nitride crystal production apparatus>
As shown in FIG. 1A, the Group III nitride crystal manufacturing apparatus according to Embodiment 1 includes, for example, a tantalum crucible container and a tantalum lithium holder. The tantalum crucible container can hold a mixed melt of a group III element and an alkali metal. Moreover, the lithium holder made of tantalum can hold lithium or a lithium compound above the liquid level of the mixed melt in the crucible container. Furthermore, a tantalum crucible lid that covers the opening of the tantalum crucible container may be provided. The tantalum crucible container may be a product cut from a bulk material or an electric discharge machined product.
According to this group III nitride crystal manufacturing apparatus, using a tantalum crucible container and a tantalum lithium holder which are poorly reactive with lithium or a lithium compound to be charged in a reaction (dissolution) step with a sapphire base substrate. Therefore, corrosion due to lithium can be suppressed.

また、このIII族窒化物結晶の製造装置は、坩堝容器内を窒素雰囲気で0.1パスカル〜5メガパスカルの圧力下におく、加圧窒素源と、耐圧容器と、圧力制御装置とを備えてもよい。さらに、坩堝容器を700℃〜1100℃の温度に加熱する加熱装置を備えてもよい。   In addition, this Group III nitride crystal production apparatus includes a pressurized nitrogen source, a pressure vessel, and a pressure control device that place the inside of the crucible container under a pressure of 0.1 Pa to 5 Mega Pascal in a nitrogen atmosphere. May be. Furthermore, you may provide the heating apparatus which heats a crucible container to the temperature of 700 to 1100 degreeC.

さらに、冷却前にリチウム又はリチウム化合物111を混合融液101に投入するために、リチウム保持具110を傾ける、もしくはリチウム保持具110を混合融液101中に沈めるリチウム保持具可動装置を備えてもよい。   Furthermore, in order to inject lithium or the lithium compound 111 into the mixed melt 101 before cooling, a lithium holder moving device that tilts the lithium holder 110 or sinks the lithium holder 110 into the mixed melt 101 may be provided. Good.

(実施例1)
本実施例1の構成を図3に示す。以下に実施例1の製造方法について説明する。
(1)本実施例1において、タンタル製の坩堝容器(外径19ミリメートル、内径17ミリメートル、内深さ49ミリメートル)100を用いた。前述の坩堝容器100に混合融液の原料となるガリウム2.0グラムとナトリウム2.6グラムとを入れ、4.0メガパスカルの窒素で加圧し、870℃で24時間保持した。これにより、上記原料は、坩堝容器100内で混合融液となった。
(2)その後、種基板(短辺10ミリメートル、長辺20ミリメートル、サファイア製ベース基板102(厚み1ミリメートル)、窒化ガリウムエピ膜103(5マイクロメートル))104を用意した。図3に示すように、この種結晶基板104を混合融液101の中に長辺の半分だけが浸漬する位置に保持した。そのままの状態で48時間保持し、窒化ガリウム結晶を成長させた。
(3)その後、金属リチウム(111)0.15グラムを混合融液101に投入し、900℃に昇温し、24時間保持した。
(Example 1)
The configuration of the first embodiment is shown in FIG. The manufacturing method of Example 1 will be described below.
(1) In Example 1, a tantalum crucible container (outer diameter 19 mm, inner diameter 17 mm, inner depth 49 mm) 100 was used. The aforementioned crucible container 100 was charged with 2.0 g of gallium as a raw material for the mixed melt and 2.6 g of sodium, pressurized with 4.0 megapascals of nitrogen, and held at 870 ° C. for 24 hours. Thereby, the raw material became a mixed melt in the crucible container 100.
(2) Thereafter, a seed substrate (10 mm short side, 20 mm long side, sapphire base substrate 102 (thickness 1 mm), gallium nitride epifilm 103 (5 μm)) 104 was prepared. As shown in FIG. 3, the seed crystal substrate 104 was held at a position where only half of the long side was immersed in the mixed melt 101. The gallium nitride crystal was grown by holding for 48 hours.
(3) Thereafter, 0.15 g of metallic lithium (111) was added to the mixed melt 101, heated to 900 ° C. and held for 24 hours.

本実施例1で使用したタンタル製の坩堝容器の製造工程について説明する。
(i)本実施例1で使用したタンタル製の坩堝容器は、タンタル純度3N(99.9%)の長さ50ミリメートルの棒材を旋盤加工により外径を19ミリメートルとし、棒材の内側を旋盤加工で49ミリメートル削り出し、内径を17ミリメートルとした。つまり、タンタル製の坩堝容器は、バルク材からの切削加工品である。
(ii)また、リチウム保持具110は、タンタル純度3N(99.9%)の厚み100マイクロメートルの板材を、絞り加工にて坩堝状に加工して作製した。
The manufacturing process of the tantalum crucible container used in Example 1 will be described.
(I) The crucible container made of tantalum used in Example 1 has a tantalum purity of 3N (99.9%) and a 50 mm long bar material turned to an outer diameter of 19 mm by lathe processing. A lathe was used to cut 49 mm, and the inner diameter was 17 mm. That is, the tantalum crucible container is a product cut from a bulk material.
(Ii) Further, the lithium holder 110 was produced by processing a plate material having a tantalum purity of 3N (99.9%) and a thickness of 100 micrometers into a crucible shape by drawing.

(比較例1)
リチウム保持具として、タンタル製のリチウム保持具ではなく、アルミナ製の容器を用い、それ以外は実施例1と同じ条件とした。
(Comparative Example 1)
As the lithium holder, an alumina container was used instead of a tantalum lithium holder, and the other conditions were the same as in Example 1.

(比較例2)
坩堝容器として、タンタル製の坩堝容器ではなく、アルミナ製の坩堝容器を用い、それ以外は実施例1と同じ条件とした。
(Comparative Example 2)
As the crucible container, an alumina crucible container was used instead of a tantalum crucible container, and the other conditions were the same as in Example 1.

(比較例3)
リチウム保持具として、タンタル製のリチウム保持具ではなく、イットリア製の容器を用い、それ以外は実施例1と同じ条件とした。
(Comparative Example 3)
As a lithium holder, not a tantalum lithium holder but an yttria container was used, and the other conditions were the same as in Example 1.

上記実施例1及び比較例1乃至3の条件でのリチウムによるアルミナ部材の腐食について、評価を行った結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of evaluating the corrosion of the alumina member by lithium under the conditions of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3.

Figure 2019189479
Figure 2019189479

以上の実験より、タンタル製の坩堝容器、タンタル製のリチウム保持具を用いることにより、坩堝容器の腐食、および、リチウム保持具の腐食を防止できることを確認した。   From the above experiments, it was confirmed that corrosion of the crucible container and corrosion of the lithium holder could be prevented by using a tantalum crucible container and a tantalum lithium holder.

(比較例4)
本比較例4では、タンタル製の坩堝容器(外径19ミリメートル、内径17ミリメートル、内深さ30ミリメートル)を用いた。本比較例4の坩堝容器は、実施例1の棒材からの加工ではなく、厚み1ミリメートルのタンタル板材をヘラ絞り加工することで作成した。それ以外の条件は実施例1と同じとした。
(Comparative Example 4)
In this comparative example 4, a tantalum crucible container (outer diameter 19 mm, inner diameter 17 mm, inner depth 30 mm) was used. The crucible container of this comparative example 4 was created by spatula drawing a tantalum plate material having a thickness of 1 millimeter instead of processing from the bar material of Example 1. The other conditions were the same as in Example 1.

上記比較例4の条件でのヘラ絞り加工により製作したタンタル製の坩堝容器の影響について、評価を行った結果を表2に示す。   Table 2 shows the results of evaluating the influence of the tantalum crucible container manufactured by spatula drawing under the conditions of Comparative Example 4.

Figure 2019189479
Figure 2019189479

この結果により、タンタル製の坩堝容器の製作方法にも条件があり、ヘラ絞り加工により製作した坩堝容器では結晶が育成しないことが分かった。この原因は明らかになっていないが、ヘラ絞り加工によって加工した坩堝表面の酸素濃度が高いことが評価から分かっている。つまり、ヘラ絞り加工中にタンタル表面が酸化したか、もしくは酸素を含む不純物が付着した影響があると考えられる。   From this result, it was found that there was a condition in the manufacturing method of the tantalum crucible container, and crystals were not grown in the crucible container manufactured by spatula drawing. Although the cause of this is not clear, it is known from the evaluation that the oxygen concentration on the surface of the crucible processed by spatula drawing is high. That is, it is considered that there is an influence that the tantalum surface is oxidized during the spatula drawing process or impurities including oxygen are attached.

また、サファイアの溶解を実施せずに冷却をおこなったIII族窒化物単結晶基板では、曲率半径1メートルであるのに対し、剥離に成功したIII族窒化物単結晶基板の反りは、曲率半径に換算して20メートルに低減された。   The group III nitride single crystal substrate cooled without melting sapphire has a radius of curvature of 1 meter, whereas the curvature of the group III nitride single crystal substrate that has been successfully peeled is the radius of curvature. Converted to 20 meters.

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.

以上のように、本発明に係るIII族窒化物結晶の製造方法を用いれば、パワー半導体分野などのヘテロ接合高速電子デバイスやLED、レーザー分野などの光電子デバイスなどに適用可能なIII族窒化物結晶を得ることができる。   As described above, when the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention is used, a group III nitride crystal applicable to heterojunction high-speed electronic devices such as power semiconductor fields and optoelectronic devices such as LEDs and laser fields. Can be obtained.

100 坩堝容器
101 混合融液
102 ベース基板
103 III族窒化物単結晶層
104 種結晶基板
105 リチウムを含む混合融液
108 坩堝蓋
110 リチウム保持具
111 金属リチウムもしくはリチウム・ガリウム合金
112 III族窒化物結晶
120 坩堝容器
121 リチウム保持具
122 坩堝蓋
100 crucible container 101 mixed melt 102 base substrate 103 group III nitride single crystal layer 104 seed crystal substrate 105 mixed melt 108 containing lithium 108 crucible lid 110 lithium holder 111 metal lithium or lithium-gallium alloy 112 group III nitride crystal 120 crucible container 121 lithium holder 122 crucible lid

Claims (8)

(i)サファイアをベース基板とし、前記ベース基板上にIII族窒化物層を設けた種基板を準備する工程と、
(ii)リチウム又はリチウム化合物をタンタルで構成される治具に準備する工程と、
(iii)III族元素とアルカリ金属との混合融液を用いて前記種基板に設けられた前記III族窒化物層にIII族窒化物結晶を成長させる工程と、
(iv)前記リチウム又はリチウム化合物を前記混合融液に投入して前記ベース基板と反応させる工程と、
を含む、III族窒化物結晶の製造方法。
(I) preparing a seed substrate having sapphire as a base substrate and having a group III nitride layer provided on the base substrate;
(Ii) preparing lithium or a lithium compound in a jig composed of tantalum;
(Iii) growing a group III nitride crystal on the group III nitride layer provided on the seed substrate using a mixed melt of a group III element and an alkali metal;
(Iv) introducing the lithium or lithium compound into the mixed melt and reacting with the base substrate;
A method for producing a group III nitride crystal comprising:
前記(iii)工程において、
前記III族元素は、ガリウムであり、前記アルカリ金属は、ナトリウム、カリウムから選ばれる少なくとも1つであり、前記III族窒化物結晶は、GaN結晶である、請求項1に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
In the step (iii),
The group III nitride according to claim 1, wherein the group III element is gallium, the alkali metal is at least one selected from sodium and potassium, and the group III nitride crystal is a GaN crystal. Crystal production method.
前記(ii)工程において、
前記リチウムもしくはリチウム化合物の量は、リチウム原子の質量換算で前記種基板の重量の4重量%以上であり15重量%以下である、請求項1または2に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
In the step (ii),
The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1 or 2, wherein the amount of the lithium or the lithium compound is 4 wt% or more and 15 wt% or less of the weight of the seed substrate in terms of mass of lithium atoms. .
前記(iii)工程において、
前記混合融液は、さらにアルカリ土類金属を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。
In the step (iii),
The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein the mixed melt further contains an alkaline earth metal.
(v)成長させた前記III族窒化物結晶を冷却する工程、をさらに含む、請求項1から4のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 4, further comprising (v) a step of cooling the grown group III nitride crystal. III族元素とアルカリ金属との混合融液を保持可能なタンタル製の坩堝容器と、
前記坩堝容器内で前記混合融液の液面より上部にリチウム又はリチウム化合物を保持可能なタンタル製のリチウム保持具と、
を備えた、III族窒化物結晶の製造装置。
A tantalum crucible container capable of holding a mixed melt of a group III element and an alkali metal;
A lithium holder made of tantalum capable of holding lithium or a lithium compound above the liquid level of the mixed melt in the crucible container;
An apparatus for producing a group III nitride crystal.
さらに、前記タンタル製の坩堝容器の開口部を覆うタンタル製の坩堝蓋、を備えた、請求項6に記載のIII族窒化物結晶の製造装置。   The apparatus for producing a group III nitride crystal according to claim 6, further comprising a tantalum crucible lid that covers an opening of the tantalum crucible container. 前記タンタル製の坩堝容器は、バルク材からの切削加工品または放電加工品である、請求項6又は7に記載のIII族窒化物結晶の製造装置。   The said tantalum crucible container is a III-nitride crystal manufacturing apparatus according to claim 6 or 7, wherein the tantalum crucible container is a cut product or an electric discharge machined product from a bulk material.
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