JP2019189486A - Method for manufacturing group iii nitride crystal - Google Patents
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Abstract
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, the ultraviolet LD is expected to be applied to biotechnology and the like, and the ultraviolet LED is expected as 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という比較的に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 this sodium flux method can synthesize gallium nitride single crystals 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, in a nitrogen gas atmosphere containing ammonium, a mixture of gallium and sodium is melted at 800 ° C. and 5 MPa, and a single crystal having a maximum crystal size of about 1.2 mm is grown using this melt for 96 hours. (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.). This reduces the stress acting between the grown group III nitride single crystal substrate and the base substrate made of sapphire. 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族窒化物単結晶製造方法では、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101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、ベース基板102の上にIII族窒化物単結晶層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 Group III nitride single crystal manufacturing method by the sodium flux method, a mixed
(B) The
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
(D) After the gallium nitride single crystal is formed on the
上記の従来の金属リチウムによりサファイアの溶解する方法では、III族窒化物単結晶の育成中に、金属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(Al2O3)もしくはイットリア(Y2O3)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 for melting sapphire with metallic lithium, during the growth of the group III nitride single crystal, the standby lithium in the crucible containing the metal melt cannot exist stably in the growing environment, 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、炉内部材に損傷を与えないで、ベース基板からIII族窒化物単結晶への応力を抑えた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。 Therefore, the present invention provides a Group III nitride crystal manufacturing method for obtaining a Group III nitride single crystal in which stress from the base substrate to the Group III nitride single crystal is suppressed without damaging the in-furnace member. 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)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、
(iii)冷却前に酸化リチウム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, a method for producing a group III nitride crystal according to the present invention includes (i) a step of preparing a seed substrate having sapphire as a base substrate and a group III nitride layer provided on the base substrate. When,
(Ii) 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;
(Iii) introducing lithium oxide into the mixed melt before cooling to react with the base substrate;
including.
本発明に係るIII族窒化物結晶の製造方法により、サファイアで構成されるベース基板とIII族窒化物結晶との熱膨張係数差に起因するIII族窒化物単結晶の反りを低減した大口径な、III族窒化物単結晶を育成することが可能である。 The method for producing a Group III nitride crystal according to the present invention reduces the warpage of the Group III nitride single crystal caused by the difference in thermal expansion coefficient between the base substrate composed of sapphire and the Group III nitride crystal. It is possible to grow a group III nitride single crystal.
第1の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、
(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)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、
(iii)冷却前に酸化リチウム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 method for producing a group III nitride crystal 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) 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;
(Iii) introducing lithium oxide into the mixed melt before cooling to react 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族窒素化物膜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)酸化リチウムを坩堝内上部に準備する工程、
(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酸化リチウムを原料の混合融液内に投入する工程、
(8)酸化リチウムとサファイアとの反応工程、
(9)冷却工程、
との順番である。
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 film 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) a step of preparing lithium oxide 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 oxide prepared in the upper part of the crucible into the raw material mixed melt,
(8) Reaction process of lithium oxide and sapphire,
(9) cooling process,
It is 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(ii)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、リチウムおよびカリウムから選ばれる少なくとも1つであり、前記III族窒化物結晶がGaN結晶であってもよい。 In the method for producing a group III nitride crystal according to a second aspect, in the first aspect, in the step (ii), the group III element is gallium, and the alkali metal is sodium, lithium, or 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 a third aspect, in the first or second aspect, in the step (ii), 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、前記酸化リチウムの量は、前記ベース基板の重量の7重量%以上であり80重量%以下であってもよい。 In the method for producing a group III nitride crystal according to a fourth aspect, in any one of the first to third aspects, in the step (iii), the amount of the lithium oxide is 7% by weight of the base substrate. It may be 80% by weight or more.
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.
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)
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、酸化リチウム106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)
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 adding
(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
(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、リチウムおよび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ことが望ましい。
(B) Next, a group III nitride crystal is formed on the first group III nitride
図1Aの混合融液101は、例えば、材料を坩堝容器100に投入して加熱することによって調製される。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
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につながってしまう。
In this way, the
(c)そこで冷却前に酸化リチウムを前記混合融液に投入し、ベース基板102を構成するサファイアと酸化リチウム106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 oxide is put into the mixed melt to react sapphire constituting the
このとき、投入する酸化リチウムの量は、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7重量%以上、80重量%以下であることが望ましい。7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、前記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から剥離されない。このため、前記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、前記III族窒化物結晶の反りを発生させてしまう。また、80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102の溶解で酸化リチウムが余る。この場合、余剰となった酸化リチウムにより、前記III族窒化物結晶の分解が促進され、III族窒化物結晶の成長厚みが減少してしまうため望ましくない。この上限(80重量%)は、サファイアを完全に溶解するのに必要なLi量(12wt%)をLi2Oに換算(24wt%)し、リチウムの重量と酸化リチウムの経験的な利用効率30%とから算出した。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Li濃度が5mol%から15mol%の範囲において、Li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、Li濃度によらず、溶解させる酸化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 oxide to be input is 7 wt% or more and 80 wt% or less with respect to the weight of the
本工法は、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。酸化リチウム106を混合融液101に投入するためには、混合融液101を含んだ坩堝容器100の内部の混合融液101の近傍に酸化リチウム106を配置しておく。III族窒化物結晶を育成後に酸化リチウム106を混合融液101に投入する。育成中に混合融液101の上部で酸化リチウム106を治具(酸化リチウム保持具)107により保持し、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107を傾ける、もしくは沈めることにより前記混合融液101内に酸化リチウム106を投入することが可能である。このとき、治具107は、酸化リチウム106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く、例えば、タンタルを用いてもよい。
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
ここで、本製造方法において、金属リチウムではなく、酸化リチウムを使用する理由を説明する。金属リチウムの融点は180℃であるため、治具107に金属リチウムを設置するとIII族窒化物結晶の成長温度下で液化し、一部蒸発することによって炉内汚染が生じると考えられる。これに対し、酸化リチウムの融点は1570℃であり、III族窒化物結晶の成長温度下でも固体のまま存在する。また、金属リチウムは、III族窒化物結晶の成長条件(温度、圧力)下で窒素と反応する。一方、酸化リチウムは、当該条件で窒素と反応しない。これらのことから、本方法においては、金属リチウムに代えて酸化リチウムを使用することによって、炉内汚染や窒素との反応を防止してIII族窒化物の結晶成長に影響が及ぶのを防止することができる。
このとき、後述するように、本発明者らは、酸化リチウム106は、粉末の状態、押し固められた状態、焼結により固められた状態のいずれでも同様にサファイアで構成されるベース基板102を溶解する能力を持つことを見出している。
Here, the reason for using lithium oxide instead of metallic lithium in this production method will be described. Since the melting point of metallic lithium is 180 ° C., it is considered that if metallic lithium is placed on the
At this time, as will be described later, the inventors of the present invention similarly used the
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.
(実験例1)
本実験例1の構成を図3に示す。本実験例1は、リチウムの蒸発によるジグ(治具)の腐食についての要素実証実験である。具体的には、内径19ミリメートルのアルミナで構成される坩堝容器100の底に酸化リチウム106を設置し、アルミナで構成される坩堝蓋108をし、III族窒化物単結晶の育成時と同じ870℃40気圧の環境下で48時間保持し、坩堝蓋108部材の変色を評価した。
(Experimental example 1)
The configuration of this experimental example 1 is shown in FIG. This Experimental Example 1 is an element verification experiment on the corrosion of a jig (jig) due to evaporation of lithium. Specifically,
(比較例1)
酸化リチウムではなく、窒化リチウムを設置し、それ以外は実験例1と同じ条件とした。
(Comparative Example 1)
Lithium nitride was installed instead of lithium oxide, and the other conditions were the same as in Experimental Example 1.
(比較例2)
酸化リチウムではなく、金属リチウムとガリウムとを設置し、それ以外は実験例1と同じ条件とした。
(Comparative Example 2)
Metal lithium and gallium were installed instead of lithium oxide, and the other conditions were the same as in Experimental Example 1.
(比較例3)
酸化リチウムではなく、リチウムとガリウムとを400℃で加熱し合金化したものを設置し、それ以外は実験例1と同じとした。
(Comparative Example 3)
Instead of lithium oxide, lithium and gallium were heated and alloyed at 400 ° C., and the rest was the same as in Experimental Example 1.
上記実験例1および比較例1乃至比較例3の条件での各リチウム化合物によるアルミナ部材からなる坩堝蓋108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
以上の実験より、酸化リチウムを用いることにより、坩堝容器の構成部材の腐食を防止できることを確認した。 From the above experiment, it was confirmed that the corrosion of the constituent members of the crucible container can be prevented by using lithium oxide.
(実験例2)
本実験例2の構成を図4に示す。本実験例2においては酸化リチウムによるサファイア溶解の能力についての要素実証実験を行った。実験は以下の手順で行った。
(a)1辺10ミリメートルの四角形を底面とし、厚み2ミリメートルのサファイア基板を準備した。
(b)前記サファイア基板をIII族元素の融液とアルカリ金属融液とで構成される混合融液が入った内径19ミリメートルの坩堝容器の底に設置した。
(c)次いで、混合融液中にサファイア基板の10%の重量の粉末状の酸化リチウムを投入し、加圧、加熱を行った。III族元素の融液とアルカリ金属融液との混合融液101の構成元素はIII族元素としてガリウム、アルカリ金属としてナトリウムを用い、液高さを20ミリメートルとした。上記構成の坩堝容器を870℃、40気圧で48時間保持したのち、30℃になるまで冷却し、取り出した後のサファイア基板の重量を評価した。
(Experimental example 2)
The configuration of this experimental example 2 is shown in FIG. In this Experimental Example 2, an element verification experiment was conducted on the ability of sapphire dissolution with lithium oxide. The experiment was performed according to the following procedure.
(A) A sapphire substrate with a thickness of 2 millimeters was prepared with a square having a side of 10 millimeters as the bottom.
(B) The sapphire substrate was placed on the bottom of a crucible container with an inner diameter of 19 mm containing a mixed melt composed of a Group III element melt and an alkali metal melt.
(C) Next, powdery lithium oxide having a weight of 10% of the sapphire substrate was put into the mixed melt, and pressurization and heating were performed. The constituent elements of the
(実験例3)
投入する酸化リチウムの状態を粉末ではなく粉末を押し固めた状態とし、それ以外は実験例2と同じ条件とした。
(Experimental example 3)
The state of the lithium oxide to be added was set to a state in which the powder was pressed instead of the powder, and the other conditions were the same as in Experimental Example 2.
(実験例4)
投入する酸化リチウムの状態を粉末ではなく粉末を焼結し固めた状態とし、それ以外は実験例2と同じ条件とした。
(Experimental example 4)
The state of the lithium oxide to be added was set to a state in which the powder was sintered and hardened instead of the powder, and the other conditions were the same as in Experimental Example 2.
(実験例5)
870℃、40気圧での保持時間を240時間とし、それ以外は実験例2と同じ条件とした。
(Experimental example 5)
The holding time at 870 ° C. and 40 atm was 240 hours, and the other conditions were the same as in Experimental Example 2.
(実験例6)
投入する酸化リチウムをサファイア基板の100重量%とし、870℃、40気圧での保持時間を240時間とし、それ以外は実験例2と同じ条件とした。
(Experimental example 6)
The lithium oxide to be added was 100% by weight of the sapphire substrate, the holding time at 870 ° C. and 40 atm was 240 hours, and the other conditions were the same as in Experimental Example 2.
上記実験例2から実験例6の条件でのサファイアの溶解量について、評価を行った結果について、表2に示す。 Table 2 shows the results of evaluating the amount of sapphire dissolved under the conditions of Experimental Example 2 to Experimental Example 6.
本実験例2乃至6から、酸化リチウムを用いて結晶育成条件下の混合融液内のサファイアを溶解することができることが確かめられた。また、酸化リチウムは、粉末状態、押し固められた状態、焼結された状態のいずれの状態でもサファイアを溶解することができることが確かめられた。また、今回の実験の範囲において、溶解の時間および投入する酸化リチウムの量を増やすことでサファイアの溶解量を増加することができる傾向にあることが分かった。 From Experimental Examples 2 to 6, it was confirmed that sapphire in the mixed melt under crystal growth conditions can be dissolved using lithium oxide. Moreover, it was confirmed that lithium oxide can dissolve sapphire in any of a powder state, a compacted state, and a sintered state. In addition, it was found that the amount of sapphire dissolved tends to be increased by increasing the dissolution time and the amount of lithium oxide to be charged within the range of this experiment.
(実施例1)
(a)III族窒化物結晶育成後のサファイア溶解の実験を行うために、サファイア重量に対して7重量パーセントの酸化リチウムを用いて図1の構成で実験を行った。内径19ミリメートルのアルミナで構成される坩堝容器内にサファイアで構成されたベース基板と、ガリウムとナトリウムの混合融液を設置し、混合融液の上に、タンタルで構成される内径9ミリメートルの坩堝を設置し、その中に酸化リチウムを設置した。
(b)上記構成で、870℃40気圧の育成環境下でIII族窒化物単結晶を24時間育成した。
(c)その後、酸化リチウムが入ったタンタル製の坩堝を混合融液に投入し、900℃で24時間保持した。ここで、サファイア溶解工程での温度と圧力の条件設定について述べる。温度が高い程リチウムによるサファイア溶解速度が向上することが報告されている(非特許文献1)が、現在、使用されている小型圧力容器の実績を踏まえ、900℃よりも高い温度で40気圧に加圧することは安全の観点から難しいと考え、上記の温度条件を採用した。また、サファイア反応(溶解)工程での圧力条件については、育成時と同じ圧力とすることにより混合融液の蒸発を抑制した。
(Example 1)
(A) In order to conduct an experiment of sapphire dissolution after group III nitride crystal growth, an experiment was conducted with the configuration of FIG. 1 using 7 weight percent lithium oxide based on the weight of sapphire. A base substrate composed of sapphire and a mixed melt of gallium and sodium are placed in a crucible container composed of alumina with an inner diameter of 19 mm, and a crucible with an inner diameter of 9 mm composed of tantalum on the mixed melt. And lithium oxide in it.
(B) With the above configuration, a group III nitride single crystal was grown for 24 hours in a growth environment of 870 ° C. and 40 atm.
(C) Thereafter, a tantalum crucible containing lithium oxide was put into the mixed melt and kept at 900 ° C. for 24 hours. Here, the setting of temperature and pressure conditions in the sapphire dissolution process will be described. It has been reported that the higher the temperature, the higher the dissolution rate of sapphire by lithium (Non-Patent Document 1), but based on the results of small pressure vessels currently used, the temperature is higher than 900 ° C. to 40 atm. It was considered difficult to pressurize from the viewpoint of safety, and the above temperature condition was adopted. Moreover, about the pressure conditions in a sapphire reaction (dissolution) process, evaporation of mixed melt was suppressed by setting it as the same pressure as the time of a growth.
(実施例2)
サファイア重量に対して30重量パーセントの酸化リチウムを用い、それ以外は実施例1と同じ条件にした。
(Example 2)
30 weight percent lithium oxide based on the sapphire weight was used, and the other conditions were the same as in Example 1.
(比較例4)
投入する酸化リチウムの量をサファイア基板の1重量パーセントとし、それ以外は実施例1と同じ条件とした。
(Comparative Example 4)
The amount of lithium oxide to be added was 1 weight percent of the sapphire substrate, and the other conditions were the same as in Example 1.
上記実施例1、実施例2、および比較例4の条件で育成したIII族窒化物単結晶からサファイアで構成されたベース基板が剥離しているか、評価した結果について表3に示す。 Table 3 shows the results of evaluating whether or not the base substrate made of sapphire is peeled off from the group III nitride single crystal grown under the conditions of Example 1, Example 2, and Comparative Example 4.
実施例1,2及び比較例4の結果によれば、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。 According to the results of Examples 1 and 2 and Comparative Example 4, the group III nitride single crystal substrate cooled without melting sapphire had a radius of curvature of 1 meter, but succeeded in peeling. The warpage of the group III nitride single crystal substrate was reduced to 20 meters in terms of the radius of curvature.
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 group III nitride crystal manufacturing method according to the present invention is used, a group III nitride crystal applicable to a heterojunction high-speed electronic device such as a power semiconductor field or an optoelectronic device such as an LED or laser field is obtained. Obtainable.
100 坩堝容器
101 混合融液
102 ベース基板
103 III族窒化物層
104 種基板
105 酸化リチウムを含む混合融液
106 酸化リチウム
107 治具(酸化リチウム保持具)
108 坩堝蓋
110 ジグ(金属リチウム保持具)
111 金属リチウムもしくはリチウム合金
112 III族窒化物結晶
100
108
111 Lithium metal or
Claims (5)
(ii)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、
(iii)冷却前に酸化リチウム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) 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;
(Iii) introducing lithium oxide into the mixed melt before cooling to react with the base substrate;
A method for producing a group III nitride crystal containing
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、リチウムおよびカリウムから選ばれる少なくとも1つであり、前記III族窒化物結晶が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 (ii),
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, lithium and potassium, and the group III nitride crystal is a GaN crystal. Method for producing physical crystals.
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又は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 mixed melt further contains an alkaline earth metal.
前記酸化リチウムの量は、前記ベース基板の重量の7重量%以上であり80重量%以下である、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),
4. The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1, wherein an amount of the lithium oxide is not less than 7 wt% and not more than 80 wt% of the weight of the base substrate. 5.
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