JP4774776B2 - Method for producing trialkylgallium - Google Patents

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Description

本発明は、MOCVD(Metal−Organic Chemical Vapor Deposition)法等を用いたエピタキシャル結晶成長によりGaNのような化合物半導体薄膜を形成するための材料として有用なトリアルキルガリウムの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing trialkylgallium useful as a material for forming a compound semiconductor thin film such as GaN by epitaxial crystal growth using a MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) method or the like.

近年の携帯電話や光通信技術の進展により、化合物半導体の需要は、携帯電話に使用される高電子移動度トランジスタ(HEMT: High Electron Mobility Transistor)、ヘテロバイポーラトランジスタ(HBT: Heterojunction Bipolar Transistor)などの高速電子デバイス、光通信やDVDなどに使用される半導体レーザー、ディスプレーに使用される白色・青色の超高輝度LEDなどの光デバイス等の用途で急速に伸びている。   Due to recent advances in mobile phones and optical communication technologies, the demand for compound semiconductors is increasing such as high electron mobility transistors (HEMTs) and heterobipolar transistors (HBTs) used in mobile phones. It is growing rapidly in applications such as high-speed electronic devices, semiconductor lasers used in optical communications and DVDs, and optical devices such as white and blue ultra-high brightness LEDs used in displays.

一般に化合物半導体の原料となる有機金属化合物(MO: Metal Organics)としては、周期律表第II族元素やIII族元素のアルキル金属化合物、特にメチル化合物やエチル化合物が多用されている。中でも周期律表第III族のアルキルガリウムは、窒素、砒素のような周期律表第V族の元素とともに化合物半導体をMOCVDで製造するための材料としての需要が大きい。   In general, as organometallic compounds (MO: Metal Organics) used as raw materials for compound semiconductors, alkyl metal compounds of Group II and III elements of the periodic table, particularly methyl compounds and ethyl compounds are frequently used. Among them, the group III alkylgallium in the periodic table is in great demand as a material for producing a compound semiconductor by MOCVD together with elements of the group V of the periodic table such as nitrogen and arsenic.

トリアルキルガリウムの代表的な合成方法として、三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムの反応が報告されている。この方法は、一般的に工業的な品質を持った高純度トリアルキルガリウムが得られる方法である。  As a typical synthesis method of trialkylgallium, a reaction between gallium trichloride and trialkylaluminum has been reported. This method is generally a method for obtaining high-purity trialkylgallium having industrial quality.

例えば、非特許文献1(K.K.Fukin,I.A.Frolov,Tr.Khim.Khim.Tekhnol.,,40(1973))には、三塩化ガリウムとトリメチルアルミニウムとの反応によりトリメチルガリウムを合成し、このときのトリメチルアルミニウムの三塩化ガリウムに対する使用モル比(Al/Gaモル比)を種々検討した結果が記載されている。この反応が化学両論的に進行すると仮定すると下記の式(1)で表される。 For example, Non-Patent Document 1 (KK Fukin, IA Frolov, Tr. Khim. Khim. Tekhnol., 4 , 40 (1973)) describes trimethylgallium by the reaction of gallium trichloride and trimethylaluminum. The results of various studies on the molar ratio of trimethylaluminum to gallium trichloride (Al / Ga molar ratio) at this time are described. Assuming that this reaction proceeds stoichiometrically, it is represented by the following formula (1).

GaCl+AlMe→GaMe+AlCl (1)
従って、化学量論的にはAl/Gaモル比が1であれば反応は進行するはずであるが、非特許文献1は、Al/Gaモル比=1の場合にトリメチルガリウムの収率は1〜2%であることを報告している。また、トリメチルアルミニウム使用量を増やしたAl/Gaモル比=2の場合はトリメチルガリウムの収率が10〜12%であり、Al/Gaモル比=3の場合はトリメチルガリウムの収率が55〜58%であることを報告している。
GaCl 3 + AlMe 3 → GaMe 3 + AlCl 3 (1)
Accordingly, the reaction should proceed stoichiometrically when the Al / Ga molar ratio is 1, but Non-Patent Document 1 shows that the yield of trimethylgallium is 1 when the Al / Ga molar ratio = 1. Reported to be ~ 2%. Further, when the Al / Ga molar ratio = 2 when the amount of trimethylaluminum used is increased, the yield of trimethylgallium is 10 to 12%. When the Al / Ga molar ratio = 3, the yield of trimethylgallium is 55%. It is reported that it is 58%.

このような状況の下で、非特許文献2(D.F.Gaines,J.Borlin,E.P.Fody,Inorg.Synth.,15,203(1974))は、トリメチルガリウムの収率を高めるために、Al/Gaモル比=6の条件で三塩化ガリウムとトリメチルアルミニウムとを反応させてトリメチルガリウムを合成することを報告している。しかし、この方法では、三塩化ガリウムに対して大過剰のトリメチルアルミニウムを用いているため、コスト高になるとともに、トリメチルガリウムの他に有機アルミニウム化合物が大量に副生するという難点がある。 Under such circumstances, Non-Patent Document 2 (D. F. Gaines, J. Borlin, E. P. Fody, Inorg. Synth., 15 , 203 (1974)) increases the yield of trimethylgallium. Therefore, it has been reported that trimethylgallium is synthesized by reacting gallium trichloride with trimethylaluminum under the condition of Al / Ga molar ratio = 6. However, since this method uses a large excess of trimethylaluminum with respect to gallium trichloride, there is a problem that the cost is increased and a large amount of organoaluminum compound is by-produced in addition to trimethylgallium.

また、非特許文献3(K. B. Starowieyski,A. Chwojnowski,K. Jankowski,J. Lewinski,J. Zachara, Appl. Organomet. Chem.,14,616(2000))は、Al/Gaモル比=3の条件で、三塩化ガリウムとトリメチルアルミニウムとを反応させることによりトリメチルガリウムを合成し、このとき、塩化ナトリウムやフッ化カリウムなどの無機塩類を添加することにより80〜90%の収率でトリメチルガリウムが生成することを報告している。 Non-Patent Document 3 (K. B. Staroweyski, A. Chwownowski, K. Jankowski, J. Lewinski, J. Zachara, Appl. Organomet. Chem., 14 , 616 Al (Ga)). = 3, gallium trichloride is reacted with trimethylaluminum to synthesize trimethylgallium. At this time, by adding inorganic salts such as sodium chloride and potassium fluoride, the yield is 80 to 90%. It has been reported that trimethylgallium is formed.

非特許文献3には、下記式(2)及び式(3)に示す反応によりトリメチルガリウムが生成するとの考察が記載されている。即ち、Al/Gaモル比=3で、このような無機塩類を添加しない場合には、下記式(2)に従い反応が進行し、目的物であるトリメチルガリウムの他に、アルミニウムとガリウムとの複核錯体(AlGaMeCl)や有機アルミニウム類(AlMeCl)が生成する。 Non-Patent Document 3 describes the consideration that trimethylgallium is generated by the reactions shown in the following formulas (2) and (3). That is, when Al / Ga molar ratio = 3 and no such inorganic salt is added, the reaction proceeds according to the following formula (2), and in addition to the target trimethylgallium, a double nucleus of aluminum and gallium Complexes (AlGaMe 4 Cl 2 ) and organoaluminums (AlMe 2 Cl) are generated.

GaCl+3AlMe
→0.5AlGaMeCl+2AlMeCl
+0.5AlMe+0.5GaMe (2)
式(2)の反応系に無機塩類を添加すると、無機塩類がアルミニウムとガリウムとの複核錯体を下記式(3)に従い分解してトリメチルガリウムを生成する。
GaCl 3 + 3AlMe 3
→ 0.5AlGaMe 4 Cl 2 + 2AlMe 2 Cl
+0.5 AlMe 3 +0.5 GaMe 3 (2)
When inorganic salts are added to the reaction system of the formula (2), the inorganic salts decompose a binuclear complex of aluminum and gallium according to the following formula (3) to generate trimethylgallium.

0.5AlGaMeCl+2AlMeCl+0.5AlMe
+0.5GaMe+KCl
→3K[AlMeCl]+GaMe (3)
しかし、この方法によっても有機アルミニウム類(KAlMeCl)が生成する。
0.5AlGaMe 4 Cl 2 + 2AlMe 2 Cl + 0.5AlMe 3
+0.5 GaMe 3 + KCl
→ 3K [AlMe 2 Cl 2 ] + GaMe 3 (3)
However, organoaluminums (KAlMe 2 Cl 2 ) are also produced by this method.

このように、三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムとの反応によりトリアルキルガリウムを実用上十分な収率で得るためには、三塩化ガリウムに対して大過剰のトリアルキルアルミニウムが必要であり、コスト高になる。   Thus, in order to obtain trialkylgallium in a practically sufficient yield by the reaction of gallium trichloride and trialkylaluminum, a large excess of trialkylaluminum is required relative to gallium trichloride, which increases the cost. become.

また、大過剰のトリアルキルアルミニウムを使用すると、目的物であるトリアルキルガリウムの他に、副生成物として自然発火性の第3類危険物であるAlRClが大量に生成する。また、無機塩類を使用することにより、同じ収率を得るために、トリアルキルアルミニウムの使用量を若干減らすことができるが、十分ではない。さらに、無機塩類を使用しても、有機アルミニウム化合物であるK[AlMeCl]が大量に副生する。 In addition, when a large excess of trialkylaluminum is used, in addition to the target trialkylgallium, a large amount of spontaneously ignitable third-class hazardous material AlR 2 Cl is produced as a by-product. Moreover, in order to obtain the same yield by using inorganic salts, the amount of trialkylaluminum used can be slightly reduced, but it is not sufficient. Furthermore, even if inorganic salts are used, a large amount of K [AlMe 2 Cl 2 ], which is an organoaluminum compound, is by-produced.

本発明は、三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムとの反応によりトリアルキルガリウムを合成する方法であって、三塩化ガリウムに対するトリアルキルアルミニウムの使用量を少なくしても、収率良くトリアルキルガリウムを製造することができる方法を提供することを課題とする。   The present invention is a method for synthesizing trialkylgallium by reaction of gallium trichloride and trialkylaluminum, and produces trialkylgallium in a high yield even if the amount of trialkylaluminum used relative to gallium trichloride is reduced. It is an object to provide a method that can be used.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行い、無溶媒下又は少なくとも1種の炭化水素溶媒中で、三塩化ガリウムと少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムとの反応によりトリアルキルガリウムを合成し、このとき、三塩化ガリウムに対する少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムのモル比を1〜4程度とし、かつ、三塩化ガリウムと少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムとを10〜60分間程度接触させた後、接触時より高い温度下で反応させることによりトリアルキルガリウムを収率よく製造できることを見出した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive studies, and in the absence of a solvent or in at least one hydrocarbon solvent, the reaction of gallium trichloride with at least one trialkylaluminum results in a trialkylgallium. At this time, the molar ratio of at least one trialkylaluminum to gallium trichloride is set to about 1 to 4, and gallium trichloride and at least one trialkylaluminum are contacted for about 10 to 60 minutes. After that, it was found that trialkylgallium can be produced in a high yield by reacting at a temperature higher than that at the time of contact.

本発明は上記知見に基づき完成されたものであり、以下のトリアルキルガリウムの製造方法を提供する。   The present invention has been completed based on the above findings, and provides the following method for producing trialkylgallium.

項1. 無溶媒で、三塩化ガリウムに対するトリアルキルアルミニウムのモル比を1〜4にして、三塩化ガリウムと少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムとを10〜60分間接触させる第1の工程と、
三塩化ガリウムとこのトリアルキルアルミニウムとを第1の工程より高い温度で反応させることによりトリアルキルガリウムを合成する第2の工程と
を含むトリアルキルガリウムの製造方法。
Item 1. A first step of contacting the gallium trichloride with at least one trialkylaluminum for 10 to 60 minutes in a solvent-free manner at a molar ratio of trialkylaluminum to gallium trichloride of 1 to 4;
And a second step of synthesizing trialkylgallium by reacting gallium trichloride with the trialkylaluminum at a temperature higher than that in the first step.

項2. 第1の工程において、三塩化ガリウムと少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムとを50℃以下の温度下で接触させる項1に記載の方法。   Item 2. Item 2. The method according to Item 1, wherein in the first step, gallium trichloride and at least one trialkylaluminum are contacted at a temperature of 50 ° C or lower.

項3. 第1の工程において、三塩化ガリウムと少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムとを攪拌しながら接触させる項1又は2に記載の方法。   Item 3. Item 3. The method according to Item 1 or 2, wherein in the first step, gallium trichloride and at least one trialkylaluminum are brought into contact with stirring.

項4. 第2の工程において、三塩化ガリウムと少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムとを50〜150℃の温度で反応させる項1〜3のいずれかに記載の方法。   Item 4. Item 4. The method according to any one of Items 1 to 3, wherein, in the second step, gallium trichloride and at least one trialkylaluminum are reacted at a temperature of 50 to 150 ° C.

項5. 第2の工程において、1〜10時間反応を行う項1〜4のいずれかに記載の方法。   Item 5. Item 5. The method according to any one of Items 1 to 4, wherein the reaction is performed for 1 to 10 hours in the second step.

項6. トリアルキルアルミニウムが、炭素数1〜4のアルキル基を有するものである項1〜3のいずれかに記載の方法。   Item 6. Item 4. The method according to any one of Items 1 to 3, wherein the trialkylaluminum has an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.

本発明によれば、三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムとの反応によりトリアルキルガリウムを合成する方法において、トリアルキルアルミニウムの使用量を従来方法に比べて大幅に削減しても、実用上十分な収率が得られる方法が提供された。   According to the present invention, in the method of synthesizing trialkylgallium by the reaction of gallium trichloride and trialkylaluminum, even if the amount of trialkylaluminum used is greatly reduced as compared with the conventional method, the practically sufficient yield is obtained. A way to obtain rates was provided.

このように、トリアルキルアルミニウムの使用量を減らすことができるため、副生物である自然発火性の有機アルミニウム化合物の生成量も同時に削減できる。   Thus, since the usage-amount of a trialkylaluminum can be reduced, the production amount of the pyrophoric organoaluminum compound which is a by-product can also be reduced simultaneously.

また、過剰のトリアルキルアルミニウムの使用量が少なくなるため、製造コストを抑えることができる。   Moreover, since the usage-amount of excess trialkylaluminum decreases, manufacturing cost can be held down.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明のトリメチルガリウムの製造方法は、少なくとも1種の炭化水素溶媒中又は無溶媒で、三塩化ガリウムに対するトリアルキルアルミニウムのモル比を1〜4程度にして、三塩化ガリウムと少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムとを10〜60分間程度接触させる第1の工程と、三塩化ガリウムとこのトリアルキルアルミニウムとを第1の工程より高い温度で反応させる第2の工程とを含む方法である。
原料
<三塩化ガリウム>
三塩化ガリウムは、純度99.9%(3N)〜99.999%(5N)の市販品を用いることができる。
In the method for producing trimethylgallium according to the present invention, the molar ratio of trialkylaluminum to gallium trichloride is about 1 to 4 in at least one hydrocarbon solvent or without solvent, and gallium trichloride and at least one trimethylgallium are used. It is a method including a first step of contacting alkylaluminum for about 10 to 60 minutes, and a second step of reacting gallium trichloride and the trialkylaluminum at a temperature higher than that of the first step.
material
<Gallium trichloride>
As gallium trichloride, a commercially available product having a purity of 99.9% (3N) to 99.999% (5N) can be used.

MOCVDにより製造される化合物半導体の電気的特性及び光学的特性は、原料である有機金属化合物の純度に大きく左右される。従って、本発明方法においても高純度なトリアルキルガリウムを合成することが求められる。生成するトリアルキルガリウムの純度は原料である三塩化ガリウムの純度にも依存することから、三塩化ガリウムは高純度であることが望ましい。   The electrical characteristics and optical characteristics of the compound semiconductor produced by MOCVD are greatly influenced by the purity of the organometallic compound as a raw material. Therefore, it is required to synthesize high-purity trialkylgallium also in the method of the present invention. Since the purity of the generated trialkylgallium depends on the purity of gallium trichloride as a raw material, it is desirable that the gallium trichloride has a high purity.

4Nを超える高純度の三塩化ガリウムは、市販品もあるが上記3Nあるいは4N純度の市販品を再結晶、減圧精製、電解精錬などにより精製することにより得ることができる。本発明においては、三塩化ガリウムの純度は99.999%(5N)以上が好ましく、99.9999%(6N)以上がより好ましい。
<トリアルキルアルミニウム>
トリアルキルアルミニウムとしては、アルキル基の炭素数が通常1〜10、好ましくは1〜4、より好ましくは1〜2のものを使用すればよい。上記炭素数のアルキル基を有するトリアルキルアルミニウムは、反応性に富み、かつこれらを使用することによりMOCVD原料として十分な揮発性を有するトリアルキルガリウムが得られる。
High purity gallium trichloride exceeding 4N is commercially available, but can be obtained by refining the above 3N or 4N purity commercial product by recrystallization, vacuum purification, electrolytic refining or the like. In the present invention, the purity of gallium trichloride is preferably 99.999% (5N) or more, and more preferably 99.9999% (6N) or more.
<Trialkylaluminum>
As the trialkylaluminum, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, preferably 1 to 4 carbon atoms, more preferably 1 to 2 carbon atoms may be used. The trialkylaluminum having an alkyl group having the carbon number is rich in reactivity, and by using these, a trialkylgallium having sufficient volatility as a MOCVD raw material can be obtained.

炭素数1〜4のアルキル基を有するトリアルキルアルミニウムの具体例として、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリn−プロピルアルミニウム、トリイソプロピルアルミニウム、トリ−n−ブチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、トリ−sec−ブチルアルミニウム、トリ−tert−ブチルアルミニウムである。特に、トリメチルアルミニウム、及びトリエチルアルミニウムが好ましい。   Specific examples of the trialkylaluminum having an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms include trimethylaluminum, triethylaluminum, tri-n-propylaluminum, triisopropylaluminum, tri-n-butylaluminum, triisobutylaluminum, tri-sec-butyl. Aluminum, tri-tert-butylaluminum. In particular, trimethylaluminum and triethylaluminum are preferable.

トリアルキルアルミニウムは1種を単独で、又は2種以上を混合して用いることができる。   Trialkylaluminum can be used alone or in combination of two or more.

トリアルキルアルミニウム化合物は、純度5N若しくは6Nの電子材料用途市販品をそのまま使用するか、又は純度2N以下の重合用グレードの市販品を蒸留精製して高純度化したものを使用することができる。また、例えば “Comprehensive Organometallic Chemistry,The Synthesis,Reactions and Structures of Organometallic Compounds Vol.1”,ed.S.G.Wilkinson,F.G.A.Stones,E.W.Abel,Pergamon Press Ltd.,(1982),Chapter 6)に記載の方法により合成したものを蒸留精製等により高純度化して使用することもできる。トリアルキルアルミニウムとしては、純度99.999%(5N)以上のものを用いることが好ましく、電子材料用の99.9999%(6N)以上の高純度品を用いることがより好ましい。
<溶媒>
反応溶媒として炭化水素化合物を用いる場合、その種類は特に限定されない。例えば、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン等の飽和脂肪族炭化水素;シクロヘキサン、シクロヘプタン等の飽和脂環式炭化水素;トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、エチルベンゼン、エチルトルエン、インデン等の芳香族炭化水素などを用いることができる。
炭化水素化合物は生成物であるトリアルキルガリウムとの分離が容易なものが好ましい。一般にはトリアルキルガリウムとの沸点差が大きい炭化水素化合物が好ましい。しかし、沸点差が十分大きくても、トリアルキルガリウムより低沸点の炭化水素化合物を用いると、少量の共沸による収率低下が見られるため、炭化水素化合物としてはトリアルキルガリウムより高沸点のものを選択することが望ましい。但し、常温で固体の炭化水素化合物は取扱いに手間がかかることから、このような炭化水素化合物よりは低沸点のものを選択する方が望ましい。
As the trialkylaluminum compound, a commercially available product for use in electronic materials having a purity of 5N or 6N can be used as it is, or a product obtained by purifying a commercially available product for polymerization with a purity of 2N or less by distillation purification can be used. Also, for example, “Comprehensive Organometallic Chemistry, The Synthesis, Reactions and Structures of Organometallic Compounds Vol. 1”, ed. S. G. Wilkinson, F.M. G. A. Stones, E .; W. Abel, Pergamon Press Ltd. , (1982), Chapter 6) can be used after being purified by distillation purification or the like. As the trialkylaluminum, those having a purity of 99.999% (5N) or more are preferably used, and it is more preferable to use a high-purity product having 99.9999% (6N) or more for electronic materials.
<Solvent>
When using a hydrocarbon compound as a reaction solvent, the kind is not specifically limited. For example, saturated aliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, dodecane; saturated alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane, cycloheptane; toluene, xylene, trimethylbenzene, ethylbenzene, ethyltoluene, Aromatic hydrocarbons such as indene can be used.
The hydrocarbon compound is preferably one that can be easily separated from the product trialkylgallium. In general, hydrocarbon compounds having a large boiling point difference from trialkylgallium are preferred. However, even if the difference in boiling point is sufficiently large, if a hydrocarbon compound having a lower boiling point than trialkylgallium is used, the yield decreases due to a small amount of azeotrope. It is desirable to select. However, since a hydrocarbon compound that is solid at room temperature is troublesome to handle, it is preferable to select a hydrocarbon compound having a lower boiling point than such a hydrocarbon compound.

炭化水素化合物は、1種を単独で、又は2種以上を混合して用いることができる。但し、得られるトリアルキルガリウムの精製が容易になる点で、1種の炭化水素化合物を単独で使用することが好ましい。   A hydrocarbon compound can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. However, it is preferable to use one kind of hydrocarbon compound alone in that the resulting trialkylgallium can be easily purified.

三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムとの使用比率(トリアルキルアルミニウム/三塩化ガリウム)は、モル比で1〜4程度とする。中でも、1〜3程度が好ましく、2〜3程度がより好ましく、2.5〜3程度がさらにより好ましい。上記範囲であれば、実用上十分な収率が得られるとともに、自然発火性の有機アルミニウム化合物の副生量を従来方法に比較して大幅に削減できる。
第1の工程(接触工程)
三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムとの接触は、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の不活性ガス雰囲気下で行う。これら不活性ガスの純度は99.99%(4N)以上であることが好ましく、99.9999%(6N)以上であることがより好ましい。
The use ratio of gallium trichloride to trialkylaluminum (trialkylaluminum / gallium trichloride) is about 1 to 4 in molar ratio. Especially, about 1-3 are preferable, about 2-3 are more preferable, and about 2.5-3 are still more preferable. If it is the said range, while being able to obtain a practically sufficient yield, the by-product amount of a pyrophoric organoaluminum compound can be reduced significantly compared with the conventional method.
1st process (contact process)
Contact between gallium trichloride and trialkylaluminum is performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium, neon, argon, krypton, or xenon. The purity of these inert gases is preferably 99.99% (4N) or more, and more preferably 99.9999% (6N) or more.

特に、雰囲気ガス中の水分や酸素は、トリアルキルガリウムの収率を低下させるばかりでなく、純度低下の原因ともなり得るため、水分や酸素は極力除去した雰囲気ガスを使用するのが望ましい。反応雰囲気ガスは好ましくは露点−80℃以下、酸素濃度100ppb以下、特に好ましくは露点−100℃以下、酸素濃度10ppb以下であることが望ましい。このような高純度の不活性ガスは、膜分離法、触媒反応法、液化精留法、PSA(Pressure Swing Adsorption)法を用いて得ることができる。   In particular, since moisture and oxygen in the atmospheric gas not only reduce the yield of trialkylgallium, but can also cause a decrease in purity, it is desirable to use atmospheric gas from which moisture and oxygen have been removed as much as possible. The reaction atmosphere gas preferably has a dew point of −80 ° C. or lower and an oxygen concentration of 100 ppb or lower, particularly preferably a dew point of −100 ° C. or lower and an oxygen concentration of 10 ppb or lower. Such an inert gas having a high purity can be obtained using a membrane separation method, a catalytic reaction method, a liquefaction rectification method, or a PSA (Pressure Swing Adsorption) method.

三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムとの反応は、無溶媒下又は炭化水素化合物中で行うことができる。無溶媒下及び炭化水素化合物中のどちらで反応を行うかは、用いるトリアルキルアルミニウムの種類や、その他条件を考慮して任意に選択することができる。   The reaction between gallium trichloride and trialkylaluminum can be carried out without solvent or in a hydrocarbon compound. Whether the reaction is performed in the absence of a solvent or in a hydrocarbon compound can be arbitrarily selected in consideration of the type of trialkylaluminum used and other conditions.

三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムとを接触させるに当たっては、不活性ガス雰囲気下で、無溶媒の場合はそのまま両者を混合して接触させればよい。また、炭化水素化合物溶媒を使用する場合は、不活性ガス雰囲気下で、三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムと溶媒とを、任意の順序で混合することができるが通常は、不活性ガス雰囲気下にした反応容器内に三塩化ガリウムと必要に応じて炭化水素化合物とを入れ、次いでトリアルキルアルミニウムをこれら混合物中にゆっくりと導入していけばよい。また、炭化水素化合物を使用する場合は、トリアルキルアルミニウムを予め炭化水素化合物で希釈しておいてもよい。   In contacting gallium trichloride and trialkylaluminum, they may be mixed and contacted as they are in an inert gas atmosphere and in the absence of a solvent. When using a hydrocarbon compound solvent, gallium trichloride, trialkylaluminum, and solvent can be mixed in any order under an inert gas atmosphere, but usually under an inert gas atmosphere. In this reaction vessel, gallium trichloride and, if necessary, a hydrocarbon compound are put, and then trialkylaluminum is slowly introduced into the mixture. Moreover, when using a hydrocarbon compound, you may dilute trialkylaluminum with a hydrocarbon compound previously.

炭化水素化合物溶媒を使用する場合は、この溶媒の使用量は、三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムとの接触直後にこれら双方の溶媒中の濃度(溶媒1Lに対するモル数を意味する。以下、同様。)がいずれも0.01〜10moL/L程度となる量が好ましく、0.1〜5moL/L程度となる量がより好ましい。上記濃度範囲であれば、反応性、ひいてはトリアルキルガリウム収率が十分高くなる。   When a hydrocarbon compound solvent is used, the amount of the solvent used means the concentration (mole number relative to 1 L of the solvent) immediately after the contact between gallium trichloride and trialkylaluminum. ) Is preferably about 0.01 to 10 mol / L, more preferably about 0.1 to 5 mol / L. If it is the said density | concentration range, the reactivity and by extension, a trialkylgallium yield will become high enough.

三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムとの接触時の温度は、後に続く高温反応時の温度より低い温度であればよく、特に限定されないが、50℃以下が好ましく、40℃以下がより好ましい。接触時の温度の下限値は、通常20℃程度である。上記温度範囲であれば、三塩化ガリウムおよび有機アルミニウム化合物の結晶化による反応性の低下が回避される。   The temperature at the time of contact between gallium trichloride and trialkylaluminum is not particularly limited as long as it is lower than the temperature at the subsequent high-temperature reaction, but is preferably 50 ° C. or less, more preferably 40 ° C. or less. The lower limit of the temperature at the time of contact is usually about 20 ° C. If it is the said temperature range, the fall of the reactivity by crystallization of a gallium trichloride and an organoaluminum compound is avoided.

両者を接触させるに当たっては、両者を混合して静置するだけでもよく、又は攪拌下に接触状態を保持してもよい。効率良く反応させる上では攪拌することが好ましい。攪拌は、例えばマグネチックスタラーによる攪拌、誘導攪拌のような公知の方法で行えばよい。   In bringing them into contact with each other, they may be mixed and allowed to stand, or the contact state may be maintained under stirring. Stirring is preferable for efficient reaction. Stirring may be performed by a known method such as stirring with a magnetic stirrer or induction stirring.

接触時間は、10〜60分間程度であり、好ましくは20〜50分間程度であり、より好ましくは30〜40分間程度である。上記時間接触させることにより、十分な収率でトリアルキルガリウムを合成することができる。この接触時間は、全ての材料を混合した時点から始まる時間であり、例えば三塩化ガリウムと炭化水素溶媒との混合物中にトリアルキルアルミニウムを滴下する場合は、トリアルキルアルミニウムの滴下が終了した時点からの時間である。
第2の工程(高温反応工程)
次いで、引き続き不活性ガス雰囲気下で、接触工程より高い温度で三塩化ガリウムとトリアルキルアルミニウムとの反応を進行させる。反応温度は、50〜150℃程度が好ましく、70〜130℃程度がより好ましく、80〜120℃程度がさらにより好ましい。上記温度範囲であれば、実用上十分に高い収率が得られ、かつ生成したトリアルキルガリウムが分解することがない。
The contact time is about 10 to 60 minutes, preferably about 20 to 50 minutes, and more preferably about 30 to 40 minutes. By contacting for the above time, trialkylgallium can be synthesized in a sufficient yield. This contact time is a time starting from the time when all the materials are mixed. For example, in the case where trialkylaluminum is dropped into a mixture of gallium trichloride and a hydrocarbon solvent, from the time when dropping of the trialkylaluminum is completed. Is the time.
Second step (high temperature reaction step)
Subsequently, the reaction between gallium trichloride and trialkylaluminum proceeds at a temperature higher than that in the contact step under an inert gas atmosphere. The reaction temperature is preferably about 50 to 150 ° C, more preferably about 70 to 130 ° C, and still more preferably about 80 to 120 ° C. If it is the said temperature range, a sufficiently high yield will be obtained practically and the produced trialkylgallium will not be decomposed.

この高温度下での反応時間は、特に限定されないが、1〜10時間程度が好ましく、2〜5時間程度がより好ましい。上記時間の高温反応により、実用上十分に収率を高めることができ、かつ生成したトリアルキルガリウムが分解することがない。   The reaction time at this high temperature is not particularly limited, but is preferably about 1 to 10 hours, and more preferably about 2 to 5 hours. Due to the high temperature reaction for the above time, the yield can be increased practically and the produced trialkylgallium is not decomposed.

高温反応時にも、効率よく反応を進行させる上で、反応液を攪拌することが好ましい。   It is preferable to stir the reaction solution for efficiently advancing the reaction even at a high temperature reaction.

また、第1の工程及び第2の工程は、特に限定されず、大気圧下、減圧下、または加圧下で合成反応を行うことができる。
精製工程
上記の反応により、目的物であるトリアルキルガリウムの他に、例えばAlGaRCl(Rはアルキル基を示す)のようなアルミニウムとガリウムとの複核錯体、AlRCl(Rはアルキル基を示す)のような有機アルミニウム化合物が副生する場合がある。従って、反応液を蒸留することにより、トリアルキルガリウムを分離精製すればよい。蒸留は、常圧で行えばよいが、減圧蒸留を行ってもよい。
The first step and the second step are not particularly limited, and the synthesis reaction can be performed under atmospheric pressure, reduced pressure, or increased pressure.
Purification step By the above reaction, in addition to the target trialkylgallium, for example, a binuclear complex of aluminum and gallium such as AlGaR 4 Cl 2 (R represents an alkyl group), AlR 2 Cl (R is an alkyl group) In some cases, an organoaluminum compound such as Therefore, the trialkylgallium may be separated and purified by distilling the reaction solution. Distillation may be performed at normal pressure, but vacuum distillation may be performed.

さらに、精密蒸留や昇華等により精製することにより、MOCVD原料として使用できる純度99.999%(5N)以上のトリアルキルガリウムが得られる。   Furthermore, by purifying by precision distillation, sublimation or the like, a trialkylgallium having a purity of 99.999% (5N) or more that can be used as a MOCVD raw material is obtained.

精製工程も、通常、不活性ガス雰囲気下で行う。
ガリウム系化合物半導体素子
本発明方法により得られるトリアルキルガリウムと、窒素含有化合物、リン含有化合物、及び砒素含有化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種のIII族元素含有化合物とを原料として、例えばMOCVDによるエピタキシャル成長により、ガリウム系化合物半導体素子のガリウム系化合物半導体薄膜を形成することができる。ガリウム系化合物半導体薄膜の代表例としては、トリアルキルガリウムと、アンモニアのような窒素含有化合物とを原料として形成される窒化ガリウム系化合物半導体薄膜が挙げられる。
The purification step is also usually performed in an inert gas atmosphere.
Gallium-based compound semiconductor device Using trialkylgallium obtained by the method of the present invention and at least one group III element-containing compound selected from the group consisting of nitrogen-containing compounds, phosphorus-containing compounds, and arsenic-containing compounds as raw materials, for example, MOCVD The gallium-based compound semiconductor thin film of the gallium-based compound semiconductor device can be formed by epitaxial growth. A typical example of the gallium compound semiconductor thin film is a gallium nitride compound semiconductor thin film formed using trialkylgallium and a nitrogen-containing compound such as ammonia as raw materials.

半導体の構造としては、MIS(Metal Insulator Semiconductor)接合、PIN接合やpn接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。   Examples of the semiconductor structure include a MIS (Metal Insulator Semiconductor) junction, a homostructure having a PIN junction or a pn junction, a heterostructure, or a double heterostructure. Various emission wavelengths can be selected depending on the material of the semiconductor layer and the degree of mixed crystal. In addition, a single quantum well structure or a multiple quantum well structure in which the semiconductor active layer is formed in a thin film in which a quantum effect is generated can be used.

窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を例に挙げて説明すれば、窒化ガリウム系化合物半導体の基板にはサファイア、スピネル、SiC、Si、ZnO、およびGaN等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。このサファイア基板上にMOCVD法などを用いて窒化ガリウム系化合物半導体を形成することができる。サファイア基板上にGaN、AlN、GaAIN等のバッファー層を形成しその上にpn接合を有する窒化物半導体を形成する。   If the gallium nitride compound semiconductor thin film is described as an example, materials such as sapphire, spinel, SiC, Si, ZnO, and GaN are preferably used for the gallium nitride compound semiconductor substrate. In order to form a nitride semiconductor with good crystallinity with high productivity, it is preferable to use a sapphire substrate. A gallium nitride compound semiconductor can be formed on the sapphire substrate by MOCVD or the like. A buffer layer of GaN, AlN, GaAIN or the like is formed on the sapphire substrate, and a nitride semiconductor having a pn junction is formed thereon.

窒化ガリウム系化合物半導体を使用したpn接合を有する発光素子例として、バッファー層上に、n型窒化ガリウムで形成した第1のコンタクト層、n型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第1のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、p型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第2のクラッド層、p型窒化ガリウムで形成した第2のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。   As an example of a light-emitting element having a pn junction using a gallium nitride compound semiconductor, a first contact layer formed of n-type gallium nitride and a first cladding layer formed of n-type aluminum nitride / gallium on a buffer layer A double hetero structure in which an active layer formed of indium gallium nitride, a second cladding layer formed of p-type aluminum nitride / gallium, and a second contact layer formed of p-type gallium nitride are sequentially stacked. It is done.

窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態でn型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のn型窒化物半導体を形成させる場合は、n型ドーパントとしてSi、Ge、Se、Te、C等を適宜導入することが好ましい。一方、p型窒化ガリウム系化合物半導体を形成させる場合は、p型ドーパントであるZn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等をドープさせる。窒化ガリウム系化合物半導体は、p型ドーパントをドープしただけではp型化しにくいためp型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。電極形成後、半導体ウエハーからチップ状にカットさせることで窒化物半導体からなる発光素子が得られる。
実施例
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[参考例1]
窒素置換した500mL容量の4つ口フラスコに、室温で三塩化ガリウム25.09g(142mmoL)、及びモレキュラーシーブスで十分脱水したトルエン201mLを加える。このフラスコにドライアイスコンデンサーを取り付け、内温を20℃に調整した後、トリメチルアルミニウム30.97g(430mmoL)をトルエン49mLで希釈した溶液を約1時間かけてフラスコ内溶液中に滴下攪拌する。この間、フラスコ内の温度を45〜50℃の範囲に調整する。滴下終了後、反応液を攪拌しつつ45℃で30分間保持する。
The gallium nitride compound semiconductor exhibits n-type conductivity without being doped with impurities. When forming a desired n-type nitride semiconductor, for example, to improve luminous efficiency, it is preferable to appropriately introduce Si, Ge, Se, Te, C, etc. as an n-type dopant. On the other hand, when forming a p-type gallium nitride compound semiconductor, p-type dopants such as Zn, Mg, Be, Ca, Sr, and Ba are doped. Since the gallium nitride compound semiconductor is difficult to be p-type only by being doped with a p-type dopant, it is preferable to lower the resistance by heating in a furnace or plasma irradiation after introducing the p-type dopant. After the electrodes are formed, a light emitting element made of a nitride semiconductor can be obtained by cutting the semiconductor wafer into chips.
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
[Reference Example 1]
Into a 500 mL four-necked flask purged with nitrogen, 25.09 g (142 mmol) of gallium trichloride and 201 mL of toluene sufficiently dehydrated with molecular sieves are added at room temperature. A dry ice condenser is attached to the flask and the internal temperature is adjusted to 20 ° C., and then a solution obtained by diluting 30.97 g (430 mmol) of trimethylaluminum with 49 mL of toluene is dropped into the solution in the flask over about 1 hour. During this time, the temperature in the flask is adjusted to a range of 45 to 50 ° C. After completion of dropping, the reaction solution is kept at 45 ° C. for 30 minutes while stirring.

三塩化ガリウムの純度は5Nであり、トリメチルアルミニウムの純度は5Nである。また、三塩化ガリウムに対するトリメチルアルミニウムのモル比は3.0である。また、混合直後の溶媒中の三塩化ガリウム濃度は0.57moL/Lであり、トリメチルアルミニウムの濃度は1.72moL/Lである(それぞれ、溶媒1Lに対するモル数。以下、同様。)。また、窒素は、純度6N、露点−110℃、酸素濃度1ppbである。   The purity of gallium trichloride is 5N, and the purity of trimethylaluminum is 5N. The molar ratio of trimethylaluminum to gallium trichloride is 3.0. Further, the concentration of gallium trichloride in the solvent immediately after mixing is 0.57 mol / L, and the concentration of trimethylaluminum is 1.72 mol / L (respectively, the number of moles relative to 1 liter of solvent, the same applies hereinafter). Nitrogen has a purity of 6N, a dew point of −110 ° C., and an oxygen concentration of 1 ppb.

次いで、反応溶液を100℃まで昇温し、攪拌しながら加熱により反応液を100℃で3時間保つ。   Next, the temperature of the reaction solution is raised to 100 ° C., and the reaction solution is kept at 100 ° C. for 3 hours by heating while stirring.

トルエンが沸騰する状態で反応混合物より、ガラスビーズを充填した長さ30cm、直径1.5cmのカラムを用いて粗トリメチルガリウムを分留する。
誘導結合プラズマ発光分析装置(ICP−AES)Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometerによるガリウム定量により、14.35g(ガリウム換算で87.9%収率)の粗トリメチルガリウムが得られる。
[実施例1]
窒素置換した100mL容量の4つ口フラスコに、室温で三塩化ガリウム25.07g(114mmoL)を加える。このフラスコに、ドライアイスコンデンサーを取り付け、内温20℃に調整した後、トリメチルアルミニウム24.78g(344mmoL)を約1時間かけてフラスコ内溶液中に滴下攪拌する。この間、フラスコ内の温度は45〜50℃の範囲に調整する。滴下終了後、反応液を攪拌しつつ45℃で30分間保持する。
Crude trimethylgallium is fractionated from the reaction mixture in a state where toluene is boiling, using a column having a length of 30 cm and a diameter of 1.5 cm filled with glass beads.
By gallium quantification using an inductively coupled plasma atomic emission spectrometer (ICP-AES) Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer, 14.35 g (87.9% yield in terms of gallium) of crude trimethylgallium is obtained.
[Example 1]
25.07 g (114 mmol) of gallium trichloride is added to a 100 mL four-necked flask purged with nitrogen at room temperature. A dry ice condenser is attached to the flask and the internal temperature is adjusted to 20 ° C., and 24.78 g (344 mmol) of trimethylaluminum is dropped into the solution in the flask over about 1 hour and stirred. During this time, the temperature in the flask is adjusted to a range of 45 to 50 ° C. After completion of dropping, the reaction solution is kept at 45 ° C. for 30 minutes while stirring.

三塩化ガリウムの純度は5Nであり、トリメチルアルミニウムの純度は5Nである。また、三塩化ガリウムに対するトリメチルアルミニウムのモル比は3.0である。また、窒素は、純度6N、露点−110℃、酸素濃度1ppbである。   The purity of gallium trichloride is 5N, and the purity of trimethylaluminum is 5N. The molar ratio of trimethylaluminum to gallium trichloride is 3.0. Nitrogen has a purity of 6N, a dew point of −110 ° C., and an oxygen concentration of 1 ppb.

次いで、反応溶液を100℃まで昇温し、攪拌しながら加熱により反応液を100℃で3時間保つ。   Next, the temperature of the reaction solution is raised to 100 ° C., and the reaction solution is kept at 100 ° C. for 3 hours by heating while stirring.

反応混合物より、ガラスビーズを充填した長さ30cm、直径1.5cmのカラムを用いて粗トリメチルガリウムを分留する。   From the reaction mixture, crude trimethylgallium is fractionated using a column having a length of 30 cm and a diameter of 1.5 cm filled with glass beads.

誘導結合プラズマ発光分析装置によるガリウム定量により、12.06g(ガリウム換算で92.0%収率)の粗トリメチルガリウムが得られる。
[参考例2]
窒素置換した500mL容量の4つ口フラスコに、室温で三塩化ガリウム22.58g(128mmoL)を加える。このフラスコにドライアイスコンデンサーを取り付け、内温20℃に調整した後、トリエチルアルミニウム44.12g(378mmoL)をモレキュラーシーブスで十分脱水したヘキサン220mLで希釈した溶液を約1時間かけてフラスコ内溶液中に滴下攪拌する。この間、フラスコ内の温度は45〜50℃の範囲に調整する。滴下終了後、反応液を攪拌しつつ45℃で30分間保持する。
By gallium quantification using an inductively coupled plasma emission spectrometer, 12.06 g (92.0% yield in terms of gallium) of crude trimethylgallium is obtained.
[Reference Example 2]
To a 500 mL four-necked flask purged with nitrogen is added 22.58 g (128 mmol) of gallium trichloride at room temperature. After attaching a dry ice condenser to this flask and adjusting the internal temperature to 20 ° C., a solution obtained by diluting 44.12 g (378 mmol) of triethylaluminum with 220 mL of hexane sufficiently dehydrated with molecular sieves was added to the solution in the flask over about 1 hour. Stir dropwise. During this time, the temperature in the flask is adjusted to a range of 45 to 50 ° C. After completion of dropping, the reaction solution is kept at 45 ° C. for 30 minutes while stirring.

三塩化ガリウムの純度は5Nであり、トリエチルアルミニウムの純度は5Nである。また、三塩化ガリウムに対するトリエチルアルミニウムのモル比は3.0である。また、混合直後の溶媒中の三塩化ガリウム濃度は0.58moL/Lであり、トリエチルアルミニウムの濃度は1.72moL/Lである。また、窒素は、純度6N、露点−110℃、酸素濃度1ppbである。   The purity of gallium trichloride is 5N, and the purity of triethylaluminum is 5N. The molar ratio of triethylaluminum to gallium trichloride is 3.0. The concentration of gallium trichloride in the solvent immediately after mixing is 0.58 mol / L, and the concentration of triethylaluminum is 1.72 mol / L. Nitrogen has a purity of 6N, a dew point of −110 ° C., and an oxygen concentration of 1 ppb.

次いで、反応溶液を65℃まで昇温し、攪拌しながら加熱により反応液を65℃で3時間保つ。   Next, the temperature of the reaction solution is raised to 65 ° C., and the reaction solution is kept at 65 ° C. for 3 hours by heating with stirring.

反応混合物より、ガラスビーズを充填した長さ30cm、直径1.5cmのカラムを用いてヘキサンと粗トリエチルガリウムを分留する。300Torrの減圧下でまずヘキサンを分留し(39〜41℃)、次いで粗トリエチルガリウムを分留する(107〜109℃)。   From the reaction mixture, hexane and crude triethylgallium are fractionated using a 30 cm long, 1.5 cm diameter column filled with glass beads. First, hexane is fractionally distilled (39 to 41 ° C.) under a reduced pressure of 300 Torr, and then crude triethylgallium is fractionally distilled (107 to 109 ° C.).

誘導結合プラズマ発光分析装置によるガリウム定量により、16.05g(ガリウム換算で80.0%収率)の粗トリエチルガリウムが得られる。
[比較例1]
反応溶液を100℃まで昇温して3時間加熱及び攪拌する加熱反応工程を行わない他は、全て実施例1と同様の操作を行う。
16.05 g (80.0% yield in terms of gallium) of crude triethylgallium is obtained by gallium quantification using an inductively coupled plasma emission spectrometer.
[Comparative Example 1]
The same operation as in Example 1 is performed except that the heating reaction step of heating the reaction solution to 100 ° C. and heating and stirring for 3 hours is not performed.

誘導結合プラズマ発光分析装置によるガリウム定量により、8.28g(ガリウム換算で50.7%収率)の粗トリメチルガリウムが得られる。
[比較例2]
反応溶液を65℃まで昇温して3時間加熱及び攪拌する加熱反応工程を行わない他は、全て実施例3と同様の操作を行う。
誘導結合プラズマ発光分析装置によるガリウム定量により、8.32g(ガリウム換算で41.5%収率)の粗トリエチルガリウムが得られる。

三塩化ガリウムとトリメチルアルミニウムとを混合した後、100℃で3時間の加熱反応を行う実施例1では収率87.9%であるが、この加熱反応を行わない対応する比較例である比較例1では収率50.7%である。
By gallium quantification using an inductively coupled plasma emission spectrometer, 8.28 g (50.7% yield in terms of gallium) of crude trimethylgallium is obtained.
[Comparative Example 2]
All the same operations as in Example 3 are performed except that the heating reaction step of heating the reaction solution to 65 ° C. and heating and stirring for 3 hours is not performed.
By gallium quantification using an inductively coupled plasma emission spectrometer, 8.32 g (41.5% yield in terms of gallium) of crude triethylgallium is obtained.

In Example 1, where gallium trichloride and trimethylaluminum are mixed and then subjected to a heating reaction at 100 ° C. for 3 hours, the yield is 87.9%, but a comparative example is a corresponding comparative example in which this heating reaction is not performed. In No. 1, the yield is 50.7%.

同様に、三塩化ガリウムとトリエチルアルミニウムとを混合した後、65℃で3時間の加熱反応を行う実施例3では収率80.0%であるが、この加熱反応を行わない対応する比較例である比較例2では収率41.5%でる。   Similarly, in Example 3, in which gallium trichloride and triethylaluminum are mixed and then subjected to a heating reaction at 65 ° C. for 3 hours, the yield is 80.0%. In a corresponding comparative example in which this heating reaction is not performed, In Comparative Example 2, the yield is 41.5%.

このことから、加熱反応を行うことにより収率が大幅に向上することが分かる。

[実施例2]窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造
サファイア(C面)よりなる基板をMOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)の反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
(バッファ層)
続いて、温度を510℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアと上記の実施例1で得られ、さらに精製されるトリメチルガリウムとを用い、基板上にGaNよりなるバッファ層を約150オングストロームの膜厚で成長させる。この反応は以下の式で表される。
From this, it can be seen that the yield is greatly improved by carrying out the heating reaction.

[Example 2] Manufacture of gallium nitride based compound semiconductor device A substrate made of sapphire (C-plane) was set in a reaction vessel of MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), and the temperature of the substrate was increased to 1050 ° C while flowing hydrogen. Raise the substrate and clean the substrate.
(Buffer layer)
Subsequently, the temperature is lowered to 510 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, ammonia is used as a source gas, and trimethyl gallium obtained in the above-described Example 1 is further purified. Grow with angstrom thickness. This reaction is represented by the following formula.

Ga(CH+NH→GaN+3CH
(アンドープGaN層)
バッファ層成長後、トリメチルガリウムのみ止めて、温度を1050℃まで上昇させる。1050℃になったら、同じく原料ガスにトリメチルガリウム、アンモニアガスを用い、アンドープGaN層を1.5μmの膜厚で成長させる。
(n側コンタクト層)
続いて1050℃で、同じく原料ガスにトリメチルガリウム、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Siを4.5×1018/cmドープしたGaNよりなるn側コンタクト層を2.25μmの膜厚で成長させる。
(n側第1多層膜層)
次にシランガスのみを止め、1050℃で、トリメチルガリウム、アンモニアガスを用い、アンドープGaN層を75オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しSiを4.5×1018/cmドープしたGaN層を25オングストロームの膜厚で成長させる。このようにして、75オングストロームのアンドープGaN層からなるA層と、SiドープGaN層を有する25オングストロームのB層とからなるペアを成長させる。そしてペアを25層積層して2500オングストローム厚として、超格子構造の多層膜よりなるn側第1多層膜層を成長させる。
(n側第2多層膜層)
次に、同様の温度で、アンドープGaNよりなる第2の窒化物半導体層を40オングストローム成長させ、次に温度を800℃にして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを用い、アンドープIn0.13Ga0.87Nよりなる第1の窒化物半導体層を20オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第2+第1の順で交互に10層づつ積層させ、最後にGaNよりなる第2の窒化物半導体層を40オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるn側第2多層膜層を640オングストロームの膜厚で成長させる。
(活性層)
次に、アンドープGaNよりなる障壁層を200オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを用いアンドープIn0.4Ga0.6Nよりなる井戸層を30オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁+井戸+障壁+井戸・・・・+障壁の順で障壁層を5層、井戸層を4層、交互に積層して、総膜厚1120オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層を成長させる。
(p側多層膜クラッド層)
次に、温度1050℃でトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用い、Mgを1×1020/cmドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第3の窒化物半導体層を40オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いMgを1×1020/cmドープしたIn0.03Ga0.97Nよりなる第4の窒化物半導体層を25オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第3+第4の順で交互に5層ずつ積層し、最後に第3の窒化物半導体層を40オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるp側多層膜クラッド層を365オングストロームの膜厚で成長させる。
(p側GaNコンタクト層)
続いて1050℃で、トリメチルガリウム、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用い、Mgを1×1020/cmドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層を700オングストロームの膜厚で成長させる。
Ga (CH 3 ) 3 + NH 3 → GaN + 3CH 4
(Undoped GaN layer)
After growing the buffer layer, only trimethylgallium is stopped and the temperature is raised to 1050 ° C. When the temperature reaches 1050 ° C., trimethylgallium and ammonia gas are similarly used as source gases, and an undoped GaN layer is grown to a thickness of 1.5 μm.
(N-side contact layer)
Subsequently, at 1050 ° C., an n-side contact layer made of GaN doped with 4.5 × 10 18 / cm 3 of Si is used, using trimethyl gallium, ammonia gas as source gas, and silane gas as impurity gas, and a film thickness of 2.25 μm. Grow in.
(N-side first multilayer film layer)
Next, the silane gas alone was stopped, and an undoped GaN layer was grown to a thickness of 75 Å at 1050 ° C. using trimethyl gallium and ammonia gas. Subsequently, silane gas was added at the same temperature to add Si to 4.5 × 10 18. A / cm 3 -doped GaN layer is grown to a thickness of 25 Å. In this way, a pair consisting of an A layer composed of an undoped GaN layer of 75 angstroms and a 25 angstrom B layer having an Si doped GaN layer is grown. Then, 25 pairs are stacked to have a thickness of 2500 Å, and an n-side first multilayer film made of a multilayer film having a superlattice structure is grown.
(N-side second multilayer film layer)
Next, a second nitride semiconductor layer made of undoped GaN is grown at a similar temperature by 40 Å, and then at a temperature of 800 ° C., using trimethylgallium, trimethylindium, and ammonia, and using undoped In 0.13 Ga. A first nitride semiconductor layer made of 0.87 N is grown by 20 Å. Then, these operations are repeated, and 10 layers are alternately stacked in the order of 2 + 1 and finally, the n-side formed of a multi-layer film having a superlattice structure in which a second nitride semiconductor layer made of GaN is grown by 40 angstroms. A second multilayer layer is grown to a thickness of 640 angstroms.
(Active layer)
Next, a barrier layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 200 angstroms, followed by a temperature of 800 ° C. and a well made of undoped In 0.4 Ga 0.6 N using trimethylgallium, trimethylindium, and ammonia. The layer is grown to a thickness of 30 angstroms. Then, an active layer having a multiple quantum well structure with a total film thickness of 1120 angstroms is formed by alternately laminating five barrier layers and four well layers in the order of barrier + well + barrier + well. Grow.
(P-side multilayer clad layer)
Next, a third layer of p-type Al 0.2 Ga 0.8 N doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg using trimethyl gallium, trimethyl aluminum, ammonia, biscyclopentadienyl magnesium at a temperature of 1050 ° C. The nitride semiconductor layer is grown to a thickness of 40 Å, and then the temperature is set to 800 ° C., and Mg is doped with 1 × 10 20 / cm 3 using trimethylgallium, trimethylindium, ammonia, and biscyclopentadienylmagnesium. A fourth nitride semiconductor layer made of In 0.03 Ga 0.97 N is grown to a thickness of 25 Å. Then, these operations are repeated, and 5 layers are alternately stacked in the order of 3 + 4, and finally, the third nitride semiconductor layer is grown to a thickness of 40 angstroms and is formed of a superlattice multilayer film. A side multilayer cladding layer is grown to a film thickness of 365 angstroms.
(P-side GaN contact layer)
Subsequently, at 1050 ° C., a p-side contact layer made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown to a thickness of 700 Å using trimethylgallium, ammonia, and biscyclopentadienylmagnesium.

反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウエハーを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化する。   After completion of the reaction, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer.

アニーリング後、ウエハーを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)装置でp側コンタクト層側からエッチングを行い、n側コンタクト層の表面を露出させる。   After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the uppermost p-side contact layer, and etching is performed from the p-side contact layer side with a reactive ion etching (RIE) apparatus. To expose the surface of the n-side contact layer.

エッチング後、最上層にあるp側コンタクト層のほぼ全面に膜厚200オングストロームのNiとAuを含む透光性のp電極10と、そのp電極の上にボンディング用のAuよりなるpパッド電極を0.5μmの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたn側コンタクト層の表面にはWとAlを含むn電極を形成して窒化ガリウム系化合物半導体素子とする。   After etching, a translucent p-electrode 10 containing Ni and Au having a thickness of 200 angstroms is formed on almost the entire surface of the p-side contact layer on the uppermost layer, and a p-pad electrode made of Au for bonding is formed on the p-electrode. It is formed with a film thickness of 0.5 μm. On the other hand, an n-electrode containing W and Al is formed on the surface of the n-side contact layer exposed by etching to form a gallium nitride compound semiconductor device.

この窒化ガリウム系化合物半導体素子は順方向電流20mAにおいて、520nmの純緑色発光を示す。   This gallium nitride-based compound semiconductor device emits pure green light of 520 nm at a forward current of 20 mA.

なお、別の構成を有する窒化ガリウム系化合物半導体素子にもトリメチルガリウムを使用することができる。例えば、原料ガスにアンモニアとトリメチルガリウムとを用い、基板上にGaNよりなるバッファ層を成長させる。このGaNよりなる第1のバッファ層の上に、アンドープGaNよりなる第2のバッファ層、SiドープGaNよりなるn側コンタクト層、多重量子井戸構造よりなる活性層、単一のMgドープAl0.1Ga0.9N層、MgドープGaNからなるp側コンタクト層を順に積層したものなどがある。 Trimethylgallium can also be used for a gallium nitride compound semiconductor device having another configuration. For example, ammonia and trimethyl gallium are used as source gases, and a buffer layer made of GaN is grown on the substrate. On the first buffer layer made of GaN, a second buffer layer made of undoped GaN, an n-side contact layer made of Si-doped GaN, an active layer made of a multiple quantum well structure, a single Mg-doped Al 0. For example, a 1 Ga 0.9 N layer and a p-side contact layer made of Mg-doped GaN are sequentially stacked.

本発明方法により得られるトリアルキルガリウムは、エピタキシャル結晶成長によりガリウム系化合物半導体薄膜を形成するための原料として好適に使用できる。
The trialkylgallium obtained by the method of the present invention can be suitably used as a raw material for forming a gallium compound semiconductor thin film by epitaxial crystal growth.

Claims (6)

無溶媒で、三塩化ガリウムに対するトリアルキルアルミニウムのモル比を1〜4にして、三塩化ガリウムと少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムとを10〜60分間接触させる第1の工程と、
三塩化ガリウムとこのトリアルキルアルミニウムとを第1の工程より高い温度で反応させることによりトリアルキルガリウムを合成する第2の工程と
を含むトリアルキルガリウムの製造方法。
A first step of contacting the gallium trichloride with at least one trialkylaluminum for 10 to 60 minutes in a solvent-free manner at a molar ratio of trialkylaluminum to gallium trichloride of 1 to 4;
And a second step of synthesizing trialkylgallium by reacting gallium trichloride with the trialkylaluminum at a temperature higher than that in the first step.
第1の工程において、三塩化ガリウムと少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムとを50℃以下の温度下で接触させる請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein in the first step, gallium trichloride and at least one trialkylaluminum are contacted at a temperature of 50 ° C. or lower. 第1の工程において、三塩化ガリウムと少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムとを攪拌しながら接触させる請求項1又は2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein in the first step, gallium trichloride and at least one trialkylaluminum are brought into contact with stirring. 第2の工程において、三塩化ガリウムと少なくとも1種のトリアルキルアルミニウムとを50〜150℃の温度で反応させる請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein in the second step, gallium trichloride and at least one trialkylaluminum are reacted at a temperature of 50 to 150C. 第2の工程において、1〜10時間反応を行う請求項1〜4のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the reaction is performed for 1 to 10 hours in the second step. トリアルキルアルミニウムが、炭素数1〜4のアルキル基を有するものである請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the trialkylaluminum has an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.
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