JP4919949B2 - Method for growing single crystal and single crystal growing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、いわゆるNaフラックス法により窒化物単結晶を育成する方法および装置に関するものである。 The present invention relates to a method and an apparatus for growing a nitride single crystal by a so-called Na flux method.
窒化ガリウム薄膜結晶は、優れた青色発光素子として注目を集めており、発光ダイオードにおいて実用化され、光ピックアップ用の青紫色半導体レーザー素子としても期待されている。Naフラックス法によって窒化ガリウム単結晶を育成する方法としては、例えば、非特許文献1(Jpn. J. Appl. Phys. Vol.42, (2003) ページL4-L6)では、窒素のみの雰囲気を使用した場合には雰囲気圧力は50気圧であり、アンモニア40%、窒素60%の混合ガス雰囲気を用いた場合は、全圧は5気圧である。 Gallium nitride thin film crystals are attracting attention as an excellent blue light-emitting device, put into practical use in light-emitting diodes, and expected as a blue-violet semiconductor laser device for optical pickups. As a method for growing a gallium nitride single crystal by the Na flux method, for example, Non-Patent Document 1 ( Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42, (2003) pages L4-L6) uses an atmosphere containing only nitrogen. In this case, the atmospheric pressure is 50 atm. When a mixed gas atmosphere of 40% ammonia and 60% nitrogen is used, the total pressure is 5 atm.
また、例えば、特許文献1(特開2002−293696号公報)では、窒素とアンモニアの混合ガスを用いて10から100気圧としている。特許文献2(特開2003−292400号公報)でも、育成時の雰囲気圧力は100気圧以下であり、実施例では2、3、5MPa(約20気圧、30気圧、50気圧)である。また、いずれの従来技術においても、育成温度はすべて1000℃以下であり、実施例ではすべて850℃以下である。 For example, in patent document 1 ( Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-293696), it is set to 10 to 100 atmospheres using the mixed gas of nitrogen and ammonia. Also in patent document 2 ( Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-292400), the atmospheric pressure at the time of a cultivation is 100 atmospheres or less, and is 2, 3, 5 MPa (about 20 atmospheres, 30 atmospheres, 50 atmospheres) in an Example. In any of the conventional techniques, all the growth temperatures are 1000 ° C. or less, and in the examples, all are 850 ° C. or less.
また、窒化アルミニウムは、バンドギャップが6.2eVと大きく、熱伝導率が高いため、紫外領域の発光素子(LED、LD)用の基板材料として優れており、単結晶ウエハ製造技術の開発が望まれている。これまで、昇華法、HVPE法によるAlN単結晶の製造技術が提案されている。また、フラックス法(溶液法)でのAlNの製造技術が、特許文献3(特開2003−119099)、非特許文献2(Mat. Res. Bull. Vol. 9 (1974) 331〜336頁)に開示されている。特開2003−119099では、遷移金属をフラックスとして使用している。Mat. Res. Bull. Vol. 9 (1974) 331〜336頁では、Ca3N2とAlN粉末とからAlN単結晶を得ている。 In addition, aluminum nitride has a large band gap of 6.2 eV and high thermal conductivity. Therefore, aluminum nitride is excellent as a substrate material for light emitting elements (LED, LD) in the ultraviolet region, and development of single crystal wafer manufacturing technology is desired. It is rare. Until now, the manufacturing technique of the AlN single crystal by the sublimation method and the HVPE method has been proposed. Moreover, the manufacturing technology of AlN by the flux method (solution method) is disclosed in Patent Document 3 ( Japanese Patent Laid-Open No. 2003-1119099) and Non-Patent Document 2 ( Mat. Res. Bull. Vol. 9 (1974) pages 331 to 336). It is disclosed. In JP2003-1119099, a transition metal is used as a flux. Mat. Res. Bull. Vol. 9 (1974) pp. 331 to 336, an AlN single crystal is obtained from Ca 3 N 2 and AlN powder.
最近、Naを触媒に用いることによって、低温・低圧で高品質のバルク状窒化ガリウム単結晶を合成できることが報告されている(特許文献4:特開2000−327495)。この原料はガリウムとアジ化ナトリウムである。 Recently, it has been reported that a high-quality bulk gallium nitride single crystal can be synthesized at a low temperature and low pressure by using Na as a catalyst ( Patent Document 4: Japanese Patent Laid-Open No. 2000-327495). The raw materials are gallium and sodium azide.
また、非特許文献3(Phys. Stat. Sol. Vol.188(2001)p415-419)によれば、アジ化ナトリウムとガリウムとアルミニウムとを原料としてNaフラックスを製造し、このNaフラックスを用いて750℃または800℃、および約100〜110気圧の圧力でAlGaN固溶体単結晶の育成に成功している。 Further, according to Non-Patent Document 3 ( Phys. Stat. Sol. Vol. 188 (2001) p415-419), Na flux is produced using sodium azide, gallium and aluminum as raw materials, and this Na flux is used. AlGaN solid solution single crystals have been successfully grown at 750 ° C. or 800 ° C. and a pressure of about 100 to 110 atm.
本発明者は、熱間等方圧プレス(HIP)装置を用いて、上記文献にあるよりも高温高圧領域で窒化ガリウム単結晶や窒化アルミニウム単結晶の育成を試みている(特許文献5:特願2004−103093)。 The present inventor has attempted to grow a gallium nitride single crystal or an aluminum nitride single crystal in a high temperature and high pressure region using a hot isostatic press (HIP) apparatus than in the above document ( Patent Document 5: Special Application 2004-103093).
HIP装置を用いてフラックス法により結晶育成を行う場合には、圧力容器の内部にヒーター、断熱材(炉材)および可動機構などの構造部品を収容する必要があるが、前記のような高温高圧領域においては、これらがルツボ内のフラックスから発生したフラックス金属蒸気によって腐食を受けることが判明してきた。 When crystal growth is performed by a flux method using an HIP apparatus, it is necessary to accommodate structural parts such as a heater, a heat insulating material (furnace material), and a movable mechanism inside the pressure vessel. In the region, it has been found that these are subject to corrosion by flux metal vapors generated from the flux in the crucible.
本発明の課題は、アルカリまたはアルカリ土類金属を含むフラックスを使用して単結晶を育成するのに際して、ルツボ内のフラックスから発生したフラックス金属蒸気によるヒーター、炉材や可動機構などの構造部品の腐食を防止することである。 An object of the present invention is to grow a single crystal using a flux containing an alkali or an alkaline earth metal, and to heat a structural metal component such as a heater, a furnace material or a movable mechanism using a flux metal vapor generated from a flux in a crucible. It is to prevent corrosion.
本発明は、少なくともアルカリまたはアルカリ土類金属を含むフラックスを使用して単結晶を育成する方法であって、フラックスを収容するためのルツボ、このルツボ用の蓋、ルツボを収容し、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気を充填するための圧力容器、および圧力容器内かつルツボ外に配置されているフラックス金属蒸気吸収材を使用し、単結晶を育成することを特徴とする方法に係るものである。 The present invention is a method for growing a single crystal using a flux containing at least an alkali or an alkaline earth metal, the crucible for containing the flux, a lid for the crucible, a crucible, and at least nitrogen gas And a flux metal vapor absorber disposed inside the pressure vessel and outside the crucible to grow a single crystal.
また、本発明は、少なくともアルカリまたはアルカリ土類金属を含むフラックスを使用して単結晶を育成するための装置であって、フラックスを収容するためのルツボ、このルツボ用の蓋、ルツボを収容し、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気を充填するための圧力容器、および圧力容器内かつルツボ外に配置されているフラックス金属蒸気吸収材を備えていることを特徴とする、単結晶育成装置に係るものである。 Further, the present invention is an apparatus for growing a single crystal using a flux containing at least an alkali or alkaline earth metal, and contains a crucible for containing the flux, a lid for the crucible, and a crucible. A single crystal growth apparatus comprising: a pressure vessel for filling an atmosphere containing at least nitrogen gas; and a flux metal vapor absorber disposed inside the pressure vessel and outside the crucible. is there.
本発明者は、フラックスを収容するためのルツボを収容し、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気を充填するための圧力容器内にフラックス金属蒸気吸収材を設けることによって、ルツボと蓋との間の隙間から漏出するフラックス金属蒸気を吸収し、ヒーター、断熱材や可動部分などの腐食を防止することに成功した。これによって、アルカリまたはアルカリ土類含有フラックスを用いて、高温高圧での処理に適した装置を利用して単結晶を育成することができる。 The inventor accommodates a crucible for accommodating a flux, and provides a flux metal vapor absorber in a pressure vessel for filling an atmosphere containing at least nitrogen gas, thereby removing the gap between the crucible and the lid. It absorbed the leaked flux metal vapor and succeeded in preventing corrosion of heaters, heat insulating materials and moving parts. Thus, a single crystal can be grown using an apparatus suitable for processing at high temperature and high pressure using an alkali or alkaline earth-containing flux.
以下に、Naフラックス法による窒化ガリウム結晶育成を例として、本発明の詳細について説明する。 The details of the present invention will be described below by taking gallium nitride crystal growth by the Na flux method as an example.
好適な実施形態においては、フラックスを収容したルツボを圧力容器内に収容し、熱間等方圧プレス装置を用いて高圧下で加熱する。この際には、窒素を含む雰囲気ガスを所定圧力に圧縮し、圧力容器内に供給し、圧力容器内の全圧および窒素分圧を制御する。 In a preferred embodiment, the crucible containing the flux is housed in a pressure vessel and heated under high pressure using a hot isostatic press. At this time, the atmospheric gas containing nitrogen is compressed to a predetermined pressure, supplied into the pressure vessel, and the total pressure and the nitrogen partial pressure in the pressure vessel are controlled.
ただし、例えばこのようなHIP装置を用いてNaフラックス法により窒化ガリウム単結晶を育成した場合には、ヒーター、駆動機構、圧力容器の内壁の断熱材などに腐食が生じており、これがNaフラックスから発生したNa蒸気によることを確認した。本発明においては、このような圧力容器内の各部材の腐食を防止するために、ナトリウム蒸気吸収材を圧力容器の内側に設置する。 However, for example, when a gallium nitride single crystal is grown by the Na flux method using such an HIP apparatus, corrosion occurs in the heater, the drive mechanism, the heat insulating material of the inner wall of the pressure vessel, and the like. It was confirmed that this was due to the generated Na vapor. In the present invention, in order to prevent such corrosion of each member in the pressure vessel, a sodium vapor absorber is installed inside the pressure vessel.
好適な実施形態においては、ルツボを収容するための反応容器を圧力容器内に設け、反応容器内にナトリウム蒸気吸収材を設ける。これによって、反応容器の外側に、ヒーター、断熱材などの腐食を受け易い部材を設置することができ、これらの部材の腐食防止の点で更に有利である。 In a preferred embodiment, a reaction vessel for housing the crucible is provided in the pressure vessel, and a sodium vapor absorber is provided in the reaction vessel. As a result, members that are susceptible to corrosion, such as heaters and heat insulating materials, can be installed outside the reaction vessel, which is further advantageous in terms of preventing corrosion of these members.
また、好適な実施形態においては、ルツボと蓋との間の開口部から漏れ出た蒸気を、ナトリウム蒸気吸収材との接触に導くための排出路形成手段を設ける。これによって、ルツボから漏れ出たナトリウム蒸気を確実に吸収材との接触に導くことができる。 Further, in a preferred embodiment, there is provided a discharge path forming means for guiding the vapor leaking from the opening between the crucible and the lid to contact with the sodium vapor absorber. Thereby, the sodium vapor leaking from the crucible can be surely guided to contact with the absorbent.
排出路形成部材の形態は特に限定されない。例えば、排出路成形部材を底のない容器とし、ルツボをこの無底容器内に収容し、無底容器と反応容器の底面との隙間からガスを逃がすことができる。また、排出路形成部材を有底容器とし、この有底容器中にルツボを収容し、有底容器の上面あるいは側面に一つあるいは複数の排出路を設け、各排出路の出口にナトリウム蒸気吸収材を設置することができる。 The form of the discharge path forming member is not particularly limited. For example, the discharge channel forming member can be a container without a bottom, and a crucible can be accommodated in the bottomless container so that gas can escape from the gap between the bottomless container and the bottom surface of the reaction container. In addition, the discharge path forming member is a bottomed container, a crucible is accommodated in the bottomed container, one or more discharge paths are provided on the upper surface or side surface of the bottomed container, and sodium vapor is absorbed at the outlet of each discharge path. Materials can be installed.
図1は、本発明に従って圧力容器内に設置するための反応容器16、排出路形成部材20、ナトリウム蒸気吸収材19およびルツボ25を概略的に示す断面図である。図2は、本発明において使用可能な単結晶の育成装置1を模式的に示す図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a
例えばHIP(熱間等方圧プレス)装置の圧力容器2中に、図1の反応容器16を収容すると、図2に模式的に示す状態となる。HIP(熱間等方圧プレス)装置の圧力容器2の中にジャケット3を固定し、ジャケット3内に反応容器16を設置する。反応容器16の中に、フラックスを構成する少なくともナトリウムを含む原料を収容する。
For example, when the
圧力容器2の外部に、図示しない混合ガスボンベを設ける。混合ガスボンベ内には、所定組成の混合ガスが充填されており、この混合ガスを圧縮機によって圧縮して所定圧力とし、供給管10を通して圧力容器2内に矢印Bのように供給する。この雰囲気中の窒素は窒素源となり、アルゴンガス等の不活性ガスはナトリウムの蒸発を抑制する。この圧力は、図示しない圧力計によって監視する。反応容器16の周囲にはヒーター4が設置されており、ルツボ内の育成温度を制御可能となっている。
A gas mixture cylinder (not shown) is provided outside the
図1に示すように、反応容器16は、反応容器本体17と蓋23とからなる。蓋23には円形突出部23aが形成されている。蓋23を本体17にはめ合わせて反応容器16を形成する。反応容器16の空間18に排出路形成手段20が設置されている。蓋22には円形突起22aが形成されている。本例の排出路形成手段20は無底容器であり、その中にルツボ25が収容されている。ルツボ25の内側空間24にはNaフラックス8と基板7とが収容される。
As shown in FIG. 1, the
本例では、Naフラックス8から発生したNa蒸気は、空間24から蓋とルツボ25との隙間を矢印Cのように抜け、ルツボ25と排出路形成手段20との間に形成された円筒形状の隙間28を矢印Dのように降下する。そして、このNa蒸気は、更に排出路形成手段20と反応容器本体17との隙間29を通って矢印Eのように上昇する。
In this example, Na vapor generated from the
ここで、反応容器本体17と排出路形成手段20との間にナトリウム蒸気吸収材19が設置されており、排出路形成手段に沿って排出されてきた蒸気が矢印Fのようにナトリウム蒸気吸収材19との接触に導かれる。ここで排ガスからNa蒸気を吸収した後、ガスは矢印Gのように蓋23と反応容器本体17との隙間30を通り、矢印Hのように圧力容器2内へと放出される。
Here, a
フラックス金属蒸気吸収材とは、フラックスを構成する金属のうち一種または二種以上の金属蒸気を吸収する性質を持つ部材を言う。この吸収材は、少なくともフラックスを構成するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の吸収能力を有することが好ましい。特に好ましくは、これがナトリウムまたはリチウムまたはカルシウム金属の吸収能力を有する。 The flux metal vapor absorber refers to a member having a property of absorbing one or more metal vapors among the metals constituting the flux. This absorbent material preferably has at least the ability to absorb alkali metal or alkaline earth metal constituting the flux. Particularly preferably, it has an absorption capacity of sodium or lithium or calcium metal.
フラックス金属蒸気吸収材の種類は特に限定されず、例えば以下のものであってよい。
材質: カーボン、活性炭、シリカゲル、ゼオライトなどの多孔体材料
形態: 綿状体、ファイバー、シート、顆粒状
The kind of flux metal vapor | steam absorber is not specifically limited, For example, the following may be sufficient.
Material: Porous material such as carbon, activated carbon, silica gel, zeolite Form: Cotton, fiber, sheet, granule
本発明の育成方法および装置によって、例えば以下の単結晶を好適に育成できる。
窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素およびこれらの固溶体
For example, the following single crystals can be suitably grown by the growing method and apparatus of the present invention.
Gallium nitride, aluminum nitride, boron nitride and their solid solutions
以下、更に具体的な単結晶およびその育成手順について例示する。
(窒化ガリウム単結晶の育成例)
本発明を利用し、少なくともナトリウム金属を含むフラックスを使用して窒化ガリウム単結晶を育成できる。このフラックスには、ガリウム原料物質を混合する。ガリウム原料物質としては、ガリウム単体金属、ガリウム合金、ガリウム化合物を適用できるが、ガリウム単体金属が取扱いの上からも好適である。
Hereinafter, more specific single crystals and their growth procedures will be exemplified.
(Gallium nitride single crystal growth example)
Using the present invention, a gallium nitride single crystal can be grown using a flux containing at least sodium metal. This flux is mixed with a gallium source material. As the gallium source material, a gallium simple metal, a gallium alloy, and a gallium compound can be applied, but a gallium simple metal is also preferable in terms of handling.
このフラックスには、ナトリウム以外の金属、例えばリチウムを含有させることができる。ガリウム原料物質とナトリウムなどのフラックス原料物質との使用割合は、適宜であってよいが、一般的には、Na過剰量を用いることが考慮される。もちろん、このことは限定的ではない。 This flux can contain metals other than sodium, such as lithium. The usage ratio of the gallium source material and the flux source material such as sodium may be appropriate, but in general, the use of an excess amount of Na is considered. Of course, this is not limiting.
この実施形態においては、窒素ガスを含む混合ガスからなる雰囲気下で、全圧300気圧以上、2000気圧以下の圧力下で窒化ガリウム単結晶を育成する。全圧を300気圧以上とすることによって、例えば900℃以上の高温領域において、更に好ましくは950℃以上の高温領域において、良質の窒化ガリウム単結晶を育成可能であった。この理由は、定かではないが、温度上昇に伴って窒素溶解度が上昇し、育成溶液に窒素が効率的に溶け込むためと推測される。また、雰囲気の全圧を2000気圧以上とすると、高圧ガスの密度と育成溶液の密度がかなり近くなるために、育成溶液をるつぼ内に保持することが困難になるために好ましくない。 In this embodiment, a gallium nitride single crystal is grown under an atmosphere composed of a mixed gas containing nitrogen gas under a total pressure of 300 atm or more and 2000 atm or less. By setting the total pressure to 300 atm or higher, a high-quality gallium nitride single crystal could be grown, for example, in a high temperature region of 900 ° C. or higher, more preferably in a high temperature region of 950 ° C. or higher. The reason for this is not clear, but it is presumed that the nitrogen solubility increases as the temperature rises, and nitrogen is efficiently dissolved in the growing solution. Further, if the total pressure of the atmosphere is 2000 atmospheres or more, the density of the high-pressure gas and the density of the growth solution become quite close, which is not preferable because it becomes difficult to hold the growth solution in the crucible.
好適な実施形態においては、育成時雰囲気中の窒素分圧を100気圧以上、2000気圧以下とする。この窒素分圧を100気圧以上とすることによって、例えば1000℃以上の高温領域において、フラックス中への窒素の溶解を促進し、良質の窒化ガリウム単結晶を育成可能であった。この観点からは、雰囲気の窒素分圧を200気圧以上とすることが更に好ましい。また、窒素分圧は実用的には1000気圧以下とすることが好ましい。 In a preferred embodiment, the nitrogen partial pressure in the growth atmosphere is set to 100 atm or more and 2000 atm or less. By setting this nitrogen partial pressure to 100 atm or higher, for example, in a high temperature region of 1000 ° C. or higher, dissolution of nitrogen into the flux was promoted, and a high-quality gallium nitride single crystal could be grown. From this viewpoint, it is more preferable that the nitrogen partial pressure of the atmosphere is 200 atm or more. Further, it is preferable that the nitrogen partial pressure is practically 1000 atm or less.
雰囲気中の窒素以外のガスは限定されないが、不活性ガスが好ましく、アルゴン、ヘリウム、ネオンが特に好ましい。窒素以外のガスの分圧は、全圧から窒素ガス分圧を除いた値である。 A gas other than nitrogen in the atmosphere is not limited, but an inert gas is preferable, and argon, helium, and neon are particularly preferable. The partial pressure of a gas other than nitrogen is a value obtained by subtracting the nitrogen gas partial pressure from the total pressure.
好適な実施形態においては、窒化ガリウム単結晶の育成温度は、950℃以上であり、1000℃以上とすることが更に好ましく、このような高温領域においても良質な窒化ガリウム単結晶が育成可能である。また、高温での育成が可能なことから、生産性を向上させ得る可能性がある。 In a preferred embodiment, the growth temperature of the gallium nitride single crystal is 950 ° C. or higher, more preferably 1000 ° C. or higher, and a high-quality gallium nitride single crystal can be grown even in such a high temperature region. . In addition, since it can be grown at a high temperature, there is a possibility that productivity can be improved.
窒化ガリウム単結晶の育成温度の上限は特にないが、育成温度が高すぎると結晶が成長しにくくなるので、1500℃以下とすることが好ましく、この観点からは、1200℃以下とすることが更に好ましい。 The upper limit of the growth temperature of the gallium nitride single crystal is not particularly limited. However, if the growth temperature is too high, the crystal is difficult to grow. Therefore, the temperature is preferably set to 1500 ° C. or lower. From this viewpoint, the temperature is further set to 1200 ° C. or lower. preferable.
窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させるための育成用基板の材質は限定されないが、サファイア、AlNテンプレート、GaNテンプレート、シリコン単結晶、SiC単結晶、MgO単結晶、スピネル (MgAl2O4)、LiAlO2、LiGaO2、LaAlO3,LaGaO3,NdGaO3等のペロブスカイト型複合酸化物を例示できる。また、組成式 〔A1−y(Sr1−xBax)y〕〔(Al1−zGaz)1−u・Du〕O3(Aは、希土類元素である;Dは、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の元素である;y=0.3〜0.98;x=0〜1;z=0〜1;u=0.15〜0.49;x+z=0.1〜2)の立方晶系のペロブスカイト構造複合酸化物も使用できる。また、SCAM(ScAlMgO4)も使用できる。 The material of the growth substrate for epitaxially growing the gallium nitride crystal is not limited, but sapphire, AlN template, GaN template, silicon single crystal, SiC single crystal, MgO single crystal, spinel (MgAl 2 O 4 ), LiAlO 2 , LiGaO 2 , perovskite complex oxides such as LaAlO 3 , LaGaO 3 , and NdGaO 3 can be exemplified. Further, the composition formula [A 1-y (Sr 1- x Ba x) y ] [(Al 1-z Ga z) 1-u · D u ] O 3 (A is a rare earth element; D is niobium And one or more elements selected from the group consisting of tantalum; y = 0.3 to 0.98; x = 0 to 1; z = 0 to 1; u = 0.15 to 0.49; x + z = A cubic perovskite structure composite oxide of 0.1 to 2) can also be used. SCAM (ScAlMgO 4 ) can also be used.
(AlN単結晶の育成例)
本発明は、少なくともアルミニウムとアルカリ土類を含むフラックスを含む融液を特定の条件下で窒素含有雰囲気中で加圧することによって、AlN単結晶を育成する場合にも有効であることが確認できた。
(Example of growing AlN single crystal)
The present invention has been confirmed to be effective even when growing an AlN single crystal by pressurizing a melt containing a flux containing at least aluminum and an alkaline earth in a nitrogen-containing atmosphere under specific conditions. .
(実施例1)
図1、図2の装置を使用し、図1、図2を参照しつつ説明した前記手順に従って、種結晶7上に窒化ガリウム単結晶膜を育成した。
Example 1
A gallium nitride single crystal film was grown on the
具体的には、ヨークフレームタイプのHIP(熱間等方圧プレス)装置を使用した。この圧力容器2中に、図1に示すように、反応容器16、ナトリウム蒸気吸収材19、排出路形成手段20、ルツボ25、蓋22を設置した。
Specifically, a yoke frame type HIP (hot isostatic pressing) apparatus was used. In this
直径2インチのAlNテンプレート7を種結晶として使用した。AlNテンプレートとはAlN単結晶エピタキシャル薄膜をサファイア単結晶基板上に作成したものを言う。このときのAlN薄膜の膜厚は1ミクロンとした。金属ガリウムと金属ナトリウムとを、mol比で27:73となるようにグローブボックス中で秤量し、アルミナルツボ25内に入れた。ルツボ25は、直径100ミリ、高さ120ミリの円筒形である。窒素濃度が50%(残部アルゴン)の不活性混合ガスをボンベ12から供給し、圧縮機において40MPa(およそ400気圧)に加圧し、1100℃に加熱した。このときの窒素分圧はおよそ200気圧である。このガスを圧力容器中に供給した。このままで100時間保持した。
A 2 inch
次いで、室温まで冷却後、原料の入ったルツボ25の重量、ルツボ25の入ったままの反応容器本体17の重量、蓋23の重量を測定した。ルツボ25の重量は約1%減少していたが、これはフラックス中の金属ナトリウムの蒸発によるものと考えられる。反応容器本体17の重量(ルツボを含む)、蓋23の重量は変化していなかった。従って、吸収材19によって、蒸発したナトリウムがトラップされていたことが分かる。また、金属ナトリウムの反応容器外への漏出は見られず、圧力容器内のヒーターや断熱材には腐食は見られなかった。
また、この結果、厚さ約5mm、直径2インチのGaN単結晶が成長した。
Next, after cooling to room temperature, the weight of the
As a result, a GaN single crystal having a thickness of about 5 mm and a diameter of 2 inches grew.
(比較例1)
実施例1において、ナトリウム蒸気吸収材19を除いて比較実験を行った。ただし、ナトリウム蒸気吸収材19を除いた点以外は上記と同様とした。
(Comparative Example 1)
In Example 1, a comparative experiment was performed with the exception of the
室温まで冷却後、原料の入ったルツボ25の重量、ルツボ25の入ったままの反応容器本体17の重量、蓋23の重量を測定した。ルツボの重量は約1%減少していたが、これはフラックス中の金属ナトリウムの蒸発によるものと考えられる。反応容器本体17の重量(ルツボを含む)も1%減少していた。従って、ルツボから蒸発したナトリウムが反応容器17外の空間に漏れ出たことが確認された。更に、圧力容器内のヒーターや断熱材を確認すると、若干の腐食が見られた。
After cooling to room temperature, the weight of the
(実施例2)
実施例1と同様にしてAlN単結晶を育成した。本例では、AlおよびCaを含むフラックス原料をグローブボックス中で秤量した。秤量済の原料をアルミナるつぼ25に充填した。また、種結晶として、AlNテンプレート7(サファイア単結晶ウエハ上に厚さ1μmの窒化アルミニウム薄膜をエピタキシャル成長させたもの)を用いた。窒素−アルゴン混合ガス(窒素10%)を雰囲気として、所定の温度・圧力にて100時間保持した。
(Example 2)
An AlN single crystal was grown in the same manner as in Example 1. In this example, the flux raw material containing Al and Ca was weighed in a glove box. The
次いで、室温まで冷却後、原料の入ったルツボ25の重量、ルツボ25の入ったままの反応容器本体17の重量、蓋23の重量を測定した。ルツボ25の重量は約0.1%減少していた。反応容器本体17の重量(ルツボを含む)、蓋23の重量は変化していなかった。また、圧力容器内のヒーターや断熱材には腐食は見られなかった。
Next, after cooling to room temperature, the weight of the
この結果,厚さ約1mmの窒化アルミニウム単結晶が、AlNテンプレート上に成長したことを確認した。 As a result, it was confirmed that an aluminum nitride single crystal having a thickness of about 1 mm was grown on the AlN template.
ルツボから蒸発するフラックスの量は、育成温度における蒸気圧によって決まると考えられる。代表的なフラックス原料であるナトリウム、リチウム、カルシウムの蒸気圧を、アルミニウム、ガリウムの蒸気圧と比較して表2に示す。 The amount of flux evaporated from the crucible is considered to be determined by the vapor pressure at the growth temperature. Table 2 shows vapor pressures of sodium, lithium, and calcium, which are typical flux raw materials, compared with vapor pressures of aluminum and gallium.
Claims (11)
前記フラックスを収容するためのルツボ、
このルツボ用の蓋、
前記ルツボを収容し、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気を充填するための圧力容器、および
前記圧力容器内かつ前記ルツボ外に配置されているフラックス金属蒸気吸収材を使用し、前記単結晶を育成することを特徴とする、単結晶の育成方法。A method of growing a single crystal using a flux containing at least an alkali or alkaline earth metal,
A crucible for containing the flux;
This crucible lid,
Growing the single crystal using a pressure vessel that contains the crucible and is filled with an atmosphere containing at least nitrogen gas, and a flux metal vapor absorber disposed in the pressure vessel and outside the crucible A method for growing a single crystal characterized by the above.
前記フラックスを収容するためのルツボ、
このルツボ用の蓋、
前記ルツボを収容し、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気を充填するための圧力容器、および
前記圧力容器内かつ前記ルツボ外に配置されている、フラックス金属蒸気吸収材
を備えていることを特徴とする、単結晶育成装置。An apparatus for growing a single crystal using a flux containing at least an alkali or alkaline earth metal,
A crucible for containing the flux;
This crucible lid,
A pressure vessel for containing the crucible and filling an atmosphere containing at least nitrogen gas, and a flux metal vapor absorber disposed inside the pressure vessel and outside the crucible, Single crystal growth equipment.
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