JP5013379B2 - Crystal growth equipment - Google Patents

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Description

本発明は、III族窒化物系化合物半導体をフラックスを用いて結晶育成させるフラックス法において用いられる結晶成長装置に関する。   The present invention relates to a crystal growth apparatus used in a flux method in which a group III nitride compound semiconductor is crystal-grown using a flux.

III族窒化物系化合物半導体のフラックス法とは、ナトリウム(Na)をフラックスとし、溶解させたナトリウム/ガリウム溶液に窒素源を導入して、窒化ガリウム結晶を育成させるものである。約5MPa程度の窒素(N2)圧力下において600℃〜900℃の比較的低い温度で、GaN単結晶を育成させることができる。 The group III nitride compound semiconductor flux method is a method in which sodium (Na) is used as a flux and a nitrogen source is introduced into a dissolved sodium / gallium solution to grow a gallium nitride crystal. A GaN single crystal can be grown at a relatively low temperature of 600 ° C. to 900 ° C. under a nitrogen (N 2 ) pressure of about 5 MPa.

また、下記の特許文献1〜特許文献4に開示されている従来技術などからも分かる様に、III族窒化物系化合物半導体結晶をフラックス法によって結晶成長させる従来の製造方法では、通常、種結晶として、サファイア基板上にバッファ層、そのバッファ層上にIII族窒化物系化合物半導体を気相成長させたテンプレート基板や、GaN単結晶自立基板などが、用いられている。
このような高温高圧下における、ナトリウム/ガリウム溶液の攪拌方法としては、特許文献5及び6等に示される通り、ナトリウム/ガリウム溶液を入れた坩堝を配置した高圧容器の回転や、外部容器の揺動が知られている。
Further, as can be seen from the conventional techniques disclosed in the following Patent Documents 1 to 4, the conventional manufacturing method for growing a group III nitride compound semiconductor crystal by a flux method usually involves a seed crystal. For example, a template substrate in which a buffer layer is formed on a sapphire substrate and a group III nitride compound semiconductor is vapor-phase grown on the buffer layer, or a GaN single crystal free-standing substrate is used.
As a method for stirring the sodium / gallium solution under such a high temperature and high pressure, as shown in Patent Documents 5 and 6, etc., the rotation of the high pressure vessel in which the crucible containing the sodium / gallium solution is arranged, or the shaking of the external vessel is performed. The movement is known.

特開平11−060394号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-060394 特開2001−058900号公報JP 2001-058900 A 特開2001−064097号公報JP 2001-064097 A 特開2004−292286号公報JP 2004-292286 A WO2004/083498WO2004 / 083498 WO2005/080648WO2005 / 080648

本発明者らは、結晶性の良い、高品質なIII族窒化物系化合物半導体結晶を得るためには、高度な溶液攪拌技術が必要であると考え、新たなナトリウム/ガリウム溶液の攪拌方法を開発した。
即ち、本発明は、結晶性の良い、高品質なIII族窒化物系化合物半導体結晶を得られる結晶成長装置を提供することを目的とする。
The present inventors consider that an advanced solution stirring technique is necessary in order to obtain a high-quality group III nitride compound semiconductor crystal having good crystallinity, and a new sodium / gallium solution stirring method has been proposed. developed.
That is, an object of the present invention is to provide a crystal growth apparatus capable of obtaining a high-quality group III nitride compound semiconductor crystal having good crystallinity.

請求項1に係る発明は、反応容器を内蔵した高圧容器、又はそれを更に内蔵した外部容器の揺動装置を用いるIII族窒化物系化合物半導体のフラックス法による結晶成長装置において、揺動装置は、複数個の支持点により高圧容器又はそれを内蔵した外部容器を保持可能であって、複数個の支持点を個々に上下運動させる複数個の手段を有し、反応容器に傾斜状態の所望の変化を連続して生じさせることを特徴とする。
請求項2に係る発明は、複数個の支持点は4個であり、当該4個の支持点を上下運動させる4つの手段は、各々、数値制御可能なサーボモータとそれに連動して上下運動するボールねじとを有することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、反応容器に設けた基準面の法線方向を鉛直方向に対して一定角度に保ったまま、基準面の傾斜方向を回転させることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、反応容器に設けた基準面の法線方向を鉛直方向に対して一定角度に保ったまま、基準面の傾斜方向を回動させることを特徴とする。
The invention according to claim 1 is a crystal growth apparatus using a group III nitride compound semiconductor flux method using a high-pressure vessel incorporating a reaction vessel or an oscillation device of an external vessel further incorporating the reaction vessel. The high pressure vessel or the external vessel incorporating the same can be held by a plurality of support points, and have a plurality of means for individually moving the plurality of support points up and down. It is characterized by causing the change to occur continuously.
In the invention according to claim 2, the plurality of support points are four, and the four means for moving the four support points up and down respectively move up and down in conjunction with a numerically controllable servo motor. And a ball screw.
The invention according to claim 3 is characterized in that the direction of inclination of the reference surface is rotated while the normal direction of the reference surface provided in the reaction vessel is maintained at a constant angle with respect to the vertical direction.
The invention according to claim 4 is characterized in that the inclination direction of the reference surface is rotated while the normal direction of the reference surface provided in the reaction vessel is maintained at a constant angle with respect to the vertical direction.

本発明は、1トン以上もある圧力容器を安全、スムーズかつ自在に揺動できる装置を提供するものである。ここで自在とは回転、反転等の回転運動だけでなく、水平方向の回転軸の回りの反転を繰り返す回動や、更に複雑な動きをさせることも可能である。このような装置で揺動させることで、III族窒化物系化合物半導体の結晶成長のための坩堝内のフラックスが十分に攪拌できるようになり、育成した結晶のマクロ欠陥、例えば結晶中への溶液の取込などが大幅に低減でき、また、膜厚分布、ドーピングによる電気的特性の均一性が大幅に改善されるという効果を奏する。
以下、まず本発明における「反応容器に傾斜状態の所望の変化を連続して生じさせる」について図1と数式を用いて説明する。
反応容器と共に揺動される面であって構造体に固定された基準面を、支持される構造体の揺動中に動かない点(不動点)を含むようにとる。n個の支持点を、当該基準面が水平である場合に不動点を中心とする半径rの円周上に配置する。n個の支持点の1つを基準支持点とし、他の支持点を、それと不動点を結ぶ線分と基準支持点と不動点を結ぶ線分との角度ψnで示す。基準支持点の角度ψ1は、ψ1=0である。基準面の法線ベクトルと鉛直上向きベクトルの成す角をθとすると、各支持点に、−rsinθcos(ωt−ψn)の上下運動を加えると、基準面の法線方向は、鉛直方向に対して角度θを保ったまま、鉛直方向の回りを回ることになる。即ち、基準面は傾斜角度θを保ったまま、傾斜する向きφ=ωtを変える回転を行う。
The present invention provides a device capable of swinging a pressure vessel of 1 ton or more safely, smoothly and freely. Here, “free” means not only rotational movement such as rotation and reversal, but also rotation that repeats reversal around the horizontal rotation axis, and more complicated movement. By swinging with such an apparatus, the flux in the crucible for crystal growth of the group III nitride compound semiconductor can be sufficiently stirred, and macro defects of the grown crystal, for example, a solution in the crystal As a result, the film thickness distribution and the uniformity of electrical characteristics due to doping are greatly improved.
Hereinafter, “a desired change in the tilted state is continuously generated in the reaction vessel” in the present invention will be described with reference to FIG. 1 and mathematical expressions.
A reference surface that is swung together with the reaction vessel and is fixed to the structure is set so as to include a point that does not move during the rocking of the supported structure (a fixed point). The n support points are arranged on the circumference of the radius r centered on the fixed point when the reference plane is horizontal. One of the n support points is set as a reference support point, and the other support points are indicated by an angle ψ n between a line segment connecting the fixed support point and the fixed point and a line segment connecting the reference support point and the fixed point. The angle ψ 1 of the reference support point is ψ 1 = 0. Assuming that the angle between the normal vector of the reference plane and the vertical upward vector is θ, when the vertical movement of −rsinθcos (ωt−ψ n ) is applied to each support point, the normal direction of the reference plane is In this way, the vehicle rotates around the vertical direction while maintaining the angle θ. That is, the reference plane is rotated while changing the inclination direction φ = ωt while maintaining the inclination angle θ.

これをより正確に記述すると次の通りとなる。以下、図1を参照する。
構造体重心は不動点であるものとしてそこに原点Oをとり、床等の外部に固定された固定座標系としてO−xyzを、構造体と共に動く、構造体に固定された座標系としてO−x’y’z’をとる。簡単のため基準面を単位円で囲まれた単位円板とし、水平状態である固定座標系のxy平面内の単位円をC0、構造体と共に動く座標系のx’y’平面内の単位円をC0’とする。
単位円C0上の点P(cosφ,sinφ,0)を考え、固定座標系のz軸と点Pを含む面をφ面と呼ぶことにする。固定座標系のz軸と、構造体と共に動く座標系のz’軸とが、いずれもφ面内にあって角度θを成すとする。z’軸の単位ベクトルは、固定座標系においては(sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ)である。この時、単位円C0’の円周上に角POP’がθとなる点P’を考えることができる。この時、単位円C0’とz’軸は、単位円C0と法線であるz軸を、それぞれ、φ面内でθ傾けた関係であることがわかる。
P’の座標は固定座標系において(cosθcosφ,cosθsinφ,−sinθ)である。
今、θを固定してφを変化させると、P’は(0,0,−sinθ)を中心とし、xy平面に平行な半径cosθの円C1の円周を移動する。また、単位円C0’と円C1は点P’で共通の接線を有する。
次に単位円C0’の円周上で、線分OP’と−φの角度を成す点の固定座標系における座標(x,y,z)を求める。単位円C0’の任意の点(x,y,z)は、半径1の球面の方程式と、ベクトル(x,y,z)とz’軸の単位ベクトルとの内積を0とする関係を満たす。また、ベクトル(x,y,z)とベクトルOP’との内積がcosφである。これらの条件は次のように示される。

Figure 0005013379
This can be described more precisely as follows. Reference is now made to FIG.
The center of gravity of the structure is assumed to be a fixed point, and the origin O is set there. O-xyz is used as a fixed coordinate system fixed outside the floor or the like, and O-xyz is used as a coordinate system fixed to the structure that moves with the structure. Take x'y'z '. For simplicity, the reference plane is a unit disk surrounded by unit circles, the unit circle in the xy plane of the fixed coordinate system in the horizontal state is C0, and the unit circle in the x'y 'plane of the coordinate system that moves with the structure Is C0 ′.
Considering a point P (cos φ, sin φ, 0) on the unit circle C0, a plane including the z axis and the point P in the fixed coordinate system is referred to as a φ plane. It is assumed that the z axis of the fixed coordinate system and the z ′ axis of the coordinate system moving with the structure are both in the φ plane and form an angle θ. The unit vector of the z ′ axis is (sin θ cos φ, sin θ sin φ, cos θ) in the fixed coordinate system. At this time, a point P ′ where the angle POP ′ is θ can be considered on the circumference of the unit circle C0 ′. At this time, it can be seen that the unit circle C0 ′ and the z ′ axis are in a relationship in which the unit circle C0 and the z axis which is a normal line are inclined by θ in the φ plane.
The coordinates of P ′ are (cos θ cos φ, cos θ sin φ, −sin θ) in the fixed coordinate system.
Now, when θ is fixed and φ is changed, P ′ moves around the circle C1 having a radius cos θ parallel to the xy plane with (0, 0, −sin θ) as the center. The unit circle C0 ′ and the circle C1 have a common tangent at the point P ′.
Next, on the circumference of the unit circle C0 ′, the coordinates (x, y, z) in the fixed coordinate system of the points that form an angle of −φ with the line segment OP ′ are obtained. An arbitrary point (x, y, z) of the unit circle C0 ′ satisfies the relationship in which the inner product of the spherical equation with the radius 1 and the vector (x, y, z) and the unit vector of the z ′ axis is 0. . The inner product of the vector (x, y, z) and the vector OP ′ is cos φ. These conditions are shown as follows.
Figure 0005013379

これを解くと、座標(x,y,z)は次のように求められる。

Figure 0005013379
When this is solved, the coordinates (x, y, z) are obtained as follows.
Figure 0005013379

式(2)で示されるベクトル(単位円C0’の円周上の点)は、単位円C0のx軸方向の単位ベクトル(1,0,0)に対応する、単位円C0’のx’軸方向の単位ベクトルの、固定座標系での表示である。   A vector (a point on the circumference of the unit circle C0 ′) represented by the expression (2) is x ′ of the unit circle C0 ′ corresponding to the unit vector (1, 0, 0) in the x-axis direction of the unit circle C0. This is a display of the unit vector in the axial direction in a fixed coordinate system.

全く同様に、次に単位円C0’の円周上で、線分OP’とπ/2−φの角度を成す点の固定座標系における座標(x,y,z)を求める。この条件は次のように示される。

Figure 0005013379
Exactly in the same manner, the coordinates (x, y, z) in the fixed coordinate system of the point forming an angle of π / 2−φ with the line segment OP ′ are obtained on the circumference of the unit circle C0 ′. This condition is shown as follows.
Figure 0005013379

これを解くと、座標(x,y,z)は次のように求められる。

Figure 0005013379
When this is solved, the coordinates (x, y, z) are obtained as follows.
Figure 0005013379

式(4)で示されるベクトル(単位円C0’の円周上の点)は、単位円C0のy軸方向の単位ベクトル(0,1,0)に対応する、単位円C0’のy’軸方向の単位ベクトルの、固定座標系での表示である。   The vector (point on the circumference of the unit circle C0 ′) represented by the equation (4) is y ′ of the unit circle C0 ′ corresponding to the unit vector (0, 1, 0) in the y-axis direction of the unit circle C0. This is a display of the unit vector in the axial direction in a fixed coordinate system.

このように、構造体と共に動く座標系としてO−x’y’z’のx’軸方向の単位ベクトルは、固定座標系O−xyzで表示した場合にy成分が変動するため、固定座標系のzx平面内で固定されない。また、x成分も変動する。同様に、構造体と共に動く座標系としてO−x’y’z’のy’軸方向の単位ベクトルは、固定座標系O−xyzで表示した場合にx成分が変動するため、固定座標系のyz平面内で固定されない。また、y成分も変動する。
なおx’軸方向の単位ベクトルの終点は、原点Oを中心とする半径1の球面と、座標((1+cosθ)/2,0,0)を通りz軸に平行な直線を中心軸とし、半径が(1−cosθ)/2の円柱面との交線であるアラビア数字の8の字を描く。y’軸方向の単位ベクトルの終点は、中心軸が座標(0,(1+cosθ)/2,0)を通る他は全く同様である。
基準面を支持する支持点を(−1,0,sinθcosωt)、(0,−1,sinθsinωt)とした場合も全く同様である。以上の4点を支持点とする場合が、4点支持の一例である。
簡単な考察により、支持点が単位円上であれば、同様である。
φをωt−ψnと置き換えれば、基準面の各支持点での運動が一律に記載できる。
一方上下運動のz方向成分は、既に述べた半径rでの−rsinθcos(ωt−ψn)で完全に一致する。
As described above, the unit vector in the x′-axis direction of Ox′y′z ′ as a coordinate system that moves together with the structure changes in the y component when displayed in the fixed coordinate system O-xyz. Is not fixed in the zx plane. The x component also varies. Similarly, the unit vector in the y′-axis direction of Ox′y′z ′ as a coordinate system that moves together with the structure changes in the x component when displayed in the fixed coordinate system O-xyz. It is not fixed in the yz plane. The y component also varies.
The end point of the unit vector in the x′-axis direction is a radius with a radius of 1 centered on the origin O and a straight line passing through the coordinates ((1 + cos θ) / 2, 0, 0) and parallel to the z-axis. Draws the figure of the Arabic numeral 8, which is the line of intersection with the (1-cos θ) / 2 cylindrical surface. The end point of the unit vector in the y′-axis direction is exactly the same except that the central axis passes through the coordinates (0, (1 + cos θ) / 2, 0).
The same applies when the support point for supporting the reference surface is (-1, 0, sin θ cos ωt), (0, -1, sin θ sin ωt). The case where the above four points are used as support points is an example of four-point support.
The same is true if the support point is on a unit circle by simple consideration.
If φ is replaced with ωt−ψ n , the motion at each support point of the reference plane can be uniformly described.
On the other hand, the z-direction component of the vertical motion is completely coincident with −r sin θ cos (ωt−ψ n ) at the radius r already described.

このように、基準面を支持する支持点が、例えばO−xyz座標の(1,0,−sinθcosωt)、(0,1,−sinθsinωt)で動く場合、支持点と構造体との間には、xy座標に差異が生ずる。このため、装置として駆動させるためにはこれらの差異を解消するために遊び又は自在継ぎ手が必要となる。   Thus, when the support point that supports the reference plane moves, for example, at (1,0, −sin θ cos ωt) or (0, 1, −sin θ sin ωt) of the O-xyz coordinates, the support point is not between the structure and the structure. , Xy coordinates are different. For this reason, in order to drive as an apparatus, a play or a universal joint is needed in order to eliminate these differences.

本発明の揺動装置は、例えばサーボモータを用いて、例えばボールねじを介して高圧容器又はそれを支持する外部容器の傾斜する向き(図1でφ面)を極めて低速度で変えることができる。このため、極めて低速度な攪拌ながら、攪拌効果の高い結晶成長装置とすることが可能である。
即ち、例えば1ton又はそれ以上となる圧力容器であっても、傾斜角度の安定化、重心高さの安定化、4つのサーボモータの同期制御が可能となる。
ボールネジは重量物の上下運動に対応できるものが入手可能となっており、数値制御により同期して4つのサーボモータを運転することにより、滑らかな、連続的な速度変化を実現し、圧力容器の滑らかな回転又は回動が実現できる。例えばボールねじに替えて油圧ピストンにより同様に行った場合には、4つの支持点の同期制御が困難で、ガタガタした揺動となった。
傾斜する向き(図1でφ面)は、一方向に回転させても良く、1周或いは数週毎にその回転方向を反転させる回動としても良い。
The oscillating device of the present invention can change the tilting direction (φ plane in FIG. 1) of the high-pressure vessel or the outer vessel supporting the high-pressure vessel, for example, via a ball screw at a very low speed, for example, using a servo motor. . For this reason, it is possible to provide a crystal growth apparatus having a high stirring effect while stirring at a very low speed.
That is, for example, even a pressure vessel of 1 ton or more can stabilize the tilt angle, stabilize the height of the center of gravity, and perform synchronous control of the four servo motors.
Ball screws are available that can respond to the vertical movement of heavy objects. By operating four servomotors in synchronization with numerical control, smooth and continuous speed changes are achieved. Smooth rotation or rotation can be realized. For example, when the same operation is performed by using a hydraulic piston instead of the ball screw, it is difficult to perform synchronous control of the four support points, resulting in rattling.
The direction of inclination (φ surface in FIG. 1) may be rotated in one direction, or may be a rotation that reverses the direction of rotation every one or several weeks.

本発明で用いる、傾斜角度θを保ったまま、傾斜する向きφを変える回転の説明図。Explanatory drawing of the rotation which changes inclination direction (phi) used by this invention, maintaining inclination-angle (theta). 本発明の具体的な一実施例に係る結晶成長装置100の、主として揺動装置の構成を示す平面図及び正面図。The top view and front view which mainly show the structure of the rocking | fluctuation apparatus of the crystal growth apparatus 100 which concerns on one specific Example of this invention. 結晶成長装置100の、揺動装置の動作の2つの状態を示す正面図。The front view which shows two states of operation | movement of the rocking | fluctuation apparatus of the crystal growth apparatus 100. FIG.

本発明は数値制御可能な複数個のサーボモータと、各サーボモータの駆動軸に連動するボールねじと、ボールねじにより上下運動する部分に任意個の自在継ぎ手を介して、高圧容器又はそれを内蔵した外部容器自体、又はそれらのいずれかを保持する基台に接続する。III族窒化物系化合物半導体のフラックス成長においては、高温高圧での反応を実施するため高圧容器その他の、支持されるべき構造体全体の重量は1ton程度となる。このため、サーボモータの固定部についても、十分な強度が要求される。
この固定部は、例えばI字ビームを組み合わせて、枠状に組み上げると良い。
例えば実際の装置としては、外枠が1700×1700×2800mm、圧力容器は直径700mm、高さ1300mmのSUS製で重量が1トン。ボールねじのロッドストロークは10cm乃至1m、ロッドの移動速度は最大150mm/秒、傾斜角度は最大20度、4つのサーボモータの制御は同期させ、且つロッド位置及び移動速度を滑らかに制御するために1個の数値制御装置でプログラム制御すると良い。
自在継ぎ手は、ジョイントが3つの回転自由度を持つものが理想であるが、1トンもの重量がかかるので困難である。そこでリンクの上下端の2箇所が各々1つの回転自由度を有するジョイントとなっており、ボルト径よりも大きな内径を有するボルト受けを用いると良い。この時、例えばボルト外周に銅ブッシュを設け、焼付け防止をはかると良い。このようにすると固着が防止でき、異音が無くなり、スムーズな揺動が可能になる。
この他、ボールねじとサーボモータの間でX、Yの自由度を設けると良い。
The present invention includes a plurality of servo motors that can be numerically controlled, a ball screw that is linked to the drive shaft of each servo motor, and a high-pressure vessel or a built-in high-pressure vessel in any part that moves up and down by the ball screw. To the external container itself, or to a base that holds any of them. In the flux growth of the group III nitride compound semiconductor, since the reaction is performed at a high temperature and high pressure, the weight of the entire structure to be supported, such as the high pressure vessel, is about 1 ton. For this reason, sufficient strength is also required for the fixed portion of the servo motor.
This fixing portion may be assembled in a frame shape by combining, for example, an I-shaped beam.
For example, as an actual device, the outer frame is 1700 × 1700 × 2800 mm, the pressure vessel is made of SUS having a diameter of 700 mm and a height of 1300 mm, and the weight is 1 ton. Ball screw rod stroke is 10cm to 1m, rod moving speed is up to 150mm / sec, tilt angle is up to 20 degrees, 4 servomotors are synchronized, and rod position and moving speed are controlled smoothly The program control may be performed by one numerical control device.
Ideally, the joint has a joint with three degrees of freedom of rotation, but it is difficult because it costs as much as 1 ton. Therefore, it is preferable to use a bolt receiver having two joints having one degree of freedom of rotation each at the upper and lower ends of the link and having an inner diameter larger than the bolt diameter. At this time, for example, a copper bush may be provided on the outer periphery of the bolt to prevent seizure. This prevents sticking, eliminates abnormal noise, and enables smooth rocking.
In addition, it is preferable to provide X and Y degrees of freedom between the ball screw and the servo motor.

本発明の実施には、フラックスは、アルカリ金属、アルカリ土類金属の中から選択された1種、又は、複数種の元素を用いることができる。アルカリ金属としては、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)およびフランシウム(Fr)である。アルカリ土類金属としては、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)およびラジウム(Ra)である。これらは、単独で使用しても良いし、二種類以上で併用してもよい。   In the practice of the present invention, the flux may be one or more elements selected from alkali metals and alkaline earth metals. Examples of the alkali metal include sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), and francium (Fr). Alkaline earth metals are strontium (Sr), barium (Ba), and radium (Ra). These may be used alone or in combination of two or more.

溶解させるIII族元素は、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)の内の1種又は複数種である。このなかで、ガリウムが好ましい。また、育成するIII族元素窒化物半導体は、窒化ガリウム(GaN)単結晶であることが好ましい。しかしながら、一般式AlxGayIn1-x-yN(x、y、x+yはいずれも0以上1以下)で表される任意組成比の2元系、3元系、4元系のIII族元素窒化物単結晶であっても良い。また、III族元素窒化物半導体AlxGayIn1-x-yNの構成元素であるIII族元素の一部をB、Tlで置換し、又は/及び、V族元素の組成の一部をP、As、Sb、Biで置換したものであっても良い。 The group III element to be dissolved is one or more of gallium (Ga), aluminum (Al), and indium (In). Of these, gallium is preferred. The group III element nitride semiconductor to be grown is preferably a gallium nitride (GaN) single crystal. However, binary, ternary, and quaternary Group III elements having an arbitrary composition ratio represented by the general formula Al x Ga y In 1-xy N (where x, y, and x + y are each 0 to 1) It may be a nitride single crystal. Further, a part of the group III element which is a constituent element of the group III element nitride semiconductor Al x Ga y In 1-xy N is substituted with B and Tl, and / or a part of the composition of the group V element is P. , As, Sb, and Bi may be substituted.

本発明の実施に際し、n型のIII族窒化物系化合物半導体を得るには、溶液中に、さらに、ゲルマニウム(Ge)を溶解させると良い。ガリウムに対するゲルマニウムのモル比は、0.05mol%以上、0.5mol%以下である。この場合に、抵抗率が0.001Ω・cm以上、0.1Ω・cm以下、電子濃度が1×1017/cm3以上、5×1019/cm3以下のn型のIII族窒化物系化合物半導体を得ることができる。 In carrying out the present invention, in order to obtain an n-type group III nitride compound semiconductor, it is preferable to further dissolve germanium (Ge) in the solution. The molar ratio of germanium to gallium is 0.05 mol% or more and 0.5 mol% or less. In this case, an n-type group III nitride system having a resistivity of 0.001 Ω · cm or more and 0.1 Ω · cm or less and an electron concentration of 1 × 10 17 / cm 3 or more and 5 × 10 19 / cm 3 or less. A compound semiconductor can be obtained.

ゲルマニウム(Ge)を溶解させる場合には、溶液中に、さらに、炭素を溶解させると良い。溶液中の炭素のモル比を0.1mol%以上、3.0mol%以下とすることで、ゲルマニウムのIII族窒化物系化合物半導体へのドナーとしての取り込みが良好に実行されて、抵抗率が0.001Ω・cm以上、0.1Ω・cm以下、電子濃度が1×1017/cm3以上、5×1019/cm3以下のn型のIII族窒化物系化合物半導体を得ることができる。特に、フラックスの少なくとも一成分をナトリウムとして、溶液中の炭素のナトリウムに対するモル比を0.1mol%以上、3.0mol%以下とすることで、ゲルマニウムのIII族窒化物系化合物半導体へのドナーとしての取り込みが良好に実行されて、抵抗率が0.001Ω・cm以上、0.1Ω・cm以下、電子濃度が1×1017/cm3以上、5×1019/cm3以下のn型のIII族窒化物系化合物半導体を得ることができる。 In the case of dissolving germanium (Ge), it is preferable to further dissolve carbon in the solution. By setting the molar ratio of carbon in the solution to 0.1 mol% or more and 3.0 mol% or less, germanium can be favorably incorporated as a donor into the group III nitride compound semiconductor, and the resistivity is 0. An n-type group III nitride compound semiconductor having a density of 0.001 Ω · cm or more and 0.1 Ω · cm or less and an electron concentration of 1 × 10 17 / cm 3 or more and 5 × 10 19 / cm 3 or less can be obtained. In particular, at least one component of the flux is sodium, and the molar ratio of carbon to sodium in the solution is 0.1 mol% or more and 3.0 mol% or less, so that germanium as a donor to a group III nitride compound semiconductor N-type having a resistivity of 0.001 Ω · cm or more and 0.1 Ω · cm or less, and an electron concentration of 1 × 10 17 / cm 3 or more and 5 × 10 19 / cm 3 or less. A group III nitride compound semiconductor can be obtained.

フラックス中におけるIII族元素と窒素との反応温度は、500℃以上1100℃以下がより望ましく、更に望ましくは、850℃〜900℃程度がよい。また、窒素を含むガスの雰囲気圧力は、0.1MPa以上6MPa以下が望ましく、更に望ましくは、3.5MPa以上4.5MPa以下がよい。本発明の製造方法において、窒素(N)を含むガスは、例えば、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガス等であり、これらは混合してもよく、混合比率は制限されない。特に、アンモニアガスを使用すると、反応圧力を低減できるので、好ましい。また、用いる窒素ガスは、プラズマ状態のものでも良い。また、炭素とゲルマニウムを添加する場合は、半導体結晶の育成中の圧力は、炭素とゲルマニウムを添加しない場合に不純物無添加のIII族窒化物系化合物半導体が種結晶に育成できる圧力に対して、0.01MPa以上、0.2MPa以下の範囲において、高くすることが望ましい。この条件の時に、ゲルマニウムが育成されるIII族窒化物系化合物半導体に効率良く取り込まれ、抵抗率が0.001Ω・cm以上、0.1Ω・cm以下、電子濃度が1×1017/cm3以上、5×1019/cm3以下のn型のIII族窒化物系化合物半導体を得ることができる。 The reaction temperature between the group III element and nitrogen in the flux is more preferably 500 ° C. or more and 1100 ° C. or less, and more preferably about 850 ° C. to 900 ° C. Further, the atmospheric pressure of the gas containing nitrogen is preferably 0.1 MPa or more and 6 MPa or less, and more preferably 3.5 MPa or more and 4.5 MPa or less. In the production method of the present invention, the gas containing nitrogen (N) is, for example, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, etc., and these may be mixed, and the mixing ratio is not limited. In particular, use of ammonia gas is preferable because the reaction pressure can be reduced. The nitrogen gas used may be in a plasma state. In addition, when carbon and germanium are added, the pressure during the growth of the semiconductor crystal is higher than the pressure at which the impurity-free group III nitride compound semiconductor can be grown on the seed crystal when carbon and germanium are not added. It is desirable to make it high in the range of 0.01 MPa or more and 0.2 MPa or less. Under these conditions, germanium is efficiently incorporated into the group III nitride compound semiconductor to be grown, the resistivity is 0.001 Ω · cm or more and 0.1 Ω · cm or less, and the electron concentration is 1 × 10 17 / cm 3. As described above, an n-type group III nitride compound semiconductor of 5 × 10 19 / cm 3 or less can be obtained.

また、種結晶としては、III族窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る基板(異種基板)を用いることもできる。また、III族窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る基板(異種基板)上に、例えば、MOVPE法、MBE法、HVPE法、LPE法等により窒化ガリウム(GaN)単結を成長させた、所謂テンプレート基板を用いることもできる。或いは、別途成長させた、窒化ガリウム(GaN)単結晶から成る自立基板を用いることができる。自立基板の製造方法は、フラックス法、HVPE法、MOVPE法、MBE法、LPE法、レーザリフトオフ法、横方向成長法などが有効である。種結晶を自立基板とする場合には、その基板の厚さを300μm以上にすることが望ましい。基板の厚さは、400μm以上がより望ましく、更に望ましくは400μm以上、600μm以下が良い。また、種結晶をテンプレート基板や自立基板とした場合には、その基板の大きさや厚さも任意で良いが、工業的な実用性を考慮すると、直径約45mm程度の円形のものや、約27mm四方の角形や約12mm四方の角形などがより望ましい。また、それらの種結晶の転位密度は低いほど望ましい。   In addition, as the seed crystal, a substrate (a heterogeneous substrate) made of a material different from that of the group III nitride compound semiconductor can be used. Further, a gallium nitride (GaN) single crystal was grown on a substrate (a heterogeneous substrate) made of a material different from the group III nitride compound semiconductor by, for example, the MOVPE method, the MBE method, the HVPE method, the LPE method, A so-called template substrate can also be used. Alternatively, a free-standing substrate made of gallium nitride (GaN) single crystal grown separately can be used. As a method for manufacturing a free-standing substrate, a flux method, HVPE method, MOVPE method, MBE method, LPE method, laser lift-off method, lateral growth method, and the like are effective. When using a seed crystal as a self-supporting substrate, it is desirable that the thickness of the substrate be 300 μm or more. The thickness of the substrate is more preferably 400 μm or more, and still more preferably 400 μm or more and 600 μm or less. In addition, when the seed crystal is a template substrate or a self-supporting substrate, the size and thickness of the substrate may be arbitrary, but considering industrial practicality, a circular substrate having a diameter of about 45 mm or about 27 mm square Or a square of about 12 mm square is more desirable. Further, the lower the dislocation density of these seed crystals, the better.

また、種結晶(種基板を含む)の結晶成長面のミラー指数は任意であるが、a面、m面、r面などの無極性面を用いると、無極性のIII族窒化物系化合物半導体を得ることができ、圧電歪みを排除でき、半導体素子としての特性を向上させることができる。種結晶に無極性面を用いる場合には、フラックスにストロンチウム(Sr)を添加することが望ましい。フラックスにナトリウムを用いた場合、ナトリウムに対するストロンチウム(Sr)の添加量は、0.001mol%以上、0.1mol%以下が望ましい。ストロンチウムを添加することにより、III族窒化物系化合物半導体の成長基板の主面に平行な結晶成長面である無極性面を平坦にすることができる。勿論、主面をc面とするIII族窒化物系化合物半導体を得るのであれば、種結晶の結晶成長面はc面としても良い。   Further, the Miller index of the crystal growth surface of the seed crystal (including the seed substrate) is arbitrary, but if a nonpolar surface such as a-plane, m-plane, and r-plane is used, a nonpolar group III nitride compound semiconductor is used. Can be obtained, piezoelectric distortion can be eliminated, and characteristics as a semiconductor element can be improved. When a nonpolar surface is used for the seed crystal, it is desirable to add strontium (Sr) to the flux. When sodium is used for the flux, the amount of strontium (Sr) added to sodium is preferably 0.001 mol% or more and 0.1 mol% or less. By adding strontium, a nonpolar plane which is a crystal growth plane parallel to the main surface of the growth substrate of the group III nitride compound semiconductor can be flattened. Of course, the crystal growth surface of the seed crystal may be the c-plane if a group III nitride compound semiconductor having the c-plane as the main surface is obtained.

フラックス法に基づく目的の結晶成長の開始以前に、下地基板の一部である種結晶(III族窒化物系化合物半導体結晶)が、フラックス中に溶融することを緩和したり防止したりするために、例えばCa32,Li3N,NaN3,BN,Si34,InNなどの窒化物を予めフラックス中に含有させておいても良い。これらの窒化物をフラックス中に含有させておくことによって、フラックス中の窒素濃度が上昇するため、目的の結晶成長開始以前の種結晶のフラックス中への融解を未然に防止したり緩和したりすることが可能となる。これらの窒化物のフラックスにおける割合は、例えば、0.0001mol%〜99mol%、であり、好ましくは、0.001mol%〜50mol%であり、より好ましくは0.005mol%〜5mol%である。 To alleviate or prevent the seed crystal (group III nitride compound semiconductor crystal) that is part of the base substrate from melting in the flux before the start of the target crystal growth based on the flux method For example, nitrides such as Ca 3 N 2 , Li 3 N, NaN 3 , BN, Si 3 N 4 , and InN may be included in the flux in advance. By containing these nitrides in the flux, the concentration of nitrogen in the flux increases, so the melting of the seed crystal into the flux before the start of the desired crystal growth is prevented or alleviated. It becomes possible. The ratio of these nitrides in the flux is, for example, 0.0001 mol% to 99 mol%, preferably 0.001 mol% to 50 mol%, and more preferably 0.005 mol% to 5 mol%.

フラックス法に従って結晶成長を実施する際の結晶成長装置の反応室の温度は、1000℃程度にまで任意に昇降温制御できることが望ましい。また、反応室の気圧は、約100気圧(約1.0×107Pa)程度にまで任意に昇降圧制御できることが望ましい。また、これらの結晶成長装置の電気炉、ステンレス容器(反応容器)、原料ガスタンク、及び配管などは、例えば、ステンレス系(SUS系)材料やアルミナ系材料等の耐熱性及び耐圧性の高い材料によって形成することが望ましい。高圧容器等の耐圧が要求される容器は、重量を軽くするために、高強度鋼にクロムメッキ等を施したものを用いることができる。 It is desirable that the temperature of the reaction chamber of the crystal growth apparatus when performing crystal growth according to the flux method can be arbitrarily controlled to rise and fall to about 1000 ° C. Further, it is desirable that the pressure in the reaction chamber can be arbitrarily controlled to increase or decrease to about 100 atm (about 1.0 × 10 7 Pa). In addition, the electric furnace, stainless steel container (reaction container), raw material gas tank, and piping of these crystal growth apparatuses are made of a material having high heat resistance and high pressure resistance such as stainless steel (SUS) material or alumina material. It is desirable to form. As a container requiring pressure resistance such as a high-pressure container, a high-strength steel subjected to chrome plating or the like can be used in order to reduce the weight.

また、同様の理由から、坩堝は、高耐熱性および耐アルカリ性が要求される。例えばタンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、アルミナ、サファイア、または熱分解(パイロリティック)窒化ホウ素(PBN)などの金属やセラミックス等から形成することが望ましい。   For the same reason, the crucible is required to have high heat resistance and alkali resistance. For example, it is desirable to form from metal such as tantalum (Ta), tungsten (W), molybdenum (Mo), alumina, sapphire, or pyrolytic boron nitride (PBN), ceramics, or the like.

本発明の揺動手段によって、フラックスに対する攪拌作用が得られるので、結晶成長面上にフラックスをより均一に供給できる。また、その揺動の場合の揺動回数は、揺動角度にもよるが、例えば10回/分以下で十分である。揺動角度は例えば2度以上30度以下とすれば良く、5度以上20度以下とすると良い。
加熱手段を用いるとフラックス中に熱勾配が生じ、フラックスが熱対流を起こすので、これも攪拌の一助となる。
The rocking means of the present invention provides a stirring action for the flux, so that the flux can be supplied more uniformly on the crystal growth surface. Further, the number of swings in the case of the swing depends on the swing angle, but for example, 10 times / minute or less is sufficient. The swing angle may be, for example, 2 degrees or more and 30 degrees or less, and may be 5 degrees or more and 20 degrees or less.
If a heating means is used, a thermal gradient is generated in the flux, and the flux causes thermal convection, which also helps stirring.

また、III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる前に、水素(H2)ガス、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガス、希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe、またはRn)またはこれらのガスのうちから2種類以上のガスを任意の混合比で混合した混合ガスをクリーニングガスとして、900℃以上1100℃以下の温度で、1分以上の時間を掛けて、種結晶の結晶成長面をクリーニング処理することが望ましい。ただし、このクリーニング処理に掛ける上記の時間は、2分以上10分以下がより望ましい。 Before crystal growth of the group III nitride compound semiconductor crystal, hydrogen (H 2 ) gas, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, rare gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe) Or Rn) or a mixed gas obtained by mixing two or more kinds of these gases at an arbitrary mixing ratio, using a cleaning gas at a temperature of 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower and taking a time of 1 minute or longer, It is desirable to clean the crystal growth surface of the seed crystal. However, it is more preferable that the time for the cleaning process is 2 minutes or more and 10 minutes or less.

III族窒化物系化合物半導体結晶の製造方法によって、その表面の転位密度を1×105/cm2以下とし、その最大径を1cm以上にすることが望ましい。転位密度は、低いほど望ましく、また上記の最大径は大きいほど望ましい。本発明では、ゲルマニウムが添加されたn型III族窒化物系化合物半導体で、転位密度は、102/cm2以上、105/cm2以下を実現することができる。 Depending on the method for producing a group III nitride compound semiconductor crystal, it is desirable that the dislocation density on the surface is 1 × 10 5 / cm 2 or less and the maximum diameter is 1 cm or more. The lower the dislocation density, the better, and the larger the maximum diameter, the better. In the present invention, a dislocation density of 10 2 / cm 2 or more and 10 5 / cm 2 or less can be realized in an n-type group III nitride compound semiconductor to which germanium is added.

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
However, the embodiments of the present invention are not limited to the following examples.

図2.Aは本発明の具体的な一実施例に係る結晶成長装置100の平面図、図2.Bはその正面図である。図2.A及び図2.Bでは、結晶成長装置100の揺動装置としての構造を主として説明する。
図2.Aのように枠状筐体部10の上部方形枠101の4隅に、各々サーボモータを有するアクチュエータMA1、MA2、MA3及びMA4を配置する。図2.Aの平面図では、外部容器20の蓋部21が見える。軸対称の外部容器20の不動点をOとし、基準面C0を考える。基準面C0の外周は、サーボモータを有するアクチュエータMA1、MA2、MA3及びMA4の回転軸を通るものとする。
FIG. A is a plan view of a crystal growth apparatus 100 according to a specific embodiment of the present invention, FIG. B is a front view thereof. FIG. A and FIG. In B, the structure of the crystal growth apparatus 100 as an oscillation device will be mainly described.
FIG. Actuators MA1, MA2, MA3, and MA4 each having a servo motor are arranged at the four corners of the upper rectangular frame 101 of the frame-shaped housing portion 10 as shown in FIG. FIG. In the plan view of A, the lid portion 21 of the outer container 20 can be seen. Let O be the fixed point of the axisymmetric outer container 20 and consider the reference plane C0. The outer periphery of the reference plane C0 passes through the rotation axes of actuators MA1, MA2, MA3 and MA4 having servo motors.

図2.Bの正面図ように、枠状筐体部10の上部方形枠101、下部方形枠102、稜部枠103が方形状に配置されている。
サーボモータを有するアクチュエータMA1には、ボールねじを介して上下運動させるためのシャフト31、自在継ぎ手部411、継ぎ手51及び自在継ぎ手部412を介して、基台60に固定された支持シャフト61が上下運動可能となっている。この際、自在継ぎ手部411、継ぎ手51及び自在継ぎ手部412が存在するので、基台60から相対的位置の変わらない自在継ぎ手部412(支持シャフト61の上端)は、自在継ぎ手部411から見て、xyz方向の全方位の角度の自由度が保証される。
全く同様に、サーボモータを有するアクチュエータMA2には、ボールねじを介して上下運動させるためのシャフト32、自在継ぎ手部421、継ぎ手52及び自在継ぎ手部422を介して、基台60に固定された支持シャフト62が上下運動可能となっている。
サーボモータを有するアクチュエータMA3及びMA4にも、ボールねじを介して上下運動させるためのシャフト33及び34、自在継ぎ手部431及び441、継ぎ手53及び54並びに自在継ぎ手部432及び442を介して、基台60に固定された支持シャフト63及び64が上下運動可能となっている。これらは図2.Bでは見えない位置になっている。
こうして基台60に、固定具261、262及び263並びに264(264のみ図2.Bでは見えない位置)により外部容器20を固定する。
FIG. As shown in the front view of B, the upper rectangular frame 101, the lower rectangular frame 102, and the ridge frame 103 of the frame-shaped housing unit 10 are arranged in a square shape.
In the actuator MA1 having a servo motor, a support shaft 61 fixed to the base 60 is vertically moved via a shaft 31, a universal joint portion 411, a joint 51, and a universal joint portion 412 for moving up and down via a ball screw. It is possible to exercise. At this time, since the universal joint portion 411, the joint 51, and the universal joint portion 412 exist, the universal joint portion 412 (the upper end of the support shaft 61) whose relative position does not change from the base 60 is viewed from the universal joint portion 411. , The degrees of freedom of angles in all directions in the xyz directions are guaranteed.
Exactly the same, the actuator MA2 having a servo motor has a support fixed to the base 60 via a shaft 32, a universal joint 421, a joint 52 and a universal joint 422 for moving up and down via a ball screw. The shaft 62 can move up and down.
The actuators MA3 and MA4 having servo motors are also connected to the bases via shafts 33 and 34, universal joints 431 and 441, joints 53 and 54, and universal joints 432 and 442 for moving up and down via ball screws. Support shafts 63 and 64 fixed to 60 can move up and down. These are shown in FIG. B is invisible.
In this way, the outer container 20 is fixed to the base 60 by the fixtures 261, 262, 263, and 264 (only the position of 264 is not visible in FIG. 2.B).

図3は、結晶成長装置100の、揺動の様子を示す正面図である。
まず、図3.Aは、サーボモータを有するアクチュエータMA1及びMA3(MA3は図3.Aでは見えない)が、同じ下降量だけシャフト31及び33を下方向に移動させ、サーボモータを有するアクチュエータMA2及びMA4(MA4は図3.Aでは見えない)が、同じ上昇量だけシャフト32及び34を上方向に移動させた場合を示している。外部容器20はその基準面C0’の法線であるz’軸が図の左方向に傾いていることがわかる。外部容器20は傾斜しているが、z’軸の回りに回転しているわけではない。
FIG. 3 is a front view showing how the crystal growth apparatus 100 swings.
First, FIG. A shows actuators MA1 and MA3 having servo motors (MA3 is not visible in FIG. 3.A), and the shafts 31 and 33 are moved downward by the same lowering amount. FIG. 3A shows the case where the shafts 32 and 34 are moved upward by the same increase amount. It can be seen that the outer container 20 has its z ′ axis, which is the normal line of the reference plane C0 ′, inclined to the left in the figure. Although the outer container 20 is inclined, it does not rotate around the z ′ axis.

図3.Bは、サーボモータを有するアクチュエータMA1及びMA3(MA3は図3.Aでは見えない)が、同じ上昇量だけシャフト31及び33を上方向に移動させ、サーボモータを有するアクチュエータMA2及びMA4(MA4は図3.Aでは見えない)が、同じ下降量だけシャフト32及び34を下方向に移動させた場合を示している。外部容器20はその基準面C0’の法線であるz’軸が図の右方向に傾いていることがわかる。外部容器20は傾斜しているが、z’軸の回りに回転しているわけではない。   FIG. B shows that actuators MA1 and MA3 having servo motors (MA3 is not visible in FIG. 3.A) move the shafts 31 and 33 upward by the same amount of increase, and actuators MA2 and MA4 having servo motors (MA4 is MA4). FIG. 3A shows the case where the shafts 32 and 34 are moved downward by the same descending amount. It can be seen that the outer container 20 has the z ′ axis, which is the normal line of the reference plane C0 ′, inclined in the right direction in the figure. The outer container 20 is tilted but is not rotated about the z 'axis.

他の場合は図示しないが、図1に基づいて説明した通り、z’軸が傾斜すべきφ面を連続して移動させることで、外部容器20が、z’軸の回りを回転すること無くその傾斜方向を滑らかに移動(回転)させることができる。
この際、外部容器20の傾斜に合わせて、外部容器20に内蔵された高圧容器、さらにはその内部の反応容器(坩堝)が傾斜するならば、例えば板状の種結晶は反応容器(坩堝)が傾斜するのに合わせて傾斜する。一方、種結晶を覆うように反応容器(坩堝)内に配置されているナトリウム/ガリウム溶液は、その最上面が水平面を保つので、結局ナトリウム/ガリウム溶液は、種結晶に対して常に移動していることになる。
この際、種結晶が板状であれば、最も結晶成長の早い面を上向きとしてナトリウム/ガリウム溶液と接触させると良い。種結晶の傾斜方向が変わり、且つナトリウム/ガリウム溶液は種結晶の上面を常に移動することになる。
これは、種結晶を覆うナトリウム/ガリウム溶液を極めて低速度で攪拌しているのと同じ状態をもたらす。これにより、本発明の結晶成長装置100を用いてIII族窒化物系化合物半導体をフラックス成長させると、極めて高品質なIII族窒化物系化合物半導体結晶を得ることができる。
実際に次の通り、結晶成長を行った。
Although not shown in the other cases, as described with reference to FIG. 1, the outer container 20 does not rotate around the z ′ axis by continuously moving the φ plane on which the z ′ axis should be inclined. The inclination direction can be smoothly moved (rotated).
At this time, if the high-pressure vessel built in the external vessel 20 and further the reaction vessel (crucible) inside thereof are inclined according to the inclination of the external vessel 20, for example, a plate-shaped seed crystal is a reaction vessel (crucible). Tilt as the tilts. On the other hand, the sodium / gallium solution placed in the reaction vessel (crucible) so as to cover the seed crystal keeps its top surface in a horizontal plane, so that the sodium / gallium solution always moves relative to the seed crystal. Will be.
At this time, if the seed crystal is plate-shaped, it is preferable to contact the sodium / gallium solution with the surface with the fastest crystal growth facing upward. The tilt direction of the seed crystal changes, and the sodium / gallium solution always moves on the top surface of the seed crystal.
This results in the same situation as stirring the sodium / gallium solution over the seed crystal at very low speed. Thereby, when a group III nitride compound semiconductor is grown by flux using the crystal growth apparatus 100 of the present invention, an extremely high quality group III nitride compound semiconductor crystal can be obtained.
Actually, crystal growth was performed as follows.

まず、直径が50mm、厚さが0.5mmのGaN自立基板を用意した。GaN自立基板は、所望の半導体結晶のフラックス法による成長が開始されるまでの間に、幾らかはフラックスに溶け出す場合がある。その際に消失されない厚さの自立基板が必要である。   First, a GaN free-standing substrate having a diameter of 50 mm and a thickness of 0.5 mm was prepared. The GaN free-standing substrate may be partially dissolved in the flux until the desired semiconductor crystal is grown by the flux method. In this case, a self-supporting substrate having a thickness that does not disappear is required.

以下、上記の結晶成長装置を用いた本実施例1の結晶成長工程について説明する。
まず、反応容器(坩堝)の底に、GaN自立基板をGa極性面を上にして水平に配置した。次に、30gのナトリウム(Na)と30gのガリウム(Ga)と80mgの炭素(C)と50mgのゲルマニウム(Ge)を入れ、その反応容器(坩堝)を結晶成長装置の反応室(ステンレス容器)の中に配置してから、該反応室の中のガスを排気する。すなわち、ガリウムのモル量に対するゲルマニウムのモル量の比は、0.16mol%、ナトリウムのモル量に対する炭素のモル量の比は、0.51mol%とした。
ただし、これらの作業を空気中で行うとNaがすぐに酸化してしまうため、基板や原材料を反応容器にセットする作業は、Arガスなどの不活性ガスで満たされたグローブボックス内で実施する。また、この坩堝中には必要に応じて、例えばアルカリ土類金属等の前述の任意の添加物を予め投入しておいても良い。
Hereinafter, the crystal growth process of Example 1 using the crystal growth apparatus will be described.
First, a GaN free-standing substrate was placed horizontally at the bottom of the reaction vessel (crucible) with the Ga polar face up. Next, 30 g of sodium (Na), 30 g of gallium (Ga), 80 mg of carbon (C), and 50 mg of germanium (Ge) are placed, and the reaction vessel (crucible) is used as the reaction chamber (stainless steel vessel) of the crystal growth apparatus. The gas in the reaction chamber is exhausted after being placed in the chamber. That is, the ratio of the molar amount of germanium to the molar amount of gallium was 0.16 mol%, and the ratio of the molar amount of carbon to the molar amount of sodium was 0.51 mol%.
However, when these operations are performed in the air, Na is immediately oxidized. Therefore, the operation of setting the substrate and raw materials in the reaction vessel is performed in a glove box filled with an inert gas such as Ar gas. . In addition, if necessary, any of the above-mentioned additives such as alkaline earth metals may be introduced into the crucible in advance.

次に、この坩堝の温度を約875℃に調整しつつ、この温度調整工程と並行して、結晶成長装置の反応室には、新たに窒素ガス(N2)を送り込み、これによって、この反応室の窒素ガス(N2)のガス圧を約4.3MPaに維持する。このガス圧は、炭素とゲルマニウムを添加させずに、結晶育成を行う時の最適ガス圧よりも、0.2MPa高く設定されている。 Next, while adjusting the temperature of the crucible to about 875 ° C., in parallel with the temperature adjustment step, nitrogen gas (N 2 ) is newly fed into the reaction chamber of the crystal growth apparatus, and this reaction is thereby performed. The gas pressure of nitrogen gas (N 2 ) in the chamber is maintained at about 4.3 MPa. This gas pressure is set to 0.2 MPa higher than the optimum gas pressure when crystal growth is performed without adding carbon and germanium.

その後、上述の通りの揺動により混合フラックスを攪拌混合しつつ、約200時間維持して、結晶成長を継続させた。この際、傾斜角度は10度で一定とし、傾斜方向が1分で1周(1rpm)するようにした。
この際、ロッドの移動速度は最大12mm/秒、この時サーボモータの回転数は350rpm、ロッドのストロークは300mmとして傾斜角度θ=10度を実現した。4つのサーボモータは制御装置によりプログラム制御し、確実に同期させて滑らかな回転を実現した。
Thereafter, while stirring and mixing the mixed flux by the swing as described above, the crystal growth was continued for about 200 hours. At this time, the tilt angle was fixed at 10 degrees, and the tilt direction was rotated once per minute (1 rpm).
At this time, the maximum moving speed of the rod was 12 mm / second, the rotation speed of the servo motor was 350 rpm, the stroke of the rod was 300 mm, and an inclination angle θ = 10 degrees was realized. The four servo motors were program controlled by the control unit, and were surely synchronized to achieve smooth rotation.

次に、結晶成長装置の反応室を室温近傍にまで降温してから、成長したGaN単結晶(所望の半導体結晶)を取り出し、その周辺も30℃以下に維持して、そのGaN単結晶の周りに付着したフラックス(Na)をエタノールを用いて除去する。
以上の各工程を実行することによって、高品質の半導体単結晶(成長したGaN単結晶)を低コストで製造することができる。この半導体単結晶は、種結晶であるGaN自立基板10と略同等の面積で、c軸方向の厚さは約2mmであり、透明度が高く、結晶性も良好であった。GaNの増量は11.4gであり、膜厚分布は、最低膜厚に対する最高膜厚が8%増であった。
この半導体結晶の抵抗率は、0.02Ω・cmであった。また、電子濃度は、1.5×1018/cm3であった。
本実施例においては、重心がぶれることなく、安全、滑らかで、自在な揺動ができるようになった。この装置で育成することで、いわゆるマクロ欠陥がほとんどない、極めて良好なn型GaN自立基板が得られた。膜厚分布も良好であり、Geもn型GaN自立基板全体に均一にドーピングされ、電気的特性の面内均一性が向上した。
Next, after the temperature of the reaction chamber of the crystal growth apparatus is lowered to near room temperature, the grown GaN single crystal (desired semiconductor crystal) is taken out, and its periphery is also maintained at 30 ° C. or less to surround the GaN single crystal. The flux (Na) adhering to is removed with ethanol.
By executing the above steps, a high-quality semiconductor single crystal (grown GaN single crystal) can be manufactured at a low cost. This semiconductor single crystal had substantially the same area as the seed crystal GaN free-standing substrate 10 and had a thickness in the c-axis direction of about 2 mm, high transparency, and good crystallinity. The increase in GaN was 11.4 g, and the film thickness distribution showed that the maximum film thickness increased by 8% relative to the minimum film thickness.
The resistivity of this semiconductor crystal was 0.02 Ω · cm. The electron concentration was 1.5 × 10 18 / cm 3 .
In this embodiment, the center of gravity does not fluctuate and it is possible to swing freely, smoothly and freely. By growing with this apparatus, a very good n-type GaN free-standing substrate having almost no so-called macro defects was obtained. The film thickness distribution was also good, and Ge was uniformly doped throughout the n-type GaN free-standing substrate, improving the in-plane uniformity of electrical characteristics.

本実施例では傾斜方向を回転させるのでなく、1周ごとに反転させる揺動とした。
実施例1と同様に、875℃、4.3MPaで傾斜角度10度を保ったまま、周期1分で1周ごとに回転方向を反転させる揺動を200時間継続して育成を行った。GaNの増量は23.8gであり、膜厚分布は、最低膜厚に対する最高膜厚が11%増であった。また、電気的特性の面内分布が実施例1に比較して向上した。
In this embodiment, the tilting direction is not rotated but the swinging is reversed every round.
In the same manner as in Example 1, while maintaining an inclination angle of 10 degrees at 875 [deg.] C. and 4.3 MPa, growth was continued for 200 hours with a rotation that reverses the direction of rotation every cycle. The increase in GaN was 23.8 g, and the film thickness distribution showed an increase of 11% in the maximum film thickness relative to the minimum film thickness. Further, the in-plane distribution of electrical characteristics was improved as compared with Example 1.

本実施例では傾斜方向の回転を約5倍とした。ロッドの移動速度は最大60mm/秒、この際サーボモータの回転数は1750rpmであった。
実施例1と同様に、875℃、4.0MPaで傾斜角度10度を保ったまま、周期4.6rpmでの回転揺動を200時間継続して育成を行った。GaNの増量は23.7gであり、膜厚分布は、最低膜厚に対する最高膜厚が14%増であった。
In this embodiment, the rotation in the tilt direction is about 5 times. The maximum moving speed of the rod was 60 mm / second, and the rotation speed of the servo motor was 1750 rpm.
In the same manner as in Example 1, while maintaining an inclination angle of 10 degrees at 875 ° C. and 4.0 MPa, the growth was continued for 200 hours while rotating and swinging at a period of 4.6 rpm. The increase in GaN was 23.7 g, and in the film thickness distribution, the maximum film thickness increased by 14% with respect to the minimum film thickness.

〔比較例1〕
比較のため、揺動をしないで、外部容器20を傾斜させずに反応を行った。
即ち、875℃、4.3MPaで実施例1の外部装置20の水平を保ったまま、回転揺動無しで200時間継続して育成を行った。GaNの増量は検出されず、育成が生じなかった。
〔比較例2〕
図1で、構造体に固定されたz’軸を、固定座標系のxz平面内で揺動させるような揺動により、反応を行った。
即ち、図2.Aでサーボモータを有するアクチュエータMA4及びMA2を固定して、構造体に固定されたy’軸を固定座標系のy軸に固定し、y’軸回りの揺動を行った。アクチュエータMA1及びMA3は、周期1分で上下運動をさせた。z軸の最大傾斜角は10度とした。
得られた結晶には面内に約5%のマクロ欠陥が存在し、膜厚分布は20%であり、電気特性の面内分布も実施例1に比較して悪化した。
〔その他〕
その他、ボールネジを油圧ピストンに置き換えると、位置安定性が悪く、構造体の重心がぶれ、スムーズに揺動できなかった。自在継ぎ手を簡易なものに置き換えると異音が発生し、発熱し、滑らかな揺動ができなかった。数値制御による滑らかな速度制御を行わないと、タイムラグが発生し、多角形の回転運動となり、角頂点で一旦停止した。
[Comparative Example 1]
For comparison, the reaction was performed without shaking and without tilting the outer container 20.
That is, the growth was continued for 200 hours without rotating and swinging while keeping the level of the external device 20 of Example 1 at 875 ° C. and 4.3 MPa. No increase in GaN was detected and no growth occurred.
[Comparative Example 2]
In FIG. 1, the reaction was performed by swinging the z ′ axis fixed to the structure in the xz plane of the fixed coordinate system.
That is, FIG. The actuators MA4 and MA2 having servo motors were fixed at A, and the y ′ axis fixed to the structure was fixed to the y axis of the fixed coordinate system, and swinging around the y ′ axis was performed. The actuators MA1 and MA3 moved up and down in a cycle of 1 minute. The maximum inclination angle of the z axis was 10 degrees.
In the obtained crystal, about 5% of macro defects existed in the plane, the film thickness distribution was 20%, and the in-plane distribution of electrical characteristics was also deteriorated as compared with Example 1.
[Others]
In addition, when the ball screw was replaced with a hydraulic piston, the position stability was poor, the center of gravity of the structure was shaken, and it was not possible to swing smoothly. When the universal joint was replaced with a simple one, abnormal noise was generated, heat was generated, and smooth rocking was not possible. If smooth speed control by numerical control is not performed, a time lag occurs, polygonal rotational motion occurs, and it stops once at the corner apex.

〔変形例〕
上記全実施例において、結晶原料である窒素(N)を含有するガスとしては、窒素ガス(N2)、アンモニアガス(NH3)、またはこれらのガスの混合ガスなどを用いることができる。また、所望の半導体結晶を構成するIII族窒化物系化合物半導体の上記の組成式においては、上記のIII族元素(Al,Ga,In)の内の少なくとも一部をボロン(B)やタリウム(Tl)等で置換したり、或いは、窒素(N)の少なくとも一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)などで置換したりすることもできる。
[Modification]
In all the above examples, nitrogen gas (N 2 ), ammonia gas (NH 3 ), or a mixed gas of these gases can be used as the gas containing nitrogen (N) as a crystal raw material. In the above composition formula of the group III nitride compound semiconductor constituting the desired semiconductor crystal, at least a part of the above group III elements (Al, Ga, In) is boron (B) or thallium ( Tl) or the like, or at least part of nitrogen (N) can be replaced with phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), or the like.

本発明は、III族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶を用いた半導体デバイスの製造に有用である。これらの半導体デバイスとしては、例えばLEDやLDなどの発光素子や受光素子等以外にも、例えばFETなどのその他一般の半導体デバイスを挙げることができる。   The present invention is useful for manufacturing a semiconductor device using a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor. Examples of these semiconductor devices include other general semiconductor devices such as FETs in addition to light emitting elements and light receiving elements such as LEDs and LDs.

10:枠状筐体部
20:外部容器
31、32、33、34:シャフト
411、412、421、422、431、432、441、442:自在継ぎ手部
51、52、53、54:継ぎ手
60:基台
61、62、63、64:支持シャフト
C0:基準面(単位円)の初期位置
C0’;揺動中の基準面(単位円)
10: Frame-shaped casing 20: External container 31, 32, 33, 34: Shaft 411, 412, 421, 422, 431, 432, 441, 442: Universal joint part 51, 52, 53, 54: Joint 60: Base 61, 62, 63, 64: Support shaft C0: Initial position of reference plane (unit circle) C0 '; Reference plane (unit circle) during swinging

Claims (4)

反応容器を内蔵した高圧容器、又はそれを更に内蔵した外部容器の揺動装置を用いるIII族窒化物系化合物半導体のフラックス法による結晶成長装置において、
前記揺動装置は、複数個の支持点により前記高圧容器又はそれを内蔵した外部容器を保持可能であって、
前記複数個の支持点を個々に上下運動させる複数個の手段を有し、
前記反応容器に傾斜状態の所望の変化を連続して生じさせることを特徴とする結晶成長装置。
In a crystal growth apparatus by a flux method of a group III nitride compound semiconductor using a high-pressure vessel incorporating a reaction vessel, or an oscillating device of an external vessel further incorporating the reaction vessel,
The rocking device can hold the high-pressure vessel or an external vessel incorporating the high-pressure vessel by a plurality of support points,
A plurality of means for individually moving the plurality of support points up and down;
A crystal growth apparatus characterized in that a desired change in an inclined state is continuously generated in the reaction vessel.
前記複数個の支持点は4個であり、当該4個の支持点を上下運動させる4つの前記手段は、各々、数値制御可能なサーボモータとそれに連動して上下運動するボールねじを有することを特徴とする請求項1に記載の結晶成長装置。 The plurality of support points are four, and each of the four means for moving the four support points up and down includes a numerically controllable servo motor and a ball screw that moves up and down in conjunction therewith. The crystal growth apparatus according to claim 1. 前記反応容器に設けた基準面の法線方向を鉛直方向に対して一定角度に保ったまま、前記基準面の傾斜方向を回転させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の結晶成長装置。 3. The crystal according to claim 1, wherein the tilt direction of the reference surface is rotated while maintaining the normal direction of the reference surface provided in the reaction vessel at a constant angle with respect to the vertical direction. Growth equipment. 前記反応容器に設けた基準面の法線方向を鉛直方向に対して一定角度に保ったまま、前記基準面の傾斜方向を回動させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の結晶成長装置。 The tilt direction of the reference surface is rotated while maintaining the normal direction of the reference surface provided in the reaction vessel at a constant angle with respect to the vertical direction. Crystal growth equipment.
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US7435295B2 (en) * 2004-02-19 2008-10-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for producing compound single crystal and production apparatus for use therein
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